JP5493252B2 - 半導体発光素子 - Google Patents
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Description
特許文献1に記載されたLEDは、半導体層であるGaN基板中において、溝が縦横碁盤目状に形成されているので、各溝は、V字の頂点で繋がっており、一方、碁盤目状に仕切られた光出射面は、各溝のV字の開口によって分断されている。つまり、各溝のV字の頂点より下方でしか半導体層が繋がっていないことになる。言い換えると、GaN基板の光出射面は、各溝のV字の頂点が存在する平面を基準にして配列した複数の凸部の天面となっている。そのため、半導体層の光出射面側において、電流が均一には広がりにくいという問題がある。さらに、ダイシングにより溝を形成するので、溝が形成される半導体層の膜厚を比較的厚くしなければならず、半導体発光素子のサイズを小型化しにくい。
また、本発明の半導体発光素子は、前記凹部が前記n型半導体層に設けられている。かかる構成によれば、n型半導体層はp型半導体層に比べて膜厚が大きいので、凹部の深さを大きくすることができる。また、半導体発光素子全体の厚みの中で相対的に深い凹部を形成することができる。その結果、半導体層から外側に光を効率よく取り出すことができる。また、かかる構成によれば、n型半導体層の上に積層されるn側電極は、p側電極に比べてサイズが小さいので、複数の電極を分散配置させるときに、半導体層中において電流が均一に広がるように容易に配置することができる。
また、本発明の半導体発光素子は、前記凹部の深さが、前記光取り出し面から前記発光層までの厚みの半分以上の長さであり、かつ、前記光取り出し面から前記発光層までの厚みより短いことから、凹部の傾斜面が発光層に近いので半導体層から外側に光を効率よく取り出すことができる。
また、本発明の半導体発光素子は、前記光取り出し面で隣接する2つの前記凹部が、当該2つの凹部の底面から前記n型半導体層の最上部まで繋がっていることが好ましい。
また、本発明の半導体発光素子は、前記光取り出し面に対する平面視で、前記凹部が、隣接する6個の他の凹部と等間隔に配置され、前記隣接する6個の他の凹部の中心が六角形の頂点を成すことが好ましい。
また、本発明の半導体発光素子は、前記凹部の開口として前記光取り出し面に形成される六角形の各辺が、周囲の6個の他の凹部の開口として前記光取り出し面に形成される六角形の辺に接するように配置されていることが好ましい。
また、本発明の半導体発光素子は、前記凹部の開口の形状が、前記光取り出し面に対する平面視で円形または正六角形であり、前記光取り出し面において、前記凹部に隣接して取り囲むように環状に等間隔で6個の他の凹部が配置され、中心に位置する前記凹部が前記6個の他の凹部と等間隔に配置されていることが好ましい。
また、本発明の半導体発光素子は、前記半導体積層体が、窒化ガリウム系化合物半導体から成ることが好ましい。
[半導体発光素子の構成]
本発明の実施形態に係る半導体発光素子は、n型半導体層とp型半導体層との間に発光層を有する半導体積層体の基板に実装される側の面とは反対側の光取り出し面に1以上の凹部が設けられ、かつ、光取り出し面の上に1以上の電極を有するものに関する。まず、半導体発光素子の構成について、図1ないし図5を参照して説明する。図1は、本発明の実施形態に係る半導体発光素子の構成を模式的に示す断面図であり、図2は、図1に示した凹部を拡大して模式的に示す断面図である。また、図3は、凹部を模式的に示す平面図であり、図4は、凹部のX−X断面およびY−Y断面を模式的に示す図であり、図5は、凹部を模式的に示す斜視図である。
基板10は、シリコン(Si)から構成される。なお、Siのほか、例えば、Ge,SiC,GaN,GaAs,GaP,InP,ZnSe,ZnS,ZnO等の半導体から成る半導体基板、または、金属単体基板、または、相互に非固溶あるいは固溶限界の小さい2種以上の金属の複合体から成る金属基板を用いることができる。このうち、金属単体基板として具体的にはCuを用いることができる。また、金属基板の材料として具体的にはAg,Cu,Au,Pt等の高導電性金属から選択された1種以上の金属と、W,Mo,Cr,Ni等の高硬度の金属から選択された1種以上の金属と、から成るものを用いることができる。半導体材料の基板10を用いる場合には、それに素子機能、例えばツェナーダイオードを付加した基板10とすることもできる。さらに、金属基板としては、Cu−WあるいはCu−Moの複合体を用いることが好ましい。
