JP2011211082A - 発光ダイオードおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】発光層の面積を減少させることなく、点状または線状の光源を得ることができ、発光方向を制御することができる発光ダイオードおよびその製造方法を提供する。
【解決手段】ｐ型半導体層１１、発光層１２およびｎ型半導体層１３により発光ダイオード構造を形成する。ｐ型半導体層１１の発光層１２と反対側の面にｐ側電極１５を形成する。ｐ型半導体層１１、発光層１２およびｎ型半導体層１３の端面１４に反射層１６を形成する。ｎ型半導体層１３および反射層１６上に中央部にピンホール１７ａを有するｎ側電極１７を形成する。ｎ側電極１７上に集光レンズ１８を形成する。
【選択図】図１

Description

この発明は、発光ダイオードおよびその製造方法に関し、例えば懐中電灯やプロジェクタなどのように集光レンズと組み合わせて使用する用途に適用して好適なものである。

発光ダイオードは、ｐ型半導体層とｎ型半導体層との間に発光層（活性層）を挟んだ構造を有する。従来の発光ダイオードでは、できる限り光取り出し効率を向上させるための調整がなされ、発光層から発生する光ができる限り四方八方に拡がるように調整されていた（例えば、特許文献１および非特許文献１参照。）。このような発光ダイオードの構造は、照明やバックライトなどの用途に適合する構造であった。

しかしながら、懐中電灯やプロジェクタなどといった、発光ダイオードを有限な大きさを持つ集光レンズ（砲弾型レンズなど）と組み合わせて使用する用途においては、発光層から発生する光が無駄に使われていた。図１７に従来の発光ダイオードにおける遠視野像（ＦＦＰ）（発光強度の放射角度依存性）を示す。また、図１８に従来の発光ダイオードにおいて発光層から発生する光が集光レンズに取り込まれて外部に取り出される割合、言い換えると光の利用効率（放射立体角内強度／全光束比の放射角度依存性）を示す。図１８から分かるように、従来の発光ダイオードでは、発光層から発生する光のうち７％程度の光しか集光レンズから取り出すことができなかった。

なお、曲面形成方法を用いてクラッド層にパラボラ形状の曲面を形成し、この曲面に光取り出しのための反射膜を形成した発光ダイオードが提案されている（例えば、特許文献２参照。）。この発光ダイオードでは、基板の一面側に、第１のクラッド層、活性層、第２のクラッド層およびコンタクト層を順に積層し、第２のクラッド層にパラボラ形状の曲面を形成し、この曲面に反射膜を形成する。そして、コンタクト層の表面にｐ側電極を形成し、基板の裏面に中央部に大きな開口を有するｎ側電極を形成する。この発光ダイオードでは、活性層から発生する光をパラボラ形状の曲面に形成された反射膜で反射して基板の裏面に形成したｎ側電極の開口から出射する。

特開２００３−１７９２５５号公報 特開２００６−３５１９６５号公報

Y.C.Shen et al.:"Optical cavity effects in InGaN/GaN quantum-well-heterostructure flip-ship light-emitting diodes.",APL.,VOL.82,No.14,p.2221,(2003.4)

本発明者の検討によれば、上述のように、従来の発光ダイオードを集光レンズと組み合わせる用途において発光層から発生する光のうちわずかしか集光レンズから外部に取り出すことができない理由は、発光層の大きさと集光レンズの大きさとが互いにほぼ同じであるためである。その様子を図１９に示す。図１９に示すように、この場合、発光層１０１の全体から光が発生し、集光レンズ１０２に入射するため、集光レンズ１０２の外部に取り出される光線の向きが揃わず、良好に集光することができない。この問題を解決し、発光層１０１から発生する光を集光レンズ１０２から外部に効率良く取り出すために、図２０に示すように、集光レンズ１０２に対して発光層１０１の大きさを十分に小さくすることが考えられる。このようにすれば、発光層１０１から発生する光は集光レンズ１０２の入射面の中心付近の点状の領域に入射するため、集光レンズ１０２により良好に集光することができる。

しかしながら、このように集光レンズ１０２に対して発光層１０１の大きさを十分に小さくすると、発光層１０１の面積が大きく減少してしまうため、集光レンズ１０２からの発光量が大幅に減少してしまう。

そこで、この発明が解決しようとする課題は、発光層の面積を減少させることなく、点状または線状の光源を得ることができ、発光方向を制御することができる発光ダイオードおよびその製造方法を提供することである。
この発明が解決しようとする他の課題は、発光ダイオードを集光レンズと組み合わせて使用する用途においても、集光レンズから外部に効率良く光を取り出すことができ、十分な発光量を得ることができる発光ダイオードおよびその製造方法を提供することである。

上記課題を解決するために、この発明は、
発光ダイオード構造を形成する半導体層と、
上記半導体層の光取り出し面に設けられた第１の電極と、
上記半導体層の上記光取り出し面と反対側の面に設けられた第２の電極とを有し、
上記第１の電極側に点状または線状の光取り出し用開口が設けられている発光ダイオードである。

この発光ダイオードにおいては、典型的な一つの例では、第１の電極は発光層から発生する光を反射する反射材料からなり、第１の電極に光取り出し用開口が設けられ、第２の電極が発光層から発生する光を反射する反射材料からなる。光取り出し用開口の形状は必要に応じて選ばれる。光取り出し用開口は、典型的には、発光層への投影像が発光層の中心に位置する。具体的には、光取り出し用開口は、発光層が円形の場合にはその中心に位置し、発光層が長方形の場合にはその一辺に平行な二等分線上に位置する。この光取り出し用開口の大きさは、点状光源または線状光源となるように、発光層の大きさ、あるいは発光ダイオードを集光レンズと組み合わせて使用する場合には集光レンズの大きさに対して十分に小さく選ばれ、必要に応じて選ばれる。発光面積に対する光取り出し用開口の開口率は好適には７５％以下であり、より好適には６０％以上７５％以下である。発光ダイオードは、必要に応じて、半導体層の光取り出し面上に波長変換層を有する。この場合、第１の電極は、典型的には、この波長変換層を囲むように設けられる。そして、典型的には、波長変換層を覆うように発光層から発生する光を反射する反射材料層が設けられ、この反射材料層に光取り出し用開口が設けられる。

