JP5224154B2 - 半導体素子 - Google Patents
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すなわち、窒化ガリウム系化合物半導体からなる第一導電型コンタクト層と発光層と第二導電型コンタクト層とが積層され、さらに前記第二導電型コンタクト層上に光透過性電極が形成される窒化ガリウム系化合物半導体発光素子であって、前記第二導電型コンタクト層に前記光透過性電極側から窪む凹部が複数個形成されることを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体発光素子である。
特許文献1には、この窒化ガリウム系化合物半導体発光素子によれば、発光層から発せられた光のうち横方向へ進む光が凹部から発光素子外部へ取り出されるため全体として光取り出し効率が向上する、と記載されている。
そこで、本発明は、光取り出し効率を向上させることができる、上記従来とは異なる半導体素子を提供することを目的とする。
る半導体層に複数の孔(フォトニック結晶構造の凹部を除く。)を備え、前記孔が少なく
とも前記基板の表面に略達する深さを有する、ことを特徴とする半導体素子である。
る、ことを特徴とする第1の発明に係る半導体素子である。
るように複数配置されている、ことを特徴とする第1の発明〜第3の発明のいずれか1つ
に係る半導体素子である。
に水平に、前記発光部を横切る任意の直線を描いた場合に、この直線が前記孔を横切る、
ことを特徴とする第1の発明〜第3の発明のいずれか1つに係る半導体素子である。
え、かつ、前記孔の内部の上方に入り込んでいる封止部材の下方に気体が存する、ことを
特徴とする第1の発明〜第6の発明のいずれか1つに係る半導体素子である。
とする直線を描き、この直線の上に位置する任意の点を中心とした半径2.5μmの円を
描いた場合に、前記開口面における周縁の少なくとも一部が前記円の内側に入る、ことを
特徴とする第7の発明に係る半導体素子である。
り込んでいる封止部材の下方に存する気体の屈折率よりも大きく、前記孔の内部の上方に
入り込んでいる封止部材の下方に存する気体の屈折率が、前記封止部材の屈折率よりも小
さい、ことを特徴とする第7の発明または第8の発明に係る半導体素子である。
んでいる封止部材の下方に存する気体の屈折率と、前記孔の一部に入り込んでいる封止部
材の屈折率と、の比が、(2.2〜2.8):1:(1.2〜1.7)である、ことを特
徴とする第9の発明に係る半導体素子である。
貫通孔である、ことを特徴とする第1の発明〜第10の発明のいずれか1つに係る半導体
素子である。
なお、本明細書は光の動きについて言及するが、すべての光の動きを細大漏らさずに説明すると、却って本発明の理解を妨げることとなり、本発明の説明として不適切となる。そこで、本明細書では、光の動きを抽象的に説明することとする。なお、ある半導体素子における光の動きが抽象的に本発明に基づいていれば、当該半導体素子は、本発明に基づく効果の改善が図られているため、量的な点にかかわりなく、本発明の技術的範囲に属する。
この第1の実施の形態では、発光部の外側にある半導体層に1つ以上の窪みが設けられているため、発光部から半導体素子の端面に向かって進む光が、この窪みにおいて、その進行方向を基板の上下方向に変え、光取り出し効率が向上する。なお、光が窪みにおいて進行方向を変えるのは、窪みの内部の屈折率と窪みの外にある半導体層の屈折率とが異なるからである。
また、第1の実施の形態によれば、発光部から半導体素子の端面に向かって進む光が、窪みにおいて進行方向を基板の上下方向に変えるため、光が半導体素子の端面に達し難くなる(基板の上下方向の光密度が高くなり、基板の端面付近の光密度が低くなる。)。したがって、第1の実施の形態によれば、半導体素子の端面から放出された光が端面付近にある部材や部位などに当たってこれらの部材や部位などが変色や劣化などしてしまう、ということを抑制でき、半導体素子の寿命を向上させることができる。
