(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
反射層と、
前記反射層上のオーミック接触層と、
前記オーミック接触層上の第２半導体層と、
前記第２半導体層上の活性層と、
前記活性層上の第１半導体層と、
を備え、
前記第１半導体層の上面には光結晶構造が形成され、
前記反射層と前記活性層の発光部分の間の距離をｄとしたときに、ｄ＝（２ｍ＋１）／４×（λ／ｎ）±αであり、ここでｍは０以上の整数、λは前記活性層によって放出される光の波長、ｎは前記活性層と前記反射層の間に位置する前記第２半導体層とオーミック接触層を含む媒質の平均屈折率、αは前記反射層の種類に応じた変動幅を示し、α＜（１／８）×（λ／ｎ）であり、
前記オーミック接触層は、
下部透明伝導性酸化物層と、
前記下部透明伝導性酸化物層上にある酸化物または窒化物の中間層と、
前記酸化物または窒化物の中間層上にある上部透明伝導性酸化物層と、を含み、
前記下部透明伝導性酸化物層と前記上部透明伝導性酸化物層とは相互離隔され、
前記中間層は前記光結晶構造のパターンと同一パターンを有し、前記パターンの間の空間は透明伝導性酸化物で埋められる発光素子。
【請求項２】
前記光結晶構造の深さは（λ／ｎ）以上である請求項１に記載された発光素子。
【請求項３】
前記光結晶構造は、ホールの深さまたは柱構造の高さが３００ｎｍ〜３，０００ｎｍの範囲内であり、前記光結晶の平均周期は０．７μｍ〜５μｍの範囲内である請求項２に記載された発光素子。
【請求項４】
前記第２半導体層はｐ型半導体層であり、前記第１半導体層はｎ型半導体層である、請求項１乃至３のいずれかに記載された発光素子。
【請求項５】
前記反射層はＡｇ、Ｐｔ、Ａｌ中の１つ以上を含み、
前記オーミック接触層の前記酸化物または窒化物の中間層は前記反射層と離隔されている請求項１乃至４のいずれかに記載された発光素子。
【請求項６】
前記活性層の厚さは（１／２）×（λ／ｎ）未満である請求項１乃至５のいずれかに記載された発光素子。
【請求項７】
前記発光部分は前記活性層の中心である、請求項１乃至６のいずれかに記載された発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は発光素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
窒化物半導体は高い熱的安全性と幅広いバンドギャップを有することから、光素子及び高出力電子素子の開発分野で活発に研究が行われており、現在、窒化物半導体発光素子の研究は発光効率の向上に力を注いでいる。
【０００３】
半導体の薄膜の観点から、高効率の発光素子を実現するためには、発光層に注入される電子と正孔の発光結合確率を増大させることで内部量子効率を改善する方法と発光層から形成された光が効果的に薄膜の外に抽出されるように光抽出効率を増大させる方法が求められる。
【０００４】
内部量子効率を改善するためには、高品質の薄膜を成長させる技術と量子効果を極大化できるように薄膜積層構造を最適化させる技術が必要であり、光抽出効率を増大させるために、発光素子の幾何学的形状の制御に対して多くの研究が行われている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は最適な光抽出効率を有する発光素子を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の発光素子は反射層と、前記反射層の上に発光層を含む半導体層と、を含み、前記反射層から前記発光層の中心の間の距離は補強干渉条件に該当する。
【０００７】
また、本発明の発光素子は反射層と、前記反射層上のオーミック接触層と、前記オーミック接触層上の第２半導体層と、前記第２半導体層上の活性層と、前記活性層上の第１半導体層と、を備え、前記反射層と前記活性層の発光部分の間の距離をdとしたときに、d=(2m+1)/4×(λ/n)±αであり、ここでmは0以上の整数、λは前記活性層によって放出される光の波長、nは前記活性層と前記反射層の間に位置する前記第２半導体層とオーミック接触層を含む媒質の平均屈折率、αは前記反射層の種類に応じた変動幅を示し、α<(1/8)×(λ/n)である。
【発明の効果】
【０００８】
本発明による発光素子は、反射層と発光層の間の距離調節を通じて抽出効率の向上と出力の方向性を得ることができ、このような距離調節は半導体層と誘電体層の蒸着により効率的に調節することが可能である。
