発光素子
【課題】蛍光体を備え、搭載形態を問わずに採用できると共に光損失を低下させることができ、かつ、化合物半導体薄膜から発する光を効率良く蛍光体に照射することができる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の表面上に設けられ発光層２４を有する化合物半導体層２０と、基板１０の裏面に形成される凹部１２と、凹部１２の内部に配置され発光層２４が発する光により励起されると当該光と異なる波長の光を発する蛍光体４０と、凹部１２を覆い蛍光体４０が発する光に対して透過性を有し無機材料からなる透明層３０と、を備える。
【解決手段】本発明の発光素子は、基板１０と、基板１０の表面上に設けられ発光層２４を有する化合物半導体層２０と、基板１０の裏面に形成される凹部１２と、凹部１２の内部に配置され発光層２４が発する光により励起されると当該光と異なる波長の光を発する蛍光体４０と、凹部１２を覆い蛍光体４０が発する光に対して透過性を有し無機材料からなる透明層３０と、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蛍光体を用いる発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、サファイア基板の上面側に化合物半導体薄膜層が積層されたＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）チップが知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１においては、サファイア基板がサンドブラストにより形成された穴部を有し、この穴部に蛍光体含有材料が充填され、サファイア基板の裏面に反射層が設けられている。特許文献１に記載のＬＥＤチップは、化合物半導体薄膜層から発した光と、当該光の一部により励起された蛍光体から発した光と、の組合せの混合光を発する。
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−０８５７４６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、特許文献１に記載のＬＥＤチップは、サファイア基板の裏面にＡｇ、Ａｌ等の高反射性を有する金属層を設けているものの、反射時における金属の光吸収による光損失は無視できず、光取出し効率の向上には限界がある。また、サファイア基板の裏面に金属層を形成しているので、ＬＥＤチップの発光光及び蛍光体からの波長変換光の双方を、サファイア基板側からＬＥＤチップの外部に取り出すことが困難となる。したがって、主たる光取出し面をサファイア基板側とするフェイスダウン型ＬＥＤチップとしては採用できず、主たる光取出し面を化合物半導体薄膜層側とするフェイスアップ型ＬＥＤチップとしてのみに対応したＬＥＤチップしか提供することができない。
【０００５】
したがって、本発明の目的は、蛍光体を備え、搭載形態を問わずに採用できると共に光損失を低下させることができ、かつ、化合物半導体薄膜から発する光を効率良く蛍光体に照射することができる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】
【０００６】
本発明は、上記目的を達成するため、基板と、前記基板の表面上に設けられ、発光層を有する化合物半導体層と、前記基板の裏面に形成される凹部と、前記凹部の内部に配置され、前記発光層が発する光により励起されると当該光と異なる波長の光を発する蛍光体と、前記凹部を覆い、前記蛍光体が発する光に対して透過性を有し、無機材料からなる透明層と、を備える発光素子が提供される。
【０００７】
また、上記発光素子において、前記凹部は、前記基板の前記裏面に、間隔をおいて複数形成されることが好ましい。
【０００８】
また、上記発光素子において、前記間隔は、前記各凹部の粗密が異なるように、前記基板の前記裏面の領域に応じて変化することが好ましい。
【０００９】
また、上記発光素子において、前記各凹部は、前記発光層が発する光により励起されると第１波長変換光を発する第１蛍光体が配置される第１凹部と、前記発光層が発する光により励起されると前記第１波長変換光と異なる波長の第２波長変換光を発する第２蛍光体が配置される第２凹部と、を含むようにしてもよい。
【００１０】
また、上記発光素子において、前記透明層は、前記発光層が発する光に対して反射性を有するようにしてもよい。
【００１１】
また、上記発光素子において、前記無機材料は、導電性材料であることが好ましい。
【００１２】
また、上記発光素子において、前記無機材料は、酸化物又は窒化物であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、蛍光体を備え、搭載形態を問わずに採用できると共に光損失を低下させることができ、かつ、化合物半導体薄膜から発する光を効率良く蛍光体に照射することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態の発光素子の断面の概要を示す。また、図２は、本発明の第１の実施形態の発光素子の裏面の概要を示す。
【００１５】
（発光素子１の構成の概要）
第１の実施形態の発光素子１は、図１に示すように、裏面（図１中下面）に凹部１２を有する基板１０と、基板１０の表面（図１中上面）上の所定の領域に設けられる化合物半導体層２０とを備える。化合物半導体層２０は、基板１０上に設けられるｎ型コンタクト層２１と、ｎ型コンタクト層２１上に設けられるｎ型クラッド層２２と、ｎ型クラッド層２２上に設けられる発光層２４と、発光層２４上に設けられるｐ型クラッド層２６と、ｐ型クラッド層２６上に設けられるｐ型コンタクト層２７とを有する。発光素子１の凹部１２には、蛍光体４０を含むバインダー５０が充填され、基板１０の裏面に当該裏面を覆って凹部１２を遮蔽する透明層３０を備えられている。さらに、発光素子１は、ｐ型コンタクト層２７上に、ｐ側電極６０と、ｐ側電極６０上の一部の領域に設けられるｐ側パッド電極６１とを備える。また、発光素子１は、ｐ型コンタクト層２７からｎ型コンタクト層２１の一部まで除去されて露出したｎ型コンタクト層２１の表面に、ｎ側電極６５を備える。
【００１６】
（基板１０及び凹部１２）
基板１０は、光透過性を有し、導電性を有する化合物半導体基板である。基板１０は、一例として、ｃ面（（０００１）面）を主面とする窒化ガリウム（ＧａＮ）基板である。また、基板１０としては、屈折率が２．４であるＧａＮ基板の他に、屈折率が２．６であるシリコンカーバイド（ＳｉＣ）基板、屈折率が１．９であるノンドープの酸化亜鉛（ＺｎＯ）基板、屈折率が１．９である酸化ガリウム（Ｇａ２Ｏ３）基板を用いることができる。ここで、化合物半導体層２０をＧａＮ系半導体（屈折率：２．４）から形成する場合、基板１０としては、ＧａＮ系半導体の屈折率に近い屈折率を有するＧａＮ基板又はＳｉＣ基板を用いることが好ましい。また、ＧａＮ系半導体からなる化合物半導体層２０を基板１０上に形成する場合、バッファ層を形成せずに結晶性の良い化合物半導体層２０を形成すべく、ＧａＮ基板を用いることが好ましい。尚、基板１０は、導電性を有していなくてもよいし、不純物がドープされていてもノンドープであってもよい。
【００１７】
凹部１２は、基板１０の裏面側から表面側へ向かって所定の深さで形成される。ここで、図２を参照する。尚、図２は、説明の便宜上、透明層３０を省いて示している。発光素子１は、上面視（又は裏面視）にて略四角形状に形成され、凹部１２も同様に略四角形状に形成される。例えば、発光素子１は、平面視にて３５０μｍ角、又は１０００μｍ角に形成される。そして、凹部１２は、厚さが１８０μｍの基板１０に、９０μｍ〜１００μｍの深さに形成される。
【００１８】
本実施形態においては、発光素子１は上面視にて正方形状に形成され、凹部１２は発光素子１より小さな正方形状に形成される。尚、凹部１２の上面視（又は裏面視）における形状は、略四角形に限られず、例えば、四角形以外の多角形状に形成することもできる。また、凹部１２は、頂点部分が円弧等の湾曲部分で接続される多角形状としてもよい。
【００１９】
（化合物半導体層２０、並びにｐ側電極６０及びｎ側電極６５）
化合物半導体層２０は、具体的に、基板１０上に設けられる第１導電型のｎ型コンタクト層２１と、ｎ型コンタクト層２１上に設けられ第１導電型の第１半導体層としてのｎ型クラッド層２２と、ｎ型クラッド層２２上に設けられる発光層２４と、発光層２４上に設けられ第１導電型とは異なる第２導電型の第２半導体層としてのｐ型クラッド層２６と、ｐ型クラッド層２６上に設けられるｐ型コンタクト層２７とを有する。本実施形態においては、化合物半導体層２０の各層は、ＩｎＸＡｌＹＧａ１-Ｘ-ＹＮ（０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ＜１）で示される窒化物化合物半導体から形成される。
【００２０】
本実施形態において化合物半導体層２０の各層は、例えば、有機金属化学気相成長（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＭＯＣＶＤ）法、分子線エピタキシー（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ：ＭＢＥ）法、ハライド気相エピタキシー（Ｈａｌｉｄｅ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ：ＨＶＰＥ）法等によって基板１０側から順に積層させて形成される。
【００２１】
ｎ型コンタクト層２１は、ｎ型ドーパントとしてのＳｉがドープされたｎ＋−ＧａＮから形成される。また、ｎ型クラッド層２２は、ｎ型コンタクト層２１のドーピング濃度より高い濃度でＳｉがドープされたｎ−ＡｌＧａＮから形成されるｎ型のクラッド層である。発光層２４は、青色領域の光を発するＩｎＧａＮ／ＧａＮを繰り返し積層させた多重量子井戸構造を有して形成される。ｐ型クラッド層２６は、ｐ型ドーパントとしてのＭｇがドープされたｐ−ＡｌＧａＮから形成される。更に、ｐ型コンタクト層２７は、ｐ型クラッド層２６のドーピング濃度より高い濃度でＭｇがドープされたｐ＋−ＧａＮから形成される。
【００２２】
本実施の形態に係る発光素子１をフェイスアップ（ＦＵ）型として用いる場合、ｐ側電極６０は、光取り出し効率の向上を目的としてＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）等の導電性酸化物からなる透明電極から形成する。そして、ｐ側パッド電極６１は、例えば、Ｔｉ、Ｎｉ、Ａｕ等の金属材料から形成する。また、本実施の形態に係る発光素子１をフリップチップ型として用いる場合、ｐ側電極６０は、発光層２４が発する光に対して高い反射率を有するＲｈ、Ａｇ等の反射性の金属材料から形成する。ｐ側パッド電極６１は、例えば、Ｔｉ、Ｎｉ、Ａｕ等の金属材料から形成する。なお、ｐ側電極６０としてＡｇを用いる場合、Ａｇのマイグレーションを抑制することを目的として、Ｖ、Ｔｉ等の金属材料を用いてｐ側電極６０の表面（上面及び側面）を被覆する。また、ｎ側電極６５は、例えば、Ａｇ、Ａｌ、Ｎｉ、Ａｕ、Ｐｄ又はＣｒを含む金属材料又はＩＴＯ、ＺｎＯ等の透明電極により形成する。なお、ｎ側電極６５を透明電極から形成した場合、ｎ側電極６５上の所定の領域にパッド電極を形成してもよい。この場合、ｐ側電極６０上に設けられるパッド電極とｎ側電極６５の上に設けられるパッド電極とを形成する材料を同一の材料とすることができる。
