JP5865870B2 - 半導体発光素子 - Google Patents
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Description
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと長さとの関係、部分間の大きさの比係数などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比係数が異なって表される場合もある。
また、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
図1(a)及び(b)は、第1の実施形態の半導体発光素子を示す模式図である。
図2は、第1の実施形態の半導体発光素子を示す模式的断面図である。
図1(a)は図1(b)のA1−A2線矢視の模式的断面図、図1(b)は模式的平面図である。
なお、図1(b)は後述する積層構造体に沿った面から見た平面図である。
図2は、図1(b)のB1−B2線矢視の模式的断面図である。
なお、上記の組成、組成比、不純物の種類、不純物濃度及び厚さは一例であり、種々の変形が可能である。
さらに、第2電極50は、接触部51と、接合用金属部52と、を有する。接触部51は、第2半導体層20に接している。接合用金属部52は、接触部51の第1半導体層10とは反対側に設けられ、支持基板54と接している。接合用金属部52は、Z方向から見て第1電極41と重なっている。
第1半導体層10の第1面10aは、複数の凹凸部12を有している。凹凸部12のうち隣接する凸部間の長さは、発光層30から放射される発光光の第1半導体層10中のピーク波長以上であることが好ましい。凹凸部12のうち隣接する凸部の長さがが発光光の波長よりも小さいとき、凹凸部12に入射した発光光は、凹凸部12の界面において、散乱や回折等の波動光学で説明される挙動を示す。このため、凹凸部12により、発光光の一部が取り出されなくなる。また、凹凸部12のうち隣接する凸部の長さが発光光の波長よりも十分に小さいとき、凹凸部12が設けられた部分は連続的に屈折率が変化する層としてみなされる。このため、第1面10aは凹凸が設けられていない平坦な面と同様となる。凹凸部12による光取り出し効率の改善効果は小さくなる。
また、マスクを用いたドライエッチングにより凹凸部12を形成しても良い。この方法においては、設計通りに凹凸部12が形成される。このため、容易に光取り出し効率が向上する。
図3(a)及び(b)は、参考例に係る半導体発光素子を示す模式的断面図である。図3(a)は、第1参考例の半導体発光素子191を例示している。図3(b)は、第2参考例の半導体発光素子192を例示している。
図4(a)及び図4(b)のそれぞれは、XZ平面における断面図を示している。
図4(a)は、第1の実施形態の半導体発光素子110における模式的断面図である。
図4(b)は、第1参考例の半導体発光素子191及び第2参考例の半導体発光素子192における模式的断面図である。
図4(a)及び図4(b)に表したように、簡略化した半導体発光素子の二次元モデルについて考える。図の簡略化のため、発光層30及び第2半導体層20は省略されている。また、第1電極41はY方向に直線上に設けられている場合を考える。「第1電極41の抵抗」とは、図4のY方向に伸びる第1電極41に対して、Y方向に電流を流した際の抵抗である。
発光層30から放出された光は、第1面10aと第2電極50の接触部51とのあいだで多重反射されつつ、第1面10aから取り出される。発光層30から放出された光は、第1面10aでランバート反射される。また、第1半導体層10は、シリコーン樹脂で覆われている。この場合、第1半導体層10の第1面10aからの光取り出し効率は28%である。すなわち、第1面10a内における光の反射率は72%である。また、積層構造体100内部での発光光の吸収率は、1往復当たり2%であるとする。
Rtotal=wnaRp/W+2wd1Rd1/W+2Wd2Rd2/W+(W−2wd1−2Wd2−wna)Rp/W ・・・(1)
r=ρlna/(wnbt) ・・・(2)
