JP2005191219A - 半導体発光素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 光取り出し効率が高く、良好な加工性および再現性で製造可能な半導体発光素子およびその製造方法を提供する。
【解決手段】 半導体発光素子１０のウインドウ層１５と保護層２０との間には光透過性層１９が設けられている。光透過性層１９は、活性層１３からの発光光について透過性である無機誘電体材料から構成され、スポンジ状あるいは軽石状のような多数の孔を有する多孔質膜から形成されている。また、光透過性層１９の表面に微細な凹凸面が形成されている。凹凸面における凹凸幅および凹凸深さは、λ／４〜２λ（λ：活性層１３の発光波長）の範囲に設定されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、発光ダイオード、半導体レーザ等の半導体発光素子およびその製造方法に関する。

発光ダイオード、半導体レーザ等の半導体発光素子において、輝度の向上には、発光素子の活性層で発光した光をいかに素子外部に効率よく取り出すかが極めて重要である。すなわち、発光素子表面での光の全反射をできる限り抑制して、発光光を素子外部に出射させ、いわゆる光取り出し効率を増大させる必要がある。

具体的には、素子表面で出射または全反射される光の割合は、素子の表面層と外部（透明保護層等）との屈折率で決定される。表面層と外部との屈折率の差が小さいほど臨界角が大きくなる。ここで、臨界角とは、表面層と外部との界面に対する光の入射角をいう。また、表面層の屈折率をｎ₁₁とし、外部の屈折率をｎ₁₂とすると、臨界角θは下記数式１で表される。
（数式１）
θ＝ｓｉｎ^-1（ｎ₁₁／ｎ₁₂）

上記数式１よりわかるように、表面層の屈折率ｎ₁₁と外部の屈折率ｎ₁₂との差が小さいほど、すなわち、その比ｎ₁₁／ｎ₁₂が１に近いほど、臨界角θは大きい（９０°に近い）値となる。臨界角θよりも入射角の大きな光は界面で全反射され、出射されない。したがって、屈折率の差が小さいほど全反射される光の割合は低く、光はより多く外部に取り出され、結果、輝度が向上する。

しかし、一般的な発光素子は、屈折率が２〜４のガリウム−ヒ素等の化合物混晶材料から構成される表面層を、屈折率１．５程度の樹脂でモールドして形成されている。このように表面層とその外部との屈折率は比較的大きいことから、光取り出し効率は比較的低く、光取り出し効率を向上させるための手法が種々開発されている。

このような手法の１つとして、光取り出し面上に、表面に凹凸を有する光散乱層を形成する技術がある（特許文献１）。このように表面に凹凸を有する光散乱層を形成することにより、光散乱層表面での光の全反射が抑制され、光を素子外部に効率よく取り出せることが期待される。
特開平１０−１６３５２５号公報

しかし、このような散乱層の形成は、加工性、再現性等の観点から問題がある。例えば、上記特許文献１に開示されている光散乱層の形成方法では、散乱粒子を均一に分散配置させる必要がある。しかし、これらを再現性よく行い、均一性の高い所望の輝度を有する発光素子を歩留まりよく製作することは極めて難しい。また、光の一部が散乱粒子によって反射され（いわゆる戻り光の発生）、期待されるほどの効果が得られない。
また、光取り出し面に直接凹凸を形成する方法も考えられるが、やはり加工性の点で問題があり、凹凸の形成により発光素子の電気的特性に悪影響を与えるおそれもある。

このように、従来より、素子表面における光の全反射が良好に抑制されて素子表面からの光取り出し効率が高く、良好な加工性および再現性で製造可能な半導体発光素子およびその製造方法が求められていた。

上記事情を鑑みて、本発明は、光取り出し効率が高く、良好な加工性および再現性で製造可能な半導体発光素子およびその製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の第１の観点にかかる半導体発光素子は、
光取り出し面を有する半導体層と、
前記光取り出し面上に設けられた光透過性層と、を備え、
前記光透過性層は、多孔質構造を有する、ことを特徴とする。

