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JP2004311973A - Light emitting device and lighting device - Google Patents

Light emitting device and lighting device Download PDF

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JP2004311973A
JP2004311973A JP2004076413A JP2004076413A JP2004311973A JP 2004311973 A JP2004311973 A JP 2004311973A JP 2004076413 A JP2004076413 A JP 2004076413A JP 2004076413 A JP2004076413 A JP 2004076413A JP 2004311973 A JP2004311973 A JP 2004311973A
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Abstract

【課題】光取り出し効率が高く、かつ、拡散光を得ることが可能な発光素子を提供する。
【解決手段】この発光素子10は、多重量子井戸(MQW)発光層7を含む発光ダイオードと、発光ダイオードのp型クラッド層9上に形成され、6回対称に配列している円形の貫通孔11aを有するp型コンタクト層11およびp型コンタクト層11の貫通孔11aを埋め込むp側電極12からなる面内方向に周期的に誘電率が変調されたフォトニック結晶と、GaN基板1の裏面上のn側電極16を介して形成された発光ダイオードからの光を拡散する手段としての平凹レンズ50とを備えている。
【選択図】図1
A light-emitting element having high light extraction efficiency and capable of obtaining diffused light is provided.
The light emitting device includes a light emitting diode including a multiple quantum well (MQW) light emitting layer and circular through holes formed on a p-type cladding layer of the light emitting diode and arranged symmetrically six times. A photonic crystal whose dielectric constant is periodically modulated in the in-plane direction, including a p-type contact layer 11 having p-type contact layer 11 and p-side electrode 12 buried in through-hole 11a of p-type contact layer 11; And a plano-concave lens 50 as a means for diffusing light from the light emitting diode formed through the n-side electrode 16.
[Selection diagram] Fig. 1

Description

本発明は、発光素子および照明装置に関し、特に、発光ダイオードを含む発光素子およびその発光素子を用いた照明装置に関する。   The present invention relates to a light emitting device and a lighting device, and more particularly to a light emitting device including a light emitting diode and a lighting device using the light emitting device.

従来、発光ダイオードの出射面上にフォトニック結晶を取り付けることにより、発光ダイオードからの出射光の取り出し効率を向上させることが可能な発光ダイオードが知られている(例えば、非特許文献1、2参照)。   2. Description of the Related Art Conventionally, there is known a light emitting diode in which a photonic crystal is mounted on an emission surface of the light emitting diode to improve the efficiency of extracting outgoing light from the light emitting diode (for example, see Non-Patent Documents 1 and 2). ).

図13は、従来のフォトニック結晶を出射面上に取り付けた発光ダイオードの構造を説明するための断面図である。図13を参照して、従来のフォトニック結晶を出射面上に取り付けた発光ダイオードの構造について説明する。   FIG. 13 is a cross-sectional view for explaining a structure of a light emitting diode in which a conventional photonic crystal is mounted on an emission surface. Referring to FIG. 13, a structure of a light emitting diode in which a conventional photonic crystal is mounted on an emission surface will be described.

従来のフォトニック結晶を出射面上に取り付けた発光ダイオードでは、図13に示すように、n型GaAs基板201上に、n型AlGaAsからなるn型クラッド層202、p型GaAsからなる発光層203、および、p型AlGaAsからなるp型クラッド層204が順次積層されている。これにより、ダブルヘテロ構造を有する発光ダイオードが形成されている。また、p型クラッド層204の上面には、所定の幅と深さとを有するとともに、周期的に配列するストライプ形状(細長形状)の凹凸形状が形成されている。さらに、上記凹凸形状を有するp型クラッド層204の上面上に、Agからなる金属層205が形成されている。   In a conventional light emitting diode in which a photonic crystal is mounted on an emission surface, as shown in FIG. 13, an n-type cladding layer 202 made of n-type AlGaAs and a light-emitting layer 203 made of p-type GaAs are formed on an n-type GaAs substrate 201. , And a p-type cladding layer 204 made of p-type AlGaAs is sequentially laminated. As a result, a light emitting diode having a double hetero structure is formed. On the upper surface of the p-type cladding layer 204, a stripe-shaped (elongated) concavo-convex shape having a predetermined width and depth and periodically arranged is formed. Further, a metal layer 205 made of Ag is formed on the upper surface of the p-type clad layer 204 having the above-mentioned uneven shape.

従来の発光ダイオードでは、上記したように、p型クラッド層204の上面を、所定の幅と深さとを有するとともに周期的に配列するストライプ形状の凹凸形状に形成するとともに、その凹凸形状の上面上に、金属層205を形成することにより、p型クラッド層204および金属層205の面内方向に対して周期的に誘電率が変調された部分が構成される。これにより、p型クラッド層204を、フォトニック結晶としても機能させることができる。その結果、発光ダイオードからの出射光は、出射面に垂直な方向に出射されるとともに、出射光の取り出し効率を向上させることができる。
“Highly directive light sources using two−dimensional photonic crystal slabs”,Applied Physics Letters,2001年12月,第79巻,第26号,pp.4280−4282 “Strongly directional emission from AlGaAs/GaAs light−emitting diodes”,Applied Physics Letters,1990年11月,第57巻,第22号,pp.2327−2329
In the conventional light emitting diode, as described above, the upper surface of the p-type cladding layer 204 is formed in a stripe-shaped unevenness having a predetermined width and depth and arranged periodically, and the upper surface of the unevenness is formed on the upper surface of the unevenness. Then, by forming the metal layer 205, a portion in which the dielectric constant is periodically modulated in the in-plane direction of the p-type cladding layer 204 and the metal layer 205 is formed. Thereby, the p-type cladding layer 204 can also function as a photonic crystal. As a result, the emitted light from the light emitting diode is emitted in a direction perpendicular to the emission surface, and the efficiency of extracting the emitted light can be improved.
"Highly Direct Light Sources Using Two-Dimensional Photonic Crystal Slabs," Applied Physics Letters, December 2001, Vol. 79, No. 26, pp. 4280-4282 "Strongly Direction Emission from AlGaAs / GaAs Light-Emitting Diodes", Applied Physics Letters, November 1990, Vol. 2327-2329

しかしながら、上記した従来のフォトニック結晶を出射面上に取り付けた発光ダイオードからの出射光は、出射面に垂直な方向に出射されるので、室内の照明などに適した拡散光を得ることが困難であるという不都合があった。このため、従来のフォトニック結晶を出射面上に取り付けた発光ダイオードでは、照明用として用いるのが困難であるという問題点があった。   However, since the light emitted from the light emitting diode in which the above-described conventional photonic crystal is mounted on the light emitting surface is emitted in a direction perpendicular to the light emitting surface, it is difficult to obtain diffused light suitable for indoor lighting or the like. There was an inconvenience of being. For this reason, there is a problem that it is difficult to use a conventional light emitting diode in which a photonic crystal is mounted on an emission surface for illumination.

この発明の1つの目的は、光取り出し効率が高く、かつ、拡散光を得ることが可能な発光素子を提供することである。   One object of the present invention is to provide a light-emitting element having high light extraction efficiency and capable of obtaining diffused light.

この発明のもう1つの目的は、光取り出し効率が高い照明装置を提供することである。   Another object of the present invention is to provide a lighting device having high light extraction efficiency.

課題を解決するための手段および発明の効果Means for Solving the Problems and Effects of the Invention

上記目的を達成するために、この発明の第1の局面による発光素子は、発光ダイオードと、発光ダイオードの光の出射面と実質的に平行な面上に形成され、光の出射面と実質的に平行な面の面内方向に対して周期的に誘電率が変調された部分と、発光ダイオードの光の出射面側に設けられ、発光ダイオードから出射される光を拡散する手段とを備えている。   In order to achieve the above object, a light emitting device according to a first aspect of the present invention is formed on a light emitting diode and a surface substantially parallel to a light emitting surface of the light emitting diode, and substantially corresponds to a light emitting surface. A portion whose permittivity is periodically modulated in an in-plane direction of a plane parallel to the light-emitting diode, and means for diffusing light emitted from the light-emitting diode, provided on the light emission surface side of the light-emitting diode. I have.

この第1の局面による発光素子では、上記のように、発光ダイオードの光の出射面と実質的に平行な面上に、面内方向に対して周期的に誘電率が変調された部分を形成することによって、発光素子からの発光を光の出射面に対して垂直な光に平行化することができるので、発光ダイオードからの光取り出し効率を向上させることができる。また、発光ダイオードの光の出射面側に発光ダイオードからの出射光を拡散する手段を設けることによって、発光素子から出射される平行光を種々の方向に拡散することができるので、拡散光を出射することができる。これにより、光取り出し効率が高く、かつ、拡散光を出射することが可能な発光素子を得ることができる。   In the light emitting device according to the first aspect, as described above, a portion whose dielectric constant is periodically modulated in the in-plane direction is formed on a surface substantially parallel to the light emission surface of the light emitting diode. By doing so, light emission from the light emitting element can be parallelized to light perpendicular to the light emission surface, so that light extraction efficiency from the light emitting diode can be improved. Further, by providing a means for diffusing the light emitted from the light emitting diode on the light emitting surface side of the light emitting diode, the parallel light emitted from the light emitting element can be diffused in various directions. can do. This makes it possible to obtain a light-emitting element having high light extraction efficiency and capable of emitting diffused light.

上記第1の局面による発光素子において、周期的に誘電率が変調された部分は、誘電率の異なる材料を周期的に配置することにより構成されていてもよく、周期的に誘電率が変調された部分は、フォトニック結晶からなっていてもよい。このように構成すれば、周期的に誘電率が変調された部分を容易に得ることができる。なお、周期的に誘電率が変調された部分は、誘電体と空気とを周期的に配置することや、誘電体と真空とを周期的に配置することにより構成されてもよい。   In the light emitting device according to the first aspect, the portion where the dielectric constant is periodically modulated may be configured by periodically arranging materials having different dielectric constants. The portion may be made of a photonic crystal. According to this structure, a portion whose dielectric constant is periodically modulated can be easily obtained. The portion where the dielectric constant is periodically modulated may be configured by periodically arranging a dielectric and air or periodically arranging a dielectric and a vacuum.

上記第1の局面による発光素子において、好ましくは、出射光を拡散する手段は、導電性を有する。このように構成すれば、発光ダイオードと出射光を拡散する手段とを密着して形成した場合に、発光ダイオードと出射光を拡散する手段との電気的な接続を行うことができる。これにより、出射光を拡散する手段に発光ダイオードへの電流導入部を形成することができるので、発光ダイオードに直接配線する必要がない。その結果、発光素子の組み立てが容易になる。また、光の出射面上に配線を行う必要がないので、配線が出射光を遮ることがない。その結果、発光素子からの出射光の強度を向上させることができる。   In the light emitting device according to the first aspect, preferably, the means for diffusing outgoing light has conductivity. According to this structure, when the light emitting diode and the means for diffusing emitted light are formed in close contact with each other, it is possible to electrically connect the light emitting diode and the means for diffusing emitted light. With this, the current introducing portion to the light emitting diode can be formed in the means for diffusing the emitted light, so that there is no need to directly wire the light emitting diode. As a result, the light emitting element can be easily assembled. Further, since there is no need to perform wiring on the light emitting surface, the wiring does not block the emitted light. As a result, the intensity of light emitted from the light emitting element can be improved.

上記第1の局面による発光素子において、出射光を拡散する手段は、レンズにより構成されていてもよい。このように構成すれば、発光ダイオードから出射される平行光を、容易に、拡散光に変換することができる。この場合、出射光を拡散する手段は、凹レンズを含んでいてもよい。このように構成すれば、発光ダイオードから出射される平行光を凹レンズにより拡散することができるので、容易に、平行光を拡散光に変換することができる。さらにこの場合、凹レンズは、平坦な第1の面と凹状の第2の面とを有する平凹レンズを含んでいてもよい。   In the light emitting device according to the first aspect, the means for diffusing the emitted light may be constituted by a lens. According to this structure, the parallel light emitted from the light emitting diode can be easily converted into the diffused light. In this case, the means for diffusing the emitted light may include a concave lens. With this configuration, the parallel light emitted from the light emitting diode can be diffused by the concave lens, so that the parallel light can be easily converted into the diffused light. Further, in this case, the concave lens may include a plano-concave lens having a flat first surface and a concave second surface.

上記第1の局面による発光素子において、好ましくは、光の出射面と出射光を拡散する手段との間に設けられた蛍光体をさらに備える。このように構成すれば、蛍光体によって出射光が散乱されるため、より容易に、拡散光を得ることができる。また、発光ダイオードから出射される光の波長を異なる波長に変換することができるので、種々の蛍光体を組み合わせれば、照明用途に適した白色の発光を得ることができる。   The light emitting device according to the first aspect preferably further includes a phosphor provided between the light emitting surface and the means for diffusing the emitted light. With this configuration, the emitted light is scattered by the phosphor, so that diffused light can be obtained more easily. Further, since the wavelength of the light emitted from the light emitting diode can be converted to a different wavelength, white light emission suitable for illumination use can be obtained by combining various phosphors.

上記第1の局面による発光素子において、出射光を拡散する手段は、凸面鏡を含んでいてもよい。このように構成すれば、発光ダイオードから出射される平行光を、凸面鏡により反射して拡散することができるので、容易に、平行光を拡散光に変換することができる。   In the light emitting device according to the first aspect, the means for diffusing the emitted light may include a convex mirror. With this configuration, the parallel light emitted from the light emitting diode can be reflected and diffused by the convex mirror, so that the parallel light can be easily converted to the diffused light.

上記第1の局面による発光素子において、出射光を拡散する手段は、実質的に透明な微粒子からなる光拡散剤が分散された透光性の部材を含んでいてもよい。このように構成すれば、発光ダイオードから出射される平行光を、光拡散剤が分散された透光性の部材により拡散することができるので、容易に、平行光を拡散光に変換することができる。   In the light emitting device according to the first aspect, the means for diffusing the emitted light may include a light transmitting member in which a light diffusing agent composed of substantially transparent fine particles is dispersed. According to this structure, the parallel light emitted from the light emitting diode can be diffused by the translucent member in which the light diffusing agent is dispersed, so that the parallel light can be easily converted into the diffused light. it can.