【０００９】
また、本発明は誘電体層として電導性酸化物層を導入する場合、蒸着過程において誘電体層の厚さ調節により反射層と発光層の間の距離調節が可能であるから、最適な光抽出効率に該当する距離を合わせることが容易である。
【００１０】
また、本発明は光抽出構造として光結晶(Photonic Crystal: PhC)構造を形成して光抽出効率を向上させると共に、光結晶構造のエッチング深さを調節して光抽出効率が最大となる最適周期が長周期領域に移動させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施例による発光素子の断面図。
【図２】実施例において反射層のミラーと発光層の間隔に応じる抽出効率の増大比とそれによる放射パターンを示す図面。
【図３】実施例においてオーミック電極の厚さに応じる光抽出効率の変化を示すグラフ。
【図４】実施例においてp型半導体層の厚さに応じる光抽出効率の変化を示すグラフ。
【図５】実施例において光結晶構造の周期を変更しながら光抽出効率を調べたグラフ。
【図６】実施例において光結晶構造のホールの大きさに応じる光抽出効率の変化を示すグラフ。
【図７】実施例において光結晶構造のエッチング深さに応じる光抽出効率の変化を示すグラフ。
【図８】実施例において、補強干渉条件を有する構造において光結晶の導入による効果を示すグラフ。
【図９】実施例において、補強干渉条件を有する構造において光結晶の導入による効果を示すグラフ。
【図１０】実施例において光結晶構造のエッチング深さに応じる抽出効率の変化を示すグラフ。
【図１１】実施例において光結晶構造のエッチング深さに応じる抽出効率の変化を示すグラフ。
【図１２】実施例において光結晶構造のエッチング深さに応じる抽出効率の変化を示すグラフ。
【図１３】実施例において誘電体層の他の実施例を含む発光素子の断面図。
【図１４】実施例において誘電体層の他の実施例を含む発光素子の断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の実施例の説明において、各層(膜)、領域、パターン又は構造物が基板、各層(膜)、領域、パッド又はパターンの「上」に又は「下」に形成されると記載される場合、「上」と「下」は直接又は他の層を介在して形成されることも含む。また、各層の「上」又は「下」の基準は図面を基準として説明する。なお、図面において、各層の厚さや大きさは、説明の便宜及び明確性を図り、誇張、省略又は概略的に図示されている。また、各構成要素の大きさは実際の大きさを全面的に反映するものではない。
【００１３】
図1は実施例による発光素子の断面図である。
【００１４】
本発明の発光素子は反射層300と前記反射層300の上に発光層120を含んで形成された半導体層100を含み、前記反射層300から前記発光層120の中心の間の距離dは補強干渉条件に該当する。
【００１５】
図1は実施例により光抽出効率が極大化される垂直型発光素子の一例を示しており、このような発光素子の構造は支持層500の上に反射層300が位置し、反射層300の上には透明電導性酸化物のような誘電体層400が位置し、誘電体層400の上に半導体層100が位置する。また、半導体層100はp型半導体層130と、発光層120、及びn型半導体層110を含むことができる。半導体層100の表面にはホール210を含む光結晶構造200が形成され、光結晶構造200以外の領域にn型電極600が形成される。
【００１６】
前記光結晶構造200は半導体層100の表面、例えばn型半導体層110の表面にマスクパターン(図示されない)を形成して、ドライエッチングまたは湿式エッチングによってホール210を形成することで、光結晶構造200を形成することができる。
【００１７】
このような垂直型発光素子の例の場合、発光層120の中心と反射層300の間の距離dはp型GaN半導体層130及び誘電体層400の厚さに該当する。従って、電気特性を低下させない範囲内で、垂直方向の放射パターンが形成されるp型GaN半導体層130及び誘電体層400の厚さを選択することが必要である。
【００１８】
本発明は非導電性基板または導電性基板を含むことができる。例えば、本発明の発光素子はGaP基板上のAlGaInPダイオード、SiC基板上のGaNダイオード、SiC基板上のSiCダイオード、サファイア基板上のSiCダイオード等を含むことができる。
【００１９】
