JP2015109406A - Ｌｅｄ素子 - Google Patents

Abstract

【課題】回折作用を利用して光の取り出し効率を向上させつつ、回折に起因する配光特性を利用して適切な配光を実現する。【解決手段】表面に周期的な凹部又は凸部が形成されるサファイア基板と、サファイア基板の表面上に形成され発光層を含みIII族窒化物半導体からなる半導体積層部と、発光層から発せられる光の少なくとも一部を、サファイア基板の表面側に反射する反射部と、を備え、サファイア基板と半導体積層部の界面にて発光層から発せられる光の回折作用を得るＬＥＤ素子において、凹部又は凸部の周期をＰ、発光層から発せられる光のピーク波長をλとしたとき、１／２?λ≰Ｐ≰１６／９?λの関係を満たすようにした。【選択図】図１

Description

本発明は、ＬＥＤ素子に関する。

サファイア基板の表面上に形成され発光層を含むIII族窒化物半導体と、サファイア基板の表面側に形成され発光層から発せられる光が入射し当該光の光学波長より大きく当該光のコヒーレント長より小さい周期で凹部又は凸部が形成された回折面と、基板の裏面側に形成され回折面にて回折した光を反射して回折面へ再入射させるＡｌ反射膜と、を備えるＬＥＤ素子が知られている（特許文献１参照）。このＬＥＤ素子では、回折作用により透過した光を回折面に再入射させて、回折面にて再び回折作用を利用して透過させることにより、複数のモードで光を素子外部へ取り出すことができる。

国際公開第２０１１／０２７６７９号

ところで、回折作用を利用して光を取り出すと、どのような配光特性となるのかは知られていない。

本発明は、前記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、回折作用を利用して光の取り出し効率を向上させつつ、回折に起因する配光特性を利用して適切な配光を実現することのできるＬＥＤ素子を提供することにある。

前記目的を達成するため、本発明では、表面に周期的な凹部又は凸部が形成される基板と、前記基板の表面上に形成され発光層を含む半導体積層部と、前記発光層から発せられる光の少なくとも一部を、前記基板の表面側に反射する反射部と、を備え、前記基板と前記半導体積層部の界面にて前記発光層から発せられる光の回折作用を得るＬＥＤ素子において、前記凹部又は凸部の周期をＰ、前記発光層から発せられる光のピーク波長をλとしたとき、
１／２×λ≦Ｐ≦１６／９×λ
の関係を満たすようにしたＬＥＤ素子が提供される。

上記ＬＥＤ素子において、前記凹部又は凸部の周期をＰ、前記発光層から発せられる光のピーク波長をλとしたとき、
２３／４５×λ≦Ｐ≦１４／９×λ
の関係を満たすようにすることが好ましい。

上記ＬＥＤ素子において、前記界面における前記光の透過回折光が、少なくとも２次の回折光を含み、５次の回折光を含まないように前記凹部または凸部の周期を設定することが好ましい。

上記ＬＥＤ素子において、前記界面における前記光の反射回折光が、少なくとも３次の回折光を含むように前記凹部または凸部の周期を設定することが好ましい。

上記ＬＥＤ素子において、前記反射部は、前記界面に対して垂直に近い角度ほど反射率が高いことが好ましい。

本発明のＬＥＤ素子によれば、回折作用を利用して光の取り出し効率を向上させつつ、回折に起因する配光特性を利用して適切な配光を実現することができる。

図１は、本発明の第１の実施形態を示すＬＥＤ素子の模式断面図である。 図２は、異なる屈折率の界面における光の回折作用を示す説明図であり、（ａ）は界面にて反射する状態を示し、（ｂ）は界面を透過する状態を示す。 図３は、凹部又は凸部の周期を５００ｎｍとした場合の、III属窒化物半導体層とサファイア基板の界面における、半導体層側から界面へ入射する光の入射角と、界面での回折作用による透過角の関係を示すグラフである。 図４は、凹部又は凸部の周期を５００ｎｍとした場合の、III属窒化物半導体層とサファイア基板の界面における、半導体層側から界面へ入射する光の入射角と、界面での回折作用による反射角の関係を示すグラフである。 図５は、素子内部における光の進行方向を示す説明図である。 図６は、ＬＥＤ素子の一部拡大模式断面図である。 図７は、反射部の反射率の一例を示すグラフである。 図８はサファイア基板を示し、（ａ）が模式斜視図、（ｂ）がＡ−Ａ断面を示す模式説明図である。 図９はＬＥＤ素子の配光特性を示し、（ａ）がサファイア基板に凸部が形成されていない状態のものを示し、（ｂ）〜（ｈ）はサファイア基板に凸部が形成された状態のものを示している。 図１０は、各基板の計算値と実測値を示す表である。 図１１は、光軸に対する所定角度範囲内の光について積分強度の変化を示すグラフである。 図１２は、透過回折光の許容次数と積分強度の関係を示すグラフである。 図１３は、反射回折光の許容次数と積分強度の関係を示すグラフである。 図１４は、凸部の周期と、透過回折光及び反射回折光の許容次数の関係を示すグラフである。 図１５は、本発明の第２の実施形態を示すＬＥＤ素子の模式断面図である。 図１６は、ＬＥＤ素子の一部拡大模式断面図である。 図１７は、反射部の反射率の一例を示すグラフである。 図１８は、変形例を示すＬＥＤ素子の模式断面図である。 図１９は、変形例を示すＬＥＤ素子の模式断面図である。

