JP5381680B2 - Semiconductor light emitting device, method for manufacturing semiconductor light emitting device, lamp, electronic apparatus and mechanical device - Google Patents
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Description
本発明は、半導体発光素子、半導体発光素子の製造方法、ランプ、電子機器及び機械装置に関し、特に、優れた光取り出し効率が得られる半導体発光素子およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor light-emitting element, a method for manufacturing a semiconductor light-emitting element, a lamp, an electronic device, and a mechanical device, and more particularly to a semiconductor light-emitting element capable of obtaining excellent light extraction efficiency and a method for manufacturing the same.
従来から、発光ダイオード(LED)ランプなどに用いられる半導体発光素子として、サファイア単結晶基板上に、GaN系化合物半導体などからなるn型半導体層と発光層とp型半導体層とがこの順で積層され、p型半導体層上に正極が形成され、n型半導体層上に負極が形成されたものがある。 Conventionally, as a semiconductor light emitting device used for a light emitting diode (LED) lamp, an n-type semiconductor layer made of a GaN-based compound semiconductor, a light emitting layer, and a p type semiconductor layer are stacked in this order on a sapphire single crystal substrate. Some have a positive electrode formed on a p-type semiconductor layer and a negative electrode formed on an n-type semiconductor layer.
半導体発光素子の出力を示す指標としては、一般に、外部量子効率が用いられている。外部量子効率は、内部量子効率と光取り出し効率とを掛け合わせたものである。
光取り出し効率を向上させる方法として、光取り出し面に形成される電極による光の吸収を低減させる方法が挙げられる。
In general, external quantum efficiency is used as an index indicating the output of a semiconductor light emitting device. The external quantum efficiency is a product of the internal quantum efficiency and the light extraction efficiency.
As a method for improving the light extraction efficiency, there is a method for reducing light absorption by an electrode formed on the light extraction surface.
例えば、特許文献1には、第1導電型半導体層、発光層、第2導電型半導体層がこの順に積層され、第2導電型半導体層に接続された電極が、下層導電性酸化物膜と、該下層導電性酸化物膜上に、該下層導電性酸化物膜の表面の一部が露出する領域を有するように形成された上層導電性酸化物膜と、該上層導電性酸化物膜上にのみ配置する金属膜とからなり、第1導電性半導体層に接続された電極が、導電性酸化物膜と、該導電性酸化物膜上に配置する金属膜とからなり、かつ前記上下層導電性酸化物膜及び導電性酸化物膜が、亜鉛(Zn)、インジウム(In)、スズ(Sn)及びマグネシウム(Mg)からなる群から選択された少なくとも一種の元素を含む酸化物からなる半導体発光素子が記載されている。 For example, in Patent Document 1, a first conductive type semiconductor layer, a light emitting layer, and a second conductive type semiconductor layer are laminated in this order, and an electrode connected to the second conductive type semiconductor layer includes a lower conductive oxide film and An upper conductive oxide film formed on the lower conductive oxide film so as to have a region in which a part of the surface of the lower conductive oxide film is exposed; and the upper conductive oxide film The electrode connected to the first conductive semiconductor layer is formed of a conductive oxide film and a metal film disposed on the conductive oxide film, and the upper and lower layers A semiconductor in which the conductive oxide film and the conductive oxide film are made of an oxide containing at least one element selected from the group consisting of zinc (Zn), indium (In), tin (Sn), and magnesium (Mg) A light emitting element is described.
また、光取り出し面に形成される電極に用いられる透光性導電膜としては、ITO(酸化インジウム錫(In2O3−SnO2))、IZO(酸化インジウム亜鉛(In2O3−ZnO))、GZO(酸化ガリウム亜鉛(ZnO−Ga2O3))からなるものなどがある。
また、特許文献2には、透光性導電材料として、ZnOとフッ化アルカリ土類金属化合物、ZnOとフッ化ランタノイド金属化合物、ZnOとフッ化アルカリ金属化合物、ZnOとZrO2、あるいはZnOとYF3を主成分としてなり、ZnOとともに主成分を成す前記化合物が10wt%以上含まれたものが記載されている。
また、特許文献3には、エレクトロクロミック調光装置の透明導電膜として、ZnOと、フッ化アルカリ土類金属化合物またはAlF3とを主成分としてなり、フッ化アルカリ土類金属化合物またはAlF3を10wt%以上含むものが記載されている。
Moreover, as a translucent conductive film used for an electrode formed on the light extraction surface, ITO (Indium Tin Oxide (In 2 O 3 —SnO 2 )), IZO (Indium Zinc Oxide (In 2 O 3 —ZnO)) ) And GZO (gallium zinc oxide (ZnO—Ga 2 O 3 )).
In Patent Document 2, as a light-transmitting conductive material, ZnO and an alkaline earth metal fluoride compound, ZnO and a lanthanide fluoride metal compound, ZnO and an alkali metal fluoride compound, ZnO and ZrO 2 , or ZnO and YF are disclosed. A compound containing 3 wt% or more of the above-mentioned compound containing 3 as a main component and ZnO as a main component is described.
Further, in Patent Document 3, as a transparent conductive film of an electrochromic light control device, ZnO and an alkaline earth metal fluoride compound or AlF 3 are used as main components, and an alkaline earth metal fluoride compound or AlF 3 is used. What contains 10 wt% or more is described.
しかしながら、特許文献1に記載の技術では、光取り出し面に形成された電極を構成する導電性酸化物膜に入射した光が、導電性酸化物膜内での多重反射によって減衰することによる光の吸収量が大きいため、十分に高い光取り出し効率が得られなかった。 However, in the technique described in Patent Document 1, the light incident on the conductive oxide film constituting the electrode formed on the light extraction surface is attenuated by multiple reflection in the conductive oxide film. Due to the large amount of absorption, a sufficiently high light extraction efficiency could not be obtained.
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、光取り出し面に形成された電極を構成する透明導電膜内での多重反射を防止することができ、優れた光取り出し効率が得られる半導体発光素子およびその製造方法を提供することを目的とする。
また、本発明は、優れた光取り出し効率を有する半導体発光素子を備えたランプ、電子機器及び機械装置を提供することを目的とする。
The present invention has been made in view of the above problems, and can prevent multiple reflections in a transparent conductive film constituting an electrode formed on a light extraction surface, and can provide a semiconductor with excellent light extraction efficiency. An object of the present invention is to provide a light emitting element and a method for manufacturing the same.
Another object of the present invention is to provide a lamp, an electronic device, and a mechanical device including a semiconductor light emitting element having excellent light extraction efficiency.
本発明者は、上記課題を解決するために、光取り出し面に形成された電極を構成する透明導電膜内での多重反射に着目して、以下に示すように、鋭意検討を重ねた。
本発明者は、透明導電膜内での多重反射によって減衰する光は、半導体層を構成する発光層から出射された光のうち、半導体発光素子の厚み方向との角度差の大きい半導体発光素子の厚み方向に対する直進性の低い光であること、半導体層を構成する発光層から出射された光のうち、半導体発光素子の厚み方向との角度差の小さい直進性の高い光は、導電性酸化物膜を透過して出射されることを確認した。
In order to solve the above-mentioned problems, the present inventor has intensively studied as follows, paying attention to the multiple reflection in the transparent conductive film constituting the electrode formed on the light extraction surface.
The present inventor believes that the light attenuated by the multiple reflection in the transparent conductive film is the light emitted from the light emitting layer constituting the semiconductor layer, and has a large angular difference from the thickness direction of the semiconductor light emitting element. Light that has low rectilinearity in the thickness direction, and light that is emitted from the light emitting layer constituting the semiconductor layer and that has a small straight angle difference with respect to the thickness direction of the semiconductor light emitting element, is a conductive oxide. It was confirmed that the light was emitted through the film.
そして、本発明者は、鋭意検討を重ね、半導体層と透明導電膜との間に、半導体層および透明導電膜の屈折率未満である低屈折率導電膜を設けることで、優れた光取り出し効率が得られることを見出した。
すなわち、このような半導体発光素子では、半導体層から出射された直進性の低い光が、低屈折率導電膜によって反射されて半導体層に戻されるので、半導体層から出射された直進性の低い光が透明導電膜に入射されることを防止することができ、透明導電膜内での多重反射を防止できる。また、半導体層に戻された直進性の低い光は、半導体層内で直進性の高い光とされてから、低屈折率導電膜を介して透明導電膜に入射されるので、低屈折率導電膜および透明導電膜を透過して、透明導電膜内で多重反射されることなく出射される。
したがって、透明導電膜内で減衰することによる光の吸収量が非常に少なく、優れた光取り出し効率が得られる。即ち、本発明は以下に関する。
And this inventor repeated earnest examination and was excellent in the light extraction efficiency by providing the low-refractive-index conductive film which is less than the refractive index of a semiconductor layer and a transparent conductive film between a semiconductor layer and a transparent conductive film. It was found that can be obtained.
