JP2018182154A - Surface emitting semiconductor light-emitting element and manufacturing method of the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、面発光型半導体発光素子およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a surface emitting semiconductor light emitting device and a method of manufacturing the same.
従来、エピタキシャル成長させた層に対して略垂直な方向に光を出射させる面発光型半導体発光素子として、面発光型発光ダイオード(LED)が知られている。このような面発光型LEDでは、光を取り出したい方向(光取出方向)における光取出効率を向上させることが望まれている。 2. Description of the Related Art A surface emitting light emitting diode (LED) is conventionally known as a surface emitting semiconductor light emitting element for emitting light in a direction substantially perpendicular to a layer grown epitaxially. In such a surface-emitting LED, it is desired to improve the light extraction efficiency in the direction in which light is desired to be extracted (light extraction direction).
上記の光取出効率を向上させる方法として、例えば特許文献1には、実装の際、LEDの近傍に反射カップを設置し、LEDの側方から出射される光を反射カップで反射させて光取出方向に集光させる方法が開示されている。また、特許文献2には、面発光型LEDにおいて、半導体基板と発光部との間に、発光部に含まれる活性層が発する光を光取出方向である半導体基板とは反対側に反射する反射部を設ける点が開示されている。
さらに、特許文献3には、光取出面にフォトニック結晶のようなナノ構造やモスアイ構造など凹凸パターンを形成することで、光取出効率を向上させる点が開示されている。また、特許文献4には、微細な共振器構造により光出射方向への出射光の強度を増強させるマイクロキャビティLEDが開示されている。
As a method for improving the light extraction efficiency described above, for example, in
Further,
上記特許文献1に記載の技術にあっては、別途、LEDの外部にミラーを備え付ける必要があるため、実装が複雑化する。また、特許文献2に記載の技術にあっては、活性層に対して光取出方向とは反対側の面にのみ反射部を配置する構成であるため、活性層の側方から出射される発光光は、上記特許文献1に記載の技術などを適用しない限り、そのままでは損失となり、その分、光出力や光取出効率が低下する。
In the technology described in
さらに、特許文献3に記載の技術にあっては、フォトニック結晶構造やモスアイ構造を別途形成する必要があるため、その分、作製プロセスが増加するなど複雑化する。また、特定の波長域の光しか取り出せない(取り出せる光の波長幅が面発光型LEDの発光波長幅より狭くなる)ことも懸念される。また、特許文献4に記載のマイクロキャビティLEDでは、自然放出光を共振させるために、出射光の波長をλとし活性層の屈折率をnaとしたとき、活性層の厚さをλ/(2×na)程度にする必要があり、設計の自由度が制限される。さらに、キャビティを形成するための誘電体多層反射膜を形成するなど素子構造が複雑化する。
Furthermore, in the technique described in
そこで、本発明は、簡易な構成で光出力および光取出効率を向上させることができる面発光型半導体発光素子およびその製造方法を提供することを課題としている。 Then, this invention makes it a subject to provide the surface emitting type semiconductor light-emitting device which can improve light output and light extraction efficiency by simple structure, and its manufacturing method.
上記課題を解決するために、本発明に係る面発光型半導体発光素子の一態様は、p型半導体層と、n型半導体層と、前記p型半導体層と前記n型半導体層との間に配置された活性層と、を含む多層の半導体積層体と、前記半導体積層体の前記p型半導体層側の外表面に形成されたp側電極と、前記半導体積層体の前記n型半導体層側の外表面に形成されたn側電極と、前記半導体積層体の側面を覆う第一の反射部材と、前記半導体積層体の積層方向に対向する2つの外表面のいずれか一方を覆う第二の反射部材と、を備える。
このように、半導体積層体の活性層の側方を第一の反射部材によって覆うことで、活性層の側方から発光された発光光を第一の反射部材により反射し、再び発光光として活用することができる。また、活性層から半導体積層体の積層方向に発光された発光光のうち一方の光は、第二の反射部材によって反射され、第二の反射部材が配置されていない方向へ伝搬させることができる。したがって、簡易な構成で光出力の増加、および高効率化が図れる。
In order to solve the above problems, one aspect of the surface emitting semiconductor light emitting device according to the present invention is a p-type semiconductor layer, an n-type semiconductor layer, and a space between the p-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer. An active layer disposed, a p-side electrode formed on an outer surface of the p-type semiconductor layer side of the semiconductor stack, and an n-type semiconductor layer side of the semiconductor stack An n-side electrode formed on the outer surface of the semiconductor stack, a first reflecting member that covers the side surface of the semiconductor stack, and a second one that covers any one of two outer surfaces facing in the stacking direction of the semiconductor stack. And a reflective member.
Thus, by covering the side of the active layer of the semiconductor laminate with the first reflecting member, the emitted light emitted from the side of the active layer is reflected by the first reflecting member, and is used again as the emitted light. can do. In addition, one of the emitted light emitted from the active layer in the stacking direction of the semiconductor laminate can be reflected by the second reflecting member and can be propagated in the direction in which the second reflecting member is not disposed. . Therefore, the light output can be increased and the efficiency can be improved with a simple configuration.
