(57)【要約】【課題】高輝度化を図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】基板１と、基板１に積層されたｎ−ＧａＮ層２、活性層３、およびｐ−ＧａＮ層４と、を備えた半導体発光素子Ａ１であって、半導体発光素子Ａ１の積層方向に沿って延びる側面７には、複数の凸部７１が形成されており、活性層３から発光される光の波長をλ、ｎ−ＧａＮ層２およびｐ−ＧａＮ層４のいずれかの屈折率をｎとした場合に、凸部７１は、その底部の幅の平均幅ＷAが、  ＷA≧λ／ｎとされている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
上記基板に積層されたｎ型半導体層、活性層、およびｐ型半導体層と、を備えた半導体発光素子であって、
上記半導体発光素子の積層方向に沿って延びる側面には、複数の凸部が形成されており、
上記活性層から発光される光の波長をλ、上記ｎ型半導体層および上記ｐ型半導体層のいずれかの屈折率をｎとした場合に、上記凸部は、その底部の幅の平均幅ＷAが、
ＷA≧λ／ｎ
とされていることを特徴とする、半導体発光素子。
【請求項２】
上記ｎ型半導体層および上記ｐ型半導体層の少なくともいずれか一方は、ＧａＮからなる、請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項３】
上記凸部は、上記積層方向に延びており、かつその断面形状が三角形または半円形とされている、請求項１または２に記載の半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＬＥＤなどの半導体発光素子に関し、特にＧａＮを含む半導体層を有する半導体発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、サファイア基板上にＧａＮを含む複数の半導体層が積層された構造を有する半導体発光素子が提案されている（たとえば、特許文献１）。図１０は、このような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、サファイア基板９１と、サファイア基板９１上に積層されたｎ−ＧａＮ層９２、活性層９３、ｐ−ＧａＮ層９４、およびＺｎＯ電極９５とを備えている。ｎ−ＧａＮ層９２には、ｎ側電極９２ａが形成されている。活性層９３は、ｎ−ＧａＮ層９２およびｐ−ＧａＮ層９４から注入された電子と正孔とが再結合することにより発せられた光を増幅するための層であり、たとえば重量子井戸（Multiple Quantum Well:以下ＭＱＷ）構造とされている。半導体発光素子Ｘは、ＺｎＯ電極９５の上面とｎ−ＧａＮ層９２、活性層９３、ｐ−ＧａＮ層９４、およびＺｎＯ電極９５の側面９７から光を出射することが可能に構成されている。
【０００３】
しかしながら、ｎ−ＧａＮ層９２、活性層９３、およびｐ−ＧａＮ層９４を形成するＧａＮは、その屈折率が約２．５と比較的高い。このため、空気との臨界角が約２３°程度と小さい。側面９７に対する入射角がこの臨界角よりも大きな光は、全反射されることとなり、半導体発光素子Ｘ外には出射されない。したがって、半導体発光素子Ｘは、活性層９３によって発せられた光のうち適切に出射される光の割合が小さく、高輝度化が阻害されていた。
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−０１２９１６号公報
【発明の開示】
【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、高輝度化を図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、基板と、上記基板に積層されたｎ型半導体層、活性層、およびｐ型半導体層と、を備えた半導体発光素子であって、上記半導体発光素子の積層方向に沿って延びる側面には、複数の凸部が形成されており、上記活性層から発光される光の波長をλ、上記ｎ型半導体層および上記ｐ型半導体層のいずれかの屈折率をｎとした場合に、上記凸部は、その底部の幅の平均幅ＷAが、ＷA≧λ／ｎとされ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、上記活性層からの光のうち上記ｎ型半導体層またはｐ型半導体層と空気との界面において全反射されてしまう光の割合を低減させることが可能である。したがって、上記半導体発光素子の出射効率を高めることが可能であり、この半導体発光素子の高輝度化を図ることができる。
