JP2012124306A

JP2012124306A - 半導体発光素子

Info

Publication number: JP2012124306A
Application number: JP2010273485A
Authority: JP
Inventors: Masashi Deguchi; 将士出口
Original assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Current assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Priority date: 2010-12-08
Filing date: 2010-12-08
Publication date: 2012-06-28
Also published as: US9117973B2; CN102569589A; CN102569589B; US20120146075A1

Abstract

【課題】パッド電極下に反射層を有する半導体発光素子において、光取り出し効率を向上させる。
【解決手段】本発明の一態様に係る半導体発光素子１は、ｎ型半導体層１１とｐ型半導体層１３とに挟まれた発光層１２を有する半導体積層構造を有する半導体発光素子であって、ｐ型半導体層１３上に形成された第１の透明電極１４と、第１の透明電極１４上に形成された、第１の透明電極１４よりも面積の小さい反射層１５と、第１の透明電極１４上に反射層１５を覆うように形成された第２の透明電極１６と、第２の透明電極１６上の反射層１５の上方の領域に形成されたｐパッド電極１７と、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体発光素子に関する。

従来の半導体発光素子として、発光層から発せられる光がパッド電極に吸収されることを防ぐために、パッド電極下に反射層を有するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００８−３００７１９号公報

本発明の目的は、パッド電極下に反射層を有する半導体発光素子において、光取り出し効率を向上させることである。

本発明は、上記目的を達成するため、第１導電型層と第２導電型層とに挟まれた発光層を有する半導体積層構造を有する半導体発光素子であって、前記第２導電型層上に形成された第１の透明電極と、前記第１の透明電極上に形成された、前記第１の透明電極よりも面積の小さい反射層と、前記第１の透明電極上に前記反射層を覆うように形成された第２の透明電極と、前記第２の透明電極上の前記反射層の上方の領域に形成されたパッド電極と、を有する半導体発光素子を提供する。

上記半導体発光素子において、前記反射層は、透明絶縁体に表面を覆われた金属からなることが好ましい。

上記半導体発光素子において、前記第１の透明電極と前記第２の透明電極の接触領域は、前記反射層の底面の周囲を囲むことが好ましい。

本発明によれば、パッド電極下に反射層を有する半導体発光素子において、光取り出し効率を向上させることができる。

図１は、本発明の実施の形態に係る半導体発光素子の垂直断面図である。図２は、本発明の実施の形態に係る半導体発光素子の上面図である。図３は、本発明の実施の形態に係る反射膜が金属層とその表面を覆う絶縁層からなる場合の部分拡大図である。図４は、本発明の実施の形態に係る半導体発光素子内の電流の流れを概念的に表す概念図である。図５は、比較例に係る半導体発光素子内の電流の流れを概念的に表す概念図である。図６（ａ）〜（ｄ）は、比較例に係る半導体発光素子の具体例を表す拡大図である。

図１、２は、本発明の実施の形態に係る半導体発光素子１の垂直断面図および上面図である。

半導体発光素子１は、ｎ型半導体層１１、ｐ型半導体層１３、およびそれらに挟まれた発光層１２からなる半導体構造を有し、発光層１２のｎ型半導体層１１側から光を取り出すタイプ（フェイスアップ型）の発光素子である。ｎ型半導体層１１は、基板１０上に形成される。

ｐ型半導体層１３上には、第１の透明電極１４が形成される。第１の透明電極１４上には、第１の透明電極１４よりも面積の小さい反射層１５が形成される。第１の透明電極１４上には、反射層１５を覆うように形成された第２の透明電極１６が形成される。第２の透明電極１６の上の反射層１５の上方の領域には、ｐパッド電極１７が形成される。また、ｎ型半導体層１１の露出した領域上には、ｎパッド電極１８が形成される。

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

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

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

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

ｎ型半導体層１１、発光層１２、およびｐ型半導体層１３は、例えば、有機金属化学気相成長法（Metal Organic Chemical Vapor Deposition : MOCVD）、分子線エピタキシー法（Molecular Beam Epitaxy : MBE）、またはハライド気相エピタキシー法（Halide Vapor Phase Epitaxy : HVPE）により基板１０上に結晶を成長させることにより形成される。