また、上記の面発光型半導体発光素子において、前記第二の反射部材は、前記2つの外表面のうち光取出方向とは反対側の面に設けられていてもよい。このように、半導体積層体における光取出方向以外の面を第一の反射部材および第二の反射部材によって覆う構成としてもよい。これにより、確実に光を取り出したい方向における光出力を増加させることができる。
さらに、上記の面発光型半導体発光素子において、光取出方向が、前記積層方向における、前記活性層に対して前記n型半導体層が配置された側へ向かう方向であってもよい。この場合、n側電極が形成された側から出射光を出射するn側出射型の面発光型半導体発光素子とすることができる。
Further, in the above-described surface-emitting type semiconductor light-emitting device, the second reflection member may be provided on the surface of the two outer surfaces opposite to the light extraction direction. As described above, the first reflective member and the second reflective member may cover the surface of the semiconductor laminate other than the light extraction direction. This makes it possible to increase the light output in the direction in which light is desired to be reliably extracted.
Furthermore, in the above-described surface-emitting type semiconductor light emitting device, the light extraction direction may be a direction in the stacking direction toward the side on which the n-type semiconductor layer is disposed with respect to the active layer. In this case, it is possible to obtain an n-side emission type surface-emitting semiconductor light-emitting device that emits emission light from the side on which the n-side electrode is formed.
また、上記の面発光型半導体発光素子において、前記第一の反射部材と前記第二の反射部材とは、前記半導体積層体上において連続して一体的に形成されていてもよい。この場合、半導体積層体の側面と一方の外表面とを漏れなく反射部材によって覆うことができる。また、第一の反射部材と第二の反射部材とを1工程で同時に形成することができるので、製造プロセスが簡略化する。
さらに、上記の面発光型半導体発光素子において、前記第一の反射部材および前記第二の反射部材は、金属材料により構成されていてもよい。これにより、活性層からの発光光を適切に反射させることができる。
In the above-described surface-emitting type semiconductor light-emitting device, the first reflecting member and the second reflecting member may be continuously and integrally formed on the semiconductor laminate. In this case, the side surface and the one outer surface of the semiconductor laminate can be covered by the reflective member without leakage. In addition, since the first reflecting member and the second reflecting member can be simultaneously formed in one step, the manufacturing process is simplified.
Furthermore, in the above-described surface-emitting type semiconductor light emitting device, the first reflecting member and the second reflecting member may be made of a metal material. Thereby, light emitted from the active layer can be appropriately reflected.
また、上記の面発光型半導体発光素子において、前記第二の反射部材は、前記p側電極および前記n側電極のいずれか一方を兼ねていてもよい。この場合、p側電極とは別に第二の反射部材を設ける必要がなく、部品点数を削減することができる。そのため、素子の小型化を実現することができるとともに、コストを削減することができる。
さらに、上記の面発光型半導体発光素子において、前記p側電極と前記n側電極とは、前記半導体積層体の積層方向から見て互いに重ならない位置に形成されていてもよい。この場合、電極が出射光を遮蔽しない配置とすることができ、光出力および光取出効率の低下を適切に抑制することができる。
In the above-described surface-emitting type semiconductor light-emitting device, the second reflecting member may also serve as either one of the p-side electrode and the n-side electrode. In this case, there is no need to provide a second reflecting member separately from the p-side electrode, and the number of parts can be reduced. Therefore, the element can be miniaturized and the cost can be reduced.
Furthermore, in the above-described surface-emitting type semiconductor light emitting device, the p-side electrode and the n-side electrode may be formed at positions which do not overlap with each other as viewed in the stacking direction of the semiconductor laminate. In this case, the electrodes can be disposed so as not to shield the emitted light, and the decrease in light output and light extraction efficiency can be appropriately suppressed.
また、上記の面発光型半導体発光素子において、前記第一の反射部材によって覆われた前記半導体積層体の形状は、前記積層方向を軸方向とする円柱形状であってよい。なお、円柱形状とは、面発光型半導体発光素子の光取出方向に直交する断面形状が、円形または略円形(楕円形を含む。)である立体形状であり、例えば円錐台を含む。
このように、半導体積層体の形状を円柱形状とすることで、均一な発光パターンや強度を得ることができる。また、半導体積層体の活性層の側面に伝搬した発光光を、第一の反射部材によって上記側面の法線方向に反射させることができる。そのため、上記側方への伝搬方向の違いによる反射特性を均一化することができ、効率良くフォトンリサイクリングを起こすことができる。つまり、活性層の側方から出射した光を、再度活性層から発光する発光光として活用しやすくなる。
In the above-described surface-emitting type semiconductor light-emitting device, the shape of the semiconductor laminate covered by the first reflecting member may be a cylindrical shape in which the stacking direction is an axial direction. The cylindrical shape is a three-dimensional shape in which the cross-sectional shape orthogonal to the light extraction direction of the surface-emitting type semiconductor light emitting device is circular or substantially circular (including elliptical), and includes, for example, a truncated cone.
Thus, by making the shape of the semiconductor laminate into a cylindrical shape, it is possible to obtain a uniform light emission pattern and intensity. Further, the emitted light propagated to the side surface of the active layer of the semiconductor laminate can be reflected in the normal direction of the side surface by the first reflecting member. Therefore, the reflection characteristic due to the difference in the propagation direction to the side can be made uniform, and photon recycling can be efficiently caused. That is, the light emitted from the side of the active layer can be easily utilized as the emission light emitted again from the active layer.
