JP2004158736A

JP2004158736A - 発光素子

Info

Publication number: JP2004158736A
Application number: JP2002324667A
Authority: JP
Inventors: Katsuya Akimoto; 克弥秋元
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2002-11-08
Filing date: 2002-11-08
Publication date: 2004-06-03

Abstract

【課題】光取出層の厚さを最適化することで、光取出効率をさらに向上させた発光素子を提供すること。
【解決手段】少なくとも１層の化合物半導体からなる発光層４を含む発光素子において、屈折率と厚さの積が発光波長の６４分の９以上、且つ６４分の２７以下である層７を少なくとも１層含む構造とする。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光取出効率を向上させた発光素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に屈折率の高い物質から屈折率の低い物質には光が透過しにくい。そのため、屈折率が２〜４前後の化合物半導体で構成される発光素子から屈折率１の空気中に取り出される光は、発光素子内部で生じる光のごく一部に過ぎず、光取出効率はわずか数％となってしまう。
【０００３】
この問題を解決する手段として、発光素子を構成する半導体の周囲を樹脂でモールドする方法が広く用いられている。これは、異なる屈折率を有するふたつの物質の間に、それらのちょうど中間の値となるような屈折率を有する物質を挟み込むと、光の透過率が増加するという物理現象を利用している。樹脂は屈折率が１．５程度とこの条件を満たすため、光取出効率を増加させることが可能なのである。
【０００４】
このように半導体の屈折率と空気の屈折率の中間の値となるような屈折率を有する物質から形成される層（以下、光取出層と称する）を構成する材料は必ずしも樹脂に制限されるものではないが、形成の容易さやコスト等の面から、樹脂が用いられるのが一般的である。
【０００５】
なお、光の取り出し効率を上げるため、発光素子を個別に封止する透明な樹脂の表面側にレンズを形成することも知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
【特許文献１】
特開平５−２９１６２９号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の方法においては、光取出層の厚さについては特に考慮されていなかった。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、光取出層の厚さを最適化することで、光取出効率をさらに向上させた発光素子を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、次のように構成したものである。
【００１０】
請求項１の発明に係る発光素子は、少なくとも１層の化合物半導体からなる発光層を含む発光素子において、屈折率と厚さの積が発光波長の６４分の９以上、且つ６４分の２７以下である層を少なくとも１層含むことを特徴とする。
【００１１】
請求項２の発明は、請求項１に記載の発光素子において、前記発光層が、一般式ＧａＰ_ｘ１Ａｓ_１−ｘ１（０≦ｘ１≦１）、またはＡｌ_ｘ２Ｇａ_１−ｘ２Ａｓ（０≦ｘ２≦１）、または（Ａｌ_ｘ３Ｇａ_１−ｘ３）_ｙＩｎ_１−ｙＰ（０≦ｘ３≦１、０≦ｙ≦１）、またはＡｌ_ｘ４Ｇａ_１−ｘ４Ｎ（０≦ｘ４≦１）、またはＩｎ_ｘ５Ｇａ_１−ｘ５Ｎ（０≦ｘ５≦１）で表される化合物半導体のうち少なくとも１種類の化合物半導体からなることを特徴とする。
【００１２】
請求項３の発明は、請求項１又は２に記載の発光素子において、前記の屈折率と厚さの積が発光波長の６４分の９以上、且つ６４分の２７以下である層が、素子を構成する半導体多層膜の最外層となっていることを特徴とする。
【００１３】
請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の発光素子において、前記の屈折率と厚さの積が発光波長の６４分の９以上、且つ６４分の２７以下である層が、少なくともＩｎを含む材料で構成されていることを特徴とする。
【００１４】
請求項５の発明は、請求項１〜４のいずれかに記載の発光素子において、前記の屈折率と厚さの積が発光波長の６４分の９以上、且つ６４分の２７以下である層が、少なくともＩｎ_２Ｏ_３を含む材料で構成されていることを特徴とする。
【００１５】
＜発明の要点＞
光は波動としての性質を有するため、光取出層の厚さを光の波長程度とすれば、光取出層の透過率は膜厚依存性を示すようになる。そこで、透過率が最大となるように光取出層の膜厚を制御することで、光取出効率の向上を図る点が本発明の要点である。
【００１６】
本発明による発光素子は、半導体の屈折率と空気の屈折率の中間の値となるような屈折率を有する物質から形成される層（光取出層）として、屈折率と厚さの積が発光波長の６４分の９以上、且つ６４分の２７以下である層を少なくとも１層含む。
【００１７】
この光取出層を構成する材料について特に制限はないが、発光素子は電流注入により発光しなければならないため、該光取出層は導電性を有することが望ましい。また、当然ながら発光波長に対し透明であることが望ましい。このような条件を満たす材料として、例えばＩｎ_２Ｏ_３が挙げられる。
【００１８】
本発明による発光ダイオードの発光を構成する化合物半導体について特に制限はないが、一般的な発光素子に応用することを考えると、一般式ＧａＰ_ｘ１Ａｓ_１−ｘ１（０≦ｘ１≦１）、またはＡｌ_ｘ２Ｇａ_１−ｘ２Ａｓ（０≦ｘ２≦１）、または（Ａｌ_ｘ３Ｇａ_１−ｘ３）_ｙＩｎ_１−ｙＰ（０≦ｘ３≦１、０≦ｙ≦１）、またはＡｌ_ｘ４Ｇａ_１−ｘ４Ｎ（０≦ｘ４≦１）、またはＩｎ_ｘ５Ｇａ_１−ｘ５Ｎ（０≦ｘ５≦１）で表される化合物半導体が好ましい。
【００１９】
光取出層が位置する場所について特に制限はないが、光取出効率向上効果を最大限に発揮するには、発光素子の最外層にあることが望ましい。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。
【００２１】
図１に本発明の第一の実施形態にかかわる発光ダイオードの模式図な断面図を示す。
【００２２】
まず、厚さ３００μｍのＳｉドープｎ型ＧａＡｓ基板１上に、Ｓｅドープｎ型ＧａＡｓバッファ層２、Ｓｅドープｎ型（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐクラッド層３、アンドープ（Ａｌ_０．１５Ｇａ_０．８５）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ活性層４、Ｚｎドープｐ型（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐクラッド層５と、Ｚｎドープ型ＧａＡｓ保護層６を順次積層した積層構造の発光素子用ウェハを、有機金属化学的気相成長法で作製した。ここで、このウェハを１２個にわけ、それぞれウェハＡ、ウェハＢ、ウェハＣ、ウェハＤ、ウェハＥ、ウェハＦ、ウェハＧ、ウェハＨ、ウェハＩ、ウェハＪ、ウェハＫ、ウェハＬとした。
【００２３】
次に、（Ｃ_７Ｈ_１５ＣＯＯ）Ｉｎと（Ｃ_７Ｈ_１５ＣＯＯ）ＳｎをＳｎ／Ｉｎ比が８％となるように混合し、リノール酸を加えてベンゼンで希釈し、ＳｎドープＩｎ_２Ｏ_３前駆体を得た。この前駆体をウェハＡを除く５枚のウェハのＧａＡｓ保護層６上にスプレー法にて塗布し、６００℃で２０分間の熱処理を施して、光取出層としてのＳｎドープＩｎ_２Ｏ_３層７を積層した。
【００２４】
次いで、Ｉｎ_２Ｏ_３層（光取出層）７上に、上部電極８、ＧａＡｓ基板１上に下部電極９を形成し、以て、発光層たる活性層４の両側にクラッド層３、５を有するダブルヘテロ構造のＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオードを得た。
【００２５】
このとき、ウェハＢ、ウェハＣ、ウェハＤ、ウェハＥ、ウェハＦ、ウェハＧ、ウェハＨ、ウェハＩ、ウェハＪ、ウェハＫ、ウェハＬへのスプレー回数は、それぞれ４０回、８０回、１２０回、１６０回、２００回、２４０回、３６０回、４８０回、６００回、７２０回、８４０回とし、各ウェハのＩｎ_２Ｏ_３層（光取出層）の厚さが異なるようにした。
【００２６】
このようにして作製した発光ダイオードの上部電極８にそれぞれワイヤ１０をボンディングして２０ｍＡの電流を通電し、光パワーメータで発光出力を測定した。また、Ｉｎ_２Ｏ_３層（光取出層）７を形成しなかったウェハＡはＧａＡｓ保護層６上に直接上部電極８を形成し、ウェハＢ等と同様に通電電流２０ｍＡにおける発光出力を測定した。
【００２７】
さらに、発光出力測定後、各ウェハの断面を電子顕微鏡で観察し、Ｉｎ_２Ｏ_３層（光取出層）の厚さを求めた。これらの結果を表１及び図２にまとめて示す。また、上記で作製した１２個の発光ダイオードの、Ｉｎ_２Ｏ_３膜（光取出層）の屈折率は全て２．０であった。発光波長を測定したところピーク波長は全て６４０ｎｍであった。
【００２８】
【表１】

