JP2007258277A - 半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】所望の光取り出し面からの光取り出し効率の向上を図れる半導体発光素子を提供する。
【解決手段】サファイア基板からなるベース基板の一表面側でｐ形半導体層４上にアノード電極５が形成され、ｎ形半導体層２における発光層３の積層側にカソード電極６が形成されている。カソード電極６は、オーミックコンタクト層６１と、外部接続用金属層６２とで構成している。半導体発光素子は、発光層３に対して所望の光取り出し面（ベース基板１の他表面）側とは反対側に位置するアノード電極５における発光層３側に、導電性を有し屈折率の異なる２種類の誘電体膜５３ａ，５３ｂが周期的に積層され発光層３から放射された光を反射する多層膜ミラー５３が設けられ、当該多層膜ミラー５３と、オーミックコンタクト層５１と、外部接続用金属層５２とで、アノード電極５を構成している。
【選択図】図１

Description

本発明は、紫色よりも長波長側に発光ピーク波長を有する半導体発光素子に関するものである。

従来から、酸化物系化合物半導体発光素子や窒化物系化合物半導体発光素子などの半導体発光素子において、発光層から略等方的に放射される光のうち光取り出し面以外の方向に向かう光の一部が電極に吸収されて光取り出し効率が低下するという問題があった。

そこで、この種の問題を解決するために、光取り出し面側とは反対側に位置する電極を反射率の高い金属材料により形成することで光取り出し効率を向上させた半導体発光素子が提案されている（例えば、特許文献１，２）。

ここにおいて、この種の半導体発光素子としては、例えば、図１１に示す構成のものが提案されている。図１１に示した構成の半導体発光素子は、発光層３などの材料としてＧａＮ系化合物半導体材料を採用した青色発光ダイオードであって、サファイア基板からなるベース基板１の一表面側に形成されたｎ形半導体層２と、ｎ形半導体層２上に形成された上述の発光層３と、発光層３上に形成されたｐ形半導体層４と、ｐ形半導体層４の表面側に形成されたアノード電極５’と、ｎ形半導体層２におけるベース基板１側とは反対の表面側に形成されたカソード電極６とを備え、カソード電極６を、ｎ形半導体層２に対してオーミック接触が可能な金属材料（例えば、Ｔｉなど）からなるオーミックコンタクト層６１と、オーミックコンタクト層６１に積層されたＡｕなどの金属材料からなる外部接続用金属層６２とで構成し、アノード電極５’を発光層３から放射される光に対する反射率の高い金属材料（例えば、Ａｇ、銀白色系金属材料、Ａｌなど）からなり反射層を兼ねる反射用金属層５８と、反射用金属層５８に積層されたＡｕなどの金属材料からなる外部接続用金属層５９とで構成してある。ここで、上記特許文献１には、反射用金属層５８の材料としてＡｇを採用した場合、反射用金属層５８の膜厚を２０ｎｍよりも大きな値に設定することが記載されている。

図１１に示した構成の半導体発光素子では、アノード電極５’とカソード電極６との間に順方向バイアス電圧を印加することにより発光層３に注入された電子とホールとが再結合することで発光する。ここで、図１１に示した構成の半導体発光素子は、実装基板にフリップチップ実装しベース基板１の他表面を光取り出し面として用いられるものであり、発光層３からｎ形半導体層２側へ放射された光がベース基板１を通して光取り出し面から出射されるとともに、ｐ形半導体層４側へ放射された光が反射用金属層５８で反射されて光取り出し面から出射されることとなる（図１１中の矢印Ｃは発光層３から放射され反射用金属層５８で反射された光の伝搬経路の一例を示している）ので、光取り出し効率を高めることができる。

