JP2009200220A - 発光素子、電子機器及び発光素子の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】自己を駆動する電力を利用して発光部の熱を効果的に拡散させることができる発光素子、これを搭載した電子機器及び発光素子の製造方法を提供する。
【解決手段】発光素子１は、ｎ型及びｐ型のうちいずれか一方である第１の導電型の第１の半導体層５と、第１の導電型とは逆の第２の導電型の第２の半導体層３と、当該二層の間に設けられた活性層４とを有するＥＬ（Electro-Luminescence）層６と、ＥＬ層６の、第２の半導体層３に近い側に接合された第１の導電型の放熱層２とを具備する。放熱層２において、熱伝導とペルチェ効果による熱輸送がいずれも活性層４から遠ざかる方向に発生するため、効果的に放熱することが可能である。これにより、活性層４の熱によるダメージが抑えられ、発光素子１の高輝度化及び高出力化に寄与する。
【選択図】図１
【解決手段】発光素子１は、ｎ型及びｐ型のうちいずれか一方である第１の導電型の第１の半導体層５と、第１の導電型とは逆の第２の導電型の第２の半導体層３と、当該二層の間に設けられた活性層４とを有するＥＬ（Electro-Luminescence）層６と、ＥＬ層６の、第２の半導体層３に近い側に接合された第１の導電型の放熱層２とを具備する。放熱層２において、熱伝導とペルチェ効果による熱輸送がいずれも活性層４から遠ざかる方向に発生するため、効果的に放熱することが可能である。これにより、活性層４の熱によるダメージが抑えられ、発光素子１の高輝度化及び高出力化に寄与する。
【選択図】図１
Description
本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）あるいはレーザーダイオード（ＬＤ）等の発光素子、これを搭載した電子機器及び発光素子の製造方法に関する。
発光ダイオードあるいはレーザーダイオード等の発光素子は、各種照明器具、液晶ディスプレイのバックライト、屋外設置型大画面ディスプレイ等に多く利用されており、さらなる高出力化、高輝度化が望まれている。
この発光素子は、一般的にその発光部の体積が小さく、発光に寄与しないエネルギーのほとんどが熱になるため、発光部の結晶が熱によるダメージを受けやすい。よって高出力化、高輝度化のためにはこの熱を積極的に外部に拡散させる必要がある。
例えば、下記特許文献１には、２つの半導体光デバイス（発光ダイオード等）と熱電クーラーのような能動冷却デバイスで構成された光学アセンブリが開示されている。能動冷却デバイスは、一方の半導体光デバイスが発光している間、その発生した熱を他方の半導体光デバイスに伝え、当該２つの半導体光デバイスを共に所望の温度に維持することを可能とする。
特開２００７−１８４５８７号公報（段落[００２５]、図１Ｂ）
例えば、下記特許文献１には、２つの半導体光デバイス（発光ダイオード等）と熱電クーラーのような能動冷却デバイスで構成された光学アセンブリが開示されている。能動冷却デバイスは、一方の半導体光デバイスが発光している間、その発生した熱を他方の半導体光デバイスに伝え、当該２つの半導体光デバイスを共に所望の温度に維持することを可能とする。
しかし上記特許文献１に記載の光学アセンブリは、能動冷却デバイスへの外部からの電力供給を要し、半導体発光デバイスも２つ必要である。これにより、半導体光学デバイスへ電力を供給する配線とは別に能動冷却デバイス用の配線が必要となり、加えてアセンブリであることから、素子単独で使用することができない。冷却機能を発光素子に一体化し、発光素子を駆動する電力を冷却にも利用することができれば効率的である。
以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、自己を駆動する電力を利用して発光部の熱を効果的に拡散させることができる発光素子、これを搭載した電子機器及び発光素子の製造方法を提供することにある。
上述の課題を解決するため、本発明の主たる観点に係る発光素子は、ｎ型及びｐ型のうちいずれか一方である第１の導電型の第１の半導体層と、前記第１の導電型とは逆の第２の導電型の第２の半導体層と、前記第１の半導体層及び前記第２の半導体層の間に設けられた活性層とを有するＥＬ（Electro-Luminescence）層と、前記ＥＬ層の、前記第１の半導体層より前記第２の半導体層に近い側（例えば、ＥＬ層の、活性層を中心として第１の半導体層が設けられる側とは反対側）に接合された前記第１の導電型の放熱層とを具備する。
この構成によれば、ＥＬ層において発光を生じさせる電流は放熱層も流れることとなる。放熱層は、接合されている半導体層と導電型を異にするため、キャリア（ホールあるいは電子）の流れる方向はＥＬ層から遠ざかる方向となる。このため放熱層において発生する（キャリアと同方向に熱を輸送する）ペルチェ効果はＥＬ層から遠ざかる方向に熱を輸送する。すなわち、放熱層の熱伝導に加え、ペルチェ効果による熱輸送により効果的な放熱が可能となる。これにより、発光素子の高出力化、高輝度化を実現することができる。
前記発光素子において、前記ＥＬ層は、前記第２の半導体層と前記放熱層との間に設けられ、前記第２の半導体層及び前記放熱層での逆方向バイアスによる電気抵抗を下げるための導電層を有する構成としてもよい。
ＥＬ層の第２の半導体層と放熱層が導電型を異にして、ＥＬ層と放熱層とが接合されているので、ＥＬ層が順方向にバイアスされるとき、ＥＬ層と放熱層の接合部は逆方向にバイアスされる。したがって、ＥＬ層と放熱層の接合部で電気抵抗が生じる。
