JP2026055832A - UV semiconductor light-emitting element - Google Patents
UV semiconductor light-emitting elementInfo
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Abstract
【課題】外部への光取り出し効率が高く、高効率かつ高出力な優れた素子特性を有する半導体発光素子を提供する。
【解決手段】n型半導体層、活性層及びp型半導体層を含む半導体層がこの順で基板上に形成され、紫外線波長帯域の発光波長を有するAlGaN系積層半導体層からなる半導体発光素子である。p型半導体層、活性層及びn型半導体層の一部からなるメサ部と、メサ部の外側領域に形成され、n型半導体層が露出する露出部と、を有し、n型半導体層の露出部は、外側領域の一部に拡散反射構造である凹凸構造を有している。
【選択図】図1
[Problem] To provide a semiconductor light-emitting element that has high light extraction efficiency to the outside and excellent element characteristics of high efficiency and high output.
[Solution] The semiconductor light-emitting element is made of an AlGaN-based multilayer semiconductor layer having an emission wavelength in the ultraviolet wavelength band, in which a semiconductor layer including an n-type semiconductor layer, an active layer, and a p-type semiconductor layer is formed on a substrate in this order. It has a mesa portion consisting of a part of the p-type semiconductor layer, the active layer, and the n-type semiconductor layer, and an exposed portion formed in the outer region of the mesa portion where the n-type semiconductor layer is exposed. The exposed portion of the n-type semiconductor layer has a symmetrical structure which is a diffuse reflection structure in a part of the outer region.
[Selection Diagram] Figure 1
Description
本発明は、紫外半導体発光素子、特に深紫外光を放射する窒化物半導体発光素子に関する。 This invention relates to an ultraviolet semiconductor light-emitting device, and more particularly to a nitride semiconductor light-emitting device that emits deep ultraviolet light.
近年、細菌やウイルスの不活化作用及び殺菌効果を有する光源として深紫外領域を発光波長帯域とするAlGaN系の半導体発光素子が注目されている。しかしながら、深紫外LEDは発光波長が短いため、活性層から放出された光の大半はLEDから取り出されることなく、消失してしまう。 In recent years, AlGaN-based semiconductor light-emitting devices with emission wavelengths in the deep ultraviolet region have attracted attention as light sources with inactivating and sterilizing effects against bacteria and viruses. However, because deep ultraviolet LEDs have short emission wavelengths, most of the light emitted from the active layer is lost without being extracted from the LED.
例えば、特許文献1には、n型窒化ガリウム層とn電極との当接面に凹凸部が設けられた半導体発光素子が開示されている。また、特許文献2には、n電極層の外側に反射金属層が設けられた半導体発光素子が開示されている。 For example, Patent Document 1 discloses a semiconductor light-emitting device in which an uneven surface is provided on the contact surface between the n-type gallium nitride layer and the n-electrode. Patent Document 2 also discloses a semiconductor light-emitting device in which a reflective metal layer is provided on the outside of the n-electrode layer.
しかしながら、特許文献1に記載のような、n型半導体層とn電極との界面を反射構造とする場合では、オーミック接触を得るために反射率の低い材料である金属(例えば、Ti又はV)を用い、高温でアニール処理を行う必要があるため、電極自体の反射性が失われてしまうという問題がある。 However, in cases where the interface between the n-type semiconductor layer and the n-electrode is made into a reflective structure, as described in Patent Document 1, it is necessary to use a metal (e.g., Ti or V) with low reflectivity to obtain ohmic contact, and to perform annealing at high temperatures. This leads to the problem that the reflectivity of the electrode itself is lost.
また、特許文献2に記載の半導体発光素子においては、反射金属層をAl(アルミニウム)リッチとすることで、合金化による反射率低減を妨げるような構造にしているものの、合金化による反射率低下自体は逃れられないため、反射率は低下する。また、反射金属層には光取り出し面からの反射光が入射するため、反射金属層での反射光は再度光取り出し面に臨界角以上の角度で入射するため、光取り出し効率に寄与せず、反射の効果が意味をなさない場合がある。 Furthermore, in the semiconductor light-emitting element described in Patent Document 2, although the reflective metal layer is made Al (aluminum) rich to prevent the reduction in reflectivity due to alloying, the reduction in reflectivity due to alloying itself cannot be avoided, and therefore the reflectivity decreases. Also, since reflected light from the light extraction surface is incident on the reflective metal layer, the reflected light from the reflective metal layer is again incident on the light extraction surface at an angle greater than the critical angle, thus not contributing to the light extraction efficiency, and the effect of reflection may be meaningless.
本発明は上記した課題に鑑みてなされたものであり、半導体発光素子の外部への光取り出し効率が高く、高効率かつ高出力な優れた素子特性を有する半導体発光素子を提供することを目的とする。 This invention has been made in view of the above-mentioned problems, and aims to provide a semiconductor light-emitting element with high efficiency in extracting light to the outside, and excellent element characteristics of high efficiency and high output.
本発明の1実施態様による紫外半導体発光素子は、
n型半導体層、活性層及びp型半導体層を含む半導体層がこの順で基板上に形成され、紫外線波長帯域の発光波長を有するAlGaN系積層半導体層からなる半導体発光素子であって、
前記p型半導体層、活性層及びn型半導体層の一部からなるメサ部と、
前記メサ部の外側領域に形成され、前記n型半導体層が露出する露出部と、を有し、
前記n型半導体層の前記露出部は、前記外側領域の一部に拡散反射構造である凹凸構造を有している。
The ultraviolet semiconductor light-emitting device according to one embodiment of the present invention is
A semiconductor light-emitting element is made of an AlGaN-based multilayer semiconductor layer having an emission wavelength in the ultraviolet wavelength band, wherein semiconductor layers including an n-type semiconductor layer, an active layer, and a p-type semiconductor layer are formed on a substrate in this order,
The mesa portion consists of the p-type semiconductor layer, the active layer, and a part of the n-type semiconductor layer,
The outer region of the mesa portion has an exposed portion in which the n-type semiconductor layer is exposed,
The exposed portion of the n-type semiconductor layer has a rippled structure that is a diffuse reflection structure in a part of the outer region.
以下においては、本発明の好適な実施形態について説明するが、これらを適宜改変し、組合せてもよい。また、以下の説明及び添付図面において、実質的に同一又は等価な部分には同一の参照符を付して説明する。 The following describes preferred embodiments of the present invention, which may be modified and combined as appropriate. Furthermore, in the following description and accompanying drawings, substantially identical or equivalent parts are denoted by the same reference numerals.
[半導体発光素子の構造]
図1は、本発明の第1の実施形態による半導体発光素子10の構造を模式的に示す断面図である。半導体発光素子10は、紫外発光ダイオード(紫外LED)であり、例えば200nm~360nmの範囲内に発光波長のピークを有する深紫外発光素子である。
[Structure of semiconductor light-emitting diodes]
Figure 1 is a schematic cross-sectional view showing the structure of a semiconductor light-emitting element 10 according to a first embodiment of the present invention. The semiconductor light-emitting element 10 is an ultraviolet light-emitting diode (ultraviolet LED), and is a deep ultraviolet light-emitting element having, for example, an emission wavelength peak in the range of 200 nm to 360 nm.
