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JP-2026076633-A - 半導体発光素子

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Abstract

【課題】外部への光取り出し効率が高く、高効率かつ高出力な優れた素子特性を有する半導体発光素子を提供する。 【解決手段】基板と、第１の半導体層、活性層及び第２の半導体層がこの順で基板上に形成された積層発光半導体層と、基板の裏面に形成された光取出し構造と、を有している。光取出し構造は、基板の裏面上に形成された導波路層と、導波路層上に形成された凹凸構造と、からなり、導波路層の屈折率は基板の屈折率よりも大きい。 【選択図】図１

Inventors

  • 乘松 潤

Assignees

  • スタンレー電気株式会社

Dates

Publication Date
20260512
Application Date
20241024

Claims (12)

  1. 基板と、 第１の半導体層、活性層及び第２の半導体層がこの順で前記基板上に形成された積層発光半導体層と、 前記基板の裏面に形成された光取出し構造と、を有し、 前記光取出し構造は、前記基板の前記裏面上に形成された導波路層と、前記導波路層上に形成された凹凸構造と、からなり、 前記導波路層の屈折率は前記基板の屈折率よりも大きい、 半導体発光素子。
  2. 前記凹凸構造は前記導波路層上に周期的に配列された複数の突起からなる請求項１に記載の半導体発光素子。
  3. 前記複数の突起の配列周期は、媒質内波長の０．５倍より大きく、真空におけるコヒーレンス長以下である請求項２に記載の半導体発光素子。
  4. 前記凹凸構造の前記突起は、円錐、円錐台、円柱、半球、三角錐、三角柱、三角錐台、六角錘、六角柱及び六角錘台の形状のうち少なくとも１つを有する請求項２に記載の半導体発光素子。
  5. 前記凹凸構造は前記導波路層とは異なる材料で形成されている請求項１に記載の半導体発光素子。
  6. 前記活性層の発光は２００～３６０ｎｍの範囲内にピーク波長を有し、 前記基板はＡｌＮであり、 前記導波路層は、ＺｒＯ ２ 、ＡｌＧａＮ及びダイヤモンドのうち少なくとも１つを含む層からなる、 請求項１に記載の半導体発光素子。
  7. 基板と、 前記基板上に形成された導波路層と、 前記導波路層上に、第１の半導体層、活性層及び第２の半導体層がこの順で形成された積層発光半導体層と、 前記第１の半導体層の裏面に形成された光取出し構造と、を有し、 前記光取出し構造は、 前記基板の前記導波路層側に形成され、周期的に配列された複数の凹部と、前記導波路層が前記複数の凹部に埋め込まれて形成された凹凸構造と、からなり、 前記導波路層の屈折率は前記基板の屈折率よりも大きい、 半導体発光素子。
  8. 前記積層発光半導体層はＡｌＧａＮ系半導体からなり、 前記第１の半導体層は、前記導波路層上に形成されたＡｌＮ層を含み、 前記基板はサファイアからなり、前記導波路層はＡｌＧａＮからなる、請求項７に記載の半導体発光素子。
  9. 基板と、 第１の半導体層、活性層及び第２の半導体層がこの順で前記基板上に形成された積層発光半導体層と、 前記第２の半導体層上に形成された光取出し構造と、を有し、 前記光取出し構造は、前記第２の半導体層上に形成された導波路層と、前記導波路層上に形成された凹凸構造と、からなり、 前記導波路層の屈折率は前記第２の半導体層の屈折率よりも大きい、 半導体発光素子。
  10. 前記凹凸構造は前記導波路層上に周期的に配列された複数の突起からなる請求項９に記載の半導体発光素子。
  11. 前記複数の突起の配列周期は、媒質内波長の０．５倍より大きく、真空におけるコヒーレンス長以下である請求項１０に記載の半導体発光素子。
  12. 前記第２の半導体層上に形成された透明電極を有し、 前記導波路層は、前記透明電極よりも屈折率が大きく、前記透明電極上に形成されている、 請求項９に記載の半導体発光素子。

