(57)【要約】【課題】  発光ダイオードなどの発光装置において、半導体発光素子の表面に屈折率傾斜を有する光透過層を設けて、全反射による発光量の損失を低減する。【解決手段】  サファイア基板２の上にＧａ−Ｎを主体として半導体発光素子１０と電極３，４が設けられている。半導体発光素子１０の表面には、光透過層２０が設けられている。この光透過層２０はＣＶＤ法で形成され、光透過層２０の内部では、半導体発光素子１０に近づくにしたがって、酸素の濃度が減少し、且つ窒素の濃度が上昇している。よって、光透過層２０は、半導体発光素子１０から離れるにしたがって、屈折率が徐々に小さくなっている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体発光素子と、前記半導体発光素子に通電する電極と、前記半導体発光素子の発光側を覆う光透過層と、を有する発光装置において、
前記光透過層は、窒素（Ｎ）と、珪素（Ｓｉ）と、酸素（Ｏ）とを含み、前記光透過層の内部では、前記半導体発光素子に向かうにしたがって酸素濃度が低くなり且つ前記半導体発光素子に向かうにしたがって窒素の濃度が高くなり、
前記光透過層の屈折率が、前記半導体発光素子に向かうにしたがって高くなっていることを特徴とする発光装置。
【請求項２】
半導体発光素子と、前記半導体発光素子に通電する電極と、前記半導体発光素子の発光側を覆う光透過層と、を有する発光装置において、
前記光透過層は、窒素（Ｎ）と、珪素（Ｓｉ）とを含み、前記光透過層の内部では、前記半導体発光素子に向かうにしたがって、珪素に対する窒素の相対濃度が低くなり、
前記光透過層の屈折率が、前記半導体発光素子に向かうにしたがって高くなっていることを特徴とする発光装置。
【請求項３】
半導体発光素子と、前記半導体発光素子に通電する電極と、前記半導体発光素子の発光側を覆う光透過層と、を有する発光装置において、
前記光透過層は、窒素（Ｎ）と、珪素（Ｓｉ）と、酸素（Ｏ）とを含み、前記光透過層の内部では、前記半導体発光素子に向かうにしたがって酸素濃度が低くなり且つ前記半導体発光素子に向かうにしたがって窒素の濃度が高くなり、酸素濃度が低下した後に、前記半導体発光素子に向かうにしたがって、珪素に対する窒素の相対濃度が低くなり、
前記光透過層の屈折率が、前記半導体発光素子に向かうにしたがって高くなっていることを特徴とする発光装置。
【請求項４】
半導体発光素子と、前記半導体発光素子に通電する電極と、前記半導体発光素子の発光側を覆う光透過層と、を有する発光装置において、
前記光透過層は、透明な合成樹脂内に、前記合成樹脂よりも屈折率が高く且つ透明で平均粒径が１００ｎｍ以下の粒子が混入されたものであり、合成樹脂内での前記粒子の相対量が前記半導体発光素子に向かうにしたがって多くなり、
前記光透過層の屈折率が、前記半導体発光素子に向かうにしたがって高くなっていることを特徴とする発光装置。
【請求項５】
前記粒子が酸化チタンである請求項４記載の発光装置。
【請求項６】
前記光透過層内では、屈折率が連続的に変化している請求項１ないし５のいずれかに記載の発光装置。
【請求項７】
前記半導体発光素子は、窒化ガリウム（Ｇａ−Ｎ）またはこの窒化ガリウムに他の元素が含まれたものである請求項１ないし６のいずれかに記載の発光装置。
【請求項８】
半導体発光素子と、前記半導体発光素子に通電する電極と、前記半導体発光素子の発光側を覆う光透過層と、を有する発光装置の製造方法において、
前記半導体発光素子の発光側に、窒素（Ｎ）と、珪素（Ｓｉ）と、酸素（Ｏ）とを含む前記光透過層を形成し、
前記半導体発光素子側から前記光透過層が堆積されていくのにしたがって、窒素の量を徐々に減らし、且つ酸素の量を徐々に増やし、
前記半導体素子から離れるにしたがって屈折率が低くなる前記光透過層を形成することを特徴とする発光装置の製造方法。
【請求項９】
半導体発光素子と、前記半導体発光素子に通電する電極と、前記半導体発光素子の発光側を覆う光透過層と、を有する発光装置の製造方法において、
前記半導体発光素子の発光側に、窒素（Ｎ）と、珪素（Ｓｉ）とを含む前記光透過層を形成し、
前記半導体発光素子側から前記光透過層が堆積されていくのにしたがって、珪素に対する窒素の相対量を徐々に増やし、
前記半導体素子から離れるにしたがって屈折率が低くなる前記光透過層を形成することを特徴とする発光装置の製造方法。
【請求項１０】
半導体発光素子と、前記半導体発光素子に通電する電極と、前記半導体発光素子の発光側を覆う光透過層と、を有する発光装置の製造方法において、
前記半導体発光素子の発光側に、窒素（Ｎ）と、珪素（Ｓｉ）と、酸素（Ｏ）とを含む前記光透過層を形成し、
前記半導体発光素子側から前記光透過層が堆積されていくのにしたがって、珪素に対する窒素の相対量を徐々に増やし、その後、窒素の量を徐々に減らし且つ酸素の量を徐々に増やし、
前記半導体素子から離れるにしたがって屈折率が低くなる前記光透過層を形成することを特徴とする発光装置の製造方法。
【請求項１１】
前記光透過層を化学気相成長法（ＣＶＤ）で形成し、前記光透過層を形成する元素を含む原料ガスの供給量を可変することで、前記半導体素子から離れるにしたがって屈折率が低くなる前記光透過層を形成する請求項８ないし１０のいずれかに記載の発光装置の製造方法。
【請求項１２】
半導体発光素子と、前記半導体発光素子に通電する電極と、前記半導体発光素子の発光側を覆う光透過層と、を有する発光装置の製造方法において、
