(57)【要約】【課題】界面での光の屈折率差を低減して光の取り出し効率を向上することができる半導体発光素子を提供すること。【解決手段】発光する光に対して透明性を有する基板１と、その一方の面に設けられて少なくともｐ型とｎ型の窒化ガリウム系化合物半導体を積層してなる半導体層２，４と、ｐ型の半導体層４に設けられてｐ型の半導体層４と電気的に導通してなるｐ層電極５ｂと、所定の領域のｐ型の半導体層４とｎ型の半導体層２の一部を除去して露出させたｎ型の半導体層２に設けられてｎ型の半導体層２と電気的に導通してなるｎ層電極５ａとを有する半導体発光素子。基板１は、その他方の面に半導体層２，４の積層面側から基板の露出面側の方向に向かって屈折率が小さくなる透明層６を備えたことを特徴とする半導体発光素子。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光する光に対して透明性を有する基板と、前記基板の一方の面に設けられて少なくともｐ型とｎ型の窒化ガリウム系化合物半導体を積層してなる半導体層と、ｐ型の半導体層に設けられてｐ型の半導体層と電気的に導通してなるｐ層電極と、所定の領域のｐ型の半導体層とｎ型の半導体層の一部を除去して露出させたｎ型の半導体層に設けられてｎ型の半導体層と電気的に導通してなるｎ層電極と、を有する半導体発光素子において、
前記基板は、その他方の面に前記半導体層の積層面側から基板の露出面側の方向に向かって屈折率が小さくなる透明層を備えたことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
前記透明層は、前記基板の前記半導体層の積層面側から透明層の積層面側に向かって不純物濃度を連続的に変化させたガラスからなる請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記透明層は、前記基板の前記半導体層の積層面側から透明層の積層面側に向かって不純物濃度を連続的に変化させた樹脂からなる請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項４】
請求項１乃至３いずれかに記載の半導体発光素子を支持体にフリップチップ接合してなる半導体発光装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体発光素子に関し、特に半導体層に電圧を印加するための電極をそれぞれ基板の同一面側に形成した構造を有する半導体発光素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の半導体発光素子として、例えば、特開平１１−４０８４８号公報（特許文献１）に提案されているものがあり、これを図３に示す。図３は側面断面図である。このものは、発光する光に対して透光性を有するサファイアからなる支持基板１０１に窒化ガリウム（ＧａＮ）からなるバッファ層１０２を積層し、次いでｎ型の導電型を有するＧａＮ層１０３及び窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）からなる発光層１０４とを順に積層し、さらにｐ型の導電型を有する窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）層１０５ａ及びＧａＮ層１０５ｂを順に積層したダブルへテロ構造をなしている。
【０００３】
このうち、ｎ型の導電型を有するＧａＮ層１０３は、発光層１０４、ｐ型ＡｌＧａＮ層１０５ａ、ｐ型ＧａＮ層１０５ｂの一部及び除去されたｐ型ＡｌＧａＮ層１０５ａの直下にあるｎ型ＧａＮ層１０３の表層を除去することにより階段状に形成されており、その露出した部位には、チタン（Ｔｉ）、金（Ａｕ）、マグネシウム（Ｍｇ）からなるｎ電極１０６が形成されている。
【０００４】
また、ｐ型の導電型を有するＧａＮ層１０５ｂの上面には、マグネシウム（Ｍｇ）、金（Ａｕ）からなるｐ電極１０７が形成されている。
【０００５】
さらに、このｎ電極１０６及びｐ電極１０７に金（Ａｕ）からなるバンプ１０８が形成されている。
【０００６】
そして、リードフレーム（図示せず）とバンプ１０８とを溶着してこの半導体発光素子をフリップチップ接合することにより、発光層１０４から放射される光を支持基板１０１側から直接取り出すことができる構造になっている。
