JP2011071316A - Semiconductor light-emitting element and lighting apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体発光素子、及びこれを用いる照明装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor light emitting element and an illumination device using the same.
従来より、透明材料からなる透明層と金属層とを積層させて構成し、透明層を透過した光を金属層によって反射するようにした半導体発光素子が知られている。 2. Description of the Related Art Conventionally, there is known a semiconductor light emitting device in which a transparent layer made of a transparent material and a metal layer are laminated and light transmitted through the transparent layer is reflected by the metal layer.
しかしながら、透明材料と金属材料とは、密着性が悪く、透明層と金属層とが剥離してしまうという、不都合があった。 However, the transparent material and the metal material have poor adhesion, and the transparent layer and the metal layer are peeled off.
本発明の目的は、透明層と金属層とが剥離するおそれを低減することができる半導体発光素子、及びこれを用いる照明装置を提供することである。 The objective of this invention is providing the semiconductor light-emitting device which can reduce the possibility that a transparent layer and a metal layer may peel, and an illuminating device using the same.
本発明に係る半導体発光素子は、発光層の発光波長において透光性を有するn型半導体層、前記発光層およびp型半導体層が積層され、前記発光層からの光の取出し面とは反対側に反射膜を備え、前記反射膜は、発光層の発光波長において透光性を有する透明部と導電性の金属部とを含む透明層と、前記透明層の、前記発光層とは反対側に積層され、光を反射する金属材料から成る金属層とが積層されて構成され、前記透明部及び前記金属部は、それぞれ前記透明層を貫通するように設けられ、前記透明部は、前記発光波長において、前記透明層から見て前記発光層の側に設けられた層の屈折率より低い屈折率を有し、前記透明部と前記金属層との間、及び前記透明部と前記金属部との間には、当該透明部と金属層、及び当該透明部と前記金属部とをそれぞれ密着するための密着膜が設けられている。 The semiconductor light-emitting device according to the present invention includes an n-type semiconductor layer having translucency at the emission wavelength of the light-emitting layer, the light-emitting layer, and the p-type semiconductor layer, and is opposite to the light extraction surface from the light-emitting layer. The reflective film includes a transparent layer including a transparent portion having a light transmitting property at the emission wavelength of the light emitting layer and a conductive metal portion, and on the opposite side of the transparent layer from the light emitting layer. And a metal layer made of a metal material that reflects light, and the transparent part and the metal part are provided so as to penetrate the transparent layer, respectively, and the transparent part has the emission wavelength. And having a refractive index lower than that of the layer provided on the light emitting layer side when viewed from the transparent layer, between the transparent portion and the metal layer, and between the transparent portion and the metal portion. Between the transparent part and the metal layer, and the transparent part and the gold Adhesive film to adhere the parts are provided respectively.
この構成によれば、透明層と金属層との境界では、透明層における金属部と金属層は、いずれも金属であるから積層されて強固に結び合う。また、透明層における透明部と金属層との間には、当該透明部と金属層とを密着するための密着膜が設けられているから、透明部と金属層との密着性が向上する。さらに、透明層内においても、金属層と強固に結び合った金属部と透明部との間には、当該透明部と金属部とを密着するための密着膜が設けられているから、透明部と金属部との密着性が向上する。その結果、透明部における金属層との界面に加えて、透明部の側面も密着膜を介して金属層、及び金属層と一体の金属部と密着されることとなるので、透明層と金属層とが剥離するおそれを低減することができる。 According to this configuration, at the boundary between the transparent layer and the metal layer, since the metal portion and the metal layer in the transparent layer are both metals, they are laminated and firmly bonded. Moreover, since the contact | adherence film | membrane for closely_contact | adhering the said transparent part and metal layer is provided between the transparent part and metal layer in a transparent layer, the adhesiveness of a transparent part and a metal layer improves. Further, even in the transparent layer, an adhesive film for closely contacting the transparent part and the metal part is provided between the metal part and the transparent part firmly bonded to the metal layer. The adhesion between the metal part and the metal part is improved. As a result, in addition to the interface with the metal layer in the transparent portion, the side surface of the transparent portion is also in close contact with the metal layer and the metal portion integral with the metal layer through the adhesion film. The risk of peeling off can be reduced.
また、前記密着膜は、Pt,Al,Ti,Cr,TiO2、Al2O3,ZnO,ITO,AZO,ZnS、及びこれらのうち少なくとも一つの合金、のうちいずれかにより構成されていることが好ましい。 The adhesion film is made of any one of Pt, Al, Ti, Cr, TiO 2 , Al 2 O 3 , ZnO, ITO, AZO, ZnS, and at least one alloy thereof. Is preferred.
これらの材料は、透明材料との密着性に優れるので、密着膜の材料として好適である。 Since these materials are excellent in adhesion with a transparent material, they are suitable as materials for an adhesion film.
また、前記金属層及び前記金属部は、Ag及びAg合金のうちいずれかにより構成されていることが好ましい。 Moreover, it is preferable that the said metal layer and the said metal part are comprised by either among Ag and an Ag alloy.
Ag及びAg合金は、光の反射率が高いので、反射膜に用いられる金属層及び前記金属部として好適である。さらに、Pt,Al,Ti,Cr,TiO2、Al2O3,ZnO,ITO,AZO,ZnS、及びこれらのうち少なくとも一つの合金を用いた密着膜との密着性に優れる点でも好適である。 Ag and an Ag alloy are suitable for the metal layer and the metal part used in the reflective film because of high light reflectance. Furthermore, Pt, Al, Ti, Cr, TiO 2 , Al 2 O 3 , ZnO, ITO, AZO, ZnS, and at least one of these alloys are also preferable in terms of excellent adhesion. .
また、前記金属層及び前記金属部は、Ag及びAg合金のうちいずれかにより構成され、前記密着膜は、前記Ag及びAg合金よりも前記透明部との密着性が高い材料により構成されていることが好ましい。 The metal layer and the metal part are made of either Ag or an Ag alloy, and the adhesion film is made of a material having higher adhesion to the transparent part than the Ag and Ag alloy. It is preferable.
この構成によれば、金属層及び金属部が直接透明部と密着される場合よりも密着力が向上する。 According to this configuration, the adhesion strength is improved as compared with the case where the metal layer and the metal portion are directly adhered to the transparent portion.
また、前記透明層の、発光層側に設けられた層は、前記n型半導体層及び前記p型半導体層のうちのいずれかであり、当該発光層側に設けられた層と、当該透明層との間には、当該発光層側に設けられた層とオーミックコンタクトすると共に前記発光波長において透明な第1の電極層が積層されていることが好ましい。 The layer provided on the light emitting layer side of the transparent layer is one of the n-type semiconductor layer and the p-type semiconductor layer, and the layer provided on the light emitting layer side and the transparent layer A first electrode layer that is in ohmic contact with a layer provided on the light emitting layer side and that is transparent at the light emission wavelength is preferably laminated.
この構成によれば、透明層の一部に設けられた金属部によって、透明層を貫通して第1の電極層と金属層とが電気的に導通されるので、n型半導体層及びp型半導体層のうち、透明層の発光層側に設けられた層と、金属層とが、第1の電極層及び金属部を介して電気的に接続される。これにより、金属層から発光層に充分な電流を注入することができるので、透明層による高反射率化を図りつつ、発光層を発光させることで、発光効率を向上させることが可能となる。 According to this configuration, since the first electrode layer and the metal layer are electrically connected through the transparent layer by the metal portion provided in a part of the transparent layer, the n-type semiconductor layer and the p-type Of the semiconductor layers, the layer provided on the light emitting layer side of the transparent layer and the metal layer are electrically connected via the first electrode layer and the metal portion. As a result, a sufficient current can be injected from the metal layer to the light emitting layer, so that it is possible to improve the light emission efficiency by causing the light emitting layer to emit light while increasing the reflectance by the transparent layer.
また、前記金属層は、第2の電極層として用いられることが好ましい。 The metal layer is preferably used as a second electrode layer.
この構成によれば、第2の電極層から発光層に充分な電流を注入することができるので、透明層による高反射率化を図りつつ、発光層を発光させることで、発光効率を向上させることが可能となる。 According to this configuration, since a sufficient current can be injected from the second electrode layer to the light emitting layer, the light emitting layer emits light while improving the reflectance by the transparent layer, thereby improving the light emission efficiency. It becomes possible.
また、前記第1の電極層は、ITO、GZO、AZO、TiO2、ZnO、及びIZOのうち少なくとも一つの材料を用いて構成されていることが好ましい。 The first electrode layer is preferably formed using at least one material of ITO, GZO, AZO, TiO 2 , ZnO, and IZO.
ITO、GZO、AZO、TiO2、ZnO、及びIZOは、透明な導電性材料であるから第1の電極層として好適である。 ITO, GZO, AZO, TiO 2 , ZnO, and IZO are suitable as the first electrode layer because they are transparent conductive materials.