半導体層は、発光層から発生する光を発光ダイオードを構成する半導体層から効率良く取り出すため、好適には、光取り出し面に対して例えば３０度以上９０度未満傾斜した端面を有する。典型的には、半導体層の端面は半導体層の外側に凸の曲面の部分を有する。また、好適には、半導体層の端面の外部に発光層から発生する光を反射する反射層を有する。半導体層は、必ずしも光取り出し面に対して傾斜した端面を有する必要はなく、半導体層の端面に発光層から発生する光を散乱する凹凸を設けることにより、半導体層の端面を光取り出し面に対して直角にすることができる。この発光ダイオードにおいては、用途に応じて、第１の電極側に集光レンズが設けられる。好適には、第２の電極側が支持基板に固定される。典型的には、半導体層はｐ型半導体層とｎ型半導体層との間に発光層が挟まれた構造を有し、ｐ型半導体層に第２の電極が設けられ、ｎ型半導体層に第１の電極が設けられる。

また、この発明は、
基板上に発光ダイオード構造を形成する半導体層を形成する工程と、
上記半導体層上に第２の電極を形成する工程と、
上記半導体層を所定形状にパターニングする工程と、
上記第２の電極に支持基板を張り合わせる工程と、
上記半導体層から上記基板を剥離する工程と、
上記基板を剥離した後、上記半導体層上に第１の電極を形成する工程とを有し、
上記第１の電極側に点状または線状の光取り出し用開口を設ける発光ダイオードの製造方法である。

典型的には、第１の電極は発光層から発生する光を反射する反射材料からなり、第１の電極に光取り出し用開口を設け、第２の電極が発光層から発生する光を反射する反射材料からなる。必要に応じて、半導体層の光取り出し面上に波長変換層を設け、第１の電極はこの波長変換層を囲むように設ける。また、好適には、この波長変換層を覆うように発光層から発生する光を反射する反射材料層を設け、この反射材料層に光取り出し用開口を設ける。
この発光ダイオードの製造方法においては、上記以外のことについては、特に支障がない限り、上記の発光ダイオードの発明に関連して説明したことが成立する。

この発明において、発光ダイオードの大きさは特に限定されず、必要に応じて選ばれるが、マイクロ発光ダイオードでは、一般的には最大寸法が５０μｍ以下、典型的には３０μｍ程度以下である。発光ダイオードの第１の半導体層、発光層および第２の半導体層を構成する半導体としては、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体やＩＩ−ＶＩ族化合物半導体などの種々の半導体を用いることができ、必要に応じて選ばれる。ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体またはＩＩ−ＶＩ族化合物半導体を用いた発光ダイオードの具体例を発光波長帯とともに挙げると下記のとおりである。

１．ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体
ヘテロ接合 発光波長
・ＡｌＮ／ＡｌＩｎＧａＮ 紫外
・ＩｎＧａＮ／ＧａＮ 青色、緑色
・ＧａＩｎＰ／ＡｌＧａＩｎＰ 赤色
・ＧａＩｎＰ／ＡｌＧａＰ 赤色
・ＡｌＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓ 赤色
・ＡｌＧａＡｓ／ＡｌＧａＰ 赤色
・ＧａＩｎＡｓＰ／ＧａＰ 赤外
・ＧａＩｎＮＰ／ＡｌＧａＰ 赤外
・ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ 赤外

２．ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体
・ＺｎＯ／ＺｎＭｇＯ 青色
・ＺｎＴｅ／ＺｎＭｇＴｅ 緑色
・ＺｎＣｄＳｅ／ＢｅＺｎＴｅ 黄緑色
・ＭｇＳｅ／ＢｅＺｎＴｅ 黄緑色
・ＭｇＳｅ／ＺｎＣｄＳｅ 黄緑色

ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の具体例を挙げると、下記のとおりである。
ＧａＮ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＧａＳｂ、ＡｌＮ、ＡｌＰ、ＡｌＡｓ、ＡｌＳｂ、ＩｎＮ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＧａＮＰ、ＧａＮＡｓ、ＧａＮＳｂ、ＧａＰＡｓ、ＧａＰＳｂ、ＡｌＮＰ、ＡｌＮＡｓ、ＡｌＮＳｂ、ＡｌＰＡｓ、ＡｌＰＳｂ、ＩｎＮＰ、ＩｎＮＡｓ、ＩｎＮＳｂ、ＩｎＰＡｓ、ＩｎＰＳｂ、ＧａＡｌＮＰ、ＧａＡｌＮＡｓ、ＧａＡｌＮＳｂ、ＧａＡｌＰＡｓ、ＧａＡｌＰＳｂ、ＧａＩｎＮＰ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＧａＩｎＮＳｂ、ＧａＩｎＰＡｓ、ＧａＩｎＰＳｂ、ＩｎＡｌＮＰ、ＩｎＡｌＮＡｓ、ＩｎＡｌＮＳｂ、ＩｎＡｌＰＡｓ、ＩｎＡｌＰＳｂ

