WO2007105626A1 - 発光素子 - Google Patents

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WO2007105626A1
WO2007105626A1 PCT/JP2007/054654 JP2007054654W WO2007105626A1 WO 2007105626 A1 WO2007105626 A1 WO 2007105626A1 JP 2007054654 W JP2007054654 W JP 2007054654W WO 2007105626 A1 WO2007105626 A1 WO 2007105626A1
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WO
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light
layer
emitting element
semiconductor layer
silver
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PCT/JP2007/054654
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Inventor
Hiroshi Fukushima
Masaharu Yasuda
Kazuyuki Yamae
Original Assignee
Matsushita Electric Works, Ltd.
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Publication date
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    • H10K50/00—Organic light-emitting devices
    • H10K50/80—Constructional details
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    • H10K50/854—Arrangements for extracting light from the devices comprising scattering means
    • H—ELECTRICITY
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    • H10K50/80—Constructional details
    • H10K50/85—Arrangements for extracting light from the devices
    • H10K50/858—Arrangements for extracting light from the devices comprising refractive means, e.g. lenses

Definitions

  • the present invention relates to a light emitting device having a semiconductor power.
  • a III-V compound hereinafter referred to as a nitride
  • a VI compound is used to form a quantum well therein, and a current is passed from the outside, and electrons are generated in the quantum well.
  • the development of light-emitting elements that generate light by combining holes with holes is remarkable.
  • the most commonly used material for the III-V compound is GaN of the nitride. Since the refractive index of nitride, including this GaN, is greater than 1, there is a problem in extracting light from the light emitting device to the atmosphere. Taking the case of GaN as an example, since the refractive index is about 2.5, it is incident on the boundary at an angle larger than a predetermined angle (for example, 23.6 degrees) with respect to the normal of the boundary between GaN and the atmosphere. The emitted light is not emitted into the atmosphere, but is totally reflected at the interface, and is confined in the GaN layer of the light emitting device.
  • a conical region formed in a region having an angle smaller than a predetermined angle with respect to the normal is referred to as an escape cone (escape cone).
  • Patent Document 2 discloses a technique for improving the light extraction efficiency by forming a periodic regular interface structure at an arbitrary interface of an LED as shown in FIG. This According to this technology, the light extraction efficiency of light incident at an angle greater than the total reflection angle is improved, and depending on the shape, it is possible to obtain a light extraction efficiency that is more than twice that of the case without this structure. Become.
  • Non-Patent Document 1 discloses a technique of forming a random texture or roughing the surface of a semiconductor LED as shown in FIG. According to this technology, the random texture formed on the surface randomizes the angular distribution of the light rays in the element, and the probability of light escaping after multiple passes by the element structure increases. As a result, the light extraction efficiency is improved. It becomes possible to improve. Note that the hatched layer in FIG. 36 is an active layer.
  • Patent Document 2 discloses a method of improving light extraction efficiency by adopting a resonator structure to limit the light distribution of emitted light within the escape cone.
  • this method adopts a resonator structure, accuracy of the resonator length (semiconductor layer thickness) is required, and it is difficult to improve the yield.
  • the resonator structure in principle, not all light emission can be controlled into the escape cone, and the improvement of the light extraction efficiency is limited to about 50%.
  • the intensity of a light beam that takes multiple paths is greatly reduced due to absorption in a reflective layer such as an electrode before it escapes.
  • the light extraction efficiency may decrease if the shape is random, not just the pitch. Does not improve. This fact has been confirmed by experiments by the present inventors by transferring and reproducing a random rough surface shape obtained by wet etching of polycrystalline silicon on the light extraction surface.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Laid-Open No. 07-202257
  • Patent Document 2 Japanese Patent Laid-Open No. 10-4209
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a semiconductor light emitting device capable of efficiently extracting light to the outside.
  • the light-emitting device has unevenness formed at a pitch larger than the wavelength in the semiconductor layer of the light emitted from the light-emitting layer over the entire surface or a part of the surface from which the light is extracted from the semiconductor layer. And a reflection layer formed on the surface of the semiconductor layer opposite to the surface from which the light is extracted and having a reflectance of 90% or more.
  • this reflectance is the reflectance of the reflective layer with respect to the semiconductor layer because the reflective layer is formed on the surface of the semiconductor layer.
  • the light emitting device according to the present invention can be applied not only to LEDs but also to laser diodes, organic EL, inorganic EL, and the like.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing the structure of a light-emitting element according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 2 is a top view of the light emitting element according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a diagram showing the effect of the concavo-convex portion 14,
  • FIG. 3A shows a light emitting element in which the concavo-convex portion 14 is not formed
  • FIG. 3B shows a light emitting element in which the concavo-convex portion 14 is formed
  • 3C shows the case where the interval A between the convex portions 141 of the concave and convex portions 14 is set to 10 times or more of the wavelength of light.
  • FIG. 4 is a graph showing an effect obtained by combining the uneven portion 14 and the reflective layer 2.
  • FIG. 5 is a diagram showing the uneven portion 14 of the light-emitting element according to Embodiment 2 with an enlarged oblique visual acuity.
  • FIG. 7 is a top view showing the convex portion 141a when the convex portion 141a has a Fresnel lens shape.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view of the light emitting device when the convex portion 141a shown in FIG. 7 is cut along the line indicated by reference numerals VIII-VIII.
  • FIG. 9 is a diagram showing a structure of a light-emitting element when the small lens portion 142a of the Fresnel lens shown in FIG. 8 is configured by a sub-wavelength diffraction grating.
  • A is a sectional view showing a detailed structure of a sub-wavelength diffraction grating
  • (b) is a top view of (a)
  • (c) is an enlarged view of a region D1 in (b). .
  • FIG. 10 is a cross-sectional view when the convex portion 141a is constituted by a zone plate.
  • FIG. 11 A sectional view showing the structure of the light emitting device according to the fifth embodiment.
  • FIG. 13A is a graph showing a light distribution of light emitted from the light emitting layer 12, and FIG.
  • 3B is a graph showing the transmission characteristics depending on the shape of the uneven portion 14.
  • FIG. 14 is a diagram for explaining the layer thickness of DBR.
  • Figure 16 shows the reflectance characteristics of silver or silver alloy and DBR, and aluminum and DB.
  • FIG. 16B is a graph showing the reflectance characteristics of R
  • FIG. 16B is a graph showing the reflectance characteristics of the light emitting device of FIG.
  • FIG. 17 is a diagram showing the structure of the reflective layer 2c used in the simulation.
  • FIG. 18 is a simulation result showing the angle dependence of the reflectance in the reflective layer 2c.
  • 19] A sectional view showing the structure of the light-emitting element according to the eighth embodiment.
  • FIG. 20 is a diagram showing the structure of the reflective layer 2d used in the simulation.
  • FIG. 21 is a simulation result showing the angle dependence of the reflectance in the reflective layer 2d.
  • FIG. 22 is a cross-sectional view showing the structure of the light-emitting element according to Embodiment 9.
  • FIG. 23 is an enlarged view of the reflective layer 2e when an inverse opal structure photonic crystal is used as the photonic crystal.
  • FIG. 24 is a cross-sectional view of a porous Si photonic crystal.
  • FIG. 25 is an enlarged view of a photonic crystal prepared by a rotary evaporation method.
  • FIG. 26 is a cross-sectional view showing a structure of the light emitting element according to the tenth embodiment.
  • FIG. 27 is a view three-dimensionally showing the light emission distribution of light emitted from the light emitting layer 12.
  • FIG. 28 is a cross-sectional view showing the structure of the light-emitting element according to the eleventh embodiment.
  • FIG. 29 is a cross-sectional view showing the structure of the n-type electrode 5.
  • FIG. 30 is a view showing a manufacturing method in the case where the uneven portion 14 is deposited.
  • FIG. 31 is a cross sectional view showing a structure of a light emitting device according to a twelfth embodiment.
  • FIG. 32 is a cross-sectional view showing another configuration of the wavelength conversion layer in the light emitting device according to Embodiment 12.
  • FIG. 33 is a diagram showing angle average reflectance characteristics.
  • FIG. 34 is a diagram showing a conventional technique.
  • FIG. 35 is a diagram showing a conventional technique.
  • FIG. 36 is a diagram showing a conventional technique.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing the structure of a light-emitting device according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 1 is a cross section of one chip, and the size of one chip is, for example, 0.3 to 1 mm square.
  • FIG. 2 shows a partial front view of FIG.
  • the light-emitting element includes a semiconductor layer 1 made of a GaN-based material and a reflective layer 2 formed on the lower surface of the semiconductor layer 1.
  • the semiconductor layer 1 includes a P-type semiconductor layer 11 formed on the upper surface of the reflective layer 2, a light-emitting layer 12 formed on the upper surface of the p-type semiconductor layer 11, and an n-type semiconductor formed on the upper surface of the light-emitting layer 12. With layer 13;
  • the interval A is longer than the wavelength in the semiconductor layer 1 of light emitted from the light emitting layer 12.
  • the interval A is ⁇ .
  • the surface from which light is extracted is the upper surface of the ⁇ -type semiconductor layer 13. From the viewpoint of improving the light extraction efficiency, it is preferable that the cross-sectional shape of the projections and depressions in the convex portion 141 is substantially similar.
  • the convex portion 141 has a circular shape with a top vision. That is, each of the convex portions 141 has a cylindrical shape having the same height and the same radius.
  • the reflection layer 2 is composed of a member such as metal having a reflectivity of 90% or more with respect to the wavelength of light emitted from the light emitting layer 12. Note that this type of light-emitting element can be easily manufactured by using a MOCVD method known to those skilled in the art.
  • FIG. 3 is a diagram showing the effect of the uneven portion 14, FIG. 3B shows a light emitting element in which the uneven portion 14 is not formed, and FIG. 3B shows a light emitting element in which the uneven portion 14 is formed.
  • FIG. 3C shows a case where the interval ⁇ of the convex portion 141 of the concave and convex portion 14 is set to 10 times or more of the wavelength of light. As shown in FIG.
  • the uneven portion 14 having a distance A larger than the wavelength of the light emitted from the light emitting layer 12 is formed on the surface of the upper surface S1, the uneven portion 14 is not taken out.
  • the reflected light L1 is affected by diffraction and scattering by the concavo-convex portion 14, and is reflected in a direction other than regular reflection with respect to the upper surface S1 (angle conversion action).
  • the light emitted in the direction outside the escape cone at the beginning of light emission is eventually escaped by repeating multiple reflections and taken out from the concavo-convex portion 14.
  • FIG. 4 is a graph showing an effect obtained by combining the uneven portion 14 and the reflective layer 2.
  • a graph C1 in which white circles ⁇ are plotted shows the light-emitting element according to Embodiment 1 including the semiconductor layer 1 having the concavo-convex portion 14 formed on the upper surface S1 of the semiconductor layer 1 and the reflective layer 2, and a black square ⁇
  • a graph C2 in which is plotted shows a light-emitting element including a planar semiconductor layer and a reflective layer in which the uneven portion 14 is not formed on the upper surface S1.
  • the light extraction efficiency gradually increases when the reflectance of the reflective layer 2 is 0 to 85%.
  • the reflectance of the reflective layer 2 It can be seen that the light extraction efficiency increases sharply when the value exceeds 85%. In particular, in the region where the reflectance of the reflective layer 2 is 90% or more, it can be seen that when the reflectance of the reflective layer 2 increases by 5%, the light extraction efficiency increases by about 20%. From the above, the reflectance of the reflective layer 2 is 85% or more, more preferably 90% to 100%, and still more preferably 95% to 100%.
  • the light extraction efficiency increases linearly as the reflectance of the reflective layer 2 increases. Is significantly lower than the increase rate in the region of 0 to 85% in the graph C1, and the light extraction efficiency is less than 10% even when the reflection layer 2 has a reflectivity of 100%. Therefore, it can be seen that even if the reflective layer 2 is provided, the light extraction efficiency is hardly improved unless the uneven portion 14 is provided. Therefore, in the light-emitting element according to Embodiment 1, the light extraction efficiency can be significantly improved by the synergistic effect obtained by combining the uneven portion 14 and the reflective layer 2.
  • the uneven portion 14 is formed on the upper surface S1 of the semiconductor layer 1, and the reflectance is 90% on the lower surface S2. Since the above reflective layer 2 is formed, the light extraction efficiency can be improved.
  • the semiconductor layer 1 is a p-type formed on the upper surface of the reflective layer 2.
  • a protrusion 141 is formed on the upper surface of the n-type semiconductor layer 13.
  • the semiconductor layer 1 includes an n-type semiconductor layer 13 formed on the upper surface of the reflective layer 2, a light-emitting layer 12 formed on the upper surface of the n-type semiconductor layer 13, and And a P-type semiconductor layer 11 formed on the upper surface of the light-emitting layer 12, and convex portions 141 may be formed on the upper surface of the p-type semiconductor layer 11 at regular intervals.
  • the n-type semiconductor layer 13 and the p-type semiconductor layer 11 can be interchanged with each other in the same manner.
  • the light emitting device according to the second embodiment is characterized in that the structure of the concavo-convex portion 14 is different from that of the light emitting device according to the first embodiment.
  • FIG. 5 is an enlarged view of the concavo-convex portion 14 of the light-emitting element according to Embodiment 2 in an obliquely upward visual acuity. Note that the light-emitting element according to the second embodiment is the same as the light-emitting element according to the first embodiment except for the structure of the concavo-convex portion 14, and thus the description thereof is omitted.
  • the convex part 141 is arranged at an interval A with a certain variation at random within a range that is less than 184 nm, centered on several hundreds (eg 500) nm, the force of the concave convex part 14 is not extracted. Since the reflected light is reflected at an angle other than regular reflection and at an angle with a certain variation in the force, the probability of exiting after multiple reflections and being extracted from the concavo-convex portion 14 can be increased.
  • the convex portion 141 having a random interval A is maskless and easy by using light-assisted etching that performs etching while irradiating light using a KOH solution (a potassium hydroxide solution). It can be manufactured at low cost.
  • the shape of the convex portion 141 is easy to manufacture.
  • the present invention is not limited to this, and depending on the characteristics of the material used as the semiconductor layer 1, a shape that is easy to manufacture, such as a quadrangular pyramid, a triangular pyramid, or a cone, is adopted. May be.
  • the convex portion 141 is formed on the upper surface S1 of the semiconductor layer 1 so that the interval A is random. Light force that is not extracted Since light is reflected at various angles, the light extraction efficiency can be further increased.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view showing the structure of the light emitting device according to the third embodiment.
  • the light emitting device according to the third embodiment is characterized in that the shape of the upper surface S1 of the semiconductor layer 1 has a lens function.
  • the lens action is an action of condensing or diverging like a convex lens or a concave lens.
  • the same components as those in the first and second embodiments are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted. More specifically, the example shown in FIG.
  • each convex portion 141a constituting the concave and convex portion 14a is a convex lens shape.
  • the interval A between the convex portions 141 a is ⁇ ⁇ when the wavelength of light emitted from the light emitting layer 12 is obtained and the refractive index of the semiconductor layer 1 is n.
  • the shape of the convex portion 141a into a convex lens shape, the light distribution of the light extracted from the concave and convex portion 14a can be controlled, and the light emitting device suitable as a light emitting device for a lighting fixture Can be provided.
  • the shape of the convex portion 141a is not limited to the convex lens shape, and can be changed as appropriate depending on how the light distribution of the light extracted from the concave and convex portion 14a is controlled.
  • the shape of the convex portion 141a may be a Fresnel lens shape as shown in FIG. 7, instead of the convex lens shape shown in FIG.
  • FIG. 7 shows a top view of the convex portion 141a when the convex portion 141a has a Fresnel lens shape.
  • FIG. 8 shows a cross-sectional view of the light emitting device when the convex portion 141a shown in FIG. 7 is cut along a line indicated by reference numerals VII I-VIII.
  • the small lens portion 142a constituting the Fresnel lens shown in FIG. 8 has a sub-wavelength diffraction grating composed of a plurality of minute cylindrical convex portions 143a having different radii as shown in FIG. 9 (a).
  • FIG. 9 (a) is a diagram showing a detailed structure of the sub-wavelength diffraction grating
  • FIG. 9 (b) is a top view of (a)
  • (c) is an enlarged view of region D1 in (b).
  • FIG. 9 (a) is a diagram showing a detailed structure of the sub-wavelength diffraction grating
  • FIG. 9 (b) is a top view of (a)
  • (c) is an enlarged view of region D1 in (b).
  • the radius of the convex portion 143a is changed according to the inclination of the surface of the small lens portion 142a with respect to the horizontal plane. More specifically, the radius of the convex portion 143a is determined so that the radius increases as the inclination of the surface of the small lens portion 142a becomes gentle.
  • the radius of the convex portion 143a is smaller than the wavelength in the semiconductor layer 1 of the light emitted from the light emitting layer 12.
  • the convex portion 141a shown in FIG. 7 may be configured by a zone plate as shown in FIG.
  • the uneven portion 14a shown in Embodiment 3 can be easily realized by using a known thermal reflow method or nanoprint method.
  • the convex portion 141a has a shape having a lens action, and thus a light-emitting element suitable for lighting equipment can be provided.
  • the convex portion 14 la has a Fresnel lens shape, a sub-wavelength diffraction grating shape, and a zone plate shape, so that the focal distance of light transmitted through the convex portion 141a can be controlled without increasing the thickness of the convex portion 141a. It becomes possible.
  • the light-emitting element according to the fourth embodiment is characterized in that an alloy containing silver as a main component (silver alloy) is employed as a member constituting the reflective layer 2 of the light-emitting element according to the first to third embodiments.
