JP2005191220A - 半導体発光素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 素子表面における発光光の反射が良好に抑制された半導体発光素子およびその製造方法を提供する。
【解決手段】 ウインドウ層１５と保護層２０との間には、これら各層の屈折率の間の中間的な屈折率を有する光透過性層１９が設けられている。光透過性層１９の屈折率ｎ₂は、例えば、両層の屈折率の相乗平均の±２０％以内にある。また、光透過性層１９の厚みＴは、例えば、{（λ／４ｎ₂）×（２ｍ＋１）−（λ／８ｎ₂）≦Ｔ≦（λ／４ｎ₂）×（２ｍ＋１）＋（λ／８ｎ₂）}［ここで、λは発光光の波長を示し、ｍは０以上の正の整数を示す。］を満たす。
【選択図】 図１

Description

本発明は、発光ダイオード、半導体レーザ等の半導体発光素子およびその製造方法に関する。

発光ダイオード、半導体レーザ等の半導体発光素子において、輝度の向上には、発光素子の活性層で発光した光をいかに素子外部に効率よく取り出すかが極めて重要である。すなわち、発光素子表面での光の反射をできる限り抑制して、発光光を素子外部に出射させ、いわゆる光取り出し効率を増大させる必要がある。

発光素子表面での光の反射を抑制して光取り出し効率を増大させる手段として、発光素子表面での全反射を抑制する方法がある。具体的には、素子表面で出射または全反射される光の割合は、素子の表面層と外部（透明保護層等）との屈折率で決定される。表面層と外部との屈折率の差が小さいほど臨界角が大きくなる。ここで、臨界角とは、表面層と外部との界面に対する光の入射角をいう。また、表面層の屈折率をｎ₁₁とし、外部の屈折率をｎ₁₂とすると、臨界角θは下記数式１で表される。
（数式１）
θ＝ｓｉｎ^-1（ｎ₁₁／ｎ₁₂）

上記数式１よりわかるように、表面層の屈折率ｎ₁₁と外部の屈折率ｎ₁₂との差が小さいほど、すなわち、その比ｎ₁₁／ｎ₁₂が１に近いほど、臨界角θは大きい（９０°に近い）値となる。臨界角θよりも入射角の大きな光は界面で全反射され、出射されない。したがって、屈折率の差が小さいほど全反射される光の割合は低く、光はより多く外部に取り出され、結果、光取り出し効率は高いものとなる。

しかし、一般的な発光素子は、屈折率が２〜４のガリウム−ヒ素等から構成される表面層を、屈折率１．５程度の樹脂でモールドして形成されている。このように表面層とその外部との屈折率は比較的大きいことから、光取り出し効率は比較的低く、光取り出し効率を向上させるための手法が種々開発されている。

このような手法の１つとして、光取り出し面上に、表面に凹凸を有する光散乱層を形成する技術がある（特許文献１および２参照）。このように表面に凹凸を有する光散乱層を形成することにより、光散乱層表面での光の全反射が抑制され、光を素子外部に効率よく取り出せることが期待される。
特開平１０−１６３５２５号公報 特開平１１−４６００５号公報

しかし、このような散乱層の形成は、加工性、再現性等の観点から問題がある。例えば、上記特許文献１に開示されている光散乱層の形成方法では、散乱粒子を均一に分散配置させる必要がある。また、上記特許文献２に開示されている光散乱層の形成方法では、液状膜中に気泡を均一に分散させる必要がある。しかし、これらを再現性よく行い、均一性の高い所望の輝度を有する発光素子を歩留まりよく製作することは極めて難しい。
また、光取り出し面に直接凹凸を形成する方法も考えられるが、やはり加工性の点で問題があり、凹凸の形成により発光素子の電気的特性に悪影響を与えるおそれもある。

このように、従来より、素子表面における光の反射が良好に抑制されて素子表面からの光取り出し効率が高く、良好な加工性および再現性で製造可能な半導体発光素子およびその製造方法が求められていた。