前記光透過性層は、その上面に通じる細孔を形成する隔壁を備える網目状の多孔質構造を有することが好ましい。

前記光透過性層は、その上面に凹凸面が形成されていることが好ましい。前記凹凸面における凹凸深さと前記凹凸面における凹凸幅との少なくとも一方は、λ／４〜２λ［ここで、λは発光光の波長を示す］の範囲にあることが好ましい。

前記光透過性層は、凍結乾燥により形成されていることが好ましい。
前記光透過性層は、例えば、無機誘電体材料から構成されている。

前記光透過性層上に設けられた第１光透過性膜をさらに備え、前記光透過性層は、前記半導体層の屈折率ｎ₁と前記第１光透過性膜の屈折率ｎ₃との間の範囲の屈折率ｎ₂を有することが好ましい。この場合、前記光透過性層の屈折率ｎ₂は、{（ｎ₁×ｎ₃）^1/2×０．８}〜{（ｎ₁×ｎ₃）^1/2×１．２}の範囲にあることが好ましい。また、前記光透過性層の厚みは、{（λ／４ｎ₂）×（２ｍ＋１）±（λ／８ｎ₂）［ここで、λは発光光の波長を示し、ｍは１、２または３を示す。］の範囲にあることが好ましい。

前記半導体層と前記光透過性層との間に設けられた第２光透過膜をさらに備え、前記第２光透過膜は、前記半導体層の屈折率ｎ₁と前記光透過性層の屈折率ｎ₂との間の範囲の屈折率ｎ_４を有することが好ましい。

本発明の第２の観点にかかる半導体発光素子の製造方法は、
光取り出し面を有する半導体層を形成する工程と、
前記光取り出し面上に設けられた光透過性層を形成する工程と、を備える半導体発光素子の製造方法であって、
前記光透過性層を形成する工程では、前記半導体層上に光透過性材料からなる多孔質膜を形成する、ことを特徴とする。

前記光透過性層を形成する工程では、凍結乾燥を使用することが好ましい。
前記光透過性層を形成する工程では、その上面に通じる細孔を形成する隔壁を備え、かつ上面に凹凸面を有する網目状の多孔質構造を形成することが好ましい。

本発明によれば、光取り出し効率が高く、良好な加工性および再現性で製造可能な半導体発光素子およびその製造方法が提供される。

本発明の実施の形態にかかる半導体発光素子について、以下、図面を参照して詳細に説明する。以下では、半導体発光素子が発光ダイオードを構成する場合を例として説明する。

図１に、本実施の形態にかかる半導体発光素子１０の断面構成を示す。図１に示されるように、本実施の形態の半導体発光素子１０は、Ｎ型基板１１と、Ｎ型補助層１２と、活性層１３と、Ｐ型補助層１４と、ウインドウ層１５と、を有する半導体基体１６を備える。半導体発光素子１０は、半導体基体１６の一面上にカソード電極１７が形成され、また、他の一面上にアノード電極１８と、光透過性層１９と、保護層２０と、が形成されて構成されている。

Ｎ型基板１１は、ガリウム−ヒ素（ＧａＡｓ）等から構成されるＮ型の半導体基板から構成される。Ｎ型基板１１は、例えば、１×１０^１８ｃｍ^−３程度の不純物濃度、２５０μｍ程度の厚みを有する。

Ｎ型補助層１２は、Ｎ型基板１１の一面上に形成され、アルミニウム−ガリウム−インジウム−リン（ＡｌＧａＩｎＰ）等の半導体層から構成される。Ｎ型補助層１２は、例えば、エピタキシャル成長法により形成され、例えば、５×１０^１７ｃｍ^−３程度の不純物濃度、２μｍ程度の厚みで設けられている。

活性層１３は、Ｎ型補助層１２上に形成され、ＡｌＧａＩｎＰ等の半導体層から構成される。活性層１３は、例えば、エピタキシャル成長法により形成され、例えば、０．５μｍ程度の厚みで設けられている。活性層１３は、電界発光により発光する発光層であり、活性層１３においてその両面側から注入されたキャリア（正孔および電子）が再結合し、発光が生じる。