【００２３】
尚、発光層２４の量子井戸構造は、単一量子井戸構造、又は多重量子井戸構造、若しくは歪量子井戸構造のいずれの構造であってもよい。さらには、量子井戸構造を有さない発光層２４（例えば、ｐｎ接合からなる発光層２４、ダブルヘテロ（ＤＨ）接合からなる発光層２４等）とすることもできる。
【００２４】
また、本実施形態において、発光層２４が発する光は青色領域の光であるが、本実施形態の変形例においては、他の波長領域の光を発する発光層２４を形成することもできる。例えば、発光層２４を、近紫外領域の光、又は紫外領域の光を発する構造とすることもできる。
【００２５】
（蛍光体４０及びバインダー５０）
蛍光体４０は、発光層２４が発する光により励起されると当該光とは異なる波長の可視光を放射する。本実施形態においては、蛍光体４０として、発光層２４が発する青色光により励起されると、黄色領域の光を発するＹＡＧ（Ｙｔｔｒｉｕｍ Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ｇａｒｎｅｔ）が用いられる。尚、蛍光体４０は、ケイ酸塩蛍光体、ＹＡＧとケイ酸塩蛍光体を所定の比率で混合した混合物等を用いることもできる。蛍光体４０は、バインダー５０に添加されてバインダー５０中に分散される。
【００２６】
バインダー５０は、蛍光体４０を凹部１２内に封止する。バインダー５０は、例えば、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂等の高分子材料、若しくはガラス系接着剤、低融点ガラス、ゾルゲルガラス等の無機材料から形成される。バインダー５０としては、耐光性、耐熱性等を有する無機材料が望ましい。尚、発光層２４が発する光を凹部１２内において散乱させて、蛍光体４０に入射する光量を増加させることを目的として、所定の形状を有する散乱材をバインダー５０に添加してもよい。散乱材は、例えば、シリカビーズ等から形成される。
【００２７】
ここで、発光層２４が発する光と当該光により励起された蛍光体４０が発する光の組合せは任意であるし、例えば複数種類の蛍光体を用いてもよい。白色光を生成する組合せの例としては、例えば、青色の発光層と黄色蛍光体の組合せ、青色発光層と緑色蛍光体及び赤色蛍光体の組合せ、紫外の発光層と青色蛍光体、緑色蛍光体及び赤色蛍光体の組合せ、紫外の発光層と青色蛍光体及び赤色蛍光体の組合せ等がある。
【００２８】
青色光により励起される黄色蛍光体としては、前述のＹＡＧの他に、例えばα−サイアロン：Ｅｕ２＋等が挙げられる。また、紫外光により励起される黄色蛍光体として、例えば（Ｂａ，Ｓｒ，Ｃａ）２ＳｉＯ４：Ｅｕ２＋等が挙げられる。
また、青色光により励起される赤色蛍光体としては、例えば（Ｃａ，Ｓｒ）Ｓ：Ｅｕ等が挙げられる。また、紫外光により励起される赤色蛍光体としては、例えばＬａ２Ｏ２Ｓ：Ｅｕ，Ｓｍ（ＹＯＳ：Ｅｕ），Ｂａ３ＭｇＳｉ２Ｏ８：Ｅｕ２＋、Ｍｎ２＋等が挙げられる。また、青色光及び紫外光により励起される赤色蛍光体としては、例えばＣａＡｌＳｉＮ３：Ｅｕ２＋等が挙げられる。
また、青色光により励起される緑色蛍光体としては、例えば（Ｂａ，Ｓｒ）２ＳｉＯ４：Ｅｕ２＋等が挙げられる。また、紫外光により励起される緑色蛍光体としては、例えば３（Ｂａ，Ｍｇ，Ｅｕ，Ｍｕ）Ｏ・８Ａｌ２Ｏ３等が挙げられる。
また、紫外光により励起される青色蛍光体としては、例えば（Ｓｒ，Ｃａ，Ｂａ，Ｅｕ）１０（ＰＯ４）６・Ｃｌ２、（Ｂａ、Ｓｒ、Ｃａ）１０（ＰＯ４）６Ｃ１３：Ｅｕ２＋等が挙げられる。
【００２９】
（透明層３０）
透明層３０は、凹部１２の開口を被覆して、凹部１２内の蛍光体４０を含有したバインダー５０を外部から遮蔽する。透明層３０は、水分、酸素等を発光素子１の外部と遮断する機能を有する。透明層３０は、蛍光体４０が放射する可視光に対して所定の透過率を有する酸化物材料又は窒化物材料からなり、当該可視光の少なくとも一部を透過する。例えば、透明層３０は、酸化物材料としての二酸化シリコンからなる膜（ＳｉＯ２膜）、窒化物材料としての窒化ケイ素からなる膜（ＳｉｘＮｙ、例えば、Ｓｉ３Ｎ４膜）、酸化物材料且つ窒化物材料であり酸窒化物材料としてのシリコン酸窒化膜（ＳｉＯＮ膜）等から形成することができる。
【００３０】
（発光素子１の製造方法）
図３及び図４は、本発明の第１の実施形態の発光素子の製造工程の概要を示す。
【００３１】
（基板準備工程）
まず、図３（ａ）に示すように、基板１０上に化合物半導体層２０が形成されたエピタキシャル基板を準備する。エピタキシャル基板は、ノンドープのＧａＮからなる基板１０上に、ｎ＋−ＧａＮからなるｎ型コンタクト層２１と、ｎ−ＡｌＧａＮからなるｎ型クラッド層２２と、発光層２４と、ｐ−ＡｌＧａＮからなるｐ型クラッド層２６と、ｐ＋−ＧａＮからなるｐ型コンタクト層２７とがこの順にエピタキシャル成長されて形成される。
【００３２】
（メサ形成工程）
次に、図３（ｂ）に示すように、フォトリソグラフィー法及びエッチング法を用いて、化合物半導体層２０のｐ型コンタクト層２７の表面からｎ型コンタクト層２１の一部までを除去する。すなわち、ｐ＋−ＧａＮから形成されるコンタクト層２７の表面からｎ＋−ＧａＮから形成されるｎ型コンタクト層２１の一部までエッチングにより除去して、メサ形状を形成する。この後、図３（ｃ）に示すように、フォトリソグラフィー法及びスパッタ法又は真空蒸着法を用いて、ｐ型コンタクト層２７の表面にｐ側電極６０を形成した後、ｐ側電極６０上の一部にｐ側パッド電極６１を形成する。また、露出したｎ型コンタクト層２１の表面の所定の領域にｎ側電極６５を形成する。
【００３３】
（凹部形成工程）
次に、図４（ａ）に示すように、基板１０における化合物半導体層２０が形成されている面の反対の面に、凹部１２を形成する。凹部１２は、基板１０がＧａＮから形成されている場合、所定のエッチャントを用いてウェットエッチング又はドライエッチングにより形成する。これにより、最深部の底面１２ｂと、この底面１２ｂに連続的に形成され開口へ向かって拡がるよう傾斜した斜面１２ａと、を含む凹部１２が、基板１０に形成される。尚、凹部１２をエッチングにより形成する場合、エッチングにより露出する面であるので、斜面１２ａ及び底面１０ｂはそれぞれ略平坦な面となる。
【００３４】
（蛍光体設置工程）
続いて、図４（ｂ）に示すように、蛍光体４０を含有するバインダー５０を、ポッティング等により凹部１２に充填する。尚、バインダー５０が十分な流動性を有する場合、バインダー５０が有する自己水平性（セルフレべリング）を利用して、バインダー５０の表面を略平坦にできる。バインダー５０を凹部１２内に充填した後、バインダー５０を加熱して硬化させる。
【００３５】
（透明層形成工程）
次に、図４（ｃ）に示すように、バインダー５０が充填された凹部１２の開口側に、透明層３０を形成する。透明層３０は、例えば、ゾルゲル法、真空蒸着法、スパッタ法等の成膜法を用いて形成する。これにより、凹部１２内の蛍光体４０を外部から遮蔽する透明層３０が形成される。以上の各工程を経て、白色ＬＥＤチップとしての発光素子１が製造される。
【００３６】
（発光素子１の作用）
図５（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第１の実施形態の発光素子の使用例を示す。
【００３７】
図５（ａ）は、発光素子１をフェイスアップ（ＦＵ）型として用いる例を示す。この場合、ｐ側電極６０は、ＩＴＯ、ＺｎＯ等の透明電極から形成される。そして、ｐ側パッド電極６１は、金属材料から形成される。そして、発光素子１は、透明層３０側を下にして所定の実装基板７０上に接着剤８０を介して搭載される。本実施形態においては、接着剤８０は、例えば、エポキシ樹脂等の非導電性の接着剤が用いられる。ここで、接着剤８０は、例えば、Ａｇペースト、ＡｕＳｎ等の導電性材料であってもよい。本実施形態においては、接着剤８０は、反射フィラーとして、例えば、Ａｇ、ＴｉＯ２等を含み、白色を呈している。尚、接着材８０を反射フィラーを含有しない透明接着材としてもよい。
【００３８】
図５（ａ）において、発光層２４から発した光の一部は、ｐ型コンタクト層２７及びｐ側電極６０を通過して発光素子１の外部に放射される（図５（ａ）の光Ａ）。また、発光層２４から発した光の他の一部は、ｎ型クラッド層２２、ｎ型コンタクト層２１、及び基板１０を伝搬して、凹部１２内の蛍光体４０に照射される（図５（ａ）の光Ｂ１）。そして、光Ｂ１により蛍光体４０は励起され、光Ｂ１とは異なる波長の光Ｂ２を放射する。光Ｂ２は、蛍光体４０から発光素子１の外部に放射される。尚、図５（ａ）では図示していないが、発光層２４から発した光の他の一部は、ｎ型クラッド層２２、ｎ型コンタクト層２１、及び基板１０を伝搬して、発光素子１と外部との界面において全反射される。この光は、当該界面において全反射された後、凹部１２の蛍光体４０に向かって伝搬する。本実施形態においては、蛍光体４０が放射した可視光の一部は、透明層３０を透過した後、接着剤８０により蛍光体４０側に反射される。尚、図５（ａ）の場合において、無機材料からなる透明層３０は、蛍光体４０を含むバインダー５０内への接着剤８０の侵入を阻止するバリア層としての機能も有する。また、透明層３０は、酸化物材料、窒化物材料、又は酸窒化物材料から形成されるので、透明層３０と蛍光体４０とが直接に接した場合であっても、蛍光体４０と金属材料（例えば、Ｔｉ等の触媒性を有する金属材料）とが直接に接した場合に比べて、蛍光体４０の変質を抑制することができる。
【００３９】
尚、図５（ａ）のＦＵ型の発光素子１において、実装基板７０に搭載された発光素子１は、ｐ側パッド電極６１及びｎ側電極６５がＡｕワイヤー等を介して実装基板７０の接続端子と電気的に接続される。そして、発光素子１は、樹脂材料等の有機高分子材料又は低融点ガラス等の無機材料により封止される。
【００４０】
一方、図５（ｂ）は、発光素子１をフリップチップ（ＦＣ）型として用いる例を示す。この場合、ｐ側パッド電極６１及びｐ側電極６０は、透光性の導電材料、反射性の金属材料等から形成される。そして、発光素子１は、凹部１２の開口側を実装基板７０と反対側に向け、実装基板７０上にバンプ８５を介して搭載される。これにより、ｐ側パッド電極６１と実装基板７０の接続端子（図示せず）との間、及びｎ側電極６５と実装基板７０の接続端子（図示せず）との間が、バンプ８５により電気的に接続される。ここで、バンプ８５は、例えば、Ａｕバンプ、ＡｕＳｎバンプ等の金属バンプからなる。
【００４１】
図５（ｂ）において、発光層２４から発した光の一部は、ｎ型クラッド層２２、ｎ型コンタクト層２１、及び基板１０を伝搬して発光素子１の外部に伝搬する（図５（ｂ）の光Ｅ）。また、発光層２４から発した光の他の一部は、ｎ型クラッド層２２、ｎ型コンタクト層２１、及び基板１０を伝搬して、凹部１２内の蛍光体４０に照射される（図５（ｂ）の光Ｃ１）。そして、光Ｃ１により蛍光体４０は励起され、光Ｃ１とは異なる波長の光Ｃ２を放射する。蛍光体４０から放射された光Ｃ２は、発光素子１の外部に放射される。また、発光層２４から発した光の他の一部は、ｎ型クラッド層２２、ｎ型コンタクト層２１、及び基板１０を伝搬して、発光素子１と外部との界面において全反射される（図５（ｂ）の光Ｄ）。光Ｄは、当該界面において全反射された後、凹部１２の蛍光体４０に向かって伝搬する。なお、発光層２４から実装基板７０側に伝搬した光は、ｐ側電極６０によって発光素子１の上方に反射される。
