JP5183247B2

JP5183247B2 - 発光装置

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Publication number: JP5183247B2
Application number: JP2008042903A
Authority: JP
Inventors: 俊高浪
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2008-02-25
Filing date: 2008-02-25
Publication date: 2013-04-17
Anticipated expiration: 2028-02-25
Also published as: JP2009200406A

Description

本発明は、窒化ガリウム系化合物半導体を有する発光装置に関するものである。

化学式Ａｌ_xＧａ_yＩｎ_1-x-yＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１）で表される窒化物系化合物半導体，窒化ガリウム系化合物半導体は、具体的にはＡｌＮ，ＧａＮ，ＩｎＮであり、またこれらの混晶である、ＡｌＧａＮ，ＧａＩｎＮ，ＡｌＧａＩｎＮ等である。このような混晶は、その組成を選択することによりバンドギャップを変化させることができ、可視光領域から紫外光領域までの発光が可能である。従って、発光ダイオード（ＬＥＤ）及び半導体レーザ（ＬＤ）等の発光素子の材料として研究されており、また一部実用化が成されている。

一般に、窒化ガリウム系化合物半導体からなる発光素子は、図３に示すように、サファイア等から成る基板１１上に、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層１２ａ、窒化ガリウム系化合物半導体からなる発光層１２ｂ及びｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層１２ｃを含
む半導体層１２が形成されている。ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層１２ａの上面の露出部と、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層１２ｃの上面に、それぞれｎ型電極１３及びｐ型電極１４が形成されている。ｐ型電極１４としては、発光した光に対して透明な導電層が用いられ、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層１２ｃに電流を均一に拡散させるために、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層１２ｃの上面の全面に形成される。ｎ型電極１３及びｐ型電極１４の一部には、外部から電流を注入するために、それぞれｎ型パッド電極１５、ｐ型パッド電極１６が設けられており、ワイヤーボンディング等によって外部のパッケージの配線等と接続される。

近年、窒化ガリウム系化合物半導体を用いた発光素子と蛍光体とを組み合わせた白色ＬＥＤの開発も盛んであり、省エネルギーかつ長寿命であることから、白熱電球や蛍光ランプの代替品として有望視されている。しかし、窒化ガリウム系化合物半導体を用いた発光素子の発光効率は、蛍光灯と比較すると低いため、更なる高効率化が求められている。

発光素子の発光効率である外部量子効率は、発光層で電気エネルギーが光エネルギーに変換される割合を示す内部量子効率と、変換された光エネルギーが外部へ放出される割合を示す光取り出し効率との積によって決定される。発光素子の内部量子効率は、発光素子を形成する窒化ガリウム系化合物半導体の結晶性に大きく影響を受ける。内部量子効率を向上させる方法として、サファイア等から成る基板上に非晶質または多結晶のＡｌＮ系またはＡｌＧａＮ系の材料から成るバッファ層を形成し、このバッファ層上に窒化ガリウム系化合物半導体層を成長させることにより、基板と窒化ガリウム系化合物半導体層との格子不整合を緩和し、窒化ガリウム系化合物半導体層の結晶性を向上させる方法が公知である（例えば、下記の特許文献１を参照）。

一方、光取り出し効率の向上に関しても種々の技術が公知であり、例えば、透明基板に固着した発光素子を透明封止樹脂で形成した放物球面状の焦点に位置するように封止する方法がある（例えば、特許文献２を参照）。
特許第３０２６０８７号公報特開２００２−２８０６１４号公報

図３の従来の発光素子においては、サファイアから成る基板１１の屈折率は可視光領域で約１．８であるのに対し、窒化ガリウム系化合物半導体の屈折率は約２．５と高い。そのため、発光層１２ｂで発光した光のうち、基板１１への入射角が臨界角θ_ｒの約４５°（θ_ｒ＝ａｒｃｓｉｎ（１．８／２．５））を超える角度で入射する光は半導体層の内部で全反射を繰り返す。従って、光は大部分が半導体層に吸収され、残った光が半導体層の端部から外部へ向かって放射されるため、発光量が低下するという問題点がある。

上記の問題点を解決するために、特許文献２の方法を用いて発光効率を向上させる場合、発光素子を覆うように封止樹脂によって封止した発光素子において、透明基板に電極をメタライズして形成し、発光素子を透明封止樹脂で形成した放物球面状または楕円球面状の焦点に位置するように実装し、放物球面状または楕円球面状の透明封止樹脂の表面に光を反射する金属反射膜（リフレクタ部）を形成することにより発光効率を向上させている。

