JP2013030606A - Semiconductor light emitting element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体発光素子に関し、特に、支持基板を有する支持構造体と発光層を有する発光構造体とが接合層を介して接合される半導体発光素子に関する。 The present invention relates to a semiconductor light emitting device, and more particularly to a semiconductor light emitting device in which a support structure having a support substrate and a light emitting structure having a light emitting layer are bonded via a bonding layer.
近年、発光ダイオード(LED)等の半導体発光素子の製造工程においては、AlGaInP系やAlGaAs系等の高品質結晶を有機金属気相成長(MOVPE:Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy)法で成長させる技術の発達によって、青色、緑色、橙色、黄
色、赤色等の高輝度LEDが製作できるようになってきた。
In recent years, in the manufacturing process of semiconductor light emitting devices such as light emitting diodes (LEDs), a technology for growing high quality crystals such as AlGaInP and AlGaAs based on metal-organic vapor phase epitaxy (MOVPE). With the development, high brightness LEDs such as blue, green, orange, yellow, and red can be manufactured.
上記のような高品質の結晶が成長可能となってから、半導体発光素子の内部効率は理論限界値に近づきつつある。しかし半導体発光素子からの光取り出し効率はまだ低く、光取り出し効率を向上させることが重要となっている。そこで、例えば発光層を含む複数のエピタキシャル層をGaAs基板等の成長基板上に積層する際、発光層の下層のGaAs基板側に、屈折率が互いに異なる2以上の半導体層を積層したDBR層(分布ブラッグ反射層:Distributed Bragg Reflector)を設けておくことで、GaAs基板での光の吸収を
抑えて光取り出し効率の向上が図られてきた。
Since the high quality crystal as described above can be grown, the internal efficiency of the semiconductor light emitting device is approaching the theoretical limit value. However, the light extraction efficiency from the semiconductor light emitting device is still low, and it is important to improve the light extraction efficiency. Therefore, for example, when a plurality of epitaxial layers including a light-emitting layer are stacked on a growth substrate such as a GaAs substrate, a DBR layer in which two or more semiconductor layers having different refractive indexes are stacked on the GaAs substrate side below the light-emitting layer ( By providing a distributed Bragg reflector (Distributed Bragg Reflector), light absorption at the GaAs substrate is suppressed and light extraction efficiency is improved.
一方で、上記DBR層よりも反射効率の高い反射層を得るため、例えば特許文献1には、GaAs基板上で成長させた複数のエピタキシャル層を、貼り合せによりSi等の支持基板に移し替えることで、より反射効率の高い金属材料からなる反射層を導入した半導体発光素子が開示されている。
On the other hand, in order to obtain a reflective layer having a higher reflection efficiency than the DBR layer, for example, in
また、例えば特許文献2には、半導体発光素子の光取り出し面側に設けられる上部電極(表面電極)での光の吸収を抑制するため、GaAs基板側だけでなく上部電極側にもp型AlGaAs系材料からなるDBR層を形成し、GaAs基板のみならず上部電極での光の吸収を抑え、光取り出し効率の向上を図った半導体発光素子が開示されている。
For example,
しかしながら、例えば特許文献1においては、発光層が発した光や反射層により反射された光の一部は表面電極により吸収されてしまう。このため、充分な光取り出し効率が得られない場合があった。
However, in
また、例えば特許文献2のようなDBR層は、垂直方向から入射する特定波長の光に対してのみ高い反射率を有するため、支持基板側及び上部電極側の双方において、斜め方向から入射する光を反射することができず、光取り出し効率を充分に高めることは困難であった。
Further, for example, a DBR layer as in
また、DBR層には、成長基板のGaAsと格子整合する材料が用いられるが、特許文献2では、上部電極側のDBR層を、活性層(発光層)を含む各層を順次成長させた後に、GaAsとは格子定数の異なるp型GaP電流拡散層上に成長させている。このため、
DBR層での電気抵抗が高くなってしまっていた。
The DBR layer is made of a material that lattice-matches with GaAs of the growth substrate. However, in
The electric resistance in the DBR layer was increased.
本発明の目的は、光取り出し効率を向上させることが可能な半導体発光素子を提供することである。 An object of the present invention is to provide a semiconductor light emitting device capable of improving light extraction efficiency.
本発明の第1の態様によれば、支持基板を有する支持構造体と発光層を有する発光構造体とが接合層を介して接合され、前記発光構造体は、前記接合層の上に配置され、金属材料からなる反射層と前記発光層が発する光の波長に対して光学的に透明な材料からなる透明層とを備える第1反射部と、前記第1反射部の上に配置され、一部が光取り出し面となる面を有する第1導電型クラッド層と前記第1導電型とは異なる導電型の第2導電型クラッド層との間に挟まれる前記発光層を備える半導体積層部と、前記第1導電型クラッド層の光取り出し面となる面側の一部に配置される電極と、を有し、前記半導体積層部は、前記電極と前記第1導電型クラッド層との間に、屈折率の異なる2以上の半導体層を積層した第2反射部を備える半導体発光素子が提供される。 According to the first aspect of the present invention, the support structure having the support substrate and the light emitting structure having the light emitting layer are bonded via the bonding layer, and the light emitting structure is disposed on the bonding layer. A first reflective portion comprising a reflective layer made of a metal material and a transparent layer made of a material optically transparent to the wavelength of light emitted by the light emitting layer, and disposed on the first reflective portion, A semiconductor laminate comprising the light emitting layer sandwiched between a first conductivity type clad layer having a surface to be a light extraction surface and a second conductivity type clad layer of a conductivity type different from the first conductivity type; An electrode disposed on a portion of the first conductivity type cladding layer that is a light extraction surface, and the semiconductor stack is between the electrode and the first conductivity type cladding layer, A semiconductor generator comprising a second reflecting portion in which two or more semiconductor layers having different refractive indexes are laminated. Element is provided.
本発明の第2の態様によれば、前記電極は、前記半導体積層部の上面の一部に形成される表面電極であり、前記支持構造体は、前記支持基板の下面に形成される裏面電極を有し、前記発光構造体は、前記透明層の一部に形成され、前記表面電極と前記裏面電極とを電気的に接続する界面電極を有する第1の態様に記載の半導体発光素子が提供される。 According to a second aspect of the present invention, the electrode is a surface electrode formed on a part of the upper surface of the semiconductor stack, and the support structure is a back electrode formed on the lower surface of the support substrate. The semiconductor light emitting element according to the first aspect is provided, wherein the light emitting structure includes an interface electrode that is formed in a part of the transparent layer and electrically connects the front surface electrode and the back surface electrode. Is done.
本発明の第3の態様によれば、前記半導体積層部の積層方向に投じた前記表面電極の射影が、前記界面電極とは重なり合わない第2の態様に記載の半導体発光素子が提供される。 According to a third aspect of the present invention, there is provided the semiconductor light emitting element according to the second aspect, wherein the projection of the surface electrode cast in the stacking direction of the semiconductor stacked portion does not overlap with the interface electrode. .
本発明の第4の態様によれば、前記電極は、前記半導体積層部の上面の一部に形成される第1電極であり、前記発光構造体は、前記第1電極と同一面側に、前記半導体積層部とは非接触に形成された第2電極と、前記透明層の一部に形成され、前記第1電極と前記第2電極とを電気的に接続する界面電極と、を有する第1の態様に記載の半導体発光素子が提供される。 According to a fourth aspect of the present invention, the electrode is a first electrode formed on a part of the upper surface of the semiconductor stacked portion, and the light emitting structure is on the same side as the first electrode. A second electrode formed in a non-contact manner with the semiconductor laminated portion; and an interface electrode formed on a part of the transparent layer and electrically connecting the first electrode and the second electrode. A semiconductor light emitting device according to one aspect is provided.
本発明の第5の態様によれば、前記第2反射部は、前記発光層側から前記第2反射部へと0°より大きい所定入射角で斜めに入射する前記発光層が発する波長の光を反射するよう設計されている第1〜第4の態様のいずれかに記載の半導体発光素子が提供される。 According to the fifth aspect of the present invention, the second reflecting portion is light having a wavelength emitted by the light emitting layer that is obliquely incident at a predetermined incident angle greater than 0 ° from the light emitting layer side to the second reflecting portion. A semiconductor light-emitting device according to any one of the first to fourth aspects, which is designed to reflect light is provided.
