JP2008140918A - 発光素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】製造を容易に行うことができ、光の取り出し効率の優れた発光素子およびその製造方法を提供すること。
【解決手段】本発明に係る発光素子は、サファイア基板である基板（１０）上にＡｌＮ層である第３半導体層（３０）、ｎ型ＧａＮ層である第１半導体層（１５）、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ多層膜層である活性層（１７）およびｎ型と反対の導電型のｐ型ＧａＮ層である第２半導体層（１９）がこの順に設けられていて、第２半導体層（１９）から第３半導体層（３０）まで貫通する逆テーパの形状をした凹部（２３）が設けられている。
【選択図】 図８

Description

本発明は、発光素子およびその製造方法に関し、より詳細には凹部を有する発光素子およびその製造方法に関する。

発光素子はＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）やＬＤ（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ）のように光を発光する素子であり、光通信や光記憶媒体を用いた記憶装置等に用いられる。例えばサファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）基板を用いたＧａＮ系半導体からなる発光素子は青色の光を発するとして注目を浴びている。なお、ＧａＮ系半導体とは、ＧａＮ（窒化ガリウム）やＧａＮとＡｌＮ（窒化アルミニウム）との混晶であるＡｌＧａＮやＧａＮとＩｎＮ（窒化インジウム）との混晶であるＩｎＧａＮ等の半導体のことをいう。

高輝度の発光素子を得る上で重要となるのは、活性層で発生した光を如何に効率よく外部に取り出すかである。図１に一般的なＧａＮ系半導体発光素子（従来例１）の断面図を示す。図１を参照に、サファイア基板である基板１０上にｎ型ＧａＮ層１２、活性層１４およびｎ型と反対の導電型のｐ型ＧａＮ層１６が設けられている。（以下、ｎ型ＧａＮ層１２、活性層１４およびｐ型ＧａＮ層１６をＧａＮ半導体層１３と呼ぶ）サファイアの比屈折率は１．７程度であり、ＧａＮの比屈折率は２．４程度である。このため、ＧａＮ半導体層１３は屈折率の低い空気とサファイアとに挟まれた構造になっている。したがって、図２に示すように、活性層１４で発生した光のうち、ｐ型ＧａＮ層１６の光取り出し面２０に臨界角（±２４°）以内で入射した光は、光取り出し面２０から外部に出射されるが、臨界角以上で入射した光は、ＧａＮ半導体層１３を反射しながら横方向に伝搬することになる。この横方向に伝搬する光の大部分は発光素子の側面から外部に出射される。発光素子の側面から出射した光も光出力として検出することができるが、活性層１４を通過する際に光が吸収されるため、損失となり光の取り出し効率が低下してしまう。

そこで、活性層１４で発生した光を効率よく光取り出し面２０から外部に取り出す方法として様々な方法が考えられている。例えば、特許文献１には、ＧａＮ半導体層１３に穴部を設けることで光の取り出し効率を向上させる技術が開示されている。図３は特許文献１に係るＧａＮ系半導体発光素子（従来例２）の断面図および効果を示す図である。図３を参照に、ｎ型ＧａＮ層１２の途中まで穴部２２が設けられている。その他の構成については従来例１と同じであり、図１に示しているので説明を省略する。従来例２によれば、ＧａＮ半導体層１３を横方向に伝搬してきた光の一部は、穴部２２に進行する際に光取り出し面２０の方向に屈折され、光取り出し面２０から外部に出射される。このため、光の取り出し効率を向上させることができる。

例えば、特許文献２には、ＧａＮ半導体層１３に楔形の反射溝を設けることで光の取り出し効率を向上させる技術が開示されている。図４は特許文献２に係るＧａＮ系半導体発光素子（従来例３）の断面図および効果を示す図である。図４を参照に、サファイアである基板１０の一方の面にＧａＮ半導体層１３が設けられている。ＧａＮ半導体層１３には楔形の反射溝２４が設けられている。光取り出し面２０は基板１０のＧａＮ半導体層１３が設けられていない側の面である。従来例３によれば、活性層１４で発生した光のうち、ＧａＮ半導体層１３を横方向に伝搬してきた光の半分程度は反射溝２４で光取り出し面２０の方向に反射され、光取り出し面２０から外部に出射される。このため、光の取り出し効率を向上させることができる。

例えば、特許文献３には、光取り出し面２０の形状を凸凹にすることで光の取り出し効率を向上させる技術が開示されている。図５は特許文献３に係るＧａＮ系半導体発光素子（従来例４）の断面図および効果を示す図である。図５を参照に、ＧａＮ基板である基板１０の一方の面にＧａＮ半導体層１３が設けられている。光取り出し面２０は基板１０のＧａＮ半導体層１３が設けられていない側の面である。光取り出し面２０は凸凹をした形状をしている。従来例4によれば、凸凹の形状がない場合には光取り出し面２０に臨界角以上で入射し、光取り出し面２０で反射されてしまう光も、光取り出し面２０が凸凹の形状をしていることにより臨界角の方向を変えることができるため、光取り出し面２０から外部に出射することができる。このため、光の取り出し効率を向上させることができる。

