JP2005026395A - 半導体発光素子及び半導体発光装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】マウント面側のn側オーミック電極の方向に進行した発光を発光素子の外部に効率よく取出すことができる半導体発光素子及びこれを搭載した半導体発光装置を提供することを目的とする。
【解決手段】第1及び第2の主面を有するGaP基板と、前記GaP基板の前記第1の主面上に設けられたInGaAlP系半導体からなる発光層と、前記発光層の上に設けられたコンタクト層と、前記コンタクト層の上に選択的に設けられたオーミック電極と、前記オーミック電極及びその周囲の前記コンタクト層を覆うようの設けられた金属層と、を備えたことを特徴とする半導体発光素子を提供する。
【選択図】 図1
【解決手段】第1及び第2の主面を有するGaP基板と、前記GaP基板の前記第1の主面上に設けられたInGaAlP系半導体からなる発光層と、前記発光層の上に設けられたコンタクト層と、前記コンタクト層の上に選択的に設けられたオーミック電極と、前記オーミック電極及びその周囲の前記コンタクト層を覆うようの設けられた金属層と、を備えたことを特徴とする半導体発光素子を提供する。
【選択図】 図1
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体発光素子及び半導体発光装置に関し,より詳細には、オーミック接触を維持しつつ外部光取出し効率の向上を図った構造を有する半導体発光素子及びこれを搭載した半導体発光装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体発光素子の代表的なものであるLED(light emitting diode)は、pn接合に順方向電流を流したとき、注入された電子とホール(正孔)とがpn接合域で再結合する過程で生じる自然放出光を利用した素子である。このような半導体発光素子は、低消費電力、長寿命、及び小型軽量などの利点を有しているため、各種の表示装置や交通信号機等に、広く使われている。そして例えば、自動車のバックライト用などとして使用される際には、低消費電力でさらに高輝度の発光が要求されている。
【0003】
一般に、半導体発光素子においては、その内部発光効率と外部取出し効率が高いほど、高輝度発光が可能となる。ここで、「内部発光効率」は、例えば入力電力に対する発光に寄与する電力の割合であり、「外部取出し効率」は、発光した光のうちで半導体発光素子の外側に取り出す光の割合である。
【0004】
InGaAlP系の半導体発光素子の場合、従来は、発光層を含むInGaAlP層をGaAs基板上に結晶成長させていた。しかし、GaAs基板は可視光領域の光を吸収するため、外部取り出し効率を著しく低下させるという問題があった。これに対して、半導体発光素子の大半の容積を閉める基板としてGaPを用いることにより、外部取り出し効率を上げることができる。すなわち、GaPは、InGaAlP系半導体から得られる発光波長に対して吸収量が少ない材料である。この構造においては、InGaAlP発光層からGaP基板の方向に進んだ光は、GaP基板を通過し、基板の側面或いは底部から外部に取り出すことができる。つまり、外部取出し効率が飛躍的に高まり、半導体発光素子の輝度が向上する。
【0005】
図21は、本発明者が本発明に至る過程で検討した半導体発光素子の断面構造を表す模式図である。すなわち、この半導体発光素子500は、GaAs基板の上にエピタキシャル成長させたInGaAlP層をGaP基板に接着することにより形成したものである(例えば、特許文献1)。
【0006】
その構造について説明すると、p型GaP基板501からみて、p型GaP接着層502、p型InGaP接着層503、p型InAlPクラッド層504、p型InGaAlP−多重量子井戸(multiple−qunatum well:MQW)層505、n型InAlPクラッド層506、n型InGaAlP電流拡散層507、n型GaAsコンタクト層508、及びn側オーミック電極511がこの順に形成されている。p型GaP基板501の表面には、p側オーミック電極510が設けられている。また、n側オーミック電極511の下には,低熱抵抗マウントを得るための半田膜512が適宜設けられている。
【0007】
この半導体発光素子500は、後に詳述するように、半田膜512を介して図示しないリードフレームや実装基板などのパッケージ部材に適宜マウントされる。また、p側オーミック電極510は、金線を介して、パッケージ部材のもう一方の電極にワィヤボンディングされる。そして、これらp側及びn側電極510、511を介して電流を注入することにより、発光素子として動作させる。
【0008】
この半導体発光素子500においては、活性層であるp型InGaAlP−MQW層505からGaP基板501の方向に放出された光は、基板501を透過し、その上面及びテーパーが形成された側面501Sから効率良く出射される。
【0009】
【特許文献1】
特開平11−162985号公報
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図21に表した半導体発光素子の場合、n側オーミック電極511における光吸収が大きいという問題があった。すなわち、半導体発光素子500において、発光層505から放出された発光のうちの約半分は、マウント面側であるn側オーミック電極511の方向に進行する。
【0011】
このn側オーミック電極511は、GaAsコンタクト層502の表面にAuGe(金ゲルマニウム)などのオーミック金属を蒸着などの方法により形成した後、異種金属接触に伴なうポテンシャル差(仕事関数差)を小さくする目的で、加熱による所定の合金化処理することにより形成される。このような合金化処理によって形成されたオーミック層は、InGaAlP発光層505から放出された光に対する吸収が大きい。
【0012】
その結果として、発光層505において生じた光のうちの一定の成分は、発光素子の外部に取り出すことができず、「外部取り出し効率」には全く寄与しなくなる。
【0013】
すなわち、マウント面側であるn側オーミック電極511の方向に進行した発光を、発光素子の外部に効率よく取出すことができれば、発光素子の外部取り出し効率をさらに大幅に高めることが可能となる。
【0014】
本発明は、かかる課題の認識に基づいてなされたものであり、その目的は、マウント面側のn側オーミック電極の方向に進行した発光を発光素子の外部に効率よく取出すことができる半導体発光素子及びこれを搭載した半導体発光装置を提供することにある。
【0015】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の第1の半導体発光素子は、第1及び第2の主面を有するGaP基板と、前記GaP基板の前記第1の主面上に設けられたInGaAlP系半導体からなる発光層と、前記発光層の上に設けられたコンタクト層と、前記コンタクト層の上に選択的に設けられたオーミック電極と、前記オーミック電極及びその周囲の前記コンタクト層を覆うように設けられた金属層と、を備えたことを特徴とする。
【0016】
また、本発明の半導体発光装置は、実装部材と、前記実装部材に対して、前記金属層の側をマウント面としてマウントされた上記の半導体発光素子と、を備えたことを特徴とする。
【0017】
なお、本明細書において「InGaAlP系半導体」とは、組成式InxGayAl1−x−yPにおける組成比xおよびyを、0≦x≦1、0≦y≦1、但し(x+y)≦1の範囲で変化させたあらゆる組成の半導体を含むものとする。
【0018】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
【0019】
図1は、本発明の実施の形態にかかる、半導体発光素子を表す模式図である。すなわち、同図(a)は、その断面図であり、同図(b)はそのオーミック電極111の平面配置を表す模式図である。
