JPH11261109A

JPH11261109A - 窒化ガリウム系半導体発光素子および発光装置

Info

Publication number: JPH11261109A
Application number: JP11009862A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Kawamoto; 本聡河; Koichi Nitta; 田康一新
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1999-01-18
Filing date: 1999-01-18
Publication date: 1999-09-24

Abstract

(57)【要約】【課題】光の取り出し効率が高く、比較的簡易な構成
で、コストが低く、信頼性の高い窒化ガリウム系半導体
発光素子および発光装置を提供することを目的とする。【解決手段】基板と、窒化ガリウム系半導体からなる
発光層と、第１の層と、多重光反射層とを種々の形態に
配置し、基板を透過させて光を取り出すようにすること
により、光の取り出し効率が極めて高く、駆動電圧も低
減することができる。さらに、このような発光素子を種
々の形態に実装することにより、高性能の発光装置を提
供することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、窒化ガリウム系半
導体発光素子および発光装置に関する。より詳しくは、
本発明は、発光層の近傍に多層膜光反射層を設けること
により、発光層からの光を高い効率で透明基板側に取り
出すことができる構成を有する窒化ガリウム系半導体発
光素子および発光装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】窒化ガリウム系半導体は、直接遷移型の
ＩＩＩ−Ｖ族化合物導体であり、比較的短い波長領域に
おいて高効率で発光させることができるという特徴を有
する。なお、本明細書において「窒化ガリウム系半導
体」とは、Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ_1- _x-yＮ（０≦ｘ，ｙ≦
１，ｘ＋ｙ≦１）なる化学式において組成比ｘ及びｙを
零から１の範囲で変化させたすべての組成の半導体を含
むものとする。例えば、ＩｎＧａＮ（ｘ＞０、ｙ＝０）
も「窒化ガリウム系半導体」に含まれるものとする。

【０００３】窒化ガリウム系半導体は、組成ｘ及びｙを
制御することによってバンドギャップが１．８９〜６．
２ｅＶまで変化するために、ＬＥＤや半導体レーザの材
料として有望視されている。特に、青色や紫外線の波長
領域で高輝度に発光させることができれば、各種光ディ
スクの記録容量を倍増させ、表示装置のフルカラー化を
可能にすることができる。そこで、Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ
_1-x-yＮ系半導体を用いた短波長発光素子は、その初期
特性や信頼性の向上に向けて急速に開発が進められてい
る。

【０００４】このような窒化ガリウム系半導体を用いた
従来の発光素子の構造を開示した参考文献としては、例
えば、Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．、２８（１９
８９）ｐ．Ｌ２１１２、Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙ
ｓ．、３２（１９９３）ｐ．Ｌ８或いは特開平５−２９
１６２１号公報を挙げることができる。

【０００５】図１５は、従来の窒化ガリウム系発光素子
の構成を表す概略断面図である。その概略構成について
説明すると以下の如くである。すなわち、発光素子１０
０は、サファイア基板１１２上に積層された半導体の多
層構造を有する。サファイア基板１１２上には、バッフ
ァ層１１４、ｎ型コンタクト層１１６、ｎ型クラッド層
１１８、発光層１２０、ｐ型クラッド層１２２およびｐ
型コンタクト層１２４がこの順序で形成されている。

【０００６】バッファ層１１４の材料は、例えばｎ型の
ＧａＮとすることができる。ｎ型コンタクト層１１６
は、ｎ側電極１３４とのオーミック接触を確保するよう
に高いキャリア濃度を有するｎ型の半導体層であり、そ
の材料は、例えば、ＧａＮとすることができる。ｎ型ク
ラッド層１１８およびｐ型クラッド層１２２は、それぞ
れ発光層１２０に光を閉じこめる役割を有し、発光層よ
りも低い屈折率を有することが必要とされる。その材料
は、例えば、発光層１２０よりもバッドギャップの大き
いＡｌＧａＮとすることができる。発光層１２０は、発
光素子に電流として注入された電荷が再結合することに
より発光を生ずる半導体層である。その材料としては、
例えば、アンドープのＩｎＧａＮを用いることができ
る。ｐ型コンタクト層１２４は、ｐ側電極とのオーミッ
ク接触を確保するように高いキャリア濃度を有するｐ型
の半導体層であり、その材料は、例えば、ＧａＮとする
ことができる。

【０００７】ｐ型コンタクト層１２４の上には、ｐ側電
極層１２６が堆積されている。また、ｎ型コンタクト層
１１８の上には、ｎ側電極層１３４が堆積されている。

【０００８】ｐ型コンタクト層１２４の上の一部分に
は、電流阻止層１３０が形成されている。電流阻止層１
３０の上にはＡｕからなるボンディング・パッド１３２
が堆積され、その一部分はｐ側電極１２６と接触してい
る。ボンディング・パッド１３２には、駆動電流を素子
に供給するための図示しないワイアがボンディングされ
る。

【０００９】電流阻止層１３０は、Ａｕ電極３２の下部
で発光が生ずるのを抑制する役割を有する。すなわち、
発光素子１００では、発光層１２０で生じた発光を電極
層１２６を透過させて上方に取り出すようにされてい
る。しかし、ボンディング・パッド１３２では電極の厚
さが厚いために光を透過させることができない。そこ
で、電流阻止層１３０を設けることにより、ボンディン
グ・パッド１３２の下に駆動電流が注入されないように
して、無駄な発光を抑制するようにしている。

【００１０】また、ｎ側電極層１３４の上にもボンディ
ング・パッド１３２が積層されている。ボンディング・
パッド１３２は、Ａｕを厚く堆積することにより形成す
ることができる。さらに、ボンディング・パッド１３２
以外の表面部分は、酸化シリコン層１４５により覆われ
ている。

【００１１】以上説明した発光素子１００は、リードフ
レームや実装基板などの図示しないマウント部材に対し
て、基板１１２の裏面側が接着され、ボンディング・パ
ッド１３２にそれぞれワイアがボンディングされて、駆
動電流が供給される。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかし、図１５に示し
たような従来の発光素子においては、発光層１２０から
の発光を電極１２６を介して外部に取り出す構造であっ
たために、種々の問題があった。以下、この問題につい
て詳述する。