また、図2は、半導体発光素子10のメサ部18M及びメサ部18Mの外側領域18Rと、活性層14から光取り出し面11Eに向けて放射された光の反射及び拡散反射を模式的に示す図である。 Furthermore, Figure 2 schematically shows the reflection and diffuse reflection of light emitted from the active layer 14 toward the light extraction surface 11E, in relation to the mesa portion 18M and the outer region 18R of the semiconductor light-emitting element 10.
図1に示すように、半導体発光素子10は、AlNの単結晶基板(以下、AlN基板と称する)11と、AlN基板11を成長用基板とし、AlN基板11上に、順次、n型半導体層13、活性層14及びp型半導体層15がエピタキシャル成長によって積層されて形成されている。 As shown in Figure 1, the semiconductor light-emitting element 10 is formed by sequentially stacking an n-type semiconductor layer 13, an active layer 14, and a p-type semiconductor layer 15 on the AlN substrate 11, using the AlN substrate 11 as a growth substrate, through epitaxial growth.
なお、以下においては、AlN層及びAlGaN層からなる半導体発光素子について説明するが、AlInGaN層を有していてもよい。本明細書においては、AlN、AlGaN層、AlInGaNを含む半導体をAlGaN系半導体と称して説明する。 In the following description, a semiconductor light-emitting element consisting of an AlN layer and an AlGaN layer will be described, but it may also have an AlInGaN layer. In this specification, semiconductors containing AlN, an AlGaN layer, and AlInGaN will be referred to as AlGaN-based semiconductors.
まず、AlN基板11は、特に制限されるものではないが、低転位密度のものを使用することが好ましい。AlN基板11の転位密度は、106cm-2以下であることが好ましく、さらに好ましくは104cm-2以下である。低転位密度のAlN基板11を使用することによって、AlN基板11上に積層する半導体層の転位密度も低くでき、その結果、発光効率又は受光効率を向上させることができる。転位密度の下限は0cm-2である。なお、転位密度は、透過型電子顕微鏡像より転位数を測定する、または加熱酸混合溶液に浸漬した後に測定したエッチピット数を測定する、など公知の方法を用いて測定することができる。 First, while the AlN substrate 11 is not particularly limited, it is preferable to use one with a low dislocation density. The dislocation density of the AlN substrate 11 is preferably 10⁶ cm⁻² or less, and more preferably 10⁴ cm⁻² or less. By using an AlN substrate 11 with a low dislocation density, the dislocation density of the semiconductor layer laminated on the AlN substrate 11 can also be reduced, and as a result, the luminescence efficiency or light reception efficiency can be improved. The lower limit of the dislocation density is 0 cm⁻² . The dislocation density can be measured using known methods, such as measuring the number of dislocations from a transmission electron microscope image, or measuring the number of etch pits after immersion in a heated acid mixed solution.
より転位密度の低い、106cm-2以下、さらには104cm-2のAlN基板を用いることで、転位による活性層14での発光効率の低減を防ぐことができ、さらには、紫外発光素子の通電時に発生する転位を介した不純物の拡散や、リーク電流の増加などの不具合も防ぐことができる。 By using an AlN substrate with a lower dislocation density, such as 10⁶ cm⁻² or less, or even 10⁴ cm⁻² , it is possible to prevent a reduction in the luminescence efficiency in the active layer 14 due to dislocations. Furthermore, it is possible to prevent problems such as the diffusion of impurities via dislocations generated when the ultraviolet light-emitting element is energized, and an increase in leakage current.
なお、本実施形態の半導体発光素子10においては、転位密度が104cm-2のAlN基板を用いた。 In this embodiment, the semiconductor light-emitting element 10 uses an AlN substrate with a dislocation density of 10⁴ cm⁻² .
本実施形態においては、AlN基板11の結晶成長面はC面である。また、AlN基板11の結晶成長面はC面から微傾斜(オフ)した面であってもよく、その場合のオフ角度は、0.1~0.5°であることが好ましく、0.3~0.4°であることがさらに好ましい。また、結晶面が傾斜する方向は、特に限定されるものではないが、平滑性の観点からはM軸方向に傾斜していることが好ましい。なお、本実施形態においては、C面AlN基板をAlN基板11として使用し、AlN基板11上に成長される半導体層も基板と同じC面が結晶成長面である。 In this embodiment, the crystal growth surface of the AlN substrate 11 is the C-plane. Alternatively, the crystal growth surface of the AlN substrate 11 may be a plane slightly inclined (off-angled) from the C-plane, with the off-angle preferably being 0.1 to 0.5°, and more preferably 0.3 to 0.4°. While the direction of the crystal plane inclination is not particularly limited, from the viewpoint of smoothness, inclination in the M-axis direction is preferable. In this embodiment, a C-plane AlN substrate is used as the AlN substrate 11, and the semiconductor layer grown on the AlN substrate 11 also has the same C-plane as the substrate as its crystal growth surface.
また、AlN基板11の結晶成長面は、AlN基板と半導体層界面での新たな転位の発生を抑制する観点から平滑であることが好ましい。具体的には、5×5μm2の領域における2乗平均粗さ(RMS)は5nm以下であることが好ましく、1nm以下であることがより好ましく、0.5nm以下であることがさらに好ましい。このような平滑面は、公知のChemical Mechanical Polish(CMP研磨)処理によって得ることができる。RMSの下限値は、0nmであることが好ましいが、工業的な生産を考慮すると、現在の技術では0.05nmである。 Furthermore, the crystal growth surface of the AlN substrate 11 is preferably smooth from the viewpoint of suppressing the generation of new dislocations at the interface between the AlN substrate and the semiconductor layer. Specifically, the mean square roughness (RMS) in a 5 × 5 μm² region is preferably 5 nm or less, more preferably 1 nm or less, and even more preferably 0.5 nm or less. Such a smooth surface can be obtained by a known Chemical Mechanical Polish (CMP polishing) treatment. The lower limit of the RMS is preferably 0 nm, but considering industrial production, it is 0.05 nm with current technology.
AlN基板11は、最終的に形成する発光素子の光に対して透過性が高いことが好ましい。そのため、深紫外領域、具体的には210nm以上の波長における吸収係数が25cm-1以下であることが好ましい。なお、吸収係数の下限は、0cm-1であることが好ましいが、工業的生産や測定精度なども考慮すると、210nmにおける吸収係数の下限値は15cm-1であって、250nm以上の波長における吸収係数の下限値は1cm-1である。このような低い吸収係数のAlN基板を使用することにより、AlN基板11中での紫外光吸収による特性の低下を抑制することができる。 The AlN substrate 11 is preferably highly transparent to light for the light-emitting element that will ultimately be formed. Therefore, it is preferable that the absorption coefficient in the deep ultraviolet region, specifically at wavelengths of 210 nm or higher, is 25 cm⁻¹ or less. While it is preferable that the lower limit of the absorption coefficient be 0 cm⁻¹ , considering industrial production and measurement accuracy, the lower limit of the absorption coefficient at 210 nm is 15 cm⁻¹ , and the lower limit of the absorption coefficient at wavelengths of 250 nm or higher is 1 cm⁻¹ . By using an AlN substrate with such a low absorption coefficient, it is possible to suppress the deterioration of properties due to ultraviolet light absorption in the AlN substrate 11.
