JP2007005591A - 半導体発光素子 - Google Patents

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Abstract

【課題】 外部光取り出し効率が改善された半導体発光素子を提供する。
【解決手段】 発光層３１４を含む半導体多層構造体と、前記半導体多層構造体のうちの第１の半導体層３１０とオーミックコンタクトを形成する第１の電極３３０と、前記半導体多層構造体のうちの第２の半導体層３２０とオーミックコンタクトを形成する第２の電極３４０と、前記第２の電極に隣接して設けられ、前記発光層からの放射光の少なくとも一部を反射する光反射器３５０と、を備え、前記第２の電極は、前記第２の半導体層を伝播する前記発光層からの放射光の媒質内波長の１／２以下である幅の複数の領域を有することを特徴とする半導体発光素子を提供する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体発光素子に関し、特に、光外部取り出し効率が改善された半導体発光素子に関する。
液晶ディスプレイ用バックライト、携帯電話のボタン照明、自動車のダッシュボード表示及び交通信号灯などに、高輝度で高外部取出し効率を有する半導体発光素子が要求されている。これらの用途においては、半導体発光素子（light emitting diode：ＬＥＤ）は、パッケージ内にマウントされ、半導体発光素子を覆うように封止樹脂が充填される。
半導体発光素子の発光層の材料としては、紫外光から赤外光にわたる波長範囲に対応して、ＧａＮ、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＰ、ＧａＰ、ＩｎＧａＡｌＰなどの化合物半導体が適宜用いられる。そして、これらの半導体層に対してオーミックコンタクトを形成するように、電極材料と半導体コンタクト層の材料、濃度が選ばれる。また、光取り出し側とは反対側においては、光を反射させる光反射器が設けられ、外部光取り出し効率が改善される（例えば、特許文献１）。
一般に、金属電極と半導体コンタクト層とは、例えば２５０〜４５０℃の熱処理によりアロイ層を形成することによって接触抵抗の低減が図られる。しかしながら、このようにして形成されるアロイ層は、光の吸収による損失や、光の散乱を生じる。すなわち、アロイ層における光の吸収による損失や散乱が、より高い外部光取り出し効率の実現を困難にしている。この結果として、半導体発光素子のさらなる高輝度化が困難であった。
特開２００４−９５９４１号公報
本発明の目的は、外部光取り出し効率が改善された半導体発光素子を提供することにある。
本発明の一態様によれば、
発光層と第１及び第２の半導体層とを含む半導体多層構造体と、
前記半導体多層構造体のうちの前記第１の半導体層とオーミックコンタクトを形成する第１の電極と、
前記半導体多層構造体のうちの前記第２の半導体層とオーミックコンタクトを形成する第２の電極と、
前記第２の電極に隣接して設けられ、前記発光層からの放射光の少なくとも一部を反射する光反射器と、
を備え、
前記第２の電極は、前記第２の半導体層を伝播する前記発光層からの放射光の媒質内波長の１／２以下である幅の複数の領域を有することを特徴とする半導体発光素子が提供される。
本発明の他の一態様によれば、
ダブルヘテロ接合と第１及び第２の半導体層とを含む半導体多層構造体と、
前記半導体多層構造体のうちの前記第１の半導体層とオーミックコンタクトを形成する第１の電極と、
前記半導体多層構造体のうちの前記第２の半導体層とオーミックコンタクトを形成する第２の電極と、
前記ダブルヘテロ接合と前記第１の電極との間の第１の媒質内に設けられ、第１のグレーティングを含む第１のグレーティング領域と、
を備え、
前記第１のグレーティングは、前記第１の媒質内に異種材料を周期的に配置することにより形成されてなり、
前記異種材料の屈折率は、前記第１の媒質の屈折率よりも小さく、
前記第１のグレーティングのピッチは、前記第１の媒質を伝播する前記ダブルヘテロ接合からの放射光の媒質内波長以下であることを特徴とする半導体発光素子が提供される。
また、本発明のさらに他の一態様によれば、
発光層と第１及び第２の半導体層とを含む半導体多層構造体と、
