(57)【要約】【課題】色むらの少ない白色発光素子を提供する。【解決手段】白色発光素子は、ｎ型半導体層１０１と、ｐ型半導体層１０３と、ｎ型半導体層１０１とｐ型半導体層１０３とによって挟まれ、光を生成する発光層１０２とを有し、主面の一方が光出射面となっている半導体層１０４と、発光層１０２が生成した光を吸収して蛍光を放つ蛍光体を含み、半導体層の主面のうち光出射面に対向する面上に設けられた蛍光体含有層１１４と、蛍光体含有層１１４の面のうち半導体層１０４が設けられた面に対向する面上に設けられた反射層１１５とを備えている。反射層１１５と蛍光体含有層１１４との界面には凹凸が形成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ型半導体層と、ｐ型半導体層と、前記ｎ型半導体層と前記ｐ型半導体層とによって挟まれ、光を生成する発光層とを有し、主面の一方が光出射面となっている半導体層と、
前記発光層が生成した光を吸収して蛍光を放つ蛍光体を含み、前記半導体層の主面のうち前記光出射面に対向する面上に設けられた蛍光体含有層と、
前記蛍光体含有層の面のうち前記半導体層が設けられた面に対向する面上に設けられた反射層とを備え、
前記反射層と前記蛍光体含有層との界面には凹凸が形成されている白色発光素子。
【請求項２】
請求項１に記載の白色発光素子において、
前記半導体層の面のうち、前記光出射面に対向する面には凹凸が形成されている白色発光素子。
【請求項３】
請求項２に記載の白色発光素子において、
前記発光層が生成する光の波長をλ、前記半導体層の屈折率をｎとしたとき、
前記発光層の光出射面に対向する面における前記凹凸の平均間隔がλ/ｎ以上である白色発光素子。
【請求項４】
請求項１〜３のうちいずれか１つに記載の白色発光素子において、
前記半導体層の前記光出射面には凹凸が形成されている白色発光素子。
【請求項５】
請求項４に記載の白色発光素子において、
前記光出射面に形成された凹凸は周期構造を有している白色発光素子。
【請求項６】
請求項１〜４のうちいずれか１つに記載の白色発光素子において、
前記半導体層が窒化物半導体により構成されている白色発光素子。
【請求項７】
請求項１〜６のうちいずれか１つに記載の白色発光素子において、
前記蛍光体含有層が誘電体を含む白色発光素子。
【請求項８】
請求項７に記載の白色発光素子において、
前記誘電体がＴｉ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｗ、Ｚｎ、Ｙ、Ｃｅのうち少なくとも一つの酸化物からなる白色発光素子。
【請求項９】
請求項１〜８のうちいずれか１つに記載の白色発光素子において、
前記反射層は、前記蛍光体含有層に対向する側から順に、誘電体層と金属層とが積層された構成を有しており、
前記誘電体層の屈折率が前記半導体層および前記蛍光体含有層の屈折率より小さい白色発光素子。
【請求項１０】
請求項１〜９のうちいずれか１つに記載の白色発光素子において、
前記反射層の面のうち、前記蛍光体含有層が設けられた面に対向する面上に設けられた金属基板をさらに備えている白色発光素子。
【請求項１１】
第１の基板上にｎ型半導体層、ｐ型半導体層、及び前記ｎ型半導体層と前記ｐ型半導体層とに挟まれた発光層を有する半導体層を形成する工程（ａ）と、
前記半導体層の主面のうち前記第１の基板が設けられている第１の面に対向する第２の面上に、接着層を介して第２の基板を貼り付ける工程（ｂ）と、
前記工程（ｂ）の後、前記第１の基板を除去した後、露出した前記半導体層の前記第１の面に凹凸を形成する工程（ｃ）と、
前記半導体層の前記第１の面上に、前記発光層が生成した光を吸収して蛍光を放つ蛍光体を含む蛍光体含有層と、反射層とを順次形成する工程（ｄ）とを備えている白色発光素子の製造方法。
【請求項１２】
請求項１１に記載の白色発光素子の製造方法において、
前記半導体層は窒化物半導体で構成されており、
前記工程（ｃ）では、ウエットエッチングにより前記第１の面に凹凸を形成する白色発光素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、白色発光素子とその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、照明器具、又は液晶表示装置のバックライト光源等の白色光源の低消費電力化のために、発光ダイオード（ＬＥＤ）を用いた白色発光素子が盛んに研究されている。その中でも特に、例えば窒化物半導体等のワイドバンドギャップ半導体を用いた発光ダイオードは、紫外光又は青色光を放射することができるため、白色光を出射する白色発光素子用の光源として盛んに開発されている。紫外光を放射する発光ダイオード（以下、「紫外発光ダイオード」と称す）、又は青色光を放射する発光ダイオード（以下、「青色発光ダイオード」と称す）等を用いて、白色発光素子を実現する構成としては、主に、以下に示す（１）〜（３）の構成が挙げられる。
（１）青色発光ダイオードと黄色蛍光体とを組み合わせた構成
（２）紫外発光ダイオードと青色、緑色、及び赤色蛍光体とを組み合わせた構成
（３）青色、緑色、及び赤色発光ダイオードを組み合わせた構成
上記（１）〜（３）の構成において、（３）の構成においては比較的コストが高く、混色性が悪い傾向がある。そのため、現在のところ（１）（２）のような発光ダイオードと蛍光体とを組み合わせた構成、特に高い発光効率が得られるという理由で（１）のような青色発光ダイオードと黄色蛍光体とを組み合わせた白色発光素子の開発が進んでいる。このような蛍光体を組み合わせた白色発光素子としては、例えば特許文献１〜３のような白色発光素子の形状が提案されている。
【０００３】
