JP5740031B2 - LED element - Google Patents
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Description
本発明は、LED素子に関する。 The present invention relates to an LED element.
サファイア基板の表面上に形成され発光層を含むIII族窒化物半導体と、サファイア基板の表面側に形成され発光層から発せられる光が入射し当該光の光学波長より大きく当該光のコヒーレント長より小さい周期で凹部又は凸部が形成された回折面と、基板の裏面側に形成され回折面にて回折した光を反射して回折面へ再入射させるAl反射膜と、を備えるLED素子が知られている(特許文献1参照)。このLED素子では、回折作用により透過した光を回折面に再入射させて、回折面にて再び回折作用を利用して透過させることにより、複数のモードで光を素子外部へ取り出すことができる。 A group III nitride semiconductor formed on the surface of the sapphire substrate and including a light emitting layer, and light emitted from the light emitting layer formed on the surface side of the sapphire substrate is incident and is larger than the optical wavelength of the light and smaller than the coherent length of the light. There is known an LED element comprising a diffractive surface in which concave or convex portions are formed at a period, and an Al reflective film that is formed on the back side of the substrate and reflects light diffracted by the diffractive surface and re-enters the diffractive surface (See Patent Document 1). In this LED element, the light transmitted by the diffraction action is re-incident on the diffraction surface, and the light is transmitted again using the diffraction action on the diffraction surface, so that the light can be extracted outside the element in a plurality of modes.
ところで、回折作用を利用して光を取り出すと、どのような配光特性となるのかは知られていない。 By the way, it is not known what kind of light distribution characteristic is obtained when light is extracted by using a diffraction action.
本発明は、前記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、回折作用を利用して光の取り出し効率を向上させつつ、回折に起因する配光特性を利用して適切な配光を実現することのできるLED素子を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to improve the light extraction efficiency using the diffraction action and to appropriately use the light distribution characteristics resulting from the diffraction. It is providing the LED element which can implement | achieve light distribution.
前記目的を達成するため、本発明では、表面に周期的な凹部又は凸部が形成される基板と、前記基板の表面上に形成され発光層を含む半導体積層部と、前記発光層から発せられる光の少なくとも一部を、前記基板の表面側に反射する反射部と、を備え、前記基板と前記半導体積層部の界面にて前記発光層から発せられる光の回折作用を得るLED素子において、前記凹部又は凸部の周期をP、前記発光層から発せられる光のピーク波長をλとしたとき、
1/2×λ≦P≦16/9×λ
の関係を満たすようにしたLED素子が提供される。
In order to achieve the above object, in the present invention, a substrate on which a periodic concave or convex portion is formed on the surface, a semiconductor stacked portion formed on the surface of the substrate and including a light emitting layer, and emitted from the light emitting layer. In the LED element that includes a reflection part that reflects at least a part of the light to the surface side of the substrate, and obtains a diffraction effect of light emitted from the light emitting layer at an interface between the substrate and the semiconductor stacked part, When the period of the concave portion or convex portion is P, and the peak wavelength of light emitted from the light emitting layer is λ,
1/2 × λ ≦ P ≦ 16/9 × λ
An LED element that satisfies the above relationship is provided.
上記LED素子において、前記凹部又は凸部の周期をP、前記発光層から発せられる光のピーク波長をλとしたとき、
23/45×λ≦P≦14/9×λ
の関係を満たすようにすることが好ましい。
In the LED element, when the period of the concave or convex part is P, and the peak wavelength of light emitted from the light emitting layer is λ,
23/45 × λ ≦ P ≦ 14/9 × λ
It is preferable to satisfy the relationship.
上記LED素子において、前記界面における前記光の透過回折光が、少なくとも2次の回折光を含み、5次の回折光を含まないように前記凹部または凸部の周期を設定することが好ましい。 In the LED element, it is preferable that the period of the concave portion or the convex portion is set so that transmitted diffracted light of the light at the interface includes at least second-order diffracted light and does not include fifth-order diffracted light.
上記LED素子において、前記界面における前記光の反射回折光が、少なくとも3次の回折光を含むように前記凹部または凸部の周期を設定することが好ましい。 In the LED element, it is preferable that the period of the concave portion or the convex portion is set so that reflected diffracted light of the light at the interface includes at least third-order diffracted light.
上記LED素子において、前記反射部は、前記界面に対して垂直に近い角度ほど反射率が高いことが好ましい。 The said LED element WHEREIN: It is preferable that the reflectance is so high that the said reflection part is near perpendicular | vertical with respect to the said interface.
本発明のLED素子によれば、回折作用を利用して光の取り出し効率を向上させつつ、回折に起因する配光特性を利用して適切な配光を実現することができる。 According to the LED element of the present invention, appropriate light distribution can be realized using light distribution characteristics due to diffraction while improving light extraction efficiency using diffraction action.
