半導体発光素子
【課題】発光光度を向上させた半導体発光素子を提供する。
【解決手段】基板２と、基板２上に設けられる第１半導体層５、活性層６、及び第２半導体層７からなる発光層１３と、基板２と発光層１３との間に設けられるＤＢＲ（Distribution Bragg Reflector）層４と、基板２の下面に設けられる下部電極１０と、発光層１３上に設けられる上部電極１１とを有し、発光層１３上にＤＢＲブロック１２を設け、ＤＢＲブロック１２を覆うように上部電極１１を設けたものである。
【解決手段】基板２と、基板２上に設けられる第１半導体層５、活性層６、及び第２半導体層７からなる発光層１３と、基板２と発光層１３との間に設けられるＤＢＲ（Distribution Bragg Reflector）層４と、基板２の下面に設けられる下部電極１０と、発光層１３上に設けられる上部電極１１とを有し、発光層１３上にＤＢＲブロック１２を設け、ＤＢＲブロック１２を覆うように上部電極１１を設けたものである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体発光素子に係り、特に、ＡｌＧａＩｎＰ系の半導体発光素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、携帯電話の液晶バックライト、キーパッド、信号機、車載インテリア、その他イルミネーション用途への半導体発光素子の普及が急速に進んでいる。
【０００３】
半導体発光素子である発光ダイオード（ＬＥＤ）は、ＰＮ接合もしくはＰＩＮ接合を構成するように化合物半導体を基板上に成長したエピタキシャルウエハを、半導体プロセスにより電極形成、ダイシングを経て、チップ化し、ワイヤボンディングで配線、樹脂でモールドして、素子化したものである。
【０００４】
信号機、車のテールランプなどでは、発光ダイオードを複数並べて使用する。このような用途では、高い発光光度が要求されるため、高い発光効率を得るための構造として、多重量子井戸（Multi Quantum Well；以下、ＭＱＷという）活性層からなる活性層と、分布型ブラック反射（Distribution Bragg Reflector；以下、ＤＢＲという）層からなる反射層を有するエピタキシャルウエハを用いることが多い。
【０００５】
図４に、ｐ型半導体が表面側（基板と反対側）に配置されるｐアップタイプで、活性層にＭＱＷ活性層を有し、反射層にＤＢＲ層を有する従来の発光ダイオード（チップ状態）の断面模式図を示す。
【０００６】
図４に示すように、従来の発光ダイオード４１は、基板４２上に、ｎ−バッファ層４３、ＤＢＲ層４４、ｎ−クラッド層４５、ＭＱＷ活性層４６、ｐ−クラッド層４７、ｐ−電流拡散層４８、ｐ−コンタクト層４９を順に積層し、基板４２の下面に下部電極５０、ｐ−コンタクト層４９の上面に上部電極５１をそれぞれ形成して構成される。
【０００７】
ＭＱＷ活性層４６は、ウエル層とバリア層を交互に成長させ、任意のペア数となるように形成される。発光ダイオード４１をＡｌＧａＩｎＰ系赤色発光ダイオードとする場合、ウエル層にはＧａＩｎＰ、バリア層にはＡｌＧａＩｎＰ（Ａｌ組成０．５付近）を用いる。ＭＱＷ活性層４６は、バリア層のＡｌ組成、Ｉｎ組成、層厚、ウエル層のＩｎ組成、層厚をパラメータとして、所望の発光波長となるように形成される。また、ＭＱＷ活性層４６は、ウエル層で発光した光がＭＱＷ活性層４６内部を通過する間に別のウエル層で吸収される光の量より、各ウエル層から発光した光がＭＱＷ活性層４６内部の別のウエル層で吸収されずにチップ外部に取り出される光の量が大きくなるように、ペア数が最適化される。
【０００８】
ＤＢＲ層４４は、屈折率の異なる材料の層（例えば、ＡｌＡｓとＡｌＧａＡｓ）を交互に成長し、各層の層厚がＭＱＷ活性層４６での発光波長の約１／（４×屈折率）になるように設計される。
【０００９】
また、ｐ−クラッド層４７、ｐ−電流拡散層４８、ｐ−コンタクト層４９は、ＭＱＷ活性層４６での発光波長に対して光の吸収が小さくなるように、ウエル層よりバンドギャップが大きくなるように設計される。
【００１０】
発光ダイオード４１では、ＭＱＷ活性層４６から放射する光のうち、上部電極５１側に放射された光は、ｐ−クラッド層４７、ｐ−電流拡散層４８、ｐ−コンタクト層４９を通過して、上部電極５１が形成されていない部分の発光ダイオード４１の上面から放射される。下部電極５０側に放射された光は、ＤＢＲ層４４で反射されて、上部電極５１側に放射され、同じく上部電極５１が形成されていない部分の発光ダイオード４１の上面から放射される。
【００１１】
ＤＢＲ層４４がない場合、下部電極５０側に放射された光は、基板４２に大部分が吸収されて、発光ダイオード４１の上面、側面から放射されないこととなる。よって、ＤＢＲ層４４は、発光ダイオード４１の発光光度向上のための有効な手段となる。
【００１２】
なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、特許文献１がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００７−９６１５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、従来技術では、ＭＱＷ活性層４６から放射された光の一部が、上部電極５１によって遮られて、チップ（発光ダイオード４１）の外に出ることができず、発光光度の向上に寄与できなかった。
【００１５】
また、上部電極５１とｐ−コンタクト層４９の界面は、オーミックコンタクトをとるためのアロイ処理によって合金化されており、上部電極５１とｐ−コンタクト層４９の界面の反射率はそれほど高くない。そのため、上部電極５１とｐ−コンタクト層４９の界面で反射される光も少なく、反射された光がＭＱＷ活性層４６で吸収されて再発光に寄与するといったことも期待できなかった。
【００１６】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、発光光度を向上させた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】
【００１７】
本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、基板と、該基板上に設けられる第１半導体層、活性層、及び第２半導体層からなる発光層と、前記基板と前記発光層との間に設けられるＤＢＲ（Distribution Bragg Reflector）層と、前記基板の下面に設けられる下部電極と、前記発光層上に設けられる上部電極とを有し、前記発光層上にＤＢＲブロックを設け、該ＤＢＲブロックを覆うように前記上部電極を設けた半導体発光素子である。
【００１８】
前記発光層上には、ＡｌＧａＩｎＰからなるコンタクト層が設けられ、前記コンタクト層上に前記ＤＢＲブロックが設けられ、かつ前記上部電極がＡｕＢｅからなってもよい。
【００１９】
前記下部電極は、前記基板の下面で、かつ、前記上部電極と対向しない位置に形成されてもよい。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、上部電極によって遮られてチップの外に出ることができずに発光光度の向上に寄与できない光を、ＭＱＷ活性層側に戻して、ＭＱＷ活性層に吸収させ、再発光させることで、発光光度を向上させた半導体発光素子を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の一実施の形態に係る半導体発光素子を示す図であり、（ａ）は断面模式図、（ｂ）は上面図である。
【図２】本発明の一実施の形態に係る半導体発光素子を示す断面模式図である。
【図３】本発明の一実施の形態に係る半導体発光素子を示す図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は下面図である。
【図４】従来の半導体発光素子の断面模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面にしたがって説明する。
【００２３】
図１は、本実施の形態に係る半導体発光素子を示す図であり、（ａ）は断面模式図、（ｂ）は上面図である。
【００２４】
図１（ａ），（ｂ）に示すように、半導体発光素子１は、基板２と、基板２上に設けられ、第１半導体層としてのｎ−クラッド層５、活性層としてのＭＱＷ活性層６、及び第２半導体層としてのｐ−クラッド層７とからなる発光層１３と、基板２と発光層１３との間に設けられるＤＢＲ層４と、基板２の下面に設けられる下部電極１０と、発光層１３上に設けられる上部電極１１とを有している。
【００２５】
より詳細には、半導体発光素子１は、ＧａＡｓからなる基板２上に、ｎ型ＧａＡｓからなるｎ−バッファ層３、ＤＢＲ層４、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰからなるｎ−クラッド層５、ＭＱＷ活性層６、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰからなるｐ−クラッド層７、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰからなるｐ−電流拡散層８、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰからなるｐ−コンタクト層９を順に積層し、基板２の下面にＡｕＳｎからなる下部電極１０、ｐ−コンタクト層９の上面にＡｕＢｅからなる上部電極１１をそれぞれ形成して構成される。
【００２６】
