JP4263121B2 - LIGHT EMITTING ELEMENT AND LIGHTING DEVICE - Google Patents

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Description

本発明は、発光素子および照明装置に関し、特に、発光ダイオードを含む発光素子およびその発光素子を用いた照明装置に関する。   The present invention relates to a light emitting element and a lighting device, and more particularly to a light emitting element including a light emitting diode and a lighting device using the light emitting element.

従来、発光ダイオードの出射面上にフォトニック結晶を取り付けることにより、発光ダイオードからの出射光の取り出し効率を向上させることが可能な発光ダイオードが知られている(例えば、非特許文献1、2参照)。   Conventionally, there has been known a light emitting diode capable of improving the efficiency of extracting emitted light from the light emitting diode by attaching a photonic crystal on the emitting surface of the light emitting diode (for example, see Non-Patent Documents 1 and 2). ).

図13は、従来のフォトニック結晶を出射面上に取り付けた発光ダイオードの構造を説明するための断面図である。図13を参照して、従来のフォトニック結晶を出射面上に取り付けた発光ダイオードの構造について説明する。   FIG. 13 is a cross-sectional view for explaining the structure of a light-emitting diode in which a conventional photonic crystal is mounted on the emission surface. With reference to FIG. 13, the structure of a light emitting diode in which a conventional photonic crystal is mounted on the emission surface will be described.

従来のフォトニック結晶を出射面上に取り付けた発光ダイオードでは、図13に示すように、n型GaAs基板201上に、n型AlGaAsからなるn型クラッド層202、p型GaAsからなる発光層203、および、p型AlGaAsからなるp型クラッド層204が順次積層されている。これにより、ダブルヘテロ構造を有する発光ダイオードが形成されている。また、p型クラッド層204の上面には、所定の幅と深さとを有するとともに、周期的に配列するストライプ形状(細長形状)の凹凸形状が形成されている。さらに、上記凹凸形状を有するp型クラッド層204の上面上に、Agからなる金属層205が形成されている。   In a light emitting diode having a conventional photonic crystal mounted on the emission surface, an n type cladding layer 202 made of n type AlGaAs and a light emitting layer 203 made of p type GaAs are formed on an n type GaAs substrate 201 as shown in FIG. , And a p-type cladding layer 204 made of p-type AlGaAs is sequentially stacked. Thereby, a light emitting diode having a double heterostructure is formed. Further, on the upper surface of the p-type cladding layer 204, a concavo-convex shape having a predetermined width and depth and a stripe shape (elongated shape) arranged periodically is formed. Further, a metal layer 205 made of Ag is formed on the upper surface of the p-type clad layer 204 having the uneven shape.

従来の発光ダイオードでは、上記したように、p型クラッド層204の上面を、所定の幅と深さとを有するとともに周期的に配列するストライプ形状の凹凸形状に形成するとともに、その凹凸形状の上面上に、金属層205を形成することにより、p型クラッド層204および金属層205の面内方向に対して周期的に誘電率が変調された部分が構成される。これにより、p型クラッド層204を、フォトニック結晶としても機能させることができる。その結果、発光ダイオードからの出射光は、出射面に垂直な方向に出射されるとともに、出射光の取り出し効率を向上させることができる。
“Highly directive light sources using two−dimensional photonic crystal slabs”,Applied Physics Letters,2001年12月,第79巻,第26号,pp.4280−4282 “Strongly directional emission from AlGaAs/GaAs light−emitting diodes”,Applied Physics Letters,1990年11月,第57巻,第22号,pp.2327−2329
In the conventional light emitting diode, as described above, the upper surface of the p-type cladding layer 204 is formed in a striped uneven shape having a predetermined width and depth and periodically arranged, and on the upper surface of the uneven shape. In addition, by forming the metal layer 205, a portion whose dielectric constant is periodically modulated in the in-plane direction of the p-type cladding layer 204 and the metal layer 205 is formed. Thereby, the p-type cladding layer 204 can also function as a photonic crystal. As a result, the emitted light from the light emitting diode is emitted in a direction perpendicular to the emission surface, and the extraction efficiency of the emitted light can be improved.
“Highly direct light sources using two-dimensional photonic crystal slabs”, Applied Physics Letters, December 2001, vol. 4280-4282 “Strongly directed emission from AlGaAs / GaAs light-emitting diodes”, Applied Physics Letters, November 1990, Vol. 2327-2329

しかしながら、上記した従来のフォトニック結晶を出射面上に取り付けた発光ダイオードからの出射光は、出射面に垂直な方向に出射されるので、室内の照明などに適した拡散光を得ることが困難であるという不都合があった。このため、従来のフォトニック結晶を出射面上に取り付けた発光ダイオードでは、照明用として用いるのが困難であるという問題点があった。   However, since the light emitted from the light emitting diode having the above-described conventional photonic crystal mounted on the emission surface is emitted in a direction perpendicular to the emission surface, it is difficult to obtain diffused light suitable for indoor lighting. There was inconvenience that it was. For this reason, the conventional light-emitting diode in which the photonic crystal is mounted on the emission surface has a problem that it is difficult to use it for illumination.

この発明の1つの目的は、光取り出し効率が高く、かつ、拡散光を得ることが可能な発光素子を提供することである。   One object of the present invention is to provide a light-emitting element that has high light extraction efficiency and can obtain diffused light.

この発明のもう1つの目的は、光取り出し効率が高い照明装置を提供することである。   Another object of the present invention is to provide a lighting device with high light extraction efficiency.

上記目的を達成するために、この発明の第1の局面による発光素子は、発光ダイオードと、発光ダイオードの光の出射面と実質的に平行な面上に形成され、光の出射面と実質的に平行な面の面内方向に対して周期的に誘電率が変調された部分と、発光ダイオードの光の出射面側に設けられ、発光ダイオードから出射される光を拡散する手段とを備えている。   In order to achieve the above object, a light emitting device according to a first aspect of the present invention is formed on a light emitting diode and a surface substantially parallel to a light emitting surface of the light emitting diode, and substantially formed with the light emitting surface. A portion whose dielectric constant is periodically modulated with respect to the in-plane direction of the surface parallel to the surface, and means for diffusing the light emitted from the light emitting diode, provided on the light emitting surface side of the light emitting diode. Yes.

この第1の局面による発光素子では、上記のように、発光ダイオードの光の出射面と実質的に平行な面上に、面内方向に対して周期的に誘電率が変調された部分を形成することによって、発光素子からの発光を光の出射面に対して垂直な光に平行化することができるので、発光ダイオードからの光取り出し効率を向上させることができる。また、発光ダイオードの光の出射面側に発光ダイオードからの出射光を拡散する手段を設けることによって、発光素子から出射される平行光を種々の方向に拡散することができるので、拡散光を出射することができる。これにより、光取り出し効率が高く、かつ、拡散光を出射することが可能な発光素子を得ることができる。   In the light emitting device according to the first aspect, as described above, a portion whose dielectric constant is periodically modulated with respect to the in-plane direction is formed on a surface substantially parallel to the light emitting surface of the light emitting diode. By doing so, light emitted from the light-emitting element can be collimated to light perpendicular to the light emission surface, so that light extraction efficiency from the light-emitting diode can be improved. Also, by providing means for diffusing the light emitted from the light emitting diode on the light emitting surface side of the light emitting diode, the parallel light emitted from the light emitting element can be diffused in various directions, so that the diffused light is emitted. can do. Thereby, a light emitting element having high light extraction efficiency and capable of emitting diffused light can be obtained.

上記第1の局面による発光素子において、周期的に誘電率が変調された部分は、誘電率の異なる材料を周期的に配置することにより構成されていてもよく、周期的に誘電率が変調された部分は、フォトニック結晶からなっていてもよい。このように構成すれば、周期的に誘電率が変調された部分を容易に得ることができる。なお、周期的に誘電率が変調された部分は、誘電体と空気とを周期的に配置することや、誘電体と真空とを周期的に配置することにより構成されてもよい。   In the light emitting device according to the first aspect, the portion whose dielectric constant is periodically modulated may be configured by periodically arranging materials having different dielectric constants, and the dielectric constant is periodically modulated. The portion may be made of a photonic crystal. If comprised in this way, the part by which the dielectric constant was modulated periodically can be obtained easily. Note that the portion whose dielectric constant is periodically modulated may be configured by periodically disposing a dielectric and air, or by periodically disposing a dielectric and vacuum.

上記第1の局面による発光素子において、好ましくは、出射光を拡散する手段は、導電性を有する。このように構成すれば、発光ダイオードと出射光を拡散する手段とを密着して形成した場合に、発光ダイオードと出射光を拡散する手段との電気的な接続を行うことができる。これにより、出射光を拡散する手段に発光ダイオードへの電流導入部を形成することができるので、発光ダイオードに直接配線する必要がない。その結果、発光素子の組み立てが容易になる。また、光の出射面上に配線を行う必要がないので、配線が出射光を遮ることがない。その結果、発光素子からの出射光の強度を向上させることができる。   In the light emitting device according to the first aspect, preferably, the means for diffusing the emitted light has conductivity. According to this structure, when the light emitting diode and the means for diffusing the emitted light are formed in close contact with each other, electrical connection between the light emitting diode and the means for diffusing the emitted light can be performed. As a result, a current introducing portion to the light emitting diode can be formed in the means for diffusing the emitted light, and thus it is not necessary to directly wire the light emitting diode. As a result, the assembly of the light emitting element is facilitated. In addition, since there is no need to perform wiring on the light exit surface, the wiring does not block the emitted light. As a result, the intensity of light emitted from the light emitting element can be improved.

上記第1の局面による発光素子において、出射光を拡散する手段は、レンズにより構成されていてもよい。このように構成すれば、発光ダイオードから出射される平行光を、容易に、拡散光に変換することができる。この場合、出射光を拡散する手段は、凹レンズを含んでいてもよい。このように構成すれば、発光ダイオードから出射される平行光を凹レンズにより拡散することができるので、容易に、平行光を拡散光に変換することができる。さらにこの場合、凹レンズは、平坦な第1の面と凹状の第2の面とを有する平凹レンズを含んでいてもよい。   In the light emitting device according to the first aspect, the means for diffusing the emitted light may be constituted by a lens. If comprised in this way, the parallel light radiate | emitted from a light emitting diode can be easily converted into a diffused light. In this case, the means for diffusing the emitted light may include a concave lens. If comprised in this way, since the parallel light radiate | emitted from a light emitting diode can be diffused with a concave lens, parallel light can be easily converted into diffused light. Furthermore, in this case, the concave lens may include a plano-concave lens having a flat first surface and a concave second surface.

上記第1の局面による発光素子において、好ましくは、光の出射面と出射光を拡散する手段との間に設けられた蛍光体をさらに備える。このように構成すれば、蛍光体によって出射光が散乱されるため、より容易に、拡散光を得ることができる。また、発光ダイオードから出射される光の波長を異なる波長に変換することができるので、種々の蛍光体を組み合わせれば、照明用途に適した白色の発光を得ることができる。   The light emitting device according to the first aspect preferably further includes a phosphor provided between the light exit surface and the means for diffusing the emitted light. If comprised in this way, since emitted light is scattered by fluorescent substance, diffused light can be obtained more easily. Moreover, since the wavelength of the light emitted from the light emitting diode can be converted to a different wavelength, white light emission suitable for illumination can be obtained by combining various phosphors.

上記第1の局面による発光素子において、出射光を拡散する手段は、凸面鏡を含んでいてもよい。このように構成すれば、発光ダイオードから出射される平行光を、凸面鏡により反射して拡散することができるので、容易に、平行光を拡散光に変換することができる。   In the light emitting device according to the first aspect, the means for diffusing the emitted light may include a convex mirror. If comprised in this way, since the parallel light radiate | emitted from a light emitting diode can be reflected and diffused with a convex mirror, parallel light can be easily converted into diffused light.

上記第1の局面による発光素子において、出射光を拡散する手段は、実質的に透明な微粒子からなる光拡散剤が分散された透光性の部材を含んでいてもよい。このように構成すれば、発光ダイオードから出射される平行光を、光拡散剤が分散された透光性の部材により拡散することができるので、容易に、平行光を拡散光に変換することができる。   In the light emitting device according to the first aspect, the means for diffusing the emitted light may include a translucent member in which a light diffusing agent composed of substantially transparent fine particles is dispersed. If comprised in this way, since the parallel light radiate | emitted from a light emitting diode can be diffused by the translucent member in which the light-diffusion agent was disperse | distributed, parallel light can be easily converted into diffused light. it can.

上記第1の局面による発光素子において、出射光を拡散する手段は、表面および裏面の少なくとも一方に微細な凹凸形状を有する透光性の部材を含んでいてもよい。このように構成すれば、発光ダイオードから出射される平行光を、微細な凹凸形状を有する透光性の部材により拡散することができるので、容易に、平行光を拡散光に変換することができる。   In the light emitting device according to the first aspect, the means for diffusing the emitted light may include a translucent member having a fine uneven shape on at least one of the front surface and the back surface. If comprised in this way, since the parallel light radiate | emitted from a light emitting diode can be diffused by the translucent member which has fine uneven | corrugated shape, parallel light can be easily converted into diffused light. .

上記第1の局面による発光素子において、好ましくは、発光ダイオードは、発光層を含み、その発光層は、窒化物系半導体からなる。このように構成すれば、青色〜紫外の範囲の短波長で、かつ、高エネルギーの発光を容易に得ることができるので、出射光の強度を向上させることができる。   In the light emitting device according to the first aspect, preferably, the light emitting diode includes a light emitting layer, and the light emitting layer is made of a nitride-based semiconductor. If comprised in this way, since it is easy to obtain light emission with a short wavelength of the range of blue-ultraviolet and high energy, the intensity | strength of emitted light can be improved.

上記第1の局面による発光素子において、好ましくは、発光ダイオードは、平面的に見て、マトリクス状に複数配置されている。このように構成すれば、光の出射する領域を大きくすることができるので、容易に、発光素子を照明などの光源として使用することができる。   In the light-emitting element according to the first aspect, preferably, a plurality of light-emitting diodes are arranged in a matrix in a plan view. With such a configuration, a region where light is emitted can be increased, so that the light-emitting element can be easily used as a light source such as illumination.