【００１３】まず、従来の発光素子では、電極１２６の
膜厚が厚いと、光の透過率が低下し、取り出し効率が低
下するという問題があった。一方、電極１２６の光透過
率を上げるために、金やニッケルなどの電極材料を十分
に薄く堆積すると、電極１２６のシート抵抗が増加して
しまい、電流広がりが劣化して、動作電圧が高くなると
いう問題があった。

【００１４】また、電極１２６の材料として、透光性の
導電材料である酸化スズ、あるいは酸化インジウム・ス
ズなどを用いることも考えられるが、これらの材料は窒
化ガリウム層とのコンタクト抵抗が必ずしも低くくない
ために、発光素子の動作電圧が高くなりやすいという問
題がある。

【００１５】本発明は、かかる点に鑑みてなされたもの
である。すなわち、本発明は、光の取り出し効率が高
く、比較的簡易な構成で、コストが低く、信頼性の高い
窒化ガリウム系半導体発光素子および発光装置を提供す
ることを目的とするものである。

【００１６】

【課題を解決するための手段】すなわち、本発明による
窒化ガリウム系半導体発光素子は、透光性基板と、窒化
ガリウム系半導体からなる発光層と、第１の層と、前記
第１の層とは光屈折率が異なる第２の層とを交互に複数
層ずつ積層させた光反射層と、を備え、前記発光層から
放出された光を前記光反射層により反射させて、前記透
光性基板を透過させて外部に取り出すことができるよう
に、前記発光層は前記透光性基板と前記光反射層との間
に積層されていることを特徴とするものとして構成さ
れ、光の取り出し効率が極めて高く、駆動電圧も低減す
ることができる。

【００１７】また、この光反射層をクラッド層としての
役割も兼ねるものとして構成することにより、さらに構
成が簡略化され、発光強度を向上することができる。

【００１８】また、この光反射層の上に半導体コンタク
ト層と、厚い電極を全面に設けることにより、電流広が
りが確保され、駆動電流をさらに低減することができる
ようになる。

【００１９】一方、発光層の上下に、それぞれクラッド
層を兼ねる光反射層を設けることにより、極めて高い効
率で側面から光を取り出すことができるようになる。

【００２０】これらの光反射層は、窒化アルミニウムと
ガリウム砒素との積層構造とすることにより高い反射率
を得ることができる。

【００２１】また光反射層は、窒化インジウムとアルミ
ニウム・ガリウム砒素との組み合わせであっても良い。

【００２２】さらに、光反射層を多結晶材料あるいは非
晶質材料のいずれかにより構成することもでき、その材
料としては、酸化チタン、酸化シリコン、五酸化タンタ
ル、多結晶シリコン、および非晶質シリコンのいずれか
を用いることにより、高い反射率の反射層を形成するこ
とができる。

【００２３】また、光反射層の各層は、それぞれの層の
光屈折率をｎとしたときに、それぞれ、前記発光層から
放出される光の波長の略１／（４ｎ）とすることによ
り、高い反射率を得ることができる。

【００２４】一方、本発明による発光装置は、少なくと
も一部に透光性の部分を有する実装基板と、前記実装基
板の表面に配置された本発明による発光素子と、前記発
光素子をモールドしている樹脂と、を備え、前記発光素
子の前記透光性基板を透過して放出した光は、前記実装
基板の前記透光性の部分を透過して外部に放出されるも
のとして構成され、簡潔な構成により高い効率で発光を
取り出すことができる。

【００２５】この実装基板の裏面には、凹面鏡やプリズ
ムあるいは凸レンズを設けることができ、樹脂に難燃化
剤を混入することにより耐火性を顕著に改善することが
できる。

【００２６】一方、実装基板に対して本発明による発光
素子をフリップ・チップ実装することにより、簡易な構
成で高い光取り出し効率を得ることもできる。

【００２７】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しつつ本発明の
実施の形態について説明する。図１は、本発明の第１の
実施の形態による画像表示装置の概略構成を表す断面図
である。本発明による発光素子１０Ａは、サファイア基
板１２上に積層された窒化ガリウム系半導体のダブル・
ヘテロ型の半導体発光素子とすることができる。すなわ
ち、サファイア基板１２上には、それぞれ窒化ガリウム
系半導体からなるバッファ層１４、ｎ型コンタクト層１
６、ｎ型クラッド層１８、発光層２０、ｐ型クラッド層
２２およびｐ型コンタクト層２４が積層されている。

【００２８】ここで、本発明においては、さらに、ｐ型
クラッド層２２とｐ型コンタクト層２４との間に光反射
層５０Ａが設けられている。この光反射層５０Ａは、２
種類の薄膜を繰り返し積層した多層膜からなり、発光層
２０からｐ側に向けて放出される発光を高い反射率でｎ
側、すなわち基板１２の方向に反射する。このように、
発光層２０から放出される発光を基板１２の方向に反射
することによって、基板の裏面側において、極めて高い
効率で光を取り出すことができるようになる。このよう
な光反射層５０Ａとしては、屈折率の異なる材料からな
る２層を交互に積層した構造であることが望ましい。そ
して、それぞれの界面から反射する光が互いに積極的干
渉を生ずるように、それぞれの膜厚を選択することによ
って、ブラッグ反射した光の強度は極大となり、反射率
を極めて高くすることができる。具体的には、光の波長
をλ、各層の屈折率をｎ、膜厚をｄとして、ｎｄ＝λ／
４なる関係を満たすように、各層の膜厚ｄを選択するこ
とによって、反射率の高い多重光反射層を構成すること
ができる。また、この多層光反射層は、高い反射率を得
るために、なるべく屈折率が異なる材料の組み合わせで
あることが望ましい。