  • an AgPdCu-based silver alloy is used as the reflective layer 2.
  • Ag is easily oxidized with good electrical conductivity with GaN, it is more preferable to use a silver alloy that has good electrical conductivity with GaN and is not easily oxidized.
  • the reflective layer 2 since the silver alloy is employed as the reflective layer 2, the reflective layer 2 has high reflectivity and good electrical conductivity with GaN. Thus, a light emitting element with high light extraction efficiency can be provided.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view showing the structure of the light emitting device according to the fifth embodiment.
  • the light emitting device according to the fifth embodiment includes a platinum layer 21, a conductive oxide layer 22, and a metal layer 23 as the reflective layer 2 of the light emitting device according to the first to fourth embodiments. It is characterized by the use of the reflective layer 2a.
  • the light emitting device includes a semiconductor layer 1 made of a GaN-based material and a reflective layer 2a formed on the surface of the semiconductor layer 1.
  • the semiconductor layer 1 is formed on the p-type semiconductor layer 11 formed on the surface of the reflective layer 2a, the light-emitting layer 12 formed on the surface of the p-type semiconductor layer 11, and the surface of the light-emitting layer 12. And an n-type semiconductor layer 13.
  • n-type semiconductor layer 13 On the surface of the n-type semiconductor layer 13, convex portions or concave portions 141 are formed at a constant interval A (period A).
  • the interval A is longer than the wavelength of light emitted from the light emitting layer 12 in the semiconductor layer 1. Specifically, when the wavelength of light emitted from the light emitting layer 12 is obtained and the refractive index of the semiconductor layer 1 is n, the interval A is ⁇ .
  • the surface from which light is extracted is the upper surface of the ⁇ -type semiconductor layer 13.
  • the reflective layer 2a is a layer having a reflectance of 90% or more with respect to the wavelength of light emitted from the light emitting layer 12, and in the present embodiment, the platinum layer 21 and the conductive oxide A layer 22 and a metal layer 23 are provided.
  • the platinum layer 21 is a layer having a platinum (Pt) force formed in a mesh shape or an island shape in a top view, and is formed on the surface of the p-type semiconductor layer 11 in the semiconductor layer 1.
  • the shape of the island is, for example, an ellipse (including a circle) and a polygon such as a quadrangle or a hexagon when viewed from the top.
  • the platinum layer 21 is formed to ensure electrical connection between the p-type semiconductor layer 11 and the conductive oxide layer 22.
  • the conductive oxide layer 22 is a layer made of a metal oxide having conductivity such as ITO (Indium Tin Oxide) or ZnO and transparent to the wavelength of light emitted from the light emitting layer 12. It is. Since the platinum layer 21 is mesh-shaped or island-shaped, the conductive oxide layer 22 is formed on the surface of the platinum layer 21 so that a part thereof is in contact with the p-type semiconductor layer 11 of the semiconductor layer 1. Formed. In other words, the conductive oxide layer 22 so that a mesh-shaped or island-shaped platinum layer 21 is interposed between the p-type semiconductor layer 11 and the conductive oxide layer 22 of the semiconductor layer 1. Is formed on the surface of the p-type semiconductor layer 11 in the semiconductor layer 1. Conductive oxide layer 22 is p-type semiconductor layer of semiconductor layer 1 By interposing between 11 and the metal layer 23, the contact resistance is lowered, and the conductivity, that is, the carrier injection efficiency is improved.
  • ITO Indium Tin Oxide
  • the metal layer 23 is made of, for example, a metal (including an alloy) such as silver (Ag), a silver alloy containing silver as a main component, aluminum (A1), or an alloy containing aluminum as a main component (aluminum alloy). Is a layer.
  • a metal including an alloy
  • the area (aperture ratio) of the conductive oxide layer 22 in contact with the semiconductor layer 1 is preferably 80% or more.
  • such a reflective layer 2a includes, for example, a platinum layer 21 of 1.5 nm or less, a conductive oxide layer 22 of 5 nm or less of ITO, and a metal layer 23 of 300 nm of silver. It is said. Then, although not shown in the drawing, a 30 nm thick nickel (Ni) layer and a lOOOnm thick gold (Au) layer are formed on the lower surface of the silver metal layer 23 to form an electrode pad. .
  • the reflective layer 2a including the platinum layer 21, the conductive oxide layer 22, and the metal layer 23 is employed, and thus the metal layer 23 is highly reflective. Therefore, it is possible to provide a light-emitting element having a high efficiency and a high light extraction efficiency by being in ohmic contact with the p-type semiconductor layer 11.
  • the reflective layer 2a exhibits a reflectivity of about 91.5%, and a light effect of about 60% or more is obtained due to a synergistic effect with the uneven portion 14 formed on the upper surface of the n-type semiconductor layer 13. Extraction efficiency can be expected.
  • a p-type dopant such as magnesium (Mg) may be added to the p-type semiconductor layer 11 in order to obtain a better ohmic contact.
  • FIG. 12 is a cross-sectional view showing the structure of the light emitting device according to the sixth embodiment.
  • the light-emitting device according to Embodiment 6 employs a reflective layer 2b that also has a distributed bragg reflector (DBR) force as the reflective layer 2 of the light-emitting devices of Embodiments 1 to 4. It is said.
  • DBR distributed bragg reflector
  • the DBR is a reflecting mirror configured by stacking a plurality of layers having different refractive indexes and having a thickness of 1Z4 wavelength, which is a wavelength in the semiconductor layer 1 of light emitted from the light emitting layer 12.
  • 1Z4 wavelength a wavelength in the semiconductor layer 1 of light emitted from the light emitting layer 12.
  • high reflectivity is obtained by strengthening the reflected waves in each layer by Bragg reflection due to the interference effect of light.
  • AlGaN / Ga DBR in which 50 pairs of N pair layers are stacked is adopted.
  • the reflective layer 2 can realize a reflectance of 99% or more.
  • Such a DBR can be formed, for example, by electron beam (EB) deposition.
  • the DBR is a force capable of realizing a reflectance of almost 100%.
  • the reflectance is designed to be 100%. This is because the layer thickness of each layer constituting the DBR is set to 1Z4 of the wavelength of the incident light.
  • the light distribution of the light emitted from the light emitting layer 12 increases as the incident angle approaches 0 ° to 90 °.
  • the relationship between the incident angle and the transmittance from the concavo-convex portion 14 varies depending on the shape of the concavo-convex portion 14.
  • FIG. 13A is a graph showing the light distribution of light emitted from the light emitting layer 12, the vertical axis shows the relative intensity of the luminous flux (lm), and the horizontal axis shows the angle (deg). ing.
  • the angle indicates an angle with respect to the normal direction of the light from the light emitting layer 12. As shown in FIG. 13A, it can be seen that the luminous flux emitted from the light emitting layer 12 increases as the angle increases.
  • FIG. 13B is a graph showing the transmission characteristics depending on the shape of the concavo-convex portion 14.
  • the vertical axis indicates the transmittance (light extraction efficiency) from the concavo-convex portion 14, and the horizontal axis indicates the incidence on the upper surface S1. Shows the corner.
  • graph C31 shows a case where the cross-sectional shape of the concavo-convex portion 14 is flat
  • graph C32 shows a case where the cross-sectional shape of the concavo-convex portion 14 is triangular
  • graph C 33 shows a concavo-convex portion.
  • Graph 14 shows the case where the cross-sectional shape of the concavo-convex portion 14 is a square wave
  • graph C35 shows the case where the cross-sectional shape of the concavo-convex portion 14 is circular.
  • a graph C36 shows a case where the cross-sectional shape of the concavo-convex portion 14 is a mortar shape.
  • the light transmission characteristics vary greatly depending on the shape of the concavo-convex portion 14.
  • the light extraction efficiency in one transmission is generally expressed by the following equation.
  • the amount of light actually extracted from the concavo-convex portion 14 is an area where the graph shown in FIG. 13A overlaps one of the graphs C31 to C36 shown in FIG. 13B.
  • D is obtained with respect to an angle of 60 degrees in the range of 30 degrees to 90 degrees, which is an angle where the transmittance is low in the range where the luminous flux intensity is large, and D
  • the DBR should be designed so that the BR reflectivity is 99% or more. As shown in FIG.
  • the DBR may be designed so that the reflectance of light per 70 degrees having a low transmittance is 99% or more.
  • the DBR is designed to increase.
  • the reflection layer 2b is formed of DBR, so that the reflectance of the reflection layer 2b is increased and the light extraction efficiency is further increased.
  • the DBR layer thickness is set so that the reflectance of the light with a low transmittance in the transmission characteristics determined according to the shape of the concavo-convex portion 14 is increased, so it cannot be transmitted at once. Loss due to multiple reflection of light is reduced, and light extraction efficiency is further increased.
  • FIG. 15 is a cross-sectional view showing the structure of the light emitting device according to the seventh embodiment.
  • the light-emitting element according to the seventh embodiment includes a metal layer 23 made of aluminum, silver, or a silver alloy as the reflective layer 2 of the light-emitting element according to the first to fourth embodiments. It is characterized by adopting a reflective layer 2c composed of DBR24 laminated thereon.
  • the semiconductor layer 1 is formed on the DBR 24 in the reflective layer 2c. That is, the light emitting device according to Embodiment 7 is the same as that of Embodiment 6.
  • a metal layer is further laminated on the lower surface of the DBR.
  • the same components as those in the first to fourth embodiments are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
  • Fig. 16 shows the relationship between the incident angle and reflectance of silver or silver alloy (silver Z silver alloy) and DBR, and the relationship between the incident angle and reflectance of aluminum (A1) and DBR. It is a graph of a reflectance characteristic.
  • the vertical axis in FIG. 16 represents the reflectance (%), and the horizontal axis represents the incident angle.
  • the solid line indicates the reflectance characteristics of silver or a silver alloy
  • the alternate long and short dash line indicates the reflectance characteristics of aluminum
  • the alternate long and two short dashes line indicates the reflectance characteristics of DBR.
  • the reflectivity of silver or silver alloy and the reflectivity of aluminum are lower than DBR until the incident angle is around 0 degrees and force of 75 degrees. Get higher.
  • the reflectance of silver or silver alloy is higher than that of aluminum.
  • the reflective layer 2c is configured as shown in FIG. 15, the reflective layer 2c is composed of the DBR reflectivity characteristics and the silver or silver alloy reflectivity characteristics as shown in FIG. 16 (b). It will have the reflected characteristics. Alternatively, it has a reflectance characteristic obtained by combining the reflectance characteristic of DBR and the reflectance characteristic of aluminum as shown in FIG. 16 (b).
  • the DBR is composed of multiple pairs of layers.
  • the number of DBR layers is one. Good.
  • FIG. 17 is a diagram showing the structure of the reflective layer 2c used in the simulation.
  • FIG. 18 is a simulation result showing the angle dependence of the reflectance in the reflective layer 2c.
  • the vertical axis in Fig. 18 indicates the intensity reflectance, and the horizontal axis indicates the angle of incidence on the DBR from the GaN cover.
  • C41 represents the reflectance in the case of the reflective layer 2c composed of DBR24 and the silver metal layer 23
  • C42 represents the reflectance in the case of the reflective layer 2b composed of DBR.
  • the reflection layer 2c used in the simulation has a DBR24 stacked on a GaN layer as the p-type semiconductor layer 11, and a metal layer made of silver having a thickness of 300 nm on the DBR24.
  • the index is 2.24
  • the film thickness is 51.34 nm
  • MgF has a refractive index of 1.38.
  • the film thickness is 83. 33 nm!
  • the complex refractive index of silver is 0.005-3.32i (i is the imaginary unit).
  • the reflection layer 2 is the reflection layer 2b made of DBR
  • the incident angle ranges from about 17 degrees to about 50 degrees and about 60 degrees to about 90 degrees. In the range, there is a decrease in reflectivity.
  • the reflective layer 2 is a reflective layer 2c made of DBR and a silver metal layer
  • almost no decrease in reflectivity is observed over the entire range from the incident angular force of 90 degrees to a reflectivity of about 95% or more. Is maintained.
  • the reflective layer 2c is configured by the DBR 24 and the metal layer 23, each layer is supplemented, and a wide range from 0 to 90 degrees is obtained.
  • the reflectance of the reflective layer 2c is increased over the surrounding incident angle, and the light extraction efficiency is further increased.
  • FIG. 19 is a cross-sectional view showing the structure of the light emitting device according to the eighth embodiment.
  • the light emitting device according to the eighth embodiment includes a platinum layer 21, a conductive oxide layer 22, a metal layer 23 as the reflective layer 2 of the light emitting device according to the first to fourth embodiments. It features a reflective layer 2d composed of DBR24.
  • the semiconductor layer 1 is formed on the platinum layer 21 of the reflective layer 2d.
  • the same components as those in the first to fourth embodiments are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
  • the reflective layer 2d is a layer having a reflectance of 90% or more with respect to the wavelength of light emitted from the light emitting layer 12, and in the present embodiment, the platinum layer 21 and the conductive oxide A layer 22, a metal layer 23, and a DBR 24 are provided.
  • the platinum layer 21 and the conductive oxide layer 22 are the same as the platinum layer 21 and the conductive oxide layer 22 of the light emitting device according to Embodiment 5, and a description thereof is omitted.
  • the DBR 24 is the same as the DBR 24 of the light emitting device according to the seventh embodiment.
  • the DBR 24 is formed in a mesh shape or an island shape when viewed from above, and is formed on the lower surface of the conductive oxide layer 22. It is formed.
  • the shape of the island is, for example, an ellipse (including a circle) and a polygon such as a quadrangle or a hexagon when viewed from above. Since the DBR24 is cached or island-shaped as described above, electrical conduction between the conductive oxide layer 22 and the metal layer 23 can be ensured even when the conductivity of the DBR24 is low. If DBR24 has sufficient conductivity to ensure electrical conduction between the conductive oxide layer 22 and the metal layer 23, the DBR24 It may be formed on the entire interface with the layer 23.
  • the metal layer 23 is the same as the metal layer 23 of the light-emitting element according to the seventh embodiment.
  • the DBR 24 has a mesh shape or an island shape. It is formed on the lower surface of the DBR 24 so as to be in contact with the physical layer 22.
  • the metal layer 23 is formed on the lower surface of the conductive oxide layer 22 so that the mesh-like or island-like DBR 24 is interposed between the conductive oxide layer 22 and the metal layer 23.
  • such a reflective layer 2d includes, for example, a platinum layer 21 of 1.5 nm or less, a conductive oxide layer 22 of 5 nm or less of ITO, and a metal layer 23 of 300 nm of silver.
  • DB R24 is a reflector that laminates 15 pairs of TiO and MgF and finally TiO.
  • a nickel (Ni) layer having a thickness of 30 nm and a gold (Au) layer having a thickness of lOOOnm are formed on the lower surface of the silver metal layer 23.
  • FIG. 20 is a diagram showing the structure of the reflective layer 2d used in the simulation.
  • FIG. 21 is a simulation result showing the angle dependence of the reflectance in the reflective layer 2d.
  • the vertical axis in Fig. 21 indicates the intensity reflectance, and the horizontal axis indicates the angle of incidence of the GaN force on the DBR.
  • C51 represents the reflectivity in the case of the reflective layer 2c composed of DBR24 and the silver metal layer 23
  • C52 and C53 represent the reflective power of the ITO conductive oxide layer 22, DBR24, and the silver metal layer 23.
  • the reflectivity for layer 2d is shown.
  • C52 indicates the case where the ITO film thickness is 5 nm, and indicates the case where the ITO film thickness is 50 nm.
  • an ITO conductive oxide layer 22 is formed on the GaN layer as the p-type semiconductor layer 11, and the conductive oxidation layer 22d is formed.
  • layer 22 DBR24 is formed, and a metal layer 23 made of silver having a thickness of 300 nm is formed on DBR24.
  • ITO is simulated in each case where the film thickness is 5 nm and 50 nm, and its complex refractive index is 2.3-0.008i.
  • DBR24 has 15 layer pairs of TiO and MgF
  • the reflective layer 2d shown in FIG. 20 has a configuration in which ITO is interposed between GaN and DBR with respect to the reflective layer 2c shown in FIG.
  • the reflective layer 2 when the reflective layer 2 is a reflective layer 2d containing ITO, ITO absorbs light slightly, so the reflective layer 2 is a reflective layer 2c not containing ITO. Compared to the force, the reflectivity is somewhat reduced. The incident angular force is well maintained over the entire range from ⁇ ° to 90 °. The thinner the ITO film, the better the overall reflectivity. In particular, when the ITO film thickness is 5 nm, the reflectivity of approximately 90% or more is maintained over the entire range from the incident angular force SO degree to 90 degrees. Even when the ITO film thickness is 50 nm, the reflectivity of 90% or more is maintained over the range where the incident angle is 0 degree and the force is about 70 degrees.
  • the reflection layer 2d including the platinum layer 21, the conductive oxide layer 22, the metal layer 23, and the DBR 24 is employed, The reflectivity of the reflective layer 2d is increased over a wide range of incident angles up to 90 degrees, and the reflective layer 2d is in ohmic contact with the P-type semiconductor layer 11 to provide a light emitting device with higher light extraction efficiency. It becomes.
  • DBR 24 may be a chirp DBR in which the film thickness and refractive index of each pair layer constituting the DBR gradually change.
  • the ripple of the reflectance which is a local decrease in the reflectance in a specific wavelength band or angle band of light incident on the DBR structure in the DBR, is reduced, and the entire reflection is reduced. The rate is improved.
