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JP2013214700A - Semiconductor light-emitting element - Google Patents

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JP2013214700A JP2012181084A JP2012181084A JP2013214700A JP 2013214700 A JP2013214700 A JP 2013214700A JP 2012181084 A JP2012181084 A JP 2012181084A JP 2012181084 A JP2012181084 A JP 2012181084A JP 2013214700 A JP2013214700 A JP 2013214700A
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layer
light emitting
semiconductor light
side electrode
type semiconductor
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JP2012181084A
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Akira Tanaka
明 田中
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Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Publication date
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Abstract

【課題】光出力の高い半導体発光素子を提供する。
【解決手段】半導体発光素子10では、半導体発光層15は、N型半導体層12とP型半導体層13、14の間に設けられている。半導体発光層15は、井戸層26と障壁層25が交互に積層された多重量子井戸構造を有している。井戸層26に挟まれた障壁層25のうち、P型半導体層13に一番近い障壁層25bのバンドギャップは残りの障壁層25c、25dのバンドギャップより狭い。N側電極17a、17bおよびP側電極18は、半導体発光層15の主面15aに略垂直な方向に電流が流れるように、N型半導体層12およびP型半導体層14に電気的に接続されている。
【選択図】 図1
A semiconductor light emitting device having high light output is provided.
In a semiconductor light emitting device, a semiconductor light emitting layer is provided between an N type semiconductor layer and P type semiconductor layers. The semiconductor light emitting layer 15 has a multiple quantum well structure in which well layers 26 and barrier layers 25 are alternately stacked. Of the barrier layers 25 sandwiched between the well layers 26, the band gap of the barrier layer 25b closest to the P-type semiconductor layer 13 is narrower than the band gaps of the remaining barrier layers 25c and 25d. The N-side electrodes 17a, 17b and the P-side electrode 18 are electrically connected to the N-type semiconductor layer 12 and the P-type semiconductor layer 14 so that current flows in a direction substantially perpendicular to the main surface 15a of the semiconductor light emitting layer 15. ing.
[Selection] Figure 1

Description

本発明の実施形態は、半導体発光素子に関する。   Embodiments described herein relate generally to a semiconductor light emitting device.

従来、窒化物半導体発光素子には、井戸層と障壁層が交互に積層された多重量子井戸構造の半導体発光層を有し、半導体発光層の主面に略垂直な方向に電流が流れるように構成されているものがある。半導体発光層はN型半導体層とP型半導体層の間に設けられている。   Conventionally, a nitride semiconductor light emitting device has a semiconductor light emitting layer having a multiple quantum well structure in which well layers and barrier layers are alternately stacked so that a current flows in a direction substantially perpendicular to the main surface of the semiconductor light emitting layer. Some are configured. The semiconductor light emitting layer is provided between the N-type semiconductor layer and the P-type semiconductor layer.

この半導体発光素子では、複数の障壁層のバンドギャップは互いに等しく設定されている。ホールはP型半導体層側から多重量子井戸構造の半導体発光層に注入され、電子はN型半導体層側から多重量子井戸構造の半導体発光層に注入される。   In this semiconductor light emitting device, the band gaps of the plurality of barrier layers are set equal to each other. Holes are injected from the P-type semiconductor layer side into the multi-quantum well structure semiconductor light-emitting layer, and electrons are injected from the N-type semiconductor layer side into the multi-quantum well structure semiconductor light-emitting layer.

ホールは重いためP型半導体層側の井戸層内に多く留まり、一方、電子は軽いためP型半導体層側の井戸層まで到達する。その結果、ホールと電子はP型半導体層側の井戸層内で再結合する割合が多くなる。   Since the holes are heavy, they remain in the well layer on the P-type semiconductor layer side, while the electrons are light and reach the well layer on the P-type semiconductor layer side. As a result, the proportion of holes and electrons recombined in the well layer on the P-type semiconductor layer side increases.

ホールや電子が一つの井戸層内に集中し且つその井戸層が薄い場合、キャリア密度が過剰に高くなることがある。その結果、キャリア密度の2乗に応じた発光再結合よりもキャリア密度の3乗に応じた非発光のオージェ再結合が多くなり、光出力が低下するという問題がある。   When holes and electrons are concentrated in one well layer and the well layer is thin, the carrier density may become excessively high. As a result, there is a problem that non-luminous Auger recombination according to the third power of the carrier density is larger than light emission recombination according to the second power of the carrier density, and the light output is reduced.

特開2011−86910号公報JP 2011-86910 A

光出力の高い半導体発光素子を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide a semiconductor light emitting device having high light output.

一つの実施形態によれば、半導体発光素子では、半導体発光層はN型半導体層とP型半導体層の間に設けられている。前記半導体発光層は、井戸層と障壁層が交互に積層された多重量子井戸構造を有している。前記井戸層に挟まれた前記障壁層のうち、前記P型半導体層に一番近い前記障壁層のバンドギャップは、残りの前記障壁層のバンドギャップより狭い。N側電極およびP側電極は、前記半導体発光層の主面に略垂直な方向に電流が流れるように、前記N型半導体層およびP型半導体層に電気的に接続されている。   According to one embodiment, in the semiconductor light emitting device, the semiconductor light emitting layer is provided between the N-type semiconductor layer and the P-type semiconductor layer. The semiconductor light emitting layer has a multiple quantum well structure in which well layers and barrier layers are alternately stacked. Of the barrier layers sandwiched between the well layers, the band gap of the barrier layer closest to the P-type semiconductor layer is narrower than the band gap of the remaining barrier layers. The N-side electrode and the P-side electrode are electrically connected to the N-type semiconductor layer and the P-type semiconductor layer so that a current flows in a direction substantially perpendicular to the main surface of the semiconductor light emitting layer.

実施形態1に係る半導体発光素子を示す図。1 is a diagram illustrating a semiconductor light emitting element according to Embodiment 1. FIG. 実施形態1に係る半導体発光素子の要部を示す断面図。FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a main part of the semiconductor light emitting element according to the first embodiment. 実施形態1に係る要部の組成とバンドギャップの関係を示す図。The figure which shows the relationship between the composition of the principal part which concerns on Embodiment 1, and a band gap. 実施形態1に係る半導体発光素子の要部の組成分布を示す図。FIG. 3 is a view showing a composition distribution of a main part of the semiconductor light emitting element according to Embodiment 1. 実施形態1に係る半導体発光素子の光出力特性を比較例の半導体発光素子の光出力特性と対比して示す図。FIG. 3 is a diagram illustrating the light output characteristics of the semiconductor light emitting device according to Embodiment 1 in comparison with the light output characteristics of a semiconductor light emitting device of a comparative example. 実施形態1に係る半導体発光素子のバンド構造を比較例の半導体発光素子のバンド構造と対比して示す図。FIG. 3 is a diagram showing a band structure of the semiconductor light emitting element according to Embodiment 1 in comparison with a band structure of a semiconductor light emitting element of a comparative example. 実施形態1に係る半導体発光素子の製造工程を順に示す断面図。Sectional drawing which shows the manufacturing process of the semiconductor light-emitting device concerning Embodiment 1 in order. 実施形態1に係る半導体発光素子の製造工程を順に示す断面図。Sectional drawing which shows the manufacturing process of the semiconductor light-emitting device concerning Embodiment 1 in order. 実施形態1に係る半導体発光素子の製造工程を順に示す断面図。Sectional drawing which shows the manufacturing process of the semiconductor light-emitting device concerning Embodiment 1 in order. 実施形態1に係る別の半導体発光素子を示す断面図。FIG. 3 is a cross-sectional view showing another semiconductor light emitting element according to the first embodiment. 実施形態1に係る別の半導体発光素子を示す断面図。FIG. 3 is a cross-sectional view showing another semiconductor light emitting element according to the first embodiment. 実施形態1に係る別の半導体発光素子を示す断面図。FIG. 3 is a cross-sectional view showing another semiconductor light emitting element according to the first embodiment. 実施形態1に係る別の半導体発光素子の要部を示す断面図。FIG. 3 is a cross-sectional view showing a main part of another semiconductor light emitting element according to Embodiment 1. 実施形態2に係る半導体発光素子の要部を示す断面図。FIG. 4 is a cross-sectional view showing a main part of a semiconductor light emitting element according to a second embodiment. 実施形態2に係る半導体発光素子の要部の組成分布を示す図。FIG. 6 is a view showing a composition distribution of a main part of a semiconductor light emitting element according to Embodiment 2. 実施形態3に係る半導体発光素子を示す図。FIG. 6 is a diagram illustrating a semiconductor light emitting element according to a third embodiment. 実施形態3に係る半導体発光素子の光出力特性を比較例の半導体発光素子の光出力特性と対比して示す図。The figure which shows the optical output characteristic of the semiconductor light-emitting device concerning Embodiment 3 in contrast with the optical output property of the semiconductor light-emitting device of a comparative example. 実施形態3に係る半導体発光素子の製造工程の要部を順に示す断面図。Sectional drawing which shows the principal part of the manufacturing process of the semiconductor light-emitting device concerning Embodiment 3 in order. 実施形態3に係る半導体発光素子の製造工程の要部を順に示す断面図。Sectional drawing which shows the principal part of the manufacturing process of the semiconductor light-emitting device concerning Embodiment 3 in order. 実施形態3に係る別の半導体発光素子を示す図。FIG. 6 is a diagram showing another semiconductor light emitting element according to the third embodiment. 実施形態3に係る別の半導体発光素子の製造工程の要部を順に示す断面図。Sectional drawing which shows the principal part of the manufacturing process of another semiconductor light-emitting device concerning Embodiment 3 in order. 実施形態3に係る別の半導体発光素子の製造工程の要部を順に示す断面図。Sectional drawing which shows the principal part of the manufacturing process of another semiconductor light-emitting device concerning Embodiment 3 in order. 実施形態3に係る別の半導体発光素子の要部を示す図。FIG. 6 is a view showing a main part of another semiconductor light emitting element according to Embodiment 3.

以下、実施形態について図面を参照しながら説明する。   Hereinafter, embodiments will be described with reference to the drawings.

(実施形態1)
本実施形態に係る半導体発光素子について、図1を用いて説明する。図1は本実施形態の半導体発光素子を示す図で、図1(a)はその平面図、図1(b)は図1(a)のA−A線に沿って切断し矢印方向に眺めた断面図である。本実施形態の半導体発光素子は、InGaN系窒化物半導体を用いた青色LED(Light Emitting Diode)である。
(Embodiment 1)
The semiconductor light emitting device according to this embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a diagram showing a semiconductor light emitting device of this embodiment, FIG. 1 (a) is a plan view thereof, and FIG. 1 (b) is cut along the line AA in FIG. FIG. The semiconductor light emitting device of this embodiment is a blue LED (Light Emitting Diode) using an InGaN-based nitride semiconductor.

図1に示すように、本実施形態の半導体発光素子10では、半導体積層体11は、N型半導体層としてN型GaNクラッド層12と、P型半導体層としてP型GaNクラッド層13およびP型GaNコンタクト層14と、N型GaNクラッド層12とP型GaNクラッド層13の間に設けられた半導体発光層15とを含んでいる。   As shown in FIG. 1, in the semiconductor light emitting device 10 of the present embodiment, the semiconductor stacked body 11 includes an N-type GaN cladding layer 12 as an N-type semiconductor layer, a P-type GaN cladding layer 13 and a P-type as a P-type semiconductor layer. A GaN contact layer 14 and a semiconductor light emitting layer 15 provided between the N-type GaN cladding layer 12 and the P-type GaN cladding layer 13 are included.

N型GaNクラッド層12は、半導体発光層15と反対側の上面に凹凸部12aを有している。半導体発光層15側から凹凸部12aに入射した光は、凹凸部12aで散乱または屈折されて、N型GaNクラッド層12の上面から取り出される。凹凸部12aは、N型GaNクラッド層12の上面からの光取り出し効率を向上させる。   The N-type GaN clad layer 12 has a concavo-convex portion 12 a on the upper surface opposite to the semiconductor light emitting layer 15. Light incident on the concavo-convex portion 12 a from the semiconductor light emitting layer 15 side is scattered or refracted by the concavo-convex portion 12 a and is extracted from the upper surface of the N-type GaN clad layer 12. The uneven portion 12 a improves the light extraction efficiency from the upper surface of the N-type GaN cladding layer 12.

N型GaNクラッド層12の中央部には、ワイヤをボンディングするためのパッド電極17aが設けられている。更に、N型GaNクラッド層12には、外周に沿って額縁状の細線と、パッド電極17aから額縁の対角線方向に延在し、額縁状の細線の角部に接続されたX状の細線を有する細線電極17b(N側電極)が設けられている。   A pad electrode 17a for bonding wires is provided at the center of the N-type GaN clad layer 12. Further, the N-type GaN clad layer 12 includes a frame-shaped fine line along the outer periphery and an X-shaped thin line extending from the pad electrode 17a in the diagonal direction of the frame and connected to the corner of the frame-shaped thin line. A thin wire electrode 17b (N-side electrode) is provided.

細線電極17bにより、半導体積層体11の周辺まで電流が広げられる。細線電極17bは、例えば幅が2μmの金(Au)膜である。細線電極17bは、半導体発光層15側からの光を遮るので、幅は狭いほうが良い。   The current is spread to the periphery of the semiconductor stacked body 11 by the thin wire electrode 17b. The thin wire electrode 17b is, for example, a gold (Au) film having a width of 2 μm. Since the thin wire electrode 17b blocks light from the semiconductor light emitting layer 15 side, the narrow wire electrode 17b is preferably narrow.

半導体発光層15と反対側のP型GaNコンタクト層14上に、金属電極(P側電極)18が設けられている。金属電極18は、P型GaNコンタクト層14の略全面に設けられている。金属電極18は、例えばP型GaNとオーミックコンタクトが可能な銀(Ag)と金(Au)の積層膜である。銀は光の反射率が高いので、半導体発光層15側から入射する光を効率よく反射する。   A metal electrode (P-side electrode) 18 is provided on the P-type GaN contact layer 14 opposite to the semiconductor light emitting layer 15. The metal electrode 18 is provided on substantially the entire surface of the P-type GaN contact layer 14. The metal electrode 18 is, for example, a laminated film of silver (Ag) and gold (Au) capable of ohmic contact with P-type GaN. Since silver has a high reflectance of light, it efficiently reflects light incident from the semiconductor light emitting layer 15 side.

半導体積層体11は、金属電極18側が接合層19を挟んで導電性の支持基板20に設けられている。接合層19は、例えば金錫(AuSn)合金層である。支持基板20は、例えばシリコン基板である。   The semiconductor laminate 11 is provided on the conductive support substrate 20 with the metal electrode 18 side sandwiching the bonding layer 19. The bonding layer 19 is, for example, a gold tin (AuSn) alloy layer. The support substrate 20 is a silicon substrate, for example.

支持基板20には、半導体積層体11と反対側に基板電極21が設けられている。基板電極21は、例えばシリコンとオーミックコンタクトが可能な金膜である。   A substrate electrode 21 is provided on the support substrate 20 on the side opposite to the semiconductor laminate 11. The substrate electrode 21 is, for example, a gold film capable of ohmic contact with silicon.