この場合、出射光を拡散する手段は、レンズを含み、そのレンズは、平面的に見て、マトリクス状に複数配置されているのが好ましい。このように構成すれば、マトリクス状に配置された発光ダイオードから出射される光を容易に拡散させることができる。   In this case, it is preferable that the means for diffusing the emitted light includes a lens, and a plurality of the lenses are arranged in a matrix in a plan view. If comprised in this way, the light radiate | emitted from the light emitting diode arrange | positioned at matrix form can be spread | diffused easily.

この発明の第2の局面による照明装置は、発光ダイオードと、発光ダイオードの光の出射面と実質的に平行な面上に形成され、光の出射面と実質的に平行な面の面内方向に対して周期的に誘電率が変調された部分と、発光ダイオードの光の出射面側に設けられ、発光ダイオードから出射される光を拡散する手段と、を含む発光素子を備えている。   An illumination device according to a second aspect of the present invention is formed on a light emitting diode and a surface substantially parallel to the light emitting surface of the light emitting diode, and an in-plane direction of the surface substantially parallel to the light emitting surface. The light emitting device includes a portion whose dielectric constant is periodically modulated, and means for diffusing light emitted from the light emitting diode, which is provided on the light emitting surface side of the light emitting diode.

この第2の局面による照明装置では、上記のように、発光ダイオードの光の出射面と実質的に平行な面上に、面内方向に対して周期的に誘電率が変調された部分を形成することによって、発光素子からの発光を光の出射面に対して垂直な光に平行化することができるので、発光ダイオードからの光取り出し効率を向上させることができる。また、発光ダイオードの光の出射面側に発光ダイオードからの出射光を拡散する手段を設けることによって、発光素子から出射してきた平行光を種々の方向に拡散することができるので、拡散光を出射することができる。これにより、光取り出し効率が高く、かつ、拡散光を出射することが可能な発光素子を得ることができるので、この発光素子を光源として用いることにより、照明装置として十分な光量を得ることができる。   In the illumination device according to the second aspect, as described above, a portion whose dielectric constant is periodically modulated with respect to the in-plane direction is formed on a surface substantially parallel to the light emission surface of the light emitting diode. By doing so, light emitted from the light-emitting element can be collimated to light perpendicular to the light emission surface, so that light extraction efficiency from the light-emitting diode can be improved. Further, by providing means for diffusing the light emitted from the light emitting diode on the light emitting surface side of the light emitting diode, the parallel light emitted from the light emitting element can be diffused in various directions, so that the diffused light is emitted. can do. As a result, a light emitting element having high light extraction efficiency and capable of emitting diffused light can be obtained. By using this light emitting element as a light source, a sufficient amount of light as an illumination device can be obtained. .

上記第2の局面による照明装置において、好ましくは、発光素子から所定の間隔を隔てて配置され、発光素子から出射される光を白色の光に変換するための白色光用蛍光体をさらに備える。このように構成すれば、容易に、照明装置に適した白色の発光を得ることができる。この場合、白色光用蛍光体は、異なる発光色の複数の蛍光体材料を混合することにより形成されていてもよい。   The illumination device according to the second aspect preferably further includes a white light phosphor that is disposed at a predetermined interval from the light emitting element and converts the light emitted from the light emitting element into white light. If comprised in this way, the white light emission suitable for an illuminating device can be obtained easily. In this case, the white light phosphor may be formed by mixing a plurality of phosphor materials having different emission colors.

上記第2の局面による照明装置において、好ましくは、発光素子を構成する発光ダイオードは、平面的に見て、マトリクス状に複数配置されている。このように構成すれば、光の出射する領域を大きくすることができるので、容易に、発光素子を照明装置の光源として使用することができる。この場合、出射光を拡散する手段は、レンズを含み、そのレンズは、平面的に見て、マトリクス状に複数配置されるのが好ましい。このように構成すれば、マトリクス状に配置された発光ダイオードから出射される光を容易に拡散させることができる。   In the illumination device according to the second aspect, preferably, a plurality of light emitting diodes constituting the light emitting element are arranged in a matrix when viewed in a plan view. With such a configuration, a region where light is emitted can be increased, so that the light emitting element can be easily used as a light source of the lighting device. In this case, it is preferable that the means for diffusing the emitted light includes a lens, and a plurality of the lenses are arranged in a matrix when seen in a plan view. If comprised in this way, the light radiate | emitted from the light emitting diode arrange | positioned at matrix form can be spread | diffused easily.

なお、上記の第1および第2の局面による発明において、以下のように構成してもよい。   In the inventions according to the first and second aspects, the following configuration may be adopted.

すなわち、上記導電性を有する出射光を拡散する手段を含む発光素子において、好ましくは、導電性を有する出射光を拡散する手段は、発光ダイオードの光の出射側の部分に接触するように形成されている。このように構成すれば、容易に、発光ダイオードと出射光を拡散する手段との電気的な接続を行うことができる。   That is, in the light emitting element including the means for diffusing the emitted light having conductivity, preferably, the means for diffusing the emitted light having conductivity is formed so as to be in contact with the light emitting side portion of the light emitting diode. ing. If comprised in this way, an electrical connection with a means to diffuse a light emitting diode and emitted light can be performed easily.

上記導電性を有する出射光を拡散する手段を含む発光素子において、好ましくは、導電性を有する出射光を拡散する手段は、n型SiC、n型AlNおよびp型ダイヤモンドからなるグループより選択される少なくとも1つの材料からなる。上記のような材料により出射光を拡散する手段を形成すれば、導電性に加えて、良好な熱伝導性も得ることができるので、出射光を拡散する手段を介して発光ダイオードで発生した熱を、容易に、放熱することができる。その結果、より大きな電流で発光素子を動作させることができるので、出射光の強度を向上させることができる。   In the light emitting device including the means for diffusing the emitted light having conductivity, preferably, the means for diffusing the emitted light having conductivity is selected from the group consisting of n-type SiC, n-type AlN, and p-type diamond. It consists of at least one material. If a means for diffusing the emitted light is formed of the material as described above, good thermal conductivity can be obtained in addition to the conductivity. Therefore, the heat generated in the light emitting diode via the means for diffusing the emitted light can be obtained. Can be easily dissipated. As a result, the light emitting element can be operated with a larger current, so that the intensity of the emitted light can be improved.

上記微細な凹凸形状を有する実質的に透明な手段を含む発光素子において、微細な凹凸形状における隣接する凸部間の間隔は、約200nm以上約2000nm以下であってもよい。隣接する凸部間の間隔をこのような間隔に設定すれば、その間隔が発光波長と同等または発光波長の数倍に相当するので、回折効果により光を拡散させることができる。   In the light-emitting element including the substantially transparent means having the fine concavo-convex shape, the interval between adjacent convex portions in the fine concavo-convex shape may be about 200 nm or more and about 2000 nm or less. If the interval between adjacent convex portions is set to such an interval, the interval is equivalent to the emission wavelength or several times the emission wavelength, so that light can be diffused by the diffraction effect.

上記微細な凹凸形状を有する実質的に透明な手段を含む発光素子において、微細な凹凸形状における隣接する凸部間の間隔は、約2μm以上約100μm以下であってもよい。隣接する凸部間の間隔をこのような間隔に設定すれば、凹凸形状部により光が屈折されるので、光を容易に拡散させることができる。   In the light-emitting element including the substantially transparent means having the fine concavo-convex shape, the interval between adjacent convex portions in the fine concavo-convex shape may be about 2 μm or more and about 100 μm or less. If the interval between the adjacent convex portions is set to such an interval, the light is refracted by the concavo-convex shape portion, so that the light can be easily diffused.

また、上記平凹レンズを有する構成において、平坦な第1の面に接して、発光素子を配置してもよい。このように構成すれば、発光素子とレンズとを容易に接合することができる。加えて、発光素子とレンズが離れて配置される場合と比較して、発光素子の出射面とレンズの平坦な第1の面とでの反射を低減することができる。   In the configuration having the plano-concave lens, the light emitting element may be disposed in contact with the flat first surface. If comprised in this way, a light emitting element and a lens can be joined easily. In addition, compared with a case where the light emitting element and the lens are arranged apart from each other, reflection at the light emitting element emission surface and the flat first surface of the lens can be reduced.

また、凹レンズは、複数の発光ダイオード毎に1つずつの割合で配置されてもよい。この場合、複数の凹レンズと発光ダイオードはアレイ状に配置されてもよい。このように構成すれば、光の出射する領域を大きくできるので、容易に、照明などの光源として使用することができる。   Moreover, the concave lens may be arranged at a rate of one for each of the plurality of light emitting diodes. In this case, the plurality of concave lenses and the light emitting diodes may be arranged in an array. If comprised in this way, since the area | region which light radiate | emits can be enlarged, it can be easily used as light sources, such as illumination.

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

(第1参考形態)
図1は、本発明の第1参考形態による発光素子の構造を説明するための断面図である。また、図2は、本発明の第1参考形態によるp型コンタクト層の平面構造を説明するための上面図である。まず、図1および図2を参照して、本発明の第1参考形態による発光素子10の構造について説明する。この第1参考形態の発光素子10は、発光ダイオードと、平凹レンズ50とを含んでいる。
(First reference form)
Figure 1 is a cross-sectional view for illustrating a structure of a light-emitting device according to the first referential embodiment of the present invention. 2 is a top view for illustrating the planar structure of the p-type contact layer of the first reference embodiment of the present invention. First, referring to FIGS. 1 and 2, a description will be given of the structure of the light emitting device 10 according to the first referential embodiment of the present invention. The light emitting element 10 according to the first reference embodiment includes a light emitting diode and a plano-concave lens 50.

第1参考形態の発光ダイオードでは、酸素やSiがドープされた約2mm角で約200〜400μmの厚みを有するn型GaN基板1の(0001)Ga面上に、Siをドープした約5μmの膜厚を有する単結晶のn型GaN層4が形成されている。n型GaN層4上には、Siをドープした約0.15μmの膜厚を有する単結晶のn型Al0.1Ga0.9Nからなるn型クラッド層6が形成されている。また、n型クラッド層6上には、約5nmの膜厚を有する単結晶のアンドープGaNからなる6層の障壁層と約5nmの膜厚を有する単結晶のアンドープGa0.9In0.1Nからなる5層の井戸層とが交互に積層された多重量子井戸(MQW:Multiple Quantum Well)構造を有する活性層7が形成されている。活性層7上には、約10nmの膜厚を有する単結晶のアンドープGaNからなる保護層8、および、Mgがドープされた約0.15μmの膜厚を有する単結晶のp型Al0.1Ga0.9Nからなるp型クラッド層9がこの順に形成されている。 In the light emitting diode of the first reference form, a film of about 5 μm doped with Si on the (0001) Ga surface of the n-type GaN substrate 1 having a thickness of about 200 to 400 μm and about 2 mm square doped with oxygen or Si. A single crystal n-type GaN layer 4 having a thickness is formed. On the n-type GaN layer 4, an n-type cladding layer 6 made of single crystal n-type Al 0.1 Ga 0.9 N having a thickness of about 0.15 μm doped with Si is formed. Further, on the n-type cladding layer 6, there are six barrier layers made of single-crystal undoped GaN having a thickness of about 5 nm and single-crystal undoped Ga 0.9 In 0.1 having a thickness of about 5 nm. An active layer 7 having a multiple quantum well (MQW) structure in which five well layers made of N are alternately stacked is formed. On the active layer 7, a protective layer 8 made of single-crystal undoped GaN having a thickness of about 10 nm, and a single-crystal p-type Al 0.1 having a thickness of about 0.15 μm doped with Mg. A p-type cladding layer 9 made of Ga 0.9 N is formed in this order.

p型クラッド層9の上面上には、約30nmの膜厚を有する単結晶のp型Ga0.95In0.05Nからなるp型コンタクト層11が形成されている。p型コンタクト層11には、図2に示すように、約250nmの直径を有し、p型クラッド層9中の発光波長λの約4/31/2倍にほぼ等しい約380nmの間隔(D)で6回対称に配列している複数の円形の貫通孔11aが形成されている。このような貫通孔11aを有するp型コンタクト層11は、本発明の「出射面と実質的に平行な面の面内方向に対して周期的に誘電率が変調された部分」の一例である。 On the upper surface of the p-type cladding layer 9, a p-type contact layer 11 made of single-crystal p-type Ga 0.95 In 0.05 N having a thickness of about 30 nm is formed. As shown in FIG. 2, the p-type contact layer 11 has an interval of about 380 nm having a diameter of about 250 nm and approximately equal to about 4/3 1/2 times the emission wavelength λ in the p-type cladding layer 9 ( In D), a plurality of circular through-holes 11a arranged symmetrically six times are formed. The p-type contact layer 11 having such a through-hole 11a is an example of the “part where the dielectric constant is periodically modulated with respect to the in-plane direction of the surface substantially parallel to the emission surface” of the present invention. .

なお、この第1参考形態では、発光層(活性層7)からの主発光波長λを約380nm、窒化物系半導体の屈折率を2.3として、間隔(D)の値を設計した。この間隔(D)は、p型クラッド層9中の発光波長λの約2/31/2倍に設計するのが好ましいが、その場合には、微細な加工が必要になる。このため、第1参考形態では、加工がより容易になるように、間隔(D)を、p型クラッド層9中の発光波長の約4/31/2倍に相当するように設計した。 In the first reference embodiment, the value of the interval (D) is designed by setting the main emission wavelength λ from the light emitting layer (active layer 7) to about 380 nm and the refractive index of the nitride semiconductor to 2.3. This distance (D) is preferably designed to be about 2/3 1/2 times the emission wavelength λ in the p-type cladding layer 9, but in that case, fine processing is required. For this reason, in the first reference embodiment, the distance (D) is designed to correspond to about 4/3 1/2 times the emission wavelength in the p-type cladding layer 9 so that the processing is easier.