また、前記透明部は、SiO2、ZrO2、Al2O3、TiO2、Ta2O5、MgF、CaF、及びSi3N4のうち少なくとも一つの材料を用いて構成されていることが好ましい。 In addition, the transparent portion may be configured using at least one material of SiO 2 , ZrO 2 , Al 2 O 3 , TiO 2 , Ta 2 O 5 , MgF, CaF, and Si 3 N 4. preferable.
上記の構成によれば、全反射効果を出す透明層として、SiO2(屈折率=1.43)は好適である。半導体層がIII-V族の場合に好適であるだけでなく、特に半導体層がII-VI族のZnO系材料から成る場合、ZnOの屈折率は約2.0であるので、全反射効果を活用するには好適である。また、SiO2と同様に、ZrO2、Al2O3、TiO2、Ta2O5、MgF、CaF、及びSi3N4もまた透明層として好適である。 According to the above configuration, as the transparent layer to issue a total reflection effect, SiO 2 (refractive index = 1.43) is preferred. Not only is the semiconductor layer suitable for the group III-V, but particularly when the semiconductor layer is made of a group II-VI ZnO-based material, the refractive index of ZnO is about 2.0, so that the total reflection effect is reduced. It is suitable for use. Similarly to SiO 2 , ZrO 2 , Al 2 O 3 , TiO 2 , Ta 2 O 5 , MgF, CaF, and Si 3 N 4 are also suitable as the transparent layer.
また、前記透明層の厚さは、前記発光波長の3/4を、前記透明部の屈折率で除した値以上であり、前記発光波長の5/4を、前記透明部の屈折率で除した値以下であることが好ましい。 The thickness of the transparent layer is not less than a value obtained by dividing 3/4 of the emission wavelength by the refractive index of the transparent portion, and 5/4 of the emission wavelength is divided by the refractive index of the transparent portion. Or less.
この構成によれば、臨界角θcまでの比較的浅い角度(入射角が小さい)で入射した光は前記透明層または金属層で反射される。また、前記臨界角θcを超えて比較的深い角度(入射角が大きい)で入射した光は、高屈折率であるGaNなどの成長基板または半導体層と該反射膜との界面において、近接場やエバネッセント波と称される前記界面から透明層への波長程度の深さの浸み出し光となる。しかしながら、該透明層が発光波長の3/4を、前記透明層の屈折率で除した値以上の厚みを有することで、該透明層を通過して前記金属層で吸収されてしまう可能性が少なくなり、殆どが該透明層から前記界面へ戻ってゆき(跳ね返され)、前記界面から前記成長基板または半導体層に再度入射して前記光の取出し面に向う。 According to this configuration, light incident at a relatively shallow angle up to the critical angle θc (small incident angle) is reflected by the transparent layer or metal layer. In addition, light incident at a relatively deep angle (incident angle is large) exceeding the critical angle θc is a near field or an interface between a growth substrate such as GaN having a high refractive index or a semiconductor layer and the reflective film. The light penetrates from the interface, called evanescent wave, into the transparent layer at a depth of about the wavelength. However, if the transparent layer has a thickness equal to or greater than 3/4 of the emission wavelength divided by the refractive index of the transparent layer, there is a possibility that the transparent layer will be absorbed by the metal layer through the transparent layer. Most of the light returns from the transparent layer to the interface (bounces back), reenters the growth substrate or the semiconductor layer from the interface, and travels toward the light extraction surface.
したがって、反射膜にあらゆる入射角で入射した光を効率良く取出すことができ、同じ光を取出す場合には低消費電力化することができ、同じ電力を注入する場合には高輝度化を図ることができる。 Therefore, it is possible to efficiently extract light incident on the reflection film at all incident angles, to reduce power consumption when extracting the same light, and to increase brightness when injecting the same power. Can do.
そして、透明層の厚みが3/4光学波長以上であれば、全反射効果は得られる。しかしながら、実際に成膜した膜は、成膜法にも依存するものの、膜応力を持っており、透明層を厚くすればする程、この膜応力が強くなり、プロセス中、あるいは素子使用中に膜が剥離する可能性が高くなる。 And if the thickness of a transparent layer is 3/4 optical wavelength or more, the total reflection effect will be acquired. However, although the film actually formed depends on the film forming method, it has a film stress. The thicker the transparent layer, the stronger the film stress becomes, and the film or the element is in use. The possibility that the film peels increases.
したがって、透明層の厚みを発光波長の5/4を、前記透明層の屈折率で除した値以下とすることで、光学特性と膜安定性とを両立することができる。 Therefore, by setting the thickness of the transparent layer to be equal to or less than 5/4 of the emission wavelength divided by the refractive index of the transparent layer, both optical characteristics and film stability can be achieved.
また、前記密着膜の厚さは、0nmを超え、3nmに満たないことが好ましい。 The thickness of the adhesion film is preferably more than 0 nm and less than 3 nm.
この構成によれば、良好な反射率が得られる。 According to this configuration, a good reflectance can be obtained.
また、前記金属部は、複数の島状に形成され、前記透明部は、前記複数の島状の金属部の間を埋めるように形成されていることが好ましい。 Moreover, it is preferable that the said metal part is formed in several island shape, and the said transparent part is formed so that the space between these several island-like metal parts may be filled up.
この構成によれば、金属部が複数の島状にされていることにより、金属部から第1の電極層へ供給される電流が、第1の電極層において、透明部に回り込みやすくなる結果、発光層へ供給される電流が均一化されて、発光むらが低減される。 According to this configuration, since the metal portion is formed into a plurality of islands, the current supplied from the metal portion to the first electrode layer easily wraps around the transparent portion in the first electrode layer. The current supplied to the light emitting layer is made uniform, and uneven light emission is reduced.
また、前記金属部は、メッシュ状に形成され、前記透明部は、前記メッシュ状に形成された金属部のメッシュの目を埋めるように形成されていてもよい。 The metal part may be formed in a mesh shape, and the transparent part may be formed so as to fill the mesh of the metal part formed in the mesh shape.
この構成によれば、金属部がメッシュ状に形成されていることにより、金属部から第1の電極層へ供給される電流が、第1の電極層において、透明部に回り込みやすくなる結果、発光層へ供給される電流が均一化されて、発光むらが低減される。 According to this configuration, since the metal part is formed in a mesh shape, the current supplied from the metal part to the first electrode layer easily goes around the transparent part in the first electrode layer. The current supplied to the layer is made uniform, and the uneven emission is reduced.
また、前記第1の電極層は、銀、Pt、Rh、Al、及びPt、Rh、銀、Alのうちいずれかの合金、のうちいずれかである高反射金属でその厚さが0.1nm〜5nmであることが好ましい。ここで、0.1nmは、前述の金属原子の直径よりも小さいが、層が均一ではなく島状の状態としたときの平均厚みである。 The first electrode layer is a highly reflective metal that is any one of silver, Pt, Rh, Al, and an alloy of Pt, Rh, silver, and Al, and has a thickness of 0.1 nm. It is preferably ˜5 nm. Here, 0.1 nm is an average thickness when the layer is not uniform but in an island-like state although it is smaller than the diameter of the metal atom.
この構成によれば、前記第1の電極層を、吸収の少ない高反射率金属でその厚さが0.1nm〜5nmとすると、吸収を1%以下とすることができる。 According to this configuration, when the first electrode layer is made of a highly reflective metal with low absorption and has a thickness of 0.1 nm to 5 nm, absorption can be reduced to 1% or less.
また、前記高反射金属は銀であり、前記第1の電極層の厚さは、0.1nm〜2nmであることが好ましい。 The highly reflective metal is silver, and the thickness of the first electrode layer is preferably 0.1 nm to 2 nm.
この構成によれば、吸収が極めて少なく、特に好適である。 According to this configuration, the absorption is extremely small, which is particularly preferable.
また、前記透明層から見て発光層の側に設けられた層は、前記p型半導体層であり、前記第1の電極層は、Pt、Rh、及びそれらの合金のうちいずれかが0.1nm〜2nmの厚さで積層され、かつ面積占有率が1nmの厚みで換算した場合の10%〜50%のメッシュ状あるいは微小領域群として形成されることが好ましい。 Further, the layer provided on the light emitting layer side when viewed from the transparent layer is the p-type semiconductor layer, and the first electrode layer is formed of any one of Pt, Rh, and an alloy thereof being 0.00. It is preferably formed as a mesh or minute region group of 10% to 50% when laminated with a thickness of 1 nm to 2 nm and an area occupancy is converted to a thickness of 1 nm.
この構成によれば、前記第1の電極層として、PtまたはRh、或いはそれらの合金は、GaN系p型半導体層とオーミック接続が可能で、かつ反射率が60%以上である。そこで、それらを0.1nm〜2nmの厚みで、かつ面積占有率が10%〜50%のメッシュ或いは微小領域群に形成することによって、高反射率を犠牲にせず、順方向電圧を低減することができ、好適である。 According to this configuration, Pt, Rh, or an alloy thereof as the first electrode layer can be ohmic-connected to the GaN-based p-type semiconductor layer and has a reflectance of 60% or more. Therefore, the forward voltage can be reduced without sacrificing high reflectivity by forming them in a mesh or a small area group having a thickness of 0.1 nm to 2 nm and an area occupation ratio of 10% to 50%. This is preferable.
