(57)【要約】  窒化物半導体発光素子３００は、ｍ面窒化物半導体から形成された活性層を含む積層構造３１０を有する窒化物半導体発光素子であって、積層構造３１０は、窒化物半導体活性層３０６におけるｍ面に平行な光取り出し面３１１ａと、窒化物半導体活性層３０６におけるｃ面に平行な光取り出し面３１１ｂとを有し、光取り出し面３１１ａの面積に対する光取り出し面３１１ｂの面積の割合が４６％以下である。
2012137406.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｍ面窒化物半導体から形成されている活性層を含む積層構造を有する窒化物半導体発光素子であって、
前記積層構造は、前記活性層におけるｍ面に平行な第１の光取り出し面と、前記活性層におけるｃ面に平行な複数の第２の光取り出し面とを有し、前記第１の光取り出し面の面積に対する前記第２の光取り出し面の面積の割合が４６％以下である、窒化物半導体発光素子。
【請求項２】
前記積層構造は、一つまたは複数の第３の光取り出し面を有し、
前記一つまたは複数の第３の光取り出し面は、前記第１の光取り出し面の法線方向から傾斜している、請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項３】
前記一つまたは複数の第３の光取り出し面は、前記第１の光取り出し面の法線方向から３０度傾いている、請求項２に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項４】
前記積層構造は、
第１の面と、前記第１の面の反対側に位置する第２の面とを有する基板と、
前記基板の前記第１の面に積層され、前記活性層を含む複数の窒化物系半導体層とを有する、請求項１から３のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項５】
前記第１の光取り出し面は前記基板の前記第２の面である、請求項４に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項６】
前記積層構造は、
前記活性層を含む複数の窒化物系半導体層である、請求項１から３のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項７】
前記第１の光取り出し面のｃ軸方向の長さは、前記第１の光取り出し面のａ軸方向の長さよりも大きい、請求項１から６のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項８】
前記第１の光取り出し面の面積に対する前記第２の光取り出し面の面積の割合が２４％以上である、請求項１から７のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項９】
前記第１の光取り出し面および前記複数の第２の光取り出し面のうちの少なくともいずれかは、テクスチャ構造を有する、請求項１から８のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１０】
請求項１から９のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子と、
前記窒化物半導体発光素子を支持する実装基板と、
窒化物半導体発光素子を覆う封止部とを備える、半導体発光デバイス。
【請求項１１】
前記窒化物半導体発光素子から発せられた光を反射するリフレクタをさらに備える、請求項１０に記載の半導体発光デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ｍ面窒化物半導体から形成されている活性層を含む積層構造を有する窒化物半導体発光素子に関する。また、本発明は、窒化物半導体発光素子を覆う封止部を備えた半導体発光デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
Ｖ族元素として窒素（Ｎ）を含む窒化物半導体は、そのバンドギャップの大きさから、短波長発光素子の材料として有望視されている。そのなかでも、窒化ガリウム系化合物半導体の研究が盛んに行われており、青色発光ダイオード（ＬＥＤ）、緑色ＬＥＤ、ならびに、窒化ガリウム系半導体を材料とする半導体レーザーも実用化されている。【０００３】
以下、窒化ガリウム系化合物半導体を中心に説明する。窒化物半導体には、ガリウム（Ｇａ）の一部または全部をアルミニウム（Ａｌ）およびインジウム（Ｉｎ）の少なくとも一方で置換した化合物半導体が含まれ、このような化合物半導体は、組成式ＡｌxＧａyＩｎzＮ（０≦ｘ，ｙ，ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で表される。【０００４】
ＧａをＡｌやＩｎで置換することによって、バンドギャップをＧａＮよりも大きくすることも小さくすることも可能である。これにより、青色や緑色などの短波長の光のみならず、オレンジ色や赤色の光を発光させることも可能となる。このような特徴から、窒化物半導体発光素子は、画像表示装置や照明装置へ応用することも期待されている。【０００５】
窒化物半導体はウルツ鉱型結晶構造を有している。図１（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、それぞれ、ウルツ鉱型結晶構造のｍ面、ｒ面および（１１−２−２）面を４指数表記（六方晶指数）で示している。４指数表記では、ａ１、ａ２、ａ３およびｃで示される基本ベクトルを用いて結晶面や方位が表される。基本ベクトルｃは、［０００１］方向に延びており、この方向は「ｃ軸」と呼ばれる。ｃ軸に垂直な面（ｐｌａｎｅ）は「ｃ面」または「（０００１）面」と呼ばれている。【０００６】
図２（ａ）は窒化物半導体の結晶構造を棒球モデルで示しており、図２（ｂ）は、ｍ面表面の原子配列を、ａ軸方向から観察したものである。図２（ｃ）は、＋ｃ面表面の原子配列を、ｍ軸方向から観察したものである。【０００７】
従来、窒化物半導体を用いて半導体素子を作製する場合、窒化物半導体結晶を成長させる基板として、ｃ面基板すなわち（０００１）面を主面に有する基板が使用される。この場合、図２（ｃ）から分かるように、ｃ軸方向にはＧａ原子のみが配置される層と、Ｎ原子のみが配置される層が形成される。このようなＧａ原子およびＮ原子の配置に起因して、窒化物半導体には自発的な分極（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）が形成される。このため、「ｃ面」は「極性面」とも呼ばれている。【０００８】
その結果、窒化物半導体発光素子の活性層におけるＩｎＧａＮの量子井戸には、ｃ軸方向に沿ってピエゾ電界が発生し、活性層内における電子およびホールの分布に位置ずれが生じるため、キャリアの量子閉じ込めシュタルク効果により、活性層の内部量子効率が低下する。【０００９】
そこで、非極性面と呼ばれるｍ面やａ面、あるいは半極性面と呼ばれる−ｒ面や（１１−２−２）面を表面に有する基板を使用して、発光素子を製造することが検討されている。図１（ａ）に示すように、ウルツ鉱型結晶構造におけるｍ面はｃ軸に平行であり、ｃ面と直交する６つの等価な面である。例えば、図１において［１−１００］方向に垂直な（１−１００）面がｍ面に該当する。（１−１００）面と等価な他のｍ面には、（−１０１０）面、（１０−１０）面、（−１１００）面、（０１−１０）面、（０−１１０）面がある。ここで、ミラー指数を表すカッコ内の数字の左に付された「−」は、「バー」を意味し、その指数の反転を便宜的に表している。【００１０】
図２（ｂ）は、ｍ面に垂直な面における窒化物半導体結晶のＧａおよびＮの位置を示している。図２（ｂ）に示すように、ｍ面においては、Ｇａ原子およびＮ原子は同一原子面上に存在するため、ｍ面に垂直な方向に分極は発生しない。そのため、ｍ面上に形成した半導体積層構造を用いて発光素子を作製すれば、活性層にピエゾ電界が発生せず、キャリアの量子閉じ込めシュタルク効果による内部量子効率の低下という課題を解決することができる。【００１１】
さらに、非極性面と呼ばれるｍ面やａ面、あるいは半極性面と呼ばれる−ｒ面や（１１−２−２）面に形成された窒化物半導体発光素子は、その価電子帯の構造に由来した偏光特性を有している。例えばｍ面上に形成された窒化物半導体活性層は、ａ軸に平行な方向に電界強度が偏った光を主として出射する。このような偏光特性は、液晶のバックライトなどへの応用が期待されている。偏光特性を高めるための工夫として、例えば特許文献１の図４には、主面をｍ面とする窒化物半導体発光素子において、活性層で発生した偏向光の偏光比を高く維持する目的で、主面と直交する２組の対抗する面のうちｃ面に平行な面を長手面とする半導体発光素子が開示されている。【００１２】
一方、発光素子が偏光特性を持つ場合、偏光方向に垂直な方向に対して発光強度が大きくなるような配光分布を有することが理論的に予測される。そのため、特許文献２では、窒化物半導体発光素子の面内の方位角の違いによる強度の差を低減することができる発光ダイオード装置が提案されている。具体的には、特許文献２の第５実施形態には、発光強度の小さい方位角の方へ光の向きを変えるように、パッケージの光の出射面を配置させる構成が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００９−４３８３２号公報
【特許文献２】特開２００８−１０９０９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、上述した従来の技術では、さらなる配光分布特性の改善が課題となっていた。【００１５】
本発明は上述の課題を解決するためになされたものであり、その主な目的は、配光分布特性が改善された半導体発光デバイスを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
ある実施形態の窒化物半導体発光素子は、ｍ面窒化物半導体から形成されている活性層を含む積層構造を有する窒化物半導体発光素子であって、前記積層構造は、前記活性層におけるｍ面に平行な第１の光取り出し面と、前記活性層におけるｃ面に平行な複数の第２の光取出し面とを有し、前記第１の光取出し面の面積に対する前記第２の光取出し面の面積の割合が４６％以下である。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によると、ａ軸方向とｃ軸方向の配光分布特性の対称性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】（ａ）から（ｃ）は、ウルツ鉱型結晶構造を示す図
【図２】（ａ）から（ｃ）は、窒化物半導体の結晶構造を棒球モデルで示した図
【図３】（ａ）から（ｃ）は、実施の形態１の半導体発光デバイスの構造を示す図
【図４】（ａ）から（ｃ）は、光取り出し面３１１ａ、３１１ｂを示す平面図である。
【図５】（ａ）から（ｃ３）は、実施の形態１の半導体発光デバイスの変形例１を示す図
【図６】（ａ）から（ｄ）は、図５（ｃ−１）に示す窒化物半導体発光素子３００を、ウエハから各チップに分割する工程を示す断面図
【図７】（ａ）から（ｃ）実施の形態１の変形例２を示す図
【図８】（ａ）から（ｃ）は、実施の形態１の変形例３を示す図
【図９】（ａ）から（ｃ）は、実施の形態２の半導体発光デバイスの構造を示す図
【図１０】（ａ）から（ｃ３）は、実施の形態２の半導体発光デバイスの変形例１を示す図