すなわち、本実施形態の半導体発光素子は、p型GaP基板101からみて、p型GaP接着層102、p型InGaP接着層103、p型InAlPクラッド層104、p型InGaAlP−MQW層105、n型InAlPクラッド層106、n型InGaAlP電流拡散層108、n型GaAsコンタクト層109がこの順に形成されている。さらに、n型GaAsコンタクト層109の下にn側オーミック電極111が部分的に設けられ、このn側オーミック電極111とその周囲のコンタクト層109の下には、Au(金)やAl(アルミニウム)などの反射率の高い材料からなる金属層113が形成され、その下に半田層112が形成されている。
【0020】
n側オーミック電極111は、AuGe(金ゲルマニウム)などのオーミック金属を蒸着などの方法によりコンタクト層109の表面に形成した後、加熱による所定の合金化処理を施すことにより、異種金属接触に伴なうポテンシャル差(仕事関数差)が小さくなるように形成されている。
また、金属層113は、オーミック電極111に接続されn側電極の一部としても機能する。ただし、金属層113は、コンタクト層109と実質的に合金化しておらず、発光層105から放出された光に対する反射率は、n側オーミック電極111に放出された光に対する反射率よりも高いものとされている。
【0021】
一方、p型GaP基板101の表面には、p側オーミック電極110が設けられている。
【0022】
そして、本実施形態においては、n側オーミック電極111は、図1(b)に表した如く、コンタクト層109の全面に積層させるのではなく、発光素子の側面Sから所定の距離だけ離間して略環状ストライプ状に形成されている。すなわち、n側オーミック電極111は、発光素子の4辺に対して略平行な4つのストライプからなる略環状ストライプ状に形成されている。n側オーミック電極111をこのような独特の形態に形成することにより、n側における電極の接触抵抗の増大を抑制しつつ、光取り出し効率を上げることができる。すなわち、n側オーミック電極111の面積を可能な限り小さくし、発光層105から向かってきた発光をなるべく広い面積の金属層113で反射させ、GaP透明基板101の方向に導くことができる。
【0023】
図2は、本実施形態の半導体発光素子における光の取り出し経路を例示する概念図である。すなわち、発光層(InGaAlP−MQW層)105からGaP基板101の方向に放出された光L1は、基板101を透過してその上面や側面から外部に取り出すことができる。この時、基板101の側面101Sを図示した如く斜面状に傾斜させることにより、光の全反射を抑制して取り出し効率をさらに上げることができる。
【0024】
また、発光層105からn側に向けて放出された光のうちで、n側オーミック電極111の部分に入射した光は、図21に関して前述したように、合金化された領域において一定の吸収を受け、その強度が減衰して反射された成分L2がGaP基板101などを介して外部に取り出される。
【0025】
また、発光層105からn側に向けて放出された光のうちで、Au(金)やアルミニウム(Al)などからなる金属層113に入射した光L3、L4は殆ど吸収されずに高い反射率で反射され、GaP基板101を透過して外部に取り出され(L3)または、InGaAlP系半導体層を透過して素子の側面Sから外部に取り出される(L4)。
【0026】
このように、本実施形態によれば、n側オーミック電極111を素子の一部のみに選択的に形成し、その下に金属層113を設けることにより、光の取り出し効率を大幅に上げることが可能となる。
【0027】
図3は、n側オーミック電極の形成位置を様々に変化させて光の取り出し効率を評価した結果を表すグラフ部である。すなわち、同図の横軸はn側オーミック電極111の位置を表し、縦軸は光取り出し効率比を表す。ここで、グラフの横軸は、発光素子の中心からn側オーミック電極111のストライプ中心までの距離に対応する。
【0028】
プロット(a)〜(f)は、それぞれ挿入図の如くn側オーミック電極111をストライプ状に形成した場合を表す。これらいずれの場合も、オーミック電極111が発光素子の平面積に占める割合は、15パーセントとした。オーミック電極111の面積が小さいと、n側における接触抵抗の増大が懸念される。しかし、オーミック電極111の面積比を15パーセント程度とすれば、n側における接触抵抗の増大による発光特性の低下などは実質的に発生しない。プロット(f)は、n側オーミック電極111を素子の側面に隣接して形成した場合に対応する。そして、この時に得られる光取り出し効率を「1」として、図3の縦軸をプロットした。
【0029】
また、プロット(g)は、その挿入図の如く発光素子の中心にn側オーミック電極111を円形状に設けた場合を表す。この場合も、オーミック電極111が発光素子の平面積に占める割合は、15パーセントとした。
【0030】
またここで、全てのプロット(a)〜(g)において、発光素子の平面サイズは、一辺が750マイクロメータの正方形状とし、p側電極110は、チップの平面積の30パーセントを占める円形状とした。
【0031】
図3から、略環状ストライプ状のn側オーミック電極111を発光素子の中心側(プロット(a))から側面に徐々に近づけていくと、光取り出し効率比は上昇し、プロット(c)においてピークが得られることが分かる。そして、n側オーミック電極111をさらに素子の側面に近づけると、光取り出し効率比は低下する。また一方、プロット(g)で表したようにn側オーミック電極111を素子の中心に形成した場合の光取り出し効率比は、約0.82と低い値であった。
【0032】
また、これとは別に、発光素子の全面にn側オーミック電極111を形成した場合、すなわち、n側オーミック電極111が発光素子の平面積に占める割合を100%とした場合について光取り出し効率比を評価した結果、約1.2であることが分かった。図3において、プロット(a)乃至(e)の範囲においては、1.2以上の光取り出し効率比が得られており、発光素子の全面にn側オーミック電極111を形成する場合よりも光取り出し効率が改善されることが分かる。
【0033】
図3に表した光取り出し効率比の傾向は、定性的には、以下のように説明できる。
すなわち、n側オーミック電極111を素子の中心の付近に形成した場合には、オーミック電極111を介して注入された電流により得られる発光領域の分布も、素子の中心付近に発光強度のピークを有する分布となる。この場合、図1及び図2からも分かるように、p側電極110の下に発光のピークが形成されるため、p側電極111に遮蔽されて光の取り出し効率が低下する。
【0034】
一方、プロット(a)〜(c)に表したように、n側オーミック電極111の位置を素子の側面に近づけるに従い、上側のp側電極110に遮蔽される成分が低減し、光の取り出し効率が上昇する。しかし、プロット(c)〜(f)に表したように、n側オーミック電極111の位置をさらに素子の側面に近づけると、素子の側面が近接する。このため、n側オーミック電極111を介して注入された電流が電流拡散層108において十分に拡がることができなくなる。その結果として、電流拡散効果が十分に得られなくなり、光取り出し効率比が再び低下する。
【0035】
以上の事情を勘案すると、多くの場合に、n側オーミック電極111は、図4に表したように、p側電極110の端に対応させた位置に設けると良好な結果が得られる。つまり、図4(a)においてC−C線の近傍にn側オーミック電極111を設けることにより、高い光取り出し効率が得られる場合が多い。
【0036】
但し、本発明はこの配置関係に限定されるものではなく、n側オーミック電極111のサイズ(面積比)や形成位置については、発光素子の構造パラメータ、すなわち、素子の高さ、平面サイズ、p側電極のサイズと位置、基板101の厚み、電流拡散層108の厚みなどを考慮して適宜決定することができる。
【0037】
以上説明したように、本実施形態においては、n側オーミック電極111を発光素子の側面から所定の間隔で略環状ストライプ状に形成することにより、n側オーミック電極111における光の吸収を抑制して、光取り出し効率を大幅に改善することが可能となる。
【0038】
次に、本実施形態の半導体発光素子の製造方法について説明する。
最初に、GaP基板を貼り合わせるまでの工程について説明する。
【0039】
図5乃至図7は、本実施形態の半導体発光素子を製造する工程のうちで、GaP基板101を貼り合わせるまでのプロセスを表す工程断面図である。
【0040】