ＤＢＲ層４は、一般的な波（光）の反射における強め合う条件（山と山が重なる条件）で、屈折率の異なる２種類の層を交互に積層して形成される。本実施の形態では、各層の層厚がＭＱＷ活性層６での発光波長の約１／（４×屈折率）になるように、ＡｌＡｓからなる層とＡｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓからなる層とを交互に成長させて、ＤＢＲ層４を形成した。
【００２７】
ＭＱＷ活性層６は、ウエル層とバリア層を交互に成長させ、任意のペア数となるように形成される。本実施の形態では、ウエル層にはＧａＩｎＰ、バリア層にはＡｌ0.6Ｇａ0.4ＩｎＰを用いる。バリア層の層厚、ウエル層の層厚及びＩｎ組成は、所望の発光波長となるように適宜調整される。また、ＭＱＷ活性層６は、ウエル層で発光した光がＭＱＷ活性層６内部を通過する間に別のウエル層で吸収される光の量より、各ウエル層から発光した光がＭＱＷ活性層６内部の別のウエル層で吸収されずにチップ外部に取り出される光の量が大きくなるように、ペア数が最適化される。
【００２８】
ｐ−クラッド層７、ｐ−電流拡散層８、ｐ−コンタクト層９は、ＭＱＷ活性層６での発光波長に対して光の吸収が小さくなるように、ウエル層よりバンドギャップが大きくなるように設計される。
【００２９】
さて、本実施の形態に係る半導体発光素子１では、発光層１３上にＤＢＲブロック１２を設け、ＤＢＲブロック１２を覆うように上部電極１１を設けている。
【００３０】
具体的には、半導体発光素子１では、ｐ−コンタクト層９上にＤＢＲブロック１２を設け、そのＤＢＲブロック１２を覆うように上部電極１１を形成するようにしている。
【００３１】
このＤＢＲブロック１２は、上述のＤＢＲ層４と同様に、各層の層厚がＭＱＷ活性層６での発光波長の約１／（４×屈折率）になるように、ＡｌＡｓからなる層とＡｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓからなる層とを交互に成長させて形成される。
【００３２】
ＤＢＲブロック１２は、上面視における形状が、上部電極１１の上面視における形状と相似形状に形成される。本実施の形態では、上部電極１１及びＤＢＲブロック１２を、上面視で円形状に形成している。なお、上部電極１１とＤＢＲブロック１２の上面視における形状は、完全な相似形状でなくともよい。
【００３３】
また、ＤＢＲブロック１２は、その上面視での面積が、上部電極１１の上面視での面積より小さくなるように形成され、上部電極１１よりも若干小さく形成される。
【００３４】
上部電極１１は、ＤＢＲブロック１２の上面および側面を覆うようにされ、ＤＢＲブロック１２の側面を覆う上部電極１１の下部はｐ−コンタクト層９に接している。上部電極１１及びＤＢＲブロック１２は、ｐ−コンタクト層９の上面のほぼ中央部に設けられる。
【００３５】
ｐ−コンタクト層９上にＤＢＲブロック１２と上部電極１１を設ける際には、まず、ｐ−コンタクト層９上に屈折率の異なる２種類の層（ここでは、ＡｌＡｓとＡｌＧａＡｓ）を交互に積層してＤＢＲ層を形成し、このＤＢＲ層を、半導体プロセス（フォトリソグラフィーとエッチング処理）により、所望の形状に成形して、ＤＢＲブロック１２を形成する。その後、ＤＢＲブロック１２の上に、蒸着（真空蒸着）により上部電極１１を形成し、アロイ処理によって、ＤＢＲブロック１２、ｐ−コンタクト層９と上部電極１１の間に、オーミックコンタクトをとる。
【００３６】
本実施の形態の作用を説明する。
【００３７】
本実施の形態に係る半導体発光素子１では、ｐ−コンタクト層９上にＤＢＲブロック１２を設け、ＤＢＲブロック１２を覆うように上部電極１１を設けている。
【００３８】
上部電極１１の下方にＤＢＲブロック１２設けることにより、上部電極１１のほぼ真下の領域のＭＱＷ活性層６から、ほぼ真上（約７０〜１１０度の方向）に発光された光が、上部電極１１の下に設けたＤＢＲブロック１２で反射される。
【００３９】
ＤＢＲブロック１２で反射された反射光は、ＭＱＷ活性層６に入射し、ＭＱＷ活性層６で吸収されて、電子とホールを生成する。この電子とホールが発光再結合することによって、自然放出光が再び放出される。
【００４０】
光の放出は全方向に均等になされるため、上部電極１１とＤＢＲブロック１２が形成された領域を除く領域から、放出された光の一部がチップの外に出射されることとなり、この光の分だけ、発光光度が向上することになる。
【００４１】
つまり、半導体発光素子１によれば、従来上部電極で遮られてチップの外に出ることができなかった光を、上部電極１１下のＤＢＲブロック１２で反射させてＭＱＷ活性層６側に戻し、ＭＱＷ活性層６に吸収させて再発光させることで、発光光度を向上した半導体発光素子１を実現できる。
【００４２】
