JP2008098486A

JP2008098486A - 発光素子

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Publication number: JP2008098486A
Application number: JP2006279954A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Nishizono; 和博西薗
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2006-10-13
Filing date: 2006-10-13
Publication date: 2008-04-24

Abstract

【課題】紫外光や近紫外光の吸収性がある透明導電層を形成した発光素子において、透明導電層中での光吸収の影響を小さくし、光取り出し効率に優れたものを提供すること。
【解決手段】発光素子は、基板１０上に、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層１２と、発光層１３と、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層１４とが形成されており、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層１４は、発光層１３により生じた光の波長を変換する蛍光体を含む複数の透明導電層１５ａ，１５ｂ，１５ｃが積層されて成るｐ型電極１５が表面に形成されており、発光層１３に最も近い透明導電層１５ａが発光層１３により生じた光を第１波長の光に変換する蛍光体１７ａを含み、発光層１３から離れるに従って発光層１３により生じた光を第１波長の光よりも短波長の光に変換する蛍光体１７ｂ，１７ｃを含む透明導電層１５ｂ，１５ｃが積層されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、化学式Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（ただし、０≦ｘ，ｙ≦１，ｘ＋ｙ≦１）等で表される窒化ガリウム系化合物半導体（III族窒化物系化合物半導体）が積層されてなる発光素子に関するものである。

化学式Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ，ｙ≦１，ｘ＋ｙ≦１）等で表される窒化ガリウム系化合物半導体は、ＡｌＮやＩｎＮなどとの混晶であるＡｌＧａＮ，ＩｎＧａＮ，ＩｎＧａＡｌＮ等となるように組成を選択することにより、可視光領域から紫外光領域までの発光が可能な発光ダイオード（ＬＥＤ）や半導体レーザ（ＬＤ）などの発光素子の材料として検討されており、一部は実用化が図られている。

また、ＭＥＳＦＥＴ（Metal-Semiconductor Field Effect Transistor）、ＭＩＳＦＥＴ（Metal-Insulator-Semiconductor ＦＥＴ）、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ：High Electron Mobility Transistor）等の電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）やショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）等の電子素子の半導体材料としても検討され、高出力の高周波を扱う電子素子としても開発が進められている。

図２に、従来の窒化ガリウム系化合物半導体を用いた発光素子の概略的な断面図を示す。この発光素子は、例えば基板としてサファイア基板１を用い、そのサファイア基板１上にバッファ層２を介して、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層３、発光層となる活性層４、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層５を形成し、ｎ型電極６を形成するためにｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層５の一部をエッチングし、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層３の一部を露出させている。ｐ型電極は、活性層４で発光した光をｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層５の側に取り出すために、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層５の一面に透明電極７を形成し、さらに透明電極７上の一部に外部にワイヤボンディング等するためのパッド電極８が形成されている。

このような透明電極７としては、ニッケル（Ｎｉ）層と金（Ａｕ）層の積層体が主に用いられている。また、例えば特許文献１には、透明電極として、透明な導電性酸化物であるスズ添加酸化インジウム（ＩＴＯ）から成るものを用いることが記載されている。

さらに、このような発光素子を利用して白色光源を得るための構成として、特許文献２には、発光素子（ＬＥＤ素子）をステム上に配置し、波長変換を行う蛍光体を含む透明な樹脂により発光素子の周囲をモールドする構成が記載されている。

また、発光素子から生じた光をモールド樹脂中の蛍光体により波長変換して白色光を得る発光素子の製造方法は、モールド樹脂に蛍光体を含有させる工程が必須であり、単色光を発光する発光素子の製造に比べて、工程数が増加していた。この問題を解決する発光素子の製造方法として、特許文献３には、発光層とＩｎ_２Ｏ_３層からなる発光ダイオードの製造方法であって、Ｉｎ_２Ｏ_３層に波長変換を行う無機蛍光体を含有させる製造方法が記載されている。
実開平６−３８２６５号公報特開平５−１５２６０９号公報特開２００２−１６４５７６号公報