Description

本発明は、半導体発光素子に関する。 従来、発光ダイオード（ＬＥＤ）の光取出し効率を向上させるため、光取出し面に凹凸構造を設けることが一般的に行われてきた。 例えば、特許文献１には、光取出し面に形成された周期凹凸構造と、周期凹凸構造の表面上に形成された微細凹凸構造とが開示されている。 しかしながら、従来技術においては、凹凸構造に臨界角以上の角度で入射する光の大部分は反射され、光取出し効率が低く、さらなる改善が求められている。 再表２０１５／０１６１５０号公報 本発明の第１の実施形態の半導体発光素子１０の構造を模式的に示す断面図である。凹凸構造側から半導体発光素子を見たときの平面図である。導波路層及び凹凸構造からなる光取出し構造における光の伝搬及び回折を模式的に示す断面図である。第１の実施形態の実施例１（ＥＸ１）の導波路層及び凹凸構造を模式的に示す断面図である。凹凸構造の突起を模式的に示す断面図である。基板表面に凹凸構造（突起構造）を有する比較例（ＣＸ１）の光取出し構造を模式的に示す断面図である。光取出し構造の屈折率ｎに対する積分透過率Ｔを示すグラフである。凹凸周期に対する積分透過率Ｔのシミュレーション結果を示すグラフである。第１の実施形態の実施例２の半導体発光素子を模式的に示す断面図である。第１の実施形態の実施例３の半導体発光素子を模式的に示す断面図である。第２の実施形態の半導体発光素子の構造を模式的に示す断面図である。 以下においては、本発明の好適な実施形態について説明するが、これらを適宜改変し、組合せてもよい。また、以下の説明及び添付図面において、実質的に同一又は等価な部分には同一の参照符を付して説明する。 ［第１の実施形態］ １．半導体発光素子の構造 図１は、本発明の第１の実施形態による半導体発光素子１０の構造を模式的に示す断面図である。なお、半導体発光素子１０が、深紫外発光ダイオード（ＬＥＤ）である場合を例に説明する。 図１に示すように、半導体発光素子１０は、ＡｌＮの単結晶からなる平板状の基板１１と、基板１１を成長用基板とし、基板１１の表面上に、順次、第１の半導体層であるｎ型半導体層１３、活性層１４、及び、ｐ型半導体層１５及びｐコンタクト層１６からなる第２の半導体層がエピタキシャル成長によって積層されて形成されている。なお、第２の半導体層は第１の半導体層と反対の導電型を有する。また、第２の半導体層はコンタクト層を含んでいなくてもよい。 なお、以下においては、半導体発光素子１０がＡｌＧａＮ系半導体層からなる場合について説明するが、これに限定されない。すなわち、半導体発光素子１０は、紫外発光ダイオードに限らず、可視発光ダイオード、赤外発光ダイオード等であってもよい。 まず、基板１１は、特に制限されるものではないが、低転位密度のものを使用することが好ましい。基板１１の転位密度は、１０６ｃｍ－２以下であることが好ましく、さらに好ましくは１０４ｃｍ－２以下である。低転位密度のＡｌＮ基板を使用することによって、基板１１上に積層する半導体層の転位密度も低くでき、その結果、発光効率又は受光効率を向上させることができる。 本実施形態においては、基板１１の結晶成長面はＣ面である。また、基板１１の結晶成長面はＣ面から微傾斜（オフ）した面であってもよく、その場合のオフ角度は、０．１～０．５°であることが好ましく、０．３～０．４°であることがさらに好ましい。 基板１１は、最終的に形成する発光素子の発光に対して透過性が高いことが好ましい。そのため、深紫外領域、具体的には２１０ｎｍ以上の波長における吸収係数が２５ｃｍ－１以下であることが好ましい。なお、吸収係数の下限は、０ｃｍ－１であることが好ましいが、工業的生産や測定精度なども考慮すると、２１０ｎｍにおける吸収係数の下限値は１５ｃｍ－１であって、２５０ｎｍ以上の波長における吸収係数の下限値は５ｃｍ－１である。