発光素子
【課題】光出力を高めつつ、信頼性が改善された発光素子を提供する。
【解決手段】放出光を放出可能な発光層と、第１電極と、前記発光層と前記第１電極との間に設けられた第１の層と、前記第１の層と前記第１電極との間に設けられた第２の層と、前記第１の層と前記発光層との間に設けられたクラッド層と、を備えた発光素子が提供される。第１の層は、第１導電形の第１の不純物濃度を有し、前記第１電極から注入されたキャリアを前記発光層の面内方向に拡散可能とする。第２の層は、前記第１の不純物濃度よりも高い第１導電形の第２の不純物濃度を有し、第１の面が前記第１の層と接触し、前記第１の面とは反対側の第２の面が前記第１電極の形成領域と非形成領域とを有し、平均ピッチが前記放出光の波長以下とされた網状または複数の島状の凸部が前記非形成領域に設けられている。前記クラッド層は、第１導電形を有する。
【解決手段】放出光を放出可能な発光層と、第１電極と、前記発光層と前記第１電極との間に設けられた第１の層と、前記第１の層と前記第１電極との間に設けられた第２の層と、前記第１の層と前記発光層との間に設けられたクラッド層と、を備えた発光素子が提供される。第１の層は、第１導電形の第１の不純物濃度を有し、前記第１電極から注入されたキャリアを前記発光層の面内方向に拡散可能とする。第２の層は、前記第１の不純物濃度よりも高い第１導電形の第２の不純物濃度を有し、第１の面が前記第１の層と接触し、前記第１の面とは反対側の第２の面が前記第１電極の形成領域と非形成領域とを有し、平均ピッチが前記放出光の波長以下とされた網状または複数の島状の凸部が前記非形成領域に設けられている。前記クラッド層は、第１導電形を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
照明装置、表示装置、信号機などに用いる発光素子に対して、高出力化が益々要求されている。
【０００３】
発光層と第１電極との間に、高濃度の電流拡散層を設けると、第１電極から注入されたキャリアを発光層の面内で広げ、高い光出力を出射することが容易となる。
【０００４】
また、電流拡散層の光出射側の表面に、微小凹凸を形成すると光取り出し効率が向上し光出力を高めることができる。微小凹凸の形成方法として、ドライエッチング法を用いると、放出光の波長以下のサイズの微小凹凸を確実かつ生産性良く形成することができる。
【０００５】
しかしながら、ドライエッチング法を用いると加工領域に結晶欠陥などを生じ、長時間動作により光出力が低下することがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−１２８２２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
光出力を高めつつ、信頼性が改善された発光素子を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
放出光を放出可能な発光層と、第１電極と、前記発光層と前記第１電極との間に設けられた第１の層と、前記第１の層と前記第１電極との間に設けられた第２の層と、前記第１の層と前記発光層との間に設けられたクラッド層と、を備えた発光素子が提供される。第１の層は、第１導電形の第１の不純物濃度を有し、前記第１電極から注入されたキャリアを前記発光層の面内方向に拡散可能とする。第２の層は、前記第１の不純物濃度よりも高い第１導電形の第２の不純物濃度を有し、第１の面が前記第１の層と接触し、前記第１の面とは反対側の第２の面が前記第１電極の形成領域と非形成領域とを有し、平均ピッチが前記放出光の波長以下とされた網状または複数の島状の凸部が前記非形成領域に設けられている。前記クラッド層は、第１導電形を有する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１（ａ）は第１の実施形態にかかる発光素子の模式平面図、図１（ｂ）はＡ−Ａ線に沿った模式断面図、である。
【図２】図２（ａ）は凸部が設けられた第１導電形層の模式断面図、図２（ｂ）は凸部の部分拡大図、である。
【図３】図３（ａ）は第２の実施形態の発光素子の光出力残存率、図３（ｂ）は第１比較例の光出力残存率、図３（ｃ）は第２比較例の光出力残存率、図３（ｄ）は第３比較例の光出力残存率、のグラフ図である。
【図４】図４（ａ）は第１比較例にかかる発光素子の模式平面図、図４（ｂ）はＢ−Ｂ線に沿った模式断面図、である。
【図５】図５（ａ）は相対発光強度の第１の層の不純物濃度に対する依存性、図５（ｂ）は相対発光強度の第１の層の厚さに対する依存性、のグラフ図である。
【図６】図６（ａ）は島状の凸部の上面のＳＥＭ写真、図６（ｂ）は島状の凸部を斜め上方からみたＳＥＭ写真、図６（ｃ）は網状の凸部の模式斜視図、である。
【図７】図７（ａ）および（ｂ）はウェットエッチング法により形成した凸部の上面のＳＥＭ写真、図７（ｃ）はその断面のＳＥＭ写真である。
【図８】ＭＱＷ井戸数に対する相対発光強度の依存性のグラフ図である。
【図９】図９（ａ）はｐ形コンタクト層の不純物濃度に対する相対発光強度依存性、図９（ｂ）はｐ形コンタクト層の不純物濃度に対する順方向電圧の依存性、である。
【図１０】図１０（ａ）は第３の実施形態にかかる発光素子の模式平面図、図１０（ｂ）はＣ−Ｃ線に沿った模式断面図、である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。
図１（ａ）は、本発明の第１の実施形態にかかる発光素子の模式平面図、図１（ｂ）はＡ−Ａ線に沿った模式断面図、である。発光素子は、積層体３２、積層体３２の上に設けられた第１電極５０、および積層体３２の下に設けられた第２電極４０、基板１０、などを有する。
【００１１】
積層体３２は、発光層２２、発光層２２の上に設けられた第１導電形層３０、および発光層２２の下に設けられた第２導電形層２０を有する。第１導電形層３０は、発光層２２の上に設けられた第１の層２５と、第１の層２５の上に設けられた第２の層２６と、を少なくとも有している。また、第１導電形層３０が、第２の層２６の上にコンタクト層２８を有すると、第１電極５０との間で良好なオーミックコンタクトを形成できるのでより好ましい。さらに、第１導電形層３０が、発光層２２と接触したクラッド層２４を有すると、発光層２２に効果的に光を閉じ込めて発光効率を高めることができるのでより好ましい。
【００１２】
第２の層２６と第１の層２５とは、共に第１の導電形を有しており、第１の層２５の第１の不純物濃度は、第２の層２６の第２の不純物濃度よりも低い。第１の面２６ａが第１の層２５と接触し、第１の面２６ａとは反対側の第２の層２６の第２の面は、第１電極５０の形成領域２６ｂと非形成領域２６ｃとを有している。非形成領域２６ｃには、凸部２７が設けられている。凸部２７の平均ピッチは、放出光の波長よりも小さいことが好ましい。凸部２７の平均ピッチについては、のちに詳しく説明する。
【００１３】
さらに、発光素子は、発光層２２とは反対側の第２導電形層２０の面の一部に接触して設けられ、外縁が第１電極５０からはみ出した電流ブロック層４２有していてもよい。この場合、第２電極４０は、第２導電形層２０とは反対の側の電流ブロック層４２の面と、電流ブロック層４２とは接触していない第２導電形層２０の面の領域と、に接触するように設けられる。発光層２２から下方に放出された光の一部は、透明絶縁膜からなる電流ブロック層４２のはみ出し領域を透過し、第２電極４０により反射され、再び電流ブロック層４２を透過して上方に放出される光ＧＬを含む。電流ブロック層４２のはみ出し領域を広くすると、光出力をさらに高めることができる。例えば、第１電極５０の直径ＤＥは１２０μｍ、電流ブロック層４２の直径ＤＢは２２０μｍ、とされる。
【００１４】
図２（ａ）は島状の凸部が設けられた第１導電形層の模式断面図、図２（ｂ）はＣ部の部分拡大図、である。
第２の層２６の厚さをＴ２、第１の層２５の厚さをＴ１、とする。また、凸部２７は、第２の層２６の第２の面に設けられる。凸部２７を複数の島状とする場合、高さＨが第２の層２６の厚さＴ２よりも小さくし、凸部２７の周囲の底部２７ｂが第１の面２６ａには到達しないようにする。また、凸部２７を網状とし、凸部２７の周囲に底部を設けてもよい。なお、網状の凸部２７については、のちに説明をする。