図1は、本発明の第1の実施形態を示すLED素子の模式断面図である。
図1に示すように、LED素子1は、サファイア基板2の表面上に、III族窒化物半導体層からなる半導体積層部19が形成されたものである。ここで、サファイアの屈折率は1.78であり、III族窒化物半導体層の屈折率は2.52である。このLED素子1は、フリップチップ型であり、サファイア基板2の裏面側から主として光が取り出される。半導体積層部19は、バッファ層10、n型GaN層12、発光層14、電子ブロック層16、p型GaN層18をサファイア基板2側からこの順に有している。p型GaN層18上にはp側電極27が形成されるとともに、n型GaN層12上にはn側電極28が形成されている。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of an LED element showing a first embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 1, the
図1に示すように、バッファ層10は、サファイア基板2の表面上に形成され、AlNで構成されている。本実施形態においては、バッファ層10は、MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法により形成されるが、スパッタリング法を用いることもできる。第1導電型層としてのn型GaN層12は、バッファ層10上に形成され、n−GaNで構成されている。発光層14は、n型GaN層12上に形成され、GalnN/GaNで構成され、電子及び正孔の注入により青色光を発する。本実施形態においては、発光層14の発光のピーク波長は450nmである。
As shown in FIG. 1, the
電子ブロック層16は、発光層14上に形成され、p―AIGaNで構成されている。第2導電型層としてのp型GaN層18は、電子ブロック層16上に形成され、p−GaNで構成されている。n型GaN層12からp型GaN層18までは、III族窒化物半導体のエピタキシャル成長により形成され、サファイア基板2の表面には周期的に凸部2cが形成されているが、III族窒化物半導体の成長初期に横方向成長による平坦化が図られる。尚、第1導電型層、活性層及び第2導電型層を少なくとも含み、第1導電型層及び第2導電型層に電圧が印加されると、電子及び正孔の再結合により活性層にて光が発せられるものであれば、半導体層の層構成は任意である。
The
サファイア基板2の表面は回折面2aをなす。サファイア基板2の表面は、平坦部2bと、平坦部2bに周期的に形成された複数の凸部2cと、が形成されている。各凸部2cの形状は、円錐、多角錐等の錐状の他、錐の上部を切り落とした円錐台、多角錐台等の錐台状とすることができる。各凸部2cは、発光層14から発せられる光を回折するよう設計される。本実施形態においては、周期的に配置される各凸部2cにより、光の垂直化作用を得ることができる。ここで、光の垂直化作用とは、光の強度分布が、回折面へ入射する前よりも、反射及び透過した後の方が、サファイア基板2と半導体積層部19の界面に対して垂直な方向に偏ることをいう。
The surface of the
図2は、異なる屈折率の界面における光の回折作用を示す説明図であり、(a)は界面にて反射する状態を示し、(b)は界面を透過する状態を示す。
ここで、ブラッグの回折条件から、界面にて光が反射する場合において、入射角θinに対して反射角θrefが満たすべき条件は、
P・n1・(sinθin−sinθref)=m・λ・・・(1)
である。ここで、Pは凹部または凸部の周期、n1は入射側の媒質の屈折率、λは入射する光の波長、mは整数である。半導体積層部19からサファイア基板2へ光が入射する場合、n1はIII族窒化物半導体の屈折率となる。図2(a)に示すように、上記(1)式を満たす反射角θrefで、界面へ入射する光は反射される。
2A and 2B are explanatory diagrams showing the diffraction action of light at the interface having different refractive indexes, where FIG. 2A shows a state of reflection at the interface, and FIG. 2B shows a state of transmission through the interface.
Here, from the Bragg diffraction condition, when light is reflected at the interface, the condition that the reflection angle θ ref should satisfy with respect to the incident angle θ in is:
P · n1 · (sin θ in −sin θ ref ) = m · λ (1)
It is. Here, P is the period of the concave or convex portion, n1 is the refractive index of the medium on the incident side, λ is the wavelength of the incident light, and m is an integer. When light is incident on the
一方、ブラッグの回折条件から、界面にて光が透過する場合において、入射角θinに対して透過角θoutが満たすべき条件は、
P・(n1・sinθin−n2・sinθout)=m’・λ・・・(2)
である。ここで、n2は出射側の媒質の屈折率であり、m’は整数である。例えば半導体積層部19からサファイア基板2へ光が入射する場合、n2はサファイアの屈折率となる。図2(b)に示すように、上記(2)式を満たす透過角θoutで、界面へ入射する光は透過される。
On the other hand, from the Bragg diffraction condition, when light is transmitted at the interface, the condition that the transmission angle θ out should satisfy with respect to the incident angle θ in is:
P · (n1 · sin θ in −n2 · sin θ out ) = m ′ · λ (2)
It is. Here, n2 is the refractive index of the medium on the exit side, and m ′ is an integer. For example, when light is incident on the
図3は、凹部又は凸部の周期を500nmとした場合の、III属窒化物半導体層とサファイア基板の界面における、半導体層側から界面へ入射する光の入射角と、界面での回折作用による透過角の関係を示すグラフである。また、図4は、凹部又は凸部の周期を500nmとした場合の、III属窒化物半導体層とサファイア基板の界面における、半導体層側から界面へ入射する光の入射角と、界面での回折作用による反射角の関係を示すグラフである。 FIG. 3 shows the incident angle of light incident from the semiconductor layer side to the interface at the interface between the group III nitride semiconductor layer and the sapphire substrate when the period of the recesses or protrusions is 500 nm, and the diffraction action at the interface. It is a graph which shows the relationship of a transmission angle. FIG. 4 shows the incident angle of light incident on the interface from the semiconductor layer side and the diffraction at the interface at the interface between the group III nitride semiconductor layer and the sapphire substrate when the period of the recesses or protrusions is 500 nm. It is a graph which shows the relationship of the reflection angle by an effect | action.
