發光元件的制作方法

專利名稱：發光元件的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種包括半導體的發光元件。
背景技術：
近年來，利用111-V化合物(以下稱為氮化物(nitride))或11-VI化合物，在其 中形成量子阱(quantum well)，并從外部流入電流，在該量子阱中使電子與空穴結合 來產生光的發光元件有了顯著發展。
作為III-V化合物最常用的物質是所述氮化物的GaN。以該GaN為首的氮化物的折 射率大于l，因此在從發光元件內向大氣中取出光方面存在問題。以GaN的情況為例，由 于折射率大約是2.5，因此相對于GaN與大氣交界處的法線，以大于指定角度(例如23.6 度)的角度射入交界處的光不被放射到大氣中，而在交界面被全反射，被封閉于發光元件 的GaN層中。以下，將在相對于所述法線小于指定角度的角度區域中形成的圓錐區域稱 為逃逸圓錐(escape cone)。
而且，被封閉于所述GaN層中的光的大部分重新被晶體、電極材料吸收并轉化為熱， 而不能取出到外部。因此，存在在平坦的GaN層中，不能提高光取出效率的問題。
于是，對于這種問題，在日本專利公開公報特開平07-202257號(以下稱作"專利文 獻1")中，如圖34所示，公開了在從發光元件放射光的光取出面上形成間距為2 4pm、 深為A. (2n+l) /4 (n=l、 2、...)的矩形的凹凸的技術。根據該技術，由凹部和凸部分 別反射的光由于相互相差A/2相位而被抵消，由此，由光取出面反射的光減少，結果能 夠提高光取出效率。
另夕卜，在日本專利公開公報特開平10-4209號(以下稱作"專利文獻2")中，如圖 35所示的技術，公開了在LED的任意界面上形成周期性的規則界面構造(structure)，
以提高光取出效率的技術。根據該技術，可提高以全反射角以上的角度入射的光的光取出 效率，根據形狀的不同，與沒有該構造的情況相比，也能夠得到2倍以上的光取出效率。
在此，在普通的沒有表面形狀的情況下，公知的是如設包含發光層的部分的折射率 為nl、外部的折射率為n2，考慮到逃逸圓錐的立體角，則可通過n2V4TiP獲得從一個
界面或表面取出的光取出效率。因此，在半導體層是GaN、外部是空氣的情況下，由于 nl=2.5、 n2=l，所以取出效率算出為4%。此外，在可從底面以外的所有的面取出光，并 僅在上表面形成所述構造、得到大約2倍的取出效率的情況下，則理論上，可得到的取出 效率為光取出效率二4X4 (側面)+ 4X2 (上表面是凹凸構造岡此是2倍)=24%。
另夕卜，在Schnitzer， et al.In Applied PhysicsLetters 63,2174 (1993)(以下稱作 "非專利文獻1")中，如圖36所不，公開了在半導體LED的表面形成不規則紋理 (texture)或實施粗加工的技術。根據該技術，通過在表面形成的不規則紋理，使元件內 的光線的角度分布不規則化，經基于元件結構的多重路徑后，光逃逸的概率得以提高，從 而能夠提高光取出效率。其中，圖36中的陰影層是活性層。
然而，在專利文獻l、 2的方法中，由于以全反射角以上的角度入射的光無法從GaN 中取出，因此在提高光取出效率方面存在一定的極限。另外，由于在表面形成凹凸，因此 與平滑面相比，雖然從一個點光源可取出的光的入射角得以擴展，但原本的取出角度下的 光取出效率降低，最高也只能得到2倍左右的光取出效率的提高。
另外，在專利文獻2中還公開了采用諧振器結構，將發出的光的配光限定于逃逸圓錐 內，以提高光取出效率的方法。然而，在該方法屮，由于采用諧振器結構，因此對諧振器 長度(半導體層的膜厚)的精度存在要求，從而難以提高生產成品率。另外，在諧振器結 構中，原理上并不是能夠將所有的發光都控制在逃逸圓錐內，光取出效率的提高的極限大 約是50%。
另外，在非專利文獻l的技術中，經過多重路徑的光線在逃逸以前，因被電極等反射 層吸收，而其強度大幅度地降低。并且，即使提高了反射層的反射率，也由圖36可知， 不僅是間距，而且在形狀也是不規則的情況下，有時光取出效率反而降低，光取出效率得 不到提高。本發明的發明人將通過多晶硅的濕法蝕刻(wet etching)得到的不規則的粗面 形狀轉印再現于光取出面，從而通過實驗確認了本事實。

發明內容
本發明鑒于所述情況，其目的在于提供一種能夠高效率地將光取出到外部的半導體發 光元件。
本發明的發光元件包括半導體層，包含發光層；凹凸部，由凹凸構成，該凹凸，以
比從所述發光層射出的光在半導體層中的波長大的間距形成于所述半導體層的光取出一
側的面的整個區域或部分區域上；以及反射層，形成于所述半導體層的、與所述光取出一
側的面相反一側的面上，該反射層的反射率在90%以上。由于反射層形成于半導體層的表 面，因此所述反射率當然是反射層相對于半導體層的反射率。在具有這種結構的發光元件 中，可高效地取出光。而且，本發明的發光元件不僅能夠應用于LED，例如也能夠應用于 激光二極管、有機EL、無機EL等。


圖1是表示本發明實施方式1的發光元件結構的剖視圖。 圖2是實施方式1的發光元件的俯視圖。
圖3是表示凹凸部14的效果的圖，圖3A表示未形成凹凸部14的發光元件，圖3B 表示形成有凹凸部14的發光元件，圖3C表示將凹凸部14的凸部141的間隔A設定為光 波長的IO倍以上的情況。
圖4是表示組合凹凸部14與反射層2所實現的效果的圖表。
圖5是從斜上方放大表示實施方式2的發光元件的凹凸部14的圖。
圖6是表示實施方式3的發光元件的結構的剖視圖。
圖7是表示將凸部141a制成菲涅耳透鏡(Fresnel lens)形狀的情況下的凸部141a 的俯視圖。
圖8是沿著由參照符號VIII-VIII表示的線切斷圖7所示的凸部141a的情況下的發 光元件的剖視圖。
圖9是表示由子波長衍射光柵構成圖8所示的菲涅耳透鏡(Fresnel lens)的小透鏡 部142a的情況下的發光元件的結構的圖。圖9 (a)是表示子波長衍射光柵 (sub-wavelength diffractive lattice)的詳細結構的剖視圖，圖9 (b)是圖9 (a)的 俯視圖，圖9 (c)是圖9 (b)的區域Dl的放大圖。
圖IO是由區板(zone plate)構成凸部141a的情況下的剖視圖。
圖11是表示實施方式5的發光元件的結構的剖視圖。
圖12是表示實施方式6的發光元件的結構的剖視圖。
圖13A是表示從發光層12射出的光的配光分布的圖表，圖13B是表示對應于凹凸部 14形狀的透過特性的圖表。
圖14是用于說明DBR (distributed bmgg reflector)的層厚的圖。 圖15是表示實施方式7的發光元件的結構的剖視圖。
圖16 (a)是表示銀或銀合金與DBR的反射率特性、以及鋁與DBR的反射率特性的
圖表，圖16 (b)是表示圖15的發光元件的反射率特性的圖表。 圖17是表示在模擬實驗中利用的反射層2c的結構的圖。 圖18是反射層2c的反射率的角度依賴性的模擬實驗結果。 圖19是表示實施方式8的發光元件的結構的剖視圖。 圖20是表示在模擬實驗中利用的反射層2d的結構的圖。 圖21是反射層2d的反射率的角度依賴性的模擬實驗結果。 圖22是表示實施方式9的發光元件的結構的剖視圖。
圖23是作為光子晶體(photonic crystal)采用了具有反蛋白石(inverse opal)結 構的光子晶體的情況下的反射層2e的放大圖。
圖24是多孔(porous) Si光子晶體的剖視圖。
圖25是通過轉動蒸鍍法(angle deposition method)制作的光子晶體的放大圖。 圖26是表示實施方式10的發光元件的結構的剖視圖。 圖27是表示從發光層12射出的光的發光分布的立體圖。 圖28是表示實施方式11的發光元件的結構的剖視圖。 圖29是表示n型電極5的結構的剖視圖。
圖30是表示蒸鍍(depositing)凹凸部14的情況下的制作方法的圖。
圖31是表示實施方式12的發光裝置的結構的剖視圖。
