JP2005294820A - Ｉｉｉ族窒化物半導体発光素子及びその形成方法、それを用いたランプ、光源 - Google Patents

Abstract

【課題】光励起に都合の良い短波長の発光をもたらせるIII族窒化物半導体発光素子を利用して、多波長発光素子或いは波長を相違する光を混色させ白色発光素子を簡便に得る。
【解決手段】透明な結晶基板上に形成したIII族窒化物半導体素子において、結晶基板の表面とは反対側の基板裏面に、蛍光体物質を含む板状体を設けて、発光層からの発光と、蛍光体物質からの蛍光とを併せて出射できる構造である。これにより、発光層からの発光色と、蛍光体からの蛍光とを混色させて白色を呈する発光素子とすることもできる。
【選択図】 図３

Description

本発明は、発光層からの発光と、その発光とは相違する波長の発光を同時に放射できるIII族窒化物半導体発光素子に関するものである。

従来から、波長を異にする複数の発光を出射する発光ダイオード（ＬＥＤ）として、多波長ＬＥＤと呼称される発光素子が知れている（例えば、特許文献１参照）。波長を相違する短波長可視光を出射する多波長ＬＥＤは、従来では、例えば、インジウム組成比（＝Ｚ）を互いに異にする窒化ガリウム・インジウム（組成式Ｇａ_ＹＩｎ_ＺＮ：０≦Ｙ，Ｚ≦１、Ｙ＋Ｚ＝１）から異なる波長の発光を呈する発光層を各々、形成して構成されている（前出の特許文献１参照）。例えば、光の３原色である青色、緑色、及び赤色を出射する様に各々、インジウム組成比を調整したＧａ_ＹＩｎ_ＺＮ（０≦Ｙ，Ｚ≦１、Ｙ＋Ｚ＝１）発光層を利用して多波長ＬＥＤが構成されている（例えば、特許文献２及び３参照）。

また、別の多波長発光素子として、窒素（元素記号：Ｎ）、砒素（元素記号：Ａｓ）及びアンチモン（元素記号：Ｓｂ）の複数の第Ｖ族元素を含むIII族窒化物半導体 層を発光層とするレーザダイオード（ＬＤ）が知れている（例えば、特許文献４参照）。この従来の多波長ＬＤに於いても、互いに異なる波長のレーザー光を発するために、発光層は、組成比を相違するＡｌＳｂ_αＡｓ_βＮ_γ（０＜α．β，γ＜１、α＋β＋γ＝１）から構成されるものとなっている（例えば、特許文献４参照）。

特開昭４９−１９７８３号公報 特開平０８−８８４０７号公報 特開平０８−８８４０８号公報 特開平０７−０７２２３号公報

しかしながら、従来の多波長発光素子は、各波長に相応した発光をもたらす発光層を各々、個別に形成する必要がある。このため、光の３原色の発光を得るには、例えば、インジウム組成比を相違する３種類のＧａ_ＹＩｎ_ＺＮ（０≦Ｙ，Ｚ≦１、Ｙ＋Ｚ＝１）発光層を別々に形成する必要があり、発光層の形成工程からして煩雑となっている。

また、その様な組成比を異にする発光層を、エッチング手段等を利用して、互いに電気的に分離（アイソレーション）するのも、また煩雑である。ましてや、従来の多波長発光素子では、電気的に分離した発光層について、これまた、各発光層毎にオーミック（Ｏｈｍｉｃ）性電極を設ける必要がある。従って、従来の多波長発光素子を構成するには、発光層等の結晶成長工程からして、また、発光素子となすための素子化工程からして極めて煩雑な工程を経なければならなかった。

本発明は、上記の如くの従来技術の問題点に鑑みなされたもので、発光波長毎に個別に発光層を設ける従来の手段に依らず、従って、簡易に構成できる多波長発光素子を提供するものである。即ち、本発明では、単一（同一）の発光層を利用するために、各発光層を分離する必要も無く簡便に構成できる多波長の発光をもたらせるIII族窒化物半導体発光素子を提供する。

本発明は、上記の半導体発光素子を提供するため研究した結果到達したもので、以下の各項の発明からなる。
（１） 透明な結晶基板の表面上に形成された、第一の伝導型の第一のIII族窒化物半導体層と、第一とは反対の第二の伝導型の第二のIII族窒化物半導体層と、第一及び第二のIII族窒化物半導体層の中間に、III族窒化物半導体からなる発光層とが備えられている積層構造体から構成されたIII族窒化物半導体発光素子に於いて、積層構造体の形成に用いた上記の結晶基板の、積層構造体を設けた表面とは反対側の結晶基板の裏面に蛍光体物質を含む板状体が貼付されている、ことを特徴とするIII族窒化物半導体発光素子。
（２） 蛍光体物質を含む板状体が、熱膨張係数を、上記の透明な結晶基板と略同一とする材料から構成されている、ことを特徴とする上記（１）に記載のIII族窒化物半導体発光素子。

