JP4849866B2

JP4849866B2 - 照明装置

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Publication number: JP4849866B2
Application number: JP2005309483A
Authority: JP
Inventors: 隆則安田
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2005-10-25
Filing date: 2005-10-25
Publication date: 2012-01-11
Anticipated expiration: 2025-10-25
Also published as: JP2007123311A

Description

本発明は、蛍光灯の２倍以上のエネルギー消費効率を有する発光ダイオード（ＬＥＤ）等の発光素子及び照明装置に関する。

窒化ガリウム（ＧａＮ），窒化インジウム（ＩｎＮ），窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等の窒化ガリウム系化合物半導体は、直接遷移型の化合物半導体であり、また広いバンドギャップ（ワイドバンドギャップ）を持つため、青色光、青紫色光または紫色光の発光ダイオードやレーザダイオードなどの発光素子、フォトディテクターや火炎センサー等の受光素子として利用されている（特許文献１〜５参照）。

また、電界効果トランジスター（ＦＥＴ：Field Effect Transistor）、ＭＥＳＦＥＴ（Metal−Semiconductor ＦＥＴ）、ＭＩＳＦＥＴ（Metal−Insulator−Semiconductor ＦＥＴ）、高電子移動度トランジスター（ＨＥＭＴ：High Electron Mobility Transistor）等の電子素子では、窒化ガリウム系化合物半導体はＧａＡｓに近いキャリア輸送特性を有し、ワイドバンドギャップを持ち破壊電界が高いことから、高周波高出力トランジスターの材料として有望視されている。

特に近年、青色発光素子、紫色発光素子、紫外発光素子等の窒化ガリウム系化合物半導体からなる発光素子からの発光を受けて光を発する蛍光体や燐光体を設けた照明装置の製品化が検討されている。このような照明装置では、蛍光体及び燐光体の発光効率を向上させることと、発光素子の発光効率を向上させることが必要不可欠である。

そこで、発光素子の発光効率を向上させる一つの手段として、発光素子内部で発生した光を外部に効率よく取り出すこと、つまり光取り出し効率を向上させることが重要であり、照明装置の製品化に向けては必要不可欠な特性である。

従来の発光素子の断面図を図４、図５、図６に示す。図４に示すように、基板４０の一方の主面（図４では上面）に、一導電型（例えばｎ型）窒化ガリウム系化合物半導体層４１、窒化ガリウム系化合物半導体からなる活性層（発光層）４２、逆導電型（例えばｐ型）窒化ガリウム系化合物半導体層４３が順次積層されている。また、基板４０の他方の主面（図４では下面）に、活性層４２から出射された光を反射する反射層４７が形成されている。

更に、逆導電型窒化ガリウム系半導体層４３上に、逆導電型窒化ガリウム系化合物半導体層４３に通電するとともに活性層４２から出射された光を透過させる半透明性の逆導電型電極４４と、一導電型窒化ガリウム系化合物半導体層４１の一部を露出させた部分に一導電型電極４５とが形成されている。また、半透明性の逆導電型電極４４の一部に逆導電型電極４４を外部に通電するためのパッド電極４６が形成されている（特許文献６〜８参照）。

このような構成の発光素子は、活性層４２で出射された光を一方向に効率よく出射することができ、発光効率が向上するものとなる。

また、図５に示す従来例では、一導電型窒化ガリウム系化合物半導体層５１と導電性の基板５０との界面に、活性層５２から出射した光を一導電型窒化ガリウム系化合物半導体層５１側に反射する一導電型を呈する反射層５７が形成されている。例えば、この反射層５７としては、窒化ガリウム系化合物半導体層を交互に積層させたブラッグ反射器などがある。

また、逆導電型窒化ガリウム系化合物半導体層５３の上に、逆導電型窒化ガリウム系化合物半導体層５３に通電するとともに活性層５２から出射された光を透過させる半透明性の逆導電型電極５４と、その一部に逆導電型電極５４を外部に通電するためのパッド電極５６が形成されている（特許文献９，１０参照）。

このような構成の発光素子は、活性層５２で出射された光を一方向に効率よく出射することができ、発光効率が向上するものとなる。

また、図６に示す従来例では、基板６０の一方の主面（図６では下面）上に、一導電型窒化ガリウム系化合物半導体層６１、窒化ガリウム系化合物半導体からなる活性層６２、逆導電型窒化ガリウム系化合物半導体層６３を順次積層している。逆導電型窒化ガリウム系化合物半導体層６３上に逆導電型を呈する反射層６７、逆導電型電極６６を形成している。

更に、一導電型窒化ガリウム系化合物半導体層６１の一部を露出させた部分に一導電型電極６５が形成されている。

このような構成の発光素子は、活性層６２で出射された光を一方向に効率よく出射することができ、発光効率が向上するものとなる。

このように従来の発光素子においては、発光素子の内部で生じた光を、所望の一方向に集中させて、外部に効率よく光を取り出すことができる。このような発光素子を蛍光体または燐光体で覆うことにより、発光素子で生じた光を励起光とし、蛍光体または燐光体が励起光よりも短波長の所定の波長で発光を生じる照明装置を構成することができる。
特開平２−４２７７０号公報特開平２−２５７６７９号公報特開平５−１８３１８９号公報特開平６−１９６７５７号公報特開平６−２６８２５７号公報特開平８−１０２５４９号公報特開２００１−７３９７号公報特開２００１−７３９２号公報特開平３−１０８７７８号公報特開平３−１６３８８２号公報

しかしながら、上記従来例では、いずれにおいても反射層は活性層で生じた光を反射させるものである。そのため、発光素子を蛍光体または燐光体で覆った照明装置においては、発光素子で生じた光を所望の一方向に効率よく取り出すことはできても、蛍光体または燐光体で生じた蛍光及び燐光（以下、総称して蛍光ともいう）は任意の方向に出射するため、効率よく所望の一方向に集中させることができない。

また、上記従来例においては、半透明性の電極は、発光素子の発光波長における光の透過性に基いて設計されているものであるため、蛍光体または燐光体で生じた蛍光の発光波長に対しては考慮されていない。

