JP2015026691A - 半導体発光素子 - Google Patents
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また、例えば、下記特許文献1(図3に示す従来技術1を参照)、および下記特許文献2(図4に示す従来技術2を参照)においては、量子井戸−金属表面プラズモン結合の効果を利用して、InGaN量子井戸層(活性層)を有する発光素子の発光効率を電流注入により上昇させる技術が開示されている。
そのため、表面プラズモン層105のエッジ部分しか発光効率の向上に寄与することができず、放射された光の多くが、ビア105Aの部分から基板(半導体結晶成長基板:以下同じ)101方向へ向かってしまい、p型電極107側から取出可能な光がわずかとなってしまう(図2(B)を参照)。
また、上記特許文献2においては、図4に示すように、プラズモンが発生する金属微細構造218が、InGaN量子井戸層(活性層)206の上部(p型電極212)の近傍に位置し、増強された光は、その大部分がn型基板202方向に向かってしまう。
本発明は、このような事情に鑑みなされたものであり、表面プラズモン共鳴を利用して得られた高効率な発光を、基板とは逆側の端面側から効率よく取り出すことができる半導体発光素子を提供することを目的とするものである。
基板上に複数の層を積層してなる半導体発光素子であって、
前記複数の層は、n型半導体層およびp型半導体層と、これら2つの半導体層の間に配された活性層と、この活性層よりも光取出側の界面の近傍に配された、表面プラズモン層と、を含み、
前記活性層よりも前記基板側の所定の位置に設けられ、前記活性層から前記基板側に放出される光を、該光取出方向に反射する光反射層を含むことを特徴とするものである。
図1は、本発明の一実施形態による半導体発光素子を示す部分透視図(A)および断面図(B)を示すものである。
なお、活性層3中であって、表面プラズモン層5の直下近傍が発光部10となる。
また、表面プラズモン層5は、上記活性層3の近傍(例えば、上記活性層3から、5nm以上50nm以下の距離範囲)に配置され、本実施形態においては、この間隔を確保するために、活性層3と表面プラズモン層5との間に、上記距離範囲を厚みとされたスペーサー層を介在させるようにしている。
表面プラズモン層5と活性層3との距離を50nm以下とすることにより、活性層3におけるInGaN量子井戸中の電子−正孔対を再結合させて消滅させ、表面プラズモン層5の表面プラズモンを容易に励起させることができる。そして、この表面プラズモン効果によって活性層3からの発光強度を増強することができる。
一方、上記数値において、5nm以上とすることにより、p型半導体層4の厚みが薄くなりすぎて本来の機能を発揮できなくなる等の不都合を防止することができる。
また、前述した金属反射層9の透孔部9Aは、図1(A)に示されるように、円環状をなす表面プラズモン層5の直下(基板1側)において、上記表面プラズモン層5に対し、積層方向から見て、丁度対応する円環状をなして重畳するように(いわゆるネガパターンの関係に)形成されている。
なお、リング状に構成される発光部10の外径および内径、さらにはそのリング幅も上記透孔部9Aと同様な値となる。
すなわち、この間隔が小さ過ぎると発光部10からの光の、透孔部9Aを通過する割合が多くなり過ぎてしまい、その一方、この間隔が大き過ぎると発光部10からの光の拡散範囲が広くなり過ぎて金属反射層9に照射される割合が小さくなり過ぎてしまう。そのため、金属反射層9の外側のリングの外径の半分をR,表面プラズモン層5のリングの外径および内径の各半分をそれぞれro、riとすれば、取得し得る光のエネルギーが約50%を超えるためには活性層3と金属反射層9の間隔Dは例えば以下に示す数式(1)の範囲に設定することが望ましい。
すなわち、
0.28(ro-ri)<D<0.58(R-ri) (1)
ただし、D<R-riの範囲であれば、取得し得る光のエネルギーの改善が期待できる。
すなわち、図5に示すように、発光部10の所定の点Pから所定方向に射出された光線Lは、n型半導体材料であるGaN(屈折率は2.38)2AとSiO2(屈折率は1.45)12の界面において、その両面の材料の屈折率の違いから、スネルの法則に基づき、図示するように、入射角θ1に比べて出射角θ2が大きくなるように屈折する。この後、SiO2 12と金属反射層9の界面に達した光線Lは、この界面において正反射し、光取出方向に向かう。したがって、このSiO2 12からなる部分に、上記GaN 2Aからなる材料を用いた場合と比べて、光線Lの光取出方向への収束作用を付与することができ、さらに光取出効率を向上させることができる。
すなわち、上記n型半導体層2およびp型半導体層4は、従来より知られているMOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法やHVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy)法等を用いて成長させることができる。
また、上記金属反射層9や表面プラズモン層5などを形成する場合には、当該層の直下層上に蒸着やスパッタ等の成膜手法を用いて、金属薄膜の層を形成した後、当該金属薄膜の層をドライエッチングやEB描画(電子線描画)等の手法を用いて、層表面を微細に加工する。
ここで、発光部からの発光が緑〜赤色(発射される光の発光波長が537nm〜637nm)である場合には、上記表面プラズモン層5を構成する金属材料がAuである場合に強い相互作用が生じると考えられる。