（３） 蛍光体物質を含む板状体が、発光層からの発光を透過できる透明な材料から構成されている、ことを特徴とする上記（１）または（２）に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
（４） 蛍光体物質を含む板状体が、非晶質材料から構成されている、ことを特徴とする上記（１）乃至（３）の何れかに記載のIII族窒化物半導体発光素子。
（５） 蛍光体物質を含む板状体が、ガラス材料から構成されている、ことを特徴とする上記（１）乃至（４）の何れかに記載のIII族窒化物半導体発光素子。
（６） 蛍光体物質を含む板状体が、上記の透明な結晶基板よりも屈折率を小とする材料から構成されている、ことを特徴とする上記（１）乃至（５）の何れかに記載のIII族窒化物半導体発光素子。

（７） 透明な結晶基板の表面上に、第一の伝導型の第一のIII族窒化物半導体層と、第一、または第一とは反対の第二の伝導型を有するIII族窒化物半導体からなる発光層と、第二の伝導型のIII族窒化物半導体層とを、順次、気相成長手段により堆積して、積層構造体を形成し、その後、積層構造体が形成されているのとは反対側の上記結晶基板の裏面を研削して、結晶基板を薄板化し、その薄板化した基板の表面に、陽極酸化手段により、蛍光体物質を含む板状体を貼付する、ことを特徴とするIII族窒化物半導体発光素子の形成方法。
（８） 蛍光体物質を含む板状体を、熱膨張係数が上記の透明な結晶基板と略同一とする材料とした、ことを特徴とする上記（７）に記載のIII族窒化物半導体発光素子の形成方法。
（９） 蛍光体物質を含む板状体を、発光層からの発光を透過できる透明な材料とした、ことを特徴とする上記（７）または（８）に記載のIII族窒化物半導体発光素子の形成方法。
（１０） 蛍光体物質を含む板状体を、非晶質材料とした、ことを特徴とする上記（７）乃至（９）の何れかに記載のIII族窒化物半導体発光素子の形成方法。

（１１） 蛍光体物質を含む板状体を、ガラス材料とした、ことを特徴とする上記（７）乃至（１０）の何れかに記載のIII族窒化物半導体発光素子の形成方法。
（１２） 蛍光体物質を含む板状体を、上記の透明な結晶基板よりも屈折率を小とする材料とした、ことを特徴とする上記（７）乃至（１１）の何れかに記載のIII族窒化物半導体発光素子の形成方法。
（１３） 結晶基板の裏面を、砥粒を使用してラッピングにより粗研磨して薄板化し、次に、鏡面に研磨した後、鏡面表面に蛍光体物質を含む板状体を貼付する、ことを特徴とする上記（７）乃至（１２）の何れかに記載のIII族窒化物半導体発光素子の形成方法。
（１４） 結晶基板の裏面を、エッチングにより薄板化し、鏡面となした結晶基板の裏面に、鏡面表面に蛍光体物質を含む板状体を貼付する、ことを特徴とする上記（７）乃至（１２）の何れかに記載のIII族窒化物半導体発光素子の形成方法。

（１５） III族窒化物半導体からなる発光層からの発光と、その発光により光励起された、結晶基板の裏面に貼付された蛍光体物質を含む板状体からの発光とを同時に出射する、ことを特徴とする上記（１）乃至（１４）の何れかに記載のIII族窒化物半導体発光素子から構成したランプ。
（１６） III族窒化物半導体からなる発光層からの発光と、その発光とは補色の関係にある、結晶基板の裏面に貼付された蛍光体物質を含む板状体からの発光とを同時に出射する、ことを特徴とする上記（１５）に記載のIII族窒化物半導体発光素子から構成したランプ。
（１７） 発光層からの発光と、結晶基板の裏面に貼付された蛍光体物質を含む板状体からの発光との混色により白色光を出射するIII族窒化物半導体発光素子から構成されている、ことを特徴とする上記（１５）または（１６）に記載のランプ。
（１８） 上記（１４）乃至（１７）の何れかに記載のランプを備えている、ことを特徴とする光源。

本発明に依れば、数量的にも材料的にも唯一の発光層を共通的に利用して、発光層からの発光と、それによって光励起された蛍光体材料からの蛍光発光とを出射できる構造として、III族窒化物半導体発光素子を構成することとしたので、従来の如く、各発光色に対応させて発光領域を個別に電気的に分離（アイソレーション）する必要も無く、波長を相違する発光をもたす多波長発光素子を簡便に提供できる。

特に、発光層からの発光色と、補色の関係にある蛍光を発光できる蛍光体物質を含む板状体を貼付したIII族窒化物半導体ＬＥＤを利用すれば、白色光を呈するＬＥＤランプを簡便に提供できる。

本発明において、蛍光体物質を含む板状体を、特に、陽極接合手段で結晶基板の裏面に貼付したものでは、発光層からの発光と共に、蛍光を発するIII族窒化物半導体ＬＥＤを簡便に構成するに効果を上げられる。

本発明に係わるIII族窒化物半導体発光素子は、透明な結晶基板の一表面上に形成されたIII族窒化物半導体層を備えた積層構造体から構成する。透明な結晶とは、発光層からの発光を透過できる光学的に透明な結晶である。好ましくは光学的に透明な単結晶である。例えば、サファイア（α―Ａｌ_２Ｏ_３単結晶）等の酸化物結晶、酸化亜鉛（ＺｎＯ）や炭化珪素（ＳｉＣ）等の広禁止帯幅の結晶を例示できる。また、成長させるに高温を要するIII族窒化物半導体もあるため、耐熱性を有する単結晶、例えば、珪素（Ｓｉ）単結晶も基板として利用できる。