しかしながら、特許文献１に記載されている発光素子においては、通常のニッケル層と金層の積層体の光透過率（波長４００ｎｍ付近の光に対する光透過率）が６０％程度であるのに対して、スズ添加酸化インジウム（ＩＴＯ）の光透過率（波長４００ｎｍ付近の光に対する光透過率）は８０％〜９０％と高い。しかし、ＩＴＯは、屈折率が約２．１であり、窒化ガリウムの２．５には近いが空気の１とは大きく異なるため、発光層で生じた光はｐ型ＧａＮ層からＩＴＯ層へは界面での反射が小さく進行するが、ＩＴＯ層と空気との界面において大きな反射が生じる。さらに、ＩＴＯ層と空気との界面で多重的に反射を繰返して、ｐ型ＧａＮ層及びＩＴＯ層内を通過する光や、閉じ込められた光は、ｐ型ＧａＮ層及びＩＴＯ層によって徐々に吸収され減衰することとなる。従って、発光素子の光取り出し効率を向上させることにも限界がある。

また、特許文献２に記載されているように、ＬＥＤ素子の周囲を波長変換可能な蛍光体を含む樹脂でモールドし、例えば白色光を得る場合には、屈折率が約１．５の樹脂でモールドすることにより、ＩＴＯ層から樹脂へ通過する際の界面での光の反射は空気の場合よりは抑制される。しかしながら、ＬＥＤ素子の発光波長が４００ｎｍ近傍の近紫外光を用いた場合、長時間の使用による樹脂の劣化やＬＥＤ素子自体の発熱による樹脂の劣化による光透過率の低下などの懸念がある。さらに、発光波長が４００ｎｍ付近の近紫外光に対してはＩＴＯ層の光透過率が３８０ｎｍ〜３９０ｎｍ付近で低下するため、ＩＴＯ層での光の吸収の影響が顕著になる。

また、特許文献３に記載されているような、モールド樹脂中の蛍光体ではなく、不純物を添加したＩｎ_２Ｏ_３層中に含有された無機蛍光体により波長変換を行う構成では、蛍光体をＩｎ_２Ｏ_３層中に均一に分散することが困難であり、発光色のむらが生じる懸念がある。

また、発光層からの発光が青色光で、蛍光体により黄色光に波長変換し白色光を得る構成では、使用する蛍光体は１種類であるため、発光色のむらは顕著とはならない。しかし、発光層からの発光が紫外光や近紫外光であり、赤色光、緑色光、青色光にそれぞれ変換する蛍光体により波長変換を行って白色光を得る場合、蛍光体をＩｎ_２Ｏ_３層中に均一に分散させる必要があるため、発光色のむらが顕著になる懸念がある。

さらに、不純物を添加したＩｎ_２Ｏ_３（不純物がＳｎの場合はＩＴＯ）層の場合、上記したように紫外光や近紫外光の吸収があるため、発光層で生じた光はＩＴＯ層中を進行する間に蛍光体により波長が変換されるものもあるが、徐々に吸収され、発光層より離れた側であるＩＴＯ層上部の方では変換される割合も少なくなり、効率が悪い。

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、紫外光や近紫外光の吸収性があるＩＴＯ層などの透明導電層中での光吸収の影響をより小さくし、光取り出し効率に優れた窒化ガリウム系化合物半導体を用いた発光素子を提供することを目的とする。

本発明の発光素子は、基板上に、ｎ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、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層とが形成されている発光素子において、前記ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層は、前記発光層により生じた光の波長を変換する蛍光体をそれぞれ含む複数の透明導電層が積層されて成るｐ型電極が表面に形成されており、前記複数の透明導電層は、前記発光層に最も近い前記透明導電層が前記発光層により生じた光を第１波長の光に変換する蛍光体を含むものであり、前記発光層から離れるに従って前記発光層により生じた光を前記第１波長の光よりもより短波長の光に変換する蛍光体を含む前記透明導電層が積層されていることを特徴とするものである。

