JP2006128727A - 半導体発光素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】フリップチップ接合により実装して発光装置とするためのGaN系化合物半導体の発光素子であって該素子内部で発生する光をより有効に活用し得る発光素子を提供する。
【解決手段】透光性を有する支持基板の一方の面に、n層、発光層、p層が順次積層され、且つn型電極を前記n層上に形成するための凹部を有するGaN系化合物半導体層を含む半導体発光素子であって、前記凹部は、前記p層側を広い開口、前記n層側を狭い底面とする傾斜面を有し、少なくとも該傾斜面に前記発光層から放射される光を前記支持基板側へ反射するための反射層を有し、前記反射層は、前記n層から前記p層に亘って前記傾斜面に形成され、ITO、IZO、ZnO、In2O3、SnO2またはCdOより構成されてなる透明導電層上に形成され、前記凹部の形状が平面視で櫛型に形成されることにより、櫛型のp型電極と櫛型のn型電極を、互いに噛み込み状に構成されてなるものである。
【選択図】図7
【解決手段】透光性を有する支持基板の一方の面に、n層、発光層、p層が順次積層され、且つn型電極を前記n層上に形成するための凹部を有するGaN系化合物半導体層を含む半導体発光素子であって、前記凹部は、前記p層側を広い開口、前記n層側を狭い底面とする傾斜面を有し、少なくとも該傾斜面に前記発光層から放射される光を前記支持基板側へ反射するための反射層を有し、前記反射層は、前記n層から前記p層に亘って前記傾斜面に形成され、ITO、IZO、ZnO、In2O3、SnO2またはCdOより構成されてなる透明導電層上に形成され、前記凹部の形状が平面視で櫛型に形成されることにより、櫛型のp型電極と櫛型のn型電極を、互いに噛み込み状に構成されてなるものである。
【選択図】図7
Description
本発明は、GaN系化合物半導体を用いた発光素子に関するものである。
従来のGaN(窒化ガリウム)系化合物半導体発光素子としては、例えば、特許文献1に開示の構造を有するものが知られている。また、特許文献1に開示の構造を備えつつ、電極の構成を改良した半導体発光素子が、例えば特許文献2〜4に開示されている。
これらの特許文献に開示されているような従来の半導体発光素子の基本的な構造を図10に示す。サファイアなどからなる支持基板101上に、n型半導体からなるn層102、発光層103、p型半導体からなるp層104が順次積層されてなり、該p層104上にはp型電極105が設けられている。また、p層104側から、n層102が露出するように露出面が設けられ、該露出面上にn型電極106が設けられている。
そしてp型電極105とn型電極106との間に順方向バイアスを印加する(すなわち、p型電極に正電圧を印加する)ことにより、発光層103内で電子とホールが結合して、青色若しくは紫外の光が発生する。
特開平9−36422号公報(特許請求の範囲、図1など)
特許第3187284号公報(特許請求の範囲など)
特許第3244010号公報(特許請求の範囲など)
特許第3269070号公報(特許請求の範囲など)
ところで、図10に示すような従来の半導体発光素子では、発光層で発生した光のうち、p型電極側へ向かう光は該p型電極に遮られ、また、素子側面から外部へ向かう光は、n型電極に吸収されたりする(図10中B2)ため、素子外部に取り出して有効に活用できる光量が減少する。
また、半導体発光素子を、例えばフリップチップ接合して半導体発光装置とする場合には、支持基板側から光を取り出すことになるが、発光層からp型電極に向かう光の大部分はp型電極面で吸収されてしまうため、支持基板側へ反射して素子外部へ取り出し得る光(図10中B1)の割合は小さくなる。
このような現象により、図10に示す構造の半導体発光素子では、発光層で発生した光量に対して、素子外部に取り出して有効に活用し得る光量が小さくなるという問題があった。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、フリップチップ接合により実装して半導体発光装置とするためのGaN系化合物半導体を用いた発光素子であって、該素子内部で発生する光をより有効に活用し得る半導体発光素子を提供することにある。
本発明の半導体発光素子は、透光性を有する支持基板の一方の面に、n層、発光層、p層が順次積層され、且つn型電極を前記n層上に形成するための凹部を有するGaN系化合物半導体層を含む半導体発光素子であって、前記凹部は、前記p層側を広い開口、前記n層側を狭い底面とする傾斜面を有し、少なくとも該傾斜面に前記発光層から放射される光を前記支持基板側へ反射するための反射層を有するものであり、前記反射層は、前記n層から前記p層に亘って前記傾斜面に形成され、ITO、IZO、ZnO、In2O3、SnO2またはCdOより構成されてなる透明導電層上に形成され、前記凹部の形状が平面視で櫛型に形成されることにより、櫛型のp型電極と櫛型のn型電極を、互いに噛み込み状に構成されてなるものであるところに特徴がある。
本発明の半導体発光素子は以上のように構成されており、上記傾斜面に設けられた反射層の作用により、発光層から放射される光のうち、特に該発光層側面から漏れ、従来は素子の各構成部材に吸収されていた光を、支持基板側へ反射させて取り出し得る。これにより、素子内部で発生した光のうち、外部に取り出して有効に活用し得る光の割合(以下、「光の取り出し効率」という場合がある)を高めることができる。そして、反射層は、n層からp層に亘って傾斜面に形成され、ITO、IZO、ZnO、In2O3、SnO2またはCdOより構成されてなる透明導電層上に形成されている。これらの化合物の透明導電層は、p層とは電気的に接続可能であるがn層とは電気的に接続し得ないので、この透明導電層の存在により反射層による電流のリークを防止し得るから、半導体発光素子の発光効率を高めることができる。さらに、凹部の形状が平面視で櫛型に形成されることにより、櫛型のp型電極と櫛型のn型電極を、互いに噛み込み状に構成されてなるものであるので、p型電流領域での電流分布を均一化することができ、これにより半導体発光素子の発光自体を向上させることができる。
<第1実施形態>
図1は、本発明の半導体発光素子の第1実施形態を示す断面模式図である。この第1実施形態の半導体発光素子10aでは、支持基板101上に、n層102、発光層103、p層104が順次積層されてなる半導体層が設けられており、さらにp層104上にはp型電極105が形成されている。この半導体層には、p層104側を広い開口、n層102側を狭い底面とする傾斜面を有する凹部が形成されており、該凹部の底面(n層102の露出面)にはn型電極106が設けられている。
図1は、本発明の半導体発光素子の第1実施形態を示す断面模式図である。この第1実施形態の半導体発光素子10aでは、支持基板101上に、n層102、発光層103、p層104が順次積層されてなる半導体層が設けられており、さらにp層104上にはp型電極105が形成されている。この半導体層には、p層104側を広い開口、n層102側を狭い底面とする傾斜面を有する凹部が形成されており、該凹部の底面(n層102の露出面)にはn型電極106が設けられている。
p型電極105とn型電極との間に順方向バイアスを印加することにより、発光層103内で電子とホールが結合して、青色若しくは紫外の光(波長:500〜250nm)が発生する。この際、発光層103の上記凹部側に向かう光は、反射層(第1の反射層)107によって支持基板101側に反射される(図1中、A2およびA3)。これにより、半導体発光素子で発生した光のうち、外部に取り出して有効に活用し得る光の割合を高めることができる。なお、上記凹部の傾斜面と、凹部底面の延長線とのなす角の角度(以下、「テーパ角度」という)は、20〜80°とすることが好ましい。