高い強度の発光を獲得するために、積層構造体には、ｐｎ接合型２重ヘテロ（ＤＨ）構造の発光部が備えられているのが好ましい。発光部とは、ｎ型及びｐ型クラッド（clad）層と、その中間に挟持されたｎ型またはｐ型の発光層とのDH構造からなる構造部である。クラッド層は、例えば、窒化アルミニウム・ガリウム・インジウム（組成式Ａｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_ＺＮ：０≦Ｘ，Ｙ，Ｚ≦１，Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１）から構成できる。また、発光層は、例えば、窒化ガリウム・インジウム（組成式Ｇａ_ＹＩｎ_ＺＮ：０≦Ｙ，Ｚ≦１，Ｙ＋Ｚ＝１）から構成する。クラッド層と発光層はまた、窒素と窒素以外の第Ｖ族元素を含むIII族窒化物半導体から構成できる。

発光層は、単一（ＳＱＷ）または多重（ＭＱＷ）量子井戸構造（ＱＷ）とするのが得策である。量子井戸構造は、例えば、Ｇａ_ＹＩｎ_ＺＮ（０≦Ｙ，Ｚ≦１，Ｙ＋Ｚ＝１）を井戸層とし、Ａｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_ＺＮ（０≦Ｘ，Ｙ，Ｚ≦１，Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１）を障壁層として構成する。また、例えば、窒化燐化ガリウム（組成式ＧａＮ_１−ａＰ_ａ：０≦ａ＜１）を井戸層として構成する。井戸層及び障壁層は共に、不純物を故意に添加しないアンドープのIII族窒化物半導体層から構成できる。また、共に不純物ドーピングを施したIII族窒化物半導体層から構成できる。また、アンドープの井戸層とドーピングした障壁層とから構成できる。珪素（元素記号：Ｓｉ）或いはゲルマニウム（元素記号：Ｇｅ）等の第IV族元素をドーピングしたｎ型障壁層は、井戸層へ及ぼす歪（ピエゾ効果に因る歪み）を低減して、発光波長を安定させるに効果が上げられる。

格子定数を相違するため、格子の整合性に欠ける関係にある結晶基板の一表面上に発光部を形成するにあって、比較的低温で成長させた緩衝層（低温緩衝層）を介して設けるのが得策である。低温緩衝層を窒化アルミニウム（ＡｌＮ）から構成する場合、層厚は１ｎｍから１００ｎｍ、好ましくは２ｎｍ〜５０ｎｍ、更に好ましくは２ｎｍ〜５ｎｍとするのが好適である。低温緩衝層を介在させると、結晶性に優れるIII族窒化物半導体層が得られる。このため、低温緩衝層を介して成長させたIII族窒化物半導体層からは、結晶基板側から発光を外部へ取り出すにしても、高い強度の発光を与えられる発光部を構成できる。

本発明では、発光層からの発光に対して透明な結晶基板を透過する発光を利用して多波長の発光素子を得る。結晶基板を透過して来る発光の強度は、結晶基板の層厚が薄い程、増加する。しかし、結晶基板の厚さが薄くなると、素子化工程等でのハンドリングが難しくなる。このため、結晶基板の厚さは、当初から、或いは研磨、エッチング等の手段に依り薄くするとしても、４０μｍ以上で２００μｍ以下、望ましくは５０μｍ以上で１５０μｍ以下とするのが望ましい。結晶基板を薄板化するには、カーボランダム等の一般的な研磨用砥粒を使用するラッピング手段を利用できる。サファイアや炭化珪素（ＳｉＣ）等の高硬度の結晶は、例えば、ダイヤモンド砥粒を使用してラッピング研磨或いは鏡面研磨できる。

珪素（Ｓｉ）単結晶（シリコン）基板であれば、弗化水素酸（ＨＦ）と硝酸（ＨＮＯ_３）の混合液などの湿式エッチングで薄板化させられる。砒化ガリウム結晶基板であれば、弗化アンモニウム（ＮＨ_４Ｆ）と過酸化水素（Ｈ_２Ｏ_２）と水（Ｈ_２Ｏ）系混合液を使用する湿式エッチングにより薄板化できる。塩素ガス（Ｃｌ_２）等のハロゲン（halogen）ガス、及び三塩化硼素（ＢＣｌ_３）や四塩化珪素（ＳｉＣｌ_４）等の塩化物ガスを使用する高周波プラズマエッチング等によって薄板化できる。上記したラッピング等の機械的研磨を施した比較的に粗度の大きな結晶表面に、湿式エッチング或いはプラズマエッチングを施すとより平滑な鏡面となすことができる。

