JP5961740B1 - 光学装置及び発光素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】分布ブラッグ反射鏡を複雑な多層膜構造とすることなく、蛍光材料から発せられる蛍光波長に対する反射率を低減させる。【解決手段】第１材料からなり第１厚さで形成される複数の低屈折率膜と、第２材料からなり第２厚さで形成される複数の高屈折率膜とを交互に積層させた積層部本体を有する分布ブラッグ反射鏡を備えた光学装置において、分布ブラッグ反射鏡に隣接する隣接媒質は第２材料よりも屈折率が低く、分布ブラッグ反射鏡は、第２材料からなり第２厚さよりも薄い厚さで積層部本体と隣接媒質の間に形成される付加膜を有する。【選択図】図３
Description
本発明は、分布ブラッグ反射鏡を備えた光学装置及び発光素子に関する。
所定の励起波長の光で励起されると当該励起波長より長い所定の蛍光波長の光を発する蛍光材料に、当該励起波長の光を反射する分布ブラッグ反射鏡を形成することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。これにより、蛍光材料に吸収されずに透過する励起光を蛍光材料側へ反射させ、効率良く波長変換を行うことができる。
ところで、分布ブラッグ反射鏡では励起波長以外の波長域においても、例えば４０％程度の反射率が生じる場合がある。これにより、分布ブラッグ反射鏡で蛍光材料にて生じた蛍光も反射してしまい、蛍光材料から効率的に光を取り出すことができないという問題点があった。励起波長以外の反射率については、分布ブラッグ反射鏡を構成する多層膜の層数を例えば３０層から５０層程度とするとともに各層の屈折率や膜厚を細かく制御することで抑制することが可能であるものの、このような複雑な多層膜構造を用いると製造コストが増大してしまう。
所定波長以外の波長域における反射率を低減する分布ブラッグ反射鏡として、特許文献２に記載のものが提案されている。この分布ブラッグ反射鏡は、最上層及び最下層の膜厚を他の層の膜厚よりも厚くすることにより、所定波長以外の波長域における反射率を低減することができるとしている。
しかしながら、分布ブラッグ反射鏡の最上層又は最下層の膜厚を他の層の膜厚よりも厚くすると、所定波長以外の波長域における反射率がかえって低下する場合があることが判明した。分布ブラッグ反射鏡の最上層又は最下層の膜厚をどのように設定すればよいかは依然不明であった。
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、分布ブラッグ反射鏡を複雑な多層膜構造とすることなく、蛍光材料から発せられる蛍光波長に対する反射率を低減させた光学装置及び発光素子を提供することにある。
前記目的を達成するため、本発明では、所定の励起波長域内の光で励起されると、当該励起波長域より長い所定の蛍光波長の光を発する蛍光材料と、第１材料からなり第１厚さで形成される複数の低屈折率膜と、前記第１材料よりも高い屈折率の第２材料からなり第２厚さで形成される複数の高屈折率膜とを交互に積層させた積層部本体を有し、前記励起波長域内の光を反射し前記蛍光波長の光を透過する分布ブラッグ反射鏡と、を備え、前記分布ブラッグ反射鏡の前記蛍光材料側又は前記蛍光材料と反対側に隣接する隣接媒質は、前記第２材料よりも屈折率が低く、前記積層部本体における最も前記隣接媒質側に前記低屈折率膜が配置され、前記分布ブラッグ反射鏡は、さらに、前記第２材料からなり前記第２厚さよりも薄い厚さで前記積層部本体と前記隣接媒質の間に形成される付加膜を有する光学装置が提供される。
上記光学装置において、前記低屈折率膜の前記第１厚さ及び前記高屈折率膜の前記第２厚さを設計するための設計波長をλｃ、前記第１材料の屈折率をｎ１、前記第２材料の屈折率をｎ２としたとき、前記第１厚さは、λｃ／４ｎ１であり、前記第２厚さは、λｃ／４ｎ２であり、前記付加膜の厚さは、λｃ／８ｎ２であってもよい。
また、本発明では、所定の励起波長域内の光で励起されると、当該励起波長域より長い所定の蛍光波長の光を発する蛍光材料と、第１材料からなり第１厚さで形成される複数の低屈折率膜と、前記第１材料よりも高い屈折率の第２材料からなり第２厚さで形成される複数の高屈折率膜とを交互に積層させた積層部本体を有し、前記励起波長域内の光を反射し前記蛍光波長の光を透過する分布ブラッグ反射鏡と、を備え、前記分布ブラッグ反射鏡の前記蛍光材料側又は前記蛍光材料と反対側に隣接する隣接媒質は、前記第１材料よりも屈折率が高く、前記積層部本体における最も前記隣接媒質側に前記高屈折率膜が配置され、前記分布ブラッグ反射鏡は、さらに、前記第１材料からなり前記第１厚さよりも薄い厚さで前記積層部本体と前記隣接媒質の間に形成される付加膜を有する光学装置が提供される。
上記光学装置において、前記低屈折率膜の前記第１厚さ及び前記高屈折率膜の前記第２厚さを設計するための設計波長をλｃ、前記第１材料の屈折率をｎ１、前記第２材料の屈折率をｎ２としたとき、前記第１厚さは、λｃ／４ｎ１であり、前記第２厚さは、λｃ／４ｎ２であり、前記付加膜の厚さは、λｃ／８ｎ１であってもよい。
さらに、本発明では、所定の励起波長域内の光で励起されると、当該励起波長域より長い所定の蛍光波長の光を発する蛍光材料と、第１材料からなり第１厚さで形成される複数の低屈折率膜と、前記第１材料よりも高い屈折率の第２材料からなり第２厚さで形成される複数の高屈折率膜とを交互に積層させた積層部本体を有し、前記励起波長域内の光を反射し前記蛍光波長の光を透過する分布ブラッグ反射鏡と、を備え、前記分布ブラッグ反射鏡の前記蛍光材料側又は前記蛍光材料と反対側に隣接する隣接媒質は、前記第１材料よりも屈折率が低く、前記積層部本体における最も前記隣接媒質側に前記高屈折率膜が配置され、前記分布ブラッグ反射鏡は、さらに、前記第１材料からなり前記第１厚さよりも厚い厚さで前記積層部本体と前記隣接媒質の間に形成される付加膜を有する光学装置が提供される。
上記光学装置において、前記低屈折率膜の前記第１厚さ及び前記高屈折率膜の前記第２厚さを設計するための設計波長をλｃ、前記第１材料の屈折率をｎ１、前記第２材料の屈折率をｎ２としたとき、前記第１厚さは、λｃ／４ｎ１であり、前記第２厚さは、λｃ／４ｎ２であり、前記付加膜の厚さは、λｃ／２ｎ１であってもよい。
さらにまた、本発明では、所定の励起波長域内の光で励起されると、当該励起波長域より長い所定の蛍光波長の光を発する蛍光材料と、第１材料からなり第１厚さで形成される複数の低屈折率膜と、前記第１材料よりも高い屈折率の第２材料からなり第２厚さで形成される複数の高屈折率膜とを交互に積層させた積層部本体を有し、前記励起波長域内の光を反射し前記蛍光波長の光を透過する分布ブラッグ反射鏡と、を備え、前記分布ブラッグ反射鏡の前記蛍光材料側又は前記蛍光材料と反対側に隣接する隣接媒質は、前記第２材料よりも屈折率が高く、前記積層部本体における最も前記隣接媒質側に前記低屈折率膜が配置され、前記分布ブラッグ反射鏡は、さらに、前記第２材料からなり前記第２厚さよりも厚い厚さで前記積層部本体と前記隣接媒質の間に形成される付加膜を有する光学装置が提供される。
上記光学装置において、前記低屈折率膜の前記第１厚さ及び前記高屈折率膜の前記第２厚さを設計するための設計波長をλｃ、前記第１材料の屈折率をｎ１、前記第２材料の屈折率をｎ２としたとき、前記第１厚さは、λｃ／４ｎ１であり、前記第２厚さは、λｃ／４ｎ２であり、前記付加膜の厚さは、λｃ／２ｎ２であってもよい。
上記光学装置において、前記蛍光材料の表面の少なくとも一部に形成された周期的な凹凸構造と、前記蛍光材料上に、少なくとも前記凹凸構造の凹部が埋まり、かつ、表面が平坦となるよう形成された下地層と、を備え、前記分布ブラッグ反射鏡は、前記下地層上に形成されてもよい。
上記光学装置において、前記凹凸構造の周期は、前記蛍光波長より大きく前記蛍光波長のコヒーレント長より小さくともよい。
上記光学装置において、前記蛍光材料を励起するための前記励起波長域内の光を発する光源を備えてもよい。
さらにまた、本発明では、所定の励起波長域内の光で励起されると、当該励起波長域より長い所定の蛍光波長の光を発する蛍光基板と、前記蛍光基板の一方の面側に形成され、第１材料からなり第１厚さで形成される複数の低屈折率膜と、前記第１材料よりも高い屈折率の第２材料からなり第２厚さで形成される複数の高屈折率膜とを交互に積層させた積層部本体を有し、前記励起波長域内の光を反射し前記蛍光波長の光を透過する分布ブラッグ反射鏡と、前記蛍光基板の他方の面側に形成され、前記蛍光材料を励起するための前記励起波長域内の光を発する発光層を含む半導体積層構造と、を備え、前記分布ブラッグ反射鏡の前記蛍光材料側又は前記蛍光材料と反対側に隣接する隣接媒質は、前記第２材料よりも屈折率が低く、前記積層部本体における最も前記隣接媒質側に前記低屈折率膜が配置され、前記分布ブラッグ反射鏡は、さらに、前記第２材料からなり前記第２厚さよりも薄い厚さで前記積層部本体と前記隣接媒質の間に形成される付加膜を有する発光素子が提供される。
上記発光素子において、前記低屈折率膜の前記第１厚さ及び前記高屈折率膜の前記第２厚さを設計するための設計波長をλｃ、前記第１材料の屈折率をｎ１、前記第２材料の屈折率をｎ２としたとき、前記第１厚さは、λｃ／４ｎ１であり、前記第２厚さは、λｃ／４ｎ２であり、前記付加膜の厚さは、λｃ／８ｎ２であってもよい。
さらにまた、本発明では、所定の励起波長域内の光で励起されると、当該励起波長域より長い所定の蛍光波長の光を発する蛍光基板と、前記蛍光基板の一方の面側に形成され、第１材料からなり第１厚さで形成される複数の低屈折率膜と、前記第１材料よりも高い屈折率の第２材料からなり第２厚さで形成される複数の高屈折率膜とを交互に積層させた積層部本体を有し、前記励起波長域内の光を反射し前記蛍光波長の光を透過する分布ブラッグ反射鏡と、前記蛍光基板の他方の面側に形成され、前記蛍光材料を励起するための前記励起波長域内の光を発する発光層を含む半導体積層構造と、を備え、前記分布ブラッグ反射鏡の前記蛍光材料側又は前記蛍光材料と反対側に隣接する隣接媒質は、前記第１材料よりも屈折率が高く、前記積層部本体における最も前記隣接媒質側に前記高屈折率膜が配置され、前記分布ブラッグ反射鏡は、さらに、前記第１材料からなり前記第１厚さよりも薄い厚さで前記積層部本体と前記隣接媒質の間に形成される付加膜を有する発光素子が提供される。
上記発光素子において、前記低屈折率膜の前記第１厚さ及び前記高屈折率膜の前記第２厚さを設計するための設計波長をλｃ、前記第１材料の屈折率をｎ１、前記第２材料の屈折率をｎ２としたとき、前記第１厚さは、λｃ／４ｎ１であり、前記第２厚さは、λｃ／４ｎ２であり、前記付加膜の厚さは、λｃ／８ｎ１であってもよい。
さらにまた、本発明では、所定の励起波長域内の光で励起されると、当該励起波長域より長い所定の蛍光波長の光を発する蛍光基板と、前記蛍光基板の一方の面側に形成され、第１材料からなり第１厚さで形成される複数の低屈折率膜と、前記第１材料よりも高い屈折率の第２材料からなり第２厚さで形成される複数の高屈折率膜とを交互に積層させた積層部本体を有し、前記励起波長域内の光を反射し前記蛍光波長の光を透過する分布ブラッグ反射鏡と、前記蛍光基板の他方の面側に形成され、前記蛍光材料を励起するための前記励起波長域内の光を発する発光層を含む半導体積層構造と、を備え、前記分布ブラッグ反射鏡の前記蛍光材料側又は前記蛍光材料と反対側に隣接する隣接媒質は、前記第１材料よりも屈折率が低く、前記積層部本体における最も前記隣接媒質側に前記高屈折率膜が配置され、前記分布ブラッグ反射鏡は、さらに、前記第１材料からなり前記第１厚さよりも厚い厚さで前記積層部本体と前記隣接媒質の間に形成される付加膜を有する発光素子が提供される。