圖32是表示實施方式12的發光裝置中的波長變換層的另一結構的剖視圖。
圖33是表示角度平均反射率特性的圖。
圖34是表示以往的技術的圖。
圖35是表示以往的技術的圖。
圖36是表示以往的技術的圖。
具體實施例方式
下面，基于

本發明所涉及的一個實施方式。在各圖中標注相同附圖標記的結 構表示是相同結構，省略其說明。
(實施方式l)
圖1是表示本發明實施方式1的發光元件結構的剖視圖，圖2是其俯視圖。在圖2中， 由參照符號I-I表示圖1的剖面。圖l是一個基片(clup)的剖面， 一個基片的尺寸例如
是0.3 lmm見方。圖2表示圖1的部分正視圖。
如圖1所示，發光元件具有包含GaN系列材料的半導體層1、以及形成于半導體層l f面的反射層2。半導體層1具有形成于反射層2上面的p型半導體層11、形成于p型半 導體層11上面的發光層12、以及形成于發光層12上面的n型半導體層13。
在n型半導體層13的上表面以規定間隔A (周期A)形成有凸部141。間隔A比從 發光層12射出的光在半導體層1內的波長長。具體而言，如設從發光層12射出的光的波 長為入、半導體層l的折射率為n，則間隔A滿足A》A/n。在圖l所示的例子中，光取 出一側的面是n型半導體層13的上表面。此時，從提高光取出效率的觀點出發，較為理 想的是，凸部141中的凹凸的剖面形狀大致為相似形。
如圖2所示，凸部141從上方看的形狀是圓形。即，凸部141分別具有高度相同、且 半徑相同的圓筒形狀。
反射層2包含相對于由發光層12發出的光的波長具有90%以上的反射率的金屬等部 件。這種發光元件可以利用本領域技術人員公知的MOCVD法容易地制作。
圖3是表示凹凸部14的效果的圖，圖3A表示未形成凹凸部14的發光元件，圖3B 表示形成有凹凸部14的發光元件，圖3C表示將凹凸部14的凸部141的間隔A設定為光 波長的IO倍以上的情況。如圖3A所示，在半導體層1的上表面(光取出一側的面)Sl 上未形成凹凸部14的情況下，即半導體層l的上表面為平坦面的情況下，從發光層12射 出的光之中以逃逸圓錐外的方向射出的光Ll不被從半導體層1的上表面Sl取出，而進行 鏡反射，被引向半導體層1的下表面S2，在下表面S2上進行鏡反射，這樣，在半導體層 l內反復進行鏡反射，永遠不會進入逃逸圓錐內。因此，光取出效率降低。
另一方面，如圖3B所示，在上表面S1的表面形成具有比從發光層12射出的光的波 長更長的間隔A的凹凸部14時，未從凹凸部14被取出而反射的光Ll因凹凸部14而受 衍射、散射的影響，以鏡反射以外的方向反射到上表面S1 (角度變換作用)。由此，當最 初發光時以逃逸圓錐外的方向射出的光也經過多重反射而最終逃逸，從凹凸部14被取出。
另夕卜，如圖3C所示，在將凹凸部14的間隔A設為從發光層12射出的光的波長的10 倍以上的情況下，微觀觀察半導體層l時，被射出到逃逸圓錐外的光L2在點P進行鏡反 射，但宏觀觀察半導體層l時，光L2以與鏡反射很大不同的方向反射到形成有凹凸部14 的上表面S1，凹凸部14的角度變換作用加強。
圖4是表示組合凹凸部14與反射層2所實現的效果的圖表。在圖4所示的圖表中， 縱軸表示光取出效率，橫軸表示反射層的反射率。其中，標繪白圓O的曲線Cl表示實施
方式1的發光元件，該發光元件具備在半導體層1的上表面Sl上形成有凹凸部14的半導 體層1與反射層2，標繪黑四角令的曲線C2表示具備在上表面Sl上未形成凹凸部14的 平面狀的半導體層與反射層的發光元件。另外，在該圖表中，利用凹凸部14的間隔A為 350nm、凸部141的直徑為245nm、凸部141的高度為100nm的發光元件。
如曲線Cl所示，在實施方式1的發光元件中，反射層2的反射率從0 85%為止， 光取出效率緩慢增大，但是當反射層2的反射率達到85%以上時，光取出效率急劇增大。 特別是在反射層2的反射率為90%以上的區域，當反射層2的反射率增大5%時，光取出 效率上升約20%。由此可知，反射層2的反射率以85%以上為宜，以90% 100%為佳， 以95% 100%更佳。
另一方面，如曲線C2所示，在未具備凹凸部14的發光元件中，隨著反射層2的反射 率增大，光取出效率呈線性增大，但是其增大率明顯低于曲線Cl的反射率在0 85%的 區域的增大率，而且，即使反射層2的反射率達到100%，光取出效率也不足10%。由此 可知即使設置有反射層2，如果沒有設置凹凸部14，則光取出效率幾乎不會提高。因此， 在實施方式l的發光元件中，通過組合凹凸部14與反射層2所實現的相乘效果，能夠大 幅度地提高光取出效率。
如所述說明的那樣，實施方式1的發光元件，由于根據所述實驗事實，在半導體層1 的上表面Sl上形成凹凸部14，并且在下表面S2上形成反射率在90%以上的反射層2， 因此能夠提高光取出效率。
另外，在所述實施方式1中，半導體層1包括形成于反射層2上面的p型半導體層
11、 形成于p型半導體層ll上面的發光層12、以及形成于發光層12上面的n型半導體 層13，并在n型半導體層13的上表面以規定間隔A形成凸部141，但是半導體層l也可 以包括形成于反射層2上面的n型半導體層13、形成于該n型半導體層13上面的發光層
12、 以及形成于該發光層12上面的p型半導體層11，并在p型半導體層ll的上表面以 規定間隔形成凸部141。在以下的實施方式中也同樣，n型半導體層13和p型半導體層 ll的層疊位置可以相互交換。
(實施方式2)
接下來，對實施方式2的發光元件進行說明。實施方式2的發光元件的要點在于，凹 凸部14的結構與實施方式1的發光元件不同。
圖5是從斜上方放大表示實施方式2的發光元件的凹凸部14的圖。由于實施方式2
的發光元件相對于實施方式1的發光元件，除凹凸部14以外，其它的結構均相同，因此 省略其說明。
如圖5所示，凸部141呈六角錐形狀。而且，凸部141的間隔A，以從發光層12射 出的光在半導體層l內的波長的數倍(例如2倍、5倍、IO倍等)為中心，在不低于所述 波長的指定范圍內，隨機地取一定的偏差而予以排列。例如，在半導體層l包含GaN系 列材料的情況下，由于折射率大約是2.5,因此若從發光層12射出波長460mn的光，則 射出的光在半導體層1內的波長為184 (=460/2.5) nm。因此，若凸部141的間隔A， 以數百(例如500) n邁為中心，在不低于184nm的范圍內隨機地取一定的偏差，由于未 從凹凸部14取出的光，是以正反射以外的角度且取一定的偏差的角度被反射，因此能夠 進一步提高經多重反射之后逃逸而從凹凸部14被取出的概率。
而且，間隔A為不規則的凸部141，可以通過利用KOH溶液(氫氧化鉀溶液)，邊 進行光照射邊進行蝕刻的光輔助蝕刻，無掩膜、簡易且低成本地進行制作。此外，作為凸 部141的形狀，從制作簡單化的觀點出發采用六角錐，但是并不限定于此，根據作為半導 體層l而采用的材料的特性，也可以采用容易制作的形狀，例如四角錐、三角錐、圓錐等。
如以上所說明，在實施方式2的發光元件中，由于在半導體層1的上表面S1上形成 有間隔A為不規則的凸部141，因此未從凹凸部14取出的光是以各種角度被反射，因此 能夠進一步提高光取出效率。
(實施方式3)
接下來，對實施方式3的發光元件進行說明。圖6是表示實施方式3的發光元件的結 構的剖視圖。如圖6所示，實施方式3的發光元件的要點在于，使半導體層1的上表面 Sl的形狀設為具有透鏡作用的形狀。所謂透鏡作用，是指如凸透鏡或凹透鏡那樣聚光或發 散的作用。在實施方式3中，對與實施方式l、 2相同的結構標注相同的附圖標記，并省 略其說明。更具體而言，在圖6所示的例子中，要點在于，構成凹凸部14a的各凸部141a 的形狀設為凸透鏡狀。另外，凸部141a的間隔A,與實施方式l同樣地，如設從發光層 12射出的光的波長為A、半導體層l的折射率為n時，A》A/ri。
這樣，通過將凸部141a的形狀制成凸透鏡狀，能夠控制從凹凸部14a取出的光的配 光，提供適宜作為照明器具的發光元件的發光元件。其中，凸部141a的形狀不限定于凸 透鏡狀，可以根據希望如何控制從凹凸部14a取出的光的配光來適當變更。