前記半導体多層構造体のうちの前記第１の半導体層とオーミックコンタクトを形成する第１の電極と、
前記半導体多層構造体のうちの前記第２の半導体層とオーミックコンタクトを形成する第２の電極と、
前記発光層と前記第１の電極との間の第１の媒質内部に設けられ、第１のグレーティングを含む第１のグレーティング領域と、
を備え、
前記第１のグレーティングのピッチは、前記第１の媒質を伝播する前記発光層からの放射光の媒質内波長以下であり、かつ前記放射光の前記第１のグレーティング領域における媒質内波長以上であることを特徴とする半導体発光素子が提供される。
本発明によれば、外部光取り出し効率が改善された半導体発光素子が提供される。
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の第１の実施の形態にかかる半導体発光素子を模式的に表す断面図である。
また、図２は、図１において破線で表した半導体発光素子の一表面領域３４５を拡大した模式断面図である。
本実施形態の半導体発光素子は、基板３００の上に、ＧａＮバッファ層３０２、ｎ型ＧａＮ層３１０、ｎ型ＧａＮガイド層３１２、活性層３１４、ｐ型ＧａＮガイド層３１６、ｐ型ＧａＮ層３２０がこの順序で設けられた構造を有する。基板３００としては、例えば、サファイヤが用いられる。また、活性層３１４は、例えば、Ｉｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ／Ｉｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎ ＭＱＷ（Multi-Quantum Well）構造などで構成でき、例えば、青色光を放射する。また、ｎ型ＧａＮ層３１０の上には、ｎ側電極３３０が形成されている。
そして、ｐ型ＧａＮ層３２０の上面には、ｐ側電極３４０と光反射器３５０とが交互に設けられている。ｐ側電極３４０は、ＧａＮ層３２０とアロイ層を形成する材料により形成され、光反射器３５０は、ＧａＮ層３２０とアロイ層を形成しない材料により形成されている。なお、図１に例示した半導体発光素子は、いわゆる「フリップチップ構造」を有するので、実装に際してはｐ側電極３４０側がパッケージに接着され、活性層３１４から放出された光は基板３００を通して取り出される。
ｐ側電極３４０としては、ＡｕＺｎ／Ｍｏ／Ａｕや、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕなどを用いることができる。ｎ側電極３３０としては、ＡｕＧｅ／Ｍｏ／Ａｕや、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕなどを用いることができる。また、光反射器３５０としては、Ａｕ系またはＡｌ系の金属膜を用いることができる。
図３は、本実施形態の半導体発光素子の平面構造の一部を例示する模式図である。
本具体例においては、ｐ側電極３４０は、幅Ｄのストライプ状に形成されている。そして、幅Ｄは、電極３４０に隣接した媒質内における、半導体発光素子の放射光の媒質内波長（自由空間波長／媒質屈折率）の２分の１以下とされる。例えば、放射光波長を４００ｎｍとし、ｐ型ＧａＮ層３２０の屈折率を２．６７とすれば、媒質内波長は約１５０ｎｍとなる。従って、電極幅Ｄは、７５ｎｍ以下とすればよい。なお、フリップチップではなく、ボンディングワイヤでパッケージのリードに接続する場合には、図３に例示したように、電極３４０を広げてボンディングパッド部３６０を形成すればよい。または、光反射器３５０を金属により形成する場合には、光反射器３５０を拡げてボンディングパッド部３６０を形成してもよい。ｐ側電極３４０と光反射器３５０とは電気的に接続されているからである。
ここで、ｐ側電極３４０の幅Ｄを１／２波長以下とする理由について説明する。
ｐ側電極３４０などの作用体が光の波長に比べて充分に大きい場合には、光は直進する光束として扱われ、スネルの法則をはじめとする幾何光学により光の振る舞いが説明される。ところが、作用体が光の波長と同程度のサイズになると、光は波動性を増し、幾何光学では説明できない現象を生じる。光が「曲がる」のも、回折や散乱という波動性に起因する。この波動性は、作用体のサイズが波長に比べてより小さくなるほど、顕著に表れる。この領域においては、回折現象を電磁気学にもとづいて厳密に計算することは不可能である。
