(57)【要約】【課題】活性層における光吸収を低減しつつ、光取り出し効率を改善可能な発光素子を提供する。【解決手段】井戸層及び障壁層を有する多重量子井戸を含み、非発光領域と前記非発光領域の周囲に形成される発光領域とを有する活性層と、前記活性層の第１の主面の上に設けられた第１のクラッド層と、前記第１の主面に対して垂直な方向からみて中心が前記非発光領域の中心近傍となるように、前記第１のクラッド層の上に設けられたパッド電極と、前記第１の主面とは反対側の前記活性層の第２の主面の下に設けられた第２のクラッド層と、を備え、前記非発光領域における前記井戸層のバンドギャップは、前記発光領域における前記井戸層のバンドギャップよりも広く、かつ前記第１のクラッド層のバンドギャップよりも狭いことを特徴とする発光素子が提供される。【選択図】図１
2010263085.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
井戸層及び障壁層を有する多重量子井戸を含み、非発光領域と前記非発光領域の周囲に形成される発光領域とを有する活性層と、
前記活性層の第１の主面の上に設けられた第１のクラッド層と、
前記第１の主面に対して垂直な方向からみて中心が前記非発光領域の中心近傍となるように、前記第１のクラッド層の上に設けられたパッド電極と、
前記第１の主面とは反対側の前記活性層の第２の主面の下に設けられた第２のクラッド層と、
を備え、
前記非発光領域における前記井戸層のバンドギャップは、前記発光領域における前記井戸層のバンドギャップよりも広く、かつ前記第１のクラッド層のバンドギャップよりも狭いことを特徴とする発光素子。
【請求項２】
前記非発光領域の平面サイズは、前記パッド電極の平面サイズ以上であることを特徴とする請求項１記載の発光素子。
【請求項３】
前記第２のクラッド層の下に設けられ、前記パッド電極との間で駆動電流を供給可能とする下面電極をさらに備え、
前記発光領域からの放出光の一部は、前記下面電極により反射されたのち前記非発光領域を透過して外部に出射可能とされたことを特徴とする請求項１または２に記載の発光素子。
【請求項４】
前記パッド電極と前記下面電極との間に設けられた電流ブロック層をさらに備えたことを特徴とする請求項３記載の発光素子。
【請求項５】
前記非発光領域の前記井戸層は、亜鉛、マグネシウム、アルミニウム、及びボロン、の少なくともいずれかを含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
照明装置、表示装置、及び信号機などにおいて、高輝度かつ高発光効率を有する可視光波長範囲の発光素子の需要が拡大している。
【０００３】
発光層がＩｎＧａＡｌＰ系半導体であると、緑色〜赤色波長範囲を有する可視光を放出可能である。ＩｎＧａＡｌＰ系半導体の格子定数はＧａＡｓの格子定数とのずれが小さいので、ＧａＡｓ基板が発光層を含む積層体の結晶成長における基板として多く用いられる。このようにすると、結晶欠陥が抑制された高い信頼性を有する発光素子が得られる。
他方、ＧａＡｓは可視光を吸収するので輝度低下を生じやすい。積層体を、透光性基板に移し替えるか、または反射金属層を介して他の基板と接着すると、基板における光吸収が低減でき、発光効率を高めることが容易となる。しかし、発光層の平面サイズを大きくすると、発光層を通過する光の吸収により発光効率が低下する。
【０００４】
放出光を外部に高い効率で取り出すことが可能な発光素子の技術開示例がある（特許文献１）。この例では、選択的に設けられた発光層と、この発光層の周囲に設けられた高抵抗の電流ブロック層と、を備えている。高抵抗層のために電流は発光層に集中され発光効率がより高められる。また、発光層を発光素子の中心付近に配置することにより光取り出し効率が改善可能となる。
しかしながら、この例では、電流密度が高い発光層はパッド電極の下方となるので、放出光がパッド電極により遮られて輝度が低下する問題を生じる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−２４７６３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