例如，凸部141a的形狀，也可替代圖6所示的凸透鏡狀，采用如圖7所示的菲涅耳
透鏡(Fresnel lens)形狀。圖7表示將凸部141a制成菲涅耳透鏡形狀的情況下的凸部 141a的俯視圖。圖8表示沿著由參照符號VIII-VIII表示的線切斷圖7所示的凸部141a 的情況下的發光元件的剖視圖。
在此，構成圖8所示的菲涅耳透鏡的小透鏡部142a，如圖9 (a)所示，也可以由具 有半徑互不相同的多個細微的圓筒狀凸部143a的子波長衍射光柵(sub-wavelength diffractive lattice)構成。圖9 (a)是表示子波長衍射光柵的詳細結構的圖，圖9 (b) 是圖9 (a)的俯視圖，圖9 (c)是圖9 (b)的區域D1的放大圖。
如圖9 (b)所示，凸部143a的半徑根據小透鏡部142a的表面相對于水平面的斜率 而變更。更具體而言，隨著小透鏡部142a表面的斜率變平緩而凸部143a的半徑也變大。 凸部143a的半徑小于從發光層12射出的光在半導體層1內的波長。這樣，即使由圖9(a) (c)所示的子波長衍射光柵構成圖8所示的菲涅耳透鏡，也能夠起到與菲涅耳透鏡相同 的作用。
另外，如圖10所示，也可以由區板構成圖7所示的凸部141a。此外，實施方式3所 示的凹凸部14a可以通過眾所周知的熱回流(thermalreflow)法、納米印刷(nanoprint)
法而容易地實現。
如以上所說明，在實施方式3的發光元件中，由于凸部141a被設為具有透鏡作用的 形狀，因此能夠提供適用于照明設備的發光元件。另外，通過將凸部141a設為菲涅耳透 鏡形狀、子波長衍射光柵形狀、區板形狀，能夠在不增加凸部141a的厚度的狀態下控制 透過凸部141a的光的焦點距離。
(實施方式4)
接下來，對實施方式4的發光元件進行說明。實施方式4的發光元件的要點在于，作 為構成實施方式1 3的發光元件的反射層2的部件，采用以銀為主成分的合金(銀合金)。 特別是，在實施方式4中，作為反射層2采用AgPdCu系銀合金。從提高反射率的觀點出 發，作為反射層2采用Ag為宜。但Ag相對于GaN的電傳導性較差，而且Ag容易氧化， 因此采用相對于GaN的電傳導性良好且不易氧化的銀合金更佳。
如以上所說明，在實施方式4的發光元件中，由于作為反射層2采用了銀合金，因此 反射層2具有高反射率、且相對于GaN的電傳導性良好，能夠提供一種光取出效率高的 發光元件。
(實施方式5)
接下來，對實施方式5的發光元件進行說明。圖11是表示實施方式5的發光元件的 結構的剖視圖。如圖11所示，實施方式5的發光元件的要點在于，作為實施方式1 4的 發光元件的反射層2，采用包括白金層21、導電性氧化物層22、以及金屬層23的反射層 2a。
圖ll所示的發光元件，具有包含GaN系列材料的半導體層1、以及形成于半導體層 l表面的反射層2a。
半導體層1包括形成于反射層2a表面的p型半導體層11、形成于p型半導體層11 表面的發光層12、以及形成于發光層12表面的n型半導體層13。在n型半導體層13的 表面上以規定間隔A (周期A)形成有凸部或凹部141。間隔A比從發光層12射出的光 在半導體層l內的波長長。具體而言，如設從發光層12射出的光的波長為A、半導體層 l的折射率為n，則間隔A滿足A》A/n。在圖ll所示的例子中，光取出一側的面是n 型半導體層13的上表面。
反射層2a是相對于由發光層12發出的光的波長具有90%以上的反射率的層，在本實 施方式中，包括白金層21、導電性氧化物層22、以及金屬層23。
白金層21包含俯視觀察呈網狀或島狀(island-like shape)的白金(Pt)層，其被 形成于半導體層1中的p型半導體層11的面上。島的形狀，例如，俯視觀察呈橢圓形(包 含圓形)、四角形、六角形等多角形等。白金層21用于確保p型半導體層ll與導電性氧 化物層22之間的電連接。
導電性氧化物層22，是例如由ITO (Indium Tin Oxide) 、 ZnO等具有導電性、相 對于發光層12發出的光的波長呈透明的金屬氧化物構成的層。由于白金層21呈網狀或島 狀，因此導電性氧化物層22以其一部分與半導體層1的p型半導體層11接觸的狀態形成 于白金層21的表面。換言之，以網狀或島狀的白金層21介于半導體層l的p型半導體層 11與導電性氧化物層22之間的狀態，導電性氧化物層22形成于半導體層1的p型半導 體層11的表面。導電性氧化物層22介于半導體層1的p型半導體層11與金屬層23之間， 使得接觸電阻降低，導電性即載流子注入效率提高。
金屬層23例如是包含銀(Ag)、以銀為主成分的銀合金、鋁(Al)或以鋁為主成分 的合金(鋁合金)等金屬(包含合金)的層。為了維持金屬層23中的較高的反射率，導 電性氧化物層22與半導體層1接觸的面積(開口率)在80%以上為宜。
這種反射層2a，在某實施例中，例如白金層21設為1.5nm以下，導電性氧化物層
22設為5nm以下的ITO，金屬層23設為300nm的銀。并且，雖圖中未表示，在銀的金 屬層23的下面形成作為襯底層的厚度30nm的鎳(Ni)層和厚度1000nm的金(Au)層， 以將其作為電極襯墊。
如以上所說明，在具有這種結構的發光元件中，由于采用包括白金層21、導電性氧化 物層22以及金屬層23的反射層2a，因此能夠提供一種金屬層23具有高反射率且與p型 半導體層ll歐姆接觸、光取出效率高的發光元件。例如，在所述某實施例中，反射層2a 顯示大約91.5%的反射率，通過與形成于n型半導體層13上表面的凹凸部14的相乘效果， 可以獲得大約60%以上的光取出效率。
此外，在所述實施方式中，為了實現更好的歐姆接觸，也可以在p型半導體層ll中 添加例如鎂(Mg)等p型摻雜劑(p-type dopant)。
(實施方式6)
接下來，對實施方式6的發光元件進行說明。圖12是表示實施方式6的發光元件的 結構的剖視圖。如圖12所示，實施方式6的發光元件的要點在于，作為實施方式1 4的 發光元件的反射層2，采用由DBR (distributed bragg reflector)構成的反射層2b。在 實施方式6中，與實施方式1 4相同的結構標注同一附圖標記，并省略其說明。在本實 施方式中，DBR是將多個具有從發光層12射出的光在半導體層1內的波長的1/4的厚度、 折射率互不相同的層重疊來構成的反射鏡。在DBR中，通過光的干擾效果引起的布拉格 反射(Braggreflection)，各層中的反射波相互增強，由此能夠得到較高的反射率。在本 實施方式中，采用層疊了 50對AlGaN/GaN成對層的DBR。由此，反射層2能夠實現 99%以上的反射率。這樣的DBR例如可通過電子束(EB)的蒸鍍而形成。
DBR可實現接近100%的反射率，在公知的DBR中，將相對于以圖12所示的AB面 的法線方向入射的光、即以入射角O度入射的光的反射率設為100%。這是由于，構成DBR 的各層的層厚dl被設定為入射的光的波長的1/4。
然而，如圖13A所示，從發光層12射出的光的配光分布隨著入射角從0度接近90 度，光束增大。另外，如圖13B所示，按照凹凸部14的形狀，入射角與經凹凸部14的 透過率之間的關系也不同。
圖13A是表示從發光層12射出的光的配光分布的圖表，縱軸表示光束(lm)的相對 強度，橫軸表示角度(deg)。其中，角度表示來自發光層12的光相對于法線方向的角度。 如圖13A所示，從發光層12射出的光束隨著角度變大而增大。
圖13B是表示對應于凹凸部14形狀的透過特性的圖表，縱軸表示經凹凸部14的透. 過率(光取出效率)，橫軸表示入射到上表面S1的入射角。另外，在圖13B中，曲線C31 表示使凹凸部14的剖面形狀為平面狀的情況，曲線C32表示使凹凸部14的剖面形狀為 三角波狀的情況，曲線C33表示使凹凸部14的剖面形狀為正弦波狀的情況，曲線C34表 示使凹凸部14的剖面形狀為方形波狀的情況，曲線C35表示使凹凸部14的形狀為圓狀 的情況，并且，曲線C36表示使凹凸部14的剖面形狀為研缽狀的情況。