基板１０は、例えば、サファイア基板である。

第１の透明電極１４および第２の透明電極１６は、ｐパッド電極１６から流れる電流をｐ型半導体層１３へ均等に拡散させる機能を有する。第１の透明電極１４および第２の透明電極１６は、例えば、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）からなり、真空蒸着法、スパッタリング法、またはＣＶＤ法を用いて形成される。

特に、第１の透明電極１４は、上面の平坦性を確保するため、スパッタリング法により形成することが好ましい。第１の透明電極１４の上面の平坦性が高い場合、第１の透明電極１４上に形成される反射層１５の底面の平坦性が高くなるため、反射層１５で反射する光が拡散しにくくなり、半導体発光素子１の光取り出し効率が向上する。

反射層１５は、発光層１２からｐ型半導体層１３側（光取り出し方向）に発せられた光を反射する機能を有する。ｐパッド電極１７が光反射率の低い材料からなる場合は、発光層１２から発せられた光がｐパッド電極１７に吸収され、半導体発光素子１の光取り出し効率が低下する。そこで、ｐパッド電極１７を反射層１５の上方に配置し、発光層１２からｐパッド電極１７へ向かう光を反射層１５で反射して他の領域から取り出すことにより、半導体発光素子１の光取り出し効率の低下を抑えることができる。

反射層１５は、金属、透明絶縁体、または透明絶縁体に表面を覆われた金属からなる。反射層１５の材料として用いられる金属は、発光層１２から発せられる光に対する反射率がｐパッド電極１７よりも高い。また、反射層１５の材料として用いられる透明絶縁体は、第１の透明電極１４よりも屈折率が低く、屈折率の違いにより発光層１２から発せられる光を反射することができる。

反射層１５の材料に金属を用いる場合、発光層１２からｐパッド電極１７へ向かう光を高い反射率で反射することができる。金属からなる反射層１５は、例えば、Ａｌ、Ａｇ、Ｒｈ、Ｐｔ、またはこれらの少なくとも一方を主成分とする合金からなり、スパッタリング法または蒸着法を用いて形成することができる。

また、反射層１５の材料に透明絶縁体を用いる場合、透明電極１６と反射層１５の界面に対し、臨界角を超える角度で光が入射した場合、全反射を生じるため、光は吸収されることなく反射される。透明絶縁体からなる反射層１５は、例えば、ＳｉＯ_２からなり、ＣＶＤ法、スパッタリング法、または蒸着法を用いて形成することができる。

さらに、反射膜１５が透明絶縁体に表面を覆われた金属からなる場合、透明電極１６と反射層１５の界面に対し、臨界角を超える角度で入射した光は、透明絶縁体で吸収されることなく反射され、臨界角を超えない角度で入射した光は透明絶縁体を透過するが、金属により反射される。このような構造により、光の吸収と透過を抑制した効率のよい反射層が得られる。図３は、反射膜１５が金属層１５ａとその表面を覆う透明な絶縁層１５ｂからなる場合の部分拡大図である。この場合、金属層１５ａは第１の透明電極１４および第２の透明電極１６に接触しないことが好ましい。

ｐパッド電極１７およびｎパッド電極１８は、ボンディングワイヤ等を接続するための電極であり、Ａｕ等の導電材料からなる。ｐパッド電極１７およびｎパッド電極１８を介してｎ型半導体層１１およびｐ型半導体層１３に電圧を印加することにより、発光層１２から光が発せられる。ｐパッド電極１７およびｎパッド電極１８は、スパッタリング法、蒸着法等を用いて形成することができる。

図４は、本実施の形態に係る半導体発光素子１内の電流の流れを概念的に表す概念図である。図中の矢印は、電流の流れを概念的に示すものである。

ｐパッド電極１７から第２の透明電極１６を介して第１の透明電極１４に流れ込む電流は、第１の透明電極１４内を面内方向に流れる。そのため、第１の透明電極１４の反射層１５下の領域を含むほぼすべての領域からｐ型半導体層１３へ電流が流れ、発光層１２のほぼすべての領域が発光する。

半導体発光素子１は、反射層１５および第２の透明電極１６を有さない従来の典型的な半導体発光素子と比較して、発光出力が高く、素子電圧の順方向電圧(Ｖｆ)がほぼ同じである。