また、誘電体層400は透明電導性酸化物からなることができ、半導体層100より屈折率が小さいITO(Indium-Tin-Oxide)を用いることができ、またその他のIZO(Indium-Zinc-Oxide)、AZO(Aluminum-Zinc-Oxide)、MZO(Magnesium-Zinc-Oxide)、またはGZO(Gallium-Zinc-Oxide)等の物質を用いることもできる。
【００２０】
<第1実施例>
第1実施例は発光層120の発光特性を調節して光抽出効率を高めることを目的とする。例えば、発光層120から発生する光と反射層300から反射された光の間の干渉効果によって出力放射パターンを調節することができる。
【００２１】
即ち、第1実施例によれば、反射層300が発光層120に近接して放射パターンを調節できる範囲内に位置すれば、垂直方向に対して補強干渉が起きることが抽出効率の面では有利である。
【００２２】
図2は実施例において反射層のミラーと発光層の間隔に応じる抽出効率の増大比とそれによる放射パターンを示す図面である。
【００２３】
図2に示すように、有限差分時間領域法(FDTD)のコンピュータシミュレーションによって反射層300のミラーと発光層120の間の距離dを調節しながら出力パターン変化による抽出効率の増加率と発光層の減少率を算術的に計算した。この時、ミラーである反射層300は100%の反射率を持つ完全ミラーと想定し、発光層120の厚さは約12.5ｎｍに設定した。
【００２４】
先ず、抽出効率の増大比についての結果を見ると、略光の1/4波長を周期で抽出効率の極大/極小点が現れることが分かる。これは、光の干渉効果によって放射パターンが変化し、これによって、抽出効率が調節されることの証拠である。
【００２５】
実際に、極大点と極小点での放射パターンを観察して見ると、極大点の場合は垂直方向に強い放出が起きている反面、極小点の場合は垂直方向の光は殆んど存在せず、大部分の光が臨界角より大きい特定角度に傾いたまま放出される。
【００２６】
抽出効率が極大となる条件は、発光層120と反射層300の間の間隔が略3/4(λ/n)である時であり、略λ/4nの奇数倍である時抽出効率が大きくなることが分かる。
【００２７】
一方、図1のように、p型半導体層130と反射層300の間に誘電体層400が位置すると、状況が異なるようになる。
【００２８】
このような誘電体層400は電流拡散層として機能するITO層またはITOと一般的な誘電体の組合から構成される。この時、誘電体層400は、ITO層の場合屈折率は略1.8〜2.0の間である。半導体層100は、例えばGaNの場合屈折率が2.4であり、誘電体層400の屈折率より大きい。
【００２９】
図3は実施例においてオーミック電極の厚さに応じる光抽出効率の変化を示すグラフである。
【００３０】
図3は誘電体層400がITOからなっており、該ITOの屈折率を1.8と想定し、p型半導体層130の厚さを100ｎｍとした時、ITOの厚さによって抽出効率がどのように変化するかを示している。結果的に、ITOの厚さが略80ｎｍに達する時、最大抽出効率が得られることが分かる。
【００３１】
抽出効率の最大値は略1.5倍までは誘電体層400の導入と関係なく殆んど同じである。反面、抽出効率が最大となる反射層300と発光層120中心の間の物理的距離dは誘電体層400導入以後増加していることが分かる。
【００３２】
即ち、p型半導体層130のみの場合略140ｎｍまでが最適距離だったとしたら、ITO層のような誘電体層400を追加的に導入する場合、最適距離はp型半導体層130の厚さと誘電体層400の厚さを合わせた180ｎｍとなる。しかし、両条件とも光学的距離に換算すれば3/4(λ/n)を満足することが分かる。
【００３３】
このような事項を考慮した時、反射層300と発光層120の中心の間の距離dは(2m+1)/4×(λ/n)±αである。この時、mは0以上の整数、λは放出される光の波長、nは前記発光層と前記反射層の間に位置する媒質の平均屈折率、αは前記反射層の種類に応じた変動幅を示し、α<(1/8)×(λ/n)である。
【００３４】
但し、ここでnはp型半導体層130を成すGaNの屈折率ではなくp型半導体層130と誘電体層400を成すITOの屈折率と厚さを考慮して得られた平均屈折率に該当する。
【００３５】
このように、p型半導体層130と反射層300の間に屈折率が小さい誘電体層400が位置する時、工程上における利点は、図3の結果から分かるように、抽出効率が極大となる誘電体層400の厚さ区間が広く分布するようになることである。
