JP2006156968A - 発光素子 - Google Patents

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Abstract

【課題】内部損失を減らして光量を多く取り出すことができ、さらに高出力を発生した時も長い寿命を確保する発光素子を提供する。
【解決手段】正極端子１２及び負極端子１３と、負極端子１３に形成された凹部１３ａの底面上に配置した発光ダイオード部１４と、発光した光を受光し、蛍光を発生する蛍光体１７と、発光ダイオード部１４と蛍光体１７とを密封する透明性容器１８とを有し、発光ダイオード部１４は、素子形成用基板２１／ｎ型窒化ガリウム系半導体層／窒化ガリウム系半導体活性層／ｐ型窒化ガリウム系半導体層なる積層体であり、基板２１は、凹部１３ａ底面との電気的接続部を有し、ＣｒとＰｔとＡｕとの固溶体からなる正極用接合電極をｐ型窒化ガリウム系半導体層の最上部表面に形成し、正極端子１２と電極２１０とを電気的に接続し、電極２１０の周囲に、導電性透明電極層２１１を形成し、発光素子１１と導電性透明電極層２１１の側面とを、透明性パッシベーション層２１２で外部遮断した。
【選択図】図２

Description

本発明は、正極端子及び負極端子と、発光ダイオード部と、この発光ダイオード部を包囲する蛍光体層とを有する発光素子に関するものである。
発光素子は種々の分野で用いられおり、特に高輝度のＧａＮ型青色発光ダイオードが得られるようになってからは、その応用範囲も飛躍的に広まりつつある。例えば、青色を発するＧａＮ型発光素子と、発光素子の周囲に形成される黄色を発するＣｅドープのＹＡＧ型蛍光体との組み合わせにより、白色発光ダイオードを製造することができ、既に携帯電話の液晶表示部のバックライトなどに利用されている。青色発光ダイオードの構造については、例えば、下記特許文献１，２に開示されるものが知られている。
さらに、自動車のヘッドライト用として、より大きい出力を発生することのできる白色発光ダイオードの開発が進められている。
特開２００３−１１０１３８号公報 特開２００４−１５８８７４号公報
自動車のヘッドライト用のように、大きい出力を必要とする発光ダイオードでは、できるだけ発光輝度効率を大きく取れることができ、さらに大電流を投入しても、オーミック抵抗による発熱発生の小さいものが好ましい。しかしながら、発光ダイオードの内部量子効率が１００％近くあったとしても、正極用集電電極と発光素子の最上部に形成したｐ型ＧａＮ層との接続抵抗損や、内部の光散乱などのために、実際に外部に取り出せる光量は低下する。
前述の接続抵抗損や内部に閉じ込められる光は、熱になり外部に取り出すことのできる発光輝度の損失となる。また、特に発光素子の両端部に形成された集電電極におけるオーミック抵抗による発熱発生は、素子の寿命を低下させる原因となる。
また、従来、発光素子のパッシベーションには、ＳｉＯ２が用いられている。しかしながらＳｉＯ２は、発光素子の主たる構成要素であるＧａＮとは、熱膨張率が大きく異なり、特に大電流を投入し、素子の温度が高くなると、ＧａＮとＳｉＯ２との接合部分にひずみが発生するという課題を有していた。
また、高輝度高温状態では、ＣｅドープのＹＡＧを蛍光体に用いたものは、蛍光体の劣化により長寿命を得ることが困難であった。
本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、その課題は、内部損失を減らして光量を多く取り出すことができ、さらに高出力を発生した時も長い寿命を確保する発光素子を提供することである。
上記課題を解決するため本発明に係る発光ダイオードは、
正極端子及び負極端子と、前記負極端子に形成された凹部の底面上に配置した発光ダイオード部と、前記発光ダイオード部が発光した光を受光し、蛍光を発生する蛍光体と、前記発光ダイオード部と前記蛍光体とを密封する透明性容器とを有する発光素子であって、
（１）前記発光ダイオード部は、素子形成用基板／ｎ型窒化ガリウム系半導体層／窒化ガリウム系半導体活性層／ｐ型窒化ガリウム系半導体層からなる構成を有する積層体であり、
（２）前記素子形成用基板は、前記負極端子の凹部底面との電気的接続部を有し、
（３）ＣｒとＰｔとＡｕとの固溶体からなる正極用接合電極を前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層の最上部表面の一部に形成し、前記正極端子と前記正極用接合電極とを電気的に接続し、
（４）前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層の最上部表面における前記正極用接合電極の周囲部分に、導電性透明電極層を形成し、
