JP5025199B2 - Iii族窒化物半導体発光素子 - Google Patents
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この割合は27%でありこの効果により光取出し効率は大きく制限される。
界面での全反射による光取出しの制限を回避するには、界面を粗面化する方法(例えば特許文献1参照)や素子形状を加工して別の面のEscape Coneを利用する方法が知られている(例えば特許文献2参照)。
ダメージの少ない加工法としてのウェットエッチングについても知られているが(例えば特許文献3および4参照)、これらの各素子の分割切断面は垂直となっている。
また、これを半導体層のほぼ全面に形成された透光性の電極を用いた場合だけではなく、櫛型や格子、ドット状の電極においても効果を発揮できるようにすることを目的とする。
(1)基板と、基板上に積層された発光層を含む窒化物半導体層とを含む窒化物半導体発光素子であって、該窒化物半導体層の側面が基板主面の法線に対して傾斜していることを特徴とする窒化物半導体発光素子。
図1は本発明の窒化物半導体発光素子における光の進行の一例を模式的に示す断面図で、窒化物半導体層の側面が基板の主面に対して外側に傾斜している(窒化物半導体層の断面形状が基板側に向けて狭くなるように傾斜している)場合である。図2は本発明の別の態様の窒化物半導体発光素子における光の進行の一例を模式的に示す断面図で、窒化物半導体層の側面が基板の主面に対して内側に傾斜している(窒化物半導体層の断面形状が基板側に向けて広くなるように傾斜している)場合である。図3は従来の窒化物半導体発光素子における光の進行の一例を模式的に示す断面図で、半導体層の側面が基板の主面に対して垂直となっている場合である。
図3は従来の窒化物半導体発光素子であるが、例えばA点で発光した光が矢線のように進行した場合、半導体層の側面に入射した光が臨界角以上であると光はそこで反射し、さらに半導体層と基板の界面でも反射する。その結果、光は何度も反射を繰り返して半導体層内を進行し、吸収されて減衰する。この結果、光の取り出し効率は下がる。
そこで、溝の位置を電極が形成されている領域としないことが望ましい。これにより、電極材料によるリークを防ぐことができる。
特に、発光している領域が溝の近くにあることで、光の取出しが良くなるため、溝の周囲には正極を配置することが望ましい。
その場合に、櫛型電極や格子電極を採用することで、駆動電圧の低減を実現できるため、本発明の溝加工を組み合わせることで、光の取り出しの効率をも増大させることが可能となる。
溝は、複数箇所あることが望ましいことは言うまでもない。溝の密度が上がることで、光の取り出しの効果を増大することができる。しかし、溝を余りにもたくさん作製してしまうことは、電極の面積を圧迫し、発光それ自体を低下させてしまう可能性を持つ。
また溝の合計の面積で表すと、溝の面積(層表面での面積の合計)は、電極を含めた半導体層の表面積の3〜50%程度が好ましい。
好ましくは窒化物半導体層内の転位密度を基板に対して垂直方向に厚さ1.0μmあたり100cm-2以上1000cm-2以下の割合で基板から半導体層の成長方向にむけて減少、又は増加させることで実現可能である。
このようにして窒化物半導体層の成長諸条件を任意に制御することにより、前記窒化物半導体層内に存在する転位の密度を任意に制御することが可能である。前記手法を用いれば、基板面から成長方向に沿って転位密度の変化率を任意に変えることも可能であり、基板面から窒化物半導体層成長方向に転位密度を減らすことも増やすことも可能である。後述する通り、転位密度が高い場合面方向へのエッチングレートが高くなり、転位密度が低い場合面方向へのエッチングレートが低くなるので、従って本発明を用いることにより、成長方向に沿って窒化物半導体層内の転位密度を一旦減らしてから増やすことで窒化物半導体の側面を真ん中が外側に膨らんだような傾斜加工したり、逆に成長方向に沿って窒化物半導体層内の転位密度を一旦増やしてから減らすことで真ん中が内側にへこんだような傾斜加工したりすることが可能になる。更に前記手法を繰り返し用いれば、容易に窒化物半導体側面を複数段の凹凸斜面形状となるように加工出来ることは言うまでもない。
透光性の正極材料としては、Pt、Pd、Au、Cr、Ni、Cu、Coなどを含んでも良い。また、その一部が酸化されている構造とすることで、透光性が向上することが知られている。反射型の正極材料としては、上記の材料の他に、Rh、Ag、Alなどを用いることができる。
また、金属を一切含まず、導電性の酸化物で電極を形成することも可能である。ITOなどの導電性の酸化物による透明電極などは、接触抵抗を下げることが可能で、望ましい。
最後に、形成した凹部(割溝)に沿ってウェハを各発光素子に分割する。
本発明による実施例を以下に示す。本実施例で作製した発光素子のウェハの平面模式図を図7に示す。図中、10は発光素子の集合体(ウェハ)、101は正極パッド、102は透光性の正極、103は負極、104は個々の発光素子の境界、105は窒化物半導体層を除去するラインである。
条件を変更した本発明の実施例について示す。
