(57)【要約】【課題】消費電力を低減させた発光素子を提供する。【解決手段】  本発明の発光素子は、第１半導体層２ａと、第２半導体層２ｃと、第１半導体層２ａと第２半導体層２ｂとの間に発光層２ｂと、を有する光半導体層２であって、第１半導体層２ａ内に、光半導体層２の厚み方向に転位９が延在する光半導体層２と第１半導体層２ａと第２半導体層２ｃとの間に部分的に設けられ、平面透視して転位９と重なる領域に存在する絶縁層部７と、光半導体層２に電圧を印加し、平面透視して絶縁層部７と重ならない領域に位置する発光層２ｂを発光させる一対の電極３と、を有する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１半導体層と、第２半導体層と、前記第１半導体層と前記第２半導体層との間に発光層と、を有する光半導体層であって、
前記第１半導体層内に、前記光半導体層の厚み方向に転位が延在する光半導体層と、
前記第１半導体層と前記第２半導体層との間に部分的に設けられ、平面透視して前記転位と重なる領域に存在する絶縁層部と、
前記光半導体層に電圧を印加し、平面透視して前記絶縁層部と重ならない領域に位置する前記発光層を発光させる一対の電極と、を有する発光素子。
【請求項２】
前記絶縁層部は、前記発光層と前記第２半導体層との間に設けられている請求項１に記載の発光素子。
【請求項３】
前記一対の電極は、前記第２半導体層と電気的に接続され、平面透視して前記転位と重ならない領域に一方の電極を有する請求項１または２に記載の発光素子。
【請求項４】
前記第１半導体層は前記光半導体層とは反対主面に凸部を有し、平面透視して前記凸部が前記絶縁層部と重ならない領域に位置する請求項１〜３のいずれかに記載の発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、発光素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
現在、紫外光、青色光、緑色光等を発光する発光層を有する発光素子の開発が行われている。かかる発光素子の製造方法として、結晶品質を高めるために横方向成長を用いることが例えば特許文献１に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−８９９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、横方向成長を用いて発光素子を製造した場合であっても、発光層付近に延在する転位により非発光再結合しやすくなるため発光効率を低下させることがあった。本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、非発光再結合を抑制することにより発光効率を向上させることが可能な発光素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明にかかる発光素子は、第１半導体層と、第２半導体層と、前記第１半導体層と前記第２半導体層との間に発光層と、を有する光半導体層であって、前記第１半導体層内に、前記光半導体層の厚み方向に転位が延在する光半導体層と、前記第１半導体層と前記第２半導体層との間に部分的に設けられ、平面透視して前記転位と重なる領域に存在する絶縁層部と、前記光半導体層に電圧を印加し、平面透視して前記絶縁層部と重ならない領域に位置する前記発光層を発光させる一対の電極と、を有する。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、発光効率を向上させた発光素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の一実施形態にかかる発光素子の模式的な斜視図である。
【図２】図１に示す発光素子の模式的な断面図であり、図１のＡ−Ａ´線で切断したときの断面に相当する。
【図３】本発明の一実施形態にかかる発光素子の一部を拡大した断面図である。
【図４】本発明の一実施形態にかかる発光素子の一部の屈折率変化を説明するグラフである。
【図５】本発明の変形例にかかる発光素子の一部を拡大した断面図である。
【図６】本発明の一実施形態にかかる発光素子の製造工程を示す発光素子の断面図である。
【図７】本発明の一実施形態にかかる発光素子の製造工程を示す発光素子の断面図である。
【図８】本発明の一実施形態にかかる発光素子の製造工程を示す発光素子の断面図である。
【図９】本発明の一実施形態にかかる発光素子の製造工程を示す発光素子の断面図である。
【図１０】本発明の一実施形態にかかる発光素子の製造工程を示す発光素子の断面図である。
