(57)【要約】【課題】発光素子の少なくとも一面に形成された光透過性を有する絶縁物質層を利用して凹凸パターンを有する絶縁性光散乱層を形成する窒化物半導体発光素子及びフリップチップ発光素子を提供する。【解決手段】窒化物半導体発光素子２０、３０、４０、５０、６０、７０は光透過性基板３１、５１、６１、７１上に順次に形成された第１導電型窒化物半導体層３４、５４、６４、７４、活性層３５、５５、６５、７５、及び第２導電型窒化物半導体層３６、５６、６６、７６を備える。上記窒化物半導体発光素子はその少なくとも一面に形成された、光透過率が５０％以上の絶縁性物質を用いて成り、光を散乱させるための凹凸パターンが形成された絶縁性光散乱層３７、５７、６７、７７を備えている。さらに、フリップチップ発光素子は上記絶縁性光散乱層が少なくとも基板の下面に形成された窒化物半導体素子を備えている。【選択図】        図２−１
2006191103.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光透過性基板上に順次に形成された第１導電型窒化物半導体層、活性層及び第２導電型窒化物半導体層を備えた窒化物発光素子において、
前記窒化物半導体発光素子の少なくとも一面に形成された、光透過率が５０％以上の絶縁性物質を用いて成り、光を散乱させるための凹凸パターンが形成された絶縁性の光散乱層を備えたこと、
を特徴とする窒化物半導体発光素子。
【請求項２】
前記絶縁性光散乱層は、光透過率が７０％以上であることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項３】
前記絶縁性光散乱層は、ポリマー物質であることを特徴とする請求項１または２に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項４】
前記絶縁性光散乱層は、エポキシ樹脂、シリコン樹脂及びＰＭＭＡ樹脂物質であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項５】
前記絶縁性光散乱層は、光励起用蛍光体をさらに備えたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項６】
前記絶縁性光散乱層はＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＳｉＮx、ＳｉＣ、ダイアモンド、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2、ＳｎＯ2、ＴｉＯ2、ＺｒＯ2、ＭｇＯ、ＩｎＯx、及びＣｕＯxの群から選ばれた物質の少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項７】
前記絶縁性光散乱層の凹凸パターンの周期は約０．００１〜５０μｍ範囲であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項８】
前記絶縁性光散乱層の凹凸パターンは周期が約０．００１〜５０μｍ範囲である粒子を用いて成ることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項９】
前記絶縁性光散乱層は、少なくとも前記光透過性基板の下面に形成される請求項１〜８のいずれか一項に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１０】
前記絶縁性光散乱層は、前記光透過性基板より高い屈折率を有する物質を用いて成ることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１１】
前記絶縁性光散乱層は、前記光透過性基板と対向する前記窒化物発光素子の上面に形成されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１２】
前記絶縁性光散乱層は、前記窒化物発光素子の上面からその側面の少なくとも一部まで延長され形成されていることを特徴とする請求項１１に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１３】
前記絶縁性光散乱層は、前記第１及び第２導電型窒化物半導体層より高い屈折率を有する物質から成ることを特徴とする請求項１１または１２に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１４】
