JP5038382B2 - 半導体発光素子 - Google Patents

Description

本発明は半導体発光素子に関するもので、特に、表面プラズモン共鳴を利用して発光効率が向上する半導体発光素子に関する。

一般的に、窒化物半導体はフルカラーディスプレイ、イメージスキャナ、各種信号システム及び光通信機器に光源として提供される緑色または青色発光 ダイオード（ｌｉｇｈｔ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅ：ＬＥＤ）またはレーザーダイオード（ｌａｓｅｒ ｄｉｏｄｅ：ＬＤ）に広く使用されている。このような窒化物半導体発光素子は、電子と正孔の再結合原理を利用する青色及び緑色を含む多様な光が放出する活性層を有する発光素子として提供することができる。

このように窒化物発光素子が開発された後、多くの技術的発展を成し、その活用範囲が拡大して一般照明及び電装用光源として多くの研究がされている。特に、従来、窒化物発光素子は主に低電流／低出力のモバイル製品に適用される部品として使用されたが、最近では次第にその活用範囲が高電流／高出力分野へと拡大されつつある。

このように、ＬＥＤが高電流／高出力分野において要求されるに従い、当技術分野では発光特性の向上のための研究が続いており、このような研究は主に多重量子井戸構造（ＭＱＷ）の成長条件や量子井戸層、量子障壁層の結晶性の向上に焦点を合わせている。しかしこのような研究は、量子障壁層と量子井戸層の間のエネルギーバンドギャップ内に拘束された運搬子による発光効果を向上させるものとして内部量子効率を高めるのには限界がある。

本発明の一目的は、表面プラズモン共鳴を利用して発光効率が向上された半導体発光素子を提供することにある。

上記の技術的課題を実現するために、本発明の一実施形態は、
ｎ型及びｐ型半導体層と、これらの間に形成された活性層、及び上記ｎ型及びｐ型半導体層のうち少なくとも１つと上記活性層の間に形成され、金属粒子及び絶縁物質を具備するが、上記金属粒子が上記絶縁物質により上記ｎ型及びｐ型半導体層のうち少なくとも１つの方向に密封された構造で、上記ｎ型及びｐ型半導体層のうち少なくとも１つと上記活性層の間の電気導通のための導電性ビアを具備する表面プラズモン層を含む半導体発光素子を提供する。

本発明の一実施例において、上記金属粒子の表面プラズモンと上記活性層から放出された光は共鳴を引き起こすことができ、この場合、上記金属粒子は上記活性層から５０ｎｍ以下の距離に配置されるのが好ましい。

本発明の一実施例において、上記金属粒子は、上記ｎ型及びｐ型半導体層の方向へ上記絶縁物質により密封することができる。

本発明の一実施例において、上記金属粒子は複数であり、ナノサイズのパーティクルであることができる。

本発明の一実施例において、上記金属粒子は薄膜形状を有することができる。

本発明の一実施例において、上記表面プラズモン層の導電性ビアは、半導体物質で満たされることができる。この場合、上記半導体物質は上記ｎ型半導体層を成す物質と同一の物質から成ることができる。

本発明の一実施例において、上記表面プラズモン層は、上記ｎ型半導体層と上記活性層の間及び上記ｐ型半導体層と上記活性層の間の両方に形成されることができる。

本発明の一実施例において、上記金属粒子はＡｇ、Ａｌ、Ａｕ、Ｐｔ及びＣｕで構成されたグループから選ばれた物質を有することができる。

本発明の一実施例において、上記表面プラズモン層の厚さは０．１〜５００ｎｍであることができる。

本発明の一実施例において、上記絶縁物質はシリコン酸化物またはシリコン窒化物から成ることができる。

本発明によると、表面プラズモン共鳴を利用して発光効率が向上された半導体発光素子を得ることができる。特に、本発明による半導体発光素子を使用する場合、表面プラズモン共鳴のために採用される金属が活性層の内部に拡散されることを最小化することができる。