本発明の第6の態様によれば、前記第2反射部は、次式(1)より求められる厚さTAの第1半導体層と、前記第1半導体層とは異なる屈折率を有し、次式(2)より求められる厚さTBの第2半導体層と、を1つのペアとして積層される複数のペア層を有し、前記第1導電型クラッド層側の最下層の前記ペア層のうち、前記第2半導体層が前記第1導電型クラッド層と接する側に配置される第1〜第5の態様のいずれかに記載の半導体発光素子が提供される。
本発明の第7の態様によれば、前記第2反射部は、複数の入射角θのそれぞれについて、前記式(1)よりそれぞれ求められる厚さTAの前記第1半導体層と、前記式(2)よりそれぞれ求められる厚さTBの前記第2半導体層と、を各ペアとして積層される前記ペア層を前記各入射角θにつき1ペア以上有する第6の態様に記載の半導体発光素子が提供される。 According to a seventh aspect of the present invention, the second reflecting portion, for each of a plurality of incident angles theta, a first semiconductor layer of a thickness T A obtained respectively from the formula (1), the formula (2) from the semiconductor light emitting device according a second semiconductor layer having a thickness determined is T B, respectively, the said pair layers to be laminated as the pair to a sixth aspect of having more than one pair per each incident angle θ Is provided.
本発明の第8の態様によれば、前記半導体積層部は、前記第1導電型クラッド層の光取り出し面となる面側の一部に配置される前記電極と前記電極側の最上層の前記ペア層との間に第1導電型コンタクト層を備え、最上層の前記ペア層のうち、前記第1導電型コンタクト層と接する側に配置される前記第1半導体層は、AlAsからなり、前記第1導電型コンタクト層と、最上層の前記ペア層の前記第2半導体層とは、GaAsからなる第6又は7の態様に記載の半導体発光素子が提供される。 According to an eighth aspect of the present invention, the semiconductor stacked portion includes the electrode disposed on a portion of the first conductive-type cladding layer on the surface side serving as a light extraction surface and the uppermost layer on the electrode side. A first conductivity type contact layer provided between the pair layer, and the first semiconductor layer disposed on the side in contact with the first conductivity type contact layer of the uppermost pair layer is made of AlAs; The semiconductor light-emitting element according to the sixth or seventh aspect, wherein the first conductivity type contact layer and the second semiconductor layer of the uppermost pair layer are made of GaAs.
本発明によれば、光取り出し効率を向上させることが可能となる。 According to the present invention, it is possible to improve the light extraction efficiency.
<本発明の第1実施形態>
以下に、本発明の第1実施形態に係る半導体発光素子及びその製造方法について説明する。
<First Embodiment of the Present Invention>
The semiconductor light emitting device and the method for manufacturing the same according to the first embodiment of the present invention will be described below.
(1)半導体発光素子の構造
本発明の第1実施形態に係る半導体発光素子の構造について、図1を用いて以下に説明する。図1は、本実施形態に係る半導体発光素子1を示す図であって、(a)は半導体発光素子1の断面図であり、(b)は半導体発光素子1が有するn型DBR層130の積層構造を示す断面図である。
(1) Structure of Semiconductor Light Emitting Element A structure of the semiconductor light emitting element according to the first embodiment of the present invention will be described below with reference to FIG. 1A and 1B are diagrams showing a semiconductor
図1に示すように、半導体発光素子1は、例えば支持基板200を有する支持構造体20と、発光層142を有する発光構造体10と、が支持構造体20側の接合層220及び発光構造体10側の接合層180を介して接合され、金属材料からなる反射層としての金属層163を有するMR(Metal Reflector)型の半導体発光素子として構成されている
。
As shown in FIG. 1, the semiconductor
また、半導体発光素子1は、発光構造体10が有する表面電極310c側にも、第2反射部としてのn型DBR層(分布ブラッグ反射層:Distributed Bragg Reflector)13
0を有している。半導体発光素子1は、表面電極310c側から、支持構造体20が支持基板200の下面に有する裏面電極320c側へと電流を導入すると、発光層142が所定波長の光を発するよう構成されている。n型DBR層130により、発光層142が発した光の一部を金属層163側へと反射させることで、表面電極310c側での光の吸収を抑制し、半導体発光素子1の光取り出し効率を向上させることができる。
In addition, the semiconductor
0. The semiconductor
[支持構造体]
支持構造体20は、例えばp型Si等の導電性を有する半導体材料からなる支持基板200を有する。支持基板200の接合層220側とは反対側の面、つまり、支持基板200の下面には、例えばTi及びAu等の金属材料からなる裏面電極320cが形成されている。裏面電極320cは、例えばダイボンディング用電極として構成され、支持基板200とオーミック接合している。
[Support structure]
The
支持構造体20は、裏面電極320c側とは反対側となる支持基板200上に、支持基板200側から順に、例えばTi等の導電性材料からなるコンタクト電極210と、例えばAu等の導電性材料からなる接合層220と、を有している。
The
支持構造体20側の接合層220は、例えば熱圧着法等により、発光構造体10側の接合層180と電気的・機械的に接合されている。発光構造体10側の接合層180は、例えばAu等、支持構造体20側の接合層220と同一の材料から構成される。接合層220,180はそれぞれ、例えば500nm以上2000nm以下の厚さを有している。
The
[発光構造体]
(第1反射部)
発光構造体10は、接合層180上に、例えばPt等の導電性材料からなるバリア層170を有している。また、発光構造体10は、バリア層170を介して接合層180の上に配置され、金属材料からなる反射層としての金属層163と発光層142が発する光の波長に対して光学的に透明な材料からなる透明層161とを備える第1反射部を有する。
[Light emitting structure]
(First reflection part)
The
金属層163は、例えば発光層142が発する所定波長の光に対して所定以上の反射率を有するAu等の導電性材料からなり、発光層142から支持基板200側へと発した光やn型DBR層130により反射されてきた光を、半導体発光素子1の光取り出し面141s側へと反射させる。反射率の高い金属層163により光を反射させることで、半導体発光素子1の光取り出し効率を向上させることができる。
The
透明層161は、例えば発光層142が発する所定波長の光に対して高い透過性を有するSiO2等の電気絶縁性を有する材料からなり、透明層161における上記光の吸収損失を抑えることができる。透明層161の厚さは、透明層161での光の吸収が少なくなるよう設定されている。
The
また、透明層161の一部には、表面電極310cと裏面電極320cとを電気的に接続する界面電極162が形成されている。界面電極162は、例えば表面電極310cの直下の位置を避け、ドット状に分散して配置される。また、界面電極162は、例えばAuZn合金等の金属材料からなり、後述するp型コンタクト層150とオーミック接合している。
In addition, an
(半導体積層部)
発光構造体10が有する半導体積層部10sは、後述するように、例えばGaAs基板等の成長基板上で成長させた複数のエピタキシャル層から構成され、半導体積層部10sが備える各層は、例えば後述の成長基板を構成するGaAsに格子整合する材料からなる。以下に、半導体積層部10sの詳細構造について説明する。
(Semiconductor stacking part)
As will be described later, the semiconductor stacked
(ダブルヘテロ構造)
半導体積層部10sは、透明層161上に、例えばp型GaP等の化合物半導体からなる第2導電型コンタクト層としてのp型コンタクト層150を備える。また、半導体積層部10sは、p型コンタクト層150を介して第1反射部の上に配置され、一部が光取り出し面141sとなる面を有する第1導電型クラッド層としてのn型クラッド層141と第1導電型とは異なる導電型の第2導電型クラッド層としてのp型クラッド層143との間に挟まれる発光層142を備える。半導体積層部10sが備える上記構造は、例えばAlGaInP系等のIII−V族化合物半導体のダブルヘテロ構造となっており、発光層1
42は、外部から電流が供給されると、所定波長の光、例えばピーク波長が630nmの赤色光を発するよう構成されている。
(Double heterostructure)
The semiconductor stacked
42 is configured to emit light having a predetermined wavelength, for example, red light having a peak wavelength of 630 nm when a current is supplied from the outside.