【０００７】
したがって、この半導体発光素子によれば、支持基板１０１側から発光する光を直接取り出すことができ、電極形成側（図３の下方向）から光を取り出す構造と比較してｎ電極１０６及びｐ電極１０７で吸収される光を減少させることができるので、光の取り出し効率を向上することができるのである。
【０００８】
【特許文献１】
特開平１１−４０８４８号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような半導体発光素子においても、発光する光に対する支持基板１０１の屈折率、すなわち、サファイアの屈折率ｎ１（ｎ１＝１．７７）は、大気の屈折率ｎ２（ｎ２＝１．０）に対して大きいためバッファ層１０２と支持基板１０１との界面で臨界角θ（θ＝ｓｉｎ−１（ｎ２／ｎ１））が小さくなり、全反射される光が増加して光の取り出し効率が制限を受けてしまう。
【００１０】
本発明は、上記の点に鑑みてなしたものであり、その目的とするところは、界面での光の屈折率差を低減して光の取り出し効率を向上することができる半導体発光素子を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に係る発明の半導体発光素子は、発光する光に対して透明性を有する基板と、前記基板の一方の面に設けられて少なくともｐ型とｎ型の窒化ガリウム系化合物半導体を積層してなる半導体層と、ｐ型の半導体層に設けられてｐ型の半導体層と電気的に導通してなるｐ層電極と、ｐ型の半導体層の一部を除去して露出させたｎ型の半導体層に設けられてｎ型の半導体層と電気的に導通してなるｎ層電極と、を有する半導体発光素子において、前記基板は、その他方の面に前記半導体層の積層面側から基板の露出面側の方向に向かって屈折率が小さくなる透明層を備えたことを特徴としている。
【００１２】
この構成により、基板と透明層との界面及び透明層と大気との界面での屈折率差が小さくなり、それぞれの界面における光の臨界角は、基板と大気との界面における臨界角と比較して大きくなり、その結果、透明層と大気との界面での全反射する光の量は減少するので、半導体発光素子からの光の取り出し効率を向上することができる。
【００１３】
請求項２に係る発明の半導体発光素子は、請求項１記載の構成において、前記透明層は、前記基板の前記半導体層の積層面側から透明層の積層面側に向かって不純物濃度を連続的に変化させたガラスからなるものとしている。
【００１４】
この構成により、透明層の屈折率を比較的容易に半導体層の積層面側から透明層の積層面側に向かって連続的に小さくできるようになるので、半導体発光素子からの光の取り出し効率を比較的容易に向上することができる。
【００１５】
請求項３に係る発明の半導体発光素子は、請求項１記載の構成において、前記透明層は、前記基板の前記半導体層の積層面側から透明層の積層面側に向かって不純物濃度を連続的に変化させた樹脂からなるものとしている。
【００１６】
この構成により、透明層の屈折率を比較的容易に半導体層の積層面側から透明層の積層面側に向かって連続的に小さくできるようになるので、半導体発光素子からの光の取り出し効率を比較的容易に向上することができる。
【００１７】
請求項４に係る発明は、請求項１乃至３いずれかに記載の半導体発光素子を支持体にフリップチップ接合してなる半導体発光装置である。
【００１８】
この構成により、半導体層で発光した光を基板側から直接取り出せるようになるので、半導体発光素子をワイヤ接合する場合と比較してｐ層電極やｎ層電極にて吸収や反射される光を低減することができ、光の取り出し効率をより向上することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
［第１の実施形態］
第１の実施形態に係る半導体発光素子を図１及び図２に基づいて説明する。図１（ａ）はその平面図、（ｂ）はＡ−Ａ線に沿って切断した断面図である。また、図２は本実施形態の半導体発光素子を用いた半導体発光装置を図１（ａ）と同じＡ−Ａ線に沿って切断したときの断面図である。
【００２０】