如圖13B所示，根據凹凸部14的形狀的不同，光的透過特性會有很大的不同。在此， 一次透過情況下的光取出效率一般由下式表示
光取出效率^ (透過率(0 ) X配光分布(0 ) )
因此，實際上從凹凸部14取出到外部的光量為圖13A所示的曲線與圖13B所示的曲 線C31 C36中的任一條曲線相重疊的區域。
例如，在示意圖13B中的方形波的曲線C34中，以相對于在光束強度較大的范圍， 且在透過率較低的角度，即從30度到90度的范圍內的中間角度60度，使DBR的反射 率成為99%以上的方式，設計DBR即可。如圖14所示，這可以通過以使相對于法線方 向成角度(0=60度)的直線上的各層的長度為從發光層12射出的光在半導體層1中的 波長入'的l/4的方式，設定DBR的層厚dl來實現。由此能夠使從30度到90度的透過 率增大，從而增大光取出效率。
另夕卜，在圖13B表示的三角形波的曲線C32的情況下，以使透過率較低的70度附近 的光的反射率成為99%以上的方式設計DBR即可。這如圖14所示，可以通過以使相對 于法線方向成角度(0=70度)的直線上的各層中的長度成為從發光層12射出的光在半導 體層l中的波長入'的l/4的方式，設定DBR的層厚dl來實現。此外，在曲線C32上， 由于角度40度附近的透過率也較低，因此還可以考慮以使角度40度附近的光的反射率提 高的方式設計DBR。然而，如圖13A所示，由于與角度40度附近相比角度70度附近的 光束的值較大，因此為了提高光取出效率，較為理想的是，以使角度70度附近的反射率 提高的方式設計DBR。
如以上所說明，在實施方式6的發光元件中，由于反射層2b由DBR構成，因此反射 層2b的反射率提高，光取出效率進-一步提高。而且，在按照凹凸部14的形狀而決定的透 過特性方面，由于以使透過率較低的角度的光在DBR中的反射率提高的方式設定DBR的 層厚，因此可降低一次透過還沒有完全透過的光由于多重反射所引起的損失，進一步提高 光取出效率。
(實施方式7)
接下來，對實施方式7的發光元件進行說明。圖15是表示實施方式7的發光元件的 結構的剖視圖-如圖15所示，實施方式7的發光元件的要點在于，作為實施方式1 4的 發光元件的反射層2，采用反射層2c，該反射層2c具有包括鋁、銀或銀合金的金屬層 23、以及層疊于該金屬層23上的DBR24。在該反射層2c的DBR24上形成半導體層1。 即，實施方式7的發光元件是在實施方式6的發光元件的DBR的下面進一步層疊金屬層 的結構。在實施方式7中，與實施方式1 4相同的結構標注同一附圖標記，并省略其說 明。
圖16是表示銀或銀合金(銀/銀合金)和DBR的入射角與反射率之間的關系、以及 鋁(Al)和DBR的入射角與反射率之間的關系的反射率特性圖表。圖16的縱軸表示反射 率(％)，橫軸表示入射角。在圖16 (a)中，實線表示銀或銀合金的反射率特性，點劃 線表示鋁的反射率特性，另外，雙點劃線表示DBR的反射率特性。如圖16 (a)所示， 銀或銀合金的反射率以及鋁的反射率在入射角從0度到75度左右為止低于DBR，但是從 超過75度左右開始高于DBR。此外，銀或銀合金的反射率高于鋁的反射率。
因此，在構成如圖15所示那樣的反射層2c的情況下，反射層2c具有圖16 (b)所 示的將DBR的反射率特性與銀或銀合金的反射率特性合成的反射率特性，或者，具有圖 16 (b)所示的將DBR的反射率特性與鋁的反射率特性合成的反射率特性。
其結果，能夠構成相對于全入射角具有較高的反射率的反射層2c。此外，通常DBR 由多個成對的層(pair layers)構成，但作為特殊情況，在層疊所述高反射的金屬層與 DBR的反射層2c中，DBR的層數也可以是一層。
對于這種反射層2c的反射率的角度依賴性進行了模擬實驗。圖17是表示在模擬實驗 中利用的反射層2c的結構的圖。圖18是表示反射層2c的反射率的角度依賴性的模擬實 驗結果。圖18的縱軸表示強度反射率，橫軸表示從GaN向DBR的入射角。C41表示由 DBR24與銀的金屬層23構成的反射層2c的情況下的反射率，C42表示由DBR構成的反 射層2b的情況下的反射率。
如圖17所示，在模擬實驗中利用的反射層2c在作為p型半導體層11的GaN層上層 疊DBR24，在DBR24上層疊厚度300nm的由銀構成的金屬層23。 DBR24層疊有15 層Ti02與MgF2成對層，還層疊有Ti02。為了能設置成波長A (=460nm)的l/4n， Ti02 的折射率為2.24，其膜厚設為51.34nm， MgF2的折射率為1.38，其膜厚設為83.33nm。 銀的復折射率為0.055-3.32i (i為虛數單位)。 由圖18可知，在反射層2是由DBR構成的反射層2b的情況下，在入射角為從大約 17度到大約50度的范圍以及從大約60度到大約90度的范圍內，顯現反射率的下降。另 一方面，在反射層2是山DBR和銀的金屬層構成的反射層2c的情況下，在從0度到90 度的整個入射角范圍內幾乎都看不到反射率的降低，保持大約95%以上的反射率。
如以上所說明，在實施方式7的發光元件中，由于反射層2c由DBR24與金屬層23 構成，因此各層相互彌補，在從0度到90度的大范圍的入射角下，提高反射層2c的反射 率，光取出效率進一步提高。
(實施方式8)
接下來，對實施方式8的發光元件進行說明。圖19是表示實施方式8的發光元件的 結構的剖視圖。如圖19所示，實施方式8的發光元件的要點在于，作為實施方式1 4的 發光元件的反射層2，采用包括白金層21、導電性氧化物層22、金屬層23、以及DBR24 的反射層2d。在該反射層2d的白金層21上形成半導體層l。在實施方式8中，與實施方 式1 4相同的結構標注同一附圖標記，并省略其說明。
反射層2d是相對于由發光層12發出的光的波長具有90%以上的反射率的層，在本實 施方式中，包括白金層21、導電性氧化物層22、金屬層23、以及DBR24。白金層21以 及導電性氧化物層22與實施方式5的發光元件的白金層21以及導電性氧化物層22相同， 省略其說明。
DBR24與實施方式7的發光元件的DBR24相同，在本實施方式8中，從上方觀察呈 網狀或島狀，形成于導電性氧化物層22的下表面。島的形狀例如從上方觀察呈橢圓形(包 含圓形)以及四角形、六角形等多角形等。如此，由于DBR24形成為網狀或島狀，因此， 即使在DBR24的導電率較低的情況下，也能夠確保導電性氧化物層22與金屬層23之間 的電傳導。此外，在確保導電性氧化物層22與金屬層23之間的電傳導方面DBR24具有 充分的導電率的情況下，DBR24也可以形成于導電性氧化物層22與金屬層23的整個界 面上。
金屬層23與實施方式7的發光元件的金屬層23相同，由于在本實施方式8中DBR24 呈網狀或島狀，因此金屬層23以其一部分與導電性氧化物層22接觸的狀態形成于DBR24 的下面。換言之，以網狀或島狀的DBR24介于導電性氧化物層22與金屬層23之間的狀 態，金屬層23形成于導電性氧化物層22的下面。
這種反射層2d在某實施例中例如為，白金層21設為1.5nm以下、導電性氧化物層
22設為5nm以下的ITO、金屬層23設為300nm的銀、DBR24設為層疊有15組Ti02 與MgF2構成的組并且最后層疊有Ti02的反射鏡。另外，雖圖中未表示，但在銀的金屬層 23的下面形成作為襯底層的厚度30nm的鎳(Ni)層和厚度1000nm的金(Au)層，以 使其作為電極襯墊。
對于這種反射層2d的反射率的角度依賴性進行模擬實驗。圖20是表示在模擬實驗中 利用的反射層2d的結構的圖。圖21是表示反射層2d的反射率的角度依賴性的模擬實驗 結果。圖21的縱軸表示強度反射率，橫軸表示從GaN向DBR的入射角度。C51表示由 DBR24與銀的金屬層23構成的反射層2c的情況下的反射率，C52及C53表示由ITO的 導電性氧化物層22、 DBR24、以及銀的金屬層23構成的反射層2d的情況下的反射率。 C52表示ITO的膜厚為5nm的情況，C53表示ITO的膜厚為50rnn的情況。