前記窒化物半導体発光素子の光放出面を除く少なくとも一面に形成された反射メタル層をさらに備えることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか一項に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１５】
前記反射メタル層は前記絶縁性光散乱層上に形成されていることを特徴とする請求項１４に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１６】
前記反射メタル層は少なくとも９０％の反射率を有することを特徴とする請求項１４または１５に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１７】
前記反射メタル層はＡｇ、Ａｌ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｔｉ、Ｉｎ及びＭｏの群から選ばれた少なくとも１種の金属またはその合金からなる層を備えたことを特徴とする請求項１４〜１６のいずれか一項に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１８】
前記光透過性基板はその側端の少なくとも一部が傾斜面とされ、
前記絶縁性光散乱層は少なくとも前記光透過性基板の下面とその傾斜面に形成される
ことを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１９】
前記絶縁性光散乱層は、前記光透過性基板より高い屈折率を有する物質用いて成ることを特徴とする請求項１８に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項２０】
光透過性基板上に順次に形成された第１導電型窒化物半導体層、活性層及び第２導電型窒化物半導体層と、前記第１及び第２導電型窒化物半導体層に各々接続された第１及び第２電極を有する窒化物発光素子;
前記第１及び前記第２電極に各々連結された第１及び第２導電ラインを有するパッケージ基板；及び、
前記光透過性基板の少なくとも下面に形成された、光透過率が５０％以上の絶縁性物質を用いて成り、光を散乱させるための凹凸パターンが形成された絶縁性の光散乱層
を備えたことを特徴とするフリップチップ窒化物半導体発光素子。
【請求項２１】
前記絶縁性光散乱層は、前記光透過性基板より高い屈折率を有する物質を用いて成ることを特徴とする請求項２０に記載のフリップチップ窒化物半導体発光素子。
【請求項２２】
前記絶縁性光散乱層は、ポリマー物質であることを特徴とする請求項２０または２１に記載のフリップチップ窒化物半導体発光素子。
【請求項２３】
前記絶縁性光散乱層は、エポキシ樹脂、シリコン樹脂及びＰＭＭＡ樹脂物質であることを特徴とする請求項２２に記載のフリップチップ窒化物半導体発光素子。
【請求項２４】
前記絶縁性光散乱層は、光励起用蛍光体をさらに備えたことを特徴とする請求項２０〜２３のいずれか一項に記載のフリップチップ窒化物半導体発光素子。
【請求項２５】
前記絶縁性光散乱層は、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＳｉＮx、ＳｉＣ、ダイアモンド、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2、ＳｎＯ2、ＴｉＯ2、ＺｒＯ2、ＭｇＯ、ＩｎＯx、及びＣｕＯxの群から選ばれた物質を少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項１７〜２４のいずれか一項に記載のフリップチップ窒化物半導体発光素子。
【請求項２６】
前記絶縁性光散乱層の凹凸パターンの周期は約０．００１〜５０μｍ範囲であることを特徴とする請求項２０〜２５のいずれか一項に記載のフリップチップ窒化物半導体発光素子。
【請求項２７】
前記絶縁性光散乱層の凹凸パターンは周期が約０．００１〜５０μｍ範囲である粒子から成ることを特徴とする請求項２０〜２５のいずれか一項に記載のフリップチップ窒化物半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は窒化物半導体発光素子に関し、特に光取り出し効率を向上させた窒化物半導体発光素子及びフリップチップ窒化物半導体発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近、窒化物半導体発光素子は青色または緑色などの短波長光を含んだ広い波長帯域の光を生成し得る高出力光素子が提供されるようになり、関連技術分野において大変脚光を浴びている。前記窒化物半導体発光素子はＡｌxＩｎyＧａ(1-x-y)Ｎ組成式（ここで、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１である）を有する半導体単結晶から成る。