より具体的には、p型コンタクト層150上のp型クラッド層143は、例えばp型AlGaInP等からなり、発光層142は、例えばアンドープのAlGaInP系等からなり、発光層142上のn型クラッド層141は、例えばn型AlGaInP等からなる。
More specifically, the p-
p型コンタクト層150及びp型クラッド層143は、それぞれ所定のp型不純物を所定濃度含む。p型不純物としては、例えばMg,Zn,C等を用いることができる。
The p-
また、発光層142には不純物の添加を行わず、アンドープの化合物半導体から構成するが、半導体積層部10sが有する各層を製造する工程において、不純物が不可避的に混入する場合が有り得る。混入による発光層142中の不純物濃度は、例えば1013cm−3〜1016cm−3程度である。
Further, the
また、n型クラッド層141は、所定のn型不純物を所定濃度含む。n型不純物としては、例えばSi,Se,Te等を用いることができる。
The n-
表面電極310cが形成される領域を除くn型クラッド層141の上面は、光取り出し面141sとなっている。光取り出し面141sは、例えば発光層142が発した光の一部を乱反射させるような凹凸部141rを有する。凹凸部141rは、例えばn型クラッド層141の表面を粗面化して得られた規則的、或いは不規則な凹凸形状を有する。凹凸部141rにより、発光層142側から光取り出し面141sに到達した光が光取り出し面141sで全反射されることを低減でき、半導体発光素子1の光量が増加する。
The upper surface of the n-
上記のように、半導体発光素子1を、n型クラッド層141側を光取り出し面141sとする、所謂、nサイドアップの半導体発光素子とすることで、表面電極310c側のDBR層をn型DBR層130とすることができる。よって、DBR層の形成時における残留ドーパントによるメモリ効果や、DBR層の形成後におけるドーパント拡散が、p型DBR層の場合よりも抑えられる。
As described above, the semiconductor light-emitting
(第2反射部)
また、半導体積層部10sは、半導体積層部10sの上面の一部に形成される表面電極310cとn型クラッド層141との間に、屈折率の異なる2以上の半導体層を積層した第2反射部としてのn型DBR層130を備える。n型DBR層130の詳細構造については後述する。
(Second reflection part)
In addition, the semiconductor stacked
また、半導体積層部10sは、表面電極310cとn型DBR層130との間に、例えばn型GaAs等の化合物半導体からなる第1導電型コンタクト層としてのn型コンタクト層120を更に備える。n型コンタクト層120は、例えばSi,Se,Te等の所定のn型不純物を所定濃度含む。
The semiconductor stacked
(表面電極)
発光構造体10は、n型クラッド層141の光取り出し面141sとなる面側の一部、例えばn型クラッド層141の光取り出し面141s側の略中央部に配置される表面電極310cを有する。
(Surface electrode)
The
表面電極310cは、例えば矩形に形成された半導体発光素子1の略中央部に、例えば直径が100μm程度の円形形状に形成されている。表面電極310cは、例えば矩形の半導体発光素子1の対角線上に延びる十字の枝部等を有していてもよい。また、表面電極310cは、n型コンタクト層120側から順に、例えばAuGe層、Ni層、Au層が積層されてなり、n型コンタクト層120とオーミック接合している。
The
表面電極310c上には、例えば円形の表面電極310cと同心円状に、パッド電極310pが形成されている。パッド電極310pの直径は、表面電極310cの直径と略同一とすることができる。或いは、パッド電極310pが表面電極310cより小さく形成されていてもよい。また、パッド電極310pは、表面電極310c側から順に、例えばTi層、Au層が積層されてなる。パッド電極310pは、例えばワイヤボンディング用パッド電極として構成されている。
On the
(2)第2反射部の詳細構造と作用
上述したように、本発明の第1実施形態に係る第2反射部としてのn型DBR層130は、例えば屈折率の異なる2以上の半導体層を備える。これにより、発光層142から光取り出し面141s側に放射された光や、発光層142から支持基板200側に放射され、金属層163で反射された光の一部がn型DBR層130へと入射してきた際、上記2以上の半導体層での光干渉により、入射してきた光を反射させる。反射させる光の波長は、各半導体層の屈折率及び厚さを設定することで選択することができる。以下に、n型DBR層130の詳細構造および作用について説明する。
(2) Detailed Structure and Action of Second Reflector As described above, the n-
(第2反射部の詳細構造)
n型DBR層130は、図1(b)に示すように、例えばn型AlAsからなる所定厚さの第1半導体層131xと、第1半導体層131xとは異なる屈折率を有するn型AlNGa1−NAsからなる所定厚さの第2半導体層132xと、を1つのペアとして積層される複数のペア層133xを有する。但し、第1半導体層131xは、図中、131a,131b・・・,131jで示される任意の第1半導体層である。第2半導体層132x及びペア層133xについても同様である。
(Detailed structure of the second reflecting portion)
n-
また、n型コンタクト層120側の最上層のペア層133aのうち、第1半導体層131aがn型コンタクト層120と接する層であり、n型クラッド層141側の最下層のペア層133jのうち、第2半導体層132jがn型クラッド層141と接する層である。第1半導体層131x、第2半導体層132x及びペア層133xをa〜jまでとしたのは一例であって、各層の積層数は様々に選択可能である。
Of the
また、第2半導体層132xを構成するn型AlNGa1−NAsのAl組成比Nは、例えば0<N<1の範囲で選択することができる。第2半導体層132xのAl組成比Nを小さくしていくことで、第1半導体層131xとの屈折率差を大きくして反射率を高めることができる。
Further, the Al composition ratio N of the n-type Al N Ga 1-N As constituting the
また、所定角度で入射する発光層142が発する波長の光を反射させる第1半導体層131xの厚さTA及び第2半導体層132xの厚さTBは、次式(1),(2)によりそれぞれ算出することができる。
The thickness T A of the
ここで、式(1),(2)中、λPは、発光層142が発する光のピーク波長である。また、θは、n型クラッド層141から、n型クラッド層141に接する第2半導体層1
32jへと入射する上記光の入射角である。ここで、入射角θは入射面の法線に対する角度である。また、ninは、n型クラッド層141の屈折率である。また、nAは第1半導体層131xの屈折率であり、nBは第2半導体層132xの屈折率である。
Here, in formulas (1) and (2), λ P is the peak wavelength of light emitted from the
This is the angle of incidence of the light incident on 32j. Here, the incident angle θ is an angle with respect to the normal line of the incident surface. Further, n in is the refractive index of the n-
上記の特許文献2(特開2001−036132号公報)のDBR層をはじめ、従来の半導体発光素子が備える半導体多層反射層は、垂直方向(入射角θ=0°)から入射する光に対して高い反射率が得られるよう設計されていた。しかしながら、例えば斜め方向から入射する光に対しては設計上の考慮がほとんどなされていないため、0°より大きい入射角で入射する光の光量が大きい場合などには反射量が少なく、半導体発光素子の光取り出し効率が低下してしまっていた。 The semiconductor multilayer reflective layer included in the conventional semiconductor light-emitting element, including the DBR layer of the above-mentioned Patent Document 2 (Japanese Patent Laid-Open No. 2001-036132), is adapted to the light incident from the vertical direction (incident angle θ = 0 °). It was designed to provide high reflectivity. However, for example, since design considerations are hardly made for light incident from an oblique direction, the amount of reflection is small when the amount of light incident at an incident angle greater than 0 ° is large, and the semiconductor light emitting element. The light extraction efficiency of was reduced.
本実施形態では、入射角θを含む上記の式(1),(2)に基づき、第1半導体層131xの厚さTA及び第2半導体層132xの厚さTBを定めることとしたので、0°より大きい(垂直入射以外の)所定入射角で入射する光の光量が大きい場合であっても、所定の入射角θに対応するペア層133xを積層することができ、半導体発光素子1の光取り出し効率を向上させることができる。
In the present embodiment, the above equation that contains the incident angle theta (1), based on (2), so it was decided to determine the thickness T B of the thickness T A and the
(第2反射部の作用)
次に、異なる入射角θの光に対応してそれぞれ設計されたn型DBR層130の作用について、図2を用いて説明する。図2は、本実施形態に係る半導体発光素子1が有する金属層163及びn型DBR層130による光の反射について説明する図であって、(a)は表面電極310cから導入される電流の経路を例示する半導発光体素子1の断面図であり、(b1)は垂直に入射する光を反射するよう設計されたn型DBR層130を有する半導発光体素子1の断面図であり、(b2)は(b1)のn型DBR層130が光を反射する様子を示す模式図であり、(c1)は斜めに入射する光を反射するよう設計されたn型DBR層130を有する半導発光体素子1の断面図であり、(c2)は(c1)のn型DBR層130が光を反射する様子を示す模式図である。
(Operation of the second reflecting portion)
Next, the operation of the n-
図2(a)に示すように、表面電極310cから裏面電極320cに向けて電流を導入すると、図中に例示する電流E1,E2のように、電流は透明層161の一部に形成された界面電極162を介して流れ、その際、電流の通過位置で発光層142から放射状に光を発する。図2(b1),(c1)に示すように、上記光の一部は光取り出し面141sから半導体発光素子1の外部へと放射されるほか(L1)、表面電極310cの下面側(L2)や、金属層163側へ(図示せず)と向かう光も存在する。
As shown in FIG. 2A, when a current is introduced from the
従来の特許文献1(特開2009−200178号公報)のような、表面電極側にDBR層等の反射層を有さない半導体発光素子では、表面電極の下面側へと向かった光は、n型コンタクト層とオーミックコンタクトする表面電極で吸収されてしまい、半導体発光素子の光取り出し効率を低下させていた。 In a semiconductor light-emitting device that does not have a reflective layer such as a DBR layer on the surface electrode side as in the conventional patent document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 2009-200188), the light directed toward the lower surface side of the surface electrode is n It is absorbed by the surface electrode in ohmic contact with the mold contact layer, and the light extraction efficiency of the semiconductor light emitting device is lowered.
しかしながら、本実施形態においては、表面電極310c及びn型コンタクト層120と、n型クラッド層141との間に第2反射部としてのn型DBR層130を設けている。これにより、表面電極310cの下面側へと進行してきた光L2の少なくとも一部を第1反射部側へと反射させ、表面電極310c等による光の吸収を抑制することができる。
However, in the present embodiment, the n-
また、従来の特許文献2(特開2001−036132号公報)のように、表面電極側にDBR層を設けた場合であっても、従来のDBR層では、例えば斜め方向から入射する光を高反射率で反射することができない。 Further, even when a DBR layer is provided on the surface electrode side as in the conventional patent document 2 (Japanese Patent Laid-Open No. 2001-036132), the conventional DBR layer has a high incident light, for example, from an oblique direction. Cannot reflect with reflectivity.