ＩＩ−Ｖ族化合物半導体の具体例を挙げると、下記のとおりである。
ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＺｎＯ、ＨｇＳ、ＨｇＳｅ、ＨｇＴｅ、ＣｄＳｅＳ、ＣｄＳｅＴｅ、ＣｄＳＴｅ、ＺｎＳｅＳ、ＺｎＳｅＴｅ、ＺｎＳＴｅ、ＨｇＳｅＳ、ＨｇＳｅＴｅ、ＨｇＳＴｅ、ＣｄＺｎＳ、ＣｄＺｎＳｅ、ＣｄＺｎＴｅ、ＣｄＨｇＳ、ＣｄＨｇＳｅ、ＣｄＨｇＴｅ、ＨｇＺｎＳ、ＨｇＺｎＳｅ、ＨｇＺｎＴｅ、ＣｄＺｎＳｅＳ、ＣｄＺｎＳｅＴｅ、ＣｄＺｎＳＴｅ、ＣｄＨｇＳｅＳ、ＣｄＨｇＳｅＴｅ、ＣｄＨｇＳＴｅ、ＨｇＺｎＳｅＳ、ＨｇＺｎＳｅＴｅ、ＨｇＺｎＳＴｅ

上述のように構成されたこの発明においては、第１の電極側に点状または線状の光取り出し用開口を設けることにより、この光取り出し用開口を点光源または線状光源として用いることができる。この場合、発光層の面積を減少させる必要がない。

この発明によれば、発光層の面積を減少させることなく、点状または線状の光源を得ることができ、発光方向を制御することができる発光ダイオードを得ることができる。また、発光ダイオードを集光レンズと組み合わせて使用する用途においても、集光レンズから外部に効率良く光を取り出すことができ、十分な発光量を得ることができる。

この発明の第１の実施の形態による発光ダイオードを示す断面図である。 この発明の第１の実施の形態による発光ダイオードを示す平面図である。 この発明の第１の実施の形態による発光ダイオードの製造方法を説明するための断面図である。 この発明の第１の実施の形態による発光ダイオードの製造方法を説明するための断面図である。 この発明の第１の実施の形態による発光ダイオードの製造方法を説明するための断面図である。 この発明の第１の実施の形態による発光ダイオードの発光強度の放射角度依存性を示す略線図である。 この発明の第１の実施の形態による発光ダイオードの放射立体角内強度／全光束比の放射角度依存性を示す略線図である。 この発明の第１の実施の形態による発光ダイオードの集光レンズからの光取り出しの効率のｎ側電極の開口率依存性を示す略線図である。 この発明の第２の実施の形態による発光ダイオードを示す断面図である。 この発明の第２の実施の形態による発光ダイオードの製造方法を説明するための断面図である。 この発明の第２の実施の形態による発光ダイオードの製造方法を説明するための断面図である。 この発明の第２の実施の形態による発光ダイオードの製造方法を説明するための断面図である。 この発明の第２の実施の形態による発光ダイオードの製造方法を説明するための断面図である。 この発明の第３の実施の形態による発光ダイオードを示す断面図である。 この発明の第４の実施の形態による発光ダイオードを示す断面図である。 この発明の第４の実施の形態による発光ダイオードを示す斜視図である。 従来の発光ダイオードの発光強度の放射角度依存性を示す略線図である。 従来の発光ダイオードの発光強度の放射立体角内強度／全光束比の放射角度依存性を示す略線図である。 本発明者が検討した発光ダイオードの問題点を説明するための略線図である。 本発明者が検討した発光ダイオードの問題点を説明するための略線図である。

以下、発明を実施するための形態（以下「実施の形態」とする）について説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
１．第１の実施の形態（発光ダイオードおよびその製造方法）
２．第２の実施の形態（発光ダイオードおよびその製造方法）
３．第３の実施の形態（発光ダイオードおよびその製造方法）
４．第４の実施の形態（発光ダイオードおよびその製造方法）

〈１．第１の実施の形態〉
［発光ダイオードおよびその製造方法］
図１は第１の実施の形態による発光ダイオードを示す断面図、図２はこの発光ダイオードを光取り出し側から見た平面図である。図１は図２のＸ−Ｘ線に沿っての断面図である。

図１および図２に示すように、この発光ダイオードにおいては、ｐ型半導体層１１、その上の発光層（活性層）１２およびその上のｎ型半導体層１３により発光ダイオード構造が形成されている。これらのｐ型半導体層１１、発光層１２およびｎ型半導体層１３は全体として円形の平面形状を有し、その端面（側面）１４は外側に凸の曲面からなり、ｎ型半導体層１３の上面およびｐ型半導体層１１の下面に対して傾斜している。これらのｐ型半導体層１１、発光層１２およびｎ型半導体層１３の直径方向の断面形状は、ｎ型半導体層１３からｐ型半導体層１１に向かって面積が徐々に減少する逆台形状となっている。ｐ型半導体層１１の発光層１２と反対側の面には発光層１２から発光される光を反射する反射電極を兼用する円形のｐ側電極１５が形成されている。このｐ側電極１５は、好適には、ｐ型半導体層１１の発光層１２と反対側の面の全体に設けられる。

端面１４およびｐ側電極１５の周囲を覆うように、かつ端面１４およびｐ側電極１５と電気的に絶縁されて反射層１６が形成されている。この反射層１６は発光層１２から発光される光を反射するように構成される。具体的には、反射層１６としては、例えば、誘電体多層膜や、端面１４に絶縁膜を介して形成された反射材料層などにより形成されるが、これに限定されるものではない。

ｎ型半導体層１３および反射層１６の上面に、発光層１２から発光される光を反射する反射電極を兼用する円形のｎ側電極１７が形成されている。このｎ側電極１７のうちのｎ型半導体層１３の中央部に対応する部分には微小な円形の開口からなるピンホール１７ａが設けられている。そして、このｎ側電極１７上に集光レンズ１８が設けられている。ピンホール１７ａの直径は、このピンホール１７ａが点光源となるように、集光レンズ１８の直径に対して十分に小さく選ばれる。

ｐ側電極１５は導電性張り合わせ材料１９により支持基板２０に固定されている。支持基板２０と反射層１６との間には支持材料２１が充填されており、ｐ型半導体層１１、発光層１２、ｎ型半導体層１３、ｐ側電極１５、ｎ側電極１７および反射層１６が支持基板２０に強固に固定されている。