まず、図5に表したように、n型のGaAsからなる第1の半導体基板300の上に、MOCVD(metal−organic chemical vapour deposition:有機金属化学気相成長)法などの方法により、n型コンタクト層109〜接着層103までの各半導体層をこの順にエピタキシャル成長させて積層体200を形成する。
例えば、n型クラッド層106を形成する工程について説明すると、MOCVD反応室内に、反応ガスのトリメチルガリウム(TMG)、トリメチルアルミニウム(TMA)、トリメチルインジウム(TMIn)およびホスフィン(PH3)を、n形ドーパントガスのSiH4およびキャリアガスの水素(H2)と共に導入し、500〜900℃程度でエピタキシャル成長することにより、キャリア濃度が1.0×1016〜1.0×1019cm−3程度のIn0.49(Ga0.3Al0.7)0.51Pからなるn形クラッド層106を0.5μm程度、成長することができる。また、p型のドーパントガスとしては、例えば、ジメチル亜鉛(DMZ)を用いることができる。
【0041】
次に、図6に表したように、GaAs基板300の上に成長した積層体200(109〜103)の表面に、GaP基板101を接着する。この際に、GaP基板101の上には、予め、MOCVD法によりZnドープのGaP接着層102を1nm〜1μm程度の厚みに成長しておく。この場合、TMG、TMZn、PH3を、キャリアガスの水素(H2)と共に反応室に導入し、500〜900℃程度でエピタキシャル成長することができる。
図6に表した接着工程においては、積層体200とGaP接着層102の表面を重ね合せ、0.1〜10kg/cm2程度の圧力で圧接しながら700℃程度に加熱して圧着することにより接合する。
その後、H2O2とH2SO4の混合液により10〜60分間のエッチングを行なうことで、図7に表したように、GaAs基板300を除去する。
【0042】
このようにして、InGaAlP系半導体層103〜109からなる積層体200をGaP基板101に貼り合わせたら、素子化プロセスを実施する。
図8乃至図12は、これらの工程を表す工程図である。
まず、図8に表したように、p側電極110、n側オーミック電極111をそれぞれ形成する。すなわち、GaP基板101の裏面側にp側電極110を蒸着とパターニングなどのプロセスにより形成する。また、n型コンタクト層109の表面に、やはり蒸着とパターニングなどのプロセスによってn側オーミック電極111を形成する。この際に、例えば、図9に平面図として例示した如く、素子の側面から所定の距離だけ離間したストライプ状となるように、n側オーミック電極111を選択的に形成する。
【0043】
次に、図10に表したように、n側オーミック電極111及びその周囲に露出しているn型コンタクト層109の上に、蒸着やスパッタなどの方法により金属層113を形成する。
【0044】
次に、図11に表したように、ウェーハのn側とp側をそれぞれレジスト320、330により保護する。そして、n側電極113を下にしてウェーハをテープ340に貼り付け、ダイシングしてチップ毎に分離する。この際に、ダイシングブレードの刃先の角度を適宜調節することにより、図示した如く、GaP基板101の側面が所定の傾斜面となるようにダイシングすることができる。
【0045】
その後、図12に表したように、テープ340を水平方向に引き伸ばしてチップ同士の間隔を拡げる。そして、ダイシングにより生じたGaP基板101及び積層体200の側面の破砕層をエッチングにより除去する。破砕層のエッチングは、例えば、過酸化水素水と水と塩酸との混合液に10数分間、浸すことにより行うことができる。この後、さらに例えば、フッ酸に5分間程度、浸すことにより、GaP基板101の側面に高低差が数マイクロメータ程度の微細な凹凸を設けることもできる。このような微細な凹凸を設けることにより、GaP基板101の側面における光の全反射を抑制して、光の取り出し効率をさらに上げることが可能となる。
【0046】
また、本発明においては、GaP基板101の側面の全体を一様に傾斜した面とする代わりに、側面の一部のみを傾斜面としてもよい。
【0047】
図13乃至図15は、このように、GaP基板の側面を部分的に傾斜面とするための製造方法を例示する工程図である。
【0048】
すなわち、図13に表したように、ウェーハのn側とp側をそれぞれレジスト320、330により保護し、n側電極113を下にしてウェーハをテープ340に貼り付ける。そして、ダイシングする際に、ダイシングブレードの刃先の角度を適宜調節し、GaP基板101の途中までダイシングする。
【0049】
次に、図14に表したように、刃先の側面がほぼ垂直の薄いダイシングブレードを用いて残余の部分をダイシングする。
その後、図15に表したように、テープ340を水平方向に引き伸ばしてチップ同士の間隔を拡げる。そして、ダイシングにより生じたGaP基板101及び積層体200の側面の破砕層をエッチングにより除去する。
【0050】
このようにして、GaP基板101の側面の一部が傾斜面を構成し、残りの部分が垂直面を構成する半導体発光素子が得られる。このような半導体発光素子においても、本発明においては、n側オーミック電極111を素子の側面から所定の間隔で略ストライプ状に形成することにより、光の吸収を抑制して、高い光取り出し効率が得られる。
【0051】
次に、本発明の半導体発光素子を用いた半導体発光装置について説明する。
図16は、本発明の実施の形態にかかる半導体発光装置の要部構成を例示する模式図である。同図については、図1乃至図15に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
本実施形態の半導体発光装置は、n側パッド114及びp側パッド116が設けられた実装基板115と、そのn側パッド114の上にマウントされた半導体発光素子100と、を有する。半導体発光素子100は、図1乃至図15に関して前述した本発明の実施の形態にかかる半導体発光素子である。素子100のマウントは、半田層112により行っても良いし、または、導電性ペーストなどの接着剤により行ってもよい。但し、高出力用途においては、耐熱性や熱接触の確保などの観点から金属半田材料によりマウントすることが望ましい。
【0052】
また、半導体発光素子のp側電極110は、金ワイアなどの配線117によってp側パッド115に接続されている。
【0053】
本発明によれば、図1乃至図15に関して前述したように、n側オーミック電極111を素子の側面から所定の間隔で略ストライプ状に形成することにより、光の吸収を抑制して光取り出し効率を大幅に上げることができる。その結果として、高い光出力の半導体発光装置を実現でき、自動車のストップランプや交通信号など高い輝度と高い信頼性が要求される各種の用途に適用することができる。
【0054】
またさらに、本発明においては、発光素子のn側、すなわちGaP基板101の側ではなく、InGaAlP系半導体からなる発光層の側を実装部材にマウントできる。その結果として、GaP基板をマウントした場合と比較して、発光層において生ずる熱の放散性が大幅に改善され、高い光出力を安定して得られる点でも有利である。
【0055】
以下、本実施形態の半導体発光装置の具体例について説明する。
【0056】
図17は、本実施形態にかかる半導体発光装置の第1の具体例を表す模式断面図である。すなわち、本具体例の半導体発光装置は、「砲弾型」などと呼ばれる樹脂封止型の半導体発光装置である。
リード510の上部には、カップ部510Cが設けられ、本発明の半導体発光素子100は、このカップ部510Cの底面に接着剤などによりマウントされている。そして、もうひとつのリード520にワイア530により配線が施されている。カップ部510Cの内壁面は、光反射面510Rを構成し、半導体発光素子100から放出された光を反射して上方に取り出すことができる。
【0057】
カップ部510Cは、光透過性の樹脂540により封止されている。樹脂540の光取り出し面540は、集光曲面を形成し、半導体発光素子100から放出される光を適宜集光させて所定の配光分布が得られるようにすることができる。
【0058】
