(57)【要約】      （修正有）【課題】発光輝度のムラを抑制することができる半導体発光装置を提供する。【解決手段】半導体発光装置は、第１導電型を有する第１半導体層、活性層３、第２導電型を有する第２半導体層の積層を含む半導体積層と、半導体積層の第２半導体層表面から、第２半導体層、活性層を貫通し、第１半導体層に入り込み、側面に半導体積層を露出し、底面に第１半導体層を露出する凹部５と、第２半導体層上に形成され、凹部とその周辺に亘る開口を有する第２電極と、第２電極、第２半導体層、凹部側面の半導体積層の露出表面を覆い、凹部底面の第１半導体層を露出する絶縁膜Ｉｎｓと、凹部底面に露出する第１半導体層に接続された第１電極と、第１半導体層の活性層に対向する逆側表面上に形成された光誘導部１であって、第２電極の周辺部に対応する位置に光取り込み構造、第１電極、凹部側壁上の絶縁膜に対応する位置に光放出構造を有する光誘導部と、を有する。【選択図】図１
2015156425.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型を有する第１半導体層、活性層、第２導電型を有する第２半導体層の積層を含む半導体積層と、
前記半導体積層の前記第２半導体層表面から、前記第２半導体層、前記活性層を貫通し、前記第１半導体層に入り込み、側面に前記半導体積層を露出し、底面に前記第１半導体層を露出する凹部と、
前記第２半導体層上に形成され、前記凹部とその周辺に亘る開口を有する第２電極と、
前記第２電極、前記第２半導体層、前記凹部側面の前記半導体積層の露出表面を覆い、前記凹部底面の第１半導体層を露出する絶縁膜と、
前記凹部底面に露出する前記第１半導体層に接続された第１電極と、
前記第１半導体層の前記活性層に対向する逆側表面上に形成された光誘導部であって、前記第２電極の周辺部に対応する位置に光取り込み構造、前記第１電極、前記凹部側壁上の前記絶縁膜に対応する位置に光放出構造を有する光誘導部と、
を有する半導体発光装置。
【請求項２】
前記光誘導部が、導波層と、前記導波層と前記半導体積層との間に形成された下側層との積層を含む、請求項１に記載の半導体発光装置。
【請求項３】
前記下側層が前記導波層より低屈折率の絶縁層である、請求項２に記載の半導体発光装置。
【請求項４】
前記下側層が反射金属層である、請求項２に記載の半導体発光装置。
【請求項５】
前記光取り込み構造が前記第１半導体層の逆側表面に形成された第１凹凸構造を含み、前記光放出構造が前記導波層に形成された第２凹凸構造を含む、請求項２〜４のいずれか１項に記載の半導体発光装置。
【請求項６】
前記第２凹凸構造が、前記導波層の両面の少なくとも一方に形成されている請求項５に記載の半導体発光装置。
【請求項７】
前記活性層は、平面視において、前記導波層に重なる領域と、重ならない領域とを含む請求項２〜６のいずれか１項に記載の半導体発光装置。
【請求項８】
前記光放出構造は、平面視において、複数分散配置され、前記第１電極の中心に向って、密度が増していく、請求項２〜７のいずれか１項に記載の半導体発光装置。
【請求項９】
前記導波層は、平面視において、前記下側層と重ならない領域に開口を有する、請求項２〜８のいずれか１項に記載の半導体発光装置。
【請求項１０】
前記光誘導部は、前記導波層の上に形成され、前記導波層より屈折率の低いコーティング層を含む、請求項２〜９のいずれか１項に記載の半導体発光装置。
【請求項１１】
前記第１半導体層は、前記下側層の端部に対応する位置に溝部を有し、
前記溝部を充填する反射領域、
をさらに含む、請求項２〜１０のいずれか１項に記載の半導体発光装置。
【請求項１２】
前記導波層が導電性透明膜で形成され、
前記下側層は下側層開口を有し、前記導波層と前記第１半導体層とが接触する、
請求項１１記載の半導体発光装置。
【請求項１３】
第１導電型を有する第１半導体層、活性層、第２導電型を有する第２半導体層の積層を含む半導体積層と、
前記半導体積層を貫通する凹部と、
前記凹部側面の前記第２半導体層、前記活性層の露出表面を覆う絶縁膜と、
前記凹部において前記第１半導体層に接続され、前記第１半導体層の前記活性層に対向する逆側表面に露出する端面を有する第１電極と、
前記第２半導体層上に形成され、前記凹部とその周辺に亘る開口を有する第２電極と、
前記第２電極の開口より内側の位置において、前記第１半導体層の前記活性層に対向する逆側表面から前記第１半導体層内に形成された、平面視上ループ状の、溝部と、
前記溝部を充填する反射領域と、
前記第１半導体層の前記逆側表面上、及び前記第１電極端面上に形成された光誘導部であって、前記第２電極の周辺部に対応する位置に光取り込み構造、前記第１電極に対応する位置に光放出構造を有し、前記溝部より外側の前記第１半導体層と前記第１電極端面とを電気的に接続する導電性光導波層を含む、光誘導部と、
を有する半導体発光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体発光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体発光ダイオードは、通常、ｎ型層、活性層、ｐ型層を積層したエピタキシャル積層を含む。ｎ側電極、ｐ側電極は、エピタキシャル積層の両面に形成する場合と、エピタキシャル積層の一方の面側に形成する場合とがある。