【００１５】
複数の島状の凸部２７の場合、１つの島からみて、周囲の島との距離のうち、最短となる距離をピッチＰ１、Ｐ２などとする。その距離は、島の形状がランダムな場合、島を等面積の円に置き換え、その中心間距離とする。それぞれのピッチの平均値を、島状の凸部２７の平均ピッチとして定義する。
【００１６】
外部の屈折率が第２の層２６の屈折率よりも低い場合、島状の凸部２７が設けられた第２の層２６の屈折率は、第２の層２６の屈折率から外部の屈折率に向かって低下する屈折率勾配（Graded Index) を有する。このために、光取り出し効率を高めることができる。また、島状の凸部２７が回折格子として作用し、ｎ次回折光（ｎ＝±１、±２、・・・）の一部を取り出すことができ、光取り出し効率をさらに高めることができる。
【００１７】
第２の層２６の第１電極形成領域２６ｂの上に設けられた第１電極５０から注入されたキャリア流Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４などが、第２の不純物濃度Ｎ２を有する第２の層２６を通過し、第１の層２５に流れ込む。第２の層２６の第１電極５０の非形成領域２６ｃには凸部２７が設けられているので、キャリア流Ｆ５は、凸部２７の周囲に設けられた底部２７ｂと第２の層２６の第１の面２６ａとの間を水平面方向に広がりつつ第１の層２５に流れ込む。すなわち、第１の層２５および第２の層２６の一部は、電流拡散層として作用する。電流拡散層の不純物濃度を高めると、電流を発光層２２の面内に拡散し、光出力を高めることができる。また、電流拡散層を厚くしても、電流を発光層２２の面内に拡散し、光出力を高めることができる。
【００１８】
他方、電流拡散層の不純物濃度が所定の範囲を越えると、バンドギャップ内に不純物エネルギー準位が形成される。このため、光吸収が増大し光出力が低下することがある。
【００１９】
放出光の波長よりも小さい平均ピッチを有する凸部２７は、例えばブロックコポリマーの自己組織化パターンをマスクに、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）などのドライエッチング法を用いて形成可能である。
【００２０】
まず、ブロックコポリマーは、ポリスチレン（ＰＳ）−ポリメチルメタクリルレート（ＰＭＭＡ）およびＰＭＭＡホモポリマーを、例えば等量混合し、ＰＳホモポリマーおよびプロピレングリコールモノエーテルアセテート（ＰＧＭＥＡ）を溶媒として調合することができる。ブロックコポリマーを例えばスピンコーターを用いてウェハ上に均一な厚さに塗布した後、ベーキングやアニールなどの加熱処理を行うとＰＳとＰＭＭＡに相分離ができる。すなわち、ＰＳとＰＭＭＡが自己組織的に凝集して、粒子形状のＰＳ層が形成される。この場合、ＰＳとＰＭＭＡの組成比を変えると、ＰＳ層の粒子径や粒子の占有率などを変えることができる。続いてＲＩＥを行うと、ＰＭＭＡが選択エッチングにより除去され、ＰＳ層が、例えば１０ｎｍ〜３００ｎｍの平均ピッチの範囲の島状の凸部として残る。さらに、ＰＳ層のパターンをマスクに例えばＳｉＯ２膜のマスクを作成し、そのＳｉＯ２膜をマスクにしてドライエッチング法を用いると所望の凸部２７を形成することができる。なお、レジストパターンをマスクに、ドライエッチング法を用いてもよい。
【００２１】
ところが、ドライエッチング工程では、加工条件によっては結晶欠陥などのダメージを生じ、通電により光出力が時間とともに低下する場合がある。発明者らは、ドライエッチング法により凸部を形成した場合、加工領域の不純物濃度を高めるとこのダメージを低減できることを見出した。
【００２２】
この知見にもとずいて、本実施形態では、第２の層２６の第２の不純物濃度Ｎ２を所定の濃度以上とし、ドライエッチング法を用いて第２の層２６に凸部２７を形成する。また、第１の層２５の第１の不純物濃度Ｎ１を第２の層２６の第２の不純物濃度Ｎ２よりも低くし、かつ所定の濃度以上とすることにより電流拡散効果を保ちつつ光吸収の増大を抑制することができる。これにより、電流を発光層２２の面内に広げつつ、凸部２７の加工ダメージの影響を低減することができる。
【００２３】
なお、発光層２２を有する積層体３２は、Ｉｎｘ（ＧａｙＡｌ１−ｙ）１−ｘＰ（但し、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）、またはＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）をそれぞれ含むことができる。また、例えば、発光層２２、クラッド層２４、はそれぞれＩｎｘ（ＧａｙＡｌ１−ｙ）１−ｘＰ（但し、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）からなり、第１の層２５および第２の層２６のうち少なくとも一方はＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）からなり、他方（両方がＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）である場合以外）はＩｎｘ（ＧａｙＡｌ１−ｙ）１−ｘＰ（但し、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）からなるものとすることができる。さらに、積層体３２は、ＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ（但し、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１ ｘ＋ｙ≦１）などを含むことができる。
【００２４】
次に、積層体３２がＩｎｘ（ＧａｙＡｌ１−ｙ）１−ｘＰ（但し、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）なる組成式で表すＩｎＧａＡｌＰ系材料である場合を、第２の実施形態とする。図１（ａ）および（ｂ）において、積層体３２は、例えばＧａＡｓ基板（図示せず）の上に、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法やＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy)法を用い、この順序で結晶成長された第１導電形層３０、発光層２２、および第２導電形層２０を有する。
【００２５】
第１導電形層３０は、ＧａＡｓコンタクト層２８（不純物濃度１．０×１０１８ｃｍ−３、厚さ０．１μｍ）、Ｉｎ０．５（Ｇａ０．７Ａｌ０．３）０．５Ｐからなる第１の層２５、Ｉｎ０．５（Ｇａ０．６Ａｌ０．４）０．５Ｐからなる第２の層２６、およびＩｎ０．５Ａｌ０．５Ｐからなるクラッド層２４（不純物濃度４×１０１７ｃｍ−３、厚さ０．６μｍ）を有する。
【００２６】
発光層２２は、例えば、Ｉｎ０．５（Ｇａ０．９Ａｌ０．１）０．５Ｐからなる井戸層（厚さ８ｎｍ）およびＩｎ０．５（Ｇａ０．４Ａｌ０．６）０．５Ｐ（厚さ５ｎｍ）からなる障壁層を含むＭＱＷ（Multi Quantum Well)構造を有する。なお、例えば、井戸数は３０〜６０の範囲とする。その場合、障壁数は井戸数よりも１つ多くする。
【００２７】
第２導電形層２０は、例えばＩｎ０．５Ａｌ０．５Ｐからなるクラッド層１８（不純物濃度３×１０１７ｃｍ−３、厚さ０．６μｍ）、Ｉｎ０．５（Ｇａ０．７Ａｌ０．３）０．５Ｐからなる電流拡散層１６（不純物濃度４×１０１７ｃｍ−３、厚さ０．２μｍ）、およびＡｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓからなるコンタクト層１４（不純物濃度９×１０１８ｃｍ−３、厚さ０．２μｍ）を有する。
【００２８】
コンタクト層２８の上に第１電極５０が設けられ、第１電極５０の下を除いた非形成領域２６ｃにおいて、コンタクト層２８が除去される。すなわち、第２の層２６の第２の面は、第１電極５０の非形成領域２６ｃが露出し、コンタクト層２８および第１電極５０が設けられた非形成領域２６ｂは露出しない。非形成領域２６ｃには凸部２７が形成される。
【００２９】
第２電極４０は、導電性Ｓｉなどからなる基板１０の上に設けられた基板第１電極１２と、ウェーハ状態で接着されたのち、ＧａＡｓ基板が除去される。基板１０の裏面には、基板第２電極１３が設けられる。
