(57)【要約】  ｐ型層５とｎ型層７が活性層６を挟んで積層された積層部を備え、該積層部の第１の面より活性層６から発生した光の一部が出射される半導体発光素子であって、積層部の上記第１の面とは反対側の第２の面に設けられ、活性層６から発生した光のうち第２の面から入射した光を活性層側の方向に反射する反射層を有する。反射層は、金属層１と、それぞれが活性層６の発光波長に対して透光性を有し、かつ、導電性を有する透明電極層２〜４とからなる。透明導電膜３の屈折率は、透明導電膜２、４およびｐ型層７の屈折率のいずれよりも低い。透明導電膜３の吸収係数は、透明導電膜２、４の吸収係数よりも小さい。
2012067075.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型層および第２導電型層が活性層を挟んで積層された積層部を備えた光素子であって、
前記積層部の前記第２導電型層側の第１の面に設けられ、前記活性層から発生した光、もしくは前記積層部の前記第１の面とは反対側の第２の面から入射し、前記活性層を透過した光を、前記積層部に向けて反射する反射層を有し、
前記反射層は、
金属層と、
前記金属層と前記積層部の前記第１の面との間に設けられた透明電極層と、を有し、
前記透明電極層は、それぞれが前記活性層から入射してくる光の波長に対して透光性を有し、かつ、導電性を有する第１および第２の透明導電膜を有し、
前記第１および第２の透明導電膜は、この順番で前記積層部の前記第１の面上に積層されており、
前記第２の透明導電膜の屈折率は、前記第１の透明導電膜および前記第２導電型層の屈折率のいずれよりも低く、
前記第２の透明導電膜の吸収係数は、前記第１の透明導電膜の吸収係数よりも小さい、光素子。
【請求項２】
前記活性層は光を発生し、前記積層部の前記第２の面より前記活性層から発生した光の一部が出射される、請求項１に記載の光素子。
【請求項３】
前記活性層は、前記積層部の前記第２の面から入射した光の一部を吸収する、請求項１に記載の光素子。
【請求項４】
前記透明電極層は、前記活性層から入射してくる光の波長に対して透光性を有し、かつ、導電性を有する第３の透明導電膜を、さらに有し、
前記第１、第２、第３の透明導電膜は、この順番で前記積層部の前記第１の面上に積層されており、
前記第３の透明導電膜の屈折率は、前記第２の透明導電膜の屈折率よりも高く、
前記第３の透明導電膜の吸収係数は、前記第２の透明導電膜の吸収係数よりも大きい、請求項１から３のいずれか１項に記載の光素子。
【請求項５】
前記第２の透明導電膜は、前記第１および第３の透明導電膜よりも厚い、請求項４に記載の光素子。
【請求項６】
前記第２の透明導電膜は、前記活性層から放出される光の中心波長に対して０．６２５以上の光路長に対応する厚さを有する、請求項１から５のいずれか１項に記載の光素子。
【請求項７】
前記第２の透明導電膜は、ＩＴＯまたはＧＺＯに誘電体材料を混合した誘電体混合膜よりなる、請求項１から６のいずれか１項に記載の光素子。
【請求項８】
前記誘電体混合膜は、前記ＧＺＯにＣａＦ2を混合したものである、請求項７に記載の光素子。
【請求項９】
前記金属層と前記透明電極層の間に設けられた、前記金属層とは異なる金属材料よりなる別の金属層を、さらに有する、請求項１から８のいずれか１項に記載の光素子。
【請求項１０】
前記別の金属層は、前記金属層の前記透明導電側の面に形成された複数の島状の金属領域からなる、請求項９に記載の光素子。
【請求項１１】
前記別の金属層は、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｐｄのいずれかの金属材料より形成されている、請求項９または１０に記載の光素子。
【請求項１２】
前記積層部の前記第２の面と対向する位置に設けられた偏光子をさらに有する、請求項１から１１のいずれか１項に記載の光素子。
【請求項１３】
前記積層部の前記第２の面と前記偏光子との間に設けられた１／４波長板をさらに有する、請求項１２に記載の光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ｐ型層およびｎ型層が活性層を挟んで積層された積層部を備え、活性層が光吸収層または発光層として機能する光素子に関し、特には、発光ダイオード（ＬＥＤ：Light  Emitting  Diode）などに代表される面発光型の発光素子や太陽電池等で用いられる受光素子などに関する。
【背景技術】
【０００２】
最近の液晶プロジェクタには、液晶パネルを照明するための光源としてＬＥＤを用いたものがある。【０００３】
液晶プロジェクタでは、偏光光（具体的には、Ｓ偏光またはＰ偏光）を液晶パネルに照射する必要がある。ＬＥＤからの光は非偏光であるため、液晶パネルを照明するための光源としてＬＥＤを用いる場合は、ＬＥＤからの光を偏光変換する。具体的には、ＬＥＤからの非偏光光の直交する直線偏光成分のうち、どちらか一方を他の偏光成分と同じになるように偏光変換する。この偏光変換の効率が低いと、光利用効率が低下する。なお、偏光変換がまったく行われない場合は、約半分の光が照明光として利用されないことになる。【０００４】
ＬＥＤの出力光を偏光変換する構成として、第１および第２のプリズムからなる偏光変換素子をＬＥＤの出射面と対向する位置に配置する構成が知られている。【０００５】
第１および第２のプリズムのそれぞれは、２つの直角プリズムを貼り合わせた直方体形状のプリズムである。【０００６】
第１のプリズムは、２つの直角プリズムの貼り合わせた面に、Ｐ偏光を透過し、Ｓ偏光を反射する偏光分離膜が形成されており、ＬＥＤから出力された光がその偏光分離膜に対して略４５度の入射角で入射するように構成されている。偏光分離膜を透過したＰ偏光の進行方向に位置する面が射出面であり、この射出面よりＰ偏光の光を出射する。【０００７】