図７は、従来の白色発光素子を示す断面図である。例えば特許文献２、３では、塗布、蒸着、スパッタリング等の半導体技術を用いて、蛍光体を主に含む蛍光体含有層（又は蛍光体からなる蛍光体膜）を発光ダイオード２０１０上に形成する方法が提案されている。
【０００４】
図７に示す白色発光素子２０２０は、基板２００５と、基板２００５の上に形成されたエピタキシャル層２００４と、基板２００５の裏面上に形成された蛍光体含有層２００３とを備えている。エピタキシャル層２００４は複数の半導体層で構成されており、エピタキシャル層２００４の上部の一部は除去されている。エピタキシャル層２００４のうち上部が除去された部分上には第１の電極２００１が、他の部分上には第２の電極２００２がそれぞれ形成されている。ウェハ２０００を所定の位置で切断することにより、切断面２００６を側面として有する白色発光素子が形成される。
【０００５】
エピタキシャル層２００４内の発光層からは青色光が放射される。この青色光の一部は蛍光体含有層２００３に吸収され、蛍光体含有層２００３は黄色光を生成する。
【０００６】
この構成及び製造方法によれば、個々の発光ダイオードに分割する前のウェハに半導体技術を用いて一括して蛍光体含有層２００３を形成するので、蛍光体の形成にかかる製造コストを低減することができる。また、複数の白色発光素子に蛍光体含有層２００３を同時に均一に形成することができるため、白色発光素子ごとの色ばらつきを低減することができる。
【特許文献１】特開２００２−１１８２９３号公報
【特許文献２】特開２００５−３３２８５７号公報
【特許文献３】特開２００５−３３２８５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来の白色発光素子２０２０は、蛍光体含有層２００３は半導体技術を用いて形成される。このため、蛍光体含有層２００３はウェハ２０００の上下面のみに形成され、切断後の白色発光素子２０２０において、蛍光体含有層２００３は側面には形成されない。さらに、従来の白色発光素子２０２０では蛍光体含有層２００３、エピタキシャル層２００４および基板２００５とは、それぞれ屈折率の異なる層で構成される。このため、エピタキシャル層２００４内の発光層で発生した光の一部はこれらの層の界面で全反射し、エピタキシャル層２００４の内部もしくは基板２００５の内部を伝搬し、蛍光体含有層２００３が形成されていない白色発光素子２０２０の側面から出射する。このように、白色発光素子２０２０の側面から出射した光は蛍光体含有層２００３を通過しないため、白色発光素子２０２０の側面から出射した光は、上部もしくは下部方向から出射した光と色が異なるという不具合、つまり照射方向によって色むらが生じるという不具合が発生する。
【０００８】
本発明の目的は、色むらの少ない白色発光素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の技術課題に鑑み、本発明の第１の白色発光素子は、ｎ型半導体層と、ｐ型半導体層と、前記ｎ型半導体層と前記ｐ型半導体層とによって挟まれ、光を生成する発光層とを有し、主面の一方が光出射面となっている半導体層と、前記発光層が生成した光を吸収して蛍光を放つ蛍光体を含み、前記半導体層の主面のうち前記光出射面に対向する面上に設けられた蛍光体含有層と、前記蛍光体含有層の面のうち前記半導体層が設けられた面に対向する面上に設けられた反射層とを備え、前記反射層と前記蛍光体含有層との界面には凹凸が形成されている。
【００１０】
この構成によれば、反射層と蛍光体含有層との界面が凹凸面であることにより、発光部で発生した光は半導体層と反射層の間で多重反射を繰り返した後、半導体層の光出射面から出射する。これにより、発光層で生成された光は蛍光体含有層を複数回通過することになるので、蛍光体含有層を薄膜化しても光を高効率に蛍光光に変換しうる。そのため、より薄型な白色発光素子を実現することができる。また、反射層と蛍光体含有層の界面が凹凸面であることにより、発光層で発生した光、および蛍光体含有層で変換された蛍光光のうち、半導体層の側面から出射する成分は低減され、主に光出射面から出射させることが可能となる。これにより、色むらの少ない白色発光素子を実現することができる。なお、このような構成は、特別なパターニングを行うことなく実現可能であるため、低コストで製造することができる。
【００１１】
前記半導体層の面のうち、前記光出射面に対向する面には凹凸が形成されていてもよい。この構成をとることで、半導体層と蛍光体含有層との界面での反射を低減することができるので、より色むらの少ない白色発光素子を実現することができる。
【００１２】
また、発光層が生成する光の波長をλ、半導体層の屈折率をｎとしたとき、発光層の光出射面に対向する面における前記凹凸の平均間隔がλ/ｎ以上であることが好ましい。
【００１３】
前記半導体層の前記光出射面には凹凸が形成されていてもよい。
【００１４】
光出射面に形成された凹凸は周期構造を有していてもよい。
【００１５】
半導体層は窒化物半導体により構成されていてもよい。
【００１６】
前記蛍光体含有層が誘電体を含んでいてもよい。
【００１７】
前記誘電体がＴｉ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｗ、Ｚｎ、Ｙ、Ｃｅのうち少なくとも一つの酸化物からなっていることが好ましい。この構成によれば、蛍光体含有層の屈折率を半導体層の屈折率に近づけることができ、界面での反射を低減することができるので、より高効率かつ色むらの少ない白色発光素子を実現することが可能となる。
【００１８】
前記反射層は、前記蛍光体含有層に対向する側から順に、誘電体層と金属層とが積層された構成を有しており、前記誘電体層の屈折率が前記半導体層および前記蛍光体含有層の屈折率より小さいことが好ましい。