メタライズ層20は、この半導体発光素子1を製造する工程において、2つの基板を貼り合わせる共晶である。詳細には、図8(d)に示すエピタキシャル(成長)側(以下、エピ側という)メタライズ層21と、図8(e)に示す基板側メタライズ層22とを貼り合わせて構成される。このうちエピ側メタライズ層21の材料としては、例えば、図8(d)において下からチタン(Ti)/白金(Pt)/金(Au)/錫(Sn)/金(Au)の順番に積層したものが挙げられる。また、基板側メタライズ層22の材料としては、例えば、図8(e)において上から金(Au)/白金(Pt)/二ケイ化チタン(TiSi2)、あるいは、二ケイ化チタン(TiSi2)/白金(Pt)/パラジウム(Pd)の順番に積層したものが挙げられる。
図1に戻って半導体発光素子1の構成についての説明を続ける。
p側電極30は、半導体積層体50の基板10側の実装面において、深さ方向で半導体積層体50の最上面の凹部90に対向する位置に設けられている。
p側電極30は、詳細には、半導体積層体50側のp電極第1層(図示せず)と、このp電極第1層の下側のp電極第2層(図示せず)との少なくとも2層構造で構成されている。
保護膜40は、p型半導体層53よりも屈折率が低く透明な材料から構成され、p側電極30と同一平面内でp側電極30の形成されていない部分に形成されている。保護膜40は、絶縁膜からなるものであって、特に酸化膜からなるものが好ましい。保護膜40は、例えば、二酸化ケイ素(SiO2)やZr酸化膜(ZrO2)からなる。
半導体積層体50は、例えば、窒化ガリウム系化合物半導体(例えば、GaN、AlGaN、InGaN、AlGaInN等)から成る。特に、エッチングされた面の結晶性がよいなどの点でGaNであることが好ましい。半導体積層体50は、基板10に実装される側の面とは反対側の光取り出し面側から、n型半導体層51、発光層52およびp型半導体層53の順番に積層されて構成されている。また、半導体積層体50は、一般式がInxAlyGa1−x−yN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)で示される。
発光層52は、例えば、InGaNから構成される。
p型半導体層53は、例えば、p型不純物としてMgを含むGaNから構成される。
図1に示すように、n側電極60は、光取り出し面において、凹部90以外の部分の上に設けられている。本実施形態では、光取り出し面は、n型半導体層51の表面であるので、n側電極60は、n型半導体層51の上面で、凹部90の形成されていない部分に、電気的に接続されるように形成されている。n側電極60は、ワイヤボンディングにより外部と接続される。n側電極60は、n型半導体層51の上面側から、例えば、Ti/Pt/Au、Ti/Pt/Au/Ni、Ti/Al、Ti/Al/Pt/Au、W/Pt/Au、V/Pt/Auのような複数の金属で構成される。なお、n側電極60は、オーミック電極とパッド電極とから構成されるようにしてもよい。
保護膜70は、前記した保護膜40と同一材料で形成されている。ここで同一材量とは、例えば、保護膜40がSiO2によって形成されているのであれば、保護膜70もSiO2によって形成されていることを意味し、その製造方法等によって、組成に若干の差異が生じることがあってもよい。保護膜70は、n側電極60の上表面のワイヤボンディングされる領域を除いた表面と、凹部90の内周面を含む内側と、n型半導体層51の表面と、半導体積層体50の側面とを被覆している。
裏面メタライズ層80は、基板10のメタライズ層20が形成されている面と反対側に形成されオーミック電極として機能する。裏面メタライズ層80の材料としては、例えば、図1において上から二ケイ化チタン(TiSi2)/白金(Pt)/金(Au)の順番に積層したものが挙げられる。
凹部90は、図2に拡大して示すように、開口91から底面92に到達するまでに底面92に向かって縮径する方向に傾斜角の異なる2段の傾斜面93,94を有し、それぞれの傾斜面93,94が、凹部90の開口91に近いほど傾斜角が緩やかになるように形成されている。つまり、凹部90は、n型半導体層51の表面から離れるにつれて先細りとなる形状で、側面は2つの先細り角θ1,θ2の異なる傾斜面93,94を有している。なお、図2は、図4のX−X断面矢視図である。
