JP2018182154A - 面発光型半導体発光素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成で光出力および光取出効率を向上させることができる面発光型半導体素子およびその製造方法を提供する。
【解決手段】面発光型ＬＥＤ１０は、ｐ型半導体層２と、ｎ型半導体層３と、ｐ型半導体層２とｎ型半導体層３との間に配置された活性層１と、を含む多層の半導体積層体１５と、ｐ型半導体層２側の外表面に形成されたｐ側電極１１と、ｎ型半導体層３側の外表面に形成されたｎ側電極１２と、半導体積層体１５の側面を覆う第一の反射部材と、半導体積層体１５の積層方向に対向する２つの外表面のいずれか一方を覆う第二の反射部材と、を備える。
【選択図】 図３

Description

本発明は、面発光型半導体発光素子およびその製造方法に関する。

従来、エピタキシャル成長させた層に対して略垂直な方向に光を出射させる面発光型半導体発光素子として、面発光型発光ダイオード（ＬＥＤ）が知られている。このような面発光型ＬＥＤでは、光を取り出したい方向（光取出方向）における光取出効率を向上させることが望まれている。

上記の光取出効率を向上させる方法として、例えば特許文献１には、実装の際、ＬＥＤの近傍に反射カップを設置し、ＬＥＤの側方から出射される光を反射カップで反射させて光取出方向に集光させる方法が開示されている。また、特許文献２には、面発光型ＬＥＤにおいて、半導体基板と発光部との間に、発光部に含まれる活性層が発する光を光取出方向である半導体基板とは反対側に反射する反射部を設ける点が開示されている。
さらに、特許文献３には、光取出面にフォトニック結晶のようなナノ構造やモスアイ構造など凹凸パターンを形成することで、光取出効率を向上させる点が開示されている。また、特許文献４には、微細な共振器構造により光出射方向への出射光の強度を増強させるマイクロキャビティＬＥＤが開示されている。

特開平１１−８４１５号公報 特開２０１１−１７６００１号公報 特開２０１３−１６５３７号公報 特開平９−２８３８６２号公報

上記特許文献１に記載の技術にあっては、別途、ＬＥＤの外部にミラーを備え付ける必要があるため、実装が複雑化する。また、特許文献２に記載の技術にあっては、活性層に対して光取出方向とは反対側の面にのみ反射部を配置する構成であるため、活性層の側方から出射される発光光は、上記特許文献１に記載の技術などを適用しない限り、そのままでは損失となり、その分、光出力や光取出効率が低下する。

さらに、特許文献３に記載の技術にあっては、フォトニック結晶構造やモスアイ構造を別途形成する必要があるため、その分、作製プロセスが増加するなど複雑化する。また、特定の波長域の光しか取り出せない（取り出せる光の波長幅が面発光型ＬＥＤの発光波長幅より狭くなる）ことも懸念される。また、特許文献４に記載のマイクロキャビティＬＥＤでは、自然放出光を共振させるために、出射光の波長をλとし活性層の屈折率をｎ_ａとしたとき、活性層の厚さをλ／（２×ｎ_ａ）程度にする必要があり、設計の自由度が制限される。さらに、キャビティを形成するための誘電体多層反射膜を形成するなど素子構造が複雑化する。

そこで、本発明は、簡易な構成で光出力および光取出効率を向上させることができる面発光型半導体発光素子およびその製造方法を提供することを課題としている。

上記課題を解決するために、本発明に係る面発光型半導体発光素子の一態様は、ｐ型半導体層と、ｎ型半導体層と、前記ｐ型半導体層と前記ｎ型半導体層との間に配置された活性層と、を含む多層の半導体積層体と、前記半導体積層体の前記ｐ型半導体層側の外表面に形成されたｐ側電極と、前記半導体積層体の前記ｎ型半導体層側の外表面に形成されたｎ側電極と、前記半導体積層体の側面を覆う第一の反射部材と、前記半導体積層体の積層方向に対向する２つの外表面のいずれか一方を覆う第二の反射部材と、を備える。
このように、半導体積層体の活性層の側方を第一の反射部材によって覆うことで、活性層の側方から発光された発光光を第一の反射部材により反射し、再び発光光として活用することができる。また、活性層から半導体積層体の積層方向に発光された発光光のうち一方の光は、第二の反射部材によって反射され、第二の反射部材が配置されていない方向へ伝搬させることができる。したがって、簡易な構成で光出力の増加、および高効率化が図れる。

また、上記の面発光型半導体発光素子において、前記第二の反射部材は、前記２つの外表面のうち光取出方向とは反対側の面に設けられていてもよい。このように、半導体積層体における光取出方向以外の面を第一の反射部材および第二の反射部材によって覆う構成としてもよい。これにより、確実に光を取り出したい方向における光出力を増加させることができる。
さらに、上記の面発光型半導体発光素子において、光取出方向が、前記積層方向における、前記活性層に対して前記ｎ型半導体層が配置された側へ向かう方向であってもよい。この場合、ｎ側電極が形成された側から出射光を出射するｎ側出射型の面発光型半導体発光素子とすることができる。