【００１９】
前記反射層の面のうち、前記蛍光体含有層が設けられた面に対向する面上に設けられた金属基板をさらに備えていてもよい。
【００２０】
本発明の白色発光素子の製造方法は、第１の基板上にｎ型半導体層、ｐ型半導体層、及び前記ｎ型半導体層と前記ｐ型半導体層とに挟まれた発光層を有する半導体層を形成する工程（ａ）と、前記半導体層の主面のうち前記第１の基板が設けられている第１の面に対向する第２の面上に、接着層を介して第２の基板を貼り付ける工程（ｂ）と、
前記工程（ｂ）の後、前記第１の基板を除去した後、露出した前記半導体層の前記第１の面に凹凸を形成する工程（ｃ）と、前記半導体層の前記第１の面上に、前記発光層が生成した光を吸収して蛍光を放つ蛍光体を含む蛍光体含有層と、反射層とを順次形成する工程（ｄ）とを備えている。
【００２１】
この方法によれば、低コストで白色発光素子を製造することが可能となる。
【００２２】
前記半導体層は窒化物半導体で構成されており、前記工程（ｃ）では、ウエットエッチングにより前記第１の面に凹凸を形成すれば、マスク等を形成する必要がなく、低コストで半導体層の面に凹凸を形成することができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の白色発光素子によれば、発光層で発生した光を、半導体層や基板と蛍光体含有層との界面で全反射させながら、横方向に伝搬することを低減できる。そのため、放射方向に対して色むらの少ない白色発光素子を提供することができる。また、蛍光体含有層を半導体層と反射膜の間に配置することにより、発光層から反射膜に向かう方向へ伝搬する光は少なくとも２回蛍光体含有層を通過する。これにより発光層で生成した光を蛍光体含有層で効率良く蛍光光に変換できるため、蛍光体含有層を薄くすることができ、白色発光素子の小型化を実現できる。また、白色発光素子の製造方法によれば、白色発光素子を低コストで形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下に、本発明の実施形態に係る半導体発光素子及びその製造方法について、図面を参照しながら説明する。
【００２５】
（第１の実施形態）
−白色発光素子の構造−
図１（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る白色発光素子を上面から見た場合の概略平面図であり、（ｂ）は、当該白色発光素子の（ａ）に示すＩＩ−ＩＩ線における断面図である。以下では、支持基板１１６から光出射面に向かう方向を「上方向」として説明する。
【００２６】
本実施形態の白色発光素子１００は、支持基板１１６と、支持基板１１６の主面の一方（図１（ｂ）での上面）上に設けられた反射層１１５と、反射層１１５の上面上に設けられた蛍光体含有層１１４と、蛍光体含有層１１４の上面上に設けられた半導体層１０４と、半導体層１０４の上面上に設けられた透明電極１１１と、透明電極１１１の上面上に設けられたｐ型電極１１２と、半導体層１０４の一部上に設けられたｎ型電極１１３とを備えている。透明電極１１１は、ｐ型電極１１２から注入された電流を半導体層１０４の全面に拡散させるために設けられている。
【００２７】
半導体層１０４は、蛍光体含有層１１４に近い順にｎ型半導体層１０１、発光層１０２、及びｐ型半導体層１０３とで構成されている。ｎ型半導体層１０１、発光層１０２、及びｐ型半導体層１０３の上部の一部はエッチング等により除去されており、ｎ型半導体層１０１の露出面にオーミック接触するようにｎ型電極１１３が設けられている。
【００２８】
上記の白色発光素子１００において、支持基板１１６は例えばＡｕ、Ｃｕ、Ｎｉ等で構成された金属メッキ基板（メッキ法により作製された基板）であり、ｎ型半導体層１０１は例えばＳｉがドープされた厚さが例えば２０００ｎｍ程度のＧａＮなどからなるｎ型窒化物半導体層である。発光層１０２は、例えば波長４７０ｎｍを中心とする青色発光を示すように調整された、例えばＩｎＧａＮ層とＧａＮ層とで構成された多重量子井戸構造を有している。ｐ型半導体層１０３は、例えばＭｇがドープされた厚さ２００ｎｍ程度のＧａＮなどからなるｐ型窒化物半導体層である。
【００２９】
ｎ型電極１１３は、例えばＴｉ、Ａｌ、Ｎｉ、Ａｕ等からなる金属製の多層膜で構成される。ｐ型電極１１２は例えばＴｉ、Ａｌ、Ｎｉ、Ａｕ等からなる金属製の多層膜で構成される。ｐ型電極１１２は透明電極１１１の一部と接触している。
【００３０】
また、透明電極１１１は、例えばＩＴＯ(Indium Tin Oxide）、もしくはＡｌやＧａをドープしたＺｎＯ、もしくはＮｂ（ニオブ）をドープしたＴｉＯ２、もしくはＮｉ／Ａｕ等（Ｎｉ膜とＡｕ膜の積層膜）で構成され、ｐ型半導体層１０３の上面に接する形で形成される。透明電極１１１の上面は、半導体層１０４で発生した光を放射する光出射面１２０となる。
【００３１】
本実施形態の白色発光素子１００では、半導体層１０４の面のうち透明電極１１１が設けられた面（光出射面１２０側の面）に対向する面の下に、発光層１０２で発生した光を吸収して、その補色となる蛍光光を発生する材料を含む蛍光体含有層１１４が設けられており、蛍光体含有層１１４の下に発光層１０２で発生した光及び蛍光体含有層１１４で発生した蛍光光に対して高い反射率を有する反射層１１５が設けられている。
【００３２】
この構成によれば、発光層１０２から蛍光体含有層１１４に向かう方向へと放射された光が蛍光体含有層１１４を通過した後、この光を再度蛍光体含有層１１４へと反射させることができる。そのため、最初に蛍光体含有層１１４を通過した際に蛍光体含有層１１４に吸収されなかった光の一部を蛍光体含有層１１４に吸収させることができ、蛍光体含有層１１４における、（発光層１０２で生成された光から）蛍光光への変換効率を大きく向上させることができる。
