JP2012124219A

JP2012124219A - 半導体発光素子

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Publication number: JP2012124219A
Application number: JP2010271602A
Authority: JP
Inventors: Masahisa Kamiya; 真央神谷; Masashi Deguchi; 将士出口
Original assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Current assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Priority date: 2010-12-06
Filing date: 2010-12-06
Publication date: 2012-06-28
Anticipated expiration: 2030-12-06
Also published as: JP5589812B2; US9024342B2; US20120138984A1

Abstract

【課題】半導体層表面の凹凸および反射層を有する半導体発光素子において、光取り出し効率を向上させる。
【解決手段】本発明の一態様に係る半導体発光素子１は、ｎ型半導体層１１とｐ型半導体層１３とに挟まれた発光層１２を有する半導体積層構造を有し、発光層１２のｎ型半導体層１１側から光を取り出す半導体発光素子であって、ｐ型半導体層１３上に形成された、発光層１２から発せられた光を反射する反射層１６と、を有し、ｎ型半導体層１１は、発光層１２と反対側の面に光の進路を変更するための凹凸領域１１０を有し、反射層１６の少なくとも一部は、凹凸領域１１０の端部の直上まで形成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体発光素子に関する。

従来、半導体発光素子として、基板上にｎ型半導体層とｐ型半導体層に挟まれた発光層を有し、発光層から発せられる光を基板側から取り出すものが知られている。また、このような半導体発光素子において、発光層から基板の反対側に発せられた光を反射層で反射して、基板側から取り出すことにより、光取り出し量を増加させるものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、従来の半導体発光素子として、光の進路を変更させるための凹凸をｎ型半導体層の基板側の表面に形成したものが知られている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００８−２８８５４８号公報特表２００４−５１１０８０号公報

本発明の目的は、半導体層表面の凹凸および反射層を有する半導体発光素子において、光取り出し効率を向上させることである。

本発明は、上記目的を達成するため、第１導電型層と第２導電型層とに挟まれた発光層を有する半導体積層構造を有し、前記発光層の前記第１導電型層側から光を取り出す半導体発光素子であって、前記第２導電型層上に形成された、前記発光層から発せられた光を反射する反射層と、を有し、前記第１導電型層は、前記発光層と反対側の面に光の進路を変更するための凹凸領域を有し、前記反射層の少なくとも一部は、前記凹凸領域の端部の直上まで形成される、半導体発光素子を提供する。

上記半導体発光素子は、前記第１導電型層の前記凹凸領域を有する前記面と接する透光性基板をさらに有してもよい。

上記半導体発光素子において、前記半導体積層構造の少なくとも一部は、前記透光性基板の端部上まで形成されてもよい。

上記半導体発光素子において、前記反射層の前記第１導電型層の端部の直上に位置する部分の側面は、前記絶縁層に覆われないことが好ましい。

上記半導体発光素子において、前記凹凸領域は、前記第１導電型層の前記面の全域に形成されてもよい。

上記半導体発光素子において、前記反射層は、前記第２導電型層上に絶縁層を介して形成されてもよい。

本発明によれば、半導体層表面の凹凸および反射層を有する半導体発光素子において、光取り出し効率を向上させることができる。

図１は、本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光素子の垂直断面図である。図２は、図１の領域IIの拡大図である。図３は、比較例に係る半導体発光素子の拡大図である。図４は、反射層の端部のｎ型半導体層の端部からの距離と、光取り出し量の相対値（相対出力）との関係を表すグラフである。図５は、本発明の第２の実施の形態に係る半導体発光素子を示す垂直断面図である。図６は、本発明の第３の実施の形態に係る半導体発光素子を示す垂直断面図である。図７は、本発明の第４の実施の形態に係る半導体発光素子を示す垂直断面図である。

〔第１の実施の形態〕
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光素子１の垂直断面図である。

半導体発光素子１は、ｎ型半導体層１１、ｐ型半導体層１３、およびそれらに挟まれた発光層１２からなる半導体構造を有し、発光層１２のｎ型半導体層１１側から光を取り出すタイプの発光素子である。ｎ型半導体層１１の発光層１２と反対側の面上には基板１０が形成される。ｐ型半導体層１３上には拡散電極１４が形成される。ｐ型半導体層１３および拡散電極１４上には絶縁層１７を介して反射層１６が形成される。

ｐ型半導体層１３および発光層１２の一部がエッチングにより除去されて、ｎ型半導体層１１の一部が露出し、その露出部分にバッファ電極１９ａを介して電極１８ａが接続される。拡散電極１４には、バッファ電極１９ｂを介して電極１８ｂが接続される。電極１８ｓ、１８ｂは、絶縁層１７上に形成される。