That is, in such a semiconductor light emitting device, light with low straightness emitted from the semiconductor layer is reflected by the low refractive index conductive film and returned to the semiconductor layer, so light with low straightness emitted from the semiconductor layer is emitted. Can be prevented from entering the transparent conductive film, and multiple reflection in the transparent conductive film can be prevented. In addition, the light having low rectilinearity returned to the semiconductor layer is converted into light having high rectilinearity within the semiconductor layer and then incident on the transparent conductive film through the low refractive index conductive film. The light passes through the film and the transparent conductive film and is emitted without being multiple-reflected in the transparent conductive film.
Therefore, the amount of light absorption due to attenuation in the transparent conductive film is very small, and excellent light extraction efficiency can be obtained. That is, the present invention relates to the following.
(1) 基板上に、n型半導体層と発光層とp型半導体層とを有する半導体層と、低屈折率導電膜と、透明導電膜とがこの順で設けられ、前記低屈折率導電膜の屈折率が、前記半導体層および前記透明導電膜の屈折率未満であることを特徴とする半導体発光素子。 (1) On a substrate, a semiconductor layer having an n-type semiconductor layer, a light emitting layer, and a p-type semiconductor layer, a low refractive index conductive film, and a transparent conductive film are provided in this order, and the low refractive index conductive film The semiconductor light emitting element characterized by having a refractive index less than that of the semiconductor layer and the transparent conductive film.
(2) 前記低屈折率導電膜の屈折率が、1.9未満であることを特徴とする(1)に記載の半導体発光素子。
(3) 前記透明導電膜の屈折率が、1.9〜2.2の範囲であることを特徴とする(1)または(2)に記載の半導体発光素子。
(4) 前記半導体層の屈折率が、1.9〜2.6の範囲であることを特徴とする(1)〜(3)のいずれかに記載の半導体発光素子。
(2) The semiconductor light emitting device according to (1), wherein the refractive index of the low refractive index conductive film is less than 1.9.
(3) The semiconductor light-emitting device according to (1) or (2), wherein the refractive index of the transparent conductive film is in the range of 1.9 to 2.2.
(4) The semiconductor light emitting element according to any one of (1) to (3), wherein a refractive index of the semiconductor layer is in a range of 1.9 to 2.6.
(5) 前記透明導電膜上に保護膜が設けられ、前記保護膜の屈折率が2未満であることを特徴とする(1)〜(4)のいずれかに記載の半導体発光素子。
(6) 前記低屈折率導電膜が、酸化ガリウム亜鉛とフッ化カルシウムとを含むものであることを特徴とする(1)〜(5)のいずれかに記載の半導体発光素子。
(7) 前記低屈折率導電膜の比抵抗が、10-5〜104Ω・cmの範囲であることを特徴とする(1)〜(6)のいずれかに記載の半導体発光素子。
(8) 前記低屈折率導電膜の膜厚が80nm〜300nmの範囲であることを特徴とする(1)〜(7)のいずれかに記載の半導体発光素子。
(5) The semiconductor light-emitting element according to any one of (1) to (4), wherein a protective film is provided on the transparent conductive film, and a refractive index of the protective film is less than 2.
(6) The semiconductor light-emitting element according to any one of (1) to (5), wherein the low refractive index conductive film contains gallium zinc oxide and calcium fluoride.
(7) The specific resistance of the low refractive index conductive film is in the range of 10 −5 to 10 4 Ω · cm. The semiconductor light emitting device according to any one of (1) to (6),
(8) The semiconductor light-emitting element according to any one of (1) to (7), wherein a film thickness of the low refractive index conductive film is in a range of 80 nm to 300 nm.
(9) 基板上に、n型半導体層と発光層とp型半導体層とを有する半導体層を設ける工程と、前記半導体層上に、屈折率が前記半導体層の屈折率未満である低屈折率導電膜を設ける工程と、前記低屈折率導電膜上に、屈折率が前記低屈折率導電膜の屈折率以上の透明導電膜を設ける工程とを有することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
(10) (1)〜(8)のいずれかに記載の半導体発光素子を備えたことを特徴とするランプ。
(11) (10)に記載のランプが組み込まれていることを特徴とする電子機器。
(12) (11)に記載の電子機器が組み込まれていることを特徴とする機械装置。
(9) A step of providing a semiconductor layer having an n-type semiconductor layer, a light emitting layer, and a p-type semiconductor layer on a substrate, and a low refractive index whose refractive index is less than the refractive index of the semiconductor layer on the semiconductor layer. A method of manufacturing a semiconductor light emitting device, comprising: providing a conductive film; and providing a transparent conductive film having a refractive index equal to or higher than the refractive index of the low refractive index conductive film on the low refractive index conductive film. .
(10) A lamp comprising the semiconductor light emitting device according to any one of (1) to (8).
(11) An electronic device in which the lamp according to (10) is incorporated.
(12) A mechanical apparatus in which the electronic device according to (11) is incorporated.
本発明の半導体発光素子は、基板上に、n型半導体層と発光層とp型半導体層とを有する半導体層と、低屈折率導電膜と、透明導電膜とがこの順で設けられ、前記低屈折率導電膜の屈折率が、前記半導体層および前記透明導電膜の屈折率未満であるものであるので、半導体層から出射された直進性の低い光は、低屈折率導電膜によって反射されて半導体層に戻されるものとなる。よって、半導体層から出射された直進性の低い光が透明導電膜に入射されて多重反射することを防止でき、透明導電膜内での光の減衰による吸収を防止できる。また、本発明の半導体発光素子において、低屈折率導電膜によって反射されて半導体層に戻された反射光は、半導体層内で多重反射されて直進性の高い光とされ、低屈折率導電膜と透明導電膜とを透過して、出射される。その結果、本発明の半導体発光素子では、優れた光取り出し効率が得られる。 In the semiconductor light-emitting device of the present invention, a semiconductor layer having an n-type semiconductor layer, a light-emitting layer, and a p-type semiconductor layer, a low refractive index conductive film, and a transparent conductive film are provided in this order on a substrate. Since the refractive index of the low refractive index conductive film is less than the refractive index of the semiconductor layer and the transparent conductive film, the light having a low straightness emitted from the semiconductor layer is reflected by the low refractive index conductive film. And returned to the semiconductor layer. Therefore, it is possible to prevent light having low rectilinearity emitted from the semiconductor layer from entering the transparent conductive film and performing multiple reflection, and absorption due to attenuation of light in the transparent conductive film can be prevented. Further, in the semiconductor light emitting device of the present invention, the reflected light reflected by the low refractive index conductive film and returned to the semiconductor layer is multiple-reflected within the semiconductor layer to be a highly linear light, and the low refractive index conductive film And are transmitted through the transparent conductive film. As a result, in the semiconductor light emitting device of the present invention, excellent light extraction efficiency can be obtained.
また、本発明の半導体発光素子の製造方法は、基板上に、n型半導体層と発光層とp型半導体層とを有する半導体層を設ける工程と、前記半導体層上に、屈折率が前記半導体層の屈折率未満である低屈折率導電膜を設ける工程と、前記低屈折率導電膜上に、屈折率が前記低屈折率導電膜の屈折率以上の透明導電膜を設ける工程とを有する方法であるので、優れた光取り出し効率を有する本発明の半導体発光素子が得られる。
また、本発明のランプ、電子機器、機械装置は、本発明の半導体発光素子を備えたものであるので、優れた光取り出し効率を有する半導体発光素子を備える優れたものとなる。
According to another aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing a semiconductor light-emitting element, comprising: providing a semiconductor layer having an n-type semiconductor layer, a light-emitting layer, and a p-type semiconductor layer on a substrate; A method of providing a low-refractive-index conductive film having a refractive index lower than the refractive index of the layer and a step of providing a transparent conductive film having a refractive index equal to or higher than the refractive index of the low-refractive-index conductive film on the low-refractive-index conductive film Therefore, the semiconductor light emitting device of the present invention having excellent light extraction efficiency can be obtained.
Moreover, since the lamp | ramp, electronic device, and mechanical apparatus of this invention are equipped with the semiconductor light-emitting device of this invention, they are excellent with the semiconductor light-emitting device which has the outstanding light extraction efficiency.