【０００３】
ＩｎＧａＡｌＮ（以下、ＧａＮ系と呼ぶ）半導体層は、サファイア基板上に成長する場合が多い。絶縁性サファイア基板上に、ＧａＮバッファ層等を介して、ｎ型ＧａＮ系半導体層、ＧａＮ系半導体活性層、ｐ型ＧａＮ系半導体層を成長する。ｐ型層側からｎ側電極を形成するには、ｐ型層、活性層をエッチングしてｎ型層を露出する凹部を形成し、凹部底面に露出するｎ型層上にｎ側電極を形成する。ｐ側電極はｐ型層上に形成する。
【０００４】
サファイア基板は熱伝導性が低く、発光ダイオードの放熱特性を制限する。エピタキシャル層成長後、サファイア基板を剥離（分離、除去）し、放熱特性を高める構造が提案されている。エピタキシャル層上方に、放熱特性のよいシリコン基板等の支持基板を結合し、サファイア基板をレーザ光照射などで剥離する。シリコン基板等の支持基板は発光を通さないので、サファイア基板剥離前に、エピタキシャル層表面上に反射率の高いＡｇ層等を含むｐ側電極を形成し、その上方に支持基板を結合する。サファイア基板を剥離すると、ｎ型層が露出する。ｎ側電極は、サファイア基板剥離により露出したｎ型層表面上に形成することも、支持基板結合前に、ｐ型層側から形成することもできる。
【０００５】
例えば、エピタキシャル層成長後、表面に露出するｐ型層、その下の活性層をエッチングしてｎ型層を露出する凹部を形成し、凹部底面の上にｎ側電極を形成し、凹部形成の前、又は後に、ｐ型層上にｐ側電極を形成し、サファイア基板を剥離し、露出したｎ型層表面に光放出特性を向上する構造を形成する提案がある（例えば、特表２０１０−５２５５８５号、特表２０１１−５１３９５７号）。
【０００６】
ｐ型層表面から、ｐ型層、活性層を貫通し、ｎ型層に達する凹部を形成する場合、凹部領域では活性層がなくなるので発光は生じない。ｐ側電極、ｎ側電極間の短絡防止のため、凹部側面からｐ側電極を離すと、ｐ側電極外側領域の発光も減少する。凹部を形成し、凹部底面上にｎ側電極を形成する構造の場合、凹部及びその周囲においては発光が生じない、または減少する。ｎ型層、ｐ型層を入れ替えた構成においても同様の現象が生じる。凹部外側領域の電極領域においては、凹部に形成した電極と近い領域の電流密度が高くなり、平均より明るい領域が生じやすい。凹部を形成し、底面に電極を形成すると、発光面内に暗い領域、明るい領域が生じ、発光強度ムラが生じる。ムラを抑制しようとして光拡散膜等を用いると、全体的な効率の低下を生じやすい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特表２０１０−５２５５８５号公報、
【特許文献２】特表２０１１−５１３９５７号公報、
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
半導体エピタキシャル積層に凹部を形成し、凹部底面で下側の半導体層に接触する引き出し電極を形成する場合、引き出し電極周辺での発光強度が低下する。発光強度の低下を抑制できる構造が望ましい。
【０００９】
凹部周囲において、表面層上に対向電極を形成すると、引き出し電極に近い対向電極周辺部の発光強度が高くなり、明るすぎる領域が生じやすい。明るすぎる領域の発生を抑制する構造が望ましい。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
実施例によれば、
第１導電型を有する第１半導体層、活性層、第２導電型を有する第２半導体層の積層を含む半導体積層と、
前記半導体積層の前記第２半導体層表面から、前記第２半導体層、前記活性層を貫通し、前記第１半導体層に入り込み、側面に前記半導体積層を露出し、底面に前記第１半導体層を露出する凹部と、
前記第２半導体層上に形成され、前記凹部とその周辺に亘る開口を有する第２電極と、
前記凹部底面に露出する前記第１半導体層に接続された第１電極と、
前記第１半導体層の前記活性層と逆側の表面上に形成された光誘導部であって、前記第２電極の周辺部に対応する位置に光取り込み構造、前記第１電極、前記凹部側壁に対応する位置の少なくとも一部に光放出構造を有する光誘導部と、
を有する半導体発光装置
が提供される。
【発明の効果】
【００１１】
輝度ムラを抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１Ａ，１Ｂは、半導体積層から成長基板を除去した状態を示す概略断面図、及び除去した成長基板側の下側表面から見た平面図、図１Ｃ，１Ｄは、成長基板を除去した下側表面上に光誘導部を形成した状態を示す断面図、及び下側表面側から導光構造を見た平面図である。
【図２】図２Ａ〜２Ｅは、光誘導部の構成例を示す断面図である。
【図３】図３Ａ，３Ｂは、光誘導部の平面構成例を示す平面図である。
【図４−１】、
【図４−２】、および
【図４−３】図４Ａ〜４Ｋは、半導体発光装置の製造方法の主要プロセスを示す断面図である。
【図５】図５Ａ，５Ｂは、変形例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