このため、蛍光体で生じた蛍光が発光素子の内部を伝播するときに、半透明性の電極において光の吸収が発生し、効率よく光を取り出すことができない。即ち、蛍光体で生じた蛍光の波長に対しては、透過であるように設計されていないため、蛍光体から発光素子に戻ってきた光は半透明性の電極で吸収されてしまう。

更に、蛍光体で生じた蛍光が発光素子の内部を伝播するときに、半透明性の電極と反射層との間で多重反射を起こすため、半透明性の電極で反射されるたびに光が減衰してしまう。

また、反射層が、蛍光体または燐光体で生じた蛍光の発光波長に対して考慮されていないため、蛍光体または燐光体で生じた蛍光が発光素子内部に入射した場合、窒化ガリウム系半導体層の結晶欠陥や電極で吸収されるために、効率よく外部に蛍光を取り出すことができない。

また、従来の発光素子においては、窒化ガリウム系化合物半導体層をエピタキシャル成長させる基板として、窒化ガリウム系化合物半導体と格子定数が大きく異なるサファイア，ＳｉＣ，Ｓｉ，ＧａＡｓ等の単結晶基板が用いられていたことから、バッファ層やその上に形成される窒化ガリウム系化合物半導体層として、良好な結晶品質であるアルミニウムを含む窒化ガリウム系化合物半導体（一般式Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０＜ｘ＜１））層を形成することが困難であるという問題点があった。

従って、本発明は上記従来の技術における問題点に鑑みて完成されたものであり、その目的は、高性能な発光素子を励起光源として用いて、蛍光体または燐光体で生じた光を効率よく外部に取り出すことのできる、高効率の照明装置を提供することである。

本発明の照明装置は、化学式Ｇａ_{１−ｘ１−ｙ１}Ｉｎ_ｙ１Ａｌ_ｘ１Ｎ（ただし、０＜ｘ_１＋ｙ_１＜１、ｘ_１＞０、ｙ_１≧０とする）で表される一導電型半導体層、化学式Ｇａ_{１−ｘ２−ｙ２}Ｉｎ_ｙ２Ａｌ_ｘ２Ｎ（ただし、０＜ｘ_２＋ｙ_２＜１、ｘ_２＞０、ｙ_２≧０とする）で表される活性層、及び化学式Ｇａ_{１−ｘ３−ｙ３}Ｉｎ_ｙ３Ａｌ_ｘ３Ｎ（ただし、０＜ｘ_３＋ｙ_３＜１、ｘ_３＞０、ｙ_３≧０とする）で表される逆導電型半導体層を具備した窒化ガリウム系化合物半導体層多層体（ただし、ｘ_１，ｘ_３＞ｘ_２，ｙ_１，ｙ_３＞ｙ_２とする）と、前記窒化ガリウム系化合物半導体層多層体の前記一導電型半導体層側の主面に形成された反射層とを有する発光素子と、該発光素子の外部に設けられ、前記活性層で発光した光を受けて光を発する蛍光体及び燐光体の少なくとも一方とを具備しており、前記反射層は、波長選択性を有し、前記活性層の発光波長λ_１に対しては透過性であり、前記発光波長λ_１より長い波長λ_２に対しては反射性である、化学式Ｇａ_{１−ｘ４−ｙ４}Ｉｎ_ｙ４Ａｌ_ｘ４Ｎ（ただし、０＜ｘ_４＋ｙ_４＜１、ｘ_４＞ｘ_２、ｙ_４≧ｙ_２とする）からなる窒化ガリウム系半導体層と、化学式Ｇａ_{１−ｘ５−ｙ５}Ｉｎ_ｙ５Ａｌ_ｘ５Ｎ（ただし、０＜ｘ_５＋ｙ_５＜１、ｘ_５＞ｘ_２、ｙ_５≧ｙ_２とする）からなる窒化ガリウム系半導体層とを、膜厚λ_２／４ｎ_ｓ（ただし、ｎ_ｓはそれぞれの窒化ガリウム系化合物半導体層の屈折率）で交互に積層した半導体多層膜から成るとともに、前記発光素子の前記一導電型半導体層側の主面が、前記半導体多層膜をエピタキシャル成長させるために用いた基板または該基板及びバッファ層が除去された面、もしくはこの面がエッチングされた新たな面であることを特徴とする。

