WO2015083386A1 - Ｌｅｄ素子 - Google Patents

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WO2015083386A1
WO2015083386A1 PCT/JP2014/063168 JP2014063168W WO2015083386A1 WO 2015083386 A1 WO2015083386 A1 WO 2015083386A1 JP 2014063168 W JP2014063168 W JP 2014063168W WO 2015083386 A1 WO2015083386 A1 WO 2015083386A1
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WO
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light
sapphire substrate
emitting layer
led element
light emitting
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PCT/JP2014/063168
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昌輝 大矢
宏一 難波江
敦志 鈴木
近藤　俊行
森　みどり
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エルシード株式会社
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    • H01L33/02—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
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    • H—ELECTRICITY
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    • H01L33/02—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
    • H01L33/10—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a light reflecting structure, e.g. semiconductor Bragg reflector
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    • H01L33/02—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
    • H01L33/26—Materials of the light emitting region
    • H01L33/30—Materials of the light emitting region containing only elements of Group III and Group V of the Periodic Table
    • H01L33/32—Materials of the light emitting region containing only elements of Group III and Group V of the Periodic Table containing nitrogen
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2933/00—Details relating to devices covered by the group H01L33/00 but not provided for in its subgroups
    • H01L2933/0083—Periodic patterns for optical field-shaping in or on the semiconductor body or semiconductor body package, e.g. photonic bandgap structures

Definitions

  • the present invention relates to an LED element.
  • an LED element comprising a diffractive surface in which concave or convex portions are formed at a period, and an Al reflective film that is formed on the back side of the substrate and reflects light diffracted by the diffractive surface and re-enters the diffractive surface.
  • the light transmitted by the diffraction action is re-incident on the diffraction surface, and the light is transmitted again using the diffraction action on the diffraction surface, so that the light can be extracted outside the element in a plurality of modes.
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to improve the light extraction efficiency using the diffraction action and to appropriately use the light distribution characteristics resulting from the diffraction. It is providing the LED element which can implement
  • a substrate on which a periodic concave or convex portion is formed on the surface a substrate on which a periodic concave or convex portion is formed on the surface, a semiconductor stacked portion formed on the surface of the substrate and including a light emitting layer, and emitted from the light emitting layer.
  • the LED element that includes a reflection part that reflects at least a part of the light to the surface side of the substrate, and obtains a diffraction effect of light emitted from the light emitting layer at an interface between the substrate and the semiconductor stacked part
  • the period of the concave portion or convex portion is P
  • the peak wavelength of light emitted from the light emitting layer is ⁇
  • the period of the concave or convex part is P
  • the peak wavelength of light emitted from the light emitting layer is ⁇
  • the period of the concave portion or the convex portion is set so that transmitted diffracted light of the light at the interface includes at least second-order diffracted light and does not include fifth-order diffracted light.
  • the period of the concave portion or the convex portion is set so that reflected diffracted light of the light at the interface includes at least third-order diffracted light.
  • the reflection portion has a higher reflectivity at an angle closer to perpendicular to the interface.
  • a semiconductor made of a group III nitride semiconductor including a sapphire substrate having a periodic concave or convex portion formed on the surface and having a diffractive surface on the surface, and a light emitting layer formed on the surface of the sapphire substrate.
  • a laminated portion and a reflective portion that reflects at least part of the light emitted from the light emitting layer to the surface side of the sapphire substrate, and emits from the light emitting layer at an interface between the sapphire substrate and the semiconductor laminated portion.
  • the intensity of the light transmitted through the diffractive surface on the sapphire substrate side compared to the intensity distribution of the light incident on the diffractive surface on the semiconductor laminate side The distribution is biased in a direction perpendicular to the interface between the semiconductor laminate and the sapphire substrate, the period of the concave or convex portion is P, and the peak wavelength of light emitted from the light emitting layer is ⁇ . , 1/2 ⁇ ⁇ ⁇ P ⁇ 16/9 ⁇ ⁇
  • an LED element having a higher reflectivity at an angle closer to perpendicular to the interface is provided.
  • a semiconductor formed of a group III nitride semiconductor including a sapphire substrate having a periodic concave or convex portion formed on the surface and having a diffractive surface on the surface, and a light emitting layer formed on the surface of the sapphire substrate.
  • a laminated portion and a reflective portion that reflects at least part of the light emitted from the light emitting layer to the surface side of the sapphire substrate, and emits from the light emitting layer at an interface between the sapphire substrate and the semiconductor laminated portion.
  • an LED element having a multilayer structure of a dielectric multilayer film and a metal layer is provided as the reflecting portion.
  • LED element of the present invention appropriate light distribution can be realized using light distribution characteristics resulting from diffraction while improving light extraction efficiency using diffraction action.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of an LED element showing a first embodiment of the present invention.
  • 2A and 2B are explanatory diagrams showing the diffraction action of light at the interface having different refractive indexes, where FIG. 2A shows a state of reflection at the interface, and FIG. 2B shows a state of transmission through the interface.
  • FIG. 3 shows the incident angle of light incident from the semiconductor layer side to the interface at the interface between the group III nitride semiconductor layer and the sapphire substrate when the period of the recesses or protrusions is 500 nm, and the diffraction action at the interface. It is a graph which shows the relationship of a transmission angle.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of an LED element showing a first embodiment of the present invention.
  • 2A and 2B are explanatory diagrams showing the diffraction action of light at the interface having different refractive indexes, where FIG. 2A shows a state of reflection at the interface, and FIG
  • FIG. 4 shows the incident angle of light incident from the semiconductor layer side to the interface at the interface between the group III nitride semiconductor layer and the sapphire substrate when the period of the recesses or protrusions is 500 nm, and the diffraction action at the interface. It is a graph which shows the relationship of a reflection angle.
  • FIG. 5 is an explanatory view showing the traveling direction of light inside the device.
  • FIG. 6 is a partially enlarged schematic cross-sectional view of the LED element.
  • FIG. 7 is a graph showing an example of the reflectance of the reflecting portion.
  • FIG. 8 shows a sapphire substrate, where (a) is a schematic perspective view, and (b) is a schematic explanatory view showing an AA cross section.
  • FIG. 9A and 9B show the light distribution characteristics of the LED element, in which FIG. 9A shows a state in which the convex portion is not formed on the sapphire substrate, and FIGS. 9B and 9H show the state in which the convex portion is formed on the sapphire substrate. Shows things.
  • FIG. 10 is a table showing calculated values and actually measured values of each substrate.
  • FIG. 11 is a graph showing a change in integrated intensity for light within a predetermined angle range with respect to the optical axis.
  • FIG. 12 is a graph showing the relationship between the allowable order of transmitted diffracted light and the integrated intensity.
  • FIG. 13 is a graph showing the relationship between the allowable order of reflected diffracted light and the integrated intensity.
  • FIG. 10 is a table showing calculated values and actually measured values of each substrate.
  • FIG. 11 is a graph showing a change in integrated intensity for light within a predetermined angle range with respect to the optical axis.
  • FIG. 12 is a graph showing the relationship between
  • FIG. 14 is a graph showing the relationship between the period of convex portions and the allowable orders of transmitted diffracted light and reflected diffracted light.
  • FIG. 15 is a schematic cross-sectional view of an LED element showing a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 16 is a partially enlarged schematic cross-sectional view of an LED element.
  • FIG. 17 is a graph illustrating an example of the reflectance of the reflecting portion.
  • FIG. 18 is a schematic cross-sectional view of an LED element showing a modification.
  • FIG. 19 is a schematic cross-sectional view of an LED element showing a modification.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of an LED element showing a first embodiment of the present invention.
  • the LED element 1 includes a sapphire substrate 2 on which a semiconductor stacked portion 19 made of a group III nitride semiconductor layer is formed.
  • the refractive index of sapphire is 1.78
  • the refractive index of the group III nitride semiconductor layer is 2.52.
  • the LED element 1 is a flip chip type, and light is mainly extracted from the back side of the sapphire substrate 2.
  • the semiconductor stacked unit 19 includes a buffer layer 10, an n-type GaN layer 12, a light emitting layer 14, an electron blocking layer 16, and a p-type GaN layer 18 in this order from the sapphire substrate 2 side.
  • a p-side electrode 27 is formed on the p-type GaN layer 18, and an n-side electrode 28 is formed on the n-type GaN layer 12.
  • the buffer layer 10 is formed on the surface of the sapphire substrate 2 and is made of AlN.
  • the buffer layer 10 is formed by MOCVD (Metal-Organic-Chemical-Vapor-Deposition) method, but a sputtering method can also be used.
  • the n-type GaN layer 12 as the first conductivity type layer is formed on the buffer layer 10 and is made of n-GaN.
  • the light emitting layer 14 is formed on the n-type GaN layer 12, is made of GalnN / GaN, and emits blue light by injection of electrons and holes. In the present embodiment, the peak wavelength of light emission of the light emitting layer 14 is 450 nm.
  • the electron block layer 16 is formed on the light emitting layer 14 and is made of p-AIGaN.
