JP2018010926A

JP2018010926A - 光反射膜及び発光素子

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Publication number: JP2018010926A
Application number: JP2016137669A
Authority: JP
Inventors: 宏樹近藤; Hiroki Kondo
Original assignee: Nichia Chemical Industries Ltd
Current assignee: Nichia Chemical Industries Ltd
Priority date: 2016-07-12
Filing date: 2016-07-12
Publication date: 2018-01-18
Anticipated expiration: 2036-07-12
Also published as: JP6759783B2

Abstract

【課題】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。【解決手段】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み、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低屈折率材料とを含む。【選択図】図１

Description

本発明は、光反射膜及び発光素子に関する。

従来から、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重反射膜を形成することが行われている。例えば、特許文献１には、サファイア基板の上に、発光層を含む半導体積層構造と半導体積層構造に設けられた多重反射膜とを備え、サファイア基板側から光を出射する発光素子が開示されている。

また、特許文献２には、発光構造物（半導体積層構造）の側面に、屈折率の異なる透光性絶縁性材を積層した多層構造のパッシベーション膜を形成して、発光構造物の電気的ショートを防止することが開示されている。

特開２００６−１２０９１３号公報特開２０１１−１９２９９９号公報

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。

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。

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。

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。

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。

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。

本発明に係る実施形態２の発光素子１を電極形成面側からみた平面図である。図１のＡ−Ａ’線についての断面図である。本発明に係る実施例１及び２の光反射膜の反射率を示すグラフである。

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。

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。

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）。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

１発光素子
７光反射膜
１１基板
１２半導体積層体
１３第１導電側半導体層
１４活性層
１５第２導電側半導体層
２０第１電極（第１パッド電極）
３０第２電極
３１オーミック金属層
３２保護金属層
３３第２パッド電極
７１第１誘電体層
７２第２誘電体層

Claims

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光反射膜。
前記高屈折率材料は、ＴｉＯ_２、Ｎｂ_２Ｏ_５、Ｔａ_２Ｏ_５及びＺｒ_２Ｏ_５からなる群から選択された１つである請求項１に記載の光反射膜。
前記低屈折率材料は、ＳｉＯ_２及びＡｌ_２Ｏ_３からなる群から選択された１つである請求項１又は２に記載の光反射膜。
前記第２誘電体層は、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３及びＳｉＯＮからなる群から選択された１つを含む請求項１〜３のいずれか１つに記載の光反射膜。
前記高屈折率材料は、ＴｉＯ_２である請求項１〜４のいずれか１つに記載の光反射膜。
前記低屈折率材料は、ＳｉＯ_２である請求項１〜５のいずれか１つに記載の光反射膜。
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光素子。
前記光反射膜は、前記半導体積層体の側面において、前記第１導電側半導体層と前記発光層と前記第２導電側半導体層とを連続して被覆する請求項７に記載の発光素子。
前記高屈折率材料は、ＴｉＯ_２、Ｎｂ_２Ｏ_５、Ｔａ_２Ｏ_５及びＺｒ_２Ｏ_５からなる群から選択された１つである請求項７又は８に記載の発光素子。
前記低屈折率材料は、ＳｉＯ_２及びＡｌ_２Ｏ_３からなる群から選択された１つである請求項１〜９のいずれか１つに記載の発光素子。
前記第２誘電体層は、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３及びＳｉＯＮからなる群から選択された１つを含む請求項７〜１０のいずれか１つに記載の発光素子。
前記高屈折率材料は、ＴｉＯ_２である請求項７〜１１のいずれか１つに記載の発光素子。
前記低屈折率材料は、ＳｉＯ_２である請求項７〜１２のいずれか１つに記載の発光素子。