さらに、上記の面発光型半導体発光素子において、前記半導体積層体の側面と前記第一の反射部材との間に配置された絶縁層をさらに備えてもよい。この場合、第一の反射部材が導電性材料により構成されている場合であっても、第一の反射部材によってp型半導体層とn型半導体層とが電気的に接続されてしまうことを防止することができる。
また、上記の面発光型半導体発光素子において、前記絶縁層は、さらに前記p型半導体層側の外表面の周縁部にも形成され、前記p側電極は、前記p型半導体層側の外表面における前記絶縁層が形成されていない領域に接続されていてもよい。これにより、p側電極から注入されたホールが水平方向への拡散により半導体層と絶縁層5の界面に達し、界面を流れるキャリアとして非発光電流となり、内部量子効率を低下させることを抑制することができる。
Furthermore, in the above-described surface-emitting type semiconductor light-emitting device, the surface-emitting type semiconductor light-emitting device may further include an insulating layer disposed between the side surface of the semiconductor laminate and the first reflecting member. In this case, even when the first reflection member is made of a conductive material, the first reflection member prevents the p-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer from being electrically connected. can do.
In the above-described surface-emitting type semiconductor light emitting device, the insulating layer is further formed on the periphery of the outer surface on the p-type semiconductor layer side, and the p-side electrode is the outer surface on the p-type semiconductor layer side The insulating layer may be connected to a region where the insulating layer is not formed. As a result, the holes injected from the p-side electrode reach the interface between the semiconductor layer and the
さらに、上記の面発光型半導体発光素子において、前記半導体積層体が主面上に形成されたInP基板をさらに備えてもよい。この場合、波長1000nm〜1650nmの出射光を得る面発光型半導体発光素子とすることができ、多岐に渡る使用用途に対応することができる。
また、上記の面発光型半導体発光素子において、前記面発光型半導体発光素子は、面発光型発光ダイオードであってもよい。つまり、簡易な構成で高出力および光効率な面発光型発光ダイオードを実現することができる。
Furthermore, in the above-described surface-emitting type semiconductor light-emitting device, the semiconductor laminate may further include an InP substrate formed on the main surface. In this case, a surface emitting semiconductor light emitting device can be obtained which emits light having a wavelength of 1000 nm to 1650 nm, and can be used for a wide variety of uses.
In the above-mentioned surface emitting semiconductor light emitting device, the surface emitting semiconductor light emitting device may be a surface emitting light emitting diode. That is, it is possible to realize a surface-emitting light emitting diode with high output and light efficiency with a simple configuration.
さらに、本発明に係る面発光型半導体発光素子の製造方法の一態様は、p型半導体層と、n型半導体層と、前記p型半導体層と前記n型半導体層との間に配置された活性層と、を含む多層の半導体積層体の側面を第一の反射部材によって覆う工程と、前記半導体積層体の積層方向に対向する2つの外表面のいずれか一方を第二の反射部材によって覆う工程と、含む。
これにより、活性層の側方から発光された発光光を第一の反射部材により反射し、活性層から半導体積層体の積層方向に発光された発光光のうち一方の光を、第二の反射部材により反射することができる面発光型半導体発光素子とすることができる。したがって、簡易な構成で光出力の増加、および高効率化が図れる。
Furthermore, one aspect of the method for manufacturing a surface emitting semiconductor light emitting device according to the present invention is arranged between a p-type semiconductor layer, an n-type semiconductor layer, the p-type semiconductor layer, and the n-type semiconductor layer. And a step of covering the side surface of the multilayer semiconductor laminate including the active layer with a first reflection member, and covering any one of two outer surfaces opposed in the lamination direction of the semiconductor laminate with a second reflection member. And the process.
As a result, the light emitted from the side of the active layer is reflected by the first reflecting member, and one of the light emitted from the active layer in the stacking direction of the semiconductor laminate is reflected in the second direction. A surface emitting semiconductor light emitting element that can be reflected by a member can be obtained. Therefore, the light output can be increased and the efficiency can be improved with a simple configuration.
本発明によれば、面発光型半導体素子において、簡易な構成で光出力および光取出効率を向上させることができる。 According to the present invention, in the surface-emitting type semiconductor device, the light output and the light extraction efficiency can be improved with a simple configuration.
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
なお、以下に説明する実施形態は、本発明の実現手段としての一例であり、本発明が適用される装置の構成や各種条件によって適宜修正又は変更されるべきものであり、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。また、以下に説明する図面において、同一または機能的に同様の構成要素については同一符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。さらに、各図面は、以下の説明と併せて参照したときに分かりやすいように示したものであり、必ずしも一定の比率の縮尺で描かれていない。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described based on the drawings.
The embodiment described below is an example as a realization means of the present invention, and should be appropriately corrected or changed according to the configuration of the apparatus to which the present invention is applied and various conditions. It is not limited to the embodiment. In the drawings described below, the same or functionally similar components are denoted by the same reference numerals, and the repetitive description thereof will be omitted. Further, each drawing is illustrated for clarity when referred to in conjunction with the following description, and is not necessarily drawn to scale.