図１及び図２を参照しつつ、本実施形態の半導体発光素子における光路を説明する。まず、活性層３１４から上方に向かう光のうち、光反射器３５０に入射する光Ｌの多くは、ほぼ幾何光学にしたがって反射される。この時、光反射器３５０とＧａＮ層３２０との間にはアロイ層が形成されていないので、光は高い反射率で反射される。
一方、ｐ側電極３４０に入射した光の一部Ｔは、ｐ側電極３４０の近傍に形成されているアロイ層で吸収され損失となる。ところが、電極３４０の幅Ｄが１／２波長より小さいために、電極３４０に入射しようとする光Ｈ、Ｊ、Ｋは、散乱または回折という波動光学に従う。この結果として、ｐ側電極３４０とｐ型ＧａＮ層３２０との境界面で、アロイ層に吸収されずに散乱される光Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３が生じる。一般的には、ｐ側電極３４０の幅Ｄが波長と比べて小さくなるほど、光の波動性が高まり、散乱光の成分が増加して、反射率が上がる。
例えば、ｐ側電極３４０の幅Ｄを１／４波長とし、光反射器３５０の面積占有率を７０％とすると、光の反射率として約８５％が得られる。つまり、光反射器３５０の単純な面積占有率よりも、約１５％ほども高い光反射率が実現できる。ｐ側電極３４０の幅Ｄをより小さくすると、散乱が増加して、反射率を高めることができる。
一方、キャリアは、電極３４０の幅Ｄが小さくとも、ｐ側電極３４０を介して半導体層に注入・放出される。すなわち、本実施形態によれば、ＬＥＤの電気的動作を損なうことなく、ｐ側電極３４０における光反射を上げることができる。この結果として、電極近傍に形成されるアロイ層での光の損失を低減し、外部光取り出し効率を改善できる。
図４は、本実施形態の半導体発光素子のｐ側電極３４０の平面構造の第１の変型例を表す模式図である。
すなわち、本変型例においては、ｐ側電極３４０はジグザグ状に屈曲したストライプ形状に形成されている。ただし、この場合も、ｐ側電極３４０の幅Ｄは、１／２波長以下とされる。このようにすれば、電極３４０における光の反射や散乱を促進させ、アロイ層による光の損失を低減できる。
図５は、本実施形態の半導体発光素子のｐ側電極３４０の平面構造の第２の変型例を表す模式図である。
すなわち、本変型例においては、ｐ側電極３４０は、分割された複数の小領域により島状に構成されている。これら小領域のそれぞれを、一辺が１／２波長以下の正方形（あるいはその他の形状でもよい）とすることにより、より散乱を増やすことができて反射率を高めることができる。
なお、フリップチップではなく、ボンディングワイヤでパッケージのリードに接続する場合には、光反射器３５０を構成する金属部分を広げてボンディングパッド部３６０を設ければよい。このようにすれば、ボンディングパッド部３６０の下においても、高い反射率で光を反射させることができる。
図６は、光反射器３５０の膜厚をｐ側電極３４０より厚くした変形例を表す模式断面図である。
また、図７は、本変型例の模式平面図である。
本変型例においても、ｐ側電極３４０は、分割された複数の小領域により構成されている。これら小領域のそれぞれを、一辺が１／２波長以下の正方形（あるいはその他の形状でもよい）とすることにより、より散乱を増やすことができて反射率を高めることができる。そして、光反射器３５０を金属で構成することにより、これら島状に分割されたｐ側電極３４０のそれぞれを電気的に接続できる。光反射器３５０の膜厚をｐ側電極３４０よりも厚くし、ｐ側電極３４０を覆うようにすれば、光反射器３５０の上の任意の部分をボンディングパッド部３６０として用いることもできる。
次に、本発明の第２の実施の形態にかかる半導体発光素子について説明する。
図８は、本実施形態の半導体発光素子を模式的に表す断面図である。
また、図９は、図８に表した半導体発光素子の一表面領域３４７の拡大断面図である。なお、これらの図面に関しては、図１乃至図７に関して前述したものと同様の要素については同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