【００３０】
図３（ａ）は第２の実施形態の発光素子の光出力残存率、図３（ｂ）は第１比較例の光出力残存率、図３（ｃ）は第２比較例の光出力残存率、図３（ｄ）は第３比較例の光出力残存率、である。
縦軸は光出力残存率（％）、横軸は通電時間（ｈ）である。なお、光出力残存率（％）とは、通電前の光出力を１００％として、通電にともない変化した光出力の割合をあらわす。動作電流はいずれも５０ｍＡとした。
【００３１】
図３（ａ）は、第２の実施形態であるＩｎＧａＡｌＰ系発光素子の光出力残存率である。第２の層２６は、ｎ形Ｉｎ０．５（Ｇａ０．６Ａｌ０．４）０．５Ｐからなり、第２の不純物濃度Ｎ２は３０×１０１７ｃｍ−３、厚さＴ２は１μｍ、とした。また、第１の層２５は、ｎ形Ｉｎ０．５（Ｇａ０．７Ａｌ０．３）０．５Ｐからなり、第１の不純物濃度Ｎ１は８×１０１７ｃｍ−３、厚さＴ１は３μｍ、とした。さらに、凸部２７の高さＨは、０．５μｍとした。１０００時間経過しても、光出力は殆ど低下しなかった。
【００３２】
図４（ａ）は第１比較例にかかる発光素子の模式平面図、図４（ｂ）はＢ−Ｂ線に沿った模式断面図、である。
なお、第１比較例では、第１導電形をｎ形、第２導電形をｐ形、とする。第１電極１５０と、クラッド層１２４との間に、電流拡散層１２５が設けられている。電流拡散層１２５は、Ｉｎ０．５（Ｇａ０．７Ａｌ０．３）０．５Ｐからなり、厚さを３μｍ、不純物濃度を８×１０１７ｃｍ−３とする。また、電流拡散層１２５の上面１２５ａには島状の凸部１２７が形成されている。
【００３３】
なお、発光層１２２、ｎ形層１３０のうちのクラッド層１２４およびコンタクト層１２８、ｐ形層１２０、第１電極１５０、第２電極１４０、電流ブロック層１４２は、第２の実施形態のＩｎＧａＡｌＰ系発光素子と同一であるものとする。
【００３４】
図３（ｂ）のように、１６８時間経過後の光出力残存率は略５０％、１０００時間経過後の光出力残存率は略４０％であった。凸部１２７を形成するドライエッチング工程において、電流拡散層１２５に結晶欠陥が発生し、通電により結晶欠陥が増加したため時間とともに光出力の低下が起きている。
【００３５】
図３（ｃ）は、第２比較例の光出力残存率である。第２の層は、ｎ形Ｉｎ０．５（Ｇａ０．６Ａｌ０．４）０．５Ｐからなり、第２の不純物濃度Ｎ２は、３０×１０１７ｃｍ−３、厚さＴ２は０．４μｍ、とした。また、第１の層は、ｎ形Ｉｎ０．５（Ｇａ０．７Ａｌ０．３）０．５Ｐからなり、第１の不純物濃度Ｎ１は８×１０１７ｃｍ−３、厚さＴ１は３μｍ、とした。凸部２７の高さＨは０．５μｍとした。１６８時間経過後の光出力残存率は６０〜６３％、１０００時間経過後の光出力残存率は５８〜６１％であった。この場合、凸部２７の周囲の底部は、第１の層にまで到達している。すなわち、ドライエッチング工程において不純物濃度が低い第１の層に結晶欠陥が発生する。この領域に通電されることにより光出力の低下を生じる。
【００３６】
図５（ａ）は相対発光強度の第１の層の不純物濃度に対する依存性、図５（ｂ）は相対発光強度の第１の層の厚さに対する依存性、を第２の実施形態において調べたグラフ図である。
例えば、図５（ａ）において、第１の層２５の厚さＴ１は３μｍとする。縦軸は相対発光強度、横軸は第１の層２５の不純物濃度Ｎ１（×１０１７ｃｍ−３）、である。不純物濃度Ｎ１が５×１０１７ｃｍ−３以上とすると、注入された電流が第１の層２５で十分に広がるとともに第２電極４０で反射され第１電極５０で遮光されずに取り出せる光が増大する。このため、第１の層２５の不純物濃度Ｎ１が４×１０１７ｃｍ−３の場合の発光強度の略１．５倍とできる。なお、ＩｎＧａＡｌＰ系材料に、Ｓｉを添加しｎ形とする場合の活性化率は略１であるので、不純物濃度はキャリア濃度を表しているものとする。
【００３７】
また、図５（ｂ）において、不純物濃度Ｎ１は５×１０１７ｃｍ−３とする。縦軸は相対発光強度、横軸は第１の層２５の厚さＴ１（μｍ）、である。第１の層２５の厚さＴ１を２μｍ以上とすると、注入された電流が第１の層２５で十分に広がるとともに第２電極４０で反射され、第１電極５０で遮光されずに取り出せる光が増大する。このため、電流拡散層の厚さが１μｍの場合の発光強度の略１．５倍と高くできる。
【００３８】
よって、ＩｎＧａＡｌＰ系発光素子である第２の実施形態では、第１の層２５の不純物濃度Ｎ１は、式（１）の範囲とすることがより好ましい。
【００３９】
５×１０１７≦Ｎ１（１／ｃｍ３） 式（１）
【００４０】
なお、不純物濃度Ｎ１が３０×１０１７ｃｍ−３よりも高いと、ドナー濃度が高すぎてバンドギャップ内に不純物エネルギー準位が形成され光を吸収する。このため、光出力が低下する。すなわち、不純物濃度Ｎ１は、３０×１０１７ｃｍ−３以下であることがより好ましい。
【００４１】
また、第１の層２５の厚さＴ１を５μｍよりも大きくすると、結晶欠陥の増加などにより成長膜の品質が低下し光出力が低下する。すなわち、第１の層２５の厚さＴ１は、式（２）の範囲とすることがより好ましい。
【００４２】
２≦Ｔ１（μｍ）≦５ 式（２）
【００４３】
なお、凸部２７の高さＨを第２の層２６の厚さＴ２に近づけた場合、第２の層２６の下部領域の電流拡散効果が低下する。この場合、第１の層２５で必要とする電流拡散を行うことがより好ましい。
【００４４】
図３（ｄ）は、第３比較例の光出力残存率である。第２の層は、ｎ形Ｉｎ０．５（Ｇａ０．６Ａｌ０．４）０．５Ｐからなり、第２の不純物濃度Ｎ２は、１×１０１８ｃｍ−３、厚さＴ２は１μｍ、である、また、第１の層は、ｎ形Ｉｎ０．５（Ｇａ０．７Ａｌ０．３）０．５Ｐからなり、第１の不純物濃度Ｎ１は８×１０１７ｃｍ−３、厚さＴ１は３μｍ、である。凸部の高さＨは０．５μｍである。１６８時間経過後の光出力残存率は５６〜６４％、１０００時間経過後の光出力残存率は５５〜６２％であった。この場合、凸部の底部は第２の層に到達していないが、第２の層の不純物濃度が１×１０１８ｃｍ−３では低過ぎ、結晶欠陥が増加することを示している。すなわち、ドライエッチング工程におけるダメージを低減可能な不純物濃度Ｎ２は、式（３）の範囲とするとより好ましいことが判明した。なお、式（３）は、第１の層及び第２の層が、それぞれＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）からなる場合にも適用できる。
【００４５】
１．５×１０１８≦Ｎ２（１／ｃｍ３） 式（３）
【００４６】
なお、第２の層２６の第２の不純物濃度Ｎ２が高くなりすぎるとバンドギャップ中に形成された不純物エネルギー準位により光吸収が増加することがある。すなわち、第２の不純物濃度Ｎ２は、５０×１０１７ｃｍ−３以下とすると、より好ましい。
【００４７】
図６（ａ）はＩｎＧａＡｌＰからなる島状の凸部の上面のＳＥＭ写真、図６（ｂ）は島状の凸部を斜め上方からみたＳＥＭ写真、図６（ｃ）は網状の凸部の模式斜視図、である。
ブロックコポリマーをマスクにドライエッチング法を用いると、図６（ａ）および（ｂ）のＳＥＭ（Scanning Electron Microscope)写真のようなランダム形状の微細な凸部２７を形成することができる。図６（ｂ）は、図２（ｂ）の模式断面図に対応するＳＥＭ写真である。複数の島状を含む凸部２７は、上面２７ａに平坦領域を有する柱状とし、凸部２７の周囲に設けられた底部２７ｂを傾斜させることができる。
【００４８】
また、図６（ｃ）に表すように、網状の凸部２７は、上面２７ｃに平坦領域を有しその周囲に複数の底部２７ｄが設けられる。なお、このような網状の凸部２７は、ブロックコポリマーにおけるＰＭＭＡに対するＰＳの相対組成比を増加することにより形成することができる。網状の凸部２７の場合、凸部２７の周囲に設けられた１つの底部２７ｄの中心からみて、周囲の底部２７ｄの中心との距離のうち、最短となる距離をピッチＰ４、Ｐ５などとする。このようにして、それぞれのピッチＰの平均値を、網状の凸部２７の平均ピッチとして定義する。
【００４９】
図６（ａ）および（ｂ）の凸部２７の平均ピッチは赤色光の６１０〜７００ｎｍの波長範囲よりも小さい。また、柱の径は１００〜２００ｎｍ、凹部２７の深さＨが２００〜６００ｎｍ、などの範囲に分布している。なお、フォトレジストのマスクを用いて、規則的な形状の凸部２７を形成することも可能である。