また、本発明の照明装置は好ましくは、前記窒化ガリウム系化合物半導体層多層体は、前記一導電型半導体層側の主面に反射防止層が形成されていることを特徴とする。

また、本発明の照明装置は好ましくは、前記反射防止層は、表面に尖突起状の突起が多数形成されていることを特徴とする。

本発明の照明装置によれば、化学式Ｇａ_{１−ｘ１−ｙ１}Ｉｎ_ｙ１Ａｌ_ｘ１Ｎ（ただし、０＜ｘ_１＋ｙ_１＜１、ｘ_１＞０、ｙ_１≧０とする）で表される一導電型半導体層、化学式Ｇａ_{１−ｘ２−ｙ２}Ｉｎ_ｙ２Ａｌ_ｘ２Ｎ（ただし、０＜ｘ_２＋ｙ_２＜１、ｘ_２＞０、ｙ_２≧０とする）で表される活性層、及び化学式Ｇａ_{１−ｘ３−ｙ３}Ｉｎ_ｙ３Ａｌ_ｘ３Ｎ（ただし、０＜ｘ_３＋ｙ_３＜１、ｘ_３＞０、ｙ_３≧０とする）で表される逆導電型半導体層を具備した窒化ガリウム系化合物半導体層多層体（ただし、ｘ_１，ｘ_３＞ｘ_２，ｙ_１，ｙ_３＞ｙ_２とする）と、窒化ガリウム系化合物半導体層多層体の一導電型半導体層の主面もしくは逆導電型半導体層の主面に形成された反射層とを有する発光素子と、発光素子の外部に設けられ、活性層で発光した光を受けて光を発する蛍光体及び燐光体の少なくとも一方
とを具備しており、反射層は、波長選択性を有し、活性層の発光波長λ_１に対しては透過性であり、発光波長λ_１より長い波長λ_２に対しては反射性であることから、活性層で発光した光を発光素子の表面でほとんど反射を繰り返すこと無く、発光素子の外部に出射させることができる。また、発光素子の外部へ取り出された出射光を励起光として蛍光体及び燐光体は発光するが、蛍光体及び燐光体が発した蛍光は出射光である活性層の発光波長λ_１より短い波長λ_２であるため、反射層があることにより、蛍光体及び燐光体で発光した蛍光は発光素子の内部に入射することが防止され、窒化ガリウム系化合物半導体層多層体の内部で、波長λ_１の光と波長λ_２の蛍光とが干渉することを防止することができる。また、反射層の反射効果により効率よく所望の一方向に蛍光を集中させることができる。
さらに、本発明の照明装置によれは、前記反射層は、化学式Ｇａ_{１−ｘ４−ｙ４}Ｉｎ_ｙ４Ａｌ_ｘ４Ｎ（ただし、０＜ｘ_４＋ｙ_４＜１、ｘ_４＞ｘ_２、ｙ_４≧ｙ_２とする）からなる窒化ガリウム系半導体層と、化学式Ｇａ_{１−ｘ５−ｙ５}Ｉｎ_ｙ５Ａｌ_ｘ５Ｎ（ただし、０＜ｘ_５＋ｙ_５＜１、ｘ_５＞ｘ_２、ｙ_５≧ｙ_２とする）からなる窒化ガリウム系半導体層とを、膜厚λ_２／４ｎ_ｓ（ただし、ｎ_ｓはそれぞれの窒化ガリウム系化合物半導体層の屈折率）で交互に積層した半導体多層膜から成ることから、窒化ガリウム系化合物半導体の結晶成長過程において反射層を形成することができ、特別なプロセス装置やプロセス工程などを加えることなく反射層を作製することができる。更に、窒化ガリウム系化合物半導体層の混晶比を変えることにより、所望の屈折率とバンドギャップを得ることができ、半導体不純物を含有させることによって導電性の反射層を得ることもできる。

また、本発明の照明装置によれば、前記発光素子の前記一導電型半導体層側の主面が、前記半導体多層膜をエピタキシャル成長させるために用いた基板または該基板及びバッファ層が除去された面かまたはこの面がエッチングされて形成された新たな面であるときには、活性層から出射した光が逆導電型窒化ガリウム系化合物半導体層と基板との間の多重反射で、光を基板に吸収させること無く、一導電型半導体層の主面側から効率よく取り出すことができる。更に、バンプ電極等を介して、発光素子は実装基台を加熱し、フリップチップ実装する際に、窒化ガリウム系化合物半導体層と基板との熱膨張係数の差により発生する応力が加わることなく、窒化ガリウム系化合物半導体層の歪み等を少なくできることにより信頼性の高いものとなる。

また、本発明の照明装置によれば、前記発光素子の前記一導電型半導体層側の主面に反射防止膜が形成されていることから、窒化ガリウム系化合物半導体層の内部で多重反射することにより減衰する光を減らして窒化ガリウム系化合物半導体層の一導電型半導体層側
の主面から効率良く光を取り出すことができる。

また、本発明の照明装置によれば、前記反射防止膜は、表面に尖突起状の突起が多数形成されている。突起が、突起の素子表面に入射する光の入射角を臨界角より大きくしてその光を反射しなくする働きをするため、光の入射角の範囲を広くすることができるのでさらに光取り出し効率が向上することができる。また、上記突起は光の出射方向に対して等価的に屈折率を連続的に変化させて窒化ガリウム系化合物半導体層が有している高い屈折率から空気等の低い屈折率まで除々に減少させる働きも有しているため、光の出射方向に対する反射率自体を下げる効果も有しているという利点があり、効率よく光を取り出すことができる。

以下、本発明の照明装置について、図面を参照しつつ詳細に説明する。

図１は本発明の照明装置における発光素子の実施の形態の一例を示す模式的な断面図である。また、図２は本発明の照明装置における発光素子の実施の形態を示し、発光素子の各製造工程における断面図である。また、図３は本発明の照明装置について実施の形態の一例を示す模式的な断面図である。

図１、図２、図３において、１００は基板（図１には図示せず）、１０１は一導電型半導体層、１０２は活性層（発光層）、１０３は逆導電型半導体層、１０５は一導電型電極、１０６は逆導電型電極、１０７は活性層からの発光波長λ_１対して高い反射性を有する導電型反射層、１０８は発光波長λ_１に対しては透過性であり、発光波長λ_１より長い波長λ_２に対しては反射性である反射層、１０９は尖突起状の突起が表面に形成された反射防止層を示す。１１０，１１１はバンプ電極である。

図１に示す本発明の照明装置に用いる発光素子は、化学式Ｇａ_{１−ｘ１−ｙ１}Ｉｎ_ｙ１Ａｌ_ｘ１Ｎ（ただし、０＜ｘ_１＋ｙ_１＜１、ｘ_１＞０、ｙ_１≧０とする）で表される窒化ガリウム系化合物半導体から成る一導電型半導体層１０１と、化学式Ｇａ_{１−ｘ３−ｙ３}Ｉｎ_ｙ３Ａｌ_ｘ３Ｎ（ただし、０＜ｘ_３＋ｙ_３＜１、ｘ_３＞０、ｙ_３≧０とする）で表される窒化ガリウム系化合物半導体から成る逆導電型半導体層１０３との間に、化学式Ｇａ_{１−ｘ２−ｙ２}Ｉｎ_ｙ２Ａｌ_ｘ２Ｎ（ただし、０＜ｘ_２＋ｙ_２＜１、ｘ_２＞０、ｙ_２≧０とする）で表される窒化ガリウム系化合物半導体から成る活性層１０２が挟まれて接合されている構成である。

