(57)【要約】  【課題】  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】  発光層１ａを含むエピタキシャル成長させた窒化ガリウム系化合物半導体層１と、この窒化ガリウム系化合物半導体層１の一方主面１ｂ１に形成された導電性反射層２と、窒化ガリウム系化合物半導体層１の他方主面１ｃ１側の層１ｃに電気的に接続された導電層３とを具備し、窒化ガリウム系化合物半導体層１の他方主面１ｃ１は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されている発光素子である。基板４が除去された面側から基板４に吸収されることなく光を取り出すことができるので、基板４が除去された面側からの光取り出し効率がより大きく改善される。【選択図】  図１
2006093686.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光層を含むエピタキシャル成長させた窒化ガリウム系化合物半導体層と、該窒化ガリウム系化合物半導体層の一方主面に形成された導電性反射層と、前記窒化ガリウム系化合物半導体層の他方主面側の層に電気的に接続された導電層とを具備し、前記窒化ガリウム系化合物半導体層の前記他方主面は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請求項１記載の発光素子。
【請求項３】
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開口部より底部が小さくなっている多数の窪みを有し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３のいずれかに記載の発光素子。
【請求項５】
基板上に発光層を含む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工程と、前記窒化ガリウム系化合物半導体層上に導電性反射層を形成する工程と、前記導電性反射層上を保護した状態で前記窒化ガリウム系化合物半導体層から前記基板を除去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６】
前記窒化ガリウム系化合物半導体層の前記基板を除去した面に反射防止層を形成する工程を具備することを特徴とする請求項５記載の発光素子の製造方法。
【請求項７】
前記導電性反射層上にバンプ電極を接続する工程を具備することを特徴とする請求項５または請求項６記載の発光素子の製造方法。
【請求項８】
前記基板に硼化物単結晶を用いることを特徴とする請求項５乃至請求項７のいずれかに記載の発光素子の製造方法。
【請求項９】
請求項１乃至請求項４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ものである。
【背景技術】
【０００２】
青色もしくは紫外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〜特許文献５を参照。）。このような発光素子においては、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、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３（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３（ａ）に示すように、第１の従来例は、基板14の一方の表面に発光層11ａを含む窒化ガリウム系化合物半導体層11が形成され、他方の表面に発光層11ａから出射された光を反射する反射層15が形成されており、窒化ガリウム系化合物半導体層11の表面（基板14と接触していない面）に窒化ガリウム系化合物半導体層11に通電するとともに発光層11ａから出射された光を透過させる透明電極16とこの透明電極16上の一部に透明電極16に通電するための電極パッド17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11は互いに導電型の異なる半導体層11ｂ，11ｃの間に発光層11ａを挟んだ構成となっており、基板14と接する半導体層11ｃの基板14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17との間で電流を流すための電極パッド13が形成されている。
【０００５】
また、図３（ｂ）に示すように、第２の従来例では、発光層11ａを含む窒化ガリウム系化合物半導体層11と基板14との界面に発光層11ａから出射された光を窒化ガリウム系化合物半導体層11側に反射する反射層18（例えばブラッグ反射器）が形成されており、窒化ガリウム系化合物半導体層11の表面（基板14と接触していない面）に窒化ガリウム系化合物半導体層11に通電するとともに発光層11ａから出射された光を透過させる透明電極16とこの透明電極16上の一部に透明電極16に通電するための電極パッド17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３（ｃ）に示すように、第３の従来例では、基板14上に形成された発光層11ａを含む窒化ガリウム系化合物半導体層11の表面に窒化ガリウム系化合物半導体層11に通電するとともに発光層11ａから出射された光を基板14側に反射する導電性反射層12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11ａの一方側に設けられる反射層15，反射層18または導電性反射層12が発光層11ａ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３（ａ），（ｂ）に示す実施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11の表面側であり、図３（ｃ）に示す実施例では窒化ガリウム系化合物半導体層11の基体14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】登録実用新案第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の従来例においては、基板14に形成された反射層15により反射した光が光取り出し面である透明導電膜16側に向かうために基板14中を伝搬する際に基板14に吸収されてしまうために、反射層15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15により反射した光の一部が基板14の表裏面で多重反射されて基板14内に閉じ込められ、光取り出し面である透明導電膜16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17が設けられ、その電極パッド17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17や導線等が窒化ガリウム系化合物半導体層11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。