ｎ型半導体層１１、発光層１２、およびｐ型半導体層１３は、それぞれIII族窒化物化合物半導体からなる層である。III族窒化物化合物半導体として、例えば、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）の四元系のIII族窒化物化合物半導体を用いることができる。

また、ｎ型半導体層１１は、発光層１２と反対側の面に光の進路を変更するための凹凸１１０を有する。凹凸１１０は、例えば、ドットパターンやラインアンドスペースパターンを有し、発光層１２から発せられる光の全反射を減らして発光素子１の光取り出し量を増やす機能を有する。凹凸１１０は、ｎ型半導体層１１の発光層１２と反対側の面の全領域または一部の領域に設けられる。ｎ型半導体層１１の凹凸１１０は、例えば、表面に凹凸を有する基板１０上に結晶を成長させてｎ型半導体層１１を形成することにより設けられる。

ｎ型半導体層１１は、例えば、ｎ型コンタクト層、ｎ型ＥＳＤ層、およびｎ型クラッド層からなる積層構造を有し、所定量のｎ型ドーパント（例えば、Ｓｉ）をそれぞれドーピングしたｎ−ＧａＮからなる。

発光層１２は、複数の井戸層と複数の障壁層とを含んで形成される多重量子井戸構造を有する。井戸層は例えばＩｎＧａＮから、障壁層は例えばＧａＮ若しくはＡｌＧａＮ等から形成される。

ｐ型半導体層１３は、例えば、ｐ型クラッド層およびｐ型コンタクト層からなる積層構造を有し、所定量のｐ型ドーパント（例えば、Ｍｇ）をドーピングしたｐ−ＧａＮから形成される。

基板１０は、サファイア等の透光性を有する材料からなる。

ｎ型半導体層１１、発光層１２、およびｐ型半導体層１３は、例えば、有機金属化学気相成長法（Metal Organic Chemical Vapor Deposition : MOCVD）、分子線エピタキシー法（Molecular Beam Epitaxy : MBE）、またはハライド気相エピタキシー法（Halide Vapor Phase Epitaxy : HVPE）により基板１０上に結晶を成長させることにより形成される。半導体発光素子１の発光する領域を広くとるために、ｎ型半導体層１１、発光層１２、およびｐ型半導体層１３は、基板１０上の全面に形成されることが好ましい。

拡散電極１４は、電極１８ｂから流れる電流をｐ型半導体層１３へ均等に拡散させる機能を有する。また、拡散電極１４は、発光層１２から発せられる光に対して透明であることが好ましく、例えば、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）から形成される。拡散電極１４は、例えば、真空蒸着法、スパッタリング法、またはＣＶＤ法により形成した導電膜をエッチングによりパターニングすることにより形成される。なお、図１に示すように、拡散電極１４には、電極が接続されない領域１５が存在してもよい。

絶縁層１７は、ＳｉＯ_２、ＳｉＮ等の絶縁材料からなる。また、絶縁層１７の材料として、ＴｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｔａ_２Ｏ_５等の金属酸化物、若しくはポリイミド等の電気絶縁性を有する樹脂材料を用いることができる。絶縁層１７は、真空蒸着法、化学気相成長法（Chemical Vapor Deposition : CVD）等により形成される。なお、絶縁層１７のバッファ電極１９ａ上の領域の一部と、バッファ電極１９ｂ上の領域の一部は、電極１８ａ、１８ｂのバッファ電極１９ａ、１９ｂへのコンタクト部分を形成するために、フォトリソグラフィー技術及びエッチング技術を用いて除去される。

電極１８ａ、１８ｂは、例えば、Ｎｉ／Ａｕからなる多層構造を有する。電極１８ａ、１８ｂは、スパッタリング法等により形成することができる。また、電極１８ａ、１８ｂは、絶縁層１７上のパッド部分と、絶縁層１７中のコンタクト部分とを異なる材料を用いて個別に形成してもよい。

半導体発光素子１は、電極１８ａ、１８ｂを介して、実装基板等に接続される。電極１８ａ、１８ｂを介してｎ型半導体層１１およびｐ型半導体層１３に電圧を印加することにより、発光層１２から光が発せられる。

反射層１６は、発光層１２からｐ型半導体層１３側（光取り出し方向の反対側）に発せられた光を反射する機能を有する。反射層１６に反射された光は、ｎ型半導体層１１側から取り出すことができるため、半導体発光素子１の光取り出し量を増加させることができる。