本発明によれば、図1乃至図15に関して前述した半導体発光素子を用いることにより、発光層から放出された光を高い効率で素子から取り出すことができる。基板の側面101Sから放出された光は、カップ部の反射面510Rにより反射され、樹脂540を介して取り出すことができる。その結果として、輝度の高い半導体発光装置を実現できる。
【0059】
図18は、本実施形態にかかる半導体発光装置の第2の具体例を表す模式断面図である。すなわち、本具体例においては、図1乃至図15に関して前述した本発明の半導体発光素子100は、リード610の上にマウントされ、もうひとつのリード620にワイア630により接続が施されている。半導体発光素子100を封止する樹脂640は、その光軸640Cを中心軸とした回転対称であり、中心において半導体発光素子100の方向に後退し集束する形状を有する。このような形状の樹脂640を採用することにより、広角に光を分散させる配光特性が得られる。
【0060】
本具体例の半導体発光装置においても、図17に関して前述したものと同様に、本発明の半導体発光素子を設けることにより優れた発光特性が得られる。また特に、本発明によれば、半導体発光素子100の基板の側面101Sから高い効率で光を取り出せるので、広角の配光特性がさらに改善される。
【0061】
図19は、本実施形態にかかる半導体発光装置の第3の具体例を表す模式断面図である。すなわち、本具体例は、「表面実装型」などと称されるものであり、図1乃至図15に関して前述した本発明の半導体発光素子100は、リード710の上にマウントされ、もうひとつのリード720にワイア730により接続されている。これらリード710、720は、第1の樹脂740にモールドされており、半導体発光素子100は、透光性を有する第2の樹脂750により封止されている。第1の樹脂740は、例えば、酸化チタンの微粒子などを分散させることにより、光反射性が高められている。そして、その内壁面740Rが光反射面として作用し、半導体発光素子100から放出された光を外部に導く。
【0062】
本具体例の半導体発光装置においても、図17に関して前述したものと同様に、本発明の半導体発光素子を設けることにより優れた発光特性が得られる。また特に、本発明によれば、半導体発光素子100の基板の側面101Sから高い効率で放出された光を光反射面740Rにより反射させて取り出せるので、高い輝度が得られる。
【0063】
図20は、本実施形態にかかる半導体発光装置の第4の具体例を表す模式断面図である。すなわち、本具体例も、「表面実装型」などと称されるものであり、図1乃至図15に関して前述した本発明の半導体発光素子100は、リード810の上にマウントされ、もうひとつのリード820にワイア830により接続されている。これらリード810、820の先端は、半導体発光素子100とともに、透光性を有する樹脂840にモールドされている。
【0064】
本具体例の半導体発光装置においても、図17に関して前述したものと同様に、本発明の半導体発光素子を設けることにより優れた発光特性が得られる。また特に、本発明によれば、半導体発光素子100の基板の側面101Sから高い効率で放出された光を樹脂840の側面から取り出せるので、高い発光強度が得られる。
【0065】
以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明はこれらの具体例に限定されるものではない。
【0066】
以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。
たとえば、上述した具体例においては、n側オーミック電極111を、発光素子の4辺に対して略平行な4つのストライプからなる形態、すなわち、略四角形ドーナツ状に形成したが、これ以外にも、例えば、略円形ドーナツ状、略楕円系ドーナツ状、略多角形ドーナツ状など、各種の形態としても、同様の作用効果が得られる。
【0067】
また、本発明の半導体発光素子に設けられるダブルヘテロ構造や多重量子井戸構造をはじめとする各要素の構造、材料、形状、厚みや配置関係については、公知の半導体発光素子を元に当業者が適宜適用したものも包含する。
【0068】
【発明の効果】
本発明によれば、素子のマウント面側に設けられるn側オーミック電極を、素子の側面から所定の間隔の略ストライプ状に設けることにより、接触抵抗の増大を抑制しつつ、オーミック電極の合金部分における光の吸収を抑制して光の取り出し効率を上げることができる。
【0069】
その結果として、極めて外部取出し効率の高い半導体発光素子及びこれを用いた半導体発光装置を提供でき産業上のメリットは多大である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態にかかる、半導体発光素子を表す模式図である。
【図2】本発明の実施形態の半導体発光素子における光の取り出し経路を例示する概念図である。
【図3】n側オーミック電極の形成位置を様々に変化させて光の取り出し効率を評価した結果を表すグラフ部である。
【図4】n側オーミック電極111の形成位置を説明するための模式図である。
【図5】本発明の実施形態の半導体発光素子を製造する工程のうちで、GaP基板101を貼り合わせるまでのプロセスを表す工程断面図である。
【図6】本発明の実施形態の半導体発光素子を製造する工程のうちで、GaP基板101を貼り合わせるまでのプロセスを表す工程断面図である。
【図7】本発明の実施形態の半導体発光素子を製造する工程のうちで、GaP基板101を貼り合わせるまでのプロセスを表す工程断面図である。
【図8】素子化プロセスの工程を表す工程図である。
【図9】素子化プロセスの工程を表す工程図である。
【図10】素子化プロセスの工程を表す工程図である。
【図11】素子化プロセスの工程を表す工程図である。
【図12】素子化プロセスの工程を表す工程図である。
【図13】GaP基板の側面を部分的に傾斜面とするための製造方法を例示する工程図である。
【図14】GaP基板の側面を部分的に傾斜面とするための製造方法を例示する工程図である。
【図15】GaP基板の側面を部分的に傾斜面とするための製造方法を例示する工程図である。
【図16】本発明の実施の形態にかかる半導体発光装置の要部構成を例示する模式図である。
【図17】本発明の実施形態にかかる半導体発光装置の第1の具体例を表す模式断面図である。
【図18】本発明の実施形態にかかる半導体発光装置の第2の具体例を表す模式断面図である。
【図19】本発明の実施形態にかかる半導体発光装置の第3の具体例を表す模式断面図である。
【図20】本発明の実施形態にかかる半導体発光装置の第4の具体例を表す模式断面図である。
【図21】本発明者が本発明に至る過程で検討した半導体発光素子の断面構造を表す模式図である。
【符号の説明】
101、501 p型GaP基板
101S 側面
102、502 p型GaP接着層
103、503 p型InGaP接着層
104、504 p型InAlP クラッド層
105、505 p型InGaAlP MQW層
106、506 n型InAlP クラッド層
108、507 n型InGaAlP電流拡散層
109、508 n型GaAsコンタクト層
113 金属層
110、510 p型オーミック電極
111、511 n型オーミック電極
114 n側パッド
115 実装基板
116 p側パッド
300 GaAs基板
320、340、360 レジスト
340、350 テープ
510、520、610、620、710、720、810、820 リード
510C カップ部
510R 光反射面
530、630、730、830 ワイア
540、640、740、750、840 封止樹脂
740R 光反射面
740R 内壁面
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体発光素子及び半導体発光装置に関し,より詳細には、オーミック接触を維持しつつ外部光取出し効率の向上を図った構造を有する半導体発光素子及びこれを搭載した半導体発光装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体発光素子の代表的なものであるLED(light emitting diode)は、pn接合に順方向電流を流したとき、注入された電子とホール(正孔)とがpn接合域で再結合する過程で生じる自然放出光を利用した素子である。このような半導体発光素子は、低消費電力、長寿命、及び小型軽量などの利点を有しているため、各種の表示装置や交通信号機等に、広く使われている。そして例えば、自動車のバックライト用などとして使用される際には、低消費電力でさらに高輝度の発光が要求されている。