以下、図面を参照して本発明を詳細に説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、本発明を説明するために特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。
「半導体発光素子」
図1は、本発明の半導体発光素子の一例を示した平面図であり、図2は、図1に示す半導体発光素子のA−A’線における断面図である。図1および図2に示す半導体発光素子1は、基板11の一面11a(図2においては上面)に、n型半導体層12と、発光層13と、p型半導体層14と、低屈折率導電膜39と、透明導電膜15とがこの順で積層されているものである。
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Note that the drawings used in the following description may show the characteristic portions for explaining the present invention in an enlarged manner, and the dimensional ratios of the respective constituent elements are not always the same as the actual ones.
"Semiconductor light emitting device"
1 is a plan view showing an example of the semiconductor light emitting device of the present invention, and FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line AA ′ of the semiconductor light emitting device shown in FIG. A semiconductor light emitting device 1 shown in FIGS. 1 and 2 includes an n-
図1および図2に示す半導体発光素子1は、フェイスアップ型の半導体発光素子1である。半導体発光素子1の透明導電膜15上には、円形状の正極17が形成されている。また、半導体発光素子1では、発光層13、p型半導体層14およびn型半導体層12の一部が切り欠けられてn型半導体層12の一部が露出されており、n型半導体層12の露出面12a上に円形状の負極18が形成されている。
A semiconductor light emitting device 1 shown in FIGS. 1 and 2 is a face-up type semiconductor light emitting device 1. A circular
また、図1および図2に示す半導体発光素子1では、正極17の側面17b及び上面周辺部17aと、透明導電膜15の側面15bおよび一面15aと、低屈折率導電膜39の側面39bと、発光層13およびp型半導体層14の側面と、n型半導体層12の側面の一部と、n型半導体層12の露出面12aと、負極18の側面及び上面周辺部とを連続して覆うように、保護膜16が形成されている。
なお、保護膜16は、半導体発光素子1の劣化を抑制するために設けられていることが好ましいが、保護膜16は設けられていなくてもよい。
Further, in the semiconductor light emitting device 1 shown in FIGS. 1 and 2, the
The
<基板>
基板11としては、サファイア単結晶(Al2O3;A面、C面、M面、R面)、スピネル単結晶(MgAl2O4)、ZnO単結晶、LiAlO2単結晶、LiGaO2単結晶、MgO単結晶等の酸化物単結晶、Si単結晶、SiC単結晶、GaAs単結晶、AlN単結晶、GaN単結晶及びZrB2等のホウ化物単結晶等の周知の基板材料を何ら制限なく用いることができる。これらの基板材料の中でも、特に、基板11としてサファイア単結晶及びSiC単結晶を用いることが好ましい。なお、基板の面方位は特に限定されない。また、ジャスト基板でも良いし、オフ角を付与した基板であっても良い。
基板11は、基板上の半導体層を成長させる側の面である主面上に、特開2009−123717号に記載の凸部を形成する加工を施した基板を用いてもよい。このような凸部形成の加工基板は任意に選ばれる。
<Board>
As the
The
<半導体層>
図2に示すように、基板11上には、少なくともn型半導体層12と発光層13とp型半導体層14とが積層されてなる半導体層が形成されている。半導体層の屈折率は、低屈折率導電膜39の屈折率以上とされており、1.9〜2.6の範囲であることが好ましい。半導体層の屈折率が、1.9未満であると低屈折率導電膜39の屈折率未満となってしまう場合がある。また、半導体層の屈折率が2.6を超えると、半導体層の形成に用いる材料が限定されてしまうため、良好な半導体層が得られない場合がある。
<Semiconductor layer>
As shown in FIG. 2, a semiconductor layer in which at least an n-
本実施形態の半導体発光素子1では、少なくともn型半導体層12、発光層13及びp型半導体層14は、窒化物系化合物半導体からなるものであり、GaN系化合物半導体からなるものであることが好ましい。GaN系化合物半導体の屈折率は2.4である。GaN系化合物半導体としては、例えば、一般式AlXGaYInZN1−AMA(0≦X≦1、0≦Y≦1、0≦Z≦1で且つ、X+Y+Z=1。記号Mは窒素(N)とは別の第V族元素を表し、0≦A<1である。)で表わされるものを用いることができる。
In the semiconductor light emitting device 1 of the present embodiment, at least the n-
GaN系化合物半導体は、Al、GaおよびIn以外に他のIII族元素を含有していてもよく、必要に応じて、例えば、Ge、Si、Mg、Ca、Zn、Be、P、As及びBなどの元素を含有してもよい。さらに、GaN系化合物半導体には、意図的に添加した元素に限らず、成膜条件等に依存して必然的に含まれる不純物、並びに原料、反応管材質に含まれる微量不純物が含まれている場合がある。 The GaN-based compound semiconductor may contain other group III elements in addition to Al, Ga, and In. For example, Ge, Si, Mg, Ca, Zn, Be, P, As, and B may be used as necessary. You may contain elements, such as. Furthermore, GaN-based compound semiconductors contain not only intentionally added elements, but also impurities that are inevitably included depending on the film forming conditions and the like, as well as trace impurities contained in the raw materials and reaction tube materials. There is a case.
本実施形態の半導体発光素子1においては、基板11とn型半導体層12との間に、基板11側から順に中間層31および下地層32が形成されていてもよい(図3〜図7参照)。
<中間層(バッファ層)>
中間層31は、多結晶のAlXGa1―XN(0≦x≦1)からなるものが好ましく、単結晶のAlXGa1―XN(0≦x≦1)のものがより好ましく、例えば、多結晶のAlXGa1―XN(0≦x≦1)からなる厚さ0.01〜0.5μmのものとすることができる。なお、中間層31は、基板11と下地層32との格子定数の違いを緩和し、基板11の(0001)面(C面)上にc軸配向した単結晶層の形成を容易にする働きがある。したがって、中間層31の上に単結晶の下地層32を積層すると、より一層結晶性の良い下地層32を形成できる。なお、本発明において、中間層31は必須の構成ではない。
In the semiconductor light emitting device 1 of the present embodiment, an
<Intermediate layer (buffer layer)>
The
<下地層>
下地層32は、中間層31上に、AlXGa1―XN層(0≦x≦1、好ましくは0≦x≦0.5、さらに好ましくは0≦x≦0.1)から構成されることが好ましい。下地層32の膜厚は0.1μm以上であることが好ましく、0.5μm以上であることがより好ましく、1μm以上であることが最も好ましい。下地層32の膜厚を1μm以上とすることにより、結晶性の良好なAlXGa1―XN層が得られやすくなる。また、下地層32は12μm以下とするのが好ましい。下地層の膜厚が12μmを超えると成長時間が長くなり、製造コストアップとなるため、好ましくない。
下地層32は、アンドープ(<1×1017/cm3)であることが好ましい。下地層32がアンドープである場合、良好な結晶性を維持できる。また、下地層32にn型不純物をドープする場合、1×1017〜1×1019/cm3の範囲内であることが好ましい。下地層32にドープされるn型不純物としては、特に限定されないが、例えば、Si、Ge及びSn等を挙げることができ、Si及びGeが好ましい。
<Underlayer>
The
The
<n型半導体層>
n型半導体層12は、n型コンタクト層33と、n型クラッド層34とから構成されていることが好ましい(図3〜図7参照)。n型コンタクト層33は、n型クラッド層34を兼ねてもよい。
<N-type semiconductor layer>
The n-
n型コンタクト層33は、下地層32と同様にAlXGa1―XN層(0≦x≦1、好ましくは0≦x≦0.5、さらに好ましくは0≦x≦0.1)からなるものであることが好ましい。n型コンタクト層33は、n型不純物がドープされたものであることが好ましい。n型コンタクト層33のn型不純物の濃度は1×1017〜1×1019/cm3であることが好ましく、1×1018〜1×1019/cm3であることがより好ましい。n型コンタクト層33のn型不純物の濃度が1×1017〜1×1019/cm3である場合、負極と良好なオーミック接触を維持できるとともに、クラックの発生を抑制でき、良好な結晶性を維持できる。n型コンタクト層33のn型不純物としては、特に限定されないが、例えば、Si、Ge及びSn等を挙げることができ、Si及びGeが好ましい。