本発明の半導体発光素子は、上記の通り、フリップチップ接合により実装されて半導体発光装置を構成するものであるため、支持基板101側から光を取り出す。よって、支持基板としては素子内部で発生した光を透過する素材から構成されるものであり、その素材としては、サファイアが一般的である。支持基板の厚みは、通常、30〜500μmである。
n層102は、n型GaN系化合物半導体からなる層であり、具体的には、AlaInbGa1−a−bN(0≦a,0≦b,a+b≦1)で表される化合物から構成される。例えば、aが0.5以下であるAlaGa1−aNや、bが0.5以下であるInbGa1−bNが好ましい。
なお、図1では、n層102は単一の層として示したが、該n層が、支持基板側から、n型コンタクト層、n型クラッド層の順に積層された積層構造を有していてもよい。この場合、上記凹部は、底面にn型コンタクト層が露出するように形成する。n型コンタクト層としては、n層を構成する上記化合物の中でもGaNが一般的である。また、n型クラッド層としては、n層を構成する上記化合物のうち、Al0.3Ga0.7NやAlN、GaNなどが一般的である。
また、上記単層構造のn層、およびn型コンタクト層並びにn型クラッド層には、Si、Ge,Sなどのn型不純物をドープすることが、キャリア濃度を高め得ることなどから望ましい。
n層の厚みとしては、n層が単層構造の場合には、0.5〜10μmが一般的である。また、n層がn型コンタクト層とn型クラッド層の積層構造である場合には、n型コンタクト層の厚みは0.2〜10μmが一般的であり、n型クラッド層の厚みは特に限定されないが、通常は、0.01〜3μmである。
発光層103は、GaN系化合物半導体からなる層であり、具体的には、AlcIndGa1−c−dN(0≦c,0≦d,c+d≦1)で表される化合物から構成される。この発光層において、例えば、上記化合物のInとAlの組成比を調節することにより、また、該発光層にSi、Ge、Sなどのn型不純物やMg、Znなどのp型不純物をドープすることにより、発生する光の波長を青色から紫外の範囲で調整することができる。
なお、図1では、発光層103は単一の層で示したが、例えば、発光層を複数層からなる積層構造とし、各層を構成する化合物の組成を変えた所謂多重量子井戸構造とすることも好ましい。発光層の厚みは全厚みで、0.001〜0.5μmとすることが一般的である。
p層104は、p型GaN系化合物半導体からなる層である。図1ではp層104は単一の層として示したが、発光層側から、p型クラッド層、p型コンタクト層の順に積層された積層構造を有するものが一般的である。
p型クラッド層は、例えば、AleGa1−eN(0<e≦1)で表される化合物により構成され、さらにp型不純物がドープされている。eは0.05以上であることが好ましい。p型コンタクト層は、例えば、p型不純物がドープされたp型GaNにより構成される。これらp型クラッド層およびp型コンタクト層にドープされるp型不純物は、Mg、Znなどが挙げられる。p型クラッド層の厚みは、通常、0.001〜1.5μmであり、p型コンタクト層の厚みは0.01〜2μmが一般的である。
p型電極105を構成する素材としては、p層とオーミック接触できるものが要求され、例えば、Pd、Ni、Vやこれらの合金などが挙げられる。p型電極の厚みは、通常、0.05〜5μmである。
n型電極106を構成する素材としては、n層とオーミック接触できるものが要求され、例えば、Alやその合金などが挙げられる。n型電極の厚みは、通常、0.05〜5μmである。
第1の反射層107は、発光層103から発生した光のうち、該発光層103の側面から漏れる光(上記傾斜面側へ向かう光)を支持基板101側へ反射するためのものである。反射層は、例えば、発光層103から放射される光の反射率が、少なくとも85%のものが好ましく、後記する反射層を構成し得る素材の中から、このような反射率を有する反射層を形成し得るものを選択することが推奨される。この場合には、支持基板101側へ反射し得る光量をより増大させることができる。上記の反射率を達成し得る反射層の代表的な素材としては、Al、Rh、Agなどが挙げられる。
ただし、図1に示すように、第1の反射層107は、上記凹部の傾斜面において、n層102からp層104に亘って形成されることが一般的であるため、このような構成とする場合には、該第1の反射層107を構成する素材は、n層またはp層のいずれかとはオーミック接触し得ないものであることが好ましい。
また、例えば、第1の反射層107をp層104とのみオーミック接触できる素材で構成し、且つp型電極105を該反射層107と同じ素材で構成している場合には、発光層103から発生した光のうち、p型電極105側へ向かう光を支持基板101側へ反射することができる(図1中、A1およびA4)。よって、発生した光の取り出し効率をより高めることができる。このような素材としては、Rhやその合金などが挙げられる。
この他、第1の反射層107をn層102とのみオーミック接触できる素材で構成し、且つn型電極106を該第1の反射層107と同じ素材で構成している場合には、発光層103から発生した光のうち、n型電極106側へ向かう光を支持基板101側へ反射することができる。よって、かかる場合にも発生した光の取り出し効率をより高めることができる。このような素材としては、Alやこれらの合金などが挙げられる。さらにこの場合には、p層104とp型電極105の間に反射層(第2の反射層、図示しない)を設けておくか、反射層と同様の反射能を確保し得る素材でp型電極105を形成しておくことも好ましく、これによりp型電極105側へ向かう光も支持基板101側へ反射させ得るため、光の取り出し効率を更に高めることができる。また、p層104とp型電極105の間の第2の反射層は、第2実施態様から第5実施態様で詳述する透明導電層(図示しない)を介してp層上に形成されていることも好ましい。
反射層の厚みは、上記凹部の傾斜面に設けるもの(第1の反射層)、p層とp型電極との間に設けるもの(第2の反射層)を問わず、0.001〜5μmとすることが好ましく、0.01〜1μmとすることがより好ましい。
n層102、発光層103およびp層104を形成するに当たっては、公知の気相成長法[有機金属気相成長法(MOCVD法)]などの公知の製膜法を採用することができる。n層への上記n型不純物のドーピング、およびp層への上記p型不純物のドーピングは、これらの層の形成と同時に実施する。
なお、図1には示さないが、支持基板がサファイア基板の場合、n層を直接形成することは困難であるため、n層と支持基板の間にバッファ層を設けることが好ましい。かかるバッファ層は、支持基板とn層との格子不整合を緩和する作用を有するものであり、このバッファ層の存在により、n層の形成(n型GaN系化合物半導体結晶の成長)を良好に進めることが可能となる。バッファ層としては、例えば、GaN、AlN、GaAlN、ZnOなどが挙げられる。ちなみに、GaNを用いてn層を気相成長法により形成する際に、まず低温条件で製膜を行ってバッファ層を形成し、その後温度を高めてn層を形成する二段階成長法を採用することで、バッファ層とn層を、より簡便に形成できる。バッファ層の厚みは、通常、0.001〜1μmである。
上記凹部の形成法については後述する。また、p型電極、n型電極および反射層は、公知の蒸着法などにより形成すればよい。
<第2実施形態>
図2は、本発明の半導体発光素子の第2実施形態を示す断面模式図である。第1実施形態と同じ機能を有する部分については、同一符号を付して、重複説明を避ける(後記の各実施形態についても同様である)。第2実施形態は、以下の点に特徴を有している。