結晶基板の裏面側（積層構造体を設けたのとは反対側の結晶基板の表面）には、結晶基板を透過して来る発光を吸収して、蛍光を発する蛍光体物質を含有する板状体を貼付する。より長波長側の他の視感度領域の光を発光するものであれば、使用可能である。例えば、セリウム（元素記号：Ｃｅ）が添加されたイットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）粒を含む板状体を貼付する。Ｃｅ添加ＹＡＧ蛍光体は、４６０nm前後の波長の青色帯光を吸収し、黄色帯の発光をもたらす。従って、例えば、青色帯光を発する発光層とこの蛍光体を含む板状体とを備えたＬＥＤ用途の積層構造体からは、青色光と黄色光を同時に発する多波長ＬＥＤを構成できる。即ち、本発明によれば、蛍光体材料を含む板状体を結晶基板に貼付するだけで、多色の発光を呈するIII族窒化物半導体ＬＥＤを構成できる。

この場合、蛍光体を含む板状体の一部を、発光層からの青色光を透過できる透明な材料から構成すれば、青色光と蛍光体物質からの黄色光との補色の混合に依り、白色光を発する、例えば、III族窒化物半導体ＬＥＤが提供できる。白色を呈するＬＥＤは、赤色、緑色及び青色の蛍光を呈する蛍光体物質を含む板状体を設けることでも構成できる。これら光の３原色を発する蛍光体材料を同時に併せて含む一板状体を用いれば、従来の如く、各々の原色毎に発光領域を分離する必要もなくなり、数量的に唯一の発光層を利用して、簡便に多色を発光できるIII族窒化物半導体発光素子を提供できる。

異なる波長の蛍光を呈する複数の蛍光体物質を含有した一板状体を使用して、多波長の発光素子とする場合、一板状体に含ませる各蛍光体物質の量を変化させることで異なった色調の発光素子が得られる。板状体に含ませる蛍光体の濃度は、蛍光体の励起効率に応じて、０．５重量パーセント以上で８０重量％以下であるのが好ましい。更には、２０重量％以上で４０重量％以下であるのが望ましい。同色の蛍光を発する蛍光体材料であっても、励起効率を異にする蛍光体を代替に含有させると、発光の色調に変化を与えられる。同一光源を使用して励起した蛍光体物質からの発光を混色させて白色のIII族窒化物半導体発光素子を得る場合、各色を呈する蛍光体材料の含有量は、その光源の波長についての励起効率と視感度を勘案して調整する。例えば、同一の励起光源に対し、赤色、緑色、次ぎに青色の順序で励起効率が減少する蛍光体材料であれば、それらの蛍光体物質の含有量は励起効率とは逆の順序に増加させる。即ち、本例では、赤色の蛍光を発する蛍光体材料の含有量を最も大きくし、緑色用の蛍光体材料の含有量を最も少なくする。
蛍光体物質としては公知の各種のものが使用できる。

蛍光を発する蛍光体物質を含有する結晶を基板として当初から使用しても構わないが、強度の高い蛍光を得るには、単結晶の基板として不適となる程、多量に蛍光体物質を添加する必要がある。結晶性に劣る基板上には、結晶性の良好なIII族窒化物半導体層を安定して成長させるこができない。高い強度の発光をもたらす結晶性に優れるIII族窒化物半導体層を得るには、蛍光体材料を然して含有しない結晶性に優れる結晶を基板として利用するのが得策である。従って、本発明では、先ず、蛍光体物質を故意に添加していない結晶を基板として、発光素子用途の積層構造体を形成する。その後、その結晶基板を薄板化する。但し、積層構造体を機械的に充分に支持できる厚みは保持しておく。次に、残存させた結晶基板に、蛍光体物質を多量に含有した板状体を貼付する技術手段に依って、多波長発光素子を得るものである。

本発明において蛍光体物質を含む板状体を貼付するとは、蛍光体物質を含む溶液を塗布し、固化する方法も含む。蛍光体物質を多量に含む板状体は、蛍光体物質を多量に混在させた有機珪素化合物を含む溶液を、結晶基板の裏面に塗布し、ゾル−ゲル手段で固化させて得た二酸化珪素（ＳｉＯ_２）から形成できる。また、ゾル−ゲル手段に依り成膜した、蛍光体物質を含むインジウム・錫複合酸化膜（ＩＴＯ）を固化させて形成できる。この様な非晶質物質では、構成物質相互間の結合が堅牢では無いため、結晶基板との格子ミスマッチ性を緩和する作用が発揮され、格子不整合性に起因して発生する亀裂の無い板状体を得るに効果的となる。

板状体は、また、比較的低温で融解でき、多量の蛍光体材料を混在できる非晶質ガラス材料から好適に構成できる。非晶質ガラスとは、例えば、シリカガラス（吉澤 四郎他著、工業化学基礎講座５「無機工業化学」、（株）朝倉書店、昭和４８年２月２５日発行、６版、１６９頁参照）、ソーダ石灰ガラス等の珪酸塩ガラス（上記の「無機工業化学」、２０５〜２０６頁参照）、シリカの一部を酸化硼素で置換した硼珪酸ガラス（上記の「無機工業化学」、２０７頁参照）である。具体的には、例えば９６％シリカガラスである。特に、低膨張率のガラス材料、例えば、低膨張硼珪酸ガラス（上記の「無機工業化学」、２０８頁参照）やガラスセラミック類は貼付する結晶基板に与える熱的応力を低減でき、亀裂を発生させることなく、III族窒化物半導体発光素子を効率的に構成できる。
最近は、ゾルゲル法を用いて、直径５nm以下の超微粒子を作成し、ガラス中に保持する技術が確立し、より蛍光体として発光効率のよい素材を使用することが可能であり、これらからなる板状体を使用するのが好適である。