上記第1の局面による発光素子において、出射光を拡散する手段は、表面および裏面の少なくとも一方に微細な凹凸形状を有する透光性の部材を含んでいてもよい。このように構成すれば、発光ダイオードから出射される平行光を、微細な凹凸形状を有する透光性の部材により拡散することができるので、容易に、平行光を拡散光に変換することができる。   In the light emitting device according to the first aspect, the means for diffusing the emitted light may include a translucent member having fine irregularities on at least one of the front surface and the back surface. According to this structure, the parallel light emitted from the light emitting diode can be diffused by the light-transmissive member having the fine irregularities, so that the parallel light can be easily converted to the diffused light. .

上記第1の局面による発光素子において、好ましくは、発光ダイオードは、発光層を含み、その発光層は、窒化物系半導体からなる。このように構成すれば、青色〜紫外の範囲の短波長で、かつ、高エネルギーの発光を容易に得ることができるので、出射光の強度を向上させることができる。   In the light emitting device according to the first aspect, preferably, the light emitting diode includes a light emitting layer, and the light emitting layer is made of a nitride semiconductor. With this configuration, it is possible to easily obtain high-energy light emission with a short wavelength in the range from blue to ultraviolet, and thus it is possible to improve the intensity of emitted light.

上記第1の局面による発光素子において、好ましくは、発光ダイオードは、平面的に見て、マトリクス状に複数配置されている。このように構成すれば、光の出射する領域を大きくすることができるので、容易に、発光素子を照明などの光源として使用することができる。   In the light emitting device according to the first aspect, preferably, a plurality of light emitting diodes are arranged in a matrix when viewed in plan. With such a configuration, a region from which light is emitted can be enlarged, so that the light-emitting element can be easily used as a light source for lighting or the like.

この場合、出射光を拡散する手段は、レンズを含み、そのレンズは、平面的に見て、マトリクス状に複数配置されているのが好ましい。このように構成すれば、マトリクス状に配置された発光ダイオードから出射される光を容易に拡散させることができる。   In this case, it is preferable that the means for diffusing the outgoing light includes a lens, and the lenses are arranged in a matrix in a plan view. According to this structure, light emitted from the light emitting diodes arranged in a matrix can be easily diffused.

この発明の第2の局面による照明装置は、発光ダイオードと、発光ダイオードの光の出射面と実質的に平行な面上に形成され、光の出射面と実質的に平行な面の面内方向に対して周期的に誘電率が変調された部分と、発光ダイオードの光の出射面側に設けられ、発光ダイオードから出射される光を拡散する手段と、を含む発光素子を備えている。   A lighting device according to a second aspect of the present invention is a light emitting diode, and is formed on a surface substantially parallel to a light emitting surface of the light emitting diode, and has an in-plane direction of a surface substantially parallel to the light emitting surface. And a light emitting element including a portion whose dielectric constant is periodically modulated, and means for diffusing light emitted from the light emitting diode, provided on the light emitting surface side of the light emitting diode.

この第2の局面による照明装置では、上記のように、発光ダイオードの光の出射面と実質的に平行な面上に、面内方向に対して周期的に誘電率が変調された部分を形成することによって、発光素子からの発光を光の出射面に対して垂直な光に平行化することができるので、発光ダイオードからの光取り出し効率を向上させることができる。また、発光ダイオードの光の出射面側に発光ダイオードからの出射光を拡散する手段を設けることによって、発光素子から出射してきた平行光を種々の方向に拡散することができるので、拡散光を出射することができる。これにより、光取り出し効率が高く、かつ、拡散光を出射することが可能な発光素子を得ることができるので、この発光素子を光源として用いることにより、照明装置として十分な光量を得ることができる。   In the lighting device according to the second aspect, as described above, a portion whose dielectric constant is periodically modulated in the in-plane direction is formed on a surface substantially parallel to the light emission surface of the light emitting diode. By doing so, light emission from the light emitting element can be parallelized to light perpendicular to the light emission surface, so that light extraction efficiency from the light emitting diode can be improved. Further, by providing a means for diffusing light emitted from the light emitting diode on the light emitting surface side of the light emitting diode, parallel light emitted from the light emitting element can be diffused in various directions. can do. As a result, a light-emitting element having high light extraction efficiency and capable of emitting diffused light can be obtained. By using this light-emitting element as a light source, a sufficient amount of light for a lighting device can be obtained. .

上記第2の局面による照明装置において、好ましくは、発光素子から所定の間隔を隔てて配置され、発光素子から出射される光を白色の光に変換するための白色光用蛍光体をさらに備える。このように構成すれば、容易に、照明装置に適した白色の発光を得ることができる。この場合、白色光用蛍光体は、異なる発光色の複数の蛍光体材料を混合することにより形成されていてもよい。   The lighting device according to the second aspect preferably further includes a white-light phosphor disposed at a predetermined distance from the light-emitting element and configured to convert light emitted from the light-emitting element into white light. According to this structure, white light emission suitable for a lighting device can be easily obtained. In this case, the phosphor for white light may be formed by mixing a plurality of phosphor materials of different emission colors.

上記第2の局面による照明装置において、好ましくは、発光素子を構成する発光ダイオードは、平面的に見て、マトリクス状に複数配置されている。このように構成すれば、光の出射する領域を大きくすることができるので、容易に、発光素子を照明装置の光源として使用することができる。この場合、出射光を拡散する手段は、レンズを含み、そのレンズは、平面的に見て、マトリクス状に複数配置されるのが好ましい。このように構成すれば、マトリクス状に配置された発光ダイオードから出射される光を容易に拡散させることができる。   In the lighting device according to the second aspect, preferably, a plurality of light-emitting diodes constituting the light-emitting element are arranged in a matrix when viewed in plan. With such a configuration, a region from which light is emitted can be enlarged, so that the light-emitting element can be easily used as a light source of a lighting device. In this case, it is preferable that the means for diffusing the outgoing light includes a lens, and the plurality of lenses are arranged in a matrix when viewed in plan. According to this structure, light emitted from the light emitting diodes arranged in a matrix can be easily diffused.

なお、上記の第1および第2の局面による発明において、以下のように構成してもよい。   In the invention according to the first and second aspects, the following configuration may be adopted.

すなわち、上記導電性を有する出射光を拡散する手段を含む発光素子において、好ましくは、導電性を有する出射光を拡散する手段は、発光ダイオードの光の出射側の部分に接触するように形成されている。このように構成すれば、容易に、発光ダイオードと出射光を拡散する手段との電気的な接続を行うことができる。   That is, in the light emitting element including the means for diffusing emitted light having conductivity, the means for diffusing emitted light having conductivity is preferably formed so as to be in contact with the light emitting side portion of the light emitting diode. ing. According to this structure, the electrical connection between the light emitting diode and the means for diffusing the emitted light can be easily performed.

上記導電性を有する出射光を拡散する手段を含む発光素子において、好ましくは、導電性を有する出射光を拡散する手段は、n型SiC、n型AlNおよびp型ダイヤモンドからなるグループより選択される少なくとも1つの材料からなる。上記のような材料により出射光を拡散する手段を形成すれば、導電性に加えて、良好な熱伝導性も得ることができるので、出射光を拡散する手段を介して発光ダイオードで発生した熱を、容易に、放熱することができる。その結果、より大きな電流で発光素子を動作させることができるので、出射光の強度を向上させることができる。   In the light emitting device including the means for diffusing emitted light having conductivity, the means for diffusing emitted light having conductivity is preferably selected from the group consisting of n-type SiC, n-type AlN, and p-type diamond. Consists of at least one material. If the means for diffusing emitted light is formed of the above-mentioned materials, good thermal conductivity can be obtained in addition to conductivity, so that the heat generated by the light emitting diode via the means for diffusing emitted light can be obtained. Can be easily dissipated. As a result, the light emitting element can be operated with a larger current, so that the intensity of the emitted light can be improved.

上記微細な凹凸形状を有する実質的に透明な手段を含む発光素子において、微細な凹凸形状における隣接する凸部間の間隔は、約200nm以上約2000nm以下であってもよい。隣接する凸部間の間隔をこのような間隔に設定すれば、その間隔が発光波長と同等または発光波長の数倍に相当するので、回折効果により光を拡散させることができる。   In the light emitting element including the substantially transparent means having the fine unevenness, the interval between adjacent convex portions in the fine unevenness may be about 200 nm or more and about 2000 nm or less. If the interval between the adjacent convex portions is set to such an interval, the interval can be equal to or several times the emission wavelength, so that light can be diffused by the diffraction effect.

上記微細な凹凸形状を有する実質的に透明な手段を含む発光素子において、微細な凹凸形状における隣接する凸部間の間隔は、約2μm以上約100μm以下であってもよい。隣接する凸部間の間隔をこのような間隔に設定すれば、凹凸形状部により光が屈折されるので、光を容易に拡散させることができる。   In the light emitting device including the substantially transparent means having the fine unevenness, the interval between adjacent convex portions in the fine unevenness may be about 2 μm or more and about 100 μm or less. If the interval between the adjacent convex portions is set to such an interval, the light is refracted by the uneven portion, so that the light can be easily diffused.

また、上記平凹レンズを有する構成において、平坦な第1の面に接して、発光素子を配置してもよい。このように構成すれば、発光素子とレンズとを容易に接合することができる。加えて、発光素子とレンズが離れて配置される場合と比較して、発光素子の出射面とレンズの平坦な第1の面とでの反射を低減することができる。   In the configuration having the plano-concave lens, a light emitting element may be arranged in contact with the flat first surface. With this configuration, the light emitting element and the lens can be easily joined. In addition, as compared with the case where the light emitting element and the lens are arranged apart from each other, it is possible to reduce reflection on the emission surface of the light emitting element and the flat first surface of the lens.

また、凹レンズは、複数の発光ダイオード毎に1つずつの割合で配置されてもよい。この場合、複数の凹レンズと発光ダイオードはアレイ状に配置されてもよい。このように構成すれば、光の出射する領域を大きくできるので、容易に、照明などの光源として使用することができる。   Further, the concave lens may be arranged at a ratio of one for each of the plurality of light emitting diodes. In this case, the plurality of concave lenses and the light emitting diodes may be arranged in an array. With such a configuration, a region from which light is emitted can be enlarged, and thus it can be easily used as a light source such as illumination.

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

(第1実施形態)
図1は、本発明の第1実施形態による発光素子の構造を説明するための断面図である。また、図2は、本発明の第1実施形態によるp型コンタクト層の平面構造を説明するための上面図である。まず、図1および図2を参照して、本発明の第1実施形態による発光素子10の構造について説明する。この第1実施形態の発光素子10は、発光ダイオードと、平凹レンズ50とを含んでいる。
(1st Embodiment)
FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a structure of a light emitting device according to a first embodiment. FIG. 2 is a top view for explaining the planar structure of the p-type contact layer according to the first embodiment of the present invention. First, the structure of the light emitting device 10 according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The light emitting device 10 of the first embodiment includes a light emitting diode and a plano-concave lens 50.

第1実施形態の発光ダイオードでは、酸素やSiがドープされた約2mm角で約200〜400μmの厚みを有するn型GaN基板1の(0001)Ga面上に、Siをドープした約5μmの膜厚を有する単結晶のn型GaN層4が形成されている。n型GaN層4上には、Siをドープした約0.15μmの膜厚を有する単結晶のn型Al0.1Ga0.9Nからなるn型クラッド層6が形成されている。また、n型クラッド層6上には、約5nmの膜厚を有する単結晶のアンドープGaNからなる6層の障壁層と約5nmの膜厚を有する単結晶のアンドープGa0.9In0.1Nからなる5層の井戸層とが交互に積層された多重量子井戸(MQW:Multiple Quantum Well)構造を有する活性層7が形成されている。活性層7上には、約10nmの膜厚を有する単結晶のアンドープGaNからなる保護層8、および、Mgがドープされた約0.15μmの膜厚を有する単結晶のp型Al0.1Ga0.9Nからなるp型クラッド層9がこの順に形成されている。 In the light-emitting diode of the first embodiment, an Si-doped film of about 5 μm is formed on the (0001) Ga surface of an n-type GaN substrate 1 having a thickness of about 200 to 400 μm, which is about 2 mm square and doped with oxygen or Si. A single-crystal n-type GaN layer 4 having a thickness is formed. On the n-type GaN layer 4, an n-type clad layer 6 made of single-crystal n-type Al 0.1 Ga 0.9 N doped with Si and having a thickness of about 0.15 μm is formed. On the n-type cladding layer 6, six barrier layers made of single-crystal undoped GaN having a thickness of about 5 nm and a single-crystal undoped Ga 0.9 In 0.1 having a thickness of about 5 nm are provided. An active layer 7 having a multiple quantum well (MQW) structure in which five well layers of N are alternately stacked is formed. On the active layer 7, a protective layer 8 made of single-crystal undoped GaN having a thickness of about 10 nm, and a single-crystal p-type Al 0.1 doped with Mg and having a thickness of about 0.15 μm are formed. A p-type cladding layer 9 made of Ga 0.9 N is formed in this order.

p型クラッド層9の上面上には、約30nmの膜厚を有する単結晶のp型Ga0.95In0.05Nからなるp型コンタクト層11が形成されている。p型コンタクト層11には、図2に示すように、約250nmの直径を有し、p型クラッド層9中の発光波長λの約4/31/2倍にほぼ等しい約380nmの間隔(D)で6回対称に配列している複数の円形の貫通孔11aが形成されている。このような貫通孔11aを有するp型コンタクト層11は、本発明の「出射面と実質的に平行な面の面内方向に対して周期的に誘電率が変調された部分」の一例である。 On the upper surface of the p-type cladding layer 9, a p-type contact layer 11 made of single-crystal p-type Ga 0.95 In 0.05 N having a thickness of about 30 nm is formed. As shown in FIG. 2, the p-type contact layer 11 has a diameter of about 250 nm and an interval of about 380 nm (equal to about 4/3 1/2 times the emission wavelength λ in the p-type cladding layer 9). In D), a plurality of circular through holes 11a arranged symmetrically six times are formed. The p-type contact layer 11 having such a through hole 11a is an example of the “portion in which the dielectric constant is periodically modulated in the in-plane direction of a plane substantially parallel to the emission surface” of the present invention. .