上記事情を鑑みて、本発明は、光取り出し効率が高く、良好な加工性および再現性で製造可能な半導体発光素子およびその製造方法を提供することを目的とする。
また、本発明は、素子表面における発光光の反射が良好に抑制された半導体発光素子およびその製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の第１の観点にかかる半導体発光素子は、
光取り出し面を構成する半導体層と、
前記半導体層上に設けられた第１の光透過性層と、
前記第１の光透過性層上に設けられた第２の光透過性層と、
を備え、
前記第１の光透過性層の屈折率ｎ₂は、{（ｎ₁×ｎ₃）^1/2×０．８}以上、{（ｎ₁×ｎ₃）^1/2×１．２}以下［ここで、ｎ₁は前記半導体層の屈折率を示し、ｎ₃は前記第２の光透過性層の屈折率を示す。］の範囲にあり、
前記第１の光透過性層の厚みは、{（λ／４ｎ₂）×（２ｍ＋１）−（λ／８ｎ₂）以上、（λ／４ｎ₂）×（２ｍ＋１）＋（λ／８ｎ₂）}以下［ここで、λは発光光の波長を示し、ｍは０以上の正の整数を示す。］の範囲にある、ことを特徴とする。

上記構成の半導体発光素子において、前記第１の光透過性層は、屈折率がそれぞれ異なる複数の層を積層して構成されていてもよく、
各層の屈折率ｎ_2jは、半導体層側で隣接する層の屈折率ｎ_2iと、第２の光透過性層側で隣接する層の屈折率ｎ_2kと、の間の範囲にある。
この場合、前記層の屈折率ｎ_2jは、例えば、{（ｎ_2i×ｎ_2k）^1/2×０．８}以上、{（ｎ_2i×ｎ_2k）^1/2×１．２}以下の範囲にある。
また、前記層の厚みは、{（λ／４ｎ_2j）×（２ｌ＋１）−（λ／８ｎ_2j）}以上、{（λ／４ｎ_2j）×（２ｌ＋１）＋（λ／８ｎ_2j）}以下［ここで、λは発光光の波長を示し、ｌは０以上の正の整数を示す。］の範囲にあることが好ましい。

上記構成の半導体発光素子において、前記第２の光透過性層は保護膜または大気から構成されてもよい。

上記構成の半導体発光素子において、前記第１の光透過性層は、例えば、無機誘電体材料から構成される。この場合、第１の光透過性層と半導体層との剥離等は防止され、長期にわたる高い信頼性が得られる。

上記目的を達成するため、本発明の第２の観点にかかる半導体発光素子の製造方法は、
光取り出し面を構成する半導体層と、前記半導体層上に設けられた第１の光透過性層と、前記第１の光透過性層上に設けられた第２の光透過性層と、を備える半導体発光素子の製造方法であって、
前記第１の光透過性層を、{（ｎ₁×ｎ₃）^1/2×０．８}以上、{（ｎ₁×ｎ₃）^1/2×１．２}以下［ここで、ｎ₁は前記半導体層の屈折率を示し、ｎ₃は前記第２の光透過性層の屈折率を示す。］の範囲にある屈折率ｎ₂を有する材料を用いて、{（λ／４ｎ₂）×（２ｍ＋１）−（λ／８ｎ₂）以上、（λ／４ｎ₂）×（２ｍ＋１）＋（λ／８ｎ₂）}以下［ここで、λは発光光の波長を示し、ｍは０以上の正の整数を示す。］の範囲にある厚みで形成する。

上記方法において、前記第１の光透過性層は、屈折率がそれぞれ異なる複数の層を積層して形成してもよく、
各層を、{（ｎ_2i×ｎ_2k）^1/2×０．８}以上、{（ｎ_2i×ｎ_2k）^1/2×１．２}以下［ここで、ｎ_2iは半導体層側で隣接する層の屈折率を示し、ｎ_2kは第２の光透過性層側で隣接する層の屈折率を示す。］の範囲にある屈折率ｎ_2jを有する材料を用いて、{（λ／４ｎ_2j）×（２ｌ＋１）−（λ／８ｎ_2j）}以上、{（λ／４ｎ_2j）×（２ｌ＋１）＋（λ／８ｎ_2j）}以下［ここで、λは発光光の波長を示し、ｌは０以上の正の整数を示す。］の範囲にある厚みで形成してもよい。

本発明によれば、光取り出し効率が高く、良好な加工性および再現性で製造可能な半導体発光素子およびその製造方法が提供される。
また、本発明によれば、素子表面における発光光の反射が良好に抑制された半導体発光素子およびその製造方法が提供される。

