JP6394968B2 - 光学多層膜および発光素子 - Google Patents

Description

本発明は、屈折率の異なる層を交互に繰り返し積層させた構造である光学多層膜に関する。特に高い反射率を有したものに関する。また、光学多層膜を有した発光素子に関する。

従来、発光素子の光取り出しを向上させるために、ＤＢＲ（分布型ブラッグ反射器）を設けて、発光層から光取り出し側とは反対側に放射される光をＤＢＲにより光取り出し側へ反射させている（特許文献１、２）。ＤＢＲは、屈折率の異なる膜を所定厚さで繰り返し積層させた構造（光学多層膜）の反射鏡であり、光の反射と干渉を利用して高い反射率を実現している。なかでも、低屈折率層Ｌと、低屈折率層Ｌよりも屈折率の高い高屈折率層Ｈを順に積層させた構造ＬＨを１単位として、それを繰り返し積層させたものがよく知られている。また、低屈折率層ＬとしてＳｉＯ₂ 、高屈折率層ＨとしてＴｉＯ₂ を用いたものがよく知られている。

特許文献２には、高屈折率層Ｈより小さく低屈折率層Ｌよりも大きな屈折率である中間屈折率層をＭとして、高屈折率層Ｈ、中間屈折率層Ｍ、低屈折率層Ｌを順に積層させた構造ＨＭＬを１単位としてそれを繰り返し積層させたＤＢＲ構造が示されている。

また、特許文献３には、低屈折率層Ｌ、中間屈折率層Ｍ、高屈折率層Ｈ、中間屈折率層Ｍ、を順に積層させた構造ＬＭＨＭを１単位として、それを繰り返し積層させたＤＢＲ構造が示されている。

また、特許文献４には、高屈折率層Ｈと低屈折率層Ｌとの間に格子歪み緩衝膜を設け、格子歪み緩衝膜の屈折率を、高屈折率層Ｈの屈折率から低屈折率層Ｌの屈折率に変化するように屈折率勾配を設けた構造が示されている。

特開２００５−２０３４１９号公報 特開２００３−２９８１８８号公報 特開２００８−６４９７６号公報 特開２００７−２７３７４２号公報

発光層からの光は、ＤＢＲに対してあらゆる角度で入射するので、発光素子の光取り出しを向上させるためにはＤＢＲはあらゆる入射角に対して高反射率であるものが望まれる。しかし、従来のＤＢＲは、低屈折率層から高屈折率層に入射する時の入射角（低屈折率層と高屈折率層の界面に垂直な方向に対する入射光の角度）がブリュースター角である場合にｐ偏光の反射が０となる。このとき、同時に高屈折率層から低屈折率層への入射もブリュースター角となりｐ偏光の反射が０になる。そのためブリュースター角で入射する場合のＤＢＲの反射率が著しく低下してしまい、光取り出しが十分に向上していなかった。

そこで本発明の目的は、光学多層膜の反射率を向上させることである。また、光学多層膜を有した発光素子の光取り出しを向上させることである。

本発明は、基板上に位置し、光を反射させる光学多層膜において、低屈折率層と、低屈折率層よりも屈折率の大きな材料からなる高屈折率層とを有し、低屈折率層と高屈折率層とを交互に接して繰り返し積層させた設計波長λの第１の光学多層膜と、低屈折率層よりも大きく、高屈折率層よりも小さな屈折率の材料からなる中間屈折率層と、高屈折率層とを交互に接して繰り返し積層させた設計波長λの第２の光学多層膜と、低屈折率層と中間屈折率層とを交互に接して繰り返し積層させた設計波長λの第３の光学多層膜と、を有することを特徴とする光学多層膜である。

より反射率の向上を図るために、あるいは作製の容易さやコストの低減のために、以下の構造とすることがより望ましい。基板側から順に、第１の光学多層膜、第２の光学多層膜、第３の光学多層膜を積層させた構造とするのがよい。また、第１の光学多層膜は、基板側に最も近い層を低屈折率層、基板側から最も遠い層を高屈折率層とし、第２の光学多層膜は、基板側に最も近い層を中間屈折率層、基板側から最も遠い層を高屈折率層とし、第３の光学多層膜は、基板側に最も近い層を低屈折率層、基板側から最も遠い層を中間屈折率層とする積層構造とするのがよい。

また、第２の光学多層膜および第３の光学多層膜の積層数は、第１の光学多層膜の積層数の０．２〜３倍とすることが望ましい。反射率向上のためである。より望ましくは０．３〜２倍の積層数である。

また、第１の光学多層膜、第２の光学多層膜、および第３の光学多層膜の積層数の総計は、３０〜２００層とすることが望ましい。積層数が増加するほど反射率の向上は飽和していく傾向にあるため、この範囲であれば、反射率の向上と作製の手間やコストとのバランスが取れている。積層数の下限は、より望ましくは４０層以上、さらに望ましくは６０層以上である。また、積層数の上限は、より望ましくは１００層以下である。

低屈折率層、中間屈折率層、高屈折率層の厚さは、次のようにするとよい。第３の光学多層膜における低屈折率層の平均厚さ（各層の厚さの和を層数で割った値）は、第１の光学多層膜における低屈折率層の平均厚さよりも大きく、かつ、第２の光学多層膜における高屈折率層の平均厚さは、第１の光学多層膜における高屈折率層の平均厚さよりも大きく、かつ、第３の光学多層膜における中間屈折率層の平均厚さは、第２の光学多層膜における中間屈折率層の平均厚さよりも大きくなるよう設定する。このように各層の厚さを設定すると、反射率をより向上させることができる。