活性層における光吸収を低減しつつ、光出力及び光取り出し効率を改善可能な発光素子を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様によれば、井戸層及び障壁層を有する多重量子井戸を含み、非発光領域と前記非発光領域の周囲に形成される発光領域とを有する活性層と、前記活性層の第１の主面の上に設けられた第１のクラッド層と、前記第１の主面に対して垂直な方向からみて中心が前記非発光領域の中心近傍となるように、前記第１のクラッド層の上に設けられたパッド電極と、前記第１の主面とは反対側の前記活性層の第２の主面の下に設けられた第２のクラッド層と、を備え、前記非発光領域における前記井戸層のバンドギャップは、前記発光領域における前記井戸層のバンドギャップよりも広く、かつ前記第１のクラッド層のバンドギャップよりも狭いことを特徴とする発光素子が提供される。
【発明の効果】
【０００８】
活性層における光吸収を低減しつつ、光出力及び光取り出し効率を改善可能な発光素子が提供される。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１の実施形態にかかる発光素子の模式断面図
【図２】比較例の模式断面図
【図３】エネルギーバンド図
【図４】光出力特性及び光取り出し効率のグラフ図
【図５】第２の実施形態にかかる発光素子の模式断面図
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態にかかる発光素子の模式断面図である。
発光素子は、半導体からなり活性層２８を有する積層体２２と、積層体２２が下面電極４０を介して接合されている基板１０と、パッド電極４４と、を備えている。
【００１１】
積層体２２は、ｎ側電極となる下面電極４０の側から、ｎ型電流拡散層２４、ｎ型クラッド層２６、活性層２８、ｐ型クラッド層３０、ｐ型電流拡散層３２、コンタクト層３４、を有している。積層体２２は、ＩｎＧａＡｌＰ及びＧａＡｓなどを含むものとすると、緑〜赤色波長範囲の光を放出可能となる。
【００１２】
この積層体２２がＧａＡｓのような基板（図示せず）上にＭＯＣＶＤ（Metal  Organic  Chemical  Vapor  Deposition:  有機金属気相成長）法などを用いて形成されると、高い結晶品質が得られる。
【００１３】
なお、本明細書において、「ＩｎＧａＡｌＰ」とは、Ｉｎｘ（ＧａｙＡｌ１−ｙ）１−ｘＰ（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）なる組成式で表される材料であり、ｐ型不純物やｎ型不純物が添加されたものも含むものとする。
【００１４】
次に、積層体２２の組成の一例を表す。ｎ型電流拡散層２４は、Ｉｎ０．５（Ｇａ０．３Ａｌ０．７）０．５Ｐからなり、キャリア濃度が４×１０１７ｃｍ−３、かつ厚さが２μｍなどとされる。ｎ型クラッド層２６は、ＩｎＡｌＰからなり、キャリア濃度が４×１０１７ｃｍ−３、かつ厚さが０．６μｍなどとされる。ｐ型クラッド層３０は、ＩｎＡｌＰからなり、キャリア濃度が２×１０１７ｃｍ−３、かつ厚さが０．６μｍなどとされる。なお、導電型はこれらに限定されず反対導電型であってもよい。
【００１５】
また、基板１０は、導電性Ｓｉなどからなり、その表面に設けられた金属層と、積層体２２に設けられた金属層と、をウェーハ状態で重ね合わせかつ加熱接合を行う。金属層が接合されて下面電極４０が形成されるので、積層体２２と基板１０との接合強度が高まる。このために結晶成長基板を除去することができる。基板１０の裏面には基板電極４２が形成される。
【００１６】
活性層２８は、Ｉｎ０．５（Ｇａ０．９４Ａｌ０．０６）０．５Ｐなどからなる井戸層と、Ｉｎ０．５（Ｇａ０．４Ａｌ０．６）０．５Ｐなどからなる障壁層と、が交互に配列されたＭＱＷ（Multi  Quantum  Well）構造とされ、発光領域２８ａ及び非発光領域２８ｂを有する。また、例えば井戸層の幅は１０ｎｍ、障壁層の幅は２０ｎｍなどとされる。さらに活性層２８は、アンドープまたは低濃度とされる。
【００１７】
非発光領域２８ｂは、上方すなわち活性層２８の第１の主面に対して垂直な方向からみてその中心がパッド電極４４の中心と略一致するようにかつパッド電極４４の下方に設けられる。また、その平面サイズはパッド電極４４の平面サイズと略同一とされる。なお、非発光領域２８ｂの平面サイズがパッド電極４４の平面サイズよりも小さくてもよいが、下面電極４０における反射光を外部に取り出すことが可能な程度に大きくすると光取り出し効率が改善できるので好ましい。