発光素子が電気抵抗を下げるための導電層を具備することにより、この逆方向バイアスによる電気抵抗を低減することができる。すなわち、この構成にすることにより、電気抵抗による発熱が低減され、ＥＬ層で発生した熱は効果的に放熱層へ輸送される。
発光素子が電気抵抗を下げるための導電層を具備することにより、この逆方向バイアスによる電気抵抗を低減することができる。すなわち、この構成にすることにより、電気抵抗による発熱が低減され、ＥＬ層で発生した熱は効果的に放熱層へ輸送される。
前記発光素子は、前記ＥＬ層に接合された第１の電極と、前記放熱層に接合され、前記第１の電極との間で前記ＥＬ層を順方向にバイアスするための第２の電極とをさらに具備する。
前記発光素子において、前記放熱層は、前記活性層、前記第１及び第２の半導体層のうち少なくとも前記第２の半導体層の結晶をエピタキシャル成長させる基板としてもよい。
この構成にすることにより、エピタキシャル成長の基板が放熱層として機能し、効果的に放熱することが可能となる。
前記発光素子において、前記放熱層は、ＳｉＣからなる構成としてもよい。
ＳｉＣは所定の結晶材と格子整合性、熱膨張率が近く、熱伝導率も高い。つまり、放熱層（かつ基板）として用いられるＳｉＣは、エピタキシャル成長の基板として利用されると同時にそのペルチェ効果と熱伝導により発光素子の放熱を促進することが可能である。
前記発光素子は、前記ＥＬ層の、前記放熱層が接合される側とは反対側に接合され、前記活性層、前記第１及び第２の半導体層のうち少なくとも前記第２の半導体層の結晶をエピタキシャル成長させる基板をさらに具備してもよい。
この構成にすることにより、放熱層の材料を選択する際、格子定数、熱膨張率等のエピタキシャル成長に係る物性値に捕らわれず、放熱効果の高い材料を選択することができる。
前記発光素子において、前記基板はサファイアからなる構成としてもよい。
サファイアは所定の結晶材と格子整合性、熱膨張性が近く、エピタキシャル成長を促進する。このサファイア基板上でエピタキシャル成長したＥＬ層に、放熱層を接合することにより、放熱効果の高い発光素子を得ることができる。
本発明の別の観点に係る発光素子は、ｎ型半導体層と、ｐ型半導体層と、前記ｎ型半導体層及び前記ｐ型半導体層の間に設けられた活性層とを有するＥＬ層と、前記ＥＬ層の、前記ｎ型半導体層より前記ｐ型半導体層に近い側に接合された導電性の放熱層とを具備する。
導電性の放熱層が、ＥＬ層のｐ型半導体層に近い側に接合されているので、例えばＥＬ層が光励起するようにバイアスされると、放熱層ではＥＬ層から遠ざかる方向に電子が移動する。つまりペルチェ効果により、放熱層ではＥＬ層から遠ざかる方向に熱輸送されるので、効果的に放熱される。
本発明の別の観点に係る発光素子の製造方法は、ｎ型及びｐ型のうちいずれか一方である第１の導電型の第１の半導体層、活性層及び前記第１の導電型とは逆の第２の導電型の第２の半導体層が順に積層されたＥＬ層を第１の基板上に形成し、前記ＥＬ層の、前記第１の基板が形成された側とは反対側に放熱層を構成する、第１の導電型の第２の基板を貼り付け、前記基板を除去する。
この製造方法では、ＥＬ層が第１の基板上に形成された後、第１の基板の反対側から、ＥＬ層に第２の基板が貼り付けられる。したがって、第２の基板に、ＥＬ層の結晶をエピタキシャル成長により形成する必要がなく、放熱層のエピタキシャル成長に係る物性値を考慮する必要がない。
本発明のさらに別の観点に係る電子機器は、ｎ型及びｐ型のうちいずれか一方である第１の導電型の第１の半導体層と、前記第１の導電型とは逆の第２の導電型の第２の半導体層と、前記第１の半導体層及び前記第２の半導体層の間に設けられた活性層とを有するＥＬ層と、前記ＥＬ層の、前記第１の半導体層より前記第２の半導体層に近い側に接合された前記第１の導電型の放熱層とを具備する発光素子を搭載する。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
図１は本発明の一実施形態に係る発光素子の構造を示す模式図である。本実施形態では、発光素子としてＬＥＤ(Light Emitting Diode)を例に挙げて説明する。
図１に示すように、ＬＥＤ１は、ＥＬ（Electro-Luminescence）層６と、ＥＬ層６に接合されたｎ型の放熱層２とを備える。ＥＬ層６は、放熱層が接合された側から順に積層された、ｐ型半導体層３と、活性層４と、ｎ型半導体層５とを有する。
図１に示すように、ＬＥＤ１は、ＥＬ（Electro-Luminescence）層６と、ＥＬ層６に接合されたｎ型の放熱層２とを備える。ＥＬ層６は、放熱層が接合された側から順に積層された、ｐ型半導体層３と、活性層４と、ｎ型半導体層５とを有する。
また、ＬＥＤ１は、ｎ型の放熱層２に接合されたｐ電極７と、ｎ型半導体層５に接合されたｎ電極８を有する。ｐ電極７とｎ電極８には、図示しない配線と電源が接続されている。放熱層２は、ＥＬ層６の、ｎ型半導体層５よりｐ型半導体層３に近い側に接合されている。本実施形態では、下で説明するように放熱層２がｎ型の導電型とされ、放熱層２に近い方の半導体層が、その放熱層２の導電型であるｎ型とは反対の導電型であるｐ型とされている。
ｎ型の放熱層２は、例えばｎ型ＳｉＣからなり、ＥＬ層６のエピタキシャル成長の基板でもある。エピタキシャル成長の基板は、その上に成長する結晶材と格子整合性、熱膨張率等の物性が近いことが必要であるが、半導電性を示すものであれば、本実施形態の放熱層として利用できる。熱伝導率、ゼーベック係数が高い材料から形成されればよい。