また、ＤＢＲブロック１２は、上部電極１１よりは抵抗が高い。そのため、電流は主に、ＤＢＲブロック１２の周囲の上部電極１１を通って、ｐ−コンタクト層９を通して、ｐ−電流拡散層８に流れることになる。つまり、ＤＢＲブロック１２は、上部電極１１の真下の領域の発光層１３が極力発光しないように電流の流れを制限する電流狭窄層としての役割も果たす。このため、上部電極１１の周囲（上部電極１１の真下でない領域）での発光を増やすことが可能となり、発光光度をより向上させることができる。
【００４３】
上記実施の形態では、基板２上に、ｎ−バッファ層３、ＤＢＲ層４、ｎ−クラッド層５、ＭＱＷ活性層６、ｐ−クラッド層７、ｐ−電流拡散層８、ｐ−コンタクト層９を順に積層した場合を説明したが、図２に示す半導体発光素子２１のように、ｐ−クラッド層７とｐ−電流拡散層８間に、ＡｌＧａＩｎＰからなるｐ−中間層２２を設けるようにしてもよい。
【００４４】
また、上記実施の形態では、ＭＱＷ活性層６のウエル層にＧａＩｎＰ、バリア層にＡｌ0.6Ｇａ0.4ＩｎＰを用いた赤色発光の半導体発光素子１，２１について説明したが、本発明は、赤色に限らず、橙色、黄色、黄緑色の短波長領域、赤外領域で発光する半導体発光素子にも適用できる。活性層はＭＱＷ活性層６に限らず、バルクの活性層でもよい。
【００４５】
さらに、上記実施の形態では、ｐ型半導体が表面側（基板２と反対側）に配置されるｐアップタイプの半導体発光素子１，２１について説明したが、本発明は、ｐアップタイプに限らず、ｎアップタイプの半導体発光素子にも適用できる。
【００４６】
さらにまた、上記実施の形態では、ＤＢＲブロック１２を、積層する各層の層厚がＭＱＷ活性層６での発光波長の約１／（４×屈折率）になるように形成する場合を説明したが、ＤＢＲブロック１２の反射波長の設計を、ＭＱＷ活性層６における発光波長に対して長波側に設計することによって、斜めに入射する光に対しても、反射させる効果が期待できる。上述のように、ＤＢＲブロック１２は電流狭窄層としても機能するので、上部電極１１の真下以外の領域での発光が増え、ＤＢＲブロック１２に入射する光のほとんどが斜めに入射することになる。よって、ＤＢＲブロック１２を斜めに入射する光を反射するように形成することで、より発光光度を向上させることが可能になる。
【００４７】
また、上記実施の形態では、ｐ−コンタクト層９の上面のほぼ中央部に上部電極１１及びＤＢＲブロック１２を設ける場合を説明したが、上部電極１１及びＤＢＲブロック１２は、必ずしもｐ−コンタクト層９の上面におけるほぼ中央に位置する必要はなく、ｐ−コンタクト層９の上面のどこに位置しても問題ない。
【００４８】
さらに、上記実施の形態では、上部電極１１と対向する位置にも下部電極１０を形成する場合を説明したが、図３（ａ），（ｂ）に示す半導体発光素子３１のように、上部電極３２と対向する位置に下部電極３４を形成しないようにしてもよい。
【００４９】
半導体発光素子３１では、図３（ａ）に示すように、上部電極３２及びＤＢＲブロック３３は、上面視で矩形状のＰ−コンタクト層９の表面における一の隅部（図３（ａ）では右下の隅部）に形成され、上面視で扇形状に形成されている。これに対して、下部電極３４は、図３（ｂ）に示すように、基板２の下面で、かつ、上部電極３２と対向しない位置に形成される。
【００５０】
このように、上部電極３２と対向する位置に下部電極３４を形成しないようにすることで、さらなる電流狭窄効果が得られ、上部電極３２の真下でない領域での発光を増やすことが可能となるため、発光光度をより向上させることができる。なお、上部電極３２と対向する位置に下部電極３４を形成しない場合、ｐ−電流拡散層８を厚く形成し、電流分散効果を高めることが望ましい。
【符号の説明】
【００５１】
１ 半導体発光素子
２ 基板
３ ｎ−バッファ層
４ ＤＢＲ層
５ ｎ−クラッド層（第１半導体層）
６ ＭＱＷ活性層（活性層）
７ ｐ−クラッド層（第２半導体層）
８ ｐ−電流拡散層
９ ｐ−コンタクト層
１０ 下部電極
１１ 上部電極
１２ ＤＢＲブロック
１３ 発光層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体発光素子に係り、特に、ＡｌＧａＩｎＰ系の半導体発光素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、携帯電話の液晶バックライト、キーパッド、信号機、車載インテリア、その他イルミネーション用途への半導体発光素子の普及が急速に進んでいる。
【０００３】
半導体発光素子である発光ダイオード（ＬＥＤ）は、ＰＮ接合もしくはＰＩＮ接合を構成するように化合物半導体を基板上に成長したエピタキシャルウエハを、半導体プロセスにより電極形成、ダイシングを経て、チップ化し、ワイヤボンディングで配線、樹脂でモールドして、素子化したものである。
【０００４】
信号機、車のテールランプなどでは、発光ダイオードを複数並べて使用する。このような用途では、高い発光光度が要求されるため、高い発光効率を得るための構造として、多重量子井戸（Multi Quantum Well；以下、ＭＱＷという）活性層からなる活性層と、分布型ブラック反射（Distribution Bragg Reflector；以下、ＤＢＲという）層からなる反射層を有するエピタキシャルウエハを用いることが多い。
