JP5186259B2 - 半導体発光素子およびそれを用いる照明装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体内で電子と正孔とを結合させて発光させる半導体発光素子およびそれを用いる照明装置に関し、詳しくは、赤色よりも短波長側に発光ピークを有する半導体発光素子の光取出し効率の向上のための手法に関する。

発光層の発光波長において透光性を有する成長基板上に、ｎ型半導体層、前記発光層およびｐ型半導体層が積層されて成る半導体発光素子において、従来から、光取り出し効率（または外部量子効率）を向上する方策として、前記発光層からの光の取出し面とは反対側の面に、反射率の高い反射膜を形成する方法が用いられている。これは、半導体発光層にて発生する光は四方八方に向かう性質があり、図９で示すように、発光点の直上に出る（出射角が小さい）光より、斜めに向う（出射角が大きい）光の方が多いために、発光層から出た光は、その殆どが素子内部で多重反射してロスとなってしまうためである。

図１０には、前記反射膜の反射率の変化に対する光取り出し効率の変化を示す。この図１０から明らかなように、光取り出し効率を７０％以上に高めるには、反射率は９５％以上必要であり、しかもその９５％以上の領域では、反射率が１％向上するだけで、取り出し効率が６％程度向上する。ここで、ＧａＡｓ半導体の場合には、前記反射膜を兼ねて、Ａｕを電極材料に用いることで、高い反射率が得られて、光取り出し効率を向上することができる。

しかしながら、金属の反射率は波長に大きく依存し、前記赤色よりも短波長側に発光ピークを有する酸化物あるいは窒化物系化合物半導体発光素子などでは、そのような手法を用いることができない。たとえば、ＧａＮ系材料と、銀、アルミ等の高反射金属とは、オーミック接触が確保できない。このため、Ｎｉ，Ｐｔ，Ｒｈなどの金属や、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）などの金属酸化物と、前記高反射金属との積層電極が使用され、前記高反射金属の固有の反射率以上の反射率を得ることは困難になっている。

そこで、このような問題を解決することができる先行技術として、非特許文献１が提案されている。その先行技術では、前記高反射金属固有の反射率以上の反射率を確保するために、前記高反射金属としての銀と、半導体層であるｐＧａＮ層との間に、１／４光学波長のＳｉＯ_２膜が積層されており、全ての入射角に対して、単独銀膜よりも高い反射率を得ている。これによって、ＯＤＲ（omni-directional reflector：全方向反射鏡電極構造）を形成し、平均反射率が波長４５０ｎｍの計算値で９８％となっている。また、オーミック接触は、前記ｐＧａＮ層とＳｉＯ_２膜との間にＲｕＯ_２（酸化ルテニウム）膜を形成するとともに、前記ＳｉＯ_２膜に形成した開口を通して、銀層が前記ＲｕＯ_２膜からｐＧａＮ層と電気的に接続されるマイクロコンタクトによって確保されている。
GaInN light-emitting diodes with RuO2 OSiO2 OAg omni-directional reflector（Jong Kyu Kim, Thomas Gesmann, Hong Luo, and E.Fred Schubert.Applied PhysicsLetters 84,4508(2004)レンセラー工科大）

上述の従来技術では、全ての入射角に対して高反射率が得られるとしているが、本願発明者が同様の計算を行ったところ、図１１で示すように、前記ＳｉＯ_２膜の膜厚が、１／８光学波長膜厚（０．５Ｑ）では約５５度を中心に広い角度範囲で２０％程度反射率が低下し、また１／４光学波長膜厚（１Ｑ）では約４５度を中心に３０％程度もの反射率低下が存在することが分かった。これは、金属の上に単層のＳｉＯ_２膜を反射膜として形成した場合、入射角が小さい場合は前記１／４光学波長膜厚（１Ｑ）で良好な反射が得られるが、入射角が大きくなると、図１２で示すような、近接場やエバネッセント波と称される半導体層からＳｉＯ_２膜へ浸み出した光が、銀膜層と結合するためと考えられる。図１１において、１／４光学波長膜厚（＝λ／４ｎ）＝１Ｑ、ｎは屈折率である。また、図１１において、前記非特許文献１のデータ特性は、５Ｑや６Ｑの特性に相当する。

前記浸み出しの量は、図１３で示すように、入射角θが臨界角θｃまでは０で、前記臨界角θｃで波長λ程度の深さまで浸み出し、その後、指数関数的に減少してゆく。θｃ＝３０〜４０°である。

本発明の目的は、光取出し効率を向上することができる半導体発光素子およびそれを用いる照明装置を提供することである。

本発明の半導体発光素子は、発光層の発光波長において透光性を有する成長基板上に、ｎ型半導体層、前記発光層およびｐ型半導体層が積層され、前記発光層からの光の取出し面とは反対側の面に反射膜を有する半導体発光素子において、前記反射膜は、前記発光波長において、該反射膜が接する前記成長基板または半導体層の屈折率より低い屈折率を有し、１／１０光学波長以上の厚みを有する第１の透明層と、前記第１の透明層上に積層され、前記発光波長において、前記成長基板または半導体層の屈折率より低く、かつ前記第１の透明層よりも高い屈折率を有するとともに、前記第１の透明層とは逆の応力特性を有し、前記第１の透明層の数倍の厚みを有する第２の透明層と、前記第２の透明層上に積層され、高反射率を有する金属材料から成る金属層とを備えて構成されることを特徴とする。