上述の図１１に示した構成の半導体発光素子は、ベース基板１として絶縁性を有する結晶成長用基板であるサファイア基板を用いており、ベース基板１の上記一表面側にアノード電極５’およびカソード電極６が配置されているが、ベース基板１として導電性を有する結晶成長用基板（例えば、導電性を有する単結晶基板、導電性を有する化合物半導体基板など）を用いて当該結晶成長用基板の他表面側にカソード電極を設けたり、結晶成長後にサファイア基板を除去しカソード電極を兼ねる金属基板を貼り付けたりすることで、ｎ型半導体層２と発光層３とｐ形半導体層４とからなる発光部の厚み方向の両側に電極を設けた構成とし、両電極のうちの一方の電極を透光性材料により形成するとともに他方の電極を発光層３からの光を反射する金属材料により形成した半導体発光素子も提案されており、この種の半導体発光素子は、少なくとも一方の電極がボンディングワイヤを介してパッケージの導体パターンと電気的に接続される。
特開平１１−１８６５９８号公報 特開平１１−１９１６４１号公報

ところで、図１１に示した構成の半導体発光素子では、反射用金属層５８の金属材料としてＡｇ、銀白色系金属材料、Ａｌなどを採用することで発光層３にて発生した光の一部が反射用金属層５８にて反射され光取り出し面から出射されることとなるので、光取り出し効率を高めることができるが、上記金属材料の反射率は９５％以下であり、発光層３からアノード電極５’に向かって伝搬する光のうち少なくとも５％はアノード電極５’で吸収されて光吸収損失となってしまう。

また、上述のようにｎ型半導体層２と発光層３とｐ形半導体層４とからなる発光部の厚み方向の両側に電極を設けた構成とし、両電極のうちの一方の電極を透光性材料により形成するとともに他方の電極を発光層３からの光を反射する金属材料により形成した半導体発光素子においても上記金属材料により形成した電極において同様の光損失が発生してしまう。

本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、所望の光取り出し面からの光取り出し効率の向上を図れる半導体発光素子を提供することにある。

請求項１の発明は、ｎ形半導体層と発光層とｐ形半導体層との積層構造を有し、ｐ形半導体層における発光層側とは反対側にアノード電極が形成されるとともに、ｎ形半導体層における発光層の積層側にカソード電極が形成され、発光層に対して所望の光取り出し面側とは反対側に位置するアノード電極における発光層側に、導電性を有し屈折率の異なる複数種類の誘電体膜が周期的に積層され発光層から放射された光を反射する多層膜ミラーが設けられてなることを特徴とする。

この発明によれば、発光層から所望の光取り出し面側とは反対側へ放射された光を、導電性を有し屈折率の異なる複数種類の誘電体膜が周期的に積層され発光層から放射された光をブラッグ反射する多層膜ミラーによって、従来の金属材料からなる反射用金属層に比べて高い反射率で反射することができるので、所望の光取り出し面からの光取り出し効率の向上を図れ、しかも、多層膜ミラーを設けたことによる順方向電圧の増加を抑制することができるので、光出力の高出力化と光取り出し効率の高効率化とを同時に実現できる。

請求項２の発明は、ｎ形半導体層と発光層とｐ形半導体層との積層構造を有し、ｐ形半導体層における発光層側とは反対側にアノード電極が形成されるとともに、ｎ形半導体層における発光層側とは反対側にカソード電極が形成され、カソード電極とアノード電極との２つの電極のうち発光層に対して所望の光取り出し面側とは反対側に位置する電極における発光層側に、導電性を有し屈折率の異なる複数種類の誘電体膜が周期的に積層され発光層から放射された光を反射する多層膜ミラーが設けられてなることを特徴とする。

この発明によれば、発光層から所望の光取り出し面側とは反対側へ放射された光を、導電性を有し屈折率の異なる複数種類の誘電体膜が周期的に積層され発光層から放射された光をブラッグ反射する多層膜ミラーによって、従来の金属材料からなる反射用金属層に比べて高い反射率で反射することができるので、所望の光取り出し面からの光取り出し効率の向上を図れ、しかも、多層膜ミラーを設けたことによる順方向電圧の増加を抑制することができるので、光出力の高出力化と光取り出し効率の高効率化とを同時に実現できる。

請求項３の発明は、請求項１または請求項２の発明において、前記多層膜ミラーは、屈折率が異なる２種類の誘電体膜が交互に積層されたものであり、前記各誘電体膜は、それぞれ酸化膜もしくは窒化膜からなることを特徴とする。なお、ここにおいて、２種類の誘電体膜とは、酸化膜と窒化膜との組み合わせでもよいし、材料の異なる２種類の酸化膜の組み合わせでもよいし、材料の異なる２種類の窒化膜の組み合わせでもよい。