【００２９】
光取出層がないウェハＡの発光素子に比べ、光取出層を形成したウェハＢ〜Ｌの発光素子は全て発光出力が増加している。これは、Ｉｎ_２Ｏ_３層が光取出層として機能していることを示している。表１及び図２にからわかるように、特にウェハＣ、Ｄ、Ｅの発光素子（実施例）で著しく発光出力の向上が認められる。そしてＩｎ_２Ｏ_３膜厚が増加するにしたがって、発光出力は約４．５ｍＷへと収束してゆくことがわかる。
【００３０】
ウェハＣ、Ｄ、Ｅの発光素子（実施例）の光取出層となるＩｎ_２Ｏ_３膜厚と屈折率の積は、それぞれ１２２ｎｍ、１８０ｎｍ、２３８ｎｍであり、これらの値は発光波長６４０ｎｍの６４分の９以上、且つ６４分の２７以下、すなわち９０ｎｍ以上２７０ｎｍ以下という条件を満たす本発明に関わる発光素子である。
【００３１】
これに対し、ウェハＧ〜Ｌの発光素子（比較例）はＩｎ_２Ｏ_３膜厚の最適化がされておらず、従来程度の発光出力の向上の効果しか得られていない。これは従来型の発光素子であるといえる。
【００３２】
特にウェハＧの発光素子では発光出力が低下するが、これはＩｎ_２Ｏ_３膜厚の厚さが、むしろ光取出を阻害する反射膜として最適化されてしまっているためと考えられる。
【００３３】
一方、ウェハＨの発光素子においてやや優れた発光出力の向上が見られるのは、二次回折光に対して厚さが最適化されているためと考えられる。ただし、二次回折光は一次回折光に比べ強度が落ちるので、その効果は小さい。
【００３４】
膜厚が増加するにつれて発光出力が一定の値に収束していくのは、薄膜としての効果が失われていくためであると理解できる。
【００３５】
なお、半導体薄膜における光の挙動については、「光工学ハンドブック」（小瀬他、朝倉書店（１９８６））に記載されている。また、Ｉｎ_２Ｏ_３層のドーパントとしてＳｎが最適であることは、例えば「薄膜ハンドブック」（日本学術振興会薄膜第１３１委員会編、オーム社（１９８３））に記載されている。
【００３６】
本発明における光取出効率向上効果は、薄膜における光の一次回折を利用したものである。したがって、当然ながら二次回折光や三次回折光に対しても同様の効果を得ることが可能ではあるが、上記試作例の検討からわかるように、二次回折光に対してはその効果は極めて小さい。光の性質を考慮すれば、三次以降の回折光に対してもほとんど効果がないことは自明である。
【００３７】
さらに、二次以降の回折光に対応するには膜厚が増加してしまうため、光吸収や電流注入の阻害等の悪影響を考慮すれば、一次回折光に対する最適化条件が最も望ましいといえる。
【００３８】
上記実施例では光取出層がＳｎドープＩｎ_２Ｏ_３層である場合について述べたが、光取出層を構成する物質は必ずしもＩｎ_２Ｏ_３層である必要はなく、光を発生する半導体層と空気の屈折率の中間の屈折率を有する物質であればよい。また、発光波長はかならずしも可視光領域である必要はなく、紫外領域や赤外領域にあってもよい。
【００３９】
本発明による発光素子は、照明機器、液晶用バックライト、各種インジケータ、表示パネル等のデバイスに応用することができる。従来型の発光素子よりも光取出効率が向上していることを考慮すると、バッテリ等で駆動する携帯機器への応用が考えられる。
【００４０】
【発明の効果】
本発明によれば、少なくとも１層の化合物半導体からなる発光層を含む発光素子において、屈折率と厚さの積が発光波長の６４分の９以上、且つ６４分の２７以下である層を少なくとも１層設けているので、これにより従来よりも光取出効率を向上させた発光素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態にかかわる発光ダイオードの模式図的な断面図である。
【図２】Ｉｎ_２Ｏ_３膜厚と発光出力の関係を示す図である。
【符号の説明】
１ｎ型ＧａＡｓ基板
２ｎ型ＧａＡｓバッファ層
３ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層
４アンドープＡｌＧａＩｎＰ活性層（発光層）
５ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層
６ｐ型ＧａＡｓ保護層
７Ｉｎ_２Ｏ_３層（光取出層）

