TWI443862B - 發光元件 - Google Patents
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Description
本發明是有關於一種由發光層發出一次光的發光元件，尤其是關於一種例如感測器用途等所用的發光元件。
通常，於具有雙異質結構的發光元件中，發光層中所產生的一次光不僅朝向發光元件的表面，而且各向同性地朝向所有方位。朝向該發光元件的背面的一次光將由背面電極或基板吸收、散射，而不直接有利於光輸出，導致發光效率下降。
為了抑制此種現象，而開發出如下技術，即，於上述基板與上述發光層之間設置反射上述一次光且至少由一層構成的反射膜，但該技術難以完全反射上述一次光，該一次光的一部分將穿透上述反射膜到達基板，從而伴隨發出基板激發光(excitation light)。由於該基板激發光的波長與上述一次光不同，因此例如當用於感測器用途時，存在有可能成為雜訊，對感測器動作的可靠性造成不良影響的問題。另外，當吸收抑制基板激發光時，存在基板激發光作為熱量積蓄於發光元件內，從而對發光元件的可靠性造成不良影響的問題。
因此，於專利文獻1中揭示有如下技術，即，紅色發光二極體(Red-color LED)中，在基板與活性層之間形成Al成分高於上述活性層的穿透層，藉此對基板中產生的激發光的強度加以控制。
另外，於專利文獻2中揭示有如下技術，即，在發光層與成分不同於發光層的半導體之間設置反射層，藉此對上述半導體中所產生的激發光自表面取出的現象加以抑制。
然而，雖然上述技術是以對所產生的激發光的強度加以控制或抑制為目的而揭示的技術，但無法充分地抑制自基板中產生的激發光的峰值強度。另外，激發光的控制方法是吸收光能，結果卻使光能作為熱量而積蓄者。
專利文獻1：日本專利特開2005-116922號公報
專利文獻2：日本專利特開平9-289336號公報
本發明的目的在於提供一種發光元件，該發光元件藉由降低因一次光而自基板中產生的激發光的峰值強度，來減小上述激發光對感測器動作的可靠性所造成的不良影響。另外，本發明的目的在於提供一種發光元件，該發光元件無需吸收激發光，而是藉由降低激發光的峰值強度，使發光元件內不會產生熱量以提高可靠性。
為達成上述目的，本發明的主旨構成如下。
(1)一種發光元件，其具有基板、設置於基板的上方並發出一次光的發光層及設置於基板與發光層之間並反射一次光的至少由一層構成的反射膜。發光元件的特徵在於：發光元件更具有設置於基板與反射膜之間且由兩種或
兩種以上光分散層構成的光分散多層膜，光分散多層膜將由穿透反射膜的一次光所激發的二次光多重分散成多個波長後釋放。
(2)如(1)所述之發光元件，其中光分散多層膜由AlxGa(1-x)As材料(0≦x≦1)構成，AlxGa(1-x)As材料中的Al成分(x)一面沿自基板側朝向反射膜側的光分散多層膜的厚度方向，多次往復出現在低Al成分與高Al成分之間，一面連續地變化，並且使經變化的低Al成分及高Al成分中的至少一者的Al成分(x)及光分散層的厚度以階梯狀變化。
(3)如(2)所述之發光元件，其中低Al成分與高Al成分的Al成分(x)之差自基板側朝向反射膜側每複數個週期依序減小，且光分散層的厚度自基板側朝向反射膜側每複數個週期依序增大。
(4)如(1)、(2)或(3)所述之發光元件，其中光分散多層膜使由穿透光分散多層膜而到達基板的一次光所激發的基板激發光進行反射。
(5)如(1)~(4)中任一項所述之發光元件，其中光分散多層膜的厚度為500~1500nm。