低屈折率層、中間屈折率層、高屈折率層の材料は、低屈折率層よりも高屈折率層の屈折率が大きく、中間屈折率層の屈折率が低屈折率層よりも大きく高屈折率層よりも小さいのであれば任意の材料を用いてよい。ただし、作製の容易さやコスト、発光素子への適用などを考慮すれば、低屈折率層にはＳｉＯ₂ 、高屈折率層ＨはＴｉＯ₂ を用いるのがよい。その場合、中間屈折率層は屈折率が１．６〜２．１の材料を用いることが望ましい。反射率をより向上させるためである。

本発明の光学多層膜は、発光素子に用いて光取り出しを向上させるために有用である。たとえば、発光素子は、基板と、基板上に位置し、III 族窒化物半導体からなり、基板側から順に、ｎ層、発光層、ｐ層を積層させた構造である半導体層と、を有し、光学多層膜は、基板の半導体層側とは反対側の表面に位置する構成である。この様な構成の発光素子とすることで、発光層から基板側へと向かう光を本発明の光学多層膜によって反射させて光取り出しを向上させることができる。特に、サファイア基板を用いた場合に本発明が有効である。

本発明の光学多層膜によれば、低屈折率層から高屈折率層にブリュースター角で入射するｐ偏光の光も反射させることができるため、光学多層膜の反射率の角度平均を向上させることができる。また、本発明によれば発光素子の光取り出しを向上させることができる。

実施例１の発光素子の構成を示した図。 ＤＢＲ１７の構成を示した図。 ｐ偏光の反射率の入射角依存性を示したグラフ。 ５−５−５構造のＤＢＲ１７の反射率の入射角依存性を示したグラフ。 ５−７−８構造のＤＢＲ１７の反射率の入射角依存性を示したグラフ。 ５−１０−１０構造のＤＢＲ１７の反射率の入射角依存性を示したグラフ。 ７−１４−１４構造のＤＢＲ１７の反射率の入射角依存性を示したグラフ。 １０−２０−２０構造のＤＢＲ１７の反射率の入射角依存性を示したグラフ。 比較例のＤＢＲの反射率の入射角依存性を示したグラフ。 図４〜８のＤＢＲ１７の反射率の角度平均をまとめた表。 積層数と反射率の関係を示したグラフ。 ｐ偏光の反射率の中間屈折率層Ｍ屈折率依存性を示したグラフ。 積層比と反射率の関係を示したグラフ。

以下、本発明の具体的な実施例について図を参照に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。

図１は、実施例１の発光素子の構成を示した図である。図１のように、実施例１の発光素子は、サファイア基板１０と、サファイア基板１０上に位置するIII 族窒化物半導体からなる半導体層であるｎ層１１、発光層１２、ｐ層１３と、を有している。また、ｐ層１３表面からｎ層１１に達する溝１９が形成され、溝１９の底面に露出するｎ層上にはｎ電極１６が設けられている。ｐ層１３上には透明電極１４を有し、透明電極１４上にはｐ電極１５を有している。また、サファイア基板１０裏面（ｎ層１１形成側とは反対側の表面）には、ＤＢＲ（分布型ブラッグ反射器）１７が設けられている。ＤＢＲ１７は本発明の光学多層膜に相当する。この実施例１の発光素子は、ｐ電極１５、ｎ電極１６が同一面側に設けられ、サファイア基板１０を下側、ｐ電極１５、ｎ電極１６を上側として実装するフェイスアップ型であり、サファイア基板１０側とは反対側（ｐ電極１５、ｎ電極１６側）から光を取り出すものである。また、実施例１の発光素子の発光波長λは４５０ｎｍである。

サファイア基板１０は、ｎ層１１側の表面に凹凸（図示しない）が施されたｃ面基板である。この凹凸により発光層１２から放射されサファイア基板１０側へと向かう光の一部をサファイア基板１０側とは反対側（光取り出し側）に反射させ、光取り出しを向上させている。サファイア基板１０の屈折率は１．７９である。サファイア基板１０以外にも、III 族窒化物半導体を結晶成長可能な任意の材料、面方位の基板を用いることができる。たとえば、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＺｎＯ、ＧａＮなどである。

ｎ層１１は、サファイア基板１０上に接して位置し、サファイア基板１０側から順に、ｎコンタクト層、ｎＥＳＤ層、ｎクラッド層の順に積層された構造である。ｎコンタクト層はｎ電極１６が接触する層である。ｎコンタクト層は、Ｓｉ濃度が１×１０¹⁸／ｃｍ³ 以上のｎ−ＧａＮからなる。ｎ型コンタクト層をキャリア濃度の異なる複数の層で構成することでｎ電極１６のコンタクト抵抗を低減することも可能である。ｎＥＳＤ層は、素子の静電耐圧の向上を図るために設けた層であり、ノンドープのＧａＮとＳｉドープのｎ−ＧａＮの積層構造である。ｎクラッド層は、発光層１２にかかる応力を緩和するための層であり、ＩｎＧａＮと、ＧａＮと、ｎ−ＧａＮとを順に積層した構造を単位として、これを複数単位繰り返し積層した超格子構造を有するｎ型超格子層である。

発光層１２は、井戸層と障壁層が繰り返し積層されたＭＱＷ構造である。井戸層はＩｎＧａＮからなり、障壁層は井戸層よりもバンドギャップの大きな材料であるＡｌＧａＮからなる。井戸層と障壁層の間にキャップ層を設けてもよい。キャップ層は、井戸層形成後、障壁層形成のために昇温する際、井戸層のＩｎが離脱しないように井戸層と同一の温度で形成して設ける層である。キャップ層は、たとえばＧａＮやＡｌＧａＮである。

