JP7052287B2 - 半導体発光装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体発光装置に関する。更に詳しくは、例えばＩｎＰ系の発光ダイオード等の半導体発光装置であって、１チップから成り、複数波長を放射可能な発光ダイオード等の半導体発光装置に関する。

従来、ＩｎＰ系の発光ダイオードが赤外領域の光、特に１．０μｍ～１．７μｍに亘る波長範囲の光を放射することが知られている。このような波長の光は、例えば、血液検査や医療現場におけるオキシメーター用光源として利用されている。また、近年では自動車の自動運転技術における各種センサー用光源としての利用が期待されている。このような中、ＩｎＰ系の発光ダイオードから複数波長の赤外光を高いパワーで取り出せる半導体発光素子が望まれている。一方、複数波長の光を放射する半導体発光素子に関する技術としては、ＧａＡｓ系の半導体発光装置において、同一基板上に波長の異なる複数の発光素子を形成する半導体発光装置が知られている。（特許文献１）

特開平１１－１８６６５１号公報

半導体発光装置から光を高いパワーで取り出す場合、基板面の表面側あるいは裏面側から光を取り出す、いわゆる面発光の構造が採用されることが多い。ところが、活性層で発生した光が、表面側あるいは裏面側の光取出し方向ではなく、側面方向から漏れ光として放射されてしまうことが判明した。このように光の一部が漏れ光として放射されることで、半導体発光装置からの出力光として利用できる光が減少し、結果として発光効率が低下する、といった問題があった。
そこで、本発明は、複数波長の光を効率よく放射することができる半導体発光装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る半導体発光装置の一態様は、ｎ型半導体層とｐ型半導体層との間に挟まれて発光する活性層を含んだ複数の半導体層が基板上に積層され、その活性層の厚さ方向に向かう光が外部に取り出される第１の半導体積層体と、ｎ型半導体層とｐ型半導体層との間に挟まれて上記第１の半導体積層体の活性層よりも長波長で発光する活性層を含んだ複数の半導体層が、上記基板と同一の基板上の、上記第１の半導体積層体とは異なる位置に積層され、その活性層の厚さ方向に向かう光が外部に取り出される第２の半導体積層体と、を備え、上記第１の半導体積層体と上記第２の半導体積層体は、活性層同士が少なくとも一部では、上記基板の半導体積層体が積層される面と平行な仮想平面上（基板の広がる方向）で対向している。

このような半導体発光装置によれば、第１の半導体積層体の活性層から発せられた光のうち、上記基板上に半導体積層体が積層される面と平行な仮想平面上で伝搬する光は、第２の半導体積層体の活性層へと入射して吸収され、第２の半導体積層体における発光に利用される。このため、半導体発光装置の全体として見ると、外部からの入力エネルギーに対する出力光量が増えるので発光効率が向上することになる。

また、上記半導体発光装置において、上記第１の半導体積層体と上記第２の半導体積層体は、上記基板上で離間して配備されてもよい。上記第１の半導体積層体と上記第２の半導体積層体が離間して配備されていると、各半導体積層体の活性層に対して個別に電流を印加することが容易であるため、各半導体積層体の個別発光に都合がよい。

また、上記半導体発光装置において、上記第２の半導体積層体が上記第１の半導体積層体を上記基板上の半導体積層体が積層される面と平行な仮想平面上（基板の広がる方向）で囲繞していることが好ましい。このような好ましい構造の半導体発光装置によれば、第１の半導体積層体からの漏れ光の多くが第２の半導体積層体によって吸収されて再利用されることになるので発光効率が一層向上する。

また、上記半導体発光装置において、上記第１の半導体積層体と上記第２の半導体積層体がＩｎＰ系の半導体からなることが望ましい。ＩｎＰ系の半導体であれば、半導体層が積層される基板材料として、活性層から発せられる光に対して透明な基板材料が容易に利用可能であるため、外部へ光が取り出しやすい。

本発明の半導体発光装置によれば、複数波長の光を効率よく放射することができる。

本発明の第１実施形態を示す斜視図である。 本発明の第１実施形態を示す断面図である。 本発明の第２実施形態を示す斜視図である 本発明の第２実施形態を示す断面図である。 本発明の第３実施形態を示す斜視図である。 本発明の第３実施形態を示す断面図である。 本発明の第４実施形態を示す図である。 本発明の第５実施形態を示す図である。 本発明の第６実施形態を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１および図２は、本発明の第１実施形態を示す図であり、図１には斜視図が示され、図２には断面図が示されている。

本発明の第１実施形態である発光ダイオード１は、同心円状に配置された３つの積層体１１，１２，１３を備えている。各積層体１１，１２，１３は、例えばＩｎＰ系の材料からなるｎ型半導体層、活性層、ｐ型半導体層が順に積層された構造となっている。ここでｎ型半導体層４０は、発光ダイオード１の全体に亘る基板部分４４と、その基板部分４４に対し、各積層体１１，１２，１３の一部として積層された積層部分４１，４２，４３とを有している。ｎ型半導体層４０の基板部分４４が、本発明にいう基板の一例に相当する。

