(57)【要約】【課題】活性層が広がる方向への漏れ光が抑制された発光効率の高い半導体発光装置を提供する。【解決手段】半導体発光装置は、ｎ型半導体層と、ｐ型半導体層と、それらｎ型半導体層とｐ型半導体層との間に挟まれて発光する活性層と、を備え、上記活性層を含んだ複数の半導体層が積層され、その活性層が広がる方向における外形で空気と接している半導体積層体の外形と、その活性層のうち、電流が注入されて発光する電流注入領域の、その活性層が広がる方向における外形とが、互いに同数の頂点を有した凸多角形であるとともに、その電流注入領域の外形における各辺の対向方向に上記半導体積層体の外形における各頂点が位置している。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ型半導体層と、
ｐ型半導体層と、
前記ｎ型半導体層と前記ｐ型半導体層との間に挟まれて発光する活性層と、を備え、
前記活性層を含んだ複数の半導体層が積層され、該活性層が広がる方向における外形で空気と接している半導体積層体の外形と、該活性層のうち、電流が注入されて発光する電流注入領域の、該活性層が広がる方向における外形とが、互いに同数の頂点を有した凸多角形であるとともに、該電流注入領域の外形における各辺の対向方向に前記半導体積層体の外形における各頂点が位置していることを特徴とする半導体発光装置。
【請求項２】
前記電流注入領域は、前記活性層のうち、該活性層が広がる方向の一部に電流が注入されることで形成される部分領域であり、
前記活性層の全領域が前記半導体積層体の外形を形成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装置。
【請求項３】
前記電流注入領域は、前記ｐ型半導体層に沿って形成された電極の範囲に対応した、前記活性層の部分領域であることを特徴とする請求項２に記載の半導体発光装置。
【請求項４】
前記半導体積層体が、前記ｐ型半導体層に沿って形成されて一部に穴が開いた絶縁層を有するものであり、
前記電流注入領域は、前記穴の範囲に対応した、前記活性層の部分領域であることを特徴とする請求項２に記載の半導体発光装置。
【請求項５】
前記活性層が広がる方向における該活性層の外周を取り囲んで前記半導体積層体の外形を形成している絶縁層を備え、
前記電流注入領域は、前記活性層の全領域であることを特徴とする請求項１記載の半導体発光装置。
【請求項６】
前記絶縁層が、前記活性層から発せられた光に対して透明な材料からなるものであることを特徴とする請求項５記載の半導体発光装置。
【請求項７】
前記絶縁層が、前記活性層から発せられた光を該活性層が広がる方向に導波するものであることを特徴とする請求項６記載の半導体発光装置。
【請求項８】
前記絶縁層が、前記活性層よりも厚く、該活性層よりも低屈折率で、該活性層に接した導波層を有するものであることを特徴とする請求項７記載の半導体発光装置。
【請求項９】
前記絶縁層が、相対的に低屈折率の低屈折率層と相対的に高屈折率の高屈折率層とが重なり合った層構造を有し、
前記低屈折率層が前記導波層であることを特徴とする請求項８記載の半導体発光装置。
【請求項１０】
前記半導体積層体が基板上の互いに異なる位置に複数形成されていることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の半導体発光装置。
【請求項１１】
前記電流注入領域が、前記半導体積層体の外形に対して非偏倚な位置に備えられていることを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載の半導体発光装置。
【請求項１２】
前記半導体積層体がＩｎＰ系の半導体からなることを特徴とする請求項１から１１のいずれか１項に記載の半導体発光装置。
【請求項１３】
ｎ型半導体層と、
ｐ型半導体層と、
前記ｎ型半導体層と前記ｐ型半導体層との間に挟まれて発光する活性層と、を備え、
前記活性層を含んだ複数の半導体層が積層され、該活性層が広がる方向における外形で空気と接している半導体積層体の外形が第１の多角形で、前記活性層のうち、電流が注入されて発光する電流注入領域の、該活性層が広がる方向における外形が第２の多角形で、前記第２の多角形における各辺の垂線と前記第１の多角形との交わる角度が、前記活性層から発せられた光を全反射させる角度となっていることを特徴とする半導体発光装置。
【請求項１４】
ｎ型半導体層とｐ型半導体層とそれらの間に挟まれて発光する活性層とを積層する積層過程と、
前記活性層を含んだ１つ以上の層について、該活性層が広がる方向における外形を第１の凸多角形に加工する活性層加工過程と、
活性層加工過程で加工された外形の周囲に、前記活性層から発せられた光に対して透明な材料からなる絶縁層を形成する絶縁層形成過程と、
前記絶縁層が空気と接する外形を、前記第１の凸多角形と同数の頂点が該第１の凸多角形における各辺の対向方向に位置した第２の凸多角形に加工する絶縁層加工過程と、
前記活性層の全領域に対して電流を注入する注入電極を前記絶縁層加工過程の前あるいは後に形成する電極形成過程と、
を有することを特徴とする半導体発光装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体発光装置、および半導体発光装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