（５）前記発光素子と前記導電性透明電極層の側面とを、透明性パッシベーション層で外部遮断したことを特徴とする。
また、発光ダイオード部の前記積層体は、素子形成用基板／ｎ型ＩｎＡｌＧａＮ系クラック防止層／ｎ型ＡｌＧａＮ系クラッド層／ｎ型ＧａＮ光ガイド層／多重量子井戸型活性層／ｐ型ＡｌＧａＮ系ギャップ層／ｐ型ＧａＮ系光ガイド層／ｐ型ＡｌＧａＮ系クラッド層／ｐ型ＧａＮコンタクト層からなる構成を有することが有効である。
この時、ｎ型ＡｌＧａＮ系クラッド層は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層（０＜ｘ＜１）とｎ型ＧａＮ層とを繰り返し複数回積層した超格子構造を有することが有効である。さらに、ｐ型ＡｌＧａＮ系クラッド層は、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ層（０＜ｙ＜１）とｐ型ＧａＮ層とを繰り返し複数回積層した超格子構造を有することが有効である。
また、ｐ型ＧａＮコンタクト層は、膜厚が５ｎｍ以上１０ｎｍ以下であるＧａＮ層と、膜厚が前記ＧａＮ層の４分の１以上でありかつ２分の１以下であるｐ型ＧａＮ層を交互に複数回積層した超格子構造を有する多層体であり、正極用接合電極は、多層体の最上部にあるｐ型ＧａＮ層の表面の一部上に形成したことが有効である。このとき、ｐ型ＧａＮコンタクト層の最上部層は、複数の周期的凹凸部を有することが有効である。
以上の構成では、素子形成用基板はｎ型ＳｉＣよりなる導電性基板が有効である。また、素子形成用基板はサファイアを用いることもできる。さらに、導電性透明電極層の最上部面に、複数の周期的凹凸部を形成したことが有効である。また、透明性パッシベーション層を、ＳｉＯＮを含有する光透過性不活性材料で形成したことが有効である。
また、蛍光体は、組成式Ｔｂ３Ａｌ５Ｏ12にＣｅイオンをドープさせたもの、または組成式Ｔｂ３Ａｌ５Ｏ12と組成式Ｄｙ３Ａｌ５Ｏ12とにＣｅイオンをドープさせたものが有効である。さらに、前記組成物にＤｙ２O３を混合したものが、高輝度状態でも長い寿命を有することを見出した。
以下、この構成による発光ダイオードの作用・効果を説明する。
（１）素子形成用基板：発光ダイオード部は、窒素をドープしたｎ型のＳｉＣなどの導電性基板またはサファイアを用い、この上に、以下の層を積層する。
（２）ｎ型クラック防止層：つぎに、素子形成用基板との格子定数の差を緩和するために、たとえば、ｎ型ＩｎＡｌＧａＮ層を形成する。
（３）ｎ型クラッド層／ｎ型光ガイド層：つぎに、ｎ型ＡｌＧａＮ系のクラッド層を形成する。これは、次に積層するｎ型ＧａＮ系の光ガイド層との格子定数の差を緩和するためのものである。この時、ｎ型ＡｌＧａＮ系のクラッド層は、膜厚２．５ｎｍ程度のＡｌＧａＮ層と膜厚２．５ｎｍ程度のｎ型ＧａＮ層とを繰り返し複数回積層した超格子構造にすると、活性層で発生した光の取り出し効率が向上する。ｎ型ＧａＮ系の光ガイド層は、つぎに形成する量子井戸型活性層のＧａＮ層形成の開始点となる。
（４）量子井戸型活性層：つぎに、ｎ型ＩｎＧａＮ系半導体よりなる障壁層と、ＧａＮよりなる井戸層とを、繰り返し積層した量子井戸型活性層を形成する。
（５）ｐ型ギャップ層：次に、Ｍｇドープによるｐ型ＡｌＧａＮ層を積層する。この層は、エネルギーバリアーとして機能し、前記の活性層に発生したキャリアーが逃げ出すことを防止するため、発光効率の向上に寄与する。
（６）ｐ型光ガイド層／ｐ型クラッド層：Ｍｇドープによるｐ型ＧａＮ層を形成する。これは、次に形成するｐ型ＡｌＧａＮ型クラッド層を成長させる時の開始点となる。ｐ型ＡｌＧａＮ型クラッド層は、上部のｐ型コンタクト層との格子定数の差を緩和するためのものである。
（７）ｐ型コンタクト層：集電電極としてＭｇドープによるｐ型ＧａＮ層を積層する。このとき、ｐ型ＧａＮコンタクト層の最上部層は、複数の周期的凹凸部を有することが有効である。このような構造にすると、全反射臨界角により内部に封じ込められる光の割合を低減できることによる。特に有効な凹凸構造は、活性層で生成された光の波長より大きなピッチの浅い凹凸である。
（８）正極用接合電極：前記の集電電極にリード端子との接合を得るために接合電極を形成するが、これを、ＣｒとＰｔとＡｕとの固溶体により形成する。これにより、前記ｐ型コンタクト層とのオーム抵抗を下げることができ、さらに、電極の大きさも小さくすることができる。従って、発生した光をより多く取り出すことができるようになる。