図１は、本発明の第１の実施形態を示すＬＥＤ素子の模式断面図である。
図１に示すように、ＬＥＤ素子１は、サファイア基板２の表面上に、III族窒化物半導体層からなる半導体積層部１９が形成されたものである。ここで、サファイアの屈折率は１．７８であり、III族窒化物半導体層の屈折率は２．５２である。このＬＥＤ素子１は、フリップチップ型であり、サファイア基板２の裏面側から主として光が取り出される。半導体積層部１９は、バッファ層１０、ｎ型ＧａＮ層１２、発光層１４、電子ブロック層１６、ｐ型ＧａＮ層１８をサファイア基板２側からこの順に有している。ｐ型ＧａＮ層１８上にはｐ側電極２７が形成されるとともに、ｎ型ＧａＮ層１２上にはｎ側電極２８が形成されている。

図１に示すように、バッファ層１０は、サファイア基板２の表面上に形成され、ＡｌＮで構成されている。本実施形態においては、バッファ層１０は、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法により形成されるが、スパッタリング法を用いることもできる。第１導電型層としてのｎ型ＧａＮ層１２は、バッファ層１０上に形成され、ｎ−ＧａＮで構成されている。発光層１４は、ｎ型ＧａＮ層１２上に形成され、ＧａｌｎＮ／ＧａＮで構成され、電子及び正孔の注入により青色光を発する。本実施形態においては、発光層１４の発光のピーク波長は４５０ｎｍである。

電子ブロック層１６は、発光層１４上に形成され、ｐ―ＡＩＧａＮで構成されている。第２導電型層としてのｐ型ＧａＮ層１８は、電子ブロック層１６上に形成され、ｐ−ＧａＮで構成されている。ｎ型ＧａＮ層１２からｐ型ＧａＮ層１８までは、III族窒化物半導体のエピタキシャル成長により形成され、サファイア基板２の表面には周期的に凸部２ｃが形成されているが、III族窒化物半導体の成長初期に横方向成長による平坦化が図られる。尚、第１導電型層、活性層及び第２導電型層を少なくとも含み、第１導電型層及び第２導電型層に電圧が印加されると、電子及び正孔の再結合により活性層にて光が発せられるものであれば、半導体層の層構成は任意である。

サファイア基板２の表面は回折面２ａをなす。サファイア基板２の表面は、平坦部２ｂと、平坦部２ｂに周期的に形成された複数の凸部２ｃと、が形成されている。各凸部２ｃの形状は、円錐、多角錐等の錐状の他、錐の上部を切り落とした円錐台、多角錐台等の錐台状とすることができる。各凸部２ｃは、発光層１４から発せられる光を回折するよう設計される。本実施形態においては、周期的に配置される各凸部２ｃにより、光の垂直化作用を得ることができる。ここで、光の垂直化作用とは、光の強度分布が、回折面へ入射する前よりも、反射及び透過した後の方が、サファイア基板２と半導体積層部１９の界面に対して垂直な方向に偏ることをいう。

図２は、異なる屈折率の界面における光の回折作用を示す説明図であり、（ａ）は界面にて反射する状態を示し、（ｂ）は界面を透過する状態を示す。
ここで、ブラッグの回折条件から、界面にて光が反射する場合において、入射角θ_ｉｎに対して反射角θ_ｒｅｆが満たすべき条件は、
Ｐ・ｎ１・（ｓｉｎθ_ｉｎ−ｓｉｎθ_ｒｅｆ）＝ｍ・λ・・・（１）
である。ここで、Ｐは凹部または凸部の周期、ｎ１は入射側の媒質の屈折率、λは入射する光の波長、ｍは整数である。半導体積層部１９からサファイア基板２へ光が入射する場合、ｎ１はIII族窒化物半導体の屈折率となる。図２（ａ）に示すように、上記（１）式を満たす反射角θ_ｒｅｆで、界面へ入射する光は反射される。

一方、ブラッグの回折条件から、界面にて光が透過する場合において、入射角θ_ｉｎに対して透過角θ_ｏｕｔが満たすべき条件は、
Ｐ・（ｎ１・ｓｉｎθ_ｉｎ−ｎ２・ｓｉｎθ_ｏｕｔ）＝ｍ’・λ・・・（２）
である。ここで、ｎ２は出射側の媒質の屈折率であり、ｍ’は整数である。例えば半導体積層部１９からサファイア基板２へ光が入射する場合、ｎ２はサファイアの屈折率となる。図２（ｂ）に示すように、上記（２）式を満たす透過角θ_ｏｕｔで、界面へ入射する光は透過される。