ｐ型半導体層３は、例えばＧａＮをエピタキシャル成長させ、電子線照射あるいは熱処理等によってｐ型化することによって形成することができる。
活性層４は、例えばＩｎＧａ／ＧａＮからなる多重量子井戸構造を、エピタキシャル成長させることによって形成することができる。
ｎ型半導体層５は例えばｎ型ＧａＮをエピタキシャル成長させることによって、形成することができる。
これらのエピタキシャル成長は、有機金属エピタキシャル成長法、分子線エピタキシャル成長法等を適宜選択して行うことができる。各層は、格子欠陥が少なく均一な膜厚であればよい。
活性層４は、例えばＩｎＧａ／ＧａＮからなる多重量子井戸構造を、エピタキシャル成長させることによって形成することができる。
ｎ型半導体層５は例えばｎ型ＧａＮをエピタキシャル成長させることによって、形成することができる。
これらのエピタキシャル成長は、有機金属エピタキシャル成長法、分子線エピタキシャル成長法等を適宜選択して行うことができる。各層は、格子欠陥が少なく均一な膜厚であればよい。
次に、このように構成されたＬＥＤ１の動作を説明する。
ＬＥＤ１に、ＥＬ層６で順方向となるように（ｎ電極８が陰極となるように）電流が流れると、ｎ型半導体層５からは電子が、ｐ型半導体層３からは正孔が活性層４に注入され、励起発光と熱を生じる。すなわちＥＬ層６から熱が発生するので、ＥＬ層６から、それより温度が低いｐ電極７側及びｎ電極８側へ熱伝導が起こる。
また、電流は、ｎ型の放熱層２を流れる際にペルチェ効果を発生させる。すなわち、放熱層２中のキャリア（電子）が活性層４から遠ざかるように移動し、それに伴って熱を同方向に輸送する。
ＬＥＤ１に、ＥＬ層６で順方向となるように（ｎ電極８が陰極となるように）電流が流れると、ｎ型半導体層５からは電子が、ｐ型半導体層３からは正孔が活性層４に注入され、励起発光と熱を生じる。すなわちＥＬ層６から熱が発生するので、ＥＬ層６から、それより温度が低いｐ電極７側及びｎ電極８側へ熱伝導が起こる。
また、電流は、ｎ型の放熱層２を流れる際にペルチェ効果を発生させる。すなわち、放熱層２中のキャリア（電子）が活性層４から遠ざかるように移動し、それに伴って熱を同方向に輸送する。
このように、ｎ型の放熱層２においては、熱伝導とペルチェ効果による熱輸送がいずれも活性層４から遠ざかる方向に発生するため、効果的に放熱することが可能である。これにより、活性層４の熱によるダメージが抑えられ、ＬＥＤ１の高輝度化及び高出力化に寄与する。
本実施形態では、放熱層２の導電型はｎ型であるとしたが、ｐ型としてもよい。その場合は、放熱層２を、ＥＬ層６のｎ型半導体層に接合すればよい。この場合、放熱層２のキャリア（ホール）は活性層から遠ざかるように移動するため、上述のようにＥＬ層から熱を奪う方向にペルチェ効果が発生する。
図２は、現在実用化されているＧａＮ系ＬＥＤの典型的な構造を示す図である。
図２に示すＬＥＤ９は、ｎ−ＳｉＣ基板２０上に順に積層された、ｐ−ＧａＮ層２１、活性層２２、ｐ−ＧａＮ層２３を有する。また、ＬＥＤ９は、ｎ−ＳｉＣ基板２０に接合されたｎ電極２５と、ｐ−ＧａＮ２３層に接合されたｐ電極２６を有する。
図２に示すＬＥＤ９は、ｎ−ＳｉＣ基板２０上に順に積層された、ｐ−ＧａＮ層２１、活性層２２、ｐ−ＧａＮ層２３を有する。また、ＬＥＤ９は、ｎ−ＳｉＣ基板２０に接合されたｎ電極２５と、ｐ−ＧａＮ２３層に接合されたｐ電極２６を有する。
ｐ−ＧａＮ層２１、活性層２２、ｐ−ＧａＮ層２３で順方向となるように（ｎ電極２５が陰極となるように）電流が流れると、上述のように励起発光と熱が生じ、ｎ−ＳｉＣ基板２０ではペルチェ効果が発生する。ｎ−ＳｉＣ基板２０中のキャリア（電子）は活性層２２に近づくように移動し、それに伴って熱を同方向に輸送する。このようなペルチェ効果は、ＳｉＣのゼーベック係数の大小に関わらず、常に存在しており、ゼーベック係数が小さければ問題は少ないが、ゼーベック係数が大きい場合には非常に問題となる。
すなわち、ｎ−ＳｉＣ基板２０で発生するペルチェ効果は、熱伝導による放熱を阻害する方向に発生し、放熱効率を低下させる。
すなわち、ｎ−ＳｉＣ基板２０で発生するペルチェ効果は、熱伝導による放熱を阻害する方向に発生し、放熱効率を低下させる。
図３は、現在実用化されているＧａＮ系ＬＥＤの典型的な別の構造を示す図である。
図３に示すＬＥＤ１０は、サファイア基板２７上に順に積層された、ｐ−ＧａＮ層２８、活性層２９、ｐ−ＧａＮ層３０を有する。また、ＬＥＤ９は、ｐ−ＧａＮ層２８に接合されたｎ電極３２と、ｐ−ＧａＮ層３０に接合されたｐ電極３３を有する。
サファイアは、ＧａＮのエピタキシャル成長基板として用いられるが、導電性がなく、
熱伝導性も悪い。このため、放熱効率が低い。
これらに対して、本発明の実施形態に示したＬＥＤ１は、ペルチェ効果を積極的に利用し、高い放熱効率を得ることができる。
図３に示すＬＥＤ１０は、サファイア基板２７上に順に積層された、ｐ−ＧａＮ層２８、活性層２９、ｐ−ＧａＮ層３０を有する。また、ＬＥＤ９は、ｐ−ＧａＮ層２８に接合されたｎ電極３２と、ｐ−ＧａＮ層３０に接合されたｐ電極３３を有する。
サファイアは、ＧａＮのエピタキシャル成長基板として用いられるが、導電性がなく、
熱伝導性も悪い。このため、放熱効率が低い。
これらに対して、本発明の実施形態に示したＬＥＤ１は、ペルチェ効果を積極的に利用し、高い放熱効率を得ることができる。