上述のように、界面電極162は、例えば表面電極310cの直下を除く位置に形成さ
れているため、発光層142では、主に表面電極310cの直下から外れた位置で発光が起きる。したがって、発光層142から表面電極310c側へと向かう光の多くは、n型DBR層130に斜めから入射することとなる。
As described above, since the
そこで、本実施形態では、図2(c1)のように、上述の式(1),(2)を用いて斜めに入射する光を反射するようn型DBR層130を設計し、例えば従来のDBR層や、図2(b1)の垂直に入射する光を反射するよう設計されたn型DBR層130よりも光L2の反射量を高め、光の取り出し効率をいっそう向上させることができる。ここで、図中、光の進路を示す矢印において、破線で描かれた部分は光量の低下を表す。
Therefore, in this embodiment, as shown in FIG. 2 (c1), the n-
入射角の異なる光に対する反射率の違いを更に説明するため、図2(b2)、(c2)に、それぞれのn型DBR層130が垂直または斜めに入射する光を反射する様子を示す。垂直に入射する光を反射するよう設計された図2(b2)に示すn型DBR層130では、斜めに入射する光Ltの反射率が低く、垂直に入射する光Lvの反射率が高い。また、斜めに入射する光を反射するよう設計された図2(c2)に示すn型DBR層130では、垂直に入射する光Lvの反射率が低く、斜めに入射する光Ltの反射率が高い。
In order to further explain the difference in reflectance with respect to light having different incident angles, FIGS. 2B2 and 2C2 show how each n-
このように、本実施形態では、上述の式(1),(2)により、所定の入射角θの光を反射するようn型DBR層130を設計することができるので、表面電極310cのサイズ、形状、位置、表面電極310cと界面電極162との位置関係、発光層142における発光強度分布等に応じて、入射量の大きい入射角θの光をより多く反射できるようにn型DBR層130を設けることができる。
As described above, in the present embodiment, the n-
例えば、入射角θが0°の光を反射するn型DBR層130は、設計や取扱いが容易である点で優れている。また、例えば本実施形態に係る半導体発光素子1のように、表面電極310cの位置と発光層142での発光強度が高い位置との水平方向における空間配置が異なる場合には、n型DBR層130は、0°より大きい所定入射角θで入射する光を反射するよう設計されていることが好ましい。
For example, the n-
n型DBR層130から第1反射部側へと反射された光L2のうち、一部は半導体積層構造10sを通過する際に半導体層に吸収されるが、一部は発光層142が第1反射部側へと発した光(図示せず)とともに第1反射部へと到達し、第1反射部が備える金属層163により反射されて、光取り出し面141sから半導体発光素子1の外部へと放射される。
A part of the light L2 reflected from the n-
従来の特許文献2(特開2001−036132号公報)のように、支持基板側と表面電極側との両方にDBR層を用いた場合と異なり、本実施形態では、支持基板200側をDBR層より反射率の高い金属層163としたので、より広範囲の波長や入射角の光を高効率に反射することができ、光取り出し効率をより一層、向上させることができる。
Unlike the case where the DBR layer is used on both the support substrate side and the surface electrode side as in the conventional patent document 2 (Japanese Patent Laid-Open No. 2001-036132), in this embodiment, the
(3)半導体発光素子の変形例
上述のようなn型DBR層130においては、第1半導体層131xと第2半導体層132xとを屈折率差の大きい材料の組み合わせ(ペア)として反射率を高めたり、各半導体層に光吸収係数の小さい材料を用いて光吸収を抑えたりすることで、光の反射量を高めることができる。
(3) Modified Example of Semiconductor Light-Emitting Element In the n-
例えば、上述したn型のAlAs/AlNGa1−NAs(0<N<1)のペアは、屈折率差も比較的大きく、発光層142が有する赤色光の発光波長に対して透明である(光吸収が少ない)が、これより更に屈折率差を大きくするには、例えばAlAs/GaAsの組み合わせが考えられる。しかし、GaAsのようにエネルギーギャップの小さな材料
は、大きい光吸収係数を有する。よって、n型DBR層中にGaAsを用い、その層数や層厚を増加させると、高屈折率差で得られる高反射率の効果は、光吸収による光量低下で相殺されてしまう。
For example, the above-described n-type AlAs / Al N Ga 1-N As (0 <N <1) pair has a relatively large refractive index difference, and is transparent to the red light emission wavelength of the
このように、屈折率差が大きい組み合わせと光吸収係数が小さい組み合わせとは両立せず、n型DBR層を構成する半導体材料の選定には困難が伴う。 Thus, a combination with a large difference in refractive index and a combination with a small light absorption coefficient are not compatible, and it is difficult to select a semiconductor material that constitutes the n-type DBR layer.
そこで、本発明者等は、n型DBR層130中、発光層142に近い下層側では入射する光の光量が大きく、表面電極310cに近い上層側では下層側での反射により到達する光の光量が落ちていることに着目した。そして、下層側では、入射光の光量をできるだけ落とさず上層に到達させるべく、吸収係数が小さい半導体材料を用い、上層側では、光量の弱まった光をできるだけ反射させるべく、屈折率差の大きい半導体材料を用いることに想到した。
Therefore, the inventors of the present invention have a large amount of incident light on the lower layer side near the
上記の点に鑑みて構成される本発明の第1実施形態の変形例に係る半導体発光素子について、図1(b)を参照しながら以下に説明する。 A semiconductor light emitting device according to a modification of the first embodiment of the present invention configured in view of the above points will be described below with reference to FIG.
本変形例に係るn型DBR層130においては、表面電極310c側のn型コンタクト層120と接する最上層のペア層133aの第1半導体層131aには、上述の実施形態と同様、n型AlAsを用いる。また、第2半導体層132aには、n型AlAsとの屈折率差が大きくなるよう、Al組成比NがN=0のn型AlNGa1−NAs、すなわち、n型GaAsを用いる。また、最上層のペア層133aよりも下層側のペア層133b〜133jには、上述の実施形態と同様、第1半導体層131b〜131jにn型AlAsを用い、第2半導体層132b〜132jにn型AlNGa1−NAsを用いて、光吸収係数が小さいn型のAlAs/AlNGa1−NAs(0<N<1)の組み合わせとする。このとき、Al組成比Nは、比較的大きい値とすることが好ましい。
In the n-
また、このとき、n型DBR層130の反射率をさらに向上させるため、上述の式(1),(2)を用いて、各ペア層133xを複数の入射角θに対応する設計とすることができる。具体的には、最上層のペア層133aと、下層のペア層133b〜133jとを、任意に選定した2種類の入射角θにそれぞれ対応するよう設計することができる。さらに、各ペア層133b〜133jを複数種類の入射角θにそれぞれ対応させてもよい。このとき、n型コンタクト層120側からn型クラッド層141側へと入射角θが大きくなるように設定することが好ましい。
At this time, in order to further improve the reflectivity of the n-
すなわち、反射率向上の観点からは、例えば複数の入射角θのそれぞれについて、上述の式(1)よりそれぞれ求められる厚さTAの第1半導体層131xと、上述の式(2)よりそれぞれ求められる厚さTBの第2半導体層132xと、を各ペアとして積層されるペア層133xを各入射角θにつき1ペア以上有するようn型DBR層130を構成することが好ましい。
That is, from the viewpoint of reflectance improvement, for example, for each of a plurality of incident angles theta, a
このように、第1半導体層131xおよび第2半導体層132xの厚さ(対応する入射角θにより異なる)や材料を様々に変更し、組み合わせ、複数種類のペア層133xを積層することで、n型DBR層130の反射率を一層高め、半導体発光素子1の光取り出し効率を向上させることができる。
As described above, the thickness (which differs depending on the corresponding incident angle θ) and the material of the
(4)半導体発光素子の製造方法
本発明の第1実施形態に係る半導体発光素子1は、GaAs基板等の成長基板上で成長させた複数のエピタキシャル層を、貼り合せによりSi等の支持基板に移し替えることで形成される。以下に、本実施形態に係る半導体発光素子1の製造方法について、図3及び
図4を用いて説明する。図3及び図4は、本実施形態に係る半導体発光素子1の製造工程を示す断面図である。
(4) Manufacturing Method of Semiconductor Light Emitting Element In the semiconductor
(エピタキシャルウエハの製造)
まずは、図3(a)に示すように、例えばMOVPE法により、成長基板100上に複数のエピタキシャル層が形成されたエピタキシャルウエハ1eを製造する。すなわち、例えばn型GaAs基板等の成長基板100上に、n型AlGaInP等からなるエッチングストップ層110、n型GaAs等からなるn型コンタクト層120、n型のAlAs/AlNGa1−NAs等からなるn型DBR層130、n型AlGaInP等からなるn型クラッド層141、アンドープAlGaInP等からなる発光層142、p型AlGaInP等からなるp型クラッド層143、p型GaP等からなるp型コンタクト層150を、この順に成長させる。これにより、例えばピーク波長が630nmの赤色光を発するエピタキシャルウエハ1eが得られる。
(Epitaxial wafer production)
First, as shown in FIG. 3A, an
上記各層のうち、n型コンタクト層120からp型コンタクト層150までの各層により、半導体積層部10sが構成される。
Of the above layers, each of the layers from the n-