上記の構成によれば、発光層の発光波長において透光性を有し、導電性基板或いは絶縁性の基板上に適宜導電性のバッファ層を備えるなどして導電性となる基板や、半導体層の成長後に適宜切離される絶縁性基板などの成長基板上に、少なくともｎ型半導体層、前記発光層およびｐ型半導体層の各層が、この順、或いは逆の順で積層されて成る半導体発光素子において、前記発光層からの光の取出し面とは反対側の面に反射膜を設けて光取出し効率を向上するにあたって、前記反射膜を、前記発光波長において、該反射膜が接する前記成長基板または半導体層の屈折率より低い屈折率を有する２層の透明層と、前記２層の透明層上に積層され、高反射率を有する金属材料から成る金属層とを備えて構成する。そして、前記２層の透明層を、前記成長基板または半導体層上に積層され、相対的に屈折率が低く、１／１０光学波長以上の厚みを有する第１の透明層と、前記第１の透明層上に積層され、相対的に屈折率が高く、前記第１の透明層とは逆の応力特性を有し、前記第１の透明層の数倍の厚みを有する第２の透明層とで構成する。

したがって、前記臨界角θｃまでの比較的浅い角度（入射角が小さい）で入射した光は前記透明層または金属層で反射され、前記臨界角θｃを超えて比較的深い（入射角が大きい）角度で入射した光は、高屈折率であるＧａＮなどの成長基板または半導体層と該反射膜との界面において、近接場やエバネッセント波と称される前記界面から透明層への浸み出し光となるが、該透明層が、第１の透明層で１／１０光学波長以上の厚みで、それに積層され、相対的に屈折率が高い第２の透明層が前記第１の透明層の数倍の厚みに形成されることで、該透明層を通過して前記金属層で吸収されてしまう可能性は少なく、殆どが該透明層から前記界面へ戻ってゆき（跳ね返され）、前記界面から前記成長基板または半導体層に再度入射して前記光の取出し面に向う。

したがって、反射膜にあらゆる入射角で入射した光を効率良く取出すことができ、同じ光を取出す場合には低消費電力化することができ、同じ電力を注入する場合には高輝度化を図ることができる。また、前記透明層を２層に分割し、一方が引っ張り応力を発生する場合には他方は圧縮応力を発生するように、相互に逆の応力特性を有する組合わせとするので、該透明層の剥離を防止し、プロセスの安定性を確保することができる。

また、本発明の半導体発光素子では、前記第１の透明層はＳｉＯ_２から成り、前記第２の透明層はＺｒＯ_２から成ることを特徴とする。

上記の構成によれば、前述の屈折率の関係を満足するとともに、一般的なＥＢ蒸着工法で成膜した場合、ＳｉＯ_２は引っ張り応力、ＺｒＯ_２は圧縮応力を示すことが多く、前述の応力特性を満足することもできる。また、前記金属層に銀系材料を用いた場合、ＳｉＯ_２よりもＺｒＯ_２の方が密着力が高く、この意味においてもプロセスの安定性を確保しつつ高反射層を作成できる。

さらにまた、本発明の半導体発光素子では、前記第１の透明層の厚みは略３０ｎｍであり、前記第２の透明層の厚みは前記第１の透明層の略５倍であることを特徴とする。

上記の構成によれば、前述のように一般的なＥＢ蒸着工法で成膜した場合、ＳｉＯ_２は引っ張り応力、ＺｒＯ_２は圧縮応力を示すことが多く、応力をキャンセルするＺｒＯ_２の膜厚はＳｉＯ_２の約５倍である。たとえば、ＳｉＯ_２＝３０ｎｍ、ＺｒＯ_２＝１６０ｎｍで応力をキャンセル可能である。但し、応力には装置依存性があるので、５倍に限定されるものではないが、約４倍以下だと全反射効果が小さく、６倍を超えると全反射効果は得られるが、全反射しない領域では干渉による反射率の低下が見られる。

また、本発明の半導体発光素子は、前記反射膜が前記半導体層上に形成される場合、前記半導体層と第１および第２の透明層との間には、該半導体層と導電性を有し、前記発光波長において透明な第１の電極層が積層され、その第１の電極層上に、前記第１および第２の透明層が開口を有するように形成され、前記金属層はこの開口から第１および第２の透明層上に積層され、前記第１の電極層と電気的に導通して第２の電極層となることを特徴とする。

上記の構成によれば、前記反射膜が前記半導体層（多くはｐ型）上に形成されて、（そのｐ型の）電極を兼ねる場合、前記半導体層には、該半導体層と導電性を有し（オーミックコンタクトする）、前記発光波長において透明な第１の電極層を積層し、その第１の電極層上に前記第１および第２の透明層を開口を有するように形成する。そして、前記金属層を、前記開口から第１および第２の透明層上に積層し、前記第１の電極層と電気的に導通させて第２の電極層とする。

したがって、前記第１および第２の透明層に貫通孔が形成されていることになり、或いは該透明層がいくつかの領域に分割されていることになり、前記貫通孔内や領域の周囲を、該第１および第２の透明層の前後を結ぶ電極が通り、該第１および第２の透明層による高反射率化を犠牲にせず、半導体層と高反射な金属層とを電気的に接続し、前記発光層に充分な電流を注入することができる。

さらにまた、本発明の半導体発光素子では、前記第１の電極層は、ＩＴＯが３０ｎｍ以下で積層されて成ることを特徴とする。

上記の構成によれば、前記第１の電極層を、金属酸化物のＩＴＯで形成し、その厚みを３０ｎｍ以下にすると、９８％以上の透過率を確保でき、透明層での全反射効果を阻害しない。特に好ましくは１０ｎｍ以下である。

また、本発明の半導体発光素子では、前記第１の電極層は、吸収の少ない高反射金属でその厚みが５ｎｍ以下の層で形成されていることを特徴する。

上記の構成によれば、前記第１の電極層を、吸収の少ない高反射率金属でその厚みが５ｎｍ以下とすると、吸収を１％以下とすることができる。

さらにまた、本発明の半導体発光素子では、前記高反射率金属は銀であり、前記第１の電極層は、２ｎｍ以下に形成されることを特徴とする。

上記の構成によれば、吸収が極めて少なく、特に好適である。

また、本発明の半導体発光素子は、前記反射膜が半導体層に接し、その半導体層がｐ型である場合、前記第１の電極層は、ＰｔまたはＲｈ、或いはそれらの合金が略２ｎｍ以下に積層され、かつ面積占有率が５０％以下のメッシュ状あるいは微小領域群に形成されることを特徴とする。