また、第1の実施の形態によれば、窪みの深さが、少なくとも基板の表面に略達している。したがって、第1の実施の形態においては、窪みの下方に、半導体層が全くないか、ほとんどない。よって、第1の実施の形態においては、光が、発光部から窪みの下方を通過して半導体素子の端面に達することを抑制することができる。このため、第一の実施の形態によれば、深さが基板の表面に略達していない窪みを有する半導体素子よりも光取り出し効率を向上させることができるとともに、半導体素子の端面付近にある部材や部位などの変色や劣化などを抑制することができる。
また、発光部の外側に存する半導体層に発光部を囲む凹部である溝が設けられる場合には、電荷が溝を通過できないため、発光部の外側に存する半導体層(特に、溝の外側に存する半導体層)には電流が流れ難くなるが、第1の実施の形態に係る半導体素子では、電荷が窪みと窪みの間の半導体層を通過できるため、発光部の外側に存する半導体層にも電流が流れやすくなる。よって、第1の実施の形態に係る半導体素子によれば、発光部の外側に溝を設ける場合よりも、電流の広がりを良くすることができ、駆動電圧を低下させることができる。
なお、本明細書において「発光部」とは、半導体素子において光を発する部のことをいい、たとえば、ダブルへテロ構造における活性層、シングルへテロ接合における接合界面、ホモ接合における接合界面などが該当する。
また、本明細書において、「窪みが少なくとも前記基板の表面に略達する深さを有する」とは、厳密に達している場合のみならず、厳密には達していない場合をも含み、また、「少なくとも」であるので、窪みが基板の表面に略達する深さを有する場合のみならず、内部に達する深さを有する場合や、半導体層と基板とを貫通している場合なども含まれる。
窪みの側面が、基板の表面に対して90度未満の角度で傾いていれば、窪みの側面が基板に対して垂直である場合と比較して、窪みに入射した光が基板の上下方向に進行方向を変えやすくなる。
第3の実施の形態によれば、発光部の外側にある半導体層の上面が発光部の上面よりも高いため、発光部から基板に対して水平に発せられ光のうちのより多くの光が、窪みに入射し、その進行方向を窪みにおいて基板の上下方向に変える。
第4の実施の形態によれば、発光部から半導体素子の端面に向けて進む光は、窪みに少なくとも1回は入射しなければ、半導体素子の端面に達しがたくなる。なお、「妨げるように配置」とは、厳密にすべての光が妨げられているということではなく、おおよそすべての光が妨げられていれば足りることを意味する。
なお、窪みを、発光部の外側にある半導体層を進行する光の直進を妨げるように配置するためには、たとえば、前記窪みを複数備え、前記基板の上で、前記発光部の外側にある半導体層に水平に、前記発光部を横切る任意の直線を描いた場合に、この直線が前記窪みを横切るようにすればよい。
上記したように、本発明においては、発光部から半導体素子の端面に向かって進む光が、窪みにおいて進行方向を基板の上下方向に変えるため、光が半導体素子の端面に達し難くなる(基板の上下方向の光密度が高くなり、基板の端面付近の光密度が低くなる。)。したがって、第6の実施の形態によれば、光密度の低いところが封止部材で覆われるため、封止部材の変色や劣化などを抑制して、半導体素子の寿命を向上させることができる。
第7の実施の形態によれば、窪みの内部に、気体と封止部材とが併存することとなるところ、一般に、光の進行について、光は屈折率が高い物質に傾く傾向がある。したがって、第7の実施の形態によれば、窪みに入射した光が封止部材の方向(基板の上方向)に向きを変える可能性が高くなる。なお、窪みの内部の上方に入り込んでいる封止部材の下方に存する気体に入射して、基板の上方向に向きを変え、窪みの内部の上方入り込んでいる封止部材に入射する光は、その光密度が、窪みの内部の上方に入り込んでいる封止部材の下方に存する気体を通過する際に低下する。したがって、この光は、窪みの内部の上方に入り込んでいる封止部材の下方に存する気体に入射する前よりも低い光密度で、窪みの内部の上方に入り込んでいる封止部材に入射することとなる。よって、第7の実施の形態によれば、窪みの内部の上方に入り込んでいる封止部材の変色や劣化などを抑えることができ、半導体素子の寿命を向上させることができる。
