(57)【要約】【課題】発光素子を提供する。【解決手段】  本発明の発光素子は、光半導体層２と、光半導体層２で発光した光のピーク波長を長波長側に変換する波長変換層６と、を有する発光素子２０であって、光半導体層２と波長変換層６との間に設けられ、光半導体層２で発光した光を透過するとともに、波長変換層６でピーク波長が変換された光の一部を反射する第１中間層５と、光半導体層２と第１中間層５との間に設けられ、前記第１中間層との境界において、屈折角を入射角より小さくする第２中間層４と、を有する発光素子。を備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光半導体層と、前記光半導体層で発光した第１の光のピーク波長が長波長側にある第２の光に変換する波長変換層と、を有する発光素子であって、
前記光半導体層と前記波長変換層との間に設けられ、前記第１の光の一部を透過するとともに、前記波長変換層で第２の光の一部を反射する第１中間層と、
前記光半導体層と前記第１中間層との間に設けられ、前記第１中間層との境界において、屈折角を入射角より小さくする第２中間層と、を有する発光素子。
【請求項２】
前記第１中間層は、屈折率が異なる２以上の誘電体層を交互に積層した誘電体多層膜を有し、
前記誘電体層は、Ｔｉ，Ｔａ，Ａｌ，Ｍｇ，Ｓｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｙ，Ｔｈ，Ｓｃ，Ｎｄ，Ｎｂ，Ｎａから選ばれた酸化物、弗化物または窒化物からなり、前記誘電体層の膜厚が、λ／４ｎｄ（ただし、λは前記波長変換層により変化した波長、ｎｄはそれぞれの前記誘電体層の屈折率）である、請求項１に記載の発光素子。
【請求項３】
前記光半導体層は、複数の層を有し
前記第２中間層は、前記第２中間層と接する、前記光半導体層の層より屈折率の高い材料からなる請求項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、前記第２中間層と接する主面に凹凸を有する請求項１〜３のいずれかに記載の発光素子。
【請求項５】
前記第２中間層は、Ｔｉ，Ｔａ，Ａｌ，Ｍｇ，Ｓｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｙ，Ｔｈ，Ｓｃ，Ｎｄ，Ｎｂ，Ｎａから選ばれた酸化物、弗化物または窒化物からなる、請求項１〜４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、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光半導体上に、ピーク波長を変化させる波長変換層を設けた発光素子の開発が行われている。しかし、波長変換層において、ピーク波長の変化した光が光半導体に戻ることにより、光取り出し効率が低下しやすかった。
【０００３】
そこで、例えば特許文献１には、光半導体と波長変換層との間に、ピーク波長の変化した光が反射しやすい反射防止層を形成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２００８−１６６７８２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の構成では、反射防止層の透過率が、反射防止層に入射する光の角度によって変化するため、取り出し効率が低下していた。
【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、取り出し効率を向上させた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】
本発明にかかる発光素子は、光半導体層と、前記光半導体層で発光した光のピーク波長を長波長側に変換する波長変換層と、を有する発光素子であり、前記光半導体層と前記波長変換層との間に設けられ、前記光半導体層で発光した光を透過するとともに、前記波長変換層でピーク波長が変換された光の一部を反射する第１中間層と、前記光半導体層と前記第１中間層との間に設けられ、前記第１中間層との境界において、屈折角を入射角より小さくする第２中間層と、を備える。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の発光素子によれば、光半導体層と、波長変換層でピーク波長が変換された光の一部を反射する第１中間層と、の間に、光半導体層で発光した光を第１中間層で透過しやすい角度に変換する第２中間層を有することにより、取り出し効率を向上させることができる。