【００１８】
パッド電極４４から注入された電流は、非発光領域２８ｂの周囲に設けられた発光領域２８ａに流れ込み、発光領域２８ａ内の井戸層のバンドギャップ波長に応じた波長の光を放出する。このような発光領域２８ａの配置により、パッド電極４４による遮光量が抑制され、上方へ向かう光Ｇ１が放出される。また、側方へ向かう光Ｇ２は、発光領域２８ａから直接、または非発光領域２８ｂを介して、放出される。さらに、下方へ向かう光は、下面電極４０により反射される。反射光Ｇ３の一部は非発光領域２８ｂを通過して外部へ放出される。
【００１９】
のちに説明するように、本実施形態では、非発光領域２８ｂのバンドギャップを発光領域２８ａのバンドギャップよりも広くする。このために、非発光領域２８ｂへの電流注入が抑制され放出光に寄与しない無効電流を低減できる。また、非発光領域２８ｂにおける光吸収は発光領域２８ａにおける光吸収よりも低減される。すなわち、発光領域２８ａのバンドギャップに応じて放出された光の波長に対して、非発光領域２８ｂは透明領域となる。この透明領域において、側方光Ｇ２及び反射光Ｇ３の光吸収が低減され光取り出し効率を高めることが容易となる。
【００２０】
さらに、下面電極４０とｎ型電流拡散層２４との間にＳｉＯ２のような絶縁膜からなる電流ブロック層２０を設けると、パッド電極４４から非発光領域２８ｂへの注入電流がさらに抑制される。このために、無効電流が低減されるのでより好ましい。なお、ＳｉＯ２のように放出光を透過可能な絶縁膜を用いると、絶縁膜を透過し、下面電極４０で反射され、絶縁膜を再び透過した光が非発光領域２８ｂを介して外部に出射可能となるのでより好ましい。
【００２１】
また、電流ブロック層２０は、パッド電極４４と下側電極４０との間であればよい。例えば、パッド電極４４とコンタクト層３４との間に、パッド電極４４の平面サイズよりも小さいサイズの電流ブロック層２０を設けてもよい。
【００２２】
積層体２２は、ＧａｘＡｌ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）であってもよい。この場合、活性層２８のＭＱＷ構造は、ＧａＡｌＡｓまたはＧａＡｓからなる井戸層及びＧａＡｌＡｓからなる障壁層からなるものなどとする。
【００２３】
さらに積層体２２は、ＩｎＧａＡｌＮ系材料であってもよい。なお、本明細書において、「ＩｎＧａＡｌＮ」とは、ＢｘＩｎｙＧａｚＡｌ１−ｘ−ｙ−ｚＮ（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）なる組成式で表される材料であり、ｐ型不純物やｎ型不純物が添加されたものも含むものとする。この場合、積層体２２は、例えばＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎからなるｎ型クラッド層２６、Ｉｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ（井戸層）／Ｉｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ（障壁層）からなるＭＱＷ構造の活性層２８、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎからなるｐ型クラッド層３０、ｐ型ＧａＮからなるコンタクト層３４などを有しているものとする。なお、井戸層はＩｎＧａＡｌＮとし、障壁層はＩｎＧａＡｌＮ及びＧａＮのうちのいずれかからなるなるものとしてもよい。積層体２２がＩｎＧａＡｌＮ系材料を含むものとすると、青色を含む紫外から緑色波長範囲の光を放出可能となる。特に、紫外から青色にかけての短波長の光を高い効率で発光させることができる。
【００２４】
図２（ａ）は比較例における遮光を表す模式断面図、図２（ｂ）は比較例における光吸収を表す模式断面図である。
ＩｎＧａＡｌＰまたはＧａＡｓなどからなる積層体１２２は、ｎ側電極となる下面電極１４０の側から、ｎ型電流拡散層１２４、ｎ型クラッド層１２６、活性層１２８、ｐ型クラッド層１３０、ｐ型電流拡散層１３２、コンタクト層１３４、を有している。また、積層体１２２は、下面電極１４０を介して基板１１０の一方の面と接合されており、基板１０の他方の面には基板電極１４２が形成されている。
