(57)【要約】【課題】半導体発光素子の光出力を増加する。【解決手段】一つの実施形態によれば、半導体発光素子は、積層構造体、第１の電極、及び第２の電極が設けられる。積層構造体は、第１導電型の第１の半導体層、発光層、及び第２導電型の第２の半導体層が直接或いは間接的に積層形成され、発光層側から第２の半導体層側方向へ光が取り出される。第１の電極は、第１の半導体層に接続される。第２の電極は、第２の半導体層に接続され、細線形状或いはドット形状を有する。前記第２の半導体層は膜厚が４μｍ以上で、且つ第２導電型の不純物濃度が２×１０１８／ｃｍ３以下である。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型の第１の半導体層、発光層、及び第２導電型の第２の半導体層が直接或いは間接的に積層形成され、前記発光層側から前記第２の半導体層側方向へ光が取り出される積層構造体と、
前記第１の半導体層に接続される第１の電極と、
前記第２の半導体層に接続され、細線形状或いはドット形状を有する第２の電極と、
を具備し、前記第２の半導体層は膜厚が４μｍ以上で、且つ第２導電型の不純物濃度が２×１０１８／ｃｍ３以下であることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
前記第一の半導体層と前記発光層の間に積層形成される第１導電型のクラッド層及びオーバーフロー防止層を更に具備し、
前記発光層と前記第２の半導体層の間に超格子層を更に具備することを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記第１の半導体層はＰ型ＧａＮ層であり、第２の半導体層はＮ型ＧａＮ層であることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記発光層はＩｎ（ｘ）Ｇａ（ｙ）Ａｌ（１−ｘ−ｙ）Ｎから構成され、井戸層と前記井戸層とは組成（ｘ、ｙ）が異なる障壁層が交互に複数設けられたＭＱＷ発光層であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
【請求項５】
前記第２の半導体層は、表面の少なくとも一部に凹凸形状が設けられることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
【請求項６】
前記第１の電極は、前記発光層から発生する光を反射する反射層を兼ねることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
【請求項７】
前記第１の電極、前記積層構造体、及び前記第２の電極は、支持基板上に載置されることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、半導体発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化物系半導体発光素子では、高出力で高発光効率なものが要求されている。窒化物系半導体発光素子では、高出力化を図る方法として、上部に細線構造を有するＮ型電極、下部に反射層を兼ねるＰ型電極を設けて上方から光を取り出す構造が開発されている。
【０００３】
細線構造を有する窒化物系半導体発光素子の場合、発光層へのホールの注入はエレクトロンの注入とは反対側である。ホールはエレクトロンより重いのでＰ型半導体層側に滞留し、エレクトロンは軽いのでＰ型半導体層まで到達する。ホールやエレクトロンが集中して細線電極直下に再結合領域が発生しやすくなり、キャリア濃度が高濃度になる。狭い領域でキャリア密度が増加すると、高出力半導体発光素子では、オーバーフローや非発光オージェ再結合が増加して発光効率が低下するという問題点がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−２１９５０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、光出力を増加することができる半導体発光素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