この半導体発光素子は、基板１と、ｎ型の半導体層２と、活性層３と、ｐ型の半導体層４と、ｎ層電極５ａと、ｐ層電極５ｂと、透明層６とを主要構成要素としている。
【００２１】
基板１は、後述する各半導体層を積層するための支持部材となるものである。このものは、半導体発光素子が発光する光に対する透明性と電気的な絶縁性を有する、例えば、サファイアにて形成しており、その屈折率ｎは１．７８程度である。また、この基板１の一方の面にはｎ型の半導体層２と、他方の面には透明層６が設けられており、このうち、ｎ型の半導体層２はバッファ層１１を介して基板１に形成されている。
【００２２】
このバッファ層１１は、基板１上にこれとは格子定数の異なるｎ型の半導体層２を成長する場合において、その両者間での格子不整合を減少させて接合界面近傍での結晶性を改善して良質なｎ型の半導体層２を形成するためのものである。このものは、例えば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）にて形成しており、基板１と直接接合させている。
【００２３】
ｎ型の半導体層２は、半導体発光素子においてこの内部に比較的多量の電子を存在させるものであり、ｎ型コンタクト層２１とｎ型クラッド層２２とから構成されている。このうち、ｎ型コンタクト層２１は、例えば、窒化ガリウム（ＧａＮ）にて形成しており、バッファ層１１上に固着されている。また、ｎ型クラッド層２２と比較して、例えば、シリコン（Ｓｉ）からなるドナーを多く注入することにより高キャリア濃度に形成している。これにより、後述するｎ層電極５ａとの接触界面における接触障壁（ショットキバリア）を小さくしてｎ型コンタクト層２１とｎ層電極５ａとの間でオーミック接触を実現している。また、ｎ型コンタクト層２１上にはその周縁の一辺と略平行に形成されてその形状を略長四角形状とした露出部２３を設けている。
【００２４】
一方、ｎ型クラッド層２２は、例えば、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）にて形成しており、露出部２３を除いたｎ型コンタクト層２１上に積層している。これによりｎ型の半導体層２は、断面視において基板１と平行な面を２段有した階段状をなしている。また、このものは、後述する活性層３よりバンドギャップエネルギーが大きく、活性層３とヘテロ接合を形成している。
【００２５】
活性層３は、ｎ型の半導体層２と後述するｐ型の半導体層４とからそれぞれ注入された電子及び正孔をこの内部で再結合させて光を生成するものであり、例えば、不純物を注入しないニュートラルな窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）にて形成している。このものは、ｎ型クラッド層２２上に形成するともにその上面（図１の上方向）に後述するｐ型クラッド層４２を積層することにより３層で量子井戸構造を形成している。
【００２６】
ｐ型の半導体層４は、半導体発光素子においてこの内部に比較的多量の正孔を存在させるものであり、ｐ型コンタクト層４１とｐ型クラッド層４２とから構成されている。このうち、ｐ型コンタクト層４１は、例えば窒化ガリウム（ＧａＮ）にて形成しており、活性層３上に固着されている。また、ｐ型クラッド層４２と比較して、例えばマグネシウム（Ｍｇ）からなるアクセプタを多く注入することにより高キャリア濃度に形成している。これにより、後述するｐ層電極５ｂとの接触界面における接触障壁（ショットキバリア）を小さくしてｐ型コンタクト層４１とｐ層電極５ｂとの間でオーミック接触を実現している。
【００２７】
一方、ｐ型クラッド層４２は、例えば、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）にて形成しており、ｐ型クラッド層４２上に積層している。また、このものは、活性層よりよりバンドギャップエネルギーが大きく、活性層３とヘテロ接合を形成している。
【００２８】
