TWI395348B - Semiconductor light emitting element - Google Patents

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Description

半導體發光元件
本發明係關於半導體發光元件，尤其係關於利用發生在電極層表面的表面電漿子(plasmon)來提高光放射效率的半導體發光元件。
以往已知一種半導體發光元件係在n型GaN基板的(0001)面上，形成由單結晶的Si摻雜GaN所構成的n型層、由單結晶的Si摻雜Al0.1 Ga0.9 N所構成的n型包覆層、具有多重量子井構造的MQW(Multiple Quantum Well)發光層、由單結晶的未摻雜GaN所構成的保護層、由單結晶的Mg摻雜Al0.1 Ga0.9 N所構成的p型包覆層、及由單結晶的Mg摻雜Ga0.95 In0.05 N所構成的p型接觸層，另外依序層積電極層、及由SiO2 所構成的保護層(參照專利文獻1的第4圖)。前述電極層係由：由Pd所構成的第1電極(歐姆電極)、及形成在該第1電極上之由銀或鋁所構成的第2電極的2層所構成，在該等之各電極，以預定間隔以三角格子狀周期性開設有多數圓形孔，前述保護層係以覆蓋前述第1電極及前述第2電極的方式所形成。
該半導體發光元件係在由電漿頻率高的銀或鋁等金屬所構成的第2電極以三角格子狀形成圓形孔，藉此在電極層與p型接觸層的界面附近，介電係數呈周期性變化，藉此可藉由在MQW發光層所發光的光來激發表面電漿子。接著，所激發的表面電漿子係由保護層表面作為光而被放射，並且在激發表面電漿子時，關於入射角大於由p型接觸層與保護層的折射率比所決定的臨界角的光，亦由p型接觸層表面而被放射，因此可提升來自半導體發光元件的光的放射效率。
其中，在利用金屬層所發生的表面電漿子來提高光取出效率的半導體發光元件中，將任意或全部界面中之1個次元所形成的周期性且規則的界面質地形成為方形(正方格子狀)、矩形(正方格子的變形)或六角形(三角格子的變形)的技術亦在以往已被提出(例如參照專利文獻2的第5圖)。
(專利文獻1)日本特開2005-108982號公報
(專利文獻2)日本特開2007-142483號公報
但是，在專利文獻1、2中，以形成在電極層的表面電漿子激發用的周期性凹凸形狀(規則的界面質地)而言，僅揭示圓形孔或縫隙，因此關於藉由在周期性凹凸形狀的平面形狀或其配列間距等下工夫，以更加提高來自半導體發光元件的光的取出效率的可能性，並未有任何提及。
本發明係為了解決該技術上的課題而研創者，其目的在於提供一種藉由在周期性凹凸形狀的平面形狀或其配列間距等下工夫，相較於習知技術，光放射效率較高，且利用表面電漿子的半導體發光元件。
本發明為了解決前述課題，第1形成為以下構成：係具有：發光層；形成在該發光層上的半導體層；形成在該半導體層上的電極層；在該電極層所開設的複數透孔；及與該等複數透孔的各內面相接的介電質層，藉由在前述半導體層中傳播之來自前述發光層的發光，在前述透孔內面的前述電極層與前述介電質層的界面激發表面電漿子的半導體發光元件，其特徵為：前述複數透孔係將各個平面形狀形成為同一尺寸的正六角形，而且以前述電極層的面方向配列成三角格子狀。
藉由實驗，在電極層形成為表面電漿子激發用之周期性凹凸形狀(規則的界面質地)而將複數透孔開設成三角格子狀的情形下，若將該等複數透孔的平面形狀形成為正六角形，與開設圓形孔的情形相比，半導體發光元件之放射效率會變高。其理由雖現階段並未明確，但是關於由半導體層朝向透孔內之光的取入效率，若由圓形孔比正六角形孔為高的方面來看，相較於圓形孔，正六角形孔應是基於由透孔內朝向外部的光的放出效率變高之故。
本發明係第2形成為以下構成：在前述第1半導體發光元件中，前述介電質層係當將在前述半導體層中傳播之來自前述發光層之發光的波長設為λ1，藉由在前述半導體層中傳播的光而在前述透孔內面的前述電極層與前述介電質層的界面所被激發的表面電漿子的波長設為λp 時，由具有該等各波長的關係成為λ1 >λp 之介電係數的介電質所構成，前述電極層的厚度係藉由在前述半導體層中傳播而到達前述電極層的光所被激發的表面電漿子起共鳴的值。