例えば、特許文献４には、外部に出射する光の波長よりも短い周期で、格子状に複数の凸部を光取り出し面２０上に設けることで光の取り出し効率を向上させる技術が開示されている。
特許第３６９１９５１号 特許第３７６７４２０号 特開２００３−６９０７５号公報 特許第３７２３８４３号

しかしながら、例えば、特許文献１に係るＧａＮ系半導体発光素子は、穴部２２に進行した光の大部分は再びＧａＮ半導体層１３に入射されてしまうという課題がある。図６に示すように、穴部２２の間口を広げることで、光取り出し面２０から外部に出射する光の量を増やすことは出来るが、再びＧａＮ半導体層１３に入射する光は未だ存在する。また、穴部２２の間口を広げると活性層１４の面積が減少してしまうため、発光量自体が減少してしまうという課題がある。さらに、穴部２２は基板１０に垂直に設けられているため、基板１０に垂直方向に伝搬する光を光取り出し面２０から取り出すことができないという課題がある。

また、例えば、特許文献２に係るＧａＮ系半導体発光素子は、ＧａＮ半導体層１３を横方向に伝搬してきた光のうち、反射溝２４に進行した光の大部分は反射溝２４から外部に出射してしまうため、光取り出し面２０から取り出すことができないという課題がある。

さらに、例えば、特許文献３に係るＧａＮ系半導体発光素子は、基板１０に水平方向に進む光については、光取り出し面２０から取り出しにくいという課題がある。

さらに、例えば、特許文献４に係るＧａＮ系半導体発光素子は、ＧａＮ系半導体発光素子で一般的に用いられるサファイア基板は非常に硬質な物質のため、光取り出し面２０があるサファイア基板に凸部を設ける加工は困難であるという課題がある。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、製造を容易に行うことができ、光の取り出し効率が優れた発光素子およびその製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、基板上に設けられた第１半導体層と、前記第１半導体層上に設けられた活性層と、前記活性層上に設けられた、前記第１半導体層と反対の導電型である第２半導体層と、を具備し、前記第２半導体層から前記第１半導体層まで貫通する凹部が形成され、前記凹部が前記第１半導体層から前記第２半導体層に向かって狭まる逆テーパの形状をしていることを特徴とする発光素子である。本発明によれば、製造を容易に行うことができ、光の取り出し効率が優れた発光素子を提供することができる。

上記構成において、前記基板と前記活性層との間に設けられた、ＡｌとＮとを含む第３半導体層を具備し、前記凹部が前記第３半導体層まで貫通している構成とすることができる。この構成によれば、製造をより容易に行うことができる。

上記構成において、前記第１半導体層、前記活性層および前記第２半導体層はＧａＮ系半導体層である構成とすることができる。この構成によれば、青色の光を発する発光素子を得ることができる。

上記構成において、前記凹部の側面と前記基板の法線とのなす角度が２０°以上である構成とすることができる。この構成によれば、光の取り出し効率を向上させることができる。

上記構成において、前記凹部は穴部である構成とすることができる。上記構成において、上記構成において、前記凹部は溝部である構成とすることができる。

上記構成において、前記溝部は[１００]、[０１０]および[１１０]方向のいずれかに平行方向に延伸している構成とすることができる。この構成によれば、活性層の面積が小さくなることによる発光量の減少を防ぐことができる。

上記構成において、前記第２半導体層の表面の形状が凸凹している構成とすることができる。この構成によれば、光の取り出し効率をより向上させることができる。

上記構成において、前記基板はサファイア、ＳｉＣ、ＳｉおよびＧａＮである構成とすることができる。

本発明は、ＡｌとＮとを含む第３半導体層と、前記第３半導体層上に設けられた第１半導体層と、前記第１半導体層上に設けられた活性層と、前記活性層上に設けられた前記第１半導体層と反対の導電型である第２半導体層と、を具備し、前記第２半導体層から前記第３半導体層まで貫通している孔部が形成され、前記孔部が前記第３半導体層から前記第２半導体層に向かって狭まる逆テーパの形状をしている構成とすることができる。本発明によれば、製造を容易に行うことができ、光の取り出し効率が優れた発光素子を提供することができる。

本発明は、基板上に第１半導体層を形成する工程と、前記第１半導体層上に活性層を形成する工程と、前記活性層上に前記第１半導体層と反対の導電型である第２半導体層を形成する工程と、前記第２半導体層から前記第１半導体層まで貫通し、前記第１半導体層から前記第２半導体層に向かって狭まる逆テーパの形状をしている凹部を形成する工程と、を有することを特徴とする発光素子の製造方法。本発明によれば、製造を容易に行うことができ、光の取り出し効率が優れた発光素子の製造方法を提供することができる。

