(57)【要約】【課題】大型化することなく、複数の波長の光を発光させることの可能な半導体発光素子を提供する。【解決手段】発光波長に対して透明な波長変換基板１２上に発光部３０を備え、発光部３０で発生した光を波長変換基板１２側から射出する。波長変換基板１２は基板１０（サファイア基板）の上に突状の複数の波長変換部１１を有している。波長変換部１１は、例えばＳｉＯ2 （酸化シリコン）からなる媒質部分１３の内部に例えば１または複数の希土類元素を含んで構成された変換粒子１４を分散したものである。発光領域１９Ａからの発光光のうち波長変換部１１に入射した光は、波長変換部１１の内部の変換粒子１４によって波長変換されたのち、基板１０側から射出される。これにより複数の波長の光が半導体発光素子から射出される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光波長に対して透明な基板、および前記基板の表面に設けられると共に内部に複数の変換粒子が分散された突状の１または複数の波長変換部を有する波長変換基板と、
前記波長変換基板上に設けられると共に活性層を含み、前記活性層からの発光光を前記基板側に導く発光部と
を備えたことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
前記変換粒子は発光波長に相当するエネルギーより小さなバンドギャップの物質よりなる
ことを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記変換粒子は１または複数の希土類元素を含んで構成される
ことを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記波長変換部は、台形状，半球状または三角形状の断面を有する
ことを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項５】
活性層を含む発光部が表面に形成されると共に、前記活性層からの発光光を所定の波長の光に変換する波長変換基板であって、
発光波長に対して透明な基板と、
前記基板の表面に設けられると共に内部に複数の変換粒子が分散された突状の１または複数の波長変換部と
を備えたことを特徴とする波長変換基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は基板側から光を射出する半導体発光素子、およびこれに用いる波長変換基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
発光ダイオード（ＬＥＤ；Light Emitting Diode）等の半導体発光素子は、その発光原理上、半導体のバンドギャップのエネルギーに相当する波長の光、すなわち単一波長の光（単色光）を発光する。そのため、例えば、色補正や、混色など、異なる波長の光が必要な場合は、バンドギャップの異なる半導体材料からなる半導体発光素子を別個に設けたり、半導体発光素子の射出窓を覆うモールドを設けてそのモールド内に無機顔料および有機顔料などの着色剤や、希土類元素などの蛍光体を添加する方策が考えられる（特許文献１）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−３６３６３５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、上記の方策では、複数の波長の光を発光させるためには、別個の半導体発光素子やモールドを設けることが必要となるので、占有体積が増加し、大型化してしまうという問題があった。
【０００５】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、大型化することなく、複数の波長の光を発光させることの可能な半導体発光素子、およびこれに用いる波長変換基板を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の波長変換基板は、発光波長に対して透明な基板の表面に突状の１または複数の波長変換部を有するものであり、その波長変換部の内部には複数の変換粒子が分散されている。本発明の半導体発光素子は、この波長変換基板上に、活性層を含み活性層からの発光光を基板側に導くための発光部を備えている。
【０００７】