上記の構成によれば、前記第１の電極層として、ＰｔまたはＲｈ、或いはそれらの合金は、ＧａＮ系ｐ型半導体層とオーミック接続が可能で、かつ反射率が６０％以上である。そこで、それらを２ｎｍ程度以下の厚みで、占有率を５０％以下、好ましくは２５％以下のメッシュ或いは微小領域群に形成することによって、高反射を犠牲にせず、順方向電圧を低減することができ、好適である。

さらにまた、本発明の半導体発光素子では、前記金属層は、銀または銀合金であることを特徴とする。

上記の構成によれば、透明層と銀とを積層することで、平均９８％から９９％以上の反射率が得られ、高い光取り出し効率が可能である。

また、本発明の半導体発光素子では、前記金属層の銀の厚みは、８０ｎｍ以上であることを特徴とする。

上記の構成によれば、成膜工法、成膜条件によって変化するけれども、銀の屈折率（ｎ，ｋ）を（０．０６６、２．５）とした場合、膜厚が８０ｎｍで、反射率（Ｒ）が９３％以上、透過率（Ｔ）が３％以下となるので、高反射率を得るには膜厚８０ｎｍ以上が望ましい。ここで、屈折率のｋは、「吸収係数」または「減衰係数」である。しかし、膜厚が厚くなると膜応力による剥離が生じ易くなるので、特に１００ｎｍ程度が好ましい。

さらにまた、本発明の照明装置は、前記の半導体発光素子を用いることを特徴とする。

上記の構成によれば、光取出し効率を向上することができ、したがって低消費電力化および高輝度化を図ることができる照明装置を実現することができる。

本発明の半導体発光素子は、以上のように、発光層の発光波長において透光性を有する成長基板上に、少なくともｎ型半導体層、前記発光層およびｐ型半導体層の各層が、この順、或いは逆の順で積層されて成る半導体発光素子において、前記発光層からの光の取出し面とは反対側の面に反射膜を設けて光取出し効率を向上するにあたって、前記反射膜を、前記発光波長において、該反射膜が接する前記成長基板または半導体層の屈折率より低い屈折率を有する２層の透明層と、前記２層の透明層上に積層され、高反射率を有する金属材料から成る金属層とを備えて構成し、前記２層の透明層を、前記成長基板または半導体層上に積層され、相対的に屈折率が低く、１／１０光学波長以上の厚みを有する第１の透明層と、前記第１の透明層上に積層され、相対的に屈折率が高く、前記第１の透明層とは逆の応力特性を有し、前記第１の透明層の数倍の厚みを有する第２の透明層とで構成する。

それゆえ、臨界角θｃを超えて比較的深い角度で入射した光は、高屈折率であるＧａＮなどの成長基板または半導体層と該反射膜との界面において、近接場やエバネッセント波と称される前記界面から透明層への浸み出し光となっても、該透明層が、第１の透明層で１／１０光学波長以上の厚みで、それに積層され、相対的に屈折率が高い第２の透明層が前記第１の透明層の数倍の厚みに形成されることで、該透明層を通過して前記金属層で吸収されてしまう可能性は少なく、殆どが該透明層から前記界面へ戻ってゆく（跳ね返される）ので、反射膜にあらゆる入射角で入射した光を効率良く取出すことができ、同じ光を取出す場合には低消費電力化することができ、同じ電力を注入する場合には高輝度化を図ることができる。また、前記透明層を２層に分割し、一方が引っ張り応力を発生する場合には他方は圧縮応力を発生するように、相互に逆の応力特性を有する組合わせとするので、該透明層の剥離を防止し、プロセスの安定性を確保することができる。

また、本発明の半導体発光素子は、以上のように、前記第１の透明層をＳｉＯ_２とし、前記第２の透明層をＺｒＯ_２とする。

それゆえ、前述の屈折率の関係を満足するとともに、一般的なＥＢ蒸着工法で成膜した場合、ＳｉＯ_２は引っ張り応力、ＺｒＯ_２は圧縮応力を示すことが多く、前述の応力特性を満足することもできる。

さらにまた、本発明の半導体発光素子は、以上のように、一般的なＥＢ蒸着工法で成膜した場合、ＳｉＯ_２は引っ張り応力、ＺｒＯ_２は圧縮応力を示すことが多く、応力をキャンセルするＺｒＯ_２の膜厚はＳｉＯ_２の約５倍であるので、前記第１の透明層の厚みを略３０ｎｍとし、前記第２の透明層の厚みを前記第１の透明層の略５倍とする。

それゆえ、応力をキャンセルすることができる。

また、本発明の半導体発光素子は、以上のように、前記反射膜が前記半導体層上に形成されて、電極を兼ねる場合、前記半導体層には、該半導体層と導電性を有し、前記発光波長において透明な第１の電極層を積層し、その第１の電極層上に前記第１および第２の透明層を開口を有するように形成し、前記金属層を、前記開口から第１および第２の透明層上に積層し、前記第１の電極層と電気的に導通させて第２の電極層とする。

それゆえ、前記第１および第２の透明層に貫通孔が形成されていることになり、或いは該第１および第２の透明層がいくつかの領域に分割されていることになり、前記貫通孔内や領域の周囲を、該第１および第２の透明層の前後を結ぶ電極が通り、該第１および第２の透明層による高反射率化を犠牲にせず、半導体層と高反射な金属層とを電気的に接続し、前記発光層に充分な電流を注入することができる。

