JP2005136033A

JP2005136033A - 半導体発光素子

Info

Publication number: JP2005136033A
Application number: JP2003368642A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Ogawa; 雅弘小川
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-10-29
Filing date: 2003-10-29
Publication date: 2005-05-26

Abstract

【課題】反射層における光に対する反射が入射角に依存することを抑制して、活性層から発光された光を外部へ効率良く取り出すことができる半導体発光素子を提供する。
【解決手段】半導体発光素子は、ｃ面を主面とするサファイア基板１と、サファイア基板１の上に形成され、発光する活性層６と、活性層６からの光を反射する反射層とを有する。反射層は、活性層６からの光に対して互いに異なる反射率特性を有する第１の反射層３及び第２の反射層４よりなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体発光素子に関する。

近年、紫外領域から赤色領域までの波長領域において発光するＬＥＤ又はＬＤ等の発光素子の材料として窒化物半導体が有望視されている。

以下に、窒化物半導体を発光素子の材料として用いた従来に係る第１の半導体発光素子の構造について、図５を参照しながら説明する（例えば、特許文献１参照）。

図５に示すように、サファイア基板１００の上には、図示していないバッファ層を介して、ｎ型のＧａＮ膜よりなるｎ型コンタクト層１０１が形成されている。ｎ型コンタクト層１０１の上には、ＩｎＧａＮ膜よりなる活性層１０２が形成されており、該活性層１０２の上には、ｐ型のＡｌＧａＮ膜よりなるｐ型クラッド層１０３とｐ型のＧａＮ膜よりなるｐ型コンタクト層１０４とが下から順に積層されている。ｎ型コンタクト層１０１の上にはｎ型電極１０５が形成されていると共に、ｐ型コンタクト層１０４の上にはｐ型電極１０６が形成されており、ｎ型電極１０５とｐ型電極１０６との間に電圧を印加することにより、活性層１０２が発光する。

ところで、図５に示した半導体発光素子においては、活性層１０２から発光される全ての光を半導体発光素子の外部に取り出すことができない。なぜなら、活性層１０２から発光される光は等方的に広がるので、光のエネルギーよりもバンドギャップが小さい半導体層、サファイア基板１００又はｎ型及びｐ型電極１０５及び１０６等によって吸収されてしまうからである。さらに、屈折率が大きい領域から屈折率が小さい領域に光が入射するとき、光の入射角が臨界角よりも大きいと光は全反射し、全反射した光は半導体発光素子の内部で反射を繰り返して減衰するからである。

このため、活性層から発光される光を半導体発光素子の外部へ取り出す効率を向上させる目的で、半導体発光素子の内部に反射領域を設ける手法、活性層からの光が全反射を起こさないように基板を加工する手法、又は活性層からの光を吸収する吸収層を除去する手法等が実際に利用されている。

以下に、内部に反射領域を設けた従来に係る第２の半導体発光素子の構造について、図６を参照しながら説明する。

図６に示すように、サファイア基板２００の上には、図示していないバッファ層を介して、ｎ型のＧａＮ膜よりなるｎ型コンタクト層２０１が形成されている。該ｎ型コンタクト層２０１の上には、半導体多層膜よりなる反射層２０２が形成されている。

反射層２０２の上には、ｎ型のＧａＮ膜よりなるｎ型クラッド層２０３が形成されており、該ｎ型クラッド層２０３の上には、ＩｎＧａＮ膜よりなる活性層２０４が形成されている。活性層２０４の上には、ｐ型のＡｌＧａＮ膜よりなるｐ型クラッド層２０５とｐ型のＧａＮ膜よりなるｐ型コンタクト層２０６が下から順に積層されている。

ｎ型コンタクト層２０１の上にはｎ型電極２０７が形成されていると共に、ｐ型コンタクト層２０６の上にはｐ型電極２０８が形成されており、ｎ型電極２０７とｐ型電極２０８との間に電圧を印加することにより、活性層２０４が発光する。