図2に示すように、半導体発光層15は、Inx2Ga(1−x2)N障壁層25a、25b、25c、25d、25e(以後、単にInGaN障壁層という)Inx1Ga(1−x1)N井戸層26a、26b、26c、26d(以後、単にInGaN井戸層という)とが交互に積層された量子井戸構造体である。半導体発光層15は、InGaN障壁層25aで始まり、InGaN障壁層25eで終わっている。 As shown in FIG. 2, the semiconductor light emitting layer 15 includes In x2 Ga (1-x2) N barrier layers 25a, 25b, 25c, 25d, and 25e (hereinafter simply referred to as InGaN barrier layers) In x1 Ga (1-x1). This is a quantum well structure in which N well layers 26a, 26b, 26c, and 26d (hereinafter simply referred to as InGaN well layers) are alternately stacked. The semiconductor light emitting layer 15 starts with an InGaN barrier layer 25a and ends with an InGaN barrier layer 25e.

InGaN障壁層25a、25b、25c、25d、25eを総称するときは、InGaN障壁層25と記し、InGaN井戸層26a、26b、26c、26dを総称するときは、InGaN井戸層26と記す。   The InGaN barrier layers 25a, 25b, 25c, 25d, and 25e are collectively referred to as InGaN barrier layers 25, and the InGaN well layers 26a, 26b, 26c, and 26d are collectively referred to as InGaN well layers 26.

InGaN障壁層25の厚さは、例えば5nmである。InGaN井戸層26の厚さは、例えば5nmである。InGaN井戸層26の数は、例えば4である。   The thickness of the InGaN barrier layer 25 is, for example, 5 nm. The thickness of the InGaN well layer 26 is, for example, 5 nm. The number of InGaN well layers 26 is four, for example.

InGaN井戸層26のIn組成x1は、半導体発光素子10から波長450nmの光が放出されるように、例えば0.15程度に設定されている。   The In composition x1 of the InGaN well layer 26 is set to, for example, about 0.15 so that light having a wavelength of 450 nm is emitted from the semiconductor light emitting device 10.

InGaN井戸層26のIn組成x1とInGaN障壁層25のIn組成x2は、0≦x2<x1<1の関係にある。InGaN障壁層25のバンドギャップはInGaN井戸層26のバンドギャップより広くなるように設定されている。   The In composition x1 of the InGaN well layer 26 and the In composition x2 of the InGaN barrier layer 25 have a relationship of 0 ≦ x2 <x1 <1. The band gap of the InGaN barrier layer 25 is set to be wider than the band gap of the InGaN well layer 26.

更に、InGaN井戸層26に挟まれたInGaN障壁層25b、25c、25dのうち、P型GaNクラッド層13に一番近いInGaN障壁層25bのバンドギャップが残りのInGaN障壁層25c、25dのバンドギャップより狭くなるように設定されている。   Further, of the InGaN barrier layers 25b, 25c, 25d sandwiched between the InGaN well layers 26, the band gap of the InGaN barrier layer 25b closest to the P-type GaN cladding layer 13 is the band gap of the remaining InGaN barrier layers 25c, 25d. It is set to be narrower.

InGaN障壁層25bを除いて、N型GaNクラッド層12側のInGaN障壁層25のバンドギャップが、P型GaNクラッド層13側のInGaN障壁層25のバンドギャップに等しいか、またはより広くなるように設定されている。   Except for the InGaN barrier layer 25b, the band gap of the InGaN barrier layer 25 on the N-type GaN cladding layer 12 side is equal to or wider than the band gap of the InGaN barrier layer 25 on the P-type GaN cladding layer 13 side. Is set.

即ち、InGaN障壁層25のバンドギャップをEg(25)と記すと、次の関係が成り立つ。   That is, when the band gap of the InGaN barrier layer 25 is expressed as Eg (25), the following relationship is established.

Eg(25b)<Eg(25c)≦Eg(25d)≦Eg(25a)=Eg(25e)
図3はInGa(1−x)N層のIn組成xとバンドギャップEgの関係を示す図である。図3に示すように、InGa(1−x)N層のバンドギャップEgは、In組成xに応じてGaNのバンドギャップ(約3.45eV)からInNのバンドギャップ(約0.7eV)まで変化する。但し、直線的ではなく、バンドギャップボーイングにより、下側に曲がっている。xが0.15のとき、Egは約2.64eVである。
Eg (25b) <Eg (25c) ≦ Eg (25d) ≦ Eg (25a) = Eg (25e)
FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the In composition x of the In x Ga (1-x) N layer and the band gap Eg. As shown in FIG. 3, the band gap Eg of the In x Ga (1-x) N layer varies from the band gap of GaN (about 3.45 eV) to the band gap of InN (about 0.7 eV) depending on the In composition x. Change to. However, it is not straight but bent downward due to band gap bowing. When x is 0.15, Eg is about 2.64 eV.

ここで、N型GaNクラッド層12は、例えば厚さが2乃至5μm、不純物濃度が1E19cm−3である。N型GaNクラッド層12は、半導体発光層15からP型GaNコンタクト層14までをエピタキシャル成長させるための下地単結晶層を兼ねている。 Here, the N-type GaN cladding layer 12 has a thickness of 2 to 5 μm and an impurity concentration of 1E19 cm −3 , for example. The N-type GaN cladding layer 12 also serves as a base single crystal layer for epitaxial growth from the semiconductor light emitting layer 15 to the P-type GaN contact layer 14.

P型GaNクラッド層13は、例えば厚さが100nm、不純物濃度が1E20cm−3である。P型GaNコンタクト層14は、例えば厚さが10nm、不純物濃度が1E21cm−3である。 The P-type GaN cladding layer 13 has, for example, a thickness of 100 nm and an impurity concentration of 1E20 cm −3 . For example, the P-type GaN contact layer 14 has a thickness of 10 nm and an impurity concentration of 1E21 cm −3 .

パッド電極17aと基板電極21間に電圧を印加すると、半導体発光層15には、主面15aに略垂直な方向に電流が流れる。InGaN井戸層26に注入されたキャリアが発光再結合し、例えばピーク波長が約450nmの光が放出される。   When a voltage is applied between the pad electrode 17a and the substrate electrode 21, a current flows through the semiconductor light emitting layer 15 in a direction substantially perpendicular to the main surface 15a. The carriers injected into the InGaN well layer 26 recombine with light and, for example, light having a peak wavelength of about 450 nm is emitted.

上述した半導体発光素子10は、InGaN障壁層25bのバンドギャップが残りのInGaN障壁層25c、25dのバンドギャップより狭く設定されており、大電流を流したときに、InGaN井戸層26a内のキャリア密度が過大にならないように構成されている。   In the semiconductor light emitting device 10 described above, the band gap of the InGaN barrier layer 25b is set to be narrower than the band gaps of the remaining InGaN barrier layers 25c and 25d, and when a large current flows, the carrier density in the InGaN well layer 26a. Is configured not to become excessive.

次に、半導体発光素子10の光出力および第1乃至第3比較例の半導体発光素子の光出力をシミュレーションした結果について、図4および図5を用いて説明する。   Next, simulation results of the light output of the semiconductor light emitting element 10 and the light output of the semiconductor light emitting elements of the first to third comparative examples will be described with reference to FIGS. 4 and 5.

図4は半導体発光素子10および第1乃至第3比較例の半導体発光素子における半導体発光層15のIn組成分布を示す図である。ここで、P型クラッド層13に接するInGaN障壁層25aおよびN型クラッド層12に接するInGaN障壁層25eのIn組成は0とした。即ち、InGaN障壁層25a、25eは単にGaN層である。   FIG. 4 is a diagram showing the In composition distribution of the semiconductor light emitting layer 15 in the semiconductor light emitting device 10 and the semiconductor light emitting devices of the first to third comparative examples. Here, the In composition of the InGaN barrier layer 25a in contact with the P-type cladding layer 13 and the InGaN barrier layer 25e in contact with the N-type cladding layer 12 was set to zero. That is, the InGaN barrier layers 25a and 25e are simply GaN layers.

図4に示すように、本実施形態の半導体発光素子10では、InGaN障壁層25b、25c、25dのIn組成x1は、それぞれ0.05、0.03、0である。即ち、InGaN障壁層25b、25c、25dのバンドギャップはP型クラッド層13側からN型クラッド層12に向かって順に高くなっており、次式の関係にある。
Eg(25b)<Eg(25c)<Eg(25d)=Eg(25a)=Eg(25e)
一方、第1比較例の半導体発光素子では、InGaN障壁層25b、25c、25d、のIn組成x1は、それぞれ0.03、0.03、0.03である。即ち、InGaN障壁層25b、25c、25dのバンドギャップは互いに等しく、次式の関係にある。
Eg(25b)=Eg(25c)=Eg(25d)<Eg(25a)=Eg(25e)
第2比較例の半導体発光素子では、InGaN障壁層25b、25c、25dのIn組成x1は、それぞれ0、0.03、0.05である。即ち、InGaN障壁層25b、25c、25dのバンドギャップはP型クラッド層13側からN型クラッド層12に向かって順に低くなっており、次式の関係にある。
Eg(25d)<Eg(25c)<Eg(25b)<Eg(25a)=Eg(25e)
第3比較例の半導体発光素子では、InGaN障壁層25b、25c、25dのIn組成x1は、それぞれ0、0、0である。即ち、InGaN障壁層25b、25c、25d、のバンドギャップは互いに等しく、次式の関係にある。第3比較例は、従来多く用いられているIn濃度分布である。
Eg(25b)=Eg(25c)=Eg(25d)=Eg(25a)=Eg(25e)
図5は半導体発光素子10および第1乃至第3比較例の半導体発光素子における電流と光出力の関係をシミュレーションした結果を示す図である。ここで、InGaN障壁層25およびInGaN井戸層26の厚さは、それぞれ5nmとした。
As shown in FIG. 4, in the semiconductor light emitting device 10 of the present embodiment, the In compositions x1 of the InGaN barrier layers 25b, 25c, and 25d are 0.05, 0.03, and 0, respectively. That is, the band gaps of the InGaN barrier layers 25b, 25c, and 25d increase in order from the P-type clad layer 13 side to the N-type clad layer 12, and are in the relationship of the following expression.
Eg (25b) <Eg (25c) <Eg (25d) = Eg (25a) = Eg (25e)
On the other hand, in the semiconductor light emitting device of the first comparative example, the In compositions x1 of the InGaN barrier layers 25b, 25c, and 25d are 0.03, 0.03, and 0.03, respectively. That is, the band gaps of the InGaN barrier layers 25b, 25c, and 25d are equal to each other and have the relationship of the following formula.
Eg (25b) = Eg (25c) = Eg (25d) <Eg (25a) = Eg (25e)
In the semiconductor light emitting device of the second comparative example, the In compositions x1 of the InGaN barrier layers 25b, 25c, and 25d are 0, 0.03, and 0.05, respectively. In other words, the band gaps of the InGaN barrier layers 25b, 25c, and 25d decrease in order from the P-type cladding layer 13 side to the N-type cladding layer 12, and have the relationship of the following formula.
Eg (25d) <Eg (25c) <Eg (25b) <Eg (25a) = Eg (25e)
In the semiconductor light emitting device of the third comparative example, the In compositions x1 of the InGaN barrier layers 25b, 25c, and 25d are 0, 0, and 0, respectively. That is, the band gaps of the InGaN barrier layers 25b, 25c, and 25d are equal to each other and have the relationship of the following formula. The third comparative example is a conventional In concentration distribution.
Eg (25b) = Eg (25c) = Eg (25d) = Eg (25a) = Eg (25e)
FIG. 5 is a diagram showing the result of simulating the relationship between current and light output in the semiconductor light emitting device 10 and the semiconductor light emitting devices of the first to third comparative examples. Here, the thickness of the InGaN barrier layer 25 and the InGaN well layer 26 was 5 nm, respectively.

図5に示すように、本実施形態の半導体発光素子10では、第3比較例の半導体発光素子に比べて高い光出力が得られている。一方、第1および第2比較例の半導体発光素子では、第3比較例の半導体発光素子に比べて光出力はわずかに増加しているに過ぎない。   As shown in FIG. 5, the semiconductor light emitting device 10 of this embodiment has a higher light output than the semiconductor light emitting device of the third comparative example. On the other hand, in the semiconductor light emitting devices of the first and second comparative examples, the light output is only slightly increased compared to the semiconductor light emitting device of the third comparative example.

図6はInGaN井戸層26にキャリアが注入される様子を示す図で、図6(a)が本実施形態の場合を示す図、図6(b)が第3比較例の場合を示す図である。始に、第3比較例について説明する。   6A and 6B are diagrams showing how carriers are injected into the InGaN well layer 26. FIG. 6A shows the case of this embodiment, and FIG. 6B shows the case of the third comparative example. is there. First, the third comparative example will be described.

図6(b)に示すように、第3比較例の半導体発光素子では、ホールはP型GaNクラッド層13側から、電子はN型GaNクラッド層12側からMQW構造を有する半導体発光層15に注入される。   As shown in FIG. 6B, in the semiconductor light emitting device of the third comparative example, holes enter the semiconductor light emitting layer 15 having the MQW structure from the P-type GaN cladding layer 13 side and electrons from the N-type GaN cladding layer 12 side. Injected.

ホールは重いためP型GaNクラッド層13側に留まり、電子は軽いためP型GaNクラッド層13側まで達する。その結果、P型GaNクラッド層13側のInGaN井戸層26aで再結合する割合が多くなる。   The holes are heavy and stay on the P-type GaN cladding layer 13 side, and the electrons are light and reach the P-type GaN cladding layer 13 side. As a result, the proportion of recombination in the InGaN well layer 26a on the P-type GaN cladding layer 13 side increases.

ホールや電子がInGaN井戸層26aに集中し、かつInGaN井戸層26aが薄いので、キャリア密度が過剰に高くなり、キャリア密度の2乗に応じた発光再結合よりもキャリア密度の3乗に応じた非発光のオージェ再結合が多くなり、高い発光効率が得られない。   Since holes and electrons are concentrated in the InGaN well layer 26a and the InGaN well layer 26a is thin, the carrier density becomes excessively high, and it corresponds to the third power of the carrier density rather than the light emission recombination according to the second power of the carrier density. Non-luminous Auger recombination increases and high luminous efficiency cannot be obtained.

一方、図6(a)に示すように、本実施形態の半導体発光素子10では、InGaN井戸層26aに注入されたホールは、障壁の低いInGaN障壁層25bを越えてInGaN井戸層26b、26cにも注入され、InGaN井戸層26aのキャリア(ホール)密度が平均化される。   On the other hand, as shown in FIG. 6A, in the semiconductor light emitting device 10 of the present embodiment, holes injected into the InGaN well layer 26a pass over the InGaN barrier layer 25b having a low barrier to the InGaN well layers 26b and 26c. And the carrier (hole) density of the InGaN well layer 26a is averaged.

その結果、InGaN井戸層26aでは、非発光過程であるオージェ再結合が減少し、発光(自然放出)再結合の割合が増加するため、光出力が増加すると考えられる。   As a result, in the InGaN well layer 26a, Auger recombination, which is a non-light emitting process, decreases, and the ratio of light emission (spontaneous emission) recombination increases.