本発明の他の実施形態に係る発光素子について説明する。これ以降の説明では、図１等に示した実施形態に係るＬＥＤ１が含む部材や機能等について同様のものは説明を簡略化または省略し、異なる点を中心に説明する。
図４は本発明の別の実施形態の発光素子の構造を示す模式図である。
図４に示すＬＥＤ１１は、ｐ型半導体層３とｎ型の放熱層２との間に導電層（電気抵抗を下げるための導電層）１２を備える。
導電層１２は例えばｎ型の放熱層２上にスパッタリングにより形成されたＰｔからなる。
導電層１２として、ＥＬ層３４をｎ型の放熱層２上にエピタキシャル成長させる場合の低温バッファー層（エピタキシャル成長を良好に進行させるために事前に形成されるＡｌＮ等の層）を利用してもよい。その場合、導電層１２を別途形成する必要がないので効率的である。
あるいは、ハンダのように、ｎ型の放熱層２とＥＬ層３４を接合する材料を導電層１２として利用してもよい。この場合、ｎ型の放熱層２はＥＬ層３４と別に形成され、両者は貼り付けられる。導電層１２（ハンダ）は物理的接合と電気的接合の二つの役割を有する。
導電層１２の材料は、これらに限られず、金属的導電性を示し、熱伝導率が高い材料から形成されればよい。
図４に示すＬＥＤ１１は、ｐ型半導体層３とｎ型の放熱層２との間に導電層（電気抵抗を下げるための導電層）１２を備える。
導電層１２は例えばｎ型の放熱層２上にスパッタリングにより形成されたＰｔからなる。
導電層１２として、ＥＬ層３４をｎ型の放熱層２上にエピタキシャル成長させる場合の低温バッファー層（エピタキシャル成長を良好に進行させるために事前に形成されるＡｌＮ等の層）を利用してもよい。その場合、導電層１２を別途形成する必要がないので効率的である。
あるいは、ハンダのように、ｎ型の放熱層２とＥＬ層３４を接合する材料を導電層１２として利用してもよい。この場合、ｎ型の放熱層２はＥＬ層３４と別に形成され、両者は貼り付けられる。導電層１２（ハンダ）は物理的接合と電気的接合の二つの役割を有する。
導電層１２の材料は、これらに限られず、金属的導電性を示し、熱伝導率が高い材料から形成されればよい。
この導電層１２によってｐ型半導体層３とｎ型の放熱層２の間には空乏層が存在しないため、ＬＥＤ１１に、ＥＬ層３４で順方向となるように（ｎ電極８が陰極となるように）電流が流れても、空乏層に起因する電気抵抗がなく、発熱が生じない。
図５は本発明のさらに別の実施形態の発光素子の構造を示す模式図である。
図５に示すＬＥＤ１３は、ＥＬ層３５と、ｎ型の放熱層２と、結晶成長基板１４を備える。ｎ型の放熱層２はサブマウントとして機能し、フリップチップ構造となっている。
結晶成長基板１４は、例えばサファイアからなり、ＥＬ層３５のエピタキシャル成長の基板である。この構造においては、励起光を結晶成長基板１４側から取出すため、結晶成長基板１４は透過性を有する必要がある。ｎ型の放熱層２は例えばｎ型ＳｉＣからなり、ＥＬ層３５に接合されている。
図５に示すＬＥＤ１３は、ＥＬ層３５と、ｎ型の放熱層２と、結晶成長基板１４を備える。ｎ型の放熱層２はサブマウントとして機能し、フリップチップ構造となっている。
結晶成長基板１４は、例えばサファイアからなり、ＥＬ層３５のエピタキシャル成長の基板である。この構造においては、励起光を結晶成長基板１４側から取出すため、結晶成長基板１４は透過性を有する必要がある。ｎ型の放熱層２は例えばｎ型ＳｉＣからなり、ＥＬ層３５に接合されている。
ＥＬ層３５で発生した熱は、上述のように、ｎ型の放熱層２のペルチェ効果と熱伝導により放熱される。また、結晶成長基板１４からも熱伝導により放熱することが可能である。
図６は本発明のさらに別の実施形態の発光素子の構造を示す模式図である。
図６に示すＬＥＤ１５は、図５に示すＬＥＤ１３の構成に加え、ｐ型の第２放熱層１６を備える。第２放熱層１６は（電極８を介して）接合されているｎ型半導体層５と異なる導電型（すなわちｐ型）である。第２放熱層１６は例えばｐ型ＳｉＣからなる。電極８は熱伝導性が高い材料からなるのがよい。
図６に示すＬＥＤ１５は、図５に示すＬＥＤ１３の構成に加え、ｐ型の第２放熱層１６を備える。第２放熱層１６は（電極８を介して）接合されているｎ型半導体層５と異なる導電型（すなわちｐ型）である。第２放熱層１６は例えばｐ型ＳｉＣからなる。電極８は熱伝導性が高い材料からなるのがよい。
ＥＬ層３５を順方向にバイアスする電流は、ｐ型の第２放熱層１６を流れる。ｐ型の第２放熱層１６中のキャリア（ホール）は電極８から遠ざかる方向に移動するので、ペルチェ効果により、電極８の熱は放熱される。すなわち、ＥＬ層３５で発生した熱は電極８を伝導し、ｐ型の第２放熱層から放熱される。また、ｎ型の放熱層２及び結晶成長基板１４からも放熱されるので、より効果的に放熱することが可能となる。
なお、図５及び図６では、ハンダ接合層（導電層１２）が設けられる構造を示したが、この導電層１２は図１に示した実施形態のようになくてもよい。例えば、図５におけるＬＥＤ１３では、ｎ型の放熱層２とｐ型半導体層３とが接合されていてもよい。
上記実施形態では、発光素子としてＬＥＤを例に説明した。しかし、本発明の実施の形態に係る発光素子はＬＥＤに限られるものではない。以下ではＬＤ(Laser Diode)を例にとって説明する。
図７は本発明の一実施形態に係るＬＤの構造を示す模式図である。