The n-
n型コンタクト層33と下地層32の合計の膜厚は1〜20μmであることが好ましく、2〜15μmであることがより好ましく、3〜12μmであることがさらに好ましい。n型コンタクト層33と下地層32との合計の膜厚が1〜20μmである場合、GaN系化合物半導体の結晶性をより良好に維持できる。
The total film thickness of the n-
n型コンタクト層33と発光層13との間には、n型クラッド層34を設けることが好ましい。n型クラッド層34が設けられている場合、n型コンタクト層33の最表面に平坦性の悪化した箇所があったとしても埋めることができ、良好な平坦性が得られる。n型クラッド層34は、AlGaN、GaN、GaInN等によって形成できる。なお、明細書中、各元素の組成比を省略してAlGaN、GaInNに記述することがある。n型クラッド層34は、これらの組成から選択される2つ以上の組成を複数回積層した超格子構造であってもよい。また、n型クラッド層34のバンドギャップは、発光層13のバンドギャップよりも大きいものとされている。
An n-
n型クラッド層34の膜厚は、特に限定されないが、0.005〜1μmであることが好ましく、0.005〜0.5μmであることがより好ましい。n型クラッド層34のn型ドープ濃度は1×1017〜1×1020/cm3であることが好ましく、1×1018〜1×1019/cm3であることがより好ましい。n型クラッド層34のn型ドープ濃度が1×1017〜1×1020/cm3である場合、良好な結晶性を維持できるとともに、半導体発光素子1の動作電圧を低減できる。
The film thickness of the n-
<発光層>
発光層13に用いられるGaN系化合物半導体としては、Ga1−sInsN(0<s<0.4)が挙げられる。発光層13の膜厚は、特に限定されないが、量子効果の得られる程度の膜厚、即ち臨界膜厚とすることが好ましい。具体的には、発光層13の膜厚は1〜10nmであることが好ましく、2〜6nmであることがより好ましい。発光層13の膜厚を1〜10nmとすることにより、発光出力を向上させることができる。
<Light emitting layer>
Examples of the GaN-based compound semiconductor used for the
発光層13は、単一量子井戸(SQW)構造であってもよいし、多重量子井戸(MQW)構造であってもよい。多重量子井戸(MQW)構造としては、例えば、Ga1−sInsNからなる井戸層(以下、GaInN井戸層)と、この井戸層よりバンドギャップエネルギーの大きいAlcGa1−cN(0≦c<0.3かつb>c)からなる障壁層(以下、AlcGa1−cN障璧層)とを互い違いになるように複数積層してなるものが挙げられる。多重量子井戸(MQW)構造を構成する井戸層および/または障壁層には、それぞれ不純物をドープしてもよい。具体的には、多重量子井戸(MQW)構造を構成する障壁層として、SiドープGaN障壁層を用いてもよい。
The
<p型半導体層>
p型半導体層14は、pクラッド層37とpコンタクト層38とからなるものであることが好ましい(図3〜図7参照)。pコンタクト層38は、pクラッド層37を兼ねるものであってもよい。
pクラッド層37は、発光層13のバンドギャップエネルギーより大きくなる組成であり、発光層13へキャリアを閉じ込められるものであればよく、特に限定されない。例えば、pクラッド層37として、AldGa1−dN(0≦d≦0.4、好ましくは0.1≦d≦0.3)からなるものが挙げられる。pクラッド層37の膜厚は、特に限定されないが、1〜400nmであることが好ましく、5〜100nmであることがより好ましい。pクラッド層37は、AlGaN、GaN等によって形成できる。pクラッド層37は、これらの組成から選択される2つ以上の組成を複数回積層した超格子構造であってもよい。
pクラッド層37のp型ドープ濃度は1×1018〜1×1021/cm3であることが好ましく、1×1019〜1×1020/cm3であることがより好ましい。pクラッド層37のp型ドープ濃度を1×1018〜1×1021/cm3とすることにより、結晶性を低下させることなく良好なp型結晶が得られる。
<P-type semiconductor layer>
The p-
The p-
The p-type doping concentration of the p-clad
pコンタクト層38としては、AleGa1−eN(0≦e<0.5、好ましくは0≦e≦0.2、より好ましくは0≦e≦0.1)を含むGaN系化合物半導体を用いることが好ましい。AleGa1−eNにおけるAl組成を0≦e<0.5とすることにより、良好な結晶性を維持できるとともに、pオーミック電極と良好にオーミック接触させることができる。また、pコンタクト層38のp型ドーパントの濃度は1×1018〜1×1021/cm3であることが好ましく、5×1019〜5×1020/cm3であることがより好ましい。pコンタクト層38のp型ドーパントの濃度を1×1018〜1×1021/cm3とすることで、良好なオーミック接触を維持できるとともに、クラックの発生を防止でき、良好な結晶性を維持できる。pコンタクト層38のp型ドーパント(p型不純物)としては、特に限定されないが、例えば、Mgが挙げられる。pコンタクト層38の膜厚は、特に限定されないが、0.01〜0.5μmであることが好ましく、0.05〜0.2μmであることがより好ましい。pコンタクト層38の膜厚を0.01〜0.5μmとすることにより、発光出力を向上させることができる。
As the
<低屈折率導電膜><透明導電膜>
図2に示すように、半導体層のp型半導体層14上には低屈折率導電膜39が設けられ、低屈折率導電膜39上には透明導電膜15が設けられている。低屈折率導電膜39および透明導電膜15は、図1および図2に示すように、p型半導体層14上の広い範囲に電流を拡散させるために、p型半導体層14上のほぼ全面を覆うように形成することが好ましいが、隙間を開けて格子状や樹形状に形成してもよい。
<Low refractive index conductive film><Transparent conductive film>
As shown in FIG. 2, a low refractive index
なお、透明導電膜15は、効率よく電流を拡散させるために、p型半導体層14上の全域に設けられていることが好ましいが、図2に示すように、p型半導体層14上の一部にのみ設けられていてもよい。また、低屈折率導電膜39は、直進性の低い光が透明導電膜13に入射されることをより効果的に防止するために、p型半導体層14上の全域に設けられていることが好ましいが、図2に示すように、p型半導体層14上の一部にのみ設けられていてもよい。
Note that the transparent
低屈折率導電膜39の膜厚は、80〜300nmの範囲であることが好ましい。低屈折率導電膜39の膜厚が上記範囲未満であると、低屈折率導電膜39による直進性の低い光を効率よく反射させる機能が十分に得られない場合がある。また、低屈折率導電膜39の膜厚が上記範囲を超えると、低屈折率導電膜39上に透明導電膜15を設けたとしても、p型半導体層14上の広い範囲に十分に電流を拡散させることができなくなる場合がある。
The film thickness of the low refractive index
低屈折率導電膜39は、図2に示すように、半導体層のp型半導体層14と透明導電膜15との間に設けられている。低屈折率導電膜39の屈折率は、半導体層および透明導電膜15の屈折率未満とされており、1.9未満であることが好ましく、1.4以上であることがより好ましい。
低屈折率導電膜39の屈折率が、半導体層および透明導電膜15の屈折率以上であると、半導体層から出射された直進性の低い光を低屈折率導電膜39に反射させて半導体層に戻す機能が十分に得られない。低屈折率導電膜39の屈折率が、1.9未満であると、低屈折率導電膜39の屈折率と半導体層および透明導電膜15の屈折率との差を十分大きくすることができる。その結果、半導体層から出射された直進性の低い光を効率よく反射させることができ、半導体層から出射された直進性の低い光が透明導電膜15に入射されて多重反射することをより効果的に防止できる。
しかし、低屈折率導電膜39の屈折率が、1.4未満であると半導体層および透明導電膜15の屈折率との差が大きくなりすぎて、半導体層から出射された光を必要以上に反射するものとなり、直進性の高い光まで反射してしまう場合がある。
As shown in FIG. 2, the low refractive index
When the refractive index of the low refractive index
However, if the refractive index of the low-refractive-index
低屈折率導電膜39の比抵抗は、10-5〜104Ω・cmの範囲であることが好ましい。低屈折率導電膜39の比抵抗が上記範囲内であると、p型半導体層14上に均一に電流を拡散させることができる。また、低屈折率導電膜39の比抵抗は低いほど好ましいが、上記範囲未満である場合、低屈折率導電膜39に用いる材料の選択肢が狭くなる。
The specific resistance of the low refractive index
低屈折率導電膜39は、屈折率が2未満であって、比抵抗が上記範囲内であるものとするために、酸化ガリウム亜鉛(GZO)とフッ化カルシウム(CaF2)とを含むものとすることが好ましい。
酸化ガリウム亜鉛(GZO)の屈折率は2.0であり、フッ化カルシウム(CaF2)の屈折率は1.3である。高い導電性を有する酸化ガリウム亜鉛と屈折率が低く絶縁性のフッ化カルシウムとを混合することにより、低屈折率導電膜39の導電性を十分に確保しつつ低い屈折率を得るためには、低屈折率導電膜39として酸化ガリウム亜鉛を10質量%〜75質量%を含むものを用いることが好ましく、15質量%〜60質量%を含むものを用いることがさらに好ましい。中でも、例えば、低屈折率導電膜39として酸化ガリウム亜鉛を25質量%程度、フッ化カルシウムを75質量%程度含むものを用いることが好ましい。酸化ガリウム亜鉛を25質量%、フッ化カルシウムを75質量%含む低屈折率導電膜39は、屈折率1.55、比抵抗1×10−2Ω・cmのものとなる。
The low refractive index