活性層２０４の下に形成されている反射層２０２は、活性層２０４からサファイア基板２００の方向へ発光される光を反射する役割をする。また、反射層２０２の膜厚がブラッグ条件を満たすように反射層２０２を形成することにより、反射層２０２は非常に高い反射率を有する反射ミラーとして機能するので、活性層２０４から発光された光を効率良く上方へ反射させることができる。
特開２００１−７３９９号公報

ところで、従来に係る第２の半導体発光素子において、活性層２０４からサファイア基板２００の方向へ発光される光のうち、反射層２０２に対して垂直に進行する光のほとんどは反射層２０２によって反射されて外部へ有効に取り出すことができる。しかしながら、反射層２０２は、活性層２０４からサファイア基板２００の方向へ発光される光のうち、反射層２０２の法線方向に対して斜めの角度を持って進行する光に対する反射率は極端に低い。このため、活性層２０４から発光された光を外部へ有効に取り出すことはできなかった。

前記に鑑み、本発明の目的は、活性層から発光された光を外部へ効率良く取り出すことができる半導体発光素子を提供することである。

前記の課題を解決するために、本発明の半導体発光素子は、半導体基板と、半導体基板の上に形成され、発光する活性層と、活性層からの光を反射する反射層とを有する半導体発光素子において、反射層は、活性層からの光に対して互いに異なる反射率特性を有する第１の反射層及び第２の反射層よりなることを特徴とする。

本発明の半導体発光素子によると、活性層からの光に対して互いに異なる反射率特性を有する第１の反射層と第２の反射層とを有していることにより、反射層全体として活性層からの光に対する反射が入射角に依存することを抑制できるため、活性層からの光に対して反射層全体としての反射率が上昇するので、活性層から発光された光を外部へ効率良く取り出すことができる。

本発明の半導体発光素子において、第１の反射層は、活性層からの光のうち、第１の反射層に対して垂直に入射される第１の光に対して最大の反射率を有し、第２の反射層は、活性層からの光のうち、第２の反射層の法線方向に対して角度α（０°＜α＜９０°）で入射される第２の光に対して最大の反射率を有することが好ましい。

このようにすると、第１の反射層によって、活性層からの光のうち反射層に対して垂直（入射角９０度）に入射する光のほとんどを反射すると共に、第２の反射層によって、活性層からの光のうち反射層に対して斜め方向（入射角α）に入射する光のほとんどを反射するため、反射層全体として活性層からの光に対する反射が入射角に依存することを抑制できるので、活性層からの光に対して反射層全体としての反射率を上昇させることができる。このため、活性層から発光された光を外部へ効率良く取り出すことができる。

本発明の半導体発光素子において、第１の反射層は、第１の屈折率ｎ_Aを有する第１の膜と、第１の屈折率ｎ_Aとは異なる第２の屈折率ｎ_Bを有する第２の膜とが周期的に積層されてなる多層膜であり、活性層からの光の波長をλとすると、第１の膜の膜厚ｄ_Aは、式λ／４ｎ_Aで表され、第２の膜の膜厚ｄ_Bは、式λ／４ｎ_Bで表されることが好ましい。

このようにすると、第１の反射層を構成する第１の膜の膜厚及び第２の膜の膜厚は、それぞれブラッグの反射条件を満たすので、第１の反射層は、活性層からの光のうち、第１の反射層に対して垂直に入射される光に対して最大の反射率を得ることができる。

本発明の半導体発光素子において、第２の反射層は、第１の屈折率ｎ_Aを有する第１の膜よりなると共に膜厚ｄ_Cを有する第３の膜と、第２の屈折率ｎ_Bを有する第２の膜よりなると共に膜厚ｄ_Dを有する第４の膜とが周期的に積層されてなる多層膜であり、第３の膜の膜厚ｄ_Cは、式ｄ_A／cosαで表され、第４の膜の膜厚ｄ_Dは、式ｄ_B／cosαで表されることが好ましい。