【００２９】その組み合わせとしては、例えば、窒化ア
ルミニウム層と窒化インジウム層とをそれぞれ交互に積
層した構造が挙げられる。窒化アルミニウムの屈折率
は、２．１６であり、窒化インジウムの屈折率は、２．
９である。この組み合わせの場合は、波長３６０ｎｍの
紫外線に対しては、それぞれ、窒化アルミウムの膜厚が
約４０ｎｍで窒化インジウムの膜厚が約３０ｎｍである
ことが望ましい。また、波長４５０ｎｍの青色光に対し
ては、窒化アルミニウムの膜厚が約５５ｎｍで、窒化イ
ンジウムの膜厚が約４０ｎｍであることが望ましい。

【００３０】また、その他の組み合わせとしては、例え
ば、ＩｎＡｌＧａＮの組成比を替えた組み合わせであっ
ても良い。

【００３１】本発明による発光素子１０Ａの構成につい
て概略的に説明すると以下の如くである。まず、バッフ
ァ層１４の材料は、例えばｎ型のＧａＮとすることがで
きる。ｎ型コンタクト層１６は、ｎ側電極３４とのオー
ミック接触を確保するように高いキャリア濃度を有する
ｎ型の半導体層であり、その材料は、例えば、ＧａＮと
することができる。ｎ型クラッド層１８およびｐ型クラ
ッド層２２は、それぞれ発光層２０に光を閉じこめる役
割を有し、発光層よりも低い屈折率を有することが必要
とされる。その材料は、例えば、発光層２０よりもバッ
ドギャップの大きいＡｌＧａＮとすることができる。

【００３２】発光層２０は、発光素子に電流として注入
された電荷が再結合することにより発光を生ずる半導体
層である。その材料としては、例えば、アンドープのＩ
ｎＧａＮを用いることができる。ｐ型コンタクト層２４
は、ｐ側電極とのオーミック接触を確保するように高い
キャリア濃度を有するｐ型の半導体層であり、その材料
は、例えば、ＧａＮとすることができる。

【００３３】これらの各半導体層は、例えば、有機金属
化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、ハイドライド気相成長
法（ＨＣＶＤ）、化学ビーム・エピタキシャル法（ＣＢ
Ｅ）などの方法によって成長することができる。

【００３４】ｐ型コンタクト層１２４の上には、ｐ側電
極層１２６が堆積されている。本発明においては、光反
射層５０Ａを設け、発光層２０で生じた発光は、基板１
２を透過させて外部に取り出すようにしているので、ｐ
側電極１２６は、透光性を有する必要がない。従って、
金などの導電性の高い金属を十分に厚く堆積することが
可能であり、電極部での電流広がりも容易に確保でき
て、発光素子の駆動電圧を下げることもできる。さら
に、本発明によれば、発光層２０で生じた発光は、基板
側に取り出すので、図１５に示した従来の発光素子で必
要とされていた電流阻止層１３０が不要となる。従っ
て、ｐ側の電極を簡易な全面電極構造とすることがで
き、素子の構造が簡略化されるとともに、発光層２０を
従来よりも広い範囲で発光させることが可能となり、発
光強度を上げるとともに飽和電流レベルが向上するとい
う効果も得ることができる。

【００３５】また、ｎ側電極層３４の上にもボンディン
グ・パッド３２が積層されている。ボンディング・パッ
ド３２は、Ａｕを厚く堆積することにより形成すること
ができる。さらに、ボンディング・パッド３２以外の表
面部分は、酸化シリコン層４５により適宜覆われてい
る。

【００３６】以上説明した発光素子１０Ａは、後に詳述
するように、リードフレームや実装基板などの図示しな
いマウント部材に対して、適宜実装され、極めて高い効
率で光を取り出すことができる発光装置を構成すること
ができる。

【００３７】本発明による発光素子１０Ａの光の取り出
し効率を従来の素子と比較すると、は以下の如くであ
る。すなわち、図１５に示したような従来の発光素子１
００においては、ｐ側電極１２６の光透過率は、高々５
０％程度であった。また、発光層から基板側に放出され
た光は、殆ど反射されず、その反射率は、高々１０％程
度であった。すると、発光層から基板方向とその反対方
向とにほぼ同強度の光が放出すると仮定して、従来の発
光素子１００においては、ｐ側電極１２６側から外部に
取り出すことのできる光の割合は、発光層が放出したす
べての光のうちの、約３０％にも満たない。これに対し
て、本発明によれば、光反射層５０Ａの反射率は、９０
％以上とすることが可能であり、発光層から放出された
光のうちで基板側に向かう光の透過率を９０％とする
と、発光層が放出するすべての光のうちで、基板側から
取り出すことのできる光の割合は８５％以上となり、従
来の３倍に近い極めて高い効率で光を取り出すことがで
きる。

【００３８】また、従来の発光素子において、そのまま
基板側から光を取り出すようにしても、高い効率で光を
取り出すことは出来なかった。その理由は、ｐ側電極１
２６はそのコンタクト面において半導体層と合金化する
ために界面が平滑でなく、発光層からの光を乱反射して
しまう傾向が極めて強いからである。従って、従来の発
光素子では、ｐ側電極１２６の裏面の反射率は、高々１
０％程度であり、反射率は極めて低かった。これに対し
て、本発明によれば、光反射層５０Ａの反射率を９０％
以上と極めて高くすることができるので、光の取り出し
効率を大幅に改善することが可能となる。

【００３９】次に、本発明による第２の発光素子につい
て説明する。

【００４０】図２は、本発明による第２の発光素子を表
す概略断面図である。同図に表した発光素子１０Ｂも、
前述した発光素子と同様にいわゆるダブル・ヘテロ型の
構造を有する。但し、発光素子１０Ｂにおいては、発光
層２０からみて基板１２と反対側のクラッド層が、光反
射層を兼ねた構造とされている。すなわち、この光反射
層５０Ｂは、発光層２０に対して、光と電流とを閉じこ
める役割を有するとともに、発光層２０で生じた発光を
反射して基板側に放出する役割を果たす。この光反射層
５０Ｂの材料としては、例えば窒化アルミニウムと窒化
インジウムの積層構造を挙げることができる。また、窒
化インジウム層と、アルミニウム・ガリウム砒素層やア
ルミニウム・ガリウム燐層などの材料を積層した構造で
あっても良い。前述したように、屈折率の差が大きい材
料を積層することにより、高い反射率を有する反射層を
形成することができる。同時に、光反射層を構成する層
のうちのいずれかの材料として、バンド・ギャップが大
きい材料を選択することにより、発光層よりも平均のバ
ンド・ギャップを大きくすることが可能となり、光と電
流とを効果的に閉じこめることができるようになる。