さらにまた、本発明の半導体発光素子は、以上のように、前記第１の電極層を、金属酸化物のＩＴＯで形成し、その厚みを３０ｎｍ以下にする。

それゆえ、９８％以上の透過率を確保でき、透明層での全反射効果を阻害しなくなる。

また、本発明の半導体発光素子は、以上のように、前記第１の電極層を、吸収の少ない高反射率金属でその厚みを５ｎｍ以下とする。

それゆえ、吸収を１％以下とすることができる。

さらにまた、本発明の半導体発光素子は、以上のように、前記高反射率金属を銀とし、前記第１の電極層を、２ｎｍ以下に形成する。

それゆえ、吸収が極めて少なく、特に好適である。

また、本発明の半導体発光素子は、以上のように、前記反射膜が半導体層に接し、その半導体層がｐ型である場合、前記第１の電極層を、ＧａＮ系ｐ型半導体層とオーミック接続が可能で、かつ反射率が６０％以上であるＰｔまたはＲｈ、或いはそれらの合金で形成し、さらにそれらを２ｎｍ程度以下の厚みで、占有率を５０％以下、好ましくは２５％以下のメッシュ或いは微小領域群に形成する。

それゆえ、高反射を犠牲にせず、順方向電圧を低減することができ、好適である。

さらにまた、本発明の半導体発光素子は、以上のように、前記金属層を、銀または銀合金とする。

それゆえ、透明層と銀とを積層することで、平均９８％から９９％以上の反射率が得られ、高い光取り出し効率が可能である。

また、本発明の半導体発光素子は、以上のように、前記金属層の銀の厚みを、８０ｎｍ以上とする。

それゆえ、高反射率と膜特性とを両立することができる。

さらにまた、本発明の照明装置は、以上のように、前記の半導体発光素子を用いる。

それゆえ、光取出し効率を向上することができ、したがって低消費電力化および高輝度化を図ることができる照明装置を実現することができる。

図１〜図４は、本発明の実施の一形態に係る半導体発光素子である発光ダイオード１〜４の構造を示す断面図である。図１〜図４の構造は、本発明が適用される半導体発光素子の典型的な構造例を示すものであり、図１の発光ダイオード１はフリップチップタイプであり、図２〜図４の発光ダイオード２〜４はワイヤボンドタイプである。

図１の発光ダイオード１では、図示しない成長基板上に、ｎ型半導体層１１、発光層１２およびｐ型半導体層１３が積層され、前記発光層１２からの光取出し面１４とは反対側の面に反射膜を有する発光ダイオードにおいて、注目すべきは、ｐ型電極を本発明に係る反射膜とすることである。前記反射膜は、前記発光層１２の発光波長において、該反射膜が接する前記ｐ型半導体層１３の屈折率より低い屈折率を有し、かつ１／１０光学波長以上の厚みを有する第１の透明層１５ａと、前記第１の透明層１５ａ上に積層され、前記発光波長において、前記ｐ型半導体層１３の屈折率より低く、かつ前記第１の透明層１５ａよりも高い屈折率を有するとともに、前記第１の透明層１５ａとは逆の応力特性を有し、前記第１の透明層１５ａの数倍の厚みを有する第２の透明層１５ｂと、前記第２の透明層１５ｂ上に積層され、高反射率を有する金属材料から成る金属層１６とを備えて構成される。

前記各層１１〜１３は、III-V族半導体またはII-VI族半導体から成り、たとえばＧａＮの場合、波長λ＝４５５ｎｍ程度、屈折率は２．５程度である。前記第１の透明層１５ａは、たとえばＳｉＯ_２から成り、その場合の屈折率は１．４３程度である。前記第２の透明層１５ｂは、たとえばＺｒＯ_２から成り、その場合の屈折率は１．９５程度である。前記金属層１６は、たとえば銀から成る。そして、前記金属層１６まで形成された後、一角が彫り込まれて前記ｎ型半導体層１１に連なるｎ型電極１７が形成され、さらに前記成長基板が剥離された後、前記光取出し面１４となるその剥離された面に、凹凸が形成されて、この図１で示す構成となる。

また、図２の発光ダイオード２でも、図示しない成長基板上に、ｎ型半導体層２１、発光層２２およびｐ型半導体層２３が積層され、前記発光層２２からの光取出し面２４とは反対側の面に反射膜を有する発光ダイオードにおいて、注目すべきは、ｐ型電極を本発明に係る反射膜とすることである。前記反射膜は、前記発光層２２の発光波長において、該反射膜が接する前記ｐ型半導体層２３の屈折率より低い屈折率を有し、かつ１／１０光学波長以上の厚みを有する第１の透明層２５ａと、前記第１の透明層２５ａ上に積層され、前記発光波長において、前記ｐ型半導体層２３の屈折率より低く、かつ前記第１の透明層２５ａよりも高い屈折率を有するとともに、前記第１の透明層２５ａとは逆の応力特性を有し、前記第１の透明層２５ａの数倍の厚みを有する第２の透明層２５ｂと、前記第２の透明層２５ｂ上に積層され、高反射率を有する金属材料から成る金属層２６とを備えて構成される。前記各層２１〜２３は、III-V族半導体またはII-VI族半導体、たとえばＧａＮから成り、前記第１の透明層２５ａは、たとえばＳｉＯ_２から成り、前記第２の透明層２５ｂは、たとえばＺｒＯ_２から成り、前記金属層２６は、たとえば銀から成る。そして、前記金属層２６まで形成された後、前記成長基板が剥離され、前記光取出し面２４となるその剥離された面に、凹凸が形成されるとともに、該凹凸上にｎ型電極２７が形成され、前記金属層２６がｐ型コンタクトとなってこの図２で示す構成となる。