如圖20所示，在模擬實驗中利用的反射層2d在作為p型半導體層11的GaN層上 形成ITO的導電性氧化物層22，在導電性氧化物層22上形成DBR24，在DBR24上形 成厚度300mn的由銀構成的金屬層23。關于ITO，分別對膜厚為5nm的情況以及50nm 的情況進行了模擬實驗，其復折射率為2.3-0.008i。 DBR24層疊有15層Ti02與MgF2 成對層，還層疊有Ti02。為了設置為波長A (二460nm)的1/4n， Ti02的折射率為2.24， 其膜厚設為51.34mn。即，圖20所示的反射層2d相對于圖17所示的反射層2c,是ITO 介于GaN與DBR之間的結構。
由圖21可知，在反射層2是包含ITO的反射層2d的情況下，由于ITO吸收一點光， 因此與反射層2是不包含ITO的反射層2c的情況相比，反射率一定程度地降低，但是在 從O度到90度的整個入射角范圍內均可保持良好的反射率。ITO的膜厚越薄，整體反射 率越好。特別是，在ITO的膜厚是5nm的情況下，在從0度到90度的整個入射角范圍 內均保持大致90%以上的反射率。另外，即使在ITO的膜厚是50n邁的情況下，在從0 度到70度的整個入射角范圍內均保持大致90%以上的反射率。
如以上所說明，在這種結構的發光元件中，由于采用由白金層21、導電性氧化物層 22、金屬層23以及DBR24構成的反射層2d，因此能夠提供在從0度到90度的大范圍 的入射角下反射層2d的反射率均提高、并且反射層2d與p型半導體層ll歐姆接觸、光 取出效率更高的發光元件。
此外，在所述實施方式中，DBR24也可以是構成DBR的各成對層的膜厚、折射率逐 漸變化的線性(chirp) DBR。通過采用線性DBR結構，可以減少在DBR中的反射率波 動，即射入DBR結構的光在特定波長域、角度域內局部發生的反射率的降低，整體的反
射率提高。在反射層2d的情況下，DBR的層數也可以是一層。 (實施方式9)
接下來，對實施方式9的發光元件進行說明。圖22是表示實施方式9的發光元件的 結構的剖視圖。實施方式9的發光元件的要點在于，作為反射層2e采用光子晶體(photonic crystal)。光子晶體能夠對各種入射角度實現大致100%的反射率。在實施方式9中，與 實施方式1 4相同的結構標注同一附圖標記，并省略其說明。
圖23是作為光子晶體采用了反蛋白石結構(inverse opal structure)的光子晶體的 情況下的反射層2e的放大圖。如圖23所示，三維光子晶體的要點在于，包含多個泡狀排 列的球形空洞。該空洞的間距為從發光層12射出的光在半導體層1內的波長的大約1/2。 更具體而言，如果作為半導體層i采用GaN，并從發光層12射出460rnn的光，由于GaN 的折射率大約是2.5，因此空洞的間距設為(460/2.5) X (1/2)=大約100nm較為理想。
具有該反蛋白石結構的光子晶體可以通過公知的反蛋白石法容易制成。在該反蛋白石 法中，首先層疊相當于空洞的微粒子。接下來，層疊的微粒子被浸入到有機溶劑中。并且， 將該有機溶劑燒固，使有機溶劑碳化之后，將微粒子熔化。由此，形成反蛋白石結構。此 外，碳具有導電性，因此即使不另外形成電極，也可將光子晶體直接用作為電極。
另外，在實施方式9中，作為反射層2e中采用的光子晶體，也可以采用多孔(porous) S丄光子晶體(二維光子晶體)。圖24是多孔Si光子晶體的剖視圖。如圖24所示，二維 光子晶體具有管狀空洞排列為矩陣狀的結構。其中，半導體層1以與所述管狀空洞的長邊 方向正交的方向平行于半導體層1的上表面Sl的狀態，層疊在多孔硅Si光子晶體上。
在此，可以通過貼合多孔Si光子晶體與GaN來制作發光元件，但也可以通過將多孔 Si光子晶體作為生長基板(growing substrate)，生長GaN來制作發光元件。這樣，可 省略多孔Si光子晶體與GaN的貼合步驟，并且可提高GaN的質量，提高發光元件內部 的量子效率。
多孔Si光子晶體中，相對于空洞的長邊方向即法線方向不存在光子晶體帶(photonic band)，因此反射率稍有減弱，但是由于在相對于法線方向傾斜的方向上具有光子晶體帶， 因此對于該方向的光可實現較高的反射率。另外，由于多孔S工光子晶體具有導電性，因此 可直接用作為電極。
此外，在實施方式9中，作為在反射層2e中采用的光子晶體，也可以采用通過傾斜 轉動蒸鍍法(GLAD、 glancing angle deposition)制作的光子晶體。圖25表示通過傾
斜轉動蒸鍍法制作的光子品體的放大圖。傾斜轉動蒸鍍法是以指定周期轉動傾斜的生長基 板，使光子晶體在生長基板上生長為螺旋狀的手法。
如以上所說明，在實施方式9的發光元件中，由于采用了由光子晶體構成的反射層2e， 因此能夠實現對于任何入射角度均具有高反射率的反射層2e，能夠提高光取出效率。
(實施方式10)
接下來，對實施方式IO的發光元件進行說明。圖26是表示實施方式10的發光元件 的結構的剖視圖。實施方式10的發光元件的要點在于，相對于實施方式1 9的發光元件， 將半導體層1的厚度，即半導體層1的包含凹凸部14底部的面Sl與下表面S2之間的距 離d2，設為從發光層12射出的光在半導體層1內的波長的數倍以內。在實施方式10中， 與實施方式1 9相同的結構標注同一附圖標記，并省略其說明。圖27是立體表示從發光 層12射出的光的發光分布的圖。如圖27所示，從發光層12射出的光如圖中涂黑所示， 法線方向的成分最多。然而，法線方向的光，由于凸部141的上表面與法線方向直交，因 此有可能不能受到凹凸部14的角度變換作用。
于是，將距離d2設為從發光層12射出的光的波長的數倍，較為理想的是1 5倍， 更為理想的是與所述波長相同，由此法線方向的光也可受到凹凸部14的角度變換作用， 可以進一步提高光取出效率。具體而言，如設來自發光層12的光的波長為460nm、半導 體層1的折射率為2.5，則距離d2設為180nm 1000nm較為理想。
如以上所說明，在實施方式10的發光元件中，距離d2設為波長的數倍或大致與其相 同，因此能夠進一步提高光取出效率。
(實施方式11)
接下來，對實施方式11的發光元件進行說明。圖28是表示實施方式11的發光元件 的結構的剖視圖。圖28A表示發光元件是縱型的情況，圖28B表示發光元件是倒裝片(flip ctnp)型的情況。實施方式ll的發光元件的要點在于，對于實施方式1 10的發光元件， 設置向半導體層l的發光層12提供電力的p型及n型電極，并且，n型電極也采用高反 射率的電極。在實施方式ll中，與實施方式1 10相同的結構標注同一附圖標記，并省 略其說明。
在向半導體層1的發光層12提供電力的情況下，有縱列型和倒裝片型(以下簡稱為 "FC型")，在縱列型中， 一組p型及n型電極夾著發光層12相對設置，在倒裝片型中，
一組p型及n型電極相對于發光層12設置于同一側。
所述縱列型的發光元件，例如如圖28A所示，將實施方式1 10的發光元件中的反射 層2 (2a 2e)作為p型電極，在半導體層1中的n型半導體層13的上面形成n型電極 5，作為p型電極的反射層2 (2a 2e)與n型電極5夾著發光層12相對設置。并且，在 該縱列型的發光元件中，用于向作為p型電極的反射層2 (2a 2e)施加正側電壓(+側 電壓)的布線金屬層3形成于反射層2 (2a 2e)的下面，用于支撐所述半導體層1、反 射層2 (2a 2e)及布線金屬層3的支撐層4設置于布線金屬層3的下面。
另夕卜，FC型的發光元件中，例如如圖28B所示，將實施方式1 10的發光元件中的 反射層2 (2a 2e)作為p型電極，并且，相對于發光層12，在形成有反射層2 (2a 2e) 的一側去除發光層12、 p型半導體層11、及反射層2 (2a 2e)，以在使半導體層1中 的n型半導體層13面對外部的狀態形成外露面(或者以形成所述外露面的狀態形成n型 半導體層13、發光層12及p型半導體層11，并在該p型半導體層ll的下面形成反射層 2 (2a 2e))，在該外露面上形成n型電極5， p型及n型電極相對于發光層12被設置 于同一側。并且，在該FC型的發光元件中，用于向作為p型電極的反射層2 (2a 2e) 施加正側電壓(+側電壓)的布線金屬層31形成于反射層2 (2a 2e)的下面，并且用于 向n型電極5施加負側電壓(-側電壓)的布線金屬層32形成于n型電極5的下面，用于 支撐所述半導體層1、反射層2 (2a 2e)及布線金屬層31、 32的支撐層4設置在布線 金屬層31、 32的下面。