積層構造体100はGaNであり、誘電体層81はSiO2である。第1電極41の材料はTi/Auである。第1電極41の積層構造体100と接する部分の材料は、Tiである。第2電極50の接触部51の材料はAgである。
この場合、第2電極50の接触部51(第4領域D)の反射率Rpは95.1%である。
第1電極41の第1部分41a(第1領域A)の反射率Rnは46.5%である。
積層構造体100と誘電体層81との界面における反射率は、以下のようにして求められる。積層構造体100と誘電体層81との屈折率差によって決まるエスケープコーンに入った光は、低い反射率を有するTiで反射される。その他の光は、積層構造体100と誘電体層81との界面で全反射される。したがって、第2領域Bにおける反射率Rd1と、第3領域Cにおける反射率Rd2はそれぞれ91.6%である。
半導体発光素子110のX方向の長さWは、200μmである。
第1領域AのX方向の長さwnaは、10μmである。
第1領域Aの両側に設けられた第2領域Bのうちの一方の領域のX方向の長さwd1は5μmである。すなわち、第2領域BのX方向の合計の長さ(2wd1)は、10μmである。
第1電極41の両側に設けられた第3領域Cのうちの一方の領域のX方向の長さwd2は5μmである。すなわち、第3領域CのX方向の合計の長さ(2wd2)は、10μmである。
第4領域DのX方向の長さ(W−2wd1−2Wd2−wna)は、170μmである。
半導体発光素子191のX方向の長さWは、半導体発光素子110のそれと等しく、200μmである。
第1領域AのX方向の長さwnaは、半導体発光素子110のそれと等しく、10μmである。
第2領域Bが設けられていないため、第2領域BのX方向の合計の長さ(2wd1)は、0μmである。
第3領域CのX方向の合計の長さ(2wd2)は、20μmである。
第4領域DのX方向の長さ(W−2wd1−2Wd2−wna)は、170μmである。
半導体発光素子192のX方向の長さWは、半導体発光素子110のそれと等しく、200μmである。
第1領域AのX方向の長さwnaは、20μmである。
第2領域Bが設けられていないため、第2領域BのX方向の合計の長さ(2wd1)は、0μmである。
第3領域CのX方向の合計の長さ(2wd2)は、10μmである。
第4領域DのX方向の長さ(W−2wd1−2Wd2−wna)は、170μmである。
第1参考例における光取り出し効率は77.2%である。
第1参考例における第1電極41の抵抗は1.24Ωである。
第2参考例における第1電極41の抵抗は0.62Ωである。
第1の実施形態における第1電極41の抵抗は0.62Ωである。
図3(a)における第1参考例では、第1電極41の長さwnaは、第1の実施形態における第1電極41の長さwnaと等しい。第1電極41は第2部分41bを有しておらず、誘電体層81の支持基板54側に設けられていない。上述のように、第1電極41の反射率は、第1半導体層10と誘電体層81との界面における反射率よりも低い。第1参考例では、光の吸収領域である第1電極41の面積が小さい。これにより、第1参考例の光取り出し効率は第2参考例の光取り出し効率よりも高い。
しかし、第1参考例の第1電極41の断面積は、第2参考例よりも小さい。このため、第1電極41の抵抗は高い。第1参考例では、半導体発光素子191の全体に電流が広がりにくい可能性がある。
しかし、第2参考例では、光の吸収領域である第1電極41の面積が大きい。このため、第2参考例では、光の取り出し効率が低い。
図5(a)の横軸は、第1電極41のX方向の長さwnbに対する第1部分41aのX方向の長さwnaの比率(wna/wnb)である。
図5(a)の縦軸は、第1電極41の抵抗r(Ω)、動作電流100mA時における第2電極50の接触部51の面積(第4領域Dの面積)から計算した半導体発光素子110の発光層30に注入される電流密度J(A/cm2)、又は半導体発光素子110の光取り出し効率LE(%)である。
図5(b)の横軸は、第1電極41のX方向の長さwnbに対する第1電極41のY方向の長さlnaの比率(lna/wnb)である。
図5(b)の縦軸は、図5(a)の縦軸と等しい。
第1電極41のY方向の長さ(lna)は300μmである。
第1電極41の厚さ(t)は0.7μmであり、TiとAuがそれぞれ0.1μmと0.6μmの積層膜となっている。
