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技術 半導体発光素子

出願人 ローム株式会社
発明者 千田和彦松井宣明中田俊次
出願日 2006年12月21日 (14年10ヶ月経過) 出願番号 2006-344037
公開日 2008年7月10日 (13年4ヶ月経過) 公開番号 2008-159664
状態 特許登録済
技術分野 発光ダイオード LED素子(パッケージ以外)
主要キーワード 電極寄り n型半導体 接合形態 ウインドウ層 GaP 格子間 MQW p型半導体
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2008年7月10日)のものです。
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図面 (6)

課題

製造効率を不当に低下させること無く光の取り出し効率を高めることが可能な半導体発光素子を提供すること。

解決手段

正孔電子とが再結合することにより発光可能とされた活性層3と、活性層3を挟んで配置されたn型半導体層1およびp型半導体層2と、n型半導体層1に導通するn側電極4と、p型半導体層のうち活性層3とは反対側の表面に設けられており、厚さ方向視においてp型半導体層2よりも小とされているp側電極5と、を備えており、活性層3から少なくともp型半導体層2を透して光を出射する構成とされた半導体発光素子Aであって、p型半導体層2は、活性層3寄りに位置する高屈折率層21と、p側電極5および高屈折率層21によって挟まれており、かつ厚さ方向において平均された屈折率が高屈折率層21の屈折率よりも小さい低屈折率層22とを有している。

概要

背景

図5は、従来の半導体発光素子の一例を示している。同図に示された半導体発光素子Xは、n型半導体層91、p型半導体層92、活性層93、n側電極94、およびp側電極95を備えており、赤色光または黄色光を発する構成とされている。n型半導体層91は、n−GaAs基板91aにたとえばSeがドープされたAl0.7Ga0.3InPからなるn−クラッド層91bが形成された構造とされている。p型半導体層92は、たとえばp−GaPからなるウインドウ層92aと、たとえばZnがドープされたAl0.85Ga0.15InPからなるp−クラッド層92bとが積層された構造とされている。活性層93は、いわゆるMQW(Multiple-Quantum Well:多重量子井戸)構造とされており、GaInPからなる複数の井戸層とAl0.6Ga0.4InPからなる複数のバリア層とが積層されている。n側電極94は、n−GaAs基板91aの裏面に形成されており、n型半導体層91を介して活性層93に電子を供給するための電極である。p側電極95は、ウインドウ層92aの表面の一部を覆うように形成されており、p型半導体層92を介して活性層93に正孔を供給するための電極である。活性層93から発せられた光Lは、p型半導体層92を通して出射される。

しかしながら、半導体発光素子Xの発光効率を高めるためには、活性層93からの光の取り出し効率を高める必要がある。光の取り出し効率とは、活性層93において生じた光のうち、n型半導体層92から半導体発光素子X外へと出射される割合をいう。光の取り出し効率を低下させる一因は、ウインドウ層92aと空気との間の全反射である。ウインドウ層92aを形成するp−GaPは、その屈折率が3.45程度と比較的大きい。このため、ウインドウ層92aと空気との界面における臨界角が小さくなり、この界面において全反射される光の割合が大きくなる。全反射される光の割合を小さくすることにより光の取り出し効率を高めるためには、たとえばウインドウ層92aの厚さを20μm以上と比較的厚いものとする必要があった。このようなウインドウ層92aをたとえばMOCVD法有機金属気相成長法)を用いて成長させるには長時間を要するため、半導体発光素子Xの製造効率を低下させることとなっていた。

特開2004−356279号公報

概要

製造効率を不当に低下させること無く光の取り出し効率を高めることが可能な半導体発光素子を提供すること。正孔と電子とが再結合することにより発光可能とされた活性層3と、活性層3を挟んで配置されたn型半導体層1およびp型半導体層2と、n型半導体層1に導通するn側電極4と、p型半導体層のうち活性層3とは反対側の表面に設けられており、厚さ方向視においてp型半導体層2よりも小とされているp側電極5と、を備えており、活性層3から少なくともp型半導体層2を透して光を出射する構成とされた半導体発光素子Aであって、p型半導体層2は、活性層3寄りに位置する高屈折率層21と、p側電極5および高屈折率層21によって挟まれており、かつ厚さ方向において平均された屈折率が高屈折率層21の屈折率よりも小さい低屈折率層22とを有している。

目的

本発明は、上記した事情のもとで考え出されたものであって、製造効率を不当に低下させること無く光の取り出し効率を高めることが可能な半導体発光素子を提供することをその課題とする。

