JPWO2009001596A1 - 発光素子及び照明装置 - Google Patents
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Abstract
発光素子は、第１導電型窒化ガリウム系化合物半導体層８ａ、窒化ガリウム系化合物半導体から成る発光層８ｂ、及び第２導電型窒化ガリウム系化合物半導体層８ｃが積層された半導体層８と、半導体層８の主面に形成された、半導体層８側から厚み方向に気孔率が大きくなっている多孔質の透明導電層２０、または半導体層８側から厚み方向に屈折率が小さくなっている透明導電層２０と、を具備している。この構成により、光取り出し効率を飛躍的に向上させることが可能な発光素子を得ることができる。
Description
本発明は、発光素子及び照明装置に関するものである。
近年、紫外光領域から青色光までの光を発光する発光素子が注目されている。
このような窒化ガリウム系化合物半導体を用いた発光素子は、蛍光体と組み合わせることにより白色の光を発光することが可能であり、また省エネルギーかつ長寿命であることから、白熱電球や蛍光ランプの代替品として有望視されると共に実用化が始まっている。しかしながら、窒化ガリウム系化合物半導体を用いた発光素子の発光効率は、蛍光灯に比較すると低いため、更なる高効率化が求められており、そのための様々な研究が行われている例えば、下記の特許文献１を参照）。
従来の発光素子の一例の断面図を図３に示す。基板１上にｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層２ａ、窒化ガリウム系化合物半導体層からなる発光層２ｂ及びｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層２ｃより成る半導体層２が形成されていると共に、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層２ａ上とｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層２ｃ上に、それぞれｎ型電極３及びｐ型電極４が形成されている。ｐ型電極４としては、発光した光に対して透明な導電層が用いられ、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層２ｃに電流を均一に拡散させるために、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層２ｃの上面の全面に形成される。ｎ型電極３及びｐ型電極４の一部には、外部から電流を注入するために、それぞれｎ型パッド電極５、ｐ型パッド電極６が設けられており、ワイヤーボンディングによってパッケージの配線等と接続される。また、窒化ガリウム系化合物半導体層の形成に使用される基板１としては、一般的にサファイア基板が使用されている。
特許第３０２６０８７号公報
特開２００５−２５９９７０号公報
アプライド．フィジックス．レターズ．８６．２２１１０１（２００５）（APPLIED.PHYSICS.LETTERS.86.221101 (2005)）
図３の従来の発光素子においては、サファイアから成る基板１の屈折率は、発光層２ｂで発光した光の波長を４００ｎｍとした場合、約１．７８であるのに対して、窒化ガリウム系化合物半導体の屈折率は約２．５５と高い。そのため、発光層２ｂで発光した光のうち、サファイアから成る基板１への光の入射角が臨界角θｒの約４４°（θｒ＝ａｒｃｓｉｎ（１．７８／２．５５））を超える角度で入射する光は、各窒化ガリウム系化合物半導体層を積層してなる半導体層２の内部で全反射を繰り返す。従って、光は半導体層２内で全反射を繰り返す過程で大部分が半導体層２に吸収され、残った光が半導体層２の端部から外部へ向かって放射されるため、発光量が低下するという問題点がある。
さらに、半導体層２の外部環境が空気（屈折率≒１）である場合、これらの媒質間の屈折率差がさらに大きくなり、それらの境界で半導体層２側に反射される光の量が一層増えるため、光取り出し効率はさらに低下する。
従って、本発明は上記従来の技術における問題点に鑑みて完成されたものであり、その目的は、光取り出し効率を飛躍的に向上させることが可能な発光素子を得ることである。
本発明の第１の実施形態に係る発光素子は、第１導電型窒化ガリウム系化合物半導体層、窒化ガリウム系化合物半導体から成る発光層、及び第２導電型窒化ガリウム系化合物半導体層が積層された半導体層と、前記半導体層の主面に形成された、前記半導体層側から厚み方向に気孔率が大きくなっている多孔質の透明導電層とを具備していることを特徴とする。
本発明の第１実施形態に係る照明装置は、上記第１の実施形態に係る発光素子と、前記発光素子からの発光を受けて光を発する蛍光体及び燐光体の少なくとも一方とを具備していることを特徴とする。
また、本発明の第２の実施形態に係る発光素子は、第１導電型窒化ガリウム系化合物半導体層、窒化ガリウム系化合物半導体から成る発光層、及び第２導電型窒化ガリウム系化合物半導体層が積層された半導体層と、前記半導体層の主面に形成された、前記半導体層側から厚み方向に屈折率が小さくなっている透明導電層とを具備していることを特徴とする。