ｐ型半導体層１１、発光層１２およびｎ型半導体層１３の具体例を挙げると次の通りである。赤色発光のＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオードでは、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ層、例えばＡｌＧａＩｎＰ層を障壁層、ＧａＩｎＰ層を井戸層とするＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＩｎＰ多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有する発光層およびｎ型ＡｌＧａＩｎＰ層である。緑色発光のＧａＮ系発光ダイオードでは、ｐ型ＧａＮ層、例えばＩｎＧａＮ井戸層（Ｉｎ組成は例えば０．２５）とＧａＮ障壁層とからなるＭＱＷ構造を有する発光層およびｎ型ＧａＮ層である。青色発光のＧａＮ系発光ダイオードでは、ｐ型ＧａＮ層、例えばＩｎＧａＮ井戸層（Ｉｎ組成は例えば０．１７）とＧａＮ障壁層とからなるＭＱＷ構造を有する発光層およびｎ型ＧａＮ層である。

次に、この発光ダイオードの製造方法について説明する。
図３Ａに示すように、まず、基板２２上に、ｎ型半導体層１３、発光層１２およびｐ型半導体層１１を順次成長させる。基板２２は、発光ダイオードに用いる半導体材料に応じて適宜選ばれるが、具体例を挙げると、ＧａＡｓ基板やサファイア基板などである。成長方法は必要に応じて選ばれるが、例えば、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法や分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法などである。

次に、図３Ｂに示すように、ｐ型半導体層１１上に反射電極を兼用するｐ側電極１１を形成する。このｐ側電極１１の材料としては、例えば、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、金（Ａｕ）やそれらの合金などが用いられ、必要に応じて選ばれる。このｐ側電極１１は、例えば、ｐ型半導体層１１の全面に電極材料からなる膜を形成し、この膜上にフォトリソグラフィーにより所定形状のレジストパターンを形成した後、このレジストパターンをマスクとしてこの膜をエッチングによりパターニングすることにより形成することができる。

次に、図３Ｃに示すように、ｐ側電極１１をマスクとして、ｎ型半導体層１３、発光層１２およびｐ型半導体層１１をドライエッチング、例えば反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によりテーパーエッチングを行い、基板２２の主面に対して傾斜した端面１４を形成する。この端面１４の形状は、エッチング条件を制御することにより容易に制御することができる。

次に、図４Ａに示すように、端面１４およびｐ側電極１５を覆うように反射層１６を形成した後、この反射層１６のうちのｐ側電極１５の周辺部以外の部分をエッチング除去する。この反射層１６としては、例えば、酸化アルミニウム（Ａｌ₂ Ｏ₃ ）、二酸化シリコン（ＳｉＯ₂ ）、窒化シリコン（ＳｉＮ_x ）、アモルファスＳｉ、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化チタン（ＴｉＯ_x ）などからなる誘電体多層膜を用いる。あるいは、この反射層１６としては、これらの絶縁膜を介してＡｇ、Ａｌ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ａｕなどからなる膜を形成することにより形成してもよい。

次に、図４Ｂに示すように、反射層１６上に支持材料２１を形成した後、ｐ側電極１５およびこの支持材料２１に導電性張り合わせ材料１９を用いて支持基板２０を張り合わせる。支持材料２１としては、好適には、反射率の高い材料、例えば白樹脂などを用いられるが、これに限定されるものではない。支持基板２０としては、例えば導電性基板を用いることができ、発光ダイオードに対して支持基板２０の裏面から導通を取ることができるようになっている。

次に、図４Ｃに示すように、ｎ型半導体層１３から基板２２を剥離する。剥離法としては、エッチング、研磨、レーザ剥離などを用いることができ、必要に応じて選ばれる。

次に、図５Ａに示すように、ｎ型半導体層１３の露出した面にピンホール１７ａを有するｎ側電極１７を形成する。このｎ側電極１７の材料としては、例えば、Ａｇ、Ａｌ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ａｕ、チタン（Ｔｉ）、チタンタングステン（ＴｉＷ）、金ゲルマニウム（ＡｕＧｅ）、インジウム−スズ酸化物（ＩＴＯ）などが用いられ、必要に応じて選ばれるが、反射率の高いＡｇ、Ａｌ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ａｕを用いることが好ましい。このｎ側電極１７は、例えば、ｎ型半導体層１３の全面に電極材料からなる膜を形成し、この膜上にフォトリソグラフィーにより所定形状のレジストパターンを形成した後、このレジストパターンをマスクとしてこの膜をエッチングによりパターニングすることにより形成することができる。

次に、図５Ｂに示すように、ｎ側電極１７上に集光レンズ１８を形成する。この集光レンズ１８は、例えば、レンズ材料となる透明樹脂材料、例えばシリコーン、エポキシ、スピンオングラス（ＳＯＧ）などをポッティングし、これを固化させることにより形成してもよい。あるいは、この集光レンズ１８としては、あらかじめ形成されたものをｎ側電極１７に固定してもよい。必要に応じて、乱反射防止のために集光レンズ１８の形成前に反射防止膜を形成するようにしてもよい。
以上により、図１および図２に示す目的とする発光ダイオードが製造される。

次に、この発光ダイオードの動作原理について説明する。図１に示すように、ｐ側電極１５とｎ側電極１７との間に動作電圧以上の電圧を印加して順方向電流を流すことにより発光ダイオードを駆動する。このとき、発光層１２から発生する光は、ｐ側電極１５、端面１４およびｎ側電極１７で反射されてピンホール１７ａから取り出され、あるいは、直接ピンホール１７ａを通ってこのピンホール１７ａから取り出される。この結果、発光層１２が面光源であるにもかかわらず、発光層１２から発生する光は全てピンホール１７ａから取り出されるため、このピンホール１７ａは点光源と同様になる。そして、こうしてピンホール１７ａから取り出された光は集光レンズ１８に入射し、この集光レンズ１８により集光されて発光ダイオードの外部に取り出される。この場合、ピンホール１７ａが点光源となることから、集光レンズ１８の入射面の中心の微小な円形領域に光が入射する結果、この円形領域を集光点として集光レンズ１８による集光を良好に行うことができ、集光レンズ１８から取り出される光束の方向を揃えることができる。