なお、この第1実施形態では、発光層(活性層7)からの主発光波長λを約380nm、窒化物系半導体の屈折率を2.3として、間隔(D)の値を設計した。この間隔(D)は、p型クラッド層9中の発光波長λの約2/31/2倍に設計するのが好ましいが、その場合には、微細な加工が必要になる。このため、第1実施形態では、加工がより容易になるように、間隔(D)を、p型クラッド層9中の発光波長の約4/31/2倍に相当するように設計した。 In the first embodiment, the value of the interval (D) was designed with the main light emission wavelength λ from the light emitting layer (active layer 7) being about 380 nm and the refractive index of the nitride semiconductor being 2.3. This interval (D) is preferably designed to be about 2/3 1/2 times the emission wavelength λ in the p-type cladding layer 9, but in this case, fine processing is required. Therefore, in the first embodiment, processing to be easier, the distance (D), were designed to correspond to about 4/3 half of the emission wavelength in the p-type cladding layer 9.

また、p型コンタクト層11の貫通孔11aを埋め込むように、p型コンタクト層11の上面上に、p側電極12が形成されている。このp側電極12は、下層から上層に向かって、Ni層、Pd層またはPt層からなる約2nmの膜厚を有するオーミック電極層と、約200nmの膜厚を有するITO膜からなる酸化物透明電極層と、Al層、Ag層またはRh層からなる約1μmの膜厚を有する金属反射層と、Pt層またはTi層からなるバリア電極と、Au層またはAu−Sn層からなるパッド電極とから構成されている。   A p-side electrode 12 is formed on the upper surface of the p-type contact layer 11 so as to fill the through-hole 11a of the p-type contact layer 11. The p-side electrode 12 includes, from the lower layer to the upper layer, an ohmic electrode layer having a thickness of about 2 nm formed of a Ni layer, a Pd layer or a Pt layer, and an oxide transparent layer formed of an ITO film having a thickness of about 200 nm. An electrode layer, a metal reflective layer having a thickness of about 1 μm comprising an Al layer, an Ag layer or a Rh layer, a barrier electrode comprising a Pt layer or a Ti layer, and a pad electrode comprising an Au layer or an Au—Sn layer. It is configured.

また、n型GaN基板1の裏面の外周辺部に沿った約50μmの幅の領域上に、n側電極16が形成されている。このn側電極16は、n型GaN基板1の裏面に近い側から順に、Al層からなるオーミック電極層と、Pt層またはTi層からなるバリア電極と、Au層またはAu−Sn層からなるパッド電極とから構成されている。第1実施形態の発光ダイオードは上記のような構造を有する。   Further, an n-side electrode 16 is formed on a region having a width of about 50 μm along the outer peripheral portion of the back surface of the n-type GaN substrate 1. The n-side electrode 16 includes an ohmic electrode layer made of an Al layer, a barrier electrode made of a Pt layer or a Ti layer, and a pad made of an Au layer or an Au—Sn layer in order from the side closer to the back surface of the n-type GaN substrate 1. And electrodes. The light emitting diode of the first embodiment has the above structure.

また、上記した発光ダイオードのn側電極16の裏面上には、n型SiC、n型AlN、または、p型ダイヤモンドなどの良好な熱伝導性と導電性とを有する材料からなる平凹レンズ50が融着されている。この平凹レンズ50は、平面側がn型GaN基板1に向かうように、n側電極16に融着されている。ここで、平凹レンズ50は、本発明の「発光ダイオードからの出射光を拡散する手段」の一例である。上記した発光ダイオードと平凹レンズ50とによって、図1に示した第1実施形態の発光素子10が構成されている。   A plano-concave lens 50 made of a material having good thermal conductivity and conductivity, such as n-type SiC, n-type AlN, or p-type diamond, is provided on the back surface of the n-side electrode 16 of the light emitting diode. Has been fused. The plano-concave lens 50 is fused to the n-side electrode 16 so that the plane side faces the n-type GaN substrate 1. Here, the plano-concave lens 50 is an example of the “means for diffusing light emitted from the light emitting diode” of the present invention. The light emitting diode 10 and the plano-concave lens 50 constitute the light emitting element 10 of the first embodiment shown in FIG.

なお、第1実施形態による発光素子10を用いて照明装置を形成する場合には、上記発光ダイオードのp側電極12の上面をダイヤモンド、AlNまたはSiCからなるサブマウント(放熱台)(図示せず)に融着する。この場合、n側電極16が形成されているn型GaN基板1の裏面が出射面となり、図1の矢印で示す方向に光が出射される。   When a lighting device is formed using the light emitting element 10 according to the first embodiment, the upper surface of the p-side electrode 12 of the light emitting diode is sub-mount (heat radiator) made of diamond, AlN or SiC (not shown). ). In this case, the back surface of the n-type GaN substrate 1 on which the n-side electrode 16 is formed becomes an emission surface, and light is emitted in the direction indicated by the arrow in FIG.

次に、図1を参照して、第1実施形態による発光素子10の製造プロセスについて説明する。まず、酸素やSiがドープされた約2mm角で約200〜400μmの厚みを有するn型GaN基板1を準備する。そして、約1000℃〜約1200℃に保持した状態で、Hを約50%含有するH/N混合ガスからなるキャリアガスと、NHおよびトリメチルガリウム(TMGa)からなる原料ガスと、SiHからなるドーパントガスとを用いることにより、n型GaN基板1の(0001)Ga面上に、MOVPE法(Metal Organic Vapor Phase Epitaxy:有機金属気相成長法)を用いて、Siをドープした約5μmの膜厚を有する単結晶のn型GaN層4を約3μm/hの成長速度で成長させる。 Next, the manufacturing process of the light emitting device 10 according to the first embodiment will be described with reference to FIG. First, an n-type GaN substrate 1 having a thickness of about 200 to 400 μm, which is about 2 mm square and doped with oxygen or Si, is prepared. Then, while holding at about 1000 ° C. ~ about 1200 ° C., and a carrier gas consisting of H 2 / N 2 mixed gas containing H 2 to about 50%, and a starting gas consisting of NH 3 and trimethylgallium (TMGa), By using a dopant gas composed of SiH 4 , Si was doped on the (0001) Ga surface of the n-type GaN substrate 1 using MOVPE (Metal Organic Vapor Phase Epitaxy). A single-crystal n-type GaN layer 4 having a thickness of about 5 μm is grown at a growth rate of about 3 μm / h.

次に、n型GaN基板1の温度を約1000℃〜約1200℃、好ましくは、約1150℃に保持した状態で、Hを約1%〜約3%含有するH/N混合ガスからなるキャリアガスと、NH、TMGaおよびトリメチルアルミニウム(TMAl)からなる原料ガスと、SiHからなるドーパントガスとを用いることにより、n型GaN層4上に、Siをドープした約0.15μmの膜厚を有する単結晶のn型Al0.1Ga0.9Nからなるn型クラッド層6を約3μm/hの成長速度で成長させる。 The temperature of the n-type GaN substrate 1 about 1000 ° C. to about 1200 ° C., preferably being maintained at about 1150 ° C., of H 2 from about 1% to about 3% content to H 2 / N 2 mixed gas Of n-type GaN layer 4 by using a carrier gas composed of Si, a source gas composed of NH 3 , TMGa and trimethylaluminum (TMAl), and a dopant gas composed of SiH 4. Is grown at a growth rate of about 3 μm / h. The n-type cladding layer 6 is made of single-crystal n-type Al 0.1 Ga 0.9 N and has a thickness of

次に、n型GaN基板1の温度を約700℃〜約1000℃、好ましくは、約850℃に保持した状態で、Hを約1%〜約5%含有するH/N混合ガスからなるキャリアガスと、NH、トリエチルガリウム(TEGa)およびトリメチルインジウム(TMIn)からなる原料ガスとを用いることにより、n型クラッド層6上に、約5nmの膜厚を有する単結晶のアンドープGaNからなる6層の障壁層と、約5nmの膜厚を有する単結晶のアンドープGa0.9In0.1Nからなる5層の井戸層とが交互に積層されたMQW構造を有する活性層7を約0.4nm/sの成長速度で形成する。さらに連続して、約10nmの膜厚を有する単結晶のアンドープGaNからなる保護層8を約0.4nm/sの成長速度で成長させる。 The temperature of the n-type GaN substrate 1 about 700 ° C. to about 1000 ° C., preferably being maintained at about 850 ° C., of H 2 from about 1% to about 5% content to H 2 / N 2 mixed gas , And a source gas composed of NH 3 , triethylgallium (TEGa) and trimethylindium (TMIn) are used to form a single-crystal undoped GaN having a thickness of about 5 nm on the n-type cladding layer 6. Active layer 7 having an MQW structure in which six barrier layers made of GaAs and five well layers made of single-crystal undoped Ga 0.9 In 0.1 N having a thickness of about 5 nm are alternately stacked. Is formed at a growth rate of about 0.4 nm / s. Further, a protection layer 8 made of single-crystal undoped GaN having a thickness of about 10 nm is continuously grown at a growth rate of about 0.4 nm / s.

次に、GaN基板1の温度を約1000℃〜約1200℃、好ましくは、約1150℃に保持した状態で、Hを約1%〜約3%含有するH/N混合ガスからなるキャリアガスと、NH、TMGaおよびTMAlからなる原料ガスと、ビスシクロペンタディエニルマグネシウム(CpMg)からなるドーパントガスとを用いることにより、保護層8上に、Mgがドープされた約0.15μmの膜厚を有する単結晶のp型Al0.1Ga0.9Nからなるp型クラッド層9を約3μm/hの成長速度で成長させる。 Then, the temperature of the GaN substrate 1 of about 1000 ° C. to about 1200 ° C., preferably being maintained at about 1150 ° C., consisting of H 2 from about 1% to about 3% content to H 2 / N 2 mixed gas By using a carrier gas, a source gas composed of NH 3 , TMGa and TMAl, and a dopant gas composed of biscyclopentadienylmagnesium (Cp 2 Mg), about 0 mg of Mg doped on the protective layer 8. A p-type cladding layer 9 made of single-crystal p-type Al 0.1 Ga 0.9 N having a thickness of .15 μm is grown at a growth rate of about 3 μm / h.

次に、電子線描画などによるリソグラフィ技術とエッチング技術とを用いて、約250nmの直径の円柱状を有するとともに、p型クラッド層9中の発光波長λの約4/31/2倍にほぼ等しい約380nmの間隔で6回対称に配列しているSiN層(図示せず)を形成する。すなわち、図2に示した貫通孔11aが形成される位置に、円柱状のSiN層を形成する。このSiN層をマスクとして、MOVPE法を用いて、p型クラッド層9上に約30nmの膜厚を有する単結晶のp型Ga0.95In0.05Nからなるp型コンタクト層11を成長させる。このとき、GaN基板1の温度を約700℃〜約1000℃、好ましくは、約850℃に保持した状態で、Hを約1%〜約5%含有するH/N混合ガスからなるキャリアガスと、NH、TEGaおよびTMInからなる原料ガスと、CpMgからなるドーパントガスとを用いることにより、約0.4nm/sの成長速度でp型コンタクト層11を形成する。 Next, using a lithography technique and an etching technique such as by electron beam lithography, which has a cylindrical shape with a diameter of approximately 250 nm, approximately about 4/3 half of the emission wavelength in the p-type cladding layer 9 lambda SiN layers (not shown) are formed six times symmetrically at equal intervals of about 380 nm. That is, a columnar SiN layer is formed at the position where the through hole 11a shown in FIG. 2 is formed. Using this SiN layer as a mask, a p-type contact layer 11 of single-crystal p-type Ga 0.95 In 0.05 N having a thickness of about 30 nm is grown on the p-type cladding layer 9 by MOVPE. Let it. At this time, the temperature of the GaN substrate 1 about 700 ° C. to about 1000 ° C., preferably being maintained at about 850 ° C., consisting of H 2 from about 1% to about 5% content to H 2 / N 2 mixed gas The p-type contact layer 11 is formed at a growth rate of about 0.4 nm / s by using a carrier gas, a source gas composed of NH 3 , TEGa and TMIn, and a dopant gas composed of Cp 2 Mg.

ここで、p型クラッド層9およびp型コンタクト層11をキャリアガスの水素濃度が低い条件(H:約1%〜約5%)で形成することにより、N雰囲気中で熱処理することなく、Mgドーパントが活性化される。これにより、p型クラッド層9およびp型コンタクト層11を高キャリア濃度のp型半導体層とすることができる。その後、p型クラッド層9上のSiN層(図示せず)を除去することにより、図2に示すような貫通孔11aを有するp型コンタクト層11が形成される。 Here, by forming the p-type cladding layer 9 and the p-type contact layer 11 under the condition that the hydrogen concentration of the carrier gas is low (H 2 : about 1% to about 5%), the heat treatment is not performed in the N 2 atmosphere. , Mg dopant is activated. Thereby, the p-type cladding layer 9 and the p-type contact layer 11 can be made into a p-type semiconductor layer having a high carrier concentration. Thereafter, by removing the SiN layer (not shown) on the p-type cladding layer 9, the p-type contact layer 11 having the through holes 11a as shown in FIG. 2 is formed.

この後、真空蒸着法などを用いて、p型コンタクト層11の貫通孔を埋め込むように、p型コンタクト層11の上面上に、Ni層、Pd層またはPt層からなる約2nmの膜厚を有するオーミック電極層と、約200nmの膜厚を有するITO膜からなる酸化物透明電極層と、Al層、Ag層またはRh層からなる約1μmの膜厚を有する金属反射層と、Pt層またはTi層からなるバリア電極と、Au層またはAu−Sn層からなるパッド電極とを順次形成することによって、p側電極12を形成する。また、n型GaN基板1の裏面の外周辺部に沿った約50μmの幅の領域上に、真空蒸着法などを用いて、Al層からなるオーミック電極層、Pt層またはTi層からなるバリア電極と、Au層またはAu−Sn層からなるパッド電極とを順次形成することによって、n側電極16を形成する。このようにして、第1実施形態の発光ダイオードが形成される。   Thereafter, a film thickness of about 2 nm made of a Ni layer, a Pd layer, or a Pt layer is formed on the upper surface of the p-type contact layer 11 so as to fill the through-hole of the p-type contact layer 11 by using a vacuum deposition method or the like. An ohmic electrode layer, an oxide transparent electrode layer made of an ITO film having a thickness of about 200 nm, a metal reflective layer made of an Al layer, an Ag layer or a Rh layer having a thickness of about 1 μm, a Pt layer or Ti The p-side electrode 12 is formed by sequentially forming a barrier electrode composed of a layer and a pad electrode composed of an Au layer or an Au—Sn layer. Also, on a region of about 50 μm width along the outer peripheral portion of the back surface of the n-type GaN substrate 1, an ohmic electrode layer made of an Al layer, a barrier electrode made of a Pt layer or a Ti layer is formed by using a vacuum deposition method or the like. Then, an n-side electrode 16 is formed by sequentially forming a pad electrode made of an Au layer or an Au—Sn layer. Thus, the light emitting diode of the first embodiment is formed.