この発明によれば、２種類の誘電体膜それぞれの膜厚を適宜設定することにより、光の干渉効果により反射光を強めることができるとともに反射率を高めることができ、所望の光取り出し面からの光取り出し効率を高めることができる。

請求項４の発明は、請求項１ないし請求項３の発明において、前記多層膜ミラーは、互いに接する前記誘電体膜のうち低屈折率の誘電体膜に対する高屈折率の誘電体膜の屈折率比が少なくとも１．１であることを特徴とする。

この発明によれば、前記多層膜ミラーにおける前記各誘電体膜の層数を少なくできて製造コストの低コスト化を図れるとともに、前記多層膜ミラーにクラックなどが生じて信頼性が低下するのを防止することができる。

請求項５の発明は、請求項１ないし請求項４の発明において、前記各誘電体膜は、禁制帯幅が３ｅＶ以上であることを特徴とする。

この発明によれば、前記各誘電体膜が４１３ｎｍよりも長波長の光に対して透明なので、前記各誘電体膜での可視光域の光の吸収がなく、前記発光層で発光する可視光に対して高反射率の多層膜ミラーを実現できる。

請求項６の発明は、請求項１ないし請求項５の発明において、前記各誘電体膜は、Ｔｉ−Ｏ系薄膜、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｏ系薄膜、Ｇａ−Ｓｎ−Ｏ系薄膜、Ｚｎ−Ｏ系薄膜、Ｇａ−Ｏ系薄膜、Ｍｇ−Ｏ系薄膜、アモルファスＧａＮ薄膜の群から選択されることを特徴とする。

この発明によれば、前記各誘電体膜を工業的に安定的に且つ容易に形成することができ、低コスト化を図れる。

請求項１，２の発明では、所望の光取り出し面からの光取り出し効率の向上を図れるという効果がある。

（実施形態１）
本実施形態の半導体発光素子は、紫色よりも長波長の可視光を放射する可視光発光ダイオードであって、図１（ａ）に示すように、サファイア基板からなるベース基板１の一表面側（図１（ａ）における上面側）に窒化ガリウム系化合物半導体層からなるｎ形半導体層２が形成され、ｎ形半導体層２上に３族窒化物半導体層からなる発光層３が形成され、発光層３上に窒化ガリウム系化合物半導体層からなるｐ形半導体層４が形成されている。要するに、本実施形態の半導体発光素子は、ベース基板１の上記一表面側にｎ形半導体層２と発光層３とｐ形半導体層４との積層構造を有している。なお、ｎ形半導体層２、発光層３、およびｐ形半導体層４は、ベース基板１の上記一表面側にＭＯＶＰＥ法のようなエピタキシャル成長技術を利用して成膜するので、ｎ形半導体層２の貫通転位を低減するとともにｎ形半導体層２の残留歪みを低減するために、ベース基板１とｎ形半導体層２との間にバッファ層を設けることが望ましいのは勿論である。

また、本実施形態の半導体発光素子は、ｐ形半導体層４における発光層３側とは反対側にアノード電極５が形成されるとともに、ｎ形半導体層２における発光層３の積層側にカソード電極６が形成されている。さらに説明すれば、アノード電極５は、ｐ形半導体層４上に形成され、カソード電極６は、ベース基板１の上記一表面側へｎ形半導体層２、発光層３、ｐ形半導体層４を順次成長させた後で、ｎ形半導体層２と発光層３とｐ形半導体層４との積層膜の所定領域をｐ形半導体層４の表面側からｎ形半導体層２の途中までエッチングすることにより露出させたｎ形半導体層２の表面に形成されている。

