JP2006128202A - 発光素子およびそれを用いた照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 光取り出し効率が大きく改善され、小さい電力で高い発光強度を得ることができる高性能な発光素子を提供する。
【解決手段】 発光層１ａを含むエピタキシャル成長させた窒化ガリウム系化合物半導体層１と、窒化ガリウム系化合物半導体層１の一方主面１ｂ１の中央部に形成され、発光層１ａを貫通した凹部７と、この凹部７の底部７ａにおいて窒化ガリウム系化合物半導体層１の他方主面１ｃ１側の層に電気的に接続された導電層３と、窒化ガリウム系化合物半導体層１の一方主面１ｂ１の凹部７を除く領域に形成された導電性反射層２とを具備しており、凹部７は、側部に形成された、発光層１ａに沿って伝搬してきた光を反射する斜面７ｂを有している発光素子Ｌ１である。凹部７の斜面７ｂにより発光層１ａに沿って伝搬してきた光を反射して他方主面１ｃ１側に取り出すことができるので、他方主面１ｃ１側からの光取り出し効率がより大きく改善される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば照明装置等に用いられ、蛍光灯の２倍以上のエネルギー消費効率を有する発光素子（発光ダイオード；ＬＥＤ）およびその発光素子を用いた照明装置に関するものである。

青色もしくは紫外の発光素子として窒化ガリウム系化合物半導体を用いた発光素子が広く知られている（例えば、特許文献１〜特許文献５を参照。）。このような発光素子においては、発光素子の内部で発生した光を外部に効率良く取り出すこと、すなわち光取り出し効率を向上させることが重要であり、特に近年製品化が進められている照明装置向けにおいては不可欠となっている。

従来から、そのような光取り出し効率を向上させる工夫がなされた発光素子の例がいくつか提案されている。例えば、特許文献６には、基板上に形成された発光層を含む半導体層の表面の一部に、その発光層を含む深さ位置までテーパー状の溝を形成し、このテーパー状の溝のその発光層に対向する側の面に反射膜を形成した発光素子の例が開示されている。

また、特許文献７および特許文献８には、基板上に形成された発光層を含む半導体層の端面が、半導体層の主面に対向する方向から見て円弧等の外側に凸状を呈する曲線状の形状を含んでいる発光素子の例も開示されている。

上記従来の発光素子の例は、いずれも、発光層に沿って伝搬する光に着目して提案されたものであり、特許文献６に開示された発光素子では、半導体層に形成されたテーパー状の溝において発光層に沿って伝搬して発光層の端面から取り出される光を反射膜により半導体層の表面側の方向に反射させることで指向性を高めて半導体層の表面側において効率よく光を取り出したり、特許文献７および特許文献８に開示された発光素子では、発光層の端面が半導体層の主面に対向する方向から見て円弧等の外側に凸状を呈する曲線状の形状であるので、発光層に沿って伝搬する光のうち発光層の端面に対して直角に近い角度で入射する光が多くなり、端面における光の反射を抑制することで端面から効率よく光を取り出したりすることにより、発光素子の光取り出し効率を向上させるといったものである。

一方、発光素子において実装を容易とすることで生産性を高めることに着目して、特許文献９に、基板上に積層された発光層を含む半導体層の表面側の第１導電型半導体層に第１の電極が接続され、かつその半導体層の表面の一部が発光層を含む位置までエッチングされて露出する第２導電型半導体層に第２の電極が接続されており、それら第１および第２の電極のいずれか一方が、半導体層の主面に対向する方向から見て半導体層の中央部に設けられており、他方が中心部と同心で、かつ一方の電極の周囲全周に一定の幅で設けられている発光素子の例も開示されている。このような発光素子では、発光素子が回転してどのような向きで基台等に配置されても、基台に形成した二つの電極パターンと発光素子の両電極とをワイヤボンディングにより接続する場合に、基台の各電極パターンと発光素子の両電極のワイヤボンディング部を一直線上にすることができ、かつ、基台の各電極パターンと発光素子の各電極との距離が一定であることから、機械的にワイヤボンディングすることができるため生産性の高いものとすることができる。
特開平２−42770号公報 特開平２−257679号公報 特開平５−183189号公報 特開平６−196757号公報 特開平６−268257号公報 特開平７−131066号公報 特開2002−76435号公報 特開2002−344015号公報 特開平10−209496号公報

しかしながら、特許文献６〜９に開示されている従来の発光素子では、基板の上側、すなわち半導体層の表面側および半導体層の端面側で光を取り出す構成となっているが、発光層で放射状に発生する光のうち基板側に向かって伝搬する光が基板で吸収されたり、基板の表裏面で多重反射されて基板内に閉じ込められたりするのでその分の光取り出し効率が低下するという問題点があった。さらに、このような基板による光取り出し効率の低下を防ぐために、基板と半導体層との境界部に、基板側に向かって伝搬する光を半導体層の表面側に効率良く反射するための反射層を形成することは製造上難しい、という問題点があった。