また、InGaN井戸層26b、26cではもともとホール密度が低くオージェ再結合も発光(自然放出)再結合も少なかったが、ある程度ホールが増加することによりさらに発光(自然放出)再結合および光出力が増加すると考えられる。   In InGaN well layers 26b and 26c, the hole density was originally low and both Auger recombination and light emission (spontaneous emission) recombination were small. However, as the number of holes increased to some extent, light emission (spontaneous emission) recombination and light output increased. I think that.

第1および第2比較例の半導体発光素子では、InGaN井戸層26aからInGaN井戸層26b、26cへホールが移動しやすくなることは特に無い。その結果、第1および第2比較例の半導体発光素子では、第3比較例の半導体発光素子と略同じ光出力特性を示すことが分かる。   In the semiconductor light emitting devices of the first and second comparative examples, there is no particular tendency for holes to easily move from the InGaN well layer 26a to the InGaN well layers 26b and 26c. As a result, it can be seen that the semiconductor light emitting devices of the first and second comparative examples show substantially the same light output characteristics as the semiconductor light emitting device of the third comparative example.

上述したように、半導体発光素子の光出力を高めるためには、InGaN障壁層25bのバンドギャップを残りのInGaN障壁層25c、25dより狭くすることが重要である。   As described above, in order to increase the light output of the semiconductor light emitting device, it is important to make the band gap of the InGaN barrier layer 25b narrower than the remaining InGaN barrier layers 25c and 25d.

次に、半導体発光素子10の製造方法について図7乃至図9を参照して説明する。図7乃至図9は半導体発光素子10の製造工程を順に示す断面図である。   Next, a method for manufacturing the semiconductor light emitting device 10 will be described with reference to FIGS. 7 to 9 are cross-sectional views sequentially showing the manufacturing process of the semiconductor light emitting device 10.

図7(a)に示すように、MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法により、C面サファイア基板41にN型GaNクラッド層12、半導体発光層15、P型GaNクラッド層13およびP型GaNコンタクト層14を順にエピタキシャル成長させて半導体積層体11を形成する。   As shown in FIG. 7A, an N-type GaN cladding layer 12, a semiconductor light emitting layer 15, a P-type GaN cladding layer 13, and a P-type GaN contact are formed on a C-plane sapphire substrate 41 by MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) method. The layer 14 is sequentially epitaxially grown to form the semiconductor stacked body 11.

半導体積層体11の製造プロセスについて、以下簡単に説明する。サファイア基板41に、前処理として、例えば有機洗浄、酸洗浄を施した後、MOCVD装置の反応室内に収納する。次に、例えば窒素(N)ガスと水素(H)ガスの常圧混合ガス雰囲気中で、高周波加熱により、サファイア基板41の温度を、例えば1100℃まで昇温する。これにより、サファイア基板41の表面が気相エッチングされ、表面に形成されている自然酸化膜が除去される。 A manufacturing process of the semiconductor stacked body 11 will be briefly described below. As a pretreatment, the sapphire substrate 41 is subjected to, for example, organic cleaning or acid cleaning, and then stored in a reaction chamber of the MOCVD apparatus. Next, for example, the temperature of the sapphire substrate 41 is raised to, for example, 1100 ° C. by high-frequency heating in an atmospheric pressure mixed gas atmosphere of nitrogen (N 2 ) gas and hydrogen (H 2 ) gas. Thereby, the surface of the sapphire substrate 41 is vapor-phase etched, and the natural oxide film formed on the surface is removed.

次に、NガスとHガスの混合ガスをキャリアガスとし、プロセスガスとして、例えばアンモニア(NH)ガスと、トリメチルガリウム(TMG:Tri-Methyl Gallium)を供給し、N型ドーパントとして、例えばシラン(SiH)ガスを供給し、厚さ4μm、Si濃度が1E19cm−3程度のN型GaN層12を形成する。 Next, a mixed gas of N 2 gas and H 2 gas is used as a carrier gas, and as a process gas, for example, ammonia (NH 3 ) gas and trimethylgallium (TMG) are supplied, and as an N-type dopant, For example, silane (SiH 4 ) gas is supplied to form the N-type GaN layer 12 having a thickness of 4 μm and a Si concentration of about 1E19 cm −3 .

次に、NHガスは供給し続けながらTMGガスおよびSiHガスの供給を停止し、サファイア基板41の温度を1100℃より低い温度、例えば800℃まで降温し、800℃で保持する。 Next, the supply of the TMG gas and the SiH 4 gas is stopped while the NH 3 gas is continuously supplied, the temperature of the sapphire substrate 41 is lowered to a temperature lower than 1100 ° C., for example, 800 ° C., and held at 800 ° C.

次に、Nガスをキャリアガスとし、プロセスガスとして、例えばNHガスおよびTMGガスを供給し続けながら、(TMI:Tri-Methyl Indium)ガスの供給を断続することにより、厚さ5nm、In組成比が0のInGaN障壁層25e、厚さ5nm、In組成比が0.15のInGaN井戸層26d、厚さ5nm、In組成比が0のInGaN障壁層25d、厚さ5nm、In組成比が0.15のInGaN井戸層26cを形成する。 Next, by continuously supplying (TMI: Tri-Methyl Indium) gas while continuously supplying NH 3 gas and TMG gas as process gases, for example, N 2 gas as a carrier gas, a thickness of 5 nm, In InGaN barrier layer 25e having a composition ratio of 0, thickness 5 nm, InGaN well layer 26d having an In composition ratio of 0.15, thickness 5 nm, InGaN barrier layer 25d having an In composition ratio of 0, thickness 5 nm, and In composition ratio A 0.15 InGaN well layer 26c is formed.

次に、NHガスおよびTMGガスは供給し続けながらTMIガスの供給を増減することにより、厚さ5nm、In組成比が0.03のInGaN障壁層25c、厚さ5nm、In組成比が0.15のInGaN井戸層26b、厚さ5nm、In組成比が0.05のInGaN障壁層25b、厚さ5nm、In組成比が0.15のInGaN井戸層26aを形成する。 Next, by increasing or decreasing the supply of TMI gas while continuing to supply NH 3 gas and TMG gas, an InGaN barrier layer 25c having a thickness of 5 nm and an In composition ratio of 0.03, a thickness of 5 nm and an In composition ratio of 0 .15 InGaN well layer 26b, InGaN barrier layer 25b having a thickness of 5 nm and In composition ratio of 0.05, and InGaN well layer 26a having a thickness of 5 nm and In composition ratio of 0.15 are formed.

最後に、TMIガスのみ供給を停止し、厚さ5nm、In組成比が0のInGaN障壁層25aを形成する。これにより、MQW構造の半導体発光層15が得られる。   Finally, supply of only the TMI gas is stopped, and an InGaN barrier layer 25a having a thickness of 5 nm and an In composition ratio of 0 is formed. Thereby, the semiconductor light emitting layer 15 of MQW structure is obtained.

次に、TMGガス、NHガスは供給し続けながら、アンドープで厚さ5nmのGaNキャップ層(図示せず)を形成する。 Next, a GaN cap layer (not shown) having a thickness of 5 nm is formed undoped while continuing to supply TMG gas and NH 3 gas.

次に、NHガスは供給し続けながらTMGガスの供給を停止し、Nガス雰囲気中で、サファイア基板41の温度を800℃より高い温度、例えば1030℃まで昇温し、1030℃で保持する。 Next, the supply of TMG gas is stopped while continuing to supply NH 3 gas, and the temperature of the sapphire substrate 41 is raised to a temperature higher than 800 ° C., for example, 1030 ° C., and held at 1030 ° C. in an N 2 gas atmosphere. To do.

次に、NガスとHガスの混合ガスをキャリアガスとし、プロセスガスとしてNHガス、TMGガス、P型ドーパントとしてビスシクロペンタジエニルマグネシウム(Cp2Mg)を供給し、厚さが100nm、Mg濃度が1E20cm−3程度のP型GaNクラッド層13を形成する。 Next, a mixed gas of N 2 gas and H 2 gas is used as a carrier gas, NH 3 gas as a process gas, TMG gas, and biscyclopentadienyl magnesium (Cp 2 Mg) as a P-type dopant are supplied. A P-type GaN cladding layer 13 having an Mg concentration of about 1E20 cm −3 is formed.

次に、Cp2Mgガスの供給を増やして、厚さ10nm、Mg濃度が1E21cm−3程度のP型GaNコンタクト層14を形成する。 Next, the supply of Cp2Mg gas is increased to form a P-type GaN contact layer 14 having a thickness of 10 nm and an Mg concentration of about 1E21 cm −3 .

次に、NHガスは供給し続けながらTMGガスの供給を停止し、キャリアガスのみ引き続き供給し、サファイア基板41を自然降温する。NHガスの供給は、サファイア基板41の温度が500℃に達するまで継続する。これにより、サファイア基板41上に半導体積層体11が形成され、P型GaNコンタクト層14が表面になる。 Next, the supply of the TMG gas is stopped while the NH 3 gas is continuously supplied, and only the carrier gas is continuously supplied to naturally cool the sapphire substrate 41. The supply of NH 3 gas is continued until the temperature of the sapphire substrate 41 reaches 500 ° C. Thereby, the semiconductor stacked body 11 is formed on the sapphire substrate 41, and the P-type GaN contact layer 14 becomes the surface.

次に、図7(b)に示すように、P型GaNコンタクト層14上に、例えばスパッタリング法により厚さ約0.5μmの銀膜と厚さ1μm金膜を積層して、金属電極18を形成する。   Next, as shown in FIG. 7B, a silver film having a thickness of about 0.5 μm and a gold film having a thickness of 1 μm are stacked on the P-type GaN contact layer 14 by, for example, sputtering, and the metal electrode 18 is formed. Form.

次に、図7(c)に示すように、シリコン基板42を用意し、シリコン基板42の両面に、例えばスパッタリング法により厚さ1μmの金膜43、44を形成する。金膜43上に、例えば真空蒸着法により厚さ2μmの金錫合金膜45を形成する。シリコン基板42が支持基板20、金膜44が基板電極21である。   Next, as shown in FIG. 7C, a silicon substrate 42 is prepared, and gold films 43 and 44 having a thickness of 1 μm are formed on both surfaces of the silicon substrate 42 by, eg, sputtering. A gold-tin alloy film 45 having a thickness of 2 μm is formed on the gold film 43 by, for example, a vacuum deposition method. The silicon substrate 42 is the support substrate 20, and the gold film 44 is the substrate electrode 21.

次に、図8(a)に示すように、サファイア基板41を上下反転して金属電極18と金錫合金膜45を対向させて、サファイア基板41とシリコン基板42を重ね合わせた後、サファイア基板41とシリコン基板42をヒータ46で加熱し、加圧する。   Next, as shown in FIG. 8A, the sapphire substrate 41 is turned upside down so that the metal electrode 18 and the gold-tin alloy film 45 face each other, and the sapphire substrate 41 and the silicon substrate 42 are overlaid, and then the sapphire substrate. 41 and the silicon substrate 42 are heated by a heater 46 and pressurized.

金錫合金膜45が融解し、金属電極18の金膜、金膜43と融合した接合層19が形成される。サファイア基板41とシリコン基板42は、接合層19を介して接合される。   The gold-tin alloy film 45 is melted, and the gold film of the metal electrode 18 and the bonding layer 19 fused with the gold film 43 are formed. The sapphire substrate 41 and the silicon substrate 42 are bonded via the bonding layer 19.

次に、図8(b)に示すように、レーザリフトオフ法により、サファイア基板41と半導体積層体11を分離する。レーザリフトオフ法とは、高出力のレーザ光を照射することにより物質内部を部分的に加熱分解し、分解した部分を境に分離する手法である。   Next, as shown in FIG. 8B, the sapphire substrate 41 and the semiconductor stacked body 11 are separated by a laser lift-off method. The laser lift-off method is a method in which the inside of a substance is partially thermally decomposed by irradiating with a high-power laser beam, and the decomposed portion is separated as a boundary.

具体的には、サファイア基板41を通過しN型GaNクラッド層12で吸収されるレーザ光47を照射し、N型GaNクラッド層12を解離させて、サファイア基板41とN型GaNクラッド層12を分離する。   Specifically, the laser beam 47 that passes through the sapphire substrate 41 and is absorbed by the N-type GaN cladding layer 12 is irradiated, the N-type GaN cladding layer 12 is dissociated, and the sapphire substrate 41 and the N-type GaN cladding layer 12 are separated. To separate.

例えばNd−YAGレーザの第4高調波(266nm)をサファイア基板41側から照射する。レーザ光47に対してサファイアは透明なので、照射されたレーザ光47はサファイア基板41を透過してN型GaNクラッド層12で有効に吸収される。   For example, the fourth harmonic (266 nm) of an Nd-YAG laser is irradiated from the sapphire substrate 41 side. Since sapphire is transparent with respect to the laser beam 47, the irradiated laser beam 47 passes through the sapphire substrate 41 and is effectively absorbed by the N-type GaN cladding layer 12.

サファイア基板41との界面近傍のN型GaNクラッド層12には多くの結晶欠陥が存在するために、吸収された光はほとんど全てが熱に変換され、2GaN=2Ga+N(g)↑なる反応が生じ、GaNはGaとNガスに解離する。 Since there are many crystal defects in the N-type GaN cladding layer 12 in the vicinity of the interface with the sapphire substrate 41, almost all of the absorbed light is converted into heat, and a reaction of 2GaN = 2Ga + N 2 (g) ↑ occurs. As a result, GaN dissociates into Ga and N 2 gas.

レーザ光47は、連続光(CW)でも、パルス光(PW)でもよいが、尖頭出力の高いパルス光であることが望ましい。尖頭出力の高いレーザ光47を発生するパルスレーザとしては、ピコ秒からフェムト秒オーダの超短パルス光が出力可能なQスイッチレーザ、モードロックレーザなどが適している。   The laser light 47 may be continuous light (CW) or pulsed light (PW), but is preferably pulsed light with a high peak output. As the pulse laser that generates the laser beam 47 having a high peak output, a Q-switched laser, a mode-locked laser, or the like that can output an ultrashort pulsed light of picosecond to femtosecond order is suitable.

解離した後、露出したN型GaNクラッド層12上に、Ga層48が残置される。Ga層48は、Gaドロップであり、温水、または塩酸を含む水溶液で除去する。   After the dissociation, the Ga layer 48 is left on the exposed N-type GaN cladding layer 12. The Ga layer 48 is a Ga drop and is removed with warm water or an aqueous solution containing hydrochloric acid.

次に、図9に示すように、露出したN型GaNクラッド層12に凹凸部12aを形成する。具体的には、例えばKOH水溶液でN型GaNクラッド層12をウェットエッチングする。KOH水溶液は、例えば濃度20%〜40%程度、温度60℃〜70℃程度が適当である。N極性GaN面はKOH水溶液により異方性エッチングされるので、N型GaNクラッド層12に凹凸部12aが形成される。   Next, as shown in FIG. 9, an uneven portion 12 a is formed in the exposed N-type GaN cladding layer 12. Specifically, for example, the N-type GaN clad layer 12 is wet-etched with an aqueous KOH solution. For example, a KOH aqueous solution having a concentration of about 20% to 40% and a temperature of about 60 ° C. to 70 ° C. is appropriate. Since the N-polar GaN surface is anisotropically etched with a KOH aqueous solution, the concavo-convex portion 12 a is formed in the N-type GaN cladding layer 12.

