(57)【要約】 【課題】  発光駆動用の電極として酸化物透明電極層を用いるとともに、酸化物透明電極層が形成する境界面での内部反射を抑制し、ひいては光取出し効率の良好な発光素子を提供する。【解決手段】  発光素子１００は、発光層部２４を有した化合物半導体層５０と、該化合物半導体層５０に積層される、発光層部２４に発光駆動電圧を印加するための酸化物透明電極層３０とを有する。発光層部２４からの光は、酸化物透明電極層３０を透過させる形で取り出される。酸化物透明電極層３０と化合物半導体層５０との間に、それら酸化物透明電極層３０と化合物半導体層５０との中間の屈折率を有する中間屈折率層３１が配置される。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光層部を有した化合物半導体層と、該化合物半導体層に積層される、前記発光層部に発光駆動電圧を印加するための酸化物透明電極層とを有し、前記発光層部からの光を、前記酸化物透明電極層を透過させる形で取り出すようにした発光素子において、前記酸化物透明電極層と前記化合物半導体層との間に、それら酸化物透明電極層と化合物半導体層との中間の屈折率を有する中間屈折率層を配置したことを特徴とする発光素子。
【請求項２】
前記中間屈折率層が絶縁層であり、前記酸化物透明電極層は前記中間屈折率層を貫通して形成された導通貫通部にて前記化合物半導体層と導通してなることを特徴とする請求項１記載の発光素子。
【請求項３】
前記酸化物透明電極層の主表面の一部を覆う形で前記発光層部に発光駆動電圧を印加する金属電極が形成され、前記化合物半導体層の主表面のうち、前記金属電極の投影領域を第一領域とし、それ以外の領域を第二領域として、前記中間屈折率層が前記第二領域を覆うように形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の発光素子。
【請求項４】
前記第二領域に形成される前記中間屈折率層が絶縁層であり、該第二領域において、前記中間屈折率層を貫通する導通貫通部が分散形成され、該導通貫通部にて前記酸化物透明電極層が前記化合物半導体層と導通してなることを特徴とする請求項３記載の発光素子。
【請求項５】
前記絶縁層からなる前記中間屈折率層が前記第一領域にも形成されるとともに、該第一領域には前記導通貫通部が非形成となっていることを特徴とする請求項４記載の発光素子。
【請求項６】
前記導通貫通部において前記酸化物透明電極層は前記化合物半導体層と接して配置されるとともに、該化合物半導体層との接触抵抗を低減するために、前記化合物半導体層の最表面部に、金属又は前記発光層部をなす化合物半導体よりもバンドギャップエネルギーの小さい化合物半導体からなるコンタクト層が形成されてなることを特徴とする請求項２ないし請求項５のいずれか１項に記載の発光素子。
【請求項７】
前記コンタクト層が前記導通貫通部に選択的に形成されてなることを特徴とする請求項６記載の発光素子。
【請求項８】
前記酸化物透明電極層がＩＴＯ層又は酸化亜鉛層であり、前記中間屈折率層が窒化珪素、窒化硼素、窒化アルミニウム、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化セリウム及び酸化タンタルのいずれかからなることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
【特許文献１】特開平１−２２５１７８号公報
【特許文献２】特開平６−１８８４５５号公報
【特許文献３】特開平８−８３９２７号公報
【特許文献４】特開２００１−７３９９号公報
【特許文献５】特開２００２−４３６２１号公報
【０００３】
化合物半導体にて発光層部を形成した半導体発光素子のうち、表示用や照明用などの発光ダイオード光源として用いるものは、発光層部の光取出面側に駆動電圧を印加するための金属電極を形成する。金属電極は遮光体として作用するため、例えば発光層部主表面の中央部のみを覆う形で形成し、その周囲の電極非形成領域から光を取り出すこととなる。しかし、金属電極が遮光体であることに変わりはなく、また、金属電極面積を極端に小さくしすぎると、素子面内の電流拡散が妨げられて、却って光取出量が制限される問題もある。