また、上記の面発光型半導体発光素子において、前記第一の反射部材と前記第二の反射部材とは、前記半導体積層体上において連続して一体的に形成されていてもよい。この場合、半導体積層体の側面と一方の外表面とを漏れなく反射部材によって覆うことができる。また、第一の反射部材と第二の反射部材とを１工程で同時に形成することができるので、製造プロセスが簡略化する。
さらに、上記の面発光型半導体発光素子において、前記第一の反射部材および前記第二の反射部材は、金属材料により構成されていてもよい。これにより、活性層からの発光光を適切に反射させることができる。

また、上記の面発光型半導体発光素子において、前記第二の反射部材は、前記ｐ側電極および前記ｎ側電極のいずれか一方を兼ねていてもよい。この場合、ｐ側電極とは別に第二の反射部材を設ける必要がなく、部品点数を削減することができる。そのため、素子の小型化を実現することができるとともに、コストを削減することができる。
さらに、上記の面発光型半導体発光素子において、前記ｐ側電極と前記ｎ側電極とは、前記半導体積層体の積層方向から見て互いに重ならない位置に形成されていてもよい。この場合、電極が出射光を遮蔽しない配置とすることができ、光出力および光取出効率の低下を適切に抑制することができる。

また、上記の面発光型半導体発光素子において、前記第一の反射部材によって覆われた前記半導体積層体の形状は、前記積層方向を軸方向とする円柱形状であってよい。なお、円柱形状とは、面発光型半導体発光素子の光取出方向に直交する断面形状が、円形または略円形（楕円形を含む。）である立体形状であり、例えば円錐台を含む。
このように、半導体積層体の形状を円柱形状とすることで、均一な発光パターンや強度を得ることができる。また、半導体積層体の活性層の側面に伝搬した発光光を、第一の反射部材によって上記側面の法線方向に反射させることができる。そのため、上記側方への伝搬方向の違いによる反射特性を均一化することができ、効率良くフォトンリサイクリングを起こすことができる。つまり、活性層の側方から出射した光を、再度活性層から発光する発光光として活用しやすくなる。

さらに、上記の面発光型半導体発光素子において、前記半導体積層体の側面と前記第一の反射部材との間に配置された絶縁層をさらに備えてもよい。この場合、第一の反射部材が導電性材料により構成されている場合であっても、第一の反射部材によってｐ型半導体層とｎ型半導体層とが電気的に接続されてしまうことを防止することができる。
また、上記の面発光型半導体発光素子において、前記絶縁層は、さらに前記ｐ型半導体層側の外表面の周縁部にも形成され、前記ｐ側電極は、前記ｐ型半導体層側の外表面における前記絶縁層が形成されていない領域に接続されていてもよい。これにより、ｐ側電極から注入されたホールが水平方向への拡散により半導体層と絶縁層５の界面に達し、界面を流れるキャリアとして非発光電流となり、内部量子効率を低下させることを抑制することができる。

さらに、上記の面発光型半導体発光素子において、前記半導体積層体が主面上に形成されたＩｎＰ基板をさらに備えてもよい。この場合、波長１０００ｎｍ〜１６５０ｎｍの出射光を得る面発光型半導体発光素子とすることができ、多岐に渡る使用用途に対応することができる。
また、上記の面発光型半導体発光素子において、前記面発光型半導体発光素子は、面発光型発光ダイオードであってもよい。つまり、簡易な構成で高出力および光効率な面発光型発光ダイオードを実現することができる。

さらに、本発明に係る面発光型半導体発光素子の製造方法の一態様は、ｐ型半導体層と、ｎ型半導体層と、前記ｐ型半導体層と前記ｎ型半導体層との間に配置された活性層と、を含む多層の半導体積層体の側面を第一の反射部材によって覆う工程と、前記半導体積層体の積層方向に対向する２つの外表面のいずれか一方を第二の反射部材によって覆う工程と、含む。
これにより、活性層の側方から発光された発光光を第一の反射部材により反射し、活性層から半導体積層体の積層方向に発光された発光光のうち一方の光を、第二の反射部材により反射することができる面発光型半導体発光素子とすることができる。したがって、簡易な構成で光出力の増加、および高効率化が図れる。