【００３３】
蛍光体含有層１１４に含まれる蛍光体としては、例えばＹＡＧ（Yttrium Aluminum Garnet）やサイアロン蛍光体等が挙げられる。また、反射層１１５の材料としては、例えばＡｌやＡｇ等の金属が用いられる。
【００３４】
さらに、本実施形態の白色発光素子１００において、半導体層１０４と蛍光体含有層１１４との界面に所定の大きさ、間隔の凹凸が形成されている。言い換えれば、半導体層１０４の主面のうち蛍光体含有層１１４に近い方の面と、蛍光体含有層１１４の主面のうち半導体層１０４に近い方の面とには、所定の大きさ、間隔の凹凸が形成されている。また、蛍光体含有層１１４と反射層１１５との界面に所定の大きさ、間隔の凹凸が形成されている。言い換えれば、蛍光体含有層１１４の主面のうち反射層１１５に近い方の面と、反射層１１５の面のうち蛍光体含有層１１４に近い方の面とには、所定の大きさ、間隔の凹凸が形成されている。この構成による効果については後に説明する。なお、半導体層１０４と蛍光体含有層１１４との界面及び凹凸反射面１２１に形成された凹凸は、例えば断面が鋸歯状をした波状であってもよいし、凹部と凸部とが２次元状に交互に形成された形状を有していてもよい。あるいは、半導体層１０４と蛍光体含有層１１４との界面及び凹凸反射面１２１に形成された凹凸の断面は矩形波状であってもよい。また、この凹凸は凹部と凸部とが周期的に繰り返される構造を有していてもよいが、凹部と凸部が不規則に設けられている構造を有していてもよい。ただし、断面が鋸歯状の凹凸が２次元的に形成された構成であれば、凹凸反射面１２１を光出射面と非平行な斜面で構成することになるので最も好ましい。
【００３５】
蛍光体含有層１１４と反射層１１５との界面（凹凸反射面１２１）に形成される凹凸の平均間隔は、半導体層１０４（ｎ型半導体層１０１）の屈折率をｎ、発光層１０２で発生した光の波長をλとすると、λ/ｎより大きくすることが好ましい。また、凹部と凸部との高低差の平均は５０ｎｍ〜２０００ｎｍ程度であることが好ましい。さらに、蛍光体含有層１１４については、半導体層１０４との屈折率差を考慮し、蛍光体含有層１１４の屈折率が半導体層１０４の屈折率と同程度もしくはより小さくなるような材料を選定することが好ましい。このようにすることで、半導体層１０４から蛍光体含有層１１４へと光が入射する際に、半導体層１０４と蛍光体含有層１１４との界面で反射する光量を小さくすることができ、蛍光体含有層１１４に入射する光量を大きくすることができる。
【００３６】
−白色発光素子の動作−
以下に、本実施形態の白色発光素子の動作について、蛍光体含有層１１４と反射層１１５との界面に形成された凹凸の機能を中心に説明する。
【００３７】
図２（ａ）は、本実施形態に係る白色発光素子において、反射層１１５近傍の一部１２５を拡大して示す断面図であり、（ｂ）は、当該白色発光素子の凹凸反射面１２１に入射した光の反射強度を示す図である。図２（ｂ）の縦軸は入射光の強度に対する反射光の強度（すなわち、（反射光強度）／（入射光強度））を表し、横軸は光の入射角を表す。
【００３８】
図１（ｂ）に示すように、半導体層１０４中の発光層１０２において発生した光は発光点から３６０°全方位へ均等に放射される。このとき、発光層１０２から透明電極１１１へと向かう方向、つまり発光層１０２から光出射面１２０へと向かう方向に出射された光で、透明電極１１１とｐ型半導体層１０３との界面、及び透明電極１１１の上面における入射角が臨界角以下の光１４１ａは、そのまま白色発光素子１００の外部へと出射される。ここで出射される光は例えば青色光である。
【００３９】
一方、光出射面１２０に対して臨界角以上で入射する光１４１ｂは、光出射面１２０で支持基板１１６方向へ全反射される。半導体層１０４と支持基板１１６との間には蛍光体含有層１１４と反射層１１５が設けられているため、光出射面１２０で全反射された光は蛍光体含有層１１４を通過して反射層１１５に入射する。このとき、半導体層１０４と蛍光体含有層１１４との界面の凹凸により光１４１ｂはほとんど反射することなく蛍光体含有層１１４へ入射する。ここで、半導体層１０４と蛍光体含有層１１４の界面において反射が抑えられるのは、光の拡散効果などによる。次いで、光１４１ｂの一部は、蛍光体含有層１１４を通過する際、蛍光光に変換される。
【００４０】
反射層１１５に入射した光１４１ｂは反射層１１５の上面により半導体層１０４に向かう方向へ反射され、再び蛍光体含有層１１４を通過し、光出射面へと導かれる（図１（ｂ）に示す光１４１ｃ、１４１ｄ）。この際にも、光の青色光成分の一部は蛍光体含有層１１４により蛍光光に変換される。なお、光１４１ｂが反射層１１５により反射される際には、反射層１１５の凹凸反射面１２１により、さまざまな方向に反射するいわゆるランバート反射により反射される。
【００４１】
以下、図２（ａ）、（ｂ）を用いて凹凸反射面１２１の機能をより具体的に説明する。本実施形態の白色発光素子１００において、凹凸反射面１２１に入射した一様な光はさまざまな方向に反射される。このとき、その反射光の強度分布は入射角度によらず、図２（ｂ）に示すように、反射面の法線方向が最も大きく、法線に対して成す角の余弦に比例するランバートの余弦則に従った分布となる。このとき、例えば、半導体層１０４をＧａＮ、透明電極１１１をＴｉＯ２系材料で構成することによって半導体層１０４および透明電極１１１の屈折率を２．５とし、白色発光素子１００外部の屈折率を１．５（透明樹脂でモールドしたとする）であると仮定すると、光出射面１２０の臨界角は３６．９度であるため、凹凸反射面１２１において光１４１ｂの大部分は、光出射面１２０の臨界角以下の光１４１ｃとなり光出射面１２０から外部へ取り出される。一方、入射角が臨界角以上である光１４１ｄは、再び光出射面１２０で反射層１１５方向へ全反射されるが、再度凹凸表面を持つ反射膜によりさまざまな方向に反射され、上記同様にその大部分は光出射面１２０から外部へ取り出されることになる。
