JP6258815B2 - Nitride semiconductor light emitting device - Google Patents
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Description
本発明は、窒化物半導体発光素子に関する。 The present invention relates to a nitride semiconductor light emitting device.
AlN、GaN及びInNは、それぞれ、約6.0eV、約3.4eV及び約0.6eVのバンドギャップエネルギーを有している。そのため、これらの混晶を発光層の材料として用いた窒化物半導体発光素子は、紫外領域から赤外領域までの波長を有する光を発生させることが可能であり(例えば特許文献1)、照明用光源又は液晶ディスプレイのバックライト等の様々な用途に応用されつつある。特に、紫外領域の波長を有する光を発生可能な窒化物半導体発光素子としては、AlNとGaNとの混晶であるAlaGabN(0≦a、b≦1、a+b=1)からなる層を発光層として有する発光ダイオードが実現されつつある。 AlN, GaN, and InN have band gap energies of about 6.0 eV, about 3.4 eV, and about 0.6 eV, respectively. Therefore, a nitride semiconductor light emitting device using these mixed crystals as the material of the light emitting layer can generate light having a wavelength from the ultraviolet region to the infrared region (for example, Patent Document 1), and is used for illumination. It is being applied to various uses such as a light source or a backlight of a liquid crystal display. In particular, a nitride semiconductor light emitting device capable of generating light having a wavelength in the ultraviolet region is made of Al a Ga b N (0 ≦ a, b ≦ 1, a + b = 1), which is a mixed crystal of AlN and GaN. Light emitting diodes having layers as light emitting layers are being realized.
AlN及びGaNの各結晶構造は、ウルツ鉱型構造である。AlN及びGaNの各価電子帯は、結晶場とスピン‐軌道相互作用とにより3つの状態に分裂している。 Each crystal structure of AlN and GaN is a wurtzite structure. Each valence band of AlN and GaN is split into three states by the crystal field and the spin-orbit interaction.
GaNでは、結晶場による価電子帯の分裂エネルギーが11meVであり、スピン‐軌道相互作用による価電子帯の分裂エネルギーが11meVである。そのため、Γ点付近の価電子帯は、価電子帯の頂上から順に、重い正孔バンド、軽い正孔バンド、及び、結晶場による正孔バンドに分裂される。よって、GaNの発光は、上述の重い正孔バンドと伝導帯との間の光学遷移によるものが支配的となる。かかる遷移は光の電界ベクトルEがc軸([0001])に対して垂直な場合に許容となる(E⊥c偏光が発生する)ので、C面からの発光が強くなる。 In GaN, the splitting energy of the valence band due to the crystal field is 11 meV, and the splitting energy of the valence band due to the spin-orbit interaction is 11 meV. Therefore, the valence band near the Γ point is divided into a heavy hole band, a light hole band, and a hole band due to the crystal field in order from the top of the valence band. Therefore, the emission of GaN is dominated by the optical transition between the heavy hole band and the conduction band described above. Such a transition is allowed when the electric field vector E of the light is perpendicular to the c-axis ([0001]) (E⊥c polarized light is generated), so that light emission from the C plane becomes strong.
一方、AlNでは、結晶場による価電子帯の分裂エネルギーが−217meVであり、スピン‐軌道相互作用による価電子帯の分裂エネルギーが36meVである。そのため、Γ点付近の価電子帯は、価電子帯の頂上から順に、結晶場による正孔バンド、重い正孔バンド、及び、軽い正孔バンドに分裂される。よって、AlNの発光は、上述の結晶場による正孔バンドと伝導帯との間の光学遷移によるものが支配的となる。かかる遷移は光の電界ベクトルEがc軸に対して平行な場合に許容となる(E||c偏光が発生する)ので、C面からの発光は弱くなる。 On the other hand, in AlN, the splitting energy of the valence band due to the crystal field is −217 meV, and the splitting energy of the valence band due to the spin-orbit interaction is 36 meV. Therefore, the valence band near the Γ point is divided into a hole band due to the crystal field, a heavy hole band, and a light hole band in order from the top of the valence band. Therefore, the light emission of AlN is dominant due to the optical transition between the hole band and the conduction band due to the crystal field. Such a transition is allowed when the electric field vector E of the light is parallel to the c-axis (E || c-polarized light is generated), so that light emission from the C-plane is weakened.
このように、GaNとAlNとでは、発生する光の偏光面が異なる。そのため、極性面を主面として含み、且つ、AlsGa1-sN(0<s≦1)からなる発光層を有する発光ダイオードでは、Al組成sを0から1へ増加させると、発光層において発生する光はE⊥c偏光からE||c偏光へ変化する。本明細書では、(0001)面を「+C面」と表し、(000−1)面を「−C面」と表し、(0001)面と(000−1)面とを含む表記である{0001}面を「C面」と表す。「極性面」には、例えば特定の面方位に対するオフ角が±5°である面方位を有する面も含まれる。 Thus, the polarization plane of the generated light is different between GaN and AlN. Therefore, in a light emitting diode including a light emitting layer including a polar surface as a main surface and made of Al s Ga 1-s N (0 <s ≦ 1), when the Al composition s is increased from 0 to 1, the light emitting layer The light generated in E changes from E⊥c polarized light to E || c polarized light. In this specification, the (0001) plane is represented as “+ C plane”, the (000-1) plane is represented as “−C plane”, and includes a (0001) plane and a (000-1) plane { The 0001} plane is represented as “C plane”. The “polar plane” includes, for example, a plane having a plane orientation with an off angle of ± 5 ° with respect to a specific plane orientation.
E⊥c偏光は、発光層の主面に対して垂直な方向へ支配的に進行する。そのため、C面からの発光が強くなるので、発光ダイオードの表面(発光層の主面に対して平行に延びる発光ダイオードの面)からの取り出しには有利となる。一方、E||c偏光は、発光層の主面に対して平行な方向へ支配的に進行する。そのため、C面からの発光は弱くなるので、発光ダイオードの表面からの取り出しには不利となる。発光層において発生する光がE⊥c偏光からE||c偏光へ切り替わる付近では、結晶場による正孔バンドのエネルギーと重い正孔バンドのエネルギーとが近くなるので、両方の光学遷移をとることができる。つまり、発光層において発生する光には、E⊥c偏光とE||c偏光とが含まれる。 The Ec-polarized light travels predominantly in a direction perpendicular to the main surface of the light emitting layer. For this reason, since light emission from the C plane becomes strong, it is advantageous for taking out from the surface of the light emitting diode (the surface of the light emitting diode extending in parallel to the main surface of the light emitting layer). On the other hand, E || c-polarized light travels predominantly in a direction parallel to the main surface of the light emitting layer. For this reason, light emission from the C plane is weakened, which is disadvantageous for extraction from the surface of the light emitting diode. In the vicinity where the light generated in the light emitting layer switches from E⊥c polarized light to E || c polarized light, the energy of the hole band due to the crystal field and the energy of the heavy hole band are close, so both optical transitions are taken. Can do. That is, the light generated in the light emitting layer includes E⊥c polarized light and E || c polarized light.
E||c偏光は、発光層の主面に対して平行な方向に支配的に進行するが、その一部は、発光層の主面から所定の角度に傾斜した方向へ進行する。ここで、「所定の角度」は、一般的には、発光層の主面と、発光層において発生した光であって窒化物半導体層とその上下に位置する媒質との界面で全反射する光の進行方向とがなす角度を意味する。そのため、発光層の主面から所定の角度に傾斜した方向へ進行する光は、発光ダイオードの内部で全反射を繰り返すので、吸収層(その光を吸収する層)に吸収され、よって、発光ダイオードの外部へ取り出され難い。 The E || c-polarized light travels predominantly in a direction parallel to the main surface of the light-emitting layer, but part of it travels in a direction inclined at a predetermined angle from the main surface of the light-emitting layer. Here, the “predetermined angle” is generally light that is generated in the main surface of the light-emitting layer and light that is generated in the light-emitting layer and totally reflected at the interface between the nitride semiconductor layer and the medium located above and below it. This means the angle formed by the direction of travel. Therefore, light traveling in a direction inclined at a predetermined angle from the main surface of the light emitting layer repeats total reflection inside the light emitting diode, and thus is absorbed by the absorption layer (layer that absorbs the light), and thus the light emitting diode. It is hard to be taken out to the outside.
このように、AlGaNからなりE||c偏光を放出する活性層を備えた発光ダイオードにおいては光取り出し効率が低いという課題がある。発光層のAl組成を高めることにより発光層において発生する光がE⊥c偏光からE||c偏光へ変化することを考慮すれば、上述の課題は、発光層がAlを含んでいない場合(例えば特許文献1)及び発光層がAlxGa1-xN(0≦x<0.3)層である場合には生じ得ず、発光層がAlxGa1-xN(0.3≦x≦1)層である場合に初めて生じる。 As described above, the light emitting diode including the active layer made of AlGaN and emitting E || c-polarized light has a problem that the light extraction efficiency is low. Considering that the light generated in the light emitting layer is changed from E⊥c polarized light to E || c polarized light by increasing the Al composition of the light emitting layer, the above problem is the case where the light emitting layer does not contain Al ( For example, it cannot occur when the patent document 1) and the light emitting layer are Al x Ga 1-x N (0 ≦ x <0.3) layers, and the light emitting layer is Al x Ga 1-x N (0.3 ≦ 3). It occurs for the first time in the case of x ≦ 1) layer.
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、発光層がAlxGa1-xN(0.3≦x≦1)層である場合に窒化物半導体発光素子の光取り出し効率を高めることである。 The present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to provide light from a nitride semiconductor light emitting device when the light emitting layer is an Al x Ga 1-x N (0.3 ≦ x ≦ 1) layer. It is to increase the extraction efficiency.
窒化物半導体発光素子は、発光層と、発光層とは異なる少なくとも1つの窒化物半導体層とを備える。発光層は、極性面を主面として有し、且つ、AlxGa1-xN(0.3≦x≦1)からなる。少なくとも1つの窒化物半導体層は、窒化物半導体結晶のc軸に対して平行な方向において窒化物半導体よりも低い屈折率を有する第1媒質に接しており、第1媒質との界面の少なくとも一部に光取り出し面を有する。光取り出し面には、光取り出し面を有する窒化物半導体層から第1媒質へ向かって突出する凸部が複数形成されている。下記式1及び下記式2が満たされている。下記式1及び下記式2において、Dは隣り合う凸部の間隔を表し、Hは凸部の高さを表し、θ1は凸部の側面の傾斜角を表し、αはc軸に対して垂直な方向を中心としたE||c偏光の広がり角を表し、θtはE||c偏光の全反射角を表す。
D≧H(1−tanθ1×tanα)/tanα・・・式1
0<θ1<θt・・・式2。
The nitride semiconductor light emitting device includes a light emitting layer and at least one nitride semiconductor layer different from the light emitting layer. The light emitting layer has a polar surface as a main surface, and is made of Al x Ga 1-x N (0.3 ≦ x ≦ 1). The at least one nitride semiconductor layer is in contact with the first medium having a lower refractive index than the nitride semiconductor in a direction parallel to the c-axis of the nitride semiconductor crystal, and at least one of the interfaces with the first medium. The part has a light extraction surface. On the light extraction surface, a plurality of protrusions are formed that protrude from the nitride semiconductor layer having the light extraction surface toward the first medium. The following formula 1 and the following formula 2 are satisfied. In the following formula 1 and the following formula 2, D represents the interval between adjacent convex portions, H represents the height of the convex portion, θ 1 represents the inclination angle of the side surface of the convex portion, and α represents the c axis. It represents the spread angle of E || c-polarized light around the vertical direction, and θ t represents the total reflection angle of E || c-polarized light.
D ≧ H (1−tan θ 1 × tan α) / tan α (Formula 1)
0 <θ 1 <θ t Expression 2
好ましくは、上記式1において、Dは、200μm以下である。より好ましくは、上記式1及び上記式2において、0<α≦40°である場合には、θ1は20°以上40°以下であり、Hは0.1μm以上10μm以下である。 Preferably, in Formula 1, D is 200 μm or less. More preferably, in Formula 1 and Formula 2 above, when 0 <α ≦ 40 °, θ 1 is 20 ° or more and 40 ° or less, and H is 0.1 μm or more and 10 μm or less.
凸部は、円錐形状を有することが好ましい。 The convex portion preferably has a conical shape.
本発明では、発光層がAlxGa1-xN(0.3≦x≦1)層である場合に窒化物半導体発光素子の光取り出し効率を高めることである。 In the present invention, when the light emitting layer is an Al x Ga 1-x N (0.3 ≦ x ≦ 1) layer, the light extraction efficiency of the nitride semiconductor light emitting device is increased.
[課題の詳細]
本発明者らは、以下に示すシミュレーションを行って、従来の窒化物半導体発光素子(C面を主面として含むとともにAl組成が高いAlGaNからなる発光層を備え、本発明の光取り出し面が形成されていない窒化物半導体発光素子)では光取り出し効率が低下することを確認した。
[Details of assignment]
The inventors have performed the following simulations to form a conventional nitride semiconductor light emitting device (including a light emitting layer made of AlGaN having a C surface as a main surface and a high Al composition, and forming the light extraction surface of the present invention) It was confirmed that the light extraction efficiency of the nitride semiconductor light emitting device (not yet) was lowered.
上述したように、E||c偏光は発光層の主面に対して平行な方向に支配的に進行するが、その一部は発光層の主面から所定の角度に傾斜した方向へ進行する。図1は、E||c偏光が従来の窒化物半導体発光素子の内部を伝搬する様子を示す断面図である。ここでは、n型窒化物半導体層(厚さが500nm)の上に活性層とp型窒化物半導体層5(厚さが400nm)とが順に形成された窒化物半導体発光素子を想定した。活性層は、3層の量子井戸層3と3層の障壁層とを有し、1層の量子井戸層3と1層の障壁層とが交互に積層されて構成されていた。量子井戸層3のそれぞれは、C面を主面として含み、アンドープAlsGa1-sN(0<s≦1)からなり、3nmの厚さを有していた。障壁層のそれぞれは、n型ドーパントを含み、6nmの厚さを有していた。なお、図1には、説明を簡略化するために、n型窒化物半導体層と3層の障壁層とを合わせてn型窒化物半導体層1(厚さが518nm)と図示している。 As described above, E || c-polarized light travels predominantly in a direction parallel to the main surface of the light-emitting layer, but part of the light travels in a direction inclined at a predetermined angle from the main surface of the light-emitting layer. . FIG. 1 is a cross-sectional view showing how E || c polarized light propagates inside a conventional nitride semiconductor light emitting device. Here, a nitride semiconductor light emitting device in which an active layer and a p-type nitride semiconductor layer 5 (thickness 400 nm) are sequentially formed on an n-type nitride semiconductor layer (thickness 500 nm) is assumed. The active layer has three quantum well layers 3 and three barrier layers, and is configured by alternately stacking one quantum well layer 3 and one barrier layer. Each of the quantum well layers 3 includes a C plane as a main surface, is made of undoped Al s Ga 1-s N (0 <s ≦ 1), and has a thickness of 3 nm. Each of the barrier layers contained an n-type dopant and had a thickness of 6 nm. In FIG. 1, for simplicity of explanation, the n-type nitride semiconductor layer 1 and the three barrier layers are collectively shown as an n-type nitride semiconductor layer 1 (having a thickness of 518 nm).
また、量子井戸層3のみがE||c偏光L01を吸収すると仮定した(以下「量子井戸層3」を「吸収層3」と記すことがある)。窒化物半導体発光素子の一辺を1mmとし、窒化物半導体発光素子の左端Pを原点として右方向にx軸をとった。つまり、窒化物半導体発光素子の右端Qは、x=106の地点であった。 Further, it was assumed that only the quantum well layer 3 absorbs E || c-polarized light L01 (hereinafter, “quantum well layer 3” may be referred to as “absorbing layer 3”). One side of the nitride semiconductor light emitting device was 1 mm, and the left end P of the nitride semiconductor light emitting device was the origin, and the x axis was taken to the right. That is, the right end Q of the nitride semiconductor light emitting device is a point where x = 10 6 .
図1に示すθoutは、E||c偏光L01の出射角を意味し、つまり任意の地点x=x1においてE||c偏光L01の進行方向と窒化物半導体結晶のc軸に対して平行な方向(成長面に対して垂直な方向)とのなす角度を意味する。E||c偏光L01は、n型窒化物半導体層1の下面1Aへθoutで入射し、その下面1Aで全反射した後、p型窒化物半導体層5の上面5Bへθoutで入射する。このように、E||c偏光L01は、n型窒化物半導体層1の下面1Aとp型窒化物半導体層5の上面5Bとで全反射を繰り返しながら、窒化物半導体発光素子の左端Pから窒化物半導体発光素子の右端Qへ進む。そのため、E||c偏光L01は、吸収層3内を通過し、よって、吸収層3に吸収される。 Θ out shown in FIG. 1 means the exit angle of E || c-polarized light L01, that is, parallel to the traveling direction of E || c-polarized light L01 and the c-axis of the nitride semiconductor crystal at an arbitrary point x = x1. This means an angle formed with a certain direction (a direction perpendicular to the growth surface). The E || c-polarized light L01 is incident on the lower surface 1A of the n-type nitride semiconductor layer 1 at θ out , totally reflected by the lower surface 1A, and then incident on the upper surface 5B of the p-type nitride semiconductor layer 5 at θ out . . In this way, the E || c-polarized light L01 is repeatedly reflected from the lower surface 1A of the n-type nitride semiconductor layer 1 and the upper surface 5B of the p-type nitride semiconductor layer 5, and from the left end P of the nitride semiconductor light emitting device. Proceed to the right end Q of the nitride semiconductor light emitting device. Therefore, the E || c-polarized light L01 passes through the absorption layer 3, and is thus absorbed by the absorption layer 3.
