光学器件的制作方法

专利名称：光学器件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光学器件，其包括层叠部分，在层叠部分中层叠P型层和η型层，以便它们将用作光吸收层或用作光发射层的有源层夹在中间，特别地，涉及一种以发光二极管(LED)等为代表的表面发光型发光器件，和用作太阳能电池等的光接收器件。
背景技术：
一些近来的液晶投影仪使用LED作为光源，用以照明液晶面板。在液晶投影仪中，需要利用偏振光(具体地，S偏振光或P偏振光)照射液晶面板。由于从LED输出的光是非偏振光,如果LED被用作照明液晶面板的光源,则对于从LED输出的光执行偏振转换。具体地，对于从LED输出的未偏振光执行偏振转换,其中从彼此正交的线性偏振光分量中选择一种偏振分量，将其转换成另一偏振分量。如果偏振转换效率低，将降低光的利用效率。如果完全没有执行偏振转换，大约一半从LED输出的光不能用作照明光。作为执行从LED输出的光的偏振转换的结构，已经知道这样一种结构，其中包括第一和第二棱镜的偏振转换兀件被定位为与LED的出射表面相对。第一棱镜和第二棱镜中的每一个都是两个直角棱镜彼此粘合的长方体棱镜。第一棱镜具有透射P偏振光和反射S偏振光的偏振光分离膜形成在两个直角棱镜的粘合面上的结构，使得从LED输出的光以大约45度的入射角进入偏振光分离膜。P偏振光从其出射的出射表面位于通过偏振光分离膜的P偏振光的传播方向上。第二棱镜具有反射膜形成在两个直角棱镜的粘合面上的结构，使得被第一棱镜的偏振光分尚膜反射的S偏振光以大约45度的入射角进入反射膜。S偏振光从其出射的出射表面位于由反射膜反射的光的传播方向上。将S偏振光转换成P偏振光的相差板位于出射表面上。从第一棱镜出射的P偏振光在与从第二棱镜出射的P偏振光相同的方向上传播。然而，使用上述偏振转换器件的结构具有下面的问题。通常，在利用从光源输出的光照射显示设备并且由显示设备形成的图像通过投影透镜来投影的投影型显示设备中，存在由光源的发散角和面积确定的光学扩展量(etendue)限制。为了有效使用从光源输出的光作为投影光，光源的发散角和面积的乘积的值需要等于或小于显示元件的面积和由投影棱镜的F数确定的受光角(立体角)的乘积的值。偏振转换器件的每个出射表面(第一出射表面和第二出射表面)的面积大到LED发光面积的大约两倍。由此，随着出射表面的面积增加，由于光学扩展量的限制，不能用于投影光的光也增加。结果，将降低光利用效率。已经提出了一种偏振LED，其在没有增加出射表面的面积的情况下执行偏振转换。图1示出了偏振LED结构的一个实例。如图1所示，该LED由层叠部分构成，在该层叠部分中，反射层101、p型层102、有源层103和η型层104顺序层叠在基座(sub mount) 100上。偏振器106定位为与LED的η型层104的表面相对。1/4波长板105位于偏振器106的LED侧表面上，使得1/4波长板105面对LED。反射层101还用作电极。基座100侧是LED的后表面，而η型层104侧是LED的前表面。有源层103发光(非偏振光)。从有源层103传播到LED的前表面侧的光从η型层104的前表面出射。另一方面，从有源层103传播到LED的后表面侧的光通过反射层101在有源层103的方向上反射。反射光顺序通过P型层102和有源层103，然后从η型层104的前表面出射。从η型层104的前表面出射的光通过1/4波长板105进入偏振器106。关于进入偏振器106的光,第一偏振光(P偏振光和S偏振光中的一种)通过偏振器106,而第二偏振光(P偏振光和S偏振光中的另一种偏振光)被偏振器106在LED方向上反射。被偏振器106反射的光通过1/4波长板105，然后进入η型层104的前表面。关于进入η型层104的前表面的光,该光的一部分在前表面上反射。该光的大部分进入LED。进入LED的光顺序通过η型层104、有源层103和ρ型层102。已经通过ρ型层102的光被反射层101在有源层103的方向上反射。