次に、凹凸部12aが形成されたN型GaNクラッド層12上に、例えばスパッタリング法により金膜を形成し、フォトリソグラフィ法により金膜をパターニングして、パッド電極17aおよび細線電極17bを形成する。これにより、図1に示す半導体発光素子10が得られる。   Next, a gold film is formed on the N-type GaN clad layer 12 on which the concavo-convex portion 12a is formed by, for example, a sputtering method, and the gold film is patterned by a photolithography method to form a pad electrode 17a and a fine wire electrode 17b. . Thereby, the semiconductor light emitting device 10 shown in FIG. 1 is obtained.

尚、InGaN障壁層25のIn組成x2およびInGaN井戸層26のIn組成x1は、X線回折法(X-ray Diffraction Method)等により求めることができる。   The In composition x2 of the InGaN barrier layer 25 and the In composition x1 of the InGaN well layer 26 can be obtained by an X-ray diffraction method or the like.

X線回折法により、InGaN障壁層25の格子定数を求め、格子定数からIn組成x2を求める。InGaNのIn組成と格子定数の関係は、ベカード則に従う。なお、GaNの格子定数はa軸が約0.319nm、c軸が約0.518nmである。InGaNの格子定数はa軸が約0.355nm、c軸が約0.576nmである。   The lattice constant of the InGaN barrier layer 25 is obtained by the X-ray diffraction method, and the In composition x2 is obtained from the lattice constant. The relationship between the In composition of InGaN and the lattice constant follows the Bekaard rule. The lattice constant of GaN is about 0.319 nm for the a axis and about 0.518 nm for the c axis. The lattice constant of InGaN is about 0.355 nm for the a axis and about 0.576 nm for the c axis.

以上説明したように、本実施形態の半導体発光素子10では、半導体発光層15は、InGaN井戸層26とInGaN障壁層25が交互に積層された多重量子井戸構造を有し、InGaN井戸層26に挟まれたInGaN障壁層25のうち、P型GaNクラッド層13に一番近いInGaN障壁層25bのバンドギャップが残りのInGaN障壁層26c、26dのバンドギャップより狭く設定されている。   As described above, in the semiconductor light emitting device 10 of this embodiment, the semiconductor light emitting layer 15 has a multiple quantum well structure in which the InGaN well layers 26 and the InGaN barrier layers 25 are alternately stacked. Among the sandwiched InGaN barrier layers 25, the band gap of the InGaN barrier layer 25b closest to the P-type GaN cladding layer 13 is set to be narrower than the band gaps of the remaining InGaN barrier layers 26c and 26d.

半導体発光層15の主面に略垂直な方向に電流が流れるように細線電極17bおよび金属電極18が設けられている。   A thin wire electrode 17 b and a metal electrode 18 are provided so that a current flows in a direction substantially perpendicular to the main surface of the semiconductor light emitting layer 15.

その結果、InGaN井戸層26aに注入されたホールは、障壁の低いInGaN障壁層25bを越えてInGaN井戸層26b、26cにも注入され、InGaN井戸層26のキャリア(ホール)密度が平均化される。   As a result, the holes injected into the InGaN well layer 26a are also injected into the InGaN well layers 26b and 26c beyond the low barrier InGaN barrier layer 25b, and the carrier (hole) density of the InGaN well layer 26 is averaged. .

大電流で駆動してもInGaN井戸層26a内のキャリア密度が適正に維持されるので、オージェ再結合を抑制し、且つキャリアのオーバフローを防止することができる。従って、光出力の高い半導体発光素子が得られる。   Even when driven with a large current, the carrier density in the InGaN well layer 26a is properly maintained, so Auger recombination can be suppressed and carrier overflow can be prevented. Therefore, a semiconductor light emitting device having a high light output can be obtained.

半導体発光素子10には、電流の広がりを確実にするために透明導電膜を設けることができる。図10はN型GaNクラッド層12上に透明導電膜が設けられた半導体発光素子を示す断面図である。   The semiconductor light emitting device 10 can be provided with a transparent conductive film in order to ensure current spreading. FIG. 10 is a cross-sectional view showing a semiconductor light emitting device in which a transparent conductive film is provided on the N-type GaN cladding layer 12.

図10に示すように、半導体発光素子50では、凹凸部12aを有するN型GaNクラッド層12の略全面に、半導体発光層15から放出された光に対して透光性を有する透明導電膜51が設けられている。透明導電膜51は、例えば厚さが100乃至200nmのITO(Indium Tin Oxide)膜である。   As shown in FIG. 10, in the semiconductor light emitting device 50, a transparent conductive film 51 that is transparent to the light emitted from the semiconductor light emitting layer 15 is provided on substantially the entire surface of the N-type GaN cladding layer 12 having the concavo-convex portion 12 a. Is provided. The transparent conductive film 51 is an ITO (Indium Tin Oxide) film having a thickness of 100 to 200 nm, for example.

パッド電極17aおよび細線電極17bは透明導電膜51上に設けられている。細線電極17bだけで電流を半導体積層体11の周辺まで確実に広げようとすると、細線電極17bの面積がかなり大きくなる。細線電極17bによる光の遮蔽が無視できなくなり、光出力が減少する問題が生じる。   The pad electrode 17a and the fine wire electrode 17b are provided on the transparent conductive film 51. If it is attempted to spread the current to the periphery of the semiconductor stacked body 11 with only the fine wire electrode 17b, the area of the fine wire electrode 17b becomes considerably large. The light shielding by the thin wire electrode 17b cannot be ignored, resulting in a problem that the light output decreases.

そこで、細線電極17bを幹とし、透明導電膜51を枝葉とすることにより、電流を半導体積層体11の周辺まで確実に広げるとともに、細線電極17bによる光の遮蔽を大幅に低減することができる。   Therefore, by using the thin wire electrode 17b as a trunk and the transparent conductive film 51 as branches and leaves, it is possible to reliably spread the current to the periphery of the semiconductor stacked body 11, and to significantly reduce light shielding by the thin wire electrode 17b.

透明導電膜51のシート抵抗は細線電極17bのシート抵抗よりはるかに高いので、電流はまず細線電極17bに沿って広がり、次に細線電極17bから透明導電膜51に沿って広がる。   Since the sheet resistance of the transparent conductive film 51 is much higher than the sheet resistance of the thin wire electrode 17b, the current first spreads along the thin wire electrode 17b and then spreads from the thin wire electrode 17b along the transparent conductive film 51.

電流を広げるためにはITO膜は厚い方が良い。一方、ITO膜はわずかであるが光を吸収するので、光をより多く取り出すためには薄い方が好ましい。以後、透明導電膜をITO膜とも記す。   In order to spread the current, the ITO film should be thicker. On the other hand, the ITO film absorbs light although it is slight, so that it is preferable to be thin in order to extract more light. Hereinafter, the transparent conductive film is also referred to as an ITO film.

ITO膜は、例えばスパッタリング法により形成する。ITO膜の結晶化を促進し、導電率を高めるためにITO膜に熱処理を施す。熱処理は、例えば窒素中、もしくは窒素と酸素の混合雰囲気中で、温度400乃至750℃程度、時間1乃至20分程度が適当である。   The ITO film is formed by sputtering, for example. In order to promote the crystallization of the ITO film and increase the conductivity, the ITO film is subjected to a heat treatment. For the heat treatment, for example, in a nitrogen atmosphere or a mixed atmosphere of nitrogen and oxygen, a temperature of about 400 to 750 ° C. and a time of about 1 to 20 minutes are appropriate.

なお、N型GaNクラッド層12は、厚く成長させることができるがITO膜などの透明導電膜よりも抵抗率が大きいため、シート抵抗はITO膜より1桁ほど高い。電流はほぼ透明導電膜51を通って広がるが、一部はN型GaNクラッド層12を通って広がる。   The N-type GaN clad layer 12 can be grown thick, but has a resistivity higher than that of a transparent conductive film such as an ITO film, so that the sheet resistance is about one digit higher than that of the ITO film. The current spreads almost through the transparent conductive film 51, but a part spreads through the N-type GaN cladding layer 12.

半導体発光素子10には、更にキャリアのオーバフローを防止するためのオーバフロー防止層を設けることができる。半導体積層体15の結晶性を向上させるための超格子バッファ層を設けることができる。図11はオーバフロー防止層および超格子バッファ層を有する半導体発光素子を示す断面図である。   The semiconductor light emitting device 10 can further be provided with an overflow prevention layer for preventing carrier overflow. A superlattice buffer layer for improving the crystallinity of the semiconductor stacked body 15 can be provided. FIG. 11 is a cross-sectional view showing a semiconductor light emitting device having an overflow prevention layer and a superlattice buffer layer.

図11に示すように、半導体発光素子60の半導体積層体61では、半導体発光層15とP型GaNクラッド層13の間にP型AlGaNオーバフロー防止層62が設けられている。   As shown in FIG. 11, in the semiconductor stacked body 61 of the semiconductor light emitting device 60, a P-type AlGaN overflow prevention layer 62 is provided between the semiconductor light-emitting layer 15 and the P-type GaN cladding layer 13.

P型AlGaNオーバフロー防止層62は、例えば厚さが5nm、Mg濃度が1E20cm−3、Al組成比が0.2である。P型AlGaNオーバフロー防止層62のバンドギャップはP型GaNクラッド層13のバンドギャップより大きい。 The P-type AlGaN overflow prevention layer 62 has, for example, a thickness of 5 nm, an Mg concentration of 1E20 cm −3 , and an Al composition ratio of 0.2. The band gap of the P-type AlGaN overflow prevention layer 62 is larger than the band gap of the P-type GaN cladding layer 13.

半導体発光層15とN型GaNクラッド層12の間に超格子バッファ層63が設けられている。超格子バッファ層63は、例えばIn組成が異なる第1および第2のInGaN層が交互に30対積層されている。   A superlattice buffer layer 63 is provided between the semiconductor light emitting layer 15 and the N-type GaN cladding layer 12. In the superlattice buffer layer 63, for example, 30 pairs of first and second InGaN layers having different In compositions are alternately stacked.

第1のInGaN層は、例えば厚さが1nm、第2のInGaN層は、例えば厚さが3nmである。第1のInGaN層のIn組成は、第2のInGaN層のIn組成より大きい。   The first InGaN layer has a thickness of 1 nm, for example, and the second InGaN layer has a thickness of 3 nm, for example. The In composition of the first InGaN layer is larger than the In composition of the second InGaN layer.

P型AlGaNオーバフロー防止層62により、InGaN井戸層26のキャリアのP型GaNクラッド層13へのオーバフローが効果的に抑制される。超格子バッファ層63により、N型GaNクラッド層12から半導体発光層15へ転位等の結晶欠陥の伝播が抑制される。その結果、半導体発光素子60の光出力を更に高めることができる利点がある。   The P-type AlGaN overflow prevention layer 62 effectively suppresses the overflow of carriers in the InGaN well layer 26 to the P-type GaN cladding layer 13. The superlattice buffer layer 63 suppresses the propagation of crystal defects such as dislocations from the N-type GaN cladding layer 12 to the semiconductor light emitting layer 15. As a result, there is an advantage that the light output of the semiconductor light emitting device 60 can be further increased.

ここでは、支持基板20がシリコン基板である場合について説明したが、その他の導電性基板を用いることができる。導電性基板としては、例えば金属基板、導電性セラミックス基板、ゲルマニウム(Ge)基板等がある。導電性セラミックス基板は、例えばSiCセラミックス基板である。   Although the case where the support substrate 20 is a silicon substrate has been described here, other conductive substrates can be used. Examples of the conductive substrate include a metal substrate, a conductive ceramic substrate, and a germanium (Ge) substrate. The conductive ceramic substrate is, for example, a SiC ceramic substrate.

また、半導体積層体11を成長させる基板がC面サファイア基板41である場合について説明したが、導電性の基板を用いることができる。導電性の基板としては、例えば主面がC面であるGaN基板、SiC基板およびZnO基板等がある。   Moreover, although the case where the board | substrate which makes the semiconductor laminated body 11 grow is the C surface sapphire board | substrate 41, the electroconductive board | substrate can be used. Examples of the conductive substrate include a GaN substrate, a SiC substrate, and a ZnO substrate whose main surface is a C plane.

図12は導電性の基板に設けられた半導体積層体を有する半導体発光素子を示す断面図である。図12に示すように、半導体発光素子70では、半導体積層体11は主面がC面である成長用の導電性基板71、例えばC面GaN基板に設けられている。   FIG. 12 is a cross-sectional view showing a semiconductor light emitting element having a semiconductor stacked body provided on a conductive substrate. As shown in FIG. 12, in the semiconductor light emitting device 70, the semiconductor stacked body 11 is provided on a growth conductive substrate 71 whose main surface is a C-plane, for example, a C-plane GaN substrate.

導電性基板71に、N型GaNクラッド層12、半導体発光層15、P型GaNクラッド層13およびP型GaNコンタクト層14が順に設けられている。透明導電膜51は、P型GaNコンタクト層14上に設けられている。   An N-type GaN clad layer 12, a semiconductor light emitting layer 15, a P-type GaN clad layer 13, and a P-type GaN contact layer 14 are sequentially provided on the conductive substrate 71. The transparent conductive film 51 is provided on the P-type GaN contact layer 14.

導電性基板71のN型GaNクラッド層12側と反対の面に、基板電極72が設けられている。基板電極72は、例えばN型GaNにオーミックコンタクト可能なTi/Pt/Au膜である。   A substrate electrode 72 is provided on the surface of the conductive substrate 71 opposite to the N-type GaN cladding layer 12 side. The substrate electrode 72 is, for example, a Ti / Pt / Au film capable of ohmic contact with N-type GaN.

導電性基板71は成長基板と支持基板を兼ねることができる。支持基板の接合および成長基板を除去する工程が不要になる利点がある。   The conductive substrate 71 can serve as both a growth substrate and a support substrate. There is an advantage that the steps of bonding the support substrate and removing the growth substrate are unnecessary.

なお、P型窒化物系半導体は、ITO膜などの透明導電膜よりも抵抗率が大きく、厚く成長させることが困難なため、シート抵抗は高い。電流はほぼ透明導電膜51を通って広がることになる。P型GaNクラッド層13、P型GaNコンタクト層14などのP型GaN層を通っての電流の広がりは無視することができる。   Note that the P-type nitride semiconductor has a higher resistivity than a transparent conductive film such as an ITO film and has a high sheet resistance because it is difficult to grow thick. The current spreads almost through the transparent conductive film 51. The spread of current through the P-type GaN layers such as the P-type GaN cladding layer 13 and the P-type GaN contact layer 14 can be ignored.

P型GaNコンタクト層14と透明導電膜51の間に、パッド電極17aおよび細線電極17bに対応した電流ブロック層を形成しても構わない。   A current blocking layer corresponding to the pad electrode 17a and the thin wire electrode 17b may be formed between the P-type GaN contact layer 14 and the transparent conductive film 51.