このような窒化物半導体発光素子において、任意の地点x=x1において発生した光の強度を1と仮定した場合に、その光がその任意の地点から全反射を繰り返しながら窒化物半導体発光素子の右端Q側の地点へ到達したときのその到達地点における光の強度を算出した。この算出に際しては、n型窒化物半導体層1、量子井戸層3及びp型窒化物半導体層5のそれぞれの屈折率を考慮に入れなかった。また、E||c偏光L01はθoutに依らずn型窒化物半導体層1の下面1A及びp型窒化物半導体層5の上面5Bで全反射されると仮定した。吸収層3の吸収係数を5000/cmと仮定した場合の算出結果を図2に示す。図2の横軸「発光点(x=x1)までの距離[nm]」は、窒化物半導体発光素子の左端Pから発光点までの距離を意味する。そのため、「発光点(x=x1)までの距離が0nmである」とは、窒化物半導体発光素子の左端Pにおいて光が発生したことを意味する。「発光点(x=x1)までの距離が1×106nmである」とは、窒化物半導体発光素子の右端Qにおいて光が発生したことを意味する。図2の縦軸「入射角[°]」は、E||c偏光L01がn型窒化物半導体層1の下面1A又はp型窒化物半導体層5の上面5Bへ入射されるときの入射角を意味し、つまりθoutである。 In such a nitride semiconductor light emitting device, when the intensity of light generated at an arbitrary point x = x1 is assumed to be 1, the right end of the nitride semiconductor light emitting device repeats total reflection from the arbitrary point. The light intensity at the arrival point when the point on the Q side was reached was calculated. In this calculation, the refractive indexes of the n-type nitride semiconductor layer 1, the quantum well layer 3, and the p-type nitride semiconductor layer 5 were not taken into consideration. Also, E || c polarization L01 is assumed to be totally reflected by the upper surface 5B of the lower surface 1A and p-type nitride semiconductor layer 5 of n-type nitride semiconductor layer 1 irrespective of the theta out. FIG. 2 shows a calculation result when the absorption coefficient of the absorption layer 3 is assumed to be 5000 / cm. The horizontal axis “distance [nm] to the light emitting point (x = x1)” in FIG. 2 means the distance from the left end P of the nitride semiconductor light emitting element to the light emitting point. Therefore, “the distance to the light emitting point (x = x1) is 0 nm” means that light is generated at the left end P of the nitride semiconductor light emitting device. “The distance to the light emitting point (x = x1) is 1 × 10 6 nm” means that light is generated at the right end Q of the nitride semiconductor light emitting device. The vertical axis “incident angle [°]” in FIG. 2 represents the incident angle when E || c-polarized light L01 is incident on the lower surface 1A of the n-type nitride semiconductor layer 1 or the upper surface 5B of the p-type nitride semiconductor layer 5. That is, θ out .
実際には、全反射角を考慮に入れる必要がある。全反射角は、n型窒化物半導体層1の屈折率とそのn型窒化物半導体層1に接する媒質の屈折率とによって定まり、p型窒化物半導体層5の屈折率とそのp型窒化物半導体層5に接する媒質の屈折率とによって定まる。図3(a)には、E||c偏光がn型窒化物半導体層又はp型窒化物半導体層から空気へ入射するときの入射角と透過率Tとの関係を示し、図3(b)には、E||c偏光がn型窒化物半導体層又はp型窒化物半導体層からサファイア基板へ入射するときの入射角と透過率Tとの関係を示す。図3(a)及び(b)において、TsはS偏光での透過率を表し、TpはP偏光での透過率を表す。透過率Tが0であるときの入射角が全反射角となる。 In practice, the total reflection angle needs to be taken into account. The total reflection angle is determined by the refractive index of the n-type nitride semiconductor layer 1 and the refractive index of the medium in contact with the n-type nitride semiconductor layer 1, and the refractive index of the p-type nitride semiconductor layer 5 and the p-type nitride thereof. It is determined by the refractive index of the medium in contact with the semiconductor layer 5. FIG. 3A shows the relationship between the incident angle and the transmittance T when E || c-polarized light enters the air from the n-type nitride semiconductor layer or the p-type nitride semiconductor layer, and FIG. ) Shows the relationship between the incident angle and the transmittance T when E || c-polarized light enters the sapphire substrate from the n-type nitride semiconductor layer or the p-type nitride semiconductor layer. 3A and 3B, Ts represents the transmittance for S-polarized light, and Tp represents the transmittance for P-polarized light. The incident angle when the transmittance T is 0 is the total reflection angle.
n型窒化物半導体層1又はp型窒化物半導体層5が空気に接する場合(図3(a))、窒化物半導体の屈折率は2.5であり、空気の屈折率は1であり、よって、全反射角は24°となる。つまり、θout>24°であれば、E||c偏光L01は、n型窒化物半導体層1と空気との界面(n型窒化物半導体層1の下面1A)へθoutで入射されその界面において全反射され、p型窒化物半導体層5と空気との界面(p型窒化物半導体層5の上面5B)へθoutで入射されその界面において全反射される。図2において入射角が24°よりも大きな領域に着目すると、窒化物半導体発光素子の左端Pから発光点(x=x1)までの距離が長いほど、規格化された強度(窒化物半導体発光素子の右端Q側で観測される光の強度)が大きいことが分かる。このことから、次に示すことが言える。E||c偏光L01は、窒化物半導体発光素子の内部で全反射を繰り返しながら、窒化物半導体発光素子の左端P側から窒化物半導体発光素子の右端Q側へ進む。そのため、窒化物半導体発光素子の左端Pから発光点(x=x1)までの距離が長いほど、発光点から右端Qまでの距離は短くなる。よって、窒化物半導体発光素子の内部で全反射を繰り返しながら吸収層3内を伝搬する光の光路長が短くなる。したがって、吸収層3で吸収される光の強度が小さくなり、最終的に右端Qで観測される光強度は大きくなる。 When the n-type nitride semiconductor layer 1 or the p-type nitride semiconductor layer 5 is in contact with air (FIG. 3A), the refractive index of the nitride semiconductor is 2.5, and the refractive index of air is 1. Therefore, the total reflection angle is 24 °. That is, if θ out > 24 °, the E || c-polarized light L01 is incident on the interface between the n-type nitride semiconductor layer 1 and air (the lower surface 1A of the n-type nitride semiconductor layer 1) at θ out. It is totally reflected at the interface, is incident at θ out to the interface between the p-type nitride semiconductor layer 5 and air (the upper surface 5B of the p-type nitride semiconductor layer 5), and is totally reflected at the interface. Focusing on the region where the incident angle is larger than 24 ° in FIG. 2, the longer the distance from the left end P of the nitride semiconductor light emitting element to the light emitting point (x = x1), the standardized intensity (nitride semiconductor light emitting element) It can be seen that the intensity of light observed on the right end Q side of is large. From this, the following can be said. The E || c-polarized light L01 advances from the left end P side of the nitride semiconductor light emitting device to the right end Q side of the nitride semiconductor light emitting device while repeating total reflection inside the nitride semiconductor light emitting device. Therefore, the longer the distance from the left end P of the nitride semiconductor light emitting element to the light emitting point (x = x1), the shorter the distance from the light emitting point to the right end Q. Therefore, the optical path length of the light propagating through the absorption layer 3 while repeating total reflection inside the nitride semiconductor light emitting device is shortened. Therefore, the intensity of light absorbed by the absorption layer 3 is reduced, and finally the light intensity observed at the right end Q is increased.
また、n型窒化物半導体層1又はp型窒化物半導体層5がサファイア基板に接する場合(図3(b))、窒化物半導体の屈折率は2.5であり、空気の屈折率は1.8であり、よって、全反射角は47°となる。つまり、θout>47°であれば、E||c偏光L01は、n型窒化物半導体層1とサファイア基板との界面へθoutで入射されその界面において全反射され、p型窒化物半導体層5とサファイア基板との界面へθoutで入射されその界面において全反射される。 Further, when the n-type nitride semiconductor layer 1 or the p-type nitride semiconductor layer 5 is in contact with the sapphire substrate (FIG. 3B), the refractive index of the nitride semiconductor is 2.5 and the refractive index of air is 1. .8, and the total reflection angle is 47 °. That is, if θ out > 47 °, the E || c-polarized light L01 is incident on the interface between the n-type nitride semiconductor layer 1 and the sapphire substrate at θ out and is totally reflected at the interface, and the p-type nitride semiconductor. It is incident on the interface between the layer 5 and the sapphire substrate at θ out and is totally reflected at the interface.
c軸に対して垂直な方向とE||c偏光L01の進行方向とがなす角度のうちの小さい方の角度の最大値を角度βとし、角度βを用いてθout>24°を書き直すと、角度β<66°(=90°−24°)となる。つまり、n型窒化物半導体層1又はp型窒化物半導体層5が空気に接する場合には、角度β<66°の範囲に存在する光がn型窒化物半導体層1と空気との界面又はp型窒化物半導体層5と空気との界面で全反射する。そのため、発光層の主面(c軸に対して垂直な方向)から所定の角度に傾斜した方向へ進行する光のほとんどがn型窒化物半導体層1と空気との界面又はp型窒化物半導体層5と空気との界面で全反射する。 When the maximum value of the smaller one of the angles formed by the direction perpendicular to the c-axis and the traveling direction of E || c-polarized light L01 is defined as angle β, θ out > 24 ° is rewritten using angle β. The angle β <66 ° (= 90 ° -24 °). That is, when the n-type nitride semiconductor layer 1 or the p-type nitride semiconductor layer 5 is in contact with air, the light existing in the range of the angle β <66 ° is the interface between the n-type nitride semiconductor layer 1 and air or Total reflection occurs at the interface between the p-type nitride semiconductor layer 5 and air. Therefore, most of the light traveling in the direction inclined at a predetermined angle from the main surface of the light emitting layer (direction perpendicular to the c-axis) is the interface between the n-type nitride semiconductor layer 1 and air or the p-type nitride semiconductor. Total reflection occurs at the interface between the layer 5 and air.
実際には、窒化物半導体発光素子では、1辺が300μm(3×105nm)よりも大きい。そのため、発光層の主面から所定の角度に傾斜した方向へ進行する光が窒化物半導体発光素子の左端Pから窒化物半導体発光素子の右端Qへ進む間には、その光のほとんどが吸収層3に吸収される。よって、窒化物半導体発光素子の端面から取り出される光には、窒化物半導体発光素子の端面付近において発生したE||c偏光L01が支配的に含まれ、c軸に対して垂直な方向の中央付近において発生したE||c偏光L01は殆ど含まれない。c軸に対して垂直な方向の中央付近において発生したE||c偏光L01は、全反射を繰り返しながら窒化物半導体発光素子内を進むので、窒化物半導体発光素子内の吸収層3に吸収され、よって、窒化物半導体発光素子の外へ取り出され難くなる。したがって、光取り出し効率が低下する。 Actually, in a nitride semiconductor light emitting device, one side is larger than 300 μm (3 × 10 5 nm). Therefore, while light traveling in a direction inclined at a predetermined angle from the main surface of the light emitting layer travels from the left end P of the nitride semiconductor light emitting device to the right end Q of the nitride semiconductor light emitting device, most of the light is absorbed by the absorbing layer. 3 is absorbed. Therefore, the light extracted from the end face of the nitride semiconductor light-emitting element mainly includes E || c-polarized light L01 generated in the vicinity of the end face of the nitride semiconductor light-emitting element, and is centered in a direction perpendicular to the c-axis. The E || c-polarized light L01 generated in the vicinity is hardly included. The E || c-polarized light L01 generated near the center in the direction perpendicular to the c-axis travels through the nitride semiconductor light emitting device while repeating total reflection, and is absorbed by the absorption layer 3 in the nitride semiconductor light emitting device. Therefore, it is difficult to take out the nitride semiconductor light emitting device. Therefore, the light extraction efficiency is reduced.
このような考察を踏まえ、本発明者らは、発光層がAlxGa1-xN(0.3≦x≦1)層である場合に窒化物半導体発光素子の光取り出し効率を高めることに成功した。以下、図面を参照しながら、本発明を具体的に説明する。なお、本発明の図面において、同一の参照符号は、同一部分又は相当部分を表すものである。また、長さ、幅、厚さ、深さ等の寸法関係は図面の明瞭化と簡略化のために適宜変更されており、実際の寸法関係を表すものではない。 Based on such considerations, the present inventors have improved the light extraction efficiency of the nitride semiconductor light emitting device when the light emitting layer is an Al x Ga 1-x N (0.3 ≦ x ≦ 1) layer. Successful. Hereinafter, the present invention will be specifically described with reference to the drawings. In the drawings of the present invention, the same reference numerals represent the same or corresponding parts. In addition, dimensional relationships such as length, width, thickness, and depth are changed as appropriate for clarity and simplification of the drawings, and do not represent actual dimensional relationships.
[第1の実施形態]
<窒化物半導体発光素子の構造>
図4は、本発明の第1の実施形態の窒化物半導体発光素子の断面図である。本実施形態の窒化物半導体発光素子20は、第1n型窒化物半導体層25と、第2n型窒化物半導体層27と、活性層31と、キャリアバリア層33と、第1p型窒化物半導体層35と、第2p型窒化物半導体層37とを備える。このように、窒化物半導体発光素子20は、第1n型窒化物半導体層25と第2n型窒化物半導体層27とを含むn型窒化物半導体層29と、第1p型窒化物半導体層35と第2p型窒化物半導体層37とを含むp型窒化物半導体層39と、n型窒化物半導体層29とp型窒化物半導体層39との間に設けられた活性層31とを備える。なお、n型窒化物半導体層29は、単層であっても良いし、3層以上のn型窒化物半導体層が積層されて構成されていても良い。p型窒化物半導体層39についても同様のことが言える。
[First Embodiment]
<Structure of nitride semiconductor light emitting device>
FIG. 4 is a cross-sectional view of the nitride semiconductor light emitting device according to the first embodiment of the present invention. The nitride semiconductor light emitting device 20 of this embodiment includes a first n-type nitride semiconductor layer 25, a second n-type nitride semiconductor layer 27, an active layer 31, a carrier barrier layer 33, and a first p-type nitride semiconductor layer. 35 and a second p-type nitride semiconductor layer 37. Thus, the nitride semiconductor light emitting device 20 includes the n-type nitride semiconductor layer 29 including the first n-type nitride semiconductor layer 25 and the second n-type nitride semiconductor layer 27, the first p-type nitride semiconductor layer 35, and the like. A p-type nitride semiconductor layer 39 including a second p-type nitride semiconductor layer 37 and an active layer 31 provided between the n-type nitride semiconductor layer 29 and the p-type nitride semiconductor layer 39 are provided. The n-type nitride semiconductor layer 29 may be a single layer or may be configured by stacking three or more n-type nitride semiconductor layers. The same can be said for the p-type nitride semiconductor layer 39.
活性層31は、発光層を有しており、好ましくは量子井戸層(発光層として機能)と障壁層とが交互に積層されて構成された多重量子井戸構造を有している。量子井戸層は、極性面(本実施形態ではC面)を主面として有し、且つ、AlxGa1-xN(0.3≦x≦1)からなる。量子井戸層のAl組成xは、好ましくは0.5以上であり、より好ましくは0.7以上である。量子井戸層のAl組成xが1に近いほど、E||c偏光L02の発光が支配的になるので、本実施形態の効果を効果的に得ることができる。なお、「極性面」には、面方位(0001)を有する面及び面方位(000−1)を有する面以外に、面方位(0001)に対するオフ角が±5°である面方位を有する面も含まれ、面方位(000−1)に対するオフ角が±5°である面方位を有する面も含まれる。 The active layer 31 has a light emitting layer, and preferably has a multiple quantum well structure in which quantum well layers (functioning as a light emitting layer) and barrier layers are alternately stacked. The quantum well layer has a polar surface (C surface in the present embodiment) as a main surface, and is made of Al x Ga 1-x N (0.3 ≦ x ≦ 1). The Al composition x of the quantum well layer is preferably 0.5 or more, more preferably 0.7 or more. The closer the Al composition x of the quantum well layer is to 1, the more the light emitted from the E || c-polarized light L02 becomes dominant. Therefore, the effect of the present embodiment can be effectively obtained. The “polar plane” is a plane having a plane orientation with an off angle of ± 5 ° with respect to the plane orientation (0001) in addition to the plane having the plane orientation (0001) and the plane having the plane orientation (000-1). And a plane having a plane orientation with an off angle of ± 5 ° with respect to the plane orientation (000-1) is also included.