図2は、本発明の半導体発光素子の第2実施形態を示す断面模式図である。第1実施形態と同じ機能を有する部分については、同一符号を付して、重複説明を避ける(後記の各実施形態についても同様である)。第2実施形態は、以下の点に特徴を有している。
第2実施形態に係る半導体発光素子10bでは、上記凹部の傾斜面上に、反射層107が絶縁膜109を介して形成されている。傾斜面に反射層を設けると、該反射層による電流のリークが生じ、これにより半導体発光素子の発光効率が低下する虞がある。しかし、上記絶縁膜の存在により、かかるリーク電流の発生を防止し得るため、半導体発光素子の発光効率を高めることができる。
上記絶縁膜は、発光層から放射される光の透過率が、少なくとも80%以上であることが好ましい。より好ましくは90%以上である。このように、絶縁膜における上記光の透過率が大きい場合には、絶縁膜に吸収されてしまう光の比率が小さいため、反射層によって支持基板側へ向け得る光の比率が高くなり、光の取り出し効率が向上する。
上記絶縁膜の素材としては、酸化シリコン(SiO2)や窒化シリコン(Si3N4)などが好ましい。絶縁膜は、これらの素材を用いて、公知の蒸着法により形成することができる。その厚みは、30〜10000Åとすることが好ましく、50〜1000Å(例えば100Å)とすることがより好ましい。このような絶縁膜は、公知の気相成長法(例えば、上記MOCVD法)などにより形成できる。
また、図2では、上記凹部底面からTi層112、Al層110、Au層111を順次積層してなるn型電極106の例を示している。例えば、n型電極には、第1の反射層107、第2の反射層107aや、p型電極105と同じ素材を用いることが好ましく、この場合には、反射層とn型電極、あるいはp型電極とn型電極を同時に形成することができるため、半導体発光素子の製造工程を簡略化することができる。しかし、例えば、第1の反射層107、第2の反射層107aの素材として、反射能に優れたAlを採用した場合などでは、n層とAlとの密着性が比較的低いといった問題がある。よって、このような場合には、図2に示すように、n層102とAl層110との間に、Ti層112の如きこれらの密着性を向上させ得る素材から構成される層を設けることが推奨される。n型電極を図2に示す3層構造とする場合には、各層の厚みを、Ti層:10〜2000Å、Al層:10〜3000Å、Au層:30〜3000Åとし、n型電極の合計厚みを50〜8000Åとすることが推奨される。なお、Ti層、Al層、Au層は、同等の機能を果たし得るものであれば、夫々、Ti、Al、Au以外の素材から構成される層であってもよく、この場合でも、各層の厚みおよびn型電極の合計厚みは,上記の好適範囲内とすればよい。
この他、図2では、p層104とp型電極105にも第2の反射層107aを設けた例を示しており、この第2の反射層107aによって、p型電極105側へ向かう光を支持基板101側へ反射させて(図2中、A1およびA4)、光の取り出し効率を高め得る。他方、第2の反射層107aを設けない態様であっても、p型電極において、例えば発光層から放射される光の反射率が、少なくとも85%である場合には、第2の反射層107aを設けた態様と同様の効果を確保できる。
さらに図2では、第2の反射層107aが、透明導電層108a(第2の透明導電層。第1の透明導電層は、後記の第3実施形態において説明する。)を介してp型電極105上に形成されている。第2の透明導電層108aは、ITO(インジウム−スズ複合酸化物)、IZO(インジウム−亜鉛複合酸化物)、ZnO、In2O3、SnO2、CdOなどから構成されている。
この他、第2の透明導電層108aは、Ni、Pd、Pt、Cr、Mn、Ta、CuまたはFeを含む金属(例えば、これらの金属単体若しくはこれらの元素を含む合金)で構成されたものでもよい。透明導電層がこのような構成である場合には、p層104と反射層107aとの間の抵抗値を非常に低減することができる。ただし、上記の各元素を含む金属で構成される透明導電層の場合には、発光層103から発生した光のうち、該透明導電層側に向かう光、および第2の反射層により反射して支持基板101側へ向かう光を良好に透過できる程度の透明性を確保する必要がある。このため、上記各元素を含む金属で構成される透明導電層の場合には、その厚みを薄くすることが望ましく、例えば、20Å以上、より好ましくは50Å以上であって、200Å以下、より好ましくは100Å以下とすることが推奨される。
また、図2では、第2の透明導電層108aを単一の層で示したが、これらが複数の層(例えば2層、3層、4層など)で構成される積層構造を有していることも好ましい。例えば、2層構造の場合には、p層104側の層(A層)が、Ni、Pd、Pt、Cr、Mn、Ta、CuまたはFeを含む金属(例えば、これらの金属単体若しくはこれらの元素を含む合金)で構成される層で、第2の反射層107a側の層(B層)が、ITO、IZO、In2O3、ZnO、SnO2またはCdOで構成される層であることが推奨される。第2の透明導電層がこのような構造の場合には、p層104と第2の反射層107aとの間の抵抗値を非常に低減しつつ、第2の透明導電層の全厚みも比較的大きくできるため、信頼性の高い層とし得る他、第2の透明導電層を、更に光の取り出し効率を高め得る形態とすることができる(後述の第5実施形態において、説明する)。
他方、第2の反射層107aを設けない態様であっても、p型電極が透明導電層を介してp層上に形成されていてもよい。このような透明導電層を介在させることで、p型電極の素材として、p層とオーミック接触し得ない材料を選択することもできる。
第2の反射層107aを設けない態様であって、p型電極にも反射能を付与する場合におけるp型電極の素材としては、Al、Ag、Rhなどが挙げられる。
p層104とp型電極105との間に、第2の反射層107aや第2の透明導電層108aを形成する場合の詳細については、後記第3実施形態および第4実施形態において説明する。
<第3実施形態>
図3は、本発明の半導体発光素子の第3実施形態を示す断面模式図である。第3実施形態は、以下の点に特徴を有している。
図3は、本発明の半導体発光素子の第3実施形態を示す断面模式図である。第3実施形態は、以下の点に特徴を有している。
第3実施形態に係る半導体発光素子10cでは、第1の反射層107が第1の透明導電層108を介して、上記凹部の傾斜面に形成されている。
第1の透明導電層の構成素材としては、ITO、IZO、ZnO、In2O3、SnO2またはCdOなどが挙げられる。第1の透明導電層を構成し得るこれらの化合物は、p層とは電気的に接続可能であるが、n層とは電気的に接続し得ない。よって、反射層による電流のリークを防止することができるため、半導体発光素子の発光効率を高めることが可能となる。第1の透明導電層の構成素材としては、ITOまたはIZOが、特に好ましい。
また、図3では、p層104とp型電極105との間にも、p型電極105側に第2の透明導電層108aを介して第2の反射層107aを設けた例を示しており、該反射層によって、p型電極105側へ向かう光を支持基板101側へ反射させて(図3中、A1およびA4)、光の取り出し効率を高めている。ただし、この場合、図3に示すように第1の透明導電層108には間隙を設けておき、p型電極105やp層104とn型電極106の間でのショートを防止する必要がある。このような間隙は、透明導電層形成時にマスクを施しておくか、プラズマあるいは塩化鉄を含むエッチング液などを用いた公知のエッチングを透明導電層に施すことにより形成することができる。