第２のプリズムは、２つの直角プリズムの貼り合わせた面に反射膜が形成されており、第１のプリズムの偏光分離膜で反射されたＳ偏光の光がその反射膜に略４５度の入射角で入射するように構成されている。反射膜で反射された光の進行方向に位置する面が射出面であり、この射出面に、Ｓ偏光をＰ偏光に変換するための位相差板が設けられている。【０００８】
第１のプリズムから射出したＰ偏光の光と、第２のプリズムから射出したＰ偏光の光とは同じ方向に進行する。【０００９】
しかし、上記の偏光変換素子を用いた構成においては、以下のような問題がある。【００１０】
一般に、光源からの光を表示素子に照射し、表示素子で形成された画像を投射レンズによって投射する投射型表示装置においては、光源の面積と発散角とで決まるエテンデューと呼ばれる制約がある。光源からの光を投射光として効率良く利用するためには、光源の面積と発散角との積の値を、表示素子の面積と投射レンズのＦナンバーで決まる取り込み角（立体角）との積の値以下にする必要がある。【００１１】
偏光変換素子の出射面（第１および第２の出射面）の面積は、ＬＥＤの発光面積の略２倍である。このように出射面の面積が増大すると、エテンデューの制約により、投射光として利用されない光が増大し、その結果、光利用効率が低下する。【００１２】
そこで、出射面積を増大することなく偏光変換を行うことが可能な偏光ＬＥＤが提案されている。【００１３】
図１に、偏光ＬＥＤの一例を示す。【００１４】
図１に示すように、サブマウント１００上に、反射層１０１、Ｐ型層１０２、活性層１０３、ｎ型層１０４が順に積層されており、この積層構造部によりＬＥＤが構成されている。【００１５】
ＬＥＤのｎ型層１０４の面と対向する位置に、偏光子１０６が配置されている。偏光子１０６のＬＥＤ側の面には、λ／４板１０５が設けられている。反射層１０１は、電極を兼ねる。サブマウント１００側がＬＥＤの裏面であり、ｎ型層１０４側がＬＥＤの表面である。【００１６】
活性層１０３から光（無偏光光）が放出される。活性層１０３からＬＥＤの表面側に向かう光は、ｎ型層１０４の表面から出射される。一方、活性層１０３からＬＥＤの裏面側へ向かう光は、反射層１０１にて活性層１０３側の方向に反射される。この反射光は、ｐ型層１０２、活性層１０３を順に通過してｎ型層１０４の表面から出射される。【００１７】
ｎ型層１０４の表面から出射された光は、λ／４板１０５を介して偏光子１０６に入射する。偏光子１０６に入射した光のうち、第１の偏光（Ｐ偏光およびＳ偏光の一方）は偏光子１０６を通過し、第２の偏光（Ｐ偏光およびＳ偏光の他方）は偏光子１０６にてＬＥＤ側に向けて反射される。【００１８】
偏光子１０６で反射された光は、λ／４板１０５を通過し、ｎ型層１０４の表面に入射する。ｎ型層１０４の表面に入射した光は、一部が表面にて反射されるが、ほとんどの光は、ＬＥＤ内に入射する。【００１９】
ＬＥＤ内に入射した光は、ｎ型層１０４、活性層１０３、ｐ型層１０２を順に通過する。ｐ型層１０２を通過した光は、反射層１０１にて活性層１０３側の方向に反射される。この反射光は、ｐ型層１０２、活性層１０３を順に通過してｎ型層１０４の表面から出射される。【００２０】
偏光子１０６で反射された第２の偏光のうち、ＬＥＤへ戻る過程と、反射層１０１で反射されて偏光板１０６へ向かう過程とにおいて、１／４波長板を２回通過したものが、第１の偏光に変換されて偏光子１０６を通過する。【００２１】
上記の偏光ＬＥＤでは、ｎ型層１０４の表面から出射された無偏光の光のうち第１の偏光はそのまま偏光子１０６を通過し、第２の偏光については１／４波長板を２回通過することで第１の偏光に偏光変換されて偏光子１０６を通過する。【００２２】
ＬＥＤ表面の大きさは、偏光子１０６の出射面の大きさとほぼ同じであるので、出射面積を増大することなく、偏光変換を行うことが可能である。【００２３】
しかし、反射層１０１の材料は、ｐ型層１０２に対して電極として機能し、かつ、高い反射率を得られるという条件を満たす必要があり、現状では、そのような条件を満たす材料は提供されていない。【００２４】
例えば、高い反射率を得ることができる材料としてＡｇが知られており、反射層１０１の材料としてＡｇを用いた場合、反射率の高い反射層１０１を形成することができる。しかし、Ａｇは、ｐ型層１０２（例えばｐ−ＧａＮ層）に対して電極として十分に機能しない。さらに、Ａｇよりなる反射層１０１は、ｐ型層１０２に対して十分な密着性を得られないため、ＬＥＤの信頼性を低下させる要因となる。【００２５】
なお、Ａｇよりなる反射層１０１とｐ型層１０２との間にＮｉ層またはＴｉ層を形成することにより、反射層１０１をｐ型層１０２に対して電極として機能させることができ、かつ、ｐ型層１０２に対する反射層１０１の密着性を高めることができる。しかし、この場合は、光がＮｉ層またはＴｉ層で吸収されるので、光が吸収された分だけ、ＬＥＤ表面からの光の取り出し効率が低下する。【００２６】
そこで、ＬＥＤ裏面側での反射率を高めることができる半導体発光素子が提案されている（特許文献１を参照）。【００２７】
図２に、特許文献１に記載された半導体発光素子の主要部の構成を模式的に示す。なお、図２では、半導体発光素子の主要部が簡略化して記載されている。【００２８】
図２を参照すると、ｐ型半導体層２０３、発光層２０４、ｎ型半導体層２０５が順に積層され、この積層構造のｐ型半導体層２０３側の面（裏面）に、透明導電層２０２、透明層２０１、金属層２００が順に積層されている。【００２９】
金属層２００、透明層２０１および透明導電層２０２は半導体発光素子の裏面側の反射膜を構成する。【００３０】
透明層２０１は、発光層２０４の発光波長において、ｐ型半導体層２０３の屈折率より低い屈折率を有し、その厚さは３／４光学波長以上とされている。透明層２０１は絶縁層であるため、金属層２００から透明導電層２０２への通電のため、透明層２０１を貫通する複数の金属部２０６が形成されている。【００３１】