【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】図１に示す発光素子の変形例を示す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。
【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。なお、以下の実施形態で用いられる図は模式的なものであり、図面上の寸法比率は現実のものとは必ずしも一致していない。
【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。
【００１３】
本発明にかかる発光素子２０は、図２に示すように基板１、光半導体層２、第２中間層４、第１中間層５、波長変換層６を有している。
【００１４】
基板１は、光半導体層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）、二ホウ化ジルコニウム（ＺｒＢ２）などが挙げられる。本実施形態において、基板１はサファイアにより形成されている。基板１の厚みとしては、１００〜１０００μｍ程度である。基板１上における光半導体層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】
光半導体層２は、基板１の第１主面１Ａに形成され、第１半導体層２ａと発光層２ｂと第２半導体層２ｃとから構成されている。第１半導体層２ａ、発光層２ｂおよび第２半導体層２ｃとしては、ＩＩＩ−Ｖ族半導体やＩＩ−ＶＩ族半導体を用いることができる。具体的なＩＩＩ−Ｖ族半導体としては、ＩＩＩ族窒化物半導体、ガリウム燐（ＧａＰ）、ガリウムヒ素（ＧａＡs)、ＩＩ−ＶＩ族半導体は酸化亜鉛（ＺｎＯ）などを例示することができる。さらに、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Ａｌｘ１Ｇａ（１−ｘ１−ｙ１）Ｉｎｙ１Ｎ（０≦ｘ１≦１、０≦ｙ１≦１、０≦ｘ１＋ｙ１≦１）と表すことができる。
【００１６】
また、光半導体層２は、一導電型としてｎ型半導体の性質を示す第１半導体層２ａと、発光層２ｂと、逆導電型としてｐ型半導体の性質を示す第２半導体層２ｃとが、順次基板１の第１主面１Ａに形成された積層構造を有している。本実施形態において、第１半導体層２ａおよび第２半導体層２ｃはＩＩＩ族窒化物半導体であるＧａＮにより形成されている。
【００１７】
ＧａＮからなる第１半導体層２ａをｎ型ＧａＮとするには、例えば元素周期律表においてＩＶ族の元素であるシリコン（Ｓｉ）などをドーパントとして層中に混入させればよい。第１半導体層２ａの厚みは、例えば２〜３μｍである。また、ＧａＮからなる第２半導体層２ｃをｐ型ＧａＮとするには、例えば元素周期律表においてＩＩ族の元素であるマグネシウム（Ｍｇ）などをドーパントとして層中に混入させればよい。なお、第２半導体層２ｃの厚みは、例えば２００〜５００ｎｍである。
【００１８】
発光層２ｂは、第１半導体層２ａと第２半導体層２ｃとの間に設けられている。発光層２ｂは、禁制帯幅の広い障壁層と禁制帯幅の狭い井戸層（図示せず）とからなる量子井戸構造が複数回（例えば、２〜１０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、前述の障壁層としては、Ｉｎ０．０１Ｇａ０．９９Ｎ層などが例示できる。また、前述の井戸層としては、Ｉｎ０．１１Ｇａ０．８９Ｎ層などが例示できる。この場合、障壁層の厚みは例えば５〜１５ｎｍ、井戸層の厚みは例えば２〜１０ｎｍに設定でき、発光層２ｂ全体の厚みは例えば２５〜１５０ｎｍである。また、このように構成された発光層２ｂでは、３６０〜４５０ｎｍの波長の光を発光する。
【００１９】
このような光半導体層２の第２半導体層２ｃの主面２ＡにはＩＴＯからなる透明電極３が形成されている。このように第２半導体層２ｃの主面２Ａに透明電極３を設けることによって、電気抵抗の高い第２半導体層２ｃに対し、透明電極３と接する第２半導体層２ｃの主面２Ａ全体に電流を流すことができる。そのため、電極のみで部分的に第２半導体層２ｃへ電流を流した場合と比較して、光半導体層２の面内での発光強度のバラツキを緩和することができる。