上記発光素子において、前記低屈折率膜の前記第１厚さ及び前記高屈折率膜の前記第２厚さを設計するための設計波長をλｃ、前記第１材料の屈折率をｎ１、前記第２材料の屈折率をｎ２としたとき、前記第１厚さは、λｃ／４ｎ１であり、前記第２厚さは、λｃ／４ｎ２であり、前記付加膜の厚さは、λｃ／２ｎ１であってもよい。
さらにまた、本発明では、所定の励起波長域内の光で励起されると、当該励起波長域より長い所定の蛍光波長の光を発する蛍光基板と、前記蛍光基板の一方の面側に形成され、第１材料からなり第１厚さで形成される複数の低屈折率膜と、前記第１材料よりも高い屈折率の第２材料からなり第２厚さで形成される複数の高屈折率膜とを交互に積層させた積層部本体を有し、前記励起波長域内の光の光を反射し前記蛍光波長の光を透過する分布ブラッグ反射鏡と、前記蛍光基板の他方の面側に形成され、前記蛍光材料を励起するための前記励起波長域内の光を発する発光層を含む半導体積層構造と、を備え、前記分布ブラッグ反射鏡の前記蛍光材料側又は前記蛍光材料と反対側に隣接する隣接媒質は、前記第２材料よりも屈折率が高く、前記積層部本体における最も前記隣接媒質側に前記低屈折率膜が配置され、前記分布ブラッグ反射鏡は、さらに、前記第２材料からなり前記第２厚さよりも厚い厚さで前記積層部本体と前記隣接媒質の間に形成される付加膜を有する発光素子が提供される。
上記発光素子において、前記低屈折率膜の前記第１厚さ及び前記高屈折率膜の前記第２厚さを設計するための設計波長をλｃ、前記第１材料の屈折率をｎ１、前記第２材料の屈折率をｎ２としたとき、前記第１厚さは、λｃ／４ｎ１であり、前記第２厚さは、λｃ／４ｎ２であり、前記付加膜の厚さは、λｃ／２ｎ２であってもよい。
上記発光素子において、前記蛍光基板の前記一方の面の少なくとも一部に形成された周期的な凹凸構造と、前記蛍光基板の前記一方の面上に、少なくとも前記凹凸構造の凹部が埋まり、かつ、表面が平坦となるよう形成された下地層と、を備え、前記分布ブラッグ反射鏡は、前記下地層上に形成されてもよい。
上記発光素子において、前記凹凸構造の周期は、前記蛍光波長より大きく前記蛍光波長のコヒーレント長より小さくともよい。
本発明によれば、分布ブラッグ反射鏡を複雑な多層膜構造とすることなく、蛍光材料から発せられる蛍光波長に対する反射率を低減させることができる。
図１から図１３は本発明の第１の実施形態を示すものであり、図１は発光素子の模式断面図である。
図１に示すように、発光素子１は、ホウ素（Ｂ）及び窒素（Ｎ）がドープされたＳｉＣ基板１０と、このＳｉＣ基板１０の主面上に形成され複数の窒化物半導体層により構成された半導体積層部２０と、を備えている。この発光素子１は、フリップチップ型のＬＥＤ素子であり、ＳｉＣ基板１０の裏面が光取り出し面をなしている。半導体積層部２０からＳｉＣ基板１０へ光が入射すると、ＳｉＣ基板１０にて入射光が吸収されて不純物準位による蛍光が生じるようになっている。
蛍光基板としてのＳｉＣ基板１０は、所定の励起波長域内の光で励起されると、当該励起波長域より長い所定の蛍光波長の光を発する。本実施形態のＳｉＣ基板１０は、吸収端波長より短い波長で励起されると、ドナー・アクセプタ・ペア発光により吸収端波長より長い所定の蛍光波長で発光する。本実施形態においては、ＳｉＣ基板１０は、６層ごとに周期的な構造をとる６Ｈ型のＳｉＣ結晶によって形成され、ドナー不純物として窒素を含むとともに、アクセプタ不純物としてホウ素を含んでいる。具体的に、ＳｉＣ基板１０は、吸収端波長である４０８ｎｍ以下の波長の光で励起すると、６００ｎｍ付近をピークとし半値幅が１００ｎｍの蛍光波長の光を発する。すなわち、このＳｉＣ蛍光体の励起波長域は４０８ｎｍ以下である。
ＳｉＣ基板１０の製造方法は任意であるが、例えば昇華法、化学気相成長法等によってＳｉＣ結晶を成長させて製造することができ、本実施形態においては昇華法が用いられる。このとき、結晶成長中の雰囲気における所定の不純物原料気体の分圧を適度に調整することにより、ＳｉＣ基板１０におけるＮ及びＢの濃度を任意に設定することができる。Ｎの不純物原料気体としては、例えば、Ｎ２、ＮＨ３、ＤＭＨｙ（ジメチルヒドラジン）等を用いることができる。また、Ｂの不純物原料気体としては、ＢＣｌ３、ＴＭＢ（トリメチルボロン）、ＴＥＢ（トリエチルボロン）、Ｂ２Ｈ６等を用いることができる。また、本実施形態においては、成長されるＳｉＣ結晶におけるＳｉとＣは、結晶原料固体を昇華することに加え、所定の結晶原料気体を結晶成長中の雰囲気へ導入することで提供される。Ｓｉの結晶原料気体としては、例えば、ＳｉＦ４、ＳｉＣｌ４、ＳｉＨ４、Ｓｉ２Ｈ６、ＳｉＨＣｌ３、ＳｉＨ２Ｃｌ２、Ｓｉ（ＣＨ３）４、ＳｉＨ２（ＣＨ３）２、ＳｉＨ（ＣＨ３）３、Ｓｉ２（ＣＨ３）６等を用いることができる。また、Ｃの結晶原料気体としては、例えば、ＣＨ４、Ｃ２Ｈ６、Ｃ３Ｈ８、ＣＣｌ４、ＣＦ４、Ｃ２Ｈ２、Ｃ２Ｈ４、ＣＨＦ３等を用いることができる。
ここで、６Ｈ型のＳｉＣ結晶は、キュービックサイトの割合が２／３、ヘキサゴナルサイトの割合が１／３である。通常であれば、ドナー不純物である窒素は、各サイトの存在割合と同じ割合で各サイトに配置される。すなわち、６Ｈ型のＳｉＣであれば、２／３の窒素がキュービックサイトの炭素原子と置換され、１／３の窒素がヘキサゴナルサイトの炭素原子と置換されることとなる。しかし、本実施形態のＳｉＣ結晶は、キュービックサイトのドナー不純物濃度を高くさせるようドナーを操作する工程を経て製造されているため、ヘキサゴナルサイトの炭素原子と置換されるドナー不純物に対する、キュービックサイトの炭素原子と置換されるドナー不純物の割合が、結晶構造におけるヘキサゴナルサイトに対するキュービックサイトの割合よりも大きくなっている。
ＳｉＣ基板１０の裏面には、周期的な複数の凸部１０ａからなる凹凸構造が形成される。各凸部１０ａ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。ＳｉＣ基板１０の凹凸構造上に、表面が平坦な下地層１１が形成される。下地層１１の材料は、表面を平坦に形成しやすいＳＯＧ（Spin_On_Glass）、樹脂等が好適であるが、研磨等により表面を平坦に形成できるのであればＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）膜等のようなＳＯＧ以外の材料を用いてもよい。
各凸部１０ａの周期はＳｉＣ基板１０の蛍光波長より大きくかつ蛍光波長のコヒーレント長より小さく、各凸部１０ａからなる凹凸構造がＳｉＣ基板１０の蛍光波長の光を回折するよう設計される。例えば、ピーク波長が６００ｎｍで半値幅が１００ｎｍであれば、コヒーレント長は１．３５μｍとなる。本実施形態においては、ＳｉＣ基板１０の光については、各凸部１０ａ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、ＳｉＣ基板１０と下地層１１の界面に対して垂直な方向に偏ることをいう。
図２は、異なる屈折率の界面における光の回折作用を示す説明図であり、（ａ）は界面にて反射する状態を示し、（ｂ）は界面を透過する状態を示す。
ここで、ブラッグの回折条件から、界面にて光が反射する場合において、入射角θｉｎに対して反射角θｒｅｆが満たすべき条件は、
Ｐ・ｎ ａ ・（ｓｉｎθｉｎ−ｓｉｎθｒｅｆ）＝ｍ・λ・・・（１）
である。ここで、Ｐは凹部または凸部の周期、ｎ ａ 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。ＳｉＣ基板１０から下地層１１へ光が入射する場合、ｎ ａ はＳｉＣ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。
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・ｎ ａ ・（ｓｉｎθｉｎ−ｓｉｎθｒｅｆ）＝ｍ・λ・・・（１）
である。ここで、Ｐは凹部または凸部の周期、ｎ ａ 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。ＳｉＣ基板１０から下地層１１へ光が入射する場合、ｎ ａ はＳｉＣ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。
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・（ｎ ａ ・ｓｉｎθｉｎ−ｎ ｂ ・ｓｉｎθｏｕｔ）＝ｍ’・λ・・・（２）
である。ここで、ｎ ｂ は出射側の媒質の屈折率であり、ｍ’は整数である。例えばＳｉＣ基板１０から下地層１１へ光が入射する場合、ｎ ｂ は下地層の屈折率となる。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。
Ｐ・（ｎ ａ ・ｓｉｎθｉｎ−ｎ ｂ ・ｓｉｎθｏｕｔ）＝ｍ’・λ・・・（２）
である。ここで、ｎ ｂ は出射側の媒質の屈折率であり、ｍ’は整数である。例えばＳｉＣ基板１０から下地層１１へ光が入射する場合、ｎ ｂ は下地層の屈折率となる。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。
回折面に入射する光には、一般的な平坦面と同様に全反射の臨界角が存在する。臨界角を超えた領域では、上記（１）式の回折条件を満たす回折モードでの反射が可能であるとともに、上記（２）式の回折条件を満たす回折モードでの透過が可能である。ここで、入射角θｉｎよりも透過角θｏｕｔが小さくなる領域では、回折面を透過する光は、回折面に対して垂直寄りに角度変化する。また、入射角θｉｎよりも反射角θｒｅｆが小さくなる領域では、回折面で反射する光は、回折面に対して垂直寄りに角度変化する。
図３は、第１の反射部の断面説明図である。
図３に示すように、下地層１１上には、後述する発光層２５よりも光取り出し面側に配置され、励起波長域内の光を反射し、蛍光波長λｆの光を透過する第１の反射部１２が形成される。本実施形態においては、第１の反射部１２は、発光層２５から発せられる近紫外光を反射するとともに、ＳｉＣ基板１０から発せられる可視光を透過する。第１の反射部１２は、ＳｉＣ基板１０上に下地層１１を介して形成された分布ブラッグ反射鏡であり、励起波長用の積層部本体１２３と、蛍光波長用の入射側付加膜１２４及び出射側付加膜１２５と、を有する。第１の反射部１２は、屈折率の異なる第１材料と第２材料を積層して構成される。
図３に示すように、下地層１１上には、後述する発光層２５よりも光取り出し面側に配置され、励起波長域内の光を反射し、蛍光波長λｆの光を透過する第１の反射部１２が形成される。本実施形態においては、第１の反射部１２は、発光層２５から発せられる近紫外光を反射するとともに、ＳｉＣ基板１０から発せられる可視光を透過する。第１の反射部１２は、ＳｉＣ基板１０上に下地層１１を介して形成された分布ブラッグ反射鏡であり、励起波長用の積層部本体１２３と、蛍光波長用の入射側付加膜１２４及び出射側付加膜１２５と、を有する。第１の反射部１２は、屈折率の異なる第１材料と第２材料を積層して構成される。