さらに具体的には、この構成において、一導電型半導体層１０１及び逆導電型半導体層１０３は、それぞれｎ型半導体層及びｐ型半導体層としている。窒化ガリウム系化合物半導体をｐ型半導体とするには、元素周期律表において２族の元素である例えばマグネシウム（Ｍｇ）等をドーパントとして窒化ガリウム系化合物半導体に混入させればよい。また、窒化ガリウム系化合物半導体をｎ型半導体とするには、元素周期律表において４族の元素である例えばシリコン（Ｓｉ）等をドーパントとして窒化ガリウム系化合物半導体に混入させればよい。

また、一導電型半導体層１０１及び逆導電型半導体層１０３は両方ともアルミニウム（Ａｌ）を含む窒化ガリウム系化合物半導体から成るものとし、いずれも活性層１０３に含まれるアルミニウムよりも含有量を多くする。このようにすると、一導電型及び逆導電型半導体層１０１，１０３の禁制帯幅が両方とも活性層１０２の禁制帯幅よりも大きくなるから、活性層１０２に電子と正孔とを閉じ込めてこれら電子と正孔とを効率良く再結合させて強い発光強度で発光させることができる。また、一導電型及び逆導電型半導体層１０２，１０３を、アルミニウムを含んだ窒化ガリウム系化合物半導体層とすることにより、一導電型及び逆導電型半導体層１０１，１０３における禁制帯幅が比較的大きくなり、一導電型及び逆導電型半導体層１０１，１０３における紫外光等の短波長側の光の吸収を小さくすることができる。

また、活性層１０２における窒化ガリウム系化合物半導体の組成は、所望の発光波長が得られるように適当なものに設定すればよい。例えば、アルミニウムもインジウムも含まないＧａＮからなる活性層１０２とすれば、禁制帯幅は約３．４ｅＶとなり、活性層１０２において３６５ｎｍ程度の発光波長である紫外光を発光させることができる。また、これよりも発光波長を短波長とする場合、活性層１０２は、禁制帯幅を大きくする元素であるアルミニウムを、発光波長に応じて多く含ませた窒化ガリウム系化合物半導体から成るものとすればよい。

また、活性層１０２に禁制帯幅を小さくする元素であるインジウム（Ｉｎ）を含有させてもよく、所望の発光波長となるように、アルミニウムをより多く含有させる等するとともに、アルミニウム、インジウム及びガリウムの組成比を適当に設定すればよい。

また、活性層１０２は、禁制帯幅の広い障壁層と禁制帯幅の狭い井戸層とから成る量子井戸構造が複数回繰り返し規則的に積層された超格子である多層量子井戸構造（ＭＱＷ：Multi Quantum Well）であってもよい。

また、導電性反射層１０７は、活性層１０２が発した紫外光を損失なく反射し、逆導電型電極１０６は逆導電型半導体層１０３と良好なオーミック接続がとれる材質から成る表面が滑らかな層状のものを用いる。

これら導電性反射層１０７と逆導電型電極１０６の好ましい材質としては、例えばアルミニウム（Ａｌ），チタン（Ｔｉ），ニッケル（Ｎｉ），クロム（Ｃｒ），インジウム（Ｉｎ），錫（Ｓｎ），モリブデン（Ｍｏ），銀（Ａｇ），金（Ａｕ），ニオブ（Ｎｂ），タンタル（Ｔａ），バナジウム（Ｖ），白金（Ｐｔ），鉛（Ｐｂ），ベリリウム（Ｂｅ），酸化錫（ＳｎＯ_２），酸化インジウム（Ｉｎ_２Ｏ），酸化インジウム錫（ＩＴＯ），金−シリコン合金（Ａｕ−Ｓｉ合金），金−ゲルマニウム合金（Ａｕ−Ｇｅ合金），金−亜鉛合金（Ａｕ−Ｚｎ合金），金−ベリリウム合金（Ａｕ−Ｂｅ合金）等の薄膜を用いればよい。特に、アルミニウム（Ａｌ），銀（Ａｇ）は、活性層１０２が発光する紫外光に対して反射率が高いので好適であり、逆導電型電極１０６とのオーミック接合の点でも特に好適である。また、上記材料の中から複数を選択した複数層を積層しても構わない。なお、導電性反射層１０７の表面は必ずしも完全に滑らかでなくてもよいが、滑らかでないと反射率が低下することがあるので注意を要する。

また、一導電型電極１０５は、一導電型半導体層１０１と良好なオーミック接続がとれる材質から成る表面が滑らかな層状のものを用いる。そのような材質のものとしては、例えばアルミニウム（Ａｌ），チタン（Ｔｉ），ニッケル（Ｎｉ），クロム（Ｃｒ），インジウム（Ｉｎ），錫（Ｓｎ），モリブデン（Ｍｏ），銀（Ａｇ），金（Ａｕ），ニオブ（Ｎｂ），タンタル（Ｔａ），バナジウム（Ｖ），白金（Ｐｔ），鉛（Ｐｂ），タングステン（Ｗ），酸化錫（ＳｎＯ_２），酸化インジウム（Ｉｎ_２Ｏ），酸化インジウム錫（ＩＴＯ），金−シリコン合金（Ａｕ−Ｓｉ合金），金−錫合金（Ａｕ−Ｓｎ合金），金−ゲルマニウム合金（Ａｕ−Ｇｅ合金），インジウム−アルミニウム合金（Ｉｎ−Ａｌ合金）等の薄膜を用いればよい。

なお、図１においては、一導電型半導体層１０１の一部を露出させて、その露出部に一導電型電極１０５を設けている。このように一導電型電極１０５を設けることにより、光取り出し面の一部を一導電型電極１０５により遮ることがなくなるとともに、逆導電型電極１０６と一導電型電極１０５が、窒化ガリウム系化合物半導体層多層体の同じ主面側に形成されているので、発光素子の実装が容易になる。

上記構成において、一導電型電極１０５と逆導電型電極１０６とに順方向バイアス電圧を印加することによって、発光素子にバイアス電流を流して活性層１０２で波長３６５ｎｍ程度の紫外光〜近紫外光を発生させるとともに、活性層１０２から出射された紫外光〜近紫外光の内、導電性反射層１０７側の主面（図１では下面）に向かった光を発光素子の他方の主面（図１では上面）側に反射する働きをする。このようにして、本発明の照明装置に用いる発光素子は、一導電型半導体層１０１側である他方の主面側から紫外光〜近紫外光が外部に取り出されるように動作する。