透明な合成樹脂と、この合成樹脂よりも屈折率が高く且つ透明で平均粒径が１００ｎｍ以下の粒子とが混合された混合流体を、前記半導体発光素子の発光側に供給し、このとき、合成樹脂内での前記粒子の相対量を前記半導体発光素子から離れるにしたがって徐々に減らし、
前記合成樹脂を硬化させて、前記半導体発光素子から離れるにしたがって屈折率が徐々に低くなる光透過層を形成することを特徴とする発光装置の製造方法。
【請求項１３】
前記粒子として、酸化チタンを使用する請求項１２記載の発光装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体発光素子の表面を覆う光透過層を形成し、この光透過層の屈折率を、半導体発光素子から離れるにしたがって低くなるように設定した発光ダイオードなどの発光装置およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
発光ダイオードとして知られている発光装置は、ｐｎ接合の化合物半導体に順電流を流したときに、自由電子と自由正孔とが再結合し、そのときのエネルギーによって所定の波長の光を発する。前記化学物半導体がＧａ−Ｎ（ガリウム・窒素）であると、緑色から紫外色にわたる範囲の波長の発光が得られ、Ｇａ−Ａｓ−Ｐ（ガリウム・ヒ素・リン）では、赤色から黄色にわたる範囲の波長の発光が得られ、Ｇａ−Ａｌ−Ａｓ（ガリウム・アルミニウム・ヒ素）では赤色の発光が得られる。
【０００３】
この種の発光装置では、化合物半導体の屈折率が高く、空気の屈折率との間に大きな差があるため、化合物半導体内で発せられた光が、化合物半導体と空気との境界面において全反射する確率が高くなって、発光量が低下する。例えば、Ｇａ−Ｎは屈折率が２．５程度であり、空気との間にほぼ１．５の屈折率差があるため、全反射による発光損失が多くなる。
【０００４】
そこで、以下の特許文献１に記載の発光ダイオードでは、発光素子部の表面が、それぞれ異なる材料で形成された複数種の光透過性の封止材料で多重に覆われている。封止材料の屈折率を発光素子部側から空気側に向けて段階的に低くすることにより、発光素子部と空気との間に、段階的な屈折率傾斜を設けている。
【０００５】
また、特許文献２に記載の発光ダイオードは、発光素子部がＧａ−Ｎを主体として構成されており、発光素子部の発光側表面に位置しているｐ−Ｇａ−Ａｌ−Ｎクラッド層において、ＧａとＡｌの堆積量比を膜厚方向に変化させて、前記クラッド層の屈折率を、活性層側から空気側に向かうにしたがって徐々に低くしている。
【特許文献１】特開２００１−２０３３９２号公報
【特許文献２】特開平９−１１６１９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前記特許文献１に記載の発光ダイオードでは、発光素子部の表面に、屈折率が互いに相違する複数の封止材料を設けているため、多重の封止材料を重ねて形成する工程が必要になり、製造コストが高くなる。また、異なる封止材料間の境界面で、屈折率の段差が発生するため、発光量の損失が生じるのを避けることができない。
【０００７】
さらに、特許文献１に記載の発光ダイオードでは、発光素子部に密着している高屈折率材料としてＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）を使用しているため、封止材料を形成する際のコストが高くなる。
【０００８】
前記特許文献２に記載の発光ダイオードでは、発光素子部のｐ−Ｇａ−Ａｌ−Ｎクラッド層において、ＧａとＡｌの比を変えて、クラッド層の内部屈折率を傾斜させている。しかし、発光素子部の内部構造であるｐ−クラッド層は、結晶比を高くしておくことが必要であり、またｐ−クラッド層はバンドギャップにも影響を与える。そのため、ｐ−クラッド層の内部においてＡｌ（アルミニウム）の量を連続して変化させることは、半導体のｐｎ接合を利用した発光素子部の構造として好ましくない。
【０００９】
本発明は上記従来の課題を解決するものであり、半導体発光素子を覆う単一の光透過層内で屈折率を変化させることにより、半導体発光素子から発せられる光の損失を低減できる発光装置を提供することを目的としている。
【００１０】
また、本発明は、内部で屈折率が変化する光透過層を、能率よく製造できる発光装置の製造方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
第１の本発明は、半導体発光素子と、前記半導体発光素子に通電する電極と、前記半導体発光素子の発光側を覆う光透過層と、を有する発光装置において、
前記光透過層は、窒素（Ｎ）と、珪素（Ｓｉ）と、酸素（Ｏ）とを含み、前記光透過層の内部では、前記半導体発光素子に向かうにしたがって酸素濃度が低くなり且つ前記半導体発光素子に向かうにしたがって窒素の濃度が高くなり、
前記光透過層の屈折率が、前記半導体発光素子に向かうにしたがって高くなっていることを特徴とするものである。
【００１２】
または、本発明は、半導体発光素子と、前記半導体発光素子に通電する電極と、前記半導体発光素子の発光側を覆う光透過層と、を有する発光装置において、
前記光透過層は、窒素（Ｎ）と、珪素（Ｓｉ）とを含み、前記光透過層の内部では、前記半導体発光素子に向かうにしたがって、珪素に対する窒素の相対濃度が低くなり、
前記光透過層の屈折率が、前記半導体発光素子に向かうにしたがって高くなっていることを特徴とするものである。