上記構成において、前記逆テーパの形状をしている凹部を形成する工程は、前記第２半導体層から前記第１半導体層まで貫通する凹部をドライエッチングにより形成する工程と、前記凹部が逆テーパの形状になるようにエッチング液によるウエットエッチングにより形成する工程とを含む構成とすることができる。この構成によれば、逆テーパの形状をした凹部を容易に形成することができる。

上記構成において、前記エッチング液は、水酸化ナトリウム溶液、水酸化カリウム溶液、リン酸およびリン酸を含む混酸のいずれかである構成とすることができる。

上記構成において、前記基板と前記活性層との間にＡｌとＮとを含む第３半導体層を形成する工程を有する構成とすることができる。この構成によれば、逆テーパの形状をした凹部をより容易に形成することができる。

本発明によれば、製造を容易に行うことができ、光の取り出し効率が優れた発光素子およびその製造方法を提供することができる。

以下、図面を参照に本発明の実施例について説明する。

図７（ａ）は比較例１に係る発光素子の上面図であり、図７（ｂ）は図７（ａ）のＡ−Ａ間の断面図である。図８（ａ）は実施例１に係る発光素子の上面図であり、図８（ｂ）は図８（ａ）のＡ−Ａ間の断面図である。

図７（ａ）を参照に、ｎ電極パッド２６とｐ電極パッド２８との間に円形の穴部である凹部２３が設けられている。図７（ｂ）を参照に、サファイア基板である基板１０上にＡｌＮ（窒化アルミニウム）層である第３半導体層３０が設けられている。第３半導体層３０上には、ｎ型ＧａＮ層である第１半導体層１５、ＩｎＧａＮ／ＧａＮの多層膜層である活性層１７およびｎ型と反対の導電型のｐ型ＧａＮ層である第２半導体層１９がこの順に設けられている。第３半導体層３０、第１半導体層１５、活性層１７および第２半導体層１９を貫通して凹部２３が設けられている。隣接する凹部２３の間隔Ｌ１は約２０μｍであり、凹部２３の半径は約２μｍである。凹部２３の深さは約４．２μｍである。光取り出し面２０は第２半導体層１９の表面である。なお、ＳｉドープＧａＮ層３２、アンドープＧａＮ層３４、ＩＴＯ層３５、ＩＴＯ層３６およびＳｉＯ_２（酸化珪素）層４０は図示を省略している。（以下、図８（ｂ）、図１７、図１９（ｂ）、図２０および図２１においても同様に図示を省略している）

図８（ａ）および図８（ｂ）を参照に、凹部２３は逆テーパの形状をした六角錘の形をしている。発光素子外周部の破線は、発光素子外周部も逆テーパの形状をしていることを示している。その他の構成については、比較例１と同じであり、図７（ａ）および図７（ｂ）に図示しているので説明を省略する。なお、逆テーパの形状とは、基板１０に水平方向な凹部２３の断面の面積が、第１半導体層１５から第２半導体層１９に向かうにつれて徐々に狭まる形状をいう。図９は図８（ａ）のＢ−Ｂ間の、逆テーパ形状をした凹部２３の断面ＳＥＭの模式図を示している。図９を参照に、凹部２３と基板１０とのなす角度は４２．９°である。本発明者の確認によれば、凹部２３と基板１０とのなす角度は４０°〜４５°になる。この角度および凹部２３の側面と基板１０との交差する線の方向[１００]方向から、凹部２３の側面は（１０−１−２）面もしくは（３０−３−８）面であると考えられるが、（１１−２０）面も熱リン酸によりウエットエッチングでエッチングされるため、逆テーパ状の穴部である凹部２３の側面は（１１−２０）面と類似した原子配列をもつ（３０−３−８）面であると考えられる。

図１０（ａ）から図１２（ｃ）を参照に、実施例１に係る発光素子の第１の製造方法を説明する。

図１０（ａ）を参照に、サファイア基板である基板１０上に、ＭＯＣＶＤ法（有機金属化学的気相成長法）により、ＡｌＮ層である第３半導体層３０、ＳｉドープＧａＮ層３２、アンドープＧａＮ層３４、ｎ型ＧａＮ層である第１半導体層１５、ＩｎＧａＮ／ＧａＮの多層膜層である活性層１７およびｎ型と反対の導電型のｐ型ＧａＮ層である第２半導体層１９をこの順に形成する。図１０（ｂ）を参照に、７５０℃の窒素雰囲気中で１０分間アニールを行い、第２半導体層１９を活性化させた後、フォトレジストを用いてパターニングを行い、ＩＣＰ−ＲＩＥ（誘導プラズマエッチング）装置を用いて、おもにＣｌ_２ガスにより活性層１７から０．１μｍの深さまで第１半導体層１５、活性層１７および第２半導体層１９をエッチングする。図１０（ｃ）を参照に、９０ｗｔ％のＩｎ_２Ｏ_３と１０ｗｔ％のＳｎＯ_２との複合酸化物をソースにして、電子ビーム蒸着法により膜厚２００ÅのＩＴＯ（酸化インジウム錫）層３５を形成する。ＩＴＯ層３５のＩｎ組成比は１０％である。５００℃の大気雰囲気中でアニールを行い、ＩＴＯ層３５を透明化させる。次に、ＲＦマグネトロンスパッタ装置を用いて、９０ｗｔ％のＩｎ_２Ｏ_３と１０ｗｔ％のＳｎＯ_２との複合酸化物をターゲットにして、酸素分圧１．９×１０^−３Ｐａの酸素添加Ａｒガスプラズマによりプラズマパワー１００Ｗ、圧力０．４Ｐａ、温度２００℃の条件により膜厚２５００ÅのＩＴＯ層３６を形成する。