【0003】
一般に、半導体発光素子においては、その内部発光効率と外部取出し効率が高いほど、高輝度発光が可能となる。ここで、「内部発光効率」は、例えば入力電力に対する発光に寄与する電力の割合であり、「外部取出し効率」は、発光した光のうちで半導体発光素子の外側に取り出す光の割合である。
【0004】
InGaAlP系の半導体発光素子の場合、従来は、発光層を含むInGaAlP層をGaAs基板上に結晶成長させていた。しかし、GaAs基板は可視光領域の光を吸収するため、外部取り出し効率を著しく低下させるという問題があった。これに対して、半導体発光素子の大半の容積を閉める基板としてGaPを用いることにより、外部取り出し効率を上げることができる。すなわち、GaPは、InGaAlP系半導体から得られる発光波長に対して吸収量が少ない材料である。この構造においては、InGaAlP発光層からGaP基板の方向に進んだ光は、GaP基板を通過し、基板の側面或いは底部から外部に取り出すことができる。つまり、外部取出し効率が飛躍的に高まり、半導体発光素子の輝度が向上する。
【0005】
図21は、本発明者が本発明に至る過程で検討した半導体発光素子の断面構造を表す模式図である。すなわち、この半導体発光素子500は、GaAs基板の上にエピタキシャル成長させたInGaAlP層をGaP基板に接着することにより形成したものである(例えば、特許文献1)。
【0006】
その構造について説明すると、p型GaP基板501からみて、p型GaP接着層502、p型InGaP接着層503、p型InAlPクラッド層504、p型InGaAlP−多重量子井戸(multiple−qunatum well:MQW)層505、n型InAlPクラッド層506、n型InGaAlP電流拡散層507、n型GaAsコンタクト層508、及びn側オーミック電極511がこの順に形成されている。p型GaP基板501の表面には、p側オーミック電極510が設けられている。また、n側オーミック電極511の下には,低熱抵抗マウントを得るための半田膜512が適宜設けられている。
【0007】
この半導体発光素子500は、後に詳述するように、半田膜512を介して図示しないリードフレームや実装基板などのパッケージ部材に適宜マウントされる。また、p側オーミック電極510は、金線を介して、パッケージ部材のもう一方の電極にワィヤボンディングされる。そして、これらp側及びn側電極510、511を介して電流を注入することにより、発光素子として動作させる。
【0008】
この半導体発光素子500においては、活性層であるp型InGaAlP−MQW層505からGaP基板501の方向に放出された光は、基板501を透過し、その上面及びテーパーが形成された側面501Sから効率良く出射される。
【0009】
【特許文献1】
特開平11−162985号公報
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図21に表した半導体発光素子の場合、n側オーミック電極511における光吸収が大きいという問題があった。すなわち、半導体発光素子500において、発光層505から放出された発光のうちの約半分は、マウント面側であるn側オーミック電極511の方向に進行する。
【0011】
このn側オーミック電極511は、GaAsコンタクト層502の表面にAuGe(金ゲルマニウム)などのオーミック金属を蒸着などの方法により形成した後、異種金属接触に伴なうポテンシャル差(仕事関数差)を小さくする目的で、加熱による所定の合金化処理することにより形成される。このような合金化処理によって形成されたオーミック層は、InGaAlP発光層505から放出された光に対する吸収が大きい。
【0012】
その結果として、発光層505において生じた光のうちの一定の成分は、発光素子の外部に取り出すことができず、「外部取り出し効率」には全く寄与しなくなる。
【0013】
すなわち、マウント面側であるn側オーミック電極511の方向に進行した発光を、発光素子の外部に効率よく取出すことができれば、発光素子の外部取り出し効率をさらに大幅に高めることが可能となる。
【0014】
本発明は、かかる課題の認識に基づいてなされたものであり、その目的は、マウント面側のn側オーミック電極の方向に進行した発光を発光素子の外部に効率よく取出すことができる半導体発光素子及びこれを搭載した半導体発光装置を提供することにある。
【0015】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の第1の半導体発光素子は、第1及び第2の主面を有するGaP基板と、前記GaP基板の前記第1の主面上に設けられたInGaAlP系半導体からなる発光層と、前記発光層の上に設けられたコンタクト層と、前記コンタクト層の上に選択的に設けられたオーミック電極と、前記オーミック電極及びその周囲の前記コンタクト層を覆うように設けられた金属層と、を備えたことを特徴とする。
【0016】
また、本発明の半導体発光装置は、実装部材と、前記実装部材に対して、前記金属層の側をマウント面としてマウントされた上記の半導体発光素子と、を備えたことを特徴とする。
【0017】
なお、本明細書において「InGaAlP系半導体」とは、組成式InxGayAl1−x−yPにおける組成比xおよびyを、0≦x≦1、0≦y≦1、但し(x+y)≦1の範囲で変化させたあらゆる組成の半導体を含むものとする。
【0018】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
【0019】
図1は、本発明の実施の形態にかかる、半導体発光素子を表す模式図である。すなわち、同図(a)は、その断面図であり、同図(b)はそのオーミック電極111の平面配置を表す模式図である。
すなわち、本実施形態の半導体発光素子は、p型GaP基板101からみて、p型GaP接着層102、p型InGaP接着層103、p型InAlPクラッド層104、p型InGaAlP−MQW層105、n型InAlPクラッド層106、n型InGaAlP電流拡散層108、n型GaAsコンタクト層109がこの順に形成されている。さらに、n型GaAsコンタクト層109の下にn側オーミック電極111が部分的に設けられ、このn側オーミック電極111とその周囲のコンタクト層109の下には、Au(金)やAl(アルミニウム)などの反射率の高い材料からなる金属層113が形成され、その下に半田層112が形成されている。
【0020】
n側オーミック電極111は、AuGe(金ゲルマニウム)などのオーミック金属を蒸着などの方法によりコンタクト層109の表面に形成した後、加熱による所定の合金化処理を施すことにより、異種金属接触に伴なうポテンシャル差(仕事関数差)が小さくなるように形成されている。
また、金属層113は、オーミック電極111に接続されn側電極の一部としても機能する。ただし、金属層113は、コンタクト層109と実質的に合金化しておらず、発光層105から放出された光に対する反射率は、n側オーミック電極111に放出された光に対する反射率よりも高いものとされている。
【0021】
一方、p型GaP基板101の表面には、p側オーミック電極110が設けられている。
【0022】
そして、本実施形態においては、n側オーミック電極111は、図1(b)に表した如く、コンタクト層109の全面に積層させるのではなく、発光素子の側面Sから所定の距離だけ離間して略環状ストライプ状に形成されている。すなわち、n側オーミック電極111は、発光素子の4辺に対して略平行な4つのストライプからなる略環状ストライプ状に形成されている。n側オーミック電極111をこのような独特の形態に形成することにより、n側における電極の接触抵抗の増大を抑制しつつ、光取り出し効率を上げることができる。すなわち、n側オーミック電極111の面積を可能な限り小さくし、発光層105から向かってきた発光をなるべく広い面積の金属層113で反射させ、GaP透明基板101の方向に導くことができる。
【0023】