【００２０】
このように形成された光半導体層２の第１半導体層２ａには第１半導体層２ａと電気的に接続される第１電極７が設けられ、第２半導体層２ｃ上に設けられた透明電極３には透明電極３と電気的に接続される第２電極８が設けられている。
【００２１】
第１電極７および第２電極８としては、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、第１電極７および第２電極８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。また、例えば第１電極７に金（Ａｕ）を用いた場合には、第１電極７と第１半導体層２ａとの間にオーミックコンタクト層としてアルミニウム（Ａｌ）を間に介在させたチタン（Ｔｉ）を設けることができる。さらに、第２電極８に金（Ａｕ）を用いた場合には、第２電極８と第２半導体層２ｃとの間にオーミックコンタクト層としてニッケル（Ｎｉ)を設けることができる。なお、第１電極７は、基板１が導電性を有する場合、基板１の光半導体層２と反対側すなわち第２主面１Ｂに設けてもよい。
【００２２】
このように形成された透明電極３上に第２中間層４、第１中間層５、波長変換層６が順次形成されている。
【００２３】
第２中間層４は、透明電極３の屈折率より高い材料で形成されている。このように透明電極３の屈折率より高い材料で第２中間層４が形成されていることにより、図２に示すように、光半導体層２で発光した光の光線１０が透明電極３の主面３Ａを通過する際に、主面３Ａにおいて光線の入射角より屈折角を小さくすることができる。さらに、透明電極３の主面３Ａで全反射されていた光を少なくすることができる。
【００２４】
ここで、本明細書でいう「入射角」とは、光線が入射するとき、入射方向と境界面の法線とがなす角度を指す。具体的に、入射角は、透明電極３の主面３Ａに光半導体層２で発光した光の光線１０が入射した場合を例示すると、光線１０が透明電極３の主面３Ａに入射する入射方向と、光線１０と接する主面３Ａと垂直な直線１３と、がなす角度１２をいう。また、本明細書でいう「屈折角」とは、二つの媒質の境界面で屈折するとき、境界面に立てた法線と、屈折後の進行方向とのなす角を指す。具体的に、屈折角は、光半導体層２で発光した光の光線１０が透明電極３の主面３Ａから第２中間層４へ屈折して通過する場合を例示すると、透明電極３を通過して第２中間層４に進んだ光線１０の進行方向と、光線１０と接する主面３Ａと垂直な直線１３と、がなす角度１１をいう。
【００２５】
本実施形態のように発光層２ｂで発光する光の波長が３６０〜４５０ｎｍの場合、透明電極３の屈折率は１．９０〜２．００となるため、第２中間層４の材料としては、ＴｉＯ（屈折率  約２．３０〜２．５５），ＴｉＯ２（屈折率  約２．３０〜２．５５），Ｔａ２Ｏ５（屈折率  約２．２５〜２．３０），ＺｎＯ（屈折率  約２．１０），Ｎｂ２Ｏ５（屈折率  約２．３３），ＨｆＯ２（屈折率  約１．９５〜２．１５），ＺｒＯ２（屈折率  約１．８０〜２．０５）などを用いることができる。また、第２中間層４としては、透明電極３の屈折率より高い材料を用いることができ、具体的にはＴｉ，Ｔａ，Ａｌ，Ｍｇ，Ｓｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｙ，Ｔｈ，Ｓｃ，Ｎｄ，Ｎｂ，Ｎａから選ばれた酸化物、弗化物または窒化物などを用いることができる。
【００２６】
さらに、この第２中間層４上に第１中間層５である反射防止層と波長変換層６とが設けられている。
【００２７】
第１中間層５である反射防止層は、第２中間層４上に設けられ、光半導体層２で発光した第１の光のピーク波長を透過させるとともに、波長変換層６でピーク波長が変換された第２の光の一部を反射する。なお、このような反射防止層は、第１の光のピーク波長が第２の光のピーク波長より透過しやすく形成されていればよい。具体的には、第１の光のピーク波長における強度が第２の光のピーク波長における強度より小さくなるように形成されている。このように、波長変換層６でピーク波長が変換された第２の光の一部を反射することができるため、第２の光が光半導体２の方へ透過しにくくなり、光半導体２の劣化などを招きにくくすることができる。なお、本明細書でいう「ピーク波長」とは、光の波長を基準にした強度のスペクトルのうち強度が最も高くなる波長を指す。