この半導体発光素子では、活性層からの発光光のうち波長変換部に入射した光は、波長変換部の内部の変換粒子によって波長変換されたのち、基板側から射出される。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の半導体発光素子によれば、基板上に、内部に複数の変換粒子が分散された波長変換部を設けるようにしたので、活性層で発光したときの波長の光と、波長変換部において変換された波長の光との複数の波長の光が基板側から外部に射出される。そのため、わざわざ別個の半導体発光素子やモールドを設ける必要がなくなる。これより、大型化することなく、複数の波長の光を発光させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１０】
図１は本発明の一実施の形態に係る発光ダイオード（ＬＥＤ）１の断面構造を表すものである。この発光ダイオード１は、波長変換基板１２上に発光部３０を設けたものであり、図２はその波長変換基板１２のみを抜き出して斜視的に表している。なお、図１および図２は模式的に表したものであり、実際の寸法、形状とは異なっている。
【００１１】
波長変換基板１２は、基板１０、例えばサファイア基板の一面側に断面台形状の複数の波長変換部１１を周期的に形成したものである。ここでは各波長変換部１１は基板１０の〈１−１００〉方向に帯状に延在している。
【００１２】
基板１０は、波長変換部１１の形成されている表面（主面）がｃ面となっており、そのｃ面は平坦面となっている。なお、波長変換部１１はｃ面以外の他の面に形成されていてもよい。また、この基板１０は、発光部３０から発生する光や、後述のように波長変換部１１により波長変換された光などの、基板１０側に向かう複数波長の発光光に対して透明であればよく、サファイア以外の材料、例えばＧａＮ（窒化ガリウム）により構成されていてもよい。
【００１３】
波長変換部１１は、例えば上底の幅が２μｍ、高さが１μｍの台形状の断面を有しており、隣り合う波長変換部１１とは、例えば２μｍの間隙を有する。波長変換部１１は媒質部分１３中に複数の変換粒子１４を分散したものであり、発光部３０から発生する光はこの波長変換部１１を透過する際にその斜面で屈折したり、内部の変換粒子１４によって波長変換されるようになっている。
【００１４】
なお、波長変換部１１は台形状の他、例えば、図３に示したような半球形状の断面を有するものであってもよく、また、図４に示したような三角形状の断面を有するものであってもよい。このように、傾斜面の面積を多く設けることにより、傾斜面で屈折した発光光が射出窓に対して臨界角未満で入射する割合が多くなり、光抽出効率を向上させることができる。
【００１５】
媒質部分１３は、基板１０側に向かう複数波長の発光光を透過させる材料、例えば、ＳｉＯ2 、ＴｉＯ2 、Ｓｂ2 Ｏ3 、ＣａＯまたはＩｎ2 Ｏ3 よりなる。変換粒子１４は、発光部３０から発生する光の発光波長に相当するエネルギーより小さなバンドギャップの物質であり、例えば、１または複数の希土類元素を含んで構成される。ここで、希土類元素とは、原子番号２１のＳｃ（スカンジウム）、原子番号３９のＹ（イットリウム）および原子番号５７のＬａ（ランタン）から原子番号７１のＬｕ（ルテチウム）の範囲内の元素のことであり、これら希土類元素に由来したイオンは、以下の表に一例として示したように、発光部３０から発生する光を波長変換することが可能である。
【００１６】
【表１】
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【００１７】
以上の波長変換基板１２上に設けられた発光部３０は、例えばＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体の積層構造により形成されたものである。ここでいうＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体とは、ガリウム（Ｇａ）と窒素（Ｎ）とを含んだ窒化ガリウム系化合物のことであり、例えばＧａＮ，ＡｌＧａＮ（窒化アルミニウム・ガリウム），あるいはＡｌＧａＩｎＮ（窒化アルミニウム・ガリウム・インジウム）などが挙げられる。これらは、必要に応じてＳｉ（シリコン），Ｇｅ（ゲルマニウム），Ｏ（酸素），Ｓｅ（セレン）などのＩＶ族およびＶＩ族元素からなるｎ型不純物、または、Ｍｇ（マグネシウム），Ｚｎ（亜鉛），Ｃ（炭素）などのＩＩ族およびＩＶ族元素からなるｐ型不純物を含有している。
【００１８】
具体的に、発光部３０は、ｎ型ＧａＮ層１５，ｎ型ＧａＩｎＮ層１６，ｎ型ＧａＮ層１７，ｎ型ＧａＩｎＮ層１８，活性層１９，ｐ型ＧａＩｎＮ層２０，ｐ型ＡｌＩｎＮ層２１，ｐ型ＧａＮ層２２およびｐ型ＧａＩｎＮ層２３をこの順に積層して構成されたものである。ここで、活性層１９のうち、後述のｐ側電極２５およびｎ側電極２６により電流注入されることにより発光する領域を発光領域１９Ａと称する。なお、以下、上記発光部３０を積層した方向を縦方向、発光光の射出方向を軸方向、軸方向と縦方向とに垂直な方向を横方向と称する。