発光ダイオードを例として、半導体発光装置の主要構成要件と主要構成要件間の関係を説明する。例えば、サファイア基板上にＧａＮ系半導体エピタキシャル積層を成長し、表面に電極を形成し、電極上に支持基板を結合した後、サファイア基板を除去する。
【００１４】
図１Ａに示すように、サファイア等の成長基板Ｓｕｂ上に、ｎ型ＧａＮ系半導体層２、活性層３、ｐ型ＧａＮ系半導体層４を含むエピタキシャル積層を成長する。活性層３は、例えば、バンドギャップの広いバリア層とバンドギャップの狭いウェル層とを交互成長し、複数のウェル層の各々をバリア層が挟むマルチカンタムウェル構造を有する。
ｐ型層４表面から、ｐ型層４、活性層３を貫通し、ｎ型層２の一部に入り込む凹部５をエッチングにより形成する。凹部５形成に先立ち、凹部を除くｐ型層４表面にｐ側電極６を形成する。ｐ側電極６表面から、凹部５側面に露出するｐ型層４、活性層３を覆う絶縁層Ｉｎｓを形成する。絶縁層Ｉｎｓは、凹部５底面は覆わず、ｎ型層２を露出する。絶縁層Ｉｎｓが画定する凹部５底面のｎ型層２上にｎ側電極７を形成する。
絶縁表面を有するＳｉ基板等の支持基板９表面に電極層を形成し、エピタキシャル層と対向配置し、熱圧着により、ｐ側電極６、ｎ側電極７に連続するｐ側接続電極８ｂ、ｎ側接続電極８ａを形成する。支持基板９を結合した後、レーザ照射などによりサファイア等の成長基板Ｓｕｂを除去する。
【００１５】
図１Ａに示す状態において、ｎ側電極７および凹部５側面上の絶縁層Ｉｎｓが存在する領域には、活性層３が存在せず、発光現象は生じない。ｎ側電極７は、光を透過しない金属層を含み、外部への出射光は生じない。活性層３、ｐ型層４が存在しても、ｐ側電極６が存在しない領域は正孔の供給が乏しく、発光輝度は低くなりやすい。従って、凹部５及びその周囲のｐ側電極６が存在しない領域ＤＡは、電子と正孔による発光性再結合が生じないか、生じにくい、暗い領域となる。半導体、酸化シリコン等の絶縁膜は、透光性を有するので、他の領域で発生した光が凹部５周囲の絶縁層、半導体層に進入することはできる。但し、そこで発生する光がないので暗い領域となる。一方、ｎ側電極７を囲むｐ側電極６周縁部上方の活性層３は、ｎ側電極７に近く、より多くの電子の供給を受け、ｐ側電極６から供給される正孔との発光性再結合により、より強い光を発生することができる。平均輝度より暗い領域ＤＡの周囲に、平均輝度より明るい領域（明るすぎる領域と呼ぶ）ＢＡが形成されると、明暗のムラがより目立ちやすい。
【００１６】
図１Ｂは、ｎ型層２側から見た平面図である。ｐ型層４表面上に形成されるｐ側電極６には、凹部５を形成するための孔が分布している。凹部５は、たとえば円形状の平面形状を有し、それぞれ光半導体積層に囲まれる。光半導体積層面内に一様に分布する、たとえば３行３列の行列状に設けられる。なお、凹部５の平面形状は、円形状に限らず、楕円状や矩形状であってもかまわない。また、分布数も３行３列に限らず、より多く設けても構わない。凹部５内にｎ側電極７を形成する。凹部５及びその周辺のｐ側電極6のない領域が暗い領域ＤＡ、明るすぎる領域ＢＡの原因となる。
【００１７】
図１Ｃは、ｎ型層２表面上に選択的に光誘導部１を形成した状態の断面図を示す。ｎ型層２より下の構造は、図１Ａと同様である。図１Ｄは、１つの光誘導部１の平面図である。光誘導部１は、暗い領域ＤＡ、その周囲の明るすぎる領域ＢＡ上に延在する。
光誘導部１は、明るすぎる領域ＢＡから光を取込み、暗い領域ＤＡで光を放出する。明るすぎる領域ＢＡの輝度を抑制し、暗い領域ＤＡの輝度を向上し、共に平均輝度に近づける。結果として、明暗のムラが目立たなくなる。明るすぎる領域ＢＡで半導体層から光を取り込むために、半導体層表面における光の反射率を低下させる。半導体層表面での反射率を低下し、透過率を向上させる構造として、表面に凹凸構造を形成する技術がある。例えばマイクロコーン等と呼ばれる凹凸構造を形成する技術である（例えば特願２０１２−２７２２８９号、図１〜図２−７、実施例の開示参照）。凹凸構造を覆って、透明材料層を形成すると、半導体層から出射した光を、導波構造を構成する透明材料層に取込む光取り込み構造を形成することができる。導波構造の上面に凹凸構造を形成して、効率的に光を外部に取り出す光放出部を形成することもできる。
【００１８】
導波構造として、高屈折率透明材料を低屈折率透明材料で囲む構造が、光ファイバ等で用いられている。高屈折率領域を低屈折率領域が囲む光学的界面は、高屈折率領域内を進行する、臨界角以上の入射角を有する光を全反射する。
【００１９】
半導体層上に、低屈折率層と高屈折率層とを積層して、光が高屈折率層の上下両面で全反射を繰り返す導波構造を形成することができる。高屈折率層上の雰囲気（空気）は、屈折率１の低屈折率領域を構成する。高屈折率層の上にも低屈折率層を形成すれば、全反射導波機能をより確実にすることができる。低屈折率層の代わりに高反射率金属層を用いることも可能である。例えば、Ａｇ，Ａｌ，Pｔ，Rh等の高反射率金属層を導波層の下に配置して光を鏡面反射させることができる。
【００２０】