１０００ｎｍ〜１６５０ｎｍの波長領域に含まれる光を出力する発光ダイオード（ＬＥＤ）の用途は多岐にわたる。例えば水分センサには波長が１４５０ｎｍなどの光が使われ、また血液検査には波長が１０５０ｎｍなどの光が使われる。センシングや検査ではこれらの光の吸収量が測定されるため、効率よく高Ｓ／Ｎ比が得られるためには高出力で高効率な面発光型ＬＥＤが求められている。ここで、面発光型ＬＥＤとは、エピタキシャル成長させた層の厚さ方向から光が出射される（外部に取り出される）ことを目的とするＬＥＤのことである。
【０００３】
ところが、面発光型ＬＥＤであっても、ＬＥＤ内の活性層からは、ＬＥＤからの光出射が目的とされた出射方向以外の方向にも光が放射されており、目的方向とは異なる方向（出射面とは逆の面方向や側方など）から最終的にＬＥＤ外に漏れ出た光の分だけＬＥＤの出力や効率が低下する。そのため、高出力化や高効率化には、外部取り出し効率の向上が課題となる。ここで、外部取り出し効率は（内部量子効率）×（光取り出し効率）で表わされる。
【０００４】
これまで、ＬＥＤにおける光出力を向上させる方法として、実装の際、面発光型ＬＥＤの近傍に、ＬＥＤの側方から出射する光をＬＥＤの出力方向に反射カップなどで反射させる方法があった（特許文献１）。
また、出射方向とは反対方向に反射部を備え付けて出射方向に光を反射させる方法があった（特許文献２）。
また、ＬＥＤの出射面にフォトニック結晶のようなナノ構造やモスアイ構造など凹凸パターンを形成する方法があった（特許文献３）。
さらに、微細な共振器構造により出射方向への出射光の強度を増強させるマイクロキャビティＬＥＤがあった（特許文献４）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−８４１５号公報
【特許文献２】特開２０１１−１７６００１号公報
【特許文献３】特開２０１３−１６５３７号公報
【特許文献４】特開平９−２８３８６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
面発光型ＬＥＤにおいて、発光光はなるべく出射面方向に伝搬させるのが望ましいが、上記のように側方からの出射光を反射カップなどで出射面方向に伝搬させる方法では、ＬＥＤ外部にミラーなどを備え付ける必要があった。そのため、実装が複雑化する要因になっていた。
また、裏面にのみミラーを備え付ける方法では、側方へ伝搬する光の分、出力や効率が低くなっていた。
【０００７】
また、マイクロキャビティＬＥＤでは、自然放出光を共振させるために、出射光の波長をλとし活性層の屈折率をｎａとしたとき、活性層の厚さをλ／（２×ｎａ）程度にする必要があるため、設計の自由度に制限を受ける上、キャビティを形成するための誘電体多層反射膜を形成するなど素子構造が複雑化していた。
【０００８】
さらに、フォトニック結晶構造やモスアイ構造は素子への形成プロセスが必要なため、作製プロセスが増加するなど複雑化するだけでなく、特定の波長域の光しか取り出せない（取り出せる光の波長幅が通常の面発光型ＬＥＤの発光波長幅より狭くなる）ことが懸念された。
【０００９】
そこで、本発明は、活性層が広がる方向、すなわち積層された活性層の厚み方向に直交する平面に沿った方向への漏れ光が抑制された発光効率の高い半導体発光装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明の半導体発光装置の一態様は、ｎ型半導体層と、ｐ型半導体層と、それらｎ型半導体層とｐ型半導体層との間に挟まれて発光する活性層と、を備え、上記活性層を含んだ複数の半導体層が積層され、その活性層が広がる方向における外形で空気と接している半導体積層体の外形と、その活性層のうち、電流が注入されて発光する電流注入領域の、その活性層が広がる方向における外形とが、互いに同数の頂点を有した凸多角形であるとともに、その電流注入領域の外形における各辺の対向方向に上記半導体積層体の外形における各頂点が位置している。
【００１１】
このような半導体発光装置によれば、活性層が広がる方向へと電流注入領域から放射された光が半導体積層体の外形の頂点方向へと向かうので、外形の頂点付近の内面で全反射されて活性層へと戻り、再び発光のエネルギーとして再利用される。従って活性層の厚み方向へ向かう光の発光効率が向上する。
【００１２】
本発明の半導体発光装置において、上記電流注入領域が、上記活性層のうち、その活性層が広がる方向の一部に電流が注入されることで形成される部分領域であり、上記活性層の全領域が上記半導体積層体の外形を形成していてもよい。このような半導体発光装置によれば、活性層が半導体積層体の全面に広がるので構造が簡素となり半導体発光装置の作製が容易となる。
【００１３】
また、このように半導体積層体の全面に広がる活性層を有する半導体発光装置において、上記電流注入領域は、上記ｐ型半導体層に沿って形成された電極の範囲に対応した、上記活性層の部分領域であってもよい。あるいは、上記半導体積層体が、上記ｐ型半導体層に沿って形成されて一部に穴が開いた絶縁層を有するものであり、上記電流注入領域は、上記穴の範囲に対応した、上記活性層の部分領域であってもよい。
【００１４】
電流注入領域が電極の範囲に対応する場合には、所望の形状に電極が形成されることで電流注入領域の形状が容易に所望の形状となる。また、電流注入領域が絶縁層の穴の範囲に対応する場合には、絶縁層に所望の形状の穴が形成されることで電流注入領域の形状が容易に所望の形状となる。
【００１５】
本発明の半導体発光装置において、上記活性層が広がる方向におけるその活性層の外周を取り囲んで上記半導体積層体の外形を形成している絶縁層を備え、上記電流注入領域は、上記活性層の全領域であってもよい。このような構成の半導体発光装置によれば、電流注入領域の外形が精度よく作製される。
【００１６】