Ｐ型補助層１４は、活性層１３上に形成され、ＡｌＧａＩｎＰ等の半導体層から構成される。Ｐ型補助層１４は、例えば、エピタキシャル成長法により形成され、例えば、５×１０^１７ｃｍ^−３程度の不純物濃度、２μｍ程度の厚みで設けられている。

ここで、Ｎ型補助層１２およびＰ型補助層１４をそれぞれ構成するＡｌＧａＩｎＰ中のＡｌ組成比は、活性層１３を構成するＡｌＧａＩｎＰ中のＡｌ組成比よりも大きく設定されている。このように設定することで、活性層１３内におけるキャリア再結合によって発生した光を活性層１３の外側に効率的に取り出すことができる。

なお、Ｎ型補助層１２およびＰ型補助層１４は、それぞれＮ型クラッド層およびＰ型クラッド層と呼ぶこともできる。しかし、本実施の形態のような発光素子（発光ダイオード）の場合、Ｎ型補助層１２およびＰ型補助層１４の屈折率を活性層１３の屈折率よりも小さくしなくてもよい。

ウインドウ層１５は、Ｐ型補助層１４上に形成され、Ｐ型の不純物が導入されたガリウム−リン（ＧａＰ）等の半導体層から構成される。ウインドウ層１５は、電流拡散層とも呼ばれるものである。ウインドウ層１５は、例えば、エピタキシャル成長法により形成され、例えば、５×１０^１７ｃｍ^−３程度の不純物濃度、２μｍ程度の厚みで設けられている。ウインドウ層１５は、半導体基体１６の一面を構成し、以下で詳述するように、活性層１３から発光された光の外部取り出し面を構成する。
なお、Ｐ型補助層１４とウインドウ層１５との間に、Ｎ型ＡｌＧａＩｎＰ等から構成される電流ブロック層を設けてもよい。

上記構成の半導体基体１６の一面を構成するＮ型基板１１には、金−ゲルマニウム合金（Ａｕ−Ｇｅ）膜、又は、Ａｕ−Ｇｅ、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）からなる金属多層膜等から構成されるカソード電極１７が設けられている。

また、半導体基体１６の他の一面を構成するウインドウ層１５の上の略中央部分には、金−亜鉛合金（Ａｕ−Ｚｎ）、金−ベリリウム−クロム合金（Ａｕ−Ｂｅ−Ｃｒ）及び金（Ａｕ）等からなる金属多層膜等から構成されるアノード電極１８が設けられている。アノード電極１８は、ウインドウ層１５上に略円形に設けられている。このアノード電極１８によって覆われていない領域が発光光の取り出し領域を構成する。

光透過性層１９は、ウインドウ層１５上の、アノード電極１８が設けられていない領域上に設けられている。光透過性層１９は、酸化チタン（ＴｉＯ₂）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、窒化シリコン（ＳｉＮ）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ）、硫化亜鉛（ＺｎＳ）等の、活性層１３からの発光光について透過性である無機誘電体材料から構成される、多孔質膜から形成されている。

光透過性層１９の上には、保護層２０が形成されている。保護層２０は、エポキシ樹脂等の透過率の高い材料から構成され、半導体基体１６を湿分から保護する等の機能を有する。

上記構成の半導体発光素子１０において、多孔質膜から形成される光透過性層１９は、ウインドウ層１５と保護層２０との間での光の全反射を良好に抑制する機能を有する。光透過性層１９のこの機能により、活性層１３からウインドウ層１５に導かれた発光光は、素子外部に効率的に放出され、高い光取り出し効率が実現される。以下、光透過性層１９について詳細に説明する。

光透過性層１９は、誘電体材料から構成される多孔質膜、すなわち、スポンジ状あるいは軽石状のような多数の孔を有する膜から形成されている。光透過性層１９は、後述するように、凍結乾燥を用いたゾルゲル法によって好適に形成される。ゾルゲル法とは、金属の有機または無機化合物の溶液を出発材料とし、この溶液を化合物の加水分解反応および重合反応を経て金属酸化物または水酸化物の微粒子が溶解したゾルとし、さらに反応を促進させて形成した多孔質状のゲルを経て膜を形成する技術である。