本発明の第２実施形態に係る照明装置は、上記第２の実施形態に係る発光素子と、前記発光素子からの発光を受けて光を発する蛍光体及び燐光体の少なくとも一方とを具備していることを特徴とする。
また、本発明の第３の実施形態に係る発光素子は、発光部と、前記発光部の光放射面に形成された、前記発光部側から厚み方向に気孔率が大きくなっている多孔質の透明導電層とを具備していることを特徴とする。
また、本発明の第４の実施形態に係る発光素子は、発光部と、前記発光部の光放射面に形成された、前記発光部側から厚み方向に屈折率が小さくなっている透明導電層とを具備していることを特徴とする。
本発明の発光素子及び照明装置によれば、光取り出し効率を向上させることができる。
≪発光素子≫
以下、本発明の実施の形態に係る発光素子について、図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、本発明は以下の例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で変更、改良等を施すことは何ら差し支えない。
＜第１の実施形態＞
図１（ａ），（ｂ）は本実施の形態の発光素子（発光ダイオード：ＬＥＤ）について一例を示す模式的な断面図である。図１（ａ），（ｂ）において、７はサファイア等から成る基板、８は窒化ガリウム系化合物半導体層を複数層積層して成る半導体層（積層体）であり、８ａは第１導電型（ｎ型）窒化ガリウム系化合物半導体層、８ｂは窒化ガリウム系化合物半導体層からなる発光層、８ｃは第２導電型（ｐ型）窒化ガリウム系化合物半導体層、９は第１導電型電極としての、あるいは第１導電型電極を形成するための第１導電型導電層、２０ａは第２導電型電極としての、あるいは第２導電型電極を形成するための第２導電型導電層を構成する第１の透明導電層、２０ｂは第２の透明導電層、２０は透明導電層である。
以下、本発明の実施の形態に係る発光素子について、図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、本発明は以下の例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で変更、改良等を施すことは何ら差し支えない。
＜第１の実施形態＞
図１（ａ），（ｂ）は本実施の形態の発光素子（発光ダイオード：ＬＥＤ）について一例を示す模式的な断面図である。図１（ａ），（ｂ）において、７はサファイア等から成る基板、８は窒化ガリウム系化合物半導体層を複数層積層して成る半導体層（積層体）であり、８ａは第１導電型（ｎ型）窒化ガリウム系化合物半導体層、８ｂは窒化ガリウム系化合物半導体層からなる発光層、８ｃは第２導電型（ｐ型）窒化ガリウム系化合物半導体層、９は第１導電型電極としての、あるいは第１導電型電極を形成するための第１導電型導電層、２０ａは第２導電型電極としての、あるいは第２導電型電極を形成するための第２導電型導電層を構成する第１の透明導電層、２０ｂは第２の透明導電層、２０は透明導電層である。
本実施の形態における窒化ガリウム系化合物半導体または窒化物半導体は、化学式ＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）等によって表されるものである。
本実施の形態の発光素子は、図１（ａ）に示すように、第１導電型窒化ガリウム系化合物半導体層８ａ、窒化ガリウム系化合物半導体から成る発光層８ｂ、及び第２導電型窒化ガリウム系化合物半導体層８ｃが積層された半導体層８と、半導体層８の主面に形成された、半導体層８側から厚み方向に気孔率が大きくなっている多孔質の透明導電層２０とを具備している。
上記の構成により、透明導電層２０の屈折率が半導体層８側から厚み方向に徐々に小さくなって行く。その結果、透明導電層２０の全体で厚み方向に緩やかに屈折率を小さくしていき、空気の屈折率に近づけることができ、屈折率の異なる媒質間の界面における光の反射が減少し、光取り出し効率を向上させることが可能となる。
透明導電層２０の屈折率は、透明導電層２０の表面が平坦でないために、分光エリプソメトリー法等の方法によって直接評価することは困難である。従って、透明導電層２０を透過する光の透過率を測定し、その透過率が、厚み方向に屈折率が一定の透明導電層と比較して高いことをもって、実体的に透明導電層２０の屈折率が半導体層８側から厚み方向に徐々に小さくなっていると判断できる。
また、透明導電層２０を表面から研削法またはエッチング法等によって厚みを減少させていき、各厚みごとに透明導電層２０の透過率を測定することによって、透明導電層２０の屈折率を特定することができる。
なお、分光エリプソメトリー法は、具体的には試料の表面から反射された光の偏光状態の変化を測定し、フィッティング解析によって屈折率を求める方法である。
また、透明導電層２０はナノワイヤ状結晶の集合体から成ることがよい。この場合、ナノワイヤ状結晶の形状、大きさ、数（密度）を制御することにより、気孔のサイズ（ナノワイヤ状結晶同士の間の隙間の大きさ）と気孔率を制御することができる。
ナノワイヤ状結晶の集合体は以下のように形成される。