【００４２】
（第１の実施形態の効果）
本発明の第１の実施形態の発光素子１によれば、凹部１２に充填された蛍光体４０を含有するバインダー５０は、透明層３０により外部から遮蔽される。これにより、本実施形態によれば、空気中に含まれる水分等が凹部１２に侵入することはなく、水分等により蛍光体４０が変質・分解することを抑制できるので、発光素子１の経時劣化を抑制することができる。そして、凹部１２を透明層３０によって覆ったので、透明層３０側からも光を取り出すことができる。これにより、本実施の形態においては、ＦＵ型又はＦＣ型のいずれの搭載形態も採用することができる発光素子１を提供できると共に、透明層３０における光の損失を低減できる。
【００４３】
また、第１の実施形態の発光素子１によれば、発光層２４が発した光が発光素子１と外部との界面において全反射して基板１０内を伝搬する場合であっても、この伝搬光は凹部１２内の蛍光体４０によって散乱されるので、発光素子１の光取り出し効率が向上する。例えば、屈折率が約２．５と比較的高いＧａＮをノンドープの基板１０に用いた場合、全反射によって基板１０内に伝播し取り出されない光が多くなるが、凹部１２内の蛍光体４０が存在する場合、伝播光が蛍光体４０によって波長変換及び散乱されるため、光取り出し効率を格段に向上させることができる。また、波長変換及び散乱されずに基板１０内に伝播した光は全反射等により、再度蛍光体１０へ入射するため、効率よく伝播光を波長変換することができる。また、基板１０表面に蛍光体４０を塗布した場合と比べ、凹部１２を形成して蛍光体４０を充填すると、凹部１２の側面分だけ表面積が増えて、蛍光体４０に光が入射しやすくなり、光取り出し効果を向上することができる。
【００４４】
さらに、第１の実施形態の発光素子１によれば、基板１０に設けた凹部１２内に蛍光体４０を封止するので、発光素子１の光源サイズを小さくすることができる。従って、発光素子１の外部に設けるレンズ等の光学系のサイズを小さくすることができる。
【００４５】
［第１の実施形態の変形例］
第１の実施形態において、ｎ型コンタクト層２１上にｎ側電極６５を形成したものを示したが、ｎ側電極６５を導電性を有する基板１０に直接形成するようにしてもよい。
【００４６】
また、例えば、図６に示すように、基板１０をＧａＮ以外の材料から形成してもよいことは勿論である。図６には、基板１０がサファイアからなり、ｎ型クラッド層２２と基板１０との間に、ＡｌＮからなるバッファ層１１１及びＧａＮからなるｎ型コンタクト層１１２を備えた発光素子１０１を示す。
【００４７】
また、第１の実施形態においては、一の正方形状の凹部１２を基板１０の裏面中央に形成したものを示したが、凹部の形状は任意である。例えば、図７（ａ）に示すように、基板１０の裏面の中心領域に凹部１３を備え、凹部１３と距離をおいて凹部１３を包囲する凹部１４を備えたものであってもよい。凹部１３及び凹部１４には、蛍光体４０を含有するバインダー５０がそれぞれ充填される。図７（ａ）においては、凹部１３は平面視正方形状に形成され、凹部１４は中抜きの正方形状に形成されており、凹部１３と凹部１４とは同心の位置に配置されている。
【００４８】
また、例えば、図７（ｂ）に示すように、基板１０の裏面に、規則的に配置された複数の凹部１５を備えたものであってもよい。各凹部１５には、蛍光体４０を含有するバインダー５０がそれぞれ充填される。図７（ｂ）においては、平面視にて正方形状の凹部１５が縦横に所定間隔で整列され、基板１０の裏面は格子状の外観を呈している。尚、図７（ａ）においては、各凹部１５の大きさが同一であるが、各凹部１５を異なる大きさとしてもよい。
【００４９】
また、例えば、図８（ａ）に示すように基板１０の裏面に形成される複数の凹部１６を平面視にて正六角形状に形成してもよく、各凹部の形状は任意である。図８（ａ）においては、平面視にて正六角形状の各凹部１６が、互いに距離をおいて基板１０の裏面にハニカム状に配列される。そして、各凹部１６には、蛍光体４０を含有するバインダー５０が充填される。
【００５０】
また、例えば、図８（ｂ）に示すように、基板１０の裏面に形成される凹部１７ａ，１７ｂ，１７ｃの大きさが複数種類であってもよい。図８（ｂ）の発光素子では、各凹部１７ａ，１７ｂ，１７ｃは互いに相似形状であり、基板１０の裏面中央側の凹部１７ａは大きく、基板１０の裏面外縁側の凹部１７ｂは小さく、中央側の凹部１７ａと外縁側の凹部１７ｂの中間に位置する凹部１７ｃはこれらの中間の大きさに形成されている。各凹部１７ａ，１７ｂ，１７ｃは、平面視にて正六角形状に形成され、同濃度の蛍光体４０を含有するバインダー５０がそれぞれ充填されている。また、基板１０の裏面中央側の複数の凹部１７ａ間の間隔が、複数の凹部１７ｂ間の間隔、及び複数の凹部１７ｃ間の間隔より狭い間隔となる配置で、各凹部１７ａ，１７ｂ，１７ｃは配置される。すなわち、裏面の中央付近の領域（第１の領域）、外縁付近の領域（第２の領域）、及び中央と外縁との間の領域（第３の領域）のそれぞれに凹部を配置する場合、第１の領域に配置する複数の凹部の間隔（第１の間隔）と、第２の領域に配置する複数の凹部の間隔（第２の間隔）と、第３の領域に配置する複数の凹部の間隔（第３の間隔）とをそれぞれ異なる間隔にすることができる。例えば、第１の間隔＜第２の間隔＜第３の間隔、第１の間隔＜第３の間隔＜第２の間隔、第１の間隔≦第２の間隔≦第３の間隔、又は第１の間隔≦第３の間隔≦第２の間隔となる配置に、複数の凹部１７ａ，１７ｂ，１７ｃを裏面に配置できる。これにより、裏面に設けられる複数の凹部の粗密を異ならせることができる。
【００５１】
図７及び図８に示したように、基板１０の裏面に複数の凹部を設けることで、複数の凹部の間のそれぞれは、発光層２４が発する光の光取出し面として機能させることができる。また、発光素子１は、その外部形状、基板１０の厚さ、化合物半導体層２０を構成する各層の厚さに応じて発光素子１の配光が変化するので、発光層２４の発光光と蛍光体からの波長変換光との混色光の色むらを生じさせないことを目的として、発光素子１の配光に対応させた凹部の配列パターンを設計することができる。よって、各凹部の配列パターンの最適化により、発光素子１が発する光の色むらを抑制できる。
【００５２】
また、例えば、図９に示すように、基板１０の裏面に形成される凹部１９ａ、１９ｂ、１９ｃの深さをそれぞれ異なる深さに形成することもできる。図９の発光素子では、裏面中央側の凹部１９ａの深さが他の凹部１９ｂ及び１９ｃの深さより深く、裏面外縁側の凹部１９ｃの深さが他の凹部１９ａ及び１９ｂの深さより浅い。そして、凹部１９ａと凹部１９ｃとの間の凹部１９ｂの深さは、凹部１９ａの深さと凹部１９ｃの深さとの間の深さである。
【００５３】
［第２の実施形態］
図１０は、本発明の第２の実施形態の発光素子の断面の概要を示す。また、図１１は、本発明の第２の実施形態の発光素子の裏面の概要を示す。
【００５４】
第２の実施形態の発光素子１ａは、ノンドープの基板１０に設ける凹部が複数である点、複数の凹部に充填される蛍光体が複数種類である点等が、主として第１の実施形態の発光素子１と異なっている。尚、図１１において、説明の便宜上、透明層３０の図示を省略している。また、図１０は、図１１のＡ−Ａ断面となっている。
【００５５】
図１０に示すように、第２の実施形態の発光素子１ａは、基板１０の裏面に等間隔で形成された複数の凹部１８ａ，１８ｂ，１８ｃを備え、一部の凹部１８ａ，１８ｃには第１蛍光体４２を含有するバインダー５０が充填され、他部の凹部１８ｂには、第１蛍光体４２と異なる第２蛍光体４３を含有するバインダー５０が充填される。
【００５６】
図１１（ａ）は、第２の実施形態の発光素子１ａの一例を示す。この発光素子１ａは、基板１０の裏面に、所定方向（図１１（ａ）中上下方向）へ延びる３つの四角形状の各凹部１８ａ，１８ｂ，１８ｃが、各凹部１８ａ，１８ｂ，１８ｃの延在方向と直交する方向に所定間隔で並んで形成され、全体としてストライプ状を呈している。外側に位置する２つの凹部１８ａ，１８ｃは、第１蛍光体４２を含有するバインダー５０が充填され、中央の凹部１８ｂは、第２蛍光体４３を含有するバインダー５０が充填される。本実施形態においては、第１蛍光体４２は、青色光により励起されると緑色光を発する緑色蛍光体であり、第２蛍光体４３３は、青色光により励起される赤色光を発する赤色蛍光体である。ここで、第１蛍光体４２の種類と、第２蛍光体４３の種類の組合せは、任意に変更することができる。
【００５７】
図１１（ｂ）は、第２の実施形態の発光素子１ａの他の例を示す。この発光素子１ａは、基板１０の裏面に、縦横に所定の間隔で配置された複数の正方形状の凹部（凹部１８ａから凹部１８ｉ）を備える。この発光素子１ａは、各凹部が縦３列、横３列に形成され、隣接する凹部同士で充填される蛍光体の種類が異なっている。本実施形態においては、基板１０の角部側に配置される凹部１８ａ，１８ｃ，１８ｇ，１８ｉ及び基板１０の中央側に配置される凹部１８ｅには、第１蛍光体４２を含有するバインダー５０が充填される。一方、基板１０の辺部側に配置される凹部１８ｂ，１８ｄ，１８ｆ，１８ｈには、第２蛍光体４３を含有するバインダー５０が充填される。尚、凹部の配列は縦横３列に限定されず、縦横の配列数はいくつでもよいことは勿論である。
【００５８】
尚、第２の実施形態においては、凹部に充填される蛍光体４２，４３の種類を異なるようにしたものを示したが、例えば、凹部に充填される蛍光体を同一として濃度を異なるようにしてもよい。この場合、発光層２４からの光の入射量が多い凹部で蛍光体の濃度を高くし、入射量が少ない凹部で蛍光体の濃度を低くすると、限られた蛍光体の量で効率良く波長変換を行うことができる。
【００５９】
［第３の実施形態］
図１２は、本発明の第３の実施形態の発光素子の断面の概要を示す。
第３の実施形態の発光素子１ｂは、透明層３０を形成する材料を蛍光体４０ａのバインダーとする点が、主に第１の実施形態の発光素子１と異なっている。この発光素子１ｂの製造方法について説明する。
【００６０】
（蛍光体設置工程）
本実施形態においては、バインダー無しで蛍光体４０を凹部１２内に圧入する圧入工程と、蛍光体４０が圧入された凹部１２上に透明層３０の原料を塗布する塗布工程と、塗布した原料から、透明層３０を形成する透明層形成工程とを含む。
【００６１】
具体的に、まず、基板１０の裏面に凹部１２を形成した後、蛍光体４０を凹部１２内に圧入する。このとき、蛍光体４０の粒子間には空隙４０ａが形成される。次に、ゾルゲル出発溶液を凹部１２の開口側にスピンコート法、ディップ法、キャスト法等により塗布した後、所定条件下で熱処理を基板１０に施す。これにより、ゾルゲル出発溶液からゾルゲルガラスが形成され、透明層３０となる。
【００６２】
このとき、ゾルゲル出発溶液は、蛍光体４０の粒子間の空隙４０ａの一部にゾルゲル出発溶液が侵入する。空隙４０ａに侵入したゾルゲル出発溶液も、熱処理によりゾルゲルガラスとなり、侵入部３０ａとなる。これにより、凹部１２内の蛍光体４０の少なくとも凹部１２の開口側の蛍光体４０は、侵入部３０ａによって固定される。すなわち、本実施形態の発光素子１ｂにおいては、侵入部３０ａがバインダーとして機能する。
【００６３】
