CN102160199A - 发光元件 - Google Patents
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Abstract
公开一种发光元件，其包括基板、设置在所述基板之上并且发射一次光的发光层和至少由设置在所述基板与所述发光层之间并且反射所述一次光的一层组成的反射膜。所述发光元件特征在于进一步包括由两种以上设置在所述基板和所述反射膜之间的光分散层组成的光分散多层膜。所述发光元件特征还在于所述光分散多层膜通过将由透过反射膜的一次光激发的二次光多重分散为多个波长而将其吸收。
Description
技术领域
本发明涉及在发光层处发射一次光的发光元件，并且特别涉及用于例如传感器等的发光元件。
背景技术
一般地，在具有双异质结构的发光元件中，在发光层处发射的一次光不仅指向发光元件的正面而且各向同性地指向所有方向。指向发光元件背面的一次光被背面电极或基板吸收或者散射，因此不直接有助于光输出，这导致发光效率下降。
为了抑制此类现象，开发了其中将由至少一层形成并且反射一次光的反射膜设置在基板和发光层之间的技术。然而，在该技术的情况下，难以完全反射一次光，即，部分一次光透过反射膜并且到达基板，激发光从基板二次发射。该来自基板的激发光具有与一次光不同的波长，因此导致当所述激发光用于传感器中时起噪音作用例如可能具有对于传感器的运行可靠性的不良影响的问题。此外，在通过吸收所述光而抑制来自基板的激发光的情况下，所述激发光在发光元件内作为热累积，这也对传感器的运行可靠性具有不良影响。
考虑到上述事实，专利文献1公开了其中在红色发光二极管中，在基板和活性层之间形成具有比活性层的Al组成更高的Al组成的透过层以控制在基板处产生的激发光的强度的技术。
此外，专利文献2公开了其中将反射层配置在发光层和具有不同于发光层的组成的半导体之间，从而抑制在所述半导体处产生的激发光从表面取出的技术。
这些公开的技术的目的是控制或抑制产生的激发光的强度，但是不能充分抑制在基板处产生的激发光的峰值强度。此外，在该控制激发光的方法的情况下，光的能量被吸收，因此累积热。
相关技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利申请特开2005-116922
专利文献2：日本专利申请特开平9-289336
发明内容
发明要解决的问题
本发明的目的是提供其中降低由一次光在基板处产生的激发光的峰值强度，由此降低激发光对于传感器的运行可靠性的不良影响的发光元件。本发明的另一目的是提供具有改进的可靠性的发光元件，其中降低所述峰值强度而不吸收激发光，由此不在发光元件中产生热。
用于解决问题的方案
为了实现上述目的，本发明的要旨构成如下：(1)一种发光元件，其包括基板、设置在所述基板上方并且发射一次光的发光层和设置在所述基板与所述发光层之间并且由反射所述一次光的至少一层形成的反射膜，其中所述发光元件进一步包括设置在所述基板和所述反射膜之间并且由两种以上光分散层形成的光分散多层膜，和所述光分散多层膜将由透过反射膜的一次光激发的二次光多重分散为多个波长并且将其放射出。
(2)根据上述(1)所述的发光元件，其中所述光分散多层膜由AlxGa(1-x)As材料(0≤x≤1)制成，使得在所述AlxGa(1-x)As材料中的Al组成(x)从基板侧朝向反射膜侧沿着光分散多层膜的厚度方向在低Al组成和高Al组成之间连续变化，同时使得所述变化为多数次，并且要改变的低Al组成和高Al组成中至少之一的Al组成(x)和各光分散层的厚度阶梯状变化。
(3)根据上述(2)所述的发光元件，其中低Al组成和高Al组成(x)之间的差异从所述基板侧朝向所述反射膜侧每隔多个循环顺次降低，和各个所述光分散层的厚度从所述基板侧朝向所述反射膜侧每隔多个循环顺次增加。