図３は、凹部又は凸部の周期を５００ｎｍとした場合の、III属窒化物半導体層とサファイア基板の界面における、半導体層側から界面へ入射する光の入射角と、界面での回折作用による透過角の関係を示すグラフである。また、図４は、凹部又は凸部の周期を５００ｎｍとした場合の、III属窒化物半導体層とサファイア基板の界面における、半導体層側から界面へ入射する光の入射角と、界面での回折作用による反射角の関係を示すグラフである。

回折面２ａに入射する光には、一般的な平坦面と同様に全反射の臨界角が存在する。ＧａＮ系半導体層とサファイア基板２との界面では、臨界角は４５．９°である。図３に示すように、臨界角を超えた領域では、上記（２）式の回折条件を満たすｍ’＝１，２，３，４での回折モードでの透過が可能である。また、図４に示すように、臨界角を超えた領域では、上記（１）式の回折条件を満たすｍ＝１，２，３，４での回折モードでの反射が可能である。臨界角が４５．９°の場合、臨界角を超える光出力が約７０％、臨界角を超えない光出力が約３０％となる。すなわち、臨界角を超えた領域の光を取り出すことは、ＬＥＤ素子１の光取り出し効率の向上に大きく寄与する。

ここで、入射角θ_ｉｎよりも透過角θ_ｏｕｔが小さくなる領域では、回折面２ａを透過する光は、サファイア基板２とIII族窒化物半導体層の界面に対して垂直寄りに角度変化する。図３中、この領域をハッチングで示す。図３に示すように、回折面２ａを透過する光については、臨界角を超えた領域では、ｍ’＝１，２，３の回折モードの光は全ての角度域で垂直寄りに角度変化する。ｍ’＝４の回折モードの光は一部の角度域で垂直寄りとならないが、回折次数が大きい光の強度は比較的小さいため影響が小さく、この一部の角度域においても実質的に垂直寄りに角度変化することとなる。すなわち、半導体積層部１９側にて回折面２ａへ入射する光の強度分布と比べて、サファイア基板２側にて回折面２ａを透過して出射する光の強度分布が、半導体積層部１９とサファイア基板２の界面に対して垂直な方向に偏る。

また、入射角θ_ｉｎよりも反射角θ_ｒｅｆが小さくなる領域では、回折面２ａで反射する光は、サファイア基板２とIII族窒化物半導体層の界面に対して垂直寄りに角度変化する。図４中、この領域をハッチングで示す。図４に示すように、回折面２ａにて反射する光については、臨界角を超えた領域では、ｍ＝１，２，３の回折モードの光は全ての角度域で垂直寄りに角度変化する。ｍ＝４の回折モードの光は一部の角度域で垂直寄りとならないが、回折次数が大きい光の強度は比較的小さいため影響が小さく、この一部の角度域においても実質的に垂直寄りに角度変化することとなる。すなわち、半導体積層部１９側にて回折面２ａへ入射する光の強度分布と比べて、半導体積層部１９側にて回折面２ａから反射により出射する光の強度分布が、半導体積層部１９とサファイア基板２の界面に対して垂直な方向に偏る。

図５は、素子内部における光の進行方向を示す説明図である。
図５に示すように、発光層１４から発せられた光のうち、サファイア基板２へ臨界角を超えて入射する光は、回折面２ａで入射時よりも垂直寄りの方向へ透過及び反射する。すなわち、回折面２ａを透過した光は、垂直寄りへ角度変化した状態でサファイア基板２の裏面へ入射する。また、回折面２ａで反射した光は、垂直寄りへ角度変化した状態でｐ側電極２７及びｎ側電極２８で反射された後、回折面２ａに再度入射する。このときの入射角は、先の入射角よりも垂直寄りとなる。この結果、サファイア基板２の裏面へ入射する光を垂直寄りとすることができる。

図６は、ＬＥＤ素子の一部拡大模式断面図である。
図６に示すように、ｐ側電極２７は、ｐ型ＧａＮ層１８上に形成される拡散電極２１と、拡散電極２１上の所定領域に形成される誘電体多層膜２２と、誘電体多層膜２２上に形成される金属電極２３とを有している。拡散電極２１は、ｐ型ＧａＮ層１８に全面的に形成され、例えばＩＴＯ(Indium Tin Oxide)等の透明材料からなる。また、誘電体多層膜２２は、屈折率の異なる第１材料２２ａと第２材料２２ｂのペアを複数繰り返して構成される。誘電体多層膜２２は、例えば、第１材料２２ａをＺｒＯ_２（屈折率：２．１８）、第２材料２２ｂをＳｉＯ_２（屈折率：１．４６）とし、ペア数を５とすることができる。尚、ＺｒＯ_２とＳｉＯ_２と異なる材料を用いて誘電体多層膜２２を構成してもよく、例えば、ＡｌＮ（屈折率：２．１８）、Ｎｂ_２Ｏ_３（屈折率：２．４）、Ｔａ_２Ｏ_３（屈折率：２．３５）等を用いてもよい。金属電極２３は、誘電体多層膜２２を被覆し、例えばＡｌ等の金属材料からなる。金属電極２３は、誘電体多層膜２２に形成されたビアホール２２ｃを通じて拡散電極２１と電気的に接続されている。