また、このような絶縁層を備える半導体発光装置において、上記絶縁層が、上記活性層から発せられた光に対して透明な材料からなるものであることが好適である。絶縁層が透明材料からなることで絶縁層による光吸収が抑制され、活性層（即ち電流注入領域）へと効率よく光が戻ることになる。
【００１７】
また、このような絶縁層を備える半導体発光装置において、上記絶縁層が、上記活性層から発せられた光をその活性層が広がる方向に導波するものであることも好適である。活性層が広がる方向に光が導波されることにより光の拡散が抑制されて活性層へと効率よく光が戻ることになる。
【００１８】
このように絶縁層が光を導波する半導体発光装置において、上記絶縁層が、上記活性層よりも厚く、その活性層よりも低屈折率で、その活性層に接した導波層を有することが望ましい。このような導波層は、活性層から出た光を効率よく受け取ることができるので光のロスが少ない。
【００１９】
このような導波層を有する半導体発光装置において、上記絶縁層が、相対的に低屈折率の低屈折率層と相対的に高屈折率の高屈折率層とが重なり合った層構造を有し、上記低屈折率層が上記導波層であることも好ましい。このような層構造によって光の導波層への封じ込めが実現し、高い効率で光が活性層へと戻ることになる。
【００２０】
本発明の半導体発光装置において、上記半導体積層体は、基板上の互いに異なる位置に複数形成されていてもよい。半導体積層体が複数形成されることにより、半導体発光装置全体としての発光パワーが向上する。
【００２１】
また、本発明の半導体発光装置において、上記電流注入領域が、上記半導体積層体の外形に対して非偏倚な位置に備えられていてもよい。電流注入領域が非偏倚であることにより、電流注入領域の周囲のどこから出た光であっても同様に電流注入領域へと戻ることになる。
【００２２】
更に、本発明の半導体発光装置において、上記半導体積層体がＩｎＰ系の半導体からなることが望ましい。ＩｎＰ系の半導体であれば、半導体層が積層される基板材料として、活性層から発せられる光に対して透明な基板材料が容易に利用可能であるため、外部へ光が取り出しやすい。また、ＩｎＰ系の半導体と空気との界面における全反射の臨界角は２０°未満と狭いため、半導体積層体の内面における全反射が容易に実現する。
【００２３】
上記課題を解決するために、本発明の半導体発光装置の別の一態様は、ｎ型半導体層と、ｐ型半導体層と、それらｎ型半導体層とｐ型半導体層との間に挟まれて発光する活性層と、を備え、上記活性層を含んだ複数の半導体層が積層され、その活性層が広がる方向における外形で空気と接している半導体積層体の外形が第１の多角形で、上記活性層のうち、電流が注入されて発光する電流注入領域の、その活性層が広がる方向における外形が第２の多角形で、上記第２の多角形における各辺の垂線と上記第１の多角形との交わる角度が、上記活性層から発せられた光を全反射させる角度となっている。
【００２４】
このような半導体発光装置によれば、電流注入領域から活性層が広がる方向へと放射された光が半導体積層体の外形の内面で全反射されて活性層へと戻り、再び発光のエネルギーとして再利用される。従って活性層の厚み方向へ向かう光の発光効率が向上する。
【００２５】
また、上記課題を解決するために、本発明の半導体発光装置の製造方法の一態様は、ｎ型半導体層とｐ型半導体層とそれらの間に挟まれて発光する活性層とを積層する積層過程と、上記活性層を含んだ１つ以上の層について、その活性層が広がる方向における外形を第１の凸多角形に加工する活性層加工過程と、上記活性層加工過程で加工された外形の周囲に、上記活性層から発せられた光に対して透明な材料からなる絶縁層を形成する絶縁層形成過程と、上記絶縁層が空気と接する外形を、上記第１の凸多角形と同数の頂点がその第１の凸多角形における各辺の対向方向に位置した第２の凸多角形に加工する絶縁層加工過程と、上記活性層の全領域に対して電流を注入する注入電極を上記絶縁層加工過程の前あるいは後に形成する電極形成過程と、を有する。
【００２６】
このような製造方法によれば、活性層および絶縁層の外形を、活性層が広がる方向へと放射された光が絶縁層の内面で全反射されるような多角形に容易に形成することができる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、活性層が広がる方向、すなわち積層された活性層の厚み方向に直交する平面に沿った方向への漏れ光が抑制された発光効率の高い半導体発光装置が実現される。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の第１実施形態を示す斜視図である。
【図２】本発明の第１実施形態を示す縦断面図である。
【図３】本発明の第１実施形態を示す横断面図である
【図４】第１実施形態のＬＥＤを製造する製造プロセスを示す図である。
【図５】本発明の第２実施形態を示す断面図である。
【図６】本発明の第３実施形態を示す斜視図である。
【図７】本発明の第３実施形態を示す縦断面図である。
【図８】本発明の第４実施形態を示す斜視図である。
【図９】本発明の第４実施形態を示す縦断面図である。
【図１０】本発明の第５実施形態を示す斜視図である。
【図１１】本発明の第５実施形態を示す上面図である。
【図１２】本発明の第６実施形態を示す図である。
【図１３】外形の第１の別例を示す図である
【図１４】外形の第２の別例を示す図である。
【図１５】外形の第３の別例を示す図である。
【図１６】外形の第４の別例を示す図である。
【図１７】本発明の第７実施形態を示す図である。