発光層３の結晶材料としては、例えば、ＩｎＧａＮ，ＡｌＩｎＧａＮ，ＡｌＩｎＮ，ＡｌＧａＮなどを採用すればよく、３族元素の組成比を適宜設定したり、あるいは、Ｓｉ，Ｇｅ，Ｓ，Ｓｅなどのｎ形不純物やＺｎ，Ｍｇなどのｐ形不純物を適宜ドーピングすることによって、発光色を紫色よりも長波長の可視光域内の所望の色に設定することが可能である。ここにおいて、本実施形態の半導体発光素子では、アノード電極５とカソード電極６との間に順方向バイアス電圧を印加することにより、アノード電極５からｐ形半導体層４へホールが注入されるとともに、カソード電極６からｎ形半導体層２へ電子が注入され、発光層３に注入された電子とホールとが再結合することで発光する。

ｎ形半導体層２に電気的に接続されるカソード電極６は、ｎ形半導体層２に対してオーミック接触が可能な金属材料からなるオーミックコンタクト層６１と、オーミックコンタクト層６１に積層された金属材料からなる外部接続用金属層６２とで構成されている。ここにおいて、オーミックコンタクト層６１の金属材料としては、例えば、Ｔｉ，Ｖ，Ａｌやこれらのいずれか一種類の金属を含む合金などを採用すればよく、外部接続用金属層６２としては、化学的に安定でボンディングが容易なＡｕなどを採用すればよい。

ところで、本実施形態の半導体発光素子は、発光層３にて発光する光に対して透明な材料（本実施形態では、サファイア）により形成されたベース基板１の他表面（図１（ａ）の下面）を所望の光取り出し面とするものであり、発光層３に対して所望の光取り出し面側とは反対側に位置するアノード電極５における発光層３側に、導電性を有し屈折率の異なる２種類の誘電体膜５３ａ，５３ｂ（図１（ｂ）参照）が周期的に積層され発光層３から放射された光を反射する多層膜ミラー５３が設けられており、当該多層膜ミラー５３と、オーミックコンタクト層５１と、オーミックコンタクト層５１に積層された金属材料からなる外部接続用金属層５２とで、ｐ形半導体層３に電気的に接続される上述のアノード電極５を構成している。なお、図１（ａ）中の矢印Ｃは発光層３から放射され多層膜ミラー５３で反射された光の伝搬経路の一例を示している。

各誘電体膜５３ａ，５３ｂは、それぞれ酸化膜もしくは窒化膜により構成すればよく、より具体的には、各誘電体膜５３ａ，５３ｂを構成する薄膜としては、Ｔｉ−Ｏ系薄膜、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｏ系薄膜、Ｇａ−Ｓｎ−Ｏ系薄膜、Ｚｎ−Ｏ系薄膜、Ｇａ−Ｏ系薄膜、Ｍｇ−Ｏ系薄膜、アモルファスＧａＮ薄膜（ａ−ＧａＮ薄膜）の群から選択される薄膜を適宜選択すればよく、これらの薄膜は一般的に広く利用されている誘電体膜なので、各誘電体膜５３ａ，５３ｂを工業的に安定的に且つ容易に形成することができ、低コスト化を図れる。

上述の多層膜ミラー５３は、発光層３の発光波長λ（ｎｍ）に応じて各誘電体膜５３ａ，５３ｂの膜厚、屈折率、および層数を適宜設定することにより、反射率（％）、ストップバンド幅（ｎｍ）、電気伝導度（Ｓ／ｃｍ）を所望の値に設計することができる。ここで、各誘電体膜５３ａ，５３ｂそれぞれの単層膜の膜厚について、単層膜の膜厚をＤ（ｎｍ）、単層膜の屈折率をｎとすれば、膜厚Ｄは、
（Ｄ×ｎ）／（２ｍ−１）＝λ／４ （ただし、ｍ＝１，２，・・・）
の関係式から求められる。この関係式は、屈折率ｎの媒質Ｘ１の入射面へ入射した光のうち媒質Ｘ１中へ屈折し上記入射面に平行な面であって媒質Ｘ１と当該媒質Ｘ１に接する媒質Ｘ２との界面で反射された後に媒質Ｘ１から出た光と、媒質Ｘ１の上記入射面へ入射した光のうち上記入射面で反射された光との位相が一致し、同位相の光どうしの干渉により反射光の強度が強くなることを意味している。ただし、ここでは、上記媒質Ｘ１を上述の２つの単層膜を１ペア（誘電体膜５３ａと誘電体膜５３ｂとを１ペア）として考えているので、単層膜だけに着目すると、上記関係式のように光の位相が反転するように設計することになる。

