JPWO2009072573A1 - 半導体発光素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】光の放射効率が高く、かつ製造が容易な表面プラズモンを利用した半導体発光素子を提供する。【解決手段】半導体発光素子を、基板１上に積層されたｎ型半導体層２と、ｎ型半導体層２上に積層された発光層３と、発光層３上に積層されたｐ型半導体層４と、ｐ型半導体層４上に積層された電極層５とから構成する。電極層５には透孔５ａを開設し、当該透孔５ａ内には、誘電体層６を充填する。誘電体層６は、透孔５ａのｐ型半導体層４側及び外面側を共に共振器の開放端として機能させ、表面プラズモンとｐ型半導体層４中を伝播する光の結合効率を高めると共に消衰断面積を大きくするため、表面プラズモンの波長λｐが誘電体層６中を伝播する発光層３の発光波長λ１よりも短くなる（λ１＞λｐ）誘電率を有する誘電体をもって形成する。【選択図】図３
Description
本発明は、半導体発光素子に係り、特に、電極層の表面に発生する表面プラズモンを利用して光の放射効率を高める半導体発光素子に関する。
従来、ｎ型ＧａＮ基板の（０００１）面上に、単結晶のＳｉドープＧａＮからなるｎ型層と、単結晶のＳｉドープＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎからなるｎ型クラッド層と、多重量子井戸構造を有するＭＱＷ(Mutiple Quantum Well)発光層と、単結晶のアンドープＧａＮからなる保護層と、単結晶のＭｇドープＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎからなるｐ型クラッド層と、単結晶のＭｇドープＧａ０．９５Ｉｎ０．０５Ｎからなるｐ型コンタクト層とを形成し、更に電極層と、ＳｉＯ２からなる保護層とをこの順に積層してなる半導体発光素子が知られている（特許文献１の図４参照。）。前記電極層は、Ｐｄからなる第１電極（オーミック電極）と、この第１電極上に形成されたアルミニウムからなる第２電極の２層からなり、これらの各電極には、多数の円形孔が所定の間隔で三角格子状に周期的に開設されており、前記保護層は、前記第１電極及び前記第２電極を覆うように形成されている。
この半導体発光素子は、プラズマ周波数の高い金属（アルミニウム）からなる第２電極に円形孔を三角格子状に形成することによって、電極層と、ｐ型コンタクト層との界面近傍において誘電率が周期的に変化しており、これによって、ＭＱＷ発光層で発光した光により表面プラズモンを励起することが可能になる。そして、励起した表面プラズモンは、保護層の表面から光として放射されると共に、表面プラズモンを励起する場合には、ｐ型コンタクト層と保護層の屈折率の比で決まる臨界角よりも大きい入射角の光についてもｐ型コンタクト層の表面から放射されるので、半導体発光素子からの光の放射効率を向上することができる。
特開２００５−１０８９８２号公報
しかるに、特許文献１に記載の半導体発光素子は、保護層材料としてＳｉＯ２などの誘電率が低い誘電体を用いているので（ＳｉＯ２の誘電率は、２．０又はそれ以下）、後述する共振器の原理から、表面プラズモンの効果によって半導体発光素子からの光の放射効率を高める上で限界がある。
また、特許文献１に記載の半導体発光素子は、表面プラズモンの励起条件、例えば電極層材料の誘電率、保護層材料の誘電率、及びｐ型コンタクト層中を伝播する光の波長などに応じて、電極層に多数の円形孔を周期的に形成しなくてはならず、しかも円形孔の形成周期を高精度に設定しなくてはならないので、電極層の作製に多大の労力を要し、半導体発光素子の製造コストが高価になるという問題もある。
本発明は、かかる技術的課題を解決するためになされたものであって、その目的は、光の放射効率が高く、かつ製造が容易な表面プラズモンを利用した半導体発光素子を提供することにある。
本発明は、前記の課題を解決するため、第１に、発光層と、当該発光層上に形成された半導体層と、当該半導体層上に形成された電極層と、当該電極層に開設された透孔と、当該透孔の内面に接する誘電体層とを有し、前記誘電体層は、前記半導体層中を伝播する前記発光層で発光した光の波長をλ１、前記半導体層中を伝播する光により前記透孔の内面の前記電極層と前記誘電体層との界面に励起される表面プラズモンの波長をλｐとしたとき、これら各波長の関係がλ１＞λｐとなる誘電率を有する誘電体からなり、前記電極層の厚みが、前記半導体層中を伝播して前記電極層に達した光によって励起される表面プラズモンが共鳴を起こす値であるという構成にした。
