(57)【要約】【課題】発光特性のばらつきを抑制することができ、且つ、光の取り出し効率を向上させることができる半導体発光素子を提供することである。【解決手段】実施形態に係る半導体発光素子は、基板と、前記基板の一方の主面の側に設けられた第１の電極と、前記第１の電極の上に設けられた第２の電極と、前記第２の電極の上に設けられた第１の半導体層と、前記第１の半導体層の上に設けられた発光層と、前記発光層の上に設けられた第２の半導体層と、を備えている。    そして、前記第２の電極は、前記第１の半導体層が設けられる側の面に複数の第１の凹部を有している。【選択図】図１
2013062311.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板の一方の主面の側に設けられた第１の電極と、
前記第１の電極の上に設けられた第２の電極と、
前記第２の電極の上に設けられた第１の半導体層と、
前記第１の半導体層の上に設けられた発光層と、
前記発光層の上に設けられた第２の半導体層と、
を備え、
前記第２の電極は、前記第１の半導体層が設けられる側の面に複数の第１の凹部を有したことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
前記第１の凹部の深さ寸法は、５０ｎｍ以上、１μｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記第１の電極は、Ａｇ（銀）を用いて形成され、
前記第２の電極は、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）を用いて形成されたことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記第２の半導体層は、前記発光層が設けられる側とは反対の側の面に複数の第２の凹部を有したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【請求項５】
前記第２の半導体層の上に設けられた第３の電極をさらに備え、
前記第１の電極と、前記第３の電極と、は、対峙して設けられたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
後述する実施形態は、概ね、半導体発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
基板上にｐ側電極、ｐ形半導体層、発光層、ｎ形半導体層、ｎ側電極を積層するようにして設けた半導体発光素子がある。  
ここで、ｐ側電極の材料にＮｉＡｇ（ニッケル銀合金）が用いられる場合があるが、Ｎｉ（ニッケル）は光の吸収が多いためＡｇ（銀）からなるｐ側電極が検討されている。    しかしながら、ｐ側電極の材料にＡｇを用いるものとすれば発光特性のばらつきが大きくなるという新たな問題が発生する。  
また、半導体発光素子においては、発光層において発生した光を外部に効率よく取り出せるようにすることが好ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開第ＷＯ２００５／０５０７４８パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明が解決しようとする課題は、発光特性のばらつきを抑制することができ、且つ、光の取り出し効率を向上させることができる半導体発光素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
実施形態に係る半導体発光素子は、基板と、前記基板の一方の主面の側に設けられた第１の電極と、前記第１の電極の上に設けられた第２の電極と、前記第２の電極の上に設けられた第１の半導体層と、前記第１の半導体層の上に設けられた発光層と、前記発光層の上に設けられた第２の半導体層と、を備えている。  
そして、前記第２の電極は、前記第１の半導体層が設けられる側の面に複数の第１の凹部を有している。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】本実施の形態に係る半導体発光素子を例示するための模式断面図である。（ａ）は半導体発光素子の模式断面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ部の模式拡大図である。
【図２】（ａ）〜（ｅ）は、凹部６ａの配設形態を例示するための模式平面図である。
【図３】電極６の半導体層７が設けられる側の面に凹部６ａを設けた場合の効果を例示するための模式グラフ図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下、図面を参照しつつ、実施の形態について例示をする。なお、各図面中、同様の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。  