  • the number of DBR layers may be one.
  • FIG. 22 is a cross-sectional view showing the structure of the light-emitting element according to the ninth embodiment.
  • the light emitting device according to the ninth embodiment is characterized in that a photonic crystal is employed as the reflective layer 2e. Photonic crystals are all Nearly 100% reflectivity can be achieved with respect to the incident angle.
  • the same components as those in the first to fourth embodiments are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
  • FIG. 23 shows an enlarged view of the reflective layer 2e when an inverse opal photonic crystal is used as the photonic crystal.
  • the three-dimensional photonic crystal is characterized by including a plurality of spherical cavities arranged in a bubble shape.
  • the photonic crystal having the inverse opal structure can be easily prepared by a known inverse opal method.
  • the inverse opal method first, fine particles corresponding to cavities are laminated. Next, the laminated fine particles are immersed in an organic solvent. Then, after the organic solvent is baked and hardened and carbonized, the fine particles are dissolved. Thereby, an inverse opal structure is formed. Note that since carbon has conductivity, it is possible to use a photonic crystal as an electrode as it is without separately forming an electrode.
  • a porous Si photonic crystal (two-dimensional photonic crystal) may be employed as the photonic crystal employed in the reflective layer 2e.
  • FIG. 24 shows a cross-sectional view of the porous Si photonic crystal.
  • the two-dimensional photonic crystal has a structure in which pipe-like cavities are arranged in a matrix.
  • the semiconductor layer 1 is laminated on the porous Si photonic crystal so that the direction perpendicular to the longitudinal direction of the cavity on the pipe is parallel to the upper surface S 1 of the semiconductor layer 1.
  • a light-emitting element is manufactured by pasting a porous Si photonic crystal and GaN
  • a light-emitting element can be obtained by growing GaN using the porous Si photonic crystal as a growth substrate. May be manufactured. By doing so, the step of attaching the porous Si photonic crystal and GaN can be omitted, the quality of GaN can be improved, and the quantum efficiency inside the light emitting device is improved.
  • the porous Si photonic crystal has no photonic band in the longitudinal direction of the cavity, that is, in the normal direction, the reflectivity is slightly weakened. Because it has a photonic band, high reflectivity is achieved for light in this direction.
  • the porous Si photonic crystal has conductivity, and can be used as it is as an electrode.
  • a photonic crystal produced by oblique rotation evaporation may be employed as the photonic crystal employed in the reflective layer 2e.
  • FIG. 25 shows an enlarged view of the photonic crystal prepared by the oblique rotation evaporation method.
  • the oblique rotation evaporation method is a method in which a tilted growth substrate is rotated at a predetermined cycle, and a photonic crystal is grown in a spiral shape on the growth substrate.
  • the reflective layer 2e made of a photonic crystal is employed, and thus a reflective having a high reflectance at any incident angle.
  • the layer 2e can be realized, and the light extraction efficiency can be increased.
  • FIG. 26 is a cross-sectional view showing the structure of the light emitting device according to the tenth embodiment.
  • the light-emitting element according to the tenth embodiment is different from the light-emitting elements according to the first to ninth embodiments in the thickness of the semiconductor layer 1, that is, the distance between the surface S1 including the bottom of the uneven portion 14 of the semiconductor layer 1 and the lower surface S2.
  • d2 is characterized by being within several times the wavelength in the semiconductor layer 1 of the light emitted from the light emitting layer 12.
  • the same components as those in the first to ninth embodiments are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
  • FIG. 1 the same components as those in the first to ninth embodiments are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
  • FIG. 27 is a diagram three-dimensionally showing the light emission distribution of the light emitted from the light emitting layer 12. As shown in FIG. 27, the light emitted from the light emitting layer 12 has the largest component in the normal direction as shown in black in the figure. However, there is a possibility that the light in the normal direction cannot be subjected to the angle conversion action by the concavo-convex portion 14 because the upper surface of the convex portion 141 is orthogonal to the normal direction.
  • the distance d2 is 180 nm to 1000 nm, where the wavelength of light from the light emitting layer 12 is 460 nm and the refractive index of the semiconductor layer 1 is 2.5. It is preferable to use nm.
  • the distance d2 is set to be several times the wavelength or substantially the same, so that the light extraction efficiency can be further increased.
  • FIG. 28 is a cross-sectional view showing the structure of the light emitting device according to the eleventh embodiment.
  • FIG. 28A shows a case where the light emitting element is a vertical type
  • FIG. 28B shows a case where the light emitting element is a flip chip type.
  • the light-emitting element according to the eleventh embodiment is provided with p-type and n-type electrodes for supplying power to the light-emitting layer 12 of the semiconductor layer 1 in addition to the light-emitting elements according to the first to tenth embodiments. It features a high reflectivity electrode.
  • the same components as those in the first to tenth embodiments are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
  • FC type flip-chip type
  • this vertical light-emitting element has a reflection layer 2 (2a to 2e) in the light-emitting element according to Embodiment 1 to L0 as a p-type electrode.
  • the n-type electrode 5 is formed on the upper surface of the n-type semiconductor layer 13 in the layer 1 so that the reflective layer 2 (2a to 2e) of the p-type electrode and the n-type electrode 5 face each other with the light emitting layer 12 in between. It is arranged.
  • the wiring metal layer 3 for applying a positive side voltage (+ side voltage) to the reflection layer 2 (2a to 2e) of the p-type electrode includes the reflection layer 2 (2a to 2e).
  • a support layer 4 is formed on the lower surface of the wiring metal layer 3 to support the semiconductor layer 1, the reflection layer 2 (2 a to 2 e), and the wiring metal layer 3.
  • the FC-type light emitting element emits light because the reflective layer 2 (2a to 2e) in the light emitting element according to Embodiment 1 to LO is a p-type electrode.
  • the reflective layer 2 (2a to 2e) is formed on the layer 12!
  • the light emitting layer 12, the p-type semiconductor layer 11, and the reflective layer so that the n-type semiconductor layer 13 in the semiconductor layer 1 faces the outside on the opposite side.
  • the FC-type light emitting element has a wiring metal layer 31 for applying a positive side voltage (+ side voltage) to the reflection layer 2 (2a to 2e) of the p-type electrode.
  • a wiring metal layer 32 for applying a negative voltage (side voltage) to the n-type electrode 5 is formed on the lower surface of the n-type electrode 5.
  • the semiconductor layer 1 and the reflective layer 2 (2a to 2e) and the support layer 4 that supports the wiring metal layers 31 and 32 are disposed on the lower surfaces of the wiring metal layers 31 and 32.
  • FIG. 29 is a cross-sectional view showing the structure of the n-type electrode 5.
  • the n-type electrode 5 used in such a vertical or FC light-emitting element is composed of, for example, a platinum layer 51, a conductive oxide layer 52, and a metal layer 53 as shown in FIG. 29A.
  • the n-type electrode 5a having a reflectance of 80% or more is employed.
  • the platinum layer 51 is a layer having a platinum (Pt) force formed in a mesh shape or an island shape in a top view, and is formed on the surface of the n-type semiconductor layer 13 in the semiconductor layer 1.
  • the shape of the island is, for example, an ellipse (including a circle) and a polygon such as a quadrangle or a hexagon when viewed from the top.
  • the conductive oxide layer 52 is a layer having conductivity such as ITO or ZnO and having a metal oxide strength that is transparent to the wavelength of light emitted from the light emitting layer 12.
  • the conductive oxide layer 52 is formed on the surface of the platinum layer 51 so that a part of the metal oxide layer 51 is in a mesh shape or an island shape, and a part thereof is in contact with the n-type semiconductor layer 13 of the semiconductor layer 1.
  • the conductive oxide layer 52 is formed in the semiconductor layer 1 so that the mesh-shaped or island-shaped platinum layer 51 is interposed between the n-type semiconductor layer 13 and the conductive oxide layer 52 in the semiconductor layer 1. It is formed on the surface of the n-type semiconductor layer 13.
  • the metal layer 53 is a layer made of a metal (including an alloy) such as silver, a silver alloy containing silver as a main component, aluminum, or an aluminum alloy containing aluminum as a main component. In order to maintain a high reflectance at the metal layer 53, contact the semiconductor layer 1 of the conductive oxide layer 22.
  • the area (opening ratio) is preferably 80% or more.
  • such an n-type electrode 5a includes, for example, a platinum layer 51 of 1 nm or less, a conductive oxide layer 52 of 5 nm or less of ITO, and a metal layer 53 of 300 nm of silver. It is said. Then, although not shown, an electrode pad is formed on the surface of the silver metal layer 53 with a nickel (Ni) layer having a thickness of 30 nm and a gold (Au) layer having a thickness of lOOOnm as an underlayer. .
  • Ni nickel
  • Au gold
  • the n-type electrode 5 used in such a vertical or FC-type light emitting device includes, for example, a conductive oxide layer in the n-type electrode 5a shown in FIG. 29A, as shown in FIG. 29B.
  • An n-type electrode 5b in which a DBR 54 similar to the DBR 24 in the sixth embodiment or the seventh embodiment is further provided between the metal layer 53 and the metal layer 53 may be employed.
  • the DBR 54 may be formed in a mesh shape or an island shape in a top view like the DBR 24 in the eighth embodiment!
  • the n-type electrode has a relatively low reflectivity!
  • the n-type electrode is made of a metal such as nickel (Ni), and the reflectivity is not considered in order to improve the light extraction efficiency.
  • the reflectivity of the n-type electrode does not contribute to the improvement of efficiency in light extraction. It is in the circumstances.
  • the area of the n-type electrode is about 10% of the entire element area.
  • the reflectivity of the n-type electrode is relatively low, for example, about 30%, the reflectivity of the p-type electrode is 85% or more. Even if it is improved, the average reflectance of the light emitting element will be about 80%. For this reason, the low reflectivity n-type electrode hinders the improvement of the light extraction efficiency when extracting light that is multiply reflected in the light emitting element.
  • the n-type electrode an electrode having a reflectance of 80% or more, such as the n-type electrodes 5a and 5b shown in FIG. Become.
  • the n-type electrodes 5a and 5b including the platinum layer 51, the conductive oxide layer 52, and the metal layer 53 are employed.
  • the layer 53 has a high reflectivity and is in ohmic contact with the n-type semiconductor layer 13 so that a light emitting element with high light extraction efficiency can be provided.
  • the n-type electrode 5b including the DBR 54 is further adopted, it is possible to provide a light emitting element with higher light extraction efficiency.
  • the contact resistance with the n-type semiconductor layer 13 A silver alloy or aluminum alloy containing at least one n-type dopant material of silicon (Si), copper (Cu), tellurium (Te), germanium (Ge) and tin (Sn). May be used for layer 53.
  • the metal layer 53 include an ATD series silver alloy manufactured by Hitachi Metals.
  • FIG. 30 is a diagram showing a manufacturing method in the case where the uneven portion 14 is deposited.
  • a resist R1 is applied to the upper surface of the semiconductor layer 1 (FIG. 30A).
  • a shape corresponding to the concavo-convex portion 14 is imparted to the applied resist R1 using exposure and development, or a nanoprinting method (FIG. 30B).
  • a material having substantially the same refractive index as that of the semiconductor layer 1 is vapor-deposited on the resist R1 having the shape (FIG. 30C).
  • TiO having substantially the same refractive index as that of GaN used as the semiconductor layer 1 is deposited on the resist R1.
  • the fine structure formed on the semiconductor surface such as the concavo-convex portion 14 may be formed by etching such as dry etching, an apparatus for realizing the etching is very expensive. Therefore, as shown in FIG. 30, a member having substantially the same refractive index as that of the semiconductor layer 1 is deposited on the semiconductor layer 1 to form the concavo-convex portion 14, thereby eliminating the need for using an expensive etching apparatus.
  • the uneven portion 14 can be formed at a low cost.
  • FIG. 31 is a cross-sectional view showing the structure of the light emitting device according to the twelfth embodiment.
  • the light emitting device according to the twelfth embodiment is a device that emits white light using the light emitting elements according to the first to eleventh embodiments.
  • the light emitting element according to the eleventh embodiment is placed on a disk-shaped substrate 61, and the light emitting device is placed on the light extraction surface of the light emitting element.
  • a wavelength conversion layer 62 that converts the wavelength of light emitted from the element and emits it is formed, and these are sealed by a sealing member 63.
  • the substrate 61 has a high reflectance on the surface on which the light emitting element is placed so that the light emitted by the light emitting element force is efficiently reflected to the sealing member 63.
  • the substrate 61 is made of silver or aluminum. It is made of highly reflective metals such as minium (including alloys).
  • the light-emitting element according to Embodiment 11 is of the FC type.
  • the supporting layer 4 is also used as a heat sink that radiates heat generated in the light emitting layer 12.
  • the wiring metal layers 31 and 32 are made of gold bumps.
  • the light emitting device according to the eleventh embodiment is configured to have an emission peak at a blue wavelength of 460 nm, for example.
  • the light emitting element according to the eleventh embodiment may be a vertical type.
  • the wavelength conversion layer 62 includes a green phosphor that mainly absorbs blue light having a wavelength of about 460 nm and emits green light as fluorescence in order for the light emitting device of the present embodiment to emit white light. It is mainly composed of a phosphor-dispersed glass containing a red phosphor that absorbs blue light at a wavelength of around 460 nm and emits red light as fluorescence. For example, SrGa S as a green phosphor
  • FIG. 32 is a cross-sectional view showing another configuration of the wavelength conversion layer in the light emitting device according to the twelfth embodiment.
  • the wavelength conversion layer 62 includes a red phosphor-dispersed glass layer 621 containing a red phosphor that mainly absorbs blue light having a wavelength of around 460 nm and emits red light as fluorescence, It contains a wavelength selective filter layer 622 that transmits light and red light and reflects green light, and a green phosphor that mainly absorbs blue light at a wavelength of about 460 nm and emits green light as fluorescence.
  • a green phosphor-dispersed glass layer 623, and the red phosphor-dispersed glass layer 621, the wavelength selective filter layer 622, and the green phosphor-dispersed glass layer 623 are sequentially laminated in a direction in which the light extraction surface force of the light emitting element is also separated. It may be a structure. That is, a red phosphor-dispersed glass layer 621 is formed on the light extraction surface of the light emitting element, a wavelength selective filter layer 622 is formed on the surface of the red phosphor-dispersed glass layer 621, and the wavelength selective filter layer 622 is formed. A green phosphor-dispersed glass layer 623 is formed on the surface.
  • the wavelength selection filter layer 622 for example, a DBR configured to have the wavelength selection characteristics as described above is used.
  • a phosphor has an absorption peak at a predetermined wavelength, but absorbs light over a predetermined wavelength range and emits fluorescence. For this reason, since the red phosphor converts the wavelength of the green light emitted from the green phosphor into red light, the emission intensity of green emitted from the light emitting device shown in FIG. 31 may decrease. Therefore, the wavelength conversion layer 62 is a red phosphor.
  • the green light emitted from the green phosphor dispersion glass layer 623 is selected by wavelength selection.
  • a decrease in the intensity of green light emitted from the light emitting device shown in FIG. 31 that is reflected by the filter layer 622 is suppressed.
  • the sealing member 63 is made of glass, for example, and is formed in a hemispherical dome shape.
  • the periphery of the light emitting element is filled and sealed with a resin having a refractive index higher than that of air, but in the light emitting device according to the twelfth embodiment, As described above, the concavo-convex portion 14 is formed on the light extraction surface of the semiconductor layer 1 to reduce the Fresnel loss. Therefore, the air between the sealing member 63 and the light emitting element according to Embodiment 11 may not necessarily be filled with grease.
  • the surface of the wavelength conversion layer 62 has a concave-convex structure in which convex portions are formed at predetermined intervals.
  • the light extraction efficiency is high, and the light emitting device can be provided.
  • FIG. 33 is a diagram showing angle average reflectance characteristics.
  • the vertical axis represents the reflectance
  • the horizontal axis represents the wavelength (nm).
  • the reflectance is an angle average reflectance that is an average value of each reflectance for each incident angle from 0 degree to 90 degrees.
  • the reflection layer 2d having the configuration shown in FIG. 19 is adopted as the reflection layer 2 functioning as a p-type electrode, and the n-type electrode 5 is illustrated in FIG.
  • the n-type electrode 5b shown in 29B is employed, as shown in FIG. 33, the average reflectance becomes high over a wide wavelength range of about 370 nm to about 700 nm. For this reason, green light and red light emitted by the green phosphor and red phosphor emitted only by the blue light emitted from the light emitting element according to the eleventh embodiment are also mostly reflected by the reflection layer 2 and the n-type electrode 5 of the p-type electrode.
  • the light extraction efficiency is improved over a wide wavelength range of about 370 nm to about 700 nm.
  • the light in the wavelength range of about 370 nm to about 700 nm is visible light.
  • the light emitting device includes a semiconductor layer including a light emitting layer, and light emitted from the light emitting layer over the entire surface or a part of the surface of the semiconductor layer from which light is extracted.
  • the uneven portion preferably has a substantially similar cross-sectional shape.
  • the light emitted outside the escape cone is reflected by the surface on the side from which the light is extracted due to the angle conversion action by the uneven portion. While being repeatedly reflected inside the semiconductor layer, it is taken out to the outside.
  • a reflection layer having a reflectivity of 90% or more is formed on the surface opposite to the surface from which light is extracted. Therefore, light can be extracted efficiently due to the synergistic effect of the reflective layer and the uneven portion.
