JP5627174B2 - Light emitting element - Google Patents
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Description
本発明は、発光素子に関する。 The present invention relates to a light emitting element.
従来、外部への光の取り出し効率を向上させた半導体発光素子が種々提案されている。例えば、特許文献1に記載された半導体発光素子では、光の取り出し面に凹凸形状を形成することで、平面状に形成された光の取り出し面に比べて、発光層から出た光のうち臨界角より小さい角度で光の取り出し面に入射する光の割合を大きくし、外部への光の取り出し効率を向上させている。
しかしながら、特許文献1の半導体発光素子では、発光層から出た光のうち光の取り出し面とは反対側に向かう光を有効に利用することができず、その分、光の取り出し効率を上げることができないという問題があった。
However, in the semiconductor light emitting device of
また、特許文献1の半導体発光素子は、サファイア基板上に、発光層を有する半導体結晶層を形成しており、半導体結晶層の光の取り出し面がサファイア基板と反対側に配置されている。したがって、この半導体発光素子を実装用基板上に実装する場合、サファイア基板を実装用基板上に配置することになり、発光層で発生した熱がサファイア基板を介して放熱される。そのため、放熱効率が悪く、半導体発光素子が高温となり、内部量子効率が低下するという問題があった。
In addition, the semiconductor light emitting element of
本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、光の取り出し効率をより向上させるとともに、放熱効率の良い発光素子を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a light-emitting element with improved heat extraction efficiency and good heat dissipation efficiency.
本発明に係る発光素子は、透光性を有する基板と、前記基板上に複数の半導体層を積層して形成されており、前記基板側から順次積層されたn型の窒化物系半導体層、発光層及びp型の窒化物系半導体層を少なくとも有する発光部と、前記p型の窒化物系半導体層上に設けられ、電流を拡散するとともに透光性を有する導電膜と、前記導電膜上に設けられ、凹凸構造を有するフォトニック結晶構造を有し、凸部の厚みが前記導電膜よりも大きいフォトニック結晶層と、前記フォトニック結晶層上に設けられた光反射層と、前記n型の窒化物系半導体層に接続された第1電極と、前記導電膜に接続された第2電極と、を備え
、前記導電膜は、ITOからなり、前記フォトニック結晶層は、ZrO 2 からなることを特徴とする。
A light-emitting element according to the present invention is formed by laminating a light-transmitting substrate and a plurality of semiconductor layers on the substrate, and sequentially laminating n-type nitride-based semiconductor layers from the substrate side, A light-emitting portion having at least a light-emitting layer and a p-type nitride-based semiconductor layer; a conductive film which is provided on the p-type nitride-based semiconductor layer and diffuses current and has translucency; and A photonic crystal structure having a concavo-convex structure, a convex portion having a thickness larger than that of the conductive film, a light reflecting layer provided on the photonic crystal layer, and the n A first electrode connected to the nitride semiconductor layer of the type, and a second electrode connected to the conductive film
The conductive film is made of ITO, the photonic crystal layer, characterized in that it consists of ZrO 2.
上記の構成された発光素子において、前記導電膜は、ITOからなることが好ましい。また、前記発光層は、InGaNで形成することができる。また、前記第2電極は、前記導電膜上の一部分にのみ配されていることが好ましい。
In the light emitting device configured as described above, the conductive film is preferably made of ITO. The light emitting layer can be formed of InGaN. In addition, it is preferable that the second electrode is disposed only on a part of the conductive film .
なお、本発明において、窒化物系半導体とは、BxInyAlzGa(1−x−yーz)N(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1)なる組成式で表わされるIII−V族化合物半導体を含み、さらにV族としては、Nに加えてリン(P)や砒素(As)等を含有する混晶を含むものとする。 In the present invention, the nitride semiconductor is B x In y Al z Ga (1-xyz) N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ z ≦ 1). A group III-V compound semiconductor represented by the composition formula is included, and the group V includes a mixed crystal containing phosphorus (P), arsenic (As), and the like in addition to N.
本発明によれば、光の取り出し効率をより向上させるとともに、放熱効率の良い発光素子を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a light-emitting element with improved light extraction efficiency and good heat dissipation efficiency.