さらに、発光部10からの発光が波長が長めな赤色(発射される光の発光波長が574nm〜674nm)である場合には、上記表面プラズモン層5を構成する金属材料がCuである場合にも強い相互作用が生じると考えられる。
このNiやPdの材料の添加を行わない場合には、表面プラズモン層5内に、NiやPdのうちの少なくとも一方からなるビアを形成し、これによりp型電極7とp型半導体層4を接続する構造とすることにより、活性層3へ効率的に電流を注入することが可能である。
なお、本発明の半導体発光素子としては、上記実施形態のものに限られるものではないことは勿論であり、例えば、上記実施形態におけるn型半導体層とP型半導体層の配置や、n型電極とP型電極の配置を入れ替えることも可能である。
本実施例に係る半導体発光素子の効果を確認するためにFDTD(Finit-Difference Time-Domain)法を用いてシミュレーションを行った。以下、本実施例に係る半導体発光素子の構成について説明する。
すなわち、基板1の上に3μm厚のn−GaN(Si添加)からなるn型半導体層2(例えば、基板1とn型半導体層2であるn−GaNの間に、2μm厚程度のGaN(無添加)が形成されている)を形成し、このn型半導体層2の上にはInGaN(3nm)/GaN(10nm)の重層の5周期分である65nmの活性層3(3nm厚の単層InGaNだけでも良い)を形成し、その上に、p−GaN(Mg添加)40nm厚からなるp型半導体層4(ただし、活性層3との間にGaNあるいはp−AlGaN(Mg添加)などの薄膜を含むとキャリアーが注入されやすくなるので好ましい)を形成した。また、p型半導体層4の上に、50nm厚のAgからなる円環状の表面プラズモン層5、および200nm厚のSiO2からなる絶縁体層8を形成し、表面プラズモン層5上には、150nm厚のAuからなる円環状のp型電極7を形成した。また、n型半導体層2の露出面上に、200nm厚のTi(5nm)/Al(195nm)からなるn型電極6を形成した。
また、円環状のp型電極7および表面プラズモン層5において、そのリング外径は700nmとし、そのリング内径は400nmとした。
さらに、活性層3と、金属反射層9の対向面間の距離は100nmとし、円板状をなす金属反射層9の外径は2000nmとし、円環状の透孔部9Aの外側の径は700nmとし、円環状の透孔部9Aの内側の径は400nmとした。
このようにして実施例に係る半導体発光素子を作製した。
上述したように構成された実施例および比較例に係る半導体発光素子において、それぞれの発光部から自由空間に470nmの波長をもつ光を放射した場合の結果を図2に示す。
2、102 n型半導体層
3、103 活性層
4、104 p型半導体層
5、105 表面プラズモン層
6、106 n型電極
7、107 p型電極
8 絶縁体層
9 金属反射層
9A 透孔部
10、120、220 発光部
30、130、230 半導体発光素子
105A ビア
202 n型基板
204、210 p‐AlInGaNクラッド層
206 InGaN量子井戸層
208 p‐InGaNスペーサ層
212 オーム性電極(P電極)
214 オーム性電極(N電極)
216 結晶欠陥
218 金属微細構造
Claims (7)
- 基板上に複数の層を積層してなる半導体発光素子であって、
前記複数の層は、n型半導体層およびp型半導体層と、これら2つの半導体層の間に配された活性層と、この活性層よりも光取出側の界面の近傍に配された、表面プラズモン層と、を含み、
前記活性層よりも前記基板側の所定の位置に設けられ、前記活性層から前記基板側に放出される光を、該光取出方向に反射する光反射層を含むことを特徴とする半導体発光素子。 - 前記光反射層が円環状の透孔部を備えるとともに、当該透孔部よりも光取出側に位置する前記表面プラズモン層が円環状とされ、該透孔部と該表面プラズモン層とが、前記積層方向に互いに重なり合うように構成されていることを特徴とする請求項1記載の半導体発光素子。
- 前記活性層と前記表面プラズモン層の間に、5nm以上で50nm以下の厚みのスペーサー層が挟持されるようにして配設され、該スペーサー層が、前記n型半導体層および前記p型半導体層のうち、前記活性層よりも光取出側に配された半導体層よりなることを特徴とする請求項1または2記載の半導体発光素子。
- 前記基板側から順に、前記n型半導体層、前記活性層、前記p型半導体層および絶縁体層が積層され、該n型半導体層中に、前記円環状の透孔部を有する前記光反射層が配設され、前記p型半導体層の領域に、この円環状の透孔部とは積層方向に重なり合う前記表面プラズモン層およびp型電極がこの順に積層されてなることを特徴とする請求項2または3記載の半導体発光素子。
- 前記光反射層が金属反射層からなり、全体として円板状に形成されてなることを特徴とする請求項1〜4のうちいずれか1項記載の半導体発光素子。
- 前記光反射層と前記活性層の対向する面の距離が、50nm以上で200nm以下に設定されてなることを特徴とする請求項1〜5のうちいずれか1項記載の半導体発光素子。
- 前記表面プラズモン層は、Au,Ag,Pt,CuおよびAlから選択される、金属薄膜または金属微粒子により形成されてなることを特徴とする請求項1〜6のうちいずれか1項記載の半導体発光素子。
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