本発明によれば、面発光型半導体素子において、簡易な構成で光出力および光取出効率を向上させることができる。

第一の実施形態における面発光型ＬＥＤの構成例を示す斜視図である。 第一の実施形態における面発光型ＬＥＤの構成例を示す斜視図である。 第一の実施形態の面発光型ＬＥＤのメサ周りの概略構成図である。 第一の実施形態の面発光型ＬＥＤの製造プロセスを説明する図である。 第一の実施形態の面発光型ＬＥＤの製造プロセスを説明する図である。 第一の実施形態の面発光型ＬＥＤの製造プロセスを説明する図である。 第一の実施形態の面発光型ＬＥＤの製造プロセスを説明する図である。 第一の実施形態の面発光型ＬＥＤの製造プロセスを説明する図である。 第一の実施形態の面発光型ＬＥＤの製造プロセスを説明する図である。 第一の実施形態の面発光型ＬＥＤの製造プロセスを説明する図である。 第一の実施形態の面発光型ＬＥＤの製造プロセスを説明する図である。 第一の実施形態の面発光型ＬＥＤの製造プロセスを説明する図である。 第一の実施形態の面発光型ＬＥＤの実装例である。 第二の実施形態における面発光型ＬＥＤの構成例を示す斜視図である。 第二の実施形態の金属ミラー電極の形状の一例である。 第二の実施形態の面発光型ＬＥＤの断面の概略図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
なお、以下に説明する実施形態は、本発明の実現手段としての一例であり、本発明が適用される装置の構成や各種条件によって適宜修正又は変更されるべきものであり、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。また、以下に説明する図面において、同一または機能的に同様の構成要素については同一符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。さらに、各図面は、以下の説明と併せて参照したときに分かりやすいように示したものであり、必ずしも一定の比率の縮尺で描かれていない。

（第一の実施形態）
図１および図２は、本実施形態における面発光型半導体発光素子の構成例を示す図である。本実施形態では、面発光型半導体発光素子が面発光型発光ダイオード（ＬＥＤ）である場合について説明する。ここで、図１は、面発光型ＬＥＤ１０を光取出方向（光出射方向）とは反対側の面を示す斜視図（鳥瞰図）、図２は、面発光型ＬＥＤ１０を光取出方向側の面を示す斜視図（鳥瞰図）である。
本実施形態では、面発光型ＬＥＤ１０は、波長１０００ｎｍ〜１６５０ｎｍの出射光Ｌを出射するものとして説明する。面発光型ＬＥＤ１０は、光取出方向とは反対側の外表面（ｐ側表面）に形成されたｐ側電極１１と、光取出方向側の外表面（ｎ側表面）に形成されたｎ側電極１２と、光を発光する発光部１３と、を備える。つまり、本実施形態における面発光型ＬＥＤ１０は、ｎ側出射型の面発光型ＬＥＤである。

発光部１３によって発光された発光光は、ｎ側表面の出射領域Ｌ１から出射光Ｌとして出射される。ここで、出射領域Ｌ１の位置および大きさは、発光部１３の位置および大きさに対応している。
また、ｎ側電極１２は、ｎ側表面において、出射光Ｌを遮蔽しない位置に配置されている。具体的には、ｎ側電極１２は、ｎ側表面において、発光部１３が配置された領域に対応する出射領域Ｌ１に対してオフセットして配置されている。

本実施形態において、発光部１３は、複数の半導体層が積層されたメサ構造を有する半導体積層体（以下、単に「メサ」という。）を含んで構成されている。以下、メサ周りの具体的構成について、図３を参照しながら説明する。
図３に示すように、発光部１３は、基板１４上に形成されたメサ１５を備える。メサ１５は、活性層１と、活性層１を挟むように配置されたｐ型半導体層（ｐ型クラッド層）２およびｎ型半導体層（ｎ型クラッド層）３と、ｐ型半導体層２上に配置されたコンタクト層４と、を備える。
本実施形態では、メサ１５は、半導体層の積層方向を軸方向とする円柱形状を有する。ここで、本実施形態における円柱形状とは、面発光型ＬＥＤ１０の光取出方向に直交する断面形状が、円形または略円形（楕円形を含む。）である立体形状であり、例えば円錐台も含む。なお、メサ１５の形状は円柱形状に限定されるものではなく、任意の形状とすることができる。

基板１４は、例えばｎ型ＩｎＰ基板である。また、活性層１は、例えばアンドープＩｎＧａＡｓＰにより構成され、ｐ型半導体層２は、例えばｐ型ＩｎＰにより構成され、ｎ型半導体層３は、例えばｎ型ＩｎＰにより構成されている。また、コンタクト層４は、例えばｐ型ＩｎＧａＡｓにより構成されている。
なお、活性層１は、ＩｎＧａＡｌＡｓ材料により構成されていてもよい。さらに、ｐ型半導体層２およびｎ型半導体層３は、ＩｎＧａＡｓＰやＩｎＧａＡｌＡｓ、ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｓなどより構成されていてもよい。