回折面2aに入射する光には、一般的な平坦面と同様に全反射の臨界角が存在する。GaN系半導体層とサファイア基板2との界面では、臨界角は45.9°である。図3に示すように、臨界角を超えた領域では、上記(2)式の回折条件を満たすm’=1,2,3,4での回折モードでの透過が可能である。また、図4に示すように、臨界角を超えた領域では、上記(1)式の回折条件を満たすm=1,2,3,4での回折モードでの反射が可能である。臨界角が45.9°の場合、臨界角を超える光出力が約70%、臨界角を超えない光出力が約30%となる。すなわち、臨界角を超えた領域の光を取り出すことは、LED素子1の光取り出し効率の向上に大きく寄与する。
The light incident on the
ここで、入射角θinよりも透過角θoutが小さくなる領域では、回折面2aを透過する光は、サファイア基板2とIII族窒化物半導体層の界面に対して垂直寄りに角度変化する。図3中、この領域をハッチングで示す。図3に示すように、回折面2aを透過する光については、臨界角を超えた領域では、m’=1,2,3の回折モードの光は全ての角度域で垂直寄りに角度変化する。m’=4の回折モードの光は一部の角度域で垂直寄りとならないが、回折次数が大きい光の強度は比較的小さいため影響が小さく、この一部の角度域においても実質的に垂直寄りに角度変化することとなる。すなわち、半導体積層部19側にて回折面2aへ入射する光の強度分布と比べて、サファイア基板2側にて回折面2aを透過して出射する光の強度分布が、半導体積層部19とサファイア基板2の界面に対して垂直な方向に偏る。
Here, in the region where the transmission angle θ out is smaller than the incident angle θ in , the light transmitted through the
また、入射角θinよりも反射角θrefが小さくなる領域では、回折面2aで反射する光は、サファイア基板2とIII族窒化物半導体層の界面に対して垂直寄りに角度変化する。図4中、この領域をハッチングで示す。図4に示すように、回折面2aにて反射する光については、臨界角を超えた領域では、m=1,2,3の回折モードの光は全ての角度域で垂直寄りに角度変化する。m=4の回折モードの光は一部の角度域で垂直寄りとならないが、回折次数が大きい光の強度は比較的小さいため影響が小さく、この一部の角度域においても実質的に垂直寄りに角度変化することとなる。すなわち、半導体積層部19側にて回折面2aへ入射する光の強度分布と比べて、半導体積層部19側にて回折面2aから反射により出射する光の強度分布が、半導体積層部19とサファイア基板2の界面に対して垂直な方向に偏る。
In the region where the reflection angle θ ref is smaller than the incident angle θ in , the light reflected by the
図5は、素子内部における光の進行方向を示す説明図である。
図5に示すように、発光層14から発せられた光のうち、サファイア基板2へ臨界角を超えて入射する光は、回折面2aで入射時よりも垂直寄りの方向へ透過及び反射する。すなわち、回折面2aを透過した光は、垂直寄りへ角度変化した状態でサファイア基板2の裏面へ入射する。また、回折面2aで反射した光は、垂直寄りへ角度変化した状態でp側電極27及びn側電極28で反射された後、回折面2aに再度入射する。このときの入射角は、先の入射角よりも垂直寄りとなる。この結果、サファイア基板2の裏面へ入射する光を垂直寄りとすることができる。
FIG. 5 is an explanatory view showing the traveling direction of light inside the device.
As shown in FIG. 5, of the light emitted from the
図6は、LED素子の一部拡大模式断面図である。
図6に示すように、p側電極27は、p型GaN層18上に形成される拡散電極21と、拡散電極21上の所定領域に形成される誘電体多層膜22と、誘電体多層膜22上に形成される金属電極23とを有している。拡散電極21は、p型GaN層18に全面的に形成され、例えばITO(Indium Tin Oxide)等の透明材料からなる。また、誘電体多層膜22は、屈折率の異なる第1材料22aと第2材料22bのペアを複数繰り返して構成される。誘電体多層膜22は、例えば、第1材料22aをZrO2(屈折率:2.18)、第2材料22bをSiO2(屈折率:1.46)とし、ペア数を5とすることができる。尚、ZrO2とSiO2と異なる材料を用いて誘電体多層膜22を構成してもよく、例えば、AlN(屈折率:2.18)、Nb2O3(屈折率:2.4)、Ta2O3(屈折率:2.35)等を用いてもよい。金属電極23は、誘電体多層膜22を被覆し、例えばAl等の金属材料からなる。金属電極23は、誘電体多層膜22に形成されたビアホール22cを通じて拡散電極21と電気的に接続されている。
FIG. 6 is a partially enlarged schematic cross-sectional view of the LED element.