  • the p-type GaN layer 18 as the second conductivity type layer is formed on the electron block layer 16 and is made of p-GaN.
  • the n-type GaN layer 12 to the p-type GaN layer 18 are formed by epitaxial growth of a group III nitride semiconductor, and convex portions 2 c are periodically formed on the surface of the sapphire substrate 2. Planarization is achieved by lateral growth in the initial growth stage.
  • the active layer is formed by recombination of electrons and holes.
  • the layer structure of the semiconductor layer is arbitrary as long as it emits light.
  • the surface of the sapphire substrate 2 forms a diffraction surface 2a.
  • a flat portion 2b and a plurality of convex portions 2c periodically formed on the flat portion 2b are formed.
  • the shape of each convex portion 2c may be a truncated cone shape such as a cone or a polygonal pyramid, or a truncated cone shape such as a truncated cone or a truncated polygonal truncated cone.
  • Each convex portion 2 c is designed to diffract light emitted from the light emitting layer 14.
  • the light verticalizing action can be obtained by the convex portions 2c arranged periodically.
  • the light verticalizing action means that the light intensity distribution is more perpendicular to the interface between the sapphire substrate 2 and the semiconductor stacked portion 19 after being reflected and transmitted than before being incident on the diffraction surface. It is biased in the direction.
  • FIG. 2A and 2B are explanatory diagrams showing the diffraction action of light at the interface having different refractive indexes, where FIG. 2A shows a state of reflection at the interface, and FIG. 2B shows a state of transmission through the interface.
  • P is the period of the concave or convex portion
  • n1 is the refractive index of the medium on the incident side
  • ⁇ is the wavelength of the incident light
  • m is an integer.
  • n1 is the refractive index of the group III nitride semiconductor. As shown in FIG. 2A, light incident on the interface is reflected at a reflection angle ⁇ ref that satisfies the above equation (1).
  • FIG. 3 shows the incident angle of light incident from the semiconductor layer side to the interface at the interface between the group III nitride semiconductor layer and the sapphire substrate when the period of the recesses or protrusions is 500 nm, and the diffraction action at the interface. It is a graph which shows the relationship of a transmission angle.
  • FIG. 4 shows the incident angle of light incident on the interface from the semiconductor layer side and the diffraction at the interface at the interface between the group III nitride semiconductor layer and the sapphire substrate when the period of the recesses or protrusions is 500 nm. It is a graph which shows the relationship of the reflection angle by an effect
  • the light incident on the diffractive surface 2a has a critical angle of total reflection as in a general flat surface.
  • the critical angle is 45.9 °.
  • the critical angle is 45.9 °
  • the light output exceeding the critical angle is about 70%, and the light output not exceeding the critical angle is about 30%. That is, extracting light in a region exceeding the critical angle greatly contributes to improving the light extraction efficiency of the LED element 1.
  • the light transmitted through the diffractive surface 2 a changes in angle toward the perpendicular to the interface between the sapphire substrate 2 and the group III nitride semiconductor layer.
  • this area is indicated by hatching.
  • the angle will change to the side. That is, compared with the intensity distribution of the light incident on the diffractive surface 2a on the semiconductor multilayer part 19 side, the intensity distribution of the light transmitted through the diffractive surface 2a on the sapphire substrate 2 side is different from that of the semiconductor multilayer part 19 and sapphire. It is biased in a direction perpendicular to the interface of the substrate 2.
  • the light reflected by the diffraction surface 2a changes in angle toward the perpendicular to the interface between the sapphire substrate 2 and the group III nitride semiconductor layer. In FIG. 4, this area is indicated by hatching.
  • the intensity distribution of light emitted from the diffractive surface 2a on the semiconductor multilayer portion 19 side is reflected by the semiconductor multilayer portion 19 and sapphire. It is biased in a direction perpendicular to the interface of the substrate 2.
  • FIG. 5 is an explanatory view showing the traveling direction of light inside the device.
  • the light incident on the sapphire substrate 2 beyond the critical angle is transmitted and reflected on the diffractive surface 2a in a direction closer to the vertical than when incident. That is, the light transmitted through the diffractive surface 2a is incident on the back surface of the sapphire substrate 2 with the angle being changed toward the vertical direction. Further, the light reflected by the diffractive surface 2a is reflected by the p-side electrode 27 and the n-side electrode 28 in a state in which the angle is changed toward the vertical direction, and then enters the diffractive surface 2a again. The incident angle at this time is closer to the vertical than the previous incident angle. As a result, the light incident on the back surface of the sapphire substrate 2 can be shifted vertically.
  • FIG. 6 is a partially enlarged schematic cross-sectional view of the LED element.
  • the p-side electrode 27 includes a diffusion electrode 21 formed on the p-type GaN layer 18, a dielectric multilayer film 22 formed in a predetermined region on the diffusion electrode 21, and a dielectric multilayer film. 22 and a metal electrode 23 formed on the substrate 22.
  • the diffusion electrode 21 is formed on the entire surface of the p-type GaN layer 18 and is made of a transparent material such as ITO (Indium Tin Oxide).
  • the dielectric multilayer film 22 is configured by repeating a plurality of pairs of the first material 22a and the second material 22b having different refractive indexes.
  • the first material 22a may be ZrO 2 (refractive index: 2.18)
  • the second material 22b may be SiO 2 (refractive index: 1.46)
  • the number of pairs is five. it can.
  • the dielectric multilayer film 22 may be formed using a material different from ZrO 2 and SiO 2.
  • AlN reffractive index: 2.18
  • Nb 2 O 3 reffractive index: 2.4
  • Ta 2 O 3 reffractive index: 2.35
  • the metal electrode 23 covers the dielectric multilayer film 22 and is made of a metal material such as Al.
  • the metal electrode 23 is electrically connected to the diffusion electrode 21 through a via hole 22 c formed in the dielectric multilayer film 22.
  • the n-side electrode 28 is formed on the exposed n-type GaN layer 12 by etching the n-type GaN layer 12 from the p-type GaN layer 18.
  • the n-side electrode 28 includes a diffusion electrode 24 formed on the n-type GaN layer 12, a dielectric multilayer film 25 formed in a predetermined region on the diffusion electrode 24, and a metal formed on the dielectric multilayer film 25. Electrode 26.
  • the diffusion electrode 24 is formed on the entire surface of the n-type GaN layer 12 and is made of a transparent material such as ITO (Indium Tin Oxide).
  • the dielectric multilayer film 25 is configured by repeating a plurality of pairs of the first material 25a and the second material 25b having different refractive indexes.
  • the first material 25a may be ZrO 2 (refractive index: 2.18)
  • the second material 25b may be SiO 2 (refractive index: 1.46)
  • the number of pairs is five. it can.
  • the dielectric multilayer film 25 may be formed using a material different from ZrO 2 and SiO 2 , for example, AlN (refractive index: 2.18), Nb 2 O 3 (refractive index: 2.4), Ta 2 O 3 (refractive index: 2.35) or the like may be used.
  • the metal electrode 26 covers the dielectric multilayer film 25 and is made of a metal material such as Al. The metal electrode 26 is electrically connected to the diffusion electrode 24 through a via hole 25 c formed in the dielectric multilayer film 25.
  • the p-side electrode 27 and the n-side electrode 28 form a reflecting portion.
  • the p-side electrode 27 and the n-side electrode 28 each have a higher reflectance as the angle is closer to the vertical.
  • the light reflected by the diffractive surface 2a of the sapphire substrate 2 and changed in angle toward the perpendicular to the interface is incident. That is, the intensity distribution of light incident on the reflecting portion is biased toward the vertical as compared with the case where the surface of the sapphire substrate 2 is a flat surface.
  • FIG. 7 is a graph showing an example of the reflectance of the reflecting portion.
  • the dielectric multilayer film formed on the ITO is a combination of ZrO 2 and SiO 2 and the number of pairs is five, and an Al layer is formed on the dielectric multilayer film.
  • a reflectance of 98% or more is realized in an angle range where the incident angle is 0 degree to 45 degrees.
  • a reflectance of 90% or more is realized in an angle range where the incident angle is 0 to 75 degrees.
  • the combination of the dielectric multilayer film and the metal layer is an advantageous reflection condition for the light that is perpendicular to the interface.
  • a constant reflectance of approximately 84% is obtained regardless of the incident angle.
  • FIG. 8 shows a sapphire substrate, where (a) is a schematic perspective view, and (b) is a schematic explanatory view showing an AA cross section.
  • the diffractive surface 2a is aligned with the intersections of the virtual triangular lattice at a predetermined period so that the center of each convex portion 2c is the position of the apex of the regular triangle in plan view. Formed.
  • the period here means the distance of the peak position of the height in the adjacent convex part 2c.
  • the period of the convex portion 2c is P and the peak wavelength of the light emitted from the light emitting layer 14 is ⁇ , 1/2 ⁇ ⁇ ⁇ P ⁇ 16/9 ⁇ ⁇
  • the period of the convex portion 2c is set so as to satisfy the relationship.