圖29是表示n型電極5的結構的剖視圖。作為在所述縱列型或FC型的發光元件中 使用的n型電極5，如圖29A所示，例如采用由白金層51、導電性氧化物層52、以及金 屬層53構成的、具有80。/。以上的反射率的n型電極5a。
白金層51是由白金(Pt)構成的層，從上方觀察呈網狀或島狀，該白金層51形成于 半導體層1中的n型半導體層13的表面。島的形狀例如從上方觀察呈橢圓形(包含圓形) 以及四角形、六角形等多角形等。
導電性氧化物層52是例如由ITO、 ZnO等具有導電性、相對于發光層12發出的光 的波長透明的金屬氧化物構成的層。由于白金層51呈網狀或島狀，因此導電性氧化物層 52以其一部分與半導體層1的n型半導體層13接觸的狀態形成于白金層51的表面。換 言之，以網狀或島狀的白金層51介于半導體層1的n型半導體層13與導電性氧化物層 52之間的狀態，導電性氧化物層52形成于半導體層l的n型半導體層13的表面。由于 導電性氧化物層52介于半導體層1的n型半導體層13與金屬層53之間，使得接觸電阻
降低，導電性即載流子注入效率提高。
金屬層53是例如包括銀、以銀為主成分的銀合金、鋁或以鋁為主成分的鋁合金等金 屬(包含合金)的層。為了維持金屬層53中的較高的反射率導電性氧化物層22與半導 體層l接觸的面積(開口率)在80%以上為宜。
這種n型電極5a，在某實施例中，例如白金層51設為lmn以下，導電性氧化物層 52設為5nm以下的ITO，金屬層53設為300rnn的銀。并且，雖圖中未表示，但在銀的 金屬層53的表面形成作為襯底層的厚度30nm的鎳(Ni)層和厚度1000nm的金(Au) 層，以使其作為電極襯墊。
或者，作為在所述縱列型或FC型的發光元件中利用的n型電極5，例如也可以采用 n型電極5b，該n型電極5b，如圖29B所示，在圖29A所示的n型電極5a中的導電性 氧化物層52與金屬層53之間進一步設置與實施方式6、實施方式7中的DBR24相同的 DBR54。另外，該DBR54也可以如同實施方式8中的DBR24，從上方觀察呈網狀或島 狀。
一般而言，n型電極由反射率相對較低的例如鎳(Ni)等金屬形成，在提高光取出效 率方面，沒有考慮到反射率。特別是，在FC型中，由于僅在與形成有p型電極的區域對 應的發光層12的區域發光，因此被認為n型電極的反射率不貢獻于光取出效率的提高。 通常，由于n型電極的面積是元件整體面積的大約10%，因此如n型電極的反射率相對較 低，例如為30%左右，則即使將p型電極的反射率提高至85M以上，發光元件的平均反射 率也變為80%左右。因此，在取出在發光元件內進行多重反射的光方面，低反射率的n型 電極妨礙光取出效率的提高。
因此，通過將n型電極設為例如圖29所示的n型電極5a、 5b那樣的具有80%以上 的反射率的電極，能夠提高發光元件的平均反射率。
如以上所說明，在所述結構的發光元件中，由于采用包括白金層51、導電性氧化物層 52以及金屬層53的n型電極5a、 5b，因此能夠提供金屬層53具有高反射率、并且與n 型半導體層13歐姆接觸、光取出效率高的發光元件。并且，在采用進一步具備DBR54 的n型電極5b的情況下，能夠提供光取出效率更高的發光元件。
此外，在所述n型電極5a、 5b的情況下，為了降低與n型半導體層13的接觸電阻， 也可以在金屬層53中利用包含硅(Si)、銅(Cu)、碲(Te)、鍺(Ge)及錫(Sn) 中的一種以上n型摻雜劑(dopant)物質的銀合金或鋁合金。作為金屬層53，例如可采 用曰立金屬公司制ATD系銀合金。
接下來，對在半導體層1上蒸鍍實施方式1的凹凸部14的情況下的發光元件的制作 方法進行說明。圖30是表示蒸鍍凹凸部14的情況下的制作方法的圖。首先，在半導體層 1的上表面涂敷阻膜(resist) Rl (圖30A)。然后，通過曝光及顯影或納米印刷法，在 所涂敷的阻膜R1上形成相當于凹凸部14的形狀(圖30B)。接下來，在形成形狀的阻膜 Rl上蒸鍍具有與半導體層l大致相同的折射率的材料(圖30C)。在本實施方式中，在 阻膜Rl上蒸鍍具有與作為半導體層1被利用的GaN的折射率大致相同的折射率的1^02。 接著，去除阻膜(圖30D)。由此，能夠在半導體層1上蒸鍍凹凸部14。
如凹凸部14那樣的形成于半導體面上的細微結構，也可以通過干法蝕刻(dry etching)等蝕刻方法形成，但是用于實現蝕刻的裝置非常昂貴。因此，如圖30所示，在 半導體層1上蒸鍍具有與半導體層1大致相同的折射率的部件來形成凹凸部14,由此無需 利用昂貴的蝕刻裝置，能夠低成本地形成凹凸部14。
(實施方式12)
接下來，對實施方式12的發光裝置進行說明。圖31是表示實施方式12的發光裝置 的結構的剖視圖。實施方式12的發光裝置是利用實施方式1 11的發光元件的放射白色 光的裝置。
實施方式12的發光裝置，如圖31所示，在圓板狀的基板61上載置實施方式11的發 光元件，在該發光元件的光取出面上形成用于將該發光元件發出的光的波長變換并放射的 波長變換層62，這些被密封部件63密封。
基板61的載置發光元件的面設為高反射率，以將從發光元件放射的光高效地反射到 密封部件63。基板61例如由銀、鋁等高反射率的金屬(包含合金)形成。
在圖31所示的例子中，該實施方式11的發光元件為FC型。其支撐層4兼用作放射 發光層12產生的熱的散熱器。并且，布線金屬層31、 32采用金突起。該實施方式ll的 發光元件例如對于藍色的波長460mn具有發光峰值。該實施方式11的發光元件也可以是 縱列型。
由于本實施方式的發光裝置放射白色光，因此波長變換層62由包含綠色熒光體和紅 色熒光體的熒光體分散玻璃(phosphors dispersing glass)構成，所述綠色熒光體主要 吸收波長460rnn附近的藍色光，并以熒光方式發出綠色光，所述紅色熒光體主要吸收波 長460rnn附近的藍色光，并以熒光方式發出紅色光。作為綠色熒光體，例如采用SrGa2S4: Eu2+或Ys (Al， Ga) 5Oi2: Ce3+等。作為紅色熒光體，例如采用CaS: Eu2+或SrS: Eu2+ 等。
圖32是表示實施方式12的發光裝置中的波長變換層的另一結構的剖視圖。如圖32 所示，波長變換層62也可以包括紅色熒光體分散玻璃層621，包含主要吸收波長460nm 附近的藍色光，并以熒光方式發出紅色光的紅色熒光體；波長選擇濾波器層622，使藍色 光及紅色光透過，并反射綠色光；以及綠色熒光體分散玻璃層623，包含主要吸收波長 460nm附近的藍色光，并以熒光方式發出綠色光的綠色熒光體；所述紅色熒光體分散玻璃 層621、波長選擇濾波器層622、以及綠色熒光體分散玻璃層623，以遠離發光元件的光 取出面的方向依次層疊。gP，紅色熒光體分散玻璃層621形成于發光元件的光取出面上， 在紅色熒光體分散玻璃層621的表面形成波長選擇濾波器層622，在波長選擇濾波器層 622的表面形成綠色熒光體分散玻璃層623。作為波長選擇濾波器層622，例如采用具備 如上所述的波長選擇特性的DBR。通常，熒光體在規定的波長下具有吸收峰值，并在規定 的波長范圍內均吸收光并發出熒光。因此，由于紅色熒光體將由綠色熒光體發出的綠色光 也波長變換為紅色光，因此從圖31所示的發光裝置放射的綠色發光強度有可能降低。因 此，采用圖32所示的結構，即在波長變換層62中，將波長選擇濾波器層622嵌入紅色熒 光體分散玻璃層621與綠色熒光體分散玻璃層623之間，這樣，由綠色熒光體分散玻璃層 623發出的綠色光被波長選擇濾波器層622反射，從圖31所示的發光裝置放射的綠色發 光強度的降低可以得到抑制。