（９）また、前述の接合電極の周囲であって、集電電極の上部に導電性透明電極層を形成する。この導電性透明電極層を設けることで、接合電極と集電電極との接触面積を大きくすることができる。さらに、接合電極に、Ｃｒ／Ｐｔ／Ａｕの固溶体を用いることで、接合電極および導電性透明電極層の双方に対してオーム抵抗を下げることができる。これにより、さらに光量を取り出せるようになる。また、導電性透明電極層は透明に形成されるので、発生した光をそのまま前方に透過させることができる。ここで用いる導電性透明電極層は、ＩｎとＳｎとＭｇを有する酸化物で構成することが有効である。このとき、導電性透明電極層の金属原子の構成比は、０．１≦Ｍｇ／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｍｇ）≦０．6原子％とすると高い導電性を得ることができる。
このとき、ｐ型ＧａＮコンタクト層は、膜厚が５ｎｍ以上１０ｎｍ以下であるＧａＮ層と、膜厚が前記ＧａＮ層の４分の１以上でありかつ２分の１以下であるｐ型ＧａＮ層を交互に積層した超格子構造を有する多層体とすると、前記導電性透明電極層とのオーム抵抗を下げることができる。
本発明に係る蛍光体層は、組成式Ｔｂ３Ａｌ５Ｏ12にＣｅイオンをドープさせたもの、組成式Ｔｂ３Ａｌ５Ｏ12と組成式Ｄｙ３Ａｌ５Ｏ12とにＣｅイオンをドープさせたもの、さらに、前記の組成物にＤｙ２O３を混合したものが有効である。これは、高い輝度を得るため高い電圧を印加し、高電流を流し、高温状態にさらされた時、蛍光体の化学的劣化が小さいことによるものと考えられる。
本発明に係る発光素子の好適な実施形態を図面を用いて説明する。図１は、発光素子の構造を模式的に示す図である。
＜発光素子の構成１＞
図１において、発光素子１１は、正極端子１２と負極端子１３とを備え、負極端子１３には下向きの凹部１３ａを形成する。この凹部１３ａの底面の中心部に、Ｔｉ箔１１０を溶着し、この上に発光ダイオード部１４を配置し、電気的な接続をとる。電気的な接続は、凹部１３ａの底面の中心部に配置したＴｉ箔部分に発光ダイオード部１４を配置し、凹部１３ａの裏面から連続的にスポットレーザー照射を行うことで、Ｔｉ箔１１０と発光ダイオード部１４の裏面とを溶着させることにより行う。
発光ダイオード部１４は、窒化ガリウム系半導体層により形成するものであり、青色光を発光することができる。発光素子１４の最上部からはリード線が出ており、これを正極端子１２とスポットレーザーにより接続する。また、全体を覆うように透明樹脂層１８を形成し、放出された光を集光するレンズとしての機能を果たす。
また、発光ダイオード部１４を包囲するように蛍光体層１７を凹部１３ａに形成し、その蛍光体としては、Ｔｂ３Ａｌ５Ｏ12にＣｅイオンをドープさせたものと、Ｄｙ２O３とを混合したものを用いる。ＣｅドープのＴｂ３Ａｌ５Ｏ12と、Ｄｙ２O３との混合比率は、重量比で８０：２０とした。これは、Ｄｙ２O３の混合比率を高めると高輝度高温状態での寿命は向上するが、外部に取り出す絶対輝度が低下するためであり、ＣｅドープのＴｂ３Ａｌ５Ｏ12とＤｙ２O３の混合比率を、重量比で６８：３２よりＤｙ２O３の比率を高めると、格段に輝度が低下することによる。また、Ｔｂ３Ａｌ５Ｏ12に対するＣｅのドープ量は、重量比でＴｂ３Ａｌ５Ｏ12に対して、９５：５とした。
この蛍光体は、青色の光を受光し、黄色の蛍光を発生させるために配置する。すなわち、発光チップ１４から放出された青色光は、蛍光体層１７の中へ入射すると、蛍光体層１７内で吸収及び散乱を繰り返した後、蛍光体層１７の外部に放出される。また、蛍光体に吸収された青色光は励起源として作用し、黄色の蛍光を発生することになる。この青色光と黄色光が混色されることで白色発光ダイオードとして機能する。
蛍光体粉体の製法は、所定量のＴｂ４Ｏ７、Ａｌ２Ｏ３、Ｄｙ２Ｏ３、ＣｅＯ２を混合し、さらに、これにＢａＦ２を混合した後、１ｔｏｎ／ｃｍ２の圧力で加圧することでペレット状態の原料品を作成した。これをジルコニア製の坩堝に入れ、水素濃度が１体積％の水素・窒素の混合ガス雰囲気で室温から１３８０℃まで２００℃／ｈｒで昇温し、１３８０℃で５時間焼成する。得られた焼成物を純水に投入し、ジルコニア製のボールミルで、粉砕混合し、これを５０℃の空気中で乾燥することにより、蛍光体粉体をえた。
蛍光体層１７は、透明性のシリコン樹脂溶剤と、前記の蛍光体粉体を再度、空気中にてジルコニア製のボールミルで粉砕し、所定の目幅のチタン製のメッシュに通過させることで作成した、平均粒経０．１μｍ、半値幅０．０３μｍの蛍光体粒子を、重量比７０：３０で形成したインクを凹部１３ａに注入した後、加熱硬化した。
最後に、透明性のシリコン樹脂１８（透明性容器に相当）でパッケージングした。１５は負極端子１３に接続した外部接続足であり、１６は、正極端子１２と負極端子１３とを絶縁するためのゴムキャップである。１９は発光ダイオード部１４と正極端子１２とを接続する正極リードワイヤーである。