以下では、説明の便宜上、重力方向とは無関係に、発光ダイオード１のｎ型半導体層４０側（図２の下方向）を『下』と称し、発光ダイオード１のｐ型半導体層側（図２の上方向）を『上』と称する。

上述した３つの積層体１１，１２，１３のうち、第１の積層体１１は、ｎ型半導体層４０のうち第１の積層部分４１と、第１の活性層３１と、第１のｐ型半導体層２１が順に積層されたものとなっている。また、第２の積層体１２は、ｎ型半導体層４０のうち第２の積層部分４２と、第２の活性層３２と、第２のｐ型半導体層２２が順に積層されたものとなっており、第３の積層体１３は、ｎ型半導体層４０のうち第３の積層部分４３と、第３の活性層３３と、第３のｐ型半導体層２３が順に積層されたものとなっている。

３つの積層体１１，１２，１３の各活性層３１，３２，３３は、各活性層３１，３２，３３が仮想平面３５上、すなわち、図２の断面図における左右方向において互いに対向している。即ち、本実施例では、各活性層３１，３２，３３は、ｎ型半導体層４０の基板部分４４に対する高さ方向の距離が互いに同等な距離となっている。

また、３つの積層体１１，１２，１３は同心円状に形成されており、第２の積層体１２は第１の積層体１１を円形に取り囲んでいて、第３の積層体１３は第２の積層体１２を円形に取り囲んでいる。また、３つの積層体１１，１２，１３の相互間は離間している。

ｎ型半導体層４０の下面にはｎ電極５０が設けられており、各ｐ型半導体層２１，２２，２３の上面にはｐ電極６１，６２，６３が設けられている。そして、各ｐ電極６１，６２，６３には各ワイヤー７１，７２，７３がボンディングされており、各ワイヤー７１，７２，７３を介して各ｐ電極６１，６２，６３および各活性層３１，３２，３３へと電流が供給される。このように各活性層３１，３２，３３へと電流が供給されることによって各活性層３１，３２，３３が発光する。

３つの積層体１１，１２，１３のうち第１の積層体１１の活性層３１は、波長１１００ｎｍの光で発光する。また、第２の積層体１２の活性層３２は、波長１３００ｎｍの光で発光し、第３の積層体１３の活性層３３は、波長１５００ｎｍの光で発光する。つまり、第１の積層体１１と第２の積層体１２との組み合わせに着目した場合には、第１の積層体１１が本発明にいう第１の半導体積層体の一例に相当し、第２の積層体１２が本発明にいう第２の半導体積層体の一例に相当する。また、第２の積層体１２と第３の積層体１３との組み合わせに着目した場合には、第２の積層体１２が本発明にいう第１の半導体積層体の一例に相当し、第３の積層体１３が本発明にいう第２の半導体積層体の一例に相当する。

各活性層３１，３２，３３から放射されるこのような波長の光は、本実施形態の場合には、一例として発光ダイオード１の下面側から取り出される。本実施形態ではＩｎＰ系の材料が用いられているため、基板材料として例えばｎ型半導体層４０の基板部分４４のような透明材料の選択が容易である。このため、発光ダイオード１の下面側からの光取り出しも構造も容易に実現される。なお、各活性層３１，３２，３３は、上側にも光を放射するが、各活性層３１，３２，３３の上側へと向かった光は、各ｐ電極６１，６２，６３などによって反射されて下側へと戻ってくる。

ｎ型半導体層４０の下面に設けられたｎ電極５０は３つの積層体１１，１２，１３に対して共通の電極となっている。また、ｎ電極５０としては、発光ダイオード１からの光取り出しのため、例えば、透明電極や、網状あるいは格子状の電極や、光が出る出射口を有する電極が用いられているものとする。

一方、上述したように、ｐ電極６１，６２，６３は、３つの積層体１１，１２，１３に対してそれぞれ個別に設けられているため、各積層体１１，１２，１３の各活性層３１，３２，３３に対する供給電流が個別に調整可能となっている。供給電流が個別調整可能であることにより、例えば、各活性層３１，３２，３３から放射される各波長の光について放射量を調整して出力光のスペクトルを所望の形にすることが可能となる。また、３つの積層体１１，１２，１３が分離しているので、各活性層３１，３２，３３から放射される各波長の光を個別に放射させることも可能となる。

