JP2011091195A - 発光素子及び発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光取出し効率を向上させた発光素子及び発光装置を提供する。
【解決手段】
本発明の発光素子２０は、光を発する光半導体素子と、光半導体素子上に形成され、光半導体素子の屈折率より大きい屈折率を有し、光半導体素子で発光した光が進入する透光層４と、透光層４中に含有され、透光層４を構成する材料の屈折率より小さい屈折率を有する散乱体５と、を有している。
【選択図】図２

Description

本発明は、発光素子と、その発光素子を用いた発光装置に関するものである。

現在、紫外光、青色光、緑色光等を発光する発光素子の開発が行われている。特に、ＩＩＩ族窒化物半導体を有する発光素子の光取出し効率の向上を目的とした開発が数多くされている。

例えば、下記の特許文献１には、光半導体素子と、光半導体素子の光取出し側に形成され、光散乱粒子を含有する樹脂層と、を備えた発光素子が記載されている。なお、光散乱粒子の屈折率は、樹脂層を構成する樹脂よりも大きい屈折率に設定されている。

特開２００３−４０６３９８号公報

しかし、特許文献１に記載された発光素子は、光散乱粒子が樹脂層を構成する樹脂より大きい屈折率を有することから、樹脂層の光取り出し側の面で全反射した光が、光散乱粒子を透過して、樹脂層から光半導体素子に向かって進行しやすい。そのため、特許文献１に記載された発光素子は、光取出し効率の低下を招きやすかった。

本発明は、以上のような諸事情を鑑みて案出されたものであり、光取出し効率を向上させることが可能な発光素子及び発光装置を提供することを目的とする。

本発明の発光素子によれば、光を発する光半導体素子と、前記光半導体素子上に形成され、前記光半導体素子の屈折率より大きい屈折率を有し、前記光半導体素子で発光した光が進入する透光層と、前記透光層中に含有され、前記透光層を構成する材料の屈折率より小さい屈折率を有する散乱体と、を有する。

本発明によれば、光取出し効率を向上させることが可能な発光素子及び発光装置を提供することができる。

本発明の一実施形態にかかる発光素子の斜視図である。 図１に示す発光素子の断面図であり、図１のＡ−Ａ´線の切断面に相当する。 本発明の一実施形態の発光素子をパッケージ体に実装した発光装置の断面図である。 本発明の一実施形態にかかる発光素子の変形例を示す断面図である。 本発明の一実施形態にかかる発光素子の変形例を示す断面図である。 本発明の一実施形態にかかる発光素子の製造工程を示す発光素子の断面図である。 本発明の一実施形態にかかる発光素子の製造工程を示す発光素子の断面図である。 本発明の一実施形態にかかる発光素子の製造工程を示す発光素子の断面図である。 本発明の一実施形態にかかる発光素子の製造工程を示す発光素子の断面図である。 本発明の一実施形態にかかる発光素子の製造工程を示す発光素子の断面図である。

以下に図面を参照して、本発明にかかる発光素子及び発光装置の実施形態について詳細に説明する。

本発明は以下の実施形態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変更を施すことができる。

＜発光素子の構造＞
図１は本実施形態にかかる発光素子２０の斜視図、図２は図１に示す発光素子２０の断面図であり、図１のＡ−Ａ´線で切断したときの断面に相当する。

発光素子２０は、図２に示すように基板１と、基板１上に形成された光半導体素子としての光半導体層２と、散乱体５を含有する透光層４と、を有している。

基板１は、化学気相成長法を用いて、光半導体層２を成長させることが可能なものであればよい。例えば、基板１は長方形の平板などから形成されている。基板１に用いられる材料としては、例えば、サファイア、窒化ガリウム、窒化アルミニウム、酸化亜鉛、シリコンカーバイド、シリコンまたは二ホウ化ジルコニウムなどを挙げることができる。このように形成することにより、光半導体層２で発光した光を、光半導体層２の基板１とは反対側から取り出すことができる。なお、光半導体層２の基板１側から光を取り出す場合には、光半導体層２を成長させた後に基板１を除去する方法や、光半導体層２で発光した光を透過させる透光性の基材を基板１として用いる方法などがある。