第8の実施の形態によれば、開口面における周縁の任意の2点を両端とする直線上で、任意の点を中心とした半径2.5μmの円を開口面に描いた場合に、窪みの周縁の少なくとも一部が円の内側に入るため、たとえば、半径2.5μmの球状体が開口面上に存したとしても、この球状体の全部が窪みに入り込んでしまうということがない。したがって、第8の実施の形態によれば、封止部材が半径2.5μmの球状体を含む場合に、この封止部材で窪みが埋め尽くされることがなくなる。
第9の実施の形態によれば、窪みの下方領域の屈折率が上方領域の屈折率よりも小さくなる。光は屈折率が高い物質と低い物質とがあった場合、高い物質の方に進むため、第9の実施の形態によれば、窪みに達した光が、封止部材の方向(基板の上方向)に進行方向を変えやすくなる。
なお、発光部の外側にある半導体層の屈折率と、窪みの一部に入り込んでいる封止部材の下方に存する気体の屈折率と、窪みの一部に入り込んでいる封止部材の屈折率と、の比は、たとえば、(2.2〜2.8):1:(1.2〜1.7)とすることが望ましい。
第11の実施の形態によれば、窪みが、発光部の外側にある半導体層と基板とを貫通する貫通孔であるため、発光部から半導体層を通過して半導体素子の端面に向かう光のみならず、発光部から基板を通過して半導体素子の端面に向かう光についても、窪みに入射して、その進行方向を基板の上下方向に変える。
図1の斜視図(a)、平面図(b)、および断面図(c)が示すように、実施の形態に係る半導体素子1は、サファイアやSiなどの基板2の上に半導体層3を備えており、この半導体層3は、基板2側から上面に向けて、n型窒化物半導体層3−1、発光部である活性層3−2、p型窒化物半導体層3−3を有している。n型窒化物半導体層3−1は、たとえばIneAlfGa1−e−fN(0≦e、0≦f、e+f≦1)などで形成できる。活性層3−2は、単一量子井戸構造、若しくは多重量子井戸構造を用いることができ、たとえば、InaGa1−aN(0≦a<1)で形成できる。また、p型窒化物半導体層3−3は、たとえば、基板2側から順に、p型クラッド層(図示せず)とp型コンタクト層(図示せず)とを有することができる。p型コンタクト層は、たとえばInrAlsGa1−r−sN(0≦r<1、0≦s<1、r+s<1)で形成できる。
この半導体素子1は、p型窒化物半導体層3−3の上にNi/Auなどのp電極4を有しており、このp電極4の上にパッド電極5を有している。また、この半導体層1は、n型窒化物半導体層3−1の上に、W/Alなどのn電極6を有している。
発光部である活性層3−2の外側には半導体層7が設けられており、この半導体層7は、複数の窪み8を備えている。この窪み8は、半導体層7の上面に開口があり、基板の表面に達する深さとなっている。
以上説明した実施の形態に係る半導体素子1においては、発光部の外側にある半導体層に1つ以上の窪みが設けられているため、発光部から半導体素子の端面に向かって進む光が、この窪みにおいて、その進行方向を基板の上下方向に変え、光取り出し効率が向上する。なお、光が窪みにおいて進行方向を変えるのは、窪みの内部の屈折率と窪みの外にある半導体層の屈折率とが異なるからである。
また、上記実施の形態に係る半導体素子によれば、発光部から半導体素子の端面に向かって進む光が、窪みにおいて進行方向を基板の上下方向に変えるため、光が半導体素子の端面に達し難くなる(基板の上下方向の光密度が高くなり、基板の端面付近の光密度が低くなる。)。したがって、半導体素子の端面から放出された光が端面付近にある部材や部位などに当たってこれらの部材や部位などが変色や劣化などしてしまう、ということを抑制でき、半導体素子の寿命を向上させることができる。
また、実施の形態に係る半導体素子においては、窪みの深さが、少なくとも基板の表面に略達している。したがって、上記実施の形態に係る半導体素子においては、窪みの下方に、半導体層が全くないか、ほとんどない。よって、光が、発光部から窪みの下方を通過して半導体素子の端面に達することを抑制することができ、深さが基板の表面に略達していない窪みを有する半導体素子よりも光取り出し効率を向上させることができるとともに、半導体素子の端面付近にある部材や部位などの変色や劣化などを抑制することができる。
