(57)【要約】      （修正有）【課題】高発光効率の半導体発光素子を提供する。【解決手段】第１の導電型を有する第１の半導体層と、第１の半導体層上に形成された発光層と、発光層上に形成された第２の導電型を有する第２の半導体層と、第２の半導体層上に形成され、第２の半導体層よりも低い光屈折率を有する透光性の導電体層と、導電体層上に形成された金属層とを含み、第２の半導体層の層厚は、発光層からの直接放出光及び導電体層からの導電体層反射光の位相が、発光層から第１の半導体層の方向に向かって進む際に整合するように定められ、導電体層の層厚は、導電体層反射光及び金属層からの金属層反射光の位相が、発光層から第１の半導体層の方向に向かって進む際に整合するように定められている。【選択図】図１
2014103240.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の導電型を有する第１の半導体層と、前記第１の半導体層上に形成された発光層と、前記発光層上に形成された第２の導電型を有する第２の半導体層と、前記第２の半導体層上に形成され、前記第２の半導体層よりも低い光屈折率を有する透光性の導電体層と、前記導電体層上に形成された金属層とを含み、
前記第２の半導体層の層厚は、前記発光層からの直接放出光及び前記導電体層からの導電体層反射光の位相が、前記発光層から前記第１の半導体層の方向に向かって進む際に整合するように定められ、
前記導電体層の層厚は、前記導電体層反射光及び前記金属層からの金属層反射光の位相が、前記発光層から前記第１の半導体層の方向に向かって進む際に整合するように定められていることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
前記発光層は多重量子井戸構造を有しており、前記多重量子井戸構造のうちのいずれか１つの井戸層を位相整合位置の基準井戸層とし、
前記基準井戸層から前記第２の半導体層と前記導電体層との界面までの距離は、前記基準井戸層からの直接放出光及び前記導電体層からの導電体層反射光の位相が、前記基準井戸層から前記第１の半導体層の方向に向かって進む際に整合するように定められ、
前記導電体層の層厚は、前記導電体層反射光及び前記金属層からの金属層反射光の位相が、前記基準井戸層から前記第１の半導体層の方向に向かって進む際に整合するように定められていることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記第２の半導体層はｐ型半導体層であり、
前記基準井戸層は前記発光層の中央位置よりも前記ｐ型半導体層に近い側の井戸層のいずれか１つであることを特徴とする請求項２に記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記基準井戸層は前記多重量子井戸構造のうちで最大発光強度を有する最大発光強度井戸層であることを特徴とする請求項３に記載の半導体発光素子。
【請求項５】
前記導電体層は金属酸化物からなることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体発光素子、特に発光ダイオード（ＬＥＤ）などの半導体発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば発光ダイオードなどの半導体発光素子は、通常、成長基板上に、ｎ型半導体層、発光層、及びｐ型半導体層からなる半導体構造層を成長し、半導体構造層に電極を形成して作製される。発光層から発せられた光をより多く取出すことを図る半導体発光素子として、ｐ型半導体層上に透明導電体層及び金属層を形成し、支持基板に貼り付けた後、成長基板を除去した構成を有するいわゆるシンフィルム構造の半導体発光素子が知られている。また、非特許文献１には、フリップチップ構造を有する半導体発光素子において、発光層と半導体構造層の直上に設けられた金属層との間の距離が光の取出し効率に関連することが開示されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】Applied Physics Letters, Volume 82, Number 14