そこで、発光層部の全面を、透明で高導電率のＩＴＯ（Indium Tin Oxide：酸化インジウム錫）電極層にて覆い、ＩＴＯ電極層を介した光取出し効率の向上と、電流拡散効果の改善とを同時に図る提案が、例えば特許文献１〜５等に開示されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、ＩＴＯ層は可視光に対して透明であるが、発光素子チップを構成する化合物半導体との屈折率差が大きい。具体的には、ＩＴＯの屈折率が１．７〜１．８であるのに対し、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の場合、その多くは屈折率が３以上である。その結果、ＩＴＯ層と化合物半導体層との界面では、取り出すべき発光光束に対する全反射臨界角度が小さくなり、界面反射で素子内に戻る発光光束の比率が増えるので、光取出し効率の低下を招きやすい問題がある
【０００５】
本発明の課題は、発光駆動用の電極として酸化物透明電極層を用いるとともに、酸化物透明電極層が形成する境界面での内部反射を抑制し、ひいては光取出し効率の良好な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及び発明の効果】
【０００６】
上記の課題を解決するために本発明の発光素子は、発光層部を有した化合物半導体層と、該化合物半導体層に積層される、発光層部に発光駆動電圧を印加するための酸化物透明電極層とを有し、発光層部からの光を、酸化物透明電極層を透過させる形で取り出すようにした発光素子において、酸化物透明電極層と化合物半導体層との間に、それら酸化物透明電極層と化合物半導体層との中間の屈折率を有する中間屈折率層を配置したことを特徴とする。なお、本明細書において「屈折率」は、いずれも発光素子チップからの発光光束のピーク波長における屈折率を意味するものとする。
【０００７】
上記本発明の発光素子によると、酸化物透明電極層と化合物半導体層との間に中間屈折率層を配置したので、酸化物透明電極層と化合物半導体層とが直接接する従来の素子構造と比較して、酸化物透明電極層が形成する境界面での屈折率差が縮小する。その結果、取り出すべき発光光束に対する全反射臨界角度が増加するので、該境界面での内部反射が抑制され、光取出し効率の良好な発光素子が実現する。
【０００８】
中間屈折率層が絶縁層で構成される場合は、酸化物透明電極層を中間屈折率層を貫通して形成された導通貫通部にて化合物半導体層と導通させることにより、該酸化物透明電極層による発光層部への駆動電圧の印加が可能となる。
【０００９】
該酸化物透明電極層には、ワイヤボンディング等のため、その主表面の一部を覆う形で、発光層部に発光駆動電圧を印加する金属電極を形成することができる。金属電極は遮光体となるため、発光光束は、酸化物透明電極層の主表面のうち、その金属電極の周囲領域を光取出領域とする形で外部に取り出される。この場合、化合物半導体層の主表面のうち、金属電極の投影領域を第一領域とし、それ以外の領域を第二領域として、該第二領域を覆うように中間屈折率層を形成しておけば、光取出領域からの発光光束の取出効率を高めることができる。
【００１０】
酸化物透明電極層はシート抵抗が低いので、金属電極から供給される駆動電流を面内に拡散させる役割を果たす。第二領域に形成される中間屈折率層が絶縁層である場合、該第二領域において、中間屈折率層を貫通する導通貫通部を分散形成し、該導通貫通部にて酸化物透明電極層が化合物半導体層と導通させることが望ましい。これにより、酸化物透明電極層にて面内拡散した電流を、発光層部を有する化合物半導体層側に均一に供給することができ、発光層部を面内に均一に発光させることができる。
【００１１】
絶縁層からなる中間屈折率層は、金属電極の直下領域をなす第一領域にも形成することができる。この場合、該第一領域において導通貫通部を非形成とすれば、第一領域に形成された中間屈折率層を電流阻止層として機能させることができる。これにより、光取出が妨げられる金属電極直下での発光が抑制されるとともに、その迂回電流が光取出領域側に分配されるので、より多くの電流を光取出領域での発光に費やすことができ、ひいては光取出効率も含めた素子全体の発光輝度を高めることができる。
【００１２】