一方、図３の発光ダイオード３では、界面３０ａに凹凸を有し、発光層３２の発光波長において透明な成長基板（或いは貼り合せ基板）３０上に、ｎ型半導体層３１、発光層３２およびｐ型半導体層３３が積層され、前記発光層３２からの光取出し面３４とは反対側の面に反射膜を有する発光ダイオードにおいて、注目すべきは、前記成長基板３０の裏面を本発明に係る反射膜とすることである。前記反射膜は、前記発光層３２の発光波長において、該反射膜が接する前記成長基板３０の屈折率より低い屈折率を有し、かつ１／１０光学波長以上の厚みを有する第１の透明層３５ａと、前記第１の透明層３５ａ上に積層され、前記発光波長において、前記成長基板３０の屈折率より低く、かつ前記第１の透明層３５ａよりも高い屈折率を有するとともに、前記第１の透明層３５ａとは逆の応力特性を有し、前記第１の透明層３５ａの数倍の厚みを有する第２の透明層３５ｂと、前記第２の透明層３５ｂ上に積層され、高反射率を有する金属材料から成る金属層３６とを備えて構成される。前記成長基板３０は、ＧａＮ、ＺｎＯ、Ａｌ_２Ｏ_３から成る。前記各層３１〜３３は、III-V族半導体またはII-VI族半導体から成り、たとえばＧａＮの場合、波長λ＝４５５ｎｍ程度、屈折率は２．５程度である。前記第１の透明層３５ａは、たとえばＳｉＯ_２から成り、前記第２の透明層３５ｂは、たとえばＺｒＯ_２から成る。前記金属層３６は、たとえば銀から成る。そして、前記ｐ型半導体層３３上に透明導電層３８が形成され、裏面側に前記第１および第２の透明層３５ａ，３５ｂおよび金属層３６が形成された後、一角が彫り込まれた部分と前記透明導電層３８上に、ｎ型電極３７およびｐ型電極３９が形成されて、この図３で示す構成となる。なお、ｎ型半導体層３１とｐ型半導体層３３とは、相互に入替えられてもよい。その場合、電極３７はｐ型となり、電極３９はｎ型となる。

さらにまた、図４の発光ダイオード４では、発光層４２の発光波長において透明な成長基板（或いは貼り合せ基板）４０上に、ｎ型半導体層４１、発光層４２およびｐ型半導体層４３が積層され、前記発光層４２からの光取出し面４４とは反対側の面に反射膜を有する発光ダイオードにおいて、前記成長基板４０の裏面を、前記第１および第２の透明層３５ａ，３５ｂおよび金属層３６と同様の第１および第２の透明層４５ａ，４５ｂおよび金属層４６としている。図３との違いは、凹凸が光取出し面４４であるｐ型半導体層４３上面に形成されていることである。この発光ダイオード４でも、ｎ型半導体層４１とｐ型半導体層４３とが入替わり、ｎ型電極４７およびｐ型電極４９がそれぞれｐ型およびｎ型となってもよい。

このように本実施の形態では、前記非特許文献１のように１／４光学波長薄膜干渉によって反射率を向上するのではなく、屈折率が高い媒質（たとえばＧａＮ材料：屈折率＝２．５）から屈折率の低い媒質（たとえばＳｉＯ_２：屈折率＝約１．４３、ＺｒＯ_２：屈折率＝約１．９５）に光が入射する際の全反射効果を活用し、反射層として１／１０光学波長膜厚以上の第１の透明層１５ａ，２５ａ，３５ａ，４５ａと、それに積層され、該第１の透明層１５ａ，２５ａ，３５ａ，４５ａよりも高い屈折率を有するとともに、逆の応力特性を有し、数倍の厚みを有する第２の透明層１５ｂ，２５ｂ，３５ｂ，４５ｂと、それに積層され、銀、銀合金、Ａｌ、Ａｌ合金の金属層１６，２６，３６，４６から成る反射層とを作成するとともに、光取出し面１４，２４，４４、或いは界面３０ａに正反射角度を乱す凹凸構造を配設する。これによって、入射角θが小さい領域では前記非特許文献１による１／４光学波長膜を積層した場合を上回る反射率の向上は望めないけれども、前記図９で示す実際の発光層１２，２２，３２，４２からの光の放射角分布を考慮した場合、より高い平均反射率を得ることができる。

詳しくは、前記臨界角θｃを超えて比較的深い角度で入射した光は、高屈折率である成長基板３０，４０または半導体層１３，２３と該反射膜との界面において、近接場やエバネッセント波と称される前記界面から第１および第２の透明層１５ａ，１５ｂ；２５ａ，２５ｂ；３５ａ，３５ｂ；４５ａ，４５ｂへ浸み出し光となるが、相対的に屈折率が低い第１の透明層１５ａ，２５ａ，３５ａ，４５ａが１／１０光学波長以上の厚みを有し、相対的に屈折率が高い第２の透明層１５ｂ，２５ｂ，３５ｂ，４５ｂがその数倍の厚みを有することで、該第１および第２の透明層１５ａ，１５ｂ；２５ａ，２５ｂ；３５ａ，３５ｂ；４５ａ，４５ｂを通過して前記金属層１６，２６，３６，４６で吸収されてしまう可能性は少なくなり、殆どが該第１および第２の透明層１５ａ，１５ｂ；２５ａ，２５ｂ；３５ａ，３５ｂ；４５ａ，４５ｂから前記界面へ戻ってゆき（跳ね返され）、前記界面から前記成長基板３０，４０または半導体層１３，２３に再度入射して前記光取出し面１４，２４，３４，４４に向う。そして、１回の透過で取り出せず、このように内部に再反射した光も、前記凹凸の光取出し面１４，２４，４４または界面３０ａでランダムに角度変換作用を受け、統計的には最初の発光と同様の分布を持つと考えられるので、これら放射角分布の重みをかけて、全ての入射角に対する重み付き平均反射率で考えると、前記非特許文献１による１／４光学波長膜を積層させた場合と比較して、より以上の反射率を得ることができる。こうして、反射膜にあらゆる入射角で入射した光を効率良く取出すことができ、同じ光を取出す場合には低消費電力化することができ、同じ電力を注入する場合には高輝度化を図ることができる。また、このような膜構成では、精密な膜厚制御は不要で、かつ膜層数も少ないので、プロセスが容易である。