ところで、各活性層３１，３２，３３から放射される光は、各活性層３１，３２，３３の上下方向のみならず、各活性層３１，３２，３３の端面方向にも進む。このように端面方向に進んで積層体から出た光Ｌは、空気中を経て、隣に位置する別の積層体に到達し活性層に入射して吸収される。具体的には、第１の活性層３１の端面方向に進んで第１の積層体１１から出た波長１１００ｎｍの光Ｌは、空気中を経て第２の積層体１２に到達し第２の活性層３２に入射して吸収される。また、第２の活性層３２の端面方向に進んで第２の積層体１２から出た波長１３００ｎｍの光Ｌは、空気中を経て第３の積層体１３に到達し第３の活性層３３に入射して吸収される。

このように隣の活性層に吸収された光Ｌは、その活性層で再び発光エネルギーとして利用されることになる。その結果、発光ダイオード１における全体としての放射光量が増加するので、発光ダイオード１の全体としては発光効率が向上する。

本実施形態においては、発光波長が相対的に短い活性層３１，３２を有する積層体１１，１２が、発光波長が相対的に長い活性層３２，３３を有する積層体１２，１３によって囲まれている（囲繞されている）。このため、内側に位置する積層体の活性層から端面側へと放射された光Ｌが、その光Ｌの波長よりも長波長の光を放射する活性層へと効率よく吸収されることになる。その結果、発光ダイオード１の全体としての発光効率がより一層向上する。
次に、本発明の第２実施形態について説明する。
図３および図４は、本発明の第２実施形態を示す図であり、図３には斜視図が示され、図４には断面図が示されている。

本発明の第２実施形態である発光ダイオード２は、３つの積層体１１，１２，１３の相互間が空気ではなくて透明な絶縁材料で埋められていることを除くと、第１実施形態の発光ダイオード１と同様の実施形態であるため重複説明は省略する。

発光ダイオード２に備えられた３つの積層体１１，１２，１３のうち第１の積層体１１は、周囲が、第１の活性層３１から放射される波長１１００ｎｍの光に対して透明な絶縁材料８１によって埋められている。また、第２の積層体１２は、周囲が、第２の活性層３２から放射される波長１３００ｎｍの光に対して透明な絶縁材料８２によって埋められている。

第２実施形態の発光ダイオード２では、第１の活性層３１の端面方向に進んで第１の積層体１１から出た波長１１００ｎｍの光Ｌは、波長１１００ｎｍの光に対して透明な絶縁材料８１を通って第２の積層体１２に到達し第２の活性層３２に入射して吸収される。また、第２の活性層３２の端面方向に進んで第２の積層体１２から出た波長１３００ｎｍの光Ｌは、波長１３００ｎｍの光に対して透明な絶縁材料８２を通って第３の積層体１３に到達し第３の活性層３３に入射して吸収される。

このように、３つの積層体１１，１２，１３の相互間が透明な絶縁材料８１，８２で埋められている場合でも、端面方向に進んだ光Ｌが隣の活性層に吸収されて発光エネルギーとして再利用されることになり、発光ダイオード２の全体としての発光効率が向上する。

また、絶縁材料８１，８２の組成が適切に選択されることにより、外側の積層体１２，１３から内側の積層体１１，１２への光の逆戻りが抑制されて光の再利用が促進される。
次に本発明の第３実施形態について説明する。
図５および図６は、本発明の第３実施形態を示す図であり、図５には斜視図が示され、図６には断面図が示されている。

本発明の第３実施形態である発光ダイオード３は、３つの積層体１１，１２，１３の相互間がいわゆるバットジョイントで直接接合されていることを除くと、第１実施形態の発光ダイオード１と同様の実施形態であるため重複説明は省略する。

３つの積層体１１，１２，１３の相互間が直接接合されている場合、第１の活性層３１の端面方向に進んだ波長１１００ｎｍの光Ｌは第２の活性層３２に直接入射して吸収される。また、第２の活性層３２の端面方向に進んだ波長１３００ｎｍの光Ｌは第３の活性層３３に直接入射して吸収される。このような直接入射により、光Ｌが効率よく隣の活性層に入射して吸収されるので光の再利用が向上する。

なお、第３実施形態の場合には、ｐ型半導体層２１，２２，２３同士や活性層３１，３２，３３同士の絶縁がとれないので、各活性層３１，３２，３３の個別発光は難しいが、各ｐ電極６１，６２，６３および各ワイヤー７１，７２，７３を介して各活性層３１，３２，３３への供給電流が個別調整されることによる出力光のスペクトル調整は可能である。
次に、本発明の第４実施形態について説明する。
図７は、本発明の第４実施形態を示す図である。

本発明の第４実施形態である発光ダイオード４は、３つの積層体１１，１２，１３が方形であることを除くと、第１実施形態の発光ダイオード１と同様の実施形態であるため重複説明は省略する。
第４実施形態の発光ダイオード４は、入れ子状に配置された方形の３つの積層体１１，１２，１３を備えている。