凍結乾燥を用いたゾルゲル法により形成された光透過性層１９は、無機誘電体材料（例えば、酸化チタンからなる多孔質膜の場合には酸化チタン）が融合結合してなる隔壁が３次元的であって網目状に形成され、その隔壁間に細孔が構成している。この細孔は、凍結乾燥によりゲル中からの溶媒の揮発により形成されることから膜の厚み方向に延伸し、その一端が光透過性層１９の表面に露出して開口を形成している。

光透過性層１９は、上記のように光透過性の材料から構成される。このため、活性層１３から発光された光の一部は隔壁を透過し、細孔を通じて表面層の表面から外部に放出される。また、この発光光の一部は、隔壁に照射され、光透過性層１９の表面側に導かれる。ここで、光透過性層１９の隔壁には、その厚み方向に延伸する部分を多数有している。このため、光透過性層１９は、散乱粒子を膜中に分散させたような従来の光取り出し膜とは異なり、発光光を比較的良好に光透過性層１９の表面側に反射させることができる。つまり、３次元的であって網目状に形成され、表面に通じる細孔を形成する隔壁を備える光透過性層１９は、発光光を良好に散乱させ、その内部における光の全反射（いわゆる戻り光）を効果的に抑制する。

さらに、本実施の形態では、図２の光透過性層１９付近の部分拡大図に示すように、光透過性層１９の表面に微細な凹凸面が形成されている。凹凸面における凹凸幅および凹凸深さは、λ／４〜２λ（λ：活性層１３の発光波長）の範囲に設定されている。このため、光透過性層１９の表面における光の全反射が良好に防止される。この結果、光透過性層１９の表面側に導かれた光の多くは、その表面から外部に良好に放出される。したがって、高い光取り出し効率が実現される。

次に、本実施の形態にかかる半導体発光素子１０の製造方法について説明する。図３に本実施の形態にかかる半導体発光素子１０の製造プロセスを示す。なお、以下に示す例は一例であり、同様の結果物が得られるのであればこれに限られない。

まず、Ｎ型の不純物が導入されたＧａＡｓから構成されるＮ型基板１１の上に、エピタキシャル成長法により、Ｎ型補助層１２と、活性層１３と、Ｐ型補助層１４と、ウインドウ層１５と、順に積層形成する。エピタキシャル成長法としては、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法、分子線エピタキシ（ＭＢＥ）法、化学ビームエピタキシ（ＣＢＥ）法、分子層エピタキシ（ＭＬＥ）法等を用いることができる。

例えば、減圧ＭＯＣＶＤ法を用いる場合には、以下のように層形成を行うことができる。ＧａＡｓにＮ型不純物を加えて構成されるＮ型基板１１を用意し、ＭＯＣＶＤ法によって、Ｎ型基板１１上に、Ｎ型補助層１２と、活性層１３と、Ｐ型補助層１４と、ウインドウ層１５と、を連続的に気相エピタキシャル成長により形成する。

具体的には、まず、例えば、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）と、ＴＥＧ（トリエチルガリウム）と、ＴＭＩｎ（トリメチルインジウム）と、とＰＨ₃（フォスフィン）と、を原料ガスとして用い、例えば、（Ａｌ_xＧａ_1-x）_yＩｎ1_-yＰ（０．３≦ｘ≦１）の組成を有するＮ型補助層１２を形成する。ここで、Ｎ型のドーパントガスとしては、例えば、ＳｉＨ₄（モノシラン）、Ｓｉ₂Ｈ₆（ジシラン）、ＤＥＳｅ（ジエチルセレン）、ＤＥＴｅ（ジエチルテルル）等を用いることができる。

次に、連続的に、同一の原料ガスを用いて、例えば、Ｎ型補助層１２よりもアルミニウム組成の低い、（Ａｌ_xＧａ_1-x）_yＩｎ1_-yＰ（０．２≦ｘ≦１）の組成を有する活性層１３を形成する。このとき、ドーパントガスは用いない。

