(57)【要約】【課題】  構造が簡単なために製造が容易で、大きな発光効率を長期間安定して得ることができる発光素子を提供する。【解決手段】  窒化物半導体基板１の第１の主表面の側に、ｎ型窒化物半導体層２と、窒化物半導体基板から見てｎ型窒化物半導体層より遠くに位置するｐ型窒化物半導体層６と、ｎ型窒化物半導体層およびｐ型窒化物半導体層６の間に位置する発光層４とを備え、窒化物半導体基板の比抵抗が０．５Ω・ｃｍ以下であり、ｐ型窒化物半導体層の側をダウン実装し、窒化物半導体基板の第１の主表面と反対側の主表面である第２の主表面１ａから光を放出する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化物半導体基板と、前記窒化物半導体基板の第１の主表面の側に、ｎ型窒化物半導体層と、前記窒化物半導体基板から見て前記ｎ型窒化物半導体層より遠くに位置するｐ型窒化物半導体層と、前記ｎ型窒化物半導体層およびｐ型窒化物半導体層の間に位置する発光層とを備えた発光装置であって、
前記窒化物半導体基板の比抵抗が０．５Ω・ｃｍ以下であり、
前記ｐ型窒化物半導体層の側をダウン実装し、前記窒化物半導体基板の前記第１の主表面と反対側の主表面である第２の主表面から光を放出する、発光装置。
【請求項２】
窒化物半導体基板のＧａＮ基板と、前記ＧａＮ基板の第１の主表面の側に、ｎ型窒化物半導体層のｎ型ＡｌxＧａ1-xＮ層（０≦x≦１）と、前記ＧａＮ基板から見て前記ｎ型ＡｌxＧａ1-xＮ層より遠くに位置するｐ型ＡｌxＧａ1-xＮ層（０≦x≦１）と、前記ｎ型ＡｌxＧａ1-xＮ層およびｐ型ＡｌxＧａ1-xＮ層の間に位置する発光層とを備えた発光装置であって、
前記ＧａＮ基板の転位密度が、１０8／ｃｍ2以下であり、
前記ｐ型ＡｌxＧａ1-xＮ層の側をダウン実装し、前記ＧａＮ基板の前記第１の主表面と反対側の主表面である第２の主表面から光を放出する、発光装置。
【請求項３】
前記ＧａＮ基板は酸素ドープによりｎ型化されており、酸素濃度が、酸素原子１Ｅ１７個／ｃｍ3〜２Ｅ１９個／ｃｍ3の範囲にあり、前記ＧａＮ基板の厚みが１００μｍ〜６００μｍである、請求項２に記載の発光装置。
【請求項４】
前記酸素濃度が、酸素原子５Ｅ１８個／ｃｍ3〜２Ｅ１９個／ｃｍ3の範囲にあり、前記ＧａＮ基板の厚みが２００μｍ〜４００μｍの範囲にあり、前記第２の主表面の光を放出する矩形状の面の両方の辺が１０ｍｍ以下の範囲にある、請求項２に記載の発光装置。
【請求項５】
前記酸素濃度が、酸素原子３Ｅ１８個／ｃｍ3〜５Ｅ１８個／ｃｍ3の範囲にあり、前記ＧａＮ基板の厚みが４００μｍ〜６００μｍの範囲にあり、前記第２の主表面の光を放出する矩形状の面の両方の辺が３ｍｍ以下の範囲にある、請求項２に記載の発光装置。
【請求項６】
前記酸素濃度が、酸素原子５Ｅ１８個／ｃｍ3〜５Ｅ１９個／ｃｍ3の範囲にあり、前記ＧａＮ基板の厚みが１００μｍ〜２００μｍの範囲にあり、前記第２の主表面の光を放出する矩形状の面の両方の辺が３ｍｍ以下の範囲にある、請求項２に記載の発光装置。
【請求項７】
前記ＧａＮ基板の大部分の領域の結晶性を高めるために、その形成時に不可避的に生成する転位を離散的にひも状に集中化して基板厚み方向に沿って分布させてできた転位束が、前記ＧａＮ基板の第１の主表面に平均４Ｅ６個／ｃｍ2以下の密度で分布している、請求項２〜６のいずれかに記載の発光装置。
【請求項８】
前記転位束が前記第１の主表面に平均４Ｅ２個／ｃｍ2以下の密度で分布し、前記第２の主表面の光を放出する矩形状の面の両方の辺が２００μｍ〜４００μｍの範囲にある、請求項７に記載の発光装置。
【請求項９】
前記ＧａＮ基板と前記ｎ型ＡｌxＧａ1-xＮ層（０≦x≦１）との間において、前記ＧａＮ基板に接してｎ型ＡｌＧａＮバッファ層が、またそのｎ型ＡｌＧａＮバッファ層に接してｎ型ＧａＮバッファ層が位置し、そのｎ型ＧａＮバッファ層に接して前記ｎ型ＡｌxＧａ1-xＮ層（０≦x≦１）が位置している、請求項２〜８のいずれかに記載の発光装置。
【請求項１０】
前記ＧａＮ基板は、オフ角が０.１０°以下の領域と１.０°以上の領域とを有する、請求項９に記載の発光装置。
【請求項１１】
前記ＧａＮ基板には前記転位束が分布し、前記ＧａＮバッファ層に接して位置するｎ型ＡｌxＧａ1-xＮ層（０≦x≦１）には、前記転位束が伝播していない、請求項９に記載の発光装置。
【請求項１２】
前記ｐ型ＡｌxＧａ1-xＮ層（０≦x≦１）に接してダウン側に位置するｐ型ＧａＮバッファ層と、そのｐ型ＧａＮバッファ層に接して位置するｐ型ＩｎＧａＮコンタクト層とを備える、請求項２〜１１のいずれかに記載の発光装置。
【請求項１３】
前記ｐ型ＩｎＧａＮコンタクト層のＭｇ濃度が、Ｍｇ原子１Ｅ１８〜１Ｅ２１個／ｃｍ3の範囲にある、請求項１２に記載の発光装置。
【請求項１４】
前記ｐ型ＩｎＧａＮコンタクト層に接してＡｇ、ＡｌおよびＲｈ層のいずれかから構成されるｐ電極層を有する、請求項１２または１３に記載の発光装置。
【請求項１５】