一つの実施形態によれば、半導体発光素子は、積層構造体、第１の電極、及び第２の電極が設けられる。積層構造体は、第１導電型の第１の半導体層、発光層、及び第２導電型の第２の半導体層が直接或いは間接的に積層形成され、発光層側から第２の半導体層側方向へ光が取り出される。第１の電極は、第１の半導体層に接続される。第２の電極は、第２の半導体層に接続され、細線形状或いはドット形状を有する。前記第２の半導体層は膜厚が４μｍ以上で、且つ第２導電型の不純物濃度が２×１０１８／ｃｍ３以下である。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】第１の実施形態に係る半導体発光素子を示す上面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線に沿う半導体発光素子の断面図である。
【図３】第１の実施形態に係る半導体発光素子でのエレクトロンとホールの挙動を説明する図である。
【図４】第１の実施形態に係る半導体発光素子でのキャリア濃度と再結合及び発光効率を説明する図である。
【図５】第１の実施形態に係る半導体発光素子の電流と光出力の関係を示す図である。
【図６】第１の実施形態に係る半導体発光素子のＮ型クラッド層濃度と光出力の関係を示す図である。
【図７】第１の実施形態に係る半導体発光素子のＮ型クラッド層厚と光出力の関係を示す図である。
【図８】変形例の半導体発光素子を示す上面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【０００９】
（第１の実施形態）
まず、本発明の第１の実施形態に係る半導体発光素子について、図面を参照して説明する。
【００１０】
図１は半導体発光素子を示す上面図である。図２は図１のＡ−Ａ線に沿う半導体発光素子の断面図である。図３は半導体発光素子でのエレクトロンとホールの挙動を説明する図である。本実施形態では、積層構造体を構成する最上層のＮ型クラッド層の厚さ及び濃度を最適化して大電流におけるオーバーフローや非発光オージェ再結合を抑制して細線電極構造の半導体発光素子の光出力を増加している。
【００１１】
図１に示すように、半導体発光素子９０は、Ｎ型クラッド層６、Ｎ型電極７、及び支持基板１１が設けられる。半導体発光素子９０は、Ｎ型細線電極構造を有する高出力ＧａＮ系ＬＥＤ（light emitting diode）である。半導体発光素子９０は、例えば照明分野などに適用される。
【００１２】
Ｎ型電極７は細線電極構造を有し、細線電極７ａ乃至７ｆと端子電極２１が設けられる。細線電極７ａ乃至７ｆは、細線形状を有する。細線電極７ａ乃至７ｅは、図中垂直方向に互いに離間して並列配置される。細線電極７ｆは、図中水平方向に細線電極７ａ乃至７ｅを束ねるように配置される。端子電極２１は、細線電極７ｃ及び７ｆの中央部に配置され、図示しないボンディングワイヤを介して外部端子に接続される。
【００１３】
図２に示すように、半導体発光素子９０は、基板下部電極１３、支持基板１１、基板上部電極１２、Ｐ型電極８、積層構造体６１、及び細線電極７ａ乃至７ｃが設けられる。半導体発光素子９０は、Ｐ型電極８、積層構造体６１、及び細線電極７ａ乃至７ｃが、基板上部電極１２を介して支持基板１１上に載置される。支持基板１１の裏面側には、基板下部電極１３が設けられる。
【００１４】
半導体発光素子９０では、積層構造体６１のＭＱＷ（multi quantum well）発光層４で生成された光は積層構造体６１のＮ型クラッド層６側から取り出される。Ｐ型電極８は、ＭＱＷ発光層４で生成された光を反射する反射層としても機能する。
【００１５】
積層構造体６１は、Ｐ型電極８上に形成される。積層構造体６１は、Ｐ型コンタクト層１、Ｐ型クラッド層２、Ｐ型オーバーフロー防止層３、ＭＱＷ発光層４、超格子層５、及びＮ型クラッド層６が、例えばＭＯＣＶＤ（metal organic chemical vapor deposition）法を用いて積層形成されたものである。Ｐ型オーバーフロー防止層３は、Ｎ型電極７側から供給されるエレクトロンの流れを遮断する働きをする。
【００１６】