また、本発明の発光素子は好ましくは、前記複数の透明導電層は、前記発光層により生じた光を赤色光に変換する蛍光体を含む透明導電層と、前記発光層により生じた光を緑色光に変換する蛍光体を含む透明導電層と、前記発光層により生じた光を青色光に変換する蛍光体を含む透明導電層とが前記発光層側から順次積層されており、前記発光層で生じた光を白色光として外部に放射させることを特徴とするものである。

また、本発明の発光素子は好ましくは、前記ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層は、露出した表面に、前記発光層により生じた光の波長を変換する蛍光体をそれぞれ含む複数の透明導電層が積層されて成るｎ型電極が形成されており、前記複数の透明導電層は、前記発光層に最も近い前記透明導電層が前記発光層により生じた光を第１波長の光に変換する蛍光体を含むものであり、前記発光層から離れるに従って前記発光層により生じた光を前記第１波長の光よりもより短波長の光に変換する蛍光体を含む前記透明導電層が積層されていることを特徴とする。

また、本発明の発光素子は好ましくは、前記複数の透明導電層は、前記発光層から離れるに従って厚みが薄くなっていることを特徴とする。

本発明の発光素子は、基板上に、ｎ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、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層とが形成されている発光素子において、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層は、発光層により生じた光の波長を変換する蛍光体をそれぞれ含む複数の透明導電層が積層されて成るｐ型電極が表面に形成されており、複数の透明導電層は、発光層に最も近い透明導電層が発光層により生じた光を第１波長の光に変換する蛍光体を含むものであり、発光層から離れるに従って発光層により生じた光を第１波長の光よりもより短波長の光に変換する蛍光体を含む透明導電層が積層されており、異なる波長に変換する蛍光体を各透明導電層ごとに含ませているため、合成された光の色の均一性がよくなる。

例えば、Ｉｎ_２Ｏ_３層等の透明導電層中に３種（３色）の蛍光体を一緒に分散させようとしても、透明導電層の全ての部分において３種の蛍光体が均一の割合で分散する可能性は低く、極端な場合は凝集などにより１色の蛍光体が部分的に集まったりして、混合割合が不均一となりやすい。従って、最終的に合成された光が均一な色となり難くなる。これに対して、Ｉｎ_２Ｏ_３層等の透明導電層中に１種（１色）の蛍光体を均一に分散させることは比較的容易であり、これを複数層に積層することによって、それぞれの蛍光体による蛍光への変換が均一に行われるため、最終的に合成された光の色も均一なものとなる。

また、発光層に近い側の透明導電層でより波長の長い光に変換することにより、吸収の影響を小さくでき、発光層で生じた光を効果的に波長変換することが可能となる。即ち、発光層で生じた光は透明導電層を通過するが、その際一部の光はまず第１波長の光に変換する蛍光体が含まれる透明導電層中で第１波長へ変換され、第１波長（例えば６００ｎｍ程度）はＩＴＯ層等の透明導電層による光吸収が小さい波長であるため、第１波長の光は透明導電層にほとんど吸収されることなく外部へ取り出されるため、取り出し効率が高くなる。また、第１波長に変換する蛍光体を含む透明導電層を通過した光は、引き続き第１波長よりも短い波長の第２波長（例えば５１０ｎｍ程度）へ変換する蛍光体を含む透明導電層に達し、そこで第２波長に変換されるが、第２波長も透明導電層による光吸収の小さい波長であるため、第２波長の光も透明導電層にほとんど吸収されることなく外部に取り出されるため、取り出し効率が高くなる。

また、蛍光体によって変換された光が透明導電層から外部の空気等に向かって進行する際に、界面で反射が生じた場合にも、反射された光は透明導電層中での吸収が小さいため、結局減衰が少ない状態で外部に取り出されることとなる。

また、最表面側の透明導電層は、さらに波長の短い第３波長（例えば４５０ｎｍ程度）へ変換する蛍光体を含み、変換された光は最も吸収が大きい波長となるが、外部へ放射されるまでの経路が短くなるため、透明導電層による光吸収が比較的大きくても、光の取り出し効率が大きく低下することはない。