このような低い吸収係数のＡｌＮ基板を使用することにより、基板１１中での紫外光吸収による特性の低下を抑制することができる。 また、本実施形態で使用する基板１１の厚さは、特に制限されるものではない。基板１１の厚さが薄ければ、吸収係数が高い場合であっても基板中での光吸収量を低くすることができる。ただし、薄過ぎると取扱い難く、また素子の歩留まりを低下させるおそれがある。そのため、通常、該厚さは、５０～１０００μｍであることが好ましい。 なお、基板１１の結晶成長面はＣ面（Ｃ+面）であるが、これに限定されず、例えば基板１１の結晶成長面はＣ面（Ｃ-面）でもよいし、Ｍ面又はＡ面であってもよい。 また、基板１１とｎ型半導体層１３との間にバッファ層が設けられていてもよい。バッファ層は、半導体発光素子の機能上は必須ではないが、ｎ型半導体層１３の格子緩和を抑制し、結晶成長プロセスの歩留りを高める観点から、バッファ層を設けることが好ましい。 また、バッファ層は、単結晶である基板１１と格子整合した状態である。ここで、格子整合した状態とは、基板１１のａ軸の格子定数が、バッファ層とほぼ等しい状態であって、格子緩和率が±５％以下であることを指す。 なお、基板１１にはサファイア基板など、光透過率の高い材料を用いることができる。 ｎ型半導体層１３は、基板１１、及び、バッファ層が設けられる場合にはバッファ層よりも小なるバンドギャップを有する単結晶ＡｌxＧａ1-xＮ（０．５≦ｘ≦１）層である。ｎ型半導体層１３は、基板１１と格子整合しているため、ｎ型半導体層１３においては転位の発生を伴う格子緩和が起こっていない。そのため、ｎ型半導体層１３中の転位密度は、基板１１の表面の転位密度と同等となる。よって、ｎ型半導体層１３の転位密度は、基板１１と同様、１０６ｃｍ－２以下であることが好ましく、さらに好ましくは１０４ｃｍ－２以下である。なお、本発明のｎ型半導体層１３が複数の層から形成される場合においても、これらの層は全て格子整合しているため、各層とも転位密度は同等である。なお、基板１１にサファイア基板を用いる場合には、サファイア基板上にバッファ層を設けてもよい。この場合、転位密度はＡｌＮを基板に用いた場合よりも大きい。 ｎ型半導体層１３は、ｎ型ドーパントとして例えばＳｉを含む。ｎ型半導体層１３のドーパント濃度は、特に制限されるものではなく、目的に応じて適宜決定すればよい。中でも、高い導電性を実現するためには、例えばＳｉ濃度は、１×１０１８ｃｍ－３～５×１０１９ｃｍ－３であることが好ましい。ｎ型半導体層１３が複数の層から形成される場合においても、各層のＳｉの濃度は、１×１０１８ｃｍ－３～５×１０１９ｃｍ－３であることが好ましい。そして、各層のＳｉ濃度は、一定であってもよいし、デバイス設計などに応じて各層のＳｉ濃度が異なっていてもよい。また、各層の界面ではＳｉ濃度を比較的高くすることもできる。 また、本実施形態においては、ｎ型半導体層１３は、成長方向、すなわち基板１１から離れる方向（活性層１４に向かう方向）にＡｌ組成が小さくなるＡｌＧａＮ層（組成傾斜層）からなる。 なお、ｎ型半導体層１３は、結晶組成又は不純物濃度などが互いに異なる複数の半導体層から構成されていてもよい。また、アンドープ層（又はｉ層）を含んでいてもよい。 半導体発光素子１０は、ｎ型半導体層１３上に形成された活性層１４、活性層１４上に形成されたｐ型半導体層１５及びｐ型半導体層１５上に形成されたｐコンタクト層１６を有している。ｐ型半導体層１５は、ｐ型クラッド層として機能する。 活性層１４は、ｎ型半導体層１３よりも小なるバンドギャップを有するＡｌＧａＮ層からなる。本実施形態においては、活性層１４は、複数の井戸層及び障壁層からなる多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有する。また、活性層１４は、深紫外領域の光を放出する。