＜発光ダイオード部の構成＞
発光ダイオード部１４の具体的な構成を図２に示す。
（１）素子形成用基板２１：素子形成用基板２１は、半径３．２ｍｍ、厚さ０．２ｍｍの６Ｈ−ＳｉＣを使用する。ＳｉＣは、Ｎ２ +が８×１０15／ｃｍ3ドープされており、ｎ型導電型を有する。この上に、各種の層を有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）を用いて形成する。各種の層の形成を行うため、まず、６Ｈ−ＳｉＣの表面処理を行う。表面処理は、６Ｈ−ＳｉＣの（０００１）面をＭＯＶＰＥ装置の反応炉内に設置し、１０―７Ｔｏｒｒまで真空排気した後、５０Ｔｏｒｒの水素雰囲気において、１０７０℃で１０分間加熱することで行う。つぎに、基板温度を９８０℃まで降温した後、アンモニアを２Ｌ／分の流量で１分供給し、基板２１の表面を窒化する。導電性を有するため、素子形成用基板２１の裏面は負極端子１３の凹部１３ａ底面との電気的接続部として機能する。
（２）ｎ型クラック防止層２２：つぎに、ＳｉをドープしたＩｎ0.1Ａｌ0.1Ｇａ0.8Ｎで表されるｎ型のクラック防止層２２を形成する。形成方法は、前記の工程後、アンモニアと水素との雰囲気下で、温度を７００℃まで下げ、これに、水素ベースの１０ｐｐｍモノシランガスを８０ｓｃｃｍのガスフローレートで投入し、トリメチルガリウム（ガスフローレート：毎秒６０μｍｏｌ）、トリメチルアルミニウム（ガスフローレート：毎秒１０μｍｏｌ），トリメチルインジウム（ガスフローレート：毎秒１０μｍｏｌ）、アンモニアガス（ガスフローレート：毎秒０．２Ｌ）、窒素（ガスフローレート：毎秒１Ｌ）を用い、全体圧力を大気圧として、膜厚３０ｎｍまで成長させる。
（３）ｎ型クラッド層２３：次に、クラック防止層２２の上に、超格子構造を有するｎ型クラッド層２３を形成する。超格子構造は、Ａｌ0.12Ｇａ0.88Ｎ（２．５ｎｍ）とｎ型ＧａＮ（２．５ｎｍ）とを順次積層し、全体で１．２μｍとする。形成方法は、７００℃で、トリメチルガリウム（ガスフローレート：毎秒６０μｍｏｌ）、トリメチルアルミニウム（ガスフローレート：毎秒１０μｍｏｌ），アンモニアガス（ガスフローレート：毎秒０．２Ｌ）、窒素（ガスフローレート：毎秒１Ｌ）を用い、全体圧力を大気圧として、膜厚２．５ｎｍまで成長させる。
次に、水素ベースの１０ｐｐｍモノシランガスを８０ｓｃｃｍのガスフローレートで投入し、これにトリメチルガリウム（ガスフローレート：毎秒６０μｍｏｌ），アンモニアガス（ガスフローレート：毎秒０．２Ｌ）、窒素（ガスフローレート：毎秒１Ｌ）を用い、全体圧力を大気圧として、ｎ型ＧａＮを膜厚２．５ｎｍまで成長させる。
以上の操作を繰り返すことで、Ａｌ0.12Ｇａ0.88Ｎ（２．５ｎｍ）とｎ型ＧａＮ（２．５ｎｍ）との超格子構造層を１．２μｍ形成する。
（４）ｎ型光ガイド層２４：つぎに、ｎ型クラッド層２３の上に、ｎ型光ガイド層２４を形成する。これは、前記ｎ型クラッド層２３の最後のｎ型ＧａＮ層の形成時間を長くすることにより形成する。
（５）多重量子井戸型活性層２５：つぎに、多重量子井戸型活性層２５を形成する。これは発光層であり、ｎ型Ｉｎ0.25Ｇａ0.75（障壁層２５ｎｍ）／Ｉｎ0.25Ｇａ0.75Ｎ（井戸層３ｎｍ）を４層積層し、最後はこれにＧａＮ（障壁層２５ｎｍ）層を形成する。
形成法は、まず、アンモニアと水素との雰囲気下で、温度を７００℃にまで下げ、これに、水素ベースの１０ｐｐｍモノシランガスを８０ｓｃｃｍのガスフローレートで投入し、さらに、トリメチルインジウム（ガスフローレート：毎秒１６０μｍｏｌ）、トリメチルガリウム（ガスフローレート：毎秒１６０μｍｏｌ）、アンモニアガス（ガスフローレート：毎秒０．２Ｌ）、窒素（ガスフローレート：毎秒１Ｌ）、水素（ガスフローレート：毎秒０．６Ｌ）を原料ガスとして、全体圧力を大気圧とし、２５ｎｍのＩｎ0.25Ｇａ0.75Ｎ（障壁層）を形成する。次に、上記のガス雰囲気中、水素ベースの１０ｐｐｍモノシランガスの投入を中止した状態を維持することで、３ｎｍのＩｎ0.25Ｇａ0.75Ｎ（井戸層）を形成する。この操作を繰り返すことで、活性層２５を形成する。
（６）ｐ型ギャップ層２６：活性層２５の上には、ｐ型ギャップ層２６を形成する。組成は、Ａｌ0.12Ｇａ0.88Ｎで表され、ｐ型特性は、Ｍｇをドープすることで与える。形成方法は、アンモニアと水素の混合雰囲気で、基板温度を１０７０℃程度まで昇温し、これにビスシクロペンタジエニルマグネシウムを毎分６μｍｏｌのガスフローレートで投入し、これにトリメチルガリウム（ガスフローレート：毎秒７０μｍｏｌ）、トリメチルアルミニウム（ガスフローレート：毎秒１２μｍｏｌ）、アンモニアガス（ガスフローレート：毎秒０．２Ｌ）、窒素（ガスフローレート：毎秒１Ｌ）、水素（ガスフローレート：毎秒０．６Ｌ）を用い、全体圧力を大気圧として、膜厚１０ｎｍまで成長させる。
