TW200945627A - Semiconductor light-emitting device - Google Patents

Description

200945627 九、發明說明 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關半導體發光元件，特別是有關利用產生 於電極層的表面之表面電漿子而提昇光的放射效率之半導 . 體發光元件。 【先前技術】 ❹ 以往，知道有於η型GaN基板之（0001 )面上，形成單 結晶之Si摻雜GaN所成之η型層，和單結晶之Si摻雜 Al01Ga().9N所成之n型包覆層，和具有多重量子井構造之 MQW ( Mutipie Quantum Well )發光層，和單結晶之未摻 雜GaN所成之保護層，和單結晶之Mg摻雜AU.iGao.9N所成 之P型包覆層，和單結晶之Mg摻雜GaQ.95InQ.Q5N所成之p型 接觸層，更且依電極層，和Si02所成之保護層順序加以層 積所成之半導體發光元件（參照專利文獻1之圖4)。。前 〇 述電極層係由Pd所成之第1電極（歐姆電極），和形成於 其第1電極上之鋁所成之第2電極的2層而成，對於此等各 電極，係多數的圓形孔乃以特定的間隔，周期性地開設成 三角格子形狀，前述保護層係呈被覆前述第1電極及前述 第2電極地加以形成。 其半導體發光元件係經由於電漿頻率數高之金屬（鋁 )所成之第2電極，將圓形孔形成爲三角格子狀之時，在 電極層，和P型接觸層之界面附近，電容率則周期地產生 變化，經由此，可由在MQW發光層發光的光激發表面電漿 200945627 子者。並且，所激發之表面電漿子係從保護層之表面，作 爲光加以放射之同時，對於激發表面電漿子之情況，對於 較以P型接觸層與保護層之折射率的比所決定之臨界較爲 大之入射角的光，因亦從P型接觸層的表面加以放射，故 可提昇來自半導體發光元件的光之放射效率者。 / [專利文獻1]日本特開2005-108982號公報 —

