(57)【要約】【課題】発光素子の発光層において内部反射がある場合でも、発光層での吸収を抑え、高い発光効率を得ること。【解決手段】発光層１０７とこの発光層を挟んで設けられた第１及び第２のクラッド層１０４、１０９とを含む積層部と、この積層部の積層方向と直交する第１方向において発光層１０７を挟んで設けられた一対の第１の高反射層２０１ａ、２０１ｂと、前記積層方向と直交し前記第１方向と交差する第２方向において前記発光層を挟んで設けられた低反射層２０３及び第２の高反射層２０２とを具備することを特徴とする。動作時に共振器構造を用いて吸収を抑え、内部反射により光が発光層１０７を横切ることによる損失を大幅に低減することができ、高い発光効率を得ることが可能となる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体からなる発光層と、この発光層を挟んで設けられた半導体からなる第1及び第2のクラッド層と、を含む積層部と、
この積層部の積層方向と直交する第1方向において前記発光層を挟んで設けられ前記発光層で生ずる光に対して高反射率を有する一対の第1の高反射層と、
前記積層方向と直交し前記第1方向と交差する第2方向において前記発光層を挟んで設けられ前記発光層で生ずる光に対してそれぞれ低反射率及び高反射率を有する低反射層及び第2の高反射層と、を具備することを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
前記第2方向は、前記第1方向と直交することを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記第2方向と垂直な面における前記発光層の断面積が、前記第１方向と垂直な面における前記発光層の断面積よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記積層方向の長さが前記第1及び第2方向の長さに比べて長い素子形状を有することを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項５】
前記第１及び第2のクラッド層は、前記発光層で生ずる光に対して高反射率を有する一対の第3の高反射層を含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項６】
前記第１および第２の高反射層の反射率は、前記発光層で生ずる光に対してそれぞれ80%以上であることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項７】
前記低反射層の反射率は、前記発光層で生ずる光に対して10%以下であることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項８】
前記積層部は、前記第1及び第2のクラッド層それぞれの前記発光層とは反対側にそれぞれ形成される第1及び第2のコンタクト層を備え、
前記第1及び第2のコンタクト層を介して前記発光層に電流を供給する第1及び第2の電極が設けられ、当該第1及び第2の電極の少なくともいずれかは、前記第1及び第2のコンタクト層の少なくともいずれかの前記積層部の積層方向に平行な面と接していることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項９】
前記発光層の側面の少なくとも一部は窒化物系絶縁物で覆われていることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項１０】
前記窒化物系絶縁物が窒化シリコンであることを特徴とする請求項９に記載の半導体発光素子。
【請求項１１】
前記発光層は窒化物系化合物半導体からなることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項１２】
ヒートシンクを有するマウント基板と、
前記ヒートシンクに取り付けられる半導体発光素子と、を具備し、
前記半導体発光素子は、
半導体からなる発光層と、この発光層を挟んで設けられた半導体からなる第1及び第2のクラッド層と、を含む積層部と、
この積層部の積層方向と直交する第1方向において前記発光層を挟んで設けられ前記発光層で生ずる光に対して高反射率を有する一対の第1の高反射層と、
前記積層方向と直交し前記第1方向と交差する第2方向において前記発光層を挟んで設けられ前記発光層で生ずる光に対してそれぞれ低反射率及び高反射率を有する低反射層及び第2の高反射層と、を有し、
前記積層部の積層方向は、前記ヒートシンクの前記半導体発光素子が配置される面に対して平行に配置されることを特徴とする半導体発光装置。
【請求項１３】
前記ヒートシンクに取り付けられた前記半導体発光素子の前記発光層の周囲に形成される蛍光体を備えることを特徴とする請求項１２に記載の発光装置。
【請求項１４】
前記ヒートシンクに取り付けられた前記半導体発光素子の前記発光層の周囲に配置される導光板、反射板または拡散板を備えることを特徴とする請求項１２に記載の発光装置。
【請求項１５】
前記第2方向と垂直な面における前記発光層の断面積が、前記第１方向と垂直な面における前記発光層の断面積よりも大きいことを特徴とする請求項１２に記載の発光装置。
【請求項１６】
前記積層方向の長さが前記第1及び第2方向の長さに比べて長い素子形状を有することを特徴とする請求項１２に記載の発光装置。
【請求項１７】
前記第１及び第2のクラッド層は、前記発光層で生ずる光に対して高反射率を有する一対の第3の高反射層を含むことを特徴とする請求項１２に記載の発光装置。
【請求項１８】
前記積層部は、前記第1及び第2のクラッド層それぞれの前記発光層とは反対側にそれぞれ形成される第1及び第2のコンタクト層を備え、
前記第1及び第2のコンタクト層を介して前記発光層に電流を供給する第1及び第2の電極が設けられ、当該第1及び第2の電極の少なくともいずれかは、前記第1及び第2のコンタクト層の少なくともいずれかの前記積層部の積層方向に平行な面と接していることを特徴とする請求項１２に記載の発光装置。
【請求項１９】
前記発光層の側面の少なくとも一部は窒化物系絶縁物で覆われていることを特徴とする請求項１２に記載の発光装置。
【請求項２０】
半導体基板上に、半導体からなる発光層と、この発光層を挟んで設けられた半導体からなる第１及び第２のクラッド層と、を含む積層部を形成する工程と、
前記積層部の上面に同一サイズからなる複数のレジストパターンを形成する工程と、