ｐ層１３は、発光層１２上に接して位置し、発光層１２側から順に、ｐクラッド層、ｐコンタクト層が積層された構造である。ｐクラッド層は、電子がｐコンタクト層側に拡散するのを防止するための層である。ｐ型クラッド層は、ｐ−ＩｎＧａＮとｐ−ＡｌＧａＮを順に積層した構造を単位として、これを複数回繰り返し積層させた構造である。ｐコンタクト層は、ｐ電極１５がｐ層１３に良好にコンタクトをとるために設ける層である。ｐコンタクト層は、Ｍｇ濃度が１×１０¹⁹〜１×１０²²／ｃｍ³ で厚さ１００〜１０００Åのｐ−ＧａＮからなる。

なお、ｎ層１１、発光層１２、ｐ層１３の構成は、上記記載の構成に限るものではなく、従来、III 族窒化物半導体からなる発光素子に用いられている任意の構成を採用することができる。

透明電極１４は、ＩＴＯからなり、ｐ層１３上のほぼ前面に接して位置する。他にも、ＩＺＯ（亜鉛ドープの酸化インジウム）などの透明導電性酸化物を用いることができる。透明電極１４の表面に微細な凹凸形状を設け、光取り出し効率を向上させてもよい。

ｐ電極１５は、透明電極１４上に接して位置する。また、ｎ電極１６は、溝１９底面に露出するｎ層１１のｎコンタクト層上に位置する。ｐ電極１５およびｎ電極１６は、ワイヤによって接続されるパッド部と、パッド部から延伸する配線状のパターンの配線状部を有している。

ＤＢＲ１７は、サファイア基板１０裏面に接して位置している。ＤＢＲ１７は、屈折率の異なる材料を交互に繰り返し積層させた光学多層膜である。このＤＢＲ１７により、発光層１２から放射される光のうち、サファイア基板１０側へと向かう光を反射させ、光取り出し側に光が向かうようにし、光取り出しを向上させている。特に、サファイア基板１０の凹凸による乱反射でＤＢＲ１７にはあらゆる角度で光が入射するが、実施例１のＤＢＲ１７は反射率の角度平均（０〜９０°での平均、以下同様）が高いため、どのような角度で入射する光でも反射させることができる。

図２は、ＤＢＲ１７のより詳細な構成を示した図である。図２のように、ＤＢＲ１７は、サファイア基板１０側から順に第１のＤＢＲ１７ａ、第２のＤＢＲ１７ｂ、第３のＤＢＲ１７ｃが積層された構造である。

また、ＤＢＲ１７は３種類の互いに屈折率の異なる誘電体材料からなる層で構成されている。以下、最も屈折率の低い誘電体材料からなる層を低屈折率層Ｌ、最も屈折率の高い誘電体材料からなる層を高屈折率層Ｈ、低屈折率層Ｌと高屈折率層Ｈの間の屈折率である層を中間屈折率層Ｍと呼ぶ。実施例１では、低屈折率層Ｌとして屈折率１．４７のＳｉＯ₂ 、高屈折率層Ｈとして屈折率２．５１のＴｉＯ₂ 、中間屈折率層Ｍとして、屈折率１．７３のメルク社製サブスタンスＭ２（Ａｌ₂ Ｏ₃ とＬａ₂ Ｏ₃ との混合物）を用いる。

なお、低屈折率層Ｌ、中間屈折率層Ｍ、高屈折率層Ｈの材料は上記に限るものではない。実施例１の発光素子の発光波長に対して透明であり、かつ屈折率が次の条件を満たすのであれば任意の材料を用いてよい。無機材料でも有機材料でもよいし、導電性（誘電体、半導体、導体）も問わない。また、アモルファス、多結晶、結晶のいずれの結晶性でもよい。屈折率の条件は、低屈折率層Ｌの屈折率をｎＬ、中間屈折率層Ｍの屈折率をｎＭ、高屈折率層Ｈの屈折率をｎＨとして、ｎＬ＜ｎＭ＜ｎＨを満たすことである。たとえば、ＳｉＯ₂ 、ＴｉＯ₂ 、Ａｌ₂ Ｏ₃ 、Ｌａ₂ Ｏ₃ 、ＺｒＯ₂ 、ＨｆＯ₂ 、Ｎｂ₂ Ｏ₅ 、Ｔａ₂ Ｏ₅ などの酸化物、ＳｉＮ、ＡｌＮなどの窒化物、ＳｉＯＮ、などの酸窒化物、ＭｇＦ₂ 、ＣａＦ₂ などのフッ化物の中から、ｎＬ＜ｎＭ＜ｎＨを満たすように材料を選んだり混合したりしてよい。

ＤＢＲ１７の反射率の角度平均（ｓ偏光の反射率の角度平均とｐ偏光の反射率の角度平均との平均）の向上あるいは積層数の低減のためには、中間屈折率層Ｍと低屈折率層Ｌの屈折率差ΔＭＬ（＝ｎＭ−ｎＬ）、および高屈折率層Ｈと中間屈折率層Ｍの屈折率差ΔＨＭ（＝ｎＨ−ｎＭ）はなるべく大きくすることが望ましい。たとえばΔＭＬ、ΔＨＭは０．１以上とすることが望ましい。より望ましくは０．２以上である。特に、実施例１のように、低屈折率層ＬとしてＳｉＯ₂ 、高屈折率層ＨとしてＴｉＯ₂ を選ぶと、ＤＢＲ１７の作製の容易さやコストの点で有利である。また、低屈折率層ＬとしてＳｉＯ₂ 、高屈折率層ＨとしてＴｉＯ₂ を選ぶ場合、中間屈折率層Ｍは屈折率が１．６〜２．１の材料とすることが望ましい。反射率をより向上させることができる。