本実施形態においては、金属材料からなる光反射器の代わりに、分布ブラッグ反射器（Distributed Bragg Reflector：ＤＢＲ）３５６が設けられている。ＤＢＲは、屈折率が異なる２種類の薄膜を交互に積層させることにより形成できる。例えば、Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ｎ／ＧａＮの薄膜ペアー数を５（すなわち５周期）とすると、発光波長が４００〜５５０ｎｍの範囲で、約５０％の反射率が得られる。ペアー数を増やすことにより、反射率をさらに高くすることが可能となる。
また、本実施形態においても、隣接する分布ブラッグ反射器３５６の間のｐ側電極３４６の幅Ｄは、第１の実施の形態と同じく、媒質内波長の１／２以下とされる。
本実施形態の半導体発光素子の製造プロセスは、以下の如くである。すなわち、基板３００の上にｐ型ＧａＮ層３２０を含む積層構造を形成したのち、例えば、ＡｌＧａＮ／ＧａＮの薄膜ペアーを積層する。この後、ＤＢＲ層を、例えば、フォトリソグラフィーによりパターニングする。その上から、ｐ側電極３４６を形成する。分布ブラッグ反射器３５６は、上述した半導体膜の積層構造の他にも、２種類以上の誘電体膜などを積層させても実現できる。
本実施形態においても、第１の実施の形態と同様に、活性層３１４から放射された光のうち、分布ブラッグ反射器３５６へ向かう光は反射される。反射された光は、基板３００などを透過して外部に取り出される。
一方、１／２波長以下の幅Ｄを有するｐ側電極３４６においては、吸収および透過は起こらず、散乱のみが生じる。すなわち、幅Ｄが１／２波長以下であるため、入射光Ｔはアロイ層に入射できず、従って吸収されることなく反射され、損失を生じない。一方、光Ｈ、Ｊ、Ｋは、境界面で散乱されるので、基板３００などを介して取り出され、外部光取り出し効率の改善に寄与する。ｐ側電極３４６の幅Ｄが小さいほど、散乱を増やし反射が増やせる。一方、キャリアはｐ側電極３４６を介して流れることができるので、半導体発光素子の動作を損なうことはない。
なお、ｐ側電極３４６及び分布ブラッグ反射器３５６の平面形状に関しては、図３〜図７に関して前述したような各種の具体例を適用できる。
次に、本発明の第３の実施の形態にかかる半導体発光素子について説明する。
図１０は、本発明の第３の実施の形態にかかる半導体発光素子を模式的に表す断面図である。
本実施形態の半導体発光素子は、ｐ型ＧａＰ基板４００の上に、ｐ型ＩｎＧａＡｌＰ接着層４１０、ｐ型ＩｎＧａＡｌＰクラッド層４２０、ＩｎＧａＰ／ＩｎＧａＡｌＰ ＭＱＷ活性層４３０、ｎ型ＩｎＧａＡｌＰクラッド層４４０、ｎ型ＩｎＧａＡｌＰ電流拡散層４５０がこの順に積層された構造を有する。電流拡散層４５０の上面には、ｎ側電極４６０が形成されている。
そして、ＧａＰ基板４００の下面には、第１の実施の形態と同様に、金属材料の光反射器４７０とｐ側電極４８０とが設けられている。ｐ側電極４８０の幅Ｄは、媒質内波長の１／２以下とされている。活性層４３０からは、波長６４０ｎｍの光が放射される。ＧａＰの屈折率が約３．２とすると、媒質内波長は２００ｎｍとなるので、ｐ側電極４８０の幅Ｄを１００ｎｍ以下とすればよい。
半導体発光素子の下面、すなわちｐ側電極４８０側を実装部材にマウントすると、半導体発光素子の上面から放射光Ｏ、Ｐが放射され、側面からＱ、Ｒが放射される。一方、活性層４３０から下方に放出されたり、電極４６０の裏面で反射されて下方へ向かう光Ｖは、例えば、光反射器４７０で反射され上方に向かって外部に取り出すことができる。同じく、活性層４３０から下方に放出されたり、電極４６０の裏面で反射されて下方へ向かう光Ｗは、光反射器４７０で反射された後、側面から上方へ放射される。さらに、ｐ側電極４８０に向かう光Ｙは、図９に関して前述したように、１／２波長より小さい幅Ｄを有する電極４８０において、吸収や透過が起こらず、散乱光Ｕ１およびＵ２のみを生じる。この結果、上方へ向かう光を増やすことができて、外部光取り出し効率を改善できる。
本実施形態においても、光反射器４７０とｐ側電極４８０の平面形状については、図３〜図７に関して前述した各種の形状を採用することができる。また、光反射器４７０は、第２の実施の形態に関して前述したように、ＤＢＲとしてもよい。