以下、本発明に係る発光素子の一実施形態について、図面を参照しつつ説明する。図1は、本実施形態に係る発光素子の断面図である。 Hereinafter, an embodiment of a light emitting device according to the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view of the light emitting device according to this embodiment.
図1に示すように、本実施形態に係る発光素子1は、いわゆるフリップチップ接続によって実装用基板3に実装されるものである。この発光素子1は、基板5と、基板5上に設けられた発光部7と、発光部7に電流を供給する第1電極9及び第2電極11とを備えている。
As shown in FIG. 1, the
基板5は、発光部7を形成する後述する各半導体層の結晶成長が可能であり、且つ発光部7からの光を透過可能な材料で形成されている。基板5の光吸収率は、例えば、20%以下とするのが好ましい。本実施形態の基板5は、サファイアで形成され、0.3mmの厚さを有しており、後述する発光層17から発せられる光に対する吸収率が6%程度となっている。
The
発光部7は、基板5上に積層された複数の半導体層で形成されており、より詳細には、本実施形態の発光部7は、基板5側から順次積層されたn型コンタクト層13、n型クラッド層15、発光層17、p型クラッド層19及びp型コンタクト層21によって構成されている。なお、n型コンタクト層13及びn型クラッド層15が本発明におけるn型の窒化物系半導体層に相当し、p型クラッド層19及びp型コンタクト層21が本発明におけるp型の窒化物系半導体層に相当する。
The light emitting unit 7 is formed of a plurality of semiconductor layers stacked on the
n型コンタクト層13は、n型の不純物がドーピングされた窒化ガリウム(GaN)からなり、10〜1000nmの厚さを有している。n型の不純物としては、例えばシリコン(Si)が挙げられ、n型コンタクト層13のドーピング濃度を1×1017〜5×1018atoms/cm3としている。図1に示すように、n型コンタクト層13の一部分は、n型クラッド層15、発光層17、p型クラッド層19及びp型コンタクト層21の一部分が選択的にエッチングされることによって露出しており、この露出した部分上に第1電極9が形成されている。
The n-
n型クラッド層15は、n型の不純物がドーピングされた窒化アルミニウムガリウム(AlGaN)からなり、10〜1000nmの厚さを有している。n型の不純物としては、例えばシリコン(Si)が挙げられ、n型クラッド層15のドーピング濃度を1×1017〜5×1018atoms/cm3としている。
The n-
発光層17は、ノンドープの窒化インジウムガリウム(InGaN)からなり、10〜100nmの厚さを有している。 The light emitting layer 17 is made of non-doped indium gallium nitride (InGaN) and has a thickness of 10 to 100 nm.
p型クラッド層19は、p型の不純物がドーピングされたAlGaNからなり、10〜100nmの厚さを有している。n型の不純物としては、例えばマグネシウム(Mg)が挙げられ、p型クラッド層19のドーピング濃度を1×1017〜1×1020atoms/cm3としている。
The p-
p型コンタクト層21は、p型の不純物がドーピングされたGaNからなり、10〜100nmの厚さを有している。p型の不純物としては、例えばマグネシウム(Mg)が挙げられ、p型コンタクト層21のドーピング濃度を1×1017〜1×1020atoms/cm3としている。
The p-
上記の発光部7を構成する各半導体層は、例えば、MOCVD(有機金属化学気相成長:Metal-organic Chemical Vapor Deposition)法、またはMBE(分子線エピタキシャル成長:Molecular Beam Epitaxy)法を用い、基板5上にエピタキシャル成長させることによって形成される。
Each semiconductor layer constituting the light emitting unit 7 is formed by using, for example, the MOCVD (Metal-organic Chemical Vapor Deposition) method or the MBE (Molecular Beam Epitaxy) method to form the
第1電極9は、n型コンタクト層13にオーミック接合されるオーミック接合部9aと、オーミック接合部9aを被覆するパッド部9bとを有している。パッド部9bは、実装用基板3上に形成された回路配線23に半田バンプ25を介して接合される。オーミック接合部9aは、例えば、チタン(Ti)とアルミニウム(Al)とからなる合金で形成される。パッド部9bは、例えば、金(Au)で形成される。パッド部9b及びオーミック接合部9aは、例えば、それぞれの金属膜を蒸着し、パターニングすることで形成される。
The first electrode 9 has an
