JP5674389B2 - 半導体発光素子及びその製造方法 - Google Patents
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Description
第1電極層は、第1半導体層から第1電極層に向かう方向に沿った厚さが10nm以上、50nm以下である金属部と、前記方向に沿って金属部を貫通し、前記方向に沿ってみたときの形状の円相当直径が10nm以上、5マイクロメートル(μm)以下である複数の開口部と、を有する。
発光層は、第1半導体層と第1電極層との間に設けられる。
第3半導体層は、第2半導体層と第1電極層との間に設けられ、膜厚が10nm以上20μm以下であり、シート抵抗値が103オーム(Ω)/□以上、106Ω/□以下である。
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係数などは、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係数が異なって表される場合もある。
また、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。
また、以下の説明では、一例として、第1導電形をn形、第2導電形をp形とした具体例を挙げる。
図1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的斜視図である。
第1の実施形態に係る半導体発光素子110は、構造体100と、第3半導体層54と、第1電極層20と、第2電極層30と、を備える。
なお、実施形態では、説明の便宜上、構造体100の第2半導体層52の側を表面側または上側、構造体100の第1半導体層51の側を裏面側または下側とする。また、第1半導体層51から第2半導体層52に向かう方向に沿った積層方向をZ軸方向とする。
金属部23のZ軸方向に沿った厚さは、例えば10nm以上、50nm以下である。
複数の開口部21は、Z軸方向に沿って金属部23を貫通する。複数の開口部21のそれぞれの円相当直径は、10nm以上、5μm以下である。
円相当直径=2×(面積/π)1/2
なお、上記の面積は、開口部21のZ軸方向からみたときの形状の面積である。
実施形態に係る半導体発光素子110において、第3半導体層54のシート抵抗値は、103Ω/□以上、106Ω/□以下である。
また、実施形態に係る半導体発光素子110において、第3半導体層54の不純物濃度は、1×1012cm−3以上、1×1019cm−3未満である。
実施形態に係る半導体発光素子110によれば、発光層53での発光効率の向上、第1電極層20からの放出光の輝度の向上を図ることが可能となる。
半導体発光素子110は、例えばn形GaAsの基板511を備え、この基板511の上に、例えばn形のInAlPによるクラッド層512と、InGaAlPによる発光層53と、p形のInAlPによるクラッド層521と、を含むヘテロ構造が形成される。
なお、第3半導体層54に炭素等の不純物がドーピングがされることで、第3半導体層54と第1電極層20とのオーミック接続をとりやすくなる。
そして、実施形態に係る半導体発光素子110において、発光層53から放出された光は、電流拡散層である第2半導体層52の第1電極層20が設けられた面から外部に放出される。
半導体発光素子110では、第1電極層20における開口部21の円相当直径が、10nm以上、5μm以下である。
半導体発光素子110では、第1電極層20の金属部23のZ軸方向に沿った厚さが、10nm以上、50nm以下である。
このような構成により、実施形態に係る半導体発光素子110では、高輝度化を図ることができる。
本願発明者は、上記のような半導体発光素子110において、第3半導体層54の不純物濃度を変えた実験を行った。
図2は、実験に用いた半導体発光素子を例示する模式的断面図である。
本願発明者は、上記のような半導体発光素子110において、第2半導体層52と第1電極層20との間に中間半導体層55を設け、中間半導体層55のシート抵抗値を変えた実験を行った。
図2(a)は、中間半導体層55として第3半導体層54を備えた半導体発光素子110を例示する模式的断面図である。