【００４２】
発光層１０２から支持基板１１６に向かう方向に放射された光１４１ｅについても上述と同様に、反射層１１５に入射する光は、凹凸反射面１２１においてさまざまな方向に反射される。反射層１１５に入射した光１４１ｅのうちその大部分は、光出射面１２０に臨界角より小さい角度で入射する光１４１ｆとなり、光出射面１２０から外部へ取り出される。  一方、入射角が臨界角以上である光１４１ｇは、再び光出射面１２０で反射層１１５に向かう方向へ全反射され、再度凹凸表面を持つ反射層１１５によりさまざまな方向に反射される。そして、光１４１ｇの大部分が光出射面１２０から白色発光素子１００の外部へ取り出され、残りは再度反射層１１５に向かう方向へ反射される。このように、半導体層１０４で発生した光は、光出射面１２０と凹凸反射面１２１との間を複数回反射するだけで、そのほとんどが側面方向に伝播することなく光出射面１２０から外部へ取り出される。したがって、白色発光素子１００の側面からの光出射が抑制される。
【００４３】
ここで、本実施形態の白色発光素子においては、蛍光体含有層１１４が光出射面１２０と凹凸表面を有する反射層１１５とに挟まれた構成となっている。これにより、蛍光体含有層１１４によって生成された蛍光光についても、青色光と同様に凹凸反射面１２１の効果により、そのほとんどが光出射面１２０から放射される。よって半導体層１０４で発生した光と蛍光光の両方が同じ光出射面１２０から出射されるため、色むらの少ない白色発光素子を実現することができる。
【００４４】
このとき、半導体層１０４で発生した光は、光出射面１２０と反射層１１５の間で多重反射を繰り返すので、蛍光体含有層１１４において青色光から蛍光光への変換効率が向上する。蛍光光への変換効率は蛍光体含有層の厚さに比例するため、凹凸が形成された反射層１１５を設けない場合、蛍光光への変換効率を向上させるためには蛍光体含有層を厚くする必要がある。これに対し、本実施形態の白色発光素子１００では、上述のように、半導体層１０４で生成した光が蛍光体含有層１１４を複数回通過してから出射されるので、蛍光体含有層１１４を薄くしても白色光を生成させるのに十分な変換効率を達成でき、より薄型な蛍光体含有層を半導体層と共に集積化した白色発光素子を実現することができる。
【００４５】
なお、蛍光体含有層１１４と反射層１１５との界面に形成される凹凸の間隔がλ/ｎより大きいことが好ましいが、凹凸の間隔がλ/ｎ以下であっても上述の効果を発揮することは可能である。
【００４６】
また、本実施形態の白色発光素子１００においては、半導体層１０４と蛍光体含有層１１４との界面の反射率を低減させ、かつ、反射層１１５における反射光の強度分布がランバート反射になるように設計することが好ましい。
【００４７】
また、上述の説明で蛍光体含有層１１４の屈折率が半導体層１０４の屈折率よりも小さくなるような材料を選定するとしたが、蛍光体含有層１１４及び半導体層１０４の材料の組み合わせはこれに限らない。ただし、蛍光体含有層１１４と半導体層１０４との界面での反射を抑えるため、蛍光体含有層１１４と半導体層１０４の屈折率が近いことが好ましい。
【００４８】
また、反射層１１５は金属層としたが、これに限らない。例えば、反射層１１５を、蛍光体含有層１１４に近い側から順に、誘電体層と金属層とを積層した構造にしてもよい。この場合、誘電体層の屈折率は半導体層１０４の屈折率より小さいことが好ましい。例えば半導体層１０４の屈折率２．５に対して、誘電体層の屈折率は１．８より小さいことが好ましく、１．５より小さいことがより好ましい。反射層１１５に入射する光の臨界角は、半導体層と誘電体層との屈折率差により決定される。そのため、上記のような構成とすることにより、反射層１１５に入射する光のうち、臨界角より大きな角度で入射する光に対しては、減衰させることなく全反射させることができるので、白色発光素子の発光効率を向上することができる。
【００４９】
また、以上の説明では、半導体層１０４が青色光を放射する例を示したが、半導体層１０４が紫色光や紫外光などを放射してもよい。この場合、蛍光体含有層１１４に含まれる蛍光体として、紫色光や紫外光を黄色光などの可視光に変換するものを用いればよい。
【００５０】
また、本実施形態の白色発光素子１００では、ｎ型電極１１３が直接ｎ型半導体層１０１に接するように設けられているが、半導体層１０４から見て蛍光体含有層１１４側、すなわち支持基板１１６の下面上にｎ型電極１１３を設けてもよい。
【００５１】
なお、上述の説明では、「蛍光体含有層１１４と反射層１１５との界面に凹凸が形成される」としているが、これは凹部と凸部の間の高さを基準として見た場合に凹凸が形成されている、という意味であり、蛍光体含有層１１４の主面に凹部のみ、または凸部のみが形成されている場合も含むものとする。
【００５２】
また、本実施形態の白色発光素子１００では、光出射面が発光層１０２から見てｐ型半導体層１０３側に形成されているが、ｐ型半導体層１０３とｎ型半導体層１０１の配置を入れ替えて、ｎ型半導体層１０１側から光を出射する構成にすることも可能である。この場合、凹凸をｐ型半導体層１０３と反射層１１５との界面に形成すれば上述の効果を得ることができる。
【００５３】
−白色発光素子の製造方法−
図３（ａ）〜（ｄ）、図４（ａ）〜（ｅ）は、第１の実施形態に係る白色発光素子の製造工程を示す断面図である。
【００５４】