そして、ｐ側電極１１は、ｐ型半導体層２側の外表面であるｐ側表面に、絶縁層５を介してメサ１５を覆うように形成されている。絶縁層５は、ＳｉＯ₂やＳｉＮ、Ａｌ₂Ｏ₃などにより構成することができる。絶縁層５には、メサ１５の頂部において、例えば円形の開口部５ａが設けられており、ｐ側電極１１は、当該開口部５ａにおいてコンタクト層４と電気的に接続している。このように、メサ１５の側面およびメサ１５の光取出方向とは反対側の面は、ｐ側電極１１によって覆われている。また、図３では図示を省略しているが、ｎ型半導体層３側の外表面（基板１４におけるメサ１５とは反対側の面）には、ｎ側電極１２が形成されている。

ｐ側電極１１は、金属により構成されており、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕのうち少なくとも１つを含んで構成されている。例えば、ｐ側電極１１は、Ｔｉ膜、Ｐｔ膜およびＡｕ膜を順次積層した多層金属膜とすることができる。また、ｎ側電極１２は、ｐ側電極１１と同様の構成とすることができる。
本実施形態において、ｐ側電極１１は、光を反射するミラーの役割を担う反射部材である。具体的には、ｐ側電極１１は、メサ１５の側面を覆う第一の反射部材と、メサ１５の積層方向に対向する２つの外表面のうち光取出方向とは反対側の面（ｐ型半導体層２側の外表面）を覆う第二の反射部材と、を含んで構成されている。なお、本実施形態における以下の説明では、ｐ側電極１１を金属ミラー電極１１ともいう。

金属ミラー電極１１とｎ側電極１２とから注入されたキャリアは、活性層１において再結合することで発光光となり、光取出方向とは反対方向であるｐ型半導体層２の方向（図３の上方向）と、光取出方向であるｎ型半導体層３の方向（図３の下方向）と、光取出方向に対して直交する方向である活性層１の側方方向（図３の左右方向）とに伝搬される。これらのうち、ｐ型半導体層２側に伝搬された光は、コンタクト層４上の金属ミラー電極（第一の反射部材）１１によってｎ型半導体層３側に反射される。また、活性層１の側方方向に伝搬された光は、活性層１の側方の金属ミラー電極（第二の反射部材）１１によって反射され、活性層１に戻される。

上述したように、活性層１は円柱形状をしている。そのため、活性層１の側方に伝搬した光は、側方に形成された金属ミラー電極１１によって、伝搬方向の違いによる反射特性の違いなく略垂直に反射される。そして、それを繰り返すうちに効率良く活性層１に吸収され（フォトンリサイクリング）、キャリアとなり、再び発光光としてｐ型半導体層２の方向とｎ型半導体層３の方向と活性層１の側方方向とに伝搬することになる。つまり、活性層１の側方に伝搬した光を、効率良く再び発光光として活用することができる。

このように、本実施形態における面発光型ＬＥＤ１０は、メサ１５の活性層１における光取出方向以外の面を覆う金属ミラー電極１１を備える。そのため、活性層１から発光された発光光のうち、光取出方向以外に伝搬された光を、光取出方向に伝搬された光と合わせて出射光Ｌとして出射させることができる。したがって、金属ミラー電極１１を設けない場合と比較して、高出力かつ高効率な出射光Ｌを得ることができる。

次に、本実施形態における面発光型ＬＥＤ１０の製造方法について説明する。
面発光型ＬＥＤ１０の製造に際しては、まず図４に示すように、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）やＬＰＥ（Liquid Phase Epitaxy）法などを用い基板１４上にｎ型半導体層３を形成し、ｎ型半導体層３上に活性層１を形成し、活性層１上にｐ型半導体層２を形成し、ｐ型半導体層２上にコンタクト層４を形成する。このようにして、半導体多層膜をエピタキシャル成長させたウェハを準備する。

次に、図５に示すように、コンタクト層４上にＳｉＯ₂膜６を形成し、続いて、図６に示すように、ＳｉＯ₂膜６の一部を除去領域６ａとしてフォトリソグラフィ工程により除去する。このとき、上述したメサ１５を含む発光部１３と当該発光部１３以外の素子部分とを電気的に分離するための溝７（図７）の位置に相当するＳｉＯ₂膜６を除去する。本実施形態のようにメサ１５が円柱形状である場合、除去領域６ａは、円環状とすることができる。例えば、除去領域６ａは、メサ１５の中心軸を中心とする直径１００μｍの領域の外側で、かつメサ１５の中心軸を中心とする直径１２０μｍの領域の内側とすることができる。