また、前記金属層及び前記金属部は、銀、Al、及びこれらの合金のうち少なくとも一つの材料を用いて構成されていることが好ましい。 Moreover, it is preferable that the said metal layer and the said metal part are comprised using at least 1 material among silver, Al, and these alloys.
銀、Al、及びこれらの合金は、光の反射率が高いので、金属層及び前記金属部として好適である。 Silver, Al, and alloys thereof are suitable for the metal layer and the metal part because of high light reflectance.
また、前記金属層は、Al及びAl合金のうちいずれかの層が前記透明層に接するように、当該いずれかの層と銀の層とが積層されて構成されていることが好ましい。 Moreover, it is preferable that the said metal layer is comprised by laminating | stacking the said one layer and the layer of silver so that either layer may contact the said transparent layer among Al and Al alloy.
Al及びAl合金は、銀よりも透明層との密着性が高いので、Al及びAl合金のうちいずれかの層が前記透明層に接するように、当該いずれかの層と銀の層とを積層して金属層を構成すると、金属層と透明層とが剥離するおそれが低減する。 Since Al and Al alloy have higher adhesiveness to the transparent layer than silver, any one of Al and Al alloy is laminated with the silver layer so that either layer is in contact with the transparent layer. And if a metal layer is comprised, a possibility that a metal layer and a transparent layer may peel will reduce.
また、前記金属層及び前記金属部は銀であり、前記金属層の厚みは、80nm以上であることが好ましい。 Moreover, it is preferable that the said metal layer and the said metal part are silver, and the thickness of the said metal layer is 80 nm or more.
この構成によれば、透明層と銀とを積層することで、半導体内部の光の配光分布の重みを考慮した平均反射率が、98%から99%以上となり、高い光取り出し効率が可能である。また、銀の屈折率(n,k)を(0.066、2.5)とした場合、成膜工法、成膜条件によって変化するけれども、膜厚が80nmの場合に、反射率(R)が93%以上、透過率(T)が3%以下となるので、高反射率を得るには膜厚80nm以上が望ましい。ここで、屈折率のkは、「吸収係数」または「減衰係数」である。しかし、膜厚が厚くなると膜応力による剥離が生じ易くなるので、特に100nm程度が好ましい。 According to this configuration, by laminating the transparent layer and silver, the average reflectance considering the light distribution distribution weight of the light inside the semiconductor is increased from 98% to 99%, and high light extraction efficiency is possible. is there. Further, when the refractive index (n, k) of silver is (0.066, 2.5), the reflectivity (R) is changed when the film thickness is 80 nm, although it varies depending on the film forming method and film forming conditions. Is 93% or more and the transmittance (T) is 3% or less, so that a film thickness of 80 nm or more is desirable to obtain a high reflectance. Here, k of the refractive index is “absorption coefficient” or “attenuation coefficient”. However, as the film thickness increases, peeling due to film stress is likely to occur, and therefore, about 100 nm is particularly preferable.
また、前記金属層及び前記金属部はAlであり、前記金属層の厚みは、50nm以上であるようにしてもよい。 The metal layer and the metal part may be Al, and the thickness of the metal layer may be 50 nm or more.
この構成によれば、透明層とAlとを積層することで、97%以上の平均反射率が得られ、高い光取り出し効率が可能である。 According to this configuration, by laminating the transparent layer and Al, an average reflectance of 97% or more is obtained, and high light extraction efficiency is possible.
また、前記第1の電極層と、前記金属部との間にPt層が形成されていることが好ましい。 A Pt layer is preferably formed between the first electrode layer and the metal part.
この構成によれば、第1の電極層と、金属部との間の密着性をさらに高めることができる。 According to this configuration, the adhesion between the first electrode layer and the metal part can be further enhanced.
また、本発明に係る照明装置は、上述の半導体発光素子を用いる。 In addition, the lighting device according to the present invention uses the above-described semiconductor light emitting element.
この構成によれば、半導体発光素子において透明層と金属層とが剥離するおそれが低減し、照明装置の信頼性が向上する。 According to this configuration, the possibility that the transparent layer and the metal layer are separated in the semiconductor light emitting device is reduced, and the reliability of the lighting device is improved.
このような構成の半導体発光素子は、透明層と金属層とが剥離するおそれを低減することができる。 The semiconductor light emitting device having such a configuration can reduce the possibility that the transparent layer and the metal layer are separated.
また、このような構成の照明装置は、半導体発光素子において透明層と金属層とが剥離するおそれが低減するので、照明装置の信頼性が向上する。 In addition, the lighting device having such a configuration improves the reliability of the lighting device because the possibility that the transparent layer and the metal layer peel off in the semiconductor light emitting element is reduced.
図1〜図4は、本発明の実施の一形態に係る半導体発光素子である発光ダイオード1〜4の構造を示す断面図である。図1〜図4の構造は、本発明が適用される半導体発光素子の典型的な構造例を示すものであり、図1の発光ダイオード1はフリップチップタイプであり、図2〜図4の発光ダイオード2〜4はワイヤボンドタイプである。
1 to 4 are sectional views showing structures of
図1の発光ダイオード1は、図示しない成長基板上に、n型半導体層11、発光層12およびp型半導体層13が積層され、発光層12からの光取出し面14とは反対側の面に反射膜を有する。ここで、注目すべきは、p型電極を本発明に係る反射膜Aとすることである。反射膜Aは、発光層12の発光波長において、該反射膜が接するp型半導体層13の屈折率より低い屈折率を有し、かつ3/4光学波長(3Q)以上の厚みを有する透明層15と、透明層15上に積層され、高反射率を有する金属材料から成る金属層16とを備えて構成される。
1 has an n-type semiconductor layer 11, a light-emitting layer 12, and a p-type semiconductor layer 13 stacked on a growth substrate (not shown), on a surface opposite to the
また、後述するように、透明層15には、透明層15を貫通してp型半導体層13と金属層16とを電気的に導通させるメッシュ状、又は複数の島状にされた金属部15bと、透明部15cとが設けられている。
Further, as will be described later, the
そして、透明部15cを覆うように、透明部15cと金属層16との間、及び透明部15cと金属部15bとの間には、透明部15cと金属層16、及び透明部15cと金属部15bとをそれぞれ密着するための密着膜18が形成されている。密着膜18としては、例えばPt,Al,Ti,Cr,TiO2、Al2O3,ZnO,ITO,AZO,ZnS、及びこれらのうち少なくとも一つの合金を用いることができる。
And between the
また、図1に示すように、p型半導体層13と透明層15との間に、透明導電層19(第1の電極層)が積層されていてもよい。
As shown in FIG. 1, a transparent conductive layer 19 (first electrode layer) may be laminated between the p-type semiconductor layer 13 and the
そして、透明導電層19、透明層15、及び金属層16を覆うように、実装用カバーメタルEが形成されている。実装用カバーメタルEとしては、例えば、Ti,Ni,Au,Cr等が用いられる。
A mounting cover metal E is formed so as to cover the transparent conductive layer 19, the
各層11〜13は、III-V族半導体またはII-VI族半導体から成り、たとえばGaNの場合、波長λ=455nm程度、屈折率は2.5程度である。透明部15cは、たとえばSiO2から成り、その場合の屈折率は1.43程度である。金属層16は、たとえば銀から成る。そして、金属層16まで形成された後、一角が彫り込まれてn型半導体層11に連なるn型電極17が形成され、さらに成長基板が剥離された後、光取出し面14となるその剥離された面に、凹凸が形成されて、この図1で示す構成となる。
Each of the layers 11 to 13 is made of a III-V group semiconductor or a II-VI group semiconductor. For example, in the case of GaN, the wavelength λ is about 455 nm and the refractive index is about 2.5.
