JPWO2018180724A1 - 半導体発光素子 - Google Patents
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Abstract
発光ピーク波長が３９５ｎｍ以上４２５ｎｍ以下である半導体発光素子は、第１の面と第２の面とを備え、第１の面および第２の面からなる群より選択される少なくとも一つ面が凹凸を有する基板と、第１の面に接する半導体層と、第２の面または半導体層の表面に接する多層反射膜と、を具備する。多層反射膜は、複数の第１の誘電体膜と複数の第２の誘電体膜とを有し且つ第１の誘電体膜および第２の誘電体膜が交互に積層された構造を備える。
Description
実施形態は、半導体発光素子に関する。
発光ダイオード（ＬＥＤ）などの半導体発光素子は長寿命や省エネの観点から普及している。活性層となる半導体層を改良することにより、様々な発光ピークを有する半導体発光素子が開発されている。主流の発光ダイオードは、青色、緑色、赤色のいずれか単色に発光する。青色ＬＥＤは蛍光体と組み合わせることにより、白色光を得ている。青色ＬＥＤを使った白色ＬＥＤは、擬似白色と呼ばれており、自然光（太陽光）の再現性は低かった。自然光の白色は青色成分、緑色成分、赤色成分が混合することにより成し得ている。青色ＬＥＤを使った半導体発光素子は青色ピークが自然光と異なるため再現性には限界があった。
これに変わり、青紫ＬＥＤを使って自然光を再現することが試みられている。青紫ＬＥＤは発光ピークが４００ｎｍ前後にある。これに青色蛍光体、緑色蛍光体、赤色蛍光体などの各種蛍光体を組み合わせることにより、自然光を再現している。例えば、発光ピーク波長４００ｎｍ前後のＬＥＤと蛍光体を組み合わせることにより、自然光を再現する例が知られている。このように青紫ＬＥＤを使うことにより、自然光を再現した白色ＬＥＤを提供できるようになっている。
その一方で、青紫ＬＥＤに関しては発光出力が必ずしも十分ではなかった。ＬＥＤの発光出力が不十分であると、白色ＬＥＤの発光出力も大きくならない。ＬＥＤの発光出力を向上させるために、例えば多層反射膜を形成することが挙げられる。多層反射膜により３６０ｎｍ前後の反射率を９５％程度まで向上させることができる。多層反射膜を用いることにより、５００ｎｍ前後の反射率を向上させることができる。
多層反射膜を設けることにより、特定の波長の反射率を大きくしている。これにより、ＬＥＤの発光効率を向上させることができる。しかしながら、多層反射膜を青紫ＬＥＤに適用したとしても、必ずしも反射率の向上が見られなかった。そのため、青紫ＬＥＤの発光出力の向上には限界があった。
本発明の一態様が解決しようとする課題は、発光出力が優れた半導体発光素子を提供することである。
発光ピーク波長が３９５ｎｍ以上４２５ｎｍ以下である実施形態の半導体発光素子は、第１の面と第２の面とを備え、第１の面および第２の面からなる群より選択される少なくとも一つの面が凹凸を有する基板と、第１の面に接する半導体層と、第２の面または半導体層の表面に接する多層反射膜と、を具備する。多層反射膜は、複数の第１の誘電体膜と複数の第２の誘電体膜とを有し且つ第１の誘電体膜および第２の誘電体膜が交互に積層された構造を備える。
図１に半導体発光素子の構造例を示す断面模式図である。図１に示す半導体発光素子１は、基板２と、半導体層３と、多層反射膜４と、電極５（ｐパッド電極）と、電極６（ｎパッド電極）と、透光電極７と、実装基板８と、を具備する。図１は、フェイスアップ型の半導体発光素子を例示しているが、実施形態にかかる半導体発光素子はフェイスアップ型に限定されず、フリップチップ型の半導体発光素子であってもよい。
半導体発光素子１の発光ピーク波長は３９５ｎｍ以上４２５ｎｍ以下である。３９５ｎｍ未満の波長領域は紫外領域である。４２５ｎｍを超える波長領域は青色領域である。３９５ｎｍ以上４２５ｎｍ以下の波長領域は青紫領域である。発光ピーク波長は４００ｎｍ以上４２０ｎｍ以下がより好ましい。
基板２の表面（第１の面）側に半導体層３を有している。基板２の表面側とは半導体層３、すなわち発光層が形成される表面側である。半導体層３は、発光ピーク波長が３９５〜４２５ｎｍの範囲にあれば、その構造は特に限定されない。半導体層３は、図１に示すように、バッファ層３１と、ｎ型層３２と、活性層３３と、ｐ型層３４と、を有することが好ましい。
バッファ層３１は、その上に設ける活性層３３等の半導体層の結晶性を向上させるために設けられる。バッファ層３１は、例えば窒化ガリウム（ＧａＮ）系、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）系の材料等を含むことが好ましい。バッファ層３１は、必要に応じ設けられる。
ｎ型層３２は、ｎ型半導体層である。ｎ型半導体層は、例えばｎ型クラッド層や、ｎ型コンタクト層とｎ型クラッド層を組み合わせた層などが挙げられる。ｎ型クラッド層は、ＳｉドープＧａＮ、ＡｌＧａＮなどが挙げられる。ｎ型コンタクト層は、ＳｉドープＧａＮなどが挙げられる。