従って、蛍光体によって変換される光が、発光層に近い側より漸次長波長から短波長に変換されるため、透明導電層での光吸収を極力抑制でき、変換された各波長の光の取り出し効率が高いものとなる。

また、透明導電層から外部の空気への取り出し効率を高めるために、発光素子の周囲に透明な樹脂をモールドする際も、樹脂には発光層で生じた光ではなく蛍光体によって各波長へ変換された光が到達し通過するため、樹脂の劣化が小さくなる。即ち、窒化ガリウム系化合物半導体から成る発光層で発光する光の波長が紫外光や近紫外光の波長領域である場合、紫外光や近紫外光が蛍光体により波長の長い第１波長の光（赤色光等）や第１波長よりも短波長の光（緑色光や青色光）に変換されて外部に放射されるため、樹脂の劣化が小さくなる。

また、一層の透明導電層中に異なる波長に変換する蛍光体を複数分散させた場合と異なり、波長の短い光に変換された光が、再度より長波長に変換する蛍光体で再変換されることがほとんどないため、変換の効率も良くなる。

また、本発明の発光素子は好ましくは、複数の透明導電層は、発光層により生じた光を赤色光に変換する蛍光体を含む透明導電層と、発光層により生じた光を緑色光に変換する蛍光体を含む透明導電層と、発光層により生じた光を青色光に変換する蛍光体を含む透明導電層とが発光層側から順次積層されており、発光層で生じた光を白色光として外部に放射させることから、発光層で発光した光が紫外光や近紫外光の波長領域である場合、光取り出し効率の良い白色光、つまり発光効率のよい白色光を得ることができる。

即ち、発光層で生じた紫外光や近紫外光はまず赤色光に変換され、変換された赤色光は透明導電層でほとんど吸収されることなく外部に取り出される。また、一部が赤色光に変換された残りの紫外光や近紫外光は、緑色光に変換する蛍光体を含む透明導電層を通過した際に緑色光に変換され、緑色光も透明導電層でほとんど減衰されずに外部に取り出される。さらに、残りの紫外光や近紫外光は、最後に青色光に変換する蛍光体を含む透明導電層によって青色光に変換され、ほとんどそのまま外部に取り出される。このようにして、複数の透明導電層を通過するうちに順次変換された赤色光、緑色光及び青色光は、透明導電層で吸収されることなく外部に取り出されるため、赤色光、緑色光及び青色光の混色により白色光を効率良く得ることができる。

さらに、紫外光や近紫外光は透明導電層の外側にはほとんど出てこないため、さらなる光取り出し効率の向上のために発光素子の周囲を透明な樹脂でモールドしたとしても、紫外光や近紫外光による樹脂の劣化がなく、長寿命の白色発光の発光素子となる。

また、本発明の発光素子は好ましくは、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層は、露出した表面に、発光層により生じた光の波長を変換する蛍光体をそれぞれ含む複数の透明導電層が積層されて成るｎ型電極が形成されており、複数の透明導電層は、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層に最も近い透明導電層が発光層により生じた光を第１波長の光に変換する蛍光体を含むものであり、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層から離れるに従って発光層により生じた光を第１波長の光よりもより短波長の光に変換する蛍光体を含む透明導電層が積層されている。即ち、ｎ型電極がｐ型電極と同じ構成である。この構成により、上記と同様の効果が得られる。

また、本発明の発光素子は好ましくは、複数の透明導電層は、発光層から離れるに従って厚みが薄くなっていることから、光吸収性の低い順に厚くすることとなり、光吸収をより抑えることができる。

以下、本発明の発光素子について実施の形態の例を添付図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明の発光素子の１例を示すものであり、基板１０上にバッファ層１１を介して窒化ガリウム系化合物半導体をＭＯＣＶＤ法により形成し、さらにその上に蛍光体を含む透明導電層を形成したものである。多層構造の窒化ガリウム系化合物半導体は、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層１２上に、窒化ガリウム系化合物半導体から成る発光層１３、及びｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層１４が順次積層されており、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層１２上及びｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層１４上にそれぞれ、複数の透明導電層１５ａ，１５ｂ，１５ｃ及び１６ａ，１６ｂ，１６ｃが積層されて成るｐ型電極１５及びｎ型電極１６が形成されている。