【００１３】
あるいは、本発明は、半導体発光素子と、前記半導体発光素子に通電する電極と、前記半導体発光素子の発光側を覆う光透過層と、を有する発光装置において、
前記光透過層は、窒素（Ｎ）と、珪素（Ｓｉ）と、酸素（Ｏ）とを含み、前記光透過層の内部では、前記半導体発光素子に向かうにしたがって酸素濃度が低くなり且つ前記半導体発光素子に向かうにしたがって窒素の濃度が高くなり、酸素濃度が低下した後に、前記半導体発光素子に向かうにしたがって、珪素に対する窒素の相対濃度が低くなり、
前記光透過層の屈折率が、前記半導体発光素子に向かうにしたがって高くなっていることを特徴とするものである。
【００１４】
上記発明では、酸素濃度がほぼ１％以下まで低下した後に、前記半導体発光素子に向かうにしたがって、珪素に対する窒素の相対濃度が低くなることが好ましい。
【００１５】
上記第１の本発明では、半導体発光素子を覆う光透過層内で屈折率を変化させているため、半導体発光素子から発せられる光の出射損失を低減できる。
【００１６】
第２の本発明は、半導体発光素子と、前記半導体発光素子に通電する電極と、前記半導体発光素子の発光側を覆う光透過層と、を有する発光装置において、
前記光透過層は、透明な合成樹脂内に、前記合成樹脂よりも屈折率が高く且つ透明で平均粒径が１００ｎｍ以下の粒子が混入されたものであり、合成樹脂内での前記粒子の相対量が前記半導体発光素子に向かうにしたがって多くなり、
前記光透過層の屈折率が、前記半導体発光素子に向かうにしたがって高くなっていることを特徴とするものである。例えば、前記粒子が酸化チタンである。
【００１７】
上記第２の本発明では、半導体発光素子の表面に形成した樹脂製の光透過層内で屈折率を変化させ、半導体発光素子から発せられる光の出射損失を低減できる。
【００１８】
第１の本発明と第２の本発明では、共に半導体発光素子の表面に形成した光透過層内で屈折率傾斜を実現しているため、半導体発光素子の内部構造の設計に自由度を持たせることができる。また、光透過層内の屈折率を比較的自由に設定できるため、半導体発光素子の屈折率がどの大きさであっても適用することが可能である。
【００１９】
また、第１の本発明と第２の本発明では、前記光透過層内で、屈折率が連続的に変化していることが好ましい。ただし、本発明では、単一の光透過層内で屈折率が段階的に変化しているものであってもよい。
【００２０】
本発明では、例えば、前記半導体発光素子は、窒化ガリウム（Ｇａ−Ｎ）またはこの窒化ガリウムに他の元素が含まれたものである。
【００２１】
前記半導体発光素子を使用することにより、緑色から青色にわたる波長の光、さらには紫外線領域の波長の光を発光できる。ただし、本発明は、半導体発光素子が、窒化ガリウムであるものに限られず、例えば、黄緑の発光を得るＧａ−Ｐ、黄色から赤の波長範囲の発光が可能なＧａ−Ａｓ−Ｐ、赤色の発光を得るＧａ−Ａｌ−Ａｓであってもよい。
【００２２】
第３の本発明は、半導体発光素子と、前記半導体発光素子に通電する電極と、前記半導体発光素子の発光側を覆う光透過層と、を有する発光装置の製造方法において、
前記半導体発光素子の発光側に、窒素（Ｎ）と、珪素（Ｓｉ）と、酸素（Ｏ）とを含む前記光透過層を形成し、
前記半導体発光素子側から前記光透過層が堆積されていくのにしたがって、窒素の量を徐々に減らし、且つ酸素の量を徐々に増やし、
前記半導体素子から離れるにしたがって屈折率が低くなる前記光透過層を形成することを特徴とするものである。
【００２３】
または、本発明は、半導体発光素子と、前記半導体発光素子に通電する電極と、前記半導体発光素子の発光側を覆う光透過層と、を有する発光装置の製造方法において、
前記半導体発光素子の発光側に、窒素（Ｎ）と、珪素（Ｓｉ）とを含む前記光透過層を形成し、
前記半導体発光素子側から前記光透過層が堆積されていくのにしたがって、珪素に対する窒素の相対量を徐々に増やし、
前記半導体素子から離れるにしたがって屈折率が低くなる前記光透過層を形成することを特徴とするものである。
【００２４】
あるいは、本発明は、半導体発光素子と、前記半導体発光素子に通電する電極と、前記半導体発光素子の発光側を覆う光透過層と、を有する発光装置の製造方法において、
前記半導体発光素子の発光側に、窒素（Ｎ）と、珪素（Ｓｉ）と、酸素（Ｏ）とを含む前記光透過層を形成し、
前記半導体発光素子側から前記光透過層が堆積されていくのにしたがって、珪素に対する窒素の相対量を徐々に増やし、その後、窒素の量を徐々に減らし且つ酸素の量を徐々に増やし、
前記半導体素子から離れるにしたがって屈折率が低くなる前記光透過層を形成することを特徴とするものである。
【００２５】
例えば、前記光透過層を化学気相成長法（ＣＶＤ）で形成し、前記光透過層を形成する元素を含む原料ガスの供給量を可変することで、前記半導体素子から離れるにしたがって屈折率が低くなる前記光透過層を形成することができる。
【００２６】
上記第３の本発明では、半導体発光素子を製造した後に、その発光側に、例えばＣＶＤ法で膜を堆積させるという比較的容易な工程で、光透過層を形成できる。また、ＣＶＤ法の場合には、原料ガスの供給量を変えることにより、光透過層の屈折率を任意に設定することが可能である。ただし、上記第３の本発明では、スパッタリング法、レーザーアブレーション法などの種々の方法を用い、窒素、珪素、酸素の量を可変することで、前記光透過層を形成することができる。