このようにすると、第１の反射層を構成する第３の膜の膜厚及び第４の膜の膜厚のそれぞれは、ブラッグの反射条件を満たす第１の膜の膜厚及び第２の膜の膜厚のそれぞれをcosαで割った値に設定しているので、第２の反射層は、活性層からの光のうち、第２の反射層の法線方向に対して角度α（０°＜α＜９０°）で入射される光に対して最大の反射率を得ることができる。これにより、反射層全体として活性層からの光に対する反射が入射角に依存することを抑制できるめ、活性層からの光に対して反射層全体としての反射率を上昇させることができるので、活性層から発光された光を外部へ効率良く取り出すことができる。

本発明の半導体発光素子において、角度αは、第１の反射層の第１の光に対する反射率Ｒと、第２の反射層の第２の光に対する反射率Ｒαとの関係が、Ｒα／Ｒ≦０．８を満たす角度であることが好ましい。

このようにすると、角度αが、反射率Ｒに対する反射率Ｒαの割合が８０％以下になる角度であれば、幅広い範囲の角度で入射される光に対して第１の反射層と第２の反射層の全体としての反射率を高めることができるので、活性層からの光を外部へ効率良く取り出すことができる。一方で、角度αが、反射率Ｒに対する反射率Ｒαの割合が８０％よりも大きくなる角度であれば、第２の反射層をわざわざ設ける意義が乏しいからである。

本発明の半導体発光素子において、角度αは、第２の光が第２の反射層に入射されたときに、第２の光が第２の反射層に対して全反射する臨界角よりも小さいことが好ましい。

このようにすると、第２の反射層によって入射角αで入射された光を反射した場合に、反射された光が第２の反射層の上に形成されている膜内から半導体発光素子の外部へ取り出すことができなくなることを防止できる。

本発明の半導体発光素子において、活性層は、ＡｌＧａＩｎＮ膜よりなることが好ましい。

本発明の半導体発光素子において、第１の反射層及び第２の反射層は、半導体膜の積層膜であることが好ましい。

本発明の半導体発光素子において、半導体膜は、ＡｌＧａＩｎＮ膜よりなることが好ましい。

以下に、本発明の一実施形態について、図１〜図４を参照しながら説明する。

まず、本発明の一実施形態に係る半導体発光素子の構造について、図１を参照しながら説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る半導体発光素子の構造の一例を模式的に示した断面図である。

図１に示すように、ｃ面を主面とするサファイア基板１上に、図示していないＧａＮ膜よりなるバッファ層を介して、ｎ型のＧａＮ膜よりなるｎ型コンタクト層２が形成されている。該ｎ型コンタクト層２の上には、第１の反射層３及び第２の反射層４が下から順に形成されている。第２の反射層４の上には、ｎ型のＧａＮ膜よりなるｎ型クラッド層５が形成されている。該ｎ型クラッド層５の上には、ＩｎＧａＮ膜よりなる活性層６が形成されている。該活性層６の上には、ｐ型のＡｌＧａＮ膜よりなるｐ型クラッド層７とｐ型のＧａＮ膜よりなるｐ型コンタクト層８とが下から順に形成されている。

また、ｎ型コンタクト層２におけるサファイア基板１側と反対側の露出部にはｎ型電極９が形成されており、ｐ型コンタクト層８におけるサファイア基板１側と反対側の露出部にはｐ型電極１０が形成されている。

次に、活性層６から発光された光を反射する反射層としての第１の反射層３及び第２の反射層４について説明する。

第１に、第１の反射層３について説明する。

第１の反射層３は、図示はしていなが、第１の屈折率ｎ_A及び膜厚ｄ_Aを有する第１の膜と、第１の屈折率ｎ_Aとは異なる第２の屈折率ｎ_B及び膜厚ｄ_Bを有する第２の膜とが周期的に積層されてなる多層膜であり、具体的には、ｎ型のＧａＮ膜（第１の膜）とｎ型のＡｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ膜（第２の膜）とが交互に４０周期分積層されてなる多層膜である。