p型コンタクト層21上には、第2電極11から供給される電流を拡散するとともに、透光性を有する導電膜27が設けられている。導電膜27の光吸収率は、例えば、30%以下とするのが好ましい。本実施形態の導電膜27は、ITO(Indium Tin Oxide)で形成され、10〜100nmの厚さを有しており、発光層17から発せられる光に対する吸収率が0.13〜1.3%程度となっている。導電膜27は、例えば、スパッタリング法や電子ビーム蒸着法により形成される。
On the p-
導電膜27上には、第2電極11及び後述するフォトニック結晶層29が設けられている。第2電極11は、例えば金(Au)で形成され、実装用基板3上に形成された回路配線23に半田バンプ25を介して接合される。第2電極11は、第1電極9と同様、例えば金を蒸着し、パターニングすることで形成される。
A
フォトニック結晶層29は、フォトニック結晶構造を有している。本実施形態のフォトニック結晶層29は、スパッタリング法や電子ビーム蒸着法等を用いて酸化ジルコニウム(ZrO2)からなる結晶層を形成し、この結晶層に周期的な凹凸構造をエッチングすることによって形成されている。また、フォトニック結晶層29の厚さは、例えば100〜2000nmとされる。フォトニック結晶層29のこの凹凸構造の詳細については後述する。
The
フォトニック結晶層29上には、光反射層31が設けられている。この光反射層31は、発光部7の発光層17からの光に対して反射率が80%以上である材料層からなる。本実施形態のInGaNで形成される発光層17から発せられる光の波長は375nm近傍であり、この波長域で反射率が80%以上の材料としては、例えば、アルミニウム(Al)又は銀(Ag)、或いはこれらの少なくとも1つを含む合金等が挙げられる。光反射層31は、例えばこれらの材料をフォトニック結晶層29上に蒸着することによって形成される。
A
上記のように構成された発光素子1は、第1電極9と第2電極11との間に順方向電圧が印加され、p型クラッド層19とn型クラッド層15とによってpn接合を形成する発光部7に電流が供給されることで、発光層17が発光するようになっている。
In the
発光素子1において、発光層17から放射される光は、その一部のみが素子外部へ取り出され利用することができる。素子外部へ取り出せない光は、素子内部で反射、散乱を繰り返し、次第に熱エネルギなどへ変換されてしまうため、有効に利用することができない。この光を効率的に取り出せない最大の理由の一つに、発光素子と外界の界面による全反射の現象が挙げられる。
In the
以下、全反射について説明する。屈折率n1の媒質から屈折率n2の媒質に、光が入射角θ1で入射した場合、出射角θ2で出射すると、入射光と出射光との間で、次式(1)の関係が成立する。 Hereinafter, total reflection will be described. When light is incident on the medium having the refractive index n 1 from the medium having the refractive index n 2 at the incident angle θ 1 and is emitted at the outgoing angle θ 2 , the following equation (1) is obtained between the incident light and the outgoing light. A relationship is established.
ここで、n1>n2の場合、すなわち、屈折率が高い媒質から低い媒質へ向かって光がその界面へ入射する場合、sinθ1=n2/n1で与えられる入射角以上で入射したときに、式(1)を満足するθ2が存在しない状態となる。すなわち、界面を介して透過する光波の存在は許容されず、界面で全て反射される状態となる。この現象が全反射と呼ばれ、このときのθ1を臨界角θCという。特に光半導体材料は、大きな屈折率を持つため、全反射の影響が顕著となる。 Here, when n 1 > n 2 , that is, when light is incident on the interface from a medium having a high refractive index toward a medium having a low refractive index, the incident angle is equal to or greater than an incident angle given by sin θ 1 = n 2 / n 1 Sometimes, θ 2 that satisfies the formula (1) does not exist. In other words, the presence of a light wave that passes through the interface is not allowed, and is totally reflected at the interface. This phenomenon is called total reflection, and θ 1 at this time is called a critical angle θ C. In particular, since the optical semiconductor material has a large refractive index, the influence of total reflection becomes significant.