また、蛍光体物質を含む板状体は、結晶基板と線膨張係数を略同等とする材料から構成するのが望ましい。例えば、線膨張係数を約５×１０^−６／Ｋとする炭化珪素（ＳｉＣ）結晶（「III−Ｖ族化合物半導体」、（株）培風館、１９９４年５月２０日発行、初版、１４８頁参照）基板の裏面に、線膨張率を、３×１０^−６／Ｋ以上で８×１０^−６／Ｋ以下とする非晶質のガラスを貼付する。貼付する非晶質ガラスの厚さは１００μｍ以上で３００μｍ以下であるのが適する。

また、蛍光体物質を含む板状体は、結晶基板より屈折率を小とする材料から構成するのが望ましい。例えば、屈折率を約２．０とするサファイア基板に貼付する板状体は、例えば、１．３以上で２．０未満の範囲の屈折率を有するガラスから構成できる。特に、基板をなす結晶と、発光素子を封止するに一般的に利用されるエポキシ樹脂との中間的な屈折率を有するガラスから好適に構成できる。例えば、１．５以上で１．８以下の屈折率を有するガラスから好適に構成できる。

波長を５８７ｎｍとするナトリウム（元素記号：Ｎａ）のｄ線に対して、屈折率を１．５〜１．８とするガラスとして、例えば、クラウン（Ｋ）、ホウケイクラウン（ＢＫ）、バリウムクラウン（ＢａＫ）、フリント（Ｆ）、バリウムフリント（ＢａＦ）、ランタンクラウン（ＬａＫ）、ランタンフリント（ＬａＦ）系ガラス等の光学ガラス類を例示できる（例えば、上記の「無機工業化学」、２１４頁参照）。

結晶基板にガラス等の板状体を接合させるには、例えば、陽極接合手段を利用できる。この手段に於いて、例えば、ガラス板状体に印加する負（−）の電圧は、１００Ｖ以上で１２００Ｖ以下であるのが適する。印加電圧は高ければ、双方の貼り合わせは容易になるが、歩留まりが低下する。このため、印加電圧は２００Ｖ〜７００Ｖの範囲、好ましくは、３００Ｖ以上で５００Ｖ以下が好適である。結晶基板なり、板状体なりを加熱すれば、双方の貼付は更に容易となる。加熱温度としては、２００℃以上で７００℃以下が適する。貼り合わせ温度を高温とする程、双方に印加する電圧は低く設定できる。逆に、貼り合わせ温度を低くした場合は、印加電圧を高めに設定する必要がある。陽極接合手段に依る貼り合わせに適したガラスとしては、アルカリ成分を含むガラスが適する。例えば、ソーダ石灰ガラスなどの珪酸塩ガラス等である。

蛍光体物質を含む板状体を貼付した後、結晶基板の表面側に設けた積層構造体を加工して、ｎ型及びｐ型オーミック（Ohmic）電極を形成して、発光素子を構成する。例えば、結晶基板に何れかの極性のオーミック電極を設けるのでは、なく、積層構造体の表面側に双方の極性の電極を配置して発光素子を形成する。例えば、積層構造体の最表層をなす第一の伝導型（此処では仮にｐ型層とする）のIII族窒化物半導体からなるｐ型コンタクト（contact）層上にp型オーミック電極を設ける。本発明のIII族窒化物半導体発光素子では、発光層からの発光を積層構造体のコンタクト層側から外部へ取り出すのではなく、板状体が貼付されている方向に出射させる方式である。従って、発光の取り出し方向と反対側に在るｐ型コンタクト層上に配置するｐ型オーミック電極は、透光性或いは透過性の機能も敢えて備えている必要は無く、金属厚膜をコンタクト層の略全面に配置した、所謂、“べた”電極であって構わない。

一方、ｎ型オーミック電極は、ｐ型コンタクト層の一部の領域に於いて、ｐ型コンタクト層や発光層等を除去して第二の伝導型（此処では、第一の伝導型をｐ型と仮に設定しているので、第二の伝導型はｎ型である。）のｎ型III族窒化物半導体層の表面を露出させた後に形成する。ｎ型オーミック電極は、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、クロム（Cr）などの遷移金属及びその合金等から構成できる。

