(57)【要約】【課題】光取出し効率を向上させた発光素子を提供する。【解決手段】  本発明の発光素子は、第１導電型半導体層２ａと、第１導電型半導体層２ａ上に設けられた発光層２ｂと、発光層２ｂ上に設けられた第２導電型半導体層２ｃと、一部が第２導電型半導体層２ｃに埋設され、残部が第２導電型半導体層２ｃの表面から露出するように設けられ、発光層２ｂおよび第２導電型半導体層２ｃよりも屈折率の高い材料で構成された突起部３と、を具備する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型半導体層と、
前記第１導電型半導体層上に設けられた発光層と、
前記発光層上に設けられた第２導電型半導体層と、
一部が前記第２導電型半導体層に埋設され、残部が前記第２導電型半導体層の表面から露出するように設けられ、前記発光層および前記第２導電型半導体層よりも屈折率の高い材料で構成された突起部と、を備えた発光素子。
【請求項２】
前記突起部は底面を有し、前記底面が前記発光層の主面と接する請求項１に記載の発光素子。
【請求項３】
前記突起部は、厚さ方向に断面視して、底辺と側辺とがなす角が鋭角となっている請求項２に記載の発光素子。
【請求項４】
前記第１導電型半導体層、前記発光層および前記第２導電型半導体層はＧａＮ系材料から形成され、前記突起部は、Ｔｉ，Ｔａ,Ｚｎ,Ｎｂ,Ｈｆ,Ｚｒを含む酸化物または酸窒化物からなる請求項１〜３のいずれかに記載の発光素子。
【請求項５】
前記突起部は、前記第２導電型半導体層の熱伝導率より大きい熱伝導率を有する材料からなる請求項１〜３のいずれかに記載の発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、光取出し効率を向上させた発光素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
現在、紫外光、青色光、緑色光等を発光する発光素子の開発が行われている。特に、ＩＩＩ族窒化物半導体を有する発光素子の光取出し効率の向上を目的とした開発が数多くされている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、光取出し効率を向上させるために、光取出し面である層の表面を凹凸にすることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平６−２９１３６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載されているように発光素子の光取出し面の表面に凹凸を設けるため、光取出し面側の半導体層を通常より厚く設ける必要があり、半導体層を厚く設けることにより結晶表面の面荒れが発生するという課題があった。
【０００６】
本発明は、以上のような諸事情を鑑みて案出されたものであり、半導体層の膜厚を維持しつつ光取出し効率を向上させることができる発光素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の発光素子は、第１導電型半導体層と、前記第１導電型半導体層上に設けられた発光層と、前記発光層上に設けられた第２導電型半導体層と、一部が前記第２導電型半導体層に埋設され、残部が前記第２導電型半導体層の表面から露出するように設けられ、前記発光層および前記第２導電型半導体層よりも屈折率の高い材料で構成された突起部と、を有している。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の発光素子によれば、一部が第２導電型半導体層に埋設されて残部がその表面から露出し、発光層および第２導電型半導体層よりも屈折率を高くした突起部を有する。このことから、第２導電型半導体層の膜厚を維持しつつ、第２導電型半導体層の光取出し面での全反射を少なくすることができるので光取出し効率を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施形態にかかる発光素子の模式的な斜視図である。
【図２】図１に示す発光素子の模式的な断面図であり、図１のＡ−Ａ´線で切断したときの断面に相当する。
【図３】本発明の実施形態にかかる突起部の形成方法を説明する模式的な断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下に図面を参照して、本発明にかかる発光素子の実施形態について詳細に説明する。