本発明の一実施形態による半導体発光素子を示す断面図である。 図１において表面プラズモン層として採用することができる構造をより詳細に示したものである。 図１において表面プラズモン層として採用することができる構造をより詳細に示したものである。 図１において表面プラズモン層として採用することができる構造をより詳細に示したものである。 本発明の他の実施形態による半導体発光素子を示す断面図である。 本発明の他の実施形態による半導体発光素子を示す断面図である。 本発明のさらに他の実施形態による半導体発光素子を示す断面図である。

以下、添付の図面を参照して本発明の好ましい実施形態を説明する。

しかし、本発明の実施形態は様々な他の形態に変形されてもよく、本発明の範囲が以下で説明する実施形態に限定されるものではない。また、本発明の実施形態は、当該技術分野において平均的な知識を有する者に本発明をさらに完全に説明するために提供されるものである。従って、図面における要素の形状及び大きさ等は、明確な説明のために誇張されることがあり、図面上の同一の符号で表示される要素は同一の要素である。

図１は、本発明の一実施形態による半導体発光素子を示す断面図であり、図２乃至図４は、図１において表面プラズモン層として採用することができる構造をより詳細に示したものである。図１を参照すると、本実施形態による半導体発光素子１００は半導体単結晶成長用基板１０１、ｎ型半導体層１０２、表面プラズモン層１０３、活性層１０４及びｐ型半導体層１０５を具備し、上記ｎ型及びｐ型半導体層１０２、１０５には夫々ｎ型及びｐ型電極１０６ａ、１０６ｂが形成されている。

上記半導体単結晶成長用基板１０１は、サファイア、Ｓｉ、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、ＳｉＣ、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４、ＭｇＯ、ＬｉＡｌＯ_２、ＬｉＧａＯ_２、ＧａＮの物質から成る基板を使用することができる。この場合、サファイアは六角−菱面形（Ｈｅｘａ−Ｒｈｏｍｂｏ Ｒ３ｃ）対称性を有する結晶体で、ｃ軸及びａ軸方向の格子定数が夫々１３．００１Åと４．７５８Åであり、Ｃ（０００１）面、Ａ（１１２０）面、Ｒ（１１０２）面等を有する。この場合、上記Ｃ面は比較的窒化物薄膜の成長が容易であり、高温において安定しているため、特に、窒化物半導体の成長用基板として主に使用される。

上記ｎ型及びｐ型半導体層１０２、１０５は、窒化物半導体、即ち、Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{（１−ｘ−ｙ）}Ｎ組成式（ここで、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１である）を有するｎ型不純物及びｐ型不純物がドーピングされた半導体物質から成ることができ、代表として、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮがある。また、上記ｎ型不純物としてＳｉ、Ｇｅ、Ｓｅ、Ｔｅ等が使用することができ、上記ｐ型不純物としてはＭｇ、Ｚｎ、Ｂｅ等が代表的である。上記ｎ型及びｐ型半導体層１０２、１０５は、当技術分野において公知のＭＯＣＶＤ、ＨＶＰＥ工程等で成長させることができる。

上記ｎ型及びｐ型半導体層１０２、１０５の間に形成された活性層１０４は、電子と正孔の再結合により所定のエネルギーを有する光を放出し、インジウム含量によりバンドギャップエネルギーが調節されるようにＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）等の物質から成ることができる。この場合、上記活性層１０４は、量子障壁層と量子井戸層が交互に積層された多重量子井戸（ＭＱＷ）構造で成ることができる。

上記表面プラズモン層１０３は、上記活性層１０４に隣接して形成され、具体的に上記ｎ型半導体層１０２と活性層１０４の間に形成される。但し、後述するように、上記表面プラズモン層１０３は、上記ｐ型半導体層１０５と活性層１０４の間にも形成されることができる。図２を参照すると、上記表面プラズモン層１０３は、上記活性層１０４から放出された光と表面プラズモン共鳴を起こすことができる金属粒子Ｍを具備するが、上記金属粒子Ｍはナノパーティクル形状を有し、シリコン酸化物やシリコン窒化物等の絶縁物質Ｉにより密封されている。