金属層２００および金属部２０６は、例えばＡｇよりなり、透明層２０１は、例えばＳｉＯ2よりなる。透明導電層２０２は、ｐ型半導体層２０３に対する電極層であって、ＩＴＯ、ＧＺＯ、ＺｎＯ、およびＡＺＯのうちの少なくとも一つよりなる。ｐ型半導体層２０３は、例えばＧａＮよりなる。【００３２】
上記の半導体発光素子によれば、活性層２０４にて発生した光のうち裏面側に向かう光は、反射膜によって活性層２０４の方向に反射される。裏面側の反射膜の屈折率（主に、透明層２０１の屈折率で決まる）はｐ型半導体層２０３の屈折率よりも低くなっているため、反射膜への入射角が臨界角を超える光については、全反射を生じる。透明層２０１の厚さを３／４光学波長以上とすることで、全反射時に透明層２０１へ染み出した光が金属層２００に到達、吸収されることを回避できるため、高い反射率が実現される。【００３３】
加えて、透明導電層２０２は、ｐ型半導体層２０３に対する電極層として有効に機能し、かつ、ｐ型半導体層２０３に対して十分な密着性を有する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００３４】
【特許文献１】特開２００９−２６０３１６号公報
【特許文献２】特開２００５−２１９９８２号公報
【特許文献３】特開２００６−０７３３２１号公報
【非特許文献１】Ｊ．−Ｑ.  Ｘｉ  ｅｔ  ａｌ．,  “Ｏｍｎｉｄｉｒｅｃｔｏｎａｌｒｅｆｌｅｃｔｏｒ  ｕｓｉｎｇ  ｎａｎｏｐｏｒｏｕｓ  ＳｉＯ２  ａｓ  ａ  ｌｏｗ−ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ−ｉｎｄｅｘ  ｍａｔｅｒｉａｌ.”，  Ｏｐｔｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ  ｖｏｌ．３０  ｎｏ．１２  ｐｐ．１５１８−２０  （２００５）
【発明の概要】
【００３５】
しかし、特許文献１に記載の半導体発光素子では、以下のような問題がある。
【００３６】
ｐ型半導体層２０２への電流注入は、金属層２００から各金属部２０６および透明導電層２０２を介して行われる。透明導電層２０２が薄く、金属部２０６の間隔がある程度大きい場合、ｐ型半導体層２０２の透明導電層２０２側の面において、金属部２０６近傍の領域における電流注入量が最も多くなり、その領域から離れるに従って電流注入量は徐々に減少する。このように、ｐ型半導体層２０２に注入される電流量が面内方向において不均一であるため、活性層２０４全体で発光を効率的に行うことは困難である。
【００３７】
加えて、金属部２０６を形成するための工程が必要であるため、その分、製造工数が増大する。
【００３８】
なお、金属部２０６の数を多くし、密度を高めることで、ｐ型半導体層２０２における電流注入量が不均一となることを抑制することはできるが、この場合は、金属部２０６を増やした分、金属部２０６にて吸収される光の量が増大する。このため、裏面側の反射膜の反射率が低下して、半導体発光素子の表面からの光の取り出し効率が低下する。
【００３９】
上記の電流注入の問題は、受光素子においては、電力の取り出しの問題に置き換えることができる。すなわち、受光素子においては、発光素子の逆の過程を通じて、活性層２０４にて電子に光のエネルギーを吸収させ（光励起）、その電子を、金属層２０６を通じて電力として取り出すように構成される。直下に金属部２０６が無い箇所では、光吸収により発生したキャリアが、ｐ型半導体層２０２を水平方向に移動した後、金属部２０６に到達することになる。これにより電圧降下を生じるため、取り出し可能なエネルギーが低下する。金属部２０６の数を多くし、密度を高めることで、上記水平方向の移動距離を短縮し、電圧降下を低減することができるが、この場合、発光素子の場合と同様に反射率低下の問題が生じる。
【００４０】
また、ＮｉやＴｉの挿入により上記金属部２０６の密着度を高めた場合の反射膜の反射率の低下の問題は、受光素子においても同様に生じる。受光素子においては、反射率が低下すると、活性層における光吸収効率が低下する。
【００４１】
さらに、上記の製造工数の問題は、受光素子においても同様に生じる。
【００４２】
本発明の目的は、上記の各問題を解決し、裏面側の反射層の反射率を高くすることができ、光の取り出し効率または光吸収率を高くするこができる光素子を提供することにある。
【００４３】
上記目的を達成するため、本発明の光素子は、第１導電型層および第２導電型層が活性層を挟んで積層された積層部を備えた光素子であって、
前記積層部の前記第２導電型層側の第１の面に設けられ、前記活性層から発生した光、もしくは前記積層部の前記第１の面とは反対側の第２の面から入射し、前記活性層を透過した光を、前記積層部に向けて反射する反射層を有し、
前記反射層は、
金属層と、
前記金属層と前記積層部の前記第１の面との間に設けられた透明電極層と、を有し、
前記透明電極層は、それぞれが前記活性層から入射してくる光の波長に対して透光性を有し、かつ、導電性を有する第１および第２の透明導電膜を有し、
前記第１および第２の透明導電膜は、この順番で前記積層部の前記第１の面上に積層されており、
前記第２の透明導電膜の屈折率は、前記第１の透明導電膜および前記第２導電型層の屈折率のいずれよりも低く、
前記第２の透明導電膜の吸収係数は、前記第１の透明導電膜の吸収係数よりも小さい。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】偏光ＬＥＤの一例を示す模式図である。
【図２】特許文献１に記載された半導体発光素子の主要部の構成を示す断面図である。
【図３】金属層および透明導電膜からなる反射層を備えた半導体発光素子の構成を示す断面図である。
【図４】本発明の第１の実施形態である半導体発光素子の主要部の断面図である。