  • the period of the convex portion 2c is set so that the transmitted diffracted light includes at least second-order diffracted light and does not include fifth-order diffracted light. Further, the period of the convex portion 2c is set so that the reflected diffracted light includes at least third-order diffracted light.
  • FIG. 9 shows the light distribution characteristics of the LED element in polar coordinates, where (a) shows a state in which no convex portion is formed on the sapphire substrate, and (b) to (h) show the convex portion formed on the sapphire substrate. It shows the one in the state.
  • (b) has a period of 200 nm
  • (c) has a period of 225 nm
  • (d) has a period of 320 nm
  • (e) has a period of 450 nm
  • (f) Indicates that the period is 600 nm
  • (g) indicates that the period is 700 nm
  • (h) indicates that the period is 800 nm.
  • the simulation was performed by setting the emission wavelength of the light emitting layer 14 to 450 nm, the thickness of the semiconductor stacked portion 19 to 3.3 ⁇ m, and the thickness of the sapphire substrate 2 to 120 ⁇ m. In each drawing of FIG. 9, the direction perpendicular to the sapphire substrate is shown as 0 degree (optical axis).
  • FIG. 10 is a table showing calculated values and actually measured values of each substrate.
  • FSS indicates a substrate on which unevenness is not formed
  • PSS indicates a substrate on which linear unevenness is formed
  • MPSS indicates a recessed portion or a protrusion that is scattered as in this embodiment.
  • substrate with which the part was formed is shown. As shown in FIG. 10, it is understood that the calculated value and the actually measured value are almost the same regardless of the substrate, and the calculated value of the simulation is appropriate.
  • FIG. 9A when the convex portion 2 c is not formed on the surface of the sapphire substrate 2, light is emitted from the LED element 1 isotropically.
  • FIGS. 9B to 9H the light distribution characteristic is changed by forming the convex portion 2c capable of obtaining the diffraction action.
  • FIGS. 9B, 9C, etc. in the light distribution characteristic, there is a location A where the intensity is higher than the others in a specific angle region.
  • This portion A has been found to be due to ⁇ first-order light that is reflected by the reflecting portion and then passes through the diffraction surface.
  • FIGS. 9B to 9H by changing the period of the convex portion 2c, the angular area of this portion A changes.
  • FIG. 11 is a graph showing a change in integrated intensity for light within a predetermined angle range with respect to the optical axis.
  • the horizontal axis represents the period of the convex portion
  • the vertical axis represents the integrated intensity within ⁇ 30 degrees with respect to the optical axis.
  • the broken line indicates the integrated intensity of the PSS substrate having the period of the linear protrusions of 3 ⁇ m.
  • the alternate long and short dash line indicates the integrated intensity of the FSS substrate.
  • the integrated intensity is larger than that of the PSS substrate. That is, when the period of the convex portion 2c is P, and the peak wavelength of light emitted from the light emitting layer 14 is ⁇ , 1/2 ⁇ ⁇ ⁇ P ⁇ 16/9 ⁇ ⁇ If the relationship is satisfied, the light intensity on the optical axis can be made larger than that of the PSS substrate.
  • the integrated intensity is higher than that of the FSS substrate when the period of the convex portion 2c is 230 nm or more and 700 nm or less. That is, when the period of the convex portion 2c is P, and the peak wavelength of light emitted from the light emitting layer 14 is ⁇ , 23/45 ⁇ ⁇ ⁇ P ⁇ 14/9 ⁇ ⁇ If the relationship is satisfied, the light intensity on the optical axis can be made larger than that of the FSS substrate.
  • FIG. 12 is a graph showing the relationship between the allowable order of transmitted diffracted light and the integrated intensity.
  • the allowable order means how many order components the transmitted diffracted light contains (allowed).
  • the alternate long and short dash line in FIG. 12 indicates the integrated intensity of the FSS substrate.
  • the transmitted diffracted light when allowed up to the second, third, or fourth order, it always exceeds the integrated intensity of the FSS substrate, while the transmitted diffracted light is allowed only the first order. In some cases or when the fifth or higher order is allowed, the integrated intensity of the FSS substrate is lower. That is, the transmitted diffracted light is preferably designed so as to include at least the second-order diffracted light and not include the fifth-order diffracted light.
  • FIG. 13 is a graph showing the relationship between the allowable order of reflected diffracted light and the integrated intensity.
  • the allowable order means how many order components of the reflected diffracted light are included (allowed).
  • the alternate long and short dash line in FIG. 13 indicates the integrated intensity of the FSS substrate.
  • the reflected diffracted light when allowed to be higher than the third order, it always exceeds the integrated intensity of the FSS substrate.
  • FSS when the reflected diffracted light is allowed only to the second order or lower, FSS is used. It will be less than the integrated intensity of the substrate. That is, the reflected diffracted light is preferably designed to include at least third-order diffracted light.
  • FIG. 14 is a graph showing the relationship between the period of convex portions and the allowable orders of transmitted diffracted light and reflected diffracted light. Also in FIG. 14, the light emission wavelength of the light emitting layer 14 is set to 450 nm. As shown in FIG. 14, the period of the convex portion 2 c that is allowed to the second, third, or fourth order in the transmitted diffracted light is 260 nm to 620 nm.
  • the allowable order of the transmitted diffracted light is from the second order to the fourth order.
  • the period of the convex part 2c allowed to be higher than the third order is 280 nm. That is, when the period of the convex portion 2c is P, and the peak wavelength of light emitted from the light emitting layer 14 is ⁇ , 28/45 ⁇ ⁇ ⁇ P If the above relationship is satisfied, the allowable order for the reflected diffracted light is the third order or higher. That is, in order to make the allowable order of the transmitted diffracted light between the second order and the fourth order, and the allowable order of the reflected diffracted light be the third order or more, 26/45 ⁇ ⁇ ⁇ P ⁇ 62/45 ⁇ ⁇ It is sufficient to satisfy the relationship.
  • the light distribution characteristic of the light emitted from the element can be changed from the vertical direction.
  • the period of the convex part 2c is P and the peak wavelength of the light emitted from the light emitting layer 14 is ⁇ , 1/2 ⁇ ⁇ ⁇ P ⁇ 16/9 ⁇ ⁇
  • the amount of light around the optical axis extracted from the element can be increased. Therefore, appropriate light distribution can be realized using light distribution characteristics resulting from diffraction while improving the light extraction efficiency using the diffraction action.
  • the transmitted diffracted light is allowed up to the second, third or fourth order, and the reflected diffracted light is allowed to be higher than the third order.
  • the amount of light can be increased.
  • the distance until the light emitted from the light emitting layer 14 reaches the back surface of the sapphire substrate 2 can be remarkably shortened, and the absorption of light inside the device is suppressed. can do.
  • the LED element has a problem that light in an angle region exceeding the critical angle of the interface propagates in the lateral direction, so that the light is absorbed inside the element. Since the vertical direction is 2a, the light absorbed inside the device can be drastically reduced.
  • the reflection part is a combination of the dielectric multilayer films 22 and 25 and the metal layers 23 and 26, and maintains a high reflectivity in a relatively wide angle range and is nearly perpendicular to the interface.
  • the reflection condition is advantageous for light that is perpendicular to the interface. Even in the case where only the dielectric multilayer films 22 and 25 are used, the reflectivity becomes higher as the angle is more perpendicular to the interface. I can say that.
  • FIG. 15 and 16 show a second embodiment of the present invention
  • FIG. 15 is a schematic cross-sectional view of an LED element.
  • the LED element 101 is a face-up type, in which a semiconductor stacked portion 119 made of a group III nitride semiconductor layer is formed on the surface of a sapphire substrate 102.
  • This LED element 101 is a face-up type, and light is mainly extracted from the side opposite to the sapphire substrate 102.
  • the semiconductor stacked unit 119 includes a buffer layer 110, an n-type GaN layer 112, a light emitting layer 114, an electron blocking layer 116, and a p-type GaN layer 118 in this order from the sapphire substrate 102 side.
  • a p-side electrode 127 is formed on the p-type GaN layer 118 and an n-side electrode 128 is formed on the n-type GaN layer 112.
  • the p-side electrode 127 has a diffusion electrode 121 formed on the p-type GaN layer 118 and a pad electrode 122 formed on a part of the diffusion electrode 121.
  • each convex portion 102c can be a truncated cone shape such as a cone or a polygonal pyramid, or a truncated cone shape such as a truncated cone or a truncated polygonal truncated cone.
  • Each convex part 102c is designed to diffract the light emitted from the light emitting layer 114. In the present embodiment, a light verticalizing action can be obtained by each of the convex portions 102c arranged periodically.
  • the period of the convex portion 102c is P and the peak wavelength of light emitted from the light emitting layer 114 is ⁇ , 1/2 ⁇ ⁇ ⁇ P ⁇ 16/9 ⁇ ⁇
  • the period of the convex portion 102c is set so as to satisfy the above relationship. Further, the period of the convex portion 102c is set so that the transmitted diffracted light includes at least second-order diffracted light and does not include fifth-order diffracted light. The period of the convex portion 102c is set so that the reflected diffracted light includes at least third-order diffracted light.