(第一の実施形態)
図1および図2は、本実施形態における面発光型半導体発光素子の構成例を示す図である。本実施形態では、面発光型半導体発光素子が面発光型発光ダイオード(LED)である場合について説明する。ここで、図1は、面発光型LED10を光取出方向(光出射方向)とは反対側の面を示す斜視図(鳥瞰図)、図2は、面発光型LED10を光取出方向側の面を示す斜視図(鳥瞰図)である。
本実施形態では、面発光型LED10は、波長1000nm〜1650nmの出射光Lを出射するものとして説明する。面発光型LED10は、光取出方向とは反対側の外表面(p側表面)に形成されたp側電極11と、光取出方向側の外表面(n側表面)に形成されたn側電極12と、光を発光する発光部13と、を備える。つまり、本実施形態における面発光型LED10は、n側出射型の面発光型LEDである。
(First embodiment)
FIG. 1 and FIG. 2 are diagrams showing a configuration example of the surface emitting semiconductor light emitting device in the present embodiment. In the present embodiment, the case where the surface emitting semiconductor light emitting element is a surface emitting light emitting diode (LED) will be described. Here, FIG. 1 is a perspective view (bird's eye view) showing the surface of the surface emitting
In the present embodiment, the surface-emitting
発光部13によって発光された発光光は、n側表面の出射領域L1から出射光Lとして出射される。ここで、出射領域L1の位置および大きさは、発光部13の位置および大きさに対応している。
また、n側電極12は、n側表面において、出射光Lを遮蔽しない位置に配置されている。具体的には、n側電極12は、n側表面において、発光部13が配置された領域に対応する出射領域L1に対してオフセットして配置されている。
The light emission light emitted by the
Further, the n-
本実施形態において、発光部13は、複数の半導体層が積層されたメサ構造を有する半導体積層体(以下、単に「メサ」という。)を含んで構成されている。以下、メサ周りの具体的構成について、図3を参照しながら説明する。
図3に示すように、発光部13は、基板14上に形成されたメサ15を備える。メサ15は、活性層1と、活性層1を挟むように配置されたp型半導体層(p型クラッド層)2およびn型半導体層(n型クラッド層)3と、p型半導体層2上に配置されたコンタクト層4と、を備える。
本実施形態では、メサ15は、半導体層の積層方向を軸方向とする円柱形状を有する。ここで、本実施形態における円柱形状とは、面発光型LED10の光取出方向に直交する断面形状が、円形または略円形(楕円形を含む。)である立体形状であり、例えば円錐台も含む。なお、メサ15の形状は円柱形状に限定されるものではなく、任意の形状とすることができる。
In the present embodiment, the
As shown in FIG. 3, the
In the present embodiment, the
基板14は、例えばn型InP基板である。また、活性層1は、例えばアンドープInGaAsPにより構成され、p型半導体層2は、例えばp型InPにより構成され、n型半導体層3は、例えばn型InPにより構成されている。また、コンタクト層4は、例えばp型InGaAsにより構成されている。
なお、活性層1は、InGaAlAs材料により構成されていてもよい。さらに、p型半導体層2およびn型半導体層3は、InGaAsPやInGaAlAs、InAlAs、InGaAsなどより構成されていてもよい。
The
The
そして、p側電極11は、p型半導体層2側の外表面であるp側表面に、絶縁層5を介してメサ15を覆うように形成されている。絶縁層5は、SiO2やSiN、Al2O3などにより構成することができる。絶縁層5には、メサ15の頂部において、例えば円形の開口部5aが設けられており、p側電極11は、当該開口部5aにおいてコンタクト層4と電気的に接続している。このように、メサ15の側面およびメサ15の光取出方向とは反対側の面は、p側電極11によって覆われている。また、図3では図示を省略しているが、n型半導体層3側の外表面(基板14におけるメサ15とは反対側の面)には、n側電極12が形成されている。
The p-
p側電極11は、金属により構成されており、Ti、Cr、Mo、W、Ni、Pt、Cu、Ag、Auのうち少なくとも1つを含んで構成されている。例えば、p側電極11は、Ti膜、Pt膜およびAu膜を順次積層した多層金属膜とすることができる。また、n側電極12は、p側電極11と同様の構成とすることができる。
本実施形態において、p側電極11は、光を反射するミラーの役割を担う反射部材である。具体的には、p側電極11は、メサ15の側面を覆う第一の反射部材と、メサ15の積層方向に対向する2つの外表面のうち光取出方向とは反対側の面(p型半導体層2側の外表面)を覆う第二の反射部材と、を含んで構成されている。なお、本実施形態における以下の説明では、p側電極11を金属ミラー電極11ともいう。
The p-
In the present embodiment, the p-
金属ミラー電極11とn側電極12とから注入されたキャリアは、活性層1において再結合することで発光光となり、光取出方向とは反対方向であるp型半導体層2の方向(図3の上方向)と、光取出方向であるn型半導体層3の方向(図3の下方向)と、光取出方向に対して直交する方向である活性層1の側方方向(図3の左右方向)とに伝搬される。これらのうち、p型半導体層2側に伝搬された光は、コンタクト層4上の金属ミラー電極(第一の反射部材)11によってn型半導体層3側に反射される。また、活性層1の側方方向に伝搬された光は、活性層1の側方の金属ミラー電極(第二の反射部材)11によって反射され、活性層1に戻される。
The carriers injected from the
上述したように、活性層1は円柱形状をしている。そのため、活性層1の側方に伝搬した光は、側方に形成された金属ミラー電極11によって、伝搬方向の違いによる反射特性の違いなく略垂直に反射される。そして、それを繰り返すうちに効率良く活性層1に吸収され(フォトンリサイクリング)、キャリアとなり、再び発光光としてp型半導体層2の方向とn型半導体層3の方向と活性層1の側方方向とに伝搬することになる。つまり、活性層1の側方に伝搬した光を、効率良く再び発光光として活用することができる。
As described above, the