図１１（ａ）を参照に、フォトレジストを用いてパターンニングを行い、ＩＴＯ層３５およびＩＴＯ層３６を４５℃のＨＮＯ_３：ＨＣｌ：Ｈ_２Ｏ＝０．０８：１：１の王水によりエッチングする。図１１（ｂ）を参照に、ＲＦマグネトロンスパッタ装置を用いて膜厚１．０μｍのＳｉＯ_２層４０を形成した後に、フォトレジストを用いてパターニングを行い、ＩＣＰ−ＲＩＥ装置を用いてＣＦ_４ガスによりＳｉＯ_２層４０をエッチングする。図１１（ｃ）を参照に、ＳｉＯ_２層４０をマスクにして、ＩＣＰ−ＲＩＥ装置を用いておもにＣｌ_２ガスにより第２半導体層１９、活性層１７、第１半導体層１５、アンドープＧａＮ層３４、ＳｉドープＧａＮ層３２および第３半導体層３０をドライエッチングして、第２半導体層１９から第３半導体層３０まで貫通した円形の穴部である凹部２３を形成する。つまり、第２半導体層１９から第１半導体層１５まで貫通する凹部２３を形成する。

図１２（ａ）を参照に、１００℃の熱リン酸をエッチング液として、凹部２３をこの熱リン酸に１００分程浸して、凹部２３の形状が逆テーパの形状になるようウエットエッチングする。凹部２３の形状が逆テーパの形状になるのは、ＧａＮ膜において基板１０に近い面はＮ（窒素）極性面であり、基板１０に遠い面はＧａ（ガリウム）極性面であるという特徴があるためである。熱リン酸によるウエットエッチングは、ＡｌＮ層はエッチングされやすく、ＧａＮ膜はＮ極性面からのみエッチングが進むという特徴がある。このため、凹部２３を熱リン酸によりウエットエッチングすると、まずＡｌＮ層である第３半導体層３０がエッチングをされ、その後ＧａＮ膜の基板１０に近いＮ極性面からエッチングがされる。したがって、熱リン酸によるウエットエッチングをすることで、凹部２３の形状を第１半導体層１５から第２半導体層１９に向かって狭まる逆テーパの形状にすることができる。

図１２（ｂ）を参照に、フォトレジストを用いてパターニングを行い、バッファードフッ酸でＳｉＯ_２層４０をエッチングする。その後、エッチングしたＳｉＯ_２層４０の箇所に基板１０側からＴａ（タンタル）／Ａｌ（アルミニウム）／Ｐｔ（白金）で構成されるｎコンタクト電極４２を蒸着によるリフトオフ法により形成する。図１２（ｃ）を参照に、５００℃の大気雰囲気中でｎコンタクト電極４２をアニールした後、フォトレジストを用いてパターンニングを行い、バッファードフッ酸でＳｉＯ_２層４０をエッチングする。その後、エッチングしたＳｉＯ_２層４０の箇所およびｎコンタクト電極４２上にＮｉ（ニッケル）／Ａｕ（金）を蒸着によるリフトオフ法により形成をして、ｎ電極パッド２６およびｐ電極パッド２８を形成する。これにより、実施例１に係る発光素子が完成する。

図１３（ａ）から図１５を参照に、実施例１に係る発光素子の第２の製造方法を説明する。

第１半導体層１５、活性層１７および第２半導体層１９をエッチングする所までは第１の製造方法と同じであり、図１０（ａ）および図１０（ｂ）に示しているので説明を省略する。

図１３（ａ）を参照に、９０ｗｔ％のＩｎ_２Ｏ_３と１０ｗｔ％のＳｎＯ_２との複合酸化物をソースにして、電子ビーム蒸着法により膜厚１００ÅのＩＴＯ層３５を形成する。５００℃大気雰囲気中でアニールを行いＩＴＯ層３５を透明化させる。ＲＦマグネトロンスパッタ装置を用いて膜厚１．０μｍのＳｉＯ_２層４０を形成する。その後、フォトレジストを用いてパターンニングを行い、ＩＣＰ−ＲＩＥ装置を用いてＣＦ_４ガスによりＳｉＯ_２層４０をエッチングする。