本発明の実施の形態にかかる半導体発光素子について、以下、図面を参照して詳細に説明する。以下では、半導体発光素子が発光ダイオードを構成する場合を例として説明する。

図１に、本実施の形態にかかる半導体発光素子１０の断面構成を示す。図１に示されるように、本実施の形態の半導体発光素子１０は、Ｎ型基板１１と、Ｎ型補助層１２と、活性層１３と、Ｐ型補助層１４と、ウインドウ層１５と、を有する半導体基体１６を備える。半導体発光素子１０は、半導体基体１６の一面上にカソード電極１７が形成され、また、他の一面上にアノード電極１８と、光透過性層１９と、保護層２０と、が形成されて構成されている。

Ｎ型基板１１は、ガリウム−ヒ素（ＧａＡｓ）等から構成されるＮ型の半導体基板から構成される。Ｎ型基板１１は、例えば、１×１０^１８ｃｍ^−３程度の不純物濃度、２５０μｍ程度の厚みを有する。

Ｎ型補助層１２は、Ｎ型基板１１の一面上に形成され、アルミニウム−ガリウム−インジウム−リン（ＡｌＧａＩｎＰ）等の半導体層から構成される。Ｎ型補助層１２は、例えば、エピタキシャル成長法により形成され、例えば、５×１０^１７ｃｍ^−３程度の不純物濃度、２μｍ程度の厚みで設けられている。

活性層１３は、Ｎ型補助層１２上に形成され、ＡｌＧａＩｎＰ等の半導体層から構成される。活性層１３は、例えば、エピタキシャル成長法により形成され、例えば、０．５μｍ程度の厚みで設けられている。活性層１３は、電界発光により発光する発光層であり、活性層１３においてその両面側から注入されたキャリア（正孔および電子）が再結合し、発光が生じる。

Ｐ型補助層１４は、活性層１３上に形成され、ＡｌＧａＩｎＰ等の半導体層から構成される。Ｐ型補助層１４は、例えば、エピタキシャル成長法により形成され、例えば、５×１０^１７ｃｍ^−３程度の不純物濃度、２μｍ程度の厚みで設けられている。

ここで、Ｎ型補助層１２およびＰ型補助層１４をそれぞれ構成するＡｌＧａＩｎＰ中のＡｌ組成比は、活性層１３を構成するＡｌＧａＩｎＰ中のＡｌ組成比よりも大きく設定されている。このように設定することで、活性層１３内におけるキャリア再結合によって発生した光を活性層１３の外側に効率的に取り出すことができる。

なお、Ｎ型補助層１２およびＰ型補助層１４は、それぞれＮ型クラッド層およびＰ型クラッド層と呼ぶこともできる。

ウインドウ層１５は、Ｐ型補助層１４上に形成され、Ｐ型の不純物が導入されたガリウム−リン（ＧａＰ）等の半導体層から構成される。ウインドウ層１５は、電流拡散層とも呼ばれるものである。ウインドウ層１５は、例えば、エピタキシャル成長法により形成され、例えば、５×１０^１７ｃｍ^−３程度の不純物濃度、２μｍ程度の厚みで設けられている。ウインドウ層１５は、半導体基体１６の一面を構成し、以下で詳述するように、活性層１３から発光された光の外部取り出し面を構成する。
なお、Ｐ型補助層１４とウインドウ層１５との間に、Ｎ型ＡｌＧａＩｎＰ等から構成される電流ブロック層を設けてもよい。

上記構成の半導体基体１６の一面を構成するＮ型基板１１の上には、金−ゲルマニウム合金（Ａｕ−Ｇｅ）膜、又は、Ａｕ−Ｇｅ、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）からなる金属多層膜等から構成されるカソード電極１７が設けられている。

また、半導体基体１６の他の一面を構成するウインドウ層１５の上の略中央部分には、金−亜鉛合金（Ａｕ−Ｚｎ）、金−ベリリウム−クロム合金（Ａｕ−Ｂｅ−Ｃｒ）及び金（Ａｕ）等からなる金属多層膜等から構成されるアノード電極１８が設けられている。アノード電極１８は、ウインドウ層１５上に略円形に設けられ、アノード電極１８によって覆われていない領域が発光光の取り出し領域を構成する。

光透過性層１９は、ウインドウ層１５上の、アノード電極１８が設けられていない領域上に設けられている。光透過性層１９は、酸化チタン（ＴｉＯ_ｘ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、窒化シリコン（ＳｉＮ）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ）、硫化亜鉛（ＺｎＳ）等の、活性層１３からの発光光について透過性であって、かつ、後述するように所定の屈折率および厚みを有する無機誘電体材料から構成されている。