透光性の基材としては、後述する発光層２ｂの構成を用いた場合、サファイア、窒化ガリウム、酸化亜鉛またはシリコンカーバイドなどを用いることができる。なお、基板１の厚みとしては例えば１００μｍ以上１０００μｍ以下である。

光半導体層２は、基板１の主面１Ａに形成された第１半導体層２ａと、第１半導体層２ａ上に形成された発光層２ｂと、発光層２ｂ上に形成された第２半導体層２ｃと、から構成されている。

第１半導体層２ａ、発光層２ｂ及び第２半導体層２ｃは、ＩＩＩ−Ｖ族半導体を用いることができる。ＩＩＩ−Ｖ族半導体としては、ＩＩＩ族窒化物半導体、ガリウム燐またはガリウムヒ素などを例示できる。ＩＩＩ族窒化物半導体としては、窒化ガリウム、窒化アルミニウム、窒化インジウムなどを例示することができ、化学式で例示するとＡｌ_ｘ１Ｇａ_{（１−ｘ１−ｙ１）}Ｉｎ_ｙ１Ｎ（０≦ｘ１≦１、０≦ｙ１≦１、ｘ１＋ｙ１≦１）と表すことができる。さらに、ＩＩＩ−Ｖ族半導体以外には、酸化亜鉛などを例示することができる。

また光半導体層２は、一導電型としてｎ型半導体の性質の第１半導体層２ａと、発光層２ｂと、逆導電型としてｐ型半導体の性質の第２半導体層２ｃとが、順次基板１の主面１Ａに形成された積層構造を有している。なお、第１半導体層２ａの厚みは、例えば１μｍ以上５μｍ以下であって、第２半導体層２ｃの厚みは、例えば５０ｎｍ以上６００ｎｍ以下である。

発光層２ｂは、第１半導体層２ａと第２半導体層２ｃとの間に設けられている。発光層２ｂ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なる量子井戸構造が複数回（例えば、２回以上１０回以下）繰り返し、規則的に積層された多層量子井戸構造（ＭＱＷ）としてもよい。なお、前述の障壁層としては、上述した化学式で例示するとＩｎ_０．０１Ｇａ_０．９９Ｎ層などを用いることができる。また、前述の井戸層としては、Ｉｎ_０．１１Ｇａ_０．８９Ｎ層などを例示できる。この場合、障壁層の厚みは例えば５ｎｍ以上１５ｎｍ以下、井戸層の厚みは例えば２ｎｍ以上１０ｎｍ以下に設定でき、発光層２ｂ全体の厚みは例えば２５ｎｍ以上１５０ｎｍ以下である。また、このように構成された発光層２ｂでは、例えば３５０ｎｍ以上６００ｎｍ以下の波長の光を発光する。なお、第２半導体層２ｃの屈折率は、例えば、１．７０以上２．２０以下に設定される。

このような光半導体層２の第１半導体層２ａには第１半導体層２ａと電気的に接続される第１電極３が設けられ、第２半導体層２ｃの主面２Ａには第２半導体層２ｃと電気的に接続される第２電極６が設けられている。このように形成された第１電極３及び第２電極６は、第１電極３と第２電極６との間に電圧を印加することができる。

第１電極３および第２電極６としては、アルミニウム、チタン、ニッケル、クロム、インジウム、錫、モリブデン、銀、金、ニオブ、タンタル、バナジウム、白金、鉛、ベリリウム、酸化錫、酸化インジウム、インジウムと錫の酸化物、ガリウムをドープした酸化亜鉛、アルミニウムをドープした酸化亜鉛、金とシリコンの合金、金とゲルマニウムの合金、金と亜鉛の合金、金とベリリウムの合金などを用いることができる。また、第１電極３と第１半導体層２ａとの間および第２電極６と第２半導体層２ｃとの間にオーミックコンタクト層を設けてもよい。また、第１電極３および第２電極６は、上記材質の中から選択した層を複数層積層したものとしても構わない。なお、第１電極３は、基板１が導電性を有する場合、基板１の光半導体層２と反対側すなわち第２主面１Ｂに設けてもよい。

