JP2011082233A - 発光素子 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】発光素子1は、半導体基板10と発光部20と1.7μm以上8.0μm以下の厚さを有して半導体基板10と発光部20との間に設けられる反射部210と発光部20の反射部210の反対側に設けられ、表面に凹凸部250を有する電流分散層240とを備え、反射部210は、第1の半導体層と第2の半導体層とからなるペア層を有して形成され、第1の半導体層と第2の半導体層は、それぞれ特定の式で定められる厚さを有する。
【選択図】図1A
Description
半導体基板と、第1導電型の第1クラッド層と、第1導電型とは異なる第2導電型の第2クラッド層とに挟まれる活性層を有する発光部と、半導体基板と発光部との間に設けられ、活性層が発する光を反射する反射部と、発光部の反射部の反対側に設けられ、表面に凹凸部を有する電流分散層とを備える発光素子において、反射部は、1.7μm以上8.0μm以下の厚さを有し、反射部は、第1の半導体層と、第1の半導体層とは異なる第2の半導体層とからなるペア層を少なくとも3つ有して形成され、第1の半導体層は、活性層が発する光のピーク波長をλp、第1の半導体層の屈折率をnA、第2の半導体層の屈折率をnB、第1クラッド層の屈折率をnIn、第2の半導体層への光の入射角をθとした場合に、式(1)で定められる厚さTAを有し、第2の半導体層は、式(2)で定められる厚さTBを有し、反射部の複数のペア層の厚さはそれぞれ、式(1)及び式(2)のθの値がペア層ごとに異なることにより互いに異なり、少なくとも1つのペア層は、θの値が50°以上の値で規定される第1の半導体層及び第2の半導体層を含む。
図1Aは、本発明の第1の実施の形態に係る発光素子の模式的な断面を示し、図1Bは、本発明の第1の実施の形態に係る発光素子が備える反射部の模式的な断面を示す。また、図1Cは、本発明の第1の実施の形態に係る発光素子の模式的な平面を示す。
第1の実施の形態に係る発光素子1は、一例として、発光ピーク波長(λp)が631nm付近の赤色光を放射する発光ダイオード(Light Emitting Diode:LED)である。具体的に、発光素子1は、第1導電型としてのn型の半導体基板10と、半導体基板10の上に設けられるn型のバッファ層200と、バッファ層200の上に設けられるn型の化合物半導体の多層構造を有する反射部210と、反射部210の上に設けられるn型の第1クラッド層220と、第1クラッド層220の上に設けられる活性層222と、活性層222の上に設けられる第1導電型とは異なる第2導電型としてのp型の第2クラッド層224と、第2クラッド層224の上に設けられるp型の介在層230と、介在層230の上に設けられ、表面(すなわち、光取り出し面)に凹凸部250を有するp型の電流分散層240とを備える。
半導体基板10としては、例えば、所定の導電型のキャリアを含み、所定のキャリア濃度を有するGaAs基板を用いることができる。また、半導体基板10としては、所定のオフ角度を有するオフ基板、又は、オフ角度を有さないジャスト基板を用いることができる。なお、半導体基板10上に形成する複数の化合物半導体層の種類に応じて、半導体基板10を構成する化合物半導体材料を適宜、代えることもできる。
反射部210は、半導体基板10と発光部20との間に設けられ、活性層222が発する光を反射する。そして、反射部210は、活性層222を構成する半導体のバンドギャップよりも大きなバンドギャップを有する半導体材料から形成されると共に、活性層222から発せられる光に対して透明である半導体材料から形成され、かつ、活性層222及び半導体基板10と略格子整合する半導体材料(例えば、AlxGa1−xAs(ただし、0≦x≦1))から形成される。また反射部210は、1.7μm以上8.0μm以下の厚さを有することが好ましい。
発光部20は、第1クラッド層220、活性層222、及び第2クラッド層224を有する。まず、バッファ層200は、半導体基板10に接して設けられる。例えば、バッファ層200は、半導体基板10がn型のGaAs基板から形成される場合、n型のGaAsから形成される。また、第1クラッド層220と、活性層222と、第2クラッド層224とはそれぞれ、例えば、(AlxGa1−x)yIn1−yP(ただし、0≦x≦1、0≦y≦1)で表される三元系、又は四元系のIII族化合物半導体材料から形成される。なお、第1の実施の形態に係る活性層222は、例えば、ノンドープのGaxIn1−xP単層(ただし、0≦x≦1)から形成することもできる。