【發明內容】 U

[發明欲解決之課題] 然而，記載於專利文獻1之半導體發光元件係因作爲 保護層材料，使用Si02等之電容率低之介電質（Si02之電 容率乃2.0或此以下），故從後述之共振器的原理，經由 表面電漿子之效果而提昇來自半導體發光元件的光之放射 效率上有著界限。 另外，記載於專利文獻1之半導體發光元件係因必須 對應於表面電漿子之激發條件，例如電極層之電容率，保 〇 護材料之電容率，及傳播在P型接觸層中的光的波長等， 於電極層周期地形成多數的圓形孔，並且高精確度地設定 圓形孔之形成周期，故對於電極層的製作需要很多的勞力 ，亦有半導體發光元件之製造成本變高的問題。 本發明係爲了解決有關的技術問題而作爲之構成，其 目的乃提供光的放射效率高，且利用製造容易之表面電漿 子的半導體發光元件者。 200945627 [爲解決課題之手段] 本發明係爲了解決前述之課題，第1，作爲具有發光 層，和形成於該發光層上之半導體層，和形成於該半導體 層之電極層，和開設於該電極層之透孔，和接合於該透孔 之內面的介電質層，前述介電質層乃將在傳播在前述半導 體層中之前述發光層發光的光的波長作爲λ!，將經由傳 播在前述半導體層中的光而激發於前述透孔的內面之前述 電極層與前述介電質層之界面的表面電漿子之波長作爲 λ Ρ時，具有此等各波長的關係成爲λ!> λ ρ之電容率之介 電質所成，前述電極層之厚度乃經由傳播在前述半導體層 中而到達至前述電極層的光所激發的表面電漿子則引起共 鳴的値之構成。 如此，於電極層開設透孔，接合於該透孔的內面，形 成介電質層時，經由在發光層發光，傳播在半導體層中的 光所激發之表面電漿子乃沿著透孔的內面而傳播。當其表 面電漿子之波長與電極層之膜厚的關係乃滿足共鳴條件時 ，透孔係作爲共振器而發揮機能。共振器的特性係由Q値 (局限於對於導入至每1周期（時間）之共振器之入射光 的功率之共振器的電磁場能量的比）、模式體積（共振器 及在其周圍侷限電磁場的範圍之體積）、消減剖面積（透 孔之開口部導入光的範圍之面積）之3個參數所表現，爲 了提昇來自半導體發光元件的光之放射效率，更高的Q値 ，更小的模式體積，及更大的消減剖面積乃成爲必要。 爲了實現上述之條件，思考表面電漿子的波長呈變短 -7- 200945627 地設計共振器。因爲滿足共鳴條件之電極膜的膜厚變 故模式體積變小。更且，表面電漿子之波長λ p乃較 傳播在半導體層中之發光層的發光的波長λ i爲短時 共振器的出入口同時作爲開放端而發揮機能，故表面 子與傳播在半導體層中的光之結合效率成爲良好，消 面積亦變大。 對於爲了縮短表面電漿子之波長，係思考提昇介 層之電容率及縮小透孔之半徑者。但，當縮小透孔的 時，因消減剖面積亦減少，對於爲了提昇來自半導體 元件的光之放射效率，將透孔的半徑，作爲消減剖面 極端變小之範圍，；lp乃較又！爲短地提昇介電質層之 率者爲佳。 作爲電極所使用的金屬係其電容率的實部乃絕對 之負的値，且經由其金屬之吸收的效果爲小，也就是 率之虛部的値爲小者佳。經由其電極層之金屬的吸收 係介電質層之電容率變高實而變大。隨之，從波長的 ’電容率爲高者爲佳，但實際上，考慮與吸收效果的 ，有必要選定介電質與電極的材質。 另外’對於電極層之厚度，特別期望作爲引起傳 半導體層中而到達至電極層的光與表面電漿子之1共 厚度者。作爲電漿子共鳴器，可利用1次乃至複數次 鳴’但1次的共鳴乃因可更提昇半導體發光元件的亮度 本發明係第2，作爲在前述第1半導體發光元件， 述電極層之面方向’開設複數個前述透孔，對於前述 小， 來自 ，因 電漿 減剖 電質 半徑 發光 積未 電容 値大 電容 效果 觀點 平衡 播在 鳴的 之共 〇 於前 電極 -8- 200945627 層之面方向的前述複數個之透孔的配列乃非周期性之構成 〇 如前述，本發明之半導體發光元件係因於透孔的內面 ，使表面電漿子產生，故無需嚴格地限制透孔的孔間尺寸 - 或開設方位等，可將電極層的形成容易化，可將半導體發 光裝置作爲低成本化。當然，即使將複數的透孔形成爲周 期性或非周期性，亦可提昇在半導體發光元件的光之放射 Φ 效率者。當周期性地形成時，可高密度地製作透孔，當準 周期性地形成時，可等向性地製作透孔。 本發明係第3，作爲在前述第1或第2半導體發光元件 ’從前述發光層發光紅色光，構成前述電極層及前述半導 體層之主要材料乃各爲金及Ti02，或爲銀及GaP之構成。 本構成乃從上述之電漿子波長與金屬之吸收效果的關 係，對於提昇紅色光的發光效率，成爲最佳的材料組合。 本發明係第4，作爲在前述第1或第2半導體發光元件 ® ’從前述發光層發光綠色光，構成前述電極層及前述半導 體層之主要材料乃各爲銀及Ti02，或爲鋁及GaP之構成。 . 本構成乃對於提昇綠色光的發光效率，成爲最佳的材 料組合。 本發明係第5，作爲在前述第1或第2半導體發光元件 ’從前述發光層發光藍色光，構成前述電極層及前述半導 體層之主要材料乃各爲銀及GaN，或爲鋁及GaP之構成。 本構成乃對於提昇藍色光的發光效率，成爲最佳的材 料組合。 -9- 200945627 [發明之效果] 本發明之半導體發光元件乃依發光層與半導體層與電 極層的順序層積，於開設於電極層之透孔的內面，因設置 具有較傳播在半導體層中之發光層的發光波長λ i爲短之 經由傳播在半導體層中的光而激發於透孔的內面之電極層 與介電質層之界面的表面電漿子之波長λρ( λρ)之 電容率之介電質層，故經由傳播在半導體層中的光，可激 發沿著透孔的內面而傳播之表面電漿子。