このように、本実施形態における面発光型LED10は、メサ15の活性層1における光取出方向以外の面を覆う金属ミラー電極11を備える。そのため、活性層1から発光された発光光のうち、光取出方向以外に伝搬された光を、光取出方向に伝搬された光と合わせて出射光Lとして出射させることができる。したがって、金属ミラー電極11を設けない場合と比較して、高出力かつ高効率な出射光Lを得ることができる。
As described above, the surface-emitting
次に、本実施形態における面発光型LED10の製造方法について説明する。
面発光型LED10の製造に際しては、まず図4に示すように、MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)やLPE(Liquid Phase Epitaxy)法などを用い基板14上にn型半導体層3を形成し、n型半導体層3上に活性層1を形成し、活性層1上にp型半導体層2を形成し、p型半導体層2上にコンタクト層4を形成する。このようにして、半導体多層膜をエピタキシャル成長させたウェハを準備する。
Next, a method of manufacturing the surface-emitting
When manufacturing the
次に、図5に示すように、コンタクト層4上にSiO2膜6を形成し、続いて、図6に示すように、SiO2膜6の一部を除去領域6aとしてフォトリソグラフィ工程により除去する。このとき、上述したメサ15を含む発光部13と当該発光部13以外の素子部分とを電気的に分離するための溝7(図7)の位置に相当するSiO2膜6を除去する。本実施形態のようにメサ15が円柱形状である場合、除去領域6aは、円環状とすることができる。例えば、除去領域6aは、メサ15の中心軸を中心とする直径100μmの領域の外側で、かつメサ15の中心軸を中心とする直径120μmの領域の内側とすることができる。
Next, as shown in FIG. 5, an SiO 2 film 6 is formed on the
次に、図7に示すように、エッチング工程により、SiO2膜6をマスクにしてn型半導体層3に達成するまで半導体多層膜をエッチングし、溝7を形成する。そして、図8に示すように、コンタクト層4上に形成されたSiO2膜6を除去することで、円柱形状のメサ15を形成する。これにより、直径100μmの円柱形上のメサ15が形成される。
次いで、図9に示すように、基板14とは反対側の外表面に絶縁層5を形成し、フォトリソグラフィ工程により、図10に示すように絶縁層5の一部を除去して開口部5aを形成し、当該開口部5aからメサ15上のコンタクト層4が露出するようにする。ここで、開口部5aの直径は90μm程度とすることができる。このように、開口部5aの直径は、メサ15の直径よりも小さく設定する。つまり、コンタクト層4の上面の周縁部に絶縁層5が残るようにする。
Next, as shown in FIG. 7, the semiconductor multilayer film is etched by the etching step until the n-
Next, as shown in FIG. 9, the insulating
そして、図11に示すように、金属ミラー電極11を、コンタクト層4の上方を覆いコンタクト層4と電気的にコンタクトするように、かつ活性層1の側方を覆うように一体形成する。ここで、金属ミラー電極11は、例えばコンタクト層4側からTi、Pt、Auの順からなる多層構造とすることができる。本実施形態では、メサ15が円柱形状となっているため、絶縁層5、金属ミラー電極11ともに良好なカバレッジが得られる。このようにして、発光部13が形成される。
最後に、図12に示すように、基板14を、素子の厚さが所望の厚さ(例えば150μm程度)になるように研磨し、研磨した面にn側電極12を形成することで面発光型LED10が作製される。このとき、n側電極12は、発光部13(活性層1)から発光した発光光が反射せずに通過した場合の伝搬領域(ワンパスで透過する領域)でない位置に形成する。つまり、n側電極12は、図2に示すように、n側表面において、p側表面のp側電極11が配置された領域に対向する領域(出射領域L1)に対してオフセットして配置する。
Then, as shown in FIG. 11, the
Finally, as shown in FIG. 12, the
図13は、本実施形態における面発光型LED10の実装例を示す図である。この図13に示すように、面発光型LED10は、ヒートシンク20上に、金属ミラー電極11が電気的に接触するように半田等により実装される。一方、n側電極12には、ワイヤ21の一端がボンディングされる。このような状態で順方向にバイアスを印加することで、発光部13(活性層1)により発光した発光光は、n側表面から外部へ出射される。
また、発光部13をヒートシンク20に近い側に配置して実装する、所謂ジャンクションダウン実装とすることで、図13の矢印に示すように、発光時に発光部13において発生した熱を効率良くヒートシンク20へ逃がすことができる。
FIG. 13 is a view showing a mounting example of the surface-emitting
Further, by arranging and mounting the
波長1000nm〜1650nmの光を出射するLEDは、InP基板上に、InPやInGaAs、InGaAsP、InGaAlAs、InAlAsなどの半導体材料をエピタキシャル成長させることで作製することができる。上記の半導体材料の屈折率は、1000nm〜1650nmの波長領域では3.1〜3.4程度であるため、発光光の空気への全反射角は大きくとも20°程度ととても狭く、大部分の発光光は半導体と空気の界面で全反射され、基本的には外部に取り出すことが難しい。 An LED emitting light with a wavelength of 1000 nm to 1650 nm can be manufactured by epitaxially growing a semiconductor material such as InP, InGaAs, InGaAsP, InGaAlAs, InAlAs, etc. on an InP substrate. Since the refractive index of the above semiconductor material is about 3.1 to 3.4 in the wavelength range of 1000 nm to 1650 nm, the total reflection angle of the emitted light to air is very narrow at most 20 ° at most, The emitted light is totally reflected at the interface between the semiconductor and the air, and basically it is difficult to extract it to the outside.