次に、図７に示すように、エッチング工程により、ＳｉＯ₂膜６をマスクにしてｎ型半導体層３に達成するまで半導体多層膜をエッチングし、溝７を形成する。そして、図８に示すように、コンタクト層４上に形成されたＳｉＯ₂膜６を除去することで、円柱形状のメサ１５を形成する。これにより、直径１００μｍの円柱形上のメサ１５が形成される。
次いで、図９に示すように、基板１４とは反対側の外表面に絶縁層５を形成し、フォトリソグラフィ工程により、図１０に示すように絶縁層５の一部を除去して開口部５ａを形成し、当該開口部５ａからメサ１５上のコンタクト層４が露出するようにする。ここで、開口部５ａの直径は９０μｍ程度とすることができる。このように、開口部５ａの直径は、メサ１５の直径よりも小さく設定する。つまり、コンタクト層４の上面の周縁部に絶縁層５が残るようにする。

そして、図１１に示すように、金属ミラー電極１１を、コンタクト層４の上方を覆いコンタクト層４と電気的にコンタクトするように、かつ活性層１の側方を覆うように一体形成する。ここで、金属ミラー電極１１は、例えばコンタクト層４側からＴｉ、Ｐｔ、Ａｕの順からなる多層構造とすることができる。本実施形態では、メサ１５が円柱形状となっているため、絶縁層５、金属ミラー電極１１ともに良好なカバレッジが得られる。このようにして、発光部１３が形成される。
最後に、図１２に示すように、基板１４を、素子の厚さが所望の厚さ（例えば１５０μｍ程度）になるように研磨し、研磨した面にｎ側電極１２を形成することで面発光型ＬＥＤ１０が作製される。このとき、ｎ側電極１２は、発光部１３（活性層１）から発光した発光光が反射せずに通過した場合の伝搬領域(ワンパスで透過する領域)でない位置に形成する。つまり、ｎ側電極１２は、図２に示すように、ｎ側表面において、ｐ側表面のｐ側電極１１が配置された領域に対向する領域（出射領域Ｌ１）に対してオフセットして配置する。

図１３は、本実施形態における面発光型ＬＥＤ１０の実装例を示す図である。この図１３に示すように、面発光型ＬＥＤ１０は、ヒートシンク２０上に、金属ミラー電極１１が電気的に接触するように半田等により実装される。一方、ｎ側電極１２には、ワイヤ２１の一端がボンディングされる。このような状態で順方向にバイアスを印加することで、発光部１３（活性層１）により発光した発光光は、ｎ側表面から外部へ出射される。
また、発光部１３をヒートシンク２０に近い側に配置して実装する、所謂ジャンクションダウン実装とすることで、図１３の矢印に示すように、発光時に発光部１３において発生した熱を効率良くヒートシンク２０へ逃がすことができる。

波長１０００ｎｍ〜１６５０ｎｍの光を出射するＬＥＤは、ＩｎＰ基板上に、ＩｎＰやＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＡｌＡｓ、ＩｎＡｌＡｓなどの半導体材料をエピタキシャル成長させることで作製することができる。上記の半導体材料の屈折率は、１０００ｎｍ〜１６５０ｎｍの波長領域では３．１〜３．４程度であるため、発光光の空気への全反射角は大きくとも２０°程度ととても狭く、大部分の発光光は半導体と空気の界面で全反射され、基本的には外部に取り出すことが難しい。

また、発光光は、光取出方向だけでなく、基本的には等方的に伝搬する。そのため、面発光型ＬＥＤでは、本実施形態のような光取出方向以外に伝搬した光を反射させる反射部材を設けないと、発光光は等方的に外部に出射されてしまう。つまり、面発光型ＬＥＤでは、外部に取り出すことができる発光光のうち、目的方向とは異なる方向（光取出方向とは反対方向や側方方向など）に伝搬した光の分、光取出方向における光出力や光取出効率は低くなってしまう。そのため、高出力・高効率化のためには、外部量子効率の向上が課題となる。ここで、外部量子効率＝（内部量子効率）×（光取出効率）である。

本実施形態における面発光型ＬＥＤ１０は、ｎ側出射型の面発光型ＬＥＤであり、上述したように、半導体積層体１５の側面を覆う第一の反射部材と、半導体積層体１５の光取出方向とは反対側の面であるｐ型半導体層２側の外表面とを覆う第二の反射部材と、を備える。また、本実施形態では、第二の反射部材は、ｐ側電極１１を兼ねており、第一の反射部材と第二の反射部材とは、半導体積層体１５上において連続して一体的に形成されて金属ミラー電極１１を構成している。