本発明の発光素子は、基板１０上に、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層１２と、窒化ガリウム系化合物半導体から成る発光層１３と、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層１４とが形成されている発光素子において、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層１４は、発光層１３により生じた光の波長を変換する蛍光体をそれぞれ含む複数の透明導電層１５ａ，１５ｂ，１５ｃが積層されて成るｐ型電極１５が表面に形成されており、複数の透明導電層１５ａ，１５ｂ，１５ｃは、発光層１３に最も近い透明導電層１５ａが発光層１３により生じた光を第１波長の光に変換する蛍光体１７ａを含むものであり、発光層１３から離れるに従って発光層１３により生じた光を第１波長の光よりもより短波長の光に変換する蛍光体１７ｂ，１７ｃを含む透明導電層１５ｂ，１５ｃが積層されている構成である。

本発明の発光素子においては、基板１０は透明基板であるサファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）基板を用いてもよいが、その他の透明基板としてシリコンカーバイド（ＳｉＣ），酸化亜鉛（ＺｎＯ），窒化ガリウム（ＧａＮ）等から成るものでもよい。

また光透過性のない基板として二硼化ジルコニウム（ＺｒＢ_２）等から成る基板を用いることができる。より具体的には、基板１０として、化学式ＸＢ_２（ただし、ＸはＴｉ，Ｍｇ，Ａｌ，Ｈｆ及びＺｒのうち少なくとも１種を含む。）で表される二硼化物単結晶から成る基板を用いてもよい。その場合、基板１０は、窒化ガリウム系化合物半導体との格子整合性及び熱膨張係数の整合性の点で優れていることを考慮すると、ＺｒＢ_２単結晶からなるものを使用することが好ましい。また、ＺｒＢ_２単結晶において、Ｚｒの一部がＴｉ，Ｍｇ，Ａｌ，Ｈｆ等に置換されているものであってもよい。また、ＺｒＢ_２単結晶において、その結晶性また格子定数が大きく変化しない程度に不純物としてＴｉ，Ｍｇ，Ａｌ，Ｈｆ等を含んでいても構わない。

本発明において、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層１２は、その露出した表面に、発光層１４により生じた光の波長を変換する蛍光体１７ａ〜１７ｃをそれぞれ含む複数の透明導電層１６ａ〜１６ｃが積層されて成るｎ型電極が形成されており、複数の透明導電層１６ａ〜１６ｃは、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層１２に最も近い透明導電層１６ａが発光層により生じた光を第１波長の光に変換する蛍光体を含むものであり、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層１２から離れるに従って発光層１４により生じた光を第１波長の光よりもより短波長の光に変換する蛍光体１７ａを含む透明導電層１６ａが積層されている。即ち、ｎ型電極がｐ型電極と同じ構成である。この構成により、ｐ型電極の場合と同様の効果が得られる。

ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層１２におけるｎ型電極が形成される部位は、図１に示すように、発光層１３及びｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層１４の一部をエッチング除去してｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層１２の一部を露出させた部位であってよい。

また、基板１０が導電性のものである場合、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層１２上に形成するｎ型電極１６は不要となり、基板１０の裏面（下面）に直接ｎ型電極１６を形成することが可能となる。

また、基板１０を除去した場合には、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層１２の基板１０を除去した面にｎ型電極を形成することもできる。

また、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層１２上にｎ型電極１６を形成する場合においても、ｎ型電極１６は必ずしも透明導電層１６ａ，１６ｂ，１６ｃから成る必要はない。即ち、発光層１３から生じた光は、基板１０もしくはｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層１４の方に進行し、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層１２上のｎ型電極１６に達する光は少ないからである。従って、この場合、ｎ型電極１６は、チタン（Ｔｉ）層／アルミニウム（Ａｌ）層／ニッケル（Ｎｉ）層／金（Ａｕ）層等の透明導電層ではない公知の金属電極から形成されていてもよい。しかし、光取り出し効率の向上のためには、本発明の透明導電層から成るｎ型電極１６が好ましい。