更に、透明導電膜51が光取り出し効率を向上させるための凹凸部を有していても構わない。図13は、凹凸部を有する透明導電膜が設けられた半導体発光素子の要部を示す断面図である。   Furthermore, the transparent conductive film 51 may have an uneven portion for improving the light extraction efficiency. FIG. 13 is a cross-sectional view showing a main part of a semiconductor light emitting device provided with a transparent conductive film having an uneven portion.

図13に示すように、透明導電膜80は主に結晶質ITOである凸部81aと主にアモルファスITOである凹部81bを含む凹凸部81を有している。   As shown in FIG. 13, the transparent conductive film 80 has a concavo-convex portion 81 including a convex portion 81a mainly made of crystalline ITO and a concave portion 81b mainly made of amorphous ITO.

一般に、スパッタリング等でITO膜を形成すると、成膜時の基板温度、プラズマ密度、酸素分圧等に依存して、アモルファスITOと結晶質ITOが混在したITO膜が得られることが知られている。   In general, it is known that when an ITO film is formed by sputtering or the like, an ITO film in which amorphous ITO and crystalline ITO are mixed can be obtained depending on the substrate temperature, plasma density, oxygen partial pressure, and the like at the time of film formation. .

例えば、基板温度で言えば、ITOの結晶化温度は150℃乃至200℃付近にある。基板温度が結晶化温度付近にあると、アモルファスITOと結晶質ITOが混在したITO膜が得られる。   For example, in terms of the substrate temperature, the crystallization temperature of ITO is in the vicinity of 150 ° C. to 200 ° C. When the substrate temperature is near the crystallization temperature, an ITO film in which amorphous ITO and crystalline ITO are mixed is obtained.

ITO膜に、アモルファスITOに囲まれるように結晶質ITOが分散してピラー状に存在混在していることは、断面TEM観察および電子線回折パターン等から確かめられている。   It has been confirmed from cross-sectional TEM observation and electron diffraction patterns that crystalline ITO is dispersed and mixed in a pillar shape so as to be surrounded by amorphous ITO in the ITO film.

結晶質ITOのエッチング速度は、アモルファスITOのエッチング速度より遅くなる。結晶質ITOのエッチング速度は、例えば50乃至100nm/min程度である。アモルファスITOのエッチング速度は、例えば100乃至500nm/min程度である。従って、結晶質ITOとアモルファスITOの選択比は、2乃至5程度と見込まれる。   The etching rate of crystalline ITO is slower than the etching rate of amorphous ITO. The etching rate of crystalline ITO is, for example, about 50 to 100 nm / min. The etching rate of amorphous ITO is, for example, about 100 to 500 nm / min. Therefore, the selective ratio between crystalline ITO and amorphous ITO is expected to be about 2 to 5.

結晶質ITOとアモルファスITOのエッチング速度の差を利用して、エッチング速度の速いアモルファスITOを選択的に除去し、エッチング速度の遅い結晶質ITOを残置することにより、凹凸部81を有する透明導電膜80が得られる。   A transparent conductive film having a concavo-convex portion 81 by selectively removing amorphous ITO having a high etching rate by using the difference in etching rate between crystalline ITO and amorphous ITO, and leaving the crystalline ITO having a low etching rate. 80 is obtained.

なお、透明導電膜80は、エッチングによる目減りを見込んで、予め厚目に形成しておくとよい。   Note that the transparent conductive film 80 is preferably formed thick in advance in anticipation of etching loss.

InGaN障壁層25b、25c、25dのIn組成xがそれぞれ0.05、0.03、0の場合について説明したが、In組成xがこの順に小さくなっていればよく、特に限定されない。   Although the case where the In composition x of the InGaN barrier layers 25b, 25c, and 25d is 0.05, 0.03, and 0 has been described, respectively, the In composition x is not particularly limited as long as the In composition x decreases in this order.

例えば、InGaN障壁層25b、25c、25dのIn組成xを0.05、0.02、0.01または0.06、0.02、0としても良い。目的の光出力が得られるように適宜定めることができる。   For example, the In composition x of the InGaN barrier layers 25b, 25c, and 25d may be 0.05, 0.02, 0.01, or 0.06, 0.02, and 0. It can be determined appropriately so as to obtain the desired light output.

InGaN井戸層26の数が4である場合について説明したが、InGaN井戸層26の数について特に制限はない。   Although the case where the number of InGaN well layers 26 is four has been described, the number of InGaN well layers 26 is not particularly limited.

(実施形態2)
本実施形態に係る半導体発光素子について、図14および図15を用いて説明する。図14は本実施形態の半導体発光素子の要部を示す断面図である。図15は要部の組成分布を示す図である。本実施形態において、上記実施形態1と同一の構成部分には同一符号を付してその部分の説明は省略し、異なる部分について説明する。本実施形態が実施形態1と異なる点は、半導体発光層をAlGaN層としたことにある。
(Embodiment 2)
The semiconductor light emitting device according to this embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 14 is a cross-sectional view showing the main part of the semiconductor light emitting device of this embodiment. FIG. 15 is a diagram showing the composition distribution of the main part. In the present embodiment, the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, description thereof will be omitted, and different portions will be described. The present embodiment is different from the first embodiment in that the semiconductor light emitting layer is an AlGaN layer.

即ち、図14に示すように、本実施形態の半導体発光素子90の半導体積層体91では、下地単結晶層であるN型GaN層12に接してN型Aly3Ga(1−y3)Nクラッド層92(以後、単にN型AlGaNクラッド層という)が設けられている。P型GaNコンタクト層14に接してP型Aly3Ga(1−y3)Nクラッド層93(以後、単にP型AlGaNクラッド層という)が設けられている。 That is, as shown in FIG. 14, in the semiconductor stacked body 91 of the semiconductor light emitting device 90 of this embodiment, the N-type Al y3 Ga (1-y3) N clad is in contact with the N-type GaN layer 12 that is the underlying single crystal layer. A layer 92 (hereinafter simply referred to as an N-type AlGaN cladding layer) is provided. A P-type Al y3 Ga (1-y3) N cladding layer 93 (hereinafter simply referred to as a P-type AlGaN cladding layer) is provided in contact with the P-type GaN contact layer 14.

半導体発光層94は、N型AlGaNクラッド層92とP型AlGaNクラッド層93の間に設けられ、Aly2Ga(1−y2)N障壁層95a、95b、95c、95d、95e(以後、単にAlGaN障壁層という)Aly1Ga(1−y1)N井戸層96a、96b、96c、96d(以後、単にAlGaN井戸層という)とが交互に積層された量子井戸構造体である。 The semiconductor light emitting layer 94 is provided between the N-type AlGaN clad layer 92 and the P-type AlGaN clad layer 93, and Al y2 Ga (1-y2) N barrier layers 95a, 95b, 95c, 95d, and 95e (hereinafter simply referred to as AlGaN). This is a quantum well structure in which Al y1 Ga (1-y1) N well layers 96a, 96b, 96c, and 96d (hereinafter simply referred to as AlGaN well layers) are alternately stacked.

半導体発光層94は、P型AlGaNクラッド層93に接するAlGaN障壁層95aで始まり、N型AlGaNクラッド層92に接するAlGaN障壁層95eで終わっている。   The semiconductor light emitting layer 94 starts with an AlGaN barrier layer 95 a in contact with the P-type AlGaN cladding layer 93 and ends with an AlGaN barrier layer 95 e in contact with the N-type AlGaN cladding layer 92.

AlGaN障壁層95a、95b、95c、95d、95eを総称するときは、AlGaN障壁層95と記し、AlGaN井戸層96a、96b、96c、96dを総称するときは、AlGaN井戸層96と記す。   The AlGaN barrier layers 95a, 95b, 95c, 95d, and 95e are collectively referred to as an AlGaN barrier layer 95, and the AlGaN well layers 96a, 96b, 96c, and 96d are collectively referred to as an AlGaN well layer 96.

AlGaN障壁層95の厚さは、例えば5nmである。AlGaN井戸層96の厚さは、例えば5nmである。AlGaN井戸層96の数は、例えば4である。   The thickness of the AlGaN barrier layer 95 is, for example, 5 nm. The thickness of the AlGaN well layer 96 is, for example, 5 nm. The number of AlGaN well layers 96 is four, for example.

AlGaN井戸層96のAl組成y1は、半導体発光素子90から波長360乃至380nmの光が放出されるように、例えば0.06程度に設定されている。   The Al composition y1 of the AlGaN well layer 96 is set to, for example, about 0.06 so that light with a wavelength of 360 to 380 nm is emitted from the semiconductor light emitting device 90.

AlGaN井戸層96のAl組成y1とAlGaN障壁層95のAl組成y2は、0<y1<y2≦1の関係にある。AlGaN障壁層95のバンドギャップはAlGaN井戸層96のバンドギャップより広くなるように設定されている。   The Al composition y1 of the AlGaN well layer 96 and the Al composition y2 of the AlGaN barrier layer 95 have a relationship of 0 <y1 <y2 ≦ 1. The band gap of the AlGaN barrier layer 95 is set to be wider than the band gap of the AlGaN well layer 96.

更に、AlGaN井戸層96に挟まれたAlGaN障壁層95b、95c、95dのうち、P型AlGaNクラッド層93に一番近いAlGaN障壁層95bのバンドギャップが残りのAlGaN障壁層95c、95dのバンドギャップより狭くなるように設定されている。   Further, of the AlGaN barrier layers 95b, 95c, and 95d sandwiched between the AlGaN well layers 96, the band gap of the AlGaN barrier layer 95b closest to the P-type AlGaN cladding layer 93 is the band gap of the remaining AlGaN barrier layers 95c and 95d. It is set to be narrower.

AlGaN障壁層95bを除いて、N型AlGaNクラッド層92側のAlGaN障壁層95のバンドギャップが、P型AlGaNクラッド層93側のAlGaN障壁層95のバンドギャップに等しいか、またはより広くなるように設定されている。   Except for the AlGaN barrier layer 95b, the band gap of the AlGaN barrier layer 95 on the N-type AlGaN cladding layer 92 side is equal to or wider than the band gap of the AlGaN barrier layer 95 on the P-type AlGaN cladding layer 93 side. Is set.

即ち、AlGaN障壁層95のバンドギャップをEg(95)と記すと、次の関係にある。
Eg(95b)<Eg(95c)≦Eg(95d)≦Eg(95a)=Eg(95e)
AlGa(1−y)N層のバンドギャップEgは、Al組成yに応じてGaNのバンドギャップ(約3.45eV)からAlNのバンドギャップ(約6.2eV)まで変化する。但し、直線的ではなく、バンドギャップボーイングにより下側に曲がっている。
That is, when the band gap of the AlGaN barrier layer 95 is expressed as Eg (95), the following relationship is established.
Eg (95b) <Eg (95c) ≦ Eg (95d) ≦ Eg (95a) = Eg (95e)
The band gap Eg of the Al y Ga (1-y) N layer varies from the band gap of GaN (about 3.45 eV) to the band gap of AlN (about 6.2 eV) depending on the Al composition y. However, it is not straight and is bent downward by band gap bowing.

図15は半導体発光層94のAl組成分布を示す図である。ここで、N型AlGaNクラッド層92およびP型AlGaNクラッド層93のAl組成y3は、0.2とした。P型AlGaNクラッド層93に接するAlGaN井戸層95aおよびN型AlGaNクラッド層92に接するAlGaN井戸層95eのAl組成y2は0.2とした。   FIG. 15 is a view showing the Al composition distribution of the semiconductor light emitting layer 94. Here, the Al composition y3 of the N-type AlGaN cladding layer 92 and the P-type AlGaN cladding layer 93 was set to 0.2. The Al composition y2 of the AlGaN well layer 95a in contact with the P-type AlGaN cladding layer 93 and the AlGaN well layer 95e in contact with the N-type AlGaN cladding layer 92 was 0.2.

図15に示すように、本実施形態の半導体発光素子90では、AlGaN障壁層95b、95c、95dのAl組成y1は、それぞれ0.09、0.12、0.15である。即ち、AlGaN障壁層95b、95c、95d、のバンドギャップはP型AlGaNクラッド層93側からN型AlGaNクラッド層92に向かって順に高くなっており、次式の関係にある。
Eg(95b)<Eg(95c)<Eg(95d)=Eg(95a)=Eg(95e)
パッド電極17aと基板電極21間に電圧を印加すると、半導体発光層15には、主面15aに略垂直な方向に電流が流れる。InGaN井戸層96に注入されたキャリアが発光再結合し、例えばピーク波長が約360乃至380nmの近紫外線光が放出される。
As shown in FIG. 15, in the semiconductor light emitting device 90 of the present embodiment, the Al compositions y1 of the AlGaN barrier layers 95b, 95c, and 95d are 0.09, 0.12, and 0.15, respectively. That is, the band gaps of the AlGaN barrier layers 95b, 95c, and 95d increase in order from the P-type AlGaN clad layer 93 side to the N-type AlGaN clad layer 92, and have the following relationship.
Eg (95b) <Eg (95c) <Eg (95d) = Eg (95a) = Eg (95e)
When a voltage is applied between the pad electrode 17a and the substrate electrode 21, a current flows through the semiconductor light emitting layer 15 in a direction substantially perpendicular to the main surface 15a. The carriers injected into the InGaN well layer 96 recombine with light and, for example, near ultraviolet light having a peak wavelength of about 360 to 380 nm is emitted.

上述した半導体発光素子90は、AlGaN障壁層95bのバンドギャップが残りのAlGaN障壁層95a、95c、95d、95eのバンドギャップより狭く設定されており、大電流を流したときに、AlGaN井戸層96a内のキャリア密度が過大にならないように構成されている。   In the semiconductor light emitting device 90 described above, the band gap of the AlGaN barrier layer 95b is set narrower than the band gaps of the remaining AlGaN barrier layers 95a, 95c, 95d, and 95e, and when a large current is passed, the AlGaN well layer 96a. It is configured so that the carrier density in the inside does not become excessive.

半導体発光素子90の動作および製造方法等は、図1に示す半導体発光素子10と同様であり、その説明は省略する。   The operation, manufacturing method, and the like of the semiconductor light emitting device 90 are the same as those of the semiconductor light emitting device 10 shown in FIG.

以上説明したように、本実施形態の半導体発光素子90では、大電流で駆動してもAlGaN井戸層96a内のキャリア密度が適正に維持されるので、オージェ再結合を抑制し、且つキャリアのオーバフローを防止することができる。従って、近紫外線(波長380−200nm)領域において、光出力の高い半導体発光素子が得られる。   As described above, in the semiconductor light emitting device 90 of the present embodiment, the carrier density in the AlGaN well layer 96a is properly maintained even when driven with a large current, so that Auger recombination is suppressed and carrier overflow occurs. Can be prevented. Therefore, a semiconductor light emitting device having a high light output in the near ultraviolet (wavelength 380-200 nm) region can be obtained.