また、図２に示すように、本発明の照明装置に用いる発光素子は、一導電型半導体層１０１側の主面である他方の主面が、窒化ガリウム系化合物半導体層をエピタキシャル成長させるために用いた基板１００またはその基板１００及びバッファ層（図示せず）が除去された面、またはこの面がエッチングされて形成された新たな面とされていることが好ましい。

一導電型半導体層１０１側の主面である他方の主面が、基板１００及びバッファ層が除去された面、またはこの面がエッチングされて形成された新たな面とされている場合、他方の主面に接合していた基板１００が除去されているために、他方の主面側に取り出される紫外光〜近紫外光の基板１００の吸収による損失をなくすことができる。その結果、活性層１０２で発生した紫外光〜近紫外光を他方の主面側に一層効率よく取り出すことができるので、他方の主面側からの紫外光〜近紫外光の光取り出し効率がさらに大きく改善され、小さい電力で良好な発光強度を得ることができる高性能なものとなる。

また、図１に示すように、本発明の照明装置に用いる発光素子は、一導電型半導体層１０１の他方の主面に、活性層１０２の発光波長より長い波長λ_２に対する反射層１０８を形成している。

この反射層１０８は、化学式Ｇａ_{１−ｘ４−ｙ４}Ｉｎ_ｙ４Ａｌ_ｘ４Ｎ（ただし、０＜ｘ_４＋ｙ_４＜１、ｘ_４＞ｘ_２、ｙ_４≧ｙ_２とする）からなる窒化ガリウム系半導体層と、化学式Ｇａ_{１−ｘ５−ｙ５}Ｉｎ_ｙ５Ａｌ_ｘ５Ｎ（ただし、０＜ｘ_５＋ｙ_５＜１、ｘ_５＞ｘ_２、ｙ_５≧ｙ_２とする）からなる窒化ガリウム系半導体層とを、膜厚λ_２／４ｎ_ｓ（ただし、ｎ_ｓはそれぞれの窒化ガリウム系化合物半導体層の屈折率）で交互に積層した半導体多層膜から形成されるのが好ましい。

このように構成すれば、窒化ガリウム系化合物半導体層の屈折率と膜厚を調整することにより、特定の波長帯域にのみ高い反射率を持ち、それ以外の波長帯域では高い透過率を示す反射層を形成することができる。従って、図３に示すように、反射層１０８の反射性を示す波長帯域を、発光素子を励起光源として白色光等の可視光を発する蛍光体１１２（または燐光体）の発光波長として設定した場合、活性層１０２からの発光は反射層１０８を効率よく透過し、一導電型半導体層１０１の他方の主面側に取り出される。そして、発光素子を励起光源として、蛍光体から発した可視光（蛍光）のうち、発光素子側に出射した光は反射層１０８にて反射され、発光素子の内部に入り込むことはない。その結果、一導電型半導体層１０１の他方の主面側から外部への可視光の取り出し効率が大幅に向上した照明装置となる。

また、反射層１０８は、基板１００を除去した後の一導電型半導体層１０１の他方の主面に、スパッタリング法や蒸着法などを用いて、ＭｇＯ，ＳｉＯ_２，ＳｉＮｘ，ＺｒＯ_２，ＨｆＯ_２，Ｙ_２Ｏ_３，ＴｈＯ_２，Ｓｃ_２Ｏ_３，ＭｇＦ_２，ＴｈＦ_４，ＮｄＦ_３及びＮａＦの誘電体のうちの少なくとも２種類を、膜厚λ_２／４ｎ_ｄ（ただし、ｎ_ｄはそれぞれの誘電体の屈折率）で交互に積層した誘電体多層膜からなることが好ましい。

誘電体の屈折率と膜厚を調整することにより、特定の波長帯域にのみ高い反射率を持ち、それ以外の波長帯域では高い透過率を示す反射層を形成することができる。従って、図３に示すように、反射層１０８の反射性を示す波長帯域を、発光素子を励起光源として白色光等の可視光を発する蛍光体１１２（または燐光体）の発光波長として設定した場合、活性層１０２からの発光は反射層１０８を効率よく透過し、一導電型半導体層１０１の他方の主面側に取り出される。そして、発光素子を励起光源として、蛍光体から発した可視光のうち発光素子側に出射した光は反射層１０８にて反射され、一導電型半導体層１０１の他方の主面側から外部への可視光の取り出し効率が大幅に向上した照明装置となる。

例えば、発光素子の発光波長λ_１が３６５ｎｍであり、ＲＧＢ蛍光体の蛍光の波長λ_２が４５５ｎｍである場合、反射層１０８の層構成としては、厚み４２ｎｍのＧａＮ、厚み４７ｎｍのＧａ_０．５９Ａｌ_０．４１Ｎを順次積層したものとすることができる。

また、図１に示すように、本発明の照明装置に用いる発光素子は、一導電型半導体層１０１の他方の主面に反射防止層１０９を形成してもよく、さらにこの反射防止層１０９は、表面に尖突起状の突起を多数有するものとすることが好ましい。

この反射防止層１０９は、窒化ガリウム系化合物半導体層多層体において、基板１００を除去した面に、例えば石英（ＳｉＯ_２），アルミナ（Ａｌ_２Ｏ）またはポリカーボネート等からなる誘電体層を、単層もしくは多層として形成したものとしてもよい（図１の構成とは異なる）。この場合、一導電型半導体層１０１側から次第に屈折率が小さくなるようにしたり、反射防止層１０９の厚みを活性層１０２で発生した紫外光〜近紫外光の反射防止層１０９内における光学波長の４分の１程度となるようにすればよい。なぜなら、反射防止層１０９内において多重反射する光が互いに弱め合って干渉しやすくなり、定在波が発生しにくくなるからである。