図７に示すＬＤ１７は、ＥＬ層３６と、ＥＬ層３６に接合されたｐ型の放熱層２とを備える。ＥＬ層３６は、ｐ型の放熱層２が接合された側から順に積層された、ｎ型コンタクト層３７と、クラック防止層３８と、ｎ型クラッド層５５と、ｎ型光ガイド層１８と、活性層４と、ｐ型ブロッキング層３９と、ｐ型光ガイド層１９と、ｐ型クラッド層５３と、ｐ型コンタクト層４０とを有する。また、ＥＬ層３６は、ｐ型の放熱層２とハンダ接合層（導電層１２）を介して接合されている。
図７に示すＬＤ１７は、ＥＬ層３６と、ＥＬ層３６に接合されたｐ型の放熱層２とを備える。ＥＬ層３６は、ｐ型の放熱層２が接合された側から順に積層された、ｎ型コンタクト層３７と、クラック防止層３８と、ｎ型クラッド層５５と、ｎ型光ガイド層１８と、活性層４と、ｐ型ブロッキング層３９と、ｐ型光ガイド層１９と、ｐ型クラッド層５３と、ｐ型コンタクト層４０とを有する。また、ＥＬ層３６は、ｐ型の放熱層２とハンダ接合層（導電層１２）を介して接合されている。
ｎ型コンタクト層３７は、例えばｎ−ＧａＮからなり、ＥＬ層３６と電極（ここでは導電層１２）を接触させるために設けられる。
クラック防止層３８は、例えばｎ−ＩｎＧａＮからなり、ｎ型クラッド層５５のクラックを防止する為の層である。
ｎ型光ガイド層１８は、例えばｎ−ＧａＮからなり、活性層４で発生した励起光を反射し、共振を発生させる為の層である。
ｐ型ブロッキング層３９は、例えばｐ−ＡｌＧａＮからなり、電子がｐ電極側に漏洩することを防止する為の層である。
クラック防止層３８は、例えばｎ−ＩｎＧａＮからなり、ｎ型クラッド層５５のクラックを防止する為の層である。
ｎ型光ガイド層１８は、例えばｎ−ＧａＮからなり、活性層４で発生した励起光を反射し、共振を発生させる為の層である。
ｐ型ブロッキング層３９は、例えばｐ−ＡｌＧａＮからなり、電子がｐ電極側に漏洩することを防止する為の層である。
ｐ型光ガイド層１９は、例えばｐ−ＧａＮからなり、活性層４で発生した励起光を反射し、共振を発生させる為の層である。
ｐ型コンタクト層４０は、例えばｐ−ＧａＮからなり、ＥＬ層３６と電極を接触させるために設けられる。
ｎ型クラッド層５５は、ｎ−ＡｌＧａＮ／ＧａＮでなる超格子クラッド層である。ｐ型クラッド層５３は、例えばｐ−ＡｌＧａＮ／ＧａＮでなる超格子クラッド層である。
さらに、ＬＤ１７は、ｐ型の放熱層２に接合されたｎ電極８と、ｐ型コンタクト層４０に接合されたｐ電極７を有する。ｐ電極７とｎ電極８には、図示しない配線と電源が接続されている。
ｐ型コンタクト層４０は、例えばｐ−ＧａＮからなり、ＥＬ層３６と電極を接触させるために設けられる。
ｎ型クラッド層５５は、ｎ−ＡｌＧａＮ／ＧａＮでなる超格子クラッド層である。ｐ型クラッド層５３は、例えばｐ−ＡｌＧａＮ／ＧａＮでなる超格子クラッド層である。
さらに、ＬＤ１７は、ｐ型の放熱層２に接合されたｎ電極８と、ｐ型コンタクト層４０に接合されたｐ電極７を有する。ｐ電極７とｎ電極８には、図示しない配線と電源が接続されている。
本実施形態において、放熱層２はｐ型の導電型とされ、放熱層２に近い方のクラッド層が、その放熱層２の導電型であるｐ型とは反対の導電型であるｎ型とされている。
ＬＤ１７に、ＥＬ層３６で順方向となるように（ｎ電極８が陰極となるように）電流が流れると、ｎ型クラッド層５５からは電子が、ｐ型クラッド層５３からは正孔が活性層４に注入され、励起発光を生じる。この励起発光は、ｐ型光ガイド層１９及びｎ型光ガイド層１８において共振し、レーザー光として放出される。
ＬＤ１７に、ＥＬ層３６で順方向となるように（ｎ電極８が陰極となるように）電流が流れると、ｎ型クラッド層５５からは電子が、ｐ型クラッド層５３からは正孔が活性層４に注入され、励起発光を生じる。この励起発光は、ｐ型光ガイド層１９及びｎ型光ガイド層１８において共振し、レーザー光として放出される。
これに伴い発生する熱は、ＥＬ層３６から、それより温度が低いｐ電極７側及びｎ電極８側へ熱伝導によって放熱される。
また、ＥＬ層３６を流れる電流は、放熱層２を流れる際にペルチェ効果を発生させる。すなわち、ｐ型の放熱層２中のキャリア（ホール）が活性層４から遠ざかるように移動し、それに伴って熱を同方向に輸送する。
このように、ｐ型の放熱層２においては、熱伝導とペルチェ効果による熱輸送がいずれも活性層４から遠ざかる方向に発生するため、効果的に放熱することが可能である。これにより、活性層４の熱によるダメージが抑えられ、ＬＤ１７の高輝度化及び高出力化に寄与する。
また、ＥＬ層３６を流れる電流は、放熱層２を流れる際にペルチェ効果を発生させる。すなわち、ｐ型の放熱層２中のキャリア（ホール）が活性層４から遠ざかるように移動し、それに伴って熱を同方向に輸送する。
このように、ｐ型の放熱層２においては、熱伝導とペルチェ効果による熱輸送がいずれも活性層４から遠ざかる方向に発生するため、効果的に放熱することが可能である。これにより、活性層４の熱によるダメージが抑えられ、ＬＤ１７の高輝度化及び高出力化に寄与する。
図８は本発明の別の実施形態に係るＬＤの構造を示す模式図である。
図８に示すＬＤ４３は、ＥＬ層４５と、ｎ型の放熱層２と、結晶成長基板４１とを備える。また、ＥＬ層４５が結晶成長基板４１上でエピタキシャル成長する際の低温バッファー層４２を有する。ＥＬ層４５は、ｎ型コンタクト層３７と、クラック防止層３８と、ｎ型クラッド層５５と、ｎ型光ガイド層１８と、活性層４と、ｐ型ブロッキング層３９と、ｐ型光ガイド層１９と、ｐ型クラッド層５３と、ｐ型コンタクト層４０とを有する。
ＥＬ層４５で発生した熱は、上述のように、ｎ型の放熱層２のペルチェ効果と熱伝導により放熱される。また、結晶成長基板４１、ｎ電極８からも熱伝導により放熱することが可能である。