また、前記透明層を２層の透明層１５ａ，１５ｂに分割し、一方が引っ張り応力を発生する場合には他方は圧縮応力を発生するように、相互に逆の応力特性を有する組合わせとするので、該透明層１５ａ，１５ｂの剥離を防止し、プロセスの安定性を確保することができる。

ここで、上述のように第１の透明層１５ａがＳｉＯ_２から成り、第２の透明層１５ｂがＺｒＯ_２から成る場合、前述の屈折率の関係を満足するとともに、一般的なＥＢ蒸着工法で成膜した場合、ＳｉＯ_２は引っ張り応力、ＺｒＯ_２は圧縮応力を示すことが多く、前述の応力特性を満足することもできる。また、前記金属層１６，２６，３６，４６に銀系材料を用いた場合、ＳｉＯ_２よりもＺｒＯ_２の方が密着力が高く、この意味においてもプロセスの安定性を確保しつつ高反射層を作成できる。

詳しくは、前記一般的なＥＢ蒸着工法で成膜した場合、ＳｉＯ_２の引っ張りの線膨張係数は、ＺｒＯ_２の圧縮の線膨張係数約５倍である。そこで、それらの膜厚を１：５の関係で、ＧａＮとの界面での入射角変化に対する反射率変化の特性を本願発明者がシミュレーションした結果を図５に示す。使用したシミュレーションソフトは、一般的な多層膜のシミュレーションソフトであるオプト社製の商品名ｏｐｔａｓ−ｆｉｌｍである。図５には、前記金属層１６，２６，３６，４６である銀層の反射率の変化も示す。また、ＤＢＲは、前記ＳｉＯ_２とＺｒＯ_２とを、薄膜で交互に多層に形成した多層反射膜の場合の反射率を示す。

図５の結果から、第１の透明層１５ａ，２５ａ，３５ａ，４５ａが３１ｎｍで、１０°以上の入射角で９５％以上の反射率が得られており、該第１の透明層１５ａ，２５ａ，３５ａ，４５ａの厚みは略３０ｎｍとする。

一方、図６には、前記第１の透明層１５ａ，２５ａ，３５ａ，４５ａが３０ｎｍに固定で、第２の透明層１５ｂ，２５ｂ，３５ｂ，４５ｂの厚みを変化させた場合の入射角変化に対する反射率変化のシミュレーション結果を示す。応力には装置依存性があるので、図５の５倍に限定されるものではないが、この図７の結果から、約４倍（１００ｎｍ）以下だと全反射効果が小さく、約６倍（２００ｎｍ）を超えると全反射効果は得られるが、全反射しない領域では干渉による反射率の低下が見られる。このため、第２の透明層１５ｂ，２５ｂ，３５ｂ，４５ｂの厚みは、前記第１の透明層１５ａ，２５ａ，３５ａ，４５ａの略５倍とする。こうして、光学特性と膜安定性とを両立することができる。

なお、前記第１および第２の透明層１５ａ，１５ｂ；２５ａ，２５ｂ；３５ａ，３５ｂ；４５ａ，４５ｂを積層するにあたって、スパッタを用いることで膜応力を弱くすることができるけれども、半導体層にダメージを与えてしまうので、そのダメージの小さいＥＢ蒸着を用いると、前記のように膜応力が大きくなる。

しかしながら、前記２層の透明層１５ａ，１５ｂは、前記ＳｉＯ_２およびＺｒＯ_２に限定されるものではなく、酸化硅素（ＳｉＯ、ＳｉＯ_２、Ｓｉ_ｘＯ_ｙなど）、窒化硅素（ＳｉＮ、Ｓｉ_２Ｎ_３、Ｓｉ_ｘＮ_ｙなど）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２，ＺｒＯ_ｘなど）、酸化チタン（ＴｉＯ、ＴｉＯ_２、Ｔｉ_ｘＯ_ｙなど）、窒化チタン（ＴｉＮ、ＴｉＮ_２、Ｔｉ_ｘＮ_ｙなど）、酸化タンタル（ＴａＯ、ＴａＯ_２、Ｔａ_ｘＯ_ｙ）、窒化タンタル（ＴａＮ、ＴａＮ_２、Ｔａ_ｘＮ_ｙ）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３、Ａｌ_ｘＯ_ｙ）（以上、ｘ、ｙは任意整数）などが用いられてもよい。

図１〜図４では、正反射角度を乱す形状として微小凹凸を例示したが、目的は直方体の中で正反射の繰返しの多重反射をなくすことであって、この形状にはとらわれない。素子のマクロ構造を変えて、素子側面に傾斜を設けても良いし、素子そのものが角錘台形状を有する錘状構造等であってもよい。

また、前記金属層１６，２６，３６，４６を、銀または銀合金とすると、前記第１および第２の透明層１５ａ，１５ｂ；２５ａ，２５ｂ；３５ａ，３５ｂ；４５ａ，４５ｂと積層することで、前記図５で示すように、平均（Ｒｗ）９８％から９９％以上の反射率が得られ、高い光取り出し効率を得ることができ、好適である。但し、高反射金属は銀系材料に限定されるものではなく、紫外領域の発光素子においてはＡｌが望ましい。Ａｌに前記第１および第２の透明層１５ａ，１５ｂ；２５ａ，２５ｂ；３５ａ，３５ｂ；４５ａ，４５ｂを積層した場合にも、Ａｌの反射率が寄与する入射角領域では放射束分が小さく、入射角が大きくなる領域では全反射効果が寄与するので、平均としてはＡｌ自体の反射率より高い効果を得ることができる。