また、本実施形態で使用するAlN基板11の厚さは、特に制限されるものではない。AlN基板の厚さが薄ければ、吸収係数が高い場合であっても基板中での光吸収量を低くすることができる。ただし、薄過ぎると取扱い難く、また素子の歩留まりを低下させるおそれがある。そのため、通常、該厚さは、50~1000μmであることが好ましい。以上のようなAlN基板11は、例えば、文献J.Cryst.Growth 312,58-63(2009)、文献Appl.Phys.Express 5,055504(2011)に記載の昇華法、もしくはハイドライド気相成長法などによって作製することができる。 Furthermore, the thickness of the AlN substrate 11 used in this embodiment is not particularly limited. A thinner AlN substrate can reduce the amount of light absorbed within the substrate, even if the absorption coefficient is high. However, if it is too thin, it becomes difficult to handle and may reduce the yield of the device. Therefore, the thickness is usually preferably 50 to 1000 μm. Such an AlN substrate 11 can be manufactured, for example, by the sublimation method described in J. Cryst. Growth 312, 58-63 (2009) or Appl. Phys. Express 5, 055504 (2011), or by the hydride vapor phase growth method.
なお、AlN基板11の結晶成長面はC面(C+面)である場合に限定されず、例えばM面又はA面であってもよい。 Furthermore, the crystal growth surface of the AlN substrate 11 is not limited to the C-plane (C+ plane); for example, it may be the M-plane or the A-plane.
なお、AlN基板11とn型半導体層13との間にバッファ層が設けられていてもよい。バッファ層は、半導体発光素子の機能上は必須ではないが、n型半導体層13の格子緩和を抑制し、結晶成長プロセスの歩留りを高める観点から、バッファ層を設けることが好ましい。バッファ層の層厚は、特に制限されるものではないが、上述した格子緩和の抑制効果を得るためには、5~1000nmの層厚を有することが好ましく、30~100nmの層厚を有することがさらに好ましい。 A buffer layer may be provided between the AlN substrate 11 and the n-type semiconductor layer 13. While the buffer layer is not essential for the function of the semiconductor light-emitting element, it is preferable to provide one from the viewpoint of suppressing lattice relaxation of the n-type semiconductor layer 13 and improving the yield of the crystal growth process. The thickness of the buffer layer is not particularly limited, but to obtain the aforementioned lattice relaxation suppression effect, a thickness of 5 to 1000 nm is preferred, and a thickness of 30 to 100 nm is more preferable.
また、バッファ層は、単結晶であるAlN基板11と格子整合した状態である。ここで、格子整合した状態とは、AlN基板11のa軸の格子定数が、バッファ層とほぼ等しい状態であって、格子緩和率が±5%以下であることを指す。格子緩和率の下限値は0であり、この場合はAlN基板11と半導体層の格子定数が完全に一致していることを意味する。なお、この格子緩和率は、X線逆格子マッピング測定により測定することができる。 Furthermore, the buffer layer is lattice-matched with the single-crystal AlN substrate 11. Here, lattice matching means that the lattice constant of the a-axis of the AlN substrate 11 is approximately equal to that of the buffer layer, and the lattice relaxation rate is ±5% or less. The lower limit of the lattice relaxation rate is 0, which means that the lattice constants of the AlN substrate 11 and the semiconductor layer are perfectly matched. This lattice relaxation rate can be measured by X-ray reciprocal lattice mapping.
n型半導体層13は、AlN基板11、及び、バッファ層が設けられる場合にはバッファ層よりも小なるバンドギャップを有する単結晶AlxGa1-xN(0.5≦x≦1)層である。n型半導体層13は、AlN基板11と格子整合しているため、n型半導体層13においては転位の発生を伴う格子緩和が起こっていない。そのため、n型半導体層13中の転位密度は、AlN基板11の表面の転位密度と同等となる。よって、n型半導体層13の転位密度は、AlN基板11と同様、106cm-2以下であることが好ましく、さらに好ましくは104cm-2以下である。なお、本発明のn型半導体層13が複数の層から形成される場合においても、これらの層は全て格子整合しているため、各層とも転位密度は同等である。 The n-type semiconductor layer 13 is a single-crystal AlxGa1-xN (0.5 ≤ x ≤ 1) layer having a band gap smaller than that of the AlN substrate 11 and, if a buffer layer is provided, the band gap of the AlN substrate 11 and the buffer layer. Since the n-type semiconductor layer 13 is lattice-matched with the AlN substrate 11, lattice relaxation accompanied by dislocation generation does not occur in the n-type semiconductor layer 13. Therefore, the dislocation density in the n-type semiconductor layer 13 is equivalent to the dislocation density on the surface of the AlN substrate 11. Thus, the dislocation density of the n-type semiconductor layer 13 is preferably 10⁶ cm⁻² or less, and more preferably 10⁴ cm⁻² or less, similar to that of the AlN substrate 11. Even when the n-type semiconductor layer 13 of the present invention is formed from multiple layers, all of these layers are lattice-matched, so the dislocation density of each layer is equivalent.
n型半導体層13は、n型ドーパントとして例えばSiを含む。n型半導体層13のドーパント濃度は、特に制限されるものではなく、目的に応じて適宜決定すればよい。中でも、高い導電性を実現するためには、例えばSi濃度は、1×1018cm-3~5×1019cm-3であることが好ましい。n型半導体層13が複数の層から形成される場合においても、各層のSiの濃度は、1×1018cm-3~5×1019cm-3であることが好ましい。そして、各層のSi濃度は、一定であってもよいし、デバイス設計などに応じて各層のSi濃度が異なっていてもよい。また、各層の界面ではSi濃度を比較的高くすることもできる。 The n-type semiconductor layer 13 contains, for example, Si as an n-type dopant. The dopant concentration of the n-type semiconductor layer 13 is not particularly limited and can be appropriately determined according to the purpose. In particular, in order to achieve high conductivity, the Si concentration is preferably 1 × 10¹⁸ cm⁻³ to 5 × 10¹⁹ cm⁻³ . Even when the n-type semiconductor layer 13 is formed from multiple layers, the Si concentration of each layer is preferably 1 × 10¹⁸ cm⁻³ to 5 × 10¹⁹ cm⁻³ . Furthermore, the Si concentration of each layer may be constant, or it may differ depending on the device design, etc. Also, the Si concentration can be made relatively high at the interfaces of each layer.