經由使其表面電 漿子共鳴者，可提昇從透孔之開口部側放射的光之放射效 率。另外，從使表面電漿子，沿著透孔的內面傳播之情況 ，無需將複數個之透孔，對應於表面電漿子之激發條件而 作周期性地配列，可將電極層以及半導體發光元件之製造 作爲容易者。 【實施方式】 以下，將有關本發明之半導體發光元件之一實施型態 ，依據圖1乃至圖4加以說明。圖1乃顯示有關實施型態之 半導體發光元件之層積構造斜視圖’圖2乃顯示表面電漿 子與傳播在介電質層中之發光層3的發光之共鳴條件與電 極層的膜厚之關係圖表’圖3與圖4乃顯示有關實施型態之 半導體發光元件之放射效率圖表。 如圖1所示，本例之半導體發光元件係具有層積於基 板1上之η型半導體層2’和層積於η型半導體層2上之發光 200945627 層3，和層積於發光層3上之p型半導體層4，和層積於p型 半導體層4上之電極層5，於開設於電極層5之透孔5a內， 塡充介電質層6所成。作爲前述基板1，η型半導體層2，發 光層3及ρ型半導體層4，係可適用屬於公知之任意的構成 - 者，作爲一例，係可使用記載於專利文獻1之構成者。 電極層5係使用可容易得到更大表面電漿子之效果的 金屬材料，例如銀，鋁或金等加以形成。其電極層5的膜 ❹ 厚係傳播在Ρ型半導體層4中而到達至電極層的發光層3之 發光與表面電漿子乃引起共鳴的厚度，特別理想係形成爲 引起1次共鳴之大小。具體而言，如圖2所示，將電極層5 的膜厚作爲L，將表面電漿子之波長作爲λ ρ時，經由作爲 L= λ Ρ/2者，可使傳播在ρ型半導體層4中而到達至電極層5 的發光層3之發光與表面電漿子作爲1次共鳴。另外，如將 電極層5之厚度作爲L = 2 λ ρ/2，可引起2次共鳴，如將電極 層5之厚度作爲L = 3又ρ/2，可引起3次共鳴。然而，顯示於 φ 圖2之右上的圖表乃顯示傳播在介電質層6之側面的表面電 漿子之波數向量與光的頻率數之分散關係圖表，橫軸係顯 示表面電漿子之波數向量k，縱軸係顯示傳播在介電質層6 之側面的發光層3的頻率數ω。即，圖之實現上的點乃表 示表面電漿子之波數向量k與光的頻率數ω之可實際存在 的値。其分散關係，也就是表面電漿子之波長λ ρ係經由 金屬與接合於此之介電質的組合而決定。 在前述之專利文獻1中，利用形成於電極層之周期構 造（該周期構造係在透孔或針狀的突起等亦可形成），但 -11 - 200945627 本發明係經由調整接合於開設於電極層5之透孔5a內面的 介電質層6之電容率者，因於電極層5與接合此之介電質層 6之界面，使表面電漿子共鳴者，故如於電極層5至少開設 1個透孔5a，可提昇光的放射效率者。但，因在只開設1個 透孔5中，在實用上得到充分的亮度情況係爲困難，故對 於實用上，盡可能開設多數的透孔5 a於電極層5。如此， 在開設複數個透孔5a於電極層5之情況，因各透孔5a乃作 爲共振器而發揮機能，故無需將此等複數個透孔5a，配列 成三角格子狀及正方格子狀等之周期構造，而可作爲旋轉 對秤性之準周期構造，以及未具有周期性之隨機構造者。 另外，對於將複數個透孔5a周期性地配列支情況，亦無需 緊密地限制其逆格子向量的大小。進而，可將電極層5以 及半導體發光元件之製造作爲極爲容易之構成者。 介電質層6係使透孔5a2p型半導體層4側及外面側， 同時作爲共振器之開端部而發揮機能，在提昇表面電漿子 與傳播在P型半導體層4中的光之結合效率之同時，增加消 減剖面積之故，表面電漿子之波長λρ乃擁有具有較傳播 在介電質層6中的發光層3之發光波長λ !爲短（λ !> λρ) 之電容率的介電質加以形成。表面電漿子之波長Λρ乃因 並非只依存於構成介電質層6之介電質的電容率，而亦依 存於透孔5a的直徑，故在與透孔5a的直徑的關係，決定使 用之介電質。 作爲構成介電質層6之介電質材料，電容率ε 1乃使用 高介電質材料程度，可縮小引起1次共鳴之電極層5之膜厚 200945627 ，可減少模式體積者，但其反面’經由金屬的光的吸收效 果乃增加。相反地，電容率ε 1乃使用低介電質材料程度 ，可降低光的吸收效率，但其反面，引起共鳴之電極層5 . 的膜厚則變大，而模式體積變大。 - 圖3乃顯示發光呈綠色光的半導體發光元件，經由於 銀薄膜中，將半徑爲300nm之透孔5a ’配列成晶格常數爲 1000 nm之正方格子狀的構造之放射線效率的圖表，顯示透 II 孔5a內之電容率乃從7至8時，放射效率爲最高者。圖4乃 顯示發光呈綠色光的半導體發光元件，經由於鋁薄膜中， 將半徑爲25 0nm之透孔5a，配列成晶格常數爲lOOOnm之正 方格子狀的構造之放射線效率的圖表，顯示透孔5a內之電 容率乃從10至12時，放射效率爲最高者。 從以上之情況，對於使用於電極之金屬與放入於透孔 5 a之介電質，知道爲最佳的組合者。即，作爲構成介電質 層6及電極層5之材料，從可提昇來自半導體發光元件的光 ❹ 之放射效率之組合，配合發光光的波長而選擇加以使用。 具體而言，對於發光呈紅色光的半導體發光元件，對 於電極選擇金之情況，電容率乃約8.0之鈦氧化物，例如 Ti02等爲最佳，對於電極選擇銀之情況，電容率乃11.0之 GaP等爲最佳。在發光呈綠色光的半導體發光元件中，對 於電極選擇銀之情況，電容率乃約8.0之鈦氧化物，例如 Ti02等爲最佳，對於電極選擇鋁之情況，電容率乃12.0之 GaP等爲最佳。在發光呈藍色光的半導體發光元件中，對 於電極選擇銀之情況，電容率乃約6.0之GaN等爲最佳，對 -13- 200945627 於電極選擇鋁之情況，電容率乃14.0之GaP等爲最佳。當 彙整此等時，如表1。 [表1]