介在層230は、第2クラッド層224を構成する半導体材料と電流分散層240を構成する半導体材料とが互いに異なる場合に、第2クラッド層224と電流分散層240とのヘテロ界面の電位障壁を低減する半導体材料から形成される。具体的に、介在層230は、第2クラッド層224と電流分散層240との間に設けられる。より具体的に、介在層230は、第2クラッド層224の活性層222の反対側に設けられると共に、第2クラッド層224を構成する半導体のバンドギャップエネルギーと電流分散層240を構成する半導体のバンドギャップエネルギーとの間のバンドギャップエネルギーを有する半導体材料から形成される。例えば、介在層230は、p型のGazIn1−zP(ただし、zは、一例として、0.6≦z≦0.9)から形成される。発光素子1が介在層230を備えることにより、発光素子1の順方向電圧を低減できる。
電流分散層240は、発光部20の反射部210の反対側、すなわち、発光部20と表面電極30との間に設けられ、発光素子1に供給された電流が活性層222に略均一に供給されるように当該電流を分散させる。また、電流分散層240は、活性層222が発する光を透過する半導体材料から形成される。例えば、電流分散層240は、p型のGaP、p型のGaAsP、又はp型のAlGaAsから形成することができる。そして、電流分散層240は、表面電極30が形成される領域を除く表面に凹凸部250を有する。
凹凸部250は、電流分散層240の発光部20の反対側の表面を粗面化して形成される。凹凸部250は、当該表面を所定のエッチャントでエッチングすることによりランダムな形状を有して形成される。また、凹凸部250は、当該表面に予め定められたパターンを有して形成することもできる。更に、凹凸部250は、発光素子1の光取り出し効率を向上させることを目的として、算術平均粗さRaが0.04μm以上0.25μm以下であることが好ましく、二乗平均粗さRMSが0.05μm以上0.35μm以下であることが好ましい。更に、凹凸部250は、最大高さRyが1.0μm以上3.0μm以下であることが好ましい。
表面電極30は、電流分散層240にオーミック接触する材料から形成される。具体的に、表面電極30は、Be、Zn、Ni、Ti、Pt、Al、Au等の金属材料から選択される少なくとも1つのp型電極用の金属材料を含んで形成される。例えば、表面電極30は、電流分散層240側からAuBe、Ni、Auの順に積層された積層構造を有して形成することができる。なお、表面電極30は、電流分散層240の介在層230の反対側の面、すなわち、発光素子1の光取り出し面の一部に設けられる。そして、表面電極30は、図1Cに示すように、発光素子1の上面視にて略円形状の円部分30aと、円部分から発光素子1の四隅に向かって延びる4本の足部分30bとを有して形成される。
第1の実施の形態に係る発光素子1は、半導体基板10上にバッファ層200を備えるが、第1の実施の形態の変形例に係る発光素子は、バッファ層200を備えずに形成することができる。
第1の実施の形態に係る発光素子1は、例えば、以下のようにして製造することができる。まず、半導体基板10を準備する。そして、半導体基板10上に、例えば、有機金属気相成長法(Metal Organic Vapor Phase Epitaxy:MOVPE法)によって複数の化合物半導体層(すなわち、バッファ層200、反射部210、第1クラッド層220、活性層222、第2クラッド層224、介在層230、電流分散層240)を含むIII−V族化合物半導体の半導体積層構造を形成する(成長工程)。これにより、エピタキシャルウエハが製造される。
第1の実施の形態に係る発光素子1は、複数の入射角に対応して厚さが制御された第1の半導体層210aと第2の半導体層210bとからなる複数のペア層を有する反射部210を備えるので、反射部210に様々な入射角から光が入射したとしても、反射部210は、当該光を光取り出し面側に反射することができる。更に、発光素子1は、光取り出し面に凹凸部250を備えるので、反射部210により反射された光を効率的に発光素子1の外部に取り出すことができる。これにより、光取り出し効率が向上された本実施の形態に係る発光素子1を提供することができる。更に、本実施の形態に係る発光素子1は、反射部210が有する複数の半導体層の構成を調整することにより、反射部210の厚さの増加に応じて、発光出力を増加させることができる。
図2は、本発明の第2の実施の形態に係る発光素子の模式的な断面の概要を示す。
図3は、本発明の第3の実施の形態に係る発光素子の模式的な断面の概要を示す。
図4Aは、実施例1に係る発光素子が備える反射部の簡易的な構造を示し、図4Bは、実施例1に係る発光素子が備える反射部の簡易的な構造における反射スペクトルを示す。また、図5Aは、0°DBR層を備える発光素子が備える反射部の簡易的な構造を示し、図5Bは、0°DBR層を備える発光素子が備える反射部の簡易的な構造における反射スペクトルを示す。
ここで、反射部210の厚さが約2.0μmの場合、すなわち、実施例1cを例に、反射部210の構成を説明する。他の実施れについては表1に示したとおりである。
図11は、比較例1に係る発光素子の模式的な断面の概要を示し、図12は、比較例1に係る発光素子の反射部の厚さの違いによる発光出力を示す。