次に、本発明の第４の実施の形態について説明する。
図１１は、本発明の第４の実施の形態にかかる半導体発光素子の模式断面図である。同図については、図１乃至図９に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
本実施形態においては、ｎ型ＧａＮガイド層３１２、活性層３１４及びｐ型ＧａＮガイド層３１６からなるダブルへテロ接合の上に、ｐ型ＧａＮ層３２０を介してｐ側電極３４８が設けられている。そして、ｐ型ＧａＮ層３２０の中には、グレーティング３７０が設けられている。グレーティング３７０の材料としては、例えば、ＳｉＯ２（屈折率約１．４６）などの誘電体やＡｌＧａＮなどの半導体などを用いることができる。ＡｌＧａＮなどを用いた場合には、エピタキシャル成長が可能となる。そして、グレーティング３７０のピッチＰ１は、半導体発光素子の放射光の媒質内波長以下とされている。つまり、この具体例の場合、グレーティング３７０のピッチＰ１は、ＧａＮ層３２０内の媒質内波長以下とされている。
グレーティング３７０の材料として半導体を用いた場合には、ｐ型ＧａＮ層３２０を途中までエピタキシャル成長させ、その上にグレーティングの材料をエピタキシャル成長させてパターニングし、さらにその上を埋め込むようにｐ型ＧａＮ層３２０をエピタキシャル成長させることができる。
一方、グレーティング３７０の材料としてＳｉＯ２などの誘電体を用いた場合には、例えば、「ラテラル・エピタキシャル技術」を用いることにより形成できる。すなわち、ｐ型ＧａＮ層３２０を途中までエピタキシャル成長させ、その上にＳｉＯ２などの材料を堆積してパターニングすることによりグレーティング３７０を形成する。さらに、その上からｐ型ＧａＮ層３２０をエピタキシャル成長させると、グレーティング３７０の隙間においてエピタキシャル成長が開始し、グレーティング３７０の隙間を埋め尽くすと、グレーティング３７０の上において横方向にエピタキシャル成長が進行する。このようにして、誘電体からなるグレーティング３７０を埋め込むようにしてｐ型ＧａＮ層３２０をエピタキシャル成長させることができる。
ここで、グレーティング３７０のピッチが媒質内波長以下の場合の光の振る舞いについて説明する。一般に、グレーティングのピッチが光の波長に近くなると、光の波動性のために、光は直進せず回折を起こす。この現象を利用した回折格子が光ピックアップなどにおいて、光の分離手段として用いられる。グレーティングのピッチや素子形状がさらに小さくなってくると、波動性は一層顕著となる。この場合、光は幾何光学よりも波動光学的に振舞う。すなわち、グレーティング３７０のピッチが媒質内波長以下である場合、グレーティング領域３４９は、光学的にみて平均的な実効屈折率で満たされた一様な媒質として扱うことが妥当になる。
図１２は、グレーティング領域３４９の一部を拡大して表した模式断面図である。
ここで、ｐ型ＧａＮ層の屈折率Ｎ１は、約２．６７であり、ＳｉＯ２の屈折率は約１．４６である。グレーティング領域３４９の実効屈折率Ｎ２は、グレーティングのピッチＰ１が媒質内波長程度以下であれば、両者の光学的な平均屈折率として近似される。この場合、放射光の真空中の波長を４００ｎｍとすると、ｐ型ＧａＮ層における媒質内波長は、約１８６ｎｍとなる。したがって、グレーティングのピッチＰ１は、１８６ｎｍ以下に選ばれる。
そして、この場合のグレーティング領域３４９の実効屈折率Ｎ２は、入射光の電場の偏光方向に応じてそれぞれ次式により与えられる。

Ｎh＝（（Ａ×ｎ１ ２＋Ｂ×ｎ２ ２）／Ａ＋Ｂ）１／２

Ｎv＝（（Ａ＋Ｂ）／（Ａ／ｎ１ ２＋Ｂ／ｎ２ ２））１／２

ここで、Ｎhは、入射光の電場の偏光方向が水平偏光の場合のグレーティング領域３４９の実効屈折率であり、Ｎvは、入射光の電場の偏光方向が垂直偏光の場合のグレーティング領域３４９の実効屈折率である。またここで、媒質（ＧａＮ層３２０）とグレーティング３７０との体積率はＡ：Ｂであるものとし、ｎ１とｎ２はそれぞれ媒質（ＧａＮ層３２０）とグレーティング３７０の屈折率である。
一般的な無偏光状態の場合には、グレーティング領域３４９の実効屈折率は、これらＮhとＮvとの算術平均に近似できる。