透明導電層は、第1、第2のいずれも、公知の蒸着法などにより形成することができるが、スパッタ法により形成することが望ましい。スパッタ法により形成すると、透明導電層とp層との密着性が良好なものとなる。
また、透明導電層をスパッタ法で形成する場合には、マグネトロンスパッタ装置を用いることが推奨される。図4は、マグネトロンスパッタ装置を用いて透明導電層を形成する場合の概念図である。図4中、113は透明導電層を形成する試料、114は透明導電層形成用ターゲット(すなわち、ITOターゲット、IZOターゲットなど)、115はマグネット、116は試料ホルダーを示している。ターゲット114にプラズマ118を当てることで、ターゲット114表面からスパッタ粒子が放出されるが、このマグネトロンスパッタ装置では、マグネット115により、対向するターゲット114、114間にプラズマ118を高密度に閉じ込めることができる。発生したスパッタ粒子はプラズマ118と衝突してランダム方向に飛ばされる。これらスパッタ粒子のうち、試料113側に向かうもの(図中117)が試料113の表面に堆積し、透明導電層が形成される。
このようにマグネトロンスパッタ装置を用いた場合には、試料(半導体発光素子中間体)を直接プラズマに曝さなくとも良いため、このプラズマによる試料(半導体層)のダメージを回避することができる。
このようにして形成される透明導電層の厚みは、第1、第2のいずれにおいても、0.001〜2μmであることが好ましく、0.005〜0.5μmであることがより好ましい。なお、第2の透明導電層が、上記の積層構造の場合には、その全厚みがこの範囲内にあればよい。ただし、第2の透明導電層が、Ni、Pd、Pt、Cr、Mn、Ta、CuまたはFeを含む金属で構成される場合には、上述した通り、その厚みを、20Å以上、より好ましくは50Å以上であって、200Å以下、より好ましくは100Å以下とすることが推奨される。
さらに第1および/または第2の透明導電層には、p型ドーパント(p型不純物)がドープされていることが望ましく、これによりp層−透明導電層間のコンタクト抵抗を低減させることができる。さらに、このような観点からは、透明導電層中のp型ドーパント濃度が、反射層(第1の透明導電層においては第1の反射層、第2の透明導電層においては第2の反射層)との接触面近傍よりも、他面側近傍(p層近傍)の方が、大きくなっていることが好ましい。より好ましくは、p型ドーパント濃度が、反射層との接触面近傍から他面側近傍に向かって、段階的または傾斜的に増大している態様である。
透明導電層にドープするp型ドーパントとしては、Mg、Zn、Cd、Ca、Be、Cなどが挙げられる。また、透明導電層にp型ドーパントをドープする手法は、特に制限されず、公知の手法が採用可能であるが、例えば、イオン注入法を採用することが望ましい。このイオン注入法では、加速電圧を調整することで、注入するドーパントを特定の厚み位置に集めることができるため、p型ドーパント濃度を、反射層との接触面近傍よりも、他面側近傍の方が大きくなるようにすることが容易である。また、イオン注入法によって、反射層との接触面近傍から他面側近傍に向けて、p型ドーパント濃度を段階的または傾斜的に増大させる場合には、ドープ中に加速電圧を段階的に変更する方法を採用すればよい。
さらに、第1および/または第2の透明導電層は、希ガス、窒素および酸素よりなる群から選択される少なくとも一つのガス雰囲気下で、200〜800℃の温度で熱処理が施されていることも好ましい。このような熱処理を施すことで、透明導電層中でのキャリア密度を増加させ得るため、抵抗率を低下させることができる。
上記熱処理は、上記傾斜面(およびp層表面)に透明導電層を形成後、反射層形成前の半導体発光素子中間体に施すことが一般的であるが、この熱処理によって透明導電層表面が酸化して酸化層が形成される場合がある。この場合、上記酸化層を除去することが好ましく、これにより、透明導電層上に形成される反射層との接触抵抗を低くし、且つ密着性を向上させることできる。上記酸化層は、例えば、塩化鉄(FeCl3)と塩酸の混合液などを用いたエッチングにより除去できる。
第1および/または第2の反射層は、光の反射率が85%以上であることが好ましいことは上記した通りであるが、第3実施形態では、上記透明導電層を介して、上記凹部の傾斜面やp層上に反射層を形成するため、反射層の構成素材として、p層とオーミック接触し得ない素材を選択することができる。よって、反射層の構成素材としては、AlやAgなどが好適であるが、Agは腐食し易いといった問題があるため、Alが特に好適である。
また、第3実施形態におけるp型電極105およびn型電極106の素材としては、特に限定されないが、Auが好適である。上記の通り、本発明の半導体発光素子はフリップチップ接合されるものであるため、これら電極のAuを金バンプとして利用することができる。ただし、実施形態を問わず、本発明の半導体発光素子は、実装の場合の接合手段が金バンプによる接合に限定されるわけではなく、例えばハンダバンプによって接合することも可能である。
<第4実施形態>
図5は、本発明の半導体発光素子の第4実施形態を示す断面模式図である。第4実施形態は、以下の点に特徴を有している。
図5は、本発明の半導体発光素子の第4実施形態を示す断面模式図である。第4実施形態は、以下の点に特徴を有している。
第4実施形態に係る半導体発光素子10dでは、第2の透明導電層108aが、第2の反射層107aとp層104との間の一部にのみ介在しており、第2の反射層107aとp層104が直接接する部分119が存在する。
上記の第2実施形態や第3実施形態では、第2の透明導電層108aが、第2の反射層107aとp層104の間の全面に介在しているが(図2、図3)、この場合、発光層103から発生した光のうち、p型電極105側に向かう光は、全て第2の透明導電層108aを通過して第2の反射層107aに到達する。そして第2の反射層107aと第2の透明導電層108aの界面に到達した光は反射光となり、支持基板101側へ向かうが、この反射光も全て第2の透明導電層108aを通過する。発光層103からの光および上記反射光は、第2の透明導電層108aを通過する際に、僅かではあるが吸収される。そのため、発光層103から発生した光のうち、支持基板101側から取り出し得る光も、減少することになる。
よって、第4実施形態に係る半導体発光素子10dでは、第2の反射層107aとp層104との間で電気的接続を達成するための第2の透明導電層108aの介在の程度を、発光に十分な電流量が確保できるレベルに抑え、第2の反射層107aとp層104とを直接接触させる面積を増やすことで、第2の透明導電層108aにより吸収される光の低減を達成している。
第4実施形態に係る第2の透明導電層の形態は、発光に十分な電流量が確保できる限り、特に制限はない。例えば、平面視で、格子状、線状(例えば、複数本の線が平行に配列された形状)などの連続形状で、p層が露出できる箇所を複数備えた形態や、突起(ドット)などが平面視で不連続に点在する形態(いわゆる不連続層)が挙げられる。こうした第2の透明導電層の介在の程度は、第2の反射層とp層との間の平面視での全面積に対し、例えば、40面積%以上、より好ましくは60面積%以上であって、100面積%以下(第2の透明導電層による光の吸収が問題にならない場合は100面積%であってもよい)、より好ましくは80面積%以下とすることが望ましい。
第4実施形態に係る第2の透明導電層を形成するには、第3実施形態において説明した形成法を実施する際に、平面視でp層が露出すべき箇所にマスクを施しておく方法や、透明導電層形成後、プラズマあるいは塩化鉄を含むエッチング液などを用いた公知のエッチング法により、平面視でp層が露出する箇所を形成する方法などが採用できる。