活性層３３は、発光層である。発光層は、例えばＩｎＧａＮ膜、ＧａＮ膜、ＩｎＡｌＧａＮ膜、ＡｌＧａＮ膜またはそれらを積層した積層膜、などが挙げられる。活性層３３とｎ型層３２の間に緩和層を設けても良い。緩和層は、ＩｎＧａＮ膜、ＧａＮ膜、ＩｎＡｌＧａＮ膜、ＡｌＧａＮ膜またはそれらを積層した超格子層、などが挙げられる。
ｐ型層３４は、ｐ型半導体層である。ｐ型半導体層は、ｐ型コンタクト層、ｐ型クラッド層、またはｐ型コンタクト層とｐ型クラッド層を組み合わせた層、などが挙げられる。ｐ型コンタクト層は、不純物元素をドープしたＧａＮ層、などが挙げられる。不純物元素としては、Ｍｇ（マグネシウム）などが挙げられる。ｐ型クラッド層は、不純物元素をドープしたＧａＮ層、ＡｌＧａＮ層などが挙げられる。
上記のように半導体層３は、多層構造を有している。ｎ型半導体層はキャリアが電子、ｐ型半導体層はキャリアが正孔である。ｐｎ接合部で電子と正孔がぶつかって消滅することにより再結合が起きる。再結合の際に、電子が有するエネルギーと正孔が有するエネルギーの差に相当するエネルギーを光として放出する。半導体層３をｐ型層３４とｎ型層３２を直接接合せずに間に別の層を設けた多層構造とすることにより、電子と正孔を効率よく溜めることができる。これにより発光効率を向上させることができる。言い換えると、多層構造が均質でないと、発光ピーク波長のずれが生じやすい構造である。
半導体層３上には、電極５および電極６が設けられている。必要に応じ、半導体層３と電極５との間、半導体層３と電極６との間に透光電極を設けてもよい。図１では、半導体層３と電極５の間に透光電極７を設けているが、電極６の下に設けても良い。図１では、電極５はｐパッド電極、電極６はｎパッド電極となる。電極５および電極６は、ワイヤボンディングにより他の構成要素と電気的に接続することができる。
電極５および電極６は、Ａｕ膜、Ａｕ合金膜、Ａｕ／Ｔｉ積層膜、Ａｕ／Ｐｄ積層膜、Ａｕ／Ａｌ積層膜、Ｎｉ／Ｐｄ積層膜、Ａｕ／Ｎｉ積層膜、などが挙げられる。これらの電極はボンディングワイヤとの密着性が良い。透光電極７は、光を透過する膜であることが好ましい。透光電極としては、インジウム−錫−酸化物（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ：ＩＴＯ）膜、インジウム−亜鉛−酸化物（Ｉｎｄｉｕｍ Ｚｉｎｃ Ｏｘｉｄｅ：ＩＺＯ）膜、酸化亜鉛膜、酸化錫膜、などが挙げられる。
図示していないが、半導体層３に保護膜を設けても良い。保護膜は、酸化珪素膜などの酸化物膜、窒化珪素膜などの窒化物膜が挙げられる。保護膜は、半導体層３だけでなく半導体発光素子１全体を覆うように設けても良い。
半導体層３は基板２上に設けられている。基板２は、例えばサファイア基板、ＳｉＣ基板、ＧａＮ基板など様々な基板が挙げられる。基板２は表面(第１の面)側または裏面(第２の面)側の少なくとも一方に微細凹凸を有する。図２に、微細凹凸の一例を示す。図２は、基板２と、半導体層３と、を図示する。図２は基板２の表面側、つまりは半導体層３を形成した側に微細凹凸を設けた構造である。微細凹凸を設けることにより、光を反射する効果が得られる。活性層３３からの光は発光素子の外に出る光と、素子の内部に向かう光とがある。素子の内部に向かう光を反射させて素子の外に出るようにすることにより、発光素子の発光出力を向上させることができる。
微細凹凸は、基板２表面に凸部を有することが好ましい。凸部は、円錐形状や多角錐形状が挙げられる。凸部は、断面が三角形や台形となる多角形が好ましい。凸部が斜面を有することにより反射効果を向上させることができる。凸部は周期的に設けることが好ましい。微細凹凸を設けたサファイア基板はＰａｔｔｅｒｎｅｄ Ｓａｐｐｈｉｒｅ Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ（ＰＳＳ）と呼ばれている。微細凹凸構造としては、凸部の直径が０．５〜５μｍ、高さが０．５〜５μｍ、ピッチが０．５〜５μｍの範囲内であることが好ましい。ピッチとは、隣り合う凸部の頂点間の距離である。凸部の先端が平面形状（凸部の断面が台形）の場合、先端の平面の中心間の距離をピッチとする。凸部のサイズが上記範囲以外になると、反射の効果や光取出し効果が不十分となる恐れがある。
基板２の裏面（第２の面）側には第１誘電体膜と第２誘電体膜を交互に積層した構造を有する多層反射膜４を有している。基板２の裏面側とは半導体層３が設けられている面とは反対側の面である。図３に多層反射膜を例示する断面図を示した。図４は、第１誘電体膜４１と、第２誘電体膜４２、実装基板８と、を図示する。後述するようにフリップチップ型の場合は、基板２／半導体層３／多層反射膜４の順番となる。
多層反射膜４は第１誘電体膜４１と第２誘電体膜４２が交互に積層された多層膜である。屈折率が異なる第１誘電体膜４１と第２誘電体膜４２とを交互に積層することにより反射率を向上させることができる。