積層構造体の最表層、即ち、発光の外部に取り出す方向とは逆の方向にある例えば、コンタクト層上に設ける“べた”電極は、発光を反射でき、且つオーミック接触をする金属から構成すると、発光層へ円滑に流通されると共に、蛍光体材料を含む板状体へ発光を反射できる。従って、蛍光材料を励起するに好都合となり、強い強度の蛍光をもたらすに効果的となる。III族窒化物半導体発光層から放射される比較的短い波長の発光を反射させるに適する金属反射膜は、半導体層とオーミックコンタクトが形成でき、且つ光を透過する薄い金属層と、その透過した光を反射させることの可能な金属層の２層構造とするのがよい。そのオーミック接合用の金属としては、例えば、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）や白金（Ｐｔ）等の白金族６元素（「ダフィー 無機化学」、（株）廣川書店、昭和４６年４月１５日発行、５版、２４９頁参照）等、Ni、Au、Co、Ti、Cr、W、Taなどの金属およびその合金から構成できる。反射膜としては、例えば、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）や白金（Ｐｔ）等の白金族６元素（「ダフィー 無機化学」、（株）廣川書店、昭和４６年４月１５日発行、５版、２４９頁参照）等、Ag、Auなどの金属およびその合金が用いられる。

本発明の発光素子は、III族窒化物半導体からなる発光層からの発光と、蛍光体物質を含む板状体からの発光とを同時に出射できる。従って、本発明に係わるIII族窒化物半導体発光素子からは、単一素子でありながら多波長の発光をもたらすランプを構成できる。特に、III族窒化物半導体発光層からの発光色と補色の関係にある蛍光色を発する板状体を備えた本発明に係わるIII族窒化物半導体発光素子からは、白色のランプを構成できる。また、III族窒化物半導体発光層と、貼付された板状体からの蛍光とを併せて光の３原色に相応する発光を出射するIII族窒化物半導体発光素子を用いれば、白色を呈するランプを提供できる。蛍光を発する蛍光体物質の板状体内の含有量を変化させれば、色調の異なる白色ランプを提供できる。

また、積層構造体の一表面側に、ｎ型及びｐ型オーミック電極の双方を設けた本発明に係わるIII族窒化物半導体発光素子（チップ）を利用すれば、フリップ型に固定（マウント）されたチップを供えたランプを構成できる。結晶基板の裏面に貼付した板状体を上面として、フリップ式に平面的にマウントした本発明に係わるIII族窒化物半導体発光素子に、更に、蛍光を発する物質を載置すれば、これまた。発光層からの発光と、貼付された板状体からの蛍光と、載置された蛍光物質からの蛍光とを同時に出射するランプを構成できる。何も、貼付した板状体の上に新たに蛍光物質を載置せずとも、蛍光を発する蛍光体を含む樹脂類で封止すれば、発光層と、貼付された板状体からの蛍光と、封止樹脂に含ませた蛍光物質からの蛍光とを同時に出射するランプを構成できる。

例えば、発光層からの発光と、貼付された板状体からの蛍光との混色により、目視で白色を呈するランプを集合させれば、白色の光源を構成できる。また、本発明では、数量的にも材質的にも単一の発光層を利用して例えば、白色光を呈するランプを構成できる。即ち、従来の如く、例えば光の３原色を発する３個の発光素子を組み合わせるか、または、３原色を一チップから出射させるために大型のチップとする必要も敢えてない。従って、限られた平面積内に於いて、より多数のランプを搭載できるため、強度の強い白色光を発する光源を構成できる。また、白色ランプに限らず、本発明に係わるIII族窒化物半導体多色発光素子を備えたランプを用いれば、限られた平面積内により多数のランプを搭載できるため、画素数の多いカラー光源を提供できる。

（作用）
薄板化され結晶基板の裏面側に、例えば、陽極接合手段によって貼付された板状体は、III族窒化物半導体からなる発光層からの発光を受給して発光を出射する発光体として作用する。

サファイア基板上に構成したＬＥＤからの発光と、サファイア基板に貼付した蛍光体材料を含む板状体からの発光とを出射するランプを形成する場合を例にして、本発明を具体的に説明する。

図１に本実施例に記載するＬＥＤ１０の平面模式図を示す。図１に示すのは、ＬＥＤ１０を形成するのに利用した図２に示す積層構造体１１の表面側からみた平面図である。図３には、図１に示すＬＥＤ１０の破線Ａ−Ａ‘に沿った断面模式図を示す。図４は本発明の半導体発光素子を用いたランプの模式断面図である。

ＬＥＤ１０を形成するための積層構造体１１は、（０００１）−サファイア基板１００上に、次記の各層１０１〜１１０ を順次、堆積して構成した。次記する（１）〜（７）項の各層は、一般的な減圧有機金属化学的気相堆積（ＭＯＣＶＤ）法で成長させた。特に、ＧａＮバッファ層１０１は、シーディング（seeding）プロセス（ＳＰ）手段（特開２００３−２４３３０２号公報参照）法により成長させた。