光透過性層１９の上には、保護層２０が形成されている。保護層２０は、エポキシ樹脂等の透過率の高い材料から構成され、半導体基体１６を湿分から保護する等の機能を有する。

上記構成の半導体発光素子１０において、光透過性層１９は、ウインドウ層１５と保護層２０との間での光の反射を良好に抑制する機能を有する。光透過性層１９のこの機能により、活性層１３からウインドウ層１５に導かれた発光光は、素子外部に効率的に放出され、高い光取り出し効率が実現される。以下、光透過性層１９について具体的に説明する。

ウインドウ層１５と保護層２０との間に介在された光透過性層１９は、ウインドウ層１５の屈折率ｎ₁と、保護層２０の屈折率ｎ₃との間の中間的な屈折率ｎ₂を有する材料から構成されている。本例では、光透過性層１９の屈折率ｎ₂は、ウインドウ層１５の屈折率ｎ₁と保護層２０の屈折率ｎ₃との相乗平均の±２０％の範囲内、すなわち、下記数式２に示される範囲内にあるように設定される。
（数式２）
（ｎ₁×ｎ₃）^1/2×０．８≦ｎ₂≦（ｎ₁×ｎ₃）^1/2×１．２

例えば、ウインドウ層１５をＧａＰ（屈折率ｎ₁＝３．４）から形成し、保護層２０をエポキシ樹脂（屈折率ｎ₃＝１．５）から形成した場合には、１．８１（＝（ｎ₁×ｎ₃）^1/2×０．８）以上、２．７１（＝（ｎ₁×ｎ₃）^1/2×１．２）以下の範囲の屈折率を有する材料、例えば、酸化チタン（屈折率２．２６）が選択可能である。

また、光透過性層１９の厚みＴは、光透過性層１９の屈折率ｎ₂および活性層１３が発光する光の波長λを用いて、下記数式３を満足するように設定されている。
（数式３）
（λ／４ｎ₂）×（２ｍ＋１）−（λ／８ｎ₂）≦Ｔ≦（λ／４ｎ₂）×（２ｍ＋１）＋（λ／８ｎ₂）
［ここで、ｍ＝０以上の正の整数を示す。］

光透過性層１９の屈折率を上記数式２を満たすような屈折率ｎ₂とし、かつ上記数式３を満たすような厚みＴで光透過性層１９を設けることにより、界面における反射光が干渉により弱めあい、または、打ち消しあい、これにより、界面での反射は抑制される。
なお、上記数式３中、ｍ＝０、１または２であることが好ましい。ｍが３以上であると厚みＴが大きく、層中での光の減衰が著しくなるためである。

具体的には、酸化チタンから構成される光透過性層１９の厚みＴは、例えば、７０．５ｎｍ（７０５Å）とされる。ＡｌＧａＩｎＰから構成される活性層１３の発光波長λは５６０〜６５０ｎｍであり、λ＝６２０ｎｍの場合、酸化チタンの屈折率（光透過性層１９の屈折率ｎ₂）は約２．２であるから、この光透過性層１９の厚みＴ（７０ｎｍ）は、１０５．６７ｎｍ（＝（λ／４ｎ₂）×（２ｍ＋１）＋（λ／８ｎ₂）、ｍ＝０）と、３５．２３ｎｍ（＝（λ／４ｎ₂）×（２ｍ＋１）−（λ／８ｎ₂）、ｍ＝０）と、の間の値である。

以上説明したように、所定の屈折率ｎ₂を有する材料から形成した光透過性層１９を所定の厚みＴを設けることによって、保護層２０を出射するまでの界面での反射を良好に抑制することができる。これにより、活性層１３からウインドウ層１５側に出射された光を、光透過性層１９を介して外部に効率よく取り出すことができ、いわゆる光取り出し効率を増大させることができる。

光透過性層１９の屈折率ｎ₂は、これを挟むウインドウ層１５の屈折率ｎ₁と保護層２０の屈折率ｎ₃との中間的な値、例えば、これらの相乗平均の±２０％の範囲内とされている。このような範囲の屈折率ｎ₂を有する材料で所望の干渉効果を発揮する厚みで光透過性層１９を形成することにより、層界面における反射は良好に抑制される。

このような光透過性層１９を設ける構成では、乱反射による明るさ向上のために光透過性層１９の表面に、加工性、再現性、均一性等に問題のある凹凸面の形成を行う必要はない。逆に、高精度に光の干渉を制御するため、光透過性層１９の表面は実質的に鏡面であることが望ましく、光透過性層１９表面における凹凸の深さは、好ましくは活性層１３の発光波長λの１／１０以下（λ／１０以下）である。

