JP2007109793A

JP2007109793A - 半導体発光素子および光散乱基板

Info

Publication number: JP2007109793A
Application number: JP2005297666A
Authority: JP
Inventors: Toshikazu Yasuda; 壽和安田; Akira Omae; 暁大前
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2005-10-12
Filing date: 2005-10-12
Publication date: 2007-04-26

Abstract

【課題】より光抽出効率を向上させることの可能な半導体発光素子を提供する。
【解決手段】
発光波長に対して透明な光散乱基板１２上に発光部３０を備え、発光部３０で発生した光を光散乱基板１２側から射出する。光散乱基板１２は基板１０（サファイア基板）の上に突状の複数の光散乱部１１を有している。光散乱部１１は、例えばＳｉＯ₂（酸化シリコン）からなる媒質部分１３の内部に例えばＳｉ（シリコン）からなる多数の散乱粒子１４を分散したものである。発光光は、光散乱部１１の斜面で屈折したり、光散乱部１１の内部の散乱粒子１４により散乱されて臨界角未満の角度に変化する。これにより光抽出効率が向上する。
【選択図】図１

Description

本発明は基板側から光を射出する半導体発光素子、およびこれに用いる光散乱基板に関する。

発光ダイオード（ＬＥＤ；Light Emitting Diode）等の半導体発光素子の外部量子効率は、内部量子効率と光抽出効率との２つの要素からなり、これらの効率を改善することにより、長寿命、低消費電力、かつ、高出力の半導体発光素子を実現することが可能となる。ここで、前者の内部量子効率は、例えば、結晶欠陥や転位の少ない良質な結晶が得られるように成長条件を正確に管理したり、キャリア・オーバーフローの発生を抑制することの可能な層構造とすることにより改善される。一方、後者の光抽出効率は、活性層から発光した光が基板や活性層で吸収される前に射出窓に対して臨界角未満で入射する割合が多くなるような幾何形状や層構造とすることにより改善される。

例えば、基板上に、基板とは異なる種類の材料からなる半導体層を積層する際に、外部量子効率を改善する方策として、例えば特許文献１および特許文献２に記載の技術がある。これらの技術では、基板表面にあらかじめ凹凸を形成しておき、その凹凸のある基板表面に半導体層を横方向成長させるようにしている。

特開２００４−６９３１号公報特開２００４−６９３７号公報

しかし、特許文献１および特許文献２に記載の技術では、基板表面に設けられた凹凸の構造や結晶成長条件が適切でなければ、半導体層中に隙間が形成されたり、高結晶欠陥が広範囲に広がるなど、外部量子効率の向上の望めない素子が形成されることとなる。

そこで、基板表面に所定の凹凸を設けると共に、この基板上に結晶成長時に所定の面が形成されるような成長条件で半導体層を隙間なく形成する技術が本出願人と同一出願人により提案されている。これにより内部量子効率を大幅に改善することができ、さらに凸部の側面の傾斜角や面積を調整することにより光抽出効率も改善することができる。

ただ、先に提案した技術では、内部量子効率の改善に主眼が置かれていたため、光抽出効率については改善の余地があった。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、より光抽出効率を向上させることの可能な半導体発光素子、およびこれに用いる光散乱基板を提供することにある。

本発明の光散乱基板は、発光波長に対して透明な基板の表面に突状の１または複数の光散乱部を有するものであり、その光散乱部の内部には複数の光散乱粒子が分散されている。本発明の半導体発光素子は、この光散乱基板上に、活性層を含み活性層からの発光光を基板側に導くための発光部を備えている。

この半導体発光素子では、活性層からの発光光のうち、基板に対して臨界角以上の角度で進入しようとする光の多くは、光散乱部の斜面で屈折したり、光散乱部の内部に分散した散乱粒子により散乱されることにより臨界角未満の角度に変化する。

本発明の半導体発光素子によれば、基板上に、内部に複数の散乱粒子が分散された光散乱部を設けるようにしたので、基板側に向かう光、特に臨界角以上の角度で向かう光が散乱される。このため発光光が基板に対して臨界角未満で入射する割合が多くなり、これにより光抽出効率が向上する。よって、高出力の発光ダイオードを実現することが可能となる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は本発明の一実施の形態に係る発光ダイオード（ＬＥＤ）１の断面構造を表したものである。この発光ダイオード１は、光散乱基板１２上に発光部３０を設けたものであり、図２はその光散乱基板１２のみを抜き出して斜視的に表している。なお、図１および図２は模式的に表したものであり、実際の寸法、形状とは異なっている。

