(57)【要約】  【課題】  紫外光の光取り出し効率がより大きく改善され、小さい電力で良好な発光強度を得ることができる高性能な発光素子を提供すること。  【解決手段】  Ａｌを含む窒化ガリウム系化合物半導体から成る第１，第２導電型半導体層１ｂ，１ｃの間に、Ａｌを含まないかまたは第１，第２導電型半導体層１ｂ，１ｃよりも少ないＡｌを含む窒化ガリウム系化合物半導体から成る発光層１ａが挟まれている窒化ガリウム系化合物半導体層１と、窒化ガリウム系化合物半導体層１の第１導電型半導体層１ｂ側主面に形成された導電性反射層２と、第２導電型半導体層１ｃに電気的に接続された導電層３とを具備する発光素子Ｌ１である。紫外光を発光層１ａで発生させ、導電性反射層２で反射し、第１，第２導電型半導体層１ｂ，１ｃを透過させる際に、透過損失を小さくし、第１導電型半導体層１ｃ側主面からの光取り出し効率を高くすることができる。【選択図】  図１
2006156583.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
化学式Ｇａ１−ｘ−ｙＩｎｙＡｌｘＮ（ただし、０＜ｘ＋ｙ＜１，ｘ＞０，ｙ≧０とする。）で表される窒化ガリウム系化合物半導体から成る第１導電型半導体層と、化学式Ｇａ１−ｘ’−ｙ’Ｉｎｙ’Ａｌ ｘ’Ｎ（ただし、０＜ｘ’＋ｙ’＜１，ｘ’＞０，ｙ’≧０とする。）で表される窒化ガリウム系化合物半導体から成る第２導電型半導体層との間に、化学式Ｇａ１−ｘ”−ｙ”Ｉｎｙ”Ａｌｘ”Ｎ（ただし、０＜ｘ”＋ｙ”＜１，ｘ”＞０，ｙ”≧０とする。）で表される窒化ガリウム系化合物半導体から成る発光層が挟まれて接合されている窒化ガリウム系化合物半導体層（ただし、ｘ，ｘ’＞ｘ”，ｙ，ｙ’≦ｙ”とする。）と、該窒化ガリウム系化合物半導体層の前記第１導電型半導体層側の主面に形成された導電性反射層と、前記第２導電型半導体層に電気的に接続された導電層とを具備することを特徴とする発光素子。
【請求項２】
前記窒化ガリウム系化合物半導体層の前記第２導電型半導体層側の主面が前記窒化ガリウム系化合物半導体層をエピタキシャル成長させるために用いた基板または該基板およびバッファー層が除去された面かまたはこの面がエッチングされて形成された新たな面であることを特徴とする請求項１記載の発光素子。
【請求項３】
前記窒化ガリウム系化合物半導体層の前記第２導電型半導体層側の主面に反射防止層が形成されていることを特徴とする請求項２記載の発光素子。
【請求項４】
前記反射防止層は、主面に基部より頂部が小さくなっている多数の突起または多数の窪みを有していることを特徴とする請求項３記載の発光素子。
【請求項５】
前記窒化ガリウム系化合物半導体層は、円形状であることを特徴とする請求項１記載の発光素子。
【請求項６】
前記窒化ガリウム系化合物半導体層は、前記第１導電型半導体層側の中央部に前記第１導電型半導体層および前記発光層を貫通する凹部が形成されており、該凹部は、側部に形成された、前記発光層に沿って伝搬してきた光を前記第２導電型半導体層側の主面に反射する斜面を有していることを特徴とする請求項５記載の発光素子。
【請求項７】
前記導電層は、前記凹部の底部において前記第２導電型半導体層に電気的に接続されていることを特徴とする請求項６記載の発光素子。
【請求項８】
前記導電性反射層の主面にバンプ電極が接続されていることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の発光素子。
【請求項９】
化学式ＸＢ２（ただし、ＸはＴｉおよびＺｒのうち少なくとも１種を含む。）で表される二硼化物単結晶から成る基板の主面上に、化学式Ｇａ１−ｘ’−ｙ’Ｉｎｙ’Ａｌｘ’Ｎ（ただし、０＜ｘ’＋ｙ’＜１，ｘ’＞０，ｙ’≧０とする。）で表される窒化ガリウム系化合物半導体から成るバッファー層と、該バッファー層と同じ組成から成る第２導電型半導体層と、化学式Ｇａ１−ｘ”−ｙ”Ｉｎｙ”Ａｌｘ”Ｎ（ただし、０＜ｘ”＋ｙ”＜１，ｘ”＞０，ｙ”≧０とする。）で表される窒化ガリウム系化合物半導体から成る発光層と、化学式Ｇａ１−ｘ−ｙＩｎｙＡｌｘＮ（ただし、０＜ｘ＋ｙ＜１，ｘ＞０，ｙ≧０とする。）で表される窒化ガリウム系化合物半導体から成る第１導電型半導体層とを順にエピタキシャル成長させる工程（ただし、ｘ，ｘ’＞ｘ”，ｙ，ｙ’≦ｙ”とする。）と、前記第１導電型半導体層上に導電性反射層を形成する工程とを具備することを特徴とする発光素子の製造方法。
【請求項１０】
前記導電性反射層上を保護した状態で前記基板または前記基板および前記バッファー層を除去する工程を具備することを特徴とする請求項９記載の発光素子の製造方法。
【請求項１１】
請求項１乃至請求項８のいずれかに記載の発光素子と、該発光素子からの発光を受けて光を発する蛍光体および燐光体の少なくとも一方とを具備することを特徴とする照明装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば照明装置等に用いられ、蛍光灯の２倍以上のエネルギー消費効率を有する発光素子（発光ダイオード；ＬＥＤ）およびその製造方法ならびにその発光素子を用いた照明装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、青色もしくは紫外光の発光素子として窒化ガリウム系化合物半導体を用いた発光素子が広く知られている（例えば、特許文献１〜５を参照。）。このような発光素子において、発光素子内部で発生した光を外部に効率良く取り出すこと、すなわち光取り出し効率を向上させることが重要であり、特に近年製品化が進められている照明装置向けにおいては不可欠となっている。
【０００３】
図６（ａ）〜（ｃ）にそれぞれ光取り出し効率を向上させるための工夫がなされた第１〜第３の従来の発光素子の例（以下、第１の従来例，第２の従来例，第３の従来例と呼ぶ。）の断面図を示す。なお、同様のものには同一の符合を付け、重複する説明を省略する。
【０００４】
図６（ａ）に示すように、第１の従来例は、基板54の一方の表面に発光層51ａを含む窒化ガリウム系化合物半導体層51が形成され、他方の表面に発光層51ａから出射された光を反射する反射層55が形成されており、窒化ガリウム系化合物半導体層51の表面（基板54と接触していない面）に、窒化ガリウム系化合物半導体層51に通電するとともに発光層51ａから出射された光を透過させる透明電極56と、透明電極56上の一部に透明電極56に通電するための電極パッド57とが形成されている（例えば、特許文献６〜８を参照。）。ここで、窒化ガリウム系化合物半導体層51は互いに導電型の異なる半導体層51ｂ，51ｃの間に発光層51ａを挟んだ構成となっており、基板54と接する半導体層51ｃの基板54と接する面と反対の面の上に電圧を印加することにより、電極パッド57との間で電流を流すための電極パッド53が形成されている。
【０００５】
また、図６（ｂ）に示すように、第２の従来例では、発光層51ａを含む窒化ガリウム系化合物半導体層51と基板54との界面に発光層51ａから出射された光を窒化ガリウム系化合物半導体層51側に反射する反射層58（例えばブラック反射器）が形成されており、窒化ガリウム系化合物半導体層51の表面（基板54と接触していない面）に、窒化ガリウム系化合物半導体層51に通電するとともに発光層51ａから出射された光を透過させる透明電極56と、透明電極56上の一部に透明電極56に通電するための電極パッド57とが形成されている（例えば、特許文献９および特許文献10を参照。）。
【０００６】
また、図６（ｃ）に示すように、第３の従来例では、基板54上に形成された発光層51ａを含む窒化ガリウム系化合物半導体層51の表面に、窒化ガリウム系化合物半導体層51に通電するとともに発光層51ａから出射された光を基板54側に反射する導電性反射層52が形成されている（例えば、特許文献11〜特許文献19を参照。）。