如上所示，若在電極層開設透孔，與該透孔內面相接而形成介電質層時，藉由在發光層發光而在半導體層中傳播的光所被激發的表面電漿子會沿著透孔內面進行傳播。若該表面電漿子的波長與電極層膜厚的關係滿足共鳴條件，透孔即作為共振器而發揮功能。共振器的特性係以Q值(在共振器局部存在的電磁場能量對平均每1周期(時間)之被取入至共振器的入射光的功率的比)、模態體積(在共振器及其周圍，電磁場能量得以局部存在之區域的體積)、消衰剖面積(透孔的開口部可取入光之範圍的面積)的3個參數來表示，為了提高來自半導體發光元件之光的放射效率，必須為更高的Q值、更小的模態體積、及更大的消衰剖面積。
為了實現上述條件，考慮以表面電漿子的波長變短的方式來設計共振器。原因在於由於滿足共鳴條件的電極層膜厚變小，因此模態體積變小之故。此外，若表面電漿子的波長λp 比在半導體層中傳播之來自發光層的發光的波長λ1 為短時，共振器的出入口均會作為開放端而發揮功能，因此表面電漿子與在半導體層中傳播的光的結合效率會變得較為良好，消衰剖面積亦會變大。
為了縮短表面電漿子的波長，考慮到提高介電質層的介電係數及縮小透孔半徑。但是，若縮小透孔半徑，則消衰剖面積亦會減少，因此為了提高來自半導體發光元件之光的放射效率，將透孔半徑設為消衰剖面積不會極端變小的範圍，以λp 比λ1 變得更短的方式來提高介電質層的介電係數為佳。
作為電極所使用的金屬係以其介電係數的實部為絶對值較大的負值，而且藉由該金屬所得之吸收效果較小，亦即介電係數的虛部的值為較小者即可。該電極層之金屬所造成的吸收效果係若介電質層的介電係數變高即會變大。因此，由波長的方面來看，係以介電係數高者為佳，但是實際上係必須考慮到與吸收效果的均衡，來選定介電質與電極的材質。
此外，關於電極層厚度，以形成為在半導體層中傳搬而到達電極層的光與表面電漿子起1次共鳴的厚度為尤佳。以電漿子共鳴器而言，雖可利用1次至複數次共鳴，但是1次共鳴可更加提高半導體發光元件的亮度之故。
本發明係第3形成為以下構成：在前述第1半導體發光元件中，當前述電極層為銀，前述介電質層以TiO2 所形成，由前述發光層所發光的光的波長為530nm，前述半導體層的折射率為2.3時，將外接於前述正六角形透孔的外接圓半徑形成為360nm～490nm，且將被配列成前述三角格子狀的各透孔的中心點間的距離形成為1500nm。
藉由該構成，可實現42%～58%的放射效率。
本發明係第4形成為以下構成：在前述第1半導體發光元件中，當前述電極層為鋁，前述介電質層以GaP所形成，由前述發光層所發光的光的波長為530nm，前述半導體層的折射率為2.3時，將外接於前述正六角形透孔的外接圓半徑形成為320nm～360nm，且將被配列成前述三角格子狀的各透孔的中心點間的距離形成為1500nm。
藉由該構成，可實現57%～58%的放射效率。
本發明係第5形成為以下構成：在前述第1半導體發光元件中，當前述電極層為銀，前述介電質層以GaN所形成，由前述發光層所發光的光的波長為470nm，前述半導體層的折射率為2.3時，將外接於前述正六角形透孔的外接圓半徑形成為370nm～390nm，且將被配列成前述三角格子狀的各透孔的中心點間的距離形成為1300nm。
藉由該構成，可實現12%～18%的放射效率。
本發明之半導體發光元件係將被開設在電極層的透孔的平面形狀形成為同一尺寸的正六角形，而且將複數透孔以電極層的面方向配列成三角格子狀，因此與在電極層開設複數圓形孔的情形相比，可提高放射效率。
首先，根據第1圖至第3圖，說明實施形態之半導體發光元件的構成。第1圖係顯示實施形態之半導體發光元件之層積構造的斜視圖，第2圖係顯示實施形態之半導體發光元件中之透孔的形狀及配列的主要部位平面圖，第3圖係顯示表面電漿子和在介電質層中傳播之發光層3之發光的共鳴條件以及共鳴和電極層膜厚的關係的曲線圖。
如第1圖所示，本例之半導體發光元件係具有：層積在基板1上的n型半導體層2；層積在n型半導體層2上的發光層3；層積在發光層3上的p型半導體層4；及層積在p型半導體層4上的電極層5，在被開設於電極層5的透孔5a內填充介電質層6而成。以前述基板1、n型半導體層2、發光層3及p型半導體層4而言，可適用周知所屬之任意者，以一例而言，係可使用專利文獻1所記載者。