ここで、Ｐ型コンタクト層１はＰ＋型ＧａＮ層であり、例えばアクセプタ濃度が１Ｅ２１／ｃｍ３で厚さ５ｎｍに設定される。Ｐ型クラッド層２はＰ型ＧａＮ層であり、例えばアクセプタ濃度が１Ｅ２０／ｃｍ３で厚さ１００ｎｍに設定される。Ｐ型オーバーフロー防止層３はＰ型ＡｌＧａＮ層であり、例えばアクセプタ濃度が１Ｅ２０／ｃｍ３で厚さ５ｎｍに設定される。
【００１７】
ＭＱＷ発光層４は、アンドープＭＱＷ発光層である。ＭＱＷ発光層４は、Ｉｎ（ｘ）Ｇａ（ｙ）Ａｌ（１−ｘ−ｙ）Ｎから構成され、井戸層４２と井戸層４２とは組成（ｘ、ｙ）が異なる障壁層４１が交互に複数設けられる。ここでは、井戸層４２が厚さ７μｍで、障壁層が厚さ５μｍであり３ペアで構成される。
【００１８】
超格子層５はアンドープ超格子層で３０の量子井戸を含み、その量子井戸は例えば厚さ１ｎｍでＩｎ(L)Ｇａ (１−Ｌ)Ｎ層からなる井戸層と、例えば厚さ３ｎｍでＩｎ（Ｍ）Ｇａ(１−Ｍ)Ｎ層からなる障壁層とから構成される。Ｎ型クラッド層６は、Ｎ型ＧａＮ層である。
【００１９】
Ｎ型クラッド層６の表面には１〜２μｍ程度の凹凸が形成されている。凹凸は、例えばＫＯＨ溶液を用いて形成しているがパターニング／ＲＩＥ（reactive ion etching）法やインプリント法／ＲＩＥ法を用いて形成してもよい。
【００２０】
ここで、Ｎ型クラッド層６表面に形成される凹凸は、Ｎ型クラッド層６表面側に入射される光の入射角度を種々変化させる。このため、Ｎ型クラッド層６と大気界面での全反射される光の割合が減少し、凹凸の効果で光取り出しが向上する。
【００２１】
Ｎ型クラッド層６上には、細線電極７ａ乃至７ｃが設けられる。細線電極７ａ乃至７ｃは幅Ｗ１を有し、互いに間隔Ｄ１だけ離間配置される。
【００２２】
なお、細線構造を有する半導体発光素子９０の高出力化では、Ｎ型クラッド層６の膜厚及びＮ型不純物濃度の最適化が大変重要である。
【００２３】
図３に示すように、Ｎ型細線電極構造を有する半導体発光素子９０では、再結合発生領域の分布がＮ型クラッド層６の形成条件により大きく影響を受ける。
【００２４】
図３（ａ）に示すように、Ｎ型クラッド層６の膜厚が比較的厚く、Ｎ型不純物濃度が比較的低濃度の場合、Ｐ型電極８とＮ型電極７の間に電圧が印加されると、Ｐ型電極８側の一面全体にホールが発生し、ＭＱＷ発光層４の一面全体に形成される再結合発生領域５０にホールが供給される。一方、細線電極７ａ乃至７ｃ側で発生したエレクトロンは、細線電極７ａ乃至７ｃ直下ばかりでなく、横方向にも広がりＭＱＷ発光層４の一面全体に形成される再結合発生領域５０に供給される。この結果、活性層のキャリア密度が平均化され、活性層のキャリア密度の増加が抑制される。
【００２５】
図３（ｂ）に示すように、Ｎ型クラッド層６の膜厚が比較的薄く、Ｎ型不純物濃度が比較的高濃度の場合、Ｐ型電極８とＮ型電極７の間に電圧が印加されると、Ｐ型電極８側の一面全体にホールが発生し、ＭＱＷ発光層４の一面全体にホールが供給される。一方、細線電極７ａ乃至７ｃ側で発生したエレクトロンは、細線電極７ａ乃至７ｃ直下のＭＱＷ発光層４に供給される。細線電極７ａ乃至７ｃ直下のみに再結合発生領域５０ａ、５０ｂ、５０ｂが発生し、再結合発生領域５０ａ、５０ｂ、５０ｂの間には再結合発生領域が生じない。この結果、活性層のキャリア密度が偏在化され、活性層のキャリア密度が増加する。
【００２６】
ここで、半導体発光素子でのキャリア濃度と再結合及び発光効率について説明する。図４は半導体発光素子でのキャリア濃度と再結合及び発光効率を説明する図である。
【００２７】
図４に示すように、ＳＲＨ（ショックレーリードホール再結合）による非発光Ａは、エレクトロンが伝導帯からｄｅｅｐ  ｌｅｖｅｌへ移動或いはｄｅｅｐ  ｌｅｖｅｌから価電子帯へ移動してエネルギーを振動として放出するものであり、結合率がキャリア濃度の１乗に比例する。
【００２８】
自然放出による発光Ｂは、エレクトロンが伝導帯から価電子帯へ移動してエネルギーを放出するときに発生する光であり、結合率がキャリア濃度の２乗に比例する。
【００２９】
非発光オージェ再結合による非発光Ｃは、エレクトロンが伝導帯から価電子帯へ移動してエネルギーを放出、或いはエレクトロンが伝導帯でエネルギーを得て励起するものであり、結合率がキャリア濃度の３乗に比例する。
【００３０】
発光効率としての割合Ｙは、非発光Ａ、発光Ｂ、非発光Ｃをもとに