(4)根据上述(1)、(2)或(3)所述的发光元件，其中所述光分散多层膜反射由透过光分散多层膜并到达基板的一次光激发的基板激发光。
(5)根据上述(1)-(4)任一项所述的发光元件，其中所述光分散多层膜的厚度为500-1500nm。
发明的效果
根据本发明的发光元件包括配置在基板和反射膜之间并且由两种以上光分散层形成的光分散多层膜，和所述光分散多层膜将由透过反射膜的一次光激发的二次光多重分散为多个波长并且将其放射出。更具体地，将透过反射膜的一次光的能量分为多个波长，以致逐渐完成激发和放出；这降低了到达基板的光能量，由此抑制基板的激发；并且降低光的峰值强度，由此降低对传感器的运行可靠性的不良影响。此外，降低峰值强度而不吸收激发光，由此防止在发光元件中产生热。因此，可以提供具有改进的可靠性的发光元件。
附图说明
图1是说明根据本发明的发光元件的示意图；
图2是说明在由AlxGa(1-x)As材料制成的光分散多层膜中的Al组成的图案的一个实例的图；
图3是说明在根据实施例1的由AlxGa(1-x)As材料制成的光分散多层膜中的Al组成的图案的一个实例的图；
图4是说明在根据实施例2的由AlxGa(1-x)As材料制成的光分散多层膜中的Al组成的图案的一个实例的图；
图5是说明在根据比较例2的由AlxGa(1-x)As材料制成的光分散多层膜中的Al组成的图案的一个实例的图；
图6是说明在根据比较例3的由AlxGa(1-x)As材料制成的光分散多层膜中的Al组成的图案的一个实例的图；
图7是说明在根据比较例4的由AlxGa(1-x)As材料制成的光分散多层膜中的Al组成的图案的一个实例的图；
图8(a)和8(b)是分别说明对根据实施例1和比较例1的发光元件的发射光谱的测量结果的图；
图9(a)和9(b)是分别说明对根据实施例2和比较例1的发光元件的发射光谱测量结果的图；
图10是说明根据实施例1的PL光谱测量结果的图；
图11是说明根据实施例2的PL光谱测量结果的图；
图12是说明根据比较例1的PL光谱测量结果的图；
图13是说明根据比较例2的PL光谱测量结果的图；
图14是说明根据比较例3的PL光谱测量结果的图；和
图15是说明根据比较例4的PL光谱测量结果的图；
附图标记说明
1发光元件
2基板
3发光层
4反射膜
5光分散多层膜
6包覆层
7包覆层
具体实施方式
接着，将参考附图描述根据本发明的发光元件的实施方案。图1示意性说明根据本发明的发光元件的截面结构。在图1中，为了便于解释使用阴影线。
在图1中说明的发光元件1设置有：基板2、配置在基板2上方并且发射一次光的发光层3、配置在所述基板2和所述发光层3之间并且由至少一层反射一次光的层形成的反射膜4、以及配置在所述基板2和所述反射膜4之间并且由两种以上光分散层形成的光分散多层膜5。在此构造的情况下，可以用所述光分散多层膜5将由不完全被所述反射膜4反射并且透过所述反射膜4的一次光激发的二次光多重分散为多个波长，并且将其放射出。
在发光元件1中，至少光分散多层膜5、反射膜4和发光层3通过使用MOCVD方法借助外延生长形成于基板2上。图1说明具有双异质结构的发光元件1，其中形成于GaAs基板2上方的InyGa(1-y)P量子阱发光层3夹持在AlGaInP包覆层6、7之间。作为借助MOCVD方法的膜形成方法，可以使用任何已知的化合物半导体的成膜方法。作为所述基板2，可以使用具有其相对于(100)的偏角(off angle)为2°以上的面方向的GaAs基板2。
尽管没有在图1中说明，但是可以在发光层3附近形成电流狭窄层。在此情况下，所述电流狭窄层可以具有任何尺寸的电极面积，并且取决于应用可以具有台面(mesa)形状或保护膜。此外，所述电流狭窄层可以生长为第一导电型层或未被掺杂的层。再进一步，所述电流狭窄层可以通过借助离子注入法具有高电阻、通过借助Zn扩散具有期望结构或通过形成氧化层、氧化膜或氮化膜而获得。