電極層5係使用易於獲得較大表面電漿子之效果的金屬材料，例如銀、鋁或金等所形成。該電極層5的膜厚係形成為在p型半導體層4中傳播而到達電極層的發光層3的發光和表面電漿子起共鳴的厚度，尤其更好係形成為起1次共鳴的大小。具體而言，如第3圖所示，若將電極層5的膜厚設為L，表面電漿子的波長設為λp 時，藉由形成為L=λp /2，可使在p型半導體層4中傳播而到達電極層5的發光層3的發光和表面電漿子起1次共鳴。此外，若將電極層5的膜厚設為L=2λp /2，可起2次共鳴，若將電極層5的膜厚設為L=3λp /2，則可起3次共鳴。其中，在第3圖右上所顯示的曲線圖係表示在介電質層6側面傳播的表面電漿子的波數向量和光的頻率的分散關係的曲線圖，橫軸表示表面電漿子的波數向量k，縱軸表示在介電質層6中傳播的發光層3的發光頻率ω。亦即，圖中實線上的點係表示表面電漿子的波數向量k和光的頻率ω之實際上得以存在的值。該分散關係，亦即，表面電漿子的波長λp 係依金屬及與其相接的介電質的組合來決定。
如第2圖所示，透孔5a係平面形狀形成為正六角形，以電極層5的面方向配列成三角格子狀。外接於正六角形透孔5a的外接圓的半徑d係依由發光層3所發光的光的波長、形成電極層5的金屬材料的種類、被填充在透孔5a內的介電質材料的折射率、及形成p型半導體層4的半導體材料的折射率等而作適當選擇，被設定在大約300nm～500nm程度。此外，被配列成三角格子狀的各透孔5a的中心間距離L係按照前述各部的條件而作適當選擇，被設定在大約1000nm～2000nm程度。關於最適外接圓的半徑d及中心間距離L，由後述實驗例之欄位可知。
介電質層6係使透孔5a的p型半導體層4側及外面側均作為共振器的開放端而發揮功能，由於提高表面電漿子和在p型半導體層4中傳播的光的結合效率，並且加大消衰剖面積，因此以具有表面電漿子的波長λp 比在介電質層6中傳播之發光層3的發光波長λ1 為短(λ1 ＞λp )的介電係數的介電質材料所形成。表面電漿子的波長λp 並非僅取決於構成介電質層6之介電質的介電係數，亦取決於透孔5a的尺寸(外接圓半徑d)，因此藉由與透孔5a的半徑的關係來決定所使用的介電質材料。
其中，以構成介電質層6的介電質材料而言，愈使用介電係數ε1 高的介電質材料，可使起1次共鳴的電極層5膜厚愈小而可使模態(mode)體積愈小，但另一方面，因金屬所造成之光的吸收效果會增大。相反地，愈使用介電係數ε1 低的介電質材料，愈可降低光的吸收效果，但另一方面，起共鳴的電極層5膜厚會變大，而使模態體積變大。因此，關於選擇構成介電質層6之介電質材料的介電係數ε1 ，亦必須考慮到模態體積與因金屬所造成之光的吸收效果。
以下，藉由與比較例之半導體發光元件的比較，說明實施例之半導體發光元件。第4圖係顯示實施例之半導體發光元件及比較例之半導體發光元件之構成的圖表，顯示透孔5a的形狀及配列以外之共通構成。
〈第1實施例〉
如第4圖(a)所示，第1實施例之半導體發光元件係具有：發出波長為530nm之綠色光的發光層3；由折射率為2.3的半導體材料所構成的p型半導體層4；由銀所構成的電極層5；及由介電係數為8.7的氧化鈦TiO2 所構成的介電質層6。透孔5a的平面形狀為正六角形，關於電極層5之面方向的配列係三角格子狀。
〈第1比較例〉
如第4圖(a)所示，第1比較例之半導體發光元件係具有與第1實施例之半導體發光元件相同的發光層3、p型半導體層4、電極層5、及介電質層6。與第1實施例之半導體發光元件相異之處在於：將透孔5a的平面形狀形成為圓形，針對關於電極層5之面方向的透孔5a的配列，係備妥三角格子狀者與正方格子狀者。