積層部本体１２３は、所定の屈折率の第１材料からなり第１厚さで形成される複数の低屈折率膜１２１と、第１材料よりも低い屈折率の第２材料からなる高屈折率膜１２２とを交互に積層させて構成される。本実施形態においては、低屈折率膜１２１の第１厚さ及び高屈折率膜１２２の前記第２厚さを設計するための設計波長をλｃ、第１材料の屈折率をｎ１、第２材料の屈折率をｎ２としたとき、第１厚さはλｃ／４ｎ１、第２厚さはλｃ／４ｎ２である。本実施形態においては、設計波長λｃは３５０ｎｍに設定され、発光層２５から発せられる光の励起波長λｅは３８５ｎｍである。尚、設計波長λｃは必ずしも蛍光材料の励起波長域内である必要はなく、励起波長λｅが積層部本体１２３において反射率が比較的高くなる波長領域内に含まれていればよい。また、第１材料としてＳｉＯ２が用いられるためｎ１は１．４８であり、第２材料としてＺｒＯ２が用いられるためｎ２は２．３４である。すなわち、第１厚さλｃ／４ｎ１は５９．１ｎｍ、第２厚さλｃ／４ｎ２は３７．４ｎｍである。尚、積層部本体１２３に用いる材料としては、ＳｉＯ２とＺｒＯ２の他、例えばＡｌ２Ｏ３，ＭｇＦ２，ＣａＦ２，ＴｉＯ２，ＡｌＮ，ＨｆＯ２等が挙げられる。積層部本体１２３における低屈折率膜１２１及び高屈折率膜１２２の数は任意であるが、例えば２以上１０以下とすることができ、好ましくは３以上６以下、より好ましくは４または５である。
入射側付加膜１２４及び出射側付加膜１２５は、低屈折率膜１２１と異なる厚さの第１材料、もしくは、高屈折率膜１２２と異なる厚さの第２材料からなる。入射側付加膜１２４及び出射側付加膜１２５を、低屈折率膜１２１又は高屈折率膜１２２と比べて厚くするか薄くするかは、隣接する媒質に応じて決めればよい。図３に示すように下地層１１がＳｉＣ基板１０の凸部１０ａよりも高く形成されている場合、第１の反射部１２に隣接する媒質は下地層１１の材料となる。下地層１１がＳｉＣ基板１０の凸部１０ａと同じ高さに形成されている場合、第１の反射部１２に隣接する媒質は下地層１１の材料及びＳｉＣとなり、その屈折率は各材料の面積割合に応じて平均化した屈折率となる。
本実施形態においては、入射側付加膜１２４は、高屈折率膜１２２と同じ第２材料からなり、高屈折率膜１２２の第２厚さよりも薄い厚さで、積層部本体１２３と下地層１１の間に形成される。尚、入射側付加膜１２４として第２材料が用いられる場合、積層部本体１２３における最も下地層１１側には低屈折率膜１２１が配置される。本実施形態においては、下地層１１は屈折率が１．４０〜１．６０の樹脂からなり、高屈折率膜１２２より屈折率が低いことから、入射側付加膜１２４は反射を抑制する膜として機能する。本実施形態においては、反射を抑制する膜としての入射側付加膜１２４の厚さはλｃ／８ｎ２である。λｃが３５０ｎｍで第２材料としてＺｒＯ２を用いた場合、λｃ／８ｎ２は１８．７ｎｍである。
また、本実施形態においては、出射側付加膜１２５は、低屈折率膜１２１と同じ第１材料からなり、低屈折率膜１２１の第２厚さよりも厚い厚さで、積層部本体１２３におけるＳｉＣ基板１０と反対側に形成される。尚、出射側付加膜１２５として第１材料が用いられる場合、積層部本体１２３における最も下地層１１と反対側には高屈折率膜１２２が配置される。本実施形態においては、積層部本体１２３における下地層１１と反対側には屈折率が１．００の空気が隣接しており、低屈折率膜１２１より屈折率が低い低屈折率膜であることから、出射側付加膜１２５は反射を抑制する膜として機能する。本実施形態においては、反射を抑制する膜としての出射側付加膜１２５の厚さはλｃ／２ｎ１である。λｃが３５０ｎｍで第１材料としてＳｉＯ２を用いた場合、λｃ／２ｎ１は１１８．２ｎｍである。
尚、ここでは、入射側付加膜１２４と出射側付加膜１２５の両方を設けたものを示しているが、いずれか一方が設けられていれば蛍光の反射が抑制される。また、入射側付加膜１２４を高屈折率膜１２２より薄い第２材料からなる膜とし、出射側付加膜１２５を低屈折率膜１２１より厚い第１材料からなる膜としたものを示したが、これらは分布ブラッグ反射鏡１２に隣接する媒質と第１材料又は第２材料との屈折率の大小関係に応じて適宜変更することができる。高屈折率膜１２２より薄い第２材料からなる膜及び低屈折率膜１２１より厚い第１材料からなる膜の他、蛍光について反射抑制作用を有する例としては、隣接する媒質が第１材料より高い場合に低屈折率膜１２１より薄い第１材料からなる膜とすること、及び、隣接する媒質が第２材料より高い場合に高屈折率膜１２２より厚い第２材料からなる膜とすることが挙げられる。従って、隣接する媒質に応じて、入射側付加膜１２４及び出射側付加膜１２５として、高屈折率膜１２２より薄い第２材料からなる膜、低屈折率膜１２１より厚い第１材料からなる膜、低屈折率膜１２１より薄い第１材料からなる膜及び高屈折率膜１２２より厚い第２材料からなる膜のいずれかを適宜選択すればよい。尚、第１材料を用いて低屈折率膜１２１より薄い膜とする場合は、低屈折率膜１２１より厚い第１材料からなる膜と同様に積層部本体１２３における最も隣接する媒質側の層を高屈折率膜１２２とする必要がある。また、第２材料を用いて高屈折率膜１２２より厚い膜とする場合は、高屈折率膜１２２より薄い第２材料からなる膜と同様に積層部本体１２３における最も隣接する媒質側の層を低屈折率膜１２１とする必要がある。
ここで、図４から図７を参照して高屈折率膜１２２より薄い第２材料からなる膜、低屈折率膜１２１より厚い第１材料からなる膜、低屈折率膜１２１より薄い第１材料からなる膜及び高屈折率膜１２２より厚い第２材料からなる膜の反射抑制作用を説明する。図４は、分布ブラッグ反射鏡において、蛍光材料と反対側に、付加膜を設けない場合と各付加膜を設けた場合の、蛍光材料側に隣接する媒質の屈折率と蛍光波長域の平均反射率の関係を示す。図４においては、分布ブラッグ反射鏡の蛍光材料と反対側に隣接する媒質は屈折率が１．００の空気である。図４においては、分布ブラッグ反射鏡の低屈折率膜１２１を厚さλｃ／４ｎ１のＳｉＯ２とし、高屈折率膜１２２を厚さλｃ／４ｎ２のＺｒＯ２とした。付加膜を設けない場合と各付加膜を設けた場合の全ての例において、積層部本体１２３の最も蛍光材料側に厚さλｃ／４ｎ１の低屈折率膜１２１が配置されるようにした。付加膜を設けずに、積層部本体１２３の最も蛍光材料と反対側に厚さλｃ／４ｎ２の高屈折率膜１２２が配置されるようにした例を図４中「従来例１」として示す。また、付加膜として厚さλｃ／２ｎ１のＳｉＯ２からなる膜を設けた例を図４中「実施例１」として示す。また、付加膜として厚さλｃ／８ｎ２のＺｒＯ２からなる膜を設けた例を図４中「実施例２」として示す。また、付加膜として厚さλｃ／８ｎ１のＳｉＯ２からなる膜を設けた例を図４中「実施例３」として示す。また、付加膜として厚さλｃ／２ｎ２のＺｒＯ２からなる膜を設けた例を図４中「実施例４」として示す。図４に示すように、蛍光材料と反対側に隣接する媒質が空気の場合は、「実施例１」、「実施例２」、「実施例３」、「実施例４」の全てで反射率の低減が図られる。
図５は、分布ブラッグ反射鏡において、蛍光材料側に、付加膜を設けない場合と各付加膜を設けた場合の、蛍光材料側に隣接する媒質の屈折率と蛍光波長域の平均反射率の関係を示す。図５においても、分布ブラッグ反射鏡の蛍光材料と反対側に隣接する媒質は屈折率が１．００の空気である。図５においても、分布ブラッグ反射鏡の低屈折率膜１２１を厚さλｃ／４ｎ１のＳｉＯ２とし、高屈折率膜１２２を厚さλｃ／４ｎ２のＺｒＯ２とした。また、図５中の全ての例で、積層部本体１２３の最も蛍光材料と反対側に厚さλｃ／２ｎ１のＳｉＯ２からなる膜が付加膜として配置される。蛍光材料側に付加膜を設けない例を図５中「比較例１」として示す。蛍光材料側に付加膜として厚さλｃ／２ｎ１のＳｉＯ２からなる膜を設けた例を図５中「実施例５」として示す。また、蛍光材料側に付加膜として厚さλｃ／８ｎ２のＺｒＯ２からなる膜を設けた例を図５中「実施例６」として示す。また、蛍光材料側に付加膜として厚さλｃ／８ｎ１のＳｉＯ２からなる膜を設けた例を図５中「実施例７」として示す。また、蛍光材料側に付加膜として厚さλｃ／２ｎ２のＺｒＯ２からなる膜を設けた例を図５中「実施例８」として示す。
図５に示すように、蛍光材料側に隣接する媒質の屈折率が積層部本体１２３の低屈折率膜１２１よりも低い場合は、低屈折率膜１２１より厚い第１材料からなる付加膜を設けることにより反射率の低減が図られる。また、蛍光材料側に隣接する媒質の屈折率が積層部本体１２３の高屈折率膜１２２よりも低い場合は、高屈折率膜１２２より薄い第２材料からなる付加膜を設けることにより反射率の低減が図られる。また、蛍光材料側に隣接する媒質の屈折率が積層部本体１２３の低屈折率膜１２１よりも高い場合は、低屈折率膜１２１より薄い第１材料からなる付加膜を設けることにより反射率の低減が図られる。また、蛍光材料側に隣接する媒質の屈折率が積層部本体１２３の高屈折率膜１２２よりも高い場合は、高屈折率膜１２２より厚い第２材料からなる付加膜を設けることにより反射率の低減が図られる。
特に、蛍光材料側に隣接する媒質の屈折率が（ｎ１）１／２よりも低い場合は、高屈折率膜１２２より薄い第２材料からなる付加膜よりも低屈折率膜１２１より厚い第１材料からなる付加膜の方が反射率を低減することができる。また、蛍光材料側に隣接する媒質の屈折率が（ｎ１）１／２よりも高く、かつ、｛（ｎ１）１／２×（ｎ２）１／２｝よりも低い場合は、低屈折率膜１２１より厚い第１材料からなる付加膜及び低屈折率膜１２１より薄い第１材料からなる付加膜よりも高屈折率膜１２２より薄い第２材料からなる付加膜の方が反射率を低減することができる。また、蛍光材料側に隣接する媒質の屈折率が｛（ｎ１）１／２×（ｎ２）１／２｝よりも高く、かつ、｛（ｎ１）１／２×ｎ２｝よりも低い場合は、高屈折率膜１２２より薄い第２材料からなる付加膜及び高屈折率膜１２２より厚い第２材料からなる付加膜よりも低屈折率膜１２１より薄い第１材料からなる付加膜の方が反射率を低減することができる。また、蛍光材料側に隣接する媒質の屈折率が｛（ｎ１）１／２×ｎ２｝よりも高い場合は、低屈折率膜１２１より薄い第１材料からなる付加膜よりも高屈折率膜１２２より厚い第２材料からなる付加膜の方が反射率を低減することができる。
図６は、分布ブラッグ反射鏡において、蛍光材料と反対側に、付加膜を設けない場合と各付加膜を設けた場合の、蛍光材料側に隣接する媒質の屈折率と蛍光波長域の平均反射率の関係を示す。図６においては、分布ブラッグ反射鏡の蛍光材料と反対側に隣接する媒質は屈折率が１．５０の樹脂である。図６においては、分布ブラッグ反射鏡の低屈折率膜１２１を厚さλｃ／４ｎ１のＳｉＯ２とし、高屈折率膜１２２を厚さλｃ／４ｎ２のＺｒＯ２とした。付加膜を設けない場合と各付加膜を設けた場合の全ての例において、積層部本体１２３の最も蛍光材料側に厚さλｃ／４ｎ１の低屈折率膜１２１が配置されるようにした。付加膜を設けずに、積層部本体１２３の最も蛍光材料と反対側に厚さλｃ／４ｎ２の高屈折率膜１２２が配置されるようにした例を図６中「従来例２」として示す。また、付加膜として厚さλｃ／２ｎ１のＳｉＯ２からなる膜を設けた例を図６中「実施例９」として示す。また、付加膜として厚さλｃ／８ｎ２のＺｒＯ２からなる膜を設けた例を図６中「実施例１０」として示す。また、付加膜として厚さλｃ／８ｎ１のＳｉＯ２からなる膜を設けた例を図６中「実施例１１」として示す。また、付加膜として厚さλｃ／２ｎ２のＺｒＯ２からなる膜を設けた例を図６中「実施例１２」として示す。図６に示すように、蛍光材料と反対側に隣接する媒質が樹脂の場合は、「実施例９」及び「実施例１０」で反射率の低減が図られる。