従来の特許文献2(特開2001−036132号公報)では、上部電極(表面電極)側のDBR層は、活性層(発光層)の上層に形成される。このような構造上の制約から、DBR層をp型GaP電流拡散層上に成長させることとなってしまう。GaPと、成長基板であり且つ支持基板でもあるGaAs基板を構成するGaAsとは格子定数が異なっており、p型GaP電流拡散層上のDBR層についてはDBR層を構成する半導体材料が制限されることとなる。或いは、特許文献2のように、GaAsと格子整合する半導体材料からなるDBR層を成長させた場合には、DBR層での電気抵抗が高くなってしまう。
In the conventional Patent Document 2 (Japanese Patent Laid-Open No. 2001-036132), the DBR layer on the upper electrode (surface electrode) side is formed on the active layer (light emitting layer). Due to such structural limitations, the DBR layer is grown on the p-type GaP current diffusion layer. GaP and GaAs constituting the growth substrate and the supporting substrate GaAs have different lattice constants, and the semiconductor material constituting the DBR layer is limited for the DBR layer on the p-type GaP current diffusion layer. It will be. Alternatively, as in
しかしながら、本実施形態においては、半導体積層部10sの構造を含む上記複数のエピタキシャル層は、後に貼り合わせにより、Si等の支持基板200に移し替えられて、本実施形態に係る半導体発光素子1が製造される。したがって、上記のように、各エピタキシャル層を形成する際には、発光層142よりも先にn型DBR層130を形成することとなり、n型DBR層130にはn型AlAsやn型AlNGa1−NAs等、成長基板100を構成するGaAsに格子整合する格子整合系材料を、電気抵抗を増大させる懸念なく用いることができる。このように、表面電極310c側に、電気抵抗の低いn型DBR層130を容易に形成することが可能となる。
However, in the present embodiment, the plurality of epitaxial layers including the structure of the semiconductor stacked
なお、上記各層のMOVPE法による形成は、MOVPE装置内に成長基板100を搬入して設置し、成長圧力、成長温度を所定値に保った状態で、所定の原料ガスを所定流量供給して行う。原料ガスには、例えばGa源としてトリメチルガリウム(TMGa)やトリエチルガリウム(TEGa)等の有機金属ガスを使用する。また、例えばAl源にはトリメチルアルミニウム(TMAl)等の、In源にはトリメチルインジウム(TMIn)等の有機金属ガスをそれぞれ使用する。また、As源としてアルシン(AsH3)等の、P源としてホスフィン(PH3)等の水素化物ガスをそれぞれ使用する。このとき、TMGaやTMAl等のIII族原料ガスのモル数を分母とし、AsH3やPH3等のV族原料
ガスのモル数を分子とする比率(商)、すなわち、V/III比を、所定値とする。
The formation of each layer by the MOVPE method is performed by carrying the
また、各層の導電型の決定に用いる導電型決定不純物の添加は、例えば所定の添加ガスを原料ガスに添加することにより行う。p型不純物のMg,Zn等を添加するには、例えばビスシクロペンタジエニルマグネシウム(Cp2Mg)、ジメチルジンク(DMZn)、ジエチルジンク(DEZn)等を用いる。n型不純物のSi,Se,Te等を添加するには、例えばモノシラン(SiH4)、セレン化水素(H2Se)、ジエチルテルル(DETe)、ジメチルテルル(DMTe)等を用いる。 Further, the addition of the conductivity determining impurity used for determining the conductivity type of each layer is performed by adding a predetermined additive gas to the source gas, for example. In order to add p-type impurities such as Mg and Zn, for example, biscyclopentadienyl magnesium (Cp 2 Mg), dimethyl zinc (DMZn), diethyl zinc (DEZn), or the like is used. To add n-type impurities such as Si, Se, Te, etc., for example, monosilane (SiH 4 ), hydrogen selenide (H 2 Se), diethyl tellurium (DETe), dimethyl tellurium (DMTe) or the like is used.
(第1反射部の形成)
以上のように各層が形成されたエピタキシャルウエハ1eを、MOVPE装置から搬出した後、プラズマを用いた化学気相蒸着(CVD:Chemical Vapor Deposition)法等に
より、p型コンタクト層150上の全面に、例えばSiO2等からなる透明層161を形成する。続いて、例えばフォトリソグラフィ法等を用いて所定のレジストパターン161pを透明層161上に形成し、図3(b)に示すように、透明層161の一部を貫通させて開口部162hを設ける。
(Formation of the first reflecting portion)
After the
次に、真空蒸着法やスパッタ法等を用いて、レジストパターン上及び透明層161の開口部162h内に、例えばAuZn合金等を蒸着する。更に、リフトオフ法によりレジストパターン161pを除去することで、図3(c)に示すように、開口部162h内にAuZn合金等からなる界面電極162を形成する。
Next, for example, an AuZn alloy or the like is vapor-deposited on the resist pattern and in the
次に、真空蒸着法やスパッタ法等を用いて、図3(d)に示すように、例えばAu等からなる金属層163を蒸着する。
Next, as shown in FIG. 3D, a
以上の構造により、反射層としての金属層163と一部に界面電極162が形成された透明層161とを備える第1反射部が構成される。
With the above structure, a first reflecting portion including a
続いて、図3(e)に示すように、真空蒸着法やスパッタ法等を用いて、例えばPt等からなるバリア層170と、Au等からなる接合層180とを、この順に蒸着する。以上の構造により、発光構造体10の主要部が構成される。
Subsequently, as shown in FIG. 3E, a
(貼り合わせウエハの製造)
一方、図3(f)に示すように、例えばp型Si等からなる支持基板200上に、真空蒸着法やスパッタ法等を用いて、Ti等からなるコンタクト電極210と、Au等からなる接合層220とを、この順に蒸着する。以上の構造により、支持構造体20の主要部が構成される。
(Manufacture of bonded wafers)
On the other hand, as shown in FIG. 3F, for example, a
次に、例えば熱圧着法等により、上記支持基板200と先の成長基板100とを貼り合わせる。すなわち、図3(f)に示すように、支持基板200上に形成された支持構造体20側の接合層220と、上述の成長基板100上に形成された発光構造体10側の接合層180とを向かい合わせて重ね、所定圧力を加えつつ、所定温度で所定時間保持して貼り合わせる。以上により、図3(g)に示すように、接合層220,180が電気的・機械的に接合された貼り合せウエハ1bが製造される。
Next, the
この後、図4(h),(i)に示すように、貼り合わせウエハ1bから成長基板100とエッチングストップ層110とを、例えば機械的研磨やエッチング液等、又はその組み合わせにより除去する。
Thereafter, as shown in FIGS. 4H and 4I, the
(表面電極の形成)
次に、図4(j)に示すように、n型コンタクト層120の上面の一部に、表面電極310cを形成する。すなわち、エッチングストップ層110が除去され、露出したn型コンタクト層120上に、例えばフォトリソグラフィ法を用いてレジストパターン(図示せず)を形成する。続いて、真空蒸着法やスパッタ法等により、例えばAuGe合金、Ni、Auをこの順に蒸着し、リフトオフ法によりレジストパターンを除去する。これにより、例えば円形の表面電極310cが素子ごとに形成される。更に、表面電極310cをマスクとして、n型コンタクト層120及びn型DBR層130をエッチングし、n型クラッド層141の上面の一部を露出させる。
(Formation of surface electrode)
Next, as illustrated in FIG. 4J, the
n型クラッド層141の一部が露出した面には、フォトリソグラフィ法等により周期的なドット状のレジストパターン(図示せず)を形成してエッチング液に浸漬し、その後レジストパターンを除去して、図4(k)に示す凹凸部141rを形成する。これにより、発光層142等からの光を乱反射させる凹凸部141rを有する光取り出し面141sが、n型クラッド層141の上面の一部に形成される。
A periodic dot-shaped resist pattern (not shown) is formed on the surface where a part of the n-
(裏面電極の形成)
次に、図4(l)に示すように、支持基板200の下面(裏面)に裏面電極320cを形成する。すなわち、真空蒸着法やスパッタ法等により、支持基板200の裏面の全面に、例えばTiとAuとをこの順に蒸着する。その後、表面電極310c及び裏面電極320cが形成された貼り合せウエハ1bをアロイ工程にて加熱し、表面電極310c、裏面電極320c、界面電極162を各電極が接する半導体層にオーミックコンタクトさせる。
(Formation of back electrode)
Next, as illustrated in FIG. 4L, the
続いて、例えばフォトリソグラフィ法及び真空蒸着法やスパッタ法等を用いたリフトオフ法により、表面電極310c上に、例えばTiとAuとをこの順に蒸着して、パッド電極310pを形成する。
Subsequently, for example, Ti and Au are vapor-deposited in this order on the
その後、複数形成した表面電極310cのそれぞれが中央部に位置するよう、例えば貼り合せウエハ1bをダイシングしてチップに切り出し、図1に示す半導体発光素子1を複数個得る。以上により、本実施形態に係る半導体発光素子1が製造される。
Thereafter, for example, the bonded
(5)本発明の第1実施形態に係る効果
本実施形態によれば、以下に示すひとつ又は複数の効果が得られる。
(5) Effects according to the first embodiment of the present invention According to the present embodiment, one or more of the following effects can be obtained.