図２Ａ−２Ｅを参照して、光取り込み構造と光放出構造を有する光誘導部の構成例を以下に説明する。光誘導部は、非発光領域上に形成された低屈折率層１４と、該低屈折率層１４を覆う、低屈折率層より高屈折率の導波層１２を含んで構成できる。導波層１２は半導体層２のｐ側電極６が形成されている領域上方に光取り込み部１１を有する。光取り込み部１１は半導体層２から導波層１２への光の進入を可能とする領域であり、例えば導波層１２と半導体層２との界面を凹凸形状とする。発光面上の他の領域にも形成された、光取り出し効率向上のための構造物をそのまま利用できる。
【００２１】
さらに導波層１２は光放出部１３を非発光領域上に備える。光放出部は半導体層２上の構造物と同様に導波層１２表面に凹凸を形成することで導波層１２内を伝播してきた光を効率よく発光素子の外部へ取り出すことができる。導波層１２は低屈折率層１４および発光素子の外部媒体（大気、封止樹脂など）よりも高い屈折率を有する材料で構成される。光取り込み部から進入した光は、低屈折率層１４および外部媒体との界面で全反射を繰り返して、導波層１２内を進行し、反射による光量減少なしに光放出部から発光素子1の外部へ放出される。これにより非発光領域上からも光が出射する。
【００２２】
低屈折率層１４には導波層１２よりも低い屈折率を有する透明体、例えば透明酸化物、窒化物、樹脂を用いることができる。特にSiO2、Al2O3等の透明酸化物は半導体製造に用いられる一般的な材料の中でも比較的屈折率が低く、添加剤により屈折率を任意に制御することも可能である。表面平坦性も制御しやすく、導波層１２との密着性もよい。
【００２３】
低屈折率層１４は発光面の非発光領域上に形成される。導波層１２との界面で光を効率よく反射（屈折率の差による全反射）させるために、導波層１２との界面、すなわち低屈折率層１４の表面は高い平坦性を有することが好ましい。低屈折率層１４の膜厚は十分な反射率を確保するために発光波長よりも十分に厚くすることが好ましい。青色光(λp = ４５０ｎｍ)であれば例えば６００ｎｍ以上の膜厚とするのがよい。
【００２４】
非発光領域上で導波層１２内を伝播する光は全反射され、再び半導体層２へ戻ることなく、光放出部１３まで届けられる。導波層１２は低屈折率層１４よりも高い屈折率を有する透明体、例えば透明酸化物、窒化物、樹脂を用いることができる。例えば、低屈折率層１４にＳｉＯ２を用いた場合は、添加剤により低屈折率層１４よりも高屈折率に調整されたSiO2膜を用いることができる。他にＡｌ２Ｏ３、Ｉｎ２Ｏ３、ＺｎＯ、ＳｎＯ２、ＴｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４  もしくはこれらの固溶体などの透明酸化物はＳｉＯ２よりも屈折率が高くまた密着性も良好である。膜厚に関しても低屈折率層１４と同様の理由から例えば６００ｎｍ以上とするのが好ましい。
【００２５】
光取り込み部１１は半導体層からの光を導波層１２内に効率よく取り込む役割を有する。光取り出し効率向上のために発光面全域に形成した構造物を光取り込み部としても利用している。構造物が導波層１２で覆われた領域において、光を導波層１２内へ効率的に取り込む。ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｉｎ２Ｏ３、ＺｎＯ、ＳｎＯ２、ＴｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４  等多くの透明酸化物は半導体層２の主材料であるIII族窒化物よりも低い屈折率を有する。そのため半導体層２の表面に凹凸加工を施して導波層１２と半導体層２との界面で全反射する光の量を低減することが好ましい。
【００２６】
光取り込み部は発光に有効な活性層３の上方、即ちｐ側電極６が形成されている領域上方のｎ型層２の活性層３と逆側の表面に形成する。好ましくはｎ側電極７と最も近接した領域のｐ側電極６の周縁領域を含むように形成する。両電極６，７が半導体積層の同一面側に形成された発光素子では両電極間距離の短い、ｐ側電極６の周縁部に電流が集中しやすく、他の領域よりも強く発光しやすい。発光強度のより強い領域から一部の光を光誘導部１により非発光領域上へ送ることで発光強度の均一化がより簡単に実現される。
【００２７】
光取り込み部は、光を導波層１２内に効率よく取り込むことが可能な構成であれば上記のような構造物（凹凸平面）によるものに限らない。例えば、導波層１２がTiO2のように、半導体層２の材料（III族窒化物）よりも屈折率の高い材料であれば、導波層１２が半導体層２の平坦な表面に接して形成される構成でも良い。
【００２８】
図２Ａに示すように、例えば、ｐ側電極6を形成する全領域にマイクロコーン等の凹凸構造１１を形成する。ｎ型半導体層２の暗い領域から明るすぎる領域を覆うように、酸化シリコン等の透明導波層１２を形成する。透明導波層１２とマイクロコーン等の凹凸構造１１とが接する部分が光取り込み構造を形成する。ｎ型半導体層２の暗い領域には凹凸構造は形成せず、ｎ型半導体層２と透明導波層１２との間に、低屈折率層１４を形成する。低屈折率層１４は屈折率の低い酸化シリコン等で形成できる。透明導波層１２は、相対的に高屈折率層となる。低屈折率層
上に高屈折率層を形成した構造は、全反射導波機能を有する。
【００２９】