図２（ａ）において、活性層１２８は全領域において同一組成である。パッド電極１４４の下方の遮光領域１２８ｃにおける注入電流密度はその周囲の電流密度よりも高い。このために、遮光領域１２８ｃにおいて光出力は高いが、パッド電極１４４により遮蔽される光Ｇ１２を外部へ取り出すことが困難であり、光取り出し効率が低下する。
【００２５】
また、図２（ｂ）においては、ｎ型電流拡散層１２４と下面電極１４０との間に設けられ、絶縁膜などからなる電流ブロック層１２０によりパッド電極１４４の直下への電流注入を低減できる。しかしながら、活性層１２８の全領域において光吸収率は略同一である。このために、パッド電極１４４の直下は吸収領域１２８ｄとなり、発光領域１２８ａからの側方光Ｇ１４及び下面電極１４０による反射光Ｇ１３の一部は吸収領域１２８ｄにおいて吸収され、光取り出し効率を低下させる。
【００２６】
これに対して、本実施形態では、活性層２８においてバンドギャップを変化させることにより、発光領域２８ａまたは非発光領域２８ｂとして機能させる。すなわち、非発光領域２８ｂ内の井戸層のバンドギャップは、次に説明するようにすれば、発光領域２８ａ内の井戸層のバンドギャップよりも広くなるように制御可能である。
【００２７】
図３（ａ）は拡散法によるエネルギーバンド図、図３（ｂ）及び図３（ｃ）はイオン注入したエネルギーバンド図、である。
ＭＱＷ構造の活性層２８は、結晶成長後にアンドープまたは低濃度のｐ型とされる。
【００２８】
図３（ａ）はＩｎＧａＡｌＰからなるＭＱＷ構造に、ＺｎやＭｇのアクセプタを拡散したエネルギーバンド図である。活性層２８にＺｎやＭｇのようなアクセプタをさらに拡散すると、ＭＱＷ構造が無秩序化される。井戸層Ｗの組成を既に述べた組成のように選択すると、アクセプタが取り込まれた井戸層Ｗの近傍のバンドギャップをドット線で表すように広くすることができる。他方、ＺｎやＭｇが拡散されない発光領域２８ａのエネルギーバンドは実線のように変化が小さい。
【００２９】
この場合、ＺｎやＭｇを拡散するには、発光領域２８ａとしたい領域に拡散マスク層を設けてアクセプタを拡散せず、非発光領域２８ｂとしたい領域にのみアクセプタをｐ型クラッド層３０側から拡散するとよい。
【００３０】
また、ｐ型クラッド層３０及びｎ型クラッド層２６のバンドギャップは、キャリアを活性層２８内に効率よく閉じ込めて発光効率を高めるために広く設定される。すなわち、無秩序化前の井戸層Ｗのバンドギャップは略１．９１ｅＶであるのに対してクラッド層２６、３０のバンドギャップは略２．４ｅＶである。この場合、バンドギャップが広いクラッド層２６、３０の屈折率は、活性層２８の屈折率よりも小さくできるので、積層体２２の縦方向への放出光の広がりを制御することが容易となる。
【００３１】
さらに、障壁層Ｂのバンドギャップを略２．２ｅＶとすると、井戸層Ｗにキャリアを効率よく閉じ込めることが容易となる。このようにして、本実施形態では、非発光領域２８ｂの井戸層Ｗのバンドギャップが、ｎ型クラッド層２６及びｐ型クラッド層３０のそれぞれのバンドギャップよりも狭く、発光領域２８ａの井戸層Ｗのバンドギャップよりも広く設定される。
【００３２】
また、図３（ｂ）は、ＩｎＧａＡｌＮ系材料からなるバルク活性層にＡｌやＢをイオン注入したエネルギーバンド図である。ＧａＮのバンドギャップは略３．４ｅＶである。これに対して、ＡｌやＢを含む材料のバンドギャップは、例えばＡｌＮでは略５．９ｅＶ、ＡｌＧａＮでは３．４〜５．９ｅＶ、ＢＮでは８．０ｅＶのように広くなる。ＡｌやＢがイオン注入されたＩｎＧａＡｌＮ系材料においても、無秩序化されたバルク層のバンドギャップは図３（ｂ）のように広がる。
【００３３】
さらに図３（ｃ）は、ＩｎＧａＡｌＮ系ＭＱＷ構造にＡｌやＢをイオン注入したエネルギーバンド図である。実線はイオン注入前のエネルギーバンドを表している。イオン注入により無秩序化されたＭＱＷ構造において、ドット線のように井戸層Ｗ及び障壁層Ｂのバンドギャップが広くなる。この場合、障壁層Ｂのバンドギャップも広くなるが、ｎ型クラッド層２６及びｐ型クラッド層３０のバンドギャップである略２．２ｅＶまで広げる必要はない。このようにして、発光領域２８ａのエネルギーバンドは実線のようになり、非発光領域２８ｂのエネルギーバンドはドット線のようになる。