また、特許文献６に開示されている従来の発光素子では、テーパー状の溝は半導体層の表面側が基板側に比べて大きく開口していることから、屈折率が低い空気等の層と接する発光層の端面に形成されたテーパー状の溝の斜面により、発光層で放射状に発生する光のうち端面に向かって伝搬する光が基板側に反射されてしまい発光層の端面から取り出すことのできない光が多くなるのでその分についても光取り出し効率が低下するという問題点があった。

また、特許文献７および特許文献８に開示されている従来の発光素子では、半導体層の発光層から端面に向かって伝搬する光の端面における反射を抑制して多くの光を取り出すことができるが、一部の光は発光層の一方の端面で反射され、半導体層の主面に対向する方向から見て半導体層の中央部に向かうこととなるが、その中央部に集光された光は外部に取り出されることなく、再び発光層の他方の端面に向かって放射状に発散して発光層の端面間で多重反射を繰り返すために、光が多重反射する間に損失を受けてしまうので、発光層に沿って伝搬する光の光取り出し効率が十分でないという問題点があった。

また、特許文献９に開示されているような従来の発光素子では、発光層に沿って伝搬する光を効率良く取り出すための工夫がなされていないため、発光層に沿って伝搬する光の光取り出し効率が低いという問題点があった。さらに、発光層の中央部において表面をエッチングして第２導電型半導体層を露出させる構成の場合には、中央部において新たに形成された発光層の端面においても発光層に沿って伝搬する光を反射してしまうことに加え、取り出すことができた光についてもエッチングにより形成された半導体層の凹部の間に閉じ込められ多重反射を繰り返し、基板の上側に取り出すことができないため、光取り出し効率を向上させることができないという問題点もあった。

本発明は上記事情に鑑みて完成されたものであり、その目的は、光取り出し効率がより大きく改善され、その結果、小さい電力で良好な発光強度を得ることができる高性能な発光素子およびその高性能な発光素子を用いた照明装置を提供することにある。

本発明の発光素子は、発光層を含むエピタキシャル成長させた窒化ガリウム系化合物半導体層と、この窒化ガリウム系化合物半導体層の一方主面の中央部に形成され、前記発光層を貫通した凹部と、この凹部の底部において前記窒化ガリウム系化合物半導体層の他方主面側の層に電気的に接続された導電層と、前記窒化ガリウム系化合物半導体層の前記一方主面の前記凹部を除く領域に形成された導電性反射層とを具備しており、前記凹部は、側部に形成された、前記発光層に沿って伝搬してきた光を前記他方主面側に反射する斜面を有していることを特徴とするものである。

また、本発明の発光素子は、上記構成において、前記窒化ガリウム系化合物半導体層は円形状であることを特徴とするものである。

また、本発明の発光素子は、上記構成において、前記窒化ガリウム系化合物半導体層の前記他方主面が、前記窒化ガリウム系化合物半導体層をエピタキシャル成長させるために用いた基板が除去された面かまたはこの面がエッチングされて形成された新たな面であることを特徴とするものである。

また、本発明の発光素子は、上記構成において、前記窒化ガリウム系化合物半導体層の前記他方主面に反射防止層が形成されていることを特徴とするものである。

また、本発明の発光素子は、上記構成において、前記導電性反射層および前記導電層にバンプ電極が接続されていることを特徴とするものである。

また、本発明の照明装置は、上記各構成の本発明の発光素子と、この発光素子の周囲に設けた、前記発光層に沿って出射される光を前記他方主面側に反射する反射面と、前記発光素子からの発光を受けて光を発する蛍光体および燐光体の少なくとも一方とを具備することを特徴とするものである。

本発明の発光素子によれば、発光層を含むエピタキシャル成長させた窒化ガリウム系化合物半導体層と、この窒化ガリウム系化合物半導体層の一方主面の中央部に形成され、発光層を貫通した凹部と、この凹部の底部において窒化ガリウム系化合物半導体層の他方主面側の層に電気的に接続された導電層と、窒化ガリウム系化合物半導体層の一方主面の凹部を除く領域に形成された導電性反射層とを具備しており、凹部は、側部に形成された、発光層に沿って伝搬してきた光を他方主面側に反射する斜面を有していることから、窒化ガリウム系化合物半導体層の一方主面の中央部に形成された凹部の斜面が、発光層で発生した光のうち発光層に沿って伝搬してきた光を他方主面側に反射することで、発光層の端面間に閉じ込められて多重反射する光を少なくする働きをするため、発光層の内部で発生した光を他方主面側に集中させて効率良く取り出すことができるので、窒化ガリウム系化合物半導体層の他方主面側からの光取り出し効率が大きく改善され、小さい電力で高い発光強度を得ることができるものとなる。また、本発明の発光素子によれば、窒化ガリウム系化合物半導体層の一方主面に形成された導電性反射層が、発光層で発生した光のうち一方主面側に伝搬してきた光を他方主面側に効率良く反射する働きをするため、発光層の内部で発生した光を窒化ガリウム系化合物半導体層の他方主面側に効率良く取り出すことができるので、窒化ガリウム系化合物半導体層の他方主面側からの光取り出し効率がより大きく改善され、小さい電力で高い発光強度を得ることができる高性能なものとなる。