【００２８】
また、第１中間層５は、屈折率が異なる２以上の誘電体層を交互に積層した誘電体多層膜から構成されていることが好ましい。このような誘電体多層膜を構成する誘電体層は、例えば、Ｔｉ，Ｔａ，Ａｌ，Ｍｇ，Ｓｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｙ，Ｔｈ，Ｓｃ，Ｎｄ，Ｎｂ，Ｎａから選ばれた酸化物、弗化物または窒化物からなり、誘電体層の膜厚が、λ／４ｎｄ（ただし、λは波長変換層により変化した波長、ｎｄはそれぞれの誘電体層の屈折率）となるように構成されている。このような構成を有する誘電体多層膜は、誘電体多層膜に入射する光線と接する主面３Ａと垂直な直線と入射光の入射角が小さい程、光の透過率が良くなるという性質を有する。
【００２９】
さらに、第２中間層４は、第１中間層５より小さな屈折率を有する材料で形成することが好ましい。このように第１中間層５よりも小さな屈折率を有することから、第２中間層４から第１中間層５へ入る光を全反射されにくくすることができる。そのため、より多くの光を外部へ取り出すことができる。なお、第１中間層５が上述のように誘電体多層膜で形成されている場合、複数の誘電体層のうち第２中間層４と接する層の屈折率より小さく形成されていれば良い。
【００３０】
さらに、第１中間層５上には波長変換層６が設けられている。このような波長変換層６は、光半導体層２で発光した第１の光のピーク波長を、第１の光のピーク波長と異なるピーク波長を有する光に変換する機能を有する。波長変換層６としては、例えばＹ、Ｌｕ、Ｓｃ、Ｌａ、Ｇｄ及びＳｍのうち少なくとも１つの元素とＡｌ、Ｇａ及びＩｎのうち少なくとも１つの元素とを含み且つＣｅで付活されたガーネット系蛍光体、Ｅｕ及び／又はＣｒで付活された窒素含有ＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３−ＳｉＯ２蛍光体などを用いることができ、具体的にはイットリウム・アルミニウム・ガーネット系蛍光体（ＹＡＧ）などが用いることができる。
【００３１】
なお、第２中間層４の屈折率を確認する方法としては、例えば、プリズムカップリング法、臨界角法、エリプソメトリー法などを用いることができる。
【００３２】
さらに、発光素子２０を保護層により封止してもよい。具体的には、シリコーン樹脂などを用いることができる。本実施形態では、シリコーン樹脂の屈折率が１．４〜１．７のものを用いることができる。
【００３３】
また、本実施形態では、基板１をパッケージ側に配置して発光素子２０をパッケージ等に実装する場合について述べたが、発光素子２０をパッケージにフリップチップで実装してもよい。発光素子２０をフリップチップでパッケージに実装した場合、第２中間層４、第１中間層５、波長変換層６は基板１の主面１Ｂに順次形成することができる。
【００３４】
（変形例）
次に、本実施形態の変形例にかかる発光素子２０を図３に示す。この変形例にかかる発光素子２０は、第２半導体層２ｃの主面２Ａに粗面を設けている。第２半導体層２ｃの主面２Ａに粗面を設けることによって、第２半導体層２ｃに入る光をランダムに散乱させることができるため、統計的に第２中間層４に入射する光線の量を増やすことができる。その結果、第２半導体層２ｃの主面２Ａを粗面にしない場合と比較して、より多く光を取り出すことができる。
【００３５】
また、本実施形態のように第２半導体層２ｃ上に、第２半導体層２ｃより屈折率の小さいＩＴＯからなる透明電極３を有する場合、透明電極３の主面３Ａを粗面にすることが好ましい。このように、第２中間層４より屈折率の小さい透明電極３を粗面にすることによって、透明電極３と第２中間層４との境界で全反射を統計的に少なくすることができる。
【符号の説明】
【００３６】
１  基板
２  光半導体層
２ａ  第１半導体層
２ｂ  発光層
２ｃ  第２半導体層
３  透明電極
４  第２中間層
５  第１中間層
６  波長変換層
７  第１電極
８  第２電極
２０  発光素子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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