KR102647549B1 - 발광 소자 및 발광 소자의 제조방법 - Google Patents

발광 소자 및 발광 소자의 제조방법 Download PDF

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Abstract

전류가 주입됨으로써, 제1 파장의 빛을 발생하는 제1 활성층과, 상기 제1 파장의 빛을 흡수함으로써, 상기 제1 파장과는 다른 제2 파장의 빛을 발생하는 제2 활성층과, 상기 제1 파장의 빛의 반사율이 상기 제2 파장의 빛의 반사율보다도 높은 제1 반사 거울을 갖고, 상기 제1 반사 거울은, 상기 제1 활성층 및 상기 제2 활성층보다도, 상기 제1 활성층 또는 상기 제2 활성층에서 발생한 빛을 외부로 출사하는 출사 단에 가까운 위치에 배치되어 있는 발광 소자가 제공된다.

Description

발광 소자 및 발광 소자의 제조방법
본 발명은, 발광 소자 및 발광 소자의 제조방법에 관한 것이다.
특허문헌 1에는, 서로 다른 파장의 빛을 발생하는 복수의 발광 소자를 동일한 웨이퍼 위에 형성하는 기술이 개시되어 있다. 이 기술에서는, 필요한 부분 이외에 마스크를 형성한 후 각 파장용의 활성층을 형성하는 처리를 복수회 반복함으로써, 서로 다른 파장의 빛을 발생하는 복수의 발광 영역을 인접해서 형성할 수 있다.
일본국 특개 2009-70893호 공보
특허문헌 1에 기재되어 있는 것과 같이 동일 기판에 대해 활성층의 성장을 복수회 행하는 방식에서는, 기판을 결정 성장장치에 넣고 각 파장용의 활성층을 성장시키는 처리를 복수회 반복해서 행할 필요가 있다. 이 경우에, 다음과 같은 과제가 생길 수 있다.
우선, 활성층의 성장시에는, 성장면을 원자 레벨로 청정하게 할 필요가 있다. 표면의 청정성은 수율 및 활성층 품질에 크게 영향을 미치기 때문에, 활성층의 성장을 복수회 행하는 것은, 수율의 악화 및 수율의 불안정성의 요인이 될 수 있다.
또한, 활성층의 성장공정은, 발광 소자의 제조 코스트에 대해 큰 비율을 차지하고 있다. 활성층의 성장을 복수회 행하는 경우에는, 결정 성장장치에의 기판의 설치, 성장 온도로의 승온 등을 포함하는 처리 시간이 성장 공정마다 필요하게 되기 때문에, 제조 코스트가 대폭적으로 증대한다.
이상과 같이, 활성층의 성장을 복수회 행하는 방식에 있어서는, 활성층의 품질을 유지하면서, 수율 및 안정성을 향상시켜, 더욱 더 제조 코스트를 저감하는 것이 과제로 될 수 있다. 따라서, 본 발명은, 보다 간략한 공정으로 제조가능한 발광 소자 및 발광 소자의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 관점에 따르면, 전류가 주입됨으로써, 제1 파장의 빛을 발생하는 제1 활성층과, 상기 제1 파장의 빛을 흡수함으로써, 상기 제1 파장과는 다른 제2 파장의 빛을 발생하는 제2 활성층과, 상기 제1 파장의 빛의 반사율이 상기 제2 파장의 빛의 반사율보다도 높은 제1 반사 거울을 갖고, 상기 제1 반사 거울은, 상기 제1 활성층 및 상기 제2 활성층보다도, 상기 제1 활성층 또는 상기 제2 활성층에서 발생한 빛을 외부로 출사하는 출사 단에 가까운 위치에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 발광 소자가 제공된다.
[0009]
본 발명의 다른 1관점에 따르면, 제1 파장의 빛을 흡수함으로써, 상기 제1 파장과는 다른 제2 파장의 빛을 발생하는 제2 활성층을 형성하는 스텝과, 전류가 주입됨으로써, 상기 제1 파장의 빛을 발생하는 제1 활성층을 형성하는 스텝과, 상기 제1 파장의 빛의 반사율이 상기 제2 파장의 빛의 반사율보다도 높은 제1 반사 거울을 형성하는 스텝을 갖고, 상기 제1 반사 거울은, 상기 제1 활성층 및 상기 제2 활성층보다도, 상기 제1 활성층 또는 상기 제2 활성층에서 발생한 빛을 외부로 출사하는 출사 단에 가까운 위치에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 발광 소자의 제조방법이 제공된다.
본 발명에 따르면, 간략한 공정으로 제조가능한 발광 소자 및 발광 소자의 제조방법을 제공할 수 있다.
도1은 제1실시형태에 따른 발광 소자의 구조를 모식적으로 나타낸 단면도다.
도2는 제2실시형태에 따른 발광 소자의 구조를 모식적으로 나타낸 단면도다.
도3a는 제2실시형태의 시뮬레이션에 사용한 발광 소자의 모델을 나타낸 단면도다.
도3b는 제2실시형태의 시뮬레이션에 사용한 발광 소자의 모델을 나타낸 단면도다.
도3c는 제2실시형태의 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프다.
도4는 제2실시형태의 시뮬레이션에 사용한 분포 브래그 반사 거울의 반사율 특성을 나타낸 그래프다.
도5a는 녹색 양자 우물 활성층의 흡수율을 변화시켰을 때의 발광 비율의 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프다.
도5b는 녹색 양자 우물 활성층의 흡수율을 변화시켰을 때의 발광 비율의 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프다.
도6a는 제3실시형태에 따른 발광 소자의 구조를 모식적으로 나타낸 단면도다.
도6b는 제3실시형태에 따른 발광 소자의 구조를 모식적으로 나타낸 단면도다.
도6c는 제3실시형태에 따른 발광 소자의 구조를 모식적으로 나타낸 단면도다.
도7은 제4실시형태에 따른 발광 소자의 구조를 모식적으로 나타낸 단면도다.
도8은 제5실시형태에 따른 발광 소자의 구조를 모식적으로 나타낸 단면도다.
도9는 제6실시형태에 따른 발광 소자의 구조를 모식적으로 나타낸 단면도다.
도10은 제7실시형태에 따른 발광 소자의 구조를 모식적으로 나타낸 단면도다.
도11a는 제7실시형태에 따른 전사 기판의 구조를 모식적으로 나타낸 단면도다.
도11b는 제7실시형태에 따른 전사 기판의 구조를 모식적으로 나타낸 단면도다.
이하, 도면을 참조하면서, 본 발명의 실시형태에 대해 설명한다. 이때, 복수의 도면에 걸쳐 동일한 요소 또는 대응하는 요소에는 공통의 부호가 붙여져 있으며, 그것의 설명은 생략 또는 간략화되는 경우가 있다.
[제1실시형태]
도1은, 본 실시형태에 따른 발광 소자의 구조를 모식적으로 나타낸 단면도다. 도1에 나타낸 것과 같이, 본 실시형태의 발광 소자는, 기판(100) 위에, 제1 반도체층(101), 제2 활성층(102), 제2 반도체층(103), 제1 활성층(104), 제3 반도체층(105) 및 제1 반사 거울(106)이 이 순서로 배치된 적층 구조를 갖는다. 이들 각 층은 에피택셜 성장에 의해 형성될 수 있다. 또한, 본 실시형태의 발광 소자는, 제2 반도체층(103) 위에 배치된 제1 전극(107)과, 제3 반도체층(105) 위에 배치된 제2 전극(108)을 갖는다.
제1 활성층(104)은, 전류가 주입되었을 때에, 제1 파장이 메인 피크가 되는 파장 분포를 갖는 빛을 발생한다. 이때, 본 명세서에 있어서, 「제1 파장이 메인 피크가 되는 파장 분포를 갖는 빛」은, 간단히 「제1 파장의 빛」으로 기재되는 경우도 있다. 제2 활성층(102)은, 제1 파장의 빛을 흡수했을 때에, 광 여기에 의해 제1 파장과는 다른 제2 파장의 빛을 발생한다. 제1 파장의 빛은, 예를 들면, 450nm 정도의 파장의 청색의 빛일 수 있다. 제2 파장의 빛은, 예를 들면, 525nm 정도의 파장의 녹색의 빛일 수 있다.