【００５０】
図６のようにすると、第２の層２６の表面から深さ方向に屈折率勾配を設けると共に、回折光を上方に取り出すことができ、高い光取り出し効率を得ることができる。
【００５１】
図７（ａ）および（ｂ）はウェットエッチング法により形成した島状の凸部上部のＳＥＭ写真、図７（ｃ）はその断面のＳＥＭ写真である。
ウェットエッチング法などを用いて、フロスト処理を行うと、波長よりもサイズが小さい島状や網状の凸部形状を形成することが難しく、また、凸部を高くすることも難しい。よって、屈折率勾配領域を制御性良く形成することや回折格子の形成が困難である。また凸部の上面を平坦に制御することが困難である。
【００５２】
図８は、ＭＱＷ井戸数に対する相対発光強度の依存性を示すグラフ図である。
縦軸は相対発光強度、横軸はＭＱＷ井戸数、である。実線は、第２の実施形態であるＩｎＧａＡｌＰ系発光素子を示す。なお、第２の層２６は、ｎ形Ｉｎ０．５（Ｇａ０．６Ａｌ０．４）０．５Ｐからなり、第２の不純物濃度Ｎ２は３０×１０１７ｃｍ−３、厚さＴ２は１μｍ、とする。また、第１の層２５は、ｎ形Ｉｎ０．５（Ｇａ０．７Ａｌ０．３）０．５Ｐからなり、第１の不純物濃度Ｎ１は８×１０１７ｃｍ−３、厚さＴ１は３μｍ、とする。また、凸部２７の高さＨは、０．５μｍとする。実線で表す第２の実施形態の発光強度は、井戸数が３０〜６０の範囲でＳＱＷ(Single Quantum Well)の発光強度の略１．４倍とすることができる。
【００５３】
第２の実施形態では、第１の層２５により、発光層２２の面内に電流をより広げ、井戸数を３０〜６０と増やしてもそれぞれの井戸のキャリアを、発光層２２の面内および縦方向においてより均一に分布させることができるので、発光強度を高めることが可能となる。
【００５４】
図９（ａ）はｐ形コンタクト層の不純物濃度に対する相対発光強度依存性、図９（ｂ）はｐ形コンタクト層のキャリア濃度に対する順方向電圧の依存性、である。
図９（ａ）のように、ｐ形Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓからなるコンタクト層１４の不純物濃度が３０×１０１８ｃｍ−３よりも高くなると、発光強度が急激に低下する。これは、不純物濃度が高くなると、アクセプタがバンドギャップ内に非発光準位を形成し、放出光を吸収することなどによる。
【００５５】
他方、図９（ｂ）のように、ｐ形不純物濃度が７×１０１８ｃｍ−３よりも低下すると、第２電極４０との間のコンタクト抵抗が増大し、順方向電圧が増大する。これらの結果から、コンタクト層１４の不純物濃度を７〜３０×１０１８ｃｍ−３とすると、順方向電圧の増大を抑制しつつ、発光強度を高めることが容易となる。
【００５６】
次に、積層体３２がＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ（但し、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）を含む窒化物系材料の場合を、第３の実施形態の発光素子とする。
図１０（ａ）は第３の実施形態の模式平面図、図１０（ｂ）はＣ−Ｃ線に沿った模式断面図、である。
【００５７】
発光素子は、基板８０、積層体８９、第１電極９０、および第２電極９２を有している。
積層体８９は、ＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ（但し、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）を含み、放出光は紫外〜緑色の波長範囲であるものとする。積層体８９は、発光層８４、発光層８４の上に設けられ第１導電形を有し、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎなどからなるクラッド層８５、クラッド層８５の上に設けられ第１導電形の第１の不純物濃度を有する第１の層８６、第１の層８６の上に設けられ、第１の不純物濃度よりも高い第１導電形の第２の不純物濃度を有する第２の層８８、を有する。
【００５８】
また、積層体８９は、発光層８４の下に設けられたＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎなどからなるクラッド層８３およびコンタクト層８２を含む第２導電形層８１を有する。なお、基板８０を絶縁性を有するサファイヤとする場合、第２電極９２は、基板８０と接触している面とは反対側のコンタクト層８２の面に設けることができる。
【００５９】
第１の層８６の一方の面は、第１電極９０の形成領域及び非形成領域を有する。非形成領域には、網状または複数の島状の凸部９７が設けられている。凸部９７の平均ピッチは、第２の層８８内における放出光の波長よりも小さい。
【００６０】
本発明の実施形態によれば、光出力を高めつつ、長時間動作における信頼性が改善された発光素子が提供される。これらの発光素子は、可視光波長範囲の光を出射可能であり、照明装置、表示装置、信号機などに広く用いることができる。
【００６１】
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。これらの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】
【００６２】
２０、８１ 第２導電形層、２２、８４ 発光層、２４、８５ クラッド層、２５、８６ 第１の層、２６、８８ 第２の層、２７、９７ 凸部、４０、９２ 第２電極、４２電流ブロック層、５０、９０ 第１電極
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
照明装置、表示装置、信号機などに用いる発光素子に対して、高出力化が益々要求されている。
【０００３】
発光層と第１電極との間に、高濃度の電流拡散層を設けると、第１電極から注入されたキャリアを発光層の面内で広げ、高い光出力を出射することが容易となる。
【０００４】
また、電流拡散層の光出射側の表面に、微小凹凸を形成すると光取り出し効率が向上し光出力を高めることができる。微小凹凸の形成方法として、ドライエッチング法を用いると、放出光の波長以下のサイズの微小凹凸を確実かつ生産性良く形成することができる。
【０００５】
しかしながら、ドライエッチング法を用いると加工領域に結晶欠陥などを生じ、長時間動作により光出力が低下することがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−１２８２２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
光出力を高めつつ、信頼性が改善された発光素子を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
放出光を放出可能な発光層と、第１電極と、前記発光層と前記第１電極との間に設けられた第１の層と、前記第１の層と前記第１電極との間に設けられた第２の層と、前記第１の層と前記発光層との間に設けられたクラッド層と、を備えた発光素子が提供される。第１の層は、第１導電形の第１の不純物濃度を有し、前記第１電極から注入されたキャリアを前記発光層の面内方向に拡散可能とする。第２の層は、前記第１の不純物濃度よりも高い第１導電形の第２の不純物濃度を有し、第１の面が前記第１の層と接触し、前記第１の面とは反対側の第２の面が前記第１電極の形成領域と非形成領域とを有し、平均ピッチが前記放出光の波長以下とされた網状または複数の島状の凸部が前記非形成領域に設けられている。前記クラッド層は、第１導電形を有する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１（ａ）は第１の実施形態にかかる発光素子の模式平面図、図１（ｂ）はＡ−Ａ線に沿った模式断面図、である。
【図２】図２（ａ）は凸部が設けられた第１導電形層の模式断面図、図２（ｂ）は凸部の部分拡大図、である。
【図３】図３（ａ）は第２の実施形態の発光素子の光出力残存率、図３（ｂ）は第１比較例の光出力残存率、図３（ｃ）は第２比較例の光出力残存率、図３（ｄ）は第３比較例の光出力残存率、のグラフ図である。