前記半導体基板のへき開方向である第１方向に沿って、前記レジストパターンにより形成された電極または絶縁体開口部の並ぶ方向に第１のへき開を行う工程と、
前記第１のへき開により得られた対向する二面に、前記発光層で生ずる光に対して高反射率を有する一対の第１の高反射層を形成する工程と、
前記第１方向と交差する第２方向に沿って、隣接する２つの前記電極または前記絶縁体開口部の間で第２のへき開を行う工程と、
前記第２のへき開により得られた対向する二面に、前記発光層で生ずる光に対してそれぞれ低反射率及び高反射率を有する低反射層及び第２の高反射層を形成する工程と、を備えることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
【請求項２１】
半導体基板上に、半導体からなる発光層と、この発光層を挟んで設けられた半導体からなる第１及び第２のクラッド層と、を含む積層部を形成する工程と、
前記積層部の上面に同一サイズからなる複数のレジストパターンを形成する工程と、
前記半導体基板のへき開方向である第１方向に沿って、前記レジストパターンにより形成された電極または絶縁体開口部の並ぶ方向に第１のへき開を行う工程と、
前記第１のへき開により得られた対向する二面に、前記発光層で生ずる光に対してそれぞれ低反射率及び高反射率を有する低反射層及び第１の高反射層を形成する工程と、
前記第１方向と交差する第２方向に沿って、隣接する２つの前記電極または前記絶縁体開口部の間で第２のへき開を行う工程と、
前記第２のへき開により得られた対向する二面に、前記発光層で生ずる光に対して高反射率を有する一対の第２の高反射層を形成する工程と、を備えることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は発光素子及び発光装置に係わり、特に半導体材料を用いた半導体発光素子及び発光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体発光素子は広く表示装置、照明装置、記録装置等に用いられている。特に誘導放出を用いない半導体発光ダイオード(LED)は輝度が高いために表示装置として用いられている。最近の新たな応用として、LEDと蛍光体層とを組み合わせて照明装置として用いる試みがなされている(例えば特許文献１参照)。この公報には、LED等の半導体発光素子上に二種類の蛍光体層が演色性を高めるように積層した蛍光体積層構造及びそれを用いた白色等の発光装置が開示されている。この発光装置の蛍光体層中には、拡散剤、バインダー樹脂、及び蛍光体が調整されて配合されている。これにより、発光効率を高め、蛍光体層の劣化を抑えている。
【０００３】
上記公報に記載された発光装置等では、LEDと蛍光体層とを組み合わせた照明装置において、蛍光体層の材料や構造を工夫することにより、照明装置の輝度を向上させようとしているが、この手法は照明装置として用いるには十分なものとはいえない。以下、その理由について説明する。
【０００４】
既存の電球と比べて、LEDは効率が高く発熱が少ない点で優れているため、LEDと高輝度の蛍光体層との組合せにより、既存の電球の置き換えが今後進むと考えられる。一方、広く照明装置として用いられている蛍光灯と比べて、LEDはまだまだ効率、発熱、動作電源の面で課題が多く、高輝度の蛍光体層を用いたとしても、蛍光灯を置き換えるほどの優れた発光効率(入力電力に対する発光効率)を得ることは難しいのが実情である。
【特許文献１】特開2004-179644公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このように、従来のLEDは効率、発熱、動作電源の面で十分とはいえず、広く照明装置として用いられている蛍光灯等を置き換えるほどの優れた発光効率を得ることが難しいという問題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様によれば、半導体からなる発光層と、この発光層を挟んで設けられた半導体からなる第1及び第2のクラッド層と、を含む積層部と、この積層部の積層方向と直交する第1方向において前記発光層を挟んで設けられ前記発光層で生ずる光に対して高反射率を有する一対の第1の高反射層と、前記積層方向と直交し前記第1方向と交差する第2方向において前記発光層を挟んで設けられ前記発光層で生ずる光に対してそれぞれ低反射率及び高反射率を有する低反射層及び第2の高反射層と、を具備することを特徴とする半導体発光素子が提供される。
【０００７】
また、本発明の一態様によれば、ヒートシンクを有するマウント基板と、前記ヒートシンクに取り付けられる半導体発光素子と、を具備し、前記半導体発光素子は、半導体からなる発光層と、この発光層を挟んで設けられた半導体からなる第1及び第2のクラッド層と、を含む積層部と、この積層部の積層方向と直交する第1方向において前記発光層を挟んで設けられ前記発光層で生ずる光に対して高反射率を有する一対の第1の高反射層と、前記積層方向と直交し前記第1方向と交差する第2方向において前記発光層を挟んで設けられ前記発光層で生ずる光に対してそれぞれ低反射率及び高反射率を有する低反射層及び第2の高反射層と、を有し、前記積層部の積層方向は、前記ヒートシンクの前記半導体発光素子が配置される面に対して平行に配置されることを特徴とする半導体発光装置が提供される。
【０００８】
また、本発明の一態様によれば、半導体基板上に、半導体からなる発光層と、この発光層を挟んで設けられた半導体からなる第１及び第２のクラッド層と、を含む積層部を形成する工程と、前記積層部の上面に同一サイズからなる複数のレジストパターンを形成する工程と、前記半導体基板のへき開方向である第１方向に沿って、前記レジストパターンにより形成された電極または絶縁体開口部の並ぶ方向に第１のへき開を行う工程と、前記第１のへき開により得られた対向する二面に、前記発光層で生ずる光に対して高反射率を有する一対の第１の高反射層を形成する工程と、前記第１方向と交差する第２方向に沿って、隣接する２つの前記電極または前記絶縁体開口部の間で第２のへき開を行う工程と、前記第２のへき開により得られた対向する二面に、前記発光層で生ずる光に対してそれぞれ低反射率及び高反射率を有する低反射層及び第２の高反射層を形成する工程と、を備えることを特徴とする半導体発光素子の製造方法が提供される。
【０００９】