  • FIG. 16 is a partially enlarged schematic cross-sectional view of an LED element.
  • a dielectric multilayer film 124 is formed on the back side of the sapphire substrate 102.
  • the dielectric multilayer film 124 is covered with an Al layer 126 that is a metal layer.
  • the dielectric multilayer film 124 and the Al layer 126 form a reflecting portion, and the light emitted from the light emitting layer 114 and transmitted through the diffraction surface 102a by the diffraction action is reflected by the reflecting portion.
  • the light transmitted by the diffractive action is re-incident on the diffractive surface 102a, and is transmitted again by using the diffractive action on the diffractive surface 102a, so that the light can be extracted outside the element in a plurality of modes.
  • FIG. 17 is a graph illustrating an example of the reflectance of the reflecting portion.
  • the dielectric multilayer film formed on the sapphire substrate is a combination of ZrO 2 and SiO 2 with a pair number of 5, and an Al layer is formed on the dielectric multilayer film.
  • a reflectance of 99% or more is realized in an angle range where the incident angle is 0 degree to 55 degrees.
  • a reflectance of 98% or more is realized in the angle range where the incident angle is 0 degree to 60 degrees.
  • a reflectance of 92% or more is realized in an angle range where the incident angle is 0 degree to 75 degrees.
  • the combination of the dielectric multilayer film and the metal layer is an advantageous reflection condition for the light that is perpendicular to the interface.
  • the reflectance is almost 88% regardless of the incident angle.
  • the diffractive surface 102a and the reflection portion are provided, the light distribution characteristic of the light emitted from the element can be changed from the vertical direction.
  • the period of the convex portion 102c is P and the peak wavelength of the light emitted from the light emitting layer 114 is ⁇ , 1/2 ⁇ ⁇ ⁇ P ⁇ 16/9 ⁇ ⁇
  • the amount of light around the optical axis extracted from the element can be increased.
  • the transmitted diffracted light is allowed up to the second order, the third order, or the fourth order, and the reflected diffracted light is allowed to be the third order or higher.
  • the amount of light can be increased.
  • the distance until the light emitted from the light emitting layer 114 reaches the surface of the p-side electrode 127 can be remarkably shortened, and the light absorption inside the device can be suppressed.
  • the LED element has a problem that light in an angle region exceeding the critical angle of the interface propagates in the lateral direction, so that the light is absorbed inside the element.
  • the light absorbed inside the element can be drastically reduced by setting the vertical direction at 102a.
  • the reflection portion is a combination of the dielectric multilayer film 124 and the metal layer 126, and the reflectivity increases as the angle is more perpendicular to the interface. This is a reflection condition that is advantageous with respect to the generated light.
  • the diffractive surface is composed of periodically formed convex portions, but the diffractive surface may be composed of periodically formed concave portions.
  • the convex portions or the concave portions in alignment with the intersections of the triangular lattice, for example, it can be formed in alignment with the intersections of the virtual square lattice.
  • the light emitting surface of the element is flat. However, as shown in FIGS. 18 and 19, for example, the light emitting surface is processed to be uneven. May be.
  • the LED element 1 shown in FIG. 18 is a flip chip type LED element according to the first embodiment, in which the back surface of the sapphire substrate 2 is processed to be uneven.
  • the back surface 2g of the sapphire substrate 2 is formed with a flat portion 2h and a plurality of convex portions 2i that are periodically formed on the flat portion 2h.
  • each convex part 2i can be a truncated cone such as a cone or a polygonal pyramid, or a truncated cone such as a truncated cone or a truncated polygonal truncated cone. It is preferable that the period of each convex part 2i in the back surface 2g of the sapphire substrate 2 is shorter than the period of the diffractive surface 2a. Thereby, the Fresnel reflection in the back surface 2g of the sapphire substrate 2 is suppressed.