前記ＧａＮ基板は、その厚み方向とそのＧａＮ基板面内の１方向とに沿って連続して平面状に延びる板状結晶反転領域を有し、そのＧａＮ基板内の板状結晶反転領域と、前記ＧａＮ基板上に形成された前記ｎ型およびｐ型窒化物半導体層に伝播した板状結晶反転領域とが、前記ｐ型窒化物半導体層側から前記ｎ型窒化物半導体層を経て前記ＧａＮ基板内にいたる位置まで除去され、その除去されたあとに残ったｐ型窒化物半導体層に接して、各ｐ型窒化物半導体層ごとにｐ電極が設けられている、請求項２〜１４のいずれかに記載の発光装置。
【請求項１６】
前記板状結晶反転領域が前記ＧａＮ基板内にいたる位置までＫＯＨ水溶液で除去されている、請求項１５に記載の発光装置。
【請求項１７】
窒化物半導体基板の導電性のＡｌＮ基板と、前記ＡｌＮ基板の第１の主表面の側に、ｎ型窒化物半導体層のｎ型ＡｌxＧａ1-xＮ層（０≦x≦１）と、前記ＡｌＮ基板から見て前記ｎ型ＡｌxＧａ1-xＮ層より遠くに位置するｐ型ＡｌxＧａ1-xＮ層（０≦x≦１）と、前記ｎ型ＡｌxＧａ1-xＮ層およびｐ型ＡｌxＧａ1-xＮ層の間に位置する発光層とを備えた発光装置であって、
前記ＡｌＮ基板の熱伝導率が、１００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であり、
前記ｐ型ＡｌxＧａ1-xＮ層の側をダウン実装し、前記ＡｌＮ基板の前記第１の主表面と反対側の主表面である第２の主表面から光を放出する、発光装置。
【請求項１８】
前記ｐ型窒化物半導体層に接してそのｐ型窒化物半導体層の表面にわたって離散的に配置される第１のｐ電極と、その第１のｐ電極の間隙を充填して、前記ｐ型窒化物半導体層と前記第１のｐ電極とを被覆する、Ａｇ、ＡｌおよびＲｈのいずれかからなる第２のｐ電極とを備える、請求項１〜１７のいずれかに記載の発光装置。
【請求項１９】
前記第１のｐ電極の前記ｐ型窒化物半導体層の表面における被覆率が、１０〜４０％の範囲にある、請求項１８に記載の発光装置。
【請求項２０】
前記発光装置の静電耐圧が３０００Ｖ以上ある、請求項１〜１９のいずれかに記載の発光装置。
【請求項２１】
前記窒化物半導体基板と、前記ダウン実装されるｐ型ＡｌxＧａ1-xＮ層の側との間に加わる過渡電圧または静電放電から前記発光装置を保護するための保護回路をとくに備えない、請求項１〜２０のいずれかに記載の発光装置。
【請求項２２】
前記過渡電圧または静電放電に対処するための、ツェナーダイオードを含む電力分路回路を備えない、請求項２１に記載の発光装置。
【請求項２３】
前記発光装置は４Ｖ以下の電圧を印加することにより発光する、請求項１〜２２のいずれかに記載の発光装置。
【請求項２４】
前記窒化物半導体基板の厚みが５０μｍ以上ある、請求項１〜２３のいずれかに記載の発光装置。
【請求項２５】
前記窒化物半導体基板の第２の主表面に、開口率５０％以上で電極が設けられている、請求項１〜２４のいずれかに記載の発光装置。
【請求項２６】
前記窒化物半導体基板に設けられた電極と、その窒化物半導体基板との接触面積が０.０５５ｍｍ2以上である、請求項１〜１９、２１〜２５のいずれかに記載の発光装置。
【請求項２７】
前記電極とリードフレームとを電気的に接続するボンディングワイヤの断面積が０.００２ｍｍ2以上である、請求項１〜１９、２１〜２６のいずれかに記載の発光装置。
【請求項２８】
前記電極とリードフレームとを電気的に接続するボンディングワイヤの断面積が０.０７ｍｍ2以上である、請求項２７に記載の発光装置。
【請求項２９】
前記電極が前記窒化物半導体基板の２以上のコーナーに分かれて位置し、前記電極と前記窒化物半導体基板との接触面積の合計が０.０５５ｍｍ2以上であり、かつリードフレームと前記コーナーに位置する電極とを電気的に接続するボンディングワイヤの断面積の合計が０.００２ｍｍ2以上である、請求項１〜１９、２１〜２８のいずれかに記載の発光装置。
【請求項３０】
前記コーナーに位置する電極とリードフレームとを電気的に接続するボンディングワイヤの断面積の合計が０.０７ｍｍ2以上である、請求項２９に記載の発光装置。
【請求項３１】
前記窒化物半導体基板の第２の主表面の光を放出する部分の面積が０．２５ｍｍ2以上ある、請求項１〜１９、２１〜３０のいずれかに記載の発光装置。
【請求項３２】
前記窒化物半導体基板の第２の主表面の光を放出する部分が、１ｍｍ×１ｍｍ以上のサイズである、請求項１〜１９、２１〜３１のいずれかに記載の発光装置。
【請求項３３】
前記窒化物半導体基板の第２の主表面の光を放出する部分が、３ｍｍ×３ｍｍ以上のサイズである、請求項３２に記載の発光装置。
【請求項３４】
前記窒化物半導体基板の第２の主表面の光を放出する部分が、５ｍｍ×５ｍｍ以上のサイズである、請求項３２に記載の発光装置。
【請求項３５】
熱抵抗が３０℃／Ｗ以下となるように構成されている、請求項１〜３４のいずれかに記載の発光装置。
【請求項３６】
連続発光状態で最も温度が上昇する部分の温度が、１５０℃以下である、請求項１〜３５のいずれかに記載の発光装置。
【請求項３７】