  • the present inventor has no irregularities formed on the surface from which light is extracted, that is, the surface from which light is extracted has a smooth structure with no angle conversion action. Even if a highly reflective layer with a reflectivity of more than 85% is formed on the surface opposite to the surface from which light is extracted, the light extraction efficiency is not improved so much. When the uneven layer is formed and the reflective layer is formed on the surface opposite to the surface from which the light is extracted, the light extraction efficiency suddenly increases when the reflectance of the reflective layer exceeds 85%. Found to increase. When the reflectivity is 90% or more, for example, the light extraction efficiency is improved by 20% or more simply by increasing the reflectivity of the reflective layer by 5% from 90% to 95%. Therefore, the light extraction rate is greatly improved by forming irregularities on the surface from which light is extracted, and forming a reflective layer with a reflectance of 90% or more on the surface opposite to the surface from which light is extracted. Can be
  • the light-emitting element according to the second aspect is the light-emitting element according to the first aspect, wherein the irregularities of the irregularities are formed periodically or randomly.
  • the light-emitting element according to the third aspect is the light-emitting element according to the first aspect, wherein the uneven portion is provided with a shape having a lens action.
  • the uneven portion has a shape having a lens action
  • the light distribution of the extracted light can be controlled by the lens action, which is suitable for a lighting apparatus or the like.
  • a light-emitting element can be provided.
  • the light-emitting element according to the fourth aspect is the light-emitting element according to the third aspect, and the shape having the lens action is a Fresnel lens shape.
  • the uneven portion has a Fresnel lens shape, it is possible to control the focal length without increasing the thickness of the uneven portion.
  • the light-emitting element according to the fifth aspect is the light-emitting element according to any one of the first to fourth aspects, wherein the semiconductor layer is made of a GaN-based material, and the reflective layer is It is made of an alloy composed mainly of silver.
  • the reflective layer also has an alloying force mainly composed of silver having good electrical conductivity with respect to GaN, the light extraction efficiency can be further improved.
  • the light-emitting element according to the sixth aspect is the light-emitting element according to any one of the first to fourth aspects, wherein the reflective layer is a conductive oxide formed on a surface of the semiconductor layer.
  • the reflective layer is a conductive oxide formed on a surface of the semiconductor layer.
  • the reflective layer is composed of the platinum layer, the conductive oxide layer, and the metal layer, the reflective layer has high reflectivity and is in ohmic contact with the semiconductor layer. The light extraction efficiency can be improved.
  • the light-emitting element according to the seventh aspect is the light-emitting element according to any one of the first to fourth aspects.
  • the reflection layer is made of DBR.
  • the reflective layer is formed of DBR, the reflectance of the reflective layer can be further increased.
  • the light emitting device is the light emitting element according to any one of the first to fourth aspects, wherein the reflective layer is aluminum, silver, or a metal containing silver as a main component. And a DBR laminated on the metal layer.
  • the reflectance characteristic indicating the relationship between the incident angle of the DBR and the reflectance and the reflectance characteristic of aluminum, silver, or a silver alloy are combined.
  • the reflective layer can be realized, and the light extraction efficiency can be further increased.
  • light with an incident angle that passes through the DBR with a low reflectivity at the DBR is reflected by aluminum, silver, or a silver alloy, and has a low reflectivity at the aluminum, silver, or silver alloy. For light, it will be reflected by the DBR, increasing the light extraction efficiency.
  • the light-emitting element according to the ninth aspect is the light-emitting element according to the eighth aspect, wherein the DBR has a transmittance within a large range of light flux intensity out of the light emitted from the light-emitting layer.
  • the thickness of each layer constituting the DBR is determined so that the reflectance of light in a low angle range at the reflection layer is increased.
  • the reflectance at the reflection layer of light incident in an angle range with a low light transmittance in a range with a high luminous flux intensity is increased.
  • the light extraction efficiency of light at the incident angle can be improved.
  • the light-emitting element according to the tenth aspect is the light-emitting element according to any one of the first to fourth aspects, wherein the reflective layer is a conductive oxide formed on a surface of the semiconductor layer.
  • the light-emitting element according to the eleventh aspect is the light-emitting element according to the tenth aspect, wherein the DBR is formed in a mesh shape or an island shape.
  • the DBR is formed in a mesh shape or an island shape in a top view.
  • a light-emitting element according to a twelfth aspect is the light-emitting element according to any one of the first to fourth aspects, wherein the reflective layer is made of a photonic crystal.
  • the reflective layer is composed of a photonic crystal, it is possible to provide a reflective layer having a high reflectance with respect to light of any incident angle.
  • the light-emitting element according to the thirteenth aspect is the light-emitting element according to any one of the first to twelfth aspects, wherein the surface including the bottom of the uneven portion and the side opposite to the uneven portion
  • the distance from the surface of the semiconductor layer is within several times the wavelength of the light emitted from the light emitting layer in the semiconductor layer.
  • a large angle with respect to the normal direction of the surface from which light is extracted for example, an angle close to 90 degrees, or a surface that radiates in the lateral direction and is originally extracted from the surface.
  • the light that does not reach is also subjected to an angle conversion action by the concavo-convex portion, and the light extraction efficiency can be further increased.
  • the light-emitting element according to the fourteenth aspect is the light-emitting element according to any one of the first to thirteenth aspects, wherein the reflective layer is a p-type electrode and is formed on a surface of the semiconductor layer. And an n-type electrode having a reflectivity of 80% or more and paired with the p-type electrode.
  • the n-type electrode paired with the p-type electrode of the reflective layer also has a reflectance of 80% or more, the average reflectance of the light-emitting element is improved, and the light extraction efficiency is improved. can do.
  • the light-emitting element according to the fifteenth aspect is the light-emitting element according to the fourteenth aspect, wherein the n-type electrode includes a conductive oxide layer formed on a surface of the semiconductor layer, and the conductive Interposed between the semiconductor layer and the conductive oxide layer, and a metal layer of silver, aluminum, a silver alloy containing silver as a main component, or an aluminum alloy containing aluminum as a main component, laminated on the oxide layer And a platinum layer formed in a mesh shape or an island shape. [0149] According to this configuration, since the n-type electrode is composed of the platinum layer, the conductive oxide layer, and the metal layer, the n-type electrode has high reflectivity and is in ohmic contact with the semiconductor layer. Therefore, the light extraction efficiency can be improved.
  • the light-emitting element according to the sixteenth aspect is the light-emitting element according to the fourteenth aspect, wherein the n-type electrode includes a conductive oxide layer formed on a surface of the semiconductor layer, and the conductive A DBR laminated on the oxide layer, a silver, aluminum, a silver alloy containing silver as a main component or an aluminum alloy containing aluminum as a main component, and the semiconductor layer laminated on the DBR; And a platinum layer formed in a mesh shape or an island shape interposed between the conductive oxide layer and the conductive oxide layer.
  • the n-type electrode is composed of the platinum layer, the conductive oxide layer, the DBR, and the metal layer, the n-type electrode has higher reflectivity and the semiconductor layer. Due to the ohmic contact, the light extraction efficiency can be further improved.
  • a light-emitting element according to a seventeenth aspect is the light-emitting element according to the sixteenth aspect, wherein the DBR is formed in a mesh shape or an island shape.