3 発光素子
10 半導体基板
20、20a 発光部
30 表面電極
35 裏面電極
40 光取り出し層
200 バッファ層
210 反射部
212 反射部
210a 第1の半導体層
210b、210c 第2の半導体層
220 第1クラッド層
221 第1アンドープ層
222 活性層
223 第2アンドープ層
224 第2クラッド層
230 介在層
240 電流分散層
242 第1の電流分散層
244 第2の電流分散層
250 凹凸部
Claims (10)
- 半導体基板と、
第1導電型の第1クラッド層と、前記第1導電型とは異なる第2導電型の第2クラッド層とに挟まれる活性層を有する発光部と、
1.7μm以上8.0μm以下の厚さを有して前記半導体基板と前記発光部との間に設けられ、前記活性層が発する光を反射する反射部と、
前記発光部の前記反射部の反対側に設けられ、表面に凹凸部を有する電流分散層と
を備え、
前記反射部は、第1の半導体層と、前記第1の半導体層とは異なる第2の半導体層とからなるペア層を少なくとも3つ有して形成され、
前記第1の半導体層は、前記活性層が発する光のピーク波長をλp、前記第1の半導体層の屈折率をnA、前記第2の半導体層の屈折率をnB、前記第1クラッド層の屈折率をnIn、前記第2の半導体層への光の入射角をθとした場合に、式(1)で定められる厚さTAを有し、
前記第2の半導体層は、式(2)で定められる厚さTBを有し、
前記反射部の複数のペア層の厚さはそれぞれ、前記式(1)及び前記式(2)のθの値がペア層ごとに異なることにより互いに異なり、少なくとも1つのペア層は、θの値が50以上の値で規定される前記第1の半導体層及び前記第2の半導体層を含む発光素子。
- 前記反射部は、15以上の前記ペア層を有する請求項1に記載の発光素子。
- 前記ペア層は、λp/4nAの1.5倍以上の前記厚さTAを有する前記第1の半導体層と、λp/4nBの1.5倍以上の前記厚さTBを有する前記第2の半導体層とを含む請求項2に記載の発光素子。
- 前記第1の半導体層は、AlxGa1−xAs(ただし、0≦x≦1)から形成され、
前記第2の半導体層は、AlyGa1−yAs(ただし、0≦y≦1)から形成されると共に、前記第1の半導体層の屈折率とは異なる屈折率を有する請求項3に記載の発光素子。 - 前記反射部の前記半導体基板側から1つ目のペア層、又は1つ目及び2つ目のペア層の第1の半導体層は、AlAsから形成され、
前記反射部の前記半導体基板側から1つ目のペア層、又は1つ目及び2つ目のペア層の前記第2の半導体層は、前記活性層を構成する半導体のバンドギャップエネルギーより小さいバンドギャップエネルギーを有するAlxGa1−xAs(ただし、0≦x≦1)、若しくは、前記活性層が発する光に対して不透明なAlxGa1−xAs(ただし、0≦x≦1)から形成され、
前記反射部の前記半導体基板側から3つ目以降のペア層の前記第1の半導体層及び第2の半導体層は、前記活性層が発する光に対して透明なAlxGa1−xAs(ただし、0≦x≦1)から形成される請求項4に記載の発光素子。 - 前記第1の半導体層及び前記第2の半導体層は、互いに屈折率の異なる(AlxGa1−x)yIn1−yP(ただし、0≦x≦1、0.4≦y≦0.6)から形成される請求項3に記載の発光素子。
- 前記第1の半導体層が(AlxGa1−x)yIn1−yP(ただし、0≦x≦1、0.4≦y≦0.6)から形成されると共に、前記第2の半導体層がAlxGa1−xAs(ただし、0≦x≦1)から形成されるか、又は、前記第1の半導体層がAlxGa1−xAs(ただし、0≦x≦1)から形成されると共に、前記第2の半導体層が(AlxGa1−x)yIn1−yP(ただし、0≦x≦1、0.4≦y≦0.6)から形成される請求項3に記載の発光素子。
- 前記電流分散層は、キャリア濃度又は不純物濃度が互いに異なる第1の電流分散層と第2の電流分散層とを有し、
前記第2の電流分散層は、前記第1の電流分散層の前記キャリア濃度又は前記不純物濃度より高い前記キャリア濃度又は前記不純物濃度を有して前記電流分散層の表面側に形成される請求項1〜7のいずれか1項に記載の発光素子。 - 前記電流分散層の前記表面に設けられる表面電極と、
前記表面電極が設けられている領域を除く前記電流分散層の前記表面に、前記活性層が発する光に対して透明であり、前記電流分散層を構成する半導体の屈折率と空気の屈折率との間の屈折率を有する材料からなる光取り出し層と
を更に備える請求項1〜8のいずれか1項に記載の発光素子。 - 前記光取り出し層は、前記活性層が発する光の波長をλp、前記光取り出し層を構成する材料の屈折率をn、定数A(ただし、Aは奇数)とした場合に、A×λp/(4×n)で規定される値の±30%の範囲内の厚さdを有する請求項9に記載の発光素子。
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