作為密封部件63例如采用玻璃，形成為半球形狀的穹頂型。 一般而言，例如在LED 等發光裝置中，為了降低菲涅耳損失(Fresnel loss)，利用折射率高于空氣的樹脂來填 充發光元件的周圍并進行密封，但是在本實施方式12的發光裝置中，如上所述，在半導 體層1的光取出面上形成凹凸部14，由此降低菲涅耳損失。因此，在密封部件63與實施 方式11的發光元件之間不必利用樹脂填充，也可以是空氣。此外，從該觀點出發，較為 理想的是，波長變換層62的表面具有以規定間隔形成凸部的凹凸結構。這樣，在發光元 件的周圍不填充樹脂的情況下，可以抑制例如由熱、光導致的該樹脂的劣化引起的發光裝 置的壽命降低。
采用所述結構的發光裝置，可提供光取出效率高的發光裝置。
圖33是表示角度平均反射率特性的圖。圖33的縱軸表示反射率，橫軸表示波長(nm)。 此情況下的反射率是相對于從0度到90度的各入射角的各反射率的平均值，即角度平均 反射率。
并且，作為所述結構的發光裝置的一個結構例，例如在發揮p型電極的功能的反射層
2采用圖19所示的反射層2d， n型電極5采用圖29B所示的n型電極5b的情況下，如 圖33所示，平均反射率在大約370nm 大約700nm較廣的波長范圍內均為高。因此， 不僅是實施方式11的發光元件發出的藍色光，綠色熒光體及紅色熒光體分別發出的綠色 光及紅色光也幾乎不被作為p型電極的反射層2及n型電極5吸收而被反射。所以，在實 施方式12的發光裝置中，在大約370nm 大約700nm的較廣波長范圍內光取出效率均 提高。該大約370nm 大約700nm的波長范圍的光是可見光。
本說明書如所述那樣公開了各種發明，其中主要的發明總結如下。
第一技術方案所涉及的發光元件包括半導體層，包含發光層；凹凸部，由凹凸構成， 該凹凸，以比從所述發光層射出的光在半導體層中的波長大的間距形成于所述半導體層的 光取出一側的面的整個區域或部分區域上；以及反射層，形成于所述半導體層的、與所述 光取出一側的面相反一側的面上，該反射層的反射率在90%以上。并且，較為理想的是， 凹凸部的凹凸的剖面形狀大致為相似形。
采用該結構，由發光層射出的光之中被射出到逃逸圓錐外的光受到凹凸部的角度變換 作用，在光取出一側的面被反射，因此通過在半導體層內部反復反射，被取出到外部。在 此，在與光取出一側的面相反一側的面上形成反射率在90%以上的反射層。因此，通過反 射層與凹凸部的相乘效果能夠高效地取出光。
如上所述，本發明人發現，在光取出一側的面上未形成凹凸部的結構中，即在光取出 一側的面為無角度變換作用的平滑面的結構中，即使在與光取出一側的面相反一側的面上 形成反射率超過85%的高反射層，光取出效率也得不到明顯提高，與此相比，在光取出一 側的面上形成凹凸部，并且在與光取出一側的面相反一側的面上形成反射層的情況下，從 反射層的反射率超過85%左右開始，光取出效率急劇增大。反射率在90%以上時，例如將 反射層的反射率從90%提高至95%，即僅提高5%，光取出效率則提高20%以上。因此， 在光取出一側的面上形成凹凸，并且在與光取出一側的面相反一側的面上形成反射率在 90%以上的反射層，則能夠大幅度地提高光取出效率。
第二技術方案所涉及的發光元件是第一技術方案所涉及的發光元件，所述凹凸部的凹 凸周期性地或不規則地形成。
采用該結構，在不規則地設置凹凸部的間距的情況下，在光取出一惻的面上，光被反 射向各種方向，經多重反射之后，逃逸的概率提高，能夠進一步提高光取出效率。另外， 在周期性地設置凹凸部的間距的情況下，在多重反射之后，逃逸的概率也提高，能夠進一 歩提高光取出效率。
第三技術方案所涉及的發光元件是第一技術方案所涉及的發光元件，所述凹凸部被賦 予具有透鏡作用的形狀。
采用該結構，由于凹凸部被賦予具有透鏡作用的形狀，因此能夠通過透鏡作用控制取 出的光的配光，能夠提供適用于照明器具等的發光元件。
第四技術方案所涉及的發光元件是第三技術方案所涉及的發光元件，所述具有透鏡作 用的形狀為菲涅耳透鏡形狀。
根據該結構，由于凹凸部具有菲涅耳透鏡形狀，因此不必增大凹凸部的厚度，就能夠 控制焦點距離。
第五技術方案所涉及的發光元件是第一至第四技術方案中的任一個技術方案所涉及
的發光元件，所述半導體層包括GaN系列材料，所述反射層包括以銀為主成分的合金。 采用該結構，由于反射層包括以相對于GaN具有良好的電傳導性的銀為主成分的合
金，因此能夠進一步提高光取出效率。
第六技術方案所涉及的發光元件是第一至第四技術方案中的任一個技術方案所涉及
的發光元件，所述反射層包括導電性氧化物層，形成于所述半導體層的表面；金屬層，
層疊在所述導電性氧化物層上，包含銀、鋁、以銀為主成分的銀合金或以鋁為主成分的鋁
合金；以及白金層，呈網狀或島狀，介于所述半導體層與所述導電性氧化物層之間。
采用該結構，由于反射層包括白金層、導電性氧化物層以及金屬層，因此反射層具有
高反射率并且與半導體層歐姆接觸，能夠進一步提高光取出效率。
第七技術方案所涉及的發光元件是第一至第四技術方案中的任一個技術方案所涉及
的發光元件，所述反射層包括DBR。
采用該結構，反射層包括DBR，因此能夠進一步提高反射層的反射率。 第八技術方案所涉及的發光元件是第一至第四技術方案中的任一個技術方案所涉及
的發光元件，所述反射層包括金屬層，包含鋁、銀或以銀為主成分的銀合金；以及DBR，
層疊在所述金屬層上。
采用該結構，能夠實現具有由表示DBR的入射角與反射率之間的關系的反射率特性
與鋁、銀、或銀合金的反射率特性合成的反射率特性的反射層，能夠進一歩提高光取出效
率。即，對于在DBR的反射率較低而透過DBR的入射角的光，由鋁、銀、或銀合金反射，
對于在鋁、銀、或銀合金的反射率較低的入射角的光由DBR反射，由此提高光取出效率。 第九技術方案所涉及的發光元件是第八技術方案所涉及的發光元件，所述DBR，以使
從所述發光層射出的光中既在光束強度大的范圍內又在透過率較低的角度范圍內的光在
所述反射層中的反射率增大的方式，設定構成所述DBR的各層的厚度。
采用該結構，在光束強度較大的范圍內，以透過率較低的角度范圍所入射的光在反射 層中的反射率增大，因此該入射角的光在反射層中較多地被反射，結果能夠提高該入射角 的光的光取出效率。
第十技術方案所涉及的發光元件是第一至第四技術方案中的任一個技術方案所涉及
的發光元件，所述反射層包括導電性氧化物層，形成于所述半導體層的表面；DBR，層
疊在所述導電性氧化物層上；金屬層，層疊在所述DBR上，包含銀、鋁、以銀為主成分
的銀合金或以鋁為主成分的鋁合金；以及白金層，呈網狀或島狀，介于所述半導體層與所 述導電性氧化物層之間。
采用該結構，由于反射層包括白金層、導電性氧化物層、DBR以及金屬層，因此反射 層具有更高的反射率并且與半導體層歐姆接觸，能夠進一步提高光取出效率。
第十一技術方案所涉及的發光元件是第十技術方案所涉及的發光元件，所述DBR呈 網狀或島狀。
采用該結構，由于DBR從上方觀察呈網狀或島狀，因此，即使在DBR的導電性較低 的情況下，也能夠確保導電性氧化物層與金屬層之間的電傳導。
第十二技術方案所涉及的發光元件是第一至第四技術方案中的任一個技術方案所涉 及的發光元件，所述反射層由光子晶體構成。
采用該結構，反射層由光子晶體構成，因此能夠提供相對于任何入射角的光都具有較 高的反射率的反射層。
第十三技術方案所涉及的發光元件是第一至第十二技術方案中的任一個技術方案所 涉及的發光元件，包含所述凹凸部底部的面和所述半導體層的與所述凹凸部相反一側的面 之間的距離，在從所述發光層射出的光在所述半導體層中的波長的數倍以內。
采用該結構，即使是相對于光取出一側的面的法線方向以較大的角度，例如接近90 度的角度或以橫方向放射而本來不到達光取出一側的面的光，也受收凹凸部的角度變換作 用，能夠進一步提高光取出效率。
第十四技術方案所涉及的發光元件是第一至第十三技術方案中的任一個技術方案所 涉及的發光元件，所述反射層為p型電極，其中，還包括形成于所述半導體層表面，反射 率在80%以上，并與所述p型電極成組的n型電極。