The refractive index of gallium zinc oxide (GZO) is 2.0, and the refractive index of calcium fluoride (CaF 2 ) is 1.3. In order to obtain a low refractive index while sufficiently ensuring the conductivity of the low refractive index
透明導電膜15は、発光層13からの光を効率良く半導体発光素子1の外部に取り出すために、光透過性に優れたものであることが好ましい。さらに、透明導電膜15は、p型半導体層14の全面に渡って均一に電流を拡散させるために、優れた導電性を有していることが好ましい。
The transparent
透明導電膜15の屈折率は、低屈折率導電膜39の屈折率以上とされており、1.9〜2.2の範囲であることが好ましい。透明導電膜15の屈折率が、1.9未満であると低屈折率導電膜39の屈折率未満となってしまう場合がある。また、透明導電膜15の屈折率が2.2を超えると、透明導電膜15の形成に用いる材料の選択肢が狭くなるため、好ましくない。
The refractive index of the transparent
透明導電膜15の比抵抗は、低屈折率導電膜39の比抵抗よりも低いものとされ、具体的には10-5〜10-1Ω・cmの範囲であることが好ましい。透明導電膜15の比抵抗が上記範囲内であると、低屈折率導電膜39とともにp型半導体層14上に均一に効率よく電流を拡散させることができる。また、透明導電膜15の比抵抗は低いほど好ましいが、上記範囲未満である場合、透明導電膜15に用いる材料の選択肢が狭くなる。
The specific resistance of the transparent
具体的には、透明導電膜15の材料としては、In、Zn、Al、Ga、Ti、Bi、Mg、W、Ceのいずれか一種を含む導電性の酸化物、硫化亜鉛または硫化クロムのうちいずれか一種からなる群より選ばれる透光性の導電性材料が挙げられる。例えば、導電性の酸化物としては、ITO(酸化インジウム錫(In2O3−SnO2))、IZO(酸化インジウム亜鉛(In2O3−ZnO))、AZO(酸化アルミニウム亜鉛(ZnO−Al2O3))、GZO(酸化ガリウム亜鉛(ZnO−Ga2O3))、フッ素ドープ酸化錫、酸化チタン等があげられる。上記の中でも、光透過性および導電性に優れ、低屈折率導電膜39との屈折率の差が十分に得られるITOまたはIZOを用いることが好ましい。ITOおよびIZOの屈折率は2〜2.2の範囲である。
Specifically, the material of the transparent
透明導電膜15の膜厚は、35nm〜2000nmであることが好ましく、50nm〜1000nmであることがより好ましく、100nm〜500nmであることが最も好ましい。透明導電膜15の膜厚が35nm未満である場合、電流拡散効率が不十分となり、十分な導電性が得られない場合がある。透明導電膜15の膜厚が2000nmを超える場合には、透過率が低下して光取り出し効率が低下し、半導体発光素子1の出力が不十分となる場合がある。透明導電膜15の膜厚が35〜2000nmの範囲である場合、良好な導電性が得られるため駆動電圧が低く、しかも、光取り出し効率に優れた半導体発光素子1となる。
The film thickness of the transparent
<正極>
正極17は、透明導電膜15の一面15aに形成されている。正極17は、ボンディングパッドとして使用される。正極17としては、Au、Al、NiおよびCu等の周知の材料を用いた各種構造を何ら制限無く用いることができる。正極17の厚さは100nm〜10μmであることが好ましく、300nm〜3μmであることがより好ましい。正極17の厚さを300nm以上とすることにより、ボンディングパッドとしてのボンダビリティーを向上させることができる。また、正極17の厚さを3μm以下にすることで、製造コストを低減できる。
<Positive electrode>
The
<負極>
負極18は、n型半導体層12の露出面12a上に形成されることにより、n型半導体層12に接している。負極18は、ボンディングパッドとして使用される。負極18としては、周知の各種組成および構造を何ら制限無く用いることができる。
<Negative electrode>
The
<保護膜>
保護膜16は、透明導電膜15上に設けられ、半導体発光素子1内部への水分等の浸入を防止して、半導体発光素子1の劣化を抑制するものである。
保護膜16としては、絶縁性透明膜が用いられる。保護膜16に用いられる絶縁性透明膜は、屈折率が2未満である材料であることが好ましい。具体的には、保護膜16は、SiO2(屈折率1.45)を含む材料からなるものであることが好ましい。
<Protective film>
The
As the
また、保護膜16は、表面の少なくとも一部に、凹凸が形成されているものであることが好ましい。このような保護膜16とすることで、半導体発光素子1の光取り出し効率をより一層向上できる。
Moreover, it is preferable that the
「半導体発光素子の製造方法」
次に、本発明の半導体発光素子の製造方法として、図1および図2に示す半導体発光素子1の製造方法を例に挙げて説明する。
図3〜図7は、図1および図2に示す半導体発光素子の製造方法の一例を説明するための製造工程図である。図1および図2に示す半導体発光素子1を製造するには、まず、基板11の一面11aにGaN系化合物半導体を形成して、図3に示すように、基板11の一面11a上に少なくともn型半導体層12と発光層13とp型半導体層14とがこの順で積層されてなる半導体層を設ける。また、基板11とn型半導体層12との間に基板11側から中間層31と下地層32とを順次形成してもよい。
"Manufacturing method of semiconductor light emitting device"
Next, as a method for manufacturing the semiconductor light emitting device of the present invention, the method for manufacturing the semiconductor light emitting device 1 shown in FIGS. 1 and 2 will be described as an example.
3 to 7 are manufacturing process diagrams for explaining an example of a method for manufacturing the semiconductor light emitting device shown in FIGS. To manufacture the semiconductor light emitting device 1 shown in FIGS. 1 and 2, first, a GaN-based compound semiconductor is formed on one
n型半導体層12と発光層13とp型半導体層14とを構成するGaN系化合物半導体の形成方法は、特に限定されず、MOCVD(有機金属化学気相成長法)、HVPE(ハイドライド気相成長法)、MBE(分子線エピタキシー法)などの方法を適用できる。GaN系化合物半導体の形成方法としては、膜厚制御性、量産性の観点からMOCVD法を用いることが好ましい。
The method for forming the GaN-based compound semiconductor that constitutes the n-
GaN系化合物半導体の形成方法としてMOCVD法を用いる場合、キャリアガスとして水素(H2)または窒素(N2)などを用いることができ、III族原料であるGa源としてトリメチルガリウム(TMG)またはトリエチルガリウム(TEG)、Al源としてトリメチルアルミニウム(TMA)またはトリエチルアルミニウム(TEA)、In源としてトリメチルインジウム(TMI)またはトリエチルインジウム(TEI)、V族原料であるN源としてアンモニア(NH3)、ヒドラジン(N2H4)などを用いることができる。 When MOCVD is used as a method for forming a GaN-based compound semiconductor, hydrogen (H 2 ), nitrogen (N 2 ), or the like can be used as a carrier gas, and trimethylgallium (TMG) or triethyl as a Ga source that is a group III material. Gallium (TEG), trimethylaluminum (TMA) or triethylaluminum (TEA) as an Al source, trimethylindium (TMI) or triethylindium (TEI) as an In source, ammonia (NH 3 ) as an N source as a group V source, hydrazine (N 2 H 4 ) or the like can be used.
また、MOCVD法を用いてGaN系化合物半導体を形成する場合、n型ドーパントとしてSi原料であるモノシラン(SiH4)またはジシラン(Si2H6)や、Ge原料であるゲルマンガス(GeH4)や、テトラメチルゲルマニウム((CH3)4Ge)やテトラエチルゲルマニウム((C2H5)4Ge)等の有機ゲルマニウム化合物などを用いることができる。
また、MOCVD法を用いる場合、p型ドーパントとしてMg原料であるビスシクロペンタジエニルマグネシウム(Cp2Mg)やビスエチルシクロペンタジエニルマグネシウム(EtCp2Mg)などを用いることができる。
In addition, when forming a GaN-based compound semiconductor using the MOCVD method, monosilane (SiH 4 ) or disilane (Si 2 H 6 ), which is an Si raw material, germanium gas (GeH 4 ), which is a Ge raw material, Organic germanium compounds such as tetramethyl germanium ((CH 3 ) 4 Ge) and tetraethyl germanium ((C 2 H 5 ) 4 Ge) can be used.