【００３６】
ミラー干渉効果(mirror interference effect)を利用するためにはミラーである反射層300と発光層120の間の距離が重要であるが、p型半導体層130厚さ自体は成長条件の最適化に合わせて既に決定されているものである。
【００３７】
しかし、誘電体層400として低い屈折率のITO層を利用すれば、干渉効果が極大となる条件を工程上で容易に実現することができる。これは、ITO層はスパッタ(Sputter)のような一般的な蒸着装備に適用可能であり、厚さも微細に調節することができるからである。
【００３８】
図4は実施例おいてp型半導体層の厚さに応じる光抽出効率の変化を示すグラフである。
【００３９】
図4は、ITO層がなく、或いは厚さがそれぞれ60ｎｍ、120ｎｍに固定される時、p型半導体層130の厚さに応じる抽出効率の変化を示すグラフである。結果から分かるように、ITO層の厚さが増加するほど抽出効率が極大となるp型半導体層130の厚さが薄くなる方向に移動する。これは、ITO層とp型半導体層130に対する光学的厚さの和が特定値を満足する時、抽出効率が極大となることを意味する。
【００４０】
反射層のミラーによる干渉効果を垂直型GaN発光素子構造に実際的に適用するためには、コンピュータシミュレーションにて想定した事項を解決しなければならない。特に、コンピュータシミュレーション上では発光層120を近似的に点光源と想定したが、実際発光素子の量子井戸層を含む発光層120は積層されたペアの数によって50〜100ｎｍ程度の厚さを有する。
【００４１】
しかし、発光層120の厚さがλ/2nより大きくなると、ミラーによる干渉効果は徐々に失われていく。従って、内部量子効率は維持しながら、量子井戸の厚さを減らす成長技術が必要不可欠である。よって、発光層120の厚さはλ/nの1/2以下に維持することが好ましい。
【００４２】
<第2実施例>
第2実施例は光結晶構造を採用して光抽出効率を改善することを目的とする。
【００４３】
第2実施例は、前記第1実施例の技術的特徴を採用することができ、以下、第1実施例と異なる点を中心に説明する。
【００４４】
発光素子の光抽出効率を向上させるためには、必然的に全反射角度に該当する光を抽出できる構造的装置が必要である。この役割を果たすことのできる構造として、光結晶構造のような光抽出構造を挙げることができる。本発明では、光結晶構造は誘電率が空間的に周期性、または非周期性で変わる断面を有する構造からなることができる。
【００４５】
第2実施例で、光結晶構造のような光抽出構造は、運動量を保存できない全反射角度の光を、自体の周期性が生成する運動量を加/減して外部に抽出されるようにサポートする。
【００４６】
図5は光結晶周期によって抽出効率が変わる様子を示している。光抽出効率を極大化させる最適周期が存在するという事実は、光結晶による抽出効率の向上効果が光の回折過程であることを反証している。
【００４７】
光結晶による光の抽出効率は光結晶構造の周期以外にも、光結晶を成すパターンの深さ、フィリングファクター(Filling factor)、光結晶格子構造等のような構造の変数とも密接な関係がある。フィリングファクターはパターンを成す単位構造が占める面積を指し、光結晶の格子構造は四角格子、三角格子、アルキメデス(Archimedean)格子等があり、その他にランダム、準結晶(Quasicrystal)、擬似ランダム(Pseudo Random)等の多様な光結晶格子構造を適用することができる。
【００４８】
このように、半導体発光素子内で高い抽出効率の向上効果を得るためには、最適の光結晶構造を考案し、適用することがとても重要である。
【００４９】
以下、コンピュータシミュレーション計算によって垂直型GaN発光素子に適用できる光結晶の構造的因子を決定し、各構造因子から得られる相対的な抽出効率の増大比を算出する過程を説明する。
【００５０】
垂直型発光素子構造は水平型構造とは違い、基板の側面による放射が存在しないため、全体効率が垂直放射による効率に該当する。この時、コンピュータシミュレーション上で分析するための発光素子の構造の一例は、図1のように光結晶200が形成された発光素子半導体層100からなり、光結晶200の外側にはシール材として機能するエポキシ700が位置する構造を用いることができる。
【００５１】
