(57)【要約】【課題】  出射面の反対側に進んだ光を効率良く反射し、発光効率を上げることができるようにした発光素子を提供する。【解決手段】  発光素子１０は、β−Ｇａ２Ｏ３単結晶からなるｎ型の導電性を示すＧａ２Ｏ３基板１１上に、ＧａＮバッファ層１２、ｎ−ＧａＮクラッド層１３、多重量子井戸構造（ＭＱＷ）を有するＩｎＧａＮ発光層１４、ｐ型の導電性を示すｐ−ＡｌＧａＮクラッド層１５、およびｐ−ＧａＮコンタクト層１６が積層され、Ｇａ２Ｏ３基板１１の下面の複数箇所に部分的に形成された複数のｎ電極１８と、ｎ電極１８が設けられていない部分に発光光を反射する反射層１９を形成する。ＩｎＧａＮ発光層１４からＧａ２Ｏ３基板１１に向かった光は、反射層１９およびｎ電極１８で反射する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光透過性および導電性を有する基板の第１の面上に発光層を成長させた発光素子において、
前記基板の前記第１の面に対向する第２の面に部分的に形成されたオーミック電極と、
前記基板の前記第２の面の前記オーミック電極が形成されていない領域に形成された光反射層とを備えたことを特徴とする発光素子。
【請求項２】
前記オーミック電極は、複数の電極部からなり、前記複数の電極部は、それぞれ複数の開口を有することを特徴とする請求項１記載の発光素子。
【請求項３】
前記複数の電極部は、コンタクト用電極によって互いに接続されたことを特徴とする請求項２記載の発光素子。
【請求項４】
前記基板は、Ｇａ２Ｏ３系単結晶を用いていることを特徴とする請求項１記載の発光素子。
【請求項５】
前記発光層は、ＧａＮ系またはＧａ２Ｏ３系であることを特徴とする請求項１記載の発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光ダイオード、レーザダイオード等の発光素子に関し、特に、出射面の反対側に進んだ光を効率良く反射させ、発光効率を上げることができるようにした発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の発光素子として、例えば、Ａｌ２Ｏ３からなるＡｌ２Ｏ３基板と、Ａｌ２Ｏ３基板の表面に形成されたＡｌＮ層と、ＡｌＮ層の上にＭＯＣＶＤ(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法によりエピタキシャル成長して形成されたＧａＮ成長層とを備えたものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
この発光素子によれば、Ａｌ２Ｏ３基板とＧａＮ成長層との間にＡｌＮ層を形成することにより、格子定数の不一致を低減して結晶品質の劣化を抑えることができる。
【０００４】
また、発光層に対する光出射面とは反対の基板側の下面に反射層を設け、基板側に向かった光を反射層で反射させ、この反射光を前記電極、発光層等を介して前記光出射面に導くようにし、発光素子の光出力効率が高められるようにした構成も提案されている（例えば、特許文献２参照。）。
【特許文献１】特公昭５２−３６１１７号公報
【特許文献２】特開２００３−８６８４３号公報（図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、従来の発光素子によると、基板側に反射層を設けた場合、電極とは別に反射層を設けることになるため、発光素子の厚み（高さ）が大きくなる。また、反射層を設けることによって、基板側に進んだ光は反射層を往復する際、電極を２回通過することになるため、光量が低下し、反射層を設けた効果が十分に得られない。
【０００６】
従って、本発明の目的は、出射面の反対側に進んだ光を効率良く反射し、発光効率を上げることができるようにした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】
【０００７】