図６に示すように、ｎ側電極２８は、ｐ型ＧａＮ層１８からｎ型ＧａＮ層１２をエッチングして、露出したｎ型ＧａＮ層１２上に形成される。ｎ側電極２８は、ｎ型ＧａＮ層１２上に形成される拡散電極２４と、拡散電極２４上の所定領域に形成される誘電体多層膜２５と、誘電体多層膜２５上に形成される金属電極２６とを有している。拡散電極２４は、ｎ型ＧａＮ層１２に全面的に形成され、例えばＩＴＯ(Indium Tin Oxide)等の透明材料からなる。また、誘電体多層膜２５は、屈折率の異なる第１材料２５ａと第２材料２５ｂのペアを複数繰り返して構成される。誘電体多層膜２５は、例えば、第１材料２５ａをＺｒＯ_２（屈折率：２．１８）、第２材料２５ｂをＳｉＯ_２（屈折率：１．４６）とし、ペア数を５とすることができる。尚、ＺｒＯ_２とＳｉＯ_２と異なる材料を用いて誘電体多層膜２５を構成してもよく、例えば、ＡｌＮ（屈折率：２．１８）、Ｎｂ_２Ｏ_３（屈折率：２．４）、Ｔａ_２Ｏ_３（屈折率：２．３５）等を用いてもよい。金属電極２６は、誘電体多層膜２５を被覆し、例えばＡｌ等の金属材料からなる。金属電極２６は、誘電体多層膜２５に形成されたビアホール２５ｃを通じて拡散電極２４と電気的に接続されている。

このＬＥＤ素子１においては、ｐ側電極２７及びｎ側電極２８が反射部をなしている。ｐ側電極２７及びｎ側電極２８は、それぞれ垂直に近い角度ほど反射率が高くなっている。反射部へは、発光層１４から発せられて直接的に入射する光の他、サファイア基板２の回折面２ａにて反射して、界面に対して垂直寄りに角度変化した光が入射する。すなわち、反射部へ入射する光の強度分布は、サファイア基板２の表面が平坦面だった場合と比較すると、垂直寄りに偏った状態となっている。

図７は、反射部の反射率の一例を示すグラフである。図７の例では、ＩＴＯ上に形成される誘電体多層膜をＺｒＯ_２とＳｉＯ_２の組み合わせでペア数を５とし、誘電体多層膜に重ねてＡｌ層を形成した。図７に示すように、入射角が０度から４５度の角度域で、９８％以上の反射率を実現している。また、入射角が０度から７５度の角度域で、９０％以上の反射率を実現している。このように、誘電体多層膜と金属層の組み合わせは、界面に対して垂直寄りとなった光に対して有利な反射条件となる。尚、ＩＴＯ上にＡｌ層のみを形成した場合は、入射角によらず、ほぼ８４％の一定の反射率となることを確認している。

次いで、図８を参照してサファイア基板２について詳述する。図８はサファイア基板を示し、（ａ）が模式斜視図、（ｂ）がＡ−Ａ断面を示す模式説明図である。

図８（ａ）に示すように、回折面２ａは、平面視にて、各凸部２ｃの中心が正三角形の頂点の位置となるように、所定の周期で仮想の三角格子の交点に整列して形成される。尚、ここでいう周期とは、隣接する凸部２ｃにおける高さのピーク位置の距離をいう。本実施形態においては、凸部２ｃの周期をＰ、発光層１４から発せられる光のピーク波長をλとしたとき、
１／２×λ≦Ｐ≦１６／９×λ
の関係を満たすように、凸部２ｃの周期が設定されている。この関係については、
２３／４５×λ≦Ｐ≦１４／９×λ
とすることが好ましい。また、凸部２ｃの周期は、透過回折光が少なくとも２次の回折光を含み、５次の回折光を含まないよう設定されている。また、凸部２ｃの周期は、反射回折光が少なくとも３次の回折光を含むよう設定されている。