在第5圖顯示與電極層5膜厚相對應的第1比較例之半導體發光元件之放射效率。但是，透孔5a係形成為半徑為300nm的圓形孔，透孔5a的中心間距離係形成為1000nm、1500nm、2000nm之3種類。圖中的符號Tri係將關於電極層5之面方向的透孔5a的配列形成為三角格子狀的半導體發光元件的資料，符號Sq係將關於電極層5之面方向之透孔5a的配列形成為正方格子狀的半導體發光元件。由該圖明顯可知，無關於透孔5a的中心間距離，將關於電極層5之面方向之透孔5a的配列形成為三角格子狀的半導體發光元件係比形成為正方格子狀的半導體發光元件，其放射效率的最大值變得較高。此外，若為將關於電極層5之面方向的透孔5a的配列形成為三角格子狀的情形，相較於形成為正方格子狀的情形，達到放射效率最大值之透孔5a之中心間距離的影響會變得較為顯著。若將透孔5a形成為半徑為300nm的圓形孔，將關於電極層5之面方向之透孔5a的配列形成為三角格子狀，將各透孔5a的中心間距離形成為1500nm時，半導體發光元件之放射效率的最大值係為約40%。
在第6圖顯示將正六角形孔5a之外接圓半徑d在360nm～490nm按每個10nm產生變化時的第1實施例之半導體發光元件之發光效率的最大值。但是，各透孔5a的中心間距離係形成為1500nm。由該圖明顯可知，第1實施例之半導體發光元件係當將正六角形孔5a的外接圓半徑d設為360nm～490nm時，發光效率的最大值會比比較例之半導體發光元件變得更高，尤其當將正六角形孔5a的外接圓半徑d設為380nm～470nm時，係可獲得超過50%的發光效率。
〈第2實施例〉
如第4圖(b)所示，第2實施例之半導體發光元件係具有：發出波長為530nm之綠色光的發光層3；由折射率為2.3的半導體材料所構成的p型半導體層4；由鋁所構成的電極層5；及由介電係數為12.0的磷化鎵GaP所構成的介電質層6。透孔5a的平面形狀為正六角形，關於電極層5之面方向的配列係三角格子狀。
〈第2比較例〉
如第4圖(b)所示，第2比較例之半導體發光元件係具有與第2實施例之半導體發光元件相同的發光層3、p型半導體層4、電極層5、及介電質層6。與第2實施例之半導體發光元件相異之處在於：將透孔5a的平面形狀形成為圓形，針對關於電極層5之面方向之透孔5a的配列，係備妥三角格子狀者與正方格子狀者。
在第7圖顯示與電極層5膜厚相對應的第2比較例之半導體發光元件之放射效率。但是，透孔5a係形成為半徑為300nm的圓形孔，透孔5a的中心間距離係形成為1000nm、1500nm、2000nm之3種類。圖中的符號Tri係將關於電極層5之面方向的透孔5a的配列形成為三角格子狀的半導體發光元件的資料，符號Sq係將關於電極層5之面方向之透孔5a的配列形成為正方格子狀的半導體發光元件。由該圖明顯可知，無關於透孔5a的中心間距離，將關於電極層5之面方向之透孔5a的配列形成為三角格子狀的半導體發光元件係比形成為正方格子狀的半導體發光元件，其放射效率的最大值變得較高。此外，若為將關於電極層5之面方向的透孔5a的配列形成為三角格子狀的情形，相較於形成為正方格子狀的情形，達到放射效率最大值之透孔5a之中心間距離的影響會變得較為顯著。若將透孔5a形成為半徑為300nm的圓形孔，將關於電極層5之面方向之透孔5a的配列形成為三角格子狀，將各透孔5a的中心間距離形成為1500nm時，半導體發光元件之放射效率%最大值係為約57%。
在第8圖顯示將正六角形孔5a之外接圓半徑d在320nm～360nm按每個10nm產生變化時的第2實施例之半導體發光元件之發光效率的最大值。但是，各透孔5a的中心間距離係形成為1500nm。由該圖明顯可知，第2實施例之半導體發光元件係當將正六角形孔5a的外接圓半徑d設為320nm～360nm時，發光效率的最大值會與比較例之半導體發光元件相等，或者比其更高。
〈第3實施例〉
如第4圖(c)所示，第3實施例之半導體發光元件係具有：發出波長為470nm之藍色光的發光層3；由折射率為2.3的半導體材料所構成的p型半導體層4；由銀所構成的電極層5；及由介電係數為5.29的氮化鎵GaN所構成的介電質層6。透孔5a的平面形狀為正六角形，關於電極層5之面方向的配列係三角格子狀。
〈第3比較例〉
如第4圖(c)所示，第3比較例之半導體發光元件係具有與第3實施例之半導體發光元件相同的發光層3、p型半導體層4、電極層5、及介電質層6。與第3實施例之半導體發光元件相異之處在於：將透孔5a的平面形狀形成為圓形，針對關於電極層5之面方向之透孔5a的配列，係形成為三角格子狀。