また、本発明の一態様によれば、半導体基板上に、半導体からなる発光層と、この発光層を挟んで設けられた半導体からなる第１及び第２のクラッド層と、を含む積層部を形成する工程と、前記積層部の上面に同一サイズからなる複数のレジストパターンを形成する工程と、前記半導体基板のへき開方向である第１方向に沿って、前記レジストパターンにより形成された電極または絶縁体開口部の並ぶ方向に第１のへき開を行う工程と、前記第１のへき開により得られた対向する二面に、前記発光層で生ずる光に対してそれぞれ低反射率及び高反射率を有する低反射層及び第１の高反射層を形成する工程と、前記第１方向と交差する第２方向に沿って、隣接する２つの前記電極または前記絶縁体開口部の間で第２のへき開を行う工程と、前記第２のへき開により得られた対向する二面に、前記発光層で生ずる光に対して高反射率を有する一対の第２の高反射層を形成する工程と、を備えることを特徴とする半導体発光素子の製造方法が提供される。
【発明の効果】
【００１０】
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、投入電力に対する発光効率が高い半導体発光素子及び発光装置を提供することを目的とするものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００１２】
(第1の実施形態)
図1は、本発明の第1の実施形態に係る半導体発光素子の構成を示す斜視図である。図1に示す半導体発光素子は、直方体状のGaN系化合物半導体チップを備えている。このチップは、Mgがドープされたp型GaNコンタクト層103と、Mgがドープされたp型Al0.05Ga0.95Nクラッド層104と、MgがドープされたP型Al0.2Ga0.8Nオーバーフロー防止層105と、アンドープのGaNガイド層106と、井戸層をln0.2Ga0.8Nとし障壁層をln0.03Ga0.97Nとする多重量子井戸(MQW)からなる活性層107と、Siがドープされたn型GaNガイド層108と、Siがドープされたn型Al0.05Ga0.95Nクラッド層109と、Siがドープされたn型GaNコンタクト層110とを順に積層した構造である。
【００１３】
P型GaNコンタクト層103にはP側電極102が接続され、n型GaNコンタクト層110にはn側電極101が接続されている。ｐ側電極102はチップの二面に沿って配置され、ｎ側電極101もチップの二面に沿って配置されている。n側電極101の面A側の形状は実線で示されるように矩形形状である。ｎ側電極101内の点線で示される櫛型形状については後述する。
【００１４】
図1に示すGaN系化合物半導体チップの複数の面(n側電極101が設けられた面とp側電極102が設けられた面を除く4つの面A、B、C、D)には、高反射層と低反射層のいずれかが設けられている。図2Aはn側電極101側（Ｅ方向）から見た側面図、図2Bはp側電極102側（Ｆ方向）から見た側面図である。
【００１５】
図2Aに示すように、GaN系化合物半導体チップのA側の面には低反射層203が設けられ、B側の面には高反射層202が設けられている。また、C側の面及びD側の面にはそれぞれ高反射層201b、201aが設けられている。これら高反射層201b、201a、202と低反射層203は図１では省略されている。
【００１６】
低反射層203は誘電体多層膜等からなり、例えばSiO2やSiN、Al203等を用いることが可能である。本実施形態における低反射層203の反射率は例えば10%である。また、高反射層201b、201a、202は誘電体多層膜等からなり、例えばTiO2/SiO2が繰り返し形成された積層膜等を用いることができる。TiO2及びSiO2それぞれの膜厚は、発光層(活性層107)の中心波長の1/4に相当する厚みとなっている。繰り返しの数は例えば合計10ペアとすることができるが、これに限られることは無い。本実施形態では高反射層の反射率は例えば99%である。
【００１７】
上述した高反射層201a、201bは、活性層107と、n型Al0.05Ga0.95Nクラッド層109と、p型Al0.05Ga0.95Nクラッド層104とを有する積層部の積層方向と直交する第1方向(CとDを結ぶ方向)の両端面に配置され、活性層107で生ずる光に対して高反射率をもっている。
【００１８】
上述した低反射層203と高反射層202は、上記積層方向と直交し第1方向と交差する第2方向(AとBを結ぶ方向)において活性層107を挟んで両端面に設けられ活性層107で生ずる光に対してそれぞれ低反射率及び高反射率をもっている。
【００１９】
図１の半導体発光素子に電流を流すと、n型Al0.05Ga0.95Nクラッド層109とp型Al0.05Ga0.95Nクラッド層104により導波構造が形成され、活性層107に光を閉じ込めることができ、かつ高反射率を有する一対の高反射層201a、201bにより光を共振させることができる。活性層107は利得を持つため、活性層107で発光した光が内部反射(多重反射)により再び活性層107を横切ることによる光の吸収を抑制することが可能となる。
【００２０】
この際、発振の方向と交差する方向に光を取り出せるように低反射層203及び高反射層202が設けられているので、活性層107で発光した光を低反射層203を介して外部に取り出すことにより、素子の発光効率を2倍程度に増加させることができる。
【００２１】
また、本実施形態の半導体発光素子では、上記積層方向と第2方向（ＡとＢを結ぶ方向）の双方に垂直な方向（図1の奥行き方向すなわち第１方向）の長さが、当該積層方向と第1方向（ＣとＤを結ぶ方向）の双方に垂直な方向の長さ(図1の上下方向すなわち第２方向の長さ)よりも長い素子形状を有している。この素子形状の場合は、第2方向と垂直な面における活性層107の断面積が、第１方向と垂直な面における活性層107の断面積よりも大きい構成となっている。このため、素子の光放射方向の発光領域の面積が放射方向に垂直な方向の断面積に比べて大きくなり、また、前記第1方向の長さが、前記第2方向の長さよりも長い素子形状であるため、反射率が十分でない場合であっても、発振閾値電流が低減され、入力電力に対する発光効率を向上させることができる。
【００２２】
さらにまた、通常のレーザではn側電極やp側電極にワイヤーを接続する領域が必要であり、素子の限られた部分のみが発光領域となる。本実施形態の半導体発光素子によれば、素子の中に占める発光領域をはるかに大きくすることができ、素子チップを有効に使用できる。このため、一枚のウエハーから得られる素子の数を20倍程度向上させることが可能である。.