第2p型窒化物半導体層37、第1p型窒化物半導体層35、キャリアバリア層33、活性層31及び第2n型窒化物半導体層27の一部がエッチングされている。第2n型窒化物半導体層27の第1露出面(エッチングにより露出した第2n型窒化物半導体層27の面)にはn電極41が設けられており、第2p型窒化物半導体層37の上面にはp電極43が設けられている。 A part of the second p-type nitride semiconductor layer 37, the first p-type nitride semiconductor layer 35, the carrier barrier layer 33, the active layer 31, and the second n-type nitride semiconductor layer 27 is etched. An n electrode 41 is provided on the first exposed surface of the second n-type nitride semiconductor layer 27 (the surface of the second n-type nitride semiconductor layer 27 exposed by etching), and the upper surface of the second p-type nitride semiconductor layer 37. Is provided with a p-electrode 43.
図5は、E||c偏光が光取り出し面へ入射したときの光の伝搬を説明する断面図である。窒化物半導体発光素子20では、第1n型窒化物半導体層25は、窒化物半導体結晶のc軸([0001])に対して平行な方向(以下では「c軸方向」と記す)において第1媒質に接しており、第1媒質との界面に光取り出し面60を有する。第1媒質は、窒化物半導体の屈折率n1よりも低い屈折率n2を有し、本実施形態では空気51である。 FIG. 5 is a cross-sectional view for explaining the propagation of light when E || c-polarized light enters the light extraction surface. In the nitride semiconductor light emitting device 20, the first n-type nitride semiconductor layer 25 is first in a direction parallel to the c-axis ([0001]) of the nitride semiconductor crystal (hereinafter referred to as “c-axis direction”). The light extraction surface 60 is in contact with the medium and at the interface with the first medium. The first medium has a refractive index n 2 lower than the refractive index n 1 of the nitride semiconductor, and is air 51 in this embodiment.
光取り出し面60には、複数の凸部61が互いに間隔をあけて形成されている。凸部61のそれぞれは第1n型窒化物半導体層25(光取り出し面を有する窒化物半導体層)から第1媒質(空気51)へ向かって突出しており、隣り合う凸部61の間隔Dは下記式1及び下記式2を満たしている。
D≧H(1−tanθ1×tanα)/tanα ・・・式1
0<θ1<θt ・・・式2。
A plurality of convex portions 61 are formed on the light extraction surface 60 at intervals. Each of the protrusions 61 protrudes from the first n-type nitride semiconductor layer 25 (a nitride semiconductor layer having a light extraction surface) toward the first medium (air 51), and an interval D between adjacent protrusions 61 is as follows. Formula 1 and the following formula 2 are satisfied.
D ≧ H (1-tan θ 1 × tan α) / tan α Formula 1
0 <θ 1 <θ t Expression 2
上記式1及び上記式2において、D、H、θ1、α及びθtは、図5に示す通りである。隣り合う凸部61の間隔Dは、c軸方向における平坦部65の大きさを意味する。ここで、「平坦部65」とは、隣り合う凸部61の間に位置し、凸部61が形成されていない光取り出し面60の部分である。Hは、凸部61の高さを表し、凸部61の突出方向における凸部61の大きさ、つまりc軸方向における凸部61の大きさを意味する。θ1は、凸部61の側面63の傾斜角を表し、c軸方向と凸部61の側面63とがなす角度のうちの小さい方の角度を意味する。αは、c軸方向に対して垂直な方向を中心としたE||c偏光L02の広がり角を表し、c軸方向に対して垂直な方向と量子井戸層から出射したE||c偏光L02の進行方向とがなす角度のうち小さい方の角度の最大値を意味する。θtは、E||c偏光L02の全反射角を表し、E||c偏光L02が光取り出し面60において全反射するときのE||c偏光L02の光取り出し面60への入射角を意味する。 In Equation 1 and Equation 2, D, H, θ 1 , α, and θ t are as shown in FIG. The interval D between the adjacent convex portions 61 means the size of the flat portion 65 in the c-axis direction. Here, the “flat portion 65” is a portion of the light extraction surface 60 that is located between the adjacent convex portions 61 and on which the convex portions 61 are not formed. H represents the height of the convex portion 61 and means the size of the convex portion 61 in the protruding direction of the convex portion 61, that is, the size of the convex portion 61 in the c-axis direction. θ 1 represents the inclination angle of the side surface 63 of the convex portion 61, and means the smaller one of the angles formed by the c-axis direction and the side surface 63 of the convex portion 61. α represents the divergence angle of E || c-polarized light L02 centered on a direction perpendicular to the c-axis direction, and E || c-polarized light L02 emitted from the direction perpendicular to the c-axis direction and the quantum well layer. It means the maximum value of the smaller angle among the angles formed by the traveling direction. θ t represents the total reflection angle of the E || c-polarized light L02, and the incident angle of the E || c-polarized light L02 on the light extraction surface 60 when the E || c-polarized light L02 is totally reflected on the light extraction surface 60. means.
上記式1及び上記式2を満たしていれば、量子井戸層において発生したE||c偏光L02の少なくとも一部は、光取り出し面60へθt未満の角度で入射して光取り出し面60から出射する。つまり、量子井戸層からn型窒化物半導体層29側へ向かって斜めに出射したE||c偏光L02の少なくとも一部は、第1n型窒化物半導体層25の下部から取り出される。よって、量子井戸層からn型窒化物半導体層29側へ向かって斜めに出射したE||c偏光L02の少なくとも一部を窒化物半導体発光素子20の外部へ取り出すことができる。 If Expression 1 and Expression 2 are satisfied, at least part of the E || c-polarized light L02 generated in the quantum well layer is incident on the light extraction surface 60 at an angle less than θ t and is emitted from the light extraction surface 60. Exit. That is, at least part of the E || c-polarized light L02 emitted obliquely from the quantum well layer toward the n-type nitride semiconductor layer 29 side is taken out from the lower portion of the first n-type nitride semiconductor layer 25. Therefore, at least a part of the E || c-polarized light L02 emitted obliquely from the quantum well layer toward the n-type nitride semiconductor layer 29 side can be extracted to the outside of the nitride semiconductor light emitting element 20.
E||c偏光の一部はp偏光として窒化物半導体層と第1媒質との界面へ入射することが知られている。P偏光での透過率Tpは、S偏光での透過率Tsよりも大きく、入射角がブリュースター角である場合には1.0となる(例えば図3(a)及び(b))。よって、光取り出し面60へθt未満の角度で入射したE||c偏光L02は窒化物半導体発光素子20の外部へ更に取り出され易くなる。 It is known that a part of the E || c-polarized light enters the interface between the nitride semiconductor layer and the first medium as p-polarized light. The transmittance Tp for P-polarized light is larger than the transmittance Ts for S-polarized light, and is 1.0 when the incident angle is a Brewster angle (for example, FIGS. 3A and 3B). Therefore, E || c polarization L02 incident at an angle less than theta t to the light extraction surface 60 is further easily retrieved to the outside of the nitride semiconductor light emitting device 20.
それだけでなく、上記式1及び上記式2を満たしていれば、窒化物半導体発光素子20から取り出されたE||c偏光L02が光取り出し面60から第1n型窒化物半導体層25へ再入射することを防止できる。以上より、窒化物半導体発光素子20の光取り出し効率を従来の窒化物半導体発光素子よりも高めることができる。 In addition, if the above formulas 1 and 2 are satisfied, the E || c-polarized light L02 extracted from the nitride semiconductor light emitting element 20 re-enters the first n-type nitride semiconductor layer 25 from the light extraction surface 60. Can be prevented. As described above, the light extraction efficiency of the nitride semiconductor light emitting device 20 can be increased as compared with the conventional nitride semiconductor light emitting device.
その上、窒化物半導体発光素子20では、E⊥c偏光の光取り出し効率の低下を招くことなく、E||c偏光の光取り出し効率を高めることができる。図6は、E⊥c偏光が光取り出し面へ入射したときの光の伝搬を説明する断面図である。E⊥c偏光L03が、c軸方向からθ2だけ傾斜して量子井戸層から出射して凸部61へ入射した場合を考える。以下では、E⊥c偏光L03がc軸に対して右側へ傾斜して凸部61の側面63へ入射した場合を前提としているが(図6)、E⊥c偏光L03がc軸に対して左側へ傾斜して凸部61の側面63へ入射した場合についても同様のことが言える。 In addition, in the nitride semiconductor light emitting device 20, the light extraction efficiency of E || c-polarized light can be increased without causing a decrease in the light extraction efficiency of E⊥c-polarized light. FIG. 6 is a cross-sectional view for explaining the propagation of light when E⊥c polarized light enters the light extraction surface. Consider the case where the E⊥c polarized light L03 is inclined by θ 2 from the c-axis direction and is emitted from the quantum well layer and incident on the convex portion 61. In the following, it is assumed that the E⊥c polarized light L03 is inclined to the right with respect to the c axis and is incident on the side surface 63 of the convex portion 61 (FIG. 6). The same can be said for the case where it is inclined to the left and incident on the side surface 63 of the convex portion 61.
90°−θ1+θ2<θtのとき、E⊥c偏光L03は、光取り出し面60へ1回目に入射したとき、光取り出し面60から第1媒質(空気51)へ出射し、特定の透過率で第1媒質を透過してから窒化物半導体発光素子20の外へ取り出される。E⊥c偏光L03のうち第1媒質を透過しなかった光は、光取り出し面60で反射する。 When 90 ° −θ 1 + θ 2 <θ t , the E⊥c polarized light L03 is emitted from the light extraction surface 60 to the first medium (air 51) when entering the light extraction surface 60 for the first time. After passing through the first medium with transmittance, it is taken out of the nitride semiconductor light emitting device 20. The light that has not passed through the first medium in the E⊥c polarized light L <b> 03 is reflected by the light extraction surface 60.
90°−θ1+θ2≧θtのとき、E⊥c偏光L03は、光取り出し面60へ1回目に入射したとき、光取り出し面60で全反射する。全反射の後に入射される光取り出し面60への入射角θ3<θtであれば、光取り出し面60から第1媒質(空気51)へ出射し、特定の透過率で第1媒質を透過してから窒化物半導体発光素子20の外へ取り出される。一方、入射角θ3≧θtであれば、光取り出し面60において全反射されて別の光取り出し面(不図示)へ入射される。ここで、入射角θ3はθ1に依存する。(90°+θ2)>3θ1である場合には、θ3=(90°+θ2)−3θ1である。(90°+θ2)<3θ1である場合には、θ3=3θ1−(90°+θ2)である。 When 90 ° −θ 1 + θ 2 ≧ θ t , the E⊥c polarized light L03 is totally reflected by the light extraction surface 60 when incident on the light extraction surface 60 for the first time. If the incident angle θ 3 <θ t to the light extraction surface 60 incident after total reflection, the light is extracted from the light extraction surface 60 to the first medium (air 51) and transmitted through the first medium with a specific transmittance. Then, the nitride semiconductor light emitting device 20 is taken out. On the other hand, if the incident angle θ 3 ≧ θ t , the light is totally reflected on the light extraction surface 60 and is incident on another light extraction surface (not shown). Here, the incident angle θ 3 depends on θ 1 . When (90 ° + θ 2 )> 3θ 1 , θ 3 = (90 ° + θ 2 ) −3θ 1 . When (90 ° + θ 2 ) <3θ 1 , θ 3 = 3θ 1 − (90 ° + θ 2 ).
光取り出し面60におけるE⊥c偏光L03の全反射が(n−1)回目であり(ただし、nは正の整数とする)、且つ、(90°+θ2)>(2n−1)θ1である場合、そのE⊥c偏光L03がn回目に光取り出し面60へ入射するときの入射角は(90°+θ2)−(2n−1)θ1であり、(90°+θ2)−(2n−1)θ1<θtである場合に光取り出し面60から第1媒質(空気51)へ出射し、第1媒質を透過する。同様に、光取り出し面60におけるE⊥c偏光L03の全反射が(n−1)回目であり、且つ、(90°+θ2)<(2n−1)θ1である場合、そのE⊥c偏光L03がn回目に光取り出し面60へ入射するときの入射角は(2n−1)θ1−(90°+θ2)であり、(2n−1)θ1−(90°+θ2)<θtである場合に光取り出し面60から第1媒質(空気51)へ出射し、第1媒質を透過する。このように、本実施形態では、E⊥Cの偏光L03の光取り出し効率の低下を防止することができる。 The total reflection of the E⊥c polarized light L03 on the light extraction surface 60 is the (n−1) th (where n is a positive integer), and (90 ° + θ 2 )> (2n−1) θ 1 , The incident angle when the E⊥c polarized light L03 is incident on the light extraction surface 60 for the nth time is (90 ° + θ 2 ) − (2n−1) θ 1 and (90 ° + θ 2 ) −. When (2n−1) θ 1 <θ t , the light exits from the light extraction surface 60 to the first medium (air 51) and passes through the first medium. Similarly, when the total reflection of the E⊥c polarized light L03 on the light extraction surface 60 is the (n−1) th and (90 ° + θ 2 ) <(2n−1) θ 1 , the E⊥c The incident angle when the polarized light L03 enters the light extraction surface 60 for the nth time is (2n−1) θ 1 − (90 ° + θ 2 ), and (2n−1) θ 1 − (90 ° + θ 2 ) < emitted from the light extraction surface 60 to the first medium (air 51) in the case of theta t, it passes through the first medium. As described above, in this embodiment, it is possible to prevent a decrease in the light extraction efficiency of the polarized light L03 of E 低下 C.
以上をまとめると、上記式1及び上記式2を満たしていれば、量子井戸層からn型窒化物半導体層29側へ向かって斜めに出射したE||c偏光L02を第1n型窒化物半導体層25の下部から窒化物半導体発光素子20の外部へ取り出すことができる。さらに、上記式1及び上記式2を満たしていれば、窒化物半導体発光素子20から取り出されたE||c偏光L02の再入射を防止できる。これらのことから、窒化物半導体発光素子20の光取り出し効率を従来の窒化物半導体発光素子よりも高めることができる。また、E||c偏光L01の光取り出し効率を高めたことに起因してE⊥c偏光L03の光取り出し効率が低下することを防止できる。以下では、窒化物半導体発光素子20の各構成要素を具体的に示す。 In summary, if the above formula 1 and formula 2 are satisfied, the E || c-polarized light L02 emitted obliquely from the quantum well layer toward the n-type nitride semiconductor layer 29 side is converted into the first n-type nitride semiconductor. It can be taken out from the lower part of the layer 25 to the outside of the nitride semiconductor light emitting device 20. Furthermore, if the above formula 1 and the above formula 2 are satisfied, the re-incidence of the E || c polarized light L02 extracted from the nitride semiconductor light emitting element 20 can be prevented. For these reasons, the light extraction efficiency of the nitride semiconductor light emitting device 20 can be increased as compared with the conventional nitride semiconductor light emitting device. Further, it is possible to prevent the light extraction efficiency of the E⊥c polarized light L03 from being lowered due to the increased light extraction efficiency of the E || c polarized light L01. Below, each component of the nitride semiconductor light-emitting device 20 is shown concretely.
(第1n型窒化物半導体層)
第1n型窒化物半導体層25としては、好ましくは、Alt1Ga1-t1N(0<t1≦1)からなる層にn型ドーパントがドープされた層を用い、より好ましくは、Alt1Ga1-t1N(0.6≦t1≦0.9)からなる層にn型ドーパントがドープされた層を用いる。n型ドーパントとしては、例えばSi、Ge又はSn等を挙げることができる。
(First n-type nitride semiconductor layer)
The first n-type nitride semiconductor layer 25 is preferably a layer made of Al t1 Ga 1 -t1 N (0 <t1 ≦ 1) and doped with an n-type dopant, more preferably Al t1 Ga A layer made of 1-t1 N (0.6 ≦ t1 ≦ 0.9) is doped with an n-type dopant. Examples of the n-type dopant include Si, Ge, or Sn.
第1n型窒化物半導体層25のn型ドーパント濃度は、好ましくは5×1016/cm3以上1×1021/cm3以下であり、より好ましくは5×1017/cm3以上2×1019/cm3以下である。また、第1n型窒化物半導体層25の厚さは、好ましくは0.5μm以上20μm以下であり、より好ましくは3μm以上10μm以下である。 The n-type dopant concentration of the first n-type nitride semiconductor layer 25 is preferably 5 × 10 16 / cm 3 or more and 1 × 10 21 / cm 3 or less, more preferably 5 × 10 17 / cm 3 or more and 2 × 10. 19 / cm 3 or less. The thickness of the first n-type nitride semiconductor layer 25 is preferably 0.5 μm or more and 20 μm or less, and more preferably 3 μm or more and 10 μm or less.