積層数は３回以上が好ましい。積層数とは、一つの第１誘電体膜４１と一つの第２誘電体膜４２をペアとし、このペアが繰り返された回数を示す。例えば、第１誘電体膜４１／第２誘電体膜４２／第１誘電体膜４１／第２誘電体膜４２からなる多層反射膜４の積層数は２回となる。第１誘電体膜４１と第２誘電体膜４２が交互に５回以上積層した構造とは、第１誘電体膜４１と第２誘電体膜４２のペアが３回以上積層された多層反射膜であることを示す。交互に積層することにより光の反射率を向上させることができる。積層数の上限は特に限定されないが、５０回以下が好ましい。５０回を超えると反射率向上の効果が少なく、コストアップの要因となる。後述する金属反射膜９を用いることにより積層数を３０回以下にすることもできる。以下の式１〜６を満たす波長λ１およびλ２が一組以上あればよい。
第１誘電体膜４１の屈折率をｎ１、膜厚をｄ１（ｎｍ）とし、第２誘電体膜４２の屈折率をｎ２、膜厚をｄ２（ｎｍ）とし、波長３８０〜４３０ｎｍ中の任意の波長λ１および波長３８０〜４３０ｎｍ中の任意の波長λ２との関係が以下の式１〜６を満たすことが好ましい。
式１：０．９（λ１／（４×ｎ１））≦ｄ１≦１．１（λ１／（４×ｎ１））
式２：０．９（λ２／（４×ｎ２））≦ｄ２≦１．１（λ２／（４×ｎ２））
式３：ｎ１＞ｎ２
式４：２０≦｜λ１−λ２｜
式５：３８０≦λ１≦４３０
式６：３８０≦λ２≦４３０
式１：０．９（λ１／（４×ｎ１））≦ｄ１≦１．１（λ１／（４×ｎ１））
式２：０．９（λ２／（４×ｎ２））≦ｄ２≦１．１（λ２／（４×ｎ２））
式３：ｎ１＞ｎ２
式４：２０≦｜λ１−λ２｜
式５：３８０≦λ１≦４３０
式６：３８０≦λ２≦４３０
ｎ１＞ｎ２であるから、第１誘電体膜４１の屈折率ｎ１は第２誘電体膜４２の屈折率ｎ２よりも大きい。
波長λ１（ｎｍ）、λ２（ｎｍ）は３８０〜４３０ｎｍの中から選ばれる任意の波長である。λ１とλ２は２０≦｜λ１−λ２｜の関係を有している。これは、まず３８０〜４３０ｎｍの中からλ１（ｎｍ）を固定する。λ２は２０≦｜λ１−λ２｜（ｎｍ）かつ３８０≦λ２≦４３０（ｎｍ）を満たす範囲すべてが対象となる。例えば、λ１を４０５ｎｍとしたとき、λ２は３８０〜３８５ｎｍおよび４２５〜４３０ｎｍとなる。
反射膜の膜厚ｄ（ｎｍ）、反射膜の屈折率ｎ、発光素子のピーク波長λｐ（ｎｍ）としたとき、膜厚ｄ＝λｐ／（４×ｎ）で設計される。発光素子のピーク波長λｐを基準としたのは反射させたい光であるからである。膜厚を反射させたい光の１／４波長を基準としている。このようにすることにより、高屈折率の媒質中から低屈折率の媒質に光が入射すると、その反射波の位相は境界面において変化しないが、低屈折率の媒質中から高屈折率の媒質に光が入射すると、反射波の位相は境界面でπ（１８０°：λ／２波長分）だけ変化する。このため、それぞれの媒質の膜厚を波長λの１／４光学厚さで、交互に周期的に配列させると、各境界面からの反射波の位相が揃うため、高い反射率が得られる。このため、反射膜は膜厚ｄ＝λｐ／（４×ｎ）を理論値（理想的な反射膜）として考えられている。
これに対し、実施形態にかかる多層反射膜は、波長３８０〜４３０ｎｍ中の任意の波長をλ１およびλ２としている。λ１は、この範囲であれば任意に選択することができる。λ２は、２０≦｜λ１−λ２｜および３８０≦λ２≦４３０の両方を満たす範囲となる。その上で、０．９（λ１／（４×ｎ１））≦ｄ１≦１．１（λ１／（４×ｎ１））、かつ、０．９（λ２／（４×ｎ２））≦ｄ２≦１．１（λ２／（４×ｎ２））、となるように膜厚が制御されている。２０≦｜λ１−λ２｜を満たすことから、λ１とλ２は少なくとも２０ｎｍの差がある。実施形態の多層反射膜は、反射したい波長を２種類設定している。これにより、３８０〜４３０ｎｍの範囲の反射率を向上させることができる。実施形態にかかる半導体発光素子は発光ピーク波長が３９５〜４２５ｎｍの範囲にある。それに対し、３８０〜４３０ｎｍの範囲の反射率を向上させることができる多層反射膜を形成しているのである。
ＬＥＤなどの半導体発光素子は前述のように発光ピーク波長λｐを基準に反射膜の膜厚ｄが設計されている（反射膜厚ｄ＝λｐ／（４×ｎ））。一方、発光ピーク波長３９５〜４２５ｎｍの青紫ＬＥＤでは、その発光ピークは所定の半値幅を有するため紫外領域から可視光領域まで含んでいる。λ１とλ２といった２つの波長を基準とした多層反射膜を形成することにより、３８０〜４３０ｎｍの範囲の反射率を向上させることができる。
これに対し、理論値（反射膜厚ｄ＝λｐ／（４×ｎ））のみで作製された反射膜ではピーク波長のみの反射率が向上するだけであり、反射率の向上が不十分であった。ＬＥＤは、その製造ばらつきによりピーク波長が５〜１５ｎｍ程度ずれ易い。目的とするピーク波長の理論値にあわせて反射膜を設計してしまうと、ピーク波長がわずかにずれると反射率が低下してしまう。このため、発光素子の発光出力が低下してしまう。実施形態のように３８０〜４３０ｎｍの反射率が向上するように設計することにより、ピーク波長がずれたとしても反射率を高めることができる。つまり、半導体発光素子のピーク波長がずれたとしても発光出力を高めることができる。実施形態の反射膜を有することにより各波長ごとに設計する必要が無くなり、低コストで発光強度が高い半導体発光装置を製造することが可能になる。
