JP5900284B2 - 半導体発光素子および発光装置 - Google Patents
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Description
また、p型半導体層および発光層の両者を除去することなく、発光層と対向する部位にn電極を配置する構成を採用した場合には、発光層から出力される光がn電極によって吸収されてしまい、結果として、半導体発光素子からの光出力が増加しにくくなるおそれがあった。
本発明は、フェイスアップ実装で用いられる半導体発光素子からの光の出力を増加させることを目的とする。
また、電気伝導性を有する導電材料で構成され、前記透明絶縁層を貫通する孔を介して前記第2半導体層と電気的に接続される第2接続電極と、電気伝導性と前記発光層から出力される光に対する非透過性とを有する非透明導電材料で構成され、当該発光層からみて前記第2半導体層の背面側に設けられ、前記第2接続電極と前記第2給電電極とを電気的に接続する第2補助電極とを備え、前記透明絶縁層における前記第1透明絶縁部は、前記発光層からみて前記第2半導体層の背面側であって、前記第2補助電極が存在する部位にも配置されることを特徴とすることができる。
さらに、前記第2補助電極は、前記第2半導体層と対向する側に設けられ、電気伝導性と前記発光層から出力される光の吸収性とを有する吸収層を備えることを特徴とすることができる。
さらにまた、前記化合物半導体はIII族窒化物半導体からなり、前記第1半導体層は、直接あるいは他の層を介して基板の上に積層されていることを特徴とすることができる。
図1は、実施の形態1における半導体発光素子1の上面図の一例である。また、図2は図1におけるII−II断面図であり、図3は図1におけるIII−III断面図であり、図4は図1におけるIV−IV断面図である。ここで、本実施の形態の半導体発光素子1は、例えば図1に示したように上方からみたときに長方形状を呈しており、図中における縦方向が短辺側となっており、図中における横方向が長辺側となっている。なお、以下の説明においては、必要に応じて、図1における縦方向を短手方向と称することがあり、図1における横方向を長手方向と称することがある。
本実施の形態の半導体発光素子1は、基板110と、基板110の上に積層されるn型半導体層120と、n型半導体層120の上に積層される発光層130と、発光層130の上に積層されるp型半導体層140とを備える。なお、以下の説明においては、必要に応じて、これらn型半導体層120、発光層130およびp型半導体層140を、まとめて積層半導体層100と呼ぶことがある。また、基板110とn型半導体層120との間には、必要に応じて、中間層(図示せず)や下地層(図示せず)を設けてもよい。
なお、以下の説明においては、化合物半導体およびIII族窒化物半導体の一例としてのAlGaN、GaN、GaInNに関し、各元素の組成比を省略した形で記述する場合がある。
基板110としては、III族窒化物半導体結晶が表面にエピタキシャル成長されるものであれば、特に限定されず、各種の基板材料を選択して用いることができる。例えば、サファイア、SiC、GaN、シリコン等からなる基板材料を用いることができる。
また、上記基板材料の中でも、透明基板が望ましく、特に、C面を主面とするサファイアを基板110に用いることが、品質、コストの面で好ましい。サファイアを基板110として用いる場合は、サファイアのC面上に、表面に凹凸加工を施し、中間層(バッファ層)を形成するとよい。
中間層は、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10〜500nmのものとすることができる。なお、中間層は、基板110と後述する下地層との格子定数の違いを緩和し、基板110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、中間層の上に単結晶の下地層を積層すると、より一層結晶性の良い積層半導体層100を形成することができる。
下地層としては、AlxGayInzN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1、x+y+z=1)を用いることができるが、AlxGa1-xN(0≦x<1)を用いると、結晶性の良い下地層を形成しやすくなる。
下地層の膜厚は0.1μm以上が好ましく、この膜厚以上にした方が結晶性の良好なAlxGa1-xN層が得られやすい。前記、凹凸加工基板の凹凸を埋め平坦化する厚さが望ましい。また、下地層の膜厚は10μm以下が好ましい。
III族窒化物半導体を含んで構成される積層半導体層100は、例えば図2〜図4に示すように、基板110上に、n型半導体層120、発光層130およびp型半導体層140の各層が、この順で積層されて構成されている。また、n型半導体層120、発光層130およびp型半導体層140の各層は、それぞれ、複数の半導体層から構成してもよい。