図７は、分布ブラッグ反射鏡において、蛍光材料側に、付加膜を設けない場合と各付加膜を設けた場合の、蛍光材料側に隣接する媒質の屈折率と蛍光波長域の平均反射率の関係を示す。図７においても、分布ブラッグ反射鏡の蛍光材料と反対側に隣接する媒質は屈折率が１．５０の樹脂である。図７においても、分布ブラッグ反射鏡の低屈折率膜１２１を厚さλｃ／４ｎ１のＳｉＯ２とし、高屈折率膜１２２を厚さλｃ／４ｎ２のＺｒＯ２とした。また、図７中の全ての例で、積層部本体１２３の最も蛍光材料と反対側に厚さλｃ／８ｎ１のＺｒＯ２が付加膜として配置される。蛍光材料側に付加膜を設けない例を図７中「比較例２」として示す。蛍光材料側に付加膜として厚さλｃ／２ｎ１のＳｉＯ２からなる膜を設けた例を図７中「実施例１３」として示す。また、蛍光材料側に付加膜として厚さλｃ／８ｎ２のＺｒＯ２からなる膜を設けた例を図７中「実施例１４」として示す。また、蛍光材料側に付加膜として厚さλｃ／８ｎ１のＳｉＯ２からなる膜を設けた例を図７中「実施例１５」として示す。また、蛍光材料側に付加膜として厚さλｃ／２ｎ２のＺｒＯ２からなる膜を設けた例を図７中「実施例１６」として示す。
図７に示すように、蛍光材料側に隣接する媒質の屈折率が積層部本体１２３の低屈折率膜１２１よりも低い場合は、低屈折率膜１２１より厚い第１材料からなる付加膜を設けることにより反射率の低減が図られる。また、蛍光材料側に隣接する媒質の屈折率が積層部本体１２３の高屈折率膜１２２よりも低い場合は、高屈折率膜１２２より薄い第２材料からなる付加膜を設けることにより反射率の低減が図られる。また、蛍光材料側に隣接する媒質の屈折率が積層部本体１２３の低屈折率膜１２１よりも高い場合は、低屈折率膜１２１より薄い第１材料からなる付加膜を設けることにより反射率の低減が図られる。また、蛍光材料側に隣接する媒質の屈折率が積層部本体１２３の高屈折率膜１２２よりも高い場合は、高屈折率膜１２２より厚い第２材料からなる付加膜を設けることにより反射率の低減が図られる。
特に、蛍光材料側に隣接する媒質の屈折率が（ｎ１）１／２よりも低い場合は、高屈折率膜１２２より薄い第２材料からなる付加膜よりも低屈折率膜１２１より厚い第１材料からなる付加膜の方が反射率を低減することができる。また、蛍光材料側に隣接する媒質の屈折率が（ｎ１）１／２よりも高く、かつ、｛（ｎ１）１／２×（ｎ２）１／２｝よりも低い場合は、低屈折率膜１２１より厚い第１材料からなる付加膜及び低屈折率膜１２１より薄い第１材料からなる付加膜よりも高屈折率膜１２２より薄い第２材料からなる付加膜の方が反射率を低減することができる。また、蛍光材料側に隣接する媒質の屈折率が｛（ｎ１）１／２×（ｎ２）１／２｝よりも高く、かつ、｛（ｎ１）１／２×ｎ２｝よりも低い場合は、高屈折率膜１２２より薄い第２材料からなる付加膜及び高屈折率膜１２２より厚い第２材料からなる付加膜よりも低屈折率膜１２１より薄い第１材料からなる付加膜の方が反射率を低減することができる。また、蛍光材料側に隣接する媒質の屈折率が｛（ｎ１）１／２×ｎ２｝よりも高い場合は、低屈折率膜１２１より薄い第１材料からなる付加膜よりも高屈折率膜１２２より厚い第２材料からなる付加膜の方が反射率を低減することができる。
図１に示すように、半導体積層部２０は、ＡｌＧａＮで構成されたバッファ層２１と、ＡｌＧａＩｎＮ系の材料で構成された第２の反射部２２と、ｎ―ＡｌＧａＮで構成された第１コンタクト層２３と、ｎ−ＡｌＧａＮで構成された第１クラッド層２４と、ＧａｌｎＮ／ＧａＮで構成された発光層２５と、ｐ―ＡｌＧａＮで構成された電子ブロック層２６と、ｐ−ＡｌＧａＮで構成された第２クラッド層２７と、ｐ―ＧａＮで構成された第２コンタクト層２８と、をＳｉＣ基板１０側からこの順で連続的に有している。半導体積層部２０は、ＳｉＣ基板１０上に、例えば有機金属化合物気相成長法によって積層される。第２の反射部２２は、発光層２５よりもＳｉＣ基板１０側に配置され、発光層２５から発せられる近紫外光を透過するとともに、ＳｉＣ基板１０から発せられる可視光を反射する。尚、第２の反射部２２は、ＳｉＣ基板１０から発せられる可視光を全波長領域わたって反射するものであっても、一部の波長領域のみ反射するものであってもよい。本実施形態においては、第２の反射部２２は、半導体からなり、屈折率の異なる第１材料と第２材料のペアを複数繰り返して構成される。例えば、第２の反射部２２は、ＧａＮ／Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ｎとすることができる。
第２コンタクト層２８の表面にはｐ電極３０が設けられる。ｐ電極３０は、半導体積層構造２０上に形成され、ＳｉＣ基板１０の励起波長の光を反射する。本実施形態においては、ｐ電極３０は、第２コンタクト層２８とオーミック接触するコンタクト電極３１と、コンタクト電極３１上に形成された第３の反射部３２と、第３の反射部３２上に形成されたパッド電極３３と、を有する。第３の反射部３２は、発光層２５から発せられる近紫外光を反射する。パッド電極３３は、第３の反射部３２に形成されたビアホールを通じてコンタクト電極３１と電気的に接続される。コンタクト電極３１は、例えばＩＴＯ（Indium Tin Oxide）からなり、パッド電極３３は、例えばＡｇ−Ｐｄ−Ｃｕ系の合金からなる。第３の反射部３２は、誘電体からなり、屈折率の異なる第１材料と第２材料のペアを複数繰り返して構成される。第３の反射部３２に用いる材料としては、例えばＳｉＯ２，ＺｒＯ２，Ａｌ２Ｏ３，ＭｇＦ２，ＣａＦ２，ＴｉＯ２，ＡｌＮ，ＨｆＯ２等が挙げられる。尚、ｐ電極３０全体を、例えばＡｇ、Ａｌ、Ｒｈ等の金属やＡｇ−Ｐｄ−Ｃｕ系の合金のように、発光層２５から発せられる光に対して比較的高い反射率を有する金属や合金で形成してもよい。
また、第２コンタクト層２８から第１コンタクト層２３の所定位置まで厚さ方向にエッチングすることにより第１コンタクト層２３を露出させ、この露出部分にｎ電極４０が設けられる。ｎ電極４０は、半導体積層構造２０上に形成され、ＳｉＣ基板１０の励起波長の光を反射する。本実施形態においては、ｎ電極４０は、第１コンタクト層２３とオーミック接触するコンタクト電極４１と、コンタクト電極４１上に形成された第３の反射部４２と、第３の反射部４２上に形成されたパッド電極４３と、を有する。第３の反射部４２は、発光層２５から発せられる近紫外光を反射する。パッド電極４３は、第３の反射部４２に形成されたビアホールを通じてコンタクト電極４１と電気的に接続される。コンタクト電極４１は、例えばＩＴＯ（Indium Tin Oxide）からなり、パッド電極４３は、例えばＡｇ−Ｐｄ−Ｃｕ系の合金からなる。第３の反射部４２は、誘電体からなり、屈折率の異なる第１材料と第２材料のペアを複数繰り返して構成される。第３の反射部４２に用いる材料としては、例えばＳｉＯ２，ＺｒＯ２，Ａｌ２Ｏ３，ＭｇＦ２，ＣａＦ２，ＴｉＯ２，ＡｌＮ，ＨｆＯ２等が挙げられる。尚、ｎ電極４０全体を、例えばＡｇ、Ａｌ、Ｒｈ等の金属やＡｇ−Ｐｄ−Ｃｕ系の合金のように、発光層２５から発せられる光に対して比較的高い反射率を有する金属や合金で形成してもよい。
本実施形態においては、ｐ電極３０の第３の反射部３２及びｎ電極４０の第３の反射部４２が連続的または断続的に半導体積層部２０の側方を包囲するよう形成されている。また、ｐ電極３０のパッド電極３３及びｎ電極４０のパッド電極４３が連続的に半導体積層部２０の側方を包囲するよう形成されている。これにより、発光層２５の側方から外部へ向かう光を反射させて素子内部に留めることができる。
発光層２５は、ＳｉＣ基板１０の吸収端波長より短い所定の励起波長で発光する。本実施形態においては、発光層２５は、ＧａｌｎＮ／ＧａＮからなり、発光のピーク波長は３８５ｎｍである。尚、発光層２５におけるピーク波長は任意に変更することができる。また、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、半導体積層部２０の層構成は任意である。
以上のように構成された発光素子１のｐ電極３０とｎ電極４０に順方向の電圧を印加すると、半導体積層部２０に電流が注入され、発光層２５において３８５ｎｍをピーク波長とする励起光が放出される。放出された励起光のうち、ＳｉＣ基板１０側へ向かう光は、第２の反射部２２を透過してＳｉＣ基板１０へ入射する。放出された励起光のうち、ｐ電極３０側及びｎ電極４０側へ向かう光は、第３の反射部３２，４２により反射された後、第２の反射部２２を透過してＳｉＣ基板１０へ入射する。
ＳｉＣ基板１０へ入射した励起光はＳｉＣ基板１０に吸収され、ドナー電子とアクセプタ正孔が再結合することにより蛍光が生じ、黄色から赤色にかけて発光する。ここで、ＳｉＣ基板１０にて吸収されずにＳｉＣ基板１０の裏面に到達した励起光は、凸部１０ａの凹凸構造からなる回折面を透過した後、第１の反射部１２で反射されてＳｉＣ基板１０へ再入射する。励起光は回折面を透過する際に垂直化作用を受けるため、垂直に近い角度ほど反射率が高くなる積層部本体１２３での反射に有利である。これにより、ＳｉＣ基板１０を比較的薄く形成したとしても、発光層２５から発せられた励起光を全てＳｉＣ基板１０に吸収させることができる。発光素子１から放射される光量がほぼ同じ場合、第１の反射部１２を設けることにより、ＳｉＣ基板１０の厚さを半分以下とすることができる。さらに、発光層２５から発せられた励起光がＳｉＣ基板１０から漏れ出てしまうこともない。
また、ＳｉＣ基板１０内で生じた蛍光のうち、裏面側へ向かう光は、凸部１０ａの凹凸構造からなる回折面を透過した後、第１の反射部１２を透過して素子外部へ取り出される。回折面においては臨界角外の入射角であっても光が透過することから、回折面が存在しない場合と比べて透過する光量が増大する。ＳｉＣ基板１０内で生じた蛍光のうち、半導体積層部２０側へ向かう光は、第２の反射部２２にて反射されてＳｉＣ基板１０へ再入射した後、ＳｉＣ基板１０の裏面側から回折面及び第１の反射部１２を透過して素子外部へ取り出される。これにより、ＳｉＣ基板１０で蛍光の一部が半導体積層部２０で吸収されることを防止することができる。
ここで、第１の反射部１２においては、入射側付加膜１２４及び出射側付加膜１２５を設けたことにより蛍光の反射が抑制される。従って、積層部本体１２３における低屈折率膜１２１及び高屈折率膜１２２の層数を増やしたり、各低屈折率膜１２１及び各高屈折率膜１２２の厚さを変化させたりすることなく、励起光領域の反射率を維持しつつ、蛍光領域の反射率を低減することができる。
ここで、ＳｉＣ基板１０における蛍光作用について、図８を参照して説明する。図８は、ＳｉＣ基板へ入射した光が蛍光に変換される様子を模式的に示した説明図である。
ＳｉＣ基板１０は主にＳｉＣ結晶で構成されているため、６Ｈ型ＳｉＣ結晶のバンドギャップエネルギーＥｇが形成されている。
ＳｉＣ基板１０に光を入射させると、荷電子帯Ｅ２から伝導帯Ｅ１に自由電子ａが励起され、Ｅ２には自由正孔ｂが生成される。そして、数ｎｓから数μｓの短時間のうちに、自由電子ａはドナー準位ＮＳＤ，ＮＤＤへ緩和してドナー電子ａＳ’，ａＤ’となり、自由正孔ｂはアクセプタ準位ＮＡへと緩和してアクセプタ正孔ｂ’となる。
ここで、キュービックサイトのドナーは深いドナー準位ＮＤＤを形成し、ヘキサゴナルサイトのドナーは浅いドナー準位ＮＳＤを形成することが判明している。
ＳｉＣ基板１０は主にＳｉＣ結晶で構成されているため、６Ｈ型ＳｉＣ結晶のバンドギャップエネルギーＥｇが形成されている。
ＳｉＣ基板１０に光を入射させると、荷電子帯Ｅ２から伝導帯Ｅ１に自由電子ａが励起され、Ｅ２には自由正孔ｂが生成される。そして、数ｎｓから数μｓの短時間のうちに、自由電子ａはドナー準位ＮＳＤ，ＮＤＤへ緩和してドナー電子ａＳ’，ａＤ’となり、自由正孔ｂはアクセプタ準位ＮＡへと緩和してアクセプタ正孔ｂ’となる。
ここで、キュービックサイトのドナーは深いドナー準位ＮＤＤを形成し、ヘキサゴナルサイトのドナーは浅いドナー準位ＮＳＤを形成することが判明している。