最後に、n型GaN基板1の裏面上に、n側電極16を介して、n型SiC、n型AlNまたはp型ダイヤモンドなどの良好な熱伝導性と導電性とを有する材料からなる平凹レンズ50を、平凹レンズ50のn型GaN基板1に向かうように融着する。このようにして、本発明の第1実施形態による発光素子10が形成される。   Finally, a plano-concave lens made of a material having good thermal conductivity and conductivity, such as n-type SiC, n-type AlN, or p-type diamond, on the back surface of the n-type GaN substrate 1 via the n-side electrode 16. 50 is fused to the n-type GaN substrate 1 of the plano-concave lens 50. Thus, the light emitting device 10 according to the first embodiment of the present invention is formed.

第1実施形態では、上記のように、p型コンタクト層11の貫通孔11aの間隔D(図2参照)を、p型クラッド層9中の発光波長λの約4/31/2倍にするとともに、上記貫通孔11aに、p側電極12を構成するオーミック電極層および酸化物透明電極層を埋め込むことによって、p型コンタクト層11を、面内方向に対して周期的に誘電率が変調された2次元フォトニック結晶として機能させることができる。また、上記構造を有するp型コンタクト層11を、発光ダイオードの出射面であるGaN基板1の裏面と平行な面上に形成することにより、発光ダイオードからの発光は出射面に対して垂直な光に平行化されるので、光取り出し効率を高くすることができる。また、上記出射面上に平凹レンズ50を設けることによって、平凹レンズ50の凹面により上記出射面に対して垂直な方向に平行化された出射光を、容易に、種々の方向に拡散することができる。その結果、光取り出し効率が高く、かつ、拡散光を出射することが可能な発光ダイオードを得ることができる。 In the first embodiment, as described above, the interval D (see FIG. 2) between the through holes 11a of the p-type contact layer 11 is set to about 4/3 1/2 times the emission wavelength λ in the p-type cladding layer 9. At the same time, by embedding the ohmic electrode layer and the transparent oxide electrode layer constituting the p-side electrode 12 in the through hole 11a, the dielectric constant of the p-type contact layer 11 is periodically modulated in the in-plane direction. Function as a two-dimensional photonic crystal. Further, by forming the p-type contact layer 11 having the above structure on a surface parallel to the back surface of the GaN substrate 1 which is the light emitting surface of the light emitting diode, light emitted from the light emitting diode emits light perpendicular to the light emitting surface. , The light extraction efficiency can be increased. Further, by providing the plano-concave lens 50 on the emission surface, the outgoing light parallelized in the direction perpendicular to the emission surface by the concave surface of the plano-concave lens 50 can be easily diffused in various directions. it can. As a result, it is possible to obtain a light emitting diode having high light extraction efficiency and capable of emitting diffused light.

また、第1実施形態では、平凹レンズ50を、n型SiC、n型AlNまたはp型ダイヤモンドなどの熱伝導率の良好な材料から構成することによって、容易に、発光ダイオードに発生する熱を放熱することができる。その結果、より大きな電流で発光素子を動作させることができるので、出射光の強度を向上させることができる。また、平凹レンズ50に放熱フィンなどの放熱部を取り付けるようにすれば、より容易に、放熱することができる。   In the first embodiment, the plano-concave lens 50 is made of a material having good thermal conductivity, such as n-type SiC, n-type AlN, or p-type diamond, so that heat generated in the light emitting diode can be easily radiated. can do. As a result, the light emitting element can be operated with a larger current, so that the intensity of the emitted light can be improved. Further, if a heat radiating portion such as a heat radiating fin is attached to the plano-concave lens 50, heat can be more easily radiated.

また、第1実施形態では、平凹レンズ50を、n型SiCなどの導電性を有する材料により形成するとともに、発光ダイオードのn側電極16と平凹レンズ50とを密着して形成することにより、発光ダイオードと平凹レンズ50との電気的な接続を行うことができる。これにより、平凹レンズ50に発光ダイオードの電極を形成することができるので、発光ダイオードに直接配線する必要がない。このため、発光ダイオードの組み立てが容易になるので、発光ダイオードの信頼性を向上させることができる。また、出射面上に配線を行う必要がないので、配線が出射光を遮ることがない。その結果、発光ダイオードからの出射光の強度を向上させることができる。   Further, in the first embodiment, the plano-concave lens 50 is formed of a conductive material such as n-type SiC, and the n-side electrode 16 of the light emitting diode and the plano-concave lens 50 are formed in close contact with each other to emit light. Electrical connection between the diode and the plano-concave lens 50 can be made. Thus, since the electrodes of the light emitting diode can be formed on the plano-concave lens 50, there is no need to directly wire the light emitting diode. For this reason, assembling of the light emitting diode becomes easy, and the reliability of the light emitting diode can be improved. Further, since there is no need to perform wiring on the emission surface, the wiring does not block the emitted light. As a result, the intensity of light emitted from the light emitting diode can be improved.

また、第1実施形態において、p側電極12を構成するオーミック電極層の膜厚を小さく形成すれば、光の吸収を小さくすることができる。また、p側電極12を構成する酸化物透明電極層により、p側電極12を構成するオーミック電極層と金属反射層とが反応することを抑制することができる。また、p側電極12を構成するバリア電極によって、p側電極12を構成する金属反射層とパッド電極との反応を抑制することができる。また、n側電極16を構成するバリア電極によって、n側電極16を構成するオーミック電極層とパッド電極との反応を抑制することができる。   Further, in the first embodiment, if the thickness of the ohmic electrode layer forming the p-side electrode 12 is reduced, light absorption can be reduced. In addition, the oxide transparent electrode layer forming the p-side electrode 12 can prevent the ohmic electrode layer forming the p-side electrode 12 from reacting with the metal reflection layer. Further, the reaction between the metal reflective layer forming the p-side electrode 12 and the pad electrode can be suppressed by the barrier electrode forming the p-side electrode 12. Further, the reaction between the ohmic electrode layer forming the n-side electrode 16 and the pad electrode can be suppressed by the barrier electrode forming the n-side electrode 16.

(第2実施形態)
図3は、本発明の第2実施形態による発光素子の構造を説明するための断面図である。また、図4は、本発明の第2実施形態による金属層の平面構造を説明するための上面図である。まず、図3および図4を参照して、この第2実施形態では、上記第1実施形態と異なり、裏面(光の出射面)側に誘電率が周期的に変調された部分(2次元フォトニック結晶)を形成した発光素子20の構造について説明する。この第2実施形態による発光素子20は、発光ダイオードと、平凹レンズ50とを含んでいる。
(2nd Embodiment)
FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a structure of a light emitting device according to a second embodiment. FIG. 4 is a top view for explaining the planar structure of the metal layer according to the second embodiment of the present invention. First, with reference to FIGS. 3 and 4, in the second embodiment, unlike the first embodiment, a portion where the dielectric constant is periodically modulated (two-dimensional photo The structure of the light emitting element 20 on which the (nick crystal) is formed will be described. The light emitting device 20 according to the second embodiment includes a light emitting diode and a plano-concave lens 50.

第2実施形態による発光ダイオードでは、Siをドープした単結晶のn型GaN層24の上面上に、Siをドープした約40nmの膜厚を有する単結晶のn型Al0.2Ga0.8N層とSiをドープした約40nmの膜厚を有する単結晶のn型GaN層とが交互に10層ずつ積層されたn型多層反射層25が形成されている。n型多層反射層25上には、Siをドープした約0.15μmの膜厚を有する単結晶のn型Al0.1Ga0.9N層からなるn型クラッド層26が形成されている。n型クラッド層26上には、約5nmの膜厚を有する単結晶のアンドープGa0.8In0.2N井戸層からなる単一量子井戸(SQW)構造を有するSQW活性層27が形成されている。 In the light emitting diode according to the second embodiment, a single crystal n-type Al 0.2 Ga 0.8 having a thickness of about 40 nm doped with Si is formed on the upper surface of the single crystal n-type GaN layer 24 doped with Si. An n-type multilayer reflective layer 25 is formed by alternately stacking 10 layers of an N layer and a single-crystal n-type GaN layer having a thickness of about 40 nm doped with Si. On the n-type multilayer reflective layer 25, an n-type clad layer 26 made of a single-crystal n-type Al 0.1 Ga 0.9 N layer doped with Si and having a thickness of about 0.15 μm is formed. . On the n-type cladding layer 26, an SQW active layer 27 having a single quantum well (SQW) structure composed of a single-crystal undoped Ga 0.8 In 0.2 N well layer having a thickness of about 5 nm is formed. ing.

SQW活性層27上には、約10nmの膜厚を有する単結晶のアンドープGaNからなる保護層28、および、Mgをドープした約0.15μmの膜厚を有する単結晶のp型Al0.1Ga0.9Nからなるp型クラッド層29が、この順に形成されている。p型クラッド層29上には、Mgをドープした約40nmの膜厚を有する単結晶のp型Al0.2Ga0.8N層とMgをドープした約40nmの膜厚を有する単結晶のp型GaN層とが交互に10層ずつ積層したp型多層反射層30が形成されている。p型多層反射層30上には、Mgがドープされた約30nmの膜厚を有する単結晶のp型Ga0.95In0.05Nからなるp型コンタクト層31が形成されている。 On the SQW active layer 27, a protective layer 28 made of single-crystal undoped GaN having a thickness of about 10 nm, and a single crystal p-type Al 0.1 doped with Mg and having a thickness of about 0.15 μm A p-type cladding layer 29 made of Ga 0.9 N is formed in this order. On the p-type cladding layer 29, a single-crystal p-type Al 0.2 Ga 0.8 N layer having a thickness of about 40 nm doped with Mg and a single crystal having a thickness of about 40 nm doped with Mg are provided. A p-type multilayer reflective layer 30 in which p-type GaN layers are alternately laminated by 10 layers is formed. On the p-type multilayer reflective layer 30, a p-type contact layer 31 made of single-crystal p-type Ga 0.95 In 0.05 N doped with Mg and having a thickness of about 30 nm is formed.

また、p型コンタクト層31の上面上には、p側電極32が形成されている。このp側電極32は、下層から上層に向かって、Ni層、Pd層またはPt層からなる約2nmの膜厚を有するオーミック電極層と、約200nmの膜厚を有するITO膜からなる酸化物透明電極層と、Al層、Ag層またはRh層からなる約1μmの膜厚を有する金属反射層と、Pt層またはTi層からなるバリア電極と、Au層またはAu−Sn層からなるパッド電極とから構成されている。   Further, a p-side electrode 32 is formed on the upper surface of the p-type contact layer 31. The p-side electrode 32 includes, from the lower layer to the upper layer, an ohmic electrode layer having a thickness of about 2 nm made of a Ni layer, a Pd layer or a Pt layer, and an oxide transparent layer made of an ITO film having a thickness of about 200 nm. An electrode layer, a metal reflective layer having a thickness of about 1 μm comprising an Al layer, an Ag layer or a Rh layer, a barrier electrode comprising a Pt layer or a Ti layer, and a pad electrode comprising an Au layer or an Au—Sn layer. It is configured.

また、p側電極32の上面上には、約200μm〜約1mmの厚みを有する支持基板33が形成されている。この支持基板33は、p型ダイヤモンド基板、n型SiC基板、および、多結晶AlN基板などからなる。支持基板33の表面および裏面には、それぞれ、支持基板33側からAl層、Pt層、Au層の順に積層された、Al/Pt/Au層からなる電極37および38が形成されている。そして、この支持基板33は、電極37を介して、p側電極32に貼り合わされている。   A support substrate 33 having a thickness of about 200 μm to about 1 mm is formed on the upper surface of the p-side electrode 32. The support substrate 33 is made of a p-type diamond substrate, an n-type SiC substrate, a polycrystalline AlN substrate, or the like. On the front surface and the back surface of the support substrate 33, electrodes 37 and 38 each composed of an Al / Pt / Au layer, which are laminated in the order of the Al layer, the Pt layer, and the Au layer from the support substrate 33 side, are formed. The support substrate 33 is bonded to the p-side electrode 32 via the electrode 37.

ここで、第2実施形態では、n型GaN層24の裏面上に、約50nmの膜厚を有するAl層からなる金属層34が形成されている。この金属層34には、図4に示すように、約120nmの直径を有し、p型クラッド層29中の発光波長λにほぼ等しい約190nmの間隔(D)で4回対称に配列している円形の複数の貫通孔34aが形成されている。このような貫通孔34aを有する金属層34は、本発明の「出射面と実質的に平行な面の面内方向に対して周期的に誘電率が変調された部分」の一例である。なお、発光層(SQW活性層27)からの主発光波長λを約440nm、窒化物系半導体の屈折率を2.3として、間隔(D)の値を設計した。また、金属層34の裏面上には、金属層34の貫通孔34aを埋め込むように、ITOなどの酸化物透明導電膜からなるn側電極35が形成されている。また、n側電極35の裏面の外周辺部に沿った約50μmの幅の領域上に、Au層またはAu−Sn層からなるパッド電極36が形成されている。第2実施形態の発光ダイオードは上記のような構造を有する。   Here, in the second embodiment, a metal layer 34 made of an Al layer having a thickness of about 50 nm is formed on the back surface of the n-type GaN layer 24. As shown in FIG. 4, the metal layer 34 has a diameter of about 120 nm and is arranged four times symmetrically at an interval (D) of about 190 nm which is substantially equal to the emission wavelength λ in the p-type cladding layer 29. A plurality of circular through holes 34a are formed. The metal layer 34 having such a through hole 34a is an example of the “portion in which the dielectric constant is periodically modulated in an in-plane direction of a plane substantially parallel to the emission surface” of the present invention. The value of the interval (D) was designed with the main light emission wavelength λ from the light emitting layer (SQW active layer 27) being about 440 nm and the refractive index of the nitride-based semiconductor being 2.3. On the back surface of the metal layer 34, an n-side electrode 35 made of an oxide transparent conductive film such as ITO is formed so as to fill the through hole 34a of the metal layer 34. Further, a pad electrode 36 made of an Au layer or an Au—Sn layer is formed on a region having a width of about 50 μm along the outer peripheral portion on the back surface of the n-side electrode 35. The light emitting diode of the second embodiment has the above structure.