まず、図３（ａ）に示す工程で、例えば面方位が＜１１１＞であるＳｉ基板、面方位が＜０００１＞であるサファイア基板、あるいは面方位が＜０００１＞である６Ｈ−ＳｉＣ基板などである第１の基板１５０の主面上に、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法を用いたエピタキシャル成長により、ＡＬＮ（窒化アルミニウム）や低温で成長させたＧａＮ層などのバッファ層（図示せず）を間に挟んで半導体層１０４を形成する。具体的には、バッファ層上に、例えばｎ型ＧａＮからなるｎ型半導体層１０１と、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ井戸層とＧａＮ障壁層とを交互に複数回繰り返し堆積することで形成された多重量子井戸構造を有する発光層１０２と、Ｐ型ＧａＮ層からなるｐ型半導体層１０３とが順次積層されてなる半導体層１０４を形成する。
【００５５】
次に、図３（ｂ）に示す工程で、透明電極１１１、ｐ型電極１１２、及びｎ型電極１１３を形成する。具体的には、半導体層１０４の一部をフォトリソグラフィー技術とドライエッチングを用いて選択的に除去し、ｎ型半導体層１０１の一部を露出させる。続いて、ｐ型半導体層１０３の上面の一部に例えばＩＴＯからなる透明電極１１１を、フォトリソグラフィーと真空蒸着法とを用いて選択的に形成した後、酸素雰囲気にてアニール処理を行う。その後、フォトリソグラフィーと真空蒸着法により、透明電極１１１の上面の一部にｐ型電極１１２を選択的に形成する一方、露出したｎ型半導体層１０１の一部上にｎ型電極１１３を選択的に形成する。
【００５６】
次いで、図３（ｃ）に示す工程で、透明電極１１１、ｐ型電極１１２、ｎ型電極１１３を覆うように接着層１５１を塗布により形成し、この接着層１５１によって作製中の白色発光素子と第２の基板１５２とを接着させる。この際に、透明電極１１１、ｐ型電極１１２、及びｎ型電極１１３が第２の基板１５２に対向するように第２の基板１５２を接着する。第２の基板１５２は、例えばサファイアなどで構成されている。また、接着層１５１を構成する接着剤としては例えばシリコーン樹脂など、水酸化カリウム（ＫＯＨ）などの強アルカリ溶液に耐性があるものを用いることができる。なお、シリコーン樹脂は所定の剥離剤によって後に除去することが可能である。
【００５７】
次に、図３（ｄ）に示す工程で、第１の基板１５０を除去してｎ型半導体層１０１の一方の主面（発光層１０２が形成された面に対向する面）を露出させる。本工程において、第１の基板１５０がシリコン基板であれば、例えばフッ酸と硝酸の混合液を用いたウェットエッチングによって基板除去を行うことができる。あるいは、第１の基板１５０がサファイア基板であれば、レーザーリフトオフ法によって基板除去を行うことができる。なお、本工程終了時における作製中の白色発光素子を便宜的に基板１９０と称する。
【００５８】
続いて、図４（ａ）に示す工程で、水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液と紫外光照射を併用したＰＥＣ(Photo-electrochemical)エッチング法を用いて、ｎ型半導体層１０１をウエットエッチングし、先の工程で露出させたｎ型半導体層１０１の主面に凹凸を形成する。具体的には、ＫＯＨ水溶液１５４を入れた容器１５３内に基板１９０を浸し、紫外光を照射した状態でｎ型半導体層１０１のウェットエッチングを行う。例えばこのとき、ＫＯＨ水溶液は濃度が４５％で温度は室温とし、紫外光の照射強度は１０ｍＷ／ｃｍ２とする。
【００５９】
このＰＥＣエッチングによる半導体のエッチングは面方位に対する異方性を有しているため、ｎ型半導体層１０１の結晶方位面の一種で、半極性面のひとつである｛１−１０−１｝面が、このエッチングにより露出される（面方位の表現において、「−１」は１バーを示す）。これにより、｛１−１０−１｝面で構成された斜面を有する凹凸面１５５を形成することができる。
【００６０】
次に、図４（ｂ）に示す工程で、凹凸面１５５上に、電子ビーム蒸着法を用いて例えばＹＡＧやサイアロン蛍光体等を含む蛍光体含有層１１４と、ＡｌやＡｇ、またはその合金等からなる反射層１１５とを順次形成する。蛍光体含有層１１４の厚みは例えば１〜１００μｍ程度にし、出射光が白色になるよう調整する。反射層１１５は、厚みを例えば１０〜１０００ｎｍとする。このように、半導体層１０４にあらかじめ凹凸面１５５を形成しておくことで、容易に蛍光体含有層１１４と反射層１１５との界面に凹凸面（凹凸反射面１２１）を形成することができる。また、蛍光体含有層１１４は特にパターニング等を必要せず、半導体層１０４上の全面に形成することができるので、半導体層１０４と蛍光体含有層１１４とを低コストで集積化することが可能となる。なお、蛍光体含有層１１４と金属からなる反射層１１５との間に、例えばＳｉＯ２やＳｉＮなどからなる誘電体層を挿入してもよい。
【００６１】
また、蛍光体含有層１１４は誘電体を含んでいてもよい。この構成によれば、誘電体の材料により蛍光体含有層１１４の屈折率を制御することができるので、より高効率且つ色むらの少ない白色発光素子を実現することが可能となる。この場合、誘電体はＴｉ（チタン）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｔａ（タンタル）、Ｗ（タングステン）、Ｚｎ（亜鉛）、Ｙ（イットリウム）、Ｃｅ（セリウム）のうち少なくとも一つの酸化物で構成されていることが好ましい。この構成によれば、蛍光体含有層１１４の屈折率を半導体層１０４の屈折率に近づけることができ、両層の界面での反射を低減することができるので、より高効率且つ色むらの少ない白色発光素子を実現することが可能となる。
【００６２】