光散乱基板１２は、基板１０、例えばサファイア基板の一面側に断面台形状の複数の光散乱部１１を周期的に形成したものである。ここでは各光散乱部１１は基板１０の〈１−１００〉方向に帯状に延在している。

基板１０は、光散乱部１１の形成されている表面（主面）がｃ面となっており、そのｃ面は平坦面となっている。なお、光散乱部１１はｃ面以外の他の面に形成されていてもよい。また、この基板１０は、発光部３０から発生する光の発光波長に対して透明であればよく、サファイア以外の材料、例えばＧａＮ（窒化ガリウム）により構成されていてもよい。

光散乱部１１は、例えば上底の幅が２μｍ、高さが１μｍの台形状の断面を有しており、隣り合う光散乱部１１とは、例えば２μｍの間隙を有する。光散乱部１１は媒質部分１３中に複数の散乱粒子１４を分散したものであり、基板１０側に向かう発光光はこの光散乱部１１を透過する際にその斜面で屈折したり、内部の多数の散乱粒子１４によって散乱されるようになっている。

なお、光散乱部１１は台形状の他、例えば、図３に示したような半球形状の断面を有するものであってもよく、また、図４に示したような三角形状の断面を有するものであってもよい。このように、傾斜面の面積を多く設けることにより、傾斜面で屈折した発光光が射出窓に対して臨界角未満で入射する割合が多くなり、光抽出効率を向上させることができる。

媒質部分１３は、散乱粒子１４よりも小さな屈折率を有すると共に、発光光を透過させる材料、例えば、ＳｉＯ₂、ＴｉＯ₂、Ｓｂ₂Ｏ₃、ＣａＯまたはＩｎ₂Ｏ₃よりなる。散乱粒子１４は、媒質部分１３の構成材料よりも大きな屈折率を有すると共に、発光光の発光波長に相当するエネルギーより大きなバンドギャップとなるサイズの粒子であり、例えば、発光光の発光波長が３００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下のとき、直径０．５ｎｍ以上５ｎｍ以下のＳｉ、Ｔｉ、Ｓｂ、ＣａまたはＩｎにより構成される。

以上の光散乱基板１２上に設けられた発光部３０は、例えばＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体の積層構造により形成されたものである。ここでいうＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体とは、ガリウム（Ｇａ）と窒素（Ｎ）とを含んだ窒化ガリウム系化合物のことであり、例えばＧａＮ，ＡｌＧａＮ（窒化アルミニウム・ガリウム），あるいはＡｌＧａＩｎＮ（窒化アルミニウム・ガリウム・インジウム）などが挙げられる。これらは、必要に応じてＳｉ（シリコン），Ｇｅ（ゲルマニウム），Ｏ（酸素），Ｓｅ（セレン）などのＩＶ族およびＶＩ族元素からなるｎ型不純物、または、Ｍｇ（マグネシウム），Ｚｎ（亜鉛），Ｃ（炭素）などのＩＩ族およびＩＶ族元素からなるｐ型不純物を含有している。

具体的に、発光部３０は、ｎ型ＧａＮ層１５，ｎ型ＧａＩｎＮ層１６，ｎ型ＧａＮ層１７，ｎ型ＧａＩｎＮ層１８，活性層１９，ｐ型ＧａＩｎＮ層２０，ｐ型ＡｌＩｎＮ層２１，ｐ型ＧａＮ層２２およびｐ型ＧａＩｎＮ層２３をこの順に積層して構成されたものである。ここで、活性層１９のうち、後述のｐ側電極２５およびｎ側電極２６により電流注入されることにより発光する領域を発光領域１９Ａと称する。なお、以下、上記発光部３０を積層した方向を縦方向、発光光の射出方向を軸方向、軸方向と縦方向とに垂直な方向を横方向と称する。

なお、ｎ型ＧａＮ層１５は、光散乱基板１２の表面の光散乱部１１が形成されていない領域、すなわち光散乱部１１間の領域に、主面に対して傾斜したファセット面（（１−１０１）面）を斜面に有する二等辺三角柱状の結晶（種結晶）を形成したのち、横方向成長が支配的となる成長条件により形成されたものである。これにより発光部３０と光散乱基板１２との間に隙間ができたり、発光部３０中に高結晶欠陥が広範囲に広がることがなくなるので、欠陥密度が極めて小さくなり、その結果、内部量子効率を大幅に向上させることができる。