【０００７】
このような従来の発光素子においては、いずれも発光層51ａの一方側に設けられる反射層55，反射層58または導電性反射層52が発光層51ａから出射された光を他方側に反射する働きをするため、本来は放射状に発生する光を発散させずに所望の方向に集中させて取り出すことができるので、発光素子の内部で発生した光を外部に効率良く取り出すことができるといったものである。なお、図６（ａ），（ｂ）に示す例では光の取り出し面は窒化ガリウム系化合物半導体層51の表面側であり、図６（ｃ）に示す例では窒化ガリウム系化合物半導体層51の基体54と接触している面側である。
【特許文献１】特開平２−42770号公報
【特許文献２】特開平２−257679号公報
【特許文献３】特開平５−183189号公報
【特許文献４】特開平６−196757号公報
【特許文献５】特開平６−268257号公報
【特許文献６】特開平８−102549号公報
【特許文献７】特開2001−7397号公報
【特許文献８】特開2001−7392号公報
【特許文献９】特開平3−108778号公報
【特許文献１０】特開平3−163882号公報
【特許文献１１】特開2000−31540号公報
【特許文献１２】特開平10−144961号公報
【特許文献１３】特開平11−220168号公報
【特許文献１４】特開平11−261109号公報
【特許文献１５】特開2000−31540号公報
【特許文献１６】特開2000−183400号公報
【特許文献１７】特開2000−294837号公報
【特許文献１８】特開2002−246649号公報
【特許文献１９】実用新案登録第3068914号公報
【特許文献２０】特表2003−532298号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、第１、第２および第３の従来例においては、いずれも、窒化ガリウム系化合物半導体層から成る半導体層51ｂおよび半導体層51ｃ、ならびに窒化ガリウム系化合物半導体層51を、エピタキシャル成長させるために窒化ガリウム系化合物半導体層51と基板54との間に介在させるバッファー層が、アルミニウムおよびガリウムのいずれかを含有していないかまたはアルミニウムおよびガリウムを一部分にしか含有していなかったために、半導体層51ｂまたは半導体層51ｃの禁制帯幅が比較的に小さくなって紫外光等の短波長側の光に対する吸収が大きくなってしまうので、紫外光に対する半導体層51の透過率が小さくなってしまって半導体層51のいずれかの主面側から取り出される紫外光の光取り出し効率をあまり高くすることができないという問題点があった。
【０００９】
また、第１の従来例においては、基板54に形成された反射層55により反射した光が光取り出し面である透明電極56側に向かうために基板54中を伝搬する際に基板54に吸収されてしまうために、反射層55により光を反射させても発光素子全体の光取り出し効率があまり改善されないという問題点があった。また、反射層55により反射した光の一部が基板54の表裏面で多重反射されて基板54内に閉じ込められ、光取り出し面である透明電極56側から取り出される前に減衰してしまうため、発光素子全体の光取り出し効率があまり改善されないという問題点があった。さらに、光取り出し面に電極パッド57が設けられ、その電極パッド57に電気的に導通をとるための導線等が接続されるために、電極パッド57や導線等が窒化ガリウム系化合物半導体層51からの光を遮ってしまい、その結果、光取り出し効率を低下させてしまうという問題点もあった。
【００１０】
また、第２の従来例においては、反射層58の上に窒化ガリウム系化合物半導体層51を結晶成長させるためには、反射層58の反射効率を高くすることが難しかったり、反射する光の波長を限定してしまったりするために、反射層58による発光素子全体の光取り出し効率があまり改善されないという問題点があった。また、光取り出し面に電極パッド57が設けられ、その電極パッド57に電気的に導通をとるための導線等が接続されるために、電極パッド57や導線等が窒化ガリウム系化合物半導体層51からの光を遮ってしまい、その結果、光取り出し効率を低下させてしまうという問題点もあった。
【００１１】
また、第３の従来例においては、窒化ガリウム系化合物半導体層51上に形成された反射層52により反射した光が光取り出し面である透明導電膜56側に向かうために基板54中を伝搬する際に基板54に吸収されてしまうために、反射層52により光を反射させても発光素子全体の光取り出し効率があまり改善されないという問題点があった。また、反射層52により反射した光の一部が基板54の表裏面で多重反射されて基板54内に閉じ込められ、光取り出し面である透明導電膜56側から取り出される前に減衰してしまうため、発光素子全体の光取り出し効率があまり改善されないという問題点があった。
【００１２】
また、従来の発光素子の製造方法においては、半導体層51をエピタキシャル成長させる基板として、窒化ガリウム系化合物半導体と格子定数が大きく異なるサファイア、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＧａＡｓ等の単結晶基板が用いられていたことから、バッファー層やその上に形成される窒化ガリウム系化合物半導体層として良好な結晶品質であるアルミニウムを含む窒化ガリウム系化合物半導体（一般式ＡｌｘＧａ１−ｘＮ；０＜ｘ＜１）層を形成することが困難であるという問題点があった。
【００１３】
本発明は上記事情に鑑みて完成されたものであり、その目的は、紫外光の光取り出し効率がより大きく改善され、その結果、小さい電力で良好な発光強度を得ることができる高性能な発光素子およびその高性能な発光素子を確実に作製することができる発光素子の製造方法ならびにその高性能な発光素子を用いた照明装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の発光素子は、化学式Ｇａ１−ｘ−ｙＩｎｙＡｌｘＮ（ただし、０＜ｘ＋ｙ＜１，ｘ＞０，ｙ≧０とする。）で表される窒化ガリウム系化合物半導体から成る第１導電型半導体層と、化学式Ｇａ１−ｘ’−ｙ’Ｉｎｙ’Ａｌｘ’Ｎ（ただし、０＜ｘ’＋ｙ’＜１，ｘ’＞０，ｙ’≧０とする。）で表される窒化ガリウム系化合物半導体から成る第２導電型半導体層との間に、化学式Ｇａ１−ｘ”−ｙ”Ｉｎｙ”Ａｌｘ”Ｎ（ただし、０＜ｘ”＋ｙ”＜１，ｘ”＞０，ｙ”≧０とする。）で表される窒化ガリウム系化合物半導体から成る発光層が挟まれて接合されている窒化ガリウム系化合物半導体層（ただし、ｘ，ｘ’＞ｘ”，ｙ，ｙ’≦ｙ”とする。）と、該窒化ガリウム系化合物半導体層の前記第１導電型半導体層側の主面に形成された導電性反射層と、前記第２導電型半導体層に電気的に接続された導電層とを具備することを特徴とするものである。
【００１５】
また、本発明の発光素子は、上記構成において、前記窒化ガリウム系化合物半導体層の前記第２導電型半導体層側の主面が前記窒化ガリウム系化合物半導体層をエピタキシャル成長させるために用いた基板または該基板およびバッファー層が除去された面かまたはこの面がエッチングされて形成された新たな面であることを特徴とするものである。
【００１６】
また、本発明の発光素子は、上記構成において、前記窒化ガリウム系化合物半導体層の前記他方主面に反射防止層が形成されていることを特徴とするものである。
【００１７】
また、本発明の発光素子は、上記構成において、前記反射防止層は、主面に基部より頂部が小さくなっている多数の突起または多数の窪みを有していることを特徴とするものである。
【００１８】