また、ｎ型電極１６が上記のいずれの構成であっても、光を基板１０と反対方向側から取り出すために、基板１０と発光層１３の間に金属からなる反射層、窒化ガリウムアルミニウム（ＡｌＧａＮ）と窒化ガリウム（ＧａＮ）等からなるブラッグ反射層（ＤＢＲ：Distributed Bragg Reflector）等を設けることができる。

また、バッファ層１１は、窒化ガリウム系化合物半導体の格子定数や熱膨張係数が基板１０の格子定数や熱膨張係数に近い場合は必ずしも形成する必要はないが、バッファ層１１を形成する場合、窒化ガリウム（ＧａＮ），窒化アルミニウム（ＡｌＮ），またはこれらの混晶である窒化ガリウムアルミニウム（ＡｌＧａＮ）から成るものを形成することができる。バッファ層１１を形成する際の基板１０の温度は４００℃〜８００℃程度である。

バッファ層１１の形成後に基板１０の温度を１０００℃〜１２００℃程度に上げ、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層１２を引き続き形成する。ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層１２は、例えばＧａＮ層であるが、ＡｌＮと窒化インジウム（ＩｎＮ）との混晶組成である、ＡｌＧａＮ層やＩｎＧａＮ層等であってもよい。また、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層１２等の窒化ガリウム系化合物半導体の形成方法は、ＭＯＣＶＤ法の他にも分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法やハイドライド気相成長（ＨＶＰＥ）法、パルスレーザデポジション（ＰＬＤ）法等が挙げられる。

発光層１３は、例えば、ＩｎＧａＮ層，ＧａＮ層，ＡｌＧａＮ層等から成る、障壁層、井戸層から構成された量子井戸構造（ＭＱＷ：Multi Quantum Well）からなっている。また、例えば、障壁層としてＧａＮ層、井戸層としてＩｎＧａＮ層を用いることができる。障壁層、井戸層のＩｎ組成、膜厚、量子井戸構造の繰り返し数により、発光波長は決定される。

Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）等の組成から成るｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層１４を形成した後に、蛍光体１７を含んだｐ型電極１５を形成する。ｐ型電極１５を成す透明導電層１５ａ〜１５ｃは、導電性酸化物等から成り、例えば、ＩＴＯ（Ｓｎ添加Ｉｎ_２Ｏ_３）層、酸化錫膜（ＳｎＯ_２）層、酸化インジウム膜（Ｉｎ_２Ｏ_３）層、酸化ガリウム（Ｇａ_２Ｏ_３）層、酸化ゲルマニウム（Ｇｅ_２Ｏ_３，ＧｅＯ）層、酸化亜鉛（ＺｎＯ）層、ＣｕＭＯ_２（Ｍ：Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ，Ｓｃ，Ｙ，Ｌａのいずれかから成る）層、ＳｒＣｕ_２Ｏ_２層を挙げることができ、またこれらに不純物を添加したものであってもよい。特に、光の透過率とｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層とのコンタクト抵抗の観点からＩＴＯ層がよい。

ｐ型電極１５とｎ型電極１６は同じものでもよく、また両者で異なっていてもよい。例えば、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層上にはＩＴＯ層、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層上には酸化亜鉛（ＺｎＯ）層等を形成する。

ｐ型電極１５は、発光層１３で生じた光（基本光）を第１波長の光（赤色光）に変換する蛍光体１７ａを含む透明導電層１５ａ、基本光を緑色光に変換する蛍光体１７ｂを含む透明導電層１５ｂ、基本光を青色光に変換する蛍光体１７ｃを含む１５ｃからなっている。蛍光体を含む透明導電層１５ａ〜１５ｃはそれぞれ、たとえばゾルゲル法で形成する際に蛍光体１７ａ〜１７ｃの粒子を溶媒中に混合し、攪拌した後にｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層１４上に塗布し、乾燥し、焼成することによって、形成することができる。また、スプレー法等によっても同様に形成することができ、溶媒中に蛍光体１７ａ〜１７ｃの粒子を分散させ、スプレー塗布し、乾燥し、焼成することによって、蛍光体１７ａ〜１７ｃの粒子が分散した透明導電層１５ａ〜１５ｃを得ることができる。

