JPWO2015033638A1 - 半導体発光素子 - Google Patents
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Abstract
Description
[半導体発光素子の構成]
図1(a)は、第1の実施形態の半導体発光素子10の平面図である。図1(b)は、図1(a)に示すIB−IB線における断面図である。図1(c)は、図1(a)に示すIC方向から半導体発光素子10を見たときの要部側面図であり、図1(d)は、図1(a)に示すID方向から半導体発光素子10を見たときの要部側面図である。図1(e)は、半導体発光素子10の基板11の平面図である。なお、図1(c)および図1(d)では、半導体発光素子10の半導体積層部22における積層構造を記していない。
<バッファ層>
バッファ層12は、基板11の第1の面11a上に設けられている。これにより、基板11を構成する材料とIII族窒化物半導体との間の格子定数差を解消させることができる。バッファ層12は、Alx1Gay1Oz1N1-z1(0≦x1≦1、0≦y1≦1、0≦z1≦1、x1+y1+z1≠0)層であることが好ましく、AlN層またはAlON層であることがより好ましい。バッファ層12の厚さは、3nm以上100nm以下であることが好ましく、5nm以上50nm以下であることがより好ましい。バッファ層12の一例は、厚さが15nmのAlN層である。
ノンドープGaN層13は、バッファ層12上に設けられている。このようにGaを含むIII族窒化物半導体層がバッファ層12上に形成されていれば、バッファ層12とノンドープGaN層13との界面付近で転位のループが生じやすくなる。よって、バッファ層12中の結晶欠陥がノンドープGaN層13に引き継がれることを防止できる。ノンドープGaN層13の厚さは、100nm以上3000nm以下であることが好ましく、その一例は、500nmである。
n型コンタクト層14は、ノンドープGaN層13上に設けられている。n型コンタクト層14は、n型ドーパントがAlx2Gay2Inz2N(0≦x2≦1、0≦y2≦1、0≦z2≦1、x2+y2+z2≠0)層にドープされた層であることが好ましい。n型コンタクト層14は、単層からなっても良いし、組成が異なる2種以上の層が積層されて構成されても良い。n型ドーパントは、SiおよびGeの少なくとも一方であることが好ましい。n型コンタクト層14のn型ドーパント濃度は、1×1018cm-3以上1×1019cm-3以下であることが好ましい。n型コンタクト層14の厚さは、1μm以上10μm以下であることが好ましい。これにより、半導体発光素子10の製造コストを低く抑えつつ、n型コンタクト層14の抵抗を低くすることができる。n型コンタクト層14の一例は、Siが1×1019cm-3ドープされ、厚さが約2μmのGaN層である。
多重層15は、n型コンタクト層14上に設けられている。多重層15は、たとえばナローバンドギャップ層とワイドバンドギャップ層とが交互に積層されて構成されたものであることが好ましい。多重層15の厚さは、60nm以上150nm以下であることが好ましい。
発光層16は、多重層15上に設けられている。発光層16は、Alx4Gay4Inz4N(0≦x4≦1、0≦y4≦1、0≦z4≦1、x4+y4+z4≠0)層であっても良いし、n型ドーパントまたはp型ドーパントがAlx4Gay4Inz4N層にドープされた層であっても良いし、組成が異なる2種以上の層が積層されて構成されても良い。発光層16の厚さは、40nm以上80nm以下であることが好ましい。
p型電子ブロック層17は、発光層16上に形成されている。これにより、過剰の電子が発光層16から漏れ出ることを防止することができる。このようなp型電子ブロック層17は、p型ドーパントがAlx6Gay6Inz6N(0≦x6≦1、0≦y6≦1、0≦z6≦1、x6+y6+z6≠0)層にドープされた層であることが好ましい。p型ドーパントは、MgおよびZnの少なくとも一方であることが好ましい。p型電子ブロック層17のp型ドーパント濃度は、1×1018cm-3以上2×1019cm-3以下であることが好ましい。p型電子ブロック層17の厚さは、10nm以上30nm以下であることが好ましい。p型電子ブロック層17の一例は、Mgが2×1019cm-3ドープされ、厚さが15nmのp型Al0.15Ga0.85N層である。
p型コンタクト層18は、p型電子ブロック層17上に形成されている。p型コンタクト層18は、p型ドーパントがAlx7Gay7Inz7N(0≦x7≦1、0≦y7≦1、0≦z7≦1、x7+y7+z7≠0)層にドープされた層であることが好ましい。p型コンタクト層18は、単層からなっても良いし、組成が異なる2種以上の層が積層されて構成されても良い。p型コンタクト層18のp型ドーパント濃度は、2×1019cm-3以下であることが好ましい。p型コンタクト層18の厚さは、30nm以下であることが好ましい。
透明電極19は、p型コンタクト層18にオーミック接触されている。透明電極19は、ITO(Indium Tin Oxide)、酸化インジウム(Indium Oxide)、酸化スズ(Tin Oxide)または酸化亜鉛(Zinc Oxide)などからなっても良いし、Au、Ag、Pt、Ti、Pd、AlおよびNiの少なくとも1つを含む材料からなっても良い。透明電極19の厚さは、20nm以上200nm以下であることが好ましい。