  • a light-emitting device is the light-emitting element according to any one of the first to seventeenth aspects, formed on a surface of the semiconductor layer from which light is extracted, and the semiconductor layer And a wavelength conversion layer that converts and emits the wavelength of the light emitted by.
  • the wavelength conversion layer is further provided, it is possible to emit light of other colors than just the color of light emitted from the semiconductor layer.
  • white light can be emitted by the semiconductor layer emitting blue light and the wavelength conversion layer converting blue light into green and red light.
  • the light is emitted from the light emitting layer on the semiconductor layer including the light emitting layer and on the entire surface or part of the surface of the semiconductor layer from which light is extracted. Formed on the surface of the semiconductor layer opposite to the surface from which the light is extracted, and concave and convex portions formed of irregularities periodically formed at a pitch larger than the wavelength in the semiconductor layer of light, A method of manufacturing a semiconductor device comprising a reflective layer having a reflectance of 90% or more, wherein the concavo-convex portion is formed by depositing a material substantially the same as the refractive index of the semiconductor layer.
  • a light emitting element can be manufactured without using an expensive etching apparatus, and a light emitting element with high light extraction efficiency can be manufactured at low cost.
  • a light-emitting element composed of a semiconductor is provided.

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Abstract

　本発明の発光素子は、発光層１２を含む半導体層１と、半導体層１の光取り出し面に、発光層１２から放出された光の半導体層１中での波長よりも大きなピッチで形成された凹凸からなる凹凸部１４と、光取り出し面とは反対面に形成され、反射率が９０％以上である反射層とを備える。このような構成の発光素子では、反射層と凹凸部との相乗効果によって効率良く光が取り出される。

Description

明 細 書
発光素子
技術分野
[0001] 本発明は、半導体力 構成される発光素子に関するものである。
背景技術
[0002] 近年、 III— Vィ匕合物（以下、ナイトライドと呼ぶ)または Π— VI化合物を用いて、その 中に量子井戸を形成し、外部から電流を流して、この量子井戸で電子と正孔とを結 合させて光を発生する発光素子の発展が目覚しい。
[0003] III—Vィ匕合物として最もよく用いられている物質は、前記ナイトライドの GaNである 。この GaNを始めとして、ナイトライドの屈折率は、 1より大きいため、発光素子内から 大気中へ光を取り出すことに課題がある。 GaNの場合を例にとると、屈折率が約 2. 5 であるため、 GaNと大気との境界の法線に対して、所定角度 (例えば 23. 6度)より大 きい角度で境界に入射された光は、大気中に放射されず、境界面で全反射され、発 光素子における GaN層の中へ閉じ込められてしまう。以下、この法線に対して所定 角度より小さい角度の領域に形成された円錐領域が脱出円錐 (エスケープコーン)と 呼称される。
[0004] そして、この GaN層中に閉じ込められた光の大部分は、結晶や電極材料に再吸収 されて熱に変化してしまい外部に取り出されない。このため、平坦な GaN層では、光 取り出し効率が向上されな 、と 、う問題がある。
[0005] そこで、このような問題に対して、特許文献 1では、図 34に示すように、発光素子か ら光が放射される光取り出し面に、ピッチ 2〜4 m、深さ λ · (2η+ 1) /4 (η= 1, 2 , · · ·)の矩形の凹凸を形成する技術が開示されている。この技術によれば、凹部と 凸部とでそれぞれ反射される光が互いの位相の λ Ζ2だけ異なることによって打ち消 され、これによつて光取り出し面で反射される光が低減し、結果的に光取り出し効率 を向上させることが可能となる。
[0006] また、特許文献 2には、図 35に示すように、 LEDの任意の界面に周期的な規則的 界面ストラクチャーを形成し、光取り出し効率を向上させる技術が開示されている。こ の技術によると、全反射角以上の角度で入射した光の光取り出し効率が向上し、形 状によっては、このストラクチャーがな 、場合に比べて 2倍以上の光取り出し効率を 得ることが可能となる。
[0007] ここで、通常の表面形状がない場合、発光層が含まれる部分の屈折率 nlと、外部 の屈折率を n2とすると、一つの界面又は表面から取り出される光取り出し効率は、脱 出円錐の立体角を考慮すると、 η22/4·η12で与えられることが知られている。従って 、半導体層が GaNであって外部が空気である場合では、 nl = 2. 5、 n2= lであるこ とから、取り出し効率は、 4%と算出される。なお、底面以外のすべての面力 光が取 り出され、上面だけに前記ストラクチャーが形成され、約 2倍の取り出し効率が得られ るとすると、計算上、光取り出し効率 =4 X 4 (側面） +4 X 2 (上面は凹凸構造で 2倍） = 24%の取り出し効率が得られることになる。
[0008] また、非特許文献 1には、図 36に示すように、半導体 LEDの表面にランダムなテク スチヤーを形成する又は粗仕上げを施す技術が開示されている。この技術によれば 、表面に形成されたランダムなテクスチャーによって、素子内の光線の角度分布がラ ンダム化され、素子構造による多重パス後に、光が脱出する確率が高くなる結果、光 取り出し効率を向上させることが可能となる。なお、図 36におけるハッチの層は、活 性層である。
[0009] し力しながら、特許文献 1、 2の手法では、全反射角以上の角度で入射した光は、 G aN力 取り出されな!/、ため、光取り出し効率を向上させるためには一定の限界があ る。また、表面に凹凸が形成されているため、平滑面に比べれば一つの点光源から 取り出される光の入射角は、広がるが、本来取り出される角度における光取り出し効 率が減少し、高々 2倍程度の光取り出し効率の向上しカゝ得られない。
[0010] また、特許文献 2には、共振器構造を採用することによって、発光する光の配光を 脱出円錐内に限定し、光取り出し効率を向上する方法についても開示されている。し 力しながら、この方法では、共振器構造を採るため、共振器長 (半導体層の膜厚)の 精度が要求され、歩留まりを向上することが困難となる。また、共振器構造では、原理 的にすべての発光を脱出円錐内へ制御することができるわけではなぐ光取り出し効 率の向上も約 50%が限界である。 [0011] また、非特許文献 1の技術では、多重パスを取る光線は、脱出するまでに、電極等 の反射層における吸収によって、強度が大幅に低下してしまう。また、仮に反射層の 反射率を向上したとしても、図 36から分力るように、ピッチのみではなぐ形状までもラ ンダムな場合では、却って光取り出し効率が低下する場合があり、光取り出し効率が 向上しない。本発明者らが多結晶シリコンのウエットエッチングによって得られるラン ダムな粗面形状を光取り出し面に転写再現することによって、本事実は、実験により 確認されている。
特許文献 1：特開平 07— 202257号公報
特許文献 2 :特開平 10— 4209号公報
非特許文献 l : Schnitzer, et al.In Applied PhysicsLetters63 , 2174(1993)
発明の開示
[0012] 本発明は、上述の事情に鑑みて為された発明であり、その目的は、光を効率良く外 部に取り出すことが可能な半導体発光素子を提供することである。
[0013] 本発明による発光素子は、半導体層の光が取り出される側の面の全域あるいは一 部に、発光層から放出された光の半導体層中での波長よりも大きなピッチで形成され た凹凸からなる凹凸部と、前記光が取り出される側の面とは反対側の前記半導体層 の面に形成され、反射率が 90%以上である反射層とを備える。もちろん、この反射率 は、反射層が半導体層の面に形成されるので、半導体層に対する反射層の反射率 である。このような構成の発光素子では、光が効率よく取り出される。そして、本発明 による発光素子は、 LEDのみならず、例えば、レーザダイオード、有機 EL、無機 EL 等にち適用することがでさる。
図面の簡単な説明
[0014] [図 1]本発明の実施の形態 1による発光素子の構造を示す断面図である。
[図 2]実施の形態 1による発光素子の上面図である。
[図 3]凹凸部 14の効果を示す図であり、図 3Aは、凹凸部 14が形成されていない発 光素子を示し、図 3Bは、凹凸部 14が形成された発光素子を示し、図 3Cは、凹凸部 14の凸部 141の間隔 Aを光の波長の 10倍以上に設定した場合を示す。
[図 4]凹凸部 14と反射層 2とを組み合わせたことによる効果を示すグラフである。 圆 5]実施の形態 2による発光素子の凹凸部 14を斜め上方視力も拡大して示した図 である。
圆 6]実施の形態 3による発光素子の構造を示す断面図である。
[図 7]凸部 141aをフレネルレンズ形状にした場合の凸部 141aを示す上面図である。
[図 8]図 7に示す凸部 141aを参照符号 VIII— VIIIで示す線で切断した場合における 発光素子の断面図である。
[図 9]図 8に示すフレネルレンズの小レンズ部 142aをサブ波長回折格子によって構 成した場合の発光素子の構造を示す図である。（a)は、サブ波長回折格子の詳細な 構造を示す断面図であり、（b)は、（a)の上面図であり、（c)は、（b)の領域 D1の拡大 図である。
[図 10]凸部 141aをゾーンプレートで構成した場合の断面図である。
圆 11]実施の形態 5による発光素子の構造を示す断面図である。
圆 12]実施の形態 6による発光素子の構造を示す断面図である。
[図 13]図 13Aは、発光層 12から放出される光の配光分布を示したグラフであり、図 1
3Bは、凹凸部 14の形状による透過特性を示したグラフである。
[図 14]DBRの層厚を説明するための図である。
圆 15]実施の形態 7による発光素子の構造を示す断面図である。
[図 16]図 16 (a)は、銀又は銀合金と DBRとの反射率特性、及び、アルミニウムと DB
Rとの反射率特性を示すグラフであり、図 16 (b)は、図 15の発光素子の反射率特性 を示すグラフである。
[図 17]シミュレーションに用いられた反射層 2cの構造を示す図である。
[図 18]反射層 2cにおける反射率の角度依存性を示すシミュレーション結果である。 圆 19]実施の形態 8による発光素子の構造を示す断面図である。
[図 20]シミュレーションに用いられた反射層 2dの構造を示す図である。
[図 21]反射層 2dにおける反射率の角度依存性を示すシミュレーション結果である。 圆 22]実施の形態 9による発光素子の構造を示す断面図である。
[図 23]フォトニック結晶としてインバースオパール構造のフォトニック結晶を採用した 場合における反射層 2eの拡大図である。 [図 24]ポーラス Siフォトニック結晶の断面図である。
[図 25]回転蒸着法によって作成されたフォトニック結晶の拡大図である。
[図 26]実施の形態 10による発光素子の構造を示す断面図である。
[図 27]発光層 12から放出される光の発光分布を立体的に示した図である。
[図 28]実施の形態 11による発光素子の構造を示す断面図である。
[図 29]n型電極 5の構造を示す断面図である。
[図 30]凹凸部 14を蒸着する場合の製造方法を示した図である。
[図 31]実施の形態 12による発光装置の構造を示す断面図である。
[図 32]実施の形態 12による発光装置における波長変換層の他の構成を示す断面図 である。
[図 33]角度平均反射率特性を示す図である。
[図 34]従来の技術を示す図である。
[図 35]従来の技術を示す図である。
[図 36]従来の技術を示す図である。
発明を実施するための最良の形態
[0015] 以下、本発明に係る実施の一形態を図面に基づいて説明する。なお、各図におい て同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、その説明を省略する。
[0016] (実施の形態 1)
図 1は、本発明の実施の形態 1による発光素子の構造を示す断面図であり、図 2は
、その上面図である。図 2において、図 1の切断面は、参照符号 I Iで示されている。 図 1は、 1チップ分の断面であり、 1チップのサイズは、例えば、 0. 3〜lmm角である
。図 2は、図 1の一部正面図を示している。
[0017] 図 1に示すように発光素子は、 GaN系の材料から構成された半導体層 1と、半導体 層 1の下面に形成された反射層 2とを備えている。半導体層 1は、反射層 2の上面に 形成された P型半導体層 11と、 p型半導体層 11の上面に形成された発光層 12と、発 光層 12の上面に形成された n型半導体層 13とを備えて 、る。
[0018] n型半導体層 13の上面には、凸部 141が一定の間隔 A (周期 A)で形成されている
。間隔 Aは、発光層 12から放出される光の半導体層 1内での波長より長い。具体的 には、発光層 12から放出される光の波長をえ、半導体層 1の屈折率を nとすると、間 隔 Aは、 Α≥ λ Ζηである。図 1に示す例では、光が取り出される側の面は、 η型半導 体層 13の上面である。なお、光取り出し効率を向上させる観点から、凸部 141におけ る凹凸の断面形状が略相似形であることが好ましい。
[0019] 図 2に示すように、凸部 141は、上面視力もの形状が円形である。すなわち、凸部 1 41は、それぞれ、高さが同一、かつ、半径が同一の円筒形状を有している。
[0020] 反射層 2は、発光層 12で発光される光の波長に対して、 90%以上の反射率を有す る金属等の部材力 構成されている。なお、この種の発光素子は、当業者には公知 の MOCVD法を用いて容易に製造することができる。
[0021] 図 3は、凹凸部 14の効果を示す図であり、図 3Αは、凹凸部 14が形成されていない 発光素子を示し、図 3Βは、凹凸部 14が形成された発光素子を示し、図 3Cは、凹凸 部 14の凸部 141の間隔 Αを光の波長の 10倍以上に設定した場合を示している。図 3Aに示すように、半導体層 1の上面 (光が取り出される側の面） S1に凹凸部 14が形 成されていない場合、すなわち、半導体層 1の上面が平坦面である場合、発光層 12 力も放出された光のうち、脱出円錐外の方向に放出された光 L1は、半導体層 1の上 面 S1から取り出されず、正反射され、半導体層 1の下面 S2へと導かれ、下面 S2にお いて正反射されるというように、半導体層 1内で正反射が繰り返され、永久に脱出円 錐内に入ることはない。そのため、光取り出し効率が低くなる。
[0022] 一方、図 3Bに示すように、上面 S1の表面に、発光層 12から放出される光の波長よ りも大きな間隔 Aを有する凹凸部 14を形成すると、凹凸部 14から取り出されずに反 射された光 L1は、凹凸部 14によって、回折、散乱の影響を受け、上面 S1に対して正 反射以外の方向に反射されることになる (角度変換作用）。これにより、発光当初、脱 出円錐外の方向に放出された光も、多重反射を繰り返すことにより、やがて脱出し、 凹凸部 14から取り出される。
[0023] 更に、図 3Cに示すように、凹凸部 14の間隔 Aを発光層 12から放出される光の波長 の 10倍以上にした場合、半導体層 1を微視的にみると、脱出円錐外に放出された光 L2は、点 Pにおいて正反射されている力 半導体層 1を巨視的にみると、光 L2は、凹 凸部 14が形成された上面 S1に対して正反射とは大きく異なる方向に反射され、凹凸 部 14による角度変換作用が大きくなることが分かる。
[0024] 図 4は、凹凸部 14と反射層 2とを組み合わせたことによる効果を示すグラフである。
図 4に示すグラフにおいて、縦軸は、光取り出し効率を示し、横軸は、反射層の反射 率を示している。また、白丸〇がプロットされたグラフ C1は、半導体層 1の上面 S1に 凹凸部 14が形成された半導体層 1と反射層 2とを備える実施の形態 1による発光素 子を示し、黒四角♦がプロットされたグラフ C2は、上面 S1に凹凸部 14が形成されて いない平面状の半導体層と反射層とを備える発光素子を示している。また、このダラ フにおいて、凹凸部 14の間隔 Aが 350nm、凸部 141の直径が 245nm、凸部 141の 高さが lOOnmの発光素子が用いられて!/、る。
[0025] グラフ C1に示すように、実施の形態 1による発光素子では、反射層 2の反射率が 0 〜85%までは、光取り出し効率が緩やかに増大している力 反射層 2の反射率が 85 %以上になると、光取り出し効率が急激に増大していることが分かる。特に、反射層 2 の反射率が 90%以上の領域では、反射層 2の反射率が 5%増大すると、光取り出し 効率が約 20%も上昇していることが分かる。以上のことから、反射層 2の反射率は、 8 5%以上が好ましぐより好ましくは 90%〜100%、更に好ましくは 95%〜100%で あることが分力ゝる。
[0026] 一方、グラフ C2に示すように、凹凸部 14を備えていない発光素子では、反射層 2 の反射率が増大するにつれて、光取り出し効率は、線形に増大しているものの、その 増大率は、グラフ C1の反射率が 0〜85%の領域の増大率よりも著しく低ぐまた、反 射層 2の反射率が 100%となっても、光取り出し効率は、 10%に満たない。そのため 、反射層 2を設けても、凹凸部 14を設けていなければ、光取り出し効率は、ほとんど 向上されないことが分かる。従って、実施の形態 1による発光素子では、凹凸部 14と 反射層 2とを組み合わせることによる相乗効果により、光取り出し効率を大幅に向上さ せることができる。
[0027] 以上、説明したように、実施の形態 1による発光素子によれば、上記実験事実によ つて半導体層 1の上面 S1に凹凸部 14を形成すると共に、下面 S2に反射率が 90% 以上の反射層 2を形成したため、光取り出し効率を向上させることができる。
[0028] なお、上述の実施の形態 1では、半導体層 1は、反射層 2の上面に形成された p型 半導体層 11と、 p型半導体層 11の上面に形成された発光層 12と、発光層 12の上面 に形成された n型半導体層 13とを備え、 n型半導体層 13の上面に凸部 141が一定 の間隔 Aで形成されたが、半導体層 1は、反射層 2の上面に形成された n型半導体 層 13と、この n型半導体層 13の上面に形成された発光層 12と、この発光層 12の上 面に形成された P型半導体層 11とを備え、 p型半導体層 11の上面に凸部 141がー 定の間隔で形成されてもよい。 n型半導体層 13と p型半導体層 11とは、以下の実施 の形態においても同様に、積層位置を相互に交換可能である。
[0029] (実施の形態 2)
次に、実施の形態 2による発光素子について説明する。実施の形態 2による発光素 子は、実施の形態 1による発光素子に対して凹凸部 14の構造が異なることを特徴と している。
[0030] 図 5は、実施の形態 2による発光素子の凹凸部 14を斜め上方視力も拡大して示し た図である。なお、実施の形態 2による発光素子は、実施の形態 1による発光素子に 対し、凹凸部 14以外の構造は、同一であるため、その説明を省略する。