【０００３】
一般に、窒化物半導体発光素子の光効率は内部量子効率（ｉｎｔｅｒｎａｌ  ｑｕａｎｔｕｍ  ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）と光取り出し効率（ｌｉｇｈｔ  ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ  ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ、または外部量子効率ともいう）によって決定される。とりわけ、光取り出し効率は発光素子の光学的因子、即ち各構造物の屈折率及び／または界面の平滑度（ｆｌａｔｎｅｓｓ）などによって決定される。
【０００４】
こうした光取り出し効率の面において窒化物半導体発光素子は根本的な制限事項を抱えている。即ち、半導体発光素子を構成する半導体層は外気や基板に比して高い屈折率を有するので、光の放出可能な入射角範囲を決定する臨界角が小さくなり、その結果、活性層から発生した光の多くの部分は内部全反射し、実質的に望まない方向へ伝播されたり全反射過程において損失を生じたりして、光取り出し効率が低くならざるを得ない。
【０００５】
より具体的には、窒化物系半導体発光素子において、ＧａＮの屈折率は２．４なので、活性層において発生した光はＧａＮ／大気界面における臨界角である２３．６°より大きい場合に内部全反射を起こしながら側面方向へ進行して損失を生じたり所望の方向に放出されなかったりして、光取り出し効率は６％に過ぎず、また、これと類似してサファイア基板の屈折率は１．７８なので、サファイア基板／大気界面における光取り出し効率は低いといった問題がある。
【０００６】
図１−１および図１−２は例えば特許文献１に記載されている従来の窒化物半導体発光素子及びフリップチップ窒化物半導体発光装置の側断面図である。こうした光取り出し効率の問題を改善するために、特許文献１においては、図１−１に示すように基板の下面を粗面としたフリップチップ窒化物発光素子を提案している。
【０００７】
図１−１によると、特許文献１による窒化物半導体発光素子１０は、サファイア基板１１とそのサファイア基板１１上に順次に形成された第１導電型窒化物半導体層１４、活性層１５及び第２導電型窒化物半導体層１６を備える。さらに、上記サファイア基板上面に窒化物半導体層の結晶性を向上させるためのバッファ層１２が形成され、上記窒化物半導体発光素子１０は上記第１導電型窒化物半導体層１４と上記第２導電型窒化物半導体層１６に各々接続された第１及び第２電極１９ａ、１９ｂを備える。ここで、サファイア基板１１の下面をエッチング工程により粗くさせ光散乱面とする。
【０００８】
さらに、図１−２に示すように、こうした窒化物半導体発光素子１０は第１及び第２導電ライン２２ａ、２２ｂを有するパッケージ基板２１に搭載され、各電極１９ａ、１９ｂと上記第１及び第２導電ライン２２ａ、２２ｂをハンダ付けのような接続手段Ｓで連結（「連結」は電気的連結を含む）させることによりフリップチップ窒化物半導体発光素子２０を製造することができる。この場合、光散乱面であるサファイア基板１１の下面１１ａは光放出面に提供される。活性層１５において生成された光は直接光放出面１１ａに向かうか（ａ）、あるいは下面において反射され光放出面１１ａに向かうか（ｂ）のいずれかである。到達した光は上記サファイア基板１１の粗い下面において散乱するが、微細な凹凸パターンにより大きい臨界角が設けられ効果的に光を放出させることが可能になる。
【０００９】
【特許文献１】特開２００２−３６８２６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかし、一般的に窒化物の成長に使用される基板は高い硬度を有するサファイア基板であり、粗い表面、即ち微細な凹凸パターンを形成する加工工程が容易でなく、加工制御が困難なので所望の凹凸パターンを形成し難いといった問題があった。
【００１１】
さらに、上記凹凸パターン形成工程は研磨剤を用いた機械的化学的工程や、化学的エッチング工程を利用するので、窒化物半導体領域への適用にさまざまな困難があるので主にサファイア基板に適用され、こうした理由から一般的にフリップチップ構造に適用され得る技術としてはその適用範囲が極めて制限される問題があった。
【００１２】