第１のＤＢＲ１７ａは、図２のように、サファイア基板１０側から順に、低屈折率層Ｌから始まって低屈折率層Ｌと高屈折率層Ｈを交互に繰り返し積層させ、高屈折率層Ｈで終わる構造である。サファイア基板１０に接する層は低屈折率層Ｌであり、第２のＤＢＲ１７ｂに接する層は高屈折率層Ｈである。

サファイア基板１０とＤＢＲ１７とを直接接するように構成するのではなく、サファイア基板１０とＤＢＲ１７との間に、全反射による反射率向上を図るための全反射層として低屈折率層を設けてもよい。全反射層の厚さは、光の染み出しが小さくなるように十分に厚くする。たとえば全反射層としてＳｉＯ₂ からなるものを用い、サファイア基板１０と全反射層との界面での全反射によって光取り出しを高めてもよい。

第２のＤＢＲ１７ｂは、図２のように、第１のＤＢＲ１７ａ側から順に、中間屈折率層Ｍから始まって中間屈折率層Ｍと高屈折率層Ｈを交互に繰り返し積層させ、高屈折率層Ｈで終わる構造である。第１のＤＢＲ１７ａと接する層は中間屈折率層Ｍであり、第３のＤＢＲ１７ｃと接する層は高屈折率層Ｈである。

第３のＤＢＲ１７ｃは、図２のように、第２のＤＢＲ１７ｂ側から順に、低屈折率層Ｌから始まって低屈折率層Ｌと中間屈折率層Ｍを交互に繰り返し積層させ、中間屈折率層Ｍで終わる構造である。第２のＤＢＲ１７ｂに接する層は低屈折率層Ｌであり、最表面の層（最もサファイア基板１０から離れた層）は、中間屈折率層Ｍである。

また、第１のＤＢＲ１７ａの終わりの層（第２のＤＢＲ１７ｂと接する層）は、低屈折率層Ｌ、高屈折率層Ｈのどちらでもよい。また、第２のＤＢＲ１７ｂの始まりの層（第１のＤＢＲ１７ａと接する層）および終わりの層（第３のＤＢＲ１７ｃと接する層）も中間屈折率層Ｍ、高屈折率層Ｈのどちらでもよい。また、第３のＤＢＲ１７ｃの始まりの層（第２のＤＢＲ１７ｂと接する層）も、低屈折率層Ｌ、中間屈折率層Ｍのどちらでもよい。ただし、第１のＤＢＲ１７ａの終わりの層と第２のＤＢＲ１７ｂの始まりの層がともに高屈折率層Ｈとならないようにし、第２のＤＢＲ１７ｂの終わりの層と第３のＤＢＲ１７ｃの始まりの層がともに中間屈折率層Ｍとならないようにする。また、ＤＢＲ１７全体として、小さい屈折率の層と大きい屈折率の層が交互にくるように、第１のＤＢＲ１７ａの終わりの層、第２のＤＢＲ１７ｂの始まりの層および終わりの層、第３のＤＢＲ１７ｃの始まりの層を選択することが望ましい。つまり、屈折率差がプラスとマイナスを交互に繰り返すように積層することが望ましい。ＤＢＲ１７の反射率をより向上させることができるからである。

たとえば、第１のＤＢＲ１７ａの終わりの層を低屈折率層Ｌ、第２のＤＢＲ１７ｂの始まりの層を中間屈折率層Ｍとすると、第１のＤＢＲ１７ａと第２のＤＢＲ１７ｂの接続部分の積層構造は、・・・ ＬＨＬＭＨＭ・・・ となり、屈折率差は、・・・ ＋−＋＋−・・・ となり（ある層から隣接するサファイア基板１０側とは反対側の層を見たときに屈折率が増加する場合を＋、減少する場合を−とする）、＋が連続することとなるので望ましくない。一方、実施例１のように、第１のＤＢＲ１７ａの終わりの層を高屈折率層Ｈ、第２のＤＢＲ１７ｂの始まりの層を中間屈折率層Ｍとすると、・・・ ＨＬＨＭＨＭ・・・ となり、屈折率差は、・・・ −＋−＋−・・・ で＋と−が交互に来る構造なので望ましい。

また、第１のＤＢＲ１７ａと第２のＤＢＲ１７ｂ、あるいは第２のＤＢＲ１７ｂと第３のＤＢＲ１７ｃは、実施例１のＤＢＲ１７のように直接接していてもよいが、スペーサ層を間に設けてもよい。ただし、スペーサ層による光の吸収や作製の手間などを考慮すれば、実施例１のＤＢＲ１７のように直接接するようにすることが望ましい。また、必ずしも、サファイア基板１０側から順に、第１のＤＢＲ１７ａ、第２のＤＢＲ１７ｂ、第３のＤＢＲ１７ｃの順でなくともよいが、反射率向上のためにはこの順とすることが望ましい。

また、第２のＤＢＲ１７ｂ、第３のＤＢＲ１７ｃは、第１のＤＢＲ１７ａに比べて屈折率差が小さい。そのため、第２のＤＢＲ１７ｂ、第３のＤＢＲ１７ｃを第１のＤＢＲ１７ａと同じ積層数とすると、第２のＤＢＲ１７ｂ、第３のＤＢＲ１７ｃの反射率は第１のＤＢＲ１７ａよりも小さくなる。そこで、第２のＤＢＲ１７ｂ、第３のＤＢＲ１７ｃの積層数は第１のＤＢＲ１７ａと同等の反射率とすべく、第１のＤＢＲ１７ａの積層数の０．２〜３倍の積層数とすることが望ましい。より望ましくは０．３〜２倍の積層数である。