本実施形態においては、第２半導体層２ｃの主面２Ａに透明電極９が形成され、かかる透明電極９の主面９Ａに第２電極６が形成されている。このように第２半導体層２ｃの主面２Ａ全体に透明電極９を有することにより、第２半導体層２ｃの主面２Ａ全体に電流を流すことができるため、発光の色むらを低減することができる。

透明電極９としては、上述の第１電極３および第２電極６の材料のうち、第２半導体層２ｃより大きい屈折率の材料であり、かつ光半導体層２における発光波長に対して透明な材料を選択すればよい。例えば、インジウムと錫の酸化物（屈折率１．６０以上２．２０以下）、ガリウムを含む酸化亜鉛（屈折率１．７０以上２．００以下）、インジウムと亜鉛の酸化物（屈折率１．５以上３．５以下）、アルミニウムを含む酸化亜鉛（屈折率１．７０以上２．００以下）、チタンの酸化物（屈折率１．５０以上２．７０以下）、アンチモンと錫の酸化物（屈折率１．９０以上２．１０以下）またはポリエチレンジオキシチオフェン、ポリスチレンスルホン酸またはポリビニルスルホン酸のうち少なくとも一つを含む導電性高分子（屈折率１．５０以上１．７０以下）などを用いることができる。

このように第２半導体層２ｃの主面２Ａ上に形成された透明電極９の主面９Ａ上には、透光層４が形成されている。かかる透光層４は、第２電極５を除く透明電極９上の一面に形成されている。また、透光層４は透明電極９より大きい屈折率を有する材料から形成されている。そのため、透明電極９から透光層４へ進む光は、透明電極９と透光層４との界面において臨界角が大きくなり全反射されにくくなる。一方、透光層４から透明電極９へ進む光は、透光層４と透明電極９との界面において臨界角が小さくなり全反射されやすくなる。

透明電極９の主面９Ａ上に、透明電極９より大きい屈折率の材料からなる透光層４を有することにより、透明電極９の主面９Ａ上に透光層４を有しない場合と比較して、透明電極９から透光層４への光取出し効率を向上させることができる。また、透明電極９から透光層４に進入した光は、透光層４と透明電極９との屈折率の関係により、透光層４と透明電極９との界面において全反射しやすくなるため、透明電極９へ戻りにくくすることができる。そのため、第２半導体層２ｃへ光が戻りにくくすることができ、発光層２ｂの外部量子効率の低下を招きにくくすることができる。

透光層４としては、例えばジクロロジフェニルサルフォン（屈折率１．５０以上１．８０以下）、酸化ジルコニウム（屈折率２．３０以上２．５０以下）、チタンの酸化物（屈折率１．５０以上２．７０以下）またはエポキシ樹脂（屈折率１．５０以上１．７０以下）などの材料を選択することができる。なお、透光層４が透明電極９上に形成されている場合、透光層４として透明電極９より屈折率の大きい材料を用いればよい。また、透光層４が第２半導体層２ｃ上に形成されている場合、透光層４として第２半導体層２ｃより屈折率の大きい材料を用いればよい。

透光層４は散乱体５を含有している。散乱体５は、透光層４より小さい屈折率の材料により形成されている。また散乱体５の形状は、球体、立方体、円錐など種々の形状から選択される。本実施形態では、散乱体５は球体から形成されている。

このような散乱体５が透光層４に含有されていることにより、透光層４からの光取出し効率を向上させることができる。散乱体５は、透光層４より小さい屈折率の材料から形成されているため、透光層４から散乱体５に進む光は、透光層４と散乱体５との界面における臨界角が小さくなり、透光層４と散乱体５との界面で全反射されやすくなる。