【００１９】
なお、ｎ型ＧａＮ層１５は、波長変換基板１２の表面の波長変換部１１が形成されていない領域、すなわち波長変換部１１間の領域に、主面に対して傾斜したファセット面（  （１−１０１）面）を斜面に有する二等辺三角柱状の結晶（種結晶）を形成したのち、横方向成長が支配的となる成長条件により形成されたものである。これにより発光部３０と波長変換基板１２との間に隙間ができたり、発光部３０中に高結晶欠陥が広範囲に広がることがなくなるので、欠陥密度が極めて小さくなり、その結果、内部量子効率を大幅に向上させることができる。
【００２０】
発光部３０には、ｐ型ＧａＩｎＮ層２３が形成されたのち、例えばＲＩＥ（Reactive Ion Etching：反応性イオンエッチング）により、ｐ型ＧａＩｎＮ層２３，ｐ型ＧａＮ層２２，ｐ型ＡｌＩｎＮ層２１，ｐ型ＧａＩｎＮ層２０，活性層１９，ｎ型ＧａＩｎＮ層１８およびｎ型ＧａＮ層１７まで選択的にエッチングすることによりリッジ部２４が形成されている。
【００２１】
また、この発光部３０には、リッジ部２４の上面、すなわち、ｐ型ＧａＩｎＮ層２３の表面にｐ側電極２５が形成されており、一方、ｎ型ＧａＩｎＮ層１６のうち露出している表面にｎ側電極２６が形成されている。ｐ側電極２５は、例えば、Ｔｉ（チタン）層，Ｐｔ（白金）層およびＡｕ（金）層をｐ型ＧａＩｎＮ層２３の表面にこの順に積層した構造を有しており、ｐ型ＧａＩｎＮ層２３と電気的に接続されている。また、ｎ側電極２６は、例えば、ＡｕとＧｅ（ゲルマニウム）との合金層，Ｎｉ（ニッケル）層およびＡｕ層とをこの順に積層した構造を有しており、ｎ型ＧａＩｎＮ層１６と電気的に接続されている。
【００２２】
このような構成を有する発光ダイオード１は、例えば次のようにして製造することができる。
【００２３】
まず、基板１０の表面に、例えば、ＳｉＯ2 中にＴｂ（テルビウム）を分散した波長変換層１１Ａを、例えば、イオン注入法、または、同時スパッタ法を用いて形成する。
【００２４】
イオン注入法では、ＳｉＯ2 を成膜したのち、ＳｉＯ2 表面から１０ｎｍの深さまでの範囲内でＴｂの濃度が最大となるように加速エネルギーを１０ｋｅＶに設定して、ＴｂをＳｉＯ2 に注入する。Ｔｂの濃度は、１×１０11個／ｃｍ２以上１×１０15個／ｃｍ２以下であることが好ましく、１×１０12個／ｃｍ２以上１×１０14個／ｃｍ２以下であることがより好ましい。このようにして、図５（Ａ）に示したように、波長変換層１１Ａを形成する。
【００２５】
一方、同時スパッタ法では、例えば、Ａｒ（アルゴン）の流量を２０ｓｃｃｍ、圧力を１×１０-4Ｐａ、ＲＦパワーを５００Ｗとする条件下において、ＳｉＯ2 ターゲット上に複数のＴｂ4 Ｏ7 タブレットを配置し、ＳｉＯ2 ターゲットおよびＴｂ4 Ｏ7 タブレットをＡｒで同時にスパッタする。このようにして、図５（Ａ）に示したように、波長変換層１１Ａを形成する。
【００２６】
なお、プラズマＣＶＤ法および同時スパッタ法のいずれにおいても、発光ダイオード１の用途に応じて波長変換層１１Ａの膜厚や組成が変わるので、各用途に応じて上記成膜条件を変更すればよい。
【００２７】
波長変換層１１Ａを形成したのち、図５（Ｂ）に示したようにマスク層Ｍを形成し、波長変換層１１Ａを選択的にエッチングして帯状の領域を周期的に形成する。これにより、図５（Ｃ）に示したように、複数の波長変換部１１を有する波長変換基板１２が形成される。
【００２８】
次に、この波長変換基板１２上に発光部３０を形成する。すなわち、まず、波長変換基板１２の波長変換部１１間の領域に、主面に対して傾斜したファセット面（（１−１０１）面）を斜面に有する二等辺三角柱状の結晶（種結晶）（図示せず）を形成したのち、横方向成長によりｎ型ＧａＮ層１５を形成する。続いて、このｎ型ＧａＮ層１５上に、ｎ型ＧａＩｎＮ層１６，ｎ型ＧａＮ層１７，ｎ型ＧａＩｎＮ層１８，活性層１９，ｐ型ＧａＩｎＮ層２０，ｐ型ＡｌＩｎＮ層２１，ｐ型ＧａＮ層２２およびｐ型ＧａＩｎＮ層２３をこの順に積層する。なお、各層の成長方法としては、例えば、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition ；有機金属化学気相成長）法を用い、ドナー不純物の原料としては、例えばセレン化水素（Ｈ2 Ｓｅ）を用い、アクセプタ不純物の原料としては、例えばジメチル亜鉛（ＤＭＺｎ）を用いる。
【００２９】