また、p型コンタクト層11の貫通孔11aを埋め込むように、p型コンタクト層11の上面上に、p側電極12が形成されている。このp側電極12は、下層から上層に向かって、Ni層、Pd層またはPt層からなる約2nmの膜厚を有するオーミック電極層と、約200nmの膜厚を有するITO膜からなる酸化物透明電極層と、Al層、Ag層またはRh層からなる約1μmの膜厚を有する金属反射層と、Pt層またはTi層からなるバリア電極と、Au層またはAu−Sn層からなるパッド電極とから構成されている。   A p-side electrode 12 is formed on the upper surface of the p-type contact layer 11 so as to fill the through hole 11a of the p-type contact layer 11. This p-side electrode 12 consists of an ohmic electrode layer having a thickness of about 2 nm made of a Ni layer, a Pd layer or a Pt layer and a transparent oxide oxide made of an ITO film having a thickness of about 200 nm from the lower layer to the upper layer. An electrode layer, a metal reflective layer having a thickness of about 1 μm made of an Al layer, an Ag layer, or an Rh layer, a barrier electrode made of a Pt layer or a Ti layer, and a pad electrode made of an Au layer or an Au—Sn layer It is configured.

また、n型GaN基板1の裏面の外周辺部に沿った約50μmの幅の領域上に、n側電極16が形成されている。このn側電極16は、n型GaN基板1の裏面に近い側から順に、Al層からなるオーミック電極層と、Pt層またはTi層からなるバリア電極と、Au層またはAu−Sn層からなるパッド電極とから構成されている。第1参考形態の発光ダイオードは上記のような構造を有する。 An n-side electrode 16 is formed on a region having a width of about 50 μm along the outer peripheral portion of the back surface of the n-type GaN substrate 1. The n-side electrode 16 includes an ohmic electrode layer made of an Al layer, a barrier electrode made of a Pt layer or a Ti layer, and a pad made of an Au layer or an Au—Sn layer in order from the side closer to the back surface of the n-type GaN substrate 1. And electrodes. The light-emitting diode of the first reference form has the above structure.

また、上記した発光ダイオードのn側電極16の裏面上には、n型SiC、n型AlN、または、p型ダイヤモンドなどの良好な熱伝導性と導電性とを有する材料からなる平凹レンズ50が融着されている。この平凹レンズ50は、平面側がn型GaN基板1に向かうように、n側電極16に融着されている。ここで、平凹レンズ50は、本発明の「発光ダイオードからの出射光を拡散する手段」の一例である。上記した発光ダイオードと平凹レンズ50とによって、図1に示した第1参考形態の発光素子10が構成されている。 On the back surface of the n-side electrode 16 of the light emitting diode, a plano-concave lens 50 made of a material having good thermal conductivity and conductivity such as n-type SiC, n-type AlN, or p-type diamond is provided. It is fused. The plano-concave lens 50 is fused to the n-side electrode 16 so that the plane side faces the n-type GaN substrate 1. Here, the plano-concave lens 50 is an example of the “means for diffusing light emitted from the light emitting diode” in the present invention. The light emitting diode 10 of the first reference form shown in FIG. 1 is configured by the light emitting diode and the plano-concave lens 50 described above.

なお、第1参考形態による発光素子10を用いて照明装置を形成する場合には、上記発光ダイオードのp側電極12の上面をダイヤモンド、AlNまたはSiCからなるサブマウント(放熱台)(図示せず)に融着する。この場合、n側電極16が形成されているn型GaN基板1の裏面が出射面となり、図1の矢印で示す方向に光が出射される。 In the case of forming the illumination apparatus using the light-emitting element 10 according to the first reference embodiment, the submount (heat radiation block) comprising the upper surface of the p-side electrode 12 of the light emitting diodes diamond, from AlN or SiC (not shown ). In this case, the back surface of the n-type GaN substrate 1 on which the n-side electrode 16 is formed becomes the emission surface, and light is emitted in the direction indicated by the arrow in FIG.

次に、図1を参照して、第1参考形態による発光素子10の製造プロセスについて説明する。まず、酸素やSiがドープされた約2mm角で約200〜400μmの厚みを有するn型GaN基板1を準備する。そして、約1000℃〜約1200℃に保持した状態で、Hを約50%含有するH/N混合ガスからなるキャリアガスと、NHおよびトリメチルガリウム(TMGa)からなる原料ガスと、SiHからなるドーパントガスとを用いることにより、n型GaN基板1の(0001)Ga面上に、MOVPE法(Metal Organic Vapor Phase Epitaxy:有機金属気相成長法)を用いて、Siをドープした約5μmの膜厚を有する単結晶のn型GaN層4を約3μm/hの成長速度で成長させる。 Next, referring to FIG. 1, a description will be given of a manufacturing process of the light emitting device 10 according to the first reference embodiment. First, an n-type GaN substrate 1 having a thickness of about 200 to 400 μm and about 2 mm square doped with oxygen or Si is prepared. Then, while holding at about 1000 ° C. ~ about 1200 ° C., and a carrier gas consisting of H 2 / N 2 mixed gas containing H 2 to about 50%, and a starting gas consisting of NH 3 and trimethylgallium (TMGa), By using a dopant gas made of SiH 4 , Si was doped on the (0001) Ga surface of the n-type GaN substrate 1 using a MOVPE method (Metal Organic Vapor Phase Epitaxy). A single-crystal n-type GaN layer 4 having a thickness of about 5 μm is grown at a growth rate of about 3 μm / h.

次に、n型GaN基板1の温度を約1000℃〜約1200℃、好ましくは、約1150℃に保持した状態で、Hを約1%〜約3%含有するH/N混合ガスからなるキャリアガスと、NH、TMGaおよびトリメチルアルミニウム(TMAl)からなる原料ガスと、SiHからなるドーパントガスとを用いることにより、n型GaN層4上に、Siをドープした約0.15μmの膜厚を有する単結晶のn型Al0.1Ga0.9Nからなるn型クラッド層6を約3μm/hの成長速度で成長させる。 Next, an H 2 / N 2 mixed gas containing about 1% to about 3% of H 2 while maintaining the temperature of the n-type GaN substrate 1 at about 1000 ° C. to about 1200 ° C., preferably about 1150 ° C. About 0.15 μm doped with Si on the n-type GaN layer 4 by using a carrier gas composed of NH 3 , a source gas composed of TMGa and trimethylaluminum (TMAl), and a dopant gas composed of SiH 4. An n-type clad layer 6 made of single-crystal n-type Al 0.1 Ga 0.9 N having a thickness of 1 mm is grown at a growth rate of about 3 μm / h.

次に、n型GaN基板1の温度を約700℃〜約1000℃、好ましくは、約850℃に保持した状態で、Hを約1%〜約5%含有するH/N混合ガスからなるキャリアガスと、NH、トリエチルガリウム(TEGa)およびトリメチルインジウム(TMIn)からなる原料ガスとを用いることにより、n型クラッド層6上に、約5nmの膜厚を有する単結晶のアンドープGaNからなる6層の障壁層と、約5nmの膜厚を有する単結晶のアンドープGa0.9In0.1Nからなる5層の井戸層とが交互に積層されたMQW構造を有する活性層7を約0.4nm/sの成長速度で形成する。さらに連続して、約10nmの膜厚を有する単結晶のアンドープGaNからなる保護層8を約0.4nm/sの成長速度で成長させる。 Next, an H 2 / N 2 mixed gas containing about 1% to about 5% of H 2 while maintaining the temperature of the n-type GaN substrate 1 at about 700 ° C. to about 1000 ° C., preferably about 850 ° C. And a source gas consisting of NH 3 , triethylgallium (TEGa) and trimethylindium (TMIn) to form a single crystal undoped GaN having a film thickness of about 5 nm on the n-type cladding layer 6. An active layer 7 having an MQW structure in which six barrier layers made of and five well layers made of single-crystal undoped Ga 0.9 In 0.1 N having a thickness of about 5 nm are alternately stacked. At a growth rate of about 0.4 nm / s. Further, a protective layer 8 made of single-crystal undoped GaN having a thickness of about 10 nm is continuously grown at a growth rate of about 0.4 nm / s.

次に、GaN基板1の温度を約1000℃〜約1200℃、好ましくは、約1150℃に保持した状態で、Hを約1%〜約3%含有するH/N混合ガスからなるキャリアガスと、NH、TMGaおよびTMAlからなる原料ガスと、ビスシクロペンタディエニルマグネシウム(CpMg)からなるドーパントガスとを用いることにより、保護層8上に、Mgがドープされた約0.15μmの膜厚を有する単結晶のp型Al0.1Ga0.9Nからなるp型クラッド層9を約3μm/hの成長速度で成長させる。 Next, the GaN substrate 1 is composed of a H 2 / N 2 mixed gas containing about 1% to about 3% of H 2 while maintaining the temperature of the GaN substrate 1 at about 1000 ° C. to about 1200 ° C., preferably about 1150 ° C. By using a carrier gas, a source gas composed of NH 3 , TMGa and TMAl, and a dopant gas composed of biscyclopentadienylmagnesium (Cp 2 Mg), about 0 doped with Mg on the protective layer 8 A p-type cladding layer 9 made of single crystal p-type Al 0.1 Ga 0.9 N having a thickness of .15 μm is grown at a growth rate of about 3 μm / h.

次に、電子線描画などによるリソグラフィ技術とエッチング技術とを用いて、約250nmの直径の円柱状を有するとともに、p型クラッド層9中の発光波長λの約4/31/2倍にほぼ等しい約380nmの間隔で6回対称に配列しているSiN層(図示せず)を形成する。すなわち、図2に示した貫通孔11aが形成される位置に、円柱状のSiN層を形成する。このSiN層をマスクとして、MOVPE法を用いて、p型クラッド層9上に約30nmの膜厚を有する単結晶のp型Ga0.95In0.05Nからなるp型コンタクト層11を成長させる。このとき、GaN基板1の温度を約700℃〜約1000℃、好ましくは、約850℃に保持した状態で、Hを約1%〜約5%含有するH/N混合ガスからなるキャリアガスと、NH、TEGaおよびTMInからなる原料ガスと、CpMgからなるドーパントガスとを用いることにより、約0.4nm/sの成長速度でp型コンタクト層11を形成する。 Next, using a lithography technique such as electron beam lithography and an etching technique, it has a cylindrical shape with a diameter of about 250 nm and is approximately 4/3 1/2 times the emission wavelength λ in the p-type cladding layer 9. SiN layers (not shown) are formed which are arranged six times symmetrically at an equal interval of about 380 nm. That is, a cylindrical SiN layer is formed at a position where the through hole 11a shown in FIG. 2 is formed. Using this SiN layer as a mask, a p-type contact layer 11 made of single crystal p-type Ga 0.95 In 0.05 N having a film thickness of about 30 nm is grown on the p-type cladding layer 9 by using the MOVPE method. Let At this time, the GaN substrate 1 is made of a H 2 / N 2 mixed gas containing about 1% to about 5% of H 2 while maintaining the temperature of the GaN substrate 1 at about 700 ° C. to about 1000 ° C., preferably about 850 ° C. The p-type contact layer 11 is formed at a growth rate of about 0.4 nm / s by using a carrier gas, a source gas composed of NH 3 , TEGa, and TMIn and a dopant gas composed of Cp 2 Mg.

ここで、p型クラッド層9およびp型コンタクト層11をキャリアガスの水素濃度が低い条件(H:約1%〜約5%)で形成することにより、N雰囲気中で熱処理することなく、Mgドーパントが活性化される。これにより、p型クラッド層9およびp型コンタクト層11を高キャリア濃度のp型半導体層とすることができる。その後、p型クラッド層9上のSiN層(図示せず)を除去することにより、図2に示すような貫通孔11aを有するp型コンタクト層11が形成される。 Here, the p-type cladding layer 9 and the p-type contact layer 11 are formed under conditions where the hydrogen concentration of the carrier gas is low (H 2 : about 1% to about 5%), so that the heat treatment is not performed in an N 2 atmosphere. Mg dopant is activated. Thereby, the p-type cladding layer 9 and the p-type contact layer 11 can be made into a p-type semiconductor layer having a high carrier concentration. Thereafter, the SiN layer (not shown) on the p-type cladding layer 9 is removed to form the p-type contact layer 11 having a through hole 11a as shown in FIG.

この後、真空蒸着法などを用いて、p型コンタクト層11の貫通孔を埋め込むように、p型コンタクト層11の上面上に、Ni層、Pd層またはPt層からなる約2nmの膜厚を有するオーミック電極層と、約200nmの膜厚を有するITO膜からなる酸化物透明電極層と、Al層、Ag層またはRh層からなる約1μmの膜厚を有する金属反射層と、Pt層またはTi層からなるバリア電極と、Au層またはAu−Sn層からなるパッド電極とを順次形成することによって、p側電極12を形成する。また、n型GaN基板1の裏面の外周辺部に沿った約50μmの幅の領域上に、真空蒸着法などを用いて、Al層からなるオーミック電極層、Pt層またはTi層からなるバリア電極と、Au層またはAu−Sn層からなるパッド電極とを順次形成することによって、n側電極16を形成する。このようにして、第1参考形態の発光ダイオードが形成される。 Thereafter, a thickness of about 2 nm made of a Ni layer, a Pd layer, or a Pt layer is formed on the upper surface of the p-type contact layer 11 so as to embed the through hole of the p-type contact layer 11 by using a vacuum deposition method or the like. An ohmic electrode layer, an oxide transparent electrode layer made of an ITO film having a thickness of about 200 nm, a metal reflective layer having a thickness of about 1 μm made of an Al layer, an Ag layer or an Rh layer, and a Pt layer or Ti The p-side electrode 12 is formed by sequentially forming a barrier electrode made of a layer and a pad electrode made of an Au layer or an Au—Sn layer. Further, an ohmic electrode layer made of an Al layer, a barrier electrode made of a Pt layer, or a Ti layer is formed on a region having a width of about 50 μm along the outer peripheral portion of the back surface of the n-type GaN substrate 1 using a vacuum deposition method or the like. Then, the n-side electrode 16 is formed by sequentially forming a pad electrode made of an Au layer or an Au—Sn layer. In this way, the light emitting diode of the first reference form is formed.