When MOCVD is used, biscyclopentadienyl magnesium (Cp 2 Mg), bisethylcyclopentadienyl magnesium (EtCp 2 Mg), etc., which are Mg raw materials, can be used as the p-type dopant.
また、GaN系化合物半導体の形成方法としてMBE法を用いる場合、n型ドーパントとして元素状のゲルマニウムを用いることができる。 When MBE is used as a method for forming a GaN-based compound semiconductor, elemental germanium can be used as an n-type dopant.
ここで、MOCVD法を用いてGaN系化合物半導体を成長させて、n型半導体層12と発光層13とp型半導体層14とを形成する場合について、詳細に説明する。
まず、図3に示すように、基板11の一面11aに、中間層(バッファ層)31と下地層32とを順次形成する。その後、下地層32上に、n型コンタクト層33とn型クラッド層34とをこの順に積層して、n型半導体層12を形成する。
Here, the case where the n-
First, as shown in FIG. 3, an intermediate layer (buffer layer) 31 and a
MOCVD法を用いてn型半導体層12を形成する場合、成長炉内の圧力を15〜40kPaの範囲とすることが好ましい。
なお、下地層32を成長させる際の成長温度は、800〜1200℃とすることが好ましく、1000〜1200℃とすることがより好ましい。MOCVD法を用いて上記温度範囲内で下地層32を成長させることにより、結晶性の良い下地層32が得られる。
また、n型コンタクト層33の成長温度は、下地層32の成長温度と同様に、800〜1200℃とすることが好ましく、1000〜1200℃とすることがより好ましい。
n型クラッド層34の成長温度は、500〜1000℃とすることが好ましく、6000〜900℃とすることがより好ましい。
When forming the n-
In addition, it is preferable to set it as 800-1200 degreeC, and, as for the growth temperature at the time of growing the
The growth temperature of the n-
The growth temperature of the n-
次に、図3に示すように、n型半導体層12上に、AlcGa1−cN障璧層とGaInN井戸層とを複数回積層し、最後にAlcGa1−cN障璧層を積層して多重量子井戸構造からなる発光層13を形成する。
AlcGa1−cN障璧層の成長温度は、700℃以上とすることが好ましく、800〜1100℃とすることがより好ましい。AlcGa1−cN障璧層の成長温度を800〜1100℃とすることにより、結晶性の良好なAlcGa1−cN障璧層が得られる。
また、GaInN井戸層の成長温度は、600〜900℃とすることが好ましく、700〜900℃とすることがより好ましい。GaInN井戸層の成長温度を600〜900℃とすることにより、結晶性の良好なGaInN井戸層が得られる。
なお、AlcGa1−cN障璧層とGaInN井戸層とからなるMQW構造の発光層13の結晶性を良好にするためには、AlcGa1−cN障璧層の形成時の成長温度と、GaInN井戸層の形成時の成長温度とを変えることが好ましい。
Next, as shown in FIG. 3, an Al c Ga 1-c N barrier layer and a GaInN well layer are stacked a plurality of times on the n-
The growth temperature of the Al c Ga 1-c N barrier layer is preferably 700 ° C. or higher, and more preferably 800 to 1100 ° C. By setting the growth temperature of the Al c Ga 1-c N barrier layer to 800 to 1100 ° C., an Al c Ga 1-c N barrier layer with good crystallinity can be obtained.
The growth temperature of the GaInN well layer is preferably 600 to 900 ° C, more preferably 700 to 900 ° C. By setting the growth temperature of the GaInN well layer to 600 to 900 ° C., a GaInN well layer with good crystallinity can be obtained.
In order to improve the crystallinity of the
次に、図3に示すように、発光層13上に、p型クラッド層37と、p型コンタクト層38とを積層してp型半導体層14を形成する。これにより、基板11上に、n型半導体層12と発光層13とp型半導体層14とが形成される。
Next, as shown in FIG. 3, a p-
次に、図4に示すように、p型半導体層14上にスパッタ法により、屈折率が半導体層の屈折率未満である低屈折率導電膜39を形成する。
本実施形態においては、低屈折率導電膜39を形成するためのターゲットとして、酸化ガリウム亜鉛(GZO)からなるターゲットと、フッ化カルシウム(CaF2)からなるターゲットの2つを同時に用いて、酸化ガリウム亜鉛(GZO)とフッ化カルシウム(CaF2)との混合膜からなる低屈折率導電膜39を形成することが好ましい。
Next, as shown in FIG. 4, a low refractive index
In the present embodiment, two targets, a target made of gallium zinc oxide (GZO) and a target made of calcium fluoride (CaF 2 ), are simultaneously used as targets for forming the low refractive index
次に、図5に示すように、低屈折率導電膜39上の全面に、例えばITOまたはIZOなどを用いて、屈折率が低屈折率導電膜39の屈折率以上の透明導電膜15を形成する。
Next, as shown in FIG. 5, the transparent
次に、例えば、一般に知られたフォトリソグラフィーの手法によって所定の領域以外の透光性電極15及び低屈折率導電膜39を除去する。
続いて、例えばフォトリソグラフィーの手法によりパターニングして、図6に示すように、所定の領域の半導体層(p型半導体層14、発光層13、n型半導体層12)の一部をエッチングしてn型コンタクト層33からなる露出面12aを露出させる。
Next, the
Subsequently, for example, patterning is performed by a photolithography technique, and as shown in FIG. 6, a part of the semiconductor layer (p-
次に、図7に示すように、n型コンタクト層33からなる露出面12aに負極18を形成する。負極(n型電極)18としては、露出面12a側からTi/Auの二層構造のものを形成することが好ましい。
その後、図7に示すように、透光性電極15の一面15aに正極17を形成する。正極(p型電極)17としては、透光性電極15側から例えば、Alからなる金属反射層とTiからなるバリア層とAuからなるボンディング層とからなる3層構造のものを、フォトリソグラフィの手法を用いて形成することが好ましい。
また、正極17と負極18とは、同じ構造であってもよいし、異なる構造であってもよい。正極17と負極18とが、同じ構造である場合、例えば、Auからなる第1の層、Tiからなる第2の層、Alからなる第3の層、Tiからなる第4の層、Auからなる第5の層を順に積層してなる5層構造のものとしてもよい。
Next, as shown in FIG. 7, the
Thereafter, as shown in FIG. 7, the
Further, the
次に、保護膜16を形成する。保護膜16は、公知のフォトリソグラフィー技術及びリフトオフ技術を用いて、正極17及び負極18の中心部を除く全域に、スパッタ法やCVD法などの緻密な膜ができる成膜方法を用いて形成することが好ましい。特に、保護膜16の形成方法として、緻密な膜の得られるCVD法を用いることが好ましい。
なお、保護膜16として、表面の少なくとも一部に凹凸が形成されているものを形成する場合、例えば、スパッタ法やCVD法などを用いて保護膜16となる膜を形成し、その上に所定の形状を有するレジストパターンを形成してドライエッチングする方法などにより、形成できる。
Next, the
In addition, when forming what has unevenness | corrugation in at least one part of the surface as the
その後、保護層16の形成された基板を分割(チップ化)することにより、図1および図2に示す半導体発光素子1が得られる。
Thereafter, the substrate on which the
本実施形態の半導体発光素子1は、屈折率が、半導体層および透明導電膜15の屈折率未満である低屈折率導電膜39を備えるものであるので、半導体層を構成する発光層13から出射された光のうち、例えば、半導体発光素子1の厚み方向に対して±30°を超える光などの直進性の低い光(界面に対して入射角の大きな光)が、透明導電膜15に入射されずに低屈折率導電膜39によって反射されて半導体層に戻されるものとなる。したがって、本実施形態の半導体発光素子1では、半導体層から出射された直進性の低い光が透明導電膜15に入射されて多重反射することが防止され、透明導電膜15内での光の減衰による吸収が防止される。
Since the semiconductor light emitting element 1 of the present embodiment includes the low refractive index
さらに、本実施形態の半導体発光素子1においては、低屈折率導電膜39によって反射されて半導体層に戻された反射光が、半導体層内で多重反射されて、例えば、半導体発光素子1の厚み方向に対して±30°以下の光などの直進性の高い光(界面に対して入射角の小さな光)とされて、低屈折率導電膜39と透明導電膜15とを透過して、出射される。その結果、本実施形態の半導体発光素子1では、優れた光取り出し効率が得られる。
Further, in the semiconductor light emitting device 1 of the present embodiment, the reflected light reflected by the low refractive index