  • each convex portion 127i can be a truncated cone such as a cone or a polygonal pyramid, or a truncated cone such as a truncated cone or a truncated polygonal truncated cone.
  • each convex part 127i on the surface 127g of the p-side electrode 127 is preferably shorter than the period of the diffractive surface 102a. Thereby, Fresnel reflection on the surface 127g of the p-side electrode 127 is suppressed.
  • the light emitting layer emits blue light.
  • green light, red light, or the like may be emitted.
  • the LED element of the present invention can realize appropriate light distribution using light distribution characteristics due to diffraction while improving light extraction efficiency using diffraction action. Useful.

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Abstract

　回折作用を利用して光の取り出し効率を向上させつつ、回折に起因する配光特性を利用して適切な配光を実現するために、表面に周期的な凹部又は凸部が形成されるサファイア基板と、サファイア基板の表面上に形成され発光層を含みIII族窒化物半導体からなる半導体積層部と、発光層から発せられる光の少なくとも一部を、サファイア基板の表面側に反射する反射部と、を備え、サファイア基板と半導体積層部の界面にて発光層から発せられる光の回折作用を得るＬＥＤ素子において、凹部又は凸部の周期をＰ、発光層から発せられる光のピーク波長をλとしたとき、１／２×λ≦Ｐ≦１６／９×λの関係を満たすようにした。

Description

ＬＥＤ素子
　本発明は、ＬＥＤ素子に関する。
　サファイア基板の表面上に形成され発光層を含むIII族窒化物半導体と、サファイア基板の表面側に形成され発光層から発せられる光が入射し当該光の光学波長より大きく当該光のコヒーレント長より小さい周期で凹部又は凸部が形成された回折面と、基板の裏面側に形成され回折面にて回折した光を反射して回折面へ再入射させるＡｌ反射膜と、を備えるＬＥＤ素子が知られている（特許文献１参照）。このＬＥＤ素子では、回折作用により透過した光を回折面に再入射させて、回折面にて再び回折作用を利用して透過させることにより、複数のモードで光を素子外部へ取り出すことができる。
国際公開第２０１１／０２７６７９号
　ところで、回折作用を利用して光を取り出すと、どのような配光特性となるのかは知られていない。
　本発明は、前記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、回折作用を利用して光の取り出し効率を向上させつつ、回折に起因する配光特性を利用して適切な配光を実現することのできるＬＥＤ素子を提供することにある。
　前記目的を達成するため、本発明では、表面に周期的な凹部又は凸部が形成される基板と、前記基板の表面上に形成され発光層を含む半導体積層部と、前記発光層から発せられる光の少なくとも一部を、前記基板の表面側に反射する反射部と、を備え、前記基板と前記半導体積層部の界面にて前記発光層から発せられる光の回折作用を得るＬＥＤ素子において、前記凹部又は凸部の周期をＰ、前記発光層から発せられる光のピーク波長をλとしたとき、
　１／２×λ≦Ｐ≦１６／９×λ
の関係を満たすようにしたＬＥＤ素子が提供される。
　上記ＬＥＤ素子において、前記凹部又は凸部の周期をＰ、前記発光層から発せられる光のピーク波長をλとしたとき、
　２３／４５×λ≦Ｐ≦１４／９×λ
の関係を満たすようにすることが好ましい。
　上記ＬＥＤ素子において、前記界面における前記光の透過回折光が、少なくとも２次の回折光を含み、５次の回折光を含まないように前記凹部または凸部の周期を設定することが好ましい。
　上記ＬＥＤ素子において、前記界面における前記光の反射回折光が、少なくとも３次の回折光を含むように前記凹部または凸部の周期を設定することが好ましい。
　上記ＬＥＤ素子において、前記反射部は、前記界面に対して垂直に近い角度ほど反射率が高いことが好ましい。
　また、本発明では、表面に周期的な凹部又は凸部が形成され、表面が回折面をなすサファイア基板と、前記サファイア基板の表面上に形成され発光層を含みIII族窒化物半導体からなる半導体積層部と、前記発光層から発せられる光の少なくとも一部を、前記サファイア基板の表面側に反射する反射部と、を備え、前記サファイア基板と前記半導体積層部の界面にて前記発光層から発せられる光の回折作用を得るＬＥＤ素子において、前記半導体積層部側にて前記回折面へ入射する光の強度分布と比べて、前記サファイア基板側にて前記回折面を透過して出射する光の強度分布が、前記半導体積層部と前記サファイア基板の界面に対して垂直な方向に偏り、前記凹部又は凸部の周期をＰ、前記発光層から発せられる光のピーク波長をλとしたとき、
　１／２×λ≦Ｐ≦１６／９×λ
の関係を満たし、前記反射部は、前記界面に対して垂直に近い角度ほど反射率が高いＬＥＤ素子が提供される。
　さらに、本発明では、表面に周期的な凹部又は凸部が形成され、表面が回折面をなすサファイア基板と、前記サファイア基板の表面上に形成され発光層を含みIII族窒化物半導体からなる半導体積層部と、前記発光層から発せられる光の少なくとも一部を、前記サファイア基板の表面側に反射する反射部と、を備え、前記サファイア基板と前記半導体積層部の界面にて前記発光層から発せられる光の回折作用を得るＬＥＤ素子において、前記凹部又は凸部の周期をＰ、前記発光層から発せられる光のピーク波長をλとしたとき、
　１／２×λ≦Ｐ≦１６／９×λ
の関係を満たし、前記反射部は、誘電体多層膜及び金属層の積層構造からなるＬＥＤ素子が提供される。
　本発明のＬＥＤ素子によれば、回折作用を利用して光の取り出し効率を向上させつつ、回折に起因する配光特性を利用して適切な配光を実現することができる。
図１は、本発明の第１の実施形態を示すＬＥＤ素子の模式断面図である。 図２は、異なる屈折率の界面における光の回折作用を示す説明図であり、（ａ）は界面にて反射する状態を示し、（ｂ）は界面を透過する状態を示す。 図３は、凹部又は凸部の周期を５００ｎｍとした場合の、III属窒化物半導体層とサファイア基板の界面における、半導体層側から界面へ入射する光の入射角と、界面での回折作用による透過角の関係を示すグラフである。 図４は、凹部又は凸部の周期を５００ｎｍとした場合の、III属窒化物半導体層とサファイア基板の界面における、半導体層側から界面へ入射する光の入射角と、界面での回折作用による反射角の関係を示すグラフである。 図５は、素子内部における光の進行方向を示す説明図である。 図６は、ＬＥＤ素子の一部拡大模式断面図である。 図７は、反射部の反射率の一例を示すグラフである。 図８はサファイア基板を示し、（ａ）が模式斜視図、（ｂ）がＡ－Ａ断面を示す模式説明図である。 図９はＬＥＤ素子の配光特性を示し、（ａ）がサファイア基板に凸部が形成されていない状態のものを示し、（ｂ）～（ｈ）はサファイア基板に凸部が形成された状態のものを示している。 図１０は、各基板の計算値と実測値を示す表である。 図１１は、光軸に対する所定角度範囲内の光について積分強度の変化を示すグラフである。 図１２は、透過回折光の許容次数と積分強度の関係を示すグラフである。 図１３は、反射回折光の許容次数と積分強度の関係を示すグラフである。 図１４は、凸部の周期と、透過回折光及び反射回折光の許容次数の関係を示すグラフである。 図１５は、本発明の第２の実施形態を示すＬＥＤ素子の模式断面図である。 図１６は、ＬＥＤ素子の一部拡大模式断面図である。 図１７は、反射部の反射率の一例を示すグラフである。 図１８は、変形例を示すＬＥＤ素子の模式断面図である。 図１９は、変形例を示すＬＥＤ素子の模式断面図である。
　図１は、本発明の第１の実施形態を示すＬＥＤ素子の模式断面図である。
　図１に示すように、ＬＥＤ素子１は、サファイア基板２の表面上に、III族窒化物半導体層からなる半導体積層部１９が形成されたものである。ここで、サファイアの屈折率は１．７８であり、III族窒化物半導体層の屈折率は２．５２である。このＬＥＤ素子１は、フリップチップ型であり、サファイア基板２の裏面側から主として光が取り出される。半導体積層部１９は、バッファ層１０、ｎ型ＧａＮ層１２、発光層１４、電子ブロック層１６、ｐ型ＧａＮ層１８をサファイア基板２側からこの順に有している。ｐ型ＧａＮ層１８上にはｐ側電極２７が形成されるとともに、ｎ型ＧａＮ層１２上にはｎ側電極２８が形成されている。
　図１に示すように、バッファ層１０は、サファイア基板２の表面上に形成され、ＡｌＮで構成されている。本実施形態においては、バッファ層１０は、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法により形成されるが、スパッタリング法を用いることもできる。第１導電型層としてのｎ型ＧａＮ層１２は、バッファ層１０上に形成され、ｎ－ＧａＮで構成されている。発光層１４は、ｎ型ＧａＮ層１２上に形成され、ＧａｌｎＮ／ＧａＮで構成され、電子及び正孔の注入により青色光を発する。本実施形態においては、発光層１４の発光のピーク波長は４５０ｎｍである。
