(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかしながら、異なる屈折率を有する誘電体膜を交互に積層した光反射膜では、誘電体膜の一方に屈折率の大きな材料、つまりバンドギャップの小さな材料が用いられている。このため、このような光反射膜は、絶縁破壊電圧を高くすることができないという課題があり、例えば、絶縁性保護膜として使用しても、高い電圧が印加されるような場合には、効果的に短絡を防止することができない可能性があった。
【0006】
そこで、本発明は、絶縁破壊電圧の高い誘電体多層構造の光反射膜を提供することを目的とする。
また、本発明は、光反射膜により電気的な短絡が効果的に抑制された発光素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
以上の目的を達成するために、本発明に係る実施形態の光反射膜は、第1屈折率を有する第1誘電体層と前記第1屈折率より低い第2屈折率を有する第2誘電体層とを交互に含み、
前記第1誘電体層は、前記第1屈折率より高い屈折率を有する高屈折率材料と、前記第1屈折率より低い屈折率を有する低屈折率材料と、を含んでなることを特徴とする。
【0008】
本発明に係る実施形態の発光素子は、第1導電側半導体層と発光層と第2導電側半導体層とを順に含む半導体積層体と、
第1屈折率を有する第1誘電体層と前記第1屈折率より低い第2屈折率を有する第2誘電体層とを交互に含み、前記半導体積層体の表面の少なくとも一部に設けられた光反射膜と、を備え、
前記第1誘電体層は、前記第1屈折率より高い屈折率を有する高屈折率材料と、前記第1屈折率より低い屈折率を有する低屈折率材料と、を含んでなることを特徴とする。
【発明の効果】
【0009】
以上のように構成された本発明に係る実施形態の光反射膜によれば、絶縁破壊電圧の高い誘電体多層構造の光反射膜を提供することができる。
【0010】
また、本発明に係る実施形態の発光素子によれば、光反射膜により電気的な短絡が効果的に抑制された発光素子を提供することができる。
【発明を実施するための形態】
【0012】
以下、本発明に係る実施形態について説明する。
実施形態1.
上述したように、発光素子において、光の取り出し効率を向上させるために、光を出射する発光面の反対側の面に多層構造の光反射膜を形成することが行われている。この光反射膜は、絶縁破壊電圧を高くすることができないため、多くの発光素子では、光反射膜とは別に絶縁性保護膜を形成して、例えば、極性の異なる半導体層間(n型半導体層とp型半導体層間)の短絡を防止している。しかしながら、多層構造の光反射膜は絶縁性を有しているので、光反射膜の反射機能を損なうことなく絶縁性保護膜として用いることができれば、光反射膜と別に絶縁性保護膜を形成する必要がなく、製造工程が簡略化できる。
【0013】
そこで、本発明者らは、屈折率の異なる誘電体層を交互に積層した多層構造の光反射膜において、絶縁破壊電圧を向上させるべく鋭意検討した。以下、多層構造の光反射膜において、屈折率の大きい誘電体層を第1誘電体層といい、屈折率の小さい誘電体層を第2誘電体層という。まず、本発明者らは、多層構造の光反射膜において、絶縁破壊電圧を高くできない原因が屈折率の大きい第1誘電体層の絶縁破壊電圧が低いことにあることに着目して検討を行った。その結果、屈折率の大きい第1誘電体層を、高い屈折率を有する高屈折率材料と、高屈折率材料より低い屈折率を有し即ち高屈折率材料よりバンドギャップが大きい(言い換えると絶縁破壊電圧が高い)低屈折率材料とにより構成することにより、比較的高い屈折率を維持した状態で絶縁破壊電圧を高くできることを見出した。
【0014】
例えば、多層構造の光反射膜において、高屈折率材料としてよく使用されるTiO
2の絶縁破壊電圧は、表1に示すように、12Vである。これに対して、SiO
2を3at%含有させたTiO
2(97at%)−SiO
2(3at%)の絶縁破壊電圧は19Vであり、SiO
2を13at%含有させたTiO
2(87at%)−SiO
2(13at%)の絶縁破壊電圧は22Vであり、絶縁破壊電圧を大幅に向上させることができる(表1)。
【0015】
他方、SiO
2を3at%含有させたTiO
2(97at%)−SiO
2(3at%)の屈折率は、2.58であり、SiO
2を13at%含有させたTiO
2(87at%)−SiO
2(13at%)の屈折率は、2.46である。したがって、低屈折率材料であるSiO
2の含有量が増加すると屈折率は低下するものの、SiO
2を13at%含んでいても、屈折率の低下は小さく、誘電体多層反射膜用の高屈折率材料として十分使用できる。例えば、TiO