図2(b)は、中間半導体層55として第3半導体層54ではなく電流拡散層522を備えた参考例の半導体発光素子190を例示する模式的断面図である。電流拡散層522は、第2半導体層52と、第1電極層20と、の間に設けられ、第1電極層20とオーミック接触を形成している。
なお、いずれの図においても、パッド電極202を中心とした片側部分を例示している。
本願発明者は、図2(a)及び(b)に例示した半導体発光素子110及び190を製作した。
図2(b)に表した半導体発光素子190では、電流拡散層522のシート抵抗値が2.0×102Ω/□である。
半導体発光素子110及び190のいずれにも、パッド電極202の下方に電流ブロック層522aが設けられている。
しかし、本願発明者が行った上記の実験結果によると、これとは反対の結果になった。すなわち、第1電極層20と第2半導体層52との間の層のシート抵抗値が高い方が良好な結果になった。
また、Rms=(第1電極層20の抵抗率)/(第1電極層20のZ軸方向に沿った厚さ)である。
第1電極層20の抵抗率を約10−7Ω・cm、第1電極層20のZ軸方向に沿った厚さを10nm以上とすると、Rmsの上限は、10Ω/□となる。
したがって、第3半導体層54のシート抵抗値Rssの下限は、103Ω/□となる。
よって、パッド電極202からZ軸に垂直な方向に沿って1cmの幅で、(第3半導体層54のZ軸方向の抵抗値)≦10×(第1電極層20の抵抗値)を満たすことになる。
つまり、Rss≦(Rms/(第3半導体層54のZ軸方向に沿った厚さts)2)×10−3を満たすことになる。
第1電極層20の抵抗率を約10−7Ω・cmとして、例えば2×10−8Ω・m、第1電極層20のZ軸方向に沿った厚さを50nm以下とすると、Rmsの下限は、0.4Ω/□になる。また、厚さtsは10nm〜20μmとする。
したがって、第3半導体層54のシート抵抗値Rssの上限は、106Ω/□になる。
不純物濃度は、断面をSIMS(Secondary Ion Mass Spectroscopy)によって分析する手法などで容易に測定可能である。
第3半導体層54にドープするドーパントとしては、C、Ca、Ge、Mg、Mn、Se、Si、Sn、Te及びZnのうちいずれか1つを含むことが好ましい。
第3半導体層54の膜厚が10nm以上、20μm以下の場合、第3半導体層54のシート抵抗値(103Ω/□以上、106Ω/□以下)に相当する第3半導体層54の不純物濃度は、1×1012cm−3以上、1×1019cm−3未満となる。
また、開口部21の円相当直径の上限は、導電性の観点から、隣接する開口部21の間隔をPとして、0.9P以下が特に好ましい。具体的には、360nm以下がより好ましい。一方、開口部21の円相当直径の下限に関しては、導電性の観点からは制約は無いものの、製造の容易性から10nm以上、好ましくは30nm以上あるとよい。
また、複数の電流供給源が設けられている場合には、各電流供給源のそれぞれに対応して第1電極層20の金属部23が連続していればよい。
次に、第2の実施形態を説明する。第2の実施形態は、半導体発光素子の製造方法である。
図3は、第2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フローチャートである。
すなわち、第2の実施形態に係る製造方法は、第1半導体層51を形成し、第1半導体層51の上に発光層53を形成し、発光層53の上に第2半導体層52を形成して、構造体を形成する工程(ステップS10)と、第2半導体層52の上に、不純物濃度が1×1012cm−3以上、1×1019cm−3未満である第3半導体層54を形成する工程(ステップS20)と、第3半導体層54の上に、Z軸方向に沿った厚さが10nm以上、50nm以下である金属層を形成する工程(ステップS30)と、金属層の上にマスクパターンを形成する工程(ステップS40)と、マスクパターンをマスクにして金属層をエッチングし、円相当直径が10nm以上、5μm以下の複数の開口部21を有する電極層(第1電極層20)を形成する工程(ステップS50)と、を備える。
本実施形態に係る半導体発光素子の製造方法のひとつは、スタンパを利用するものである。
具体的には、例えば以下のようにして半導体発光素子を得ることができる。