反射層１６は、発光層１２から発せられる光に対する反射率が高い金属、例えば、Ａｌ、Ａｇ、Ｒｈ、Ｐｔ、またはこれらの少なくとも１つを主成分とする合金からなる。反射層１６は、発光層１２から発せられる光を効果的に反射するため、電極１８ａ、１８ｂのコンタクト部分周辺等を除いた、半導体構造上のほぼ全面に形成されることが好ましい。

反射層１６は、ｎ型半導体層１１の凹凸１１０の形成された領域の端部の直上まで形成される。凹凸１１０がｎ型半導体層１１の端部まで形成されている場合は、反射層１６は、ｎ型半導体層１１の端部の直上まで形成される。また、反射層１６は、凹凸１１０のなるべく多くの端部の直上まで形成されることが好ましく、凹凸１１０の全ての端部の直上まで形成されることがより好ましい。また、製造工程上、反射層１６と絶縁層１７の積層体を半導体構造の端部で切断するため、反射層１６のｎ型半導体層１１の端部の直上に位置する部分の側面は、絶縁層１７に覆われず、露出する場合がある。

図２は、図１の領域IIの拡大図である。図中の矢印は、発光層１２から発せられた光の軌跡の一例を模式的に表すものである。この光は、発光層から発せられた後に、基板１０とｎ型半導体層１１との界面で全反射して、半導体構造の端部まで進む光である。このような光は、凹凸１１０により反射角が変えられる場合があるが、反射層１６が凹凸１１０の端部の直上まで形成されているため、半導体構造の端部において反射角が変わったとしても反射層１６により反射され、発光層１２のｎ型半導体層１１側から取り出される。

図３は、比較例としての半導体発光素子１０１の拡大図である。半導体発光素子１０１においては、従来の発光素子のように、反射層２６が凹凸１１０の端部の直上まで形成されていない。この場合、半導体構造の端部において反射角が変わった光が、発光層１２のｐ型半導体層１３側から出てしまう。このため、比較例に係る半導体発光素子１０１の光取り出し量は、本実施の形態の半導体発光素子１のそれよりも小さい。

図４は、反射層１６の端部のｎ型半導体層１１の端部からの距離と、光取り出し量の相対値（相対出力）との関係を表すグラフである。ここで、ｎ型半導体層１１は一辺の長さが３４６μｍの正方形であり、反射層１６の端部のｎ型半導体層１１の端部からの距離は全ての領域において等しいものとする。すなわち、反射層１６も正方形であり、反射層１６の端部のｎ型半導体層１１の端部からの距離が大きくなるにしたがって小さくなる。

図４から分かるように、反射層１６の端部のｎ型半導体層１１の端部からの距離が小さいほど、光取り出し量が増加する。これは、図２および３を用いて上に述べた効果が反映されたものと考えられる。なお、この傾向はチップサイズが小さいほど顕著になり、本実施の形態の効果が大きくなる。

〔第２の実施の形態〕
第２の実施の形態の半導体発光素子２は、反射層１６がｐ型半導体層１３のコンタクト電極を兼ねる点において第１の実施の形態の半導体発光素子１と異なる。なお、第１の実施の形態と同様の点については、説明を省略または簡略化する。

図５は、第２の実施の形態に係る半導体発光素子２を示す垂直断面図である。半導体発光素子２は、半導体発光素子１の拡散電極１４およびバッファ電極１９ｂを含まない。反射層１６は、絶縁層１７を介さずにｐ型半導体層１３上に直接形成され、ｐ型半導体層１３に電気的に接続される。また、電極１８ｂは反射層１６に接続される。

本実施の形態においては、反射層１６がｐ型半導体層１３のコンタクト電極を兼ねるため、反射層１６の材料として、Ａｇ等の特に電気伝導率の高い材料を用いることが好ましい。

〔第３の実施の形態〕
第３の実施の形態の半導体発光素子３は、基板１０が除去される点において第１の実施の形態の半導体発光素子１と異なる。なお、第１の実施の形態と同様の点については、説明を省略または簡略化する。

図６は、第３の実施の形態に係る半導体発光素子３を示す垂直断面図である。半導体発光素子３においては、半導体発光素子１の基板１０に相当する透光性基板が除去され、露出したｎ型半導体層１１の表面に凹凸１１１が形成される。なお、反射層１６は、絶縁層１７を介さずに拡散電極１４上に直接形成されてもよい。

まず、基板１０上にｎ型半導体層１１、発光層１２、ｐ型半導体層１３、拡散電極１４、バッファ電極１９ａおよび１９ｂ、反射層１６、絶縁層１７、ならびに電極１８ａおよび１８ｂを形成する。その後、レーザーリフトオフ（ＬＬＯ）法を用いて基板１０をｎ型半導体層１１から剥離させる。そして、ｎ型半導体層１１の露出した表面をＫＯＨ水溶液に浸漬させることにより、ｎ型半導体層１１の表面に凹凸１１１を形成する。