以下、本実施の形態にかかる表示素子の製造方法について説明する。なお、以下に示す例は一例であり、同様の結果物が得られるのであればこれに限られない。

まず、Ｎ型の不純物が導入されたＧａＡｓから構成されるＮ型基板１１の上に、エピタキシャル成長法により、Ｎ型補助層１２と、活性層１３と、Ｐ型補助層１４と、ウインドウ層１５と、順に積層形成する。エピタキシャル成長法としては、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法、分子線エピタキシ（ＭＢＥ）法、化学ビームエピタキシ（ＣＢＥ）法、分子層エピタキシ（ＭＬＥ）法等を用いることができる。

例えば、減圧ＭＯＣＶＤ法を用いる場合には、以下のように層形成を行うことができる。ＧａＡｓにＮ型不純物を加えて構成されるＮ型基板１１を用意し、ＭＯＣＶＤ法によって、Ｎ型基板１１上に、Ｎ型補助層１２と、活性層１３と、Ｐ型補助層１４と、ウインドウ層１５と、を連続的に気相エピタキシャル成長により形成する。

具体的には、まず、例えば、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）と、ＴＥＧ（トリエチルガリウム）と、ＴＭＩｎ（トリメチルインジウム）と、とＰＨ₃（フォスフィン）と、を原料ガスとして用い、例えば、（Ａｌ_xＧａ_1-x）_yＩｎ1_-yＰ（０．３≦ｘ≦１）の組成を有するＮ型補助層１２を形成する。ここで、Ｎ型のドーパントガスとしては、例えば、ＳｉＨ₄（モノシラン）、Ｓｉ₂Ｈ₆（ジシラン）、ＤＥＳｅ（ジエチルセレン）、ＤＥＴｅ（ジエチルテルル）等を用いることができる。

次いで、連続的に、同一の原料ガスを用いて、例えば、Ｎ型補助層１２よりもアルミニウム組成の低い、（Ａｌ_xＧａ_1-x）_yＩｎ1_-yＰ（０．２≦ｘ≦１）の組成を有する活性層１３を形成する。このとき、ドーパントガスは用いない。

次いで、連続的に、同一の原料ガスを用いて、活性層１３よりもアルミニウム組成の高い、（Ａｌ_xＧａ_1-x）_yＩｎ1_-yＰ（０．３≦ｘ≦１）の組成を有するＰ型補助層１４を形成する。ここで、Ｐ型不純物の導入方法としては、例えば、ＤＥＺｎ（ジエチル亜鉛）、ＣＰ２Ｍｇ（ビスシクロペンタジイエニルマグネシウム）等のドーパントガスを用い、或いは固体のベリリウム（Ｂｅ）ソースを用いることができる。

その後、連続的に、ＴＭＡおよびＴＭＩｎの供給を停止し、ＴＥＧおよびとＰＨ₃を導入し、Ｐ型の不純物が導入されたＧａＰから構成されるウインドウ層１５を形成する。ここで、ＰＨ₃のかわりにＴＢＰ（ターシャリーブチルフォスフィン）を用いても良い。このようにして図２（ａ）に示すような半導体基体１６が得られる。

次いで、ウインドウ層１５上に、蒸着法、スパッタリング法、プラズマＣＶＤ法、ゾルゲル法等により、酸化チタン等から構成される光透過性層１９を、上述したような所定の厚さで形成する。ここで、酸化チタン（屈折率ｎ₂＝２．２）を用いた場合には、上記数式３に従い、発光波長λが６２０ｎｍの場合は、光透過性層１９の厚みＴは約７０．４５ｎｍとされる。その後、光透過性層１９を、フォトリソグラフィ法等によりパターニングして、図２（ｂ）に示すように、開口１９ａを形成する。

次いで、光透過性層１９の上および開口１９ａ内に露出するウインドウ層１５の上に、Ａｕ−Ｚｎ、Ａｕ−Ｂｅ−Ｃｒ及びＡｕ等からなる金属多層膜等を真空蒸着法又はスパッタリング法により堆積し、金属膜を形成する。更に、エッチング法等を用いて光透過性層１９上の金属膜を除去して、図２（ｃ）に示すように、開口１９ａ内にアノード電極１８を形成する。

