JP5174067B2 - 半導体発光素子 - Google Patents
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Description
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
図1(a)及び図1(b)は、第1の実施形態に係る半導体発光素子の構成を例示する模式図である。
すなわち、図1(b)は、半導体発光素子100の構成を例示する模式的斜視図であり、図1(a)は、図1(b)中に示したIb−Ib線断面図である。
第3半導体層15は、第1半導体層10の発光層30とは反対側に設けられる。第3半導体層15における不純物濃度は、第1半導体層10における不純物濃度よりも低い。
第1電極40は、開口部18を介して第1半導体層10に接する。
図2(a)に表したように、粗面部17に設けられる凹凸17pは、複数の突起を有する。突起は、第3半導体層15の表面が加工されて形成される。
例えば、図示しない基板上に、第3半導体層15、第1半導体層10、発光層30、および第2半導体層20を、第3半導体層15、第1半導体層10、発光層30、および第2半導体層20の順に結晶成長させて積層構造体90を形成する。続いて、第2半導体層20の上面である第2主面20aに、第2電極50を形成し、その上に接着用金属層55を形成する。
すなわち、図3(a)は、本実施形態に係る半導体発光素子100における特性を例示しており、第3(b)は、粗面部17を設けない第1比較例の半導体発光素子110の特性を例示し、図3(c)は、第1半導体層10の表面に粗面部17が設けられた第2比較例の半導体発光素子120の特性を例示している。
このように、本実施形態に係る半導体発光素子100によれば、高効率の半導体発光素子が得られる。
図4(a)及び図4(b)は、第1の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法を例示する工程順模式的断面図である。
まず、p側電極を形成するため、真空蒸着装置を用いて、例えば、Agを200nm、Ptを2nmの膜厚で連続形成する。リフトオフ後に酸素雰囲気中で400℃、1minでシンター処理を行う。そして、p側電極上に接着用金属層55として、例えば、Ni/Auを1000nmの膜厚で形成する。
サファイア基板が剥離された導電性基板上のノンドープGaNバッファ層(第3半導体層15)の一部を除去し、n形コンタクト層(例えば上記のSiドープn形GaNコンタクト層、すなわち、第1半導体層10)を露出させる。このとき、n側電極の段切れを防ぐために、テーパ形状に加工するほうが好ましい。例えば、レジストマスクで塩素ガスを用いたドライエッチングを用いることで、50°のテーパ形状を持つ窪みを形成することができる。
図3(c)に示した第2比較例の半導体発光素子120は、以下のようにして作製される。すなわち、サファイア基板が除去された導電性基板上のノンドープGaNバッファ層をドライエッチングにて除去し、n形コンタクト層を露出させる。露出させたn形コンタクト層の一部を覆うように、リフトオフ法などで、例えばTi/Pt/Au積層膜を例えば500nmの厚さで形成し、パターニングして、n側電極を形成する。その後、n側電極が形成されていないノンドープGaNバッファ層の表面を、KOH溶液によるアルカリエッチングにより加工して凹凸を形成する。
図5に表したように、示す半導体発光素子101では、半導体発光素子100に比べて第3半導体層15が薄い。この場合も薄い第3半導体層15に複数の突起(凹凸17p)が設けられている。例えば、凹凸17pの底部が第1半導体層10に近接しており、例えば凹凸17pの底部は第1半導体層10に接しても良い。このような半導体発光素子101においても、高効率が実現できる。
これらの図では、粗面部17及び第1電極40の構成が半導体発光素子100とは異なっている。
図7に表したように、半導体発光素子200は、積層構造体90の側面に設けられた誘電体膜32をさらに備える。半導体発光素子200においては、例えば、第2電極50をパターニングし、サファイア基板を除去した後に、積層構造体90に素子分離溝35が形成され、積層構造体90の側面に誘電体膜32が形成される。
まず、積層構造体90を形成した後に、p側電極を形成する際、この後形成する素子分離溝幅よりも狭くなるように、リフトオフ法にてp側電極をパターニングする。リフトオフ後に酸素雰囲気中で400℃、1minでシンター処理を行う。そして、p側電極上を含むp形GaN層側の主面全体に接着用金属層55として、例えば、Ni/Auを1000nmの膜厚で形成する。
これにより、図7に例示した半導体発光素子200が作製される。
図8(a)及び図8(b)は、第2の実施形態に係る半導体発光素子の構成及び特性を例示する模式図である。
すなわち、図8(a)は、半導体発光素子400の構造を例示する模式的断面図であり、図8(b)は、半導体発光素子400の特性を示す模式図である。
まず、p側電極を形成する前に、n側電極を形成する領域の直下の領域(必要に応じてその周辺、すなわち、例えばn側電極直下から20μm程度離れた領域を含んでも良い)の、p形GaN層を露出させるレジストマスクを形成し、その状態で第2半導体層20に例えばO2アッシャー処理を行う。その後は第1の実施形態と同様に、p側電極形成からサファイア基板除去までを行う。
すなわち、図9(a)は、半導体発光素子450の構成を例示する模式的断面図であり、図9(b)は、半導体発光素子450の特性を例示する模式図である。
すなわち、本製造方法は、第1導電型の第1半導体層10と、第2導電型の第2半導体層20と、第1半導体層10と第2半導体層20との間に設けられた発光層30と、第1半導体層10の発光層30とは反対側に設けられ、第1半導体層10よりも不純物濃度が低い第3半導体層15を含む積層構造体90を有する半導体発光素子の製造方法である。