また、ｎ型のＧａＮ膜の膜厚（ｄ_A）は一層当たり４７ｎｍとなるように設計しており、この膜厚（ｄ_A）は、活性層６からの光の波長をλとすると、式λ／４ｎ_Aで表される関係を満たす値に設定している。これは、ｎ型のＧａＮ膜の膜厚（ｄ_A）が、式ｄ_A＝λ／４ｎ_Aの関係を満たせば、ｎ型のＧａＮ膜が高い反射率を実現するブラッグ反射ミラーとして機能するからである。

また、ｎ型のＡｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ膜の膜厚（ｄ_B）は一層当たり４５ｎｍとなるように設計しており、この膜厚（ｄ_B）は、活性層６からの光の波長をλとすると、式λ／４ｎ_Bで表される関係を満たす値に設定している。これは、ｎ型のＡｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ膜の膜厚（ｄ_B）が、式ｄ_A＝λ／４ｎ_Bの関係を満たせば、ｎ型のＧａＮ膜が高い反射率を実現するブラッグ反射ミラーとして機能するからである。

このようにすると、第１の反射層３は、活性層６からのう光のうち、第１の反射層３に対して垂直に入射される光（第１の光）に対して最大の反射率を有する。

図２は、第１の反射層３が有する反射率の入射光に対する角度依存性を示している。

図２から明らかなように、活性層６から発光された光が第１の反射層３の法線方向に対する入射角が１０度を超えると、第１の反射率は、最大の反射率（第１の反射層３に対して垂直に入射されるときの反射率）の８０％以下にまで低下することになる。

第２に、第２の反射層４について説明する。

第２の反射層４は、図示していないが、第１の屈折率ｎ_Aを有する第１の膜よりなる膜厚ｄ_Cの第３の膜と、第２の屈折率ｎ_Bを有する第２の膜よりなる膜厚ｄ_Dの第２の膜とが周期的に積層されてなる多層膜であり、具体的には、ｎ型のＧａＮ膜（第３の膜）とｎ型のＡｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ膜（第４の膜）とが交互に４０周期分積層されてなる多層膜である。

ところで、光が媒質中を伝播する時の位相の変化を表現する位相膜厚δは、膜の屈折率をＮ、膜の厚さをｄ、及び反射層の法線方向に対する入射角をθとした場合に、一般的に、
式：δ=（２πＮｄcosθ）／λ
によって表される。

一方、膜の光吸収が無いとして、膜の法線方向に対する光の入射角がαである場合に、膜厚ｄが、
式：ｄ＝λ／（４Ｎ×cosα）
で表されると考えると、位相膜厚δは、
式：δ=（２πＮｄcosθ）／λ=（π／２）×（cosθ／cosα）
によって表すことができる。

ここで、光の入射角について、θとαとが等しくなるとき、位相膜厚δが、
式：δ=π／２
で表されるように、境界面における反射光の位相が揃うので、反射率が最大となる。このため、膜の法線方向に対する入射角がαである光に対して膜の反射率を最大にするためには、膜に対して垂直に入射する光がブラッグ条件を満たす膜厚をcosαで割った値を膜厚に設定すればよいことが分かる。

従って、本実施形態において、第２の反射層４を構成する第３の膜の膜厚ｄ_Cは、式ｄ_A／cosαとなるように設計すると共に、第２の反射層４を構成する第４の膜の膜厚ｄ_Dは、式ｄ_B／cosαとなるように設計する。

具体的には、活性層６からの光が第２の反射層４の法線方向に対して例えば角度１５度で入射される光に対して、第２の反射層４が最大の反射率を有するように設計するとすると、ｎ型ＧａＮ層（第３の膜）の膜厚（ｄ_C）は、一層当たり、ｄ_A／cos１５°を計算して、４９ｎｍとすると共に、Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ膜（第４の膜）の膜厚（ｄ_D）は、一層当たり、ｄ_B／cosαを計算して、４７ｎｍとしている。