尚、半導体発光素子90において、図10に示すように透明導電膜51、図11に示すように、P型AlGaNオーバフロー防止層162、超格子バッファ層163を設けることができる。図12に示すように半導体積層体91を導電性基板に設けることもできる。   In the semiconductor light emitting device 90, a transparent conductive film 51 can be provided as shown in FIG. 10, and a P-type AlGaN overflow prevention layer 162 and a superlattice buffer layer 163 can be provided as shown in FIG. As shown in FIG. 12, the semiconductor stacked body 91 can be provided on a conductive substrate.

AlGaN障壁層95b、95c、95dのAl組成yは、この順に大きくなっていればよく、特に限定されない。AlGaN井戸層96の数について特に制限はない。   The Al composition y of the AlGaN barrier layers 95b, 95c, and 95d is not particularly limited as long as it increases in this order. There is no particular limitation on the number of AlGaN well layers 96.

(実施形態3)
本実施形態に係る半導体発光素子について、図16を用いて説明する。図16は本実施形態の半導体発光素子を示す図で、図16(a)はその上部を除去して眺めた平面図、図16(b)は図16(a)のC−C線に沿って切断し矢印方向に眺めた断面図である。
(Embodiment 3)
The semiconductor light emitting device according to this embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 16 is a view showing the semiconductor light emitting device of this embodiment, FIG. 16 (a) is a plan view with its upper portion removed, and FIG. 16 (b) is along the line CC in FIG. 16 (a). It is sectional drawing which cut | disconnected and looked in the arrow direction.

本実施形態において、上記実施形態1と同一の構成部分には同一符号を付してその部分の説明は省略し、異なる部分について説明する。本実施形態が実施形態1と異なる点は、半導体発光層に流れる電流をP型半導体層側から取り出すようにしたことにある。   In the present embodiment, the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, description thereof will be omitted, and different portions will be described. This embodiment is different from the first embodiment in that the current flowing in the semiconductor light emitting layer is extracted from the P-type semiconductor layer side.

図16に示すように、本実施形態の半導体発光素子210では、P側電極211がP型GaNコンタクト層14上に設けられていることは、図1に示す半導体発光素子10と同様である。   As shown in FIG. 16, in the semiconductor light emitting device 210 of the present embodiment, the P-side electrode 211 is provided on the P-type GaN contact layer 14 as in the semiconductor light emitting device 10 shown in FIG. 1.

異なるのは、N側電極212が、半導体発光層15の主面15aから主面15aに垂直な方向にP側電極211と等距離にある部分aを複数有し、その部分aにおいてP側電極211がN側電極212を囲むように配置されていることである。また、部分aは、N側電極212がP側電極211を含む平面と交差する部分とも言える。   The difference is that the N-side electrode 212 has a plurality of portions a that are equidistant from the P-side electrode 211 in the direction perpendicular to the major surface 15a from the major surface 15a of the semiconductor light emitting layer 15, and the P-side electrode in the portion a 211 is arranged so as to surround the N-side electrode 212. The portion a can also be said to be a portion where the N-side electrode 212 intersects the plane including the P-side electrode 211.

即ち、N側電極212は、P側電極211から半導体発光層15を貫通してN型GaNクラッド層12に接触する複数の柱状の第1N側電極212aを有している。第1N側電極212aは、例えば一点鎖線で示す六角形bの各頂点および中心点に配置されている(ハニカム構造)。第1N側電極212aは、例えば直径2乃至20μmの円形である。隣接する第1N側電極212a間の距離は、例えば10乃至100μmである。   That is, the N-side electrode 212 has a plurality of columnar first N-side electrodes 212 a that contact the N-type GaN cladding layer 12 through the semiconductor light emitting layer 15 from the P-side electrode 211. The first N-side electrode 212a is disposed, for example, at each vertex and center point of the hexagon b shown by a one-dot chain line (honeycomb structure). The first N-side electrode 212a is, for example, a circle having a diameter of 2 to 20 μm. The distance between adjacent first N-side electrodes 212a is, for example, 10 to 100 μm.

第1N側電極212aは、半導体発光層15とN型GaNクラッド層12の界面からN型GaNクラッド層12内に高さH1だけ突出している。第1N側電極212aは、側面が絶縁膜213で覆われ、P側電極211乃至半導体発光層15と電気的に分離されている。   The first N-side electrode 212a protrudes from the interface between the semiconductor light emitting layer 15 and the N-type GaN cladding layer 12 into the N-type GaN cladding layer 12 by a height H1. The side surface of the first N-side electrode 212 a is covered with an insulating film 213 and is electrically separated from the P-side electrode 211 to the semiconductor light emitting layer 15.

更に、N側電極212は、P側電極211上に絶縁膜213を介して設けられ、複数の第1N側電極212aが共通接続された第2N側電極212bを有している。絶縁膜213は、例えばCVD(Chemical Vapor Deposition)法により形成された厚さ100乃至300nmのシリコン酸化膜である。   Further, the N-side electrode 212 includes a second N-side electrode 212b that is provided on the P-side electrode 211 via an insulating film 213 and has a plurality of first N-side electrodes 212a connected in common. The insulating film 213 is a silicon oxide film having a thickness of 100 to 300 nm formed by, for example, a CVD (Chemical Vapor Deposition) method.

第1N側電極212aは、半導体発光層15に流れる電流をP型半導体層側に引き出すために設けられている。第2N側電極212bは、各第1N側電極212aにより引き出された電流を集電するために設けられている。   The first N-side electrode 212a is provided to draw the current flowing through the semiconductor light emitting layer 15 to the P-type semiconductor layer side. The second N-side electrode 212b is provided to collect the current drawn by each first N-side electrode 212a.

半導体積層体11は、N側電極212側が導電性の接合層19を挟んで導電性の支持基板20に設けられている。第2N側電極212bが接合層19と接触している。半導体積層体11には、半導体積層体11を貫通する切り欠き部11aが設けられている。P側電極211の一部が、切り欠き部11aに露出し、P側電極パッド211aになる。   In the semiconductor stacked body 11, the N-side electrode 212 side is provided on the conductive support substrate 20 with the conductive bonding layer 19 interposed therebetween. The second N-side electrode 212 b is in contact with the bonding layer 19. The semiconductor stacked body 11 is provided with a notch portion 11 a penetrating the semiconductor stacked body 11. A part of the P-side electrode 211 is exposed to the notch 11a and becomes the P-side electrode pad 211a.

本実施形態の半導体発光素子210では、P側電極211から注入されたホールは半導体発光層15によりInGaN井戸層26のホール密度が均一化されるとともに、N側電極212から注入された電子が平面的に均一に分布するように構成されている。   In the semiconductor light emitting device 210 of the present embodiment, holes injected from the P-side electrode 211 are made uniform by the semiconductor light-emitting layer 15 so that the hole density of the InGaN well layer 26 is uniform, and electrons injected from the N-side electrode 212 are planar. Are uniformly distributed.

P側電極パッド211aを電源の正極端子に接続し、基板電極21を電源の負極端子に接続すると、矢印cに示すように電流はP側電極211から第1N側電極212aに集中するように流れる。破線で示す六角形dは、P側電極211から第1N側電極212aに集電される領域を示す仮想線である。これにより、半導体発光素子210の面内での電流分布は均一化される。   When the P-side electrode pad 211a is connected to the positive terminal of the power source and the substrate electrode 21 is connected to the negative terminal of the power source, current flows so as to concentrate from the P-side electrode 211 to the first N-side electrode 212a as shown by the arrow c. . A hexagon d indicated by a broken line is a virtual line indicating a region where current is collected from the P-side electrode 211 to the first N-side electrode 212a. Thereby, the current distribution in the plane of the semiconductor light emitting element 210 is made uniform.

隣接する第1N側電極212a間の距離が10乃至100μmであるのに対して、P型GaNコンタクト層14から半導体発光層15までの厚さは、高々145nmである。半導体発光層15の主面15aに平行な方向の距離と半導体発光層15の主面15aに垂直な方向の距離の比は、1桁乃至2桁以上大きい。   While the distance between adjacent first N-side electrodes 212a is 10 to 100 μm, the thickness from the P-type GaN contact layer 14 to the semiconductor light emitting layer 15 is 145 nm at most. The ratio of the distance in the direction parallel to the main surface 15a of the semiconductor light emitting layer 15 and the distance in the direction perpendicular to the main surface 15a of the semiconductor light emitting layer 15 is one digit to two digits or more.

そのため、電流は半導体発光層15の主面15aに平行な方向に流れる電流が主になり、半導体発光層15の主面に垂直な方向に流れる電流が従になりやすい。   Therefore, the current mainly flows in the direction parallel to the main surface 15 a of the semiconductor light emitting layer 15, and the current flowing in the direction perpendicular to the main surface of the semiconductor light emitting layer 15 tends to follow.

そこで、半導体発光層15の主面15aに垂直な方向の電流を増やすために、第1N側電極212aがN型GaNクラッド層12内に突出する高さH1はできるだけ大きくすることが必要である。N型GaNクラッド層12の厚さが4μmの場合、高さH1は、例えば2μm以上とすることが望ましい。   Therefore, in order to increase the current in the direction perpendicular to the main surface 15a of the semiconductor light emitting layer 15, the height H1 at which the first N-side electrode 212a protrudes into the N-type GaN cladding layer 12 needs to be as large as possible. When the thickness of the N-type GaN cladding layer 12 is 4 μm, the height H1 is desirably 2 μm or more, for example.

これにより、半導体発光層15の主面15aに平行な方向の距離と半導体発光層15の主面15aに垂直な方向の距離の比は、1桁台に低減される。半導体発光層15の主面15aに垂直な方向の電流を増加させることができる。   Thereby, the ratio of the distance in the direction parallel to the main surface 15a of the semiconductor light emitting layer 15 and the distance in the direction perpendicular to the main surface 15a of the semiconductor light emitting layer 15 is reduced to an order of magnitude. The current in the direction perpendicular to the major surface 15a of the semiconductor light emitting layer 15 can be increased.

次に、半導体発光素子210の光出力をシミュレーションした結果について、図17を用いて説明する。図17において、シミュレーション条件および第1乃至第3比較例は、図5に示すシミュレーション条件および第1乃至第3比較例と同じものである。   Next, the result of simulating the light output of the semiconductor light emitting element 210 will be described with reference to FIG. In FIG. 17, the simulation conditions and the first to third comparative examples are the same as the simulation conditions and the first to third comparative examples shown in FIG.

図17に示すように、本実施形態の半導体発光素子210では、第1乃至第3比較例の半導体発光素子に比べて高い光出力が得られている。これから、半導体発光層15の主面15aに垂直な方向の電流が十分確保されていることが確かめられた。   As shown in FIG. 17, in the semiconductor light emitting device 210 of this embodiment, a higher light output is obtained than the semiconductor light emitting devices of the first to third comparative examples. From this, it was confirmed that a current in a direction perpendicular to the main surface 15a of the semiconductor light emitting layer 15 was sufficiently secured.

次に、半導体発光素子210の製造方法について、図18および図19を参照して説明する。図18および図19は半導体発光素子210の製造工程の要部を順に示す断面図である。   Next, a method for manufacturing the semiconductor light emitting device 210 will be described with reference to FIGS. 18 and 19 are cross-sectional views sequentially showing the main part of the manufacturing process of the semiconductor light emitting device 210.

始めに、図7(a)および図7(b)と同様にして、MOCVD方によりサファイア基板41に半導体積層体11を形成する。半導体積層体11のP型GaNコンタクト層14上にP側電極211を形成する。   First, the semiconductor stacked body 11 is formed on the sapphire substrate 41 by MOCVD in the same manner as in FIGS. 7A and 7B. A P-side electrode 211 is formed on the P-type GaN contact layer 14 of the semiconductor stacked body 11.

次に、図18(a)に示すように、フォトリソグラフィ法によりP型GaNコンタクト層14上に、第1N側電極212aに対応する開口221aを有するレジスト膜221を形成する。レジスト膜221をマスクとして、例えばよう素系エッチャントを用いたウェットエッチングによりP側電極211を除去し、P型GaNコンタクト層14を露出させる。   Next, as shown in FIG. 18A, a resist film 221 having an opening 221a corresponding to the first N-side electrode 212a is formed on the P-type GaN contact layer 14 by photolithography. Using the resist film 221 as a mask, the P-side electrode 211 is removed by wet etching using, for example, an iodine-based etchant, and the P-type GaN contact layer 14 is exposed.

塩素系ガスを用いたRIE(Reactive Ion Etching)法により半導体積層体11を異方性エッチングする。異方性エッチングは、N型GaNクラッド層12が深さH1だけ掘り下げられるまで行う。これにより、ビアホール222が得られる。   The semiconductor stacked body 11 is anisotropically etched by RIE (Reactive Ion Etching) using chlorine-based gas. The anisotropic etching is performed until the N-type GaN cladding layer 12 is dug down to a depth H1. Thereby, the via hole 222 is obtained.

次に、レジスト膜221を除去した後、図18(b)に示すように、CVD法によりP型GaNコンタクト層14、ビアホール222の側面および底面をコンフォーマルに覆うシリコン酸化膜223を形成する。   Next, after removing the resist film 221, as shown in FIG. 18B, a silicon oxide film 223 that conformally covers the P-type GaN contact layer 14 and the side and bottom surfaces of the via hole 222 is formed by CVD.

次に、図18(c)に示すように、ビアホール222の底面のシリコン酸化膜223のみ除去する。これにより、P型GaNコンタクト層14上、ビアホール222の側面および底面を覆う絶縁膜213が得られる。尚、ビアホール222の底面のシリコン酸化膜223の除去は、例えば以下のようにして行う。   Next, as shown in FIG. 18C, only the silicon oxide film 223 on the bottom surface of the via hole 222 is removed. As a result, an insulating film 213 that covers the side surface and the bottom surface of the via hole 222 on the P-type GaN contact layer 14 is obtained. The removal of the silicon oxide film 223 on the bottom surface of the via hole 222 is performed as follows, for example.

シリコン酸化膜223上にポジ型レジスト膜を形成する。フォトリソグラフィ法によりビアホール222の底面のレジスト膜のみ露光・現像し、ビアホール222の底面のシリコン酸化膜223を露出させる。露出したシリコン酸化膜223を、例えばフッ酸を含む水溶液によりウェットエッチングする。レジスト膜を除去する。   A positive resist film is formed on the silicon oxide film 223. Only the resist film on the bottom surface of the via hole 222 is exposed and developed by photolithography to expose the silicon oxide film 223 on the bottom surface of the via hole 222. The exposed silicon oxide film 223 is wet-etched with an aqueous solution containing hydrofluoric acid, for example. The resist film is removed.

次に、図19(a)に示すように、例えばスパッタリング法により絶縁膜213上にTi/Pt/Au積層膜を形成する。これにより、絶縁膜213を介して、ビアホール222内に埋め込まれた第1N側電極212aとP型GaNコンタクト層14上に形成された第2N側電極212bを有するN側電極212が得られる。   Next, as shown in FIG. 19A, a Ti / Pt / Au laminated film is formed on the insulating film 213 by, eg, sputtering. As a result, the N-side electrode 212 having the first N-side electrode 212 a embedded in the via hole 222 and the second N-side electrode 212 b formed on the P-type GaN contact layer 14 is obtained via the insulating film 213.