【００２７】
第４の本発明は、半導体発光素子と、前記半導体発光素子に通電する電極と、前記半導体発光素子の発光側を覆う光透過層と、を有する発光装置の製造方法において、
透明な合成樹脂と、この合成樹脂よりも屈折率が高く且つ透明で平均粒径が１００ｎｍ以下の粒子とが混合された混合流体を、前記半導体発光素子の発光側に供給し、このとき、合成樹脂内での前記粒子の相対量を前記半導体発光素子から離れるにしたがって徐々に減らし、
前記合成樹脂を硬化させて、前記半導体発光素子から離れるにしたがって屈折率が徐々に低くなる光透過層を形成することを特徴とするものである。
例えば、前記粒子として、酸化チタンを使用するものである。
【００２８】
第４の本発明では、製造が完了している半導体発光素子の表面に合成樹脂を含む混合流体を供給して硬化させるという簡単な方法で、屈折率傾斜を有する光透過層を形成することができる。また合成樹脂内の粒子の量、さらには粒子を選択する（粒子の屈折率を選択する）ことによって、光透過層内の屈折率を比較的自由に設定することが可能である。
【００２９】
なお、本発明では、半導体発光素子の表面に前記光透過層を一層設けることにより、発光損失を抑制できるが、さらに、光透過層の表面に、低屈折率の封止層を形成してもよい。
【発明の効果】
【００３０】
本発明の発光装置は、半導体発光素子の表面に形成した光透過層内に屈折率傾斜を設けているため、半導体発光素子の構造を最適化した状態で、発光量の損失を低減できる。
【００３１】
また本発明の発光装置の製造方法は、例えばＣＶＤ法または樹脂材料を供給することで、屈折率傾斜を有する光透過層を形成でき、しかもその屈折率を自由度をもって設計することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
図１は本発明の第１の実施の形態の発光装置１を示す拡大断面図である。
この発光装置１は、発光ダイオードのチップであり、この発光装置１は、リフレクタやリード端子を有するパッケージ内に収納されて使用される。
【００３３】
チップ状の発光装置１は、比較的大きな基板上に複数個が同時に形成され、その後に基板と共にダイシングされて、個々の発光装置１に分離される。ただし、以下では、１つの発光装置１の構造を説明し、その製造方法も１つの発光装置１を基準として説明する。
【００３４】
発光装置１は、サファイア基板２の表面に半導体発光素子１０が薄膜プロセスで形成されている。この半導体発光素子１０は、サファイア基板２の表面に薄く形成されたＧａ−Ｎ（窒化ガリウム）のバッファー層（図示せず）を有し、このバッファー層の上に、ｎ型コンタクト層１１が形成されている。ｎ型コンタクト層１１は、Ｓｉ（珪素）がドープされたＧａ−Ｎ層であり、その厚さは４μｍ程度である。ｎ型コンタクト層１１の上には、ｎ型クラッド層１２が密着して形成されている。ｎ型クラッド層１２は、Ａｌ−Ｇａ−Ｎで形成され、または、Ａｌ−Ｇａ−ＮとＳｉをドープしたｎ型Ｇａ−Ｎとで形成されており、その厚さは１．０μｍ程度である。
【００３５】
ｎ型クラッド層１２の表面には活性層１３が密着して形成されている。この活性層１３は、ｎ型Ｉｎ−Ｇａ−Ｎ（インジウム・ガリウム・窒素）で形成され、または、Ｓｉをドープしたｎ型Ｉｎ−Ｇａ−ＮとＩｎ−Ｇａ−Ｎとの積層膜で形成され、全体の膜厚は、４００オングストローム程度である。活性層１３の表面にはｐ型クラッド層１４が密着して形成されている。ｐ型クラッド層１４は、Ａｌ−Ｇａ−Ｎ（アルミニウム・ガリウム・窒素）で形成され、またはＡｌ−Ｇａ−ＮとＧａ−Ｎとで形成されており、その厚みは０．５μｍ程度である。さらに、ｐ型クラッド層１４の表面には、コンタクト層１５が形成される。
【００３６】
コンタクト層１５は、光を透過できるように薄い膜厚で形成されたｐ型金属層であり、例えばＮｉ・Ａｕ合金（ニッケル・金合金）で形成される。あるいは、コンタクト層１５が、透明電極層であるＩＴＯ（酸化インジウム錫）で形成される。このコンタクト層１５はｐ型クラッド層１４の表面の全面に形成され、コンタクト層１５から半導体発光素子１０の広い範囲に電流が分散される。
【００３７】
半導体発光素子１０を構成する前記各層が形成された後に、ｎ型クラッド層１２からコンタクト層１５までの各層が除去されて、ｎ型コンタクト層１１の一部が露出される。前記ｎ型コンタクト層１１の露出部の表面に、ｎ電極３が形成されている。
【００３８】
また、コンタクト層１５の表面には、発光領域を避けた位置に、ｐ電極４が形成されている。ｎ電極３とｐ電極４は、Ｎｉ／Ａｕ（ニッケルと金の積層体）により形成される。または、前記ｐ電極４を設けず、ＩＴＯのコンタクト層１５のみを設けておくことにより、発光領域を広くできる。
【００３９】
そして、前記ｎ電極３とｐ電極４を、レジスト層で部分的に覆った状態で、半導体発光素子１０の発光側表面に密着する光透過層２０が形成され、この光透過層２０が形成された後に、前記レジスト層が除去される。
【００４０】
前記光透過層２０は、窒素（Ｎ）と、珪素（Ｓｉ）と、酸素（Ｏ）を含む透明層であり、化学気相成長法（プラズマＣＶＤ法）により形成される。
【００４１】