次に、ＲＩＥ法を用いて、上記積層構造をｐ型ＧａＩｎＮ層２３から選択的にエッチングすることによりリッジ部２４を形成したのち、リッジ部２４の上面（ｐ型ＧａＩｎＮ層２３の表面）にｐ側電極２５を形成すると共に、ｎ型ＧａＩｎＮ層１６の露出面にｎ側電極２６を形成する。このようにして本実施の形態の発光ダイオード１が製造される。
【００３０】
次に、本実施の形態の発光ダイオード１の作用・効果について説明する。
【００３１】
本実施の形態の発光ダイオード１では、ｐ側電極２５とｎ側電極２６との間に所定の電圧が印加されると、ｎ側電極２６から電子が、ｐ側電極２５から正孔がそれぞれ活性層１９へ注入される。そして、この活性層１９に注入された電子と正孔が再結合することにより発光領域１９Ａから光子が発生し、その結果、発光光が基板１０の裏面側に向かって発光する。
【００３２】
このとき、発光領域１９Ａからの発光光のうち波長変換部１１に入射した光は、波長変換部１１の内部の変換粒子１４によって波長変換されたのち、基板１０側から射出される。一方、発光領域１９Ａからの発光光のうち波長変換部１１に入射せずに直接基板１０に到達した光は、波長変換されることなく基板１０側から射出される。
【００３３】
このように、本実施の形態の発光ダイオード１では、基板１０上に波長変換部１１を設けると共に波長変換部１１内に複数の変換粒子１４を分散させるようにしたので、発光領域１９Ａで発光したときの波長の光と、波長変換部１１において変換された波長の光との複数の波長の光が基板１０側から外部に射出される。そのため、わざわざ別個の発光ダイオードやモールドを設ける必要がなくなる。これより、大型化することなく、複数の波長の光を発光させることができる。
【００３４】
以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、種々変形可能である。
【００３５】
例えば、上記実施の形態では、媒質部分１３中に複数の変換粒子１４を分散した波長変換部１１を備えていたが、図６に示したように、媒質部分３３Ａ中に複数の変換粒子３４Ａを分散した第１層３１Ａ上に、媒質部分３３Ａと同一または別個の材料からなる第２層３１Ｂを積層した波長変換部３１を備えていてもよいし、図７に示したように、後述の媒質部分４３Ｂと同一または別個の材料からなる第１層３１Ａ上に、媒質部分４３Ｂ中に複数の変換粒子４４Ｂを分散した第２層４１Ｂを積層した波長変換部４１を備えていてもよいし、図８に示したように、媒質部分３３Ａ中に複数の変換粒子３４Ａを分散した第１層３１Ａ上に、媒質部分４３Ｂ中に複数の変換粒子４４Ｂを分散した第２層４１Ｂを積層した波長変換部５１を備えていてもよい。
【００３６】
また、上記実施の形態では、基板１０の表面は平坦面であったが、図９、図１０、図１１および図１２に示したように、基板１０の表面のうち互いに隣り合う波長変換部１１，３１，４１，５１間の領域に溝が形成されていてもよい。また、発光部３０はＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体に限らず、他の材料系により構成することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の一実施の形態に係る発光ダイオードの断面構成図である。
【図２】サファイア基板および波長変換部の斜視図である。
【図３】波長変換部の一変形例を表す断面構成図である。
【図４】波長変換部の他の変形例を表す断面構成図である。
【図５】発光ダイオードの製造工程を説明するための断面構成図である。
【図６】波長変換部の他の変形例を表す断面構成図である。
【図７】波長変換部の他の変形例を表す断面構成図である。
【図８】波長変換部の他の変形例を表す断面構成図である。
【図９】波長変換基板の一変形例を表す断面構成図である。
【図１０】波長変換基板の他の変形例を表す断面構成図である。
【図１１】波長変換基板の他の変形例を表す断面構成図である。
【図１２】波長変換基板の他の変形例を表す断面構成図である。
【符号の説明】
【００３８】
１…発光ダイオード、１０…基板（サファイア基板）、１１…波長変換部、１１Ａ…波長変換層、１２…波長変換基板、１３…媒質部分、１４…変換粒子、１５…ｎ型ＧａＮ層、１６…ｎ型ＧａＩｎＮ層、１７…ｎ型ＧａＮ層、１８…ｎ型ＧａＩｎＮ層、１９…活性層、１９Ａ…発光領域、２０…ｐ型ＧａＩｎＮ層、２１…ｐ型ＡｌＩｎＮ層、２２…ｐ型ＧａＮ層、２３…ｐ型ＧａＩｎＮ層、２４…リッジ部、２５…ｐ側電極、２６…ｎ側電極２６、３０…発光部。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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