反射的光顺序通过P型层102和有源层103，然后从η型层104的前表面出射。已经被偏振器106反射且在第二偏振光返回LED的过程中和在第二偏振光被反射层101在偏振器106的方向上反射的过程中两次通过1/4波长板105的第二偏振光被转换成第一偏振光，然后第一偏振光通过偏振器106。在前文的偏振LED中，关于从η型层104的前表面出射的非偏振光,第一偏振光直接通过偏振器106,而由于第二偏振光通过1/4波长板105两次,第二偏振光被转换成第一偏振光，然后通过偏振器106。由于LED前表面的面积与偏振器106的出射表面的面积几乎相同，所以可以在不增加出射表面的面积的情况下进行偏振转换。然而，反射层101的材料需要作为P型层102的电极操作，并具有高反射率。目前，还不能提供这种材料。例如，作为具有高反射率的材料，已经知道Ag。如果Ag用作反射层101的材料，可以获得具有高反射率的反射层101。然而，Ag不能满意地作为P型层102 (例如，P-GaN层)的电极来操作。另外，由于由Ag制成的反射层101对ρ型层102不具有足够的粘附力，所以它可能会降低LED的可靠性。如果在Ag制成的反射层101和ρ型层102之间形成Ni层或Ti层，反射层101就可以作为P型层102的电极操作。另外，这种结构提高了反射层101对ρ型层102的粘附力。然而，在这种情况下，由于Ni层或Ti层吸收光，所以LED前表面上的光提取效率将适当变低。因此，已经提出了一种提高了 LED后表面侧上的反射率的半导体发光器件(参考专利文献I)。图2示意性示出了在专利文献I中描述的半导体发光器件的主要部分的结构。在图2中，简化了半导体发光器件的主要部分的结构。参考图2，顺序层叠ρ型半导体层203、发光层204和η型半导体层205。在该层叠结构的P型半导体层203 —侧(后表面)上顺序层叠透明导体层202、透明层201和金属层200。金属层200、透明层201和透明导体层202组成了半导体发光器件的后表面侧上的
反射膜。对于从有源层204发射的光的波长，透明层201具有比ρ型半导体层203低的折射率。另外，透明层201的膜厚度等于或大于光波长的3/4。由于透明层201是绝缘层，所以形成多个穿透透明层201的金属部分206，以便金属层200与透明导体层202导电。金属层200和金属部分206例如由Ag制成。透明层201例如由SiO2制成。透明导电层202是ρ型半导体层203的电极层。透明导体层202由来自IT0、GZ0、Zn0和AZO中的至少一种制成。P型半导体层203例如由GaN制成。在前文的半导体发光器件中，从光有源层204发射的光和向着后表面侧传播的光被反射膜在光有源层204的方向上反射。由于后表面侧上的反射膜的折射率(这主要依赖于透明层201的折射率)低于P型半导体层203的折射率，所以以比临界角大的入射角进入反射膜的光被全反射。如果透明层201的厚度等于或大于光波长的3/4，就可以解决泄漏到透明层201的光和没有完全反射的光到达金属层200，并且然后该光被金属层200吸收的问题。由此，前文的半导体发光器件可以实现高反射率。另外，透明导体层202有效用作ρ型半导体层203的电极层。另外，透明导体层202对ρ型半导体层203具有充分的粘附力。相关技术文献专利文献专利文献I JP2009-260316A，公布专利文献2 JP2005-219982A,公布专利文献3 JP2006-073321A,公布非专利文献1:J.-Q.Xi 等人，“Omn1-directional reflector using nano-porousSi02as a low-refractive-1ndex material ”(“利用纳多孔SiO2作为低折射率材料的全方向反射器” )，Optics Letters, vol.30, n0.12,1518-20 页(2005)。

发明内容