発光ピーク波長をλｐ（ｎｍ）としたとき、複数の第１誘電体膜４１は、式７：ｄ１＝λｐ／（４×ｎ１）で表される膜厚ｄ１（ｎｍ）の値から１ｎｍ以上ずれた膜厚を有する第１誘電体膜４１を有することが好ましい。発光ピーク波長をλｐ（ｎｍ）としたとき、複数の第２誘電体膜４２は、式８：ｄ２＝λｐ／（４×ｎ２）で表される第２誘電体膜４２の膜厚ｄ２（ｎｍ）の値から１ｎｍ以上ずれた膜厚を有する第２誘電体膜４２を有することが好ましい。
前述のように反射膜の膜厚はｄ＝λｐ／（４×ｎ）を基準値にして設計される。この基準値を最適な理論値とされている。多層反射膜４は、第１誘電体膜４１と第２誘電体膜４２を交互に積層したとき、少なくとも１つの誘電体膜は理論値からずれた膜厚を有していることを示している。理論値からのずれが１ｎｍ以上とは、１ｎｍ以上厚くてもよいし薄くてもよい。理論値からずれた膜厚を有することにより、３８０〜４３０ｎｍの範囲の反射率をさらに向上させることができる。理論値からのずれは１ｎｍ以上、さらには３ｎｍ以上であることが好ましい。
第１誘電体膜４１同士の膜厚のばらつきが５ｎｍ以上であることも有効である。第２誘電体膜４２の膜厚のばらつきが５ｎｍ以上であることも有効である。第１誘電体膜４１の膜厚のばらつきが５ｎｍ以上とは、第１誘電体膜４１同士の膜厚の差が５ｎｍ以上あることを示す。同様に、第２誘電体膜４２の膜厚のばらつきが５ｎｍ以上とは、第２誘電体膜４２同士の膜厚の差が５ｎｍ以上あることを示す。
理論値からのずれまたは膜厚のばらつきは、第１誘電体膜４１または第２誘電体膜４２のどちらか一方または両方に適用できる。第１誘電体膜４１および第２誘電体膜４２の両方に適用することが最も好ましい。
第１誘電体膜４１は、酸化チタン、酸化ジルコニウム、窒化珪素、酸化ニオブ、および酸化タンタルから選ばれる少なくとも１つを含むことが好ましい。酸化チタンはＴｉＯ２などが挙げられる。酸化ジルコニウムは、ＺｒＯ２などが挙げられる。窒化珪素は、Ｓｉ３Ｎ４などが挙げられる。酸化ニオブはＮｂ２Ｏ５などが挙げられる。酸化タンタルはＴａ２Ｏ５から選ばれる少なくとも１種であることが好ましい。酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）、酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ５）、酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）は、スパッタリングなどの薄膜技術により成膜できるため膜厚の制御が行い易い。
第２誘電体膜４２は、酸化珪素、フッ化マグネシウム、およびフッ化カルシウムから選ばれる少なくとも１つを含むことが好ましい。酸化珪素はＳｉＯ２などが挙げられる。フッ化マグネシウムはＭｇＦなどが挙げられる。フッ化カルシウムはＣａＦ２などが挙げられる。酸化珪素（ＳｉＯ２）、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ）、フッ化カルシウム（ＣａＦ２）は、スパッタリングなどの薄膜技術により成膜できるため膜厚を制御し易い。上記材料は、第１誘電体膜４１と第２誘電体膜４２の屈折率の関係をｎ１＞ｎ２に調整し易い。
基板２との間で屈折率の差が大きい誘電体膜を第１誘電体膜４１にすることが好ましい。サファイア基板の３８０〜４３０ｎｍ付近の屈折率は１．８程度である。ｎ１＞ｎ２とすることにより、基板２との屈折率の差を大きくすることができる。基板２との屈折率の差を大きくすることにより、基板２を透過した光の反射率を大きくすることができる。第１誘電体膜４１と第２誘電体膜４２の屈折率の差が大きい方が好ましい。必要に応じ、基板２と第１誘電体膜４１との間に別の層を設けても良い。例えば、第２誘電体膜４２、金属膜、金属酸化膜、金属窒化膜などの別の層を基板２に設けることにより、密着性を向上させる方法もある。
多層反射膜４の表面に金属反射膜を有することが好ましい。多層反射膜４の表面とは実装基板８側の面である。図４は多層反射膜４と、実装基板８と、金属反射膜９と、を例示する。図４では、多層反射膜４の表面に金属反射膜９を設け、実装基板８に実装した構造である。
金属反射膜９を設けることにより、さらに反射率を向上させることができる。よって、多層反射膜４の積層数を減らすこともできる。金属反射膜９はＡｕ、Ａｇ、およびＡｌからなる群より選択される少なくとも一つを主成分として含むことが好ましい。主成分とは質量比で５０％以上１００％以下となっていることを示す。そのため、Ａｕ単体、Ａｕ合金、Ａｇ単体、Ａｇ合金、Ａｌ単体、Ａｌ合金が挙げられる。例えば、Ａｇ合金としては、ＡｇＰｄＣｕ合金が挙げられる。３８０〜４３０ｎｍの反射率はＡｇ、Ａｇ合金、Ａｌ、Ａｌ合金の方が高いため、好ましい。Ａｕに比べて価格も安い。