本発明は上述した従来の技術の問題を解決するためのものであり、その目的は、発光素子の少なくとも一面に形成された光透過性を有する絶縁物質層を利用して凹凸パターンを有する絶縁性光散乱層を形成する窒化物半導体発光素子及びフリップチップ発光素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上述の技術的課題を達成するために、本発明は、光透過性基板上に順次に形成された第１導電型窒化物半導体層、活性層及び、第２導電型窒化物半導体層を備えた窒化物発光素子において、上記窒化物半導体発光素子の少なくとも一面に形成された、光透過率が５０％以上の絶縁性物質を用いて成り、光を散乱させるための凹凸パターンに形成された絶縁性光散乱層を備えたことを特徴とする窒化物半導体発光素子を提供する。
【００１４】
好ましくは、上記絶縁性光散乱層は、光透過率が７０％以上であり、上記絶縁性光散乱層は高い光透過率を有する、エポキシ、シリコン及びＰＭＭＡのようなポリマー系の物質であり得る。一方、上記絶縁性光散乱層は、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＳｉＮx、ＳｉＣ、ダイアモンド、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2、ＳｎＯ2、ＴｉＯ2、ＺｒＯ2、ＭｇＯ、ＩｎＯx及びＣｕＯxの群から選ばれた物質を用いてなるものであってもよい。
【００１５】
好ましくは、上記絶縁性光散乱層の凹凸パターン周期は約０．００１〜５０μｍ範囲であることが好ましく、一定の形状と周期を有する規則的なパターンであり得る。一方、上記光散乱層は、平均粒子サイズが約０．００１〜５０μｍ範囲である粒子層であってもよい。個々の粒子は光散乱効率を上げるに充分なサイズを持つことが好ましい。
【００１６】
本発明の第１実施形態においては、上記絶縁性光散乱層は少なくとも上記光透過性基板の下面に形成される。この場合に、上記絶縁性光散乱層を上記光透過性基板とは異なる屈折率を有する物質で形成さていてもよい。上記第１及び上記第２導電型窒化物半導体層より高い屈折率を有する物質で形成するのが好ましい。
【００１７】
本発明の第２実施形態においては、上記絶縁性光散乱層は、上記光透過性基板と対向する上記窒化物発光素子の上面に形成される。この場合に、上記絶縁性光散乱層は上記窒化物発光素子の上面からその側面の少なくとも一部まで延長され形成されているのが好ましい。さらに、上記絶縁性光散乱層を上記第１及び第２導電型窒化物半導体層とは異なる屈折率を有する物質で形成することが可能であるが、上記第１及び第２導電型窒化物半導体層より高い屈折率を有する物質で形成するのが好ましい。
【００１８】
本発明の第３実施形態においては、上記窒化物半導体発光素子の、光放出面を除く少なくとも一面に形成された反射メタル層をさらに備えることが可能である。ここで、上記反射メタル層は上記絶縁性光散乱層上に形成され得る。本実施形態において、上記反射メタル層は少なくとも９０％の反射率を有することが好ましい。こうした反射メタル層を構成する物質はＡｇ、Ａｌ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｔｉ、Ｉｎ及びＭｏの群から選ばれた少なくとも１種の金属またはその合金の層を含む物質層からなり得る。ここで、上記金属の層と合金の層を備えた物質層は少なくとも一つの層で構成することが可能である。
【００１９】
本発明の第４実施形態においては、上記光透過性基板はその側端の少なくとも一部が傾斜面とされ、上記絶縁性光散乱層は少なくとも上記光透過性基板の下面とその傾斜面に形成することが可能である。上記絶縁性光散乱層は上記光透過性基板より高い屈折率を有する物質で形成されているのが好ましい。
【００２０】
さらに、本発明はフリップチップ窒化物半導体発光素子を提供する。上記フリップチップ発光素子は、光透過性基板上に順次に形成された第１導電型窒化物半導体層、活性層及び第２導電型窒化物半導体層と、上記第１及び第２導電型窒化物半導体層に各々接続された第１及び第２電極を有する窒化物発光素子と、上記第１及び上記第２電極に各々連結された第１及び第２導電ラインを有するパッケージ基板と、上記光透過性基板の少なくとも下面に形成された、光透過率が５０％以上の絶縁性物質を用いて成り、上記絶縁性光散乱層は外部面に約０．００１〜５０μｍ範囲の周期を有する凸凹を有する層構造、あるいは約０．００１〜５０μｍ範囲の粒子から成る粒子層から成り得る。
【００２１】