As shown in FIG. 6, the p-
図6に示すように、n側電極28は、p型GaN層18からn型GaN層12をエッチングして、露出したn型GaN層12上に形成される。n側電極28は、n型GaN層12上に形成される拡散電極24と、拡散電極24上の所定領域に形成される誘電体多層膜25と、誘電体多層膜25上に形成される金属電極26とを有している。拡散電極24は、n型GaN層12に全面的に形成され、例えばITO(Indium Tin Oxide)等の透明材料からなる。また、誘電体多層膜25は、屈折率の異なる第1材料25aと第2材料25bのペアを複数繰り返して構成される。誘電体多層膜25は、例えば、第1材料25aをZrO2(屈折率:2.18)、第2材料25bをSiO2(屈折率:1.46)とし、ペア数を5とすることができる。尚、ZrO2とSiO2と異なる材料を用いて誘電体多層膜25を構成してもよく、例えば、AlN(屈折率:2.18)、Nb2O3(屈折率:2.4)、Ta2O3(屈折率:2.35)等を用いてもよい。金属電極26は、誘電体多層膜25を被覆し、例えばAl等の金属材料からなる。金属電極26は、誘電体多層膜25に形成されたビアホール25cを通じて拡散電極24と電気的に接続されている。
As shown in FIG. 6, the n-
このLED素子1においては、p側電極27及びn側電極28が反射部をなしている。p側電極27及びn側電極28は、それぞれ垂直に近い角度ほど反射率が高くなっている。反射部へは、発光層14から発せられて直接的に入射する光の他、サファイア基板2の回折面2aにて反射して、界面に対して垂直寄りに角度変化した光が入射する。すなわち、反射部へ入射する光の強度分布は、サファイア基板2の表面が平坦面だった場合と比較すると、垂直寄りに偏った状態となっている。
In the
図7は、反射部の反射率の一例を示すグラフである。図7の例では、ITO上に形成される誘電体多層膜をZrO2とSiO2の組み合わせでペア数を5とし、誘電体多層膜に重ねてAl層を形成した。図7に示すように、入射角が0度から45度の角度域で、98%以上の反射率を実現している。また、入射角が0度から75度の角度域で、90%以上の反射率を実現している。このように、誘電体多層膜と金属層の組み合わせは、界面に対して垂直寄りとなった光に対して有利な反射条件となる。尚、ITO上にAl層のみを形成した場合は、入射角によらず、ほぼ84%の一定の反射率となることを確認している。 FIG. 7 is a graph showing an example of the reflectance of the reflecting portion. In the example of FIG. 7, the dielectric multilayer film formed on the ITO is a combination of ZrO 2 and SiO 2 and the number of pairs is five, and an Al layer is formed on the dielectric multilayer film. As shown in FIG. 7, a reflectance of 98% or more is realized in an angle range where the incident angle is 0 degree to 45 degrees. In addition, a reflectance of 90% or more is realized in an angle range where the incident angle is 0 to 75 degrees. As described above, the combination of the dielectric multilayer film and the metal layer is an advantageous reflection condition for the light that is perpendicular to the interface. In addition, when only an Al layer is formed on ITO, it has been confirmed that a constant reflectance of approximately 84% is obtained regardless of the incident angle.
次いで、図8を参照してサファイア基板2について詳述する。図8はサファイア基板を示し、(a)が模式斜視図、(b)がA−A断面を示す模式説明図である。
Next, the
図8(a)に示すように、回折面2aは、平面視にて、各凸部2cの中心が正三角形の頂点の位置となるように、所定の周期で仮想の三角格子の交点に整列して形成される。尚、ここでいう周期とは、隣接する凸部2cにおける高さのピーク位置の距離をいう。本実施形態においては、凸部2cの周期をP、発光層14から発せられる光のピーク波長をλとしたとき、
1/2×λ≦P≦16/9×λ
の関係を満たすように、凸部2cの周期が設定されている。この関係については、
23/45×λ≦P≦14/9×λ
とすることが好ましい。また、凸部2cの周期は、透過回折光が少なくとも2次の回折光を含み、5次の回折光を含まないよう設定されている。また、凸部2cの周期は、反射回折光が少なくとも3次の回折光を含むよう設定されている。
As shown in FIG. 8A, the
1/2 × λ ≦ P ≦ 16/9 × λ
The period of the
23/45 × λ ≦ P ≦ 14/9 × λ
It is preferable that The period of the
ここで、図9から図14を参照して、LED素子1から取り出される光の配光特性について説明する。図9はLED素子の配光特性を極座標で示し、(a)がサファイア基板に凸部が形成されていない状態のものを示し、(b)〜(h)はサファイア基板に凸部が形成された状態のものを示している。ここで、(b)は周期が200nmのものを、(c)は周期が225nmのものを、(d)は周期が320nmのものを、(e)は周期が450nmのものを、(f)は周期が600nmのものを、(g)は周期が700nmのものを、(h)は周期が800nmのものを示している。これらの配光特性を取得するにあたり、発光層14の発光波長を450nmとし、半導体積層部19の厚さを3.3μm、サファイア基板2の厚さを120μmとしてシミュレーションを行った。尚、図9の各図においては、サファイア基板に垂直な方向を0度(光軸)として示している。
Here, the light distribution characteristics of the light extracted from the
ここで、シミュレーションの計算値等が妥当かどうかを確認するために、シミュレーションによる計算値と、試料体の実測値と比較して検討した。この検討は、シミュレーションにより計算される積分強度と、試料体を発光させて得られた実測値とを比較することによって行った。図10は、各基板の計算値と実測値を示す表である。図10中、「FSS」は凹凸が形成されていない基板を示し、「PSS」は線状の凹凸が形成された基板を示し、「MPSS」は本実施形態のように点在する凹部または凸部が形成された基板を示す。図10に示すように、どのような基板であっても、計算値と実測値がほぼ一致しており、シミュレーションの計算値等が妥当であることが理解される。 Here, in order to confirm whether or not the calculation value of the simulation is appropriate, the calculation value by the simulation was compared with the actual measurement value of the sample body. This examination was performed by comparing the integrated intensity calculated by the simulation with the actual measurement value obtained by emitting the sample body. FIG. 10 is a table showing calculated values and actually measured values of each substrate. In FIG. 10, “FSS” indicates a substrate on which unevenness is not formed, “PSS” indicates a substrate on which linear unevenness is formed, and “MPSS” indicates a recessed portion or a protrusion that is scattered as in this embodiment. The board | substrate with which the part was formed is shown. As shown in FIG. 10, it is understood that the calculated value and the actually measured value are almost the same regardless of the substrate, and the calculated value of the simulation is appropriate.