然而，专利文献I中描述的半导体发光器件具有下面的问题。电流通过金属部分206和透明导体层202中的每一个从金属层200注入到ρ型半导体层202。如果透明导体层202是薄的，并且金属部分206的间隔大到一定程度，在ρ型半导体层202的透明导体层202侧表面上相邻的金属部分206的区域中，注入电流的量就变为最大。注入电流的量与离该区域的距离成反比地减小。由此，因为注入到P型半导体层202中的电流的量在沿着表面的方向上是不均匀的，所以很难使有源层204全部地且有效地发光。另外，由于这种结构需要形成金属部分206的过程，所以制造步骤的数量成比例增加。如果增加了金属部分206的数量并且增加了它们的密度，可以防止注入到P型半导体层202中的电流的量变得不均匀。在这种情况下，随着金属部分206的数量增加，被金属部分206吸收的光的量增加。如此，后表面侧上的反射膜的反射率变低，由此半导体发光器件前表面上的光提取效率变低。涉及光接收器件的电能提取问题优先于与上述电流注入相关的问题。换句话说，光接收器件具有如下结构，其中执行发光器件的逆过程，也就是有源层204使电子吸收光能(光提取)，然后提取电子，作为通过金属层206的电能。在不存在金属部分206的区域中，由于光吸收产生的载流子在水平方向传播通过P型半导体层202，然后到达金属部分206。结果，由于发生了电压降，减少了可以被提取的能量。如果增加了金属部分206的数量，由此增加了它们的密度，可以缩短水平方向上的传播距离，并可以降低电压降。然而，同样在发光器件中不利地降低了反射率。同样在光接收器件中，也出现了前文的问题，其中随着金属部分206粘附力在加入Ni或Ti的情况下增加，反射膜的反射率变低。当光接收器件的反射率变低时，有源层的光吸收效率将变低。同样在光接收器件中，还出现了前文提到的增加了制造步骤数量的问题。本发明的目的是提供一种光学器件，其解决了前文的问题，并且增加了后表面侧上反射层的反射率，并提高了光提取效率或光吸收率。为了实现上述目的，根据本发明的示例性方面的光学器件是一种光学器件，包括层叠部分，在该层叠部分中层叠第一导电类型层和第二导电类型层，以便它们将有源层夹在中间，所述光学器件包括:反射层，其位于所述层叠部分的所述第二导电型层一侧上的第一表面上，并且向所述层叠部分反射从所述有源层发射的光或从与所述层叠部分的所述第一表面相反的第二表面进入并通过所述有源层的光，其中所述反射层包括:金属层；和透明电极层，其位于所述金属层和所述层叠部分的所述第一表面之间，其中所述透明电极层包括第一和第二透明导电膜，该第一和第二透明导电膜对于从所述有源层进入的光的波长是透明的，且具有导电性，其中所述第一和第二透明导电膜按该顺序层叠在所述层叠部分的所述第一表面上，其中所述第二透明导电膜的折射率比所述第一透明导电膜和所述第二导电型层中的每一个的折射率低，和其中所述第二透明导电膜的吸收系数比所述第一透明导电膜的吸收系数小。


图1是示出偏振LED的实例的示意图。图2是示出专利文献I中描述的半导体发光器件的主要部分的结构的截面图。图3是示出包括由金属层和透明导电膜构成的反射层的半导体发光器件的结构的截面图。图4是示出根据本发明的第一示例性实施例的半导体发光器件的主要部分的截面图。
图5是示出图4中所示的半导体发光器件的反射层的反射率和入射角之间关系的特性图。图6是示出图4中所示的半导体发光器件的透明导电膜的膜厚度和反射率之间关系的特性图。图7是示出根据本发明的第二示例性实施例的半导体发光器件的主要部分的截面图。图8是示出图7中所示的半导体发光器件的反射层的反射率和入射角之间关系的特性图。图9是示出图7中所示的半导体发光器件的Ni层的实例的截面图。图10是示出作为仅具有位于金属层和P型层之间的Ni层的比较实例的半导体发光器件的、由金属层和Ni层构成的反射层的入射角和反射率之间的关系的特性图。附图标记说明I 金属层2至4透明导电膜5 ρ 型层6 有源层7 η 型层