一般的な発光素子の大きさはコンピュータメモリーの限界から、計算構造内に全て含むことはできない。この問題を解決するために、有限大(約12μｍ)の発光素子構造の両端に完全ミラー(図示されない)が位置する場合を代わりに適用している。
【００５２】
また、発光素子100の発光層120の内部には吸収率(k＝0.045)を付与している。但し、構造の下段部には説明の便宜を図り、吸収率が存在する実際の金属ミラーの代わりに100%の反射率を有する完全ミラー採用している。
【００５３】
垂直型構造は反射層のミラーによる干渉効果を常に考慮しなければならないため、構造内におけるミラーに対する発光層120の相対的な位置が重要な変数となる。反射層300のミラーと発光層120の間の干渉効果によって放射パターンが変化すると、効果的に作用する光結晶200の構造因子が変わる可能性があるためである。即ち、光結晶200の周期に応じて回折過程によって抽出が効率的に起きる光の角度が異なるからである。
【００５４】
ここでは、ミラー効果が排除された状態で純粋に光結晶200による効果のみを算出することにする。ミラーによる干渉効果を排除するためには、ミラーと発光層120の間の距離を遠く設定、またはその距離を補強干渉条件と相殺干渉条件の中間地点程度に設定する。
【００５５】
このように、発光層120がミラーの干渉効果から自由である時の放射パターンは、角度によって微細な干渉紋が相変らず見えるが、近似的に球面波と見なしてもよいほどである。
【００５６】
光結晶200の周期に対する抽出効率変化を見てみると、図5に示すように、最大抽出効率が得られる光結晶200の周期は約800ｎｍの付近であり、抽出効率の相対的な増大比は約2倍程度である。この時、エッチング深さは225ｎｍ、光結晶を成すホール210の半径は0.25aと固定している。
【００５７】
図6は、実施例において光結晶200を成すホール210の大きさに応じる抽出効率の変化を示す。この時、エッチング深さは225ｎｍと固定し、周期は800ｎｍを選択している。結果的に、光結晶200のホール210の大きさが0.35aである時、抽出効率は最大となり、相対的な増加率は2.4倍まで大きくなることが分かる。
【００５８】
上述のように、垂直型GaN発光素子の長所は、エッチング深さに対する制限が少ないという点である。水平型構造の最大エッチング深さはp型GaN半導体層の厚さ(実際には抵抗増加を考慮してp型GaN層厚さの半分程度)によって決定されるが、垂直型構造は相対的にこれより非常に厚いn型GaN半導体層の厚さ(約3μｍ)を活用することができる。
【００５９】
図7は、実施例において光結晶構造のエッチング深さによる光抽出効率の変化を示すグラフである。
【００６０】
このような垂直型構造の長所を利用するために、図8のように、光結晶形成のためのエッチング深さを順次変更しながら、該エッチング深さによる最適周期を調べた。
【００６１】
抽出効率は、水平型構造の研究で述べているように、一定水準以上のエッチング深さに対して飽和される傾向が現れる。
【００６２】
一方、第2実施例では、光結晶構造のエッチング深さが深くなるほど周期が大きい光結晶構造による抽出効率は着実に上昇しているという点である。これは、エッチング深さを深くしながら、実際技術的に実現が容易な周期が大きい光結晶構造を活用できる余地ができるという点で注目に値する。
【００６３】
このように、エッチング深さが大きくなるのにつれて周期が大きい光結晶構造の抽出効率が継続的に上昇する理由は次のようである。
【００６４】
1) 屈折率が異なる２つの媒質を光が透過するためには、平面方向の位相整合条件(phase-matching condition)を満足しなければならない。
【００６５】
2) 光が屈折率が高い媒質から低い媒質へと進行する時は、特定角度以上で位相整合条件を満足できない。この特定角度を臨界角といい、臨界角以上では全反射が起きる。
【００６６】
3) 光結晶は全反射角度に該当する光を外部に抽出できるようにサポートする。即ち、光結晶と光が結合すると、光結晶の運動量がより増して全反射に該当する光が位相整合条件を満足することができる。
【００６７】
4) 光結晶の運動量は周期に反比例する。即ち、周期が小さい光結晶は大きい運動量を作り出せるので、全反射に該当する光中臨界角から遠く離れた水平方向に近く進行する光を効果的に抽出することができる。反面、周期が大きい光結晶は相対的に垂直方向に近く進行する光の抽出に効果的である。