次に、図7(c)乃至図9と同様にして、サファイア基板41とシリコン基板42を接合し、サファイア基板41を除去し、露出したN型GaNクラッド層12に凹凸部12aを形成する。   Next, in the same manner as in FIGS. 7C to 9, the sapphire substrate 41 and the silicon substrate 42 are bonded together, the sapphire substrate 41 is removed, and the uneven portion 12 a is formed in the exposed N-type GaN cladding layer 12.

次に、図19(b)に示すように、N型GaNクラッド層12上に切り欠き部11aに対応する開口224aを有するレジスト膜224を形成し、RIE法により半導体積層体11を異方性エッチングし、P側電極211の一部を露出させる。露出したP側電極211がP側電極パッド211aである。レジスト膜224を除去する。これにより、図16に示す半導体発光素子210が得られる。   Next, as shown in FIG. 19B, a resist film 224 having an opening 224a corresponding to the notch 11a is formed on the N-type GaN cladding layer 12, and the semiconductor multilayer body 11 is anisotropically formed by RIE. Etching is performed to expose a part of the P-side electrode 211. The exposed P-side electrode 211 is a P-side electrode pad 211a. The resist film 224 is removed. Thereby, the semiconductor light emitting device 210 shown in FIG. 16 is obtained.

以上説明したように、本実施形態の半導体発光素子210では、N側電極212はP型半導体層側に設けられている。光取り出し面であるN型GaNクラッド層12上に電極が無いため、N型GaNクラッド層12の表面から取り出される光が電極で遮られることはない。従って、半導体発光素子210の光出力を増加させることができる利点がある。   As described above, in the semiconductor light emitting device 210 of this embodiment, the N-side electrode 212 is provided on the P-type semiconductor layer side. Since there is no electrode on the N-type GaN cladding layer 12 that is the light extraction surface, the light extracted from the surface of the N-type GaN cladding layer 12 is not blocked by the electrode. Therefore, there is an advantage that the light output of the semiconductor light emitting device 210 can be increased.

なお、図11に示す半導体発光素子60と同様に、半導体発光層15とP型GaNクラッド層13の間にP型AlGaN層オーバフロー防止層62が設けられていてもよい。N型GaNクラッド層12と半導体発光層15の間に超格子バッファ層63が設けられていてもよい。   Similar to the semiconductor light emitting device 60 shown in FIG. 11, a P-type AlGaN layer overflow prevention layer 62 may be provided between the semiconductor light-emitting layer 15 and the P-type GaN cladding layer 13. A superlattice buffer layer 63 may be provided between the N-type GaN cladding layer 12 and the semiconductor light emitting layer 15.

N側電極212が第2N側電極212bを有する場合について説明したが、第2N側電極212bは無くても特に支障はない。第1N側電極212aが接合層19と確実に接触していればよい。   Although the case where the N-side electrode 212 includes the second N-side electrode 212b has been described, there is no particular problem even if the second N-side electrode 212b is not provided. It is only necessary that the first N-side electrode 212a is in contact with the bonding layer 19 reliably.

部分aにおいてP側電極がN側電極を囲うように配置されている場合について説明したが、N側電極がP側電極を囲うように配置されていてもよい。   Although the case where the P-side electrode is disposed so as to surround the N-side electrode in the portion a has been described, the N-side electrode may be disposed so as to surround the P-side electrode.

図20は、N側電極がP側電極を囲うように配置された半導体発光素子を示す図で、図20(a)はその上部を除去して眺めた平面図、図20(b)は図20(a)のD−D線に沿って切断し矢印方向に眺めた断面図である。   20A and 20B are diagrams showing a semiconductor light emitting device in which the N-side electrode is disposed so as to surround the P-side electrode. FIG. 20A is a plan view with the upper portion removed, and FIG. It is sectional drawing cut | disconnected along the DD line of 20 (a) and looked at the arrow direction.

図20に示すように、半導体発光素子230では、P側電極231はP型GaNコンタクト層14上に設けられている。N側電極232は、半導体発光層15の主面15aから主面15aに垂直な方向にP側電極231と等距離にある部分aを複数有し、その部分aにおいてN側電極232がP側電極231を囲むように配置されている。   As shown in FIG. 20, in the semiconductor light emitting device 230, the P-side electrode 231 is provided on the P-type GaN contact layer 14. The N-side electrode 232 has a plurality of portions a that are equidistant from the main surface 15a of the semiconductor light emitting layer 15 in the direction perpendicular to the main surface 15a, and the N-side electrode 232 is P-side in the portion a. It arrange | positions so that the electrode 231 may be enclosed.

即ち、N側電極232は、P側電極231から半導体発光層15を貫通してN型GaNクラッド層12に接触する六角格子状(ハニカム構造)の細線電極である。N側電極232は、例えば幅2乃至20μmの細線である。六角形の一辺の長さは、例えば6乃至60μmである。   That is, the N-side electrode 232 is a hexagonal lattice-shaped (honeycomb structure) thin wire electrode that penetrates the semiconductor light emitting layer 15 from the P-side electrode 231 and contacts the N-type GaN cladding layer 12. The N-side electrode 232 is a thin line having a width of 2 to 20 μm, for example. The length of one side of the hexagon is, for example, 6 to 60 μm.

N側電極232は、半導体発光層15とN型GaNクラッド層12の界面からN型GaNクラッド層12内に高さH1だけ突出している。N側電極232は、側面およびP側電極231側の端面が絶縁膜233で覆われ、P側電極231乃至半導体発光層15と電気的に分離されている。   The N-side electrode 232 protrudes from the interface between the semiconductor light emitting layer 15 and the N-type GaN cladding layer 12 into the N-type GaN cladding layer 12 by a height H1. The N-side electrode 232 has a side surface and an end surface on the P-side electrode 231 side covered with an insulating film 233 and is electrically separated from the P-side electrode 231 to the semiconductor light emitting layer 15.

P側電極231は六角格子状のN側電極232で分割されて、N側電極232で囲まれるようになっている。   The P-side electrode 231 is divided by a hexagonal lattice-shaped N-side electrode 232 and is surrounded by the N-side electrode 232.

更に、半導体積層体11は、P型GaNコンタクト層14から半導体発光層15の一部が除去され、N型GaNクラッド層12を露出させる切り欠き部11bを有している。切り欠き部11bに露出したN型GaNクラッド層12上に、柱状のN側電極バンプ234が設けられている。N側電極バンプ234は、隣接するN側電極232に接触している。   Further, the semiconductor stacked body 11 has a notch portion 11 b in which a part of the semiconductor light emitting layer 15 is removed from the P-type GaN contact layer 14 and the N-type GaN cladding layer 12 is exposed. A columnar N-side electrode bump 234 is provided on the N-type GaN cladding layer 12 exposed at the notch 11b. The N-side electrode bump 234 is in contact with the adjacent N-side electrode 232.

半導体積層体11は、P側電極231側が接合層19を挟んで導電性の支持基板20に設けられている。六角形状の各P側電極231は接合層19と接触し、接合層19に電気的に共通接続されている。   In the semiconductor stacked body 11, the P-side electrode 231 side is provided on the conductive support substrate 20 with the bonding layer 19 interposed therebetween. Each hexagonal P-side electrode 231 is in contact with the bonding layer 19 and electrically connected to the bonding layer 19 in common.

支持基板20には、半導体積層体11に隣接して図示されない凹部が設けられ、その凹部に、例えばCVD法により絶縁膜235が埋め込まれている。絶縁膜235上にN側電極パッド236が設けられている。N側電極パッド235は、N側電極バンプ234に接触している。   The support substrate 20 is provided with a recess (not shown) adjacent to the semiconductor stacked body 11, and an insulating film 235 is embedded in the recess by, for example, a CVD method. An N-side electrode pad 236 is provided on the insulating film 235. The N-side electrode pad 235 is in contact with the N-side electrode bump 234.

基板電極21を電源の正極端子に接続し、N側電極パッド236を電源の負極端子に接続すると、矢印bに示すように電流はP側電極231から半導体発光層15を通ってP側電極231を囲むN側電極232に流れ込む。   When the substrate electrode 21 is connected to the positive terminal of the power supply and the N-side electrode pad 236 is connected to the negative terminal of the power supply, current flows from the P-side electrode 231 through the semiconductor light emitting layer 15 as shown by the arrow b. Flows into the N-side electrode 232 surrounding the.

P側電極231を囲むN側電極232に流れ込んだ電流は集電され、矢印cに示すようにN側電極232からN側電極バンプ234およびN側電極パッド236を介して取りだされる。従って、半導体発光素子230の面内での電流分布は均一化される。   The current flowing into the N-side electrode 232 surrounding the P-side electrode 231 is collected and taken out from the N-side electrode 232 through the N-side electrode bump 234 and the N-side electrode pad 236 as indicated by an arrow c. Therefore, the current distribution in the plane of the semiconductor light emitting device 230 is made uniform.

次に、半導体発光素子230の製造方法について説明する。図21および図22は半導体発光素子230の製造工程の要部を示す断面図である。   Next, a method for manufacturing the semiconductor light emitting device 230 will be described. 21 and 22 are cross-sectional views showing the main parts of the manufacturing process of the semiconductor light emitting device 230.

始めに、図7(a)および図7(b)と同様にして、サファイア基板41に半導体積層体11を形成する。半導体積層体11のP型GaNコンタクト層14上にP側電極231を形成する。   First, the semiconductor stacked body 11 is formed on the sapphire substrate 41 in the same manner as in FIGS. 7A and 7B. A P-side electrode 231 is formed on the P-type GaN contact layer 14 of the semiconductor stacked body 11.

次に、図21(a)に示すように、フォトリソグラフィ法によりP側電極231上に、六角格子状のN側電極232に対応する開口241aおよび切り欠き部11bに対応する開口241bを有するレジスト膜241を形成する。   Next, as shown in FIG. 21A, a resist having an opening 241a corresponding to the hexagonal latticed N-side electrode 232 and an opening 241b corresponding to the notch 11b on the P-side electrode 231 by photolithography. A film 241 is formed.

レジスト膜241をマスクとし、よう素系エッチャントを用いてP側電極231をウェットエッチングし、P型GaNコンタクト層14を露出させる。この段階で、P側電極231は六角形状に分割される。   Using the resist film 241 as a mask, the P-side electrode 231 is wet-etched using an iodine-based etchant to expose the P-type GaN contact layer 14. At this stage, the P-side electrode 231 is divided into hexagonal shapes.

塩素系ガスを用いたRIE法により半導体積層体11を異方性エッチングする。異方性エッチングは、N型GaNクラッド層12が深さH1だけ掘り下げられるまで行う。これにより、六角格子状のトレンチ242および切り欠き部11bが得られる。   The semiconductor stacked body 11 is anisotropically etched by the RIE method using a chlorine-based gas. The anisotropic etching is performed until the N-type GaN cladding layer 12 is dug down to a depth H1. As a result, hexagonal lattice-like trenches 242 and notches 11b are obtained.

次に、レジスト膜241を除去した後、図21(b)に示すように、CVD法によりP側電極231上、トレンチ242の側面および底面にコンフォーマルにシリコン酸化膜を形成する。このとき、切り欠き部11bの側面および底面にもシリコン酸化膜が形成される。   Next, after removing the resist film 241, as shown in FIG. 21B, a silicon oxide film is conformally formed on the P-side electrode 231 and on the side and bottom surfaces of the trench 242 by the CVD method. At this time, a silicon oxide film is also formed on the side surface and the bottom surface of the notch 11b.

次に、フッ素系ガスを用いたRIE法によりシリコン酸化膜を異方性エッチングする。P側電極231上、トレンチ242の底面、切り欠き部11bの底面のシリコン酸化膜が除去され、トレンチ242の側面、切り欠き部11bの側面のシリコン酸化膜が残置される。これにより、トレンチ242の側面に絶縁膜233が形成される。   Next, the silicon oxide film is anisotropically etched by the RIE method using a fluorine-based gas. On the P-side electrode 231, the silicon oxide film on the bottom surface of the trench 242 and the bottom surface of the notch portion 11b is removed, and the silicon oxide film on the side surface of the trench 242 and the side surface of the notch portion 11b is left. Thereby, an insulating film 233 is formed on the side surface of the trench 242.

次に、図21(c)に示すように、トレンチ242内にN側電極232を埋め込み、N側電極232の端面を絶縁膜でカバーする。この絶縁膜は、絶縁膜233の一部になる。同時に、N側電極バンプ234を形成する。   Next, as shown in FIG. 21C, the N-side electrode 232 is embedded in the trench 242, and the end face of the N-side electrode 232 is covered with an insulating film. This insulating film becomes a part of the insulating film 233. At the same time, the N-side electrode bump 234 is formed.

次に、図22(a)に示すように、シリコン基板42に、切り欠き部11bと対応する凹部を形成し、シリコン基板20上に、例えばCVD法によりシリコン酸化膜を形成し、シリコン基板20が露出するまで、例えばCMP法によりシリコン酸化膜を除去する。これによりシリコン基板42に埋め込まれた絶縁膜235が得られる。   Next, as shown in FIG. 22A, a recess corresponding to the notch 11b is formed in the silicon substrate 42, and a silicon oxide film is formed on the silicon substrate 20 by, for example, a CVD method. The silicon oxide film is removed by, for example, the CMP method until is exposed. As a result, an insulating film 235 embedded in the silicon substrate 42 is obtained.

次に、シリコン基板42上に接合層19を形成し、絶縁膜234上にN側電極パッド236を形成する。N側電極パッド236は、接合層19と同じものがよい。   Next, the bonding layer 19 is formed on the silicon substrate 42, and the N-side electrode pad 236 is formed on the insulating film 234. The N-side electrode pad 236 is preferably the same as the bonding layer 19.

次に、図22(b)に示すように、サファイア基板41を上下反転し、シリコン基板42と向かい合わせ、P側電極231と接合層19を重ね合わせ、N側電極バンプ234とN側電極パッド236を重ね合わせ、押圧してN側電極232と接続する。   Next, as shown in FIG. 22B, the sapphire substrate 41 is turned upside down, facing the silicon substrate 42, the P-side electrode 231 and the bonding layer 19 are overlaid, and the N-side electrode bump 234 and the N-side electrode pad are overlapped. 236 are overlapped and pressed to connect to the N-side electrode 232.

次に、図8および図9と同様にして、サファイア基板41とシリコン基板42を接合し、サファイア基板41を除去し、露出したN型GaNクラッド層12に凹凸部12aを形成する。これにより、図20に示す半導体発光素子230が得られる。   Next, similarly to FIGS. 8 and 9, the sapphire substrate 41 and the silicon substrate 42 are bonded, the sapphire substrate 41 is removed, and the concavo-convex portion 12 a is formed in the exposed N-type GaN clad layer 12. Thereby, the semiconductor light emitting device 230 shown in FIG. 20 is obtained.

以上説明したように、本実施形態の半導体発光素子230では、六角格子状のN側電極232は、部分aにおいてP側電極231を囲むように配置されている。   As described above, in the semiconductor light emitting device 230 of this embodiment, the hexagonal lattice-shaped N-side electrode 232 is disposed so as to surround the P-side electrode 231 in the portion a.