ｎ層電極５ａは、外部からの電流をｎ型コンタクト層２１に供給するためのものであり、例えば、クロム（Ｃｒ）やタンタル（Ｔａ）やバナジウム（Ｖ）に金（Ａｕ）を積層した２層構造としており、ｎ型コンタクト層２１の露出部２３の隅角部２４に固着している。また、その形状は略四角形状をしており、その厚さは、ｎ層電極５ａの上面（図１の上方向）が後述するｐ層電極５ｂの上面と略同一平面上にあるよう、すなわち、本実施形態の半導体発光素子を、例えば、リードフレームのような支持体９に大きさが略同一の、例えば、金バンプ８を介してフリップチップ実装したときに半導体発光素子が支持体９に対して略水平になるように形成している。
【００２９】
ｐ層電極５ｂは、外部からの電流をｐ型コンタクト層４１に供給するためのものであり、例えば、パラジウム（Ｐｄ）やクロム（Ｃｒ）に金（Ａｕ）を積層した２層構造としており、ｐ型コンタクト層４１の隅角部４３に固着している。また、その形状は略四角形状をしており、その厚さは、前述したようにｐ層電極５ｂの上面（図１の上方向）がｎ層電極５ａの上面と略同一平面上にあるよう形成している。
【００３０】
透明層６は、基板１と大気との光の屈折率差を小さくして活性層３から半導体発光素子外部へ放射される光の量を増加させるものであり、基板１上に、例えば、基板１（本実施形態ではサファイア）の屈折率と略同等の屈折率を有する光ファイバー用のシリコーン樹脂からなる接着剤７を介して固着している。この透明層６は、活性層３にて発光する光に対して透明なガラスにて形成しており、その屈折率は、透明層６の接着剤７と当接する面からその反対側の面に向かって小さくなるように、例えば、１．６７から１．４へ連続的に変化している。このようなガラスの屈折率を連続的に変化させる方法としてイオン交換法と呼ばれる技術が知られており、ガラス中のアルカリ金属などのイオンの種類とその濃度を連続的に変化させることにて屈折率を接着剤７の屈折率近傍から大気の屈折率近傍まで小さくしている。
【００３１】
つまり、半導体発光素子がこのような構成である、すなわち、サファイアからなる基板１上にサファイアの屈折率と略同等の屈折率を有する接着剤７を介して接着剤７との接合面から大気との境界面へ向かって屈折率が小さくなるガラスからなる透明層６を設けたものであることから、基板１と接着剤７との界面や接着剤７と透明層６との界面及び透明層６と大気との界面それぞれにおける光の臨界角が大きくなり、それぞれの界面で反射する光の量は減少して透過する光が増加するようになる。
【００３２】
以上説明した第１の実施形態の半導体発光素子によると、基板１のバッファ層１１を積層した面とは反対側の面に接着剤７を介して屈折率が基板１のバッファ層１１を積層した面から反対側の面に向かって連続的に小さくなるガラスからなる透明層６を設けたので、基板１と接着剤７との界面や接着剤７と透明層６との界面及び透明層６と大気との界面での屈折率差が小さくなる、すなわち、それぞれの界面で全反射して半導体発光素子の内部に反射する光量が減少し、半導体発光素子からの光の取り出し効率を向上させてフリップチップ接合した際の光量を増加することができる。
【００３３】
なお、基板１と接着剤７との界面、接着剤７と透明層６との界面において、その屈折率は、基板１≦接着剤≦透明層６の関係にあることが好ましい。このように光の進行方向に対して屈折率を大きくすることにより、光の臨界角は大きくなってそれぞれの界面での反射を抑制することができ、透過する光の量をさらに増加することができる。
【００３４】
［第２の実施形態］
この実施形態の半導体発光素子は、透明層を構成する材料が第１の実施形態と異なるものであり、他の構成要素は第１の実施形態のものと実質的に同一であるので、同一部材には同一の番号を付して説明を省略する。
【００３５】
本実施形態の透明層は、活性層３にて発光する光に対して透明な樹脂にて形成しており、その屈折率は、透明層の接着剤７と当接する面からその反対側の面に向かって小さくなるように、例えば、１．６７から１．４へ連続的に変化している。このものは、例えば、ベースとなるシリコーン樹脂にシリコーン樹脂より分子サイズの大きいポリマーを不純物として一方向から添加して硬化することにより形成している。
【００３６】
また、高分子のゲル母材に屈折率の大きい重合性モノマーをゲル母材の周囲より拡散したり、さらに、ゲル母材の一端面に重合性モノマーを載置し、圧縮しながら加熱してゲル母材と重合性モノマーとの共重合を行うことにより形成できる。
【００３７】