また、本発明の発光素子は、上記構成において、前記窒化ガリウム系化合物半導体層は、円形状であることを特徴とするものである。
【００１９】
また、本発明の発光素子は、上記構成において、前記窒化ガリウム系化合物半導体層は、前記第１導電型半導体層側の中央部に前記第１導電型半導体層および前記発光層を貫通する凹部が形成されており、該凹部は、側部に形成された、前記発光層に沿って伝搬してきた光を前記第２導電型半導体層側の主面に反射する斜面を有していることを特徴とするものである。
【００２０】
また、本発明の発光素子は、上記構成において、前記導電層は、前記凹部の底部において前記第２導電型半導体層に電気的に接続されていることを特徴とするものである。
【００２１】
また、本発明の発光素子は、上記各構成において、前記導電性反射層の主面にバンプ電極が接続されていることを特徴とするものである。
【００２２】
また、本発明の発光素子の製造方法は、化学式ＸＢ２（ただし、ＸはＴｉおよびＺｒのうち少なくとも１種を含む。）で表される二硼化物単結晶から成る基板の主面上に、化学式Ｇａ１−ｘ’−ｙ’Ｉｎｙ’Ａｌｘ’Ｎ（ただし、０＜ｘ’＋ｙ’＜１，ｘ’＞０，ｙ’≧０とする。）で表される窒化ガリウム系化合物半導体から成るバッファー層と、該バッファー層と同じ組成から成る第２導電型半導体層と、化学式Ｇａ１−ｘ”−ｙ”Ｉｎｙ”Ａｌｘ”Ｎ（ただし、０＜ｘ”＋ｙ”＜１，ｘ”＞０，ｙ”≧０とする。）で表される窒化ガリウム系化合物半導体から成る発光層と、化学式Ｇａ１−ｘ−ｙＩｎｙＡｌｘＮ（ただし、０＜ｘ＋ｙ＜１，ｘ＞０，ｙ≧０とする。）で表される窒化ガリウム系化合物半導体から成る第１導電型半導体層とを順にエピタキシャル成長させる工程（ただし、ｘ，ｘ’＞ｘ”，ｙ，ｙ’≦ｙ”とする。）と、前記第１導電型半導体層上に導電性反射層を形成する工程とを具備することを特徴とするものである。
【００２３】
また、本発明の発光素子の製造方法は、上記製造方法において、前記導電性反射層上を保護した状態で前記基板または前記基板および前記バッファー層を除去する工程を具備することを特徴とするものである。
【００２４】
また、本発明の照明装置は、上記各構成の本発明の発光素子と、この発光素子からの発光を受けて光を発する蛍光体および燐光体の少なくとも一方とを具備することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００２５】
本発明の発光素子によれば、化学式Ｇａ１−ｘ−ｙＩｎｙＡｌｘＮ（ただし、０＜ｘ＋ｙ＜１，ｘ＞０，ｙ≧０とする。）で表される窒化ガリウム系化合物半導体から成る第１導電型半導体層と、化学式Ｇａ１−ｘ’−ｙ’Ｉｎｙ’Ａｌｘ’Ｎ（ただし、０＜ｘ’＋ｙ’＜１，ｘ’＞０，ｙ’≧０とする。）で表される窒化ガリウム系化合物半導体から成る第２導電型半導体層との間に、化学式Ｇａ１−ｘ”−ｙ”Ｉｎｙ”Ａｌｘ”Ｎ（ただし、０＜ｘ”＋ｙ”＜１，ｘ”＞０，ｙ”≧０とする。）で表される窒化ガリウム系化合物半導体から成る発光層が挟まれて接合されている窒化ガリウム系化合物半導体層（ただし、ｘ，ｘ’＞ｘ”，ｙ，ｙ’≦ｙ”とする。）と、該窒化ガリウム系化合物半導体層の前記第１導電型半導体層側の主面に形成された導電性反射層と、前記第２導電型半導体層に電気的に接続された導電層とを具備することから、少なくとも第１および第２導電型半導体層がアルミニウムを含む窒化ガリウム系化合物半導体であるため、第１および第２導電型半導体層における禁制帯幅が比較的大きくなり、第１および第２導電型半導体層における紫外光等の短波長側の光の吸収を小さくすることができる。また、導電性反射層が発光層で発生させた紫外光を第２導電型半導体層側に良好に反射するため、第１および第２導電型半導体層を透過させるとともに第２導電型半導体層側の方向に集中させて効率良く紫外光を取り出すことができる。これら第１および第２導電型半導体層ならびに導電性反射層の連係した働きによって窒化ガリウム系化合物半導体層の第２導電型半導体層側の主面から取り出される紫外光の光取り出し効率を高くすることができるので、紫外光の光取り出し効率がより大きく改善され、その結果、小さい電力で良好な発光強度を得ることができる高性能な発光素子となる。
【００２６】
また、本発明の発光素子によれば、前記窒化ガリウム系化合物半導体層の前記第２導電型半導体層側の主面が前記窒化ガリウム系化合物半導体層をエピタキシャル成長させるために用いた基板または該基板およびバッファー層が除去された面かまたはこの面がエッチングされて形成された新たな面であるときには、導電性反射層と基板が除去された面またはこの面がエッチングされて形成された新たな面とが連係して、発光層から出射された光を窒化ガリウム系化合物半導体層の第２導電型半導体層側の主面に反射し、その反射した光を窒化ガリウム系化合物半導体層の第２導電型半導体層側の主面から基板に吸収されることなく出射する働きをするため、発光層の内部で発生した光を発散させずに第２導電型半導体層側の方向に集中させてさらに効率良く取り出すことができるので窒化ガリウム系化合物半導体層の第２導電型半導体層側の主面からの光取り出し効率がより大きく改善され、小さい電力で良好な発光強度を得ることができる高性能なものとなる。また、発光素子をバンプ電極等を介して基台等に加熱してフリップチップ実装する際に、従来は窒化ガリウム系化合物半導体層と基板との熱膨張係数の差により窒化ガリウム系化合物半導体層に応力が加わるため基板と窒化ガリウム系化合物半導体層との間に剥がれが生じたり、窒化ガリウム系化合物半導体層に歪みが発生したりすることにより発光素子の信頼性が低下するという問題点があったが、本発明の発光素子によれば、基板が除去されているため、発光素子をフリップチップ実装する際に窒化ガリウム系化合物半導体層に応力が加わることなく、窒化ガリウム系化合物半導体層の歪み等を少なくできることにより信頼性の高いものとなる。
【００２７】
また、本発明の発光素子によれば、窒化ガリウム系化合物半導体層の第２導電型半導体層側の主面に反射防止層が形成されているときには、基板が除去された面（第２導電型半導体層側の主面）に形成された反射防止層により、窒化ガリウム系化合物半導体層の第２導電型半導体層側の主面に到達する窒化ガリウム系化合物半導体層の内部で発生した光を窒化ガリウム系化合物半導体層の第１導電型半導体層側の主面に反射することなく透過させることができるため、窒化ガリウム系化合物半導体層の内部で多重反射することにより減衰する光を減らして窒化ガリウム系化合物半導体層の第２導電型半導体層側の主面から効率良く光を取り出すことができるので、さらに光取り出し効率の向上した高性能な発光素子となる。また、反射防止層をエピタキシャル成長によらずに設けることができるため、反射防止層に用いる材料や作製プロセスを光学的な見地から種々選択することができるので、反射防止層を透過する光の透過特性が向上するように反射防止層の屈折率や表面形状等を適切なものとしてさらに光取り出し効率の向上した高性能なものとなる。
【００２８】
また、本発明の発光素子によれば、上記構成において、反射防止層は、主面に基部より頂部が小さくなっている多数の突起または多数の窪みを有しているときには、突起または窪みが、反射防止層に斜め方向から入射する光に対しても、突起または窪みの表面に入射する光の入射角を臨界角より大きくして反射を防ぐ働きをするため、反射防止層に斜め方向から入射する光を透過させることができ、反射防止層を透過させることができる反射防止層に対する光の入射角の範囲を広くすることができるので、さらに光取り出し効率の向上した高性能なものとなる。また、突起または窪みは光の出射方向に対して屈折率を連続的に変化させて、窒化ガリウム系化合物半導体層が有している高い屈折率から空気等の低い屈折率まで除々に減少させる働きも有しているため、光の出射方向に対する反射率自体を下げる効果も有しており、光取り出し効率のさらに向上した高性能な発光素子となる。