（１）アンドープＧａＮバッファ（buffer）層（層厚＝５ｎｍ）１０１
（２）アンドープＡｌＮバッファ（緩衝）層（層厚＝１５ｎｍ）１０２
（３）珪素（Ｓｉ）ドープｎ型Ｇａ_Ｘ１Ｉｎ_１−Ｘ１Ｎ（０≦Ｘ_１≦１）コンタクト層（層厚＝２．５μｍ、ｎ＝８×１０^１８/ｃｍ^３）１０３
（４）Ｓｉドープｎ型Ｇａ_Ｘ２Ｉｎ_１−Ｘ２Ｎ（Ｘ_１≦Ｘ_２≦１）クラッド層（層厚＝０．５μｍ、ｎ＝４×１０^１８/ｃｍ^３）１０４
（５）Ｓｉデルタ（艟）ドーピングＧａＮ障壁層と、Ｇａ_０．８Ｉｎ_０．２Ｎ井戸層とからなる多重量子井戸構造の発光層（積層周期数＝５）１０５
（６）Ｍｇドープｐ型ＡｌＧａＮクラッド層（層厚＝２．５ｎｍ、ｐ＝８×１０^１７／ｃｍ^３）１０６
（７）Ｍｇドープｐ型ＧａＮコンタクト層（層厚＝０．２μｍ、ｐ＝２×１０^１８／ｃｍ^３）１０７

ＬＥＤ１０用途の積層構造体１１の形成を終了した後、サファイア基板１００の裏面（積層構造体１１を形成したのとは反対側の表面）側をラッピング研削した。その後、より細かい粒径の小さなダイヤモンド微粉を用いて、ラップングした面を精密研磨して、鏡面に仕上げた。これより、サファイア基板１００の厚さを、当初の３５０μｍから９０μｍに減少させた。

次に、その鏡面に仕上げたサファイア基板１００の裏面に、セリウム（Ｃｅ）添加ＹＡＧ蛍光体を含む厚さ約３５０μｍのソーダ石灰ガラス板１０８を貼り付けた。蛍光体を含む透明なガラス板は、ソーダ石灰ガラスを溶融し、その際、Ｃｅ−ＹＡＧ微粉を添加、分散させて作製した。Ｃｅ−ＹＡＧ微粉は、ガラス板１０８での含有量が１０重量％となる様に添加した。サファイア基板１００と、非晶質ガラス基板１０８とは陽極接合手段で貼り合わせた。貼り合わせは室温で行い、サファイア基板１００と非晶質ガラス板１０８との間に印加した電圧は２２０Ｖであった。

その後、今度は、積層構造体１１の表面側を、公知のフォトリソグラフィー技術及び選択エッチング技術を利用して加工し、ｎ型コンタクト層１０３の表面を露出させた。露出させたｎ型コンタクト層１０３の表面には、クロム（Ｃｒ）／チタン（Ｔｉ）／金（Ａｕ）３層重層構造のｎ型オーミック電極１０９を形成した。ｎ型オーミック電極１０９をなす、各金属層は一般的な真空蒸着手段、電子ビーム蒸着手段を利用して形成した。電極１０９の最表層は、ワイヤーボンディング（wire bonding）を容易となすために金（Ａｕ）膜とした。

一方、ｐ型ＧａＮコンタクト層１０７の表面の略前面には、ＰｔとＡｕとの重層構造からなるｐ型オーミック電極１１０を形成した。これらの金属膜は、被着後、ガラス板１０８の軟化温度を上回らない、軟化温度近傍の温度まで加温処理され、ｐ型コンタクト層１０７との密着性を向上させた。加熱処理後の冷却時には、熱的ストレスに因り、蛍光体物質を含むガラス板１０８が剥離しない様に、また、積層構造体１１にクラックを発生させない様に、時間をかけて緩やかに除冷した。

その後、レーザースクライブ法により、素子分割用の割り溝を積層構造体１１の表面側に形成した。その後、一般的なブレーカーを利用して、その割り溝に機械的な圧力を及ぼし、個別の素子（チップ）に分割し、III族窒化物半導体発光素子（チップ）１０とした。

上記の手順で得たIII族窒化物半導体発光素子チップ１０を、導電性で低抵抗のＳｉ単結晶板１１１にマウントした。チップ１０は、マウント位置に金（Ａｕ）バンプを形成した後、一般的なフリップチップ（ＦＣ）ボンダーを使用してマウントした。Ｓｉ単結晶板１１１上には、発光層１０５からの、波長を約４６０ｎｍとする青色光を反射しやすくするため、全面にアルミニウム（Ａｌ）の反射膜１１２を形成した。Ｓｉ単結晶板１１１と、反対側の表面に蛍光体物資を含むガラス板１０８とを備えてなるＬＥＤ１０を通常のエポキシ樹脂で封止して、図４に示す断面構造を有する発光ダイオードランプ１２を完成させた。

ＬＥＤ１０のｎ型及びｐ型オーミック電極１０９，１１０間に、順方向に２０ｍＡの電流を通流してランプ１２を発光させた。通電により、発光層１０５からの青色の発光と、Ｃｅ−ＹＡＧ蛍光体を含むガラス体１０８からの黄色の蛍光とが同時に発せられたため、それらの混色により目視で白色を呈するＬＥＤランプ１２が提供された。一般的な積分球を使用して測定した白色光の光度は、２０ルーメン（ｌｍ）／ワット（Ｗ）であり、強い光度の白色ＬＥＤランプが提供された。

