(57)【要約】【課題】光取り出し効率の向上を図れる半導体発光素子を提供する。【解決手段】半導体発光素子Ａは、ＬＥＤ薄膜部２における透明結晶基板３側とは反対側の表面に全反射抑制用の微細凹凸構造２２ａが形成されている。また、角錘台状の透明結晶基板３の一表面３１側にＬＥＤ薄膜部２が形成され、当該透明結晶基板３の他表面３２と各斜面３３とにＬＥＤ薄膜部２から放射される光に対して透明な誘電体膜６が積層され、当該誘電体膜６にＬＥＤ薄膜部２から放射され当該誘電体膜６を透過した光を反射する反射用金属膜７が積層されている。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｐ形窒化物半導体層およびｎ形窒化物半導体層を有するＬＥＤ薄膜部と、当該ＬＥＤ薄膜部が一表面側に形成された透明結晶基板と、透明結晶基板の前記一表面側においてｐ形窒化物半導体層に電気的に接続されたｐ電極パッドと、透明結晶基板の前記一表面側においてｎ形窒化物半導体層に電気的に接続されたｎ電極パッドとを備え、ＬＥＤ薄膜部における透明結晶基板側とは反対側の表面に全反射抑制用の微細凹凸構造が形成され、透明結晶基板が、前記一表面を下面もしくは上面とする角錘台状に形成されるとともに、当該角錘台状の透明結晶基板の他表面と各斜面とにＬＥＤ薄膜部から放射される光に対して透明な誘電体膜が積層され、当該誘電体膜にＬＥＤ薄膜部から放射され当該誘電体膜を透過した光を反射する反射用金属膜が積層されてなることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
前記誘電体膜の膜厚は、前記ＬＥＤ薄膜部の発光波長をλ、前記誘電体膜の屈折率をｎとするとき、（３λ／４ｎ）以上の値であることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記誘電体膜は、ＳｉＯ２膜からなることを特徴とする請求項２記載の半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体発光素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、発光層が窒化物半導体材料（ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＮなど）により形成されたＬＥＤチップからなる半導体発光素子の高効率化および高出力化の研究開発が各所で行われている。また、この種の半導体発光素子と、半導体発光素子から放射された光によって励起されて半導体発光素子よりも長波長の光を放射する波長変換材料である蛍光体とを組み合わせて半導体発光素子の発光色とは異なる色合いの混色光を出す発光装置の研究開発が各所で行われている。なお、この種の発光装置としては、例えば、青色光あるいは紫外光を放射する半導体発光素子と蛍光体とを組み合わせて白色の光（白色光の発光スペクトル）を得る白色発光装置（一般的に白色ＬＥＤと呼ばれている）の商品化がなされている。
【０００３】
また、近年、光取り出し効率の向上を目的として、窒化物半導体材料により形成されたＬＥＤ薄膜部と透明で導電性を有するｎ形ＺｎＯ基板からなる透明結晶基板とを結合してから、透明結晶基板をエッチング速度の結晶方位依存性を利用した結晶異方性エッチングにより六角錘台状ないし六角錘状に加工してなる半導体発光素子が提案されている（例えば、非特許文献１，２参照）。
【０００４】
ここで、上記非特許文献１に開示された半導体発光素子は、図７に示すように、一表面が（０００１）面である矩形板状のサファイア基板１と、サファイア基板１の上記一表面側に形成されたＬＥＤ薄膜部２と、ＬＥＤ薄膜部２に結合され六角錘台状に加工されたｎ形ＺｎＯ基板からなる透明結晶基板３’とを備えている。ここにおいて、図７に示した構成の半導体発光素子は、ＬＥＤ薄膜部２が、サファイア基板１の上記一表面側に形成されたバッファ層２１と、バッファ層２１上に積層されたｎ形ＧａＮ層からなるｎ形窒化物半導体層２２と、当該ｎ形窒化物半導体層２２上に積層されたＩｎＧａＮ層からなる発光層２３と、当該発光層２３上に積層されたｐ形ＡｌＧａＮ層２４ａと当該ｐ形ＡｌＧａＮ層２４ａ上に積層されたｐ形ＧａＮ層２４ｂとからなるｐ形窒化物半導体層２４とで構成されている。また、図７に示した構成の半導体発光素子は、六角錘台状の透明結晶基板３’の上面３２’に、Ｔｉ膜とＡｕ膜との積層膜からなるｐ電極パッド４が形成され、ＬＥＤ薄膜部２の周部をｐ形窒化物半導体層２４の表面側からｎ形窒化物半導体層２２の途中までエッチングすることにより露出せたｎ形窒化物半導体層２２の表面に、平面視において透明結晶基板３’を全周に亘って囲む形でＴｉ膜とＡｌ膜とＮｉ膜とＡｕ膜との積層膜からなるｎ電極パッド５が形成されている。