前記ｎ型窒化物半導体層の厚みが３μｍ以下である、請求項１〜３６のいずれかに記載の発光装置。
【請求項３８】
前記窒化物半導体基板の第２の主表面において、前記電極が被覆していない部分に非鏡面処理が施されている、請求項１〜３７のいずれかに記載の発光装置。
【請求項３９】
前記非鏡面処理が施された表面が、水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液、水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）水溶液、アンモニア（ＮＨ3）水溶液またはその他のアルカリ水溶液を用いて非鏡面化された表面である、請求項３８に記載の発光装置。
【請求項４０】
前記非鏡面処理が施された表面が、硫酸（Ｈ2ＳＯ4）水溶液、塩酸（ＨＣｌ）水溶液、リン酸（Ｈ2ＰＯ4）水溶液、フッ酸（ＨＦ）水溶液およびその他の酸水溶液の少なくとも１つを用いて非鏡面化された表面である、請求項３８に記載の発光装置。
【請求項４１】
前記非鏡面処理が施された表面が、反応性イオンエッチング（Reactive Ion Etching:RIE)を用いて非鏡面化された表面である、請求項３８に記載の発光装置。
【請求項４２】
前記ｐ型窒化物半導体層に設けられる電極は反射率０．５以上の反射率の材質で形成されている、請求項１〜４１のいずれかに記載の発光装置。
【請求項４３】
前記窒化物半導体基板の第２の主表面を覆うように蛍光体が配置されている、請求項１〜４２のいずれかに記載の発光装置。
【請求項４４】
前記窒化物半導体基板から離れて前記窒化物半導体基板の第２の主表面に対面するように蛍光板が配置されている、請求項１〜４３のいずれかに記載の発光装置
【請求項４５】
前記蛍光板の前記窒化物半導体基板の第２の主表面に面する表面が凹凸化処理されている、請求項１〜４４のいずれかに記載の発光装置。
【請求項４６】
前記窒化物半導体基板が蛍光を発する不純物および欠陥の少なくとも一方を含んでいる、請求項１〜４５のいずれかに記載の発光装置。
【請求項４７】
前記請求項１〜４６のいずれかに記載の発光装置を２つ以上含み、それらの発光装置が直列接続または並列接続された、発光装置。
【請求項４８】
前記請求項１〜４７のいずれかに記載の発光装置と、それらの発光装置を発光させるための電源回路とを含み、前記電源回路において、前記発光装置が２つ以上並列に接続された２以上の並列部が直列に接続されている、発光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光装置に関し、より具体的には窒化物半導体から形成される発光装置に関するものである。なお、本発明における発光装置とは、窒化物半導体基板とその上に積層された半導体層とを主体に形成される半導体素子または半導体チップのみを指す場合もあるし、また、半導体チップが実装部品に搭載され樹脂封止されたデバイスのみを指す場合もある。さらに、両方の意味に用いられる場合もある。また、半導体チップを単にチップと呼ぶ場合がある。また、チップのうち基板とその上に形成されたエピタキシャル層とを、単に基板と呼ぶ場合がある。
【背景技術】
【０００２】
白色発光ダイオード(ＬＥＤ:Light Emitting Diode)は、今のところ携帯情報端末など
の小型電子機器の照明に盛んに用いられているが、今後、大きな空間または大面積の照明に用いられる可能性を秘めている。大空間、大面積の照明に用いられるためには、ＬＥＤの光の出力を大きくする必要がある。このためにＬＥＤの電極に大電流を流し、発熱にともなう温度上昇の問題を解決する必要がある。
【０００３】
図５９に、現在、提案されているＧａＮ系ＬＥＤの構造を示す（特許文献１）。このＧａＮ系ＬＥＤでは、サファイア基板１０１の上にｎ型ＧａＮ層１０２を設け、そのｎ型ＧａＮ層１０２とｐ型ＧａＮ層１０４との間に量子井戸構造１０３を形成している。発光はこの量子井戸構造１０３で発生する。ｐ型ＧａＮ層１０４の上にはｐ電極１０５がオーミック接触するように形成され、また、ｎ型ＧａＮ層１０２にはｎ電極１０６がオーミック接触するように形成されている。
【０００４】
これらｐ電極１０５およびｎ電極１０６は、はんだボール１０７，１０８を介在させて実装部品１０９に接続されている。実装部品（サブマウント部品）はＳｉ基板から構成され、外部からのサージ電圧から保護するための回路が形成されている。すなわち、Ｇａ、Ａｌ、ＩｎなどのＩＩＩ族窒化物半導体についての回路故障の主要な要因が、過渡電圧や静電放電などのサージ電圧であることを重視して、発光装置に大きな順電圧および逆電圧が印加されないように、発光装置保護のための電力分路回路をツェナーダイオードなどで形成している。サージ電圧からの保護についてはこのあと詳しく説明する。
【０００５】
上記のＧａＮ系ＬＥＤは、サファイア基板１０１の裏面側から光を放出するように（ａ1）ｐ型ＧａＮ層１０４をダウン実装し、かつ（ａ2）ｎ型ＧａＮ層１０２にｎ電極層１０６を形成している点に特徴を有する。このＧａＮ系ＬＥＤの構造は、図５９に見るとおり、非常に複雑である。このような複雑な構造の原因となる（ａ2）ｎ型ＧａＮ層１０２に