また、発光光は、光取出方向だけでなく、基本的には等方的に伝搬する。そのため、面発光型LEDでは、本実施形態のような光取出方向以外に伝搬した光を反射させる反射部材を設けないと、発光光は等方的に外部に出射されてしまう。つまり、面発光型LEDでは、外部に取り出すことができる発光光のうち、目的方向とは異なる方向(光取出方向とは反対方向や側方方向など)に伝搬した光の分、光取出方向における光出力や光取出効率は低くなってしまう。そのため、高出力・高効率化のためには、外部量子効率の向上が課題となる。ここで、外部量子効率=(内部量子効率)×(光取出効率)である。 In addition, the emitted light propagates isotropically not only in the light extraction direction but basically. Therefore, in the surface-emitting type LED, the light emission is isotropically emitted to the outside unless the reflection member for reflecting the light propagated in the direction other than the light extraction direction as in the present embodiment is not provided. That is, in the surface emitting type LED, among emitted light that can be extracted to the outside, in the light extraction direction, the amount of light propagated in a direction different from the target direction (a direction opposite to the light extraction direction, side direction, etc.) The light output and the light extraction efficiency become low. Therefore, to achieve high output and high efficiency, improvement of external quantum efficiency is an issue. Here, external quantum efficiency = (internal quantum efficiency) × (light extraction efficiency).
本実施形態における面発光型LED10は、n側出射型の面発光型LEDであり、上述したように、半導体積層体15の側面を覆う第一の反射部材と、半導体積層体15の光取出方向とは反対側の面であるp型半導体層2側の外表面とを覆う第二の反射部材と、を備える。また、本実施形態では、第二の反射部材は、p側電極11を兼ねており、第一の反射部材と第二の反射部材とは、半導体積層体15上において連続して一体的に形成されて金属ミラー電極11を構成している。
The surface-emitting
このように、半導体積層体15の活性層1の側方に金属ミラー電極11を配置することで、活性層1の側方から発光された発光光を金属ミラー電極11によって反射させ、活性層1に戻すことができる。また、半導体積層体15のp型半導体層2側の外表面に金属ミラー電極11を配置することで、活性層1からp型半導体層2側に発光された発光光を金属ミラー電極11によって反射させ、n型半導体層3側に伝搬させることができる。したがって、追加の加工や部材を必要とせず、また設計の自由度を失うことなく、容易に光取出方向における光出力の増加、および高効率化が図れる。
さらに、第一の反射部材と第二の反射部材とを一体形成するので、製造プロセスが簡略化する。また、第二の反射部材がp側電極11を兼ねる構成であるため、p側電極11とは別に第二の反射部材を設ける必要がなく、素子の構成要素を削減することができ、その分のコストを削減することができる。ただし、第二の反射部材がp側電極11を兼ねる構成に限定されるものではなく、p側電極11とは別に第二の反射部材を設けてもよい。
As described above, by arranging the
Furthermore, since the first reflecting member and the second reflecting member are integrally formed, the manufacturing process is simplified. Further, since the second reflection member also serves as the p-
また、面発光型LEDでは、活性層は、電流注入領域が光を発光する発光層となり、その周囲の電流非注入領域は光を吸収する吸収層となる。そこで、本実施形態では、発光部13をメサ構造とし、上記の吸収層による光吸収に起因するロスを抑制している。さらに、本実施形態では、メサ15の活性層1を円柱形状とするので、均一な発光パターンや強度を得ることができる。また、メサ15の活性層1を円柱形状とし、その側面を第一の反射部材で覆うので、活性層1の側方に伝搬した発光光を、上記側面の法線方向に反射させることができる。そのため、上記側方への伝搬方向の違いによる反射特性を均一化することができ、効率良くフォトンリサイクリングを起こすことができる。つまり、活性層1の側方から出射した光を、再度活性層1から発光する発光光として活用しやすくなる。
In the surface emitting LED, the active layer is a light emitting layer in which a current injection region emits light, and a current non-injection region in the periphery thereof is an absorption layer which absorbs light. So, in this embodiment, the
さらに、本実施形態では、半導体積層体15の側面と第一の反射部材である金属ミラー電極11との間に絶縁層5を配置し、さらに半導体積層体15のp型半導体層2側の外表面の周縁部にも絶縁層5を配置する。そして、上記のp型半導体層2側の外表面における絶縁層5が形成されていない領域に金属ミラー電極11を接続する。例えば、本実施形態では、メサ15の直径よりも絶縁層5の開口部5aの直径を10μm程度小さくし、開口部51aの面積をメサ15の断面積の80%程度とした。これにより、注入されたキャリアのうち、特にホールが水平方向への拡散により半導体層と絶縁層5との界面に達し、界面を流れるキャリアとして非発光電流となり、内部量子効率を低下させることを抑制することができる。
Furthermore, in the present embodiment, the insulating
また、例えばメサ15の直径に対し開口部5aの直径を半分程度にするなど、開口部5aの直径を極端に小さくすると、注入されたホールがメサ15の活性層1の全体に行き渡らない。この場合、キャリアが行き渡らなかった領域が電流非注入領域となることで発光光の吸収領域となり、光取出効率が低下してしまう。本実施形態では、開口部5aの直径をメサ15の直径に対して極端に小さくしない(面積比80%程度とする)ことで、上記の光取出効率の低下を抑制することができる。
このように、内部量子効率の低下と光取出効率の低下とを抑制するため、外部量子効率を向上させることができ、適切に高出力・高効率化を実現することができる。
Further, if the diameter of the
As described above, since the decrease in internal quantum efficiency and the decrease in light extraction efficiency are suppressed, the external quantum efficiency can be improved, and high output and high efficiency can be appropriately realized.