제1 활성층(104) 및 제2 활성층(102)은, 단층의 재료에 의해 구성되어 있어도 되고, 양자 우물층과 배리어층이 교대로 복수 세트 적층된 다중 양자 우물 구조에 의해 구성되어 있어도 된다. 기판의 종류에 따라, 활성층, 양자 우물층 및 배리어층의 재료, 조성, 두께, 페어 수 등을 적절히 설정해서 원하는 밴드갭이 되도록 설계함으로써, 원하는 파장의 빛을 발생하는 발광 소자를 실현할 수 있다. 일례로서, 기판(100)의 재료가 사파이어이고, 활성층의 재료가 InGaN인 경우에는, In의 비율을 변화시킴으로써, 중심 발광 파장을 변화시킬 수 있다. In의 비율을 증가시킬수록, 중심 발광 파장이 길어진다.
일례로서, 제1 반도체층(101)은, n형 또는 i형이고, 제2 반도체층(103)은 n형이며, 제3 반도체층(105)은 p형이다. 바꿔 말하면, 제1 활성층(104)은, 제1 도전형(n형)의 반도체층과, 제1 도전형과는 반대의 제2 도전형(p형)의 반도체층에 의해 끼워져 있다. 제2 활성층(102)은, 제1 도전형 또는 i형의 반도체층과, 제1 도전형의 반도체층에 의해 끼워져 있다. 이때, 기판(100)의 도전형은, n형, p형 및 i형의 어느 한개이어도 된다.
이때, 본 명세서에 있어서 i형의 반도체층은, 넌도프(언도프)의 반도체층을 가리킨다. 넌도프는, 반도체층의 성장중에, 도전형을 제어하기 위한 도펀트를 의도적으로 도프하지 않은 것과, p형과 n형의 도펀트를 거의 같은 수 도핑한 것의 양쪽을 포함할 수 있다. i형의 반도체층에 있어서의 캐리어 농도는, 1×1016cm-3 이하인 것이 바람직하다.
각 반도체층이 III족 질화물 반도체인 GaN, AlGaN계 재료로 구성되어 있는 경우에는, Si, Ge 등이 n형용의 도펀트로서 사용되고, Mg, Zn등이 p형용의 도펀트로서 사용된다. 각 반도체층이 III-V족 반도체인 AlGaAs계 재료로 구성되어 있는 경우에는, II족 원소(Mg, Zn 등)가 p형용의, VI족 원소(Se 등)가 n형용의, AV족 원소(C, Si 등)가 p형 또는 n형용의 도펀트로서 사용된다.
본 실시형태의 발광 소자에 있어서는, 빛을 외부로 출사하는 출사 단은, 기판(100)과는 반대측이며, 즉, 도1의 상측이다. 제1 반사 거울(106)은, 발광 소자의 출사단측에 배치된다. 바꿔 말하면, 제1 반사 거울(106)의 상면이 발광 소자의 출사 단이다. 제1 반사 거울(106)은, 제1 파장의 빛의 반사율이 제2 파장의 빛의 반사율보다도 높아지도록 설계되어 있다.
제1 반사 거울(106)은, 예를 들면, 분포 브래그 반사 거울이다. 이하에서는, 분포 브래그 반사 거울을, DBR(Distributed Bragg Reflector)로 부른다. DBR는, 굴절률이 다른 2개의 박막을 모두 1/4 파장의 광학 막 두께가 되도록 교대로 주기적으로 형성한 구조의 반사 거울이다. 제1 반사 거울(106)은, 에피택셜 성장에 의해 형성된 복수의 반도체층이어도 되고, 복수의 유전체층이어도 된다. 이 2종의 구성 중에서는, 복수의 유전체층을 사용한 구성의 쪽이, 2개의 박막의 굴절률 차이를 크게 할 수 있기 때문에, 적은 페어 수로 높은 반사율을 실현할 수 있으므로 적합하다.
제1 전극(107) 및 제2 전극(108)에는, 제1 활성층(104)에 전류를 주입할 수 있도록 서로 다른 전위가 주어진다. 제1 활성층(104)에 전류가 주입되면, 제1 활성층(104)은, 제1 파장의 빛을 발생한다. 제1 활성층(104)으로부터 발생한 제1 파장의 빛 중, 아래쪽으로 출사된 성분은, 제2 활성층(102)에 직접 입사된다. 제1 활성층(104)으로부터 발생한 제1 파장의 빛 중, 위쪽으로 출사된 성분의 일부는, 제1 반사 거울(106)에 의해 반사되어, 제2 활성층(102)에 입사된다. 여기에서, 제1 반사 거울(106)의 반사율은, 제1 파장의 빛에 대해서는 높게 설계되어 있으므로, 제1 반사 거울(106)을 투과하는 제1 파장의 빛은 적다. 그 때문에, 제1 파장의 빛의 대부분은 제2 활성층(102)에 입사된다.
제2 활성층(102)은, 제1 파장의 빛을 흡수하고, 광 여기에 의해 제2 파장의 빛을 발생한다. 제2 파장의 빛의 일부는, 제1 반사 거울(106)에 의해 반사되어 기판(100)측으로 되돌아온다. 그렇지만, 제2 파장의 빛에 대한 제1 반사 거울(106)의 반사율은, 제1 파장의 빛에 대한 반사율보다도 낮게 설계되어 있기 때문에, 제2 파장의 빛의 대부분은, 제1 반사 거울(106)을 투과하여, 기판(100)에 대해 수직 방향(도1의 상측)으로 출사된다. 이에 따라, 본 실시형태의 발광 소자는, 제2 파장의 빛을 선택적으로 외부로 출사할 수 있다.
본 실시형태의 발광 소자는, 제1 활성층(104), 제2 활성층(102) 및 제1 반사 거울(106)을 사용함으로써, 제1 파장의 빛을 제2 파장의 빛으로 변환하고, 선택적으로 외부로 출사할 수 있다. 제1 반사 거울(106)을 배치함으로써, 제1 활성층(104)과 제2 활성층(102)이 두께 방향으로 적층된 상태에서 전술한 효과가 얻어지기 때문에, 제1 활성층(104)과 제2 활성층(102)의 형성 사이에 패터닝을 행하는 것을 필요로 하지 않는다. 따라서, 본 실시형태에 따르면, 간략한 공정으로 복수의 활성층의 형성을 행할 수 있는 발광 소자가 제공된다.
본 실시형태의 발광 소자는, 예를 들면, 디스플레이의 화소에 사용된다. 본 실시형태의 발광 소자를 수십∼수백 ㎛ 정도의 크기로 제작하고, 이것을 복수의 행 및 복수의 열을 이루도록 배열함으로써 디스플레이의 표시면을 형성할 수 있다. 이와 같이 무기 화합물 반도체의 LED(Light Emitting Diode)을 사용한 디스플레이는 μLED 디스플레이로 불리는 경우도 있다. μLED 디스플레이는, 액정 디스플레이, 유기 LED 디스플레이와 비교하여, 수명, 휘도 등의 면에서 우위성이 있다. 본 실시형태의 발광 소자를 μLED 디스플레이에 사용한 경우의 효과에 대해 설명한다.