多層構造のｐ型電極１５を形成するには、基本光を赤色光に変換する蛍光体を含む透明導電層１５ａを形成した後に例えば２００〜４００℃程度で３０分仮焼し、次に基本光を緑色光に変換する蛍光体を含む溶媒を塗布し、同様に仮焼して透明導電層１５ｂを形成する。そして、最後に基本光を青色光に変換する蛍光体を含む溶媒を塗布し、仮焼して透明導電層１５ｃを形成した後、引き続きより高い温度（５００℃〜８００℃程度）で加熱することにより、形成することができる。ｎ型電極１６を構成する透明導電層１６ａ〜１６ｃについても同様にして形成することができる。

透明導電層１５中に含有させる蛍光体１７ａ〜１７ｃとしては、公知の蛍光体を用いることができる。例えば、紫外光や近紫外光等である基本光を赤色光に変換し得る蛍光体としては、Ｙ_２Ｏ_２Ｓ：Ｅｕ、Ｂａ_３ＭｇＳｉ_２Ｏ_８：Ｅｕ，Ｍｎ等が挙げられる。また、基本光を緑色光に変換し得る蛍光体としては、ＺｎＳ：Ｃｕ，Ａｌ、（Ｂａ，Ｍｇ）Ａｌ_１０Ｏ_１７：Ｅｕ，Ｍｎ、（Ｂａ，Ｓｒ）_２ＳｉＯ_４：Ｅｕ等が挙げられる。また、基本光を青色光に変換し得る蛍光体としては、（Ｓｒ，Ｃａ，Ｂａ，Ｂａ）_１０（ＰＯ_４）_６Ｃ_１２：Ｅｕ、（Ｂａ，Ｍｇ）Ａｌ_１０Ｏ_１７：Ｅｕ等を挙げることができる。

なお、上記のＡ：Ｂという形態の式は、ＢドープＡ（Ｂが微量混入されたＡ）というものを示す。

各蛍光体の平均粒径は、平均粒径が大きすぎると、透明導電層１５ａ〜１５ｃの厚みが蛍光体の粒径によって決定され厚くなるため、１μｍ未満であることが好ましい。

各透明導電層１５ａ〜１５ｃにおける蛍光体１７ａ〜１７ｃの含有率は、２０重量％〜８０重量％がよい。２０重量％未満では、蛍光に変換されずに透過する光が多くなり、８０重量％を超えると、次の層へ透過する基本光が少なくなるため、次の層において発生する蛍光が小さくなる。

また各層の蛍光体１７ａ〜１７ｃの含有率は各層で異なっていても構わない。各層の含有率は使う蛍光体の効率等により異なるため一概に決定できないが、色度を見ながら調整することが可能である。

透明導電層１５ａ〜１５ｃのそれぞれの厚みについては、あまり厚いと透明導電層１５ａ〜１５ｃでの光吸収が生じるため１０μｍ以下がよく、さらには２μｍ以下が好ましい。また、各層の厚みはすべて同じである必要はなく、異なっていても良いが、光吸収の観点から、光吸収性の低い順に厚くすることができる。即ち、基本光を赤色光に変換する蛍光体１７ａを含む透明導電層１５ａが最も厚く、基本光を緑色光に変換する蛍光体１７ｂを含む透明導電層１５ｂ、基本光を青色光に変換する蛍光体１７ｃを含む透明導電層１５ｃの順に厚くなっていることが好ましい。このように、複数の透明導電層１５ａ〜１５ｃは、発光層１３から離れるに従って厚みが薄くなっていることから、光吸収性の低い順に厚くすることとなり、光吸収をより抑えることができる。

