JP3746569B2

JP3746569B2 - 発光半導体素子

Info

Publication number: JP3746569B2
Application number: JP16187796A
Authority: JP
Inventors: 淳市原
Original assignee: Rohm Co Ltd
Current assignee: Rohm Co Ltd
Priority date: 1996-06-21
Filing date: 1996-06-21
Publication date: 2006-02-15
Anticipated expiration: 2016-06-21
Also published as: JPH1012921A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発光半導体素子に関し、特に、発光層からの光の取り出し効率が向上し得る発光半導体素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、発光半導体素子は、例えば青色ＬＥＤ素子を例にとると、図２に示すように、サファイア（Ａｌ₂Ｏ₃）等からなる略透明状の基板３１と、この基板３１上にＭＯＣＶＤ装置を用いた気相成長方法等により（ＧａＮ等からなるバッファ層（図示せず）を介して）形成されたＧａＮ等からなるＰ型半導体層３２及びＮ型半導体層３３と、これらＰ型半導体層３２及びＮ型半導体層３３間に介設されたＩｎＧａＮ等からなる発光層３４と、Ｐ型半導体層３２上に形成されたＮｉＡｕ等の合金からなる透光性の第１導電層３５と、この第１導電層３５上に形成されたＴｉ、Ａｌ等からなる不透光性の陽極側の電極層３６と、Ｎ型半導体層３３上のうちエッチングにより除去されて露出状態となった部分にＴｉ、Ａｌ等からなる陰極側の電極層３７とを備えたものであり、この発光層３４から発せられる光をこの素子の電極層３６側の面（以下発光面とする）から取り出すものである。第１導電層３５に用いられるＡｕは、第１導電層の中では青色光や緑色光のような約５００ｎｍ以下の波長光に対する透過率が非常に良好なものであり、ＩｎＧａＮ層等からなる発光層３４からの光が透過しやすい。
【０００３】
上記第１導電層３５は、蒸着等によりＰ型半導体層３２上に形成され、その後に４００℃程度の温度下でアニールし合金化され、Ｐ型半導体層３２との接合面での抵抗率を低く下げられた状態で（できるだけオーミック接合となるように）形成されている。第１導電層３５と電極層３６との接合面は、複数の凹凸部が形成された非常に表面状態の悪いものとなっている。
【０００４】
また、第１導電層３５は、その上面側に位置する電極層３６とのオーミック接合を得るためのものでもある。
さらに、第１導電層３５は、電極層３６からの電流を抵抗の高いＰ型半導体層３２に流れる前に表面方向（図中の左右方向）に分散するように広げ、発光層３４内を流れる面積を大きくさせることにより、該発光層３４における発光面積を大きくするために、その厚み寸法を５０オングストローム程度の厚いものとしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このため、発光層３４から発せられる光は、その一部が厚み寸法の大きな第１導電層３５内で吸収されてしまうので、光の取り出し効率が極めて悪くなる。
一方、電極層３６の下方に位置する発光層３４では、電極層３６から発光層３４へ流れる電流量が多く、発生する光の量が最も多いのだが、この光は複数の凹凸部が形成され表面状態の悪い上記電極層３６の接合面で散乱したり吸収されてしまうので、光の取り出し効率が極めて悪くなる。
【０００６】
このため、この半導体素子を用いて所定の発光量を得るためには、これに付加する電流量を大きくする必要があるので、消費電力が非常に大きくなってしまうといった問題がある。特に、半導体発光素子は、近年例えば携帯電話等の電源を内蔵した電子機器に用いられる場合が多く、電子機器を極力長時間継続して使用するために、その消費電力（内蔵電源に対する）が小さい状態で大きな輝度を得られるものが要求されている。