μLED 디스플레이의 제조방법의 일례로서는, 청색, 녹색, 적색 등의 색마다 제작된 발광 소자를 디스플레이의 기판 위에 실장하는 방식을 들 수 있다. 이 방식에서는 다수의 발광 소자를 실장할 필요가 있기 때문에 실장 코스트가 큰 점이 과제로 될 수 있다. 따라서, 실장 코스트의 저감을 위해, 복수의 색의 발광 소자를 동일한 웨이퍼에 형성함으로써, 복수의 발광 소자를 일괄해서 실장할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
복수의 발광 소자를 동일한 웨이퍼에 형성하기 위해서는, 동일한 웨이퍼에 발광 파장의 서로 다른 복수의 활성층을 형성할 필요가 있다. 특허문헌 1에 기재되어 있는 것과 같이 복수의 활성층의 형성 사이에 마스크의 형성을 행하는 수법에서는, 제조공정이 복잡화해서 제조 코스트가 증대한다. 그것의 이유는 이하와 같다. 화합물 반도체를 사용한 발광 소자의 제조공정에 있어서는, 에피택셜 성장에 의해 활성층 등의 반도체층의 형성이 행해진다. 복수의 활성층의 형성 사이에 마스크의 형성을 행하는 공정 플로우에서는, 각 층의 에피택셜 성장을 일괄해서 행할 수 없고, 에피택셜 성장의 처리를 복수회로 나누어 행할 필요가 생긴다. 에피택셜 성장의 처리는, 결정 성장장치에의 기판의 설치, 성장 온도로의 승온 등의 시간이 걸리는 공정을 포함한다. 에피택셜 성장의 처리를 복수회로 나누어 행하면, 이 공정수가 처리 회수에 비례해서 증대하기 때문에, 제조 코스트가 증대한다.
이에 대해, 본 실시형태의 발광 소자는, 제1 활성층(104)과 제2 활성층(102)이 두께 방향으로 적층된 상태에서 파장 변환을 행할 수 있는 구조를 갖고 있다. 그 때문에, 제1 활성층(104)과 제2 활성층(102)의 형성 사이에 패터닝을 행하는 것을 필요로 하지 않는다. 따라서, 가령 2색의 발광 소자를 동일한 웨이퍼에 형성한 경우에도 2개의 활성층을 연속적으로 에피택셜 성장에 의해 형성할 수 있다. 따라서, 본 실시형태의 발광 소자를 사용한 μLED 디스플레이의 제조에 있어서는, 간략한 공정으로 복수의 활성층의 형성을 행할 수 있기 때문에, 코스트를 저감할 수 있다.
또한, 2개의 활성층을 연속적으로 에피택셜 성장에 의해 형성함으로써, 결정 성장장치로부터의 추출 등에 기인하는 표면 오염이 저감된다. 따라서, 본 실시형태의 발광 소자의 제조에 있어서는, 성장면의 청정성이 유지되기 때문에, 수율의 향상, 제조공정의 안정화 및 활성층의 품질 향상의 효과도 얻어진다.
이상, 본 실시형태의 발광 소자가 μLED 디스플레이용의 화소로서 적합하게 사용될 수 있는 이유 및 그 효과에 대해 서술했지만, 이것은 후술하는 다른 실시형태에 있어서도 마찬가지이다. 그렇지만, 본 실시형태 및 다른 실시형태의 발광 소자의 용도는 이것에 한정되는 것은 아니고, 조명장치 등, 디스플레이 이외의 용도에 적용되어도 된다.
이때, 본 실시형태에서는, 출사 단이 도1에 있어서의 상측(기판(100)과 반대측)인 구성을 예시하고 있지만, 출사 단은, 기판(100)의 측이어도 된다. 출사 단이 기판(100)의 측인 경우에는, 기판(100)에 있어서의 빛의 흡수율이 낮아지도록 구조 또는 재료를 설계하는 것이 바람직하다. 구체적인 설계의 예로서는, 출사시킬 빛의 파장에 대해 흡수율이 낮은 재료를 기판(100)에 사용하거나, 또는, 기판(100)의 두께를 충분히 얇게 하는 것 등을 들 수 있다.
본 실시형태에서는, 제1 활성층(104)이 제2 활성층(102)보다도 출사 단에 가까운 측에 배치되어 있지만, 제1 활성층(104)과 제2 활성층(102)을 적층하는 순서는, 반대이어도 된다. 이때, 제1 활성층(104)과 제2 활성층(102)의 순서를 교체하는 경우에는, 제1 전극(107)과 제2 전극(108)의 위치를 제1 활성층(104)에 전류가 주입되도록 적절히 변경할 필요가 있다.
그렇지만, 도1에 나타낸 것과 같이, 제1 활성층(104)은, 제2 활성층(102)보다도 출사 단에 가까운 위치에 배치되어 있는 것이 바람직하다. 바꿔 말하면, 제2 활성층(102)은, 제1 활성층(104)과 기판(100) 사이에 배치되어 있는 것이 바람직하다. 이 구성에서는, 제1 활성층(104)과 제2 활성층(102)이 반대로 배치되어 있는 경우와 비교하여, 전류 주입용의 제1 전극(107)이 배치되는 콘택홀을 얕게 할 수 있어, 에칭량을 적게 할 수 있는 이점이 있다.
제1 활성층(104) 또는 제2 활성층(102)과, 기판(100) 사이에 있는 반도체층에 대해서는, p형의 도펀트가 도핑되어 있지 않은 것이 바람직하다. 반도체층에 p형의 도펀트를 도핑하면, 그 반도체층의 결정 품질이 저하하는 경우가 있다. 그 반도체층 위에 활성층을 성장시키면, 반도체층의 결정 품질이 낮은 것에 기인해서 활성층의 품질도 저하하는 경우가 있다. 특히 활성층이 GaN계 재료인 경우에는, 활성층의 품질이 발광 특성에 미치는 영향이 크기 때문에, 활성층의 아래에 p형 도펀트를 도핑하지 않는 것에 의해, 발광 특성이 향상될 수 있다.
더욱 구체적으로는, 제1 반도체층(101)과 제2 활성층(102)은, p형의 도펀트가 도핑되어 있지 않은 n형 또는 i형이고, 제2 반도체층(103)은, p형의 도펀트가 도핑되어 있지 않은 n형으로 한다. 이에 따라, 제1 활성층(104) 및 제2 활성층(102)의 어느 것에 대해서도, p형의 도펀트에 기인하는 활성층의 품질의 저하를 경감할 수 있어, 발광 특성이 향상된다.
[제2실시형태]
본 실시형태의 발광 소자가 제1실시형태의 발광 소자와 다른 점은, 제2 반사 거울(201)이 더 설치되어 있는 점이다. 도2는, 본 실시형태에 따른 발광 소자의 구조를 모식적으로 나타낸 단면도다. 제1 반도체층(101)은, 제2 반사 거울(201)을 포함하고 있다. 제2 반사 거울(201)은, 제1 활성층(104) 및 제2 활성층(102)에 대해, 제1 반사 거울(106)과는 반대측에 배치되어 있다. 제2 반사 거울(201)은, 제1 반사 거울(106)과 마찬가지로, 제1 파장의 빛에 대한 반사율이 제2 파장의 빛에 대한 반사율보다도 높아지도록 설계되어 있다.
제2 반사 거울(201)은, 예를 들면, DBR이다. 이 경우, 제2 반사 거울(201)은, 굴절률이 다른 2종류의 반도체층이 교대로 적층된 구성의 DBR일 수 있다. DBR를 구성하는 서로 다른 2종류의 반도체층의 예로서는, AlGaN, InGaN 등을 들 수 있다.
제1 활성층(104)으로부터 발생한 제1 파장의 빛은, 도2에 있어서 상측 방향과 하측 방향의 양측으로 출사된다. 제1 활성층(104)으로부터 하측 방향으로 출사된 제1 파장의 빛의 일부는, 제2 활성층(102)에 의해 흡수된다. 이때, 제2 활성층(102)은, 광 여기에 의해, 제2 파장의 빛을 발생한다. 하측 방향으로 출사된 제1 파장의 빛의 다른 일부는, 제2 활성층(102)에서 흡수되지 않고 투과한다. 제2 활성층(102)을 투과한 제1 파장의 빛은, 제2 반사 거울(201)에 의해 반사되고 제2 활성층(102)에 다시 입사되어, 제2 파장의 빛을 여기한다. 한편, 제1 활성층(104)으로부터 상측 방향으로 출사된 제1 파장의 빛은, 제1실시형태에서 서술한 것과 마찬가지로, 제1 반사 거울(106)에 의해 반사되고, 제2 활성층(102)에 입사되어, 제2 파장의 빛을 여기한다.