形が方形であっても、発光波長が相対的に短い活性層３１，３２を有する積層体１１，１２が、発光波長が相対的に長い活性層３２，３３を有する積層体１２，１３によって囲まれている（囲繞されている）点では、第４実施形態の発光ダイオード４も第１実施形態の発光ダイオード１と同様である。このため、内側に位置する積層体１１，１２の活性層３１，３２から端面側へと放射された光が、その光の波長よりも長波長の光を放射する活性層３２，３３へと効率よく吸収されることになる。その結果、発光ダイオード１の全体としての発光効率が向上する。
次に、本発明の第５実施形態について説明する。
図８は、本発明の第５実施形態を示す図である。

本発明の第５実施形態である発光ダイオード５は、積層体１２，１３の円環の一部が欠けていることを除くと、第１実施形態の発光ダイオード１と同様の実施形態であるため重複説明は省略する。

第５実施形態の発光ダイオード５では、積層体１２，１３の円環の一部が欠けているが、第１の積層体１１を第２の積層体１２が取り囲んでいる（囲繞している）ことや、第２の積層体１２を第３の積層体１３が取り囲んでいる（囲繞している）ことに違いはない。円環が欠けている部分については、内側の積層体から出た光が外側の積層体で吸収されずに通過してしまうが、その他の部分については囲繞の効果が発揮されて効率よく光が吸収されることになる。つまり、本発明にいう第２の半導体積層体が第１の半導体積層体を囲繞する方位は、必ずしも全方位である必要は無く、一部の方位を除いた他の方位について囲繞していればよいということになる。
次に、本発明の第６実施形態について説明する。
図９は、本発明の第６実施形態を示す図である。

第６実施形態の発光ダイオード６には、第１実施形態における、内側の積層体１１，１２を取り囲んだ積層体１２，１３に替えて、内側の積層体１１，１２を外側から挟んだ積層体１２，１３の対が備えられている。

外側の積層体１２，１３の対は、内側の積層体１１，１２が有する活性層３１，３２から端面方向に進んできた光を、その光よりも長波長の光を放射する活性層３２，３３によって吸収して発光エネルギーとして再利用する。従って、６実施形態の発光ダイオード６でも、発光ダイオード６全体としての発光効率の向上が図られることになる。

なお、上記の各実施形態では、ＩｎＰ系の材料からなる発光ダイオードが例示されているが、本発明の半導体発光装置は、例えばＧａＡｓ系の材料からなる発光ダイオードなどに適用されてもよい。

また、上記の各実施形態では、ｎ型半導体の基板上にｎ型半導体、活性層、ｐ型半導体が積層された積層体が例示されているが、本発明にいう第１および第２の半導体積層体は、ｎ型半導体以外の基板上に積層されたものであってもよく、ｎ型半導体の基板上に活性層、ｐ型半導体が積層されたものであってもよい。

１，２，３，４，５，６…発光ダイオード、１１，１２，１３…積層体、
２１，２２，２３…ｐ型半導体層、３１，３２，３３…活性層、３５…仮想平面、４０…ｎ型半導体層、５０…ｎ電極、６１，６２，６３…ｐ電極、７１，７２，７３…ワイヤー、８１，８２…透明な絶縁材料

Claims (3)

1. ｎ型半導体層とｐ型半導体層との間に挟まれて発光する活性層を含んだ複数の半導体層が基板上に積層され、該活性層の厚さ方向に向かう光が外部に取り出される第１の半導体積層体と、
   ｎ型半導体層とｐ型半導体層との間に挟まれて前記第１の半導体積層体の活性層よりも長波長で発光する活性層を含んだ複数の半導体層が、前記基板と同一の基板上の、前記第１の半導体積層体とは異なる位置に積層され、該活性層の厚さ方向に向かう光が外部に取り出される第２の半導体積層体と、を備え、
   前記第１の半導体積層体と前記第２の半導体積層体は、活性層同士が少なくとも一部では、前記基板上の半導体積層体が積層される面と平行な仮想平面上で対向しており、
   前記第１の半導体積層体と前記第２の半導体積層体が、ＩｎＰ系の半導体からなり、前記基板上で離間して配備され、
   前記活性層毎に供給電流が個別に調整可能であって、
   前記第１の半導体積層体の活性層で端面方向に進み当該第１の半導体積層体から出た光が、空気中、または、透明な絶縁材料を経て、前記第２の半導体積層体に入射し吸収され再び発光エネルギーとして利用されることを特徴とする半導体発光装置。
2. 前記第１の半導体積層体と前記第２の半導体積層体は、前記基板上で離間して配備され、各積層体から放射される光の波長は、１１００ｎｍから１５００nmの範囲であることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光装置。
3. 前記第２の半導体積層体が前記第１の半導体積層体を前記基板上の半導体積層体が積層される面と平行な仮想平面上で囲繞していることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体発光装置。

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