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
1件

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請求項1

正孔電子とが再結合することにより発光可能とされた活性層と、上記活性層を挟んで配置された第1型半導体層および第2型半導体層と、上記第1型半導体層に導通する第1電極と、上記第2型半導体層のうち上記活性層とは反対側の表面に設けられており、厚さ方向視において上記第2型半導体層よりも小とされている第2電極と、を備えており、上記活性層から少なくとも上記第2型半導体層を透して光を出射する構成とされた半導体発光素子であって、上記第2型半導体層は、上記活性層寄りに位置する高屈折率層と、上記第2電極および上記高屈折率層によって挟まれており、かつ厚さ方向において平均された屈折率が上記高屈折率層の屈折率よりも小さい低屈折率層とを有していることを特徴とする、半導体発光素子。

請求項2

上記低屈折率層は、複数の第1低屈折率層と、第1低屈折率層よりも屈折率が大きい複数の第2低屈折率層とが交互に積層されており、上記高屈折率層には、上記第2低屈折率層が接している、請求項1に記載の半導体発光素子。

請求項3

上記第1低屈折率層は、上記高屈折率層寄りにあるものの厚さの方が、上記第2電極寄りにあるものの厚さよりも小とされており、上記複数の第2低屈折率層は、上記高屈折率層寄りにあるものの厚さの方が、上記第2電極寄りにあるものの厚さよりも大とされている、請求項2に記載の半導体発光素子。

技術分野

0001

本発明は、たとえばn−GaAsおよびp−GaPをその材質に含む半導体発光素子に関する。

背景技術

0002

図5は、従来の半導体発光素子の一例を示している。同図に示された半導体発光素子Xは、n型半導体層91、p型半導体層92、活性層93、n側電極94、およびp側電極95を備えており、赤色光または黄色光を発する構成とされている。n型半導体層91は、n−GaAs基板91aにたとえばSeがドープされたAl0.7Ga0.3InPからなるn−クラッド層91bが形成された構造とされている。p型半導体層92は、たとえばp−GaPからなるウインドウ層92aと、たとえばZnがドープされたAl0.85Ga0.15InPからなるp−クラッド層92bとが積層された構造とされている。活性層93は、いわゆるMQW(Multiple-Quantum Well:多重量子井戸)構造とされており、GaInPからなる複数の井戸層とAl0.6Ga0.4InPからなる複数のバリア層とが積層されている。n側電極94は、n−GaAs基板91aの裏面に形成されており、n型半導体層91を介して活性層93に電子を供給するための電極である。p側電極95は、ウインドウ層92aの表面の一部を覆うように形成されており、p型半導体層92を介して活性層93に正孔を供給するための電極である。活性層93から発せられた光Lは、p型半導体層92を通して出射される。

0003

しかしながら、半導体発光素子Xの発光効率を高めるためには、活性層93からの光の取り出し効率を高める必要がある。光の取り出し効率とは、活性層93において生じた光のうち、n型半導体層92から半導体発光素子X外へと出射される割合をいう。光の取り出し効率を低下させる一因は、ウインドウ層92aと空気との間の全反射である。ウインドウ層92aを形成するp−GaPは、その屈折率が3.45程度と比較的大きい。このため、ウインドウ層92aと空気との界面における臨界角が小さくなり、この界面において全反射される光の割合が大きくなる。全反射される光の割合を小さくすることにより光の取り出し効率を高めるためには、たとえばウインドウ層92aの厚さを20μm以上と比較的厚いものとする必要があった。このようなウインドウ層92aをたとえばMOCVD法有機金属気相成長法)を用いて成長させるには長時間を要するため、半導体発光素子Xの製造効率を低下させることとなっていた。

0004

特開2004−356279号公報

発明が解決しようとする課題

0005

本発明は、上記した事情のもとで考え出されたものであって、製造効率を不当に低下させること無く光の取り出し効率を高めることが可能な半導体発光素子を提供することをその課題とする。

課題を解決するための手段

0006

本発明によって提供される半導体発光素子は、正孔と電子とが再結合することにより発光可能とされた活性層と、上記活性層を挟んで配置された第1型半導体層および第2型半導体層と、上記第1型半導体層に導通する第1電極と、上記第2型半導体層のうち上記活性層とは反対側の表面に設けられており、厚さ方向視において上記第2型半導体層よりも小とされている第2電極と、を備えており、上記活性層から少なくとも上記第2型半導体層を透して光を出射する構成とされた半導体発光素子であって、上記第2型半導体層は、上記活性層寄りに位置する高屈折率層と、上記第2電極および上記高屈折率層によって挟まれており、かつ厚さ方向において平均された屈折率が上記高屈折率層の屈折率よりも小さい低屈折率層とを有していることを特徴としている。