例えば、本実施形態の発光部7の各半導体層を構成する窒化物系半導体は、本実施形態の発光層17における発光波長域において、屈折率が2.5程度であるので、空気(屈折率=1.0)との界面での臨界角θCは、約23度である。また、窒化物系半導体とサファイア(屈折率=約1.8)との界面での臨界角θCは、約46度であり、サファイアと空気との界面の臨界角θCは、約34度である。ここで、発光層17から放射される光強度分布は、ランバード分布(I(φ)=I0・cos(φ):I0は主線方向の光出射強度)を仮定すると、臨界角θC内で放射される光エネルギは、全放射エネルギに対して、(1−cos2θC)/2×100(%)となる。ここでフレネル反射は考慮していない。上記臨界角θCを代入すると、空気と窒化物系半導体との界面、サファイアと窒化物系半導体との界面、空気とサファイアとの界面において臨界角θC内で放射される光エネルギは、それぞれ、約15%、約48%、約31%である。もちろん、さらにフレネル反射による反射損失が加わるため、本値は実際にはさらに小さくなる。したがって、発光素子の外部への光の取り出し効率を向上させるためには、この全反射を低減させる必要がある。 For example, the nitride-based semiconductor constituting each semiconductor layer of the light emitting unit 7 of the present embodiment has a refractive index of about 2.5 in the light emission wavelength region of the light emitting layer 17 of the present embodiment. = 1.0) is a critical angle θ C of about 23 degrees. The critical angle θ C at the interface between the nitride-based semiconductor and sapphire (refractive index = about 1.8) is about 46 degrees, and the critical angle θ C at the interface between sapphire and air is about 34 degrees. It is. Here, assuming that the light intensity distribution emitted from the light emitting layer 17 is a Lambert distribution (I (φ) = I 0 · cos (φ): I 0 is the light emission intensity in the main line direction), the critical angle θ C The light energy radiated at is (1−cos 2θ C ) / 2 × 100 (%) with respect to the total radiant energy. Here, Fresnel reflection is not considered. Substituting the above critical angle θ C , the light energy emitted within the critical angle θ C at the interface between air and nitride semiconductor, the interface between sapphire and nitride semiconductor, and the interface between air and sapphire is respectively , About 15%, about 48%, about 31%. Of course, since the reflection loss due to Fresnel reflection is further added, this value is actually further reduced. Therefore, in order to improve the light extraction efficiency to the outside of the light emitting element, it is necessary to reduce this total reflection.
フォトニック結晶層29のフォトニック結晶構造は、上記のように周期的な凹凸構造を有している。このフォトニック結晶構造によって、全反射を低減する原理について説明する。ここで、理解を容易にするために、1次元回折現象について説明する。1次元の周期的な凹凸構造(フォトニック結晶構造)が形成された結晶層上に光反射層が形成されたいわゆる反射型回折格子に、光が入射した場合を考える。この凹凸構造の周期が入射光の波長より十分に大きい場合、光の進路は、反射の法則に従い光線追跡を詳細に行うことで求めることができる。しかしながら、凹凸構造の周期が入射光の波長オーダであった場合、光波の回折現象が顕著に現れるようになる。反射型回折格子に光が入射した場合、その出射光の強度分布は、周期開口に対するフラウンホーファ回折像によって最も簡単に求めることができる。具体的には、開口に入射した後の光波電界振幅は、開口関数のフーリエ変換で求めることができる。
The photonic crystal structure of the
また、反射型回折格子は、原理的に位相回折格子とみなすことができる。すなわち、この凹凸構造が形成された結晶層において、光源から見て凸部と凹部との光路長差は、光伝播部である結晶層の屈折率をn、凸部の高さをdとすると、2ndである。光伝播部の屈折率と、凸部の高さとの積(nd)に、数値「2」を積算する理由は、凸部を伝播した光が、光反射層で反射されて再び凸部を往復伝播することによる。 The reflection type diffraction grating can be regarded as a phase diffraction grating in principle. That is, in the crystal layer in which the concavo-convex structure is formed, the optical path length difference between the convex portion and the concave portion when viewed from the light source is such that the refractive index of the crystal layer that is the light propagation portion is n and the height of the convex portion is d. 2nd. The reason why the numerical value “2” is added to the product (nd) of the refractive index of the light propagation part and the height of the convex part is that light propagating through the convex part is reflected by the light reflecting layer and reciprocates the convex part again. By propagating.