【図１１】（ａ）から（ｃ）は、実施の形態３の半導体発光デバイスの構造を示す図
【図１２】（ａ）から（ｃ３）は、実施の形態３の変形例１を示す図
【図１３】（ａ）から（ｃ）は、その他の実施形態の半導体発光デバイスの構造を示す図
【図１４】（ａ）から（ｃ）は、その他の実施形態の半導体発光デバイスのバリエーションを示す図
【図１５】（ａ）および（ｂ）は、実施例１の半導体発光デバイスの配光分布特性を示す図
【図１６】実施例１に関して、光取り出し面３１１ａの面積に対する光取り出し面３１１ｂの面積の割合と、非対称度の関係を示す図
【図１７】（ａ）および（ｂ）は、実施例２の半導体発光デバイスの配光分布特性を示す図
【図１８】実施例２に関して、光取り出し面３１１ａの面積に対する光取り出し面３１１ｂの面積の割合と、非対称度の関係を示す図
【図１９】（ａ）および（ｂ）は、実施例３の半導体発光デバイスの配光分布特性を示す図
【図２０】実施例３に関して、光取り出し面３１１ａの面積に対する光取り出し面３１１ｂの面積の割合と、非対称度の関係を示す図
【図２１】実施例４の半導体発光デバイスの配光分布特性を示す図
【図２２】実施例４に関して、光取り出し面３１１ａの面積に対する光取り出し面３１１ｂの面積の割合と、非対称度の関係を示す図
【図２３】（ａ）から（ｃ）は、レーザーダイシングによって小片化した窒化物系半導体発光素子の光学顕微鏡写真を示す図
【図２４】（ａ）から（ｃ）は、メカニカルダイシングによって小片化した窒化物系半導体発光素子の光学顕微鏡写真を示す図
【図２５】（ａ）から（ｃ）は、比較例１の半導体発光デバイスの構造を示す図
【図２６】（ａ）および（ｂ）は、比較例１の半導体発光デバイスの配光分布特性を示す図
【図２７】（ａ）から（ｃ）は、比較例２の半導体発光デバイスの構造を示す図
【図２８】（ａ）および（ｂ）は、比較例２の半導体発光デバイスの配光分布特性を示す図
【図２９】（ａ）および（ｂ）は、配光分布特性の測定方法を説明する図
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本実施形態の窒化物半導体発光素子は、ｍ面窒化物半導体から形成されている活性層を含む積層構造を有する窒化物半導体発光素子であって、前記積層構造は、前記活性層におけるｍ面に平行な第１の光取り出し面と、前記活性層におけるｃ面に平行な複数の第２の光取出し面とを有し、前記第１の光取出し面の面積に対する前記第２の光取出し面の面積の割合が４６％以下である。
【００２０】
この構成により、ａ軸方向とｃ軸方向の配光分布特性の対称性を向上することができる。
【００２１】
前記積層構造は、一つまたは複数の第３の光取り出し面を有し、前記一つまたは複数の第３の光取り出し面は、前記第１の光取り出し面の法線方向から傾斜していてもよい。
【００２２】
前記一つまたは複数の第３の光取り出し面は、前記第１の光取り出し面の法線方向から３０度傾いていてもよい。
【００２３】
前記積層構造は、第１の面と、前記第１の面の反対側に位置する第２の面とを有する基板と、前記基板の前記第１の面に積層され、前記活性層を含む複数の窒化物系半導体層とを有していてもよい。
【００２４】
前記第１の光取り出し面は前記基板の前記第２の面であってもよい。
【００２５】
前記積層構造は、前記活性層を含む複数の窒化物系半導体層であってもよい。
【００２６】
前記第１の光取り出し面のｃ軸方向の長さは、前記第１の光取り出し面のａ軸方向の長さよりも大きくてもよい。
【００２７】
前記第１の光取出し面の面積に対する前記第２の光取出し面の面積の割合が２４％以上であってもよい。
【００２８】
前記第１の光取り出し面および前記複数の第２の光取り出し面のうちの少なくともいずれかは、テクスチャ構造を有していてもよい。
【００２９】
ある実施形態の半導体発光デバイスは、本実施形態の窒化物半導体発光素子と、前記窒化物半導体発光素子を支持する実装基板と、窒化物半導体発光素子を覆う封止部とを備えていてもよい。
【００３０】
ある実施形態の半導体発光デバイスは、前記窒化物半導体発光素子から発せられた光を反射するリフレクタをさらに備えていてもよい。
【００３１】
本発明の実施の形態は、例えば、紫外から青色、緑色、オレンジ色および白色などの可視域全般の波長域における発光ダイオード、レーザーダイオード等の窒化物半導体発光素子に関するものである。
【００３２】
本発明者は、主面がｍ面である窒化物系半導体積層構造を有する窒化物半導体発光素子を備えた半導体発光デバイスを様々な形態で実施し、その特性を詳細に調べた。
【００３３】
図２９（ａ）は、ａ軸方向の配光分布特性を測定するための窒化物半導体発光素子３００と受光部３１８との位置関係を示す図である。窒化物半導体発光素子３００の中心と受光部３１８の受光部の中心との間を結ぶ線を測定線３１９とする。
【００３４】
ａ軸方向の配光分布特性は、窒化物半導体発光素子３００のｍ面の法線方向［１−１００］と測定線３１９とがなす角度を測定角とし、窒化物半導体発光素子３００のｃ軸を中心軸にして窒化物半導体発光素子３００を回転させながら光度を測定した値である。図２９（ａ）において、上側の図は測定角が０度の位置関係、下側の図は測定角が４５度の位置関係を示す。
【００３５】
図２９（ｂ）は、ｃ軸方向の配光分布特性を測定するための窒化物半導体発光素子３００と受光部３１８との位置関係を示す図である。
【００３６】
ｃ軸方向の配光分布特性は、窒化物半導体発光素子３００のｍ面の法線方向［１−１００］と測定線３１９がなす角度を測定角とし、窒化物半導体発光素子３００のａ軸を中心にして窒化物半導体発光素子３００を回転させながら光度を測定した値である。図２９（ｂ）において、上側の図は測定角が０度の位置関係、下側の図は測定角が４５度の位置関係を示す。
【００３７】
本明細書におけるａ軸方向とｃ軸方向の配光分布特性の非対称度とは、主面であるｍ面の法線方向［１−１００］（すなわち０度）からa軸方向に所定角度回転した方向の光度と、ｍ面の法線方向からｃ軸方向に同一角度回転した方向の光度との差を、ｍ面の法線方向の光度で規格化した値である。この非対称度は、−９０度〜＋９０度までの各角度において定義されている。さらに最大非対称度とは、−９０度〜＋９０度の範囲における非対称度の最大値である。さらに平均非対称度とは、−９０度〜＋９０度の範囲における非対称度の平均値である。
【００３８】
この測定の結果、本発明者は、ａ軸方向の配光分布特性およびｃ軸方向の配光分布特性は、ｍ面である光取り出し面と、ｃ面である光取り出し面との面積比率に強く依存していることを見出した。この知見に基づき、ａ軸方向とｃ軸方向の配光分布特性の非対称性を改善する方法を発明した。
【００３９】
以下、本発明による実施の形態を、図面を参照しながら説明する。以下の図面においては、説明の簡略化のため、実質的に同一の機能を有する構成要素を同一の参照符号で示す。なお、本発明は以下の実施形態に限定されない。
【００４０】
（実施の形態１）
以下、本発明による発光デバイスの実施の形態１について、図３を用いて説明する。
【００４１】
図３は、実施の形態１の半導体デバイスを模式的に示したものであり、図３（ａ）は上面図、図３（ｂ）はＸ−Ｘ’における断面図、図３（ｃ）はＹ−Ｙ’における断面図である。
【００４２】
本実施の形態の発光デバイスは、窒化物半導体発光素子３００を有し、窒化物半導体発光素子３００は、実装基板３０１上の配線３０２に、バンプ３０３を介して電気的に接続されている。
【００４３】
本実施の形態の窒化物半導体発光素子３００は、ｍ面窒化物半導体から形成された窒化物半導体活性層３０６を含む積層構造３１０を有する。積層構造３１０は、窒化物半導体活性層３０６におけるｍ面に平行な光取り出し面３１１ａと、窒化物半導体活性層３０６におけるｃ面に平行な光取り出し面３１１ｂとを有し、光取り出し面３１１ａの面積に対する第２の光取り出し面３１１ｂの面積の割合が４６％以下である。
【００４４】
ｍ面窒化物半導体とは、ｍ面を成長面または主面とする窒化物半導体であり、窒化物半導体活性層３０６がｍ面上に形成されている。ｍ面上に形成された窒化物半導体活性層は、ａ軸に平行な方向に電界強度が偏った光を主として出射する。そのため、ｍ面窒化物半導体発光素子３００においては、偏光方向（ａ軸方向）に垂直な方向（ｃ軸方向）の発光強度が高くなり、光取り出し面３１１ａ、３１１ｂの面積が同じであれば、光の強度にムラが生じる。本実施形態によると、光取り出し面３１１ａの面積に対する第２の光取り出し面３１１ｂの面積の割合を４６％以下にすることにより、第１の光取り出し面３１１ａから出射する光の量に対して、第２の光取り出し面３１１ｂから出射する光の量の割合を少なくすることができるため、ｃ軸方向の発光強度を小さくすることができる。これにより、ａ軸方向とｃ軸方向における配光特性分布の対称性を高めることができる。その理由は後に詳述する。
【００４５】
積層構造３１０は、具体的には、ｍ面ＧａＮ層を含む基板３０４と、上記ｍ面ＧａＮ層上に形成されたｎ型窒化物半導体層３０５と、窒化物半導体活性層３０６と、ｐ型窒化物半導体層３０７とを含む。
【００４６】
積層構造３１０におけるｐ型窒化物半導体層３０７には、ｐ型電極３０８が接している。積層構造３１０の一部には、ｐ型窒化物半導体層３０７、窒化物半導体活性層３０６を貫通し、ｎ型窒化物半導体層３０５を底面に露出させる凹部３１２が形成されている。凹部３１２の底面のｎ型窒化物半導体層３０５には、ｎ型電極３０９が接している。積層構造３１０、ｐ型電極３０８およびｎ型電極３０９は、窒化物半導体発光素子３００を構成している。
【００４７】
窒化物半導体は、例えば、ＧａＮ系からなる半導体であってもよく、ＡｌxＩｎyＧａzＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、ｘ≧０、ｙ≧０、ｚ≧０）半導体であってもよい。
【００４８】
本発明において、「ｍ面」、「c面」および「ａ面」とは、ｍ面、ｃ面またはａ面に対して完全に平行な面のみだけでなく、ｍ面、ｃ面またはａ面からの傾きの絶対値が５°以下の面を含む。
【００４９】
ｍ面、ｃ面またはａ面から僅かに傾斜する程度では、自発分極の変化の影響は非常に小さい。一方、結晶成長技術では結晶方位が厳密に一致した基板よりも僅かに傾斜した基板上の方が半導体層をエピタキシャル成長させやすい場合がある。したがって、自発分極の影響を十分に抑制させながら、エピタキシャル成長させる半導体層の質を向上させたり、結晶成長速度を高めたりするために結晶面を傾斜させることが有用な場合もある。
【００５０】
基板３０４は、ｍ面ＧａＮ基板でも良いし、異種基板上にｍ面ＧａＮ層を形成したもの（例えば、ｍ面ＳｉＣ基板上にｍ面ＧａＮ層を形成したもの、ｒ面サファイア基板上にｍ面ＧａＮ層など）であってもよい。また、基板３０４の表面はｍ面に限定されず、活性層から発せられる光が偏光特性を有するように面方位（例えば、ａ面などの非極性面、ｒ面や｛１１−２２｝面などの半極性面）を選べば良い。窒化物半導体活性層３０６とｐ型窒化物半導体層３０７との間に、アンドープのＧａＮ層を設けても良い。
【００５１】
ｎ型窒化物半導体層３０５は、例えばｎ型のＡｌuＧａvＩｎwＮ（ｕ＋ｖ＋ｗ＝１、ｕ≧０、ｖ≧０、ｗ≧０）から形成されている。ｎ型ドーパントとして例えば、シリコン（Ｓｉ）を用いることができる。
【００５２】