本發明的發光元件可提供如下者，其具有設置於基板與反射膜之間且由兩種或兩種以上光分散層構成的光分散多層膜，藉由光分散多層膜將由穿透反射膜的一次光所激發的二次光多重分散成多個波長後釋放，即，使所穿透的一次光的能量分為多個波長，少量逐步地激發-釋放，抑制
到達基板的光能，藉此抑制基板的激發、降低光的峰值強度，減小對感測器動作的可靠性所造成的不良影響，進而藉由無需吸收激發光便可降低激發光的峰值強度，而使發光元件內不會產生熱量以提高可靠性。
其次，一面參照圖式一面對本發明的發光元件的實施形態進行說明。圖1是示意性表示本發明的發光元件的剖面結構之圖。再者，圖中的影線是為了便於說明而施加的。
圖1中所示的發光元件1具有基板2、設置於該基板2的上方並發出一次光的發光層3及設置於上述基板2與上述發光層3之間並反射上述一次光的至少由一層構成的反射膜4。該發光元件1更具有設置於上述基板2與上述反射膜4之間且由兩種或兩種以上光分散層構成的光分散多層膜5，可藉由採用此種構成，來利用上述光分散多層膜5將二次光多重分散成多個波長後釋放，上述二次光是由未完全被上述反射膜4反射而穿透反射膜4的一次光所激發的光。
上述發光元件1是使用金屬有機化學氣相沈積(Metal Organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD)法，使至少光分散多層膜5、反射膜4及發光層3於基板2上磊晶成長而形成。圖1表示藉由AlGaInP披覆層6、7包夾形成於GaAs基板2上方的InyGa(1-y)P量子井發光層3的雙異質結構的發光元件1。利用MOCVD法的成膜方法可使用使化合物半導體成膜的公知的方法。上述基板2可使用與
面方位(100)相成的off角為2°或2°以上的GaAs基板2。
另外，雖圖1中並未揭示，但亦可於上述發光層3附近形成電流狹窄層。於此情形時，上述電流狹窄層的電極面積為任意的，且可視需要，形成為台面形狀、或者附上保護膜。另外，上述電流狹窄層可作為第一導電型層或未經摻雜之層進行成長，且可藉由如下方法獲得，即藉由離子注入法使其高電阻化、藉由Zn擴散製成所需結構、或者形成氧化層、氧化膜、氮化膜。
上述光分散多層膜5較好的是由AlxGa(1-x)As材料(0≦x≦1)構成。其原因在於：上述AlGaAs系材料易於對Al成分與Ga成分進行控制，另外，其與GaAs基板2的晶格不匹配度較小，故可廣泛選擇折射率、帶隙。進而，若Al成分變高，則折射率會變小，因此易於進行光學設計，從而可獲得再現性較佳、符合設計的所需結構。
另外，上述AlxGa(1-x)As材料中的Al成分(x)較好的是如圖2中一例所示，以如下方式形成，即，上述Al成分(x)一面沿自上述基板2側朝向上述反射膜4側的上述光分散多層膜5的厚度方向，多次往復出現在低Al成分與高Al成分之間，一面連續地變化，並且使上述經變化的低Al成分及高Al成分中的至少一者的Al成分(x)及上述光分散層的厚度以階梯狀變化。再者，於圖2中，上述光分散層的厚度是指例如以高Al成分-低Al成分-高Al成分所表示的1個週期的寬度。再者，圖2中，縱軸表示上述AlxGa(1-x)As材料中的Al成分(x)的比例(將x=1
設為100%，將x=0設為0%)，橫軸表示上述光分散多層膜5中距離上述基板2側的厚度。
上述AlGaAs系材料可藉由提高Al成分(x)，而接近間接過度區域使發光效率下降。另一方面，由於低Al成分部分產生二次光，因此決定二次光波長的Al成分的設計特別重要。另外，高Al成分重要的是以如下方式進行設計，即，可使載子充分地閉合於低Al成分的區域中，從而高效地產生二次光。因此，高Al成分的設計較好的是固定於例如x=0.9~1.0的範圍內。