このように、絶縁物質Ｉが上記ｎ型半導体層１０２と活性層１０４の間に介在することにより、上記表面プラズモン層１０３にはこれを貫通する導電性ビア１０７が形成され、上記導電性ビア１０７は、電気的導体物質であればどのような物質を利用してもよく、特に、上記ｎ型半導体層１０２と同じ物質から成ることができる。この場合、上記導電性ビア１０７は、上記ｎ型半導体層１０２の継続的な成長、特に、軸方向の成長で形成することができ、これにより、窒化物半導体の結晶性の向上に役立つことができる。一方、本実施形態においては、ナノパーティクルの金属粒子Ｍを全体的に絶縁物質Ｉが取り囲んでいる構造を説明したが、夫々の金属粒子Ｍがコアとなるように金属粒子Ｍの表面に絶縁物質Ｉがコーティングされた構造も使用することができる。

一方、本実施形態で利用する表面プラズモン共鳴について説明すると、先ず、表面プラズモン（Ｓｕｒfａｃｅ Ｐｌａｓｍｏｎ）は、金属と誘電体の境界面に沿って進行する電磁気波の一種である。特定波長の光が金属に照射される場合、大部分の光エネルギーが自由電子に転移される共鳴現象が起きることができ、これを表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）と言う。このような表面プラズモン共鳴が起きるための条件としては入射光の波長、金属と接する物質の屈折率等があり、特に、発光層と金属薄膜の間の距離が重要である。具体的に、上記金属粒子Ｍは、活性層１０４から約５０ｎｍ以下の距離に配置される場合、表面プラズモン共鳴による発光効率の向上を期待することができる。これを考慮して、上記表面プラズモン層１０３の厚さ（ｔ）は、約０．１〜５００ｎｍの範囲で採用することができる。

上記金属粒子Ｍは、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｐｔ、Ｃｕ等のような外部刺激により電子の放出が容易で、陰の誘電定数を有する金属が主に使用することができる。これらの中で最も鋭利な表面プラズモン共鳴ピークを見せるＡｇと、優れた表面安定性を表すＡｕが普遍的に選ばれることができ、それと共に、上記の金属の合金も上記金属粒子Ｍを成す物質として使用することができる。

本実施形態のように、表面プラズモン共鳴のための金属粒子Ｍを絶縁物質で 密封することによって半導体単結晶の成長過程において金属粒子Ｍの拡散、特に、活性層１０４への拡散を防ぐことができる。これにより、表面プラズモン共鳴によって発光効率を大きく向上させるとともに、活性層１０４内における欠陥の発生と漏洩電流の発生を減らすことができ、これは発光効率の向上にさらに役立つ。これとともに、表面プラズモン共鳴を利用するために金属層をｐ型半導体層１０５上に形成する場合、ｐ型半導体層１０５の厚さの減少により電気的な特性が低下するという問題が発生することがあり、本実施形態においては活性層１０４に隣接して表面プラズモン層１０３を形成することによってこのような問題を防ぐことができる。

一方、図２の場合とは異なり金属粒子Ｍはナノパーティクルではない薄膜形態で形成されてもよい。即ち、図３に図示された変形された表面プラズモン層１０３’の場合、金属粒子Ｍは蒸着等の方法で薄膜形態で形成されることができ、このような薄膜金属粒子Ｍを取り囲むように薄膜形態の絶縁物質Ｉが形成される。金属粒子Ｍが活性層１０４へ拡散されることを最小化するために図３の場合には絶縁物質Ｉが活性層１０４方向へのみ形成されているが、図４の表面プラズモン層１０３’’のように、ｎ型及びｐ型半導体層１０２、１０５の両方向に絶縁物質Ｉにより密封されてもよい。

図５及び図６は、夫々本発明の他の実施形態による半導体発光素子を示す断面図である。図５に図示された実施形態による半導体発光素子２００は、半導体単結晶成長用基板２０１、ｎ型半導体層２０２、表面プラズモン層２０３、活性層２０４及びｐ型半導体層２０５を具備し、上記ｎ型及びｐ型半導体層２０２、２０５には夫々ｎ型及びｐ型電極２０６ａ、２０６ｂが形成されている。図１の実施形態と異なる点は、上述したように、表面プラズモン層２０３がｐ型半導体層２０５と活性層２０４の間に形成されるということである。また、図６に図示された実施形態による半導体発光素子３００は、半導体単結晶成長用基板３０１、ｎ型半導体層３０２、表面プラズモン層３０３ａ、３０３ｂ、活性層３０４及びｐ型半導体層３０５を具備し、上記ｎ型及びｐ型半導体層３０２、３０５には夫々ｎ型及びｐ型電極３０６ａ、３０６ｂが形成されている。本実施形態の場合、表面プラズモン層３０３ａ、３０３ｂは上記活性層３０４の上下に隣接して２個の層で採用され、表面プラズモン共鳴による発光効率向上の効果を極大化することができる。