(a)本実施形態によれば、半導体積層部10sは、表面電極310cとn型クラッド層141との間に、屈折率の異なる2以上の半導体層を積層したn型DBR層130を備える。これにより、表面電極310c側での光吸収を抑制し、半導体発光素子1の光取り出し効率を向上させることができる。
(A) According to the present embodiment, the semiconductor stacked
(b)また、本実施形態によれば、n型DBR層130は、n型DBR層130へと所定入射角で入射する発光層142が発する波長の光を反射するよう設計されている。すなわち、n型DBR層130は、上述の式(1)より求められる厚さTAの第1半導体層131xと、第1半導体層131xとは異なる屈折率を有し、上述の式(2)より求められる厚さTBの第2半導体層132x(0≦N<1)と、を1つのペアとして積層される複数のペア層133xを有する。これにより、半導体発光素子1の構造や、半導体発光素子1に対する各種要求に応じて入射量の大きい入射角θの光を反射するn型DBR層130を設けることができ、半導体発光素子1の光取り出し効率を一層向上させることができる。
(B) According to the present embodiment, the n-
(c)また、本実施形態によれば、上記所定入射角を0°より大きい入射角θとする。これにより、表面電極310cの位置と発光層142での発光強度が高い位置との水平方向における空間配置が異なる半導体発光素子1に対して、入射量の大きい入射角θの光を反射するn型DBR層130を設けることができる。
(C) According to the present embodiment, the predetermined incident angle is set to an incident angle θ larger than 0 °. As a result, the n-type light that reflects light having a large incident angle θ with respect to the semiconductor
(d)また、本実施形態によれば、複数の入射角θのそれぞれについて、上述の式(1),(2)よりそれぞれ求めた厚さを有する各半導体層を各ペアとして積層されるペア層133xを、各入射角θにつき1ペア以上有する。これにより、n型DBR層130の反射率をさらに向上させることができる。
(D) Further, according to the present embodiment, for each of a plurality of incident angles θ, a pair in which each semiconductor layer having a thickness obtained from the above formulas (1) and (2) is stacked as each pair. The
(e)また、本実施形態によれば、最上層のペア層133aのうち、n型コンタクト層120と接する側に配置される第1半導体層131aはAlAsからなり、n型コンタクト層120と第2半導体層132aとは、GaAsからなる。このように、光の吸収量は増加するものの、屈折率差の大きい第1半導体層131aと第2半導体層132aとの組み合わせを、光の入射量がもともと小さい表面電極310c側に用いることで、n型DBR層130の反射率をより一層高めることができる。
(E) According to the present embodiment, the
(f)また、本実施形態によれば、上記(e)の構成において、ペア層133aの下層のペア層133b〜133jは、AlAs/AlNGa1−NAs(0<N<1)の組み合わせ(ペア)とする。このように、屈折率差はAlAs/GaAsの組み合わせほど大きくないものの、光吸収係数の小さい第1半導体層131xと第2半導体層132xとの組み合わせを、光の入射量が大きい発光層142側に用いることで、n型DBR層130の反射率をより一層高めることができる。
(F) Further, according to the present embodiment, in the configuration of (e), the pair layers 133b to 133j below the
(g)また、本実施形態によれば、n型DBR層130は、第1半導体層131xおよび第2半導体層132xの材料、厚さの少なくともいずれかが異なる3種類以上のペア層133xを有する。これにより、n型DBR層130の反射率がより一層向上する。
(G) Also, according to the present embodiment, the n-
(h)また、本実施形態によれば、半導体発光素子1は、支持基板200を有する支持構造体20と発光層142を有する発光構造体10とが接合層220,180を介して接合される。また、n型DBR層130は、n型GaAs基板である成長基板100上で成長させたエピタキシャル層であり、GaAsに格子整合する材料からなる。このように、発光層142より先に、GaAs格子整合系材料からなるn型DBR層130を成長させることで、n型DBR層130での電気抵抗を低減することができる。
(H) According to this embodiment, in the semiconductor
(i)また、本実施形態によれば、第1反射部は金属層163を備える。このように、反射率の高い金属製の反射層とすることで、半導体発光素子1の光取り出し効率をより一層向上させることができる。
(I) According to the present embodiment, the first reflecting portion includes the
<本発明の第2実施形態>
図5に示すように、本発明の第2実施形態に係る半導体発光素子2は、表面電極310c側のみならず、界面電極162の直上にも第3反射部としてのp型DBR層130dを備える。p型DBR層130dを構成するペア層に含まれる各半導体層は、導電型をp型とすれば、上述の実施形態や変形例と同様の材料及び構成を用いることができる。
<Second Embodiment of the Present Invention>
As shown in FIG. 5, the semiconductor
半導体発光素子2の製造方法としては、上述の実施形態と同様の手法で、p型コンタクト層150までを成長させた後、p型DBR層130dをさらに成長させ、フォトリソグラフィ法等を用いて例えばドット状にパターニングする。その後、p型DBR層130dのパターンが形成されたp型コンタクト層150上の全面に、p型DBR層130dと界面電極162との合計の厚さに略等しくなるよう、透明層161を形成し、開口して、p型DBR層130d上に、例えばドット状に点在する界面電極162を形成する。以後の製造方法は、上述の実施形態と同様である。
As a manufacturing method of the semiconductor
本実施形態によれば、界面電極162上にもp型DBR層130dを設けたので、界面電極162側での光吸収も抑制することができる。
According to this embodiment, since the p-
<本発明の第3実施形態>
図6(a)に示すように、本発明の第3実施形態に係る半導体発光素子3aは、半導体積層部10sの上面に形成される電極を第1電極310aとし、第1電極310aと同一面側に、半導体積層部10sとは非接触に形成された第2電極320aを有する。すなわ
ち、半導体発光素子3aでは透明層161の一部が露出され、透明層161の露出部分に第2パッド電極320pが形成されている。第2パッド電極320pの近傍の金属層163が電極の役割を果たし、第2電極320aを構成している。
<Third embodiment of the present invention>
As shown in FIG. 6A, in the semiconductor
また、図6(b)には、本発明の第3実施形態の他の例に係る半導体発光素子3bを示す。図6(b)に示すように、半導体発光素子3bにおいては、第1電極310bと同一面側に形成される第2電極320bは、露出したp型クラッド層143の一部に形成される。
FIG. 6B shows a semiconductor
また、半導体発光素子3bでは、第1電極310bから半導体積層部10sを介して第2電極320bへと電流が流れるため、界面電極は省略された構成となっている。また、金属層163よりも下層のバリア層以下の構造も省略し、例えば発光構造体10と支持構造体20との双方に設けられた接合層230を互いに接合させて、半導体発光素子3bを得ることができる。
Further, in the semiconductor
半導体発光素子3a,3bにおいては、第1電極310a,310b及び第2電極320a,320bを素子の同一面に有するので、実装が容易である等の利点を有する。
The semiconductor
ここで、半導体発光素子3aを例にとって、係る構造におけるn型DBR層130及び金属層163の光の反射について、図7を用いて説明する。
Here, taking the semiconductor
半導体発光素子3aにおいても、半導体積層部10sの積層方向に投じた第1電極310aの射影が、界面電極162とは重なり合わないよう構成されている。また、第1電極310aに対して、第2電極320aは斜め下方に配置されている。したがって、図7(a)に示すように、発光層142の水平方向における電流の通過位置は、上述の実施形態に係る半導体発光素子1よりも偏っており、第1電極310aに斜めに入射する光の光量がさらに増す構造となっている。
The semiconductor
上記の場合であっても、本実施形態の構造での入射量が大きくなる入射角θが0°ではない斜め入射の光を反射するn型DBR層130を設けることで、図7(b)に示すように、第1電極310a側での光の吸収を抑制し、光取り出し効率を向上させることができる。
Even in the above case, by providing the n-
<本発明の他の実施形態>
以上、本発明の実施形態について具体的に説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。
<Other Embodiments of the Present Invention>
As mentioned above, although embodiment of this invention was described concretely, this invention is not limited to the above-mentioned embodiment, It can change variously in the range which does not deviate from the summary.