【００２９】
また、本発明の発光素子によれば、窒化ガリウム系化合物半導体層は、円形状であるときには、発光層で発生した光のうち発光層に沿って放射状に伝搬する光の円形状の端面に対する臨界角を広げることができ、その光をその端面から外側に透過させやすくすることができるため、発光層に沿って窒化ガリウム系化合物半導体層の外周の端面からも紫外光を効率よく取り出すことができるので、窒化ガリウム系化合物半導体層からの光取り出し効率がさらに大きく改善され、小さい電力で良好な発光強度を得ることができる高性能なものとなる。
【００３０】
また、本発明の発光素子によれば、窒化ガリウム系化合物半導体層は、第１導電型半導体層側の中央部に第１導電型半導体層および発光層を貫通する凹部が形成されており、凹部は、側部に形成された、発光層に沿って伝搬してきた光を第２導電型半導体層側の主面に反射する斜面を有しているときには、窒化ガリウム系化合物半導体層の中央部に形成された凹部の斜面が、発光層に沿って窒化ガリウム系化合物半導体層の外周の端面へ伝搬する光の一部がその端面で反射しても、その端面で反射してその中央部に戻ってきた光を第２導電型半導体層側の主面に反射する働きをするため、発光層に沿って伝搬し窒化ガリウム系化合物半導体層の中央部に集光された光を窒化ガリウム系化合物半導体層の第２導電型反動層側の主面から取り出すことができるので、窒化ガリウム系化合物半導体層の第２導電型半導体層側の主面からの光取り出し効率がより大きく改善され、さらに小さい電力で良好な発光強度を得ることができる高性能なものとなる。
【００３１】
また、本発明の発光素子は、上記構成において、導電層は、凹部の底部において第２導電型半導体層に電気的に接続されているときには、第２導電型半導体層に電気的に接続される導電層が、窒化ガリウム系化合物半導体層に対して第１導電型半導体層に電気的に接続される導電性反射層と同じ側の主面に配置されることとなるため、導電層および導電性反射層を両方とも窒化ガリウム系化合物半導体層の第１導電型半導体層側で接続することができるので、フリップチップ実装等に適した発光素子となる。
【００３２】
また、本発明の発光素子によれば、導電性反射層の主面にバンプ電極が接続されているときには、バンプ電極が、導電性反射層側で発光素子を基台等に固定するとともに導電性反射層側で発光素子への電気的導通をとる働きをするため、光取り出し面側に光を遮る導線等を配置する必要をなくすことができるので、さらに光取り出し効率が向上した高性能なものとなる。
【００３３】
また、本発明の発光素子の製造方法によれば、化学式ＸＢ２（ただし、ＸはＴｉおよびＺｒのうち少なくとも１種を含む。）で表される二硼化物単結晶から成る基板の主面上に、化学式Ｇａ１−ｘ’−ｙ’ＩｎｙＡｌｘＮ（ただし、０＜ｘ’＋ｙ’＜１，ｘ’＞０，ｙ’≧０とする。）で表される窒化ガリウム系化合物半導体から成るバッファー層と、バッファー層と同じ組成から成る第２導電型半導体層と、化学式Ｇａ１−ｘ”−ｙ”Ｉｎｙ”Ａｌｘ”Ｎ（ただし、０＜ｘ”＋ｙ”＜１，ｘ”＞０，ｙ”≧０とする。）で表される窒化ガリウム系化合物半導体から成る発光層と、化学式Ｇａ１−ｘ−ｙＩｎｙＡｌｘＮ（ただし、０＜ｘ＋ｙ＜１，ｘ＞０，ｙ≧０とする。）で表される窒化ガリウム系化合物半導体から成る第１導電型半導体層とを順にエピタキシャル成長させる工程（ただし、ｘ，ｘ’＞ｘ”，ｙ，ｙ’≦ｙ”とする。）と、第１導電型半導体層上に導電性反射層を形成する工程とを具備することから、二硼化物単結晶から成る基板が、その上に形成されるアルミニウムを含む窒化ガリウム系化合物半導体から成るバッファー層とさらにその上に形成されるバッファー層と同じ組成の第２導電型半導体層とをエピタキシャル成長する際に、それらバッファー層および第２導電型半導体層の格子定数に良好に整合するために、バッファー層や第２導電型半導体層の全体が、アルミニウムが含まれる窒化ガリウム系化合物半導体層であってもそれらを良好に成長させることができるので、良好な結晶品質のアルミニウムを含む窒化ガリウム系化合物半導体層を確実に作製することができる発光素子の製造方法となる。
【００３４】
また、本発明の発光素子の製造方法によれば、導電性反射層上を保護した状態で基板または基板およびバッファー層を除去する工程を具備するときには、窒化ガリウム系化合物半導体層から基板を除去する工程において、窒化ガリウム系化合物半導体層の表面やその上に形成された導電性反射層が、例えばエッチング液等による汚染、腐食や、応力付加により劣化することを抑制することができるので、高性能な発光素子を確実に作製することができるものとなる。
【００３５】
また、本発明の照明装置によれば、上記構成の本発明の発光素子と、この発光素子からの発光を受けて光を発する蛍光体および燐光体の少なくとも一方とを具備することから、小さい電力で良好な発光強度を有する発光素子の光により蛍光体または燐光体を強く励起するため、小さい電力で良好な照度を得ることができるものとなる。また、このような本発明の照明装置は、従来の蛍光灯や放電灯等よりも省エネルギー性や小型化に優れたものとなり、蛍光灯や放電灯等よりも優れた照明装置となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
以下、本発明の発光素子およびその製造方法ならびにその発光素子を用いた照明装置について、図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００３７】
図１は本発明の発光素子の実施の形態の一例である発光素子Ｌ１を示す模式的な断面図である。また、図２の（ａ）〜（ｈ）は、それぞれ本発明の発光素子の製造方法の各工程を示す模式的な断面図である。また、図３は本発明の発光素子の実施の形態の他の例である発光素子Ｌ２を示す模式的な平面図である。また、図４は図３に示す発光素子Ｌ２の模式的な断面図である。図５は、本発明の照明装置の実施の形態の一例を模式的に示す断面図である。
【００３８】
図１〜図４において、１，11は窒化ガリウム系化合物半導体層であり、１ａ，11ａは発光層、１ｂ，11ｂは第１導電型半導体層、１ｃ，11ｃは第２導電型半導体層、１ｂ１，11ｂ１は窒化ガリウム系化合物半導体層１，11の第１導電型半導体層側の主面（一方主面）、１ｃ１，11ｃ１は窒化ガリウム系化合物半導体層１，11の第２導電型半導体層側の主面（他方主面）であり、２，12は導電性反射層、３，13は導電層、４，14は窒化ガリウム系化合物半導体層１，11をエピタキシャル成長するための基板、５，15は反射防止層であり、５ａ，15ａは反射防止層５，15の頂部、５ｂ,15ｂは基部であり、６ａ，６ｂ，16ａ，16ｂはバンプ電極、７は保護膜である。
【００３９】
また、図５において、18は反射部材、18ａは反射部材18の反射面、19は蛍光体、20は絶縁性基台、21a，21bは導体パターンである。
【００４０】
図１に示す本発明の発光素子の実施の形態の一例である発光素子Ｌ１は、化学式Ｇａ１−ｘ−ｙＩｎｙＡｌｘＮ（ただし、０＜ｘ＋ｙ＜１，ｘ＞０，ｙ≧０とする。）で表される窒化ガリウム系化合物半導体から成る第１導電型半導体層１ｂと、化学式Ｇａ１−ｘ’−ｙ’Ｉｎｙ’Ａｌｘ’Ｎ（ただし、０＜ｘ’＋ｙ’＜１，ｘ’＞０，ｙ’≧０とする。）で表される窒化ガリウム系化合物半導体から成る第２導電型半導体層１ｃとの間に、化学式Ｇａ１−ｘ”−ｙ”Ｉｎｙ”Ａｌｘ”Ｎ（ただし、０＜ｘ”＋ｙ”＜１，ｘ”＞０，ｙ”≧０とする。）で表される窒化ガリウム系化合物半導体から成る発光層１ａが挟まれて接合されている窒化ガリウム系化合物半導体層１（ただし、ｘ，ｘ’＞ｘ”，ｙ，ｙ’≦ｙ”とする。）と、この窒化ガリウム系化合物半導体層１の第１導電型半導体層１ｂ側の主面（一方主面）１ｂ１に形成された導電性反射層２と、第２導電型半導体層１ｃに電気的に接続された導電層３とを具備する構成である。