基板11は、発光層16からの光に対して透光性を有する。「基板11が発光層16からの光に対して透光性を有する」とは、発光層16からの光の50%以上が基板11を透過することを意味し、好ましくは発光層16からの光の80%以上が基板11を透過し、より好ましくは発光層16からの光の90%以上が基板11を透過する。また、基板11は、結晶構造を有する材料からなることが好ましい。これらのことから、基板11は、サファイア基板またはSiC基板などであることが好ましい。基板11は、第1の面11aと、第1の面11aとは反対側に位置する第2の面11bと、一対の第3の面11cと、一対の第4の面11dとを含む六面体形状を有する。「六面体形状」とは、四角形を底面とする角柱形状を意味し、たとえば直方体形状または立方体形状などを含む。基板11の一例は、532μm×444μmで厚さL11が約130μmの直方体形状からなるサファイア基板である。
図2は、半導体発光素子の基板に設けられた改質層数と半導体発光素子の全光束比との関係(測定結果)を示すグラフである。図2の横軸には、改質層数を表わしている。括弧内において、コンマよりも左側には光の取り出し面とは異なる基板の側面(本実施の形態では一対の第3の面11c)のそれぞれに設けられた改質層の数を表わし、コンマよりも右側には基板の側面のうち光の取り出し面(本実施の形態では一対の第4の面11d)のそれぞれに設けられた改質層の数を表わす。図2の縦軸には、半導体発光素子10の全光束比を表わしている。この全光束比は、改質層数が(1,1)である半導体発光素子の全光束量を1.00としたときの割合である。
図3は、半導体発光素子10の製造方法の一工程を示す断面図である。図4(a)は、半導体発光素子10の製造方法の一工程を示す要部拡大図であり、図4(b)は、図4(a)に示すIVB方向からウエハ111を見たときの要部側面図であり、図4(c)は、図4(a)に示すIVC方向からウエハ111を見たときの要部側面図である。ウエハ111は2以上の半導体発光素子領域を有するが、図3および図4(a)〜(c)には1つの半導体発光素子領域のみを記している。また、図4(c)では、ウエハ111の半導体積層部122における積層構造を記していない。
本発明者らは、半導体発光素子10を樹脂封止した場合であっても、光取り出し効率に優れ、短時間且つ安価で製造可能な半導体発光素子10を提供できることを確認している。半導体発光素子10を封止するために用いる樹脂は、発光層16からの光に対して透光性を有することが好ましい。また、樹脂は、発光層16からの光を吸収して蛍光を発する蛍光体材料を含むことがより好ましい。
図6は、半導体発光素子10の使用形態の一例を示す側面図である。図6では、半導体発光素子10を簡略化している。図7および図8においても同様である。半導体発光素子10は、セラミック基板610上に設けられている。セラミック基板610は第1の電極611と第2の電極613とを有し、第1の電極611は導電性細線615を介して半導体発光素子10のn側電極20に接続され、第2の電極613は導電性細線617を介して半導体発光素子10のp側電極21に接続されている。
Claims (5)
- 基板と、
前記基板上に設けられ、少なくとも第1導電型半導体層と発光層と第2導電型半導体層とを有する半導体積層部と
を備えた半導体発光素子であって、
前記基板は、
前記発光層からの光に対して透光性を有し、
前記半導体積層部が設けられる第1の面と、前記第1の面とは反対側に位置する第2の面と、前記第1の面および前記第2の面に直交する一対の第3の面と、前記第1の面および前記第2の面に直交し、前記一対の第3の面とは異なる一対の第4の面とを含む六面体形状を有し、
前記第1の面は、凹部と凸部とが交互に形成されてなる凹凸構造を有し、
前記第3の面は、それぞれ、前記第2の面から第1の距離離れた位置に第1の改質層を有し、
前記第4の面は、それぞれ、2以上の改質層を有する半導体発光素子。 - 前記第1の面では、前記発光層からの光が前記第3の面に平行な方向には前記凸部で遮られることなく伝播する一方前記第3の面とは垂直な方向には前記凸部で遮られるように、前記凹部と前記凸部とが形成されている請求項1に記載の半導体発光素子。
- 前記基板は、結晶構造を有する材料からなり、
前記第3の面は、前記基板の<1−100>方向に平行であり、
前記第4の面は、前記基板の<11−20>方向に平行である請求項2に記載の半導体発光素子。 - 前記第1の改質層の厚さは、0μmより大きく、
前記2以上の改質層の厚さは、それぞれ、0μmより大きく、
前記第1の改質層よりも前記第1の面側に位置する基板の部分の厚さは、30μm以上であり、
前記2以上の改質層のうち最も前記第1の面側に位置する改質層よりも前記第1の面側に位置する基板の部分の厚さは、30μm以上である請求項1〜3のいずれかに記載の半導体発光素子。 - 前記第1の改質層は、前記基板の厚さ方向とは垂直な方向に延びており、
前記2以上の改質層は、それぞれ、前記基板の厚さ方向とは垂直な方向に延びている請求項1〜4のいずれかに記載の半導体発光素子。
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