半導体発光素子110のX方向の長さWは、200μmである。
第1領域AのX方向の長さwnaは、10μmである。
第1領域Aの両側に設けられた第2領域Bのうちの一方の領域のX方向の長さwd1は5μmである。すなわち、第2領域BのX方向の合計の長さ(2wd1)は、10μmである。
第1電極41のX方向の長さwnb、及び第4領域DのX方向の長さ(W−2wd1−2Wd2−wna)が変数である。
したがって、比率wna/wnbは0.1以上1以下であることが好ましい。
したがって、比率lna/wnbは3以上30以下であることが好ましい。
先ず、成長用基板の上に、窒化物半導体を含む第1半導体層10、発光層30及び第2半導体層20を順に結晶成長させる。これにより、成長用基板の上に、積層構造体100を形成する。成長用基板と第1半導体層10とのあいだに、バッファ層を形成してもよい。成長用基板には、例えばSiが用いられる。実施形態はこれに限らず、例えば、成長用基板には、Si、SiO2、石英、サファイア、GaN、SiC及びGaAsのいずれかが用いられる。このとき、成長用基板の面方位は任意である。以下では、成長用基板としてサファイア基板を用いる例について説明する。
図6(a)〜(c)は、第2の実施形態の半導体発光素子を示す模式的断面図である。
第2の実施形態では、第1電極41が二層構造である点が第1の実施形態と異なる。第2の実施形態における他の構成は、第1の実施形態と同様である。
第1の実施形態と同様に、第1電極41は、第2面10bのうち誘電体層81と接していない領域と接する第1部分41aと、誘電体層81の第1半導体層10とは反対側の一部に接する第2部分41bと、を有する。
図6(a)に表したように、第1電極41は、第1導電層411及び第2導電層412を有する。第1導電層411は、第1部分41aを有している。第2導電層412は、第2部分41bを有し、第1導電層411の第1半導体層10とは反対側に接している。第1導電層411が誘電体層81と接する部分は、第2導電層412が誘電体層81と接する部分よりも広い。
図6(b)に表したように、第1電極41は、第1導電層411及び第2導電層412を有している。誘電体層81は、第1導電層411の第1半導体層10とは反対側の周辺部411pに接して設けられていてもよい。第1導電層411の周辺部411pは、誘電体層81によって覆われている。これにより、第1導電層411が第1半導体層10から剥がれにくくなる。なお、第2導電層412は、第1導電層411の材料とは異なる材料を含んでいる。
図6(c)に表したように、第1導電層411は、第1部分41a及び第2部分41bを有していてもよい。第2導電層412は、Z方向から見て第1導電層411と重なる領域に設けられ、第1導電層411の第1半導体層10とは反対側に接している。第3具体例においても、誘電体層81は、第1導電層411の第1半導体層10とは反対側の周辺部411pに接して設けられている。なお、第2導電層412は、第1導電層411の材料とは異なる材料を含んでいる。例えば、第1導電層411及び第2導電層412は一度のエッチング工程によりパターニングされる。
図7は、第3の実施形態の模式的断面図である。
第3の実施形態では、第1電極41が第2電極50の支持基板54側に乗り上げている点が第1の実施形態と異なる。第3の実施形態における他の構成は、第1の実施形態と同様である。
例えば、積層構造体100の形成方法としては、有機金属気相成長法のほか、分子線エピタキシャル成長法等の他の技術を用いることができる。
また、支持基板54の全体で導電性を有する必要はなく、樹脂などの絶縁性の基材の表面に金属配線等の導体が形成されているものでもよい。
量子井戸層の発光波長は、上記に限定されない。量子井戸層に、例えば、GaInNの窒化ガリウム系化合物半導体を用いる場合は370nmから700nmの発光が得られる。
Claims (20)
- 第1面と、前記第1面とは反対側の第2面と、を有し、前記第2面は、第1領域部分と第2領域部分と第3領域部分を含み、前記第1領域部分と前記第3領域部分との間に前記第2領域部分が配置された、第1導電形の第1半導体層と、
前記第1半導体層の前記第2面の側に設けられた第2導電形の第2半導体層であって、前記第2半導体層から前記第1半導体層に向かう方向において前記第3領域部分と重なる、前記第2半導体層と、