【０００９】
また、第２の従来例においては、反射層18の上に窒化ガリウム系化合物半導体層11を結晶成長させるためには、反射層18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18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17が設けられ、その電極パッド17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17や導線等が窒化ガリウム系化合物半導体層11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３の従来例においては、窒化ガリウム系化合物半導体層11上に形成された反射層12により反射した光が光取り出し面である透明導電膜16側に向かうために基板14中を伝搬する際に基板14に吸収されてしまうために、反射層12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12により反射した光の一部が基板14の表裏面で多重反射されて基板14内に閉じ込められ、光取り出し面である透明導電膜16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。
【００１１】
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、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】
【００１２】
本発明の発光素子は、発光層を含むエピタキシャル成長させた窒化ガリウム系化合物半導体層と、この窒化ガリウム系化合物半導体層の一方主面に形成された導電性反射層と、前記窒化ガリウム系化合物半導体層の他方主面側の層に電気的に接続された導電層とを具備し、前記窒化ガリウム系化合物半導体層の前記他方主面は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。
【００１３】
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。
【００１４】
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開口部より底部が小さくなっている多数の窪みを有してい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。
【００１６】
また、本発明の発光素子の製造方法は、基板上に発光層を含む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工程と、前記窒化ガリウム系化合物半導体層上に導電性反射層を形成する工程と、前記導電性反射層上を保護した状態で前記窒化ガリウム系化合物半導体層から前記基板を除去する工程とを具備することを特徴とするものである。
【００１７】
また、本発明の発光素子の製造方法は、上記製造方法において、前記窒化ガリウム系化合物半導体層の前記基板を除去した面に反射防止層を形成する工程を具備す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にバンプ電極を接続する工程を具備することを特徴とするものである。
【００１９】
また、本発明の発光素子の製造方法は、上記製造方法において、前記基板に硼化物単結晶を用いることを特徴とするものである。
【００２０】
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】
【００２１】
本発明の発光素子によれば、発光層を含むエピタキシャル成長させた窒化ガリウム系化合物半導体層と、この窒化ガリウム系化合物半導体層の一方主面に形成された導電性反射層と、窒化ガリウム系化合物半導体層の他方主面側の層に電気的に接続された導電層とを具備し、窒化ガリウム系化合物半導体層の他方主面は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から、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他方主面側に反射し、その反射した光を窒化ガリウム系化合物半導体層の他方主面側から基板に吸収されることなく出射させる働きをするため、発光層の内部で発生した光を発散させずに所望の方向に集中させて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他方主面側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より信頼性の高いものとなる。
【００２２】
また、本発明の発光素子によれば、上記構成において、窒化ガリウム系化合物半導体層の他方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（他方主面）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他方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一方主面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他方主面側に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することができる。
【００２３】
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開口部より底部が小さくなっている多数の窪みを有しているときには、これら突起または窪みが、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。
【００２４】
また、本発明の発光素子によれば、上記構成において、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。
【００２５】
また、本発明の発光素子の製造方法によれば、基板上に発光層を含む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工程と、窒化ガリウム系化合物半導体層上に導電性反射層を形成する工程と、導電性反射層上を保護した状態で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とを具備することから、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。