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
半導体発光素子の発光層から発せられた光は、発光層から放射状に進む。従って、ｎ型半導体層側から光を取出す場合、光取出し面であるｎ型半導体層の表面の方向に向かって進む光と、その反対方向であるｐ型半導体層の方向に向かって進む光とが存在する。一方、上記したように、半導体構造層上に透明導電体層（例えばＩＴＯ層）及び金属層（例えばＡｇ層）をｐ型半導体層上に設けることが知られている。この構成においては、透明導電体層及び金属層を設けない場合に比べて多くの光を取出すことができ、発光効率を向上させることができる。
【０００５】
しかし、発光層から直接ｎ型半導体層の方向に向かって進む光と、ｐ型半導体層の方向に向かって進んだ後に導電体層によって反射された光と、ｐ型半導体層の方向に向かって進んだ後に金属層によって反射された光とは、一般に、発光層からｎ型半導体層に向かう際に位相が異なる。この場合、光取出し面においてこれらの光が弱め合ってしまい、発光効率が低下するという課題があることがわかった。
【０００６】
本発明は上記した点に鑑みてなされたものであり、光取出し面における光の位相を整合するように構成された高発光効率の半導体発光素子を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明による半導体発光素子は、第１の導電型を有する第１の半導体層と、第１の半導体層上に形成された発光層と、発光層上に形成された第２の導電型を有する第２の半導体層と、第２の半導体層上に形成され、第２の半導体層よりも低い光屈折率を有する透光性の導電体層と、導電体層上に形成された金属層とを含み、第２の半導体層の層厚は、発光層からの直接放出光及び導電体層からの導電体層反射光の位相が、発光層から第１の半導体層の方向に向かって進む際に整合するように定められ、導電体層の層厚は、導電体層反射光及び金属層からの金属層反射光の位相が、発光層から第１の半導体層の方向に向かって進む際に整合するように定められていることを特徴としている。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】（ａ）及び（ｂ）は、本発明による半導体発光素子におけるｐ型半導体層及び導電体層の層厚を説明する図である。
【図２】本発明による実施例１の半導体発光素子の構造を示す断面図である。
【図３】本発明による実施例２の半導体発光素子（図３（ａ））及びその改変例（図３（ｂ））の構造を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図１（ａ）及び図１（ｂ）を用いて、本発明による半導体発光素子における、例えばｐ−ＧａＮ層などのｐ型半導体層の層厚と、ＩＴＯなどの透明導電体（以下、単に導電体と称する）層の層厚とを説明する。ここでは、発光層（ＡＣＴ）から発せられた光の波長をλとし、発光層から直接ｎ型半導体層の方向に向かう光Ｌ１を基準として説明する。
【００１０】
発光層から放出され、ｐ型半導体層と導電体層との界面ｂ１に入射し、当該界面ｂ１によって反射された光Ｌ２は、ｐ型半導体層内を往復した後にｎ型半導体（例えばｎ−ＧａＮ）層の方向に向かって進む。従って、光Ｌ２は、発光層から直接ｎ型半導体層の方向に向かう光Ｌ１よりも２ｄ１だけ長い距離を進むこととなる。
【００１１】
ｐ型半導体層の光屈折率ｎ１は導電体層の光屈折率ｎ２よりも大きいため、界面ｂ１において反射する際の位相反転を考慮する必要はない。従って、この光Ｌ１の位相と光Ｌ２の位相とを整合するためには、距離の差２ｄ１がｐ型半導体層内の光の波長λ１の整数倍であれば良い。
【００１２】
すなわち、ｊを自然数とすると、ｐ型半導体層は、式２ｄ１＝ｊλ１を満たすような層厚を有していれば良い。ｐ型半導体層内の光の波長λ１は、式λ１＝λ／ｎ１によって表すことができるので、最適なｐ型半導体層の層厚ｄ１の条件は、
ｄ１＝ｊλ／２ｎ１    ・・・式（１）
によって表現することができる。
【００１３】