【０００５】
また、上記非特許文献２に開示された半導体発光素子は、図８に示すように、ＬＥＤ薄膜部２と、ＬＥＤ薄膜部２に結合され六角錘状に加工されたｎ形ＺｎＯ基板からなる透明結晶基板３”とを備え、透明結晶基板３”の下面３１”にｐ電極パッド４が形成されるとともに、ＬＥＤ薄膜部２のｎ形窒化物半導体層２２における透明結晶基板３”側とは反対側にｎ電極パッド５が形成されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Akihiko MURAI,et al,「Light-Emitting Diode Based on ZnO and    GaN Direct Wafer Bonding」，Japanese Journal of Applied Physics,Vol.45,NO.39,2006,ｐ.L1045-L1047
【非特許文献２】「松下電工とＵＣＳＢの新型ＬＥＤ，外部量子効率８０％を目指す」，日経エレクトロニクス，日経ＢＰ社，２００８年２月１１日，ｐ．１６−１７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、図７に示した構成の半導体発光素子は、実装基板などに実装して用いる場合、サファイア基板１の上記一表面側とは反対側の他表面が実装基板に近くなる形で実装して用いるが、ＬＥＤ薄膜部２からサファイア基板１側へ放射される光に着目すると、サファイア基板１の各側面および他表面それぞれと接する媒質との界面でフレネル損失が発生するので、光取り出し効率の向上が制限されてしまう。ここで、サファイア基板１の各側面および他表面に金属材料（例えば、Ａｇなど）からなる反射膜を設けることも考えられるが、例えば４５０ｎｍの光に対するＡｇ膜の反射率は９７％程度であり、吸収損失が発生するので、光取り出し効率のより一層の向上が望まれている。
【０００８】
また、図８に示した構成の半導体発光素子では、実装基板などに実装して用いる場合、ＬＥＤ薄膜部２が実装基板に近くなる形で実装して用いるが、ＬＥＤ薄膜部２における透明結晶基板３”側とは反対側の表面と当該表面が接する媒質との屈折率差に起因したフレネル損失が生じ、しかも、ＬＥＤ薄膜部２から実装基板側に放射される光の一部が実装基板に吸収されてしまう。
【０００９】
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、光取り出し効率の向上を図れる半導体発光素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
請求項１の発明は、ｐ形窒化物半導体層およびｎ形窒化物半導体層を有するＬＥＤ薄膜部と、当該ＬＥＤ薄膜部が一表面側に形成された透明結晶基板と、透明結晶基板の前記一表面側においてｐ形窒化物半導体層に電気的に接続されたｐ電極パッドと、透明結晶基板の前記一表面側においてｎ形窒化物半導体層に電気的に接続されたｎ電極パッドとを備え、ＬＥＤ薄膜部における透明結晶基板側とは反対側の表面に全反射抑制用の微細凹凸構造が形成され、透明結晶基板が、前記一表面を下面もしくは上面とする角錘台状に形成されるとともに、当該角錘台状の透明結晶基板の他表面と各斜面とにＬＥＤ薄膜部から放射される光に対して透明な誘電体膜が積層され、当該誘電体膜にＬＥＤ薄膜部から放射され当該誘電体膜を透過した光を反射する反射用金属膜が積層されてなることを特徴とする。
【００１１】