図9の配光特性について検討する。図9(a)に示すように、サファイア基板2の表面に凸部2cが形成されていない場合は、光はLED素子1から等方的に出射される。これに対し、図9(b)〜(h)に示すように、回折作用を得ることのできる凸部2cを形成することにより配光特性が変化する。具体的には、図9(b),(c)等に示すように、配光特性において、特定の角度域にて他と比べて強度が高くなる箇所Aが存在するようになる。この箇所Aは、反射部で反射した後に回折面を透過する±1次の光によるものであることが判明している。そして、図9(b)〜(h)に示すように、凸部2cの周期を変化させることにより、この箇所Aの角度域が変化する。
Consider the light distribution characteristics of FIG. As shown in FIG. 9A, when the
図11は、光軸に対する所定角度範囲内の光について積分強度の変化を示すグラフである。図11では、横軸を凸部の周期、縦軸を光軸に対して±30度以内の積分強度としている。ここで、破線は、線状凸部の周期が3μmのPSS基板の積分強度を示している。また、一点鎖線は、FSS基板の積分強度を示している。 FIG. 11 is a graph showing a change in integrated intensity for light within a predetermined angle range with respect to the optical axis. In FIG. 11, the horizontal axis represents the period of the convex portion, and the vertical axis represents the integrated intensity within ± 30 degrees with respect to the optical axis. Here, the broken line indicates the integrated intensity of the PSS substrate having the period of the linear protrusions of 3 μm. The alternate long and short dash line indicates the integrated intensity of the FSS substrate.
図11に示すように、凸部2cの周期が225nm以上800nm以下で、PSS基板よりも積分強度が大きくなる。すなわち、凸部2cの周期をPとし、発光層14から発せられる光のピーク波長をλとしたとき、
1/2×λ≦P≦16/9×λ
の関係を満たすようにすると、PSS基板よりも光軸上の光強度を大きくすることができる。
As shown in FIG. 11, when the period of the
1/2 × λ ≦ P ≦ 16/9 × λ
If the relationship is satisfied, the light intensity on the optical axis can be made larger than that of the PSS substrate.
また、図11に示すように、凸部2cの周期が230nm以上700nm以下で、FSS基板よりも積分強度が大きくなる。すなわち、凸部2cの周期をPとし、発光層14から発せられる光のピーク波長をλとしたとき、
23/45×λ≦P≦14/9×λ
の関係を満たすようにすると、FSS基板よりも光軸上の光強度を大きくすることができる。
Further, as shown in FIG. 11, the integrated intensity is higher than that of the FSS substrate when the period of the
23/45 × λ ≦ P ≦ 14/9 × λ
If the relationship is satisfied, the light intensity on the optical axis can be made larger than that of the FSS substrate.
図12は、透過回折光の許容次数と積分強度の関係を示すグラフである。ここで、許容次数とは、透過回折光が何次の成分まで含んでいるのか(許容されているのか)ということである。尚、図12中の一点鎖線は、FSS基板の積分強度を示している。 FIG. 12 is a graph showing the relationship between the allowable order of transmitted diffracted light and the integrated intensity. Here, the allowable order means how many order components the transmitted diffracted light contains (allowed). Note that the alternate long and short dash line in FIG. 12 indicates the integrated intensity of the FSS substrate.
図12に示すように、透過回折光については、2次、3次あるいは4次まで許容されると、FSS基板の積分強度を常に上回ることとなる、一方、透過回折光が1次しか許容されない場合や、5次以上許容される場合は、FSS基板の積分強度を下回ってしまう。すなわち、透過回折光については、少なくとも2次の回折光を含み、5次の回折光を含まないように設計することが好ましい。 As shown in FIG. 12, when the transmitted diffracted light is allowed up to the second, third, or fourth order, it always exceeds the integrated intensity of the FSS substrate, while the transmitted diffracted light is allowed only the first order. In some cases or when the fifth or higher order is allowed, the integrated intensity of the FSS substrate is lower. That is, the transmitted diffracted light is preferably designed so as to include at least the second-order diffracted light and not the fifth-order diffracted light.
図13は、反射回折光の許容次数と積分強度の関係を示すグラフである。ここで、許容次数とは、反射回折光が何次の成分まで含んでいるのか(許容されているのか)ということである。尚、図13中の一点鎖線は、FSS基板の積分強度を示している。 FIG. 13 is a graph showing the relationship between the allowable order of reflected diffracted light and the integrated intensity. Here, the allowable order means how many order components of the reflected diffracted light are included (allowed). Note that the alternate long and short dash line in FIG. 13 indicates the integrated intensity of the FSS substrate.