【００６８】
5) 波動光学理論によれば、導波路構造内の全反射過程をモードに対応して説明することができる。例えば、水平方向に近い入射角度を有する光は基本導波路モードに該当し、入射角度が垂直方向に近いほど高次モードに該当する。
【００６９】
6) GaN発光素子やはり数マイクロン以上の厚さを有する導波路構造と見なすことができる。
【００７０】
従って、このような事実を考慮して、GaN発光素子に光結晶を適用する時、周期が短い光結晶は基本導波路モードの抽出に適合し、周期が長い光結晶は高次導波路モードの抽出に適合するという事実が分かる。
【００７１】
一般的に、基本導波路モードはある程度以上の光結晶エッチング深さ(〜λ/n)に対して抽出効率が飽和される傾向を示す反面、高次モードに進むほど光結晶エッチング深さに対して抽出効率が着実に上昇する傾向を見せる。結論的に、エッチング深さが大きくなるほど、長い周期を有する光結晶構造による高次モードに、抽出効率が継続的に増加することになる。
【００７２】
このように、抽出効率を極大化するために、光結晶構造の因子の最適化作業をコンピュータシミュレーション計算によって実施している。抽出効率はエッチング深さ、ホールの大きさ、周期等と密接な関係がある。
【００７３】
特に、垂直型GaN発光素子の場合、相対的に厚いn型GaN半導体層が光結晶形成に活用されるから、エッチング深さに対する制約が事実上ない。このように、深いエッチング深さを導入すれば、現在の技術で実現しやすい範囲の周期を選択する可能性も大きくなる。
【００７４】
図8及び図9は、実施例において補強干渉条件を有する構造における光結晶の導入による効果を示すグラフである。
【００７５】
以下、反射層300のミラーと発光層120の中心の間の距離dが補強干渉条件にある時、光結晶構造の効果に対して説明する。補強干渉条件は間隙が約3/4(λ/n)の時であり、相対的に多い量の光が垂直方向に進行される。
【００７６】
このような条件を光結晶構造に導入した時の抽出効率の向上程度を調べると、図8のようである。
【００７７】
先ず、光結晶を適用しない構造に対して、補強干渉条件(constructive)はミラー効果が殆どない球面波条件に比べて約2倍の抽出効率の向上効果を示す。この値が先述したミラーの干渉効果を算出する時(1.6倍増加)より大きい理由は、今回の構造では吸収率を考慮しているからである。
【００７８】
光結晶構造(周期=約800nm、エッチング深さ=約225nm)を導入したグラフを比較すると、補強干渉条件が適用された構造が最も優れる特性を示す。
【００７９】
但し、光結晶前後の相対的な増大比は、補強干渉条件構造の場合には最大約1.2倍程度である。それは、発光層から発生した光が殆んど最初から臨界角以内に含まれ、光結晶によって抽出される光の量がそれだけ減少したためである。
【００８０】
次に、補強干渉条件に対して光結晶の周期に応じる抽出効率の変化を見てみると、図9のようである。この時、光結晶のエッチング深さは225ｎｍと固定し、光結晶を成すホールの大きさは0.25aである。補強干渉条件(constructive)と正常条件(average)の周期に対する効率の依存性が分かるように２つの結果を１つグラフに表示している。
【００８１】
結果的に、補強干渉条件に対する最適周期と正常条件に対する最適周期は大した差を示さず、最適周期は800ｎｍの近傍に形成される。
【００８２】
図10〜図12は実施例において光結晶構造のエッチング深さによる抽出効率の変化を示すグラフである。以下、図10を参照して光結晶のエッチング深さによる抽出効率変化を説明する。
【００８３】
発光層の出力パターンが球面波に想定できる正常条件の場合、周期約1μｍを基準として、エッチング深さに対して抽出効率が飽和される周期とエッチング深さに比例して抽出効率が継続的に増加する周期に分けることができる。
【００８４】
それは、光結晶の周期が長くなるほど、臨界角に近い全反射光をよく回折させるからである。この原理を補強干渉条件に適用すれば、この条件では初期から垂直方向中心の放射がなされるため、周期が長い光結晶の役割がさらに重大になることを予想できる。
【００８５】
この効果を検証するために、コンピュータシミュレーション計算により、図10〜図12に示すように、エッチング深さを変化させながら周期に対する抽出効率を算出した。先の正常条件と比較して、エッチング深さが大きくなるにつれて、抽出効率が最大となる最適周期がより明確に長い方に移動していることが分かる。