また、高反射層201a、201bの反射率が、活性層107で生ずる光に対してそれぞれ80%以上、好ましくは95%以上にすることにより、発振閾値電流が低下し、入力電力に対する発光効率を向上させることができる。また、低反射層203の反射率が、活性層107で生ずる光に対して10%以下にすることにより、光の取り出し効率を向上でき、入力電力に対する発光効率を向上させることができる。
【００２３】
また、活性層107に電流を供給するn側電極101がn型GaNコンタクト層110の上記積層部の積層方向に平行な面(面A)と接しているため、当該平行な面において広いコンタクト面積を確保することができることができる。これにより、金属半導体界面の接触抵抗を下げることができ、素子の動作電圧も低下させることができる。
【００２４】
ここで、p側電極102がp型GaNコンタクト層103の上記積層部の積層方向に平行な面(面B)と接している場合には、同様に素子の動作電圧を低下させることができる。本実施形態では、上記積層部の積層方向の長さが上述した第1及び第2方向の長さよりも長い素子形状を有しているので、広いコンタクト面積を得ることが極めて容易となる。
【００２５】
さらにまた、本実施形態の半導体発光素子では、通常の端面発光レーザに比べてn側電極101やp側電極102が広い面積で素子と接しているため、放熱性が良く電流密度を高くすることができる。
【００２６】
次に、本実施形態の半導体発光素子の製造方法について説明する。図３は本実施形態の半導体発光素子の製造方法を示す斜視図である。
【００２７】
まず、n型GaN基板を結晶成長装置の中に配置する。このn型GaN基板はSiがドープされたn型GaNコンタクト層110として機能する。このn型GaN基板上にMOCVD法を用いた結晶成長により、Siがドープされたn型Al0.05Ga0.95Nクラッド層109と、Siがドープされたn型GaNガイド層108と、井戸層をIn0.2Ga0.8Nとし障壁層をIn0.03Ga0.97Nとする多重量子井戸(MQW)からなる活性層107と、アンドープのGaNガイド層106と、Mgがドープされたp型AI0.2Ga0.8Nオーバーフロー防止層105と、Mgがドープされたp型Al0.05Ga0.95Nクラッド層104と、Mgがドープされたp型GaNコンタクト層103とを順に形成する。
【００２８】
次に、このような結晶成長を行ったn型GaN基板を結晶成長装置から取り出し、図３Aに示すようにp型GaNコンタクト層103上にSiO2膜401を積層する。
【００２９】
次に、SiO2膜401の表面にレジストパターンを形成し、このレジストパターンを用いてSiO2膜401をパターニングすることにより、SiO2膜401に5μm×80μmの長方形からなる開口部を縦横に列設する。開口部の長手方向に隣接する複数の開口部のピッチを100μm、短い辺の方向に隣接する複数の開口部のピッチを10μmとする。SiO2膜401の除去にはフッ化アンモニウムを用いる。
【００３０】
次に、図３Bに示すように、n型GaN基板の表面に、開口部の並ぶ方向に沿ってスクライブラインを入れる。へき開方向としては、例えば<11-20>方向を用いる。スクライブラインは、P型GaNコンタクト層103上の開口部を避けてへき開ができるようにP型GaNコンタクト層103の表面を観察しながら行う。スクライブラインを起点としてへき開面に沿ってへき開し、複数のバー状体402に分離する。バー状体402の短い辺に沿った幅(開口部の長手方向に沿った幅)は100μmとする。
【００３１】
次に、図３Cに示すように、この状態でへき開面に高反射層201b、201aとして誘電体多層膜403を蒸着する。誘電体多層膜403はTiO2/SiO2の繰り返しで合計10ペアーを積層する。この誘電体多層膜403の反射率は発光波長に対して99%以上である。誘電体多層膜403の蒸着中は発光層(活性層107)の中心波長の1/4に相当する厚みとなるように各層の膜厚を調節する。この蒸着はバー状体402の両側のヘキ開面に対して行う。
【００３２】
次に、図３Dに示すように、バー状体402を短手方向でブレーキングを行って一つの素子チップ404を作製する。ここではP型GaNコンタクト層103上の開口部を避けてへき開ができるようにP型GaNコンタクト層103表面を観察しながら行う。素子チップ404の幅(開口部の短手方向に沿った幅)は10μmである。
【００３３】
このように、へき開により素子チップ404を作製することにより、素子一個あたりの体積を小さくすることができ1枚のウエハーを有効に利用することができ、歩留まりを向上させコストを低減できる。
【００３４】
次に、この状態で素子チップ404を積層方向が水平になるように支持基板若しくは支持台上に並べて固定する。さらに図３Eに示すように、片方のへき開面に高反射層202として誘電体多層膜405を蒸着する。誘電体多層膜405はTiO2/SiO2の繰り返しで合計10ペアーを積層する。この誘電体多層膜405の反射率は発光波長に対して99%以上である。誘電体多層膜405の蒸着中は発光層(活性層107)の中心波長の1/4に相当する厚みとなるように各層の膜厚を調節する。
【００３５】