【０００５】
図４に、ｐ型半導体が表面側（基板と反対側）に配置されるｐアップタイプで、活性層にＭＱＷ活性層を有し、反射層にＤＢＲ層を有する従来の発光ダイオード（チップ状態）の断面模式図を示す。
【０００６】
図４に示すように、従来の発光ダイオード４１は、基板４２上に、ｎ−バッファ層４３、ＤＢＲ層４４、ｎ−クラッド層４５、ＭＱＷ活性層４６、ｐ−クラッド層４７、ｐ−電流拡散層４８、ｐ−コンタクト層４９を順に積層し、基板４２の下面に下部電極５０、ｐ−コンタクト層４９の上面に上部電極５１をそれぞれ形成して構成される。
【０００７】
ＭＱＷ活性層４６は、ウエル層とバリア層を交互に成長させ、任意のペア数となるように形成される。発光ダイオード４１をＡｌＧａＩｎＰ系赤色発光ダイオードとする場合、ウエル層にはＧａＩｎＰ、バリア層にはＡｌＧａＩｎＰ（Ａｌ組成０．５付近）を用いる。ＭＱＷ活性層４６は、バリア層のＡｌ組成、Ｉｎ組成、層厚、ウエル層のＩｎ組成、層厚をパラメータとして、所望の発光波長となるように形成される。また、ＭＱＷ活性層４６は、ウエル層で発光した光がＭＱＷ活性層４６内部を通過する間に別のウエル層で吸収される光の量より、各ウエル層から発光した光がＭＱＷ活性層４６内部の別のウエル層で吸収されずにチップ外部に取り出される光の量が大きくなるように、ペア数が最適化される。
【０００８】
ＤＢＲ層４４は、屈折率の異なる材料の層（例えば、ＡｌＡｓとＡｌＧａＡｓ）を交互に成長し、各層の層厚がＭＱＷ活性層４６での発光波長の約１／（４×屈折率）になるように設計される。
【０００９】
また、ｐ−クラッド層４７、ｐ−電流拡散層４８、ｐ−コンタクト層４９は、ＭＱＷ活性層４６での発光波長に対して光の吸収が小さくなるように、ウエル層よりバンドギャップが大きくなるように設計される。
【００１０】
発光ダイオード４１では、ＭＱＷ活性層４６から放射する光のうち、上部電極５１側に放射された光は、ｐ−クラッド層４７、ｐ−電流拡散層４８、ｐ−コンタクト層４９を通過して、上部電極５１が形成されていない部分の発光ダイオード４１の上面から放射される。下部電極５０側に放射された光は、ＤＢＲ層４４で反射されて、上部電極５１側に放射され、同じく上部電極５１が形成されていない部分の発光ダイオード４１の上面から放射される。
【００１１】
ＤＢＲ層４４がない場合、下部電極５０側に放射された光は、基板４２に大部分が吸収されて、発光ダイオード４１の上面、側面から放射されないこととなる。よって、ＤＢＲ層４４は、発光ダイオード４１の発光光度向上のための有効な手段となる。
【００１２】
なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、特許文献１がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００７−９６１５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、従来技術では、ＭＱＷ活性層４６から放射された光の一部が、上部電極５１によって遮られて、チップ（発光ダイオード４１）の外に出ることができず、発光光度の向上に寄与できなかった。
【００１５】
また、上部電極５１とｐ−コンタクト層４９の界面は、オーミックコンタクトをとるためのアロイ処理によって合金化されており、上部電極５１とｐ−コンタクト層４９の界面の反射率はそれほど高くない。そのため、上部電極５１とｐ−コンタクト層４９の界面で反射される光も少なく、反射された光がＭＱＷ活性層４６で吸収されて再発光に寄与するといったことも期待できなかった。
【００１６】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、発光光度を向上させた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】
【００１７】
本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、基板と、該基板上に設けられる第１半導体層、活性層、及び第２半導体層からなる発光層と、前記基板と前記発光層との間に設けられるＤＢＲ（Distribution Bragg Reflector）層と、前記基板の下面に設けられる下部電極と、前記発光層上に設けられる上部電極とを有し、前記発光層上にＤＢＲブロックを設け、該ＤＢＲブロックを覆うように前記上部電極を設けた半導体発光素子である。
【００１８】
前記発光層上には、ＡｌＧａＩｎＰからなるコンタクト層が設けられ、前記コンタクト層上に前記ＤＢＲブロックが設けられ、かつ前記上部電極がＡｕＢｅからなってもよい。
【００１９】