このように、電極層に透孔を開設し、当該透孔の内面に接して誘電体層を形成すると、発光層で発光し半導体層中を伝播する光によって励起された表面プラズモンが、透孔の内面に沿って伝播する。この表面プラズモンの波長と電極層の膜厚との関係が共鳴条件を満たすと、透孔は共振器として機能する。共振器の特性は、Ｑ値（１周期（時間）あたりの共振器に取り込まれる入射光のパワーに対する共振器に局在する電磁場エネルギーの比）、モード体積（共振器及びその周囲で電磁場エネルギーが局在しうる領域の体積）、消衰断面積（透孔の開口部が光を取り込める範囲の面積）の３つのパラメータで表され、半導体発光素子からの光の放射効率を高めるためには、より高いＱ値、より小さいモード体積、及びより大きい消衰断面積が必要になる。
上記の条件を実現するためには、表面プラズモンの波長が短くなるように共振器を設計することが考えられる。なぜなら、共鳴条件を満たす電極層の膜厚が小さくなるので、モード体積が小さくなるからである。さらに、表面プラズモンの波長λｐが半導体層中を伝播する発光層からの発光の波長λ１よりも短くなると、共振器の出入口が共に開放端として機能するので、表面プラズモンと半導体層中を伝播する光の結合効率が良好になり、消衰断面積も大きくなる。
表面プラズモンの波長を短くするためには、誘電体層の誘電率を高くすること及び透孔の半径を小さくすることが考えられる。しかし、透孔の半径を小さくすると消衰断面積も減少するので、半導体発光素子からの光の放射効率を高めるためには、透孔の半径を消衰断面積が極端に小さくならない範囲として、λｐがλ１よりも短くなるように誘電体層の誘電率を高くした方がよい。
電極として用いる金属は、その誘電率の実部が絶対値の大きい負の値で、かつ、その金属による吸収の効果が小さい、つまり誘電率の虚部の値が小さいものがよい。この電極層の金属による吸収効果は、誘電体層の誘電率が高くなると大きくなる。従って、波長の点からは誘電率が高い方が好ましいが、実際には、吸収効果とのバランスを考慮して、誘電体と電極の材質を選定する必要がある。
また、電極層の厚みについては、半導体層中を伝搬して電極層に達した光と表面プラズモンとの１次共鳴を起こさせる厚みとすることが特に望ましい。プラズモン共鳴器としては、１次乃至複数次の共鳴を利用することができるが、１次の共鳴が半導体発光素子の輝度をより高めるからである。
本発明は、第２に、前記第１の半導体発光素子において、前記電極層の面方向に前記透孔が複数個開設され、前記電極層の面方向に対する前記複数個の透孔の配列が非周期的であるという構成にした。
前述のように、本発明の半導体発光素子は、透孔の内面に表面プラズモンを発生させるので、透孔の孔間寸法や開設方位などを厳密に規制する必要が無く、電極層の形成を容易化できて、半導体発光装置を低コスト化できる。もちろん、複数の透孔を周期的もしくは準周期的に形成しても、半導体発光素子における光の放射効率を高めることができる。周期的に形成すると、透孔を高密度に作製することができ、準周期的に形成すると、透孔を等方的に作製できる。
本発明は、第３に、前記第１又は第２の半導体発光素子において、前記発光層から赤色光が発光され、前記電極層及び前記半導体層を構成する主たる材料が、それぞれ金及びＴｉＯ２であるか、或いは銀及びＧａＰであるという構成にした。
本構成は、上述のプラズモン波長と金属の吸収効果との関係から、赤色光の発光効率を上げるのに最も適した材料の組合せとなる。
本発明は、第４に、前記第１又は第２の半導体発光素子において、前記発光層から緑色光が発光され、前記電極層及び前記半導体層を構成する主たる材料が、それぞれ銀及びＴｉＯ２であるか、或いはアルミニウム及びＧａＰであるという構成にした。
本構成は、緑色光の発光効率を上げるのに最も適した材料の組合せとなる。
本発明は、第５に、前記第１又は第２の半導体発光素子において、前記発光層から青色光が発光され、前記電極層及び前記半導体層を構成する主たる材料が、それぞれ銀及びＧａＮであるか、或いはアルミニウム及びＧａＰであるという構成にした。
本構成は、青色光の発光効率を上げるのに最も適した材料の組合せとなる。
本発明の半導体発光素子は、発光層と半導体層と電極層とをこの順に積層し、電極層に開設された透孔の内面に、半導体層中を伝播する発光層の発光波長λ１よりも、半導体層中を伝播する光により透孔の内面の電極層と誘電体層との界面に励起される表面プラズモンの波長λｐの方が短くなる（λ１＞λｐ）誘電率を有する誘電体層を設けたので、半導体層中を伝播する光により、透孔の内面に沿って伝播する表面プラズモンを励起させることができる。この表面プラズモンを共鳴させることにより、透孔の開口部側から放射する光の放射効率を高めることができる。また、表面プラズモンを、透孔の内面に沿って伝播させることから、電極層に開設される複数個の透孔を表面プラズモンの励起条件に応じて周期的に配列する必要が無く、電極層ひいては半導体発光素子の製造を容易なものにすることができる。