ＩＴＯ層等から成る透明導電層２０を電子ビーム蒸着法によって形成する場合、電子ビーム蒸着装置内にガス導入を行わずに基板７の温度を上げた状態で、透明導電層２０の電子ビーム蒸着を行う。そうすると、透明導電層２０を構成する金属酸化物結晶の結晶成長速度に異方性が現われ、金属酸化物結晶の形状はアスペクト比が大きい形状となるため、金属酸化物結晶を堆積させる際に隙間が生じる。その隙間が光の波長以下である場合、金属酸化物結晶のアスペクト比が大きくなるほど隙間の割合が増えるため、アスペクト比の増大に伴って屈折率が低下する。従って、透明導電層２０の形成の初期から基板７の温度を連続的に高めていくことによって、屈折率が厚み方向に低下する透明導電層２０が得られる。
さらに、金属酸化物結晶のアスペクト比が高まると、最終的には温度４００℃程度で成膜することによって、金属酸化物結晶は、直径２０ｎｍ以下、長さ５００ｎｍ以上のナノワイヤ状結晶となる。そして、ナノワイヤ状結晶同士の隙間が光の波長と同程度かそれ以上になると、その隙間において光が屈折するため、透明導電層２０は光を散乱させるものとなる。以上のように形成された透明導電層２０は還元されて一部金属（Ｉｎ等）となり透過率が低下しているため、最後に大気雰囲気で６００℃で５分程度の酸化処理を施す。
なお、ナノワイヤ状結晶の集合体は、図４（ａ）の拡大断面図及び図４（ｂ）の拡大平面図に示すように、多数のナノワイヤ状結晶がランダムな向きに長手方向が成長して堆積したものである。
また、図１（ｂ）に示すように、透明導電層２０は、半導体層８側に形成された導電性微粒子の集合体から成る第１の透明導電層２０ａと、第１の透明導電層２０ａ上に形成されたナノワイヤ状結晶の集合体から成る第２の透明導電層２０ｂとを有する構成であってもよい。
第１の透明導電層２０ａと第２の透明導電層２０ｂとを有する透明導電層２０は、上述した通り、透明導電層２０を電子ビーム蒸着法によって形成する際に、基板７の温度を連続的に高めていくことによって形成することができる。例えば、ＩＴＯ層から成る第１の透明導電層２０ａと第２の透明導電層２０ｂは、基板７の温度を形成の初期に室温とし、形成の終期に４００℃とすればよい。そして形成後に大気雰囲気で６００℃、５分程度の酸化処理を施す。この場合、第１の透明導電層２０ａの形成に引き続いて第２の透明導電層２０ｂを連続的に形成することができる。この場合、第１の透明導電層２０ａは半導体層８側から厚み方向に気孔率が大きくなっている。
透明導電層２０の材質は、亜鉛，インジウム，錫及びマグネシウムのうちの少なくとも１種の酸化物から成ることが好ましい。この場合、透明導電層２０は、紫外光から青色光に対して高い透過率を有するだけでなく、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層と良好なオーミック接触が得られるものとなる。
具体的には、透明導電層２０は、酸化インジウム錫（ＩＴＯ），酸化錫（ＳｎＯ2），酸化亜鉛（ＺｎＯ）等の金属酸化物系のものから成ることが良いが、これらの中では特に酸化インジウム錫（ＩＴＯ）は紫外光から青色光に対して高い透過率を有するだけでなく、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層８ｃと良好なオーミック接触が得られるために好適である。透明導電層２０は、電子ビーム蒸着法やゾルゲル法を用いて形成することができる。
また、本実施の形態の上記の発光素子（ＬＥＤ）は次のように動作する。即ち、発光層８ｂを含む半導体層８にバイアス電流を流して、発光層８ｂで波長３５０〜４００ｎｍ程度の紫外光〜近紫外光や紫光を発生させ、発光素子の外側にその紫外光〜近紫外光や紫光を取り出すように動作する。
なお、上記の実施の形態においては、第１導電型をｎ型、第２導電型をｐ型としたが、第１導電型をｐ型、第２導電型をｎ型としてもよい。
＜第２の実施形態＞
図２（ａ），（ｂ）は本実施の形態の発光素子（発光ダイオード：ＬＥＤ）について他例を示す模式的な断面図である。本実施の形態の発光素子は、第１導電型窒化ガリウム系化合物半導体層８ａ、窒化ガリウム系化合物半導体から成る発光層８ｂ、及び第２導電型窒化ガリウム系化合物半導体層８ｃが積層された半導体層８と、半導体層８の主面に形成された、半導体層８側から厚み方向に屈折率が小さくなっている透明導電層２１とを具備している。
＜第２の実施形態＞
図２（ａ），（ｂ）は本実施の形態の発光素子（発光ダイオード：ＬＥＤ）について他例を示す模式的な断面図である。本実施の形態の発光素子は、第１導電型窒化ガリウム系化合物半導体層８ａ、窒化ガリウム系化合物半導体から成る発光層８ｂ、及び第２導電型窒化ガリウム系化合物半導体層８ｃが積層された半導体層８と、半導体層８の主面に形成された、半導体層８側から厚み方向に屈折率が小さくなっている透明導電層２１とを具備している。
上記の構成により、従来のように透明導電層の屈折率は一定で透明導電層の表面に凹凸構造を形成する場合と比較して、屈折率の変化を緩やかにすることができる。その結果、屈折率の異なる媒質間の界面における光の反射が減少し、光取り出し効率を向上させることが可能となる。