【０００７】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、少ない消費電力で大きな輝度を得ることが可能な、光の取り出し効率が良好となる発光半導体素子を提供することを課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は、基板と、この基板上にＰ型とＮ型の半導体層に挟まれるように形成された発光層と、前記半導体層上に形成され、貫通穴が設けられた第１導電層と、この第１導電層上に形成され、かつ前記貫通穴内に入り込むように形成された略透明の第２導電層と、この第２導電層上で、前記貫通穴の上方に位置する部位に形成された電極層と、を備えた発光半導体素子を提供するものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、発光半導体素子として青色ＬＥＤ素子を例にとり、図を参照しつつ説明するが、本発明はこれらに限定されるものでない。
図１は、青色ＬＥＤ素子の断面を示す概略図である。
この青色ＬＥＤ素子は、サファイア（Ａｌ₂Ｏ₃）からなる基板１と、この基板１上にＧａＮからなるバッファ層２を介して形成されたＰ型ＧａＮ層（Ｐ型半導体層）３及びＮ型ＧａＮ層４（Ｎ型半導体層）と、これらＰ型ＧａＮ層３及びＮ型ＧａＮ層４の間に形成されたＩｎＧａＮ層（発光層）５と、Ｐ型ＧａＮ層３上に形成された透光性のＮｉとＡｕとの合金からなるＮｉＡｕ層（第１導電層）６と、このＮｉＡｕ層６上に形成されたほぼ透明のＩＴＯ（Indium-Tin-Oxide）層（第２導電層）７と、このＩＴＯ層７上の略中央部分に形成されたＡｌからなる平面視略円形状の陽極電極層（電極層）８（平面視の図示はしない）とを備えたものであり、ＩｎＧａＮ層５及びその周辺のＰ型ＧａＮ層３及びＮ型ＧａＮ層４において青色光が発せられる。
【００１０】
Ｎ型ＧａＮ層４は、基板１上の端部において露出した状態となっており、この露出したＮ型ＧａＮ層４上にはＴｉとＡｌとの積層構造からなる陰極電極層９が形成されている。
上記ＮｉＡｕ層６には、その略中央部分に貫通穴６ａが穿設されており、ＩＴＯ層７がこの貫通穴６ａ内に入り込むように形成されている。この貫通穴６ａは、陽極電極層８とほぼ同一形状となっている。尚、ＮｉＡｕ層６の厚み寸法は、１５オングストローム程度である。
【００１１】
このような構造を有する青色ＬＥＤ素子では、陽極電極層８からの電流がＩＴＯ層７内で十分に面方向に広がるので、ＩＴＯ層７下の光を吸収するＮｉＡｕ層６を薄くすることが可能となり、ＩｎＧａＮ層５からの光がＮｉＡｕ層６内で吸収される率を低くできるため、光の取り出し効率が非常に良好となる。
また、陽極電極層８下に位置するＮｉＡｕ層６には貫通穴６ａが存在し、この位置ではＰ型ＧａＮ層３とＩＴＯ層７とが接触した状態となる。従って、Ｐ型ＧａＮ層３とＩＴＯ層７との接合面におけるｐｎ接合が、陽極電極層８からＩｎＧａＮ層５に向かう電流の流れ方向に対して逆方向の接合となり、この接合面では電流が流れなくなるので、この流れなくなる電流の分だけその他の部分（陽極電極層８下以外の部分）に電流が集中して流れるため、ＩｎＧａＮ層５からの光は、不透光性の陽極電極層８に反射して拡散してしまう率が減少し、光の取り出し効率がより良好となる。
【００１２】
さらに、本実施例の青色ＬＥＤ素子では、陽極電極層８をＩＴＯ層７上に接合しているので、陽極電極層８の接合面は、従来のようにＮｉＡｕ層６と陽極電極層８とを合金化したときにＮｉＡｕ層６下面の表面状態が悪くなってしまうということもほぼなく、鏡面状態を維持できるため、たとえＩｎＧａＮ層５からの光が陽極電極層８に反射しても拡散する率が減少され、反射した後に上方に光が発せられやすく、その分だけ光の取り出し効率が良好となる。
【００１３】
本実施例における第１導電層としてのＮｉＡｕ層６の厚み寸法は、１５オングストローム程度としているが、これに限定されるものでなく、第１導電層としての導電状態を得られ且つ従来よりも薄い５〜４０オングストローム程度の範囲であればよく、１０〜２０オングストローム程度であれば光の透過率及び電流の面方向への広がりを両方満足させやすいのでより好ましい。
【００１４】
また、本実施例におけるＩＴＯ層７の厚み寸法は、１０００〜２０００オングストローム程度であるが、形成条件により抵抗率、透過率が共に下がる膜厚にすれば良く、このＩＴＯ層７は好ましくは比抵抗５Ωｃｍ以下であって発光波長に対する透過率８５％以上のものがよい。
さらに、本実施例では、第２導電層の材料としてＩＴＯを用いているが、これに限定されるものでなく、Ｉｎ₂Ｏ₃系、ＳｎＯ₂系やＺｎＯ₂系のほぼ透明の導電膜を用いてもよい。
【００１５】
また、本実施例におけるＮｉＡｕ層６の貫通穴６ａを、陽極側電極層の形状とほぼ同一形状としているが、これに限定されるものでなく、発光させたい部分のみに第１導電層を残すようにすればよい。