次いで、連続的に、同一の原料ガスを用いて、活性層１３よりもアルミニウム組成の高い、（Ａｌ_xＧａ_1-x）_yＩｎ1_-yＰ（０．３≦ｘ≦１）の組成を有するＰ型補助層１４を形成する。ここで、Ｐ型不純物の導入方法としては、例えば、ＤＥＺｎ（ジエチル亜鉛）、ＣＰ２Ｍｇ（ビスシクロペンタジイエニルマグネシウム）等のドーパントガスを用い、或いは固体のベリリウム（Ｂｅ）ソースを用いることができる。

その後、連続的に、ＴＭＡおよびＴＭＩｎの供給を停止し、ＴＥＧおよびとＰＨ₃を導入し、Ｐ型の不純物が導入されたＧａＰから構成されるウインドウ層１５を形成する。ここで、ＰＨ₃のかわりにＴＢＰ（ターシャリーブチルフォスフィン）を用いても良い。このようにして図３（ａ）に示すような半導体基体１６が得られる。

次に、凍結乾燥を用いたゾルゲル法（金属アルコキシドと溶媒を含むゾルを用いた凍結乾燥法とも呼べる）により、ウインドウ層１５上に無機誘電体材料から構成される光透過性層１９を形成する。図４に光透過性層１９の製造プロセスを示す。以下では、酸化チタンを用いて光透過性層１９を形成する場合について説明する。

まず、チタンアルコキシドと、溶媒としての所定量のアルコールおよび水と、を含む溶液をウインドウ層１５上にスピン塗布し、図４（ａ）に示すように、ウインドウ層１５上に塗布膜１９１を形成する。次に、塗布された状態で、室温〜６０℃程度の雰囲気中に放置する。これにより、加水分解反応が進行し、図４（ｂ）に示すように、酸化チタンの微粒子が溶解したチタンゾル１９２が得られる。なお、予め形成しておいたチタンゾルをウインドウ層１５上に塗布してもよい。

次に、このチタンゾル１９２に凍結乾燥、即ちいわゆるフリーズドライを施して、チタンゾル１９２から水を徐々に揮発させる。チタンゾル１９２が乾燥する過程において、図４（ｃ）に示すように、多数の細孔を有するチタンゾル１９３が形成される。

その後、このチタンゾル１９３に焼成処理を施して、図４（ｄ）に示すように、酸化チタンから構成される多孔質膜１９４を得る。次いで、さらに、この多孔質膜１９４の表面にエッチング処理を施して、図４（ｅ）に示すように、表面の凹凸幅および凹凸深さを調整する。ここで、凹凸深さは、４／λ〜２λ（λ：活性層１３の発光波長）の範囲に設定する。勿論、チタンアルコキシドおよび溶媒の含有量や乾燥条件、焼成温度等を制御して、多孔質膜表面の凹凸深さを上記範囲に設定こともできる。この場合は、エッチング工程を省略できる。

その後、光透過性層１９を、フォトリソグラフィ法等によりパターニングして、図３（ｂ）に示すように、開口１９ａを形成する。

次いで、光透過性層１９の上および開口１９ａ内に露出するウインドウ層１５の上に、Ａｕ−Ｚｎ、Ａｕ−Ｂｅ−Ｃｒ及びＡｕ等からなる金属多層膜等を真空蒸着法又はスパッタリング法により堆積し、金属膜を形成する。更に、エッチング法等を用いて光透過性層１９上の金属膜を除去して、図３（ｃ）に示すように、開口１９ａ内にアノード電極１８を形成する。

次に、Ｎ型基板１１の露出面上に、Ａｕ−Ｇｅ膜、又は、Ａｕ−Ｇｅ、Ｎｉ、Ａｕからなる金属多層膜等を真空蒸着法又はスパッタリング法で堆積し、カソード電極１７を形成する。
次いで、得られた積層体について、光透過性層１９の表面及び積層体の側面をエポキシ樹脂等の保護層２０で被覆する。以上のようにして、図１に示す半導体発光素子が得られる。

本実施の形態にしたがって形成した半導体発光素子１０について、その光出力について調べたところ、光透過性層１９を設けなかった場合と比較して、光出力が大きく向上していることが確認できた。これは、多孔質の光透過性層１９により発光光が散乱して全反射が抑制されたためである。