図13に示すように、反射回折光については、3次以上許容されると、FSS基板の積分強度を常に上回ることとなる、一方、反射回折光が2次以下までしか許容されない場合は、FSS基板の積分強度を下回ってしまう。すなわち、反射回折光については、少なくとも3次の回折光を含むように設計することが好ましい。 As shown in FIG. 13, when the reflected diffracted light is allowed to be higher than the third order, it always exceeds the integrated intensity of the FSS substrate. On the other hand, when the reflected diffracted light is allowed only to the second order or lower, FSS is used. It will be less than the integrated intensity of the substrate. That is, the reflected diffracted light is preferably designed to include at least third-order diffracted light.
図14は、凸部の周期と、透過回折光及び反射回折光の許容次数の関係を示すグラフである。図14においても、発光層14の発光波長を450nmとしている。
図14に示すように、透過回折光について、2次、3次あるいは4次まで許容される凸部2cの周期は、260nmから620nmである。すなわち、凸部2cの周期をPとし、発光層14から発せられる光のピーク波長をλとしたとき、
26/45×λ≦P≦62/45×λ
の関係を満たすようにすると、透過回折光について、許容次数が2次から4次となる。
FIG. 14 is a graph showing the relationship between the period of convex portions and the allowable orders of transmitted diffracted light and reflected diffracted light. Also in FIG. 14, the light emission wavelength of the
As shown in FIG. 14, the period of the
26/45 × λ ≦ P ≦ 62/45 × λ
If the relationship is satisfied, the allowable order of the transmitted diffracted light is from the second order to the fourth order.
一方、反射回折光について、3次以上許容される凸部2cの周期は、280nmである。すなわち、凸部2cの周期をPとし、発光層14から発せられる光のピーク波長をλとしたとき、
28/45×λ≦P
の関係を満たすようにすると、反射回折光について、許容次数が3次以上となる。つまり、透過回折光の許容次数が2次から4次の間となり、反射回折光の許容次数が3次以上となるようにするには、
26/45×λ≦P≦62/45×λ
の関係を満たすようにすればよい。
On the other hand, with respect to the reflected diffracted light, the period of the
28/45 × λ ≦ P
If the above relationship is satisfied, the allowable order for the reflected diffracted light is the third order or higher. That is, in order to make the allowable order of the transmitted diffracted light between the second order and the fourth order, and the allowable order of the reflected diffracted light be the third order or more,
26/45 × λ ≦ P ≦ 62/45 × λ
It is sufficient to satisfy the relationship.
以上のように構成されたLED素子1では、回折面2a及び反射部を設けたので、素子から出射される光の配光特性を垂直よりに変化させることができる。そして、凸部2cの周期をP、発光層14から発せられる光のピーク波長をλとしたとき、
1/2×λ≦P≦16/9×λ
の関係を満たすようにしたので、素子から取り出される光軸まわりの光量を大きくすることができる。従って、回折作用を利用して光の取り出し効率を向上させつつ、回折に起因する配光特性を利用して適切な配光を実現することができる。
In the
1/2 × λ ≦ P ≦ 16/9 × λ
Thus, the amount of light around the optical axis extracted from the element can be increased. Therefore, appropriate light distribution can be realized using light distribution characteristics resulting from diffraction while improving the light extraction efficiency using the diffraction action.
また、回折面2aにおいて、透過回折光については2次、3次あるいは4次まで許容されるようにし、反射回折光については3次以上許容されるようにしたので、素子から取り出される光軸まわりの光量を大きくすることができる。
Further, in the
また、回折面2aにおける光の垂直化により、発光層14から発せられた光が、サファイア基板2の裏面に到達するまでの距離を格段に短くすることができ、素子内部における光の吸収を抑制することができる。LED素子においては、界面の臨界角を超える角度領域の光が横方向に伝搬してしまうので素子内部で光が吸収されてしまう問題があったが、臨界角を超える角度領域の光を回折面2aで垂直寄りとされることから、素子内部にて吸収される光を飛躍的に減じることができる。さらに、本実施形態においては、反射部を誘電体多層膜22,25と金属層23,26の組み合わせとして、界面に対して垂直に近い角度ほど反射率が高くなるようにしたので、界面に対して垂直寄りとなった光に対して有利な反射条件となっている。
Further, by verticalizing the light on the
図15及び図16は本発明の第2の実施形態を示し、図15はLED素子の模式断面図である。
図15に示すように、このLED素子101はフェイスアップタイプであり、サファイア基板102の表面上に、III族窒化物半導体層からなる半導体積層部119が形成されたものである。このLED素子101は、フェイスアップ型であり、サファイア基板102と反対側から主として光が取り出される。半導体積層部119は、バッファ層110、n型GaN層112、発光層114、電子ブロック層116、p型GaN層118をサファイア基板102側からこの順に有している。p型GaN層118上にはp側電極127が形成されるとともに、n型GaN層112上にはn側電極128が形成されている。また、p側電極127は、p型GaN層118上に形成される拡散電極121と、拡散電極121上の一部に形成されるパッド電極122と、を有している。
15 and 16 show a second embodiment of the present invention, and FIG. 15 is a schematic cross-sectional view of an LED element.