ｐ型窒化物半導体層３０７は、例えばｐ型のＡｌsＧａtＮ（ｓ＋ｔ＝１、ｓ≧０、ｔ≧０）半導体から形成されている。ｐ型ドーパントとして、例えばＭｇが添加されている。Ｍｇ以外のｐ型ドーパントとして、例えばＺｎ、Ｂｅなどを用いてもよい。ｐ型窒化物半導体層３０７において、Ａｌの組成比率ｓは、厚さ方向に一様であってもよいし、Ａｌの組成比率ｓが厚さ方向に連続的または階段的に変化していてもよい。具体的には、ｐ型窒化物半導体層３０７の厚さは、例えば、０．０５μｍ以上２μｍ以下程度である。
【００５３】
ｐ型窒化物半導体層３０７の上面近傍、すなわち、ｐ型電極３０８との界面近傍は、Ａｌの組成比率ｓがゼロである半導体、つまり、ＧａＮから形成されていてもよい。また、この場合、ＧａＮはｐ型の不純物が高濃度で含まれており、コンタクト層として機能してもよい。
【００５４】
窒化物半導体活性層３０６は、例えば、厚さ３〜２０ｎｍ程度のＧａ1-xＩｎxＮ井戸層と、厚さ５〜３０ｎｍ程度のＧａ1-yＩｎyＮ井戸層（０≦ｙ＜ｘ＜１）バリア層とが交互に積層されたＧａＩｎＮ／ＧａＩｎＮ多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有している。窒化物半導体発光素子３００から出射する光の波長は、上記井戸層の半導体組成であるＧａ1-xＩｎxＮ半導体におけるＩｎの組成ｘによって決まる。ｍ面上に形成された窒化物半導体活性層３０６にはピエゾ電界が発生しない。このため、Ｉｎ組成を増加させても発光効率の低下が抑制される。
【００５５】
ｎ型電極３０９は、例えば、Ｔｉ層およびＰｔ層の積層構造（Ｔｉ／Ｐｔ）などで形成される。またｎ型電極３０９には、反射率を高めるためにＡｌなどを用いても良い。ｐ型電極３０８は、概ねｐ型窒化物半導体層３０７の主面全体を覆っていてもよい。ｐ型電極３０８はＰｄ層およびＰｔ層の積層構造（Ｐｄ／Ｐｔ）などから形成されている。また、ｐ型電極３０８には、反射率を高めるためにＡｇなどを用いても良い。
【００５６】
窒化物半導体発光素子３００は、ｐ型電極３０８側を下にして、配線３０２が形成された実装基板３０１上に配置されている。実装基板３０１の主材料としては、アルミナ、ＡｌＮなどの絶縁物、Ａｌ、Ｃｕなどの金属、ＳｉやＧｅなど半導体、あるいはこれらの複合材料を用いることができる。金属や半導体を実装基板３０１の主材料として用いる場合には、表面を絶縁膜で覆ってもよい。配線３０２は、窒化物半導体発光素子３００の電極形状に合わせて配置すればよい。配線３０２には、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌなどを用いることができる。窒化物半導体発光素子３００と配線３０２とは、バンプ３０３を用いて電気的に接続されている。バンプにはＡｕを用いるとよい。ここでは、フリップチップ構造について説明したが、この構造に限らず、ワイヤボンディングを用いて、実装基板３０１と配線３０２を接続してもよい。
【００５７】
窒化物半導体発光素子３００は、その周囲を取り囲むように封止部３１４によって覆われている。封止部３１４の材料としては、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、ガラスなどを用いることができる。封止部３１４の屈折率を１．４以上２．０以下程度に設定することにより、窒化物半導体発光素子３００から封止部３１４に取り出される光の量を多くすることができる。封止部３１４の表面形状は半球形状であってもよい。半球形状とすることにより、窒化物半導体発光素子３００から封止部３１４に取り出された光は、封止部３１４と空気との間で全反射し難くなり、結果として、外部に取り出される光の量が多くなる。
【００５８】
積層構造３１０は、窒化物半導体活性層３０６から発せられた光を外部に取り出すことができる光取り出し面３１１ａ、３１１ｂ、３１１ｃを有する。光取り出し面３１１ａは、積層構造３１０の層方向にほぼ平行な面であり、ｐ型電極３０８およびｎ型電極３０９と向かい合うように配置されている。すなわち、光取り出し面３１１ａは窒化物半導体活性層３０６のｍ面とほぼ平行である。光取り出し面３１１ｂは互いに対向する２つの面を含み、窒化物半導体活性層３０６のｃ面とほぼ平行である。
【００５９】
光取り出し面３１１ｃは互いに対向する２つの面からなり、その主面の面方位は、特定の方向に限定されない。図３においては、光取り出し面３１１ｃは（１１−２０）面である。積層構造３１０は、上記５つの光取り出し面の他に、さらなる光取り出し面を備えていてもよい。また、上記５つの光取り出し面の全体または一部の領域にテクスチャ構造が形成されていてもよい。本実施形態において、テクスチャ構造が形成されている場合の光取り出し面の法線または傾きとは、テクスチャ構造が形成される前の光取り出し面の法線または傾きをいう。テクスチャが形成された場合については、後述する。
【００６０】
なお、積層構造３１０は可視領域で透明であるため、図３等において、電極に対向する光取り出し面３１１ａ等にはｐ型電極３０８やｎ型電極３０９の形状が現れている。
【００６１】
図４（ａ）から（ｃ）は、光取り出し面３１１ａ、３１１ｂを示す平面図である。図４（ａ）に示すように、本実施形態において、光取り出し面３１１ａは、正方形である。
【００６２】
光取り出し面３１１ｂは、対向する２つの面を含む。図４（ｂ）は、光取り出し面３１１ｂのうちｎ型電極３０９を設けるための凹部３１２が設けられた側の面を示す。凹部３１２の内部には、凹部３１２の側面３１２ａが形成されており、側面３１２ａには、ｎ型窒化物半導体層３０５、窒化物半導体活性層３０６、およびｐ型窒化物半導体層３０７の一部が露出している。凹部３１２の側面にはｃ面に平行な面を含むが、このｃ面に平行な面は微小であり、かつ、ｎ型電極３０９、およびｎ型電極３０９と配線３０２とを接続するバンプ３０３によって光の取り出しが妨害されるため、光取り出し面としては無視してよい。
【００６３】
図４（ｃ）は、光取り出し面３１１ｂのうち凹部３１２が設けられた側と反対側の面を示す。
【００６４】
基板３０４を研磨して薄膜化することにより、光取り出し面３１１ａが形成される。基板３０４は、２０μｍ程度の厚さまで薄膜化することができる。基板３０４の厚さが２０μｍより小さくなると、実装工程で割れが発生しやすくなる。
【００６５】
研磨によって、光取り出し面３１１ａはｍ面と完全には一致しない場合がある。したがって、光取り出し面３１１ａは、ｍ面から１０度以下の角度だけ傾いた面であってもよい。
【００６６】
すなわち、本実施形態において「ｍ面に平行な光取り出し面」とは、ｍ面から１０度以下の角度だけ傾いた角度を有する光取り出し面を含んでいてもよい。
【００６７】
また、光取り出し面３１１ａの表面に対して研磨等の処理を行った場合、光取り出し面３１１ａを完全に平滑にすることは難しい。したがって、光取り出し面３１１ａは、算術平均荒さ（Ｒａ）が０以上１００ｎｍ以下程度の面であってもよい。
【００６８】
また、チップ状の窒化物半導体発光素子３００は、ウエハをへき開またはレーザーダイシングによって分離することにより形成される。へき開またはレーザーダイシングによって、光取り出し面３１１ｂはｃ面と完全には一致しない場合がある。したがって、光取り出し面３１１ｂは、ｃ面から１０度以下の角度だけ傾いた面であってもよい。
【００６９】
すなわち、本実施形態において「ｃ面に平行な光取り出し面」とは、ｃ面から１０度以下の角度だけ傾いた角度を有する光取り出し面を含んでいてもよい。
【００７０】
また、光取り出し面３１１ｂは、微視的に見て、ｃ面に対して０度以上３０度以下の範囲で傾いた複数の面から構成されていてもよい。
【００７１】
光取り出し面３１１ｂの場合と同様に、へき開またはレーザーダイシングによって、光取り出し面３１１ｃはａ面と完全には一致しない場合がある。したがって、光取り出し面３１１ｃは、ａ面から１０度以下の角度だけ傾いた面であってもよい。また、光取り出し面３１１ｃは、微視的に見て、ａ面に対して０度以上３０度以下の範囲で傾いた複数の面から構成されていてもよい。
【００７２】
ｍ面上に形成された窒化物半導体活性層３０６は、ａ軸に平行な方向に電界強度が偏った光を出射する。このような電界強度の偏りは、価電子帯の上部２つのバンド（ＡバンドおよびＢバンド）の振る舞いによって決まる。光は電界に対して垂直な方向に進行する性質があるため、窒化物半導体活性層３０６から発せられた光は、ａ軸に対して垂直な方向に偏って進行し、窒化物半導体発光素子３００内部で反射を繰り返しながら伝播し、やがて、光取り出し面３１１ａ、３１１ｂ、３１１ｃから外部へと取り出される。しかしながら、窒化物半導体活性層３０６から発せられた光はａ軸に対して垂直な方向に偏って進行するため、外部への光出射に大きく寄与する面は、ａ軸に対してほぼ平行に形成されている、光取り出し面３１１ａ、３１１ｂとなる。ａ軸に対してほぼ垂直に形成されている光取り出し面３１１ｃからの外部への光出射は、光取り出し面３１１ａおよび３１１ｂに比べて少ない。
【００７３】
光取り出し面３１１ｃから出射する光の量は少ないため、ａ軸方向の配光分布特性は光取り出し面３１１ａから出射する光の配光分布特性を強く反映していることになる。ａ軸方向の配光分布特性は、測定角が０度近辺のときに光度が最も強くなり、測定角が大きくなるにつれて光度は単調に減少する。
【００７４】
一方、ｃ軸方向の配光分布特性は、主に光取り出し面３１１ａおよび３１１ｂから取り出される光の配光分布特性を強く反映していることになる。
【００７５】
このように、光取り出し面３１１ａ、３１１ｂ、３１１ｃから出射する光量の違いによって、ａ軸方向の配光分布特性とｃ軸方向の配光分布特性に非対称性が生じる。
【００７６】
光取り出し面３１１ａおよび３１１ｂからの光出射量を制御するため、本実施の形態においては、光取り出し面３１１ｂの面積（対向する２つの面の面積の合計）を、光取り出し面３１１ａの面積の４６％以下にしている。
【００７７】
光取り出し面３１１ａおよび３１１ｂをこの面積割合にすることで、ｃ軸方向の配光分布特性においては、ｍ面の法線方向［１−１００］を０度とした場合、０度近辺における光度が最も強くなり、角度が大きくなるにつれて光度は単調に減少するようになる。さらに、ａ軸方向配光分布とｃ軸方向配光分布との平均非対称度を１２％以下に抑えることができる。
【００７８】
光取り出し面３１１ａの面積は窒化物半導体発光素子３００の大きさが決まると、ほぼ必然的に決定される。その場合、光取り出し面３１１ｂの面積は、基板３０４の厚さで制御することができる。
【００７９】
光取り出し面３１１ａの面積に対する光取り出し面３１１ｂの面積の比を小さくしていくと、非対称性はほぼ一定の値に落ち着き、その値以上はほとんど改善しない。これは、光取り出し面３１１ａから出射する光の配光分布特性を改善できないためである。光取り出し面３１１ｂの面積を小さくするには、基板３０４の厚さを薄くする必要がある。上記比の値が２４％以上であれば、基板３０４の研磨量が少なくてすみ、かつ、光の非対称性を十分に低減できるため、製造が容易である。
【００８０】
ただし、光取り出し面３１１ａの面積に対する光取り出し面３１１ｂの面積の比は２４％よりも小さくてもよい。例えば、基板３０４を完全に除去する場合（実施の形態１の変形例３）などは、上記比の値は１％以上であってもよい。
【００８１】
次に、本実施の形態１の製造方法について、図３を用いて説明する。
【００８２】