そのため、例えば透光層４の上面４Ａにおいて透明電極９側に全反射した光を、透光層４と散乱体５との界面において透光層４の上面４Ａ方向へ全反射させやすい。その結果、散乱体５によって、透光層４の上面４Ａにおいて透明電極９側に全反射した光の進行方向を変えることができるため透光層４における光取出し効率を向上させることができる。

また、透明電極９から透光層４に進行した光のうち散乱体５へ小さい入射角で光が入射した場合でも、光を入射角より小さい屈折角で直進させることができる。そのため、透明電極９の主面９Ａと向かい合う散乱体５の下面で透明電極９の方向に反射する光を少なくすることができる。

なお、発光層２ｂで発光し、透光層４に進行した光が散乱体５の下面で透明電極９の方向に反射される場合においても、透光層４が透明電極９より大きい屈折率を有することから、透光層４と透明電極９との界面で全反射して透光層４の上面４Ａ方向に進むようになる。そのため、かかる場合であっても光取出し効率の低下を招きにくい。

このような散乱体５の大きさは、透光層４の膜厚ｔ１より小さく設定することができる。本実施形態においては、散乱体５は球体で形成されており、直径を透光層４に入射した光の波長すなわち発光層２ｂで発光した光の波長以上の長さにすることにより、透光層４と散乱体５との界面で全反射しやすくすることができる。また、散乱体５の直径を５μｍ以下にすることにより、透光層４の膜厚が厚くなりにくく、かかる透光層４での光損失を少なくすることができる。

このような散乱体５の材料としては、チタン、タンタル、アルミニウム、マグネシウム、シリコン、ジルコニウム、ハフニウム、イットリウム、トリウム、ニオブまたはナトリウムのいずれかを含む酸化物、弗化物、窒化物などのうち透光層４より小さい屈折率の材料を選択すればよい。例えば、チタンの酸化物（屈折率１．５０以上２．７０以下）、五酸化二タンタル（屈折率２．２０以上２．４０以下）、酸化マグネシウム（屈折率 １．６８以上１．７３以下）、二酸化ジルコニウム（屈折率 約１．７８以上２．００以下）、フッ化マグネシウム（屈折率 １．３６以上１．４０以下）、二酸化ケイ素（屈折率 １．４４以上１．５４以下）などを用いることができる。

一方、散乱体５を含有しない透光層４を用いた場合、透光層４の上面４Ａにおいて全反射した光は透明電極９に戻りやすく、光取出し効率を向上させることが困難となる。また、透光層４の上面４Ａにおいて全反射した光が、透明電極９を通り第２半導体層２ｃに戻ることにより発光層２ｂの外部量子効率の低下を招きやすかった。

また、散乱体として透光層４より屈折率の大きな材料を用いた場合、透光層４の上面である主面４Ａで全反射した光は、透光層４と散乱体との界面において、入射角より屈折角の方が小さくなる。そのことから、透光層４の上面である主面４Ａで全反射した光は、散乱体へ入射しやすくなる。さらに、散乱体を通った光は、透明電極９の主面９Ａに対して入射角が小さくなるため、透明電極９を通り、第２半導体層２ｃに戻りやすかった。そのことから、散乱体として透光層４より屈折率の大きな材料を用いた場合、光取出し効率を向上させることが困難となる。

さらに、散乱体として金属からなる反射体を用いた場合には、散乱体への入射角が小さい光も全反射する。そのため、例えば、透明電極９の主面９Ａと向かい合う散乱体の下面に小さい入射角で光が入射すると、透明電極９の方向に反射され第２半導体層２ｃへ戻りやすくなる。その結果、発光層２ｂの外部量子効率の低下を招きやすかった。