凹部90の底面の大きさW(直径W)は、先細り角θ1,θ2にもよるが、開口91の大きさL(最大幅L)に対して、5分の1以上半分以下である(L/5≦W≦L/2)。さらに、3分の1以上半分以下であることが好ましい(L/3≦W≦L/2)。ここで、凹部90の底面の大きさWと、開口91の大きさLとの差がある程度大きい方が、発光層52から様々な角度に放射される光路の光を傾斜面93,94で効率よく反射及び透過させて取り出し易くなる。例えば、図2に示したように、凹部90の底面の大きさWを、開口91の大きさLの1/3にした場合には、先細り角θ1,θ2の数値を、前記した数値範囲としつつ、かつ、凹部90の深さDのうち、傾斜面93に対応する深さD1を、傾斜面94に対応する深さD2に比べて深くすることができるので、凹部90を製造し易くなる。したがって、上のように数値範囲を定めた。
(光取り出し効率)
図6は、本実施形態の半導体発光素子と従来例との比較を模式的に示す断面図である。図6(a)は、本実施形態の半導体発光素子1の凹部90の断面を示し、図6(b)は、従来の半導体発光素子の凸部190の断面を示している。ここでは、図示は省略するが、比較としての従来の半導体発光素子の凸部190は、複数の凸部190が格子状または俵積み状態で配列されているものとする。そして、隣接する凸部190の上先端部で囲まれる領域を便宜上、開口191と呼ぶ。
図6(a)に示すように、凹部90と凹部90との間の半導体層の下方から高角で上方に放出される光は、凹部90の上方の傾斜面93と保護膜70の屈折率で定まる方向に放射される。同様に、図6(b)に示すように、凸部190の半導体層の下方から高角で上方に放出される光は、凸部190の上方の曲率と保護膜170の屈折率の変化で定まる方向に放射される。
図6(a)に示すように、凹部90と凹部90との間の半導体層の下方から低角でほぼ水平に放出される光は、凹部90の下方の傾斜面94と保護膜70の屈折率で定まる方向に放射される。この放射された光は、隣接した凹部90の傾斜面94に入射するが、この入射した光のうち反射光は、傾斜面93に入射し、この傾斜面93で反射する。これにより、半導体層の下方から低角で放出された光も、半導体層の外側に取り出すことが可能である。一方、図6(b)に示すように、凸部190の半導体層の下方から低角でほぼ水平に放出される光は、すぐに、隣接した凸部190の下方に入射し、ほとんど反射することがない。したがって、半導体層の下方から低角で放出された光は、半導体層の外側に取り出すことが困難である。ゆえに、本実施形態の半導体発光素子1は、従来例と比較すると、光取り出し効率が向上した。
図7は、本実施形態の半導体発光素子の指向性の一例を示すグラフである。図7は、極座標で指向特性を表すものであり、径方向が光強度、周方向は角度を示す。ここで、周方向は、指向角90°を基準(縦軸:Y軸)として、横軸(X軸)の負方向が指向角0°、横軸(X軸)の正方向が指向角180°をそれぞれ示す。また、指向角0〜180°は、平面視でn側電極60の長手方向(φ=90°)に測定したものを示す。また、図7において、実線は、本実施形態の半導体発光素子1の場合、すなわち、図6(a)に示す凹部90を有している場合を示す。また、破線は、従来の半導体発光素子の場合、すなわち、図6(b)に示す凸部190を有している場合を示す。ただし、それぞれの違いを明確にするために、指向角90°の場合の絶対値をそれぞれ「1」に正規化した。
図1に示した半導体発光素子の製造方法について、図8および図9を参照(適宜図1ないし図5参照)して説明する。図8および図9は、図1に示した半導体発光素子の製造工程を模式的に示す断面図である。
次に、図9(e)に示すように、凹部90の内周面を含む内側と、半導体積層体50の上面(n型半導体層51の表面)とを保護膜70で被覆する。なお、n側電極60の上表面のワイヤボンディングされる領域を除いた表面と、半導体積層体50の側面とを保護膜70で被覆する。そして、基板10を裏返しにすることで最上面となる基板10の表面に、オーミック電極としての裏面メタライズ層80を形成し、ダイシングする。すなわち、ウェハ形状からバー形状に分割し、共振器端面にミラーを形成し、バー形状からチップ形状に劈開し、ワイヤをn側電極60および裏面メタライズ層80の表面に接続することで、図1に示した半導体発光素子1を製造する。
また、凹部90の形状については、様々な変形例が可能である。以下では、そのバリエーションについて説明する。