【００４１】
さらに具体的には、この構成において、第１導電型半導体層１ｂおよび第２導電型半導体層１ｃは、それぞれｐ型半導体層およびｎ型半導体層としている。窒化ガリウム系化合物半導体をｐ型半導体とするには、原子周期律表において２族の元素である例えばマグネシウム（Ｍｇ）等をドーパントとして窒化ガリウム系化合物半導体に混入させればよい。また、窒化ガリウム系化合物半導体をｎ型半導体とするには、原子周期律表において４族の元素である例えばシリコン（Ｓｉ）等をドーパントととして窒化ガリウム系化合物半導体に混入させればよい。また、第１導電型半導体層１ｂおよび第２導電型半導体層１ｃは両方ともアルミニウム（Ａｌ）を含む窒化ガリウム系化合物半導体から成るものとし、いずれも発光層１ａに含まれるアルミニウムよりも含有量を多くする。このようにすると、第１および第２導電型半導体層１ｂ，１ｃの禁制帯幅が両方とも発光層１ａの禁制帯幅よりも大きくなるから、発光層１ａに電子と正孔とを閉じ込めてこれら電子と正孔とを効率良く再結合させて強い発光強度で発光させることができる。また、第１および第２導電型半導体層１ｂ，１ｃは、アルミニウムを含んだ窒化ガリウム系化合物半導体層とすることにより、第１および第２導電型半導体層１ｂ，１ｃにおける禁制帯幅が比較的大きくなり、第１および第２導電型半導体層１ｂ，１ｃにおける紫外光等の短波長側の光の吸収を小さくすることができる。なお、第１導電型半導体層１ｂおよび第２導電型半導体層１ｃはそれぞれｎ型半導体層およびｐ型半導体層としても構わない。
【００４２】
また、発光層１ａにおける窒化ガリウム系化合物半導体の組成は、所望の発光波長から適当なものに設定すればよい。例えば、アルミニウムもインジウムも含まないＧａＮからなる発光層１ａとすれば、禁制帯幅は約3.4エレクトロンボルト（ｅＶ）となり発光層１ａにおいて365ナノメートル（ｎｍ）程度の発光波長である紫外光を発光させることができる。また、これよりも発光波長を短波長とする場合、発光層１ａは、禁制帯幅を大きくする要素であるアルミニウムを発光波長に応じて多く含ませた窒化ガリウム系化合物半導体から成るものとすればよい。また、発光層１ａに禁制帯幅を小さくなる要素であるインジウム（Ｉｎ）を含有させてもよくて、所望の発光波長となるようにアルミニウムをより多く含有させる等してアルミニウム、インジウムおよびガリウムの組成比を適当に設定すればよい。また、発光層１ａは禁制帯幅の広い障壁層と禁制帯幅の狭い井戸層とから成る量子井戸構造が複数回繰り返し規則的に積層された超格子である多層量子井戸構造（ＭＱＷ）としてもよい（図示せず）。
【００４３】
また、導電性反射層２は、発光層１ａが発生した紫外光を損失なく反射し、かつ第１導電型半導体層１ｂ（ｐ型半導体層）と良好なオーミック接続がとれる材質から成る表面が滑らかな層状のものを用いる。そのような材質のものとしては、例えばアルミニウム（Ａｌ），チタン（Ｔｉ），ニッケル（Ｎｉ），クロム（Ｃｒ），インジウム（Ｉｎ），錫（Ｓｎ），モリブデン（Ｍｏ），銀（Ａｇ），金（Ａｕ），ニオブ（Ｎｂ），タンタル（Ｔａ），バナジウム（Ｖ），白金（Ｐｔ），鉛（Ｐｂ），ベリリウム（Ｂｅ），酸化錫（ＳｎＯ２），酸化インジウム（Ｉｎ２Ｏ），酸化インジウム錫（ＩＴＯ），金・シリコン合金（Ａｕ−Ｓｉ），金・ゲルマニウム合金（Ａｕ−Ｇｅ），金・亜鉛合金（Ａｕ−Ｚｎ），金・ベリリウム合金（Ａｕ−Ｂｅ）等の薄膜を用いればよい。中でも、アルミニウム（Ａｌ）または銀（Ａｇ）は、窒化ガリウム系化合物半導体層１の発光層１ａが発光する紫外光に対して反射率が高いので好適である。また、アルミニウム（Ａｌ）はｐ型半導体層とのオーミック接合の点でも特に好適である。また、上記材料の中から複数を選択した複数層を積層しても構わない。なお、導電性反射層２の表面は必ずしも完璧に滑らかでなくてもよいが、滑らかでないと反射率が低下することがあるので注意を要する。
【００４４】
また、導電層３は、第２導電型半導体層１ｃ（ｎ型半導体層）と良好なオーミック接続がとれる材質から成る表面が滑らかな層状のものを用いる。そのような材質のものとしては、例えばアルミニウム（Ａｌ），チタン（Ｔｉ），ニッケル（Ｎｉ），クロム（Ｃｒ），インジウム（Ｉｎ），錫（Ｓｎ），モリブデン（Ｍｏ），銀（Ａｇ），金（Ａｕ），ニオブ（Ｎｂ），タンタル（Ｔａ），バナジウム（Ｖ），白金（Ｐｔ），鉛（Ｐｂ），タングステン（Ｗ），酸化錫（ＳｎＯ２），酸化インジウム（Ｉｎ２Ｏ），酸化インジウム錫（ＩＴＯ），金・シリコン合金（Ａｕ−Ｓｉ），金・錫合金（Ａｕ−Ｓｎ），金・ゲルマニウム合金（Ａｕ−Ｇｅ），インジウム・アルミニウム合金（Ｉｎ−Ａｌ）等の薄膜を用いればよい。
【００４５】
なお、図１においては、第２導電型半導体層１ｃに発光層１ａ，第１導電型半導体層１ｂが形成されていない領域を設け、この領域に導電層３を形成している。このように、導電層３は第２導電型半導体層１ｃの主面（他方主面）１ｃ１側と反対の面に形成することが好ましい。なぜなら、光取り出し面の一部を導電層３により遮ることがなくなるとともに、発光素子Ｌ１を基台等に実装する際に導電性反射層２と導電層３とが同じ向きに形成されていることで、実装が容易になるからである。
【００４６】
上記構成において、導電性反射層２は、導電性反射層２と導電層３とに順方向バイアス電圧を印加することによって窒化ガリウム系化合物半導体層１にバイアス電流を流して発光層１ａで波長365ナノメートル（ｎｍ）程度の紫外〜近紫外光を発生させるとともに、発光層１ａから出射されたその紫外〜近紫外光の内、導電性反射層２側に発する光を窒化ガリウム系化合物半導体層１の他方主面１ｃ１側に反射する働きをする。このようにして、本発明の発光素子Ｌ１は、窒化ガリウム系化合物半導体層１の他方主面１ｃ１側からその紫外〜近紫外光が取り出されるように動作する。
【００４７】
このように、本発明の発光素子によれば、少なくとも第１および第２導電型半導体層１ｂ，１ｃがアルミニウム（Ａｌ）を含む窒化ガリウム系化合物半導体であるため、第１および第２導電型半導体層１ｂ，１ｃにおける禁制帯幅が比較的大きくなり、第１および第２導電型半導体層１ｂ，１ｃにおける紫外光等の短波長側の光の吸収を小さくすることができる。また、導電性反射層２が発光層１ａで発生させた紫外光を第２導電型半導体層１ｃ側に良好に反射するため、第１および第２導電型半導体層１ｂ，１ｃを透過させるとともに第２導電型半導体層１ｃ側の方向に集中させて効率良く紫外光を取り出すことができる。これら第１および第２導電型半導体層１ｂ，１ｃならびに導電性反射層２の連係した働きによって窒化ガリウム系化合物半導体層１の第２導電型半導体層１ｃ側の主面（他方主面）１ｃ１から取り出される紫外光の光取り出し効率を高くすることができるので、紫外光の光取り出し効率がより大きく改善され、その結果、小さい電力で良好な発光強度を得ることができる。
【００４８】
また、図１に示すように、本発明の発光素子Ｌ１は、窒化ガリウム系化合物半導体層１の第２導電型半導体層１ｃ側の主面である他方主面１ｃ１が窒化ガリウム系化合物半導体層１をエピタキシャル成長させるために用いた基板４またはその基板４およびバッファー層（図示せず）が除去された面かまたはこの面がエッチングされて形成された新たな面とすることが好ましい。このようにすれば、他方主面１ｃ１に接合しているエピタキシャル成長させるために用いた基板４が除去されているために、他方主面１ｃ１側に取り出される紫外〜近紫外光のその基板４による吸収損失をなくすことができるので、発光層１ａで発生させた紫外〜近紫外光を窒化ガリウム系化合物半導体層１の他方主面１ｃ１側に一層効率よく取り出すことができるので、窒化ガリウム系化合物半導体層１の他方主面１ｃ１側からの紫外光の光取り出し効率がさらに大きく改善され、小さい電力で良好な発光強度を得ることができる高性能なものとなる。