【００１１】
本発明は以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々変更を施すことができる。
【００１２】
図１は本実施形態に係る発光素子２０の斜視図、図２は図１に示す発光素子２０の断面図であり、図１のＡ−Ａ´線で切断したときの断面に相当する。
【００１３】
本発明にかかる発光素子２０は、図に示すように基板１、半導体層２、突起部３、ｎ型電極４、ｐ型電極５、パッド電極６を有している。
【００１４】
基板１は、半導体層２を成長させることが可能な基材であればよい。具体的に、基板１としては、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ），シリコンカーバイド（ＳｉＣ）、シリコン（Ｓｉ）などが挙げられる。基板１の厚みとしては、１００〜１０００μｍ程度である。基板１上における半導体層２の成長方法としては、分子線エピタキシー（Molecular Beam Epitaxy、略称ＭＢＥ）法、有機金属エピタキシー（Metal Organic Vapor Phase Epitaxy、略称ＭＯＶＰＥ）法、ハイドライド気相成長（Hydride Vapor Phase Epitaxy、略称ＨＶＰＥ）法、パルスレーザデポジション（Pulse Laser Deposition、略称ＰＬＤ）法などが用いられる。
【００１５】
半導体層２は、基板１上に形成され、ＩＩＩ族窒化物半導体からなる層である。ここで、ＩＩＩ族窒化物半導体とは、元素周期律表におけるＩＩＩ族（１３族）元素の窒化物から構成される半導体を意味する。半導体層２を構成するＩＩＩ族窒化物半導体としては、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化インジウム（ＩｎＮ）などを例示することができ、化学式で例示するとＡｌｘＧａｙＩｎ（１−ｘ−ｙ）Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）と表すことができる。
【００１６】
半導体層２は、ｎ型半導体層である第１導電型半導体層２ａと、発光層２ｂと、ｐ型半導体層である第２導電型半導体層２ｃとが、この順で基板１上に形成された積層構造を有している。
【００１７】
ＩＩＩ族窒化物半導体からなる第１導電型半導体層２ａをｎ型とするには、元素周期律表においてＩＶ族の元素であるＳｉ（シリコン）などをドーパントとして層中に混入させればよい。第１導電型半導体層２ａの厚みは２〜３μｍ程度である。また、ＩＩＩ族窒化物半導体からなる第２導電型半導体層２ｃをｐ型とするには、元素周期律表においてＩＩ族の元素であるＭｇ（マグネシウム）などをドーパントとして層中に混入させればよい。第２導電型半導体層２ｃの厚みは２００〜５００ｎｍ程度である。
【００１８】
発光層２ｂは、第１導電型半導体層２ａと第２導電型半導体層２ｃとの間に設けられる。発光層２ｂは、禁制帯幅の広い発光層側障壁層と禁制帯幅の狭い発光層側井戸層（図示せず）とからなる量子井戸構造が複数回（たとえば約３回）繰り返し規則的に積層された多層量子井戸構造（ＭＱＷ）としてもよい。なお、前記発光層側障壁層としては、Ｉｎ０．０１Ｇａ０．９９Ｎ層などが例示できる。また、前述の発光層側井戸層としては、Ｉｎ０．１１Ｇａ０．８９Ｎ層などが例示できる。この場合、発光層側障壁層の厚みは５〜１５ｎｍ程度、発光層側井戸層の厚みは２〜１０ｎｍ程度に設定することができる。発光層２ｂの厚みは２５〜１５０ｎｍ程度である。
【００１９】
ｎ型電極４は第１導電型半導体層２ａに接続され、ｐ型電極５は第２導電型半導体層２ｃに接続されている。また、パッド電極６はｎ型電極４およびｐ型電極５に接続される電極端子である。ｎ型電極４、ｐ型電極５としては、たとえば、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）、インジウム（Ｉｎ）、錫（Ｓｎ）、モリブデン（Ｍｏ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）、バナジウム（Ｖ）、白金（Ｐｔ）、鉛（Ｐｂ）、ベリリウム（Ｂｅ）、酸化錫（ＳｎＯ２）、酸化インジウム（Ｉｎ２Ｏ３）、酸化インジウム錫（ＩＴＯ）、金−シリコン（Ａｕ−Ｓｉ）合金、金−ゲルマニウム（Ａｕ−Ｇｅ）合金、金−亜鉛（Ａｕ−Ｚｎ）合金、金−ベリリウム（Ａｕ−Ｂｅ）合金などの薄膜を好適に用いることができる。また、ｎ型電極４、ｐ型電極５は、上記材質の中から選択した層を複数層積層したものとしても構わない。本実施形態では、ｐ型電極５は第２導電型半導体層２ｃ表面に層状に形成されている。また、ｎ型電極４は、基板１が導電性を有する場合、基板１の裏面側に設けてもよい。