図６にこの発光ダイオードの発光強度（規格化強度）の放射角度依存性の一例を示す。図６には、比較のために、従来の発光ダイオードの発光強度（規格化強度）の放射角度依存性およびいわゆる余弦則（ｃｏｓ側）を併せて示す。また、図７にこの発光ダイオードの放射立体角内強度／全光束比の放射角度依存性の一例を示す。図７には、比較のために、従来の発光ダイオードの放射立体角内強度／全光束比の放射角度依存性およびｃｏｓ則を併せて示す。

図６に示すように、この第１の実施の形態による発光ダイオードでは、従来の発光ダイオードに比べて、極めて放射角度が狭い範囲に限定され、ＦＦＰを先鋭化することができることが分かる。また、図７に示すように、例えば、２０度の放射角度範囲内に、発光層１２から発生する光量の約５０％の光を集光することができることが分かる。

図８は、発光層１２の面積に対するピンホール１７ａの面積の比を開口率と定義したときの集光レンズ１８からの光取り出しの効率（前方効率）の開口率依存性を示す。図８より、開口率が４５％から６５％の範囲では開口率が大きくなるにつれて効率は徐々に増加し、６５％でピークを取った後、開口率が大きくなると徐々に減少するが、７５％でも比較的高い値を維持している。この結果から、開口率は７５％以下が好ましく、６０％以上７５％以下では効率は約８％以上であり最も好ましいことが分かる。

以上のように、この第１の実施の形態によれば、ｎ側電極１７にピンホール１７ａを設けていることにより、発光層１２が面光源であるにもかかわらず、このピンホール１７ａを点光源とすることができる。この場合、発光層１２の面積を減少させる必要がないため、発光出力の低下を防止することができる。そして、このピンホール１７ａを点光源として集光レンズ１８の入射面の集光点に光を入射させることができるので、集光レンズ１８により発光方向の制御を良好に行うことができ、集光を良好に行うことができる。例えば、図７に示すように、例えば、２０度の放射角度範囲内に、発光層１２から発生する光量の約５０％の光を集光することができる。そして、この発光ダイオードでは、光の利用効率が高いため、同じ明るさを得るために必要な電力の低減を図ることができる。また、発光ダイオードの小型化を図ることができる。

この第１の実施の形態による利点は、特許文献２に記載された発光ダイオードでは得られないものである。すなわち、この発光ダイオードでは、発光層を限定せず、面発光状態のまま、パラボラ形状の曲面に形成された反射膜により光を反射させるため、発光方向を制御することはできない。また、発光層を限定しないため、パラボラ形状の反射膜やレンズを形成しても、例えば、前方効率では数％程度の上昇しか見込めない。

〈２．第２の実施の形態〉
［発光ダイオードおよびその製造方法］
図９は第２の実施の形態による発光ダイオードを示す断面図である。この発光ダイオードを光取り出し側から見た平面図は図２と同様である。

図９および図２に示すように、この発光ダイオードにおいては、ｐ型半導体層１３、その上の発光層３２およびその上のｎ型半導体層３３により発光ダイオード構造が形成されている。これらのｐ型半導体層３１、発光層３２およびｎ型半導体層３３は全体として円形の平面形状を有し、その端面３４は外側に凸の曲面からなり、ｎ型半導体層３３の上面およびｐ型半導体層３１の下面に対して傾斜している。これらのｐ型半導体層３１、発光層３２およびｎ型半導体層３３の直径方向の断面形状は、ｎ型半導体層３３からｐ型半導体層３１に向かって面積が徐々に減少する逆台形状となっている。ｐ型半導体層３１の発光層３２と反対側の面には発光層３２から発光される光を反射する反射電極を兼用する円形のｐ側電極３５が形成されている。このｐ側電極３５は、好適には、ｐ型半導体層３１の発光層３２と反対側の面の全体に設けられる。

端面３４およびｐ側電極３５の周囲を覆うように、かつ端面３４およびｐ側電極３５と電気的に絶縁されて反射層３６が形成されている。この反射層３６は発光層３２から発光される光を反射するように構成される。具体的には、反射層３６としては、例えば、誘電体多層膜や、端面３４に絶縁膜を介して形成された反射材料層などにより形成されるが、これに限定されるものではない。

ｎ型半導体層３３の上面に発光層３２から発光される光を反射する反射電極を兼用する円形のｎ側電極３７が形成されている。このｎ側電極３７はｎ型半導体層３３の上面の外周部を覆うリング状の形状を有する。このリング状のｎ側電極３７の内部におけるｎ型半導体層３３上には波長変換層３８が設けられている。この波長変換層３８は、発光層３２から発光する光の波長を所望の波長の光に変換するものであり、所望の波長に応じて適宜選ばれる。この波長変換層３８およびｎ側電極３７の上に、発光層３２から発光される光を反射する反射材料からなる反射材料層３９が設けられている。この反射材料層３９のうちのｎ型半導体層３３の中央部に対応する部分に微小な円形の開口からなるピンホール３９ａが設けられている。そして、この反射材料層３９およびｎ側電極３７上に集光レンズ４０が設けられている。

ｐ側電極３５は導電性張り合わせ材料４１により支持基板４２に固定されている。支持基板４２と反射層３６との間には支持材料４３が充填されており、ｐ型半導体層３１、発光層３２、ｎ型半導体層３３、ｐ側電極３５、ｎ側電極３７および反射層３６が支持基板４２に強固に固定されている。