また、以下においては、一例として、上下通電を行う半導体発光素子（Thin Film型の半導体発光素子）を例に挙げて説明する。
【０００８】
図１は、本実施の形態に係る半導体発光素子を例示するための模式断面図である。  
なお、図１（ａ）は半導体発光素子の模式断面図、図１（ｂ）は図１（ａ）におけるＡ部の模式拡大図である。  
また、図中に示すＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向は互いに直交する方向を表している。Ｘ方向、Ｙ方向は基板２の主面に対して平行な方向を表し、Ｚ方向は基板２の主面に対して垂直な方向（積層方向）を表している。
【０００９】
図１に示すように、半導体発光素子１には、基板２、接合層３、接合層４、電極５（第１の電極の一例に相当する）、電極６（第２の電極の一例に相当する）、半導体層７（第１の半導体層の一例に相当する）、発光層８、半導体層９（第２の半導体層の一例に相当する）、電極１０（第３の電極の一例に相当する）、絶縁層１１、基台１２、封止部１３が設けられている。
【００１０】
基板２は、板状を呈し、例えば、ｐ形またはｎ形の導電性シリコンを用いて形成されたものとすることができる。基板２の厚みは、例えば、１００μｍ程度とすることができる。
接合層３は、基板２の上に設けられている。  
接合層４は、接合層３の上に設けられている。  
接合層３、接合層４は、基板２と電極５とをオーミック接触(接合)させるために設けられている。接合層３、接合層４は、例えば、ＡｕＳｎ（金錫合金）／Ｓｉ（シリコン）の二重層などにより形成されるものとすることができる。
【００１１】
電極５は、接合層４の上に設けられている。この場合、接合層４に凹部を設け、接合層４に設けられた凹部の内部を埋め込むようにして電極５を設けるようにすることができる。また、接合層４の上面と電極５の上面とが同一平面内にあるようにすることができる。
【００１２】
電極５は、Ａｇ（銀）を用いて形成されている。  
この場合、電極５がＮｉＡｇを用いて形成されたものとすれば光の吸収が多くなる。そのため、電極５がＡｇを用いて形成されたものとしている。
【００１３】
電極６は、電極５の上に設けられている。  
本実施の形態においては、電極５と電極６とがｐ側電極となる。  
ここで、本発明者らの得た知見によれば、電極５がＡｇを用いて形成されたものとすれば、光の取り出し効率を向上させることができるが、発光特性のばらつきが大きくなるという新たな問題が生じる。例えば、半導体発光素子１の輝度のばらつきが大きくなるという問題が生じる。
【００１４】
そのため、本実施の形態においては、電極５の上に所定の材料を用いた電極６を設けることで、発光特性のばらつきを抑制するようにしている。  
この場合、電極６は、導電性を有し、且つ、光の吸収が少ない材料を用いて形成することが好ましい。  
またさらに、電極６は、電極５がＡｇを用いて形成された場合であっても発光特性のばらつきを抑制することができる材料を用いて形成することが好ましい。
【００１５】
本発明者らの得た知見によれば、電極６をＩＴＯ（Indium Tin Oxide；酸化インジウムスズ）を用いて形成するようにすれば、電極５がＡｇを用いて形成された場合であっても発光特性のばらつきを抑制することができる。この場合、ＩＴＯは、導電性を有し、且つ、光の吸収が少ない材料でもある。
【００１６】
そして、半導体発光素子１においては、発光層８において発生した光を外部に効率よく取り出せるようにすることが好ましい。そのためには、電極５、電極６が、発光層８からの光をより反射させ易い構成を有したものとすることが好ましい。  
そこで、本実施の形態においては、電極５は光の吸収が比較的少ないＡｇを用いて形成されたものとしている。
【００１７】
また、電極６は、半導体層７が設けられる側の面に複数の凹部６ａを有したものとされている。  
なお、凹部６ａに関する詳細は後述する。
【００１８】
半導体層７は、電極６の上に設けられている。  
この場合、半導体層７は電極６と密着するように設けられ、凹部６ａ同士の間にも半導体層７が埋め込まれるようにして設けられている。
【００１９】
半導体層７は、ｐ形となるようにドープされた半導体（ｐ形半導体）を用いて形成されたものとすることができる。この場合、半導体層７は、ｐ形の窒化物半導体を用いて形成されたものとすることができる。窒化物半導体としては、例えば、ＧａＮ（窒化ガリウム）、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、ＡｌＧａＮ（窒化アルミニウムガリウム）、ＩｎＧａＮ（窒化インジウムガリウム）などを例示することができる。
【００２０】
発光層８は、半導体層７の上に設けられている。  
発光層８は、正孔および電子が再結合して光を発生する井戸層と、井戸層よりも大きなバンドギャップを有する障壁層（クラッド層）と、によって構成された量子井戸構造を有するものとすることができる。