次に、図３Fに示すように、P側電極102として金属膜406を、P型GaNコンタクト層103上の開口部から誘電体多層膜405が形成された面にかけて蒸着する。ここで、P側電極102とP型GaNコンタクト層103とのコンタクト面積を増加させるために、P型GaNコンタクト層103の誘電体多層膜405が形成された面にも開口部を設け、この開口部を埋め込むように金属膜406を形成することも可能である。金属膜406は必要に応じてパターニングする。
【００３６】
次に、図３Gに示すように、素子チップ404を別の支持基板若しくは支持台に移し変え、誘電体多層膜405を積層した側の面が当該支持基板若しくは支持台に接するように素子チップ404を並べて固定する。さらに図３Gに示すように、反対側のへき開面に低反射層203として誘電体膜407を蒸着する。誘電体膜407としては例えばSiO2を積層する。この誘電体膜407の反射率は発光波長に対して10%以下である。誘電体膜407の蒸着中は発光層(活性層107)の中心波長の1/2に相当する厚みとなるように膜厚を調節する。
【００３７】
その後、n型GaNコンタクト層110の誘電体膜407が形成された面(結晶成長の積層方向に平行な面)に開口部を形成する。誘電体膜(SiO2膜)407の除去にはフッ化アンモニウムを用いる。次に、図３Hに示すように、n側電極101として金属膜408を、n型GaNコンタクト層110を露出する開口部を埋め込み、かつこの開口部が設けられた面(結晶成長の積層方向に平行な面)に隣り合う面(結晶成長の積層方向に垂直な面)にかけて金属膜408を蒸着する。n型GaNコンタクト層110の誘電体膜407が形成された面(結晶成長の積層方向に平行な面)には比較的大きな開口部を設けることができ、n側電極101とn型GaNコンタクト層110とのコンタクト面積を増加させることが可能である。
【００３８】
次に、金属膜408により活性層107が覆われないようにするために、金属膜408をパターニングする。パターニングの方法としては、例えばリフトオフ法が用いられ、活性層107等を含む領域上にレジストパターンを形成し、金属膜408の蒸着後にこのレジストパターンを有機溶剤等で除去することにより、金属膜408のパターニングを行うことができる。
【００３９】
このように、第１の実施形態では、活性層107で発光した光を第１方向で往復させて光強度を高めた後に、低反射層203を介して外部に取り出すことができ、発光効率の向上が図れる。また、光の放射方向である第２方向における活性層の断面積を光の放射方向に垂直な第１方向における活性層の断面積よりも大きくしたため、より発光効率の向上が図れる。
【００４０】
さらに、ｎ側電極101がｎ型コンタクト層110と面接触し、ｐ側電極102もｐ型GaNコンタクト層103と面接触するため、接触抵抗を下げることができ、素子の動作電圧を低下させることができる。また、ｎ側電極101とｐ側電極102が広い面積で素子と接するため、放熱性がよくなり、電流密度を高くすることができる。
【００４１】
(第2の実施形態)
図４は、本発明の第2の実施形態に係る発光装置の構成を示す断面図である。本実施形態では、図1の半導体発光素子をヒートシンクに搭載した発光装置について説明する。図４の実線で示されるようにvマウント基板301の上面の一領域にこれと接してヒートシンク302が配置されており、マウント基板301上面の他領域には絶縁体304を介してヒートシンク305が配置されている。このヒートシンク302、305は導体で形成されている。ただし、ヒートシンク302、305は互いに絶縁されている。
【００４２】
図1に示す半導体発光素子は、高反射層(誘電体多層膜)202を積層した側の面がヒートシンク302に向くようにしてヒートシンク302上に半田303を介して配置されている。半田303は、誘電体多層膜202上に延在しているp側電極102の部分とヒートシンク302とを電気的に導通する。
【００４３】
また、n側電極101とヒートシンク305との間には、半田306が形成されており、この半田306によりn側電極101とヒートシンク305とは電気的に導通する。半田306の代わりにAuワイヤーを用いて電気的に接続してもよい。307は、ヒートシンク302とヒートシンク305との間に電圧を印加する電源であり、かかる構成によりn側電極101とp側電極102との間に電圧が印加される。
【００４４】
第２の実施形態の発光装置によれば、第1の実施形態で述べた効果と同様の効果を得ることができる他、素子と広い面積で接しているn側電極101やp側電極102から、それぞれ半田306及び半田303を介してヒートシンク305及びヒートシンク302にそれぞれ熱を逃がすことができる。このため、放熱性をさらに向上させて素子の温度特性や信頼性を向上させることができ、高出力での動作が可能となる。特に、発熱の大きな活性層107、及びp側電極102をヒートシンク302の近傍に位置させることができ、これにより放熱効率を著しく向上させ、高出力で安定して動作させることが可能となる。
【００４５】
(第3の実施形態)