本発明は、上記目的を達成するため、光透過性および導電性を有する基板の第１の面上に発光層を成長させた発光素子において、前記基板の前記第１の面に対向する第２の面に部分的に形成されたオーミック電極と、前記基板の前記第２の面の前記オーミック電極が形成されていない領域に形成された光反射層とを備えたことを特徴とする発光素子を提供する。
【０００８】
上記構成によれば、発光層から基板側に出射した発光光は、基板を透過し、オーミック電極および光反射層で反射し、出射面から出射する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係る発光素子によれば、光透過性および導電性を有する基板の第２の面にオーミック電極と光反射層を設けて第２の面における光反射率を高くしたので、発光効率を上げることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
［第１の実施の形態］
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る発光素子の断面を示す。この発光素子１０は、β−Ｇａ２Ｏ３単結晶からなるｎ型の導電性を示すＧａ２Ｏ３基板１１を有し、このＧａ２Ｏ３基板１１上に、低温（ＬＴ）バッファ層としてのＧａＮバッファ層１２、ｎ型の導電性を示すｎ−ＧａＮクラッド層１３、多重量子井戸構造（ＭＱＷ）を有するＩｎＧａＮ発光層１４、ｐ型の導電性を示すｐ−ＡｌＧａＮクラッド層１５、およびｐ型の導電性を示すｐ−ＧａＮコンタクト層１６を積層し、ｐ−ＧａＮコンタクト層１６上の所定領域にｐ電極１７を形成し、Ｇａ２Ｏ３基板１１の下面の複数箇所に部分的に形成された複数のｎ電極１８を形成し、Ｇａ２Ｏ３基板１１の下面（電極形成位置）のｎ電極１８が設けられていない部分に発光光を反射する反射層１９を形成し、ｎ電極１８および反射層１９の下面にコンタクト用電極２０を形成した垂直構造を有する。このような構成の発光素子１０は、金属ペースト４０を介してプリント基板３０に搭載される。
【００１１】
Ｇａ２Ｏ３基板１１は、光透過性と導電性を有するとともに、無色を示す酸化ガリウム系単結晶（β−Ｇａ２Ｏ３）を用いる。なお、Ｇａ２Ｏ３基板１１は、β−Ｇａ２Ｏ３単結晶からなるなることを基本とするが、Ｃｕ、Ａｇ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｓｉ、ＧｅおよびＳｎからなる群から選ばれる１種以上を添加したＧａを主成分としたＧａ２Ｏ３系化合物で構成してもよい。これらの元素を添加することにより、格子定数あるいはバンドギャップエネルギーを制御することができる。例えば、ＡｌとＩｎの元素を添加することにより、（ＧａｘＡｌｙＩｎ（１−ｘ−ｙ））２Ｏ３（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）で表わされるＧａ２Ｏ３系基板を得ることができる。
【００１２】
ＧａＮバッファ層１２は、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長）装置を用いてＧａ２Ｏ３基板１１の上に形成する。
【００１３】
ＧａＮ系化合物からなるＧａＮ系化合物薄膜である、ｎ−ＧａＮクラッド層１３、ＩｎＧａＮ発光層１４、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層１５、およびｐ−ＧａＮコンタクト層１６は、ＭＯＣＶＤ法により形成する。なお、ＧａＮ系化合物は、Ｂ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｔｌ等のIII族元素等の添加物を含むものである。
【００１４】
ＩｎＧａＮ発光層１４は、例えば、不純物を添加していないノンドープＩｎＧａＮからなる半導体により形成され、単一量子井戸または多重量子井戸構造（ＭＱＷ）をなしている。ＩｎとＧａの組成比を調節したり、ｐ型あるいはｎ型の導電性とすることにより、ＩｎＧａＮ発光層１４のバンドギャップを変化させて発光波長を変化させることができる。なお、発光層１４は、Ｇａ２Ｏ３化合物にＣｕ、Ａｇ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｓｉ、ＧｅおよびＳｎからなる群から選ばれる１種以上を添加したＧａを主成分としたＧａ２Ｏ３系化合物で構成してもよいであってもよい。