ｎ電極層を形成した理由は、サファイア基板１０１が絶縁体なのでサファイア基板にｎ型電極を設けることができないからである。
【０００６】
上述のサファイア基板を用いた発光装置だけでなく、発光装置に用いられるＧａＡｓ系、ＧａＰ系、ＧａＮ系の化合物半導体では、過渡電圧および静電放電からの保護回路を発光装置に併設する提案が、これまで度々なされてきた（特許文献２〜４参照）。とくにＧａＮ系化合物半導体では、逆方向の耐圧が５０Ｖ程度と低く、また順方向電圧も１５０Ｖ程度の耐圧しかないために、上記保護のための電力分路回路を設けることが重要視されている。すなわち、上記ＧａＮ系などのチップをサブマウントのＳｉ基板上に形成し、そのＳｉ基板にツェナーダイオードなどを含む保護回路を形成する。上記のような多くの保護回路の提案は、Ｇａ、Ａｌ、ＩｎなどのＩＩＩ族窒化物半導体についての回路故障の主要な要因が、過渡電圧や静電放電などのサージ電圧であることを示す証左であるといえる。
【０００７】
また、上述の保護回路を設けた発光装置とは別に、導電体であるＳｉＣ基板上にＧａＮ系発光装置を形成した例も知られている。すなわち、（ＳｉＣ基板の裏面ｎ電極／ＳｉＣ基板／ｎ型ＧａＮ層／量子井戸積層構造（発光層）／ｐ型ＧａＮ層／ｐ電極）の積層構造を用いて、ｐ型ＧａＮ層から光を放出する構造のＬＥＤも、広く用いられている。
【特許文献１】特開２００３−８０８３号公報
【特許文献２】特開２０００−２８６４５７号公報
【特許文献３】特開平１１−５４８０１号公報
【特許文献４】特開平１１−２２０１７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記の図５９に示すサファイア基板を用いたＧａＮ系ＬＥＤでは、構造が複雑となり、製造コストが高くなることは避けられない。広い空間の照明の用途に需要を開拓するためには、ＬＥＤは安価であることが必須であるので、上記の構造は好ましくない。また、ダウン実装面の側に、ｐ電極１０５と、ｎ電極１０６とが配置されるため、電極の面積、とくにｐ電極の面積が制限を受ける。大電流を流して高出力を得るためには、ｐ電極はとくに大面積とすることが望ましいが、図５９に示す構造では制限を受け、この結果、光出力に制限を受けることになる。さらに、電流にともなって発生する熱を逃がす上でも、片側の面に２つの電極層を配置することは好ましくない。
【０００９】
また、ｎ型ＧａＮ層１０２を基板と平行方向に電流が流れる際の抵抗が大きく、発熱や駆動電圧ひいては消費電力の増加の原因ともなる。とくに、成膜工程の短縮化を目的にｎ型ＧａＮ層の厚みを薄くすると、上記の発熱や消費電力増加の問題のほかに、そのｎ型ＧａＮ膜の露出の歩留りが非常に悪くなる。
【００１０】
また、上記のサファイア基板を用いた発光装置を含めて発光装置全般に言えることであるが、放熱面積が制限され、また、熱抵抗（単位面積当たり単位エネルギー投入による温度上昇）も大きいため、１発光装置当たり注入電流を大きくとることができない。とくにサファイア基板を用いた場合には、上述のようにｐ電極の面積が制限を受けるため、余裕がほとんどない熱設計をするのが通例である。
【００１１】
さらに、上記サファイア基板を用いたＧａＮ系ＬＥＤの場合には、放熱面積が制約されるため、少しでも電気抵抗を下げて発熱量を低減するために、ｐ電極とｎ電極とを櫛型状に入り組ませて接触面積を拡大する構造を採用する事態に追い込まれる。このような櫛型形状の電極は加工が容易ではなく、確実に製造コスト上昇につながる。
【００１２】
上述のように、発光装置において熱的条件の設計は基本的な重要性を持ち、大出力を得ようとする場合、上記のような熱的条件によって制約を受け、それを少しでも緩和するために複雑な電極形状をあえて採用せざるをえない。
【００１３】
さらに、次のような問題がある。サファイア基板上に形成されたＧａＮ系発光装置をダウン実装して、サファイア基板の裏面を光の放出面にする場合、サファイアの屈折率が１．８程度であり、ＧａＮの屈折率が２．４程度であるので、光を発生し伝播させてきたＧａＮ層とサファイア基板との界面で、所定の入射角以上の光は全反射して、外に出ない。すなわち、入射角θ≧sin-1（1.8/2.4）≒４２°の範囲の光は、ＧａＮ層内に止まり、外に出ない。このため、サファイア基板の主面における発光効率が低下する。しかし、発光効率の問題も重要であるが、それだけに止まらない。上記全反射した光はＧａＮ層を伝播し、ＧａＮ層の側部から出射される。上記の全反射する光量はかなりの割合を占め、また、ＧａＮ層は薄いため、側部から出射される光のエネルギー密度は高くなる。ＧａＮ層の側部に位置してその光に照射される封止樹脂は損傷を受け、発光装置の寿命を短縮するという問題を生じる。
【００１４】