［第４の実施形態］
図１３は、本発明の第４の実施形態の発光素子の断面の概要を示す。また、図１４は、本発明の第４の実施形態の発光素子の裏面の概要を示す。
【００６４】
図１３を参照すると、第４の実施形態の発光素子１ｃは、裏面１０ｂに凹部１２を有すると共に導電性を有する半導体基板である基板１１と、基板１１の表面に形成される化合物半導体層２０ａとを備える。そして、化合物半導体層２０ａは、ｎ型半導体層２３と、ｎ型半導体層２３上に形成される発光層２４と、発光層２４上に設けられるｐ型半導体層２５とを備える。更に、発光素子１ｃは、ｐ型半導体層２５上に設けられるｐ側電極６０と、ｐ側電極６０上の所定の領域に設けられるｐ側パッド電極６１と、底面１０ｂ及びバインダー５０の表面を覆って設けられる導電膜３１とを備える。なお、ｎ型半導体層２３は、第１の実施の形態のように、ｎ型コンタクト層２１及びｎ型クラッド層２２を含んで形成することができる。そして、ｐ型半導体層２５は、ｐ型クラッド層２６及びｐ型コンタクト層２７を含んで形成することができる。
【００６５】
本実施形態において、導電膜３１は、図１４に示すように、凹部１２の外縁にオーミック接触すると共に凹部１２を覆ってバインダー５０に接して設けられ、ｎ側電極として機能する。本実施形態の基板１１は導電性を有する半導体基板（例えば、不純物がドーピングされて導電性を呈するＧａＮ基板）であるので、基板１１を通じてｐ側パッド電極６１と導電膜３１との間を電流が流れることにより、発光層２４に電力が供給される。導電膜３１は、例えば、ＩＴＯ、ＳｎＯ２等の導電性酸化物の透明膜からなる単層から形成される。また、導電膜３１は、ＩＴＯからなる層とＮｂをドープしたＴｉＯ２からなる層との積層構造からなる分布ブラッグ反射（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ：ＤＢＲ）膜として形成することもできる。なお、導電膜３１をＤＢＲ膜として形成する場合、ＮｂをドープしたＴｉＯ２膜とＡｌをドープしたＺｎＯの膜との積層構造、又は、ＩＴＯからなる膜とＳｂをドープしたＳｎＯ２からなる膜との積層構造から形成することもできる。
【００６６】
［第４の実施形態の変形例］
図１５は、本発明の第４の実施形態の変形例の発光素子の断面の概要を示す。
第４の実施形態の変形例の発光素子１ｄは、第４の実施形態の発光素子１ｃとは凹部の数が異なる点が、第４の実施形態の発光素子１ｃと異なっている。第４の実施形態の変形例の発光素子１ｄは、基板１１の裏面１０ｂに複数の凹部１８ａ，１８ｂ，１８ｃが形成される。各凹部１８ａ，１８ｂ，１８ｃは、図１１において説明した第２の実施形態の発光素子１ａと同様の構成となっている。
【００６７】
［第５の実施形態］
図１６は、本発明の第５の実施形態の発光素子の断面の概要を示す。
第５の実施形態の発光素子１ｅは、凹部１２にバインダー５０が充填されていない点が、主として第１の実施形態の発光素子１と異なっている。本実施形態においては、図１６に示すように、蛍光体４０を含有するバインダー５０は凹部１２の底部側に所定の厚さだけ塗布されており、バインダー５０は凹部１２の全体に充填されてはいない。そして、透明層３０は、バインダー５０の表面にのみ設けられる。
【００６８】
［第６の実施形態］
図１７は、本発明の第６の実施形態の発光素子の断面の概要を示す。
第６の実施形態の発光素子１ｆは、凹部１２内に複数の蛍光体層を備える点が、主として第１の実施形態と異なっている。第６の実施形態の発光素子１ｆは、凹部１２内が第１蛍光体層４４と第２蛍光体層４４とにより充填される。第１蛍光体層４４は、第１蛍光体４２を含有するバインダー５０を、凹部１２の底部側に充填して形成される。また、第２蛍光体層４５は、第２蛍光体４３を含有するバインダー５０を、凹部１２の第１蛍光体層４４上で凹部１２の開口側に充填して形成される。
【００６９】
尚、第６の実施形態では、凹部１２内に２層の蛍光体層４４，４５を形成したものを示したが、凹部１２内に３層以上の蛍光体層を形成してもよい。この場合、各蛍光体層に、異なる種類の蛍光体を添加したり、各蛍光体層に添加する蛍光体の濃度を蛍光体層ごとに変化させてもよい。
【００７０】
［第７の実施の形態］
図１８は、本発明の第７の実施形態の発光素子の部分断面の概要を示す。
第７の実施の形態の発光素子１ｇは、凹部１２を覆う透明層がＤＢＲ構造を有する点が、主として第１の実施形態と異なっている。第７の実施形態の発光素子１ｇは、発光層２４が発する光に対して所定の反射率を有するＤＢＲ層３２を基板１０の裏面に備える。ＤＢＲ層３２は、互いに異なる屈折率の第１透明層３２ａ及び第２透明層３２ｂのペアを所定の繰り返し単位数だけ含んだ積層構造とされる。なお、第１透明層３２ａ及び第２透明層３２ｂは、例えば、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、ＳｉＮ及びＳｉＯＮからなる群から選択される材料から形成できる。
【００７１】
ＤＢＲ層３２は、蛍光体４０が放射する可視光に対して実質的に透明膜として機能すると共に、発光層２４が発する光に対して実質的に反射膜として機能する。例えば、発光層２４が発する光が視感度に影響を及ぼさない紫外領域又は紫領域の光である場合、紫外領域又は紫領域の光を高い反射率で反射することのできるＤＢＲ層３２を形成する。これにより、紫外領域又は紫領域の光はＤＢＲ層３２によってバインダー５０側に反射され、発光素子１ｇの外部に放出されず、主として、蛍光体４０に照射される。したがって、本実施の形態によれば、紫外領域の光、又は紫領域の光を発光光を積極的に蛍光体４０側に反射させることができるので、蛍光体４０の波長変換効率を大幅に向上させて発光素子１ｇの外部に可視光を放射させることができる。
【００７２】
［第８の実施の形態］
図１９は、本発明の第８の実施形態の発光素子の部分断面の概要を示す。
第８の実施の形態の発光素子１ｈは、ＤＢＲ層３２が保護層３４を有して設けられ、ＤＢＲ層３２が開口３３を有する点が、主として第７の実施形態と異なっている。第８の実施形態の発光素子１ｈのＤＢＲ層３２は、基板１０の裏面に形成されるＳｉＯ２等からなる保護層３４と、保護層３４上に発光層２４が発する青色領域の光に対して所定の反射率を有するＤＢＲ構造とを含む。ＤＢＲ層３２のＤＢＲ構造は、互いに異なる屈折率の第１透明層３２ａ及び第２透明層３２ｂのペアを所定の繰り返し単位数だけ含んだ積層構造とされる。
【００７３】
保護層３４は、基板１０の裏面に凹部１２を覆って設けられ、凹部１２内の蛍光体４０及びバインダー５０を遮蔽する。また、ＤＢＲ層３２は、ＤＢＲ構造の最外層から保護層３４の表面に向かってＤＢＲ構造を貫通して形成される複数の開口３３を有する。各開口３３は、発光層２４が発する光、及び蛍光体４０からの波長変換光を外部に伝搬する。そして、ＤＢＲ層３２は、発光層２４が発する光を反射すると共に波長変換光を外部に透過する。これにより、ＤＢＲ層３２側から、発光層２４が発する光と波長変換光とが混色した光を発光素子１ｈの外部に取り出すことができる。すなわち、本実施の形態によれば、ＤＢＲ層３２側、及びＤＢＲ層３２の反対側の発光素子１ｈの表面（ｐ側電極６０側）の双方から、当該混色した光を発光素子１ｈの外部に取り出すことができる。
【００７４】
以上、本発明の実施形態を説明したが、上記に記載した実施形態は特許請求の範囲の発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】図１は第１の実施形態の発光素子の断面図である。
【図２】図２は第１の実施形態の発光素子の裏面図である。
【図３】図３は第１の実施形態の発光素子の製造工程を示す図である。
【図４】図４は第１の実施形態の発光素子の製造工程を示す図である。
【図５】図５は（ａ）及び（ｂ）は、第１の実施形態の発光素子の使用例を示す図である。
【図６】図６は第１の実施形態の変形例の発光素子の断面図である。
【図７】図７は（ａ）及び（ｂ）は、第１の実施形態の変形例の発光素子の裏面図である。
【図８】図８は（ａ）及び（ｂ）は、第１の実施形態の変形例の発光素子の裏面図である。
【図９】図９は、第１の実施形態の変形例の発光素子の部分断面図である。
【図１０】図１０は第２の実施形態の発光素子の断面図である。
【図１１】図１１は（ａ）及び（ｂ）は、第２の実施形態の発光素子の裏面図である。
【図１２】図１２は第３の実施形態の発光素子の断面図である。
【図１３】図１３は第４の実施形態の発光素子の断面図である。
【図１４】図１４は第４の実施形態の発光素子の裏面図である。
【図１５】図１５は第４の実施形態の変形例の発光素子の断面図である。
【図１６】図１６は第５の実施形態の発光素子の断面図である。
【図１７】図１７は第６の実施形態の発光素子の断面図である。
【図１８】図１８は第７の実施形態の発光素子の部分断面図である。
【図１９】図１９は第８の実施形態の発光素子の部分断面図である。
【符号の説明】
【００７６】
１、１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ、１ｆ、１ｇ 発光素子
１０ 基板
１０ｂ 底面
１１ 導電性基板
１２、１３、１４、１５、１６ 凹部
１２ａ 斜面
１２ｂ 底面
１７ａ、１７ｂ 凹部
１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄ、１８ｅ、１８ｆ、１８ｇ、１８ｈ、１８ｉ 凹部
１９ａ、１９ｂ、１９ｃ 凹部
２０、２０ａ 化合物半導体層
２１ ｎ型コンタクト層
２２ ｎ型クラッド層
２３ ｎ型半導体層
２４ 発光層
２５ ｐ型半導体層
２６ ｐ型クラッド層
２７ ｐ型コンタクト層
３０ 透明層
３０ａ 侵入部
３１ 導電膜
３２ ＤＢＲ層
３２ａ 第１透明層
３２ｂ 第２透明層
３３ 開口
３４ 保護層
４０、４２、４３ 蛍光体
４０ａ 空隙
４４ 第１蛍光体層
４５ 第２蛍光体層
５０ バインダー
６０ ｐ側電極
６１ ｐ側パッド電極
７０ 実装基板
８０ 接着剤
８５ バンプ
１１１ バッファ層
１１２ ｎ型コンタクト層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蛍光体を用いる発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、サファイア基板の上面側に化合物半導体薄膜層が積層されたＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）チップが知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１においては、サファイア基板がサンドブラストにより形成された穴部を有し、この穴部に蛍光体含有材料が充填され、サファイア基板の裏面に反射層が設けられている。特許文献１に記載のＬＥＤチップは、化合物半導体薄膜層から発した光と、当該光の一部により励起された蛍光体から発した光と、の組合せの混合光を発する。