この発明によれば、ＬＥＤ薄膜部における透明結晶基板側とは反対側の表面に全反射抑制用の微細凹凸構造が形成されているので、ＬＥＤ薄膜部における透明結晶基板側とは反対側の表面と当該表面に接する媒質との界面での全反射を抑制でき、しかも、一表面側にＬＥＤ薄膜部が形成された角錘台状の透明結晶基板の他表面と各斜面とにＬＥＤ薄膜部から放射される光に対して透明な誘電体膜が積層され、当該誘電体膜にＬＥＤ薄膜部から放射され当該誘電体膜を透過した光を反射する反射用金属膜が積層されているので、ＬＥＤ薄膜部から透明結晶基板側へ放射され誘電体膜に入射する光のうち臨界角以上の入射角で入射する光は透明結晶基板と誘電体膜との界面で全反射され、臨界角未満の入射角で入射する光は反射用金属膜で反射されるから、ＬＥＤ薄膜部における透明結晶基板側とは反対側の表面からの光取り出し効率を向上させることができる。
【００１２】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記誘電体膜の膜厚は、前記ＬＥＤ薄膜部の発光波長をλ、前記誘電体膜の屈折率をｎとするとき、（３λ／４ｎ）以上の値であることを特徴とする。
【００１３】
この発明によれば、前記誘電体膜に臨界角以上の入射角で入射する光に関して、エバネッセント光に起因して特定の入射角における反射率が低下するのを防止することができ、全反射効果が得られるので、光取り出し効率を向上できる。
【００１４】
請求項３の発明は、請求項２の発明において、前記誘電体膜は、ＳｉＯ２膜からなることを特徴とする。
【００１５】
この発明によれば、前記誘電体膜がＳｉＯ２以外の材料により形成されている場合に比べて、前記誘電体膜の屈折率が小さくなるので、全反射効果を高めることができる。
【発明の効果】
【００１６】
請求項１の発明では、光取り出し効率の向上を図れるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】実施形態の半導体発光素子の概略断面図である。
【図２】同上の半導体発光素子を用いた発光装置の概略断面図である。
【図３】同上の半導体発光素子の製造方法の説明図である。
【図４】同上の半導体発光素子の要部説明図である。
【図５】同上の半導体発光素子の特性説明図である。
【図６】同上の半導体発光素子の要部説明図である。
【図７】従来例の半導体発光素子の概略断面図である。
【図８】他の従来例の半導体発光素子の概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図１および図２に基づいて本実施形態の半導体発光素子Ａについて説明する。
【００１９】
本実施形態の半導体発光素子Ａは、青色光を放射するＧａＮ系の青色ＬＥＤチップであり、窒化物半導体材料により形成されたＬＥＤ薄膜部２と、ＬＥＤ薄膜部２の厚み方向の一面側（図１における下面側）に結合されたｎ形ＺｎＯ基板からなる透明結晶基板３とを備えている。要するに、半導体発光素子Ａは、透明結晶基板３の一表面側３１（図１における上面側）に、ＬＥＤ薄膜部２が形成されている。
【００２０】
ここにおいて、本実施形態の半導体発光素子Ａは、ＬＥＤ薄膜部２が、ｎ形窒化物半導体層２２と発光層２３とｐ形窒化物半導体層２４との積層構造を有しており、ＬＥＤ薄膜部２の平面視形状を透明結晶基板３の上記一表面３１よりもやや小さな正六角形状の形状に形成してあり、透明結晶基板３の上記一表面３１の露出した部位にｐ電極パッド４を形成し、ＬＥＤ薄膜部２のｎ形窒化物半導体層２２における発光層２３側とは反対側の表面の中央部にｎ電極パッド５を形成してある。しかして、本実施形態の半導体発光素子Ａは、ｎ形窒化物半導体層２２と発光層２３とｐ形窒化物半導体層２４との平面サイズを同じにすることができる。ここで、本実施形態の半導体発光素子Ａは、透明結晶基板３の上記一表面３１側において、ｐ電極パッド４が、透明結晶基板３に対してオーミック接触となるように透明結晶基板３の上記一表面３１上に形成されて透明結晶基板３を介してｐ形窒化物半導体層２４と電気的に接続され、また、透明結晶基板３の上記一表面３１側において、ｎ電極パッド５が、ｎ形窒化物半導体層２２に対してオーミック接触となるようにｎ形窒化物半導体層２２の表面に形成されてｎ形窒化物半導体層２２と電気的に接続されている。なお、ＬＥＤ薄膜部２は、後述のように当該ＬＥＤ薄膜部２に透明結晶基板３の基礎となるｎ形ＺｎＯウェハを結合する前に、主表面が（０００１）面であるサファイアウェハの上記主表面側に有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）のようなエピタキシャル成長技術を利用して成膜している。ここで、ＬＥＤ薄膜部２のエピタキシャル成長方法は、ＭＯＶＰＥ法に限定するものではなく、例えば、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ法）や、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）などを採用してもよい。