このように、半導体積層体１５の活性層１の側方に金属ミラー電極１１を配置することで、活性層１の側方から発光された発光光を金属ミラー電極１１によって反射させ、活性層１に戻すことができる。また、半導体積層体１５のｐ型半導体層２側の外表面に金属ミラー電極１１を配置することで、活性層１からｐ型半導体層２側に発光された発光光を金属ミラー電極１１によって反射させ、ｎ型半導体層３側に伝搬させることができる。したがって、追加の加工や部材を必要とせず、また設計の自由度を失うことなく、容易に光取出方向における光出力の増加、および高効率化が図れる。
さらに、第一の反射部材と第二の反射部材とを一体形成するので、製造プロセスが簡略化する。また、第二の反射部材がｐ側電極１１を兼ねる構成であるため、ｐ側電極１１とは別に第二の反射部材を設ける必要がなく、素子の構成要素を削減することができ、その分のコストを削減することができる。ただし、第二の反射部材がｐ側電極１１を兼ねる構成に限定されるものではなく、ｐ側電極１１とは別に第二の反射部材を設けてもよい。

また、面発光型ＬＥＤでは、活性層は、電流注入領域が光を発光する発光層となり、その周囲の電流非注入領域は光を吸収する吸収層となる。そこで、本実施形態では、発光部１３をメサ構造とし、上記の吸収層による光吸収に起因するロスを抑制している。さらに、本実施形態では、メサ１５の活性層１を円柱形状とするので、均一な発光パターンや強度を得ることができる。また、メサ１５の活性層１を円柱形状とし、その側面を第一の反射部材で覆うので、活性層１の側方に伝搬した発光光を、上記側面の法線方向に反射させることができる。そのため、上記側方への伝搬方向の違いによる反射特性を均一化することができ、効率良くフォトンリサイクリングを起こすことができる。つまり、活性層１の側方から出射した光を、再度活性層１から発光する発光光として活用しやすくなる。

さらに、本実施形態では、半導体積層体１５の側面と第一の反射部材である金属ミラー電極１１との間に絶縁層５を配置し、さらに半導体積層体１５のｐ型半導体層２側の外表面の周縁部にも絶縁層５を配置する。そして、上記のｐ型半導体層２側の外表面における絶縁層５が形成されていない領域に金属ミラー電極１１を接続する。例えば、本実施形態では、メサ１５の直径よりも絶縁層５の開口部５ａの直径を１０μｍ程度小さくし、開口部５１ａの面積をメサ１５の断面積の８０％程度とした。これにより、注入されたキャリアのうち、特にホールが水平方向への拡散により半導体層と絶縁層５との界面に達し、界面を流れるキャリアとして非発光電流となり、内部量子効率を低下させることを抑制することができる。

また、例えばメサ１５の直径に対し開口部５ａの直径を半分程度にするなど、開口部５ａの直径を極端に小さくすると、注入されたホールがメサ１５の活性層１の全体に行き渡らない。この場合、キャリアが行き渡らなかった領域が電流非注入領域となることで発光光の吸収領域となり、光取出効率が低下してしまう。本実施形態では、開口部５ａの直径をメサ１５の直径に対して極端に小さくしない（面積比８０％程度とする）ことで、上記の光取出効率の低下を抑制することができる。
このように、内部量子効率の低下と光取出効率の低下とを抑制するため、外部量子効率を向上させることができ、適切に高出力・高効率化を実現することができる。

さらに、本実施形態では、ｎ側電極１２は、ｎ側表面において、出射領域Ｌ１に対してオフセットして配置し、ｐ側電極１１とｎ側電極１２とが、半導体積層体１５の積層方向から見て互いに重ならないようにしている。これにより、ｎ側出射型の面発光型ＬＥＤ１０において、ｎ側電極１２によって出射光Ｌを遮蔽しないようにすることができ、光出力の低下を防止することができる。
なお、発光光の光取出方向における伝搬領域およびその周辺に反射防止膜などを形成することで、さらに光取出効率を向上させることもできる。この場合、反射防止膜の反射率は、反射防止膜が形成されていない場合よりも低くする必要がある。例えば、１３００ｎｍの光を発光するＬＥＤの場合、ＩｎＰ基板（ｎ_１≒３．２）と空気（ｎ_０＝１）との間の反射率は［（ｎ_１−ｎ_０）／(ｎ_１＋ｎ_０)］²≒３０％であるので、反射防止膜は３０％未満になるように形成する。

以上説明したように、本実施形態によれば、簡易な構成で高出力かつ高効率な面出射型ＬＥＤ１０を実現することができる。

（第二の実施形態）
次に、本発明の第二の実施形態について説明する。
上述した第一の実施形態では、ｎ側電極１２側から出射光Ｌを出射するｎ側出射型の面発光型ＬＥＤ１０について説明した。この第二の実施形態では、ｐ側電極１１側から出射光Ｌを出射するｐ側出射型の面発光型ＬＥＤ１０Ａについて説明する。
図１４は、本実施形態における面発光型ＬＥＤ１０Ａを光取出方向側の面を示す斜視図（鳥瞰図）である。面発光型ＬＥＤ１０Ａは、ｐ側表面にｐ側電極１１Ａ、ｎ側表面にｎ側電極１２Ａを備える。また、ｐ側電極１１Ａには、キャリア注入用のワイヤ２１の一端がボンディングされる。