また、本実施形態においては、n型半導体層13は、成長方向、すなわちAlN基板11から離れる方向(活性層14に向かう方向)にAl組成が小さくなるAlGaN層(組成傾斜層)からなる。 Furthermore, in this embodiment, the n-type semiconductor layer 13 consists of an AlGaN layer (composition gradient layer) in which the Al composition decreases in the growth direction, i.e., the direction away from the AlN substrate 11 (towards the active layer 14).
半導体発光素子10は、n型半導体層13上に形成された活性層14及び活性層14上に形成されたp型半導体層15を有し、活性層14及びp型半導体層15と、n型半導体層13の一部からなるメサ部18Mを有している。また、メサ部18Mの外側領域18Rには、n型半導体層13が露出する露出部(露出面13S)が形成されている。 The semiconductor light-emitting element 10 has an active layer 14 formed on an n-type semiconductor layer 13 and a p-type semiconductor layer 15 formed on the active layer 14. It also has a mesa portion 18M consisting of the active layer 14, the p-type semiconductor layer 15, and a part of the n-type semiconductor layer 13. Furthermore, an exposed portion (exposed surface 13S) where the n-type semiconductor layer 13 is exposed is formed in the outer region 18R of the mesa portion 18M.
より詳細には、n型半導体層13、活性層14及びp型半導体層15がこの順でAlN基板11上に積層された半導体層(積層半導体層)をn型半導体層13が露出するように部分的に除去され、n型半導体層13の露出部が形成されている。なお、当該積層半導体層の各々はAlGaN系半導体層である。 More specifically, a semiconductor layer (multilayer semiconductor layer) consisting of an n-type semiconductor layer 13, an active layer 14, and a p-type semiconductor layer 15 stacked in this order on an AlN substrate 11 is partially removed so that the n-type semiconductor layer 13 is exposed, forming an exposed portion of the n-type semiconductor layer 13. Each of these multilayer semiconductor layers is an AlGaN-based semiconductor layer.
まず、メサ部18Mの構成について以下に説明する。活性層14は、n型半導体層13よりも小なるバンドギャップを有するAlGaN層からなる。本実施形態においては、活性層14は、複数の井戸層及び障壁層からなる多重量子井戸構造を有する。また、活性層14は、深紫外領域の光を放出する。なお、活性層14の構成はこれに限定されず、単層で構成されていてもよいし、単一量子井戸構造を有していてもよい。 First, the structure of the mesa portion 18M will be described below. The active layer 14 consists of an AlGaN layer having a band gap smaller than that of the n-type semiconductor layer 13. In this embodiment, the active layer 14 has a multiple quantum well structure consisting of multiple well layers and a barrier layer. Furthermore, the active layer 14 emits light in the deep ultraviolet region. Note that the structure of the active layer 14 is not limited to this; it may be composed of a single layer or have a single quantum well structure.
活性層14の発光波長(ピーク波長)は、200~360nmの範囲内であることが好ましく、より好ましくは200~300nmであり、さらに好ましくは200nm~280nmである。 The emission wavelength (peak wavelength) of the active layer 14 is preferably in the range of 200 to 360 nm, more preferably 200 to 300 nm, and even more preferably 200 nm to 280 nm.
p型半導体層15は、p型ドーパントとして例えばMgを含むAlN層、AlGaN層又はGaN層からなる。本実施形態においては、p型半導体層15は、AlN層からなる電子ブロック層15A、AlGaN層からなるp型クラッド層15B及びGaN層からなるp型コンタクト層15Cが活性層14上に成長された構造を有する。 The p-type semiconductor layer 15 consists of an AlN layer, an AlGaN layer, or a GaN layer containing, for example, Mg as a p-type dopant. In this embodiment, the p-type semiconductor layer 15 has a structure in which an electron blocking layer 15A made of an AlN layer, a p-type cladding layer 15B made of an AlGaN layer, and a p-type contact layer 15C made of a GaN layer are grown on the active layer 14.
なお、p型半導体層15の構成はこれに限定されない。例えば、電子ブロック層15Aがp型のドーパントを有していなくてもよいし、電子ブロック層15Aは設けられていなくてもよい。 The configuration of the p-type semiconductor layer 15 is not limited to this. For example, the electron blocking layer 15A does not need to have a p-type dopant, and the electron blocking layer 15A does not need to be provided at all.
次に、メサ部18Mの外側領域18Rについて以下に説明する。図1及び図2に示すように、外側領域18Rはn型半導体層13が露出した領域であり、外側領域18Rのうちの一部の領域には、n型半導体層13の表面の微細な凹凸からなる凹凸構造21が形成されている(凹凸構造形成領域)。なお、ここで、微細な凹凸とは、発光波長程度の大きさの凹凸をいう。 Next, the outer region 18R of the mesa portion 18M will be described below. As shown in Figures 1 and 2, the outer region 18R is the region where the n-type semiconductor layer 13 is exposed. In a portion of the outer region 18R, a surface irregularity structure 21 consisting of fine irregularities on the surface of the n-type semiconductor layer 13 is formed (irregularity structure formation region). Here, fine irregularities refer to irregularities with a size approximately equal to the emission wavelength.
凹凸構造21上には発光波長に対して透明な透明絶縁層22が形成されている。透明絶縁層22は、凹凸構造21の一部又は全面を覆うように形成されている。 A transparent insulating layer 22, which is transparent to the emission wavelength, is formed on the uneven structure 21. The transparent insulating layer 22 is formed to cover part or all of the uneven structure 21.
透明絶縁層22は、例えばSiO2からなる薄膜であるが、これに限定されず、絶縁層であり、発光波長に対して透明な誘電体層を用いることができる。例えば、SiO2,Al2O3、HfO,ZrO及びMgO等の酸化物、又はフッ化物等を用いることができる。また、透明絶縁層22は材料の異なる複数の誘電体層(誘電体副層)から構成されていてもよい。 The transparent insulating layer 22 is, for example, a thin film made of SiO2 , but is not limited to this; any insulating dielectric layer that is transparent to the emission wavelength can be used. For example, oxides such as SiO2, Al2O3, HfO, ZrO, and MgO, or fluorides can be used. Furthermore, the transparent insulating layer 22 may be composed of multiple dielectric layers (dielectric sublayers) made of different materials.
本実施形態においては、透明絶縁層22上には、発光波長に対して高い反射率を有する金属からなる金属反射層23が設けられても良い。凹凸構造21、透明絶縁層22及び金属反射層23が拡散反射部24(ランバート反射部)として機能する。 In this embodiment, a metal reflective layer 23 made of a metal having a high reflectivity with respect to the emission wavelength may be provided on the transparent insulating layer 22. The uneven structure 21, the transparent insulating layer 22, and the metal reflective layer 23 function as a diffuse reflecting portion 24 (Lambertian reflecting portion).
