JP2013214700A - Semiconductor light-emitting element - Google Patents
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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1A 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.
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.
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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InxGa(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、InxGa(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
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
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
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
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
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
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
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-
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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(N2)ガスと水素(H2)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
次に、N2ガスとH2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(NH3)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(SiH4)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-
次に、NH3ガスは供給し続けながらTMGガスおよびSiH4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
次に、N2ガスをキャリアガスとし、プロセスガスとして、例えばNH3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
次に、NH3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
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
次に、TMGガス、NH3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、NH3ガスは供給し続けながらTMGガスの供給を停止し、N2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
次に、N2ガスとH2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NH3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 (
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
次に、NH3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。NH3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
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
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
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
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-
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
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
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
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+N2(g)↑なる反応が生じ、GaNはGaとN2ガスに解離する。
Since there are many crystal defects in the N-type
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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-
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
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
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
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
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
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
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
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)
AlyGa(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
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
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
Eg (95b) <Eg (95c) <Eg (95d) = Eg (95a) = Eg (95e)
When a voltage is applied between the
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
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
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
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
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
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-
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-
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-
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-
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-
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
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
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-
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-
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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-
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
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-
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-
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-
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
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
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
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
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-
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
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
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
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
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
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
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-
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-
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
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
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
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
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
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-
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
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-
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Sn2O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
Claims (14)
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:
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.
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