次に、この発光ダイオードの製造方法について説明する。
図１０Ａに示すように、まず、基板４３上に、ｎ型半導体層３３、発光層３２およびｐ型半導体層３１を順次成長させる。基板４３としては基板２２と同様なものを用いることができ、必要に応じて適宜選ばれる。成長方法は必要に応じて選ばれるが、例えば、ＭＯＣＶＤ法やＭＢＥ法などである。

次に、図１０Ｂに示すように、ｐ型半導体層３１上に反射電極を兼用するｐ側電極３５を形成する。このｐ側電極３５の材料としては、ｐ側電極１５と同様な材料を用いることができ、必要に応じて選ばれる。このｐ側電極３５は、例えば、ｐ型半導体層３１の全面に電極材料からなる膜を形成し、この膜上にフォトリソグラフィーにより所定形状のレジストパターンを形成した後、このレジストパターンをマスクとしてこの膜をエッチングによりパターニングすることにより形成することができる。

次に、図１０Ｃに示すように、ｐ側電極３５をマスクとして、ｎ型半導体層３３、発光層３２およびｐ型半導体層３１をドライエッチング、例えばＲＩＥによりテーパーエッチングを行い、基板４３の主面に対して傾斜した端面３４を形成する。この端面３４の形状は、エッチング条件を制御することにより容易に制御することができる。

次に、図１１Ａに示すように、端面３４およびｐ側電極３５を覆うように反射層３６を形成した後、この反射層３６のうちのｐ側電極３１の周辺部以外の部分をエッチング除去する。反射層３６としては反射層１６と同様なものを用いることができ、必要に応じて選ばれる。

次に、図１１Ｂに示すように、反射層３６上に支持材料４２を形成した後、ｐ側電極３５およびこの支持材料４３に導電性張り合わせ材料４１を用いて支持基板４２を張り合わせる。支持材料４３、導電性張り合わせ材料４１および支持基板４２としては、それぞれ支持材料２１、導電性張り合わせ材料１９および支持基板２０と同様なものを用いることができる。

次に、図１１Ｃに示すように、ｎ型半導体層３３から基板４４を剥離する。剥離法としては、第１の実施の形態と同様な方法を用いることができる。

次に、図１２Ａに示すように、ｎ型半導体層３３の露出した面にリング状のｎ側電極３７を形成する。このｎ側電極３７の材料としては、ｎ側電極１７と同様なものを用いることができ、必要に応じて選ばれる。このｎ側電極３７は、例えば、ｎ型半導体層３３の全面に電極材料からなる膜を形成し、この膜上にフォトリソグラフィーにより所定形状のレジストパターンを形成した後、このレジストパターンをマスクとしてこの膜をエッチングによりパターニングすることにより形成することができる。

次に、図１２Ｂに示すように、リング状のｎ側電極３７の内部のｎ型半導体層３３上に波長変換層３８を形成する。

次に、図１２Ｃに示すように、波長変換層３８およびｎ側電極３７上にピンホール３９ａを有する反射材料層３９を形成する。この反射材料層３９としては、例えば、Ａｇ、Ａｌ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ａｕなどを用いることができる。この反射材料層３９は、例えば、波長変換層３８およびｎ側電極３７の全面に反射材料からなる膜を形成し、この膜上にフォトリソグラフィーにより所定形状のレジストパターンを形成した後、このレジストパターンをマスクとしてこの膜をエッチングによりパターニングすることにより形成することができる。

次に、図１３に示すように、反射材料層３９、ｎ側電極３７および反射層３６上に集光レンズ４０を形成する。この集光レンズ４０は、集光レンズ１８と同様なものを用いることができ、必要に応じて選ばれる。
以上により、図９に示す目的とする発光ダイオードが製造される。

次に、この発光ダイオードの動作原理について説明する。図９に示すように、ｐ側電極３５とｎ側電極３７との間に動作電圧以上の電圧を印加して順方向電流を流すことにより発光ダイオードを駆動する。このとき、発光層３２から発生する光は、ｐ側電極３５、端面３４およびｎ側電極３７で反射された後、あるいは直接、波長変換層３８に入射して波長変換が行われる。こうして波長変換された光はピンホール３９ａから取り出される。この結果、発光層３２が面光源であるにもかかわらず、発光層３２から発生する光は全てピンホール３９ａから取り出され、このピンホール３９ａは点光源と同様になる。ピンホール３９ａから取り出された光は集光レンズ４０に入射し、この集光レンズ４０により集光されて発光ダイオードの外部に取り出される。

この第２の実施の形態によれば、波長変換機能を有する発光ダイオードにおいて第１の実施の形態と同様な利点を得ることができる。加えて、この第２の実施の形態によれば、波長変換層３８を有することにより、次のような利点を得ることもできる。すなわち、発光層３２から発生する光をｐ型半導体層３１、発光層３２およびｎ型半導体層３３の内部で波長変換することができるため、ｐ型半導体層３１、発光層３２およびｎ型半導体層３３の内部における光の損失の低減を図ることができる。これによって、発光ダイオードの発光出力の低下を防止することができる。

〈３．第３の実施の形態〉
［発光ダイオードおよびその製造方法］
図１６は第３の実施の形態による発光ダイオードを示す断面図である。この発光ダイオードを光取り出し側から見た平面図は図１Ｂと同様である。