【００３４】
この場合、パターニングによりフォトレジスト膜や絶縁膜を発光領域２８ａとしたい領域に設け、イオン注入のマスクとする。こののち、適正な条件においてアニール工程を行うと、非発光領域２８ｂが形成される。
【００３５】
図４（ａ）はシミュレーションによる光出力特性、図４（ｂ）はシミュレーションによる光取り出し効率特性、を表すグラフ図である。
実線で表す第１の実施形態において、パッド電極４４の直径は１００μｍの円形、非発光領域２８ｂの直径は１００μｍの円形、電流ブロック層２０の直径は１４０μｍの円形とする。また、発光素子は赤色光を放出するものとする。なお、鎖線で表す比較例は、図２（ｂ）に表す構造とし、パッド電極１４４の直径は１００μｍの円形、かつ電流ブロック層１２０の直径は１４０μｍの円形とする。
【００３６】
非発光領域２８ａ、パッド電極４４、及び電流ブロック層２０、の平面形状は円形に限定されず、正方形、矩形、楕円、多角形、などであってもよい。
また、中央部の非発光領域２８ｂを取り囲むように設けられた発光領域２８ａをさらに取り囲むように、第２の非発光領域が設けられてもよい。
【００３７】
電流５０ｍＡにおいて、比較例の光出力Ｐは略１２ｍＷであるの対して、第１の実施形態の光出力Ｐは略１４ｍＷと高い。また、電流５０ｍＡにおいて、比較例の光取り出し効率ηｅｘｔは略１７％であるのに対して、第１の実施形態の光取り出し効率ηｅｘｔは略１９％と高い。このように、第１の実施形態において、光出力及び光取り出し効率を高めることができる。
【００３８】
図５は、第２の実施形態にかかる発光素子の模式断面図である。
第２の実施形態において、パッド電極４４の直径は１００μｍの円形、非発光領域２８ｂの直径は１４０μｍの円形、電流ブロック層２０の直径は１４０μｍの円形、とする。  また、発光素子は赤色光を放出するものとする。
【００３９】
この場合、光出力Ｐを図４（ａ）に破線で表す。電流５０ｍＡにおいて、比較例の光出力Ｐは略１２ｍＷであるの対して、第２の実施形態の光出力Ｐは略１７ｍＷと高い。また、光取り出し効率ηｅｘｔを図４（ｂ）に破線で表す。電流５０ｍＡにおいて、比較例の光取り出し効率ηｅｘｔは略１７％であるのに対して、第１の実施形態の光取り出し効率ηｅｘｔは略２３％と高い。このように、上方からみて、パッド電極４４よりも外側に発光領域２８ａを配置すると、パッド電極４４により遮られる光をより低減でき、光出力及び光取り出し効率をより高めることが容易となる。
【００４０】
なお、ＺｎやＭｇの拡散、またはＡｌやＢのイオン注入及びアニールにより非発光領域２８ｂを形成する場合、発光層２８ａとの界面にはバンドギャップが緩やかに変化する遷移領域を生じる。本明細書では、発光領域２８ａのバンドギャップと非発光領域２８ｂのバンドギャップとの平均のバンドギャップとなる位置をその界面の位置とする。
【００４１】
第１及び第２の実施形態では、活性層における光吸収を低減しつつ、光出力及び光取り出し効率を改善可能な発光素子が提供される。このようにして得られた高輝度発光素子は、照明装置、表示装置、及び信号機などの用途に広く使用可能である。
【００４２】
以上、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかしながら、本発明はこれらの実施形態に限定されない。発光素子を構成する積層体、ＭＱＷ、井戸層、障壁層、基板、パッド電極、下面電極、電流ブロック層、基板裏面電極などの材質、サイズ、形状、配置などの関して当業者が各種設計変更を行ったものであっても、本発明の主旨を逸脱しない限り本発明の範囲に包含される。
【符号の説明】
【００４３】
２０  電流ブロック層、２６  ｎ型クラッド層、２８  活性層、２８ａ  発光領域、２８ｂ  非発光領域、３０  ｐ型クラッド層、４０  下面電極、４２  基板電極、４４  パッド電極、Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３  放出光
【図１】
2010263085.tif 000003
【図２】
2010263085.tif 000004
【図３】
2010263085.tif 000005
【図４】
2010263085.tif 000006
【図５】
2010263085.tif 000007