しかしながら、発光素子からの出射光が、金属反射膜と透明基板との間での全反射によって損失を生じるという問題点、また、金属反射膜において光の反射時の損失があるという問題点、さらに、金属反射膜を設けて光の放射方向に指向性を持たせているため、全方向へ向かって光を放射させることが難しいという問題点があった。

従って、本発明は上記従来の技術における問題点に鑑みて完成されたものであり、その目的は、発光素子からの光の損失を小さくして全方向へ均一に放射させることができる従来にない発光装置を提供することである。

本発明の発光装置は、透光性基板と、透光性基板上に形成された、第１導電型窒化ガリウム系化合物半導体層と窒化ガリウム系化合物半導体から成る発光層と第２導電型窒化ガリウム系化合物半導体層とを含む半導体層を有する発光素子と、第１導電型窒化ガリウム系化合物半導体層の表面に形成された第１の透明電極層と、第２導電型窒化ガリウム系化合物半導体層の表面に形成された第２の透明電極層と、発光素子を載置する載置面を上面の一部に有する透光性のサブマウントと、サブマウントの載置面と異なる位置に設けられた、第１導電型窒化ガリウム系化合物半導体層および第２導電型窒化ガリウム系化合物半
導体層に電気的に接続された接続配線と、発光素子、接続配線及びサブマウントを覆う透光性封止材と、を具備し、前記接続配線は、前記透光性封止材よりも外側に引き出されているとともに、前記サブマウントは、前記載置面が、前記上面のうち前記一部と異なる部分に対して傾斜しており、前記載置面に対して垂直な方向に切断した縦断面形状が非対称である。

また、本発明の発光装置は好ましくは、前記透光性封止材は球体状である。

また、本発明の発光装置は好ましくは、前記透光性基板はサファイア，酸化亜鉛、ＧａＮまたはＡｌＮから成る。

本発明の発光装置は、透光性基板と、透光性基板上に形成された、第１導電型窒化ガリウム系化合物半導体層と窒化ガリウム系化合物半導体から成る発光層と第２導電型窒化ガリウム系化合物半導体層とを含む半導体層を有する発光素子と、第１導電型窒化ガリウム系化合物半導体層の表面に形成された第１の透明電極層と、第２導電型窒化ガリウム系化合物半導体層の表面に形成された第２の透明電極層と、発光素子を載置する載置面を有する透光性のサブマウントと、発光素子及びサブマウントを覆う透光性封止材と、を具備していることから、発光素子からの光の損失を小さくして全方向へ放射させることができる。その結果、従来にない全方向へ光を照射可能な点光源、球状光源、柱状光源等を作製できる。

また、本発明の発光装置は好ましくは、サブマウントの載置面は傾斜面であることから、発光素子で発光した光をより効率良く外部に取り出すことができる。即ち、発光素子で発光した光は、サブマウントの傾斜面からサブマウントの内部に入っても、サブマウントの縦断面形状が傾斜面を有する非対称的な形状であるために、サブマウント内部で全反射を繰り返すことが生じ難い。よって、サブマウントの傾斜面からサブマウントの内部に入った光は容易にサブマウントから外部に放射されることとなる。

また、本発明の発光装置は好ましくは、透光性封止材は球体状であることから、従来の白熱電球等に代替できる、低消費電力の球状光源を得ることができる。しかも、従来の白熱電球等に比べて、入出力配線等も透明導電層で代替できるため、全方向放射性がより高い球状光源となる。

また、本発明の発光装置は好ましくは、透光性基板はサファイア，酸化亜鉛、ＧａＮまたはＡｌＮから成ることから、放熱性が良好な透光性基板を用いることができ、発光素子の発光効率が高まる。

以下、図面に基づいて本実施の形態の発光装置について詳細に説明する。なお、本実施の形態の発光装置は以下の例に限定されるものではなく、本実施の形態の要旨を逸脱しない範囲内で変更、改良等を施すことは何ら差し支えない。

図１（ａ）は本実施の形態の発光装置の１例を示す断面図、図１（ｂ）は（ａ）の発光装置の平面図である。これらの図において、１は透光性基板、２ａは第１導電型（例えばｎ型）窒化ガリウム系化合物半導体層、２ｂは発光層、２ｃは第２導電型（例えばｐ型）窒化ガリウム系化合物半導体層、３は第１の透明電極層としてのｎ型透明電極層、４は第２の透明電極層としてのｐ型透明電極層、５は発光素子、６は接続配線、７は透光性のサブマウント、８は透光性封止材である。