従って、ＧａＮ層３２０とグレーティング３７０との体積率が１：１である場合には、実効屈折率Ｎ２＝２．１５となる。
本実施形態においては、グレーティング領域３４９へ垂直に入射した光ａの反射光として、０次反射光ｂが得られる。さらに、グレーティング３７０の材料であるＳｉＯ２の屈折率が媒質（ＧａＮ層３２０）の屈折率よりも小さく、グレーティング領域３４９は、隣接するＧａＮ層３２０よりも実効屈折率が小さいため、グレーティング領域３４９へ斜めに入射した光ｃは、その界面で全反射され、全体としての反射率が増加する。その結果として、ｐ側電極３４８とｐ型ＧａＮ層３２０との間に形成されたアロイ層における損失を減らして光出力を増加させ、外部光取り出し効率を改善できる。
なお、キャリアは、グレーティング３７０の隙間を通過して、電極３４８に到達できるので、電流駆動特性には実質的な変化は生じない。
また、第４の実施の形態においては、グレーティングが電極と離れて形成されているが、グレーティングを電極に隣接させてもよい。
次に、本発明の第５の実施の形態にかかる半導体発光素子について説明する。
図１３は、本発明の第５の実施の形態にかかる半導体発光素子を表す模式断面図である。同図に関しては、図１０に関して前述したものと同様の要素については同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
本実施形態においては、ｎ側電極４６０の下において、ｎ型ＩｎＧａＡｌＰ電流拡散層４５０の中に、ピッチＰ２が媒質内波長以下のグレーティング４８１が形成されている。
図１４は、グレーティング領域４８５の拡大断面図である。
グレーティング４８１は、例えば、屈折率約３．５６のＺｎＴｅで形成することができる。ピッチＰ２が媒質内波長（本具体例の場合、媒質は、ｎ型ＩｎＧａＡｌＰ電流拡散層４５０である）程度以下であれば、第４の実施の形態に関して前述したように、グレーティング領域４８５は、光学的にみて平均的な実効屈折率で満たされた一様な媒質とみなすことができる。
例えば、自由空間中の発光波長が６４０ｎｍの場合は、ピッチＰ２をＩｎＧａＡｌＰ内の媒質内波長である１８７．６ｎｍ以下とすればよい。
そして、この場合も、第４の実施の形態に関して前述したものと同様に、グレーティング領域４８５の実効屈折率は、ｎ型ＩｎＧａＡｌＰ電流拡散層４５０とグレーティング（ＺｎＴｅ）４８１の体積率を勘案した実効屈折率ＮhとＮvとの算術平均値とみなすことができる。従って、体積率が１：１の場合には、グレーティング領域４８５の実効的な屈折率Ｎ４＝３．４８となる。
つまり、グレーティング領域４８５は、この実効屈折率Ｎ４の媒質により一様に満たされた領域として近似することができる。
さらに具体例において、グレーティング４８１のピッチＰ２を、グレーティング領域４８５における媒質内波長以上とすると、グレーティング領域４８５を伝搬する光に対してグレーティング４８１による回折効果が得られる。つまり、図１４に表したように、グレーティング領域４８５に入射する光ａが、グレーティング領域４８５においてはグレーティング４８１により回折されて回折光ｃが得られる。このためには、例えば、グレーティング４８１のピッチＰ２は、グレーティング領域４８５内の波長である１８３．９ｎｍ以上のたとえば１８５ｎｍに設定すればよい。
そして、このようにして形成された回折光ｃは、上述の如くグレーティング領域４８５における実効屈折率Ｎ４（３．４８）がＩｎＧａＡｌＰ電流拡散層４５０の屈折率（３．４１）よりも大きいために、図１４に表したように、界面で全反射され、反射光ｄとして取り出すことが可能となる。
またさらに、本実施形態においては、半導体多層構造体の下部にも、上部のグレーティング４８１と同様の作用体としてグレーティング４９０が設けられている。すなわち、ｐ側電極４８２の上方において、ｐ型ＧａＰ基板４００内にグレーティング４９０が設けられたグレーティング領域４９５が形成されている。グレーティング４９０は、例えば、ＺｎＴｅを用いて形成することができる。
図１５は、グレーティング領域４９５の拡大断面図である。