プラズマＣＶＤ法では、比較的大きな基板２の上に、前記半導体発光素子１０および各電極３，４を有する複数個の発光装置１が形成された状態で、この基板２がプラズマＣＶＤ装置の反応室内に設置される。そして、反応室内に、水素ガス（Ｈ２）をキャリアガスとして用い、原料ガス（反応ガス）であるシランガス（ＳｉＨ４）、アンモニアガス（ＮＨ３）、酸化窒素ガス（Ｎ２Ｏ）が供給されて、半導体発光素子１０の表面に光透過層２０が成膜される。シランガス（ＳｉＨ４）は、珪素（Ｓｉ）を供給する原料ガスであり、アンモニアガス（ＮＨ３）は窒素（Ｎ）を供給する原料ガスであり、酸化窒素ガス（Ｎ２Ｏ）は酸素（Ｏ）を供給する原料ガスである。
【００４２】
プラズマＣＶＤ法により、半導体発光素子１０の表面に光透過層２０を堆積して成膜する過程で、各原料ガスを反応室に供給するバルブを調整して、各原料ガスの反応室への流量を制御する。あるいは、反応室内へ供給する原料バルブの分圧を制御する。この原料ガスの供給比の可変制御は、段階的に変化させてもよいし連続的に変化させてもよい。
【００４３】
以下の表１では、原料ガスの供給比を工程ａ，ｂ，ｃ，ｄ，・・・の順に段階的に変化させた例を示している。表１に示す製造例では、表内の数字が流量を意味し、その単位は「ｓｃｃｍ（standard cc/min）」である。ただし、表１では、各原料ガスの供給比を、シランガス（ＳｉＨ４）を「１」として、その相対量で表していると理解することもできる。
【００４４】
半導体発光素子１０の表面に、工程ａから工程ｉまで順に、原料ガスの供給比を変化させて、光透過層２０を成膜する。ただし、工程ａから工程ｃの間は、酸化窒素ガス（Ｎ２Ｏ）を供給せずに、シランガス（ＳｉＨ４）とアンモニアガス（ＮＨ３）を供給し、工程ｄ以後に酸化窒素ガス（Ｎ２Ｏ）の供給を開始する。
【００４５】
工程ａから工程ｄでは、光透過層２０の成膜が進行していくにしたがって、シランガス（ＳｉＨ４）に対するアンモニアガス（ＮＨ３）の供給量を段階的に増やしていく。工程ａから工程ｃまでの間に成膜される光透過層２０は、窒化珪素膜（Ｓｉ−Ｎ）である。工程ｄに至ったときに成膜される光透過層２０は酸窒化珪素（Ｓｉ−Ｏ−Ｎ）であるが、この時点での酸素濃度は１％以下である。工程ａから工程ｄにおいて成膜される光透過層２０は、半導体発光素子１０との境界面に向かうにしたがって、Ｓｉに対するＮの相対濃度が低くなり、逆に半導体発光素子１０との境界面から離れるにしたがってＳｉに対するＮの相対濃度が高くなる。
【００４６】
ここで、光透過層２０内での各元素の濃度とは、ａｔ％の量の大小、ｍｏｌ量の大小、あるいは質量比の大小のいずれかである。
【００４７】
表１に示すように、工程ａから工程ｄまでの間に形成された光透過層２０の屈折率は、半導体発光素子１０との境界面付近でほぼ２．４であり、工程ｄの時点で屈折率がほぼ１．９８である。なお、本明細書での屈折率とは、波長が６８０ｎｍの光が入射したときの絶対屈折率を意味している。
【００４８】
前記工程ｄの後も引き続き光透過層２０の成膜が連続して継続されるが、工程ｄから工程ｉでは、シランガス（ＳｉＨ４）の供給量を固定し、成膜が進行するにしたがって、アンモニアガス（ＮＨ３）の供給量を徐々に減らし、且つ酸化窒素ガス（Ｎ２Ｏ）の供給量を徐々に多くしていく。そして、工程ｉすなわち光透過層２０の成膜完了時には、アンモニアガス（ＮＨ３）の供給量をゼロにする。
【００４９】
工程ｄから工程ｈで形成される光透過層２０の内部構造は、ほぼ酸窒化珪素（Ｓｉ−Ｏ−Ｎ）であり、この工程の間に形成される光透過層２０の内部では、半導体発光素子１０から離れるにしたがって、酸素（Ｏ）の濃度が高くなり、且つ窒素（Ｎ）の濃度が低くなる。逆に、半導体発光素子１０に向かうにしたがって酸素（Ｏ）の濃度が低くなり、且つ窒素（Ｎ）の濃度が高くなる。そして、工程ｉで示す成膜完了時では、光透過層２０の表面は、酸化珪素（ＳｉＯまたはＳｉＯ２）に近い構成となる。
【００５０】
表１に示すように、工程ｄから工程ｉでは、酸窒化珪素（Ｓｉ−Ｏ−Ｎ）において、半導体発光素子１０から離れるにしたがって、窒素（Ｎ）が酸素（Ｏ）に置換されていく構成である。そのため、光透過層２０の表面に向かうにしたがって内部屈折率が徐々に小さくなり、光透過層２０の表面では、屈折率がほぼ１．５３となる。
【００５１】
上記のプラズマＣＶＤ法で成膜された光透過層２０は、半導体発光素子１０との境界面において、屈折率がほぼ２．４であり、半導体発光素子１０のｐ型クラッド層１４またはコンタクト層１５（これらの屈折率はほぼ２．５）にきわめて近い屈折率を持たせることができ、あるいは屈折率差をほとんど無くすことができる。また、光透過層２０の表面の屈折率をほぼ１．５３に設定することができる。
【００５２】
また、コンタクト層１５がＩＴＯで形成されている場合、コンタクト層１５の屈折率がほぼ２．０であり、光透過層２０の屈折率は、ＩＴＯとの接触界面で２．４となる。この場合、屈折率がほぼ２．５であるｐ型クラッド層１４を通過した光は、ＩＴＯを通過して光透過層２０に入射される。このとき、光は屈折率の低いＩＴＯから屈折率の高い光透過層２０に入射されることになるため、スネルの法則により、ＩＴＯと光透過層２０との界面での全反射角が発生せず、前記界面での出射光の損失はわずかである。
【００５３】
図３に示されている第３の実施の形態と同様に、図１に示すチップ状の発光装置１は、リフレクタを兼ねたパッケージ内に収納され、パッケージに設けられた一方のリード端子と前記ｎ電極３とがワイヤボンディングで接続され、他方のリード端子とｐ電極４とがワイヤボンディングで接続される。さらに、チップ状の発光装置１の表面に封止層が形成され、パッケージ内において発光装置１が外気に触れないように封止される。封止層は透明な合成樹脂材料で形成され、例えばエポキシ樹脂で形成される。このエポキシ樹脂の屈折率は１．５程度であるため、エポキシ樹脂の封止層と、前記光透過層２０の表面との境界面における屈折率の差をほとんど無くすることができる。