ｍ面を主面とするｎ型ＧａＮを含む基板３０４上に、ｎ型窒化物半導体層３０５をＭＯＣＶＤ法などを用いてエピタキシャル成長させる。例えば、ｎ型不純物としてシリコンを用い、ＴＭＧ（Ｇａ（ＣＨ3）3）、およびＮＨ3を原料として供給し、９００℃以上１１００℃以下程度の成長温度で、ＧａＮからなる厚さ１〜３μｍ程度のｎ型窒化物半導体層３０５を形成する。
【００８３】
次に、ｎ型窒化物半導体層３０５上に、窒化物半導体活性層３０６を形成する。窒化物半導体活性層３０６は、例えば、厚さ１５ｎｍのＧａ1-xＩｎxＮ井戸層と、厚さ３０ｎｍのＧａＮバリア層が交互に積層されたＧａＩｎＮ／ＧａＮ多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有している。Ｇａ1-xＩｎxＮ井戸層を形成する際には、成長温度を８００℃に下げることにより、良好にＩｎの取り込みを行うことができる。窒化物半導体発光素子３００の用途に応じて発光波長を選択し、波長に応じたＩｎ組成ｘを決定する。波長を４５０ｎｍ（青色）にする場合にはＩｎ組成ｘを０．１８〜０．２に決定する。５２０ｎｍ（緑色）であればｘ＝０．２９〜０．３１であり、６３０ｎｍ（赤色）であればｘ＝０．４３〜０．４４となる。
【００８４】
窒化物半導体活性層３０６の上に、ｐ型窒化物半導体層３０７を形成する。例えば、ｐ型不純物としてＣｐ2Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用い、ＴＭＧおよびＮＨ3を原料として供給し、９００℃以上１１００℃以下程度の成長温度で、厚さ５０〜５００ｎｍ程度のｐ型ＧａＮからなるｐ型窒化物半導体層３０７を形成する。ｐ型窒化物半導体層３０７の内部に、厚さ１５〜３０ｎｍ程度のｐ−ＡｌＧａＮ層を含んでいても良い。ｐ−ＡｌＧａＮ層を設けることで、動作時に電子のオーバーフローを抑制することができる。
【００８５】
次に、ｐ−ＧａＮ層の活性化のため、８００〜９００度程度の温度で、２０分程度熱処理を行う。
【００８６】
次に、塩素系ガスを用いてドライエッチングを行うことにより、ｐ型窒化物半導体層３０７、窒化物半導体活性層３０６およびｎ型窒化物半導体層３０５の一部を除去して凹部３１２を形成し、ｎ型窒化物半導体層３０５の一部を露出させる。
【００８７】
ここで、ドライエッチングの条件を制御することで、ｎ型窒化物半導体層３０５の一部、窒化物半導体活性層３０６およびｐ型窒化物半導体層３０７の側面と、光取り出し面３１１ａとが成す角度を制御することができる。例えば、エッチング圧力を下げ、イオンの引き出し電圧を高めた物理的エッチング性が高い条件を用いた場合、光取り出し面３１１ａに対してほぼ垂直な側面を形成できる。一方、プラズマ密度が高いＩＣＰプラズマ源を用い、イオンの引き出し電圧を小さくした化学的エッチング性が高い条件を用いた場合、光取り出し面３１１ａの法線方向から傾斜した側面を形成できる。
【００８８】
次いで、露出したｎ型窒化物半導体層３０５の一部に接するように、ｎ型電極３０９を形成する。例えば、ｎ型電極３０９としてＴｉ／Ｐｔ層を形成する。さらにｐ型窒化物半導体層３０７に接するように、ｐ型電極３０８を形成する。例えば、ｐ型電極３０８としてＰｄ／Ｐｔ層を形成する。その後、熱処理を行って、Ｔｉ／Ｐｔ層とｎ型窒化物半導体層３０５、および、Ｐｄ／Ｐｔ層とｐ型窒化物半導体層３０７を合金化させる。
【００８９】
その後、基板３０４を研磨して薄膜化する。この際、光取り出し面３１１ｂの面積（対向する２つの面の合計）が、光取り出し面３１１ａの面積の４４％以下となるように薄膜化を行う。
【００９０】
このようにして作製されたウエハ状態の窒化物半導体発光素子３００は、例えば、レーザーダイシングによって所定の大きさに分割される。レーザーダイシングでは、レーザーを用いて基板３０４のｃ軸方向［０００１］とａ軸方向［１１−２０］に、表面から数十μｍ程度の深さの溝を形成した後、ブレーキングを行い、所定のサイズの小片に分割する。この際、光取り出し面３１１ｂはｃ面が、光取り出し面３１１ｃはａ面が現れやすい。また、基板３０４の厚さが１００μｍ以下であれば、レーザーを用いて完全に小片化が可能であり、ブレーキングの必要がなくなる。
【００９１】
このように小片化された窒化物半導体発光素子３００は、実装基板３０１に実装される。ここでは、フリップチップ構造について説明する。
【００９２】
実装基板３０１には、あらかじめ配線３０２が形成されている。実装基板の主材料としては、アルミナ、ＡｌＮなどの絶縁物、Ａｌ、Ｃｕなどの金属、ＳｉやＧｅなど半導体、あるいはこれらの複合材料を用いることができる。金属や半導体を実装基板３０１の主材料として用いる場合には、表面を絶縁膜で覆ってもよい。配線３０２は、窒化物半導体発光素子３００の電極形状に合わせて配置すればよい。配線３０２には、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌなどを用いることができる。配線３０２は、窒化物半導体発光素子３００の電極形状に合わせて配置すればよい。配線３０２には、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌなどを用いることができる。これらの材料は、スパッタやメッキなどによって実装基板３０１上に形成される。
【００９３】
配線３０２上に、バンプ３０３を形成する。バンプ３０３にはＡｕを用いると良い。Ａｕバンプの形成には、バンプボンダを用いて、直径５０〜７０μｍ程度のＡｕバンプを形成することができる。また、Ａｕメッキ処理によってＡｕバンプを形成することもできる。このように、バンプ３０３が形成された実装基板３０１に、超音波接合を用いて窒化物半導体発光素子３００を接続する。
【００９４】
次に、封止部３１４を形成する。封止部３１４には、エポキシ樹脂や、シリコーン樹脂を用いることができる。封止部３１４の形状は、窒化物半導体発光素子３００が実装された実装基板３０１に金型をかぶせて、空洞部分に樹脂を流し込む。この方法では、封止部３１４の形状形成と窒化物半導体発光素子３００の樹脂封止を同時に行うことができる。また、あらかじめ窒化物半導体発光素子３００の分だけ空間を設けた封止部３１４を形成しておき、この透光性封止部３２０を窒化物半導体発光素子３００が実装された実装基板３０１にかぶせて、隙間に樹脂を流し込む手法も可能である。
【００９５】
このようにして、本実施の形態の半導体発光デバイスが完成する。
【００９６】
（実施の形態１の変形例１）
図５に実施の形態１の変形例１を示す。以下において、実施の形態１と同様の内容については説明を省略する。
【００９７】
変形例１において、積層構造３１０は、光取り出し面３１１ａ、３１１ｂ、３１１ｄを有する。光取り出し面３１１ａは、窒化物系半導体積層構造の層方向にほぼ平行に形成され、ｐ型電極３０８およびｎ型電極３０９と向かい合うように形成されている。従って、光取り出し面３１１ａはｍ面にほぼ平行になっている。光取り出し面３１１ｂは対向する２つの面を含み、窒化物半導体活性層３０６のｃ面にほぼ平行である。
【００９８】
光取り出し面３１１ｄは、４つの側面であり、基板３０４、ｎ型窒化物半導体層３０５、窒化物半導体活性層３０６およびｐ型窒化物半導体層３０７によって構成されている。光取り出し面３１１ｄのうち基板３０４の２つの側面の両方または一方は、光取り出し面３１１ａの法線方向から傾いている。この傾きは、例えば３０度であり、窒化物半導体活性層３０６が形成されたｍ面とは異なるｍ面とほぼ平行である。
【００９９】
光取り出し面３１１ｄのうちｎ型窒化物半導体層３０５、窒化物半導体活性層３０６およびｐ型窒化物半導体層３０７から構成される部分はａ面（（１１−２０）面）に平行である。
【０１００】
図５（ｃ−１）に示すように、２つの光取り出し面３１１ｄを光取り出し面３１１ａの法線方向から同じ方向に傾け、２つの光取り出し面３１１ｄを互いに平行に配置させてもよい。図５（ｃ−２）、（ｃ−３）に示すように、２つの光取り出し面３１１ｄを光取り出し面３１１ａの法線方向から異なる方向に傾けてもよい。図５（ｃ−２）において、基板３０４における光取り出し面３１１ｄは、ｎ型窒化物半導体層３０５から遠ざかるに従ってａ軸方向（［１１−２０］方向）の幅が狭くなるように傾斜している。図５（ｃ−３）において、基板３０４における光取り出し面３１１ｄは、ｎ型窒化物半導体層３０５から遠ざかるに従ってａ軸方向（［１１−２０］方向）の幅が広くなるように傾斜している。
【０１０１】
本変形例によると、光取り出し面３１１ａの法線方向に対して光取り出し面３１１ｄが傾斜していることにより、窒化物半導体発光素子３００の内部で反射する光は外部に取り出されやすくなり、光出力が向上する。実施の形態１の図３（ｃ）に示したように、光取り出し面３１１ａと光取り出し面３１１ｃがほぼ垂直に交わっている場合、臨界角以上の角度で光取り出し面３１１ａもしくは光取り出し面３１１ｃに入射した光は、窒化物半導体発光素子３００の内部で閉じ込められ、外部に取り出されない。一方、本変形例のように、光取り出し面３１１ｄのうち一つまたは複数の面が傾斜している場合には、臨界角以上の角度で光取り出し面３１１ａに入射した光は、光取り出し面３１１ａで全反射する。一方、光取り出し面３１１ｄには光が臨界角以下の角度で入射しやすくなるため、窒化物半導体発光素子３００の内部から外部に取り出される光量が多くなる。よって、光出力の大きい半導体発光デバイスが実現できる。光取り出し面３１１ｄのうち一つまたは複数の面が、光取り出し面３１１ａの法線方向から３０度傾いていても良い。これにより、さらに窒化物半導体発光素子３００の内部から外部に取り出される光量がさらに多くなる。
【０１０２】
へき開またはレーザーダイシングによって、一つまたは複数の光取り出し面３１１ｄを、光取り出し面３１１ａの法線方向から３０度傾けようとした場合、傾く角度にばらつきが生じる場合がある。したがって、一つまたは複数の光取り出し面３１１ｄは、光取り出し面３１１aの法線方向から２０度以上４０度以下の角度だけ傾いた面であってもよい。
【０１０３】
すなわち、本発明において「第１の光取り出し面の法線方向から３０度傾いた光取り出し面」とは、第１の光取り出し面の法線方向からの傾きの絶対値が２０度以上４０度以下の光取り出し面を含んでいてもよい。
【０１０４】
図６は、図５（ｃ−１）に示す窒化物半導体発光素子３００を、ウエハから各チップに分割する工程を示す断面図である。図６は、ｃ軸方向（［０００１］方向）に垂直な断面を示している。
【０１０５】
まず、図６（ａ）に示すようなウエハ３００Ａを準備する。ウエハ３００Ａは、積層構造３１０Ａを有し、積層構造３１０Ａは、基板３０４Ａ、ｎ型窒化物半導体層３０５Ａ、窒化物半導体活性層３０６Ａおよびｐ型窒化物半導体層３０７Ａを有している。ｐ型窒化物半導体層３０７Ａの上には、ｐ型電極３０８が形成されている。なお、ｐ型電極３０８は、リフトオフ法によって、各チップ領域（後に分割することによりチップとなる領域）３００Ｂごとに設けられている。
【０１０６】
次に、図６（ｂ）に示すように、フォトリソグラフィおよびエッチングにより、凹部３１２の底面がｎ型窒化物半導体層３０５Ａ内に配置するように凹部３１２を形成する。なお、凹部３１２の底面がｎ型窒化物半導体層３０５Ａを貫通していても良い。さらに、凹部３１２の底面に、ｎ型電極３０９を形成する。
【０１０７】
次に、図６（ｃ）に示すように、ダイヤモンドペンなどにより、凹部３１２の底面に数μｍ程度の深さの溝３５４を形成する。溝３５４は、隣合うチップ領域３００Ｂの境界に、ｃ軸方向［０００１］およびａ軸方向［１１−２０］に沿って設けられる。
【０１０８】