以上説明したように、本実施の形態では、ウインドウ層１５と保護層２０との間に、多孔質の光透過性層１９を設けているので、発光光を良好に散乱させ、その内部における光の全反射（いわゆる戻り光）を効果的に抑制することができ、高い光取り出し効率を実現することができる。

また、本実施の形態では、光透過性層１９の表面に微細な凹凸面が形成されているので、さらに光透過性層１９の表面における光の全反射が良好に防止され、高い光取り出し効率が実現することができる。

このような光透過性層１９は、上記のように一般的な技術を用いて容易に形成可能である。したがって、全反射を抑制するための粗面化、散乱層の形成等の手法を用いる必要はなく、制御性のよい良好な加工性、再現性および均一性で、内部での全反射が抑制された、光取り出し効率の高い半導体発光素子１０を提供することができる。

また、光透過性層１９は、無機誘電体材料から形成されており、発光光による劣化、熱ストレスによる劣化等によるボイド、切れ、剥離等を防ぐことができ、長期間の信頼性も良好である。

本発明は、上記実施の形態に限られず、種々の変更、変形等が可能である。

上記実施の形態では、多孔質の光透過性層１９を凍結乾燥を用いたゾルゲル法により形成するものとした。しかし、光透過性層１９は、発光光を良好に散乱させることができる孔が多数形成されていればよく、凍結乾燥を用いたゾルゲル法により形成した場合に限定されるものではない。しかし、凍結乾燥を用いたゾルゲル法によれば、その上面に通じる細孔を形成する隔壁を備える網目状の多孔質構造の光透過性層１９を良好に形成することができる。

上記実施の形態では、ウインドウ層１５は、ＧａＰ等から構成される構成される単層の半導体層から構成されるものとした。しかし、これに限らず、ウインドウ層１５を多層構造としてもよい。例えば、ウインドウ層１５は、ＡｌＧａＡｓ半導体層と、ＡｌＧａＩｎＰ半導体層と、が積層された構造を有し、ＡｌＧａＩｎＰ半導体層の上にアノード電極１８が設けられた構造とすることができる。

上記実施の形態では、ウインドウ層１５と保護層２０との間に光透過性層１９を形成するものとした。しかし、これに限らず、例えば、図５（ａ）に示すように、ウインドウ層１５と光透過性層１９との間に光透過膜２１を形成してもよい。また、図５（ｂ）に示すように、光透過性層１９と保護層２０との間に光透過膜２２を形成してもよい。さらに、図５（ｃ）に示すように、ウインドウ層１５の上に光透過膜２１、光透過性層１９、光透過膜２２及び保護層２０の順に積層してもよい。この場合、各層の屈折率は、ウインドウ層１５＞光透過膜２１＞光透過性層１９＞光透過膜２２＞保護層２０となることが好ましい。

上記実施の形態では、光透過性層１９の表面に微細な凹凸面を形成するものとしたが、光透過性層１９の表面に凹凸面を形成しなくてもよい。この場合にも多孔質の光透過性層１９により発光光を良好に散乱させることができ、その内部における光の全反射（いわゆる戻り光）を効果的に抑制し、高い光取り出し効率を実現することができる。

以下、本発明の他の実施の形態としての半導体発光素子について説明する。この半導体発光素子は、ウインドウ層１５がＡｌＧａＡｓ層とＡｌＧａＩｎＰ層との２層構造であり、ウインドウ層１５のＡｌＧａＩｎＰ層の上にアノード電極１８が設けられている。図６に、この半導体発光素子の光透過性層１９付近の構成を示す。図６に示すように、この半導体発光素子は、ウインドウ層１５（ＡｌＧａＩｎＰ層）の上に光透過性層１９が形成され、光透過性層１９の上に窒化シリコン（ＳｉＮ）からなる光透過膜２２が形成され、光透過膜２２の上にエポキシ樹脂からなる保護層２０が形成されている。

この実施の形態の光透過性層１９の屈折率ｎ₂は、ウインドウ層１５（ＡｌＧａＩｎＰ層）の屈折率ｎ₁と光透過膜２２（ＳｉＮ）の屈折率ｎ₃との相乗平均の±２０％の範囲内、すなわち、下記数式２に示される範囲内にあるように設定されている。
（数式２）
（ｎ₁×ｎ₃）^1/2×０．８≦ｎ₂≦（ｎ₁×ｎ₃）^1/2×１．２