例えば、発光層３の発光ピーク波長が４６５ｎｍの場合、上述の関係式において、ｍ＝１として、一方の誘電体膜５３ａの材料をＮｂがドーピングされたＴｉＯ_２（以下、ＴｉＯ_２：Ｎｂ膜のようにドーパントをコロンの右に表記する）とすると、上記一方の誘電体膜５３ａの膜厚は、ＴｉＯ_２：Ｎｂの屈折率を２．３０として略５０ｎｍに設計すればよく、他方の誘電体膜５３ｂの材料をＢ，Ａｌ，Ｇａ，Ｃｌの少なくとも１種類がドーピングされたＺｎＯ（以下、ＺｎＯ：Ｂ，Ａｌ，Ｇａ，Ｃｌのように選択可能なドーパントをコロンの右に並べて表記する）とすると、上記他方の誘電体膜５３ｂの膜厚は、ＺｎＯ：Ｂ，Ａｌ，Ｇａ，Ｃｌの屈折率を１．９０として略６１ｎｍとなり、光学シミュレーションの結果、ＴｉＯ_２：Ｎｂからなる誘電体膜５３ａとＺｎＯ：Ｂ，Ａｌ，Ｇａ，Ｃｌからなる誘電体膜５３ｂとの積層膜を１ペアとして、当該積層膜を１６層積層した多層膜ミラー５３とすることにより、波長λが４６５ｎｍの光に対して、反射率を９９．５％以上、ストップバンド幅を５６ｎｍに設計できることが確認された。また、この多層膜ミラー５３の電気伝導度は略２７００Ｓ／ｃｍであり良好な電気伝導度が得られることが分かる。

上述のＴｉＯ_２：Ｎｂからなる誘電体膜５３ａとＺｎＯ：Ｂ，Ａｌ，Ｇａ，Ｃｌからなる誘電体膜５３ｂとの積層膜を１ペアとする多層膜ミラー５３のペア数と反射率およびストップバンド幅との関係のシミュレーション結果を図２に、反射率の波長依存性のシミュレーション結果を図３に、それぞれ示す。上述のストップバンド幅は、反射率が規定値以上の値を維持する波長幅であり、上記規定値の値によって変化する。後述の表１には、反射率の規定値を９９．５％とした場合、規定値を９９．９％とした場合それぞれのストップバンド幅を記載してある。

同様に、ＩＴＯ：Ｂ，Ａｌ，Ｇａ，Ｃｌからなる誘電体膜５３ａとＭｇＯ：Ｂ，Ａｌ，Ｇａ，Ｃｌからなる誘電体膜５３ｂとの積層膜を１ペアとする多層膜ミラー５３について、ペア数と反射率およびストップバンド幅との関係のシミュレーション結果を図４に、反射率の波長依存性のシミュレーション結果を図５に、それぞれ示す。また、同様に、ａ−ＧａＮ：Ｓｉ，Ｍｇ，Ｓｅからなる誘電体膜５３ａとＧａ_２Ｏ_３：Ｃｌ，Ｓｉ，Ｍｇ，Ｚｎからなる誘電体膜５３ｂとの積層膜を１ペアとする多層膜ミラー５３について、ペア数と反射率およびストップバンド幅との関係を図６に、反射率の波長依存性を図７に、ストップバンド幅を後述の表１に、それぞれ示す。また、同様に、ＧＴＯ（Ｇａ−Ｓｎ−Ｏ）：Ｂ，Ａｌ，Ｃｌからなる誘電体膜５３ａとＩＴＯ：Ｂ，Ａｌ，Ｇａ，Ｃｌからなる誘電体膜５３ｂとの積層膜を１つのペアとする多層膜ミラー５３について、ペア数と反射率およびストップバンド幅との関係のシミュレーション結果を図８に、反射率の波長依存性のシミュレーション結果を図９に、それぞれ示す。