図１４に示すように、この発光ダイオードにおいては、ｐ型半導体層５１、その上の発光層５２およびその上のｎ型半導体層５３により発光ダイオード構造が形成されている。これらのｐ型半導体層５１、発光層５２およびｎ型半導体層５３は全体として円形の平面形状を有し、その端面５４は、ｎ型半導体層５３の上面およびｐ型半導体層５１の下面に対して直角となっている。すなわち、ｐ型半導体層５１、発光層５２およびｎ型半導体層５３は全体として円柱形状を有する。従って、これらのｐ型半導体層５１、発光層５２およびｎ型半導体層５３の直径方向の断面形状は長方形となっている。この場合、端面５４には、発光層５２から発光される光を乱反射して効率的に外部に取り出すことができるようするための凹凸５４ａが形成されている。この凹凸５４ａの大きさおよび間隔は例えば０．１〜１μｍ程度である。ｐ型半導体層５１の発光層５２と反対側の面には発光層５２から発光される光を反射する反射電極を兼用する円形のｐ側電極５５が形成されている。このｐ側電極５５は、好適には、ｐ型半導体層５１の発光層５２と反対側の面の全体に設けられる。

端面５４およびｐ側電極３５の周囲を覆うように、かつ端面５４およびｐ側電極５５と電気的に絶縁されて反射層５６が形成されている。この反射層５６は発光層５２から発光される光を反射するように構成される。具体的には、反射層５６としては、例えば、誘電体多層膜や、端面５４に絶縁膜を介して形成された反射材料層などにより形成されるが、これに限定されるものではない。

ｎ型半導体層５３の上面に発光層５２から発光される光を反射する反射電極を兼用する円形のｎ側電極５７が形成されている。このｎ側電極５７のうちのｎ型半導体層５３の中央部に対応する部分に微小な円形の開口からなるピンホール５７ａが設けられている。そして、このｎ側電極５７上に集光レンズ５８が設けられている。

ｐ側電極５５は導電性張り合わせ材料５９により支持基板６０に固定されている。支持基板６０と反射層５６との間には支持材料６１が充填されており、ｐ型半導体層５１、発光層５２、ｎ型半導体層５３、ｐ側電極５５、ｎ側電極５７および反射層５６が支持基板６０に強固に固定されている。

次に、この発光ダイオードの製造方法について説明する。
まず、第１の実施の形態と同様にして、所定の基板上にｎ型半導体層５３、発光層５２およびｐ型半導体層５１を順次成長させ、ｐ型半導体層５１上に反射電極を兼用するｐ側電極５５を形成する。

次に、ｐ側電極５５をマスクとして、ｎ型半導体層５３、発光層５２およびｐ型半導体層５１をドライエッチング、例えばＲＩＥによりテーパーエッチングを行い、基板の主面に対して直角の端面５４を形成する。この後、端面５４が荒れる条件でドライエッチングなどを行うことにより端面５４に凹凸５４ａを形成する。

この後、第１の実施の形態と同様に工程を進め、図１４に示す目的とする発光ダイオードを製造する。

次に、この発光ダイオードの動作原理について説明する。図１４に示すように、ｐ側電極５５とｎ側電極５７との間に動作電圧以上の電圧を印加して順方向電流を流すことにより発光ダイオードを駆動する。このとき、発光層５２から発生する光は、ｐ側電極５５およびｎ側電極５７で反射され、凹凸５４ａが形成された端面５４では乱反射されてピンホール５７ａから取り出され、あるいは、直接ピンホール５７ａを通ってこのピンホール５７ａから取り出される。この結果、発光層５２が面光源であるにもかかわらず、発光層５２から発生する光は全てピンホール５７ａから取り出され、このピンホール５７ａは点光源と同様になる。そして、こうしてピンホール５７ａから取り出された光は集光レンズ５８に入射し、この集光レンズ５８により集光されて発光ダイオードの外部に取り出される。

この第３の実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様な利点を得ることができる。

〈４．第４の実施の形態〉
［発光ダイオードおよびその製造方法］
図１５は第４の実施の形態による発光ダイオードを示す断面図、図１６はこの発光ダイオードのｎ側電極および集光レンズの部分だけを模式的に示す斜視図である。図１５は図１６のＹ−Ｙ線に沿っての断面図である。

図１５および図１６に示すように、この発光ダイオードにおいては、ｐ型半導体層７１、その上の発光層７２およびその上のｎ型半導体層７３により発光ダイオード構造が形成されている。これらのｐ型半導体層７１、発光層７２およびｎ型半導体層７３は全体として長方形（正方形を含む）の平面形状を有し、その端面７４は外側に凸の曲面からなり、ｎ型半導体層７３の上面およびｐ型半導体層７１の下面に対して傾斜している。これらのｐ型半導体層７１、発光層７２およびｎ型半導体層７３の、図１６のＹ−Ｙ線に平行な方向およびこの方向に直角の方向の断面形状は、ｎ型半導体層７３からｐ型半導体層７１に向かって面積が徐々に減少する逆台形状となっている。ｐ型半導体層７１の発光層７２と反対側の面には発光層７２から発光される光を反射する反射電極を兼用する円形のｐ側電極７５が形成されている。このｐ側電極７５は、好適には、ｐ型半導体層７１の発光層７２と反対側の面の全体に設けられる。

端面７４およびｐ側電極７５の周囲を覆うように、かつ端面７４およびｐ側電極７５と電気的に絶縁されて反射層７６が形成されている。この反射層７６は発光層７２から発光される光を反射するように構成される。具体的には、反射層７６としては、例えば、誘電体多層膜や、端面７４に絶縁膜を介して形成された反射材料層などにより形成されるが、これに限定されるものではない。

ｎ型半導体層７３の上面に、発光層７２から発光される光を反射する反射電極を兼用する円形のｎ側電極７７が形成されている。このｎ側電極７７のうちのｎ型半導体層７３を二等分する直線に沿って微小幅の細長い開口からなるスリット７７ａが設けられている。そして、このｎ側電極７７上にシリンドリカルレンズからなる集光レンズ７８が設けられている。

ｐ側電極７５は導電性張り合わせ材料７９により支持基板８０に固定されている。支持基板８０と反射層７６との間には支持材料８１が充填されており、ｐ型半導体層７１、発光層７２、ｎ型半導体層７３、ｐ側電極７５、ｎ側電極７７および反射層７６が支持基板８０に強固に固定されている。