优选光分散多层膜5由AlxGa(1-x)As材料(0≤x≤1)制成。这是因为通过使用AlGaAs类材料，容易控制Al组成和Ga组成；与GaAs基板2的晶格失配度小；并且可以广泛选择折射率和带隙。此外，由于折射率随着Al组成增加而降低，可以容易地进行光学设计，再现性是有利的，并且可以由设计获得期望的结构。
如在图2中作为一个实例所示，优选使得在所述AlxGa(1-x)As材料中的Al组成(x)从基板2侧朝向反射膜4侧沿着光分散多层膜5的厚度方向在低Al组成(称作“L-侧”)和高Al组成(称作“H-侧”)之间连续变化，同时使得所述变化为多次，并且同时要改变的低Al组成(L-侧)和高Al组成(H-侧)中至少之一的Al组成(x)和各光分散层的厚度阶梯状变化。注意光分散层的厚度是指例如在图2中高Al组成(H-侧)-低Al组成(L-侧)-高Al组成(H-侧)的一个循环的宽度。在图2中，纵轴表示在AlxGa(1-x)As材料中的Al组成(x)的比例(x＝1表示100％，和x＝0表示0％)，并且横轴表示从基板2侧的光分散多层膜5的厚度。
随着Al组成(x)的增加，AlGaAs类材料更接近间接迁移区域，这使得可能降低发光效率。另一方面，由于在低Al组成部分(L-侧)产生二次光，因此特别重要的是设计决定二次光波长的低Al组成。此外，对于高Al组成(H-侧)重要的是将其设计为使得载流子充分地封闭在低Al组成(L-侧)区域从而有效产生二次光。因此，优选高Al组成(H-侧)的设计固定在例如在x＝0.9-1.0的区域内。
此时，例如当低Al组成(L-侧)和高Al组成(H-侧)像量子阱一样反复时，量子阱的封闭强度增加，因此发光效率高。这导致强的二次发射光的产生，即使是层数低时。因此，作为低Al组成(L-侧)的封闭结构，优选采用发光效率略微降低的结构。例如，通过使用其中使得组成在低Al组成(L-侧)和高Al组成(H-侧)之间连续变化的封闭结构，可以获得足以产生二次发射光的发光效率，尽管与量子阱的情况相比，发光效率降低。
此外，如在图2中所示，优选低Al组成(L-侧)和高Al组成(H-侧)之间的Al组成(x)的差异从基板2侧朝向反射膜4侧每隔多个循环顺次降低，并且各个光分散层的厚度从基板2侧朝向反射膜4侧每隔多个循环顺次增加。这是因为，尽管随着接近于间接迁移的区域发光效率在低Al组成(L-侧)中的较高Al组成中是低的，但是通过使得在低Al组成(L-侧)的较高Al组成层接近于发光层可以充分进行二次光的吸收、激发和产生，并且二次光的强度可以通过根据需要改变层数来调整。此外，随着离所述发光层的距离增大，透过光的强度降低，即，二次光的激发强度降低。然而，通过降低在产生二次光的部分处的低Al组成(L-侧)的Al组成，其低Al组成变得接近于直接迁移并且发光效率增加；而且，通过改变层数，可以调整二次光的强度。因此，相对于活性层发射波长通过顺次增加波长，可以设定二次激发的多个范围，并且以光能的状态放出光同时抑制由二次激发导致的热产生。这使得可以将二次激发光分离和发散成处于不导致任何问题的弱强度下的多个波长。
应当注意的是，缩小Al组成(x)之间的差异的方法包括以下三种情况：仅顺次降低高Al组成(H-侧)；顺次降低高Al组成(H-侧)同时顺次增加低Al组成(L-侧)；和仅顺次增加低Al组成(L-侧)。在仅顺次降低高Al组成(H-侧)的情况下，唯一地确定导致二次发射光的低Al组成(L-侧)，因此所述二次发射光无法充分弱。此外，在顺次降低高Al组成(H-侧)同时顺次增加低Al组成(L-侧)的情况下，难以有效产生二次发射光，这是因为当高Al组成降低同时当发光效率随着低Al组成(L-侧)的增加而降低时，封闭效果弱。因此，优选仅顺次增加低Al组成(L-侧)。