【００１５】
ｐ電極１７は、ｐ−ＧａＮコンタクト層１６上に蒸着、スパッタ等によりオーミック接触が得られる材料で形成される。ｐ電極１７の材料として、Ａｕ、Ａｌ、Ｂｅ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｚｎ等の金属単体、これらのうち少なくとも２種の合金（例えば、Ａｕ−Ｚｎ合金、Ａｕ−Ｂｅ合金）、これらを２層構造に形成するもの（例えば、Ｎｉ／Ａｕ）、あるいはＩＴＯ等を用いることができる。
【００１６】
ｐ電極１７は、透明であることが好ましいが、透明にできない場合、後で説明するｎ電極１８と同様に、メッシュ、スリット等の開口による透光部を形成し、発光層１４で得られた光を無駄なく出射できるようにする。なお、ｐ電極１７は、ｐ−ＧａＮコンタクト層１６との接触面の全面に形成してもよい。
【００１７】
ｎ電極１８は、図３を示して後で説明するが、メッシュ、スリット等の開口を有し、電流密度を全体的に均一にしている。このｎ電極１８の電極材として、オーミック接続が可能なもの、具体的には、Ａｕ、Ａｌ、Ｃｏ、Ｇｅ、Ｔｉ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｐｂ等の金属単体、これらのうち少なくとも２種の合金（例えば、Ａｕ−Ｇｅ合金）、これらを２層構造に形成するもの（例えば、Ａｌ／Ｔｉ、Ａｕ／Ｎｉ、Ａｕ／Ｃｏ）、あるいはＩＴＯ等を用いることができる。なお、複数のｎ電極１８は、互いに接触していてもよい。
【００１８】
反射層１９は、Ａｇ、Ａｌ等のそれ自身が反射面を形成できる金属、あるいはｐ電極１７やｎ電極１８に用いた金属、合金、ＩＴＯ等を用いることができる。また、非金属材料を用いてもよく、必要に応じてその表面にＡｇ等のメッキを施し、光の反射率が高くなるような構成にしてもよい。反射層１９は、ｎ電極１８が設けられていない部分を埋めるように形成される。反射層１９が金属により形成されている場合、反射層１９によりｎ電極１８全体を覆ってもよい。
【００１９】
コンタクト用電極２０は、複数のｎ電極１８を接続するとともに、プリント基板３０とのハンダ性を良好にするために設けられ、その材料は、ｎ電極１８と同様の材料を用いることができる。
【００２０】
＜ｎ電極と反射層の関係＞
図２（ａ）は、第１の実施の形態に係る発光素子のｎ電極１８および反射層１９が形成されている層の断面図であり、（ｂ）〜（ｄ）は、その変形例を示す。（ａ）に示されているように、複数のｎ電極１８の周囲に反射層１９を配置している。なお、（ｂ）に示すように、横方向に伸びるｎ電極１８がその中央でそれぞれ連結され、ｎ電極１８の周囲に反射層１９を配置してもよい。また、（ｃ）に示すように、複数の反射層１９の周囲にｎ電極１８を配置してもよい。図２（ｄ）に示すように、透光部を有さない複数のｎ電極１８’の周囲に反射層１９を配置してもよい。ここで、ｎ電極１８は、後述するように、透光部を有するが、図面上は省略した。
【００２１】
＜ｎ電極の構成＞
図３は、ｎ電極１８の詳細構成を示す。図３の（ａ）のｎ電極１８は、電極材１８ａと、この電極材１８ａの所定位置に設けられた円形の開口による複数の透光部１８ｂとを備えた構成である。図３の（ｂ）のｎ電極１８は、電極材１８ａと、この電極材１８ａの所定位置に設けられた角形の開口による複数の透光部１８ｂとを備えた構成である。図３の（ｃ）のｎ電極１８は、電極材１８ａと、この電極材１８ａの所定位置に設けられた長方形のスリットによる複数の透光部１８ｂとを備えた構成である。さらに、図３の（ｄ）のｎ電極１８は、Ｓ字状に蛇行するように加工された電極材１８ａと、この電極材１８ａの平行する部分の相互間に設けられたスリット状の間隙による透光部１８ｂとを備えた構成である。
【００２２】
なお、ｎ電極１８は、透光部１８ｂに代えて、透光部１８ｂの開口内に反射層となる材料を埋め込んでもよい。このようにすれば、反射効率を高めることができる。