深いドナー準位ＮＤＤへ緩和したドナー電子ａＤ’は、ドナー・アクセプタ・ペア（ＤＡＰ）発光に用いられ、アクセプタ正孔ｂ’と再結合する。そして、その遷移エネルギー（Ｅｇ−ＥＤＤ−ＥＡ）に相当するエネルギーを有する光子ｃがＳｉＣ基板１０の外部へ放出される。ＳｉＣ基板１０の外部へ放出された光子ｃの波長は、遷移エネルギー（Ｅｇ−ＥＤＤ−ＥＡ）に依存する。
一方、浅いドナー準位ＮＳＤへ緩和したドナー電子ａＳ’は、浅いドナーの活性化エネルギーＥＳＤがエネルギー的に十分に小さいので、熱エネルギーにより再励起されて、結局のところ伝導帯Ｅ１に留まる。この結果、ドナー電子ａＳ’はΓバンドとのバンド内吸収に用いられることとなり、アクセプタ正孔ｂ’と再結合しない。すなわち、発光には寄与しない。
一方、浅いドナー準位ＮＳＤへ緩和したドナー電子ａＳ’は、浅いドナーの活性化エネルギーＥＳＤがエネルギー的に十分に小さいので、熱エネルギーにより再励起されて、結局のところ伝導帯Ｅ１に留まる。この結果、ドナー電子ａＳ’はΓバンドとのバンド内吸収に用いられることとなり、アクセプタ正孔ｂ’と再結合しない。すなわち、発光には寄与しない。
ドナー・アクセプタ・ペア発光を的確に行うためには、ＳｉＣ結晶中の室温でのキャリア濃度が、ドナー濃度とアクセプタ濃度の差よりも小さいことが好ましい。
さらに、窒素のイオン化エネルギーはホウ素よりも小さいため、室温において、ある程度の窒素がイオン化する。すると、励起されたドナー電子ａＤ’が再度伝導帯Ｅ１に遷移することとなり、アクセプタ正孔ｂ’と対になるドナー電子ａＤ’が不足することとなる。対となるドナー電子ａＤ’がないアクセプタ正孔ｂ’は、蛍光発光に寄与することができず、そのアクセプタ正孔ｂ’を励起するためのエネルギーが無駄に消費されたこととなる。すなわち、ドナー電子ａＤ’とアクセプタ正孔ｂ’が過不足なく再結合できるように予めイオン化する窒素量を見越してホウ素濃度よりも窒素濃度を多めに設定しておくことにより、高い蛍光量子効率を実現することができる。
さらに、窒素のイオン化エネルギーはホウ素よりも小さいため、室温において、ある程度の窒素がイオン化する。すると、励起されたドナー電子ａＤ’が再度伝導帯Ｅ１に遷移することとなり、アクセプタ正孔ｂ’と対になるドナー電子ａＤ’が不足することとなる。対となるドナー電子ａＤ’がないアクセプタ正孔ｂ’は、蛍光発光に寄与することができず、そのアクセプタ正孔ｂ’を励起するためのエネルギーが無駄に消費されたこととなる。すなわち、ドナー電子ａＤ’とアクセプタ正孔ｂ’が過不足なく再結合できるように予めイオン化する窒素量を見越してホウ素濃度よりも窒素濃度を多めに設定しておくことにより、高い蛍光量子効率を実現することができる。
図９は、気相成長装置の概略説明図である。
図９に示すように、この気相成長装置１００は、種結晶基板１０１及び原料１０２が配置される第１坩堝１１０と、第１坩堝１１０が収容される第２坩堝１２０と、第２坩堝１２０を覆う断熱容器１３０と、第１坩堝１１０、第２坩堝１２０及び断熱容器１３０を収容する収容管１４０と、収容管１４０内へ気体を導入する導入管１５０と、導入管１５０から導入される気体の流量を計る流量計１６０と、収容管１４０内の圧力を調整可能なポンプ１７０と、収容管１４０の外側に配置され種結晶基板１０１を加熱するためのＲＦコイル１８０と、を有している。この気相成長装置１００では、気体は、収容管１４０へ下側から導入され、収容管１４０の上側から排出される。
図９に示すように、この気相成長装置１００は、種結晶基板１０１及び原料１０２が配置される第１坩堝１１０と、第１坩堝１１０が収容される第２坩堝１２０と、第２坩堝１２０を覆う断熱容器１３０と、第１坩堝１１０、第２坩堝１２０及び断熱容器１３０を収容する収容管１４０と、収容管１４０内へ気体を導入する導入管１５０と、導入管１５０から導入される気体の流量を計る流量計１６０と、収容管１４０内の圧力を調整可能なポンプ１７０と、収容管１４０の外側に配置され種結晶基板１０１を加熱するためのＲＦコイル１８０と、を有している。この気相成長装置１００では、気体は、収容管１４０へ下側から導入され、収容管１４０の上側から排出される。
第１坩堝１１０は、例えばタンタルからなり、上端を閉塞した略円筒状の坩堝本体１１１と、坩堝本体１１１の内部に配置され種結晶基板１０１及び原料１０２を支持するサセプタ１１２と、を有する。本実施形態においては、坩堝本体１１１の下部開口１１３に導入管１５０が挿通され、坩堝本体１１１内に所定の気体が導入される。導入管１５０は、例えば、ＰＢＮ（Pyrolytic Boron Nitride）、Ｂ４Ｃ、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＡｌＮ等の材料を用いることができる。導入管１５０から坩堝本体１１１内に導入された気体は、サセプタ１１２に形成された上下方向の流通孔１１４を通じて種結晶基板１０１側へ流入した後、坩堝本体１１１の上側に形成された排出孔１１５を通じて外部へ排出される。本実施形態においては、排出孔１１５は坩堝本体１１１の上側側面に横向きに形成されている。
本実施形態においては、原料１０２は板状に形成された多結晶ＳｉＣからなり、サセプタ１１２の上面に載置される。種結晶基板１０１は、単結晶ＳｉＣからなり、リング状のスペーサ１０３を介して原料１０２の上方に配置される。スペーサ１０３は、例えばタンタルからなる。
第２坩堝１２０は、例えば黒鉛からなり、上端を閉塞した略円筒状に形成される。第２坩堝１２０は、下端に内側へ延びるフランジ１２１を有し、フランジ１２１にて第１坩堝１１０を支持する。また、フランジ１２１の内端により形成される端部開口１２２に導入管１５０が挿通される。第１坩堝１１０の排出孔１１５から排出された気体は、第２坩堝１２０の上側に形成された排出孔１２３を通じて外部へ排出される。本実施形態においては、排出孔１２３は第２坩堝１２０の上端部に縦向きに形成されている。
断熱容器１３０は、例えば炭素繊維からなり、上端を閉塞した略円筒状に形成され、下部開口１３１に導入管１５０が挿通される。第２坩堝１２０の排出孔１２３から排出された気体は、断熱容器１３０の上側に形成された排出孔１３２を通じて外部へ排出される。第２坩堝１２０及び断熱容器１３０は、収容管１４０の下部に載置される。本実施形態においては、収容管１４０の下部は、他の部分に対して回転自在に構成されている。尚、第１坩堝１１０及びスペーサ１０３等のタンタル材料は、使用前に、例えば第２坩堝１２０内で加熱処理等をすることにより、表面にＴａＣ層を形成しておくことが望ましい。その理由は、タンタルはＣ（炭素）と反応しやすいため、ＳｉＣ結晶成長中に、気相中のＳｉ／Ｃ比に大きな影響を与えるためである。
図１０は、気相成長装置の制御ブロック図である。
図１０に示すように、気相成長装置１００は、収容管１４０内における各種気体の分圧を検出する分圧検出部２１０と、収容管１４０内における各種気体の分圧を調整する分圧調整部２２０と、各種気体の目標分圧２３２が記憶された記憶部２３０と、分圧検出部２１０にて検出された検出分圧２１２及び記憶部２３０に記憶された目標分圧２３２に基づいて分圧調整部２２０により収容管１４０内における各種気体の分圧を調整する分圧制御部２４０と、を備えている。例えば、各種気体の分圧の検出は、収容管１４０へ流入する気体の流量と、収容管１４０から流出した気体の流量を監視することで行われる。例えば、各種気体の分圧の調整は、収容管１４０へ流入する気体の流量と、収容管１４０から流出する気体の流量を制御することで行われる。ここで、目標分圧２３２は、不純物原料気体に関しては、成長後の蛍光ＳｉＣ材料におけるドナー不純物及びアクセプタ不純物の濃度の差が所定の目標値となる不純物原料気体の分圧であり、結晶原料気体に関しては、収容管１４０内の気体におけるＣとＳｉの比が所定の目標値となる結晶原料気体の分圧である。
図１０に示すように、気相成長装置１００は、収容管１４０内における各種気体の分圧を検出する分圧検出部２１０と、収容管１４０内における各種気体の分圧を調整する分圧調整部２２０と、各種気体の目標分圧２３２が記憶された記憶部２３０と、分圧検出部２１０にて検出された検出分圧２１２及び記憶部２３０に記憶された目標分圧２３２に基づいて分圧調整部２２０により収容管１４０内における各種気体の分圧を調整する分圧制御部２４０と、を備えている。例えば、各種気体の分圧の検出は、収容管１４０へ流入する気体の流量と、収容管１４０から流出した気体の流量を監視することで行われる。例えば、各種気体の分圧の調整は、収容管１４０へ流入する気体の流量と、収容管１４０から流出する気体の流量を制御することで行われる。ここで、目標分圧２３２は、不純物原料気体に関しては、成長後の蛍光ＳｉＣ材料におけるドナー不純物及びアクセプタ不純物の濃度の差が所定の目標値となる不純物原料気体の分圧であり、結晶原料気体に関しては、収容管１４０内の気体におけるＣとＳｉの比が所定の目標値となる結晶原料気体の分圧である。
具体的に、不純物原料気体の目標分圧２３２は、成長されるＳｉＣ中のドナー不純物が過剰となってドナー・アクセプタ・ペア発光の効率が低下する上限基準値と、アクセプタ不純物が過剰となってドナー・アクセプタ・ペア発光の効率が低下する下限基準値との間に設定される。ドナー不純物とアクセプタ不純物の濃度の差が上限基準値を上回ると、蛍光ＳｉＣ材料におけるドナー・アクセプタ・ペア発光の発光再結合速度が低下する。一方、ドナー不純物とアクセプタ不純物の濃度の差が下限基準値を下回ると、蛍光ＳｉＣ材料におけるフリーキャリア吸収が大きくなり、十分にドナー・アクセプタ・ペアによる発光を行うことができない。
また、成長中に種成長基板１０１近傍のＣとＳｉの比が変化すると、成長されるＳｉＣ中への不純物の取り込み量が変化してしまう。これを防止するため、結晶原料気体の目標分圧２３２が、不純物の取り込み量が所期の範囲となるよう設定される。尚、ＣとＳｉの比は、結晶原料気体の供給量を変化させるだけでなく、成長時の温度を変化させることによっても制御することができる。本実施形態においては、結晶原料気体の供給量と、成長時の温度の両方を変化させてＣとＳｉの比を制御している。
また、成長中に種成長基板１０１近傍のＣとＳｉの比が変化すると、成長されるＳｉＣ中への不純物の取り込み量が変化してしまう。これを防止するため、結晶原料気体の目標分圧２３２が、不純物の取り込み量が所期の範囲となるよう設定される。尚、ＣとＳｉの比は、結晶原料気体の供給量を変化させるだけでなく、成長時の温度を変化させることによっても制御することができる。本実施形態においては、結晶原料気体の供給量と、成長時の温度の両方を変化させてＣとＳｉの比を制御している。
ＳｉＣ蛍光材料を製造するにあたっては、第１坩堝１１０のサセプタ１１２に種結晶基板１０１及び原料１０２を配置し、第１坩堝１１０、第２坩堝１２０及び断熱容器１３０を収容管１４０の内部に設置する。そして、第１坩堝１１０、第２坩堝１２０及び断熱容器１３０を回転させながら、雰囲気ガスとして、Ａｒガスを流量計１６０を介して導入管１５０により収容管１４０の内部へ流す。続いて、ＲＦコイル１８０を用いて種結晶基板１０１及び原料１０２を加熱するとともに、ポンプ１７０を用いて収容管１４０内の圧力を制御する。
本実施形態においては、ＳｉＣ蛍光材料の作製にあたって、まず、種結晶基板１０１の表面のエッチングを行う。具体的には、ＲＦコイル１８０を通常の位置から変化させ、原料１０２側よりも種結晶基板１０１側の温度を高くし、種結晶基板１０１における原料１０２側の表面を昇華させる。エッチング時の温度は１６００℃から１９００℃の間が好ましく、エッチング時の収容管１４０内の圧力は０．０００００１ｍｂａｒから１００ｍｂａｒの間が好ましい。この後、ＲＦコイル１８０を通常の位置へ戻す。