実装基板８は、半導体発光素子１を実装するための基板である。このため、半導体層３を成長させるための基板２とは区別される。実装基板８は半導体層３から放射される光を効率よく反射する必要があるため、反射率が高いことが好ましい。半導体発光素子１を使用した発光装置の輝度をより高めることが要求されている。そのため、高出力型の発光装置は、投入電力が大きいことやジャンクション温度が高くなるといった特徴を有しており、そのため実装基板の放熱性が高いことが要求される。これらの特徴から、実装基板８は、金属基板が挙げられる。金属基板としては、Ａｌ板が好ましい。銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）または酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）で被覆されたセラミックス基板も有効である。セラミックス基板としては、窒化珪素基板や窒化アルミニウム基板、酸化アルミニウム基板が好ましい。実装基板８上に半導体発光素子１を実装する際は、直接実装しても良いし、接着剤層などを介して実装しても良い。
以上のような半導体発光素子は発光ピーク波長が３９５〜４２５ｎｍにあり、多層反射膜により反射率が改善されるため発光効率が向上する。
半導体発光素子１の面積は０．１ｍｍ２以上であることが好ましい。発光素子の面積とは、発光素子を上から見たときの半導体層の面積である。図１を例にすると半導体層３を上方向から見たときの面積である。
実施形態にかかる半導体発光素子は、発光効率を改善しているため、素子の面積が大きくなったとしても発光効率が向上する。素子が大きくなると、半導体層３の製造ばらつきが生じやすい。いわゆる結晶層の不均一などが原因である。これにより、発光ピークのずれが生じる。多層反射膜４により３８０〜４３０ｎｍの反射率を向上するようにしているため、発光ピークがずれたとしても反射率を高くすることができる。
半導体発光素子１の発光ピークの半値幅は１０ｎｍ以上であることが好ましい。発光ピーク波長が３９５〜４２５ｎｍであってかつ発光ピークの半値幅が１０ｎｍ以上であると、発光ピークは紫外領域と可視光領域の両方を有することになる。前述のような多層反射膜を形成することにより、紫外領域と可視光領域の両方の反射率を向上させることができる。このため、発光ピークの半値幅が１０ｎｍ以上あるような発光素子に有効である。発光ピークの半値幅の上限は特に限定されないが３０ｎｍ以下が好ましい。半値幅が３０ｎｍを超えて大きいと、発光ピークの一部が３８０〜４３０ｎｍの範囲から外れる割合が多くなり、反射効果が不十分となる恐れがある。発光ダイオード（ＬＥＤ）に限らず半導体レーザなどの発光素子に適用することもできる。
実施形態にかかる半導体発光素子は、フリップチップ型にも好適である。図５にフリップチップ型の半導体発光素子の構造例を示す断面模式図である。図５に示す半導体発光素子１は、基板２と、半導体層３と、多層反射膜４と、電極５（ｐパッド電極）と、電極６（ｎパッド電極）と、透光電極７と、実装基板８と、を具備する。図５では、基板２／半導体層３／多層反射膜４の積層構造となっている。図５では、多層反射膜４同士の間に電極５をそれぞれ設けた構造である。電極構造に関しては、このような構造に限定されず、ｎパッド電極およびｐパッド電極を必要な箇所に設けてもよい。必要に応じ、透光電極７、金属反射膜９などを設けてもよい。基板２、半導体層３、多層反射膜４、電極５、電極６、透光電極７、実装基板８の構成において、前述のフェイスアップ型の半導体発光素子１の構成と同じ部分は、適宜説明を援用することができる。
以上のような半導体発光素子は、発光ピーク波長が３９５〜４２５ｎｍであり、発光効率が高い。このため、単独の発光素子や、蛍光体と組み合わせた白色発光装置に好適である。蛍光体と組み合わせる場合は、白色に限らず、青色、黄色、緑色、赤色など目的とする可視光を発する発光装置に適用できる。蛍光体は、３９５〜４２５ｎｍの波長を励起源として青色〜赤色の範囲で発光する。
青色蛍光体とは発光ピーク波長が４５０ｎｍ以上５２０ｎｍ以下に有する蛍光体のことである。このような蛍光体としては、ハロリン酸塩蛍光体、リン酸塩蛍光体、アルカリ土類金属アルミン酸塩蛍光体などが挙げられる。
ハロリン酸塩蛍光体は、（Ｓｒ，Ｃａ，Ｂａ，Ｍｇ）５（ＰＯ４）３（Ｃｌ，Ｂｒ）：Ｅｕ、（Ｓｒ，Ｃａ，Ｂａ，Ｍｇ）５（ＰＯ４）３Ｃｌ：Ｅｕなどが挙げられる。リン酸塩蛍光体としては、２ＳｒＯ・０．８４Ｐ２Ｏ５・０．１６Ｂ２Ｏ３：Ｅｕなどが挙げられる。アルカリ土類金属アルミン酸塩蛍光体としては、ＢａＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ、ＢａＭｇ２Ａｌ１６Ｏ２７：Ｅｕ、ＢａＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ，Ｍｎなどが挙げられる。
緑色蛍光体および黄色蛍光体は、５２０ｎｍ以上５８０ｎｍ以下の波長領域に主発光ピークを有する蛍光体である。このような蛍光体としては、ケイ酸塩蛍光体、アルミン酸塩蛍光体、硫化物蛍光体、アルカリ土類酸窒化物蛍光体などが挙げられる。ケイ酸塩蛍光体は（Ｓｒ，Ｃａ，Ｂａ）２ＳｉＯ４：Ｅｕ、Ｃａ３（Ｓｃ，Ｍｇ）２Ｓｉ３Ｏ１２：Ｃｅなどが挙げられる。アルミン酸塩蛍光体は（Ｙ，Ｇｄ）３（Ａｌ，Ｇａ）５Ｏ１２：Ｃｅなどが挙げられる。硫化物蛍光体は、（Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ）Ｇａ２Ｓ４：Ｅｕなどが挙げられる。アルカリ土類酸窒化物蛍光体は、（Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ）Ｓｉ２Ｏ２Ｎ２：Ｅｕ、（Ｃａ，Ｓｒ）−αＳｉＡｌＯＮ：Ｅｕ、β−ＳｉＡｌＯＮ：Ｅｕなどが挙げられる。