この場合も、グレーティング４９０のピッチＰ３は媒質（屈折率Ｎ５が３．２３のＧａＰ）内波長である１９８．１ｎｍ以下およびグレーティング領域４９５での波長である１８８．２ｎｍ以上のたとえば１９０ｎｍに設定する。グレーティング領域４９５の実効屈折率は、ＧａＰとＺｎＴｅの体積率を勘案したＮhとＮvとの算術平均値とみなすことができる。例えば、体積率が１：１の場合には、実効屈折率Ｎ６＝３．４である。
本実施形態においては、グレーティング領域４８５、４９５へ垂直に入射した光ａ、ｅの反射光として、まず、０次反射光ｂ、ｆが得られる。さらに、グレーティング４８１、４９０のピッチＰ２、Ｐ３を、それぞれグレーティング領域内波長よりも大きくすることにより、グレーティング領域４８５、４９５において回折効果が生ずる。つまり、グレーティング領域４８５、４９５へ進入した光は回折されて、１次回折光ｃ、ｇが形成される。グレーティング領域４８５、４９５は、それらの上下に位置する半導体層よりも実効屈折率が大きいため、１次回折光ｃ、ｇは、その界面で全反射し、再び入射側への出射光ｄ、ｈとなり、全体としての反射率が増加する。
一方、グレーティング４８１、４９０のピッチＰ２、Ｐ３をそれぞれのグレーティング領域４８５、４９５内の波長と等しい値１８３．９ｎｍ、および１８８．２ｎｍとした場合には、共鳴反射を生じて、さらに反射が増加する。
このようなグレーティング領域４８５、４９５を電極４６０、４８２の前に設けることにより、これら電極４６０、４８２のアロイ層における光の損失を減少させることができる。すなわち、光の外部光取り出し効率が改善される。一方、キャリアはグレーティング４８１、４９０の隙間を通過できるので、電流駆動特性には実質的な変化は生じない。
また、第５の実施の形態においては、グレーティングが第１及び第２の電極の前に設けられたが、少なくとも一方の電極の前のみにグレーティングが設けられてもよい。
以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明はこれら具体例に限定されるものではない。
例えば、半導体多層構造体として用いることができるものは、ＧａＮ系やＩｎＧａＡｌＰ系に限定されず、ＧａＡｌＡｓ系やＺｎＳｅ系をはじめとした各種の化合物半導体を用いたものであっても良い。
また、半導体発光素子から放射される光についても、可視光に限らず、紫外光であっても赤外光であっても良い。例えば、紫外光や青色光と、封止樹脂中に分散配置された蛍光体との組み合わせにより、波長変換が行われ、白色光が得られる。
その他、半導体発光素子を構成する基板、半導体層、電極、など各要素の形状、サイズ、材質、配置関係などに関して、当業者が各種の設計変更を加えたものであっても、本発明の要旨を有する限りにおいて本発明の範囲に包含される。
なお、本明細書において「ＧａＮ系」化合物半導体とは、ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，ｘ＋ｙ≦１）なる化学式において組成比ｘ及びｙをそれぞれの範囲内で変化させたすべての組成の半導体を含むものとする。またさらに、上記化学式において、Ｎ（窒素）以外のＶ族元素もさらに含むものや、導電型などを制御するために添加される各種のドーパントのいずれかをさらに含むものも、「ＧａＮ系」化合物半導体に含まれるものとする。
また、本明細書において「ＩｎＧａＡｌＰ系」化合物半導体とは、ＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＰ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，ｘ＋ｙ≦１）なる化学式において組成比ｘ及びｙをそれぞれの範囲内で変化させたすべての組成の半導体を含むものとする。またさらに、上記化学式において、Ｐ（リン）以外のＶ族元素もさらに含むものや、導電型などを制御するために添加される各種のドーパントのいずれかをさらに含むものも、「ＩｎＧａＡｌＰ系」化合物半導体に含まれるものとする。