【００２６】
また、本発明の発光素子の製造方法によれば、上記製造方法において、窒化ガリウム系化合物半導体層の基板を除去した面に反射防止層を形成する工程を具備するときには、反射防止層が形成される面は反射防止層を形成する前までは基板によって保護されているため清浄な面となり、その結果、良好な反射防止層を作製することができるので、高性能な発光素子をさらに確実に作製することができるものとなる。
【００２７】
また、本発明の発光素子の製造方法によれば、上記製造方法において、導電性反射層上にバンプ電極を接続する工程を具備するときには、導電性反射層にバンプ電極が形成された後、それら導電性反射層およびバンプ電極が保護された状態で基板を除去する工程や反射防止層を形成する工程が行なわれるか、または基板を除去する工程や反射防止層を形成する工程の間保護されていた導電性反射層に最後にバンプ電極が形成されるため、基板を除去する工程や反射防止層を形成する工程により導電性反射層およびバンプ電極が劣化されず、その結果、バンプ電極を良好に形成することができるので、高性能な発光素子をさらに確実に作製することができるものとなる。
【００２８】
また、本発明の発光素子の製造方法によれば、上記製造方法において、基板に硼化物単結晶を用いるときには、硼化物単結晶から成る基板と窒化ガリウム系化合物半導体層との格子定数が整合するため、結晶品質の良好な窒化ガリウム系化合物半導体層を形成することができるので、高性能な発光素子をさらに確実に作製することができるものとなる。
【００２９】
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得て、蛍光灯や放電灯等に置き換えることができ得るものとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
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。
【００３１】
図１は本発明の発光素子の実施の形態の一例を示す模式的な断面図である。また、図２（ａ）〜（ｊ）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。
【００３２】
図１および図２において、１は窒化ガリウム系化合物半導体層であり、１ａは発光層、１ｂは第１導電型半導体層、１ｃは第２導電型半導体層、１ｂ１は窒化ガリウム系化合物半導体層１の一方主面、１ｃ１は窒化ガリウム系化合物半導体層１の他方主面であり、２は導電性反射層、３は導電層、４は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するための基板、５は反射防止層であり、５ａは反射防止層５の基部、５ｂは頂部であり、６ａ，６ｂはバンプ電極、７は保護膜である。
【００３３】
図１に示すように本発明の発光素子は、発光層１ａを含むエピタキシャル成長させた窒化ガリウム系化合物半導体層１と、この窒化ガリウム系化合物半導体層１の一方主面１ｂ１に形成された導電性反射層２と、窒化ガリウム系化合物半導体層１の他方主面１ｃ１側の層１ｃに電気的に接続された導電層３とを具備し、窒化ガリウム系化合物半導体層１の他方主面１ｃ１は、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なっている構成である。
【００３４】
さらに具体的には、この構成において、窒化ガリウム系化合物半導体層１は発光層１ａを第１導電型半導体層（この例ではｐ型半導体層）１ｂおよび第２導電型半導体層（この例ではｎ型半導体層）１ｃで挟んだものとしている。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はそれぞれ発光層１ａ側にインジウム（Ｉｎ）もしくはアルミニウム（Ａｌ）を含有する層を複数層（図示せず）積層したものとしてもよく、禁制帯幅が発光層１ａよりも広くなるように組成をそれぞれ制御している。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）。なお、第１導電型半導体層および第２導電型半導体層はそれぞれｎ型半導体層およびｐ型半導体層としても構わない。
【００３５】
また、導電性反射層２は、発光層１ａが発生した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（Ｉｎ２Ｏ３），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が発生させる青色または紫外の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。
【００３６】
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（Ｉｎ２Ｏ３），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。
【００３７】
なお、図１においては、第２導電型半導体層１ｃに発光層１ａおよび第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の他方主面１ｃ１側の面と反対の面に形成することが好ましい。これにより、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。
【００３８】
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350〜400ｎｍ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側に発生され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、本発明の発光素子は、窒化ガリウム系化合物半導体層１の他方主面１ｃ１側（すなわち、基板４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）からその紫外〜近紫外光が取り出されるように動作する。
【００３９】
このように、本発明の発光素子によれば、導電性反射層２と窒化ガリウム系化合物半導体層１の他方主面１ｃ１との連係した働きによって、発光層１ａで発生した紫外〜近紫外光を放射状に発散させずに所望の方向に集中させることができ、かつ導電性反射層２で反射した紫外〜近紫外光が窒化ガリウム系化合物半導体層１の他方主面１ｃ１側から基板４に吸収されることなく出射するように動作させることができるため、従来よりも発光層１ａで発生した紫外〜近紫外光を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１の他方主面１ｃ１側からの光取り出し効率が大きく改善され、小さい電力で良好な発光強度を得ることができる。
【００４０】