【００４１】このように、クラッド層と光反射層とを兼
ねることにより、以下に説明する効果を得ることができ
る。すなわち、まず、反射層が発光層に近くなるので、
チップ側面の近傍で発光した光がクラッド層の間から側
面に逃げる割合が小さくなる。また、クラッド層自身に
よる光の吸収に起因する損失を解消することができる。
さらに、いわゆる多重量子障壁（Multiple Quantum Bar
rier：ＭＱＢ）効果により、クラッド層のキャリア閉じ
こめ効果を改善することができ、発光効率をさらに改善
することができる。

【００４２】次に、本発明による第３の発光素子につい
て説明する。図３は、本発明による第３の発光素子を表
す概略断面図である。同図に表した発光素子１０Ｃも、
前述した発光素子と同様にいわゆるダブル・ヘテロ型の
構造を有する。そして、発光素子１０Ｃにおいては、発
光層２０の上下のクラッド層がいずれも光反射層とされ
ている。すなわち、発光層の基板と反対側には、クラッ
ド層と光反射層とを兼ねる層５０Ｂ設けられ、発光層の
基板側にも、同様にクラッド層と光反射層とを兼ねる層
５０Ｃが設けられている。これらの光反射層５０Ｂ、５
０Ｃは、前述の場合と同様に、光と電流とを閉じこめる
役割を有するとともに、発光層２０で生じた発光を反射
して基板側に放出する役割を果たす。

【００４３】発光素子１０Ｃにおいては、発光層２０か
ら放出された光は、上下の光反射層５０Ｂおよび５０Ｃ
により多重反射され、発光素子の側面から高い取り出し
効率で放出される。

【００４４】クラッド層兼光反射層５０Ｂおよび５０Ｃ
の材料としては、例えば窒化アルミニウムと窒化インジ
ウムの積層構造を挙げることができる。また、窒化イン
ジウム層と、アルミニウム・ガリウム砒素層やアルミニ
ウム・ガリウム燐層などの材料を積層した構造であって
も良い。このように、屈折率の差が大きい材料を積層す
ることにより、高い反射率を有する反射層を形成するこ
とができる。同時に、バンド・ギャップが大きい材料を
選択することによって、発光層よりも平均のバンド・ギ
ャップを大きく維持することが可能となり、光と電流と
を効果的に閉じこめることができるようになる。

【００４５】次に、本発明による第４の発光素子につい
て説明する。図４は、本発明による第４の発光素子を表
す概略断面図である。同図に表した発光素子１０Ｄも、
前述した発光素子と同様にいわゆるダブル・ヘテロ型の
構造を有する。そして、発光素子１０Ｄにおいては、ダ
ブル・ヘテロ型構造を構成している半導体の積層構造体
の上面に光反射層５０Ｄが設けられている。発光層２０
から図中の上方に向けて出射した光は、この光反射層５
０Ｄに反射されて半導体層に戻り、基板１２から外部に
出射される。

【００４６】この光反射層５０Ｄは、半導体層中に配置
されていないので、半導体層と格子定数が合致する必要
がない。すなわち、光反射層５０Ｄは、半導体層とは異
なる格子定数を有する材料、あるいは多結晶や非晶質材
料であっても良い。その具体例を挙げると、例えば、酸
化チタン、酸化シリコン、五酸化タンタル、多結晶シリ
コン、非晶質シリコンなどの材料を用いて構成すること
ができる。これらの材料の薄膜は、例えば、真空蒸着
法、スパッタリング法、ＣＶＤ法などの方法により堆積
することができる。そして、このような各種の材料のう
ちで、屈折率の差が大きくなるような２種類の材料を選
択して、前述したような膜厚で積層することにより、極
めて高い反射率を有する光反射層を形成することができ
る。

【００４７】また、このような光反射膜５０Ｄを導電性
の材料により構成すれば、電極を兼ねることもできると
いう効果も得られる。

【００４８】次に、本発明による第５の発光素子につい
て説明する。

【００４９】図５は、本発明による第５の発光素子を表
す概略断面図である。同図に表した発光素子１０Ｅも、
前述した発光素子と同様にいわゆるダブル・ヘテロ型の
構造を有する。但し、発光素子１０Ｅにおいては、前述
したサファイアの代わりに、ガリウム砒素ウェーハが基
板として用いられている。このようにガリウム砒素ウェ
ーハ基板１２’の上に窒化ガリウム系半導体を成長する
と、結晶構造が閃亜鉛鉱構造となる。従って、バッファ
層１４’からｐ型コンタクト層２４’までの各層は、い
ずれも閃亜鉛鉱構造を有する。また、その他の部分につ
いては、同一の部分には同一の符合を付して説明を省略
する。

【００５０】反射鏡５０Ｅは、バッファ層１４’とクラ
ッド層１８’との間に配置されている。この反射鏡５０
Ｅは、例えば、窒化アルミニウム層とガリウム砒素層と
を組み合わせたブラッグ反射鏡とすることができる。ガ
リウム砒素の屈折率は、３．６５であり、窒化アルミニ
ウムと組み合わせることにより、極めて高い反射率を得
ることができる。従って、発光層２０’からの発光は、
反射鏡５０Ｅにより高い反射率で反射され、保護膜３０
を透過して上方に取り出すことができる。また、前述し
た発光素子１０Ｂあるいは１０Ｃのように、反射層５０
Ｅをクラッド層１８’の位置に置き換えて、クラッド層
の役割も兼ねるようにしても良い。