【図１８】本発明の第８実施形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００３０】
図１、図２、および図３は、本発明の第１実施形態を示す図である。図１には斜視図が示され、図２には図１中のＡ−Ａに沿った縦断面図が示され、図３には図２中のＢ−Ｂに沿った横断面図が示されている。
【００３１】
以下では説明の便宜上、基板に対して半導体層が積層された積層構造について、重力方向とは無関係に、基板側を『下』や『裏』と称し、半導体層が積層された側を『上』や『表』と称する。
【００３２】
本発明の第１実施形態である発光ダイオード（ＬＥＤ）１は、出力光の波長領域が１０００ｎｍ〜１６５０ｎｍの面発光型ＬＥＤであり、ＩｎＰ基板上にＩｎＰやＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＡｌＡｓ、ＩｎＡｌＡｓなどの半導体材料がエピタキシャル成長されることで作製される。この第１実施形態のＬＥＤ１は、例えばｎ型ＩｎＰからなるｎ型半導体層１１と、例えばＩｎＧａＡｓＰやＩｎＧａＡｌＡｓやＩｎＧａＡｓなどからなる活性層１２と、例えばｐ型ＩｎＰからなるｐ型半導体層１３が積層された積層構造を有している。ここで、ｎ型半導体層１１は、例えばｎ型ＩｎＰからなる基板部分とその上に成長させた例えばｎ型ＩｎＰからなる積層部分とで構成されている。
【００３３】
活性層１２は、ｎ型半導体層１１およびｐ型半導体層１３を介して電流が注入されることによって発光する層である。また、活性層１２とｐ型半導体層１３はｎ型半導体層１１に対していわゆるメサ（台地）状に形成されており、それら活性層１２およびｐ型半導体層１３からなるメサの周囲には、活性層１２が放射する光に対して透明な絶縁材料からなる透明絶縁層１４が形成されている。透明絶縁層１４を構成する絶縁材料としては、例えばＦｅをドープしたＩｎＰやＲｕをドープしたＩｎＰや不純物をドープしないアンドープＩｎＰなどが採用される。
【００３４】
この透明絶縁層１４は、活性層１２が広がる方向、すなわち積層された活性層の厚み方向に直交する平面に沿った方向において、ＬＥＤ１の外形を成す層である。図３に示すように、ＬＥＤ１および透明絶縁層１４の外形は例えば正方形となっており、活性層１２およびｐ型半導体層１３からなるメサの外形は菱形となっている。また、活性層１２を含むメサは、ＬＥＤ１および透明絶縁層１４の外形に対して例えば中心や重心が一致した位置などのように非偏倚な位置に設けられている。
【００３５】
メサおよび活性層１２の外形である菱形が、本発明にいう第１の（凸）多角形の一例に相当し、ＬＥＤ１および透明絶縁層１４の外形である正方形が、本発明にいう第２の（凸）多角形の一例に相当する。また、ｎ型半導体層１１と活性層１２とｐ型半導体層１３と透明絶縁層１４とを併せたものが、本発明にいう半導体積層体の一例に相当する。また、透明絶縁層１４が、本発明にいう絶縁層の一例に相当する。
【００３６】
ｐ型半導体層１３と透明絶縁層１４の上には絶縁膜１５が形成されており、この絶縁膜１５には、ｐ型半導体層１３の外形よりも一回り小さい菱形の貫通孔が開いている。そして、絶縁膜１５の上にｐ電極１６が形成されている。このｐ電極１６は、絶縁膜１５に開いた貫通孔を塞ぐようにｐ型半導体層１３の上面を覆っている。この結果、図１に示すように、ｐ電極１６には菱形の凹部１６ａが形成されており、この凹部１６ａの菱形形状が、絶縁膜１５の貫通孔１５ａ、ｐ型半導体層１３、および活性層１２の各形状に対応している。
また、ｎ型半導体層１１の下面には、ｎ電極１７が形成されている。
【００３７】
このＬＥＤ１にはｐ電極１６とｎ電極１７と間に電圧が印加されて電流が活性層１２を流れる。そして、この電流によってエネルギーを得ることで活性層１２の全領域が発光する。従って、活性層１２の全領域が本発明にいう電流注入領域の一例に相当する。
【００３８】
活性層１２の下面から下方向へと放射された光は、ＬＥＤ１の出力光Ｌ１としてＬＥＤ１から取り出される。また、活性層１２の上面から上方向へと放射された光は、ｐ電極１６等によって反射されて下方向に向かい、一部は活性層１２で吸収されてキャリア再結合により再び発光のエネルギーとなり、活性層１２で吸収されなかった部分は出力光Ｌ１の一部となってＬＥＤ１から取り出される。
【００３９】
このように、活性層１２の上下方向（即ち活性層の厚さ方向）に放射された光は出力光Ｌ１として利用されることになる。これに対し、活性層１２は、活性層１２が広がる方向の端部からも側方へと光Ｌ２を放射する。以下の説明では、この端部から放射された光のことを側方光Ｌ２と称する。
このような側方光Ｌ２は、光の取り出し方向である下面側には向かわないので、漏れ光として失われると発光効率の低下の要因となる。
【００４０】
第１実施形態のＬＥＤ１では、上述したように活性層１２の外形は菱形となっている。そして、図３に示すように、活性層１２の外形の各辺１２ａは、透明絶縁層１４の外形の各頂点１４ａに対向している。活性層１２の各辺１２ａから放射される側方光Ｌ２は、活性層１２の屈折率と透明絶縁層１４の屈折率との相違によって、各辺１２ａの垂線方向を中心とした狭い角度範囲へと向かう。このため、活性層１２の各辺１２ａから放射される側方光Ｌ２が透明絶縁層１４と空気との界面（透明絶縁層１４の内側の境界面を示し、以下単に内面と記載する場合がある）に入射する入射角は、各辺１２ａの垂線が透明絶縁層１４の外形と交わる４５°に近い入射角となる。
【００４１】