金属反射層23には、紫外光に対して高い反射率を有する、例えば、Alを用いることができる。あるいは、金属反射層23の代わりに、反射層23として、発光波長に対して高い反射率を有する高反射コート膜、又は、高屈折率の薄膜(HfO,ZrO)と低屈折率の薄膜(SiO2)とを所定の光学膜厚(λ/4)で交互に積層したDBR(Distributed Bragg Reflector)膜を用いることができる。 The metal reflective layer 23 can be made of a material with high reflectivity to ultraviolet light, such as Al. Alternatively, instead of the metal reflective layer 23, a highly reflective coating film with high reflectivity to the emission wavelength, or a DBR (Distributed Bragg Reflector) film, in which a thin film with a high refractive index (HfO, ZrO) and a thin film with a low refractive index (SiO2) are alternately laminated at a predetermined optical thickness (λ/4), can be used as the reflective layer 23.
なお、金属反射層23は、透明絶縁層22の上面の全体にわたって形成されていることが好ましいが、透明絶縁層22の上面の一部上に設けられていてもよい。 Furthermore, while it is preferable that the metal reflective layer 23 is formed over the entire upper surface of the transparent insulating layer 22, it may also be provided on a portion of the upper surface of the transparent insulating layer 22.
また、透明絶縁層22上に金属反射層23が設けられていることが好ましいが、金属反射層23が設けられていなくともよい。すなわち、金属反射層23が設けられていない場合、n型半導体層13の表面の微細な凹凸構造21及び透明絶縁層22が拡散反射部24(ランバート反射部)として機能する。 Furthermore, while it is preferable that a metal reflective layer 23 is provided on the transparent insulating layer 22, it is not necessary. That is, if the metal reflective layer 23 is not provided, the fine uneven structure 21 on the surface of the n-type semiconductor layer 13 and the transparent insulating layer 22 function as a diffuse reflector 24 (Lambertian reflector).
また、凹凸構造21が設けられていないn型半導体層13の露出面13S上にはn電極16が形成されている(n電極形成領域)。n電極16は、n型半導体層13とのオーミック接触金属層16A(例えば、Ti層、層厚:1nm)と、オーミック接触金属層16A上に形成された電極層16B(例えば、Al層、層厚:250nm)と、電極層16B上に形成され、Auからなるパッド電極16C(例えば、層厚:5nm)とからなる。なお、これらの層がアニールにより合金化され、n電極16が構成されている。 Furthermore, an n-electrode 16 is formed on the exposed surface 13S of the n-type semiconductor layer 13, where the uneven structure 21 is not provided (n-electrode formation region). The n-electrode 16 consists of an ohmic contact metal layer 16A (e.g., a Ti layer, thickness: 1 nm) with respect to the n-type semiconductor layer 13, an electrode layer 16B (e.g., an Al layer, thickness: 250 nm) formed on the ohmic contact metal layer 16A, and a pad electrode 16C (e.g., thickness: 5 nm) made of Au formed on the electrode layer 16B. These layers are alloyed by annealing to form the n-electrode 16.
透明絶縁層22及び金属反射層23からなる積層体の上面及び側面、n型半導体層13の露出面を覆う保護膜25が設けられている。また、保護膜25は、メサ部18Mの側面を覆うように形成されている。保護膜25からは、パッド電極16Cの少なくとも上面が露出している。なお、ここで、「上面」は光取り出し面11Eとは反対側の面をいう。 A protective film 25 is provided covering the top and side surfaces of the laminate, which consists of a transparent insulating layer 22 and a metal reflective layer 23, and the exposed surface of the n-type semiconductor layer 13. The protective film 25 is also formed to cover the side surfaces of the mesa portion 18M. At least the top surface of the pad electrode 16C is exposed from the protective film 25. Here, "top surface" refers to the surface opposite to the light extraction surface 11E.
なお、電極層16Bは、金属反射層23と繋がって形成されていてもよい。すなわち、電極層16B及び金属反射層23は同一の金属(例えば、Al)で、例えば、同時の蒸着プロセスによって形成されていてもよい。 Furthermore, the electrode layer 16B may be formed in conjunction with the metal reflective layer 23. That is, the electrode layer 16B and the metal reflective layer 23 may be made of the same metal (e.g., Al) and formed, for example, by a simultaneous vapor deposition process.
p型半導体層15のp型コンタクト層15C上には、p電極17が設けられている。p電極17は、例えば、Ni層及びAu層の積層体からなる。なお、p型コンタクト層15C上には反射層が設けられていてもよく、当該反射層はp型コンタクト層15Cの上面全面にわたって設けられていることが好ましい。p電極17及びn電極16間に電圧を印加することにより、活性層14が発光する。 A p-electrode 17 is provided on the p-type contact layer 15C of the p-type semiconductor layer 15. The p-electrode 17 is, for example, made of a laminate of a Ni layer and an Au layer. A reflective layer may also be provided on the p-type contact layer 15C, and it is preferable that this reflective layer extends across the entire upper surface of the p-type contact layer 15C. By applying a voltage between the p-electrode 17 and the n-electrode 16, the active layer 14 emits light.
[半導体発光素子の光取り出し構造] [Light extraction structure for semiconductor light-emitting elements]
(1)光取り出し効率
以下に、活性層14からの放射光の内部反射及び光取り出しについて説明する。図2に示すように、活性層14から放射され、臨界角以上の角度で光取り出し面11Eに入射した放射光Laは、光取り出し面11Eで反射される(反射光Lr)。半導体発光素子10の内部に戻ってきた反射光Lrは拡散反射部24によって拡散反射される(拡散反射光Ld)。したがって、拡散反射光Ldのうち臨界角未満の角度で光取り出し面11Eに入射した拡散反射光LeはAlN基板11から外部に取り出されるので、光取り出し効率が増加する。
(1) Light extraction efficiency The internal reflection and light extraction of synchrotron radiation from the active layer 14 will be described below. As shown in Figure 2, synchrotron radiation La emitted from the active layer 14 and incident on the light extraction surface 11E at an angle greater than or equal to the critical angle is reflected by the light extraction surface 11E (reflected light Lr). The reflected light Lr that returns to the inside of the semiconductor light-emitting element 10 is diffusely reflected by the diffuse reflection section 24 (diffuse reflected light Ld). Therefore, the diffuse reflected light Le of the diffuse reflected light Ld that is incident on the light extraction surface 11E at an angle less than the critical angle is extracted from the AlN substrate 11 to the outside, thus increasing the light extraction efficiency.
(2)拡散反射構造
拡散反射部24の凹凸構造21は、多数の錐状突起を有して構成されている。図3Aは、n型半導体層13に形成された凹凸構造21の断面のSEM(走査型電子顕微鏡)像である。図3Bは、サンプルA1~A3及びB1~B3の円錐状突起の底面の直径a(nm)及び高さh(nm)を示す表である。なお、サンプルA1~A3とサンプルB1~B3とは互いに異なるウエハロットから得たサンプルである。
(2) Diffuse Reflection Structure The uneven structure 21 of the diffuse reflection portion 24 is composed of numerous conical protrusions. Figure 3A is a scanning electron microscope (SEM) image of a cross-section of the uneven structure 21 formed on the n-type semiconductor layer 13. Figure 3B is a table showing the diameter a (nm) and height h (nm) of the base of the conical protrusions of samples A1 to A3 and B1 to B3. Samples A1 to A3 and samples B1 to B3 were obtained from different wafer lots.