【００５１】ここで、サファイア基板上に窒化ガリウム
系半導体を成長させると、結晶構造がウルツ鉱構造とな
り、反射鏡５０Ｅのガリウム砒素層との格子整合性の点
で問題が生ずる可能性がある。しかし、発光素子５０Ｅ
においては、これに対する解決策として、サファイア基
板の代わりガリウム砒素基板１２’を用いている。この
結果として、窒化ガリウム系半導体は、閃亜鉛鉱構造と
なり、反射鏡５０Ｅのガリウム砒素層との格子整合性を
大幅に改善することができる。このように閃亜鉛鉱構造
の窒化ガリウムを成長することができる基板材料として
は、ガリウム砒素の他に、３Ｃ−ＳｉＣ、シリコンなど
を挙げることができる。

【００５２】次に、本発明による第６の発光素子につい
て説明する。

【００５３】図６は、本発明による第６の発光素子を表
す概略断面図である。同図に表した発光素子１０Ｆも、
前述した発光素子と同様にいわゆるダブル・ヘテロ型の
構造を有する。さらに、各層の結晶構造は、閃亜鉛鉱構
造として構成されている。また、その他の部分について
は、同一の部分には同一の符合を付して説明を省略す
る。

【００５４】反射鏡５０Ｆは、クラッド層２２’とコン
タクト層２４’の間に設けられている。この反射鏡５０
Ｆは、前述したものと同様に、例えば、窒化アルミニウ
ム層とガリウム砒素層とを組み合わせたブラッグ反射鏡
とすることができる。ガリウム砒素の屈折率は、３．６
５であり、窒化アルミニウムと組み合わせることによ
り、極めて高い反射率を得ることができる。

【００５５】ここで、発光素子１０Ｆにおいては、結晶
成長時の基板が除去されている。すなわち、発光素子１
０Ｆは、結晶成長時においては、ガリウム砒素や３Ｃ−
ＳｉＣ、シリコンなどを基板として窒化ガリウム系半導
体からなる各層１４’〜２４’が成長される。そして、
結晶成長終了後に、この基板が研磨あるいはエッチング
により除去されている。これは、これらの基板材料は、
いずれも、紫外線〜青色領域の波長帯における光透過率
が低く、このままでは、基板側から発光を効率良く取り
出すことができないからである。すなわち、このように
して基板を除去することにより、ガリウム砒素層を有す
る高反射率の反射鏡５０Ｆから反射された光を基板側に
おいて取り出すことができるようになる。また、前述し
た発光素子１０Ｂあるいは１０Ｃのように、反射層５０
Ｆをクラッド層２２’の位置に置き換えて、クラッド層
の役割も兼ねるようにしても良い。

【００５６】次に、本発明による発光装置について説明
する。

【００５７】図７は、本発明による第１の発光装置を表
す概略断面図である。同図に示した発光装置２００にお
いては、所定の配線パターンが形成された透光性基板２
１０が用いられる。透光性基板２１０の所定の実装位置
には透光性の接着剤を用いて、蛍光体２２０が固定され
ている。この蛍光体２２０は、半導体発光素子１０から
の出射される光を吸収して、発光する機能を有する。こ
の蛍光体２２０の上には、透光性の接着剤などで、半導
体による半導体発光素子１０がその基板１２の裏面を接
着面として載置されている。そして、発光素子１０のｐ
側電極とｎ側電極とは、それぞれ基板２１０の配線パタ
ーン２１０Ａにワイア２３０により配線されている。さ
らに、発光素子１０とワイア２３０とが樹脂２４０によ
りモールドされている。

【００５８】透光性基板２１０としては、例えば、ガラ
スやプラスチック樹脂などの透光性を有し且つ絶縁性の
基板上に予め蒸着や無電解メッキなどの手法により配線
パターンが形成されているものを用いることができる。
また、透光性基板２１０は、その実装部にリード・フレ
ームやベア・チップを実装することができるような形状
を有するものであれば良く、発光素子の光出射部に対応
する領域が透光性を有するものであれば、その他の部分
は、遮光性を有するものであっても良い。

【００５９】また、蛍光体２２０は、例えば、粉状の蛍
光体材料を樹脂などに混ぜてペースト状にしたものを透
光性基板２１０の所定の位置に塗布したものであっても
良い。あるいは、粉状の蛍光体材料を有機溶剤などに混
入して同様に塗布しても良い。このような蛍光体の材料
を適宜選択することによって、従来の発光装置では困難
であった白色やその他の中間色などの発光を容易に得る
ことができるようになる。

【００６０】発光装置２００においては、半導体発光素
子１０から出射される光は蛍光体２２０に吸収され、所
定の波長に変換されて、透光性基板２１０を透過して図
中の下方向に向けて出射される。

【００６１】ここで、図７に示したように、樹脂２４０
の側面部分に約４５度程度の傾斜部２４０Ａを設けるこ
とによって、発光素子１０の背後や側面部から漏れ出る
光を反射させて、基板２１０の主方向から取り出すこと
ができる。

【００６２】また、樹脂２４０には、光を散乱しやすい
光散乱性の材料を混入すれば、発光素子１０の背後や側
面部から漏れ出る光を反射させて、基板２１０の主方向
から取り出すことができるようになる。このような光散
乱性の材料としては、例えば、細かい金属片、金属粒、
ガラス粒などが挙げられる。

【００６３】ここで、蛍光体２２０は無くても良い。こ
の場合には、発光素子１０から出射された光は、透光性
基板２１０を透過して、直接外部に放出される。さら
に、蛍光体２２０の代わりに、波長選択性を有するフィ
ルタや薄膜などを設置して発光素子１０からの光を調光
したり、不要な波長帯の光を削除することもできる。

【００６４】また、樹脂２４０は、透光性を有する必要
がない。むしろ光散乱剤などを積極的に混入させて、基
板２２０下方の光取り出し方向以外の方向に出射する漏
れ光を反射させるようにしても良い。さらに、樹脂２４
０に難燃化剤を混入して耐火性を持たせることもでき
る。このような難燃化剤は、一般に、光透過性を著しく
低下させるので、従来の発光装置においては、使用する
ことができなかった。しかし、本発明においては、樹脂
部分からは光を取り出さないので、従来不可能であっ
た、樹脂の難燃化を実現することができるようになる。