As shown in FIG. 15, the
このLED素子101においては、サファイア基板102の表面が回折面102aをなしている。サファイア基板102の表面は、平坦部102bと、平坦部102bに周期的に形成された複数の凸部102cと、が形成されている。各凸部102cの形状は、円錐、多角錐等の錐状の他、錐の上部を切り落とした円錐台、多角錐台等の錐台状とすることができる。各凸部102cは、発光層114から発せられる光を回折するよう設計される。本実施形態においては、周期的に配置される各凸部102cにより、光の垂直化作用を得ることができる。
In this
本実施形態の回折面102aは、凸部102cの周期をP、発光層114から発せられる光のピーク波長をλとしたとき、
1/2×λ≦P≦16/9×λ
の関係を満たすように、凸部102cの周期が設定されている。また、凸部102cの周期は、透過回折光が少なくとも2次の回折光を含み、5次の回折光を含まないよう設定されている。また、凸部102cの周期は、反射回折光が少なくとも3次の回折光を含むよう設定されている。
In the
1/2 × λ ≦ P ≦ 16/9 × λ
The period of the
図16は、LED素子の一部拡大模式断面図である。
図16に示すように、サファイア基板102の裏面側には、誘電体多層膜124が形成されている。誘電体多層膜124は金属層であるAl層126により被覆される。この発光素子101においては、誘電体多層膜124及びAl層126が反射部をなしており、発光層114から発せられ回折面102aを回折作用によって透過した光を当該反射部で反射する。そして、回折作用により透過した光を回折面102aに再入射させて、回折面102aにて再び回折作用を利用して透過させることにより、複数のモードで光を素子外部へ取り出すことができる。
FIG. 16 is a partially enlarged schematic cross-sectional view of an LED element.
As shown in FIG. 16, a
図17は、反射部の反射率の一例を示すグラフである。図17では、サファイア基板上に形成される誘電体多層膜をZrO2とSiO2の組み合わせでペア数を5とし、誘電体多層膜に重ねてAl層を形成した。図17に示すように、入射角が0度から55度の角度域で、99%以上の反射率を実現している。また、入射角が0度から60度の角度域で、98%以上の反射率を実現している。また、入射角が0度から75度の角度域で、92%以上の反射率を実現している。このように、誘電体多層膜と金属層の組み合わせは、界面に対して垂直寄りとなった光に対して有利な反射条件となる。尚、サファイア基板上にAl層のみを形成した場合は、入射角によらず、ほぼ88%の一定の反射率となることを確認している。 FIG. 17 is a graph illustrating an example of the reflectance of the reflecting portion. In FIG. 17, the dielectric multilayer film formed on the sapphire substrate is a combination of ZrO 2 and SiO 2 with a pair number of 5, and an Al layer is formed on the dielectric multilayer film. As shown in FIG. 17, a reflectance of 99% or more is realized in an angle range where the incident angle is 0 degree to 55 degrees. In addition, a reflectance of 98% or more is realized in the angle range where the incident angle is 0 degree to 60 degrees. In addition, a reflectance of 92% or more is realized in an angle range where the incident angle is 0 degree to 75 degrees. As described above, the combination of the dielectric multilayer film and the metal layer is an advantageous reflection condition for the light that is perpendicular to the interface. When only the Al layer is formed on the sapphire substrate, it has been confirmed that the reflectance is almost 88% regardless of the incident angle.
以上のように構成されたLED素子101では、回折面102a及び反射部を設けたので、素子から出射される光の配光特性を垂直よりに変化させることができる。そして、凸部102cの周期をP、発光層114から発せられる光のピーク波長をλとしたとき、
1/2×λ≦P≦16/9×λ
の関係を満たすようにしたので、素子から取り出される光軸まわりの光量を大きくすることができる。
In the
1/2 × λ ≦ P ≦ 16/9 × λ
Thus, the amount of light around the optical axis extracted from the element can be increased.
また、回折面102aにおいて、透過回折光については2次、3次あるいは4次まで許容されるようにし、反射回折光については3次以上許容されるようにしたので、素子から取り出される光軸まわりの光量を大きくすることができる。
Further, in the
また、発光層114から発せられた光が、p側電極127の表面に到達するまでの距離を格段に短くすることができ、素子内部における光の吸収を抑制することができる。LED素子においては、界面の臨界角を超える角度領域の光が横方向に伝搬してしまうので素子内部で光が吸収されてしまう問題があったが、臨界角を超える角度領域の光を回折面102aで垂直寄りとすることで、素子内部にて吸収される光を飛躍的に減じることができる。さらに、本実施形態においては、反射部を誘電体多層膜124と金属層126の組み合わせとして、界面に対して垂直に近い角度ほど反射率が高くなるようにしたので、界面に対して垂直寄りとなった光に対して有利な反射条件となっている。
Further, the distance until the light emitted from the
尚、第1及び第2の実施形態においては、回折面を周期的に形成された凸部で構成するものを示したが、回折面を周期的に形成された凹部で構成してもよいことは勿論である。また、凸部又は凹部を、三角格子の交点に整列して形成する他、例えば、仮想の正方格子の交点に整列して形成することもできる。 In the first and second embodiments, the diffractive surface is composed of periodically formed convex portions, but the diffractive surface may be composed of periodically formed concave portions. Of course. In addition to forming the convex portions or the concave portions in alignment with the intersections of the triangular lattice, for example, it can be formed in alignment with the intersections of the virtual square lattice.