また、ｐ層側から光を取り出す（ＳｉＣ基板裏面ｎ電極／ＳｉＣ基板／ｎ型ＧａＮ層／量子井戸積層構造（発光層）／ｐ型ＧａＮ層／ｐ電極）の構造のＧａＮ系ＬＥＤでは、ｐ電極の光吸収率が大きいため大出力の光を効率よく外に放出することができない。ｐ電極の被覆率を減少させ、すなわち開口率を増大させて光の放出量を増やそうとすると、ｐ型ＧａＮ層は電気抵抗が高いため電流をｐ型ＧａＮ層全体にゆきわたらせて流すことができない。このため発光を量子井戸構造の全体にわたって活性化することができず、発光出力が低下する。また、電気抵抗が上昇し、発熱や電源容量の問題を生じる。さらに、電流をｐ型ＧａＮ層全体に一様に流すことを目的にｐ型ＧａＮ層の厚みを厚くすると、このｐ型ＧａＮ層による光の吸収が大きく、出力が制約される。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は、構造が簡単であるために製造が容易で、大きな発光効率を長時間にわたって安定して得ることができる発光装置を提供することを目的とする。
【００１６】
本発明の発光装置は、窒化物半導体基板と、窒化物半導体基板の第１の主表面の側に、ｎ型窒化物半導体層と、窒化物半導体基板から見てｎ型窒化物半導体層より遠くに位置するｐ型窒化物半導体層と、ｎ型窒化物半導体層およびｐ型窒化物半導体層の間に位置する発光層とを備えた発光装置である。この発光装置では、窒化物半導体基板の比抵抗が０．５Ω・ｃｍ以下であり、ｐ型窒化物半導体層の側をダウン実装し、窒化物半導体基板の第１の主表面と反対側の主表面である第２の主表面から光を放出する。
【００１７】
この構成では、電気抵抗の低い窒化物半導体基板の裏面（第２の主表面）にｎ型電極を設けるので、小さな被覆率すなわち大きな開口率でｎ電極を設けても電流を窒化物半導体基板全体にゆきわたらせて流すことができる。このため、放出面で光を吸収される率が小さくなり、発光効率を高くすることができる。なお、光の放出は第２の主表面だけでなく側面からなされてもよいことは言うまでもない。以下の発光装置においても同様である。
【００１８】
また、電気抵抗が高いｐ型窒化物半導体層の側は光放出面にならないので、ｐ型窒化物半導体層の全面にｐ型電極層を形成することができ、大電流を流し発熱を抑える上でも、また発生した熱を伝導で逃がす上でも好都合の構造をとることが可能となる。すなわち、熱的要件のために受ける制約が非常に緩和される。このため、電気抵抗を低下させるために、ｐ電極とｎ電極とを入り組ませた櫛型形状などにする必要がない。
【００１９】
さらに、ＧａＮ基板が導電性に優れることから、サージ電圧に対する保護回路をとくに設ける必要がなく、また耐圧性も非常に優れたものにできる。
【００２０】
また、複雑な加工工程を行なうことがないので、製造コストを低減することも容易化される。
【００２１】
なお、窒化物半導体「基板」は、独立して持ち運びできる厚みが相応に厚い板状物体をさし、持ち運びにおいて単独ではそれ自身の形状を保ち難い「膜」や「層」とは区別される。このあと説明する、ＧａＮ基板およびＡｌＮ基板についても同様である。
【００２２】
本発明の他の発光装置は、また、窒化物半導体基板のＧａＮ基板と、ＧａＮ基板の第１の主表面の側に、ｎ型窒化物半導体層のｎ型ＡｌxＧａ1-xＮ層（０≦x≦１）と、ＧａＮ基板から見てｎ型ＡｌxＧａ1-xＮ層より遠くに位置するｐ型ＡｌxＧａ1-xＮ層（０≦x≦１）と、ｎ型ＡｌxＧａ1-xＮ層およびｐ型ＡｌxＧａ1-xＮ層の間に位置する発光層とを備えた発光装置である。この発光装置は、ＧａＮ基板の転位密度が、１０8／ｃｍ2以下であり、ｐ型ＡｌxＧａ1-xＮ層の側をダウン実装し、ＧａＮ基板の第１の主表面と反対側の主表面である第２の主表面から光を放出する。
【００２３】
この構成によれば、上記本発明におけるＧａＮ基板は導電性を有することを前提とし、電気抵抗を低減することは容易なので、上記の発光装置における作用効果に加えて、ＧａＮ基板の転位密度が、１０8／ｃｍ2以下であるので結晶性が高いこと、および高い開口率により第２の主表面からの光出力を高めることができる。また、側面からも光を放出する。
【００２４】
また、屈折率の連続性が保たれるので、上述した全反射の問題も生じない。
【００２５】
本発明のさらに別の発光装置は、窒化物半導体基板の導電性のＡｌＮ基板と、ＡｌＮ基板の第１の主表面の側に、ｎ型窒化物半導体層のｎ型ＡｌxＧａ1-xＮ層（０≦x≦１）と、ＡｌＮ基板から見て前記ｎ型ＡｌxＧａ1-xＮ層より遠くに位置するｐ型ＡｌxＧａ1-xＮ層（０≦x≦１）と、ｎ型ＡｌxＧａ1-xＮ層およびｐ型ＡｌxＧａ1-xＮ層の間に位置する発光層とを備えた発光装置である。そして、上記のＡｌＮ基板の熱伝導率が、１００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であり、ｐ型ＡｌxＧａ1-xＮ層の側をダウン実装し、ＡｌＮ基板の第１の主表面と反対側の主表面である第２の主表面から光を放出する。
【００２６】