（７）ｐ型光ガイド層２７：ｐ型ギャップ層２６の上にｐ型ＧａＮの光ガイド層を形成する。形成法は、前記工程の後、アンモニアと水素との雰囲気下で、温度を１０３０℃にまで下げ、ビスシクロペンタジエニルマグネシウムを毎秒０．１μｍｏｌのガスフローレートで投入し、これにトリメチルガリウム（ガスフローレート：毎秒７０μｍｏｌ）、アンモニアガス（ガスフローレート：毎秒０．２Ｌ）、窒素（ガスフローレート：毎秒１Ｌ）、水素（ガスフローレート：毎秒０．６Ｌ）を用い、全体圧力を大気圧として、膜厚５０ｎｍまで成長させる。
（８）ｐ型クラッド層２８：次に、Ｐ型光ガイド層２７の上に、超格子構造を有するｐ型クラッド層２８を形成する。超格子構造は、Ａｌ0.12Ｇａ0.88Ｎ（２．５ｎｍ）とｐ型ＧａＮ（２．５ｎｍ）とを順次積層し、全体で０．６μｍとする。形成方法は、７００℃で、トリメチルガリウム（ガスフローレート：毎秒６０μｍｏｌ）、トリメチルアルミニウム（ガスフローレート：毎秒１０μｍｏｌ），アンモニアガス（ガスフローレート：毎秒０．２Ｌ）、窒素（ガスフローレート：毎秒１Ｌ）を用い、全体圧力を大気圧として、膜厚２．５ｎｍまで成長させる。
次に、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（ガスフローレート：毎秒０．１μｍｏｌ）、トリメチルガリウム（ガスフローレート：毎秒６０μｍｏｌ），アンモニアガス（ガスフローレート：毎秒０．２Ｌ）、窒素（ガスフローレート：毎秒１Ｌ）を用い、全体圧力を大気圧として、ｐ型ＧａＮを膜厚２．５ｎｍまで成長させる。
以上の操作を繰り返すことで、Ａｌ0.12Ｇａ0.88Ｎ（２．５ｎｍ）とｎ型ＧａＮ（２．５ｎｍ）との超格子構造層を０．６μｍ形成する。
（９）Ｐ型コンタクト層２９：７００℃で、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（ガスフローレート：毎秒０．１μｍｏｌ）、トリメチルガリウム（ガスフローレート：毎秒６０μｍｏｌ），アンモニアガス（ガスフローレート：毎秒０．２Ｌ）、窒素（ガスフローレート：毎秒１Ｌ）を用い、全体圧力を大気圧として、ｐ型ＧａＮ層を膜厚５ｎｍ形成する。つぎにビスシクロペンタジエニルマグネシウムを投入しない上記の条件で１０ｎｍのＧａＮ層を形成する。この操作を繰り返し、全体を０．５μｍとした。
この上に、上記条件でｐ型ＧａＮ層をさらに０．３μｍ形成した後、メタルマスクを用いたドライエッチングにより、凹凸の深さ０．２μｍ、周期１．７μｍの円筒上の凹凸構造を形成する。ドライエッチングにはＢＣｌ３をエッチングガスとした反応性ドライエッチング法を用いた。
（１０）正極用接合電極２１０：ｐ型コンタクト層の上面の一部に、正極用接合電極２１０を形成する。組成は、ＣｒとＰｔとＡｕとの固溶体で、重量比０．１：０．２：０．７である。次に金ワイアー１９をスポットレーザー溶接することで、あらかじめリード部を形成しておく。
（１１）導電性透明電極層２１１：
酸化インジウム粉末（平均粒径０．５μｍ）４５０重量部、酸化スズ粉末（平均粒径０．5μｍ）４９．７５重量部および水酸化マグネシウム粉末（平均粒径０．5μｍ）０．２５重量部を、回転羽式ミキサーを用いて１０分間混合した。次に、得られた混合粉末を、ジルコニア製のボール見るに入れ、1時間混合し、得られた粉末を１００μｍメッシュのふるいに通し、粗大粒子を除去した。このようにして得られた混合粉末を、直径１５０ｍｍ、金型に入れ、３０００ｋｇ／ｃｍ2の圧力でプレスして、厚さ１０ｍｍの成形体を得た。
次に得られた成形体を２０℃の温度に保たれた焼結炉内に設置して、以下の条件で焼成した。開始時の焼結炉内ガス雰囲気を空気、昇温速度を２０℃／時間、焼結温度を１５００℃（上下変動５℃以内）、焼結時間を５時間、降温速度を５℃／時間とした。さらに、降温時には、昇温時の６００℃から降温時３００℃までは、焼結炉内に純度９９．９９％の酸素を炉内に注入した。
得られた焼結体を用いて無酸素銅製のバッキングプレートにボンディングし、これを用いてＤＣマグネトロンスパッタ法により、凹凸形状を有するＰ型コンタクト層２９の表面及び接合電極２１０の表面に、膜厚０．１μｍのＩＴＯ層２１１を形成した。スパッタの条件は、基板雰囲気温度を２００℃とし、スパッタリングガスはガス圧が５ｍＴｏｒｒのアルゴン、ＤＣ電力パワーは２．８Ｗ／ｃｍ２とした。
