JP3709101B2 - 半導体発光素子 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、一般に半導体発光素子に関するものであり、より特定的には、多くの光が取出せるように改良された半導体発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図４は、従来の発光素子の構造（ａ）と発光機構（ｂ）を示す図である。図４を参照して、発光ダイオード（Light-Emitting Diode：ＬＥＤ）は、ｐおよびｎ型半導体結晶が隣り合って構成するｐｎ接合部での少数キャリア注入と、これに続く発光再結合現象を利用した電気−光変換型の半導体発光素子である。
【０００３】
素子そのものは、０．３ｍｍ角程度の半導体結晶材料でできており、図４（ａ）に示すように、基本構造はＳｉ整流素子と変わることろがない。
【０００４】
ｐ型結晶に正、ｎ型結晶に負の順方向電圧を印加すると、図４（ｂ）に示すように、ｐ領域には電子が、ｎ領域には正孔が注入される。これらの少数キャリアの一部が多数キャリアと発光再結合することによって光を生ずる。
【０００５】
このようなＬＥＤは、耐久性、長寿命性、軽量小型などの利点を持つ。ＬＥＤの応用分野は屋内用の表示灯に限られていたが、効率や輝度の上昇と価格低下に伴い、乗用車のストップランプや道路標識、交通信号、大面積カラーディスプレイなどに応用されるようになった。今では、自動車のヘッドランプや蛍光灯などの代替として、家庭用照明に応用する可能性がでてきている。さらに、エネルギの節約という観点からの高効率ＬＥＤの開発に対する期待も大きい。
【０００６】
ＬＥＤの発光効率には、外部量子効率と内部量子効率の２種類があり、ＬＥＤの効率はその積に比例する。内部量子効率は、注入した電子・正孔対数に対する発生した光子数の比で表わされる。内部量子効率を高めるためには、電子・正孔対の再結合を防ぐため、欠陥や不純物の少ない高品質の結晶を得る必要がある。
【０００７】
外部量子効率は、注入した電子・正孔対数に対する外部に放射された光子数の比で表わされる。活性層で発生する光は、活性層自身や基板、電極などに吸収されるため、一部しか空気中に取出すことができない。さらに、半導体の屈折率が外部の屈折率に比べ遥かに高いために、大部分の光が半導体と外部の境界で全反射され、半導体内部に戻される。現在市販されているＬＥＤのほとんどがエポキシ（屈折率１．５）により封止されているのは、ＬＥＤの保護や酸化防止のため以外に、全反射の臨界角を高め、より多くの光を取出すためである。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
図５は、従来のＬＥＤの構造を示す概念図である。ｎ電極２１を裏面に有するｎ型半導体２２の上に活性層２３が形成されている。活性層２３の上にｐ型半導体２４が形成されている。ｐ型半導体２４の上にｐ電極２５が形成されている。発光再結合は、電流が最も多く流れる電極直下が一番多く起こる。しかし、通常の電極は光を遮蔽してしまうため、電極直下で発光している光はほとんど外部へ取出されないことになる。このような場合、電流を電極以外の領域へ広げてやることが重要となる。このため、電流拡散層を設けること、光を透過する薄い金電極を全面に設ける等の対策が行なわれている。
【０００９】
図６は、ｐ型半導体２４の上に電流拡散電極２６を設けたＬＥＤの断面図である。電流拡散電極２６として、十分な電流広がりを得るため、膜厚２０ｎｍ程度のＡｕ薄膜が用いられている。