さらに、サファイア基板5を分離した後に露出する第3半導体層15の表面に、発光層30から放射される発光光のピーク波長の第3半導体層15における波長よりも大きい凹凸17pを形成する。
本具体例では、第1の実施形態に係る半導体発光素子100が用いられているが、半導体発光装置には上記の実施形態に係る任意の半導体発光素子を用いることができる。
半導体発光装置500は、半導体発光素子100と、蛍光体と、を組み合わせた白色LEDである。すなわち、本実施形態に係る半導体発光装置500は、半導体発光素子100と、前記半導体発光素子から放出された光を吸収し、前記光とは異なる波長の光を放出する蛍光体と、を備える。
図10に表したように、本実施形態に係る半導体発光装置500では、セラミック等からなる容器72の内面に反射膜73が設けられており、反射膜73は容器72の内側面と底面に分離して設けられている。反射膜73は、例えばアルミニウム等からなるものである。このうち容器72の底部に設けられた反射膜73の上に、半導体発光素子100がサブマウント74を介して設置されている。
赤色蛍光体としては、例えばY2O3、YVO4、Y2(P,V)O4等を母材として用いることができ、これに3価のEu(Eu3+)を付活物質として含ませる。すなわち、Y2O3:Eu3+、YVO4:Eu3+等を赤色蛍光体として用いることができる。Eu3+の濃度は、モル濃度で1%〜10%とすることができる。
緑色蛍光体としては、例えば3価のTbを発光中心とするY2SiO5:Ce3+,Tb3+を用いることができる。この場合、CeイオンからTbイオンへエネルギーが伝達されることにより励起効率が向上する。緑色蛍光体としては、例えば、Sr4Al14O25:Eu2+等を用いることができる。
また、樹脂として、例えば、シリコン樹脂等を用いることができる。特に、3価のTbは、視感度が最大となる550nm付近に鋭い発光を示すので、3価のEuの鋭い赤色発光と組み合わせると発光効率が著しく向上する。
また、第2蛍光体層82に含まれる青色、緑色、黄色の蛍光体が、効率良く励起され、青色、緑色、黄色の可視光を効率良く得ることができる。さらに、これらの混色として、白色光やその他様々な色の光を、高効率でかつ演色性良く得ることが可能である。
半導体発光装置500によれば、高効率の半導体発光装置が得られる。
また、各具体例のいずれか2つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
Claims (12)
- 第1導電型の第1半導体層と、
第2導電型の第2半導体層と、
前記第1半導体層と前記第2半導体層との間に設けられた発光層と、
前記第1半導体層の前記発光層とは反対側に設けられ、前記第1半導体層よりも不純物濃度が低く、前記第1半導体層の一部を露出させる開口部を有する第3半導体層と、
前記開口部を介して前記第1半導体層に接する第1電極と、
を備え、
前記第3半導体層は、前記第1半導体層とは反対側の面に設けられ、前記発光層から放射される発光光のピーク波長の前記第3半導体層における波長よりも大きい凹凸を有する粗面部をさらに有し、
前記第1半導体層は、前記1半導体層の前記第1電極に接する領域に設けられ、前記粗面部の前記凹凸よりも小さい第1半導体層凹凸を有することを特徴とする半導体発光素子。 - 前記粗面部は、複数の突起を有し、前記複数の突起の少なくともいずれかの前記第1半導体層から前記第2半導体層に向かう積層方向に対して垂直な方向に沿った最大の幅は、前記発光層から放出される前記発光光の前記ピーク波長の前記第3半導体層における前記波長よりも広いことを特徴とする請求項1記載の半導体発光素子。
- 前記最大の前記幅は、前記第3半導体層中における前記波長の2倍よりも広いことを特徴とする請求項2記載の半導体発光素子。
- 前記第2半導体層の前記発光層とは反対側の第2主面に設けられた第2電極をさらに備え、
前記第2電極は、前記発光層から放出された光を前記第2電極から前記第3半導体層の方向に向かって反射することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1つに記載の半導体発光素子。 - 前記第2半導体層の前記発光層とは反対側の第2主面に設けられ、Agを含む第2電極をさらに備えたことを特徴とする請求項1〜4のいずれか1つに記載の半導体発光素子。
- 前記第1電極は、AlまたはAl合金を含むことを特徴とする請求項1〜5のいずれか1つに記載の半導体発光素子。
- 前記第1電極は、Siをさらに含むことを特徴とする請求項6記載の半導体発光素子。
- 前記開口部は、前記第1半導体層から前記第3半導体層に向かう方向に沿って拡開することを特徴とする請求項1〜7のいずれか1つに記載の半導体発光素子。
- 前記第2半導体層の前記発光層とは反対の側に設けられ、前記第2半導体層と電気的に接続された導電性基板をさらに備えたことを特徴とする請求項1〜8のいずれか1つに記載の半導体発光素子。
- 前記第1半導体層、前記発光層及び前記第2半導体層の側面に設けられた誘電体膜をさらに備えることを特徴とする請求項1〜9のいずれか1つに記載の半導体発光素子。
- 前記第1導電型はn形であり、前記第2導電型はp形であることを特徴とする請求項1〜10のいずれか1つに記載の半導体発光素子。
- 前記発光層から放出される光の空気中のピーク波長は、370ナノメートル以上400ナノメートル以下であることを特徴とする請求項1〜11のいずれか1つに記載の半導体発光素子。
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