Y＝B/(A+B+C)・・・・・・・・・・・・・・・・・式（１）
と表わされる。発光効率としての割合Ｙは、キャリア濃度が増加するにつれて増加する。キャリア濃度が、例えば４Ｅ１８／ｃｍ３に達すると割合Ｙの値は飽和し、４Ｅ１８／ｃｍ３よりも増加すると割合Ｙは徐々に低下する。
【００３１】
つまり、半導体発光素子９０でＮ型クラッド層６の膜厚を薄く、Ｎ型不純物濃度を高濃度に設定した場合、再結合発生領域が不均一に発生し、相互に分離して発生するという問題が発生する。その結果、大電流動作時では、狭い領域で再結合が発生して電流が集中し、活性層のキャリア密度が増大する。したがって、オーバーフローや非発光オージェ再結合が発生して発光効率が低下する。
【００３２】
次に、半導体発光素子の特性に対するＮ型クラッド層の最適な形成条件について図５乃至７を参照して説明する。図５は半導体発光素子の電流と光出力の関係を示す図である。図６は半導体発光素子のＮ型クラッド層濃度と光出力の関係を示す図である。図７は半導体発光素子のＮ型クラッド層厚と光出力の関係を示す図である。
【００３３】
ここで、Ｐ型コンタクト層１、Ｐ型クラッド層２、Ｐ型オーバーフロー防止層３、ＭＱＷ発光層４、超格子層５、Ｎ型クラッド層６などの膜厚は、ＴＥＭ（transmission electron microscope）やＸ線回析などを用いて算出している。Ｐ型コンタクト層１、Ｐ型クラッド層２、Ｐ型オーバーフロー防止層３、ＭＱＷ発光層４、超格子層５、Ｎ型クラッド層６などの不純物濃度は、ＳＩＭＳ（secondary ion mass spectrometry）を用いて算出している。
【００３４】
図５に示すように、半導体発光素子９０に流れる電流が増加するにつれて光出力が増大する。ここで、実線（ａ−１）、実線（ａ−２）、実線（ａ−３）がＮ型クラッド層６の厚さが２μｍである。破線（ｂ−１）、破線（ｂ−２）、破線（ｂ−３）がＮ型クラッド層６の厚さが４μｍである。実線（ａ−１）と破線（ｂ−１）がＮ型クラッド層６のＮ型不純物濃度が１Ｅ１８／ｃｍ３である。実線（ａ−２）と破線（ｂ−２）がＮ型クラッド層６のＮ型不純物濃度が５Ｅ１８／ｃｍ３である。実線（ａ−３）と破線（ｂ−３）がＮ型クラッド層６のＮ型不純物濃度が１Ｅ１９／ｃｍ３である。
【００３５】
Ｎ型クラッド層６の厚さが４μｍの方が２μｍの場合よりも光出力を大きくすることができる。また、Ｎ型クラッド層６のＮ型不純物濃度が低い方が光出力を大きくすることができる。
【００３６】
図６に示す実線（ａ）はＮ型クラッド層６の厚さが４μｍである。実線（ｂ）はＮ型クラッド層６の厚さが３μｍである。実線（ｃ）はＮ型クラッド層６の厚さが２μｍである。
【００３７】
図６に示すように、Ｎ型クラッド層６の厚さが４μｍの場合（実線（ａ））、
他の条件（実線（ｂ）及び実線（ｃ））に比べて光出力を大きくすることができる（５００ｍＷ以上）。また、Ｎ型クラッド層６のＮ型不純物濃度を２Ｅ１８／ｃｍ３以下に設定すると高光出力を維持することができる。
【００３８】
一方、Ｎ型クラッド層６の厚さが３μｍの場合（実線（ｂ））、Ｎ型クラッド層６の厚さが４μｍ（実線（ａ））に比べて光出力が低く、５００ｍＷ以下である。Ｎ型クラッド層６の厚さが２μｍの場合（実線（ｃ））、Ｎ型クラッド層６の厚さが４μｍ（実線（ａ））に比べて光出力が低く、更にＮ型クラッド層６の厚さが３μｍ（実線（ｂ））に比べて光出力が低く、４６０ｍＷ以下である。
【００３９】
図７に示す実線（Ａ）はＮ型クラッド層６のＮ型不純物濃度が１Ｅ１８／ｃｍ３である。実線（Ｂ）はＮ型クラッド層６のＮ型不純物濃度が２Ｅ１８／ｃｍ３である。実線（Ｃ）はＮ型クラッド層６のＮ型不純物濃度が５Ｅ１８／ｃｍ３である。
【００４０】
図７に示すように、Ｎ型クラッド層６のＮ型不純物濃度が１Ｅ１８／ｃｍ３である実線（Ａ）と２Ｅ１８／ｃｍ３である実線（Ｂ）の場合、Ｎ型クラッド層６のＮ型不純物濃度が５Ｅ１８／ｃｍ３である実線（Ｃ）に比べて光出力を大きくすることができる。また、Ｎ型クラッド層６の厚さを４μｍ以上に設定すると光出力を大きくすることができる。
【００４１】