【図１１】本発明の一実施形態にかかる発光素子の製造工程を示す発光素子の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下に図面を参照して、本発明にかかる発光素子の実施形態について詳細に説明する。
【０００９】
本発明は以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々変更を施すことができる。
【００１０】
＜発光素子の構造＞
図１は本実施形態にかかる発光素子２０の斜視図、図２は図１に示す発光素子２０の断面図であり、図１のＡ−Ａ´線で切断したときの断面に相当する。
【００１１】
発光素子２０は、図２に示すように、凸部１´を有する基板１と、基板１上に形成された光半導体層２と、発光層２ｂと第２半導体層２ｃとの間に形成された絶縁層部７と、光半導体層２に電圧を印加する一対の電極３と、を有する。
【００１２】
基板１は、光半導体層２を成長させることが可能な材料を用いることができる。光半導体層２を成長させることが可能な材料としては、例えばサファイア、窒化ガリウム、窒化アルミニウムまたは酸化亜鉛などの結晶性材料を用いることができる。基板１は、かかる結晶性材料を単結晶化した後、単結晶を所望の形状に切断することにより準備される。また、このような基板１は、例えば長方形の平板や略円形状をなすウェハーなどの平面形状に設定される。
【００１３】
一方、基板１は、発光層２ｂで発光した光を発光層２ｂの第１半導体層２ａ側から取り出す場合は、基板１を除去することが可能な材料や透光性の材料を用いることができる。具体的に、基板１として基板１を除去することが可能な材料を用いた場合、基板１上に光半導体層２を形成した後、エッチングなどにより基板１を除去する工程を追加すればよい。また、基板１に透光性の材料を用いた場合、透光性の材料としては、発光層２ｂで発光する光に対して、上述の材料から発光波長を考慮して選択することができる。
【００１４】
また、基板１は主面１Ａ上に凸部１´を有している。このような凸部１´は、基板１を断面視して、台形、四角形などの形状を有しており、かかる凸部１´の高さは例えば０．２μｍ以上３．０μｍ以下に設定されている。この場合、凸部１´の底辺は、凸部１´と主面１Ａとが重なる部分を指している。基板１の厚みすなわち主面１Ａと主面１Ｂとの距離としては、例えば１０μｍ以上１０００μｍ以下に設定されている。
【００１５】
このような凸部１´を有する基板１上に、第１半導体層２ａと、第２半導体層２ｃと、第１半導体層２ａと第２半導体層２ｃとの間に発光層２ｂと、を有する光半導体層２が形成されている。また、かかる光半導体層２は、発光層２ｂと第２半導体層２ｃとの間に絶縁層部７を有している。以下の説明において、光半導体層２と絶縁層部７を一体とみなすことがある。
【００１６】
光半導体層２は、全体の厚みが例えば１００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下に形成されている。このような光半導体層２は、ＩＩＩ−Ｖ族半導体を用いることができる。ＩＩＩ−Ｖ族半導体としては、ＩＩＩ族窒化物半導体、ガリウム燐またはガリウムヒ素などを例示することができる。ＩＩＩ族窒化物半導体としては、窒化ガリウム、窒化アルミニウム、窒化インジウムなどを例示することができ、化学式で例示するとＡｌｘ１Ｇａ（１−ｘ１−ｙ１）Ｉｎｙ１Ｎ（０≦ｘ１≦１、０≦ｙ１≦１、ｘ１＋ｙ１≦１）と表すことができる。さらに、ＩＩＩ−Ｖ族半導体以外には、酸化亜鉛などを例示することができる。
【００１７】
第１半導体層２ａは、基板１の凸部１´が埋設されるように基板１上に形成されている。すなわち、図２に示すように、第１半導体層２ａは、凸部１´の高さより大きい厚みを有するように形成される。このような第１半導体層２ａの厚みは、例えば５０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下で形成することができる。
【００１８】
また、第１半導体層２ａは、その内部において基板１の凸部１´の上面にファセット８を有する結晶体と、ファセット８から厚み方向に延在する転位９と、を有している。ファセットとは結晶面を指し、このようなファセットは例えば複数の転位の曲がった位置を調べることにより確認することができる。また、転位はある結晶の境界面でずれることにより起こるものであり、ずれ方によってらせん転位、刃状転位またはそれらが混ざった混合転位などがある。
【００１９】
このようなファセット８は、後述するような方法により基板１の凸部１´に成長させることができ、例えば断面形状が三角形や台形となっている。また、ファセット８の高さは、例えば５０ｎｍ以上３０００ｎｍ以下に設定されている。このようにしてファセット８を基板１の凸部１´上に成長させる場合、第１半導体層２ａは、平面透視してファセット８と重なる領域であって、厚み方向に延在する転位９を有するようになる。