最後に、n型GaN基板1の裏面上に、n側電極16を介して、n型SiC、n型AlNまたはp型ダイヤモンドなどの良好な熱伝導性と導電性とを有する材料からなる平凹レンズ50を、平凹レンズ50のn型GaN基板1に向かうように融着する。このようにして、本発明の第1参考形態による発光素子10が形成される。 Finally, a plano-concave lens made of a material having good thermal conductivity and conductivity, such as n-type SiC, n-type AlN, or p-type diamond, on the back surface of the n-type GaN substrate 1 via an n-side electrode 16. 50 is fused so as to face the n-type GaN substrate 1 of the plano-concave lens 50. Thus, the light emitting device 10 according to the first reference embodiment of the present invention is formed.

第1参考形態では、上記のように、p型コンタクト層11の貫通孔11aの間隔D(図2参照)を、p型クラッド層9中の発光波長λの約4/31/2倍にするとともに、上記貫通孔11aに、p側電極12を構成するオーミック電極層および酸化物透明電極層を埋め込むことによって、p型コンタクト層11を、面内方向に対して周期的に誘電率が変調された2次元フォトニック結晶として機能させることができる。また、上記構造を有するp型コンタクト層11を、発光ダイオードの出射面であるGaN基板1の裏面と平行な面上に形成することにより、発光ダイオードからの発光は出射面に対して垂直な光に平行化されるので、光取り出し効率を高くすることができる。また、上記出射面上に平凹レンズ50を設けることによって、平凹レンズ50の凹面により上記出射面に対して垂直な方向に平行化された出射光を、容易に、種々の方向に拡散することができる。その結果、光取り出し効率が高く、かつ、拡散光を出射することが可能な発光ダイオードを得ることができる。 In the first reference embodiment, as described above, the interval D (see FIG. 2) of the through holes 11a of the p-type contact layer 11 is set to about 4/3 1/2 times the emission wavelength λ in the p-type cladding layer 9. In addition, by embedding the ohmic electrode layer and the oxide transparent electrode layer constituting the p-side electrode 12 in the through hole 11a, the dielectric constant of the p-type contact layer 11 is periodically modulated in the in-plane direction. It can function as a two-dimensional photonic crystal. In addition, by forming the p-type contact layer 11 having the above structure on a surface parallel to the back surface of the GaN substrate 1 that is the emission surface of the light emitting diode, light emitted from the light emitting diode is light perpendicular to the emission surface. The light extraction efficiency can be increased. Further, by providing the plano-concave lens 50 on the exit surface, the exit light collimated in a direction perpendicular to the exit surface by the concave surface of the plano-concave lens 50 can be easily diffused in various directions. it can. As a result, a light emitting diode having high light extraction efficiency and capable of emitting diffused light can be obtained.

また、第1参考形態では、平凹レンズ50を、n型SiC、n型AlNまたはp型ダイヤモンドなどの熱伝導率の良好な材料から構成することによって、容易に、発光ダイオードに発生する熱を放熱することができる。その結果、より大きな電流で発光素子を動作させることができるので、出射光の強度を向上させることができる。また、平凹レンズ50に放熱フィンなどの放熱部を取り付けるようにすれば、より容易に、放熱することができる。 In the first reference embodiment, the plano-concave lens 50 is made of a material having good thermal conductivity such as n-type SiC, n-type AlN, or p-type diamond, so that heat generated in the light-emitting diode can be easily radiated. can do. As a result, the light emitting element can be operated with a larger current, so that the intensity of the emitted light can be improved. Further, if a heat radiating part such as a heat radiating fin is attached to the plano-concave lens 50, heat can be radiated more easily.

また、第1参考形態では、平凹レンズ50を、n型SiCなどの導電性を有する材料により形成するとともに、発光ダイオードのn側電極16と平凹レンズ50とを密着して形成することにより、発光ダイオードと平凹レンズ50との電気的な接続を行うことができる。これにより、平凹レンズ50に発光ダイオードの電極を形成することができるので、発光ダイオードに直接配線する必要がない。このため、発光ダイオードの組み立てが容易になるので、発光ダイオードの信頼性を向上させることができる。また、出射面上に配線を行う必要がないので、配線が出射光を遮ることがない。その結果、発光ダイオードからの出射光の強度を向上させることができる。 In the first reference embodiment, the plano-concave lens 50 is formed of a conductive material such as n-type SiC, and the n-side electrode 16 of the light-emitting diode and the plano-concave lens 50 are formed in close contact with each other, thereby emitting light. Electrical connection between the diode and the plano-concave lens 50 can be made. Thereby, since the electrode of a light emitting diode can be formed in the plano-concave lens 50, it is not necessary to wire directly to a light emitting diode. For this reason, since the assembly of the light emitting diode becomes easy, the reliability of the light emitting diode can be improved. In addition, since there is no need to perform wiring on the exit surface, the wiring does not block outgoing light. As a result, the intensity of light emitted from the light emitting diode can be improved.

また、第1参考形態において、p側電極12を構成するオーミック電極層の膜厚を小さく形成すれば、光の吸収を小さくすることができる。また、p側電極12を構成する酸化物透明電極層により、p側電極12を構成するオーミック電極層と金属反射層とが反応することを抑制することができる。また、p側電極12を構成するバリア電極によって、p側電極12を構成する金属反射層とパッド電極との反応を抑制することができる。また、n側電極16を構成するバリア電極によって、n側電極16を構成するオーミック電極層とパッド電極との反応を抑制することができる。 Further, in the first reference embodiment, if the thickness of the ohmic electrode layer constituting the p-side electrode 12 is formed small, light absorption can be reduced. Further, the oxide transparent electrode layer constituting the p-side electrode 12 can suppress the reaction between the ohmic electrode layer constituting the p-side electrode 12 and the metal reflection layer. Further, the barrier electrode constituting the p-side electrode 12 can suppress the reaction between the metal reflective layer constituting the p-side electrode 12 and the pad electrode. Further, the barrier electrode constituting the n-side electrode 16 can suppress the reaction between the ohmic electrode layer constituting the n-side electrode 16 and the pad electrode.

(第2参考形態)
図3は、本発明の第2参考形態による発光素子の構造を説明するための断面図である。また、図4は、本発明の第2参考形態による金属層の平面構造を説明するための上面図である。まず、図3および図4を参照して、この第2参考形態では、上記第1参考形態と異なり、裏面(光の出射面)側に誘電率が周期的に変調された部分(2次元フォトニック結晶)を形成した発光素子20の構造について説明する。この第2参考形態による発光素子20は、発光ダイオードと、平凹レンズ50とを含んでいる。
(Second reference form)
Figure 3 is a cross-sectional view for illustrating a structure of a light-emitting device according to a second referential embodiment of the present invention. 4 is a top view for illustrating the planar structure of the metal layer according to the second referential embodiment of the present invention. First, referring to FIG. 3 and FIG. 4, in the second reference embodiment, unlike the first reference embodiment, a portion (two-dimensional photo) whose permittivity is periodically modulated on the back surface (light emitting surface) side. The structure of the light emitting element 20 in which the nick crystal is formed will be described. The light emitting element 20 according to the second reference embodiment includes a light emitting diode and a plano-concave lens 50.

第2参考形態による発光ダイオードでは、Siをドープした単結晶のn型GaN層24の上面上に、Siをドープした約40nmの膜厚を有する単結晶のn型Al0.2Ga0.8N層とSiをドープした約40nmの膜厚を有する単結晶のn型GaN層とが交互に10層ずつ積層されたn型多層反射層25が形成されている。n型多層反射層25上には、Siをドープした約0.15μmの膜厚を有する単結晶のn型Al0.1Ga0.9N層からなるn型クラッド層26が形成されている。n型クラッド層26上には、約5nmの膜厚を有する単結晶のアンドープGa0.8In0.2N井戸層からなる単一量子井戸(SQW)構造を有するSQW活性層27が形成されている。 The light emitting diode according to the second reference embodiment, on the upper surface of the n-type GaN layer 24 of a single crystal doped with Si, n-type single crystal having a thickness of about 40nm doped with Si Al 0.2 Ga 0.8 An n-type multilayer reflective layer 25 is formed, in which N layers and single-crystal n-type GaN layers having a thickness of about 40 nm doped with Si are alternately laminated by 10 layers. On the n-type multilayer reflective layer 25, an n-type cladding layer 26 made of a single crystal n-type Al 0.1 Ga 0.9 N layer having a thickness of about 0.15 μm doped with Si is formed. . On the n-type cladding layer 26, an SQW active layer 27 having a single quantum well (SQW) structure composed of a single-crystal undoped Ga 0.8 In 0.2 N well layer having a thickness of about 5 nm is formed. ing.

SQW活性層27上には、約10nmの膜厚を有する単結晶のアンドープGaNからなる保護層28、および、Mgをドープした約0.15μmの膜厚を有する単結晶のp型Al0.1Ga0.9Nからなるp型クラッド層29が、この順に形成されている。p型クラッド層29上には、Mgをドープした約40nmの膜厚を有する単結晶のp型Al0.2Ga0.8N層とMgをドープした約40nmの膜厚を有する単結晶のp型GaN層とが交互に10層ずつ積層したp型多層反射層30が形成されている。p型多層反射層30上には、Mgがドープされた約30nmの膜厚を有する単結晶のp型Ga0.95In0.05Nからなるp型コンタクト層31が形成されている。 On the SQW active layer 27, a protective layer 28 made of single-crystal undoped GaN having a thickness of about 10 nm, and a single-crystal p-type Al 0.1 having a thickness of about 0.15 μm doped with Mg. A p-type cladding layer 29 made of Ga 0.9 N is formed in this order. On the p-type cladding layer 29, a single-crystal p-type Al 0.2 Ga 0.8 N layer doped with Mg and having a thickness of about 40 nm and a single-crystal layer doped with Mg and having a thickness of about 40 nm are formed. A p-type multilayer reflective layer 30 in which 10 p-type GaN layers are alternately stacked is formed. On the p-type multilayer reflective layer 30, a p-type contact layer 31 made of single crystal p-type Ga 0.95 In 0.05 N having a thickness of about 30 nm doped with Mg is formed.

また、p型コンタクト層31の上面上には、p側電極32が形成されている。このp側電極32は、下層から上層に向かって、Ni層、Pd層またはPt層からなる約2nmの膜厚を有するオーミック電極層と、約200nmの膜厚を有するITO膜からなる酸化物透明電極層と、Al層、Ag層またはRh層からなる約1μmの膜厚を有する金属反射層と、Pt層またはTi層からなるバリア電極と、Au層またはAu−Sn層からなるパッド電極とから構成されている。   A p-side electrode 32 is formed on the upper surface of the p-type contact layer 31. The p-side electrode 32 is composed of an ohmic electrode layer having a thickness of about 2 nm composed of a Ni layer, a Pd layer or a Pt layer and a transparent oxide made of an ITO film having a thickness of about 200 nm from the lower layer to the upper layer. An electrode layer, a metal reflective layer having a thickness of about 1 μm made of an Al layer, an Ag layer, or an Rh layer, a barrier electrode made of a Pt layer or a Ti layer, and a pad electrode made of an Au layer or an Au—Sn layer It is configured.

また、p側電極32の上面上には、約200μm〜約1mmの厚みを有する支持基板33が形成されている。この支持基板33は、p型ダイヤモンド基板、n型SiC基板、および、多結晶AlN基板などからなる。支持基板33の表面および裏面には、それぞれ、支持基板33側からAl層、Pt層、Au層の順に積層された、Al/Pt/Au層からなる電極37および38が形成されている。そして、この支持基板33は、電極37を介して、p側電極32に貼り合わされている。   A support substrate 33 having a thickness of about 200 μm to about 1 mm is formed on the upper surface of the p-side electrode 32. The support substrate 33 is made of a p-type diamond substrate, an n-type SiC substrate, a polycrystalline AlN substrate, or the like. On the front surface and the back surface of the support substrate 33, electrodes 37 and 38 made of an Al / Pt / Au layer, which are laminated in this order from the support substrate 33 side in the order of an Al layer, a Pt layer, and an Au layer, are formed. The support substrate 33 is bonded to the p-side electrode 32 via the electrode 37.

ここで、第2参考形態では、n型GaN層24の裏面上に、約50nmの膜厚を有するAl層からなる金属層34が形成されている。この金属層34には、図4に示すように、約120nmの直径を有し、p型クラッド層29中の発光波長λにほぼ等しい約190nmの間隔(D)で4回対称に配列している円形の複数の貫通孔34aが形成されている。このような貫通孔34aを有する金属層34は、本発明の「出射面と実質的に平行な面の面内方向に対して周期的に誘電率が変調された部分」の一例である。なお、発光層(SQW活性層27)からの主発光波長λを約440nm、窒化物系半導体の屈折率を2.3として、間隔(D)の値を設計した。また、金属層34の裏面上には、金属層34の貫通孔34aを埋め込むように、ITOなどの酸化物透明導電膜からなるn側電極35が形成されている。また、n側電極35の裏面の外周辺部に沿った約50μmの幅の領域上に、Au層またはAu−Sn層からなるパッド電極36が形成されている。第2参考形態の発光ダイオードは上記のような構造を有する。 Here, in the second reference embodiment, a metal layer 34 made of an Al layer having a thickness of about 50 nm is formed on the back surface of the n-type GaN layer 24. As shown in FIG. 4, the metal layer 34 has a diameter of about 120 nm and is arranged four times symmetrically with an interval (D) of about 190 nm, which is substantially equal to the emission wavelength λ in the p-type cladding layer 29. A plurality of circular through holes 34a are formed. The metal layer 34 having such a through-hole 34a is an example of the “part in which the dielectric constant is periodically modulated with respect to the in-plane direction of the surface substantially parallel to the emission surface” of the present invention. The distance (D) was designed with the main emission wavelength λ from the light emitting layer (SQW active layer 27) being about 440 nm and the refractive index of the nitride-based semiconductor being 2.3. Further, an n-side electrode 35 made of an oxide transparent conductive film such as ITO is formed on the back surface of the metal layer 34 so as to fill the through hole 34 a of the metal layer 34. A pad electrode 36 made of an Au layer or an Au—Sn layer is formed on a region having a width of about 50 μm along the outer peripheral portion of the back surface of the n-side electrode 35. The light emitting diode of the second reference form has the above structure.