　電子ブロック層１６は、発光層１４上に形成され、ｐ―ＡＩＧａＮで構成されている。第２導電型層としてのｐ型ＧａＮ層１８は、電子ブロック層１６上に形成され、ｐ－ＧａＮで構成されている。ｎ型ＧａＮ層１２からｐ型ＧａＮ層１８までは、III族窒化物半導体のエピタキシャル成長により形成され、サファイア基板２の表面には周期的に凸部２ｃが形成されているが、III族窒化物半導体の成長初期に横方向成長による平坦化が図られる。尚、第１導電型層、活性層及び第２導電型層を少なくとも含み、第１導電型層及び第２導電型層に電圧が印加されると、電子及び正孔の再結合により活性層にて光が発せられるものであれば、半導体層の層構成は任意である。
　サファイア基板２の表面は回折面２ａをなす。サファイア基板２の表面は、平坦部２ｂと、平坦部２ｂに周期的に形成された複数の凸部２ｃと、が形成されている。各凸部２ｃの形状は、円錐、多角錐等の錐状の他、錐の上部を切り落とした円錐台、多角錐台等の錐台状とすることができる。各凸部２ｃは、発光層１４から発せられる光を回折するよう設計される。本実施形態においては、周期的に配置される各凸部２ｃにより、光の垂直化作用を得ることができる。ここで、光の垂直化作用とは、光の強度分布が、回折面へ入射する前よりも、反射及び透過した後の方が、サファイア基板２と半導体積層部１９の界面に対して垂直な方向に偏ることをいう。
　図２は、異なる屈折率の界面における光の回折作用を示す説明図であり、（ａ）は界面にて反射する状態を示し、（ｂ）は界面を透過する状態を示す。
　ここで、ブラッグの回折条件から、界面にて光が反射する場合において、入射角θｉｎに対して反射角θｒｅｆが満たすべき条件は、
　Ｐ・ｎ１・（ｓｉｎθｉｎ－ｓｉｎθｒｅｆ）＝ｍ・λ・・・（１）
である。ここで、Ｐは凹部または凸部の周期、ｎ１は入射側の媒質の屈折率、λは入射する光の波長、ｍは整数である。半導体積層部１９からサファイア基板２へ光が入射する場合、ｎ１はIII族窒化物半導体の屈折率となる。図２（ａ）に示すように、上記（１）式を満たす反射角θｒｅｆで、界面へ入射する光は反射される。
　一方、ブラッグの回折条件から、界面にて光が透過する場合において、入射角θｉｎに対して透過角θｏｕｔが満たすべき条件は、
　Ｐ・（ｎ１・ｓｉｎθｉｎ－ｎ２・ｓｉｎθｏｕｔ）＝ｍ’・λ・・・（２）
である。ここで、ｎ２は出射側の媒質の屈折率であり、ｍ’は整数である。例えば半導体積層部１９からサファイア基板２へ光が入射する場合、ｎ２はサファイアの屈折率となる。図２（ｂ）に示すように、上記（２）式を満たす透過角θｏｕｔで、界面へ入射する光は透過される。
　図３は、凹部又は凸部の周期を５００ｎｍとした場合の、III属窒化物半導体層とサファイア基板の界面における、半導体層側から界面へ入射する光の入射角と、界面での回折作用による透過角の関係を示すグラフである。また、図４は、凹部又は凸部の周期を５００ｎｍとした場合の、III属窒化物半導体層とサファイア基板の界面における、半導体層側から界面へ入射する光の入射角と、界面での回折作用による反射角の関係を示すグラフである。
　回折面２ａに入射する光には、一般的な平坦面と同様に全反射の臨界角が存在する。ＧａＮ系半導体層とサファイア基板２との界面では、臨界角は４５．９°である。図３に示すように、臨界角を超えた領域では、上記（２）式の回折条件を満たすｍ’＝１，２，３，４での回折モードでの透過が可能である。また、図４に示すように、臨界角を超えた領域では、上記（１）式の回折条件を満たすｍ＝１，２，３，４での回折モードでの反射が可能である。臨界角が４５．９°の場合、臨界角を超える光出力が約７０％、臨界角を超えない光出力が約３０％となる。すなわち、臨界角を超えた領域の光を取り出すことは、ＬＥＤ素子１の光取り出し効率の向上に大きく寄与する。
　ここで、入射角θｉｎよりも透過角θｏｕｔが小さくなる領域では、回折面２ａを透過する光は、サファイア基板２とIII族窒化物半導体層の界面に対して垂直寄りに角度変化する。図３中、この領域をハッチングで示す。図３に示すように、回折面２ａを透過する光については、臨界角を超えた領域では、ｍ’＝１，２，３の回折モードの光は全ての角度域で垂直寄りに角度変化する。ｍ’＝４の回折モードの光は一部の角度域で垂直寄りとならないが、回折次数が大きい光の強度は比較的小さいため影響が小さく、この一部の角度域においても実質的に垂直寄りに角度変化することとなる。すなわち、半導体積層部１９側にて回折面２ａへ入射する光の強度分布と比べて、サファイア基板２側にて回折面２ａを透過して出射する光の強度分布が、半導体積層部１９とサファイア基板２の界面に対して垂直な方向に偏る。
　また、入射角θｉｎよりも反射角θｒｅｆが小さくなる領域では、回折面２ａで反射する光は、サファイア基板２とIII族窒化物半導体層の界面に対して垂直寄りに角度変化する。図４中、この領域をハッチングで示す。図４に示すように、回折面２ａにて反射する光については、臨界角を超えた領域では、ｍ＝１，２，３の回折モードの光は全ての角度域で垂直寄りに角度変化する。ｍ＝４の回折モードの光は一部の角度域で垂直寄りとならないが、回折次数が大きい光の強度は比較的小さいため影響が小さく、この一部の角度域においても実質的に垂直寄りに角度変化することとなる。すなわち、半導体積層部１９側にて回折面２ａへ入射する光の強度分布と比べて、半導体積層部１９側にて回折面２ａから反射により出射する光の強度分布が、半導体積層部１９とサファイア基板２の界面に対して垂直な方向に偏る。
　図５は、素子内部における光の進行方向を示す説明図である。
　図５に示すように、発光層１４から発せられた光のうち、サファイア基板２へ臨界角を超えて入射する光は、回折面２ａで入射時よりも垂直寄りの方向へ透過及び反射する。すなわち、回折面２ａを透過した光は、垂直寄りへ角度変化した状態でサファイア基板２の裏面へ入射する。また、回折面２ａで反射した光は、垂直寄りへ角度変化した状態でｐ側電極２７及びｎ側電極２８で反射された後、回折面２ａに再度入射する。このときの入射角は、先の入射角よりも垂直寄りとなる。この結果、サファイア基板２の裏面へ入射する光を垂直寄りとすることができる。
　図６は、ＬＥＤ素子の一部拡大模式断面図である。
　図６に示すように、ｐ側電極２７は、ｐ型ＧａＮ層１８上に形成される拡散電極２１と、拡散電極２１上の所定領域に形成される誘電体多層膜２２と、誘電体多層膜２２上に形成される金属電極２３とを有している。拡散電極２１は、ｐ型ＧａＮ層１８に全面的に形成され、例えばＩＴＯ(Indium Tin Oxide)等の透明材料からなる。また、誘電体多層膜２２は、屈折率の異なる第１材料２２ａと第２材料２２ｂのペアを複数繰り返して構成される。誘電体多層膜２２は、例えば、第１材料２２ａをＺｒＯ２（屈折率：２．１８）、第２材料２２ｂをＳｉＯ２（屈折率：１．４６）とし、ペア数を５とすることができる。尚、ＺｒＯ２とＳｉＯ２と異なる材料を用いて誘電体多層膜２２を構成してもよく、例えば、ＡｌＮ（屈折率：２．１８）、Ｎｂ２Ｏ３（屈折率：２．４）、Ｔａ２Ｏ３（屈折率：２．３５）等を用いてもよい。金属電極２３は、誘電体多層膜２２を被覆し、例えばＡｌ等の金属材料からなる。金属電極２３は、誘電体多層膜２２に形成されたビアホール２２ｃを通じて拡散電極２１と電気的に接続されている。
　図６に示すように、ｎ側電極２８は、ｐ型ＧａＮ層１８からｎ型ＧａＮ層１２をエッチングして、露出したｎ型ＧａＮ層１２上に形成される。ｎ側電極２８は、ｎ型ＧａＮ層１２上に形成される拡散電極２４と、拡散電極２４上の所定領域に形成される誘電体多層膜２５と、誘電体多層膜２５上に形成される金属電極２６とを有している。拡散電極２４は、ｎ型ＧａＮ層１２に全面的に形成され、例えばＩＴＯ(Indium Tin Oxide)等の透明材料からなる。また、誘電体多層膜２５は、屈折率の異なる第１材料２５ａと第２材料２５ｂのペアを複数繰り返して構成される。誘電体多層膜２５は、例えば、第１材料２５ａをＺｒＯ２（屈折率：２．１８）、第２材料２５ｂをＳｉＯ２（屈折率：１．４６）とし、ペア数を５とすることができる。尚、ＺｒＯ２とＳｉＯ２と異なる材料を用いて誘電体多層膜２５を構成してもよく、例えば、ＡｌＮ（屈折率：２．１８）、Ｎｂ２Ｏ３（屈折率：２．４）、Ｔａ２Ｏ３（屈折率：２．３５）等を用いてもよい。金属電極２６は、誘電体多層膜２５を被覆し、例えばＡｌ等の金属材料からなる。金属電極２６は、誘電体多層膜２５に形成されたビアホール２５ｃを通じて拡散電極２４と電気的に接続されている。
　このＬＥＤ素子１においては、ｐ側電極２７及びｎ側電極２８が反射部をなしている。ｐ側電極２７及びｎ側電極２８は、それぞれ垂直に近い角度ほど反射率が高くなっている。反射部へは、発光層１４から発せられて直接的に入射する光の他、サファイア基板２の回折面２ａにて反射して、界面に対して垂直寄りに角度変化した光が入射する。すなわち、反射部へ入射する光の強度分布は、サファイア基板２の表面が平坦面だった場合と比較すると、垂直寄りに偏った状態となっている。
　図７は、反射部の反射率の一例を示すグラフである。図７の例では、ＩＴＯ上に形成される誘電体多層膜をＺｒＯ２とＳｉＯ２の組み合わせでペア数を５とし、誘電体多層膜に重ねてＡｌ層を形成した。図７に示すように、入射角が０度から４５度の角度域で、９８％以上の反射率を実現している。また、入射角が０度から７５度の角度域で、９０％以上の反射率を実現している。このように、誘電体多層膜と金属層の組み合わせは、界面に対して垂直寄りとなった光に対して有利な反射条件となる。尚、ＩＴＯ上にＡｌ層のみを形成した場合は、入射角によらず、ほぼ８４％の一定の反射率となることを確認している。