次に、図６（ｄ）に示すように、ブレーキングを行うことにより、所定のサイズのチップである窒化物半導体発光素子３００が形成される。レーザーダイシングを行う場合には、レーザーによって深さ５０μｍ程度の溝を形成するのに対し、図６のようにメカニカルダイシングを行う場合には、溝３５４の深さは数μｍ程度である。このように、メカニカルダイシングを行う場合には、レーザーダイシングよりも溝３５４の深さを小さくすることができるため、壁開性が高い面が現れやすい。そのため、光取り出し面３１１ｂとしてｃ面が、光取り出し面３１１ｄとして、基板３０４Ａの法線から３０度傾いたｍ面が現れやすい。
【０１０９】
本実施形態においては、光取り出し面３１１ｄのうち基板３０４から構成される部分だけではなく、ｎ型窒化物半導体層３０５、窒化物半導体活性層３０６およびｐ型窒化物半導体層３０７から構成される部分も、基板３０４Ａの法線から３０度傾いたｍ面とほぼ平行であってもよい。
【０１１０】
図５（ｃ−１）に示す窒化物半導体発光素子３００は、へき開による製法が容易であるという利点を有する。
【０１１１】
（実施の形態１の変形例２）
図７に実施の形態１の変形例２を示す。以下において、実施の形態１と同様の内容については説明を省略する。
【０１１２】
変形例２において、積層構造は、光取り出し面３１１ａ、３１１ｂ、３１１ｃを有する。
【０１１３】
光取り出し面３１１ｂ、３１１ｃは、それぞれ、基板３０４、ｎ型窒化物半導体層３０５、窒化物半導体活性層３０６およびｐ型窒化物半導体層３０７によって構成されている。光取り出し面３１１ｂのうち基板３０４から構成される部分は、ｃ面に平行である。光取り出し面３１１ｂのうちｎ型窒化物半導体層３０５、窒化物半導体活性層３０６およびｐ型窒化物半導体層３０７によって構成される部分は、光取り出し面３１１ａの法線方向（およびｃ面）から傾いている。
【０１１４】
光取り出し面３１１ｃのうち基板３０４から構成される部分は、ａ面に平行である。光取り出し面３１１ｃのうちｎ型窒化物半導体層３０５、窒化物半導体活性層３０６およびｐ型窒化物半導体層３０７によって構成される部分は、光取り出し面３１１ａの法線方向（およびａ面）から傾いている。図７（ｃ）においては、ｎ型窒化物半導体層３０５からｐ型窒化物半導体層３０７にかけてａ軸方向の幅が狭くなるように光取り出し面３１１ｂは傾いているが、逆の方向に傾いていてもよい。
【０１１５】
図７に示す構造は、ウエハ状態の積層構造３１０におけるｐ型窒化物半導体層３０７の上に、断面がテーパー状（ｐ型窒化物半導体層３０７から離れるほど幅が狭くなるテーパー状）のハードマスクを形成した状態でエッチングを行うことにより形成することができる。この場合、ハードマスクの側面の傾きが、積層構造３１０の側面に反映されるからである。また、反応性の高いドライエッチング条件を用いることで、断面をテーパー状にすることが可能である。
【０１１６】
なお、本変形例において光取り出し面３１１ｂの一部が傾いている場合において、「光取り出し面３１１ｂの面積」の計算には、その傾いた面をｃ面に平行な面に投影した像の面積ではなく、傾いた面そのものの面積が用いられる。
【０１１７】
本変形例によると、光取り出し面３１１ｂ、３１１ｃの一部を光取り出し面３１１ａの法線方向から傾斜させることにより、窒化物半導体発光素子３００内部で全反射を繰り返し難くなり、光取り出し効率が向上する。
【０１１８】
（実施の形態１の変形例３）
図８に実施の形態１の変形例３を示す。以下において、実施の形態１と同様の内容については説明を省略する。
【０１１９】
変形例３において、積層構造３１０は基板３０４を有しておらず、ｎ型窒化物半導体層３０５、窒化物半導体活性層３０６およびｐ型窒化物半導体層３０７を有している。積層構造３１０は、光取り出し面３１１ａ、３１１ｂ、３１１ｃを有する。光取り出し面３１１ａは、ｎ型窒化物半導体層３０５から構成されている。光取り出し面３１１ｂおよび光取り出し面３１１ｃは、ｎ型窒化物半導体層３０５、窒化物半導体活性層３０６およびｐ型窒化物半導体層３０７から構成されている。
【０１２０】
本実施形態の窒化物半導体発光素子３００は、サファイア基板、ＳｉＣ基板またはＳｉ基板などの、窒化物半導体とは異なる材料から形成されている基板（異種基板）を用いて作製される。ウエハ状態の異種基板に、ｎ型窒化物半導体層３０５、窒化物半導体活性層３０６、ｐ型窒化物半導体層３０７、ｐ型電極３０８およびｎ型電極３０９を形成した後、ウエハを各チップに分割する。チップに対して実装工程を行った後に、レーザー剥離法などを用いて異種基板を取り除くことができる。この方法によると、実装工程においてチップが割れるおそれを回避することができると共に、基板の厚さの分だけ素子を薄くすることができるため、小型化が可能となる。
【０１２１】
（実施の形態２）
図９は、実施の形態２の半導体発光デバイスを模式的に示したものであり、図９（ａ）は上面図、図９（ｂ）はＸ−Ｘ’における断面図、図９（ｃ）はＹ−Ｙ’における断面図である。
【０１２２】
本実施形態における実施の形態１との違いは、窒化物半導体発光素子３００のｃ軸方向の長さが、前記半導体発光素子のａ軸方向の長さよりも大きく、窒化物半導体発光素子３００の平面形状が長方形である点である。この点以外の構成は実施の形態１と同様であるため、その詳細な説明は省略する。
【０１２３】
窒化物半導体発光素子３００が正方形の平面形状を有する場合、光取り出し面３１１ｂの面積（対向する２つの面の合計）を、光取り出し面３１１ａの面積の４４％以下にするためには、基板３０４の厚さを小さくする必要がある。しかしながら、窒化物半導体の結晶成長に用いる基板材料は硬度が高いものが多く、研磨などによる薄膜化が困難な場合がある。本実施形態によると、窒化物半導体発光素子３００がｃ軸方向を長手方向とする長方形の平面形状を有することにより、基板３０４が厚い場合においても、半導体発光素子３００のａ軸方向の長さを小さくすることにより、光取り出し面３１１ａおよび３１１ｂの面積を制御することが可能となる。
【０１２４】
（実施の形態２の変形例）
図１０は、実施の形態２の変形例を示す。
【０１２５】
変形例において、積層構造３１０は、光取り出し面３１１ａ、３１１ｂ、３１１ｄを有する。光取り出し面３１１ｄは、対向する４つの側面であり、基板３０４、ｎ型窒化物半導体層３０５、窒化物半導体活性層３０６およびｐ型窒化物半導体層３０７によって構成されている。光取り出し面３１１ｄのうち基板３０４の２つの側面の両方または一方は、光取り出し面３１１ａの法線方向から傾いている。この傾きは、例えば３０度であり、窒化物半導体活性層３０６が形成されたｍ面とは異なるｍ面とほぼ平行である。光取り出し面３１１ｄのうちｎ型窒化物半導体層３０５、窒化物半導体活性層３０６およびｐ型窒化物半導体層３０７から構成される部分はａ面（（１１−２０）面）に平行である。
【０１２６】
本変形例において、窒化物半導体発光素子３００の平面形状が長方形である点は実施の形態２と同様である。また、光取り出し面３１１ｄの一部がｍ面とほぼ平行である点は、実施の形態１の変形例１と同様である。よって、その詳細な説明は省略する。
【０１２７】
本変形例によると、光取り出し面３１１ａの法線方向に対して光取り出し面３１１ｄが傾斜していることにより、窒化物半導体発光素子３００の内部で反射する光は外部に取り出されやすくなり、光出力が向上する。どのｍ面を壁開によって露出するかを制御することにより、図１０（ｃ−１）、図１０（ｃ−２）、図１０（ｃ−３）に示す形状を作製することができる。
【０１２８】
なお、実施の形態１の変形例２、３においても、窒化物半導体発光素子３００の平面形状が長方形であってもよい。
【０１２９】
（実施の形態３）
図１１は、実施の形態３の半導体発光デバイスを模式的に示したものであり、図１１（ａ）は上面図、図１１（ｂ）はＸ−Ｘ’における断面図、図１１（ｃ）はＹ−Ｙ’における断面図である。
【０１３０】
本実施形態における実施の形態１との違いは、実装基板３０１の表面に、キャビティ３１３が形成されている点である。キャビティ３１３は、実装基板３０１の表面に形成された凹部であり、凹部の底面に、窒化物半導体発光素子３００が配置されている。キャビティ３１３を設けることにより、窒化物半導体発光素子３００から出射した光を反射させ、配光特性を制御することができる。
【０１３１】
キャビティ３１３は、反射率が高い材料から形成することにより、発光効率を向上させることができる。例えば、アルミナや、ＴｉＯ2微粒子を含有するシリコーン樹脂などを用いることができる。また、キャビティ３１３の表面をＡｌやＡｇなどの反射率の高い材料で被覆してもよい。本変形例においては、光取り出し面３１１ｂの面積（対向する２つの面の合計）が、光取り出し面３１１ａの面積の４４％以下にすることで、ａ軸方向配光分布とｃ軸方向配光分布の平均非対称度を６％以下に抑えることができる。
【０１３２】
本実施の形態は、キャビティ３１３以外のリフレクタを有していてもよい。
【０１３３】
（実施の形態３の変形例１）
図１２は、実施の形態３の変形例１を示す。
【０１３４】
変形例１において、積層構造３１０は、光取り出し面３１１ａ、３１１ｂ、３１１ｄを有する。光取り出し面３１１ｄは、対向する４つの側面であり、基板３０４、ｎ型窒化物半導体層３０５、窒化物半導体活性層３０６およびｐ型窒化物半導体層３０７によって構成されている。光取り出し面３１１ｄのうち基板３０４の２つの側面の両方または一方は、光取り出し面３１１ａの法線方向から傾いている。この傾きは、例えば３０度であり、窒化物半導体活性層３０６が形成されたｍ面とは異なるｍ面とほぼ平行である。光取り出し面３１１ｄのうちｎ型窒化物半導体層３０５、窒化物半導体活性層３０６およびｐ型窒化物半導体層３０７から構成される部分はａ面（（１１−２０）面）に平行である。
【０１３５】
本変形例において、キャビティ３１３が設けられている点は実施の形態３と同様である。また、光取り出し面３１１ｄの一部がｍ面とほぼ平行である点は、実施の形態１の変形例１と同様である。よって、その詳細な説明は省略する。
【０１３６】
本変形例によると、光取り出し面３１１ａの法線方向に対して光取り出し面３１１ｄのうち一つまたは複数の面が傾斜していることにより、窒化物半導体発光素子３００の内部で反射する光は外部に取り出されやすくなり、光出力が向上する。どのｍ面を壁開によって露出するかを制御することにより、図１２（ｃ−１）、図１２（ｃ−２）、図１２（ｃ−３）に示す形状を作製することができる。
【０１３７】
なお、実施の形態１の変形例２、３において、キャビティ３１３を設けてもよい。また、また、実施の形態２または実施の形態２の変形例において、キャビティ３１３を設けてもよい。
【０１３８】
（その他の実施形態）
以下、光取り出し面３１１ａに、意図的にテクスチャ構造を設ける場合を説明する。
【０１３９】
図１３は、意図的にテクスチャ構造が設けられた光取り出し面３１１ａ’を有する半導体発光デバイスを模式的に示す図であり、図１３（ａ）は上面図、図１３（ｂ）はＸ−Ｘ’における断面図、図１３（ｃ）はＹ−Ｙ’における断面図である。
【０１４０】
図１３に示す窒化物半導体発光素子３００の光取り出し面３１１ａ’には、ストライプ上の溝３５２が複数設けられている。溝３５２の延びる方向は、ｃ面から角度θだけ傾いた方向である。
【０１４１】
