JP2013125816A - 半導体発光素子 - Google Patents

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Abstract

【課題】半導体発光素子の光出力を増加する。
【解決手段】一つの実施形態によれば、半導体発光素子は、積層構造体、第1の電極、第2の電極、及び透明導電膜が直接或いは間接的に積層形成される。積層構造体は、第1導電型の第1の半導体層、発光層、及び第2導電型の第2の半導体層が直接或いは間接的に積層形成され、発光層側から第2の半導体層側方向へ光が取り出される。第1の電極は、第1の半導体層に接続される。第2の電極は、第2の半導体層の発光層側の露呈された第1主面に接続され、第1の電極と並列配置される。透明導電膜は、第2の半導体層の第1主面と相対向する第2主面を覆うように設けられる。
【選択図】 図1

Description

本発明の実施形態は、半導体発光素子に関する。
半導体発光素子では、光取り出しに対して電極が遮蔽物となる。このため、近年、光取り出し面に電極を設けない半導体発光素子が多数開発されている。この様な半導体発光素子は、例えばP型半導体層、MQW(Multiple Quantum Well)発光層、及びN型半導体層が積層形成される積層構造体が設けられ、N型電極とP型電極が支持台上に載置され、N型半導体層の表面側から光を取り出している。
この半導体発光素子では、N型電極とP型電極が近接する領域に電流が集中して狭い領域でキャリア密度が増加するという問題点がある。狭い領域でキャリア密度が増加すると、高出力半導体発光素子では、オーバーフローや非発光オージェ再結合が増加して発光効率が低下するという問題点がある。
特開2009−260316号公報
本発明は、光出力を増加することができる半導体発光素子を提供することにある。
一つの実施形態によれば、半導体発光素子は、積層構造体、第1の電極、第2の電極、及び透明導電膜が直接或いは間接的に積層形成される。積層構造体は、第1導電型の第1の半導体層、発光層、及び第2導電型の第2の半導体層が直接或いは間接的に積層形成され、発光層側から第2の半導体層側方向へ光が取り出される。第1の電極は、第1の半導体層に接続される。第2の電極は、第2の半導体層の発光層側の露呈された第1主面に接続され、第1の電極と並列配置される。透明導電膜は、第2の半導体層の第1主面と相対向する第2主面を覆うように設けられる。
第1の実施形態に係る半導体発光素子を示す断面図である。 第1の実施形態に係る半導体発光素子でのエレクトロンとホールの挙動を説明する図である。 第1の実施形態に係る比較例の半導体発光素子を示す断面図である。 第1の実施形態に係る比較例の半導体発光素子でのエレクトロンとホールの挙動を説明する図である。 第1の実施形態に係る半導体発光素子での発光、非発光を説明する図である。 第1の実施形態に係る半導体発光素子の電流と光出力の関係を示す図である。 第1の実施形態に係る半導体発光素子のN型クラッド層厚と光出力の関係を示す図である。 第1の実施形態に係る半導体発光素子の電流と電圧の関係を示す図である。 第2の実施形態に係る半導体発光素子を示す断面図である。 第3の実施形態に係る半導体発光素子を示す断面図である。 第4の実施形態に係る半導体発光素子を示す断面図である。
以下本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
(第1の実施形態)
まず、本発明の第1の実施形態に係る半導体発光素子について、図面を参照して説明する。
図1は半導体発光素子を示す断面図である。図2は半導体発光素子でのエレクトロンとホールの挙動を説明する図である。図3は比較例の半導体発光素子を示す断面図である。図4は比較例の半導体発光素子でのエレクトロンとホールの挙動を説明する図である。図5は半導体発光素子での発光、非発光を説明する図である。本実施形態では、積層構造体を構成する最上層のN型クラッド層上に、N型クラッド層を覆うように透明導電膜を設けて大電流におけるオーバーフローや非発光オージェ再結合を抑制して光出力を増加している。
図1に示すように、半導体発光素子90は、支持台11、支持台P型電極12、支持台N型電極13、P型電極7、N型電極8、積層構造体61、及び透明導電膜9が設けられる。半導体発光素子90は、高出力GaN系LED(light emitting diode)であり、照明分野などに適用される。
半導体発光素子90はP型電極7及びN型電極8が支持台11側に設けられ、積層構造体61のMQW(multi quantum well)発光層4で生成された光は積層構造体61のN型クラッド層6側から取り出される。P型電極7は、MQW発光層4で生成された光を反射する反射層としても機能する。