（１２）保護層２１２：以上の各層２１から２９の側面に、ｒｆスパッタ法により、膜厚０．１μｍのＳｉＯＮ層（酸窒化膜）を形成する。この保護層２１２は、透明性パッシベーション層に相当する。
＜性能評価＞
環境温度２５℃における、順方向電圧に対する順方向電流、及び順方向電流に対する全光出力特性を測定した。その結果をそれぞれ、図３及び図４に示した。その結果、良好な出力特性を得ることが確認された。
また、図５に、環境温度を６０℃に上げ、印加電圧を定格電圧の２０％増しの３．８４Ｖとすることで、高輝度出力を取り出したときの加速試験の結果を示した。図５で、縦軸は初期の輝度（ｌｘ単位）を１００％とした時の相対値、横軸は保存時間を示した。この結果、本素子は高輝度でも高寿命を有することが、確認された。
また、以上の工程で作成した蛍光体のＸ線分析の結果を、図６から図１０に示した。図６は、Ｘ線回折（ＸＲＤ）による測定結果、図７〜図１０は、定性分析の結果を示す。その結果、本構成で使用した蛍光体は、ＣｅドープのＴｂ３Ａｌ５Ｏ12と、Ｄｙ２O３とを有する混合物であることを確認した。但し、これにＤｙ３Ａｌ５Ｏ12を含有することも考えられるが、ＸＲＤでのピークが、Ｔｂ３Ａｌ５Ｏ12とＤｙ３Ａｌ５Ｏ12が完全に重複するため、その存在性及び存在比率は、確認できない。
＜発光素子の構成２＞
次に、発光素子の別実施形態を説明する。図１１において、発光素子３１は、正極端子３２と負極端子２３とを備えており、負極端子３３には下向きの凹部３３ａが形成されている。この凹部３３ａの底面上に基板３４と基板の上に搭載される発光ダイオード部３５が配置されている。発光ダイオード部３５は、窒化ガリウム系半導体層により形成されるものであり、青色光を発光することができる。発光ダイオード部３５の最上部にはｐ層電極６が形成されており、正極端子３２とリードワイヤー３７により接続される。また、全体を覆うように透明樹脂層３９が形成されており、放出された光を集光するレンズとしての機能も果たす。
また、発光ダイオード部３５を包囲するように蛍光体層３８が凹部３３ａに形成されており、その蛍光体としては構成１と同じ材料が使用されている。従って、発光ダイオード部３５から放出される青色光は、蛍光体層３８の中へ入射すると、蛍光体層３８内で吸収及び散乱を繰り返した後、外部に放出される。また、蛍光体に吸収された青色光は励起源として作用し、黄色の蛍光を発生することになる。この青色光と黄色光が混色されることで白色発光ダイオードとして機能することができる。
次に発光ダイオード部３５の具体的な構成を図１２に示す。基板３４は、６Ｈ−ＳｉＣを使用する。ＳｉＣは導電性を有しており、基板３４の裏面を電極として利用することができる。基板３４の裏面はｎ層電極として機能し、導電性接着剤により負極端子３３と接続することができる。発光ダイオード部３５は、下記に説明するようにｎ型窒化ガリウム系半導体層とｐ型窒化ガリウム系半導体層が積層されて構成される。
基板３４のすぐ上に成膜される層は、バッファ層４０であり、ＩｎＡｌＧａＮにより形成される。結晶性の良いＧａＮ（窒化ガリウム）膜を成長させるための下地となる。バッファ層４０の上は、ｎ型ＧａＮ層４１であり、ドーパントとしてＳｉがドープされる。ドーパントしては、ＳｉではなくＧｅでもよい。
ｎ型ＧａＮ層４１の上は、多重量子井戸型活性層４２が形成される。これは発光層であり、例えば、ＡｌaＩｎbＧａ(1-a-b)Ｎ／ＡｌxＩｎyＧａ(1-x-y)Ｎ（ｘ＞ａ，０≦ａ，０＜ａ＋ｂ＜１，０≦ｘ，０＜ｘ＋ｙ＜１）により形成される。活性層４２の上には、ｐ型クラッド層４３が形成され、ＡｌxＧａ0.9ＮにドーパントとしてＭｇをドープして形成される。活性層４２とクラッド層４３を設けることで、ｐｎ接合の近傍に電子と正孔が閉じ込められ発光効率が上昇する。なお、活性層４２の下側にｎ型窒化ガリウムのクラッド層を形成してもよい。
クラッド層４３の上にはｐ型ＧａＮ層４４が形成される。ドーパントとしてＭｇがドープされる。ｐ型ＧａＮ層４４には、ｐ層電極３６が形成され、リードワイヤー３７がはんだ付けにより接続される。また、ｐ層電極３６の材料として、Ｃｒ／Ｐｔ／Ａｕの固溶体を用いる。この材料を用いることでオーム抵抗が下がり、発光効率の上昇に寄与する。また、ｐ型ＧａＮ層４４の一番上の部分であって、ｐ層電極６の周囲にＩＴＯ層４５を形成する。ＩＴＯ層４５は構成１と同じであり、ｐ層電極３６とｐ型ＧａＮ層４４の間のオーム抵抗を下げることができ、これにより、発光効率を高めることができる。
発光ダイオード部３５の周囲には保護層４６が形成され、保護層４６としてはＳｉＯ2あるいはＳｉＯＮ（酸窒化膜）が用いられる。なお、基板３４の上に各層を成膜する方法については、公知の方法で行うことができる。