また、本発明の発光素子によれば、上記構成において、窒化ガリウム系化合物半導体層は円形状、すなわち一方主面側から見て円形状であるときには、発光層で発生した光のうち発光層に沿って放射状に伝搬する光の円形状の端面に対する臨界角を広げることができるため、端面における光の反射を抑制し端面からの光り取り出し効率を向上させることができるとともに、発光層に沿って放射状に伝搬する光の一部を端面において反射しても、一方主面側から見て、円形状である発光層の端面がその反射した光を中央部側に集光する働きをし、その集光した光を中央部に形成された凹部の斜面が他方主面側に反射するため、発光層で発生させた光を窒化ガリウム系化合物半導体層の他方主面側に一層効率良く取り出すことができるので、窒化ガリウム系化合物半導体層の他方主面側および端面側からの光取り出し効率がさらに大きく改善され、小さい電力で高い発光強度を得ることができる高性能なものとなる。

また、本発明の発光素子によれば、上記構成において、窒化ガリウム系化合物半導体層の他方主面が、窒化ガリウム系化合物半導体層をエピタキシャル成長させるために用いた基板が除去された面かまたはこの面がエッチングされて形成された新たな面であるときには、他方主面に接合しているエピタキシャル成長させるために用いた基板が除去されていることより、他方主面側に集光した光を基板によって吸収されることなく取り出すことができるため、発光層で発生させた光を窒化ガリウム系化合物半導体層の他方主面側に一層効率良く取り出すことができるので、窒化ガリウム系化合物半導体層の他方主面側からの光取り出し効率がさらに大きく改善され、小さい電力で高い発光強度を得ることができる高性能なものとなる。

また、本発明の発光素子によれば、上記構成において、窒化ガリウム系化合物半導体層の他方主面に反射防止層が形成されているときには、反射防止層により、窒化ガリウム系化合物半導体層の他方主面に到達する窒化ガリウム系化合物半導体層の内部で発生した光を窒化ガリウム系化合物半導体層の一方主面側に反射することなく透過させることができるため、窒化ガリウム系化合物半導体層の一方主面側と他方主面側との間で多重反射することにより減衰する光を減らして窒化ガリウム系化合物半導体層の他方主面側に効率良く光を取り出すことができるので、窒化ガリウム系化合物半導体層の他方主面側からの光取り出し効率がさらに大きく改善され、小さい電力で高い発光強度を得ることができる高性能なものとなる。また、反射防止層はエピタキシャル成長によらずに設けることができるため、反射防止層に用いる材料や作製プロセスを光学的な見地から種々選択することができるので、反射防止層を透過する光の透過特性が向上するように反射防止層の屈折率や表面形状等を適切なものとしてさらに光取り出し効率の向上した高性能なものとすることができる。

また、本発明の発光素子によれば、上記構成において、導電性反射層および導電層にバンプ電極が接続されているときには、導電性反射層側で発光素子を基台等に固定するとともに導電性反射層側で発光素子への電気的導通をとることができるため、光取り出し面である他方主面側に光を遮る導線等を配置する必要をなくすことができるのでさらに光取り出し効率が向上した高性能なものとすることができる。

また、本発明の照明装置は、上記構成の本発明の発光素子と、この発光素子の周囲に設けた、発光層に沿って出射される光を他方主面側に反射する反射面と、発光素子からの発光を受けて光を発する蛍光体および燐光体の少なくとも一方とを具備することから、発光素子の他方主面側から取り出した光に加え、発光層に沿って出射される光、すなわち発光素子の端面から取り出された光を反射面で他方主面側に反射させた光により蛍光体または燐光体を強く励起するため、小さい電力で良好な照度を得ることができるものとなる。また、このような本発明の照明装置は、従来の蛍光灯や放電灯等よりも省エネルギー性や小型化に優れたものとなり得て、蛍光灯や放電灯等に置き換えることができるものとなる。

以下、本発明の発光素子およびそれを用いた照明装置について、図面を参照しつつ詳細に説明する。

図１は本発明の発光素子の実施の形態の一例を示す模式的な断面図である。また、図２は図１に示す発光素子Ｌ１の模式的な平面図である。また、図３は本発明の照明装置の実施の形態の一例を示す模式的な断面図である。

図１および図２において、１は窒化ガリウム系化合物半導体層であり、１ａは発光層，１ａ１は発光層１ａの端面，１ｂは第１導電型半導体層，１ｃは第２導電型半導体層，１ｂ１は窒化ガリウム系化合物半導体層１の一方主面，１ｃ１は窒化ガリウム系化合物半導体層１の他方主面であり、２は導電性反射層，３は導電層，４は窒化ガリウム系化合物半導体層１をエピタキシャル成長するための基板，５は反射防止層であり、６ａ，６ｂはバンプ電極，７は窒化ガリウム系化合物半導体層の中央部に形成された凹部、７ａは凹部７の底部，７ｂは凹部７の側部に形成された斜面である。