【００１０】
しかしながら、Ａｕ薄膜２６の、この膜厚における透過率は波長５００ｎｍの光で３７％しかなく、大部分の光が吸収され、発光効率が悪いという問題点があった。
【００１１】
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたもので、発光効率を高めることができるように改良された半導体発光素子を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る半導体発光素子は、裏面にｎ型下部電極が設けられた基板と、この基板の上に設けられた発光層と、この発光層の上に設けられたｐ型半導体層と、このｐ型半導体層の上に設けられた上部電極とを備える。ｐ型半導体層は、ＺｎＳｅ系半導体層、ＺｎＴｅ系半導体層およびＢｅＴｅ系半導体層から成る群から選ばれた半導体層である。上部電極は、ｐ型半導体層上に接触して位置するＡｕ薄膜と、このＡｕ薄膜の上に室温の成膜温度で形成されたｎ型透明導電膜とを含む。
【００１３】
この発明によれば、ＺｎＳｅ系半導体層、ＺｎＴｅ系半導体層およびＢｅＴｅ系半導体層から成る群から選ばれたｐ型半導体層の上に、ｐｎ接合を避けるために、Ａｕ薄膜を形成し、さらにその上に室温の成膜温度でｎ型透明導電膜を形成している。Ａｕ薄膜とｎ型透明導電膜とからなる上部電極は、その下のｐ型半導体層との間で接合ができず、かつ透過率が高いので、発光効率の高い半導体発光素子を得ることができる。Ａｕの膜厚を薄くすると、透過率は大幅に低下しない。また、透明導電膜の透過率が高いことから、比較的厚い透明導電膜を成膜できる。その結果、透明導電膜を通して電流が電極全体に広がるという効果を奏する。
【００１６】
請求項２に係る半導体発光素子においては、上記Ａｕ薄膜の膜厚は１ｎｍ〜３ｎｍである。Ａｕの膜厚が十分に薄いので透過率は大幅に低下しない。
【００１７】
請求項３に係る半導体発光素子においては、上記透明導電膜は、Ｉｎ₂Ｏ₃−１０ｗｔ％ＺｎＯで形成されている。このような材料で形成すると透過率が高くなる。
【００１８】
請求項４に係る半導体発光素子においては、上記ｎ型透明導電膜は上層と下層とを含む積層構造を有している。上記下層の表面は平坦にされている。上記上層の表面には凹凸が形成されている。
【００１９】
この発明によれば、透明導電膜の表面形状を凹凸に制御することで、表面が平滑なときには全反射により取出せない光が外部に取出せるという効果を奏する。その結果、光出力を向上させることができる。
【００２０】
請求項５に係る半導体発光素子においては、Ａｕ薄膜の厚みが２ｎｍ〜３ｎｍであり、ｎ型透明導電膜は、厚み１８０ｎｍ〜２００ｎｍのＩｎ ₂ Ｏ ₃ −１０ｗｔ％ＺｎＯ層である。
【００２１】
請求項６に係る半導体発光素子においては、前記Ｉｎ₂Ｏ₃−１０ｗｔ％ＺｎＯの透明導電膜がレーザアブレーションで成膜されている。
【００２２】
【発明の実施の形態】
実施の形態１
本発明の実施の形態では、従来のＡｕの代わりに、低抵抗で透過率が高い透明導電膜を用いる。特に、本発明の実施の形態では、図１（ａ）を参照して、ｐ型電極として透明導電膜を適用する。
【００２３】
図１（ｃ）を参照して、一般に透明導電膜３０はｎ型半導体であり、直接ｐ型半導体２４へ成膜しても接合ができてしまう。また、図１（ｂ）を参照して、ｐ型半導体の上にＡｕ膜２６を形成しても、透過率は低下し、発光効率は低下する。
【００２４】