前記下部電極は、前記基板の下面で、かつ、前記上部電極と対向しない位置に形成されてもよい。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、上部電極によって遮られてチップの外に出ることができずに発光光度の向上に寄与できない光を、ＭＱＷ活性層側に戻して、ＭＱＷ活性層に吸収させ、再発光させることで、発光光度を向上させた半導体発光素子を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の一実施の形態に係る半導体発光素子を示す図であり、（ａ）は断面模式図、（ｂ）は上面図である。
【図２】本発明の一実施の形態に係る半導体発光素子を示す断面模式図である。
【図３】本発明の一実施の形態に係る半導体発光素子を示す図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は下面図である。
【図４】従来の半導体発光素子の断面模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面にしたがって説明する。
【００２３】
図１は、本実施の形態に係る半導体発光素子を示す図であり、（ａ）は断面模式図、（ｂ）は上面図である。
【００２４】
図１（ａ），（ｂ）に示すように、半導体発光素子１は、基板２と、基板２上に設けられ、第１半導体層としてのｎ−クラッド層５、活性層としてのＭＱＷ活性層６、及び第２半導体層としてのｐ−クラッド層７とからなる発光層１３と、基板２と発光層１３との間に設けられるＤＢＲ層４と、基板２の下面に設けられる下部電極１０と、発光層１３上に設けられる上部電極１１とを有している。
【００２５】
より詳細には、半導体発光素子１は、ＧａＡｓからなる基板２上に、ｎ型ＧａＡｓからなるｎ−バッファ層３、ＤＢＲ層４、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰからなるｎ−クラッド層５、ＭＱＷ活性層６、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰからなるｐ−クラッド層７、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰからなるｐ−電流拡散層８、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰからなるｐ−コンタクト層９を順に積層し、基板２の下面にＡｕＳｎからなる下部電極１０、ｐ−コンタクト層９の上面にＡｕＢｅからなる上部電極１１をそれぞれ形成して構成される。
【００２６】
ＤＢＲ層４は、一般的な波（光）の反射における強め合う条件（山と山が重なる条件）で、屈折率の異なる２種類の層を交互に積層して形成される。本実施の形態では、各層の層厚がＭＱＷ活性層６での発光波長の約１／（４×屈折率）になるように、ＡｌＡｓからなる層とＡｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓからなる層とを交互に成長させて、ＤＢＲ層４を形成した。
【００２７】
ＭＱＷ活性層６は、ウエル層とバリア層を交互に成長させ、任意のペア数となるように形成される。本実施の形態では、ウエル層にはＧａＩｎＰ、バリア層にはＡｌ0.6Ｇａ0.4ＩｎＰを用いる。バリア層の層厚、ウエル層の層厚及びＩｎ組成は、所望の発光波長となるように適宜調整される。また、ＭＱＷ活性層６は、ウエル層で発光した光がＭＱＷ活性層６内部を通過する間に別のウエル層で吸収される光の量より、各ウエル層から発光した光がＭＱＷ活性層６内部の別のウエル層で吸収されずにチップ外部に取り出される光の量が大きくなるように、ペア数が最適化される。
【００２８】
ｐ−クラッド層７、ｐ−電流拡散層８、ｐ−コンタクト層９は、ＭＱＷ活性層６での発光波長に対して光の吸収が小さくなるように、ウエル層よりバンドギャップが大きくなるように設計される。
【００２９】
さて、本実施の形態に係る半導体発光素子１では、発光層１３上にＤＢＲブロック１２を設け、ＤＢＲブロック１２を覆うように上部電極１１を設けている。
【００３０】
具体的には、半導体発光素子１では、ｐ−コンタクト層９上にＤＢＲブロック１２を設け、そのＤＢＲブロック１２を覆うように上部電極１１を形成するようにしている。
【００３１】
このＤＢＲブロック１２は、上述のＤＢＲ層４と同様に、各層の層厚がＭＱＷ活性層６での発光波長の約１／（４×屈折率）になるように、ＡｌＡｓからなる層とＡｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓからなる層とを交互に成長させて形成される。
【００３２】