ｐ側電極１１Ａは、上述した第一の実施形態におけるｐ側電極１１と同様に、メサ１５の側面とメサ１５のｐ型半導体層２側の面とを覆っている。ただし、本実施形態における面発光型ＬＥＤ１０Ａは、ｐ側出射型であるため、ｐ側電極１１Ａが光出射の妨げとならないよう、メサ１５上のｐ側電極１１Ａには、図１５に示すように網目状に出射光Ｌを取り出すための出射口Ｌ２が形成されている。ここで、出射口Ｌ２は、ｐ側電極１１Ａから注入されるホールの拡散長を考慮し、メサ１５の活性層１全体にホールが行き渡るような位置および大きさで形成するものとする。なお、出射口Ｌ２の形状は、図１５に示す形状に限定されるものではなく、任意の形状とすることができる。

また、ｎ側電極１２Ａは、上述した第一の実施形態におけるｎ側電極１２とは異なり、ｎ側表面の全面を覆うように形成されている。なお、ｐ側電極１１Ａおよびｎ側電極１２Ａは、それぞれ金属材料により構成されており、少なくともＴｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕのうち少なくとも１つを含んで構成されている。例えば、ｐ側電極１１Ａおよびｎ側電極１２Ａは、Ｔｉ膜、Ｐｔ膜およびＡｕ膜を順次積層した多層金属膜とすることができる。

本実施形態において、ｐ側電極１１Ａの一部およびｎ側電極１２Ａの一部は、それぞれ光を反射するミラーの役割を担う反射部材である。具体的には、ｐ側電極１１Ａは、メサ１５の側面を覆う第一の反射部材を含み、ｎ側電極１２Ａは、メサ１５の積層方向に対向する２つの外表面のうち光取出方向とは反対側の面（ｎ型半導体層３側の面）を、基板１４を介して覆う第二の反射部材を含む。なお、本実施形態における以下の説明では、ｐ側電極１１Ａを第一の金属ミラー電極１１Ａ、ｎ側電極１２Ａを第二の金属ミラー電極１２Ａともいう。
なお、本実施形態における面発光型ＬＥＤ１０Ａの製造方法は、上述した第一の実施形態における面発光型ＬＥＤ１０の製造方法とほぼ同様であるため、説明は省略する。

図１６は、本実施形態における面発光型ＬＥＤ１０Ａの断面を示す概略図である。この図１６において、上述した第一の実施形態における面発光型ＬＥＤ１０と同一構成を有する部分には同一符号を付し、その説明は省略する。
面発光型ＬＥＤ１０Ａは、発光部１３をヒートシンク２０から遠い側に配置して実装する、所謂ジャンクションアップ実装とされている。この面発光型ＬＥＤ１０Ａにおいて、活性層１において発光した発光光は、光取出方向であるｐ型半導体層２の方向（図１６の上方向）と、光取出方向とは反対方向であるｎ型半導体層３の方向（図１６の下方向）と、光取出方向に対して直交する方向である活性層１の側方方向（図１６の左右方向）とに伝搬される。これらのうち、ｎ型半導体層３側に伝搬された光は、第二の金属ミラー電極（第二の反射部材）１２Ａによってｐ型半導体層２側に反射される。また、活性層１の側方方向に伝搬された光は、活性層１の側方の第一の金属ミラー電極（第一の反射部材）１１Ａによって反射され、活性層１に戻される。

このように、本実施形態における面発光型ＬＥＤ１０Ａは、半導体積層体１５の側面を覆う第一の金属ミラー電極１１Ａと、半導体積層体１５の光取出方向とは反対側の面を覆う第二の金属ミラー電極１２Ａとを備える。そのため、活性層１から発光された発光光のうち、ｐ型半導体層２側以外に伝搬された光を、ｐ型半導体層２側に伝搬された光と合わせて出射光Ｌとして出射することができる。したがって、金属ミラー電極１１Ａおよび金属ミラー電極１２Ｂを設けない場合と比較して、容易に高出力かつ高効率な、均一な出射光Ｌを得ることができる。
なお、本実施形態では、メサ１５の積層方向に対向する２つの外表面のうち光取出方向とは反対側の面（ｎ型半導体層３側の面）を覆う第二の反射部材が、ｎ側電極１２Ａを兼ねる場合について説明したが、ｎ側電極１２Ａとは別に第二の反射部材を設けてもよい。その場合、第二の反射部材は、ｎ型半導体層３側の面を覆う位置に配置されていればよく、例えば、基板１４とｎ型半導体層３との間に配置されていてもよい。