(凸部)
本実施形態では、第1n型窒化物半導体層25の下面が光取り出し面60として機能する。そのため、凸部61は第1n型窒化物半導体層25の下面に形成されている。
(Convex)
In the present embodiment, the lower surface of the first n-type nitride semiconductor layer 25 functions as the light extraction surface 60. Therefore, the convex portion 61 is formed on the lower surface of the first n-type nitride semiconductor layer 25.
上記式1及び上記式2を満たすのであれば、光取り出し面60に形成された凸部61の形状は、同一であっても良いし互いに異なっても良い。また、凸部61は、光取り出し面60にストライプ状に形成されていても良いが、光取り出し面60に格子状に配置されていても良い。凸部61が格子状に光取り出し面60に配置されている場合、凸部61は、錐形であることが好ましく、角錐形であっても良いが円錐形であることがより好ましい。 As long as the above formula 1 and the above formula 2 are satisfied, the shapes of the convex portions 61 formed on the light extraction surface 60 may be the same or different from each other. The convex portions 61 may be formed in a stripe shape on the light extraction surface 60, but may be arranged on the light extraction surface 60 in a lattice shape. When the convex part 61 is arrange | positioned at the light extraction surface 60 at the grid | lattice form, it is preferable that the convex part 61 is a cone shape and may be a pyramid shape, but it is more preferable that it is a cone shape.
凸部61が円錐形であれば、次に示す効果を得ることができる。光学遷移の選択則によれば、E||c偏光はc軸周りには全方位に放射する。つまり、光学遷移の選択則によれば、E||c偏光の放射はc軸を中心とした場合には異方性を有さない。そのため、凸部61が円錐形であれば、c軸周りに全方位に放射したE||c偏光L02を窒化物半導体発光素子20の外部へ取り出すことができる。よって、窒化物半導体発光素子20の外部へ取り出される光の配向がc軸周りに全方位的となる。 If the convex portion 61 is conical, the following effects can be obtained. According to the optical transition selection rule, E || c-polarized light radiates in all directions around the c-axis. That is, according to the selection rule of optical transition, the radiation of E || c-polarized light has no anisotropy when the c-axis is the center. Therefore, if the convex portion 61 has a conical shape, the E || c-polarized light L02 emitted in all directions around the c-axis can be extracted to the outside of the nitride semiconductor light emitting element 20. Therefore, the orientation of the light extracted outside the nitride semiconductor light emitting element 20 becomes omnidirectional around the c axis.
上記式1及び上記式2を満たすのであれば、側面視における凸部61の外形は、三角形であっても良いし台形であっても良い。側面視における凸部61の側面63は、曲率を持っていても良く、例えば湾曲していても良いし放物線を描いていても良い。 If the above formula 1 and the above formula 2 are satisfied, the outer shape of the convex portion 61 in the side view may be a triangle or a trapezoid. The side surface 63 of the convex portion 61 in the side view may have a curvature, for example, may be curved or may draw a parabola.
上記式1及び上記式2を満たすように、且つ、E||c偏光L02の広がり角αが0<α≦90−θtとなるように、隣り合う凸部61の間隔D、凸部61の高さH及び凸部61の側面63の傾斜角θ1を設定することが好ましい。例えば、Dは200μm以下であることが好ましい。これにより、光取り出し面60には複数の凸部61が形成されることとなるので、凸部61を設けたことによる効果を得ることができる。つまり、窒化物半導体発光素子20の光取り出し効率を効果的に高めることができる。 So as to satisfy the above formula 1 and the formula 2, and, E || c as divergence angle alpha of polarization L02 is 0 <α ≦ 90-θ t , spacing of the protrusions 61 adjacent D, the convex portion 61 It is preferable to set the height H and the inclination angle θ 1 of the side surface 63 of the convex portion 61. For example, D is preferably 200 μm or less. As a result, a plurality of convex portions 61 are formed on the light extraction surface 60, so that the effect obtained by providing the convex portions 61 can be obtained. That is, the light extraction efficiency of the nitride semiconductor light emitting device 20 can be effectively increased.
量子井戸層からn型窒化物半導体層29側へ向かって斜めに出射されたE||c偏光のうち0<α≦40°の範囲に存在するE||c偏光の光取り出し効率を効果的に高めるためには、θ1は20°以上40°以下であることが好ましく、Hは0.1μm以上10μm以下であることが好ましい。これにより、量子井戸層からn型窒化物半導体層29側へ向かって斜めに出射されたE||c偏光の大部分を窒化物半導体発光素子20から取り出すことができる。このとき、Dは8.3μm以上200μm以下となる。 Effective light extraction efficiency of E || c-polarized light existing in the range of 0 <α ≦ 40 ° out of E || c-polarized light obliquely emitted from the quantum well layer toward the n-type nitride semiconductor layer 29 side In order to increase the thickness, θ 1 is preferably 20 ° or more and 40 ° or less, and H is preferably 0.1 μm or more and 10 μm or less. As a result, most of the E || c-polarized light emitted obliquely from the quantum well layer toward the n-type nitride semiconductor layer 29 side can be extracted from the nitride semiconductor light emitting device 20. At this time, D is 8.3 μm or more and 200 μm or less.
量子井戸層からn型窒化物半導体層29側へ向かって斜めに出射されたE||c偏光が0<α≦5°の範囲に集中していることを考慮すれば、量子井戸層からn型窒化物半導体層29側へ向かって斜めに出射されたE||c偏光のうち0<α≦5°の範囲に存在するE||c偏光の光取り出し効率を効果的に高めることが好ましい。そのためには、θ1は20°以上40°以下であることが好ましく、Hは0.1μm以上10μm以下であることが好ましい。このとき、Dは111μm以上200μm以下となる。なお、触針式段差計、レーザ顕微鏡等の非接触式の段差計測装置、又は、走査型電子顕微鏡等を用いて、θ1、H及びDを求めることができる。 Considering that E || c-polarized light obliquely emitted from the quantum well layer toward the n-type nitride semiconductor layer 29 side is concentrated in the range of 0 <α ≦ 5 °, n It is preferable to effectively enhance the light extraction efficiency of E || c-polarized light existing in the range of 0 <α ≦ 5 ° out of E || c-polarized light emitted obliquely toward the type nitride semiconductor layer 29 side. . For that purpose, θ 1 is preferably 20 ° or more and 40 ° or less, and H is preferably 0.1 μm or more and 10 μm or less. At this time, D is 111 μm or more and 200 μm or less. In addition, θ 1 , H, and D can be obtained using a non-contact type step measuring device such as a stylus step meter, a laser microscope, or a scanning electron microscope.
なお、凸部61の個数は、図4に示す個数に限定されない。また、1つの光取り出し面60において、θ1は、同一であっても良いし、互いに異なっても良い。例えば、1つの凸部61において、一方のθ1と他方のθ1とが互いに異なっても良い。また、平坦部65を挟んで隣り合うθ1が互いに異なっても良い。どちらの場合においても、θ1は、規則的に異なっても良いし、不規則的に異なっても良い。なお、以下に示す方法にしたがって凸部61を形成すると、θ1のばらつきを防止できる。 In addition, the number of the convex parts 61 is not limited to the number shown in FIG. Further, in one light extraction surface 60, θ 1 may be the same or different from each other. For example, in one convex portion 61, one θ 1 and the other θ 1 may be different from each other. Further, the adjacent θ 1 across the flat portion 65 may be different from each other. In either case, θ 1 may be regularly different or irregularly different. In addition, if the convex part 61 is formed according to the method shown below, the dispersion | variation in (theta) 1 can be prevented.
また、1つの光取り出し面60において、Hは、同一であっても良いし、互いに異なっても良い。Hが互いに異なる場合、Hは、規則的に異なっても良いし、不規則的に異なっても良い。なお、以下に示す方法にしたがって凸部61を形成すれば、Hのばらつきを防止できる。 Moreover, in one light extraction surface 60, H may be the same or different from each other. When H is different from each other, H may be regularly different or irregularly different. In addition, if the convex part 61 is formed according to the method shown below, the dispersion | variation in H can be prevented.
また、1つの光取り出し面60において、Dは、同一であっても良いし、互いに異なっても良い。Dが互いに異なる場合、Dは、規則的に異なっても良いし、不規則的に異なっても良い。 In one light extraction surface 60, D may be the same or different from each other. When D is different from each other, D may be regularly different or irregularly different.
隣り合う凸部61においてθ1が互いに異なる場合には、上記式1におけるθ1には小さい方の値を代入することが好ましい。隣り合う凸部61においてHが互いに異なる場合には、上記式1におけるHには大きい方の値を代入することが好ましい。 When θ 1 is different between adjacent convex portions 61, it is preferable to substitute the smaller value for θ 1 in Equation 1 above. When the adjacent convex portions 61 are different from each other, it is preferable to substitute the larger value for H in Equation (1).
凸部61と平坦部65との接続部位、又は、凸部61の先端は、凸部61の製造工程の制約等によって丸みを帯びていても良いし、平面部分を一部に有していても良い。 The connection part of the convex part 61 and the flat part 65, or the front-end | tip of the convex part 61 may be rounded by the restrictions of the manufacturing process of the convex part 61, etc., and has a plane part in part. Also good.
(第1媒質)
第1媒質は、窒化物半導体の屈折率よりも小さな屈折率を有する媒質であれば空気51に限定されず、窒素、アルゴン又はヘリウム等の不活性ガスであっても良い。後述の第3の実施形態で説明するように、第1媒質は、基板21(図9等参照)であっても良い。第1媒質は、窒化物半導体層の成長後に窒化物半導体層の上に形成される誘電体層又は金属層であっても良いし、封止用樹脂又は固定用樹脂であっても良い。
(First medium)
The first medium is not limited to the air 51 as long as it has a refractive index smaller than that of the nitride semiconductor, and may be an inert gas such as nitrogen, argon, or helium. As will be described in a third embodiment described later, the first medium may be a substrate 21 (see FIG. 9 and the like). The first medium may be a dielectric layer or a metal layer formed on the nitride semiconductor layer after the growth of the nitride semiconductor layer, or may be a sealing resin or a fixing resin.
第1媒質は、1種類であっても良いし2種類以上であっても良い。例えば、2種以上の第1媒質が光取り出し面60に接していても良い。 The first medium may be one type or two or more types. For example, two or more types of first media may be in contact with the light extraction surface 60.
(第2n型窒化物半導体層)
第2n型窒化物半導体層27は、n型コンタクト層として機能する。このような第2n型窒化物半導体層27としては、好ましくは、Alt2Ga1-t2N(0<t2≦1)からなる層にn型ドーパントがドープされた層を用い、より好ましくは、Alt2Ga1-t2N(0.4≦t2≦0.8)からなる層にn型ドーパントがドープされた層を用いる。
(Second n-type nitride semiconductor layer)
The second n-type nitride semiconductor layer 27 functions as an n-type contact layer. As the second n-type nitride semiconductor layer 27, a layer made of Al t2 Ga 1 -t2 N (0 <t2 ≦ 1) and an n-type dopant is preferably used, and more preferably, A layer made of Al t2 Ga 1 -t2 N (0.4 ≦ t2 ≦ 0.8) is used in which an n-type dopant is doped.
第2n型窒化物半導体層27のn型ドーパント濃度は、好ましくは5×1016/cm3以上1×1021/cm3以下であり、より好ましくは5×1017/cm3以上2×1019/cm3以下である。また、第2n型窒化物半導体層27の厚さは、好ましくは1μm以上20μm以下であり、より好ましくは4μm以上10μm以下である。 The n-type dopant concentration of the second n-type nitride semiconductor layer 27 is preferably 5 × 10 16 / cm 3 or more and 1 × 10 21 / cm 3 or less, more preferably 5 × 10 17 / cm 3 or more and 2 × 10. 19 / cm 3 or less. The thickness of the second n-type nitride semiconductor layer 27 is preferably 1 μm or more and 20 μm or less, and more preferably 4 μm or more and 10 μm or less.
(活性層)
活性層31における量子井戸層及び障壁層の各層数は、特に限定されず、好ましくは1以上20以下であり、より好ましくは3以上6以下である。
(Active layer)
The number of quantum well layers and barrier layers in the active layer 31 is not particularly limited, and is preferably 1 or more and 20 or less, more preferably 3 or more and 6 or less.
活性層31の量子井戸層の厚さは、好ましくは1nm以上15nm以下であり、より好ましくは3nm以上12nm以下である。 The thickness of the quantum well layer of the active layer 31 is preferably 1 nm or more and 15 nm or less, and more preferably 3 nm or more and 12 nm or less.
活性層31の障壁層は、量子井戸層のバンドギャップエネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを有することが好ましく、例えばAlyGa1-yN(0<y≦1)からなることが好ましく、より好ましくはAlyGa1-yN(0.7≦y≦0.9)からなる。障壁層の厚さは、好ましくは1nm以上25nm以下であり、より好ましくは3nm以上10nm以下である。障壁層は、n型ドーパントを含んでいても良く、アンドープであっても良い。 The barrier layer of the active layer 31 preferably has a band gap energy larger than that of the quantum well layer, and is preferably made of, for example, Al y Ga 1-y N (0 <y ≦ 1). Is made of Al y Ga 1-y N (0.7 ≦ y ≦ 0.9). The thickness of the barrier layer is preferably 1 nm or more and 25 nm or less, and more preferably 3 nm or more and 10 nm or less. The barrier layer may contain an n-type dopant and may be undoped.
(キャリアバリア層)
キャリアバリア層33は、n型窒化物半導体層29から活性層31へ注入された電子がp型窒化物半導体層39へオーバーフローすることを防止するために設けられた層である。キャリアバリア層33は、p型ドーパントを含むことが好ましいが、アンドープ層であっても良い。このp型ドーパントは、意図的にドーピングされたものであっても良いし、p型窒化物半導体層39からの拡散により混入したものであっても良い。
(Carrier barrier layer)
The carrier barrier layer 33 is a layer provided to prevent electrons injected from the n-type nitride semiconductor layer 29 into the active layer 31 from overflowing into the p-type nitride semiconductor layer 39. The carrier barrier layer 33 preferably includes a p-type dopant, but may be an undoped layer. This p-type dopant may be intentionally doped or may be mixed by diffusion from the p-type nitride semiconductor layer 39.
キャリアバリア層33としては、好ましくはAlt3Ga1-t3N(0<t3≦1)からなり、より好ましくはAlt3Ga1-t3N(0.7≦t3≦0.9)からなる。キャリアバリア層33の厚さは、好ましくは1nm以上30nm以下であり、より好ましくは5nm以上25nm以下である。 The carrier barrier layer 33 is preferably made of Al t3 Ga 1 -t3 N (0 <t3 ≦ 1), more preferably made of Al t3 Ga 1 -t3 N (0.7 ≦ t3 ≦ 0.9). The thickness of the carrier barrier layer 33 is preferably 1 nm or more and 30 nm or less, and more preferably 5 nm or more and 25 nm or less.
(第1p型窒化物半導体層)
第1p型窒化物半導体層35としては、好ましくは、Alt4Ga1-t4N(0<t4≦1)からなる層にp型ドーパントがドープされた層を用い、より好ましくは、Alt4Ga1-t4N(0.7≦t4≦0.9)からなる層にp型ドーパントがドープされた層を用いる。p型ドーパントとしては、例えば、Mg等を挙げることができる。
(First p-type nitride semiconductor layer)
As the first p-type nitride semiconductor layer 35, a layer in which a p-type dopant is doped in a layer made of Al t4 Ga 1 -t4 N (0 <t4 ≦ 1) is preferably used, and more preferably Al t4 Ga. A layer made of 1-t4 N (0.7 ≦ t4 ≦ 0.9) is used in which a p-type dopant is doped. Examples of the p-type dopant include Mg.
第1p型窒化物半導体層35のp型ドーパント濃度は、好ましくは1×1018/cm3以上5×1020/cm3以下であり、より好ましくは5×1018/cm3以上1×1020/cm3以下である。また、第1p型窒化物半導体層35の厚さは、好ましくは0.01μm以上5μm以下であり、より好ましくは0.05μm以上1μm以下である。 The p-type dopant concentration of the first p-type nitride semiconductor layer 35 is preferably 1 × 10 18 / cm 3 or more and 5 × 10 20 / cm 3 or less, more preferably 5 × 10 18 / cm 3 or more and 1 × 10. 20 / cm 3 or less. The thickness of the first p-type nitride semiconductor layer 35 is preferably 0.01 μm or more and 5 μm or less, and more preferably 0.05 μm or more and 1 μm or less.
(第2p型窒化物半導体層)
第2p型窒化物半導体層37としては、好ましくは、Alt5Ga1-t5N(0<t5≦1)からなる層にp型ドーパントがドープされた層を用い、より好ましくは、Alt5Ga1-t5N(0.7≦t5≦0.9)からなる層にp型ドーパントがドープされた層を用いる。
(Second p-type nitride semiconductor layer)
The second p-type nitride semiconductor layer 37 is preferably a layer made of Al t5 Ga 1 -t5 N (0 <t5 ≦ 1) and doped with a p-type dopant, more preferably Al t5 Ga. A layer made of 1-t5 N (0.7 ≦ t5 ≦ 0.9) is used in which a p-type dopant is doped.