次に、発光ダイオード部３５の別実施形態を図１３に示す。図１２と異なる点のみを説明する。図１３の例では、基板３４としてサファイアを用いる。サファイアは、絶縁性を有するため基板の裏面に電極を形成できないので、別途ｎ層電極４７を設ける。エッチングによりｎ型ＧａＮ層４１を露出させることで、その上にｎ層電極４７を形成することができる。このｎ層電極４７と負極端子３３とをリードワイヤー４８により接続する。ｐ層電極３６の場合と同様に、ＩＴＯ層４９が形成されると共に、保護層４６も形成される。このＩＴＯ層４９も構成１と同じとすることができる。
＜実験結果＞
次に、本発明による蛍光体層とＩＴＯ層の効果を確認するための実験を行った。発光素子の構造は図１１、図１２に示すもので行なった。温度６０℃、湿度６０％の環境下で高輝度点灯試験を行い、経時変化により輝度変化（点灯状況に問題はないか、輝度低下は生じているか）について目視による評価を行なった。本発明による発光素子のサンプルとして５個選択し、比較例の発光素子として同様に５個選択した。比較例の発光素子は、ＩＴＯ層を用いていない点と、蛍光体層がＣｅイオンを重量比で２％ドープしたＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）である点を除いて、本発明と同じ構造を有している。
各発光素子には、直流安定化電源により直流３．６Ｖを印加し高輝度状態で発光させた。図１４と図１５に実験結果を示す。実験は、２００５年９月６日から開始して１０月３日まで行なった。図中「ＹＡＧ」とあるのは比較例であり、サンプル番号はＮｏ．１〜５である。また「ＴＡ−ＤＹ」とあるのは本発明でありサンプル番号はＮｏ．６〜１０である。本発明に係るサンプルに関しては、累計で１４９時間点灯しても輝度低下などの以上は生じなかった。しかし、比較例に関しては、いずれのサンプルも累計３４時間以後は、若干輝度が低下したことが確認された。
また、図１６には、実験開始前（９月６日）における本発明と比較例の発光状態を撮影した写真と、実験開始後（９月２１日）における発光状態を撮影した写真を示す。この写真からも、比較例のサンプルは経時変化により若干輝度が低下していることが確認できた。従って、本発明による発光素子は、構成１の場合と同様に、高輝度時も高い安定性を得ることができた。
発光素子の構成を示す模式図 第１実施形態に係る発光ダイオード部の構成を示す模式図 第１実施形態に係る発光素子の第１の特性図 第１実施形態に係る発光素子の第２の特性図 第１実施形態に係る発光素子の第３の特性図 第１実施形態に係る発光素子の第１の分析図 第１実施形態に係る発光素子の第２の分析図 第１実施形態に係る発光素子の第３の分析図 第１実施形態に係る発光素子の第４の分析図 第１実施形態に係る発光素子の第５の分析図 第２実施形態に係る発光素子の構成を示す模式図 第２実施形態に係る発光ダイオード部の構成を示す模式図 第２実施形態に係る発光ダイオード部の別構成を示す模式図 第２実施形態に係る発光素子の高温・高湿検査結果 第２実施形態に係る発光素子の高温・高湿検査結果 第２実施形態に係る発光素子を発光させた状態を示す外観図
符号の説明
１１ 発光素子
１２ 正極端子
１３ 負極端子
１３ａ 凹部
１４ 発光ダイオード部
１５ 外部接続足
１６ ゴムキャップ
１７ 蛍光体層
１８ 透明樹脂層
１９ 正極リードワイヤー
１１０ Ｔｉ箔
２１ 素子形成用基板
２２ ｎ型クラック防止層
２３ ｎ型クラック層
２４ ｎ型光ガイド層
２５ 多重量子井戸型活性層
２６ ｐ型ギャップ層
２７ ｐ型光ガイド層
２８ ｐ型クラッド層
２９ ｐ型コンタクト層
２１０ 正極用接合電極
２１１ 導電性透明電極層
２１２ 保護層
３１ 発光素子
３２ 正極端子
３３ 負極端子
３４ 基板
３５ 発光ダイオード部
３６ ｐ層電極
３７，４８ リードワイヤー
３８ 蛍光体層
３９ 透明樹脂層
４０ バッファ層
４１ ｎ型ＧａＮ（窒化ガリウム）層
４２ 活性層
４３ クラッド層
４４ ｐ型ＧａＮ層
４５，４９ ＩＴＯ層
４６ 保護層
４７ ｎ層電極

Claims (17)

  1. 正極端子及び負極端子と、発光ダイオード部と、前記発光ダイオード部が発光した光を受光し蛍光を発生する蛍光体と、前記発光ダイオード部と前記蛍光体とを密封する透明性容器と、を有する発光素子であって、
    （１）前記発光ダイオード部は、素子形成用基板／ｎ型窒化ガリウム系半導体層／窒化ガリウム系半導体活性層／ｐ型窒化ガリウム系半導体層からなる構成を有する積層体であり、