Claims

少なくとも１層の化合物半導体からなる発光層を含む発光素子において、
屈折率と厚さの積が発光波長の６４分の９以上、且つ６４分の２７以下である層を少なくとも１層含むことを特徴とする発光素子。
前記発光層が、一般式ＧａＰ_ｘ１Ａｓ_１−ｘ１（０≦ｘ１≦１）、またはＡｌ_ｘ２Ｇａ_１−ｘ２Ａｓ（０≦ｘ２≦１）、または（Ａｌ_ｘ３Ｇａ_１−ｘ３）_ｙＩｎ_１−ｙＰ（０≦ｘ３≦１、０≦ｙ≦１）、またはＡｌ_ｘ４Ｇａ_１−ｘ４Ｎ（０≦ｘ４≦１）、またはＩｎ_ｘ５Ｇａ_１−ｘ５Ｎ（０≦ｘ５≦１）で表される化合物半導体のうち少なくとも１種類の化合物半導体からなることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
前記の屈折率と厚さの積が発光波長の６４分の９以上、且つ６４分の２７以下である層が、素子を構成する半導体多層膜の最外層となっていることを特徴とする請求項１又は２に記載の発光素子。
前記の屈折率と厚さの積が発光波長の６４分の９以上、且つ６４分の２７以下である層が、少なくともＩｎを含む材料で構成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の発光素子。
前記の屈折率と厚さの積が発光波長の６４分の９以上、且つ６４分の２７以下である層が、少なくともＩｎ_２Ｏ_３を含む材料で構成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の発光素子。