また、上述の各誘電体膜５３ａ，５３ｂの材料の組み合わせについて、屈折率、膜厚、ペア数、反射率、ストップバンド幅、電気伝導度（電導度）をまとめた結果を下記表１に示す。なお、上述のＧＴＯは、ＳｎＯ_２にＧａを添加した材料であり、下記表１中にはＳｎＯ_２と表記してある。

表１から分かるように、本実施形態では、従来の反射用金属層５８（図１１参照）に比べて反射率が高く且つストップバンド幅の広い多層膜ミラー５３が得られるので、発光スペクトルの半値全幅が４０ｎｍ程度の発光層３から放射された光を高効率で反射することが可能となる。なお、表１では、多層膜ミラー５３に発光層３からの光が垂直入射した場合のシミュレーション結果を示してあるが、半導体発光素子の光取り出し面と空気もしくは封止材との界面の凹凸や、屈折率差によって生じるエスケープコーンの影響などにより、多層膜ミラー５３に垂直に入射する光強度に比べて、入射面とのなす角度が９０度からある角度傾いた方向から多層膜ミラー５３に入射する光強度のほうが強くなるという状況が起こり得る。このような場合には、誘電体膜５３ａ，５３ｂそれぞれの膜厚を、光強度が最大になる入射角に応じて設計すればよいことは勿論である。要するに、上記媒質Ｘ１の入射面で反射される光と、上記媒質Ｘ１に入射してから上記媒質Ｘ１と上記媒質Ｘ２との界面で反射された後に上記媒質Ｘ１から出た光との光路差の計算を、多層膜ミラー５３に入射する光強度が最大になる入射角にて行えばよい。

以上説明した本実施形態の半導体発光素子では、発光層３から所望の光取り出し面側とは反対側へ放射された光を、導電性を有し屈折率の異なる２種類の誘電体膜５３ａ，５３ｂが周期的に積層され発光層３から放射された光をブラッグ反射する多層膜ミラー５３によって、従来の金属材料からなる反射用金属層５８（図１１参照）に比べて高い反射率で反射する（言い換えれば、極めて小さい光吸収損失で反射する）ことができるので、所望の光取り出し面からの光取り出し効率の向上を図れ、しかも、多層膜ミラー５３を設けたことによる順方向電圧の増加を抑制することができるので、光出力の高出力化と光取り出し効率の高効率化とを同時に実現できる。また、本実施形態の半導体発光素子は、上述のように多層膜ミラー５３が、屈折率が異なる２種類の誘電体膜５３ａ，５３ｂが交互に積層されたものであるから、２種類の誘電体膜５３ａ，５３ｂそれぞれの膜厚を適宜設定することにより、光の干渉効果により反射光を強めることができるとともに反射率を高めることができ、所望の光取り出し面からの光取り出し効率を高めることができる。

ところで、上述の多層膜ミラー５３では、互いに接する誘電体膜５３ａ，５３ｂのうち低屈折率の誘電体膜に対する高屈折率の誘電体膜の屈折率比が１．１以上となっているが、当該屈折率差を少なくとも１．１とすることにより、当該屈折率差が１．１未満の場合に比べて、多層膜ミラー５３における各誘電体膜５３ａ，５３ｂの層数を少なくできて製造コストの低コスト化を図れるとともに、多層膜ミラー５３にクラックなどが生じて信頼性が低下するのを防止することができる。また、本実施形態の半導体発光素子では、各誘電体膜５３ａ，５３ｂの材料として上述の材料を用いることにより、各誘電体膜５３ａ，５３ｂの禁制帯幅が３ｅＶ以上となり、各誘電体膜５３ａ，５３ｂが４１３ｎｍよりも長波長の光に対して透明なので、各誘電体膜５３ａ，５３ｂでの可視光域の光の吸収がなく、発光層３で発光する可視光に対して高反射率の多層膜ミラー５３を実現できる。