赤色蛍光体は５８０ｎｍ以上６８０ｎｍ以下の橙色から赤色の波長領域に主発光ピークを有する蛍光体ということができる。赤色蛍光体としては、ケイ酸塩蛍光体、酸フッ化物蛍光体、フッ化物蛍光体、酸化物蛍光体、酸硫化物蛍光体、硫化物蛍光体、窒化物蛍光体などが挙げられる。
ケイ酸塩蛍光体は（Ｓｒ，Ｃａ，Ｂａ）２ＳｉＯ４：Ｅｕなどが挙げられる。酸フッ化物蛍光体は、３．５ＭｇＯ・０．５ＭｇＦ・ＧｅＯ２：Ｍｎ４＋などが挙げられる。フッ化物蛍光体は（Ｎａ，Ｋ，Ｒｂ，Ｃｓ）２（Ｓｉ，Ｔｉ，Ｇｅ）Ｆ：Ｍｎ４＋などが挙げられる。酸化物蛍光体は、ＹＶＯ４：Ｅｕなどが挙げられる。酸硫化物蛍光体は、（Ｌａ，Ｇｄ，Ｙ）２Ｏ２Ｓ：Ｅｕなどが挙げられる。硫化物蛍光体は、（Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ）Ｓ：Ｅｕなどが挙げられる。窒化物蛍光体は、（Ｓｒ，Ｂａ，Ｃａ）２Ｓｉ５Ｎ８：Ｅｕ、（Ｓｒ，Ｃａ）ＡｌＳｉＮ３：Ｅｕなどが挙げられる。
蛍光体としては、上記蛍光体に限定されず、種々の蛍光体を用いることができる。発光装置は、照明やバックライトなど、様々な用途に使用することができる。
次に、半導体発光素子の製造方法について説明する。実施形態にかかる半導体発光素子は前述の構成を有していればその製造方法は特に限定されないが、効率よく得るための方法として次の方法が挙げられる。
まず、基板２を用意する。基板２の半導体層３を設ける面には微細凹凸を設ける。基板２は、サファイア、ＳｉＣ、ＧａＮなどが挙げられる。基板２は昇華法、化学気相成長法等によって作製される。
次に、微細凹凸構造を有する面上に半導体層３を設ける。半導体層３の形成方法は、有機金属気相成長（Ｍｅｔａｌ−Ｏｒｇａｎｉｃ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ：ＭＯＶＰＥ）法が好ましい。ＭＯＶＰＥ法は、複数の有機金属ガスを反応させて目的とする半導体層を形成する方法である。ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮなど様々な半導体層を形成することができる。有機金属ガスとしては、Ｇａの原料としてトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）またはトリエチルガリウム（ＴＥＧａ）が挙げられる。Ａｌの原料としてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）、Ｉｎの原料としてトリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、などが挙げられる。ＭＯＶＰＥ装置内で加熱した基板２上に有機金属ガスを供給し、半導体層を順次成長させていくことができる。バッファ層３１、ｎ型層３２、活性層３３、ｐ型層３４をそれぞれ形成することができる。必要に応じ、不純物元素をドープする工程を行ってもよい。
半導体層３を形成した後、電極５（ｐパッド電極）、電極６（ｎパッド電極）を形成する。必要に応じ、半導体層３上に透光電極７を形成する。電極５および電極６は、例えばスパッタリングや電子ビーム（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｂｅａｍ：ＥＢ）蒸着により形成することができる。透光電極７は、例えばスパッタリングにより形成することができる。
次に、多層反射膜４を形成する。フェイスアップ型の場合は、基板２の半導体層３を設けていない面に多層反射膜４を形成する。その際、必要に応じて基板２の研削・研磨を行い、基板２の薄膜化や粗さの制御を行ってから、多層反射膜４を形成する。フリップチップ型の場合は、半導体層３上に多層反射膜４を形成する。
多層反射膜４は第１誘電体膜４１と第２誘電体膜４２を交互に積層した構造を有している。多層反射膜４は、例えば物理蒸着法（ＰＶＤ）により形成することができる。物理蒸着法は、真空蒸着、分子線蒸着（ＭＢＥ）、イオンプレーティング、イオンビーム蒸着、スパッタリングなどが挙げられる。イオンビームアシスト蒸着（Ｉｏｎ−ｂｅａｍ Ａｓｓｉｓｔｅｄ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＩＡＤ）も有効である。ＩＡＤ法は真空蒸着中にイオン銃でガスイオンを照射し、緻密な膜にする方法である。ガスイオンを照射する際に、同量の電子を飛ばして中和することも有効である。ＩＡＤ法に用いることにより、緻密で平坦な多層膜を形成することができる。
多層反射膜４は、基板２側に第１誘電体膜４１を設けて、以下、第２誘電体膜４２と第１誘電体膜４１を交互に成膜することにより形成される。