次に、図４（ｃ）に示す工程で、導電性の材料からなる支持基板１１６を反射層１１５の上面（蛍光体含有層１１４から遠い方の面）上に形成する。このとき支持基板１１６を構成する材料としては、放熱性に優れているものが好ましく、例えば、Ｎｉ、Ｃｕ、あるいはＡｕなどの金属材料を電解メッキ法もしくは無電解メッキ法を用いて形成するのが好ましい。その中でも特に、支持基板１１６を低コストで形成するためには、電解メッキ法によって形成されたＣｕで支持基板１１６を構成するのが望ましい。
【００６３】
次に、図４（ｄ）に示す工程では、接着層１５１用の剥離液を用いて接着層１５１を除去することで第２の基板１５２を作製中の白色発光素子から分離する。
【００６４】
最後に、図４（ｅ）に示す工程では、ブレード１５６を用いたダイシングによりウェハをチップ状に個片化することで、白色発光素子を形成する。
【００６５】
以上の工程により、発光層を含む半導体層と蛍光体含有層とを集積化した、色むらの少ない白色発光素子を低コストで製造することができる。特に上述の方法によれば、蛍光体含有層１１４と反射層１１５との界面に容易に凹凸面を形成することができるため、白色発光素子の低コスト化を実現することができる。
【００６６】
なお、図４（ａ）に示す工程ではウエットエッチングを用いて凹凸面を形成したが、ドライエッチングを用いて凹凸面を形成することも可能である。
【００６７】
（第２の実施形態）
図５は、本発明の第２の実施形態に係る白色発光素子の構成を示す断面図である。
本実施形態の白色発光素子の構造は、実施形態１の白色発光素子の構造とほぼ同じであるため、同一の機能及び構成を有する部分に関しては図１（ｂ）と同一の符号を付して説明を省略または簡略化する。以下、詳細に本実施形態の白色発光素子について説明する。
【００６８】
−白色発光素子の構造−
図５に示すように、本実施形態の白色発光素子２００は、支持基板１１６と、支持基板１１６の主面の一方（図５での上面）上に設けられた反射層１１５と、反射層１１５の上面上に設けられた蛍光体含有層１１４と、蛍光体含有層１１４の上面上に設けられた半導体層２０４と、半導体層２０４の上面上に設けられた透明電極２１１と、透明電極２１１の上面上に設けられたｐ型電極１１２と、半導体層２０４の一部上に設けられたｎ型電極１１３とを備えている。また、第１の実施形態に係る白色発光素子１００と同様に、本実施形態の白色発光素子２００においても、半導体層２０４と蛍光体含有層１１４との界面、蛍光体含有層１１４と反射層１１５との界面（凹凸反射面１２１）、及び反射層１１５と支持基板１１６との界面には凹凸が形成されている。
【００６９】
半導体層２０４は、蛍光体含有層１１４に近い順にｎ型半導体層１０１、発光層１０２、及びｐ型半導体層２０３とで構成されている。ｎ型半導体層１０１、発光層１０２、及びｐ型半導体層２０３の上部の一部はエッチング等により除去されており、ｎ型半導体層１０１の露出面にオーミック接触するようにｎ型電極１１３が設けられている。ｐ型電極１１２は、透明電極２１１上に、透明電極２１１と電気的に接続されるように設けられている。
【００７０】
支持基板１１６は例えばＡｕ、Ｃｕ、Ｎｉ等で構成された金属メッキ基板であり、ｎ型半導体層１０１は例えばＳｉがドープされた厚さが例えば２０００ｎｍ程度のＧａＮなどからなるｎ型窒化物半導体層である。発光層１０２は、例えば波長４７０ｎｍを中心とする青色発光を示すように調整された、例えばＩｎＧａＮ層とＧａＮ層とで構成された多重量子井戸構造を有している。ｐ型半導体層２０３は、例えばＭｇがドープされた厚さ２００ｎｍ程度のＧａＮなどからなるｐ型窒化物半導体層である。
【００７１】
また、透明電極１１１は、例えばＩＴＯ(Indium Tin Oxide）、もしくはＡｌやＧａをドープしたＺｎＯ、もしくはＮｂ（ニオブ）をドープしたＴｉＯ２、もしくはＮｉ／Ａｕ等（Ｎｉ膜とＡｕ膜の積層膜）で構成され、ｐ型半導体層１０３の上面に接する形で形成される。透明電極１１１の厚さは例えば５ｎｍ〜５００ｎｍ程度である。
【００７２】
本実施形態の白色発光素子２００の特徴は、ｐ型半導体層２０３と透明電極２１１との界面、及び透明電極２１１の上面（ｐ型半導体層２０３から遠い方の主面）にそれぞれ微細な凹凸が形成されていることにある。透明電極２１１の上面は凹凸光出射面２２０となっている。凹凸の一例として、ｐ型半導体層２０３の上面には、水平断面の直径が５００ｎｍ程度の柱状凹部が約１μｍ周期で２次元状に設けられていてもよい。柱状凹部の深さは例えば１５０ｎｍ程度であってもよい。
【００７３】
ｐ型半導体層２０３の上面の凹凸は、例えばフォトリソグラフィ技術とドライエッチングによりｐ型半導体層２０３の上部の一部を除去することによって実現できる。
【００７４】
−白色発光素子の動作−
続いて、本実施形態の白色発光素子２００の動作について、透明電極２１１上面に形成された凹凸光出射面２２０の機能を中心に説明する。
【００７５】
図６（ａ）は、第１の実施形態に係る透明電極１１１の一部を拡大して示す断面図であり、（ｂ）は、第２の実施形態に係る白色発光素子において、透明電極２１１の一部を拡大して示す断面図であり、（ｃ）は、透明電極に形成された凹凸と光の透過率との関係を示す図である。なお、図６（ｂ）に示す「ｐ」は凹凸の周期を示し、「ｈ」は凹部から凸部までの距離、すなわち凹凸の高さを示す。
【００７６】
半導体層２０４中の発光層１０２において発生した光は、発光点から３６０°全方位へ均等に放射される。このとき、発光層１０２から透明電極２１１に向かう方向、つまり発光層１０２から凹凸光出射面２２０へと向かう方向に出射された光で、透明電極２１１とｐ型半導体層２０３との界面、及び透明電極２１１の上面における入射角が臨界角以下の光２４１ａは、そのまま白色発光素子２００外部へと出射される。
【００７７】