さらに、本実施形態では、n側電極12は、n側表面において、出射領域L1に対してオフセットして配置し、p側電極11とn側電極12とが、半導体積層体15の積層方向から見て互いに重ならないようにしている。これにより、n側出射型の面発光型LED10において、n側電極12によって出射光Lを遮蔽しないようにすることができ、光出力の低下を防止することができる。
なお、発光光の光取出方向における伝搬領域およびその周辺に反射防止膜などを形成することで、さらに光取出効率を向上させることもできる。この場合、反射防止膜の反射率は、反射防止膜が形成されていない場合よりも低くする必要がある。例えば、1300nmの光を発光するLEDの場合、InP基板(n1≒3.2)と空気(n0=1)との間の反射率は[(n1−n0)/(n1+n0)]2≒30%であるので、反射防止膜は30%未満になるように形成する。
Furthermore, in the present embodiment, the n-
The light extraction efficiency can be further improved by forming an antireflective film or the like on the propagation region in the light extraction direction of the emitted light and the periphery thereof. In this case, the reflectance of the antireflective film needs to be lower than that in the case where the antireflective film is not formed. For example, in the case of an LED emitting light of 1300 nm, the reflectance between the InP substrate (n 1 3.2 3.2) and air (n 0 = 1) is [(n 1 −n 0 ) / (n 1 + n) 0 )] 2 ≒ 30%, so the antireflective film is formed to be less than 30%.
以上説明したように、本実施形態によれば、簡易な構成で高出力かつ高効率な面出射型LED10を実現することができる。
As described above, according to the present embodiment, it is possible to realize a high power and high efficiency surface
(第二の実施形態)
次に、本発明の第二の実施形態について説明する。
上述した第一の実施形態では、n側電極12側から出射光Lを出射するn側出射型の面発光型LED10について説明した。この第二の実施形態では、p側電極11側から出射光Lを出射するp側出射型の面発光型LED10Aについて説明する。
図14は、本実施形態における面発光型LED10Aを光取出方向側の面を示す斜視図(鳥瞰図)である。面発光型LED10Aは、p側表面にp側電極11A、n側表面にn側電極12Aを備える。また、p側電極11Aには、キャリア注入用のワイヤ21の一端がボンディングされる。
Second Embodiment
Next, a second embodiment of the present invention will be described.
In the first embodiment described above, the n-side emission type
FIG. 14 is a perspective view (bird's eye view) showing the surface of the surface-emitting
p側電極11Aは、上述した第一の実施形態におけるp側電極11と同様に、メサ15の側面とメサ15のp型半導体層2側の面とを覆っている。ただし、本実施形態における面発光型LED10Aは、p側出射型であるため、p側電極11Aが光出射の妨げとならないよう、メサ15上のp側電極11Aには、図15に示すように網目状に出射光Lを取り出すための出射口L2が形成されている。ここで、出射口L2は、p側電極11Aから注入されるホールの拡散長を考慮し、メサ15の活性層1全体にホールが行き渡るような位置および大きさで形成するものとする。なお、出射口L2の形状は、図15に示す形状に限定されるものではなく、任意の形状とすることができる。
The p-
また、n側電極12Aは、上述した第一の実施形態におけるn側電極12とは異なり、n側表面の全面を覆うように形成されている。なお、p側電極11Aおよびn側電極12Aは、それぞれ金属材料により構成されており、少なくともTi、Cr、Mo、W、Ni、Pt、Cu、Ag、Auのうち少なくとも1つを含んで構成されている。例えば、p側電極11Aおよびn側電極12Aは、Ti膜、Pt膜およびAu膜を順次積層した多層金属膜とすることができる。
Further, unlike the n-
本実施形態において、p側電極11Aの一部およびn側電極12Aの一部は、それぞれ光を反射するミラーの役割を担う反射部材である。具体的には、p側電極11Aは、メサ15の側面を覆う第一の反射部材を含み、n側電極12Aは、メサ15の積層方向に対向する2つの外表面のうち光取出方向とは反対側の面(n型半導体層3側の面)を、基板14を介して覆う第二の反射部材を含む。なお、本実施形態における以下の説明では、p側電極11Aを第一の金属ミラー電極11A、n側電極12Aを第二の金属ミラー電極12Aともいう。
なお、本実施形態における面発光型LED10Aの製造方法は、上述した第一の実施形態における面発光型LED10の製造方法とほぼ同様であるため、説明は省略する。
In the present embodiment, a part of the p-
In addition, since the manufacturing method of surface emitting
図16は、本実施形態における面発光型LED10Aの断面を示す概略図である。この図16において、上述した第一の実施形態における面発光型LED10と同一構成を有する部分には同一符号を付し、その説明は省略する。
面発光型LED10Aは、発光部13をヒートシンク20から遠い側に配置して実装する、所謂ジャンクションアップ実装とされている。この面発光型LED10Aにおいて、活性層1において発光した発光光は、光取出方向であるp型半導体層2の方向(図16の上方向)と、光取出方向とは反対方向であるn型半導体層3の方向(図16の下方向)と、光取出方向に対して直交する方向である活性層1の側方方向(図16の左右方向)とに伝搬される。これらのうち、n型半導体層3側に伝搬された光は、第二の金属ミラー電極(第二の反射部材)12Aによってp型半導体層2側に反射される。また、活性層1の側方方向に伝搬された光は、活性層1の側方の第一の金属ミラー電極(第一の反射部材)11Aによって反射され、活性層1に戻される。
FIG. 16 is a schematic view showing a cross section of the surface-emitting
The surface-emitting
このように、本実施形態における面発光型LED10Aは、半導体積層体15の側面を覆う第一の金属ミラー電極11Aと、半導体積層体15の光取出方向とは反対側の面を覆う第二の金属ミラー電極12Aとを備える。そのため、活性層1から発光された発光光のうち、p型半導体層2側以外に伝搬された光を、p型半導体層2側に伝搬された光と合わせて出射光Lとして出射することができる。したがって、金属ミラー電極11Aおよび金属ミラー電極12Bを設けない場合と比較して、容易に高出力かつ高効率な、均一な出射光Lを得ることができる。
なお、本実施形態では、メサ15の積層方向に対向する2つの外表面のうち光取出方向とは反対側の面(n型半導体層3側の面)を覆う第二の反射部材が、n側電極12Aを兼ねる場合について説明したが、n側電極12Aとは別に第二の反射部材を設けてもよい。その場合、第二の反射部材は、n型半導体層3側の面を覆う位置に配置されていればよく、例えば、基板14とn型半導体層3との間に配置されていてもよい。
As described above, the surface-emitting
In the present embodiment, the second reflection member that covers the surface (surface on the n-
(変形例)
上記各実施形態においては、出射光Lの波長が1000nm〜1650nmである場合について説明したが、出射光Lの波長は上記に限定されるものではなく、任意の波長の出射光を出射する面発光型LEDに適用可能である。その場合、基板14の材料は、出射光Lの波長に応じて適宜選択するようにする。例えば、基板14としては、InP基板に限定されるものではなく、GaAs基板やGaN基板とすることもできる。ただし、GaAs基板の場合、基板での光吸収の観点からp側出射型の面発光型LEDについての適用が望ましい。
(Modification)