基板上の窒化物半導体層の成長においてn型層の成長温度を実施例1より50℃高くする事で、窒化物半導体層内の転位密度を基板に対して垂直方向に厚さ1.0μmあたり10cm-2の割合で半導体の成長方向に向けて減少させた。その他の成長条件は実施例1と同じである。尚、本実施例では成長温度を変化させる事で、転位密度分布を制御したが、原料供給量比や成長速度、成長圧力など成長に関する諸条件を変化させることで、同様に転位密度分布を制御することが出来る。その後の電極の形成と窒化物半導体層の除去と素子分離と評価は実施例1と同様に行った。
分離した素子の出力を評価したところ7.0mWであった。形成された窒化物半導体層側面の法線の基板主面の法線に対する傾き角度(θ1)は100度であった。
比較のためにウェットエッチングを実施しない場合の例を示す。
実施例1と同じ条件で窒化物半導体層の成長と窒化物半導体層の除去を行った。割溝作成後、ウェットエッチングを実施しないで素子分離を行った。分離した発光素子の基板側面は基板主面に対し垂直であった。
分離した発光素子の出力を評価したところ5.1mWであった。また素子の窒化物半導体層側面の角度は垂直に割れた基板側面と略同じ法線を持っていた。
本発明による実施例を以下に示す。本実施例においては、図8に示す1mm角の平面に4本の溝を有する発光素子を作製した。図中、210が溝であり、212は負極、214は正極透明電極、215は正極パッドである。
基板としてサファイア(Al2O3)C面基板を用い、実施例2と同一条件で窒化物半導体層を形成した。
発光素子の平面形状を図9に示したようなパターンとしたほかは、実施例3と同様にして発光素子を作製した。図中、210が溝であり、212は負極、214は正極透明電極、215は正極パッドである。
個々に分離した発光素子の出力を積分球で評価したところ350mAの通電に対して220mWであった。また断面を形成して、溝および割溝側面をSEMにより観察したところ、窒化物半導体層の側面の法線と基板主面の法線との図1に示す傾き角度(θ1)は110度であった。
比較のためにウェットエッチングを実施しない場合の例を示す。
実施例3と同じ条件で窒化物半導体層の成長と窒化物半導体層の除去を行った。
溝および割溝作製後、ウェットエッチングを実施しないで素子分離を行った。分離した素子の溝および割溝の側面は基板主面に対し垂直であった。
分離した素子の出力を評価したところ実施例3と同じ電流量の通電で、120mWであった。また窒化物半導体層側面の角度は垂直に割れた基板側面と略同じ法線を持っていた。
これらの実施例ではさらに色々な形状の窒化物半導体発光素子を作製して特性を比較した。これらのチップデザインは、350μm角のチップの4倍の面積のチップを狙った。図10、11および12は、それぞれ実施例5、7および9で作製した発光素子の平面模式図である。図中、210が溝であり、212は負極、214は正極透明電極、215は正極パッドである。実施例6、8および10は溝210を形成しなかったことを除いて、それぞれ実施例5、7および9と同一である。
得られた発光素子を実施例3と同様に評価し、結果を表1に示した。実施例5と6、実施例7と8および実施例9と10をそれぞれ比較すると、いずれの場合も、発光素子表面に溝を形成することによって、発光出力が5%前後も増加していることが判る。
101 正極パッド
102 透光性の正極
103 負極
104 個々の素子の境界
105 窒化物半導体層を除去するライン
201 基板
202 窒化物半導体層
203 光の進行矢線
204、206 窒化物半導体層の側面の法線
205 基板主面の法線
207、208 窒化物半導体層の側面
210、211 溝
212 負極
214 正極透明電極
215 正極パッド
301 基板
302 窒化物半導体層
303 転位
Claims (23)
- 基板と、基板上に積層された発光層を含むIII族窒化物半導体層とを含むIII族窒化物半導体発光素子であって、該III族窒化物半導体層の側面が基板主面の法線に対して傾斜しており、発光素子表面の電極が形成されていない領域のIII族窒化物半導体層に溝が形成されており、該溝の側面の法線が基板主面の法線に対して垂直でない形状を持ち、電極は負極と正極が交互に入り組んだ櫛型電極であり、該溝を挟んで負極または正極のいずれか一方の同じ極性の電極が形成されており、その更に外側には該溝に近い電極とは反対の極性の電極が形成されていることを特徴とするIII族窒化物半導体発光素子。
- 基板と、基板上に積層された発光層を含むIII族窒化物半導体層とを含むIII族窒化物半導体発光素子であって、該III族窒化物半導体層の側面が基板主面の法線に対して傾斜しており、発光素子表面の電極が形成されていない領域のIII族窒化物半導体層に溝が形成されており、該溝の側面の法線が基板主面の法線に対して垂直でない形状を持ち、電極は負極または正極どちらかの電極を格子状に配置した格子電極であり、該溝が該格子電極の隙間に当たる部分に形成されており、該格子電極の外側には反対の極性の電極が形成されていることを特徴とするIII族窒化物半導体発光素子。
- III族窒化物半導体層の断面形状が基板側に向けて狭くなるように傾斜していることを特徴とする請求項1または2に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