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−０８５７４６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、特許文献１に記載のＬＥＤチップは、サファイア基板の裏面にＡｇ、Ａｌ等の高反射性を有する金属層を設けているものの、反射時における金属の光吸収による光損失は無視できず、光取出し効率の向上には限界がある。また、サファイア基板の裏面に金属層を形成しているので、ＬＥＤチップの発光光及び蛍光体からの波長変換光の双方を、サファイア基板側からＬＥＤチップの外部に取り出すことが困難となる。したがって、主たる光取出し面をサファイア基板側とするフェイスダウン型ＬＥＤチップとしては採用できず、主たる光取出し面を化合物半導体薄膜層側とするフェイスアップ型ＬＥＤチップとしてのみに対応したＬＥＤチップしか提供することができない。
【０００５】
したがって、本発明の目的は、蛍光体を備え、搭載形態を問わずに採用できると共に光損失を低下させることができ、かつ、化合物半導体薄膜から発する光を効率良く蛍光体に照射することができる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】
【０００６】
本発明は、上記目的を達成するため、基板と、前記基板の表面上に設けられ、発光層を有する化合物半導体層と、前記基板の裏面に形成される凹部と、前記凹部の内部に配置され、前記発光層が発する光により励起されると当該光と異なる波長の光を発する蛍光体と、前記凹部を覆い、前記蛍光体が発する光に対して透過性を有し、無機材料からなる透明層と、を備える発光素子が提供される。
【０００７】
また、上記発光素子において、前記凹部は、前記基板の前記裏面に、間隔をおいて複数形成されることが好ましい。
【０００８】
また、上記発光素子において、前記間隔は、前記各凹部の粗密が異なるように、前記基板の前記裏面の領域に応じて変化することが好ましい。
【０００９】
また、上記発光素子において、前記各凹部は、前記発光層が発する光により励起されると第１波長変換光を発する第１蛍光体が配置される第１凹部と、前記発光層が発する光により励起されると前記第１波長変換光と異なる波長の第２波長変換光を発する第２蛍光体が配置される第２凹部と、を含むようにしてもよい。
【００１０】
また、上記発光素子において、前記透明層は、前記発光層が発する光に対して反射性を有するようにしてもよい。
【００１１】
また、上記発光素子において、前記無機材料は、導電性材料であることが好ましい。
【００１２】
また、上記発光素子において、前記無機材料は、酸化物又は窒化物であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、蛍光体を備え、搭載形態を問わずに採用できると共に光損失を低下させることができ、かつ、化合物半導体薄膜から発する光を効率良く蛍光体に照射することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態の発光素子の断面の概要を示す。また、図２は、本発明の第１の実施形態の発光素子の裏面の概要を示す。
【００１５】
（発光素子１の構成の概要）
第１の実施形態の発光素子１は、図１に示すように、裏面（図１中下面）に凹部１２を有する基板１０と、基板１０の表面（図１中上面）上の所定の領域に設けられる化合物半導体層２０とを備える。化合物半導体層２０は、基板１０上に設けられるｎ型コンタクト層２１と、ｎ型コンタクト層２１上に設けられるｎ型クラッド層２２と、ｎ型クラッド層２２上に設けられる発光層２４と、発光層２４上に設けられるｐ型クラッド層２６と、ｐ型クラッド層２６上に設けられるｐ型コンタクト層２７とを有する。発光素子１の凹部１２には、蛍光体４０を含むバインダー５０が充填され、基板１０の裏面に当該裏面を覆って凹部１２を遮蔽する透明層３０を備えられている。さらに、発光素子１は、ｐ型コンタクト層２７上に、ｐ側電極６０と、ｐ側電極６０上の一部の領域に設けられるｐ側パッド電極６１とを備える。また、発光素子１は、ｐ型コンタクト層２７からｎ型コンタクト層２１の一部まで除去されて露出したｎ型コンタクト層２１の表面に、ｎ側電極６５を備える。
【００１６】
（基板１０及び凹部１２）
基板１０は、光透過性を有し、導電性を有する化合物半導体基板である。基板１０は、一例として、ｃ面（（０００１）面）を主面とする窒化ガリウム（ＧａＮ）基板である。また、基板１０としては、屈折率が２．４であるＧａＮ基板の他に、屈折率が２．６であるシリコンカーバイド（ＳｉＣ）基板、屈折率が１．９であるノンドープの酸化亜鉛（ＺｎＯ）基板、屈折率が１．９である酸化ガリウム（Ｇａ２Ｏ３）基板を用いることができる。ここで、化合物半導体層２０をＧａＮ系半導体（屈折率：２．４）から形成する場合、基板１０としては、ＧａＮ系半導体の屈折率に近い屈折率を有するＧａＮ基板又はＳｉＣ基板を用いることが好ましい。また、ＧａＮ系半導体からなる化合物半導体層２０を基板１０上に形成する場合、バッファ層を形成せずに結晶性の良い化合物半導体層２０を形成すべく、ＧａＮ基板を用いることが好ましい。尚、基板１０は、導電性を有していなくてもよいし、不純物がドープされていてもノンドープであってもよい。
【００１７】
凹部１２は、基板１０の裏面側から表面側へ向かって所定の深さで形成される。ここで、図２を参照する。尚、図２は、説明の便宜上、透明層３０を省いて示している。発光素子１は、上面視（又は裏面視）にて略四角形状に形成され、凹部１２も同様に略四角形状に形成される。例えば、発光素子１は、平面視にて３５０μｍ角、又は１０００μｍ角に形成される。そして、凹部１２は、厚さが１８０μｍの基板１０に、９０μｍ〜１００μｍの深さに形成される。
【００１８】
本実施形態においては、発光素子１は上面視にて正方形状に形成され、凹部１２は発光素子１より小さな正方形状に形成される。尚、凹部１２の上面視（又は裏面視）における形状は、略四角形に限られず、例えば、四角形以外の多角形状に形成することもできる。また、凹部１２は、頂点部分が円弧等の湾曲部分で接続される多角形状としてもよい。
【００１９】
（化合物半導体層２０、並びにｐ側電極６０及びｎ側電極６５）
化合物半導体層２０は、具体的に、基板１０上に設けられる第１導電型のｎ型コンタクト層２１と、ｎ型コンタクト層２１上に設けられ第１導電型の第１半導体層としてのｎ型クラッド層２２と、ｎ型クラッド層２２上に設けられる発光層２４と、発光層２４上に設けられ第１導電型とは異なる第２導電型の第２半導体層としてのｐ型クラッド層２６と、ｐ型クラッド層２６上に設けられるｐ型コンタクト層２７とを有する。本実施形態においては、化合物半導体層２０の各層は、ＩｎＸＡｌＹＧａ１-Ｘ-ＹＮ（０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ＜１）で示される窒化物化合物半導体から形成される。
【００２０】
本実施形態において化合物半導体層２０の各層は、例えば、有機金属化学気相成長（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＭＯＣＶＤ）法、分子線エピタキシー（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ：ＭＢＥ）法、ハライド気相エピタキシー（Ｈａｌｉｄｅ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ：ＨＶＰＥ）法等によって基板１０側から順に積層させて形成される。
【００２１】
ｎ型コンタクト層２１は、ｎ型ドーパントとしてのＳｉがドープされたｎ＋−ＧａＮから形成される。また、ｎ型クラッド層２２は、ｎ型コンタクト層２１のドーピング濃度より高い濃度でＳｉがドープされたｎ−ＡｌＧａＮから形成されるｎ型のクラッド層である。発光層２４は、青色領域の光を発するＩｎＧａＮ／ＧａＮを繰り返し積層させた多重量子井戸構造を有して形成される。ｐ型クラッド層２６は、ｐ型ドーパントとしてのＭｇがドープされたｐ−ＡｌＧａＮから形成される。更に、ｐ型コンタクト層２７は、ｐ型クラッド層２６のドーピング濃度より高い濃度でＭｇがドープされたｐ＋−ＧａＮから形成される。
【００２２】
本実施の形態に係る発光素子１をフェイスアップ（ＦＵ）型として用いる場合、ｐ側電極６０は、光取り出し効率の向上を目的としてＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）等の導電性酸化物からなる透明電極から形成する。そして、ｐ側パッド電極６１は、例えば、Ｔｉ、Ｎｉ、Ａｕ等の金属材料から形成する。また、本実施の形態に係る発光素子１をフリップチップ型として用いる場合、ｐ側電極６０は、発光層２４が発する光に対して高い反射率を有するＲｈ、Ａｇ等の反射性の金属材料から形成する。ｐ側パッド電極６１は、例えば、Ｔｉ、Ｎｉ、Ａｕ等の金属材料から形成する。なお、ｐ側電極６０としてＡｇを用いる場合、Ａｇのマイグレーションを抑制することを目的として、Ｖ、Ｔｉ等の金属材料を用いてｐ側電極６０の表面（上面及び側面）を被覆する。また、ｎ側電極６５は、例えば、Ａｇ、Ａｌ、Ｎｉ、Ａｕ、Ｐｄ又はＣｒを含む金属材料又はＩＴＯ、ＺｎＯ等の透明電極により形成する。なお、ｎ側電極６５を透明電極から形成した場合、ｎ側電極６５上の所定の領域にパッド電極を形成してもよい。この場合、ｐ側電極６０上に設けられるパッド電極とｎ側電極６５の上に設けられるパッド電極とを形成する材料を同一の材料とすることができる。
【００２３】
尚、発光層２４の量子井戸構造は、単一量子井戸構造、又は多重量子井戸構造、若しくは歪量子井戸構造のいずれの構造であってもよい。さらには、量子井戸構造を有さない発光層２４（例えば、ｐｎ接合からなる発光層２４、ダブルヘテロ（ＤＨ）接合からなる発光層２４等）とすることもできる。
【００２４】
また、本実施形態において、発光層２４が発する光は青色領域の光であるが、本実施形態の変形例においては、他の波長領域の光を発する発光層２４を形成することもできる。例えば、発光層２４を、近紫外領域の光、又は紫外領域の光を発する構造とすることもできる。
【００２５】
（蛍光体４０及びバインダー５０）
蛍光体４０は、発光層２４が発する光により励起されると当該光とは異なる波長の可視光を放射する。本実施形態においては、蛍光体４０として、発光層２４が発する青色光により励起されると、黄色領域の光を発するＹＡＧ（Ｙｔｔｒｉｕｍ Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ｇａｒｎｅｔ）が用いられる。尚、蛍光体４０は、ケイ酸塩蛍光体、ＹＡＧとケイ酸塩蛍光体を所定の比率で混合した混合物等を用いることもできる。蛍光体４０は、バインダー５０に添加されてバインダー５０中に分散される。
【００２６】
バインダー５０は、蛍光体４０を凹部１２内に封止する。バインダー５０は、例えば、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂等の高分子材料、若しくはガラス系接着剤、低融点ガラス、ゾルゲルガラス等の無機材料から形成される。バインダー５０としては、耐光性、耐熱性等を有する無機材料が望ましい。尚、発光層２４が発する光を凹部１２内において散乱させて、蛍光体４０に入射する光量を増加させることを目的として、所定の形状を有する散乱材をバインダー５０に添加してもよい。散乱材は、例えば、シリカビーズ等から形成される。
【００２７】