ここで、ＡｌＧａＩｎＰ半導体の屈折率は３．３であり、ＳｉＮの屈折率は１．８であり、光透過性層１９の屈折率ｎ₂は、１．８〜２．７となる。この実施の形態では、屈折率が２．２の酸化チタン（ＴｉＯ_ｘ）により構成されている。

上記のような屈折率ｎ₂を有する光透過性層１９をウインドウ層１５と保護層２０との間に設けることにより、光透過性層１９を設けない場合と比較して、界面での全反射は全体としてさらに抑制され、より高い光取り出し効率が得られる。

これは、多孔質の光透過性層１９により発光光を良好に散乱させ、その内部における光の全反射（いわゆる戻り光）を効果的に抑制する機能に加えて、次のような機能を有するためである。

素子表面で全反射される光の割合は、素子の光透過性層１９と外部との屈折率で決定される。光透過性層１９と外部との屈折率の差が小さいほど臨界角が大きくなる。ここで、臨界角とは、光透過性層１９と外部との界面に対する光の入射角をいう。また、光透過性層１９の屈折率をｎ₁₁とし、外部の屈折率をｎ₁₂とすると、臨界角θは下記数式３で表される。
（数式３）
θ＝ｓｉｎ^-1（ｎ₁₁／ｎ₁₂）

上記数式３よりわかるように、光透過性層１９の屈折率ｎ₁₁と外部の屈折率ｎ₁₂との差が小さいほど、すなわち、その比ｎ₁₁／ｎ₁₂が１に近いほど、臨界角θは大きい（９０°に近い）値となる。臨界角θよりも入射角の大きな光は界面で全反射される。したがって、屈折率の差が小さいほど全反射される光の割合は低く、光はより多く外部に取り出され、結果、光取り出し効率は高いものとなる。

このように、ウインドウ層１５から出射された光が外部に出射されるまでの界面における全反射は、光透過性層１９を設けることにより全体として抑制される。なお、光透過膜２２と保護層２０との間の界面の全反射は、光透過膜２２（ＳｉＮ）の屈折率が比較的小さく、保護層２０（エポキシ樹脂）の屈折率に近いので十分に小さくなっている。

また、この実施の形態の光透過性層１９の厚みＴは、光透過性層１９の屈折率ｎ₂および活性層１３が発光する光の波長λを用いて、下記数式４を満足するように設定されている。
（数式４）
Ｔ≦（λ／４ｎ₂）×（２ｍ＋１）±（λ／８ｎ₂）
［ここで、ｍ＝０、１または２］

ここで、活性層１３が発光する光の波長λは６２０ｎｍであり、光透過性層１９の厚みＴは、７０．４５ｎｍ±３５．２２ｎｍとなる。このように、上記数式３を満たすような屈折率ｎ₃とし、さらに上記数式４を満たすような厚みＴの光透過性層１９を設けることにより、界面における反射光が干渉により弱めあい、または、打ち消しあい、これにより、界面での反射が抑制され、さらに光取り出し効率が向上する。

このように、この実施の形態の半導体発光素子では、いわゆる戻り光を効果的に抑制することもでき、高い光取り出し効率を実現することができる。この結果、光透過性層１９の表面に微細な凹凸面を形成しなくとも、いわゆる戻り光を効果的に抑制することができ、高い取り出し効率を実現することができる。

上記実施の形態にかかる半導体発光素子において、Ｎ型基板１１とＮ型補助層１２との間に、反射膜を設けてもよい。例えば、アルミニウム等の導電性が高く、かつ、反射性の材料を用いて反射膜を設けることにより、活性層１３からＮ型基板１１側に発光された光をウインドウ層１５側に反射させ、発光光の利用効率を高めることができる。

上記実施の形態において、保護層２０として、一般的な樹脂封止材料であって、透明性の高い材料を用いることができる。この場合、保護層２０として用いた材料の屈折率に基づいて光透過性層１９の屈折率等を設定すればよい。また、保護層２０を設けない構成も可能である。この場合、大気の屈折率に基づいて、好ましい屈折率を有する材料を光透過性層１９に用いればよい。