【００２１】
上述のｎ形窒化物半導体層２２は、ｎ形ＧａＮ層により構成されているが、単層構造に限らず、多層構造でもよい。
【００２２】
また、発光層２３は、ＧａＮ層からなる障壁層によりＩｎＧａＮ層からなる井戸層が挟まれた量子井戸構造を有しており、当該発光層２３の発光ピーク波長が４５０ｎｍとなるようにＩｎＧａＮ層の組成を設定してあるが、発光波長（発光ピーク波長）は特に限定するものではない。なお、発光層２３の量子井戸構造は単一量子井戸構造に限らず、多重量子井戸構造でもよい。また、発光層２３は、必ずしも量子井戸構造を有している必要はなく、単層構造でもよい。また、発光層２３の材料も窒化物半導体材料であればよく、所望の発光波長に応じて、例えば、ＡｌＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＮ、ＡｌＧａＮなどを適宜採用してもよい。
【００２３】
また、ｐ形窒化物半導体層２４は、発光層２３上に形成されたｐ形ＧａＮ層で構成してあるが、単層構造に限らず、多層構造でもよく、例えば、ｐ形ＡｌＧａＮ層からなる第１のｐ形半導体層と、第１のｐ形半導体層上に形成されたｐ形ＧａＮ層からなる第２のｐ形半導体層とで構成してもよい。
【００２４】
ところで、ＧａＮおよびＺｎＯはウルツ鉱型の結晶構造でｃ軸方向に極性を有する有極性半導体であり、ＬＥＤ薄膜部２は、ｎ形ＧａＮ層からなるｎ形窒化物半導体層２２における発光層２３側とは反対側の表面がＮ極性面である（０００−１）面により構成され、ｐ形ＧａＮ層からなるｐ形窒化物半導体層２４における発光層２３側とは反対側の表面がＧａ極性面である（０００１）面により構成されており、透明結晶基板３は、ＬＥＤ薄膜部２側の上記一表面３１がＺｎ極性面である（０００１）面により構成され、ＬＥＤ薄膜部２側とは反対側の他表面３２がＯ極性面である（０００−１）面により構成されている。要するに、ＬＥＤ薄膜部２と透明結晶基板３とは、透明結晶基板３のＺｎ極性面とｐ形窒化物半導体層２４のＧａ極性面とが結合されている。なお、透明結晶基板３を構成するｎ形ＺｎＯ基板は、ドーピングではなく酸素空孔もしくは亜鉛の格子間原子欠陥によりｎ形の導電形を示すものを用いてもよいが、ドーピングによって導電形をｎ形とし且つ導電率を制御したもの、例えば、ＧａドープＺｎＯ基板（ＧＺＯ基板）や、ＡｌドープＺｎＯ基板（ＡＺＯ基板）を用いる方が、アノード電極５とのオーミック接触の接触抵抗を低減するうえでより好ましい。
【００２５】
これに対して、上述のｐ電極パッド４およびｎ電極パッド５は、Ｔｉ膜とＡｕ膜との積層膜により構成してあり、ｐ電極パッド４およびｎ電極パッド５のいずれも最表面側がＡｕ膜により構成されている。ここで、ｐ電極パッド４およびｎ電極パッド５とは、Ｔｉ膜の膜厚を１０ｎｍ、Ａｌ膜の膜厚を５０ｎｍ、Ａｕ膜の膜厚を５００ｎｍにそれぞれ設定してあるが、これらの数値は一例であって特に限定するものではない。いずれにしても、本実施形態の半導体発光素子Ａでは、ｐ電極パッド４とｎ電極パッド５とが同一の金属材料により形成され、同一の電極構造を有しており、ｐ電極パッド４およびｎ電極パッド５それぞれを構成する積層膜において厚み方向で重なる膜同士の密着性を高めることができるとともに、透明結晶基板３およびｎ形窒化物半導体層２２に対する密着性を高めることができる。ここにおいて、本実施形態では、ｐ電極パッド４とｎ電極パッド５とを電子ビーム蒸着法（ＥＢ蒸着法）により同時に形成している。
【００２６】