ここで、周期a、位相差φ=4πnd/λ(λ:波長)である回折格子の開口関数u(x)が、三角関数の次式(2)で表される最も単純な場合を考える。 Here, consider the simplest case where the aperture function u (x) of the diffraction grating having the period a and the phase difference φ = 4πnd / λ (λ: wavelength) is expressed by the following equation (2) of the trigonometric function.
基本光(0次回折光)とm次回折光の光波電界振幅は、それぞれJm(φ/2)の比で示され、それぞれの回折光の回折角θは、次式(3)で与えられる。 The light wave electric field amplitudes of the fundamental light (0th order diffracted light) and the mth order diffracted light are each represented by a ratio of J m (φ / 2), and the diffraction angle θ of each diffracted light is given by the following equation (3).
すなわち、光反射層に入射した光の一部が、回折光として反射されることがわかる。したがって、この回折光が発光素子の外部との界面に対して臨界角より小さい角度でより多く入射するようにすることで、上記界面における全反射の低減を図ることができる。ここで、上記Jmは、m次のベッセル関数であり、φ/2を適切に設定することにより、限定的ではあるが、所望の次数の回折効率を調節することが可能である。したがって、実際の発光素子からの光は球面波的に反射型回折格子に入射するため、入射波全方位に関して総合的に有効な回折角及び各次回折効率を計算し、凹凸構造の周期および凸部高さを決定すればよい。 That is, it can be seen that part of the light incident on the light reflecting layer is reflected as diffracted light. Therefore, the total reflection at the interface can be reduced by making the diffracted light more incident on the interface with the outside of the light emitting element at an angle smaller than the critical angle. Here, J m is an m-th order Bessel function, and by setting φ / 2 appropriately, it is possible to adjust the diffraction efficiency of a desired order although it is limited. Therefore, since light from an actual light emitting element is incident on the reflection type diffraction grating in a spherical wave, a comprehensive effective diffraction angle and each diffraction efficiency are calculated with respect to all incident wave directions, and the period and convexity of the concavo-convex structure are calculated. What is necessary is just to determine a part height.
具体的な凹凸構造を伝搬する光の位相差は、式(2)のような単純な周期関数で表されるものではないが、前述したように、回折された反射光の分布は開口関数のフーリエ変換で求められるから、基本的に同様の取扱いができる。ここでは、理解を容易にするために1次元の凹凸構造を有する反射型回折格子に限定して説明したが、基本的な考え方は本実施形態のように2次元の凹凸構造を有する反射型回折格子についても容易に拡張できる。なお、本実施形態の発光素子1では、フォトニック結晶構造を有するフォトニック結晶層29と光反射層31とによって、2次元の凹凸構造を有する反射型回折格子を形成している。
The phase difference of light propagating through a specific concavo-convex structure is not represented by a simple periodic function as shown in Equation (2), but as described above, the distribution of diffracted reflected light is an aperture function. Since it is obtained by Fourier transform, basically the same handling can be performed. Here, in order to facilitate understanding, the description is limited to the reflective diffraction grating having a one-dimensional concavo-convex structure. However, the basic concept is a reflective diffraction having a two-dimensional concavo-convex structure as in this embodiment. The grid can also be easily expanded. In the
2次元の凹凸構造を有する反射型回折格子の場合、周期aで凹凸構造に種々の幾何構造を持たせることが可能であり、たとえば、正方格子、三角格子などが考えられる。さらには、複数の周期を重畳した構造も可能である。 In the case of a reflection type diffraction grating having a two-dimensional concavo-convex structure, the concavo-convex structure can have various geometric structures with a period a, for example, a square lattice, a triangular lattice, or the like can be considered. Furthermore, a structure in which a plurality of periods are superimposed is also possible.