次に、発光層から放出され、導電体層と金属（例えばＡｇ）層との界面ｂ２に入射し、当該界面ｂ２によって反射される光Ｌ３を考える。上記したように光Ｌ１及び光Ｌ２の位相は整合するため、光Ｌ２の位相と光Ｌ３の位相とを整合することを検討すれば光Ｌ１及び光Ｌ３の位相は整合することとなる。光Ｌ３は、導電体層を往復した後にｐ型半導体層すなわちｎ型半導体層の方向に向かって進む。すなわち、光Ｌ３は、光Ｌ２よりも２ｄ２だけ長い距離を進むこととなる。
【００１４】
ここで、導電体層の光屈折率ｎ２は金属層の光屈折率ｎ３よりも小さいため、光Ｌ３は、界面ｂ２において反射された際にその位相が反転する。従って、光Ｌ２の位相と光Ｌ３の位相とを整合するためには、距離の差２ｄ２が導電体層内の光の波長λ２の整数倍にその半波長分を加えたものであれば良い。
【００１５】
すなわち、ｋを自然数とすると、導電体層は、式２ｄ２＝（２ｋ＋１）λ２／２を満たすような層厚を有していれば良い。導電体層内の光の波長λ２は、式λ２＝λ／ｎ２によって表すことができるので、最適な導電体層の層厚ｄ２の条件は、
ｄ２＝（２ｋ＋１）λ／４ｎ２    ・・・式（２）
によって表現することができる。
【００１６】
なお、光Ｌ３が界面ｂ２において反射された場合において、その後界面ｂ１及び界面ｂ２において複数回反射された後にｎ型半導体層の方向に向かって進む場合も考えられる。この場合、屈折率ｎ２は屈折率ｎ１よりも小さいので、界面ｂ１においても光の位相が反転する。つまり、導電体層内を進む光は、界面ｂ１及び界面ｂ２の両方において反射される際にその位相が反転する。しかし、ｎ型半導体層の方向に向かって進む光において、界面ｂ２において反射される回数は界面ｂ１において反射される回数よりも必ず１回だけ多い。従って、何度界面ｂ１及び界面ｂ２において反射された場合であっても、ｎ型半導体層の方向に向かって進む光の位相は反転している。すなわち、光Ｌ３のように進む場合を検討すればこれらの光の位相を整合することができる。
【００１７】
説明の便宜上、以下においては、直接ｎ型半導体層の方向に向かう光Ｌ１を直接放出光と称し、発光層から放出されて界面ｂ１に入射した後に界面ｂ１によって反射された光Ｌ２を導電体層反射光と称し、発光層から放出されて界面ｂ２に入射した後に界面ｂ２によって反射された光Ｌ３を金属層反射光と称する。
【００１８】
本発明による半導体発光素子は、式（１）を満たすような層厚を有するｐ型半導体層及び式（２）を満たすような層厚を有する導電体層を含む。従って、光取出し面における光の位相を整合するように構成された高発光効率な半導体発光素子を提供することができる。
【００１９】
なお、発光層が単層構造（いわゆるバルク発光層）を有する場合について説明したが、発光層は多重量子井戸構造を有していても良い。この場合、導電体層の層厚については上記したように（式（２）に従って）決定し、ｐ型半導体層の層厚については上記とは異なる方法によって決定する。すなわち、多重量子井戸構造のうちのいずれか１つの井戸層を位相整合位置の基準井戸層とし、当該基準井戸層からｐ型半導体層と導電体層との界面までの距離が式（１）を満たすようにｐ型半導体層の層厚を決定することが好ましい。このようにｐ型半導体層及び導電体層の層厚を決定すれば、光取出し面において発光層からの直接放出光及び上記界面からの反射光の位相が整合した高発光効率の半導体発光装置を提供することができる。
【００２０】
また、ｐ型半導体層上に導電体層及び金属層が形成される場合について説明したが、これに限らない、例えば、ｎ型半導体層上に導電体層及び金属層が形成されていても良い。また、ｐ型半導体層、発光層及びｎ型半導体層がＧａＮ（窒化ガリウム）系半導体からなる場合について説明したが、ｐ型半導体層、発光層及びｎ型半導体層は他の半導体から構成されてもよい。また、導電体層が透明である場合について説明したが、導電体層は発光層からの発光に対して透光性であれば良い。例えば、導電体層はＩＴＯ又はＩＺＯなどの金属酸化物から形成されることができる。これらは以下の実施例についても同様である。
【００２１】
上記したように、本発明による半導体発光素子においては、第２の半導体層の層厚は、発光層からの直接放出光及び導電体層からの導電体層反射光の位相が、発光層から第１の半導体層の方向に向かって進む際に整合するように定められ、導電体層の層厚は、導電体層反射光及び金属層からの金属層反射光の位相が、発光層から第１の半導体層の方向に向かって進む際に整合するように定められている。かかる構成によって、高発光効率かつ安定した発光強度を有する半導体発光素子を提供することができる。