【００２０】
次に、第１半導体層２ａ上には発光層２ｂが設けられている。発光層２ｂが第１半導体層２ａ上に成長されるため、第１半導体層２ａの主面２Ａにまで延在する転位９が連続して発光層２ｂにも延伸するようになる。
【００２１】
このような発光層２ｂは、禁制帯幅の広い障壁層と禁制帯幅の狭い井戸層とからなる量子井戸構造が複数回（例えば、２回以上１０回以下）繰り返し、規則的に積層された多層量子井戸構造（ＭＱＷ）とすることができる。なお、前述の障壁層としては、上述した化学式で例示するとＩｎ０．０１Ｇａ０．９９Ｎ層などを用いることができる。また、前述の井戸層としては、Ｉｎ０．１１Ｇａ０．８９Ｎ層などを例示できる。この場合、障壁層の厚みは例えば５ｎｍ以上１５ｎｍ以下、井戸層の厚みは例えば２ｎｍ以上１０ｎｍ以下に設定することができ、発光層２ｂ全体の厚みは例えば２５ｎｍ以上１５０ｎｍ以下に設定することができる。このようにして構成された発光層２ｂにおいて、かかる発光層２ｂから発光する光の光強度スペクトルのうち強度がピークとなる波長は例えば３５０ｎｍ以上６００ｎｍ以下となる。
【００２２】
このようにして設けられた発光層２ｂ上には、部分的に絶縁層部７が設けられている。なお、以下の説明において発光層２ｂ上の絶縁層部７が設けられていない領域を開口領域１１と便宜上称することがある。絶縁層部７の平面形状は特に制限されないが、基板１の凸部１´に沿って設けることができ、例えば長方形や円形などにより設けられている。また絶縁層部７の厚みは薄いことが好ましく、例えば０．０５μｍ以上３μｍ以下に設定することができる。このような絶縁層部７の材料としては、例えば酸化シリコンなどの絶縁材料を用いることができる。
【００２３】
絶縁層部７は転位９と重なる領域を有するように発光層２ｂ上に形成されている。その結果、絶縁層部７より上に成長される層では転位９が延伸されないため、第１半導体層２ａおよび発光層２ｂにおいて厚み方向に延在する転位９を絶縁層部７で止めることができる。また、絶縁層部７が発光層２ｂ上に部分的に設けられていることから、光半導体層２に電圧が印加された場合には絶縁層部７が設けられていない部分を電流が通るようになり、発光層２ｂに流れ込む電流密度を向上させることができる。
【００２４】
さらに、第２半導体層２ｃが、絶縁層部７を発光層２ｂとの間に一部有するようにして発光層２ｂ上に形成されている。換言すると、第２半導体層２ｃが、開口領域１１すなわち絶縁層部７の設けられていない領域で発光層２ｂと接するように形成されている。また第２半導体層２ｃは第１半導体層２ａと同種の材料から構成され、第１半導体層２ａとは逆の導電型を呈するように設けられている。
【００２５】
このようにして形成された光半導体層２には、発光させるための電圧を印加する一対の電極３が形成されている。このような一対の電極３は、第１半導体層２ａと電気的に接続される第１電極３ａと、第２半導体層２ｃと電気的に接続される第２電極３ｂと、によって一対となしている。かかる第１電極３ａは第１半導体層２ａ上に形成され、第２電極３ｂは第２半導体層２ｃ上に形成されている。このように形成された一対の電極３の第１電極３ａおよび第２電極３ｂに電圧を印加することにより、発光層２ｂを発光させることが可能となる。
【００２６】
本実施形態では、発光層２ｂと第２半導体層２ｃとの間に部分的に絶縁層部７を有することから、第２電極３ｂから流れる電流が絶縁層部７を通らずに、開口領域１１の発光層２ｂに流れ込むようになる。その結果、開口領域１１の発光層２ｂに流れ込む電流密度を高くすることができ、発光層２ｂで発光する光の輝度を向上させることができる。また、発光層２ｂ上に絶縁層部７を有することから、平面透視して転位９と重なる発光層２ｂに電流が流れにくくなるため、発光層２ｂで効率よくキャリアを発光再結合させることができ、消費される電力を減らすことができる。これは、発光層２ｂまたは第２半導体層２ｃを平面透視して転位９と重なる領域は、結晶が育成時に変質しやすく非発光再結合しやすいためである。なお、非発光再結合とはキャリアが再結合しても発光せず例えば熱に変換されるようなことを指す。
【００２７】
また、平面透視して絶縁層部７が転位９と重なる領域に設けられていることから、電流が絶縁層部７を迂回して転位９に流れにくくなる。その結果、転位９に電流が流れて光半導体層２が短絡されることを防ぐことができるため、光半導体層２が電気的に破壊されることを抑制して発光素子２０の信頼性を向上させることができる。このように転位９を介することにより起こる短絡は、転位９の電気抵抗値が光半導体層２のバルク抵抗より小さくなるためである。