【００８６】
例えば、エッチング深さが900ｎｍの場合には最適周期が2μｍ以上で発見される。これは、現在の一般的なフォトリソグラフィ(photo-lithography)の分解能で製作可能な構造に該当するために、実用的な側面では大きい意義を有する。
【００８７】
このような光抽出効率が極大化される発光素子の構造の一例は、上述の図1の構造と同様である。
【００８８】
即ち、支持層500の上に反射層300が位置し、反射層300の上には透明電導性酸化物のような誘電体層400が位置し、誘電体層400の上にp型半導体層130と、発光層120、及びn型半導体層110を含む半導体層100が位置する。この時、誘電体層400はp型半導体層130とオーミック接触する物質からなり、透明電導性酸化物を用いることができる。
【００８９】
n型半導体層110の上には多数のホール210パターン、または柱構造によって形成される光結晶200が位置し、このn型半導体層110の上の一部にはn型電極600が位置する。図示するように、n型電極600が位置する部分には光結晶200パターンを形成しないこともできる。
【００９０】
このような光結晶200は、ホール210の深さ、または柱構造の高さは、例えば300ｎｍ〜3、000ｎｍであり、光結晶200の周期または平均周期は、例えば0.7μｍ〜5μｍである。即ち、光結晶200は規則的なパターン、例えば平均周期を有する準擬似ランダム(pseudo random)パターンを有することができる。この時、ホール210、または柱構造の大きさ(直径)は、周期をaとした時、0.25a〜0.45aである。
【００９１】
上述のように、反射層300と発光層120の中心の間の距離dは略λ/4nの奇数倍を成すことができる。この時、このような反射層300と発光層120の間の距離の調節は、結局p型半導体層130及び誘電体層400によって成される。即ち、このような反射層300と発光層120の間の距離を調節して、光抽出において補強干渉条件を成すことができる。
【００９２】
このように、透明な誘電体層400の厚さを調節することで、より容易に光抽出効率を制御することができる。即ち、誘電体層400の厚さを制御することで、光抽出の補強干渉条件をより容易に調節できることを意味する。
【００９３】
この時、反射層300の反射率は50%以上あることが好ましく、Ag、Pt、及びAlのいずれか１つ以上の物質を含むことができる。
【００９４】
図13及び図14は実施例おいて誘電体層の他の実施例を含む発光素子の断面図である。本発明は、図13のように、誘電体層400は上部及び下部透明電導性酸化物層410a、410bの間にSiO2、TiO2のような酸化物またはSi3N4のような窒化物からなる中間層420が位置する構造を成すことができる。
【００９５】
また、本発明は、図14のように、このような酸化物または窒化物からなる中間層430は特定パターンを成すことができ、このようなパターンは上述の光結晶パターンと一致、または類似するパターンからなることができる。このような中間層430パターンの間の空間は透明な電導性酸化物が埋められるが、これに限定されない。
【００９６】
以上のように、本発明は外部光抽出効率を改善するために、垂直型GaN発光素子のn型半導体層110内に光結晶200を導入する時、反射電極300の干渉効果とエッチング深さを活用して、製作が容易で長い周期(1μｍ以上)の光結晶200において最大抽出効率を得ることができる。また、反射層300の干渉効果のみでも改善された抽出効率の向上効果を奏することができる。
【産業上の利用可能性】
【００９７】
本発明による発光素子の構造はパッケージをなした際、パッケージの構造に係わらず高い抽出効率を見せることができる。
【００９８】
以上、本発明を実施例を中心に説明したが、これらの実施例は本発明を限定するものではない。本発明の精神と範囲を離脱することなく、多様な変形と応用が可能であることは、当業者によって自明である。例えば、本発明の実施例に具体的に示された各構成要素は変形して実施することができるものであり、このような変形と応用に係る差異点は、添付の特許請求の範囲で規定する本発明の範囲に含まれるものと解釈されるべきである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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