次いで、図１１から図１３に示すように、種結晶基板１０１の表面にバッファ層４１０、蛍光ＳｉＣ層４２０、歪み補償層４３０及び保護層４４０等を成長させていく。このときの成長温度は１６００℃から１９００℃の間が好ましく、成長時の収容管１４０内の圧力は０．０００００１ｍｂａｒから１００ｍｂａｒの間が好ましく、第１坩堝１１０の回転数は３ｒｐｍから３０ｒｐｍの間が好ましい。本実施形態においては、第１坩堝１１０が回転することから、種結晶基板１０１上にむらなくＳｉＣ結晶を成長させることができる。
図１１は、ＳｉＣ材料の成長過程を示し、（ａ）が種結晶基板上にバッファ層を形成した状態を示し、（ｂ）がバッファ層上に第１の蛍光ＳｉＣ層を形成した状態を示し、（ｃ）が第１の蛍光ＳｉＣ層上に歪み補償層を形成した状態を示す。図１２は、ＳｉＣ材料の成長過程を示し、（ａ）が歪み補償層上に第２の蛍光ＳｉＣ層を形成した状態を示し、（ｂ）が歪みが補償された状態で複数の蛍光ＳｉＣ層を形成した状態を示す。図１３は、ＳｉＣ材料の成長過程を示し、最も外側に保護層を形成した状態を示す。
本実施形態においては、図１１（ａ）に示すように、まず、種結晶基板１０１上にバッファ層４１０を成長させる。バッファ層４１０は、アンドープＳｉＣと、Ｂ及びＮがドープされた蛍光ＳｉＣの中間の格子定数の材料からなり、本実施形態においてはＮがドープされたＳｉＣからなる。バッファ層４１０の成長時には、Ａｒガスに加え、Ｎの不純物原料気体が収容管１４０内に導入される。このときのＮの不純物原料気体の分圧は、０．０１ｍｂａｒと１０ｍｂａｒの間とすることが好ましい。
次いで、図１１（ｂ）に示すように、バッファ層４１０上に蛍光ＳｉＣ層４２０を成長させる。本実施形態においては、蛍光ＳｉＣ層４２０はＢ及びＮがドープされた蛍光ＳｉＣ材料であり、前述のようにドナー不純物とアクセプタ不純物の濃度の差が下限基準値と上限基準値の間となるように作製される。また、Ｈ２ガスが結晶成長時の雰囲気ガス中に添加されており、これによりドナー不純物のヘキサゴナルサイトの炭素原子との置換を抑制し、キュービックサイトの炭素原子との置換を促進する。蛍光ＳｉＣ層４２０の成長時には、Ａｒガス及びＮの不純物原料気体に加え、Ｂの不純物原料気体、Ｓｉの結晶原料気体、Ｃの結晶原料気体及びＨ２ガスが収容管１４０内に導入される。このときの各気体の分圧は、Ｎの不純物原料気体を０．０１ｍｂａｒと１０ｍｂａｒの間、Ｂの不純物原料気体を０．００１ｍｂａｒと１ｍｂａｒの間、Ｓｉの結晶原料気体を０．０１ｍｂａｒと１０ｍｂａｒの間、Ｃの結晶原料気体を０．０１ｍｂａｒと１０ｍｂａｒの間とすることが好ましい。
ここで、ドナー不純物のキュービックサイトの炭素原子との置換が促進されるメカニズムについては次のように考えられる。まず、結晶成長表面の原子ステップ端で水素原子が炭素原子と反応しＣ−Ｈ結合を形成する。次いで、炭素原子と周りのシリコン原子との結合力が弱まり炭素原子の脱離による炭素空孔が発生する。そして、炭素空孔に窒素が取り込まれる確率が上昇する。ここで、ヘキサゴナルサイトの炭素原子とキュービックサイトの炭素原子では、周りのＳｉ原子の結合力に差があり、キュービックサイトの炭素原子の方が結合力が弱いため、水素原子によって炭素空孔が発生しやすく、このためキュービックサイトの炭素原子と窒素原子の置換が選択的に促進されると考えられる。
このように、水素含有雰囲気でＳｉＣ蛍光材料を昇華法で成長させるような、ヘキサゴナルサイトよりもキュービックサイトの炭素原子と窒素原子の置換を促進させるドナー操作工程を経て作製されるＳｉＣ結晶は、ヘキサゴナルサイトの炭素原子と置換されるドナー不純物に対する、キュービックサイトの炭素原子と置換されるドナー不純物の割合が、結晶構造におけるヘキサゴナルサイトに対するキュービックサイトの割合よりも大きくなっている。
このようにして製造されたＳｉＣ結晶は、ドナー操作工程を経ないで作製された従来のものに比べて、発光に寄与するドナー不純物の割合が高いため、ドナー・アクセプタ・ペア（ＤＡＰ）発光時の発光効率を向上させることができる。このとき、ＳｉＣ結晶における可視光領域の吸収率が、不純物無添加の場合と同程度であると、浅い準位のドナーが少ないので好ましい。
次いで、図１１（ｃ）に示すように、蛍光ＳｉＣ層４２０上に歪み補償層４３０を成長させる。歪み補償層４３０は、アンドープのＳｉＣ結晶に対するＢ及びＮをドープしたＳｉＣ結晶の歪みの方向と反対方向に歪んだＳｉＣ材料からなり、本実施形態においてはＡｌ及びＮをドープしたＳｉＣからなる。歪み補償層４３０の成長時には、Ｂの不純物原料気体、Ｓｉの結晶原料気体、Ｃの結晶原料気体及びＨ２ガスの導入を停止し、Ａｒガス、Ｎの不純物原料気体に加え、Ａｌの不純物原料気体が収容管１４０内に導入される。Ａｌの不純物原料気体としては、ＴＭＡｌ（トリメチルアルミニウム）、ＴＥＡｌ（トリエチルアルミニウム）等を用いることができる。このときの各気体の分圧は、Ｎの不純物原料気体を０．０１ｍｂａｒと１０ｍｂａｒの間、Ａｌの不純物原料気体を０．００１ｍｂａｒと１ｍｂａｒの間とすることが好ましい。
そして、図１２（ａ）に示すように、第１の蛍光ＳｉＣ層４２０と同様の条件で、歪み補償層４３０上に第２の蛍光ＳｉＣ層４２０を成長させる。すなわち、第２の蛍光ＳｉＣ層４２０の成長時には、Ａｌの不純物原料気体の導入を停止し、Ａｒガス、Ｎの不純物原料気体に加え、Ｂの不純物原料気体、Ｓｉの結晶原料気体、Ｃの結晶原料気体及びＨ２ガスが導入される。このように、蛍光ＳｉＣ層４２０と歪み補償層４３０を交互に積層していき、図１２（ｂ）に示すように、種結晶基板１０１上に歪みが補償された複数の蛍光ＳｉＣ層４２０が形成される。
そして、図１３に示すように、最も外側の蛍光ＳｉＣ層４２０上に保護層４４０を形成し、ＳｉＣ材料積層体４９０が作製される。本実施形態においては、保護層４４０はアンドープのＳｉＣからなる。保護層４４０の成長時には、Ｎの不純物原料気体、Ｂの不純物原料気体、Ｓｉの結晶原料気体、Ｃの結晶原料気体及びＨ２ガスの導入を停止すればよい。
この後、種結晶基板１０１から蛍光ＳｉＣ層４２０を剥離させる。蛍光ＳｉＣ層４２０の剥離は、ワイヤーソーを用いて機械的に行ってもよいし、レーザ等を吸収させて内部に脆弱部を形成して外部から力を加えてもよい。
このような製造方法によれば、蛍光ＳｉＣ層４２０をドナー不純物とアクセプタ不純物の濃度の差が下限基準値と上限基準値の間に制御することができ、所期の発光性能の発光素子１を安定的に得ることができ、歩留まりが飛躍的に向上する。
また、第１坩堝１１０及びスペーサ１０３をタンタルで構成したので、第１坩堝１１０を黒鉛で構成したもののように黒鉛と原料分子が反応して、再現性や安定性が損なわれることはない。また、第１坩堝１１０の外側の第２坩堝１２０を黒鉛で構成したので、第１坩堝１１０の加熱を的確に行うことができる。尚、坩堝及びスペーサは、例えば、ＴａＣでコーティングした黒鉛、ＴａＣでコーティングした高融点金属等とすることもできる。例えば、第１坩堝１１０及び第２坩堝１２０の２重の坩堝に代えて、黒鉛の表面をＴａＣ等でコーティングした１つの坩堝とすることもできる。
剥離された蛍光ＳｉＣ層４２０は、外周研削、スライス、表面研削、表面研磨等の工程を経てウェハ状のＳｉＣ基板１０となる。そして、ＳｉＣ基板１０の主面にIII族窒化物半導体をエピタキシャル成長させ、裏面に凹凸加工を施した後、各電極３０，４０を形成する。
ここからＳｉＣ基板１０をウェハ状のまま加工する場合は、下地層１１によりＳｉＣ基板１０の裏面の平坦化を図った後、第１の反射部１２を形成し、ダイシングにより複数の発光素子１に分割することにより、発光素子１が製造される。このとき、第１の反射部１２を形成することにより、ＳｉＣ基板１０を薄くすることができ、ダイシングも比較的簡単容易に行うことができる。
一方、ＳｉＣ基板１０をチップ状として加工する場合は、電極形成後にダイシングにより複数のチップに分割した状態で、下地層１１によりＳｉＣ基板１０の裏面の平坦化を図った後、第１の反射部１２を形成することにより、発光素子１が製造される。さらには、第１の反射部１２を封止レンズに予め形成しておき、電極形成後にダイシングにより複数のチップに分割した後に、ＳｉＣ基板１０の裏面と封止レンズの第１の反射部１２とを樹脂等の接着剤で接着してもよい。この場合、接着剤が下地層１１をなす。さらにまた、第１の反射部１２が形成された封止レンズと、発光素子１が離隔した状態であってもよい。
ここからＳｉＣ基板１０をウェハ状のまま加工する場合は、下地層１１によりＳｉＣ基板１０の裏面の平坦化を図った後、第１の反射部１２を形成し、ダイシングにより複数の発光素子１に分割することにより、発光素子１が製造される。このとき、第１の反射部１２を形成することにより、ＳｉＣ基板１０を薄くすることができ、ダイシングも比較的簡単容易に行うことができる。
一方、ＳｉＣ基板１０をチップ状として加工する場合は、電極形成後にダイシングにより複数のチップに分割した状態で、下地層１１によりＳｉＣ基板１０の裏面の平坦化を図った後、第１の反射部１２を形成することにより、発光素子１が製造される。さらには、第１の反射部１２を封止レンズに予め形成しておき、電極形成後にダイシングにより複数のチップに分割した後に、ＳｉＣ基板１０の裏面と封止レンズの第１の反射部１２とを樹脂等の接着剤で接着してもよい。この場合、接着剤が下地層１１をなす。さらにまた、第１の反射部１２が形成された封止レンズと、発光素子１が離隔した状態であってもよい。
尚、前記実施形態においては、ＳｉＣ基板１０の裏面に凹凸構造が形成されたものを示したが、ＳｉＣ基板１０の裏面を平坦に形成し、ＳｉＣ基板１０の裏面に分布ブラッグ反射鏡１２を直接的に形成してもよい。この場合、分布ブラッグ反射鏡１２におけるＳｉＣ基板１０側に隣接する媒質は屈折率が２．８５のＳｉＣとなる。前記実施形態と同様の積層部本体１２３の場合、ＳｉＣの屈折率は第１材料及び第２材料よりも高くなることから、入射側付加膜１２４として低屈折率膜１２１より薄い第１材料からなる膜又は高屈折率膜１２２より厚い第２材料からなる膜を採用することができる。
また、前記実施形態においては、ドナー及びアクセプタとしてＮ及びＢを用いたものを示したが、例えばＰ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｇａ、Ｉｎ、Ａｌ等の他のＶ族元素やＩＩＩ族元素を用いることもできるし、さらにはＴｉ、Ｃｒ等の遷移金属やＢｅ等のＩＩ族元素も用いることもでき、ＳｉＣ結晶中でドナー不純物及びアクセプタ不純物として使用可能な元素であればドナー及びアクセプタは適宜変更することができる。例えば、Ｎ及びＡｌを用いることで、Ｎ及びＢの組み合わせよりも短波長側で発光させることができる。さらに、前記実施形態においては、蛍光基板としてＳｉＣを用いたものを示したが、例えばＳｉ等の材料を用いることも可能である。蛍光基板としてＳｉを用いる場合は、ドナー不純物としてＢ，Ａｌ等を用いることができ、アクセプタ不純物としてＰ，Ａｓ等を用いることができ、基板上に形成する半導体をＧａＡｓ系，ＧａＮ系とすることができる。要は、ドナー・アクセプタ・ペアにより発光する材料であれば、蛍光基板として利用することができる。
また、前記実施形態においては、第２の反射部２２を設けたものを示したが、これは適宜省略することができる。例えば第２の反射部を省略した場合、ｐ電極とｎ電極の少なくとも一方を励起波長及び蛍光波長の光を反射する構成とすることができる。
ここで、第１の反射部の実施例について説明する。