上記のように反射防止層１０９を設けたときには、反射防止層１０９により、活性層１０２で発生した紫外光〜近紫外光を一導電型半導体層１０１の一方の主面側に反射することなく透過させることができるため、発光素子内部で多重反射することにより減衰する光を減らして、一導電型半導体層１０１の一方の主面側に効率良く光を取り出すことができるので、発光素子の光取り出し効率をさらに向上させることができる。また、一導電型半導体層１０１は基板１００が除去されているため、その除去された面にエピタキシャル成長によらずに反射防止層１０９を設けることができるので、反射防止層１０９に用いる材料や作製プロセスを光学的な見地から種々選択することができるという利点もある。その結果、反射防止層１０９を透過する光の透過特性が向上するように反射防止層１０９の屈折率や表面形状等を適切なものとして、基板１００が除去された面側からの光取り出し効率をさらに向上させることもできる。

また、このような反射防止層１０９は、表面に尖突起状の突起を多数有してもよいが、尖突起状の突起の構造は、具体的には、多角錐状または円錐状のものとすればよい。なお、多角錐状または円錐状とは、多角錐及び円錐に加えて多角錐または円錐の斜面が任意の断面において変曲点を持たない曲線となっているようなものも含むものとする。また、多角錐状及び円錐状のいずれかのものに対してその頂部を平面状としたものとしても構わない。また、反射防止層１０９に形成された尖突起状の突起は、半球状としても構わない。半球状とは、半球に加えて半球の斜面が任意の断面において変曲点を持たない曲線となっているようなものも含むものとする。また、突起の基部の幅は、活性層１０２で発生した紫外光〜近紫外光の窒化ガリウム系化合物半導体層多層体における波長に対して１倍以下とし、基部から頂部までの高さはその１倍以上とすればよい。

このような尖突起状の突起の構造は、リソグラフィー技術と、ウェットエッチングもしくはドライエッチング技術とを用いてエッチングすることにより、形成すればよい。さらに、一導電型半導体層１０１の基板１００を除去した面をリソグラフィー技術とウェットエッチングもしくはドライエッチング技術を用いてエッチングすることにより、一導電型半導体層１０１自体に上記構成の突起を形成してもよい。この場合、一導電型半導体層１０１を厚さ方向で見たときに、突起または窪みによる凹凸が形成された部位を反射防止層１０９とすることができる。上記構成の突起は、一導電型半導体層１０１の表面に対してできるだけ隙間なく多く形成すればよい。

また、反射防止層１０９がこのような尖突起状の突起を多数有しているときには、突起が、反射防止層１０９に斜め方向から入射する光に対しても、突起の表面に入射する光の入射角を臨界角より大きくして反射を防ぐ働きをするため、反射防止層１０９に斜め方向から入射する光を透過させることができる。その結果、反射防止層１０９を透過させることができる光の入射角の範囲を広くすることができるので、光取り出し効率をさらに向上させることができる。また、このような突起は、光の出射方向に対して屈折率を連続的に変化させて、一導電型化合物半導体層１０１が有している高い屈折率から空気等の低い屈折率まで除々に減少させる働きも有しているため、光の出射方向に対する反射率自体を下げる効果も有しており、光取り出し効率がさらに向上した発光素子とすることができる。

さらに、図１に示すように、逆導電型電極１０６の主面にバンプ電極１１１を、一導電型電極１０５の主面にバンプ電極１１０が形成されていてもよい。このバンプ電極１１０，１１１は、発光素子を実装基台や外部回路基板等に固定するとともに、一導電型電極１０５側で発光素子への電気的導通をとる働きをするものである。これにより、光取り出し面側に光を遮る導線等を配置する必要をなくすことができるので、さらに光取り出し効率を向上させることができる。また、窒化ガリウム系化合物半導体層多層体は、基板１００が除去されているため、発光素子をバンプ電極１１０，１１１及びハンダ等を介して実装基台等に加熱してフリップチップ実装する際に、窒化ガリウム系化合物半導体層多層体と基板１００との熱膨張係数の差により窒化ガリウム系化合物半導体層多層体に加わる応力をなくすことができるので、発光素子をフリップチップ実装する際に窒化ガリウム系化合物半導体層多層体に生じる歪み等を少なくして、信頼性を高くすることができる。

バンプ電極１１０，１１１に用いる材料としては、金（Ａｕ），インジウム（Ｉｎ），金−錫（Ａｕ−Ｓｎ）合金半田，錫−銀（Ｓｎ−Ａｇ）合金半田，錫−銀−銅（Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ）合金半田，錫−ビスマス（Ｓｎ−Ｂｉ）合金半田，錫−鉛（Ｓｎ−Ｐｂ）合金半田等とすればよい。

次に、図１に示す発光素子を例にとり、本発明の照明装置に用いる発光素子の製造方法を説明する。図２（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ本発明の照明装置に用いる発光素子の好ましい作製工程を示す断面図であり、基板１００上に窒化ガリウム系化合物半導体からなる反射層１０８、一導電型半導体層１０１、窒化ガリウム系化合物半導体からなる活性層１０２、逆導電型半導体層１０３をエピタキシャル成長させる工程（ａ）と、一導電型半導体層１０１上に一導電型電極１０５を形成し、逆導電型半導体層１０６上に導電性反射層１０７、逆導電型電極１０６を形成し、一導電型電極１０５、逆導電型電極１０６にそれぞれバンプ電極１１０，１１１を形成する工程（ｂ）と、バンプ電極１１０，１１１を樹脂等で保護した状態で窒化ガリウム系化合物半導体層から基板１００を除去する工程（ｃ）と、一導電型半導体層１０１の他方の主面に形成された反射層１０８の表面に尖突起状の突起を多数形成する工程（ｄ）とを示すものである。