【００２０】
このように形成された発光層２ｂの主面２Ａに、一部が第２導電型半導体層２ｃに埋設され、残部が第２導電型半導体層２ｃの表面および後述するｐ型電極５の表面から露出するように突起部３が形成されている。
【００２１】
突起部３は、第２導電型半導体層２ｃおよび発光層２ｂの屈折率より大きい屈折率を有するように形成されている。突起部３の材料としては、第２導電型半導体層２ｃおよび発光層２ｃの屈折率より大きな屈折率を有するＴｉ，Ｔａ，Ｚｎ，Ｎｂ，Ｈｆ，Ｚｒを含む酸化物または酸窒化物から適宜選択することができる。具体的には、第２導電型半導体層２ｃがＡｌ０．０６Ｇａ０．９４Ｎで形成され、発光層２ｂが上述のようなＧａＮ系材料から形成されている場合、発光波長は４００〜４５０ｎｍとなり、第２導電型半導体層２ｃおよび発光層２ｂの屈折率は２．２〜２．５となる。そのため、突起部３の材料としては、ＴｉＯ（屈折率  約２．３〜２．５５），ＴｉＯ２（屈折率  約２．３〜２．５５），Ｔａ２Ｏ５（屈折率  約２．２５〜２．３），ＺｎＯ（屈折率  約２．１），Ｎｂ２Ｏ５（屈折率  約２．３３），ＨｆＯ２（屈折率  約１．９５〜２．１５），ＺｒＯ２（屈折率  約２．０５）などを用いることができる。なかでも、透過率などの点から突起部３をＴａ２Ｏ５で形成することが好ましい。このように突起部３の屈折率が第２導電型半導体層２ｃより大きく形成されていることから、第２導電型半導体層２ｃとｐ型電極５の界面２Ｂにおいて全反射されていた光を取り出すことができる。なお、第２導電型半導体層２ｃの屈折率は、第２導電型半導体層２ｃが複数の層により形成されている場合、それぞれの層の屈折率を平均化した屈折率と見なすことができる。
【００２２】
さらに、ｐ型電極５が第２導電型半導体層２ｃ上に形成されている場合、突起部３をｐ型電極５の屈折率よりも大きく形成し、ｐ型電極５の表面から露出するように形成することが好ましい。このように、突起部３が、ｐ型電極５の屈折率よりも大きく形成され、ｐ型電極５の表面から露出することで、界面２Ｂと対向するｐ型電極５の他方主面で全反射されていた光をより多く取り出すことができる。
【００２３】
また、本実施形態では、突起部３の底面が発光層２ｂと接しており、突起部３の屈折率が発光層２ｂのおよび第２導電型半導体層２ｃの屈折率より大きく形成されている。このことから、発光層２ｂの主面２Ａでの光の全反射を少なくすることができるため、外部取出し効率をより向上させることができる。
【００２４】
このような突起部３の高さ寸法ｔ１は、第２導電型半導体層２ｃの膜厚およびｐ型電極５の膜厚との和ｓ１よりも大きくなるように設定されている。このように突起部３の高さ寸法ｔ１が、ｓ１より大きく形成されているため、突起部３の一部が第２導電型半導体層２ｃに埋設され、残部が第２導電型半導体層２ｃおよびｐ型電極５の表面から露出するように形成される。本実施形態では突起部３が露出されていればよく、第２導電型半導体層２ｃが２００〜５００ｎｍで形成されることから、突起部３の高さ寸法ｔ１は２００〜１０００ｎｍで形成される。さらに、突起部３の底面の直径は、高さ寸法ｔ１以下で形成される。本実施形態では突起部３の形状は略円錐形状である場合を示したが、直方体状や円柱状など種々の形状を組み合わせることができる。
【００２５】
なお、突起部３は、厚さ方向に断面視して、その底辺と側辺とのなす角が鋭角になるようにすることに形成することが好ましい。このように形成することによって、突起部３に入った光を先端の方に導きやすくすることができる。なお、突起部３の側辺で効率よく全反射させるという観点から底辺と側辺とのなす角は２０°〜７０°で形成することが好ましい。
【００２６】
さらに、突起部３の材料として、ＴｉＯ，ＴｉＯ２，Ｔａ２Ｏ５，Ｎｂ２Ｏ５，ＨｆＯ２，ＺｒＯ２を用いることにより、発光層２ｂで発光した光の波長における吸収係数を第２導電型半導体層２ｃの吸収係数より小さくすることができ、第２導電型半導体層２ｃで吸収される光を減らすことができる。このように第２導電型半導体層２ｃで吸収される光を減らすことができることから、光取出し効率をより向上させることができる。
【００２７】