例えば、成長基板100を構成するGaAsと整合する半導体材料としては、AlAs〜GaAsまでのAlNGa1−NAs(0≦N≦1)や、AlInP〜GaInPまでの(AlNGa1−N)XIn1−XP(0≦N≦1)、或いはAlGaInAsP等がある。
For example, as a semiconductor material matched with GaAs constituting the
上述の実施形態においては、n型DBR層130やp型DBR層130dをAlAs/AlNGa1−NAs(0≦N<1)で構成することとしたが、他にも上記GaAs格子整合系材料の中から選択される材料を用いることができる。例えば、AlInP/AlNGa1−NAs(0≦N<1)の組み合わせ(ペア)においても、屈折率差が比較的大きく、赤色光の吸収の少ないDBR層が得られる。
In the above embodiment, it is assumed that for an n-
また、発光層についても、上述のAlGaInPの他に、上記GaAs格子整合系材料の中から、例えばGaAs、AlGaAs、AlGaInAsP等を用いることができる
。
For the light emitting layer, in addition to the above-mentioned AlGaInP, for example, GaAs, AlGaAs, AlGaInAsP, etc. can be used from the above GaAs lattice matching materials.
また、上述の実施形態においては、GaAs基板を成長基板100とし、半導体積層構造10sを含む複数の半導体層をGaAs格子整合系材料により構成したが、InP基板を成長基板として、各半導体層をInP格子整合系材料により構成することも可能である。
In the above-described embodiment, the
また、上述の実施形態においては、n型クラッド層141側を光取り出し面141sとしたが、上下の各層の導電型を逆にして、p型クラッド層を光取り出し面としてもよい。
In the above-described embodiment, the n-
また、上述の実施形態においては、半導体積層構造10sを含む複数の半導体層をMOVPE法により成長させることとしたが、液相成長(LPE:Liquid Phase Epitaxy)法や、分子線エピタキシー(MBE:Molecular Beam Epitaxy)法等を用いることも可能である。
In the above-described embodiment, a plurality of semiconductor layers including the
また、上述の実施形態においては、金属層163はAuからなるとしたが、Al,Cu,Ag等や、Au,Al,Cu,Ag等の少なくとも1つを含む合金材料など、高い反射率を有する金属材料であれば用いることができる。
In the above-described embodiment, the
また、上述の実施形態においては、透明層161は電気絶縁性を有するSiO2等からなるとしたが、Si3N4、Ta2O5、MgF2、HfO2、In2O3等や、ITO等の導電性材料も用いることができる。透明層をITO等の導電性材料で構成した場合には、界面電極は不要となる。
Further, in the above-described embodiment, the
また、上述の実施形態においては、略円形の表面電極310cを形成することとしたが、この他、四角形、菱形、多角形等、表面電極は種々の形状とすることができる。
In the above-described embodiment, the
また、上述の実施形態においては、界面電極162をドット状に分散して配置することとしたが、例えば線状の界面電極を放射状や櫛歯状に分散して配置してもよい。このとき、表面電極の直下の位置を避けるよう配置することが好ましい。
In the above-described embodiment, the
次に、本発明に係る実施例について比較例とともに説明する。 Next, examples according to the present invention will be described together with comparative examples.
上述の第1実施形態と同様の手法で、実施例1〜実施例5に係る半導体発光素子を製作した。成長基板および支持基板には、それぞれ直径3インチのn型GaAs基板およびp型Si基板を用いた。各素子は、300μm×300μmの略正方形の形状とした。実施例1,2の半導体発光素子は、第1実施形態に基づき、n型のAlAs/Al0.5Ga0.5Asにより構成されるn型DBR層を有する。実施例3,4の半導体発光素子は、第1実施形態の変形例に基づき、最上層のペア層のみがn型のAlAs/GaAsにより構成される。また、複数の入射角θに対応する各ペア層を有する。実施例5は、その他の実施形態の記載に基づき、n型のAlInP/Al0.5Ga0.5Asにより構成されるn型DBR層を有する。また、表面電極側にn型DBR層を設けない比較例に係る半導体発光素子を製作した。 Semiconductor light emitting devices according to Examples 1 to 5 were manufactured by the same method as in the first embodiment. As the growth substrate and the support substrate, an n-type GaAs substrate and a p-type Si substrate each having a diameter of 3 inches were used. Each element had a substantially square shape of 300 μm × 300 μm. The semiconductor light emitting devices of Examples 1 and 2 have an n-type DBR layer composed of n-type AlAs / Al 0.5 Ga 0.5 As based on the first embodiment. In the semiconductor light emitting devices of Examples 3 and 4, only the uppermost pair layer is made of n-type AlAs / GaAs based on the modification of the first embodiment. Further, each pair layer corresponding to a plurality of incident angles θ is provided. Example 5 has an n-type DBR layer composed of n-type AlInP / Al 0.5 Ga 0.5 As based on the description of other embodiments. In addition, a semiconductor light emitting device according to a comparative example in which an n-type DBR layer was not provided on the surface electrode side was manufactured.
実施例1〜実施例5に係る半導体発光素子の詳細構造を、表1〜表4に示す。表1の構造をn型DBR層のない構造としたものが、比較例の半導体発光素子にあたる。また、各実施例におけるn型DBR層の構成を示す表2〜表4において、a〜jまでの10ペアのペア層のうち、ペア層aがn型コンタクト層側のペア層であり、ペア層jがn型クラッド層側のペア層である。入射角が0°〜40°に対応する各ペア層の第1,第2半導体層の
層厚は、上述の式(1),(2)より求めた。このとき、発光層142のピーク波長λP、n型クラッド層の屈折率nin、第1半導体層の屈折率nA、第2半導体層の屈折率nBには、それぞれ以下の数値を用いた。
λP=630nm
nin=3.127((Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P)
nA=3.111(AlAs(表2〜表3))
nA=3.180(Al0.5In0.5P(表4))
nB=3.500(Al0.5Ga0.5As)
The detailed structures of the semiconductor light emitting devices according to Examples 1 to 5 are shown in Tables 1 to 4. The structure shown in Table 1 having no n-type DBR layer corresponds to the semiconductor light emitting device of the comparative example. In Tables 2 to 4 showing the configuration of the n-type DBR layer in each example, among the 10 pairs of layers from a to j, the pair layer a is a pair layer on the n-type contact layer side. The layer j is a pair layer on the n-type cladding layer side. The layer thicknesses of the first and second semiconductor layers of each pair layer corresponding to an incident angle of 0 ° to 40 ° were obtained from the above formulas (1) and (2). At this time, the following numerical values are used for the peak wavelength λ P of the
λ P = 630 nm
n in = 3.127 ((Al 0.7 Ga 0.3 ) 0.5 In 0.5 P)
n A = 3.111 (AlAs (Tables 2 to 3))
n A = 3.180 (Al 0.5 In 0.5 P (Table 4))
n B = 3.500 (Al 0.5 Ga 0.5 As)
次に、実施例1〜実施例5及び比較例に係る半導体発光素子を、TO−18ステム上にダイボンディング及びワイヤボンディングして実装し、ベアチップの状態で20mAの電流を通電して発光出力及び動作電圧の測定値を得た。係る測定値を、表5に示す。 Next, the semiconductor light emitting devices according to Examples 1 to 5 and the comparative example were mounted on the TO-18 stem by die bonding and wire bonding, and a current of 20 mA was applied in a bare chip state to emit light output and A measurement of the operating voltage was obtained. The measured values are shown in Table 5.
AlGaAs系の材料を含む実施例1〜実施例4に係るいずれの半導体発光素子においても、比較例に係る半導体発光素子よりも発光出力が大きくなっており、n型DBR層を設けることで、半導体発光素子の光取り出し効率が向上したことがわかる。また、AlInP系の材料を含む実施例5においても、比較例よりも大きな発光出力がみられ、AlInP系の材料であってもn型DBR層を設けた効果が得られている。なお、比較例と比べて各実施例における動作電圧が増加したのは、素子全体の半導体層の積層数が増えた影響による。 In any of the semiconductor light emitting devices according to Examples 1 to 4 including an AlGaAs-based material, the light emission output is larger than that of the semiconductor light emitting device according to the comparative example, and the semiconductor is provided by providing the n-type DBR layer. It can be seen that the light extraction efficiency of the light emitting element is improved. Further, in Example 5 including the AlInP-based material, a light emission output larger than that of the comparative example is observed, and the effect of providing the n-type DBR layer is obtained even with the AlInP-based material. Note that the operating voltage in each example increased compared to the comparative example because of the increase in the number of stacked semiconductor layers in the entire device.
また、実施例2の発光出力は実施例1よりも大きく、表面電極と発光層の発光強度が高い位置との水平方向における空間配置が異なる素子構造では、斜めに入射する光を反射するよう設計されたn型DBR層を用いることが有効であることが確認された。 In addition, the light emission output of Example 2 is larger than that of Example 1, and the device structure in which the spatial arrangement in the horizontal direction between the surface electrode and the light emitting layer where the light emission intensity is high differs is designed to reflect obliquely incident light. It was confirmed that it was effective to use the n-type DBR layer formed.