さらに、本実施例では、陽極側電極層の材料としてＡｌを用いているが、これに限定するものでなく、光に対する反射率の高いＡｇ等の金属材料を用いてもよい。また、陰極側電極層の材料としてＴｉとＡｌの積層を用いているが、これに限定するものでなく、Ａｌ等の金属を用いてもよい。
【００１６】
加えて、本実施例では、Ｐ型ＧａＮ層３上に第１導電層としてＮｉＡｕ層６を形成しているが、これに限定するものでなく、Ａｕ層、Ｃｕ層またはこれらの合金層であってもよい。また、この第１導電層の形成は、蒸着以外にイオン注入方法等により高密度にイオンを注入して表面を金属化させてもよい。
また、本実施例では、基板上にバッファ層を介してＮ型半導体層、発光層及びＰ型半導体層を下から順に形成しているが、これに限定されるものでなく、Ｎ型半導体層とＰ型半導体層とが逆となった構造のものでもよく、この場合にはＰ型の第２導電層を形成すればよい。
【００１７】
さらに、本実施例では、発光半導体素子としてＧａＮ系ＬＥＤ素子を例にとり説明しているが、これに限定するものでなく、ＧａＡｓ系材料等の基板を用いた様々なＬＥＤ素子にも適用可能であり、例えば、ＧａＡｓ基板上にＺｎＳｅからなるバッファ層を介してＭｇＺｎＳＳｅからなるＰ型及びＮ型の半導体層を形成し、これら半導体層間にＺｎＳＳｅからなる発光層を形成し、さらに、Ｐ型層上に上記実施例で記載したような第１導電層、透明電極層及び金属電極層を形成したＺｎＳｅ系ＬＥＤ素子にも適用可能である。尚、本発明は、Ｐ型もしくはＮ型半導体層上の第１導電層及び第２導電層の構造に特徴を有するものであり、Ｎ型もしくはＰ型半導体層下の構造組成及び成分比については、これを限定するものでない。
【００１８】
尚、本実施例の発光半導体素子は、発光層をほぼ同一の材質であるＰ型半導体層及びＮ型半導体層で挟んだいわゆるダブルヘテロ構造であるが、これに限定されるものでなく、本発明はＰＮ接合のみであるホモ接合型のＬＥＤ素子にも適用可能である。
【００１９】
【発明の効果】
以上の説明からも明らかなように、本発明によれば、次のような効果を奏する。
（１）電極層からの電流が第２導電層内で十分に面方向に広がるので、第２導電層下の抵抗の高い第１導電層を薄くすることが可能となり、発光層からの光が第１導電層内で吸収される率を低くできるため、光の取り出し効率が非常に良好となる。
（２）電極層下に位置する第１導電層には貫通穴が存在し、この位置ではＰ型ＧａＮ系クラッド層と第２導電層とが接触した状態となる。従って、Ｐ型ＧａＮクラッド層と第２導電層との接合面におけるｐｎ接合が、電極層からＧａＮ系発光層に向かう電流の流れ方向に対して逆方向の接合となり、この接合面では電流が流れなくなるので、この流れなくなる電流の分だけその他の部分（電極層下以外の部分）に電流が集中して流れるため、ＧａＮ系発光層からの光は、不透光性の電極層に反射して拡散してしまう率が減少し、光の取り出し効率がより良好となる。
（３）電極層を第２導電層上に接合しているので、電極層の接合面は、従来のように第１導電層と電極層とを合金化したときに第１導電層下面の表面状態が悪くなってしまうということもほぼなく、鏡面状態を維持できるため、たとえＧａＮ系発光層からの光が電極層に反射しても拡散する率が減少され、反射した後に上方に光が発せられやすく、その分だけ光の取り出し効率が良好となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施例の青色ＬＥＤ素子を示す要部断面図である。
【図２】従来の青色ＬＥＤ素子を示す要部断面図である。
【符号の説明】
１基板
２バッファ層
３Ｐ型ＧａＮ層
４Ｎ型ＧａＮ層
５ＩｎＧａＮ層
６ＮｉＡｕ層
７ＩＴＯ層
８陽極電極層
９陰極電極層

Claims

基板と、この基板上にＰ型とＮ型の半導体層に挟まれるように形成された発光層と、前記半導体層上に形成され、貫通穴が設けられた第１導電層と、この第１導電層上に形成され、かつ前記貫通穴内に入り込むように形成された略透明の第２導電層と、この第２導電層上で、前記貫通穴の上方に位置する部位に形成された電極層と、を備えた発光半導体素子。
前記第１導電層は、その厚み寸法が５乃至４０オングストロームであることを特徴とする請求項１に記載の発光半導体素子。
前記半導体層及び発光層がＧａＮ系材料からなる請求項１〜請求項２に記載の発光半導体素子。
前記第１導電層はＮｉＡｕ層からなり、前記第２導電層はＩＴＯ層からなる請求項１〜請求項３に記載の発光半導体素子。