凹凸構造を有する半導体層上に形成された高屈折率導波層は、半導体層から光を取込み、その一部は外部に出射させず、高屈折率導波層内を進行させる。明るすぎる領域の輝度を減少させることができる。低屈折率層１４上の高屈折率の透明導波層１２中を進行する光は、入射角が臨界角以上であれば、低屈折率層１４との光学的界面で全反射する。透明導波層１２の外部が空気（屈折率１）であれば、臨界角は小さくなり、全反射を生じる光学的界面を形成する。繰り返し全反射で進行する光は、原理的に減衰しない。
【００３０】
透明材料として、例えば、以下のような材料が知られている。波長４５０ｎｍでの屈折率をカッコ内に表記する。ＳｉＯ２（１．４７），Ａｌ２Ｏ３（１．７８），Ｉｎ２Ｏ３（１．８８）、ＺｎＯ（１．９５），ＳｎＯ２（２．００），Ｓｉ３Ｎ４（２．０６），ＧａＮ（２．４７），ＴｉＯ２（２．６７）。表記した屈折率は代表的なものである。例えば酸化シリコンは、製造プロセスなどによって屈折率を広範囲で変化できる。これらの材料から、高屈折率材料、低屈折率材料を選択することができる。
【００３１】
透明導波層１２の上面に凹凸構造１３を形成して、入射角を変化させ、透明導波層12を進行してきた光を外部に放出させることができる。暗い領域の透明導波層１２に凹凸構造を形成することにより、導波してきた光を出射させ、暗い領域の輝度を向上させることができる。明るすぎる領域の輝度を減少させ、暗い領域の輝度を向上させることにより、輝度のムラを減少させ、より均一な照明を可能にする。
【００３２】
光放出のための凹凸構造は従来より公知の技術にて作製できる。例えば、透明導波層12の所望領域が開口されたフォトレジストパターンを表面に形成後、前記開口領域の透明導波層12をドライエッチングもしくはウエットエッチングにより一部除去することにより開口領域が凹部となる凹凸パターンを得ることができる。もしくは前記フォトレジストパターンを形成し、再度透明導波層12と同じ材料の層を成膜後、フォトレジストパターンと共に不要領域の層を除去(リフトオフ)することで開口領域が凸部となる凹凸パターンを得ることができる。  
【００３３】
図２Ｂに示すように、低屈折率層１４の代わりに、高反射率の金属層１５を形成することもできる。入射角の制限なしに、金属表面で高い反射率を得ることができる。高反射率の金属としては、Ａｇ，Ａｌ，Ｐｔ，Ｒｈこれらの合金、これらの積層構造等を用いることができる。
【００３４】
図２Ｃに示すように、図２Ａの構成において、半導体層の表面に透明な絶縁保護膜１６を形成し、その上に低屈折率膜１４、高屈折膜１２を形成することもできる。絶縁保護膜１６としては酸化シリコン膜等を用いることができる。
【００３５】
図２Ｄに示すように、図２Ｃの構成に加え、高屈折率の透明導波層１２の上に、相対的に屈折率が低い低屈折率膜１７を形成することもできる。高屈折率導波層１２との組み合わせにより安定な全反射構造を構成できる。例えば、下側の低屈折率膜１４と同じ材料で上側の低屈折率膜１７を形成する。高屈折率導波層１２上下面における全反射の条件が揃う。なお、半導体層２表面の絶縁保護膜１６を省略することもできる。
【００３６】
図２Ｅに示すように、半導体層２の暗い領域表面に凹凸構造１８を形成し、その上に低屈折率層１４を形成することもできる。凹凸構造を転写させ、低屈折率層１４の上側表面にも凹凸構造１３ｂを形成する。ＳＯＧ（スピンオングラス）膜を用いること等により、高屈折率層１２の表面は平坦にすることもできる。暗い領域における高屈折率導波層１２の上面に凹凸構造１３ａを形成する。高屈折率導波層１２の上に低屈折率膜１７を形成し、対称的な構成とすることもできる。高屈折率導波層１２下面、上面の凹凸構造により、導波された光を外部に放出させる。上面の凹凸構造１３ａを省略することもできる。
【００３７】
また、凹凸表面による光取り込み部であれば、半導体層２と導波層１２との間に薄い保護膜（前記絶縁保護膜16）を挿入しても構わない。保護膜は従来から発光素子の信頼性向上のためによく用いられ、一般的にはSiO2などの屈折率の低い絶縁材料が利用されるが、凹凸表面とすれば導波層１２への光取り込みの効率を損なうことはない。
【００３８】
光放出部は導波層１２内を伝播してきた光を外部へ放出する役割を有する。導波層１２表面に設けられた凹凸により光が外部へ放出される。すなわち、光が全反射の臨界角よりも小さい入射角度で光放出部斜面に入射するため導波層１２外部へ放出される。
【００３９】
図３Ａ，３Ｂは、光誘導部の平面構成例の平面図である。図3Aでは非発光領域（低屈折率層１４）上に複数の光放出部１３が配置されている。低屈折率層１４上の光放出部１３は、光取り込み部から離れ、暗い領域の中心に近づくに従って密に配置される。光誘導部からの発光（光放出）がなるべく均一となるようにするのが好ましい。光取り込み部が設けられた領域上にも一部の光放出部が配置され、低屈折率層１４の領域とほぼ同量の光が放出されるようにされている。これにより発光素子の発光強度分布が更に均一なものとなる。
【００４０】