0007

このような構成によれば、上記高屈折率層から上記低屈折率層へと入射する場合の臨界角、および上記低屈折率層から空気へと入射する場合の臨界角の双方を、上記高屈折率層から空気へと直接入射する場合の臨界角よりも大きくすることが可能である。したがって、上記活性層からの光が上記高屈折率層、上記低屈折率層、および空気の界面において全反射される割合を小さくすることが可能であり、光の取り出し効率を高めることができる。

0008

本発明の好ましい実施の形態においては、上記低屈折率層は、複数の第1低屈折率層と、第1低屈折率層よりも屈折率が大きい複数の第2低屈折率層とが交互に積層されており、上記高屈折率層には、上記第2低屈折率層が接している。このような構成によれば、上記第2低屈折率層の材料として上記高屈折率層の材料と比較的格子定数が近いものを選定しつつ、上記第1低屈折率層の材料として、屈折率ができるだけ小さいものを選定することが可能である。これは、上記低屈折率層の屈折率を上記高屈折率層の屈折率よりも小としつつ、上記低屈折率層の製造を容易とするのに適している。

0009

本発明の好ましい実施の形態においては、上記複数の第1低屈折率層は、上記高屈折率層寄りにあるものの厚さの方が、上記第2電極寄りにあるものの厚さよりも小とされており、上記複数の第2低屈折率層は、上記高屈折率層寄りにあるものの厚さの方が、上記第2電極寄りにあるものの厚さよりも大とされている。このような構成によれば、上記低屈折率層の屈折率の厚さ方向における分布は、上記高屈折率層に近づくほど比較的大きな値が占める割合が大きくなる。これにより、上記低屈折率層のうち上記高屈折率層に近い部分の屈折率を上記高屈折率層の屈折率に近づけるとともに、上記低屈折率層のうち空気に近い部分の屈折率を空気の屈折率に近づけることが可能である。したがって、光の取り出し効率を高めるのに有利である。

0010

本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行う詳細な説明によって、より明らかとなろう。

発明を実施するための最良の形態

0011

以下、本発明の好ましい実施の形態につき、図面を参照して具体的に説明する。

0012

図1は、本発明に係る半導体発光素子の一例を示している。本実施形態の半導体発光素子Aは、n型半導体層1、p型半導体層2、活性層3、n側電極4、およびp側電極5を備えている。半導体発光素子Aは、活性層3から発せられた赤色または黄色などの光をp型半導体層2を透して出射可能に構成されている。

0013

n型半導体層1は、活性層3に対して電子を注入するためのものであり、本発明で言う第1型半導体層の一例である。n型半導体層1は、n−GaAs基板11およびn−クラッド層12からなる。n−GaAs基板11は、GaAsにSiがドープされることによりn型半導体とされた材料からなる基板であり、半導体発光素子Aを形成するための土台として用いられる。n−クラッド層12は、n型半導体層1のうち活性層3と隣り合う部分であり、活性層3に正孔を閉じ込めるために設けられている。n−クラッド層12は、たとえばAl0.7Ga0.3InPまたはAlInPなどにSeがドープされることによりn型半導体とされた材料からなり、その厚さが400〜1000nm程度とされている。

0014

n側電極(第1電極)4は、n型半導体層1のうち活性層3とは反対側に位置する面、すなわちn−GaAs基板11の裏面に形成されており、半導体発光素子Aに供給される電子を受ける電極である。n側電極4は、Alなどの導電体からなる。

0015

活性層3は、電子と正孔とが再結合することにより発光する層であり、n型半導体層1とp型半導体層2とに挟まれている。本実施形態においては、活性層3は、MQW構造とされており、複数の井戸層と複数のバリア層とが交互に積層された構造とされている。上記井戸層は、たとえばGaInPからなり、その厚さが4.5nm程度とされる。上記バリア層は、たとえばAl0.6Ga0.4InPからなり、その厚さが12nm程度とされる。本実施形態においては、65組の上記井戸層および上記バリア層を備えることにより、活性層3全体の厚さが、1080nm程度とされている。活性層3からは、たとえば赤色または黄色の光が発せられる。