図１３（ｂ）を参照に、ＳｉＯ_２層４０をマスクにして、ＩＣＰ−ＲＩＥ装置を用いて、おもにＣｌ_２ガスによりＩＴＯ層３５、第２半導体層１９、活性層１７、第１半導体層１５、アンドープＧａＮ層３４、ＳｉドープＧａＮ層３２および第３半導体層３０をドライエッチングして、第３半導体層３０まで貫通した円形の穴部である凹部２３を形成する。つまり、第２半導体層１９から第１半導体層１５まで貫通する凹部２３を形成する。

図１３（ｃ）を参照に、１００℃の熱リン酸をエッチング液として、凹部２３をこの熱リン酸に１００分程浸して凹部２３の形状が逆テーパの形状になるようウエットエッチングする。この時、ＩＴＯ層３５の側面が熱リン酸に接してしまうが、ＩＴＯ層３５は電子ビーム蒸着法により成膜しているため、酸素含有率が少ない等の理由から、熱リン酸にはエッチングされ難いという特性がある。

図１４（ａ）を参照に、ＳｉＯ_２層４０を除去した後、ＲＦマグネトロンスパッタ装置を用いて、９０ｗｔ％のＩｎ_２Ｏ_３と１０ｗｔ％のＳｎＯ_２との複合酸化物をターゲットにして、酸素分圧１．９×１０^−３Ｐａの酸素添加Ａｒガスプラズマによりプラズマパワー１００Ｗ、圧力０．４Ｐａ、温度２００℃の条件により膜厚２５００ÅのＩＴＯ層３６を形成する。

図１４（ｂ）を参照に、フォトレジストを用いてパターンニングを行い、ＩＴＯ層３５およびＩＴＯ層３６を４５℃のＨＮＯ_３：ＨＣｌ：Ｈ_２Ｏ＝０．０８：１：１の王水によりエッチングする。図１４（ｃ）を参照に、フォトレジストを用いてパターンニングを行い、Ｔａ／Ａｌ／Ｐｔからなるｎコンタクト電極４２を蒸着によるリフトオフ法により形成する。図１５を参照に、５００℃の大気雰囲気中でｎコンタクト電極４２をアニールした後、Ｎｉ／Ａｕからなるｎ電極パッド２６およびｐ電極パッド２８を形成する。これにより、実施例１に係る発光素子が完成する。

図１６は実施例１に係る発光素子と比較例１に係る発光素子のＩ−Ｌ特性を示している。図１６を参照に、実施例１の方が比較例１に比べて光出力が高いことが分かる。例えば、電流１０ｍＡでの光出力は、実施例１は０．９ｍＷ程度であり比較例１は０．５ｍＷと、実施例１は比較例１に比べて約１．９倍の光出力が得られている。なお、比較例１に係る発光素子の光出力は、凹部２３が設けられていない発光素子（従来例１）に比べて約２．６倍の光出力が得られている。

図１７は実施例１に係る発光素子の光取り出し効果を説明するための図である。図１７を参照に、凹部２３の形状が逆テーパの形状をしているため、凹部２３の側面に臨界角以上で入射した光のうち半分程度の光（ａ）は、凹部２３の側面での反射により光取り出し面２０に向かって伝搬する光に変わる。残りの半分程度の光（ｂ）は、凹部２３の側面と基板１０とでの反射を繰り返して、大部分は光取り出し面２０に向かって伝搬する光に変わる。したがって、凹部２３の側面に臨界角以上で入射した光は大部分が光取り出し面２０に向かって伝搬する光に変わり、光取り出し面２０から外部に出射される。

また、凹部２３の側面に臨界角以内で入射した光は凹部２３に進行する。ここで、凹部２３は空気で充満されている。よって、第１半導体層１５、活性層１７および第２半導体層１９内を伝搬してきた光は、高屈折率なＧａＮ（比屈折率２．４）から低屈折率な空気に進行することになる。このため、凹部２３の側面の法線より基板１０に垂直方向を向いている光、つまり凹部２３の側面の法線より下側の光（ｃ）は凹部２３に進行した際に、スネルの法則により大きく基板１０に垂直方向に向きを変えて、基板１０に進行する。基板１０に進行した光のうち、基板１０の下面に臨界角以内で入射した光は、基板１０の下面から外部に出射される。一方、基板１０の下面に臨界角以上で入射した光は、基板１０の下面で反射され、基板１０を水平方向に伝搬して、基板１０の側面から外部に出射される。また、凹部２３の側面の法線より基板１０に水平方向を向いている光、つまり凹部２３の側面の法線より上側の光は凹部２３に進行した際に、スネルの法則によりその一部の光（ｄ）は凹部２３の上部より直接外部に出射され、残りの光（ｅ）は凹部２３の向かいの側面に進行し、その大部分は透過する。この向かいの側面に透過する際に、スネルの法則により光取り出し面２０を向いた光に変えられ、直接または何回かの反射を繰り返した後大部分が光取り出し面２０から外部に出射される。

基板１０には活性層１４が存在しないため光の吸収による損失が起こらない。このため、基板１０を伝搬して基板１０の側面から外部に出射された光は、従来例１のように光がＧａＮ半導体層１３を伝搬して側面から外部に出射した光に比べて光の取り出し効率が優れている。