本実施の形態の発光装置は、透光性基板１と、透光性基板１上に形成された、第１導電型（例えばｎ型）窒化ガリウム系化合物半導体層２ａと窒化ガリウム系化合物半導体から成る発光層２ｂと第２導電型（例えばｐ型）窒化ガリウム系化合物半導体層２ｃとを含む半導体層を有する発光素子５と、第１導電型窒化ガリウム系化合物半導体層２ａの表面に形成された第１の透明電極層３と、第２導電型窒化ガリウム系化合物半導体層２ｃの表面に形成された第２の透明電極層４と、発光素子５を載置する載置面を有する透光性のサブマウント７と、発光素子５及びサブマウント７を覆う透光性封止材８と、を具備している。

上記の構成により、発光素子５からの光を損失を小さくして全方向へ放射させることができる。その結果、従来にない全方向へ光を照射可能な点光源、球状光源、柱状光源等を作製できる。

透光性のサブマウント７は、透光性樹脂，ガラス，石英等から成る。サブマウント７が透光性樹脂から成る場合、具体的には、シリコーン樹脂，エポキシ樹脂，フッ素樹脂，ポリイミド等から成る。

また、サブマウント７は、図１に示すように、直方体、四角柱状、棒状等の形状であり、その表面に発光素子５を収容する凹部が形成されているものであることが好ましい。これにより、接続配線６を曲げることなく、直線状のままで抵抗を小さくして、発光素子５の第１の透明電極層３及び第２の透明電極層４に接続することができる。また、発光素子５とサブマウント７の合計の体積が小さくなり、小型化、軽量化された発光装置が得られる。また、発光素子５を球状光源等の中心部に設置することが容易となる。

サブマウント７の表面に発光素子５を収容する凹部が形成されている場合、サブマウント７の裏面の凹部に相当する部位には、接続配線６がｎ型透明電極層３に接続可能なように開口部が形成されている。その開口部において接続配線６がｎ型透明電極層３に接続される。

サブマウント７は、図１に示すように、四角柱状の形状である場合、そのサイズは長さ１０ｍｍ×幅１ｍｍ×厚み１ｍｍ程度である。勿論、その程度のサイズに限られないことは言うまでもない。

透光性封止材８は、窒化ガリウム系化合物半導体から成る発光層２ｂから発光された光に対して透過率の高いものが好適である。例えば、透光性封止材８は、透光性樹脂，ガラス，石英等から成る。透光性封止材８が透光性樹脂から成る場合、具体的には、シリコーン樹脂，エポキシ樹脂，フッ素樹脂，ポリイミド等から成る。

また、透光性封止材８は、発光層２ｂから発光された光を波長変換する蛍光体または燐光体を含んでいてもよい。

透光性封止材８がガラス，石英等の固体材料から成る場合、透光性封止材８を複数の部材に分割して製造し、１以上の部材に発光素子５とサブマウント７を収容する凹部を形成しておき、複数の部材を組み合わせる構造であってもよい。

また、透光性封止材８は、内部が空洞（空間）とされた球殻、直方体殻、棒状殻等の空洞構造のものであってもよい。またこの場合、空洞（空間）に、空気の屈折率と第１の透明電極層３及び第２の透明電極層４の屈折率との中間の屈折率を有する液状の透光性樹脂等の透光性液体を封入してもよい。

また、本実施の形態の発光装置は、サブマウント７の載置面は傾斜面であることが好ましい。この場合、発光素子５で発光した光をより効率良く外部に取り出すことができる。即ち、発光素子５で発光した光は、サブマウント７の傾斜面からサブマウント７の内部に入っても、サブマウント７の縦断面形状が傾斜面を有する非対称的な形状であるために、サブマウント７内部で光が全反射を繰り返すことが生じ難い。よって、サブマウント７の傾斜面からサブマウントの内部に入った光は容易にサブマウントから外部に放射されることとなる。

サブマウント７の載置面が傾斜面である場合、図２に示すように、例えばサブマウント７の上面の端部に傾斜面を形成する。この場合、サブマウント７の縦断面形状が傾斜面を有する非対称的な形状となり、サブマウント７内部で光が全反射を繰り返すことが生じ難くなり、光は容易に外部に出射される。サブマウント７の上面に対する傾斜面の傾斜角度は３０°〜６０°程度がよい。この角度範囲内であれば、サブマウント７の内部で全反射を繰り返すこと（多重反射）による光の損失を有効に抑制できる。