透明導電層２１は半導体層８側から厚み方向に屈折率が小さくなっているが、屈折率を小さくする手段として、半導体層８側から厚み方向に気孔率を大きくする（屈折率が約１の空気の含有率を高める）手段、半導体層８側から厚み方向に屈折率が小さくなるように材質を変化させる手段、半導体層８側から厚み方向に屈折率が小さくなるように他の成分を含有させる手段等がある。
本実施の形態においては、好ましい手段として、半導体層８側から厚み方向に透明導電層２１の気孔率を大きくする（屈折率が約１の空気の含有率を高める）手段を用いる。この場合、透明導電層２１の屈折率は厚み方向に徐々に小さくなって行く。その結果、透明導電層２１の全体で厚み方向に緩やかに屈折率を小さくしていき、空気の屈折率に近づけることができ、屈折率の異なる媒質間の界面における光の反射が減少し、光取り出し効率を向上させることが可能となる。
透明導電層２１が単層構成の場合の厚みは、全体で厚み方向に緩やかに屈折率を小さくしていく観点から、０．０５〜１μｍが好ましい。透明導電層２１の厚みを０．０５〜１μｍとすることによって、厚み方向に緩やかに屈折率を小さくしていくことが容易になり、また、透明導電層２１における光の吸収を抑えて、光取り出し効率が低下することを抑制することができる。
透明導電層２１の材質は、亜鉛，インジウム，錫及びマグネシウムのうちの少なくとも１種の酸化物から成ることが好ましい。この場合、透明導電層２１は、紫外光から青色光に対して高い透過率を有するだけでなく、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層と良好なオーミック接触が得られるものとなる。
具体的には、透明導電層２１は、酸化インジウム錫（ＩＴＯ），酸化錫（ＳｎＯ2），酸化亜鉛（ＺｎＯ）等の金属酸化物系のものから成ることが良い。これらの中では特に酸化インジウム錫（ＩＴＯ）は紫外光から青色光に対して高い透過率を有するだけでなく、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層８ｃと良好なオーミック接触が得られるために好適である。透明導電層２１は、電子ビーム蒸着法やゾルゲル法を用いて形成することができる。
また、ＩＴＯ層の屈折率を制御するには、電子ビーム蒸着法で形成する場合、外部より酸素導入を行わない状態として、基板７の温度を制御するという方法を用いることができる。従って、ＩＴＯ層を形成する際に、形成の初期から終期にわたって、基板７の温度を徐々に高めていくことによって屈折率に傾斜をつけることができる。なお、蒸着時にＩＴＯ層が還元されるため、成膜後の酸化が必要である。また、ＩＴＯ層をゾルゲル法で形成する場合、焼結温度を制御するという方法を用いることができる。従って、ＩＴＯ層を形成する際に、形成の初期から終期にわたって、焼結温度を徐々に低くしていくことによって屈折率に傾斜をつけることができる。
また、透明導電層２１は導電性微粒子の集合体から成ることがよい。この場合、導電性微粒子の形状及び大きさを制御することにより、気孔のサイズ（導電性微粒子同士の間の隙間の大きさ）と気孔率を制御することができる。
一般に、ＩＴＯ層等の透明導電層２１は導電性微粒子の集合体から成るものであり、電子ビーム蒸着法やゾルゲル法等によって形成される。導電性微粒子の形状及び大きさを制御するには、上記のように、温度を制御するという方法を用いることができる。
また、透明導電層２１はナノワイヤ状結晶の集合体から成ることがよい。この場合、導電性微粒子の集合体から成る場合と同様に、ナノワイヤ状結晶の形状、大きさ、数（密度）を制御することにより、気孔のサイズ（ナノワイヤ状結晶同士の間の隙間の大きさ）と気孔率を制御することができる。
導電性微粒子およびナノワイヤ状結晶の集合体は以下のように形成される。
導電性微粒子の集合体を電子ビーム蒸着法によって形成する場合、透明導電層（ＩＴＯ層）２１を形成する際に、ガス導入を行わずに基板７の温度を上げた状態でＩＴＯ層の電子ビーム蒸着を行う。そうすると、ＩＴＯ層を構成する金属酸化物結晶の結晶成長速度に異方性が現われ、金属酸化物結晶の形状はアスペクト比が大きい形状となるため、金属酸化物結晶を堆積させる際に隙間が生じる。その隙間が光の波長以下である場合、金属酸化物結晶のアスペクト比が大きくなるほど隙間の割合が増えるため、アスペクト比の増大に伴って屈折率が低下する。従って、ＩＴＯ層の形成の初期から基板７の温度を連続的に高めていくことによって、屈折率が厚み方向に低下するＩＴＯ層が得られる。
さらに、アスペクト比が高まると、最終的には温度４００℃程度で成膜することで金属酸化物結晶は、直径２０ｎｍ以下、長さ５００ｎｍ以上のナノワイヤ状結晶となる。そして、ナノワイヤ状結晶同士の隙間が光の波長と同程度かそれ以上になると、その隙間において光が屈折するため、透明導電層２１は光を散乱させるものとなる。以上のように形成されたＩＴＯ層は還元されて一部金属Ｉｎとなり透過率が低下しているため、最後に大気雰囲気で６００℃で５分程度の酸化処理を施す。
なお、ナノワイヤ状結晶の集合体は、多数のナノワイヤ状結晶がランダムな向きに長手方向が成長して堆積したものである。
導電性微粒子の集合体をゾルゲル法によって形成する場合、導電性微粒子同士の隙間は、一般的に焼結温度が高くなるほど緻密な層となる。従って、形成の初期から焼結温度を徐々に低くしていくと、導電性微粒子同士の隙間を厚み方向に徐々に大きくすることが可能である。