【００４９】
また、図１に示すように、本発明の発光素子Ｌ１は、窒化ガリウム系化合物半導体層１の他方主面１ｃ１に反射防止層５を形成してもよく、さらにこの反射防止層５は、主面に基部５ｂより頂部５ａが小さくなっている多数の突起または窪みを有するものとすることが好ましい。
【００５０】
反射防止層５は、窒化ガリウム系化合物半導体層１において基板４を除去した面に、例えば石英（ＳｉＯ２），アルミナ（Ａｌ２Ｏ）またはポリカーボネート等の誘電体を単層もしくは多層形成としてもよい（図１の構成とは異なる）。この場合、窒化ガリウム系化合物半導体層１側から次第に屈折率が小さくなるようにしたり、反射防止層５の膜厚を発光層１ａで発生した紫外〜近紫外光の反射防止層５内における波長の４分の１程度となるようにしたりすればよい。なぜなら、反射防止層５内において多重反射する光が互いに弱め合って干渉しやすくなり、定在波が発生しにくくなるからである。
【００５１】
上記のように反射防止層５を設けたときには、反射防止層５により、窒化ガリウム系化合物半導体層１の内部で発生した紫外〜近紫外光を窒化ガリウム系化合物半導体層１の一方主面１ｂ１側に反射することなく透過させることができるため、窒化ガリウム系化合物半導体層１の内部で多重反射することにより減衰する光を減らして窒化ガリウム系化合物半導体層１の一方主面１ｂ１側に効率良く光を取り出すことができるので、本発明の発光素子Ｌ１の光取り出し効率をさらに向上させることができる。また、基板４が除去されているため、その面にエピタキシャル成長によらずに反射防止層５を設けることができるので、反射防止層５に用いる材料や作製プロセスを光学的な見地から種々選択することができるという利点もあり、反射防止層５を透過する光の透過特性が向上するように反射防止層５の屈折率や表面形状等を適切なものとして基板４が除去された面側からの光取り出し効率をさらに向上させることもできる。
【００５２】
また、このような反射防止層５に対して主面に基部５ｂより頂部５ａが小さくなっている突起または窪みを形成してもよい。このような反射防止層５の突起または窪みの構造は、具体的には、多角錐状または円錐状のものとすればよい。なお、多角錐状または円錐状とは、多角錐および円錐に加えて多角錐または円錐の斜面が任意の断面において変曲点を持たない曲線となっているようなものも含むものとする。また、多角錐状および円錐状のいずれかのものに対してその頂部５ａを平面状としたものとしても構わない。また、反射防止層５は半球状としても構わない。半球状とは、半球に加えて半球の斜面が任意の断面において変曲点を持たない曲線となっているようなものも含むものとする。また、基部５ｂの幅は、発光層１ａで発生した紫外〜近紫外光の窒化ガリウム系化合物半導体層１における波長に対して１倍以下とし、基部５ｂから頂部５ａまでの高さはその１倍以上とすればよい。
【００５３】
このような突起または窪みは、写真蝕刻技術と乾式もしくは湿式エッチング技術とを用いてエッチングすることにより形成すればよい。さらに、窒化ガリウム系化合物半導体層１において基板４を除去した面を写真蝕刻技術と乾式もしくは湿式エッチング技術とを用いてエッチングすることにより窒化ガリウム系化合物半導体層１の一部（第２導電型半導体層１ｃの一部）にこのような突起または窪みを形成してもよい。この場合、窒化ガリウム系化合物半導体層１を厚さ方向で見たときに、突起または窪みによる凹凸が形成された部位（図１では、第２導電型半導体層１ｃ中に設けた点線から上の部位）を反射防止層５とする。このような突起または窪みは第２導電型半導体層１ｃの表面に対してできるだけ隙間なく多く形成すればよい。
【００５４】
また、反射防止層５がこのような突起または窪みを有しているときには、突起または窪みが、反射防止層５に斜め方向から入射する光に対しても、突起または窪みの表面に入射する光の入射角を臨界角より大きくして反射を防ぐ働きをするため、反射防止層５に斜め方向から入射する光を透過させることができ、反射防止層５を透過させることができる反射防止層５に対する光の入射角の範囲を広くすることができるので光取り出し効率をさらに向上させることができる。また、このような突起または窪みは光の出射方向に対して屈折率を連続的に変化させて窒化ガリウム系化合物半導体層１が有している高い屈折率から空気等の低い屈折率まで除々に減少させる働きも有しているため、光の出射方向に対する反射率自体を下げる効果も有しており、光取り出し効率がさらに向上した発光素子とすることができる。
【００５５】
さらに、図１に示すように、導電性反射層２の主面にバンプ電極６ａを、導電層３の主面に６ｂが接続されていてもよい。このバンプ電極６ａ，６ｂは導電性反射層２側で発光素子Ｌ１を基台等に固定するとともに導電性反射層２側で発光素子Ｌ１への電気的導通をとる働きをするものである。これにより、光取り出し面側に光を遮る導線等を配置する必要をなくすことができるので、さらに光取り出し効率を向上させることができる。また、基板４が除去されているため、発光素子Ｌ１をバンプ電極６ａ，６ｂを介して基台等に加熱してフリップチップ実装する際に、窒化ガリウム系化合物半導体層１と基板４との熱膨張係数の差により窒化ガリウム系化合物半導体層１に加わる応力をなくすことができるので、発光素子Ｌ１をフリップチップ実装する際に窒化ガリウム系化合物半導体層１に生じる歪み等を少なくして信頼性を高くすることができる。
【００５６】
バンプ電極６ａ，６ｂに用いる材料としては、金（Ａｕ）、インジウム（Ｉｎ）、金・錫合金半田（Ａｕ−Ｓｎ）、錫・銀合金半田（Ｓｎ−Ａｇ）、錫・銀・銅合金半田（Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ）、錫・ビスマス合金半田（Ｓｎ−Ｂｉ）、錫・鉛合金半田（Ｓｎ−Ｐｂ）等とすればよい。
【００５７】
次に、図１に示す発光素子Ｌ１を例にとり本発明の発光素子Ｌ１の製造方法を説明する。図２（ａ）〜（ｈ）はそれぞれ本発明の発光素子Ｌ１の製造工程を示す断面図であり、基板４上に発光層１ａを含む窒化ガリウム系化合物半導体層１をエピタキシャル成長させる工程と、その窒化ガリウム系化合物半導体層１上に導電性反射層２を形成する工程と、その導電性反射層２上を保護した状態で窒化ガリウム系化合物半導体層１から基板４を除去する工程とを示すものである。
【００５８】
具体的には、図２（ａ）に示すように、二硼化物単結晶として例えば硼化ジルコニウム（ＺｒＢ２）単結晶から成る基板４上に窒化ガリウム系化合物半導体層１を有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法によってエピタキシャル成長させる。窒化ガリウム系化合物半導体層１は、基板４上にＧａ１−ｘ’Ａｌｘ’Ｎ（ただし、０＜ｘ’＜１）から成るバッファー層（図示せず）を介して、バッファー層と同じ組成から成る第２導電型半導体層１ｃと、Ｇａ１−ｘ”Ａｌｘ”Ｎ（ただし、０＜ｘ”＜１）から成る発光層１ａと、Ｇａ１−ｘＡｌｘＮ（ただし、０＜ｘ＜１）から成る第１導電型半導体層１ｂとが順に形成されている。
【００５９】