ここで、図９から図１４を参照して、ＬＥＤ素子１から取り出される光の配光特性について説明する。図９はＬＥＤ素子の配光特性を極座標で示し、（ａ）がサファイア基板に凸部が形成されていない状態のものを示し、（ｂ）〜（ｈ）はサファイア基板に凸部が形成された状態のものを示している。ここで、（ｂ）は周期が２００ｎｍのものを、（ｃ）は周期が２２５ｎｍのものを、（ｄ）は周期が３２０ｎｍのものを、（ｅ）は周期が４５０ｎｍのものを、（ｆ）は周期が６００ｎｍのものを、（ｇ）は周期が７００ｎｍのものを、（ｈ）は周期が８００ｎｍのものを示している。これらの配光特性を取得するにあたり、発光層１４の発光波長を４５０ｎｍとし、半導体積層部１９の厚さを３．３μｍ、サファイア基板２の厚さを１２０μｍとしてシミュレーションを行った。尚、図９の各図においては、サファイア基板に垂直な方向を０度（光軸）として示している。

ここで、シミュレーションの計算値等が妥当かどうかを確認するために、シミュレーションによる計算値と、試料体の実測値と比較して検討した。この検討は、シミュレーションにより計算される積分強度と、試料体を発光させて得られた実測値とを比較することによって行った。図１０は、各基板の計算値と実測値を示す表である。図１０中、「ＦＳＳ」は凹凸が形成されていない基板を示し、「ＰＳＳ」は線状の凹凸が形成された基板を示し、「ＭＰＳＳ」は本実施形態のように点在する凹部または凸部が形成された基板を示す。図１０に示すように、どのような基板であっても、計算値と実測値がほぼ一致しており、シミュレーションの計算値等が妥当であることが理解される。

図９の配光特性について検討する。図９（ａ）に示すように、サファイア基板２の表面に凸部２ｃが形成されていない場合は、光はＬＥＤ素子１から等方的に出射される。これに対し、図９（ｂ）〜（ｈ）に示すように、回折作用を得ることのできる凸部２ｃを形成することにより配光特性が変化する。具体的には、図９（ｂ），（ｃ）等に示すように、配光特性において、特定の角度域にて他と比べて強度が高くなる箇所Ａが存在するようになる。この箇所Ａは、反射部で反射した後に回折面を透過する±１次の光によるものであることが判明している。そして、図９（ｂ）〜（ｈ）に示すように、凸部２ｃの周期を変化させることにより、この箇所Ａの角度域が変化する。

図１１は、光軸に対する所定角度範囲内の光について積分強度の変化を示すグラフである。図１１では、横軸を凸部の周期、縦軸を光軸に対して±３０度以内の積分強度としている。ここで、破線は、線状凸部の周期が３μｍのＰＳＳ基板の積分強度を示している。また、一点鎖線は、ＦＳＳ基板の積分強度を示している。

図１１に示すように、凸部２ｃの周期が２２５ｎｍ以上８００ｎｍ以下で、ＰＳＳ基板よりも積分強度が大きくなる。すなわち、凸部２ｃの周期をＰとし、発光層１４から発せられる光のピーク波長をλとしたとき、
１／２×λ≦Ｐ≦１６／９×λ
の関係を満たすようにすると、ＰＳＳ基板よりも光軸上の光強度を大きくすることができる。

また、図１１に示すように、凸部２ｃの周期が２３０ｎｍ以上７００ｎｍ以下で、ＦＳＳ基板よりも積分強度が大きくなる。すなわち、凸部２ｃの周期をＰとし、発光層１４から発せられる光のピーク波長をλとしたとき、
２３／４５×λ≦Ｐ≦１４／９×λ
の関係を満たすようにすると、ＦＳＳ基板よりも光軸上の光強度を大きくすることができる。

図１２は、透過回折光の許容次数と積分強度の関係を示すグラフである。ここで、許容次数とは、透過回折光が何次の成分まで含んでいるのか（許容されているのか）ということである。尚、図１２中の一点鎖線は、ＦＳＳ基板の積分強度を示している。

図１２に示すように、透過回折光については、２次、３次あるいは４次まで許容されると、ＦＳＳ基板の積分強度を常に上回ることとなる、一方、透過回折光が１次しか許容されない場合や、５次以上許容される場合は、ＦＳＳ基板の積分強度を下回ってしまう。すなわち、透過回折光については、少なくとも２次の回折光を含み、５次の回折光を含まないように設計することが好ましい。

図１３は、反射回折光の許容次数と積分強度の関係を示すグラフである。ここで、許容次数とは、反射回折光が何次の成分まで含んでいるのか（許容されているのか）ということである。尚、図１３中の一点鎖線は、ＦＳＳ基板の積分強度を示している。

図１３に示すように、反射回折光については、３次以上許容されると、ＦＳＳ基板の積分強度を常に上回ることとなる、一方、反射回折光が２次以下までしか許容されない場合は、ＦＳＳ基板の積分強度を下回ってしまう。すなわち、反射回折光については、少なくとも３次の回折光を含むように設計することが好ましい。