図2は、本実施形態の半導体発光素子における光の取り出し経路を例示する概念図である。すなわち、発光層(InGaAlP−MQW層)105からGaP基板101の方向に放出された光L1は、基板101を透過してその上面や側面から外部に取り出すことができる。この時、基板101の側面101Sを図示した如く斜面状に傾斜させることにより、光の全反射を抑制して取り出し効率をさらに上げることができる。
【0024】
また、発光層105からn側に向けて放出された光のうちで、n側オーミック電極111の部分に入射した光は、図21に関して前述したように、合金化された領域において一定の吸収を受け、その強度が減衰して反射された成分L2がGaP基板101などを介して外部に取り出される。
【0025】
また、発光層105からn側に向けて放出された光のうちで、Au(金)やアルミニウム(Al)などからなる金属層113に入射した光L3、L4は殆ど吸収されずに高い反射率で反射され、GaP基板101を透過して外部に取り出され(L3)または、InGaAlP系半導体層を透過して素子の側面Sから外部に取り出される(L4)。
【0026】
このように、本実施形態によれば、n側オーミック電極111を素子の一部のみに選択的に形成し、その下に金属層113を設けることにより、光の取り出し効率を大幅に上げることが可能となる。
【0027】
図3は、n側オーミック電極の形成位置を様々に変化させて光の取り出し効率を評価した結果を表すグラフ部である。すなわち、同図の横軸はn側オーミック電極111の位置を表し、縦軸は光取り出し効率比を表す。ここで、グラフの横軸は、発光素子の中心からn側オーミック電極111のストライプ中心までの距離に対応する。
【0028】
プロット(a)〜(f)は、それぞれ挿入図の如くn側オーミック電極111をストライプ状に形成した場合を表す。これらいずれの場合も、オーミック電極111が発光素子の平面積に占める割合は、15パーセントとした。オーミック電極111の面積が小さいと、n側における接触抵抗の増大が懸念される。しかし、オーミック電極111の面積比を15パーセント程度とすれば、n側における接触抵抗の増大による発光特性の低下などは実質的に発生しない。プロット(f)は、n側オーミック電極111を素子の側面に隣接して形成した場合に対応する。そして、この時に得られる光取り出し効率を「1」として、図3の縦軸をプロットした。
【0029】
また、プロット(g)は、その挿入図の如く発光素子の中心にn側オーミック電極111を円形状に設けた場合を表す。この場合も、オーミック電極111が発光素子の平面積に占める割合は、15パーセントとした。
【0030】
またここで、全てのプロット(a)〜(g)において、発光素子の平面サイズは、一辺が750マイクロメータの正方形状とし、p側電極110は、チップの平面積の30パーセントを占める円形状とした。
【0031】
図3から、略環状ストライプ状のn側オーミック電極111を発光素子の中心側(プロット(a))から側面に徐々に近づけていくと、光取り出し効率比は上昇し、プロット(c)においてピークが得られることが分かる。そして、n側オーミック電極111をさらに素子の側面に近づけると、光取り出し効率比は低下する。また一方、プロット(g)で表したようにn側オーミック電極111を素子の中心に形成した場合の光取り出し効率比は、約0.82と低い値であった。
【0032】
また、これとは別に、発光素子の全面にn側オーミック電極111を形成した場合、すなわち、n側オーミック電極111が発光素子の平面積に占める割合を100%とした場合について光取り出し効率比を評価した結果、約1.2であることが分かった。図3において、プロット(a)乃至(e)の範囲においては、1.2以上の光取り出し効率比が得られており、発光素子の全面にn側オーミック電極111を形成する場合よりも光取り出し効率が改善されることが分かる。
【0033】
図3に表した光取り出し効率比の傾向は、定性的には、以下のように説明できる。
すなわち、n側オーミック電極111を素子の中心の付近に形成した場合には、オーミック電極111を介して注入された電流により得られる発光領域の分布も、素子の中心付近に発光強度のピークを有する分布となる。この場合、図1及び図2からも分かるように、p側電極110の下に発光のピークが形成されるため、p側電極111に遮蔽されて光の取り出し効率が低下する。
【0034】
一方、プロット(a)〜(c)に表したように、n側オーミック電極111の位置を素子の側面に近づけるに従い、上側のp側電極110に遮蔽される成分が低減し、光の取り出し効率が上昇する。しかし、プロット(c)〜(f)に表したように、n側オーミック電極111の位置をさらに素子の側面に近づけると、素子の側面が近接する。このため、n側オーミック電極111を介して注入された電流が電流拡散層108において十分に拡がることができなくなる。その結果として、電流拡散効果が十分に得られなくなり、光取り出し効率比が再び低下する。
【0035】
以上の事情を勘案すると、多くの場合に、n側オーミック電極111は、図4に表したように、p側電極110の端に対応させた位置に設けると良好な結果が得られる。つまり、図4(a)においてC−C線の近傍にn側オーミック電極111を設けることにより、高い光取り出し効率が得られる場合が多い。
【0036】
但し、本発明はこの配置関係に限定されるものではなく、n側オーミック電極111のサイズ(面積比)や形成位置については、発光素子の構造パラメータ、すなわち、素子の高さ、平面サイズ、p側電極のサイズと位置、基板101の厚み、電流拡散層108の厚みなどを考慮して適宜決定することができる。
【0037】
以上説明したように、本実施形態においては、n側オーミック電極111を発光素子の側面から所定の間隔で略環状ストライプ状に形成することにより、n側オーミック電極111における光の吸収を抑制して、光取り出し効率を大幅に改善することが可能となる。
【0038】
次に、本実施形態の半導体発光素子の製造方法について説明する。
最初に、GaP基板を貼り合わせるまでの工程について説明する。
【0039】
図5乃至図7は、本実施形態の半導体発光素子を製造する工程のうちで、GaP基板101を貼り合わせるまでのプロセスを表す工程断面図である。
【0040】
まず、図5に表したように、n型のGaAsからなる第1の半導体基板300の上に、MOCVD(metal−organic chemical vapour deposition:有機金属化学気相成長)法などの方法により、n型コンタクト層109〜接着層103までの各半導体層をこの順にエピタキシャル成長させて積層体200を形成する。
例えば、n型クラッド層106を形成する工程について説明すると、MOCVD反応室内に、反応ガスのトリメチルガリウム(TMG)、トリメチルアルミニウム(TMA)、トリメチルインジウム(TMIn)およびホスフィン(PH3)を、n形ドーパントガスのSiH4およびキャリアガスの水素(H2)と共に導入し、500〜900℃程度でエピタキシャル成長することにより、キャリア濃度が1.0×1016〜1.0×1019cm−3程度のIn0.49(Ga0.3Al0.7)0.51Pからなるn形クラッド層106を0.5μm程度、成長することができる。また、p型のドーパントガスとしては、例えば、ジメチル亜鉛(DMZ)を用いることができる。
【0041】
次に、図6に表したように、GaAs基板300の上に成長した積層体200(109〜103)の表面に、GaP基板101を接着する。この際に、GaP基板101の上には、予め、MOCVD法によりZnドープのGaP接着層102を1nm〜1μm程度の厚みに成長しておく。この場合、TMG、TMZn、PH3を、キャリアガスの水素(H2)と共に反応室に導入し、500〜900℃程度でエピタキシャル成長することができる。
図6に表した接着工程においては、積層体200とGaP接着層102の表面を重ね合せ、0.1〜10kg/cm2程度の圧力で圧接しながら700℃程度に加熱して圧着することにより接合する。
その後、H2O2とH2SO4の混合液により10〜60分間のエッチングを行なうことで、図7に表したように、GaAs基板300を除去する。
【0042】
このようにして、InGaAlP系半導体層103〜109からなる積層体200をGaP基板101に貼り合わせたら、素子化プロセスを実施する。