実施例１によれば、凹部２３の形状が逆テーパ状をしているため、基板１０に水平方向に伝搬する光および垂直方向に伝搬する光の半分以上を光取り出し面２０から外部に取り出すことができる。このため、従来例２の穴部２２が設けられている発光素子や従来例４の光取り出し面２０の形状が凸凹している発光素子に比べて、光の取り出し効率を向上させることができる。

また、実施例１によれば、凹部２３に進行した光のうち基板１０に向かった光は、基板１０下面から外部に出射する光を除いて、基板１０を水平方向に伝搬して基板１０の側面から外部に出射される。基板１０の側面から出射された光も光出力として検出することが出来る。このため、従来例３のように、反射溝２４に進行した光が反射溝２４から外部に出射してしまう場合に比べて、光の取り出し効率を向上させることができる。

さらに、実施例１によれば、凹部２３は逆テーパの形状をしているため、従来例３のように反射溝２４が楔形をしている場合に比べて、図１７に示すように、基板１０に水平方向の活性層１４の長さＬ２を長くとることができる。このため、実施例１は従来例３に比べて発光量自体を多くすることができる。

さらに、実施例１によれば、逆テーパ状の凹部２３は第３半導体層３０まで貫通して基板１０に達している。このため、従来例３のように楔形の反射溝２４が基板１０まで達していない場合に比べて、凹部２３の側面の面積Ｓ１（図１７参照）を大きくすることができる。よって、第１半導体層１５、活性層１７および第２半導体層１９を伝搬する光をより多く光取り出し面２０に向かって反射させることができる。このため、従来例３に比べ光取り出し面２０から外部に出射する光の量が増えるため、光の取り出し効率を向上させることができる。

さらに、実施例１によれば、逆テーパ状の凹部２３の形成を第３半導体層３０、第１半導体層１５、活性層１７および第２半導体層１９で行うため、非常に硬質なサファイア基板である基板１０に凸部の形成を行う従来例４に比べて容易に製造することができる。

実施例１において、逆テーパ状の凹部２３が第３半導体層３０まで貫通して基板１０に達している場合を例に示したが、これに限らず、第１半導体層１５まで貫通していれば活性層１７で発生した光を光取り出し面２０に反射することができるためよい。しかしながら、凹部２３の側面の面積Ｓ１が大きい方がより多くの光を光取り出し面２０に向かって反射させることができるため凹部２３が第３半導体層３０を貫通して基板１０まで達している場合が好ましい。

実施例１において、第１半導体層１５はｎ型ＧａＮ層、活性層１７はＩｎＧａＮ／ＧａＮの多層膜層、第２半導体層１９はｐ型ＧａＮ層である場合を例に示したが、これに限らず、第１半導体層１５がｐ型ＧａＮ層、第２半導体層１９がｎ型ＧａＮ層である場合でもよい。また、第１半導体層１５、活性層１７および第２半導体層１９にその他のＧａＮ系半導体やＧａＮ系半導体以外の半導体を用いても良い。

また、実施例１において、基板１０と活性層１７との間に形成された第３半導体層３０はＡｌＮ層である場合を例に示したが、これに限らず、ＡｌＧａＮ層等ＡｌとＮとを含む物質であれば逆テーパ状をした凹部２３を容易に形成できるためその他の物質でもよい。

さらに、実施例１において、第３半導体層３０は基板１０に接して設けられている場合を例に示したが、これに限らず、基板１０と活性層１７との間に設けられていれば、第１半導体層１５まで貫通した逆テーパ状の凹部２３を容易に形成することができるためよい。

さらに、実施例１において、基板１０はサファイア基板である場合を例に示したが、これに限らずＳｉＣ基板、Ｓｉ基板およびＧａＮ基板等その他の物質でもよい。

さらに、実施例１において、エッチング液は１００℃の熱リン酸を用いた場合を例に示したが、これに限らず、水酸化ナトリウム溶液、水酸化カリウム溶液およびリン酸を含む混酸等、逆テーパの形状を形成出来る物質であれば他の物質でもよい。

さらに、実施例１において、ドライエッチングにより形成した穴部である凹部２３の基板１０に水平方向な断面の形が円形である場合を例に示したが、これに限らず楕円形や方形等その他の形でもよい。

図１８（ａ）は発光素子側面角度と光の取り出し効率との関係を示す図であり、図１８（ｂ）はその時の実験に用いた発光素子（比較例２）の断面図を示している。図１８（ｂ）を参照に、比較例２に係る発光素子は、基板１０上にＧａＮ半導体層１３が設けられている。ＧａＮ半導体層１３の側面と基板の法線との角度を発光素子側面角度２１とする。発光素子側面角度２１はＧａＮ半導体層１３が逆テーパの形状になる角度を正とする。図１８（ａ）を参照に、発光素子側面角度２１が２０°以上の場合に光の取り出し効率が急激に向上していることが分かる。比較例２に係る発光素子の発光素子側面角度２１と光の取り出し効率との関係は、実施例１に係る発光素子にも適用できると考えられる。したがって、実施例１に係る発光素子の凹部２３の側面と基板１０の法線とのなす角は２０°以上であることが好ましい。また、凹部２３の側面と基板１０の法線とのなす角が３０°以上の場合はなお好ましい。さらに、凹部２３の側面と基板１０の法線とのなす角が４０°以上の場合はさらに好ましい。