なお、図5では、第1の反射層107が、絶縁膜109を介して上記傾斜面に形成されている態様を示したが、この絶縁膜に代えて、第1の透明導電層が第1の反射層107と上記傾斜面の間に介在していてもよく、また、n型電極106が図3に示す構造のものであってもよい。
<第5実施形態>
図6は、本発明の半導体発光素子の第5実施形態を示す模式図であり、(a)は各層の積層構造を示す断面図である。第5実施形態は、以下の点に特徴を有している。
図6は、本発明の半導体発光素子の第5実施形態を示す模式図であり、(a)は各層の積層構造を示す断面図である。第5実施形態は、以下の点に特徴を有している。
第5実施形態に係る半導体発光素子10eでは、第2の透明導電層108aが上記A層およびB層から構成される積層構造(図6中では単層で表現している)であり、且つB層側表面(第2の反射層107a側)に凹凸構造を有している。この凹凸構造の存在により、第2の反射層107aと第2の透明導電層108aとの界面での光の散乱を抑制できる。よって、発光層103から発生した光のうち、p型電極105側へ向かう光を、支持基板101側へ高効率に反射させることが可能であり、発光素子から外部へ取り出し得る光量を増加させることができる。
第2の透明導電層108a表面に上記の凹凸構造を形成するには、例えば、第2の透明導電層108a(B層)形成後に、プラズマあるいは塩化鉄を含むエッチング液などを用いた公知の方法によってエッチングを施せばよい。そして、その後第2の反射層107aを形成することで、第2の透明導電層108aと第2の反射層107aの界面が凹凸状となる。
また、第5実施形態に係る半導体発光素子10eでは、n層102の支持基板101側表面にも、凹凸構造を有している。図6(b)にn層102の支持基板側表面が凹凸構造を有する場合の一例を示す。この凹凸構造の存在により、支持基板101側へ向かう光が、n層102と支持基板101との界面で散乱することを抑制できる。このため、支持基板101を経て発光素子外部に取り出し得る光量を増加させることができる。
n層102表面の上記凹凸構造は、例えば、支持基板101上にn層102を形成後、支持基板101側からレーザー光を照射し、n層102の一部を分解する方法が採用できる。n層102の分解物は、半導体発光素子側面から、外部に放散する。よって、このような凹凸構造形成法を採用した場合、凹部は空隙となる。
第2透明導電層表面の上記凹凸構造、およびn層表面の上記凹凸構造の形態としては、例えば、三角錐形状や円柱形状などの形状を有する凸部が、周期的に形成された形態が挙げられる。こうした凸部のピッチは特に制限されないが、例えば、凸部の形状が三角錐や円柱の場合には、該三角錐または該円柱の底面の直径長さと同程度の距離(例えば同じ長さ)が例示できる。また、凸部が三角錐の場合には、三角錐の頂点と底面の中心点とを通る線分と三角錐側面とのなす角が、例えば30〜60°であることが望ましい。
なお、図6では、第2の透明導電層108a表面、n層102表面の両者が凹凸構造を有している態様を示したが、いずれか一方のみが凹凸構造を有する態様であってもよい。ただし、光の取り出し効率を更に高める観点からは、第2の透明導電層108a表面、n層102表面共、凹凸構造を有している態様が望ましい。
また、図6では、第1の反射層107が、絶縁膜109を介して上記傾斜面に形成されている態様を示したが、この絶縁膜に代えて、第1の透明導電層が第1の反射層107と上記傾斜面の間に介在していてもよく、また、n型電極106が図3に示す構造のものであってもよい。
<第6実施態様>
図7は、本発明の半導体発光素子の第6実施態様を示す斜視図である。この第6実施態様の半導体発光素子10fは、上記凹部の形状が平面視で櫛型に形成されており、これにより、櫛型のp型電極105と櫛型のn型電極106が、平面視で互いに噛み込み状に構成されている。なお、図7では、半導体発光素子の各層の構成の理解を容易にするために、反射層や透明導電層、絶縁膜は図示していないが、p型電極105の対向する2つの櫛歯と、これに挟まれる凹部を含む断面が、図1〜図3、図5または図6に示すような上記本発明の半導体発光素子の断面構造(第1実施形態〜第5実施形態)を有している。
図7は、本発明の半導体発光素子の第6実施態様を示す斜視図である。この第6実施態様の半導体発光素子10fは、上記凹部の形状が平面視で櫛型に形成されており、これにより、櫛型のp型電極105と櫛型のn型電極106が、平面視で互いに噛み込み状に構成されている。なお、図7では、半導体発光素子の各層の構成の理解を容易にするために、反射層や透明導電層、絶縁膜は図示していないが、p型電極105の対向する2つの櫛歯と、これに挟まれる凹部を含む断面が、図1〜図3、図5または図6に示すような上記本発明の半導体発光素子の断面構造(第1実施形態〜第5実施形態)を有している。
本発明の半導体発光素子が、かかる第6実施形態の場合には、各電流経路の抵抗を等しくして発光層103内の電流分布を広くすることにより、発光が電極直下に集中することを防止し、加えて発光面積を拡大させることができる。よって発生する光量を増大させることが可能である。
<上記凹部の形成方法>
次に、上記凹部の形成方法について説明する。図8は、凹部形成の各工程を経た半導体発光素子中間体の断面構造を示したものである。まず、図8(a)に示すように、支持基板101上に、n層102、発光層103、p層104を順次積層してなるGaN系化合物半導体層を形成する。
次に、上記凹部の形成方法について説明する。図8は、凹部形成の各工程を経た半導体発光素子中間体の断面構造を示したものである。まず、図8(a)に示すように、支持基板101上に、n層102、発光層103、p層104を順次積層してなるGaN系化合物半導体層を形成する。
次に、p層104上にエッチングマスク層200を形成する[図8(b)]。エッチングマスク層200は、例えば、SiO2、SiN、Ni、レジスト樹脂などを用いて、公知の蒸着法(SiO2、SiN、Niなど)や、塗布・露光による硬化(レジスト樹脂)などにより製膜することで形成できる。その厚みは、0.1〜5μmとすることが好ましい。
次に、エッチングマスク層200上にレジスト樹脂(好ましくはポジ型フォトレジスト)を塗布し、露光・現像して、エッチングマスク層200をエッチングするためのパターン(開口部)を形成する。図8(c)は、エッチングマスク層200をエッチングするための開口部を形成したレジスト膜201を有する半導体発光素子中間体を示している。
次に、エッチングマスク層にエッチングを施し、GaN系化合物半導体層に上記凹部を設けるためのパターン(開口部)を形成する。エッチングマスク層がSiO2より構成される場合のエッチングには、例えば、バッファフッ酸(BHF、NH4FとHFの混合物)をエッチング液として用いることができる。この際、エッチング液に曝される時間が長くなるエッチングマスク層のレジスト膜側近傍ほど、該エッチングマスク層の側面方向のエッチング長さが大きくなり、他方、該エッチングマスク層のp層側近傍ほど、側面方向のエッチング長さが小さくなる。よって、このエッチングによって、エッチングマスク層には、レジスト膜側(レジスト膜を除去した後にあっては、表面側)を広い開口、p層側を狭い底面とする開口部が形成される。この開口部の形状(開口面積や開口部傾斜面の傾斜角)を調整することで、GaN系化合物半導体層に形成する凹部の形状(開口面積や傾斜面の傾斜角)を制御することができる。
エッチングマスク層の上記開口部の形状は、BHFの濃度やエッチング時間で制御可能である。例えば、BHFとしては、NH4F:HF=10〜0.1:1(体積比、以下同じ)とし、これを純水で1〜10倍(体積倍、以下同じ)に希釈した濃度のものが好ましく、また、エッチング時間は、エッチングマスク層の厚みにもよるが、例えば、0.5μmの厚みの場合には、2〜4分が好適であり、これらを基準として、形成する開口部の形状に応じて適宜選択すればよい。