図8乃至図12は、これらの工程を表す工程図である。
まず、図8に表したように、p側電極110、n側オーミック電極111をそれぞれ形成する。すなわち、GaP基板101の裏面側にp側電極110を蒸着とパターニングなどのプロセスにより形成する。また、n型コンタクト層109の表面に、やはり蒸着とパターニングなどのプロセスによってn側オーミック電極111を形成する。この際に、例えば、図9に平面図として例示した如く、素子の側面から所定の距離だけ離間したストライプ状となるように、n側オーミック電極111を選択的に形成する。
【0043】
次に、図10に表したように、n側オーミック電極111及びその周囲に露出しているn型コンタクト層109の上に、蒸着やスパッタなどの方法により金属層113を形成する。
【0044】
次に、図11に表したように、ウェーハのn側とp側をそれぞれレジスト320、330により保護する。そして、n側電極113を下にしてウェーハをテープ340に貼り付け、ダイシングしてチップ毎に分離する。この際に、ダイシングブレードの刃先の角度を適宜調節することにより、図示した如く、GaP基板101の側面が所定の傾斜面となるようにダイシングすることができる。
【0045】
その後、図12に表したように、テープ340を水平方向に引き伸ばしてチップ同士の間隔を拡げる。そして、ダイシングにより生じたGaP基板101及び積層体200の側面の破砕層をエッチングにより除去する。破砕層のエッチングは、例えば、過酸化水素水と水と塩酸との混合液に10数分間、浸すことにより行うことができる。この後、さらに例えば、フッ酸に5分間程度、浸すことにより、GaP基板101の側面に高低差が数マイクロメータ程度の微細な凹凸を設けることもできる。このような微細な凹凸を設けることにより、GaP基板101の側面における光の全反射を抑制して、光の取り出し効率をさらに上げることが可能となる。
【0046】
また、本発明においては、GaP基板101の側面の全体を一様に傾斜した面とする代わりに、側面の一部のみを傾斜面としてもよい。
【0047】
図13乃至図15は、このように、GaP基板の側面を部分的に傾斜面とするための製造方法を例示する工程図である。
【0048】
すなわち、図13に表したように、ウェーハのn側とp側をそれぞれレジスト320、330により保護し、n側電極113を下にしてウェーハをテープ340に貼り付ける。そして、ダイシングする際に、ダイシングブレードの刃先の角度を適宜調節し、GaP基板101の途中までダイシングする。
【0049】
次に、図14に表したように、刃先の側面がほぼ垂直の薄いダイシングブレードを用いて残余の部分をダイシングする。
その後、図15に表したように、テープ340を水平方向に引き伸ばしてチップ同士の間隔を拡げる。そして、ダイシングにより生じたGaP基板101及び積層体200の側面の破砕層をエッチングにより除去する。
【0050】
このようにして、GaP基板101の側面の一部が傾斜面を構成し、残りの部分が垂直面を構成する半導体発光素子が得られる。このような半導体発光素子においても、本発明においては、n側オーミック電極111を素子の側面から所定の間隔で略ストライプ状に形成することにより、光の吸収を抑制して、高い光取り出し効率が得られる。
【0051】
次に、本発明の半導体発光素子を用いた半導体発光装置について説明する。
図16は、本発明の実施の形態にかかる半導体発光装置の要部構成を例示する模式図である。同図については、図1乃至図15に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
本実施形態の半導体発光装置は、n側パッド114及びp側パッド116が設けられた実装基板115と、そのn側パッド114の上にマウントされた半導体発光素子100と、を有する。半導体発光素子100は、図1乃至図15に関して前述した本発明の実施の形態にかかる半導体発光素子である。素子100のマウントは、半田層112により行っても良いし、または、導電性ペーストなどの接着剤により行ってもよい。但し、高出力用途においては、耐熱性や熱接触の確保などの観点から金属半田材料によりマウントすることが望ましい。
【0052】
また、半導体発光素子のp側電極110は、金ワイアなどの配線117によってp側パッド115に接続されている。
【0053】
本発明によれば、図1乃至図15に関して前述したように、n側オーミック電極111を素子の側面から所定の間隔で略ストライプ状に形成することにより、光の吸収を抑制して光取り出し効率を大幅に上げることができる。その結果として、高い光出力の半導体発光装置を実現でき、自動車のストップランプや交通信号など高い輝度と高い信頼性が要求される各種の用途に適用することができる。
【0054】
またさらに、本発明においては、発光素子のn側、すなわちGaP基板101の側ではなく、InGaAlP系半導体からなる発光層の側を実装部材にマウントできる。その結果として、GaP基板をマウントした場合と比較して、発光層において生ずる熱の放散性が大幅に改善され、高い光出力を安定して得られる点でも有利である。
【0055】
以下、本実施形態の半導体発光装置の具体例について説明する。
【0056】
図17は、本実施形態にかかる半導体発光装置の第1の具体例を表す模式断面図である。すなわち、本具体例の半導体発光装置は、「砲弾型」などと呼ばれる樹脂封止型の半導体発光装置である。
リード510の上部には、カップ部510Cが設けられ、本発明の半導体発光素子100は、このカップ部510Cの底面に接着剤などによりマウントされている。そして、もうひとつのリード520にワイア530により配線が施されている。カップ部510Cの内壁面は、光反射面510Rを構成し、半導体発光素子100から放出された光を反射して上方に取り出すことができる。
【0057】
カップ部510Cは、光透過性の樹脂540により封止されている。樹脂540の光取り出し面540は、集光曲面を形成し、半導体発光素子100から放出される光を適宜集光させて所定の配光分布が得られるようにすることができる。
【0058】
本発明によれば、図1乃至図15に関して前述した半導体発光素子を用いることにより、発光層から放出された光を高い効率で素子から取り出すことができる。基板の側面101Sから放出された光は、カップ部の反射面510Rにより反射され、樹脂540を介して取り出すことができる。その結果として、輝度の高い半導体発光装置を実現できる。
【0059】
図18は、本実施形態にかかる半導体発光装置の第2の具体例を表す模式断面図である。すなわち、本具体例においては、図1乃至図15に関して前述した本発明の半導体発光素子100は、リード610の上にマウントされ、もうひとつのリード620にワイア630により接続が施されている。半導体発光素子100を封止する樹脂640は、その光軸640Cを中心軸とした回転対称であり、中心において半導体発光素子100の方向に後退し集束する形状を有する。このような形状の樹脂640を採用することにより、広角に光を分散させる配光特性が得られる。
【0060】
本具体例の半導体発光装置においても、図17に関して前述したものと同様に、本発明の半導体発光素子を設けることにより優れた発光特性が得られる。また特に、本発明によれば、半導体発光素子100の基板の側面101Sから高い効率で光を取り出せるので、広角の配光特性がさらに改善される。
【0061】
図19は、本実施形態にかかる半導体発光装置の第3の具体例を表す模式断面図である。すなわち、本具体例は、「表面実装型」などと称されるものであり、図1乃至図15に関して前述した本発明の半導体発光素子100は、リード710の上にマウントされ、もうひとつのリード720にワイア730により接続されている。これらリード710、720は、第1の樹脂740にモールドされており、半導体発光素子100は、透光性を有する第2の樹脂750により封止されている。第1の樹脂740は、例えば、酸化チタンの微粒子などを分散させることにより、光反射性が高められている。そして、その内壁面740Rが光反射面として作用し、半導体発光素子100から放出された光を外部に導く。
【0062】