また、発光部の外側に存する半導体層に発光部を囲む凹部である溝が設けられる場合には、電荷が溝を通過できないため、発光部の外側に存する半導体層(特に、溝の外側に存する半導体層)には電流が流れ難くなるが、上記実施の形態に係る半導体素子では、電荷が窪みと窪みの間の半導体層を通過できるため、発光部の外側に存する半導体層にも電流が流れやすくなる。よって、実施の形態に係る半導体素子によれば、発光部の外側に溝を設ける場合よりも、電流の広がりを良くすることができ、駆動電圧を低下させることができる。
また、実施の形態に係る半導体素子1−1によれば、窪みが活性層3−2の外側にある半導体層7に配置されるため、活性層3−2の外側にある半導体層が有効に利用される。
なお、窪みの内部の上方に封止部材が入り込むこととし、この窪みの内部の上方に入り込んだ封止部材の下方に気体が存するようにするためには、窪みの開口面を封止部材の構成要素よりも小さくしておけばよい。たとえば、封止部材の構成要素が球状体である場合には、窪みの開口面を、この球状体の半径よりも小さい半径を有する円とすればよく、また、封止部材の構成要素が直方体である場合には、窪みの開口面を、直方体の一面よりも小さい面積を有する正方形または長方形とすればよい。また、窪みの開口面を、半導体素子の大きさや形状などの様々な目的に応じて適宜変更させたい場合には、次の条件を満たすようにして開口面を形成すればよい。すなわち、窪みの開口面において、この開口面における周縁の任意の2点を両端とする直線を描き、この直線の上に位置する任意の点を中心とした円、正方形または長方形を描いた場合に、開口面における周縁の少なくとも一部が円、正方形または長方形の内側に入るようにすればよい。ここで、円、正方形または長方形の大きさは、窪みの内部の上方に封止部材が入り込むことがないように、封止部材の構成要素の大きさによって決まる。たとえば、封止部材が半径2.5μmの球状体で構成される場合には、図5に示すように、窪みの開口面において、この開口面における周縁の任意の2点を両端とする直線を描き、この直線の上に位置する任意の点を中心とした半径2.5μmの円を描いた場合に、開口面における周縁の少なくとも一部が円の内側に入るようにすればよい。このようにすれば、窪みの周縁の少なくとも一部が上記円の内側に入るため、半径2.5μmの球状体が開口面上に存したとしても、この球状体の全部が窪みに入り込んでしまうということがない。したがって、窪みの全部が封止部材で埋め尽くされるということがない。なお、窪み8の開口を上記のように形成すれば、フォトリソグラフィ時のレジスト膜厚ムラに起因する不良をなくすことができる。
なお、発光部の外側にある半導体層の屈折率を、窪みの内部の上方に入り込んでいる封止部材の下方に存する気体の屈折率よりも大きくし、窪みの内部の上方に入り込んでいる封止部材の下方に存する気体の屈折率を、窪みの内部の上方に入り込んでいる封止部材の屈折率よりも小さくすれば、窪みの下方領域の屈折率が上方領域の屈折率よりも小さくなる。発光部の外側にある半導体層の屈折率と、窪みの内部の上方に入り込んでいる封止部材の下方に存する気体の屈折率と、窪みの内部の上方に入り込んでいる封止部材の屈折率と、の比は、具体的には、たとえば、(2.2〜2.8):1:(1.2〜1.7)とすることが望ましい。もっとも、本発明において、発光部の外側にある半導体層の屈折率と、窪みの内部の上方に入り込んでいる封止部材の下方に存する気体の屈折率と、窪みの内部の上方に入り込んでいる封止部材の屈折率と、の比が、上記数値に限定されるものではないことは、いうまでない。
なお、封止部材9としては、発光波長の光を透過させる透光性樹脂が用いられ、たとえば、エポキシ樹脂やシリコーン樹脂やアクリル樹脂などが適している。封止部材9の形状は、任意に設計することができ、たとえば半円柱状や直線状などとすることができる。
まず、基板2を反応容器内にセットし、基板2上にバッファ層を成長させる。
次に、基板2の温度を上げ、n型窒化物半導体層3−1を成長させる。
次に、活性層3−2を成長させる。