従って、第１の透明導電層２１ａをゾルゲル法によって形成する場合、導電性微粒子同士の隙間が光の波長以下になる範囲内でその隙間を大きくすることによって、第１の透明導電層１０の屈折率を厚み方向に低下させることができる。更に、第２の透明導電層２１ｂをゾルゲル法によって形成する場合、光散乱を生じさせるために、より焼結温度を低くしていくと、隙間が光の波長より大きくなり好適である。
またこの場合、第１及び第２の透明導電層２１ａ，２１ｂをゾルゲル法によって連続的に形成することもできる。
また、図２（ｂ）に示すように、透明導電層２１は、半導体層８側に形成された導電性微粒子の集合体から成る第１の透明導電層２１ａと、第１の透明導電層２１ａ上に形成されたナノワイヤ状結晶の集合体から成る第２の透明導電層２１ｂとを有する構成であることが好ましい。
第１の透明導電層２１ａと第２の透明導電層２１ｂとを有する透明導電層２１は、上述した通り、透明導電層２１を電子ビーム蒸着法によって形成する際に、基板７の温度を連続的に高めていくことによって形成することができる。例えば、ＩＴＯ層から成る第１の透明導電層２１ａと第２の透明導電層２１ｂは、基板７の温度を形成の初期に室温とし、形成の終期に４００℃とすればよい。そして形成後に大気雰囲気で６００℃、５分程度の酸化処理を施す。この場合、第１の透明導電層２１ａの形成に引き続いて第２の透明導電層２１ｂを連続的に形成することができる。
図２（ｂ）の構成においては、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層８ｃの上に第１の透明導電層２１ａを形成しているが、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層８ｃと第１の透明導電層２１ａとの間に、接触抵抗低減のために、Ｎｉ等から成る金属層を挿入しても構わない。
半導体層８の一方主面（図２では上面）に、その一方主面から厚み方向に屈折率が小さくなる第１の透明導電層２１ａと、光を散乱させる為のナノワイヤ状結晶の集合体から成る第２の透明導電層２１ｂが順次形成されているが、形成プロセスを容易にするために、第１の透明導電層２１ａは屈折率が一定（例えばＩＴＯであればｎが２．０程度）の緻密層であっても構わない。その場合にも、第２の透明導電層２１ｂによる光散乱効果により光取り出し効率が向上する。なお、図２（ａ），（ｂ）において１４は第２の透明導電層２１ｂと外部の空気との界面で半導体層８内に反射した光をもう一度半導体層８の一方主面に効率よく反射させる反射層である。
第１の透明導電層２１ａの厚みは５０ｎｍ〜１μｍがよい。第１の透明導電層２１ａの厚みを５０ｎｍ〜１μｍとすることにより、厚さ方向に屈折率の変化が現われ易くなり、また、第１の透明導電層２１ａにおける光の吸収を抑えて、光取り出し効率が低下することを抑制することができる。
第２の透明導電層２１ｂは、第１の透明導電層２１ａと同じ材質または異なる材質から成る。第２の透明導電層２１ｂの厚みは１００ｎｍ〜５μｍがよい。第２の透明導電層２１ｂの厚みは１００ｎｍ〜５μｍとすることにより、光の散乱を十分に生じさせることができ、また、第２の透明導電層２１ｂにおける光の吸収を抑え、さらに形成時間を短くして生産性を向上させることができる。
反射層１４としては、例えば、高屈折率層と低屈折率層を交互に複数層重ねることによって、光の干渉効果によるブラッグ反射により高屈折率層と低屈折率層の反射が強め合う効果を有する分布型ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ：Distributed Bragg Reflectors）を用いることがよい。具体的には、厚みが４１．５ｎｍのＧａＮ層と、厚みが３８．５ｎｍのＡｌ0.52Ｇａ0.48Ｎ層を２０組積層した、ＤＢＲ周期構造を形成することによって、発光波長４００ｎｍの光に対して非常に良好な反射率を有する反射層１４が得られる。
半導体層８は、サファイア，ＳｉＣ，窒化ガリウム系化合物半導体（ＧａＮ等）等から成る基板７上に、ＧａＮ層等の窒化ガリウム系化合物半導体から成るバッファ層及び反射層１４を介して、エピタキシャル成長される。反射層１４により、基板７側へ向かう光は光取り出し方向である透明導電層２１側に反射されるために、光取り出し方向へと有効に集光することが可能になる。
本実施の形態の半導体層８は、発光層８ｂを、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層８ａとｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層８ｃとで挟んだ構成であるが、例えば、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層８ａは、第１のｎ型クラッド層としてのＧａＮ層、第２のｎ型クラッド層としてのＩｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ層の積層体等からなる。このｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層８ａの厚みは２μｍ〜３μｍ程度である。