図８に示すＬＤ４３は、ＥＬ層４５と、ｎ型の放熱層２と、結晶成長基板４１とを備える。また、ＥＬ層４５が結晶成長基板４１上でエピタキシャル成長する際の低温バッファー層４２を有する。ＥＬ層４５は、ｎ型コンタクト層３７と、クラック防止層３８と、ｎ型クラッド層５５と、ｎ型光ガイド層１８と、活性層４と、ｐ型ブロッキング層３９と、ｐ型光ガイド層１９と、ｐ型クラッド層５３と、ｐ型コンタクト層４０とを有する。
ＥＬ層４５で発生した熱は、上述のように、ｎ型の放熱層２のペルチェ効果と熱伝導により放熱される。また、結晶成長基板４１、ｎ電極８からも熱伝導により放熱することが可能である。
図９は本発明のさらに別の実施形態に係るＬＤの構造を示す模式図である。
図９に示すＬＤ４４は、図８に示すＬＤ４３の構成に加え、ｐ型の第２放熱層１６を備える。第２放熱層１６はｐ型の導電性を有する。
ＥＬ層４５で発生した熱は、上述のように、ｎ型の放熱層２とｐ型の第２放熱層１６のペルチェ効果により効果的に放熱される。
図９に示すＬＤ４４は、図８に示すＬＤ４３の構成に加え、ｐ型の第２放熱層１６を備える。第２放熱層１６はｐ型の導電性を有する。
ＥＬ層４５で発生した熱は、上述のように、ｎ型の放熱層２とｐ型の第２放熱層１６のペルチェ効果により効果的に放熱される。
ここで、上述した、エピタキシャル成長法によるＧａＮ系化合物半導体層の形成について説明する。
当該ＧａＮ系化合物半導体層の形成には、典型的には、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法が採用される。
結晶成長基板は例えばｐ型４Ｈ−ＳｉＣとされ、この基板上に導電層が形成される。導電層の材料は金属でも高濃度にドーピングされた半導体でもよい。
ここではＰｔ(111)層がスパッタリング法により形成される。
当該ＧａＮ系化合物半導体層の形成には、典型的には、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法が採用される。
結晶成長基板は例えばｐ型４Ｈ−ＳｉＣとされ、この基板上に導電層が形成される。導電層の材料は金属でも高濃度にドーピングされた半導体でもよい。
ここではＰｔ(111)層がスパッタリング法により形成される。
次にＭＯＣＶＤ法により各層が積層される。
ＭＯＣＶＤの原料は、Ｇａ源としてトリメチルガリウム（TMGa）、あるいはトリエチルガリウム（TEGa）、Ｉｎ源としてトリメチルインジウム(TMIn)、Ａｌ源としてトリメチルアルミニウム(TMAl)、N源としてアンモニアガス、ｎ型不純物であるＳｉ源としてシラン(SiH4)、ｐ型不純物であるＭｇ源としてビスシクロペンタジエチルマグネシウム((C2H5)2Mg)が用いられる。
ＭＯＣＶＤの原料は、Ｇａ源としてトリメチルガリウム（TMGa）、あるいはトリエチルガリウム（TEGa）、Ｉｎ源としてトリメチルインジウム(TMIn)、Ａｌ源としてトリメチルアルミニウム(TMAl)、N源としてアンモニアガス、ｎ型不純物であるＳｉ源としてシラン(SiH4)、ｐ型不純物であるＭｇ源としてビスシクロペンタジエチルマグネシウム((C2H5)2Mg)が用いられる。
例えば、ＧａＮ：Ｓｉ層（2000nm）、Ｇａ0.8Ｉｎ0.2Ｐ−ＧａＮ MQW（multiple-quantum well）層(300nm)、ＧａＮ：Ｍｇ層、Ａｕ／Ｎｉ／Ｍｇ電極が形成される。
図４で示す本発明の一実施形態に係る発光素子の特定構造（ＬＥＤ、放熱層：ＳｉＣ）における放熱層の吸熱量Q1は図１０に示す式（１）で表される。
式（１）の第一項がペルチェ効果により運ばれる熱流束、第二項がジュール発熱による熱流束、第三項が熱伝導により生じる熱流束である。
図４で示す本発明の一実施形態に係る発光素子の特定構造（ＬＥＤ、放熱層：ＳｉＣ）における放熱層の吸熱量Q1は図１０に示す式（１）で表される。
式（１）の第一項がペルチェ効果により運ばれる熱流束、第二項がジュール発熱による熱流束、第三項が熱伝導により生じる熱流束である。
一方、図２で示す従来型構造のＬＥＤ９のｎ−ＳｉＣ基板２０の吸熱量Q2は図１０に示す式（２）で表される。
式（１）及び式（２）に下記のパラメータを代入し、吸熱量Q1及びQ2を算出した。
αSiC＝4.00×10-4(V/K)、ρSiC＝5.00×10-4(Ωm)、κSiC＝400(W/mK)、L＝1×10-4(m)、A＝1×10-6、(m2)、Th＝351(K)、TC＝350(K)
また、比較として、図２で示す従来構造のＬＥＤ９において、ｎ−ＳｉＣ基板２０に換えてＣｕを用いた場合を考える。下記パラメータを式（２）に代入してこの場合の吸熱量Q3を算出した。算出した結果を図１１に示す。
αCu＝1.83×10-6(V/K)、ρCu＝1.70×10-8(Ωm)、κCu＝400(W/mK)
式（１）及び式（２）に下記のパラメータを代入し、吸熱量Q1及びQ2を算出した。
αSiC＝4.00×10-4(V/K)、ρSiC＝5.00×10-4(Ωm)、κSiC＝400(W/mK)、L＝1×10-4(m)、A＝1×10-6、(m2)、Th＝351(K)、TC＝350(K)
また、比較として、図２で示す従来構造のＬＥＤ９において、ｎ−ＳｉＣ基板２０に換えてＣｕを用いた場合を考える。下記パラメータを式（２）に代入してこの場合の吸熱量Q3を算出した。算出した結果を図１１に示す。
αCu＝1.83×10-6(V/K)、ρCu＝1.70×10-8(Ωm)、κCu＝400(W/mK)