また、第2参考形態では、発光ダイオードのパッド電極36の裏面上に、n型SiC、n型AlNまたはp型ダイヤモンドなどの良好な熱伝導性と導電性とを有する材料からなる平凹レンズ50が、その平面側がn側電極35に向かうように融着されている。なお、平凹レンズ50は、本発明の「発光ダイオードからの出射光を拡散する手段」の一例である。上記した発光ダイオードと平凹レンズとによって、図3に示した第2参考形態による発光素子20が構成されている。 In the second reference embodiment, a plano-concave lens 50 made of a material having good thermal conductivity and conductivity, such as n-type SiC, n-type AlN, or p-type diamond, is provided on the back surface of the pad electrode 36 of the light emitting diode. The plane side is fused so as to face the n-side electrode 35. The plano-concave lens 50 is an example of the “means for diffusing emitted light from the light emitting diode” in the present invention. By a light emitting diode and a plano-concave lens as described above, the light emitting element 20 is constituted by the second reference embodiment shown in FIG.

なお、上記第2参考形態による発光素子20においては、n側電極35の裏面が光の出射面となり、図3の矢印で示す方向に光が出射される。 In the light emitting element 20 according to the second reference embodiment, the back surface of the n-side electrode 35 serves as a light emission surface, and light is emitted in the direction indicated by the arrow in FIG.

図5は、図3に示した第2参考形態による発光素子の製造プロセスを説明するための断面図である。次に、図3〜図5を参照して、第2参考形態による発光素子20の製造プロセスについて説明する。 Figure 5 is a sectional view for illustrating a manufacturing process of a light emitting device according to the second reference embodiment shown in FIG. Next, with reference to FIGS. 3-5, the manufacturing process of the light emitting element 20 by a 2nd reference form is demonstrated.

まず、図5に示すように、GaP、GaAsまたはSiなどの(111)面(またはGa面)からなる表面を有する半導体基板21を準備する。そして、半導体基板21の上面上に、ストライプ状の開口部や六角形または円形の開口部が点在するSiOやSiNなどからなる選択成長マスク22を形成する。この後、半導体基板21の温度を約400℃〜約700℃に保持した状態で、NH、TMGa、および、TMAlからなる原料ガスと、SiHからなるドーパントガスとを用いることにより、選択成長マスク22間に露出した半導体基板21の表面上に、MOVPE法を用いて、Siをドープした約10nm〜約50nmの膜厚を有する非単結晶のn型GaN、AlGaNまたはAlNからなるn型低温バッファ層23を形成する。 First, as shown in FIG. 5, a semiconductor substrate 21 having a surface made of (111) plane (or Ga plane) such as GaP, GaAs or Si is prepared. Then, a selective growth mask 22 made of SiO 2 , SiN x or the like interspersed with stripe-shaped openings or hexagonal or circular openings is formed on the upper surface of the semiconductor substrate 21. Thereafter, selective growth is performed by using a source gas composed of NH 3 , TMGa, and TMAl and a dopant gas composed of SiH 4 while maintaining the temperature of the semiconductor substrate 21 at about 400 ° C. to about 700 ° C. On the surface of the semiconductor substrate 21 exposed between the masks 22, an n-type low temperature composed of non-single-crystal n-type GaN, AlGaN or AlN having a thickness of about 10 nm to about 50 nm doped with Si using the MOVPE method. A buffer layer 23 is formed.

次に、半導体基板21を約1000℃〜約1200℃、好ましくは、約1150℃に保持した状態で、Hを約50%含有するH/N混合ガスからなるキャリアガスと、NHおよびTMGaからなる原料ガスと、SiHからなるドーパントガスとを用いることにより、n型低温バッファ層23上に、n型GaN層24を約3μm/hの成長速度で成長させる。 Then, the semiconductor substrate 21 about 1000 ° C. ~ about 1200 ° C., preferably being maintained at about 1150 ° C., and a carrier gas consisting of H 2 / N 2 mixed gas containing H 2 to about 50%, NH 3 Further, by using a source gas made of TMGa and a dopant gas made of SiH 4 , the n-type GaN layer 24 is grown on the n-type low-temperature buffer layer 23 at a growth rate of about 3 μm / h.

次に、半導体基板21の温度を約1000℃〜約1200℃、好ましくは、約1150℃に保持した状態で、Hを約1%〜約3%含有するH/N混合ガスからなるキャリアガスと、NH、TMGaおよびTMAlからなる原料ガスと、SiHからなるドーパントガスとを用いることにより、n型GaN層24上に、Siをドープした約40nmの膜厚を有する単結晶のn型Al0.2Ga0.8N層とSiをドープした約40nmの膜厚を有する単結晶のn型GaN層とが交互に10層ずつ積層したn型多層反射層25を約3μm/hの成長速度で成長させる。 Next, the semiconductor substrate 21 is composed of an H 2 / N 2 mixed gas containing about 1% to about 3% of H 2 while maintaining the temperature of the semiconductor substrate 21 at about 1000 ° C. to about 1200 ° C., preferably about 1150 ° C. By using a carrier gas, a source gas composed of NH 3 , TMGa and TMAl, and a dopant gas composed of SiH 4 , a single crystal having a thickness of about 40 nm doped with Si is formed on the n-type GaN layer 24. An n-type multilayer reflective layer 25 in which n-type Al 0.2 Ga 0.8 N layers and Si-doped single crystal n-type GaN layers having a film thickness of about 40 nm are alternately laminated in layers of about 10 μm / Grow at a growth rate of h.

次に、半導体基板21の温度を約1000℃〜約1200℃、好ましくは、約1150℃に保持した状態で、Hを約1%〜約3%含有するH/N混合ガスからなるキャリアガスと、NH、TMGaおよびTMAlからなる原料ガスと、SiHからなるドーパントガスとを用いることにより、n型多層反射層25上に、Siをドープした約0.15μmの膜厚を有する単結晶のn型Al0.1Ga0.9N層からなるn型クラッド層26を約3μm/hの成長速度で成長させる。 Next, the semiconductor substrate 21 is composed of an H 2 / N 2 mixed gas containing about 1% to about 3% of H 2 while maintaining the temperature of the semiconductor substrate 21 at about 1000 ° C. to about 1200 ° C., preferably about 1150 ° C. By using a carrier gas, a source gas made of NH 3 , TMGa and TMAl, and a dopant gas made of SiH 4 , the n-type multilayer reflective layer 25 has a film thickness of about 0.15 μm doped with Si. An n-type cladding layer 26 made of a single crystal n-type Al 0.1 Ga 0.9 N layer is grown at a growth rate of about 3 μm / h.

次に、半導体基板21の温度を約700℃〜約1000℃、好ましくは、約850℃に保持した状態で、Hを約1%〜約5%含有するH/N混合ガスからなるキャリアガスと、NH、TEGaおよびTMInからなる原料ガスとを用いることにより、n型クラッド層26上に、約5nmの膜厚を有する単結晶のアンドープGa0.8In0.2N井戸層からなるSQW活性層27を約0.4nm/sの成長速度で成長させる。さらに連続して、約10nmの膜厚を有する単結晶のアンドープGaNからなる保護層28を約0.4nm/sの成長速度で成長させる。 Next, the semiconductor substrate 21 is composed of an H 2 / N 2 mixed gas containing about 1% to about 5% of H 2 while maintaining the temperature of the semiconductor substrate 21 at about 700 ° C. to about 1000 ° C., preferably about 850 ° C. By using a carrier gas and a source gas composed of NH 3 , TEGa and TMIn, a single-crystal undoped Ga 0.8 In 0.2 N well layer having a thickness of about 5 nm is formed on the n-type cladding layer 26. The SQW active layer 27 is grown at a growth rate of about 0.4 nm / s. Further, a protective layer 28 made of single-crystal undoped GaN having a thickness of about 10 nm is continuously grown at a growth rate of about 0.4 nm / s.

次に、半導体基板21の温度を約1000℃〜約1200℃、好ましくは、約1150℃に保持した状態で、Hを約1%〜約3%含有するH/N混合ガスからなるキャリアガスと、NH、TMGaおよびTMAlからなる原料ガスと、CpMgからなるドーパントガスとを用いることにより、保護層28上に、Mgをドープした約0.15μmの膜厚を有する単結晶のp型Al0.1Ga0.9Nからなるp型クラッド層29を約3μm/hの成長速度で形成する。 Next, the semiconductor substrate 21 is composed of an H 2 / N 2 mixed gas containing about 1% to about 3% of H 2 while maintaining the temperature of the semiconductor substrate 21 at about 1000 ° C. to about 1200 ° C., preferably about 1150 ° C. A single crystal having a thickness of about 0.15 μm doped with Mg on the protective layer 28 by using a carrier gas, a source gas made of NH 3 , TMGa and TMAl, and a dopant gas made of Cp 2 Mg. A p-type cladding layer 29 made of p-type Al 0.1 Ga 0.9 N is formed at a growth rate of about 3 μm / h.

次に、半導体基板21の温度を約1000℃〜約1200℃、好ましくは、約1150℃に保持した状態で、Hを約1%〜約3%含有するH/N混合ガスからなるキャリアガスと、NH、TMGaおよびTMAlからなる原料ガスと、CpMgからなるドーパントガスとを用いることにより、p型クラッド層29上に、Mgをドープした約40nmの膜厚を有する単結晶のp型Al0.2Ga0.8N層とMgをドープした約40nmの膜厚を有する単結晶のp型GaN層とが交互に10層ずつ積層したp型多層反射層30を約3μm/hの成長速度で成長させる。 Next, the semiconductor substrate 21 is composed of an H 2 / N 2 mixed gas containing about 1% to about 3% of H 2 while maintaining the temperature of the semiconductor substrate 21 at about 1000 ° C. to about 1200 ° C., preferably about 1150 ° C. A single crystal having a film thickness of about 40 nm doped with Mg on the p-type cladding layer 29 by using a carrier gas, a source gas made of NH 3 , TMGa and TMAl, and a dopant gas made of Cp 2 Mg. P-type multilayer reflective layer 30 in which 10 p-type Al 0.2 Ga 0.8 N layers and Mg-doped single-crystal p-type GaN layers having a film thickness of about 40 nm are alternately laminated by about 3 μm. Grow at a growth rate of / h.

ここで、p型クラッド層29およびp型多層反射層30を、キャリアガスの水素濃度が低い条件(H:約1%〜約3%)で形成することにより、N雰囲気中で熱処理することなく、Mgドーパントが活性化される。これにより、p型クラッド層29およびp型多層反射層30を高キャリア濃度のp型半導体層とすることができる。 Here, the p-type cladding layer 29 and the p-type multilayer reflective layer 30 are heat-treated in an N 2 atmosphere by forming them under conditions where the hydrogen concentration of the carrier gas is low (H 2 : about 1% to about 3%). Without activation, the Mg dopant is activated. Thereby, the p-type cladding layer 29 and the p-type multilayer reflective layer 30 can be made into a p-type semiconductor layer having a high carrier concentration.

次に、半導体基板21の温度を約700℃〜約1000℃、好ましくは、約850℃に保持した状態で、Hを約1%〜約5%含有するH/N混合ガスからなるキャリアガスと、NH、TEGaおよびTMInからなる原料ガスとを用いることにより、p型多層反射層30上に、約30nmの膜厚を有する単結晶のアンドープGa0.95In0.05Nからなるコンタクト層31を約0.4nm/sの成長速度で成長させる。 Next, the semiconductor substrate 21 is composed of an H 2 / N 2 mixed gas containing about 1% to about 5% of H 2 while maintaining the temperature of the semiconductor substrate 21 at about 700 ° C. to about 1000 ° C., preferably about 850 ° C. By using a carrier gas and a source gas composed of NH 3 , TEGa and TMIn, a single crystal undoped Ga 0.95 In 0.05 N having a thickness of about 30 nm is formed on the p-type multilayer reflective layer 30. The resulting contact layer 31 is grown at a growth rate of about 0.4 nm / s.

次に、半導体基板21の温度を約400℃〜約900℃、好ましくは、約800℃に保持した状態で、N雰囲気中でアニールすることにより、コンタクト層31から水素を脱離させる。これにより、コンタクト層31中の水素濃度を約5×1018cm−3以下にする。その後、コンタクト層31にMgを約1×1018cm−3〜約1×1019cm−3の注入量でイオン注入した後、約800℃でN雰囲気中でアニールすることにより、コンタクト層31をp型化する。 Next, hydrogen is desorbed from the contact layer 31 by annealing in a N 2 atmosphere while maintaining the temperature of the semiconductor substrate 21 at about 400 ° C. to about 900 ° C., preferably about 800 ° C. Thereby, the hydrogen concentration in the contact layer 31 is set to about 5 × 10 18 cm −3 or less. Thereafter, Mg is implanted into the contact layer 31 at an implantation amount of about 1 × 10 18 cm −3 to about 1 × 10 19 cm −3 , and then annealed in an N 2 atmosphere at about 800 ° C. 31 is made p-type.

この後、真空蒸着法などを用いて、コンタクト層31の上面上に、下層から上層に向かって、Ni層、Pd層またはPt層からなる約2nmの膜厚を有するオーミック電極層と、約200nmの膜厚を有するITO膜からなる酸化物透明電極層と、Al層、Ag層またはRh層からなる約1μmの膜厚を有する金属反射層と、Pt層またはTi層からなるバリア電極と、Au層またはAu−Sn層からなるパッド電極とから構成されるp側電極32を形成する。   Thereafter, an ohmic electrode layer having a thickness of about 2 nm made of a Ni layer, a Pd layer, or a Pt layer is formed on the upper surface of the contact layer 31 from the lower layer to the upper layer using a vacuum deposition method or the like, and about 200 nm. An oxide transparent electrode layer made of an ITO film having a thickness of 1 mm, a metal reflective layer having a thickness of about 1 μm made of an Al layer, an Ag layer or an Rh layer, a barrier electrode made of a Pt layer or a Ti layer, and Au A p-side electrode 32 composed of a layer or a pad electrode made of an Au—Sn layer is formed.