また、ＤＢＲ１７全体の積層数は３０以上２００以下とすることが望ましい。積層数が３０以上であれば反射率を十分に向上させることができるためである。より望ましくは４０層以上、さらに望ましくは６０層以上である。また、積層数が増加するにつれて反射率の増加は飽和していく方向にあり、また積層数が大きくなるとＤＢＲ１７の作製が容易でなく、コストも掛かるので１００以下とするのが望ましい。より望ましくは７０以下である。

ＤＢＲ１７の低屈折率層Ｌ、中間屈折率層Ｍ、高屈折率層Ｈの厚さは、それぞれλ／（４・ｎＬ・ｃｏｓθ）、λ／（４・ｎＭ・ｃｏｓθ）、λ／（４・ｎＨ・ｃｏｓθ）を基本として、シミュレーションにより厚さの最適化を行って厚さを決定している。ここでθは入射角、λは発光素子の発光波長である。基本とする低屈折率層Ｌの厚さλ／（４・ｎＬ・ｃｏｓθ）は、低屈折率層Ｌに入射角θで入射して反射される光が干渉により強め合う厚さである。中間屈折率層Ｍ、高屈折率層Ｈの厚さも同様である。また、最適化は、ＤＢＲ１７の各層の厚さを変化させて、ＤＢＲ１７の波長λでの反射率の角度平均（０〜９０°までの各入射角に対する各反射率の相加平均を取った値、以下同様）を算出し、その反射率の角度平均が最大となるようにすることである。発光層１２からの光は様々な方向に向かい、またサファイア基板１０の凹凸による反射でより光の方向の乱雑さが増すため、サファイア基板１０側からＤＢＲ１７に入射する光の角度も乱雑である。そのため、ＤＢＲ１７は所定方向からの光の反射率を上げるのではなく、反射率の角度平均を上げる必要がある。そこでシミュレーションによりこのような各層の厚さの最適化を行っている。

また、ＤＢＲ１７の低屈折率層Ｌ、中間屈折率層Ｍ、高屈折率層Ｈの厚さは、次のようにするとよい。第３のＤＢＲ１７ｃにおける低屈折率層Ｌの平均厚さ（各層の厚さの和を層数で割った値）は、第１のＤＢＲ１７ａにおける低屈折率層Ｌの平均厚さよりも大きく、かつ、第２のＤＢＲ１７ｂにおける高屈折率層Ｈの平均厚さは、第１のＤＢＲ１７ａにおける高屈折率層Ｈの平均厚さよりも大きく、かつ、第３のＤＢＲ１７ｃにおける中間屈折率層Ｍの平均厚さは、第２のＤＢＲ１７ｂにおける中間屈折率層Ｍの平均厚さよりも大きくなるよう設定する。このように各層の厚さを設定すると、反射率の角度平均を向上させることができる。

なお、ＤＢＲ１７裏面（サファイア基板１０側とは反対側の面）にＡｌ、Ａｇなどの反射膜を設けてもよい。

また、実施例１のＤＢＲ１７は、サファイア基板１０側から順に、第１のＤＢＲ１７ａ、第２のＤＢＲ１７ｂ、第３のＤＢＲ１７ｃを積層させた構造であるが、第１のＤＢＲ１７ａ、第２のＤＢＲ１７ｂ、第３のＤＢＲ１７ｃの積層順は、６通りのうちいずれか任意でよい。たとえば、サファイア基板１０側から順に、第１のＤＢＲ１７ａ、第３のＤＢＲ１７ｃ、第２のＤＢＲ１７ｂ、の積層順であってもよいし、第３のＤＢＲ１７ｃ、第２のＤＢＲ１７ｂ、第１のＤＢＲ１７ａ、の積層順であってもよい。ただし、より反射率を向上させるためには実施例１のＤＢＲ１７のような積層順とすることが望ましい。また、積層順が変わると、シミュレーションにより最適化したときの低屈折率層Ｌ、中間屈折率層Ｍ、高屈折率層Ｈの厚さも変わる点に留意する。

以上に説明した構成のＤＢＲ１７は、反射率の角度平均が従来のＤＢＲに比べて高い。そのため、発光層１２からサファイア基板１０側に放射され、サファイア基板１０からＤＢＲ１７に入射する光を光取り出し側（ｐ電極１５、ｎ電極１６側）に効率的に反射させることができ、光取り出しが向上している。

次に、ＤＢＲ１７の反射率の角度平均が高い理由について説明する。

ＤＢＲ１７は、従来のＤＢＲに用いられる低屈折率層Ｌと高屈折率層Ｈだけでなく、低屈折率層Ｌと高屈折率層Ｈの間の屈折率である中間屈折率層Ｍを導入している。そして、低屈折率層Ｌと高屈折率層Ｈを交互に繰り返し積層させた第１のＤＢＲ１７ａ、中間屈折率層Ｍと高屈折率層Ｈを交互に繰り返し積層させた第２のＤＢＲ１７ｂ、低屈折率層Ｌと中間屈折率層Ｍを交互に繰り返し積層させた第３のＤＢＲ１７ｃを有している。

ここで、第１のＤＢＲ１７ａにおいて低屈折率層Ｌから高屈折率層Ｈに光が入射する時のブリュースター角をθＢａ、第２のＤＢＲ１７ｂにおいて中間屈折率層Ｍから高屈折率層Ｈに光が入射する時のブリュースター角をθＢｂ、第３のＤＢＲ１７ｃにおいて低屈折率層Ｌから中間屈折率層Ｍに光が入射する時のブリュースター角をθＢｃとする。また、θＢａ、θＢｂ、θＢｃを、サファイア基板１０を通して入射した場合のサファイア基板１０中での角度に換算した値をそれぞれθ’Ｂａ、θ’Ｂｂ、θ’Ｂｃとする。このとき、ＤＢＲ１７が上記構造であるために、θ’Ｂａは、θ’Ｂｂおよびθ’Ｂｃとは異なる値となっている。