また、図３において、８は反射部材，８ａは反射部材８の反射面，９は蛍光体，10は絶縁性基台、11ａ，11ｂは導体パターンである。

なお、図２は、バンプ電極６ａ，６ｂを省略した平面図である。

図１に示すように、本発明の発光素子Ｌ１は、発光層１ａを含むエピタキシャル成長させた窒化ガリウム系化合物半導体層１と、この窒化ガリウム系化合物半導体層１の一方主面１ｂ１の中央部に形成され、発光層１ａを貫通した凹部７と、この凹部７の底部７ａにおいて窒化ガリウム系化合物半導体層１の他方主面１ｃ１側の層、すなわち第２導電型半導体層１ｃに電気的に接続された導電層３と、窒化ガリウム系化合物半導体層１の一方主面１ｂ１の凹部７を除く領域に形成された導電性反射層２とを具備しており、凹部７は、側部に形成された、発光層１ａに沿って伝搬してきた光を他方主面１ｂ１側に反射する斜面７ｂを有している構成である。

さらに具体的には、この構成において、窒化ガリウム系化合物半導体層１は少なくとも発光層１ａにおいて、窒化ガリウム系化合物半導体層１の厚み方向から見たときに、一方主面１ｂ１に対してほぼ垂直な面である端面１ａ１を設けている。また、窒化ガリウム系化合物半導体層１の中央部に形成された凹部７は、窒化ガリウム系化合物半導体層１の他方主面１ｃ１側、すなわち底部７ａ側に比べて一方主面側１ｂ１側で大きく開口しており、凹部７の側部に形成された斜面７ｂは第２導電型半導体層１ｃに対して約45度の斜度となっている。このようにすることにより、発光層１ａで発生した光のうち発光層１ａに沿って伝搬してきた光および発光層１ａの端面１ａ１で反射されて窒化ガリウム系化合物半導体層１の中央部に戻ってきた光を、窒化ガリウム系化合物半導体層１の中央部に形成された斜面７ｂで反射して90度向きを変えて他方主面１ｃ１側に取り出すことができる。

なお、図１に示すように、第２導電型半導体層１ｃの他方主面１ｃ１側と反対側の面に発光層１ａおよび第１導電型半導体層１ｂが形成されていない領域を設け、この領域を凹部７の底部７ａとし、導電層３を第２導電型半導体層１ｃの他方主面１ｃ１側と反対側の面に形成することが好ましい。なぜなら、光取り出し面である窒化ガリウム系化合物半導体層１の他方主面１ｃ１の一部を導電層３により遮ることがなくなるとともに、発光素子Ｌ１を基台等に実装する際に導電性反射層２と導電層３とが同じ向きに形成されていることで、実装が容易になるからである。

このような凹部７およびその側部の斜面７ｂは、例えば窒化ガリウム系化合物半導体層１または導電性反射層２を形成した後にエッチングにより形成すればよい。具体的には、一方主面１ｂ１側の窒化ガリウム系化合物半導体層１上もしくは導電性反射層２上に凹部７に対応する部分以外の部分を覆う金属膜等から成るマスクを形成し、窒化ガリウム系化合物半導体層１を一方主面１ｂ１側からエッチングして凹部７を形成するときに、開口部が次第に狭まるようにしてエッチングすればよい。その際、マスクに用いる材質やエッチングに用いるエッチャント等の条件を適宜設定することにより斜面７ｂの斜度を制御することができる。また、凹部７の大きさは、なるべく小さいほうが発光層１ａの面積を大きくすることができるので好ましい。ただし、導電層３上にバンプ電極６ｂ等を介して電気的な接続をとるのに支障ない程度の大きさ（例えば、円形状であれば直径で30〜100μｍ程度）を確保する必要がある。また、凹部７の形状は、矩形状，多角形状，これらの角部が鈍った形状，円形状等、自由に設計することができるが、円形状とすることが好ましい。凹部７を円形状とすることにより、凹部７の斜面７ｂに伝搬してきた光を確実に他方主面１ｃ１側に反射することができる。

また、窒化ガリウム系化合物半導体層１は発光層１ａを第１導電型半導体層（この例ではｐ型半導体層）１ｂおよび第２導電型半導体層（この例ではｎ型半導体層）１ｃで挟んだものとしている。また、第１導電型半導体層１ｂおよび第２導電型半導体層１ｃはそれぞれ発光層１ａ側にインジウム（Ｉｎ）もしくはアルミニウム（Ａｌ）を含有する複数層（図示せず）を積層したものとしてもよく、禁制帯幅が発光層１ａよりも広くなるように組成をそれぞれ制御している。また、発光層１ａは禁制帯幅の広い障壁層と禁制帯幅の狭い井戸層とから成る量子井戸構造が複数回繰り返し規則的に積層された超格子である多層量子井戸構造（ＭＱＷ）としてもよい（図示せず）。なお、第１導電型半導体層および第２導電型半導体層はそれぞれｎ型半導体層およびｐ型半導体層としても構わない。