　次いで、図８を参照してサファイア基板２について詳述する。図８はサファイア基板を示し、（ａ）が模式斜視図、（ｂ）がＡ－Ａ断面を示す模式説明図である。
　図８（ａ）に示すように、回折面２ａは、平面視にて、各凸部２ｃの中心が正三角形の頂点の位置となるように、所定の周期で仮想の三角格子の交点に整列して形成される。尚、ここでいう周期とは、隣接する凸部２ｃにおける高さのピーク位置の距離をいう。本実施形態においては、凸部２ｃの周期をＰ、発光層１４から発せられる光のピーク波長をλとしたとき、
　１／２×λ≦Ｐ≦１６／９×λ
の関係を満たすように、凸部２ｃの周期が設定されている。この関係については、
　２３／４５×λ≦Ｐ≦１４／９×λ
とすることが好ましい。また、凸部２ｃの周期は、透過回折光が少なくとも２次の回折光を含み、５次の回折光を含まないよう設定されている。また、凸部２ｃの周期は、反射回折光が少なくとも３次の回折光を含むよう設定されている。
　ここで、図９から図１４を参照して、ＬＥＤ素子１から取り出される光の配光特性について説明する。図９はＬＥＤ素子の配光特性を極座標で示し、（ａ）がサファイア基板に凸部が形成されていない状態のものを示し、（ｂ）～（ｈ）はサファイア基板に凸部が形成された状態のものを示している。ここで、（ｂ）は周期が２００ｎｍのものを、（ｃ）は周期が２２５ｎｍのものを、（ｄ）は周期が３２０ｎｍのものを、（ｅ）は周期が４５０ｎｍのものを、（ｆ）は周期が６００ｎｍのものを、（ｇ）は周期が７００ｎｍのものを、（ｈ）は周期が８００ｎｍのものを示している。これらの配光特性を取得するにあたり、発光層１４の発光波長を４５０ｎｍとし、半導体積層部１９の厚さを３．３μｍ、サファイア基板２の厚さを１２０μｍとしてシミュレーションを行った。尚、図９の各図においては、サファイア基板に垂直な方向を０度（光軸）として示している。
　ここで、シミュレーションの計算値等が妥当かどうかを確認するために、シミュレーションによる計算値と、試料体の実測値と比較して検討した。この検討は、シミュレーションにより計算される積分強度と、試料体を発光させて得られた実測値とを比較することによって行った。図１０は、各基板の計算値と実測値を示す表である。図１０中、「ＦＳＳ」は凹凸が形成されていない基板を示し、「ＰＳＳ」は線状の凹凸が形成された基板を示し、「ＭＰＳＳ」は本実施形態のように点在する凹部または凸部が形成された基板を示す。図１０に示すように、どのような基板であっても、計算値と実測値がほぼ一致しており、シミュレーションの計算値等が妥当であることが理解される。
　図９の配光特性について検討する。図９（ａ）に示すように、サファイア基板２の表面に凸部２ｃが形成されていない場合は、光はＬＥＤ素子１から等方的に出射される。これに対し、図９（ｂ）～（ｈ）に示すように、回折作用を得ることのできる凸部２ｃを形成することにより配光特性が変化する。具体的には、図９（ｂ），（ｃ）等に示すように、配光特性において、特定の角度域にて他と比べて強度が高くなる箇所Ａが存在するようになる。この箇所Ａは、反射部で反射した後に回折面を透過する±１次の光によるものであることが判明している。そして、図９（ｂ）～（ｈ）に示すように、凸部２ｃの周期を変化させることにより、この箇所Ａの角度域が変化する。
　図１１は、光軸に対する所定角度範囲内の光について積分強度の変化を示すグラフである。図１１では、横軸を凸部の周期、縦軸を光軸に対して±３０度以内の積分強度としている。ここで、破線は、線状凸部の周期が３μｍのＰＳＳ基板の積分強度を示している。また、一点鎖線は、ＦＳＳ基板の積分強度を示している。
　図１１に示すように、凸部２ｃの周期が２２５ｎｍ以上８００ｎｍ以下で、ＰＳＳ基板よりも積分強度が大きくなる。すなわち、凸部２ｃの周期をＰとし、発光層１４から発せられる光のピーク波長をλとしたとき、
　１／２×λ≦Ｐ≦１６／９×λ
の関係を満たすようにすると、ＰＳＳ基板よりも光軸上の光強度を大きくすることができる。
　また、図１１に示すように、凸部２ｃの周期が２３０ｎｍ以上７００ｎｍ以下で、ＦＳＳ基板よりも積分強度が大きくなる。すなわち、凸部２ｃの周期をＰとし、発光層１４から発せられる光のピーク波長をλとしたとき、
　２３／４５×λ≦Ｐ≦１４／９×λ
の関係を満たすようにすると、ＦＳＳ基板よりも光軸上の光強度を大きくすることができる。
　図１２は、透過回折光の許容次数と積分強度の関係を示すグラフである。ここで、許容次数とは、透過回折光が何次の成分まで含んでいるのか（許容されているのか）ということである。尚、図１２中の一点鎖線は、ＦＳＳ基板の積分強度を示している。
　図１２に示すように、透過回折光については、２次、３次あるいは４次まで許容されると、ＦＳＳ基板の積分強度を常に上回ることとなる、一方、透過回折光が１次しか許容されない場合や、５次以上許容される場合は、ＦＳＳ基板の積分強度を下回ってしまう。すなわち、透過回折光については、少なくとも２次の回折光を含み、５次の回折光を含まないように設計することが好ましい。
　図１３は、反射回折光の許容次数と積分強度の関係を示すグラフである。ここで、許容次数とは、反射回折光が何次の成分まで含んでいるのか（許容されているのか）ということである。尚、図１３中の一点鎖線は、ＦＳＳ基板の積分強度を示している。
　図１３に示すように、反射回折光については、３次以上許容されると、ＦＳＳ基板の積分強度を常に上回ることとなる、一方、反射回折光が２次以下までしか許容されない場合は、ＦＳＳ基板の積分強度を下回ってしまう。すなわち、反射回折光については、少なくとも３次の回折光を含むように設計することが好ましい。
　図１４は、凸部の周期と、透過回折光及び反射回折光の許容次数の関係を示すグラフである。図１４においても、発光層１４の発光波長を４５０ｎｍとしている。
　図１４に示すように、透過回折光について、２次、３次あるいは４次まで許容される凸部２ｃの周期は、２６０ｎｍから６２０ｎｍである。すなわち、凸部２ｃの周期をＰとし、発光層１４から発せられる光のピーク波長をλとしたとき、
　２６／４５×λ≦Ｐ≦６２／４５×λ
の関係を満たすようにすると、透過回折光について、許容次数が２次から４次となる。
　一方、反射回折光について、３次以上許容される凸部２ｃの周期は、２８０ｎｍである。すなわち、凸部２ｃの周期をＰとし、発光層１４から発せられる光のピーク波長をλとしたとき、
　２８／４５×λ≦Ｐ
の関係を満たすようにすると、反射回折光について、許容次数が３次以上となる。つまり、透過回折光の許容次数が２次から４次の間となり、反射回折光の許容次数が３次以上となるようにするには、
　２６／４５×λ≦Ｐ≦６２／４５×λ
の関係を満たすようにすればよい。
　以上のように構成されたＬＥＤ素子１では、回折面２ａ及び反射部を設けたので、素子から出射される光の配光特性を垂直よりに変化させることができる。そして、凸部２ｃの周期をＰ、発光層１４から発せられる光のピーク波長をλとしたとき、
　１／２×λ≦Ｐ≦１６／９×λ
の関係を満たすようにしたので、素子から取り出される光軸まわりの光量を大きくすることができる。従って、回折作用を利用して光の取り出し効率を向上させつつ、回折に起因する配光特性を利用して適切な配光を実現することができる。
　また、回折面２ａにおいて、透過回折光については２次、３次あるいは４次まで許容されるようにし、反射回折光については３次以上許容されるようにしたので、素子から取り出される光軸まわりの光量を大きくすることができる。
　また、回折面２ａにおける光の垂直化により、発光層１４から発せられた光が、サファイア基板２の裏面に到達するまでの距離を格段に短くすることができ、素子内部における光の吸収を抑制することができる。ＬＥＤ素子においては、界面の臨界角を超える角度領域の光が横方向に伝搬してしまうので素子内部で光が吸収されてしまう問題があったが、臨界角を超える角度領域の光を回折面２ａで垂直寄りとされることから、素子内部にて吸収される光を飛躍的に減じることができる。さらに、本実施形態においては、反射部を誘電体多層膜２２，２５と金属層２３，２６の組み合わせとして、比較的広い角度域にて高い反射率を維持しつつ、界面に対して垂直に近い角度ほど反射率が高くなるようにしたので、界面に対して垂直寄りとなった光に対して有利な反射条件となっている。尚、誘電体多層膜２２，２５のみとした場合も、界面に対して垂直に近い角度ほど反射率が高くなることから、界面に対して垂直寄りとなった光に対して有利な反射条件と言える。
　図１５及び図１６は本発明の第２の実施形態を示し、図１５はＬＥＤ素子の模式断面図である。
　図１５に示すように、このＬＥＤ素子１０１はフェイスアップタイプであり、サファイア基板１０２の表面上に、III族窒化物半導体層からなる半導体積層部１１９が形成されたものである。このＬＥＤ素子１０１は、フェイスアップ型であり、サファイア基板１０２と反対側から主として光が取り出される。半導体積層部１１９は、バッファ層１１０、ｎ型ＧａＮ層１１２、発光層１１４、電子ブロック層１１６、ｐ型ＧａＮ層１１８をサファイア基板１０２側からこの順に有している。ｐ型ＧａＮ層１１８上にはｐ側電極１２７が形成されるとともに、ｎ型ＧａＮ層１１２上にはｎ側電極１２８が形成されている。また、ｐ側電極１２７は、ｐ型ＧａＮ層１１８上に形成される拡散電極１２１と、拡散電極１２１上の一部に形成されるパッド電極１２２と、を有している。
　このＬＥＤ素子１０１においては、サファイア基板１０２の表面が回折面１０２ａをなしている。サファイア基板１０２の表面は、平坦部１０２ｂと、平坦部１０２ｂに周期的に形成された複数の凸部１０２ｃと、が形成されている。各凸部１０２ｃの形状は、円錐、多角錐等の錐状の他、錐の上部を切り落とした円錐台、多角錐台等の錐台状とすることができる。各凸部１０２ｃは、発光層１１４から発せられる光を回折するよう設計される。本実施形態においては、周期的に配置される各凸部１０２ｃにより、光の垂直化作用を得ることができる。
　本実施形態の回折面１０２ａは、凸部１０２ｃの周期をＰ、発光層１１４から発せられる光のピーク波長をλとしたとき、