また、図2の発光ダイオード2でも、図示しない成長基板上に、n型半導体層21、発光層22およびp型半導体層23が積層され、発光層22からの光取出し面24とは反対側の面に反射膜を有する。ここで、注目すべきは、p型電極を本発明に係る反射膜Bとすることである。反射膜Bは、発光層22の発光波長において、該反射膜Bが接するp型半導体層23の屈折率より低い屈折率を有し、かつ3/4光学波長(3Q)以上の厚みを有する透明層25と、透明層25上に積層され、高反射率を有する金属材料から成る金属層26とを備えて構成される。
2, the n-
各層21〜23は、III-V族半導体またはII-VI族半導体、たとえばGaNから成り、透明層25は、たとえばSiO2から成り、金属層26は、たとえば銀から成る。そして、金属層26まで形成された後、成長基板が剥離され、光取出し面24となるその剥離された面に、凹凸が形成されるとともに、該凹凸上にn型電極27が形成され、金属層26がp型コンタクトとなってこの図2で示す構成となる。
Each
また、後述するように、透明層25の一部には、透明層25を貫通してp型半導体層23と金属層26とを電気的に導通させるメッシュ状、又は複数の島状にされた金属部25bと、透明部25cとが設けられている。
Further, as will be described later, a part of the
そして、透明部25cを覆うように、透明部25cと金属層26との間、及び透明部25cと金属部25bとの間には、透明部25cと金属層26、及び透明部25cと金属部25bとをそれぞれ密着するための密着膜28が、密着膜18と同様に設けられている。
And between the
そして、透明導電層29、透明層25、及び金属層26を覆うように、実装用カバーメタルEが形成されている。
A mounting cover metal E is formed so as to cover the transparent
また、図2に示すように、p型半導体層23と透明層25との間に、透明導電層29(第1の電極層)が積層されていてもよい。
As shown in FIG. 2, a transparent conductive layer 29 (first electrode layer) may be laminated between the p-
図1、及び図2における破線部Xの拡大図を図23に示す。 FIG. 23 shows an enlarged view of the broken line portion X in FIGS. 1 and 2.
一方、図3の発光ダイオード3では、界面30aに凹凸を有し、発光層32の発光波長において透明な成長基板(或いは貼り合せ基板)30上に、n型半導体層31、発光層32およびp型半導体層33が積層され、発光層32からの光取出し面34とは反対側の面に反射膜を有する。ここで、注目すべきは、成長基板30の裏面を本発明に係る反射膜Cとすることである。
On the other hand, in the
反射膜Cは、発光層32の発光波長において、該反射膜が接する成長基板30の屈折率より低い屈折率を有し、かつ3/4光学波長(3Q)以上の厚みを有する透明層35と、透明層35上に積層され、高反射率を有する金属材料から成る金属層36とを備えて構成される。成長基板30は、GaN、ZnO、Al2O3から成る。各層31〜33は、III-V族半導体またはII-VI族半導体から成り、たとえばGaNの場合、波長λ=455nm程度、屈折率は2.5程度である。
The reflective film C has a refractive index lower than the refractive index of the
透明層35は、たとえばSiO2から成り、その場合の屈折率は1.43程度である。金属層36は、たとえば銀から成る。そして、p型半導体層33上に透明導電層38が形成され、裏面側に透明層35および金属層36が形成された後、一角が彫り込まれた部分と透明導電層38上に、n型電極37およびp型電極39が形成されて、この図3で示す構成となる。なお、n型半導体層31とp型半導体層33とは、相互に入替えられてもよい。その場合、電極37はp型となり、電極39はn型となる。
The
さらにまた、図4の発光ダイオード4では、発光層42の発光波長において透明な成長基板(或いは貼り合せ基板)40上に、n型半導体層41、発光層42およびp型半導体層43が積層され、発光層42からの光取出し面44とは反対側の面に反射膜を有する。そして、成長基板40の裏面を、透明層35および金属層36と同様の透明層45および金属層46が積層された反射膜Dとしている。図3との違いは、凹凸が光取出し面44であるp型半導体層43上面に形成されていることである。この発光ダイオード4でも、n型半導体層41とp型半導体層43とが入替わり、n型電極47およびp型電極49がそれぞれp型およびn型となってもよい。
Furthermore, in the light-emitting
ところで、発光層の発光波長において透光性を有する成長基板上に、n型半導体層、発光層およびp型半導体層が積層されて成る半導体発光素子において、従来から、光取り出し効率(または外部量子効率)を向上する方策として、発光層からの光の取出し面とは反対側の面に、反射率の高い反射膜を形成する方法が用いられている。これは、半導体発光層にて発生する光は四方八方に向かう性質があり、図8で示すように、発光点の直上に出る(出射角が小さい)光より、斜めに向う(出射角が大きい)光の方が多いために、発光層から出た光は、その殆どが素子内部で多重反射してロスとなってしまうためである。 Incidentally, in a semiconductor light-emitting device in which an n-type semiconductor layer, a light-emitting layer, and a p-type semiconductor layer are stacked on a growth substrate that has translucency at the emission wavelength of the light-emitting layer, conventionally, light extraction efficiency (or external quantum efficiency) is conventionally used. As a measure for improving (efficiency), a method of forming a reflective film having a high reflectivity on the surface opposite to the light extraction surface from the light emitting layer is used. This is because the light generated in the semiconductor light-emitting layer is directed in all directions, and as shown in FIG. 8, it is directed obliquely (the emission angle is large) than the light that exits directly above the emission point (the emission angle is small). This is because most of the light emitted from the light emitting layer is multiple-reflected inside the device and becomes a loss because there is more light.
図9には、反射膜の反射率の変化に対する光取り出し効率の変化を示す。この図9から明らかなように、光取り出し効率を70%以上に高めるには、反射率は95%以上必要であり、しかもその95%以上の領域では、反射率が1%向上するだけで、取り出し効率が6%程度向上する。ここで、GaAs半導体の場合には、反射膜を兼ねて、Auを電極材料に用いることで、高い反射率が得られて、光取り出し効率を向上することができる。 FIG. 9 shows changes in light extraction efficiency with respect to changes in the reflectance of the reflective film. As apparent from FIG. 9, in order to increase the light extraction efficiency to 70% or more, the reflectivity needs to be 95% or more, and in the region of 95% or more, the reflectivity is improved only by 1%. The extraction efficiency is improved by about 6%. Here, in the case of a GaAs semiconductor, by using Au as an electrode material that also serves as a reflective film, a high reflectance can be obtained and light extraction efficiency can be improved.
しかしながら、金属の反射率は波長に大きく依存し、赤色よりも短波長側に発光ピークを有する酸化物あるいは窒化物系化合物半導体発光素子などでは、そのような手法を用いることができない。たとえば、GaN系材料と、銀、アルミ等の高反射金属とは、オーミック接触が確保できない。このため、Ni,Pt,Rhなどの金属や、ITO(Indium Tin Oxide)などの金属酸化物と、高反射金属との積層電極が使用され、高反射金属の固有の反射率以上の反射率を得ることは困難になっている。 However, the reflectance of the metal greatly depends on the wavelength, and such a method cannot be used for an oxide or nitride-based compound semiconductor light-emitting element having a light emission peak on the shorter wavelength side than red. For example, ohmic contact cannot be ensured between a GaN-based material and a highly reflective metal such as silver or aluminum. For this reason, laminated electrodes of metals such as Ni, Pt, and Rh, metal oxides such as ITO (Indium Tin Oxide), and highly reflective metals are used, and the reflectance is higher than the intrinsic reflectance of highly reflective metals. It's getting harder to get.
そこで、このような問題を解決することができる従来技術として、高反射金属固有の反射率以上の反射率を確保するために、高反射金属としての銀と、半導体層であるpGaN層との間に、1/4光学波長のSiO2膜が積層されており、全ての入射角に対して、単独銀膜よりも高い反射率を得るようにしたものが知られている(GaInN light-emitting diodes with RuO2 OSiO2 OAg omni-directional reflector(Jong Kyu Kim, Thomas Gesmann, Hong Luo, and E.Fred Schubert.Applied PhysicsLetters 84,4508(2004)レンセラー工科大))。 Therefore, as a conventional technique capable of solving such a problem, in order to ensure a reflectivity higher than the reflectivity inherent in the highly reflective metal, between the silver as the highly reflective metal and the pGaN layer as the semiconductor layer, In addition, a SiO 2 film having a quarter optical wavelength is laminated, and a higher reflectivity than that of a single silver film is obtained for all incident angles (GaInN light-emitting diodes). with RuO2 OSiO2 OAg omni-directional reflector (Jong Kyu Kim, Thomas Gesmann, Hong Luo, and E. Fred Schubert. Applied Physics Letters 84, 4508 (2004) Rensselaer Polytechnic Institute).
これによって、ODR(omni-directional reflector:全方向反射鏡電極構造)を形成し、平均反射率が波長450nmの計算値で98%となっている。また、オーミック接触は、pGaN層とSiO2膜との間にRuO2(酸化ルテニウム)膜を形成するとともに、SiO2膜に形成した開口を通して、銀層がRuO2膜からpGaN層と電気的に接続されるマイクロコンタクトによって確保されている。 As a result, an ODR (omni-directional reflector: omnidirectional reflector electrode structure) is formed, and the average reflectance is 98% at a calculated value of a wavelength of 450 nm. In addition, the ohmic contact forms a RuO 2 (ruthenium oxide) film between the pGaN layer and the SiO 2 film, and the silver layer electrically connects with the pGaN layer from the RuO 2 film through the opening formed in the SiO 2 film. Secured by the connected microcontacts.