优选所述光分散多层膜5反射由透过光分散多层膜5并且到达基板2的一次光激发的基板激发光。通过将折射率平均化(＝(在低Al侧的折射率+在高Al侧的折射率)/2)，并且利用膜的厚度完成光学设计(使用布拉格反射式d＝λ/4n)，可以使得光分散多层膜5起到反射基板激发光的反射层功能。例如在使用GaAs基板的情况下，为了起到反射870nm波长的基板激发光的反射层功能，当将AlGaAs的Al组成的一个循环作为一个实例设定在x＝1→0→1，通过设定一个循环的厚度为65.9nm，可以预期870nm的反射效果。这基于的事实是GaAs的折射率为3.6；AlAs的折射率为3.0；平均折射率为3.3；并且d＝870/(4×3.3)＝65.9nm。这使得可以进一步降低相对于信号光的噪音。
可以将光分散多层膜5的厚度设为500-1500nm。该厚度与光分散层的层数相关，并且优选设定层数以致高Al组成-低Al组成-高Al组成的层重复2-5个循环。当将重复数设为一个循环时，二次光的激发强度尤其是在低Al组成中Al组成高并且发光效率低的的组成中降低，由此不可能获得足以分散的二次发射光的强度。另一方面，当重复数为6个循环以上时，对应于成层的低Al组成的波长，二次反射光的强度变得过大。
注意图1和图2各自说明实施方案的典型实例，并且本发明不限于该实施方案。
[实施例]
[实施例1]
通过使用MOCVD方法，根据本发明的发光元件(总厚度(除基板外)：3.9μm)借助在GaAs基板(Si掺杂，面方向：(100)偏离15°，厚度：350μm)上顺次生长以下而形成：光分散多层膜(831.5nm，掺杂物：Se)；n-反射膜(厚度：1.8μm，通过重复Al0.45Ga0.55As(42.3nm)/AlAs(47.3nm)20次形成的层，掺杂物：Se)；n-包覆层(厚度：90nm，Al0.5In0.5P，掺杂物：Se)；光发射层(厚度：84nm，InyGa(1-y)P(y＝0.53)，未掺杂)；p-包覆层(厚度：180nm，Al0.5In0.5P，掺杂物：Mg)；和p-反射层(厚度：0.9μm，通过重复Al0.45Ga0.55As(42.3nm)/AlAs(47.3nm)10次形成的层，掺杂物：C)。p-反射层与n-反射层起到垂直共振器的功能，并将p-反射层插入从而窄化发射光谱并且使得发光元件进一步适合用于传感器。
所述光分散多层膜由AlxGa(1-x)As材料(0≤x≤1)制成，并且如在图3中说明的，如下形成：在所述AlxGa(1-x)As材料中的Al组成从基板侧朝向反射膜侧沿着光分散多层膜的厚度方向在低Al组成和高Al组成之间连续变化，同时使得所述变化为多数次；要改变的低Al组成和高Al组成中至少之一的Al组成和各光分散层的厚度阶梯状变化；如在图3中说明的，使得低Al组成和高Al组成之间的差异从基板侧朝向反射膜侧顺次变小；并且如在图3中说明的，使得各光分散层的厚度从基板侧朝向反射膜侧顺次变大。上述组成图案可以通过连续改变在MOCVD装置中控制原料气流量的质量流量计的流量设定而形成。此外，如此形成光分散多层膜以致反射显示由透过光分散多层膜并且到达基板的一次光激发的基板激发光的强的光强度的波长范围。注意，在图3中，纵轴表示在AlxGa(1-x)As材料中的Al组成的比例(x＝1表示100％，和x＝0表示0％)，并且横轴表示从基板2侧的光分散多层膜5的厚度。
在图3中，设计Al组成以致低Al组成通过0％×2、10％×3、20％×3和30％×4循环来形成，并且将各系列循环的厚度设定在65.9nm、67.8nm、69.8nm和71.7nm，以反射波长为870nm的基板激发光。注意，由于在左端的低Al组成0％至高Al组成100％的循环(32.9nm)和在右端的高Al组成100％至低Al组成30％的循环(35.9nm)没有封闭效果，因此这些循环不包括在配对数中。