図2は、本実施形態のフォトニック結晶層29に形成されたフォトニック結晶構造の一実施形態を示す部分平面図である。このフォトニック結晶構造は、フォトニック結晶層29における光反射層31側の表面に凹部29aを正方格子状に配置したものである。凹部29aは、フォトリソグラフィによってレジストマスクを形成し、フォトニック結晶層29におけるレジストマスクが形成されていない部分を、反応性イオンエッチング(RIE)によって除去することによって形成される。本実施形態の凹部29aの形状は、平面視円形となるように形成されているが、例えば平面視多角形となるように形成されていてもよい。凹部29aの中心間距離はたとえば100〜1000nmとし、凹部29aの深さは10〜200nmとし、凹部29aの平面視最大寸法は50〜500nmとするのが好ましい。またここでは、フォトニック結晶層29に凹部29aを形成しているが、複数の凸部を形成することによってフォトニック結晶構造を形成してもよい。この凸部の形状は、例えば、円柱、多角柱、円錐、多角推、円錐台又は多角推台にしてもよい。
FIG. 2 is a partial plan view showing an embodiment of the photonic crystal structure formed in the
本実施形態の発光素子1によれば、発光層17から発せられる光のうち基板5側に発せられる光は、基板5が透光性を有しているため、基板5を透過して発光素子1の外部へ取り出される。一方、導電膜27側に発せられる光は、透光性を有する導電膜27を透過し、フォトニック結晶層29に入射する。そして、フォトニック結晶層29に入射した光は、フォトニック結晶層29と光反射層31との境界面で反射される。フォトニック結晶層29のフォトニック結晶構造は、より具体的には上記のように微小な凹凸形状を有している。そのため、凹凸の周期及びフォトニック結晶層29内での凹凸による光路差に応じて、反射光が干渉することにより、所定の方向へ反射光の進行方向が変えられる。この反射光は、フォトニック結晶層29から、導電膜27及び発光部7を介して基板5へ到達するが、本実施形態では、ZrO2からなるフォトニック結晶層29の屈折率が2.1程度であり、ITOからなる導電膜27の屈折率も2.1程度であるため、フォトニック結晶層29と導電膜27との界面では全反射がほとんど生じない。また、窒化物系半導体からなる発光部7の屈折率は2.5程度であるため、導電膜27と発光部7との界面では全反射が生じない。一方、サファイアからなる基板5の屈折率は1.8程度であるため、発光部7と基板5との界面では、全反射が生じ易くなる。したがって、本実施形態では、フォトニック結晶構造を適宜形成して、フォトニック結晶層29と光反射層31との界面で反射される光の多くが、発光部7(より詳細には、n型コンタクト層13)と基板5との界面に臨界角より小さい角度で入射するように光の方向を制御することで、全反射を起こしにくくすることができる。そのため、基板5内により多くの光を透過させ、ひいては、発光層17で発光した光を発光素子1の光の取り出し側である基板5側から効率良く取り出すことができる。
According to the
また、本実施形態では、フォトニック結晶層29による光の反射だけではなく、光反射層31によっても光が反射される。そのため、フォトニック結晶層29から実装用基板3側への光の漏れ出しを抑制することができ、これによっても発光素子1の基板5側からの光の取り出し効率を向上させることができる。
In the present embodiment, not only the reflection of light by the
また、p型の窒化物系半導体層(本実施形態では、GaNからなるp型コンタクト層21)は一般的に電気抵抗が大きいため、半導体層内を電流が拡散し難い。ここで、本実施形態において、p型コンタクト層21上に導電膜27が存在しない場合を考える。この場合、p型コンタクト層21の全体に電流を拡散させて発光層17内での発光領域を大きくするには、例えば、導電膜27の代わりに、p型コンタクト層21の表面に全体的に第2電極11を接触させることが考えられる。しかしながら、第2電極11は発光層17からの光を遮ってしまうため、フォトニック結晶層29まで光を到達させることができない。これに対し、本実施形態では、導電膜27を介してp型コンタクト層21へ電流を拡散して供給し、この導電膜27が透光性を有しているため、導電膜27をp型コンタクト層21の表面上に全体的に設けたとしても、発光部7からの光をフォトニック結晶層29まで透過させることができる。さらに、このようにp型コンタクト層21の表面に全体的に導電膜27を設けることができるので、p型コンタクト層21と導電膜27との間の接触抵抗を小さくすることができ、発光素子1の駆動電圧を小さくすることができる。
Further, since the p-type nitride semiconductor layer (in this embodiment, the p-
また、本実施形態によれば、発光層17から発せられる光をフォトニック結晶層29と光反射層31とによって反射させ、基板5側から光を取り出すようになっている。そのため、発光素子1を実装用基板3に実装する場合に、図1に示すように基板5と反対側の光反射層31側を実装用基板3側に配置し、第1電極9及び第2電極11を実装用基板3の回路配線23に接続することができる。こうすることで、発光部7で発生した熱が、基板5を介さず、第1電極9及び第2電極11を介して実装用基板3へ放熱されるため、放熱効率を向上させることができ、発光素子1の熱による内部量子効率の低下を抑制することができる。
