JP4912663B2 - 単一指向性反射器及びこれを適用した発光素子 - Google Patents

Description

本発明は、導電性一方向性の反射器及びこれを適用した発光素子に係り、電気光学的特性にすぐれる反射器及びこれを適用した発光素子に関する。

ＬＥＤのような発光素子に使われる反射器は、高い反射率だけではなく、良好な通電性を有することが必要である。既存の単一金属反射器として、ＡｇやＡｌなどによる高反射金属電極が使われてきたが、かかる金属反射器は、金属自体の特性である屈折率と消滅係数のため、一定限界以上の反射度が得られない（物理的限界値；Ａｇ：８６％、Ａｌ：９２％）。かかる金属反射度の限界を克服するために、図１に示されるように、単一指向性反射器（ＯＤＲ：Ｏｍｎｉ−Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）が提案されている。

この反射器は、半導体物質層上に低屈折層とＡｇまたはＡｌなどの金属層とが順次積層された構造を有する。高反射率のＯＤＲを得るために、低屈折層の厚さｔｈは、波長λの１／４ｎ（ｎ：屈折率）に比例しなければならない。低屈折層は、反射率の低いＳｉＯ_２またはＳｉ_３Ｎ_４などの物質から形成される。そして金属層は、消滅係数の大きい物質、例えばＡｇやＡｌなどの金属から形成される。しかし、かかる従来のＯＤＲ構造は、低屈折層の物質が一般的に不導体であるから、電流を注入する能動素子を作れないという欠点を有する。

特許文献１は、光抽出効率の高い発光素子を提案する。反射器は、基板と発光部との間に位置し、ＳｉＯ_２、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＭｇＯなどの低屈折物質から形成される透明層と、ＡｇまたはＡｌなどから形成される反射層とを備える。かかる発光素子の特徴は、反射器の透明層にマイクロオーミックコンタクトを複数アレイ状により形成し、電流を注入できる構造に改善されたという点である。透明層は、ＳｉＯ_２、Ｓｉ_３Ｎ_４またはＭｇＯなどの低屈折物質から形成され、反射層は、ＡｇまたはＡｌなどから形成される。しかし、特許文献１に開示された発光素子は、制限された面積のマイクロオーミックコンタクトを使用するので、相変らず接触抵抗が大きく、従って動作電圧が高いという短所を有する。また、低屈折物質の透明層をマイクロサイズに貫通させる工程は、大量生産に容易ではなく、大変精巧なパターニング工程とエッチング工程とを必要とする。

良質のＯＤＲを得るためには、低屈折層の屈折率を最小化させることが必要であり、屈折率が低いほど反射率が上昇する。図２Ａ及び図２Ｂは、低屈折層の屈折率変化によるＡｇ ＯＤＲとＡｌ ＯＤＲの反射率変化を示す。Ａｇ ＯＤＲは、２，０００Å厚さのＡｇ反射層を有し、Ａｌ ＯＤＲは、同じ厚さのＡｌ反射層を有する。図２ａ及び２ｂにおいて、「ｌｏｗ−ｎ」は低屈折率を意味する。

図２Ａ及び図２Ｂを参照し、屈折率が低いほど反射率が上昇し、４００ｎｍ波長では、Ａｌ ＯＤＲがＡｇ ＯＤＲに比べて反射率特性がはるかに良好であることが分かる。ＯＤＲ構造で使用可能な屈折率の範囲１．１〜１．５内で、９２％以上の高い反射率を得ることができる。すなわち、良質のＯＤＲを得るためには、低屈折層の屈折率を最小化することが必要であり、さらには高い透明度及び伝導性を有することが望ましい。
米国特許ＵＳ６，７８４，４６２明細書

本発明の目的は、優秀な電気的特性を有しつつも、非常に低い屈折率を有する低屈折層の適用により、非常に優秀な電気的通電性及び光抽出効率を有する単一指向性反射器（ｏｍｎｉ−ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）及びこれを適用した発光素子を提供することにある。

本発明による単一指向性反射器は、導電性ナノロッドによる透明性低屈折層と、金属による反射層とを備える。

本発明による発光素子は、活性層と上下部半導体物質層とを備える発光部と、前記発光部の一層の半導体物質層上に形成されてなる複数の導電性ナノロッドを備える透明性低屈折層と、前記低屈折層上に形成されてなる金属性反射層とを備える。

本発明の反射器及び発光素子でのナノロッドは、透明導電性酸化物（ＴＣＯ：Ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ Ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ Ｏｘｉｄｅ）または透明導電性窒化物（ＴＣＮ：Ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ Ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ Ｎｉｔｒｉｄｅ）から形成される。

