(57)【要約】【課題】  光取り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、基板10と、基板10の上面10Ａの一部に設けられる光半導体層11と、基板10の上面10Ａであって、光半導体層11から光半導体層11で発光される光の波長以下の間隔を空けて配置された、フォトニック結晶構造12を構成する複数の光学構造体13とを備え、複数の光学構造体13の上面の高さ位置が、光半導体層11の上面の高さ位置と同じ、または光半導体層11の上面の高さ位置よりも高いことを特徴とする。光半導体層11の周りにフォトニック結晶構造12が形成されていることによって、光半導体層11の側面に絶縁膜を設けなくても、光半導体層11の発する光をフォトニック結晶構造12で反射させることができ、光取り出し効率を長期にわたって良好に維持することができる。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板の上面の一部に設けられる光半導体層と、
前記基板の上面であって、前記光半導体層から前記光半導体層で発光される光の波長以下の間隔を空けて配置された、フォトニック結晶構造を構成する複数の光学構造体とを備え、
前記複数の光学構造体の上面の高さ位置が、前記光半導体層の上面の高さ位置と同じ、または前記光半導体層の上面の高さ位置よりも高いことを特徴とする発光素子。
【請求項２】
前記光半導体層は、前記基板の上面と接する底面が前記光半導体層で発光される光の波長の寸法と同じ直径を有する円よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
【請求項３】
前記複数の光学構造体が、前記光半導体層を取り囲むように、前記光半導体層で発光される光の波長以下の間隔を開けてそれぞれ設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の発光素子。
【請求項４】
前記光半導体層は、複数の半導体層からなる積層体であって、
前記複数の光学構造体は、前記光半導体層と同じ層構成を有することを特徴とする請求項１乃至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】
本発明は、半導体を用いた発光素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
現在、紫外光、青色光あるいは緑色光等を発光する発光素子として、単結晶基板上に光半導体層を積層させたものが種々提案されている。特に、光半導体層として窒化物半導体を用いた発光素子の開発において、発光素子の外部での光取り出し効率を向上させることが必要となっている。
【０００３】
発光素子の光取り出し効率を向上させる技術として、光半導体層の側面に絶縁膜を設け、光半導体層で発光した光のうち側面方向に進む光の一部を絶縁膜で反射させて、発光素子の光取り出し効率を向上させる技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開2003−347589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に記載された発光素子によれば、光半導体層と絶縁膜との屈折率差を用いて光半導体層で発光した光を全反射させるものであることから、光半導体層の側面に絶縁膜を密着させておくことが必要となる。そのため、特許文献１に記載された発光素子は、時間の経過とともに、光半導体層と絶縁膜との密着性が低下し、両者の間に空隙が発生しやすくなる。そして、両者の間に空隙が発生すると、光半導体層で発光した光が光半導体層の側面にて反射されにくくなり、発光素子の光取り出し効率の低下を引き起こすおそれがあった。
【０００６】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、光取り出し効率を長期にわたって良好に維持することが可能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】
【０００７】
本発明の発光素子は、基板と、前記基板の上面の一部に設けられる光半導体層と、前記基板の上面であって、前記光半導体層から前記光半導体層で発光される光の波長以下の間隔を空けて配置された、フォトニック結晶構造を構成する複数の光学構造体とを備え、前記複数の光学構造体の上面の高さ位置が、前記光半導体層の上面の高さ位置と同じ、または前記光半導体層の上面の高さ位置よりも高いことを特徴とするものである。
【０００８】
また、本発明の発光素子は、上記構成において、前記光半導体層は、前記基板の上面と接する底面が前記光半導体層で発光される光の波長の寸法と同じ直径を有する円よりも大きいことを特徴とするものである。
【０００９】
また、本発明の発光素子は、上記各構成において、前記複数の光学構造体が、前記光半導体層を取り囲むように、前記光半導体層で発光される光の波長以下の間隔を開けてそれぞれ設けられていることを特徴とするものである。
【００１０】
さらに、本発明の発光素子は、上記各構成において、前記光半導体層は、複数の半導体層からなる積層体であって、前記複数の光学構造体は、前記光半導体層と同じ層構成を有
することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の発光素子によれば、光半導体層の周りにフォトニック結晶構造が形成されていることによって、光半導体層の側面に絶縁膜を設けなくても、光半導体層の発する光をフォトニック結晶で反射させることができ、光取り出し効率を長期にわたって良好に維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施形態に係る発光素子を実装した発光装置を示す図であり、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ´線で切断したときの断面図である。
【図２】本発明の実施形態に係る発光素子の斜視図である。
【図３】本発明の実施形態に係る発光素子の平面図である。
【図４】本発明の実施形態に係る発光素子の断面図であり、図２および３のＢ−Ｂ´線で切断したときの断面に相当する。
【図５】本発明の実施形態に係る発光素子の断面図であり、（ａ）は図２および３のＢ−Ｂ´線で切断したとき、（ｂ）は図２および３のＣ−Ｃ´線で切断したときの断面にそれぞれ相当する。
【図６】本発明の実施形態に係る発光素子の製造方法を説明するための断面図である。
【図７】本発明の実施形態に係る発光素子の製造方法を説明するための断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態について図を参照しながら説明する。なお、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の変更を施すことができる。
【００１４】
＜発光装置＞
図１（ａ）は本発明の実施形態に係る発光素子１を実装した発光装置２の斜視図、図１（ｂ）は図１（ａ）に示す発光装置２の断面図であり、図１（ａ）のＡ−Ａ´線で切断したときの断面に相当する。
【００１５】
発光装置２は、図１（ｂ）に示すように、配線導体３が設けられた実装基体４と、実装基体４上に実装された発光素子１と、を有している。
【００１６】
実装基体４は、例えばセラミックスから成る第１シート４ａおよび第２シート４ｂを積層した積層体によって形成されている。実装基体４は、具体的には、基体凹部５を形成するための貫通孔を有する第１シート４ａと、発光素子１が実装される搭載面６から引き出し面７までの電気的な導通をとるための配線導体３を有する第２シート４ｂとを貼り合わせることにより形成されている。
【００１７】
第１シート４ａおよび第２シート４ｂとして例えばセラミック材料を用いた場合は、配線導体３はタングステン、モリブデン、銅または銀などの金属材料からなるメタライズ配線によって形成される。そして、このような第１シート４ａおよび第２シート４ｂを高温で焼成することによって実装基体４が形成される。
【００１８】
発光素子１は、接合電極８を介して搭載面６上の配線導体３に実装されている。本実施形態においては、発光素子１が配線導体３にフリップチップ接続の配置で実装されていることから、発光素子１で発生した熱を効率よく実装基体１側に放熱させることができる。
【００１９】
接合電極８は、後述する発光素子１の第１電極層および第２電極層と配線導体３とを電気的に接続させるため、第１電極層と配線導体３の間および第２電極層と配線導体３の間に介在するように配置されている。
【００２０】
モールド樹脂９は、実装基体４に実装された発光素子１を被覆するように、実装基体４の基体凹部５に充填されている。モールド樹脂９としては、絶縁材料を用いることができる。このように発光素子１をモールド樹脂９によって被覆することにより、発光素子１を外部から電気的に絶縁することができ、発光装置２の信頼性を向上させることができる。
【００２１】
＜発光素子＞
次に、発光装置２に実装される発光素子１を、図面を参考にしつつ以下に詳細に説明する。
【００２２】
図２に、本実施形態に係る発光素子１の斜視図を示す。図３は、発光素子１を上方から平面視したときの図であり、Ｂ−Ｂ´線は図２のＢ−Ｂ´線に相当する。さらに、図４は図２に示す発光素子１の断面図であり、図２のＢ−Ｂ´線で切断したときの断面に相当する。
【００２３】
発光素子１は、図２に示すように、基板10と、基板10の上面10Ａの一部に設けられた光半導体層11と、基板10の上面10Ａに設けられたフォトニック結晶構造12を構成する、複数の光学構造体13とを有している。
【００２４】
基板10は、光半導体層11を結晶成長させることが可能な材料を用いることができ、例えばサファイア、窒化ガリウム、窒化アルミニウム、ホウ化ジルコニウムまたは酸化亜鉛などの結晶性材料から選択される。このような基板10は平面視形状を長方形状に形成されている。なお、基板10の平面視形状としては、例えば五角形状などの多角形状や円形状などに設定することができる。また、基板10の厚みは、例えば10μｍ以上1000μｍ以下に設定されている。本実施形態においては、基板10上に第１半導体層11ａを予め成長させたものを用いているが、以下の説明において、基板10と基板10上に予め形成された第１半導体層11ａとを総称して「基板10」とする。
【００２５】