P型支持台電極12は、支持台11上に載置される。N型支持台電極13は、P型支持台電極12と離間して支持台11上に載置される。P型電極7は、P型支持台電極12を覆うようにP型支持台電極12上に形成される。N型電極8は、P型電極7及び積層構造体61と離間してN型支持台電極13上に形成される。P型電極7は、N型電極8よりも専有面積が広いが、注入されるキャリア(ホール)がMQW発光層4全域に広がれば良く、メッシュ状、細線状、ドット状や透明電極と反射層の組み合わせであっても良い。
積層構造体61は、P型電極7上に形成される。積層構造体61は、P型コンタクト層1、P型クラッド層2、P型オーバーフロー防止層3、MQW発光層4、超格子層5、及びN型クラッド層6が、例えばMOCVD(metal organic chemical vapor deposition)法を用いて積層形成されたものである。N型電極8の上面と超格子層5の上面は同じ高さに設定される。N型電極8と超格子層5上にN型クラッド層6が形成される。P型オーバーフロー防止層3は、N型電極8側から供給されるエレクトロンの流れを遮断する働きをする。
ここで、P型コンタクト層1はP型GaN層であり、例えばアクセプタ濃度が1E21/cmで厚さ5nmに設定される。P型クラッド層2はP型GaN層であり、例えばアクセプタ濃度が1E20/cmで厚さ100nmに設定される。P型オーバーフロー防止層3はP型AlGaN層であり、例えばアクセプタ濃度が1E20/cmで厚さ5nmに設定される。MQW発光層4はアンドープMQW発光層で8つの量子井戸を含み、その量子井戸は例えば厚さ2.5nmでInGa1−XN層からなる井戸層42と、例えば厚さ5nmでInGa1−YN層からなる障壁層41とから構成される。超格子層5はアンドープ超格子層で30の量子井戸を含み、その量子井戸は例えば厚さ1nmでInGa1−LN層からなる井戸層と、例えば厚さ3nmでInGa1−MN層からなる障壁層とから構成される。N型クラッド層6はN型GaN層であり、例えばドナー濃度1E19/cmで厚さ4μmに設定される。
N型クラッド層6の表面には1〜2μm程度の凹凸が形成されている。凹凸は、例えばKOH溶液を用いて形成しているがパターニング/RIE(reactive ion etching)法やインプリント法/RIE法を用いて形成してもよい。
透明導電膜9は、例えば膜厚0.17μmを有するITO(indium thin oxide)膜を用いている。透明導電膜9は、N型クラッド層6の表面の凹凸を反映して表面に凹凸が維持される。ITO膜は、例えば透過率が95%、抵抗率が5×10Ω/cm以下の値を有する。なお、ITO膜の代わりに、ZnO膜、SnO膜、AZO膜(ZnOにAlを添加したもの)、或いはIZO膜などを用いてもよい。
ここで、N型クラッド層6及び透明導電膜9表面に形成される凹凸は、N型クラッド層6表面側に入射される光の入射角度、透明導電膜9表面側に入射される光の入射角度を種々変化させる。このため、N型クラッド層6と透明導電膜9界面、透明導電膜9と大気界面での全反射される光の割合が減少し、凹凸の効果で光取り出しが向上する。
図2に示すように、本実施形態の半導体発光素子90では、P型電極7とN型電極8の間に電圧が印加されると、P型電極7側の一面全体にホールが発生し、MQW発光層4の一面全体に形成される再結合発生領域50にホールが供給される。一方、N型電極8側で発生したエレクトロンは、透明導電膜9がN型クラッド層6よりも抵抗が低いので、透明導電膜9及びN型電極8を介して超格子層5の一面全面に伝搬してMQW発光層4の一面全体に形成される再結合発生領域50に供給される。この結果、活性層のキャリア密度の増加が抑制される。
ここで、半導体発光素子での発光、非発光について説明する。図5(a)に示すように、自然放出による発光Bは、エレクトロンが伝導帯から価電子帯へ移動してエネルギーを放出するときに発生する光であり、結合率がキャリアの2乗に比例する。SRH(ショックレーリードホール再結合)による非発光Aは、エレクトロンが伝導帯からdeep levelへ移動或いはdeep levelから価電子帯へ移動してエネルギーを振動として放出するものであり、結合率がキャリアの1乗に比例する。非発光オージェ再結合による非発光は、エレクトロンが伝導帯から価電子帯へ移動してエネルギーを放出、或いはエレクトロンが伝導帯でエネルギーを得て励起するものであり、結合率がキャリアの3乗に比例する。
図5(b)に示すように、発光効率としての割合Yは、非発光A、発光B、非発光Cをもとに
Y=B/(A+B+C)・・・・・・・・・・・・・・・・・式(1)