また、第1及び第2の実施形態においては、素子における光の出射面が平坦なものを示したが、例えば図18及び図19に示すように、光の出射面に凹凸加工を施すようにしてもよい。図18のLED素子1は、フリップチップタイプの第1の実施形態のLED素子において、サファイア基板2の裏面に凹凸加工を施したものである。このサファイア基板2の裏面2gは、平坦部2hと、平坦部2hに周期的に形成された複数の凸部2iと、が形成されている。各凸部2iの形状は、円錐、多角錐等の錐状の他、錐の上部を切り落とした円錐台、多角錐台等の錐台状とすることができる。サファイア基板2の裏面2gにおける各凸部2iの周期は、回折面2aの周期より短くすることが好ましい。これにより、サファイア基板2の裏面2gにおけるフレネル反射が抑制される。
In the first and second embodiments, the light emitting surface of the element is flat. However, as shown in FIGS. 18 and 19, for example, the light emitting surface is processed to be uneven. May be. The
また、図19のLED素子101は、フェイスアップタイプの第2の実施形態のLED素子において、p側電極127の表面に凹凸加工を施したものである。このp型電極127の表面127gは、平坦部127hと、平坦部127hに周期的に形成された複数の凸部127iと、が形成されている。各凸部127iの形状は、円錐、多角錐等の錐状の他、錐の上部を切り落とした円錐台、多角錐台等の錐台状とすることができる。p側電極127の表面127gにおける各凸部127iの周期は、回折面102aの周期より短くすることが好ましい。これにより、p側電極127の表面127gにおけるフレネル反射が抑制される。
Further, the
また、第1及び第2の実施形態においては、発光層から青色光が発せられるものを示したが、例えば、緑色、赤色等の光が発せられるものであってもよい。要は、凹部又は凸部の周期と、発光層から発せられる光のピーク波長の関係が、所定の条件を満たしていればよい。 Moreover, in 1st and 2nd embodiment, although what emitted blue light from a light emitting layer was shown, for example, light, such as green and red, may be emitted. In short, it is only necessary that the relationship between the period of the concave portion or the convex portion and the peak wavelength of the light emitted from the light emitting layer satisfy a predetermined condition.
1 LED素子
2 サファイア基板
2a 回折面
2c 凸部
14 発光層
19 半導体積層部
27 p側電極
28 n側電極
101 LED素子
102 サファイア基板
102a 回折面
114 発光層
119 半導体積層部
124 誘電体多層膜
126 Al層
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記サファイア基板の表面上に形成され発光層を含みIII族窒化物半導体からなる半導体積層部と、
前記発光層から発せられる光の少なくとも一部を、前記サファイア基板の表面側に反射する反射部と、を備え、
前記サファイア基板と前記半導体積層部の界面にて前記発光層から発せられる光の回折作用を得るLED素子において、
前記半導体積層部側にて前記回折面へ入射する光の強度分布と比べて、前記サファイア基板側にて前記回折面を透過して出射する光の強度分布が、前記半導体積層部と前記サファイア基板の界面に対して垂直な方向に偏り、
前記凹部又は凸部の周期をP、前記発光層から発せられる光のピーク波長をλとしたとき、
1/2×λ≦P≦16/9×λ
の関係を満たし、
前記反射部は、前記界面に対して垂直に近い角度ほど反射率が高いLED素子。 A sapphire substrate in which periodic concave portions or convex portions are formed on the surface, and the surface forms a diffraction surface;
A semiconductor laminate formed on the surface of the sapphire substrate and comprising a light emitting layer and comprising a group III nitride semiconductor; and
A reflection part that reflects at least part of the light emitted from the light emitting layer to the surface side of the sapphire substrate,
In the LED element that obtains the diffraction action of the light emitted from the light emitting layer at the interface between the sapphire substrate and the semiconductor laminate,
Compared with the intensity distribution of the light incident on the diffractive surface on the semiconductor laminated part side, the intensity distribution of the light transmitted through the diffractive surface on the sapphire substrate side is emitted from the semiconductor laminated part and the sapphire substrate. Biased in a direction perpendicular to the interface of
When the period of the concave or convex part is P, and the peak wavelength of light emitted from the light emitting layer is λ,
1/2 × λ ≦ P ≦ 16/9 × λ
Satisfy the relationship
The reflective part is an LED element having a higher reflectivity at an angle closer to perpendicular to the interface.
1/2×λ≦P≦λ
の関係を満たすようにした請求項1に記載のLED素子。 When the period of the concave or convex part is P, and the peak wavelength of light emitted from the light emitting layer is λ,
1/2 × λ ≦ P ≦ λ
The LED element according to claim 1 , wherein the relationship is satisfied.
23/45×λ≦P≦λ
の関係を満たすようにした請求項1に記載のLED素子。 When the period of the concave or convex part is P, and the peak wavelength of light emitted from the light emitting layer is λ,
23/45 × λ ≦ P ≦ λ
The LED element according to claim 1 , wherein the relationship is satisfied.
前記サファイア基板の裏面に、前記回折面よりも短い周期で周期的な凹部又は凸部が形成される請求項1から5のいずれか1項に記載のLED素子。 The LED is a flip chip type,
Wherein the back surface of the sapphire substrate, LED element according to any one of claims 1 to 5, wherein the periodic recesses or projections in a shorter period than the diffraction surface is formed.
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