図１９（ａ）は実施例２に係る発光素子の上面図であり、図１９（ｂ）は図１９（ａ）のＡ−Ａ間の断面図である。図１９（ａ）および図１９（ｂ）を参照に、ｎ電極パッド２６とｐ電極パッド２８との間に逆テーパの形状をした溝部である凹部２３が設けられている。溝部である凹部２３はＧａＮの[１００]、[０１０]および[１１０]方向のいずれかに平行方向に延伸している。[１００]、[０１０]および[１１０]に対しては、それぞれ１８０°方向が異なる[−１００]、[０−１０]および[−１−１０]方向も存在するが、実質的には[１００]、[０１０]および[１１０]の３方向になる。図１９（ａ）上図で、例えば、一番左にある横方向に延伸している溝部の方向を[１００]とした場合には、図１９（ａ）上図に示すように[０１０]および[１１０]方向の溝部が形成される。その他の構成については、実施例１と同じであり、図８（ａ）および図８（ｂ）に図示しているので説明を省略する。

実施例２によれば、溝部である凹部２３はＧａＮの[１００]、[０１０]および[１１０]方向のいずれかに平行方向に延伸している。このため、逆テーパの形状を形成するためのウエットエッチングにおいて溝部である凹部２３の幅が広がることを防ぐことが出来る。したがって、活性層１７の面積が小さくなることを防止でき、発光量自体が減少することを防止することができる。

図２０は実施例３に係る発光素子の断面図および光取り出し効果を示す図である。図２０を参照に、光取り出し面２０である第２半導体層１９の表面の形状を凸凹にしている。その他の構成については実施例１に係る発光素子と同じであり、図８（ｂ）および図１７に示しているので説明を省略する。

実施例３によれば、第２半導体層１９の表面の形状が凸凹していることにより臨界角の方向を変えることができる。このため、第２半導体層１９の表面の形状が凸凹をしていない場合では第２半導体層１９の表面に臨界角以上で入射して反射される光も、第２半導体層１９の表面に臨界角以内で入射される場合が生じ、光取り出し面２０から外部に出射することができる。このため、実施例１に比べ光の取り出し効率を向上させることができる。

図２１は実施例４に係る発光素子の断面図である。図２１を参照に、第３半導体層３０上に第１半導体層１５、活性層１７および第２半導体層１９がこの順に設けられている。第２半導体層１９から第３半導体層３０まで貫通する孔部４４が設けられている。孔部４４の形状は第３半導体層３０から第２半導体層１９に向かって狭まる逆テーパの形状をしている。

実施例４によれば、活性層１７の長さＬ３を従来例３に比べて長くとることができる。このため、実施例４は従来例３に比べ発光量自体を多くすることができる。また、孔部４４の側面の面積Ｓ２が従来例３に比べて大きくなる。よって、第１半導体層１５、活性層１７および第２半導体層１９を伝搬する光をより多く光取り出し面２０に向かって反射させることができる。このため、従来例３に比べ光取り出し面２０から外部に出射する光の量が増えるため、光の取り出し効率を向上させることができる。

また、実施例４によれば、基板１０がないため、例えば放熱性に優れた実装基板に直接実装することができる。このため、サファイアからなる基板１０を有している実施例１に比べて、優れた放熱性を得ることができる。

実施例４においても、第２半導体層１９の表面の形状を凹凸にすることにより、実施例３と同じ効果を得ることができる。

以上、本発明の好ましい実施例について記載したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

図１は従来例１に係るＧａＮ系半導体発光素子の断面図である。 図２は従来例１に係るＧａＮ系半導体発光素子の効果を説明するための断面図である。 図３は従来例２に係るＧａＮ系半導体発光素子の断面図および効果を説明するための図である。 図４は従来例３に係るＧａＮ系半導体発光素子の断面図および効果を説明するための図である。 図５は従来例４に係るＧａＮ系半導体発光素子の断面図および効果を説明するための図である。 図６は従来例２に係るＧａＮ系半導体発光素子の課題を説明するための断面図である。 図７（ａ）は比較例１に係る発光素子の上面図、図７（ｂ）は図７（ａ）のＡ−Ａ間の断面図である。 図８（ａ）は実施例１に係る発光素子の上面図、図８（ｂ）は図８（ａ）のＡ−Ａ間の断面図である。 図９は図８（ａ）のＢ−Ｂ間の凹部２３の断面ＳＥＭの模式図である。 図１０（ａ）から図１０（ｃ）は実施例１に係る発光素子の第１の製造方法を示す断面図（その１）である。 図１１（ａ）から図１１（ｃ）は実施例１に係る発光素子の第１の製造方法を示す断面図（その２）である。 図１２（ａ）から図１２（ｃ）は実施例１に係る発光素子の第１の製造方法を示す断面図（その３）である。 図１３（ａ）から図１３（ｃ）は実施例１に係る発光素子の第２の製造方法を示す断面図（その１）である。 図１４（ａ）から図１４（ｃ）は実施例１に係る発光素子の第２の製造方法を示す断面図（その２）である。 図１５は実施例１に係る発光素子の第２の製造方法を示す断面図（その３）である。 図１６は実施例１に係る発光素子と比較例１に係る発光素子とのＩ−Ｌ特性を示す図である。 図１７は実施例１に係る発光素子の効果を説明するための図である。 図１８（ａ）は比較例２に係る発光素子の発光素子側面角度と光取り出し効率との関係を示す図であり、図１８（ｂ）は比較例２に係る発光素子の断面図である。 図１９（ａ）は実施例２に係る発光素子の上面図、図１９（ｂ）は図１９（ａ）のＡ−Ａ間の断面図である。 図２０は実施例３に係る発光素子の断面図および効果を説明するための図である。 図２１は実施例４に係る発光素子の断面図である。