在各层外延生长之后，N电极(AuGeNi合金，厚度：0.2μm)形成于基板的背面上，并且Φ130μm的P圆电极(AuZn合金+Ti/Au合金，厚度：0.8μm+1μm)形成于外延生长的正面上。接着，将芯片切成为300μm见方大小，并且形成LED芯片。该LED芯片的发射光谱用后面描述的方法评价。此外，对仅具有生长于基板上的光分散多层膜的样品进行PL测量。
[实施例2]
除了以下以外，制备类似于实施例1的发光元件：在实施例2中的光分散多层膜由AlxGa(1-x)As材料(0≤x≤1)制成并且如在图4中所示，设计在AlxGa(1-x)As材料中的Al组成以致较低Al组成通过0％×2、10％×2、15％×2、20％×2、25％×3、30％×4和35％×5循环来形成，并且将各系列循环的厚度设定在65.9nm、67.8nm、68.8nm、69.8nm、70.7nm、71.7nm和72.7nm以反射波长为870nm的基板激发光。注意，由于在左端的低Al组成0％至高Al组成100％的循环(32.9nm)和在右端的高Al组成100％至低Al组成35％的循环(36.4nm)没有封闭效果，因此这些循环不包括在配对数中。
此外，对仅具有生长于基板上的光分散多层膜的样品进行PL测量。
[比较例1]
除了在比较例1中不形成光分散多层膜以外，制备与实施例1类似的发光元件(总厚度(除基板外)：4.5μm)。
[比较例2]
通过使用MOCVD方法，在与实施例1同样的基板上生长光分散多层膜，以致光分散多层膜由AlxGa(1-x)As材料(0≤x≤1)制成，并且如在图5中所示，设计在AlxGa(1-x)As材料中的Al组成以致低Al组成由0％×1、10％×1、15％×1、20％×1、25％×1、30％×1和35％×1循环来形成，并且将各系列循环的厚度设定在65.9nm、67.8nm、68.8nm、69.8nm、70.7nm、71.7nm、72.7nm以反射870nm波长的基板激发光。接着，对该光分散多层膜进行PL测量。注意，由于在左端的低Al组成0％至高Al组成100％的循环(32.9nm)和在右端的高Al组成100％至低Al组成35％的循环(36.4nm)没有封闭效果，这些循环不包括在配对数中。
[比较例3]
通过使用MOCVD方法，在与实施例1同样的基板上生长光分散多层膜，以致光分散多层膜由AlxGa(1-x)As材料(0≤x≤1)制成，并且如在图6中所示，设计在AlxGa(1-x)As材料中的Al组成以致低Al组成由35％×5、30％×4、25％×3、20％×2、15％×2、10％×2和0％×2循环而形成，并且将各系列循环的厚度设定在72.7nm、71.7nm、70.7nm、69.8nm、68.8nm、67.8nm、65.9nm以反射870nm波长的基板激发光。接着，对该光分散多层膜进行PL测量。注意，由于在左端的低Al组成35％至高Al组成100％的循环(36.4nm)和在右端的高Al组成100％至低Al组成0％的循环(32.9nm)没有封闭效果，这些循环不包括在配对数中。
[比较例4]
通过使用MOCVD方法，在与实施例1同样的基板上生长光分散多层膜，以致光分散多层膜由AlxGa(1-x)As材料(0≤x≤1)制成，并且如在图7中所示，设计在AlxGa(1-x)As材料中的Al组成以致高Al组成和低Al组成都不改变。接着，对该光分散多层膜进行PL测量。
[评价1]
对上述实施例1和2以及比较例1的发光元件测量发射光谱。该测量通过使用光谱分析仪(由Otsuka Electronics制造的MCPD-3000)进行。