【００２１】
この場合、単一量子井戸（ＳＱＷ；Single Quantum Well）構造を有するものとしてもよいし、多重量子井戸（ＭＱＷ；Multiple Quantum Well）構造を有するものとしてもよい。また、単一量子井戸構造のものを複数積層するようにしてもよい。  
例えば、単一量子井戸構造のものとしては、ＧａＮからなる障壁層、ＩｎＧａＮからなる井戸層、ＧａＮからなる障壁層がこの順で積層されたものを例示することができる。
【００２２】
多重量子井戸構造のものとしては、ＧａＮからなる障壁層、ＩｎＧａＮからなる井戸層、ＧａＮからなる障壁層、ＩｎＧａＮからなる井戸層、ＧａＮからなる障壁層がこの順で積層されたものを例示することができる。  
この場合、前述した半導体層７を障壁層とすることもできる。  
なお、発光層８は量子井戸構造を有するものに限定されるわけではなく、発光可能な構造を有したものとすることができる。
【００２３】
半導体層９は、発光層８の上に設けられている。  
半導体層９は、ｎ形となるようにドープされた半導体（ｎ形半導体）を用いて形成されたものとすることができる。この場合、半導体層９は、ｎ形の窒化物半導体を用いて形成されたものとすることができる。窒化物半導体としては、例えば、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮなどを例示することができる。
【００２４】
また、半導体層９は、発光層８が設けられる側とは反対の側の面に複数の凹部９ａを有している。すなわち、半導体層９の光取り出し面には複数の凹部９ａが設けられている。  凹部９ａは、発光層８からの光や電極５、電極６により反射された光の取り出し効率を向上させるために設けられている。  
半導体層９の光取り出し面に複数の凹部９を設けるようにすれば、光の散乱のような効果を生じさせることができるので、光の取り出し効率を向上させることができる。
【００２５】
なお、凹部９ａの形状、大きさ、配設ピッチ寸法などは、図１に例示をしたものに限定されるわけではなく、光の波長、半導体層９の屈折率などに応じて適宜変更することができる。
【００２６】
この場合、光の波長、半導体層９の屈折率などに応じてシミュレーションを行い、最適な凹部９ａの形状、大きさ、配設ピッチ寸法などを求めるようにすることができる。  
例えば、半導体層９がＧａＮを用いて形成される場合には、深さ寸法が１００ｎｍ程度の凹部９ａを等間隔に設けるようにすることができる。
【００２７】
電極１０は、半導体層９の上に設けられている。  
本実施の形態においては、電極１０がｎ側電極となる。  
そして、電極５・電極６と、電極１０と、が対峙して設けられることで、Thin Film型の半導体発光素子１が構成されている。  
電極１０は、例えば、Ｎｉ（ニッケル）／Ａｕ（金）の二重層などの金属材料を用いて形成されたものとすることができる。
【００２８】
絶縁層１１は、接合層３、接合層４、電極６、半導体層７、発光層８、半導体層９の露出部分を覆うようにして形成されている。絶縁層１０は、例えば、ＳｉＯ２（二酸化シリコン）などの絶縁性材料を用いて形成されたものとすることができる。
【００２９】
基台１２は、例えば、銀めっきされた基板や金属基板などとすることができる。基台１２の一方の面上には、基板２が設けられている。  
封止部１３は、基板２、接合層３、接合層４、電極５、電極６、半導体層７、発光層８、半導体層９、電極１０、絶縁層１１が積層された積層体を覆うようにして設けられている。  封止部１３は、積層体を保護するために設けられている。また、封止部１３は、発光層８から出射した光を透過させる。
【００３０】
そのため、封止部１３は、透光性を有する樹脂材料を用いて形成されたものとすることができる。透光性を有する樹脂材料としては、例えば、エポキシ樹脂、シリコーン系樹脂、メタクリル樹脂(PMMA)、ポリカーボネート(PC)、環状ポリオレフィン(COP)、脂環式アクリル(OZ)、アリルジグリコールカーボネート(ADC)、アクリル系樹脂、フッ素系樹脂、シリコーン系樹脂とエポキシ樹脂とのハイブリット樹脂、ウレタン樹脂などを例示することができる。
【００３１】
また、封止部１３は、例えば、半球状を呈したものとすることができる。封止部１３が半球状を呈したものとすれば、封止部１３にレンズの機能を持たせることができる。
【００３２】
次に、電極６についてさらに例示をする。  
前述したように、電極６は、半導体層７が設けられる側の面に複数の凹部６ａを有している。  
凹部６ａは、発光層８からの光を反射させることで光の取り出し効率を向上させるために設けられている。
【００３３】
図２は、凹部６ａの配設形態を例示するための模式平面図である。  
なお、図２は、図１におけるＺ方向から凹部６ａを見た場合である。  