本具体例の半導体発光装置においても、図17に関して前述したものと同様に、本発明の半導体発光素子を設けることにより優れた発光特性が得られる。また特に、本発明によれば、半導体発光素子100の基板の側面101Sから高い効率で放出された光を光反射面740Rにより反射させて取り出せるので、高い輝度が得られる。
【0063】
図20は、本実施形態にかかる半導体発光装置の第4の具体例を表す模式断面図である。すなわち、本具体例も、「表面実装型」などと称されるものであり、図1乃至図15に関して前述した本発明の半導体発光素子100は、リード810の上にマウントされ、もうひとつのリード820にワイア830により接続されている。これらリード810、820の先端は、半導体発光素子100とともに、透光性を有する樹脂840にモールドされている。
【0064】
本具体例の半導体発光装置においても、図17に関して前述したものと同様に、本発明の半導体発光素子を設けることにより優れた発光特性が得られる。また特に、本発明によれば、半導体発光素子100の基板の側面101Sから高い効率で放出された光を樹脂840の側面から取り出せるので、高い発光強度が得られる。
【0065】
以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明はこれらの具体例に限定されるものではない。
【0066】
以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。
たとえば、上述した具体例においては、n側オーミック電極111を、発光素子の4辺に対して略平行な4つのストライプからなる形態、すなわち、略四角形ドーナツ状に形成したが、これ以外にも、例えば、略円形ドーナツ状、略楕円系ドーナツ状、略多角形ドーナツ状など、各種の形態としても、同様の作用効果が得られる。
【0067】
また、本発明の半導体発光素子に設けられるダブルヘテロ構造や多重量子井戸構造をはじめとする各要素の構造、材料、形状、厚みや配置関係については、公知の半導体発光素子を元に当業者が適宜適用したものも包含する。
【0068】
【発明の効果】
本発明によれば、素子のマウント面側に設けられるn側オーミック電極を、素子の側面から所定の間隔の略ストライプ状に設けることにより、接触抵抗の増大を抑制しつつ、オーミック電極の合金部分における光の吸収を抑制して光の取り出し効率を上げることができる。
【0069】
その結果として、極めて外部取出し効率の高い半導体発光素子及びこれを用いた半導体発光装置を提供でき産業上のメリットは多大である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態にかかる、半導体発光素子を表す模式図である。
【図2】本発明の実施形態の半導体発光素子における光の取り出し経路を例示する概念図である。
【図3】n側オーミック電極の形成位置を様々に変化させて光の取り出し効率を評価した結果を表すグラフ部である。
【図4】n側オーミック電極111の形成位置を説明するための模式図である。
【図5】本発明の実施形態の半導体発光素子を製造する工程のうちで、GaP基板101を貼り合わせるまでのプロセスを表す工程断面図である。
【図6】本発明の実施形態の半導体発光素子を製造する工程のうちで、GaP基板101を貼り合わせるまでのプロセスを表す工程断面図である。
【図7】本発明の実施形態の半導体発光素子を製造する工程のうちで、GaP基板101を貼り合わせるまでのプロセスを表す工程断面図である。
【図8】素子化プロセスの工程を表す工程図である。
【図9】素子化プロセスの工程を表す工程図である。
【図10】素子化プロセスの工程を表す工程図である。
【図11】素子化プロセスの工程を表す工程図である。
【図12】素子化プロセスの工程を表す工程図である。
【図13】GaP基板の側面を部分的に傾斜面とするための製造方法を例示する工程図である。
【図14】GaP基板の側面を部分的に傾斜面とするための製造方法を例示する工程図である。
【図15】GaP基板の側面を部分的に傾斜面とするための製造方法を例示する工程図である。
【図16】本発明の実施の形態にかかる半導体発光装置の要部構成を例示する模式図である。
【図17】本発明の実施形態にかかる半導体発光装置の第1の具体例を表す模式断面図である。
【図18】本発明の実施形態にかかる半導体発光装置の第2の具体例を表す模式断面図である。
【図19】本発明の実施形態にかかる半導体発光装置の第3の具体例を表す模式断面図である。
【図20】本発明の実施形態にかかる半導体発光装置の第4の具体例を表す模式断面図である。
【図21】本発明者が本発明に至る過程で検討した半導体発光素子の断面構造を表す模式図である。
【符号の説明】
101、501 p型GaP基板
101S 側面
102、502 p型GaP接着層
103、503 p型InGaP接着層
104、504 p型InAlP クラッド層
105、505 p型InGaAlP MQW層
106、506 n型InAlP クラッド層
108、507 n型InGaAlP電流拡散層
109、508 n型GaAsコンタクト層
113 金属層
110、510 p型オーミック電極
111、511 n型オーミック電極
114 n側パッド
115 実装基板
116 p側パッド
300 GaAs基板
320、340、360 レジスト
340、350 テープ
510、520、610、620、710、720、810、820 リード
510C カップ部
510R 光反射面
530、630、730、830 ワイア
540、640、740、750、840 封止樹脂
740R 光反射面
740R 内壁面
Claims (11)
- 第1及び第2の主面を有するGaP基板と、
前記GaP基板の前記第1の主面上に設けられたInGaAlP系半導体からなる発光層と、
前記発光層の上に設けられたコンタクト層と、
前記コンタクト層の上に選択的に設けられたオーミック電極と、
前記オーミック電極及びその周囲の前記コンタクト層を覆うように設けられた金属層と、
を備えたことを特徴とする半導体発光素子。 - 前記オーミック電極は、前記第1の主面に対して垂直な方向からみたときに、素子の側面から離間した略環状ストライプ状に形成されてなることを特徴とする請求項1記載の半導体発光素子。
- 前記半導体発光素子は、前記第1の主面に対して垂直な方向からみたときに略四角形の形状を有し、
前記オーミック電極は、略四角形の略環状ストライプ状に形成されてなることを特徴とする請求項1または2に記載の半導体発光素子。 - 前記コンタクト層と前記オーミック電極との接触部において、これらが合金化された領域が形成されてなることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1つに記載の半導体発光素子。
- 前記コンタクト層と前記金属層との接触部においは、これらが合金化された領域が実質的に存在しないことを特徴とする請求項1〜4のいずれか1つに記載の半導体発光素子。
- 前記発光層から金属層に向けて放出された光に対する反射率は、前記発光層から前記オーミック電極に向けて放出された光に対する反射率よりも高いことを特徴とする請求項1〜5のいずれか1つ記載の半導体発光素子。
- 前記GaP基板の前記第2の主面の上に設けられた電極をさらに備え、
前記電極は、前記第1の主面に対して垂直な方向からみたときに、前記発光層よりも小さいことを特徴とする請求項1〜6のいずれか1つに記載の半導体発光素子。 - 前記オーミック電極は、前記第1の主面に対して垂直な方向にみたときに、前記電極よりも外側に設けられたことを特徴とする請求項7記載の半導体発光素子。
- 前記GaP基板は、その側面の少なくとも一部に、前記発光層に向かって拡がる傾斜部を有することを特徴とする請求項1〜8のいずれか1つに記載の半導体発光素子。
- 前記GaP基板は、p型であり、
前記コンタクト層は、n型であることを特徴とする請求項1〜9のいずれか1つに記載の半導体発光素子。 - 実装部材と、
前記実装部材に対して、前記金属層の側をマウント面としてマウントされた請求項1〜10のいずれか1つに記載の半導体発光素子と、
を備えたことを特徴とする半導体発光装置。
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