[0031] 図 5に示すように、凸部 141は、六角錐の形状を有している。また、凸部 141は、間 隔 Aが、発光層 12から放出される光の波長の半導体層 1内での波長の数倍 (例えば 2倍、 5倍、 10倍等)を中心として、前記波長を下回らない所定範囲内でランダムにバ ラツキを持たせて配列されている。例えば、半導体層 1が GaN系の材料から構成され る場合、屈折率は、約 2. 5であるため、発光層 12から波長が 460nmの光が放出さ れるとすると、放出された光の半導体層 1内における波長は、 184 (=460/2. 5) n mとなる。従って、数百（例えば 500) nmを中心として、 184nmを下回らない範囲内 においてランダムに一定のバラツキを持たせた間隔 Aで凸部 141が配列されると、凹 凸部 14力も取り出されな力つた光は、正反射以外の角度で、し力も一定のバラツキを 持った角度で反射されるため、多重反射後に脱出して凹凸部 14から取り出される確 率をより高くすることができる。
[0032] なお、間隔 Aがランダムとなるような凸部 141は、 KOH溶液 (水酸ィ匕カリウム溶液） を用いて、光照射しつつエッチングする光アシストエッチングにより、マスクレスで簡 易、かつ、低コストで製造可能となる。なお、凸部 141の形状としては、製造の容易化 の観点カゝら六角錐が採用されたが、これに限定されず、半導体層 1として採用された 材料の特性に応じて、製造容易な形状、例えば四角錐、三角錐、円錐等が採用され てもよい。
[0033] 以上説明したように、実施の形態 2による発光素子によれば、間隔 Aがランダムとな るように、半導体層 1の上面 S 1に凸部 141が形成されたため、凹凸部 14から取り出さ れな力つた光力 種々の角度で反射されるため、光取り出し効率をより高めることがで きる。
[0034] (実施の形態 3)
次に、実施の形態 3による発光素子について説明する。図 6は、実施の形態 3によ る発光素子の構造を示す断面図である。図 6に示すように、実施の形態 3による発光 素子は、半導体層 1の上面 S1の形状を、レンズ作用を有する形状にしたことを特徴と する。レンズ作用とは、凸レンズまたは凹レンズのように集光または発散する作用であ る。なお、実施の形態 3において、実施の形態 1、 2と同一のものは同一の符号を付し 、その説明を省略する。より具体的には、図 6に示す例では、凹凸部 14aを構成する 各凸部 141aの形状が凸レンズ状にされていることを特徴としている。また、凸部 141 aの間隔 Aは、実施の形態 1と同様、発光層 12から放出される光の波長をえ、半導体 層 1の屈折率を nとすると、 Α≥ λ Ζηである。
[0035] このように、凸部 141aの形状を凸レンズ状にすることによって、凹凸部 14aから取り 出される光の配光を制御することが可能となり、照明器具の発光素子として好適な発 光素子の提供が可能となる。なお、凸部 141aの形状は、凸レンズ状に限定されず、 凹凸部 14aから取り出される光の配光をどのように制御した 、かに応じて適宜に変更 される。
[0036] 例えば、凸部 141aの形状は、図 6に示す凸レンズ状に代えて、図 7に示すようにフ レネルレンズ形状にされてもよい。図 7は、凸部 141aをフレネルレンズ形状にした場 合の凸部 141aの上面図を示している。図 8は、図 7に示す凸部 141aを参照符号 VII I— VIIIで示す線で切断した場合における発光素子の断面図を示している。
[0037] ここで、図 8で示すフレネルレンズを構成する小レンズ部 142aは、図 9 (a)に示すよ うに半径の異なる複数の微細な円筒状の凸部 143aからなるサブ波長回折格子によ つて構成されてもよい。図 9 (a)は、サブ波長回折格子の詳細な構造を示す図であり 、図 9 (b)は、（a)の上面図であり、（c)は、（b)の領域 D1の拡大図である。
[0038] 図 9 (b)に示すように、凸部 143aの半径は、小レンズ部 142a表面の水平面に対す る傾きに応じて変更されている。より具体的には、小レンズ部 142a表面の傾きが緩や かにつれて半径が大きくなるように凸部 143aの半径が定められている。凸部 143aの 半径は、発光層 12から放出される光の半導体層 1内での波長よりも小さい。このよう に、図 8に示すフレネルレンズを図 9 (a)〜（c)に示すサブ波長回折格子により構成し ても、フレネルレンズと同一の作用を奏することができる。
[0039] また、図 7に示す凸部 141aは、図 10に示すようにゾーンプレートによって構成され てもよい。なお、実施の形態 3に示す凹凸部 14aは、公知のサーマルリフロー法ゃナ ノプリント法を用いることによって容易に実現することができる。
[0040] 以上説明したように、実施の形態 3による発光素子によれば、凸部 141aがレンズ作 用を有する形状とされたため、照明機器に好適な発光素子が提供可能となる。また、 凸部 14 laがフレネルレンズ形状、サブ波長回折格子形状、ゾーンプレート形状とさ れることによって、凸部 141aの厚さが厚くなることなぐ凸部 141aを透過する光の焦 点距離が制御可能となる。
[0041] (実施の形態 4)
次に、実施の形態 4による発光素子について説明する。実施の形態 4による発光素 子は、実施の形態 1〜3の発光素子の反射層 2を構成する部材として銀を主成分とす る合金 (銀合金)を採用したことを特徴とする。特に、実施の形態 4では、反射層 2とし て、 AgPdCu系銀合金を採用している。反射率を高めるという観点から反射層 2とし て Agを採用することが好ましい。しかしながら、 Agは、 GaNとの電気伝導性が良くな ぐ酸化もされやすいため、 GaNとの電気伝導性が良く酸化もされにくい銀合金を採 用することがより好ましい。
[0042] 以上説明したように、実施の形態 4による発光素子によれば、反射層 2として銀合金 を採用したため、反射層 2が高反射率を有し、かつ GaNとの電気伝導性も良好となり 、光取り出し効率の高い発光素子が提供可能となる。
[0043] (実施の形態 5) 次に、実施の形態 5による発光素子について説明する。図 11は、実施の形態 5によ る発光素子の構造を示す断面図である。図 11に示すように、実施の形態 5による発 光素子は、実施の形態 1〜4の発光素子の反射層 2として、白金層 21と、導電性酸 化物層 22と、金属層 23とから構成される反射層 2aを採用したことを特徴として ヽる。
[0044] 図 11に示すように発光素子は、 GaN系の材料から構成された半導体層 1と、半導 体層 1の面上に形成された反射層 2aとを備えて 、る。
[0045] 半導体層 1は、反射層 2aの面上に形成された p型半導体層 11と、 p型半導体層 11 の面上に形成された発光層 12と、発光層 12の面上に形成された n型半導体層 13と を備えている。 n型半導体層 13の面上には、凸部または凹部 141が一定の間隔 A( 周期 A)で形成されている。間隔 Aは、発光層 12から放出される光の半導体層 1内で の波長より長い。具体的には、発光層 12から放出される光の波長をえ、半導体層 1 の屈折率を nとすると、間隔 Aは、 Α≥ λ Ζηである。図 11に示す例では、光が取り出 される側の面は、 η型半導体層 13の上面である。
[0046] 反射層 2aは、発光層 12で発光される光の波長に対して、 90%以上の反射率を有 する層であり、本実施の形態では、白金層 21と、導電性酸化物層 22と、金属層 23と を備えている。
[0047] 白金層 21は、上面視にてメッシュ状あるいは島状に形成された白金 (Pt)力 成る 層であり、半導体層 1における p型半導体層 11の面上に形成される。島の形状は、例 えば、上面視にて、例えば、楕円形（円形を含む。）および四角形や六角形等の多角 形等である。白金層 21は、 p型半導体層 11と導電性酸化物層 22との電気的な接続 を確保するために形成される。
[0048] 導電性酸化物層 22は、例えば ITO (Indium Tin Oxide)や ZnO等の導電性を有し、 発光層 12で発光する光の波長に対して透明な金属酸ィ匕物から成る層である。導電 性酸ィ匕物層 22は、白金層 21がメッシュ状あるいは島状であるため、その一部が半導 体層 1の p型半導体層 11に接触するように、白金層 21の面上に形成される。言い換 えれば、半導体層 1の p型半導体層 11と導電性酸ィ匕物層 22との間にメッシュ状又は 島状の白金層 21が介在するように、導電性酸ィ匕物層 22が半導体層 1における p型 半導体層 11の面上に形成される。導電性酸化物層 22が半導体層 1の p型半導体層 11と金属層 23との間に介在することによって、コンタクト抵抗が低下し、導電性、即ち キャリア注入効率が向上する。
[0049] 金属層 23は、例えば、銀 (Ag)、銀を主成分とする銀合金、アルミニウム (A1)又は アルミニウムを主成分とする合金 (アルミニウム合金)等の金属 (合金を含む)から成る 層である。金属層 23での高い反射率を維持するために、導電性酸化物層 22の半導 体層 1に接触する面積（開口率）は、 80%以上が好ま 、。
[0050] このような反射層 2aは、一実施例では、例えば、白金層 21が 1. 5nm以下とされ、 導電性酸化物層 22が 5nm以下の ITOとされ、金属層 23が 300nmの銀とされる。そ して、図示しないが電極パッドとするために、銀の金属層 23の下面に、下地層として の厚み 30nmのニッケル (Ni)層と、厚み lOOOnmの金（Au)層とが形成される。
[0051] 以上説明したように、このような構成の発光素子によれば、白金層 21と導電性酸化 物層 22と金属層 23とから成る反射層 2aを採用したため、金属層 23が高反射率を有 し、かつ p型半導体層 11とォーミックコンタクトし、光取り出し効率の高い発光素子が 提供可能となる。例えば、上記一実施例では、反射層 2aが約 91. 5%の反射率を示 し、 n型半導体層 13の上面に形成された凹凸部 14との相乗効果によって、約 60% 以上の光取り出し効率が期待できる。
[0052] なお、上述の実施形態において、より良好なォーミックコンタクトとするために、 p型 半導体層 11に例えばマグネシウム (Mg)等の p型ドーパントが添加されてもょ 、。
[0053] (実施の形態 6)
次に、実施の形態 6による発光素子について説明する。図 12は、実施の形態 6によ る発光素子の構造を示す断面図である。図 12に示すように実施の形態 6による発光 素子は、実施の形態 1〜4の発光素子の反射層 2として、 DBR (distributed bragg refl ector)力も構成される反射層 2bを採用したことを特徴としている。なお、実施の形態 6 において、実施の形態 1〜4と同一のものは同一の符号を付し、その説明を省略する 。本実施の形態では、 DBRは、発光層 12から放出される光の半導体層 1内における 波長の 1Z4波長の厚みを持つ互いに屈折率の異なる層を複数層積み重ねて構成 される反射鏡である。 DBRでは、光の干渉効果によるブラッグ反射によって各層での 反射波が強め合うことで、高い反射率が得られる。本実施の形態では、 AlGaN/Ga Nの 1ペア層が 50ペア分積層された DBRを採用している。これにより、反射層 2は、 9 9%以上の反射率を実現することができる。このような DBRは、例えば、電子ビーム（ EB)の蒸着により形成可能である。
[0054] DBRは、ほぼ 100%の反射率を実現することが可能である力 公知の DBRでは図 12に示す AB面の法線方向に入射する光、つまり、入射角 0度で入射する光に対し て、反射率が 100%となるように設計される。これは、 DBRを構成する各層の層厚 dl 力 入射する光の波長の 1Z4に設定されているからである。
[0055] し力しながら、図 13Aに示すように発光層 12から放出される光の配光分布は、入射 角が 0度から 90度に近づくにつれて、光束が増大する。また、図 13Bに示すように凹 凸部 14の形状に応じて、入射角と凹凸部 14からの透過率との関係も異なる。
[0056] 図 13Aは、発光層 12から放出される光の配光分布を示したグラフであり、縦軸は、 光束 (lm)の相対強度を示し、横軸は、角度 (deg)を示している。なお、角度は、発光 層 12からの光の法線方向に対する角度を示している。図 13Aに示すように、発光層 12から放出される光束は、角度が大きくなるにつれて増大していることが分かる。
[0057] 図 13Bは、凹凸部 14の形状による透過特性を示したグラフであり、縦軸は、凹凸部 14からの透過率 (光取り出し効率)を示し、横軸は、上面 S1への入射角を示している 。また、図 13Bにおいて、グラフ C31は、凹凸部 14の断面形状を平面状にした場合 を示し、グラフ C32は、凹凸部 14の断面形状を三角波状にした場合を示し、グラフ C 33は、凹凸部 14の断面形状を正弦波状にした場合を示し、グラフ C34は、凹凸部 1 4の断面形状を方形波状にした場合を示し、グラフ C35は、凹凸部 14の形状を円状 にした場合を示し、そして、グラフ C36は、凹凸部 14の断面形状をすり鉢状にした場 合を示している。
[0058] 図 13Bに示すように、凹凸部 14の形状に応じて、光の透過特性が大きく異なること が分かる。ここで、一回の透過での光取り出し効率は、一般に、下式によって表され る。
[0059] 光取り出し効率 7? = J (透過率（ θ ) X配光分布 ( θ ) ) ά θ
そのため、凹凸部 14から実際に外部に取り出される光量は、図 13Aに示すグラフと 図 13Bに示すグラフ C31〜C36のいずれ力 1つのグラフとが重なった領域となる。 [0060] 例えば、図 13Bの方形波を示すグラフ C34においては、光束強度が大きい範囲で 透過率が低い角度である 30度から 90度の範囲内の中間の 60度の角度に対して、 D BRの反射率が 99%以上になるように DBRが設計されればよい。これは、図 14に示 すように、法線方向に対して角度（ Θ =60度）の直線上における各層の長さ力 発光 層 12から放出される光の半導体層 1中での波長 の 1Z4となるように、 DBRの層 厚 dlが設定されることによって実現される。これにより、 30度から 90度までの透過率 が増大し、光取り出し効率を増大させることが可能となる。
[0061] また、図 13Bの三角形波を示すグラフ C32においては、透過率の低い 70度あたり の光の反射率が 99%以上になるように DBRが設計されればよい。これは、図 14に 示すように、法線方向に対する角度（ 0 = 70度）の直線状における各層の長さが、発 光層 12から放出される光の半導体層 1中での波長 の 1Z4となるように、 DBRの 層厚 dlが設定されることによって実現される。なお、グラフ C32おいて、角度 40度付 近の透過率も低いため、角度 40度付近の光の反射率が高くなるように DBRを設計 することも考えられる。し力しながら、図 13Aに示すように、角度 40度付近よりも角度 7 0度付近の方が光束の値が大きいため、光取り出し効率を高めるためには、角度 70 度付近の反射率が高まるように DBRが設計されることが好ま 、。
[0062] 以上説明したように実施の形態 6による発光素子によれば、反射層 2bが DBRによ つて構成されたため、反射層 2bの反射率が高められ、光取り出し効率がより高められ る。また、凹凸部 14の形状に応じて定まる透過特性において透過率が低い角度の光 の DBRでの反射率が高まるように DBRの層厚が設定されているため、一回で透過し 得な 、光の多重反射によるロスが低減され、光取り出し効率がより高められる。
[0063] (実施の形態 7)
次に、実施の形態 7による発光素子について説明する。図 15は、実施の形態 7によ る発光素子の構造を示す断面図である。図 15に示すように、実施の形態 7による発 光素子は、実施の形態 1〜4の発光素子の反射層 2として、アルミニウム、銀又は銀 合金からなる金属層 23と、この金属層 23の上に積層された DBR24とによって構成さ れる反射層 2cを採用したことを特徴として 、る。この反射層 2cにおける DBR24の上 に半導体層 1が形成される。即ち、実施の形態 7による発光素子は、実施の形態 6〖こ よる発光素子における DBRの下面にさらに金属層が積層された構成である。なお、 実施の形態 7において、実施の形態 1〜4と同一のものは、同一の符号を付し、その 説明を省略する。
[0064] 図 16は、銀又は銀合金 (銀 Z銀合金）と DBRとの入射角と反射率との関係、及び、 アルミニウム (A1)と DBRとの入射角と反射率との関係を示す反射率特性のグラフで ある。図 16の縦軸は、反射率（％)を示し、横軸は入射角を示している。図 16 (a)に おいて、実線は、銀又は銀合金の反射率特性を示し、一点鎖線は、アルミニウムの 反射率特性を示し、そして、二点鎖線は、 DBRの反射率特性を示している。図 16 (a )に示すように、銀又は銀合金の反射率及びアルミニウムの反射率は、入射角が 0度 力 75度あたりまでは、 DBRより低いが、 75度を超えたあたりから DBRより高くなる。 なお、銀又は銀合金の反射率の方がアルミニウムの反射率よりも高 、。
[0065] 従って、図 15のように反射層 2cが構成されれば、反射層 2cは、図 16 (b)に示すよ うな DBRの反射率特性と銀又は銀合金の反射率特性とが合成された反射率特性を 有することになる。あるいは、図 16 (b)に示すような DBRの反射率特性とアルミニウム の反射率特性とが合成された反射率特性を有することになる。
[0066] その結果、全入射角に対して高!ヽ反射率を有する反射層 2cを構成することが可能 となる。なお、一般に DBRは、複数のペア層から構成されるが、特別な場合として、こ の高反射の金属層と DBRとを積層した反射層 2cの場合では、 DBRの層数は、 1層 でもよい。
[0067] このような反射層 2cにおける反射率の角度依存性についてシミュレーションを行つ た。図 17は、シミュレーションに用いられた反射層 2cの構造を示す図である。図 18は 、反射層 2cにおける反射率の角度依存性を示すシミュレーション結果である。図 18 の縦軸は、強度反射率を示し、横軸は、 GaNカゝら DBRへの入射角度を示す。 C41 は、 DBR24と銀の金属層 23からなる反射層 2cの場合における反射率を示し、 C42 は、 DBRからなる反射層 2bの場合における反射率を示す。
[0068] 図 17に示すように、シミュレーションに用いられた反射層 2cは、 p型半導体層 11と しての GaN層上に DBR24が積層され、 DBR24上に厚み 300nmの銀から成る金属 層 23が積層される。 DBR24は、 TiOと MgFとのペア層が 15層積層され、さらに、 TiOが積層されている。波長え（=460nm)の lZ4nとすべぐ TiOは、その屈折
2 2 率が 2. 24であり、その膜厚が 51. 34nmとされ、 MgFは、その屈折率が 1. 38であ
2
り、その膜厚力 83. 33nmとされて! /、る。銀の複素屈折率は、 0. 055— 3. 32i (iは、 虚数単位)である。
[0069] 図 18から分力るように、反射層 2が DBRから成る反射層 2bである場合では、入射 角が約 17度力も約 50度までの範囲及び約 60度力も約 90度までの範囲において、 反射率の低下が見られる。一方、反射層 2が DBRと銀の金属層から成る反射層 2cで ある場合では、入射角力^度から 90度の全範囲にわたってほとんど反射率の低下が 見られず、約 95%以上の反射率が保たれている。
[0070] 以上説明したように実施の形態 7による発光素子によれば、反射層 2cが DBR24と 金属層 23とによって構成されたため、各層が補 、合って 0度から 90度までの広 ヽ範 囲の入射角にわたって反射層 2cの反射率が高められ、光取り出し効率がより高めら れる。
[0071] (実施の形態 8)
次に、実施の形態 8による発光素子について説明する。図 19は、実施の形態 8によ る発光素子の構造を示す断面図である。図 19に示すように、実施の形態 8による発 光素子は、実施の形態 1〜4の発光素子の反射層 2として、白金層 21と、導電性酸 化物層 22と、金属層 23と、 DBR24とから構成される反射層 2dを採用したことを特徴 としている。この反射層 2dの白金層 21の上に半導体層 1が形成される。なお、実施 の形態 8において、実施の形態 1〜4と同一のものは、同一の符号を付し、その説明 を省略する。
[0072] 反射層 2dは、発光層 12で発光される光の波長に対して、 90%以上の反射率を有 する層であり、本実施の形態では、白金層 21と、導電性酸化物層 22と、金属層 23と 、 DBR24とを備えている。白金層 21及び導電性酸化物層 22は、実施の形態 5によ る発光素子の白金層 21および導電性酸ィ匕物層 22と同一であり、その説明を省略す る。