ここで、発光層２４が発する光と当該光により励起された蛍光体４０が発する光の組合せは任意であるし、例えば複数種類の蛍光体を用いてもよい。白色光を生成する組合せの例としては、例えば、青色の発光層と黄色蛍光体の組合せ、青色発光層と緑色蛍光体及び赤色蛍光体の組合せ、紫外の発光層と青色蛍光体、緑色蛍光体及び赤色蛍光体の組合せ、紫外の発光層と青色蛍光体及び赤色蛍光体の組合せ等がある。
【００２８】
青色光により励起される黄色蛍光体としては、前述のＹＡＧの他に、例えばα−サイアロン：Ｅｕ２＋等が挙げられる。また、紫外光により励起される黄色蛍光体として、例えば（Ｂａ，Ｓｒ，Ｃａ）２ＳｉＯ４：Ｅｕ２＋等が挙げられる。
また、青色光により励起される赤色蛍光体としては、例えば（Ｃａ，Ｓｒ）Ｓ：Ｅｕ等が挙げられる。また、紫外光により励起される赤色蛍光体としては、例えばＬａ２Ｏ２Ｓ：Ｅｕ，Ｓｍ（ＹＯＳ：Ｅｕ），Ｂａ３ＭｇＳｉ２Ｏ８：Ｅｕ２＋、Ｍｎ２＋等が挙げられる。また、青色光及び紫外光により励起される赤色蛍光体としては、例えばＣａＡｌＳｉＮ３：Ｅｕ２＋等が挙げられる。
また、青色光により励起される緑色蛍光体としては、例えば（Ｂａ，Ｓｒ）２ＳｉＯ４：Ｅｕ２＋等が挙げられる。また、紫外光により励起される緑色蛍光体としては、例えば３（Ｂａ，Ｍｇ，Ｅｕ，Ｍｕ）Ｏ・８Ａｌ２Ｏ３等が挙げられる。
また、紫外光により励起される青色蛍光体としては、例えば（Ｓｒ，Ｃａ，Ｂａ，Ｅｕ）１０（ＰＯ４）６・Ｃｌ２、（Ｂａ、Ｓｒ、Ｃａ）１０（ＰＯ４）６Ｃ１３：Ｅｕ２＋等が挙げられる。
【００２９】
（透明層３０）
透明層３０は、凹部１２の開口を被覆して、凹部１２内の蛍光体４０を含有したバインダー５０を外部から遮蔽する。透明層３０は、水分、酸素等を発光素子１の外部と遮断する機能を有する。透明層３０は、蛍光体４０が放射する可視光に対して所定の透過率を有する酸化物材料又は窒化物材料からなり、当該可視光の少なくとも一部を透過する。例えば、透明層３０は、酸化物材料としての二酸化シリコンからなる膜（ＳｉＯ２膜）、窒化物材料としての窒化ケイ素からなる膜（ＳｉｘＮｙ、例えば、Ｓｉ３Ｎ４膜）、酸化物材料且つ窒化物材料であり酸窒化物材料としてのシリコン酸窒化膜（ＳｉＯＮ膜）等から形成することができる。
【００３０】
（発光素子１の製造方法）
図３及び図４は、本発明の第１の実施形態の発光素子の製造工程の概要を示す。
【００３１】
（基板準備工程）
まず、図３（ａ）に示すように、基板１０上に化合物半導体層２０が形成されたエピタキシャル基板を準備する。エピタキシャル基板は、ノンドープのＧａＮからなる基板１０上に、ｎ＋−ＧａＮからなるｎ型コンタクト層２１と、ｎ−ＡｌＧａＮからなるｎ型クラッド層２２と、発光層２４と、ｐ−ＡｌＧａＮからなるｐ型クラッド層２６と、ｐ＋−ＧａＮからなるｐ型コンタクト層２７とがこの順にエピタキシャル成長されて形成される。
【００３２】
（メサ形成工程）
次に、図３（ｂ）に示すように、フォトリソグラフィー法及びエッチング法を用いて、化合物半導体層２０のｐ型コンタクト層２７の表面からｎ型コンタクト層２１の一部までを除去する。すなわち、ｐ＋−ＧａＮから形成されるコンタクト層２７の表面からｎ＋−ＧａＮから形成されるｎ型コンタクト層２１の一部までエッチングにより除去して、メサ形状を形成する。この後、図３（ｃ）に示すように、フォトリソグラフィー法及びスパッタ法又は真空蒸着法を用いて、ｐ型コンタクト層２７の表面にｐ側電極６０を形成した後、ｐ側電極６０上の一部にｐ側パッド電極６１を形成する。また、露出したｎ型コンタクト層２１の表面の所定の領域にｎ側電極６５を形成する。
【００３３】
（凹部形成工程）
次に、図４（ａ）に示すように、基板１０における化合物半導体層２０が形成されている面の反対の面に、凹部１２を形成する。凹部１２は、基板１０がＧａＮから形成されている場合、所定のエッチャントを用いてウェットエッチング又はドライエッチングにより形成する。これにより、最深部の底面１２ｂと、この底面１２ｂに連続的に形成され開口へ向かって拡がるよう傾斜した斜面１２ａと、を含む凹部１２が、基板１０に形成される。尚、凹部１２をエッチングにより形成する場合、エッチングにより露出する面であるので、斜面１２ａ及び底面１０ｂはそれぞれ略平坦な面となる。
【００３４】
（蛍光体設置工程）
続いて、図４（ｂ）に示すように、蛍光体４０を含有するバインダー５０を、ポッティング等により凹部１２に充填する。尚、バインダー５０が十分な流動性を有する場合、バインダー５０が有する自己水平性（セルフレべリング）を利用して、バインダー５０の表面を略平坦にできる。バインダー５０を凹部１２内に充填した後、バインダー５０を加熱して硬化させる。
【００３５】
（透明層形成工程）
次に、図４（ｃ）に示すように、バインダー５０が充填された凹部１２の開口側に、透明層３０を形成する。透明層３０は、例えば、ゾルゲル法、真空蒸着法、スパッタ法等の成膜法を用いて形成する。これにより、凹部１２内の蛍光体４０を外部から遮蔽する透明層３０が形成される。以上の各工程を経て、白色ＬＥＤチップとしての発光素子１が製造される。
【００３６】
（発光素子１の作用）
図５（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第１の実施形態の発光素子の使用例を示す。
【００３７】
図５（ａ）は、発光素子１をフェイスアップ（ＦＵ）型として用いる例を示す。この場合、ｐ側電極６０は、ＩＴＯ、ＺｎＯ等の透明電極から形成される。そして、ｐ側パッド電極６１は、金属材料から形成される。そして、発光素子１は、透明層３０側を下にして所定の実装基板７０上に接着剤８０を介して搭載される。本実施形態においては、接着剤８０は、例えば、エポキシ樹脂等の非導電性の接着剤が用いられる。ここで、接着剤８０は、例えば、Ａｇペースト、ＡｕＳｎ等の導電性材料であってもよい。本実施形態においては、接着剤８０は、反射フィラーとして、例えば、Ａｇ、ＴｉＯ２等を含み、白色を呈している。尚、接着材８０を反射フィラーを含有しない透明接着材としてもよい。
【００３８】
図５（ａ）において、発光層２４から発した光の一部は、ｐ型コンタクト層２７及びｐ側電極６０を通過して発光素子１の外部に放射される（図５（ａ）の光Ａ）。また、発光層２４から発した光の他の一部は、ｎ型クラッド層２２、ｎ型コンタクト層２１、及び基板１０を伝搬して、凹部１２内の蛍光体４０に照射される（図５（ａ）の光Ｂ１）。そして、光Ｂ１により蛍光体４０は励起され、光Ｂ１とは異なる波長の光Ｂ２を放射する。光Ｂ２は、蛍光体４０から発光素子１の外部に放射される。尚、図５（ａ）では図示していないが、発光層２４から発した光の他の一部は、ｎ型クラッド層２２、ｎ型コンタクト層２１、及び基板１０を伝搬して、発光素子１と外部との界面において全反射される。この光は、当該界面において全反射された後、凹部１２の蛍光体４０に向かって伝搬する。本実施形態においては、蛍光体４０が放射した可視光の一部は、透明層３０を透過した後、接着剤８０により蛍光体４０側に反射される。尚、図５（ａ）の場合において、無機材料からなる透明層３０は、蛍光体４０を含むバインダー５０内への接着剤８０の侵入を阻止するバリア層としての機能も有する。また、透明層３０は、酸化物材料、窒化物材料、又は酸窒化物材料から形成されるので、透明層３０と蛍光体４０とが直接に接した場合であっても、蛍光体４０と金属材料（例えば、Ｔｉ等の触媒性を有する金属材料）とが直接に接した場合に比べて、蛍光体４０の変質を抑制することができる。
【００３９】
尚、図５（ａ）のＦＵ型の発光素子１において、実装基板７０に搭載された発光素子１は、ｐ側パッド電極６１及びｎ側電極６５がＡｕワイヤー等を介して実装基板７０の接続端子と電気的に接続される。そして、発光素子１は、樹脂材料等の有機高分子材料又は低融点ガラス等の無機材料により封止される。
【００４０】
一方、図５（ｂ）は、発光素子１をフリップチップ（ＦＣ）型として用いる例を示す。この場合、ｐ側パッド電極６１及びｐ側電極６０は、透光性の導電材料、反射性の金属材料等から形成される。そして、発光素子１は、凹部１２の開口側を実装基板７０と反対側に向け、実装基板７０上にバンプ８５を介して搭載される。これにより、ｐ側パッド電極６１と実装基板７０の接続端子（図示せず）との間、及びｎ側電極６５と実装基板７０の接続端子（図示せず）との間が、バンプ８５により電気的に接続される。ここで、バンプ８５は、例えば、Ａｕバンプ、ＡｕＳｎバンプ等の金属バンプからなる。
【００４１】
図５（ｂ）において、発光層２４から発した光の一部は、ｎ型クラッド層２２、ｎ型コンタクト層２１、及び基板１０を伝搬して発光素子１の外部に伝搬する（図５（ｂ）の光Ｅ）。また、発光層２４から発した光の他の一部は、ｎ型クラッド層２２、ｎ型コンタクト層２１、及び基板１０を伝搬して、凹部１２内の蛍光体４０に照射される（図５（ｂ）の光Ｃ１）。そして、光Ｃ１により蛍光体４０は励起され、光Ｃ１とは異なる波長の光Ｃ２を放射する。蛍光体４０から放射された光Ｃ２は、発光素子１の外部に放射される。また、発光層２４から発した光の他の一部は、ｎ型クラッド層２２、ｎ型コンタクト層２１、及び基板１０を伝搬して、発光素子１と外部との界面において全反射される（図５（ｂ）の光Ｄ）。光Ｄは、当該界面において全反射された後、凹部１２の蛍光体４０に向かって伝搬する。なお、発光層２４から実装基板７０側に伝搬した光は、ｐ側電極６０によって発光素子１の上方に反射される。
【００４２】
（第１の実施形態の効果）
本発明の第１の実施形態の発光素子１によれば、凹部１２に充填された蛍光体４０を含有するバインダー５０は、透明層３０により外部から遮蔽される。これにより、本実施形態によれば、空気中に含まれる水分等が凹部１２に侵入することはなく、水分等により蛍光体４０が変質・分解することを抑制できるので、発光素子１の経時劣化を抑制することができる。そして、凹部１２を透明層３０によって覆ったので、透明層３０側からも光を取り出すことができる。これにより、本実施の形態においては、ＦＵ型又はＦＣ型のいずれの搭載形態も採用することができる発光素子１を提供できると共に、透明層３０における光の損失を低減できる。
【００４３】
また、第１の実施形態の発光素子１によれば、発光層２４が発した光が発光素子１と外部との界面において全反射して基板１０内を伝搬する場合であっても、この伝搬光は凹部１２内の蛍光体４０によって散乱されるので、発光素子１の光取り出し効率が向上する。例えば、屈折率が約２．５と比較的高いＧａＮをノンドープの基板１０に用いた場合、全反射によって基板１０内に伝播し取り出されない光が多くなるが、凹部１２内の蛍光体４０が存在する場合、伝播光が蛍光体４０によって波長変換及び散乱されるため、光取り出し効率を格段に向上させることができる。また、波長変換及び散乱されずに基板１０内に伝播した光は全反射等により、再度蛍光体１０へ入射するため、効率よく伝播光を波長変換することができる。また、基板１０表面に蛍光体４０を塗布した場合と比べ、凹部１２を形成して蛍光体４０を充填すると、凹部１２の側面分だけ表面積が増えて、蛍光体４０に光が入射しやすくなり、光取り出し効果を向上することができる。
【００４４】
さらに、第１の実施形態の発光素子１によれば、基板１０に設けた凹部１２内に蛍光体４０を封止するので、発光素子１の光源サイズを小さくすることができる。従って、発光素子１の外部に設けるレンズ等の光学系のサイズを小さくすることができる。
【００４５】
［第１の実施形態の変形例］
第１の実施形態において、ｎ型コンタクト層２１上にｎ側電極６５を形成したものを示したが、ｎ側電極６５を導電性を有する基板１０に直接形成するようにしてもよい。