以下、高屈折率の導波層を上層、低屈折率の下側層を下層と呼ぶことがある。図３Ａにおいては、上層１２はp側電極６の端部領域の全てに設けている。図３Ｂに示すように、p側電極６の端部領域の一部に開口を設ける、すなわち半導体層２表面の一部を露出させる構成としてもよい。この場合、光取り込み部上の光誘導部には光放出部を省略することも適度な密度で設けることもできる。
【００４１】
以下、図４Ａ〜図４Ｋを参照して、半導体発光装置の製造方法を、説明する。図４Ａ〜図４Ｋは、半導体発光装置を製造する様子を示す、図１Ｂの線ＡＡ‘に沿う断面図である。
【００４２】
図４Ａに示すように、Ｃ面サファイア基板の成長基板Ｓｕｂを準備し、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法を用いてＧａＮ系半導体からなる光半導体積層２０を形成する。具体的には、まず、成長基板Ｓｕｂをサーマルクリーニングして、ＧａＮからなるバッファ層２１を成長する。続いて、Ｓｉ等をドープしたｎ型ＧａＮからなるｎ型半導体層２、井戸層（ＩｎＧａＮ）および障壁層（ＧａＮ）を含む多重量子井戸構造からなる活性層（発光層）３、および、Ｍｇ等をドープしたｐ型ＧａＮからなるｐ型半導体層４を順次成長して光半導体積層２０を形成する。
【００４３】
なお、成長基板Ｓｕｂは、ＧａＮ結晶と格子整合する結晶面を有する単結晶基板であり、後段のレーザリフトオフ工程（図４Ｉ参照）において成長基板を剥離できるように、ＧａＮ結晶の吸収端波長である３６２ｎｍの光に対して透明なものから選択される。サファイア以外に、スピネル、ＺｎＯ等を用いることができる。
【００４４】
また、光半導体積層２０において、ｎ型半導体層２と活性層３との間に、ＩｎＧａＮ層およびＧａＮ層を含む超格子構造からなる歪緩和層を成長してもかまわない。さらに，活性層３とｐ型半導体層４との間に、ｐ型ＡｌＧａＮからなるクラッド層を成長してもかまわない。
【００４５】
図４Ｂに示すように、光半導体積層２０表面（ｐ型半導体層４表面）にp電極６を形成する。p電極６は主に金属多層膜からなり、例えば、半導体膜上の層厚１００ｎｍのＡｇ層からなる光反射層、該光反射層上のＴｉＷ（２５０ｎｍ）／Ｔｉ（５０ｎｍ）／Ｐｔ（１００ｎｍ）／Ａｕ（１０００ｎｍ）／Ｔｉ（３０ｎｍ）からなるキャップ層で構成される。光反射層と半導体膜との間には電気的な接触性を向上させる、膜厚50nm程度の薄いITOなどで構成された透明オーミック層を挿入してもよい。p電極６に用いられる各層は電子ビーム蒸着法、スパッタ法、抵抗加熱蒸着法等、一般的な方法を用い形成され、フォトリソグラフィ技術を利用したリフトオフ法により開口６ｈを有する所望形状にパターニングされる。
【００４６】
図４Ｃ示すように、レジストマスク及び塩素ガスを用いたドライエッチング法により、光半導体積層２０の、ｐ側電極６の開口部６ｈ内の凹部に対応する領域をエッチングし、凹部５を形成する。凹部５はｐ型半導体層４および活性層３を貫通して形成されており、凹部５の底面にはｎ型半導体層２が露出する。これにより、光半導体積層２０に、凹部５に対応する凹領域５ｎと、凹領域５ｎ以外の領域である凸領域５ｐと、が画定される。
【００４７】
図４Ｄに示すように、ｐ側電極６および光半導体積層２０の凹部５側面を覆う透明絶縁層Ｉｎｓを形成する。まず、ｐ側電極６上および光半導体積層２０の凹部５内に、スパッタ法などにより、膜厚３００ｎｍのＳｉＯ２膜を成膜する。続いて、レジストマスクおよびＣＦ４／Ａｒ混合ガスを用いたドライエッチング法により、ｐ側電極６の上面一部および凹部５の底面部に位置するＳｉＯ２膜をエッチングし、透明絶縁層Ｉｎｓの開口を形成する。このとき、凹部５の底面には、ｎ型半導体層２が露出する。また、ｐ側電極６の一部も露出する。透明絶縁層Ｉｎｓとしては、ＳｉＯ２のほかに、Ｓｉ3Ｎ4を用いることができる。
【００４８】
図４Ｅに示すように、光半導体積層２０の凹部５内に、ｎ型半導体層２に接触するｎ側電極７を形成する。透明絶縁層Ｉｎｓ上および凹部５内のｎ型半導体層２が露出する領域に、電子ビーム蒸着法やスパッタ法などにより、Ｔｉ（１ｎｍ）／Ａｇ（２００ｎｍ）／Ｔｉ（１００ｎｍ）／Ｐｔ（２００ｎｍ）／Ａｕ（２００ｎｍ）を含む金属多層膜を成膜する。続いて、当該金属多層膜を、リフトオフ法などによりパターニングして、柱状のｎ側電極７を形成する。ｎ側電極７に用いられる部材は、接触抵抗が低い、たとえば１×１０−４Ωｃｍ２以下であることが望ましく、また、光反射性を有することが好ましい。なお、ｎ側電極７は、図４Ｆに示す工程において、ｎ側接続電極８ｂと一体的に形成してもかまない。
【００４９】
図４Ｆに示すように、ｎ側電極７および透明絶縁層Ｉｎｓ上に形成され、ｐ側電極６が一部露出する領域でそのｐ側電極６と電気的に接続するｐ側接続電極８ａ、および、ｎ側電極７と電気的に接続するｎ側接続電極８ｂを含む接続電極層８、および第１接合層１０ａを形成する。
【００５０】
まず、透明絶縁層Ｉｎｓ上および光半導体積層２０のｎ側電極７上に、電子ビーム蒸着法やスパッタ法などにより、Ｔｉ（５０ｎｍ）／Ｐｔ（１００ｎｍ）/Ａｕ（１００ｎｍ）からなる接続電極層８および第１接合層１０ａを成膜する。
【００５１】