2を高屈折率材料として用いた場合、SiO
2を13at%含んでいても、多層構造の光反射膜において、TiO
2と並んで高屈折率材料としてよく用いられる
Nb
2O
5(100at%)の屈折率とほぼ同じである。
【0016】
【表1】
ここで、表1における絶縁破壊電圧は、一定条件のもとそれぞれ形成した膜に電圧を0Vから順に大きくしながら印可し、通電したときの電圧値である。
【0017】
本発明の実施形態1に係る光反射膜は、以上のような本発明者らが独自に得た知見によりなされたものである。
【0018】
すなわち、本発明の実施形態1に係る光反射膜は、第1屈折率を有する第1誘電体層と第1屈折率より低い第2屈折率を有する第2誘電体層とを交互に含む多層構造の光反射膜であり、第1誘電体層は、第1屈折率より高い屈折率を有する高屈折率材料と、第1屈折率より低い屈折率を有する、言い換えると高屈折率材料よりバンドギャップが大きい低屈折率材料と、を含んでいる。
【0019】
以上のように構成された実施形態1の光反射膜は、第1誘電体層の屈折率及び絶縁破壊電圧をともに高くできるので、光の反射率を高く維持した状態で、絶縁破壊電圧の高い誘電体多層構造の光反射膜を提供することができる。
以下、実施形態1の光反射膜についてより詳細に説明する。
【0020】
誘電体多層構造の光反射膜
誘電体多層構造の光反射膜(以下、誘電体多層反射膜という。)は、屈折率の異なる2つの誘電体材料を、それぞれλ/4の膜厚で交互に周期的に形成した反射膜である。ここで、λは、反射させたい波長領域のピーク波長であり、各誘電体材料における媒質内波長である。この誘電体多層反射膜は、理論的には、2つの誘電体材料の屈折率差が大きいほど、また、交互に形成する周期数が多いほど高い反射率が得られることが知られている。しかしながら、2つの誘電体材料の屈折率差が大き過ぎたり、周期数が大き過ぎると、ピーク波長λの両側で反射率が急激に減少したり(波長依存性が急峻になる)、反射率の波長依存性が大きくなったりして、所望の波長範囲で所望の反射率を安定して得ることが難しくなる。そこで、実際の誘電体多層反射膜では、屈折率の高い誘電体材料からなる第1誘電体層と屈折率の低い誘電体材料からなる第2誘電体層の各屈折率及び屈折率差、交互に形成する周期数は、所望の波長範囲で所望の反射率が安定して得られるように、適宜設定される。
【0021】
具体的には、屈折率の高い第1誘電体層の屈折率(第1屈折率)は、例えば、1.5〜3.0の範囲に設定され、好ましくは、2.0〜2.6の範囲に設定される。また、屈折率の低い第2誘電体層の屈折率(第2屈折率)は、例えば、1.0〜1.8の範囲に設定され、好ましくは、1.2〜1.6の範囲に設定される。さらに、第1誘電体層と第2誘電体層とを交互に形成する周期数は、例えば、1〜20の範囲に設定され、好ましくは、1〜5の範囲に設定される。
【0022】
ここで、実施形態1の誘電体多層反射膜において第1誘電体層は、高屈折率材料と低屈折率材料とを含んでいるので、第1誘電体層の屈折率は、高屈折率材料と低屈折率材料との混合比を適宜設定して、上記範囲において所望の屈折率に設定する。また、第1誘電体層は、例えば、高屈折率材料と低屈折率材料とが所望の混合比になるように、スパッタリング率をそれぞれ制御しながら高屈折率材料と低屈折率材料とを同時にスパッタリングすることにより、上記範囲において所望の屈折率を持つように成膜することができる。
【0023】
高屈折率材料としては、例えば、TiO
2、Nb
2O
5、Ta
2O
5及びZr
2O
5から選択することができ、低屈折率材料としては、SiO
2及びAl
2O
3から選択することができるが、好ましくは、高屈折率材料として、TiO
2を選択し、低屈折率材料として、SiO
2を選択する。尚、SiO
2のバンドギャップは9eVであり、Al
2O
3のバンドギャップは7eVであり、いずれも上記列挙した高屈折率材料(TiO
2、Nb
2O
5、Ta
2O
5及びZr
2O
5)より大きい。
【0024】
第2誘電体層としては、例えば、SiO
2、Al
2O
3及びSiONから選択された材料により構成することができる。
【0025】
以上のように構成された実施形態1の光反射膜は、第1誘電体層の屈折率を実質的に低下させることなく絶縁破壊電圧を高くすることができるので、反射機能を損なうことなく、光反射膜全体としての絶縁破壊電圧を高くすることができる。したがって、実施形態1の光反射膜は、絶縁性保護膜としても用いることができ、例えば、発光素子に適用した場合、光反射膜と別に絶縁性保護膜を形成する必要がないことから、製造工程を簡略化でき、安価に発光素子を製造できる。
【0026】
実施形態2.