なお、上述の実施形態では、多層膜ミラー５３を２種類の誘電体膜５３ａ，５３ｂを周期的に積層した構成を有しているが、２種類に限らず、複数種類（例えば、３種類）の誘電体膜を周期的に積層した構成としてもよい。また、アノード電極５のみが多層膜ミラー５３を有しているが、カソード電極６にも同様の多層膜ミラーを設けてもよく、この場合には、オーミックコンタクト層６１の代わり、もしくは、ｎ形半導体層２とオーミックコンタクト層６１との間に、ｎ形半導体層２と接する多層膜ミラーを設ければよい。

（実施形態２）
本実施形態の半導体発光素子は、実施形態１と同様に、紫色よりも長波長の可視光を放射する可視光発光ダイオードであって、図１０に示すように、ｎ形ＳｉＣ基板からなるベース基板１の一表面側（図１０における上面側）に窒化ガリウム系化合物半導体層からなるｎ形半導体層２が形成され、ｎ形半導体層２上に３族窒化物半導体層からなる発光層３が形成され、発光層３上に窒化ガリウム系化合物半導体層からなるｐ形半導体層４が形成されている。要するに、本実施形態の半導体発光素子も、実施形態１と同様に、ベース基板１の上記一表面側にｎ形半導体層２と発光層３とｐ形半導体層４との積層構造を有している。なお、ｎ形半導体層２、発光層３、およびｐ形半導体層４は、ベース基板１の上記一表面側にＭＯＶＰＥ法のようなエピタキシャル成長技術を利用して成膜するので、ｎ形半導体層２の貫通転位を低減するとともにｎ形半導体層２の残留歪みを低減するために、ベース基板１とｎ形半導体層２との間にバッファ層を設けることが望ましいのは勿論である。

ところで、実施形態１では、ベース基板１として絶縁性を有するサファイア基板を用いていたのに対して、本実施形態では導電性を有するｎ形ＳｉＣ基板を用いており、ｐ形半導体層４における発光層３側とは反対側にアノード電極５が形成されるとともに、ｎ形半導体層２における発光層３側とは反対側にカソード電極６が形成されている。ただし、カソード電極６は、ベース基板１の他表面（図１０における下面）に形成されている。

また、本実施形態では、カソード電極６とアノード電極５との２つの電極のうちアノード電極５側を光取り出し面側としており、発光層３に対して所望の光取り出し面側とは反対側に位置するカソード電極６における発光層３側に、実施形態１の多層膜ミラー５３と同じ構成の多層膜ミラー６３が設けられている。ここにおいて、カソード電極６は、ベース基板１の上記他表面に形成された多層膜ミラー６３と、多層膜ミラー６３におけるベース基板１側とは反対側に形成された外部接続用電極層６２とで構成されている。なお、本実施形態では、カソード電極６の外部接続用金属層６２がダイボンド用の電極層を構成しており、外部接続用金属層６２の材料をＡｕ、膜厚を５００ｎｍに設定してあるが、膜厚は特に限定するものではない。

一方、アノード電極５は、ＭｇをドーピングしたＺｎＯからなる透明導電膜５４とＮｉ層５５とＴｉ層５６とＡｕからなる外部接続用金属層５２とで構成されており、Ｎｉ層５５とＴｉ層５６と外部接続用金属層５２との積層膜を透明導電膜５４の平面サイズに比べて小さくする（ただし、外部接続用金属層５２へのワイヤボンディングが可能なサイズを確保する必要がある）にパターニングすることで、透明導電膜５４の露出表面が所望の光取り出し面となっている。なお、図１０中の矢印Ｃは発光層３から放射され多層膜ミラー６３で反射された光の伝搬経路の一例を示している。また、アノード電極５は、透明導電膜５４の膜厚を１〜１０ｎｍ、Ｎｉ層５５の膜厚を５０ｎｍ、Ｔｉ層５６の膜厚を５０ｎｍ、外部接続用金属層５２の膜厚を５００ｎｍに設定してあるが、これらの膜厚は特に限定するものではない。

しかして、本実施形態の半導体発光素子においても、発光層３から所望の光取り出し面側とは反対側へ放射された光を、導電性を有し屈折率の異なる複数種類の誘電体膜が周期的に積層され発光層３から放射された光をブラッグ反射する多層膜ミラー６３によって、従来の金属材料からなる反射用金属層に比べて高い反射率で反射する（言い換えれば、極めて小さい光吸収損失で反射する）ことができるので、所望の光取り出し面からの光取り出し効率の向上を図れ、しかも、多層膜ミラー６３を設けたことによる順方向電圧の増加を抑制することができるので、光出力の高出力化と光取り出し効率の高効率化とを同時に実現できる。