一方、透明絶縁層１４の屈折率は１０００ｎｍ〜１６５０ｎｍの波長領域では３．１〜３．４程度であるため、透明絶縁層１４と空気との界面における全反射の臨界角は大きくとも２０°程度ととても狭い。従って、側方光Ｌ２が透明絶縁層１４の内面に入射する入射角は、全反射の臨界角よりも十分に大きいため、ほぼ全ての側方光Ｌ２が透明絶縁層１４の内面で全反射される。また、透明絶縁層１４は側方光Ｌ２を殆ど吸収しないので、ほぼ全ての側方光Ｌ２が活性層１２へと戻ってくることになる。透明絶縁層１４に対する活性層１２の位置が、上述したように非偏倚の位置となっているため、活性層１２のどの辺１２ａから放射された側方光Ｌ２も同様に活性層１２へと戻ってくる。このように活性層１２へと戻ってきた側方光Ｌ２は活性層１２で吸収されてキャリア再結合により再び発光のエネルギーとなるので出力光Ｌ１の光量が増加する。従って、ＬＥＤ１の高出力化および高効率化が図られることになる。
次に、第１実施形態のＬＥＤ１を製造する製造プロセスについて説明する。
図４は、第１実施形態のＬＥＤ１を製造する製造プロセスを示す図である。
【００４２】
図４（Ａ）に示す第１工程では、ＭＯＣＶＤやＬＰＥ法などが用いられてｎ型ＩｎＰ基板上にｎ型ＩｎＰなどが成長させられてｎ型半導体層１１が形成される。更に、そのｎ型半導体層１１上に発光層１２とｐ型半導体層１３が積層されて半導体積層体Ｓが形成される。この第１工程が、本発明にいう積層過程の一例に相当する。
【００４３】
図４（Ｂ）に示す第２工程では、結晶エッチングによりｐ型半導体層１３と発光層１２について一部領域がエッチングされ、図３に示す菱形形状のメサＭがｎ型半導体層１１上に形成される。この第２工程が、本発明にいう活性層加工過程の一例に相当する。
【００４４】
図４（Ｃ）に示す第３工程では、第２工程で結晶エッチングによりエッチングした領域へ選択的に結晶再成長が行われることで透明絶縁層１４が形成される。更に、ｎ型半導体層１１から透明絶縁層１４に至る積層体全体の外形が、図３に示す正方形の形状にエッチングなどによって加工される。この第３工程が、本発明にいう絶縁層形成過程と本発明にいう絶縁層加工過程とを併せたものの一例に相当する。
【００４５】
図４（Ｄ）に示す第４工程では、透明絶縁層１４の上面全体とｐ型半導体層１３の上面の外縁部分とを覆うように絶縁膜１５が形成される。ｐ型半導体層１３の上面のうち絶縁膜１５に覆われていない部分は絶縁膜１５に対する貫通孔となっており、いわゆる電流注入口として用いられる。
【００４６】
図４（Ｅ）に示す第５工程では、絶縁膜１５の貫通孔を塞ぐように、絶縁膜１５上にｐ電極１６の蒸着が行われる。貫通孔を塞いだ部分のｐ電極１６はｐ型半導体層１３の上面に密着している。この第５工程が、本発明にいう電極形成過程の一例に相当する。
図４（Ｆ）に示す第６工程では、ｎ型半導体層１１の下面の一部領域にｎ電極１７の蒸着が行われる。
次に、本発明の第２実施形態について説明する。
図５は、本発明の第２実施形態を示す断面図である。
以下の説明では、第１実施形態の構成要素と同様の構成要素については同一の符号を付して重複説明を省略する。
【００４７】
第２実施形態の発光ダイオード（ＬＥＤ）２も、出力光の波長領域が１０００ｎｍ〜１６５０ｎｍの面発光型ＬＥＤであり、ＬＥＤ２の下面から出力光Ｌ１が取り出される。ＬＥＤ２の外観は、図１に示されたＬＥＤ１の外観と同様の外観となっている。
【００４８】
ＬＥＤ２は、ｎ型半導体層１１と活性層１２とｐ型半導体層１３が積層された積層構造を有しているが、透明絶縁層は有さず、活性層１２の、層が広がる方向の外形が、ＬＥＤ２の外形となっている。第２実施形態でも第１実施形態と同様に、ＬＥＤ２の外形は例えば正方形である。
【００４９】
ｐ型半導体層１３の上には絶縁膜１５が形成されており、この絶縁膜１５には第１実施形態と同様に例えば菱形の貫通孔１５ａも開いている。そして、絶縁膜１５の上にｐ電極１６が形成されて貫通孔１５ａを塞ぐようにｐ型半導体層１３の上面を覆っている。また、ｎ型半導体層１１の下面には、ｎ電極１７が形成されている。
【００５０】
このＬＥＤ２に対し、ｐ電極１６とｎ電極１７と間に電圧が印加されると、電流が活性層１２を流れて発光する。但し、活性層１２の全領域に電流が流れるわけでは無く、絶縁膜１５に開いた菱形の貫通孔１５ａに対応した菱形の領域だけに電流が流れる。その結果、図５に斜線を付して示された電流注入領域１２ｂが発光することになり、この電流注入領域１２ｂからは、第１実施形態と同様に側方光Ｌ２も放射される。
【００５１】
この第２実施形態のＬＥＤ２においては、ｎ型半導体層１１と活性層１２とｐ型半導体層１３とを併せたものが、本発明にいう半導体積層体の一例に相当する。また、活性層１２のうち電流注入領域１２ｂが、本発明にいう電流注入領域の一例に相当する。
【００５２】
第２実施形態において側方光Ｌ２を放射する電流注入領域１２ｂの形状は、第１実施形態における活性層１２の形状と同様となっている。この結果、側方光Ｌ２はＬＥＤ２と空気との界面で全反射して電流注入領域１２ｂに戻って発光に再利用される。従って、第２実施形態のＬＥＤ２でも、高出力化および高効率化が図られることになる。
次に、本発明の第３実施形態について説明する。
図６および図７は、本発明の第３実施形態を示す図である。図６には斜視図が示され、図７には図６中のＡ−Ａに沿った縦断面図が示されている。
以下の説明でも、第１実施形態の構成要素と同様の構成要素については同一の符号を付して重複説明を省略する。
第３実施形態の発光ダイオード（ＬＥＤ）３も、出力光の波長領域が１０００ｎｍ〜１６５０ｎｍの面発光型ＬＥＤである。
【００５３】
ＬＥＤ３は、ｎ型半導体層１１と活性層１２とｐ型半導体層１３が積層された積層構造を有し、ｎ型半導体層１１は、例えばｎ型ＩｎＰからなる基板部分１１ａとその上に成長させた例えばｎ型ＩｎＰからなる積層部分１１ｂとで構成されている。