図３は、活性層６から発光された光の第２の反射層４の法線方向に対する入射角度と第２の反射層４の反射率との関係を示している。

図３から明らかなように、第２の反射層４は、入射角度が９度〜１７度の範囲で、８０％を超える反射率を達成している。

図４は、活性層６から発光される光の入射角度と第１の反射層３及び第２の反射層４の反射率との関係を示している。

図４から明らかなように、入射角度が９度〜１７度の範囲で入射される光のほとんどは第２の反射層４によって反射されると共に、入射角度が９度未満で入射される光のほとんどは、第１の反射層３によって反射される。このように、第１の反射層３と第２の反射層４とを積層することにより、入射角度が０度〜１７度の範囲で入射される光を効率良く反射することができる。

また、本実施形態の図１に示した半導体発光素子において、ｐ型電極１０とｎ型電極９との間に電圧を加えると、例えば従来例に示した１つの反射層を有する半導体発光素子の場合に比べて、本実施形態に係る半導体発光素子は発光効率を３０％増加させることができた。

尚、本実施形態において、第２の反射層４の反射率（Ｒα）が最大となる入射角αとして、第１の反射層３に垂直入射する光に対する第１の反射層３の反射率（Ｒ）と、第２の反射層４の反射率（Ｒα）との関係が、Ｒα／Ｒ≦０．８を満たすような角度に設定することが好ましい。このように、角度αを、反射率Ｒに対する反射率Ｒαの割合が８０％以下に低下する角度以上に設定すると、幅広い範囲の角度で入射される光に対する反射層全体（第１の反射層３及び第２の反射層４）の反射率を高めることができることが実験の結果から明らかになっており、一方、角度αを、反射率Ｒに対する反射率Ｒαの割合が８０％よりも大きくなる角度に設定すると、第１の反射層３の他に第２の反射層４を設ける意義が乏しくなるからである。

また、本実施形態において、第２の反射層４の反射率が最大となる入射角αの上限としては、活性層６からの光を半導体発光素子の外部に取り出すことができるように、臨界角よりも小さい角度であることが望ましい。なぜなら、本実施形態に係る半導体発光素子によると、第２の反射層４に入射する角度αが臨界角よりも大きな角度で入射される光に対しても効率良く反射することはできるが、反射された光についても臨界角よりも大きな角度を持つことになるので、反射された光は、結局、半導体発光素子の外部に取り出すことができないからである。

また、本実施形態において、第１の反射層３及び第２の反射層４は、サファイア基板１と活性層６との間に形成しているが、活性層６から見てサファイア基板１が形成されている側と反対側に形成してもよい。この場合、各層をｐ型にすることによって、電流注入することができるので好ましく、さらに、基板側から光を取り出すことになるので、使用する基板としては活性層６からの光に対して透明であることが好ましい。

また、本実施形態において、第１の反射層３と第２の反射層４との２つの反射ミラーを用いた場合について説明したが、３つ以上の複数の反射ミラーを用いることによって、より幅広い範囲の角度で入射される光に対する反射率を向上させることができる。

以上のように、本発明の一実施形態に係る半導体発光素子によると、活性層６からの光に対して互いに異なる反射率特性を有する第１の反射層３と第２の反射４層とを有していることにより、反射層全体として活性層からの光に対する反射が入射角に依存することを抑制できるため、活性層６からの光に対して反射層全体としての反射率が上昇するので、活性層６から発光された光を外部へ効率良く取り出すことができる。

また、第１の反射層３は、活性層６からの光のうち、第１の反射層に対して垂直に入射される光に対して最大の反射率を有すると共に、第２の反射層４は、活性層６からの光のうち、第２の反射層の法線方向に対して角度１５°で入射される光に対して最大の反射率を有する。このため、前述の通り、第１の反射層３によって、活性層６からの光のうち第１の反射層３に対して垂直に入射する光のほとんどを反射すると共に、第２の反射層４によって、活性層６からの光のうち第２の反射層４に対して斜め方向に入射する光のほとんどを反射するため、反射層全体として活性層６からの光に対する反射が入射角に依存することを抑制できるので、活性層６からの光に対して反射層全体としての反射率を上昇させることができる。このため、活性層６から発光された光を外部へ効率良く取り出すことができる。