続いて、接続電極層８および第１接合層１０ａを、リフトオフ法などによりパターニングして、ｐ側接続電極８ａ、および、ｎ側接続電極８ｂに分離する。これによりｐ側電極６と電気的に接続するｐ側接続電極８ａおよびｎ側電極７と電気的に接続するｎ側接続電極８ｂを含む接続電極層８が形成される。また、ｐ側接続電極８ａ、および、ｎ側接続電極８ｂに対応する領域を有する第１接合層１０ａが形成される。
【００５２】
図４Ｇに示すように、レジストマスク及び塩素ガスを用いたドライエッチング法により、光半導体積層２０の一部をエッチングして、光半導体積層２０を所望のサイズに分割する。以下、便宜的に、成長基板Ｓｕｂ上に光半導体積層２０から第１接合層１０ａまでが形成された構造体を、デバイス構造体１０２と呼ぶこととする。
【００５３】
図４Ｈに示すように、表面に第２接合層１０ｂが形成された支持基板９を準備する。支持基板９として、熱膨張係数がサファイア（７．５×１０−６／Ｋ）やＧａＮ（５．６×１０−６／Ｋ）に近く、熱伝導率が高い部材を用いることが好ましい。例えば、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｍｏ、ＣｕＷ、ＡｌＮ等を用いることができる。支持基板９にＳｉ基板を用いた場合、たとえば、当該Ｓｉ基板の表面を熱酸化させることにより、ＳｉＯ２からなる絶縁膜９ａを形成する。
【００５４】
その後、支持基板９（絶縁膜９ａ）上に、スパッタ法などによりＴｉ／Ｎｉ／Ａｕ／Ｐｔ／ＡｕＳｎ（Ｓｎ：２０ｗｔ％）からなる金属多層膜を成膜し、フォトリソグラフィ法やリフトオフ法などによりパターニングして、第１・第２融着領域３０ａ，３０ｂを含む第２接合層１０ｂを形成する。なお、第１・第２融着領域３０ａ，３０ｂは、相互に電気的に分離するようにパターニングされる。また、第２接合層１０ｂ（金属多層膜の最上膜）と、それに接合する第１接合層１０ａに用いられる部材は、融着接合が可能な、Ａｕ−Ｓｎ、Ａｕ−Ｉｎ、Ｐｄ−Ｉｎ、Ｃｕ−Ｉｎ、Ｃｕ−Ｓｎ、Ａｇ−Ｓｎ、Ａｇ−Ｉｎ、Ｎｉ−Ｓｎ等を含む金属や、拡散接合が可能なＡｕを含む金属を用いることができる。
【００５５】
図４Ｉに示すように、既に作製したデバイス構造体１０２と準備した支持基板９とを、第１・第２接合層１０ａ，１０ｂが対向接触するように配置し、３ＭＰａで加圧しながら３００℃に加熱した状態で、１０分間保持する。なお、デバイス構造体１０２と支持基板９とは、ｐ側接続電極８ａ（図４Ｆ）および第１融着領域３０ａ（図４Ｈ）が対向接触し、ｎ側接続電極８ｂ（図４Ｆ）および第２融着領域３０ｂ（図４Ｈ）が対向接触するように、配置される。続いて、室温まで冷却して、第１・第２接着層１０ａ，１０ｂを融着接合する（融着層１０）。
【００５６】
その後、レーザリフトオフ法により、光半導体積層２０と成長基板Ｓｕｂとを分離する。具体的には、成長基板Ｓｕｂ側から光半導体積層２０にＫｒＦエキシマレーザ光（波長：２４８ｎｍ，照射エネルギ密度：８００〜９００ｍＪ／ｃｍ２）を照射し、バッファ層２１を熱分解する。これにより、成長基板Ｓｕｂと光半導体積層２０とが分離する。
【００５７】
その後、バッファ層２１（ＧａＮ結晶）の熱分解で発生したＧａを熱水などで除去し、塩酸や水酸化ナトリウムなどで光半導体積層２０表面（バッファ層２１およびｎ型半導体層２の一部）をエッチングする。これにより、図４Ｊに示すように、光半導体積層２０のｎ型半導体層２が露出する。
【００５８】
図４Ｋに示すように、光半導体積層２０のｎ型半導体層２表面の所望領域に、いわゆるマイクロコーン構造層１１を形成する。マイクロコーン構造層１１を形成する場合には、たとえば、ｎ型半導体層２表面を、ＴＭＡＨ（水酸化フェニルトリメチルアンモニウム）水溶液（温度約７０℃，濃度約２５％）などによりウエットエッチングすればよい。ウエットエッチング時、マイクロコーン構造を形成しない凹部及びその周辺の領域をレジストマスクで覆うことで前記領域の平坦性が維持される。
【００５９】
以降、前述の説明の通り、n型半導体層２表面の所望領域に光誘導部１を形成し、半導体発光装置を製造する。
【００６０】
図５Ａ，５Ｂは変形例を示す。これらの変形例においては、半導体層中の非発光領域周縁の少なくとも一部に、溝部８０を形成し、溝部８０に半導体層よりも低い光屈折率を有する材料、もしくは光反射率の高い材料を充填する。
【００６１】
下層１４に使用される材料が半導体層よりも高い光屈折率である場合は必要ない構成であるが、現実的にはそのような透明材料は少ない。そのため、半導体層を下層１４下面に向かって進行してきた光は半導体層と下層１４との界面で反射し、半導体層を下方に進行する光は半導体層とｎ側電極７との界面でも反射する。反射を繰り返すと、光強度は減少する。半導体層２０やｎ側電極７に吸収される成分もある。
【００６２】
上記のような、半導体層内に閉じ込められ、発光素子外への取り出しが難しくなってしまった光を有効に取り出すことを検討した。以下、光を反射させる溝部を用いた構成について説明する。
【００６３】
図５Ａに示すように、溝部８０は下層１４下面に向かう光を光抽出の役割を担う凹凸構造１１へ反射する役割を有する。具体的には溝部８０は半導体層（n型半導体層２）の一部がエッチング処理等で除去された凹部にたとえばＩＴＯが充填された構成を有する。溝部８０は下層１４もしくはｎ側電極７を囲むように、凹凸構造１１の内側（ｎ側電極７側）に設けられる。