次に、p型窒化物半導体層3−3を成長させる。
次ぎに、温度を室温まで下げ、さらに窒素雰囲気中、ウェハを反応容器内においてアニーリングを行い、p型窒化物半導体層3−3をさらに低抵抗化する。
次ぎに、ウェハを反応容器から取り出し、p型窒化物半導体層3−3において、p電極4を形成する位置に、所定の形状のSiO2マスクを厚さ1μmで形成し、RIE(反応性イオンエッチング)装置でp型窒化物半導体層側からエッチングを行い、基板2を露出させる。
次に、形成したSiO2マスクの上に更に一部を残してレジスト膜を形成し、RIEによってn型窒化物半導体層における一部の表面を露出させる。
次ぎに、最上層にあるp型窒化物半導体層のほぼ全面に膜厚200オングストロームのNiとAuを含む透光性のp電極4と、そのp電極4の上にボンディング用のAuよりなるpパッド電極5を0.5μmの膜厚で形成する。一方、エッチングにより露出させたn型窒化物半導体層の表面にはWとAlを含むn電極6を形成する。
以上のようにして形成した基板2を研磨してチップ化すれば、半導体素子1を得ることができる。
2 基板
3 半導体層
3−1 n型窒化物半導体層
3−2 活性層
3−3 p型窒化物半導体層
4 p電極
5 パッド電極
6 n電極
7 半導体層
8 窪み
9 封止部材
t 半導体層7の厚み
R 半径2.5μm
Claims (11)
- 発光部を基板の上に備えた半導体素子において、前記発光部の外側にある半導体層に複
数の孔(フォトニック結晶構造の凹部を除く。)を備え、前記孔が少なくとも前記基板の
表面に略達する深さを有する、ことを特徴とする半導体素子。 - 前記孔の側面が、前記基板の表面に対して90度未満の角度で傾いている、ことを特徴
とする請求項1に記載の半導体素子。 - 前記発光部の外側にある半導体層の上面が発光部の上面よりも高い、ことを特徴とする
請求項1または請求項2に記載の半導体素子。 - 前記孔は、前記発光部の外側にある半導体層を進行する光の直進を妨げるように複数配
置されている、ことを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の半導体素子
。 - 前記孔を複数備え、
前記基板の上で、前記発光部の外側にある半導体層に水平に、前記発光部を横切る任意
の直線を描いた場合に、この直線が前記孔を横切る、
ことを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の半導体素子。 - 端面を覆う封止部材を備えたことを特徴とする請求項1〜請求項5のいずれか1項に記
載の半導体素子。 - 前記孔の内部の上方に入り込んだ、前記孔の開口面を覆う封止部材を備え、かつ、前記
孔の内部の上方に入り込んでいる封止部材の下方に気体が存する、ことを特徴とする請求
項1〜請求項6のいずれか1項に記載の半導体素子。 - 前記孔の開口面において、この開口面における周縁の任意の2点を両端とする直線を描
き、この直線の上に位置する任意の点を中心とした半径2.5μmの円を描いた場合に、
前記開口面における周縁の少なくとも一部が前記円の内側に入る、ことを特徴とする請求
項7に記載の半導体素子。 - 前記発光部の外側にある半導体層の屈折率が、前記孔の内部の上方に入り込んでいる封
止部材の下方に存する気体の屈折率よりも大きく、
前記孔の内部の上方に入り込んでいる封止部材の下方に存する気体の屈折率が、前記封
止部材の屈折率よりも小さい、
ことを特徴とする請求項7または請求項8に記載の半導体素子。 - 前記発光部の外側にある半導体層の屈折率と、前記孔の一部に入り込んでいる封止部材
の下方に存する気体の屈折率と、前記孔の一部に入り込んでいる封止部材の屈折率と、の
比が、(2.2〜2.8):1:(1.2〜1.7)である、ことを特徴とする請求項9
に記載の半導体素子。 - 前記孔は、前記発光部の外側にある半導体層と前記基板とを貫通する貫通孔である、こ
とを特徴とする請求項1〜請求項10のいずれか1項に記載の半導体素子。
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