導通貫通部において酸化物透明電極層を化合物半導体層と接して配置することができる。この場合、化合物半導体層の最表面部に、金属又は発光層部をなす化合物半導体よりもバンドギャップエネルギーの小さい化合物半導体からなるコンタクト層を形成することが、該化合物半導体層との接触抵抗を低減する観点において有効である。コンタクト層は発光光束に対する吸収層として作用するので、導通貫通部に選択的に形成することが望ましい。これにより、光取出に有効寄与する中間屈折率層の領域からはコンタクト層を排除でき、素子全体の光取出し効率をより高めることができる。
【００１３】
酸化物透明電極層は、具体的にはＩＴＯ層（Indium-Tin Oxide）又は酸化亜鉛層により構成できる。この場合、中間屈折率層は、窒化珪素、窒化硼素、窒化アルミニウム、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化セリウム及び酸化タンタルのいずれかにて構成することができる。ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体にて化合物半導体層を構成し、酸化物透明電極層の材質としてＩＴＯを採用する場合は、中間屈折率層として屈折率１．９以上２．５以下のものを用いることが望ましい。また、酸化物透明電極層の材質として酸化亜鉛を採用する場合は、中間屈折率層として屈折率２．１以上２．５以下のものを用いることが望ましい。これら屈折率範囲の下限値を下回る材質を中間屈折率層に採用すると、酸化物透明電極層との屈折率差を縮小する効果が薄れ、上回る材質を採用すると、化合物半導体層との屈折率差を縮小する効果が薄れる。いずれも、中間屈折率層と酸化物透明電極層又は化合物半導体層との境界での内部反射抑制効果が不十分となる惧れがある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態を添付の図面を参照して説明する。
図１は、本発明の発光素子の一実施形態を示すものである。該発光素子１００は、発光層部２４と、該発光層部２４の第一主表面上に形成された電流拡散層２０とを有する化合物半導体層５０を備える。化合物半導体層５０の第一主表面は、発光層部に発光駆動電圧を印加するための酸化物透明電極層３０にて覆われている。また、酸化物透明電極層３０と化合物半導体層５０との間には、それら酸化物透明電極層３０と化合物半導体層発光層部５０との中間の屈折率を有する中間屈折率層３１が設けられている。
【００１５】
発光層部２４は、（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（但し、０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１：ＡｌＧａＩｎＰ）又はＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，ｘ＋ｙ≦１：ＩｎＧａＡｌＮ）にて構成できる。本実施形態においては、ノンドープ（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（ただし、０≦ｘ≦０．５５，０．４５≦ｙ≦０．５５）混晶からなる活性層５を、ｐ型（ＡｌｚＧａ１−ｚ）ｙＩｎ１−ｙＰ（ただしｘ＜ｚ≦１）からなるｐ型クラッド層６と、ｎ型（ＡｌｚＧａ１−ｚ）ｙＩｎ１−ｙＰ（ただしｘ＜ｚ≦１）からなるｎ型クラッド層４とにより挟んだ構造を有し、活性層５の組成に応じて、発光波長を、黄緑色から赤色領域（発光波長（ピーク発光波長）が５５０ｎｍ以上６７０ｎｍ以下）にて調整できる。また、電流拡散層２０は、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＰ又はＧａＩｎＰなど、活性層５よりもバンドギャップエネルギーの大きい（つまり、発光光束に対して透明な）ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる。これらは周知のＭＯＶＰＥ法により、ＧａＡｓからなる素子基板７上にＧａＡｓバッファ層２を介してエピタキシャル成長されたものである。発光層部２４及び電流拡散層２０をなすＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体（ＡｌＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＰあるいはＧａＩｎＰ）の屈折率は、上記発光波長域にて３．２〜３．５である。
【００１６】