第３の実施形態は白色発光の発光装置に係るものであり、蛍光灯等に代わる照明装置の例である。この装置の構成を図４を用いて説明する。図４に示すように、本実施形態の発光装置では、第2の実施形態の構造（図４の実線部分）に加えて、点線で示した部材が加わっている。510はプラスチック製のセルであり、このセル510内に図1の半導体発光素子が配置される。この半導体発光素子上のセル510内部には蛍光体層511が埋め込まれており、蛍光体層511を覆うように光取り出し窓512が設けられている。
【００４６】
蛍光体層511は、赤色の蛍光体、緑色の蛍光体、青色の蛍光体をフッ素系ポリマーに分散した層である。赤色の蛍光体としてはLa2O2S:Eu、Sm(:の後の元素は付活元素を示す。以下同じ)等が、緑色の蛍光体としてはlnGaNやBaMgAl27O17:Eu,Mn等が、青色の蛍光体としてはlnGaNや(Sr,Ca,Ba)10(PO4)6Cl2:Eu等が用いられる。半導体発光素子から発光される光によりこれらの色の蛍光体が励起されて発光を生じ、各色の蛍光体による発光が重ね合わされることにより白色光を得ることができる。なお、緑色の蛍光体の代わりに、或いはこれと併せて黄色の蛍光体を用いることも可能であり、例えば(Sr,Ca,Ba)2SiO4:Eu等が用いられる。
【００４７】
セル510はここではプラスチックであるが、金属やセラミック、ガラスでもよく、その場合には放熱性が良好で劣化が少ない発光装置とすることができ、高出力で信頼性の高い発光装置を提供することができる。また、蛍光体は半導体発光素子に接していてもよく、セル510の外側であってもよく、それらの中間でも良い。
【００４８】
第３の実施形態による発光装置によれば、第1及び第2の実施形態と同様の効果を得ることができる他に、優れた演色性を備え発光効率の高い白色発光の発光装置を得ることができる。このため、従来の蛍光灯に代わる新規な照明システムが実現可能である。
【００４９】
(第4の実施形態)
第４の実施形態は、図1の半導体発光素子において、n型Al0.05Ga0.95Nクラッド層109の代わりに、各層の厚みが発光波長の光路長で1/4波長に相当するAIGaN/GaNの積層構造を用いたものである。
【００５０】
図5A、5Bは、このn型クラッド層の屈折率分布を示した図である。横軸は膜厚方向の位置、縦軸は屈折率を示す。図5Bに示すように、n型クラッド層は、発光波長の光路長で1/4波長の厚みにそれぞれ相当するAl0.3Ga0.7N層(503、504)とGaN層とを交互に積層した積層構造を有する。この構造により、活性層107からの光がn型GaN基板側(n型GaNコンタクト層110側)へ漏れる光量を低減することができ、発光効率を向上させることがでいる。
【００５１】
ここで、図5Aに示すように、図5BのAl0.3Ga0.7N層(503、504)をそれぞれAl0.65Ga0.35NとGaNの超格子(501、502)で構成し、屈折率分布が2重の周期を有するようにしてもよい。ここで、Al0.65Ga0.35NとGaNのそれぞれの厚みを4.6rmと5mmとすることができる。
【００５２】
第５の実施形態によれば、第1の実施形態と同様の効果を得ることができる他、図5Bの例では電圧が上昇するものの、動作時の光出力を従来の約3倍とすることができる。また、図5Aの例では動作時の光出力を従来の約3倍とするとともに、動作電圧を従来と同様な値とすることができる。
【００５３】
また、p型Al0.05Ga0.95Nクラッド層104を、発光波長の光路長で1/4波長の厚みにそれぞれ相当するAIGaN層とGaN層とを交互に積層した積層構造としてもよい。これにより、活性層107からの光がp型GaNコンタクト層103側へ漏れる光量を低減することができ、発光効率を向上させることができる。
【００５４】
なお、n型Al0.05Ga0.95Nクラッド層109のみを上記積層構造としても良いし、p型Al0.05Ga0.95Nクラッド層104のみを上記積層構造としても良く、さらには両者をそれぞれ上記積層構造としても良い。
【００５５】
(第5の実施形態)
第５の実施形態は、活性層107の側面と高反射層201a、201b、202や低反射層203との間に窒化物系絶縁物、例えば窒化シリコンからなる膜を設けたり、活性層107の側面を窒化処理することが特徴である。
【００５６】
本実施形態の素子構造によれば、活性層107とこの活性層107側面に形成される高反射層201a、201b、202や低反射層203との間に窒化物系絶縁物が設けられているので、活性層107の側面付近を電流が流れた場合でも、窒化シリコンからなる膜により表面再結合を低減化させて無効電流を減らすことができ、入力電力に対する発光効率を向上させることが可能となる。
【００５７】
なお、窒化シリコンの代わりに窒化アルミニウム等からなる膜を用いることもできる。これらの窒化物系絶縁物はCVDやスパッタリングにより成膜することが可能である。
【００５８】
さらに、活性層107側面に窒化物系絶縁物からなる膜及び高反射層201a、201b、202や低反射層203を形成する前に、活性層107側面を窒化処理することが望ましく、この処理により無効電流の低減化及び発光効率の向上の効果をさらに向上させることができる。窒化処理としては、例えば、窒素やアンモニア等のガス中で放電を行い、これにより窒素ラジカルを発生させ、この窒素ラジカルにより表面処理を行うことが好ましい。なお〜窒化処理のみを行い、活性層107側面を上記窒化物系絶縁物で覆わなくても良い。.