本実施形態の半導体発光素子Ａでは、ｐ電極パッド４およびｎ電極パッド５として、上述のようにＴｉ膜とＡｌ膜とＡｕ膜との積層膜を採用することにより、それぞれ透明結晶基板３、ｎ形窒化物半導体層２２に対して良好なオーミック接触（低オーミック抵抗のオーミック接触）を得ることができるが、上記積層膜に限らず、Ｔｉ膜とＡｕ膜との積層膜、Ａｌ膜とＡｕ膜との積層膜、Ｔｉ膜とＡｌ膜とＮｉ膜とＡｕ膜との積層膜の群から選択される１つの積層膜により構成してもよく、いずれの構成でも、ｐ電極パッド４およびｎ電極パッド５の最表面側がＡｕ膜となるので、ｐ電極パッド４およびｎ電極パッド５の酸化を防止することができるとともに、図２に示すように実装基板４０に実装して発光装置を構成する場合のｐ電極パッド４およびｎ電極パッド５とボンディングワイヤ１８，１９との接合信頼性を高めることができる。
【００２７】
上述の図２に示した構成において、半導体発光素子Ａは、ＬＥＤ薄膜部２よりも透明結晶基板３が実装基板４０に近くなる形で実装基板４０に実装されている。
【００２８】
ここにおいて、実装基板４０は、電気絶縁性を有し且つ熱伝導率の高い窒化アルミニウム基板からなる平板状の絶縁性基板４１の一表面側に、半導体発光素子Ａのｐ電極パッド４およびｎ電極パッド５それぞれと上述のボンディングワイヤ１８，１９を介して電気的に接続される導体パターン（配線パターン）４８，４９が形成されている。なお、実装基板４０の平面視形状は、矩形状（本実施形態では、正方形状）となっているが、正方形状に限らず、例えば、長方形状、円形状、六角形状でもよい。
【００２９】
実装基板４０の絶縁性基板４１は、半導体発光素子Ａで発生した熱を伝熱させる伝熱板を兼ねたものであり、ガラスエポキシ樹脂基板などの有機系基板に比べて熱伝導率の高いものであればよく、窒化アルミニウム基板に限らず、例えば、アルミナ基板や、ホーロー基板、表面にシリコン酸化膜が形成されたシリコン基板などを採用してもよい。また、導体パターン４８，４９は、Ｃｕ膜とＮｉ膜とＡｕ膜との積層膜により構成され、最上層がＡｕ膜となっているが、当該積層膜の積層構造に限定するものではない。
【００３０】
ところで、本実施形態の半導体発光素子Ａは、ＬＥＤ薄膜部２における透明結晶基板３側とは反対側の表面に全反射抑制用の微細凹凸構造２２ａが形成されている。しかして、ＬＥＤ薄膜部２における透明結晶基板３側とは反対側の表面と当該表面に接する媒質（例えば、半導体発光素子Ａおよびボンディングワイヤ１８，１９を封止するシリコーン樹脂、ガラスなどの透光性封止材や、空気、不活性ガスなどの気体）との界面での全反射を抑制できる。ここで、微細凹凸構造２２ａは、ｎ形窒化物半導体層２２の表面においてｎ電極パッド５の形成部位以外の部位に形成されている。なお、微細凹凸構造２２ａは、断面三角波状の形状となっており、当該微細凹凸構造２２ａの周期および高低差は数μｍ以下で適宜設定すればよい。
【００３１】
また、本実施形態の半導体発光素子Ａは、透明結晶基板３が、上記一表面３１を下面とする角錘台状（ここでは、六角錘台状）の形状に形成されるとともに、当該角錘台状の透明結晶基板３の上記他表面３２と各斜面３３とにＬＥＤ薄膜部２から放射される光に対して透明な誘電体膜６が積層され、当該誘電体膜６にＬＥＤ薄膜部２から放射され当該誘電体膜６を透過した光を反射する反射用金属膜７が積層されている。
【００３２】
ここにおいて、半導体発光素子Ａは、上述のように透明結晶基板３が上記一表面３１を下面とする六角錘台状の形状に形成されており、ＬＥＤ薄膜部２が透明結晶基板３の上記一表面３１よりもやや小さな正六角形状の形状に形成されている。また、誘電体膜６は、ＳｉＯ２膜により形成され、反射用金属膜７は、Ａｇ膜により形成されている。なお、誘電体膜６の材料は、ＳｉＯ２に限らず、例えば、Ｓｉ３Ｎ４、Ａｌ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３、ＺｒＯ２、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５、ＣｅＯ２、Ｎｂ２Ｏ５などを採用してもよいが、ｎ形ＺｎＯ基板からなる透明結晶基板３よりも屈折率が低い材料であるＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、Ａｌ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３、ＺｒＯ２が好ましく、屈折率が最も低いＳｉＯ２を採用することがより好ましい。また、反射用金属膜７は、Ａｇ膜の単層膜に限らず、例えば、誘電体膜６上のＡｇ膜と当該Ａｇ膜上のＡｕ膜との多層膜でもよく、このような多層膜を採用することで、反射用金属膜７の反射率を低下させることなく反射用金属膜７の耐酸化性および耐腐食性を向上させることができる。