一方、上述した実施形態の場合には、ｎ型及びｐ型電極が同一の方向に向かうように配置された水平型半導体素子構造を例示したが、本発明はこれに限定されず垂直構造の半導体素子にも適用されることができる。即ち、図７に図示された実施形態のように、半導体発光素子４００は異種極性の電極が積層方向に並んで位置した垂直電極構造を有し、ｎ型半導体層４０２、表面プラズモン層４０３ａ、４０３ｂ、活性層４０４、ｐ型半導体層４０５及び導電性基板４０６を具備する。この場合、半導体単結晶成長用基板はレーザーリフトオフ等の工程により除去され、除去工程の後のｎ型半導体層４０２の露出面にはｎ型電極４０７が形成される。同一の名称の要素は先の実施形態と同一のものとして理解されるので、上記導電性基板４０６に関してのみ説明する。

上記導電性基板４０６は、ｐ型電極の役割をすると共にレーザーリフトオフ等の工程において発光構造物、即ち、ｎ型半導体層４０２、表面プラズモン層４０３ａ、４０３ｂ、活性層４０４及びｐ型半導体層４０５を支持する支持体の役割を行う。この場合、上記導電性基板４０６はＳｉ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｕ、Ｗ、Ｔｉ等の物質からなることができ、選ばれた物質に応じて、メッキまたはボンディング接合等の方法で形成されることができる。一方、別途に図示してはいないが、上記ｐ型窒化物半導体層４０５と導電性基板４０６の間にはオーミックコンタクト機能と光反射機能を行う反射金属層が介在することができる。

本発明は上述した実施形態及び添付の図面により限定されるものではなく、添付の請求範囲により限定される。従って、請求範囲に記載された本発明の技術的思想を外れない範囲内において多様な形態の置換、変形及び変更が可能であるということは当技術分野の通常の知識を有する者には自明であり、これも添付の請求範囲に記載された技術的思想に属する。

１０１ 半導体単結晶成長用基板
１０２ ｎ型半導体層
１０３ 表面プラズモン層
１０４ 活性層
１０５ ｐ型半導体層
１０６ａ ｎ型電極
１０６ｂ ｐ型電極
４０６ 導電性基板

Claims (10)

1. n型及びp型半導体層と、これらの間に形成された活性層と、
   前記n型及びp型半導体層のうち少なくとも1つと前記活性層の間に形成され、金属物質、少なくとも前記金属物質と前記活性層の間に形成されて前記金属物質を前記活性層に対して密封する絶縁物質及び前記絶縁物質を貫通する導電性ビアを具備する表面プラズモン層と、
   を含む半導体発光素子。
2. 前記金属物質は、前記活性層から５０ｎｍ以下の距離に配置されたことを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
3. 前記金属物質は、ナノサイズのパーティクルの形態で提供されることを特徴とする請求項1に記載の半導体発光素子。
4. 前記金属物質は薄膜形状を有することを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
5. 前記表面プラズモン層の導電性ビアは、半導体物質で満たされたことを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
6. 前記半導体物質は、前記ｎ型半導体層を成す物質と同一の物質から成ることを特徴とする請求項５に記載の半導体発光素子。
7. 前記表面プラズモン層は、前記ｎ型半導体層と前記活性層の間及び前記ｐ型半導体層と
   前記活性層の間の両方に形成されたことを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
8. 前記金属物質は、Ａｇ、Ａｌ、Ａｕ、Ｐｔ及びＣｕで構成されたグループから選ばれた物質を有することを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
9. 前記表面プラズモン層の厚さは、０．１〜５００ｎｍであることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
10. 前記絶縁物質は、シリコン酸化物またはシリコン窒化物から成ることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。

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