符号の説明

１０ 基板
１２ ｎ型ＧａＮ層
１３ ＧａＮ半導体層
１４ 活性層
１５ 第１半導体層
１６ ｐ型ＧａＮ層
１７ 活性層
１９ 第２半導体層
２０ 光取り出し面
２１ 発光素子側面角度
２２ 穴部
２３ 凹部
２４ 反射溝
２６ ｎ電極パッド
２８ ｐ電極パッド
３０ 第３半導体層
３２ ＳｉドープＧａＮ層
３４ アンドープＧａＮ層
３５ ＩＴＯ層
３６ ＩＴＯ層
４０ ＳｉＯ_２層
４２ ｎコンタクト電極
４４ 孔部

Claims (14)

1. 基板上に設けられた第１半導体層と、
   前記第１半導体層上に設けられた活性層と、
   前記活性層上に設けられた、前記第１半導体層と反対の導電型である第２半導体層と、を具備し、
   前記第２半導体層から前記第１半導体層まで貫通する凹部が形成され、前記凹部が前記第１半導体層から前記第２半導体層に向かって狭まる逆テーパの形状をしていることを特徴とする発光素子。
2. 前記基板と前記活性層との間に設けられた、ＡｌとＮとを含む第３半導体層を具備し、
   前記凹部が前記第３半導体層まで貫通していることを特徴とする請求項１記載の発光素子。
3. 前記第１半導体層、前記活性層および前記第２半導体層はＧａＮ系半導体層であることを特徴とする請求項１または２記載の発光素子。
4. 前記凹部の側面と前記基板の法線とのなす角度が２０°以上であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項記載の発光素子。
5. 前記凹部は穴部であることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項記載の発光素子。
6. 前記凹部は溝部であることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項記載の発光素子。
7. 前記溝部は[１００]、[０１０]および[１１０]方向のいずれかに平行方向に延伸していることを特徴とする請求項６記載の発光素子。
8. 前記第２半導体層の表面の形状が凸凹していることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項記載の発光素子。
9. 前記基板は、サファイア、ＳｉＣ、ＳｉおよびＧａＮのいずれかであることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項記載の発光素子。
10. ＡｌとＮとを含む第３半導体層と、
    前記第３半導体層上に設けられた第１半導体層と、
    前記第１半導体層上に設けられた活性層と、
    前記活性層上に設けられた前記第１半導体層と反対の導電型である第２半導体層と、を具備し、
    前記第２半導体層から前記第３半導体層まで貫通している孔部が形成され、前記孔部が前記第３半導体層から前記第２半導体層に向かって狭まる逆テーパの形状をしていることを特徴とする発光素子。
11. 基板上に第１半導体層を形成する工程と、
    前記第１半導体層上に活性層を形成する工程と、
    前記活性層上に前記第１半導体層と反対の導電型である第２半導体層を形成する工程と、
    前記第２半導体層から前記第１半導体層まで貫通し、前記第１半導体層から前記第２半導体層に向かって狭まる逆テーパの形状をしている凹部を形成する工程と、を有することを特徴とする発光素子の製造方法。
12. 前記逆テーパの形状をしている凹部を形成する工程は、前記第２半導体層から前記第１半導体層まで貫通する凹部をドライエッチングにより形成する工程と、前記凹部が逆テーパの形状になるようにエッチング液によるウエットエッチングにより形成する工程と、を含むことを特徴とする請求項１１記載の発光素子の製造方法。
13. 前記エッチング液は、水酸化ナトリウム溶液、水酸化カリウム溶液、リン酸およびリン酸を含む混酸のいずれかであることを特徴とする請求項１２記載の発光素子の製造方法。
14. 前記基板と前記活性層との間にＡｌとＮとを含む第３半導体層を形成する工程を有することを特徴とする請求項１１から１３のいずれか一項記載の発光素子の製造方法。

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