图8和9分别说明实施例1和比较例1以及实施例2和比较例1的测量结果的图。在图中，横轴表示波长(nm)，并且纵轴表示假定发射光的峰值为1的光的强度(任意单位(arbitrary unit))。此外，图8B和9B是其中将在图8A和9A中的波长范围为650-1000nm放大的图，并且其纵轴对数表示。
表1示出实施例1和2以及比较例1的使用积分球的总输出：Po(mW)，顺方向电压：Vf(V)，发射光谱测量的一次光的中心波长：λp(nm)，和二次光与一次光的强度比(二次光的峰强度/一次光的峰强度)：IR(％)。表1示出通过以下获得的值：将LED芯片安装至TO-18上，对于Po和Vf，施加直流电流20mA，对于λp和IR，施加直流电流5mA。通过使用光谱分析仪(由Otsuka Electronics制造的MCPD-3000)进行测量。
[表1]
| Po(mW) | Vf(V) | λp(nm) | IR(％) | |
| 实施例1 | 1.67 | 2.06 | 641 | 0.04 |
| 实施例2 | 1.67 | 1.99 | 642 | 0.05 |
| 比较例1 | 1.57 | 2.05 | 640 | 0.19 |
从示于图8和9以及表1的结果，可以理解，在实施例1和2中，峰的高度降低并且宽地延伸，可以有效地分散二次光，而在比较例1中峰存在于波长850nm附近。此外，与比较例1相比，在实施例1和2中二次光的强度比极低。
[评价2]
对其中仅生长上述实施例1和2以及比较例1-4的光分散多层膜的样品进行PL光谱测量(由Phillips制造的PLM-100)。将D-YAG(YAG的二次谐波：Double YAG)激光(波长为532nm)用作光源，并且激光垂直进入各个样品。
图10-15分别说明上述实施例1-2和比较例1-4的测量结果的图。在图中，横轴表示波长(nm)，纵轴表示强度。从这些结果，可以理解实施例1-2的PL光谱的强度比比较例1-4的PL光谱的强度小10倍以上，并且可以将发射光的峰值波长分散成多个。因此，从这些结果，可以容易地预期使用比较例2-4的光分散多层膜的发光元件不可能充分抑制和分散二次光。
产业上的可利用性
根据本发明的发光元件设置有配置在基板和反射膜之间并且具有两种以上光分散层的光分散多层膜。在该光分散多层膜的情况下，将由透过反射膜的一次光激发的二次光多重分散为多个波长并且放出，由此可以抑制通过一次光的基板的激发并且可以降低相对于信号光的噪音。
Claims (5)
1.一种发光元件，其包括基板、设置在所述基板上方并且发射一次光的发光层和设置在所述基板与所述发光层之间并且由反射所述一次光的至少一层形成的反射膜，其中
所述发光元件进一步包括设置在所述基板和所述反射膜之间并且由两种以上光分散层形成的光分散多层膜，和
所述光分散多层膜将由透过反射膜的一次光激发的二次光多重分散为多个波长并且将其放射出。
2.根据权利要求1所述的发光元件，其中所述光分散多层膜由AlxGa(1-x)As材料(0≤x≤1)制成，
使得在所述AlxGa(1-x)As材料中的Al组成(x)从所述基板侧朝向反射膜侧沿着所述光分散多层膜的厚度方向在低Al组成和高Al组成之间连续变化，同时使得所述变化为多数次，和
要改变的低Al组成和高Al组成中至少之一的Al组成(x)和各光分散层的厚度阶梯状变化。
3.根据权利要求2所述的发光元件，其中
低Al组成和高Al组成之间的Al组成(x)的差异从所述基板侧朝向所述反射膜侧每隔多个循环顺次降低，和
各个光分散层的厚度从所述基板侧朝向所述反射膜侧每隔多个循环顺次增加。
4.根据权利要求1、2或3所述的发光元件，其中
所述光分散多层膜反射由透过光分散多层膜并到达基板的一次光激发的基板激发光。
5.根据权利要求1-4任一项所述的发光元件，其中
所述光分散多层膜的厚度为500-1500nm。
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