이와 같이, 본 실시형태에서는, 제2 반사 거울(201)이, 제1 활성층(104) 및 제2 활성층(102)에 대해, 제1 반사 거울(106)과는 반대측에 배치되어 있다. 이 구성에 따르면, 제1 활성층(104)으로부터 아래쪽으로 출사되어 제2 활성층(102)을 투과한 제1 파장의 빛을 다시 제2 활성층(102)으로 되돌릴 수 있기 때문에, 제1 파장의 빛으로부터 제2 파장의 빛으로의 변환 효율을 향상시킬 수 있다. 따라서, 제2 파장의 빛의 발광 효율이 향상된다. 또한, 제1 파장의 빛의 누출을 적게 할 수 있다.
여기에서, 제1 반사 거울(106)과 제2 반사 거울(201)은, 제1 파장에 대한 공진기를 구성하도록, 각 층의 막 두께 등이 설정되어 있는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 제1 반사 거울(106)과 제2 반사 거울(201) 사이를 전파하는 빛의 왕복의 길이가, 제1 파장의 절반의 정수배가 되도록, 각 층의 막 두께가 설정되어 있으면 된다. 이에 따라, 제1 파장의 빛으로부터 제2 파장의 빛으로의 변환 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
제1 반사 거울(106)과 제2 반사 거울(201)이 공진기를 구성하고 있는 경우의, 시뮬레이션의 결과를 나타내면서, 본 실시형태의 효과를 더욱 상세하게 설명한다. 우선, 도3a 및 도3b를 참조하여, 발광 소자의 시뮬레이션 모델의 층 구조에 대해 설명한다.
도3a에 나타낸 발광 소자(300a)는, 본 실시형태에 대응하는 구성의 시뮬레이션에 사용한 모델을 나타낸 단면도다. 발광 소자(300a)는, GaN의 기판(100) 위에, GaN/AlInN 반도체 DBR(301)(10페어), GaN으로 구성되는 1λ 공진기(310), 그 위에 SiO2/SiN 유전체 DBR(306)(6페어)이 이 순서로 배치된 적층 구조를 갖는다. 1λ 공진기(310)는, 청색 양자 우물 활성층(304)(발광 파장 450nm) 및 녹색 양자 우물 활성층(302)(발광 파장 525nm)을 포함하고 있다. 1λ 공진기(310)는, 이들 2개의 활성층의 층 두께도 포함하여 광학 막 두께가 1λ(1파장)이 되도록 구성되어 있다. 각 DBR 및 1λ 공진기(310)의 설계 파장은, 청색 양자 우물 활성층(304)의 발광 파장과 같은 450nm이다. 녹색 양자 우물 활성층(302)에 있어서의 파장 450nm의 빛의 흡수율은, 파장 450nm의 빛이 한쪽의 면으로부터 또 한쪽의 면으로 투과했을 때에 5.8% 흡수되도록 설계되어 있다. 이 설계는 양자 우물의 수의 조정에 의해 행해질 수 있다.
이에 대해, 도3b에 나타낸 발광 소자(300b)는, 본 실시형태에 대한 비교예의 시뮬레이션에 사용한 모델을 나타낸 단면도다. 발광 소자 300b는, 발광 소자 300a의 구성으로부터 SiO2/SiN 유전체 DBR(306)을 제외한 것이며, 공진기를 구성하지 않는 모델로 되어 있다.
도3c는, 반도체층의 적층면에 대해 수직 방향으로 빛이 입사했을 때의 녹색 양자 우물 활성층(302)에 있어서의 흡수율의 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프다. 도3c의 종축은 녹색 양자 우물 활성층(302)에 있어서의 흡수율이고, 횡축은 입사된 빛의 파장이다. 도3c는, 발광 소자 300a의 모델(즉, SiO2/SiN 유전체 DBR(306)이 있는 경우)에 의한 시뮬레이션 결과를 나타내고 있다. 또한, 발광 소자 300b의 모델에 의한 비교예의 시뮬레이션에서는, 파장 450nm의 빛에 대한 흡수율은, 0.044이었다.
도4는, 시뮬레이션에 사용한 SiO2/SiN 유전체 DBR(306)의 반사율 특성과, GaN/AlInN 반도체 DBR(301)의 반사율 특성을 나타낸 그래프다. 도4의 종축은 반사율이고, 횡축은 입사광의 파장이다. 도4의 실선은 SiO2/SiN 유전체 DBR(306)의 반사율 특성을 나타내고 있고, 점선은 GaN/AlInN 반도체 DBR(301)의 반사율 특성을 나타내고 있다. SiO2/SiN 유전체 DBR(306)에 있어서, 파장 450nm에 있어서의 반사율은 0.96으로서, 높은 값을 나타내고 있다. 이에 대해, 파장 525nm에 있어서의 반사율은 0.4 이하로서, 낮은 값을 나타내고 있다. GaN/AlInN 반도체 DBR(301)에 대해서도, SiO2/SiN 유전체 DBR(306)만큼 현저하지는 않지만 같은 경향이 보여진다. 이때, 도4의 반사율 특성은, 광학 시뮬레이션에 의해 얻어진 것이다.
이상에서 이해되는 것과 같이, 녹색 양자 우물 활성층(302)에 있어서, 파장 450nm의 빛의 흡수율은, SiO2/SiN 유전체 DBR(306)을 설치함으로써, 약 10배가 된다. 따라서, 2개의 반사 거울에 의해 공진기 구조를 구성함으로써, 제1 파장(450nm)의 빛의 흡수 효율을 향상시킬 수 있고, 제2 파장(525nm)의 빛의 발광 효율을 향상시킬 수 있다는 것을 알 수 있다. 또한, SiO2/SiN 유전체 DBR(306)은, 제1 파장에 있어서 높은 반사율을 갖고, 제2 파장에 있어서 낮은 반사율을 가지므로, 제1 파장의 빛의 누출을 적게 할 수 있다.
이와 같이, 활성층을 가공하지 않고, DBR를 설치하는 것 만으로, 제1 파장의 빛의 흡수 효율을 향상시킬 수 있고, 간략한 공정으로, 제2 파장의 빛의 발광 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 상층에 SiO2/SiN 유전체 DBR(306)을 형성할 것인지 아닌지에 의해, 제2 파장의 빛의 발광 강도를 변화시킬 수 있다. 즉, 웨이퍼 면 내의 원하는 장소에 SiO2/SiN 유전체 DBR(306)을 형성함으로써, 그것의 아래의 반도체층에 대해 가공 등을 하지 않고, 제2 파장의 빛을 선택적으로 출사하는 개소를 설치할 수 있다. 따라서, 간략한 공정으로 제2 파장의 빛을 선택적으로 출사하는 개소를 형성할 수 있다.
이때, 전술한 시뮬레이션에 있어서는 빛이 적층면에 대해 수직 방향으로 전파하는 것을 전제로 한 것이다. 그렇지만, 경사 방향으로 전파하는 빛에 대해서도, 공진 파장의 차이는 생기지만, 동일한 효과를 얻을 수 있다.
도5a 및 도5b는, 녹색 양자 우물 활성층(302)의 광흡수율을 변화시킨 경우의 발광 비율의 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프다. 본 시뮬레이션에 사용한 발광 소자의 구성, 특성은, 도3a 내지 도3c 및 도4에 나타낸 것과 동일하다.
도5a 및 도5b의 횡축은, 녹색 양자 우물 활성층(302)에 있어서, 파장 450nm의 빛이 한 쪽의 면으로부터 또 한 쪽의 면에 투과했을 때의 흡수율을 나타내고 있다. 종축은, 청색 양자 우물 활성층(304) 또는 녹색 양자 우물 활성층(302)의 각 활성층으로부터 위쪽으로의 발광 비율을 나타낸다. 도5a 및 도5b에 있어서, 실선은 녹색 양자 우물 활성층(302)으로부터의 발광 비율을 나타내고 있고, 점선은 청색 양자 우물 활성층(304)으로부터의 발광 비율을 나타내고 있다.
발광 비율의 산출에 있어서, 시뮬레이션에서는, 청색 양자 우물 활성층(304)으로부터의 발광량이 1인 것으로 하고 있다. 또한, 청색의 빛이 녹색 양자 우물 활성층에서 흡수된 경우에는, 그 빛은 녹색의 빛으로 100% 변환되는 것으로 하고 있다.