発光部３０には、ｐ型ＧａＩｎＮ層２３が形成されたのち、例えばＲＩＥ（Reactive Ion Etching：反応性イオンエッチング）により、ｐ型ＧａＩｎＮ層２３，ｐ型ＧａＮ層２２，ｐ型ＡｌＩｎＮ層２１，ｐ型ＧａＩｎＮ層２０，活性層１９，ｎ型ＧａＩｎＮ層１８およびｎ型ＧａＮ層１７まで選択的にエッチングすることによりリッジ部２４が形成されている。

また、この発光部３０には、リッジ部２４の上面、すなわち、ｐ型ＧａＩｎＮ層２３の表面にｐ側電極２５が形成されており、一方、ｎ型ＧａＩｎＮ層１６のうち露出している表面にｎ側電極２６が形成されている。ｐ側電極２５は、例えば、Ｔｉ（チタン）層，Ｐｔ（白金）層およびＡｕ（金）層をｐ型ＧａＩｎＮ層２３の表面にこの順に積層した構造を有しており、ｐ型ＧａＩｎＮ層２３と電気的に接続されている。また、ｎ側電極２６は、例えば、ＡｕとＧｅ（ゲルマニウム）との合金層，Ｎｉ（ニッケル）層およびＡｕ層とをこの順に積層した構造を有しており、ｎ型ＧａＩｎＮ層１６と電気的に接続されている。

このような構成を有する発光ダイオード１は、例えば次のようにして製造することができる。

まず、基板１０の表面に、Ｓｉが過剰に含まれるＳｉＯｘ（０＜ｘ＜２）層１１Ａを、例えば、プラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition ）法、または、同時スパッタ法を用いて形成する。

プラズマＣＶＤ法では、例えば、基板１０の温度を４００℃、ＳｉＨ₄の流量を１００ｓｃｃｍ、Ｎ₂Ｏの流量を２０００ｓｃｃｍ、圧力を３．３×１０²Ｐａ、ＲＦパワーを１５０〜３００Ｗ、ＲＦパワーを印加するための平行平板のギャップを１４ｍｍとする条件下において、ＳｉＯｘ層１１Ａを形成する。

一方、同時スパッタ法では、例えば、Ａｒ（アルゴン）の流量を２０ｓｃｃｍ、圧力を１×１０^-4Ｐａ、ＲＦパワーを５００Ｗとする条件下において、ＳｉＯ₂ターゲット上に複数のＳｉチップを配置し、ＳｉＯ₂ターゲットおよびＳｉチップをＡｒで同時にスパッタすることによりＳｉＯｘ層１１Ａを形成する。

なお、プラズマＣＶＤ法および同時スパッタ法のいずれにおいても、発光ダイオード１の用途に応じてＳｉＯｘ層１１Ａの膜厚や組成が変わるので、各用途に応じて上記成膜条件を変更すればよい。

ＳｉＯｘ層１１Ａを形成したのち、図５（Ａ）に示したようにＳｉＯｘ層１１Ａを選択的にエッチングして帯状の領域を周期的に形成し、続いてＡｒ（アルゴン）やＮ₂（窒素）などの不活性雰囲気において、例えば約７００℃以上１４００℃以下の温度でアニール処理を行う。すると、図５（Ｂ）に示したように、ＳｉＯｘがＳｉＯ₂と、Ｓｉとに分離し、ＳｉＯ₂媒質中にＳｉ微粒子が分散した状態になる。このようにして媒質部分１３中に多数の散乱粒子１４が分散し、複数の光散乱部１１を有する光散乱基板１２が形成される。

次に、この光散乱基板１２上に発光部３０を形成する。すなわち、まず、光散乱光散乱基板１２の光散乱部１１間の領域に、主面に対して傾斜したファセット面（（１−１０１）面）を斜面に有する二等辺三角柱状の結晶（種結晶）（図示せず）を形成したのち、横方向成長によりｎ型ＧａＮ層１５を形成する。続いて、このｎ型ＧａＮ層１５上に、ｎ型ＧａＩｎＮ層１６，ｎ型ＧａＮ層１７，ｎ型ＧａＩｎＮ層１８，活性層１９，ｐ型ＧａＩｎＮ層２０，ｐ型ＡｌＩｎＮ層２１，ｐ型ＧａＮ層２２およびｐ型ＧａＩｎＮ層２３をこの順に積層する。なお、各層の成長方法としては、例えば、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition ；有機金属化学気相成長）法を用い、ドナー不純物の原料としては、例えばセレン化水素（Ｈ₂Ｓｅ）を用い、アクセプタ不純物の原料としては、例えばジメチル亜鉛（ＤＭＺｎ）を用いる。