【００２８】
一方、発光層上の一部に絶縁層部を設けない発光素子に同じ電力を印加すると、平面透視して転位と重なる領域の発光層においてはキャリアが非発光再結合されるため、発光層２ｂで消費される電力が大きくなってしまう。すなわち、絶縁層部を発光層２ｂ上の一部に設けた場合と同じ輝度を得ようとした場合、絶縁層部を設けない場合はより大きい電力が必要となる。
【００２９】
ここで、一対の電極３の材料としては、アルミニウム、チタン、ニッケル、クロム、インジウム、錫、モリブデン、銀、金、ニオブ、タンタル、バナジウム、白金、鉛、ベリリウムなどの金属や、酸化錫、酸化インジウム等、インジウムと錫の酸化物などの酸化物や、金−シリコン合金、金−ゲルマニウム合金、金−亜鉛合金、金−ベリリウム合金などの合金膜を好適に用いることができる。また、一対の電極３は、それぞれ上記材質の中から選択した層を複数層積層したものとしても構わない。
【００３０】
さらに、例えば第１電極３に金を用いた場合には、第１電極３ａと第１半導体層２ａとの間にオーミックコンタクト層としてアルミニウムを間に介在させたチタンを設けることができる。さらに、第２電極３ｂに金を用いた場合には、第２電極３ｂと第２半導体層２ｃとの間にオーミックコンタクト層としてニッケルを設けることができる。なお、第１電極３ａは、基板１が導電性を有する場合、基板１の光半導体層２と反対側に設けてもよい。
【００３１】
本実施形態においては、第２電極３ｂが平面透視して絶縁層部７と重なる領域を有するように設けられている。なお、以下の説明において第２半導体層２ｃ上の第２電極３ｂが設けられていない領域を電極開口領域２１と便宜上称することがある。このように第２電極３ｂが電極開口領域２１を有するように形成されていることから、発光層２ｂで発光した光を発光層２ｂの第２半導体層２ｃ側から取り出す場合には、電極開口領域２１から好適に取り出すことができる。これは、開口領域１１と重なる領域の発光層２ｂから強く発光されるため、かかる開口領域１１と重なる電極開口領域２１において発光層２ｂで発光した光を取り出すことができるためである。その結果、第２電極３ｂで吸収される光を少なくすることができるため、光取出し効率を向上させることができる。
【００３２】
また、発光層２ｂで発光した光を第１半導体層２ａ側から取り出す場合には、第２電極を第２半導体層２ｃの上面を覆うように形成してもよい。この場合、発光層２ｂで発光した光は、基板１の凹部１０すなわち第１半導体層２ａの凸部１７を通りやすいため、光取出し効率を向上させることができる。これは発光層２ｂで発光した光を、第１半導体層の凸部が設けられていない場合と比較して、第１半導体層２ａの凸部１７の側面１７´で全反射されにくくすることができるためである。なお、凹部１０は隣接する２つの凸部１´によって構成されている。かかる光取出し効率の観点においては、基板１の凸部１´の断面形状を台形で形成することが好ましい。凸部１´の断面形状を台形で形成することにより、第１半導体層２ａの凸部１７の側面１７´を傾斜させることができため、凸部１７´においてさらに全反射されにくくすることができる。
【００３３】
また本実施形態においては、絶縁層部７が発光層２ｂ上に設けられた場合について説明したが、これに制限されるものではなく発光層２ｂの内部に設けられていてもよい。その場合でも、上述のような効果を奏するものである。
【００３４】
＜発光素子の製造方法＞
次に、発光素子２０の製造方法を説明する。図３から図１１は、発光素子２０の製造方法を説明するための断面図であり、図１に示す発光素子２０のＡ―Ａ´線における断面に相当する部分を示している。
【００３５】
（基板準備工程）
図３に示すように、主面１Ａに凸部１´が形成された基板１を準備する。かかる基板１の凸部１´は、平板の基板をエッチングなどによって凹部１０を設けることにより、形成される。そのため、エッチングの深さを調整することにより凹部１０の深さおよび凸部１´の高さを調節することができる。
【００３６】
（光半導体層成長工程）
次に、基板１上に光半導体層２が成長させる。光半導体層２すなわち第１半導体層２ａ、発光層２ｂおよび第２半導体層２ｃを成長させる方法として、分子線エピタキシー（MBE:Molecular Beam Epitaxy）法、有機金属エピタキシー（MOVPE:Metal Organic Vapor Phase Epitaxy）法、ハイドライド気相成長（HVPE:Hydride Vapor Phase Epitaxy）法またはパルスレーザデポジション（PLD:Pulsed Laser Deposition）法などを用いることができる。
【００３７】