前記第1半導体層と前記第2半導体層との間に設けられた発光層と、
前記第2面の前記第2領域部分と接し、前記第1半導体層の屈折率よりも低い屈折率を有する誘電体層と、
前記第2面の前記第1領域部分と接する第1部分と、前記誘電体層の前記第1半導体層とは反対側に接する第2部分と、を有する第1電極であって、前記第2面に平行な面に投影したときに前記第2半導体層と重ならない前記第1電極と、
前記第2半導体層のうち前記発光層とは反対側と接する接触部を含む第2電極と、
を備えた半導体発光素子。 - 前記第2面に平行な面に投影したときに前記接触部と前記発光層とが重なる請求項1記載の半導体発光素子。
- 前記第2電極の前記第2半導体層とは反対側に設けられた支持基板をさらに備えた請求項1または2に記載の半導体発光素子。
- 前記第1電極は、前記第2面に平行な面に投影したときに前記第1半導体層と重ならない延在部を有し、
前記延在部のうち前記支持基板とは反対側に設けられ前記延在部に接するパッドをさらに備えた請求項3記載の半導体発光素子。 - 前記第2電極は、前記接触部の前記第2半導体層とは反対側に設けられ、前記支持基板と接し、前記第2面に平行な面に投影したときに前記第1電極と重なる接合用金属部を有する請求項3または4に記載の半導体発光素子。
- 前記第1部分は、前記パッドの側から前記第2面に沿った第1方向に延在し、
前記パッドのうち前記第1方向に垂直な第2方向の長さは、前記第1電極の前記第2方向の長さよりも長い請求項4または5に記載の半導体発光素子。 - 前記第1部分は、前記第2面に沿った第1方向に延在し、
前記第1部分の前記第1方向の長さは、前記第1方向に垂直な第2方向の長さよりも長い請求項1〜6のいずれか1つに記載の半導体発光素子。 - 前記第1部分のうち前記第2方向の前記長さは、前記第2電極のうち前記第2半導体層と接する部分における前記第2方向の長さよりも短い請求項7記載の半導体発光素子。
- 前記接触部の面積は、前記第1電極の面積よりも大きい請求項1〜8のいずれか1つに記載の半導体発光素子。
- 前記誘電体層は、
前記第1電極の前記第1半導体層とは反対側において前記第1電極を覆う部分をさらに有する請求項1〜9のいずれか1つに記載の半導体発光素子。 - 前記第1電極は、
前記第1部分を有する第1導電層と、
前記第2部分を有し、前記第1導電層の前記第1半導体層とは反対側に接するとともに、前記第1導電層と異なる材料を含む第2導電層と、
を有する請求項1〜10のいずれか1つに記載の半導体発光素子。 - 前記誘電体層は、前記第1導電層の前記第1半導体層とは反対側に接する請求項11記載の半導体発光素子。
- 前記第1電極は、
前記第1部分及び前記第2部分を有する第1導電層と、
前記第1導電層の前記第1半導体層とは反対側において前記第1導電層と接し、前記第1導電層の材料とは異なる材料を含む第2導電層と、
を有する請求項1〜10のいずれか1つに記載の半導体発光素子。 - 前記第1半導体層は、
前記第1面に設けられ、前記発光層から放射される発光光のピーク波長以上であるピッチで設けられた凹凸部を有する請求項1〜13のいずれか1つに記載の半導体発光素子。 - 第1導電形はn形であり、
第2導電形はp形である請求項1〜14のいずれか1つに記載の半導体発光素子。 - 前記第2電極のうち少なくとも前記第2半導体層に接する側の材料は、Agを含む請求項1〜15のいずれか1つに記載の半導体発光素子。
- 前記第1電極のうち少なくとも前記第2面に接する側の材料は、Ti、Au、Al、Ag、若しくはこれらのいずれか1つを含む合金、又はITOを含む請求項1〜16のいずれか1つに記載の半導体発光素子。
- 前記誘電体層は、SiO2、SiN、又はSiONを含む請求項1〜17のいずれか1つに記載の半導体発光素子。
- 前記第1半導体層はGaNを含み、
前記第2半導体層はGaNを含む請求項1〜18のいずれか1つに記載の半導体発光素子。 - 前記第1電極と前記第2半導体層との間隔は、前記誘電体層の膜厚よりも広い請求項1〜19のいずれか1つに記載の半導体発光素子。
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