また、最表面の透明導電層１５ｃは、表面に凹凸構造が形成されていてもよい。その場合、透明導電層と周囲の空気や樹脂との屈折率差を見かけ上傾斜的に変化させることができ、光の取り出し効率をさらに高め得るという効果がある。

さらに、ワイヤボンディングやプローバ測定を行うために、ｐ型電極１５及びｎ型電極１６の上にパッド電極を設けてもよい。パッド電極としては、例えばＴｉ層／Ａｕ層の２層構造のもの等を使用することができる。

そして、多数個の発光素子領域が形成された母基板にダイシングまたはスクライブ等を施して、各発光素子をチップ状に分離することにより、図１に示す発光素子が得られる。

発光素子は例えばセラミックパーケージ等に収容され、パッド電極をワイヤボンディング等で引き出した後に透明な樹脂で発光素子を覆い、実装される。樹脂には蛍光体が含まれていなくても十分に白色光を得ることができるが、更なる効率向上のために、透明導電層中で変換されなかった光を樹脂中で変換するために、樹脂は蛍光体を含んでいてもよい。この場合でも製造工程は増えることなく、また漏れてくる紫外光や近紫外光は従来の構成の発光素子よりは極端に少ないため、樹脂の劣化も従来の構成より小さくなる。

このような発光素子は次のように動作する。即ち、発光層１３を含む窒化ガリウム系化合物半導体にバイアス電流を流して、発光層１３で波長３５０〜４００ｎｍ程度の紫外光〜近紫外光を発生させ、発光素子の外側にその紫外光〜近紫外光を取り出すように動作する。

本発明の発光素子は、以上のような構成にすることによって、発光層で生じた光を発光層から近い方の透明導電層から長波長の光に変換することにより、透明導電層での光吸収、減衰を抑制でき、光取り出し効率の高い、発光効率の優れた白色光の発光素子を得ることが可能となる。また、白色光の発光素子において、集光性を高めるために透明な樹脂等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。

なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更を施すことができる。

本発明の発光素子について実施の形態の例を示す断面図である。従来の発光素子の断面図である。

符号の説明

１０：基板
１１：バッファ層
１２：ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層
１３：発光層
１４：ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層
１５：ｐ型電極
１６：ｎ型電極
１７：蛍光体
１７ａ，１７ｂ，１７ｃ：蛍光体

Claims

基板上に、ｎ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、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層とが形成されている発光素子において、前記ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層は、前記発光層により生じた光の波長を変換する蛍光体をそれぞれ含む複数の透明導電層が積層されて成るｐ型電極が表面に形成されており、前記複数の透明導電層は、前記発光層に最も近い前記透明導電層が前記発光層により生じた光を第１波長の光に変換する蛍光体を含むものであり、前記発光層から離れるに従って前記発光層により生じた光を前記第１波長の光よりもより短波長の光に変換する蛍光体を含む前記透明導電層が積層されていることを特徴とする発光素子。
前記複数の透明導電層は、前記発光層により生じた光を赤色光に変換する蛍光体を含む透明導電層と、前記発光層により生じた光を緑色光に変換する蛍光体を含む透明導電層と、前記発光層により生じた光を青色光に変換する蛍光体を含む透明導電層とが前記発光層側から順次積層されており、前記発光層で生じた光を白色光として外部に放射させることを特徴とする請求項１記載の発光素子。
前記ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層は、露出した表面に、前記発光層により生じた光の波長を変換する蛍光体をそれぞれ含む複数の透明導電層が積層されて成るｎ型電極が形成されており、前記複数の透明導電層は、前記ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層に最も近い前記透明導電層が前記発光層により生じた光を第１波長の光に変換する蛍光体を含むものであり、前記ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層から離れるに従って前記発光層により生じた光を前記第１波長の光よりもより短波長の光に変換する蛍光体を含む前記透明導電層が積層されていることを特徴とする請求項１または２記載の発光素子。
前記複数の透明導電層は、前記発光層から離れるに従って厚みが薄くなっていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか記載の発光素子。