ＴＣＯは、Ｉｎ、ＳｎおよびＺｎよりなる群から選ばれた少なくとも一つの酸化物であり、ここにドーパントが選択的に含まれうる。使用可能なドーパントには、Ｇａ、Ｃｄ、Ｍｇ、Ｂｅ、Ａｇ、Ｍｏ、Ｖ、Ｃｕ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｗ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｐｄ、ＰｔまたはＬａがある。

ＴＣＮは、ＴｉとＮとを含み、具体的にＴｉＮ、ＴｉＯＮまたはＩｎＳｎＯＮから形成される。

前記低屈折層の厚さは、前記発光部のピーク波長の１／４ｎ（ｎ：屈折率）に比例する。

金属性反射層は、Ａｇ、Ａｇ_２Ｏ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｔｉ、Ｒｈ、Ｍｇ、Ｐｄ、Ｒｕ、ＰｔまたはＩｒなどから形成される。

前記ナノロッドは、スパッタリングまたは電子ビームを利用した傾斜蒸着法により形成可能である。

本発明のＯＤＲは優秀な通電性と反射率とを有する。かかる特徴によれば、従来の発光素子に比べて非常に高い光抽出効果を有する高い輝度の発光素子を得ることができる。

本発明による発光素子は、別途の通電経路のためのマイクロコンタクトなどの別途の要素を要求せず、従って製作が容易であって経済的である。

以下、添付された図面を参照しつつ、本発明の望ましい実施例による反射器及びこれを適用した発光素子を詳細に説明する。

図３Ａは、本発明によるＯＤＲを備えた発光素子の概略断面図であり、図３Ｂは、図３ＡのＡ部分に対応する実際に製作したＯＤＲの断面ＳＥＭ写真である。

図３Ａに示されるように、透明性サファイア基板１０上に下部半導体物質層２１、活性層２２、上部半導体物質層２３を備えた発光部２０が設けられ、発光部２０の一方の半導体物質層、本実施例では、上部半導体物質層２３を１つの構成要素として含むＯＤＲ３０が発光部２０上に形成される。ＯＤＲ３０は、図３Ａ及び図３Ｂに示されるように、上部半導体物質層２３と、その上に順次形成された導電性ナノロッドによる低屈折層３１と、その上の金属性反射層３２とを備える。

前記導電性ナノロッドは、望ましくＴＣＯまたはＴＣＮから形成される。

ＴＣＯは、Ｉｎ、ＳｎおよびＺｎよりなる群から選ばれた少なくとも一つの酸化物であり、ここにドーパントが選択的に含まれうる。使用可能なドーパントには、Ｇａ、Ｃｄ、Ｍｇ、Ｂｅ、Ａｇ、Ｍｏ、Ｖ、Ｃｕ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｗ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｐｄ、ＰｔまたはＬａがある。

ＴＣＮは、ＴｉとＮとを含み、具体的にＴｉＮ、ＴｉＯＮまたはＩｎＳｎＯＮから形成される。

前記低屈折層の厚さは、前記発光部のピーク波長の１／４ｎに比例する。金属性反射層は、Ａｇ、Ａｇ_２Ｏ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｔｉ、Ｒｈ、Ｍｇ、Ｐｄ、Ｒｕ、ＰｔまたはＩｒなどから形成される。

図４は、比較サンプルであり、低屈折層がなく、上部半導体物質層上にＡｇ反射層３２が直接形成される構造の単純発光素子を示す。

図５Ａは、図３Ａ及び図４に示される本発明による発光素子及び比較サンプルのＩ−Ｖ特性のグラフである。図５Ａを参照すれば、本発明による発光素子は、比較サンプルに比べて相対的に低い電圧で非常に高い電流を示し、特に３Ｖから４Ｖの範囲内で非常に大きい電流の増加を示す。しかし、従来の発光素子は、かなり高い駆動電圧を必要とし、特に高い電流を得るためにさらに高い駆動電圧を必要とする。かかるグラフに基づいて、本発明による発光素子は、低い電圧で非常に高い電流を示すと同時に、電流変化に比べて電圧変動幅が狭いという特徴を有する点が分かる。

図５Ｂは、図３Ａ及び図４に示される本発明による発光素子及び比較サンプルの電流変化による発光強度を測定したものであり、光検出器の出力電圧の変化を示す。図５Ｂは、図５Ａの結果に基づいて予見された結果を示す。すなわち、本発明による発光素子は、比較サンプルに比べ、同じ電流下で非常に高い発光強度を示す。