ＡｌＮは非常に熱伝導率が高く、放熱性に優れているため、上記のｐ型ＡｌxＧａ1-xＮ層からリードフレーム等に熱を伝達して、発光装置における温度上昇を抑制することができる。また、上記ＡｌＮ基板からも熱を放散し、温度上昇の抑制に貢献することができる。なお、上記のＡｌＮ基板は導電性を持たせるために不純物を導入した導電性ＡｌＮ基板を前提とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
次に図面を用いて、本発明の実施例について説明する。
【００２８】
−（実施例１）−
最初に、サファイア基板と窒化物半導体基板であるＧａＮ基板との比較を行なう。図１は、本発明の実施例１における本発明例ＡのＬＥＤを示す図である。ＧａＮ基板１の第１の主表面の側に後で詳細に説明する発光層などを含む積層構造が形成され、ｐ電極１２が設けられている。本実施の形態では、このｐ電極１２が導電性接着剤１４によってリードフレームマウント部２１ａにダウン実装されている点に１つの特徴がある。
【００２９】
ＧａＮ基板１の第２の主表面１ａは、発光層で発光した光を放出する面であり、この面にｎ電極１１が設けられている。このｎ電極１１は、第２の主表面全体を覆わないようにする。ｎ電極１１に被覆されていない部分の比率を大きくとることが重要である。開口率を大きくすれば、ｎ電極によって遮られる光が減り、光を外に放出する放出効率を高めることができる。
【００３０】
ｎ電極１１はワイヤ１３によりリードフレームのリード部２１ｂと電気的に接続されている。ワイヤ１３および上記の積層構造は、エポキシ系樹脂１５により封止されている。上記の構成のうち、ＧａＮ基板１からｐ電極１２にいたる間の積層構造を拡大して示したのが図２である。図２では、図１における積層構造が上下逆になっている。
【００３１】
図２を参照して、ＧａＮ基板１の上にｎ型ＧａＮエピタキシャル層２が位置し、その上にｎ型ＡｌxＧａ1-xＮ層３が形成されている。その上にＡｌxＧａ1-xＮ層とＡｌxＩｎyＧａ1-x-yＮ層とからなる量子井戸(MQW:Multi-Quantum Well)４が形成され、その量子井戸４をｎ型ＡｌxＧａ1-xＮ層３とはさむようにｐ型ＡｌxＧａ1-xＮ層５が配置され、その上にｐ型ＧａＮ層６が配置されている。上記において、量子井戸４において発光する。また、図１に示すように、ｐ型ＧａＮ層６の上にｐ電極１２が全面を被覆するように形成され、ダウン実装される。次に、本発明例ＡのＬＥＤの製造方法について説明する。
（ａ1）ｃ面から０．５°ずらしたＧａＮのオフ基板を使用した。この基板の比抵抗は０.０１Ω・ｃｍであり、転位密度は１Ｅ７／ｃｍ2であり、厚みは４００μｍとした。
（ａ2）ＭＯＣＶＤ(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)でＧａＮ基板の第１の主面であるＧａ面上に次の積層構造を形成した。（Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層／クラッド層のＳｉドープｎ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ層／ＧａＮ層とＩｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ層との２層構造が３層重ねられたＭＱＷ(Multi-Quantum Well)／クラッド層のＭｇドープｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ層／Ｍｇドープｐ型ＧａＮ層）
（ａ3）発光波長は４５０ｎｍであり、低温４．２ＫでのＰＬ(Photo Luminescence)強度と室温２９８ＫでのＰＬ強度を比較することにより便宜的に算出した内部量子効率は５０％であった。
（ａ4）このウェハを活性化処理して、Ｍｇドープｐ型層の低抵抗化を行なった。ホール測定によるキャリア濃度は、Ｍｇドープｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ層が５Ｅ１７／ｃｍ3、Ｍｇドープｐ型ＧａＮ層が１Ｅ１８／ｃｍ3であった。
（ａ5）このウェハをさらに、フォトリソグラフィ技術とＲＩＥ(Reactive Ion Etching)により、Ｍｇドープｐ型層側からＳｉドープｎ型層までＣｌ系ガスでエッチングする。このエッチングにより、図３に示すように、素子分離溝２５を形成し、素子分離を行なった。素子分離溝の幅Ｌ3は１００μｍである。
（ａ6）ＧａＮ基板の第２の主面である裏面のＮ面には、フォトリソグラフィ技術と、蒸着と、リフトオフ法とにより４００μｍおきにチップの中心に直径（Ｄ）１００μｍのｎ電極をつけた（図３および図４参照）。ｎ電極として、ＧａＮ基板に接して下から順に（Ｔｉ層２０ｎｍ／Ａｌ層１００ｎｍ／Ｔｉ層２０ｎｍ／Ａｕ層２００ｎｍ）の積層構造を形成した。これを窒素（Ｎ2）雰囲気中で加熱することにより、接触抵抗を１Ｅ−５Ω・ｃｍ2以下とした。