実施形態2の発光素子1は、電極が形成された面の反対の面から光を出射するように構成さけたフリップチップ実装型の発光素子であり、実施形態1の光反射膜を含み、以下のように構成される。ここで、
図1は、実施形態2の発光素子1を電極形成面側からみた平面図であり、
図2は、
図1のA−A’線についての断面図である。
【0027】
実施形態2の発光素子1は、透光性の基板11と、基板11の上面に設けられた半導体積層体12と、半導体積層体12に通電するための電極20、30とを含んでいる。
【0028】
半導体積層体12は複数の半導体層から構成されており、基板11側から、第1導電側半導体層(例えば、n型半導体層)13、活性層14及び第2導電側半導体層(例えば、p型半導体層)15をこの順に有している。半導体積層体12には、第2導電側半導体層15と活性層14とを貫通して第1導電側半導体層13に達する開口部が設けられ、その開口部において第1導電側半導体層13に接続される第1電極20が設けられている。ここで、
図1及び
図2に示す発光素子では、第1電極20は第1パッド電極のみから構成されているが、これに限定されず、例えば、第1導電側半導体層13と第1パッド電極との間に別の導電材料層を設けることもでき、第1パッド電極の上にさらに別の導電材料層を設けることもできる。
【0029】
また、第2導電側半導体層15の上面には、第2導電側半導体層15と電気的に接続している第2電極30が設けられている。
図2に示すように、第2電極30は、オーミック金属層31と、保護金属層32と、第2パッド電極33とを含んでいる。オーミック金属層31は、第2導電側半導体層15の上面に接して設けられており、第2導電側半導体層15とオーミック接触している。オーミック金属層31は、第2導電側半導体層15とオーミック接触する金属材料から形成されており、例えばAgから形成することができる。
【0030】
保護金属層32は、オーミック金属層31を覆うことによってオーミック金属層31を外部環境から保護し、またオーミック金属層31のマイグレーションを抑制する機能を有する。そのため、保護金属層32は、オーミック金属層31に使用される金属材料よりも、マイグレーションを生じにくい金属材料から形成される。例えば、オーミック金属層31をAgから形成する場合、保護金属層32は、Alから形成することができる。
【0031】
実施形態2の発光素子1において、第1誘電体層72と第2誘電体層71とを含む光反射膜7は、
図2に示すように、少なくとも第1パッド電極の上面と第2パッド電極33の上面とが露出するように、半導体積層体12の表面及び保護金属層32の表面に連続して形成される。
【0032】
以上のように構成された実施形態2の発光素子1は、従来の誘電体多層構造の光反射膜と同等の反射率を有する上さらに絶縁破壊電圧の高い光反射膜7によって半導体積層体12の表面及び保護金属層32の表面に連続して覆われているので、異なる極性の半導体層間及び第1及び第2電極間の短絡を防止することができる。
また、実施形態2の発光素子1は、光反射膜と別に絶縁性保護膜を形成する必要がないことから、製造工程を簡略化でき、安価に製造することができる。また、絶縁性保護膜を形成しない場合は、絶縁性保護膜により光が吸収される恐れもないので、光出力の低下を抑制することができる。
【0033】
以上の実施形態2の発光素子1では、第1パッド電極の上面及び側面の一部と第2パッド電極33の上面及び側面の一部を除いて、半導体積層体12の表面及び保護金属層32の表面に連続して覆うように光反射膜7を設けた。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、半導体積層体12の表面の一部を覆っていればよい。
【0034】
例えば、半導体積層体12の側面において、第1導電側半導体層13の端面、活性層14の端面及び第2導電側半導体層15の端面を連続して覆うように、光反射膜7を設けるようにすると、異なる極性の半導体層間の短絡を防止することができる。
また、このようにすると、活性層14で発光した光を半導体積層体12の側面で反射して、発光面から取り出すことができ、光の取り出し効率を高くできる。
【0035】
以上の実施形態2では、電極が形成された面の反対の面から光を出射するように構成さけたフリップチップ実装型の発光素子に実施形態1の光反射膜を適用した例を示した。
しかしながら本発明はこれに限定されるものではなく、実施形態1の光反射膜を電極が形成された面側から光を取り出す発光素子に適用することもできる。この場合、例えば、半導体積層体の側面のうち第1電極と対向する面に光反射膜を形成することにより、第1電極による光の吸収を抑制できるため、光の取り出し効率を高くすることができる。
【実施例】
【0036】
実施例1.