도5a는, 녹색과 청색의 광량비가 1 대 1의 상태에서 발광 소자가 사용되는 경우를 상정한 경우를 나타내고 있는 그래프다. 도5b는, 녹색과 청색의 광량비가 1 대 3의 상태에서 발광 소자가 사용되는 경우를 상정한 경우를 나타내고 있는 그래프다. 즉, 도5b는, 녹색의 광량의 발광 비율의 값을 3배로 해서 나타낸 것이다.
도5a에서, 본 실시형태의 발광 소자가, 녹색과 청색의 휘도비가 1 대 1의 상태에서 사용되는 경우에는, 녹색 양자 우물 활성층(302)의 흡수율이 35% 정도로 조정되어 있는 것이 바람직하다.
녹색의 발광 비율이 부족한 경우의 조정의 예로서는, 각 화소에의 주입 전류량을 조정함으로써 발광 비율을 조정한다고 하는 수법을 들 수 있다. 예를 들면, 본 실시형태의 경우이면, 녹색 화소에의 주입 전류량을, 청색 화소에의 주입 전류량보다도 많게 함으로써 녹색의 발광 비율을 증가시키는 것이 가능하다. 또한, DBR의 반사율을 바꿈으로써, 각 화소의 발광 비율을 조정할 수도 있다. 예를 들면, 녹색에 대응하는 파장의 반사율을 낮추도록 SiO2/SiN 유전체 DBR(306)을 구성함으로써, 녹색의 발광 비율을 증가시키는 것이 가능하다.
그런데, 본 실시형태의 발광 소자가 디스플레이, 조명 등의 유저의 시감도를 고려한 조정을 행하는 경우가 있는 장치에 사용되는 경우, 녹색과 청색 사이의 시감도의 차이를 고려해서 양자의 휘도를 다르게 하는 경우가 있다. 녹색과 청색의 광량비가 1 대 3의 상태에서 사용되는 경우에는, 도5b보다, 녹색 양자 우물 활성층(302)의 흡수율이 3% 이상 7% 이하(허용편차가 약 ±30%인 경우)로 함으로써 전술한 광량비가 실현된다. 또한, 4% 이상 6% 이하(허용편차가 약 ±10%인 경우)로 함으로써 더욱 적합하게 전술한 광량비가 실현된다.
전술한 예는 어디까지나 본 실시형태의 발광 소자의 사용 방법의 일례이다. 반사 거울의 반사율, 여기광으로부터 여기되는 빛의 변환 효율, 각 색의 휘도비, 혼색율의 저감 정도 등에 따라, 녹색 양자 우물 활성층(302)의 흡수율의 설계는 적절히 변경될 수 있기 때문에, 전술한 예와는 다른 설계가 행해지는 경우도 있다. 예를 들면, 반사 거울의 반사율의 파장 의존성이 이번의 시뮬레이션에 사용한 도4에 나타낸 것과는 다른 경우에는, 적절한 흡수율은 변화한다. 유전체 DBR의 설계를 바꾸어 녹색의 파장인 525nm에 있어서의 반사율을 낮추는 것에 의해, 녹색의 발광 비율을 증가시킨 경우에는, 적절한 흡수율의 범위는 전술한 값보다도 낮은 범위로 변경된다.
본 실시형태에서는, 2개의 다른 파장의 빛(예를 들면, 청색과 녹색)을 생성함에 있어서, 광필터와 같은 일부의 빛을 제거하는 수법이 아니라, 발광량 그 자체를 바꾸고 있다. 예를 들면, 본 실시형태에서는, 녹색의 파장의 빛에 있어서, 공진기 구조를 도입함으로써, 흡수 효율을 약 10배 향상시킬 수 있다. 그 때문에, 보다 효율적인 발광이 가능한 발광 소자가 제공된다.
[제3실시형태]
본 실시형태의 발광 소자는, 제1실시형태 또는 제2실시형태의 발광 소자를 포함하고 있고, 동일한 웨이퍼에 형성된 2개의 발광 영역으로부터, 서로 다른 2개의 파장의 빛을 출사할 수 있도록 구성되어 있다. 도6a는, 본 실시형태에 따른 발광 소자의 제1 구성예를 모식적으로 나타낸 단면도다.
도6a에 나타낸 것과 같이, 본 실시형태의 발광 소자는, 기판(100)에 대해 수직한 방향에서의 평면도에 있어서, 제1영역(501)과 제2영역(502)을 갖는다. 제1영역(501)은, 주로 제1 파장의 빛을 외부로 출사한다. 제2영역(502)은, 주로 제2 파장의 빛을 외부로 출사한다. 제1영역(501)과 제2영역(502)은 동일한 웨이퍼에 형성되어 있다. 제2영역(502)의 제3 반도체층(105) 위에는, 제1 반사 거울(106)이 배치되어 있다. 제1영역(501)의 제3 반도체층(105) 위에는, 제1 반사 거울(106)이 배치되어 있지 않다.
제2영역(502)의 구조는, 제1실시형태의 도1의 구조와 같다. 즉, 제2영역(502)에는, 제1 파장의 빛의 반사율이 높은 제1 반사 거울(106)이 설치되어 있다. 제1 전극(107)과 제2 전극(108)과에 의해 제1 활성층(104)에 전류가 주입되면, 제1 활성층(104)은, 제1 파장의 빛을 발생한다. 제1 파장의 빛에 의해, 제2 활성층(102)이 여기되어, 제2 활성층(102)은 제2 파장의 빛을 발생한다. 또한, 제1 반사 거울(106)은, 제1 파장의 빛에 대해서는 높은 반사율을 갖는다. 그 때문에, 제2영역(502)으로부터는 주로 제2 파장의 빛이 출사된다.
제1영역(501)의 근방에는, 제1영역(501) 내의 제1 활성층(104)에 전류를 주입하기 위한 전극으로서, 제3 전극(503)이 제3 반도체층(105) 위에 배치되어 있다.
제1 전극(107)과 제3 전극(503)에 의해 제1 활성층(104)에 전류가 주입되면, 제1영역(501)의 제1 활성층(104)은, 제1 파장의 빛을 발생한다. 제1 전극(107)은, 제1영역(501)의 제1 활성층(104)과 제2영역(502)의 제1 활성층(104)에 전류를 공급하는 공통의 전극이다. 이에 대해, 제2 전극(108)과 제3 전극(503)은 서로 독립적으로 배치되어 있다. 그 때문에, 본 실시형태의 발광 소자는, 제1영역(501)의 제1 활성층(104)과 제2영역(502)의 제1 활성층(104)에 독립적으로 전류가 공급될 수 있는 구조이다. 따라서, 제1영역(501)과 제2영역(502)은, 서로 다른 파장의 빛을 독립적으로 출사할 수 있다.
본 실시형태에 따른 발광 소자의 다른 구성예를 설명한다. 도6b는, 본 실시형태에 따른 발광 소자의 제2 구성예를 모식적으로 나타낸 단면도다. 본 구성예에서는, 제2실시형태와 마찬가지로, 제1 반도체층(101)이 제2 반사 거울(201)을 포함하고 있다. 제2 반사 거울(201)은, 적어도 제1 파장의 빛에 대해 높은 반사율을 갖도록 설계되어 있다.
이러한 구성으로 함으로써, 제2실시형태와 같은 이유에 의해, 제2영역(502)에 있어서 제2 파장의 빛의 발광 효율이 향상된다. 또한, 제1영역(501)에 있어서도, 제1 활성층(104)으로부터 하측 방향으로 출사된 제1 파장의 빛은, 제2 반사 거울(201)에 의해 반사되어, 상측 방향으로 되돌아온다. 이에 따라, 제1영역(501)에 있어서도 제1 파장의 빛의 발광 효율이 향상된다. 이상과 같이, 본 구성예에 있어서는, 제1 구성예와 동일한 효과가 얻어지는 것 이외에, 더욱 발광 효율이 향상될 수 있다.
이때, 제2 반사 거울(201)은, 제2 파장의 빛에 대해서도 높은 반사율을 갖도록 설계되어 있어도 된다. 이 경우, 제2영역(502)에 있어서, 제2 활성층(102)으로부터 하측 방향으로 출사된 제2 파장의 빛도, 제2 반사 거울(201)에 의해 반사되어, 상측 방향으로 되돌아온다. 이에 따라, 제2영역(502)에 있어서의 제2 파장의 빛의 발광 효율이 더욱 향상된다.