また、本実施形態の半導体発光素子1においては、半導体層から出射された直進性の低い光が、透明導電膜15に入射されずに低屈折率導電膜39によって反射されて半導体層に戻されるので、透明導電膜15の屈折率に関わらず透明導電膜15内での光の減衰による吸収を防止できる。したがって、屈折率に関わらず透明導電膜15に最適な材料を用いることができ、例えば、透明導電膜15の材料として、屈折率が1.9〜2.2の範囲であるITO又はIZOなどの材料を用いることができる。
Further, in the semiconductor light emitting device 1 of the present embodiment, light with low straightness emitted from the semiconductor layer is reflected by the low refractive index
また、本実施形態の半導体発光素子1において、半導体層の屈折率が1.9〜2.6の範囲である場合、低屈折率導電膜39と半導体層との屈折率の差を十分に確保することができる。その結果、半導体層から出射された直進性の低い光を低屈折率導電膜39によって効率よく反射させることができ、半導体層から出射された直進性の低い光が透明導電膜15に入射されて多重反射することをより効果的に防止できる。
In the semiconductor light emitting device 1 of the present embodiment, when the refractive index of the semiconductor layer is in the range of 1.9 to 2.6, a sufficient difference in refractive index between the low refractive index
また、本実施形態の半導体発光素子1においては、半導体層から出射された直進性の低い光が、透明導電膜15に入射されずに低屈折率導電膜39によって反射されて半導体層に戻されるので、低屈折率導電膜39および透明導電膜15を介して半導体層から出射された光が入射される保護膜16の屈折率に関わらず、保護膜16内での光の減衰による吸収を防止できる。したがって、屈折率に関わらず保護膜16に最適な材料を用いることができ、例えば、保護膜16の材料として、屈折率が2未満であるSiO2(屈折率1.45)などの材料を用いることができる。
Further, in the semiconductor light emitting device 1 of the present embodiment, light with low straightness emitted from the semiconductor layer is reflected by the low refractive index
また、本実施形態の半導体発光素子1においては、低屈折率導電膜39が、酸化ガリウム亜鉛とフッ化カルシウムとを含むものである場合、屈折率および比抵抗の低い優れた低屈折率導電膜39を有するものとなる。
Further, in the semiconductor light emitting device 1 of the present embodiment, when the low refractive index
また、本実施形態において、半導体発光素子1を構成する少なくともn型半導体層12と発光層13とp型半導体層14とが、GaN系化合物半導体からなるものである場合、380〜480nmの波長範囲において、電流の光変換効率を高く得ることができる。
In this embodiment, when at least the n-
また、本実施形態の半導体発光素子1の製造方法は、基板11上に、n型半導体層12と発光層13とp型半導体層14とを有する半導体層を設ける工程と、半導体層上に、屈折率が半導体層の屈折率未満である低屈折率導電膜39を設ける工程と、低屈折率導電膜39上に、屈折率が低屈折率導電膜39の屈折率以上の透明導電膜15を設ける工程とを有する方法であるので、優れた光取り出し効率を有する本実施形態の半導体発光素子1が得られる。
In addition, the method for manufacturing the semiconductor light emitting device 1 of the present embodiment includes a step of providing a semiconductor layer having the n-
「ランプ」
次に、本発明のランプとして、図1および図2に示す半導体発光素子1を備えたランプを例に挙げて説明する。
図8は、本発明のランプの一例を示した断面模式図である。図8に示すランプ5(LEDランプ)においては、図1および図2に示す半導体発光素子1がフレーム51、52にワイヤー53、54により接合され、透明な樹脂からなるモールド55で砲弾型に封止されている。
"lamp"
Next, as a lamp of the present invention, a lamp provided with the semiconductor light emitting element 1 shown in FIGS. 1 and 2 will be described as an example.
FIG. 8 is a schematic cross-sectional view showing an example of the lamp of the present invention. In the lamp 5 (LED lamp) shown in FIG. 8, the semiconductor light emitting device 1 shown in FIGS. 1 and 2 is bonded to the
本実施形態のランプ5は、図1および図2に示す半導体発光素子1を用いて、従来公知の方法により製造でき、例えば、以下に示す方法などにより製造できる。まず、半導体発光素子1を、2本のフレーム51、52の内の一方(図8ではフレーム51)に樹脂等を用いて接着し、半導体発光素子1の正極17及び負極18を、金等の材質からなるワイヤー53、54でそれぞれフレーム51、52に接合することにより、半導体発光素子1を実装する。その後、半導体発光素子1の周辺を、モールド55で封止することにより、ランプ5とする方法などにより得られる。
The lamp 5 of the present embodiment can be manufactured by a conventionally known method using the semiconductor light emitting device 1 shown in FIGS. 1 and 2, for example, by the method shown below. First, the semiconductor light emitting element 1 is bonded to one of the two
なお、本発明のランプは、図8に示すランプ5に限定されるものではない。例えば、本発明のランプは、半導体発光素子1の発光色と蛍光体の発光色とが混色されることにより、白色光を出射するランプとされていてもよい。
また、本発明のランプは、一般用途の砲弾型であってもよいし、携帯のバックライト用途のサイドビュー型、表示器に用いられるトップビュー型等であってもよい。
The lamp of the present invention is not limited to the lamp 5 shown in FIG. For example, the lamp of the present invention may be a lamp that emits white light by mixing the light emission color of the semiconductor light emitting element 1 and the light emission color of the phosphor.
The lamp of the present invention may be a bullet type for general use, a side view type for portable backlight use, a top view type used for a display, or the like.
本実施形態のランプ5は、図1および図2に示す半導体発光素子1を備えたものであるので、優れた光取り出し効率を有する半導体発光素子を備える優れたものとなる。 Since the lamp 5 of this embodiment includes the semiconductor light emitting element 1 shown in FIGS. 1 and 2, the lamp 5 is excellent with a semiconductor light emitting element having excellent light extraction efficiency.
また、本実施形態のランプ5を組み込んだバックライト、携帯電話、ディスプレイ、各種パネル類、コンピュータ、ゲーム機、照明などの電子機器や、それらの電子機器を組み込んだ自動車などの機械装置は、優れた光取り出し効率を有する半導体発光素子1を備えたものとなる。 In addition, electronic devices such as a backlight, a mobile phone, a display, various panels, a computer, a game machine, and a lighting incorporating the lamp 5 of this embodiment, and a mechanical device such as an automobile incorporating such an electronic device are excellent. Thus, the semiconductor light emitting device 1 having the light extraction efficiency is provided.
以下に、本発明を、実施例を挙げて詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例にのみ限定されるものではない。
(実施例1)
以下に示す方法により、図1および図2に示す半導体発光素子1を製造した。
まず、MOCVD法を用いて、図3に示すように、基板11の一面11aに、AlNからなるバッファ層31と、アンドープGaNからなる下地層32と、Siドープn型GaNからなるn型コンタクト層33と、In0.03Ga0.97Nからなるn型クラッド層34とをこの順に積層して、n型半導体層12を形成した。
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples.
Example 1
The semiconductor light emitting device 1 shown in FIGS. 1 and 2 was manufactured by the following method.