【００２３】
＜発光素子の動作＞
次に、発光素子１０の動作について説明する。ｐ電極１７とｎ電極１８の間に所定の直流電圧が印加されると、ＩｎＧａＮ発光層１４が発光し、その出力光の一部は、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層１５およびｐ−ＧａＮコンタクト層１６を通過し、更には、ｐ電極１７を通過して、図１の最上面（出射面）から外部に出射される。
【００２４】
また、ＩｎＧａＮ発光層１４による出力光の一部は、ｎ−ＧａＮクラッド層１３、ＧａＮバッファ層１２およびＧａ２Ｏ３基板１１を通過してｎ電極１８および反射層１９の表面に到達し、このｎ電極１８および反射層１９の表面で反射して戻される。
【００２５】
ｎ電極１８および反射層１９の表面で反射した光は、Ｇａ２Ｏ３基板１１、ＧａＮバッファ層１２、ｎ−ＧａＮクラッド層１３、ＩｎＧａＮ発光層１４、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層１５およびｐ−ＧａＮコンタクト層１６を順次通過して外部に出射し、更には、一部がｐ電極１７を通過して外部に出射する。従って、発光素子１０から外部に出射する光は、ＩｎＧａＮ発光層１４からの直接光と、反射層１９およびコンタクト用電極２０による反射光とを合わせたものになる。
【００２６】
＜第１の実施の形態の効果＞
この第１の実施の形態に係る発光素子１０によれば、以下の効果を奏する。
（イ）オーミック電極であるｎ電極１８以外の部分に反射層１９を設けた構成により、Ｇａ２Ｏ３基板１１側に向かった光を効果的に反射させることが可能になり、発光効率を向上させることができる。
（ロ）透光部１８ｂを有するｎ電極１８を設けたことにより、電流密度を均一にすることができ、発光効率を上げることができる。
（ハ）Ｇａ２Ｏ３基板１１に低温バッファ層であるＧａＮバッファ層１２を形成しているため、平坦性が良好である。そのため、ＧａＮバッファ層１２上に積層されるＧａＮ系化合物からなる薄膜の結晶品質の劣化を抑えることができるので、発光効率を高めることができる。
（ニ）Ｇａ２Ｏ３基板１１は、導電性を有するので、電極構造が垂直型の発光ダイオードを作ることができ、その結果、発光素子１０の全体を電流通路にすることができることから電流密度を低くすることができ、発光素子１０の寿命を長くすることができる。
（ホ）Ｇａ２Ｏ３基板１１がＧａ２Ｏ３系単結晶からなるため、結晶性の高いｎ型導電性を示す構造にすることができる。
（ヘ）この発光素子１０は、多重量子井戸構造を有しているため、キャリアとなる電子と正孔とがＩｎＧａＮ発光層１４に閉じこめられて再結合する確率が高くなるので、発光効率が大幅に向上する。
【００２７】
［第２の実施の形態］
図４は、本発明の第２の実施の形態に係る発光素子を示す。この発光素子１０は、第１の実施の形態において、ＩｎＧａＮ発光層１４に対して、Ｇａ２Ｏ３基板１１、ＧａＮバッファ層１２およびｎ−ＧａＮクラッド層１３と、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層１５およびｐ−ＧａＮコンタクト層１６との配置を逆にし、複数のｐ電極１７間に反射層１９を設けた横型構造に特徴があり、他の構成は第１の実施の形態と同様である。なお、ｎ電極１８は、透明である必要も、透光部１８ｂが形成されている必要もなく、Ｇａ２Ｏ３基板１１のＧａＮバッファ層１２を形成した面と同一な面に設けられている。また、複数のｐ電極１７および反射層１９は、ｐ−ＧａＮコンタクト層１６とプリント基板３０の間（電極形成位置）に設けられている。この発光素子１０は、コンタクト用電極２０およびｎ電極１８が半田４１，４２を介してリードフレーム５０，５１にそれぞれ接続されている。
【００２８】
ｐ電極１７は、ｐ−ＧａＮコンタクト層１６とコンタクト用電極２０の間の電極形成位置に設けられるが、第１の実施の形態におけるｎ電極１８と同様に、透光部１８ｂが形成されており、図３に示したような種々の電極形状にすることができる。