さらにまた、成膜工法、成膜条件に変化するが、銀の屈折率（ｎ，ｋ）を（０．０６６、２．５）とした場合、膜厚と、反射率（Ｒ）、透過率（Ｔ）、吸収率（Ａ）とは、図７のようになる。したがって、高反射率を得るには、膜厚８０ｎｍ以上が望ましい。また、膜厚が厚くなると膜応力による剥離が生じ易くなるので、２００ｎｍ以下であることが望ましい。特に１００ｎｍ程度が、反射率と膜安定性との両面で好ましい。

ところで、図３および図４の発光ダイオード３，４では、第１および第２の透明層３５ａ，３５ｂ；４５ａ，４５ｂおよび金属層３６，４６は成長基板３０，４０上に形成され、ダイオード電流の経路とは関係のない部分に設けられているのに対して、図１および図２の発光ダイオード１，２では、金属層１６，２６はｐ型電極となり、第１および第２の透明層１５ａ，１５ｂ；２５ａ，２５ｂはｐ型半導体層１３，２３上に形成されて、ダイオード電流の経路に設けられることになる。このように前記反射膜が前記ｐ型半導体層１３，２３上に形成されて、そのｐ型電極を兼ねる場合、図１および図２で示すように、前記ｐ型半導体層１３，２３と第１および第２の透明層１５ａ，１５ｂ；２５ａ，２５ｂとの間には、前記ｐ型半導体層１３，２３と導電性を有し（オーミックコンタクトする）、前記発光波長において透明な第１の電極層となる透明導電層１９，２９が積層され、その透明導電層１９，２９上に、開口（貫通孔）１５ｘ，２５ｘを有する前記第１および第２の透明層１５ａ，１５ｂ；２５ａ，２５ｂが形成され、前記金属層１６，２６は開口１５ｘ，２５ｘから第１および第２の透明層１５ａ，１５ｂ；２５ａ，２５ｂ上に積層され、前記透明導電層１９，２９からｐ型半導体層１３，２３と電気的に導通して第２の電極層となる。

このように反射膜が電極を兼ねてオーミック接合が必要な場合に、全反射効果を活用する前記第１および第２の透明層１５ａ，１５ｂ；２５ａ，２５ｂに、マイクロコンタクトホールを形成したり、該第１および第２の透明層１５ａ，１５ｂ；２５ａ，２５ｂをメッシュ状等に領域分割するなどして前記開口１５ｘ，２５ｘを形成し、それらの開口１５ｘ，２５ｘを積層される高反射な金属層１６，２６で覆うことで、透明導電層１９，２９とオーミック接合が可能になる。これによって、第１および第２の透明層１５ａ，１５ｂ；２５ａ，２５ｂによる高反射率化を犠牲にせず、半導体層１３，２３と高反射な金属層１６，２６とを電気的に接続し、前記発光層１２，２２に充分な電流を注入することができる。

前記第１の電極層である透明導電層１９，２９は、たとえば金属酸化物のＩＴＯが３０ｎｍ以下で積層されて形成される。この場合、９８％以上の透過率を確保でき、第１および第２の透明層１５ａ，１５ｂ；２５ａ，２５ｂでの全反射効果を阻害しない。特に好ましくは１０ｎｍ以下である。また、ＩＴＯ以外にも、水酸化マグネシウム（Ｍｇ（ＯＨ）_２）なども用いることができる。

また、前記第１の電極層である透明導電層１９，２９は、吸収の少ない高反射金属、たとえば銀で、その厚みが５ｎｍ以下に積層されて形成される。この場合、前記図７における膜厚が２０ｎｍ以下の領域を図８で拡大して示すように、吸収を１％以下とすることができる。特にこの図８から、２ｎｍ以下とすることで、吸収が極めて少なくなり、好適である。

さらにまた、前記第１の電極層であり、前記ｐ型半導体層１３，２３に接する透明導電層１９，２９は、ＧａＮ系ｐ型半導体層１３，２３とオーミック接続が可能で、かつ反射率が６０％以上であるＰｔまたはＲｈ、或いはそれらの合金から成る。そして、これらを２ｎｍ程度以下の厚みで、占有率が５０％以下、好ましくは２５％以下のメッシュ或いは微小領域群に領域分割するなどして開口１９ｘ，２９ｘを形成することによって、高反射を犠牲にせず、順方向電圧を低減することができ、好適である。

ここで、特開２００６−１２８４５０号公報には、誘電体光学多層膜と高反射率金属（Ａｌ、Ａｇ、Ａｇ合金等）とを積層し、入射角が数十度までは誘電体光学多層膜の高反射率、数十度から９０度までは高反射率金属の反射率を利用し、全ての入射角で高反射率を得る電極構成を採用している。しかしながら、そのような誘電体光学多層膜を積層する場合、各膜の厚み制御の必要性、更には層数が多いことによるプロセスコストの増大が問題になり、さらに膜厚と膜応力との両方の制御が必要で、プロセス安定性も問題となる。

また、発光層からの発光分布は、入射角が数十度までより、数十度から９０度まで範囲の方が分布強度が大きい。したがって、入射角度の大きい領域で、より高い反射率が望まれる。これらの課題を解決するために、本願発明は、成長基板または半導体層の屈折率より低い屈折率を有する２層の透明層１５ａ，１５ｂ；２５ａ，２５ｂ；３５ａ，３５ｂ；４５ａ，４５ｂを積層した構造に、高反射率を有する金属材料から成る金属層１６，２６，３６，４６を積層した構造を採用しており、上述のようにプロセスが簡単で、コストも安くすることができる。