上述の従来技術では、全ての入射角に対して高反射率が得られるとしているが、本願発明者が同様の計算を行ったところ、図10で示すように、SiO2膜の膜厚が、1/8光学波長膜厚(0.5Q)では約55度を中心に広い角度範囲で20%程度反射率が低下し、また1/4光学波長膜厚(1Q)では約45度を中心に30%程度もの反射率低下が生じることが分かった。これは、金属の上に単層のSiO2膜を反射膜として形成した場合、入射角が小さい場合は1/4光学波長膜厚(1Q)で良好な反射が得られるが、入射角が大きくなると、図11の破線で示すような、半導体層からSiO2膜へ浸み出す光、いわゆる近接場やエバネッセント波と称される光が、銀膜層と結合するためと考えられる。図10において、1/4光学波長膜厚=λ/(4n)=1Q、nは屈折率である。 In the above prior art, although a high reflectance is obtained for all angles of incidence, where the present inventors have carried out the same calculation, as shown in Figure 10, the film thickness of the SiO 2 film, At 1/8 optical wavelength film thickness (0.5Q), the reflectance decreases by about 20% over a wide angle range centered at about 55 degrees, and at 1/4 optical wavelength film thickness (1Q), about 45 degrees is centered. It was found that the reflectivity was reduced by about 30%. This is because, when a single layer SiO 2 film is formed on a metal as a reflective film, good reflection can be obtained with a quarter optical wavelength film thickness (1Q) when the incident angle is small, but the incident angle is large. In this case, it is considered that light that oozes from the semiconductor layer to the SiO 2 film, that is, so-called near-field or evanescent wave as shown by a broken line in FIG. 11 is combined with the silver film layer. In FIG. 10, 1/4 optical wavelength film thickness = λ / (4n) = 1Q, and n is a refractive index.
また、図10において、上述の従来技術の文献に記載のデータ特性、すなわち98%の反射率を、0〜90°の入射角度での各反射率の放射角分布の重み付平均値で得ようとすると、反射膜の厚さを3Q、あるいは5Qまで厚くしなければならないことが判る。 Further, in FIG. 10, the data characteristics described in the above-mentioned prior art document, that is, the reflectance of 98% will be obtained by the weighted average value of the radiation angle distribution of each reflectance at the incident angle of 0 to 90 °. Then, it can be seen that the thickness of the reflective film must be increased to 3Q or 5Q.
前記浸み出しの量は、図12で示すように、入射角θが臨界角θcまでは0で、臨界角θcで波長λ程度の深さまで浸み出し、その後、指数関数的に減少してゆく。θc=30〜40°である。 As shown in FIG. 12, the amount of the oozing is 0 until the incident angle θ reaches the critical angle θc, oozes to a depth of about the wavelength λ at the critical angle θc, and then decreases exponentially. go. θc = 30 to 40 °.
これに対し、本実施の形態では、上述の従来技術のように1/4光学波長薄膜の干渉によって反射率を向上するのではなく、屈折率が高い媒質(たとえばGaN材料:屈折率=2.5)から屈折率の低い媒質(たとえばSiO2:屈折率=約1.43)に光が入射する際の全反射効果を活用し、反射層として3/4光学波長膜厚以上の透明層15,25,35,45と、それに積層される銀、銀合金、Al、Al合金の金属層16,26,36,46から成る反射層とを作成するとともに、光取出し面14,24,44、或いは界面30aに正反射角度を乱す凹凸構造を配設する。これによって、入射角θが小さい領域では前記従来技術の文献による1/4光学波長膜を積層した場合を上回る反射率の向上は望めないけれども、図8で示す実際の発光層12,22,32,42からの光の放射角分布を考慮した場合、より高い平均反射率を得ることができる。
In contrast, in the present embodiment, the reflectance is not improved by the interference of the ¼ optical wavelength thin film as in the prior art described above, but a medium having a high refractive index (for example, GaN material: refractive index = 2.2). 5) From the total reflection effect when light is incident on a medium having a low refractive index (for example, SiO 2 : refractive index = about 1.43), a
詳しくは、臨界角θcを超えて比較的深い角度で入射した光は、高屈折率である成長基板30,40または半導体層13,23と該反射膜との界面において、近接場やエバネッセント波と称される前記界面から透明層15,25,35,45へ浸み出し光となるが、該透明層15,25,35,45が3/4光学波長以上の厚みを有することで、該透明層15,25,35,45を通過して金属層16,26,36,46で吸収されてしまう可能性は少なくなり、殆どが該透明層15,25,35,45から界面へ戻ってゆき(跳ね返され)、前記界面から成長基板30,40または半導体層13,23に再度入射して光取出し面14,24,34,44に向う。
Specifically, the light incident at a relatively deep angle exceeding the critical angle θc is caused by a near-field or evanescent wave at the interface between the
そして、1回の透過で取り出せず、このように内部に再反射した光も、前記凹凸の光取出し面14,24,44または界面30aで入射角、屈折率、及び形状に依存する角度変換作用を受け、統計的には最初の発光と類似の分布を持つと考えられる。従って、これら放射角分布の重みをかけて、全ての入射角に対する重み付き平均反射率で考えると、前記従来技術の文献による1/4光学波長膜を積層させた場合と比較して、より以上の反射率を得ることができる。こうして、反射膜にあらゆる入射角で入射した光を効率良く取出すことができ、同じ光を取出す場合には低消費電力化することができ、同じ電力を注入する場合には高輝度化を図ることができる。また、このような膜構成では、精密な膜厚制御は不要で、かつ膜層数も少ないので、プロセスが容易である。
Also, the light that cannot be extracted by one transmission and is re-reflected in this way also has an angle conversion function depending on the incident angle, the refractive index, and the shape at the uneven light extraction surfaces 14, 24, 44 or the
図1〜図4では、正反射角度を乱す形状として微小凹凸を例示したが、目的は直方体の中で正反射の繰返しの多重反射をなくすことであって、この形状にはとらわれない。素子のマクロ構造を変えて、素子側面に傾斜を設けても良いし、素子そのものが角錘台形状を有する錘状構造等であってもよい。 1 to 4 exemplify minute irregularities as shapes that disturb the regular reflection angle, the purpose is to eliminate repeated multiple reflections of regular reflection in a rectangular parallelepiped, and the shape is not limited to this. By changing the macro structure of the element, the side surface of the element may be inclined, or the element itself may be a pyramid structure having a truncated pyramid shape.
ここで、図5には、金属層16,26,36,46として銀を用いた場合における透明層15,25,35,45の厚さの変化に対する反射率の変化を示す。横軸は膜厚Nを示し、その膜厚Nは、1/4光学波長(1Q)の倍数で示す。前述の図11および図12で示すように、全反射効果を活用した透明層15,25,35,45の膜厚は1光学波長程度以上必要であるが、この図5は前述の図8で示す放射束分布を考慮した重み付平均反射率を示しており、この図5から、透明層15,25,35,45の厚みは、反射率が99%以上となることから、3/4光学波長程度以上あればよいことが理解される。
Here, FIG. 5 shows a change in reflectance with respect to a change in thickness of the
なお、透明部15c,25c、及び透明層35,45は、SiO2に限らず、ZrO2でもよく、さらにこれらの屈折率がそれぞれ、1.43、1.95であり、これらの間の屈折率を持つAl2O3等でもよい。但し、発光半導体素子がII-VI族のZnO系材料から成る場合、ZnOの屈折率は約2.0であるので、全反射効果を活用するには、透明部15c,25c、及び透明層35,45としては、SiO2が好ましい(Al2O3、ZrO2では屈折率差が小さく、全反射効果も小さい)。図5には、ZrO2の反射率特性も合わせて示す。
The
また、透明部15c,25c、及び透明層35,45としては、例えば、SiO2、ZrO2、Al2O3、TiO2、Ta2O5、MgF、CaF、及びSi3N4を用いることができる。また、これらの透明層又は透明部を、複数の層を積層した多層構造で構成してもよい。さらに、このように積層された各層を、上述の材料から選択された同じ材料で構成してもよく、互いに異なる材料の層を積層してもよい。
The
一方、透明層15,25,35,45は、前述のように厚みが3/4光学波長以上であれば、全反射効果は得られる。しかしながら、実際に成膜した膜は、成膜法にも依存するが、膜応力を持っており、厚くすればする程、この膜応力が強くなり、プロセス中、あるいは素子使用中に膜が剥離してしまう。したがって、該透明層15,25,35,45の厚みを5/4光学波長以下とすることで、光学特性と膜安定性とを両立することができる。
On the other hand, if the
図13は、透明層15,25,35,45(SiO2)の厚さと、反射膜A,B,C,Dの反射率との関係を示すグラフである。図13において、縦軸の重み付き平均反射率<R>は、立体角分布を考慮した反射率である。図14(a),(b)は、図13における重み付き平均反射率<R>の算出条件を説明するための説明図である。図14(c)は、立体角分布を考慮した重み付き平均反射率<R>の算出方法を説明するための説明図である。
FIG. 13 is a graph showing the relationship between the thickness of the
図14(a)(b)において、透明部(SiO2)の屈折率n=1.43、半導体層(GaN)の屈折率n=2.4、光の波長λ=450nmである。そうすると、図13において、光学波長膜厚Q=450/(4×1.43)=78.7nmとなる。また、重み付き平均反射率<R>は、透明部(SiO2)の界面における反射率である。 14A and 14B, the refractive index n = 1.43 of the transparent portion (SiO 2 ), the refractive index n of the semiconductor layer (GaN) n = 2.4, and the light wavelength λ = 450 nm. Then, in FIG. 13, the optical wavelength film thickness Q = 450 / (4 × 1.43) = 78.7 nm. Further, the weighted average reflectance <R> is the reflectance at the interface of the transparent portion (SiO 2 ).
