JP2004119756A

JP2004119756A - 発光ダイオード

Info

Publication number: JP2004119756A
Application number: JP2002282268A
Authority: JP
Inventors: Akira Mizuyoshi; 水由　明
Original assignee: Fuji Photo Film Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Holdings Corp
Priority date: 2002-09-27
Filing date: 2002-09-27
Publication date: 2004-04-15

Abstract

【課題】発光ダイオードにおいて、素子内部での光の干渉による光の減衰を防止し、発光効率を向上させる。
【解決手段】サファイア基板１１上に、ＧａＮバッファ層１２、ｎ−Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層１３、ｎ−Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ層１４、Ｉｎ_ｚＧａ_１−ｚＮ層１５、ｐ−Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ層１６およびｐ−ＧａＮ層１７をこの順に積層する。ｐ−ＧａＮ層１７の全面にｐ側電極１８を形成し、ｎ−Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ層１４の一部が露出されてできた面上にｎ側電極１９を形成する。ｎ−Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層１３、ｎ−Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ層１４、Ｉｎ_ｚＧａ_１−ｚＮ層１５、ｐ−Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ層１６およびｐ−ＧａＮ層１７は、それぞれの層の発光波長λにおける屈折率をＮとし、膜厚をｄとしたとき、Ｎ×ｄ＝ｍλ／２（ただし、ｍは正の整数）の関係を満足するように組成および膜厚を選択する。
【選択図】　　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板上に複数の半導体層を積層してなる積層体からなり、半導体層の積層面と平行な端面から光を発する発光ダイオードに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
発光ダイオードのパワー変換効率（Ｗａｌｌｐｌｕｇ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）ηｗｐは、
ηｗｐ＝ηｖ×ηｉ×ηｅｘｔ
で表される。なお、ηｖは電圧効率を示し、ηｉは内部量子効率を示し、ηｅｘｔは光の外部取り出し効率を示す。
【０００３】
発光ダイオードから放出される無指向性の光を外部に取り出すには、その構造が重要とされている。ｐｎ接合面からの光が表面に達したとき、臨界角以下の光が一部透過するだけで、外部に取り出せる光は数十％程度にしかならない。このため、素子を屈折率の高い樹脂等でドーム状にし、接合面からの光が臨界角以内で表面に入射するようにし、これによって外部に取り出せる光を数十倍にすることが可能となっている。
【０００４】
一方、近年、印刷、画像処理あるいは高密度光記録装置等における情報量の増大に伴って青紫域の面発光ダイオード素子の開発が広く行われている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００５】
【非特許文献１】
「ＯＰＴＲＯＮＩＣＳ」、２００２、Ｎｏ．１、ｐ１２７−１２９
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
青紫域の発光ダイオードを構成する材料は、通常、その屈折率が２以上と高く、チップ周囲を構成する材料は、空気、乾燥空気、窒素あるいはエポキシ等であり、これらの屈折率は、約１〜１．９である。このため、チップ内からの光の取り出し効率は数十％程度と低い。また、キャリアの閉じ込め効率あるいは光の閉じ込め効率を向上させるため、異なる屈折率の層を積層した構造が採られるが、このような構造の場合、層と層との界面で、光の干渉により発光光が消失するという問題がある。また、素子周囲の端面で反射されチップ内部で干渉が起こり、外部に発光される光をさらに消失させているという問題もある。さらに素子内に設けられる各機能層間における屈折率の違いによる反射が、この層内の屈折率と厚さとの積、および発光光の進む角度により、層内で発光光が干渉し、発光強度の減衰が生じる。
【０００７】
発光ダイオードの発光量を上げるために、チップ内部での干渉による発光光の減衰を減らして、チップからの発光光の外部取り出し効率を向上させることが要求される。
【０００８】
本発明は上記事情に鑑みて、発光効率が向上され、発光量が増大された発光ダイオードを提供することを目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の発光ダイオードは、基板上に、発光領域を含む複数の半導体層を積層してなる積層体からなり、半導体層の積層面と平行な端面から光が取り出される発光ダイオードにおいて、少なくとも一つの半導体層の、発光波長における屈折率と厚さとの積が、発光波長の１／２の整数倍であることを特徴とするものである。