窒化ガリウム系化合物半導体層１をこのような構成とすることにより、第１および第２導電型半導体層１ｂ，１ｃが発光層１ａに発光層１ａに沿って伝搬する光を閉じ込めるようにガイドする働きをするので端部１ａ１に対して光が透過する臨界角の範囲内で入射する光を多くすることができる。このため、発光層１ａの内側に沿って伝搬する光を端面１ａ１から効率良く取り出すことができる。

また、導電性反射層２は、発光層１ａで発生した光を損失なく反射し、かつ第１導電型半導体層（ｐ型半導体層）１ｂと良好なオーミック接続がとれる材質から成る表面が滑らかな層状のものを用いる。そのような材質のものとしては、例えばアルミニウム（Ａｌ），チタン（Ｔｉ），ニッケル（Ｎｉ），クロム（Ｃｒ），インジウム（Ｉｎ），錫（Ｓｎ），モリブデン（Ｍｏ），銀（Ａｇ），金（Ａｕ），ニオブ（Ｎｂ），タンタル（Ｔａ），バナジウム（Ｖ），白金（Ｐｔ），鉛（Ｐｂ），ベリリウム（Ｂｅ），酸化錫（ＳｎＯ_２），酸化インジウム（Ｉｎ_２Ｏ_３），酸化インジウム錫（ＩＴＯ），金−シリコン合金（Ａｕ−Ｓｉ），金−ゲルマニウム合金（Ａｕ−Ｇｅ），金−亜鉛合金（Ａｕ−Ｚｎ），金−ベリリウム合金（Ａｕ−Ｂｅ）等の薄膜を用いればよい。中でも、アルミニウム（Ａｌ）または銀（Ａｇ）は、窒化ガリウム系化合物半導体層１の発光層１ａが発光する青色または紫外の光に対して反射率が高いので好適である。また、アルミニウム（Ａｌ）はｐ型半導体層とのオーミック接合の点でも特に好適である。また、上記材質の中から選択した複数層を積層させたものとしても構わない。なお、導電性反射層２の表面は必ずしも滑らかでなくてもよいが、滑らかでないと反射率が低下することがある。

また、導電層３は、第２導電型半導体層（ｎ型半導体層）１ｃと良好なオーミック接続がとれる材質から成る表面が滑らかな層状のものを用いる。そのような材質のものとしては、例えばアルミニウム（Ａｌ），チタン（Ｔｉ），ニッケル（Ｎｉ），クロム（Ｃｒ），インジウム（Ｉｎ），錫（Ｓｎ），モリブデン（Ｍｏ），銀（Ａｇ），金（Ａｕ），ニオブ（Ｎｂ），タンタル（Ｔａ），バナジウム（Ｖ），白金（Ｐｔ），鉛（Ｐｂ），タングステン（Ｗ），酸化錫（ＳｎＯ_２），酸化インジウム（Ｉｎ_２Ｏ_３），酸化インジウム錫（ＩＴＯ），金−シリコン合金（Ａｕ−Ｓｉ），金−錫合金（Ａｕ−Ｓｎ），金−ゲルマニウム合金（Ａｕ−Ｇｅ），インジウム−アルミニウム合金（Ｉｎ−Ａｌ）等の薄膜を用いればよい。また、これらの材質の中から選択した複数層を積層させたものとしてもよい。

上記構成において、導電性反射層２と導電層３とに順方向バイアス電圧を印加することによって窒化ガリウム系化合物半導体層１にバイアス電流を流して発光層１ａで波長350〜400ｎｍ程度の紫外〜近紫外光を発生させることができる。その際、窒化ガリウム系化合物半導体層１の一方主面１ｂ１の中央部に形成された凹部７の斜面７ｂが、発光層１ａに沿って伝搬してきた光および発光層１ａの端面１ａ１で反射されその中央部に戻ってきた紫外〜近紫外光を他方主面１ｃ１側に反射して、発光層１ａの端面１ａ１間を多重反射する紫外〜近紫外光を少なくする働きをする。また、窒化ガリウム系化合物半導体層１の一方主面１ｂ１に形成された導電性反射層２が、発光層１ａで発生させた紫外〜近紫外光のうち一方主面１ｂ１側に伝搬してきた光を他方主面１ｃ１側に効率良く反射する働きをする。

このように、本発明の発光素子Ｌ１によれば、窒化ガリウム系化合物半導体層１に形成された凹部７の斜面７ｂおよび導電性反射層２の働きによって、発光層１ａで発生させた紫外〜近紫外光を発散させずに窒化ガリウム系化合物半導体層１の他方主面１ｃ１側に集光して効率良く取り出すことができるので、窒化ガリウム系化合物半導体層１の他方主面１ｃ１側からの光取り出し効率がより大きく改善され、小さい電力で高い発光強度を得ることができる高性能なものとなる。