上記実施の形態では、光透過性層１９は無機誘電体材料から構成されるものとした。しかし、活性層１３からの発光光について透過性である材料であれば、有機樹脂材料、例えば、シリコーン樹脂等も使用可能である。

上記実施の形態では、本発明にかかる半導体発光素子１０を発光ダイオードに適用する場合について説明したが、これに限らず、半導体レーザ等のいかなる電界発光型の半導体装置にも適用可能である。半導体レーザの場合、光取り出し面、即ち半導体素子の側面に光透過性層を形成する。

本発明の実施の形態に係る半導体発光素子の構成を示す図である。 図１の半導体発光素子の光透過性層付近の構成を示す図である。 本発明の実施の形態に係る半導体発光素子の製造プロセスを示す図である。 本発明の実施の形態に係る光透過性層の製造プロセスを示す図である。 本発明の他の実施の形態に係る半導体発光素子の光透過性層付近の構成を示す図である。 本発明の他の実施の形態に係る半導体発光素子の光透過性層付近の構成を示す図である。

符号の説明

１０ 半導体発光素子
１１ Ｎ型基板
１２ Ｎ型補助層
１３ 活性層
１４ Ｐ型補助層
１５ ウインドウ層
１６ 半導体基体
１７ カソード電極
１８ アノード電極
１９ 光透過性層
２０ 保護層

Claims (13)

1. 光取り出し面を有する半導体層と、
   前記光取り出し面上に設けられた光透過性層と、を備え、
   前記光透過性層は、多孔質構造を有する、ことを特徴とする半導体発光素子。
2. 前記光透過性層は、その上面に通じる細孔を形成する隔壁を備える網目状の多孔質構造を有する、ことを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
3. 前記光透過性層は、その上面に凹凸面が形成されている、ことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体発光素子。
4. 前記凹凸面における凹凸深さと前記凹凸面における凹凸幅との少なくとも一方は、λ／４〜２λ［ここで、λは発光光の波長を示す］の範囲にある、ことを特徴とする請求項３に記載の半導体発光素子。
5. 前記光透過性層は、凍結乾燥により形成されている、ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
6. 前記光透過性層は、無機誘電体材料から構成されている、ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
7. 前記光透過性層上に設けられた第１光透過性膜をさらに備え、
   前記光透過性層は、前記半導体層の屈折率ｎ₁と前記第１光透過性膜の屈折率ｎ₃との間の範囲の屈折率ｎ₂を有する、ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
8. 前記光透過性層の屈折率ｎ₂は、{（ｎ₁×ｎ₃）^1/2×０．８}〜{（ｎ₁×ｎ₃）^1/2×１．２}の範囲にある、ことを特徴とする請求項７に記載の半導体発光素子。
9. 前記光透過性層の厚みは、{（λ／４ｎ₂）×（２ｍ＋１）±（λ／８ｎ₂）［ここで、λは発光光の波長を示し、ｍは１、２または３を示す。］の範囲にある、ことを特徴とする請求項７または８に記載の半導体発光素子。
10. 前記半導体層と前記光透過性層との間に設けられた第２光透過膜をさらに備え、
    前記第２光透過膜は、前記半導体層の屈折率ｎ₁と前記光透過性層の屈折率ｎ₂との間の範囲の屈折率ｎ_４を有する、ことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
11. 光取り出し面を有する半導体層を形成する工程と、
    前記光取り出し面上に設けられた光透過性層を形成する工程と、を備える半導体発光素子の製造方法であって、
    前記光透過性層を形成する工程では、前記半導体層上に光透過性材料からなる多孔質膜を形成する、ことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
12. 前記光透過性層を形成する工程では、凍結乾燥を使用する、ことを特徴とする請求項１１に記載の半導体発光素子の製造方法。
13. 前記光透過性層を形成する工程では、その上面に通じる細孔を形成する隔壁を備え、かつ上面に凹凸面を有する網目状の多孔質構造を形成する、ことを特徴とする請求項１２に記載の半導体発光素子の製造方法。

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