【図４】図４（ａ）は第１比較例にかかる発光素子の模式平面図、図４（ｂ）はＢ−Ｂ線に沿った模式断面図、である。
【図５】図５（ａ）は相対発光強度の第１の層の不純物濃度に対する依存性、図５（ｂ）は相対発光強度の第１の層の厚さに対する依存性、のグラフ図である。
【図６】図６（ａ）は島状の凸部の上面のＳＥＭ写真、図６（ｂ）は島状の凸部を斜め上方からみたＳＥＭ写真、図６（ｃ）は網状の凸部の模式斜視図、である。
【図７】図７（ａ）および（ｂ）はウェットエッチング法により形成した凸部の上面のＳＥＭ写真、図７（ｃ）はその断面のＳＥＭ写真である。
【図８】ＭＱＷ井戸数に対する相対発光強度の依存性のグラフ図である。
【図９】図９（ａ）はｐ形コンタクト層の不純物濃度に対する相対発光強度依存性、図９（ｂ）はｐ形コンタクト層の不純物濃度に対する順方向電圧の依存性、である。
【図１０】図１０（ａ）は第３の実施形態にかかる発光素子の模式平面図、図１０（ｂ）はＣ−Ｃ線に沿った模式断面図、である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。
図１（ａ）は、本発明の第１の実施形態にかかる発光素子の模式平面図、図１（ｂ）はＡ−Ａ線に沿った模式断面図、である。発光素子は、積層体３２、積層体３２の上に設けられた第１電極５０、および積層体３２の下に設けられた第２電極４０、基板１０、などを有する。
【００１１】
積層体３２は、発光層２２、発光層２２の上に設けられた第１導電形層３０、および発光層２２の下に設けられた第２導電形層２０を有する。第１導電形層３０は、発光層２２の上に設けられた第１の層２５と、第１の層２５の上に設けられた第２の層２６と、を少なくとも有している。また、第１導電形層３０が、第２の層２６の上にコンタクト層２８を有すると、第１電極５０との間で良好なオーミックコンタクトを形成できるのでより好ましい。さらに、第１導電形層３０が、発光層２２と接触したクラッド層２４を有すると、発光層２２に効果的に光を閉じ込めて発光効率を高めることができるのでより好ましい。
【００１２】
第２の層２６と第１の層２５とは、共に第１の導電形を有しており、第１の層２５の第１の不純物濃度は、第２の層２６の第２の不純物濃度よりも低い。第１の面２６ａが第１の層２５と接触し、第１の面２６ａとは反対側の第２の層２６の第２の面は、第１電極５０の形成領域２６ｂと非形成領域２６ｃとを有している。非形成領域２６ｃには、凸部２７が設けられている。凸部２７の平均ピッチは、放出光の波長よりも小さいことが好ましい。凸部２７の平均ピッチについては、のちに詳しく説明する。
【００１３】
さらに、発光素子は、発光層２２とは反対側の第２導電形層２０の面の一部に接触して設けられ、外縁が第１電極５０からはみ出した電流ブロック層４２有していてもよい。この場合、第２電極４０は、第２導電形層２０とは反対の側の電流ブロック層４２の面と、電流ブロック層４２とは接触していない第２導電形層２０の面の領域と、に接触するように設けられる。発光層２２から下方に放出された光の一部は、透明絶縁膜からなる電流ブロック層４２のはみ出し領域を透過し、第２電極４０により反射され、再び電流ブロック層４２を透過して上方に放出される光ＧＬを含む。電流ブロック層４２のはみ出し領域を広くすると、光出力をさらに高めることができる。例えば、第１電極５０の直径ＤＥは１２０μｍ、電流ブロック層４２の直径ＤＢは２２０μｍ、とされる。
【００１４】
図２（ａ）は島状の凸部が設けられた第１導電形層の模式断面図、図２（ｂ）はＣ部の部分拡大図、である。
第２の層２６の厚さをＴ２、第１の層２５の厚さをＴ１、とする。また、凸部２７は、第２の層２６の第２の面に設けられる。凸部２７を複数の島状とする場合、高さＨが第２の層２６の厚さＴ２よりも小さくし、凸部２７の周囲の底部２７ｂが第１の面２６ａには到達しないようにする。また、凸部２７を網状とし、凸部２７の周囲に底部を設けてもよい。なお、網状の凸部２７については、のちに説明をする。
【００１５】
複数の島状の凸部２７の場合、１つの島からみて、周囲の島との距離のうち、最短となる距離をピッチＰ１、Ｐ２などとする。その距離は、島の形状がランダムな場合、島を等面積の円に置き換え、その中心間距離とする。それぞれのピッチの平均値を、島状の凸部２７の平均ピッチとして定義する。
【００１６】
外部の屈折率が第２の層２６の屈折率よりも低い場合、島状の凸部２７が設けられた第２の層２６の屈折率は、第２の層２６の屈折率から外部の屈折率に向かって低下する屈折率勾配（Graded Index) を有する。このために、光取り出し効率を高めることができる。また、島状の凸部２７が回折格子として作用し、ｎ次回折光（ｎ＝±１、±２、・・・）の一部を取り出すことができ、光取り出し効率をさらに高めることができる。
【００１７】
第２の層２６の第１電極形成領域２６ｂの上に設けられた第１電極５０から注入されたキャリア流Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４などが、第２の不純物濃度Ｎ２を有する第２の層２６を通過し、第１の層２５に流れ込む。第２の層２６の第１電極５０の非形成領域２６ｃには凸部２７が設けられているので、キャリア流Ｆ５は、凸部２７の周囲に設けられた底部２７ｂと第２の層２６の第１の面２６ａとの間を水平面方向に広がりつつ第１の層２５に流れ込む。すなわち、第１の層２５および第２の層２６の一部は、電流拡散層として作用する。電流拡散層の不純物濃度を高めると、電流を発光層２２の面内に拡散し、光出力を高めることができる。また、電流拡散層を厚くしても、電流を発光層２２の面内に拡散し、光出力を高めることができる。
【００１８】
他方、電流拡散層の不純物濃度が所定の範囲を越えると、バンドギャップ内に不純物エネルギー準位が形成される。このため、光吸収が増大し光出力が低下することがある。
【００１９】
放出光の波長よりも小さい平均ピッチを有する凸部２７は、例えばブロックコポリマーの自己組織化パターンをマスクに、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）などのドライエッチング法を用いて形成可能である。
【００２０】
まず、ブロックコポリマーは、ポリスチレン（ＰＳ）−ポリメチルメタクリルレート（ＰＭＭＡ）およびＰＭＭＡホモポリマーを、例えば等量混合し、ＰＳホモポリマーおよびプロピレングリコールモノエーテルアセテート（ＰＧＭＥＡ）を溶媒として調合することができる。ブロックコポリマーを例えばスピンコーターを用いてウェハ上に均一な厚さに塗布した後、ベーキングやアニールなどの加熱処理を行うとＰＳとＰＭＭＡに相分離ができる。すなわち、ＰＳとＰＭＭＡが自己組織的に凝集して、粒子形状のＰＳ層が形成される。この場合、ＰＳとＰＭＭＡの組成比を変えると、ＰＳ層の粒子径や粒子の占有率などを変えることができる。続いてＲＩＥを行うと、ＰＭＭＡが選択エッチングにより除去され、ＰＳ層が、例えば１０ｎｍ〜３００ｎｍの平均ピッチの範囲の島状の凸部として残る。さらに、ＰＳ層のパターンをマスクに例えばＳｉＯ２膜のマスクを作成し、そのＳｉＯ２膜をマスクにしてドライエッチング法を用いると所望の凸部２７を形成することができる。なお、レジストパターンをマスクに、ドライエッチング法を用いてもよい。
【００２１】
ところが、ドライエッチング工程では、加工条件によっては結晶欠陥などのダメージを生じ、通電により光出力が時間とともに低下する場合がある。発明者らは、ドライエッチング法により凸部を形成した場合、加工領域の不純物濃度を高めるとこのダメージを低減できることを見出した。
【００２２】
この知見にもとずいて、本実施形態では、第２の層２６の第２の不純物濃度Ｎ２を所定の濃度以上とし、ドライエッチング法を用いて第２の層２６に凸部２７を形成する。また、第１の層２５の第１の不純物濃度Ｎ１を第２の層２６の第２の不純物濃度Ｎ２よりも低くし、かつ所定の濃度以上とすることにより電流拡散効果を保ちつつ光吸収の増大を抑制することができる。これにより、電流を発光層２２の面内に広げつつ、凸部２７の加工ダメージの影響を低減することができる。
【００２３】