第2p型窒化物半導体層37のp型ドーパント濃度は、好ましくは5×1018/cm3以上5×1021/cm3以下であり、より好ましくは5×1019/cm3以上5×1020/cm3以下である。また、第2p型窒化物半導体層37の厚さは、好ましくは0.01μm以上0.1μm以下であり、より好ましくは0.01μm以上0.05μm以下である。 The p-type dopant concentration of the second p-type nitride semiconductor layer 37 is preferably 5 × 10 18 / cm 3 or more and 5 × 10 21 / cm 3 or less, more preferably 5 × 10 19 / cm 3 or more and 5 × 10. 20 / cm 3 or less. The thickness of the second p-type nitride semiconductor layer 37 is preferably 0.01 μm or more and 0.1 μm or less, and more preferably 0.01 μm or more and 0.05 μm or less.
(n電極、p電極)
n電極41及びp電極43のそれぞれは、透明電極であっても良いし、非透明電極であっても良い。透明電極の材料としては、例えば、In、Ga、Zn及びSnの少なくとも1つを含む金属酸化物を挙げることができる。非透明電極の材料としては、例えば、Al又はAg等の金属を挙げることができる。n電極41及びp電極43の各厚さは、好ましくは1nm以上10000nm以下である。
(N electrode, p electrode)
Each of the n electrode 41 and the p electrode 43 may be a transparent electrode or a non-transparent electrode. Examples of the material for the transparent electrode include metal oxides containing at least one of In, Ga, Zn, and Sn. Examples of the material for the non-transparent electrode include metals such as Al and Ag. Each thickness of the n electrode 41 and the p electrode 43 is preferably 1 nm or more and 10,000 nm or less.
<窒化物半導体発光素子の製造>
図7(a)及び(b)は、窒化物半導体発光素子20の製造方法を工程順に示す断面図である。以下では、ダイシング工程を経て図4に示す窒化物半導体発光素子20を製造する方法の一例を示す。
<Manufacture of nitride semiconductor light emitting device>
7A and 7B are cross-sectional views illustrating a method for manufacturing the nitride semiconductor light emitting device 20 in the order of steps. Below, an example of the method of manufacturing the nitride semiconductor light-emitting device 20 shown in FIG. 4 through a dicing process is shown.
(積層体の形成)
基板21の上面(例えばサファイア基板のC面)に、バッファ層23、第1n型窒化物半導体層25と、第2n型窒化物半導体層27と、活性層31と、キャリアバリア層33と、第1p型窒化物半導体層35と、第2p型窒化物半導体層37とを順に形成する。例えばMOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法によりこれらの層を形成することが好ましい。基板21としては、サファイア、ZnO、ダイヤモンド、グラファイト、グラフェン、石英ガラス、又は、SiO2を主成分とする石英ガラス以外のガラス等からなる基板を用いることができる。このようにして図7(a)に示す積層体が得られる。
(Formation of laminate)
A buffer layer 23, a first n-type nitride semiconductor layer 25, a second n-type nitride semiconductor layer 27, an active layer 31, a carrier barrier layer 33, and a first layer are formed on the upper surface of the substrate 21 (for example, the C surface of a sapphire substrate). A 1p type nitride semiconductor layer 35 and a second p type nitride semiconductor layer 37 are formed in this order. For example, it is preferable to form these layers by MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition). As the substrate 21, a substrate made of sapphire, ZnO, diamond, graphite, graphene, quartz glass, glass other than quartz glass containing SiO 2 as a main component, or the like can be used. In this way, the laminate shown in FIG. 7A is obtained.
(基板の剥離)
得られた積層体から基板21を除去する。例えば、基板21側からレーザ光を照射すると、レーザ光がバッファ層23に吸収される。これにより、レーザ光のエネルギーが熱エネルギーに変換されるので、バッファ層23の少なくとも一部が蒸発し、よって、基板21が剥離される。したがって、バッファ層23又は第1n型窒化物半導体層25が露出する。
(Peeling the substrate)
The substrate 21 is removed from the obtained laminate. For example, when laser light is irradiated from the substrate 21 side, the laser light is absorbed by the buffer layer 23. As a result, the energy of the laser beam is converted into thermal energy, so that at least a part of the buffer layer 23 evaporates, and the substrate 21 is peeled off. Therefore, the buffer layer 23 or the first n-type nitride semiconductor layer 25 is exposed.
(光取り出し面の形成)
例えばフォトリソグラフィーにより、剥離面(図7(b)では第1n型窒化物半導体層25の下面。光取り出し面60となる面)にマスク45を形成する。その後、例えばRIE(Reactive Ion Etching)により、マスク45から露出する第1n型窒化物半導体層25の部分を除去する。これにより、複数の凸部61が形成される。このとき、上記式1及び上記式2を満たすようにマスク45を形成することが好ましく、上記式1及び上記式2を満たすように第1n型窒化物半導体層25のエッチング条件を最適化することが好ましい。例えば、化学エッチングの代わりに物理エッチングを行っても良いし、化学エッチングと物理エッチングとを併用しても良い。
(Formation of light extraction surface)
For example, the mask 45 is formed on the peeling surface (the lower surface of the first n-type nitride semiconductor layer 25 in FIG. 7B. The surface that becomes the light extraction surface 60) by photolithography. Thereafter, the portion of the first n-type nitride semiconductor layer 25 exposed from the mask 45 is removed by, for example, RIE (Reactive Ion Etching). Thereby, the some convex part 61 is formed. At this time, the mask 45 is preferably formed so as to satisfy the above formula 1 and the above formula 2, and the etching condition of the first n-type nitride semiconductor layer 25 is optimized so as to satisfy the above formula 1 and the above formula 2. Is preferred. For example, physical etching may be performed instead of chemical etching, or chemical etching and physical etching may be used in combination.
(p型ドーパントの活性化)
熱処理を行ってp型ドーパントを活性化させる。窒化物半導体結晶にドーピングされたp型ドーパントは、III族原子と置換されてIII族原子のサイトに位置しているが、水素に結合された状態でIII族原子のサイトに位置しているので不活性である。そのため、熱処理を行って水素とp型ドーパントとの結合を切断することが好ましい。
(Activation of p-type dopant)
Heat treatment is performed to activate the p-type dopant. The p-type dopant doped in the nitride semiconductor crystal is located at the group III atom site by substitution with a group III atom, but is located at the group III atom site in a state bonded to hydrogen. Inactive. Therefore, it is preferable to perform a heat treatment to break the bond between hydrogen and the p-type dopant.
この熱処理では、図7(b)に示す積層体を800℃以上900℃以下の温度で10分以下、加熱することが好ましい。これにより、この熱処理による窒化物半導体層への不要のダメージ(例えば、この熱処理による窒化物半導体層の表面の荒れ)を防止できる。この熱処理は、窒素雰囲気又は窒素と酸素との混合ガス雰囲気で行われることが好ましいが、Ar等の希ガス雰囲気又は希ガスと酸素との混合ガス雰囲気で行われても良い。酸素を含む雰囲気で熱処理を行えば、その酸素とp型ドーパントに結合されている水素との反応が起こるため、水素とp型ドーパントとの結合を効果的に切断することができる。しかし、雰囲気中の酸素濃度が高すぎると、図7(b)に示す積層体の表面に酸化膜が形成される等の悪影響が生じる。そのため、雰囲気中の酸素濃度は50ppm以下であることが好ましい。例えば、抵抗加熱又はハロゲンランプ加熱による急速昇降温可能な熱処理炉を用いて、この熱処理を行うことが好ましい。 In this heat treatment, the laminate shown in FIG. 7B is preferably heated at a temperature of 800 ° C. to 900 ° C. for 10 minutes or less. Thereby, unnecessary damage to the nitride semiconductor layer due to this heat treatment (for example, surface roughness of the nitride semiconductor layer due to this heat treatment) can be prevented. This heat treatment is preferably performed in a nitrogen atmosphere or a mixed gas atmosphere of nitrogen and oxygen, but may be performed in a rare gas atmosphere such as Ar or a mixed gas atmosphere of a rare gas and oxygen. When heat treatment is performed in an atmosphere containing oxygen, a reaction between the oxygen and hydrogen bonded to the p-type dopant occurs, so that the bond between hydrogen and the p-type dopant can be effectively cut. However, if the oxygen concentration in the atmosphere is too high, adverse effects such as the formation of an oxide film on the surface of the laminate shown in FIG. Therefore, the oxygen concentration in the atmosphere is preferably 50 ppm or less. For example, this heat treatment is preferably performed using a heat treatment furnace capable of rapid temperature increase / decrease by resistance heating or halogen lamp heating.
(電極の形成)
第2p型窒化物半導体層37、第1p型窒化物半導体層35、キャリアバリア層33、活性層31及び第2n型窒化物半導体層27の一部をエッチングした後、このエッチングにより露出した第2n型窒化物半導体層27の面にn電極41を形成する。また、第2p型窒化物半導体層37の上面にp電極43を形成する。その後、必要に応じて合金化を目的とした熱処理を行ってから、ダイシングを行ってチップに分割する。このようにして窒化物半導体発光素子20を得ることができる。
(Formation of electrodes)
After etching part of the second p-type nitride semiconductor layer 37, the first p-type nitride semiconductor layer 35, the carrier barrier layer 33, the active layer 31, and the second n-type nitride semiconductor layer 27, the second n-type exposed by this etching is exposed. An n-electrode 41 is formed on the surface of the type nitride semiconductor layer 27. A p-electrode 43 is formed on the upper surface of the second p-type nitride semiconductor layer 37. Thereafter, heat treatment for alloying is performed as necessary, and then dicing is performed to divide the chip. In this way, the nitride semiconductor light emitting device 20 can be obtained.
[第2の実施形態]
図8は、本発明の第2の実施形態の窒化物半導体発光素子の断面図である。以下では、上記第1の実施形態とは異なる点を主に示す。
[Second Embodiment]
FIG. 8 is a cross-sectional view of the nitride semiconductor light emitting device according to the second embodiment of the present invention. Hereinafter, points different from the first embodiment will be mainly described.
窒化物半導体発光素子120では、第2p型窒化物半導体層37と第1媒質(空気51)との界面の少なくとも一部も光取り出し面60として機能する。つまり、第2p型窒化物半導体層37と第1媒質との界面の少なくとも一部には、凸部61が複数形成されている。凸部61のそれぞれは、第2p型窒化物半導体層37(光取り出し面を有する窒化物半導体層)から第1媒質へ向かって突出している。更に、上記式1及び上記式2が満たされている。 In the nitride semiconductor light emitting device 120, at least a part of the interface between the second p-type nitride semiconductor layer 37 and the first medium (air 51) also functions as the light extraction surface 60. That is, a plurality of convex portions 61 are formed on at least a part of the interface between the second p-type nitride semiconductor layer 37 and the first medium. Each of the protrusions 61 protrudes from the second p-type nitride semiconductor layer 37 (a nitride semiconductor layer having a light extraction surface) toward the first medium. Furthermore, the above formula 1 and the above formula 2 are satisfied.
このような窒化物半導体発光素子120では、量子井戸層からn型窒化物半導体層29側へ向かって斜めに出射されたE||c偏光の少なくとも一部が第1n型窒化物半導体層25の下部から取り出され、量子井戸層からp型窒化物半導体層39側へ向かって斜めに出射されたE||c偏光の少なくとも一部が第2p型窒化物半導体層37の上部から取り出される。このように量子井戸層からp型窒化物半導体層39側へ向かって斜めに出射されたE||c偏光の少なくとも一部をも窒化物半導体発光素子120の外部へ取り出すことができるので、窒化物半導体発光素子120の光取り出し効率を窒化物半導体発光素子20の光取り出し効率よりも高めることができる。 In such a nitride semiconductor light emitting device 120, at least part of E || c-polarized light emitted obliquely from the quantum well layer toward the n-type nitride semiconductor layer 29 side is the first n-type nitride semiconductor layer 25. At least part of the E || c-polarized light extracted from the lower part and obliquely emitted from the quantum well layer toward the p-type nitride semiconductor layer 39 side is extracted from the upper part of the second p-type nitride semiconductor layer 37. Thus, since at least part of the E || c-polarized light emitted obliquely from the quantum well layer toward the p-type nitride semiconductor layer 39 side can also be extracted to the outside of the nitride semiconductor light emitting device 120, nitriding The light extraction efficiency of the semiconductor light emitting device 120 can be higher than the light extraction efficiency of the nitride semiconductor light emitting device 20.
凸部61の高さH、隣り合う凸部61の間隔D、凸部61の側面63の傾斜角θ1及び凸部61の形状の少なくとも1つは、一方の光取り出し面60と他方の光取り出し面60とにおいて互いに異なっていても良い。なお、上記第1の実施形態の(光取り出し面の形成)に記載の方法にしたがって、第2p型窒化物半導体層37と第1媒質との界面の少なくとも一部に凸部61を形成することができる。 At least one of the height H of the convex portion 61, the distance D between the adjacent convex portions 61, the inclination angle θ 1 of the side surface 63 of the convex portion 61, and the shape of the convex portion 61 includes one light extraction surface 60 and the other light. The take-out surface 60 may be different from each other. In addition, according to the method described in (Formation of light extraction surface) of the first embodiment, the convex portion 61 is formed on at least a part of the interface between the second p-type nitride semiconductor layer 37 and the first medium. Can do.
後述の第5の実施形態で示すように、第1媒質は、一方の光取り出し面60と他方の光取り出し面60とにおいて互いに異なっていても良い。 As shown in a fifth embodiment to be described later, the first medium may be different from each other on one light extraction surface 60 and the other light extraction surface 60.
p電極43は、第2p型窒化物半導体層37と第1媒質との界面の一部に設けられていても良いし(図8)、その界面全体に設けられていても良い。 The p-electrode 43 may be provided at a part of the interface between the second p-type nitride semiconductor layer 37 and the first medium (FIG. 8) or may be provided at the entire interface.
p電極43が透明電極である場合、凸部61は、第2p型窒化物半導体層37と第1媒質との界面のうちp電極43が設けられている部分にも形成されていても良い。 When the p electrode 43 is a transparent electrode, the convex portion 61 may be formed also in a portion where the p electrode 43 is provided in the interface between the second p-type nitride semiconductor layer 37 and the first medium.
p電極43が非透明電極である場合、p電極43の厚さは、好ましくは50nm以下であり、より好ましくは20nm以下である。これにより、量子井戸層からp型窒化物半導体層39側へ向かって斜めに出射されたE||c偏光がp電極43で吸収されることを防止できる。よって、かかるE||c偏光を窒化物半導体発光素子120の外部へ効率良く取り出すことができる。しかし、窒化物半導体発光素子120の光取り出し効率を高めるという観点では、第2p型窒化物半導体層37と第1媒質との界面のうちp電極43が設けられていない部分の少なくとも一部に凸部61が形成されていることが好ましい。 When the p electrode 43 is a non-transparent electrode, the thickness of the p electrode 43 is preferably 50 nm or less, more preferably 20 nm or less. As a result, the E || c polarized light emitted obliquely from the quantum well layer toward the p-type nitride semiconductor layer 39 can be prevented from being absorbed by the p electrode 43. Therefore, the E || c polarized light can be efficiently extracted outside the nitride semiconductor light emitting device 120. However, from the viewpoint of increasing the light extraction efficiency of the nitride semiconductor light emitting device 120, it protrudes at least at a part of the interface between the second p-type nitride semiconductor layer 37 and the first medium where the p-electrode 43 is not provided. It is preferable that the part 61 is formed.
第2p型窒化物半導体層37と第1媒質との界面のうちp電極43が設けられている部分にも凸部61が形成されている場合には、次に示すようにして隣り合う凸部61の間隔D、凸部61の高さH及び凸部61の側面63の傾斜角θ1を決定することが好ましい。p電極43が設けられている部分では、p電極43を第1媒質として上記式1及び上記式2が満たされるようにD、H及びθ1を決定する。p電極43が設けられていない部分では、空気51を第1媒質として上記式1及び上記式2が満たされるようにD、H及びθ1を決定する。 In the case where the convex portion 61 is also formed in the portion where the p-electrode 43 is provided in the interface between the second p-type nitride semiconductor layer 37 and the first medium, the adjacent convex portions are formed as follows. It is preferable to determine the interval D of 61, the height H of the convex portion 61, and the inclination angle θ 1 of the side surface 63 of the convex portion 61. In the portion where the p-electrode 43 is provided, D, H, and θ 1 are determined so that the above formulas 1 and 2 are satisfied by using the p-electrode 43 as the first medium. In a portion where the p-electrode 43 is not provided, D, H, and θ 1 are determined so that the above formulas 1 and 2 are satisfied using the air 51 as the first medium.