エッチングマスク層に上記開口部を形成した後、レジスト膜を除去するが、その方法としては、レジスト膜を溶解し得る溶媒を使用して溶解除去することが一般的である。溶媒の種類は、レジスト樹脂の種類にもよるが、アセトンなどのケトン類や、発煙硝酸などが通常使用される。図8(d)は、エッチングマスク層200に上記開口部を形成後、レジスト膜を除去した半導体発光素子中間体を示している。例えば、図8(c)に示すように、レジスト膜201に設けられた開口部が比較的小さくても、例えばエッチング時間を長くするなどにより、図8(d)に示すように、エッチングマスク層200の開口面積を大きくすることが可能である。
次に、図8(e)に示すように、塩素を含むプラズマ201によってエッチングを行い、上記凹部を形成する。このエッチングには、公知のプラズマ処理装置[反応性イオンエッチング装置(RIE)など]を使用すればよい。上記凹部の形状(開口面積や傾斜面の傾斜角)は、上述したエッチングマスク層200の開口部の形状に加えて、エッチングマスク層200の厚みや、エッチングの際のプラズマの生成電力を調整することによっても制御できる。このエッチングの際には、エッチングマスク層200の一部もエッチングされてしまうが、例えばSiO2から構成されるエッチングマスク層では、GaN系化合物半導体層の方がエッチング速度が2〜4倍程度速い。よって、エッチングマスク層200の厚みや開口部の傾斜角を適切なものとすれば、例えば開口部の形状が図8(d)のようなエッチングマスク層200を設けておくことで、図8(e)のような形状の凹部を形成することができる。
塩素を含むプラズマによるエッチングの終了後、残存しているエッチングマスク層を除去して、GaN系化合物半導体層に上記凹部を形成した半導体発光素子中間体[図8(f)]を得ることができる。エッチングマスク層の除去方法は、特に制限されず、エッチングマスク層を構成する素材を溶解し得る溶媒を用いた溶解除去などが採用できる。エッチングマスク層が、例えばSiO2で構成されている場合には、BHFやフッ酸などを用いればよい。
<上記凹部形成後の工程>
次に、本発明の半導体発光素子のうち、上記第2実施形態を例にとり、上記凹部形成後の工程を説明する。第2実施形態の場合は、まず透明導電層(上記第2の透明導電層)と絶縁膜を形成する。これらの形成順序は特に限定されない。図9には、透明導電層108aを形成し[図9(a)]、その後、絶縁膜109を形成した例を示している[図9(b)]。透明導電層108a形成後は、上記条件下での熱処理や、p型ドーパントのドーピングを行うことが好ましい。また、上記熱処理を施した場合には、透明導電層表面に形成される酸化層を除去することが推奨される。
次に、本発明の半導体発光素子のうち、上記第2実施形態を例にとり、上記凹部形成後の工程を説明する。第2実施形態の場合は、まず透明導電層(上記第2の透明導電層)と絶縁膜を形成する。これらの形成順序は特に限定されない。図9には、透明導電層108aを形成し[図9(a)]、その後、絶縁膜109を形成した例を示している[図9(b)]。透明導電層108a形成後は、上記条件下での熱処理や、p型ドーパントのドーピングを行うことが好ましい。また、上記熱処理を施した場合には、透明導電層表面に形成される酸化層を除去することが推奨される。
その後、n型電極を構成するTi層112、反射層107、107a、Al層110を形成する[図9(c)]。反射層107、107aがAlから構成される場合には、Al層110と同時に形成することができる。続いてp型電極105を形成して図2に示す第2実施形態の半導体発光素子が得られる。
上記の各工程での層形成方法や熱処理、ドーピングについては、上述の第1実施形態から第5実施形態の項で説明した方法、条件に従えば良い。
以上の通り、本発明の半導体発光素子では、上記傾斜面に設けられた反射層(第1の反射層)によって、光の取り出し効率を高め得ることに加えて、該反射層を、絶縁膜を介して形成することにより、反射層によるリーク電流の発生を抑制でき、半導体発光素子の発光効率を高めることができる。
他方、上記傾斜面の反射層(第1の反射層)を、第1の透明導電層を介してp層と電気的に接続すると共に、p型電極とp層の間にも第2の反射層を設け、この第2の反射層についても、透明導電層を介してp層と電気的に接続する構成を採用した場合には、特に第2の反射層とp層とのオーミック性が良好となることで、p型電極部分でのロスを抑制できる。しかも、半導体発光素子を半導体発光装置などに使用するためにフリップチップ接合によって回路基板などに実装した場合に、この第2の反射層を設けることで、p型電極での光の吸収を抑えることができ、支持基板(サファイア基板)からの光の取り出し効率を高めることができる。
また、第2の透明導電層を、第2の反射層とp層の間の一部にのみ介在させることで、第2の反射層−p層間の電気的接続を発光に十分な程度に保ちつつ、第2の反射層とp層が直接接する面積を増やすことができる。そのため、発光層から発生した光のうち、第2の透明導電層で吸収される光の量を減らすことができるため、光の取り出し効率をより高めることができる。
さらに、第2の透明導電層を、上述した特定の元素を含む金属から構成される薄膜(例えば、厚みが20〜200Å)とすることで、発光層から発生した光やその反射光の、該透明導電層による吸収を抑制しつつ、p層と第2の反射層との間の抵抗を低くでき、動作電圧の低い半導体発光素子とし得る。
加えて、第2の透明導電層を、上述した特定の積層構造とすることで、p層と第2の反射層との間の抵抗を低く、半導体発光素子の動作電圧を低下させつつ、第2の透明導電層の全厚みを比較的大きくできる。よって、第2の透明導電層の表面(第2の反射層側表面)を凹凸構造とすることができる。この場合、発光層から放射されて第2の反射層に向かう光を、第2の反射層と第2の透明導電層の界面での散乱を抑制しつつ効率的に支持基板側に反射できるため、光の取り出し効率をより高めることができる。
また、n層の支持基板側表面に凹凸構造を付すことで、発光層から放射された光のうち、支持基板側に向かう光の、n層−支持基板界面での散乱を抑制できる。このため、光の取り出し効率を更に高めることができる。
さらに、上記の層構成を採用し、加えて櫛型のn型電極と櫛型のp型電極が、互いに噛み込み状に配される構成を採用した半導体発光素子では、p型電極領域での電流分布を均一化することでき、これにより素子の発光自体を向上させ得ると共に、上述の通り、第1の反射層や第2の反射層の作用により、発光層側面やp型電極に向かう光を支持基板から取り出すことができるため、素子の明るさを一層高めることができる。
以下、実施例に基づいて本発明を詳細に述べる。ただし、下記実施例は本発明を制限するものではなく、前・後記の趣旨を逸脱しない範囲で変更実施をすることは、全て本発明の技術的範囲に包含される。
<光の取り出し効率の評価実験>
実験1
実施例1
支持基板上にn層、発光層、p層を順次積層してなるGaN系化合物半導体層を有する半導体発光素子中間体Aを用意した。この支持基板、n層、発光層およびp層を構成する化合物と、各層の厚みを表1に示す。
実験1
実施例1
支持基板上にn層、発光層、p層を順次積層してなるGaN系化合物半導体層を有する半導体発光素子中間体Aを用意した。この支持基板、n層、発光層およびp層を構成する化合物と、各層の厚みを表1に示す。