【００５４】
第３実施形態では、ｎ型半導体層１１の積層部分１１ｂと活性層１２とｐ型半導体層１３は、ｎ型半導体層１１の基板部分１１ａに対していわゆるメサ（台地）状に形成され、そのメサの外形は、図６に示すように第１実施形態と同様の例えば菱形となっている。
【００５５】
メサの周囲には、活性層１２が広がる方向においてＬＥＤ３の外形を成す透明絶縁層１４が形成されている。ＬＥＤ３の外形は第１実施形態と同様の例えば正方形である。
【００５６】
第３実施形態では、ｐ型半導体層１３と透明絶縁層１４の上に直接ｐ電極１６が形成されている。また、ｎ型半導体層１１の下面には、ｎ電極１７が形成されている。ｐ電極１６とｎ電極１７との間に電圧が印加されると、電流が活性層１２の全領域を流れ、活性層１２の全領域が発光する。
【００５７】
第３実施形態では、ｎ型半導体層１１と活性層１２とｐ型半導体層１３と透明絶縁層１４とを併せたものが、本発明にいう半導体積層体の一例に相当する。また、透明絶縁層１４が、本発明にいう絶縁層の一例に相当し、活性層１２の全領域が本発明にいう電流注入領域の一例に相当する。
【００５８】
このような第３実施形態のＬＥＤ３においては、第１実施形態と同様に、活性層１２の上下方向（即ち活性層の厚さ方向）に放射された光は出力光Ｌ１として利用される。また、活性層１２が広がる方向の端部から放射された側方光Ｌ２も、第１実施形態と同様に、透明絶縁層１４と空気との界面で全反射されて活性層１２に戻って発光に再利用される。従って、第３実施形態のＬＥＤ３でも、高出力化および高効率化が図られることになる。
次に、本発明の第４実施形態について説明する。
図８および図９は、本発明の第４実施形態を示す図である。図８には斜視図が示され、図９には図８中のＡ−Ａに沿った縦断面図が示されている。
以下の説明でも、第１実施形態の構成要素と同様の構成要素については同一の符号を付して重複説明を省略する。
【００５９】
第４実施形態の発光ダイオード（ＬＥＤ）４も、出力光の波長領域が１０００ｎｍ〜１６５０ｎｍの面発光型ＬＥＤであり、ＬＥＤ４の下面から出力光Ｌ１が取り出される。
【００６０】
ＬＥＤ４は、ｎ型半導体層１１と活性層１２とｐ型半導体層１３が積層された積層構造を有し、第２実施形態と同様に、活性層１２の、層が広がる方向の外形が、ＬＥＤ４の外形となっている。第４実施形態でも第２実施形態と同様に、ＬＥＤ４の外形は例えば正方形である。
【００６１】
第４実施形態ではｐ型半導体層１３の上にｐ電極１６が形成されている。そして、ｐ電極１６の外形は、第１実施形態における活性層１２の外形や第２実施形態における絶縁膜１５の貫通孔１５ａの形と同様の例えば菱形となっている。
また、ｎ型半導体層１１の下面には、ｎ電極１７が形成されている。
【００６２】
このＬＥＤ４に対し、ｐ電極１６とｎ電極１７と間に電圧が印加されると、電流が、活性層１２のうち、菱形のｐ電極１６に対応した位置と形（菱形）の領域を流れる。その結果、図９に斜線を付して示された電流注入領域１２ｂが発光することになり、この電流注入領域１２ｂからは、第１実施形態や第２実施形態と同様に側方光Ｌ２も放射される。
【００６３】
この第４実施形態のＬＥＤ４においては、ｎ型半導体層１１と活性層１２とｐ型半導体層１３とを併せたものが、本発明にいう半導体積層体の一例に相当する。また、活性層１２のうち電流注入領域１２ｂが、本発明にいう電流注入領域の一例に相当する。
【００６４】
第２実施形態において側方光Ｌ２を放射する電流注入領域１２ｂの形状は、菱形のｐ電極１６に対応した菱形となっている。この結果、側方光Ｌ２は、第１実施形態や第２実施形態と同様に、ＬＥＤ４と空気との界面で全反射して電流注入領域１２ｂに戻って発光に再利用される。従って、第４実施形態のＬＥＤ４でも、高出力化および高効率化が図られることになる。
次に、本発明の第５実施形態について説明する。
図１０および図１１は、本発明の第５実施形態を示す図である。図１０には斜視図が示され、図１１には上面図が示されている。
【００６５】
第５実施形態の発光ダイオード（ＬＥＤ）５は、ＬＥＤ５の外形および電流注入領域の外形が６角形である点を除いて第４実施形態のＬＥＤ４と同様のＬＥＤであるため、以下では相違点に着目した説明を行い、重複説明は省略する。
【００６６】
第５実施形態のＬＥＤ５では、ｎ型半導体層１１と活性層１２とｐ型半導体層１３とが積層された積層構造の外形が例えば６角形となっている。また、ｐ型半導体層１３の上にはｐ電極１６が形成されており、このｐ電極１６の外形も例えば６角形となっている。また、ｐ電極１６の各辺１６ｂは、上記積層構造の外形が有する各頂点１２ｃに対向しているとともに、上記積層構造の外形に対するｐ電極１６の位置は、例えば中心や重心が一致した位置などのように非偏倚な位置となっている。
【００６７】
第４実施形態と同様に、第５実施形態でも、活性層１２のうちｐ電極１６の外形に対応した位置と形の電流注入領域に電流が流れて発光するので、第５実施形態における電流注入領域は図１１に示すｐ電極１６と同様な６角形となっている。そして、この６角形の各辺から側方光Ｌ２が放射され、その側方光Ｌ２は各頂点１２ｃの方向へと進むことになる。
【００６８】
外形が６角形の場合でも、各頂点１２ｃの方向へと進んだ側方光Ｌ２が上記積層構造と空気との界面（積層構造の内面）に入射する角度は全反射の臨界角（＜２０°）よりも十分に大きな角度となるので、側方光Ｌ２は上記積層構造の内面で全反射されて電流注入領域に戻ってくる。また、第５実施形態でも、ｐ電極１６に対応した電流注入領域の位置は、ＬＥＤ５の外形に対して非偏倚な位置となっているので、電流注入領域のいずれの辺から放射された側方光Ｌ２であっても同様に電流注入領域に戻ってくる。このように電流注入領域に戻って来た光は、発光に再利用されて出力光Ｌ１の一部となる。従って、第５実施形態のＬＥＤ５でも、高出力化および高効率化が図られることになる。