なお、第2p型窒化物半導体層37と第1媒質との界面のうちp電極41により被覆されている割合(p電極41の被覆率)が50%よりも大きく、且つ、(p電極43の屈折率)<(第2p型窒化物半導体層37の屈折率)である場合、p電極43を第1媒質として上記式1及び上記式2が満たされるようにD、H及びθ1を決定することが好ましい。 Note that the ratio of the interface between the second p-type nitride semiconductor layer 37 and the first medium covered by the p electrode 41 (the coverage of the p electrode 41) is greater than 50%, and In the case of (refractive index) <(refractive index of the second p-type nitride semiconductor layer 37), D, H, and θ 1 are determined so that the above formulas 1 and 2 are satisfied using the p-electrode 43 as the first medium. It is preferable.
[第3の実施形態]
図9は、本発明の第3の実施形態の窒化物半導体発光素子の断面図である。以下では、上記第1の実施形態とは異なる点を主に示す。
[Third Embodiment]
FIG. 9 is a cross-sectional view of the nitride semiconductor light emitting device according to the third embodiment of the present invention. Hereinafter, points different from the first embodiment will be mainly described.
窒化物半導体発光素子220では、基板21と第1n型窒化物半導体層25との界面(実際には、基板21と第1n型窒化物半導体層25との間にはバッファ層23(不図示、図7(a)参照)が形成されている)が光取り出し面60として機能する。つまり、基板21と第1n型窒化物半導体層25との界面には、凸部61が複数形成されている。凸部61のそれぞれは、第1n型窒化物半導体層25から基板21へ向かって突出している。更に、上記式1及び上記式2が満たされている。 In the nitride semiconductor light emitting device 220, the buffer layer 23 (not shown, between the substrate 21 and the first n-type nitride semiconductor layer 25 is actually disposed between the substrate 21 and the first n-type nitride semiconductor layer 25). 7A) functions as the light extraction surface 60. That is, a plurality of convex portions 61 are formed at the interface between the substrate 21 and the first n-type nitride semiconductor layer 25. Each of the protrusions 61 protrudes from the first n-type nitride semiconductor layer 25 toward the substrate 21. Furthermore, the above formula 1 and the above formula 2 are satisfied.
このような窒化物半導体発光素子220では、上記第1の実施形態に記載の効果を得ることができる。よって、第1媒質として基板21を用いた場合であっても、窒化物半導体発光素子220の光取り出し効率を従来の窒化物半導体発光素子よりも高めることができる。 In such a nitride semiconductor light emitting device 220, the effects described in the first embodiment can be obtained. Therefore, even when the substrate 21 is used as the first medium, the light extraction efficiency of the nitride semiconductor light emitting device 220 can be increased as compared with the conventional nitride semiconductor light emitting device.
また、窒化物半導体発光素子220では、全反射角θtが窒化物半導体発光素子20よりも大きいので、凸部61の側面63の傾斜角θ1を窒化物半導体発光素子20よりも大きくできる(上記式2)。これにより、広がり角αのより大きなE||c偏光を基板21と第1n型窒化物半導体層25との界面から基板21側へ取り出すことができる。よって、窒化物半導体発光素子220の光取り出し効率を窒化物半導体発光素子20の光取り出し効率よりも高めることができる。 Further, in the nitride semiconductor light emitting element 220, since the total reflection angle theta t is larger than that of the nitride semiconductor light emitting device 20, the inclination angle theta 1 of the side surface 63 of the convex portion 61 can be made larger than that of the nitride semiconductor light emitting device 20 ( Formula 2) above. Thereby, E || c-polarized light having a larger spread angle α can be extracted from the interface between the substrate 21 and the first n-type nitride semiconductor layer 25 to the substrate 21 side. Therefore, the light extraction efficiency of the nitride semiconductor light emitting device 220 can be higher than the light extraction efficiency of the nitride semiconductor light emitting device 20.
なお、サファイア基板に窒化物半導体層を成長させると、窒化物半導体層の成長条件によっては光取り出し面となるサファイア基板と窒化物半導体層との界面付近に空隙が生じることがある。このような場合であっても、空隙が生じていないものとして窒化物半導体発光素子20での光の導波を考えることが好ましい。 Note that when a nitride semiconductor layer is grown on a sapphire substrate, a gap may be generated near the interface between the sapphire substrate and the nitride semiconductor layer serving as a light extraction surface depending on the growth conditions of the nitride semiconductor layer. Even in such a case, it is preferable to consider light guiding in the nitride semiconductor light emitting device 20 assuming that no void is generated.
上記第1の実施形態の(光取り出し面の形成)に記載の方法にしたがって基板21の主面(本実施形態ではC面)に凹部を形成してから、凹部が形成された基板21の主面に第1n型窒化物半導体層25を形成する。これにより、第1n型窒化物半導体層25から基板21へ突出する凸部61が形成される。 According to the method described in (Formation of light extraction surface) of the first embodiment, a concave portion is formed on the main surface (C surface in the present embodiment) of the substrate 21, and then the main portion of the substrate 21 on which the concave portion is formed. A first n-type nitride semiconductor layer 25 is formed on the surface. Thereby, a convex portion 61 protruding from the first n-type nitride semiconductor layer 25 to the substrate 21 is formed.
[第4の実施形態]
<窒化物半導体発光素子の構成>
図10は、本発明の第4の実施形態の窒化物半導体発光素子の断面図である。以下では、上記第3の実施形態とは異なる点を主に示す。
[Fourth Embodiment]
<Configuration of nitride semiconductor light emitting device>
FIG. 10 is a cross-sectional view of the nitride semiconductor light emitting device according to the fourth embodiment of the present invention. In the following, points different from the third embodiment will be mainly shown.
窒化物半導体発光素子320では、基板21の上面にはバッファ層(不図示)を挟んで第3窒化物半導体層26が設けられており、第3窒化物半導体層26の上面に第2n型窒化物半導体層27及び活性層31等が順に設けられている。 In the nitride semiconductor light emitting device 320, the third nitride semiconductor layer 26 is provided on the upper surface of the substrate 21 with a buffer layer (not shown) interposed therebetween, and the second n-type nitride is formed on the upper surface of the third nitride semiconductor layer 26. A physical semiconductor layer 27, an active layer 31, and the like are sequentially provided.
第3窒化物半導体層26としては、好ましくは、Alt6Ga1-t6N(0<t6≦1)からなる層を用い、より好ましくは、Alt6Ga1-t6N(0.1≦t6≦0.9)からなる層を用いる。第3窒化物半導体層26は、アンドープ層であることが好ましいが、熱処理等によって拡散されたn型ドーパントを含んでいても良い。第3窒化物半導体層26の厚さは、好ましくは0.5μm以上20μm以下であり、より好ましくは3μm以上10μm以下である。 As the third nitride semiconductor layer 26, a layer made of Al t6 Ga 1-t6 N (0 <t6 ≦ 1) is preferably used, and more preferably Al t6 Ga 1-t6 N (0.1 ≦ t6). ≦ 0.9) is used. The third nitride semiconductor layer 26 is preferably an undoped layer, but may contain an n-type dopant diffused by heat treatment or the like. The thickness of the third nitride semiconductor layer 26 is preferably 0.5 μm or more and 20 μm or less, and more preferably 3 μm or more and 10 μm or less.
光取り出し面60は、p型窒化物半導体層39側にも形成されている。具体的には、第2p型窒化物半導体層37の第1露出面(第2p型窒化物半導体層37の上面のうちp電極43から露出する部分)には第3窒化物半導体層26と基板21とがこの順に積層されており、第3窒化物半導体層26と基板21との界面が光取り出し面60として機能する。つまり、第3窒化物半導体層26と基板21との界面には、凸部61が複数形成されている。凸部61のそれぞれは、第3窒化物半導体層26から基板21へ向かって突出している。更に、上記式1及び上記式2が満たされている。 The light extraction surface 60 is also formed on the p-type nitride semiconductor layer 39 side. Specifically, the third nitride semiconductor layer 26 and the substrate are formed on the first exposed surface of the second p-type nitride semiconductor layer 37 (the portion of the upper surface of the second p-type nitride semiconductor layer 37 exposed from the p-electrode 43). 21 are stacked in this order, and the interface between the third nitride semiconductor layer 26 and the substrate 21 functions as the light extraction surface 60. That is, a plurality of convex portions 61 are formed at the interface between the third nitride semiconductor layer 26 and the substrate 21. Each of the protrusions 61 protrudes from the third nitride semiconductor layer 26 toward the substrate 21. Furthermore, the above formula 1 and the above formula 2 are satisfied.
このような窒化物半導体発光素子320では、量子井戸層からn型窒化物半導体層29側へ向かって斜めに出射されたE||c偏光の少なくとも一部が第1n型窒化物半導体層25の下部から取り出され、量子井戸層からp型窒化物半導体層39側へ向かって斜めに出射されたE||c偏光の少なくとも一部が第2p型窒化物半導体層37の上部から取り出される。このように量子井戸層からp型窒化物半導体層39側へ向かって斜めに出射されたE||c偏光の少なくとも一部をも窒化物半導体発光素子320の外部へ取り出すことができるので、窒化物半導体発光素子320の光取り出し効率を窒化物半導体発光素子20,220の光取り出し効率よりも高めることができる。 In such a nitride semiconductor light emitting device 320, at least part of E || c-polarized light emitted obliquely from the quantum well layer toward the n-type nitride semiconductor layer 29 side is the first n-type nitride semiconductor layer 25. At least part of the E || c-polarized light extracted from the lower part and obliquely emitted from the quantum well layer toward the p-type nitride semiconductor layer 39 side is extracted from the upper part of the second p-type nitride semiconductor layer 37. As described above, since at least part of the E || c-polarized light emitted obliquely from the quantum well layer toward the p-type nitride semiconductor layer 39 side can also be extracted to the outside of the nitride semiconductor light emitting device 320, nitriding The light extraction efficiency of the semiconductor light emitting device 320 can be higher than the light extraction efficiency of the nitride semiconductor light emitting devices 20 and 220.
なお、基板21と第2n型窒化物半導体層27との間に設けられた第3窒化物半導体層26は、n型ドーパントを意図的に含んでいても良いが、後述の方法にしたがって窒化物半導体発光素子320を製造する場合にはアンドープ層であることが好ましい。 Note that the third nitride semiconductor layer 26 provided between the substrate 21 and the second n-type nitride semiconductor layer 27 may intentionally contain an n-type dopant, but nitride is formed according to a method described later. When manufacturing the semiconductor light emitting device 320, an undoped layer is preferable.
<窒化物半導体発光素子の製造>
上記第3の実施形態に記載の方法にしたがって基板21の主面(本実施形態ではC面)に凹部を形成する。その後、上記第1の実施形態の(積層体の形成)に記載の方法にしたがって、凹部が形成された基板21の主面にバッファ層(不図示)及び第3窒化物半導体層26を順に形成する。得られた母材基板をダイシングして、第1基板と基板面積が第1基板よりも小さな第2基板とを得る。
<Manufacture of nitride semiconductor light emitting device>
According to the method described in the third embodiment, a recess is formed in the main surface (C surface in the present embodiment) of the substrate 21. Thereafter, a buffer layer (not shown) and a third nitride semiconductor layer 26 are sequentially formed on the main surface of the substrate 21 on which the recesses are formed in accordance with the method described in (Formation of laminated body) in the first embodiment. To do. The obtained base material substrate is diced to obtain a first substrate and a second substrate having a substrate area smaller than that of the first substrate.
次に、上記第1の実施形態の(積層体の形成)に記載の方法にしたがって、第1基板の第3窒化物半導体層26の上面に第2n型窒化物半導体層27及び活性層31等を順に形成する。その後、上記第1の実施形態に記載の(p型ドーパントの活性化)及び(電極の形成)を順に行う。その後、第2基板の第3窒化物半導体層26が第2p型窒化物半導体層37の第1露出面に接するように、第2基板を第2p型窒化物半導体層37の第1露出面に設ける。このようにして窒化物半導体発光素子320を得ることができる。 Next, the second n-type nitride semiconductor layer 27, the active layer 31 and the like are formed on the upper surface of the third nitride semiconductor layer 26 of the first substrate according to the method described in (Formation of stacked body) of the first embodiment. Are formed in order. Thereafter, (activation of the p-type dopant) and (formation of the electrode) described in the first embodiment are sequentially performed. Thereafter, the second substrate is placed on the first exposed surface of the second p-type nitride semiconductor layer 37 so that the third nitride semiconductor layer 26 of the second substrate contacts the first exposed surface of the second p-type nitride semiconductor layer 37. Provide. In this way, the nitride semiconductor light emitting device 320 can be obtained.
[第5の実施形態]
図11は、本発明の第5の実施形態の窒化物半導体発光素子の断面図である。以下では、上記第2及び上記第3の実施形態とは異なる点を主に示す。
[Fifth Embodiment]
FIG. 11 is a cross-sectional view of a nitride semiconductor light emitting device according to the fifth embodiment of the present invention. In the following, differences from the second and third embodiments will be mainly described.
窒化物半導体発光素子420では、第2p型窒化物半導体層37と第1媒質(空気51)との界面の少なくとも一部も光取り出し面60として機能する。つまり、上記第2の実施形態で記載したように、第2p型窒化物半導体層37と第1媒質との界面の少なくとも一部には凸部61が複数形成されており、凸部61のそれぞれは第2p型窒化物半導体層37から第1媒質へ向かって突出しており、上記式1及び上記式2が満たされている。 In the nitride semiconductor light emitting device 420, at least a part of the interface between the second p-type nitride semiconductor layer 37 and the first medium (air 51) also functions as the light extraction surface 60. That is, as described in the second embodiment, a plurality of convex portions 61 are formed on at least a part of the interface between the second p-type nitride semiconductor layer 37 and the first medium. Protrudes from the second p-type nitride semiconductor layer 37 toward the first medium, and Expression 1 and Expression 2 are satisfied.
このような窒化物半導体発光素子420では、量子井戸層からn型窒化物半導体層29側へ向かって斜めに出射されたE||c偏光の少なくとも一部が第1n型窒化物半導体層25の下部から取り出され、量子井戸層からp型窒化物半導体層39側へ向かって斜めに出射されたE||c偏光の少なくとも一部が第2p型窒化物半導体層37の上部から取り出される。このように量子井戸層からp型窒化物半導体層39側へ向かって斜めに出射されたE||c偏光の少なくとも一部をも窒化物半導体発光素子420の外部へ取り出すことができるので、窒化物半導体発光素子420の光取り出し効率を窒化物半導体発光素子20,220の光取り出し効率よりも高めることができる。 In such a nitride semiconductor light emitting device 420, at least part of E || c-polarized light emitted obliquely from the quantum well layer toward the n-type nitride semiconductor layer 29 side is the first n-type nitride semiconductor layer 25. At least part of the E || c-polarized light extracted from the lower part and obliquely emitted from the quantum well layer toward the p-type nitride semiconductor layer 39 side is extracted from the upper part of the second p-type nitride semiconductor layer 37. As described above, since at least part of the E || c-polarized light emitted obliquely from the quantum well layer toward the p-type nitride semiconductor layer 39 side can also be extracted to the outside of the nitride semiconductor light emitting device 420, nitriding The light extraction efficiency of the semiconductor light emitting device 420 can be higher than the light extraction efficiency of the nitride semiconductor light emitting devices 20 and 220.
また、窒化物半導体発光素子420では、一方の光取り出し面60は空気51に接するのに対し、他方の光取り出し面60は基板21に接する。このような場合であっても、窒化物半導体発光素子320と同様の効果を得ることができる。 In the nitride semiconductor light emitting device 420, one light extraction surface 60 is in contact with the air 51, while the other light extraction surface 60 is in contact with the substrate 21. Even in such a case, the same effect as that of the nitride semiconductor light emitting device 320 can be obtained.
なお、上記第2の実施形態に記載のp電極43と凸部61との位置関係等は本実施形態においても言える。 The positional relationship between the p-electrode 43 and the convex portion 61 described in the second embodiment can also be said in this embodiment.
[第6の実施形態]
<窒化物半導体発光素子の構成>
図12は、本発明の第6の実施形態の窒化物半導体発光素子の断面図である。窒化物半導体発光素子520は、縦型構造の窒化物半導体発光素子であり、第2n型窒化物半導体層27、活性層31、キャリアバリア層33、第1p型窒化物半導体層35及び第2p型窒化物半導体層37が順に積層されて構成されている。第2p型窒化物半導体層37の上面にはp電極43が設けられている。
[Sixth Embodiment]
<Configuration of nitride semiconductor light emitting device>
FIG. 12 is a cross-sectional view of the nitride semiconductor light emitting device according to the sixth embodiment of the present invention. The nitride semiconductor light emitting device 520 is a vertical structure nitride semiconductor light emitting device, and includes a second n-type nitride semiconductor layer 27, an active layer 31, a carrier barrier layer 33, a first p-type nitride semiconductor layer 35, and a second p-type. Nitride semiconductor layers 37 are sequentially stacked. A p-electrode 43 is provided on the upper surface of the second p-type nitride semiconductor layer 37.