【実施例】
【００２２】
【実施例１】
【００２３】
図２は、本発明による実施例１の半導体発光素子１０の構造を示す断面図である。半導体発光素子１０は、金属層としてのＡｇ層１１、導電体層としてのＩＴＯ層１２、ｐ型半導体層としてのｐ−ＧａＮ層１３、発光層としてのＩｎＧａＮ層１４、及びｎ型半導体層としてのｎ−ＧａＮ層１５を有している。半導体発光素子１０は、例えば、成長基板（図示せず）上にｎ−ＧａＮ層１５、ＩｎＧａＮ層１４、及びｐ−ＧａＮ層１３を成長し、これと支持基板（図示せず）上に形成されたＡｇ層１１及びＩＴＯ層１２とを貼付けた後、当該成長基板を除去することによって作製される。
【００２４】
半導体発光素子１０のｐ−ＧａＮ層１３の層厚ｄ１及びＩＴＯ層の層厚ｄ２は、それぞれ上記式（１）及び式（２）を満たすように定められている。本実施例においては、ＩｎＧａＮ層１４から発せられる光の波長λを４４０ｎｍ、ｐ−ＧａＮ層１３の光屈折率ｎ１を２．４７、ＩＴＯ層１２の光屈折率ｎ２を１．８５とし、自然数ｊ及びｋを１として層厚ｄ１及びｄ２を決定した。層厚ｄ１及び層厚ｄ２は、それぞれ、８９．０７ｎｍ、５９．４６ｎｍと導出された。
【００２５】
半導体発光素子１０は上記のような構成を有している。従って、発光層であるＩｎＧａＮ層１４から発せられた光のうち、直接放出光と、導電体層反射光と、金属層反射光と、はＩｎＧａＮ層１４からｎ−ＧａＮ層１５の方向に向かう際にその位相が整合することとなる。これら位相の整合した光がｎ−ＧａＮ層１５に向かうことによって、互いに干渉しかつ強め合った光を取出すことが可能となる。従って、高発光効率かつ安定した発光強度を有する半導体発光素子を提供することができる。
【００２６】
なお、本実施例においては、金属層がＡｇからなる場合について説明したが、金属層がＡｇ層でない場合についても同様の効果を得ることができる。また、最適な層厚は、式（１）及び式（２）を構成する要素である導電体層の光屈折率ｎ１、半導体層の光屈折率ｎ２、及び発光波長λによって異なる。
【実施例２】
【００２７】
図３（ａ）及び（ｂ）は、本発明による実施例２の半導体発光素子２０及びその改変例の構造を示す断面図である。半導体発光素子２０は、金属層としてのＡｇ層２１、導電体層としてのＩＴＯ層２２、ｐ型半導体層としてのｐ−ＧａＮ層２３、電子障壁層としてのＡｌｘＧａ１−ｘＮ層２４、発光層２５、及びｎ型半導体層としてのｎ−ＧａＮ層２６を有している。本実施例において、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層２４におけるＡｌの組成（ｘ）は１５％であった。
【００２８】
図３（ａ）に示されているように、発光層２５は、６層のＩｎｙＧａ１−ｙＮ井戸層（ウェル層）及びＧａＮ障壁層（バリア層）からなる多重量子井戸構造を有している。説明上、最もｐ−ＧａＮ層２３に近いＧａＮ障壁層をＢ１層、最もｐ−ＧａＮ層２３に近いＩｎｙＧａ１−ｙＮ井戸層をＷ１層とし、最もｎ−ＧａＮ層２６に近いＧａＮ障壁層及びＩｎｙＧａ１−ｙＮ井戸層をそれぞれＢ７層及びＷ６層とする。各ＩｎｙＧａ１−ｙＮ井戸層におけるＩｎの組成（ｙ）は２５％であった。
【００２９】
上記したように、本実施例では発光層２５が多重量子井戸構造を有しているので、導電体層の層厚については実施例１と同様に決定するが、ｐ型半導体層の層厚については基準井戸層を用いて決定する。すなわち、多重量子井戸構造のうちのいずれか１つの井戸層を位相整合位置の基準井戸層とし、この基準井戸層から導電体層までの距離を最適化する。なお、基準井戸層は、多重量子井戸構造のうち、最大発光強度を示す井戸層（以下、最大発光強度井戸層と称する）であることが好ましい。
【００３０】
各層の層厚、材料、組成、キャリア濃度などによって異なるが、多重量子井戸構造を有する発光層を用いる場合、最大発光強度井戸層は発光層の中でもｐ型半導体層に近い側に存在するとの知見を得た。これは、ホールの量子井戸への注入効率に起因する。すなわち、ホールはｐ型半導体層に近い側の井戸層へ注入されやすいことに起因すると解される。