図１４Ａは、第１の反射部の反射スペクトルの一例であり、実線は実施例Ａを、破線は比較例Ａを、一点鎖線は比較例Ｂをそれぞれ示す。実施例Ａ、比較例Ａ及び比較例Ｂは、第１の反射部の反射特性の評価のため、いずれも、ＳｉＣ基板１０の裏面を、凸部１０ａ等を形成せずに平坦とした。実施例Ａ、比較例Ａ及び比較例Ｂにおいては、分布ブラッグ反射鏡１２の蛍光材料側に隣接する媒質は屈折率が１．４の樹脂であり、蛍光材料と反対側に隣接する媒質は屈折率が１．５のレンズである。
実施例Ａは、設計波長λｃを３５０ｎｍとし、厚さ５９．１ｎｍのＳｉＯ２の低屈折率膜１２１及び厚さ３７．４ｎｍのＺｒＯ２の高屈折率膜１２２を交互に積層して積層部本体１２３を構成した。実施例Ａでは、積層部本体１２３と樹脂の間に、高屈折率膜１２２より薄い第２材料からなる膜の入射側付加膜１２４として厚さ１８．７ｎｍのＺｒＯ２膜を形成するとともに、積層部本体１２３とレンズの間に、高屈折率膜１２２より薄い第２材料からなる膜の出射側付加膜１２５として厚さ１８．７ｎｍのＺｒＯ２膜を形成した。実施例Ａでは、入射側付加膜１２４及び出射側付加膜１２５がともにＺｒＯ２膜であるので、積層部本体１２３における入射側付加膜１２４及び出射側付加膜１２５に隣接する膜をＳｉＯ２の低屈折率膜１２１とし、５つの低屈折率膜１２１と４つの高屈折率膜１２２を交互に積層させた。
比較例Ａ及びＢは、それぞれ、厚さ５９．１ｎｍのＳｉＯ２の低屈折率膜及び厚さ３７．４ｎｍのＺｒＯ２の高屈折率膜のペア数を５として分布ブラッグ反射鏡を形成した。比較例Ａでは、ＳｉＯ２の低屈折率膜を樹脂側に、ＺｒＯ２の高屈折率膜をレンズ側に配置した。また、比較例Ｂでは、ＺｒＯ２の高屈折率膜を樹脂側に、ＳｉＯ２の低屈折率膜をレンズ側に配置した。
図１４Ａは、第１の反射部の反射スペクトルの一例であり、実線は実施例Ａを、破線は比較例Ａを、一点鎖線は比較例Ｂをそれぞれ示す。実施例Ａ、比較例Ａ及び比較例Ｂは、第１の反射部の反射特性の評価のため、いずれも、ＳｉＣ基板１０の裏面を、凸部１０ａ等を形成せずに平坦とした。実施例Ａ、比較例Ａ及び比較例Ｂにおいては、分布ブラッグ反射鏡１２の蛍光材料側に隣接する媒質は屈折率が１．４の樹脂であり、蛍光材料と反対側に隣接する媒質は屈折率が１．５のレンズである。
実施例Ａは、設計波長λｃを３５０ｎｍとし、厚さ５９．１ｎｍのＳｉＯ２の低屈折率膜１２１及び厚さ３７．４ｎｍのＺｒＯ２の高屈折率膜１２２を交互に積層して積層部本体１２３を構成した。実施例Ａでは、積層部本体１２３と樹脂の間に、高屈折率膜１２２より薄い第２材料からなる膜の入射側付加膜１２４として厚さ１８．７ｎｍのＺｒＯ２膜を形成するとともに、積層部本体１２３とレンズの間に、高屈折率膜１２２より薄い第２材料からなる膜の出射側付加膜１２５として厚さ１８．７ｎｍのＺｒＯ２膜を形成した。実施例Ａでは、入射側付加膜１２４及び出射側付加膜１２５がともにＺｒＯ２膜であるので、積層部本体１２３における入射側付加膜１２４及び出射側付加膜１２５に隣接する膜をＳｉＯ２の低屈折率膜１２１とし、５つの低屈折率膜１２１と４つの高屈折率膜１２２を交互に積層させた。
比較例Ａ及びＢは、それぞれ、厚さ５９．１ｎｍのＳｉＯ２の低屈折率膜及び厚さ３７．４ｎｍのＺｒＯ２の高屈折率膜のペア数を５として分布ブラッグ反射鏡を形成した。比較例Ａでは、ＳｉＯ２の低屈折率膜を樹脂側に、ＺｒＯ２の高屈折率膜をレンズ側に配置した。また、比較例Ｂでは、ＺｒＯ２の高屈折率膜を樹脂側に、ＳｉＯ２の低屈折率膜をレンズ側に配置した。
図１４Ａに示すように、実施例Ａ、比較例Ａ及び比較例Ｂでは、分布ブラッグ反射鏡を形成したことにより、設計波長λｃ付近で高い反射率を得ることができる。尚、分布ブラッグ反射鏡を形成しない場合は、反射率がほとんど得られないことが確認されている。そして、実施例Ａでは、比較例Ａ及び比較例Ｂと比べて、可視領域の反射率を格段に低減することができる。これにより、例えば１０ペア以下のように、積層部本体１２３を限られたペア数で構成しても、ＳｉＣ基板１０から発せられる蛍光を効率良く透過させることができる。これに対し、比較例Ａ及び比較例Ｂでは、可視領域において反射率が比較的大きくなる波長域が存在し、ＳｉＣ基板１０から発せられる蛍光を的確に取り出すことができない。
図１４Ｂは、第１の反射部の反射スペクトルの一例であり、実線は実施例Ａを、破線は実施例Ｂを、一点鎖線は実施例Ｃをそれぞれ示す。実施例Ｂは実施例Ａの出射側付加膜１２５を省略したものであり、実施例Ｃは実施例Ａの入射側付加膜１２４を省略したものである。図１４Ｂに示すように、実施例Ｂ及び実施例Ｃにおいても、可視領域の反射率を低減することができる。すなわち、入射側付加膜１２４と出射側付加膜１２５は、少なくとも一方が設けられていれば、可視領域における反射抑制効果を得ることができる。尚、図１４Ａ及び図１４Ｂにおいては、隣接する媒質が樹脂及びレンズである場合の反射率を示しているが、隣接する媒質が空気等であっても反射率は同様の傾向となる。
図１５は、本発明の第２の実施形態を示す光学装置の概略縦断面図である。
図１５に示すように、この光学装置２０１は、一端に開口２０２ａが形成された円筒状の筐体２０２と、この開口２０２ａを閉塞する蛍光板２０３と、筐体２０２の他端に形成される端子部２０４と、を有している。本実施形態においては、筐体２０２の一端側を上方向、他端側を下方向として説明する。筐体２０２には、端子部２０４から電力が供給される複数種類のＬＥＤ素子が収容されており、ＬＥＤ素子から発せられる紫外光により蛍光板２０３が励起されて発光するようになっている。
図１５に示すように、この光学装置２０１は、一端に開口２０２ａが形成された円筒状の筐体２０２と、この開口２０２ａを閉塞する蛍光板２０３と、筐体２０２の他端に形成される端子部２０４と、を有している。本実施形態においては、筐体２０２の一端側を上方向、他端側を下方向として説明する。筐体２０２には、端子部２０４から電力が供給される複数種類のＬＥＤ素子が収容されており、ＬＥＤ素子から発せられる紫外光により蛍光板２０３が励起されて発光するようになっている。
蛍光板２０３は、第１の実施形態のＳｉＣ基板１０と同じ材料からなり、板状に形成されている。蛍光板２０３の上面には、第１の実施形態の凸部１０ａと同様の凸部２０３ａが形成されている。また、蛍光板２０３の凹凸構造上に、上面が平坦な下地層２３１が形成される。下地層２３１の上面には、近紫外光を反射するとともに、蛍光板２０３から発せられる黄色から赤色にかけての光を透過する反射部２３２が形成される。尚、ＬＥＤ素子から発せられた青色光、緑色光及び赤色光は、波長変換されることなく蛍光板２０３及び反射部２３２を透過する。
筐体２０２は、無機材料からなり、下端が閉塞され、この閉塞部分が底部２０２ｂをなしている。筐体２０２は、セラミックからなり、本実施形態においてＡｌＮである。底部２０２ｂには、紫外ＬＥＤ素子２１１、青色ＬＥＤ素子２１２、緑色ＬＥＤ素子２１３及び赤色ＬＥＤ素子２１４を搭載する搭載基板２１０が固定される。搭載基板２１０の固定方法は任意であるが、本実施形態においては、搭載基板２１０は底部２０２ｂと螺合するねじ２０５により固定されている。筐体２０２の開口２０２ａの部分は、段状に形成されており、蛍光板２０３が段状部に固定されている。また、筐体２０２は、底部２０２ｂから下方へ突出するフランジ２０２ｃを有している。本実施形態においては、フランジ２０２ｃは、周方向に亘って形成されている。
端子部２０４は、無機材料からなり、電力を供給する所定のソケットに対して螺合可能に構成される。端子部２０４は、筐体２０２のフランジ２０２ｃの内周面に固定される円筒部２０４ａと、円筒部２０４ａの下端と連続的に形成され下方へ向かって窄む傾斜部２０４ｂと、傾斜部２０４ｂの下端に設けられ外面に雄ねじが形成される第１電極部２０４ｃと、第１電極部２０４ｃの下端と連続的に形成され径方向内側へ延びる絶縁部２０４ｄと、絶縁部２０４ｄの径方向内側を閉塞する第２電極２０４ｅと、を有している。円筒部２０４ａ、傾斜部２０４ｂ及び絶縁部２０４ｄは絶縁性を有するセラミックからなり、第１電極２０４ｃ及び第２電極２０４ｅは導電性を有する金属からなる。円筒部２０４ａ、傾斜部２０４ｂ及び絶縁部２０４ｄは、筐体２０２と同じ材料とすることが好ましい。第１電極２０４ｃ及び第２電極２０４ｅは、内部導線２０６によりねじ２０５と電気的に接続されている。本実施形態においては、ねじ２０５は、導電性の金属からなり、搭載基板２１０と螺合すると、搭載基板２１０の配線パターンと電気的に接続されるようになっている。
搭載基板２１０は、絶縁性の無機材料からなり、表面に配線パターンが形成されている。搭載基板２１０は、セラミックが好ましく、本実施形態においてはＡｌＮから形成される。搭載基板２１０は、平面視にて正方形状に形成され、各ＬＥＤ素子２１１，２１２，２１３，２１４が前後方向及び左右方向に所定の間隔をおいて搭載されている。
紫外ＬＥＤ素子２１１はピーク波長が３８５ｎｍの光を発し、青色ＬＥＤ素子２１２はピーク波長が４５０ｎｍの光を発し、緑色ＬＥＤ素子１３はピーク波長が５５０ｎｍの光を発し、赤色ＬＥＤ素子２１４はピーク波長が６５０ｎｍの光を発する。尚、各ＬＥＤ素子２１１，２１２，２１３，２１４は、材質が特に限定されることはなく、例えば、ＡｌＩＮＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＧａＮ、ＺｎＳｅ、ＧａＰ、ＧａＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＡｓ等の材料を用いることができる。
以上のように構成された光学装置２０１では、端子部２０４を外部のソケットへ螺合することにより、各ＬＥＤ素子２１１，２１２，２１３，２１４へ電力を供給可能な状態となる。そして、各ＬＥＤ素子２１１，２１２，２１３，２１４に電流を印加すると、各ＬＥＤ素子２１１，２１２，２１３，２１４から所定波長の光が発せられる。
紫外ＬＥＤ素子２１１から発せられた紫外光は、下面から蛍光板２０３へ入射し、蛍光板２０３に吸収されて黄色から赤色にかけての光に変換され、凸部２０３ａの凹凸構造からなる回折面を透過した後、蛍光板２０３の上面から出射する。回折面においては臨界角外の入射角であっても光が透過することから、回折面が存在しない場合と比べて透過する光量が増大する。ここで、蛍光板２０３にて吸収されずに蛍光板２０３の上面に到達した紫外光は、凸部２０３ａの凹凸構造からなる回折面を透過した後、反射部２３２で反射されて蛍光板２０３へ再入射する。紫外光は回折面を透過する際に垂直化作用を受けるため、垂直に近い角度ほど反射率が高くなる反射部２３２での反射に有利である。紫外ＬＥＤ素子２１１を除く各ＬＥＤ素子２１２，２１３，２１４から発せられた可視光（本実施形態においては、青色光、緑色光及び赤色光）は、下面から蛍光板２０３へ入射した後、波長変換されることなく蛍光板２０３の上面から出射する。
尚、第２の実施形態においては、蛍光材料と反射部が一体的に形成されたものを示したが、例えば図１６に示すように、これらを分離して配置することも可能である。図１６の光学装置３０１は、搭載基板３１０が蛍光ＳｉＣからなり、筐体２０２の開口２０２ａに設けられるレンズ３０３の搭載基板３１０側に反射部３３２が形成されている。
以上、本発明の実施の形態を説明したが、上記に記載した実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。
１ 発光素子
１０ ＳｉＣ基板
１１ 下地層
１２ 第１の反射部
２０ 半導体積層部
１２３ 積層部本体
１２４ 入射側付加膜
１２５ 出射側付加膜
２０１ 光学装置
２１１ 紫外ＬＥＤ素子
２０３ 蛍光板
２３１ 下地層