図６は、実際に製作された導電性低屈折層のＳＥＭ写真であり、下部は断面を示し、上部ボックス内は低屈折層の表面を示す。

図６に示される低屈折層は、傾斜蒸着法により形成されるＳｉＯ_２ナノロッドであり、シリコン上に形成されている。かかる低屈折層は、図７に示されるように、基板に対して８５°傾斜した方向に蒸着物質フラックスを入射させることにより、前記ＳｉＯ_２ナノロッドを形成できる。かかる傾斜蒸着によれば、基板に対して所定角度（４５°）傾いたナノロッドを形成でき、このときセルフシャドー領域（ｓｅｌｆ−ｓｈａｄｏｗｉｎｇ ｒｅｇｉｏｎ）が形成される。セルフシャドー領域とは、初期にランダムに蒸着した蒸着物質により、その後蒸着する物質が所定部分には、それ以上到達（ｒｅａｃｈ）できなくなる領域である。

図８は、傾斜蒸着時に、プラス（＋）の入射角θと、それにより形成されるＳｉＯ_２ナノロッドの傾斜角θ_ｔとを示す。図８は、フラックスの入射角が約８５゜であるときに、形成されたナノロッドの傾斜角が約４５゜である結果を示す。

図９は、シリコン基板上に１５０．８ｎｍの厚さに形成されたＳｉＯ_２ナノロッドによる低屈折層の波長−屈折率変化を示す図面である。屈折率は、エリプソメトリを使用して測定した。図９を参照すれば、４００ｎｍの波長帯域でも、実に１．０９０前後の反射率を示すが、ＳｉＯ_２の有する元来の反射率である１．４を考慮するとき、非常に画期的な結果である。

以上のような傾斜蒸着法を同様に適用し、図１０Ａは、ＩＴＯナノロッドによる低屈折層を示すＳＥＭ写真であり、図１０Ｂは、その平面を示すＡＦＭ（原子間力顕微鏡）写真である。そして、図１１ＡはＣＩＯ（ＣｕＩｎＯ）ナノロッドによる低屈折層を示すＳＥＭ写真であり、図１１Ｂは、その平面を示すＡＦＭ写真である。

ＩＴＯナノロッドによる低屈折層の表面粗度は、６．１ｎｍ／ｒｍｓ（ｒｏｏｔ ｍｅａｎｓ ｓｑｕａｒｅ）で、ＣＩＯナノロッドによる低屈折層の表面粗度は、６．４ｎｍ／ｒｍｓである。

そして、４６１ｎｍ波長の光に対する屈折率について、ＩＴＯナノロッドの低屈折層は、４６１ｎｍの波長で１．３４、ＣＩＯナノロッドの低屈折層は、１．５２と現れた。緻密な組織を有するＩＴＯ薄膜及びＣＩＯそれぞれの屈折率２．０５、１．８８を考慮すると、かかるナノロッド低屈折層の屈折率は、画期的であるといえる。傾斜蒸着により設けたＩＴＯあるいはＣＩＯナノロッドの低屈折層は、非常に低い屈折率を有するとともに、非常に高い電気的通電性を有するため、従来のマイクロコンタクト層のような別途の通電手段が必要なく、ＯＤＲ構造の低屈折層として効果的であるといえる。

かかる本発明の理解を助けるために、いくつかの模範的な実施例が説明され、かつ添付された図面に示されたが、かかる実施例は、単に広い発明を例示するものであり、これを制限するものではないという点が理解されねばならず、そして本発明は、図示されて説明された構造と配列とに限定されるものではないという点が理解されねばならず、これは、多様な他の修正が当分野で当業者に可能であるためである。

本発明の単一指向性反射器及びこれを適用した発光素子は、例えば発光素子関連の技術分野に効果的に適用可能である。

一般的なＯＤＲの積層構造を示す図面である。 ＯＤＲの低屈折層の屈折率変化によるＯＤＲの反射率の変化を示す図面である。 ＯＤＲの低屈折層の屈折率変化によるＯＤＲの反射率の変化を示す図面である。 本発明による発光素子の積層構造の一例を示す図面である。 図３ＡのＡ部分に対応する実際サンプルのＳＥＭ写真である。 単純金属反射器が適用された従来の発光素子の積層構造を示す図面である。 図３Ａと図４とに示される本発明による発光素子と従来の発光素子のＩ−Ｖ特性を示すグラフである。 図３Ａと図４とに示される本発明による発光素子と従来の発光素子の電流−光検出器の電流変化による光出力を示すグラフである。 本発明による単一指向性反射器で、実際に製作されたナノロッド低屈折層のＳＥＭ写真である。 傾斜蒸着法により、本発明によるナノロッド低屈折層の形成方法を説明する図面である。 傾斜蒸着時に、フラックス入射角とこれにより形成されるナノロッドの傾斜角とを示す実際に製作したサンプルのＳＥＭ写真である。 シリコン基板上に１５０．８ｎｍの厚さに形成されたＳｉＯ_２ナノロッドによる低屈折層の波長−屈折率変化を示す図面である。 ＩＴＯナノロッドの低屈折層を示すＳＥＭ写真である。 ＩＴＯナノロッドの低屈折層を示すＡＦＭ写真である。 ＣＩＯナノロッドの低屈折層を示すＳＥＭ写真である。 ＣＩＯナノロッドの低屈折層の平面を示すＡＦＭ写真である。