采用該結構，由于與作為反射層的p型電極成組的n型電極的反射率在8Cm以上，因 此能夠提高發光元件的平均反射率，進一歩提高光取出效率。
第十五技術方案所涉及的發光元件是第十四技術方案所涉及的發光元件，所述.n型電 極包括導電性氧化物層，形成于所述半導體層的表面；金屬層，層疊在所述導電性氧化 物層上，包含銀、鋁、以銀為主成分的銀合金或以鋁為主成分的鋁合金；以及白金層，呈 網狀或島狀，介于所述半導體層與所述導電性氧化物層之間。
采用該結構，由于n型電極包括白金層、導電性氧化物層以及金屬層，因此n型電極
具有高反射率并且與半導體層歐姆接觸，能夠進一步提高光取出效率。
第十六技術方案所涉及的發光元件是第十四技術方案所涉及的發光元件，所述n型電 極包括導電性氧化物層，形成于所述半導體層的表面；DBR，層疊在所述導電性氧化物 層上；金屬層，層疊在所述DBR上，包含銀、鋁、以銀為主成分的銀合金或以鋁為主成 分的鋁合金；以及白金層，呈網狀或島狀，介于所述半導體層與所述導電性氧化物層之間。
采用該結構，由于n型電極包括白金層、導電性氧化物層、DBR以及金屬層，因此n 型電極具有更高的反射率并且與半導體層歐姆接觸，能夠進一步提高光取出效率。
第十七技術方案所涉及的發光元件是第十六技術方案所涉及的發光元件，所述DBR 呈網狀或島狀。
采用該結構，由于DBR從上方觀察呈網狀或島狀，因此，即使在DBR的導電性較低 的情況下，也能夠確保導電性氧化物層與金屬層之間的電傳導。
第十八技術方案所涉及的發光元件是第一至第十七技術方案中的任一個技術方案所 涉及的發光元件，其中還包括波長變換層，該波長變換層形成于所述半導體層的光取出一 側的表面，將由所述半導體層發出的光的波長變換并放射。
采用該結構，由于還包括波長變換層，因此不僅能夠放射在半導體層發出的顏色的光， 還能夠發射其它顏色的光。特別是，半導體層射出藍色的光，并且波長變換層將藍色的光 變換為綠色及紅色的光，由此能夠放射白色的光。
第十九技術方案所涉及的發光元件的制作方法是制作半導體元件的方法，其中，該半
導體元件包括半導體層，包含發光層；凹凸部，由凹凸構成，該凹凸，以比從所述發光
層射出的光在半導體層中的波長大的間距形成于所述半導體層的光取出一側的面的整個
區域或部分區域上；以及反射層，形成于所述半導體層的、與所述光取出一側的面相反一 側的面上，該反射層的反射率在90%以上，其中，通過蒸鍍具有與所述半導體層的折射率 實質上相同的折射率的材料，形成所述凹凸部。
采用該結構，無需利用昂貴的蝕刻裝置即可制作發光元件，能夠以低成本制作光取出 效率較高的發光元件。
為了表現本發明，在所述內容中參照附圖通過實施方式適當且充分地說明了本發明， 但應認識到，只要是本領域技術人員就可以容易地變更并/或改良所述實施方式。因此， 本領域技術人員實施的變更方式或改良方式只要不脫離權利要求書所記載的權利要求的 權利保護范圍，即被認為所述變更方式或改良方式包含在本權利要求的權利保護范圍內。
根據本發明，能夠提供一種由半導體構成的發光元件。
權利要求
1. 一種發光元件，其特征在于包括半導體層，包含發光層；由凹凸構成的凹凸部，該凹凸以比從所述發光層射出的光在半導體層中的波長大的間距被形成于所述半導體層的光取出一側的面的整個區域或部分區域上；以及反射層，被形成于與所述光取出一側的面相反一側的所述半導體層的面上，該反射層的反射率在90％以上。
2. 根據權利要求1所述的發光元件，其特征在于所述凹凸部的凹凸被周期性地或不規則地形成。
3. 根據權利要求1所述的發光元件，其特征在于所述凹凸部被賦予具有透鏡作用 的形狀。
4. 根據權利要求3所述的發光元件，其特征在于所述具有透鏡作用的形狀為菲涅 耳透鏡形狀。
5. 根據權利要求1 4中的任一項所述的發光元件，其特征在于所述半導體層包含GaN系列材料， 所述反射層包含以銀為主成分的合金。
6. 根據權利要求1 4中的任一項所述的發光元件，其特征在于，所述反射層包括被形成于所述半導體層的面上的導電性氧化物層；被層疊在所述導電性氧化物層上的金屬層，所述金屬層包含銀、鋁、以銀為主成分的 銀合金或以鋁為主成分的鋁合金；以及介于所述半導體層與所述導電性氧化物層之間、呈網狀或島狀的白金層。
7. 根據權利要求1 4中的任一項所述的發光元件，其特征在于所述反射層包括 DBR。
8. 根據權利要求1 4中的任一項所述的發光元件，其特征在于，所述反射層包括 鋁、銀或以銀為主成分的銀合金的金厲層；以及層疊在所述金屬層上的DBR。
9. 根據權利要求8所述的發光元件，其特征在于所述DBR，以使從所述發光層射出的光中的在光束強度較大的范圍內且透過率較低的角度范圍內的光在所述反射層中的反射率增大的方式，設定構成所述DBR的各層的厚度。
10. 根據權利要求1 4中的任一項所述的發光元件，其特征在于，所述反射層包括 被形成于所述半導體層的面上的導電性氧化物層；被層疊在所述導電性氧化物層上的DBR;被層疊在所述DBR上的金屬層，所述金屬層包含銀、鋁、以銀為主成分的銀合金或 以鋁為主成分的鋁合金；以及介于所述半導體層與所述導電性氧化物層之間、呈網狀或島狀的白金層。
11. 根據權利要求10所述的發光元件，其特征在于所述DBR呈網狀或島狀。
12. 根據權利要求1 4中的任一項所述的發光元件，其特征在于所述反射層包括光子晶體。
13. 根據權利要求1 12中的任一項所述的發光元件，其特征在于包含所述凹凸部的底部的面和與所述凹凸部相反一側的所述半導體層的面之間的距離，為從所述發光層射 出的光在所述半導體層中的波長的數倍以內。
14. 根據權利要求1 13中的任一項所述的發光元件，其特征在于還包括被形成于所述半導體層的面上的n型電極，該n型電極的反射率在80。/。以上，其中， 所述反射層作為p型電極，與所述n型電極成組。
15. 根據權利要求14所述的發光元件，其特征在于，所述n型電極包括 被形成于所述半導體層的面上的導電性氧化物層；被層疊在所述導電性氧化物層上的金屬層，所述金屬層包含銀、鋁、以銀為主成分的 銀合金或以鋁為主成分的鋁合金；以及介于所述半導體層與所述導電性氧化物層之間、呈網狀或島狀的白金層。
16. 根據權利要求14所述的發光元件，其特征在于，所述n型電極包括 被形成于所述半導體層的面上的導電性氧化物層； 被層疊在所述導電性氧化物層上的DBR;被層疊在所述DBR上的金屬層，所述金屬層包含銀、鋁、以銀為主成分的銀合金或以鋁為主成分的鋁合金；以及介于所述半導體層與所述導電性氧化物層之間、呈網狀或島狀的白金層。
17. 根據權利要求16所述的發光元件，其特征在于所述DBR呈網狀或島狀。
18. 根據權利要求1 17中的任一項所述的發光元件，其特征在于還包括被形成于 所述半導體層的光取出一側的面上，將在所述半導體層發出的光的波長進行變換并放射的 波長變換層。
19. 一種發光元件的制造方法，制造包括半導體層、凹凸部以及反射層的發光元件， 其中，所述半導體層包含發光層；所述凹凸部由以比從所述發光層射出的光在半導體層中的波長大的間距被形成于所述半導體層的光取出一側的面的整個區域或部分區域上的凹凸構成；所述反射層被形成于與所述光取出一側的面相反一側的所述半導體層的面上，該反射層的反射率在90%以上，其特征在于通過蒸鍍與所述半導體層的折射率實質上相同的材料，形成所述凹凸部。
全文摘要
本發明的發光元件包括半導體層(1)，包含發光層(12)；凹凸部(14)，由凹凸構成，該凹凸，以比從發光層(12)射出的光在半導體層(1)中的波長大的間距形成于半導體層(1)的光取出面上；以及反射層，形成于與光取出面相反的面上，該反射層的反射率在90％以上。在具有這種結構的發光元件中，通過反射層與凹凸部的相乘效果，可高效地取出光。
文檔編號H01L33/20GK101395728SQ200780008090
公開日2009年3月25日 申請日期2007年3月9日 優先權日2006年3月10日
發明者安田正治, 山江和幸, 福島博司 申請人:松下電工株式會社