【００６９】
なお、この第５実施形態の説明では、第４実施形態と同様の積層構造を有するＬＥＤ６が例示されているが、６角形の外形を有するＬＥＤとしては、第１実施形態〜第３実施形態と同様の積層構造を有するＬＥＤも実現可能である。
次に、本発明の第６実施形態について説明する。
図１２は、本発明の第６実施形態を示す図である。
【００７０】
第６実施形態の発光ダイオード（ＬＥＤ）６は、第５実施形態と同様な、ｎ型半導体層１１と活性層１２とｐ型半導体層１３とが積層された積層構造と例えば６角形の外形とを有した積層体２０を、例えばｎ型ＩｎＰからなる透明基板１０上に複数有している。複数の積層体２０それぞれのｐ型半導体層１３上には、第５実施形態と同様なｐ電極１６が設けられており、透明基板１０の下面には、図示が省略されたｎ電極が設けられている。
【００７１】
各積層体２０で第５実施形態と同様に高出力化および高効率化が図られているとともに、ＬＥＤ６全体としては、複数の積層体２０によって出力光Ｌ１の更なる高出力化が図られている。
【００７２】
なお、この第６実施形態の説明では、第５実施形態と同様な積層構造と外形を有する積層体２０が例示されているが、透明基板１０上に設けられる複数の積層体としては、第１実施形態〜第４実施形態と同様の積層構造および外形を有する積層体も採用可能である。
【００７３】
次に、上述した４角形の外形や６角形の外形に替えて第１実施形態〜第４実施形態と同様の積層構造との組み合わせが可能な外形の別例について説明する。但し、説明の便宜上、活性層１２の周囲に透明絶縁層１４が設けられた積層構造を用いて説明する。
図１３は、外形の第１の別例を示す図である。
【００７４】
第１の別例では、ＬＥＤの外形を成す絶縁層１４の外形は３角形（本実施例では、二等辺３角形）となっており、発光する活性層１２の外形は逆３角形となっている。つまり、活性層１２の外形の各辺１２ａは、透明絶縁層１４の外形の各頂点１４ａに対向している。これにより、活性層１２の各辺１２ａから放射される側方光は、透明絶縁層１４と空気との界面で全反射されて活性層１２へと戻り、発光に再利用されてＬＥＤの高出力化および高効率化に寄与する。
【００７５】
ここまでに例示された実施形態では、いずれも、本発明にいう第１の多角形と第２の多角形が同数の頂点を有する例となっているが、以下では、第１の多角形と第２の多角形とが異なる数の頂点を有する例について説明する。
図１４は、外形の第２の別例を示す図である。
【００７６】
第２の別例では、ＬＥＤの外形を成す透明絶縁層１４の外形は例えば正方形であるのに対し、発光する活性層１２の外形は、各頂点が交互に外向きに凸と内向きに凸とになった８角形である。そして、この８角形が有する８つの頂点のうち、外向きに凸となっている４つの頂点１２ｄが、透明絶縁層１４の外形である例えば正方形が有する４頂点の方向を向いている。
【００７７】
また、活性層１２の各辺１２ａは、透明絶縁層１４の対向する辺に対して約３０°傾いている。このため、活性層１２の各辺１２ａから放射される側方光Ｌ２は、透明絶縁層１４と空気との界面（透明絶縁層１４の内面）に対して約３０°の入射角で入射することになり、透明絶縁層１４の内面で全反射されて活性層１２へと戻る。このように活性層１２へと戻った側方光Ｌ２は、活性層１２で再結合されて発光のエネルギーとして再利用されるのでＬＥＤの高出力化および高効率化に寄与する。
図１５は、外形の第３の別例を示す図である。
【００７８】
第３の別例では、ＬＥＤの外形を成す透明絶縁層１４の外形は例えば正方形であるのに対し、発光する活性層１２の外形は、多数の頂点を有する多角形となっている。そして、この多角形の各頂点は、交互に外向きに凸と内向きに凸とになっている。また、活性層１２の各辺１２ａは、透明絶縁層１４の対向する辺に対していずれも２０°以上傾いている。このため、活性層１２の各辺１２ａから放射される側方光は絶縁層１４と空気との界面（絶縁層１４の内面）で全反射されて活性層１２へと戻る。
【００７９】
また、活性層１２は、透明絶縁層１４に対し、例えば重心や中心が一致するなど、非偏倚な位置に設けられているので、活性層１２のいずれの辺１２ａから放射された側方光であっても、同じように活性層１２へと戻る。このように活性層１２に戻った側方光は発光に再利用されるのでＬＥＤの高出力化および高効率化に寄与する。
図１６は、外形の第４の別例を示す図である。
【００８０】
第４の別例でも、ＬＥＤの外形を成す絶縁層１４の外形は例えば正方形であるのに対し、発光する活性層１２の外形は、多数の頂点を有する多角形となっている。活性層１２の外形は、絶縁層１４の外形である例えば正方形の縦横に対して非同一となっており、図１６の縦方向が横方向よりも短くなっているが、活性層１２の各辺１２ａは、透明絶縁層１４の対向する辺に対していずれも２０°以上傾いている。このため、活性層１２の各辺１２ａから放射される側方光は絶縁層１４と空気との界面（絶縁層１４の内面）で全反射されて活性層１２へと戻る。
【００８１】
また、活性層１２の外形は、図１６の縦横方向でサイズが異なるが、活性層１２が設けられた位置は、絶縁層１４の外形である例えば正方形に対し、例えば重心や中心が一致するなど、非偏倚な位置となっているので、活性層１２のいずれの辺１２ａから放射された側方光であっても、同じように活性層１２へと戻る。このように活性層１２に戻った側方光は発光に再利用されるのでＬＥＤの高出力化および高効率化に寄与する。