본 실시형태에 따른 발광 소자의 또 다른 구성예를 설명한다. 도6c는, 본 실시형태에 따른 발광 소자의 제3 구성예를 모식적으로 나타낸 단면도다. 본 구성예는, 제1영역(501)으로부터 출사되는 빛에 포함되는 제2 파장의 성분을 저감시키기 위한 구성의 1개이다.
본 구성예에 있어서, 제1영역(501)의 제3 반도체층(105) 위에는, 제3 반사 거울(504)이 배치되어 있다. 제3 반사 거울(504)의 제2 파장의 빛에 대한 반사율은, 제1 파장의 빛에 대한 반사율보다도 높다. 이 이외의 구성은 제1 구성예와 같다. 제1 전극(107) 및 제3 전극(503)으로부터 제1영역(501)의 제1 활성층(104)에 전류가 주입되면, 제1 활성층(104)은 제1 파장의 빛을 발생한다. 제1 파장의 빛이 제2 활성층(102)에 흡수되면, 제2 활성층(102)은, 제2 파장의 빛을 발생한다. 제2 파장의 빛은 제3 반사 거울(504)에 의해 반사되기 때문에, 제1영역(501)으로부터 출사되는 빛에 포함되는 제2 파장의 성분은 저감된다. 따라서, 제1영역(501)으로부터 출사되는 빛에 포함되는 제1 파장의 비율이 증가하고, 제2 파장의 비율은 저감하기 때문에, 제1 파장의 빛과 제2 파장의 빛의 혼색이 저감된다.
이상과 같이, 본 실시형태의 제1 내지 제3 구성예에 따르면, 서로 다른 파장의 빛을 출사하는 제1영역(501)과 제2영역(502)을 동일 웨이퍼 위에 형성할 수 있다. 이 구조에서는, 출사되는 빛의 파장을 바꾸기 위한 구조는, 제3 반도체층(105) 위에 배치된 제1 반사 거울(106)이다. 그 때문에, 웨이퍼 면내 의 원하는 장소에 제1 반사 거울(106)을 형성함으로써, 그 아래의 반도체층에 대해 가공 등을 하지 않고, 서로 다른 파장의 빛을 출사하는 제1영역(501)과 제2영역(502)을 형성할 수 있다. 따라서, 간략한 공정으로 2개의 파장의 빛을 개별적으로 출사할 수 있는 발광 소자를 형성할 수 있다.
[제4실시형태]
본 실시형태의 발광 소자는, 제3실시형태의 발광 영역의 개수를 2개로부터 3개로 변형한 것이다. 즉, 본 실시형태의 발광 소자는, 동일한 웨이퍼에 형성된 3개의 발광 영역으로부터, 서로 다른 3개의 파장의 빛을 출사할 수 있도록 구성되어 있다. 도7은, 본 실시형태에 따른 발광 소자의 구성예를 모식적으로 나타낸 단면도다.
본 실시형태의 발광 소자는, 제3실시형태의 제2 구성예(도6b)의 소자 구조 이외에, 주로 제3 파장의 빛을 외부로 출사하는 제3영역(601)을 갖는다. 또한. 본 실시형태에서는, 제1영역(501)의 제3 반도체층(105) 위에, 제3실시형태의 제3 구성예(도6c)와 마찬가지로 제3 반사 거울(504)이 배치되어 있다.
제3영역(601)에 있어서, 제3 반도체층(105)으로부터 아래쪽의 단면 구조는 제1영역(501) 및 제2영역(502)과 같다. 제3영역(601)에 있어서, 제3 반도체층(105) 위에는, 제4 반도체층(604), 제3 활성층(602) 및 제5 반도체층(605)이 이 순서로 배치된다.
제3영역(601)의 근방에는, 제3영역(601) 내의 제1 활성층(104)에 전류를 주입하기 위한 전극으로서, 제4 전극(603)이 제3 반도체층(105) 위에 배치되어 있다. 제1 전극(107)과 제4 전극(603)에 의해 제1 활성층(104)에 전류가 주입되면, 제3영역(601)의 제1 활성층(104)은, 제1 파장의 빛을 발생한다. 제1 파장의 빛에 의해, 제3 활성층(602)이 여기되어, 제3 활성층(602)은 제3 파장의 빛을 발생한다. 제3 파장의 빛은, 예를 들면, 630nm 정도의 파장의 적색의 빛일 수 있다.
본 실시형태에 따르면, 서로 다른 파장의 빛을 출사하는 제1영역(501)과 제2영역(502)과 제3영역(601)을 동일 웨이퍼 위에 형성할 수 있다. 이 구조에서는, 출사되는 빛의 파장을 바꾸기 위한 구조는, 제3 반도체층(105) 위에 배치된 각 층, 즉, 제1 반사 거울(106), 제3 반사 거울(504), 제4 반도체층(604), 제3 활성층(602) 및 제5 반도체층(605)이다. 그 때문에, 웨이퍼 면 내의 원하는 장소에 이들 각 층을 형성함으로써, 그 아래의 반도체층에 대해 가공 등을 하지 않고, 서로 다른 파장의 빛을 출사하는 제1영역(501)과 제2영역(502)과 제3영역(601)을 형성할 수 있다.
또한, 본 실시형태에서는, 제3영역(601)에 있어서 제1 활성층(104)으로부터의 발광에 의한 광 여기로 제3 파장의 빛이 발생한다. 이것을 실현하기 위해서는, 제4 반도체층(604), 제3 활성층(602) 및 제5 반도체층(605)은, 제3 반도체층(105)에 전기적으로 접속될 필요는 없고, 소정의 위치에 있으면 된다. 그 때문에, 간략한 공정으로 3개의 파장의 빛을 개별적으로 출사할 수 있는 발광 소자를 형성할 수 있다.
이때, 제4 반도체층(604), 제3 활성층(602) 및 제5 반도체층(605)은, 예를 들면, 에피택셜 성장에 의해 제3 반도체층(105) 위에 형성될 수 있다. 그렇지만, 다른 방법에 의해 형성되는 것이어도 된다.
전술한 다른 수법의 예를 설명한다. 미리 제5 반도체층(605), 제3 활성층(602) 및 제4 반도체층(604)이 기판 측으로부터 이 순서로 형성된 별개의 전사 기판을 준비해 둔다. 이 전사 기판을 제3 반도체층(105)보다도 아래쪽의 반도체층이 형성된 기판(100)에 접합하고, 그 후. 이 전사 기판 만을 웨트 에칭 등에 의해 제거한다. 이 수법에 의해서도, 제3 반도체층(105) 위에 제4 반도체층(604), 제3 활성층(602) 및 제5 반도체층(605)을 형성할 수 있다. 전술한 바와 같이 p형의 도펀트를 도핑하면 그 반도체층의 결정 품질이 저하하는 경우가 있다. 따라서, p형의 도펀트를 도핑한 반도체층 위에 에피택셜 성장으로 형성된 층도 결정 품질이 저하하는 경우가 있다. 본 수법에서는, p형의 제3 반도체층(105) 위에 에피택셜 성장에 의한 반도체층의 형성을 행할 필요가 없기 때문에, 제3 활성층(602)의 품질이 향상되어, 발광 특성이 향상될 수 있다.
제1 반사 거울(106)과 제3 반사 거울(504)의 형성 등의 제1영역(501)과 제2영역(502)을 확정하는 공정은, 제4 반도체층(604), 제3 활성층(602) 및 제5 반도체층(605)을 접합하고, 제3영역(601)의 위치를 확정한 후에 행해지는 것이 바람직하다. 이 순서로 함으로써, 프로세스를 거친 요철이 있는 기판이 아니라, 에피택셜 성장 직후의 평탄한 기판에 대해 기판 접합을 행할 수 있다. 이에 따라, 접합면의 상태가 양호해져, 프로세스 난이도가 저하하기 때문에, 효율이 향상된다. 또한, 이미 형성된 제3영역(601)의 위치를 기준으로 해서, 포트리소그래피에 의한 높은 위치 정밀도에 의해 제1영역(501)과 제2영역(502)의 위치를 확정할 수 있다. 그 때문에, 제1영역(501)과 제2영역(502)을 확정하는 공정을 먼저 행하는 경우와 비교하여, 접합시의 위치 맞춤에 있어서의 요구 정밀도를 낮게 할 수 있다. 또한, 전술한 바와 같이, 색마다 제작된 발광 소자를 디스플레이의 기판 위에 실장하는 방식에 비해, 1회의 접합으로 웨이퍼 전체면에 복수 색의 소자를 배치할 수 있다. 따라서, 수율의 향상 및 실장 코스트의 저감의 효과가 얻어진다.