実施例1として、SiO
2を3at%含有させたTiO
2(97at%)−SiO
2(3at%)からなる第1誘電体層とSiO
2からなる第2誘電体層とを交互に3.5ペア形成した誘電体多層構造の光反射膜を作製した。
具体的には、膜厚76.3nmの第2誘電体層と膜厚44.0nmの第1誘電体層とを3ペア形成した後、さらに膜厚76.3nmの第2誘電体層を形成して、実施例1の光反射膜を作製した。
【0037】
実施例2.
実施例2として、SiO
2を13at%含有させたTiO
2(87at%)−SiO
2(13at%)からなる第1誘電体層とSiO
2からなる第2誘電体層とを交互に3.5ペア形成した誘電体多層構造の光反射膜を作製した。
具体的には、膜厚76.3nmの第2誘電体層と膜厚46.3nmの第1誘電体層とを3ペア形成した後、さらに膜厚76.3nmの第2誘電体層を形成して、実施例2の光反射膜を作製した。
【0038】
比較例1.
比較例1として、TiO
2からなる第1誘電体層とSiO
2からなる第2誘電体層とを交互に3.5ペア形成した誘電体多層構造の光反射膜を作製した。
具体的には、膜厚76.3nmの第2誘電体層と膜厚44.0nmの第1誘電体層とを3ペア形成した後、さらに膜厚76.3nmの第2誘電体層を形成して、比較例1の光反射膜を作製した。
【0039】
比較例2.
比較例2として、Nb
2O
5からなる第1誘電体層とSiO
2からなる第2誘電体層とを交互に3.5ペア形成した誘電体多層構造の光反射膜を作製した。
具体的には、膜厚76.3nmの第2誘電体層と膜厚46.3nmの第1誘電体層とを3ペア形成した後、さらに膜厚76.3nmの第2誘電体層を形成して、比較例2の光反射膜を作製した。
【0040】
以上のように作製した実施例1、実施例2、比較例1及び比較例2の各光反射膜について、各波長に対する反射率を測定した。反射率の測定結果を
図3に示す。
TiO
2(97at%)−SiO
2(3at%)からなる第1誘電体層とSiO
2からなる第2誘電体層とからなる実施例1の光反射膜は、TiO
2からなる第1誘電体層とSiO
2からなる第2誘電体層とからなり、一般的に反射率の高い構造とされる比較例1の光反射膜とほぼ同等の反射率を有していることが確認された。実施例1の光反射膜は、第1誘電体層に低屈折材料(SiO
2)を含有させることによって、比較例1の光反射膜における第1誘電体層と同等の屈折率を維持しつつ絶縁破壊電圧を高くできることが分かる。
また、TiO
2(87at%)−SiO
2(13at%)からなる第1誘電体層とSiO
2からなる第2誘電体層とからなる実施例2の光反射膜は、比較例1の光反射膜よりは反射率が小さくなったが、従来から誘電体多層膜として多用されているNb
2O
5からなる第1誘電体層とSiO
2からなる第2誘電体層とからなる比較例2の光反射膜とほぼ同等の反射率を有していた。実施例2の光反射膜は、実施例1の光反射膜よりも第1誘電体層に低屈折材料を多く含むことによってより絶縁破壊電圧を高くすることができ、かつ比較例2の光反射膜と同等の反射率を維持することができることが分かる。