本発明は、従来のように凹凸パターンを硬度の高いサファイア基板に直接形成したり、他窒化物半導体領域に直接形成したりするものではなく、発光素子の少なくとも一面に光透過性を有する絶縁物質を蒸着または成長した後、その絶縁層に凹凸パターンを形成するか、または屈折率が異なる粒子層を形成することによって光取り出し効率を向上させられる光散乱層を提供することが可能である。
【００２２】
さらに、こうした絶縁性光散乱層を、保護膜として作用可能な絶縁層を用いることで、電極形成位置の他の全ての面の領域に比較的自由に形成することが可能である。したがって、フリップチップ構造の他にも窒化物層上面が光放出面に設けられる他構造においても、上述の絶縁性光散乱層を有利に適用することが可能である。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によると、発光素子の少なくとも一面に光透過性を有する絶縁性の屈折率が異なる物質を蒸着したりして絶縁層を形成した後、その絶縁層に凹凸パターンを形成するか、または屈折率が異なる粒子層を形成することによって光取り出し効率を向上させる光散乱層をより容易に提供することが可能である。
【００２４】
さらに、こうした絶縁性光散乱層は、保護膜とされ得る絶縁層を用いることで素子の特性を阻害しないばかりでなく、電極形成位置の他の全ての面領域に比較的自由に形成することが可能である。したがって、フリップチップ構造の他に、窒化物層上面が光放出面に設けられる他構造にも有利に適用され得る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、添付の図を参照して、本発明の多様な実施形態をより詳しく説明する。なお、この実施の形態により本発明が限定されるものではない。
【００２６】
図２−１は各々本発明の第１実施形態による窒化物半導体発光素子の側断面図である。図２−１に示した窒化物半導体発光素子は図２−２に示すようにフリップチップ発光素子に用いられる形態で理解し得る。
【００２７】
図２−１によると、本実施形態による窒化物半導体発光素子３０は、サファイア基板３１と、そのサファイア基板３１上に順次に形成された第１導電型窒化物半導体層３４、活性層３５及び第２導電型窒化物半導体層３６を備えている。上記サファイア基板３１の上面に格子不整合を緩和すべくバッファ層３２が形成されてもよい。
【００２８】
第１導電体窒化物半導体層３４はｎ型ＡｌＧａＮ／ｎ型ＧａＮの多層構造であることができ、第２導電体窒化物半導体３６はｐ型ＡｌＧａＮ／ｐ型ＧａＮの多層構造であり得る。活性層３５はＡｌxＩｎyＧａ1-x-yＮ／ＩｎyＧａ1-yＮの多層量子井戸構造(０≦x≦１、０≦y≦１)であり得る。
【００２９】
本実施形態においては、サファイア基板３１の下面に絶縁性光散乱層３７が形成される。絶縁性光散乱層３７は光透過率が５０％以上の絶縁性物質から成り、好ましくは７０％以上の絶縁性物質から成る。さらに、絶縁性光散乱層３７はその外部面に光を散乱させるための多様な凹凸パターンが形成される。凹凸パターンはフォトリソグラフィー工程または金属製マスクを利用したエッチング工程を通して容易に形成することが可能である。凹凸パターンは発光波長に応じて多様な大きさと周期を持つように形成することが可能であり、規則的または不規則的に形成することが可能である。但し、青緑色の短波長光を放出する場合、上記凹凸パターンの周期は０．００１〜５０μｍ範囲で形成することが好ましく、一定の周期とパターンで形成することが可能である。
【００３０】
絶縁性光散乱層３７は、サファイア基板との密着性に優れ、光透過性が保障される絶縁物質から形成することが可能である。例えば、高い光透過率を有するポリマー系か、またはＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＳｉＮx、ＳｉＣ、ダイアモンド、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2、ＳｎＯ2、ＴｉＯ2、ＺｒＯ2、ＭｇＯ、ＩｎＯx、及びＣｕＯxの群から選ばれた物質であり得る。但し、ポリマー系で形成する場合には素子作動時に発生する熱によって変形されてはならないので、約１５０℃以上の温度において耐熱性を有するポリマー物質から選択することが好ましい。こうしたポリマー物質にはエポキシ樹脂、シリコン樹脂及びＰＭＭＡ樹脂が含まれる。
【００３１】
最も好ましくは、通常の半導体工程に使用されるＳｉＯ2またはＳｉＮxを用いる。ＳｉＯ2またはＳｉＮxは通常の半導体工程を適用して蒸着工程と凹凸パターン形成工程をより容易に行えるといった利点がある。
【００３２】