また、図２に平面図で示すように、本発明の発光素子Ｌ１において、窒化ガリウム系化合物半導体層１は一方主面１ｂ１側から見て円形状とするとよい。このようにすれば、発光層１ａに沿って放射状に伝搬する発光層１ａで発生した光の円形状の端面１ａ１に対する臨界角を広げることができるため、端面１ａ１における光の反射を抑制し、端面１ａ１からの光り取り出し効率を向上させることができるとともに、発光層１ａに沿って放射状に伝搬する発光層１ａで発生した光の一部を反射しても、一方主面１ｂ１側から見て円形状である発光層１ａの端面１ａ１が、その反射した光を中央部側に集光する働きをし、その集光した光を中央部に形成された凹部７の斜面７ｂが他方主面１ｃ１側に反射するため、発光層１ａで発生させた光を窒化ガリウム系化合物半導体層１の他方主面１ｃ１側に一層効率良く取り出すことができるので、窒化ガリウム系化合物半導体層１の他方主面１ｃ１側および端面１ａ１側からの光取り出し効率がさらに大きく改善され、本発明の発光素子Ｌ１は小さい電力で高い発光強度を得ることができる高性能なものとなる。

なお、この場合の凹部７の形状は、図２に示すように、窒化ガリウム系化合物半導体層１と同心円状の円形状としておくことが好ましい。これにより、凹部７の斜面７ｂに向かって伝搬してきた光を乱反射することなく、確実に他方主面１ｃ１側に反射することができる。

また、窒化ガリウム系化合物半導体層１の端面１ａ１は、発光層１ａで発生した光のうち入射してきたものを他方主面１ｃ１側に反射させるような、凹部７の斜面７ｂと同様の斜面としておくと、端面１ａ１に向かって伝搬してきた光を他方主面１ｃ１側に反射させて取り出すことができるので、指向性の高い、小さい電力で高い発光強度を得ることができる高性能な発光素子とすることができる。

また、図１に示すように、本発明の発光素子Ｌ１は、窒化ガリウム系化合物半導体層１の他方主面１ｃ１は、窒化ガリウム系化合物半導体層１をエピタキシャル成長させるために用いた基板４が除去された面かまたはこの面がエッチングされて形成された新たな面であることが好ましい。このようにすれば、他方主面１ｃ１に接合しているエピタキシャル成長させるために用いた基板４が除去されていることより、他方主面１ｃ１側に集光した紫外〜近紫外光を基板４によって吸収されることなく取り出すことができるため、発光層１ａで発生させた紫外〜近紫外光を窒化ガリウム系化合物半導体層１の他方主面１ｃ１側に一層効率良く取り出すことができるので、窒化ガリウム系化合物半導体層１の他方主面１ｃ１側からの光取り出し効率がさらに大きく改善され、小さい電力で高い発光強度を得ることができる高性能なものとなる。なお、基板４を除去するには、基板４の材質に応じて物理的・化学的手法を用いることができる。

また、図１に示すように、本発明の発光素子Ｌ１は、窒化ガリウム系化合物半導体層１の他方主面１ｃ１に反射防止層５を形成してもよく、さらにこの反射防止層５は、主面に基部より頂部が小さくなっている多数の突起または開口部よりも底部が小さくなっている窪みを有するものとすることが好ましい。

反射防止層５は、窒化ガリウム系化合物半導体層１において基板４を除去した面に、例えば石英（ＳｉＯ_２），アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）またはポリカーボネート等の誘電体を単層もしくは多層に形成してもよい。この場合には、窒化ガリウム系化合物半導体層１側から次第に屈折率が小さくなるようにしたり、反射防止層５の膜厚を発光層１ａで発生した紫外〜近紫外光の反射防止層５内における波長の４分の１程度となるようにしたりすればよい。このような反射防止層５により、反射防止層５内において多重反射する光が互いに弱め合って干渉しやすくなり、定在波が発生しにくくすることができる。

上記のように反射防止層５を設けたときには、反射防止層５により、窒化ガリウム系化合物半導体層１の内部で発生した紫外〜近紫外光を反射することなく窒化ガリウム系化合物半導体層１の他方主面１ｃ１側に透過させることができるため、窒化ガリウム系化合物半導体層１の内部で多重反射することにより減衰する光を減らして窒化ガリウム系化合物半導体層１の他方主面１ｃ１側に効率良く光を取り出すことができるので、本発明の発光素子の光取り出し効率をさらに向上させることができる。また、基板４が除去されているため、その面にエピタキシャル成長によらずに反射防止層５を設けることができるので、反射防止層５に用いる材料や作製プロセスを光学的な見地から種々選択することができるという利点もあり、反射防止層５を透過する光の透過特性が向上するように反射防止層５の屈折率や表面形状等を適切なものとして基板４が除去された面側からの光取り出し効率をさらに向上させることもできる。

また、このような反射防止層５に対して主面に基部より頂部が小さくなっている突起または開口部より底部が小さくなっている窪みを形成してもよい。このような反射防止層５の突起または窪みの構造は、具体的には、多角錐状または円錐状のものとすればよい。なお、多角錐状または円錐状とは、多角錐および円錐に加えて多角錐または円錐の斜面が任意の断面において変曲点を持たない曲線となっているようなものも含むものとする。また、多角錐状および円錐状のいずれかのものに対してその頂部を平面状としたものとしても構わない。また、反射防止層５の突起または窪みは半球状としても構わない。半球状とは、半球に加えて半球の斜面が任意の断面において変曲点を持たない曲線となっているようなものも含むものとする。また、基部の幅は、発光層１ａで発生した紫外〜近紫外光の窒化ガリウム系化合物半導体層１における波長に対して１倍以下とし、基部から頂部までの高さはその１倍以上とすればよい。