本発明によれば、図１（ｄ）を参照して、極めて薄いＡｕ薄膜１０ａをｐ型半導体２４に成膜し、その後透明導電膜１０ｂを積層する。Ａｕ薄膜１０ａの膜厚は１〜３ｎｍと十分に薄く、透過率は大幅に低下しない。また、透明導電膜１０ｂの透過率が高いことから、比較的厚い透明導電膜１０ｂが成膜できる。その結果、透明導電膜を通して電流が電極全体に広がるという効果を奏する。
【００２５】
図２は、本発明を適用した、ＺｎＳｅ系化合物半導体発光素子の断面図である。裏面にｎ型電極１２を有する導電性ＺｎＳｅ単結晶基板１の上に、１μｍ厚のｎ型ＺｎＳｅバッファ層２、１μｍ厚のｎ型ＺｎＭｇＳＳｅクラッド層３、ＺｎＳｅ／ＺｎＣｄＳｅ多重量子井戸活性層４、１μｍ厚のｐ型ＺｎＭｇＳＳｅクラッド層５、０．２μｍ厚のｐ型ＺｎＳｅ層６、ＺｎＴｅとＺｎＳｅの積層超光子構造からなるｐ型コンタクト層７が順次設けられている。最も上の表面には、６０ｎｍ厚のｐ型ＺｎＴｅ層８が設けられている。このようなエピ構造の上に、１〜３ｎｍのＡｕ薄膜１０ａとその上に形成された透明導電膜１０ｂの積層構造を有する上部電極１０が形成されている。
【００２６】
実施の形態２
実施の形態２は、透明導電膜の表面形状を制御（たとえば凹凸）することで、全反射により取出せない光を外部に取出すことに関する。これによって、光出力の向上が可能となる。本発明の概念を図３に図示する。
【００２７】
スネルの法則により、次式が成立する。
ｎ₁ｓｉｎθ₁＝ｎ₂ｓｉｎθ₂
ｎ₁＝３．５（半導体）、ｎ₂＝１（空気）とすると、θ₂＝９０°となるθ₁は１６．６°（臨界角）となる。したがって、この場合は、一部しか光を外部に取出せていない。
【００２８】
しかし、透明導電膜の表面形状をレンズ型や鋸状にすることで、臨界角を大きくすることができる。これによって、全反射により取出せない光が外部に取出せるようになり、光出力を向上させることができる。
【００２９】
以上のように、本発明によれば、ｐ型電極を透明導電膜／Ａｕ構造とすることで、電極の透過率が増加し、光出力が向上する。また光出力が向上することで、一定出力では、寿命が延びる。高透過率の膜のため、表面形状が制御できる。ひいては、光出力を向上させることができる。さらに、高透過率のため、透明導電膜の膜厚が厚くでき、形状制御が容易となる。
【００３０】
【実施例】
以下、この発明の実施例を説明する。
【００３１】
本実施例では、ＬＥＤは、ＺｎＳｅを対象としている。透明導電膜の材料として、Ｉｎ₂Ｏ₃−１０ｗｔ％ＺｎＯを使用する。
【００３２】
実施例１
ＣＶＴ（chemical vapor transport）法により作製したｎ型ＺｎＳｅ（１００）基板に、ＺｎＣｄＳｅを活性層とするＬＥＤを作製した。ｐ型電極の下に位置するのは、ｐ型のＺｎＳｅ／ＺｎＴｅ超格子構造である。この上に真空蒸着法により、膜厚３ｎｍのＡｕを蒸着し、その後、レーザアブレーション法により、Ｉｎ₂Ｏ₃／１０ｗｔ％ＺｎＯ（ＩＤＩＸＯ）を成膜した。条件は、以下のとおりである。
【００３３】
成膜温度室温（２５℃）
成膜圧力３×１０^-3ＴｏｒｒＯ₂
レーザＫｒＦ２４８ｎｍ，２Ｊ／ｃｍ²
電極構造と電圧、光出力の関係（２０ｍＡ通電時）を表１に示す。
【００３４】
【表１】

【００３５】
従来のＡｕ（２０ｎｍ）に比べ、ＩＤＩＸＯ（１８０ｎｍ）／Ａｕ（３ｎｍ）では、光出力が１．３１→２．１９ｍＷと１．６７倍に増加した。動作電圧についてもほとんど変わらなかった。ＩＤＩＸＯ（１９０ｎｍ）において、光出力がＩＤＩＸＯ（１８０ｎｍ）／Ａｕ（３ｎｍ）とほぼ同じで、動作電圧が上昇していることから、Ａｕ（３ｎｍ）により、接合の生成が抑えられていることがわかる。