（ａ7）ｐ電極としてはｐ型ＧａＮ層に接して厚み４ｎｍのＮｉ層を形成し、その上に厚み４ｎｍのＡｕ層を全面に形成した（図３および図４参照）。これを不活性ガス雰囲気中で加熱処理することにより、接触抵抗を５Ｅ−４Ω・ｃｍ2とした。
（ａ8）その後に、図３および図４に示すように、チップ境界５０が側面として現れるようにスクライブを行ない、チップ化したものを発光装置とした。チップ化した発光装置は、光の放出面が３００μｍ□（１辺の長さが３００μｍの四角形）の形状で、発光層が３００μｍ□の形状をとる。すなわち図４において、Ｌ1＝３００μｍであり、Ｌ2＝４００μｍである。また、素子分離溝の幅Ｌ3＝１００μｍであり、ｎ電極の直径Ｄ＝１００μｍである。
（ａ9）図１を参照して、リードフレームのマウント部２１ａに、上記チップのｐ型ＧａＮ層側が接するように搭載して、発光装置を形成した。マウント部に塗布した導電性接着剤１４によって発光装置とマウントとを固定するとともに、導通が得られるようにしている。
（ａ10）発光装置からの放熱性を良くするために、発光装置のｐ型ＧａＮ層が全面マウント部と接するように搭載した。また接着剤は熱伝導の良いＡｇ系のものを、またリードフレームも熱伝導の良いＣｕＷ系のものを選択した。これにより、得られた熱抵抗は８℃／Ｗであった。
（ａ11）さらに、ｎ電極とリードフレームのリード部とをワイヤボンドにより導通させた後、エポキシ系樹脂により樹脂封止を行なって発光装置をランプ化した。
【００３２】
次に比較例Ｂについて簡単に説明する。図５において、ｐ電極１１２がリードフレームマウント部に導電性接着剤１１４によりダウン実装されている。また、ｎ電極が導電性接着剤１１４により、ｐ電極が接続されているリードフレームマウント部とは分離されたリードフレームマウント部１２１ａに接続されている。この上に発光層を含む積層構造（図６）が設けられ、ｎ型ＧａＮ層１０２の所定範囲に接している。ｎ型ＧａＮ層１０２はサファイア基板１０１に形成されており、上記積層構造が接している範囲の外の範囲にｎ電極１１１が設けられている。ｎ電極１１１は、ワイヤまたは導電性接着剤によりリードフレームマウント部１２１ａ、またはリードフレームリード部１２１ｂと電気的に接続され
ている。
【００３３】
発光層から発光した光はサファイア基板１０１を通って外部に放出される。サファイア基板を含む上記の積層構造を覆うようにエポキシ系樹脂１１５が封止される。
（ｂ1）ｃ面から０．２°ずらしたサファイアの絶縁オフ基板を使用した。このサファイア基板の厚みは４００μｍとした。
（ｂ2）〜（ｂ4）本発明例Ａにおける（ａ2）〜（ａ4）と同じ処理を施した。
（ｂ5）比較例Ｂの場合、サファイア基板は絶縁体であるため、ｎ電極はｐ電極と同じ成長膜側に設ける必要がある。そこでこのウェハをさらにフォトリソグラフィ技術とＲＩＥにより、Ｍｇドープｐ型層側からＳｉドープｎ型層までＣｌ系ガスでエッチングすることにより、ｎ電極を設けるためのｎ型ＧａＮ層を露出させ、また本発明例Ａと同様の素子分離を行なった（図７，図８）。素子の形状は３００μｍ□で、その中で露出させたｎ型ＧａＮの広さは１つの素子当り１５０μｍ□である。すなわち露出部の四角形の段の辺の長さＬ4は１５０μｍである。
（ｂ6）露出したｎ型ＧａＮ層上には、フォトリソグラフィ技術と、蒸着と、リフトオフ法とにより直径１００μｍのｎ電極をつけた。厚み、熱処理、接触抵抗は本発明例Ａと同じとした。
（ｂ7）ｐ電極を素子３００μｍ□からｎ型ＧａＮ露出部１５０μｍ□を除いた、ｐ型ＧａＮ層部に設置した。厚み、熱処理、接触抵抗は本発明例Ａと同じにした。
（ｂ8）〜（ｂ9）本発明例Ａにおいて対応する処理と同じ処理を行なった。
（ｂ10）本発明例Ａと同様に、発光装置からの放熱性を良くするために、発光装置のｐ型ＧａＮ層が全面マウント部と接するように搭載した。図５において、ｐ型ＧａＮ層１０６とｐ電極１１２との接触面積は０．０６７５ｍｍ2とした。発光装置の発熱は量子井戸層１０４とｐ型ＧａＮ層１０６とで生じるので、この放熱は主としてｐ電極１１２の面積で決まる。図５の場合には、ｎ電極１１１も導電性接着剤１１４でリードフレームのマウント部１２１ａに接続されているが、放熱面積は、実質的に上記の接触面積０．０６７５ｍｍ2である。本発明例Ａのｐ型ＧａＮ層６とｐ電極１２との接触面積は０．０９ｍｍ2である。接着剤、リードフレームの材質は本発明例Ａと同じとした。比較例Ｂでは、上記の構造を反映して、熱抵抗は１０．４℃／Ｗと本発明例Ａの１．３倍と悪くなった。
（ｂ11）本発明例Ａにおいて対応する処理と同じ処理を行なった。
【００３４】
（実験およびその結果）
本発明例Ａと比較例Ｂとを、積分球内に搭載した後所定の電流を印加し、集光されディテクタから出力される光出力値の比較を行なった。結果を図９に示す。図９によれば、電流がリークすることなくＭＱＷ層に注入され、ＭＱＷ層での非発光性再結合が比較的少なく、また発熱によるチップの温度上昇が小さいような比較的理想的な状態では、光出力値は印加した電流の増加に比例して増加する。たとえば２０ｍＡの注入では本発明例Ａが８ｍＷであり、また比較例Ｂが７．２ｍＷの出力が得られた。