酸化物透明電極層３０はＩＴＯ（屈折率：１．７〜１．８）もしくは酸化亜鉛（屈折率：２．０）からなり、本実施形態ではＩＴＯが採用されている。ＩＴＯは、酸化スズをドープした酸化インジウム膜であり、酸化スズの含有量を１〜９質量％とすることで抵抗率を５×１０−４Ω・ｃｍ以下の十分低い値とすることができる。中間屈折率層３１は、窒化珪素（屈折率：１．８〜２．５）、窒化硼素（屈折率：２．０）、窒化アルミニウム（屈折率：２．２）、酸化チタン（屈折率：２．５）、酸化ジルコニウム（屈折率：２．１）、酸化セリウム（屈折率：２．２）及び酸化タンタル（屈折率：２．１）のいずれかからなり、本実施形態では窒化珪素が採用されている。これらは、いずれもスパッタリングやＣＶＤ(Chemical Vapor Deposition）で成膜され、それぞれ厚さは、例えば４００ｎｍ以上３μｍ以下である。なお、窒化珪素は、特公平６−８５４４８号公報に開示されているごとく、ＳｉとＮとの組成比によって屈折率を１．８〜２．５の範囲で調整可能である。図６は、Ｓｉ／Ｎ比と屈折率との関係を示すものである。
【００１７】
上記例示した中間屈折率層３１はいずれも絶縁層であり、酸化物透明電極層３０は、中間屈折率層３１を貫通して形成された導通貫通部３１ｈにて化合物半導体層５０と導通している。酸化物透明電極層３０には、ワイヤボンディング等のため、その主表面の一部を覆う形で、発光層部２４に発光駆動電圧を印加する金属電極（例えばＡｕ電極）９が形成されている。素子基板７はｎ型であり、その第二主表面は、ＡｕＧｅＮｉ合金等からなるコンタクト層１６を介して、Ａｕ電極等からなる裏面電極１５により覆われている。
【００１８】
化合物半導体層５０の主表面のうち、金属電極９の投影領域を第一領域とし、それ以外の領域を第二領域として中間屈折率層３１は、第二領域を覆う本体層部３１ｗと、第一領域を覆う電流阻止層部３１ｂとからなる。図２及び図３に示すように、第二領域を覆う本体層部３１ｗにおいて、導通貫通部３１ｈが分散形成されている。他方、電流阻止層部３１ｂには導通貫通部が形成されていない。
【００１９】
図１に戻り、化合物半導体層５０の最表面部には、発光層部２４（活性層５）をなす化合物半導体（ここではＡｌＧａＩｎＰ）よりもバンドギャップエネルギーの小さい化合物半導体からなるコンタクト層３２が形成されている。コンタクト層３２は、具体的にはＧａＡｓやＩｎＧａＡｓで構成される。コンタクト層３２は発光光束に対する吸収層として作用するので、導通貫通部３１ｈに選択的に形成されている（つまり、中間屈折率層３１と電流拡散層２０との間には、コンタクト層３２が形成されておらず、両層３１，２０が直接接している）。図２は、コンタクト層３２（ひいては導通貫通部３１ｈ）を、第一領域を取り囲む第一部分３２ｓと、第一領域から放射状に伸びる第二部分３２ｒとの組み合わせにより、第二領域に分散形成した例である。また、図３は、コンタクト層３２（ひいては導通貫通部３１ｈ）を第二領域に散点状に分散形成した例である。なお、コンタクト層３２は金属にて構成することもできる。本実施形態では、コンタクト層３２が接する電流拡散層２０がｐ型であり、金属コンタクト層を例えばＡｕＢｅ合金等で構成することがでできる（電流拡散層２０がｎ型の場合は、金属コンタクト層を例えばＡｕＧｅＮｉ合金等で構成することがでできる）。
【００２０】
上記の発光素子１００は、金属電極９と裏面電極１５との間で順方向に電圧を印加することにより、発光層部２４が活性層５のバンドギャップエネルギーに応じた波長にて発光する。その発光光束ＬＢは、中間屈折率層３１及び酸化物透明電極層３０を経て、金属電極９の周囲をなす光取出領域ＰＡから外部に取り出される。酸化物透明電極層３０と化合物半導体層５０との間に、両者の中間の屈折率を有する中間屈折率層３１を配置したので、酸化物透明電極層３０と化合物半導体層５０とが直接接する構造と比較して、酸化物透明電極層が形成する境界面での屈折率差が縮小し、取り出すべき発光光束ＬＢに対する全反射臨界角度が増加するので、該境界面での内部反射が抑制され、光取出し効率を改善できる。
【００２１】