【００１０】
少なくとも一つの半導体層が、屈折率を積層方向に変化せしめられてなるものであり、該半導体層の屈折率が該半導体層の厚さ方向に亘って実効的に算出されるものであってもよい。
【００１１】
発光領域に対して光が取り出される面と反対側の積層体中に、ＤＢＲミラーが設けられていてもよい。
【００１２】
【発明の効果】
本発明の発光ダイオードによれば、少なくとも一つの半導体層の、発光波長における屈折率と厚さとの積を、発光波長の１／２の整数倍とすることにより、素子内部において位相が一致した特定波長のみが進行することとなり、半導体層の界面、あるいは素子周囲の端面での反射による素子内部での干渉による光の減衰を防止することができる。これにより、光の外部取り出し効率が向上し、発光量を増大させることができる。
【００１３】
また、これまで、発光量を増大させるための電流注入量の増加により発熱量が増大するという問題が生じていたが、本発明により、ある一定の電流注入に対する発光量を向上させることとなるので、発熱量を抑えることができ、発熱による発光量の低下あるいは信頼性低下を防止することができる。
【００１４】
また、発光領域に対して光が取り出される面と反対側の積層体中に、ＤＢＲミラーが設られていることにより、特定の周波数すなわち発光波長のみが反射されることとなり、素子内部での光の減衰を防止することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて詳細に説明する。
【００１６】
本発明の第１の実施の形態による発光波長が４７０ｎｍの発光ダイオードについて説明する。その発光ダイオードの断面図を図１に示す。
【００１７】
本実施の形態による発光ダイオードは、図１に示すように、サファイア基板１１上に、ＧａＮバッファ層１２、ｎ−Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層１３、ｎ−Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ層１４、Ｉｎ_ｚＧａ_１−ｚＮ層１５（ＺｎおよびＳｉをドーピング）、ｐ−Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ層１６およびｐ−ＧａＮ層１７がこの順に積層され、ｐ−ＧａＮ層１７の全面にｐ側電極１８が形成され、ｎ−Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ層１４の一部が露出されてできた面上にｎ側電極１９が形成されてなるものである。なお、上記組成比ｘ、ｙおよびｚは、０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、０＜ｚ＜１およびｘ＜ｙの関係を満たす。
【００１８】
ｎ−Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層１３、ｎ−Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ層１４、Ｉｎ_ｚＧａ_１−ｚＮ層１５、ｐ−Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ層１６およびｐ−ＧａＮ層１７は、それぞれの層の発光波長λにおける屈折率をＮとし、膜厚をｄとしたとき、Ｎ×ｄ＝ｍλ／２（ただし、ｍは正の整数）の関係を満足するように、半導体の組成および膜厚が選択されて形成されている。
【００１９】
ｐ側電極１８は、例えば、チタン層２０〜８０ｎｍ、アルミニウム層２０〜８０ｎｍ、チタン層２０〜１００ｎｍ、白金層５０〜２００ｎｍおよび金層１００〜５００ｎｍをこの順に積層したものを用いることができる。発光層からの光はこのｐ側電極１８で反射され、サファイア基板１１側に発光光２０として取り出される構造となっている。
【００２０】
このような発光ダイオードは、例えば、ｎ側電極１９上にさらに金メッキ層を１．５〜４μｍ程度積層してｐ側電極１８面と同じ高さとしたものを、絶縁層を介して金による導出配線が設けられたヒートシンク上に、はんだによりボンディング（いわゆるフリップチップ実装）される。
【００２１】
フリップチップ実装した場合、電極面とヒートシンクとが直接固設されており、放熱が効率良くほぼ均一に行われるため輝度ムラを減少させることができる。さらに、上記各層において、Ｎ×ｄ＝ｍλ／２（ただし、ｍは正の整数）とすることにより、特定波長のみを進行させるので、素子内部での光の干渉を防止することができ、光取り出し効率を４〜５％程度向上させることができる。
【００２２】
なお、サファイア基板１１の厚さは、発振波長×屈折率の数十倍と非常に厚いため、干渉の影響は小さい。しかし、サファイア基板１１の裏面において、エポキシ樹脂を形成した場合はエポキシ樹脂あるいは空気との屈折率差により発光光が反射され、素子内部に戻され、光取り出し効率が低下し、発光量低下の原因となる。このような場合、サファイア基板の発光波長λにおける屈折率の平方根に近い屈折率を有し、かつ吸収の少ない材料によるコーティング、すなわち、薄膜の屈折率Ｎと厚さｄとの積がλ／４の整数倍である層からなる無反射コートを行うことが望ましい。これにより光取り出し効率をさらに数％程度向上させることができる。
【００２３】
また、本実施の形態において、サファイア基板１１とＧａＮバッファ層１２とを除く全ての半導体層について、Ｎｄ＝ｍλ／２としたが、それらの少なくとも１つについて、Ｎｄ＝ｍλ／２としてもよい。