また、第2実施形態では、発光ダイオードのパッド電極36の裏面上に、n型SiC、n型AlNまたはp型ダイヤモンドなどの良好な熱伝導性と導電性とを有する材料からなる平凹レンズ50が、その平面側がn側電極35に向かうように融着されている。なお、平凹レンズ50は、本発明の「発光ダイオードからの出射光を拡散する手段」の一例である。上記した発光ダイオードと平凹レンズとによって、図3に示した第2実施形態による発光素子20が構成されている。   In the second embodiment, a plano-concave lens 50 made of a material having good thermal conductivity and conductivity such as n-type SiC, n-type AlN, or p-type diamond is provided on the back surface of the pad electrode 36 of the light emitting diode. Are fused so that the plane side faces the n-side electrode 35. The plano-concave lens 50 is an example of the “means for diffusing light emitted from the light emitting diode” of the present invention. The light emitting diode 20 and the plano-concave lens constitute the light emitting device 20 according to the second embodiment shown in FIG.

なお、上記第2実施形態による発光素子20においては、n側電極35の裏面が光の出射面となり、図3の矢印で示す方向に光が出射される。   In the light emitting device 20 according to the second embodiment, the back surface of the n-side electrode 35 serves as a light emission surface, and emits light in a direction indicated by an arrow in FIG.

図5は、図3に示した第2実施形態による発光素子の製造プロセスを説明するための断面図である。次に、図3〜図5を参照して、第2実施形態による発光素子20の製造プロセスについて説明する。   FIG. 5 is a sectional view for explaining the manufacturing process of the light emitting device according to the second embodiment shown in FIG. Next, the manufacturing process of the light emitting device 20 according to the second embodiment will be described with reference to FIGS.

まず、図5に示すように、GaP、GaAsまたはSiなどの(111)面(またはGa面)からなる表面を有する半導体基板21を準備する。そして、半導体基板21の上面上に、ストライプ状の開口部や六角形または円形の開口部が点在するSiOやSiNなどからなる選択成長マスク22を形成する。この後、半導体基板21の温度を約400℃〜約700℃に保持した状態で、NH、TMGa、および、TMAlからなる原料ガスと、SiHからなるドーパントガスとを用いることにより、選択成長マスク22間に露出した半導体基板21の表面上に、MOVPE法を用いて、Siをドープした約10nm〜約50nmの膜厚を有する非単結晶のn型GaN、AlGaNまたはAlNからなるn型低温バッファ層23を形成する。 First, as shown in FIG. 5, a semiconductor substrate 21 having a surface made of a (111) plane (or a Ga plane) such as GaP, GaAs, or Si is prepared. Then, on the upper surface of the semiconductor substrate 21, a selective growth mask 22 made of SiO 2 , SiN x, or the like having stripe-shaped openings or hexagonal or circular openings scattered is formed. Thereafter, while the temperature of the semiconductor substrate 21 is maintained at about 400 ° C. to about 700 ° C., selective growth is performed by using a source gas composed of NH 3 , TMGa, and TMAl and a dopant gas composed of SiH 4. On the surface of the semiconductor substrate 21 exposed between the masks 22, an n-type low-temperature n-type GaN, AlGaN, or AlN non-single-crystal n-doped GaN having a film thickness of about 10 nm to about 50 nm is formed by MOVPE. The buffer layer 23 is formed.

次に、半導体基板21を約1000℃〜約1200℃、好ましくは、約1150℃に保持した状態で、Hを約50%含有するH/N混合ガスからなるキャリアガスと、NHおよびTMGaからなる原料ガスと、SiHからなるドーパントガスとを用いることにより、n型低温バッファ層23上に、n型GaN層24を約3μm/hの成長速度で成長させる。 Then, the semiconductor substrate 21 about 1000 ° C. ~ about 1200 ° C., preferably being maintained at about 1150 ° C., and a carrier gas consisting of H 2 / N 2 mixed gas containing H 2 to about 50%, NH 3 An n-type GaN layer 24 is grown on the n-type low-temperature buffer layer 23 at a growth rate of about 3 μm / h by using a source gas of TMGa and TMGa and a dopant gas of SiH 4 .

次に、半導体基板21の温度を約1000℃〜約1200℃、好ましくは、約1150℃に保持した状態で、Hを約1%〜約3%含有するH/N混合ガスからなるキャリアガスと、NH、TMGaおよびTMAlからなる原料ガスと、SiHからなるドーパントガスとを用いることにより、n型GaN層24上に、Siをドープした約40nmの膜厚を有する単結晶のn型Al0.2Ga0.8N層とSiをドープした約40nmの膜厚を有する単結晶のn型GaN層とが交互に10層ずつ積層したn型多層反射層25を約3μm/hの成長速度で成長させる。 Then, the temperature of the semiconductor substrate 21 about 1000 ° C. to about 1200 ° C., preferably being maintained at about 1150 ° C., consisting of H 2 from about 1% to about 3% content to H 2 / N 2 mixed gas By using a carrier gas, a source gas composed of NH 3 , TMGa and TMAl, and a dopant gas composed of SiH 4 , a single-crystal Si-doped single crystal having a thickness of about 40 nm is formed on the n-type GaN layer 24. An n-type multilayer reflective layer 25 in which n-type Al 0.2 Ga 0.8 N layers and Si-doped single-crystal n-type GaN layers each having a thickness of about 40 nm are alternately laminated in layers of about 3 μm / The growth rate is h.

次に、半導体基板21の温度を約1000℃〜約1200℃、好ましくは、約1150℃に保持した状態で、Hを約1%〜約3%含有するH/N混合ガスからなるキャリアガスと、NH、TMGaおよびTMAlからなる原料ガスと、SiHからなるドーパントガスとを用いることにより、n型多層反射層25上に、Siをドープした約0.15μmの膜厚を有する単結晶のn型Al0.1Ga0.9N層からなるn型クラッド層26を約3μm/hの成長速度で成長させる。 Then, the temperature of the semiconductor substrate 21 about 1000 ° C. to about 1200 ° C., preferably being maintained at about 1150 ° C., consisting of H 2 from about 1% to about 3% content to H 2 / N 2 mixed gas By using a carrier gas, a source gas composed of NH 3 , TMGa and TMAl and a dopant gas composed of SiH 4 , the n-type multilayer reflective layer 25 has a thickness of about 0.15 μm doped with Si. An n-type clad layer 26 made of a single-crystal n-type Al 0.1 Ga 0.9 N layer is grown at a growth rate of about 3 μm / h.

次に、半導体基板21の温度を約700℃〜約1000℃、好ましくは、約850℃に保持した状態で、Hを約1%〜約5%含有するH/N混合ガスからなるキャリアガスと、NH、TEGaおよびTMInからなる原料ガスとを用いることにより、n型クラッド層26上に、約5nmの膜厚を有する単結晶のアンドープGa0.8In0.2N井戸層からなるSQW活性層27を約0.4nm/sの成長速度で成長させる。さらに連続して、約10nmの膜厚を有する単結晶のアンドープGaNからなる保護層28を約0.4nm/sの成長速度で成長させる。 Then, the temperature of the semiconductor substrate 21 from about 700 ° C. to about 1000 ° C., preferably being maintained at about 850 ° C., consisting of H 2 from about 1% to about 5% content to H 2 / N 2 mixed gas By using a carrier gas and a source gas composed of NH 3 , TEGa and TMIn, a single-crystal undoped Ga 0.8 In 0.2 N well layer having a thickness of about 5 nm is formed on the n-type cladding layer 26. Is grown at a growth rate of about 0.4 nm / s. Further, a protective layer 28 made of single-crystal undoped GaN having a thickness of about 10 nm is continuously grown at a growth rate of about 0.4 nm / s.

次に、半導体基板21の温度を約1000℃〜約1200℃、好ましくは、約1150℃に保持した状態で、Hを約1%〜約3%含有するH/N混合ガスからなるキャリアガスと、NH、TMGaおよびTMAlからなる原料ガスと、CpMgからなるドーパントガスとを用いることにより、保護層28上に、Mgをドープした約0.15μmの膜厚を有する単結晶のp型Al0.1Ga0.9Nからなるp型クラッド層29を約3μm/hの成長速度で形成する。 Then, the temperature of the semiconductor substrate 21 about 1000 ° C. to about 1200 ° C., preferably being maintained at about 1150 ° C., consisting of H 2 from about 1% to about 3% content to H 2 / N 2 mixed gas By using a carrier gas, a source gas composed of NH 3 , TMGa and TMAl, and a dopant gas composed of Cp 2 Mg, a Mg-doped single crystal having a thickness of about 0.15 μm is formed on the protective layer 28. The p-type cladding layer 29 made of p-type Al 0.1 Ga 0.9 N is formed at a growth rate of about 3 μm / h.

次に、半導体基板21の温度を約1000℃〜約1200℃、好ましくは、約1150℃に保持した状態で、Hを約1%〜約3%含有するH/N混合ガスからなるキャリアガスと、NH、TMGaおよびTMAlからなる原料ガスと、CpMgからなるドーパントガスとを用いることにより、p型クラッド層29上に、Mgをドープした約40nmの膜厚を有する単結晶のp型Al0.2Ga0.8N層とMgをドープした約40nmの膜厚を有する単結晶のp型GaN層とが交互に10層ずつ積層したp型多層反射層30を約3μm/hの成長速度で成長させる。 Then, the temperature of the semiconductor substrate 21 about 1000 ° C. to about 1200 ° C., preferably being maintained at about 1150 ° C., consisting of H 2 from about 1% to about 3% content to H 2 / N 2 mixed gas By using a carrier gas, a source gas composed of NH 3 , TMGa and TMAl, and a dopant gas composed of Cp 2 Mg, a Mg-doped single crystal having a thickness of about 40 nm is formed on the p-type cladding layer 29. The p-type multilayer reflective layer 30 in which 10 p-type Al 0.2 Ga 0.8 N layers and Mg-doped single-crystal p-type GaN layers each having a thickness of about 40 nm are alternately laminated by about 3 μm / H growth rate.

ここで、p型クラッド層29およびp型多層反射層30を、キャリアガスの水素濃度が低い条件(H:約1%〜約3%)で形成することにより、N雰囲気中で熱処理することなく、Mgドーパントが活性化される。これにより、p型クラッド層29およびp型多層反射層30を高キャリア濃度のp型半導体層とすることができる。 Here, the p-type cladding layer 29 and the p-type multilayer reflective layer 30 are heat-treated in an N 2 atmosphere by forming under a condition that the hydrogen concentration of the carrier gas is low (H 2 : about 1% to about 3%). Without this, the Mg dopant is activated. Thereby, the p-type cladding layer 29 and the p-type multilayer reflective layer 30 can be made into a p-type semiconductor layer having a high carrier concentration.

次に、半導体基板21の温度を約700℃〜約1000℃、好ましくは、約850℃に保持した状態で、Hを約1%〜約5%含有するH/N混合ガスからなるキャリアガスと、NH、TEGaおよびTMInからなる原料ガスとを用いることにより、p型多層反射層30上に、約30nmの膜厚を有する単結晶のアンドープGa0.95In0.05Nからなるコンタクト層31を約0.4nm/sの成長速度で成長させる。 Then, the temperature of the semiconductor substrate 21 from about 700 ° C. to about 1000 ° C., preferably being maintained at about 850 ° C., consisting of H 2 from about 1% to about 5% content to H 2 / N 2 mixed gas By using a carrier gas and a source gas composed of NH 3 , TEGa and TMIn, a single crystal undoped Ga 0.95 In 0.05 N having a thickness of about 30 nm is formed on the p-type multilayer reflective layer 30. The contact layer 31 is grown at a growth rate of about 0.4 nm / s.

次に、半導体基板21の温度を約400℃〜約900℃、好ましくは、約800℃に保持した状態で、N雰囲気中でアニールすることにより、コンタクト層31から水素を脱離させる。これにより、コンタクト層31中の水素濃度を約5×1018cm−3以下にする。その後、コンタクト層31にMgを約1×1018cm−3〜約1×1019cm−3の注入量でイオン注入した後、約800℃でN雰囲気中でアニールすることにより、コンタクト層31をp型化する。 Next, while the temperature of the semiconductor substrate 21 is maintained at about 400 ° C. to about 900 ° C., preferably about 800 ° C., hydrogen is desorbed from the contact layer 31 by annealing in an N 2 atmosphere. As a result, the hydrogen concentration in the contact layer 31 is reduced to about 5 × 10 18 cm −3 or less. After that, Mg is ion-implanted into the contact layer 31 at a dose of about 1 × 10 18 cm −3 to about 1 × 10 19 cm −3 , and then annealed at about 800 ° C. in an N 2 atmosphere to thereby form the contact layer. 31 is made p-type.

この後、真空蒸着法などを用いて、コンタクト層31の上面上に、下層から上層に向かって、Ni層、Pd層またはPt層からなる約2nmの膜厚を有するオーミック電極層と、約200nmの膜厚を有するITO膜からなる酸化物透明電極層と、Al層、Ag層またはRh層からなる約1μmの膜厚を有する金属反射層と、Pt層またはTi層からなるバリア電極と、Au層またはAu−Sn層からなるパッド電極とから構成されるp側電極32を形成する。   Thereafter, using a vacuum deposition method or the like, on the upper surface of the contact layer 31, from the lower layer to the upper layer, an ohmic electrode layer having a thickness of about 2 nm made of a Ni layer, a Pd layer, or a Pt layer is formed. An oxide transparent electrode layer made of an ITO film having a thickness of about 1 μm, a metal reflection layer having a thickness of about 1 μm made of an Al layer, an Ag layer or a Rh layer, a barrier electrode made of a Pt layer or a Ti layer, and Au A p-side electrode 32 composed of a layer or a pad electrode made of an Au—Sn layer is formed.

また、表面および裏面にそれぞれAl/Pt/Auからなる電極37および38が形成され、p型ダイヤモンド基板、n型SiC基板および多結晶AlN基板からなる約200μm〜約1mmの厚みを有する支持基板33を準備する。そして、p側電極32の上面上に、支持基板33を、電極37を介して貼り合わせる。   Electrodes 37 and 38 made of Al / Pt / Au are formed on the front and back surfaces, respectively, and a support substrate 33 made of a p-type diamond substrate, an n-type SiC substrate and a polycrystalline AlN substrate and having a thickness of about 200 μm to about 1 mm. Prepare Then, the support substrate 33 is bonded on the upper surface of the p-side electrode 32 via the electrode 37.