図4は、スタンパを利用する方法の工程例を示す模式的断面図である。
先ず、図4(a)に表したように、第1半導体層51上に発光層53を形成し、その上に第2半導体層52を形成する。また、第1半導体層51に接して第2電極層30を形成する。
次いで、第2半導体層52の上に第3半導体層54を形成し、その上に、金属層20Aを形成する。そして、金属層20Aの上にレジスト層801Aを形成する。
スタンパ802は、例えば石英上に電子線リソグラフィにて所望の構造を形成させることにより製造することができる。そのほか、スタンパ802の材料及びスタンパ802の微細凹凸構造形成手法は限定されない。例えば、スタンパ802をブロックコポリマー(ブロック共重合体)の自己組織化や、微粒子マスクを用いた方法により形成することも可能である。
本実施形態に係る半導体発光素子の製造方法のひとつは、ブロックコポリマーの自己組織化による相分離を利用するものである。
具体的には、例えば以下のようにして半導体発光素子を得ることができる。
図5は、ブロックコポリマーの自己組織化を利用する方法の工程例を示す模式的断面図である。
先ず、図5(a)に表したように、第1半導体層51上に発光層53を形成し、その上に第2半導体層52を形成する。また、第1半導体層51に接して第2電極層30を形成する。
次いで、第2半導体層52の上に第3半導体層54を形成し、その上、金属層20Aを形成する。
第1実施例では、上記(A)のスタンパを利用した方法に準じて、図4に表した工程により半導体発光素子111を製造する。
第1比較例に係る半導体発光素子191では、一辺300μmのチップで、光取り出し面内での明暗のばらつきが6.2%、一辺900μmのチップで、同ばらつきが11.2%である。
また、一辺300μmのチップの場合、第1実施例に係る半導体発光素子111のチップ全体の輝度は、第1比較例に係る半導体発光素子191のチップ全体の輝度の1.1倍、一辺900μmのチップの場合、1.3倍である。
このように、光取り出し面において均一に発光させることで、輝度が大幅に向上するという結果が得られている。
第2実施例では、上記(B)のブロックコポリマーの自己組織化を利用した方法に準じて、図5に表した工程により半導体発光素子112を製造する。
第2比較例に係る半導体発光素子192では、電流拡散層522のシート抵抗が高すぎるため、第1電極層と電流拡散層522のオーミック接触が形成されず、半導体発光素子112と同じ電流、電圧では発光を確認することができなかった。
第3実施例に係る半導体発光素子113は、第1実施例に係る半導体発光素子111と同じ構造である。また、第3比較例に係る半導体発光素子193は、第1比較例に係る半導体発光素子191と同じである。
第3実施例では、半導体発光素子113及び193について、20mAの電流を流した場合の検査を行う。
第3比較例に係る半導体発光素子193では、一辺300μmのチップで、光取り出し面内での明暗のばらつきが2.3%、一辺900μmのチップで、同ばらつきが6.5%である。
また、一辺300μmのチップの場合、第3実施例に係る半導体発光素子113のチップ全体の輝度は、第3比較例に係る半導体発光素子193のチップ全体の輝度の1.03倍、一辺900μmのチップの場合、1.1倍である。
図6(a)では、第1〜第3比較例に係る半導体発光素子191〜193の発光状態を例示している。
図6(b)では、第1実施形態に係る半導体発光素子110及び第1〜第3実施例に係る半導体発光素子111〜113の発光状態を例示している。
いずれの図も、光取り出し面のパッド電極202以外の部分において、明度の高い部分ほど発光強度が強いことを示している。
一方、図6(b)に表したように、半導体発光素子110及び111〜113では、パッド電極202の付近から離れた部分に至るまで、均一かつ強い発光強度を得ている。
図7は、第4実施例に係る半導体発光素子を例示する模式的断面図である。
第4実施例に係る半導体発光素子114においては、構造体100の材料として窒化物半導体が用いられている。
第5実施例では、電子線描画を利用して開口部21を作製した第1電極層20を有する、第1実施例と同様の構造である半導体発光素子115を作製する。この半導体発光素子115においても、実施例1と同様の特性を得られる。