さらに、活性層から発光される光より長波長側の光を発光させる光励起用蛍光体を上記エポキシ樹脂、シリコン樹脂またはＰＭＭＡ樹脂に混ぜることにより活性層からの光は蛍光体から波長変化された光が散乱効果により混ざり合って均一な発光色を形成することが可能である。上記蛍光体としては、ガーネット（Ｇａｒｎｅｔ）系（Ａ3Ｂ5０12：ＣｅＤ、Ａ＝Ｙ、Ｔｂ、Ｌｕ、Ｌａ、Ｓｍ、Ｇｄ、Ｓｅ;  Ｂ＝Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ；  Ｄ＝Ｔｂ、Ｅｕ）、シリケート（Ｓｉｌｉｃａｔｅ）系(ＳｒＢａ(Ｃａ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｃｄ))x(Ｓｉ(Ｐ、Ｂ、Ｇｅ、Ａｌ))ｙＯz：Ｅｕ(Ｆ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ、Ｐ、Ｓ、Ｎ、ｒａｒｅ  ｅａｒｔｈｓ)、窒素系((ＳｒＳｉＯＡｌ)Ｎ：Ｅｕ、ｒａｒｅ  ｅａｒｔｈｓ)、サルファー（Ｓｕｌｆｕｒ）系(Ｓｒｘ(Ｃａ、Ｇａ、Ｚｎ)ｙ)Ｓ：Ｅｕ、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｌ、ｒａｒｅ  ｅａｒｔｈｓ)の物質から選ばれた少なくとも一つの蛍光体が挙げられる（０≦x≦１、０≦y≦１、０≦z≦１、上記で()の内容は選択的である）。
【００３３】
さらに、絶縁性光散乱層３７はサファイア基板３１より屈折率が高い層を堆積させることで光の散乱効率を上げられる。例えば、絶縁性散乱層３７をダイアモンド（屈折率：２．４２）で形成する場合に、この屈折率はサファイア基板３１の屈折率（１.７８）より大きいため、図２−３に示すように、絶縁性光散乱層を通して大きい臨界角θCを有するようになる。最も好ましくは、基板または半導体層より屈折率が高い粒子層を堆積させることである。白色または他の発光色を発生させるには蛍光体の粒子層を堆積させることができる。蛍光体の粒子は上記ガーネット系、シリケート系、窒素系、サルファー系から選択された物質を少なくとも一つ含む。
【００３４】
したがって、本実施形態による窒化物半導体発光素子においては、臨界角より大きい場合に発生する内部全反射の光量が減少して実際に放出される光量が増加し、結果的に光取り出し効率を一層大幅に向上させることが可能である。
【００３５】
本実施形態による窒化物半導体発光素子は図２−２に示されたフリップチップ構造に適用される形態であって、上記絶縁性光散乱層が形成されたサファイア基板の下面が光放出面となる。図２−１に示された窒化物半導体発光素子３０は第１及び第２導電ライン４２ａ、４２ｂを有するパッケージ基板４１に搭載され、各電極３９ａ、３９ｂと第１及び第２導電ライン４２ａ、４２ｂをハンダ付けのような接続手段Ｓで連結させることによって、図２−２に示されたフリップチップ窒化物半導体発光素子４０に製造させることが可能である。
【００３６】
図２−２に示されたように、活性層３５から生成された光は直接光放出面へ向かうか（ａ）、下面において反射され光放出面へ向かうか（ｂ）のいずれかである。到達した光は上記サファイア基板３１の粗い下面において散乱するが、微細な凹凸パターンにより大きい臨界角が設けられ、効果的に光を放出することが可能になる。
【００３７】
図３は本発明の第２実施形態による窒化物半導体発光素子の側断面図である。
【００３８】
図３によると、本実施形態による窒化物半導体発光素子５０は、サファイア基板５１と、バッファ層５２が形成されたサファイア基板５１上に順次に形成された第１導電型窒化物半導体層５４、活性層５５及び第２導電型窒化物半導体層５６を備える。さらに、上記窒化物半導体発光素子５０は上記第１導電型窒化物半導体層５４と上記第２導電型窒化物半導体層５６に各々接続された第１及び第２電極５９ａ、５９ｂを備える。
【００３９】
本実施形態において、絶縁性光散乱層５７は、サファイア基板５１と対向する窒化物発光素子５０の上面に形成され素子５０の一部側面に延長されている。絶縁性光散乱層５７が形成された素子側面部はウェーハレベル工程においてメサエッチング後に露出される側面領域（Ｃ−Ｃ'の上部）として、通常の工程を変更させずに、絶縁物質が蒸着され得る領域である。しかし、工程の変更によって一層広くの側面領域まで光散乱層を形成することが可能である。
【００４０】
絶縁性光散乱層５７は図２−１ないし図２−３に説明したように、光透過性を有する絶縁物質から成り得る。但し、第１及び第２導電型窒化物半導体層５４、５６は異なる屈折率を有する物質から成ることが好ましいが、より高い方が良い。一般的に、ＧａＮ層の屈折率は２．７４なので、サファイア基板に形成される光散乱層において考慮される屈折率範囲より条件が狭い。