【０００８】
本発明の好ましい実施の形態においては、上記ｎ型半導体層および上記ｐ型半導体層の少なくともいずれか一方は、ＧａＮからなる。このような構成によれば、上記ｎ型半導体層または上記ｐ型半導体層をｎ−ＧａＮ層またはｐ−ＧａＮ層として構成することにより、投入電力量に対する発光量を増大させることが可能である。また、ＧａＮは比較的屈折率が高い材質であるが、上述した数式を満たす平均幅ＷAとされた複数の凸部を備えることにより、上記活性層からの光が不当に全反射されてしまうことを回避することができる。
【０００９】
本発明の好ましい実施の形態においては、上記凸部は、上記積層方向に延びており、かつその断面形状が三角形または半円形とされている。このような構成によれば、上記複数の凸部を、内部からの光を適切に出射させる形状とすることができる。
【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〜図３は、本発明に係る半導体発光素子の第１実施形態を示している。本実施形態の半導体発光素子Ａ１は、基板１、ｎ−Ｇａｎ層２、活性層３、ｐ−Ｇａｎ層４、およびＺｎＯ電極５を備えている。半導体発光素子Ａ１は、特に青色光または緑色光を発光するのに適した半導体発光素子として構成されている。
【００１３】
基板１は、たとえばサファイア製であり、ｎ−Ｇａｎ層２、活性層３、ｐ−Ｇａｎ層４、およびＺｎＯ電極５を支持するためのものである。本実施形態においては、基板１は、その厚さが８０μｍ程度とされている。基板１上には、たとえば格子歪を緩和するためのＡｌＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ等からなるバッファ層（図示略）が形成されている。
【００１４】
ｎ−Ｇａｎ層２は、ＧａＮにＳｉがドープされたｎ型半導体からなり、本発明で言うｎ型半導体層の一例である。本実施形態においては、ｎ−Ｇａｎ層２は、その厚さが３〜６ｎｍ程度とされている。ｎ−ＧａＮ層２には、ｎ側電極２１が形成されている。図３に示すようにｎ−ＧａＮ層２は、その厚さが６μｍであってその平面視寸法が基板１と同一とされた部分と、その厚さが０．２μｍであってその平面視寸法が基板１よりも小サイズとされた部分とによって構成されている。基板１と同サイズとされた部分の図中上面には、ｎ側電極２１が形成されている。ｎ側電極２１は、たとえば１００Å厚のＴｉおよび２５００Å厚のＡｌが積層されたものである。
【００１５】
活性層３は、たとえばＩｎＧａＮを含むＭＱＷ構造とされた層であり、電子と正孔とが再結合することにより発せられる光を増幅させるための層である。活性層３は、複数のＩｎＧａＮ層と複数のＧａＮ層とが交互に積層されている。上記ＩｎＧａＮ層は、Ｉｎの組成比が１７％程度とされることにより、ｎ−ＧａＮ層２よりもバンドギャップが小とされており、活性層３の井戸層を構成している。上記ＧａＮ層は、活性層３のバリア層を形成している。本実施形態においては、活性層３は、３０Å厚のＩｎＧａＮ層と１００Å厚のＧａＮ層とが８層ずつ積層されており、その厚さが０．１μｍ程度とされている。なお、ｎ−ＧａＮ層２と活性層３との間には、格子歪を緩和することを目的として、ＩｎＧａＮおよびＧａＮが一原子毎に交互に積層された超格子層（図示略）が形成されている。
【００１６】
ｐ−ＧａＮ層４は、ＧａＮにＭｇがドープされたｐ型半導体からなり、本発明で言うｐ型半導体層の一例である。本実施形態においては、ｐ−ＧａＮ層４は、その厚さが０．２μｍ程度とされている。なお、活性層３とｐ−ＧａＮ層４との間には、ＧａＮ層（図示略）またはＩｎの組成が０．１％程度のＩｎＧａＮ層（図示略）が形成されている。
【００１７】