    （２）前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層の最上部表面に導電性透明電極層を形成し、
    さらに前記導電性透明電極層の一部に前記正極端子との電気的接続用正極リード接続部を形成したことを特徴とする発光素子。
  2. 発光ダイオード部は、素子形成用基板／ｎ型ＩｎＡｌＧａＮ系クラック防止層／ｎ型ＡｌＧａＮ系クラッド層／ｎ型ＧａＮ光ガイド層／多重量子井戸型活性層／ｐ型ＡｌＧａＮ系ギャップ層／ｐ型ＧａＮ系光ガイド層／ｐ型ＡｌＧａＮ系クラッド層／ｐ型ＧａＮコンタクト層からなる構成を有することを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
  3. ｎ型ＡｌＧａＮ系クラッド層は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層（０＜ｘ＜１）とｎ型ＧａＮ層とを繰り返し複数回積層した超格子構造を有することを特徴とする請求項２に記載の発光素子。
  4. ｐ型ＡｌＧａＮ系クラッド層は、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ層（０＜ｙ＜１）とｐ型ＧａＮ層とを繰り返し複数回積層した超格子構造を有することを特徴とする請求項２又は３に記載の発光素子。
  5. ｐ型ＧａＮコンタクト層は、膜厚が５ｎｍ以上１０ｎｍ以下であるＧａＮ層と、膜厚が前記ＧａＮ層の４分の１以上でありかつ２分の１以下であるｐ型ＧａＮ層を交互に複数回積層した超格子構造を有する多層体であり、
    正極用接合電極は、多層体の最上部にあるｐ型ＧａＮ層の表面の一部上に形成したことを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項に記載の発光素子。
  6. 素子形成用基板はｎ型ＳｉＣであり、前記素子形成用基板は負極端子との電気的接続性を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の発光素子。
  7. ｎ型ＳｉＣの裏面にＮｉ層を形成し、前記Ｎｉ層と負極端子との接合部を設けることで、前記素子形成用基板と前記負極端子との電気的接続性を形成したことを特徴とする請求項６に記載の発光素子。
  8. ｎ型窒化ガリウム系半導体層は、この上部に形成した窒化ガリウム系半導体活性層から外側にはみ出た負極形成用部分を有し、前記負極形成用部分の表面に導電性透明電極層を形成し、さらに前記導電性透明電極層の一部に負極端子との電気的接続用負極リード接続部を形成したことを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
  9. ｐ型ＧａＮコンタクト層の最上部層は複数の周期的凹凸部を有し、前記周期的凹凸部にあわせて導電性透明電極層に周期的凹凸部を形成したことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の発光素子。
  10. ＩｎとＳｎとＭｇを有する酸化物で、導電性透明電極層を構成したことを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の発光素子。
  11. 導電性透明電極層の金属原子の構成比は、０．１≦Ｍｇ／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｍｇ）≦０．6原子％であることを特徴とする請求項１０に記載の発光素子。
  12. ＣｒとＰｔとＡｕとの固溶体により、電気的接続用正極リード接続部、電気的接続用負極リード接続部を形成したことを特徴とする請求項１０又は１１に記載の発光素子。
  13. 発光ダイオード部の側面及び上面を、透明性パッシベーション層で外部遮断したことを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載の発光素子。
  14. 透明性パッシベーション層を、ＳｉＯＮを含有する光透過性不活性材料で形成したことを特徴とする請求項１３に記載の発光素子。
  15. 蛍光体は、組成式Ｔｂ３Ａｌ５Ｏ12にＣｅイオンをドープさせたことを特徴とする請求項１〜１４のいずれか１項に記載の発光素子。
  16. 前記蛍光体に、Ｄｙ２Ｏ３を混合したことを特徴とする請求項１５に記載の発光素子。
  17. 蛍光体中のＤｙ２O３の混合比は、重量比で、Ｔｂ３Ａｌ５Ｏ12を１００とすると、０より大きく３２以下であることを特徴とする請求項１６に記載の発光素子。
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