此時，例如量子井般重複低Al成分與高Al成分，則將由於量子井的閉合較強，使得發光效率變高，因此即便層數較少亦可產生較強的二次發光。因此，較好的是低Al成分的閉合結構中使用發光效率略微下降的結構。例如，若使用於低Al成分與高Al成分之間連續地變化的閉合結構，則雖然發光效率較量子井下降，但可獲得產生二次發光所充分的發光效率。
進而，如圖2所示，上述低Al成分與高Al成分的Al成分(x)之差較好的是自上述基板2側朝上述反射膜4側每複數個週期依序減小，且上述光分散層的厚度較好的是自上述基板2側朝上述反射膜4側每複數個週期依序增大。其原因在於：Al成分較高的層雖然接近間接過度區域而導致發光效率下降，但藉由接近發光層，可有效地進行吸收、激發從而產生二次光，故可藉由適當調整其積層數，來調節二次光強度。另外，隨著遠離發光層，所穿透的光
的強度會下降，即二次光的激發強度下降，但藉由減少產生二次光的部分的Al成分而接近直接過度區域，使發光效率提昇，另外，藉由調整積層數，可調節二次光強度。因此，藉由相對於活性層的發光波長，依序延長波長，便可設定多個二次激發區域，並且可抑制伴隨二次激發所產生的發熱，使其以光能的狀態釋放。藉此，便能使二次激發光以不足以成為問題的較弱的強度分成多個波長進行發散。
再者，作為減小上述Al成分(x)之差的方法，可列舉以下三種方法，即僅依序減小高Al成分；依序減小高Al成分且依序增大低Al成分；以及僅依序增大低Al成分。於僅依序減小高Al成分的情形時，產生二次發光的低Al成分必為一種，故無法充分地減弱二次發光。另外，於依序減小高Al成分且依序增大低Al成分的情形時，當低Al成分不斷增大導致發光效率不斷下降時，若高Al成分變小，則閉合效果減弱，難以有效地產生二次發光。因此，較好的是僅依序增大低Al成分。
上述光分散多層膜5較好的是反射由穿透該光分散多層膜5而到達基板2的一次光所激發的基板激發光。取折射率的平均值(=(低Al側折射率+高Al側折射率)/2)，根據膜厚進行光學設計(使用布勒格(Bragg)的反射式d=λ/4n)，藉此可使上述光分散多層膜5起到反射基板激發光的反射層的功能。例如於GaAs基板的情形時，舉AlGaAs的Al成分x=1→0→1的1個週期為例，以使上述
光分散多層膜5對基板激發光的波長870nm起到反射層的功能，則可藉由使1個週期的厚度為65.9nm，而期待上述光分散多層膜5對於870nm的反射效果。其原因在於：GaAs的折射率為3.6，AlAs的折射率為3.0，平均折射率為3.3，故d=870/(4* 3.3)=65.9nm。藉此，可進一步減少對於訊號光的雜訊。
上述光分散多層膜5的厚度可設定為500~1500nm。該厚度與光分散層的積層數相關，該積層數較好的是高Al成分-低Al成分-高Al成分的重複積層數達到2~5個週期。其原因在於：於1個週期中，尤其即便於低Al成分之中，若達到Al成分較高，發光效率下降的成分，則激發強度亦下降，從而無法獲得可充分進行分散的能階的二次發光強度。另外，其原因在於：於6個週期或6個週期以上的情形時，與該經積層的低Al成分對應的波長下的二次發光強度會變得過大。
再者，圖1及圖2是表示具有代表性的實施形態之例者，但本發明並非限定於該實施形態。
藉由MOCVD法使光分散多層膜(831.5nm，摻雜物為Se)、n-反射膜(厚度：1.8μm，Al0.45Ga0.55As(42.3nm)/AlAs(47.3nm)的20次重複層，摻雜物為Se)、n-披覆層(厚度：90nm，Al0.5In0.5P，摻雜物為Se)、發光層(厚度：84nm，InyGa(1-y)P(y=0.53)，無摻雜)、p-披覆層