符号の説明

１０ サファイア基板
２０ 発光部
２１ 下部半導体物質層
２２ 活性層
２３ 上部半導体物質層
３０ ＯＤＲ
３１ 低屈折層
３２ 金属性反射層。

Claims (18)

1. 透明導電性酸化物または透明導電性窒化物から形成されてなる複数の導電性ナノロッドを含み、前記導電性ナノロッドを形成する物質よりも屈折率が低い透明伝導性低屈折層と、
   前記透明伝導性低屈折層と接する、金属による反射層と、
   を備えることを特徴とする単一指向性反射器。
2. 前記透明導電性窒化物は、ＴｉとＮとを含むことを特徴とする請求項１に記載の単一指向性反射器。
3. 前記透明導電性窒化物は、ＴｉＮ、ＴｉＯＮ、またはＩｎＳｎＯＮから形成されることを特徴とする請求項２に記載の単一指向性反射器。
4. 前記透明導電性酸化物は、Ｉｎ、ＳｎおよびＺｎよりなる群から選ばれた少なくとも一つの酸化物から形成されることを特徴とする請求項１に記載の単一指向性反射器。
5. 前記透明導電性酸化物は、ドーパントを含むことを特徴とする請求項４に記載の単一指向性反射器。
6. 前記ドーパントは、Ｇａ、Ｃｄ、Ｍｇ、Ｂｅ、Ａｇ、Ｍｏ、Ｖ、Ｃｕ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｗ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｐｄ、Ｐｔ、およびＬａよりなる群から選択された少なくとも一つであることを特徴とする請求項５に記載の単一指向性反射器。
7. 前記透明伝導性低屈折層の厚さは、光のピーク波長の１／４ｎ（ｎ：屈折率）に比例することを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の単一指向性反射器。
8. 前記反射層は、Ａｇ、Ａｇ_２Ｏ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｔｉ、Ｒｈ、Ｍｇ、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｐｔ、またはＩｒの物質から形成されることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の単一指向性反射器。
9. 前記ナノロッドは、スパッタリングまたは電子ビームを利用した傾斜蒸着法により形成されてなることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の単一指向性反射器。
10. 活性層と上下部半導体物質層とを備える発光部と、
    前記発光部の一層の半導体物質層上に形成され、
    透明導電性酸化物または透明導電性窒化物から形成される複数の導電性ナノロッドを有し、
    前記導電性ナノロッドを形成する物質よりも屈折率が低い透明伝導性低屈折層と、
    前記透明伝導性低屈折層に接するようにその上に形成されてなる金属性反射層とを備えることを特徴とする発光素子。
11. 前記透明導電性窒化物は、ＴｉとＮとを含むことを特徴とする請求項１０に記載の発光素子。
12. 前記透明導電性窒化物は、ＴｉＮ、ＴｉＯＮ、またはＩｎＳｎＯＮから形成されてなることを特徴とする請求項１１に記載の発光素子。
13. 前記透明導電性酸化物は、Ｉｎ、ＳｎおよびＺｎよりなる群から選ばれた少なくとも一つの酸化物から形成されてなることを特徴とする請求項１０に記載の発光素子。
14. 前記透明導電性酸化物は、ドーパントを含むことを特徴とする請求項１３に記載の発光素子。
15. 前記ドーパントは、Ｇａ、Ｃｄ、Ｍｇ、Ｂｅ、Ａｇ、Ｍｏ、Ｖ、Ｃｕ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｗ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｐｄ、Ｐｔ、およびＬａよりなる群から選択された少なくとも一つであることを特徴とする請求項１４に記載の発光素子。
16. 前記透明伝導性低屈折層の厚さは、光のピーク波長の１／４ｎ（ｎ：屈折率）に比例することを特徴とする請求項１０から１５のいずれか１項に記載の発光素子。
17. 前記金属性反射層は、Ａｇ、Ａｇ２Ｏ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｔｉ、Ｒｈ、Ｍｇ、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｐｔ、またはＩｒの物質から形成されてなることを特徴とする請求項１０から１６のいずれか１項に記載の発光素子。
18. 前記導電性ナノロッドは、スパッタリングまたは電子ビームを利用した傾斜蒸着法により形成されてなることを特徴とする請求項１０から１７のいずれか１項に記載の発光素子。