ＺｎＯ電極５は、透明導電酸化物のひとつであるＺｎＯからなり、活性層３からの光を透過させる。ＺｎＯ電極２４は、ＺｎＯにＧａがドープされることによりその抵抗率が約２×１０4Ωｃｍと比較的低抵抗とされており、その厚さが１０００〜２００００Å程度とされている。
【００１８】
ｎ−ＧａＮ層２、活性層３、およびｐ−ＧａＮ層４が積層された部分の側面７には、複数の凸部７１が形成されている。図１に示すように、凸部７１は、ｎ−ＧａＮ層２、活性層３、およびｐ−ＧａＮ層４の積層方向に延びており、断面三角形状とされている。図２に示すように、複数の凸部７１は、側面７のうち各角部に形成された曲面部を除く平面部に形成されている。
【００１９】
図４は、凸部７１の拡大断面図である。活性層３から発せられる光の波長をλ、ｎ−ＧａＮ層２およびｐ−ＧａＮ層４の屈折率をｎとした場合、凸部７１の底部の幅Ｗの平均幅ＷAは、ＷA＝λ／ｎを満たすものとされている。たとえば、ＩｎＧａＮ層を井戸層とする活性層３から発せられる光のピーク波長が４６０ｎｍ（青色系）、ｎ−ＧａＮ層２およいｐ−ＧａＮ層４の屈折率ｎが約２．５である場合、平均幅ＷAは、約１８４ｎｍ以上となる。一方、活性層３の井戸層が、ピーク波長が約３６５ｎｍ以上の光を発光するＧａＮ層からなる場合、平均幅ＷAは、約１４６ｎｍ以上となる。本実施形態においては、凸部７１は、その高さＨが２．５μｍ、その幅Ｗが２．１μｍ、その頂角が４６°とされている。
【００２０】
半導体発光素子Ａ１は、たとえば以下のような製造方法によって製造することができる。
【００２１】
まず、基板１をＭＯＣＶＤ法用の成膜室内に導入し、成膜室内の温度である成膜温度を１，１００℃とする。次にＨ2ガスとＮ2ガスとを上記成膜室内に流すことにより、基板１を洗浄する。
【００２２】
次に、成膜温度を１，０６０℃とした状態で、ＮＨ3ガス、Ｈ2ガス、Ｎ2ガス、およびトリメチルガリウム（以下、ＴＭＧ）ガスを上記成膜室内に供給する。この際、ｎ型のドーパントであるＳｉのドープを行うためにＳｉＨ4ガスを同時に供給する。これにより、基板１上にｎ−ＧａＮ層２を形成する。
【００２３】
次に、成膜温度を７００〜８００℃、たとえば約７６０℃とした状態で、ＮＨ3ガス、Ｈ2ガス、Ｎ2ガス、ＴＥＧガスおよびトリメチルインジウム（以下、ＴＭＩｎ）ガスを上記成膜室内に供給する。これにより、Ｉｎの組成比が１５％程度である井戸層としてのＩｎＧａＮ層を形成する。上記井戸層を形成した後は、成膜温度を７６０℃とした状態で、ＮＨ3ガス、Ｈ2ガス、Ｎ2ガス、およびＴＭＧガスを供給する。これにより、バリア層としてのＧａＮ層を形成する。この後、上述した井戸層としてのＩｎＧａＮ層およびバリア層としてのＧａＮ層の形成を交互に行う。それぞれの層を３〜７層程度形成することにより、ＭＱＷ構造を有する活性層３が得られる。
【００２４】
次に、成膜温度を１，０１０℃とした状態で、ＮＨ3ガス、Ｈ2ガス、Ｎ2ガス、およびＴＭＧガスを供給する。この際、ｐ型のドーパントであるＭｇのドープを行うために、Ｃｐ2Ｍｇガスを同時に供給する。これにより、ｐ−ＧａＮ層４を形成する。
【００２５】
次に、ｐ−ＧａＮ層４上にフォトリソグラフィの手法によりレジスト膜を形成する。このレジスト膜は、図２に示す複数の凸部７１を形成可能な形状とする。そして、上記レジスト膜をマスクとしてｐ−ＧａＮ層４、活性層３、およびｎ−ＧａＮ層２の一部に対してエッチングを施すことにより、複数の凸部７１を有する側面７を形成する。
【００２６】
この後は、ｐ−ＧａＮ層４上に、ＺｎＯ電極５を形成する。また、ｎ−ＧａＮ層２にｎ側電極２１を形成する。以上の工程により、半導体発光素子Ａ１の製造が完了する。
【００２７】
次に、半導体発光素子Ａ１の作用について説明する。
【００２８】