[0073] DBR24は、実施の形態 7による発光素子の DBR24と同様であり、本実施の形態 8 では、上面視にてメッシュ状あるいは島状に形成され、導電性酸化物層 22の下面に 形成される。島の形状は、例えば、上面視にて、例えば、楕円形（円形を含む。）およ び四角形や六角形等の多角形等である。このように DBR24カ^ッシュ状又は島状に 形成されているので、 DBR24の導電率が低い場合でも導電性酸化物層 22と金属層 23との間における電気伝導を確保することができる。なお、導電性酸化物層 22と金 属層 23との間における電気伝導を確保する上で充分な導電率を DBR24が有して いる場合には、 DBR24は、導電性酸化物層 22と金属層 23との界面全面に形成さ れてもよい。
[0074] 金属層 23は、実施の形態 7による発光素子の金属層 23と同様であり、本実施の形 態 8では、 DBR24がメッシュ状あるいは島状であるため、その一部が導電性酸化物 層 22に接触するように、 DBR24の下面に形成される。言い換えれば、導電性酸ィ匕 物層 22と金属層 23との間にメッシュ状又は島状の DBR24が介在するように、金属 層 23が導電性酸化物層 22の下面に形成される。
[0075] このような反射層 2dは、一実施例では、例えば、白金層 21が 1. 5nm以下とされ、 導電性酸化物層 22が 5nm以下の ITOとされ、金属層 23が 300nmの銀とされ、 DB R24が TiOと MgFとの組を 15組積層すると共に最後に TiOを積層した反射鏡とさ
2 2 2 れる。そして、図示しないが電極パッドとするために、銀の金属層 23の下面に、下地 層としての厚み 30nmのニッケル (Ni)層と、厚み lOOOnmの金（Au)層とが形成され る。
[0076] このような反射層 2dにおける反射率の角度依存性についてシミュレーションを行つ た。図 20は、シミュレーションに用いられた反射層 2dの構造を示す図である。図 21 は、反射層 2dにおける反射率の角度依存性を示すシミュレーション結果である。図 2 1の縦軸は、強度反射率を示し、横軸は、 GaN力も DBRへの入射角度を示す。 C51 は、 DBR24と銀の金属層 23からなる反射層 2cの場合における反射率を示し、 C52 及び C53は、 ITOの導電性酸ィ匕物層 22と DBR24と銀の金属層 23と力もなる反射層 2dの場合における反射率を示す。 C52は、 ITOの膜厚が 5nmである場合を示し、 IT Oの膜厚が 50nmである場合を示す。
[0077] 図 20に示すように、シミュレーションに用いられた反射層 2dは、 p型半導体層 11と しての GaN層上に ITOの導電性酸ィ匕物層 22が形成され、導電性酸化物層 22上に DBR24が形成され、 DBR24上に厚み 300nmの銀から成る金属層 23が形成される 。 ITOは、その膜厚が 5nm及び 50nmである各場合がシミュレートとされ、その複素 屈折率は、 2. 3-0. 008iである。 DBR24は、 TiOと MgFとのペア層が 15層積層
2 2
され、さらに、 TiOが積層されている。波長え（=460nm)の lZ4nとすべぐ TiO
2 2 は、その屈折率が 2. 24であり、その膜厚が 51. 34nmとされている。すなわち、図 2 0に示す反射層 2dは、図 17に示す反射層 2cに対し ITOが GaNと DBRとの間に介 在する構成である。
[0078] 図 21から分力るように、反射層 2が ITOを含む反射層 2dである場合では、 ITOが光 を若干吸収するため、反射層 2が ITOを含まない反射層 2cである場合に較べて、反 射率が多少低下する力 入射角力 ^度から 90度の全範囲にわたって良好な反射率 が保たれている。 ITOの膜厚が薄いほど全体的に反射率がより良好である。特に、 I TOの膜厚が 5nmである場合では、入射角力 SO度から 90度の全範囲にわたってほぼ 90%以上の反射率が保たれている。また、 ITOの膜厚が 50nmである場合でも、入 射角が 0度力も約 70度の範囲にわたってほぼ 90%以上の反射率が保たれている。
[0079] 以上説明したように、このような構成の発光素子によれば、白金層 21と導電性酸ィ匕 物層 22と金属層 23と DBR24から成る反射層 2dを採用したため、 0度から 90度まで の広い範囲の入射角にわたって反射層 2dの反射率が高められ、かつ、反射層 2dが P型半導体層 11とォーミックコンタクトし、光取り出し効率のより高 、発光素子が提供 可能となる。
[0080] なお、上述の実施形態において、 DBR24は、 DBRを構成する各ペア層の膜厚や 屈折率が徐々に変化するチヤープ DBRでもよい。チヤープ DBR構造にすることによ つて、 DBRにおける DBR構造に入射する光の特定の波長帯や角度帯で発生する局 所的な反射率の低下である反射率のリップルが減少し、全体の反射率が向上する。 反射層 2dの場合、 DBRの層数は、 1層でもよい。
[0081] (実施の形態 9)
次に、実施の形態 9による発光素子について説明する。図 22は、実施の形態 9によ る発光素子の構造を示す断面図である。実施の形態 9による発光素子は、反射層 2e として、フォトニック結晶を採用したことを特徴としている。フォトニック結晶は、あらゆる 入射角度に対してもほぼ 100%の反射率を実現することができる。なお、実施の形態 9において、実施の形態 1〜4と同一のものは、同一の符号を付し、その説明を省略 する。
[0082] 図 23は、フォトニック結晶としてインバースオパール構造のフォトニック結晶を採用 した場合における反射層 2eの拡大図を示している。図 23に示すように 3次元のフォト ニック結晶は、球形からなる複数の泡状に配列された空洞を含むことを特徴として 、 る。この空洞のピッチは、発光層 12から放出される光の半導体層 1内における波長の 約 1Z2の長さを有している。より具体的には、半導体層 1として GaNを採用し、発光 層 12から 460nmの光が放出されるとすると、 GaNの屈折率は約 2. 5であるため、空 洞のピッチは、（460Z2. 5) X (1Z2) =約 lOOnmにすることが好ましい。
[0083] このインバースオパール構造を有するフォトニック結晶は、公知のインバースォパー ル法によって容易に作成され得る。このインバースオパール法では、まず、空洞に相 当する微粒子が積層される。次に、積層された微粒子が有機溶剤に浸潰される。そ して、この有機溶剤が焼き固められ、有機溶剤を炭化させた後に、微粒子が溶カゝされ る。これによつて、インバースオパール構造が形成される。なお、カーボンは、導電性 を有するため、別途電極を形成しなくとも、フォトニック結晶をそのまま電極として用い ることが可能である。
[0084] また、実施の形態 9では、反射層 2eに採用するフォトニック結晶として、ポーラス Si フォトニック結晶（2次元のフォトニック結晶）が採用されてもよい。図 24は、ポーラス Si フォトニック結晶の断面図を示している。図 24に示すように、 2次元のフォトニック結晶 は、パイプ状の空洞がマトリックス状に配列された構造を有している。なお、半導体層 1は、このパイプ上の空洞の長手方向と直交する方向が半導体層 1の上面 S 1と平行 になるように、ポーラス Siフォトニック結晶上に積層される。
[0085] なお、ポーラス Siフォトニック結晶と GaNとを貼り付けることによって、発光素子が製 造されてもょ ヽが、ポーラス Siフォトニック結晶を成長基板として GaNを成長させるこ とによって、発光素子を製造してもよい。このようにすることで、ポーラス Siフォトニック 結晶と GaNとの貼り付け工程が省略され、かつ、 GaNの品質が向上可能となり、発 光素子内部の量子効率が向上される。 [0086] ポーラス Siフォトニック結晶は、空洞の長手方向、すなわち、法線方向に対してはフ オトニックバンドが存在しないため、反射率は、多少弱まる力 法線方向に対して斜め の方向には、フォトニックバンドを持っため、この方向の光に対しては、高い反射率が 実現される。なお、ポーラス Siフォトニック結晶は、導電性を有するため、そのまま、電 極として用いることが可能である。
[0087] 更に、実施の形態 9では、反射層 2eに採用するフォトニック結晶として、斜め回転蒸 着法 (GLAD)によって作成されたフォトニック結晶が採用されてもよい。図 25は、斜 め回転蒸着法によって作成されたフォトニック結晶の拡大図を示している。斜め回転 蒸着法は、傾斜した成長基板を所定周期で回転させ、フォトニック結晶を成長基板 上にスパイラル状に成長させる手法である。
[0088] 以上説明したように、実施の形態 9による発光素子によれば、フォトニック結晶から なる反射層 2eが採用されたため、どのような入射角度に対しても高い反射率を有す る反射層 2eを実現することが可能となり、光取り出し効率を高めることが可能となる。
[0089] (実施の形態 10)
次に、実施の形態 10による発光素子について説明する。図 26は、実施の形態 10 による発光素子の構造を示す断面図である。実施の形態 10による発光素子は、実施 の形態 1〜9による発光素子に対して、半導体層 1の厚さ、すなわち、半導体層 1の 凹凸部 14の底部を含む面 S1と下面 S2との距離 d2を、発光層 12から放出される光 の半導体層 1内での波長の数倍以内であることを特徴とする。なお、実施の形態 10 において、実施の形態 1〜9と同一のものは、同一の符号を付し、その説明を省略す る。図 27は、発光層 12から放出される光の発光分布を立体的に示した図である。図 27に示すように、発光層 12から放出される光は、図中黒く示すように法線方向の成 分が最も多い。し力しながら、法線方向の光は、凸部 141の上面が法線方向と直交し ているため、凹凸部 14による角度変換作用を受けることができない虞がある。
[0090] そこで、距離 d2を発光層 12から放出された光の波長の数倍、好ましくは、 1〜5倍、 さらに好ましくは、同じにすることで、法線方向の光も、凹凸部 14による角度変換作 用を受け、光取り出し効率をより高めることができる。具体的には、距離 d2は、発光層 12力らの光の波長を 460nm、半導体層 1の屈折率を 2. 5とすると、 180nm〜1000 nmにすることが好ましい。
[0091] 以上説明したように、実施の形態 10による発光素子によれば、距離 d2が波長の数 倍或いはほぼ同一とされたため、光取り出し効率をより高めることが可能となる。
[0092] (実施の形態 11)
次に、実施の形態 11による発光素子について説明する。図 28は、実施の形態 11 による発光素子の構造を示す断面図である。図 28Aは、発光素子が縦型である場合 を示し、図 28Bは、発光素子がフリップチップ型である場合を示す。実施の形態 11に よる発光素子は、実施の形態 1〜10による発光素子に対して、半導体層 1の発光層 12へ電力を供給する p型及び n型電極を設け、さらに、 n型電極も高反射率の電極を 採用したことを特徴としている。なお、実施の形態 11において、実施の形態 1〜10と 同一のものは、同一の符号を付し、その説明を省略する。
[0093] 半導体層 1の発光層 12へ電力を供給する場合、一組の p型及び n型電極が発光層 12を挟んで互いに対向するように配設される縦型と、一組の p型及び n型電極が発 光層 12に対して同一側に配設されるフリップチップ型（以下、「FC型」と略記する。 ) とがある。
[0094] この縦型の発光素子は、例えば、図 28Aに示すように、実施の形態 1〜： L0による発 光素子における反射層 2 (2a〜2e)が p型電極とされており、半導体層 1における n型 半導体層 13の上面に n型電極 5が形成され、 p型電極の反射層 2 (2a〜2e)と n型電 極 5とが発光層 12を挟んで互いに対向するように配設されている。そして、この縦型 の発光素子には、 p型電極の反射層 2 (2a〜2e)に正側電圧（+側電圧）を印加する ための配線金属層 3が反射層 2 (2a〜2e)の下面に形成され、これら半導体層 1、反 射層 2 (2a〜2e)及び配線金属層 3を支持する支持層 4が配線金属層 3の下面に配 設されている。
[0095] また、 FC型の発光素子は、例えば、図 28Bに示すように、実施の形態 1〜： LOによる 発光素子における反射層 2 (2a〜2e)が p型電極とされており、発光層 12に対して反 射層 2 (2a〜2e)が形成されて!ヽる側で半導体層 1における n型半導体層 13が外部 に臨むように発光層 12、 p型半導体層 11及び反射層 2 (2a〜2e)が取り除かれること によって、露出面が形成され (あるいは、このような露出面が形成されるように、 n型半 導体層 13、発光層 12及び p型半導体層 11が形成され、この p型半導体層 11の下面 に反射層 2 (2a〜2e)が形成され)、この露出面に n型電極 5が形成され、 p型及び n 型電極が発光層 12に対して同一側に配設されている。そして、この FC型の発光素 子には、 p型電極の反射層 2 (2a〜2e)に正側電圧（+側電圧）を印加するための配 線金属層 31が反射層 2 (2a〜2e)の下面に形成される共に、 n型電極 5に負側電圧（ 側電圧）を印加するための配線金属層 32が n型電極 5の下面に形成され、これら 半導体層 1、反射層 2 (2a〜2e)及び配線金属層 31、 32を支持する支持層 4が配線 金属層 31、 32の下面に配設されている。
[0096] 図 29は、 n型電極 5の構造を示す断面図である。このような縦型又は FC型の発光 素子に用いられる n型電極 5には、例えば、図 29Aに示すように、白金層 51と、導電 性酸化物層 52と、金属層 53とから構成され、 80%以上の反射率を有する n型電極 5 aが採用される。
[0097] 白金層 51は、上面視にてメッシュ状あるいは島状に形成された白金 (Pt)力 成る 層であり、半導体層 1における n型半導体層 13の面上に形成される。島の形状は、例 えば、上面視にて、例えば、楕円形（円形を含む。）および四角形や六角形等の多角 形等である。
[0098] 導電性酸化物層 52は、例えば ITOや ZnO等の導電性を有し、発光層 12で発光す る光の波長に対して透明な金属酸ィ匕物力も成る層である。導電性酸化物層 52は、白 金層 51がメッシュ状あるいは島状であるため、その一部が半導体層 1の n型半導体 層 13に接触するように、白金層 51の面上に形成される。言い換えれば、半導体層 1 の n型半導体層 13と導電性酸化物層 52との間にメッシュ状又は島状の白金層 51が 介在するように、導電性酸ィ匕物層 52が半導体層 1の n型半導体層 13の面上に形成 される。導電性酸化物層 52が半導体層 1の n型半導体層 13と金属層 53との間に介 在することによって、コンタクト抵抗が低下し、導電性、即ちキャリア注入効率が向上 する。
[0099] 金属層 53は、例えば、銀、銀を主成分とする銀合金、アルミニウム又はアルミニウム を主成分とするアルミニウム合金等の金属 (合金を含む)カゝら成る層である。金属層 5 3での高 ヽ反射率を維持するために、導電性酸化物層 22の半導体層 1に接触する 面積（開口率）は、 80%以上が好ましい。
[0100] このような n型電極 5aは、一実施例では、例えば、白金層 51が lnm以下とされ、導 電性酸化物層 52が 5nm以下の ITOとされ、金属層 53が 300nmの銀とされる。そし て、図示しないが電極パッドとするために、銀の金属層 53の面上に、下地層としての 厚み 30nmのニッケル (Ni)層と、厚み lOOOnmの金（Au)層とが形成される。
[0101] あるいは、このような縦型又は FC型の発光素子に用いられる n型電極 5には、例え ば、図 29Bに示すように、図 29Aに示す n型電極 5aにおける導電性酸化物層 52と金 属層 53との間に、実施の形態 6や実施の形態 7における DBR24と同様な DBR54が さらに設けられた n型電極 5bが採用されてもよい。また、この DBR54は、実施の形態 8における DBR24のように、上面視にてメッシュ状あるいは島状に形成されてもよ!ヽ
[0102] 一般に、 n型電極は、比較的反射率の低!、例えば ッケル (Ni)等の金属で形成さ れ、光取り出し効率を向上させるために、反射率が考慮されていない事情にある。特 に、 FC型では、 p型電極が形成された領域に対応する発光層 12の領域のみで発光 すると考えられるため、 n型電極の反射率は、光取り出しに効率の向上に寄与しない と考えられている事情にある。通常、 n型電極の面積は、素子面積全体の約 10%で あるため、 n型電極の反射率が比較的低いと、例えば 30%程度であると、 p型電極の 反射率を 85%以上に向上しても、発光素子の平均反射率は、 80%程度になってし まう。そのため、発光素子内を多重反射する光を取り出す上で、低反射率の n型電極 は、光取り出し効率の向上を妨げることになる。
[0103] このため、 n型電極が例えば図 29に示す n型電極 5a、 5bのような 80%以上の反射 率を有する電極とされることによって、発光素子の平均反射率の向上が可能となる。
[0104] 以上説明したように、このような構成の発光素子によれば、白金層 51と導電性酸ィ匕 物層 52と金属層 53とを備える n型電極 5a、 5bを採用したため、金属層 53が高反射 率を有し、かつ n型半導体層 13とォーミックコンタクトし、光取り出し効率の高い発光 素子が提供可能となる。そして、さらに DBR54を備える n型電極 5bが採用される場 合では、さらに、光取り出し効率の高い発光素子が提供可能となる。
[0105] なお、上述の n型電極 5a、 5bの場合において、 n型半導体層 13とのコンタクト抵抗 を下げるために、シリコン（Si)、銅（Cu)、テルル (Te)、ゲルマニウム（Ge)及び錫（S n)のうちの 1つ以上の n型ドーパント物質を含む銀合金又はアルミニウム合金が金属 層 53に用いられてもよい。金属層 53として、例えば、日立金属社製 ATDシリーズ の銀合金が挙げられる。
[0106] 次に、実施の形態 1の凹凸部 14を半導体層 1に蒸着する場合の発光素子の製造 方法について説明する。図 30は、凹凸部 14を蒸着する場合の製造方法を示した図 である。まず、半導体層 1の上面にレジスト R1を塗布する（図 30A)。次に、塗布され たレジスト R1に、露光及び現像、或いはナノプリント法を用いて、凹凸部 14に相当す る形状を付与する（図 30B)。次に、形状が付与されたレジスト R1に、半導体層 1とほ ぼ同じ屈折率を有する材料を蒸着する（図 30C)。本実施形態では、半導体層 1とし て用いられる GaNの屈折率とほぼ同じ屈折率を有する TiOをレジスト R1に蒸着する
2
。次に、レジストをリフトオフする（図 30D)。これにより、半導体層 1に凹凸部 14を蒸 着させることが可會となる。
[0107] 凹凸部 14のような半導体面に形成される微細構造はドライエッチング等のエツチン グによって形成してもよいが、エッチングを実現するための装置は、非常に高価であ る。そこで、図 30に示すように、半導体層 1とほぼ同じ屈折率を有する部材を半導体 層 1に蒸着させて、凹凸部 14を形成することで、高価なエッチングの装置を使用する 必要がなくなり、低コストで、凹凸部 14を形成することができる。
[0108] (実施の形態 12)
次に、実施の形態 12による発光装置について説明する。図 31は、実施の形態 12 による発光装置の構造を示す断面図である。実施の形態 12による発光装置は、実施 の形態 1〜 11による発光素子を用いた白色光を放射する装置である。
[0109] 実施の形態 12による発光装置は、図 31に示すように、円板状の基板 61上に実施 の形態 11による発光素子が載置され、この発光素子の光取り出し面上にこの発光素 子で発光される光の波長を変換して放射する波長変換層 62が形成され、これらが封 止部材 63によって封止されて構成される。
[0110] 基板 61は、発光素子力も放射された光が封止部材 63へ効率よく反射されるように 、発光素子が載置される面が高反射率にされている。基板 61は、例えば、銀やアル ミニゥム等の高反射率な金属 (合金を含む)で形成される。
[0111] 図 31に示す例では、この実施の形態 11による発光素子は、 FC型である。その支 持層 4は、発光層 12で生成される熱を放射するヒートシンクと兼用されている。そして 、配線金属層 31、 32には、金バンプが用いられている。この実施の形態 11による発 光素子は、例えば、青色の波長 460nmに発光ピークを持つように構成されている。 なお、この実施の形態 11による発光素子は、縦型でもよい。
[0112] 波長変換層 62は、本実施の形態の発光装置が白色光を放射するために、主に波 長 460nm付近の青色光を吸収して緑色光を蛍光で発光する緑色蛍光体と、主に波 長 460nm付近の青色光を吸収して赤色光を蛍光で発光する赤色蛍光体とが含有さ れている蛍光体分散ガラスで構成されている。緑色蛍光体として、例えば、 SrGa S
2 4
： Eu2+や、 Y (Al, Ga) O ： Ce3+等が用いられる。赤色蛍光体として、例えば、 Ca
3 5 12
S :Eu2+や、 SrS :Eu2+等が用いられる。