図１１より、本発明の一実施形態に係る発光素子の構造は、従来型構造よりも多くの熱を放熱することができ、さらに、代表的な放熱材料である銅を用いる場合よりも効果的であることがわかる。すなわち、本発明の一実施形態に係る発光素子の構造とすることにより、発光素子により多くの電流を流すことができ、高輝度を得ることが可能である。
また、図１０に示す式（３）において、それぞれの構造における熱抵抗θを算出した。その結果を図１２に示す。
本発明の一実施形態に係る発光素子の構造（θ1）の熱抵抗は、従来型構造（θ2）及び銅を用いた構造（θ3）の熱抵抗よりも小さくなることがわかる。
また、図１０に示す式（３）において、それぞれの構造における熱抵抗θを算出した。その結果を図１２に示す。
本発明の一実施形態に係る発光素子の構造（θ1）の熱抵抗は、従来型構造（θ2）及び銅を用いた構造（θ3）の熱抵抗よりも小さくなることがわかる。
次に、本発明の一実施形態に係る発光素子の製造方法を説明する。
図１３は本発明の一実施形態に係る発光素子の製造方法を示す図である。図１３では、図４に示したＬＥＤ１１の製造方法の一例を説明する。
図１３（ａ）に示すように、結晶成長基板１４上に、例えば上記したようなエピタキシャル成長によって、ｎ型半導体層５、活性層４、ｐ型半導体層３が順に積層されて、ＥＬ層６が形成される。結晶成長基板１４として、これらのエピタキシャル成長が進行し易い物性値を有する材料を用いればよい。結晶成長基板１４として、例えばサファイア基板が挙げられるが、これに限られない。また、あらかじめ、結晶成長基板１４上に結晶化を促進する低温バッファー層等を形成しておくこともできる。
図１３は本発明の一実施形態に係る発光素子の製造方法を示す図である。図１３では、図４に示したＬＥＤ１１の製造方法の一例を説明する。
図１３（ａ）に示すように、結晶成長基板１４上に、例えば上記したようなエピタキシャル成長によって、ｎ型半導体層５、活性層４、ｐ型半導体層３が順に積層されて、ＥＬ層６が形成される。結晶成長基板１４として、これらのエピタキシャル成長が進行し易い物性値を有する材料を用いればよい。結晶成長基板１４として、例えばサファイア基板が挙げられるが、これに限られない。また、あらかじめ、結晶成長基板１４上に結晶化を促進する低温バッファー層等を形成しておくこともできる。
次に、図１３（ｂ）に示すように、ＥＬ層６の結晶成長基板１４と反対側に、ｎ型の放熱層２が貼り付けられる。この貼り付けには、導電性を有する接着材が用いられ、これによって導電層１２が形成される。
次に、図１３（ｃ）に示すように、結晶成長基板１４が除去される。これはレーザーリフトオフ、ケミカルリフトオフ等の手法が用いられる。
以上のようにして、ＬＥＤ１１の電極７、８以外の部分が製造される。
次に、図１３（ｃ）に示すように、結晶成長基板１４が除去される。これはレーザーリフトオフ、ケミカルリフトオフ等の手法が用いられる。
以上のようにして、ＬＥＤ１１の電極７、８以外の部分が製造される。
このような製造方法により、ｎ型の放熱層２の材料はエピタキシャル成長に寄与する物性値を有する必要がなくなる。すなわち、放熱層２の材料の選択の幅が広がるので、放熱効率の高い放熱層２の材料が選択されることにより、放熱効率の高い発光素子を製造することが可能となる。
本発明は上述の実施形態にのみ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において種々変更を加え得ることは勿論である。
例えば、青色ＧａＮ系ＬＥＤ、緑色ＧａＮ系ＬＥＤ、赤色ＧａＡｓ系ＬＥＤ、青色ＧａＮ系ＬＤ、赤色ＧａＡｓ系ＬＤ等に適用してもよい。
もちろん、赤青緑の三原色ＬＥＤをワンチップ化した白色ＬＥＤ、青色ＧａＮ系ＬＥＤを蛍光体とともにチップ実装した白色ＬＥＤにも適用することができる。
さらに、本発明は、上述したＬＥＤ１、１１、１３、１５及びＬＤ１７、４３、４４のような注入型ＥＬ素子のみならず、真性ＥＬ素子（いわゆる薄膜ＥＬ素子であって、有機ＥＬ素子、無機ＥＬ素子など）にも適用することが可能である。
例えば、青色ＧａＮ系ＬＥＤ、緑色ＧａＮ系ＬＥＤ、赤色ＧａＡｓ系ＬＥＤ、青色ＧａＮ系ＬＤ、赤色ＧａＡｓ系ＬＤ等に適用してもよい。
もちろん、赤青緑の三原色ＬＥＤをワンチップ化した白色ＬＥＤ、青色ＧａＮ系ＬＥＤを蛍光体とともにチップ実装した白色ＬＥＤにも適用することができる。
さらに、本発明は、上述したＬＥＤ１、１１、１３、１５及びＬＤ１７、４３、４４のような注入型ＥＬ素子のみならず、真性ＥＬ素子（いわゆる薄膜ＥＬ素子であって、有機ＥＬ素子、無機ＥＬ素子など）にも適用することが可能である。
上記各実施形態で示した放熱層２の材料の候補として、ＳｉＣ以外に、以下のような高い熱伝導率、高いゼーベック係数、または、高い導電率を有するものが挙げられる。
（１）Ｓｉ、Ｇｅ、
（２）カーボンナノチューブ、フラーレン、グラファイト、ダイヤモンド、ダイヤモンドライクカーボンなどのカーボン系（これらは、アレイ状の形体でも、フィルム状の形体でもよい。）、
（３）ＷＣ、ＺｒＣ、ＴｉＣなどのカーバイト系（ＳｉＣもこれに含まれる。）、
（４）ＧａＮ、ＴｉＮ、ＺｒＮ等のナイトライド系、
（５）ＦｅＳｉ2、ＭｎＳｉ2、ＣｒＳｉ2等のシリサイド系、
（６）Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ等の金属系、
（７）Ｎｉ−Ｃｕ合金（コンスタンタンを含む。）、Ｎｉ−Ｃｒ合金（クロメルを含む。）、Ｎｉ−Ａｌ合金（アルメルを含む。）等の合金系