図14(c)において、重み付き平均反射率<R>の数式の右辺において、sinφの項が乗算されてたたみ込み積分されることにより、光の入射角に応じた重み付けがされるようになっている。 In FIG. 14C, weighting according to the incident angle of light comes to be performed by convolution integration by multiplying the term of sin φ on the right side of the equation of weighted average reflectance <R>. ing.
図13を参照すると、金属層としてAgを用いた場合、及びAlを用いた場合のいずれであっても、透明部(SiO2)の厚さtが3Q(発光波長の3/4を透明部の屈折率で除した値)以上になると、重み付き平均反射率<R>が96%以上となり、かつそれ以上厚さtを増大させても、重み付き平均反射率<R>はあまり大きく増大しない。従って、透明層15,25,35,45の厚さtは3Q以上であることが望ましい。
Referring to FIG. 13, whether Ag is used as the metal layer or Al is used, the thickness t of the transparent portion (SiO 2 ) is 3Q (3/4 of the emission wavelength is the transparent portion). The weighted average reflectance <R> is 96% or more, and the weighted average reflectance <R> increases greatly even if the thickness t is further increased. do not do. Therefore, the thickness t of the
さらに、透明部(SiO2)の厚さtが5Q(発光波長の5/4を、透明部の屈折率で除した値)以上では、重み付き平均反射率<R>がほぼ一定となるので、それ以上厚さtを増大させても反射率向上の効果は得られない。従って、透明層15,25,35,45の厚さtは、3Q〜5Qとすることが望ましい。
Furthermore, when the thickness t of the transparent portion (SiO 2 ) is 5Q (a value obtained by dividing 5/4 of the emission wavelength by the refractive index of the transparent portion), the weighted average reflectance <R> is substantially constant. Even if the thickness t is further increased, the effect of improving the reflectance cannot be obtained. Therefore, the thickness t of the
また、金属層16,26,36,46を、銀または銀合金とすると、透明層15,25,35,45と積層することで、図5で示すように、平均98%から99%以上の反射率が得られ、高い光取り出し効率を得ることができ、好適である。但し、高反射金属は銀系材料に限定されるものではなく、紫外領域の発光素子においてはAlが望ましい。Alに透明層15,25,35,45を積層した場合にも、Alの反射率が寄与する入射角領域では放射束分が小さく、入射角が大きくなる領域では全反射効果が寄与するので、平均としてはAl自体の反射率より高い効果を得ることができる。
Further, when the metal layers 16, 26, 36, 46 are made of silver or a silver alloy, by laminating with the
さらにまた、成膜工法、成膜条件に変化するが、銀の屈折率(n,k)を(0.066、2.5)とした場合、膜厚と、反射率(R)、透過率(T)、吸収率(A)とは、図6のようになる。したがって、高反射率を得るには、90%以上の反射率が得られる膜厚80nm以上が望ましい。また、膜厚が厚くなると膜応力による剥離が生じ易くなるので、200nm以下であることが望ましい。特に100nm程度が、反射率と膜安定性との両面で好ましい。 Furthermore, although the film forming method and the film forming conditions are changed, when the refractive index (n, k) of silver is (0.066, 2.5), the film thickness, the reflectance (R), and the transmittance. (T) and the absorption rate (A) are as shown in FIG. Therefore, in order to obtain a high reflectance, a film thickness of 80 nm or more that can obtain a reflectance of 90% or more is desirable. Moreover, since peeling due to film stress tends to occur as the film thickness increases, the thickness is desirably 200 nm or less. In particular, about 100 nm is preferable in terms of both reflectance and film stability.
また、金属層16,26,36,46としては、銀及び銀合金の他、例えばAl及びAl合金を用いることができる。 As the metal layers 16, 26, 36, and 46, for example, Al and an Al alloy can be used in addition to silver and a silver alloy.
図15は、金属層16,26,36,46(Ag又はAl)の厚さtと、反射膜A,B,C,Dの重み付き平均反射率<R>との関係を示すグラフである。図16(a),(b)は、図15における重み付き平均反射率<R>の算出条件を説明するための説明図である。 FIG. 15 is a graph showing the relationship between the thickness t of the metal layers 16, 26, 36, and 46 (Ag or Al) and the weighted average reflectance <R> of the reflective films A, B, C, and D. . FIGS. 16A and 16B are explanatory diagrams for explaining the calculation conditions of the weighted average reflectance <R> in FIG.
図15を参照すると、金属層としてAgを用いた場合、金属層の厚さtが80nm以上でグラフがほぼフラットになり、それ以上厚さtを大きくしても重み付き平均反射率<R>は増大しない。また、金属層としてAlを用いた場合、金属層の厚さtが50nm以上でグラフがほぼフラットになり、それ以上厚さtを大きくしても重み付き平均反射率<R>は増大しない。 Referring to FIG. 15, when Ag is used as the metal layer, the graph becomes almost flat when the thickness t of the metal layer is 80 nm or more, and the weighted average reflectance <R> even if the thickness t is further increased. Does not increase. Further, when Al is used as the metal layer, the graph becomes almost flat when the thickness t of the metal layer is 50 nm or more, and the weighted average reflectance <R> does not increase even if the thickness t is increased further.
従って、金属層としてAgを用いた場合、金属層の厚さtは80nm以上、より望ましくは最小限の厚さで略最大の反射率が得られる略80nmとすることが望ましい。 Therefore, when Ag is used as the metal layer, the thickness t of the metal layer is preferably 80 nm or more, more preferably about 80 nm at which a substantially maximum reflectance can be obtained with a minimum thickness.
また、金属層としてAlを用いた場合、金属層の厚さtは50nm以上、より望ましくは最小限の厚さで略最大の反射率が得られる略50nmとすることが望ましい。 Further, when Al is used as the metal layer, the thickness t of the metal layer is preferably 50 nm or more, more preferably about 50 nm at which a substantially maximum reflectance can be obtained with a minimum thickness.
また、金属層16,26,36,46を、複数の層を積層した多層構造で構成してもよい。さらに、このように積層された各層を、上述の材料から選択された同じ材料で構成してもよく、互いに異なる材料の層を積層してもよい。 Further, the metal layers 16, 26, 36, and 46 may be configured in a multilayer structure in which a plurality of layers are stacked. Furthermore, each layer laminated in this way may be composed of the same material selected from the above materials, or layers of different materials may be laminated.
また、金属層16,26,36,46が、Ag又はAg合金の場合、透明部15c,25c、及び透明層35,45(SiO2)との密着性が悪く、金属層16,26,36,46と透明層15,25,35,45とが剥離しやすくなるおそれがある。一方、Al及びAl合金は、Ag及びAg合金よりも透明部15c,25c、及び透明層35,45との密着性がよい。そこで、Al又はAl合金によって、密着層18,28を形成し、さらにその上にAg又はAg合金の層を形成し、透明部15c,25c、及び透明層35,45(SiO2)とAg又はAg合金の層との間にAl又はAl合金の層を挟み込むことで、金属層16,26,36,46と透明層15,25,35,45とが剥離し難くすることができる。
Further, when the metal layers 16, 26, 36, 46 are Ag or an Ag alloy, the adhesion between the
図17は、金属層を、Ag層と透明層との間にAl層を設けて構成した場合のAl層の厚さtと、反射膜A,B,C,Dの重み付き平均反射率<R>との関係を示すグラフである。図18は、図17における重み付き平均反射率<R>の算出条件を説明するための説明図である。 FIG. 17 shows the thickness t of the Al layer and the weighted average reflectance of the reflection films A, B, C, and D when the metal layer is configured by providing an Al layer between the Ag layer and the transparent layer. It is a graph which shows the relationship with R>. FIG. 18 is an explanatory diagram for explaining the calculation condition of the weighted average reflectance <R> in FIG.
図17を参照すると、Al層の厚さtが1nmのとき、重み付き平均反射率<R>は99.0%となり、極めて良好な重み付き平均反射率<R>が得られる。従って、Al層の厚さtは1nm以下であることが望ましい。また、Al層の厚さtが3nmのとき、重み付き平均反射率<R>は98.3%となり、バルクのアルミと同等の反射率となる。そうすると、AlはAgより光の反射率が低いので、Al層の厚さtが3nm以上になると、Ag層が無く、Al層のみで金属層を構成した場合と同じになってしまう。従って、Al層の厚さtは、3nmより薄くする必要がある。 Referring to FIG. 17, when the thickness t of the Al layer is 1 nm, the weighted average reflectance <R> is 99.0%, and a very good weighted average reflectance <R> is obtained. Therefore, the thickness t of the Al layer is desirably 1 nm or less. When the thickness t of the Al layer is 3 nm, the weighted average reflectance <R> is 98.3%, which is the same reflectance as that of bulk aluminum. Then, since Al has a light reflectance lower than that of Ag, if the thickness t of the Al layer is 3 nm or more, there is no Ag layer, which is the same as the case where the metal layer is configured by only the Al layer. Therefore, the thickness t of the Al layer needs to be thinner than 3 nm.