[제5실시형태]
제3실시형태에 있어서 서술한 2개의 발광 영역을 갖는 발광 소자에 대해서, 보다 구체적인 설계예 및 제조공정예를 제5실시형태로서 설명한다. 도8은, 본 실시형태에 따른 발광 소자의 구조를 모식적으로 나타낸 단면도다. 본 실시형태의 발광 소자의 구조는 제3실시형태의 제3 구성예(도6c)와 같기 때문에, 구조에 관한 상세한 설명은 생략 또는 간략화하는 경우가 있다.
본 실시형태의 발광 소자는, 사파이어 기판(700) 위에 i형의 GaN층(701), i형의 녹색 양자 우물 활성층(702), n형의 GaN층(703), i형의 청색 양자 우물 활성층(704), p형의 GaN층(705)을 순차 에피택셜 성장함으로써 형성된다. 사파이어 기판(700)과 GaN층(701) 사이에는 미도시의 버퍼층이 형성된다.
녹색 양자 우물 활성층(702)은, InGaN 우물층과 GaN 배리어층을 포함한다. 녹색 양자 우물 활성층(702)에 있어서, InGaN 우물층의 In 조성은 약 20%이며, 이 경우, 중심 발광 파장은, 525nm이다.
청색 양자 우물 활성층(704)도, InGaN 우물층과 GaN 배리어층을 포함한다. 청색 양자 우물 활성층(704)에 있어서, InGaN 우물층의 In 조성은 약 15%이며, 이 경우, 중심 발광 파장은, 450nm이다.
본 실시형태의 발광 소자는, 사파이어 기판(700)에 대해 수직한 방향에서의 평면도에 있어서, 청색의 빛을 발생하는 영역(711(과, 녹색의 빛을 발생하는 영역(712)을 갖는다. 발광 소자는, GaN층(705)의 형성후에, 영역 711과 영역 712 사이를 분리하기 위한 분리 홈이 형성된다. 분리 홈의 깊이는, 분리 홈의 바닥면의 위치가 GaN층(703)의 상면과 하면 사이가 되도록 설정된다. 분리 홈의 형성후, 각 영역에 공통으로 전위를 주는 n 전극(707)이 분리 홈의 바닥에 형성된다. 또한, 영역 712, 711 각각 개별적으로 전위를 주는 p 전극 708, 713이 GaN층(705) 위에 형성된다. 또한, 주로 청색의 파장의 빛을 반사하는 반사 거울 706과, 주로 녹색의 파장의 빛을 반사하는 반사 거울 714가, 영역 712, 711에 각각 형성된다.
반사 거울 706은, SiN과 SiO2의 적층막을 6페어 포함한다. 각 층의 막 두께는, 그것의 광학 막 두께가 청색의 빛의 파장(450nm)의 1/4이 되도록, 각 층의 굴절률을 고려해서 결정된다. 반사 거울 714는, SiN과 SiO2의 적층막을 6페어 포함한다. 각 막 두께는, 그것의 광학 막 두께가 녹색의 빛의 파장(525nm)의 1/4이 되도록, 각 막의 굴절률을 고려해서 결정된다.
본 실시형태에 따르면, 청색의 파장의 빛을 출사하는 영역(711)과 녹색의 파장의 빛을 출사하는 영역(712)이 동일 웨이퍼 위에 형성된 발광 소자를 간략한 공정에 의해 제조할 수 있다.
[제6실시형태]
제5실시형태의 발광 소자에 제3실시형태의 제2 구성예에 있어서의 제2 반사 거울(201)에 해당하는 DBR를 추가한 것을 제6실시형태로서 설명한다. 도9는, 본 실시형태에 따른 발광 소자의 구조를 모식적으로 나타낸 단면도다. 본 실시형태의 발광 소자에 있어서는, i형의 GaN층(801)이, i형의 DBR층(802)을 포함하고 있다. 이 이외의 구조에 대해서는 제5실시형태와 같기 때문에 설명을 생략한다.
DBR층(802)은, 10페어의 AlGaN층과 GaN층이 교대로 복수 세트 적층된 적층 구조를 이루고 있다. 각 층의 막 두께는, 그것의 광학 막 두께가 청색의 빛의 파장(450nm)의 1/4이 되도록, 각 층의 굴절률을 고려해서 결정된다. 또한, DBR층(802)과 반사 거울 706이, 청색 파장에 대한 공진기를 형성하도록, 각 층의 막 두께 등이 설정되어 있다.
이 구성으로 함으로써, 영역 712에 있어서는, 청색(파장 450nm)의 빛이 공진기 내를 공진한다. 이에 따라, 녹색 양자 우물 활성층(702)에 있어서의 청색의 빛의 흡수율이 증가하고, 녹색 양자 우물 활성층(702)으로부터의 녹색의 빛의 발광 효율이 향상된다. 한편, 영역 711에 있어서는, 청색 양자 우물 활성층(704)에서 발생한 빛 중, 사파이어 기판(700)측으로 출사된 빛이 DBR층(802)에서 반사해서 위쪽을 향하기 때문에, 청색의 빛의 발광 효율이 향상된다.
따라서, 본 실시형태에서는 제5실시형태와 동일한 효과가 얻어지는 것 이외에, 제5실시형태보다도 더욱 청색 및 녹색의 빛의 발광 효율이 향상된다.
[제7실시형태]
제6실시형태의 발광 소자를, 제4실시형태와 마찬가지로 3색의 빛을 발생할 수 있도록 변형한 것을 제7실시형태로서 설명한다. 도10은, 본 실시형태에 따른 발광 소자의 구조를 모식적으로 나타낸 단면도다. 본 실시형태의 발광 소자는, 사파이어 기판(700)에 대해 수직한 방향에서의 평면도에 있어서, 적색의 빛을 발생하는 영역(901)을 더 갖는다. 이 이외의 구조에 대해서는 제6실시형태와 같기 때문에 설명을 생략한다.
영역 901에 있어서, GaN층(705) 위에는, AlInP 클래드층 904, AlGaInP 활성층(902) 및 AlInP 클래드층 905가 이 순서로 형성되어 있다. AlGaInP 활성층(902)은, 그것의 중심 발광 파장이 630nm이 되도록, 각 원소의 비율이 조정되어 있다.
영역 901의 GaN층(705) 위에는, 영역 901에 전위를 주는 p 전극(903)이 형성된다. n 전극(707)과 p 전극(903)에 의해 청색 양자 우물 활성층(704)에 전류가 주입되면, 청색 양자 우물 활성층(704)은 청색의 빛을 발생한다. 청색의 빛에 의해 AlGaInP 활성층(902)이 여기되어, AlGaInP 활성층(902)은 적색의 빛을 발생한다. 이에 따라, 영역 901로부터 적색의 빛이 출사된다.
도11a 및 도11b를 더 참조하여, 본 실시형태의 발광 소자의 제조방법의 개략을 설명한다. 도11a 및 도11b는, 본 실시형태에 따른 전사 기판의 구조를 모식적으로 나타낸 단면도다.
도11a에 나타낸 것과 같이, 사파이어 기판(700)과는 다른 GaAs 기판(910) 위에, AlInP 클래드층 905, AlGaInP 활성층(902) 및 AlInP 클래드층 904를 이 순서로 에피택셜 성장시켜 형성한다. 다음에, 도11b에 나타낸 것과 같이, 발광 영역에 대응하는 부분 만을 남기도록 AlInP 클래드층 904, AlGaInP 활성층(902) 및 AlInP 클래드층 905를 에칭함으로써 패터닝이 행해진다. 그후, 도11b의 상면에, 미도시의 폴리이미드층이 스핀코트에 의해 형성된다. 이들 처리에 의해 부착에 의한 전사용의 전사 기판이 완성된다.