また、図4A及び図4Bは、それぞれサンプルA1~A3及びサンプルB1~B3について、拡散反射部24により反射された光(波長265nm)の検出角に対する受光エネルギーを示すグラフである。すなわち、図4A及び図4Bは、拡散反射部24の入射角θに対する反射率を示している。なお、図中、サンプルREF2,REF1は、n型半導体層13に錐状突起が設けられておらず、n型半導体層13の表面が平坦なサンプルである。 Furthermore, Figures 4A and 4B are graphs showing the received light energy as a function of the detection angle for light (wavelength 265 nm) reflected by the diffuse reflector 24 for samples A1-A3 and B1-B3, respectively. In other words, Figures 4A and 4B show the reflectance of the diffuse reflector 24 as a function of the incident angle θ. Note that in the figures, samples REF2 and REF1 are samples in which the n-type semiconductor layer 13 does not have conical protrusions, and the surface of the n-type semiconductor layer 13 is flat.
図4A及び図4Bに示すように、互いに異なる直径a(nm)及び高さhの円錐状突起を有するサンプルA1~A3及びB1~B3の拡散反射部24において、理想的なランバート反射ではなく、鏡面反射(正反射)とランバート反射の混合反射が得られていることがわかる。 As shown in Figures 4A and 4B, in the diffuse reflectance section 24 of samples A1-A3 and B1-B3, which have conical protrusions with different diameters a (nm) and heights h, it can be seen that a mixed reflection of specular reflection and Lambertian reflection is obtained, rather than ideal Lambertian reflection.
最もランバート反射に近いのはサンプルA2の構造であり、混合反射構造として最も反射率が高いのはサンプルB3の構造である。これらのデータから、円錐状突起の底面の直径aは30nm以上であることが好ましく、高さhは25nm以上であることが好ましい。また、直径a及び高さhはともに発光波長以下であることが好ましい。なお、円錐状突起は、拡散反射部24において、ランダムな直径a及び高さhを有していてもよい。 The structure of sample A2 is closest to Lambertian reflection, while the structure of sample B3 has the highest reflectivity as a mixed reflection structure. From this data, it is preferable that the diameter a of the base of the conical projection is 30 nm or more, and the height h is 25 nm or more. Furthermore, it is preferable that both the diameter a and height h are less than or equal to the emission wavelength. Note that the conical projection may have random diameters a and height h in the diffuse reflection portion 24.
また、本明細書において、「錐状突起」は、突起が完全な錐形状を有する場合に限らず、錐形状に類似な形状又は尖った形状、又は卓状形状を有する場合を含む。例えば、「円錐状突起」は、長円錐状突起及び頂部が欠けた円錐台状突起又は長円錐台状突起、及び、側面が曲面である錐状突起などを含む。また、これらの複数の形状の錐状突起がランダムに含まれている場合を含む。なお、錐状突起の底面の直径aは、底面における長径を意味する。
[拡散反射部の実施例]
上記したように、拡散反射部24は、メサ部18Mの外側領域18Rに設けられていれば光取り出し効率の向上に寄与する。以下に、メサ部18M、n電極16及び拡散反射部24の形成領域の配置について、実施例を示して説明する。
Furthermore, in this specification, "conical projection" is not limited to cases where the projection has a perfect conical shape, but also includes cases where it has a shape similar to a cone, a pointed shape, or a tabular shape. For example, "conical projection" includes elongated conical projections, frustoconical projections or elongated frustoconical projections with a missing apex, and conical projections with curved sides. It also includes cases where multiple shapes of conical projections are randomly included. Note that the diameter a of the base of the conical projection refers to the major axis at the base.
[Examples of diffuse reflection sections]
As described above, if the diffuse reflection portion 24 is provided in the outer region 18R of the mesa portion 18M, it contributes to improving the light extraction efficiency. The arrangement of the formation regions of the mesa portion 18M, the n electrode 16, and the diffuse reflection portion 24 will be explained below with reference to an example.
(1)実施例1
図5は、第1の実施形態の実施例1である半導体発光素子40の上面(光取り出し面11Eとは反対側の面)を模式的に示す平面図である。なお、図の分かり易さのため、メサ部18M、n電極16及び拡散反射部24等の形成領域にハッチングを施して示している。
(1) Example 1
Figure 5 is a schematic plan view showing the top surface (the surface opposite to the light extraction surface 11E) of the semiconductor light-emitting element 40, which is Example 1 of the first embodiment. For clarity, the formation areas of the mesa portion 18M, n electrode 16, and diffuse reflection portion 24 are shown with hatching.
半導体発光素子40は矩形柱形状を有し、上面には複数の矩形柱形状のメサ部18Mが設けられている。すなわち、複数のメサ部18Mの各々は、上面視において長方形状を有している。より詳細には、半導体発光素子40において、1方向(x方向)に延在する複数の矩形柱形状のメサ部18Mが互いに平行に形成されている。なお、メサ部18Mの上面全面にわたってp電極17が設けられている。メサ部18M内に設けられた活性層14からの直接放射光及びp電極17による反射光は、光取り出し面11E(素子裏面)に向けて放射される。p電極17は反射機能を有する反射層としてもよい。 The semiconductor light-emitting element 40 has a rectangular columnar shape, and multiple rectangular columnar mesa portions 18M are provided on its upper surface. That is, each of the multiple mesa portions 18M has a rectangular shape when viewed from above. More specifically, in the semiconductor light-emitting element 40, multiple rectangular columnar mesa portions 18M extending in one direction (x-direction) are formed parallel to each other. A p-electrode 17 is provided across the entire upper surface of the mesa portion 18M. Directly emitted light from the active layer 14 provided within the mesa portion 18M and reflected light from the p-electrode 17 are radiated toward the light extraction surface 11E (back surface of the element). The p-electrode 17 may be a reflective layer with reflective function.
また、上面視において長方形状を有し、メサ部18Mの延在方向(x方向)に沿って延在する互いに平行な複数のn電極16が、隣接するメサ部18Mの間及びメサ部18Mの外側に設けられている。なお、上記したように、n電極16の各々は、n型半導体層13の露出面13S上にn型半導体層13にオーミック接触して設けられている。 Furthermore, in a top view, the mesa portion 18M has a rectangular shape, and multiple parallel n-electrodes 16 extending along the extension direction (x-direction) of the mesa portion 18M are provided between adjacent mesa portions 18M and on the outside of the mesa portions 18M. As described above, each of the n-electrodes 16 is provided on the exposed surface 13S of the n-type semiconductor layer 13 in ohmic contact with the n-type semiconductor layer 13.
拡散反射部24は、複数のメサ部18M及び複数のn電極16が形成された領域全体(すなわち、周囲)を取り囲む矩形環形状の領域に形成されている。換言すれば、拡散反射部24は、上面視において、半導体発光素子40の外周部に矩形環形状を有して形成されている。 The diffuse reflection portion 24 is formed in a rectangular ring shape surrounding the entire region (i.e., the periphery) where the multiple mesa portions 18M and multiple n electrodes 16 are formed. In other words, the diffuse reflection portion 24 is formed in a rectangular ring shape on the outer periphery of the semiconductor light-emitting element 40 when viewed from above.