在第9圖顯示與電極層5膜厚相對應的第3比較例之半導體發光元件之放射效率。但是，透孔5a係形成為半徑為420nm的圓形孔，將關於電極層5之面方向的配列形成為三角格子狀，將中心間距離形成為1300nm。由該圖明顯可知，第3比較例之半導體發光元件係放射效率的最大值為約12%。
在第10圖顯示將正六角形孔5a之外接圓半徑d在370nm～390nm按每個10nm產生變化時的第3實施例之半導體發光元件之發光效率的最大值。但是，各透孔5a的中心間距離係形成為1300nm。由該圖明顯可知，第3實施例之半導體發光元件係當將正六角形孔5a的外接圓半徑d設為370nm～390nm時，發光效率的最大值會與第3比較例之半導體發光元件相等，或者比其更高。尤其，當將正六角形孔5a的外接圓半徑d設為370nm時，發光效率的最大值為18%。
其中，在前述實施形態中，係在透孔5a內填充有介電質層6，但是本發明之要旨並非限定於此，亦可將介電質層6以膜狀形成在透孔5a的內面，或者不僅將介電質層6填充在透孔5a內，而可以覆蓋電極層5之表面全體的方式來形成。
1．．．基板
2．．．n型半導體層
3．．．發光層
4．．．p型半導體層
5．．．電極層
5a．．．透孔
6．．．介電質層
第1圖係顯示實施形態之半導體發光元件之層積構造的斜視圖。
第2圖係實施形態之半導體發光元件的主要部位平面圖。
第3圖係顯示表面電漿子之波數向量和光的頻率的分散關係及電極層的膜厚和在介電質層中傳播的電漿子的共鳴條件的關係的曲線圖。
第4圖係顯示實施例及比較例之半導體發光元件之構成的圖表。
第5圖係顯示第1比較例之半導體發光元件之放射效率的曲線圖。
第6圖係顯示第1實施例之半導體發光元件之放射效率的圖表。
第7圖係顯示第2比較例之半導體發光元件之放射效率的曲線圖。
第8圖係顯示第2實施例之半導體發光元件之放射效率的圖表。
第9圖係顯示第3比較例之半導體發光元件之放射效率的曲線圖。
第10圖係顯示第3實施例之半導體發光元件之放射效率的圖表。
5．．．電極層
5a．．．透孔
6．．．介電質層

Claims (5)

  1. 一種半導體發光元件，係具有：發光層；形成在該發光層上的半導體層；形成在該半導體層上的電極層；在該電極層所開設的複數透孔；及與該等複數透孔的各內面相接的介電質層，藉由在前述半導體層中傳播的來自前述發光層的發光，在前述透孔內面的前述電極層與前述介電質層的界面激發表面電漿子的半導體發光元件，其特徵為：前述複數透孔係將各個平面形狀形成為同一尺寸的正六角形，而且以前述電極層的面方向配列成三角格子狀。
  2. 如申請專利範圍第1項之半導體發光元件，其中，前述介電質層係當將在前述半導體層中傳播的來自前述發光層的發光的波長設為λ1 ，藉由在前述半導體層中傳播的光而在前述透孔內面的前述電極層與前述介電質層的界面所被激發的表面電漿子的波長設為λp 時，由具有前述兩波長的關係成為λ1 >λp 之介電係數的介電質所構成，前述電極層的厚度係藉由在前述半導體層中傳播而到達前述電極層的光所被激發的表面電漿子起共鳴的值。
  3. 如申請專利範圍第1項之半導體發光元件，其中，當前述電極層為銀，前述介電質層以TiO2 所形成，由前述發光層所發光的光的波長為530nm，前述半導體層的折射率為2.3時，將外接於前述正六角形透孔的外接圓 半徑形成為360nm~490nm，且將被配列成前述三角格子狀的各透孔的中心點間的距離形成為1500nm。
  4. 如申請專利範圍第1項之半導體發光元件，其中，當前述電極層為鋁，前述介電質層以GaP所形成，由前述發光層所發光的光的波長為530nm，前述半導體層的折射率為2.3時，將外接於前述正六角形透孔的外接圓半徑形成為320nm~360nm，且將被配列成前述三角格子狀的各透孔的中心點間的距離形成為1500nm。
  5. 如申請專利範圍第1項之半導體發光元件，其中，當前述電極層為銀，前述介電質層以GaN所形成，由前述發光層所發光的光的波長為470nm，前述半導體層的折射率為2.3時，將外接於前述正六角形透孔的外接圓半徑形成為370nm~390nm，且將被配列成前述三角格子狀的各透孔的中心點間的距離形成為1300nm。
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