また、例えば、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層８ｃは、第１のｐ型クラッド層としてのＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ層、第２のｐ型クラッド層としてのＡｌ0.15Ｇａ0.85Ｎ層、ｐ型コンタクト層としてのＧａＮ層の積層体等からなる。このｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層８ｃの厚みは２００ｎｍ〜３００ｎｍ程度である。
また、例えば、発光層８ｂは、禁制帯幅の広い障壁層としてのＩｎ0.01Ｇａ0.99Ｎ層と、禁制帯幅の狭い井戸層としてのＩｎ0.11Ｇａ0.89Ｎ層とを、交互に例えば３回繰り返し規則的に積層した多重量子井戸構造（ＭＱＷ：Multi Quantum Well）等からなる。この発光層８ｂの厚みは２５ｎｍ〜１５０ｎｍ程度である。
ｎ型導電層９の材質は、発光層８ｂから発生した光を損失なく反射し、かつｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層８ａと良好なオーミック接続がとれるものがよい。そのような材質のものとしては、例えばアルミニウム（Ａｌ），チタン（Ｔｉ），ニッケル（Ｎｉ），クロム（Ｃｒ），インジウム（Ｉｎ），錫（Ｓｎ），モリブデン（Ｍｏ），銀（Ａｇ），金（Ａｕ），ニオブ（Ｎｂ），タンタル（Ｔａ），バナジウム（Ｖ），白金（Ｐｔ），鉛（Ｐｂ），ベリリウム（Ｂｅ），酸化インジウム（Ｉｎ2Ｏ3），金−シリコン（Ａｕ−Ｓｉ）合金，金−ゲルマニウム（Ａｕ−Ｇｅ）合金，金−亜鉛（Ａｕ−Ｚｎ）合金，金−ベリリウム（Ａｕ−Ｂｅ）合金等を用いればよい。これらの中でも、アルミニウム（Ａｌ）または銀（Ａｇ）は、発光層８ｂが発光する青色光（波長４５０ｎｍ）〜紫外光（波長３５０ｎｍ）の光に対して反射率が高いので好適である。また、アルミニウム（Ａｌ）はｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層８ａとのオーミック接合の点でも特に好適である。また、上記材料の中から選択した層を複数層積層したものとしても構わない。
また、ｎ型導電層９及び第２の透明導電層２１ｂ上には、それぞれ外部との電気的接続をとるための導線等を接続するｎ側パッド電極１２とｐ側パッド電極１３が設けられている。両電極は、例えばチタン（Ｔｉ）層、またはチタン（Ｔｉ）層を下地層として金（Ａｕ）層を積層したものを用いればよい。
＜第３の実施形態＞
また、本実施の形態の発光素子は、発光部と、発光部の光放射面に形成された、発光部側から厚み方向に気孔率が大きくなっている多孔質の透明導電層とを具備している。この構成により、透明導電層の屈折率が発光部側から厚み方向に徐々に小さくなって行く。その結果、透明導電層の全体で厚み方向に緩やかに屈折率を小さくしていき、空気の屈折率に近づけることができ、屈折率の異なる媒質間の界面における光の反射が減少し、光取り出し効率を向上させることが可能となる。
＜第３の実施形態＞
また、本実施の形態の発光素子は、発光部と、発光部の光放射面に形成された、発光部側から厚み方向に気孔率が大きくなっている多孔質の透明導電層とを具備している。この構成により、透明導電層の屈折率が発光部側から厚み方向に徐々に小さくなって行く。その結果、透明導電層の全体で厚み方向に緩やかに屈折率を小さくしていき、空気の屈折率に近づけることができ、屈折率の異なる媒質間の界面における光の反射が減少し、光取り出し効率を向上させることが可能となる。
発光部は、半導体レーザにおける半導体層部、有機ＥＬの発光部、プラズマ発光装置の発光部、液晶表示装置の発光部等の種々の発光部であってよい。従って、この場合の発光素子は、半導体レーザ、有機ＥＬ、プラズマ発光装置、液晶表示装置等である。
＜第４の実施形態＞
また、本実施の形態の発光素子は、発光部と、発光部の光放射面に形成された、発光部側から厚み方向に屈折率が小さくなっている透明導電層とを具備している。この構成により、従来のように透明導電層の屈折率は一定で透明導電層の表面に凹凸構造を形成する場合と比較して、屈折率の変化を緩やかにすることができる。その結果、屈折率の異なる媒質間の界面における光の反射が減少し、光取り出し効率を向上させることが可能となる。
＜第４の実施形態＞
また、本実施の形態の発光素子は、発光部と、発光部の光放射面に形成された、発光部側から厚み方向に屈折率が小さくなっている透明導電層とを具備している。この構成により、従来のように透明導電層の屈折率は一定で透明導電層の表面に凹凸構造を形成する場合と比較して、屈折率の変化を緩やかにすることができる。その結果、屈折率の異なる媒質間の界面における光の反射が減少し、光取り出し効率を向上させることが可能となる。
発光部は、半導体レーザにおける半導体層部、有機ＥＬの発光部、プラズマ発光装置の発光部、液晶表示装置の発光部等の種々の発光部であってよい。従って、この場合の発光素子は、半導体レーザ、有機ＥＬ、プラズマ発光装置、液晶表示装置等である。