本実施形態によれば、活性層３から発せられた光のうち、直接あるいはｎ−ＧａＮ層２およびｐ−ＧａＮ層４を介して図１および図３における側方へと進行する光は、複数の凸部７１に到達する。発明者の研究によれば、複数の凸部７１を、その平均幅ＷAが上述したＷA≧λ／ｎの関係を満たすものとすることにより、出射する光の割合を増加させることが可能であることが判明した。具体的には、側面７を平滑とした場合に、半導体発光素子Ａ１において光として変換されたエネルギーのうち光として出射されるものの割合が１９．４％程度であるのに対し、複数の凸部７１を設けた半導体発光素子Ａ１の場合は、出射するエネルギーを２３．９％とすることができた。すなわち、半導体発光素子Ａ１においては、側面７に複数の凸部７１を設けることにより、活性層３からの光を従来よりも多く出射させることが可能である。これにより、半導体発光素子Ａ１の高輝度化を図ることができる。
【００２９】
特に、ｎ−ＧａＮ層２およびｐ−ＧａＮ層４は、その材質であるＧａＮの屈折率ｎが約２．５程度と高いため、空気との間の臨界角が小さい。このため、側面７が平滑な面であると全反射されてしまう光の割合が大きくなり、高輝度化が阻害される。本実施形態によれば、ＷA≧λ／ｎに用いる屈折率ｎとしてＧａＮの屈折率を採用することにより、ｎ−ＧａＮ層２およびｐ−ＧａＮ層４からの出射効率を高めるのに適している。
【００３０】
複数の凸部７１は、積層方向に一様な断面形状を有しているため、上述したエッチングなどにより容易に形成することが可能である。また、断面三角形状の凸部７１は、所定の角度に傾斜した１対の面からなる。このため、側面７の部分的な傾斜角度を全体的に統一させることができる。これは、半導体発光素子Ａ１の内部からの光を均一に出射させるのに適している。
【００３１】
図５〜図９は、本発明の他の実施形態を示している。なお、これらの図において、上記実施形態と同一または類似の要素には、上記実施形態と同一の符号を付している。
【００３２】
図５は、凸部７１の他の例を示している。図示された凸部７１は、上述した断面三角形状の凸部７１の頂部を除去した形状とされており、頂面７１ａを有する断面台形状とされている。本実施形態においては、凸部７１は、その幅Ｗが２．１μｍ、その高さＨが２μｍとされている。本実施形態によっても、ｎ−ｇａＮ層２、活性層３、およびｐ−ＧａＮ層４からの光の射出効率を高めることが可能である。
【００３３】
図６は、凸部７１の他の例を示している。図示された凸部７１は、断面半円形状とされている点が上述した例とは異なっている。凸部７１は、その幅Ｗが５．０μｍ、その高さが２．５μｍとされている。このような凸部７１を形成することにより、たとえばｎ−ＧａＮ層２からの光として出射されるエネルギーの割合を２３．８％とすることができた。
【００３４】
これらの実施形態から理解されるように、本発明でいう凸部は、断面三角形状のほかに断面台形状、断面半円形状のものなどを含む概念である。
【００３５】
図７は、本発明に係る半導体発光素子の第２実施形態を示している。本実施形態の半導体発光素子Ａ２は、基板１および、ｎ−ＧａＮ層２の下側部分にも、複数の凸部７１が形成されている点が上述した実施形態と異なっている。本実施形態における凸部７１は、図４に示された凸部７１と同一の断面形状とされている。このような複数の凸部７１は、基板１およびｎ−ＧａＮ層２に対してエッチングを施すことや、三角溝が形成されたダイシングブレードを用いてダイシングすることなどによって形成することができる。
【００３６】
このような実施形態によれば、活性層３からｎ−ＧａＮ層２の上側部分を透過して、ｎ−ＧａＮ層２の下側部分や基板１に到達した光を、複数の凸部７１を利用して適切に出射させることが可能である。したがって、半導体発光素子Ａ２からの出射光量をさらに多くすることが可能であり、半導体発光素子Ａ２の高輝度化に好適である。
【００３７】
図８および図９は、本発明に係る半導体発光素子の第３実施形態を示している。本実施形態の半導体発光素子Ａ３は、コーン状の複数の凸部７２が形成されている点が、上述した実施形態と異なっている。また、半導体発光素子Ａ３は、その積層構造が上述した実施形態とは異なるものとされている。
【００３８】