また、図１に示すように、本発明の発光素子は、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５ａより頂部５ｂが小さくなっている多数の突起または開口部より底部が小さくなっている窪みを有するものとすることが好ましい。
【００４１】
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（Ａｌ２Ｏ３）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に形成すればよい。この場合には、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。これにより、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。
【００４２】
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。
【００４３】
また、このような反射防止層５に対して主面に基部５ａより頂部５ｂが小さくなっている突起または開口部より底部が小さくなっている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。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５ｂ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の突起または窪み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。また、基部５ａまたは開口部の幅は、発光層１ａで発生した紫外〜近紫外光の反射防止層５における波長に対して１倍以下とし、基部５ａから頂部５ｂまたは開口部から底部までの高さはその１倍以上とすればよい。
【００４４】
このような突起または窪みは、フォトリソグラフィ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を除去した面をフォトリソグラフィ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。この場合には、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。
【００４５】
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。また、反射防止層５に新たに透光性部材８を接合してもよい。この透光性部材８は、窒化ガリウム系化合物半導体層からの発光に対して透過率の高いものが好適である。例えば、シリコーン系樹脂，エポキシ系樹脂，フッ素系樹脂，ベンゾシクロブテン，ポリイミド等から成る樹脂層や光学用プラスチック、またはサファイア，石英，酸化亜鉛，インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）等の酸化物層を用いればよい。また、透光性部材８の屈折率が、窒化ガリウム系化合物半導体の屈折率から空気の屈折率まで段階的に変化するように多層構造にしても良い。さらに、この透光性部材８の光取り出し面側にも、反射防止層５と同様にして、反射を防ぐために突起または窪みをできるだけ隙間なく多く形成しても良い。この場合、窒化ガリウム系化合物半導体層の内部から透光性部材８へ反射なく透過してきた光を、透光性部材８の突起または窪みが形成されている面（光取り出し面）からほとんど反射することなく透過させることができる。このように透光性部材８を接合することで発光素子の機械的強度を向上させることができ、実装時などの取り扱いによる発光素子へのダメージを防ぐことができるので、高性能な発光素子を確実に作製することができる。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
次に、図１に示す発光素子を例にとり本発明の発光素子の製造方法を説明する。図２（ａ）〜（ｊ）はそれぞれ本発明の発光素子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。
【００４９】
具体的には、図２（ａ）に示すように、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上に窒化アルミニウム（ＡｌＮ）または窒化アルミニウム・ガリウム（ＡｌＧａＮ）から成るバッファー層（図示せず）を介して、第１のｎ型クラッド層と第２のｎ型クラッド層とが順次積層されてなる第２導電型半導体層１ｃを形成し、その上に、障壁層で挟まれた井戸層から成る量子井戸層が複数回繰り返し積層された超格子である多層量子井戸層（ＭＱＷ）からなる発光層１ａが形成されており、さらにその上に、第１のｐ型クラッド層と第２のｐ型クラッド層とｐ型コンタクト層とが順次積層されてなる第１導電型半導体層１ｂが形成されている。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400〜950℃として基板４上に窒化アルミニウム（ＡｌＮ）または窒化アルミニウム・ガリウム（ＡｌＧａＮ）を20〜300ｎｍ程度の厚さで作製すればよい。また、第１のｎ型クラッド層は基板温度を950〜1150℃程度としてバッファー層上に窒化ガリウム（ＧａＮ）を数μｍ程度（例えば１〜５μｍ）の厚さで作製すればよい。また、第２のｎ型クラッド層は基板温度を700℃程度として第１のｎ型クラッド層上に窒化インジウム・ガリウム（Ｉｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎ）を0.1〜１μｍ程度の厚さで作製すればよい。また、多層量子井戸層（発光層１ａ）は基板温度を700℃程度として、厚さ10〜100ｎｍ程度の窒化インジウム・アルミニウム（Ｉｎ０．０１Ｇａ０．９９Ｎ）から成る障壁層と厚さ10〜100ｎｍ程度の窒化インジウム・アルミニウム（Ｉｎ０．１１Ｇａ０．８９Ｎ）から成る井戸層とを順次作製し、さらにこの上にこの障壁層および井戸層と同じ厚さおよび同じ組成の障壁層と井戸層とを例えば２回繰り返して作製して最後にこの障壁層と同じ厚さおよび同じ組成の障壁層がくるように作製すればよい。また、第１のｐ型クラッド層は基板温度を700℃程度として多層量子井戸層の障壁層上に窒化アルミニウム・ガリウム（Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ）を50〜300ｎｍ程度の厚さで作製すればよい。また、第２のｐ型クラッド層は基板温度を820℃程度として第１のｐ型クラッド層上に窒化アルミニウム・ガリウム（Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ）を50〜300ｎｍ程度の厚さで作製すればよい。また、ｐ型コンタクト層は基板温度を820〜1050℃程度として第２のｐ型クラッド層上に窒化ガリウム（ＧａＮ）を0.1〜１μｍ程度の厚さで作製すればよい。なお、基板４の材質としては、サファイア，炭化珪素（ＳｉＣ）とすればよいが、硼化ジルコニウム（ＺｒＢ２）または硼化チタン（ＴｉＢ２）等の硼化物単結晶とすれば、基板４と窒化ガリウム系化合物半導体層１との間で格子定数が整合するため、結晶品質として良好な窒化ガリウム系化合物半導体層１を形成することができるので好ましい。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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上のそれぞれにスクリーン印刷法等によりバンプ電極６ａ，６ｂを接続する工程を設けることが好ましい。