≪照明装置≫
また、本実施の形態の発光素子は照明装置に適用できるものであり、その照明装置は、本実施の形態の発光素子と、発光素子からの発光を受けて光を発する蛍光体及び燐光体の少なくとも一方とを具備している構成である。この構成により、輝度及び照度の高い照明装置を得ることができる。この照明装置は、本実施の形態の発光素子を透明樹脂等で覆うか内包するようにし、その透明樹脂等に蛍光体や燐光体を混入させた構成とすればよく、蛍光体や燐光体によって発光素子の紫外光〜近紫外光を白色光等に変換するものとすることができる。また、集光性を高めるために透明樹脂等に凹面鏡等の光反射部材を設けることもできる。このような照明装置は、従来の蛍光灯等よりも消費電力が小さく、小型であることから、小型で高輝度の照明装置として有効である。
≪照明装置≫
また、本実施の形態の発光素子は照明装置に適用できるものであり、その照明装置は、本実施の形態の発光素子と、発光素子からの発光を受けて光を発する蛍光体及び燐光体の少なくとも一方とを具備している構成である。この構成により、輝度及び照度の高い照明装置を得ることができる。この照明装置は、本実施の形態の発光素子を透明樹脂等で覆うか内包するようにし、その透明樹脂等に蛍光体や燐光体を混入させた構成とすればよく、蛍光体や燐光体によって発光素子の紫外光〜近紫外光を白色光等に変換するものとすることができる。また、集光性を高めるために透明樹脂等に凹面鏡等の光反射部材を設けることもできる。このような照明装置は、従来の蛍光灯等よりも消費電力が小さく、小型であることから、小型で高輝度の照明装置として有効である。
本実施の形態の発光素子の実施例について以下に説明する。
図１（ａ）の発光素子を以下のようにして作製した。複数の発光素子の形成領域を有するサファイアから成る基板（母基板）７上の前記形成領域のそれぞれにおいて、以下の処理を行った。
まず、バッファ層（図示せず）として、厚み２０ｎｍの第１のＧａＮ層および厚み２μｍの第２のＧａＮ層を形成した。第１のＧａＮ層は５００℃程度の低温で形成し、７００℃程度でアニール処理を施した。第２のＧａＮ層は１１００℃程度の温度で形成した。低温で形成された第１のＧａＮ層は非晶質状態であるため、基板７と半導体層８との間の格子定数差及び熱膨張係数差による歪みを有効に緩和するものとなる。
次に、反射層１４として、厚み４１．５ｎｍのＧａＮ層と、厚み３８．５ｎｍのＡｌ0.52Ｇａ0.48Ｎ層とを積層した組を２０組積層して、ＤＢＲ（Diffraction Bragg Reflector）周期構造の反射層１４を形成した。
次に、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層８ａとして、厚み２μｍのＳｉドープのｎ型ＧａＮ層、発光層８ｂである、ＩｎＧａＮ層とＧａＮ層を交互に積層した厚み３０ｎｍの多重量子井戸（ＭＱＷ：Multiple Quantum Well）層を、有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ：Metal Organic Vapor Phase Epitaxy）法により順次形成した。
次に、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層８ｃとして、厚み２０ｎｍのＭｇドープのｐ型ＡｌＧａＮキャップ層、厚み２００ｎｍのＭｇドープのｐ型ＡｌＧａＮクラッド層、厚み１０ｎｍのＭｇドープのｐ型ＧａＮコンタクト層を、ＭＯＶＰＥ法により順次形成した。これにより、半導体層８を形成した。
次に、透明導電層２０を以下のようにして作製した。まず、基板７の温度を室温とし、酸素ガスの導入を行わずにＩＴＯ層を１００ｎｍの厚みに堆積させた。その後、基板７の温度を２００℃まで直線的に上昇させる間に更にＩＴＯ層を３００ｎｍの厚み分堆積させ、合計４００ｎｍの厚みの透明導電層２０を形成した。その後、大気雰囲気中で６００℃、５分のアニール処理を行った。
次に、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層８ａの露出部にｎ型導電層９を形成するために、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Reactive Ion Etching）法により、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層８ａが露出するまで発光素子の一部をエッチングし除去した。次に、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層８ａの上面の外周部の露出部に、ｎ型導電層９としてチタン（Ｔｉ）層、アルミニウム（Ａｌ）層を積層した金属層を形成した。
最後に、ｎ型導電層９の表面の一部に、チタン（Ｔｉ）層、金（Ａｕ）層を積層した金属層から成るｎ側パッド電極１２を形成した。また、透明導電層２０上に、チタン（Ｔｉ）層、金（Ａｕ）層を積層した金属層から成るｐ側パッド電極１３を形成した。
最後に、複数の発光素子の形成領域ごとに分断されるようにダイシングを行うことにより、個々の発光素子に分離して、直方体状の発光素子を作製した。