【００６５】図８は、本発明による第２の発光装置を表
す概略断面図である。同図に示した発光装置３００にお
いては、光取り出し部に貫通孔としての開口を設けた実
装基板３１０が用いられる。その実装基板３１０の上に
は、蛍光体３２０と本発明による発光素子１０とが積層
され、ワイア３３０で配線されるとともに、樹脂３４０
でモールドされている。また、前述したように、蛍光体
３２０は省略しても良い。

【００６６】同図に示した発光素子３００においては、
実装基板３１０に光取り出し用の貫通孔３１０Ｂが設け
られているので、実装基板３１０は、従来の材料のもの
をそのまま利用することができる。

【００６７】図９は、本発明による第３の発光装置を表
す概略断面図である。同図に示した発光装置４００にお
いては、所定の配線パターン４１０Ａが形成された実装
基板４１０に対して、本発明による発光素子１０の電極
を配線パターンに向けて、フリップ・チップ実装されて
いる。すなわち、実装基板４１０の配線パターン４１０
Ａと発光素子１０の各電極３２、３２とが、導電性接着
剤や、はんだ合金などにより直接接合されている。

【００６８】また、発光素子１０は、樹脂４４０により
モールドされている。この樹脂４４０をレンズ状にモー
ルド成形して、集光効果を得られるようにしても良い。
このようなフリップ・チップ実装により、ワイア配線が
不要となり、また、ワイアに起因する寄生容量やインダ
クタンスなどを低減することもできる。

【００６９】図１０は、本発明による第４の発光装置を
表す概略断面図である。同図に示した発光装置５００
は、透光性を有する実装基板５１０の裏面に配置した凹
面鏡５６０により光を反射、集光して基板５１０の正面
側から取り出すことができるようにしたものである。こ
の発光装置においても、発光素子１０の電極と実装基盤
５１０の配線パターン５１０Ａとは、ワイア５３０、５
３０によって配線されている。また、発光素子１０は、
樹脂５４０によりモールドされている。この樹脂５４０
をレンズ状にモールド成形して、集光効果を得られるよ
うにしても良い。図１１は、本発明による第５の発光装
置を表す概略断面図である。同図に示した発光装置６０
０は、透光性を有する実装基板６１０の裏面に配置した
プリズム６６０により光を所定の方向に取り出すことが
できるようにしたものである。この発光装置において
も、発光素子１０の電極と実装基盤６１０の配線パター
ン６１０Ａとは、ワイア６３０、６３０によって配線さ
れている。また、発光素子１０は、樹脂６４０によりモ
ールドされている。この樹脂６４０に難燃化剤を混入し
て、難燃性を確保することもできる。

【００７０】図１２は、本発明による第６の発光装置を
表す概略断面図である。同図にした発光装置７００は、
透光性を有する実装基板７１０の裏面に配置した凸レン
ズ７６０により光を集光して基板７１０の裏面方向に取
り出すことができるようにしたものである。この発光装
置においても、発光素子１０の電極と実装基盤７１０の
配線パターン７１０Ａとは、ワイア７３０、７３０によ
って配線されている。また、発光素子１０は、樹脂７４
０によりモールドされている。この樹脂７４０に難燃化
剤を混入して、難燃性を確保することもできる。

【００７１】ここで、凸レンズ７６０は、実装基板７１
０と別体のものとして構成しても良く、または、透光性
を有する実装基板７１０と同質の材料により、一体の部
材として構成しても良い。

【００７２】図１３は、本発明による第７の発光装置を
表す概略断面図である。同図にした発光装置８００は、
実装部材８１０の一面に本発明による発光素子１０が実
装され、全体が樹脂８４０によりモールドされている。
また、この樹脂８４０は、光出射側８４０Ａが凸レンズ
状に成形され、発光素子１０から出射された光を集光し
て外部に取り出すことができるようにされている。

【００７３】実装基板８１０は、発光素子１０の光出射
部に対応する部分が透光性を有するか、あるいは、貫通
孔が設けられている。発光素子１０は、その光出射面を
透光性の接着剤などによって実装基板８１０に実装され
ている。また、実装基板８１０には、所定の配線パター
ン８１０Ａが設けられ、発光素子１０の電極とワイア８
３０、８３０により配線されている。この発光素子８０
０においては、封止用の樹脂８４０によってレンズを一
体成形しているので、構成が簡略化されるという利点が
ある。

【００７４】図１４は、本発明による第８の発光装置を
表す概略断面図である。同図にした発光装置９００は、
実装部材９１０の一面に本発明による発光素子１０が実
装され、全体が樹脂９４０によりモールドされている。
また、樹脂９４０は、その一端に凸レンズ部９４０Ａを
有する。発光素子１０としては、図３に関して前述した
ように、発光層の上下に光反射層を有するものを用い
る。すなわち、発光素子１０の側面から出射される光
を、凸レンズ９４０Ａにより集光して外部に取り出すこ
とができるようにされている。

【００７５】凸レンズ９４０Ａは、樹脂９４０と一体成
形されていても良く、あるいは、別体の部材として構成
されていても良い。また、実装基板９１０には、所定の
配線パターン９１０Ａが設けられ、発光素子１０の電極
とワイア９３０、９３０により配線されている。あるい
は、実装基板の配線パターン９１０Ａに対して、発光素
子１０の電極３２、３２を直接、フリップ・チップ実装
しても良い。

【００７６】

【発明の効果】本発明は、以上説明したような形態で実
施され、以下に説明する効果を奏する。

【００７７】まず、本発明によれば、光反射層の反射率
は、９０％以上とすることが可能であり、発光層から放
出された光のうちで基板側に向かう光の透過率を９０％
とすると、発光層が放出するすべての光のうちで、基板
側から取り出すことのできる光の割合は８５％以上とな
り、従来の３倍に近い極めて高い効率で光を取り出すこ
とができる。

【００７８】また、本発明によれば、発光層で生じた発
光は、基板を透過させて外部に取り出すようにしている
ので、ｐ側電極は、透光性を有する必要がない。従っ
て、金などの導電性の高い金属を十分に厚く堆積するこ
とが可能であり、電極部での電流広がりも容易に確保で
きて、発光素子の駆動電圧を下げることもできる。さら
に、本発明によれば、電流阻止層が不要となる。従っ
て、ｐ側の電極を簡易な全面電極構造とすることがで
き、素子の構造が簡略化されるとともに、発光層を従来
よりも広い範囲で発光させることが可能となり、発光強
度を上げるとともに飽和電流レベルが向上するという効
果も得ることができる。