なお、発光層２２を有する積層体３２は、Ｉｎｘ（ＧａｙＡｌ１−ｙ）１−ｘＰ（但し、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）、またはＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）をそれぞれ含むことができる。また、例えば、発光層２２、クラッド層２４、はそれぞれＩｎｘ（ＧａｙＡｌ１−ｙ）１−ｘＰ（但し、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）からなり、第１の層２５および第２の層２６のうち少なくとも一方はＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）からなり、他方（両方がＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）である場合以外）はＩｎｘ（ＧａｙＡｌ１−ｙ）１−ｘＰ（但し、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）からなるものとすることができる。さらに、積層体３２は、ＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ（但し、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１ ｘ＋ｙ≦１）などを含むことができる。
【００２４】
次に、積層体３２がＩｎｘ（ＧａｙＡｌ１−ｙ）１−ｘＰ（但し、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）なる組成式で表すＩｎＧａＡｌＰ系材料である場合を、第２の実施形態とする。図１（ａ）および（ｂ）において、積層体３２は、例えばＧａＡｓ基板（図示せず）の上に、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法やＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy)法を用い、この順序で結晶成長された第１導電形層３０、発光層２２、および第２導電形層２０を有する。
【００２５】
第１導電形層３０は、ＧａＡｓコンタクト層２８（不純物濃度１．０×１０１８ｃｍ−３、厚さ０．１μｍ）、Ｉｎ０．５（Ｇａ０．７Ａｌ０．３）０．５Ｐからなる第１の層２５、Ｉｎ０．５（Ｇａ０．６Ａｌ０．４）０．５Ｐからなる第２の層２６、およびＩｎ０．５Ａｌ０．５Ｐからなるクラッド層２４（不純物濃度４×１０１７ｃｍ−３、厚さ０．６μｍ）を有する。
【００２６】
発光層２２は、例えば、Ｉｎ０．５（Ｇａ０．９Ａｌ０．１）０．５Ｐからなる井戸層（厚さ８ｎｍ）およびＩｎ０．５（Ｇａ０．４Ａｌ０．６）０．５Ｐ（厚さ５ｎｍ）からなる障壁層を含むＭＱＷ（Multi Quantum Well)構造を有する。なお、例えば、井戸数は３０〜６０の範囲とする。その場合、障壁数は井戸数よりも１つ多くする。
【００２７】
第２導電形層２０は、例えばＩｎ０．５Ａｌ０．５Ｐからなるクラッド層１８（不純物濃度３×１０１７ｃｍ−３、厚さ０．６μｍ）、Ｉｎ０．５（Ｇａ０．７Ａｌ０．３）０．５Ｐからなる電流拡散層１６（不純物濃度４×１０１７ｃｍ−３、厚さ０．２μｍ）、およびＡｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓからなるコンタクト層１４（不純物濃度９×１０１８ｃｍ−３、厚さ０．２μｍ）を有する。
【００２８】
コンタクト層２８の上に第１電極５０が設けられ、第１電極５０の下を除いた非形成領域２６ｃにおいて、コンタクト層２８が除去される。すなわち、第２の層２６の第２の面は、第１電極５０の非形成領域２６ｃが露出し、コンタクト層２８および第１電極５０が設けられた非形成領域２６ｂは露出しない。非形成領域２６ｃには凸部２７が形成される。
【００２９】
第２電極４０は、導電性Ｓｉなどからなる基板１０の上に設けられた基板第１電極１２と、ウェーハ状態で接着されたのち、ＧａＡｓ基板が除去される。基板１０の裏面には、基板第２電極１３が設けられる。
【００３０】
図３（ａ）は第２の実施形態の発光素子の光出力残存率、図３（ｂ）は第１比較例の光出力残存率、図３（ｃ）は第２比較例の光出力残存率、図３（ｄ）は第３比較例の光出力残存率、である。
縦軸は光出力残存率（％）、横軸は通電時間（ｈ）である。なお、光出力残存率（％）とは、通電前の光出力を１００％として、通電にともない変化した光出力の割合をあらわす。動作電流はいずれも５０ｍＡとした。
【００３１】
図３（ａ）は、第２の実施形態であるＩｎＧａＡｌＰ系発光素子の光出力残存率である。第２の層２６は、ｎ形Ｉｎ０．５（Ｇａ０．６Ａｌ０．４）０．５Ｐからなり、第２の不純物濃度Ｎ２は３０×１０１７ｃｍ−３、厚さＴ２は１μｍ、とした。また、第１の層２５は、ｎ形Ｉｎ０．５（Ｇａ０．７Ａｌ０．３）０．５Ｐからなり、第１の不純物濃度Ｎ１は８×１０１７ｃｍ−３、厚さＴ１は３μｍ、とした。さらに、凸部２７の高さＨは、０．５μｍとした。１０００時間経過しても、光出力は殆ど低下しなかった。
【００３２】
図４（ａ）は第１比較例にかかる発光素子の模式平面図、図４（ｂ）はＢ−Ｂ線に沿った模式断面図、である。
なお、第１比較例では、第１導電形をｎ形、第２導電形をｐ形、とする。第１電極１５０と、クラッド層１２４との間に、電流拡散層１２５が設けられている。電流拡散層１２５は、Ｉｎ０．５（Ｇａ０．７Ａｌ０．３）０．５Ｐからなり、厚さを３μｍ、不純物濃度を８×１０１７ｃｍ−３とする。また、電流拡散層１２５の上面１２５ａには島状の凸部１２７が形成されている。
【００３３】
なお、発光層１２２、ｎ形層１３０のうちのクラッド層１２４およびコンタクト層１２８、ｐ形層１２０、第１電極１５０、第２電極１４０、電流ブロック層１４２は、第２の実施形態のＩｎＧａＡｌＰ系発光素子と同一であるものとする。
【００３４】
図３（ｂ）のように、１６８時間経過後の光出力残存率は略５０％、１０００時間経過後の光出力残存率は略４０％であった。凸部１２７を形成するドライエッチング工程において、電流拡散層１２５に結晶欠陥が発生し、通電により結晶欠陥が増加したため時間とともに光出力の低下が起きている。
【００３５】
図３（ｃ）は、第２比較例の光出力残存率である。第２の層は、ｎ形Ｉｎ０．５（Ｇａ０．６Ａｌ０．４）０．５Ｐからなり、第２の不純物濃度Ｎ２は、３０×１０１７ｃｍ−３、厚さＴ２は０．４μｍ、とした。また、第１の層は、ｎ形Ｉｎ０．５（Ｇａ０．７Ａｌ０．３）０．５Ｐからなり、第１の不純物濃度Ｎ１は８×１０１７ｃｍ−３、厚さＴ１は３μｍ、とした。凸部２７の高さＨは０．５μｍとした。１６８時間経過後の光出力残存率は６０〜６３％、１０００時間経過後の光出力残存率は５８〜６１％であった。この場合、凸部２７の周囲の底部は、第１の層にまで到達している。すなわち、ドライエッチング工程において不純物濃度が低い第１の層に結晶欠陥が発生する。この領域に通電されることにより光出力の低下を生じる。
【００３６】
図５（ａ）は相対発光強度の第１の層の不純物濃度に対する依存性、図５（ｂ）は相対発光強度の第１の層の厚さに対する依存性、を第２の実施形態において調べたグラフ図である。
例えば、図５（ａ）において、第１の層２５の厚さＴ１は３μｍとする。縦軸は相対発光強度、横軸は第１の層２５の不純物濃度Ｎ１（×１０１７ｃｍ−３）、である。不純物濃度Ｎ１が５×１０１７ｃｍ−３以上とすると、注入された電流が第１の層２５で十分に広がるとともに第２電極４０で反射され第１電極５０で遮光されずに取り出せる光が増大する。このため、第１の層２５の不純物濃度Ｎ１が４×１０１７ｃｍ−３の場合の発光強度の略１．５倍とできる。なお、ＩｎＧａＡｌＰ系材料に、Ｓｉを添加しｎ形とする場合の活性化率は略１であるので、不純物濃度はキャリア濃度を表しているものとする。
【００３７】
また、図５（ｂ）において、不純物濃度Ｎ１は５×１０１７ｃｍ−３とする。縦軸は相対発光強度、横軸は第１の層２５の厚さＴ１（μｍ）、である。第１の層２５の厚さＴ１を２μｍ以上とすると、注入された電流が第１の層２５で十分に広がるとともに第２電極４０で反射され、第１電極５０で遮光されずに取り出せる光が増大する。このため、電流拡散層の厚さが１μｍの場合の発光強度の略１．５倍と高くできる。