ＤＢＲブロック１２は、上面視における形状が、上部電極１１の上面視における形状と相似形状に形成される。本実施の形態では、上部電極１１及びＤＢＲブロック１２を、上面視で円形状に形成している。なお、上部電極１１とＤＢＲブロック１２の上面視における形状は、完全な相似形状でなくともよい。
【００３３】
また、ＤＢＲブロック１２は、その上面視での面積が、上部電極１１の上面視での面積より小さくなるように形成され、上部電極１１よりも若干小さく形成される。
【００３４】
上部電極１１は、ＤＢＲブロック１２の上面および側面を覆うようにされ、ＤＢＲブロック１２の側面を覆う上部電極１１の下部はｐ−コンタクト層９に接している。上部電極１１及びＤＢＲブロック１２は、ｐ−コンタクト層９の上面のほぼ中央部に設けられる。
【００３５】
ｐ−コンタクト層９上にＤＢＲブロック１２と上部電極１１を設ける際には、まず、ｐ−コンタクト層９上に屈折率の異なる２種類の層（ここでは、ＡｌＡｓとＡｌＧａＡｓ）を交互に積層してＤＢＲ層を形成し、このＤＢＲ層を、半導体プロセス（フォトリソグラフィーとエッチング処理）により、所望の形状に成形して、ＤＢＲブロック１２を形成する。その後、ＤＢＲブロック１２の上に、蒸着（真空蒸着）により上部電極１１を形成し、アロイ処理によって、ＤＢＲブロック１２、ｐ−コンタクト層９と上部電極１１の間に、オーミックコンタクトをとる。
【００３６】
本実施の形態の作用を説明する。
【００３７】
本実施の形態に係る半導体発光素子１では、ｐ−コンタクト層９上にＤＢＲブロック１２を設け、ＤＢＲブロック１２を覆うように上部電極１１を設けている。
【００３８】
上部電極１１の下方にＤＢＲブロック１２設けることにより、上部電極１１のほぼ真下の領域のＭＱＷ活性層６から、ほぼ真上（約７０〜１１０度の方向）に発光された光が、上部電極１１の下に設けたＤＢＲブロック１２で反射される。
【００３９】
ＤＢＲブロック１２で反射された反射光は、ＭＱＷ活性層６に入射し、ＭＱＷ活性層６で吸収されて、電子とホールを生成する。この電子とホールが発光再結合することによって、自然放出光が再び放出される。
【００４０】
光の放出は全方向に均等になされるため、上部電極１１とＤＢＲブロック１２が形成された領域を除く領域から、放出された光の一部がチップの外に出射されることとなり、この光の分だけ、発光光度が向上することになる。
【００４１】
つまり、半導体発光素子１によれば、従来上部電極で遮られてチップの外に出ることができなかった光を、上部電極１１下のＤＢＲブロック１２で反射させてＭＱＷ活性層６側に戻し、ＭＱＷ活性層６に吸収させて再発光させることで、発光光度を向上した半導体発光素子１を実現できる。
【００４２】
また、ＤＢＲブロック１２は、上部電極１１よりは抵抗が高い。そのため、電流は主に、ＤＢＲブロック１２の周囲の上部電極１１を通って、ｐ−コンタクト層９を通して、ｐ−電流拡散層８に流れることになる。つまり、ＤＢＲブロック１２は、上部電極１１の真下の領域の発光層１３が極力発光しないように電流の流れを制限する電流狭窄層としての役割も果たす。このため、上部電極１１の周囲（上部電極１１の真下でない領域）での発光を増やすことが可能となり、発光光度をより向上させることができる。
【００４３】
上記実施の形態では、基板２上に、ｎ−バッファ層３、ＤＢＲ層４、ｎ−クラッド層５、ＭＱＷ活性層６、ｐ−クラッド層７、ｐ−電流拡散層８、ｐ−コンタクト層９を順に積層した場合を説明したが、図２に示す半導体発光素子２１のように、ｐ−クラッド層７とｐ−電流拡散層８間に、ＡｌＧａＩｎＰからなるｐ−中間層２２を設けるようにしてもよい。
【００４４】
また、上記実施の形態では、ＭＱＷ活性層６のウエル層にＧａＩｎＰ、バリア層にＡｌ0.6Ｇａ0.4ＩｎＰを用いた赤色発光の半導体発光素子１，２１について説明したが、本発明は、赤色に限らず、橙色、黄色、黄緑色の短波長領域、赤外領域で発光する半導体発光素子にも適用できる。活性層はＭＱＷ活性層６に限らず、バルクの活性層でもよい。
【００４５】
さらに、上記実施の形態では、ｐ型半導体が表面側（基板２と反対側）に配置されるｐアップタイプの半導体発光素子１，２１について説明したが、本発明は、ｐアップタイプに限らず、ｎアップタイプの半導体発光素子にも適用できる。
【００４６】
さらにまた、上記実施の形態では、ＤＢＲブロック１２を、積層する各層の層厚がＭＱＷ活性層６での発光波長の約１／（４×屈折率）になるように形成する場合を説明したが、ＤＢＲブロック１２の反射波長の設計を、ＭＱＷ活性層６における発光波長に対して長波側に設計することによって、斜めに入射する光に対しても、反射させる効果が期待できる。上述のように、ＤＢＲブロック１２は電流狭窄層としても機能するので、上部電極１１の真下以外の領域での発光が増え、ＤＢＲブロック１２に入射する光のほとんどが斜めに入射することになる。よって、ＤＢＲブロック１２を斜めに入射する光を反射するように形成することで、より発光光度を向上させることが可能になる。
【００４７】