次に、Ｎ型基板１１の露出面上に、Ａｕ−Ｇｅ膜、又は、Ａｕ−Ｇｅ、Ｎｉ、Ａｕからなる金属多層膜等を真空蒸着法又はスパッタリング法で堆積し、カソード電極１７を形成する。
次いで、得られた積層体について、光透過性層１９の表面及び積層体の側面をエポキシ樹脂等の保護層２０で被覆する。以上のようにして、図１に示す半導体発光素子１０が得られる。

以上説明したように、本実施の形態では、ウインドウ層１５と保護層２０との間に、これらそれぞれの屈折率の中間的な値の屈折率を有する光透過性層１９を所望の厚みで設けている。このような光透過性層１９は、ウインドウ層１５及び保護層２０との界面における光の反射を抑制し、高い光取り出し効率を実現する。

このような光透過性層１９は、上記のように一般的な技術を用いて容易に形成可能である。したがって、全反射を抑制するための粗面化、散乱層の形成等の手法を用いる必要はなく、制御性のよい良好な加工性、再現性および均一性で、内部での光の反射が抑制された、光取り出し効率の高い半導体発光素子１０が実現される。

また、光透過性層１９は、無機誘電体材料から用いて形成されており、発光光による劣化、熱ストレスによる劣化等によるボイド、切れ、剥離等は防がれ、長期間の信頼性も良好である。

本発明は、上記実施の形態に限られず、種々の変更、変形等が可能である。
上記実施の形態にかかる発光素子において、例えば、Ｎ型基板１１とＮ型補助層１２との間に、反射膜を設けてもよい。アルミニウム等の導電性が高く、かつ、反射性の材料を用いて反射膜を設けることにより、活性層１３からＮ型基板１１側に発光された光をウインドウ層１５側に反射させてより発光光の利用効率を高めることができる。

上記実施の形態では、ウインドウ層１５は、ＧａＰ等から構成される構成される単層の半導体層から構成されるものとした。しかし、これに限らず、ウインドウ層１５を多層構造としてもよい。例えば、ウインドウ層１５は、ＡｌＧａＡｓ半導体層と、ＡｌＧａＩｎＰ半導体層と、が積層された構造を有し、ＡｌＧａＩｎＰ半導体層の上にアノード電極１８が設けられた構造とすることができる。

上記実施の形態において、保護層２０として、一般的な樹脂封止材料であって、透明性の高い材料を用いることができる。この場合、保護層２０として用いた材料の屈折率に基づいて光透過性層１９の屈折率等を設定すればよい。また、保護層２０を設けない構成も可能である。この場合、大気の屈折率に基づいて、好ましい屈折率を有する材料を光透過性層１９に用いればよい。

上記実施の形態では、光透過性層１９は無機誘電体材料から構成されるものとした。しかし、上記数式２を満たす屈折率を示す材料であれば、有機樹脂材料、例えば、シリコーン樹脂等も使用可能である。

上記実施の形態では、光透過性層１９は単層で形成するものとした。しかし、図３に示すように、光透過性層１９を多層の積層膜から形成してもよい。この場合、各層を、上記数式２および３を満足するように、それぞれ異なる屈折率および厚みで設ける。なお、図３中では２層からなる光透過性層１９を設けているが、その数はこれに限られない。

以下、ＡｌＧａＡｓとＡｌＧａＩｎＰとの積層構造のウインドウ層１５上に、酸化チタン層および窒化シリコン層とから構成される２層構造の光透過性層１９を設けた場合について説明する。
ここで、ＡｌＧａＩｎＰ半導体の屈折率は３．３であり、酸化チタンの屈折率は２．２であり、窒化シリコンの屈折率は１．８であり、その上に形成されるエポキシ樹脂の屈折率は１．５である。したがって、各層の屈折率はそれぞれ上記数式２を満足している。なお、数式２において、光透過性層１９を構成する層の屈折率の範囲は、その両側に接する層の屈折率に基づいて決定される。

詳細には、酸化チタンの屈折率２．２は、１．８（＝（３．３×１．８）^1/2×０．８）以上２．７（＝（３．３×１．８）^1/2×１．２）以下の範囲にあり、数式２を満たす。また、窒化シリコンの屈折率１．８は、１．５３（＝（２．２×１．５）^1/2×０．８）以上２．３（＝（２．２×１．５）^1/2×１．２）以下の範囲にあり、数式２を満たす。したがって、上述したように、界面での反射は抑制される。