図10は、凹部の第1変形例のX−X断面およびY−Y断面を模式的に示す図であり、図11は、図10に示した第1変形例のY−Y断面で切断した一部断面斜視図である。この第1変形例では、凹部90aは、開口としての正六角形の各辺301〜306がそれぞれ一直線ではなく、断面形状が、各辺301〜306の中点を頂点とするV字形状となっている。例えば、平面視での辺302では、頂点311と頂点312とが、光取り出し面上に存在している。ここで、V字の谷よりも下に、上側斜面(傾斜面93:図2参照)がある。換言すると、V字は、上側斜面(傾斜面93:図2参照)内におさまっている。これにより、V字谷が形成されていない場合と比べて電流が均一に広がり易いという効果がある。その他は、本実施形態の凹部90と同様であるので説明を省略する。
図12は、凹部の第2変形例のX−X断面およびY−Y断面を模式的に示す図であり、図13は、図12に示した第2変形例のY−Y断面で切断した一部断面斜視図である。この第2変形例では、傾斜面93と傾斜面94とが滑らかには繋がっていない点を除いて、第1変形例と同様である。傾斜面93と傾斜面94との間には、先太りの傾斜面95が生じている。このような傾斜面95が実際に生じたとしても、先細りしているものではなく、凹部90の内側での反射光の経路にほとんど寄与しないので、第1変形例と同等な効果を奏する。
図14は、凹部の第3変形例のX−X断面およびY−Y断面を模式的に示す図であり、図15は、図14に示した第3変形例のY−Y断面で切断した一部断面斜視図である。この第3変形例では、複数の凹部90の配列状態が、図3に示した配列状態ほど密ではない点を除いて、本実施形態と同様である。すなわち、例えば、凹部90aは、開口としての正六角形の各辺が周囲の6個の凹部90b〜90gに対して接していない。しかしながら、凹部90aは、開口としての正六角形の各頂点321〜326で周囲の6個の凹部90b〜90gに対して接している。言い換えると、凹部90aは、図14の平面図においてハッチングで示した6個の正三角形に周囲を囲まれている。これら6個の正三角形は、光取り出し面上に存在している。したがって、光取り出し面における電流の広がりが良好である。
図16は、凹部の第4変形例のX−X断面およびY−Y断面を模式的に示す図であり、図17は、図16に示した第4変形例のY−Y断面で切断した一部断面斜視図である。この第4変形例では、複数の凹部90の開口の形状が円形である点を除いて、第3変形例と同様である。例えば、凹部90aは、開口としての円形が周囲の6個の凹部90b〜90gに対して接してはいない。しかしながら、複数の凹部90は、開口の整列状態として、横列ごとに凹部90の中心が一致すると共に、縦列において凹部90の中心が一列おきに一致する、いわゆる俵積み状態として配置されている。そして、凹部90a〜90gは、図16の平面図においてハッチングで示した光取り出し面にそれぞれの周囲を囲まれている。したがって、光取り出し面における電流の広がりが良好である。
凹部90の開口91が、平面視で、六角形と円形のものをこれまで例示したが、その他に、三角形、四角形などの多角形や楕円形であってもよいことはもちろんである。なお、効率よく電流の広がりがなされ、また、光取り出し効率を向上させるためには、最密な配列が可能な六角形や円形が好ましい。また、凹部90の底面92が水平であるものを図示したが、必ずしも平面である必要はなく、例えば、下に凸な曲面であってもよい。また、凹部90の底面92にさらに1つ以上の凹部を設けるようにしても同等の効果がある。
半導体発光素子1を製造するために、エピ用基板100は、サファイア基板を用いた。また、基板10として、厚さ400μmのウェハ形状のシリコン(Si)基板を用いた。
そして、このSi基板上に、半導体積層体50として以下の各層を積層した。まずは、Si基板上に、SiドープAlGaNからなるn型クラッド層、GaNからなるn型光ガイド層を成長させた。これにより、厚さ4000nmのn型半導体層51を形成した。続いて、SiドープIn0.05Ga0.95Nからなる障壁層と、アンドープIn0.1Ga0.9Nからなる井戸層とを交互2回積層させ、その上に障壁層を積層させた多重量子井戸構造(Multiple-Quantum Well:MQW)の発光層52を成長させた。次いで、MgドープAlGaNからなるp型電子閉じ込め層、アンドープGaNからなるp型光ガイド層、アンドープAl0.16Ga0.84Nからなる層とMgドープGaNからなる層とを交互積層させた超格子層からなるp型クラッド層、Mgドープp型GaNからなるp型コンタクト層を成長させた。これによりp型半導体層53を形成した。その後、窒素雰囲気中でウェハを700℃でアニーリングして、p型半導体層53をさらに低抵抗化した。