次に、半導体基板21をウエットエッチングなどにより除去した後、研磨などにより、選択成長マスク22およびn型低温バッファ層23を除去することにより、n型GaN層24の裏面を露出させる。   Next, after the semiconductor substrate 21 is removed by wet etching or the like, the back surface of the n-type GaN layer 24 is exposed by removing the selective growth mask 22 and the n-type low-temperature buffer layer 23 by polishing or the like.

次に、図3に示したように、真空蒸着法などを用いて、露出されたn型GaN層24の裏面上に、約50nmの膜厚を有するAl層からなる金属層34を形成する。その後、上記第1実施形態のp型コンタクト層11の貫通孔11aの形成プロセスと同様のプロセスを用いて、金属層34に、図4に示したような約120nmの直径を有するとともに、p型クラッド層29中の発光波長λにほぼ等しい約190nmの間隔(D)で4回対称に配列している円形の貫通孔34aを形成する。   Next, as shown in FIG. 3, a metal layer 34 of an Al layer having a thickness of about 50 nm is formed on the exposed back surface of the n-type GaN layer 24 by using a vacuum evaporation method or the like. Then, using a process similar to the process of forming the through hole 11a of the p-type contact layer 11 of the first embodiment, the metal layer 34 has a diameter of about 120 nm as shown in FIG. Circular through-holes 34a are formed four times symmetrically at an interval (D) of approximately 190 nm approximately equal to the emission wavelength λ in the cladding layer 29.

次に、金属層34の貫通孔34aを埋め込むように、金属層34の裏面上に、ITO膜などの酸化物透明導電膜からなるn側電極35を形成する。さらに、n側電極35の裏面の外周辺部に沿った約50μmの幅の領域上に、Au層またはAu−Sn層からなるパッド電極36を形成する。このようにして、第2実施形態の発光ダイオードが形成される。   Next, an n-side electrode 35 made of an oxide transparent conductive film such as an ITO film is formed on the back surface of the metal layer 34 so as to fill the through hole 34a of the metal layer 34. Further, a pad electrode 36 made of an Au layer or an Au—Sn layer is formed on a region having a width of about 50 μm along the outer peripheral portion on the back surface of the n-side electrode 35. Thus, the light emitting diode of the second embodiment is formed.

次に、パッド電極36を介して、n側電極35の裏面上に、n型SiC、n型AlNまたはp型ダイヤモンドなどの良好な熱伝導性と導電性とを有する材料からなる平凹レンズ50を、平面側がn側電極35に向かうように融着する。このようにして、図3に示した発光ダイオードと平凹レンズ50とからなる第2実施形態の発光素子20が形成される。   Next, a plano-concave lens 50 made of a material having good thermal conductivity and conductivity, such as n-type SiC, n-type AlN, or p-type diamond, is formed on the back surface of the n-side electrode 35 via the pad electrode 36. , So that the flat side faces the n-side electrode 35. Thus, the light emitting device 20 according to the second embodiment including the light emitting diode and the plano-concave lens 50 shown in FIG. 3 is formed.

第2実施形態では、上記のように、金属層34の貫通孔34aの間隔D(図4参照)を、p型クラッド層29中の発光波長λにほぼ等しくなるように設定するとともに、上記貫通孔34aに、n側電極35を構成する酸化物透明導電膜を埋め込むことによって、金属層34を、面内方向に対して周期的に誘電率が変調された2次元フォトニック結晶として機能させることができる。このような構造を有する金属層34を、発光ダイオードの出射面であるn側電極35の裏面と平行な面上に形成することによって、発光ダイオードからの発光は出射面に対して垂直な光に平行化されるので、光取り出し効率を高くすることができる。また、上記出射面上に平凹レンズ50を設けることによって、上記出射面に対して垂直な方向に平行化された出射光を、容易に、種々の方向に拡散させることができる。その結果、光取り出し効率が高く、かつ、拡散光を出射することが可能な発光素子20を得ることができる。   In the second embodiment, as described above, the interval D (see FIG. 4) between the through holes 34a of the metal layer 34 is set to be substantially equal to the emission wavelength λ in the p-type cladding layer 29, and By embedding a transparent conductive oxide film forming the n-side electrode 35 in the hole 34a, the metal layer 34 can function as a two-dimensional photonic crystal whose dielectric constant is periodically modulated in the in-plane direction. Can be. By forming the metal layer 34 having such a structure on a surface parallel to the back surface of the n-side electrode 35 that is the light emitting surface of the light emitting diode, light emission from the light emitting diode is converted into light perpendicular to the light emitting surface. Since the light is collimated, the light extraction efficiency can be increased. In addition, by providing the plano-concave lens 50 on the emission surface, the emitted light parallelized in a direction perpendicular to the emission surface can be easily diffused in various directions. As a result, it is possible to obtain the light emitting element 20 that has high light extraction efficiency and can emit diffused light.

(第3実施形態)
図6は、本発明の第3実施形態による発光素子を用いた照明装置の構造を説明するための断面図である。図6を参照して、この第3実施形態では、第1実施形態の発光素子10を構成する発光ダイオード41を含む照明装置40について説明する。
(Third embodiment)
FIG. 6 is a sectional view illustrating a structure of a lighting device using a light emitting device according to a third embodiment of the present invention. With reference to FIG. 6, in the third embodiment, a lighting device 40 including a light emitting diode 41 constituting the light emitting element 10 of the first embodiment will be described.

この第3実施形態による照明装置40では、図1に示した第1実施形態の発光素子10から平凹レンズ50を除いた構造を有する発光ダイオード41を用いている。この発光ダイオード41は、出射面を上方に向けて、Cuなどの高熱伝導性材料からなる発光素子パッケージ42の内側底面に、Au‐Sn半田などの融着材によりボンディングされている。また、発光ダイオード41のn側電極(図示せず)およびp側電極(図示せず)は、ワイヤーボンディングにより、発光素子パッケージ42の端子43と電気的に接続されている。   The lighting device 40 according to the third embodiment uses a light emitting diode 41 having a structure in which the plano-concave lens 50 is removed from the light emitting device 10 of the first embodiment shown in FIG. The light emitting diode 41 is bonded to the inner bottom surface of the light emitting element package 42 made of a highly heat conductive material such as Cu with the light emitting surface facing upward by a fusion material such as Au-Sn solder. The n-side electrode (not shown) and the p-side electrode (not shown) of the light emitting diode 41 are electrically connected to the terminals 43 of the light emitting element package 42 by wire bonding.

発光素子パッケージ42の上部の開口面には、蛍光体44が配置されている。また、蛍光体44の上面上には、ガラス、石英または樹脂などからなる絶縁性の平凹レンズ55が配置されている。   A phosphor 44 is arranged on the upper opening surface of the light emitting element package 42. On the upper surface of the phosphor 44, an insulating plano-concave lens 55 made of glass, quartz, resin or the like is arranged.

第3実施形態では、上記のように、出射面と平凹レンズ55との間に蛍光体44を設置することによって、発光ダイオード41から出射面に対して垂直方向に平行化された出射光が散乱されるため、容易に、拡散光を得ることができる。また、平凹レンズ55によっても、出射光は拡散されるので、より容易に、拡散光を得ることができる。また、発光ダイオード41を、窒化物系半導体により構成することによって、発光ダイオード41からは青色〜紫外の範囲の短波長で高エネルギーの発光が出射されて蛍光体44に照射される。これにより、蛍光体44を用いて出射光の波長を、効率よく、出射光と異なる波長に変換することができるので、種々の蛍光体を組み合わせれば、照明用途に適した白色の発光を得ることができる。   In the third embodiment, as described above, by disposing the phosphor 44 between the emission surface and the plano-concave lens 55, the emission light parallelized in the direction perpendicular to the emission surface from the light emitting diode 41 is scattered. Therefore, diffused light can be easily obtained. Also, the outgoing light is diffused by the plano-concave lens 55, so that diffused light can be more easily obtained. When the light emitting diode 41 is made of a nitride-based semiconductor, high-energy light is emitted from the light emitting diode 41 at a short wavelength in the range from blue to ultraviolet, and is emitted to the phosphor 44. Thereby, the wavelength of the emitted light can be efficiently converted to a different wavelength from the emitted light by using the phosphor 44. Therefore, when various phosphors are combined, white light emission suitable for illumination use is obtained. be able to.

(第4実施形態)
図7は、本発明の第4実施形態による発光素子の構造を説明するための断面図である。図7を参照して、この第4実施形態では、上記第2実施形態の平凹レンズに変えて、凸面鏡を用いる場合の例について説明する。なお、第4実施形態のその他の構造は、上記第2実施形態と同様である。
(Fourth embodiment)
FIG. 7 is a cross-sectional view illustrating a structure of a light emitting device according to a fourth embodiment. In the fourth embodiment, an example in which a convex mirror is used instead of the plano-concave lens of the second embodiment will be described with reference to FIG. The other structure of the fourth embodiment is the same as that of the second embodiment.

この第4実施形態による発光素子60は、図3に示した第2実施形態の発光素子20から平凹レンズ50を除いた構造を有する。すなわち、この第4実施形態の発光ダイオードは、面内方向に対して周期的に誘電率が変調された2次元フォトニック結晶として機能する金属層34を含んでいる。この発光ダイオードの光出射面に対向するように、光出射面から所定の間隔を隔てて、凸面鏡65が配置されている。この凸面鏡65は、樹脂またはガラスからなる凸状部の表面にAlまたはAgからなる反射膜がコーティングされることにより形成されている。なお、この凸面鏡65は、本発明の「発光ダイオードからの出射光を拡散する手段」の一例である。   The light emitting device 60 according to the fourth embodiment has a structure obtained by removing the plano-concave lens 50 from the light emitting device 20 according to the second embodiment shown in FIG. That is, the light emitting diode of the fourth embodiment includes the metal layer 34 that functions as a two-dimensional photonic crystal whose dielectric constant is periodically modulated in the in-plane direction. A convex mirror 65 is arranged at a predetermined distance from the light emitting surface so as to face the light emitting surface of the light emitting diode. The convex mirror 65 is formed by coating the surface of a convex portion made of resin or glass with a reflective film made of Al or Ag. The convex mirror 65 is an example of the “means for diffusing light emitted from the light emitting diode” of the present invention.

第4実施形態による発光素子60では、上記第2実施形態と同様、金属層34を、面内方向に対して周期的に誘電率が変調された2次元フォトニック結晶として機能させることができるので、発光ダイオードからの発光を出射面に対して垂直な光に平行化することができる。これにより、光取り出し効率を向上させることができる。   In the light emitting device 60 according to the fourth embodiment, as in the second embodiment, the metal layer 34 can function as a two-dimensional photonic crystal whose dielectric constant is periodically modulated in the in-plane direction. In addition, light emitted from the light emitting diode can be parallelized to light perpendicular to the emission surface. Thereby, light extraction efficiency can be improved.

また、第4実施形態による発光素子60では、上記のように、凸面鏡65を発光ダイオードの光出射面に対向するように配置することによって、発光ダイオードから出射される光を凸面鏡65により反射して拡散させることができる。   In the light emitting element 60 according to the fourth embodiment, as described above, the convex mirror 65 is disposed so as to face the light emitting surface of the light emitting diode, so that light emitted from the light emitting diode is reflected by the convex mirror 65. Can be diffused.

(第5実施形態)
図8は、本発明の第5実施形態による発光素子の構造を説明するための平面図である。図9は、本発明の第5実施形態による発光素子の構造を説明するための断面図である。図8および図9を参照して、この第5実施形態による発光素子70では、平凹レンズ72aおよび発光ダイオード71をアレイ状(マトリクス状)に2次元的(平面的)に配置した例について説明する。
(Fifth embodiment)
FIG. 8 is a plan view illustrating a structure of a light emitting device according to a fifth embodiment. FIG. 9 is a cross-sectional view illustrating a structure of a light emitting device according to a fifth embodiment. With reference to FIGS. 8 and 9, in a light emitting device 70 according to the fifth embodiment, an example will be described in which a plano-concave lens 72a and a light emitting diode 71 are two-dimensionally (planarly) arranged in an array (matrix). .

この第5実施形態による発光素子70では、図8に示すように、例えばポリカーボネイトからなるレンズ部材72上に、複数の発光ダイオード71が、平面的に見てマトリクス状(アレイ状)に配置されている。具体的には、324個の発光ダイオードが、18個×18個のマトリクス状に配置されている。なお、発光ダイオード71は、図1に示した第1実施形態による発光ダイオードから平凹レンズ50を除いた構造、または、図3に示した第2実施形態の発光ダイオードから平凹レンズ50を除いた構造を有する。すなわち、この第5実施形態の発光ダイオード71は、面内方向に対して周期的に誘電率が変調された2次元フォトニック結晶として機能するp型コンタクト層11(図1参照)または金属層34(図3参照)を含んでいる。   In the light emitting device 70 according to the fifth embodiment, as shown in FIG. 8, a plurality of light emitting diodes 71 are arranged in a matrix (array) as viewed in plan on a lens member 72 made of, for example, polycarbonate. I have. Specifically, 324 light emitting diodes are arranged in a matrix of 18 × 18. The light emitting diode 71 has a structure obtained by removing the plano-concave lens 50 from the light emitting diode according to the first embodiment shown in FIG. 1 or a structure obtained by removing the plano-concave lens 50 from the light emitting diode according to the second embodiment shown in FIG. Having. That is, the light emitting diode 71 of the fifth embodiment has the p-type contact layer 11 (see FIG. 1) or the metal layer 34 which functions as a two-dimensional photonic crystal whose dielectric constant is periodically modulated in the in-plane direction. (See FIG. 3).

また、レンズ部材72は、平面的に見てマトリクス状(アレイ状)に配置された複数の平凹レンズ72aにより構成されている。この平凹レンズ72aは、図8に示すように、3個×3個(合計9個)のマトリクス状に配置されている。また、各々の平凹レンズ72aは、複数(36個)の発光ダイオード71毎に、1つずつの割合で配置されている。ここで、平凹レンズ72aの平面側の表面には、ITO等の透明電極が形成されている。その透明電極から、金属からなるオーミック電極層を介して、発光ダイオード71に通電される。なお、平凹レンズ72aは、本発明の「発光ダイオードからの出射光を拡散する手段」の一例である。   The lens member 72 is composed of a plurality of plano-concave lenses 72a arranged in a matrix (array) as viewed in plan. As shown in FIG. 8, the plano-concave lenses 72a are arranged in a matrix of 3 × 3 (9 in total). Further, each of the plano-concave lenses 72a is arranged at a ratio of one for each of the plurality of (36) light emitting diodes 71. Here, a transparent electrode such as ITO is formed on the surface on the plane side of the plano-concave lens 72a. Electric current is supplied to the light emitting diode 71 from the transparent electrode via an ohmic electrode layer made of metal. The plano-concave lens 72a is an example of the “means for diffusing light emitted from the light emitting diode” of the present invention.