もちろん、（１）〜（７）で示した主物質に、適切な元素がドーピングされた材料も含まれる。
（１）Ｓｉ、Ｇｅ、
（２）カーボンナノチューブ、フラーレン、グラファイト、ダイヤモンド、ダイヤモンドライクカーボンなどのカーボン系（これらは、アレイ状の形体でも、フィルム状の形体でもよい。）、
（３）ＷＣ、ＺｒＣ、ＴｉＣなどのカーバイト系（ＳｉＣもこれに含まれる。）、
（４）ＧａＮ、ＴｉＮ、ＺｒＮ等のナイトライド系、
（５）ＦｅＳｉ2、ＭｎＳｉ2、ＣｒＳｉ2等のシリサイド系、
（６）Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ等の金属系、
（７）Ｎｉ−Ｃｕ合金（コンスタンタンを含む。）、Ｎｉ−Ｃｒ合金（クロメルを含む。）、Ｎｉ−Ａｌ合金（アルメルを含む。）等の合金系
もちろん、（１）〜（７）で示した主物質に、適切な元素がドーピングされた材料も含まれる。
放熱層として、高い導電率の放熱層（導電性の放熱層）が用いられる場合、その導電性の放熱層は、ＥＬ層の、ｎ型半導体層よりｐ型半導体層に近い側に接合される。このような構成によれば、例えばＥＬ層が光励起するようにバイアスされると、放熱層ではＥＬ層から遠ざかる方向に電子が移動する。つまりペルチェ効果により、放熱層ではＥＬ層から遠ざかる方向に熱輸送されるので、効果的に放熱される。
上記各実施形態に係るＬＥＤ１、１１、１３、１５及びＬＤ１７、４３、４４を搭載する電子機器としては、以下のような機器が挙げられる。例えば、コンピュータ（パーソナルコンピュータの場合、ラップトップ型であっても、デスクトップ型であっても、サーバ型であってもよい。）、ＰＤＡ（Personal Digital Assistance）、電子辞書、カメラ、ディスプレイ、オーディオ／ビジュアル機器、プロジェクタ、携帯電話、ゲーム機器、カーナビゲーション機器、ロボット機器、その他の電気製品等である。ディスプレイとしては、屋内で使用されるものに限られず、屋外や公共の設備で使用される様々なディスプレイにも上記各実施形態に係るＬＥＤ及びＬＤが適用可能である。
２ 放熱層
３ ｐ型半導体層
４ 活性層
５ ｎ型半導体層
６、３４、３５、３６、４５ ＥＬ層
７ ｐ電極
８ ｎ電極
１２ 導電層
１４ 結晶成長基板
５３ ｐ型クラッド層
５５ ｎ型クラッド層
３ ｐ型半導体層
４ 活性層
５ ｎ型半導体層
６、３４、３５、３６、４５ ＥＬ層
７ ｐ電極
８ ｎ電極
１２ 導電層
１４ 結晶成長基板
５３ ｐ型クラッド層
５５ ｎ型クラッド層
Claims (11)
- ｎ型及びｐ型のうちいずれか一方である第１の導電型の第１の半導体層と、前記第１の導電型とは逆の第２の導電型の第２の半導体層と、前記第１の半導体層及び前記第２の半導体層の間に設けられた活性層とを有するＥＬ層と、
前記ＥＬ層の、前記第１の半導体層より前記第２の半導体層に近い側に接合された前記第１の導電型の放熱層と
を具備する発光素子。 - 請求項１に記載の発光素子であって、
前記ＥＬ層は、
前記第２の半導体層と前記放熱層との間に設けられ、前記第２の半導体層及び前記放熱層での逆方向バイアスによる電気抵抗を下げるための導電層を有する発光素子。 - 請求項１に記載の発光素子であって、
前記ＥＬ層に接合された第１の電極と、
前記放熱層に接合され、前記第１の電極との間で前記ＥＬ層を順方向にバイアスするための第２の電極と
をさらに具備する発光素子。 - 請求項１に記載の発光素子であって、
前記放熱層は、前記活性層、前記第１及び第２の半導体層のうち少なくとも前記第２の半導体層の結晶をエピタキシャル成長させる基板である発光素子。 - 請求項４に記載の発光素子であって、
前記放熱層は、ＳｉＣからなる発光素子。 - 請求項１に記載の発光素子であって、
前記ＥＬ層の、前記放熱層が接合される側とは反対側に接合され、前記活性層、前記第１及び第２の半導体層のうち少なくとも前記第２の半導体層の結晶をエピタキシャル成長させる基板をさらに具備する発光素子。 - 請求項６に記載の発光素子であって、
前記基板はサファイアからなる発光素子。 - ｎ型半導体層と、ｐ型半導体層と、前記ｎ型半導体層及び前記ｐ型半導体層の間に設けられた活性層とを有するＥＬ層と、
前記ＥＬ層の、前記ｎ型半導体層より前記半導体層に近い側に接合された導電性の放熱層と
を具備する発光素子。 - ｎ型及びｐ型のうちいずれか一方である第１の導電型の第１の半導体層、活性層及び前記第１の導電型とは逆の第２の導電型の第２の半導体層が順に積層されたＥＬ層を、第１の基板上に形成し、
前記ＥＬ層の、前記第１の基板が形成された側とは反対側に放熱層を構成する、第１の導電型の第２の基板を貼り付け、
前記基板を除去する
発光素子の製造方法。 - 請求項９に記載の発光素子の製造方法であって、
前記第２の半導体層と前記放熱層との間に、前記第２の半導体層及び前記放熱層での逆方向バイアスによる電気抵抗を下げるための導電層を形成する発光素子の製造方法。 - ｎ型及びｐ型のうちいずれか一方である第１の導電型の第１の半導体層と、前記第１の導電型とは逆の第２の導電型の第２の半導体層と、前記第１の半導体層及び前記第２の半導体層の間に設けられた活性層とを有するＥＬ層と、
前記ＥＬ層の、前記第１の半導体層より前記第２の半導体層に近い側に接合された前記第１の導電型の放熱層と
を具備する発光素子を搭載した電子機器。
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