【００５４】
あるいは、封止層をＰＡＡ（ポリアリルアミン）で形成してもよい。この樹脂材料は、光エネルギーや熱によって変色しにくい。また屈折率は１．４８程度である。よって封止層にＰＡＡを使用する場合にも、封止層と光透過層２０との境界面での屈性率差を小さくできる。
【００５５】
この発光装置１では、ｐ電極４に正の電位が与えられ、ｐｎ接合の半導体発光素子１０に順電流が与えられる。ｎ型クラッド層のマイナスの電荷である自由電子と、ｐ型クラッド層１４の自由正孔とが活性層１３において再結合し、そのときのエネルギーで発光する。Ｇａ−Ｎを主体とする半導体発光素子１０から発せられる光の波長は５３０ｎｍ以下であり、緑色から青色の帯域さらには紫外線の帯域までの光を発することができる。
【００５６】
半導体発光素子１０と光透過層２０との境界面での屈折率差がほとんどなく、また、コンタクト層１５をＩＴＯで形成した場合には、屈折率の低いＩＴＯから屈折率の高い光透過層２０に光が入射するために、半導体発光素子１０と光透過層２０との界面での全反射を低減でき、光の損失を抑制できる。さらに、光透過層２０と封止層との屈折率差がほとんどないため、光の全反射を少なくして、発光量の損失を低減することが可能である。
【００５７】
次に、発光装置１を前記パッケージに収納し、光透過層２０の表面にエポキシ樹脂の封止層を設けたサンプルを製造し、また、前記半導体発光素子１０の表面に光透過層２０を設けずに、エポキシ樹脂の封止層のみを設けたサンプルを製造した。光透過層２０の成膜では、プラズマＣＶＤ法により原料ガスを表１に示すａ工程からｉ工程まで段階的に変化させ（原料ガスの供給量はｓｃｃｍ）、プラズマの励起周波数を１３．５６ＭＨｚとし、基板温度を２００℃とした。また、コンタクト層１５はＩＴＯで形成した。
【００５８】
表２は、各サンプルを発光させたときの、出射光の光束を測定した結果を示している。表２では、サンプル番号を「ＬＥＤ  Ａ」「ＬＥＤ  Ｂ」「ＬＥＤ  Ｃ」・・・で示している。各番号のサンプルは、同じ発光装置１を使用しているが、電極３，４間への供給電流値（ｍＡ）は相違させている。表２では、それぞれのサンプルに光透過層２０と封止層を形成したときの光束（ｌｍ：ルーメン）の測定結果と、封止層のみとしたときの光束（ｌｍ：ルーメン）の測定結果を示している。
【００５９】
【表１】
2009193975.tif 000003
【００６０】
【表２】
2009193975.tif 000004
【００６１】
次に、図１に示す発光装置１において、コンタクト層１５がＩＴＯで形成されている場合には、その表面に光透過層２０を形成する際に、表１に示す工程ａないし工程ｃを削除し、ｄの工程から成膜を開始して工程ｉまで成膜工程を行ってもよい。すなわち、プラズマＣＶＤ装置の反応室内に、水素ガス（Ｈ２）をキャリアガスとして用い、原料ガス（反応ガス）であるシランガス（ＳｉＨ４）、アンモニアガス（ＮＨ３）、酸化窒素ガス（Ｎ２Ｏ）を供給する。そして、シランガス（ＳｉＨ４）の供給量を固定し、成膜が進行するにしたがって、酸化窒素ガス（Ｎ２Ｏ）の供給量を増やしていき、且つアンモニアガス（ＮＨ３）の供給量を減らしていく。
【００６２】
その結果、光透過層２１は、ほぼ酸窒化珪素（Ｓｉ−Ｏ−Ｎ）となり、光透過層２１は、ＩＴＯであるコンタクト層１５との境界面から離れるにしたがって、酸素（Ｏ）の濃度が高くなり、且つ窒素（Ｎ）の濃度が低くなる。光透過層２１は、コンタクト層１５との境界面で屈折率がほぼ１．９８となり、屈折率がほぼ２．０のＩＴＯで形成されたコンタクト層１５との屈折率の差が少なく、あるいは差がほとんどなくなる。また、光透過層２１の表面は、酸化珪素（ＳｉＯまたはＳｉＯ２）に近い構成となり、その屈折率はほぼ１．５３である。
【００６３】
また、図１に示す発光装置１のさらに他の変形例として、光透過層２０を、表１に示すａからｃで示す工程で成膜して工程ｃで成膜を完了し、あるいはａからｄまでの工程で成膜して工程ｄで成膜を完了してもよい。工程ａから工程ｃで形成された光透過層２０はほぼ窒化珪素膜（Ｓｉ−Ｎ）であり、半導体発光素子１０との界面での屈折率が２．４で、発光側表面の屈折率が２．１である。工程ａから工程ｄで形成された光透過層１０は、ほぼ窒化珪素膜（Ｓｉ−Ｎ）であるが、工程ｄで形成される表面のみが酸窒化珪素（Ｓｉ−Ｏ−Ｎ）となり、この表面での酸素濃度は１％以下である。工程ａから工程ｄにおいて成膜される光透過層２０は、半導体発光素子１０との界面の屈折率が２．４であり、発光側表面での屈折率が１．９８である。
【００６４】
上記のように、半導体発光素子１０の表面に、工程ａないし工程ｃで光透過層２０を形成し、または工程ａないし工程ｄで光透過層２０を形成した場合にも、半導体発光素子１０と光透過層２０との界面での屈折率差を少なくでき、さらに光透過層２０の発光側表面の屈折率を、２．１または１．９８と低いものにできる。
【００６５】
図２は本発明の第２の実施の形態の発光装置３１を示す拡大断面図である。図２に示す第２の実施の形態において、前記第１の実施の形態の発光装置１と同じ構成要素には第１の実施の形態と同じ符号を付して詳しい説明を省略する。