0016

p型半導体層2は、活性層3に対して正孔を注入するためのものであり、本発明で言う第2型半導体層の一例である。p型半導体層2は、p−クラッド層23、ウインドウ層21、および低屈折率層22からなる。p−クラッド層23は、p型半導体層2のうち活性層3と隣り合う部分であり、活性層3に電子を閉じ込めるために設けられている。p−クラッド層23は、たとえばAl0.85Ga0.15InPまたはAlInPなどにZnがドープされることによりp型半導体とされた材料からなり、その厚さが400〜900nm程度とされている。

0017

ウインドウ層21は、半導体発光素子Aを流れる電流を活性層3が広がる方向において拡散させる機能と、活性層3から発せられた光を透過させることにより半導体発光素子A外へと出射させる機能とを有する層である。ウインドウ層21は、たとえばGaPにZnをドープすることによりp型半導体とされたp−GaPからなり、その厚さが10μm程度とされている。ウインドウ層21の材質であるp−GaPは、屈折率が3.45程度である。これにより、ウインドウ層21は、本発明で言う高屈折率層に相当するものとされている。

0018

低屈折率層22は、p型半導体層2のうちp側電極5と接する部分であり、ウインドウ層21と隣り合っている。図2に示すように、低屈折率層22は、複数の第1低屈折率層22Aと複数の第2低屈折率層22Bとが交互に積層された構造とされている。第1低屈折率層22Aは、たとえばAlInPにZnがドープされた材料からなり、その屈折率が3.29程度である。第2低屈折率層22Bは、たとえば(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5PにZnがドープされた材料からなり、その屈折率が3.46程度である。図3は、ウインドウ層21および低屈折率層22の厚さ方向における屈折率の分布を示している。本発明においては、低屈折率層22の平均の屈折率(図3中の二点鎖線)がウインドウ層21の屈折率よりも小となるように、低屈折率層22の材質が選定される。また、第1低屈折率層22Aの屈折率の方が、第2低屈折率層22Bの屈折率よりも小となるように、第1低屈折率層22Aおよび第2低屈折率層22Bの材質が選定される。

0019

低屈折率層22のうちウインドウ層21と接する部分は、第2低屈折率層22Bによって構成されている。また、本実施形態においては、低屈折率層22のうちp側電極5と接する部分も、第2低屈折率層22Bによって構成されている。複数の第1低屈折率層22Aは、ウインドウ層21寄りにあるものほど、その厚さが小とされている。一方、複数の第2低屈折率層22Bは、ウインドウ層21寄りにあるものほど、その厚さが大とされている。複数の第1低屈折率層22Aおよび複数の第2低屈折率層22Bは、それぞれが2〜10層ずつ程度設けられている。低屈折率層22全体としては、その平均された屈折率が3.35程度、その厚さが10〜500nm程度とされている。

0020

p側電極(第2電極)5は、p型半導体層2のうち活性層3とは反対側に位置する面、すなわち低屈折率層22の表面に形成されており、半導体発光素子Aに供給される正孔を受ける電極である。p側電極5は、Alなどの導電体からなる。p型半導体層2の厚さ方向視において、p側電極5は、p型半導体層2よりも小とされている。p型半導体層2のうちp側電極によって覆われていない部分から、活性層3から発せられた光が出射される。

0021

半導体発光素子Aは、たとえばn−GaAs基板11を土台として、MOCVD法を用いて、n−クラッド層12、活性層3、およびp型半導体層2を順次形成することによって製造することができる。

0022

次に、半導体発光素子Aの作用について説明する。

0023

本実施形態によれば、低屈折率層22の平均された屈折率は、ウインドウ層21の屈折率と空気の屈折率との中間の値となっている。このため、ウインドウ層21から低屈折率層22へと入射する場合の臨界角が、ウインドウ層21から空気へと入射する場合の臨界角よりも大きくなる。また、低屈折率層22から空気へと入射する場合の臨界角は、ウインドウ層21から空気へと入射する場合の臨界角よりも大きい。したがって、活性層3からの光の取り出し効率を高めることが可能であり、半導体発光素子Aの高輝度化を図ることができる。

0024

低屈折率層22を構成する第1低屈折率層22Aおよび第2低屈折率層22Bは、それぞれAlInP、(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5Pからなる。これらの材料は、MOCVD法によって成長させるのに適した材料である。このため、n−クラッド層12、活性層3、およびウインドウ層21をMOCVD法によって形成した後に、同じ製造装置を用いて低屈折率層22引き続き形成することが可能である。したがって、低屈折率層22を形成するための別途の製造装置を適用することが不要であり、半導体発光素子Aの製造効率を不当に低下させることがない。また、低屈折率層22を備えることによって光の取り出し効率を高めることが可能であるため、ウインドウ層21を厚さが10μm程度の比較的薄いものとすることができる。これは、半導体発光素子Aの製造時間の短縮に有利である。