【００４１】
本実施形態は窒化物半導体素子５０の上面が光放出面となる形態として、活性層５５から生成された光はａで表示されるよう上面に形成された絶縁性光散乱層５７ａを通して散乱し、ｂで表示されたように側面に形成された絶縁性光散乱層５７ｂにより散乱し、光取り出し効率を効果的に高めることが可能である。
【００４２】
図４は本発明の第３実施形態による窒化物半導体発光素子６０の側断面図である。
【００４３】
図４によると、本実施形態による窒化物半導体発光素子６０は、サファイア基板６１と、バッファ層６２が形成されたサファイア基板６１上に順次に形成された第１導電型窒化物半導体層６４、活性層６５及び第２導電型窒化物半導体層６６を備えている。さらに、窒化物半導体発光素子６０は第１導電型窒化物半導体層６４と第２導電型窒化物半導体層６６に各々接続された第１及び第２電極６９ａ、６９ｂを備える。
【００４４】
本実施形態において、絶縁性光散乱層６７は図２−１に示すようにサファイア基板６１の下面に形成されるが、絶縁性光散乱層６７に対する具体的な説明は図２−１の関連説明を参照することが可能である。但し、絶縁性光散乱層６７の凹凸パターンが形成された面にさらに反射メタル層６８が形成されている点において異なる。
【００４５】
従来の反射メタル層は光放出側と逆のサファイア基板６１の下面または窒化物半導体素子６０の上面に直接形成されて使用されていたが、本発明においては反射メタル層６８が絶縁性光散乱層６７上に形成されることを特徴とする。
【００４６】
この場合に、反射メタル層６８は凹凸が形成された面に形成されるので、その反射面積が増加するばかりでなく、光散乱効果と結合され光放出効果を増大させる。より具体的には、ａで表示されるようにサファイア基板６１の下面に向かう光は絶縁性光散乱層６７によって反射メタル層表面までより多量に到達し、反射されて、所望の光放出方向である上面へ向かうことが可能である。
【００４７】
光放出方向へ向かう光は屈折率の異なる基板６１側へ進んで、屈折臨界角によって反射メタル層６８へさらに反射され得るが、反射メタル層６８は高い反射率から上向きに進行するように反射され得る。このように、絶縁性光散乱層６７の光散乱効果と反射メタル層６８の高反射性が結合されて光取り出し効果の向上が図れるようになるのである。
【００４８】
こうした光取り出し効果の向上のために、反射メタル層６８は９０％以上の反射率を有する金属が好ましい。適切な反射メタル層６８としてはＡｇ、Ａｌ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｔｉ、Ｉｎ及びＭｏからなる群から選ばれた少なくとも１種の金属またはその合金の層が挙げられる。高い反射率を有するＡｇ、Ａｌ及びその合金を使用するのが好ましい。
【００４９】
本実施形態においては、反射メタル層６８は絶縁性光散乱層６７上に形成された発光素子を例示するが、上記反射メタル層の形成位置はこれに限定されるわけではない。即ち、上記反射メタル層は光放出面でない発光素子の少なくとも一面に形成され得るので、上記絶縁性散乱層が形成されない面に形成されてもよい。
【００５０】
図５は本発明の第４実施形態による窒化物半導体発光素子の側断面図である。
【００５１】
図５によると、本実施形態による窒化物半導体発光素子７０は、サファイア基板７１と、バッファ層７２が形成されたサファイア基板７１上に順次に形成された第１導電型窒化物半導体層７４、活性層７５及び第２導電型窒化物半導体層７６を備える。さらに、上記窒化物半導体発光素子７０は上記第１導電型窒化物半導体層７４と上記第２導電型窒化物半導体層７６に各々接続された第１及び第２電極７９ａ、７９ｂを備える。
【００５２】
本実施形態において、サファイア基板７１はその下面の側端の少なくとも一部が傾斜面となり、絶縁性光散乱層７７はサファイア基板７１の下面とその傾斜面７１ａに形成され得る。さらに、絶縁性光散乱層７７の凹凸パターンが形成された面にさらなる反射メタル層７８が形成される。サファイア基板７１の構造が全体的に凹レンズのような構造を有するので、素子７０の上面に向かった光取り出し効果を高め且つ図４の構造からは期待しがたい光フォーカシング効果が図れる。図５に示すように、ａで表示された下部へ向かう光は図４において説明したものと同様に上部へ向かうが、ｂで表示された傾斜面向きの光は垂直な上部でない素子上面の中心に向かって進む傾向を有する。このように、本実施形態においては、光集中度を向上させ、所望の領域において輝度をより高められる効果を奏する。