次に、ＲＩＥ法を用いて、上記積層構造をｐ型ＧａＩｎＮ層２３から選択的にエッチングすることによりリッジ部２４を形成したのち、リッジ部２４の上面（ｐ型ＧａＩｎＮ層２３の表面）にｐ側電極２５を形成すると共に、ｎ型ＧａＩｎＮ層１６の露出面にｎ側電極２６を形成する。このようにして本実施の形態の発光ダイオード１が製造される。

次に、本実施の形態の発光ダイオード１の作用・効果について説明する。

本実施の形態の発光ダイオード１では、ｐ側電極２５とｎ側電極２６との間に所定の電圧が印加されると、ｎ側電極２６から電子が、ｐ側電極２５から正孔がそれぞれ活性層１９へ注入される。そして、この活性層１９に注入された電子と正孔が再結合することにより発光領域１９Ａから光子が発生し、その結果、発光光が基板１０の裏面から外部に射出される。

このとき、発光領域１９Ａからの発光光のうち、基板１０に対して臨界角以上の角度で進入しようとする光の多くは、複数の光散乱部１１の斜面で屈折したり、光散乱部１１の内部に分散した散乱粒子１４により散乱されることにより臨界角未満の角度に変化する。

このように本実施の形態の発光ダイオード１では、光散乱部１１の内部に分散した散乱粒子１４によって、基板１０側に向かう光、特に臨界角以上の角度で向かう光が散乱される。このため発光光が基板１０に対して臨界角未満で入射する割合が多くなり、これにより光抽出効率が向上する。よって、高出力の発光ダイオード１を実現することが可能となる。

以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、種々変形可能である。例えば、上記実施の形態では、基板１０の表面は平坦面であったが、基板１０の表面のうち互いに隣り合う光散乱部１１間の領域に溝が形成されていてもよい。また、発光部３０はＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体に限らず、他の材料系により構成することもできる。

本発明の一実施の形態に係る発光ダイオードの断面構成図である。サファイア基板および光散乱部の斜視図である。光散乱部の一変形例を表す断面構成図である。光散乱部の他の変形例を表す断面構成図である。発光ダイオードの製造工程を説明するための断面構成図である。

符号の説明

１…発光ダイオード、１０…基板（サファイア基板）、１１…光散乱部、１１Ａ…ＳｉＯｘ層、１２…光散乱基板、１３…媒質部分、１４…散乱粒子、１５…ｎ型ＧａＮ層、１６…ｎ型ＧａＩｎＮ層、１７…ｎ型ＧａＮ層、１８…ｎ型ＧａＩｎＮ層、１９…活性層、１９Ａ…発光領域、２０…ｐ型ＧａＩｎＮ層、２１…ｐ型ＡｌＩｎＮ層、２２…ｐ型ＧａＮ層、２３…ｐ型ＧａＩｎＮ層、２４…リッジ部、２５…ｐ側電極、２６…ｎ側電極２６、３０…発光部

Claims

発光波長に対して透明な基板、および前記基板の表面に設けられると共に内部に複数の光散乱粒子が分散された突状の１または複数の光散乱部を有する光散乱基板と、
前記光散乱基板上に設けられると共に活性層を含み、前記活性層からの発光光を前記基板側に導く発光部と
を備えたことを特徴とする半導体発光素子。
前記散乱粒子は発光波長に相当するエネルギーより大きなバンドギャップとなるサイズを有する
ことを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
前記光散乱部は、ＳｉＯ₂、ＴｉＯ₂、Ｓｂ₂Ｏ₃、ＣａＯまたはＩｎ₂Ｏ₃よりなる媒質部分内に、散乱粒子としてＳｉ、Ｔｉ、Ｓｂ、ＣａまたはＩｎからなる粒子を含む
ことを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
前記光散乱部は、前記基板の表面に沿って帯状に延在している
ことを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
前記光散乱部は、台形状，半球状または三角形状の断面を有する
ことを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
活性層を含む発光部が表面に形成されると共に、前記活性層からの発光光を透過させる光散乱基板であって、
発光波長に対して透明な基板と、
前記基板の表面に設けられると共に内部に複数の光散乱粒子が分散された突状の１または複数の光散乱部と
を備えたことを特徴とする光散乱基板。