【００４６】
また、例えば、図６に示すように、基板１０をＧａＮ以外の材料から形成してもよいことは勿論である。図６には、基板１０がサファイアからなり、ｎ型クラッド層２２と基板１０との間に、ＡｌＮからなるバッファ層１１１及びＧａＮからなるｎ型コンタクト層１１２を備えた発光素子１０１を示す。
【００４７】
また、第１の実施形態においては、一の正方形状の凹部１２を基板１０の裏面中央に形成したものを示したが、凹部の形状は任意である。例えば、図７（ａ）に示すように、基板１０の裏面の中心領域に凹部１３を備え、凹部１３と距離をおいて凹部１３を包囲する凹部１４を備えたものであってもよい。凹部１３及び凹部１４には、蛍光体４０を含有するバインダー５０がそれぞれ充填される。図７（ａ）においては、凹部１３は平面視正方形状に形成され、凹部１４は中抜きの正方形状に形成されており、凹部１３と凹部１４とは同心の位置に配置されている。
【００４８】
また、例えば、図７（ｂ）に示すように、基板１０の裏面に、規則的に配置された複数の凹部１５を備えたものであってもよい。各凹部１５には、蛍光体４０を含有するバインダー５０がそれぞれ充填される。図７（ｂ）においては、平面視にて正方形状の凹部１５が縦横に所定間隔で整列され、基板１０の裏面は格子状の外観を呈している。尚、図７（ａ）においては、各凹部１５の大きさが同一であるが、各凹部１５を異なる大きさとしてもよい。
【００４９】
また、例えば、図８（ａ）に示すように基板１０の裏面に形成される複数の凹部１６を平面視にて正六角形状に形成してもよく、各凹部の形状は任意である。図８（ａ）においては、平面視にて正六角形状の各凹部１６が、互いに距離をおいて基板１０の裏面にハニカム状に配列される。そして、各凹部１６には、蛍光体４０を含有するバインダー５０が充填される。
【００５０】
また、例えば、図８（ｂ）に示すように、基板１０の裏面に形成される凹部１７ａ，１７ｂ，１７ｃの大きさが複数種類であってもよい。図８（ｂ）の発光素子では、各凹部１７ａ，１７ｂ，１７ｃは互いに相似形状であり、基板１０の裏面中央側の凹部１７ａは大きく、基板１０の裏面外縁側の凹部１７ｂは小さく、中央側の凹部１７ａと外縁側の凹部１７ｂの中間に位置する凹部１７ｃはこれらの中間の大きさに形成されている。各凹部１７ａ，１７ｂ，１７ｃは、平面視にて正六角形状に形成され、同濃度の蛍光体４０を含有するバインダー５０がそれぞれ充填されている。また、基板１０の裏面中央側の複数の凹部１７ａ間の間隔が、複数の凹部１７ｂ間の間隔、及び複数の凹部１７ｃ間の間隔より狭い間隔となる配置で、各凹部１７ａ，１７ｂ，１７ｃは配置される。すなわち、裏面の中央付近の領域（第１の領域）、外縁付近の領域（第２の領域）、及び中央と外縁との間の領域（第３の領域）のそれぞれに凹部を配置する場合、第１の領域に配置する複数の凹部の間隔（第１の間隔）と、第２の領域に配置する複数の凹部の間隔（第２の間隔）と、第３の領域に配置する複数の凹部の間隔（第３の間隔）とをそれぞれ異なる間隔にすることができる。例えば、第１の間隔＜第２の間隔＜第３の間隔、第１の間隔＜第３の間隔＜第２の間隔、第１の間隔≦第２の間隔≦第３の間隔、又は第１の間隔≦第３の間隔≦第２の間隔となる配置に、複数の凹部１７ａ，１７ｂ，１７ｃを裏面に配置できる。これにより、裏面に設けられる複数の凹部の粗密を異ならせることができる。
【００５１】
図７及び図８に示したように、基板１０の裏面に複数の凹部を設けることで、複数の凹部の間のそれぞれは、発光層２４が発する光の光取出し面として機能させることができる。また、発光素子１は、その外部形状、基板１０の厚さ、化合物半導体層２０を構成する各層の厚さに応じて発光素子１の配光が変化するので、発光層２４の発光光と蛍光体からの波長変換光との混色光の色むらを生じさせないことを目的として、発光素子１の配光に対応させた凹部の配列パターンを設計することができる。よって、各凹部の配列パターンの最適化により、発光素子１が発する光の色むらを抑制できる。
【００５２】
また、例えば、図９に示すように、基板１０の裏面に形成される凹部１９ａ、１９ｂ、１９ｃの深さをそれぞれ異なる深さに形成することもできる。図９の発光素子では、裏面中央側の凹部１９ａの深さが他の凹部１９ｂ及び１９ｃの深さより深く、裏面外縁側の凹部１９ｃの深さが他の凹部１９ａ及び１９ｂの深さより浅い。そして、凹部１９ａと凹部１９ｃとの間の凹部１９ｂの深さは、凹部１９ａの深さと凹部１９ｃの深さとの間の深さである。
【００５３】
［第２の実施形態］
図１０は、本発明の第２の実施形態の発光素子の断面の概要を示す。また、図１１は、本発明の第２の実施形態の発光素子の裏面の概要を示す。
【００５４】
第２の実施形態の発光素子１ａは、ノンドープの基板１０に設ける凹部が複数である点、複数の凹部に充填される蛍光体が複数種類である点等が、主として第１の実施形態の発光素子１と異なっている。尚、図１１において、説明の便宜上、透明層３０の図示を省略している。また、図１０は、図１１のＡ−Ａ断面となっている。
【００５５】
図１０に示すように、第２の実施形態の発光素子１ａは、基板１０の裏面に等間隔で形成された複数の凹部１８ａ，１８ｂ，１８ｃを備え、一部の凹部１８ａ，１８ｃには第１蛍光体４２を含有するバインダー５０が充填され、他部の凹部１８ｂには、第１蛍光体４２と異なる第２蛍光体４３を含有するバインダー５０が充填される。
【００５６】
図１１（ａ）は、第２の実施形態の発光素子１ａの一例を示す。この発光素子１ａは、基板１０の裏面に、所定方向（図１１（ａ）中上下方向）へ延びる３つの四角形状の各凹部１８ａ，１８ｂ，１８ｃが、各凹部１８ａ，１８ｂ，１８ｃの延在方向と直交する方向に所定間隔で並んで形成され、全体としてストライプ状を呈している。外側に位置する２つの凹部１８ａ，１８ｃは、第１蛍光体４２を含有するバインダー５０が充填され、中央の凹部１８ｂは、第２蛍光体４３を含有するバインダー５０が充填される。本実施形態においては、第１蛍光体４２は、青色光により励起されると緑色光を発する緑色蛍光体であり、第２蛍光体４３３は、青色光により励起される赤色光を発する赤色蛍光体である。ここで、第１蛍光体４２の種類と、第２蛍光体４３の種類の組合せは、任意に変更することができる。
【００５７】
図１１（ｂ）は、第２の実施形態の発光素子１ａの他の例を示す。この発光素子１ａは、基板１０の裏面に、縦横に所定の間隔で配置された複数の正方形状の凹部（凹部１８ａから凹部１８ｉ）を備える。この発光素子１ａは、各凹部が縦３列、横３列に形成され、隣接する凹部同士で充填される蛍光体の種類が異なっている。本実施形態においては、基板１０の角部側に配置される凹部１８ａ，１８ｃ，１８ｇ，１８ｉ及び基板１０の中央側に配置される凹部１８ｅには、第１蛍光体４２を含有するバインダー５０が充填される。一方、基板１０の辺部側に配置される凹部１８ｂ，１８ｄ，１８ｆ，１８ｈには、第２蛍光体４３を含有するバインダー５０が充填される。尚、凹部の配列は縦横３列に限定されず、縦横の配列数はいくつでもよいことは勿論である。
【００５８】
尚、第２の実施形態においては、凹部に充填される蛍光体４２，４３の種類を異なるようにしたものを示したが、例えば、凹部に充填される蛍光体を同一として濃度を異なるようにしてもよい。この場合、発光層２４からの光の入射量が多い凹部で蛍光体の濃度を高くし、入射量が少ない凹部で蛍光体の濃度を低くすると、限られた蛍光体の量で効率良く波長変換を行うことができる。
【００５９】
［第３の実施形態］
図１２は、本発明の第３の実施形態の発光素子の断面の概要を示す。
第３の実施形態の発光素子１ｂは、透明層３０を形成する材料を蛍光体４０ａのバインダーとする点が、主に第１の実施形態の発光素子１と異なっている。この発光素子１ｂの製造方法について説明する。
【００６０】
（蛍光体設置工程）
本実施形態においては、バインダー無しで蛍光体４０を凹部１２内に圧入する圧入工程と、蛍光体４０が圧入された凹部１２上に透明層３０の原料を塗布する塗布工程と、塗布した原料から、透明層３０を形成する透明層形成工程とを含む。
【００６１】
具体的に、まず、基板１０の裏面に凹部１２を形成した後、蛍光体４０を凹部１２内に圧入する。このとき、蛍光体４０の粒子間には空隙４０ａが形成される。次に、ゾルゲル出発溶液を凹部１２の開口側にスピンコート法、ディップ法、キャスト法等により塗布した後、所定条件下で熱処理を基板１０に施す。これにより、ゾルゲル出発溶液からゾルゲルガラスが形成され、透明層３０となる。
【００６２】
このとき、ゾルゲル出発溶液は、蛍光体４０の粒子間の空隙４０ａの一部にゾルゲル出発溶液が侵入する。空隙４０ａに侵入したゾルゲル出発溶液も、熱処理によりゾルゲルガラスとなり、侵入部３０ａとなる。これにより、凹部１２内の蛍光体４０の少なくとも凹部１２の開口側の蛍光体４０は、侵入部３０ａによって固定される。すなわち、本実施形態の発光素子１ｂにおいては、侵入部３０ａがバインダーとして機能する。
【００６３】
［第４の実施形態］
図１３は、本発明の第４の実施形態の発光素子の断面の概要を示す。また、図１４は、本発明の第４の実施形態の発光素子の裏面の概要を示す。
【００６４】
図１３を参照すると、第４の実施形態の発光素子１ｃは、裏面１０ｂに凹部１２を有すると共に導電性を有する半導体基板である基板１１と、基板１１の表面に形成される化合物半導体層２０ａとを備える。そして、化合物半導体層２０ａは、ｎ型半導体層２３と、ｎ型半導体層２３上に形成される発光層２４と、発光層２４上に設けられるｐ型半導体層２５とを備える。更に、発光素子１ｃは、ｐ型半導体層２５上に設けられるｐ側電極６０と、ｐ側電極６０上の所定の領域に設けられるｐ側パッド電極６１と、底面１０ｂ及びバインダー５０の表面を覆って設けられる導電膜３１とを備える。なお、ｎ型半導体層２３は、第１の実施の形態のように、ｎ型コンタクト層２１及びｎ型クラッド層２２を含んで形成することができる。そして、ｐ型半導体層２５は、ｐ型クラッド層２６及びｐ型コンタクト層２７を含んで形成することができる。
【００６５】
本実施形態において、導電膜３１は、図１４に示すように、凹部１２の外縁にオーミック接触すると共に凹部１２を覆ってバインダー５０に接して設けられ、ｎ側電極として機能する。本実施形態の基板１１は導電性を有する半導体基板（例えば、不純物がドーピングされて導電性を呈するＧａＮ基板）であるので、基板１１を通じてｐ側パッド電極６１と導電膜３１との間を電流が流れることにより、発光層２４に電力が供給される。導電膜３１は、例えば、ＩＴＯ、ＳｎＯ２等の導電性酸化物の透明膜からなる単層から形成される。また、導電膜３１は、ＩＴＯからなる層とＮｂをドープしたＴｉＯ２からなる層との積層構造からなる分布ブラッグ反射（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ：ＤＢＲ）膜として形成することもできる。なお、導電膜３１をＤＢＲ膜として形成する場合、ＮｂをドープしたＴｉＯ２膜とＡｌをドープしたＺｎＯの膜との積層構造、又は、ＩＴＯからなる膜とＳｂをドープしたＳｎＯ２からなる膜との積層構造から形成することもできる。
【００６６】
［第４の実施形態の変形例］
図１５は、本発明の第４の実施形態の変形例の発光素子の断面の概要を示す。