Further, according to the present embodiment, the light emitted from the light emitting layer 17 is reflected by the
また、本実施形態では、発光部7を窒化物系半導体で形成し、導電膜27をITOで形成しているため、発光素子1の外部への光の取り出し効率を向上させることができる。すなわち、上記のように窒化物系半導体の屈折率が約2.5であり、ITOの屈折率が約2.1であるため、両者の屈折率が比較的近く、発光部7(より詳細には、p型コンタクト層21)と導電膜27との境界面で全反射が生じる割合が小さい。そのため、多くの光がこの境界面を透過し、導電膜27内に入射する。したがって、フォトニック結晶層29へ入射し得る光の量が増加し、ひいてはフォトニック結晶層29及び光反射層31によって反射されて発光素子1の外部へ取り出される光の量を増加させることができる。
In the present embodiment, since the light emitting portion 7 is formed of a nitride semiconductor and the
また、本実施形態では、発光層17をInGaNで形成しているため、波長が375nm近傍である光を発するが、導電膜27をITOで形成した場合、およそ450nm以下の波長の光に対する透過率が小さくなる。したがって、本実施形態では、導電膜27をできるだけ薄くすることが課題となる。ここで例えば、本実施形態において、フォトニック結晶構造をフォトニック結晶層29に形成する代わりに、フォトニック結晶層29を設けず、導電膜27にフォトニック結晶構造を形成することも考えられる。しかしながら、この場合、フォトニック結晶構造を形成するために、導電膜27をある程度厚く形成しなければならない。これに対し、本実施形態によれば、導電膜27とは別にフォトニック結晶構造を形成するフォトニック結晶層29を設けているので、導電膜27を薄く形成することができ、透過率の低下を補うことができる。
In the present embodiment, since the light emitting layer 17 is made of InGaN, light having a wavelength in the vicinity of 375 nm is emitted. However, when the
また、本実施形態では、フォトニック結晶層29がZrO2で形成されており、その屈折率が約2.1であるため、ITOからなる導電膜27の屈折率の値と同じか略等しくなっている。そのため、導電膜27とフォトニック結晶層29との境界面で全反射が生じる割合が小さく、導電膜27内に入射した光の多くをフォトニック結晶層29内に入射させることができる。したがって、上記の発光部7から導電膜27へ入射する光量の増加と相俟って、フォトニック結晶層29及び光反射層31により反射されて発光素子1の外部へ取り出される光の量をさらに増加させることができる。
In this embodiment, since the
なお、本実施形態では、フォトニック結晶構造をフォトニック結晶層29に形成しているが、例えば、フォトニック結晶層29を設けず、p型コンタクト層21に直接、フォトニック結晶構造を形成することも考えられる。しかしながら、この場合、フォトニック結晶構造を形成するために、p型コンタクト層21をある程度厚く形成しなければならない。p型コンタクト層21はp型のGaN(窒化物系半導体)で形成されており、上記のように電気抵抗がそもそも大きいため、このように厚くすると電気抵抗の増加が顕著となり、駆動電圧もこれに伴って大きくしなければならないといった不具合が生じる。また、フォトニック結晶構造を形成するためにp型の窒化物系半導体層をエッチングすると、半導体層に損傷が生じ、非発光準位の発生による内部量子効率の低下や、表面接触抵抗の増加等の不具合が生じることがある。これに対し、本実施形態によれば、p型の窒化物系半導体層とは別にフォトニック結晶層29を設けてフォトニック結晶構造を形成しているので、p型の窒化物系半導体層の厚膜化及びエッチングによる以上のような不具合の発生がないという利点がある。
In this embodiment, the photonic crystal structure is formed in the
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。上記実施形態では、n型コンタクト層13及びn型クラッド層15によってn型の窒化物系半導体層を形成し、p型クラッド層19及びp型コンタクト層21によってp型の窒化物系半導体層を形成しているが、発光層17で発光可能な層構成である限りこれに限定されるものではなく、例えば、n型クラッド層15及びp型クラッド層19を形成しない層構成であってもよい。また、発光部7は、基板5側から順次積層されたn型の窒化物系半導体層、発光層及びp型の窒化物系半導体層を少なくとも有する限りその他の半導体結晶層を含んでもよく、例えば、基板5とn型コンタクト層13との間にバッファ層等を形成してもよい。
As mentioned above, although one Embodiment of this invention was described, this invention is not limited to the said embodiment, A various change is possible unless it deviates from the meaning. In the above embodiment, an n-type nitride-based semiconductor layer is formed by the n-