と表わされる。発光効率としての割合Yは、キャリア濃度が増加するにつれて増加する。キャリア濃度が、例えば4E18/cmに達すると割合Yの値は飽和し、4E18/cmよりも増加すると割合Yは徐々に低下する。つまり、キャリア濃度が所定の値以上の領域では発光効率が低下する。
本実施形態の半導体発光素子90の大電流動作時、キャリア濃度を所定の値以内に抑制することができる。本実施形態の半導体発光素子90の大電流動作時でも、広い領域で再結合が発生し、活性層のキャリア密度の増加を抑制できる。したがって、オーバーフローや非発光オージェ再結合の発生を抑制することができ、発光効率が低下せずに大電流で光出力を増加することができる。
図3に示すように、比較例の半導体発光素子100は、支持台11、支持台P型電極12、支持台N型電極13、P型電極7、N型電極8、及び積層構造体61が設けられる。比較例の半導体発光素子100は、本実施形態の半導体発光素子90の透明導電膜9が設けられていないだけで、その他の構成は同一である。
図4に示すように、比較例の半導体発光素子100では、P型電極7とN型電極8の間に電圧が印加されると、P型電極7側の一面全体にホールが発生し、MQW発光層4の一面全体にホールが供給される。一方、N型電極8側で発生したエレクトロンは、N型クラッド層6が比較的抵抗が高いので、N型電極8側に近い領域のN型クラッド層6にのみエレクトロンが供給される。この結果、再結合発生領域50はN型電極8側に近い領域にのみとなる。
このため、比較例の半導体発光素子100の大電流動作時では、狭い領域で再結合が発生して電流が集中し、活性層のキャリア密度が増大する。したがって、オーバーフローや非発光オージェ再結合が発生して発光効率が低下する。
次に、半導体発光素子の特性について図6乃至8を参照して説明する。図6は半導体発光素子の電流と光出力の関係を示す図である。図7は半導体発光素子のN型クラッド層厚と光出力の関係を示す図である。図8は半導体発光素子の電流と電圧の関係を示す図である。
図6に示すように、半導体発光素子に流れる電流が増加するにつれて光出力が増大する。ここで、実線(a)、破線(b)、破線(c)、破線(d)が本実施形態の特性、実線(e)が比較例の特性である。実線(a)はN型クラッド層6の厚さが2μm、破線(b)及び実線(e)はN型クラッド層6の厚さが4μm、破線(c)はN型クラッド層6の厚さが6μm、破線(d)はN型クラッド層6の厚さが8μmである。なお、図7及び図8において同様な表記をしている。
本実施例の半導体発光素子90は、比較例の半導体発光素子100よりも光出力を大きくすることができる。特にN型クラッド層6の厚さが2μmの実線(a)、N型クラッド層6の厚さが4μmの破線(b)において、大きな光出力が得られることがわかる。
図7に示すように、例えば電流250mAでの半導体発光素子のN型クラッド層厚と光出力の関係からわかるように、N型クラッド層6の厚さを4μよりも大きくすると光出力が低下し、N型クラッド層6の厚さを4μm以下にすると大きな光出力が得られることがわかる。この理由は、N型クラッド層6を厚くすると透明導電膜9がN型電極8から離間するので、エレクトロンが透明導電膜9に到達しにくくなると考えられる。MOCVD法などを用いて結晶成長する層を薄くできることから、結晶成長の時間を短縮化することができ、熱膨張率の差による結晶成長後での基板の反りを低減することが可能となる。
図8に示すように、本実施例の半導体発光素子90(実線(a)、破線(b)、破線(c)、破線(d))は、比較例の半導体発光素子100(実線(e))よりも低い電圧で光出力を大きくすることができる。
上述したように、本実施形態の半導体発光素子及では、支持台11、支持台P型電極12、支持台N型電極13、P型電極7、N型電極8、積層構造体61、及び透明導電膜9が設けられる。積層構造体61は、P型コンタクト層1、P型クラッド層2、P型オーバーフロー防止層3、MQW発光層4、超格子層5、及びN型クラッド層6から構成される。半導体発光素子90はP型電極7及びN型電極8が支持台11側に設けられ、積層構造体61のMQW発光層4で生成された光は積層構造体61のN型クラッド層6側から取り出される。積層構造体61を構成する最上層のN型クラッド層6上に、N型クラッド層6を覆うように透明導電膜9を設けられる。N型クラッド層6及び透明導電膜9表面には凹凸が設けられる。
このため、半導体発光素子90の大電流動作時、広い領域で再結合が発生し、活性層のキャリア密度の増加を抑制できる。したがって、オーバーフローや非発光オージェ再結合の発生を抑制することができ、大電流で光出力を増加することができる。また、結晶成長層を薄くできることから、結晶成長時間を短縮化することができ、熱膨張率の差による結晶成長後での基板の反りを低減することが可能となる。