なお、酸化物透明電極層３０はシート抵抗が低いので、金属電極９から供給される駆動電流を面内に均一に拡散できる。中間屈折率層３１は絶縁層であるが、光取出領域ＰＡに対応した本体層部３１ｗには導通貫通部３１ｈが分散形成されているので、発光層部２４に対しこれら導通貫通部３１ｈを介して発光駆動電流を均一に分配できる。他方、金属電極９の直下に位置する電流阻止層部３１ｂは導通貫通部が非形成であり、光取出が妨げられる金属電極９の直下での発光が抑制される。また、その迂回電流が光取出領域側に分配されるので、同じ駆動電圧でより多くの電流を光取出領域での発光に費やすことができる。さらに、光吸収性のコンタクト層３２は導通貫通部３１ｈに選択的に形成されているから、中間屈折率層３１が形成されている領域ではコンタクト層３２による吸収損失もなく、光取出し効率の一層の向上が図られている。
【００２２】
発光素子１００はチップの周囲を高分子材料からなるモールド６０で覆うことができる。このモールド６０は、例えばエポキシ樹脂にて構成できる。エポキシ樹脂の屈折率は１．５〜１．６であり、酸化物透明電極層３０をＩＴＯ及び酸化亜鉛のいずれで構成する場合も、発光光束の取出経路に沿って、化合物半導体層５０→中間屈折率層３１→酸化物透明電極層３０→モールド６０→大気の順で屈折率が一方向的に小さくなり、発光光束の境界反射を効果的に抑制できる構造が実現する。特に、酸化物透明電極層３０をＩＴＯで構成した場合、エポキシ樹脂からなるモールド６０との屈折率がほとんど同じになり、酸化物透明電極層３０とモールド６０との境界での反射をほとんど生じない利点がある。
【００２３】
以下、本発明の発光素子の変形例について説明する（図１の発光素子１００と共通の部分には同一の符号を付与して詳細な説明は省略する）。図４の発光素子２００は、中間屈折率層を屈折率の異なる複数層３１ａ，３２ｂの積層体で形成した例である。この場合、これら複数の層は、化合物半導体層５０側から酸化物透明電極層３０側に向けて屈折率が順次減少するように配置することが、境界での反射を抑制する観点において望ましい。なお、複数層３１ａ，３２ｂは、特にＳｉ／Ｎ組成比の異なる窒化珪素で構成すると、隣接する層同士の屈折率差をより縮小でき、境界反射抑制の効果をより顕著なものとすることができる。層数を増やせば屈折率を層厚方向に実質的に連続変化させることも可能である。
【００２４】
図５の発光素子３００は、、中間屈折率層３１の本体層部３１ｗを、第二領域に散点状に分散形成した例を示している（つまり、図３の本体層部とコンタクト層との形成関係を逆転させたものに相当する）。散点状の本体層部３１ｗの表面をそれぞれ球面状に形成すると、境界反射がより起こりにくくなり、光取出し効率を高めることができる。
【００２５】
図１、図４及び図５の構成では、いずれも発光層部２４をエピタキシャル成長するためのＧａＡｓ基板を素子基板７として残留させていたが、研削やエッチングによりＧａＡｓ基板を除去し、その除去面にＧａＰ基板等の透明半導体基板を貼り合わせたり、あるいは除去面を反射金属層で覆うこともできる。これにより、素子裏面側に向かう発光光束も外部に効果的に取り出せるようになり、素子の光取出し効率を一層向上できる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の発光素子の第一実施形態を模式的に示す断面模式図。
【図２】本発明の発光素子における中間屈折率層の形成形態の第一例を示す平面図。
【図３】本発明の発光素子における中間屈折率層の形成形態の第二例を示す平面図。
【図４】本発明の発光素子の第二実施形態を模式的に示す断面模式図。
【図５】本発明の発光素子の第三実施形態を模式的に示す断面模式図。
【図６】中間屈折率層を構成する窒化珪素の屈折率と、Ｓｉ／Ｎ組成比との関係を示すグラフ。
【符号の説明】
【００２７】
１００，２００，３００  発光素子
９  金属電極
２４  発光層部
３０  酸化物透明電極層
３１  中間屈折率層
３１ｈ  導通貫通部
３２  コンタクト層
５０  化合物半導体層
【図１】
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【図２】
2006005171.tif 000004
【図３】
2006005171.tif 000005
【図４】
2006005171.tif 000006
【図５】
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【図６】
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