また、表面および裏面にそれぞれAl/Pt/Auからなる電極37および38が形成され、p型ダイヤモンド基板、n型SiC基板および多結晶AlN基板からなる約200μm〜約1mmの厚みを有する支持基板33を準備する。そして、p側電極32の上面上に、支持基板33を、電極37を介して貼り合わせる。   Further, electrodes 37 and 38 made of Al / Pt / Au are formed on the front and back surfaces, respectively, and a support substrate 33 made of a p-type diamond substrate, an n-type SiC substrate and a polycrystalline AlN substrate and having a thickness of about 200 μm to about 1 mm. Prepare. Then, the support substrate 33 is bonded to the upper surface of the p-side electrode 32 via the electrode 37.

次に、半導体基板21をウエットエッチングなどにより除去した後、研磨などにより、選択成長マスク22およびn型低温バッファ層23を除去することにより、n型GaN層24の裏面を露出させる。   Next, after removing the semiconductor substrate 21 by wet etching or the like, the back surface of the n-type GaN layer 24 is exposed by removing the selective growth mask 22 and the n-type low-temperature buffer layer 23 by polishing or the like.

次に、図3に示したように、真空蒸着法などを用いて、露出されたn型GaN層24の裏面上に、約50nmの膜厚を有するAl層からなる金属層34を形成する。その後、上記第1参考形態のp型コンタクト層11の貫通孔11aの形成プロセスと同様のプロセスを用いて、金属層34に、図4に示したような約120nmの直径を有するとともに、p型クラッド層29中の発光波長λにほぼ等しい約190nmの間隔(D)で4回対称に配列している円形の貫通孔34aを形成する。 Next, as shown in FIG. 3, a metal layer 34 made of an Al layer having a thickness of about 50 nm is formed on the exposed back surface of the n-type GaN layer 24 using a vacuum deposition method or the like. Thereafter, using a process similar to the process of forming the through hole 11a of the p-type contact layer 11 of the first reference embodiment, the metal layer 34 has a diameter of about 120 nm as shown in FIG. Circular through-holes 34a arranged symmetrically four times are formed at an interval (D) of about 190 nm which is substantially equal to the emission wavelength λ in the cladding layer 29.

次に、金属層34の貫通孔34aを埋め込むように、金属層34の裏面上に、ITO膜などの酸化物透明導電膜からなるn側電極35を形成する。さらに、n側電極35の裏面の外周辺部に沿った約50μmの幅の領域上に、Au層またはAu−Sn層からなるパッド電極36を形成する。このようにして、第2参考形態の発光ダイオードが形成される。 Next, an n-side electrode 35 made of an oxide transparent conductive film such as an ITO film is formed on the back surface of the metal layer 34 so as to fill the through hole 34 a of the metal layer 34. Further, a pad electrode 36 made of an Au layer or an Au—Sn layer is formed on a region having a width of about 50 μm along the outer peripheral portion of the back surface of the n-side electrode 35. In this way, the light emitting diode of the second reference form is formed.

次に、パッド電極36を介して、n側電極35の裏面上に、n型SiC、n型AlNまたはp型ダイヤモンドなどの良好な熱伝導性と導電性とを有する材料からなる平凹レンズ50を、平面側がn側電極35に向かうように融着する。このようにして、図3に示した発光ダイオードと平凹レンズ50とからなる第2参考形態の発光素子20が形成される。 Next, a plano-concave lens 50 made of a material having good thermal conductivity and conductivity, such as n-type SiC, n-type AlN, or p-type diamond, is provided on the back surface of the n-side electrode 35 through the pad electrode 36. , So that the plane side faces the n-side electrode 35. In this way, the light emitting element 20 of the second reference embodiment composed of the light emitting diode and the plano-concave lens 50 shown in FIG. 3 is formed.

第2参考形態では、上記のように、金属層34の貫通孔34aの間隔D(図4参照)を、p型クラッド層29中の発光波長λにほぼ等しくなるように設定するとともに、上記貫通孔34aに、n側電極35を構成する酸化物透明導電膜を埋め込むことによって、金属層34を、面内方向に対して周期的に誘電率が変調された2次元フォトニック結晶として機能させることができる。このような構造を有する金属層34を、発光ダイオードの出射面であるn側電極35の裏面と平行な面上に形成することによって、発光ダイオードからの発光は出射面に対して垂直な光に平行化されるので、光取り出し効率を高くすることができる。また、上記出射面上に平凹レンズ50を設けることによって、上記出射面に対して垂直な方向に平行化された出射光を、容易に、種々の方向に拡散させることができる。その結果、光取り出し効率が高く、かつ、拡散光を出射することが可能な発光素子20を得ることができる。 In the second reference embodiment, as described above, the interval D (see FIG. 4) between the through holes 34a of the metal layer 34 is set to be substantially equal to the emission wavelength λ in the p-type cladding layer 29, and By embedding a transparent oxide conductive film constituting the n-side electrode 35 in the hole 34a, the metal layer 34 functions as a two-dimensional photonic crystal whose dielectric constant is periodically modulated in the in-plane direction. Can do. By forming the metal layer 34 having such a structure on a surface parallel to the back surface of the n-side electrode 35 which is the emission surface of the light emitting diode, light emission from the light emitting diode is converted into light perpendicular to the emission surface. Since it is made parallel, light extraction efficiency can be increased. Further, by providing the plano-concave lens 50 on the emission surface, the emitted light parallelized in a direction perpendicular to the emission surface can be easily diffused in various directions. As a result, it is possible to obtain the light emitting element 20 having high light extraction efficiency and capable of emitting diffused light.

(第3参考形態)
図6は、本発明の第3参考形態による発光素子を用いた照明装置の構造を説明するための断面図である。図6を参照して、この第3参考形態では、第1参考形態の発光素子10を構成する発光ダイオード41を含む照明装置40について説明する。
(3rd reference form)
Figure 6 is a cross-sectional view illustrating the structure of a lighting device using a light emitting device according to a third referential embodiment of the present invention. With reference to FIG. 6, this 3rd reference form demonstrates the illuminating device 40 containing the light emitting diode 41 which comprises the light emitting element 10 of a 1st reference form.

この第3参考形態による照明装置40では、図1に示した第1参考形態の発光素子10から平凹レンズ50を除いた構造を有する発光ダイオード41を用いている。この発光ダイオード41は、出射面を上方に向けて、Cuなどの高熱伝導性材料からなる発光素子パッケージ42の内側底面に、Au‐Sn半田などの融着材によりボンディングされている。また、発光ダイオード41のn側電極(図示せず)およびp側電極(図示せず)は、ワイヤーボンディングにより、発光素子パッケージ42の端子43と電気的に接続されている。 The lighting device 40 according to the third reference embodiment uses a light emitting diode 41 having a structure in which the plano-concave lens 50 is removed from the light emitting element 10 according to the first reference embodiment shown in FIG. The light emitting diode 41 is bonded to the inner bottom surface of the light emitting element package 42 made of a highly thermally conductive material such as Cu with a fusion material such as Au—Sn solder with the emission surface facing upward. The n-side electrode (not shown) and the p-side electrode (not shown) of the light emitting diode 41 are electrically connected to the terminal 43 of the light emitting element package 42 by wire bonding.

発光素子パッケージ42の上部の開口面には、蛍光体44が配置されている。また、蛍光体44の上面上には、ガラス、石英または樹脂などからなる絶縁性の平凹レンズ55が配置されている。   A phosphor 44 is disposed on the upper opening surface of the light emitting element package 42. An insulating plano-concave lens 55 made of glass, quartz, resin, or the like is disposed on the upper surface of the phosphor 44.

第3参考形態では、上記のように、出射面と平凹レンズ55との間に蛍光体44を設置することによって、発光ダイオード41から出射面に対して垂直方向に平行化された出射光が散乱されるため、容易に、拡散光を得ることができる。また、平凹レンズ55によっても、出射光は拡散されるので、より容易に、拡散光を得ることができる。また、発光ダイオード41を、窒化物系半導体により構成することによって、発光ダイオード41からは青色〜紫外の範囲の短波長で高エネルギーの発光が出射されて蛍光体44に照射される。これにより、蛍光体44を用いて出射光の波長を、効率よく、出射光と異なる波長に変換することができるので、種々の蛍光体を組み合わせれば、照明用途に適した白色の発光を得ることができる。 In the third reference embodiment, as described above, the phosphor 44 is disposed between the emission surface and the plano-concave lens 55, whereby the emission light collimated in the direction perpendicular to the emission surface from the light emitting diode 41 is scattered. Therefore, diffused light can be easily obtained. Moreover, since the emitted light is diffused also by the plano-concave lens 55, the diffused light can be obtained more easily. Further, by configuring the light emitting diode 41 with a nitride-based semiconductor, the light emitting diode 41 emits high-energy light with a short wavelength in the range of blue to ultraviolet and irradiates the phosphor 44. Thereby, since the wavelength of the emitted light can be efficiently converted to a wavelength different from that of the emitted light using the phosphor 44, white light emission suitable for illumination can be obtained by combining various phosphors. be able to.

(第4参考形態)
図7は、本発明の第4参考形態による発光素子の構造を説明するための断面図である。図7を参照して、この第4参考形態では、上記第2参考形態の平凹レンズに変えて、凸面鏡を用いる場合の例について説明する。なお、第4参考形態のその他の構造は、上記第2参考形態と同様である。
(4th reference form)
Figure 7 is a cross-sectional view for illustrating a structure of a light-emitting device according to a fourth reference embodiment of the present invention. Referring to FIG. 7, in the fourth reference embodiment, an example in which a convex mirror is used instead of the plano-concave lens of the second reference embodiment will be described. The remaining structure of the fourth reference embodiment are the same as those of the second reference embodiment.

この第4参考形態による発光素子60は、図3に示した第2参考形態の発光素子20から平凹レンズ50を除いた構造を有する。すなわち、この第4参考形態の発光ダイオードは、面内方向に対して周期的に誘電率が変調された2次元フォトニック結晶として機能する金属層34を含んでいる。この発光ダイオードの光出射面に対向するように、光出射面から所定の間隔を隔てて、凸面鏡65が配置されている。この凸面鏡65は、樹脂またはガラスからなる凸状部の表面にAlまたはAgからなる反射膜がコーティングされることにより形成されている。なお、この凸面鏡65は、本発明の「発光ダイオードからの出射光を拡散する手段」の一例である。 The light emitting device 60 according to the fourth reference embodiment has a structure in which the plano-concave lens 50 is removed from the light emitting device 20 of the second reference embodiment shown in FIG. That is, the light emitting diode of the fourth reference embodiment includes a metal layer 34 that functions as a two-dimensional photonic crystal whose dielectric constant is periodically modulated in the in-plane direction. A convex mirror 65 is disposed at a predetermined interval from the light emitting surface so as to face the light emitting surface of the light emitting diode. The convex mirror 65 is formed by coating the surface of a convex portion made of resin or glass with a reflective film made of Al or Ag. The convex mirror 65 is an example of the “means for diffusing light emitted from the light emitting diode” in the present invention.

第4参考形態による発光素子60では、上記第2参考形態と同様、金属層34を、面内方向に対して周期的に誘電率が変調された2次元フォトニック結晶として機能させることができるので、発光ダイオードからの発光を出射面に対して垂直な光に平行化することができる。これにより、光取り出し効率を向上させることができる。 In the light emitting device 60 according to the fourth reference embodiment, the metal layer 34 can function as a two-dimensional photonic crystal whose dielectric constant is periodically modulated in the in-plane direction, as in the second reference embodiment. The light emitted from the light emitting diode can be collimated to light perpendicular to the exit surface. Thereby, the light extraction efficiency can be improved.

また、第4参考形態による発光素子60では、上記のように、凸面鏡65を発光ダイオードの光出射面に対向するように配置することによって、発光ダイオードから出射される光を凸面鏡65により反射して拡散させることができる。 In the light emitting device 60 according to the fourth reference embodiment, as described above, the convex mirror 65 is disposed so as to face the light emitting surface of the light emitting diode, so that the light emitted from the light emitting diode is reflected by the convex mirror 65. Can be diffused.

(第5実施形態)
図8は、本発明の第5実施形態による発光素子の構造を説明するための平面図である。図9は、本発明の第5実施形態による発光素子の構造を説明するための断面図である。図8および図9を参照して、この第5実施形態による発光素子70では、平凹レンズ72aおよび発光ダイオード71をアレイ状(マトリクス状)に2次元的(平面的)に配置した例について説明する。
(Fifth embodiment)
FIG. 8 is a plan view illustrating the structure of a light emitting device according to the fifth embodiment. FIG. 9 is a cross-sectional view illustrating a structure of a light emitting device according to the fifth embodiment. With reference to FIGS. 8 and 9, in the light emitting device 70 according to the fifth embodiment, an example in which the plano-concave lenses 72 a and the light emitting diodes 71 are arranged in an array (matrix) in a two-dimensional manner (planar) will be described. .

この第5実施形態による発光素子70では、図8に示すように、例えばポリカーボネイトからなるレンズ部材72上に、複数の発光ダイオード71が、平面的に見てマトリクス状(アレイ状)に配置されている。具体的には、324個の発光ダイオードが、18個×18個のマトリクス状に配置されている。なお、発光ダイオード71は、図1に示した第1参考形態による発光ダイオードから平凹レンズ50を除いた構造、または、図3に示した第2参考形態の発光ダイオードから平凹レンズ50を除いた構造を有する。すなわち、この第5実施形態の発光ダイオード71は、面内方向に対して周期的に誘電率が変調された2次元フォトニック結晶として機能するp型コンタクト層11(図1参照)または金属層34(図3参照)を含んでいる。 In the light emitting device 70 according to the fifth embodiment, as shown in FIG. 8, a plurality of light emitting diodes 71 are arranged in a matrix (array) as viewed in a plan view on a lens member 72 made of, for example, polycarbonate. Yes. Specifically, 324 light emitting diodes are arranged in a matrix of 18 × 18. The light emitting diode 71 has a structure in which the planoconcave lens 50 is removed from the light emitting diode according to the first reference form shown in FIG. 1, or a structure in which the planoconcave lens 50 is removed from the light emitting diode of the second reference form shown in FIG. Have That is, the light-emitting diode 71 of the fifth embodiment has a p-type contact layer 11 (see FIG. 1) or a metal layer 34 that functions as a two-dimensional photonic crystal whose dielectric constant is periodically modulated in the in-plane direction. (See FIG. 3).