次に、この発光ダイオードの製造方法について説明する。
まず、第１の実施の形態と同様にして、所定の基板上にｎ型半導体層７３、発光層７２およびｐ型半導体層７１を順次成長させ、ｐ型半導体層７１上に反射電極を兼用するｐ側電極７５を形成する。

次に、ｐ側電極７５をマスクとして、ｎ型半導体層７３、発光層７２およびｐ型半導体層７１をドライエッチング、例えばＲＩＥによりテーパーエッチングを行い、基板の主面に対して傾斜した端面７４を形成する。

この後、第１の実施の形態と同様に工程を進め、図１５および図１６に示す目的とする発光ダイオードを製造する。

次に、この発光ダイオードの動作原理について説明する。図１５および図１６に示すように、ｐ側電極７５とｎ側電極７７との間に動作電圧以上の電圧を印加して順方向電流を流すことにより発光ダイオードを駆動する。このとき、発光層７２から発生する光は、ｐ側電極７５、端面７４およびｎ側電極７７で反射されてスリット７７ａから取り出され、あるいは、直接スリット７７ａを通ってこのスリット７７ａから取り出される。この結果、発光層７２が面光源であるにもかかわらず、発光層７２から発生する光は全てスリット７７ａから取り出され、このスリット７７ａは線光源と同様になる。そして、こうしてスリット７７ａから取り出された光は集光レンズ７８に入射し、この集光レンズ７８により集光されて発光ダイオードの外部にラインビームとして取り出される。

この第４の実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様な利点を得ることができる。

以上、この発明の実施の形態および実施例について具体的に説明したが、この発明は、上述の実施の形態および実施例に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
例えば、上述の実施の形態および実施例において挙げた数値、構造、構成、形状、材料などはあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれらと異なる数値、構造、構成、形状、材料などを用いてもよい。

１１、３１、５１、７１…ｐ型半導体層、１２、３２、５２、７２…発光層、１３、３２、５２、７２…ｎ型半導体層、１４、３４、５４、７４…端面、１５、３５、５５、７５…ｐ側電極、１６、３６、５６、７６…反射層、１７、３７、５７、７７…ｎ側電極、１７ａ、３９ａ、５７ａ…ピンホール、１８、４０、５８、７８…集光レンズ、２０、４２、６０、８０…支持基板、２２、４４…基板、３９…反射材料層、７７ａ…スリット

Claims (17)

1. 発光ダイオード構造を形成する半導体層と、
   上記半導体層の光取り出し面に設けられた第１の電極と、
   上記半導体層の上記光取り出し面と反対側の面に設けられた第２の電極とを有し、
   上記第１の電極側に点状または線状の光取り出し用開口が設けられている発光ダイオード。
2. 上記第１の電極は上記発光層から発生する光を反射する反射材料からなり、上記第１の電極に上記光取り出し用開口が設けられ、上記第２の電極が上記発光層から発生する光を反射する反射材料からなる請求項１記載の発光ダイオード。
3. 上記光取り出し用開口は上記発光層への投影像が上記発光層の中心に位置する請求項２記載の発光ダイオード。
4. 発光面積に対する上記光取り出し用開口の開口率が７５％以下である請求項３記載の発光ダイオード。
5. 上記半導体層の上記光取り出し面上に波長変換層を有し、上記第１の電極はこの波長変換層を囲むように設けられている請求項１記載の発光ダイオード。
6. 上記波長変換層を覆うように上記発光層から発生する光を反射する反射材料層が設けられ、この反射材料層に上記光取り出し用開口が設けられている請求項５記載の発光ダイオード。
7. 上記半導体層は上記光取り出し面に対して傾斜した端面を有する請求項１記載の発光素子。
8. 上記半導体層の上記端面は上記半導体層の外側に凸の曲面の部分を有する請求項７記載の発光ダイオード。
9. 上記半導体層の上記端面の外部に上記発光層から発生する光を反射する反射層を有する請求項７記載の発光素子。
10. 上記半導体層の端面に上記発光層から発生する光を散乱する凹凸が設けられている請求項１記載の発光素子。
11. 上記第１の電極側に集光レンズが設けられている請求項１記載の発光素子。
12. 上記第２の電極側が支持基板に固定されている請求項１記載の発光素子。
13. 上記半導体層はｐ型半導体層とｎ型半導体層との間に発光層が挟まれた構造を有し、上記ｐ型半導体層に上記第２の電極が設けられ、上記ｎ型半導体層に上記第１の電極が設けられている請求項１記載の発光素子。
14. 基板上に発光ダイオード構造を形成する半導体層を形成する工程と、
    上記半導体層上に第２の電極を形成する工程と、
    上記半導体層を所定形状にパターニングする工程と、
    上記第２の電極に支持基板を張り合わせる工程と、
    上記半導体層から上記基板を剥離する工程と、
    上記基板を剥離した後、上記半導体層上に第１の電極を形成する工程とを有し、
    上記第１の電極側に点状または線状の光取り出し用開口を設ける発光ダイオードの製造方法。
15. 上記第１の電極は上記発光層から発生する光を反射する反射材料からなり、上記第１の電極に上記光取り出し用開口を設け、上記第２の電極が上記発光層から発生する光を反射する反射材料からなる請求項１４記載の発光ダイオードの製造方法。
16. 上記基板を剥離した後、上記半導体層上に波長変換層を設け、上記第１の電極はこの波長変換層を囲むように設ける請求項１４記載の発光ダイオードの製造方法。
17. 上記波長変換層を覆うように上記発光層から発生する光を反射する反射材料層を設け、この反射材料層に上記光取り出し用開口を設ける請求項１６記載の発光ダイオードの製造方法。

Images