図１４は、凸部の周期と、透過回折光及び反射回折光の許容次数の関係を示すグラフである。図１４においても、発光層１４の発光波長を４５０ｎｍとしている。
図１４に示すように、透過回折光について、２次、３次あるいは４次まで許容される凸部２ｃの周期は、２６０ｎｍから６２０ｎｍである。すなわち、凸部２ｃの周期をＰとし、発光層１４から発せられる光のピーク波長をλとしたとき、
２６／４５×λ≦Ｐ≦６２／４５×λ
の関係を満たすようにすると、透過回折光について、許容次数が２次から４次となる。

一方、反射回折光について、３次以上許容される凸部２ｃの周期は、２８０ｎｍである。すなわち、凸部２ｃの周期をＰとし、発光層１４から発せられる光のピーク波長をλとしたとき、
２８／４５×λ≦Ｐ
の関係を満たすようにすると、反射回折光について、許容次数が３次以上となる。つまり、透過回折光の許容次数が２次から４次の間となり、反射回折光の許容次数が３次以上となるようにするには、
２６／４５×λ≦Ｐ≦６２／４５×λ
の関係を満たすようにすればよい。

以上のように構成されたＬＥＤ素子１では、回折面２ａ及び反射部を設けたので、素子から出射される光の配光特性を垂直よりに変化させることができる。そして、凸部２ｃの周期をＰ、発光層１４から発せられる光のピーク波長をλとしたとき、
１／２×λ≦Ｐ≦１６／９×λ
の関係を満たすようにしたので、素子から取り出される光軸まわりの光量を大きくすることができる。従って、回折作用を利用して光の取り出し効率を向上させつつ、回折に起因する配光特性を利用して適切な配光を実現することができる。

また、回折面２ａにおいて、透過回折光については２次、３次あるいは４次まで許容されるようにし、反射回折光については３次以上許容されるようにしたので、素子から取り出される光軸まわりの光量を大きくすることができる。

また、回折面２ａにおける光の垂直化により、発光層１４から発せられた光が、サファイア基板２の裏面に到達するまでの距離を格段に短くすることができ、素子内部における光の吸収を抑制することができる。ＬＥＤ素子においては、界面の臨界角を超える角度領域の光が横方向に伝搬してしまうので素子内部で光が吸収されてしまう問題があったが、臨界角を超える角度領域の光を回折面２ａで垂直寄りとされることから、素子内部にて吸収される光を飛躍的に減じることができる。さらに、本実施形態においては、反射部を誘電体多層膜２２，２５と金属層２３，２６の組み合わせとして、界面に対して垂直に近い角度ほど反射率が高くなるようにしたので、界面に対して垂直寄りとなった光に対して有利な反射条件となっている。

図１５及び図１６は本発明の第２の実施形態を示し、図１５はＬＥＤ素子の模式断面図である。
図１５に示すように、このＬＥＤ素子１０１はフェイスアップタイプであり、サファイア基板１０２の表面上に、III族窒化物半導体層からなる半導体積層部１１９が形成されたものである。このＬＥＤ素子１０１は、フェイスアップ型であり、サファイア基板１０２と反対側から主として光が取り出される。半導体積層部１１９は、バッファ層１１０、ｎ型ＧａＮ層１１２、発光層１１４、電子ブロック層１１６、ｐ型ＧａＮ層１１８をサファイア基板１０２側からこの順に有している。ｐ型ＧａＮ層１１８上にはｐ側電極１２７が形成されるとともに、ｎ型ＧａＮ層１１２上にはｎ側電極１２８が形成されている。また、ｐ側電極１２７は、ｐ型ＧａＮ層１１８上に形成される拡散電極１２１と、拡散電極１２１上の一部に形成されるパッド電極１２２と、を有している。

このＬＥＤ素子１０１においては、サファイア基板１０２の表面が回折面１０２ａをなしている。サファイア基板１０２の表面は、平坦部１０２ｂと、平坦部１０２ｂに周期的に形成された複数の凸部１０２ｃと、が形成されている。各凸部１０２ｃの形状は、円錐、多角錐等の錐状の他、錐の上部を切り落とした円錐台、多角錐台等の錐台状とすることができる。各凸部１０２ｃは、発光層１１４から発せられる光を回折するよう設計される。本実施形態においては、周期的に配置される各凸部１０２ｃにより、光の垂直化作用を得ることができる。

本実施形態の回折面１０２ａは、凸部１０２ｃの周期をＰ、発光層１１４から発せられる光のピーク波長をλとしたとき、
１／２×λ≦Ｐ≦１６／９×λ
の関係を満たすように、凸部１０２ｃの周期が設定されている。また、凸部１０２ｃの周期は、透過回折光が少なくとも２次の回折光を含み、５次の回折光を含まないよう設定されている。また、凸部１０２ｃの周期は、反射回折光が少なくとも３次の回折光を含むよう設定されている。