さらに、上記２層構造の光透過性層１９において、各層の厚みを上記数式３を満足するように設定することにより、上述したように、光透過性層１９における干渉による強められた光が外部に出射されることとなる。具体的には、上記数式３を満たすように、酸化チタン層の厚みを７０．４５ｎｍ（＝６２０ｎｍ／（４×２．２）、ｍ＝０）±３５．２２ｎｍ（＝６２０ｎｍ／（８×２．２））の範囲内に設定し、かつ、窒化シリコン層の厚みを８６．１１（＝６２０ｎｍ／（４×１．８））±４３．０６ｎｍ（＝６２０ｎｍ／（８×１．８））の範囲内に設定する。

ここで、酸化チタン層や窒化シリコン層はいずれも、蒸着技術、スパッタリング技術、プラズマＣＶＤ技術、ゾルゲル技術等の一般的な技術を用いて容易に、良好な制御性および再現性で形成することができる。

上記のように、光透過性層１９は、上記数式２および３を満足する限り、多数の層から構成することができ、これによる反射抑制効果の増大が期待できる。しかし、６層以上とした場合には、光透過性層１９全体の厚みが増大し、光透過性層１９による光の減衰が顕著になる。したがって、光透過性層１９は、５層以下とすることが望ましい。

なお、上記実施の形態では、本発明にかかる半導体発光素子１０を発光ダイオードに適用する場合について説明したが、これに限らず、半導体レーザ等のいかなる電界発光型の半導体装置にも適用可能である。

本実施の形態にしたがって形成した半導体発光素子１０について、その光出力について調べた。図４に、光透過性層１９（酸化チタン層）を備えた本実施の形態にかかる半導体半導体発光素子１０の、光透過性層１９の厚みと光出力との関係を調べた結果を示す。

なお、図示の結果において光出力は、光透過性層１９を設けなかった場合と比較したその倍率として示した。
また、実験に用いた半導体発光素子１０は、ＧａＡｓから構成されるＮ型基板１１と、ＡｌＧａＩｎＰから構成されるＮ型補助層１２と、ＡｌＧａＩｎＰから構成される活性層１３と、ＡｌＧａＩｎＰから構成されるＰ型補助層１４と、ＧａＰから構成されるウインドウ層１５と、酸化チタンから構成される光透過性層１９と、エポキシ樹脂から構成される保護層２０と、を備え、波長６２０ｎｍの光が出力される。

図より理解されるように、光透過性層１９（酸化チタン層）を設けた場合には、その膜厚に関わらず、設けなかった場合よりも光の出力倍率は約１．２倍〜約１．４倍向上されている。したがって、光透過性層１９を設けることにより、光出力は向上され、高い輝度が実現されることがわかる。

また、検出される光は、その出力が光透過性層１９の厚みによって異なっている。具体的には、チタン酸化膜の厚みが発光波長λの１／４ｎ₂（ｎ₂＝２．２）、すなわち、約７０ｎｍで大きく、λ／２ｎ₂（＝約１４０ｎｍ）で小さくなっている。これは、光透過性層１９内での光の干渉により出射される光の強度が変化し、光透過性層１９の厚みが（λ／４ｎ₂）×（２ｍ＋１）（ｍ＝０、１、２、…）ときに最も干渉により強められた光が出力されることがわかる。これは、光透過性層１９をこのような厚みで設けることにより、光の反射が抑制され、一層高輝度の発光素子が得られることを示している。

次に、半導体発光素子１０チップにレンズを組みこんで作製したランプの出力を調べた。ここで、半導体発光素子１０チップとしては上記例に用いたもののうち、光透過性層１９として酸化チタン層を厚みλ／４ｎ₂（＝約７０ｎｍ）で設けたものと、設けなかったものを用いた。

図５に、光透過性層１９を設けた場合と設けなかった場合の、チップおよびランプの光の出力を調べた結果を示す。図に示されるように、光透過性層１９を設けなかったランプと比べ、光透過性層１９を設けたランプは、１．４２倍出力が向上されている。このことから、素子チップ状態における明るさ向上効果はランプに組み込まれた状態でも良好に保たれ、または、一層高められていることがわかる。

本発明の実施の形態に係る半導体発光素子の構成を示す図である。 本発明の実施の形態に係る半導体発光素子の製造プロセスを示す図である。 本発明の実施の形態に係る半導体発光素子の変形例を示す図である。 本発明の実施の形態に係る半導体発光素子の光の出力を調べた結果を示す図である。 本発明の実施の形態に係る半導体発光素子を用いたランプの光の出力を調べた結果を示す図である。