なお、上記各実施形態１，２のいずれかで説明した半導体発光素子の発光色が青色光となるように発光層３の材料を選択し、半導体発光素子と当該半導体発光素子から放射される光によって励起されて発光する蛍光体（例えば、黄色蛍光体）を含有した色変換部とを備えた発光装置を製造し、複数個の発光装置を照明器具における光源とすれば、図１１にて説明した従来の半導体発光素子と色変換部とを備えた発光装置を用いる場合に比べて、照明器具の光出力の高出力化を図れる。

実施形態１の半導体発光素子を示し、（ａ）は概略断面図、（ｂ）は要部概略断面図である。 同上の半導体発光素子の多層膜ミラーの設計例の説明図である。 同上の半導体発光素子の多層膜ミラーの光学特性図である。 同上の半導体発光素子の多層膜ミラーの設計例の説明図である。 同上の半導体発光素子の多層膜ミラーの光学特性図である。 同上の半導体発光素子の多層膜ミラーの設計例の説明図である。 同上の半導体発光素子の多層膜ミラーの光学特性図である。 同上の半導体発光素子の多層膜ミラーの設計例の説明図である。 同上の半導体発光素子の多層膜ミラーの光学特性図である。 実施形態２を示す半導体発光素子の概略断面図である。 従来例を示す半導体発光素子の概略断面図である。

符号の説明

１ ベース基板
２ ｎ形半導体層
３ 発光層
４ ｐ形半導体層
５ アノード電極
６ カソード電極
５１ オーミックコンタクト層
５２ 外部接続用金属層
５３ 多層膜ミラー
５３ａ 誘電体膜
５３ｂ 誘電体膜

Claims (6)

1. ｎ形半導体層と発光層とｐ形半導体層との積層構造を有し、ｐ形半導体層における発光層側とは反対側にアノード電極が形成されるとともに、ｎ形半導体層における発光層の積層側にカソード電極が形成され、発光層に対して所望の光取り出し面側とは反対側に位置するアノード電極における発光層側に、導電性を有し屈折率の異なる複数種類の誘電体膜が周期的に積層され発光層から放射された光を反射する多層膜ミラーが設けられてなることを特徴とする半導体発光素子。
2. ｎ形半導体層と発光層とｐ形半導体層との積層構造を有し、ｐ形半導体層における発光層側とは反対側にアノード電極が形成されるとともに、ｎ形半導体層における発光層側とは反対側にカソード電極が形成され、カソード電極とアノード電極との２つの電極のうち発光層に対して所望の光取り出し面側とは反対側に位置する電極における発光層側に、導電性を有し屈折率の異なる複数種類の誘電体膜が周期的に積層され発光層から放射された光を反射する多層膜ミラーが設けられてなることを特徴とする半導体発光素子。
3. 前記多層膜ミラーは、屈折率が異なる２種類の誘電体膜が交互に積層されたものであり、前記各誘電体膜は、それぞれ酸化膜もしくは窒化膜からなることを特徴とする請求項１または請求項２記載の半導体発光素子。
4. 前記多層膜ミラーは、互いに接する前記誘電体膜のうち低屈折率の誘電体膜に対する高屈折率の誘電体膜の屈折率比が少なくとも１．１であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の半導体発光素子。
5. 前記各誘電体膜は、禁制帯幅が３ｅＶ以上であることを特徴とする請求項４記載の半導体発光素子。
6. 前記各誘電体膜は、Ｔｉ−Ｏ系薄膜、Ｉｎ−Ｓｎ−Ｏ系薄膜、Ｇａ−Ｓｎ−Ｏ系薄膜、Ｚｎ−Ｏ系薄膜、Ｇａ−Ｏ系薄膜、Ｍｇ−Ｏ系薄膜、アモルファスＧａＮ薄膜の群から選択されることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の半導体発光素子。

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