このような突起または窪みは、通常よく知られているフォトリソグラフィーや乾式もしくは湿式エッチング技術を用いてエッチングすることにより形成すればよい。さらに、窒化ガリウム系化合物半導体層１において基板４を除去した面を同様にフォトソグラフィーや乾式もしくは湿式エッチング技術を用いてエッチングすることにより窒化ガリウム系化合物半導体層１の一部（第２導電型半導体層１ｃの一部）にこのような突起または窪みを形成してもよい。この場合には、窒化ガリウム系化合物半導体層１を厚さ方向で見たときに、突起または窪みによる凹凸が形成された部位（図１では、第２導電型半導体層１ｃ中に設けた点線から上の部位）を反射防止層５とする。このような突起または窪みは第２導電型半導体層の表面に対してできるだけ隙間なく多く形成すればよい。

また、反射防止層５がこのような突起または窪みを有しているときには、突起または窪みが、反射防止層５に斜め方向から入射する光に対しても、突起または窪みの表面に入射する光の入射角を臨界角より小さくして反射を防ぐ働きをするため、反射防止層５に斜め方向から入射する光を透過させることができ、反射防止層５を透過させることができる反射防止層５に対する光の入射角の範囲を広くすることができるので光取り出し効率をさらに向上させることができる。また、このような突起または窪みは光の出射方向に対して屈折率を連続的に変化させて窒化ガリウム系化合物半導体層１が有している高い屈折率から空気等の低い屈折率まで除々に減少させる働きも有しているため、光の出射方向に対する反射率自体を下げる効果も有しており、光取り出し効率がさらに向上した発光素子とすることができる。

なお、このような反射防止層５と同様の反射防止層を窒化ガリウム系化合物半導体層１の端面１ａ１にも形成しておくと、端面１ａ１に沿って伝搬してきた光についても反射することなく透過させることができるので、発光素子Ｌ１の端面１ａ１側からの光取り出し効率をより高いものとすることができる。

さらに、図１に示すように、導電性反射層２にバンプ電極６ａが、導電層３にバンプ電極６ｂが接続されていてもよい。このバンプ電極６ａ，６ｂは導電性反射層２側で発光素子Ｌ１を基台等に固定するとともに導電性反射層２側で発光素子Ｌ１への電気的導通をとる働きをするものである。これにより、光取り出し面側に光を遮る導線等を配置する必要をなくすことができるので、さらに光取り出し効率を向上させることができる。また、基板４が除去されているため、発光素子Ｌ１をバンプ電極６ａ，６ｂを介して基台等に加熱してフリップチップ実装する際に、窒化ガリウム系化合物半導体層１と基板４との熱膨張係数の差により窒化ガリウム系化合物半導体層１に加わる応力をなくすことができるので、発光素子Ｌ１をフリップチップ実装する際に窒化ガリウム系化合物半導体層１に生じる歪み等を少なくして信頼性を高くすることができる。

バンプ電極６ａ，６ｂに用いる材料としては、金（Ａｕ），インジウム（Ｉｎ），金−錫合金半田（Ａｕ−Ｓｎ），錫−銀合金半田（Ｓｎ−Ａｇ），錫−銀−銅合金半田（Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ），錫−ビスマス合金半田（Ｓｎ−Ｂｉ），錫−鉛合金半田（Ｓｎ−Ｐｂ）等とすればよい。

次に、図１および図２に示す本発明の発光素子Ｌ１を用いた本発明の照明装置について説明する。図３は本発明の照明装置の実施の形態の一例を示す模式的な断面図である。図３に示すように、本発明の照明装置は、図１および図２に示す本発明の発光素子Ｌ１と、発光層１ａに沿って出射される紫外〜近紫外光、すなわち窒化ガリウム系化合物半導体層１の端面１ａ１から取り出される（出射される）紫外〜近紫外光を他方主面１ｃ１側に反射する、この発光素子Ｌ１の周囲に設けた反射面８ａと、発光素子Ｌ１からの発光を受けて白色光等の可視光を発する蛍光体または燐光体、この例では蛍光体９とを具備する構成である。

発光素子Ｌ１は導電性反射層２および導電層３が形成されている側の面を下にして窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等の熱伝導の高い絶縁性基台10上に配置され、絶縁性基台10上に形成された導体パターン11ａ，11ｂにバンプ電極６ａ，６ｂを介して接続されている。また、絶縁性基台10上には発光素子Ｌ１の周囲を囲うように反射部材８を設けており、反射部材８の発光素子Ｌ１側の側部は、発光素子Ｌ１からの光を上方に反射するような斜面からなる反射面８ａを設けている。この反射面８ａは、発光素子Ｌ１の端面１ａ１から出射される光を効率良く他方主面１ｃ１側に反射するために、基台10に対して約45度の斜度となっていることが好ましい。このような反射部材８は、導電性反射層２と同様の材質であるかまたは反射面８ａがその材質でコーティングされているものを用いればよい。このような発光素子Ｌ１および反射面８ａを覆うように、発光素子Ｌ１の実装面の反対側、すなわち他方主面１ｃ１側から蛍光体９を設けている。