【００６６】
この発光装置３１は、第１の実施の形態と同様に、チップ状であり、リフレクタを兼ねたパッケージ内に収納されて使用される。
【００６７】
発光装置３１の基本的構造は、第１の実施の形態と同じであり、サファイア基板２の上に半導体発光素子１０が設けられている。ただし、発光装置３１は、使用する向きが第１の実施の形態の発光装置１と上下逆向きであり、サファイア基板２が発光側に向けられ、コンタクト層１５がパッケージ基板３２に向けられている。パッケージ基板３２の表面にはリード層３３が設けられ、このリード層３３にｐ電極４が接続されている。また、ｎ電極３はワイヤボンディングにより、パッケージ基板３２の表面の他のリード層に接続されている。
【００６８】
そして、発光側に向けられているサファイア基板２の表面に光透過層２０が形成されている。この光透過層２０は、図１に示す第１の実施の形態と同様に、プラズマＣＶＤ法により形成されたものであり、サファイア基板２側から、表１に示すａないしｉの工程で光透過層２０が成膜される。この光透過層２０は、サファイア基板３との界面での屈折率が２．４であり、発光側表面の屈折率が１．５３である。
【００６９】
半導体発光素子１０から発せられる光は、サファイア基板２を透過し、光透過層２０を通過して、さらにその表面に設けられる封止層に入射する。サファイア基板２の屈折率は１．８程度であり、半導体発光素子１０で発せられた光は、屈折率の低いサファイア基板２から屈折率の高い光透過層２０に入射する。そのために、スネルの法則により、サファイア基板２と光透過層２０との界面での全反射角が発生せず、この界面での光の入射効率が低下するのを抑制できる。さらに、光透過層２０の発光側表面での屈折率を１．５３と低くできる。
【００７０】
なお、図２に示すようにサファイア基板２の表面に光透過層２０を形成する場合に、表１に示すａないしｃの工程を省略して、ｄの工程から成膜を開始してｉの工程で成膜を完了してもよい。またはｅの工程から成膜を開始してもよく、あるいはｆの工程から成膜を開始してｉの工程で成膜を完了してもよい。この場合、サファイア基板３との界面において光透過層２０の屈折率を、１．９８または１．８９あるいは１．８１にでき、サファイア基板２との界面での全反射を抑制できるようになる。なお、基板はサファイア基板に限られるものではなく、光を透過できるものであれば他の材質のものであってもよい。
【００７１】
図３は本発明の第３の実施の形態の発光装置１０１を示す断面図である。
この発光装置１０１は、図１に示すチップ状の発光装置１と同じ構造の発光装置１ａが収納され、封止されてパッケージ化されたものである。ただし、図２に示す構造の発光装置が収納され封止されてもよい。
【００７２】
発光装置１０１に収納されているチップ状の発光装置１ａは、図１に示す発光装置１において、光透過層２０が除去されているものであり、その他の構成は、図１に示すものと同じである。なお、コンタクト層１５はＩＴＯで形成されている。
【００７３】
図３に示す発光装置１０１は、パッケージ基板１０２の表面に放熱部材１０３が設けられている。この放熱部材１０３は、アルミニウムや銅などの熱伝導率の高い材料で形成されている。チップ状の前記発光装置１ａは、この放熱部材１０３の表面に設置され接着されている。
【００７４】
放熱部材１０３および発光装置１ａは、パッケージ材１０４で覆われている。このパッケージ材１０４は、耐熱性が高く且つ電気的に絶縁材料であり、例えば窒化アルミニウム（Ａｌ−Ｎ）などで形成されている。パッケージ基板１０２の表面からパッケージ材１０４の内部には一対のリード電極１０５と１０６が形成されている。一方のリード電極１０５と、発光装置１ａのｎ電極３とがワイヤボンディング１０７で接続され、他方のリード電極１０６と、発光装置１ａのｐ電極４とがワイヤボンディング１０８で接続されている。
【００７５】
パッケージ材１０４はリフレクタを兼用しており、その表面は反射面１０４ａとされ、この反射面１０４ａは、発光方向に向かってその開口面積が徐々に広くなるように形成されている。
【００７６】
そして、前記反射面１０４ａ上に、発光装置１ａの半導体発光素子１０を覆う光透過層１２０が形成されている。この光透過層１２０は、透明な合成樹脂材料に、粒子が混入されて形成されている。合成樹脂材料は、耐熱性があり、光エネルギーおよび熱により変色しにくいものを使用することが好ましく、この実施の形態ではポリアリルアミン（ＰＡＡ）が使用されている。ＰＡＡの硬化時の屈折率は１．４８程度である。ただし、合成樹脂材料としてエポキシ樹脂などを使用することも可能である。
【００７７】
ＰＡＡに混入されている粒子は、透明で合成樹脂材料よりも屈折率が高いもので、さらに平均粒径が半導体発光素子１０から発光する光の波長より小さいものであり、平均粒径が１００ｎｍ以下であることが好ましく、さらに好ましくは平均粒径が３０ｎｍ以下で５ｎｍ以上である。第３の実施の形態では、前記粒子として、平均粒径が２０ｎｍの酸化チタン（ＴｉＯ２）が使用されている。酸化チタンの屈折率は２．５〜２．７である。ただし、粒子は酸化チタンに限られず、平均粒径が小さく、透明で高屈折率であれば他の材料を使用でき、例えばアルミサファイアなどを使用することも可能である。
【００７８】