なお、本実施形態では、GaN系LEDに適用しているが必ずしもこれに限定されるものではない。例えば、AlGaAs系LEDやInGaAlP系LEDにも適用してもよい。
また、本実施形態では、積層構造体61をP型コンタクト層1(第1の半導体層)、P型クラッド層2、P型オーバーフロー防止層3、MQW発光層4(発光層)、超格子層5、及びN型クラッド層6(第2の半導体層)により積層形成している。P型コンタクト層1(第1の半導体層)とMQW発光層4(発光層)の間にP型クラッド層2及びP型オーバーフロー防止層3を設け、MQW発光層4(発光層)とN型クラッド層6(第2の半導体層)の間に超格子層5を設けているが必ずしもこれに限定されるものではない。例えば、積層構造体をP型コンタクト層(第1の半導体層)、MQW発光層(発光層)、及びN型コンタクト層(第2の半導体層)により積層形成(構造簡略化)してもよい。この様な構造においてもオーバーフローや非発光オージェ再結合の発生を抑制することができる。
(第2の実施形態)
次に、本発明の第2の実施形態に係る半導体発光素子について、図面を参照して説明する。図9は半導体発光素子を示す断面図である。本実施形態では、N型クラッド層の表面を平坦化している。
以下、実施例1と同一構成部分には、同一符号を付してその部分の説明を省略し、異なる部分のみ説明する。
図9に示すように、半導体発光素子91は、支持台11、支持台P型電極12、支持台N型電極13、P型電極7、N型電極8、積層構造体61、及び透明導電膜9が設けられる。半導体発光素子91はN型クラッド層6表面を平坦化し、透明導電膜9表面に凹凸を形成している点が第1の実施形態の半導体発光素子90と異なる。
透明導電膜9は、例えば膜厚0.17μmを有するITO膜を用いている。透明導電膜9表面の凹凸は、凹部での厚さが例えば0.1μm以上あり、間隔は膜厚と同レベルに設定されている。透明導電膜9表面の凹凸は、塩酸/硝酸からなる混酸を用いて形成されている。なお、塩酸/硝酸からなる混酸の代わりにCDE(chemical dry etching)法やRIE法を用いてもよい。
本実施形態の半導体発光素子91では、平坦なN型クラッド層6上に透明導電膜9を設けているので第1の実施形態の半導体発光素子90よりも透明導電膜9の形成が容易となる。また、本実施形態の半導体発光素子91は、N型クラッド層6表面の凹凸を設けていないので第1の実施形態の半導体発光素子90よりも製造工程を短縮化することができる。
上述したように、本実施形態の半導体発光素子では、支持台11、支持台P型電極12、支持台N型電極13、P型電極7、N型電極8、積層構造体61、及び透明導電膜9が設けられる。表面が平坦なN型クラッド層6上に、N型クラッド層6を覆うように表面が凹凸形状の透明導電膜9を設けられる。
このため、第1の実施形態と同様な効果の他に、第1の実施形態よりも透明導電膜9の形成が容易となる。また、半導体発光素子91の製造工程を短縮化することができる。
(第3の実施形態)
次に、本発明の第3の実施形態に係る半導体発光素子について、図面を参照して説明する。図10は半導体発光素子を示す断面図である。本実施形態では、透明導電膜上に透光樹脂を設けている。
以下、実施例1と同一構成部分には、同一符号を付してその部分の説明を省略し、異なる部分のみ説明する。
図10に示すように、半導体発光素子92は、支持台11、支持台P型電極12、支持台N型電極13、P型電極7、N型電極8、積層構造体61、透明導電膜9、及び透光樹脂21が設けられる。半導体発光素子92は透光樹脂21を透明導電膜9表面に形成している点が第1の実施形態の半導体発光素子90と異なる。
透光樹脂21は、透明導電膜9表面を覆うように設けられる。透光樹脂21は蛍光体を含有するシリコーン白色用樹脂であり、透明導電膜9から出た光を白色光に波長変換する。この結果、透光樹脂21表面側から白色光が取り出される。
上述したように、本実施形態の半導体発光素子では、支持台11、支持台P型電極12、支持台N型電極13、P型電極7、N型電極8、積層構造体61、透明導電膜9、及び透光樹脂21が設けられる。透光樹脂21は、透明導電膜9から出た光を白色光に波長変換する。
このため、第1の実施形態と同様な効果の他に、半導体発光素子92では、波長変換された白色光を取り出すことができる。
(第4の実施形態)
次に、本発明の第4の実施形態に係る半導体発光素子について、図面を参照して説明する。図11は半導体発光素子を示す断面図である。本実施形態では、N型クラッド層上に透光導電樹脂を設けている。
以下、実施例1と同一構成部分には、同一符号を付してその部分の説明を省略し、異なる部分のみ説明する。