なお、窒化ガリウム系化合物半導体層１の端面１ａ１を発光層１ａで発生した光のうち入射してきたものを他方主面１ｃ１側に反射するような斜面とした発光素子Ｌ１を用いた場合には、本発明の照明装置は、発光素子Ｌ１により他方主面１ｃ１側に指向性を高めて光を取り出すとともに、発光素子Ｌ１の端面１ａ１側から漏れた光についても反射面８ａにより確実に他方主面１ａ１側に反射することができるものとなる。

このような本発明の照明装置は、例えば、発光素子Ｌ１の光取り出し面側に蛍光体９を設けた構成において、発光素子Ｌ１が例えば波長350〜400ｎｍの紫外〜近紫外光で発光し、蛍光体９が励起光であるその発光を受けて例えば白色光を発することによって照明装置としての動作をする。

本発明の照明装置は、このような構成とすることから、発光素子Ｌ１の他方主面１ｃ１側から取り出した紫外〜近紫外光に加え、発光層１ａに沿って出射される光、すなわち発光素子Ｌ１の端面１ａ１から取り出した光を反射面８ａにより他方主面１ｃ１側に反射させた光によっても蛍光体（または燐光体）９を強く励起するため、小さい電力で良好な照度を得ることができるものとなる。また、このような本発明の照明装置は、従来の蛍光灯や放電灯等よりも省エネルギー性や小型化に優れたものとなり得て、蛍光灯や放電灯等に置き換えることができるものとなる。

かくして、本発明によれば、光取り出し効率がより大きく改善され、小さい電力で高い発光強度を得ることができる高性能な発光素子およびその高性能な発光素子を用いた照明装置を提供することができる。

なお、本発明は以上の実施の形態の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更・改良を施すことは何等差し支えない。例えば、凹部７の斜面７ｂ上に絶縁膜を形成して、その上に例えばアルミニウム等の紫外〜近紫外光に対して反射率の高い材質から成る反射層を形成してもよい。この場合には、斜面７ｂにおける紫外〜近紫外光の反射率を向上させることができ、さらに光取り出し効率の高い発光素子を得ることができる。

本発明の発光素子の実施の形態の一例を示す模式的な断面図である。 図１に示す発光素子Ｌ１の模式的な平面図である。 本発明の照明装置の実施の形態の一例を示す模式的な断面図である。

符号の説明

１・・・・・・窒化ガリウム系化合物半導体層
１ａ・・・・・発光層
１ａ１・・・・端面
１ｂ・・・・・第１導電型半導体層（ｐ型半導体層）
１ｂ１・・・・一方主面
１ｃ・・・・・第２導電型半導体層（ｎ型半導体層）
１ｃ１・・・・他方主面
２・・・・・・導電性反射層
３・・・・・・導電層
４・・・・・・基板
５・・・・・・反射防止層
６ａ，６ｂ・・バンプ電極
７・・・・・・凹部
７ａ・・・・・底部
７ｂ・・・・・斜面
８・・・・・・反射部材
８ａ・・・・・反射面
９・・・・・・蛍光体
10・・・・・・絶縁性基台
11ａ，11ｂ・・導体パターン

Claims (6)

1. 発光層を含むエピタキシャル成長させた窒化ガリウム系化合物半導体層と、該窒化ガリウム系化合物半導体層の一方主面の中央部に形成され、前記発光層を貫通した凹部と、該凹部の底部において前記窒化ガリウム系化合物半導体層の他方主面側の層に電気的に接続された導電層と、前記窒化ガリウム系化合物半導体層の前記一方主面の前記凹部を除く領域に形成された導電性反射層とを具備しており、前記凹部は、側部に形成された、前記発光層に沿って伝搬してきた光を前記他方主面側に反射する斜面を有していることを特徴とする発光素子。
2. 前記窒化ガリウム系化合物半導体層は円形状であることを特徴とする請求項１記載の発光素子。
3. 前記窒化ガリウム系化合物半導体層の前記他方主面が、前記窒化ガリウム系化合物半導体層をエピタキシャル成長させるために用いた基板が除去された面かまたはこの面がエッチングされて形成された新たな面であることを特徴とする請求項１記載の発光素子。
4. 前記窒化ガリウム系化合物半導体層の前記他方主面に反射防止層が形成されていることを特徴とする請求項３記載の発光素子。
5. 前記導電性反射層および前記導電層にバンプ電極が接続されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の発光素子。
6. 請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の発光素子と、該発光素子の周囲に設けた、前記発光層に沿って出射される光を前記他方主面側に反射する反射面と、前記発光素子からの発光を受けて光を発する蛍光体および燐光体の少なくとも一方とを具備することを特徴とする照明装置。

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