- III族窒化物半導体層の側面の法線と基板主面の法線とのなす角度θ1が100度以上175度以下であることを特徴とする請求項3に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
- III族窒化物半導体層の側面の法線と基板主面の法線とのなす角度θ1が110度以上170度以下であることを特徴とする請求項4に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
- III族窒化物半導体層の側面の法線と基板主面の法線とのなす角度θ1が120度以上160度以下であることを特徴とする請求項5に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
- III族窒化物半導体層内の転位密度が、基板から半導体層の成長方向に向けて減少していることを特徴とする請求項3〜6のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
- III族窒化物半導体層内の転位密度が、基板に対して垂直方向において、基板から半導体層の成長方向に向けて厚さ1.0μm当たり10cm-2〜10000cm-2の割合で減少していることを特徴とする請求項7に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
- III族窒化物半導体層内の転位密度が、基板に対して垂直方向において、基板から半導体層の成長方向に向けて厚さ1.0μm当たり100cm-2〜1000cm-2の割合で減少していることを特徴とする請求項8に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
- III族窒化物半導体層の断面形状が基板側に向けて広くなるように傾斜していることを特徴とする請求項1または2に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
- III族窒化物半導体層の側面の法線と基板主面の法線とのなす角度θ2が5度以上80度以下であることを特徴とする請求項10に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
- III族窒化物半導体層の側面の法線と基板主面の法線とのなす角度θ2が10度以上70度以下であることを特徴とする請求項11に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
- III族窒化物半導体層の側面の法線と基板主面の法線とのなす角度θ2が20度以上60度以下であることを特徴とする請求項12に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
- III族窒化物半導体層内の転位密度が、基板から半導体層の成長方向に向けて増加していることを特徴とする請求項10〜13のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
- III族窒化物半導体層内の転位密度が、基板に対して垂直方向において、基板から半導体層の成長方向に向けて厚さ1.0μm当たり10cm-2〜10000cm-2の割合で増加していることを特徴とする請求項14に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
- III族窒化物半導体層内の転位密度が、基板に対して垂直方向において、基板から半導体層の成長方向に向けて厚さ1.0μm当たり100cm-2〜1000cm-2の割合で増加していることを特徴とする請求項15に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
- 上記溝が、2箇所以上であることを特徴とする請求項1〜16のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
- 上記溝の深さが、発光層を横切る深さであることを特徴とする請求項1〜17のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
- 上記溝の表面における面積が、電極面を含めた発光素子の表面の面積に対し3〜50%であることを特徴とする請求項1〜18のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
- 発光素子の表面での一辺の長さが、500μm以上であることを特徴とする請求項1〜19のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
- 基板がサファイア(Al 2 O 3 )であることを特徴とする請求項1〜20のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
- 基板が炭化珪素(SiC)であることを特徴とする請求項1〜20のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
- 基板が珪素(Si)であることを特徴とする請求項1〜20のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
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