【００７９】また、本発明によれば、クラッド層と光反
射層とを兼ねることにより、反射層が発光層に近くなる
ので、チップ側面の近傍で発光した光がクラッド層の間
から側面に逃げる割合が小さくなり、クラッド層自身に
よる光の吸収に起因する損失を解消することができ、さ
らに、いわゆる多重量子障壁（Multiple Quantum Barri
er：ＭＱＢ）効果により、クラッド層のキャリア閉じこ
め効果を改善することができ、発光効率をさらに改善す
ることができる。

【００８０】さらに、本発明によれば、上下のクラッド
層を光反射層として兼ねることにより、発光層から放出
された光は、上下の光反射層により多重反射され、発光
素子の側面から高い取り出し効率で取り出すことができ
る。

【００８１】また、本発明によれば、光反射層を半導体
層の外側に配置することにより、半導体層と格子定数が
合致する必要がなくなり、半導体層とは異なる格子定数
を有する材料、あるいは多結晶や非晶質材料を用いて、
高い反射率を得ることができる。

【００８２】一方、本発明によれば、このような発光素
子を種々の形態に実装することにより、簡易な構成で高
い光取り出し効率を有する発光装置を実現することがで
きる。

【００８３】以上説明したように、本発明によれば、簡
易な構成で極めて高い光取り出し効率を有する発光素子
および発光装置を提供することができるようになり、産
業上のメリットは多大である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による第１の発光素子の断面構造を表す
概略図である。