図１６は、ＬＥＤ素子の一部拡大模式断面図である。
図１６に示すように、サファイア基板１０２の裏面側には、誘電体多層膜１２４が形成されている。誘電体多層膜１２４は金属層であるＡｌ層１２６により被覆される。この発光素子１０１においては、誘電体多層膜１２４及びＡｌ層１２６が反射部をなしており、発光層１１４から発せられ回折面１０２ａを回折作用によって透過した光を当該反射部で反射する。そして、回折作用により透過した光を回折面１０２ａに再入射させて、回折面１０２ａにて再び回折作用を利用して透過させることにより、複数のモードで光を素子外部へ取り出すことができる。

図１７は、反射部の反射率の一例を示すグラフである。図１７では、サファイア基板上に形成される誘電体多層膜をＺｒＯ_２とＳｉＯ_２の組み合わせでペア数を５とし、誘電体多層膜に重ねてＡｌ層を形成した。図１７に示すように、入射角が０度から５５度の角度域で、９９％以上の反射率を実現している。また、入射角が０度から６０度の角度域で、９８％以上の反射率を実現している。また、入射角が０度から７５度の角度域で、９２％以上の反射率を実現している。このように、誘電体多層膜と金属層の組み合わせは、界面に対して垂直寄りとなった光に対して有利な反射条件となる。尚、サファイア基板上にＡｌ層のみを形成した場合は、入射角によらず、ほぼ８８％の一定の反射率となることを確認している。

以上のように構成されたＬＥＤ素子１０１では、回折面１０２ａ及び反射部を設けたので、素子から出射される光の配光特性を垂直よりに変化させることができる。そして、凸部１０２ｃの周期をＰ、発光層１１４から発せられる光のピーク波長をλとしたとき、
１／２×λ≦Ｐ≦１６／９×λ
の関係を満たすようにしたので、素子から取り出される光軸まわりの光量を大きくすることができる。

また、回折面１０２ａにおいて、透過回折光については２次、３次あるいは４次まで許容されるようにし、反射回折光については３次以上許容されるようにしたので、素子から取り出される光軸まわりの光量を大きくすることができる。

また、発光層１１４から発せられた光が、ｐ側電極１２７の表面に到達するまでの距離を格段に短くすることができ、素子内部における光の吸収を抑制することができる。ＬＥＤ素子においては、界面の臨界角を超える角度領域の光が横方向に伝搬してしまうので素子内部で光が吸収されてしまう問題があったが、臨界角を超える角度領域の光を回折面１０２ａで垂直寄りとすることで、素子内部にて吸収される光を飛躍的に減じることができる。さらに、本実施形態においては、反射部を誘電体多層膜１２４と金属層１２６の組み合わせとして、界面に対して垂直に近い角度ほど反射率が高くなるようにしたので、界面に対して垂直寄りとなった光に対して有利な反射条件となっている。

尚、第１及び第２の実施形態においては、回折面を周期的に形成された凸部で構成するものを示したが、回折面を周期的に形成された凹部で構成してもよいことは勿論である。また、凸部又は凹部を、三角格子の交点に整列して形成する他、例えば、仮想の正方格子の交点に整列して形成することもできる。

また、第１及び第２の実施形態においては、素子における光の出射面が平坦なものを示したが、例えば図１８及び図１９に示すように、光の出射面に凹凸加工を施すようにしてもよい。図１８のＬＥＤ素子１は、フリップチップタイプの第１の実施形態のＬＥＤ素子において、サファイア基板２の裏面に凹凸加工を施したものである。このサファイア基板２の裏面２ｇは、平坦部２ｈと、平坦部２ｈに周期的に形成された複数の凸部２ｉと、が形成されている。各凸部２ｉの形状は、円錐、多角錐等の錐状の他、錐の上部を切り落とした円錐台、多角錐台等の錐台状とすることができる。サファイア基板２の裏面２ｇにおける各凸部２ｉの周期は、回折面２ａの周期より短くすることが好ましい。これにより、サファイア基板２の裏面２ｇにおけるフレネル反射が抑制される。

また、図１９のＬＥＤ素子１０１は、フェイスアップタイプの第２の実施形態のＬＥＤ素子において、ｐ側電極１２７の表面に凹凸加工を施したものである。このｐ型電極１２７の表面１２７ｇは、平坦部１２７ｈと、平坦部１２７ｈに周期的に形成された複数の凸部１２７ｉと、が形成されている。各凸部１２７ｉの形状は、円錐、多角錐等の錐状の他、錐の上部を切り落とした円錐台、多角錐台等の錐台状とすることができる。ｐ側電極１２７の表面１２７ｇにおける各凸部１２７ｉの周期は、回折面１０２ａの周期より短くすることが好ましい。これにより、ｐ側電極１２７の表面１２７ｇにおけるフレネル反射が抑制される。

また、第１及び第２の実施形態においては、発光層から青色光が発せられるものを示したが、例えば、緑色、赤色等の光が発せられるものであってもよい。要は、凹部又は凸部の周期と、発光層から発せられる光のピーク波長の関係が、所定の条件を満たしていればよい。