必要に応じて金属反射膜９を形成してもよい。金属反射膜９は、例えばスパッタリング法や電子ビーム（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｂｅａｍ：ＥＢ）蒸着により形成することができる。必要に応じ、半導体層３または半導体発光素子１全体を覆う保護膜を形成してもよい。
次に、実装基板８に、半導体発光素子１を実装する。実装工程では、多層反射膜４または金属反射膜９と実装基板８の密着性が不十分な場合は接着層を設けてもよい。
（実施例１〜７、比較例１〜２）
実装基板としてガラス基板を用意した。ガラス基板上に、表１に示した多層反射膜を形成した。紫外可視分光光度計（島津製作所製ＵＶ−２６００）を用いて形成した反射膜の反射率測定を行った。
実装基板としてガラス基板を用意した。ガラス基板上に、表１に示した多層反射膜を形成した。紫外可視分光光度計（島津製作所製ＵＶ−２６００）を用いて形成した反射膜の反射率測定を行った。
表１の屈折率は３９０〜４３０ｎｍ付近の屈折率である。表１に示す実施例１〜７の多層反射膜は、以下の関係を満たしていた。
０．９（λ１／（４×ｎ１））≦ｄ１≦１．１（λ１／（４×ｎ１））、
０．９（λ２／（４×ｎ２））≦ｄ２≦１．１（λ２／（４×ｎ２））、
ｎ１＞ｎ２、
２０≦｜λ１−λ２｜、３８０≦λ１≦４３０、３８０≦λ２≦４３０。
０．９（λ１／（４×ｎ１））≦ｄ１≦１．１（λ１／（４×ｎ１））、
０．９（λ２／（４×ｎ２））≦ｄ２≦１．１（λ２／（４×ｎ２））、
ｎ１＞ｎ２、
２０≦｜λ１−λ２｜、３８０≦λ１≦４３０、３８０≦λ２≦４３０。
一方、比較例１は第１誘電体膜および第２誘電体膜共にピーク波長４００ｎｍにおける理論値（ｄ＝λｐ／（４×ｎ））で設計された例である。膜厚のバラつきもゼロに抑えられている。比較例２は、２０≦｜λ１−λ２｜を満たしていない。
次に、上記反射膜の反射率測定を実施して、表２に示す波長の反射率を測定した。測定方法は表１と同等の方法により実施した。その結果を表２に示す。
表から分かる通り、実施例にかかる多層反射膜は波長３８０〜４３０ｎｍの反射率が８０％以上１００％以下であった。最大反射率は９５％超であった。このことから発光ピーク波長がずれたとしても反射率が高いことが分かる。図６に実施例３の３６０ｎｍから４６０ｎｍの波長範囲の反射率を示す。一方、比較例１や比較例２ではピーク波長４００ｎｍでは優れた反射率を示すが、それ以外の波長では反射率の低下が見られた。
次に、実施例および比較例にかかる多層反射膜の表面に表３に示す金属反射膜を設けた。表１と同等の方法で反射率の測定を行った。その結果を表４に示す。
表から分かる通り、実施例にかかる多層反射膜は、反射率が９２％以上１００％以下と向上した。最大反射率は１００％であった。一方、比較例３、比較例４は金属反射膜を設けたとしても、これ以上の効果が得られなかった。
（実施例１５〜２８、比較例５、６）
サファイア基板はＰＳＳとし、微細凹凸を設けた。その上に半導体層を設けた。電極や透光電極を設けて半導体発光素子を作製した。それぞれ半導体発光素子の面積を表５に示す。半導体発光素子の面積は発光層を上からみたときの面積とした。作製した半導体発光素子のサファイア基板に、半導体発光素子とは反対側に実施例１〜１４および比較例３、４の多層反射膜を設けた。作製した各半導体発光素子に対し、発光効率を求めた。発光効率の測定方法は以下の通りである。作製した半導体発光素子を表５の面積に切断し、実装基板上に銀ペーストや半田、透明な接着剤などを使用して固定し、金ワイヤーなどを用いて実装基板との導通を確保した。実装した半導体発光素子を積分球を有する全光束測定システム（大塚電子製ＭＣＰＤ９８００）を用いて、全光束測定を実施し、得られた結果から半導体発光素子の外部量子効率を算出した。
サファイア基板はＰＳＳとし、微細凹凸を設けた。その上に半導体層を設けた。電極や透光電極を設けて半導体発光素子を作製した。それぞれ半導体発光素子の面積を表５に示す。半導体発光素子の面積は発光層を上からみたときの面積とした。作製した半導体発光素子のサファイア基板に、半導体発光素子とは反対側に実施例１〜１４および比較例３、４の多層反射膜を設けた。作製した各半導体発光素子に対し、発光効率を求めた。発光効率の測定方法は以下の通りである。作製した半導体発光素子を表５の面積に切断し、実装基板上に銀ペーストや半田、透明な接着剤などを使用して固定し、金ワイヤーなどを用いて実装基板との導通を確保した。実装した半導体発光素子を積分球を有する全光束測定システム（大塚電子製ＭＣＰＤ９８００）を用いて、全光束測定を実施し、得られた結果から半導体発光素子の外部量子効率を算出した。
各半導体発光素子の発光強度の対比を行った。対比は比較例５の半導体発光素子の外部量子効率を１００とした際の相対的な効率値として記載した。各半導体発光素子は、ピーク波長４００ｎｍ±５ｎｍ（半値幅１５ｎｍ±３ｎｍ）およびピーク波長４１５ｎｍ±１０ｎｍ（半値幅１５ｎｍ±３ｎｍ）の半導体発光素子を用いた。結果を表５に示す。
表から分かる通り、実施例にかかる半導体発光素子は発光効率が向上した。それに対し、比較例の半導体発光素子は向上しなかった。多層反射膜の改善は、発光効率の向上に有効であることが分かった。素子が大きくなっても有効であった。