溝３５２の周期は、３００ｎｍ以上８μｍ以下であってもよい。溝３５２の周期が３００ｎｍよりも小さければ、光は溝３５２の周期構造の影響を受けにくくなるためであり、溝３５２の周期が８μｍより大きければ、光取り出し面３１１ａ’に形成される溝３５２の数が少なくなるためである。また、光取り出し面３１１ａ’において、ストライプが延伸する方向と偏光方向（ａ軸方向）とがなす角度の絶対値をθとした場合、θ(mod 180度)が５度以上１７５度以下であってもよい。これにより、偏光度を効果的に低減できる。さらに、θ(mod 180度)が、３０度以上１５０度以下であってもよい。これにより、さらに効果的に偏光を低減できる。
【０１４２】
光取り出し面３１１ａ’にテクスチャ構造が設けられている場合、「光取り出し面３１１ａ’の面積」とは、光取り出し面３１１ａ’をｍ面に平行な面に投影させた場合の面積で考える。
【０１４３】
テクスチャ構造は、図１３（ａ）に示す形状に限られない。例えば、図１４（ａ）に示すように、三角形状の断面を有し、深い位置ほど幅の狭い溝であってもよい。図１４（ｂ）に示すように、断面が曲面の形状を有していてもよい。図１４（ｃ）に示すように、複数の凸部が光取り出し面３１１ａ’の表面において行列方向に配置されていてもよい。この凸部の形状は、円錐型や半円型であってもよい。また、凸部は等間隔に配列されていなくてもよい。
【０１４４】
本実施形態のテクスチャ構造は、光取り出し面３１１ａ’の表面にフォトリソグラフィによってマスクを形成した後、ドライエッチングを行うことにより形成することができる。ドライエッチングの条件を調整することにより、テクスチャ構造の断面形状を制御することができる。例えば、エッチング圧力を下げ、イオンの引き出し電圧を高めた物理的エッチング性が高い条件を用いた場合、光取り出し面３１１ａ’の法線方向に近い側面を形成できる。一方、プラズマ密度が高いＩＣＰプラズマ源を用い、イオンの引き出し電圧を小さくした化学的エッチング性が高い条件を用いた場合、光取り出し面３１１ａ’の法線方向から傾いた側面を形成できる。
【０１４５】
（実施例１）
以下、光取り出し面３１１ｄとして主にｍ面が露出する実施例１を説明する。
【０１４６】
ウエハ状態のｍ面ｎ型ＧａＮ基板上に、厚さ２μｍのｎ型ＧａＮ層からなるｎ型窒化物半導体層と、厚さ１５ｎｍのＩｎＧａＮ量子井戸層および厚さ３０ｎｍのＧａＮ障壁層からなる３周期の量子井戸構造を有する窒化物半導体活性層と、厚さ０．５μｍのｐ型ＧａＮ層からなるｐ型窒化物半導体層とを形成した。ｎ型電極としてＴｉ／Ｐｔ層、ｐ型電極としてＰｄ／Ｐｔ層を形成した。ｍ面ｎ型ＧａＮ基板は、研磨により所定の厚さまで薄くした。ダイヤモンドペンを用いて、ウエハのｃ軸方向［０００１］とａ軸方向［１１−２０］に、表面から数μｍ程度の深さの溝を形成した後、ウエハのブレーキングを行い、所定の大きさの小片（窒化物半導体発光素子３００）に分割した。ｃ軸方向［０００１］のブレーキングを行うと、けがき線に沿って、ほぼｃ面が露出した。一方、ａ軸方向［１１−２０］のブレーキングを行うと、ｍ面が露出する場合が多く見られた。
【０１４７】
これらのチップ状態の窒化物半導体発光素子３００を、アルミナ上に配線が形成された実装基板３０１上に搭載してフリップチップ実装を行い、半導体発光デバイスを作製した。窒化物半導体発光素子３００から出射する光の配光分布特性に注目するため、窒化物半導体発光素子３００の表面に、封止部３１４は形成していない。
【０１４８】
表１は、半導体発光デバイスに用いた窒化物半導体発光素子３００の大きさと基板（ＧａＮ基板）３０４の厚さの一覧である。光取り出し面３１１ａの面積に対する光取り出し面３１１ｂの面積の割合が異なる５種類のサンプルを準備した。これらの半導体発光デバイスの発光ピーク波長は、１０ｍＡの電流値において、４０５ｎｍから４１０ｎｍであった。
【０１４９】
【表１】
2012137406.tif 000003
【０１５０】
表１に示す５種類の半導体発光デバイスについて、１０ｍＡの電流を流し、配光分布特性を調べた。配光分布特性は、Ｏｐｔｒｏｎｉｃ  Ｌａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓ社製のＯＬ７００−３０  ＬＥＤ  ＧＯＮＩＯＭＥＴＥＲを用い、国際照明委員会ＣＩＥ発行のＣＩＥ１２７に明記されたｃｏｎｄｉｔｉｏｎ  Ａ（ＬＥＤの先端から受光部３１８までの距離が３１６ｍｍ）によって、ａ軸方向の配光分布特性とｃ軸方向の配光分布特性の光度を測定した結果である。
【０１５１】
ａ軸方向の配光分布特性は、窒化物半導体発光素子３００のｍ面の法線方向［１−１００］と測定線３１９とがなす角度を測定角とし、窒化物半導体発光素子３００のｃ軸を中心軸にして窒化物半導体発光素子３００を回転させながら光度を測定した値である。
【０１５２】
ｃ軸方向の配光分布特性は、窒化物半導体発光素子３００のｍ面の法線方向［１−１００］と測定線３１９がなす角度を測定角とし、窒化物半導体発光素子３００のａ軸を中心にして窒化物半導体発光素子３００を回転させながら光度を測定した値である。
【０１５３】
さらに、ａ軸方向配光分布とｃ軸方向配光分布の非対称性を数値化するために、非対称度、最大非対称度、平均非対称度を定義する。非対称度とは、法線方向から同一の角度におけるａ軸方向の光度とｃ軸方向の光度の差を、主面であるｍ面の法線方向［１−１００］の光度、すなわち０度における光度を用いて規格化した値であり、−９０度〜＋９０度までの各角度において非対称度が定義されている。最大非対称度とは、非対称度の−９０度〜＋９０度の範囲における最大値である。平均非対称度とは、非対称度を−９０度〜＋９０度の範囲で平均化した値である。
【０１５４】
図１５（ａ）は、サンプルＮｏ．１の半導体発光デバイスの、ａ軸方向の配光分布特性（細実線）と、ｃ軸方向の配光分布特性（太実線）を示すグラフである。主面であるｍ面の法線方向を０度として、重ね書きしてある。縦軸は光度（ｃｄ）を角度０の値で規格化している。ａ軸方向の配光分布特性は、ほぼ０度を最大値として高角度ほど単調減少する形状を有している。一方、ｃ軸方向の配光分布特性は、±５０度あたりで最大となる形状を有している。
【０１５５】
図１５（ｂ）は、サンプルＮｏ．２の半導体発光デバイスの、ａ軸方向の配光分布特性（細実線）と、ｃ軸方向の配光分布特性（太実線）である。主面であるｍ面の法線方向を０度として、重ね書きしてある。縦軸は光度（ｃｄ）を角度０の値で規格化している。ａ軸方向の配光分布特性は、ほぼ０度を最大値として高角度ほど単調減少する形状を有する。サンプルＮｏ．１で見られた±５０度あたりのピークが抑制されていることが分かる。
【０１５６】
図１６は、表１に記載の５種類の半導体発光デバイスについて、光取り出し面３１１ａの面積に対する光取り出し面３１１ｂの面積の割合［％］を横軸に、最大非対称度と平均非対称度を縦軸に示すグラフである。光取り出し面３１１ａの面積に対する光取り出し面３１１ｂの面積の割合が小さくなるにつれ、最大非対称度と平均非対称度がともに小さくなる。面積割合が４６％において平均非対称度は１２％、面積割合が３２％において平均非対称度は８％となる。これは、光取り出し面３１１ａの面積に対して、光取り出し面３１１ｂの面積を小さくすることで、光取り出し面３１１ｂから出射する光が配光分布特性に与える影響を小さくできることを意味している。しかしながら、面積割合が４６％程度で飽和傾向が見られ、面積割合が３２％以下では配光分布の非対称度は一定の値に落ち着く。これは、光取り出し面３１１ａから出射する光がもつ配光分布特性を表していると考えられる。
【０１５７】
以上のことから、主面がｍ面である窒化物系半導体積層構造を有する窒化物半導体発光素子を備えた半導体発光デバイスのｃ軸方向の配光分布特性は、ｍ面にほぼ平行に形成された光取り出し面３１１ａの面積と、ｃ面にほぼ平行に形成された光取り出し面３１１ｂの面積の比に強く依存し、光取り出し面３１１ｄの面積にはほとんど依存しないことがわかる。結果として、ｃ軸方向の配光分布特性とａ軸方向の配光分布特性の非対称性を改善するためには、光取り出し面３１１ａの面積に対する光取り出し面３１１ｂの面積割合を４６％以下にしてもよい。
【０１５８】
（実施例２）
以下、封止部３１４を有する実施例２を説明する。
【０１５９】
ウエハ状態のｍ面ｎ型ＧａＮ基板上に、厚さ２μｍのｎ型ＧａＮ層からなるｎ型窒化物半導体層と、厚さ１５ｎｍのＩｎＧａＮ量子井戸層および厚さ３０ｎｍのＧａＮ障壁層からなる３周期の量子井戸構造を有する窒化物半導体活性層と、厚さ０．５μｍのｐ型ＧａＮ層からなるｐ型窒化物半導体層とを形成した。ｎ型電極としてＴｉ／Ｐｔ層、ｐ型電極としてＰｄ／Ｐｔ層を形成した。ｍ面ｎ型ＧａＮ基板は、研磨により所定の厚さまで研磨した。ダイヤモンドペンを用いて、ウエハのｃ軸方向［０００１］とａ軸方向［１１−２０］に、ｐ型窒化物半導体層側の表面から数μｍ程度の深さの溝を形成した後、ウエハのブレーキングを行い、所定の大きさの小片（窒化物半導体発光素子３００）に分割した。ｃ軸方向［０００１］のブレーキングを行うと、けがき線に沿って、ほぼｃ面が露出した。一方、ａ軸方向［１１−２０］のブレーキングを行うと、ｍ面が露出する場合が多く見られた。
【０１６０】
これらのチップ状態の窒化物半導体発光素子３００を、アルミナ上に配線が形成された実装基板３０１上に搭載してフリップチップ実装を行い、半導体発光デバイスを作製した。さらに、窒化物半導体発光素子３００の表面に、屈折率１．４２、直径１．２ｍｍ、半球形状のシリコーン樹脂からなる封止部３１４を形成することにより、図５に示す半導体発光デバイスを作製した。
【０１６１】
表２は、半導体発光デバイスに用いた窒化物半導体発光素子３００の大きさとＧａＮ基板の厚さの一覧である。光取り出し面３１１ａの面積に対する光取り出し面３１１ｂの面積の割合が異なる３種類のサンプルを準備した。これらの半導体発光デバイスの発光ピーク波長は、１０ｍＡの電流値において、４０５ｎｍから４１０ｎｍであった。
【０１６２】
【表２】
2012137406.tif 000004
【０１６３】
図１７（ａ）は、サンプルＮｏ．６の半導体発光デバイスの、ａ軸方向の配光分布特性（細実線）と、ｃ軸方向の配光分布特性（太実線）を示すグラフである。主面であるｍ面の法線方向を０度として、重ね書きしてある。縦軸は光度（ｃｄ）を角度０の値で規格化している。ａ軸方向の配光分布特性は、ほぼ０度を最大値として高角度ほど単調減少する形状である。一方、ｃ軸方向の配光分布特性は、複数のピークを有する形状をしている。これは、サンプルＮｏ．１のｃ軸方向の配光分布特性（図１５（ａ））とは大きく異なる結果である。すなわち、窒化物半導体発光素子３００から封止部３１４に取り出された光は、そのままの形状で外部に取り出されるわけではなく、封止部３１４の内部での反射、実装基板３０１での反射、封止部３１４から外部に取り出される際の光の回折の影響を受ける。結果として、封止部３１４を有する半導体発光デバイスの配光分布特性は、封止部３１４がない場合（図１５（ａ））に比べて、より歪んだ形状になる。
【０１６４】
図１７（ｂ）は、サンプルＮｏ．７の半導体発光デバイスの、ａ軸方向の配光分布特性（細実線）と、ｃ軸方向の配光分布特性（太実線）を示すグラフである。主面であるｍ面の法線方向を０度として、重ね書きしてある。縦軸は光度（ｃｄ）を角度０の値で規格化している。ａ軸方向の配光分布特性は、ほぼ０度を最大値として高角度ほど単調減少する形状を有する。ｃ軸方向の配光分布特性は、複数のピークを有する形状を有するが、サンプルＮｏ．６のときほど顕著ではなく、ａ軸方向の配光分布特性（細実線）と、ｃ軸方向の配光分布特性（太実線）の形状が近づいていることが分かる。図１７（ａ）の結果から、封止部３１４を有する場合、窒化物半導体発光素子３００が持つ配光分布特性と封止部３１４の相関を考慮して設計が必要となるため、半導体発光デバイスの配光分布特性を制御することが難しくなることがわかるが、図１７（ｂ）の結果から、本実施の形態により、窒化物半導体発光素子３００の配光分布特性が改善し、封止部３１４の設計が容易になる。