１ ＬＥＤ素子
２ サファイア基板
２ａ 回折面
２ｃ 凸部
１４ 発光層
１９ 半導体積層部
２７ ｐ側電極
２８ ｎ側電極
１０１ ＬＥＤ素子
１０２ サファイア基板
１０２ａ 回折面
１１４ 発光層
１１９ 半導体積層部
１２４ 誘電体多層膜
１２６ Ａｌ層

Claims (14)

1. 表面に周期的な凹部又は凸部が形成され、表面が回折面をなすサファイア基板と、
   前記サファイア基板の表面上に形成され発光層を含みIII族窒化物半導体からなる半導体積層部と、
   前記発光層から発せられる光の少なくとも一部を、前記サファイア基板の表面側に反射する反射部と、を備え、
   前記サファイア基板と前記半導体積層部の界面にて前記発光層から発せられる光の回折作用を得るＬＥＤ素子において、
   前記半導体積層部側にて前記回折面へ入射する光の強度分布と比べて、前記サファイア基板側にて前記回折面を透過して出射する光の強度分布が、前記半導体積層部と前記サファイア基板の界面に対して垂直な方向に偏り、
   前記凹部又は凸部の周期をＰ、前記発光層から発せられる光のピーク波長をλとしたとき、
   １／２×λ≦Ｐ≦１６／９×λ
   の関係を満たし、
   前記反射部は、前記界面に対して垂直に近い角度ほど反射率が高いＬＥＤ素子。
2. 前記凹部又は凸部の周期をＰ、前記発光層から発せられる光のピーク波長をλとしたとき、
   １／２×λ≦Ｐ≦λ
   の関係を満たすようにした請求項１に記載のＬＥＤ素子。
3. 前記凹部又は凸部の周期をＰ、前記発光層から発せられる光のピーク波長をλとしたとき、
   ２３／４５×λ≦Ｐ≦λ
   の関係を満たすようにした請求項１または２に記載のＬＥＤ素子。
4. 前記界面における前記光の透過回折光が、少なくとも２次の回折光を含み、５次の回折光を含まないように前記凹部または凸部の周期を設定した請求項１から３のいずれか１項に記載のＬＥＤ素子。
5. 前記界面における前記光の反射回折光が、少なくとも３次の回折光を含むように前記凹部または凸部の周期を設定した請求項１から４のいずれか１項に記載のＬＥＤ素子。
6. 前記ＬＥＤ素子における光の出射面に、前記回折面よりも短い周期で周期的な凹部又は凸部が形成される請求項１から５のいずれか１項に記載のＬＥＤ素子。
7. 前記ＬＥＤは、フリップチップ型であり、
   前記サファイア基板の裏面に、前記回折面よりも短い周期で周期的な凹部又は凸部が形成される請求項１から５のいずれか１項に記載のＬＥＤ素子。
8. 表面に周期的な凹部又は凸部が形成され、表面が回折面をなすサファイア基板と、
   前記サファイア基板の表面上に形成され発光層を含みIII族窒化物半導体からなる半導体積層部と、
   前記発光層から発せられる光の少なくとも一部を、前記サファイア基板の表面側に反射する反射部と、を備え、
   前記サファイア基板と前記半導体積層部の界面にて前記発光層から発せられる光の回折作用を得るＬＥＤ素子において、
   前記凹部又は凸部の周期をＰ、前記発光層から発せられる光のピーク波長をλとしたとき、
   １／２×λ≦Ｐ≦１６／９×λ
   の関係を満たし、
   前記反射部は、誘電体多層膜及び金属層の積層構造からなるＬＥＤ素子。
   
9. 前記凹部又は凸部の周期をＰ、前記発光層から発せられる光のピーク波長をλとしたとき、
   １／２×λ≦Ｐ≦λ
   の関係を満たすようにした請求項８に記載のＬＥＤ素子。
10. 前記凹部又は凸部の周期をＰ、前記発光層から発せられる光のピーク波長をλとしたとき、
    ２３／４５×λ≦Ｐ≦λ
    の関係を満たすようにした請求項８または９に記載のＬＥＤ素子。
11. 前記界面における前記光の透過回折光が、少なくとも２次の回折光を含み、５次の回折光を含まないように前記凹部または凸部の周期を設定した請求項８から１０のいずれか１項に記載のＬＥＤ素子。
12. 前記界面における前記光の反射回折光が、少なくとも３次の回折光を含むように前記凹部または凸部の周期を設定した請求項８から１１のいずれか１項に記載のＬＥＤ素子。
13. 前記ＬＥＤ素子における光の出射面に、前記回折面よりも短い周期で周期的な凹部又は凸部が形成される請求項８から１２のいずれか１項に記載のＬＥＤ素子。
14. 前記ＬＥＤは、フリップチップ型であり、
    前記サファイア基板の裏面に、前記回折面よりも短い周期で周期的な凹部又は凸部が形成される請求項８から１２のいずれか１項に記載のＬＥＤ素子。

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