【００６４】
III族窒化物半導体を主材料とする発光素子であれば、光誘導部１に用いられるいずれの材料も光屈折率が半導体層２０（III族窒化物半導体）よりも低く、臨界角以上で溝部８０の表面に入射する光を全反射にて効率よく凹凸構造１１へ反射できる。また、光誘導部１の下層１４もしくは高屈折率導波層１４と同一の材料とすれば、いずれかの成膜工程において同時に前記凹部内へ材料を充填し、溝部８０を形成できるため、製造・コストの観点から好ましい。上記以外にも、それぞれの光が溝部８０に反射される回数は少ないので、材料は透明酸化物ではなくＡｇ、Ｐｔ、Ａｌ、Ｒｈ等、光反射率の高い材料を用いても高い効果を期待できる。
【００６５】
溝部８０は、ｎ側電極７の全周囲に配置することも電流経路確保のために一部だけに設けるような配置とすることもできる。図５Ａでは半導体層の発光面側から反対の面に向かって溝部８０を形成しているが、逆に電極６，７形成面側から発光面に向かって形成された凹部でも良い。さらに、前述のように溝部80を設ける領域を一部のみとし、電流経路を確保している場合は、溝部８０が半導体層を貫通する構成とすることもできる。溝部８０が活性層３を貫通し、p型半導体４とn型半導体２に跨って形成される場合は、例えばＳｉＯ２のような絶縁材料で溝部８０を充填する。
【００６６】
ＳｉＯ２等の光屈折率の低い材料を溝部８０に用いれば光が全反射する角度範囲が広がるため更に多くの光を光誘導部１へ導くことができる。しかし、ＳｉＯ２等の絶縁体を用いる場合は半導体層２０中の電流経路を制限することになり、発光素子の順方向電圧の上昇につながる場合がある。また、ITO、Ａｇ等導電性材料を利用した場合も電気的な接触が良好でなければある程度の電気抵抗が加わる可能性が考えられる。
【００６７】
そこで、上層１２を導電性を有する材料、例えばITO、で構成し下層１４の一部に開口部８１を設けて半導体層の表面が露出した構成とすることができる。本変形例においては上層１２と半導体層とは下層１４の開口部において電気的接触を有するように形成され、互いに電流の流入出が可能となっている（間に絶縁層などを挟まない）。これにより破線で示した新たな電流経路Ｉが形成され、溝部８０の導入で制限された電流経路分の順方向電圧上昇を補完できる。上層１２中を通る電流経路とすることで、電流は光抽出の役割を担う凹凸構造１１の直下に集中しやすくなり、凹凸構造１１直下の発光強度が強くなる。従って、例えば、凹凸構造１１の位置をp側電極６端部から離して設けるなどしても、常に発光の強い領域の直上に光抽出部が形成されることになり、光誘導部設計時の自由度が広がる。
【００６８】
上記変形例では開口部から半導体層２０の表面が露出する構成となっていた。前述のように光誘導部１に用いられる材料の多くはIII族窒化物半導体よりも光屈折率が低く、上層１２中を伝播し、開口部に露出した半導体層２０の表面に到達した光は、再び半導体層２０中に戻る可能性が高い。
【００６９】
図５Ｂは、光誘導部１から半導体層２０への光の再進入を防止し、且つ上層１２内の電流通過を許容する構成を示す。開口部の表面を、半導体層ではなく光反射性の導電性材料で構成する。具体的にはAｇ、Al、Pt、Rh等の青色光に対して反射率の高い導電性金属材料が好ましい。例えば、ｎ側電極７が半導体層を貫通する構成としｎ側電極７に用いるAgを開口部８１から露出させようにする。半導体層２０へ光が再進入するのを防ぐだけでなく、電流が比較的電気抵抗の高い半導体層を通過することなく上層１２から直接ｎ側電極７へ流れるため順方向電圧の低下も期待できる。開口部の露出表面の形態はこれに限らず、単純に開口部の半導体層の表面にAg等の光反射性の導電性材料で覆った構成でもよい。
【００７０】
上層１２の開口部の反対側、すなわち光反射性の導電性材料の直上に光放出手段を形成することが好ましい。
【符号の説明】
【００７１】
１      光誘導部、
２      ｎ型半導体層、
３      活性層、
４      ｐ型半導体層、
５      凹部、
６      ｐ側電極、
７      ｎ側電極、
８      接続電極、
９      支持基板、
Ｉｎｓ      絶縁膜、
Ｓｕｂ      成長基板、
ＤＡ      暗い領域、
ＢＡ      明るい（明るすぎる）領域、
１１，１３      凹凸構造、
１２      高屈折率層（光導波層）、
１４      低屈折率層(下側層)、
１６，１７      低屈折率膜（絶縁保護膜）、
１８      凹凸構造
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４−１】
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【図４−２】
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【図４−３】
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【図５】
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