本発明のIII族窒化物半導体発光素子は多波長発光素子として利用できる。例えば、赤色、緑色、青色を同時に発光させ白色光とすることもできる。

実施例に記載のＬＥＤの平面模式図である。 図１のＬＥＤに使用した積層構造体の断面模式図である。 図１の波線Ａ−Ａ’断面図である。 ランプの断面模式図である。

符号の説明

１０ III族窒化物半導体発光素子チップ
１１ 発光素子用積層構造体
１２ ランプ
１００ 結晶基板
１０１ ＡｌＮバッファ層
１０２ ＧａＮバッファ層
１０３ ｎ型コンタクト層
１０４ ｎ型クラッド層
１０５ 発光層
１０６ ｐ型クラッド層
１０７ ｐ型コンタクト層
１０８ 蛍光体物質を含む板状体
１０９ ｎ型オーミック電極
１１０ ｐ型オーミック電極
１１１ Ｓｉ単結晶板
１１２ 反射膜

Claims (18)

1. 透明な結晶基板の表面上に形成された、第一の伝導型の第一のIII族窒化物半導体層と、第一とは反対の第二の伝導型の第二のIII族窒化物半導体層と、第一及び第二のIII族窒化物半導体層の中間に、III族窒化物半導体からなる発光層とが備えられている積層構造体から構成されたIII族窒化物半導体発光素子に於いて、積層構造体の形成に用いた上記の結晶基板の、積層構造体を設けた表面とは反対側の結晶基板の裏面に蛍光体物質を含む板状体が貼付されている、ことを特徴とするIII族窒化物半導体発光素子。
2. 蛍光体物質を含む板状体が、熱膨張係数を、上記の透明な結晶基板と略同一とする材料から構成されている、ことを特徴とする請求項１に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
3. 蛍光体物質を含む板状体が、発光層からの発光を透過できる透明な材料から構成されている、ことを特徴とする請求項１または２に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
4. 蛍光体物質を含む板状体が、非晶質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３の何れか１項に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
5. 蛍光体物質を含む板状体が、ガラス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４の何れか１項に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
6. 蛍光体物質を含む板状体が、上記の透明な結晶基板よりも屈折率を小とする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の何れか１項に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
7. 透明な結晶基板の表面上に、第一の伝導型の第一のIII族窒化物半導体層と、第一、または第一とは反対の第二の伝導型を有するIII族窒化物半導体からなる発光層と、第二の伝導型のIII族窒化物半導体層とを、順次、気相成長手段により堆積して、積層構造体を形成し、その後、積層構造体が形成されているのとは反対側の上記結晶基板の裏面を研削して、結晶基板を薄板化し、その薄板化した基板の表面に、陽極酸化手段により、蛍光体物質を含む板状体を貼付する、ことを特徴とするIII族窒化物半導体発光素子の形成方法。
8. 蛍光体物質を含む板状体を、熱膨張係数が上記の透明な結晶基板と略同一とする材料とした、ことを特徴とする請求項７に記載のIII族窒化物半導体発光素子の形成方法。
9. 蛍光体物質を含む板状体を、発光層からの発光を透過できる透明な材料とした、ことを特徴とする請求項７または８に記載のIII族窒化物半導体発光素子の形成方法。
10. 蛍光体物質を含む板状体を、非晶質材料とした、ことを特徴とする請求項７乃至９の何れか１項に記載のIII族窒化物半導体発光素子の形成方法。
11. 蛍光体物質を含む板状体を、ガラス材料とした、ことを特徴とする請求項７乃至１０の何れか１項に記載のIII族窒化物半導体発光素子の形成方法。
12. 蛍光体物質を含む板状体を、上記の透明な結晶基板よりも屈折率を小とする材料とした、ことを特徴とする請求項７乃至１１の何れか１項に記載のIII族窒化物半導体発光素子の形成方法。
13. 結晶基板の裏面を、砥粒を使用してラッピングにより粗研磨して薄板化し、次に、鏡面に研磨した後、鏡面表面に蛍光体物質を含む板状体を貼付する、ことを特徴とする請求項７乃至１２の何れか１項に記載のIII族窒化物半導体発光素子の形成方法。
14. 結晶基板の裏面を、エッチングにより薄板化し、鏡面となした結晶基板の裏面に、鏡面表面に蛍光体物質を含む板状体を貼付する、ことを特徴とする請求項７乃至１２の何れか１項に記載のIII族窒化物半導体発光素子の形成方法。
15. III族窒化物半導体からなる発光層からの発光と、その発光により光励起された、結晶基板の裏面に貼付された蛍光体物質を含む板状体からの発光とを同時に出射する、ことを特徴とする請求項１乃至１４の何れか１項に記載のIII族窒化物半導体発光素子から構成したランプ。
16. III族窒化物半導体からなる発光層からの発光と、その発光とは補色の関係にある、結晶基板の裏面に貼付された蛍光体物質を含む板状体からの発光とを同時に出射する、ことを特徴とする請求項１５に記載のIII族窒化物半導体発光素子から構成したランプ。
17. 発光層からの発光と、結晶基板の裏面に貼付された蛍光体物質を含む板状体からの発光との混色により白色光を出射するIII族窒化物半導体発光素子から構成されている、ことを特徴とする請求項１５または１６に記載のランプ。
18. 請求項１４乃至１７の何れか１項に記載のランプを備えている、ことを特徴とする光源。

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