また、サブマウント７の載置面が傾斜面である場合、サブマウント７の上面の端の角部を切り欠いたような傾斜面が形成されている場合よりも、図２に示すように、サブマウント７の上面の端部が本体部より突出した突出部となっており、突出部の上面が本体部に向かって下方に傾斜している傾斜面とされている場合が好ましい。この場合、サブマウント７の内部で全反射を繰り返すこと（多重反射）による光の損失をより有効に抑制できる。

また、本実施の形態の発光装置は、透光性封止材８は球体状であることが好ましい。この場合、従来の白熱電球等に代替できる、低消費電力の球状光源を得ることができる。しかも、従来の白熱電球等に比べて、入出力配線等も透明導電層で代替できるため、全方向放射性がより高い球状光源となる。

透光性封止材８が球体状である場合、発光素子５を十分に包囲する直径を有すればよく、その直径は３ｍｍ〜１０ｍｍ程度である。勿論、その程度の直径に限られないことは言うまでもない。

透光性封止材８が球体状である場合、完全な球状体でなくてもよく、回転楕円体状、回転放物体状、回転双曲体状、長球状等の球状体に近似した形状であってもよい。

また、本実施の形態の発光装置は、透光性基板１はサファイア，酸化亜鉛、ＧａＮまたはＡｌＮから成ることが好ましい。この場合、放熱性が良好な透光性基板１を用いることができ、発光素子５の発光効率が高まる。

また、本実施の形態の発光装置は、透明電極層３，４は、亜鉛，インジウム，錫及びマグネシウムのうちの少なくとも１種の酸化物から成ることが好ましい。この場合、透明性及び導電性を有する入出力電極としての透明電極層３，４が得られる。また、ｎ型ＧａＮ等から成る透光性基板１、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層２ｃのそれぞれの層と良好なオーミック接続をとることができる。

透明電極層３，４の厚みは０．１μｍ〜０．３μｍ程度がよく、この範囲内であると、良好なオーミック接触が可能で、かつ光の吸収も少ないという効果がある。

本実施の形態の発光装置は、発光層２ｂを、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層２ａとｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層２ｃとで挟んだ構成であるが、例えば、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層２ａは、ｎ型クラッド層としてのＧａＮ層からなる。このｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層２ａの厚みは２μｍ〜３μｍ程度である。

また、例えば、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層２ｃは、第１のｐ型クラッド層としてのＡｌ_0.20Ｇａ_0.80Ｎ層、第２のｐ型クラッド層としてのＡｌ_0.15Ｇ_0.85Ｎ層、ｐ型コンタクト層としてのＧａＮ層の積層体等からなる。このｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層２ｃの厚みは２００ｎｍ〜３００ｎｍ程度である。

また、例えば、発光層２ｂは、禁制帯幅の広い障壁層としてのＧａＮ層と、禁制帯幅の狭い井戸層としてのＩｎ_0.11Ｇａ_0.89Ｎ層とを、交互に例えば３回繰り返し規則的に積層した多重量子井戸構造（ＭＱＷ：Multiple Quantum Well）等からなる。発光層２ｂの厚みは２５ｎｍ〜１５０ｎｍ程度である。

ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層２ａ、発光層２ｂ、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層２ｃを含む半導体層の成長方法は、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ；Metal Organic Vapor Phase Epitaxy）法が用いられるが、その他分子線エピタキシー（ＭＢＥ；Molecular Beam Epitaxy）法、ハイドライド気相成長（ＨＶＰＥ；Hydride Vapor Phase Epitaxy）法、パルスレーザデポジション（ＰＬＤ；Pulse Laser Deposition）法等が挙げられる。

ｎ型透明電極層３の表面にはｎ型電極が形成されていてもよく、その材質は、発光層２ｂで発生した光を損失なく反射し、かつｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層２ａと良好なオーミック接続がとれるものがよい。そのような材質のものとしては、例えばアルミニウム（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），酸化インジウム（Ｉｎ_２Ｏ_３），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）合金等を用いればよい。これらの中でも、アルミニウム（Ａｌ）または銀（Ａｇ）は、発光層２ｂが発光する青色光（波長４５０ｎｍ）〜紫外光（波長３５０ｎｍ）の光に対して反射率が高いので好適である。また、アルミニウム（Ａｌ）はｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層２ａとのオーミック接合の点でも特に好適である。また、上記材料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。