【００３８】
よって、ＩｎＧａＡｌＰ系発光素子である第２の実施形態では、第１の層２５の不純物濃度Ｎ１は、式（１）の範囲とすることがより好ましい。
【００３９】
５×１０１７≦Ｎ１（１／ｃｍ３） 式（１）
【００４０】
なお、不純物濃度Ｎ１が３０×１０１７ｃｍ−３よりも高いと、ドナー濃度が高すぎてバンドギャップ内に不純物エネルギー準位が形成され光を吸収する。このため、光出力が低下する。すなわち、不純物濃度Ｎ１は、３０×１０１７ｃｍ−３以下であることがより好ましい。
【００４１】
また、第１の層２５の厚さＴ１を５μｍよりも大きくすると、結晶欠陥の増加などにより成長膜の品質が低下し光出力が低下する。すなわち、第１の層２５の厚さＴ１は、式（２）の範囲とすることがより好ましい。
【００４２】
２≦Ｔ１（μｍ）≦５ 式（２）
【００４３】
なお、凸部２７の高さＨを第２の層２６の厚さＴ２に近づけた場合、第２の層２６の下部領域の電流拡散効果が低下する。この場合、第１の層２５で必要とする電流拡散を行うことがより好ましい。
【００４４】
図３（ｄ）は、第３比較例の光出力残存率である。第２の層は、ｎ形Ｉｎ０．５（Ｇａ０．６Ａｌ０．４）０．５Ｐからなり、第２の不純物濃度Ｎ２は、１×１０１８ｃｍ−３、厚さＴ２は１μｍ、である、また、第１の層は、ｎ形Ｉｎ０．５（Ｇａ０．７Ａｌ０．３）０．５Ｐからなり、第１の不純物濃度Ｎ１は８×１０１７ｃｍ−３、厚さＴ１は３μｍ、である。凸部の高さＨは０．５μｍである。１６８時間経過後の光出力残存率は５６〜６４％、１０００時間経過後の光出力残存率は５５〜６２％であった。この場合、凸部の底部は第２の層に到達していないが、第２の層の不純物濃度が１×１０１８ｃｍ−３では低過ぎ、結晶欠陥が増加することを示している。すなわち、ドライエッチング工程におけるダメージを低減可能な不純物濃度Ｎ２は、式（３）の範囲とするとより好ましいことが判明した。なお、式（３）は、第１の層及び第２の層が、それぞれＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）からなる場合にも適用できる。
【００４５】
１．５×１０１８≦Ｎ２（１／ｃｍ３） 式（３）
【００４６】
なお、第２の層２６の第２の不純物濃度Ｎ２が高くなりすぎるとバンドギャップ中に形成された不純物エネルギー準位により光吸収が増加することがある。すなわち、第２の不純物濃度Ｎ２は、５０×１０１７ｃｍ−３以下とすると、より好ましい。
【００４７】
図６（ａ）はＩｎＧａＡｌＰからなる島状の凸部の上面のＳＥＭ写真、図６（ｂ）は島状の凸部を斜め上方からみたＳＥＭ写真、図６（ｃ）は網状の凸部の模式斜視図、である。
ブロックコポリマーをマスクにドライエッチング法を用いると、図６（ａ）および（ｂ）のＳＥＭ（Scanning Electron Microscope)写真のようなランダム形状の微細な凸部２７を形成することができる。図６（ｂ）は、図２（ｂ）の模式断面図に対応するＳＥＭ写真である。複数の島状を含む凸部２７は、上面２７ａに平坦領域を有する柱状とし、凸部２７の周囲に設けられた底部２７ｂを傾斜させることができる。
【００４８】
また、図６（ｃ）に表すように、網状の凸部２７は、上面２７ｃに平坦領域を有しその周囲に複数の底部２７ｄが設けられる。なお、このような網状の凸部２７は、ブロックコポリマーにおけるＰＭＭＡに対するＰＳの相対組成比を増加することにより形成することができる。網状の凸部２７の場合、凸部２７の周囲に設けられた１つの底部２７ｄの中心からみて、周囲の底部２７ｄの中心との距離のうち、最短となる距離をピッチＰ４、Ｐ５などとする。このようにして、それぞれのピッチＰの平均値を、網状の凸部２７の平均ピッチとして定義する。
【００４９】
図６（ａ）および（ｂ）の凸部２７の平均ピッチは赤色光の６１０〜７００ｎｍの波長範囲よりも小さい。また、柱の径は１００〜２００ｎｍ、凹部２７の深さＨが２００〜６００ｎｍ、などの範囲に分布している。なお、フォトレジストのマスクを用いて、規則的な形状の凸部２７を形成することも可能である。
【００５０】
図６のようにすると、第２の層２６の表面から深さ方向に屈折率勾配を設けると共に、回折光を上方に取り出すことができ、高い光取り出し効率を得ることができる。
【００５１】
図７（ａ）および（ｂ）はウェットエッチング法により形成した島状の凸部上部のＳＥＭ写真、図７（ｃ）はその断面のＳＥＭ写真である。
ウェットエッチング法などを用いて、フロスト処理を行うと、波長よりもサイズが小さい島状や網状の凸部形状を形成することが難しく、また、凸部を高くすることも難しい。よって、屈折率勾配領域を制御性良く形成することや回折格子の形成が困難である。また凸部の上面を平坦に制御することが困難である。
【００５２】
図８は、ＭＱＷ井戸数に対する相対発光強度の依存性を示すグラフ図である。
縦軸は相対発光強度、横軸はＭＱＷ井戸数、である。実線は、第２の実施形態であるＩｎＧａＡｌＰ系発光素子を示す。なお、第２の層２６は、ｎ形Ｉｎ０．５（Ｇａ０．６Ａｌ０．４）０．５Ｐからなり、第２の不純物濃度Ｎ２は３０×１０１７ｃｍ−３、厚さＴ２は１μｍ、とする。また、第１の層２５は、ｎ形Ｉｎ０．５（Ｇａ０．７Ａｌ０．３）０．５Ｐからなり、第１の不純物濃度Ｎ１は８×１０１７ｃｍ−３、厚さＴ１は３μｍ、とする。また、凸部２７の高さＨは、０．５μｍとする。実線で表す第２の実施形態の発光強度は、井戸数が３０〜６０の範囲でＳＱＷ(Single Quantum Well)の発光強度の略１．４倍とすることができる。
【００５３】
第２の実施形態では、第１の層２５により、発光層２２の面内に電流をより広げ、井戸数を３０〜６０と増やしてもそれぞれの井戸のキャリアを、発光層２２の面内および縦方向においてより均一に分布させることができるので、発光強度を高めることが可能となる。
【００５４】
図９（ａ）はｐ形コンタクト層の不純物濃度に対する相対発光強度依存性、図９（ｂ）はｐ形コンタクト層のキャリア濃度に対する順方向電圧の依存性、である。
図９（ａ）のように、ｐ形Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓからなるコンタクト層１４の不純物濃度が３０×１０１８ｃｍ−３よりも高くなると、発光強度が急激に低下する。これは、不純物濃度が高くなると、アクセプタがバンドギャップ内に非発光準位を形成し、放出光を吸収することなどによる。
【００５５】
他方、図９（ｂ）のように、ｐ形不純物濃度が７×１０１８ｃｍ−３よりも低下すると、第２電極４０との間のコンタクト抵抗が増大し、順方向電圧が増大する。これらの結果から、コンタクト層１４の不純物濃度を７〜３０×１０１８ｃｍ−３とすると、順方向電圧の増大を抑制しつつ、発光強度を高めることが容易となる。
【００５６】
次に、積層体３２がＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ（但し、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）を含む窒化物系材料の場合を、第３の実施形態の発光素子とする。
図１０（ａ）は第３の実施形態の模式平面図、図１０（ｂ）はＣ−Ｃ線に沿った模式断面図、である。
【００５７】
発光素子は、基板８０、積層体８９、第１電極９０、および第２電極９２を有している。
積層体８９は、ＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ（但し、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）を含み、放出光は紫外〜緑色の波長範囲であるものとする。積層体８９は、発光層８４、発光層８４の上に設けられ第１導電形を有し、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎなどからなるクラッド層８５、クラッド層８５の上に設けられ第１導電形の第１の不純物濃度を有する第１の層８６、第１の層８６の上に設けられ、第１の不純物濃度よりも高い第１導電形の第２の不純物濃度を有する第２の層８８、を有する。
【００５８】