また、実施例3の発光出力は実施例2よりも大きく、最上層のペア層を屈折率差の大きな組み合わせ(ペア)とするn型DBR層を用いることが有効であることが確認された。 Further, the light emission output of Example 3 was larger than that of Example 2, and it was confirmed that it is effective to use an n-type DBR layer in which the uppermost pair layer is a combination (pair) having a large refractive index difference.
また、実施例4の発光出力は実施例3よりも大きく、複数の入射角θに対応する各ペア層を有するn型DBR層を用いることが有効であることが確認された。 Further, the light emission output of Example 4 was larger than that of Example 3, and it was confirmed that it was effective to use an n-type DBR layer having each pair layer corresponding to a plurality of incident angles θ.
1,2,3a,3b 半導体発光素子
10 発光構造体
20 支持構造体
120 n型コンタクト層(第1導電型コンタクト層)
130 n型DBR層(第2反射部)
131x (131a〜131j) 第1半導体層
132x (132a〜132j) 第2半導体層
133x (133a〜133j) ペア層
141 n型クラッド層(第1導電型クラッド層)
141s 光取り出し面
142 発光層
143 p型クラッド層(第2導電型クラッド層)
150 p型コンタクト層
161 透明層
162 界面電極
163 金属層(反射層)
180,220 接合層
200 支持基板
310a,310b 第1電極(電極)
310c 表面電極(電極)
320a,320b 第2電極
320c 裏面電極
1, 2, 3a, 3b Semiconductor light emitting
130 n-type DBR layer (second reflector)
131x (131a to 131j)
141s
150 p-
180, 220
310c Surface electrode (electrode)
320a, 320b
Claims (8)
前記発光構造体は、
前記接合層の上に配置され、金属材料からなる反射層と前記発光層が発する光の波長に対して光学的に透明な材料からなる透明層とを備える第1反射部と、
前記第1反射部の上に配置され、一部が光取り出し面となる面を有する第1導電型クラッド層と前記第1導電型とは異なる導電型の第2導電型クラッド層との間に挟まれる前記発光層を備える半導体積層部と、
前記第1導電型クラッド層の光取り出し面となる面側の一部に配置される電極と、を有し、
前記半導体積層部は、
前記電極と前記第1導電型クラッド層との間に、屈折率の異なる2以上の半導体層を積層した第2反射部を備える
ことを特徴とする半導体発光素子。 A support structure having a support substrate and a light emitting structure having a light emitting layer are bonded via a bonding layer,
The light emitting structure is:
A first reflective portion that is disposed on the bonding layer and includes a reflective layer made of a metal material and a transparent layer made of a material that is optically transparent to the wavelength of light emitted by the light emitting layer;
Between the first conductivity type cladding layer that is disposed on the first reflection portion and has a part that becomes a light extraction surface, and a second conductivity type cladding layer that is different in conductivity type from the first conductivity type. A semiconductor laminate comprising the light emitting layer sandwiched between;
An electrode disposed on a part of the surface side that serves as a light extraction surface of the first conductivity type cladding layer,
The semiconductor laminate portion is
A semiconductor light emitting device comprising: a second reflecting portion in which two or more semiconductor layers having different refractive indexes are stacked between the electrode and the first conductivity type cladding layer.
前記半導体積層部の上面の一部に形成される表面電極であり、
前記支持構造体は、
前記支持基板の下面に形成される裏面電極を有し、
前記発光構造体は、
前記透明層の一部に形成され、前記表面電極と前記裏面電極とを電気的に接続する界面電極を有する
ことを特徴とする請求項1に記載の半導体発光素子。 The electrode is
A surface electrode formed on a part of the upper surface of the semiconductor laminate,
The support structure is
Having a back electrode formed on the bottom surface of the support substrate;
The light emitting structure is:
2. The semiconductor light emitting device according to claim 1, further comprising an interface electrode that is formed in a part of the transparent layer and electrically connects the front surface electrode and the back surface electrode.
ことを特徴とする請求項2に記載の半導体発光素子。 The semiconductor light emitting element according to claim 2, wherein a projection of the surface electrode cast in a stacking direction of the semiconductor stacked portion does not overlap with the interface electrode.
前記半導体積層部の上面の一部に形成される第1電極であり、
前記発光構造体は、
前記第1電極と同一面側に、前記半導体積層部とは非接触に形成された第2電極と、
前記透明層の一部に形成され、前記第1電極と前記第2電極とを電気的に接続する界面電極と、を有する
ことを特徴とする請求項1に記載の半導体発光素子。 The electrode is
A first electrode formed on a part of the upper surface of the semiconductor stacked portion;
The light emitting structure is:
A second electrode formed on the same surface side as the first electrode in a non-contact manner with the semiconductor stack;
2. The semiconductor light emitting device according to claim 1, further comprising an interface electrode that is formed in a part of the transparent layer and electrically connects the first electrode and the second electrode.
前記発光層側から前記第2反射部へと0°より大きい所定入射角で斜めに入射する前記発光層が発する波長の光を反射するよう設計されている
ことを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の半導体発光素子。 The second reflecting portion is
5. The light emitting layer is designed so as to reflect light having a wavelength emitted obliquely from the light emitting layer side to the second reflecting portion at a predetermined incident angle greater than 0 °. The semiconductor light-emitting device according to any one of the above.
次式(1)より求められる厚さTAの第1半導体層と、前記第1半導体層とは異なる屈折率を有し、次式(2)より求められる厚さTBの第2半導体層と、を1つのペアとして積層される複数のペア層を有し、
前記第1導電型クラッド層側の最下層の前記ペア層のうち、前記第2半導体層が前記第1導電型クラッド層と接する側に配置される
ことを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の半導体発光素子。
(ここで、式(1)及び式(2)中、λPは前記発光層が発する光のピーク波長であり、θは前記第1導電型クラッド層から、前記第1導電型クラッド層に接する前記第2半導体層へと入射する前記光の入射角(但し、0<θ)であり、ninは前記第1クラッド層の屈折率であり、nAは前記第1半導体層の屈折率であり、nBは前記第2半導体層の屈折率である。) The second reflecting portion is
A first semiconductor layer of a thickness T A obtained from the following equation (1), has a different refractive index from that of the first semiconductor layer, a second semiconductor layer having a thickness of T B obtained from the following equation (2) And a plurality of pair layers stacked as one pair,
The said 2nd semiconductor layer is arrange | positioned among the said pair layers of the lowest layer by the side of the said 1st conductivity type clad layer at the side which contact | connects the said 1st conductivity type clad layer, Any one of Claims 1-5 characterized by the above-mentioned. A semiconductor light emitting device according to claim 1.
(Wherein, in formulas (1) and (2), λ P is the peak wavelength of light emitted from the light emitting layer, and θ is in contact with the first conductivity type cladding layer from the first conductivity type cladding layer. The incident angle of the light incident on the second semiconductor layer (where 0 <θ), n in is the refractive index of the first cladding layer, and n A is the refractive index of the first semiconductor layer. And n B is the refractive index of the second semiconductor layer.)
複数の入射角θのそれぞれについて、前記式(1)よりそれぞれ求められる厚さTAの前記第1半導体層と、前記式(2)よりそれぞれ求められる厚さTBの前記第2半導体層と、を各ペアとして積層される前記ペア層を前記各入射角θにつき1ペア以上有する
ことを特徴とする請求項6に記載の半導体発光素子。 The second reflecting portion is
For each of a plurality of incident angles θ, the first semiconductor layer having a thickness T A obtained from the equation (1), and the second semiconductor layer having a thickness T B obtained from the equation (2), respectively. 7. The semiconductor light emitting device according to claim 6, wherein the pair layers stacked as a pair have at least one pair for each incident angle θ.
前記第1導電型クラッド層の光取り出し面となる面側の一部に配置される前記電極と前記電極側の最上層の前記ペア層との間に第1導電型コンタクト層を備え、
最上層の前記ペア層のうち、前記第1導電型コンタクト層と接する側に配置される前記第1半導体層は、AlAsからなり、
前記第1導電型コンタクト層と、最上層の前記ペア層の前記第2半導体層とは、GaAsからなる
ことを特徴とする請求項6又は7に記載の半導体発光素子。 The semiconductor laminate portion is
A first conductivity type contact layer is provided between the electrode disposed on a part of the surface side that becomes the light extraction surface of the first conductivity type cladding layer and the pair layer of the uppermost layer on the electrode side,
Of the uppermost pair layer, the first semiconductor layer disposed on the side in contact with the first conductivity type contact layer is made of AlAs,
8. The semiconductor light emitting element according to claim 6, wherein the first conductivity type contact layer and the second semiconductor layer of the uppermost pair layer are made of GaAs.
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