また、レンズ部材72は、平面的に見てマトリクス状(アレイ状)に配置された複数の平凹レンズ72aにより構成されている。この平凹レンズ72aは、図8に示すように、3個×3個(合計9個)のマトリクス状に配置されている。また、各々の平凹レンズ72aは、複数(36個)の発光ダイオード71毎に、1つずつの割合で配置されている。ここで、平凹レンズ72aの平面側の表面には、ITO等の透明電極が形成されている。その透明電極から、金属からなるオーミック電極層を介して、発光ダイオード71に通電される。なお、平凹レンズ72aは、本発明の「発光ダイオードからの出射光を拡散する手段」の一例である。   The lens member 72 includes a plurality of plano-concave lenses 72a arranged in a matrix (array) as viewed in plan. As shown in FIG. 8, the plano-concave lenses 72a are arranged in a matrix of 3 × 3 (9 in total). Each plano-concave lens 72a is arranged at a rate of one for each of a plurality (36) of light emitting diodes 71. Here, a transparent electrode such as ITO is formed on the surface of the plano-concave lens 72a on the plane side. The light emitting diode 71 is energized from the transparent electrode through an ohmic electrode layer made of metal. The plano-concave lens 72a is an example of the “means for diffusing emitted light from the light emitting diode” in the present invention.

第5実施形態では、上記のように、平凹レンズ72aおよび発光ダイオード71をアレイ状(マトリクス状)に2次元的(平面的)に配置することによって、光の出射する領域を大きくすることができる。これにより、容易に、照明などの光源として使用することができる。   In the fifth embodiment, as described above, by arranging the plano-concave lenses 72a and the light emitting diodes 71 in an array (matrix shape) two-dimensionally (planarly), it is possible to increase the light emission region. . Thereby, it can be easily used as a light source such as illumination.

また、第5実施形態では、第1または第2参考形態同様、2次元フォトニック結晶として機能するp型コンタクト層11または金属層34により、出射面に対して垂直方向に平行化された光を得ることができるので、光取り出し効率を向上することができるとともに、平凹レンズ72aにより、平行光された光を拡散させることができる。 In the fifth embodiment, similarly to the first or second reference embodiment, the p-type contact layer 11 or the metal layer 34 functioning as a two-dimensional photonic crystal allows light paralleled in the direction perpendicular to the emission surface to be emitted. Therefore, the light extraction efficiency can be improved, and the collimated light can be diffused by the plano-concave lens 72a.

なお、第5実施形態のその他の効果は、上記第1または第2参考形態と同様である。 The remaining effects of the fifth embodiment are similar to those of the aforementioned first or second reference embodiment.

(第6参考形態)
図10は、本発明の第6参考形態による発光素子の構造を説明するための断面図である。図10を参照して、この第6参考形態による発光素子80では、発光ダイオード81からの出射光を拡散する手段として、透明な微粒子からなる拡散剤82aを拡散させた透光性のフィルムからなる拡散シート82を用いる例について説明する。
(6th reference form)
Figure 10 is a cross-sectional view for illustrating the structure of a light emitting device according to a sixth reference embodiment of the present invention. Referring to FIG. 10, in the light emitting device 80 according to the sixth reference embodiment, as a means for diffusing the light emitted from the light emitting diode 81, it is made of a translucent film in which a diffusing agent 82a made of transparent fine particles is diffused. An example using the diffusion sheet 82 will be described.

すなわち、この第6参考形態では、ガラスまたは透明なプラスチックからなる拡散シート82の表面に、ITOからなる透明電極が形成されている。そして、その拡散シート82の表面の透明電極に、金属からなるオーミック電極層を介して、複数の発光ダイオード81が、平面的に見てマトリクス状(アレイ状)に配置されている。この場合、発光ダイオード81の出射面側を拡散シート82の表面に貼り付ける。なお、発光ダイオード81は、図1に示した第1参考形態による発光ダイオードから平凹レンズ50を除いた構造、または、図3に示した第2参考形態の発光ダイオードから平凹レンズ50を除いた構造を有する。すなわち、この第6参考形態の発光ダイオード81は、面内方向に対して周期的に誘電率が変調された2次元フォトニック結晶として機能するp型コンタクト層11(図1参照)または金属層34(図3参照)を含んでいる。これにより、発光ダイオード81からは出射面に対して垂直方向に平行化された光が出射されるので、光取り出し効率が向上される。 That is, in the sixth reference embodiment, the transparent electrode made of ITO is formed on the surface of the diffusion sheet 82 made of glass or transparent plastic. A plurality of light emitting diodes 81 are arranged in a matrix (array) in a plan view on the transparent electrode on the surface of the diffusion sheet 82 through an ohmic electrode layer made of metal. In this case, the emission surface side of the light emitting diode 81 is attached to the surface of the diffusion sheet 82. The light emitting diode 81 has a structure in which the plano-concave lens 50 is removed from the light emitting diode according to the first reference form shown in FIG. 1, or a structure in which the plano-concave lens 50 is removed from the light emitting diode in the second reference form shown in FIG. Have That is, the light-emitting diode 81 of the sixth reference embodiment has a p-type contact layer 11 (see FIG. 1) or a metal layer 34 that functions as a two-dimensional photonic crystal whose dielectric constant is periodically modulated in the in-plane direction. (See FIG. 3). As a result, light collimated in a direction perpendicular to the emission surface is emitted from the light emitting diode 81, so that the light extraction efficiency is improved.

ここで、第6参考形態では、拡散シート82内に、約1μm〜約20μmの粒子径を有するほぼ球形状の粒子からなる光拡散剤82aが添加されている。この光拡散剤82aは、SiNx、TiO、Alなどの無機材料、または、ポリメチルメタアクリレート、ポリアクリルニトリル、ポリエステル、シリコーン、ポリエチレン、エポキシ、メラミン・ホルムアルデヒド縮合物、ベンゾグアナミン・ホルムアルデヒド縮合物、メラミン・ベンゾグアナミン・ホルムアルデヒド縮合物などの有機材料からなる。また、たとえば、拡散シート82を透明なプラスチックフィルムにより構成するとともに、光拡散剤82aをメラミン・ベンゾグアナミン・ホルムアルデヒド縮合物により構成する場合のプラスチックフィルムとメラミン・ベンゾグアナミン・ホルムアルデヒド縮合物との重量比は、約30:約70である。 Here, in the sixth reference embodiment, a light diffusing agent 82 a made of substantially spherical particles having a particle diameter of about 1 μm to about 20 μm is added to the diffusion sheet 82. This light diffusing agent 82a can be an inorganic material such as SiNx, TiO 2 , Al 2 O 3 , or polymethyl methacrylate, polyacrylonitrile, polyester, silicone, polyethylene, epoxy, melamine / formaldehyde condensate, benzoguanamine / formaldehyde condensate And organic materials such as melamine / benzoguanamine / formaldehyde condensate. For example, the weight ratio of the plastic film and the melamine / benzoguanamine / formaldehyde condensate when the diffusion sheet 82 is composed of a transparent plastic film and the light diffusing agent 82a is composed of melamine / benzoguanamine / formaldehyde condensate is: About 30:70.

第6参考形態による発光素子80では、上記のように、発光ダイオード81をアレイ状(マトリクス状)に2次元的(平面的)に配置することによって、光の出射する領域を大きくすることができる。これにより、容易に、照明などの光源として使用することができる。 In the light emitting element 80 according to the sixth reference embodiment, as described above, by arranging the light emitting diodes 81 in an array (matrix) two-dimensionally (planarly), it is possible to increase the light emission region. . Thereby, it can be easily used as a light source such as illumination.

また、第6参考形態では、光拡散剤82aが添加された拡散シート82の表面に発光ダイオード81の出射面側を貼り付けることによって、容易に、マトリクス状に配置された発光ダイオード81から出射される光を拡散することができる。 Further, in the sixth reference embodiment, the light emitting diode 81 is easily emitted from the light emitting diodes 81 arranged in a matrix by attaching the light emitting surface side of the light emitting diode 81 to the surface of the diffusion sheet 82 to which the light diffusing agent 82a is added. Can diffuse light.

なお、第6参考形態のその他の効果は、上記第1または第2参考形態と同様である。 The remaining effects of the sixth reference embodiment are similar to those of the aforementioned first or second reference embodiment.

(第7参考形態)
図11は、本発明の第7参考形態による発光素子の構造を説明するための断面図である。図11を参照して、この第7参考形態による発光素子90では、上記第6参考形態と異なり、発光ダイオード91からの出射光を拡散する手段として、表面および裏面に微細な凹凸形状93aおよび93bが形成された拡散シート93を用いる例について説明する。
(7th reference form)
Figure 11 is a cross-sectional view for illustrating the structure of a light emitting device according to a seventh reference embodiment of the present invention. Referring to FIG. 11, in the light emitting element 90 according to the seventh reference embodiment, unlike the sixth reference embodiment, as the means for diffusing the light emitted from the light emitting diode 91, fine uneven shapes 93a and 93b are formed on the front and back surfaces. An example in which the diffusion sheet 93 formed with the above is used will be described.

すなわち、この第7参考形態では、図11に示すように、ガラスシートまたは透明なプラスチックフィルムからなる透光性の拡散シート93の表面および裏面に、微細な凹凸形状部93aおよび93bが形成されている。この微細な凹凸形状部93aおよび93bでは、隣接する凹部間のピッチ(間隔)が、約200nm〜約2000nm、または、約2μm〜約100μmに設定されている。隣接する凹部間のピッチ(間隔)が、約200〜約2000nmである場合には、その間隔が発光波長と同等または発光波長の数倍に相当するので、回折効果により光が拡散される。また、隣接する凹部間のピッチ(間隔)が、約2μm〜約100μmである場合には、凹凸形状部93aおよび93bにより光が屈折されることによって、光が拡散される。 That is, in the seventh reference embodiment, as shown in FIG. 11, fine uneven portions 93a and 93b are formed on the front and back surfaces of a translucent diffusion sheet 93 made of a glass sheet or a transparent plastic film. Yes. In the fine uneven-shaped portions 93a and 93b, the pitch (interval) between adjacent recesses is set to about 200 nm to about 2000 nm, or about 2 μm to about 100 μm. When the pitch (interval) between adjacent recesses is about 200 to about 2000 nm, the interval is equivalent to the emission wavelength or several times the emission wavelength, so that light is diffused by the diffraction effect. In addition, when the pitch (interval) between the adjacent concave portions is about 2 μm to about 100 μm, the light is refracted by the concave and convex portions 93 a and 93 b to diffuse the light.

また、Alなどの反射率が高くかつ放熱性の良好な材料からなる支持板92の表面に、複数の発光ダイオード91が、平面的に見てマトリクス状(アレイ状)に配置されている。この場合、発光ダイオード91の出射面と反対側を支持板92の表面に貼り付ける。拡散シート93は、支持板92の表面に貼り付けられた発光ダイオード91の光出射面に対向するように、発光ダイオード91から所定の間隔を隔てて配置されている。   A plurality of light emitting diodes 91 are arranged in a matrix (array) in a plan view on the surface of a support plate 92 made of a material having high reflectivity such as Al and good heat dissipation. In this case, the side opposite to the emission surface of the light emitting diode 91 is attached to the surface of the support plate 92. The diffusion sheet 93 is disposed at a predetermined interval from the light emitting diode 91 so as to face the light emitting surface of the light emitting diode 91 attached to the surface of the support plate 92.

なお、発光ダイオード91は、図1に示した第1参考形態による発光ダイオードから平凹レンズ50を除いた構造、または、図3に示した第2参考形態の発光ダイオードから平凹レンズ50を除いた構造を有する。すなわち、この第7参考形態の発光ダイオード91は、面内方向に対して周期的に誘電率が変調された2次元フォトニック結晶として機能するp型コンタクト層11(図1参照)または金属層34(図3参照)を含んでいる。これにより、発光ダイオード91からは、出射面に対して垂直方向に平行化された光が出射されるので、光取り出し効率が向上される。 The light emitting diode 91 has a structure in which the plano-concave lens 50 is removed from the light emitting diode according to the first reference form shown in FIG. 1, or a structure in which the plano-concave lens 50 is removed from the light emitting diode of the second reference form shown in FIG. Have That is, the light emitting diode 91 of the seventh reference embodiment, (see FIG. 1) p-type contact layer 11 which functions as a periodic dielectric constant two-dimensional photonic crystal that has been modulated with respect to the in-plane direction or the metal layer 34 (See FIG. 3). Thereby, since the light collimated in the direction perpendicular to the emission surface is emitted from the light emitting diode 91, the light extraction efficiency is improved.

第7参考形態による発光素子90では、上記のように、発光ダイオード91をアレイ状(マトリクス状)に2次元的(平面的)に配置することによって、光の出射する領域を大きくすることができる。これにより、容易に、照明などの光源として使用することができる。 In the light emitting device 90 according to the seventh reference embodiment, as described above, the light emitting diodes 91 are two-dimensionally (planarly) arranged in an array form (matrix form), so that a region where light is emitted can be increased. . Thereby, it can be easily used as a light source such as illumination.

また、第7参考形態では、表面および裏面に微細な凹凸形状93aおよび93bを有する拡散シート93を設けることによって、容易に、マトリクス状に配置された発光ダイオード91から出射される光を拡散することができる。 Further, in the seventh reference embodiment, the light emitted from the light emitting diodes 91 arranged in a matrix can be easily diffused by providing the diffusion sheet 93 having fine uneven shapes 93a and 93b on the front and back surfaces. Can do.

なお、第7参考形態のその他の効果は、上記第1または第2参考形態と同様である。 The remaining effects of the seventh reference embodiment are similar to those of the aforementioned first or second reference embodiment.

(第8実施形態)
図12は、本発明の第8実施形態による発光素子を用いた照明装置の構造を説明するための断面図である。図12を参照して、この第8実施形態では、上記第5実施形態による発光素子70を用いた照明装置100について説明する。
(Eighth embodiment)
FIG. 12 is a cross-sectional view illustrating the structure of a lighting device using a light emitting device according to an eighth embodiment of the present invention. With reference to FIG. 12, this 8th Embodiment demonstrates the illuminating device 100 using the light emitting element 70 by the said 5th Embodiment.