したがって、第１のＤＢＲ１７ａにおいて低屈折率層Ｌと高屈折率層Ｈの界面に対してブリュースター角θ’Ｂａで入射し、第１のＤＢＲ１７ａをほとんど透過するｐ偏光の光があっても、第２のＤＢＲ１７ｂ、第３のＤＢＲ１７ｃで反射する。つまり、第２のＤＢＲ１７ｂにおいて中間屈折率層Ｍと高屈折率層Ｈの界面に対してθ’Ｂａで入射するｐ偏光の光は、第２のＤＢＲ１７ｂのブリュースター角θ’Ｂｂとは異なるため、界面で一定量反射する。同様に、第３のＤＢＲ１７ｃにおいて低屈折率層Ｌと中間屈折率層Ｍの界面に対してθ’Ｂａで入射するｐ偏光の光は、第３のＤＢＲ１７ｃのブリュースター角θ’Ｂｃではないため、界面で一定量反射する。

このように、ＤＢＲ１７は、低屈折率層Ｌと高屈折率層Ｈの積層構造である従来のＤＢＲでは反射させることができなかったブリュースター角θ’Ｂａで入射するｐ偏光の光を、第２のＤＢＲ１７ｂ、第３のＤＢＲ１７ｃにより反射させることができる。その結果、ＤＢＲ１７は従来のＤＢＲに比べて反射率の角度平均が向上している。

次に、実施例１のＤＢＲ１７について、各種特性をシミュレーションにより求めた結果を説明する。

図３は、低屈折率層Ｌから高屈折率層Ｈにｐ偏光の光が入射角θａで入射する場合の界面での反射率Ｒａ、中間屈折率層Ｍから高屈折率層Ｈにｐ偏光の光が入射角θｂで入射する場合の界面での反射率Ｒｂ、低屈折率層Ｌから中間屈折率層Ｍにｐ偏光の光が入射角θｃで入射する場合の界面での反射率Ｒｃについて、それぞれの入射角依存性を示したグラフである。横軸は入射角（°）であり、３０〜６０°の範囲を示している。縦軸は反射率（％）であり、０〜１０％の範囲を示している。

また、入射角は、サファイア基板１０を通して入射した場合の入射角に換算して示している。すなわち、θａ、θｂ、θｃを換算した入射角をそれぞれθ’ａ、θ’ｂ、θ’ｃとし、サファイア基板１０の屈折率をｎとして、ｓｉｎθ’ａ＝（ｎＬ／ｎ）＊ｓｉｎθａ、ｓｉｎθ’ｂ＝（ｎＭ／ｎ）＊ｓｉｎθｂ、ｓｉｎθ’ｃ＝（ｎＬ／ｎ）＊ｓｉｎθｃ、である。

また、入射角θａがブリュースター角θＢａとなるのは、θＢａ＝ａｒｃｔａｎ（ｎＨ／ｎＬ）＝５９．６°であり、サファイア基板１０内での角度に換算したブリュースター角θ’Ｂａは４５．８°である。同様に、入射角θｂがブリュースター角θＢｂとなるのは、５５．４°、換算したブリュースター角θ’Ｂｂは、５３．６°、入射角θｃがブリュースター角θＢｃとなるのは４９．６°、換算したブリュースター角θ’Ｂｃは３９．３°である。

図３のように、反射率Ｒａは、入射角θ’ａがブリュースター角θ’Ｂａとなるまでは、入射角θ’ａの増加につれて減少し、ブリュースター角θ’Ｂａとなると反射率Ｒａは０となる。そして、ブリュースター角θ’Ｂａを超えると、入射角θ’ａの増加につれて急激に増加する。入射角θ’ａが臨界角に近づくためである。反射率Ｒｂ、Ｒｃについても同様の特性である。

また、図３のように、ブリュースター角θ’Ｂａ、θ’Ｂｂ、θ’Ｂｃはそれぞれ互いに異なっている。そのため、入射角がブリュースター角θ’Ｂａの場合、Ｒａは０％であっても、ＲｂやＲｃはおよそ０．５％であり０％ではない。同様に、入射角がブリュースター角θ’Ｂｂの場合、Ｒｂは０％であっても、Ｒａ、Ｒｃは０％ではなく、入射角がブリュースター角θ’Ｂｃの場合、Ｒｃは０％であってもＲａ、Ｒｂは０％ではない。

実際のＤＢＲ１７の構造では、第１のＤＢＲ１７ａ、第２のＤＢＲ１７ｂ、第３のＤＢＲ１７ｃは多層膜であるため、界面は複数あり、反射率はそれぞれＲａ、Ｒｂ、Ｒｃの数倍となる。

この結果から、ＤＢＲ１７に入射するｐ偏光の入射角が、第１のＤＢＲ１７ａ、第２のＤＢＲ１７ｂ、第３のＤＢＲ１７ｃのうちいずれか１つのＤＢＲのブリュースター角であったとしても、他の２つのＤＢＲはブリュースター角ではないため、ｐ偏光の光を反射可能であることがわかる。

図４〜８は、実施例１のＤＢＲ１７について、第１のＤＢＲ１７ａ、第２のＤＢＲ１７ｂ、第３のＤＢＲ１７ｃのそれぞれの積層回数を変えて、反射率の入射角依存性をシミュレーションにより求めた結果を示したグラフである。入射角は図３と同様にサファイア基板１０内部の角度に換算した値である。また、第１のＤＢＲ１７ａについて、低屈折率層Ｌと高屈折率層Ｈの積層ＬＨをｎ１回繰り返した構造、第２のＤＢＲ１７ｂについて、中間屈折率層Ｍと高屈折率層Ｈの積層ＭＨをｎ２回繰り返した構造、第３のＤＢＲ１７ｃについて、低屈折率層Ｌと中間屈折率層Ｍの積層ＬＭをｎ３回繰り返した構造、とする場合を、ｎ１−ｎ２−ｎ３構造と表記することにすると、図４は５−５−５構造（計３０層）、図５は５−７−８構造（計４０層）、図６は５−１０−１０構造（計５０層）、図７は７−１４−１４構造（計７０層）、図８は、１０−２０−２０構造（計１００層）とした場合である。