比較例として、透明導電層２０が一様に緻密であること以外は実施例１と同様の構成である図３に示す構成の発光素子を作製した。
これらの発光素子に電流を印加し、発光素子の発光強度を発光素子を囲む積分球において測定した。本実施例１の発光素子は、比較例の発光素子に比べて光取り出し効率が１．５倍であった。
図１（ｂ）の発光素子を以下のようにして作製した。複数の発光素子の形成領域を有するサファイアから成る基板（母基板）７上に実施例１と同じ構成で反射層１４および半導体層８を形成した。
次に、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層８ｃとして、厚み２０ｎｍのＭｇドープのｐ型ＡｌＧａＮキャップ層、厚み２００ｎｍのＭｇドープのｐ型ＡｌＧａＮクラッド層、厚み１０ｎｍのＭｇドープのｐ型ＧａＮコンタクト層を、ＭＯＶＰＥ法により順次形成した。これにより、半導体層８を形成した。
次に、第１の透明導電層１０を以下のようにして作製した。まず、基板７の温度を室温とし、酸素ガスの導入を行わずにＩＴＯ層を１００ｎｍの厚みに堆積させ、その後基板７の温度を２００℃まで直線的に上昇させる間に更にＩＴＯ層を３００ｎｍの厚み分堆積させ、合計４００ｎｍの厚みの第１の透明導電層１０を形成した。続いて、基板７の温度を４００℃に上昇させ、ナノワイヤ結晶状のＩＴＯ層を１μｍの厚みに堆積させて、第２の透明導電層１１を形成した。その後、大気雰囲気中で６００℃、５分のアニール処理を行った。
次に、実施例１と同様にしてｎ型導電層９、ｎ側パッド電極１２及びｐ側パッド電極１３を形成した。
最後に、複数の発光素子の形成領域ごとに分断されるようにダイシングを行うことにより、個々の発光素子に分離して、直方体状の発光素子を作製した。
本実施例２の発光素子に電流を印加し、発光素子の発光強度を発光素子を囲む積分球において測定した。本実施例２の発光素子は、比較例の発光素子に比べて光取り出し効率が１．８倍となった。
Claims (16)
- 第１導電型窒化ガリウム系化合物半導体層、窒化ガリウム系化合物半導体から成る発光層、及び第２導電型窒化ガリウム系化合物半導体層が積層された半導体層と、前記半導体層の主面に形成された、前記半導体層側から厚み方向に気孔率が大きくなっている多孔質の透明導電層とを具備していることを特徴とする発光素子。
- 前記透明導電層はナノワイヤ状結晶の集合体から成ることを特徴とする請求項１記載の発光素子。
- 前記透明導電層は、前記半導体層側に形成された導電性微粒子の集合体から成る第１の透明導電層と、前記第１の透明導電層上に形成されたナノワイヤ状結晶の集合体から成る第２の透明導電層とを有することを特徴とする請求項１記載の発光素子。
- 前記第１の透明導電層は、前記半導体層側から厚み方向に気孔率が大きくなっていることを特徴とする請求項３記載の発光素子。
- 前記透明導電層は、亜鉛，インジウム，錫及びマグネシウムのうちの少なくとも１種の酸化物から成ることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか記載の発光素子。
- 請求項１乃至５のいずれか記載の発光素子と、前記発光素子からの発光を受けて光を発する蛍光体及び燐光体の少なくとも一方とを具備していることを特徴とする照明装置。
- 第１導電型窒化ガリウム系化合物半導体層、窒化ガリウム系化合物半導体から成る発光層、及び第２導電型窒化ガリウム系化合物半導体層が積層された半導体層と、前記半導体層の主面に形成された、前記半導体層側から厚み方向に屈折率が小さくなっている透明導電層とを具備していることを特徴とする発光素子。
- 前記透明導電層は前記半導体層側から厚み方向に気孔率が大きくなっていることを特徴とする請求項７記載の発光素子。
- 前記透明導電層は導電性微粒子の集合体から成ることを特徴とする請求項７または８記載の発光素子。
- 前記透明導電層はナノワイヤ状結晶の集合体から成ることを特徴とする請求項７または８記載の発光素子。
- 前記透明導電層は、前記半導体層側に形成された導電性微粒子の集合体から成る第１の透明導電層と、前記第１の透明導電層上に形成されたナノワイヤ状結晶の集合体から成る第２の透明導電層とを有することを特徴とする請求項７または８記載の発光素子。
- 前記第１の透明導電層は、前記半導体層側から厚み方向に気孔率が大きくなっていることを特徴とする請求項１１記載の発光素子。
- 前記透明導電層は、亜鉛，インジウム，錫及びマグネシウムのうちの少なくとも１種の酸化物から成ることを特徴とする請求項７乃至１２のいずれか記載の発光素子。
- 発光部と、前記発光部の光放射面に形成された、前記発光部側から厚み方向に気孔率が大きくなっている多孔質の透明導電層とを具備していることを特徴とする発光素子。
- 発光部と、前記発光部の光放射面に形成された、前記発光部側から厚み方向に屈折率が小さくなっている透明導電層とを具備していることを特徴とする発光素子。
- 請求項７乃至１５のいずれか記載の発光素子と、前記発光素子からの発光を受けて光を発する蛍光体及び燐光体の少なくとも一方とを具備していることを特徴とする照明装置。
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