【０１６５】
図１８は、表２に記載の３種類の半導体発光デバイスについて、光取り出し面３１１ａの面積に対する光取り出し面３１１ｂの面積の割合［％］を横軸に、最大非対称度と平均非対称度を縦軸に示すグラフである。光取り出し面３１１ａの面積に対する光取り出し面３１１ｂの面積の割合が小さいサンプルでは、最大非対称度と平均非対称度がともに小さくなる。これは、封止部３１４を有する窒化物半導体発光素子においても、光取り出し面３１１ａの面積に対する光取り出し面３１１ｂの面積の比を小さくすることにより、光取り出し面３１１ｂから出射する光が配光分布特性に与える影響を小さくできることを意味している。実施例１と同様に、光取り出し面３１１ａの面積に対する光取り出し面３１１ｂの面積の割合が４６％程度で非対称度の低減に飽和傾向が見られ、面積割合が４６％以下では配光分布の非対称度はほぼ一定の値となることから、封止部３１４を有する半導体発光デバイスにおいても、ｃ軸方向の配光分布特性は、光取り出し面３１１ａの面積と、光取り出し面３１１ｂの面積の比に強く依存していると言える。
【０１６６】
以上のことから、主面がｍ面である窒化物系半導体積層構造を有する窒化物半導体発光素子と封止とを備えた半導体発光デバイスのｃ軸方向の配光分布特性は、ｍ面にほぼ平行に形成された光取り出し面３１１ａの面積と、ｃ面にほぼ平行に形成された光取り出し面３１１ｂの面積の比に強く依存し、光取り出し面３１１ｄの面積にはほとんど依存しないことがわかる。結果として、ｃ軸方向の配光分布特性とａ軸方向の配光分布特性の非対称性を改善するためには、光取り出し面３１１ａの面積に対する光取り出し面３１１ｂの面積割合を４６％以下にしてもよい。
【０１６７】
（実施例３）
以下、キャビティ３１３を有する実施例３を説明する。
【０１６８】
ウエハ状態のｍ面ｎ型ＧａＮ基板上に、厚さ２μｍのｎ型ＧａＮ層からなるｎ型窒化物半導体層と、厚さ１５ｎｍのＩｎＧａＮ量子井戸層と厚さ３０ｎｍのＧａＮ障壁層からなる３周期の量子井戸構造を有する窒化物半導体活性層と、厚さ０．５μｍのｐ型ＧａＮ層からなるｐ型窒化物半導体層とを形成した。ｎ型電極としてＴｉ／Ｐｔ層、ｐ型電極としてＰｄ／Ｐｔ層を形成した。ｍ面ｎ型ＧａＮ基板は、研磨により所定の厚さまで研磨した。ダイヤモンドペンを用いて、ウエハのｃ軸方向［０００１］とａ軸方向［１１−２０］に、ｐ型窒化物半導体層側の表面から数μｍ程度の深さの溝を形成した後、ウエハのブレーキングを行い、所定の大きさの小片（窒化物半導体発光素子３００）に分割した。ｃ軸方向［０００１］のブレーキングを行うと、けがき線に沿って、ほぼｃ面が露出した。一方、ａ軸方向［１１−２０］のブレーキングを行うと、ｍ面が露出する場合が多く見られた。
【０１６９】
これらのチップ状態の窒化物半導体発光素子３００を、キャビティ３１３を有する実装基板３０１上に搭載してフリップチップ実装を行い、半導体発光デバイスを作製した。窒化物半導体発光素子３００から出射する光の配光分布特性に注目するため、窒化物半導体発光素子３００の表面に、封止部３１４は形成していない。キャビティ３１３において、底部の直径は１．２ｍｍ、上部の直径は２．２ｍｍ、高さは０．５ｍｍであり、キャビティ３１３の内部の斜面は光取り出し面３１１ａの法線方向から約４５度傾いている。キャビティ３１３はシリコーン性の樹脂から形成されており、波長４０５ｎｍの光の反射率はおよそ９０％である。
【０１７０】
表３は、半導体発光デバイスに用いた窒化物半導体発光素子３００の大きさと基板（ＧａＮ基板）３０４の厚さの一覧であり、光取り出し面３１１ａの面積に対する光取り出し面３１１ｂの面積の割合が異なる３種類のサンプルを準備した。これらの半導体発光デバイスの発光ピーク波長は、１０ｍＡの電流値において、４０５ｎｍから４１０ｎｍであった。
【０１７１】
【表３】
2012137406.tif 000005
【０１７２】
図１９（ａ）は、サンプルＮｏ．９の半導体発光デバイスの、ａ軸方向の配光分布特性（細実線）と、ｃ軸方向の配光分布特性（太実線）を示すグラフである。主面であるｍ面の法線方向を０度として、重ね書きしてある。縦軸は光度（ｃｄ）を角度０の値で規格化している。ａ軸方向の配光分布特性は、ほぼ０度を最大値として高角度ほど単調減少する形状を有している。一方、ｃ軸方向の配光分布特性は、±４０度付近にピークを持つ形状を有する。キャビティ３１３を有するため、６０度以上の高角度側では光度が急激に減少する。
【０１７３】
図１９（ｂ）は、サンプルＮｏ．１０の半導体発光デバイスの、ａ軸方向の配光分布特性（細実線）と、ｃ軸方向の配光分布特性（太実線）を示すグラフである。主面であるｍ面の法線方向を０度として、重ね書きしてある。縦軸は光度（ｃｄ）を角度０の値で規格化している。ａ軸方向およびｃ軸方向の配光分布特性は、ほぼ０度を最大値として高角度ほど単調減少する形状になる。
【０１７４】
図２０は、表３に記載の３種類の半導体発光デバイスについて、光取り出し面３１１ａの面積に対する光取り出し面３１１ｂの面積の割合［％］を横軸に、最大非対称度と平均非対称度を縦軸に示すグラフである。光取り出し面３１１ａの面積に対する光取り出し面３１１ｂの面積の割合が小さいサンプルでは、最大非対称度と平均非対称度がともに小さくなる。これは、キャビティ３１３を有する半導体発光デバイスにおいても、光取り出し面３１１ａの面積に対する光取り出し面３１１ｂの面積を小さくすることで、光取り出し面３１１ｂから出射する光が配光分布特性に与える影響を小さくできることを意味している。実施例１と同様に、光取り出し面３１１ａの面積に対する光取り出し面３１１ｂの面積の割合が４６％程度で非対称度は飽和する傾向が見られ、面積割合が４６％以下では配光分布の非対称度はほぼ一定の値となる。以上のことから、キャビティ３１３を有する半導体発光デバイスにおいても、ｃ軸方向の配光分布特性は、光取り出し面３１１ａの面積と、光取り出し面３１１ｂの面積の比に強く依存していると言える。
【０１７５】
また、実施例１の図１６の結果と比較して、全体的に非対称度が小さいことがわかる。これは、窒化物半導体発光素子３００から出射した光がキャビティ３１３で反射する際に光が散乱することで、非対称度が改善しているためであると考えられる。
【０１７６】
以上のことから、主面がｍ面である窒化物系半導体積層構造を有する窒化物半導体発光素子とキャビティとを備えた半導体発光デバイスのｃ軸方向の配光分布特性は、ｍ面にほぼ平行に形成された光取り出し面３１１ａの面積と、ｃ面にほぼ平行に形成された光取り出し面３１１ｂの面積の比に強く依存しており、光取り出し面３１１ｄの面積にはほとんど依存しないことがわかる。結果として、ｃ軸方向の配光分布特性とａ軸方向の配光分布特性の非対称性を改善するためには、光取り出し面３１１ａの面積に対する光取り出し面３１１ｂの面積割合を４６％以下にしてもよい。
【０１７７】
（実施例４）
以下、光取り出し面３１１ｃとして主にａ面が露出する実施例４を説明する。
【０１７８】
ウエハ状態のｍ面ｎ型ＧａＮ基板上に、厚さ２μｍのｎ型ＧａＮ層からなるｎ型窒化物半導体層と、厚さ１５ｎｍのＩｎＧａＮ量子井戸層と厚さ３０ｎｍのＧａＮ障壁層からなる３周期の量子井戸構造を有する窒化物半導体活性層と、厚さ０．５μｍのｐ型ＧａＮ層からなるｐ型窒化物半導体層とを形成した。ｎ型電極にはＴｉ／Ｐｔ層、ｐ型電極としてＰｄ／Ｐｔ層を形成した。ｍ面ｎ型ＧａＮ基板は、研磨により所定の厚さまで研磨した。ウエハのｃ軸方向［０００１］とａ軸方向［１１−２０］に、レーザーによってｎ型ＧａＮ基板の表面から５０μｍ程度の深さの溝を形成した後、ブレーキングを行い、所定の大きさの小片（窒化物半導体発光素子３００）に分割した。ｃ軸方向［０００１］のブレーキングではｃ面が露出した。ａ軸方向［１１−２０］のブレーキングではａ面が露出する場合が多く見られた。
【０１７９】
これらのチップ状態の窒化物半導体発光素子３００を、アルミナ上に配線が形成された実装基板３０１上に搭載してフリップチップ実装を行い、半導体発光デバイスを作製した。窒化物半導体発光素子３００から出射する光の配光分布特性に注目するため、窒化物半導体発光素子３００の表面に、封止部３１４は形成していない。
【０１８０】
表４は、作製した半導体発光デバイスの大きさとＧａＮ基板の厚さの一覧である。光取り出し面３１１ａの面積に対する光取り出し面３１１ｂの面積の割合が異なる２種類のサンプルを準備した。これらの半導体発光デバイスの発光ピーク波長は、電流値が１０ｍＡにおいて、４０５ｎｍから４１０ｎｍであった。
【０１８１】
【表４】
2012137406.tif 000006
【０１８２】
図２１（ａ）は、サンプルＮｏ．１２の半導体発光デバイスの、ａ軸方向の配光分布特性（細実線）と、ｃ軸方向の配光分布特性（太実線）を示すグラフである。主面であるｍ面の法線方向を０度として、重ね書きしてある。縦軸は光度（ｃｄ）を角度０の値で規格化している。図１５（ａ）および図２１（ａ）のｃ軸方向の配光分布特性を比較すると、ほぼ同様の形状であることがわかる。従って、ｃ軸方向の配光分布特性に影響を与えているのは、光取り出し面３１１ａおよび光取り出し面３１１ｂであると考えることができる。
【０１８３】
図２１（ｂ）は、サンプルＮｏ．１３の半導体発光デバイスの、ａ軸方向の配光分布特性（細実線）と、ｃ軸方向の配光分布特性（太実線）を示すグラフである。主面であるｍ面の法線方向を０度として、重ね書きしてある。縦軸は光度（ｃｄ）を角度０の値で規格化している。ａ軸方向およびｃ軸方向の配光分布特性は、ほぼ０度を最大値として高角度ほど減少する形状を有する。
【０１８４】
図２２は、表４に記載の２種類の半導体発光デバイスについて、光取り出し面３１１ａの面積に対する光取り出し面３１１ｂの面積の割合［％］を横軸に、最大非対称度と平均非対称度を縦軸に示すグラフである。光取り出し面３１１ａの面積に対する光取り出し面３１１ｂの面積の割合が小さくなると、最大非対称度と平均非対称度がともに小さくなる。
【０１８５】
図１６の光取り出し面３１１ｃを有する場合と、図２２の光取り出し面３１１ｄを有する場合の非対称度を比較した場合、両者の値は比較的近い値が得られている。すなわち、光取り出し面３１１ｄを有する窒化物半導体発光素子を備えた半導体発光デバイスにおいても、ｃ軸方向の配光分布特性は、光取り出し面３１１ａの面積と、光取り出し面３１１ｂの面積の比に強く依存していると言える。
【０１８６】
実施例１〜４の結果を踏まえて考えると、窒化物半導体発光素子３００を備えた半導体発光デバイスのｃ軸方向の配光分布特性は、キャビティ３１３、封止部３１４、光取り出し面３１１ｃおよび光取り出し面３１１ｄの影響よりも、窒化物半導体発光素子のｍ面にほぼ平行に形成された光取り出し面３１１ａの面積と、ｃ面にほぼ平行に形成された光取り出し面３１１ｂの面積の比に依存していると考えることができる。このような現象は、ｍ面ＧａＮ上の発光素子に固有の現象である。さらに、ｃ軸方向の配光分布特性とａ軸方向の配光分布特性の非対称性を改善するためには、光取り出し面３１１ａの面積に対する光取り出し面３１１ｂの面積割合を４６％以下にしてもよい。ここで示した４６％以下という面積比率も、ｍ面ＧａＮ上の発光素子に固有の値である。