【図２】本発明による第２の発光素子の断面構造を表す
概略図である。

【図３】本発明による第３の発光素子の断面構造を表す
概略図である。

【図４】本発明による第４の発光素子の断面構造を表す
概略図である。

【図５】本発明による第５の発光素子の断面構造を表す
概略図である。

【図６】本発明による第６の発光素子の断面構造を表す
概略図である。

【図７】本発明による第１の発光装置の断面構造を表す
概略図である。

【図８】本発明による第２の発光装置の断面構造を表す
概略図である。

【図９】本発明による第３の発光装置の断面構造を表す
概略図である。

【図１０】本発明による第４の発光装置の断面構造を表
す概略図である。

【図１１】本発明による第５の発光装置の断面構造を表
す概略図である。

【図１２】本発明による第６の発光装置の断面構造を表
す概略図である。

【図１３】本発明による第７の発光装置の断面構造を表
す概略図である。

【図１４】本発明による第８の発光装置の断面構造を表
す概略図である。

【図１５】状来の発光素子の断面構造を表す概略図であ
る。

【符号の説明】

１０Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、１００発光素子１２、１２’、１１２基板１４、１４’、１１４バッファ層１６、１６’、１１６コンタクト層１８、１８’、１１８クラッド層２０、２０’、１２０発光層２２、２２’、１２２クラッド層２４、２４’、１２４コンタクト層２６、３４、１２６、１３４電極５０Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ光反射層２１０、３１０、４１０、５１０、６１０、７１０、８
１０、９１０実装基板２１０Ａ、３１０Ａ、４１０Ａ、５１０Ａ、６１０Ａ、
７１０Ａ、８１０Ａ、９１０Ａ配線パターン２２０蛍光体２３０、３３０、４３０、５３０、６３０、７３０、８
３０、９３０ワイア２４０、３４０、４４０、５４０、６４０、７４０、８
４０、９４０樹脂５６０凹面鏡６６０プリズム７６０凸レンズ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】透光性基板と、窒化ガリウム系半導体からなる発光層と、第１の層と、前記第１の層とは光屈折率が異なる第２の
層とを交互に複数層ずつ積層させた光反射層と、を備
え、前記発光層から放出された光を前記光反射層により反射
させて、前記透光性基板を透過させて外部に取り出すこ
とができるように、前記発光層は前記透光性基板と前記
光反射層との間に積層されていることを特徴とする窒化
ガリウム系半導体発光素子。
【請求項２】基板と、閃亜鉛鉱構造の窒化ガリウム系半導体からなる発光層
と、第１の層と、前記第１の層とは光屈折率が異なる第２の
層とを交互に複数層ずつ積層させた光反射層と、を備
え、前記発光層から放出された光を前記光反射層により反射
させて、前記基板と反対側に取り出すことができるよう
に、前記光反射層は、前記基板と前記発光層との間に積
層されていることを特徴とする窒化ガリウム系半導体発
光素子。
【請求項３】前記基板は、ガリウム砒素、３Ｃ型の炭化
シリコン、およびシリコンからなる群から選択された１
つにより構成されていることを特徴する請求項２記載の
発光素子。
【請求項４】閃亜鉛鉱構造の窒化ガリウム系半導体から
なる発光層と、第１の層と、前記第１の層とは光屈折率が異なる第２の
層とを交互に複数層ずつ積層させた光反射層と、を備
え、前記発光層から放出された光を前記光反射層により反射
させて、外部に取り出すことができるように構成されて
いることを特徴とする窒化ガリウム系半導体発光素子。
【請求項５】基板と、前記基板上に設けられ、第１の層と、前記第１の層とは
光屈折率が異なる第２の層とを交互に複数層ずつ積層さ
せた第１の光反射層と、前記第１の光反射層に隣接して積層された窒化ガリウム
系半導体からなる発光層と、前記発光層に隣接して積層され、第１の層と、前記第１
の層とは光屈折率が異なる第２の層とを交互に複数層ず
つ積層させた第２の光反射層と、を備え、前記第１の光反射層と前記第２の光反射層とは、それぞ
れ前記発光層から放出される光を反射するとともに、電
流と光とを前記発光層に閉じこめるクラッド層としての
役割も兼ねるものとして構成され、前記発光層から放出された光は、前記第１および第２の
光反射層により多重反射されて、前記発光層の側面から
外部に取り出すことができるものとして構成されている
ことを特徴とする窒化ガリウム系発光素子。
【請求項６】前記光反射層は、前記発光層に隣接して積
層され、電流と光とを前記発光層に閉じこめるクラッド
層としての役割も兼ねるものとして構成されていること
を特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の発光
素子。
【請求項７】前記光反射層の上に積層された半導体コン
タクト層と、前記半導体コンタクト層に接続され、前記基板の対向面
側に略全面に渡って形成された電極とをさらに備え、前記電極は、前記発光層から放出される光に対して実質
的に遮光性を有するものとして構成されていることを特
徴とする請求項１、４、５および６のいずれか１つに記
載の発光素子。
【請求項８】前記光反射層における前記第１の層は窒化
インジウムにより構成され、前記第２の層は窒化アルミ
ニウムにより構成されていることを特徴とする請求項１
〜７のいずれか１つに記載の発光素子。
【請求項９】前記光反射層における前記第１および第２
の層は、それぞれ、多結晶材料あるいは非晶質材料のい
ずれかにより構成されていることを特徴とする請求項１
記載の発光素子。
【請求項１０】前記多結晶材料あるいは前記非晶質材料
は、酸化チタン、酸化シリコン、五酸化タンタル、多結
晶シリコン、および非晶質シリコンからなる群より選ば
れた材料であることを特徴とする請求項９記載の発光素
子。
【請求項１１】前記光反射層における前記第１の層は閃
亜鉛鉱構造の窒化ガリウム系半導体により構成され、前
記第２の層はガリウム砒素により構成されていることを
特徴とする請求項２〜４のいずれか１つに記載の発光素
子。
【請求項１２】前記光反射層における前記第１の層およ
び前記第２の層の層厚は、それぞれの層の光屈折率をｎ
としたときに、それぞれ、前記発光層から放出される光
の波長の略１／（４ｎ）とされていることを特徴とする
請求項１〜１１のいずれか１つに記載の発光素子。
【請求項１３】少なくとも一部に透光性の部分を有する
実装基板と、前記実装基板の表面に配置された請求項１〜４および６
〜１２のいずれかに記載の発光素子と、前記発光素子をモールドしている樹脂と、を備え、前記発光素子の前記透光性基板を透過して放出した光
は、前記実装基板の前記透光性の部分を透過して外部に
放出されるものとして構成されていることを特徴とする
発光装置。
【請求項１４】少なくとも一部に透光性の部分を有する
実装基板と、前記実装基板の表面側に配置された請求項１〜４および
６〜１２のいずれかに記載の発光素子と、前記発光素子をモールドしている樹脂と、前記実装基板の裏面側に配置された凹面鏡と、を備え、前記発光素子から取り出された光は、前記実装基板の前
記透光性の部分を透過して前記凹面鏡に入射し、さらに
反射されて、前記実装基板の前記透光性の部分を透過し
て外部に放出されるものとして構成されていることを特
徴とする発光装置。
【請求項１５】少なくとも一部に透光性の部分を有する
実装基板と、前記実装基板の表面側に配置された請求項１〜４および
６〜１２のいずれかに記載の発光素子と、前記発光素子をモールドしている樹脂と、前記実装基板の裏面側に配置されたプリズムと、を備
え、前記発光素子から取り出された光は、前記実装基板の前
記透光性の部分を透過して前記プリズムに入射し、その
進路が変更されるものとして構成されていることを特徴
とする発光装置。
【請求項１６】少なくとも一部に透光性の部分を有する
実装基板と、前記実装基板の表面側に配置された請求項１〜４および
６〜１２のいずれかに記載の発光素子と、前記発光素子をモールドしている樹脂と、前記実装基板の裏面側に配置された凸レンズと、を備
え、前記発光素子から取り出された光は、前記実装基板の前
記透光性の部分を透過して前記凸レンズに入射し、集光
されて外部に放出されるものとして構成されていること
を特徴とする発光装置。
【請求項１７】前記凸レンズは、前記発光素子をモール
ドしている前記樹脂の一部として構成されていることを
特徴とする請求項１６記載の発光装置。
【請求項１８】前記実装基板の前記透光性の部分は、前
記実装基板に設けられた貫通孔であることを特徴とする
請求項１３〜１７のいずれか１つに記載の発光装置。
【請求項１９】前記発光素子をモールドしている前記樹
脂は、難燃化剤を含有していることを特徴とする請求項
１３、１５および１６のいずれか１つに記載の発光装
置。
【請求項２０】前記発光素子をモールドしている前記樹
脂は、前記発光素子の側面から漏れ出た光を前記実装基
板の前記透光性の部分に反射するように、前記樹脂の側
面が傾斜を有することを特徴とする請求項１３〜１８の
いずれか１つに記載の発光装置。
【請求項２１】前記発光素子をモールドしている前記樹
脂は、光散乱性の材料を含有していることを特徴とする
請求項１３、１５および１６のいずれか１つに記載の発
光装置。
【請求項２２】所定の配線パターンを有する実装基板
と、請求項１〜４および６〜１２のいずれかに記載の発光素
子と、前記発光素子をモールドしている樹脂と、を備え、前記発光素子は、その電極が前記実装基板の前記配線パ
ターンにフリップ・チップ実装されていることを特徴と
する発光装置。
【請求項２３】実装部材と、前記実装部材上に配置された請求項４記載の発光素子
と、前記発光素子をモールドしている樹脂と、を備え、前記発光素子の側面から放出した光は、前記実装部材の
実装面に対して略平行方向に放出されるものとして構成
されていることを特徴とする発光装置。
【請求項２４】前記発光素子の光出射面に配置された蛍
光体をさらに備え、前記発光素子から放出された光が前
記蛍光体によって波長変換されて放出されるものとして
構成されていることを特徴とする請求項１３〜２３のい
ずれか１つに記載の発光装置。
【請求項２５】前記発光素子の光出射面に配置されたフ
ィルタをさらに備え、前記発光素子から放出された光が
前記フィルタによって波長選択されて放出されるものと
して構成されていることを特徴とする請求項１３〜２４
のいずれか１つに記載の発光装置。