なお、活性層１４の構成はこれに限定されず、単層で構成されていてもよいし、単一量子井戸構造を有していてもよい。 活性層１４の発光波長（ピーク波長）は、２００～３６０ｎｍの範囲内であることが好ましく、より好ましくは２００～３００ｎｍであり、さらに好ましくは２００ｎｍ～２８０ｎｍである。 ｐ型半導体層１５は、ｐ型ドーパントとして例えばＭｇを含むＡｌＮ層、ＡｌＧａＮ層からなる。なお、ｐ型半導体層１５は、結晶組成又は不純物濃度などが互いに異なる複数の半導体層から構成されていてもよい。また、アンドープ層（又はｉ層）を含んでいてもよい。さらに、活性層１４とｐ型半導体層１５との間には電子ブロック層が設けられていてもよい。 ｐコンタクト層１６上には、ｐ電極１７が設けられている。ｐ電極１７は、例えば、Ｎｉ層及びＡｕ層の積層体からなる。なお、ｐ電極１７には反射層が設けられていてもよく、当該反射層はｐ電極１７の全面にわたって設けられていることが好ましい。 ｎ型半導体層１３、活性層１４、ｐ型半導体層１５及びｐコンタクト層１６がこの順で基板１１上に積層された半導体層（積層発光半導体層１９）をｎ型半導体層１３が露出するように部分的に除去され、ｎ型半導体層１３の露出部（露出面１３Ｄ）が形成されている。 ｎ型半導体層１３の露出面１３Ｄ上にはｎ電極１８が形成されている（ｎ電極形成領域）。ｎ電極１８は、ｎ型半導体層１３とのオーミック接触金属層１８Ａ（例えば、Ｔｉ層、層厚：１ｎｍ）と、オーミック接触金属層１８Ａ上に形成された電極層１８Ｂ（例えば、Ａｌ層、層厚：２５０ｎｍ）と、電極層１８Ｂ上に形成され、Ａｕからなるパッド電極１８Ｃ（例えば、層厚：１．５μｍ）とからなる。 ｐ電極１７及びｎ電極１８間に電圧を印加することにより、活性層１４が発光する。 ２．半導体発光素子の光取出し構造 （１）光取出し構造 図１に示すように、基板１１の裏面１１Ｅ（積層発光半導体層１９が積層された側とは反対側の面）には、光取出し構造２５が設けられている。光取出し構造２５は、基板１１の裏面１１Ｅ上に設けられた導波路層２１及び導波路層２１上に設けられた凹凸構造２３からなる。活性層１４から放射され、光取出し構造２５から取り出された光は外部（空気）に放射される（出力光ＬＯ）。 図２は、凹凸構造２３側から半導体発光素子１０を見たときの平面図である。導波路層２１は平板状で一定の層厚を有し、凹凸構造２３は導波路層２１上に配列された複数の微細な突起２３Ｐからなる。より具体的には、凹凸構造２３において、複数の突起２３Ｐは突起２３Ｐの各々が三角格子点位置に周期ＰＫで配された三角格子配列で配列されている。なお、突起２３Ｐが設けられていない隣接する突起２３Ｐの間では導波路層２１の表面２１Ｓが露出している。 なお、複数の突起２３Ｐは、三角格子配列、正方格子配列、六方格子配列等、周期的に配列されていることが好ましく、フィリングファクタが最大である三角格子配列で配列されていることが最も好ましい。なお、複数の突起２３Ｐは周期的に配列されていなくてもよく、ランダムに配置されていてもよい。 導波路層２１は、基板１１よりも屈折率の大きい材料からなる。基板１１がＡｌＮ基板（屈折率２．３）の場合、導波路層２１には、ＡｌＮよりも屈折率の大きな、例えば屈折率が２．６のＺｒＯ２を用いることができる。 また、基板１１としてサファイア基板（屈折率１．８）を用いる場合、導波路層２１には、例えば屈折率が２．３のＳｉＮ，ＨｆＯ２等、又は屈折率が２．６のＺｒＯ２を用いることができる。 なお、導波路層２１及び凹凸構造２３を構成する微細な複数の突起２３Ｐは、同一の材料から構成されていてもよいが、導波路層２１とは異なる屈折率を有する材料から構成されていてもよい。 （２）光取出し構造の製法 導波路層２１及び凹凸構造２３からなる光取出し構造２５は、周知の方法により作製することができる。例えば、ＺｒＯ２やＨｆＯ２等の高屈折率の層についてはＡＬＤ（Atomic Layer Deposition