以上のような発光ダイオード１〜４を照明装置に用いることで、光取出し効率を向上することができ、したがって低消費電力化および高輝度化を図ることができる照明装置を実現することができる。

本発明の実施の一形態に係る半導体発光素子である発光ダイオードの構造を示す断面図である。 本発明の実施の一形態に係る半導体発光素子である発光ダイオードの構造を示す断面図である。 本発明の実施の一形態に係る半導体発光素子である発光ダイオードの構造を示す断面図である。 本発明の実施の一形態に係る半導体発光素子である発光ダイオードの構造を示す断面図である。 前記各発光ダイオードにおける反射膜を構成する金属層と第１および第２の透明層とにおいて、前記金属層に銀を用いた場合における第１および第２の透明層の厚さの変化に対する反射率の変化を示すグラフである。 前記各発光ダイオードにおける反射膜を構成する金属層と第１および第２の透明層とにおいて、前記金属層に銀を用い、第１の透明層の厚さを固定にした場合における第２の透明層の厚さの変化に対する反射率の変化を示すグラフである。 銀の反射膜の膜厚変化に対する反射率、透過率および吸収率の変化を示すグラフである。 図７の一部の領域を拡大して示すグラフである。 発光層から各出射方向に対する光束の変化を説明するためのグラフである。 前記反射膜の反射率の変化に対する光取り出し効率の変化を示すグラフである。 従来技術による反射膜への光の入射角変化に対する実際の反射率の変化を示すグラフである。 エバネッセント波（近接場）を説明するための図である。 前記エバネッセント波による光浸み出し量の入射角に対する変化を説明するためのグラフである。

符号の説明

１，２，３，４ 発光ダイオード
１１，２１，３１，４１ ｎ型半導体層
１２，２２，３２，４２ 発光層
１３，２３，３３，４３ ｐ型半導体層
１４，２４，３４，４４ 光取出し面
１５ａ，２５ａ，３５ａ，４５ａ 第１の透明層
１５ｂ，２５ｂ，３５ｂ，４５ｂ 第２の透明層
１５ｘ，２５ｘ；１９ｘ，２９ｘ 開口
１６，２６，３６，４６ 金属層
１７，２７，３７，４７ ｎ型電極
３０，４０ 成長基板
３０ａ 界面
３８ 透明導電層
３９，４９ ｐ型電極

Claims (11)

1. 発光層の発光波長において透光性を有する成長基板上に、ｎ型半導体層、前記発光層およびｐ型半導体層が積層され、前記発光層からの光の取出し面とは反対側の面に反射膜を有する半導体発光素子において、
   前記反射膜は、
   前記発光波長において、該反射膜が接する前記成長基板または半導体層の屈折率より低い屈折率を有し、１／１０光学波長以上の厚みを有する第１の透明層と、
   前記第１の透明層上に積層され、前記発光波長において、前記成長基板または半導体層の屈折率より低く、かつ前記第１の透明層よりも高い屈折率を有するとともに、前記第１の透明層とは逆の応力特性を有し、前記第１の透明層の数倍の厚みを有する第２の透明層と、
   前記第２の透明層上に積層され、高反射率を有する金属材料から成る金属層とを備えて構成されることを特徴とする半導体発光素子。
2. 前記第１の透明層はＳｉＯ_２から成り、前記第２の透明層はＺｒＯ_２から成ることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
3. 発光層の発光波長において透光性を有する成長基板上に、ｎ型半導体層、前記発光層およびｐ型半導体層が積層され、前記発光層からの光の取出し面とは反対側の面に反射膜を有する半導体発光素子において、
   前記反射膜は、
   前記発光波長において、該反射膜が接する前記成長基板または半導体層の屈折率より低い屈折率を有するＳｉＯ _２ から成り、１／１０光学波長以上の略３０ｎｍの厚みを有する第１の透明層と、
   前記第１の透明層上に積層され、前記発光波長において、前記成長基板または半導体層の屈折率より低く、かつ前記第１の透明層よりも高い屈折率を有するとともに、前記第１の透明層とは逆の応力特性を有するＺｒＯ _２ から成り、前記第１の透明層の略５倍の厚みを有する第２の透明層と、
   前記第２の透明層上に積層され、高反射率を有する金属材料から成る金属層とを備えて構成されることを特徴とする半導体発光素子。
4. 前記反射膜が前記半導体層上に形成される場合、前記半導体層と第１および第２の透明層との間には、該半導体層と導電性を有し、前記発光波長において透明な第１の電極層が積層され、その第１の電極層上に、前記第１および第２の透明層が開口を有するように形成され、前記金属層はこの開口から第１および第２の透明層上に積層され、前記第１の電極層と電気的に導通して第２の電極層となることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
5. 前記第１の電極層は、ＩＴＯが３０ｎｍ以下で積層されて成ることを特徴とする請求項４記載の半導体発光素子。
6. 前記第１の電極層は、吸収の少ない高反射金属でその厚みが５ｎｍ以下の層で形成されていることを特徴する請求項４記載の半導体発光素子。
7. 前記高反射率金属は銀であり、前記第１の電極層は、２ｎｍ以下に形成されることを特徴とする請求項６記載の半導体発光素子。
8. 前記反射膜が半導体層に接し、その半導体層がｐ型である場合、前記第１の電極層は、ＰｔまたはＲｈ、或いはそれらの合金が略２ｎｍ以下に積層され、かつ面積占有率が５０％以下のメッシュ状あるいは微小領域群に形成されることを特徴とする請求項４〜７のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
9. 前記金属層は、銀または銀合金であることを特徴とする請求項１〜６，８のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
10. 前記金属層の銀の厚みは、８０ｎｍ以上であることを特徴とする請求項９記載の半導体発光素子。
11. 前記請求項１〜１０のいずれか１項に記載の半導体発光素子を用いることを特徴とする照明装置。

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