ところで、図3および図4の発光ダイオード3,4では、透明層35,45および金属層36,46は成長基板30,40上に形成され、ダイオード電流の経路とは関係のない部分に設けられているのに対して、図1および図2の発光ダイオード1,2では、金属層16,26はp型電極となり、透明層15,25はp型半導体層13,23上に形成されて、ダイオード電流の経路に設けられることになる。このように反射膜A,Bがp型半導体層13,23上に形成されて、そのp型電極を兼ねる場合、図1および図2で示すように、p型半導体層13,23と透明層15,25との間には、透明導電層19,29が積層されている。
By the way, in the
透明導電層19,29は、p型半導体層13,23と導電性を有し(オーミックコンタクトし)、発光層12,22の発光波長において透明な第1の電極層である。そして、透明導電層19,29上に、開口(貫通孔)15a,25aを有する透明層15,25が形成される。さらにこの透明層15,25上に、金属層16,26が積層されると、金属層16,26の金属材料が開口15a,25aから透明層15,25上に積層され、開口15a,25a内に積層された金属材料によって金属部15b,25bが形成される。
The transparent
この金属部15b,25bによって、透明導電層19,29と金属層16,26とが電気的に導通される。これにより、金属層16,26は、金属部15b,25b、及び透明導電層19,29を介してp型半導体層13,23と電気的に導通し、p型電極(第2の電極層)として用いられる。
The transparent
なお、透明導電層19,29(例えばITO)と金属部15b,25b(例えばAg)との間に厚さ0.1nm〜0.3nmのPt層を形成することで、透明導電層19,29(例えばITO)と金属部15b,25b(例えばAg)との間の密着性をさらに高めることができる。
The transparent
このように反射膜が電極を兼ねてオーミック接合が必要な場合に、全反射効果を活用する透明層15,25に、マイクロコンタクトホールを形成したり、該透明層15,25をメッシュ状等に領域分割するなどして開口15a,25aを形成し、それらの開口15a,25aを、反射率の高い金属層16,26で覆うことで、金属部15b,25bが形成される。これにより、金属層16,26と透明導電層19,29とのオーミック接合が可能になる。これによって、透明層15,25による高反射率化を犠牲にせず、半導体層13,23と高反射な金属層16,26とを電気的に接続し、発光層12,22に充分な電流を注入することができる。
In this way, when the reflective film also serves as an electrode and requires ohmic junction, a micro contact hole is formed in the
図19、図20は、図1、図2に示す透明層15,25の一例を示す平面図である。図19(a)、図20(a)はそれぞれ全体図を示し、図19(b)、図20(b)はそれぞれ透明層の一部を拡大した図を示している。
19 and 20 are plan views showing examples of the
図19(a)に示す透明層15,25は、透明部15c,25cが例えば六角形の島状にされて複数配置されている。そして、各透明部15c,25cの隙間を埋めるように金属部15b,25bがメッシュ状に形成されている。なお、透明部15c,25cは六角形に限らず、例えば円形であってもよく、その他の形状であってもよい。
In the
また、図20(a)に示す透明層15,25は、金属部15b,25bが例えば円形の島状にされて複数配置されている。そして、各金属部15b,25bの隙間を埋めるように透明部15c,25cがメッシュ状に形成されている。なお、透明部15c,25cは六角形に限らず、例えば円形であってもよく、その他の形状であってもよい。
In addition, a plurality of
透明層15,25において、透明部15c,25cには電流が流れない。そのため、LEDを発光させるための電流は、p型電極である金属層16,26から、各金属部15b,25bを通って透明導電層19,29に到達し、透明導電層19,29からp型半導体層13,23、発光層12,22、n型半導体層11へ流れて発光層12,22が発光する。
In the
このとき、発光層12,22を均一に発光させるためには、透明導電層19,29に到達した電流が透明部15c,25cの下(透明部15c,25cとp型半導体層13,23との間)に回り込む必要がある。そして、透明部15c,25cのサイズが小さいほど、電流が透明部15c,25cの下に回り込み易くなる。
At this time, in order to cause the
従って、透明部15c,25cのサイズは小さいほど発光層12,22を均一に発光させることが容易となる。透明部15c,25cのサイズは、例えば図19(b)に示すように、島状の透明部15c,25cの中心から最も遠い外縁部分までの距離dや、例えば図20(b)に示すように、隣接する金属部15b,25b間の最短距離dである。
Therefore, the smaller the size of the
第1の電極層である透明導電層19,29は、たとえば金属酸化物のITOが例えば30nm以下の厚さで積層されて形成される。この場合、98%以上の透過率を確保でき、透明層15,25での全反射効果を阻害しない。特に好ましくは10nm以下である。また、ITO以外にも、水酸化マグネシウム(Mg(OH)2)なども用いることができる。
The transparent
なお、透明導電層19,29は、必ずしも30nm以下の厚さである必要はなく、30nmを超える厚さであってもよい。
The transparent
また、透明導電層19,29としては、ITOや水酸化マグネシウムの他、例えばZnOや、ZnOにガリウムをドープしたGZO、ZnOにインジウムをドープしたりIn2O3にインジウムをドープしたりして得られるIZO、及びZnOにアルミニウムをドープしたAZOを用いることができる。また、透明導電層19,29を、複数の層を積層した多層構造で構成してもよい。さらに、このように積層された各層を、上述の材料から選択された同じ材料で構成してもよく、互いに異なる材料の層を積層してもよい。
Further, as the transparent
また、第1の電極層である透明導電層19,29は、吸収の少ない高反射金属、たとえば銀で、その厚みが5nm以下に積層されて形成されていてもよい。この場合、図6における膜厚が20nm以下の領域を図7で拡大して示すように、吸収を1%以下とすることができる。特にこの図7から、2nm以下とすることで、吸収が極めて少なくなり、好適である。
Further, the transparent
さらにまた、第1の電極層であり、p型半導体層13,23に接する透明導電層19,29は、GaN系p型半導体層13,23とオーミック接続が可能で、かつ反射率が60%以上であるPtまたはRh、或いはそれらの合金から成る。そして、これらを2nm程度以下の厚みで、占有率が50%以下、好ましくは25%以下のメッシュ或いは島状の微小領域群に領域分割するなどして開口19a,29aを形成することによって、高反射を犠牲にせず、発光ダイオード1,2の順方向電圧を低減することができ、好適である。
Furthermore, the transparent
図21は、透明導電層19,29を厚さ1nmのPtを用いてメッシュ状あるいは島状に形成した場合のPtの面積占有率と、発光ダイオード1,2の順方向電圧Vf、及び重み付き平均反射率<R>の関係を示すグラフである。
FIG. 21 shows the area occupancy of Pt, the forward voltage Vf of the
発光ダイオード1,2の発光効率は、順方向電圧Vfが低いほど高く、重み付き平均反射率<R>が大きいほど高い。
The light emission efficiency of the
図21に示すように、Pt(1nm厚)の面積占有率が、10%を下回ると急激に順方向電圧Vfが上昇するので、Ptの面積占有率は10%以上が望ましい。また、Ptの面積占有率が50%を超えると重み付き平均反射率<R>が93%以下となり、望ましくない。従って、Ptの面積占有率は50%以下が望ましい。また、Ptの面積占有率を25%以下とすれば、重み付き平均反射率<R>が95%以上となって、より望ましい。 As shown in FIG. 21, when the area occupancy rate of Pt (1 nm thickness) is less than 10%, the forward voltage Vf rapidly increases. Therefore, the area occupancy rate of Pt is preferably 10% or more. Further, if the Pt area occupancy exceeds 50%, the weighted average reflectance <R> is 93% or less, which is not desirable. Accordingly, the area occupation ratio of Pt is desirably 50% or less. Further, if the area occupation ratio of Pt is 25% or less, the weighted average reflectance <R> is 95% or more, which is more desirable.
図22は、Pt層の厚さと密着性(引っ張り強度)との関係を調べた実験結果を示す表である。図22に示すサンプル1は、Pt層を備えず、GaN層とAg層とを密着させたものであり、サンプル2〜4は、GaN層とAg層との間にPt層を設けたものである。
FIG. 22 is a table showing the experimental results of examining the relationship between the thickness of the Pt layer and adhesion (tensile strength).