光半導体層11で発光した光を基板10側から取り出す場合には、基板10の材料として、発光層11ｂで発光する光を50％以上透過させることができる透光性材料であるサファイアまたは窒化ガリウムを選択することにより、光取り出し効率をさらに向上させることができる。
【００２６】
基板10上には、図４に示すように、光半導体層11およびフォトニック結晶構造12が設けられている。
【００２７】
光半導体層11は、図４に示すように、基板10の上面10Ａの一部に設けられている。光半導体層11は、平面視形状が円形となるように形成されている。なお、光半導体層11の平面視形状としては、例えば四角形状または五角形状などの多角形状とすることができる。このような光半導体層11は、基板10の上面10Ａと接する底面が光半導体層11で発光される光の波長の寸法と同じ直径を有する円よりも大きく形成されている。本実施形態において光半導体層11の底面の直径は、100μｍ以下に設定されている。なかでも、光半導体層11が、光半導体層11で発光する光の波長の10倍以下で形成されている場合には、発光素子１から発光する光をシングルモードとすることができるので、光半導体層11から出射される面において全反射されにくくすることができる。その結果、光取り出し効率を向上させるとともに、光半導体層11から出射される光の指向性を向上させることができる。
【００２８】
光半導体層11は、第１半導体層11ａ、活性層11ｂおよび第２半導体層11ｃを順次積層することによって構成されている。なお、光半導体層11は、全体の厚みが例えば100ｎｍ以上10000ｎｍ以下で形成されている。また、光半導体層11の各層の屈折率は、窒化ガリウムを用いた場合には例えば1.80以上2.70以下に設定されている。
【００２９】
光半導体層11としては、III−Ｖ族半導体を用いることができる。III−Ｖ族半導体としては、III族窒化物半導体、ガリウム燐またはガリウムヒ素などを例示することができる。III族窒化物半導体としては、ボロン、アルミニウム、ガリウムまたはインジウムのうち少なくとも１つの窒化物からなる混晶を用いることができ、例えば窒化ガリウムを用いることができる。
【００３０】
第１半導体層11ａは、基板10の上面10Ａ上に設けられている。このような第１半導体層11ａは、窒化ガリウムにより設けられており、厚みが例えば１μｍ以上250μｍ以下に設定されている。
【００３１】
活性層11ｂは、第１半導体層11ａ上に設けられている。活性層11ｂは、禁制帯幅の広い障壁層と禁制帯幅の狭い井戸層とからなる量子井戸構造が複数回繰り返し規則的に積層された多層量子井戸構造（ＭＱＷ）を用いることができる。障壁層および井戸層としては、インジウムとガリウムの窒化物からなる混晶においてインジウムとガリウムの組成比を調整したものを用いることができる。このように構成された活性層11ｂは、例えば350ｎｍ以上600ｎｍ以下の波長の光を発光することができる。
【００３２】
第２半導体層11ｃは、活性層11ｂ上に設けられている。第２半導体層11ｃは、電子または正孔のどちらかを多数キャリアとすることによって、第１半導体層11ａとは逆導電型を呈するように設定されている。半導体層に導電型を付与する方法としては、例えばマグネシウムまたはシリコンを不純物として含ませる方法を用いることができる。
【００３３】
フォトニック結晶構造12は、基板10上に形成され、光半導体層11を取り囲むように配置された複数の光学構造体13から構成されている。ここでフォトニック結晶構造とは、屈折率の異なる３次元的な周期構造を作ることにより、この周期構造と同程度の波長を持つ電磁波に対して、特定の方向からは全反射され、その特定の方向と異なるにつれて透過しやすくなる結晶構造である。
【００３４】
本実施形態において、フォトニック結晶構造12は、複数の光学構造体13を周期を有するように配置することによって、発光素子１の周りの媒質と光学構造体13との異なる屈折率による周期構造で構成されている。本実施形態においては、複数の光学構造体13を平面視して正方格子状に配置させているが、一定面積当たりの複数の光学構造体13の密度を向上させるために複数の光学構造体13を三角格子状に配置させてもよい。このように構成されたフォトニック結晶構造12は、光半導体層11の側面方向の光を反射させやすくすることができる。
【００３５】
複数の光学構造体13は、基板10の上面10Ａに、光半導体層11から光半導体層11で発光される光の波長以下の間隔を空けて設けられている。光学構造体13の間隔は、光半導体層11で発光した光の波長の１／４以上１／２以下すなわち100ｎｍ以上200ｎｍ以下とすることにより、光半導体層11の側面方向の反射特性をさらに向上させることができる。具体的には、光半導体層11で発光した光の波長を400ｎｍとすると、複数の光学構造体13は、それぞれの間隔が例えば50ｎｍ以上600ｎｍ以下で配置される。ここで、光学構造体13の間隔とは、光学構造体13から隣接する光学構造体13までの間の距離を指す。
【００３６】
複数の光学構造体13は、光半導体層11の上面の高さ位置と同じとなるように設けられている。なお、光学構造体13の高さ位置は、光半導体層11の上面の高さ位置よりも高くなるように設けられていてもよい。さらに、複数の光学構造体13は、光半導体層11と同じ層構成によって形成されている。すなわち、光学構造体13は、第１半導体層11ａ、活性層11ｂおよび第２半導体層11ｃのそれぞれと対応する半導体層を有している。このような半導体層は、第１半導体層11ａ、活性層11ｂおよび第２半導体層11ｃと同じ材料構成および厚みを有している。