第３の実施の形態によれば、ｎ型半導体層１１に電極を接続するために発光層１２の一部を除去しなくてよいため、光取り出し量を増加させることができる。

〔第４の実施の形態〕
第４の実施の形態の半導体発光素子４は、基板１０が除去される点、半導体構造が支持基板に接合される点、および電極２８ａ、２８ｂが半導体発光素子を挟むように形成されている点において第１の実施の形態の半導体発光素子１と異なる。なお、第１の実施の形態と同様の点については、説明を省略または簡略化する。

図７は、第４の実施の形態に係る半導体発光素子４を示す垂直断面図である。半導体発光素子４においては、半導体発光素子１の基板１０に相当する透光性基板が除去され、露出したｎ型半導体層１１の表面に凹凸１１１が形成される。半導体発光素子１の電極１８ａおよびバッファ電極１９ａの代わりに、ｎ型半導体層１１の凹凸１１１が形成される面上に形成される電極２８ａを有する。また、支持基板２９の表面がバッファ電極１９ｂを介して拡散電極１４に接続される。支持基板２９の表面には、電極２８ｂが形成される。なお、反射層１６は、絶縁層１７を介さずに拡散電極１４上に直接形成されてもよい。

拡散電極１４は、図６に示すように、ｐ型半導体層１３上の全面に形成されることが好ましい。また、支持基板２９は複数のバッファ電極１９ｂを介して複数の箇所で拡散電極１４に接続されることが好ましい。これにより、電流をｐ型半導体層１３により均一に拡散させることができる。

電極２８ａは、例えば、Ｖ／Ａｌからなる多層構造を有する。支持基板２９は、Ｃｕ等の金属またはｐ型不純物を含有するＳｉ等の半導体からなり、導電性を有する。電極２８ｂは、例えば、Ｔｉ／Ｎｉ／Ａｕからなる多層構造を有する。

まず、基板１０上にｎ型半導体層１１、発光層１２、ｐ型半導体層１３、拡散電極１４、バッファ電極１９ｂ、反射層１６、絶縁層１７を形成し、予め表面に電極２８ｂが形成された支持基板２９の表面をバッファ電極１９ｂに接続するように接合する。その後、レーザーリフトオフ（ＬＬＯ）法を用いて基板１０をｎ型半導体層１１から剥離させる。そして、ｎ型半導体層１１の露出した表面をＫＯＨ水溶液に浸漬させることにより、ｎ型半導体層１１の表面に凹凸１１１を形成する。その後、ｎ型半導体層１１上に電極２８ａを形成する。

第４の実施の形態によれば、第３の実施の形態と同様に、ｎ型半導体層１１に電極を接続するために発光層１２の一部を除去しなくてよいため、光取り出し量を増加させることができる。

なお、上記の各実施の形態においては、半導体積層構造のｎ型の層とｐ型の層が逆であってもよい。すなわち、ｎ型半導体層１１の代わりにｐ型半導体層が形成され、ｐ型半導体層１３の代わりにｎ型半導体層が形成されてもよい。

以上、本発明の実施形態を説明したが、上記に記載した実施形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。

１半導体発光素子
２半導体発光素子
１０基板
１１ｎ型半導体層
１２発光層
１３ｐ型半導体層
１６反射層
１７絶縁層
１１０凹凸
１１１凹凸

Claims

第１導電型層と第２導電型層とに挟まれた発光層を有する半導体積層構造を有し、前記発光層の前記第１導電型層側から光を取り出す半導体発光素子であって、
前記第２導電型層上に形成された、前記発光層から発せられた光を反射する反射層と、
を有し、
前記第１導電型層は、前記発光層と反対側の面に光の進路を変更するための凹凸領域を有し、
前記反射層の少なくとも一部は、前記凹凸領域の端部の直上まで形成される、
半導体発光素子。
前記第１導電型層の前記凹凸領域を有する前記面と接する透光性基板をさらに有する、
請求項１に記載の半導体発光素子。
前記半導体積層構造の少なくとも一部は、前記透光性基板の端部上まで形成される、
請求項２に記載の半導体発光素子。
前記反射層の前記第１導電型層の端部の直上に位置する部分の側面は、前記絶縁層に覆われない、
請求項１〜３のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
前記凹凸領域は、前記第１導電型層の前記面の全域に形成される、
請求項１〜４のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
前記反射層は、前記第２導電型層上に絶縁層を介して形成される、
請求項１〜５のいずれか１つに記載の半導体発光素子。