また、反射用金属膜７がＡｇ膜の単層膜もしくはＡｇ膜とＡｕ膜との積層膜により構成されている場合には、上述の実装基板４０の絶縁性基板４１の上記一表面上に導体パターン４８，４９と同様に最上層がＡｕ膜であるダイボンドパターンを設けておくことにより、例えば、ＡｕＳｎ、ＳｎＡｇＣｕなどの鉛フリー半田を用いて接合することができ、半導体発光素子Ａを実装基板４０に対してエポキシ樹脂などのダイボンド材を用いて接合する場合に比べて、半導体発光素子Ａから実装基板４０までの熱抵抗を低減することができる。また、本実施形態では、透明結晶基板３がｎ形ＺｎＯ基板により構成されているので、透明結晶基板３をサファイア基板により構成する場合に比べてＬＥＤ薄膜部２から実装基板４０までの熱抵抗を低減することができて放熱性が向上し、ＬＥＤ薄膜部２のジャンクション温度の温度上昇を抑制できるから、入力電力を大きくでき、光出力の高出力化を図れる。
【００３３】
ここで、誘電体膜６および反射用金属膜７は、例えば、スパッタ法や電子ビーム蒸着法などにより形成すればよい。また、反射用金属膜７は、例えば、電解めっき法により形成してもよく、この場合は、図３に示すように、支持基板８の一表面側（図３における下面側）に反射用金属膜７形成前の半導体発光素子Ａをエポキシ樹脂やレジストなどからなる接着層を介して保持してから、めっき液５５の入っためっき槽５０へ導入するようにすれば、簡易かつ安価に多数の半導体発光素子Ａを形成することができる。
【００３４】
上述の説明から分かるように、本実施形態の半導体発光素子Ａでは、ｐ電極パッド４とｎ電極パッド５との間に順方向バイアス電圧を印加することにより、トンネル電流注入によりｐ電極パッド４からｐ形窒化物半導体層２４へホールが注入されるとともに、ｎ電極パッド５からｎ形窒化物半導体層２２へ電子が注入され、発光層２３に注入された電子とホールとが再結合することで発光し、ｎ形窒化物半導体層２２の表面および透明結晶基板３の上記一表面３１においてＬＥＤ薄膜部２が形成されていない表面から光が放射される。なお、波長が４５０ｎｍの光に対するＺｎＯの屈折率は２．１、ＧａＮの屈折率は２．４である。
【００３５】
以下、本実施形態の半導体発光素子Ａの製造方法について説明する。
【００３６】
上述の半導体発光素子Ａは、上記主表面が（０００１）面のサファイアウェハの上記主表面側にｎ形窒化物半導体層２２と発光層２３とｐ形窒化物半導体層２４との積層構造を有するＬＥＤ薄膜部２をＭＯＶＰＥ法などにより成長する結晶成長工程を行い、その後、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用してＬＥＤ薄膜部２を正六角形状の形状にパターニングするパターニング工程を行い、次に、サファイアウェハの上記一表面側のＬＥＤ薄膜部２と透明結晶基板３の基礎となるｎ形ＺｎＯウェハとを直接接合する接合工程を行ってから、ＬＥＤ薄膜部２からサファイアウェハを除去するウェハリフトオフ工程を行い、続いて、ｎ形窒化物半導体層２２の上記表面に微細凹凸構造２２ａを形成する微細凹凸構造形成工程を行い、その後、ｐ電極パッド４およびｎ電極パッド５を形成するパッド形成工程を行ってから、ｎ形ＺｎＯウェハにおけるＬＥＤ薄膜部２側とは反対側に所定形状（透明結晶基板３の上記他表面３２の形状に相当する形状）にパターニングされたマスク層を形成するマスク層形成工程を行い、その後、塩酸系のエッチング液（例えば、塩酸水溶液など）を用いてエッチング速度の結晶方位依存性を利用した結晶異方性エッチングを行うことによりｎ形ＺｎＯウェハの一部からなる六角錘台状のｎ形ＺｎＯ基板である透明結晶基板３を形成する加工工程を行い、その後、上記マスク層を除去するマスク層除去工程を行うようにしている。
【００３７】
上述のｎ形ＺｎＯウェハとしては、転位欠陥密度が１０３ｃｍ−２以下で結晶性の優れた単結晶ＺｎＯウェハであり、量産に適した水熱合成法を利用して製造されものを用いている。また、上述の接合工程では、ＬＥＤ薄膜部２とｎ形ＺｎＯウェハとの互いの接合表面を清浄化した後、ＬＥＤ薄膜部２におけるサファイアウェハ側とは反対側にｎ形ＺｎＯウェハを重ね合わせ、所定圧力（例えば、２ＭＰａ）を印加しながら、熱処理を行うことにより、ＬＥＤ薄膜部２とｎ形ＺｎＯウェハとを直接接合する。ここで、上述の所定圧力の値は特に限定するものではなく、また、ｎ形ＺｎＯウェハのウェハサイズに応じて適宜変更すればよい。また、熱処理の条件としては、雰囲気を窒素ガス雰囲気として熱処理温度を８００℃としているが、これらの条件は一例であって、特に限定するものではない。