半導体発光素子Ａ３は、基板１と、基板１の片面側に積層されたｎ−ＧａＮ層２、活性層３、およびｐ−ＧａＮ層４とを備えている。基板１は、ＳｉＣからなり、図中上側の角柱状部分と図中下側のテーパ部分とを有する形状とされている。基板１のうちｎ−ＧａＮ層２が形成された面とは反対側の面には、ｎ側電極２１が形成されている。また、ｐ−ＧａＮ層４の図中下面には、反射層６が形成されている。反射層６は、たとえばＡｌ、Ｔｉ、Ｐｔ、Ａｕなどの金属層が積層された構造とされており、本実施形態においては、図中最上層にＡｌ層が配置されている。このＡｌ層は比較的反射率が高いため、活性層３から発せられた光を図中上方へと反射する機能を発揮する。また、反射層６は、ｐ側電極として用いることができる。
【００３９】
半導体発光素子Ａ３の側面７には、複数の凸部７２が形成されている。ただし、側面７のうち活性層３によって形成されている部分には、複数の凸部７２は形成されていない。凸部７２は、コーン状とされており、その高さが２．５μｍ程度、その幅が２．１μｍ程度とされている。このような複数の凸部７２は、たとえば、ｎ−ＧａＮ層２、活性層３、およびｐ−ＧａＮ層４を積層させた後に、基板１の上面および活性層３をマスクによって覆った状態で約６２℃の約４ｍｏｌ／ｌのＫＯＨ溶液に浸漬させながら、約３．５Ｗ／ｃｍ2の紫外線（ＵＶ）光を約１０分間照射することにより形成することができる。
【００４０】
このような実施形態によっても、半導体発光素子Ａ３の高輝度化を図ることができる。複数の凸部７２をコーン形状とするとともに、ＫＯＨ溶液と紫外線とを利用して複数の凸部を形成するという製造方法を採用することにより、本実施形態の基板１のように積層方向に対して傾斜した面を有する基板１にも適切に本発明で言う複数の凸部を設けることができる。半導体発光素子Ａ３の高輝度化には、側面７のうち少なくとも基板１の部分に複数の凸部７２が形成されていることが好ましい。また、側面７のうち活性層３の部分が平滑であることは、活性層３からの発光量を増大させるのに好ましい。
【００４１】
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。
【００４２】
本発明でいう凸部は、断面三角形状、断面多角形状、断面半円形状に限定されず、上述した平均幅の条件を満たす様々な形状とすることができる。ｎ型半導体層およびｐ型半導体層は、ＧａＮからなるものに限定されず、発光機能を適切に発揮させることが可能な半導体材料を用いればよい。半導体発光素子としては、上述した波長の光を発するものに限定されず、様々な波長の光を発するものとして構成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明に係る半導体発光素子の第１実施形態を示す全体斜視図である。
【図２】図１に示す半導体発光素子の平面図である。
【図３】図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図である。
【図４】図３のＩＶ−ＩＶ線に沿う要部拡大断面図である。
【図５】凸部の一変形例を示す要部拡大断面図である。
【図６】凸部の他の変形例を示す要部拡大断面図である。
【図７】本発明に係る半導体発光素子の第２実施形態を示す全体斜視図である。
【図８】本発明に係る半導体発光素子の第３実施形態を示す全体斜視図である。
【図９】図８のＩＸ−ＩＸ線に沿う断面図である。
【図１０】従来の半導体発光素子の一例を示す全体斜視図である。
【符号の説明】
【００４４】
Ａ１，Ａ２，Ａ３  半導体発光素子
１      基板
２      ｎ−ＧａＮ層
３      活性層
４      ｐ−ＧａＮ層
５      ＺｎＯ電極
６      反射層
７      側面
２１    ｎ側電極
７１，７２  凸部
【図１】
2007234707.tif 000003
【図２】
2007234707.tif 000004
【図３】
2007234707.tif 000005
【図４】
2007234707.tif 000006
【図５】
2007234707.tif 000007
【図６】
2007234707.tif 000008
【図７】
2007234707.tif 000009
【図８】
2007234707.tif 000010
【図９】
2007234707.tif 000011
【図１０】
2007234707.tif 000012