図２（ａ）に示すように、平面視において格子状となるような凹部６ａ１を設けるようにすることができる。凹部６ａ１の内部には半導体層７の一部が埋め込まれている。  
図２（ｂ）に示すように、平面視においてストライプ状となるような凹部６ａ２を設けるようにすることができる。凹部６ａ２の内部には半導体層７の一部が埋め込まれている。
【００３４】
図２（ｃ）に示すように、平面視において断面形状が矩形となるような凹部６ａ３を設けるようにすることができる。凹部６ａ３の内部には半導体層７の一部が埋め込まれている。  
図２（ｄ）に示すように、平面視において断面形状が円形となるような凹部６ａ４を設けるようにすることができる。凹部６ａ４の内部には半導体層７の一部が埋め込まれている。  
図２（ｅ）に示すように、平面視において断面形状が円形となり、且つ、大きさと配設ピッチ寸法の異なる凹部６ａ５を設けるようにすることができる。凹部６ａ５の内部には半導体層７の一部が埋め込まれている。
【００３５】
なお、凹部６ａの形状、大きさ、配設ピッチ寸法などは、図２に例示をしたものに限定されるわけではなく、光の波長、電極６の屈折率、半導体層７の屈折率などに応じて適宜変更することができる。  
この場合、光の波長、電極６の屈折率、半導体層７の屈折率などに応じてシミュレーションを行い、最適な凹部６ａの形状、大きさ、配設ピッチ寸法などを求めるようにすることができる。
【００３６】
例えば、電極６がＩＴＯを用いて形成され、半導体層７がＧａＮを用いて形成された場合には、凹部６ａの深さは５０ｎｍ以上、１μｍ以下とすることができる。  
この場合、例えば、凹部６ａの形状を図２（ｄ）に例示をしたものとすれば、凹部６ａの配設ピッチ寸法（凹部６ａの中心間の寸法）は、０．２μｍ程度とすることができる。
【００３７】
図３は、電極６の半導体層７が設けられる側の面に凹部６ａを設けた場合の効果を例示するための模式グラフ図である。  
図６中のＮｏ．１は、電極６が設けられていない場合、すなわち、ｐ側電極として電極５のみが設けられた場合である。  
Ｎｏ．２は、凹部６ａを有さない電極６が設けられた場合、すなわち、平坦な膜状の電極６が設けられた場合である。  
Ｎｏ．３は、半導体層７が設けられる側の面に複数の凹部６ａを有した電極６が設けられた場合である。
【００３８】
図３に示すように、凹部６ａを有さない電極６を設けるようにすれば、電極６が設けられていない場合と比べて光の取り出し効率を僅かに増加させることができる。  
これに対して、半導体層７が設けられる側の面に複数の凹部６ａを有した電極６を設けるようにすれば、電極６が設けられていない場合と比べて光の取り出し効率を大幅に増加させることができる。例えば、半導体層７が設けられる側の面に複数の凹部６ａを有した電極６を設けるようにすれば、電極６が設けられていない場合と比べて光の取り出し効率を２５％程度増加させることができる。
【００３９】
ここで、電極５が設けられる側の面に複数の凹部６ａを有した電極６とすることも考えられる。  
この場合、Ａｇを用いて形成された電極５の屈折率は０．１３６程度、ＩＴＯを用いて形成された電極６の屈折率は１．９６７程度、ＧａＮを用いて形成された半導体層７の屈折率は２．４程度となる。
【００４０】
そのため、半導体層７の屈折率と電極６の屈折率との差よりも、電極６の屈折率と電極５の屈折率との差の方が大きくなる。その結果、半導体層７と電極６との界面における反射率よりも、電極６と電極５との界面における反射率の方が高くなる。
【００４１】
本実施の形態においては、反射率が低くなる側の界面（電極６の半導体層７が設けられる側の面）に凹部６ａを設けることで反射率が低くなる側の界面における反射率を増加させるようにしている。
【００４２】
そのため、電極６の半導体層７が設けられる側の面に凹部６ａを設けるようにすれば、電極６の電極５が設けられる側の面に凹部６ａを設ける場合と比べて、反射率を高くすることが可能となる。
【００４３】
以上に例示をした実施形態によれば、発光特性のばらつきを抑制することができ、且つ、光の取り出し効率を向上させることができる半導体発光素子を実現することができる。
以上、本発明のいくつかの実施形態を例示したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更などを行うことができる。これら実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。
【符号の説明】
【００４４】
１  半導体発光素子、２  基板、３  接合層、４  接合層、５  電極、６  電極、６ａ  凹部、６ａ１〜６ａ４  凹部、７  半導体層、８  発光層、９  半導体層、１０  電極、１１  絶縁層、１２  基台、１３  封止部
【図１】
2013062311.tif 000003
【図２】
2013062311.tif 000004
【図３】
2013062311.tif 000005