10 基板
20 メタライズ層
21 エピ側メタライズ層
22 基板側メタライズ層
30 p側電極
40 保護膜
50 半導体積層体
51 n型半導体層
52 発光層
53 p型半導体層
60 n側電極
70 保護膜
80 裏面メタライズ層
90 凹部
91 開口
92 底面
93,94 傾斜面
100 エピ用基板
Claims (12)
- n型半導体層とp型半導体層との間に発光層を有する半導体積層体の光取り出し面となる前記n型半導体層に複数の凹部が設けられ、かつ、前記光取り出し面の上に1以上の電極を有すると共に、前記p型半導体層の側に基板を備える半導体発光素子において、
前記凹部は、底面を有し、前記凹部の開口から前記底面に到達するまでに前記底面に向かって縮径する方向に傾斜角の異なる2段以上の傾斜面を有し、前記2段以上の傾斜面が、前記凹部の開口に近いほど傾斜角が緩やかになるように形成されており、
前記光取り出し面で隣接する2つの前記凹部は、当該2つの凹部の底面およびその上方にて前記n型半導体層で繋がっており、
前記凹部の深さは、前記光取り出し面から前記発光層までの厚みの半分以上の長さであり、かつ、前記光取り出し面から前記発光層までの厚みより短く、
前記凹部において、傾斜角の緩やかな前記傾斜面に対応する深さは、傾斜角の急な前記傾斜面に対応する深さより深い
ことを特徴とする半導体発光素子。 - 前記光取り出し面で隣接する2つの前記凹部は、当該2つの凹部の底面から前記n型半導体層の最上部まで繋がっていることを特徴とする請求項1に記載の半導体発光素子。
- 前記電極は、前記光取り出し面において、前記凹部以外の部分の上に設けられていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の半導体発光素子。
- 前記凹部の開口の形状は、前記光取り出し面に対する平面視で円形または楕円形であることを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
- 前記凹部の開口の形状は、前記光取り出し面に対する平面視で多角形であることを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
- 前記凹部の開口の形状は、前記光取り出し面に対する平面視で六角形であることを特徴とする請求項5に記載の半導体発光素子。
- 前記光取り出し面に対する平面視で、前記凹部が、隣接する6個の他の凹部と等間隔に配置され、前記隣接する6個の他の凹部の中心が六角形の頂点を成すことを特徴とする請求項4ないし請求項6のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
- 前記凹部の開口として前記光取り出し面に形成される六角形の各辺は、周囲の6個の他の凹部の開口として前記光取り出し面に形成される六角形の辺に接するように配置されていることを特徴とする請求項6に記載の半導体発光素子。
- 前記凹部の開口の形状は、前記光取り出し面に対する平面視で円形または正六角形であり、
前記光取り出し面において、前記凹部に隣接して取り囲むように環状に等間隔で6個の他の凹部が配置され、中心に位置する前記凹部が前記6個の他の凹部と等間隔に配置されていることを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか一項に記載の半導体発光素子。 - 前記凹部の傾斜面に保護膜を備えることを特徴とする請求項1ないし請求項9のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
- 前記p型半導体層の前記光取り取り出し面とは反対側の面に設けられたp側電極に深さ方向で対向する位置に前記凹部が設けられていることを特徴とする請求項1ないし請求項10のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
- 前記半導体積層体は、窒化ガリウム系化合物半導体から成ることを特徴とする請求項1ないし請求項11のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
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