第４の実施形態の変形例の発光素子１ｄは、第４の実施形態の発光素子１ｃとは凹部の数が異なる点が、第４の実施形態の発光素子１ｃと異なっている。第４の実施形態の変形例の発光素子１ｄは、基板１１の裏面１０ｂに複数の凹部１８ａ，１８ｂ，１８ｃが形成される。各凹部１８ａ，１８ｂ，１８ｃは、図１１において説明した第２の実施形態の発光素子１ａと同様の構成となっている。
【００６７】
［第５の実施形態］
図１６は、本発明の第５の実施形態の発光素子の断面の概要を示す。
第５の実施形態の発光素子１ｅは、凹部１２にバインダー５０が充填されていない点が、主として第１の実施形態の発光素子１と異なっている。本実施形態においては、図１６に示すように、蛍光体４０を含有するバインダー５０は凹部１２の底部側に所定の厚さだけ塗布されており、バインダー５０は凹部１２の全体に充填されてはいない。そして、透明層３０は、バインダー５０の表面にのみ設けられる。
【００６８】
［第６の実施形態］
図１７は、本発明の第６の実施形態の発光素子の断面の概要を示す。
第６の実施形態の発光素子１ｆは、凹部１２内に複数の蛍光体層を備える点が、主として第１の実施形態と異なっている。第６の実施形態の発光素子１ｆは、凹部１２内が第１蛍光体層４４と第２蛍光体層４４とにより充填される。第１蛍光体層４４は、第１蛍光体４２を含有するバインダー５０を、凹部１２の底部側に充填して形成される。また、第２蛍光体層４５は、第２蛍光体４３を含有するバインダー５０を、凹部１２の第１蛍光体層４４上で凹部１２の開口側に充填して形成される。
【００６９】
尚、第６の実施形態では、凹部１２内に２層の蛍光体層４４，４５を形成したものを示したが、凹部１２内に３層以上の蛍光体層を形成してもよい。この場合、各蛍光体層に、異なる種類の蛍光体を添加したり、各蛍光体層に添加する蛍光体の濃度を蛍光体層ごとに変化させてもよい。
【００７０】
［第７の実施の形態］
図１８は、本発明の第７の実施形態の発光素子の部分断面の概要を示す。
第７の実施の形態の発光素子１ｇは、凹部１２を覆う透明層がＤＢＲ構造を有する点が、主として第１の実施形態と異なっている。第７の実施形態の発光素子１ｇは、発光層２４が発する光に対して所定の反射率を有するＤＢＲ層３２を基板１０の裏面に備える。ＤＢＲ層３２は、互いに異なる屈折率の第１透明層３２ａ及び第２透明層３２ｂのペアを所定の繰り返し単位数だけ含んだ積層構造とされる。なお、第１透明層３２ａ及び第２透明層３２ｂは、例えば、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、ＳｉＮ及びＳｉＯＮからなる群から選択される材料から形成できる。
【００７１】
ＤＢＲ層３２は、蛍光体４０が放射する可視光に対して実質的に透明膜として機能すると共に、発光層２４が発する光に対して実質的に反射膜として機能する。例えば、発光層２４が発する光が視感度に影響を及ぼさない紫外領域又は紫領域の光である場合、紫外領域又は紫領域の光を高い反射率で反射することのできるＤＢＲ層３２を形成する。これにより、紫外領域又は紫領域の光はＤＢＲ層３２によってバインダー５０側に反射され、発光素子１ｇの外部に放出されず、主として、蛍光体４０に照射される。したがって、本実施の形態によれば、紫外領域の光、又は紫領域の光を発光光を積極的に蛍光体４０側に反射させることができるので、蛍光体４０の波長変換効率を大幅に向上させて発光素子１ｇの外部に可視光を放射させることができる。
【００７２】
［第８の実施の形態］
図１９は、本発明の第８の実施形態の発光素子の部分断面の概要を示す。
第８の実施の形態の発光素子１ｈは、ＤＢＲ層３２が保護層３４を有して設けられ、ＤＢＲ層３２が開口３３を有する点が、主として第７の実施形態と異なっている。第８の実施形態の発光素子１ｈのＤＢＲ層３２は、基板１０の裏面に形成されるＳｉＯ２等からなる保護層３４と、保護層３４上に発光層２４が発する青色領域の光に対して所定の反射率を有するＤＢＲ構造とを含む。ＤＢＲ層３２のＤＢＲ構造は、互いに異なる屈折率の第１透明層３２ａ及び第２透明層３２ｂのペアを所定の繰り返し単位数だけ含んだ積層構造とされる。
【００７３】
保護層３４は、基板１０の裏面に凹部１２を覆って設けられ、凹部１２内の蛍光体４０及びバインダー５０を遮蔽する。また、ＤＢＲ層３２は、ＤＢＲ構造の最外層から保護層３４の表面に向かってＤＢＲ構造を貫通して形成される複数の開口３３を有する。各開口３３は、発光層２４が発する光、及び蛍光体４０からの波長変換光を外部に伝搬する。そして、ＤＢＲ層３２は、発光層２４が発する光を反射すると共に波長変換光を外部に透過する。これにより、ＤＢＲ層３２側から、発光層２４が発する光と波長変換光とが混色した光を発光素子１ｈの外部に取り出すことができる。すなわち、本実施の形態によれば、ＤＢＲ層３２側、及びＤＢＲ層３２の反対側の発光素子１ｈの表面（ｐ側電極６０側）の双方から、当該混色した光を発光素子１ｈの外部に取り出すことができる。
【００７４】
以上、本発明の実施形態を説明したが、上記に記載した実施形態は特許請求の範囲の発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】図１は第１の実施形態の発光素子の断面図である。
【図２】図２は第１の実施形態の発光素子の裏面図である。
【図３】図３は第１の実施形態の発光素子の製造工程を示す図である。
【図４】図４は第１の実施形態の発光素子の製造工程を示す図である。
【図５】図５は（ａ）及び（ｂ）は、第１の実施形態の発光素子の使用例を示す図である。
【図６】図６は第１の実施形態の変形例の発光素子の断面図である。
【図７】図７は（ａ）及び（ｂ）は、第１の実施形態の変形例の発光素子の裏面図である。
【図８】図８は（ａ）及び（ｂ）は、第１の実施形態の変形例の発光素子の裏面図である。
【図９】図９は、第１の実施形態の変形例の発光素子の部分断面図である。
【図１０】図１０は第２の実施形態の発光素子の断面図である。
【図１１】図１１は（ａ）及び（ｂ）は、第２の実施形態の発光素子の裏面図である。
【図１２】図１２は第３の実施形態の発光素子の断面図である。
【図１３】図１３は第４の実施形態の発光素子の断面図である。
【図１４】図１４は第４の実施形態の発光素子の裏面図である。
【図１５】図１５は第４の実施形態の変形例の発光素子の断面図である。
【図１６】図１６は第５の実施形態の発光素子の断面図である。
【図１７】図１７は第６の実施形態の発光素子の断面図である。
【図１８】図１８は第７の実施形態の発光素子の部分断面図である。
【図１９】図１９は第８の実施形態の発光素子の部分断面図である。
【符号の説明】
【００７６】
１、１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ、１ｆ、１ｇ 発光素子
１０ 基板
１０ｂ 底面
１１ 導電性基板
１２、１３、１４、１５、１６ 凹部
１２ａ 斜面
１２ｂ 底面
１７ａ、１７ｂ 凹部
１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄ、１８ｅ、１８ｆ、１８ｇ、１８ｈ、１８ｉ 凹部
１９ａ、１９ｂ、１９ｃ 凹部
２０、２０ａ 化合物半導体層
２１ ｎ型コンタクト層
２２ ｎ型クラッド層
２３ ｎ型半導体層
２４ 発光層
２５ ｐ型半導体層
２６ ｐ型クラッド層
２７ ｐ型コンタクト層
３０ 透明層
３０ａ 侵入部
３１ 導電膜
３２ ＤＢＲ層
３２ａ 第１透明層
３２ｂ 第２透明層
３３ 開口
３４ 保護層
４０、４２、４３ 蛍光体
４０ａ 空隙
４４ 第１蛍光体層
４５ 第２蛍光体層
５０ バインダー
６０ ｐ側電極
６１ ｐ側パッド電極
７０ 実装基板
８０ 接着剤
８５ バンプ
１１１ バッファ層
１１２ ｎ型コンタクト層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板の表面上に設けられ、発光層を有する化合物半導体層と、
前記基板の裏面に形成される凹部と、
前記凹部の内部に配置され、前記発光層が発する光により励起されると当該光と異なる波長の光を発する蛍光体と、
前記凹部を覆い、前記蛍光体が発する光に対して透過性を有し、無機材料からなる透明層と、を備える発光素子。
【請求項２】
前記凹部は、前記基板の前記裏面に、間隔をおいて複数形成される請求項１に記載の発光素子。
【請求項３】
前記間隔は、前記各凹部の粗密が異なるように、前記基板の前記裏面の領域に応じて変化する請求項２に記載の発光素子。
【請求項４】
前記各凹部は、
前記発光層が発する光により励起されると第１波長変換光を発する第１蛍光体が配置される第１凹部と、
前記発光層が発する光により励起されると前記第１波長変換光と異なる波長の第２波長変換光を発する第２蛍光体が配置される第２凹部と、を含む請求項３に記載の発光素子。
【請求項５】
前記透明層は、前記発光層が発する光に対して反射性を有する請求項４に記載の発光素子。
【請求項６】
前記無機材料は、導電性材料である請求項５に記載の発光素子。
【請求項７】
前記無機材料は、酸化物又は窒化物である請求項６に記載の発光素子。
【請求項１】
基板と、
前記基板の表面上に設けられ、発光層を有する化合物半導体層と、
前記基板の裏面に形成される凹部と、
前記凹部の内部に配置され、前記発光層が発する光により励起されると当該光と異なる波長の光を発する蛍光体と、
前記凹部を覆い、前記蛍光体が発する光に対して透過性を有し、無機材料からなる透明層と、を備える発光素子。
【請求項２】
前記凹部は、前記基板の前記裏面に、間隔をおいて複数形成される請求項１に記載の発光素子。
【請求項３】
前記間隔は、前記各凹部の粗密が異なるように、前記基板の前記裏面の領域に応じて変化する請求項２に記載の発光素子。
【請求項４】
前記各凹部は、
前記発光層が発する光により励起されると第１波長変換光を発する第１蛍光体が配置される第１凹部と、
前記発光層が発する光により励起されると前記第１波長変換光と異なる波長の第２波長変換光を発する第２蛍光体が配置される第２凹部と、を含む請求項３に記載の発光素子。
【請求項５】
前記透明層は、前記発光層が発する光に対して反射性を有する請求項４に記載の発光素子。
【請求項６】
前記無機材料は、導電性材料である請求項５に記載の発光素子。
【請求項７】
前記無機材料は、酸化物又は窒化物である請求項６に記載の発光素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【公開番号】特開２０１０−８７２９２（Ｐ２０１０−８７２９２Ａ）
【公開日】平成２２年４月１５日（２０１０．４．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２５５５８２（Ｐ２００８−２５５５８２）
【出願日】平成２０年９月３０日（２００８．９．３０）
【出願人】（０００２４１４６３）豊田合成株式会社 (3,467)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年４月１５日（２０１０．４．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年９月３０日（２００８．９．３０）
【出願人】（０００２４１４６３）豊田合成株式会社 (3,467)
【Ｆターム（参考）】
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