これらバッファー層および窒化ガリウム系化合物半導体層１は、さらに具体的には、例えば次のように作製すればよい。バッファー層は基板温度を比較的低温である400〜950℃として基板４上に窒化アルミニウム・ガリウム（Ｇａ１−ｘ’Ａｌｘ’Ｎ；０＜ｘ’＜１）を20〜300ナノメートル（ｎｍ）程度の厚さで作製すればよい。また、第２導電型半導体層１ｃは、そのバッファー層上にそのバッファー層と同じ組成の窒化アルミニウム・ガリウム（Ｇａ１−ｘ’Ａｌｘ’Ｎ；０＜ｘ’＜１）を数マイクロメートル（μｍ）程度（例えば１〜５μｍ）の厚さで作製すればよい。その際、バッファー層側を比較的低温である400〜950℃で成長させ、その後に比較的高温である950〜1150℃で成長させればよい。また、その際、第２導電型半導体層１ｃの比較的低温で成長させる層には、導電性反射層２と導電層３との間で流される電流がほとんど流れないから、ドーパントは必ずしも必要ではない。また、窒化アルミニウム・ガリウムは、上記化学式においてｘ’＝0.26のとき（Ｇａ0.26Ａｌ0.74Ｎ）が、硼化ジルコニウム（ＺｒＢ２）単結晶と最も良好に格子定数が整合するから好適である。また、発光層１ａは、第２導電型半導体層１ｃ上に基板温度を700℃程度として、厚さ60〜600ナノメートル（ｎｍ）程度の窒化アルミニウム・ガリウム（Ｇａ１−ｘ”Ａｌｘ”Ｎ；ｘ”＜ｘ’）から成る層を作製すればよい。また、第１導電型半導体層１ｂは基板温度を700〜1050℃として発光層１ａ上に窒化アルミニウム・ガリウム（Ｇａ１−ｘＡｌｘＮ；ｘ＞ｘ”）を0.1〜２マイクロメートル（μｍ）程度の厚さで作製すればよい。
【００６０】
次に、図２（ｂ）に示すように、窒化ガリウム系化合物半導体層１上に導電性反射層２を真空蒸着やスパッタリングにより形成する。
【００６１】
次に、図２（ｃ）に示すように、導電性反射層２および窒化ガリウム系化合物半導体層１の一部を第２導電型半導体層１ｃの表面が露出するまでエッチングして、その表面に導電層３を形成する工程を設けることが好ましい。このように導電層３を形成することにより、発光素子Ｌ１を基台等に実装する際に、光取り出し面である窒化ガリウム系化合物半導体層１の他方主面１ｃ１側において導電層３に電気的に接続するための導線を形成する必要がなくなるため、光取り出し面を遮ることなく実装することができるからである。
【００６２】
次に、図２（ｄ）に示すように、導電性反射層２上および導電層３上のそれぞれにバンプ電極６ａ，６ｂを接続する工程を設けることが好ましい。
【００６３】
次に、導電性反射層２上を保護した状態で窒化ガリウム系化合物半導体層１から基板４を除去する工程においては、まず図２（ｅ）に示すように導電性反射層２、導電層３およびバンプ電極６ａ，６ｂを保護膜７で覆ってから、図２（ｆ）に示すように基板４を除去すればよい。基板４を除去するには、基板４の材質に応じて化学的、物理的手法を用いることができる。例えば、基板４の材質が硼化ジルコニウムのときには、基板４を酸等をエッチャントとして化学的にエッチングすればよい。また、保護膜７は基板４を除去する工程に耐え得る材料により形成し、例えば無機系または有機系のコーティング材等をスピンコートして形成すればよい。
【００６４】
次に、図２（ｇ）に示すように、窒化ガリウム系化合物半導体層１の基板４を除去した面に反射防止層５を形成する工程を具備することが好ましい。この工程において、反射防止層５は通常の薄膜形成方法により、例えば石英（ＳｉＯ２）などにより形成すればよい。また、写真蝕刻技術と乾式エッチング技術とを用いて窒化ガリウム系化合物半導体層１の表面をエッチングして基部５ｂより頂部５ａが小さくなっている突起または窪みを形成した部位を反射防止層５としてもよい。
【００６５】
次に、図２（ｈ）に示すように保護膜７を除去して本発明の発光素子Ｌ１が完成される。保護膜７を除去するには、例えば湿式または乾式のエッチング技術（ウェットエッチングまたはドライエッチング）により除去すればよい。
【００６６】
図２に示す本発明の発光素子Ｌ１の製造方法によれば、二硼化物単結晶から成る基板４が、その上に形成されるアルミニウムを含む窒化ガリウム系化合物半導体から成るバッファー層とさらにその上に形成されるバッファー層と同じ組成の第２導電型半導体層１ｃとをエピタキシャル成長する際に、それらバッファー層および第２導電型半導体層１ｃの格子定数に良好に整合するために、バッファー層や第２導電型半導体層１ｃの全体が、アルミニウムが含まれる窒化ガリウム系化合物半導体であってもそれらを良好に成長させることができるので、良好な結晶品質のアルミニウムを含む窒化ガリウム系化合物半導体層を確実に作製することができる。また、窒化ガリウム系化合物半導体層１から基板４を除去する工程においては、導電性反射層２上が保護されていることにより、窒化ガリウム系化合物半導体層１の表面やその上に形成された導電性反射層２を、例えばエッチング液等による汚染、腐食から保護することができるとともに、窒化ガリウム系化合物半導体層１を機械的に補強することができるため、エッチング等による汚染、腐食や、応力付加により窒化ガリウム系化合物半導体層１や導電性反射層２が劣化することを抑制することができるので、高性能な発光素子Ｌ１を確実に作製することができるものとなる。
【００６７】
次に、図３および図４に示す本発明の発光素子の実施の形態の他の例である発光素子Ｌ２は、化学式Ｇａ１−ｘ−ｙＩｎｙＡｌｘＮ（ただし、０＜ｘ＋ｙ＜１，ｘ＞０，ｙ≧０とする。）で表される窒化ガリウム系化合物半導体から成る第１導電型半導体層11ｂと、化学式Ｇａ１−ｘ’−ｙ’Ｉｎｙ’Ａｌｘ’Ｎ（ただし、０＜ｘ’＋ｙ’＜１，ｘ’＞０，ｙ’≧０とする。）で表される窒化ガリウム系化合物半導体から成る第２導電型半導体層11ｃとの間に、化学式Ｇａ１−ｘ”−ｙ”Ｉｎｙ”Ａｌｘ”Ｎ（ただし、０＜ｘ”＋ｙ”＜１，ｘ”＞０，ｙ”≧０とする。）で表される窒化ガリウム系化合物半導体から成る発光層11ａが挟まれて接合されている窒化ガリウム系化合物半導体層11（ただし、ｘ，ｘ’＞ｘ”，ｙ，ｙ’≦ｙ”とする。）と、この窒化ガリウム系化合物半導体層11の第１導電型半導体層11ｂ側の主面（一方主面）11ｂ１に形成された導電性反射層12と、第２導電型半導体層11ｃに電気的に接続された導電層13とを具備し、窒化ガリウム系化合物半導体層11は、円形状とした構成である。
【００６８】
図３および図４に示す本発明の発光素子Ｌ２は、上記構成としたことから、図１に示す発光素子Ｌ１と同様の作用効果を有するものとなるが、図３および図４に示す発光素子Ｌ２においては、それに加えてさらに次の作用効果を有するものとすることができる。すなわち、発光層11ａで発生した光のうち発光層11ａに沿って放射状に伝搬する光の、空気等との界面を形成する円形状の端面11ａ１に対する臨界角を広げることができ、その光をその端面11ａ１から外側に透過させやすくすることができるため、発光層11ａに沿って窒化ガリウム系化合物半導体層11の外周の端面11ａ１からも紫外光を効率よく取り出すことができるので、窒化ガリウム系化合物半導体層11からの光取り出し効率がさらに大きく改善され、小さい電力で良好な発光強度を得ることができる高性能なものとなる。
【００６９】
また、図４に示すように、本発明の発光素子Ｌ２は、窒化ガリウム系化合物半導体層11は、第１導電型半導体層11ｂ側の中央部に第１導電型半導体層11ｂおよび発光層11ａを貫通する凹部17が形成されており、その凹部17は、側部に形成された、発光層11ａに沿って伝搬してきた光を第２導電型半導体層11ｃ側の主面11ｃ１に反射する斜面17ｂを有していることが好ましい。このようにすれば、窒化ガリウム系化合物半導体層11の中央部に形成された凹部17の斜面17ｂが、発光層11ａに沿って窒化ガリウム系化合物半導体層11の外周の端面11ａ１へ伝搬する光の一部がその端面11ａ１で反射しても、その端面11ａ１で反射してその中央部に戻ってきた光を第２導電型半導体層11ｃ側の主面（他方主面）11ｃ１に反射する働きをするため、発光層11ａに沿って伝搬し窒化ガリウム系化合物半導体層11の中央部に集光された光を窒化ガリウム系化合物半導体層11の第２導電型反動層11ｃ側の主面から取り出すことができるので、窒化ガリウム系化合物半導体層11の他方主面11ｃ側からの紫外光の光取り出し効率がより大きく改善され、さらに小さい電力で良好な発光強度を得ることができる高性能なものとなる。