【００３８】
微細凹凸構造形成工程では、ｎ形窒化物半導体層２２の上記表面側に転写層を形成し、微細凹凸構造２２ａに応じてパターン設計した凹凸パターンを形成したモールドを上記転写層に押し付けて上記凹凸パターンを上記転写層に転写した後で、上記転写層およびｎ形窒化物半導体層２２をドライエッチングすることでｎ形窒化物半導体層２２の上記表面側に微細凹凸構造２２ａを形成する。
【００３９】
また、電極形成工程では、ｎ形ＺｎＯウェハにおけるＬＥＤ薄膜部２との接合面側にｐ電極パッド４およびｎ電極パッド５それぞれの形成予定領域が開口されたレジスト層をフォトリソグラフィ技術を利用して形成してから、電子ビーム蒸着法などによりｐ電極パッド４およびｎ電極パッド５を同時に形成し、続いて、上記レジスト層および上記レジスト層上の不要膜を有機溶剤（例えば、アセトンなど）を用いて除去すればよい（リフトオフすればよい）。
【００４０】
六角錘台状の透明結晶基板３の高さ（厚さ）は、ｎ形ＺｎＯウェハの厚さで規定することができ、本実施形態では、ｎ形ＺｎＯウェハとして厚さが５００μｍのものを用いているので、透明結晶基板３の高さは５００μｍとなっているが、ｎ形ＺｎＯウェハの厚さは特に限定するものではない。また、透明結晶基板３の上記一表面３１に対する各斜面３３それぞれの傾斜角は、ｎ形ＺｎＯウェハの結晶軸方向で規定される。本実施形態では、ＬＥＤ薄膜部２側がＺｎ極性面である（０００１）面、ＬＥＤ薄膜部２側とは反対側がＯ極性面である（０００−１）面のＺｎＯウェハに対して上述の結晶異方性エッチングを行うことにより透明結晶基板３を形成しているので、透明結晶基板３の各斜面３３は、｛１０−１−１｝面により構成されており、再現性良く傾斜角が６０°の斜面３３を形成することができる。
【００４１】
以上説明した本実施形態の半導体発光素子Ａによれば、ＬＥＤ薄膜部２における透明結晶基板３側とは反対側の表面に全反射抑制用の微細凹凸構造２２ａが形成されているので、ＬＥＤ薄膜部２における透明結晶基板３側とは反対側の表面と当該表面に接する媒質との界面での全反射を抑制でき、しかも、上記一表面３１側にＬＥＤ薄膜部２が形成された角錘台状の透明結晶基板３の上記他表面３２と各斜面３３とにＬＥＤ薄膜部２から放射される光に対して透明な誘電体膜６が積層され、当該誘電体膜６にＬＥＤ薄膜部２から放射され当該誘電体膜６を透過した光を反射する反射用金属膜７が積層されているので、ＬＥＤ薄膜部２から透明結晶基板３側へ放射され誘電体膜６に入射する光のうち臨界角以上の入射角で入射する光は図４の矢印Ｂ１で示すように透明結晶基板３と誘電体膜６との界面で全反射され、臨界角未満の入射角で入射する光は同図の矢印Ｂ２で示すように反射用金属膜７で反射されるから、ＬＥＤ薄膜部２における透明結晶基板３側とは反対側の表面からの光取り出し効率を向上させることができる。また、本実施形態の半導体発光素子Ａでは、上述の結晶異方性エッチングを行うことにより透明結晶基板３の各斜面３３を形成しているので、各斜面３３の平滑性が良く、各斜面３３での光の散乱を防止することができる。
【００４２】
ところで、透明結晶基板３の材料をＺｎＯ、誘電体膜６の材料をＳｉＯ２と、反射用金属膜７の材料をＡｇとし、ＬＥＤ薄膜部２の発光層２３の発光波長を４５０ｎｍ、ＺｎＯの屈折率を２．０、ＳｉＯ２の屈折率を１．４６、Ａｇの屈折率を０．０６６−２．５８ｉとし、誘電体膜６の膜厚をパラメータとして、汎用のＲＣＷＡ（Rigorous Coupled Wave Analysis）法を用いた波動光学ソフトウェアを利用して平均反射率に関する誘電体膜６の膜厚依存性についてシミュレーションした結果、図５に示す結果が得られた。ここで、平均反射率は、入射角θの全角度成分での誘電体膜６と反射用金属膜７との積層膜からなる反射膜の反射率Ｒ（θ）の平均値を示す値であり、図６に示すように反射率の角度依存性と入射面への入射配光分布とに基づいて求められる値である。さらに説明すれば、入射配光分布は立体角に基づく計算によれば結局はsinθとなるので、平均屈折率は、下記数１で求められる値である。