以下、本発明に係る半導体発光素子の一実施形態例を、図１乃至図４に基づいて説明する。図１は実施形態に係る半導体発光素子の積層構造を示す斜視図、図２は表面プラズモンと誘電体層中を伝播する発光層３の発光との共鳴条件と電極層の膜厚との関係を示すグラフ図、図３と図４は実施形態に係る半導体発光素子の放射効率を示すグラフ図である。
図１に示すように、本例の半導体発光素子は、基板１上に積層されたｎ型半導体層２と、ｎ型半導体層２上に積層された発光層３と、発光層３上に積層されたｐ型半導体層４と、ｐ型半導体層４上に積層された電極層５とを有し、電極層５に開設された透孔５ａ内に誘電体層６を充填してなる。前記基板１、ｎ型半導体層２、発光層３及びｐ型半導体層４としては、公知に属する任意のものを適用することができ、一例としては、特許文献１に記載のものを用いることができる。
電極層５は、より大きい表面プラズモンの効果が得られやすい金属材料、例えば銀、アルミニウム又は金などを用いて形成される。この電極層５の膜厚は、ｐ型半導体層４中を伝播して電極層に達した発光層３の発光と表面プラズモンとが共鳴を起こす厚さ、特に好ましくは、１次共鳴を起こす大きさに形成される。具体的には、図２に示すように、電極層５の膜厚をＬ、表面プラズモンの波長をλｐとしたとき、Ｌ＝λｐ／２とすることにより、ｐ型半導体層４中を伝播して電極層５に達した発光層３の発光と表面プラズモンとを１次共鳴させることができる。また、電極層５の膜厚をＬ＝２λｐ／２とすれば２次共鳴を起こさせることができ、電極層５の膜厚をＬ＝３λｐ／２とすれば３次共鳴を起こさせることができる。なお、図２の右上に表示されたグラフ図は、誘電体層６の側面を伝播する表面プラズモンの波数ベクトルと光の周波数との分散関係を示すグラフ図であり、横軸は表面プラズモンの波数ベクトルｋ、縦軸は誘電体層６中を伝播する発光層３の発光の周波数ωを示している。即ち、図の実線上の点が、表面プラズモンの波数ベクトルｋと光の周波数ωの実際に存在しうる値を表している。この分散関係、つまり、表面プラズモンの波長λｐは、金属とそれに接している誘電体との組合せによって決まる。
前述の特許文献１では、電極層に形成した周期構造（当該周期構造は透孔あるいは針状の突起等でも形成可能である）を利用しているが、本発明は、電極層５に開設された透孔５ａの内面に接する誘電体層６の誘電率を調整することにより、電極層５とそれに接する誘電体層６との界面に表面プラズモンを共鳴させるものであるので、電極層５に透孔５ａを少なくとも１つ開設すれば、光の放射効率を高めることができる。しかしながら、透孔５を１つのみ開設しただけでは実用上十分な輝度を得ることは困難であるので、実用的には、可能な限り多数の透孔５ａが電極層５に開設される。このように電極層５に複数個の透孔５ａを開設する場合においては、個々の透孔５ａが共振器として機能するから、これら複数個の透孔５ａを、三角格子状及び正方格子状などの周期構造に配列する必要はなく、回転対称形である準周期構造としたり、周期性を有しないランダム構造とすることができる。また、複数個の透孔５ａを周期的に配列する場合にも、その逆格子ベクトルの大きさを厳密に規制する必要はない。よって、電極層５ひいては半導体発光素子の製造を極めて容易なものにすることができる。
誘電体層６は、透孔５ａのｐ型半導体層４側及び外面側を共に共振器の開放端として機能させ、表面プラズモンとｐ型半導体層４中を伝播する光の結合効率を高めると共に、消衰断面積を大きくするため、表面プラズモンの波長λｐが誘電体層６中を伝播する発光層３の発光波長λ１よりも短くなる（λ１＞λｐ）誘電率を有する誘電体をもって形成される。表面プラズモンの波長λｐは、誘電体層６を構成する誘電体の誘電率だけに依存するのではなく、透孔５ａの直径にも依存するので、透孔５ａの直径との関係で使用する誘電体が決定される。
誘電体層６を構成する誘電体材料として、誘電率ε１が高い誘電体材料を用いるほど、１次共鳴を起こす電極層５の膜厚を小さくできてモード体積を小さくすることができるが、その反面、金属による光の吸収効果が増大する。反対に、誘電率ε１が低い誘電体材料を用いるほど、光の吸収効果を低下することができるが、その反面、共鳴を起こす電極層５の膜厚が大きくなって、モード体積が大きくなる。