【００５３】
本発明は上述した実施形態及び添付の図面に示された実施形態に限定されるものではなく、添付の特許請求範囲により限定される。したがって、特許請求範囲に記載の本発明の技術的思想を外れない範囲内において当技術分野の通常の知識を有する者が多様な形態の置換、変形及び変更を行うことが可能であり、それらもやはり本発明の範囲に属するものである。
【００５４】
上記実施形態においては窒化物成長用基板に主に使用されるサファイア基板を例示したが、これに限定されるものではなく、光透過性基板でさえあれば本発明の絶縁性光散乱層をその上に適用することが可能である。例えば、ＳｉＣ、ＺｎＯ、ＭｇＯ、ダイアモンドまたはシリコン基板のような異種基板と、ＩｎＮ、ＡｌＮ、ＧａＮまたはこれらの混晶物のような基板も使用することが可能である。
【００５５】
さらに、各実施形態は独立した別個の実施形態でもあり得るが、光放出方向が同一な範囲において互いに結合して使用することが可能である。例えば、図３に説明した素子上面に形成された絶縁性光散乱層上に、図４及び図５に説明した反射メタル層を結合してフリップチップに適用され得る発光素子を製造することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
以上のように、本発明にかかる窒化物半導体発光素子は、特に光取り出し効率を向上させた窒化物半導体発光素子及びフリップチップ窒化物半導体発光素子に有用であり、特に、発光素子の少なくとも一面に光透過性を有する絶縁性の屈折率が異なる物質を蒸着したりして絶縁層を形成した後、その絶縁層に凹凸パターンを形成するか、または屈折率が異なる粒子層を形成することによって、光取り出し効率を向上させる光散乱層をより容易に提供することに適している。
【００５７】
さらに、こうした絶縁性光散乱層は、保護膜とされ得る絶縁層を用いることで素子の特性を阻害しないばかりでなく、電極形成位置の他の全ての面領域に比較的自由に形成することが可能であるので、フリップチップ構造の他に、窒化物層上面が光放出面に設けられる他構造にも有利に適用し得る。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１−１】従来の窒化物半導体発光素子及びフリップチップ窒化物半導体発光装置の側断面図である。
【図１−２】従来の窒化物半導体発光素子及びフリップチップ窒化物半導体発光装置の側断面図である。
【図２−１】本発明の第１実施形態による窒化物半導体発光素子及びフリップチップ窒化物半導体発光素子の側断面図である。
【図２−２】本発明の第１実施形態による窒化物半導体発光素子及びフリップチップ窒化物半導体発光素子の側断面図である。
【図２−３】図２−２のフリップチップ窒化物半導体発光素子の一部詳細図である。
【図３】本発明の第２実施形態による窒化物半導体発光素子の側断面図である。
【図４】本発明の第３実施形態による窒化物半導体発光素子の側断面図である。
【図５】本発明の第４実施形態による窒化物半導体発光素子の側断面図である。
【符号の説明】
【００５９】
１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０  窒化物半導体発光素子
１１、３１、５１、６１、７１  サファイア基板
２１、４１  パッケージ基板
１２、３２、５２、６２、７２  バッファ層
２２ａ、４２ａ  第１導電ライン
２２ｂ、４２ｂ  第２導電ライン
１４、３４、５４、６４、７４  第１導電型クラッド層
１５、３５、５５、６５、７５  活性層
１６、３６、５６、６６、７６  第２導電型クラッド層
３７、５７、６７、７７  絶縁性光散乱層
６８、７８  反射メタル層
θC   臨界角
【図１−１】
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【図１−２】
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【図２−１】
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【図２−２】
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【図２−３】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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