また、半導体層２がＧａＮ系材料により形成されている場合、発光層２ｂでの発熱が大きくなることから、第２導電型半導体層の熱伝導率である１３０Ｗ／ｍ・Ｋより大きな熱伝導率を有する材料で突起部３を形成することが好ましい。このように突起部３の材料として第２導電型半導体２の熱伝導率より大きな材料を用いることにより、突起部３の底面が発光層２ｂと接しているため、発光層２ｂで発生した熱を効率よく放熱することができる。そのため、素子温度を下げることができ、発光層２ｂの発光効率を向上させることができる。
【００２８】
従来の発光素子では、第２導電型半導体層２ｃの表面に凹凸を形成していたために、第２導電型半導体層２ｃの膜厚をあらかじめ厚く設ける必要があった。しかし、第２導電型半導体層２ｃを厚く形成すると、結晶性が悪化したり、膜厚が厚くなることから第２導電型半導体層２ｃでの光吸収が大きくなったりしていた。さらに、第２導電型半導体層２ｃ上にエッチングで凹凸をつける際、第２導電型半導体層２ｃの表面が荒れてしまい、その上に形成される電極との接触抵抗が増大していた。これに対して、本実施形態にかかる発光素子２０は、第２導電型半導体層２ｃの膜厚を厚くする必要がないため、第２導電型半導体層２ｃでの結晶性の悪化および第２導電型半導体層２ｃでの光吸収の増加を招きにくい。そのため、本実施形態にかかる発光素子２０は、従来の発光素子と比較した場合、第２導電型半導体層２ｃでの結晶性の悪化および第２半導体層２での光吸収の増加を抑えつつ、光取出し効率を向上させることができる。また、第２導電型半導体層２ｃをエッチングして凹凸を形成することがないことから、第２導電型半導体層２ｃの表面が荒れにくいため、ｐ型電極５との接触抵抗の増大を招きにくい。
【００２９】
このような突起部３は、発光層２ｂを作製する工程と第２導電型半導体層２ｃを作製する工程の間に、突起部３の材料をスパッタリング等で発光層２ｂに積層した後、レジストを用いてエッチングすることにより所望の形状に作製することができる。具体的には、図３に示すように基板１上にＧａＮ系材料からなる第１導電型半導体層２ａおよび発光層２ｂを積層した後、発光層２ｂ上に突起部３の材料であるＴｉＯ，ＴｉＯ２，Ｔａ２Ｏ５，ＺｎＯ，Ｎｂ２Ｏ５，ＨｆＯ２，ＺｒＯ２などを、突起部３の高さ寸法ｔ１と同じ膜厚になるようにして、真空蒸着やスパッタリングにより積層膜９を形成する。さらに、図３（ａ）に示すように、その積層膜９上にマスクパターン１０を形成した後、エッチングすることにより突起部３を所望の形状に形成することができる。その後、図３（ｃ）に示すように第２導電型半導体層２ｃを気相成長法などにより選択的に発光層２ｂ表面上のみに成長させる。このように、第２導電型半導体層２ｃを発光層２ｂ表面上に気相成長させた場合、第２導電型半導体層２ｃから露出した突起部３の表面に第２導電型半導体層２ｃの材料が付着することがあるため、エッチング等により突起部３の表面を露出させてもよい。
【００３０】
また、発光層２ｂ上に積層膜９を作製する前に、第２導電型半導体層２ｃを途中まで形成することにより、突起部３の底面を発光層２ｂから離れた第２導電型半導体層２ｃに形成してもよい。
【００３１】
このように形成された発光素子２０をシリコーン樹脂により封止してもよい。シリコーン樹脂は、例えば屈折率１．４〜１．７のものを用いることができる。また、発光層２ｂが３００〜５００ｎｍの波長の光を発光する場合、このようなシリコーン樹脂の中に蛍光体や燐光体を混ぜて発光層２ｂからの光を白色光に変換してもよい。
（変形例）
この変形例にかかる発光素子２０は、突起部３が第２導電型半導体層２ｃの側面から露出するように設けられている。突起部３が第２導電型半導体層２ｃの側面から露出していることにより、第２導電型半導体層２ｃの側面で全反射されていた光をより多く取り出すことができるので、発光素子２０の厚さ方向に対して側面の外部取出し効率をさらに向上させることができる。
【符号の説明】
【００３２】
１  基板
２  半導体層
２ａ  第１導電型半導体層
２ｂ  発光層
２ｃ  第２導電型半導体層
３  突起部
４  ｎ型電極
５  ｐ型電極
６  電極パッド
９  積層膜
１０  マスクパターン
２０  発光素子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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