サンプル1は、10N/mm2の引っ張り強度で層の剥離が発生した。一方、Pt層の厚さが0.1nmのサンプル2では、44.0N/mm2の引っ張り強度でも剥離は発生しなかった。さらに、Pt層の厚さがそれぞれ0.3nm、1.0nmのサンプル3,4では、44.7N/mm2以上(測定限界以上)の引っ張り強度でも剥離は発生しなかった。
In
このことから、Pt層の厚さは、0.1nm以上であることが望ましい。また、Rhや、Pt、Rhの合金を用いた層であっても、Rt層と同様の結果が得られると推定され、層の厚さは0.1nm以上であることが望ましい。 For this reason, the thickness of the Pt layer is preferably 0.1 nm or more. Further, it is estimated that the same result as that of the Rt layer can be obtained even in a layer using an alloy of Rh, Pt, and Rh, and the thickness of the layer is preferably 0.1 nm or more.
以上のような発光ダイオード1〜4を照明装置に用いることで、光取出し効率を向上することができ、したがって低消費電力化および高輝度化を図ることができる照明装置を実現することができる。
By using the
1,2,3,4 発光ダイオード
11,21,31,41 n型半導体層
12,22,32,42 発光層
13,23,33,43 p型半導体層
14,24,34,44 光取出し面
15,25,35,45 透明層
15a,25a;19a,29a 開口
15b,25b 金属部
15c,25c 透明部
16,26,36,46 金属層
17,27,37,47 n型電極
18 密着膜
30,40 成長基板
30a 界面
19、29,38 透明導電層
39,49 p型電極
1, 2, 3, 4
Claims (21)
前記反射膜は、
発光層の発光波長において透光性を有する透明部と導電性の金属部とを含む透明層と、
前記透明層の、前記発光層とは反対側に積層され、光を反射する金属材料から成る金属層とが積層されて構成され、
前記透明部及び前記金属部は、
それぞれ前記透明層を貫通するように設けられ、
前記透明部は、
前記発光波長において、前記透明層から見て前記発光層の側に設けられた層の屈折率より低い屈折率を有し、
前記透明部と前記金属層との間、及び前記透明部と前記金属部との間には、当該透明部と金属層、及び当該透明部と前記金属部とをそれぞれ密着するための密着膜が設けられていること
を特徴とする半導体発光素子。 An n-type semiconductor layer having translucency at the emission wavelength of the light-emitting layer, the light-emitting layer and the p-type semiconductor layer are laminated, and a reflective film is provided on the side opposite to the light extraction surface from the light-emitting layer;
The reflective film is
A transparent layer comprising a transparent part having translucency at the emission wavelength of the light emitting layer and a conductive metal part;
The transparent layer is laminated on the side opposite to the light emitting layer, and is constructed by laminating a metal layer made of a metal material that reflects light,
The transparent part and the metal part are
Each provided to penetrate the transparent layer,
The transparent part is
In the emission wavelength, having a refractive index lower than the refractive index of the layer provided on the light emitting layer side when viewed from the transparent layer,
Between the transparent part and the metal layer, and between the transparent part and the metal part, there are adhesive films for closely attaching the transparent part and the metal layer, and the transparent part and the metal part, respectively. A semiconductor light emitting element characterized by being provided.
を特徴とする請求項1記載の半導体発光素子。 The adhesion film is made of any one of Pt, Al, Ti, Cr, TiO 2 , Al 2 O 3 , ZnO, ITO, AZO, ZnS, and at least one alloy thereof. The semiconductor light emitting device according to claim 1.
を特徴とする請求項2記載の半導体発光素子。 The semiconductor light emitting element according to claim 2, wherein the metal layer and the metal part are made of either Ag or an Ag alloy.
前記密着膜は、前記Ag及びAg合金よりも前記透明部との密着性が高い材料により構成されていること
を特徴とする請求項1記載の半導体発光素子。 The metal layer and the metal part are composed of either Ag or an Ag alloy,
The semiconductor light emitting element according to claim 1, wherein the adhesion film is made of a material having higher adhesion to the transparent portion than the Ag and Ag alloy.
当該発光層側に設けられた層と、当該透明層との間には、当該発光層側に設けられた層とオーミックコンタクトすると共に前記発光波長において透明な第1の電極層が積層されていること
を特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の半導体発光素子。 The layer provided on the light emitting layer side of the transparent layer is one of the n-type semiconductor layer and the p-type semiconductor layer,
Between the layer provided on the light emitting layer side and the transparent layer, a first electrode layer that is in ohmic contact with the layer provided on the light emitting layer side and transparent at the emission wavelength is laminated. The semiconductor light-emitting device according to claim 1, wherein
を特徴とする請求項5記載の半導体発光素子。 The semiconductor light emitting element according to claim 5, wherein the metal layer is used as a second electrode layer.
を特徴とする請求項5又は6に記載の半導体発光素子。 7. The semiconductor light emitting element according to claim 5, wherein the first electrode layer is configured using at least one material of ITO, GZO, AZO, TiO 2 , ZnO, and IZO. .
を特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載の半導体発光素子。 The transparent part is configured using at least one material of SiO 2 , ZrO 2 , Al 2 O 3 , TiO 2 , Ta 2 O 5 , MgF, CaF, and Si 3 N 4. The semiconductor light-emitting device according to claim 1.
を特徴とする請求項1〜8のいずれか1項に記載の半導体発光素子。 The thickness of the transparent layer is not less than a value obtained by dividing 3/4 of the emission wavelength by the refractive index of the transparent part, and a value obtained by dividing 5/4 of the emission wavelength by the refractive index of the transparent part. The semiconductor light-emitting element according to claim 1, wherein:
を特徴とする請求項1〜9のいずれか1項に記載の半導体発光素子。 The thickness of the said adhesion film exceeds 0 nm, and is less than 3 nm. The semiconductor light-emitting device of any one of Claims 1-9 characterized by the above-mentioned.
前記透明部は、前記複数の島状の金属部の間を埋めるように形成されていること
を特徴とする請求項5〜7のいずれか1項に記載の半導体発光素子。 The metal part is formed in a plurality of island shapes,
The semiconductor light-emitting element according to claim 5, wherein the transparent portion is formed so as to fill a space between the plurality of island-shaped metal portions.
前記透明部は、前記メッシュ状に形成された金属部のメッシュの目を埋めるように形成されていること
を特徴とする請求項5〜7のいずれか1項に記載の半導体発光素子。 The metal part is formed in a mesh shape,
The semiconductor light-emitting element according to claim 5, wherein the transparent portion is formed so as to fill a mesh of a mesh of the metal portion formed in the mesh shape.
を特徴とする請求項5又は6に記載の半導体発光素子。 The first electrode layer is a highly reflective metal that is one of silver, Pt, Rh, Al, and an alloy of Pt, Rh, silver, and Al, and has a thickness of 0.1 nm to 5 nm. The semiconductor light-emitting device according to claim 5 or 6, wherein:
を特徴とする請求項13記載の半導体発光素子。 The semiconductor light emitting element according to claim 13, wherein the highly reflective metal is silver, and the thickness of the first electrode layer is 0.1 nm to 2 nm.
前記第1の電極層は、Pt、Rh、及びそれらの合金のうちいずれかが0.1nm〜2nmの厚さで積層され、かつ面積占有率が1nmの厚みで換算した場合の10%〜50%のメッシュ状あるいは微小領域群として形成されること
を特徴とする請求項5又は6記載の半導体発光素子。 The layer provided on the light emitting layer side when viewed from the transparent layer is the p-type semiconductor layer,
In the first electrode layer, any one of Pt, Rh, and an alloy thereof is laminated with a thickness of 0.1 nm to 2 nm, and the area occupancy is 10% to 50% in terms of a thickness of 1 nm. The semiconductor light emitting device according to claim 5, wherein the semiconductor light emitting device is formed as a mesh or a minute region group.
を特徴とする請求項1〜15のいずれか1項に記載の半導体発光素子。 The semiconductor light-emitting device according to claim 1, wherein the metal layer and the metal part are configured using at least one material of silver, Al, and an alloy thereof. element.
Al及びAl合金のうちいずれかの層が前記透明層に接するように、当該いずれかの層と銀の層とが積層されて構成されていること
を特徴とする請求項16記載の半導体発光素子。 The metal layer is
17. The semiconductor light emitting element according to claim 16, wherein any one of Al and an Al alloy is formed by laminating one of the layers and a silver layer such that the layer is in contact with the transparent layer. .
前記金属層の厚みは、80nm以上であること
を特徴とする請求項16記載の半導体発光素子。 The metal layer and the metal part are silver,
The thickness of the said metal layer is 80 nm or more. The semiconductor light-emitting device of Claim 16 characterized by the above-mentioned.
前記金属層の厚みは、50nm以上であること
を特徴とする請求項1記載の半導体発光素子。 The metal layer and the metal part are Al,
The semiconductor light-emitting element according to claim 1, wherein the metal layer has a thickness of 50 nm or more.
を特徴とする請求項5又は6に記載の半導体発光素子。 The semiconductor light emitting element according to claim 5, wherein a Pt layer is formed between the first electrode layer and the metal part.
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