上記半導体発光素子中間体Aのp層表面に、SiO2からなるエッチングマスク層(厚み:1μm)を形成した。エッチングマスク層の形成は、MOCVD法によって、450℃の温度下で、シランガス(SiH4)と酸素の混合気体を用いて行った。
さらにこのエッチングマスク層上に、ポジ型フォトレジスト(東京応化製「iP1800」)を、スピンコート法(500回転で10秒、その後2000回転で30秒)により塗布し、表面温度が110℃のホットプレート上に載せて4分間ベークした後、i線ステッパ装置(ミカサ社製「マニュアルアライナー MA−10」を用いて10.5秒露光した。その後、アルカリ現像液(東京応化社製「NMD3」を用いて現像を行った。現像時間は90秒とし、その後5分間水洗した。さらに110℃で2分間ポストベークを行い、図8(c)に示すような開口部を有するレジスト膜を形成した。
次に、上記レジスト膜の開口部から、BHFを用い、室温で6分間エッチングを施し、レジスト膜側表面を広い開口、p層側を狭い底面とする開口部を形成した。BHFは、関東化学社のNH4F:HF=6:1(体積比)の製品に、HFを加えてNH4F:HF=3:1に調製し、さらに純水で10倍に希釈したものを用いた。その後、アセトンを用いてレジスト膜を溶解除去した。
次に、RIEを用いてプラズマエッチングを行い、GaN系化合物半導体層に上記凹部を形成し、半導体発光素子中間体Bとした。エッチングは、塩素ガスにArを加え、RFパワーとして200Wを供給して行った。この凹部のテーパ角度(傾斜面と、凹部底面の延長線とのなす角の角度)は30°である。
その後、上記の傾斜面上に絶縁膜(SiO2)膜(厚み:0.1μm)を形成させた。絶縁膜は、MOCVD法によって、450℃の温度下で、シランガス(SiH4)と酸素の混合気体を用いて、半導体発光素子中間体BのGaN系化合物半導体層の表面に形成させ、その後、エッチングマスク層をエッチングしたのと同様の手法によってエッチング処理を行い、図9(b)に示すように、傾斜面上にのみ絶縁膜が残るようにした。
次に、傾斜面上に絶縁膜を形成した半導体発光素子中間体BのGaN系化合物半導体層および絶縁膜上にITOから構成される透明導電層(100Å)を形成させた。透明導電層は、マグネトロンスパッタ装置を用い、Arに2体積%の酸素を加え、真空度を0.07Paとした環境中で、RFパワー:100Wの条件で形成させた。その後、透明導電層表面に、上記エッチングマスク層上に設けたのと同様の手法により透明導電層エッチング用の開口部を有するレジスト膜を設け、RIEを用いて、Ar流量:50sccm、RFパワー:100Wの条件でエッチングを行い、図7(a)および(b)に示すような領域に透明導電層が残るようにして、半導体発光素子中間体Cとした。
次に、半導体発光素子中間体Cの透明導電層に、ソース源:MgCl2、ビーム電流:200μA、真空度:1×10−6Torrの条件でイオン注入(ドーピング)を行った。ドーズ量は1×1013/cm2とした。
次に、ドーピング後の半導体発光素子中間体Cに、ランプアニール装置を用いて、窒素と酸素の混合気体雰囲気下(O2濃度:2体積%、流量:50sccm)、500℃で1分熱処理を施した。その後、透明導電層表面に形成された酸化層を塩化鉄(FeCl3)と塩酸の混合液によって除去した。
続いて、上記熱処理・酸化層除去後の半導体発光素子中間体Cの表面にTi層(厚み:500Å)を形成させ、透明導電層と同様のエッチング処理により、図9(c)に示すように上記凹部表面部のみを残すようにした。その後、さらにAl層(厚み:8000Å)を形成させ、透明導電層と同様のエッチング処理により、図9(c)に示すように、Ti層上、絶縁膜上および透明導電層上のみを残すようにした。Ti層およびAl層は、いずれも、エレクトロンビーム蒸着装置を用い、エミッション電流:30mA、真空度:1×10−6Torrの条件で形成させた。
Al層の形成後、440℃、15分の条件で熱処理を行った。この熱処理は、Ti層とAl層との密着性の向上、p層と第2の透明導電層との密着性の向上、およびp層と第2の透明導電層との間の接触抵抗の低減を目的として実施するものである。本発明の半導体発光素子では、TiとAlを積層した電極を採用する場合には、層間密着性の向上およびTiとAlの接触抵抗低減の観点から、こうした熱処理を実施することが好ましい。
その後、スパッタ装置を用い、Ar流量:50sccm、RFパワー:200W、真空度:1×10−6Torrの条件でAu層(厚み:1.5μm)を形成させ、透明導電層と同様のエッチング処理により、図2に示すように、p型電極(105)およびn型電極のAl層上(111)のみを残して、半導体発光素子を得た。
得られた半導体発光素子を光検出器(フォトダイオード)上に設置し、半導体発光素子に2mAの電流を供給して、支持基板側から素子外部に発生する光を光検出器で測定した。この光検出器では、検出した光を電流値でアウトプットするものである。結果を表2に示す。
実施例2,3,比較例1
半導体発光素子中間体Bを得るためのエッチングマスク層のエッチングにおいて、BHFとして、関東化学社のNH4F:HF=6:1の製品を純水で10倍に希釈したもの(実施例2)、関東化学社の該製品にNH4Fを添加してNH4F:HF=10:1に調製し、純水で10倍に希釈したもの(実施例3)、または関東化学社の該製品にNH4Fを添加してNH4F:HF=10:1に調製したもの(比較例1)に変更した他は、実施例1と同様にして半導体発光素子を得た。テーパ角度は、実施例2が45°、実施例3が60°、比較例が90°である。すなわち、比較例は従来の半導体発光素子に相当する。これらの半導体発光素子について、実施例1と同様にして光の強度(電流値)を測定した。結果を表2に示す。
半導体発光素子中間体Bを得るためのエッチングマスク層のエッチングにおいて、BHFとして、関東化学社のNH4F:HF=6:1の製品を純水で10倍に希釈したもの(実施例2)、関東化学社の該製品にNH4Fを添加してNH4F:HF=10:1に調製し、純水で10倍に希釈したもの(実施例3)、または関東化学社の該製品にNH4Fを添加してNH4F:HF=10:1に調製したもの(比較例1)に変更した他は、実施例1と同様にして半導体発光素子を得た。テーパ角度は、実施例2が45°、実施例3が60°、比較例が90°である。すなわち、比較例は従来の半導体発光素子に相当する。これらの半導体発光素子について、実施例1と同様にして光の強度(電流値)を測定した。結果を表2に示す。
表2では、光強度比として、実施例1〜3の半導体発光素子の光電流値を、比較例の半導体発光素子で得られた光電流値を1とした場合の相対値として示している。また、これらの結果を図11のグラフにも示す。図11のグラフでは、縦軸に光強度比を、横軸に半導体発光素子の上記凹部のテーパ角度を表している。実施例1〜3の半導体発光素子では、凹部の傾斜面に設けた反射層(Al層)やAlで構成されるp型電極によって、支持基板側へ向けられる光、すなわち支持基板から取り出される光の割合が増大していると共に、絶縁膜により、電流のリークが防止されて供給電流が効率よく発光に利用されており、これらの効果によって表2および図11に示す結果が得られている。
また、実施例4として、実施例1に記載のイオン注入(ドーピング)を透明導電層に施さない他は、実施例2と同様にして半導体発光素子を作製し、実施例2の半導体発光素子と、動作電圧の比較を行った。その結果、実施例2の半導体発光素子は、実施例4に比べて動作電圧が0.2V低く、透明導電層へのドーピングによる抵抗率低減効果が確認できた。
実験2
実施例5、比較例2
実施例2と同様の手法・条件により、表3に示す構成で、図3に示す構造の半導体発光素子(実施例5)を、また、比較例1と同様の手法・条件により、表3に示す構成で、図10に示す構造の半導体発光素子(比較例2)を作製した。なお、比較例2の半導体発光素子のp型電極、n型電極は、いずれも積層構造であり、Auが最表層となっている。