【０１８７】
（実施例５）
以下、レーザーダイシングおよびメカニカルダイシングを行った場合の光取り出し面の面方位を説明する。
【０１８８】
ウエハ状態のｍ面ｎ型ＧａＮ基板上に、厚さ２μｍのｎ型ＧａＮ層からなるｎ型窒化物半導体層と、厚さ１５ｎｍのＩｎＧａＮ量子井戸層および厚さ３０ｎｍのＧａＮ障壁層からなる９周期の量子井戸構造を有する窒化物半導体活性層と、厚さ０．５μｍのｐ型ＧａＮ層とを形成した。ｎ型電極としてＴｉ／Ｐｔ層、ｐ型電極としてＭｇ／Ｐｔ層を形成した。ｍ面ｎ型ＧａＮ基板は、研磨により１５０μｍの厚さまで研磨した。研磨したウエハを、９５０μｍ角の小片に分割した。分割では、レーザーダイシングとメカニカルダイシングの２種類の方法を用いた。
【０１８９】
レーザーダイシングでは、ウエハのｃ軸方向［０００１］とａ軸方向［１１−２０］に、レーザーによってｎ型ＧａＮ基板側の表面から５０μｍ程度の深さの溝を形成した後、ブレーキングを行い、小片に分割した。図２３にレーザーダイシングによって小片化した窒化物系半導体発光素子の光学顕微鏡写真を示す。図２３（ａ）は光取り出し面３１１ａ側から、図２３（ｂ）は光取り出し面３１１ｃ側から、図２３（ｃ）は光取り出し面３１１ｂ側から観察した光学顕微鏡写真である。レーザーダイシングによって形成された光取り出し面３１１ｂおよび３１１ｃはｍ面である光取り出し面３１１ａにほぼ垂直であることから、光取り出し面３１１ｂはｃ面、光取り出し面３１１ｃはａ面に対応していると考えられる。このようなレーザーによる溝形成では、ｎ型ＧａＮ基板表面の溝深さが深いため、溝の方向に沿って壁開しやすい。そのため、ａ面とｃ面に平行に溝を形成すると、ブレーキング後にもａ面とｃ面が露出することになった。
【０１９０】
メカニカルダイシングでは、ダイヤモンドペンによって、ウエハのｃ軸方向［０００１］とａ軸方向［１１−２０］に、ｎ型ＧａＮ基板側の表面から数μｍ程度の深さの溝を形成した後、ブレーキングを行い、小片に分割した。図２４にメカニカルダイシングによって小片化した窒化物系半導体発光素子の光学顕微鏡写真を示す。図２４（ａ）は光取り出し面３１１ａ側から、図２４（ｂ）は光取り出し面３１１ｄ側から、図２４（ｃ）は光取り出し面３１１ｂ側から観察した光学顕微鏡写真である。レーザーダイシングによって形成された光取り出し面３１１ｂは、光取り出し面３１１ａにほぼ垂直であることから、光取り出し面３１１ｂはｃ面に対応していると考えられる。一方、光取り出し面３１１ｄはｍ面である光取り出し面３１１ａの法線方向から約３０度傾いているため、光取り出し面３１１ｄはｍ面であると考えられる。ダイヤモンドペンによる溝形成では、ｎ型ＧａＮ基板表面の溝深さが浅いため、溝は壁開の起点として機能し、結果として壁開しやすい面が露出しやすい。そのため、壁開性が高いｍ面とｃ面が露出した。
【０１９１】
これらのチップ状態の窒化物半導体発光素子３００を、アルミナ上に配線３０２が形成された実装基板３０１上に搭載し（フリップチップ実装）、半導体発光デバイスを作製した。
【０１９２】
レーザーダイシングを行った窒化物半導体発光素子を備えた半導体発光デバイスに対して、メカニカルダイシングを行った窒化物半導体発光素子を備えた半導体発光デバイスでは、１００ｍＡの電流注入時の光出力が３５％向上した。
【０１９３】
（比較例１）
実施例１のサンプル１の光取り出し面３１１ｂに対向するように、遮蔽板３１５を配置した半導体発光デバイスを作製した。図２５は比較例１の半導体発光デバイスを示す図である。図５との違いは、遮蔽板３１５が設けられている点である。遮蔽板３１５は、黒色の塩化ビニールから形成されており、その反射率は約４％、高さは０．５ｍｍである。遮蔽板３１５は、光取り出し面３１１ｂから約０．５ｍｍ離れた箇所に配置した。
【０１９４】
比較例１の目的は、遮蔽板３１５によって面３１１ｂから出射した光を遮り、ｃ軸方向の配光分布特性を改善することである。図２６（ａ）はｃ軸方向の配光分布特性を、図２６（ｂ）はａ軸方向の配光分布特性を示すグラフであり、細実線が遮蔽板３１５を配置させない状態、太実線が遮蔽板３１５を配置させた状態の配光分布特性を示している。ｃ軸方向の配光分布特性（図２６（ａ））において、遮蔽板３１５を配置することにより、±４０度を超える高角度側で光が遮られていることが分かる。しかしながら、−４０度〜＋４０度の範囲においてｃ軸方向の配光分布特性は遮蔽板３１５配置の有無に関わらずほぼ同一であり、ａ軸方向とｃ軸方向の配光分布特性の非対称度を改善することはできなかった。
【０１９５】
（比較例２）
実施例３におけるサンプル１１のキャビティ３１３の傾斜面（内側側面）に、黒色インクを塗布した半導体発光デバイスを作製した。図２７は、比較例２の半導体発光デバイスを示す図である。図１０との違いは、黒色インク塗布領域３１６を有している点である。黒色インクの塗布によって、キャビティ３１３の表面の反射率は約３％に低下する。図２８（ａ）は、ｃ軸方向の配光分布特性を、図２８（ｂ）はａ軸方向の配光分布特性を示すグラフであり、細実線が黒色インクを塗布していない場合、太実線が黒色インクを塗布した状態の配光分布特性を示している。図２８（ａ）、（ｂ）においては、これまでの配光分布特性のグラフと異なり、縦軸の値が、測定した光度そのものを示している。黒色インクを塗布した状態においては、ａ軸方向およびｃ軸方向の配光分布特性の両方において、全角度範囲において光度が低下していることが分かる。キャビティ３１３を有する実施例３では、キャビティ３１３がない実施例１に比べて非対称度がより改善していたが、これは、キャビティ３１３が窒化物半導体発光素子の配光分布特性の全角度領域に影響を与える性質を持っているためである。しかしながら、黒色インクを塗布しキャビティ３１３の反射率を変化させる方法では、配光分布特性がより歪んだ形状になった。すなわち、窒化物半導体発光素子３００から直接取り出された光と、キャビティ３１３で反射した光の合成によって配光分布特性が決まるため、窒化物半導体発光素子３００から出射される光の配光分布特性が歪んでいる場合には、キャビティ３１３の設計は難しいと言える。
【０１９６】
（本発明の実施の形態と従来技術との差異）
つぎに、本発明の実施の形態と従来技術との差異について説明する。
【０１９７】
特許文献１に記載の窒化物半導体発光素子においては、偏光特性が高く維持されるため、偏光方向に垂直な方向に対して発光強度が大きくなる。結果として、配光分布は非対称なものになる。
【０１９８】
上記課題を改善する構造が特許文献２に開示されている。しかし、特許文献２の第１実施形態では、４つの発光ダイオードチップの向きを変えてパッケージに配置する実施形態が開示されているが、実装工程が複雑になる。また特許文献２の第２実施形態では、パッケージの反射側面に凹凸形状を形成する実施形態が開示されているが、パッケージの設計および製造が複雑になる。また特許文献２の第３実施形態では、発光ダイオードチップの表面に凹凸形状を設けた実施形態が開示されているが、凹凸を形成する工程が付与されるため、製造が複雑化する。また特許文献２の第４実施形態では、パッケージの樹脂モールドの光の出射面に所定の方向に伸びる凹凸形状を設けた実施形態が開示されているが、樹脂モールドの設計および製造が複雑になる。また特許文献２の第５実施形態では、パッケージの出射面を、発光強度の小さい方位角の方へ光の向きを変えるように構成した実施形態が開示されているが、樹脂モールドの設計および製造が複雑になる。
【０１９９】
一方、本発明の実施の形態によれば、簡単な構成により、主面がｍ面である窒化物系半導体積層構造を有する半導体発光素子を備えた半導体発光デバイスの、ａ軸方向とｃ軸方向の配光分布特性の非対称性を改善することができる。
【０２００】
本実施の形態の半導体発光デバイスは、設置方向が変化しても、軸方向に対する配光分布特性が変わらないため、電飾や照明などに用いることができる。
【産業上の利用可能性】
【０２０１】
本発明は、例えば、電飾や照明などに利用し得る。また、表示および光情報処理分野等への応用も期待されている。
【符号の説明】
【０２０２】
３００  窒化物系半導体発光素子
３００Ａ  ウエハ
３００Ｂ  チップ領域
３０１  実装基板
３０２  配線
３０３  バンプ
３０４、３０４Ａ  基板
３０５、３０５Ａ  ｎ型窒化物半導体層
３０６、３０６Ａ  窒化物半導体活性層
３０７、３０７Ａ  ｐ型窒化物半導体層
３０８  ｐ型電極
３０９  ｎ型電極
３１０、３０１Ａ  積層構造
３１１、３１１ａ、３１１ａ’、３１１ｂ、３１１ｃ、３１１ｄ、    光取り出し面
３１２  凹部
３１２ａ  側面
３１３  キャビティ
３１４  封止部
３１５  遮蔽板
３１６  黒色インク塗布領域
３１８  受光部
３１９  測定線
３２０  透光性封止部
３５２、３５４  溝
【図１】
2012137406.tif 000007
【図２】
2012137406.tif 000008
【図３】
2012137406.tif 000009
【図４】
2012137406.tif 000010
【図５】
2012137406.tif 000011
【図６】
2012137406.tif 000012
【図７】
2012137406.tif 000013
【図８】
2012137406.tif 000014
【図９】
2012137406.tif 000015
【図１０】
2012137406.tif 000016
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
2012137406.tif 000019
【図１４】
2012137406.tif 000020
【図１５】
2012137406.tif 000021
【図１６】
2012137406.tif 000022
【図１７】
2012137406.tif 000023
【図１８】
2012137406.tif 000024
【図１９】
2012137406.tif 000025
【図２０】
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【図２１】
2012137406.tif 000027
【図２２】
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【図２３】
2012137406.tif 000029
【図２４】
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【図２５】
2012137406.tif 000031
【図２６】
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【図２７】
2012137406.tif 000033
【図２８】
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【図２９】
2012137406.tif 000035
【国際調査報告】
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2012137406.tif 000037
2012137406.tif 000038
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