符号の説明

１０ 半導体発光素子
１１ Ｎ型基板
１２ Ｎ型補助領域
１３ 活性層
１４ Ｐ型補助領域
１５ ウインドウ層
１６ 半導体基体
１９ 光透過性層
２０ 保護層

Claims (8)

1. 光取り出し面を構成する半導体層と、
   前記半導体層上に設けられた第１の光透過性層と、
   前記第１の光透過性層上に設けられた第２の光透過性層と、
   を備え、
   前記第１の光透過性層の屈折率ｎ₂は、{（ｎ₁×ｎ₃）^1/2×０．８}以上、{（ｎ₁×ｎ₃）^1/2×１．２}以下［ここで、ｎ₁は前記半導体層の屈折率を示し、ｎ₃は前記第２の光透過性層の屈折率を示す。］の範囲にあり、
   前記第１の光透過性層の厚みは、{（λ／４ｎ₂）×（２ｍ＋１）−（λ／８ｎ₂）以上、（λ／４ｎ₂）×（２ｍ＋１）＋（λ／８ｎ₂）}以下［ここで、λは発光光の波長を示し、ｍは０以上の正の整数を示す。］の範囲にある、ことを特徴とする半導体発光素子。
2. 前記第１の光透過性層は、屈折率がそれぞれ異なる複数の層を積層して構成され、
   各層の屈折率ｎ_2jは、半導体層側で隣接する層の屈折率ｎ_2iと、第２の光透過性層側で隣接する層の屈折率ｎ_2kと、の間の範囲にある、ことを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
3. 前記層の屈折率ｎ_2jは、{（ｎ_2i×ｎ_2k）^1/2×０．８}以上、{（ｎ_2i×ｎ_2k）^1/2×１．２}以下の範囲にある、ことを特徴とする請求項２に記載の半導体発光素子。
4. 前記層の厚みは、{（λ／４ｎ_2j）×（２ｌ＋１）−（λ／８ｎ_2j）}以上、{（λ／４ｎ_2j）×（２ｌ＋１）＋（λ／８ｎ_2j）}以下［ここで、λは発光光の波長を示し、ｌは０以上の正の整数を示す。］の範囲にある、ことを特徴とする請求項２または３に記載の半導体発光素子。
5. 前記第２の光透過性層は保護膜または大気から構成される、ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
6. 前記第１の光透過性層は、無機誘電体材料から構成される、ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
7. 光取り出し面を構成する半導体層と、前記半導体層上に設けられた第１の光透過性層と、前記第１の光透過性層上に設けられた第２の光透過性層と、を備える半導体発光素子の製造方法であって、
   前記第１の光透過性層を、{（ｎ₁×ｎ₃）^1/2×０．８}以上、{（ｎ₁×ｎ₃）^1/2×１．２}以下［ここで、ｎ₁は前記半導体層の屈折率を示し、ｎ₃は前記第２の光透過性層の屈折率を示す。］の範囲にある屈折率ｎ₂を有する材料を用いて、{（λ／４ｎ₂）×（２ｍ＋１）−（λ／８ｎ₂）以上、（λ／４ｎ₂）×（２ｍ＋１）＋（λ／８ｎ₂）}以下［ここで、λは発光光の波長を示し、ｍは０以上の正の整数を示す。］の範囲にある厚みで形成する、ことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
8. 前記第１の光透過性層は、屈折率がそれぞれ異なる複数の層を積層して形成し、
   各層を、{（ｎ_2i×ｎ_2k）^1/2×０．８}以上、{（ｎ_2i×ｎ_2k）^1/2×１．２}以下［ここで、ｎ_2iは半導体層側で隣接する層の屈折率を示し、ｎ_2kは第２の光透過性層側で隣接する層の屈折率を示す。］の範囲にある屈折率ｎ_2jを有する材料を用いて、{（λ／４ｎ_2j）×（２ｌ＋１）−（λ／８ｎ_2j）}以上、{（λ／４ｎ_2j）×（２ｌ＋１）＋（λ／８ｎ_2j）}以下［ここで、λは発光光の波長を示し、ｌは０以上の正の整数を示す。］の範囲にある厚みで形成する、ことを特徴とする請求項７に記載の半導体発光素子の製造方法。

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