図１０は、図４〜８の構造である実施例１のＤＢＲ１７について、ｐ偏光の反射率の角度平均、ｓ偏光の反射率の角度平均およびそれらｐ偏光の反射率の角度平均とｓ偏光の反射率の角度平均との平均を表にまとめたものである。

また、図９は、比較例のＤＢＲについて、反射率の入射角依存性をシミュレーションにより求めた結果を示したグラフである。比較例のＤＢＲは、第１のＤＢＲ１７ａのみ、つまり低屈折率層Ｌと高屈折率層Ｈの積層ＬＨを２０回積層し、最後に低屈折率層Ｌを積層した構造（計４１層）であり、各層の厚さは実施例１と同様に最適化している。

図９のように、比較例のＤＢＲでは、ブリュースター角である４５°付近でｐ偏光の反射率が大きく低下していることがわかる。ｐ偏光の反射率の角度平均は８９．８％、ｓ偏光の反射率の角度平均は９９．７％、ｐ偏光の角度平均とｓ偏光の角度平均の平均は９４．７％であった。

一方、図４〜８に示した実施例１のＤＢＲ１７では、４５°付近に反射率の低下はなく、図１０に示す表のように、ｐ偏光の反射率の角度平均、およびｐ偏光とｓ偏光の平均のいずれも比較例のＤＢＲよりも高かった。また、図１０の表から、積層数が増えるほどｐ偏光の反射率の角度平均が増加し、ｐ偏光とｓ偏光の平均も増加することがわかった。

図１１は、実施例１のＤＢＲ１７の全体の積層数と反射率（ｐ偏光の反射率の角度平均とｓ偏光の反射率の角度平均との平均）の関係を示したグラフである。また、比較例のＤＢＲについても積層数と反射率の関係を示している。

図１１のように、実施例１のＤＢＲ１７は、３０層以上の積層数であればいずれの積層数であっても反射率は９５％以上であり、比較例のＤＢＲよりも反射率が高い。特に４０層以上であれば比較例のＤＢＲよりも２％以上反射率が高い。また、図１１から、積層数が３０層よりも少ないと、実施例１のＤＢＲ１７が比較例のＤＢＲの反射率と同等以下になるものと考えられる。したがって、ＤＢＲ１７の積層数は３０層以上が望ましく、より望ましくは４０層以上である。

また、比較例のＤＢＲは、積層数の増加に対して反射率の向上はゆるやかであり、５０層以上では反射率の向上はほぼ飽和しているのに対して、実施例１のＤＢＲ１７では、３０〜６０層当たりまでは積層数の増加に対して反射率は大きく増加し、７０層を超えると反射率の向上がほぼ飽和している。したがって、ＤＢＲ１７の作製の手間やコストなどを勘案すれば、積層数の下限は６０層以上とすることがさらに望ましく、積層数の上限は１００層以下とすることが望ましい。より望ましい積層数の上限は７０層以下である。

図１２は、低屈折率層Ｌから中間屈折率層Ｍにｐ偏光の光が入射角θｃで入射する場合の界面での反射率Ｒｃについて、中間屈折率層Ｍの屈折率依存性を示したグラフである。入射角θｃは、θＢａである。

図１２のように、反射率Ｒｃは山型の特性であり、中間屈折率層Ｍの屈折率ｎＭが１．８付近までは屈折率が増加するにつれて反射率も向上し、屈折率ｎＭが１．８を超えると、屈折率が増加するにつれて反射率が低下する特性であった。

この結果から、サファイア基板１０からＤＢＲ１７の第１のＤＢＲ１７ａにブリュースター角θＢａで入射して透過し第３のＤＢＲ１７ｃに達する光を、その第３のＤＢＲ１７ｃによって効率的に反射するためには、中間屈折率層Ｍの屈折率ｎＭを１．８付近とするのがよいことがわかり、具体的には１．６〜２．１とするのが望ましい。Ｒｃが０．２５％以上となり、第３のＤＢＲ１７ｃ全体としての反射率も十分に向上させることができるからである。より望ましくは１．７〜１．９とすることである。

図１３は、第１のＤＢＲ１７ａの積層数に対する第２のＤＢＲ１７ｂの積層数の比と、ＤＢＲ１７の反射率（ｐ偏光の反射率の角度平均とｓ偏光の反射率の角度平均との平均）との関係を示したグラフである。ＤＢＲ１７全体の積層数は３５とし、第２のＤＢＲ１７ｂと第３のＤＢＲ１７ｃの積層数は同数として、第１のＤＢＲ１７ａと第２のＤＢＲ１７ｂの積層数を変化させて考察した。

図１３のように、積層比に対して反射率は山型に変化する特性を有していることがわかった。すなわち、積層比が増加するにつれて反射率が上昇し、その後ある積層比を超えると反射率が減少していく特性である。この山型の特性における麓の反射率（およそ９６．５％）とピークの反射率（およそ９８．５％）の中間の反射率を中間反射率として、ＤＢＲ１７の反射率はこの中間反射率以上であることが望ましく、このときの積層比の範囲は０．２〜３である。さらに望ましい積層比の範囲は、反射率の山型の特性における山の頂きとなる範囲である０．３〜２である。