【００７０】
また、図４に示すように、本発明の発光素子Ｌ２は、導電層13は、凹部17の底部17ａにおいて第２導電型半導体層11ｃに電気的に接続されていることが好ましい。このようにすれば、第２導電型半導体層11ｃに電気的に接続される導電層13が、窒化ガリウム系化合物半導体層11に対して、第１導電型半導体層11ｂに電気的に接続される導電性反射層12と同じ側の主面に配置されることとなるため、導電層13および導電性反射層12を両方とも窒化ガリウム系化合物半導体層11の第１導電型半導体層11ｂ側で接続することができるので、フリップチップ実装等に適したものとなる。
【００７１】
また、図４に示すように、本発明の発光素子Ｌ２は、導電性反射層12の主面にバンプ電極16ａを，導電層13の主面にバンプ電極16ｂが接続されていてもよい。これらバンプ電極16ａ，16ｂは導電性反射層12側で発光素子Ｌ２を基台等に固定するとともに導電性反射層12側で発光素子Ｌ２への電気的導通をとる働きをするものである。これにより、光取り出し面側に光を遮る導線等を配置する必要をなくすことができるのでさらに光取り出し効率を向上させることができる。また、基板14が除去されているため、発光素子Ｌ２をバンプ電極16ａ，16ｂを介して基台等に加熱してフリップチップ実装する際に、窒化ガリウム系化合物半導体層11と基板14との熱膨張係数の差により窒化ガリウム系化合物半導体層11に加わる応力をなくすことができるので、発光素子Ｌ２をフリップチップ実装する際に窒化ガリウム系化合物半導体層11に生じる歪み等を少なくして信頼性を高くすることができる。
【００７２】
バンプ電極16ａ，16ｂに用いる材料としては、金（Ａｕ）、インジウム（Ｉｎ）、金・錫合金半田（Ａｕ−Ｓｎ）、錫・銀合金半田（Ｓｎ−Ａｇ）、錫・銀・銅合金半田（Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ）、錫・ビスマス合金半田（Ｓｎ−Ｂｉ）、錫・鉛合金半田（Ｓｎ−Ｐｂ）等とすればよい。
【００７３】
なお、窒化ガリウム系化合物半導体層11、導電性反射層12、導電層13、基板14および反射防止層15のそれぞれの材質等の詳細な構成は、上記の窒化ガリウム系化合物半導体層１、導電性反射層２、導電層３、基板４および反射防止層５と同様にすればよい。
【００７４】
次に、図５に示す本発明の照明装置の実施の形態の一例は、図１および図２に示す本発明の発光素子Ｌ１と、この発光素子Ｌ１の周囲に設けた発光層１ａに沿って出射される紫外〜近紫外光を他方主面１ｃ１側に反射する反射面18ａと、発光素子Ｌ１からの発光を受けて白色光等の可視光を発する蛍光体19（または燐光体）とを具備する構成である。また、発光素子Ｌ１は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等の高熱伝導の絶縁性基台20上に形成された導体パターン21ａ，21ｂ上に、導電性反射層２および導電層３側を下にバンプ電極６ａ，６ｂを介して接続されており、その発光素子Ｌ１の実装面の反対側から発光素子Ｌ１の全体を蛍光体19で覆っている。また、絶縁性基台20上には反射面18ａを成す導電性反射層２と同様の材質であるかまたは反射面18ａがその材質でコーティングされた反射部材18を設けている。
【００７５】
このような照明装置は、例えば、発光素子Ｌ１の光取り出し面側に蛍光体19を設けた構成において、発光素子Ｌ１が例えば波長365ｎｍ前後の紫外〜近紫外光で発光し、蛍光体19が励起光であるその発光を受けて例えば白色光を発することによって照明装置としての動作をする。
【００７６】
本発明の照明装置は、このような構成としたことから、反射面18ａが発光素子Ｌ１から受けて反射した紫外〜近紫外光と、小さい電力で良好な発光強度を有する発光素子Ｌ１自体の紫外〜近紫外光とにより蛍光体19（または燐光体）を強く励起するため、小さい電力で良好な照度を得ることができるものとなる。また、このような本発明の照明装置は、従来の蛍光灯や放電灯等の代替品となり、それらよりも省エネルギー性や小型化に優れたものとなる。
【００７７】
かくして、本発明によれば、紫外光の光取り出し効率がより大きく改善され、小さい電力で良好な発光強度を得ることができる高性能な発光素子およびその高性能な発光素子を確実に作製することができる発光素子の製造方法ならびにその高性能な発光素子を用いた照明装置を提供することができる。
【００７８】
なお、本発明は以上の実施の形態の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更、改良を施すことは何等差し支えない。例えば、反射防止層５を形成した後、その反射防止層５の表面を有機系または無機系のコーティング材等からなる、発光層１ａからの光を透過させることのできる保護層で覆ってから導電性反射層２等を保護している保護膜７を除去してもよい。この場合には、その反射防止層５を覆っている保護層が反射防止層５を保護するとともに薄い層である窒化ガリウム系化合物半導体層１にクラック等が生じないように窒化ガリウム系化合物半導体層１を構造的に補強する働きをするため、発光素子の製造工程や完成後において様々な外力が加わっても簡単には壊れないようにすることができるので、製造における歩留まりが良好な発光素子の製造方法および完成した発光素子の実装、において壊れにくい丈夫で信頼性の高い発光素子とすることができる。
【００７９】
また、発光層１ａで発生する光を反射する絶縁性反射層を窒化ガリウム系化合物半導体層の光取り出し面以外の面に形成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】本発明の発光素子について実施の形態の一例を示すものであり発光素子の模式的な断面図である。
【図２】（ａ）〜（ｈ）はそれぞれ本発明の発光素子の製造方法を示す工程毎の模式的な断面図である。
【図３】本発明の発光素子について実施の形態の他の例を示すものであり発光素子の模式的な平面図である。
【図４】図３の発光素子を示す模式的な断面図である。
【図５】本発明の照明装置について実施の形態の一例を示すものであり照明装置の模式的な断面図である。
【図６】従来の発光素子の例を示す模式的な断面図であり、（ａ），（ｂ），（ｃ）はそれぞれ第１，第２，第３の従来例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００８１】
１，11・・・・・・・窒化ガリウム系化合物半導体層
１ａ，11ａ・・・・・発光層
１ａ１，11ａ１・・・端面
１ｂ，11ｂ・・・・・第１導電型半導体層（ｐ型半導体層）
１ｂ１，11ｂ１・・・一方主面
１ｃ，11ｃ・・・・・第２導電型半導体層（ｎ型半導体層）
１ｃ１，11ｃ１・・・他方主面
２，12・・・・・・・導電性反射層
３，13・・・・・・・導電層
４，14・・・・・・・基板
５，15・・・・・・・反射防止層
6a，6b，16a，16b・・バンプ電極
７・・・・・・・・・保護膜
17・・・・・・・・・凹部
17ａ・・・・・・・・斜面
17ｂ・・・・・・・・底部
18・・・・・・・・・反射部材
18ａ・・・・・・・・反射面
19・・・・・・・・・蛍光体
20・・・・・・・・・絶縁性基台
21ａ，21ｂ・・・・・導体パターン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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