[0113] 図 32は、実施の形態 12による発光装置における波長変換層の他の構成を示す断 面図である。波長変換層 62は、図 32に示すように、主に波長 460nm付近の青色光 を吸収して赤色光を蛍光で発光する赤色蛍光体が含有されている赤色蛍光体分散 ガラス層 621と、青色光及び赤色光を透過すると共に緑色光を反射する波長選択フ ィルタ層 622と、主に波長 460nm付近の青色光を吸収して緑色光を蛍光で発光す る緑色蛍光体が含有されて ヽる緑色蛍光体分散ガラス層 623とを備え、これら赤色 蛍光体分散ガラス層 621、波長選択フィルタ層 622及び緑色蛍光体分散ガラス層 62 3が発光素子の光取り出し面力も離れる方向に順次に積層された構造でもよい。即 ち、赤色蛍光体分散ガラス層 621が発光素子の光取り出し面上に形成され、赤色蛍 光体分散ガラス層 621の面上に波長選択フィルタ層 622が形成され、波長選択フィ ルタ層 622の面上に緑色蛍光体分散ガラス層 623が形成される。波長選択フィルタ 層 622には、例えば、上述のような波長選択特性を備えるように構成された DBRが 用いられる。通常、蛍光体は、所定の波長で吸収ピークを持つが、所定に波長範囲 にわたつて光を吸収し、蛍光発光する。このため、赤色蛍光体は、緑色蛍光体で発 光された緑色光も赤色光に波長変換するため、図 31に示す発光装置から放射され る緑色の発光強度が低下する場合がある。そのため、波長変換層 62が赤色蛍光体 分散ガラス層 621と緑色蛍光体分散ガラス層 623との間に波長選択フィルタ層 622 を挟み込んだ図 32に示す構造とすることによって、緑色蛍光体分散ガラス層 623で 発光した緑色光は、波長選択フィルタ層 622で反射され、図 31に示す発光装置から 放射される緑色の発光強度の低下が抑制される。
[0114] 封止部材 63は、例えばガラスが用いられ、半球形状のドーム型に形成されている。
一般に、例えば LED等の発光装置では、フレネルロスを低減するために、空気よりも 屈折率の高い榭脂によって発光素子の周囲が充填されて封止されるが、本実施の 形態 12による発光装置では、上述したように、半導体層 1の光取り出し面に凹凸部 1 4が形成され、フレネルロスが低減されている。このため、封止部材 63と実施の形態 1 1による発光素子との間は、必ずしも榭脂によって充填される必要がなぐ空気でもよ い。なお、この観点力も波長変換層 62の表面は、凸部が所定の間隔で形成された凹 凸構造を備えることが好まし 、。このように発光素子の周囲に榭脂が充填されな ヽ場 合では、例えば熱や光によるこの樹脂の劣化に起因する発光装置の寿命の低下が 抑制される。
[0115] このような構成の発光装置では、光取り出し効率の高!、発光装置が提供可能となる
[0116] 図 33は、角度平均反射率特性を示す図である。図 33の縦軸は、反射率を示し、横 軸は、波長 (nm)を示す。この場合における反射率は、 0度から 90度までの各入射角 に対する各反射率の平均値である角度平均反射率である。
[0117] そして、このような構成の発光装置における一構成例として、例えば、 p型電極とし て機能する反射層 2に図 19に示す構成の反射層 2dが採用され、 n型電極 5に図 29 Bに示す n型電極 5bが採用される場合では、図 33に示すように、平均反射率は、約 370nm〜約 700nmの広い波長範囲の全体にわたって高くなる。このため、実施の 形態 11による発光素子が発光する青色光だけでなぐ緑色蛍光体及び赤色蛍光体 がそれぞれ発光する緑色光及び赤色光も p型電極の反射層 2及び n型電極 5でほと んど吸収されることなく反射される。したがって、実施の形態 12による発光装置では、 約 370nm〜約 700nmの広い波長範囲にわたって光取り出し効率が向上される。な お、この約 370nm〜約 700nmの波長範囲の光は、可視光である。 [0118] 本明細書は、上記のように様々な発明を開示している力 そのうち主な発明を以下 に纏める。
[0119] 第 1の態様に係る発光素子は、発光層を含む半導体層と、前記半導体層の光が取 り出される側の面の全域あるいは一部に、前記発光層から放出された光の半導体層 中での波長よりも大きなピッチで形成された凹凸からなる凹凸部と、前記光が取り出 される側の面とは反対側の前記半導体層の面に形成され、反射率が 90%以上であ る反射層とを備える。そして、凹凸部は、凹凸の断面形状が略相似形であることが好 ましい。
[0120] この構成によれば、発光層により放出された光のうち、脱出円錐外に放出された光 は、凹凸部による角度変換作用を受けて光が取り出される側の面で反射されるため、 半導体層内部で反射を繰り返すうちに、外部に取り出される。ここで、光が取り出され る側の面に対して反対側の面には、反射率が 90%以上の反射層が形成されている 。そのため、反射層と凹凸部との相乗効果により、効率良く光を取り出すことができる
[0121] 上述したように、本発明者は、光が取り出される側の面に凹凸部が形成されていな い、すなわち、光が取り出される側の面が角度変換作用のない平滑な構造では、光 が取り出される側の面と反対側の面に反射率が 85%を超える高反射層が形成され たとしても、光取り出し効率がさほど向上しないのに較べて、光が取り出される側の面 に凹凸部が形成され、かつ、光が取り出される側の面とは反対側の面に反射層が形 成された場合、反射層の反射率が 85%を超えたあたりから、光取り出し効率が急激 に増大することを見出した。反射率が 90%以上では、例えば、反射層の反射率を 90 %から 95%と 5%高くなるだけで、光取り出し効率は、 20%以上向上する。そのため 、光が取り出される側の面に凹凸を形成すると共に、光が取り出される面とは反対側 の面に反射率が 90%以上の反射層を形成することで、光取り出し率を大幅に向上さ せることができる。
[0122] 第 2の態様に係る発光素子は、第 1の態様に係る発光素子であって、前記凹凸部 の凹凸は、周期的又はランダムに形成されている。
[0123] この構成によれば、凹凸部のピッチを、ランダムにした場合は、光が取り出される側 の面において光は、様々な方向に反射され、多重反射後、脱出する確率が高まり、 光取り出し効率をより向上させることができる。また、凹凸部のピッチを周期的とした 場合も、多重反射後、脱出する確率が高まり、光取り出し効率をより向上させることが できる。
[0124] 第 3の態様に係る発光素子は、第 1の態様に係る発光素子であって、前記凹凸部 は、レンズ作用を有する形状が付与されている。
[0125] この構成によれば、凹凸部は、レンズ作用を有する形状が付与されているため、取 り出される光の配光をレンズ作用によって制御することが可能となり、照明器具等に 好適な発光素子を提供することができる。
[0126] 第 4の態様に係る発光素子は、第 3の態様に係る発光素子であって、前記レンズ作 用を有する形状は、フレネルレンズ形状である。
[0127] この構成によれば、凹凸部はフレネルレンズ形状を有しているため、凹凸部の厚み を厚くすることなぐ焦点距離を制御することが可能となる。
[0128] 第 5の態様に係る発光素子は、第 1ないし第 4のいずれか 1つの態様に係る発光素 子であって、前記半導体層は GaN系の材料から構成され、前記反射層は、銀を主成 分とする合金からなる。
[0129] この構成によれば、反射層が、 GaNに対して良好な電気伝導性を有する銀を主成 分とする合金力も構成されているため、光取り出し効率をより良くすることができる。
[0130] 第 6の態様に係る発光素子は、第 1ないし第 4のいずれか 1つの態様に係る発光素 子であって、前記反射層は、前記半導体層の面に形成された導電性酸化物層と、前 記導電性酸化物層の上に積層された銀、アルミニウム、銀を主成分とする銀合金又 はアルミニウムを主成分とするアルミニウム合金の金属層と、前記半導体層と前記導 電性酸化物層との間に介在されメッシュ状又は島状に形成された白金層とから構成 される。
[0131] この構成によれば、反射層が白金層と導電性酸化物層と金属層とから構成されて いるので、反射層が高反射率を有しかつ半導体層とォーミックコンタクトするから、光 取り出し効率をより良くすることができる。
[0132] 第 7の態様に係る発光素子は、第 1ないし第 4のいずれか 1つの態様に係る発光素 子であって、前記反射層は、 DBRからなる。
[0133] この構成によれば、反射層は DBRにより構成されているため、反射層の反射率をよ り高くすることができる。
[0134] 第 8の態様に係る発光素子は、第 1ないし第 4のいずれか 1つの態様に係る発光素 子であって、前記反射層は、アルミニウム、銀、又は銀を主成分とする金属層と、前記 金属層の上に積層された DBRとから構成される。
[0135] この構成によれば、 DBRの入射角と反射率との関係を示す反射率特性と、アルミ- ゥム、銀、又は銀合金の反射率特性との両方を合成した反射率特性を有する反射層 を実現することができ、光取り出し効率をより高めることができる。すなわち、 DBRで の反射率が低ぐ DBRを透過する入射角の光に対しては、アルミニウム、銀、又は銀 合金により反射され、アルミニウム、銀、又は銀合金での反射率が低い入射角の光に 対しては、 DBRにより反射されることとなり、光取り出し効率が高まることとなる。
[0136] 第 9の態様に係る発光素子は、第 8の態様に係る発光素子であって、前記 DBRは 、前記発光層から放出された光のうち、光束強度の大きな範囲で、透過率の低い角 度範囲の光の前記反射層での反射率が増大するように、前記 DBRを構成する各層 の厚みが定められている。
[0137] この構成によれば、光束強度の大きな範囲で、透過率の低い角度範囲で入射する 光の反射層での反射率が増大されるため、当該入射角の光が反射層にて多く反射 される結果、当該入射角の光の光取り出し効率を向上させることができる。
[0138] 第 10の態様に係る発光素子は、第 1ないし第 4のいずれか 1つの態様に係る発光 素子であって、前記反射層は、前記半導体層の面に形成された導電性酸化物層と、 前記導電性酸化物層の上に積層された DBRと、前記 DBRの上に積層された銀、ァ ルミ-ゥム、銀を主成分とする銀合金又はアルミニウムを主成分とするアルミニウム合 金の金属層と、前記半導体層と前記導電性酸化物層との間に介在されメッシュ状又 は島状に形成された白金層とから構成される。
[0139] この構成によれば、反射層が白金層と導電性酸化物層と DBRと金属層とから構成 されているので、反射層がより高い反射率を有しかつ半導体層とォーミックコンタクト するから、光取り出し効率をさらにより良くすることができる。 [0140] 第 11の態様に係る発光素子は、第 10の態様に係る発光素子であって、前記 DBR は、メッシュ状又は島状に形成されている。
[0141] この構成によれば、 DBRが上面視にてメッシュ状又は島状に形成されているので、
DBRの導電性が低い場合でも導電性酸化物層と金属層との間における電気伝導を
½保することができる。
[0142] 第 12の態様に係る発光素子は、第 1ないし第 4のいずれか 1つの態様に係る発光 素子であって、前記反射層は、フォトニック結晶から構成されている。
[0143] この構成によれば、反射層がフォトニック結晶から構成されているため、どのような 入射角の光に対しても高い反射率を有する反射層を提供することができる。
[0144] 第 13の態様に係る発光素子は、第 1ないし第 12のいずれか 1つの態様に係る発光 素子であって、前記凹凸部の底部を含む面と、前記凹凸部に対して反対側の前記 半導体層の面との距離は、前記発光層から放出された光の前記半導体層での波長 の数倍以内である。
[0145] この構成によれば、光が取り出される側の面の法線方向に対して大きな角度、例え ば 90度に近い角度や、横方向に放射し、本来光が取り出される側の面に到達しない 光も、凹凸部による角度変換作用を受けることになり、光取り出し効率をより高めるこ とがでさる。
[0146] 第 14の態様に係る発光素子は、第 1ないし第 13のいずれか 1つの態様に係る発光 素子であって、前記反射層は、 p型電極とされ、前記半導体層の面に形成され、反射 率が 80%以上であって前記 p型電極と組となる n型電極をさらに備える。
[0147] この構成によれば、反射層の p型電極と組となる n型電極も反射率が 80%以上であ るので、発光素子の平均反射率が向上され、光取り出し効率をより良くすることができ る。
[0148] 第 15の態様に係る発光素子は、第 14の態様に係る発光素子であって、前記 n型 電極は、前記半導体層の面に形成された導電性酸化物層と、前記導電性酸化物層 の上に積層された銀、アルミニウム、銀を主成分とする銀合金又はアルミニウムを主 成分とするアルミニウム合金の金属層と、前記半導体層と前記導電性酸化物層との 間に介在されメッシュ状又は島状に形成された白金層とから構成される。 [0149] この構成によれば、 n型電極が白金層と導電性酸化物層と金属層とから構成されて いるので、 n型電極が高い反射率を有しかつ半導体層とォーミックコンタクトするから 、光取り出し効率をより良くすることができる。
[0150] 第 16の態様に係る発光素子は、第 14の態様に係る発光素子であって、前記 n型 電極は、前記半導体層の面に形成された導電性酸化物層と、前記導電性酸化物層 の上に積層された DBRと、前記 DBRの上に積層された銀、アルミニウム、銀を主成 分とする銀合金又はアルミニウムを主成分とするアルミニウム合金の金属層と、前記 半導体層と前記導電性酸化物層との間に介在されメッシュ状又は島状に形成された 白金層とから構成される。
[0151] この構成によれば、 n型電極が白金層と導電性酸化物層と DBRと金属層とから構 成されているので、 n型電極がより高い反射率を有しかつ半導体層とォーミックコンタ タトするから、光取り出し効率をさらにより良くすることができる。
[0152] 第 17の態様に係る発光素子は、第 16の態様に係る発光素子であって、前記 DBR は、メッシュ状又は島状に形成されている。
[0153] この構成によれば、 DBRが上面視にてメッシュ状又は島状に形成されているので、 DBRの導電性が低い場合でも導電性酸化物層と金属層との間における電気伝導を ½保することができる。
[0154] 第 18の態様に係る発光素子は、第 1ないし第 17のいずれか 1つの態様に係る発光 素子であって、前記半導体層の光が取り出される側の面に形成され、前記半導体層 で発光される光の波長を変換して放射する波長変換層をさらに備える。
[0155] この構成によれば、波長変換層をさらに備えるので、半導体層で発光される色の光 だけでなぐ他の色の光も放射することができる。特に、半導体層が青色の光を放出 すると共に、波長変換層が青色の光を緑色及び赤色の光に変換することによって、 白色の光を放射することができる。
[0156] 第 19の態様に係る発光素子の製造方法は、発光層を含む半導体層と、前記半導 体層の光が取り出される側の面の全面あるいは一部に、前記発光層から放出された 光の半導体層中での波長よりも大きなピッチで周期的に形成された凹凸からなる凹 凸部と、前記光が取り出される側の面とは反対側の前記半導体層の面に形成され、 反射率が 90%以上である反射層とを備える半導体素子の製造方法であって、前記 半導体層の屈折率と実質的に同一の材料を蒸着することで前記凹凸部を形成する。
[0157] この構成によれば、高価なエッチング装置を用いることなく発光素子を製造すること が可能となり、光取り出し効率の高い発光素子を低コストで製造することができる。
[0158] 本発明を表現するために、上述において図面を参照しながら実施形態を通して本 発明を適切且つ十分に説明したが、当業者であれば上述の実施形態を変更及び/ 又は改良することは容易に為し得ることであると認識すべきである。従って、当業者が 実施する変更形態又は改良形態が、請求の範囲に記載された請求項の権利範囲を 離脱するレベルのものでない限り、当該変更形態又は当該改良形態は、当該請求項 の権利範囲に包括されると解釈される。
産業上の利用可能性
[0159] 本発明によれば、半導体から構成される発光素子が提供される。

Claims

請求の範囲
[1] 発光層を含む半導体層と、
前記半導体層の光が取り出される側の面の全域あるいは一部に、前記発光層から 放出された光の半導体層中での波長よりも大きなピッチで形成された凹凸力もなる凹 凸部と、
前記光が取り出される側の面とは反対側の前記半導体層の面に形成され、反射率 が 90%以上である反射層とを備えること
を特徴とする発光素子。
[2] 前記凹凸部の凹凸は、周期的又はランダムに形成されていること
を特徴とする請求項 1記載の発光素子。
[3] 前記凹凸部は、レンズ作用を有する形状が付与されていること
を特徴とする請求項 1記載の発光素子。
[4] 前記レンズ作用を有する形状は、フレネルレンズ形状であること
を特徴とする請求項 3記載の発光素子。
[5] 前記半導体層は、 GaN系の材料力 構成され、
前記反射層は、銀を主成分とする合金から構成されること
を特徴とする請求項 1乃至請求項 4のいずれか 1項に記載の発光素子。
[6] 前記反射層は、前記半導体層の面に形成された導電性酸化物層と、前記導電性 酸ィ匕物層の上に積層された銀、アルミニウム、銀を主成分とする銀合金又はアルミ- ゥムを主成分とするアルミニウム合金の金属層と、前記半導体層と前記導電性酸ィ匕 物層との間に介在されメッシュ状又は島状に形成された白金層とから構成されること を特徴とする請求項 1乃至請求項 4のいずれか 1項に記載の発光素子。
[7] 前記反射層は、 DBRから構成されること
を特徴とする請求項 1乃至請求項 4のいずれかに 1項に記載の発光素子。
[8] 前記反射層は、アルミニウム、銀又は銀を主成分とする銀合金の金属層と、前記金 属層の上に積層された DBRとから構成されること
を特徴とする請求項 1乃至請求項 4のいずれか 1項に記載の発光素子。
[9] 前記 DBRは、前記発光層から放出された光のうち、光束強度の大きな範囲で、透 過率の低い角度範囲の光の前記反射層での反射率が増大するように、前記 DBRを 構成する各層の厚みが定められていること
を特徴とする請求項 8に記載の発光素子。
[10] 前記反射層は、前記半導体層の面に形成された導電性酸化物層と、前記導電性 酸ィ匕物層の上に積層された DBRと、前記 DBRの上に積層された銀、ァノレミニゥム、 銀を主成分とする銀合金又はアルミニウムを主成分とするアルミニウム合金の金属層 と、前記半導体層と前記導電性酸ィ匕物層との間に介在されメッシュ状又は島状に形 成された白金層とから構成されること
を特徴とする請求項 1乃至請求項 4のいずれか 1項に記載の発光素子。
[11] 前記 DBRは、メッシュ状又は島状に形成されていること
を特徴とする請求項 10に記載の発光素子。
[12] 前記反射層は、フォトニック結晶から構成されること
を特徴とする請求項 1乃至請求項 4のいずれか 1項に記載の発光素子。
[13] 前記凹凸部の底部を含む面と、前記凹凸部に対して反対側の前記半導体層の面 との距離は、前記発光層から放出された光の前記半導体層での波長の数倍以内で あること
を特徴とする請求項 1乃至請求項 12のいずれか 1項に記載の発光素子。
[14] 前記反射層は、 p型電極とされ、
前記半導体層の面に形成され、反射率が 80%以上であって前記 p型電極と組とな る n型電極をさらに備えること
を特徴とする請求項 1乃至請求項 13のいずれか 1項に記載の発光素子。
[15] 前記 n型電極は、前記半導体層の面に形成された導電性酸化物層と、前記導電性 酸ィ匕物層の上に積層された銀、アルミニウム、銀を主成分とする銀合金又はアルミ- ゥムを主成分とするアルミニウム合金の金属層と、前記半導体層と前記導電性酸ィ匕 物層との間に介在されメッシュ状又は島状に形成された白金層とから構成されること を特徴とする請求項 14に記載の発光素子。
[16] 前記 n型電極は、前記半導体層の面に形成された導電性酸化物層と、前記導電性 酸ィ匕物層の上に積層された DBRと、前記 DBRの上に積層された銀、ァノレミニゥム、 銀を主成分とする銀合金又はアルミニウムを主成分とするアルミニウム合金の金属層 と、前記半導体層と前記導電性酸ィ匕物層との間に介在されメッシュ状又は島状に形 成された白金層とから構成されること
を特徴とする請求項 14に記載の発光素子。
[17] 前記 DBRは、メッシュ状又は島状に形成されていること
を特徴とする請求項 16に記載の発光素子。
[18] 前記半導体層の光が取り出される側の面に形成され、前記半導体層で発光される 光の波長を変換して放射する波長変換層をさらに備えること
を特徴とする請求項 1乃至請求項 17のいずれか 1項に記載の発光素子。
[19] 発光層を含む半導体層と、前記半導体層の光が取り出される側の面の全面あるい は一部に、前記発光層から放出された光の半導体層中での波長よりも大きなピッチ で形成された凹凸力 なる凹凸部と、前記光が取り出される側の面とは反対側の前 記半導体層の面に形成され、反射率が 90%以上である反射層とを備える半導体素 子の製造方法であって、
前記半導体層の屈折率と実質的に同一の材料を蒸着することで前記凹凸部を形 成すること
を特徴とする発光素子の製造方法。
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