【００３７】
このように複数の光学構造体13が、光半導体層11を取り囲むとともに、光半導体層11と同じ高さで設けられていることから、光半導体層11で発光した光を、複数の光学構造体13からなるフォトニック結晶構造12で反射させることができる。そのため、光半導体層11で発光した光を、光半導体層11の側面方向に配置された複数の光学構造体13により反射させることができる。そのため、光半導体層11の周囲に絶縁膜などの反射材を直接設けた比較して、発光素子１の光取り出し効率の低下を長期にわたって良好に維持することができる。
【００３８】
また、光半導体層11の周囲に配置されたフォトニック結晶構造12によって光半導体層11で発光した光を反射させるため、光半導体層11の周囲に絶縁膜などの反射材を設けた場合と比較して、光半導体層11で発生した熱を効率よく逃がすことができる。
【００３９】
さらに、光半導体層11の側面を基板10の上面10Ａに対して傾斜させた場合には、光半導体層11の側面で反射された光を光半導体層11の厚み方向へ進むようにすることができ、発光素子１の光取り出し効率を向上させることができる。
【００４０】
このように形成された光半導体層11には、電圧を印加するための第１電極層14が第１半導体層11ａ上に、第２電極層15が第２半導体層11ｃ上に、それぞれ設けられている。これら２つの電極層の材料としては、例えば、アルミニウム、チタン、ニッケル、クロム、インジウム、錫、モリブデン、銀、金、タンタルまたは白金などの金属や、それらの金属を含む合金膜や、酸化錫、酸化インジウムまたは酸化インジウム錫などの酸化物などから選択される。また、このような２つの電極層は、それぞれ上記材質の中から選択した層を複数回積層しても構わない。さらに、光半導体層11で発光した光を基板10とは反対側から取り出す場合には、第２電極層15として、光半導体層11で発光した光の波長を透過しやすい透明電極を用いることが好ましい。
【００４１】
＜発光素子の製造方法＞
次に、本実施形態の発光素子１の製造方法を説明する。図５から図７は、発光素子１の製造方法を説明するための断面図であり、図２に示す発光素子１のＢ−Ｂ´線における断面に相当する部分を示している。
【００４２】
図５に示すように、光半導体膜16を基板10の上面10Ａに形成する。光半導体膜16は、基板10の上面10Ａに、第１半導体膜16ａ、活性膜16ｂ、第２半導体膜16ｃを順次積層することによって形成することができる。このような光半導体膜16は、有機金属気相成長法によって基板10の上面10Ａに成長させることができる。光半導体膜16を成長させる他の方法としては、例えば分子線エピタキシー法、ハイドライド気相成長法またはパルス・レーザ・デポジション法などを用いることができる。
【００４３】
次に、図６に示すように、このように形成した光半導体膜16の上面に、光半導体膜16の上面を露出させる複数の貫通部17´を有するレジストパターン17を形成する。このようなレジストパターン17としては、例えば酸化シリコンなどの酸化物、あるいは窒化シリコンなどの窒化物が用いられる。
【００４４】
その後、図７に示すように、レジストパターン17の貫通部17´により露出した光半導体膜16の上面から、光半導体膜16の厚み方向へエッチングすることによって、光半導体膜16の一部を除去して凹部18を形成する。光半導体膜16をエッチングする方法としては、ドライエッチングやウェットエッチングなどを用いることができる。
【００４５】
このようにして、光半導体層11と、光半導体層11の周囲に配置された複数の光学構造体13からなるフォトニック結晶構造12とを形成することができる。このように本実施形態においては、発光させる部分すなわち光半導体層11と、光半導体層11で発光した光を反射させる部分とが分離されているため、光半導体層自体をフォトニック結晶構造とする場合と比較して、光半導体層11がエッチングによって損傷を受けにくくすることができる。その結果、発光素子の発光波長の変化などを招きにくくすることができる。
【符号の説明】
【００４６】
１  発光素子
２  発光装置
３  配線導体
４  実装基体
４ａ  第１シート
４ｂ  第２シート
５  基体凹部
６  搭載面
７  引き出し面
８  接合電極
９  モールド樹脂
10  基板
10ａ  基板の上面
11  光半導体層
11ａ  第１半導体層
11ｂ  活性層
11ｃ  第２半導体層
12  フォトニック結晶構造
13  光学構造体
14  第１電極層
15  第２電極層
16  光半導体膜
16ａ  第１半導体膜
16ｂ  活性膜
16ｃ  第２半導体膜
17  マスクパターン
17´  貫通部
18  凹部
【図１】
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【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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