(第6の実施形態)
第６の実施形態の半導体発光素子は、n型GaN基板の代わりにp型GaN基板を用いたものであり、この点を除けば第1の実施形態と同様である。
【００５９】
図6は本実施形態に係る半導体発光素子の構成を示す斜視図である。図6に示すように、本実施形態の半導体発光素子は、直方体状のGaN系化合物半導体チップからなる。このチップは、Mgがドープされたp型GaNコンタクト層603と、Mgがドープされたp型Al0.05Ga0.95Nクラッド層604、Mgがドープされたp型Al0.2Ga0.8Nオーバーフロー防止層605と、アンドープのGaNガイド層606と、井戸層をln0.2Ga0.8Nとし障壁層をln0.03Ga0.97:Nとする多重量子井戸(MQW)からなる活性層607と、Siがドープされたn型GaNガイド層608と、Siがドープされたn型Al0.05Ga0.95Nクラッド層609と、Siがドープされたn型GaNコンタクト層610とを順に積層した構造となっている。p型GaNコンタクト層603にはp側電極602が接続され、n型GaNコンタクト層610にはn側電極601が接続されている。かかる構造の素子は、n型GaN基板をp型GaN基板とした他は、第1の実施形態と同様の工程で製造することができる。
【００６０】
第６の実施形態の素子構造は、第１の実施形態における層構造のpとnとを入れ替えた構造であり、第１の実施形態と同様の作用効果が得られる。すなわち、本実施形態によれば、p型GaNコンタクト層603とp側電極602とのコンタクト面積を飛躍的に大きくすることができ、コンタクト抵抗が大きくなりやすいp側電極602においてコンタクト抵抗を大幅に低下させることができる。これにより動作電圧を大幅に低減でき、素子の発熱を飛躍的に低減することが可能となる。
【００６１】
図6に示す半導体発光素子を用いて図４のような発光装置を構成することも可能である。p側電極602を半田306を介してヒートシンク305と電気的に接続するとともにn側電極601を半田303を介してヒートシンク302と電気的に接続することにより、放熱効率を向上させ、高出力で動作させることが可能となる。
【００６２】
また、p側電極602を半田303を介してヒートシンク302と電気的に接続するとともにn側電極601を半田306を介してヒートシンク305と電気的に接続することも可能である。この場合は、低反射層203と高反射層202とを入れ替え、活性層607の光放射面上をn側電極601が覆わないようにする。この場合は、放熱効率がさらに向上し、高出力で安定して動作させることが可能となる。
【００６３】
（第７の実施形態）
上述した第３の実施形態では、半導体発光素子の周囲に蛍光体を塗布して白色光を得る例を説明したが、以下に説明する第７の実施形態は、蛍光体の塗布方法に特徴があるものである。
【００６４】
図７は図１の半導体発光素子を配線基板上にマウントする例を示す斜視図である。配線基板７００上には、半導体発光素子のｎ側電極１０１とｐ側電極１０２にそれぞれ電気的に接続されるｎ側配線パターン７０１とｐ側配線パターン７０２が形成されている。これら電極１０１，１０２と配線パターン７０１，７０２とは、例えばはんだ７０３にて接合される。図７では省略しているが、図４と同様のヒートシンクを半導体発光素子に接続してもよい。
【００６５】
図７では不図示であるが、配線基板７００に半導体発光素子をマウントした状態で、基板全面に蛍光体が塗布される。蛍光体を塗布することにより、半導体発光素子から発光された光の波長が変化し、白色光が得られる。
【００６６】
蛍光体は通常粒子状の形状であり、この種の蛍光体を半導体発光素子の上面や側面に塗布すると、粒径のばらつきによる色むらが生じる。これを防止するために、本実施形態では、蛍光体を半導体発光素子の活性層の周囲に直接スパッタにより塗布する。具体的には、通常と同様の手法で作製した蛍光体を、半導体発光素子の電極が形成されていない面に積層する。
【００６７】
蛍光体を積層する具体的な手法として、例えば半導体発光素子にヒートシンクを取り付けた状態でプラネタリー方式で回転させながらスパッタを行って蛍光体を積層する。
【００６８】
より望ましくは、レーザアブレーションにより蛍光体を積層する。これにより、粒径のばらつきのない良好な発光効率の蛍光体を均一に形成することができる。
【００６９】
素子の発光光を一部透過させて白色光の一部として用いる場合には、蛍光体層を薄く形成し、紫外光で蛍光体を励起する場合には複数の蛍光体層を積層構造として形成する。また、酸化亜鉛などの水溶液中で微細結晶を他の結晶面に積層させることもできる。このような手法により、色むらのない良好な白色光を得ることができる。
【００７０】
上述した各実施形態による半導体発光素子を用いて照明装置を作製する場合、そのままでは半導体発光素子の活性層の周囲だけが輝度が高く、グレアが生じる。そこで、図８に示すように、活性層の周囲に導光板７１１を配置して、この導光板７１１により発光面積を広げて光の密度を低下させてもよい。あるいは、導光板７１１の代わりに、図９に示すように、半導体発光素子の発光方向に沿って反射板や拡散板７１２を配置して、発光面積を広げてもよい。図９の場合、半導体発光素子に蛍光体を塗布する代わりに、反射板や拡散板に蛍光体を塗布しておく。これにより、光密度を下げながら良好な白色を得ることができる。
【００７１】
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではない。例えば、図３の例では、半導体発光素子のチップを作製する際、まず一対の高反射層を形成する面を基板のへき開で作製するとともに基板を複数のバー状片に分離し、その後、各バー状片に対してへき開により高反射層と低反射層を形成する面を作製するとともに各バー状片を複数の素子チップに分離したが、その逆の工程を採用してもよい。