【図５】図４に示す半導体発光素子の反射層の反射率と入射角の関係を示す特性図である。
【図６】図４に示す半導体発光素子の透明導電膜の膜厚と反射率の関係を示す特性図である。
【図７】本発明の第２の実施形態である半導体発光素子の主要部の断面図である。
【図８】図７に示す半導体発光素子の反射層の反射率と入射角の関係を示す特性図である。
【図９】図７に示す半導体発光素子のＮｉ層の一例を示す断面図である。
【図１０】金属層とｐ型層の間にＮｉ層のみを設けた、比較例である半導体発光素子における、金属層およびＮｉ層からなる反射層の入射角と反射率の関係を示す特性図である。
【符号の説明】
【００４５】
１  金属層
２〜４  透明導電膜
５  ｐ型層
６  活性層
７  ｎ型層
【発明を実施するための形態】
【００４６】
以下、本発明における一実施形態を、図面を参照して説明する。
【００４７】
本出願の発明者は、半導体発光素子の裏面側に形成される反射層を金属層と透明導電膜で構成すれば、前述した電流注入量が不均一となる問題や製造工数が増大する問題を解決することができることに着目し、その構成を分析して、以下のような新たな知見を得た。
【００４８】
図３に、金属層および透明導電膜からなる反射層を備えた半導体発光素子の構成を示す。
【００４９】
図３を参照すると、半導体発光素子は、ｐ型層３０２およびｎ型層３０４が活性層３０３を挟んで積層された積層部を有し、この積層部のｐ型層３０２側の面に、透明導電膜３０１および金属層３００が順に積層されている。透明導電膜３０１および金属層３００は反射層を形成する。
【００５０】
透明導電膜３０１は、ＩＴＯやＧＺＯなどにより形成される。透明導電膜３０１の屈折率は、例えば２．１である。透明導電膜３０１の吸収係数は、例えば５０００ｃｍ-1である。透明導電膜３０１の膜厚は、例えば３×（λ／４ｎ）である。λは活性層３０３の発光波長であり、ｎは透明導電膜３０１の屈折率である。
【００５１】
ｐ型層３０２は、例えばｐ−ＧａＮであり、その屈折率は４５０ｎｍの光に対して２．５である。ｐ型層３０２への電流注入は、金属層３００から透明導電膜３０１を介して行われる。
【００５２】
図３に示した半導体発光素子によれば、電流はｐ型層３０２全体へ均一に注入されるため、注入電流不均一に起因する特性低下を生じることがない。また、複数の金属部を設ける必要がないので、その分、製造工数は少なくなる。したがって、本半導体発光素子では、特許文献１に記載の半導体素子における問題が解決される。
【００５３】
しかし、図３に示した半導体発光素子には、以下のような問題がある。
【００５４】
図３に示した半導体発光素子では、透明導電膜３０１の屈折率は２．１、ｐ型層３０２の屈折率は２．５であり、その差は小さい。このため、全反射を生じる臨界角が大きくなる。臨界角よりも小さい入射角の光は、金属層３００に到達し、金属層３００にて吸収される。したがって、全体としての反射率が低くなる。
【００５５】
また、透明導電膜３０１の吸収係数が５０００cm-1と大きいため、ここでの光の減衰が大きくなり、これも反射率を低下させる。
【００５６】
反射層の反射率を高くすることができる手法の一つとして、屈折率の低い材料を用いて透明導電膜３０１を形成する手法がある。低屈折率の材料としては、例えば、特許文献２に記載のＧＺＯ＋ＣａＦ2の材料が挙げられる。このＧＺＯ＋ＣａＦ2の屈折率は、約１．５２である。
【００５７】
このＧＺＯ＋ＣａＦ2の透明導電膜を用いれば、全反射を生じる臨界角を小さくできるため、金属層３００に到達する光を低減でき、反射率を向上させることができる。さらにこの透明導電膜は先に挙げたＩＴＯやＧＺＯに比べてキャリア数が少ないため、吸収係数が小さくなる。したがって透明導電膜中での吸収も抑えることができ、反射率が増加する。
【００５８】
しかし、（ＧＺＯ＋ＣａＦ2）等の低屈折率の材料を透明導電膜３０１として用いる場合、新たな問題が発生する。上述のように、このような低屈折率材料ではキャリア数が少ないため、透明導電膜３０１とｐ型層３０２の間、および透明導電膜３０１と金属層３００の間における接触抵抗が大きくなる。
【００５９】
一般に、透明導電膜中のキャリア層が少ないほど吸収係数が小さくなるため、光の吸収を抑えて反射率を上げることができる。一方、キャリア数が少ないほど、接触抵抗が大きくなるという弊害が生じる。
【００６０】
特許文献２に記述があるように、透明導電膜においては一般に屈折率を低くするほど、導電率が低くなる、すなわちキャリア数が少なくなる。したがって臨界角を小さくして反射率を上げるために、低い屈折率の透明導電膜を用いると、その膜はキャリア数が少ないものとなるため、吸収は小さくなり、高反射率を得るという目的には好都合であるが、接触抵抗が大きくなるという弊害が生じる。
【００６１】
以上のように、反射層の反射率と接触抵抗の間にはトレードオフの関係があるため、図３に示した構成では、高反射率で、かつ接触抵抗の小さい反射層を実現することは困難である。
【００６２】
光の取り出し効率が高い半導体発光素子を得るには、特許文献１に記載された半導体発光素子が持つ、電流注入量が不均一となる問題や製造工数が増大する問題を解決することに加えて、発明者による分析によって新たに得られた上記のトレードオフの関係を考慮して、高反射率の反射層を形成する必要がある。
【００６３】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
【００６４】
（第１の実施形態）
図４は、本発明の第１の実施形態である半導体発光素子の主要部の断面図である。
【００６５】
図４を参照すると、半導体発光素子は、面発光型の固体光源（例えば面発光型のＬＥＤ）であって、ｐ型層５およびｎ型層７が活性層６を挟んで積層された積層部を有し、この積層部のｐ型層５側の面に、金属層１と透明導電膜２〜４とからなる反射層が形成されている。