具体实施例方式接下来，参考附图，将描述本发明的示例性实施例。本专利申请的发明人关注如下事实:如果形成在半导体发光器件的后表面上的反射层由金属层和透明导电膜构成，就可以解决前文的注入电流的量变得不均匀且制造步骤的数量增加的问题。本发明人分析了反射层的结构，并且获得了下面描述的下列知识。图3示出了包括由金属层和透明导电膜构成的反射层的半导体发光器件的结构。参考图3，该半导体发光器件包括层叠部分，在该层叠部分中层叠ρ型层302和η型层304，使得它们将有源层303夹在中间。另外，透明导电膜301和金属层300顺序层叠在层叠部分的P型层302侧表面上。透明导电膜301和金属层300形成反射层。透明导电膜301由IT0、GZ0等制成。透明导电膜301的折射率例如是2.1。透明导电膜301的吸收系数例如是5000CHT1。透明导电膜301的膜厚度例如是3X ( λ /4η)，其中λ是从有源层303发射的光的波长，η是透明导电膜301的折射率。P型层302例如由p-GaN制成，且对于具有450nm波长的光具有2.5的折射率。电流从金属层300通过透明导电膜301注入到ρ型层302中。在图3所示的半导体发光器件中，由于电流整体地且均匀地注入P型层302中，不会出现由于电流不均匀注入造成的性能降低。另外，由于不需要形成多个金属部分，所以可以按比例减少制造步骤的数量。由此，该半导体发光器件可以解决专利文献I中描述的半导体器件中涉及的问题。然而，图3中所示的半导体发光器件具有下面的问题。在图3所示的半导体发光器件中，透明导电膜301的折射率是2.1，而ρ型层302的折射率是2.5。如此，它们的差异很小。结果，发生全反射的临界角变大。以比临界角小的入射角的光到达金属层300。金属层300吸收该光。由此整体反射率变低。另一方面，由于透明导电膜301的吸收系数大到5000CHT1，所以透明导电膜301大大削弱了光，造成反射率降低。作为增加反射层的反射率的技术，透明导电膜301可以由具有低折射率的材料制成。具有低折射率材料的实例是在专利文献2中描述的GZ0+CaF2。GZCHCaF2的折射率大约是 1.52。如果使用由GZCHCaF2制成的透明导电膜，由于可以减小发生全反射的临界角，所以可以减少到达金属层300的光量。结果，可以提高反射率。另外，由于在透明导电膜中产生的载流子数量小于在ITO或GZO中产生的载流子数量，所以透明导电膜的吸收系数小。如此，由于透明导电膜防止了光的吸收，所以增加了透明导电膜的反射率。然而，如果具有低折射率的材料，例如(GZCHCaF2 )，被用作透明导电膜301，将会出现另一个问题。如上所述，由于在具有低折射率的材料中产生的载流子数量小，所以透明导电膜301和ρ型层302之间的接触电阻和透明导电膜301和金属层300之间的接触电阻将变大。通常，由于吸收系数与在透明导电膜中产生的载流子的数量成正比，所以通过防止光的吸收可以增加反射率。然而，将会出现接触电阻与载流子数量成反比的问题。如专利文献2所述，透明导电膜的导电性，也就是载流子的数量，与它的折射率成正比。如此，如果使用具有低折射率的透明导电膜来减小临界角和增加反射率，由于载流子的数量减少了，所以减少了光吸收。如此，虽然可以实现获得高反射率的目标，但是将出现接触电阻变大的问题。如上所述，由于在反射层的反射率和接触电阻之间存在折衷关系，使用图3中示出的结构很难形成具有高反射率和低接触电阻的层。考虑到由发明人的分析结果新获得的上述折衷关系，为了获得具有高光提取效率的半导体发光器件，不仅需要解决注入电流量变不均匀的问题和增加制造步骤数量的问题，而且需要形成具有高反射率的反射层。接下来，参考附图，将描述本发明的示例性实施例。(第一示例性实施例)图4是示出根据本发明的第一示例性实施例的半导体发光器件的主要部分的截面图。参考图4,半导体发光器件是表面发光型的固态光源(例如,表面发光型LED)。该半导体发光器件包括层叠部分，在该层叠部分中层叠P型层5和η型层7，使得它们将有源层6夹在中间。由金属层I和透明导电膜2至4构成的反射层顺序层叠在层叠部分的ρ型层5侧表面上。金属层I由具有高反射率金属材料制成，例如Ag。