ここで、第1半導体層の一例としてのn型半導体層120は、電子をキャリアとして電気伝導を行うものであり、第2半導体層の一例としてのp型半導体層140は、正孔をキャリアとして電気伝導を行うものである。この例においては、電子をキャリアとするn型が第1導電型に対応しており、正孔をキャリアとするp型が第2導電型に対応している。
n型半導体層120は、基板110側(この例では下地層)に積層されるnコンタクト層121と、nコンタクト層121に積層されるnクラッド層122とで構成されている。ただし、nコンタクト層121がnクラッド層122を兼ねることも可能である。また、前述の下地層をn型半導体層120に含めてもよい。
また、nクラッド層122は、n側第1クラッド層とn側第2クラッド層とが交互に繰返し積層された構造を含んだものであってもよく、この場合には、GaInNとGaNとの交互構造又は組成の異なるGaInN同士の交互構造とすることが好ましい。
発光層130としては、単一量子井戸構造あるいは多重量子井戸構造などを採用することができる。
量子井戸構造の井戸層としては、通常、Ga1-yInyN(0<y<0.4)からなるIII族窒化物半導体層が用いられる。井戸層の膜厚としては、量子効果の得られる程度の膜厚、例えば1〜10nmとすることができ、好ましくは2〜6nmとすると発光出力の点で好ましい。
また、多重量子井戸構造の発光層130の場合は、上記Ga1-yInyNを井戸層とし、井戸層よりバンドギャップエネルギーが大きいAlzGa1-zN(0≦z<0.3)を障壁層とする。井戸層および障壁層には、不純物をドープしてもよいし、しなくてもよい。
p型半導体層140は、発光層130に積層されるpクラッド層と、pクラッド層に積層されるpコンタクト層とで構成することが好ましい。ただし、pコンタクト層がpクラッド層を兼ねることも可能である。
pクラッド層が、このようなAlGaNからなると、発光層130へのキャリアの閉じ込めの点で好ましい。pクラッド層の膜厚は、特に限定されないが、好ましくは1〜400nmであり、より好ましくは5〜100nmである。
また、pクラッド層は、上述したnクラッド層122と同様に、複数回積層した超格子構造としてもよく、この場合には、AlGaNおよび組成が異なるAlGaNの交互構造又はAlGaNおよびGaNの交互構造とすることが好ましい。
pコンタクト層の膜厚は、特に限定されないが、10〜500nmが好ましく、より好ましくは50〜200nmである。pコンタクト層の膜厚をこの範囲とすると、順方向電圧Vfを低減できる点で好ましい。
図5は、実施の形態1におけるp側給電部150の構成の一例を示す図である。ここで、図5は、図3に示す領域Vすなわちp側給電電極152とp側接続電極154との境界部における拡大断面図を示している。ただし、p側給電電極152およびp側接続電極154とともにp側給電部150を構成するp側補助電極153(p側第1補助電極153aおよびp側第2補助電極153b)、そして、p側補助電極153側に設けられるp側接続電極154(図2参照)も、これらと共通の構成を有している。
p側透明導電層151は、p型半導体層140の上面のうち、周縁部を除くほぼ全面を覆うように形成されている。
p側透明導電層151は、p型半導体層140とオーミックコンタクトがとれ、しかもp型半導体層140との接触抵抗が小さいものを用いることが好ましい。また、この半導体発光素子1では、発光層130からの光を、p側透明導電層151を介して保護絶縁層180側から取り出すことから、p側透明導電層151は光透過性に優れたものを用いることが好ましい。さらに、p型半導体層140の全面に渡って均一に電流を拡散させるために、p側透明導電層151は優れた導電性を有し、且つ、抵抗分布が少ないものを用いることが好ましい。
また、p側透明導電層151に用いる膜としては、比抵抗が低くなる組成を使用することが好ましい。例えば、IZO中のZnO濃度は1〜20質量%であることが好ましく、5〜15質量%の範囲であることが更に好ましく、10質量%であると特に好ましい。
さらに、p側透明導電層151は、得られた膜の密着性を高めるという観点からすれば、例えばスパッタ法で形成することが望ましい。
p側給電部150におけるp側給電電極152、p側補助電極153およびp側接続電極154は、接続対象となるp側透明導電層151に近い側から順に、p側第1給電層1501と、p側第2給電層1502と、p側第3給電層1503とを積層することで構成されている。本実施の形態において、p側第1給電層1501はTaNで構成され、p側第2給電層1502はPtで構成され、p側第3給電層1503はAuで構成されている。また、p側第1給電層1501の膜厚は1nm程度であり、p側第2給電層1502の膜厚は100nm程度であり、p側第3給電層1503の膜厚は1000nm程度である。
図6は、実施の形態1におけるn側給電部160の構成の一例を示す図である。なお、図6は、図3に示す領域VIすなわちn側給電電極162とn側接続電極164との境界部における拡大断面図を示している。ただし、n側給電電極162およびn側接続電極164とともにn側給電部160を構成するn側補助電極163、そして、n側補助電極163側に設けられるn側接続電極164(図3参照)も、これらと共通の構成を有している。