次に、図３に示すように、発光素子２０を外部配線用電極１５が形成されたパッケージ体１６にバンプ１７などを介してフリップチップ実装した発光装置５０とすることができる。その場合には、基板１を除去することにより露出させた第１半導体層２ａ上に、第１半導体層２ａより屈折率の高い材料で形成した透光層４を設けた発光素子２０を用いることができる。なお、基板１を除去せずに基板１の主面１Ｂ上に透光層４を設けた場合には、基板１を光半導体層２の一部に含むものである。かかる場合には、透光層４として基板１より屈折率の高い材料を用いることができる。

本実施形態においては、第２半導体層２ｃと透光層４との間に透明電極９を設けた発光素子２０の場合について説明したが、第２半導体層２ｃの主面２Ａ上に透光層４を設けてもよい。かかる場合の発光素子２０においても上述の効果を奏する。
（変形例）
本発明は上述の実施の形態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において種々の変更、改良等が可能である。ここで、上述した実施形態に係る変形例について説明する。なお、本実施形態の変形例に係る発光素子のうち、本実施形態に係る発光素子と同様な部分については、同一の符号を付して適宜説明を省略する。

図４は、上述した一実施形態にかかる発光素子２０の変形例を示す断面図である。この変形例にかかる発光素子２０は、透光層４が屈折率の異なる複数層から形成されている。このように、透光層４を構成する屈折率が異なる複数層は、下方から上方に向けて屈折率が順次小さくなるように形成されている。

かかる透光層４は、発光素子２０の外部に対する屈折率差を小さくすることができるため、光取出し効率をさらに向上させることができる。なお、図４に示すように本実施形態においては、透光層４は第１透過層４ａ、第２透過層４ｂ、第３透過層４ｃ、第４透過層４ｄにより構成されており、屈折率は第１透過層４ａから第４透過層４ｄまで順次小さくなるように形成されている。

このように透光層４が形成されている場合、最外層である第４透過層４ｄは、透明電極９より小さい屈折率の材料により形成されていることが好ましい。透光層４を構成する複数層のうち最外層の屈折率を透明電極９より小さく形成することにより、透光層４を設けずに透明電極９から光を取り出す場合と比較して、外部との屈折率差をより小さくすることができる。その結果、外部との界面において全反射される光を少なくすることができ、光取出し効率を向上させることができる。

さらに、透光層４を構成する複数層のうちそれぞれの層に、散乱体５を含有することによりそれぞれの層で光取出し効率を向上させることができる。具体的には、第１透過層４ａと第２透過層４ｂとの界面Ｓ１、第２透過層４ｂと第３透過層４ｃとの界面Ｓ２、第３透過層４ｃと第４透過層４ｄとの界面Ｓ３、第４透過層４ｄと外部との界面Ｓ４において透明電極９側へ全反射した光の進行方向を、散乱体５により全反射させて上方へ変えることができる。その結果、透光層４と外部との屈折率差を小さくしつつ、透光層４のうち隣接する界面で全反射した光の進行方向を上方へ全反射させることができることから、光取出し効率をより向上させることができる。

なお、このように透光層４が複数の層により形成されている場合、いずれかの層に散乱体５が含有されていればよい。より好ましくは、透光層４が複数層により構成されている場合、最下層である第１透過層４ａに散乱体５を含有させる。最下層に散乱体５を含有させることにより、図５に示すように、透光層４を構成する複数層のうち、最下層より上方に形成された隣接する２つの層の界面で透明電極９側に全反射された光１１の進行方向を、散乱体５により上方へ全反射させることができる。具体的には、界面Ｓ１、界面Ｓ２、界面Ｓ３、界面Ｓ４において透明電極９側に全反射される光の進行方向を、第１透過層４ａに含有される散乱体５によって上方に全反射させて変えることができる。その結果、透明電極９に戻る光を取出すことができ、光取出し効率を向上させることができる。