具体的には、図２（ａ）に示すように、二硼化物単結晶として例えば硼化ジルコニウム（ＺｒＢ_２）単結晶から成る基板１００上に、各層を成す窒化ガリウム系化合物半導体層を有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法によってエピタキシャル成長させる。窒化ガリウム系化合物半導体層は、基板１００上にＧａ_１−ｘ６Ａｌ_ｘ６Ｎ(ただし、０＜ｘ_６＜１、ｘ_６≧ｘ_２とする)で表されるバッファ層は（図示せず）を介して、異なる組成からなるＧａ_{１−ｘ４−ｙ４}Ｉｎ_ｙ４Ａｌ_ｘ４Ｎ（ただし、０＜ｘ_４＋ｙ_４＜１、ｘ_４＞ｘ_２、ｙ_４≧ｙ_２とする）とＧａ_{１−ｘ５−ｙ５}Ｉｎ_ｙ５Ａｌ_ｘ５Ｎ（ただし、０＜ｘ_５＋ｙ_５＜１、ｘ_５＞ｘ_２、ｙ_５≧ｙ_２とする）で表される窒化ガリウム系化合物半導体層を交互に積層したものからなる反射層１０８と、Ｇａ_{１−ｘ１−ｙ１}Ｉｎ_ｙ１Ａｌ_ｘ１Ｎ（ただし、０＜ｘ_１＋ｙ_１＜１、ｘ_１＞０、ｙ_１≧０とする）で表される一導電型半導体層１０１と、Ｇａ_{１−ｘ２−ｙ２}Ｉｎ_ｙ２Ａｌ_ｘ２Ｎ（ただし、０＜ｘ_２＋ｙ_２＜１、ｘ_２＞０、ｙ_２≧０とする）で表される活性層１０２と、Ｇａ_{１−ｘ３−ｙ３}Ｉｎ_ｙ３Ａｌ_ｘ３Ｎ（ただし、０＜ｘ_３＋ｙ_３＜１、ｘ_３＞０、ｙ_３≧０とする）で表される逆導電型半導体層１０３が順次形成されている。

これらバッファ層及び窒化ガリウム系化合物半導体層は、さらに具体的には、例えば次のように作製すればよい。

バッファ層は、基板１００の温度を比較的低温である４００〜１０００℃として基板１００上に窒化アルミニウム・ガリウムＧａ_１−ｘ６Ａｌ_ｘ６Ｎ（ただし、０＜ｘ_６＜１、ｘ_６≧ｘ_２とする）を２０〜３００ｎｍ程度の厚さで形成すればよい。また、この窒化アルミニウム・ガリウムは、上記化学式においてｘ６＝０．２６のときの（Ｇａ_０．７４Ａｌ_０．２６Ｎ）が、硼化ジルコニウム（ＺｒＢ_２）単結晶と最も良好に格子定数が整合するから好適である。

また、反射層１０８に用いられる窒化ガリウム系化合物半導体層は、窒化アルミニウム・ガリウムであり、Ｇａ_１−ｘ４Ａｌ_ｘ４Ｎ（ただし、０＜ｘ_４＜１、ｘ_４＞ｘ_２とする）の層を数十ｎｍ、異なる組成の窒化ガリウム系化合物半導体層としてＧａ_１−ｘ５Ａｌ_ｘ５Ｎ（ただし、０＜ｘ_５＜１、ｘ_５＞ｘ_２とするの他方の層を数十ｎｍ程度の厚さで、交互に１０〜５０周期程度形成すればよい。

次に、Ｇａ_{１−ｘ１−ｙ１}Ｉｎ_ｙ１Ａｌ_ｘ１Ｎ（ただし、０＜ｘ_１＋ｙ_１＜１、ｘ_１＞０、ｙ_１≧０とする）で表される一導電型半導体層１０１は、基板１００の温度を７００℃程度として、反射層１０８上に窒化アルミニウム・ガリウムＧａ_１−ｘ１Ａｌ_ｘ１Ｎ(ただし０＜ｘ_１＜１、ｘ_１≧ｘ_２）を数μｍ程度の厚さで形成すればいい。

次に、Ｇａ_{１−ｘ２−ｙ２}Ｉｎ_ｙ２Ａｌ_ｘ２Ｎ（ただし、０＜ｘ_２＋ｙ_２＜１、ｘ_２＞０、ｙ_２≧０とする）で表される活性層１０２は、一導電型半導体層１０１上に基板１００の温度を７００℃程度として、厚さ５０〜５００ｎｍ程度の窒化アルミニウム・ガリウムＧａ_１−ｘ２Ａｌ_ｘ２Ｎ(ただし０＜ｘ_２＜１、ｘ_２≧０）から成る層を形成すればよい。

次に、Ｇａ_{１−ｘ３−ｙ３}Ｉｎ_ｙ３Ａｌ_ｘ３Ｎ（ただし、０＜ｘ_３＋ｙ_３＜１、ｘ_３＞０、ｙ_３≧０とする）で表される逆導電型半導体層１０３は、基板１００の温度を７００〜１０５０℃として、活性層１０２上に窒化アルミニウム・ガリウムＧａ_１−ｘ３Ａｌ_ｘ３Ｎ(ただし０＜ｘ_３＜１、ｘ_３≧ｘ_２）を０．１〜２μｍ程度の厚さで形成すればよい。

次に、逆導電型半導体層１０３上にニッケル（Ｎｉ）などの金属層を真空蒸着法やスパッタリング法により形成する。この金属層をマスクとして、逆導電型半導体層１０３及び活性層１０２の一部を、一導電型半導体層１０１の表面の一部が露出するまでエッチングする。

その後、図２（ｂ）に示すように、逆導電型半導体層１０３の表面に活性層１０２からの発光に対して反射性を有する導電型反射層１０７と、逆導電型電極１０６を形成し、一導電型半導体層１０１の露出した表面に一導電型電極１０５を形成する工程を設ける。この一導電型電極１０５を形成することにより、発光素子を実装基台等に実装する際に、光取り出し面である窒化ガリウム系化合物半導体層多層体の他方の主面側において、一導電型電極１０５に電気的に接続するための導線等を形成する必要がなくなるため、光取り出し面を導線等で遮ることなく実装することができるからである。更に、一導電型電極１０５上及び逆導電型電極１０６上のそれぞれに、バンプ電極１１０，１１１を形成する工程を設ける。