図３は、緑色光を発光する半導体発光素子で、銀薄膜中に半径が３００ｎｍの透孔５ａを、格子定数が１０００ｎｍの正方格子状に配列した構造による放射線効率を示すグラフであり、透孔５ａ内の誘電率が７から８のときに放射効率が最も高いことを示している。図４は、緑色光を発光する半導体発光素子で、アルミニウム薄膜中に半径が２５０ｎｍの透孔５ａを、格子定数が１０００ｎｍの正方格子状に配列した構造による放射線効率を示すグラフであり、透孔５ａ内の誘電率が１０から１２のときに放射効率が最も高いことを示している。
以上のことから、電極に用いる金属と透孔５ａに入れる誘電体には最適な組合せがあることが判る。即ち、誘電体層６及び電極層５を構成する材料としては、半導体発光素子からの光の放射効率を高めることができるものの組合せから、発光する光の波長に合わせて選択して用いられる。
具体的には、赤色光を発光する半導体発光素子については、電極に金を選択した場合、誘電率が約８．０のチタン酸化物、例えばＴｉＯ２などが好適であり、電極に銀を選択した場合は、誘電率が１１．０のＧａＰなどが好適である。緑色光を発光する半導体発光素子では、電極に銀を選択した場合、誘電率が約８．０のチタン酸化物、例えばＴｉＯ２などが好適であり、電極にアルミニウムを選択した場合は、誘電率が１２．０のＧａＰなどが好適である。青色光を発光する半導体発光素子では、電極に銀を選択した場合、誘電率が約６．０のＧａＮなどが好適であり、電極にアルミニウムを選択した場合は、誘電率が１４．０のＧａＰなどが好適である。これらをまとめると、表１のようになる。
誘電体層６は、少なくとも透孔５ａの内面に接するように設けるだけで足るが、製造を容易にするため、透孔５ａ内に充填したり、透孔５ａ内に充填するだけでなく、電極層５の表面全体を覆うように形成することもできる。
１ 基板
２ ｎ型半導体層
３ 発光層
４ ｐ型半導体層
５ 電極層
５ａ 透孔
６ 誘電体層
２ ｎ型半導体層
３ 発光層
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５ 電極層
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本発明は、第３に、前記第１又は第２の半導体発光素子において、前記発光層から赤色光が発光され、前記電極層及び前記誘電体層を構成する主たる材料が、それぞれ金及びＴｉＯ２であるか、或いは銀及びＧａＰであるという構成にした。
本発明は、第４に、前記第１又は第２の半導体発光素子において、前記発光層から緑色光が発光され、前記電極層及び前記誘電体層を構成する主たる材料が、それぞれ銀及びＴｉＯ２であるか、或いはアルミニウム及びＧａＰであるという構成にした。
本発明は、第５に、前記第１又は第２の半導体発光素子において、前記発光層から青色光が発光され、前記電極層及び前記誘電体層を構成する主たる材料が、それぞれ銀及びＧａＮであるか、或いはアルミニウム及びＧａＰであるという構成にした。
Claims (5)
- 発光層と、当該発光層上に形成された半導体層と、当該半導体層上に形成された電極層と、当該電極層に開設された透孔と、当該透孔の内面に接する誘電体層とを有し、
前記誘電体層は、前記半導体層中を伝播する前記発光層で発光した光の波長をλ１、前記半導体層中を伝播する光により前記透孔の内面の前記電極層と前記誘電体層との界面に励起される表面プラズモンの波長をλｐとしたとき、これら各波長の関係がλ１＞λｐとなる誘電率を有する誘電体からなり、
前記電極層の厚みが、前記半導体層中を伝播して前記電極層に達した光によって励起される表面プラズモンが共鳴を起こす値であることを特徴とする半導体発光素子。 - 前記電極層の面方向に前記透孔が複数個開設され、前記電極層の面方向に対する前記複数個の透孔の配列が非周期的であることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
- 前記発光層から赤色光が発光され、前記電極層及び前記半導体層を構成する主たる材料が、それぞれ金及びＴｉＯ２であるか、或いは銀及びＧａＰであることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
- 前記発光層から緑色光が発光され、前記電極層及び前記半導体層を構成する主たる材料が、それぞれ銀及びＴｉＯ２であるか、或いはアルミニウム及びＧａＰであることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
- 前記発光層から青色光が発光され、前記電極層及び前記半導体層を構成する主たる材料が、それぞれ銀及びＧａＮであるか、或いはアルミニウム及びＧａＰであることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
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