次に、本発明の第７実施形態について説明する。
図１７は、本発明の第７実施形態を示す図である。
以下の説明では、第１実施形態の構成要素と同様の構成要素については同一の符号を付して重複説明を省略する。
【００８２】
第７実施形態の発光ダイオード（ＬＥＤ）７も、出力光の波長領域が１０００ｎｍ〜１６５０ｎｍの面発光型ＬＥＤであるが、第７実施形態ではＬＥＤ７の上面から出力光Ｌ１が取り出される。
【００８３】
ＬＥＤ７は、ｎ型半導体層１１と活性層１２とｐ型半導体層１３が積層された積層構造を有し、ｐ型半導体層１３上の一部領域に対し、絶縁膜１５が形成されている。ＬＥＤ７の外形は例えば正方形である。
【００８４】
ｐ型半導体層１３および絶縁膜１５の上にはｐ電極１６が形成され、ｎ型半導体層１１の下面にはｎ電極１７が形成されている。ｎ電極１７がｎ型半導体層１１の下面の全面に形成されているのに対し、ｐ電極１６は、絶縁膜１５上にワイヤボンディングのためのパッド部１６ｄが形成され、ｐ型半導体層１３上には、光取り出しのための取り出し口が広く開いた網目状の通電部１６ｃが形成されている。
【００８５】
ｐ電極１６とｎ電極１７と間に電圧が印加されると、活性層１２のうち、ｐ電極１６の通電部１６ｃの形状に対応した形状の電流注入領域（図示省略）に電流が流れて発光する。網目状の通電部１６ｃの外形は、菱形が連なった外形となっており、電流注入領域の形状も、菱形が連なった外形となる。そして、各菱形の辺は、ＬＥＤ７の外形である正方形の対向する辺に対して約４５°の角度で傾いている。
【００８６】
電流注入領域から放射された光のうち上方に放射された光は、ｐ電極１６の通電部１６ｃに開いた取り出し口から上方へと抜けて出力光Ｌ１となる。また、電流注入領域から放射された光のうち下方に放射された光は、ｎ電極１７によって反射されて上方に戻り、一部は電流注入領域に吸収されるが残りは出力光Ｌ１となる。
【００８７】
電流注入領域から放射された光のうち、活性層１２が広がる方向に向かう側方光は、上述した菱形の各辺から上述した正方形の対向する辺へと向かって放射されることになるので、側方光は、第１実施形態の場合と同様に、ＬＥＤ７と空気との界面で全反射されて活性層１２へと戻ることになる。そのように活性層１２へと戻った側方光は発光に再利用されるのでＬＥＤ７の高出力化および高効率化に寄与する。
次に、本発明の第８実施形態について説明する。
図１８は、本発明の第８実施形態を示す図である。
この第８実施形態は、透明絶縁層１４の構造が異なる点を除いて第１実施形態と同様の実施形態であるため、相違点に着目し重複説明は省略する。
【００８８】
第８実施形態の発光ダイオード（ＬＥＤ）８では、透明絶縁層１４が、活性層１２よりもバンドギャップが大きい（即ち屈折率が小さい）例えばＩｎＧａＡｓＰやＩｎＧａＡｌＡｓなどからなるコア層１４ｂと、コア層１４ｂよりもバンドギャップが大きい（即ち屈折率が小さい）例えばＩｎＧａＡｓＰやＩｎＧａＡｌＡｓなどからなるガイド層１４ｃと、ガイド層１４ｃよりもバンドギャップが大きい（即ち屈折率が小さい）ＩｎＧａＡｓＰやＩｎＧａＡｌＡｓやＩｎＰなどからなるクラッド層１４ｄを有している。
【００８９】
このような透明絶縁層１４は、図４（Ｃ）に示された第３工程で、例えばバットジョイント技術を用いた選択的な結晶再成長によってコア層１４ｂとガイド層１４ｃとクラッド層１４ｄが順次に成長されることによって形成される。
【００９０】
このような層構造の透明絶縁層１４は、活性層１２から放射される側方光Ｌ２を、活性層１２が広がる方向へと導波する平面導波路となっている。活性層１２に接したコア層１４ｂが、活性層１２よりも低屈折率で厚い層であるため、活性層１２とコア層１４ｂとで実効屈折率が近くなり、その結果、活性層１２とコア層１４ｂとの境界での光散乱が抑制される。また、相対的に高屈折率なコア層１４ｂと相対的に低屈折率なガイド層１４ｃとが積層された構造によって側方光Ｌ２はコア層１４ｂ側に閉じ込められ、さらに、相対的に高屈折率なガイド層１４ｃと相対的に低屈折率なクラッド層１４ｄとが積層された構造によって側方光Ｌ２はクラッド層１４ｄ側に閉じ込められるので、層の厚み方向への側方光Ｌ２の散逸が防止されて高い伝搬効率で側方光Ｌ２が層方向に導波されることになる。このため、側方光Ｌ２は高い効率で透明絶縁層１４と空気との界面へと導かれ、その界面で全反射された側方光Ｌ２も、高い効率で活性層１２へと導かれる。従って、側方光Ｌ２は高い効率で活性層１２へと戻り、発光に再利用されるのでＬＥＤ８の高出力化および高効率化に寄与する。
【００９１】
なお、この第８実施形態では、好ましい例として、３層構造の導波構造が示されているが、導波構造としては、例えば２層構造の導波構造であってもよいし４層以上の多層構造の導波構造であってもよい。
【００９２】
また、上記各実施形態の説明では、本発明にいう半導体積層体の例として、ＩｎＰ系の半導体材料が積層されたものが示されているが、本発明にいう半導体積層体は、ＧａＮやＧａＡｓが半導体材料として用いられたものであってもよい。
【符号の説明】
【００９３】
１，２，３，４，５，６，７，８…発光ダイオード（ＬＥＤ）、１１…ｎ型半導体層、１２…活性層(発光層)、１３…ｐ型半導体層、１４…絶縁層、１５…絶縁膜、１６…ｐ電極、
１７…ｎ電極
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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