また、積層体８９は、発光層８４の下に設けられたＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎなどからなるクラッド層８３およびコンタクト層８２を含む第２導電形層８１を有する。なお、基板８０を絶縁性を有するサファイヤとする場合、第２電極９２は、基板８０と接触している面とは反対側のコンタクト層８２の面に設けることができる。
【００５９】
第１の層８６の一方の面は、第１電極９０の形成領域及び非形成領域を有する。非形成領域には、網状または複数の島状の凸部９７が設けられている。凸部９７の平均ピッチは、第２の層８８内における放出光の波長よりも小さい。
【００６０】
本発明の実施形態によれば、光出力を高めつつ、長時間動作における信頼性が改善された発光素子が提供される。これらの発光素子は、可視光波長範囲の光を出射可能であり、照明装置、表示装置、信号機などに広く用いることができる。
【００６１】
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。これらの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】
【００６２】
２０、８１ 第２導電形層、２２、８４ 発光層、２４、８５ クラッド層、２５、８６ 第１の層、２６、８８ 第２の層、２７、９７ 凸部、４０、９２ 第２電極、４２電流ブロック層、５０、９０ 第１電極
【特許請求の範囲】
【請求項１】
放出光を放出可能な発光層と、
第１電極と、
前記発光層と前記第１電極との間に設けられ、第１導電形の第１の不純物濃度を有し、前記第１電極から注入されたキャリアを前記発光層の面内方向に拡散可能な第１の層と、
前記第１の層と前記第１電極との間に設けられ、前記第１の不純物濃度よりも高い第１導電形の第２の不純物濃度を有し、第１の面が前記第１の層と接触し、前記第１の面とは反対側の第２の面が前記第１電極の形成領域と非形成領域とを有する第２の層であって、平均ピッチが前記放出光の波長以下とされた網状または複数の島状の凸部が前記非形成領域に設けられた第２の層と、
前記第１の層と前記発光層との間に設けられ、第１導電形の不純物濃度を有するクラッド層と、
を備えたことを特徴とする発光素子。
【請求項２】
前記凸部の上面は、平坦な領域を有することを特徴とする請求項１記載の発光素子。
【請求項３】
前記発光層、前記第１及び第２の層、及び前記クラッド層は、それぞれＩｎｘ（ＧａｙＡｌ１−ｙ）１−ｘＰ（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）からなり、
前記第２の不純物濃度は、１．５×１０１８ｃｍ−３以上とされたことを特徴とする請求項１または２に記載の発光素子。
【請求項４】
前記第１の層の厚さは、２μｍ以上、かつ５μｍ以下の範囲とされ、
前記第１の不純物濃度は、５×１０１７ｃｍ−３以上とされたことを特徴とする請求項３記載の発光素子。
【請求項５】
前記発光層及び前記クラッド層は、それぞれＩｎｘ（ＧａｙＡｌ１−ｙ）１−ｘＰ（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）からなり、
前記第１の層及び前記第２の層のうちいずれか一方はＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）からなり、いずれか他方はＩｎｘ（ＧａｙＡｌ１−ｙ）１−ｘＰ（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）からなるか、または前記第１及び第２の層が共にＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）からなることを特徴とする請求項１または２に記載の発光素子。
【請求項６】
前記第１の層とは反対側の前記発光層の面に設けられた第２導電形層と、
前記発光層とは反対側の前記第２導電形層の面の一部に接触して設けられ、外縁が前記第１電極からはみ出した電流ブロック層と、
前記第２導電形層とは反対の側の前記電流ブロック層の面と、前記電流ブロック層とは接触していない前記第２導電形層の前記面の領域と、に接触し、前記放出光の一部を反射可能とする第２電極と、
をさらに備えたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の発光素子。
【請求項１】
放出光を放出可能な発光層と、
第１電極と、
前記発光層と前記第１電極との間に設けられ、第１導電形の第１の不純物濃度を有し、前記第１電極から注入されたキャリアを前記発光層の面内方向に拡散可能な第１の層と、
前記第１の層と前記第１電極との間に設けられ、前記第１の不純物濃度よりも高い第１導電形の第２の不純物濃度を有し、第１の面が前記第１の層と接触し、前記第１の面とは反対側の第２の面が前記第１電極の形成領域と非形成領域とを有する第２の層であって、平均ピッチが前記放出光の波長以下とされた網状または複数の島状の凸部が前記非形成領域に設けられた第２の層と、
前記第１の層と前記発光層との間に設けられ、第１導電形の不純物濃度を有するクラッド層と、
を備えたことを特徴とする発光素子。
【請求項２】
前記凸部の上面は、平坦な領域を有することを特徴とする請求項１記載の発光素子。
【請求項３】
前記発光層、前記第１及び第２の層、及び前記クラッド層は、それぞれＩｎｘ（ＧａｙＡｌ１−ｙ）１−ｘＰ（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）からなり、
前記第２の不純物濃度は、１．５×１０１８ｃｍ−３以上とされたことを特徴とする請求項１または２に記載の発光素子。
【請求項４】
前記第１の層の厚さは、２μｍ以上、かつ５μｍ以下の範囲とされ、
前記第１の不純物濃度は、５×１０１７ｃｍ−３以上とされたことを特徴とする請求項３記載の発光素子。
【請求項５】
前記発光層及び前記クラッド層は、それぞれＩｎｘ（ＧａｙＡｌ１−ｙ）１−ｘＰ（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）からなり、
前記第１の層及び前記第２の層のうちいずれか一方はＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）からなり、いずれか他方はＩｎｘ（ＧａｙＡｌ１−ｙ）１−ｘＰ（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）からなるか、または前記第１及び第２の層が共にＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）からなることを特徴とする請求項１または２に記載の発光素子。
【請求項６】
前記第１の層とは反対側の前記発光層の面に設けられた第２導電形層と、
前記発光層とは反対側の前記第２導電形層の面の一部に接触して設けられ、外縁が前記第１電極からはみ出した電流ブロック層と、
前記第２導電形層とは反対の側の前記電流ブロック層の面と、前記電流ブロック層とは接触していない前記第２導電形層の前記面の領域と、に接触し、前記放出光の一部を反射可能とする第２電極と、
をさらに備えたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の発光素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−３３５３７（Ｐ２０１２−３３５３７Ａ）
【公開日】平成２４年２月１６日（２０１２．２．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１６９３２０（Ｐ２０１０−１６９３２０）
【出願日】平成２２年７月２８日（２０１０．７．２８）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年２月１６日（２０１２．２．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年７月２８日（２０１０．７．２８）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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