図５乃至７に示した特性結果から、Ｎ型クラッド層６の厚さを４μｍ以上で、且つＮ型クラッド層６のＮ型不純物濃度を２Ｅ１８／ｃｍ３以下に設定することにより、ＭＱＷ発光層４の一面に均一な再結合発生領域５０が形成され、活性層のキャリア密度が平均化され、活性層のキャリア密度の増加が抑制される。この結果、オーバーフローや非発光オージェ再結合の発生を大幅に抑制することができ、発光効率を向上することができる。
【００４２】
上述したように、本実施形態の半導体発光素子では、基板下部電極１３、支持基板１１、基板上部電極１２、Ｐ型電極８、積層構造体６１、及び細線電極７ａ乃至７ｃが設けられる。積層構造体６１は、Ｐ型コンタクト層１、Ｐ型クラッド層２、Ｐ型オーバーフロー防止層３、ＭＱＷ発光層４、超格子層５、及びＮ型クラッド層６から構成される。半導体発光素子９０では、積層構造体６１のＭＱＷ発光層４で生成された光は積層構造体６１のＮ型クラッド層６側から取り出される。Ｎ型クラッド層６表面には凹凸が設けられる。Ｎ型クラッド層６の厚さが４μｍ以上で、且つＮ型クラッド層６のＮ型不純物濃度が２Ｅ１８／ｃｍ３以下に設定される。
【００４３】
このため、半導体発光素子９０の大電流動作時、広い領域で再結合が発生し、活性層のキャリア密度の増加を抑制できる。したがって、オーバーフローや非発光オージェ再結合の発生を抑制することができ、大電流で光出力を増加することができる。
【００４４】
なお、本実施形態では、細線構造を有するＮ型電極７の中央部に端子電極２１を設けているが必ずしもこれに限定されるものではない。例えば図８に示す変形例のように端子電極の配置を変更してもよい。具体的には、端子電極２１ａを図中左上に配置し、端子電極を図中右上に配置してもよい。また、細線電極の代わりにドット形状を有するＮ型電極を用いてもよい。
【００４５】
また、本実施形態では、積層構造体６１をＰ型コンタクト層１（第１の半導体層）、Ｐ型クラッド層２、Ｐ型オーバーフロー防止層３、ＭＱＷ発光層４（発光層）、超格子層５、及びＮ型クラッド層６（第２の半導体層）により積層形成している。Ｐ型コンタクト層１（第１の半導体層）とＭＱＷ発光層４（発光層）の間にＰ型クラッド層２及びＰ型オーバーフロー防止層３を設け、ＭＱＷ発光層４（発光層）とＮ型クラッド層６（第２の半導体層）の間に超格子層５を設けているが必ずしもこれに限定されるものではない。例えば、積層構造体をＰ型コンタクト層（第１の半導体層）、ＭＱＷ発光層（発光層）、及びＮ型コンタクト層（第２の半導体層）により積層形成（構造簡略化）してもよい。この様な構造においてもオーバーフローや非発光オージェ再結合の発生を抑制することができる。
【００４６】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、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、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、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。
【符号の説明】
【００４７】
１  Ｐ型コンタクト層
２  Ｐ型クラッド層
３  Ｐ型オーバーフロー防止層
４  ＭＱＷ発光層
５  超格子層
６  Ｎ型クラッド層
７  Ｎ型電極
８  Ｐ型電極
７ａ〜７ｇ  細線電極
１１  支持基板
１２  基板上部電極
１３  基板下部電極
２１、２１ａ、２１ｂ  端子電極
４１  障壁層
４２  井戸層
５０、５０ａ、５０ｂ、５０ｃ  再結合発生領域
６１  積層構造体
９０、９１  半導体発光素子
Ａ、Ｃ  非発光
Ｂ  発光
Ｄ１  間隔
ｅ  エレクトロン
Ｎｄ１、Ｎｄ２  濃度
ｈ  ホール
Ｔ１、Ｔ２  厚さ
Ｗ１  幅
【図１】
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【図２】
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【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】
2013145771.tif 000009
【図８】
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