光出射面に対して臨界角以上で入射する光２４１ｂは、平坦な光出射面では支持基板１１６へ向かう方向へ全反射される（図６（ａ）参照）。一方、凹凸光出射面２２０においては表面に形成された凹凸により散乱、回折が起こるため、凹凸光出射面２２０は臨界角以上で入射する光のうち一部２４１ｂ’を透過する（図６（ｂ）参照）。また、凹凸光出射面２２０において支持基板１１６に向かう方向に反射された光については、蛍光体含有層１１４を通過して反射層１１５に入射する。
【００７８】
反射層１１５へ入射した光はこの反射層１１５の凹凸反射面１２１により半導体層２０４に向かう方向へランバート反射され、再び蛍光体含有層１１４を通過し、凹凸光出射面２２０に入射する。このとき、凹凸光出射面２２０に入射する光の強度分布は入射角に対してランバート分布を示すが、凹凸光出射面２２０での光の透過率の角度分布はランバート分布とほとんど等しい特性を有する。そのため、入射角が臨界角より小さな光２４１ｃおよび入射角が臨界角より大きな光２４１ｄ’のいずれも、そのほとんどが、凹凸光出射面２２０から白色発光素子２００の外部へと出射される。この効果は、発光点から支持基板１１６に向かって放射された光に関しても同様である。
【００７９】
このように、光出射面として凹凸形状を形成した凹凸光出射面２２０を用いることにより、白色発光素子の発光効率を向上させることができる。さらには、発光点において、蛍光体含有層１１４を通過しないで外部に出射される光２４１ａ、２４１ｂ‘と、蛍光体含有層１１４を通過して外部に出射される光の放射角度特性とがほぼ等しくなっている。そのため、本実施形態の白色発光素子２００によれば、出射光の色むらをより低減させることが可能となる。
【００８０】
上記の効果を、図６（ａ）〜（ｃ）を用いてより具体的に説明する。図６（ｃ）は、図６（ａ）、（ｂ）に示す白色発光素子において光の出射面における透過率の入射角依存性を計算した結果を示している。ここでは簡単のため、半導体層１０４、２０４および透明電極１１１の屈折率を同じｎ１＝２．５とし、凹凸は最上面のみに形成した。
【００８１】
また、白色発光素子１００、２００外部の屈折率をｎ２＝１．５（透明樹脂でモールドしたとする）とした。光出射面に入射する光の波長は４７０ｎｍとした。
【００８２】
図６（ｃ）に示すように、光出射面において凹凸が形成されない場合、臨界角より大きい入射角度では光が全反射するため、光の透過率は０になる。一方、凹凸光出射面２２０の場合、光の入射角が臨界角以上の場合でも光は透過し、透過率の角度依存性がランバート分布に近いことが分かる。このように、光出射面に凹凸を形成することで、入射角が臨界角以上の光も白色発光素子２００の外部へ取り出すことができるようになるので、白色発光素子の発光効率を大きく向上することができる。さらに、発光層１０２から光出射面に向かう方向へと放射された光の凹凸光出射面２２０における透過率分布と、凹凸反射面１２１により反射された光の分布とを一致させることができるため、より色むらの少ない白色発光素子を実現することができる。
【産業上の利用可能性】
【００８３】
本発明は、例えば各種表示装置のバックライト光源あるいは照明用の白色発光素子等として適用でき、非常に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００８４】
【図１】（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る白色発光素子を上面から見た場合の概略平面図であり、（ｂ）は、当該白色発光素子の（ａ）に示すＩＩ−ＩＩ線における断面図である。
【図２】（ａ）は、第１の実施形態に係る白色発光素子において、反射膜近傍の一部を拡大して示す断面図であり、（ｂ）は、当該白色発光素子の凹凸反射面に入射した光の反射強度を示す図である。
【図３】（ａ）〜（ｄ）は、第１の実施形態に係る白色発光素子の製造工程を示す断面図である。
【図４】（ａ）〜（ｅ）は、第１の実施形態に係る白色発光素子の製造工程を示す断面図である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る白色発光素子の構成を示す断面図である。
【図６】（ａ）は、第１の実施形態に係る透明電極の一部を拡大して示す断面図であり、（ｂ）は、第２の実施形態に係る白色発光素子において、透明電極の一部を拡大して示す断面図であり、（ｃ）は、透明電極に形成された凹凸と光の透過率との関係を示す図である。
【図７】従来の白色発光素子を示す断面図である。
【符号の説明】
【００８５】
１００、２００    白色発光素子
１０１      ｎ型半導体層
１０２      発光層
１０３、２０３      ｐ型半導体層
１０４、２０４    半導体層
１１１      透明電極
１１２      ｐ型電極
１１３      ｎ型電極
１１４      蛍光体含有層
１１５      反射層
１１６      支持基板
１２０      光出射面
１２１      凹凸反射面
１２５      反射層近傍の一部
１４１ａ、１４１ｂ、１４１ｃ、１４１ｄ、１４１ｅ、１４１ｆ、１４１ｇ    光
１５０      第１の基板
１５１      接着層
１５２      第２の基板
１５３      容器
１５４      ＫＯＨ水溶液
１５５      凹凸面
１５６      ブレード
１９０      基板
２１１      透明電極
２２０      凹凸光出射面
２４１ａ、２４１ｂ、２４１ｂ’、２４１ｃ、２４１ｄ’    光
【図１】
2010186873.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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