그후, 도10에 도시되는 GaN층(705)까지의 층이 형성된 사파이어 기판(700)의 GaN층(705)과, 전사 기판의 AlInP 클래드층 904가 대향하도록 위치맞춤된 상태에서 가열된다. 이에 따라, GaN층(705)과 AlInP 클래드층 904가 폴리이미드층를 거쳐 접합된다. 그후, GaAs 기판(910)이 웨트 에칭에 의해 제거된다. 이에 따라, AlInP 클래드층 904, AlGaInP 활성층(902) 및 AlInP 클래드층 905가 GaN층(705) 위에 전사된다. 그후, 제5실시형태와 마찬가지로 분리 홈(906)의 형성, 반사 거울 706, 714의 형성 등이 행해져, 도10에 도시되는 발광 소자가 완성된다.
본 실시형태에 따르면, 청색의 파장의 빛을 출사하는 영역(711)과, 녹색의 파장의 빛을 출사하는 영역(712)과, 적색의 파장의 빛을 출사하는 영역(901)이 동일 웨이퍼 위에 형성된 발광 소자를 간략한 공정에 의해 제조할 수 있다.
[변형 실시형태]
본 발명은, 전술한 실시형태에 한정되지 않고 다양한 변형이 가능하다. 예를 들면, 어느 한개의 실시형태의 일부의 구성을 다른 실시형태에 추가한 예나, 다른 실시형태의 일부의 구성과 치환한 예도, 본 발명의 실시형태다.
전술한 실시형태는, 모두 본 발명을 실시함에 있어서의 구체화의 예를 나타낸 것에 지나지 않고, 이것들에 의해 본 발명의 기술적 범위가 한정적으로 해석되어는 안되는 것이다. 즉, 본 발명은 그 기술사상, 또는 그 주요한 특징으로부터 일탈하지 않고, 다양한 형태로 실시할 수 있다.
본원은, 2019년 7월 30일 제출된 일본국 특허출원 특원 2019-139551을 기초로서 우선권을 주장하는 것이며, 그것의 기재내용의 모두를 여기에 원용한다.
101 제1 반도체층
102 제2 활성층
103 제2 반도체층
104 제1 활성층
105 제3 반도체층
106 제1 반사 거울

Claims (18)

  1. 전류가 주입됨으로써, 제1 파장의 빛을 발생하는 제1 활성층과,
    상기 제1 파장의 빛을 흡수함으로써, 상기 제1 파장과는 다른 제2 파장의 빛을 발생하는 제2 활성층과,
    상기 제1 파장의 빛의 반사율이 상기 제2 파장의 빛의 반사율보다도 높은 제1 반사 거울을 갖고,
    상기 제1 반사 거울은, 상기 제1 활성층 및 상기 제2 활성층보다도, 상기 제1 활성층 또는 상기 제2 활성층에서 발생한 빛을 외부로 출사하는 출사 단에 가까운 위치에 배치되어 있고,
    평면도에 있어서, 제1영역 및 제2영역을 갖고,
    상기 제1영역 및 상기 제2영역의 각각에는, 상기 제1 활성층 및 상기 제2 활성층이 배치되어 있고,
    상기 제1영역에서는, 상기 제1 파장의 빛의 출사 광량은 상기 제2 파장의 빛의 출사 광량보다도 많고,
    상기 제2영역에서는, 상기 제2 파장의 빛의 출사 광량은 상기 제1 파장의 빛의 출사 광량보다도 많은 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 활성층은, 상기 제2 활성층보다도 상기 출사 단에 가까운 위치에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 제1 파장의 빛의 반사율이 상기 제2 파장의 빛의 반사율보다도 높은 제2 반사 거울을 더 갖고,
    상기 제2 반사 거울은, 상기 제1 활성층 및 상기 제2 활성층에 대해, 상기 제1 반사 거울과는 반대측에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 제1 반사 거울 및 상기 제2 반사 거울은, 상기 제1 파장의 빛에 대한 공진기를 구성하는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 제2 활성층에 있어서의 상기 제1 파장의 빛의 흡수율이, 3% 이상 또한 7% 이하인 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 제2 활성층에 있어서의 상기 제1 파장의 빛의 흡수율이, 4% 이상 또한 6% 이하인 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  7. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 제1 활성층은, 제1 도전형의 반도체층과, 상기 제1 도전형과는 반대의 제2 도전형의 반도체층에 의해 끼워져 있는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 제2 활성층은, 상기 제1 도전형 또는 i형의 반도체층과, 상기 제1 도전형의 반도체층에 의해 끼워져 있는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  9. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    기판을 더 갖고,
    상기 제1 활성층과, 상기 제2 활성층과, 상기 제1 반사 거울은, 상기 기판 위에 적층되어 있고,
    상기 제1 활성층 및 상기 제2 활성층 중 상기 기판으로부터 먼 쪽과 상기 기판과의 사이에 배치되어 있는 반도체층에는 p형의 도펀트가 도핑되어 있지 않은 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  10. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 평면도에 있어서, 상기 제2영역에는 상기 제1 반사 거울이 배치되어 있고, 상기 제1영역에는 상기 제1 반사 거울이 배치되어 있지 않은 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  11. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 제2 파장의 빛의 반사율이 상기 제1 파장의 빛의 반사율보다도 높은 제3 반사 거울을 더 갖고,
    상기 평면도에 있어서, 상기 제1영역에는 상기 제3 반사 거울이 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  12. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 평면도에 있어서, 상기 제1 파장 및 상기 제2 파장과는 다른 제3 파장의 빛을 출사하는 제3영역을 더 갖고,
    상기 제3영역에서는, 상기 제3 파장의 빛의 출사 광량은 상기 제1 파장의 빛의 출사 광량 및 상기 제2 파장의 빛의 출사 광량보다도 많은 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 제3영역에 있어서, 상기 제3 파장의 빛을 발생하는 제3 활성층을 더 갖고,
    상기 제3 활성층은, 상기 제1 활성층보다도 상기 출사 단에 가까운 위치에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  14. 제 12항에 있어서,
    상기 제1 파장의 빛은 청색의 빛이고, 상기 제2 파장의 빛은 녹색의 빛이며, 상기 제3 파장의 빛은 적색의 빛인 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  15. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 제1 반사 거울은, 굴절률이 다른 복수의 유전체층을 포함하는 분포 브래그 반사 거울인 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 파장의 빛은 청색의 빛인 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 제2 파장의 빛은 녹색의 빛인 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  18. 제1 파장의 빛을 흡수함으로써, 상기 제1 파장과는 다른 제2 파장의 빛을 발생하는 제2 활성층을 형성하는 스텝과,
    전류가 주입됨으로써, 상기 제1 파장의 빛을 발생하는 제1 활성층을 형성하는 스텝과,
    상기 제1 파장의 빛의 반사율이 상기 제2 파장의 빛의 반사율보다도 높은 제1 반사 거울을 형성하는 스텝을 갖는 발광 소자의 제조방법으로서,
    상기 제1 반사 거울은, 상기 제1 활성층 및 상기 제2 활성층보다도, 상기 제1 활성층 또는 상기 제2 활성층에서 발생한 빛을 외부로 출사하는 출사 단에 가까운 위치에 배치되어 있고,
    상기 발광 소자는, 평면도에 있어서, 제1영역 및 제2영역을 갖고,
    상기 제1영역 및 상기 제2영역의 각각에는, 상기 제1 활성층 및 상기 제2 활성층이 배치되어 있고,
    상기 제1영역에서는, 상기 제1 파장의 빛의 출사 광량은 상기 제2 파장의 빛의 출사 광량보다도 많고,
    상기 제2영역에서는, 상기 제2 파장의 빛의 출사 광량은 상기 제1 파장의 빛의 출사 광량보다도 많은 것을 특징으로 하는 발광 소자의 제조방법.
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