【００７２】
すなわち、まず素子の長手方向となる方向にスクライブラインを入れ、へき開により高反射層と低反射層を形成する面を作製するとともに基板を複数のバー状片に分離し、その後、各バー状片に対してへき開により一対の高反射層を形成する面を作製するとともに各バー状片を複数の素子チップに分離することも可能である。前者の順番の作製工程では、へき開面を一度に作成できるので効率が良いという効果を得ることができ、後者の順番の作製工程では、素子一つ一つのへき開面を作るので正確にへき開面が得られ歩留まりが良いという効果を得ることができる。
【００７３】
また、図３の例では素子の分離をスクライブとへき開により行ったが、ドライエッチングにより行ってもよい。この場合は、基板の分離領域が露出するようにマスクパターンを基板表面に形成し、このマスクパターンを用いて基板をドライエッチングする。Ga:N系材料からなる基板を用いる場合は、マスクパターンとしてはSiO2やMoといった金属等を、エッチングガスとしてはアルゴンや塩素等を用いることができる。その際には図３のDにあたる形状がエッチングのみでできるため素子の並び替えや張替の回数が低減できる。
【００７４】
また、n側電極を櫛型にした構造を採用することができる。例えば、図1ではn側電極101の面Aにおける平面形状を点線に示す形状とすることができる。この場合には、電極面積を減少させ電極部分での反射による光吸収を低減化することができ、発光層以外での光吸収による発光効率の低下をより一層抑制することが可能である。P側電極を櫛型にする構造や、n側電極及びp側電極の両方を櫛型形状にする構造を採用してもよく、同様の効果を得ることができる。
【００７５】
上述した各実施形態では、基板としてGaNを用いているが、サファイア基板やSic基板等、他の基板を用いてもよい。その際の基板側の電極は導電性のある基板または積層層に接するように形成される。例えば、サファイア基板の場合は基板が絶縁性なので、基板に積層された導電性半導体層に電極が接する構造とすることができる。電極は絶縁性基板から導電性半導体層にかけて延在する構造とすることもでき、この場合には放熱性を向上させることも可能である。
【００７６】
その他、本発明は上記の各実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記各実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】第１の実施形態に係る半導体発光素子の構成を示す斜視図。
【図２】図1の半導体発光素子の側面図。
【図３】図3A−3Hは図1の半導体発光素子を製造する製造方法を示す工程図。
【図４】第2および第3の実施形態に係る発光装置の構成を示す断面図。
【図５】第4の実施形態に係る半導体発光素子の構成を示す図。
【図６】第6の実施形態に係る半導体発光素子の構成を示す斜視図。
【図７】図１の半導体発光素子を配線基板上にマウントする例を示す斜視図。
【図８】活性層の周囲に導光板を配置した図。
【図９】半導体発光素子の発光方向に沿って反射板や拡散板を配置する例を示す図。
【符号の説明】
【００７８】
１０１  ｎ側電極
１０２  P側電極
１０３  Mgがドープされたｐ型GaNコンタクト層
１０４  Mgがドープされたｐ型Al0.05Ga0.95Nクラッド層
１０５  Mgがドープされたｐ型Al0.2Ga0.8オーバーフロー防止層
１０６  アンドープのGaNガイド層
１０７  井戸層をIn0.2Ga0.8Nとし障壁層をIn0.03Ga0.97Nとする多重量子井戸（MQW)からなる活性層
１０８  Siがドープされたｎ型GaNガイド層
１０９  Siがドープされたｎ型Al0.05Ga0.95Nクラッド層
１１０  Siがドープされたｎ型GaNコンタクト層
２０１ａ、２０１ｂ  高反射層
２０２  高反射層
２０３  低反射層
３０１  マウント基板
３０２，３０５  ヒートシンク
３０３、３０６  はんだ
３０４  絶縁体
３０７  電源
４０１  SiO2膜
４０２  複数のバー状体
４０３  誘電体多層膜
４０４  素子チップ
４０５  誘電体多層膜
４０６  金属膜
４０７  誘電体膜
４０８  金属膜
５０１、５０２  Al0.65Ga0.35NとGaNの超格子
５０３、５０４  Al0.3Ga0.7N層
５１０  プラスチップ製のセル
５１１  蛍光体層
５１２  光取り出し窓
６０１  ｎ側電極
６０２  ｐ側電極
６０３  ｐ側GaNコンタクト層
６０４  Mgがドープされたｐ型Al0.05Ga0.95Nクラッド層
６０５  Mgがドープされたｐ型Al0.2Ga0.8Nオーバーフロー防止層
６０６  アンドープのGaNガイド層
６０７  井戸層をIn0.2Ga0.8Nとし障壁層をIn0.03Ga0.97Nとする多重量子井戸（MQW）からなる活性層
６０８  Siがドープされたｎ型GaNガイド層
６０９  Siがドープされたｎ型Al0.05Ga0.95Nクラッド層
６１０  Siがドープされたｎ型GaNコンタクト層
【図１】
2006253673.tif 000003
【図２】
2006253673.tif 000004
【図３】
2006253673.tif 000005
【図４】
2006253673.tif 000006
【図５】
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【図６】
2006253673.tif 000008
【図７】
2006253673.tif 000009
【図８】
2006253673.tif 000010
【図９】
2006253673.tif 000011