【００６６】
金属層１は、高反射率の金属材料、例えばＡｇより形成される。ｐ型層５およびｎ型層７は、例えばＧａＮなどの高屈折率の半導体材料より形成される。
【００６７】
透明導電膜２〜４のそれぞれは、活性層６から発生する光の波長に対して透光性を有し、かつ、導電性を有する。これら透明導電膜２〜４および金属層１からなる反射層は、ｐ型層５に対するｐ型電極として機能する。
【００６８】
透明導電膜２、４は、高屈折率の透明導電膜であり、その材料としては、例えば、ＩＴＯ、ＧＺＯ、ＺｎＯ、ＡＺＯ等を用いることができる。透明導電膜２、４をＩＴＯで形成した場合、屈折率は約２．１であり、吸収係数は約５０００ｃｍ-3である。透明導電膜２、４の膜厚は、例えば１０ｎｍである。透明導電膜２の膜厚は、透明導電膜４の膜厚と異なっていてもよい。
【００６９】
透明導電膜３は、吸収係数が小さな、低屈折率の透明導電膜であり、例えば、誘電体混合膜、多孔質（ポーラス）膜、透明導電体粒子をフィラーとして用いた複合導電材料よりなる膜、導電性高分子膜などにより形成することができる。
【００７０】
誘電体混合膜は、例えば、特許文献２に記載されているような、ＺｎＯにＧａをドープしたＧＺＯに、ＣａＦ2、ＳｍＦ2、ＺｎＯ2、ＹＦ3、ＺｒＯ2、ＳｒＴｉＯ3、ＢａＴｉＯ3などの低屈折率材料を混合したものである。例えば、（ＧＺＯ＋ＣａＦ2）により透明導電膜３を形成した場合、屈折率は１．５２であり、吸収係数は５０ｃｍ-3である。この他、ＩＴＯに誘電体材料を混ぜたものにより誘電体混合膜を形成することもできる。
【００７１】
多孔質膜は、例えば、特許文献３に記載されているような多孔質ＩＴＯ膜である。この多孔質ＩＴＯ膜は、インジウムと錫とアルコールとを含むＩＴＯ膜作成用有機溶液に、さらに少なくとも１種のノニオン系界面活性剤を添加して得た混合物を、基板上に塗布し、所定の温度で加熱処理することで形成される。この多孔質ＩＴＯ膜により透明導電膜３を形成した場合、透明導電膜３の屈折率は１．７４程度である。
【００７２】
透明導電膜３の膜厚は、例えば２．８５×（λ／４ｎ）である。λは活性層６の発光波長であり、ｎは透明導電膜３の屈折率である。
【００７３】
透明導電膜３の膜厚は、通常透明導電膜２および４よりも厚く設定される。
【００７４】
なお、図４には、便宜上、ｎ型層７に対するｎ型電極は示されていない。ｎ型電極は、ｎ型層７の活性層６側とは反対側の面に形成される。ｎ型電極は、櫛状のパターンであってもよい。また、ｎ型電極として、ＩＴＯ等の透明電極材料を用いてもよい。
【００７５】
本実施形態の半導体発光素子では、金属層１および導電膜２〜４を介してｐ型層５に電流が注入され、活性層６が光を発生する。
【００７６】
活性層６から放出された光のうちｎ型層７側に向かう光は、ｎ型層７の活性層６側とは反対の面、すなわち図４の最上面から外部に出射される。
【００７７】
一方、活性層６から放出された光のうちｐ型層５側に向かう光は、金属層１および導電膜２〜４からなる反射層で反射される。この反射層における反射率について考える。この反射層において、ｐ型層５と透明導電膜４の第１界面、透明導電膜３と透明導電膜４の第２界面、透明導電膜２と透明導電膜３の第３界面、および金属層１の透明導電膜２側の面のそれぞれで反射が生じる。
【００７８】
ｐ型層５、透明導電膜２、４、透明導電膜３の屈折率をそれぞれ２．５、２．１、１．５２とすると、ｐ型層５側から０〜９０°の入射角で入射した光のうち、約５７°以上の入射角の光は、第１界面で全反射される。また約３７°以上の光は第２界面で全反射される。このように屈折率の低い透明導電膜３があることにより、全反射される光の割合が増えるため、全体として反射率が向上する。
【００７９】
透明導電膜２、４の吸収係数は、例えば５０００ｃｍ-3と大きいものの、透明導電膜２、４は薄いため、これらの膜で吸収される光の量はわずかである。一方、透明導電膜３は比較的厚いものの、吸収係数が５０ｃｍ-3と小さいため、この膜で吸収される光の量もやはり小さい。
【００８０】
したがって、上記反射層は、光の多くを全反射により金属層１に到達させることなく反射させ得るとともに、透明導電膜２〜４での光の吸収も抑制されているため、高い反射率を実現できる。
【００８１】
図５に、本実施形態の半導体発光素子の反射層の反射率と入射角の関係を示す。縦軸は反射率を示し、横軸は、ｐ型層５側から反射層に入射する光の入射角を示す。入射光の波長は４５０ｎｍとした。
【００８２】
図５中、実線で示す曲線はＳ偏光の光に関する反射率、一点鎖線で示す曲線はＰ偏光に関する反射率を示し、破線で示す曲線は両者の平均値を示す。
【００８３】
先の述べたように、入射角が約３７°以上では、全反射により、非常に高い反射率が得られている。
【００８４】
図５に示すように、反射率は偏光依存性および入射角依存性を有するが、反射鏡の性能を示す指標として、以下の式で示される加重平均反射率がよく用いられる。
2012067075.tif 000003
ここでθは入射角であり、R(θ)は入射角θに対する反射率である。また、R(θ)はS偏光とP偏光の反射率の平均値を用いる。式(１)は、立体的な平均、あるいはθに対する光の状態密度を考慮した平均と言えるものであり、微小な角θに対応する立体角がsinθdθであることから導かれる。この加重平均反射率は、例えば特許文献１や非特許文献１でも使用されている。
【００８５】
図３に示した構造に対して、式（１）を用いてＲａｖｅを計算すると、０．８３６となる。
【００８６】
これに対し、図４に示した構造、すなわち図５の反射特性に対して、Ｒａｖｅを計算すると、０．９６９となり、約９７％の高い反射率が得られていることが分かる。これは、Ａｇをｐ型層５に直接積層した場合のＲａｖｅである０．９３４よりも高い値となっており、全反射を利用して金属での吸収を抑えた効果が現れている。
【００８７】