（実施例１５Ａ〜２８Ａ、比較例５Ａ、６Ａ）
実施例１５〜２８および比較例５、６の半導体発光素子と蛍光体を組み合わせて実施例１５Ａ〜２８Ａ、比較例５Ａ、６Ａの白色発光装置を作製した。蛍光体は、青色蛍光体としてハロリン酸塩蛍光体（ピーク波長４８０ｎｍ）、緑色蛍光体としてケイ酸塩蛍光体（ピーク波長５６０ｎｍ）、赤色蛍光体として窒化物蛍光体（ピーク波長６２０ｎｍ）を用いた。３種類の蛍光体を樹脂に混合して、半導体発光素子上に塗布、乾燥させて白色発光装置とした。各発光装置に対して、全光束を測定した。全光束の測定は、実施例１５と同様の方法で測定した。比較例５Ａの発光効率を１００としたときの相対効率で示す。結果を表６に示す。
実施例１５〜２８および比較例５、６の半導体発光素子と蛍光体を組み合わせて実施例１５Ａ〜２８Ａ、比較例５Ａ、６Ａの白色発光装置を作製した。蛍光体は、青色蛍光体としてハロリン酸塩蛍光体（ピーク波長４８０ｎｍ）、緑色蛍光体としてケイ酸塩蛍光体（ピーク波長５６０ｎｍ）、赤色蛍光体として窒化物蛍光体（ピーク波長６２０ｎｍ）を用いた。３種類の蛍光体を樹脂に混合して、半導体発光素子上に塗布、乾燥させて白色発光装置とした。各発光装置に対して、全光束を測定した。全光束の測定は、実施例１５と同様の方法で測定した。比較例５Ａの発光効率を１００としたときの相対効率で示す。結果を表６に示す。
表から分かる通り、実施例にかかる発光装置は、発光効率が向上した。これは、半導体発光素子の性能を向上させることは、発光装置の性能を向上させることにつながることを示す。
以上、本発明のいくつかの実施形態を例示したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更などを行うことができる。これら実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。
Claims (11)
- 発光ピーク波長が３９５ｎｍ以上４２５ｎｍ以下である半導体発光素子であって、
第１の面と第２の面とを備え、前記第１の面および前記第２の面からなる群より選択される少なくとも一つの面が凹凸を有する基板と、
前記第１の面に接する半導体層と、
前記第２の面または前記半導体層の表面に接する多層反射膜と、を具備し、
前記多層反射膜は、複数の第１の誘電体膜と複数の第２の誘電体膜とを有し且つ前記第１の誘電体膜および前記第２の誘電体膜が交互に積層された構造を備える、半導体発光素子。 - フェイスアップ型である、請求項１に記載の半導体発光素子。
- 前記第１の誘電体膜および前記第２の誘電体膜は、
式１：０．９（λ１／（４×ｎ１））≦ｄ１≦１．１（λ１／（４×ｎ１））、
式２：０．９（λ２／（４×ｎ２））≦ｄ２≦１．１（λ２／（４×ｎ２））、
式３：ｎ１＞ｎ２、
式４：２０≦｜λ１−λ２｜、
式５：３８０≦λ１≦４３０、および
式６：３８０≦λ２≦４３０
（式１〜６中、前記ｄ１は、前記第１の誘電体膜の膜厚（ｎｍ）を表し、前記ｎ１は、前記第１の誘電体膜の屈折率を表し、前記ｄ２は、前記第２の誘電体膜の膜厚（ｎｍ）を表し、前記ｎ２は、前記第２の誘電体膜の屈折率を表し、前記λ１は、３８０ｎｍ以上４３０ｎｍ以下の波長範囲から選ばれる第１の波長（ｎｍ）を表し、前記λ２は、前記波長範囲から選ばれる第２の波長（ｎｍ）を表す）
を満たす、請求項１に記載の半導体発光素子。 - 前記複数の第１の誘電体膜の少なくとも一つの膜厚は、
式７：ｄ１＝λｐ／（４×ｎ１）
（式７中、前記ｄ１は、前記第１の誘電体膜の膜厚（ｎｍ）を表し、前記ｎ１は、前記第１の誘電体膜の屈折率を表し、前記λｐは、前記発光ピーク波長を表す）
で表される前記ｄ１の値から１ｎｍ以上ずれた値である、請求項３に記載の半導体発光素子。 - 前記複数の第２の誘電体膜の少なくとも一つの膜厚は、
式８：ｄ２＝λｐ／（４×ｎ２）
（式７中、前記ｄ２は、前記第２の誘電体膜の膜厚（ｎｍ）を表し、前記ｎ２は、前記第２の誘電体膜の屈折率を表し、前記λｐは、前記発光ピーク波長を表す）
で表される前記ｄ２の値から１ｎｍ以上ずれた値である、請求項３に記載の半導体発光素子。 - 前記第１の誘電体膜は、酸化チタン、酸化ジルコニウム、窒化珪素、酸化ニオブ、および酸化タンタルからなる群より選択される少なくとも１つを含む、請求項１に記載の半導体発光素子。
- 前記第２の誘電体膜は、酸化珪素、フッ化マグネシウム、およびフッ化カルシウムからなる群より選ばれる少なくとも１つを含む、請求項１に記載の半導体発光素子。
- 前記複数の第１の誘電体膜は、３以上の前記第１の誘電体膜を有し、
前記複数の第２の誘電体膜は、３以上の前記第２の誘電体膜を有する、請求項１に記載の半導体発光素子。 - 前記多層反射膜の表面に設けられた金属反射膜をさらに具備する、請求項１に記載の半導体発光素子。
- 前記金属反射膜は、Ａｕ、Ａｇ、およびＡｌからなる群より選択される少なくとも一つの元素を含む、請求項９に記載の半導体発光素子。
- 前記半導体発光素子の面積は、０．１ｍｍ２以上である、請求項１に記載の半導体発光素子。
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