P型层5和η型层7每个都是由具有高折射率的半导体材料制成的，例如GaN。对于从有源层6出射的光的波长，透明导电膜2至4每个都具有光可透射性，并且每个膜都是导电的。由透明导电膜2至4和金属层I构成的反射层用作P型层5的ρ型电极。透明导电膜2和4中的每一个都是具有高折射率的透明导体膜。透明导电膜2和4中的每一个的材料可以是ITO、GZO、ZnO、AZO等。如果透明导电膜2和4中的每一个都是由ITO制成的，那么其折射率大约是2.1，并且其吸收系数大约是5000cm_3。透明导电膜2和4中的每一个的膜厚度例如是10nm。透明导电膜2的膜厚度可以与透明导电膜4的膜厚度不同。透明导电膜3是具有低吸收系数和低折射率的透明导电膜。例如，透明导电膜3可以形成为电介质混合物膜、多孔膜、使用透明导电颗粒作为填充物由复合导电材料制成的膜、导电聚合物膜等。电介质混合物膜例如是将Ga掺杂到ZnO的GZO和诸如CaF2、SmF2、ZnO2、YF3、ZrO2、SrTiO3^BaTiO3等的具有低折射率材料的混合物。例如，如果透明导电膜3由(620+0&匕)制成，则透明导电膜3的折射率是1.52，并且其吸收系数是50cm_3。替代地，电介质混合物膜可以由ITO和电介质材料的混合物制成。多孔膜例如是专利文献3中描述的多孔ITO膜。通过将包含铟、锡和酒精的ITO膜形成有机溶液和至少一种类型的非离子表面活性剂的混合物施加到衬底，并在预定的温度下对衬底执行热处理，形成多孔ITO膜。如果透明导电膜3由多孔ITO膜制成，那么透明导电膜3的折射率大约是1.74。透明导电膜3的膜厚度例如是2.85Χ( λ /4η)，其中λ是从有源层6发射的光的波长，并且η是透明导电膜3的折射率。透明导电膜3的膜厚度被设置为大于透明导电膜2和4中的每一个的膜厚度。为了方便，在图4中没有示出η型层7的η型电极。η型电极被形成在η型层7的与有源层6侧相反的表面上。η型电极可以被形成为蜂巢图案。η型电极可以由用于透明电极的材料制成，诸如ΙΤΟ。在根据本实施例的半 导体发光器件中，电流穿过金属层I和导电膜2至4注入到P型层5中，由此有源层6发光。从有源层6发射的光和向η型层7传播的光从η型层7的与有源层6侧相反的表面出射，也就是从图4中示出的最上表面出射。相反,从有源层6发射的并向ρ型层5传播的光被由金属层I和导电膜2至4组成的反射层反射。接下来，将考虑反射层的反射率。在反射层中，反射发生在P型层5和透明导电膜4之间的第一界面、透明导电膜3和透明导电膜4之间的第二界面、透明导电膜2和透明导电膜3之间的第三界面、以及金属层I的透明导电膜2侧表面上。如果ρ型层5的折射率、透明导电膜2和4中的每一个的折射率、以及透明导电膜3的折射率分别为2.5,2.1和1.52，那么在以O至90度的入射角从ρ型层5 —侧进入的光中，以等于或大于大约57度的入射角的光在第一界面上被全反射。另一方面，具有等于或大于大约37度的入射角的光在第二界面上被全反射。由于具有低折射率的透明导电膜3增加全反射的光的比率，所以整体反射率将提高。尽管透明导电膜2和4中的每一个的吸收系数例如大到5000cm_3，但它们的膜厚度是小的。因此，被这些膜吸收的光的量是小的。相反，尽管透明导电膜3的膜厚度相对大，但由于其吸收系数低至50cnT3，所以被该膜吸收的光的量也是小的。因此，前文的反射层能全反射多数的光，使得光不会到达金属层I。另外，由于防止了透明导电膜2至4的光吸收，所以前文的反射层能实现高反射率。
图5示出了根据本实施例的半导体发光器件的反射层的反射率和入射角之间的关系。纵轴代表反射率，而横轴代表从P型层5—侧进入的光到反射层的入射角。入射光的波长为450nm。在图5中，由实线指示的曲线代表S偏振光的反射率，由短划线指示的曲线代表P偏振光的反射率，以及由虚线指示的曲线代表二者的平均值。如上所述，当入射角等于或大于大约37度时，由于光在反射层上被全反射，所以获得了非常高的反射率。如图5所示，反射率具有偏振光依赖性和入射角依赖性。作为代表反射镜的性能的指标，经常使用由以下式子给出的加权平均反射率。