【００２４】
また、本実施の形態において、ｎ−Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層１３を、Ａｌ組成比を変化させたｎ−Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ組成傾斜層（ただし、ｘをＧａＮバッファ層１２側からｎ−Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ層１４側に向かって、０から０．２まで直線的に増加させる）とした場合、ｎ−Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ組成傾斜層の実効的に算出された屈折率と膜厚との積Ｎｄが発光波長の１／２の整数倍となるように、組成と膜厚を調整すればよい。
【００２５】
このような組成傾斜層を設けた素子は、半導体層の界面で生じるバンドオフセットによる抵抗の増大を防止することができる。さらに、本発明により、光の外部取り出し効率を向上させることができるので、発光量を向上させることができ、また発熱を抑えることができる。
【００２６】
なお、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ組成傾斜層は、ｘをＧａＮバッファ層１２側からｎ−Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ層１４側に向かって、０から０．２まで直線的に変化させたもの、あるいは、０から０．２まで階段状（少なくとも５段階程度）に組成比を変化させたものであってもよい。
【００２７】
次に、本発明の第２の実施の形態による発光波長が４７０ｎｍの発光ダイオードについて説明する。その発光ダイオードの断面図を図２に示す。
【００２８】
本実施の形態による発光ダイオードは、図２に示すように、サファイア基板３１上に、ＧａＮバッファ層３２、ＤＢＲミラー３３、ｎ−ＧａＮ層３４およびｐ−ＧａＮ層３６をこの順に積層してなり、ｐ−ＧａＮ層３６の上に形成された透明電極３７およびｐ側電極３８を備え、ｎ−ＧａＮ層３４の一部を露出させた面上に形成されたｎ側電極３９とを備えてなるものである。
【００２９】
ｎ−ＧａＮ層３４およびｐ−ＧａＮ層３６のそれぞれにおいて、発光波長λにおける屈折率をＮとし、膜厚をｄとしたとき、Ｎ×ｄ＝ｍλ／２（ただし、ｍは正の整数）の関係を満足するように、半導体の組成および膜厚が選択されて形成されている。
【００３０】
ＤＢＲミラー３３は、屈折率Ｎと膜厚ｄとの積Ｎｄが発光波長λの１／４の整数倍である高屈折率層ｎ_Ｈと低屈折率層ｎ_Ｌとが複数層交互に積層されてなるものである。
【００３１】
本実施の形態においては、接合面３５からの発光光は、ｎ−ＧａＮ層３４と高屈折率層ｎ_Ｈとの界面、低屈折率層ｎ_Ｌと高屈折率層ｎ_Ｈとの界面で、特定の周波数すなわち発光波長の光のみが反射される。反射した光は透明電極３７から発光光４０として放出される。
【００３２】
透明電極としては、公知のＩＴＯおよびＺｎＯ等を用いることができる。
【００３３】
青紫色発光ダイオードの用途として、例えば、発色する色が異なった少なくとも第１〜第３の感熱発色層が積層され、下層の感熱発色層ほど感熱度が低く、また表面側にある最上層の第１の感熱発色層とその下の第２の感熱発色層に対しては、それぞれ特有な波長域の紫外線による定着性が付与されたカラー感熱記録紙を用い、フルカラープリントが得られるようにしたカラー感熱プリンタの定着用光源を挙げることができる。本発明による発光ダイオードにおいて、各半導体層における組成と膜厚とを、発光波長からずらすことにより、逆にある特性の波長域の干渉を強め、発光波長分布を変更させることができる。すなわち、特定の波長域の発光を抑制することができるので、上記カラー感熱プリンタの最上層の定着時において、第２層目の感熱発色層が定着されることを防止することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態による発光ダイオードを示す断面図
【図２】本発明の第２の実施の形態による発光ダイオードを示す断面図
【符号の説明】
１１　　サファイア基板
１２　　ＧａＮバッファ層
１３　　ｎ−Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層
１４　　ｎ−Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ層
１５　　Ｉｎ_ｚＧａ_１−ｚＮ層
１６　　ｐ−Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ層
１７　　ｐ−ＧａＮ層
１８　　ｐ側電極
１９　　ｎ側電極

Claims

基板上に、発光領域を含む複数の半導体層を積層してなる積層体からなり、前記半導体層の積層面と平行な端面から光が取り出される発光ダイオードにおいて、
少なくとも一つの前記半導体層の、発光波長における屈折率と厚さとの積が、発光波長の１／２の整数倍であることを特徴とする発光ダイオード。
前記少なくとも一つの半導体層が、屈折率を積層方向に変化せしめられてなるものであり、該半導体層の前記屈折率が該半導体層の厚さ方向に亘って実効的に算出されるものであることを特徴とする請求項１記載の発光ダイオード。
前記発光領域に対して前記光が取り出される面と反対側の前記積層体中に、ＤＢＲミラーが設けられていることを特徴とする請求項１または２記載の発光ダイオード。