次に、透明導電膜の膜厚と反射率の関係を図６に示す。ここで反射率は式（１）で計算される加重平均反射率である。図６では、透明導電膜２、４を削除した場合、および透明導電膜２、４の膜厚を１０ｎｍ、１５ｎｍ、３０ｎｍ、５０ｎｍと変化させた場合の、透明導電膜３の膜厚の変化に対する反射率の変化が示されている。横軸は、透明導電膜３の膜厚（×λ／４ｎ）である。白色の四角により示されたグラフは、透明導電膜４を削除した場合を示す。黒色の丸により示されたグラフは、透明導電膜４の膜厚を１０ｎｍとした場合を示す。黒色のひし形により示されたグラフは、透明導電膜４の膜厚を１５ｎｍとした場合を示す。黒色の三角により示されたグラフは、透明導電膜４の膜厚を３０ｎｍとした場合を示す。黒色の四角により示されたグラフは、透明導電膜４の膜厚を５０ｎｍとした場合を示す。
【００８８】
透明導電膜４の膜厚を１０ｎｍとした場合（黒色の丸のグラフ）、透明導電膜３の膜厚が２．５×（λ／４ｎ）未満では、透明導電膜３が薄くなるに従って反射率が低下する。透明導電膜３の膜厚が２．５×（λ／４ｎ）以上では、反射率は約９６％〜９７％である。
【００８９】
透明導電膜４の膜厚を１５ｎｍとした場合（黒色のひし形のグラフ）も、透明導電膜３の膜厚が２．５×（λ／４ｎ）未満では、透明導電膜３が薄くなるに従って反射率が低下する。透明導電膜３の膜厚が２．５×（λ／４ｎ）以上では、反射率は約９５％〜９６％である。
【００９０】
透明導電膜４の膜厚を３０ｎｍとした場合（黒色の三角のグラフ）および透明導電膜４の膜厚を５０ｎｍとした場合（黒色の四角のグラフ）は、反射率は９５％を下回る。
【００９１】
図６に示した結果から、透明導電膜４の膜厚は１５ｎｍ以下、さらには１０ｎｍ以下が好ましく、また透明導電膜４の膜厚は２．５λ／４ｎ以上、すなわち、透明導電膜３の厚さに対する光路長を活性層６の発光中心波長に対して０．６２５以上にすることが好ましい。
【００９２】
次に金属層１からｐ型層５までの部分の電気抵抗について考える。
【００９３】
透明電極層のｐ型層５および金属層１と接する部分は、キャリア数が多い透明導電膜４および２により形成されているので、透明電極層とｐ型層５との接触抵抗を十分に小さくすることができ、良好なオーミックコンタクトをとることができる。
【００９４】
一方、透明導電膜３はキャリア数が少ないため、この部分は抵抗が大きくなる。しかし、ここでの抵抗は接触抵抗ではなくバルク抵抗となる。界面での電流が主にトンネル現象により流れ、かつ透明導電膜側の空乏層が支配的であるとすると、空間電荷密度Ｎ（キャリア密度と等しい）に対し、接触抵抗は概ねｅｘｐ（Ｎ1/2）に比例する。これに対し、バルク抵抗は、１／Ｎに比例する。このことから、バルク抵抗は接触抵抗と比べてキャリア依存性が小さいことが分かる。すなわちキャリア数を少なくしても、バルク抵抗は接触抵抗ほど大幅に増加しない。例えば、１ｍｍ角の電極に対して、透明導電膜３の抵抗を考える。波長４５０ｎｍに対して２．５×λ／４ｎの厚さとし、ｎ＝１．５２とすると、膜厚は１８５ｎｍとなる。透明導電膜３はＩＴＯに対して吸収係数が１／１００となっており、透明導電膜中の吸収は主にフリーキャリア吸収であることから、キャリア数も概ねＩＴＯの１／１００と考えて良い。さらにＣａＦ２の添加などの低屈折率化のために移動度が１／１０まで下がると考えると、導電率はＩＴＯの１０-3、すなわち抵抗率が１０3倍となる。このように透明導電膜３の抵抗率がＩＴＯやＧＺＯの約１０3倍である０．２Ω・ｃｍであると考えても、膜の抵抗は０．０００３７Ωと極めて小さい。仮に抵抗率がさらに１桁上がったとしても膜の抵抗は０．００３７Ωに過ぎない。したがって、透明導電膜にキャリア数の比較的少ない膜を用いたとしても、バルク抵抗は十分小さく抑えることが可能である。
【００９５】
したがって、図４の構造では接触抵抗、バルク抵抗ともに十分低くすることが可能となる。
【００９６】
以上説明したように、本実施形態の半導体発光素子によれば、高反射率の反射層を構成することができるので、光の取り出し効率を高くするこができる。
【００９７】
また、電気抵抗も十分低くすることが可能であり、さらに電流注入は、金属層１から透明導電膜２〜４からなる透明電極層を介してｐ型層５の透明電極層側の面全体に対して一様に行われる。よって、ｐ型層５への電流注入量が不均一となる問題は生じない。
【００９８】
さらに、特許文献１に記載されたような複数の金属部２０５を形成する必要がないので、その分、特許文献１に記載されたものより製造工数を少なくすることができる。
【００９９】
また、透明導電膜はｐ型半導体に対して良好な密着性を有し、金属に対する密着性も比較的良好であることから、Ａｇなどの高反射金属を直接半導体に積層する構造に比べると、素子の信頼性の点でも好ましい。
【０１００】
なお、本実施形態の半導体発光素子は、既存のエピタキシャル成長を利用した製造プロセスにより形成することができる。以下に、その製造手順を簡単に説明する。
【０１０１】
まず、成長用の第１の基板上に、ｎ型層７、活性層６、ｐ型層５を順に、エピタキシャル成長により積層する。その後、ｐ型層６の面上に、例えばスパッタにより、透明導電膜４、透明導電膜３、透明導電膜２、金属層１を順に形成する。最後に、金属層１側を第２の基板に取り付けた後、第１の基板を剥がす。これにより、図４に示した構造の半導体発光素子を得る。
【０１０２】
（第２の実施形態）
図７は、本発明の第２の実施形態である半導体発光素子の主要部の断面図である。
【０１０３】
本実施形態の半導体発光素子では、金属層１と透明導電膜２の間にＮｉ層８が設けられており、この点が第１の実施形態のものと異なる。Ｎｉ層８の膜厚は例えば５ｎｍである。
【０１０４】
図８に、本実施形態の半導体発光素子の反射層の入射角と反射率の関係を示す。縦軸は反射率で１に規格化されている。横軸は、反射層に対する入射角を示す。反射率は、第１乃至第３界面および金属層１の各反射率を含む。