この第8実施形態による照明装置100では、図12に示すように、放熱板を兼用するAlからなる反射板101の表面に、上記第5実施形態の平凹レンズ72aおよび発光ダイオード71がアレイ状(マトリクス状)に2次元的(平面的)に配置された発光素子70が取り付けられている。具体的には、発光素子70の発光ダイオード71の光出射面と反対側の面が反射板101に取り付けられている。発光素子70を取り囲むように、凹状のガラス板102が装着されている。凹状のガラス板102の内側には、白色照明用の白色光用蛍光体層103が形成されている。   In the illumination device 100 according to the eighth embodiment, as shown in FIG. 12, the plano-concave lens 72a and the light emitting diode 71 of the fifth embodiment are arranged in an array on the surface of the reflection plate 101 made of Al that also serves as a heat sink. Light emitting elements 70 arranged in a two-dimensional (planar) manner in a matrix form are attached. Specifically, the surface of the light emitting element 70 opposite to the light emitting surface of the light emitting diode 71 is attached to the reflecting plate 101. A concave glass plate 102 is mounted so as to surround the light emitting element 70. Inside the concave glass plate 102, a white light phosphor layer 103 for white illumination is formed.

白色照明用の白色光用蛍光体層103は、たとえば、青色、緑色、赤色および黄色の4色の蛍光体材料を混合することにより形成されている。この場合、青色の蛍光体材料としては、BaMgAl1017:Euまたは(Sr,Ca,Ba,Mg)10(POCl:Euを用い、緑色の蛍光体材料としては、ZnS:Cu,Alを用いる。また、赤色の蛍光体材料としては、YS:Euを用い、黄色の蛍光体材料としては、(Y,Gd)Al12:Ceを用いる。なお、反射板101には、発光素子70に通電するための端子(図示せず)が設置されている。 The white light phosphor layer 103 for white illumination is formed, for example, by mixing phosphor materials of four colors of blue, green, red, and yellow. In this case, BaMgAl 10 O 17 : Eu or (Sr, Ca, Ba, Mg) 10 (PO 4 ) 6 Cl 2 : Eu is used as the blue phosphor material, and ZnS: Cu and Al are used. Further, Y 2 O 2 S: Eu is used as the red phosphor material, and (Y, Gd) 3 Al 5 O 12 : Ce is used as the yellow phosphor material. The reflector 101 is provided with a terminal (not shown) for energizing the light emitting element 70.

第8実施形態による照明装置100では、上記のように、2次元フォトニック結晶として機能するp型コンタクト層11または金属層34を含む発光ダイオード71を用いることにより、出射面に対して垂直方向に平行化された光を得ることができるので、発光ダイオード71の光取り出し効率を向上させることができる。また、平凹レンズ72aにより、発光ダイオード71から出射される平行光を拡散することができるので、照明用として適した拡散光を得ることができる。さらに、平凹レンズ72aおよび発光ダイオード71がアレイ状(マトリクス状)に2次元的(平面的)に配置された発光素子70を用いることによって、光の出射する領域を大きくすることができるので、容易に、照明装置として必要な明るさを得ることができる。   In the illumination device 100 according to the eighth embodiment, as described above, by using the light emitting diode 71 including the p-type contact layer 11 or the metal layer 34 that functions as a two-dimensional photonic crystal, the light emitting diode 71 is perpendicular to the emission surface. Since collimated light can be obtained, the light extraction efficiency of the light emitting diode 71 can be improved. In addition, since the parallel light emitted from the light emitting diode 71 can be diffused by the plano-concave lens 72a, diffused light suitable for illumination can be obtained. Further, by using the light emitting element 70 in which the plano-concave lens 72a and the light emitting diode 71 are two-dimensionally (planarly) arranged in an array (matrix shape), the light emission area can be increased, so that it is easy. In addition, the brightness required for the lighting device can be obtained.

なお、今回開示された参考形態及び実施形態は、すべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。 In addition, it should be thought that the reference form and embodiment disclosed this time are examples in all points, and are not restrictive. The scope of the present invention is shown not by the above description of the embodiments but by the scope of claims for patent, and further includes all modifications within the meaning and scope equivalent to the scope of claims for patent.

たとえば、上記参考形態及び上記実施形態では、発光ダイオードからの出射光を拡散する手段として、平凹レンズ、凸面鏡、拡散剤を含む拡散シート、および、微細な凹凸形状を有する拡散シートを用いたが、本発明はこれに限らず、出射光を拡散する手段として、他の形状を有するレンズ、鏡または回折格子などを用いてもよい。 For example, in the above Reference Embodiment and the embodiment, as a means for diffusing the light emitted from the light-emitting diodes, a plano-concave lens, a convex mirror, a diffusion sheet including a diffusing agent, and has used the diffusion sheet having fine irregularities The present invention is not limited to this, and a lens, a mirror, a diffraction grating, or the like having another shape may be used as a means for diffusing outgoing light.

また、上記参考形態及び上記実施形態では、本発明の周期的に誘電率が変調された部分として、フォトニック結晶を用いる例を示したが、本発明はこれに限らず、周期的に誘電率が変調された部分として、フォトニック結晶以外の構造を用いてもよい。 In the reference embodiment and the embodiment described above, an example in which a photonic crystal is used as a portion where the dielectric constant is periodically modulated according to the present invention is shown. However, the present invention is not limited thereto, and the dielectric constant is periodically generated. A structure other than the photonic crystal may be used as the portion where is modulated.

また、上記第4参考形態の発光素子では、1個の凸面鏡が、1個の発光ダイオードに対して配置されているが、本参考形態はこれに限らず、凸面鏡は、複数の発光ダイオード毎に、1つずつの割合で配置されてもよく、複数の凸面鏡および発光ダイオードをアレイ状(マトリクス状)に配置してもよい。 Further, in the light emitting element of the fourth reference form, one convex mirror is arranged for one light emitting diode, but this reference form is not limited to this, and the convex mirror is provided for each of the plurality of light emitting diodes. They may be arranged at a rate of one by one, or a plurality of convex mirrors and light emitting diodes may be arranged in an array (matrix).

第1および第2参考形態において、ガラスなどの絶縁体からなる平凹レンズの平面側に透明電極を形成し、この平面側に発光ダイオードを融着してもよい。 In the first and second reference embodiments, a transparent electrode may be formed on the plane side of a plano-concave lens made of an insulator such as glass, and a light emitting diode may be fused on the plane side.

本発明の第1参考形態による発光素子の構造を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the structure of the light emitting element by the 1st reference form of this invention. 本発明の第1参考形態によるp型コンタクト層の平面構造を説明するための上面図である。It is a top view for demonstrating the planar structure of the p-type contact layer by the 1st reference form of this invention. 本発明の第2参考形態による発光素子の構造を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the structure of the light emitting element by the 2nd reference form of this invention. 本発明の第2参考形態による金属層の平面構造を説明するための上面図である。It is a top view for demonstrating the planar structure of the metal layer by the 2nd reference form of this invention. 図3に示した第2参考形態による発光素子の製造プロセスを説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the manufacturing process of the light emitting element by the 2nd reference form shown in FIG. 本発明の第3参考形態による発光素子を用いた照明装置の構造を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the structure of the illuminating device using the light emitting element by the 3rd reference form of this invention. 本発明の第4参考形態による発光素子の構造を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the structure of the light emitting element by the 4th reference form of this invention. 本発明の第5実施形態による発光素子の構造を説明するための平面図である。It is a top view for demonstrating the structure of the light emitting element by 5th Embodiment of this invention. 本発明の第5実施形態による発光素子の構造を説明するための断面図である。FIG. 10 is a cross-sectional view illustrating a structure of a light emitting device according to a fifth embodiment of the present invention. 本発明の第6参考形態による発光素子の構造を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the structure of the light emitting element by the 6th reference form of this invention. 本発明の第7参考形態による発光素子の構造を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the structure of the light emitting element by the 7th reference form of this invention. 本発明の第8実施形態による発光素子を用いた照明装置の構造を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the structure of the illuminating device using the light emitting element by 8th Embodiment of this invention. 従来のフォトニック結晶を出射面上に取り付けた発光ダイオード(発光素子)の構造を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the structure of the light emitting diode (light emitting element) which attached the conventional photonic crystal on the output surface.

符号の説明Explanation of symbols

1 n型GaN基板
4、24 n型GaN層
6、26 n型クラッド層
7 活性層
8、28 保護層
9、29 p型クラッド層
10 発光素子
11、31 p型コンタクト層
11a、34a 貫通孔
12、32 p型電極
16、35 n側電極
50、72 平凹レンズ(発光ダイオードからの出射光を拡散する手段)
65 凸面鏡(発光ダイオードからの出射光を拡散する手段)
82、93 拡散シート(発光ダイオードからの出射光を拡散する手段)
1 n-type GaN substrate 4, 24 n-type GaN layer 6, 26 n-type cladding layer 7 active layer 8, 28 protective layer 9, 29 p-type cladding layer 10 light-emitting element 11, 31 p-type contact layer 11a, 34a through-hole 12 , 32 p-type electrode 16, 35 n-side electrode 50, 72 Plano-concave lens (means for diffusing light emitted from the light-emitting diode)
65 Convex mirror (means for diffusing the light emitted from the light emitting diode)
82, 93 Diffusion sheet (means for diffusing the light emitted from the light emitting diode)

Claims (13)

複数の発光ダイオードが、マトリクス状に平面的に配置された光出射面と、
前記光出射面と実質的に平行な面上に形成され、前記光出射面と実質的に平行な面の面内方向に対して周期的に誘電率が変調された部分と、
前記光出射面からの光出射に設けられ、前記光出射面から出射される光を拡散する手段とを備え
前記光を拡散する手段は、前記光出射面に配置された複数の発光ダイオードに対して、1つの割合で配置されたレンズからなる、発光素子。
A light emitting surface in which a plurality of light emitting diodes are arranged in a plane in a matrix;
A portion that is formed on a surface substantially parallel to the light exit surface and whose dielectric constant is periodically modulated with respect to an in-plane direction of the surface substantially parallel to the light exit surface;
Is provided on the emission side of the light from the light emitting surface, and means for diffusing the light emitted from the light emitting surface,
The means for diffusing the light is a light emitting element comprising a lens disposed at a ratio of one to a plurality of light emitting diodes disposed on the light emitting surface .
前記周期的に誘電率が変調された部分は、誘電率の異なる材料を周期的に配置することにより構成されている、請求項1に記載の発光素子。   The light emitting device according to claim 1, wherein the portion whose dielectric constant is periodically modulated is configured by periodically arranging materials having different dielectric constants. 前記周期的に誘電率が変調された部分は、フォトニック結晶からなる、請求項1または2に記載の発光素子。   The light emitting device according to claim 1, wherein the portion whose permittivity is periodically modulated is made of a photonic crystal. 前記光を拡散する手段は、導電性を有する、請求項1〜3のいずれか1項に記載の発光素子。   The light emitting element according to claim 1, wherein the light diffusing means has conductivity. 前記レンズは、凹レンズを含む、請求項1〜4のいずれか1項に記載の発光素子。 The light-emitting element according to claim 1, wherein the lens includes a concave lens . 前記凹レンズは、平坦な第1の面と凹状の第2の面とを有する平凹レンズを含む、請求項に記載の発光素子。 The light-emitting element according to claim 5 , wherein the concave lens includes a plano-concave lens having a flat first surface and a concave second surface. 前記光出射面と前記光を拡散する手段との間に設けられた蛍光体をさらに備える、請求項1〜のいずれか1項に記載の発光素子。 Further comprising a phosphor provided between the means for spreading the light and the light emitting surface, the light emitting device according to any one of claims 1-6. 前記発光ダイオードは、発光層を含み、
前記発光層は、窒化物系半導体からなる、請求項1〜のいずれか1項に記載の発光素子。
The light emitting diode includes a light emitting layer,
The light emitting layer is made of a nitride semiconductor light emitting device according to any one of claims 1-7.
前記レンズは、平面的に、マトリクス状に複数配置されている、請求項1〜のいずれか1項に記載の発光素子。 The lens is in a plane, and a plurality arranged in a matrix, light emitting device according to any one of claims 1-8. 複数の発光ダイオードが、マトリクス状に平面的に配置された光出射面と、
前記光出射面と実質的に平行な面上に形成され、前記光の出射面と実質的に平行な面の面内方向に対して周期的に誘電率が変調された部分と、
前記光出射面からの光の出射側に設けられ、前記光出射面から出射される光を拡散する手段とを備え
前記光を拡散する手段は、前記光出射面に配置された複数の発光ダイオードに対して、1つの割合で配置されたレンズからなる、発光素子を備えた、照明装置。
A light emitting surface in which a plurality of light emitting diodes are arranged in a plane in a matrix;
A portion that is formed on a surface substantially parallel to the light exit surface, and whose dielectric constant is periodically modulated with respect to an in-plane direction of the surface substantially parallel to the light exit surface;
Provided on the light emission side from the light emission surface, and means for diffusing the light emitted from the light emission surface ,
The illuminating apparatus comprising a light emitting element , wherein the means for diffusing the light includes a lens disposed at a ratio of one to a plurality of light emitting diodes disposed on the light emitting surface .
前記発光素子から所定の間隔を隔てて配置され、前記発光素子から出射される光を白色の光に変換するための白色光用蛍光体をさらに備える、請求項10に記載の照明装置。 The lighting device according to claim 10 , further comprising a white light phosphor that is disposed at a predetermined interval from the light emitting element and converts light emitted from the light emitting element into white light. 前記白色光用蛍光体は、複数の色の蛍光体材料を混合することにより形成されている、請求項11に記載の照明装置。 The lighting device according to claim 11 , wherein the white light phosphor is formed by mixing phosphor materials of a plurality of colors. 前記レンズは、平面的に、マトリクス状に複数配置されている請求項10〜12のいずれか1項に記載の照明装置。
The lighting device according to claim 10, wherein a plurality of the lenses are arranged in a matrix in a planar manner.
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