权利要求
1.一种光学器件，包括层叠部分，在所述层叠部分中层叠第一导电型层和第二导电型层，使得它们夹着有源层，所述光学器件包括: 反射层，所述反射层位于所述层叠部分的所述第二导电型层一侧的第一表面上，并且向所述层叠部分反射从所述有源层发射的光或从与所述层叠部分的所述第一表面相反的第二表面进入并通过所述有源层的光， 其中所述反射层包括: 金属层；以及 透明电极层，所述透明电极层位于所述金属层和所述层叠部分的所述第一表面之间，其中所述透明电极层包括第一和第二透明导电膜，所述第一和第二透明导电膜对于从所述有源层进入的光的波长是透明的，且具有导电性， 其中所述第一和第二透明导电膜依次层叠在所述层叠部分的所述第一表面上， 其中所述第二透明导电膜的折射率比所述第一透明导电膜和所述第二导电型层中的每一个的折射率低，并且 其中所述第二透明导电膜的吸收系数比所述第一透明导电膜的吸收系数小。
2.根据权利要求1所述的光学器件， 其中所述有源层发光，并且所述层叠部分的所述第二表面出射从所述有源层发射的光的一部分。
3.根据权利要求1所述的光学器件， 其中所述有源层吸收从所述层叠部分的所述第二表面进入的光的一部分。
4.根据权利要求1至3中的任何一项所述的光学器件， 其中所述透明电极层进一步包括: 第三透明导电膜，所述第三透明导电膜对于从所述有源层进入的光的波长是透明的，且具有导电性， 其中所述第一、第二和第三透明导电膜依次层叠在所述层叠部分的所述第一表面上， 其中所述第三透明导电膜的折射率比所述第二透明导电膜的折射率大，并且 其中所述第三透明导电膜的吸收系数比所述第二透明导电膜的吸收系数大。
5.根据权利要求4所述的光学器件， 其中所述第二透明导电膜比所述第一和第三透明导电膜中的每一个厚。
6.根据权利要求1至5中的任何一项所述的光学器件， 其中相对于从所述有源层发射的光的中心波长，所述第二透明导电膜具有与0.625或更大的光程长度相对应的膜厚度。
7.根据权利要求1至6中的任何一项所述的光学器件， 其中所述第二透明导电膜是由电介质混合物膜制成的，其中在所述电介质混合物膜中电介质材料与ITO或GZO混合。
8.根据权利要求7所述的光学器件， 其中所述电介质混合物膜是所述GZO和CaF2的混合物。
9.根据权利要求1至8中的任何一项所述的光学器件，进一步包括第二金属层，所述第二金属层位于所述金属层和所述透明电极层之间，并且由与所述金属层的材料不同的材料制成。
10.根据权利要求9所述的光学器件， 其中所述第二金属层由形成在所述金属层的所述透明导电膜一侧的表面上的多个岛状金属区制成。
11.根据权利要求9或10所述的光学器件， 其中所述第二金属层由来自N1、T1、Cr或Pd中的金属材料中的任何一种制成。
12.根据权利要求1至11中的任何一项所述的光学器件，进一步包括偏振器，所述偏振器被定位成与所述层叠部分的所述第二表面相对。
13.根据权利要求12所述的光学器件，进一步包括1/4波长板，所述1/4波长板位于所述层叠部分的所述第二表面和所述偏振器之 间。
全文摘要
本发明公开的半导体发光器件设置有层叠单元，包括分别层叠在有源层(6)的两侧上的p型层(5)和n型层(7)，其中由有源层6产生的光的一部分从所述层叠单元的第一表面出射。公开的光学元件设置有反射层，其位于层叠部分的与上述第一表面相反侧上的第二表面上，在有源层一侧的方向上反射由有源层(6)产生的和从第二表面进入的光。该反射层包括金属层(1)和透明电极层(2-4)，透明电极层(2-4)是导电的且对于由有源层(6)产生的波长是透明的。透明导电膜(3)的折射率比透明导电膜(2、4)以及p型层(7)的折射率低。透明导电膜(3)的吸收系数比透明导电膜(2、4)的吸收系数低。
文档编号H01L33/42GK103210507SQ20118005503
公开日2013年7月17日 申请日期2011年11月14日 优先权日2010年11月15日
发明者铃木尚文 申请人:日本电气株式会社