第5実施形態では、上記のように、平凹レンズ72aおよび発光ダイオード71をアレイ状(マトリクス状)に2次元的(平面的)に配置することによって、光の出射する領域を大きくすることができる。これにより、容易に、照明などの光源として使用することができる。   In the fifth embodiment, as described above, by arranging the plano-concave lens 72a and the light-emitting diodes 71 two-dimensionally (in a planar manner) in an array (matrix), the area from which light is emitted can be increased. . Thereby, it can be easily used as a light source such as illumination.

また、第5実施形態では、第1または第2実施形態同様、2次元フォトニック結晶として機能するp型コンタクト層11または金属層34により、出射面に対して垂直方向に平行化された光を得ることができるので、光取り出し効率を向上することができるとともに、平凹レンズ72aにより、平行光された光を拡散させることができる。   In the fifth embodiment, as in the first or second embodiment, the light parallelized in the direction perpendicular to the emission surface by the p-type contact layer 11 or the metal layer 34 functioning as a two-dimensional photonic crystal. As a result, the light extraction efficiency can be improved, and the parallel light can be diffused by the plano-concave lens 72a.

なお、第5実施形態のその他の効果は、上記第1または第2実施形態と同様である。   The other effects of the fifth embodiment are the same as those of the first or second embodiment.

(第6実施形態)
図10は、本発明の第6実施形態による発光素子の構造を説明するための断面図である。図10を参照して、この第6実施形態による発光素子80では、発光ダイオード81からの出射光を拡散する手段として、透明な微粒子からなる拡散剤82aを拡散させた透光性のフィルムからなる拡散シート82を用いる例について説明する。
(Sixth embodiment)
FIG. 10 is a cross-sectional view illustrating a structure of a light emitting device according to a sixth embodiment. Referring to FIG. 10, in a light emitting device 80 according to the sixth embodiment, as a means for diffusing light emitted from light emitting diode 81, a light transmissive film in which a diffusing agent 82a made of transparent fine particles is diffused is used. An example using the diffusion sheet 82 will be described.

すなわち、この第6実施形態では、ガラスまたは透明なプラスチックからなる拡散シート82の表面に、ITOからなる透明電極が形成されている。そして、その拡散シート82の表面の透明電極に、金属からなるオーミック電極層を介して、複数の発光ダイオード81が、平面的に見てマトリクス状(アレイ状)に配置されている。この場合、発光ダイオード81の出射面側を拡散シート82の表面に貼り付ける。なお、発光ダイオード81は、図1に示した第1実施形態による発光ダイオードから平凹レンズ50を除いた構造、または、図3に示した第2実施形態の発光ダイオードから平凹レンズ50を除いた構造を有する。すなわち、この第6実施形態の発光ダイオード81は、面内方向に対して周期的に誘電率が変調された2次元フォトニック結晶として機能するp型コンタクト層11(図1参照)または金属層34(図3参照)を含んでいる。これにより、発光ダイオード81からは出射面に対して垂直方向に平行化された光が出射されるので、光取り出し効率が向上される。   That is, in the sixth embodiment, a transparent electrode made of ITO is formed on the surface of the diffusion sheet made of glass or transparent plastic. A plurality of light emitting diodes 81 are arranged in a matrix (array) in plan view on a transparent electrode on the surface of the diffusion sheet 82 via an ohmic electrode layer made of metal. In this case, the light emitting surface of the light emitting diode 81 is attached to the surface of the diffusion sheet 82. The light emitting diode 81 has a structure obtained by removing the plano-concave lens 50 from the light emitting diode according to the first embodiment shown in FIG. 1 or a structure obtained by removing the plano-concave lens 50 from the light emitting diode according to the second embodiment shown in FIG. Having. That is, the light emitting diode 81 of the sixth embodiment has the p-type contact layer 11 (see FIG. 1) or the metal layer 34 functioning as a two-dimensional photonic crystal whose dielectric constant is periodically modulated in the in-plane direction. (See FIG. 3). Accordingly, light that is collimated in the direction perpendicular to the emission surface is emitted from the light emitting diode 81, so that light extraction efficiency is improved.

ここで、第6実施形態では、拡散シート82内に、約1μm〜約20μmの粒子径を有するほぼ球形状の粒子からなる光拡散剤82aが添加されている。この光拡散剤82aは、SiNx、TiO、Alなどの無機材料、または、ポリメチルメタアクリレート、ポリアクリルニトリル、ポリエステル、シリコーン、ポリエチレン、エポキシ、メラミン・ホルムアルデヒド縮合物、ベンゾグアナミン・ホルムアルデヒド縮合物、メラミン・ベンゾグアナミン・ホルムアルデヒド縮合物などの有機材料からなる。また、たとえば、拡散シート82を透明なプラスチックフィルムにより構成するとともに、光拡散剤82aをメラミン・ベンゾグアナミン・ホルムアルデヒド縮合物により構成する場合のプラスチックフィルムとメラミン・ベンゾグアナミン・ホルムアルデヒド縮合物との重量比は、約30:約70である。 Here, in the sixth embodiment, a light diffusing agent 82a composed of substantially spherical particles having a particle diameter of about 1 μm to about 20 μm is added to the diffusion sheet 82. The light diffusing agent 82a is made of an inorganic material such as SiNx, TiO 2 , Al 2 O 3 , or polymethyl methacrylate, polyacrylonitrile, polyester, silicone, polyethylene, epoxy, melamine / formaldehyde condensate, benzoguanamine / formaldehyde condensate And organic materials such as melamine / benzoguanamine / formaldehyde condensate. Further, for example, when the diffusion sheet 82 is formed of a transparent plastic film and the light diffusing agent 82a is formed of a melamine-benzoguanamine-formaldehyde condensate, the weight ratio between the plastic film and the melamine-benzoguanamine-formaldehyde condensate is as follows: About 30: about 70.

第6実施形態による発光素子80では、上記のように、発光ダイオード81をアレイ状(マトリクス状)に2次元的(平面的)に配置することによって、光の出射する領域を大きくすることができる。これにより、容易に、照明などの光源として使用することができる。   In the light emitting element 80 according to the sixth embodiment, as described above, the light emitting region can be enlarged by arranging the light emitting diodes 81 two-dimensionally (in a planar manner) in an array (matrix). . Thereby, it can be easily used as a light source such as illumination.

また、第6実施形態では、光拡散剤82aが添加された拡散シート82の表面に発光ダイオード81の出射面側を貼り付けることによって、容易に、マトリクス状に配置された発光ダイオード81から出射される光を拡散することができる。   In the sixth embodiment, the light-emitting diodes 81 can be easily emitted from the light-emitting diodes 81 arranged in a matrix by attaching the light-emitting diodes 81 to the surface of the diffusion sheet 82 to which the light-diffusing agent 82a is added. Light can be diffused.

なお、第6実施形態のその他の効果は、上記第1または第2実施形態と同様である。   The other effects of the sixth embodiment are the same as those of the first or second embodiment.

(第7実施形態)
図11は、本発明の第7実施形態による発光素子の構造を説明するための断面図である。図11を参照して、この第7実施形態による発光素子90では、上記第6実施形態と異なり、発光ダイオード91からの出射光を拡散する手段として、表面および裏面に微細な凹凸形状93aおよび93bが形成された拡散シート93を用いる例について説明する。
(Seventh embodiment)
FIG. 11 is a cross-sectional view illustrating a structure of a light emitting device according to a seventh embodiment. Referring to FIG. 11, in the light emitting device 90 according to the seventh embodiment, unlike the sixth embodiment, as a means for diffusing light emitted from the light emitting diode 91, fine irregularities 93a and 93b are formed on the front and rear surfaces. An example in which the diffusion sheet 93 formed with is formed will be described.

すなわち、この第7実施形態では、図11に示すように、ガラスシートまたは透明なプラスチックフィルムからなる透光性の拡散シート93の表面および裏面に、微細な凹凸形状部93aおよび93bが形成されている。この微細な凹凸形状部93aおよび93bでは、隣接する凹部間のピッチ(間隔)が、約200nm〜約2000nm、または、約2μm〜約100μmに設定されている。隣接する凹部間のピッチ(間隔)が、約200〜約2000nmである場合には、その間隔が発光波長と同等または発光波長の数倍に相当するので、回折効果により光が拡散される。また、隣接する凹部間のピッチ(間隔)が、約2μm〜約100μmである場合には、凹凸形状部93aおよび93bにより光が屈折されることによって、光が拡散される。   That is, in the seventh embodiment, as shown in FIG. 11, fine uneven portions 93a and 93b are formed on the front and back surfaces of a light-transmitting diffusion sheet 93 made of a glass sheet or a transparent plastic film. I have. In these fine concave-convex portions 93a and 93b, the pitch (interval) between adjacent concave portions is set to about 200 nm to about 2000 nm, or about 2 μm to about 100 μm. When the pitch (interval) between adjacent recesses is about 200 to about 2000 nm, the light is diffused by the diffraction effect because the interval is equal to or several times the emission wavelength. When the pitch (interval) between adjacent concave portions is about 2 μm to about 100 μm, light is diffused by being refracted by the concave and convex portions 93a and 93b.

また、Alなどの反射率が高くかつ放熱性の良好な材料からなる支持板92の表面に、複数の発光ダイオード91が、平面的に見てマトリクス状(アレイ状)に配置されている。この場合、発光ダイオード91の出射面と反対側を支持板92の表面に貼り付ける。拡散シート93は、支持板92の表面に貼り付けられた発光ダイオード91の光出射面に対向するように、発光ダイオード91から所定の間隔を隔てて配置されている。   A plurality of light emitting diodes 91 are arranged in a matrix (array) in a plan view on the surface of a support plate 92 made of a material having high reflectance and good heat dissipation such as Al. In this case, the side opposite to the emission surface of the light emitting diode 91 is attached to the surface of the support plate 92. The diffusion sheet 93 is arranged at a predetermined distance from the light emitting diodes 91 so as to face the light emitting surface of the light emitting diodes 91 attached to the surface of the support plate 92.

なお、発光ダイオード91は、図1に示した第1実施形態による発光ダイオードから平凹レンズ50を除いた構造、または、図3に示した第2実施形態の発光ダイオードから平凹レンズ50を除いた構造を有する。すなわち、この第7実施形態の発光ダイオード91は、面内方向に対して周期的に誘電率が変調された2次元フォトニック結晶として機能するp型コンタクト層11(図1参照)または金属層34(図3参照)を含んでいる。これにより、発光ダイオード91からは、出射面に対して垂直方向に平行化された光が出射されるので、光取り出し効率が向上される。   The light emitting diode 91 has a structure obtained by removing the plano-concave lens 50 from the light emitting diode according to the first embodiment shown in FIG. 1 or a structure obtained by removing the plano-concave lens 50 from the light emitting diode according to the second embodiment shown in FIG. Having. That is, the light emitting diode 91 of the seventh embodiment has the p-type contact layer 11 (see FIG. 1) or the metal layer 34 which functions as a two-dimensional photonic crystal whose dielectric constant is periodically modulated in the in-plane direction. (See FIG. 3). Thus, the light emitted from the light emitting diode 91 is collimated in the direction perpendicular to the emission surface, so that the light extraction efficiency is improved.

第7実施形態による発光素子90では、上記のように、発光ダイオード91をアレイ状(マトリクス状)に2次元的(平面的)に配置することによって、光の出射する領域を大きくすることができる。これにより、容易に、照明などの光源として使用することができる。   In the light emitting element 90 according to the seventh embodiment, as described above, by arranging the light emitting diodes 91 two-dimensionally (in a planar manner) in an array (matrix), the light emitting area can be increased. . Thereby, it can be easily used as a light source such as illumination.

また、第7実施形態では、表面および裏面に微細な凹凸形状93aおよび93bを有する拡散シート93を設けることによって、容易に、マトリクス状に配置された発光ダイオード91から出射される光を拡散することができる。   In the seventh embodiment, the light emitted from the light-emitting diodes 91 arranged in a matrix can be easily diffused by providing the diffusion sheet 93 having fine irregularities 93a and 93b on the front and back surfaces. Can be.

なお、第7実施形態のその他の効果は、上記第1または第2実施形態と同様である。   The other effects of the seventh embodiment are the same as those of the first or second embodiment.

(第8実施形態)
図12は、本発明の第8実施形態による発光素子を用いた照明装置の構造を説明するための断面図である。図12を参照して、この第8実施形態では、上記第5実施形態による発光素子70を用いた照明装置100について説明する。
(Eighth embodiment)
FIG. 12 is a cross-sectional view illustrating a structure of a lighting device using a light emitting device according to an eighth embodiment. In the eighth embodiment, a lighting device 100 using the light emitting element 70 according to the fifth embodiment will be described with reference to FIG.

この第8実施形態による照明装置100では、図12に示すように、放熱板を兼用するAlからなる反射板101の表面に、上記第5実施形態の平凹レンズ72aおよび発光ダイオード71がアレイ状(マトリクス状)に2次元的(平面的)に配置された発光素子70が取り付けられている。具体的には、発光素子70の発光ダイオード71の光出射面と反対側の面が反射板101に取り付けられている。発光素子70を取り囲むように、凹状のガラス板102が装着されている。凹状のガラス板102の内側には、白色照明用の白色光用蛍光体層103が形成されている。   In the lighting device 100 according to the eighth embodiment, as shown in FIG. 12, the plano-concave lens 72a and the light emitting diode 71 according to the fifth embodiment are arrayed on the surface of a reflective plate 101 made of Al which also serves as a heat sink. The light emitting elements 70 arranged two-dimensionally (in a plane) in a matrix are attached. Specifically, the surface of the light emitting element 70 opposite to the light emitting surface of the light emitting diode 71 is attached to the reflector 101. A concave glass plate 102 is mounted so as to surround the light emitting element 70. A white light phosphor layer 103 for white illumination is formed inside the concave glass plate 102.