窒化物半導体発光素子520では、第2n型窒化物半導体層27と第1媒質(空気51)との界面の少なくとも一部が光取り出し面60として機能する。つまり、第2n型窒化物半導体層27と第1媒質との界面の少なくとも一部には、凸部61が複数形成されている。凸部61のそれぞれは、第2n型窒化物半導体層(光取り出し面を有する窒化物半導体層)27から第1媒質へ向かって突出している。更に、上記式1及び上記式2が満たされている。 In the nitride semiconductor light emitting device 520, at least part of the interface between the second n-type nitride semiconductor layer 27 and the first medium (air 51) functions as the light extraction surface 60. That is, a plurality of convex portions 61 are formed on at least a part of the interface between the second n-type nitride semiconductor layer 27 and the first medium. Each of the convex portions 61 protrudes from the second n-type nitride semiconductor layer (nitride semiconductor layer having a light extraction surface) 27 toward the first medium. Furthermore, the above formula 1 and the above formula 2 are satisfied.
このような窒化物半導体発光素子520では、量子井戸層から第2n型窒化物半導体層27側へ向かって斜めに出射されたE||c偏光の少なくとも一部が第2n型窒化物半導体層27の下部から取り出される。よって、窒化物半導体発光素子520の光取り出し効率を従来の窒化物半導体発光素子よりも高めることができる。かかる効果は、光取り出し面60を横型構造の窒化物半導体発光素子(例えば窒化物半導体発光素子20)に形成した場合よりも顕著となる。 In such a nitride semiconductor light emitting device 520, at least part of E || c polarized light emitted obliquely from the quantum well layer toward the second n-type nitride semiconductor layer 27 side is the second n-type nitride semiconductor layer 27. It is taken out from the lower part. Therefore, the light extraction efficiency of the nitride semiconductor light emitting device 520 can be increased as compared with the conventional nitride semiconductor light emitting device. Such an effect becomes more prominent than when the light extraction surface 60 is formed in a lateral structure nitride semiconductor light emitting device (for example, the nitride semiconductor light emitting device 20).
詳細には、縦型構造の窒化物半導体発光素子の方が横型構造の窒化物半導体発光素子よりも薄い。そのため、縦型構造の窒化物半導体発光素子の方が、横型構造の窒化物半導体発光素子よりも、窒化物半導体発光素子内におけるE||c偏光の全反射の回数が多くなるので光取り出し効率の低下を招き易い。しかし、上記第1の実施形態等で示したように、光取り出し面60を形成すると、光取り出し効率の低下を防止できる。よって、縦型構造の窒化物半導体発光素子の方が、横型構造の窒化物半導体発光素子よりも、光取り出し面60の形成により得られる効果が顕著となる。 Specifically, the nitride semiconductor light emitting device having a vertical structure is thinner than the nitride semiconductor light emitting device having a horizontal structure. For this reason, the vertical structure nitride semiconductor light emitting device has a larger number of times of total reflection of E || c-polarized light in the nitride semiconductor light emitting device than the lateral structure nitride semiconductor light emitting device, so that the light extraction efficiency is increased. It is easy to cause a drop in However, as shown in the first embodiment and the like, when the light extraction surface 60 is formed, it is possible to prevent a decrease in light extraction efficiency. Therefore, the effect obtained by forming the light extraction surface 60 is more remarkable in the nitride semiconductor light emitting device having the vertical structure than in the nitride semiconductor light emitting device having the horizontal structure.
n電極41は、第2n型窒化物半導体層27と第1媒質との界面の一部に形成されても良いし(図12)、その界面全体に設けられていても良い。 The n electrode 41 may be formed at a part of the interface between the second n-type nitride semiconductor layer 27 and the first medium (FIG. 12), or may be provided over the entire interface.
n電極41が透明電極である場合、凸部61は、第2n型窒化物半導体層27と第1媒質との界面のうちn電極41が設けられている部分にも形成されていても良い。 When the n electrode 41 is a transparent electrode, the convex portion 61 may be formed also in a portion where the n electrode 41 is provided in the interface between the second n-type nitride semiconductor layer 27 and the first medium.
n電極41が非透明電極である場合、n電極41の厚さは、好ましくは50nm以下であり、より好ましくは20nm以下である。これにより、量子井戸層から第2n型窒化物半導体層27側へ向かって斜めに出射されたE||c偏光がn電極41で吸収されることを防止できる。よって、かかるE||c偏光を窒化物半導体発光素子520の外部へ効率的に取り出すことができる。しかし、窒化物半導体発光素子520の光取り出し効率を高めるという観点では、第2n型窒化物半導体層27と第1媒質との界面のうちn電極41が設けられていない部分の少なくとも一部に凸部61が形成されていることが好ましい。 When the n electrode 41 is a non-transparent electrode, the thickness of the n electrode 41 is preferably 50 nm or less, and more preferably 20 nm or less. As a result, the E || c polarized light emitted obliquely from the quantum well layer toward the second n-type nitride semiconductor layer 27 can be prevented from being absorbed by the n electrode 41. Therefore, the E || c polarized light can be efficiently extracted outside the nitride semiconductor light emitting device 520. However, from the viewpoint of increasing the light extraction efficiency of the nitride semiconductor light-emitting device 520, at least a portion of the interface between the second n-type nitride semiconductor layer 27 and the first medium where the n-electrode 41 is not provided is projected. It is preferable that the part 61 is formed.
第2n型窒化物半導体層27と第1媒質との界面のうちn電極41が設けられている部分にも凸部61が形成されている場合には、次に示すようにして隣り合う凸部61の間隔D、凸部61の高さH及び凸部61の側面63の傾斜角θ1を決定することが好ましい。n電極41が設けられている部分では、n電極41を第1媒質として上記式1及び上記式2が満たされるようにD、H及びθ1を決定する。n電極41が設けられていない部分では、空気51を第1媒質として上記式1及び上記式2が満たされるようにD、H及びθ1を決定する。 When the convex part 61 is formed also in the part in which the n electrode 41 is provided among the interfaces between the second n-type nitride semiconductor layer 27 and the first medium, adjacent convex parts as shown below. It is preferable to determine the interval D of 61, the height H of the convex portion 61, and the inclination angle θ 1 of the side surface 63 of the convex portion 61. In the portion where the n-electrode 41 is provided, D, H, and θ 1 are determined so that the above formulas 1 and 2 are satisfied with the n-electrode 41 as the first medium. In a portion where the n-electrode 41 is not provided, D, H, and θ 1 are determined so that the above formulas 1 and 2 are satisfied using the air 51 as the first medium.
なお、第2n型窒化物半導体層27と第1媒質との界面のうちn電極41により被覆されている割合(n電極41の被覆率)が50%よりも大きく、且つ、(n電極41の屈折率)<(第2n型窒化物半導体層27の屈折率)である場合、n電極41を第1媒質として上記式1及び上記式2が満たされるようにD、H及びθ1を決定することが好ましい。 The ratio of the interface between the second n-type nitride semiconductor layer 27 and the first medium that is covered by the n electrode 41 (the coverage of the n electrode 41) is greater than 50%, and (the n electrode 41 In the case of (refractive index) <(refractive index of the second n-type nitride semiconductor layer 27), D, H, and θ 1 are determined so that the above formulas 1 and 2 are satisfied with the n electrode 41 as the first medium. It is preferable.
また、第2n型窒化物半導体層27と第1媒質との界面の少なくとも一部を光取り出し面60として機能させても良い。この場合、n電極41は反射電極であることが好ましい。 Further, at least a part of the interface between the second n-type nitride semiconductor layer 27 and the first medium may function as the light extraction surface 60. In this case, the n-electrode 41 is preferably a reflective electrode.
<窒化物半導体発光素子の製造>
上記第1の実施形態の(積層体の形成)に記載の方法にしたがって積層体を形成してから、RIEにより基板21、バッファ層23及び第1n型窒化物半導体層25を除去する。これにより、第2n型窒化物半導体層27が露出する。その後、上記第1の実施形態の(光取り出し面の形成)、(p型ドーパントの活性化)及び(電極の形成)に記載の方法にしたがって窒化物半導体発光素子520を製造する。
<Manufacture of nitride semiconductor light emitting device>
After the stacked body is formed according to the method described in (Formation of stacked body) of the first embodiment, the substrate 21, the buffer layer 23, and the first n-type nitride semiconductor layer 25 are removed by RIE. Thereby, the second n-type nitride semiconductor layer 27 is exposed. Thereafter, the nitride semiconductor light emitting device 520 is manufactured according to the method described in (Formation of light extraction surface), (Activation of p-type dopant), and (Formation of electrode) of the first embodiment.
[第7の実施形態]
図13は、本発明の第7の実施形態の窒化物半導体発光素子の断面図である。以下では、上記第6の実施形態とは異なる点を主に示す。
[Seventh Embodiment]
FIG. 13 is a cross-sectional view of a nitride semiconductor light emitting device according to the seventh embodiment of the present invention. In the following, points different from the sixth embodiment will be mainly shown.
窒化物半導体発光素子620では、第2p型窒化物半導体層37と第1媒質(空気51)との界面の少なくとも一部も光取り出し面60として機能する。つまり、第2p型窒化物半導体層37と第1媒質との界面の少なくとも一部には、凸部61が複数形成されている。凸部61のそれぞれは、第2p型窒化物半導体層37から第1媒質へ向かって突出している。更に、上記式1及び上記式2が満たされている。 In the nitride semiconductor light emitting device 620, at least a part of the interface between the second p-type nitride semiconductor layer 37 and the first medium (air 51) also functions as the light extraction surface 60. That is, a plurality of convex portions 61 are formed on at least a part of the interface between the second p-type nitride semiconductor layer 37 and the first medium. Each of the protrusions 61 protrudes from the second p-type nitride semiconductor layer 37 toward the first medium. Furthermore, the above formula 1 and the above formula 2 are satisfied.
このような窒化物半導体発光素子620では、量子井戸層からn型窒化物半導体層29側へ向かって斜めに出射されたE||c偏光の少なくとも一部が第2n型窒化物半導体層27の下部から取り出され、量子井戸層からp型窒化物半導体層39側へ向かって斜めに出射されたE||c偏光の少なくとも一部が第2p型窒化物半導体層37の上部から取り出される。このように量子井戸層からp型窒化物半導体層39側へ向かって斜めに出射されたE||c偏光の少なくとも一部をも窒化物半導体発光素子620の外部へ取り出すことができるので、窒化物半導体発光素子620の光取り出し効率を窒化物半導体発光素子520の光取り出し効率よりも高めることができる。 In such a nitride semiconductor light emitting device 620, at least part of the E || c-polarized light emitted obliquely from the quantum well layer toward the n-type nitride semiconductor layer 29 side is the second n-type nitride semiconductor layer 27. At least part of the E || c-polarized light extracted from the lower part and obliquely emitted from the quantum well layer toward the p-type nitride semiconductor layer 39 side is extracted from the upper part of the second p-type nitride semiconductor layer 37. As described above, since at least part of the E || c-polarized light emitted obliquely from the quantum well layer toward the p-type nitride semiconductor layer 39 side can also be extracted to the outside of the nitride semiconductor light emitting device 620, nitriding is performed. The light extraction efficiency of the semiconductor light emitting device 620 can be higher than the light extraction efficiency of the nitride semiconductor light emitting device 520.
なお、上記第2の実施形態に記載のp電極43と凸部61との位置関係等は本実施形態においても言える。 The positional relationship between the p-electrode 43 and the convex portion 61 described in the second embodiment can also be said in this embodiment.
[実施形態の総括]
例えば図4に示す窒化物半導体発光素子20は、発光層と、発光層とは異なる少なくとも1つの窒化物半導体層27とを備える。発光層は、極性面を主面として有し、且つ、AlxGa1-xN(0.3≦x≦1)からなる。少なくとも1つの窒化物半導体層27は、窒化物半導体結晶のc軸に対して平行な方向において窒化物半導体よりも低い屈折率を有する第1媒質に接しており、第1媒質との界面の少なくとも一部に光取り出し面60を有する。光取り出し面60には、光取り出し面60を有する窒化物半導体層27から第1媒質へ向かって突出する凸部61が複数形成されている。下記式1及び下記式2が満たされている。下記式1及び下記式2において、Dは隣り合う凸部61の間隔を表し、Hは凸部61の高さを表し、θ1は凸部61の側面63の傾斜角を表し、αはc軸に対して垂直な方向を中心としたE||c偏光の広がり角を表し、θtはE||c偏光の全反射角を表す。これにより、発光層のAl組成が高い場合に窒化物半導体発光素子20の光取り出し効率を高めることができる。
D≧H(1−tanθ1×tanα)/tanα・・・式1
0<θ1<θt・・・式2。
[Summary of Embodiment]
For example, the nitride semiconductor light emitting device 20 shown in FIG. 4 includes a light emitting layer and at least one nitride semiconductor layer 27 different from the light emitting layer. The light emitting layer has a polar surface as a main surface, and is made of Al x Ga 1-x N (0.3 ≦ x ≦ 1). At least one nitride semiconductor layer 27 is in contact with a first medium having a refractive index lower than that of the nitride semiconductor in a direction parallel to the c-axis of the nitride semiconductor crystal, and at least at the interface with the first medium. A part has a light extraction surface 60. The light extraction surface 60 is formed with a plurality of convex portions 61 that protrude from the nitride semiconductor layer 27 having the light extraction surface 60 toward the first medium. The following formula 1 and the following formula 2 are satisfied. In the following formula 1 and the following formula 2, D represents the interval between the adjacent convex portions 61, H represents the height of the convex portion 61, θ 1 represents the inclination angle of the side surface 63 of the convex portion 61, and α represents c The divergence angle of E || c polarization centered on the direction perpendicular to the axis is represented, and θ t represents the total reflection angle of E || c polarization. Thereby, when the Al composition of the light emitting layer is high, the light extraction efficiency of the nitride semiconductor light emitting device 20 can be increased.
D ≧ H (1−tan θ 1 × tan α) / tan α (Formula 1)
0 <θ 1 <θ t Expression 2
上記式1及び上記式2において、Dは200μm以下であることが好ましい。上記式1及び上記式2において、0<α≦40°である場合には、θ1は20°以上40°以下であり、Hは0.1μm以上10μm以下であることが好ましい。 In Formula 1 and Formula 2, D is preferably 200 μm or less. In the above formulas 1 and 2, when 0 <α ≦ 40 °, θ 1 is preferably 20 ° or more and 40 ° or less, and H is preferably 0.1 μm or more and 10 μm or less.
凸部61は、円錐形状を有することが好ましい。これにより、窒化物半導体発光素子20の外部へ取り出される光の配向がc軸周りに全方位的となる。 The convex portion 61 preferably has a conical shape. Thereby, the orientation of the light extracted outside the nitride semiconductor light emitting device 20 becomes omnidirectional around the c-axis.
以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, although an Example is given and this invention is demonstrated in detail, this invention is not limited to these.
<実施例1>
実施例1では、図1に示す窒化物半導体発光素子を製造した。
<Example 1>
In Example 1, the nitride semiconductor light emitting device shown in FIG. 1 was manufactured.
(積層体の形成)
まず、水素雰囲気において、サファイア基板のC面に対して1250℃で10分間、エッチングを行った。
(Formation of laminate)
First, etching was performed at 1250 ° C. for 10 minutes on the C surface of the sapphire substrate in a hydrogen atmosphere.
次に、サファイア基板をMOCVD装置の反応炉に搬入して反応炉内のサセプタの上に配置した後、サファイア基板の温度を900℃に降温した。水素をキャリアガスとして用い、TMA(トリメチルアルミニウム)及びアンモニアを原料ガスとして用いて、AlNバッファ層(厚さが300nm)をサファイア基板のC面に成長させた。その後、サファイア基板の温度を1175℃に昇温してから、水素をキャリアガスとして用い、TMA及びアンモニアを原料ガスとして用いて、AlN層(厚さが5μm)をAlNバッファ層の上面に成長させた。 Next, after carrying the sapphire substrate into the reactor of the MOCVD apparatus and placing it on the susceptor in the reactor, the temperature of the sapphire substrate was lowered to 900 ° C. An AlN buffer layer (thickness: 300 nm) was grown on the C surface of the sapphire substrate using hydrogen as a carrier gas and TMA (trimethylaluminum) and ammonia as source gases. Then, after raising the temperature of the sapphire substrate to 1175 ° C., an AlN layer (thickness of 5 μm) is grown on the upper surface of the AlN buffer layer using hydrogen as a carrier gas and TMA and ammonia as source gases. It was.
続いて、水素をキャリアガスとして用い、TMA、トリメチルガリウム(TMG)、アンモニア及びシラン(水素で希釈されたシラン(40ppm))を原料ガスとして用いて、n型AlGaN層(厚さが2μm)をAlN層の上面に成長させた。 Subsequently, using hydrogen as a carrier gas, TMA, trimethylgallium (TMG), ammonia and silane (silane diluted with hydrogen (40 ppm)) as source gases, an n-type AlGaN layer (thickness of 2 μm) is formed. It was grown on the top surface of the AlN layer.