Although the case where the wavelength of the emitted light L is 1000 nm-1650 nm was demonstrated in said each embodiment, the wavelength of the emitted light L is not limited above, The surface emission which radiates | emits the emitted light of arbitrary wavelengths It is applicable to type LED. In that case, the material of the
上記各実施形態においては、面発光型半導体発光素子が面発光型LEDである場合について説明したが、面発光型レーザーにも本発明は適用可能である。ただし、面発光型レーザーの場合、活性層において発生した誘導放出光は、基板面に対して垂直な方向に多重反射を繰り返すことで共振モードを形成し、増幅され出射される。そのため、共振モードが活性層の側方に設けた反射部材と重なるような場合、共振モードに悪影響を与え、光損失につながるおそれがある。これに対して、上述した面発光型LEDの場合、自然放出光を出射するだけであるため、上記のような光損失はない。したがって、本発明は、面発光型レーザーにも適用可能であるが、面発光型LEDへの適用が好ましい。
上記各実施形態においては、覆うとは、略円柱部の外面を完全に覆う場合以外に、一部に覆われない部分が設けられている場合も含まれる。
In each of the above embodiments, the case where the surface emitting semiconductor light emitting device is a surface emitting LED has been described, but the present invention can be applied to a surface emitting laser. However, in the case of the surface emitting laser, the stimulated emission light generated in the active layer forms a resonance mode by repeating multiple reflection in the direction perpendicular to the substrate surface, and is amplified and emitted. Therefore, when the resonant mode overlaps with the reflection member provided on the side of the active layer, the resonant mode is adversely affected, which may lead to an optical loss. On the other hand, in the case of the surface-emitting type LED described above, since only spontaneous emission light is emitted, there is no light loss as described above. Therefore, although the present invention is applicable also to a surface emitting type laser, application to a surface emitting type LED is preferred.
In each of the above-described embodiments, covering includes the case where a portion not covered by a part is provided other than the case where the outer surface of the substantially cylindrical portion is completely covered.
1…活性層、2…p型半導体層、3…n型半導体層、4…コンタクト層、5…絶縁層、5a…開口部、10…面発光型発光ダイオード(LED)、11…p側電極(金属ミラー電極)、11A…p側電極(金属ミラー電極)、12…n側電極、12A…n側電極(金属ミラー電極)、13…発光部、14…基板、15…半導体積層体(メサ)、20…ヒートシンク
DESCRIPTION OF
Claims (13)
前記半導体積層体の前記p型半導体層側の外表面に形成されたp側電極と、
前記半導体積層体の前記n型半導体層側の外表面に形成されたn側電極と、
前記半導体積層体の側面を覆う第一の反射部材と、
前記半導体積層体の積層方向に対向する2つの外表面のいずれか一方を覆う第二の反射部材と、を備えることを特徴とする面発光型半導体発光素子。 a multilayer semiconductor laminate including a p-type semiconductor layer, an n-type semiconductor layer, and an active layer disposed between the p-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer;
A p-side electrode formed on the outer surface of the p-type semiconductor layer side of the semiconductor laminate;
An n-side electrode formed on the outer surface of the n-type semiconductor layer side of the semiconductor stack;
A first reflecting member covering a side surface of the semiconductor laminate;
What is claimed is: 1. A surface-emitting type semiconductor light emitting device comprising: a second reflection member covering any one of two outer surfaces facing in the stacking direction of the semiconductor stack.
前記p側電極は、前記p型半導体層側の外表面における前記絶縁層が形成されていない領域に接続されていることを特徴とする請求項9に記載の面発光型半導体発光素子。 The insulating layer is further formed on the periphery of the outer surface on the p-type semiconductor layer side,
The surface-emitting type semiconductor light emitting device according to claim 9, wherein the p-side electrode is connected to a region of the outer surface on the p-type semiconductor layer side where the insulating layer is not formed.
前記半導体積層体の積層方向に対向する2つの外表面のいずれか一方を第二の反射部材によって覆う工程と、を含むことを特徴とする面発光型半導体発光素子の製造方法。 A side surface of a multilayer semiconductor laminate including a p-type semiconductor layer, an n-type semiconductor layer, and an active layer disposed between the p-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer is formed by a first reflecting member. Covering step,
A method of manufacturing a surface emitting semiconductor light emitting device, comprising: covering any one of two outer surfaces facing each other in the stacking direction of the semiconductor stack with a second reflecting member.
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