２３２ 反射部
３０１ 光学装置
３１０ 搭載基板
３３２ 反射部
１０ ＳｉＣ基板
１１ 下地層
１２ 第１の反射部
２０ 半導体積層部
１２３ 積層部本体
１２４ 入射側付加膜
１２５ 出射側付加膜
２０１ 光学装置
２１１ 紫外ＬＥＤ素子
２０３ 蛍光板
２３１ 下地層
２３２ 反射部
３０１ 光学装置
３１０ 搭載基板
３３２ 反射部
Claims (21)
- 所定の励起波長域内の光で励起されると、当該励起波長域より長い所定の蛍光波長の光を発する蛍光材料と、
第１材料からなり第１厚さで形成される複数の低屈折率膜と、前記第１材料よりも高い屈折率の第２材料からなり第２厚さで形成される複数の高屈折率膜とを交互に積層させた積層部本体を有し、前記励起波長域内の光を反射し前記蛍光波長の光を透過する分布ブラッグ反射鏡と、を備え
前記分布ブラッグ反射鏡の前記蛍光材料側又は前記蛍光材料と反対側に隣接する隣接媒質は、前記第２材料よりも屈折率が低く、
前記積層部本体における最も前記隣接媒質側に前記低屈折率膜が配置され、
前記分布ブラッグ反射鏡は、さらに、前記第２材料からなり前記第２厚さよりも薄い厚さで前記積層部本体と前記隣接媒質の間に形成される付加膜を有する光学装置。 - 前記低屈折率膜の前記第１厚さ及び前記高屈折率膜の前記第２厚さを設計するための設計波長をλｃ、前記第１材料の屈折率をｎ１、前記第２材料の屈折率をｎ２としたとき、
前記第１厚さは、λｃ／４ｎ１であり、
前記第２厚さは、λｃ／４ｎ２であり、
前記付加膜の厚さは、λｃ／８ｎ２である請求項１に記載の光学装置。 - 所定の励起波長域内の光で励起されると、当該励起波長域より長い所定の蛍光波長の光を発する蛍光材料と、
第１材料からなり第１厚さで形成される複数の低屈折率膜と、前記第１材料よりも高い屈折率の第２材料からなり第２厚さで形成される複数の高屈折率膜とを交互に積層させた積層部本体を有し、前記励起波長域内の光を反射し前記蛍光波長の光を透過する分布ブラッグ反射鏡と、を備え
前記分布ブラッグ反射鏡の前記蛍光材料側又は前記蛍光材料と反対側に隣接する隣接媒質は、前記第１材料よりも屈折率が高く、
前記積層部本体における最も前記隣接媒質側に前記高屈折率膜が配置され、
前記分布ブラッグ反射鏡は、さらに、前記第１材料からなり前記第１厚さよりも薄い厚さで前記積層部本体と前記隣接媒質の間に形成される付加膜を有する光学装置。 - 前記低屈折率膜の前記第１厚さ及び前記高屈折率膜の前記第２厚さを設計するための設計波長をλｃ、前記第１材料の屈折率をｎ１、前記第２材料の屈折率をｎ２としたとき、
前記第１厚さは、λｃ／４ｎ１であり、
前記第２厚さは、λｃ／４ｎ２であり、
前記付加膜の厚さは、λｃ／８ｎ１である請求項３に記載の光学装置。 - 所定の励起波長域内の光で励起されると、当該励起波長域より長い所定の蛍光波長の光を発する蛍光材料と、
第１材料からなり第１厚さで形成される複数の低屈折率膜と、前記第１材料よりも高い屈折率の第２材料からなり第２厚さで形成される複数の高屈折率膜とを交互に積層させた積層部本体を有し、前記励起波長域内の光を反射し前記蛍光波長の光を透過する分布ブラッグ反射鏡と、を備え、
前記分布ブラッグ反射鏡の前記蛍光材料側又は前記蛍光材料と反対側に隣接する隣接媒質は、前記第１材料よりも屈折率が低く、
前記積層部本体における最も前記隣接媒質側に前記高屈折率膜が配置され、
前記分布ブラッグ反射鏡は、さらに、前記第１材料からなり前記第１厚さよりも厚い厚さで前記積層部本体と前記隣接媒質の間に形成される付加膜を有する光学装置。 - 前記低屈折率膜の前記第１厚さ及び前記高屈折率膜の前記第２厚さを設計するための設計波長をλｃ、前記第１材料の屈折率をｎ１、前記第２材料の屈折率をｎ２としたとき、
前記第１厚さは、λｃ／４ｎ１であり、
前記第２厚さは、λｃ／４ｎ２であり、
前記付加膜の厚さは、λｃ／２ｎ１である請求項５に記載の光学装置。 - 所定の励起波長域内の光で励起されると、当該励起波長域より長い所定の蛍光波長の光を発する蛍光材料と、
第１材料からなり第１厚さで形成される複数の低屈折率膜と、前記第１材料よりも高い屈折率の第２材料からなり第２厚さで形成される複数の高屈折率膜とを交互に積層させた積層部本体を有し、前記励起波長域内の光を反射し前記蛍光波長の光を透過する分布ブラッグ反射鏡と、を備え、
前記分布ブラッグ反射鏡の前記蛍光材料側又は前記蛍光材料と反対側に隣接する隣接媒質は、前記第２材料よりも屈折率が高く、
前記積層部本体における最も前記隣接媒質側に前記低屈折率膜が配置され、
前記分布ブラッグ反射鏡は、さらに、前記第２材料からなり前記第２厚さよりも厚い厚さで前記積層部本体と前記隣接媒質の間に形成される付加膜を有する光学装置。 - 前記低屈折率膜の前記第１厚さ及び前記高屈折率膜の前記第２厚さを設計するための設計波長をλｃ、前記第１材料の屈折率をｎ１、前記第２材料の屈折率をｎ２としたとき、
前記第１厚さは、λｃ／４ｎ１であり、
前記第２厚さは、λｃ／４ｎ２であり、
前記付加膜の厚さは、λｃ／２ｎ２である請求項７に記載の光学装置。 - 前記蛍光材料の表面の少なくとも一部に形成された周期的な凹凸構造と、
前記蛍光材料上に、少なくとも前記凹凸構造の凹部が埋まり、かつ、表面が平坦となるよう形成された下地層と、を備え、
前記分布ブラッグ反射鏡は、前記下地層上に形成される請求項１から８のいずれか１項に記載の光学装置。 - 前記凹凸構造の周期は、前記蛍光波長より大きく前記蛍光波長のコヒーレント長より小さい請求項９に記載の光学装置。
- 前記蛍光材料を励起するための前記励起波長域内の光を発する光源を備えた請求項１から１０のいずれか１項に記載の光学装置。
- 所定の励起波長域内の光で励起されると、当該励起波長域より長い所定の蛍光波長の光を発する蛍光基板と、
前記蛍光基板の一方の面側に形成され、第１材料からなり第１厚さで形成される複数の低屈折率膜と、前記第１材料よりも高い屈折率の第２材料からなり第２厚さで形成される複数の高屈折率膜とを交互に積層させた積層部本体を有し、前記励起波長域内の光を反射し前記蛍光波長の光を透過する分布ブラッグ反射鏡と、
前記蛍光基板の他方の面側に形成され、前記蛍光材料を励起するための前記励起波長域内の光を発する発光層を含む半導体積層構造と、を備え
前記分布ブラッグ反射鏡の前記蛍光材料側又は前記蛍光材料と反対側に隣接する隣接媒質は、前記第２材料よりも屈折率が低く、
前記積層部本体における最も前記隣接媒質側に前記低屈折率膜が配置され、
前記分布ブラッグ反射鏡は、さらに、前記第２材料からなり前記第２厚さよりも薄い厚さで前記積層部本体と前記隣接媒質の間に形成される付加膜を有する発光素子。 - 前記低屈折率膜の前記第１厚さ及び前記高屈折率膜の前記第２厚さを設計するための設計波長をλｃ、前記第１材料の屈折率をｎ１、前記第２材料の屈折率をｎ２としたとき、
前記第１厚さは、λｃ／４ｎ１であり、
前記第２厚さは、λｃ／４ｎ２であり、
前記付加膜の厚さは、λｃ／８ｎ２である請求項１２に記載の発光素子。 - 所定の励起波長域内の光で励起されると、当該励起波長域より長い所定の蛍光波長の光を発する蛍光基板と、
前記蛍光基板の一方の面側に形成され、第１材料からなり第１厚さで形成される複数の低屈折率膜と、前記第１材料よりも高い屈折率の第２材料からなり第２厚さで形成される複数の高屈折率膜とを交互に積層させた積層部本体を有し、前記励起波長域内の光を反射し前記蛍光波長の光を透過する分布ブラッグ反射鏡と、
前記蛍光基板の他方の面側に形成され、前記蛍光材料を励起するための前記励起波長域内の光を発する発光層を含む半導体積層構造と、を備え、
前記分布ブラッグ反射鏡の前記蛍光材料側又は前記蛍光材料と反対側に隣接する隣接媒質は、前記第１材料よりも屈折率が高く、
前記積層部本体における最も前記隣接媒質側に前記高屈折率膜が配置され、
前記分布ブラッグ反射鏡は、さらに、前記第１材料からなり前記第１厚さよりも薄い厚さで前記積層部本体と前記隣接媒質の間に形成される付加膜を有する発光素子。 - 前記低屈折率膜の前記第１厚さ及び前記高屈折率膜の前記第２厚さを設計するための設計波長をλｃ、前記第１材料の屈折率をｎ１、前記第２材料の屈折率をｎ２としたとき、
前記第１厚さは、λｃ／４ｎ１であり、
前記第２厚さは、λｃ／４ｎ２であり、
前記付加膜の厚さは、λｃ／８ｎ１である請求項１４に記載の発光素子。 - 所定の励起波長域内の光で励起されると、当該励起波長域より長い所定の蛍光波長の光を発する蛍光基板と、
前記蛍光基板の一方の面側に形成され、第１材料からなり第１厚さで形成される複数の低屈折率膜と、前記第１材料よりも高い屈折率の第２材料からなり第２厚さで形成される複数の高屈折率膜とを交互に積層させた積層部本体を有し、前記励起波長域内の光を反射し前記蛍光波長の光を透過する分布ブラッグ反射鏡と、
前記蛍光基板の他方の面側に形成され、前記蛍光材料を励起するための前記励起波長域内の光を発する発光層を含む半導体積層構造と、を備え、
前記分布ブラッグ反射鏡の前記蛍光材料側又は前記蛍光材料と反対側に隣接する隣接媒質は、前記第１材料よりも屈折率が低く、
前記積層部本体における最も前記隣接媒質側に前記高屈折率膜が配置され、
前記分布ブラッグ反射鏡は、さらに、前記第１材料からなり前記第１厚さよりも厚い厚さで前記積層部本体と前記隣接媒質の間に形成される付加膜を有する発光素子。 - 前記低屈折率膜の前記第１厚さ及び前記高屈折率膜の前記第２厚さを設計するための設計波長をλｃ、前記第１材料の屈折率をｎ１、前記第２材料の屈折率をｎ２としたとき、
前記第１厚さは、λｃ／４ｎ１であり、
前記第２厚さは、λｃ／４ｎ２であり、
前記付加膜の厚さは、λｃ／２ｎ１である請求項１６に記載の発光素子。 - 所定の励起波長域内の光で励起されると、当該励起波長域より長い所定の蛍光波長の光を発する蛍光基板と、
前記蛍光基板の一方の面側に形成され、第１材料からなり第１厚さで形成される複数の低屈折率膜と、前記第１材料よりも高い屈折率の第２材料からなり第２厚さで形成される複数の高屈折率膜とを交互に積層させた積層部本体を有し、前記励起波長域内の光の光を反射し前記蛍光波長の光を透過する分布ブラッグ反射鏡と、
前記蛍光基板の他方の面側に形成され、前記蛍光材料を励起するための前記励起波長域内の光を発する発光層を含む半導体積層構造と、を備え、
前記分布ブラッグ反射鏡の前記蛍光材料側又は前記蛍光材料と反対側に隣接する隣接媒質は、前記第２材料よりも屈折率が高く、
前記積層部本体における最も前記隣接媒質側に前記低屈折率膜が配置され、
前記分布ブラッグ反射鏡は、さらに、前記第２材料からなり前記第２厚さよりも厚い厚さで前記積層部本体と前記隣接媒質の間に形成される付加膜を有する発光素子。 - 前記低屈折率膜の前記第１厚さ及び前記高屈折率膜の前記第２厚さを設計するための設計波長をλｃ、前記第１材料の屈折率をｎ１、前記第２材料の屈折率をｎ２としたとき、
前記第１厚さは、λｃ／４ｎ１であり、
前記第２厚さは、λｃ／４ｎ２であり、
前記付加膜の厚さは、λｃ／２ｎ２である請求項１８に記載の発光素子。 - 前記蛍光基板の前記一方の面の少なくとも一部に形成された周期的な凹凸構造と、
前記蛍光基板の前記一方の面上に、少なくとも前記凹凸構造の凹部が埋まり、かつ、表面が平坦となるよう形成された下地層と、を備え、
前記分布ブラッグ反射鏡は、前記下地層上に形成される請求項１２から１９のいずれか１項に記載の発光素子。 - 前記凹凸構造の周期は、前記蛍光波長より大きく前記蛍光波長のコヒーレント長より小さい請求項２０に記載の発光素子。
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