【００５３】
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、酸等をエッチャントとして基板４を化学的にエッチングすればよい。また、基板４の材質がサファイアのときには、基板４と窒化ガリウム系化合物半導体層１との界面に波長が370ｎｍ程度のレーザ光を照射し、窒化ガリウム系化合物半導体層１の一部を溶融して基板４を離脱させればよい。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。
【００５４】
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、フォトリソグラフィ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５ａより頂部５ｂが小さくなっている突起または開口部より底部が小さくなっている窪みを形成した部位を反射防止層５としてもよい。なお、図２（ｇ）のように反射防止層５を形成した後、図２（ｈ）に示すように反射防止層５上に新たに透光性部材８を接合する場合、透光性部材８が熱硬化性の樹脂から成る場合であれば、スピンコート法、ディップ法等により塗布することで形成でき、透光性部材８が板状のものであれば、窒化ガリウム系化合物半導体層からの発光に対して透過率の高いシリコーン系樹脂等の材料から成る液状接着剤を介して接合できる。さらに、この透光性部材８の光取り出し面側にも反射防止層５のように反射を防ぐための突起または窪みを形成する場合、乾式または湿式のエッチング技術により突起等を化学的に形成するか、機械的に粗面化して形成すればよい。
【００５５】
次に、図２（ｉ）、（ｊ）に示すように保護膜７を除去して本発明の発光素子が完成される。保護膜７を除去するには、例えば乾式のエッチング技術（ドライエッチング）により除去すればよい。
【００５６】
図２に示す本発明の発光素子の製造方法によれば、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、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、高性能な発光素子を確実に作製することができるものとなる。
【００５７】
また、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から、反射防止層５が形成される面は反射防止層５を形成する前までは基板４によって保護されているため清浄な面となり、その結果、良好な反射防止層５を形成することができるので、さらに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。
【００５８】
また、導電性反射層２上にバンプ電極６ａを接続する工程を具備することから、導電性反射層２にバンプ電極６ａが形成された後、それら導電性反射層２およびバンプ電極６ａが保護された状態で基板４を除去する工程や反射防止層５を形成する工程が行なわれるか、または基板４を除去する工程や反射防止層５を形成する工程の間保護されていた導電性反射層２に最後にバンプ電極６ａが形成されるため、基板４を除去する工程や反射防止層５を形成する工程により導電性反射層２およびバンプ電極６ａが劣化せず、その結果、バンプ電極６ａを良好に形成することができるので、さらに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。
【００５９】
次に、本発明の照明装置は、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構成である。例えば、発光素子の光取り出し面側に蛍光体を設けた構成において、発光素子が例えば波長350〜400ｎｍの紫外〜近紫外光で発光し、蛍光体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。
【００６０】
本発明の照明装置は、このような構成とすることから、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を強く励起するため、小さい電力で良好な照度の例えば白色光を得ることができる。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白色光源等となり得るものであり、それら蛍光灯や放電灯等に置き換えることができる。
【００６１】
かくして、本発明によれば、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。
【００６２】
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２ａ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。このため、製造工程や完成後において発光素子に様々な外力が加わっても簡単には壊れない発光素子とすることができるので、製造工程における歩留まりが向上するとともに、完成した発光素子が壊れにくく丈夫な信頼性の高いものとすることができる。
【００６３】
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】
【００６４】
【図１】本発明の発光素子の実施の形態の一例を示す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】従来の発光素子の例を示す模式図であり、（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】
【００６５】
１・・・・窒化ガリウム系化合物半導体層
１ａ・・・発光層
１ｂ・・・第１導電型半導体層（ｐ型半導体層）
１ｂ１・・一方主面
１ｃ・・・第２導電型半導体層（ｎ型半導体層）
１ｃ１・・他方主面
２・・・・導電性反射層
３・・・・導電層
４・・・・基板
５・・・・反射防止層
６ａ，６ｂ・・バンプ電極
７・・・・保護膜
８・・・透光性部材
【図１】
2006093686.tif 000003
【図２】
2006093686.tif 000004
【図３】
2006093686.tif 000005