つまり、半導体発光素子がこのようなこのような構成である、すなわち、サファイアからなる基板１上にサファイアの屈折率と略同等の屈折率を有する接着剤７を介して接着剤７との接合面から大気との境界面へ向かって屈折率が小さくなる樹脂からなる透明層を設けたものであることから、第１の実施形態と同様、基板１と接着剤７との界面や接着剤７と透明層との界面及び透明層と大気との界面それぞれにおける光の臨界角が大きくなり、それぞれの界面で反射する光の量は減少して透過する光が増加するようになる。
【００３８】
以上説明した第２の実施形態の半導体発光素子によると、基板１のバッファ層１１を積層した面とは反対側の面に接着剤７を介して屈折率が基板１のバッファ層１１を積層した面から反対側の面に向かって連続的に小さくなる樹脂からなる透明層を設けたので、基板１と接着剤７との界面や接着剤７と透明層との界面及び透明層と大気との界面での屈折率差が小さくなる、すなわち、それぞれの界面で全反射して半導体発光素子の内部に反射する光量が減少し、半導体発光素子からの光の取り出し効率を向上させてフリップチップ接合した際の光量を増加することができる。
【００３９】
【発明の効果】
請求項１に係る発明の半導体発光素子は、発光する光に対して透明性を有する基板と、前記基板の一方の面に設けられて少なくともｐ型とｎ型の窒化ガリウム系化合物半導体を積層してなる半導体層と、ｐ型の半導体層に設けられてｐ型の半導体層と電気的に導通してなるｐ層電極と、ｐ型の半導体層の一部を除去して露出させたｎ型の半導体層に設けられてｎ型の半導体層と電気的に導通してなるｎ層電極と、を有する半導体発光素子において、前記基板の他方の面に前記半導体層の積層面側から基板の露出面側の方向に向かって屈折率が小さくなる透明層を備えたことにより、基板と透明層との界面及び透明層と大気との界面での屈折率差が小さくなり、すなわち、それぞれの界面における光の臨界角は、基板と大気との界面における臨界角と比較して大きくなり、その結果、透明層と大気との界面での全反射する光の量は減少するので、半導体発光素子からの光の取り出し効率を向上することができる。
【００４０】
請求項２に係る発明の半導体発光素子は、請求項１記載の効果に加えて、前記透明層は、前記基板の前記半導体層の積層面側から透明層の積層面側に向かって不純物濃度を連続的に変化させたガラスからなることにより、透明層の屈折率を比較的容易に半導体層の積層面側から透明層の積層面側に向かって連続的に小さくできるようになるので、半導体発光素子からの光の取り出し効率を比較的容易に向上することができる。
【００４１】
請求項３に係る発明の半導体発光素子は、請求項１記載の効果に加えて、前記透明層は、前記基板の前記半導体層の積層面側から透明層の積層面側に向かって不純物濃度を連続的に変化させた樹脂からなることにより、透明層の屈折率を比較的容易に半導体層の積層面側から透明層の積層面側に向かって連続的に小さくできるようになるので、半導体発光素子からの光の取り出し効率を比較的容易に向上することができる。
【００４２】
請求項４に係る発明の半導体発光装置は、請求項１乃至３いずれかに記載の効果に加えて、半導体発光素子を支持体にフリップチップ接合してなることにより、半導体発光素子をワイヤ接合する場合と比較してｐ層電極やｎ層電極にて吸収や反射される光を低減することができるので、光の取り出し効率をより向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る半導体発光素子を示すものであり、（ａ）はその平面図、（ｂ）はＡ−Ａ線に沿って切断したときの断面図である。
【図２】同上の半導体発光素子を用いた半導体発光装置を示すものであり、同上のＡ−Ａ線に沿って切断したときの断面図である。
【図３】従来の半導体発光素子の全体概略平面図である。
【符号の説明】
１          基板
２          ｎ型半導体層
３          活性層
４          ｐ型半導体層
５ａ      ｎ層電極
５ｂ      ｐ層電極
６          透明層
【図１】
2004327544.tif 000003
【図２】
2004327544.tif 000004
【図３】
2004327544.tif 000005