前述のように、活性層14から放射され、臨界角以上の角度で光取り出し面11Eに入射し(放射光La)、光取り出し面11Eで反射された反射光Lrは矩形環形状に形成された拡散反射部24によって拡散反射される(拡散反射光Ld)。したがって、拡散反射光Ldのうち臨界角未満の入射角の拡散反射光LeはAlN基板11から外部に取り出されるため、光取り出し効率が向上した半導体発光素子が得られる。 As described above, light emitted from the active layer 14 is incident on the light extraction surface 11E at an angle greater than or equal to the critical angle (synchrotron radiation La). The reflected light Lr reflected by the light extraction surface 11E is diffusely reflected by the rectangular ring-shaped diffuse reflecting portion 24 (diffuse reflected light Ld). Therefore, the diffuse reflected light Le with an incident angle less than the critical angle is extracted from the AlN substrate 11 to the outside, resulting in a semiconductor light-emitting element with improved light extraction efficiency.
なお、複数のメサ部18Mが設けられた場合について説明したが、少なくとも1つのメサ部18Mが設けられていればよい。また、メサ部18Mの延在方向に沿って延在するn電極16が設けられた場合について説明したが、n電極16の形状及び配置はこれに限定されず、メサ部18Mの構成(形状、サイズ等)に応じて適宜改変して設けることができる。 Although the case where multiple mesa sections 18M are provided has been described, it is sufficient to provide at least one mesa section 18M. Furthermore, although the case where an n-electrode 16 extending along the direction of extension of the mesa section 18M has been described, the shape and arrangement of the n-electrode 16 are not limited thereto and can be appropriately modified depending on the configuration (shape, size, etc.) of the mesa section 18M.
(2)実施例2
図6は、第1の実施形態の実施例2である半導体発光素子50の上面を模式的に示す平面図である。
(2) Example 2
Figure 6 is a schematic plan view showing the upper surface of the semiconductor light-emitting element 50, which is an embodiment 2 of the first embodiment.
半導体発光素子50は、上面視において長方形状を有し、1方向(x方向)に延在する互いに平行な複数のメサ部18Mと複数のn電極16とを有している。また、メサ部18Mの延在方向に沿って延在するn電極16が隣接するメサ部18Mの間及びメサ部18Mの外側に設けられている。なお、メサ部18Mの上面全面にわたって反射層を有するp電極17が設けられている点は実施例1と同様である。 The semiconductor light-emitting element 50 has a rectangular shape when viewed from above and has a plurality of parallel mesa portions 18M and a plurality of n electrodes 16 extending in one direction (x direction). Furthermore, the n electrodes 16 extending along the direction of extension of the mesa portions 18M are provided between adjacent mesa portions 18M and on the outside of the mesa portions 18M. Note that, as in Example 1, a p electrode 17 having a reflective layer is provided across the entire upper surface of the mesa portions 18M.
本実施例2においては、メサ部18Mとn電極16との間に第1の拡散反射部24A(第1の凹凸構造部)が、複数のメサ部18M及び複数のn電極16の外側領域に第2の拡散反射部24B(第2の凹凸構造部)が設けられている。 In this embodiment 2, a first diffuse reflection portion 24A (first uneven structure portion) is provided between the mesa portion 18M and the n-electrode 16, and a second diffuse reflection portion 24B (second uneven structure portion) is provided in the outer regions of the multiple mesa portions 18M and the multiple n-electrode 16.
本実施例2の第1の拡散反射部24A及び第2の拡散反射部24Bは、離れた位置にあるメサ部18Mの活性層14から放射され、光取り出し面11Eによって全反射された反射光及び素子内における多重反射光を拡散反射し、拡散反射光Ldのうち光取り出し面11Eの臨界角未満の拡散反射光Leが外部に取り出されるため、光取り出し効率が向上した半導体発光素子を提供することができる。 In this embodiment 2, the first diffuse reflection section 24A and the second diffuse reflection section 24B diffusely reflect the reflected light and multiple reflected light within the element that are emitted from the active layer 14 of the mesa section 18M, which is located at a distance from the element, and totally reflected by the light extraction surface 11E. Since the diffuse reflected light Le below the critical angle of the light extraction surface 11E is extracted to the outside, a semiconductor light-emitting element with improved light extraction efficiency can be provided.
なお、複数のメサ部18M及び複数のn電極16が設けられた場合について説明したが、少なくとも1つのメサ部18M及び少なくとも1つのn電極16が設けられていればよい。要は、拡散反射部24が、n電極16の両側の領域、すなわち、メサ部18Mとn電極16との間の内側領域及びn電極16の外側領域(メサ部18Mとは反対側の領域)に設けられていればよい。 Although the case with multiple mesa portions 18M and multiple n-electrodes 16 has been described, it is sufficient to have at least one mesa portion 18M and at least one n-electrode 16. Essentially, the diffuse reflection portion 24 should be provided in the regions on both sides of the n-electrode 16, that is, in the inner region between the mesa portion 18M and the n-electrode 16 and in the outer region of the n-electrode 16 (the region opposite to the mesa portion 18M).
また、メサ部18Mとn電極16との間に設けられる第1の拡散反射部24A及びメサ部18M及びn電極16の外側領域に設けられる第2の拡散反射部24Bは、それぞれ少なくとも1つ設けられていればよい。 Furthermore, the first diffuse reflecting portion 24A, provided between the mesa portion 18M and the n-electrode 16, and the second diffuse reflecting portion 24B, provided in the outer region of the mesa portion 18M and the n-electrode 16, only need to be provided at least once each.
(3)実施例3
図7は、第1の実施形態の実施例3である半導体発光素子50の上面を模式的に示す平面図である。
(3) Example 3
Figure 7 is a schematic plan view showing the upper surface of the semiconductor light-emitting element 50, which is an embodiment 3 of the first embodiment.
上記した実施例1及び実施例2を適宜改変し、又は組み合わせてもよい。例えば、図7に示すように、実施例1における外周部に設けられた矩形環形状の拡散反射部24に、実施例2におけるメサ部18Mとn電極16との間に設けられた第1の拡散反射部24Aとを組み合わせて拡散反射部29としてもよい。 The above-described embodiments 1 and 2 may be modified or combined as appropriate. For example, as shown in Figure 7, the rectangular ring-shaped diffuse reflecting portion 24 provided on the outer circumference in embodiment 1 may be combined with the first diffuse reflecting portion 24A provided between the mesa portion 18M and the n electrode 16 in embodiment 2 to form the diffuse reflecting portion 29.