従来の典型的な半導体発光素子と比較して発光出力が高いことは、発光層１２のほぼすべての領域が発光し、さらに反射層１５がｐパッド電極１７へ向かう光を反射することによると考えられる。また、従来の典型的な半導体発光素子と順方向電圧がほぼ同じことは、反射層１５がない場合と同様に、半導体構造中にほぼ均一に電流が流れていることによると考えられる。

図１〜４に示すように、第１の透明電極１４と第２の透明電極１６の接触領域が、反射層１５の底面の周囲を囲むことが好ましい。これにより、発光層１２の反射層１５下の領域により均一に電流を流すことができる。なお、反射層１５の形状が異なる場合であっても同様である。

図５は、半導体発光素子１の比較例としての半導体発光素子２内の電流の流れを概念的に表す概念図である。半導体発光素子２は、半導体発光素子１の構成から第１の透明電極１４を除いた構成を有する。

半導体発光素子２においては、電流は第２の透明電極１６からｐ型半導体層１３へ直接流れ込む。ｐ型半導体層１３は電気抵抗が高く、面内方向へは電流がほとんど流れないため、ｐ型半導体層１３の反射層１５下の領域にはほとんど電流が流れず、発光層１２の反射層１５下の領域２０ではほとんど発光が起こらない。

半導体発光素子２は、反射層１５および第２の透明電極１６を有さない従来の典型的な半導体発光素子と比較して、発光出力が高いが、素子電圧の順方向電圧(Ｖｆ)も高い。素子電圧の順方向電圧が高いことは、ｐ型半導体層１３の反射層１５下の領域以外の領域に電流が集中することによると考えられる。

図６（ａ）〜（ｄ）は、半導体発光素子２の具体例を表す拡大図である。図６（ａ）は、反射層１５が絶縁体からなる場合の例を表す。第２の透明電極１６は反射層１５の周囲の領域のみと接しているため、電流はｐ型半導体層１３の反射層１５下の領域にはほとんど流れない。

図６（ｂ）は、反射層１５が金属からなる場合の例を表す。この例では、反射率が高いＡｌを用いる場合が想定される。この場合、Ａｌはｐ型半導体層１３とオーミック接合できないため、電流はｐ型半導体層１３の反射層１５下の領域にはほとんど流れない。

図６（ｃ）は、反射層１５が金属層１５ａとその上面および側面を覆う絶縁層１５ｂからなる場合の例を表す。この場合、絶縁層１５ｂのためにｐ型半導体層１３の反射層１５下の領域に電流がほとんど流れない。なお、この例では、金属層１５ａの材料として反射率は高いがエレクトロマイグレーションを顕著に生じるＡｇを用いる場合が想定される。

図６（ｄ）は、反射層１５が金属層１５ａとその表面を覆う絶縁層１５ｂからなる場合の例を表す。この場合、絶縁層１５ｂのためにｐ型半導体層１３の反射層１５下の領域に電流がほとんど流れない。この例では、図６（ｃ）と同様に、金属層１５ａの材料としてＡｇを用いる場合が想定される。

本発明は、上記の実施の形態に限定されず、発明の主旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施が可能である。例えば、上記の実施の形態では、ｐ型半導体層側から光を取り出すフェイスアップ型の発光素子について示したが、基板側から光を取り出すフェイスダウン型の発光素子についても本発明を適用することができる。

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

１半導体発光素子
１１ｎ型半導体層
１２発光層
１３ｐ型半導体層
１４第１の透明電極
１５反射層
１６第２の透明電極
１７ｐパッド電極

Claims

第１導電型層と第２導電型層とに挟まれた発光層を有する半導体積層構造を有する半導体発光素子であって、
前記第２導電型層上に形成された第１の透明電極と、
前記第１の透明電極上に形成された、前記第１の透明電極よりも面積の小さい反射層と、
前記第１の透明電極上に前記反射層を覆うように形成された第２の透明電極と、
前記第２の透明電極上の前記反射層の上方の領域に形成されたパッド電極と、
を有する半導体発光素子。
前記反射層は、透明絶縁体に表面を覆われた金属からなる、
請求項１に記載の半導体発光素子。
前記第１の透明電極と前記第２の透明電極の接触領域は、前記反射層の底面の周囲を囲む、
請求項１または２に記載の半導体発光素子。