【００２９】
＜発光素子の動作＞
この発光素子１０は、ＩｎＧａＮ発光層１４が発光すると、その出力光の一部は、ＧａＮバッファ層１２、ｎ−ＧａＮクラッド層１３およびＧａ２Ｏ３基板１１を通して図４の最上面（出射面）から外部に出射される。
【００３０】
また、ＩｎＧａＮ発光層１４による出力光の一部は、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層１５およびｐ−ＧａＮコンタクト層１６を通してｐ電極１７および反射層１９の表面に到達し、このｐ電極１７および反射層１９の表面で反射してＩｎＧａＮ発光層１４側へ戻される。
【００３１】
ｐ電極１７および反射層１９の表面で反射した光は、ｐ−ＧａＮコンタクト層１６、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層１５、ＩｎＧａＮ発光層１４、ｎ−ＧａＮクラッド層１３、ＧａＮバッファ層１２およびＧａ２Ｏ３基板１１を順次通過して外部に出射される。従って、発光素子１０から外部に出射される光は、ＩｎＧａＮ発光層１４からの直接光と、反射層１９およびコンタクト用電極２０による反射光とを合わせたものになる。
【００３２】
＜第２の実施の形態の効果＞
この第２の実施の形態に係る発光素子１０によれば、以下の効果を奏する。
（イ）ｐ電極１７以外の部分に反射層１９を設けた構成により、ｐ−ＧａＮンタクト層１６側に向かった光を効果的に反射させることが可能になり、発光効率を向上させることができる。
（ロ）透光部１８ｂを有するｐ電極１７を設けたことにより、電流密度を均一にすることができ、発光効率を上げることができる。
（ハ）この発光素子１０は、多重量子井戸構造を有しているため、キャリアとなる電子と正孔とがＩｎＧａＮ発光層１４に閉じこめられて再結合する確率が高くなるので、発光効率が大幅に向上する。
（ニ）Ｇａ２Ｏ３基板１１自体が導電性を有するため、従来の絶縁基板上に形成した導電性を有する薄膜を通じて電流を流すのと比較して大電流を流すことができるので、高輝度発光を得ることができる。
【００３３】
［他の実施の形態］
上記実施の形態においては、ｐ電極１７またはｎ電極１８と反射層１９とを交互に配置したが、例えば、ｐ電極１７またはｎ電極１８と反射層１９とに２分割する構成であってもよい。
【００３４】
なお、本発明に係る発光素子１０は、発光ダイオードやレーザダイオードに限らず、トランジスタ、サイリスタ、ダイオード等の半導体にも適用することができる。具体的には、例えば、電界効果トランジスタ、フォトダイオード、太陽電池等が挙げられる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る発光素子の断面図である。
【図２】（ａ）は、図１のｎ電極および反射層の断面図であり、（ｂ）〜（ｄ）は、その変形例を示す断面図である。
【図３】図１のｎ電極の詳細構成を示し、（ａ）は、円形の開口を透光部とするｎ電極の平面図、（ｂ）は、角形の開口を透光部とするｎ電極の平面図、（ｃ）は、長方形のスリットを透光部とするｎ電極の平面図、（ｄ）は、電極材がＳ字状に蛇行するように加工されたｎ電極の平面図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態に係る発光素子の断面図である。
【符号の説明】
【００３６】
１０  発光素子
１１  Ｇａ２Ｏ３基板
１２  ＧａＮバッファ層
１３  ｎ−ＧａＮクラッド層
１４  ＩｎＧａＮ発光層
１５  ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層
１６  ｐ−ＧａＮコンタクト層
１７  ｎ電極
１８，１８’  ｐ電極
１８ａ  電極材
１８ｂ  透光部
１９  反射層
２０  コンタクト用電極
３０  プリント基板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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