n側給電部160におけるn側給電電極162、n側補助電極163およびn側接続電極164は、接続対象となるn型半導体層120におけるnコンタクト層121に近い側から順に、n側第1給電層1601と、n側第2給電層1602と、n側第3給電層1603とを積層することで構成されている。本実施の形態において、n側第1給電層1601はTaNで構成され、n側第2給電層1602はPtで構成され、n側第3給電層1603はAuで構成されている。また、n側第1給電層1601の膜厚は1nm程度であり、n側第2給電層1602の厚さは100nm程度であり、n側第3給電層1603の厚さは1000nm程度である。
図7は、図1〜図4等に示す給電絶縁層170の構成の一例を示す図である。ここで、図7は、図2における領域VIIの拡大断面図を示している。ただし、図7においては、給電絶縁層170の下方に設けられたp側透明導電層151を記載する一方、給電絶縁層170の上方に設けられた各層については記載を省略している。
本実施の形態において、保護絶縁層180は、給電絶縁層170と同様に、発光層130から出力される光に対する透過性、および、p側給電部150とn側給電部160とを電気的に絶縁する絶縁性を有している。保護絶縁層180を構成する材料としては、例えばSiO2(酸化珪素)やMgF2(フッ化マグネシウム)、CaF2(フッ化カルシウム)、Si3N4(窒化珪素)、Al2O3(酸化アルミニウム)を使用することができる。なお、この例では、保護絶縁層180として、給電絶縁層170と同じSiO2(二酸化珪素)を用いた。ここで、保護絶縁層180の膜厚は、90nm程度とすることが望ましい。
図8は、図1等に示す半導体発光素子1を搭載した発光装置30の構成の一例を示す図である。ここで、図8(a)は発光装置30の上面図を示しており、図8(b)は図8(a)のVIIIB−VIIIB断面図である。なお、図8に示す発光装置30は、「発光チップ」あるいは「ランプ」と呼ばれることもある。
半導体発光素子1において、発光層130からは、p型半導体層140側に向かう光と、n型半導体層120側に向かう光とが、主として出力される。
実施の形態1では、n側給電部160を構成するn側給電電極162、n側補助電極163およびn側接続電極164を、すべて金属材料で構成していた。これに対し、本実施の形態では、n側給電部160のうち、n側給電電極162を金属材料で構成する一方、n側補助電極163およびn側接続電極164を、透明導電材料にて構成するようにしたものである。なお、本実施の形態において、実施の形態1と同様のものについては、同じ符号を付してその詳細な説明を省略する。
n側透明導電層161は、n型半導体層120におけるnコンタクト層121とオーミックコンタクトがとれ、しかもnコンタクト層121との接触抵抗が小さいものを用いることが好ましい。また、この半導体発光素子1では、発光層130からの光を、n側透明導電層161を介して保護絶縁層180側から取り出すことから、n側透明導電層161は光透過性に優れたものを用いることが好ましい。さらに、n型半導体層120の全面に渡って均一に電流を拡散させるために、n側透明導電層161は優れた導電性を有し、且つ、抵抗分布が少ないものを用いることが好ましい。
半導体発光素子1において、発光層130からは、p型半導体層140側に向かう光と、n型半導体層120側に向かう光とが、主として出力される。
本実施の形態は、実施の形態2とほぼ同様であるが、半導体発光素子1におけるp側給電部150およびn側給電部160の構成および配置を、実施の形態2のものとは異ならせたものである。なお、本実施の形態において、実施の形態2と同様のものについては、同じ符号を付してその詳細な説明を省略する。
Claims (6)
- 第1導電型を有する化合物半導体で構成される第1半導体層と、
前記第1半導体層上に当該第1半導体層に接して設けられ、化合物半導体で構成されるとともに通電により発光する発光層と、
前記発光層上に当該発光層に接して設けられ、前記第1導電型とは異なる第2導電型を有する化合物半導体で構成される第2半導体層と、
前記発光層からみて前記第2半導体層の背面側に設けられ、金属で構成されるとともに前記第1半導体層と電気的に接続される第1給電電極と、
前記発光層からみて前記第2半導体層の背面側に設けられ、金属で構成されるとともに当該第2半導体層と電気的に接続される第2給電電極と、
前記発光層からみて前記第2半導体層の背面側に設けられ、前記発光層から出力される波長の光に対する透過性を有する材料で構成され、前記第1給電電極と前記第2給電電極とを電気的に絶縁する透明絶縁層と、
電気伝導性を有する導電材料で構成され、前記透明絶縁層、前記第2半導体層および当該発光層を貫通する孔を介して前記第1半導体層と電気的に接続される第1接続電極と、