(厚度：180nm，Al0.5In0.5P，摻雜物為Mg)、p-反射層(厚度：0.9μm，Al0.45Ga0.55As(42.3nm)/AlAs(47.3nm)的10次重複層，摻雜物為C)於GaAs基板(摻雜有Si，平面方向：(100)15° off，厚度：350μm)上依序成長，從而形成本發明的發光元件(總厚度(除基板外)：3.9μm)。將p-反射層插入，以形成n-反射層與垂直共振器，使發光光譜變狹窄，從而更好地用於感測器用途。
上述光分散多層膜由AlxGa(1-x)As材料(0≦x≦1)構成，如圖3所示，上述AlxGa(1-x)As材料中的Al成分以如下方式形成，即，上述Al成分(x)一面沿自上述基板側朝向上述反射膜側的上述光分散多層膜的厚度方向，多次往復出現在低Al成分與高Al成分之間，一面連續地變化，且使上述經變化的低Al成分及高Al成分中的至少一者的Al成分及上述光分散層的厚度以階梯狀變化，進而，上述低Al成分與高Al成分之差如圖3所示，自上述基板側朝向上述反射膜側依序減小，且上述光分散層的厚度如圖3所示，自上述基板側朝向上述反射膜側依序增大。該成分圖案可藉由使MOCVD裝置中控制原料氣體流量的質量流量計的流量設定連續變化而形成。而且，上述光分散多層膜形成為使由穿透該光分散多層膜而到達基板的一次光所激發的基板激發光的強度大的波段進行反射。再者，圖3中，縱軸表示上述AlxGa(1-x)As材料中的Al成分的比例(將x=1設為100%，將x=0設為0%)，橫軸表示上述光分散多層膜5中距離上述基板2側的厚度。
於圖3中，上述Al成分是以使低Al成分成為0%×2、10%×3、20%×3、30%×4週期的方式進行設計，各週期的厚度設定為65.9nm、67.8nm、69.8nm、71.7nm，以對基板激發光的波長870nm進行反射。再者，左端的低Al成分0%→高Al成分100%(32.9nm)與右端的高Al成分100%→低Al成分30%(35.9nm)由於無閉合的效果，故不進行配對計數。
於使各層磊晶成長之後，在基板背面形成N電極(AuGeNi合金，厚度為0.2μm)，並在磊晶成長表面形成130μm的P圓電極(AuZn合金+Ti/Au合金，厚度：0.8μm+1μm)。然後，將晶片切割成300μm尺寸，從而形成LED晶片。利用下述方法對該LED晶片的發光光譜進行評價。另外，與上述不同，於上述基板上僅使上述光分散多層膜成長，並進行光致發光(Photoluminescence，PL)測定。
上述光分散多層膜由AlxGa(1-x)As材料(0≦x≦1)構成，如圖4所示，上述AlxGa(1-x)As材料中的Al成分是以使低Al成分成為0%×2、10%×2、15%×2、20%×2、25%×3、30%×4、35%×5週期的方式進行設計，各週期的厚度設定為65.9nm、67.8nm、68.8nm、69.8nm、70.7nm、71.7nm、72.7nm，以對基板激發光的波長870nm進行反射，除此以外，製成與實施例1相同的發光元件。再者，左端的低Al成分0%→高Al成分100%(32.9nm)與右端
的高Al成分100%→低Al成分35%(36.4nm)由於無閉合的效果，故不進行配對計數。
另外，與上述不同，於上述基板上僅使上述光分散多層膜成長，並進行PL測定。
除不形成光分散多層膜以外，形成與實施例1相同的發光元件(總厚度：(除基板外)4.5μm)。