実施例5、比較例2
実施例2と同様の手法・条件により、表3に示す構成で、図3に示す構造の半導体発光素子(実施例5)を、また、比較例1と同様の手法・条件により、表3に示す構成で、図10に示す構造の半導体発光素子(比較例2)を作製した。なお、比較例2の半導体発光素子のp型電極、n型電極は、いずれも積層構造であり、Auが最表層となっている。
これらの半導体発光素子の発光強度(光電流値)を実施例1と同様にして測定した。結果を表4に示す。
表4から分かるように、実施例5の半導体発光素子では、入力電流に対する光起電流が、比較例の半導体発光素子よりも大きく、発光強度が大きいことが分かる。特に供給電流が2mAの条件では、実施例5の半導体発光素子は、比較例2のものに比べて、約1.7倍の発光強度を有している。
実施例5の半導体発光素子では、凹部の傾斜面に設けた反射層(Al層)やAlで構成されるp型電極によって、支持基板側へ向けられる光、すなわち支持基板から取り出される光の割合が増大していると共に、傾斜面上に設けられたITOから構成される透明導電層により、電流のリークが防止されて供給電流が効率よく発光に利用されており、これらの効果によって表4に示す結果が得られている。
<透明導電層の熱処理による効果確認実験>
透明導電層を形成し、ドーピングを施した後の半導体発光素子中間体Cの熱処理条件を200〜900℃で100℃ごとに変更した他は実施例2と同様にして半導体発光素子を作製し、透明導電層の抵抗値と熱処理温度との関係を調べた。透明導電層の抵抗値は、4端子法により測定した。p層上の透明導電層を平面視で正方形としておき、この透明導電層の4隅に1本ずつプローブを当てる。隣り合う2本ずつのプローブを一対とし、片対のプローブには一定電流を流し、他対のプローブで電圧を計測する。このときの電流(I)と電圧(V)の関係から透明導電層の抵抗値を算出する。測定装置には、アジレントテクノロジ社製「半導体パラメータアナライザ 4145B」を用いた。結果を図12に示す。
透明導電層を形成し、ドーピングを施した後の半導体発光素子中間体Cの熱処理条件を200〜900℃で100℃ごとに変更した他は実施例2と同様にして半導体発光素子を作製し、透明導電層の抵抗値と熱処理温度との関係を調べた。透明導電層の抵抗値は、4端子法により測定した。p層上の透明導電層を平面視で正方形としておき、この透明導電層の4隅に1本ずつプローブを当てる。隣り合う2本ずつのプローブを一対とし、片対のプローブには一定電流を流し、他対のプローブで電圧を計測する。このときの電流(I)と電圧(V)の関係から透明導電層の抵抗値を算出する。測定装置には、アジレントテクノロジ社製「半導体パラメータアナライザ 4145B」を用いた。結果を図12に示す。
図12のグラフでは、縦軸に透明導電層の抵抗値を、横軸に熱処理温度を表している。図12から分かるように、透明導電層の熱処理温度が200〜800℃の場合には、抵抗値が非常に小さく、半導体発光素子に供給した電流が、より効率よく発光に使用され得ることを示している。
10a 10b 10c 10d 10e 10f 20 半導体発光素子
101 支持基板
102 n層
103 発光層
104 p層
105 p型電極
106 n型電極
107 第1の反射層
107a 第2の反射層
108 第1の透明導電層
108a 第2の透明導電層
109 絶縁膜
110 Al層
111 Au層
112 Ti層
113 透明導電層を形成する試料
114 透明導電層形成用ターゲット
115 マグネット
116 試料ホルダー
117 スパッタ粒子の経路
118 プラズマ
119 p層と第2の反射層との接触面
120 第2の透明導電層の第2の反射層側表面の凹凸構造
121 n層の支持基板側表面の凹凸構造
200 エッチングマスク層
201 レジスト膜
202 塩素を含むプラズマ
A1 A2 A3 A4 反射層により支持基板側へ反射される光の経路
B1 p型電極面で反射される光の経路
B2 発光層から素子側面へ漏れる光の経路
101 支持基板
102 n層
103 発光層
104 p層
105 p型電極
106 n型電極
107 第1の反射層
107a 第2の反射層
108 第1の透明導電層
108a 第2の透明導電層
109 絶縁膜
110 Al層
111 Au層
112 Ti層
113 透明導電層を形成する試料
114 透明導電層形成用ターゲット
115 マグネット
116 試料ホルダー
117 スパッタ粒子の経路
118 プラズマ
119 p層と第2の反射層との接触面
120 第2の透明導電層の第2の反射層側表面の凹凸構造
121 n層の支持基板側表面の凹凸構造
200 エッチングマスク層
201 レジスト膜
202 塩素を含むプラズマ
A1 A2 A3 A4 反射層により支持基板側へ反射される光の経路
B1 p型電極面で反射される光の経路
B2 発光層から素子側面へ漏れる光の経路
Claims (9)
- 透光性を有する支持基板の一方の面に、n層、発光層、p層が順次積層され、且つn型電極を前記n層上に形成するための凹部を有するGaN系化合物半導体層を含む半導体発光素子であって、
前記凹部は、前記p層側を広い開口、前記n層側を狭い底面とする傾斜面を有し、少なくとも該傾斜面に前記発光層から放射される光を前記支持基板側へ反射するための反射層を有するものであり、
前記反射層は、前記n層から前記p層に亘って前記傾斜面に形成され、ITO、IZO、ZnO、In2O3、SnO2またはCdOより構成されてなる透明導電層上に形成され、
前記凹部の形状が平面視で櫛型に形成されることにより、櫛型のp型電極と櫛型のn型電極を、互いに噛み込み状に構成されてなるものであることを特徴とする半導体発光素子。 - 前記p層と前記p型電極との間にも、前記発光層から放射される光を前記支持基板側へ反射するための第2の反射層を有するものである請求項1に記載の半導体発光素子。
- 前記第2の反射層は、第2の透明導電層を介して前記p層と電気的に接続しているものである請求項2に記載の半導体発光素子。
- 前記第2の透明導電層が、前記第2の反射層と前記p層の間の一部に介在している請求項3に記載の半導体発光素子。
- 前記第2の透明導電層は、ITO、IZO、ZnO、In2O3、SnO2またはCdOより構成されてなるものである請求項1、3または4に記載の半導体発光素子。
- 前記第2の透明導電層は、Ni、Pd、Pt、Cr、Mn、Ta、CuまたはFeを含む金属で構成されてなり、その厚みが20〜200ÅであるA層と、
ITO、IZO,ZnO、In2O3、SnO2またはCdOで構成されてなるB層を有してなり、且つ
B層が前記第2の反射層と接しているものである請求項4または5に記載の半導体発光素子。 - 前記第2の透明導電層に係るB層は、前記第2の反射層側表面に凹凸構造を有するものである請求項6に記載の半導体発光素子。
- 前記第1および/または第2の透明導電層には、p型ドーパントがドープされているものである請求項1、3〜7のいずれかに記載の半導体発光素子。
- 前記第1および/または第2の透明導電層中のp型ドーパント濃度は、反射層との接触面近傍よりも、他面側近傍の方が、大きくなっているものである請求項8に記載の半導体発光素子。
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- 2006-02-06 JP JP2006028267A patent/JP2006128727A/ja active Pending
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