＜発光素子の製造方法＞
（光半導体素子準備工程）
図６に示すように、光半導体素子として基板１上に、第１半導体層２ａ、発光素子２ｂ及び第２半導体層２ｃとを順次積層した光半導体層２が形成される。光半導体層２の成長方法としては、分子線エピタキシー（Molecular Beam Epitaxy、略称ＭＢＥ）法、有機金属エピタキシー（Metal Organic Vapor Phase Epitaxy、略称ＭＯＶＰＥ）法、ハイドライド気相成長（Hydride Vapor Phase Epitaxy、略称ＨＶＰＥ）法またはパルスレーザデポジション（Pulsed Laser Deposition、略称ＰＬＤ）法などが用いられる。さらに、本実施形態においては、かかる光半導体層２上に透明電極９が形成されている。

（透光層形成工程）
その後、透明電極９の主面９Ａ上に、散乱体５を含有する透光層４を形成する。散乱体５を含有する透光層４を作製するために、透光層４となる溶液および散乱体５となる粒子を混ぜた混合溶液７を作製する。次に、このような混合溶液７を、図７に示すように、透明電極９の主面９Ａ上に滴下して基板１を回転させることにより、透明電極９上に混合溶液７をスピンコートする。その後、スピンコートした膜を乾燥させることにより、図８に示すような膜厚ｔ１の透光層４を透明電極９上に形成することができる。また、スピンコートにより透光層４を形成する場合、スピンコート時の回転速度を調整することにより透光層４の膜厚ｔ１を変化させることができる。なお、透光層４が複数層で形成されている場合には、スピンコートと乾燥を繰り返すことにより形成すればよい。

（電極形成工程）
次に、第１半導体層２ａと電気的に接続される第１電極３と、第２半導体層２ｃと電気的に接続される第２電極６と、を形成する。まず、図９に示すように、第１電極３を形成するために、第１半導体層２ａの一部が露出する第１露出部２１を形成する。このような第１露出部２１は、第１半導体層２ａの一部が露出されるように、例えば透光層４の一部を深さ方向にエッチングすることにより形成することができる。

さらに、第２電極６を形成するために、透明電極９の主面９Ａの一部が露出する第２露出部２２を形成する。このような第２露出部２２は、透明電極９の主面９Ａが露出されるように透光層４の一部を例えば深さ方向にエッチングすることにより形成することができる。

その後、図１０に示すように、第１露出部２１および第２露出部２２の一部に第１電極３および第２電極６となる材料を蒸着やスパッタなどの方法により形成する。

１ 基板
２ 半導体層
２ａ 第１半導体層
２ｂ 活性層
２ｃ 第２半導体層
３ 第１電極
４ 透光層
５ 散乱体
６ 第２電極
７ 混合溶液
９ 透明電極
１５ 外部配線用電極
１６ パッケージ体
１７ バンプ
２０ 発光素子
２１ 第１露出部
２２ 第２露出部

Claims (6)

1. 光を発する光半導体素子と、
   前記光半導体素子上に形成され、前記光半導体素子の屈折率より大きい屈折率を有し、前記光半導体素子で発光した光が進入する透光層と、
   前記透光層中に含有され、前記透光層を構成する材料の屈折率より小さい屈折率を有する散乱体と、を備えた発光素子。
2. 前記光半導体素子と前記透光層との間に、前記光半導体素子で発光した光を通す透明電極を有し、
   前記透光層は前記透明電極の屈折率より大きい屈折率を有する請求項１に記載の発光素子。
3. 前記透光層は屈折率が異なる複数層からなり、前記透光層は下方から上方に向けて屈折率が順次小さくなる請求項１または２に記載の発光素子。
4. 前記散乱体は、前記透光層の全ての層に含有されている請求項１〜３のいずれかに記載の発光素子。
5. 前記光半導体素子と接する前記透光層の最下層中に、前記散乱体が含有されている請求項１〜４のいずれかに記載の発光素子。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の発光素子と、前記発光素子が実装されるパッケージ体と、を備えた発光装置。

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