Red Green B] ue 電極 (金屬） 介電質 電極 (金屬） 介電質 電極 (金屬） 介電質 金(Au) Ti02 銀(Ag) Ti02 銀(Ag) GaN 銀(Ag) GaP 鋁(A1) GaP 鋁(A1) GaP ❹ 介電質層6係只由呈至少接合於透孔5 a的內面地設置 爲足夠，但爲了將製造作爲容易，亦可塡充於透孔5a內， 以及並非只塡充於透孔5a內，而呈被覆電極層5之表面全 體地加以形成者。 【圖式簡單說明】 圖1乃顯示有關實施型態之半導體發光元件之層積構 造斜視圖。 圖2乃顯示表面電漿子之波數向量與光的頻率數之分 散關係及電極層之膜厚與傳播在介電質層中之電漿子之共 鳴條件之關係圖表。 圖3乃顯示有關實施型態之半導體發光元件之放射效 率的圖表。 圖4乃顯示有關實施型態之半導體發光元件之放射效 率的圖表。 -14- 200945627 【主要元件符號說明】 1 ： :基板 2 ： 3 : η型半導體層 發光層 . 4 : Ρ型半導體層 5 : 電極層 5a :透孔 ❹ 6 : 介電質層 -15-

Claims (1)

1. 200945627 十、申請專利範圍 1. 一種半導體發光元件，其特徵乃具有發光層’和形 成於該發光層上之半導體層，和形成於該半導體層上之電 極層，和開設於該電極層之透孔，和接合於該透孔之內面 的介電質層， 前述介電質層乃將在傳播在前述半導體層中之前述發 光層發光的光的波長作爲λ 1，將經由傳播在前述半導體 層中的光而激發於前述透孔的內面之前述電極層與前述介 電質層之界面的表面電漿子之波長作爲λρ時，具有此等 各波長的關係成爲λ 1> λρ之電容率之介電質所成， 前述電極層之厚度乃經由傳播在前述半導體層中而到 達至前述電極層的光所激發的表面電漿子引起共鳴的値者 〇 2. 如申請專利範圍第丨項記載之半導體發光元件，其 中’於前述電極層之面方向，開設複數個前述透孔，對於 前述電極層之面方向的前述複數個之透孔的配列乃非周期 性者。 3. 如申請專利範圍第1項記載之半導體發光元件，其 中’從前述發光層發光呈紅色光，構成前述電極層及前述 半導體層之主要材料乃各爲金及Ti〇2，或爲銀及Gap者。 4. 如申請專利範圍第1項記載之半導體發光元件，其 中’從前述發光層發光呈綠色光，構成前述電極層及前述 半導體層之主要材料乃各爲銀及Ti〇2，或爲鋁及GaP者。 5. 如申請專利範圍第1項記載之半導體發光元件，其 -16- 200945627 中，從前述發光層發光呈藍色光，構成前述電極層及前述 半導體層之主要材料乃各爲銀及GaN，或爲鋁及GaP者。

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