本発明の第１の実施の形態にかかる半導体発光素子を模式的に表す断面図である。 図１において破線で表した半導体発光素子の一表面領域３４５を拡大した模式断面図である。 第１の実施の形態の半導体発光素子の平面構造の一部を例示する模式図である。 第１の実施の形態の半導体発光素子のｐ側電極３４０の平面構造の第１の変型例を表す模式図である。 第１の実施の形態の半導体発光素子のｐ側電極３４０の平面構造の第２の変型例を表す模式図である。 光反射器３５０の膜厚をｐ側電極３４０より厚くした変形例を表す模式断面図である。 図６に表した変型例の模式平面図である。 本発明の第２の実施の形態の半導体発光素子を模式的に表す断面図である。 図８に表した半導体発光素子の一表面領域３４７の拡大断面図である。 本発明の第３の実施の形態にかかる半導体発光素子を模式的に表す断面図である。 本発明の第４の実施の形態にかかる半導体発光素子の模式断面図である。 グレーティング領域３４９の一部を拡大して表した模式断面図である。 本発明の第５の実施の形態にかかる半導体発光素子を表す模式断面図である。 グレーティング領域４８５の拡大断面図である。 グレーティング領域４９５の拡大断面図である。
符号の説明
３１０ ｎ型ＧａＮ層
３１２ ｎ型ＧａＮガイド層
３１４ 活性層
３１６ ｐ型ＧａＮガイド層
３２０ ｐ型ＧａＮ層
３３０、４６０ ｎ側電極
３４０、３４６、３４８、４８０、４８２ ｐ側電極
３４９ グレーティング領域
３５０、４７０ 光反射器
３５６ 分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）
３７０、４８１、４９０ グレーティング
４２０ ｐ型ＩｎＧａＡｌＰクラッド層
４３０ 活性層
４４０ ｎ型ＩｎＧａＡｌＰクラッド層
４５０ ｎ型ＩｎＧａＡｌＰ電流拡散層

Claims (5)

  1. 発光層と第１及び第２の半導体層とを含む半導体多層構造体と、
    前記半導体多層構造体のうちの前記第１の半導体層とオーミックコンタクトを形成する第１の電極と、
    前記半導体多層構造体のうちの前記第２の半導体層とオーミックコンタクトを形成する第２の電極と、
    前記第２の電極に隣接して設けられ、前記発光層からの放射光の少なくとも一部を反射する光反射器と、
    を備え、
    前記第２の電極は、前記第２の半導体層を伝播する前記発光層からの放射光の媒質内波長の１／２以下である幅の複数の領域を有することを特徴とする半導体発光素子。
  2. 前記複数の領域のうちのそれぞれ隣接する領域の間に前記光反射器が設けられたことを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
  3. 前記複数の領域は、前記光反射器を介して電気的に接続されてなることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
  4. ダブルヘテロ接合と第１及び第２の半導体層とを含む半導体多層構造体と、
    前記半導体多層構造体のうちの前記第１の半導体層とオーミックコンタクトを形成する第１の電極と、
    前記半導体多層構造体のうちの前記第２の半導体層とオーミックコンタクトを形成する第２の電極と、
    前記ダブルヘテロ接合と前記第１の電極との間の第１の媒質内に設けられ、第１のグレーティングを含む第１のグレーティング領域と、
    を備え、
    前記第１のグレーティングは、前記第１の媒質内に異種材料を周期的に配置することにより形成されてなり、
    前記異種材料の屈折率は、前記第１の媒質の屈折率よりも小さく、
    前記第１のグレーティングのピッチは、前記第１の媒質を伝播する前記ダブルヘテロ接合からの放射光の媒質内波長以下であることを特徴とする半導体発光素子。
  5. 発光層と第１及び第２の半導体層とを含む半導体多層構造体と、
    前記半導体多層構造体のうちの前記第１の半導体層とオーミックコンタクトを形成する第１の電極と、
    前記半導体多層構造体のうちの前記第２の半導体層とオーミックコンタクトを形成する第２の電極と、
    前記発光層と前記第１の電極との間の第１の媒質内部に設けられ、第１のグレーティングを含む第１のグレーティング領域と、
    を備え、
    前記第１のグレーティングのピッチは、前記第１の媒質を伝播する前記発光層からの放射光の媒質内波長以下であり、かつ前記放射光の前記第１のグレーティング領域における媒質内波長以上であることを特徴とする半導体発光素子。

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