【００４３】
【数１】
2010171341.tif 000003
【００４４】
図５の結果から、誘電体膜６の膜厚が２００ｎｍで平均反射率が９９％となり、膜厚が２００ｎｍよりも増加しても平均反射率が変化せずに略９９％に収束しているので、誘電体膜６の膜厚を２００ｎｍ以上とすることで、誘電体膜６の膜厚が０ｎｍの場合、つまり、透明結晶基板３に反射用金属膜６が直接積層されている場合に比べて、平均反射率が２％以上高くなることが分かる。ここで、平均反射率が収束する原因は、誘電体膜６の膜厚が２００ｎｍよりも薄い場合にはエバネッセント光が存在するため、臨界角以上の入射角であっても全反射が起こらない入射角が存在するのに対し、誘電体膜６の膜厚が２００ｎｍ以上になると、エバネッセント光がなくなり、全反射効果が得られるようになったためと考えられる。ここで、エバネッセント光の滲みだしがなくまる膜厚は、ＬＥＤ薄膜部２の発光波長をλ（真空中での波長）、誘電体膜６の屈折率をｎとするとき、発光波長λの光学波長（λ／ｎ）の４分の３倍以上の値である。しかして、誘電体膜６の膜厚を（３λ／４ｎ）以上の値に設定することにより、誘電体膜６に臨界角以上の入射角で入射する光に関して、エバネッセント光に起因して特定の入射角における反射率が低下するのを防止することができ、全反射効果が得られるので、光取り出し効率を向上できる。
【００４５】
ここにおいて、誘電体膜６をＳｉＯ２膜により構成すれば、誘電体膜６がＳｉＯ２以外の材料により形成されている場合に比べて、誘電体膜６の屈折率が小さくなるので、全反射効果を高めることができる。
【００４６】
なお、上記実施形態では、透明結晶基板３が上記一表面３１を下面とする角錘台状の形状に形成されているが、上記一表面３１を上面とする角錘台状の形状に形成されたものでもよい。要するに、図１では、透明結晶基板３の上記他表面３２と各斜面３３とのなす角度φが鈍角となっているが、鋭角となっていてもよい。また、透明結晶基板３は、ＬＥＤ薄膜部２から放射される光に対して透明であればよく、例えば、サファイア基板、ＳｉＣ基板、ＧａＮ基板などを採用してもよく、各斜面３３の形成方法は透明結晶基板３の材料に応じて適宜選択すればよい。また、ｐ電極パッド４は、必ずしも透明結晶基板３の上記一表面３１上に形成する必要はなく、例えば、ｎ形窒化物半導体層２２の表面側からｐ形窒化物半導体層２４の一部を露出させるエッチングを行って、ｐ形窒化物半導体層２４上に形成するようにしてもよい。
【００４７】
また、上述の実施形態では、半導体発光素子Ａから放射される光が青色光となるように発光層２３を設計してあるが、半導体発光素子Ａから放射される光は青色光に限らず、例えば、赤色光、緑色光、紫色光、紫外光などでもよい。また、本実施形態の半導体発光素子Ａと、当該半導体発光素子Ａから放射される光によって励起されて半導体発光素子Ａよりも長波長の光を放射する波長変換材料である蛍光体とを組み合わせて半導体発光素子Ａの発光色とは異なる色合いの混色光（例えば、白色光など）を出す発光装置を構成してもよい。この場合は、例えば、上述の実装基板４０における半導体発光素子Ａの実装面側に、蛍光体を含有した透光性材料により形成されたドーム状の色変換部材を半導体発光素子Ａおよびボンディングワイヤ１８，１９を囲む形で配設すればよい。
【符号の説明】
【００４８】
Ａ  半導体発光素子
２  ＬＥＤ薄膜部
３  透明結晶基板
４  ｐ電極パッド
５  ｎ電極パッド
６  誘電体膜
７  反射用金属膜
２２  ｎ形窒化物半導体層
２２ａ  微細凹凸構造
２３  発光層
２４  ｐ形窒化物半導体層
３１  一表面
３２  他表面
３３  斜面
【図１】
2010171341.tif 000004
【図２】
2010171341.tif 000005
【図３】
2010171341.tif 000006
【図４】
2010171341.tif 000007
【図５】
2010171341.tif 000008
【図６】
2010171341.tif 000009
【図７】
2010171341.tif 000010
【図８】
2010171341.tif 000011