上述光分散多層膜由AlxGa(1-x)As材料(0≦x≦1)構成，如圖5所示，使用MOCVD法使如下光分散多層膜在與實施例1相同的基板上成長，並進行PL測定，該光分散多層膜是指上述AlxGa(1-x)As材料中的Al成分以使低Al成分成為0%×1、10%×1、15%×1、20%×1、25%×1、30%×1、35%×1週期的方式進行設計，且各週期的厚度設定為65.9nm、67.8nm、68.8nm、69.8nm、70.7nm、71.7nm、72.7nm，以對基板激發光的波長870nm進行反射者。再者，左端的低Al成分0%→高Al成分100%(32.9nm)與右端的高Al成分100%→低Al成分35%(36.4nm)由於無閉合的效果，故不進行配對計數。
上述光分散多層膜由AlxGa(1-x)As材料(0≦x≦1)構成，如圖6所示，使用MOCVD法使如下光分散多層膜在與實施例1相同的基板上成長，並進行PL測定，該光分散多層膜是指上述AlxGa(1-x)As材料中的Al成分以使
低Al成分成為35%×5、30%×4、25%×3、20%×2、15%×2、10%×2、0%×2週期的方式進行設計，且各週期的厚度設定為72.7nm、71.7nm、70.7nm、69.8nm、68.8nm、67.8nm、65.9nm，以對基板激發光的波長870nm進行反射者。再者，左端的低Al成分35%→高Al成分100%(36.4nm)與右端的高Al成分100%→低Al成分0%(32.9nm)由於無閉合的效果，故不進行配對計數。
上述光分散多層膜由AlxGa(1-x)As材料(0≦x≦1)構成，使用MOCVD法使如下光分散多層膜在與實施例1相同的基板上成長，並進行PL測定，該光分散多層膜是將該AlxGa(1-x)As材料中的Al成分如圖7所示，設定成高Al成分及低Al成分均不變化者。
對上述實施例1~2及比較例1的發光元件進行發光光譜測定。該測定使用光譜分析儀(大塚電子公司製造MCPD-3000)進行。
圖8(a)、圖8(b)、圖9(a)及圖9(b)分別表示實施例1及比較例1、實施例2及比較例1的測定結果的圖表。圖中，橫軸為波長(nm)，縱軸表示將發光峰值設為1時的光的強度(任意單位(arbitrary unit))。另外，圖8(b)及圖9(b)分別為將圖8(a)及圖9(a)的波長範圍：650~1000nm擴大，以對數表示縱軸者。
另外，表1表示實施例1~2及比較例1的積分球的
總輸出：Po(mW)、順向電壓：Vf(V)、發光光譜測定所得的一次光的中心波長：λp(nm)及二次光對一次光的強度比例((二次光的峰值強度)/(一次光的峰值強度))：IR(%)。該些是LED晶片安裝於TO-18上，且以Po與Vf為20mA的直流電，λp與IR為5mA的直流電進行通電時的值。測定是使用光譜分析儀(大塚電子公司製造MCPD-3000)來進行。
根據圖8(a)、圖8(b)、圖9(a)及圖9(b)及表1的結果可知，於比較例1中，在波長850nm附近的位置上可觀察到峰值，相對於此，於實施例1及實施例2中峰值的高度較低，呈寬域狀，可有效地分散二次光。另外，可知實施例1及實施例2，與比較例1相比，二次光強度比例亦變得非常小。
對僅使上述實施例1、2及比較例1~4的光分散多層膜成長的樣品進行PL光譜測定(PHILIPS公司製造PLM-100)。光源使用D-YAG(YAG的雙倍波：Double YAG)雷射(波長為532nm)，並垂直入射至樣品中。
圖10~圖15分別表示上述實施例1~2及比較例1~
4的測定結果的圖表。圖中，橫軸為波長(nm)，縱軸表示強度。根據該些結果可知，實施例1~2的PL光譜強度，與比較例1~4的PL光譜的強度相比小10倍或10倍以上，而且，發光峰值波長亦可分散成多個。由該結果可容易地預想到使用比較例2~4的光分散多層膜的發光元件無法充分地抑制且分散二次光。