【００３１】
従って、最大発光強度井戸層は、発光層の中央位置（ＣＬ）よりもｐ型半導体層に近い側の井戸層のいずれかである。例えば、６個の井戸層を有する発光層を用いる場合、最大発光強度井戸層は、ｐ型半導体層側から１〜３番目の井戸層のいずれかであり、５個の井戸層を有する場合はｐ型半導体側から１番目又は２番目の井戸層である。ここで、発光層の中央位置（ＣＬ）は、最もｐ型半導体層側の井戸層から最もｎ型半導体層側の井戸層までの距離における中央位置とする。
【００３２】
最大発光強度井戸層がどの井戸層であるかは、例えば、ｐ型半導体層又は導電体層の層厚を変更し、これらの層厚及び屈折率に対する光取出し効率の変化を実測することによって特定することが可能である。本実施例においては、最大発光強度井戸層がＷ２層すなわちｐ−ＧａＮ層２３に近い側から２番目のＩｎｙＧａ１−ｙＮ井戸層であることを特定した場合について説明する。
【００３３】
従って、Ｗ２層とＢ２層との界面からＩＴＯ層２２とｐ−ＧａＮ層２３との界面までの距離Ｄを上記式（１）に従って決定し、さらに、ＩＴＯ層２２の層厚ｄ２を式（２）に従って決定した。なお、距離Ｄの決定には各層の光屈折率を考慮する必要があるが、本実施例においては、考慮する全ての層にＧａＮが含まれているので、これら層の光屈折率はｐ−ＧａＮ層２３の光屈折率とほぼ同じであるとした。
【００３４】
Ｂ２層からｐ−ＧａＮ層２３までの光屈折率ｎ１を２．４７、ＩＴＯ層２２の屈折率ｎ２を１．８５、Ｗ２層から発せられる光の波長λを４４０ｎｍ、自然数ｊ及びｋを１とし、距離Ｄ及び層厚ｄ２を決定した。距離Ｄは８９．０７ｎｍ、層厚ｄ２は５９．４６ｎｍと導出される。
【００３５】
図３（ｂ）は、半導体発光素子２０の改変例として、ｐ−ＧａＮ層２３に電流拡散層としてのｐ＋−ＧａＮ層（高濃度ｐ−ＧａＮ層）２３Ａが含まれる場合の半導体発光素子２０の構造を示す断面図である。本改変例におけるｐ−ＧａＮ層２３Ｂは図３（ａ）におけるｐ−ＧａＮ層２３に対応する。本改変例においては、Ｗ２層とＢ２層との界面からＩＴＯ層２２とｐ＋−ＧａＮ層２３Ａとの界面までの距離を図３（ａ）における距離Ｄとして最適化すれば良い。
【００３６】
本改変例においては、Ｂ２層が５ｎｍ、Ｗ１層が４ｎｍ、Ｂ１層が７ｎｍ、ｐ−ＡｌＧａＮ層２４が１２ｎｍ、ｐ−ＧａＮ層２３ｂが５８．０７ｎｍ、ｐ＋−ＧａＮ層２３ａが２ｎｍ、ＩＴＯ層２２が５９．４６ｎｍの層厚を有するように構成されている。すなわち、距離Ｄが８９．０７ｎｍ、層厚ｄ２が５９．４６ｎｍとなるように構成されている。従って、最大発光強度井戸層であるＷ２層から発せられた光のうち、直接放出光と、導電体反射光と、金属層反射光と、の位相がＷ２層からｎ−ＧａＮ層２５の方向に向かう際に整合することとなる。
【００３７】
本実施例及び改変例においては、位相の整合した直接放出光及び反射光がｎ型半導体層に向かうので、互いに干渉しかつ強め合った光を取出すことが可能となる。従って、高発光効率かつ安定した発光強度を有する半導体発光素子を提供することができる。
【００３８】
なお、本実施例においては、発光層が６個の井戸層を有する場合について説明したが、発光層が６個の井戸層を有する場合のみに制限されるものではない。また、発光層の最大発光強度を示す井戸層がｐ型半導体層に近い側から２番目の井戸層である場合について説明したが、上記したように、最大発光強度井戸層は発光素子を構成する各層の層厚、組成及びキャリア濃度などによって異なる。
【００３９】
また、必ずしも最大発光強度の井戸層に限らず、他の井戸層よりも発光強度の大なる井戸層を基準井戸層として最適な層厚を決定しても良い。
【符号の説明】
【００４０】
１０、２０  半導体発光素子
１１、２１  金属層
１２、２２  導電体層
１３、２３  ｐ型半導体層
１４、２５  発光層
１５、２６  ｎ型半導体層
Ｗ１−Ｗ９  井戸層
Ｌ１  直接放出光
Ｌ２  導電体層反射光
Ｌ３  金属層反射光
【図１】
2014103240.tif 000003
【図２】
2014103240.tif 000004
【図３】
2014103240.tif 000005