この構造においても、P側電極231をN側電極232が囲む構造になっているので、P側電極231の中心からN側電極232までの距離が均一である。従って、図16に示す半導体発光素子210と同様の効果を得ることができる。   Also in this structure, since the N-side electrode 232 surrounds the P-side electrode 231, the distance from the center of the P-side electrode 231 to the N-side electrode 232 is uniform. Therefore, the same effect as the semiconductor light emitting device 210 shown in FIG. 16 can be obtained.

また、この構造では半導体発光層15の周囲もN側電極232で囲まれているため、光を上方のNクラッド層12側から取り出しやすくなっている。トレンチ242を形成する際に側面に角度を設け斜面にすることにより、さらに光を上方に向けることもできる。   Further, in this structure, since the periphery of the semiconductor light emitting layer 15 is also surrounded by the N-side electrode 232, light can be easily extracted from the upper side of the N clad layer 12. When the trench 242 is formed, an angle is provided on the side surface to form an inclined surface, whereby the light can be further directed upward.

即ち、図23(a)に示すように六角形状のN側電極232において、六角形の対向する2側面の少なくとも一方の側面を傾斜させることにより側面に垂直に入射した光は上方に向けることができる。一方、図23(b)に示すように、六角形の対向する2側面が平行の場合は、側面に垂直に入射した光は上方に向けることはできない。   That is, as shown in FIG. 23A, in the hexagonal N-side electrode 232, by tilting at least one of the two opposite sides of the hexagon, light incident perpendicular to the side can be directed upward. it can. On the other hand, as shown in FIG. 23 (b), when the two side surfaces of the hexagon facing each other are parallel, the light incident perpendicularly to the side surfaces cannot be directed upward.

以上、いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。   Although some embodiments have been described above, these embodiments are presented as examples and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.

なお、以下の付記に記載されているような構成が考えられる。
(付記1) 前記N型半導体層はN型GaNクラッド層を含み、前記P型半導体層はP型GaNクラッド層およびP型GaNコンタクト層を含む請求項1または請求項4に記載の半導体発光素子。
Note that the configurations described in the following supplementary notes are conceivable.
(Supplementary note 1) The semiconductor light emitting element according to claim 1 or 4, wherein the N type semiconductor layer includes an N type GaN cladding layer, and the P type semiconductor layer includes a P type GaN cladding layer and a P type GaN contact layer. .

(付記2) 前記N型半導体層は、前記N型GaNクラッド層と前記半導体発光層との間に設けられた超格子バッファ層を有する付記1に記載の半導体発光素子。 (Supplementary note 2) The semiconductor light-emitting element according to supplementary note 1, wherein the N-type semiconductor layer includes a superlattice buffer layer provided between the N-type GaN cladding layer and the semiconductor light-emitting layer.

(付記3) 前記P型半導体層は、前記P型GaNクラッド層と前記半導体発光層との間に設けられたP型AlGaNオーバフロー防止層を有する付記1に記載の半導体発光素子。 (Supplementary note 3) The semiconductor light-emitting element according to supplementary note 1, wherein the P-type semiconductor layer includes a P-type AlGaN overflow prevention layer provided between the P-type GaN cladding layer and the semiconductor light-emitting layer.

(付記4) 前記透明導電膜がITO膜、ZnO膜またはSnO膜である請求項3に記載の半導体発光素子。 (Supplementary Note 4) The transparent conductive film is an ITO film, a semiconductor light-emitting device according to claim 3 is a ZnO film or Sn 2 O film.

(付記5) 前記半導体発光層が前記P側電極を挟んで導電性の支持基板上に設けられている請求項1または請求項4に記載の半導体発光素子。 (Additional remark 5) The said semiconductor light emitting layer is a semiconductor light-emitting device of Claim 1 or Claim 4 provided on the electroconductive support substrate on both sides of the said P side electrode.

(付記6) 導電性の支持基板と、
N型半導体層と、井戸層と障壁層が交互に積層された多重量子井戸構造を有し、前記井戸層に挟まれた前記障壁層のうち、前記P型半導体層に一番近い前記障壁層のバンドギャップが残りの前記障壁層のバンドギャップより狭い半導体発光層と、P型半導体層と、が順に積層された半導体積層体と、
前記半導体積層体の前記N型半導体層上に設けられた細線電極と、
前記導電性基板と前記P型半導体層の間に設けられ、前記半導体発光層から放出された光を反射する金属電極と、
を具備する半導体発光素子。
(Appendix 6) a conductive support substrate;
The barrier layer having a multiple quantum well structure in which an N-type semiconductor layer, well layers and barrier layers are alternately stacked, and is closest to the P-type semiconductor layer among the barrier layers sandwiched between the well layers A semiconductor stacked body in which a semiconductor light emitting layer whose band gap is narrower than a band gap of the remaining barrier layer, and a P-type semiconductor layer are sequentially stacked;
A fine wire electrode provided on the N-type semiconductor layer of the semiconductor laminate;
A metal electrode provided between the conductive substrate and the P-type semiconductor layer for reflecting light emitted from the semiconductor light emitting layer;
A semiconductor light emitting device comprising:

(付記7)
前記導電性の支持基板は、シリコン基板、金属基板、セラミックス基板、ゲルマニウム基板である付記5または付記6に記載の半導体発光素子。
(Appendix 7)
The semiconductor light-emitting element according to appendix 5 or appendix 6, wherein the conductive support substrate is a silicon substrate, a metal substrate, a ceramic substrate, or a germanium substrate.

10、50、60、70、90、210、230 半導体発光素子
11、61、91 半導体積層体
12 N型GaNクラッド層
12a、81 凹凸部
13 P型GaNクラッド層
14 P型GaNコンタクト層
15、94 半導体発光層
15a 主面
17 パッド電極
17a 細線電極
18 金属電極
19 接合層
20 支持基板
21、72 基板電極
25 InGaN障壁層
26 InGaN井戸層
41 サファイア基板
42 シリコン基板
43、44 金膜
45 金錫合金膜
46 ヒータ
47 レーザ光
48 Ga層
51、80 透明導電膜
62 P型AlGaNオーバフロー防止層
63 超格子バッフア層
71 導電性基板
92 N型AlGaNクラッド層
93 P型AlGaNクラッド層
95 AlGaN障壁層
96 AlGaN井戸層
211、231 P側電極
212、232 N側電極
213、233、235 絶縁膜
221、224、241 レジスト膜
222 ビアホール
223 シリコン酸化膜
234 N側電極バンプ
236 N側電極パッド
242 トレンチ
10, 50, 60, 70, 90, 210, 230 Semiconductor light emitting device 11, 61, 91 Semiconductor laminate 12 N-type GaN cladding layer 12a, 81 Concavity and convexity 13 P-type GaN cladding layer 14 P-type GaN contact layers 15, 94 Semiconductor light emitting layer 15a Main surface 17 Pad electrode 17a Fine wire electrode 18 Metal electrode 19 Bonding layer 20 Support substrate 21, 72 Substrate electrode 25 InGaN barrier layer 26 InGaN well layer 41 Sapphire substrate 42 Silicon substrate 43, 44 Gold film 45 Gold-tin alloy film 46 heater 47 laser beam 48 Ga layer 51, 80 transparent conductive film 62 P-type AlGaN overflow prevention layer 63 superlattice buffer layer 71 conductive substrate 92 N-type AlGaN cladding layer 93 P-type AlGaN cladding layer 95 AlGaN barrier layer 96 AlGaN well layer 211, 231 P-side electrodes 212, 23 N-side electrodes 213,233,235 insulating film 221,224,241 resist film 222 via hole 223 silicon oxide film 234 N side electrode bumps 236 N-side electrode pad 242 trench

Claims (14)

N型半導体層と、
P型半導体層と、
前記N型およびP型半導体層の間に設けられ、井戸層と障壁層が交互に積層された多重量子井戸構造を有し、前記井戸層に挟まれた前記障壁層のうち、前記P型半導体層に一番近い前記障壁層のバンドギャップが残りの前記障壁層のバンドギャップより狭い半導体発光層と、
前記半導体発光層の主面に略垂直な方向に電流が流れるように、前記N型半導体層およびP型半導体層に電気的に接続されたN側電極およびP側電極と、
を具備することを特徴とする半導体発光素子。
An N-type semiconductor layer;
A P-type semiconductor layer;
The P-type semiconductor of the barrier layers provided between the N-type and P-type semiconductor layers, having a multiple quantum well structure in which well layers and barrier layers are alternately stacked. A semiconductor light emitting layer in which the band gap of the barrier layer closest to the layer is narrower than the band gap of the remaining barrier layers;
An N-side electrode and a P-side electrode electrically connected to the N-type semiconductor layer and the P-type semiconductor layer so that a current flows in a direction substantially perpendicular to the main surface of the semiconductor light emitting layer;
A semiconductor light emitting element comprising:
前記P側電極は前記P型半導体層上に設けられ、前記半導体発光層から放出される光を反射する金属電極であり、前記N側電極は前記N型半導体層上に設けられた細線電極であることを特徴とする請求項1に記載の半導体発光素子。   The P-side electrode is a metal electrode that is provided on the P-type semiconductor layer and reflects light emitted from the semiconductor light-emitting layer, and the N-side electrode is a thin wire electrode provided on the N-type semiconductor layer. The semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein the semiconductor light emitting device is provided. 前記N型半導体層上に設けられた透明導電膜を有し、前記細線電極は前記透明導電膜上に設けられ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。   2. The semiconductor light emitting device according to claim 1, further comprising a transparent conductive film provided on the N-type semiconductor layer, wherein the thin wire electrode is provided on the transparent conductive film. N型半導体層と、
P型半導体層と、
前記N型およびP型半導体層の間に設けられ、井戸層と障壁層が交互に積層された多重量子井戸構造を有し、前記井戸層に挟まれた前記障壁層のうち、前記P型半導体層に一番近い前記障壁層のバンドギャップが残りの前記障壁層のバンドギャップより狭い半導体発光層と、
前記半導体発光層の主面に垂直な方向に流れる電流を含むように、前記N型半導体層およびP型半導体層に電気的に接続されたN側電極およびP側電極と、
を具備し、
前記N側電極および前記P側電極が、前記半導体発光層の前記主面から前記主面に垂直な方向に等距離にある部分を複数有し、その部分において一方が他方を取り囲むように配置されていることを特徴とする半導体発光素子。
An N-type semiconductor layer;
A P-type semiconductor layer;
The P-type semiconductor of the barrier layers provided between the N-type and P-type semiconductor layers, having a multiple quantum well structure in which well layers and barrier layers are alternately stacked. A semiconductor light emitting layer in which the band gap of the barrier layer closest to the layer is narrower than the band gap of the remaining barrier layers;
An N-side electrode and a P-side electrode electrically connected to the N-type semiconductor layer and the P-type semiconductor layer so as to include a current flowing in a direction perpendicular to the main surface of the semiconductor light emitting layer;
Comprising
The N-side electrode and the P-side electrode have a plurality of portions equidistant from the main surface of the semiconductor light emitting layer in a direction perpendicular to the main surface, and one of the portions surrounds the other. A semiconductor light emitting element characterized by comprising:
前記P側電極は前記P型半導体層上に設けられ、前記半導体発光層から放出される光を反射する金属電極であり、
前記N側電極は、前記P側電極から前記半導体発光層を貫通して前記N型半導体層に接触し、前記N型半導体層を前記P型半導体層側に引き出す柱状の複数の第1N側電極を有することを特徴とする請求項4に記載の半導体発光素子。
The P-side electrode is a metal electrode that is provided on the P-type semiconductor layer and reflects light emitted from the semiconductor light emitting layer,
The N-side electrode penetrates the semiconductor light emitting layer from the P-side electrode, contacts the N-type semiconductor layer, and draws out the N-type semiconductor layer to the P-type semiconductor layer side. The semiconductor light-emitting device according to claim 4, wherein
前記N側電極は、前記P側電極上に絶縁膜を介して設けられ、前記複数の第1N側電極が共通接続される第2N側電極を更に有することを特徴とする請求項5に記載の半導体発光素子。   The N-side electrode is provided on the P-side electrode through an insulating film, and further includes a second N-side electrode to which the plurality of first N-side electrodes are connected in common. Semiconductor light emitting device. 前記複数の第1N側電極は、六角形状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。   The semiconductor light emitting device according to claim 6, wherein the plurality of first N-side electrodes are arranged in a hexagonal shape. 前記複数の第1N側電極は、前記N型半導体層内に所定の高さだけ突出していることを特徴とする請求項5に記載の半導体発光素子。   The semiconductor light emitting device according to claim 5, wherein the plurality of first N-side electrodes protrude into the N-type semiconductor layer by a predetermined height. 前記P側電極は前記P型半導体層上に設けられ、前記半導体発光層から放出される光を反射する金属電極であり、
前記N側電極は、前記P側電極から前記半導体発光層を貫通して前記N型半導体層に接触する網目状の細線電極であることを特徴とする請求項4に記載の半導体発光素子。
The P-side electrode is a metal electrode that is provided on the P-type semiconductor layer and reflects light emitted from the semiconductor light emitting layer,
5. The semiconductor light emitting element according to claim 4, wherein the N-side electrode is a mesh-like fine wire electrode that penetrates the semiconductor light-emitting layer from the P-side electrode and contacts the N-type semiconductor layer.
前記N側電極は、六角格子状に配置されていることを特徴とする請求項9に記載の半導体発光素子。   The semiconductor light emitting device according to claim 9, wherein the N-side electrode is arranged in a hexagonal lattice shape. 前記N側電極は、前記N型半導体層内に所定の高さだけ突出していることを特徴とする請求項9に記載の半導体発光素子。   10. The semiconductor light emitting device according to claim 9, wherein the N-side electrode protrudes by a predetermined height into the N-type semiconductor layer. 前記井戸層に挟まれた前記障壁層のうち前記P型半導体層に一番に近い前記障壁層を除いて、前記N型半導体層側の前記障壁層のバンドギャップが、前記P型半導体層側の前記障壁層のバンドギャップに等しいか、またはより広いことを特徴とする請求項1または請求項4に記載の半導体発光素子。   Except for the barrier layer closest to the P-type semiconductor layer among the barrier layers sandwiched between the well layers, the band gap of the barrier layer on the N-type semiconductor layer side is the P-type semiconductor layer side. 5. The semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein the semiconductor light emitting device is equal to or wider than a band gap of the barrier layer. 前記N型半導体層は、主面の少なくとも一部に凹凸部を有することを特徴とする請求項1または請求項4に記載の半導体発光素子。   5. The semiconductor light emitting element according to claim 1, wherein the N-type semiconductor layer has an uneven portion on at least a part of a main surface. 前記井戸層がInx1Gay1Al(1−x1−y1)N(0<x1<1、0<y1≦1)であり、前記障壁層がInx2Gay2Al(1−x2−y2)N(0≦x2<x1<1、0<y1<y2≦1)であることを特徴とする請求項1または請求項4に記載の半導体発光素子。 The well layer is In x1 Ga y1 Al (1-x1-y1) N (0 <x1 <1, 0 <y1 ≦ 1), and the barrier layer is In x2 Ga y2 Al (1-x2-y2) N 5. The semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein (0 ≦ x2 <x1 <1, 0 <y1 <y2 ≦ 1).
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