続いて、水素をキャリアガスとして用い、TMA、TMG及びアンモニアを原料ガスとして用いて、Al0.9Ga0.1N層(厚さが10nm、障壁層)とAl0.6Ga0.4N層(厚さが5nm、量子井戸層)とからなる多重量子井戸構造(活性層、3周期)をn型AlGaN層の上面に成長させた。 Subsequently, Al 0.9 Ga 0.1 N layer (thickness 10 nm, barrier layer) and Al 0.6 Ga 0.4 N layer (thickness 5 nm, using TMA, TMG and ammonia as source gases) A multiple quantum well structure (active layer, 3 periods) composed of (quantum well layer) was grown on the upper surface of the n-type AlGaN layer.
続いて、水素をキャリアガスとして用い、TMA及びアンモニアを原料ガスとして用いて、AlN層(厚さが10nm、キャリアバリア層)を多重量子井戸構造の上面に成長させた。 Subsequently, an AlN layer (thickness: 10 nm, carrier barrier layer) was grown on the upper surface of the multiple quantum well structure using hydrogen as a carrier gas and TMA and ammonia as source gases.
続いて、水素をキャリアガスとして用い、TMA、TMG、アンモニア及びCp2Mg(シクロペンタジエニルマグネシウム)を用いて、p型Al0.8Ga0.2N層(厚さが100nm)をAlN層の上面に成長させた。その後、TMAの供給を停止してから、p型GaN層(厚さが50nm)をp型Al0.8Ga0.2N層の上面に成長させた。このようにして積層体が得られた。 Subsequently, using hydrogen as a carrier gas and using TMA, TMG, ammonia and Cp 2 Mg (cyclopentadienylmagnesium), a p-type Al 0.8 Ga 0.2 N layer (thickness: 100 nm) is formed on the upper surface of the AlN layer. Grown up. Thereafter, after the supply of TMA was stopped, a p-type GaN layer (thickness: 50 nm) was grown on the upper surface of the p-type Al 0.8 Ga 0.2 N layer. In this way, a laminate was obtained.
(基板の剥離)
得られた積層体をMOCVD装置から取り出した。積層体のサファイア基板の下面にArFエキシマレーザからのレーザ光を照射してサファイア基板を剥離した。
(Peeling the substrate)
The obtained laminated body was taken out from the MOCVD apparatus. The lower surface of the sapphire substrate of the laminate was irradiated with laser light from an ArF excimer laser to peel off the sapphire substrate.
(光取り出し面の形成)
フォトリソグラフィーにより、SiO2からなるマスク(線幅が2μm、間隔が60μm、ストライプ状)を剥離面(サファイア基板の剥離により生じた面)に形成した。このとき、マスクの長手方向をAlN層のm軸方向に対して平行とした。その後、RIEにより、Cl2及びSiCl4を用いて、マスクが形成されていない部分を約2μmの深さまでエッチングした。その後、HF系のエッチング液を用いてマスクを除去した。これにより、凸部(凸部の高さHが約2μm、隣り合う凸部の間隔Dが約60μm、凸部の側面の傾斜角θ1が約20°)が剥離面(光取り出し面)に形成された。
(Formation of light extraction surface)
A mask made of SiO 2 (line width: 2 μm, interval: 60 μm, stripe shape) was formed on the peeling surface (surface generated by peeling off the sapphire substrate) by photolithography. At this time, the longitudinal direction of the mask was parallel to the m-axis direction of the AlN layer. Thereafter, the portion where the mask was not formed was etched by RIE to a depth of about 2 μm using Cl 2 and SiCl 4 . Thereafter, the mask was removed using an HF-based etchant. Thereby, the convex portion (the height H of the convex portion is about 2 μm, the interval D between the adjacent convex portions is about 60 μm, and the inclination angle θ 1 of the side surface of the convex portion is about 20 °) is the peeling surface (light extraction surface). Been formed.
AlN層と空気との界面が光取り出し面となる場合、全反射角θtは24°となる(上述)。ここで、α=10°と仮定すると、上記式1からD≧10.5μmとなる。よって、本実施例では、上記式1を満たすこととなる。 When the interface between the AlN layer and air is the light extraction surface, the total reflection angle θ t is 24 ° (described above). Here, assuming that α = 10 °, D ≧ 10.5 μm from the above equation 1. Therefore, in the present embodiment, the above Equation 1 is satisfied.
(p型ドーパントの活性化)
凸部が形成された積層体に対して、窒素と5ppmの酸素とを含む混合ガス雰囲気で、850℃で2分間、熱処理を行った。これにより、p型ドーパントが活性化された。
(Activation of p-type dopant)
The laminated body on which the convex portions were formed was heat-treated at 850 ° C. for 2 minutes in a mixed gas atmosphere containing nitrogen and 5 ppm oxygen. Thereby, the p-type dopant was activated.
(電極の形成)
フォトリソグラフィーにより電極パターン及びエッチングパターンを形成してから、RIEによりエッチングを行った。これにより、n型AlGaN層の一部が露出した。
(Formation of electrodes)
After forming an electrode pattern and an etching pattern by photolithography, etching was performed by RIE. Thereby, a part of the n-type AlGaN layer was exposed.
次に、露出したn型AlGaN層の表面にn電極を形成し、p型GaN層の上面にp電極を形成した。その後、熱処理を行ってから、ダイシングを行ってチップに分割した。このようにして本実施例の窒化物半導体発光素子を得た。 Next, an n-electrode was formed on the exposed surface of the n-type AlGaN layer, and a p-electrode was formed on the upper surface of the p-type GaN layer. Thereafter, after heat treatment, dicing was performed to divide the chip. Thus, the nitride semiconductor light emitting device of this example was obtained.
<実施例2>
サファイア基板のC面に凹部を形成してからそのC面に結晶成長を行うことを除いては上記実施例1に記載の方法にしたがって、本実施例の窒化物半導体発光素子を製造した。
<Example 2>
The nitride semiconductor light emitting device of this example was manufactured according to the method described in Example 1 except that a recess was formed on the C surface of the sapphire substrate and then crystal growth was performed on the C surface.
具体的には、フォトリソグラフィーにより、SiO2からなるマスク(線幅が60μm、間隔が2μm、ストライプ状)をサファイア基板のC面に形成した。その後、RIEにより、Cl2及びSiCl4を用いて、マスクが形成されていない部分を約2μmの深さまでエッチングした。その後、HF系のエッチング液を用いてマスクを除去した。これにより、凹部(凹部の深さが約2μm、隣り合う凹部の間隔が約60μm、凹部の側面の傾斜角が約40°が剥離面(光取り出し面)に形成された。このようにして凹部がサファイア基板のC面に形成された。 Specifically, a mask (line width: 60 μm, interval: 2 μm, stripe shape) made of SiO 2 was formed on the C surface of the sapphire substrate by photolithography. Thereafter, the portion where the mask was not formed was etched by RIE to a depth of about 2 μm using Cl 2 and SiCl 4 . Thereafter, the mask was removed using an HF-based etchant. As a result, a concave portion (the depth of the concave portion is about 2 μm, the interval between adjacent concave portions is about 60 μm, and the inclination angle of the side surface of the concave portion is about 40 ° is formed on the peeling surface (light extraction surface). Was formed on the C surface of the sapphire substrate.
次に、凹部が形成されたサファイア基板のC面にAlNバッファ層を形成した。これにより、AlNバッファ層の下面には、凸部(凸部の高さHが約2μm、隣り合う凸部の間隔Dが約60μm、凸部の側面の傾斜角θ1が約40°)が形成された。 Next, an AlN buffer layer was formed on the C surface of the sapphire substrate in which the recesses were formed. Thus, a convex portion (the height H of the convex portion is about 2 μm, the interval D between adjacent convex portions is about 60 μm, and the inclination angle θ 1 of the side surface of the convex portion is about 40 °) is formed on the lower surface of the AlN buffer layer. Been formed.
AlN層とサファイア基板との界面が光取り出し面となる場合、全反射角θtは47°となる(上述)。 When the interface between the AlN layer and the sapphire substrate is the light extraction surface, the total reflection angle θ t is 47 ° (described above).
<実施例3>
円錐形の凸部を形成したことを除いては上記実施例1に記載の方法にしたがって、本実施例の窒化物半導体発光素子を製造した。具体的には、サファイア基板を剥離した後、フォトリソグラフィーにより、SiO2からなるマスク(直径が2μm、間隔が60μm)を剥離面(サファイア基板の剥離により生じた面)に格子状に形成した。その後、上記実施例1に記載の方法にしたがってエッチングを行った。これにより、円錐形の凸部(凸部の高さHが約2μm、隣り合う凸部の間隔Dが約60μm、凸部の側面の傾斜角θ1が約20°)が剥離面(光取り出し面)に形成された。
<Example 3>
A nitride semiconductor light emitting device of this example was manufactured according to the method described in Example 1 except that the conical convex portion was formed. Specifically, after peeling the sapphire substrate, a mask made of SiO 2 (diameter: 2 μm, interval: 60 μm) was formed in a lattice shape on the peeling surface (the surface generated by peeling the sapphire substrate) by photolithography. Thereafter, etching was performed according to the method described in Example 1 above. As a result, the conical convex portion (the height H of the convex portion is about 2 μm, the interval D between the adjacent convex portions is about 60 μm, the inclination angle θ 1 of the side surface of the convex portion is about 20 °), and the peeling surface (light extraction) Surface).
<比較例1>
上記実施例1に記載の(光取り出し面の形成)を行うことなく窒化物半導体発光素子を製造したことを除いては上記実施例1に記載の方法にしたがって、比較例1の窒化物半導体発光素子を製造した。
<Comparative Example 1>
According to the method described in Example 1, except that the nitride semiconductor light emitting device was manufactured without performing (the formation of the light extraction surface) described in Example 1, the nitride semiconductor light emitting of Comparative Example 1 A device was manufactured.
<比較例2〜5>
隣り合う凸部の間隔D、凸部の高さH及び凸部の側面の傾斜角θ1が表1に示す値となるように凸部を光取り出し面に形成したことを除いては上記実施例1に記載の方法にしたがって、比較例2〜5の窒化物半導体発光素子を製造した。
<Comparative Examples 2-5>
Except that the convex portions are formed on the light extraction surface so that the interval D between the adjacent convex portions, the height H of the convex portions, and the inclination angle θ 1 of the side surfaces of the convex portions have the values shown in Table 1. According to the method described in Example 1, the nitride semiconductor light emitting devices of Comparative Examples 2 to 5 were manufactured.
(考察)
実施例1〜3及び比較例1〜5の窒化物半導体発光素子に対して光取り出し効率を測定した。その結果を表1に示す。
(Discussion)
The light extraction efficiency was measured for the nitride semiconductor light emitting devices of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 5. The results are shown in Table 1.
表1において、「D(μm)」は隣り合う凸部の間隔を表し、「H(μm)」は凸部の高さを表し、「θ1(°)」は凸部の側面の傾斜角を表し、「θt(°)」はE||c偏光の全反射角を表す。「式1におけるDの下限値(μm)」は、Hとθ1とα(α=5°)とを上記式1に代入することにより算出されたDの下限値を表す。 In Table 1, “D (μm)” represents the interval between adjacent convex portions, “H (μm)” represents the height of the convex portion, and “θ 1 (°)” represents the inclination angle of the side surface of the convex portion. “Θ t (°)” represents the total reflection angle of E || c-polarized light. The “lower limit value (μm) of D in Formula 1” represents the lower limit value of D calculated by substituting H, θ 1, and α (α = 5 °) into Formula 1 above.
表1に示すように、実施例1〜3では比較例1よりも光取り出し効率が高かった。その理由としては、実施例1〜3では光取り出し面が形成されているのに対し、比較例1では光取り出し面が形成されていないことが考えられる。 As shown in Table 1, in Examples 1 to 3, the light extraction efficiency was higher than that of Comparative Example 1. The reason is that the light extraction surface is formed in Examples 1 to 3, whereas the light extraction surface is not formed in Comparative Example 1.
実施例1〜3では比較例2〜5よりも光取り出し効率が高かった。その理由としては、実施例1〜3では上記式1及び上記式2が満たされているのに対し、比較例2〜5では上記式1及び上記式2が満たされていないことが考えられる。 In Examples 1 to 3, the light extraction efficiency was higher than those of Comparative Examples 2 to 5. As the reason, in Examples 1-3, the said Formula 1 and the said Formula 2 are satisfy | filled, but in the Comparative Examples 2-5, the said Formula 1 and the said Formula 2 are not satisfy | filled.
実施例2では実施例1よりも光取り出し効率が高かった。その理由としては、実施例2では、第1媒質がサファイア基板であるので、広がり角αのより大きなE||c偏光が窒化物半導体発光素子の外部へ取り出されたことが考えられる。 In Example 2, the light extraction efficiency was higher than in Example 1. The reason is that in Example 2, since the first medium is a sapphire substrate, E || c-polarized light having a larger spread angle α is extracted outside the nitride semiconductor light emitting device.
実施例3では実施例1よりも光取り出し効率が高かった。その理由としては、実施例3では、凸部が円錐形であるので、c軸周りに全方位に放射したE||c偏光が窒化物半導体発光素子の外部へ取り出されたことが考えられる。 In Example 3, the light extraction efficiency was higher than in Example 1. The reason is that in Example 3, since the convex portion has a conical shape, the E || c polarized light radiated in all directions around the c-axis is taken out of the nitride semiconductor light emitting device.
今回開示された実施の形態及び実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 It should be understood that the embodiments and examples disclosed herein are illustrative and non-restrictive in every respect. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
1,29 n型窒化物半導体層、1A 下面、3 量子井戸層、5,39 p型窒化物半導体層、5B 上面、20,120,220,320,420,520,620 窒化物半導体発光素子、21 基板、23 バッファ層、25 第1n型窒化物半導体層、26 第3窒化物半導体層、27 第2n型窒化物半導体層、31 活性層、33 キャリアバリア層、35 第1p型窒化物半導体層、37 第2p型窒化物半導体層、41 n電極、43 p電極、45 マスク、51 空気、60 光取り出し面、61 凸部、63 側面、65 平坦部。 1,29 n-type nitride semiconductor layer, 1A lower surface, 3 quantum well layer, 5,39 p-type nitride semiconductor layer, 5B upper surface, 20, 120, 220, 320, 420, 520, 620 nitride semiconductor light emitting device, 21 substrate, 23 buffer layer, 25 1st n-type nitride semiconductor layer, 26 3rd nitride semiconductor layer, 27 2nd n-type nitride semiconductor layer, 31 active layer, 33 carrier barrier layer, 35 1st p-type nitride semiconductor layer 37 second p-type nitride semiconductor layer, 41 n electrode, 43 p electrode, 45 mask, 51 air, 60 light extraction surface, 61 convex portion, 63 side surface, 65 flat portion.
Claims (4)
前記発光層は、極性面を主面として有し、且つ、AlxGa1-xN(0.3≦x≦1)からなり、
前記少なくとも1つの窒化物半導体層は、窒化物半導体結晶のc軸に対して平行な方向において前記窒化物半導体よりも低い屈折率を有する第1媒質に接しており、前記第1媒質との界面の少なくとも一部に光取り出し面を有し、
前記光取り出し面には、前記光取り出し面を有する窒化物半導体層から前記第1媒質へ向かって突出する凸部が複数形成されており、
下記式1及び下記式2が満たされている窒化物半導体発光素子。
D≧H(1−tanθ1×tanα)/tanα・・・式1
0<θ1<θt・・・式2
上記式1及び上記式2において、Dは隣り合う前記凸部の間隔を表し、Hは前記凸部の高さを表し、θ1は前記凸部の側面の傾斜角を表し、αは前記c軸に対して垂直な方向を中心としたE||c偏光の広がり角を表し、θtは前記E||c偏光の全反射角を表す。 A nitride semiconductor light emitting device comprising a light emitting layer and at least one nitride semiconductor layer different from the light emitting layer,
The light emitting layer has a polar surface as a main surface, and is made of Al x Ga 1-x N (0.3 ≦ x ≦ 1).
The at least one nitride semiconductor layer is in contact with a first medium having a lower refractive index than the nitride semiconductor in a direction parallel to the c-axis of the nitride semiconductor crystal, and an interface with the first medium Having a light extraction surface on at least a part of
The light extraction surface is formed with a plurality of protrusions protruding from the nitride semiconductor layer having the light extraction surface toward the first medium,
A nitride semiconductor light emitting device satisfying the following formula 1 and the following formula 2.
D ≧ H (1−tan θ 1 × tan α) / tan α (Formula 1)
0 <θ 1 <θ t・ ・ ・ Formula 2
In Formula 1 and Formula 2, D represents the interval between the adjacent convex portions, H represents the height of the convex portion, θ 1 represents the inclination angle of the side surface of the convex portion, and α represents the c The divergence angle of E || c polarization centered in a direction perpendicular to the axis is represented, and θ t represents the total reflection angle of the E || c polarization.
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