図11に示すように、半導体発光素子93は、支持台11、支持台P型電極12、支持台N型電極13、P型電極7、N型電極8、積層構造体61、及び透光導電樹脂22が設けられる。半導体発光素子93は透光導電性樹22を透明導電膜9の代わりにN型クラッド層6表面に形成している点が第1の実施形態の半導体発光素子90と異なる。
透光導電樹脂22は、ITO膜などに含まれるIn(インジウム)などのレアメタルなどを含有していなく、ITO膜などの代替えとして使用される。透光導電性樹22は、膜厚が数μmから100μmの範囲に設定される。透光導電性樹22にはポリチオフェン類を用いているが、代わりにポリフェニレンビニレン、ポリアニリン類、或いはポリピロール類を用いてもよい。なお、これらに金属性カーボンナノチューブを添加してもよい。
透明導電膜9の代わりに透光導電樹脂22を用いると、樹脂厚を比較的厚く形成できるので導電率が比較的低い場合でもキャリアを広げることができる。また、透光導電樹脂22に蛍光体が含有されているので、半導体発光素子93では波長変換された白色光を取り出すことができる。
上述したように、本実施形態の半導体発光素子では、支持台11、支持台P型電極12、支持台N型電極13、P型電極7、N型電極8、積層構造体61、及び透光導電樹脂22が設けられる。透光導電樹脂22は、透明導電膜9の代替えとして使用され、蛍光体が含有される。
このため、第1の実施形態と同様な効果の他に、透光導電樹脂22の膜厚の範囲を比較的広く設定できる。また、半導体発光素子93では、波長変換された白色光を取り出すことができる。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
1 P型コンタクト層
2 P型クラッド層
3 P型オーバーフロー防止層
4 MQW発光層
5 超格子層
6 N型クラッド層
7 P型電極
8 N型電極
9 透明導電膜
11 支持台
12 支持台P型電極
13 支持台N型電極
21 透光樹脂
22 透光導電樹脂
41 障壁層
42 井戸層
50 再結合発生領域
61 積層構造体
90〜93、100 半導体発光素子
e エレクトロン
h ホール

Claims (8)

  1. 第1導電型の第1の半導体層、発光層、及び第2導電型の第2の半導体層が直接或いは間接的に積層形成され、前記発光層側から前記第2の半導体層側方向へ光が取り出される積層構造体と、
    前記第1の半導体層に接続される第1の電極と、
    前記第2の半導体層の前記発光層側の露呈された第1主面に接続され、前記第1の電極と並列配置される第2の電極と、
    前記第2の半導体層の第1主面と相対向する第2主面を覆うように設けられた透明導電膜と、
    を具備することを特徴とする半導体発光素子。
  2. 前記透明導電膜の表面を覆うように設けられた透光樹脂を更に具備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。
  3. 前記第2の半導体層の第2主面及び前記透明導電膜の表面の少なくとも一方に凹凸形状を設けることを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体発光素子。
  4. 前記透明導電膜は、ITO膜、ZnO膜、SnO膜、AZO膜、或いはIZO膜であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の半導体発光素子。
  5. 第1導電型の第1の半導体層、発光層、及び第2導電型の第2の半導体層が直接或いは間接的に積層形成され、前記発光層側から前記第2の半導体層側方向へ光が取り出される積層構造体と、
    前記第1の半導体層に接続される第1の電極と、
    前記第2の半導体層の前記発光層側の露呈された第1主面に接続され、前記第1の電極と並列配置される第2の電極と、
    前記第2の半導体層の第1主面と相対向する第2主面を覆うように設けられた透光導電樹脂と、
    を具備することを特徴とする半導体発光素子。
  6. 前記第1の電極と前記第1の半導体層は略同一面積を有し、前記第1の電極はすべて前記第1の半導体層に当接されていることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の半導体発光素子。
  7. 前記第2の半導体層の膜厚は、4μm以下に設定されることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の半導体発光素子。
  8. 前記第1及び第2の電極は、支持台に載置されることを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載の半導体発光素子。
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