電気伝導性と前記発光層から出力される光に対する透過性とを有する透明導電材料で構成され、当該発光層からみて前記第2半導体層の背面側に設けられ、前記第1接続電極と前記第1給電電極とを電気的に接続する第1補助電極とを備え、
前記透明絶縁層は、
第1厚さに設定され、前記発光層からみて前記第2半導体層の背面側であって、前記第1補助電極が存在する部位を含み且つ前記第1給電電極および前記第2給電電極が存在しない部位に配置される第1透明絶縁部と、
前記第1厚さとは異なる第2厚さに設定され、前記第2半導体層と前記第1給電電極との間および当該第2半導体層と前記第2給電電極との間に配置される第2透明絶縁部と
を有し、
前記第2透明絶縁部は、前記第1透明絶縁部よりも、前記発光層から出力される光が界面にて反射されやすく、当該第1透明絶縁部は、当該第2透明絶縁部よりも、当該発光層から出力される光が当該界面にて透過されやすいこと
を特徴とする半導体発光素子。 - 前記第1給電電極は、前記第2半導体層と対向する側に設けられ、電気伝導性と前記発光層から出力される光に対する吸収性とを有する第1吸収層を備え、
前記第2給電電極は、前記第2半導体層と対向する側に設けられ、電気伝導性と前記発光層から出力される光に対する吸収性とを有する第2吸収層を備えること
を特徴とする請求項1記載の半導体発光素子。 - 電気伝導性を有する導電材料で構成され、前記透明絶縁層を貫通する孔を介して前記第2半導体層と電気的に接続される第2接続電極と、
電気伝導性と前記発光層から出力される光に対する非透過性とを有する非透明導電材料で構成され、当該発光層からみて前記第2半導体層の背面側に設けられ、前記第2接続電極と前記第2給電電極とを電気的に接続する第2補助電極とを備え、
前記透明絶縁層における前記第1透明絶縁部は、前記発光層からみて前記第2半導体層の背面側であって、前記第2補助電極が存在する部位にも配置されること
を特徴とする請求項1または2記載の半導体発光素子。 - 前記第2補助電極は、前記第2半導体層と対向する側に設けられ、電気伝導性と前記発光層から出力される光の吸収性とを有する吸収層を備えること
を特徴とする請求項3記載の半導体発光素子。 - 前記化合物半導体はIII族窒化物半導体からなり、
前記第1半導体層は、直接あるいは他の層を介して基板の上に積層されていることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項記載の半導体発光素子。 - 第1配線および第2配線が形成された基部と、当該基部に対しフェイスアップ接続される半導体発光素子とを含み、
前記半導体発光素子は、
第1導電型を有する化合物半導体で構成される第1半導体層と、
前記第1半導体層上に当該第1半導体層に接して設けられ、化合物半導体で構成されるとともに通電により発光する発光層と、
前記発光層上に当該発光層に接して設けられ、前記第1導電型とは異なる第2導電型を有する化合物半導体で構成される第2半導体層と、
前記発光層からみて前記第2半導体層の背面側に設けられ、金属で構成されるとともに前記第1半導体層と電気的に接続され、さらに前記基部に設けられた前記第1配線と電気的に接続される第1給電電極と、
前記発光層からみて前記第2半導体層の背面側に設けられ、金属で構成されるとともに当該第2半導体層と電気的に接続され、さらに前記基部に設けられた前記第2配線と電気的に接続される第2給電電極と、
前記発光層からみて前記第2半導体層の背面側に設けられ、前記発光層から出力される波長の光に対する透過性を有する材料で構成され、前記第1給電電極と前記第2給電電極とを電気的に絶縁する透明絶縁層と、
電気伝導性を有する導電材料で構成され、前記透明絶縁層、前記第2半導体層および当該発光層を貫通する孔を介して前記第1半導体層と電気的に接続される第1接続電極と、
電気伝導性と前記発光層から出力される光に対する透過性とを有する透明導電材料で構成され、当該発光層からみて前記第2半導体層の背面側に設けられ、前記第1接続電極と前記第1給電電極とを電気的に接続する第1補助電極とを備え、
前記透明絶縁層は、
第1厚さに設定され、前記発光層からみて前記第2半導体層の背面側であって、前記第1補助電極が存在する部位を含み且つ前記第1給電電極および前記第2給電電極が存在しない部位に配置される第1透明絶縁部と、
前記第1厚さとは異なる第2厚さに設定され、前記第2半導体層と前記第1給電電極との間および当該第2半導体層と前記第2給電電極との間に配置される第2透明絶縁部と
を有し、
前記第2透明絶縁部は、前記第1透明絶縁部よりも、前記発光層から出力される光が界面にて反射されやすく、当該第1透明絶縁部は、当該第2透明絶縁部よりも、当該発光層から出力される光が当該界面にて透過されやすいこと
を特徴とする発光装置。
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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