ｐ型透明電極層４の表面にはｐ型電極が形成されていてもよく、その材質は、ｎ型電極と同様である。

また、ｎ型透明電極層３及びｐ型透明電極層４には、それぞれ外部との電気的接続をとるための接続配線６が接続されている。接続配線６は、例えばＩＴＯ層などの透明導電膜、金等からなる。

ｎ型透明電極層３の表面にｎ型電極があり、ｐ型透明電極層４の表面にｐ型電極がある場合、ｎ型電極及びｐ型電極に、それぞれ外部との電気的接続をとるための接続配線６が接続されている。この場合接続配線６は、例えばＩＴＯ層などの透明導電膜、金等から成る。

なお、本実施の形態の窒化ガリウム系化合物半導体を適用した発光素子５は、発光ダイオード（ＬＥＤ）として使用することができる。

また、本実施の形態の上記の発光素子（ＬＥＤ）は次のように動作する。即ち、発光層２ｂを含む半導体層にバイアス電流を流して、発光層２ｂで波長３５０〜４００ｎｍ程度の紫外光〜近紫外光、紫光を発生させ、発光素子５の外側にその紫外光〜近紫外光、紫光を取り出すように動作する。

また、本実施の形態の発光装置は照明装置に適用できるものであり、その照明装置は、本実施の形態の発光素子５と、発光素子５からの発光を受けて光を発する蛍光体及び燐光体の少なくとも一方とを具備している構成である。蛍光体及び燐光体の少なくとも一方は、透光性封止材８に含まれていてもよく、または透光性封止材８をさらに覆う透光性樹脂層等に含まれていてもよい。この構成により、輝度及び照度の高い照明装置を得ることができる。

具体的には、この照明装置は、本実施の形態の発光装置をシリコーン樹脂等の透光性樹脂、ガラス等の透光性部材で覆うか内包するようにし、その透光性部材に蛍光体、燐光体を混入させた構成とすればよく、蛍光体、燐光体によって発光素子の紫外光〜近紫外光を白色光等に変換するものとすることができる。また、集光性を高めるために透光性部材に凹面鏡等の光反射部材を設けることもできる。このような照明装置は、従来の蛍光灯等よりも消費電力が小さく、小型であることから、小型で高輝度の照明装置として有効である。

（ａ）は（ｂ）のＡ１−Ａ２線における本実施の形態の発光装置の１例を示す断面図、（ｂ）は本実施の形態の発光装置の１例を示す矢視平面図である。（ａ）は（ｂ）のＢ１−Ｂ２線における本実施の形態の発光装置の他例を示す断面図、（ｂ）は本実施の形態の発光装置の他例を示す矢視平面図である。従来の発光素子の１例を示す断面図である。

符号の説明

１：透光性基板
２ａ：第１導電型窒化ガリウム系化合物半導体層
２ｂ：発光層
２ｃ：第２導電型窒化ガリウム系化合物半導体層
３：第１の透光性電極層
４：第２の透光性電極層
５：発光素子
６：接続配線
７：透光性のサブマウント
８：透光性封止材

Claims

透光性基板と、前記透光性基板上に形成された、第１導電型窒化ガリウム系化合物半導体層と窒化ガリウム系化合物半導体から成る発光層と第２導電型窒化ガリウム系化合物半導体層とを含む半導体層を有する発光素子と、
前記第１導電型窒化ガリウム系化合物半導体層の表面に形成された第１の透明電極層と、前記第２導電型窒化ガリウム系化合物半導体層の表面に形成された第２の透明電極層と、前記発光素子を載置する載置面を上面の一部に有する透光性のサブマウントと、
前記サブマウントの前記載置面と異なる位置に設けられた、前記第１導電型窒化ガリウム系化合物半導体層および前記第２導電型窒化ガリウム系化合物半導体層に電気的に接続された接続配線と、
前記発光素子、前記接続配線及び前記サブマウントを覆う透光性封止材と、を具備し、
前記接続配線は、前記透光性封止材よりも外側に引き出されているとともに、
前記サブマウントは、前記載置面が、前記上面のうち前記一部と異なる部分に対して傾斜しており、前記載置面に対して垂直な方向に切断した縦断面形状が非対称である発光装置。
前記透光性封止材は球体状である請求項１記載の発光装置。
前記透光性基板はサファイア，酸化亜鉛，ＧａＮまたはＡｌＮから成る請求項１または２記載の発光装置。