白色照明用の白色光用蛍光体層103は、たとえば、青色、緑色、赤色および黄色の4色の蛍光体材料を混合することにより形成されている。この場合、青色の蛍光体材料としては、BaMgAl1017:Euまたは(Sr,Ca,Ba,Mg)10(POCl:Euを用い、緑色の蛍光体材料としては、ZnS:Cu,Alを用いる。また、赤色の蛍光体材料としては、YS:Euを用い、黄色の蛍光体材料としては、(Y,Gd)Al12:Ceを用いる。なお、反射板101には、発光素子70に通電するための端子(図示せず)が設置されている。 The white light phosphor layer 103 for white illumination is formed by, for example, mixing phosphor materials of four colors of blue, green, red and yellow. In this case, BaMgAl 10 O 17 : Eu or (Sr, Ca, Ba, Mg) 10 (PO 4 ) 6 Cl 2 : Eu is used as the blue phosphor material, and ZnS: Cu and Al are used. In addition, Y 2 O 2 S: Eu is used as the red phosphor material, and (Y, Gd) 3 Al 5 O 12 : Ce is used as the yellow phosphor material. Note that a terminal (not shown) for energizing the light emitting element 70 is provided on the reflection plate 101.

第8実施形態による照明装置100では、上記のように、2次元フォトニック結晶として機能するp型コンタクト層11または金属層34を含む発光ダイオード71を用いることにより、出射面に対して垂直方向に平行化された光を得ることができるので、発光ダイオード71の光取り出し効率を向上させることができる。また、平凹レンズ72aにより、発光ダイオード71から出射される平行光を拡散することができるので、照明用として適した拡散光を得ることができる。さらに、平凹レンズ72aおよび発光ダイオード71がアレイ状(マトリクス状)に2次元的(平面的)に配置された発光素子70を用いることによって、光の出射する領域を大きくすることができるので、容易に、照明装置として必要な明るさを得ることができる。   In the lighting device 100 according to the eighth embodiment, as described above, by using the light emitting diode 71 including the p-type contact layer 11 or the metal layer 34 functioning as a two-dimensional photonic crystal, Since the collimated light can be obtained, the light extraction efficiency of the light emitting diode 71 can be improved. Further, since the parallel light emitted from the light emitting diode 71 can be diffused by the plano-concave lens 72a, diffused light suitable for illumination can be obtained. Further, by using the light-emitting element 70 in which the plano-concave lens 72a and the light-emitting diode 71 are arranged two-dimensionally (in a planar manner) in an array (matrix), the area from which light is emitted can be enlarged, so that the light-emitting element can be easily manufactured. In addition, it is possible to obtain the required brightness as a lighting device.

なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。   It should be noted that the embodiment disclosed this time is an example in all respects and is not restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description of the embodiments, and includes all modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.

たとえば、上記実施形態では、本発明の発光ダイオードからの出射光を拡散する手段として、平凹レンズ、凸面鏡、拡散剤を含む拡散シート、および、微細な凹凸形状を有する拡散シートを用いたが、本発明はこれに限らず、出射光を拡散する手段として、他の形状を有するレンズ、鏡または回折格子などを用いてもよい。   For example, in the above embodiment, as a means for diffusing light emitted from the light emitting diode of the present invention, a plano-concave lens, a convex mirror, a diffusion sheet containing a diffusing agent, and a diffusion sheet having fine irregularities are used. The invention is not limited to this, and a lens, a mirror, a diffraction grating, or the like having another shape may be used as a means for diffusing emitted light.

また、上記実施形態では、本発明の周期的に誘電率が変調された部分として、フォトニック結晶を用いる例を示したが、本発明はこれに限らず、周期的に誘電率が変調された部分として、フォトニック結晶以外の構造を用いてもよい。   Further, in the above embodiment, the example in which the photonic crystal is used as the periodically modulated portion of the present invention is described. However, the present invention is not limited to this, and the dielectric constant is periodically modulated. As the portion, a structure other than the photonic crystal may be used.

また、上記第4実施形態の発光素子では、1個の凸面鏡が、1個の発光ダイオードに対して配置されているが、本発明はこれに限らず、凸面鏡は、複数の発光ダイオード毎に、1つずつの割合で配置されてもよく、複数の凸面鏡および発光ダイオードをアレイ状(マトリクス状)に配置してもよい。   In the light emitting device of the fourth embodiment, one convex mirror is arranged for one light emitting diode. However, the present invention is not limited to this, and the convex mirror is provided for each of the plurality of light emitting diodes. The convex mirrors and the light emitting diodes may be arranged in an array (matrix).

また、上記第8実施形態の照明装置では、第5実施形態の発光素子を組み込む例を示したが、本発明はこれに限らず、上記第8実施形態の照明装置に、第6または第7実施形態の発光素子を組み込むようにしてもよい。   In the lighting device of the eighth embodiment, the example in which the light-emitting element of the fifth embodiment is incorporated has been described. However, the present invention is not limited to this. The light emitting element of the embodiment may be incorporated.

第1および第2実施形態において、ガラスなどの絶縁体からなる平凹レンズの平面側に透明電極を形成し、この平面側に発光ダイオードを融着してもよい。   In the first and second embodiments, a transparent electrode may be formed on the plane side of a plano-concave lens made of an insulator such as glass, and a light emitting diode may be fused on this plane side.

本発明の第1実施形態による発光素子の構造を説明するための断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a structure of the light emitting device according to the first embodiment. 本発明の第1実施形態によるp型コンタクト層の平面構造を説明するための上面図である。FIG. 2 is a top view for explaining a planar structure of a p-type contact layer according to the first embodiment of the present invention. 本発明の第2実施形態による発光素子の構造を説明するための断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating a structure of a light emitting device according to a second embodiment. 本発明の第2実施形態による金属層の平面構造を説明するための上面図である。FIG. 9 is a top view for explaining a planar structure of a metal layer according to a second embodiment of the present invention. 図3に示した第2実施形態による発光素子の製造プロセスを説明するための断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view for explaining a manufacturing process of the light emitting device according to the second embodiment shown in FIG. 3. 本発明の第3実施形態による発光素子を用いた照明装置の構造を説明するための断面図である。FIG. 9 is a cross-sectional view illustrating a structure of a lighting device using a light emitting device according to a third embodiment of the present invention. 本発明の第4実施形態による発光素子の構造を説明するための断面図である。FIG. 9 is a cross-sectional view illustrating a structure of a light emitting device according to a fourth embodiment. 本発明の第5実施形態による発光素子の構造を説明するための平面図である。FIG. 11 is a plan view illustrating a structure of a light emitting device according to a fifth embodiment. 本発明の第5実施形態による発光素子の構造を説明するための断面図である。FIG. 9 is a cross-sectional view illustrating a structure of a light emitting device according to a fifth embodiment. 本発明の第6実施形態による発光素子の構造を説明するための断面図である。FIG. 15 is a sectional view illustrating a structure of a light emitting device according to a sixth embodiment; 本発明の第7実施形態による発光素子の構造を説明するための断面図である。FIG. 15 is a sectional view illustrating a structure of a light emitting device according to a seventh embodiment; 本発明の第8実施形態による発光素子を用いた照明装置の構造を説明するための断面図である。It is a sectional view for explaining the structure of the lighting installation using the light emitting element by an 8th embodiment of the present invention. 従来のフォトニック結晶を出射面上に取り付けた発光ダイオード(発光素子)の構造を説明するための断面図である。FIG. 9 is a cross-sectional view illustrating a structure of a light emitting diode (light emitting element) in which a conventional photonic crystal is mounted on an emission surface.

符号の説明Explanation of reference numerals

1 n型GaN基板
4、24 n型GaN層
6、26 n型クラッド層
7 活性層
8、28 保護層
9、29 p型クラッド層
10 発光素子
11、31 p型コンタクト層
11a、34a 貫通孔
12、32 p型電極
16、35 n側電極
50、72 平凹レンズ(発光ダイオードからの出射光を拡散する手段)
65 凸面鏡(発光ダイオードからの出射光を拡散する手段)
82、93 拡散シート(発光ダイオードからの出射光を拡散する手段)
REFERENCE SIGNS LIST 1 n-type GaN substrate 4, 24 n-type GaN layer 6, 26 n-type cladding layer 7 active layer 8, 28 protective layer 9, 29 p-type cladding layer 10 light-emitting element 11, 31 p-type contact layer 11 a, 34 a through hole 12 , 32 p-type electrode 16, 35 n-side electrode 50, 72 plano-concave lens (means for diffusing light emitted from light emitting diode)
65 Convex mirror (means for diffusing light emitted from light emitting diode)
82, 93 Diffusion sheet (means for diffusing light emitted from light emitting diode)

Claims (19)

発光ダイオードと、
前記発光ダイオードの光の出射面と実質的に平行な面上に形成され、前記光の出射面と実質的に平行な面の面内方向に対して周期的に誘電率が変調された部分と、
前記発光ダイオードの光の出射面側に設けられ、前記発光ダイオードから出射される光を拡散する手段とを備えた、発光素子。
A light emitting diode,
A portion formed on a surface substantially parallel to the light emission surface of the light emitting diode, and having a periodically modulated dielectric constant with respect to an in-plane direction of a surface substantially parallel to the light emission surface; ,
A light emitting element provided on a light emitting surface side of the light emitting diode and diffusing light emitted from the light emitting diode.
前記周期的に誘電率が変調された部分は、誘電率の異なる材料を周期的に配置することにより構成されている、請求項1に記載の発光素子。   The light emitting device according to claim 1, wherein the portion where the dielectric constant is periodically modulated is configured by periodically disposing materials having different dielectric constants. 前記周期的に誘電率が変調された部分は、フォトニック結晶からなる、請求項1または2に記載の発光素子。   The light emitting device according to claim 1, wherein the portion where the dielectric constant is periodically modulated is made of a photonic crystal. 前記出射光を拡散する手段は、導電性を有する、請求項1〜3のいずれか1項に記載の発光素子。   The light emitting device according to claim 1, wherein the means for diffusing the outgoing light has conductivity. 前記出射光を拡散する手段は、レンズを含む、請求項1〜4のいずれか1項に記載の発光素子。   The light emitting device according to claim 1, wherein the means for diffusing the emitted light includes a lens. 前記出射光を拡散する手段は、凹レンズを含む、請求項5に記載の発光素子。   The light emitting device according to claim 5, wherein the means for diffusing the emitted light includes a concave lens. 前記凹レンズは、平坦な第1の面と凹状の第2の面とを有する平凹レンズを含む、請求項6に記載の発光素子。   The light emitting device according to claim 6, wherein the concave lens includes a plano-concave lens having a flat first surface and a concave second surface. 前記光の出射面と前記出射光を拡散する手段との間に設けられた蛍光体をさらに備える、請求項1〜7のいずれか1項に記載の発光素子。   The light emitting device according to any one of claims 1 to 7, further comprising a phosphor provided between the light emitting surface and the means for diffusing the emitted light. 前記出射光を拡散する手段は、凸面鏡を含む、請求項1〜4のいずれか1項に記載の発光素子。   The light emitting device according to any one of claims 1 to 4, wherein the means for diffusing the emitted light includes a convex mirror. 前記出射光を拡散する手段は、実質的に透明な微粒子からなる光拡散剤が分散された透光性の部材を含む、請求項1〜4のいずれか1項に記載の発光素子。   The light emitting device according to any one of claims 1 to 4, wherein the means for diffusing the emitted light includes a light transmitting member in which a light diffusing agent made of substantially transparent fine particles is dispersed. 前記出射光を拡散する手段は、表面および裏面の少なくとも一方に微細な凹凸形状を有する透光性の部材を含む、請求項1〜4のいずれか1項に記載の発光素子。   The light emitting device according to any one of claims 1 to 4, wherein the means for diffusing the emitted light includes a translucent member having fine irregularities on at least one of a front surface and a back surface. 前記発光ダイオードは、発光層を含み、
前記発光層は、窒化物系半導体からなる、請求項1〜11のいずれか1項に記載の発光素子。
The light emitting diode includes a light emitting layer,
The light emitting device according to claim 1, wherein the light emitting layer is made of a nitride semiconductor.
前記発光ダイオードは、平面的に見て、マトリクス状に複数配置されている、請求項1〜12のいずれか1項に記載の発光素子。   The light emitting device according to claim 1, wherein a plurality of the light emitting diodes are arranged in a matrix when viewed in plan. 前記出射光を拡散する手段は、レンズを含み、
前記レンズは、平面的に見て、マトリクス状に複数配置されている、請求項13に記載の発光素子。
The means for diffusing the outgoing light includes a lens,
The light emitting device according to claim 13, wherein a plurality of the lenses are arranged in a matrix when viewed in plan.
発光ダイオードと、
前記発光ダイオードの光の出射面と実質的に平行な面上に形成され、前記光の出射面と実質的に平行な面の面内方向に対して周期的に誘電率が変調された部分と、
前記発光ダイオードの光の出射面側に設けられ、前記発光ダイオードから出射される光を拡散する手段と、を含む発光素子を備えた、照明装置。
A light emitting diode,
A portion formed on a surface substantially parallel to the light emission surface of the light emitting diode, and having a periodically modulated dielectric constant with respect to an in-plane direction of a surface substantially parallel to the light emission surface; ,
A lighting device, comprising: a light emitting element provided on a light emitting surface side of the light emitting diode and configured to diffuse light emitted from the light emitting diode.
前記発光素子から所定の間隔を隔てて配置され、前記発光素子から出射される光を白色の光に変換するための白色光用蛍光体をさらに備える、請求項15に記載の照明装置。   The lighting device according to claim 15, further comprising a white light phosphor disposed at a predetermined distance from the light emitting element and configured to convert light emitted from the light emitting element to white light. 前記白色光用蛍光体は、複数の色の蛍光体材料を混合することにより形成されている、請求項16に記載の照明装置。   17. The lighting device according to claim 16, wherein the phosphor for white light is formed by mixing phosphor materials of a plurality of colors. 前記発光素子を構成する前記発光ダイオードは、平面的に見て、マトリクス状に複数配置されている、請求項15〜17のいずれか1項に記載の照明装置。   The lighting device according to any one of claims 15 to 17, wherein a plurality of the light-emitting diodes constituting the light-emitting element are arranged in a matrix when viewed in plan. 前記出射光を拡散する手段は、レンズを含み、
前記レンズは、平面的に見て、マトリクス状に複数配置されている、請求項18に記載の照明装置。
The means for diffusing the outgoing light includes a lens,
The lighting device according to claim 18, wherein the plurality of lenses are arranged in a matrix when viewed in plan.
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