［各種変形例］
なお、実施例１のＤＢＲ１７は、低屈折率層Ｌ、高屈折率層Ｈの他に中間屈折率層Ｍを導入し、第１のＤＢＲ１７ａ、第２のＤＢＲ１７ｂ、第３のＤＢＲ１７ｃの３種を積層した構造としているが、低屈折率層Ｌと高屈折率層Ｈの中間の屈折率であって中間屈折率層Ｍとは異なる屈折率である中間屈折率層を１ないし複数さらに導入し、３種以上のＤＢＲを積層した構造としてもよい。

たとえば、低屈折率層Ｌ、高屈折率層Ｈの他に第１の中間屈折率層Ｍ１、第２の中間屈折率層Ｍ２を導入し、第１の中間屈折率層Ｍ１、第２の中間屈折率層Ｍ２の屈折率を低屈折率層Ｌと高屈折率層Ｈの中間の屈折率とし、第１の中間屈折率層Ｍ１と第２の中間屈折率層Ｍ２の屈折率を異なるようにすれば、２種類の材料のＤＢＲ構造として、ＬＨ、ＬＭ１、ＬＭ２、Ｍ１Ｍ２、Ｍ１Ｈ、Ｍ２Ｈの６通りのＤＢＲ構造が考えられる。そこで、これらの６通りのうち、３通り以上のＤＢＲを積層して本発明のＤＢＲを構成してもよい。

また、実施例１の発光素子はＦＵ（フェイスアップ）型の素子であるが、本発明はフリップチップ型の素子や、レーザーリフトオフなどにより成長基板を除去して縦方向に導通をとる素子、などにも適用することができる。特に、サファイア基板を有した発光素子に有効である。サファイア基板は屈折率が高く、内部に閉じ込められる光が多いが、本発明により光を効率的に外部へと取り出すことができる。また、本発明の発光素子はＬＥＤのみならずＬＤも当然に含まれる。さらに、本発明のＤＢＲは、発光素子に採用する以外にも各種光学素子に利用することができる。

また、本発明のＤＢＲは、誘電体のみならず、反射させたい光の波長に対して透明な材料であれば任意の材料を用いることができる。特に本発明のＤＢＲは、波長３８０〜５５０ｎｍの可視光を反射させるのに有効であり、III 族窒化物半導体からなる発光素子の光取り出しを向上させるために用いるのに好適である。

本発明の光学多層膜を発光素子に設けることで光取り出しの向上を図ることができる。また、本発明の発光素子は、照明装置や表示装置などの光源として利用することができる。

１０：サファイア基板
１１：ｎ層
１２：発光層
１３：ｐ層
１４：透明電極
１５：ｐ電極
１６：ｎ電極
１７：ＤＢＲ
１７ａ：第１のＤＢＲ
１７ｂ：第２のＤＢＲ
１７ｃ：第３のＤＢＲ

Claims (11)

1. 基板上に位置し、光を反射させる光学多層膜において、
   低屈折率層と、前記低屈折率層よりも屈折率の大きな材料からなる高屈折率層とを有し、低屈折率層と高屈折率層とを交互に接して繰り返し積層させた設計波長λの第１の光学多層膜と、
   前記低屈折率層よりも大きく、前記高屈折率層よりも小さな屈折率の材料からなる中間屈折率層と、前記高屈折率層とを交互に接して繰り返し積層させた設計波長λの第２の光学多層膜と、
   前記低屈折率層と前記中間屈折率層とを交互に接して繰り返し積層させた設計波長λの第３の光学多層膜と、
   を有することを特徴とする光学多層膜。
2. 前記第２の光学多層膜および前記第３の光学多層膜の積層数は、前記第１の光学多層膜の積層数の０．２〜３倍である、ことを特徴とする請求項１に記載の光学多層膜。
3. 前記第３の光学多層膜における前記低屈折率層の平均厚さは、前記第１の光学多層膜における前記低屈折率層の平均厚さよりも大きく、
   前記第２の光学多層膜における前記高屈折率層の平均厚さは、前記第１の光学多層膜における前記高屈折率層の平均厚さよりも大きく、
   前記第３の光学多層膜における前記中間屈折率層の平均厚さは、前記第２の光学多層膜における前記中間屈折率層の平均厚さよりも大きい、
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光学多層膜。
4. 前記第１の光学多層膜、前記第２の光学多層膜、および前記第３の光学多層膜の積層数の総計は、３０〜２００層である、ことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の光学多層膜。
5. 前記基板側から順に、前記第１の光学多層膜、前記第２の光学多層膜、前記第３の光学多層膜を積層させた構造である、ことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の光学多層膜。
6. 前記第１の光学多層膜は、前記基板側に最も近い層を前記低屈折率層、前記基板側から最も遠い層を前記高屈折率層とし、
   前記第２の光学多層膜は、前記基板側に最も近い層を前記中間屈折率層、前記基板側から最も遠い層を前記高屈折率層とし、
   前記第３の光学多層膜は、前記基板側に最も近い層を前記低屈折率層、前記基板側から最も遠い層を前記中間屈折率層とする、
   ことを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の光学多層膜。
7. 前記低屈折率層はＳｉＯ₂ からなり、前記高屈折率層はＴｉＯ₂ からなる、ことを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の光学多層膜。
8. 前記中間屈折率層の屈折率は、１．６〜２．１であることを特徴とする請求項７に記載の光学多層膜。
9. 請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の光学多層膜を有した発光素子。
10. 前記基板の前記光学多層膜側とは反対側の表面に位置し、III 族窒化物半導体からなり、前記基板側から順に、ｎ層、発光層、ｐ層を積層させた構造である半導体層を有する、ことを特徴とする請求項９に記載の発光素子。
11. 前記基板はサファイア基板であることを特徴とする請求項１０に記載の発光素子。