また、上記実施形態では、n型及びp型コンタクト層13,21をGaNで形成し、n型及びp型クラッド層15,19をAlGaNで形成しているが、窒化物系半導体によって形成されている限り、これに限定されるものではない。また、上記実施形態では、発光層17をInGaNで形成しているがこれに限定されるものではなく、所望の発光波長に対応するバンドギャップを有する半導体によって形成することができる。 In the above embodiment, the n-type and p-type contact layers 13 and 21 are formed of GaN, and the n-type and p-type cladding layers 15 and 19 are formed of AlGaN. However, the n-type and p-type contact layers 13 and 21 are formed of a nitride-based semiconductor. As long as it is, it is not limited to this. Moreover, in the said embodiment, although the light emitting layer 17 is formed with InGaN, it is not limited to this, It can form with the semiconductor which has a band gap corresponding to a desired light emission wavelength.
また、上記実施形態では、フォトニック結晶層29をZrO2で形成しているが、これに限定されるものではない。フォトニック結晶層29は、その屈折率が導電膜27の屈折率に比較的近いものが好ましく、導電膜27が上記実施形態のようにITOからなる場合、例えば、TiO2(屈折率=約1.8)、ZnO(屈折率=約2.2)又はZnS(屈折率=約2.2)で形成してもよい。
Further, in the above embodiment, to form a
1 発光素子
5 基板
7 発光部
9 第1電極
11 第2電極
13 n型コンタクト層
15 n型クラッド層
17 発光層
19 p型クラッド層
21 p型コンタクト層
27 導電膜
29 フォトニック結晶層
31 反射層
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記基板上に複数の半導体層を積層して形成されており、前記基板側から順次積層されたn型の窒化物系半導体層、発光層及びp型の窒化物系半導体層を少なくとも有する発光部と、
前記p型の窒化物系半導体層上に設けられ、電流を拡散するとともに透光性を有する導電膜と、
前記導電膜上に設けられ、凹凸構造を有するフォトニック結晶構造を有し、凸部の厚みが前記導電膜よりも大きいフォトニック結晶層と、
前記フォトニック結晶層上に設けられた光反射層と、
前記n型の窒化物系半導体層に接続された第1電極と、
前記導電膜に接続された第2電極と、
を備え、
前記導電膜は、ITOからなり、
前記フォトニック結晶層は、ZrO 2 からなることを特徴とする、発光素子。 A substrate having translucency;
A light-emitting part that is formed by laminating a plurality of semiconductor layers on the substrate and has at least an n-type nitride-based semiconductor layer, a light-emitting layer, and a p-type nitride-based semiconductor layer sequentially stacked from the substrate side When,
A conductive film which is provided on the p-type nitride-based semiconductor layer and diffuses current and has translucency;
A photonic crystal layer provided on the conductive film , having a photonic crystal structure having a concavo-convex structure, and having a convex thickness larger than the conductive film;
A light reflecting layer provided on the photonic crystal layer;
A first electrode connected to the n-type nitride-based semiconductor layer;
A second electrode connected to the conductive film;
Equipped with a,
The conductive film is made of ITO,
The photonic crystal layer is characterized in that it consists of ZrO 2, the light emitting element.
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