また、上記実施の形態では、ｐ−コンタクト層９の上面のほぼ中央部に上部電極１１及びＤＢＲブロック１２を設ける場合を説明したが、上部電極１１及びＤＢＲブロック１２は、必ずしもｐ−コンタクト層９の上面におけるほぼ中央に位置する必要はなく、ｐ−コンタクト層９の上面のどこに位置しても問題ない。
【００４８】
さらに、上記実施の形態では、上部電極１１と対向する位置にも下部電極１０を形成する場合を説明したが、図３（ａ），（ｂ）に示す半導体発光素子３１のように、上部電極３２と対向する位置に下部電極３４を形成しないようにしてもよい。
【００４９】
半導体発光素子３１では、図３（ａ）に示すように、上部電極３２及びＤＢＲブロック３３は、上面視で矩形状のＰ−コンタクト層９の表面における一の隅部（図３（ａ）では右下の隅部）に形成され、上面視で扇形状に形成されている。これに対して、下部電極３４は、図３（ｂ）に示すように、基板２の下面で、かつ、上部電極３２と対向しない位置に形成される。
【００５０】
このように、上部電極３２と対向する位置に下部電極３４を形成しないようにすることで、さらなる電流狭窄効果が得られ、上部電極３２の真下でない領域での発光を増やすことが可能となるため、発光光度をより向上させることができる。なお、上部電極３２と対向する位置に下部電極３４を形成しない場合、ｐ−電流拡散層８を厚く形成し、電流分散効果を高めることが望ましい。
【符号の説明】
【００５１】
１ 半導体発光素子
２ 基板
３ ｎ−バッファ層
４ ＤＢＲ層
５ ｎ−クラッド層（第１半導体層）
６ ＭＱＷ活性層（活性層）
７ ｐ−クラッド層（第２半導体層）
８ ｐ−電流拡散層
９ ｐ−コンタクト層
１０ 下部電極
１１ 上部電極
１２ ＤＢＲブロック
１３ 発光層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
該基板上に設けられる第１半導体層、活性層、及び第２半導体層からなる発光層と、
前記基板と前記発光層との間に設けられるＤＢＲ（Distribution Bragg Reflector）層と、
前記基板の下面に設けられる下部電極と、
前記発光層上に設けられる上部電極とを有し、
前記発光層上にＤＢＲブロックを設け、該ＤＢＲブロックを覆うように前記上部電極を設けたことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
前記発光層上には、ＡｌＧａＩｎＰからなるコンタクト層が設けられ、前記コンタクト層上に前記ＤＢＲブロックが設けられ、かつ前記上部電極がＡｕＢｅからなる請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記下部電極は、前記基板の下面で、かつ、前記上部電極と対向しない位置に形成される請求項１または２記載の半導体発光素子。
【請求項１】
基板と、
該基板上に設けられる第１半導体層、活性層、及び第２半導体層からなる発光層と、
前記基板と前記発光層との間に設けられるＤＢＲ（Distribution Bragg Reflector）層と、
前記基板の下面に設けられる下部電極と、
前記発光層上に設けられる上部電極とを有し、
前記発光層上にＤＢＲブロックを設け、該ＤＢＲブロックを覆うように前記上部電極を設けたことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
前記発光層上には、ＡｌＧａＩｎＰからなるコンタクト層が設けられ、前記コンタクト層上に前記ＤＢＲブロックが設けられ、かつ前記上部電極がＡｕＢｅからなる請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記下部電極は、前記基板の下面で、かつ、前記上部電極と対向しない位置に形成される請求項１または２記載の半導体発光素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１１−１９２７３５（Ｐ２０１１−１９２７３５Ａ）
【公開日】平成２３年９月２９日（２０１１．９．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−５６１６１（Ｐ２０１０−５６１６１）
【出願日】平成２２年３月１２日（２０１０．３．１２）
【出願人】（０００００５１２０）日立電線株式会社 (3,358)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年９月２９日（２０１１．９．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月１２日（２０１０．３．１２）
【出願人】（０００００５１２０）日立電線株式会社 (3,358)
【Ｆターム（参考）】
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