【０１０５】
図８中の実線、破線、一点鎖線が意味するところは図５と同じである。
【０１０６】
本実施形態においても、入射角が約３７°以上の高角入射光のほとんどは、透明導電膜３と透明導電膜４の間の第２界面で全反射される。この場合の反射率は、第１の実施形態とほぼ同じである。
【０１０７】
一方、入射角が３７°未満の光は、Ｎｉ層８を介して金属層１に入射し、金属層１によって活性層６側の方向に反射される。この場合は、Ｎｉ層８による光の吸収がある分、第１の実施形態よりも反射率が低くなる。本構造では、式（１）を用いて計算されるＲａｖｅは０．９２３となる。
【０１０８】
本実施形態の半導体発光素子によれば、第１の実施形態のものと比較して、低角入射光に対する反射率は低いものの、高角入射光に対する反射率は同等であり、入射角が〜９０°までの光に対して、相対的に高い反射率を得ることができる。
【０１０９】
加えて、透明導電膜２〜４からなる透明電極層と金属層１との間にＮｉ層８が設けられているので、第１の実施形態のものと比較して、透明電極層と金属層１との接触抵抗をさらに小さくすることができ、良好なオーミックコンタクトをとることができる。また、透明電極層の金属層１に対する密着性も、第１の実施形態のものより高くすることができる。
【０１１０】
上述した第２の実施形態において、Ｎｉ層８は金属層１全体に設けられているが、これに限定されない。図９に示すように、Ｎｉ層８は、金属層１の透明導電膜２側の面に形成された複数の島状のＮｉ領域より形成されてもよい。島状のＮｉ領域は矩形形状であってもよい。島状のＮｉ領域は、マトリクス状の配置であってよく、また、一方向に並べられた一次元の配置であってもよい。
【０１１１】
また、Ｎｉ層８に代えて、Ｔｉ層、Ｃｒ層およびＰｄ層のいずれかの層を形成してもよい。この場合も、Ｎｉ層８を用い場合と同様の作用効果を奏する。
【０１１２】
図１０に、比較例として、金属層とｐ型層の間にＮｉ層のみを設けた半導体発光素子における、金属層およびＮｉ層からなる反射層の入射角と反射率の関係を示す。縦軸は反射率である。横軸は、反射層に対する入射角を示す。
【０１１３】
図１０中の実線、破線、一点鎖線が意味するところは図５、図８と同じである。
【０１１４】
図１０から分かるように、本構造では全反射を利用することが出来ないので、高角入射光の反射率が図８に比べて低くなっており、式（１）を用いて計算されるＲａｖｅも０．７２５と低くなる。
【０１１５】
これに対して、本実施形態の半導体発光素子によれば、高角入射光について高反射率を得ることができ、その結果、前述のようにＲａｖｅも高くなる。
【０１１６】
第２の実施形態の半導体発光素子も、前述したエピタキシャル成長を用いた製造手順で作成することができる。ただし、透明導電体２を形成後、透明導電体２上にＮｉ層８を形成する工程が必要である。
【０１１７】
以上、実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではない。本発明の構成および動作については、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、当業者が理解し得る様々な変更を行うことができる。
【０１１８】
例えば、第１または第２の実施形態の半導体発光素子において、図１に示した１／４波長板１０５および偏光子１０６を設けてもよい。この場合は、偏光子１０６は、ｎ型層７の活性層６側とは反対の側の面と対向する位置に配置される。１／４波長板１０５は、偏光子１０６とｎ型層７の間に配置される。
【０１１９】
上記の構成によれば、ｎ型層７の活性層６側とは反対の面から出射され、１／４λ板１０５を介して偏光子１０６に入射した光のうち、第１の偏光の光については、偏光子１０６をそのまま透過し、第２の偏光の光は偏光子１０６で活性層６側の方向に反射される。
【０１２０】
偏光子１０６で反射された光は、λ／４板１０５を通過し、ｎ型層７に入射する。ｎ型層７に入射した光は、一部が表面にて反射されるが、ほとんどの光は、活性層６およびｐ型層５を介して反射層（透明導電膜２〜４および金属層１）に入射する。反射層では、入射光は活性層６側の方向に向けて反射される。反射光は、ｐ型層５、活性層６を透過して、ｎ型層の表面から出射される。
【０１２１】
偏光子１０６で反射された第２の偏光の光のうち、反射層側へ向かう過程と、反射層で反射されて偏光板１０６へ向かう過程とにおいて、１／４波長板を２回通過したものが、第１の偏光に変換されて偏光子１０６を通過する。
【０１２２】
上記の偏光変換によりに光利用効率が向上する。偏光子１０６から出射される光の偏光は第１の偏光に揃えられているので、本半導体発光素子を、液晶パネルを照明する照明装置の光源として利用することができる。
【０１２３】
なお、ＬＥＤ部分、すなわち金属層１からｎ型層７の積層部での反射（内部での多重反射を含む）時に偏光がほぼ解消される（ランダムになる）場合には、１/４波長板を削除してもよい。
【０１２４】
本半導体発光素子によれば、出射面積を増大することなく偏光変換を行うことができるので、本半導体発光素子を液晶プロジェクタの光源に用いた場合、エテンデューの制約による光損失を抑制することができる。
【０１２５】
また、第１または第２の実施形態の半導体発光素子において、ｐ型層５とｎ型層７は互いの位置が反対になるように形成されてもよい。この場合は、ｎ型層７の活性層６側とは反対の面に反射層（金属層１および透明導電膜２〜４）が形成される。この反射層は、ｎ型層７の電極として機能する。
【０１２６】
また、本発明の半導体発光素子は、プロジェクタの光源に用いることができる。このプロジェクタの主要部は、本発明の半導体発光素子と、この半導体発光素子からの光を空間的に変調する表示素子と、表示素子で形成された画像光を投射する投射光学系と、を有する。