光透過層１２０では、合成樹脂材料であるＰＡＡに対する、酸化チタン粒子の相対量が、半導体発光素子１０から離れるにしたがって徐々に少なくなっている。ここで、相対量とは、合成樹脂材料と粒子とのｗｔ％の比を意味している。また、合成樹脂材料内での粒子の相対量は、半導体発光素子１０から離れるにしたがって連続的に少なくなってもよいし、段階的に少なくなるようにその相対量が変化していてもよい。
【００７９】
前記光透過層１２０は、次の工程によって形成される。
光透過層１２０を形成する際には、図４に示す供給装置２００が使用される。この供給装置２００の第１の材料層２０１内には、ＰＡＡに酸化チタンが混合された混合流体が収納されている。この混合流体は、酸化チタンの粒子が５５ｗｔ％を占め、残りが硬化前のＰＡＡである（全体で１００％）。第２の材料層２０２内には、酸化チタンの粒子を含まない１００％の硬化前のＰＡＡが収納されている。
【００８０】
第１の材料層２０１内の混合流体は第１のバルブ２０３によって流量が制御されて混合機２０５に与えられ、第２の材料層２０２内のＰＡＡは、第２のバルブ２０４によって流量が制御され、混合機２０５に供給される。混合機２０５は内部に押し出しスクリューを有しており、前記混合流体とＰＡＡとが混合されて、半導体発光素子１０の表面に供給される。
【００８１】
以下の表３に示す例では、第１のバルブ２０３の開度と第２のバルブ２０４の開度を、段階的に変化するように制御している。その開度の制御は工程イ、ロ、ハ、・・・の順に行われる。光透過層１２０を形成し始めるときの工程イでは、第１のバルブ２０３の開度が１００％であり、第２のバルブ２０４の開度が０％である。その後、半導体発光素子１０の上に混合流体が供給されていくにしたがって、第１のバルブ２０３の開度が段階的に狭められ、且つ第２のバルブ２０４の開度が段階的に広げられる。なお、第１のバルブ２０３の開度と第２のバルブ２０４の開度の少なくとも一方を、連続して変化するように調整してもよい。
【００８２】
表３に示す、バルブの開度調整により、半導体発光素子１０の表面に流体が供給されていくにしたがって、ＰＡＡに対する酸化チタンの粒子の相対的な供給量が徐々に減っていく。表１の工程イないしホの順に流体を供した後に、アニール工程によって熱硬化性の合成樹脂材料であるＰＡＡを硬化させて、光透過層１２０の形成が完了する。
【００８３】
硬化後の光透過層１２０は、発光装置１ａの半導体発光素子１０と密着している境界面で、酸化チタンの粒子がほぼ５５ｗｔ％を占め、この境界面付近での光透過層１２０の屈折率はほぼ２．５である。光透過層１２０内では、半導体発光素子１０から離れるにしたがって酸化チタンの量が減っていき、その結果、半導体発光素子１０から離れるにしたがって屈折率が徐々に低くなる。光透過層１２０の表面付近は、ＰＡＡがほぼ１００ｗｔ％で形成され、表面での屈折率がほぼ１．４８である。なお、図５は、工程イないしホで形成された光透過層１２０内での酸化チタンの占める率（ｗｔ％）と、屈折率との関係を示している。
【００８４】
表４は、図３に示す構造の発光装置１０１の評価結果を示している。表４では、発光装置１０１のサンプル番号を「ＬＥＤ  Ｆ」「ＬＥＤ  Ｇ」「ＬＥＤ  Ｈ」・・・で示している。この各サンプルは、表３の工程で形成された光透過層１２０を有する同じ構造の発光装置１０１と、光透過層１２０の代わりに半導体発光素子１０の表面にエポキシ樹脂の封止層を設けたものとを使用し、それぞれのサンプルにおいて供給電流値（ｍＡ）を変えた場合の評価結果を示している。表４では、それぞれのサンプルに光透過層１２０を形成したときの光束（ｌｍ：ルーメン）と、光透過層１２０の代わりに半導体発光素子１０の表面にエポキシ樹脂の封止層を設けたときの光束（ｌｍ：ルーメン）の測定結果を示している。
【００８５】
【表３】
2009193975.tif 000005
【００８６】
【表４】
2009193975.tif 000006
なお、本発明では、図１と図２に示す実施の形態での光透過層２０または光透過層２１と、図３に示す光透過層１２０とを併用し、光透過層２０または２１の上に光透過層１２０を形成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００８７】
【図１】本発明の第１の実施の形態を示すものであり、チップ状の発光装置を示す拡大断面図、
【図２】本発明の第２の実施の形態を示すものであり、チップ状の発光装置を示す拡大断面図、
【図３】本発明の第３の実施の形態を示すものであり、パッケージされた発光装置を示す拡大断面図、
【図４】第３の実施の形態の発光装置の光透過層を形成するための流体の供給装置を示す説明図、
【図５】第３の実施の形態の発光装置に設けられた光透過層の、酸化チタンの量と屈折率との関係を示す線図、
【符号の説明】
【００８８】
１，３１  発光装置
２  サファイア基板
３，４  電極
１０  半導体発光素子
１１  ｎ型コンタクト層
１２  ｎ型クラッド層
１３  活性層
１４  ｐ型クラッド層
１５  コンタクト層
２０  光透過層
１０１  発光装置
１０２  パッケージ基板
１０３  放熱部材
１０４  パッケージ材
１０５，１０６  リード電極
１２０  光透過層
２００  供給装置
【図１】
2009193975.tif 000007
【図２】
2009193975.tif 000008
【図３】
2009193975.tif 000009
【図４】
2009193975.tif 000010
【図５】
2009193975.tif 000011