まず、基板１上に第１半導体層２ａを形成する工程について、図４および５を用いて説明する。第１半導体層２ａは、図４に示すように凸部１´の上面にファセット８を形成した後、基板１上に横方向成長させる。基板１上にファセット８を形成して第１半導体層２ａを横方向成長させることから、基板１の結晶性に起因して延びる転位の大部分を主面１Ａと平行な方向に曲げることができる。その結果、成長させた第１半導体層２ａの厚み方向に延びる転位９を少なくすることができる。
【００３８】
一方、図５に示すように、ファセット８の中心付近に成長する転位９は曲がりにくく、第１半導体層２ａの主面２Ａにまで延在しやすい。そのため、第１半導体層２ａの主面２Ａにまで延びる転位９は、ファセット８が形成された凸部１´上に発生しやすくなる。
【００３９】
具体的には、第１半導体層２ａとしてＩＩＩ−Ｖ族半導体を用いて基板１上にファセット８を作成する場合を例示すると、大気圧に近い圧力下でＩＩＩ−Ｖ族半導体のＩＩＩ族とＶ族の組成比が低くなるようにすればよい。その後、ＩＩＩ族とＶ族の組成比を第１半導体層２ａと同じにさせた状態で、ファセット成長時の温度より高くして成長させることにより第１半導体層２ａを成長させる。
【００４０】
次に、図５に示すように、第１半導体層２ａ上に、発光層２ｂを成長させる。このように第１半導体層２ａ上に発光層２ｂを成長させることにより、第１半導体層２ａに延在していた転位９がさらに延びるため、転位９が発光層２ｂにも延在することになる。
【００４１】
その後、発光層２ｂの上面に部分的に、平面透視して転位９と重なる領域に絶縁層部７が設けられる。これを図７〜９を用いて以下に説明する。図７に示すように、絶縁層１５が発光層２ｂの上面に積層する。このような絶縁層１５としては、例えば酸化シリコンなど絶縁材料を用いることができる。次に、図８に示すように絶縁層１５上にレジストパターン１６を形成する。その後、絶縁層１５をパターニングすることにより図９に示すように平面透視して転位９と重なる領域に絶縁層部７が形成される。そのため、第１半導体層２ａおよび発光層２ｂに延在していた転位９は、その後第２半導体層２ｃを成長させた場合でも絶縁層部７により第２半導体層２ｃ内にまで延伸されにくくなる。その結果、第２半導体層２ｃの転位を少なくすることができる。
【００４２】
さらに、発光層２ｂの開口領域１１上および絶縁層部７上に、第２半導体層２ｃを成長させる。このような第２半導体層２ｃは、絶縁層部７の開口領域１１において発光層２ｂと接するように成長されている。
【００４３】
（電極形成工程）
このようにして形成された光半導体層２に電圧を印加し、平面透視して転位９と重ならない領域に位置する発光層２ｂを発光させる一対の電極が形成する。このような一対の電極３は、第１半導体層２ａと接続する第１電極３ａと第２半導体層２ｃと接続する第２電極３ｂにより構成されている。
【００４４】
このような第１電極３ａを設けるために、電極用溝が光半導体層２に形成されている。具体的には、図１１に示すように、第２半導体層２ｃ、発光層２ｂおよび第１半導体層２ａの一部まで順に第２半導体層２ｃの上面からエッチングなどによって電極用溝を形成する。その後、電極用溝の底面すなわち第１半導体層２ａの露出部に、第１半導体層２ａと電気的に接続される第１電極３ａが形成される。さらに、第２半導体層２ｃの主面に、第２半導体層２ｃと電気的に接続される第２電極３ｂが形成される。以上のようにして、一対の電極３が形成される。
【００４５】
発光層２ｂで発光した光を、発光層２ｂの第２半導体層２ｃ側から取り出す場合、第２電極３ｂは、平面透視して絶縁層部７と重なる部分と絶縁層部７と重ならない電極開口領域２１とを有することが好ましい。第２電極３ｂに電極開口領域２１を形成する方法として、従来のフォトリソグラフィ手法などを用いることができる。第２電極３ｂに電極開口領域２１を設けることにより、発光層２ｂの開口領域１１で発光した光を電極開口領域２１から効率よく取り出すことができる。
【符号の説明】
【００４６】
１  基板
１´  凸部
２  光半導体層
２ａ  第１半導体層
２ｂ  発光層
２ｃ  第２半導体層
３  一対の電極
３ａ  第１電極
３ｂ  第２電極
７  絶縁層部
８  ファセット
９  転位
１０  凹部
１１  開口領域
１２  電極層
１５  絶縁層
１６  レジストパターン
１７  第１半導体層の凸部
２０  発光素子
２１  電極開口領域
【図１】
2011138842.tif 000003
【図２】
2011138842.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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