【０１２７】
以上の説明では、プロジェクタ用光源を例に取り、偏光子と組み合わせた構成に適用した場合の利点について説明しているが、本発明は照明用など、通常のＬＥＤの光取り出し効率向上にも有効である。すなわち、本発明の半導体発光素子は、ＬＥＤに代表される面発光型の固体光源全般に適用することができる。
【０１２８】
また、本発明は、太陽電池等の用途として用いられる受光素子にも適用することができる。本発明を適用した受光素子は、第１および第２の実施形態において、活性層を光吸収層に置き換えた構成とされる。
【０１２９】
受光素子では、発光ダイオードと逆の過程を通じて電子に光のエネルギーを吸収させ（光励起）、半導体の性質を利用して、その電子を電力として取り出す。
【０１３０】
上記の受光素子において、金属層は透明電極層を介してｐ型層上に形成されており、金属層と第２導電型層の間に特許文献１に記載されたような複数の金属部は介在しない。よって、前述した電力の取り出しの問題は生じない。
【０１３１】
加えて、反射層の反射率を高くすることができるので、活性層における光吸収効率を高くすることができる。
【０１３２】
また、以上の例では半導体層と金属層の両側にキャリア数が多く、屈折率の高い透明導電膜を配置しており、これが最良の形態となる。ただし、金属と透明導電膜との接触抵抗は、半導体層と透明導電膜の接触抵抗に比べれば良好であるので、半導体側のみにキャリア数が多く、屈折率の高い膜を形成する構成も必要に応じて使用可能である。これは図４もしくは図７において透明導電膜２が無い場合に相当する。
【０１３３】
また、以上の例では、半導体からなる素子について説明したが、本発明は、半導体以外、例えば有機物で構成される発光素子もしくは受光素子へ適用可能である。
【０１３４】
以上説明したように、本発明によれば、反射層の反射率を高めることができるので、光の取り出し効率または光吸収率を高くするこができる。
【０１３５】
また、金属層は透明電極層を介して第２導電型層上に形成されており、金属層と第２導電型層の間に特許文献１に記載されたような複数の金属部は介在しない。よって、電流注入の問題や電力の取り出しの問題は生じない。
【０１３６】
さらに、特許文献１に記載されたような複数の金属部を形成する必要がないので、その分、特許文献１に記載されたものより製造工数を少なくすることができる。
【０１３７】
また、透明電極層の第２導電型層と接する部分は、キャリア数が多い透明導電膜（第１の透明導電膜）により形成されているので、透明電極層と第２導電型層との接触抵抗を十分に小さくすることができ、透明電極層の第２導電型層に対する密着性も、十分に高いものにすることができる。
【０１３８】
この出願は、２０１０年１１月１５日に出願された日本出願特願２０１０−２５４８２３を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
【図１】
2012067075.tif 000004
【図２】
2012067075.tif 000005
【図３】
2012067075.tif 000006
【図４】
2012067075.tif 000007
【図５】
2012067075.tif 000008
【図６】
2012067075.tif 000009
【図７】
2012067075.tif 000010
【図８】
2012067075.tif 000011
【図９】
2012067075.tif 000012
【図１０】
2012067075.tif 000013
【手続補正書】
【提出日】平成25年5月15日(2013.5.15)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３６】
ｐ型半導体層２０３への電流注入は、金属層２００から各金属部２０６および透明導電層２０２を介して行われる。透明導電層２０２が薄く、金属部２０６の間隔がある程度大きい場合、ｐ型半導体層２０３の透明導電層２０２側の面において、金属部２０６近傍の領域における電流注入量が最も多くなり、その領域から離れるに従って電流注入量は徐々に減少する。このように、ｐ型半導体層２０３に注入される電流量が面内方向において不均一であるため、活性層２０４全体で発光を効率的に行うことは困難である。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３８】
なお、金属部２０６の数を多くし、密度を高めることで、ｐ型半導体層２０３における電流注入量が不均一となることを抑制することはできるが、この場合は、金属部２０６を増やした分、金属部２０６にて吸収される光の量が増大する。このため、裏面側の反射膜の反射率が低下して、半導体発光素子の表面からの光の取り出し効率が低下する。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３９】
上記の電流注入の問題は、受光素子においては、電力の取り出しの問題に置き換えることができる。すなわち、受光素子においては、発光素子の逆の過程を通じて、活性層２０４にて電子に光のエネルギーを吸収させ（光励起）、その電子を、金属部２０６を通じて電力として取り出すように構成される。直下に金属部２０６が無い箇所では、光吸収により発生したキャリアが、ｐ型半導体層２０２を水平方向に移動した後、金属部２０６に到達することになる。これにより電圧降下を生じるため、取り出し可能なエネルギーが低下する。金属部２０６の数を多くし、密度を高めることで、上記水平方向の移動距離を短縮し、電圧降下を低減することができるが、この場合、発光素子の場合と同様に反射率低下の問題が生じる。
【国際調査報告】
2012067075.tif 000014
2012067075.tif 000015
2012067075.tif 000016
2012067075.tif 000017