本発明に係る半導体発光素子によると、活性層からの光に対して互いに異なる反射率特性を有する第１の反射層と第２の反射層とを有していることにより、反射層全体として活性層からの光に対する反射が入射角に依存することを抑制できるため、活性層からの光に対して反射層全体としての反射率が上昇するので、活性層から発光された光を外部へ効率良く取り出すことができる。このため、本発明は、半導体発光素子の発光効率を向上させる技術として有用である。

本発明の一実施形態に係る半導体発光素子の構造の一例を示す断面図である。第１の反射層と活性層からの入射角との関係図である。第２の反射層と活性層からの入射角との関係図である。第１及び第２の反射層と活性層からの入射角との関係図である。従来に係る第１の半導体発光素子の断面図である。従来に係る第２の半導体発光素子の断面図である。

符号の説明

１サファイア基板
２ｎ型コンタクト層
３第１の反射層
４第２の反射層
５ｎ型クラッド層
６活性層
７ｐ型クラッド層
８ｐ型コンタクト層
９ｎ型電極
１０ｐ型電極

Claims

半導体基板と、
前記半導体基板の上に形成され、発光する活性層と、
前記活性層からの光を反射する反射層とを有する半導体発光素子において、
前記反射層は、前記活性層からの光に対して互いに異なる反射率特性を有する第１の反射層及び第２の反射層よりなることを特徴とする半導体発光素子。
前記第１の反射層は、前記活性層からの光のうち、前記第１の反射層に対して垂直に入射される第１の光に対して最大の反射率を有し、
前記第２の反射層は、前記活性層からの光のうち、前記第２の反射層の法線方向に対して角度α（０°＜α＜９０°）で入射される第２の光に対して最大の反射率を有することを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
前記第１の反射層は、第１の屈折率ｎ_Aを有する第１の膜と、前記第１の屈折率ｎ_Aとは異なる第２の屈折率ｎ_Bを有する第２の膜とが周期的に積層されてなる多層膜であり、
前記活性層からの光の波長をλとすると、
前記第１の膜の膜厚ｄ_Aは、式λ／４ｎ_Aで表され、
前記第２の膜の膜厚ｄ_Bは、式λ／４ｎ_Bで表されることを特徴とする請求項２に記載の半導体発光素子。
前記第２の反射層は、前記第１の屈折率ｎ_Aを有する前記第１の膜よりなると共に膜厚ｄ_Cを有する第３の膜と、前記第２の屈折率ｎ_Bを有する前記第２の膜よりなると共に膜厚ｄ_Dを有する第４の膜とが周期的に積層されてなる多層膜であり、
前記第３の膜の膜厚ｄ_Cは、式ｄ_A／cosαで表され、
前記第４の膜の膜厚ｄ_Dは、式ｄ_B／cosαで表されることを特徴とする請求項３に記載の半導体発光素子。
前記角度αは、前記第１の反射層の前記第１の光に対する反射率Ｒと、前記第２の反射層の前記第２の光に対する反射率Ｒαとの関係が、Ｒα／Ｒ≦０．８を満たす角度であることを特徴とする請求項２に記載の半導体発光素子。
前記角度αは、前記第２の光が前記第２の反射層に入射されたときに、前記第２の光が前記第２の反射層に対して全反射する臨界角よりも小さいことを特徴とする請求項２に記載の半導体発光素子。
前記活性層は、ＡｌＧａＩｎＮ膜よりなることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
前記第１の反射層及び前記第２の反射層は、半導体膜の積層膜であることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
前記半導体膜は、ＡｌＧａＩｎＮ膜よりなることを特徴とする請求項８に記載の半導体発光素子。