次に、図２（ｃ）に示すように、バンプ電極１１０，１１１を樹脂等で保護した状態で窒化ガリウム系化合物半導体層多層体から基板１００を除去する工程においては、一導電型電極１０５、逆導電型電極１０６及びバンプ電極１１０，１１１を保護膜１１３で覆ってから、基板１００を除去すればよい。基板１００を除去するには、基板１００の材質に応じて化学的、物理的手法を用いることができる。例えば、基板１００の材質が硼化ジルコニウムのときには、基板１００を酸等をエッチャントとして化学的にエッチングすればよい。また、保護膜１１３は、基板１００を除去する工程に耐え得る材料、例えば有機系のパラフィンやエポキシ等からなるコーティング材等を、スピンコートして形成すればよい。

次に、図２（ｄ）に示す工程のように、窒化ガリウム系化合物半導体層多層体の基板１００を除去した面に、反射防止層１０９を形成する。この工程において、反射防止層１０９は、スパッタリング法やＣＶＤ法、真空蒸着法等の通常の薄膜形成方法により表面が平坦な層を形成した後、水酸化カリウム（ＫＯＨ）等によるウェットエッチング技術を用いて反射防止層１０９の表面をエッチングして、尖突起状の突起を多数形成した反射防止層１０９としてもよい。

最後に、保護膜１１３を除去して本発明の照明装置に用いる発光素子が完成する。保護膜１３を除去するには、例えばドライエッチングまたはウェットエッチング技術により除去すればよい。

次に、図３に示す本発明の照明装置の実施の形態の一例は、図１及び図２に示す本発明に用いる発光素子と、この発光素子の周囲に設けた、活性層１０２に沿って出射される紫外光〜近紫外光を発光素子の他方の主面側に反射する反射面１１４と、発光素子からの発光を受けて白色光等の可視光を発する蛍光体１１２（または燐光体）とを具備する構成である。

また、発光素子は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等の高熱伝導性の絶縁性の実装基台１１５上に形成された導体パターンに、バンプ電極１１０，１１１を介して接続されており、その発光素子の実装面の反対側から発光素子の全体を蛍光体１１２で覆っている。また、実装基台１１５上面には、反射面１１４に形成されたＡｇ層やＡｌ層が形成されている。

かくして、本発明によれば、紫外光の光取り出し効率がより大きく改善され、小さい電力で良好な発光強度を得ることができる高性能な発光素子、及びその高性能な発光素子を用いた照明装置を提供することができる。

なお、本発明は以上の実施の形態の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更、改良を施すことは何等差し支えない。

本発明の照明装置における発光素子について実施の形態の一例を示す模式的な断面図である。（ａ）〜（ｄ）は本発明の照明装置における発光素子の作製工程を示す模式的な断面図である。本発明の照明装置について実施の形態の一例を示す模式的な断面図である。従来の発光素子の１例を示す断面図である。従来の発光素子の他例を示す断面図である。従来の発光素子の他例を示す断面図である。

符号の説明

１００：基板
１０１：一導電型半導体層
１０２：活性層
１０３：逆導電型半導体層
１０８：反射層
１１２：蛍光体（燐光体）

Claims

化学式Ｇａ_{１−ｘ１−ｙ１}Ｉｎ_ｙ１Ａｌ_ｘ１Ｎ（ただし、０＜ｘ_１＋ｙ_１＜１、ｘ_１＞０、ｙ_１≧０とする）で表される一導電型半導体層、化学式Ｇａ_{１−ｘ２−ｙ２}Ｉｎ_ｙ２Ａｌ_ｘ２Ｎ（ただし、０＜ｘ_２＋ｙ_２＜１、ｘ_２＞０、ｙ_２≧０とする）で表される活性層、及び化学式Ｇａ_{１−ｘ３−ｙ３}Ｉｎ_ｙ３Ａｌ_ｘ３Ｎ（ただし、０＜ｘ_３＋ｙ_３＜１、ｘ_３＞０、ｙ_３≧０とする）で表される逆導電型半導体層を具備した窒化ガリウム系化合物半導体層多層体（ただし、ｘ_１，ｘ_３＞ｘ_２，ｙ_１，ｙ_３＞ｙ_２とする）と、前記窒化ガリウム系化合物半導体層多層体の前記一導電型半導体層側の主面に形成された反射層とを有する発光素子と、
該発光素子の外部に設けられ、前記活性層で発光した光を受けて光を発する蛍光体及び燐光体の少なくとも一方とを具備しており、
前記反射層は、波長選択性を有し、前記活性層の発光波長λ_１に対しては透過性であり、前記発光波長λ_１より長い波長λ_２に対しては反射性である、化学式Ｇａ_{１−ｘ４−ｙ４}Ｉｎ_ｙ４Ａｌ_ｘ４Ｎ（ただし、０＜ｘ_４＋ｙ_４＜１、ｘ_４＞ｘ_２、ｙ_４≧ｙ_２とする）からなる窒化ガリウム系半導体層と、化学式Ｇａ_{１−ｘ５−ｙ５}Ｉｎ_ｙ５Ａｌ_ｘ５Ｎ（ただし、０＜ｘ_５＋ｙ_５＜１、ｘ_５＞ｘ_２、ｙ_５≧ｙ_２とする）からなる窒化ガリウム系半導体層とを、膜厚λ_２／４ｎ_ｓ（ただし、ｎ_ｓはそれぞれの窒化ガリウム系化合物半導体層の屈折率）で交互に積層した半導体多層膜から成るとともに、前記発光素子の前記一導電型半導体層側の主面が、前記半導体多層膜をエピタキシャル成長させるために用いた基板または該基板及びバッファ層が除去された面、もしくはこの面がエッチングされた新たな面であることを特徴とする照明装置。
前記発光素子は、前記一導電型半導体層側の主面に反射防止層が形成されていることを特徴とする請求項１記載の照明装置。
前記反射防止層は、表面に尖突起状の突起が多数形成されていることを特徴とする請求項２記載の照明装置。