なお、この場合、拡散反射部29は、外周部に設けられる拡散反射部24とメサ部18Mとn電極16との間に設けられる第1の拡散反射部24Aとは接続されて形成されている(図7)ことが好ましいが、分離されて形成されていてもよく、あるいは、これらが組み合わされて形成されていてもよい。 In this case, it is preferable that the diffuse reflecting portion 29 is formed by connecting the diffuse reflecting portion 24 provided on the outer periphery and the first diffuse reflecting portion 24A provided between the mesa portion 18M and the n electrode 16 (Figure 7), but they may be formed separately, or they may be formed in combination.
実施例3の半導体発光素子50によれば、複数のメサ部18Mの活性層14から放射され、光取り出し面11Eによって全反射された反射光及び素子内における多重反射光を効率的に拡散反射するので、さらに光取り出し効率が向上した半導体発光素子を提供することができる。 According to the semiconductor light-emitting element 50 of Example 3, the reflected light emitted from the active layer 14 of the multiple mesa portions 18M and totally reflected by the light extraction surface 11E, as well as the multiple reflected light within the element, are efficiently diffusely reflected. Therefore, a semiconductor light-emitting element with further improved light extraction efficiency can be provided.
以上、詳細に説明したように、本開示によれば、外部への光取り出し効率が高く、高効率かつ高出力な優れた素子特性を有する半導体発光素子を提供することができる。 As described in detail above, this disclosure provides a semiconductor light-emitting element with high efficiency for external light extraction and excellent element characteristics of high efficiency and high output.
10,40,50:半導体発光素子
11:基板
11E:光取り出し面
13:n型半導体層
13S:露出面
14:活性層
15:p型半導体層
15A:電子ブロック層
15B:p型クラッド層
15C:p型コンタクト層
16:n電極
16A:オーミック接触金属層
16B:電極層
16C:パッド電極
17:p電極
18M:メサ部
18R:外側領域
21:凹凸構造
22:透明絶縁層
23:金属反射層
24:拡散反射部
24A:第1の拡散反射部
24B:第2の拡散反射部
25:保護膜
29:拡散反射部
La:放射光
Ld:拡散反射光
Lr:反射光
10, 40, 50: Semiconductor light-emitting element 11: Substrate 11E: Light extraction surface 13: n-type semiconductor layer 13S: Exposed surface 14: Active layer 15: p-type semiconductor layer 15A: Electron blocking layer 15B: p-type cladding layer 15C: p-type contact layer 16: n-electrode 16A: Ohmic contact metal layer 16B: Electrode layer 16C: Pad electrode 17: p-electrode 18M: Mesa region 18R: Outer region 21: Uneven structure 22: Transparent insulating layer 23: Metal reflective layer 24: Diffuse reflective region 24A: First diffuse reflective region 24B: Second diffuse reflective region 25: Protective film 29: Diffuse reflective region La: Synchrotron radiation Ld: Diffuse reflected light Lr: Reflected light
Claims (11)
前記p型半導体層、活性層及びn型半導体層の一部からなるメサ部と、
前記メサ部の外側領域に形成され、前記n型半導体層が露出する露出部と、を有し、
前記n型半導体層の前記露出部は、前記外側領域の一部に拡散反射構造である凹凸構造を有する、
紫外半導体発光素子。 A semiconductor light-emitting element is made of an AlGaN-based multilayer semiconductor layer having an emission wavelength in the ultraviolet wavelength band, wherein semiconductor layers including an n-type semiconductor layer, an active layer, and a p-type semiconductor layer are formed on a substrate in this order,
The mesa portion consists of the p-type semiconductor layer, the active layer, and a part of the n-type semiconductor layer,
The outer region of the mesa portion has an exposed portion in which the n-type semiconductor layer is exposed,
The exposed portion of the n-type semiconductor layer has a symmetrical structure that is a diffuse reflection structure in a part of the outer region.
Ultraviolet semiconductor light-emitting device.
前記凹凸構造は複数の錐状突起を含み、前記複数の錐状突起の底面の直径は30nm以上、高さは25nm以上であり、前記直径及び前記高さは前記発光波長以下である、請求項1に記載の紫外半導体発光素子。 The emission wavelength of the active layer is in the range of 200 to 360 nm.
The ultraviolet semiconductor light-emitting element according to claim 1, wherein the uneven structure includes a plurality of conical protrusions, the diameter of the base of the plurality of conical protrusions is 30 nm or more, the height is 25 nm or more, and the diameter and height are less than or equal to the emission wavelength.
隣接する前記メサ部の間に、前記メサ部の延在方向に沿って延在し、前記露出部において前記n型半導体層にオーミック接触して設けられた少なくとも1つのn電極と、を有し、
前記凹凸構造は、上面視において、前記複数の前記メサ部及び前記少なくとも1つのn電極の周囲を取り囲む環形状を有する、請求項1に記載の紫外半導体発光素子。 Each of the mesa portions has a rectangular columnar shape and extends in one direction,
Between adjacent mesa portions, there is provided at least one n-electrode that extends along the direction of extension of the mesa portion and is in ohmic contact with the n-type semiconductor layer at the exposed portion,
The ultraviolet semiconductor light-emitting element according to claim 1, wherein the uneven structure has a ring shape surrounding the plurality of mesa portions and at least one n electrode when viewed from above.
隣接する前記メサ部の間に、前記メサ部の延在方向に沿って延在し、前記露出部において前記n型半導体層にオーミック接触して設けられた少なくとも1つのn電極と、を有し、
前記凹凸構造は、上面視において、前記メサ部と前記n電極との間に前記1方向に延在して設けられている、請求項1に記載の紫外半導体発光素子。 Each of the mesa portions has a rectangular columnar shape and extends in one direction,
Between adjacent mesa portions, there is provided at least one n-electrode that extends along the direction of extension of the mesa portion and is in ohmic contact with the n-type semiconductor layer at the exposed portion,
The ultraviolet semiconductor light-emitting element according to claim 1, wherein the uneven structure is provided in a top view, extending in one direction between the mesa portion and the n electrode.
隣接する前記メサ部の間に、前記メサ部の延在方向に沿って延在し、前記露出部において前記n型半導体層にオーミック接触して設けられた少なくとも1つのn電極と、を有し、
前記凹凸構造は、上面視において、前記メサ部と前記n電極との間に前記1方向に延在して設けられている第1の凹凸構造部と、前記複数の前記メサ部及び前記少なくとも1つのn電極の周囲を取り囲む環形状を有する第2の凹凸構造部とを有する、請求項1に記載の紫外半導体発光素子。 Each of the mesa portions has a rectangular columnar shape and extends in one direction,
Between adjacent mesa portions, there is provided at least one n-electrode that extends along the direction of extension of the mesa portion and is in ohmic contact with the n-type semiconductor layer at the exposed portion,
The ultraviolet semiconductor light-emitting element according to claim 1, wherein the uneven structure comprises, in a top view, a first uneven structure portion extending in one direction between the mesa portion and the n electrode, and a second uneven structure portion having an annular shape surrounding the plurality of mesa portions and at least one n electrode.
The ultraviolet semiconductor light-emitting element according to claim 6 or 9, wherein the uneven structure has a rectangular ring shape when viewed from above.
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