本發明的發光元件具有設置於基板與反射膜之間且由兩種或兩種以上光分散層構成的光分散多層膜，藉由該光分散多層膜將由穿透上述反射膜的一次光所激發的二次光多重分散成多個波長後釋放，藉此可抑制由一次光所引起的基板的激發，從而減少對訊號光的雜訊。
1‧‧‧發光元件
2‧‧‧基板
3‧‧‧發光層
4‧‧‧反射膜
5‧‧‧光分散多層膜
6、7‧‧‧披覆層
圖1是表示本發明的發光元件的概略圖。
圖2是表示由AlxGa(1-x)As材料構成的光分散多層膜中的Al成分圖案的一例的圖表。
圖3是表示實施例1中由AlxGa(1-x)As材料構成的光分散多層膜中的Al成分圖案的一例的圖表。
圖4是表示實施例2中由AlxGa(1-x)As材料構成的光分散多層膜中的Al成分圖案的一例的圖表。
圖5是表示比較例2中由AlxGa(1-x)As材料構成的光分散多層膜中的Al成分圖案的一例的圖表。
圖6是表示比較例3中由AlxGa(1-x)As材料構成的光分散多層膜中的Al成分圖案的一例的圖表。
圖7是表示比較例4中由AlxGa(1-x)As材料構成的光
分散多層膜中的Al成分圖案的一例的圖表。
圖8(a)及圖8(b)是表示實施例1及比較例1中發光元件的發光光譜測定結果的圖表。
圖9(a)及圖9(b)是表示實施例2及比較例1中發光元件的發光光譜測定結果的圖表。
圖10是表示實施例1中PL光譜測定結果的圖表。
圖11是表示實施例2中PL光譜測定結果的圖表。
圖12是表示比較例1中PL光譜測定結果的圖表。
圖13是表示比較例2中PL光譜測定結果的圖表。
圖14是表示比較例3中PL光譜測定結果的圖表。
圖15是表示比較例4中PL光譜測定結果的圖表。
1‧‧‧發光元件
2‧‧‧基板
3‧‧‧發光層
4‧‧‧反射膜
5‧‧‧光分散多層膜
6、7‧‧‧披覆層
Claims (6)
- 一種發光元件，其具有基板、設置於上述基板的上方並發出一次光的發光層及設置於上述基板與上述發光層之間並反射上述一次光的至少由一層構成的反射膜，上述發光元件的特徵在於：上述發光元件更具有設置於上述基板與上述反射膜之間且由兩種或兩種以上光分散層構成的光分散多層膜，上述光分散多層膜將由穿透上述反射膜的上述一次光所激發的二次光多重分散成多個波長後釋放。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，其中上述光分散多層膜由AlxGa(1-x)As材料(0≦x≦1)構成，上述AlxGa(1-x)As材料中的Al成分(x)於自上述基板側朝向上述反射膜側的上述光分散多層膜的厚度方向上，一面多次往復出現在低Al成分與高Al成分之間，一面連續地變化，並且使經變化的上述低Al成分與上述高Al成分中的至少一者的上述Al成分(x)及上述光分散層的厚度以階梯狀變化。
- 如申請專利範圍第2項所述之發光元件，其中上述低Al成分與上述高Al成分的上述Al成分(x)之差自上述基板側朝向上述反射膜側每複數個週期依序減小，且上述光分散層的厚度自上述基板側朝向上述反射膜側每複數個週期依序增大。
- 如申請專利範圍第1項、第2項或第3項所述之發光元件，其中上述光分散多層膜將由穿透上述光分散多層 膜而到達上述基板的上述一次光所激發的基板激發光進行反射。
- 如申請專利範圍第4項所述之發光元件，其中上述光分散多層膜的厚度為500~1500nm。
- 如申請專利範圍第1項至第3項中任一項所述之發光元件，其中上述光分散多層膜的厚度為500~1500nm。
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