第6実施例では、発光層53として、AlGaAs、GaAsP及びGaPのいずれかを用い、第1実施例と同様の構造である半導体発光素子116を作製する。発光層53としてAlGa、GaAsP及びGaPのいずれを用いた半導体発光素子116においても、実施例1と同様の特性を得られる。
図8(a)では、第3半導体層54のシート抵抗値が第4〜第6実施例に係る半導体発光素子114〜116よりも低い半導体発光素子194の発光状態を例示している。
図8(b)では、第4〜第6実施例に係る半導体発光素子114〜116の発光状態を例示している。
いずれの図も、光取り出し面のパッド電極202以外の部分において、明度の高い部分ほど発光強度が強いことを示している。
一方、図8(b)に表したように、半導体発光素子114〜116では、パッド電極202の付近から離れた部分に至るまで、均一かつ強い発光強度を得ている。
Claims (8)
- 第1導電形の第1半導体層と、
第1電極層であって、前記第1半導体層から前記第1電極層に向かう方向に沿った厚さが10ナノメートル以上、50ナノメートル以下である金属部と、前記方向に沿って前記金属部を貫通し、前記方向に沿ってみたときの形状の円相当直径が10ナノメートル以上、5マイクロメートル以下である複数の開口部と、を有する前記第1電極層と、
前記第1半導体層と前記第1電極層との間に設けられた発光層と、
前記発光層と前記第1電極層との間に設けられた第2導電形の第2半導体層と、
前記第2半導体層と前記第1電極層との間に設けられ、膜厚が10ナノメートル以上20マイクロメートル以下であり、シート抵抗値が103オーム/□以上、106オーム/□以下である第2導電形の第3半導体層と、
前記第1半導体層に接続された第2電極層と、
を備えたことを特徴とする半導体発光素子。 - 前記第3半導体層の不純物濃度が1×1012/立方センチメートル以上、1×1019/立方センチメートル未満であることを特徴とする請求項1記載の半導体発光素子。
- 前記金属部は、Au及びAgのうち少なくともいずれかを含み、
前記金属部のシート抵抗値は、10オーム/□以下であることを特徴とする請求項1または2に記載の半導体発光素子。 - 前記金属部は、前記第3半導体層とオーミック接触してい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3半導体層のシート抵抗値は、104オーム/□であることを特徴とする請求項1記載の半導体発光素子。
- 第1導電形の第1半導体層と、第2導電形の第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、を有する構造体を形成する工程と、
前記第2半導体層の上に、膜厚が10ナノメートル以上20マイクロメートル以下であり、不純物濃度が1×1012/立方センチメートル以上、1×1019/立方センチメートル未満であり、シート抵抗値が10 3 オーム/□以上、10 6 オーム/□以下である第2導電形の第3半導体層を形成する工程と、
前記第3半導体層の上に、前記第1半導体層から前記第2半導体層に向かう方向に沿った厚さが10ナノメートル以上、50ナノメートル以下である金属層を形成する工程と、
前記金属層の上にマスクパターンを形成する工程と、
前記マスクパターンをマスクにして前記金属層をエッチングし、円相当直径が10ナノメートル以上、1マイクロメートル以下の複数の開口部を有する電極層を形成する工程と、
を備えたことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。 - 前記マスクパターンを形成する工程では、
前記金属層の上にレジスト層を形成し、前記レジスト層に凸部を有するスタンパの前記凸部を押し付けて、前記レジスト層に複数のレジスト凹部を有するレジスト膜を形成することを特徴とする請求項6記載の半導体発光素子の製造方法。 - 前記マスクパターンを形成する工程では、
前記金属層の上にブロックコポリマーを含む組成物を塗布し、前記ブロックコポリマーを相分離させてミクロドメインパターンを生成することを特徴とする請求項6記載の半導体発光素子の製造方法。
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