（変形例）
上記各実施形態においては、出射光Ｌの波長が１０００ｎｍ〜１６５０ｎｍである場合について説明したが、出射光Ｌの波長は上記に限定されるものではなく、任意の波長の出射光を出射する面発光型ＬＥＤに適用可能である。その場合、基板１４の材料は、出射光Ｌの波長に応じて適宜選択するようにする。例えば、基板１４としては、ＩｎＰ基板に限定されるものではなく、ＧａＡｓ基板やＧａＮ基板とすることもできる。ただし、ＧａＡｓ基板の場合、基板での光吸収の観点からｐ側出射型の面発光型ＬＥＤについての適用が望ましい。

上記各実施形態においては、面発光型半導体発光素子が面発光型ＬＥＤである場合について説明したが、面発光型レーザーにも本発明は適用可能である。ただし、面発光型レーザーの場合、活性層において発生した誘導放出光は、基板面に対して垂直な方向に多重反射を繰り返すことで共振モードを形成し、増幅され出射される。そのため、共振モードが活性層の側方に設けた反射部材と重なるような場合、共振モードに悪影響を与え、光損失につながるおそれがある。これに対して、上述した面発光型ＬＥＤの場合、自然放出光を出射するだけであるため、上記のような光損失はない。したがって、本発明は、面発光型レーザーにも適用可能であるが、面発光型ＬＥＤへの適用が好ましい。
上記各実施形態においては、覆うとは、略円柱部の外面を完全に覆う場合以外に、一部に覆われない部分が設けられている場合も含まれる。

１…活性層、２…ｐ型半導体層、３…ｎ型半導体層、４…コンタクト層、５…絶縁層、５ａ…開口部、１０…面発光型発光ダイオード（ＬＥＤ）、１１…ｐ側電極（金属ミラー電極）、１１Ａ…ｐ側電極（金属ミラー電極）、１２…ｎ側電極、１２Ａ…ｎ側電極（金属ミラー電極）、１３…発光部、１４…基板、１５…半導体積層体（メサ）、２０…ヒートシンク

Claims (13)

1. ｐ型半導体層と、ｎ型半導体層と、前記ｐ型半導体層と前記ｎ型半導体層との間に配置された活性層と、を含む多層の半導体積層体と、
   前記半導体積層体の前記ｐ型半導体層側の外表面に形成されたｐ側電極と、
   前記半導体積層体の前記ｎ型半導体層側の外表面に形成されたｎ側電極と、
   前記半導体積層体の側面を覆う第一の反射部材と、
   前記半導体積層体の積層方向に対向する２つの外表面のいずれか一方を覆う第二の反射部材と、を備えることを特徴とする面発光型半導体発光素子。
2. 前記第二の反射部材は、前記２つの外表面のうち光取出方向とは反対側の面に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の面発光型半導体発光素子。
3. 光取出方向が、前記積層方向における、前記活性層に対して前記ｎ型半導体層が配置された側へ向かう方向であることを特徴とする請求項１または２に記載の面発光型半導体発光素子。
4. 前記第一の反射部材と前記第二の反射部材とは、前記半導体積層体上において連続して一体的に形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の面発光型半導体発光素子。
5. 前記第一の反射部材および前記第二の反射部材は、金属材料により構成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の面発光型半導体発光素子。
6. 前記第二の反射部材は、前記ｐ側電極および前記ｎ側電極のいずれか一方を兼ねることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の面発光型半導体発光素子。
7. 前記ｐ側電極と前記ｎ側電極とは、前記半導体積層体の積層方向から見て互いに重ならない位置に形成されていることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の面発光型半導体発光素子。
8. 前記第一の反射部材によって覆われた前記半導体積層体の形状は、前記積層方向を軸方向とする円柱形状であることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の面発光型半導体発光素子。
9. 前記半導体積層体の側面と前記第一の反射部材との間に配置された絶縁層をさらに備えることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の面発光型半導体発光素子。
10. 前記絶縁層は、さらに前記ｐ型半導体層側の外表面の周縁部にも形成され、
    前記ｐ側電極は、前記ｐ型半導体層側の外表面における前記絶縁層が形成されていない領域に接続されていることを特徴とする請求項９に記載の面発光型半導体発光素子。
11. 前記半導体積層体が主面上に形成されたＩｎＰ基板をさらに備えることを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載の面発光型半導体発光素子。
12. 前記面発光型半導体発光素子は、面発光型発光ダイオードであることを特徴とする請求項１から１１のいずれか１項に記載の面発光型半導体発光素子。
13. ｐ型半導体層と、ｎ型半導体層と、前記ｐ型半導体層と前記ｎ型半導体層との間に配置された活性層と、を含む多層の半導体積層体の側面を第一の反射部材によって覆う工程と、
    前記半導体積層体の積層方向に対向する２つの外表面のいずれか一方を第二の反射部材によって覆う工程と、を含むことを特徴とする面発光型半導体発光素子の製造方法。

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