【００３６】
なお、ＩＤＩＸＯ（９０ｎｍ）／Ａｕ（３ｎｍ）では、ＩＤＩＸＯ（１８０ｎｍ）／Ａｕ（３ｎｍ）に比べ、光出力が低下している。これは、ＩＤＩＸＯ内での多重反射による透過率の減少と考えられる。実験の結果、電極構造として、ＩＤＩＸＯ（１８０ｎｍ〜２００ｎｍ）／Ａｕ（２ｎｍ〜３ｎｍ）がよい結果を与えることが見出された。
【００３７】
透過率が極大になる膜厚は、（１／４＋ｍ／２）×λ／ｎ（ｍ＝０，１，２，３）で表わされる。
【００３８】
透過率が極小になる膜厚は（ｍ／２）×（λ／ｎ）で表わされる。
ここで、λは発光波長、ｎはＩＤＩＸＯ膜の屈折率を表わしている。
【００３９】
たとえば、ＬＥＤの発光波長４８０ｎｍでは、ｎは実測値２．０７である。したがって、透過率は極大になる膜厚は、５８ｎｍ（ｍ＝０），１７４ｎｍ（ｍ＝１）となり、上記１８０ｎｍとほぼ同じとなる。また、透過率が極小になる膜厚は１１６ｎｍ（ｍ＝１）となる。
【００４０】
実施例２
本実施例では、Ａｕ蒸着の後の、Ｉｎ₂Ｏ₃／１０ｗｔ％ＺｎＯ成膜を、以下のような２段階で連続して実施した。上層の表面に凹凸を形成した。
【００４１】
【表２】

【００４２】
この試料では、動作電圧が２．８０Ｖで光出力が２．４３ｍＷと増加した。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態１に係る半導体発光素子の構造を説明するための図である。
【図２】実施の形態１に係る半導体発光素子の一具体例の断面図である。
【図３】実施の形態２に係る半導体発光素子の光出力の向上を説明するための概念図である。
【図４】従来の発光素子の断面図である。
【図５】従来のＬＥＤの構造を示す断面図である。
【図６】従来の、電流拡散電極を有するＬＥＤの断面図である。
【符号の説明】
１０ａ Ａｕ薄膜
１０ｂ 透明導電膜
２４ ｐ型半導体層

Claims (6)

1. 裏面にｎ型下部電極が設けられた基板と、
   前記基板の上に設けられた発光層と、
   前記発光層の上に設けられたｐ型半導体層と、
   前記ｐ型半導体層の上に設けられた上部電極とを備え、
   前記ｐ型半導体層は、ＺｎＳｅ系半導体層、ＺｎＴｅ系半導体層およびＢｅＴｅ系半導体層から成る群から選ばれた半導体層であり、
   前記上部電極は、前記ｐ型半導体層上に接触して位置するＡｕ薄膜と、このＡｕ薄膜の上に室温の成膜温度で形成されたｎ型透明導電膜とを含む、半導体発光素子。
2. 前記Ａｕ薄膜の厚みは１ｎｍ〜３ｎｍである、請求項１に記載の半導体発光素子。
3. 前記ｎ型透明導電膜は、Ｉｎ₂Ｏ₃−１０ｗｔ％ＺｎＯで形成されている、請求項１に記載の半導体発光素子。
4. 前記ｎ型透明導電膜は上層と下層とを含む積層構造を有し、
   前記下層の表面は平坦にされており、
   前記上層の表面には凹凸が形成されている、請求項１に記載の半導体発光素子。
5. 前記Ａｕ薄膜の厚みは２ｎｍ〜３ｎｍであり、
   前記ｎ型透明導電膜は、厚み１８０ｎｍ〜２００ｎｍのＩｎ ₂ Ｏ ₃ −１０ｗｔ％ＺｎＯ層である、請求項１に記載の半導体発光素子。
6. レーザアブレーションで、前記Ｉｎ₂Ｏ₃−１０ｗｔ％ＺｎＯの透明導電膜が成膜されている、請求項３に記載の半導体発光素子。

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