0025

ウインドウ層21に近づくほど、第1低屈折率層22Aの厚さが小さく、かつ第2低屈折率層22Bの厚さが大きい構成とすることにより、低屈折率層22の屈折率の厚さ方向における分布は、ウインドウ層21に近づくほど比較的大きな値が占める割合が大きくなっている。これにより、低屈折率層22のうちウインドウ層21に近い部分の屈折率をウインドウ層21の屈折率に近づけるとともに、低屈折率層22のうち空気に近い部分の屈折率を空気の屈折率に近づけることが可能である。したがって、活性層3からの光がウインドウ層21、低屈折率層22、および空気の界面において全反射される割合を低減することが可能であり、光の取り出し効率を高めるのに適している。

0026

低屈折率層22のうち空気に触れる部分は、第2低屈折率層22Bによって構成されている。第2低屈折率層22Bの材質である(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5Pは、第1低屈折率層22Aの材質であるAlInPと比べてAlの組成比が小さい。低屈折率層22のうち空気と触れる部分のAl組成比が小さいほど、酸化される度合いが小さくなる。したがって、半導体発光素子Aが酸化によって変質することを防止するのに有利である。

0027

図4は、半導体発光素子Aに備えられる低屈折率層22の他の例を示している。この構成においては、第1低屈折率層22Aがp−GaNからなり、第2低屈折率層22BがZnがドープされたAlInPからなる点が図2に示す構成と異なっている。また、低屈折率層22のうち空気と接する部分は、第1低屈折率層22Aによって構成されている。

0028

このような構成によれば、第1低屈折率層22Aの屈折率が2.18程度であることから、低屈折率層22全体の平均された屈折率を2.8程度の比較的小さい値とすることが可能である。これは、半導体発光素子Aの光の取り出し効率を高めるのに好適である。

0029

GaNは、たとえば(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5PとくらべてZnをドープしにくい材料である。このため、p−GaNからなる第1低屈折率層22Aは、p型半導体としての性質が弱く、たとえばp側電極5との接合形態オーミックコンタクトとすることが困難である。しかし、第2低屈折率層22Bの材質として比較的ZnをドープしやすいAlInPを選定することにより、低屈折率層22全体として、p型半導体としての機能を十分に果たすものとすることができる。また、ウインドウ層21と接する第2低屈折率層22Bを形成する(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5Pは、p−GaNと比べてウインドウ層21を形成するp−GaPと格子定数が近い。このため、ウインドウ層21と低屈折率層22との間で大きな格子間歪みが生じることを抑制することができる。

0030

本発明に係る半導体発光素子は、上述した実施形態に限定されるものではない。本発明に係る半導体発光素子の各部の具体的な構成は、種々に設計変更自在である。

0031

第1低屈折率層22Aおよび第2低屈折率層22Bの材料としては、上述した材料のほかに、たとえばAlPにZnをドープした材料を用いることができる。低屈折率層22を複数の第1低屈折率層22Aと複数の第2低屈折率層22Bとが積層された構成に限定されず、単一の材料によって低屈折率層22を形成してもよい。この材料としては、その屈折率がウインドウ層21の屈折率と空気の屈折率との間であるものを選定すればよい。本発明で言う第1型半導体層および第2型半導体層は、一方がn型半導体からなり他方がp型半導体からなる構成であれば、上述した実施形態と入れ替わった構成であってもよい。

図面の簡単な説明

0032

本発明に係る半導体発光素子の一例を示す要部断面図である。
図1に示す半導体発光素子のウインドウ層および低屈折率層を示す要部断面図である。
図1に示す半導体発光素子のウインドウ層および低屈折率層の屈折率分布を示すグラフである。
本発明に係る半導体発光素子のウインドウ層および低屈折率層の他の例を示す要部断面図である。
従来の半導体発光素子の一例を示す要部断面図である。

符号の説明

0033

A半導体発光素子
1n型半導体層(第1型半導体層)
2p型半導体層(第2型半導体層)
3活性層
4 n側電極(第1電極)
5 p側電極(第2電極)
11 n−GaAs基板
12 n−クラッド層
21ウインドウ層(高屈折率層)
22低屈折率層
22A 第1低屈折率層
22B 第2低屈折率層
23 p−クラッド層

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