First, using MOCVD, as shown in FIG. 3, a
次に、n型半導体層12上に、AlcGa1−cN障璧層とGaInN井戸層とを6回積層し、最後にAlcGa1−cN障璧層を積層して多重量子井戸構造からなる発光層13を形成した。次に、発光層13上に、MgドープAlGaNからなるp型クラッド層37と、Mgドープp型GaNからなるp型コンタクト層38とを積層してp型半導体層14を形成した。これにより、基板11上に、n型半導体層12と発光層13とp型半導体層14とからなる半導体層(低屈折2.4)を形成した。
Next, on the n-
次に、p型半導体層14上にスパッタ法により、酸化ガリウム亜鉛(GZO)とフッ化カルシウム(CaF2)との混合膜(酸化ガリウム亜鉛25質量%、フッ化カルシウム75質量%)からなり、膜厚100nmの低屈折率導電膜39(低屈折1.55、比抵抗1×10−2Ω・cm)を形成した。低屈折率導電膜39を形成するためのスパッタ法においては、ターゲットとして、酸化ガリウム亜鉛(GZO)からなるターゲットと、フッ化カルシウム(CaF2)からなるターゲットの2つを同時に用いた。これにより、図4に示すように、低屈折率導電膜39までの各層を形成した。
Next, the p-
次に、低屈折率導電膜39上の全面に、膜厚250nmのITO(屈折率2.0、比抵抗1×10−4Ω・cm)からなる透明導電膜15を形成し、図5に示すように、透明導電膜15までの各層を形成した。
Next, a transparent
次に、一般に知られたフォトリソグラフィーの手法によって所定の領域以外の透光性電極15及び低屈折率導電膜39を除去した。
続いて、フォトリソグラフィーの手法によりパターニングして、図6に示すように、所定の領域の半導体層(p型半導体層14、発光層13、n型半導体層12)の一部をエッチングしてn型コンタクト層33からなる露出面12aを露出させた。
Next, the
Subsequently, patterning is performed by a photolithography technique, and as shown in FIG. 6, a part of the semiconductor layer (p-
次に、図7に示すように、n型コンタクト層33からなる露出面12aに、負極18を形成した。その後、図7に示すように、透光性電極15の一面15aに、正極17を形成した。
なお、正極17および負極18としては、Auからなる第1の層、Tiからなる第2の層、Alからなる第3の層、Tiからなる第4の層、Auからなる第5の層を順に積層してなる5層構造のものを形成した。
Next, as shown in FIG. 7, the
The
次に、基板11上の正極17及び負極18の中心部を除く全域に、CVD法を用いてSiO2からなる保護膜16(低屈折1.45)を形成した。
その後、保護層16の形成された基板を分割(チップ化)することにより、図1および図2に示す実施例1の半導体発光素子1を得た。
Next, a protective film 16 (low refraction 1.45) made of SiO 2 was formed over the entire region excluding the central portions of the
Then, the semiconductor light emitting element 1 of Example 1 shown in FIG. 1 and FIG. 2 was obtained by dividing | segmenting (chip-izing) the board | substrate with which the
(実施例2)
低屈折率導電膜39の膜厚を200nmとしたこと以外は、実施例1と同様にして実施例2の半導体発光素子1を得た。
(実施例3)
低屈折率導電膜39の膜厚を300nmとしたこと以外は、実施例1と同様にして実施例3の半導体発光素子1を得た。
(Example 2)
A semiconductor light emitting device 1 of Example 2 was obtained in the same manner as Example 1 except that the film thickness of the low refractive index
(Example 3)
A semiconductor light emitting device 1 of Example 3 was obtained in the same manner as in Example 1 except that the film thickness of the low refractive index
(比較例)
低屈折率導電膜39を設けないこと以外は、実施例1と同様にして比較例の半導体発光素子を得た。
(Comparative example)
A comparative semiconductor light emitting device was obtained in the same manner as in Example 1 except that the low refractive index
このようにして得られた実施例1〜実施例3、比較例の半導体発光素子について、TO−18缶パッケージに実装し、テスターによって印加電流20mAにおける発光出力(Po)を測定した。
また、実施例1〜実施例3、比較例の半導体発光素子について、プローブ針による通電で印加電流20mAにおける順方向電圧(VF)を測定した。
また、実施例1〜実施例3、比較例の半導体発光素子の印加電流20mAにおける発光波長を調べた。
また、実施例1〜実施例3について、比較例に対する発光出力の上昇率を算出した。
その結果を表1に示す。
The semiconductor light emitting devices of Examples 1 to 3 and Comparative Example thus obtained were mounted in a TO-18 can package, and the light emission output (Po) at an applied current of 20 mA was measured by a tester.
For the semiconductor light emitting devices of Examples 1 to 3 and Comparative Example, the forward voltage (VF) at an applied current of 20 mA was measured by energization with a probe needle.
Moreover, the light emission wavelength in the applied current 20mA of the semiconductor light emitting element of Examples 1 to 3 and the comparative example was examined.
For Examples 1 to 3, the increase rate of the light emission output relative to the comparative example was calculated.
The results are shown in Table 1.
表1に示すように、実施例1〜実施例3では、比較例と比較して、発光出力が低屈折率導電膜39を設けることにより上昇していることが確認できた。
As shown in Table 1, in Examples 1 to 3, it was confirmed that the light emission output was increased by providing the low refractive index
1…半導体発光素子、5…ランプ、11…基板、11a…一面、12…n型半導体層、13…発光層、14…p型半導体層、15…透明導電膜、15b…側面、16…保護膜、17…正極、17a…上面周辺部、17b…側面、18…負極、31…バッファ層、32…下地層、33…n型コンタクト層、34…n型クラッド層、37…p型クラッド層、38…p型コンタクト層、39…低屈折率導電膜、51、52…フレーム、53、54…ワイヤー、55…モールド。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Semiconductor light-emitting device, 5 ... Lamp, 11 ... Board | substrate, 11a ... One side, 12 ... N-type semiconductor layer, 13 ... Light emitting layer, 14 ... P-type semiconductor layer, 15 ... Transparent electrically conductive film, 15b ... Side surface, 16 ...
Claims (14)
前記低屈折率導電膜の屈折率が、前記半導体層および前記透明導電膜の屈折率未満であり、かつ前記低屈折率導電膜の屈折率が、1.9未満であることを特徴とする半導体発光素子。 On the substrate, a semiconductor layer having an n-type semiconductor layer, a light emitting layer, and a p-type semiconductor layer, a low refractive index conductive film, and a transparent conductive film are provided in this order.
Wherein the refractive index of the low refractive index conductive layer, the semiconductor layer and der than the refractive index of the transparent conductive film is, and the refractive index of the low refractive index conductive film, and wherein der Rukoto less than 1.9 A semiconductor light emitting device.
前記低屈折率導電膜の屈折率が、前記半導体層および前記透明導電膜の屈折率未満であ
り、かつ前記透明導電膜の屈折率が、1.9〜2.2の範囲であることを特徴とする半導体発光素子。 On the substrate, a semiconductor layer having an n-type semiconductor layer, a light emitting layer, and a p-type semiconductor layer, a low refractive index conductive film, and a transparent conductive film are provided in this order.
The refractive index of the low refractive index conductive film is less than the refractive index of the semiconductor layer and the transparent conductive film.
Ri, and the refractive index of the transparent conductive film, a semiconductor light emitting device characterized scope der Rukoto of 1.9 to 2.2.
前記低屈折率導電膜の屈折率が、前記半導体層および前記透明導電膜の屈折率未満であり、かつ前記低屈折率導電膜が、酸化ガリウム亜鉛とフッ化カルシウムとを含むものであることを特徴とする半導体発光素子。 On the substrate, a semiconductor layer having an n-type semiconductor layer, a light emitting layer, and a p-type semiconductor layer, a low refractive index conductive film, and a transparent conductive film are provided in this order.
The refractive index of the low refractive index conductive film, wherein the semiconductor layer and the Ri der less than the refractive index of the transparent conductive film, and the low-refractive index conductive film, Ru der those containing a gallium oxide zinc calcium fluoride A semiconductor light emitting element characterized by the above.
前記低屈折率導電膜上に、屈折率が前記低屈折率導電膜の屈折率以上の透明導電膜を設ける工程とを有することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。 On a substrate, comprising: providing a semiconductor layer having an n-type semiconductor layer and the light-emitting layer and a p-type semiconductor layer, on the semiconductor layer state, and are less than the refractive index of the refractive index of the semiconductor layer, and 1.9 a step of providing a less than der Ru low refractive index conductive film,
And a step of providing a transparent conductive film having a refractive index equal to or higher than the refractive index of the low refractive index conductive film on the low refractive index conductive film.
前記低屈折率導電膜上に、屈折率が前記低屈折率導電膜の屈折率以上で、かつ1.9〜2.2の範囲の透明導電膜を設ける工程とを有することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。 Providing a semiconductor layer having an n-type semiconductor layer, a light-emitting layer, and a p-type semiconductor layer on a substrate; and a low-refractive-index conductive film having a refractive index lower than the refractive index of the semiconductor layer on the semiconductor layer. Providing, and
Providing a transparent conductive film having a refractive index equal to or higher than the refractive index of the low refractive index conductive film and having a refractive index in the range of 1.9 to 2.2 on the low refractive index conductive film. Manufacturing method of light emitting element.
前記低屈折率導電膜上に、屈折率が前記低屈折率導電膜の屈折率以上の透明導電膜を設ける工程とを有することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。 On a substrate, comprising: providing a semiconductor layer having an n-type semiconductor layer and the light-emitting layer and a p-type semiconductor layer, on the semiconductor layer state, and are less than the refractive index of the refractive index of the semiconductor layer, and gallium oxide, zinc a step of providing a der Ru low refractive index conductive film which comprises a calcium fluoride and,
And a step of providing a transparent conductive film having a refractive index equal to or higher than the refractive index of the low refractive index conductive film on the low refractive index conductive film.
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