　１／２×λ≦Ｐ≦１６／９×λ
の関係を満たすように、凸部１０２ｃの周期が設定されている。また、凸部１０２ｃの周期は、透過回折光が少なくとも２次の回折光を含み、５次の回折光を含まないよう設定されている。また、凸部１０２ｃの周期は、反射回折光が少なくとも３次の回折光を含むよう設定されている。
　図１６は、ＬＥＤ素子の一部拡大模式断面図である。
　図１６に示すように、サファイア基板１０２の裏面側には、誘電体多層膜１２４が形成されている。誘電体多層膜１２４は金属層であるＡｌ層１２６により被覆される。この発光素子１０１においては、誘電体多層膜１２４及びＡｌ層１２６が反射部をなしており、発光層１１４から発せられ回折面１０２ａを回折作用によって透過した光を当該反射部で反射する。そして、回折作用により透過した光を回折面１０２ａに再入射させて、回折面１０２ａにて再び回折作用を利用して透過させることにより、複数のモードで光を素子外部へ取り出すことができる。
　図１７は、反射部の反射率の一例を示すグラフである。図１７では、サファイア基板上に形成される誘電体多層膜をＺｒＯ２とＳｉＯ２の組み合わせでペア数を５とし、誘電体多層膜に重ねてＡｌ層を形成した。図１７に示すように、入射角が０度から５５度の角度域で、９９％以上の反射率を実現している。また、入射角が０度から６０度の角度域で、９８％以上の反射率を実現している。また、入射角が０度から７５度の角度域で、９２％以上の反射率を実現している。このように、誘電体多層膜と金属層の組み合わせは、界面に対して垂直寄りとなった光に対して有利な反射条件となる。尚、サファイア基板上にＡｌ層のみを形成した場合は、入射角によらず、ほぼ８８％の一定の反射率となることを確認している。
　以上のように構成されたＬＥＤ素子１０１では、回折面１０２ａ及び反射部を設けたので、素子から出射される光の配光特性を垂直よりに変化させることができる。そして、凸部１０２ｃの周期をＰ、発光層１１４から発せられる光のピーク波長をλとしたとき、
　１／２×λ≦Ｐ≦１６／９×λ
の関係を満たすようにしたので、素子から取り出される光軸まわりの光量を大きくすることができる。
　また、回折面１０２ａにおいて、透過回折光については２次、３次あるいは４次まで許容されるようにし、反射回折光については３次以上許容されるようにしたので、素子から取り出される光軸まわりの光量を大きくすることができる。
　また、発光層１１４から発せられた光が、ｐ側電極１２７の表面に到達するまでの距離を格段に短くすることができ、素子内部における光の吸収を抑制することができる。ＬＥＤ素子においては、界面の臨界角を超える角度領域の光が横方向に伝搬してしまうので素子内部で光が吸収されてしまう問題があったが、臨界角を超える角度領域の光を回折面１０２ａで垂直寄りとすることで、素子内部にて吸収される光を飛躍的に減じることができる。さらに、本実施形態においては、反射部を誘電体多層膜１２４と金属層１２６の組み合わせとして、界面に対して垂直に近い角度ほど反射率が高くなるようにしたので、界面に対して垂直寄りとなった光に対して有利な反射条件となっている。
　尚、第１及び第２の実施形態においては、回折面を周期的に形成された凸部で構成するものを示したが、回折面を周期的に形成された凹部で構成してもよいことは勿論である。また、凸部又は凹部を、三角格子の交点に整列して形成する他、例えば、仮想の正方格子の交点に整列して形成することもできる。
　また、第１及び第２の実施形態においては、素子における光の出射面が平坦なものを示したが、例えば図１８及び図１９に示すように、光の出射面に凹凸加工を施すようにしてもよい。図１８のＬＥＤ素子１は、フリップチップタイプの第１の実施形態のＬＥＤ素子において、サファイア基板２の裏面に凹凸加工を施したものである。このサファイア基板２の裏面２ｇは、平坦部２ｈと、平坦部２ｈに周期的に形成された複数の凸部２ｉと、が形成されている。各凸部２ｉの形状は、円錐、多角錐等の錐状の他、錐の上部を切り落とした円錐台、多角錐台等の錐台状とすることができる。サファイア基板２の裏面２ｇにおける各凸部２ｉの周期は、回折面２ａの周期より短くすることが好ましい。これにより、サファイア基板２の裏面２ｇにおけるフレネル反射が抑制される。
　また、図１９のＬＥＤ素子１０１は、フェイスアップタイプの第２の実施形態のＬＥＤ素子において、ｐ側電極１２７の表面に凹凸加工を施したものである。このｐ型電極１２７の表面１２７ｇは、平坦部１２７ｈと、平坦部１２７ｈに周期的に形成された複数の凸部１２７ｉと、が形成されている。各凸部１２７ｉの形状は、円錐、多角錐等の錐状の他、錐の上部を切り落とした円錐台、多角錐台等の錐台状とすることができる。ｐ側電極１２７の表面１２７ｇにおける各凸部１２７ｉの周期は、回折面１０２ａの周期より短くすることが好ましい。これにより、ｐ側電極１２７の表面１２７ｇにおけるフレネル反射が抑制される。
　また、第１及び第２の実施形態においては、発光層から青色光が発せられるものを示したが、例えば、緑色、赤色等の光が発せられるものであってもよい。要は、凹部又は凸部の周期と、発光層から発せられる光のピーク波長の関係が、所定の条件を満たしていればよい。
　以上のように、本発明のＬＥＤ素子は、回折作用を利用して光の取り出し効率を向上させつつ、回折に起因する配光特性を利用して適切な配光を実現することができ産業上有用である。
　１  ＬＥＤ素子
　２  サファイア基板
　２ａ  回折面
　２ｃ  凸部
　１４  発光層
　１９  半導体積層部
　２７  ｐ側電極
　２８  ｎ側電極
　１０１ ＬＥＤ素子
　１０２ サファイア基板
　１０２ａ 回折面
　１１４ 発光層
　１１９ 半導体積層部
　１２４ 誘電体多層膜
　１２６ Ａｌ層

Claims (9)

  1. 　表面に周期的な凹部又は凸部が形成され、表面が回折面をなすサファイア基板と、
    　前記サファイア基板の表面上に形成され発光層を含みIII族窒化物半導体からなる半導体積層部と、
    　前記発光層から発せられる光の少なくとも一部を、前記サファイア基板の表面側に反射する反射部と、を備え、
    　前記サファイア基板と前記半導体積層部の界面にて前記発光層から発せられる光の回折作用を得るＬＥＤ素子において、
    　前記半導体積層部側にて前記回折面へ入射する光の強度分布と比べて、前記サファイア基板側にて前記回折面を透過して出射する光の強度分布が、前記半導体積層部と前記サファイア基板の界面に対して垂直な方向に偏り、
    　前記凹部又は凸部の周期をＰ、前記発光層から発せられる光のピーク波長をλとしたとき、
    　１／２×λ≦Ｐ≦１６／９×λ
    の関係を満たし、
    　前記反射部は、誘電体多層膜及び金属層の積層構造からなり、前記界面に対して垂直に近い角度ほど反射率が高いＬＥＤ素子。
  2. 　前記凹部又は凸部の周期をＰ、前記発光層から発せられる光のピーク波長をλとしたとき、
    　１／２×λ≦Ｐ≦λ
    の関係を満たすようにした請求項１に記載のＬＥＤ素子。
  3. 　前記凹部又は凸部の周期をＰ、前記発光層から発せられる光のピーク波長をλとしたとき、
    　２３／４５×λ≦Ｐ≦λ
    の関係を満たすようにした請求項１または２に記載のＬＥＤ素子。
  4. 　前記界面における前記光の透過回折光が、少なくとも２次の回折光を含み、５次の回折光を含まないように前記凹部または凸部の周期を設定した請求項１から３のいずれか１項に記載のＬＥＤ素子。
  5. 　前記界面における前記光の反射回折光が、少なくとも３次の回折光を含むように前記凹部または凸部の周期を設定した請求項１から４のいずれか１項に記載のＬＥＤ素子。
  6. 　前記ＬＥＤ素子における光の出射面に、前記回折面よりも短い周期で周期的な凹部又は凸部が形成される請求項１から５のいずれか１項に記載のＬＥＤ素子。
  7. 　前記ＬＥＤは、フリップチップ型であり、
    　前記サファイア基板の裏面に、前記回折面よりも短い周期で周期的な凹部又は凸部が形成される請求項１から５のいずれか１項に記載のＬＥＤ素子。
  8. 　表面に周期的な凹部又は凸部が形成され、表面が回折面をなすサファイア基板と、
    　前記サファイア基板の表面上に形成され発光層を含みIII族窒化物半導体からなる半導体積層部と、
    　前記発光層から発せられる光の少なくとも一部を、前記サファイア基板の表面側に反射する反射部と、を備え、
    　前記サファイア基板と前記半導体積層部の界面にて前記発光層から発せられる光の回折作用を得るＬＥＤ素子において、
    　前記半導体積層部側にて前記回折面へ入射する光の強度分布と比べて、前記サファイア基板側にて前記回折面を透過して出射する光の強度分布が、前記半導体積層部と前記サファイア基板の界面に対して垂直な方向に偏り、
    　前記凹部又は凸部の周期をＰ、前記発光層から発せられる光のピーク波長をλとしたとき、
    　１／２×λ≦Ｐ≦１６／９×λ
    の関係を満たし、
    　前記反射部は、前記界面に対して垂直に近い角度ほど反射率が高いＬＥＤ素子。
  9. 　表面に周期的な凹部又は凸部が形成され、表面が回折面をなすサファイア基板と、
    　前記サファイア基板の表面上に形成され発光層を含みIII族窒化物半導体からなる半導体積層部と、
    　前記発光層から発せられる光の少なくとも一部を、前記サファイア基板の表面側に反射する反射部と、を備え、
    　前記サファイア基板と前記半導体積層部の界面にて前記発光層から発せられる光の回折作用を得るＬＥＤ素子において、
    　前記凹部又は凸部の周期をＰ、前記発光層から発せられる光のピーク波長をλとしたとき、
    　１／２×λ≦Ｐ≦１６／９×λ
    の関係を満たし、
    　前記反射部は、誘電体多層膜及び金属層の積層構造からなるＬＥＤ素子。
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