【００３５】
これは、本発明例ＡではＧａＮ系エピタキシャル膜／ＧａＮ基板を主な構成とするのに比して、比較例ＢではＧａＮ系エピタキシャル膜／サファイア基板を主な構成とする。サファイア基板の屈折率は約１．８であり、ＧａＮの屈折率２．４よりもかなり小さいため、比較例Ｂでは、ＧａＮ系エピタキシャル膜中で形成され伝播してきた光は、ＧａＮ系エピタキシャル膜とサファイア基板との界面で、本発明例Ａより全反射しやすい。これが原因で、比較例Ｂの出力が本発明例Ａのそれより小さくなる。
【００３６】
しかし、電流を５倍にして１００ｍＡを印加した場合、本発明例Ａでは５倍の４０ｍＷの出力が得られたが、比較例Ｂでは２５．２ｍＷしか得られなかった（図９参照）。このときのＭＱＷ発光部での電流密度は、図１０に示すように、本発明例Ａでは１１０Ａ／ｃｍ2であり、比較例Ｂでは１５０Ａ／ｃｍ2であった。すなわち本発明例ＡのＭＱＷ発光部での電流密度が、比較例Ｂのそれより大きくなっている。
【００３７】
これは、本発明例Ａでは放熱面積が発生する熱に対して十分広く、またｎ電極を基板の第２の主表面側に設けることで電流密度が極端に大きくなる部位がない構造となっていることを意味する。これに対し、比較例Ｂでは放熱面積が本発明例Ａよりも小さい上に、ｎ電極を露出させたｎ型ＧａＮ層上に設けたため、ｎ型ＧａＮ層中を層に平行な方向に流れる電流の電流密度が極端に大きくなり過ぎたことを意味する。その結果、比較例Ｂでは、発熱がさらに増加することとなる。
【００３８】
また、本発明例Ａは比較例Ｂと異なりｎ電極とｐ電極が対向した位置にあるため電気的ショートのおそれがなく、同じ側にある比較例Ｂでたとえばショートを防止するためにｐ電極とｎ電極との間を電気的に絶縁するための膜を設けるような余計な製造コストの増加を防ぐことも可能である。
【００３９】
さらに、本発明例Ａおよび比較例Ｂの静電耐圧についての試験結果を説明する。試験は、発光装置と、静電気がチャージされたコンデンサとを対向させて両者間に放電を生じさせた。このとき、比較例Ｂではおよそ１００Ｖの静電圧で破壊された。一方、本発明例Ａではおよそ８０００Ｖまで破壊することがなかった。本発明例Ａでは、比較例Ｂの約８０倍の静電耐圧を有することが分った。
【００４０】
また、上記の本発明例Ａでは、ＧａＮ基板の上にＧａＮ系発光装置を形成するため、ＧａＮ系発光チップをダウン実装してＧａＮ基板裏面から光を放出するようにしても、屈折率の相違が両者の間にないため、全反射をすることなく、ＧａＮ系発光チップからＧａＮ基板へと光が伝播する。このため、サファイア基板を用いてＧａＮ系発光装置を形成した構造に比べて、ＧａＮ基板主面における光出力を高めることができる。さらに、ＧａＮ層の側部から光が極端に集中して出射されることがないので、封止樹脂が損傷を受けることがなくなり、封止樹脂により寿命が制約を受けることがなくなる。
【００４１】
本発明例では、発光波長４５０ｎｍでの一例を示したにすぎず、発光波長や層構造を変えた場合でも同じ効果を得ることができる。また基板の特性が同等であれば、ＧａＮ基板の代わりに、ＡｌxＧａ1-xＮ基板（ただし、ｘは０より大きく１以下）を用いても同様の効果が得られることは言うまでもない。
【００４２】
−（実施例２）−
本発明の実施例２では、さらに大面積化したときの本発明例Ｃについて説明する。本発明例Ｃは、図１に示す本発明例Ａの構造と同じであるが、その寸法Ｌ1が本発明例Ａでは０．３ｍｍ（３００μｍ）であったのに比して、本発明例Ｃでは、図１１に示すように、Ｌ1は３ｍｍと１０倍になっており、したがって面積では１００倍になっている。まず、本発明例Ｃの製造方法はつぎのとおりである。
【００４３】
（本発明例Ｃ）
（ｃ1）〜（ｃ5）ＧａＮ基板に大きいものを用いるが、本発明例Ａにおいて対応する処理と同じ処理を行なう。
（ｃ6）ＧａＮ基板の裏面である第２の主表面には、フォトリソグラフィ技術と、蒸着と、リフトオフ法とにより３．１ｍｍおきに、チップの中心に直径１００μｍのｎ電極をつけた。ｎ電極としては、上記ＧａＮ基板の裏面に接して下から順に（Ｔｉ層２０ｎｍ／Ａｌ層１００ｎｍ／Ｔｉ層２０ｎｍ／Ａｕ層２００ｎｍ）の積層構造を形成した。これを不活性雰囲気中で加熱処理することにより、接触抵抗を１Ｅ−５Ω・ｃｍ2以下とした。
（ｃ7）本発明例Ａにおいて対応する処理と同じ処理を行なった。
（ｃ8）その後に所定の形状になるよう、スクライブを行ない、チップ化したものを発光装置とした。チップ化した発光素子のサイズは３ｍｍ□である。
（ｃ9）〜（ｃ11）本発明例Ａにおいて対応する処理と同じ処理を施した。次に、本発明例Ｃのｎ電極の配置を変形した変形例Ｃ１を、以下のように作製した。
【００４４】
（本発明例Ｃ１）
図１２および図１３は、上記本発明例Ｃの変形例である本発明例Ｃ１を示す図である。本発明例Ｃ１では、ｎ電極１１をＧａＮ基板の四隅、すなわち４つのコーナーに配置した点に特徴がある。また、半導体チップの実装において半導体チップを取り囲むようにリードフレームに反射カップ３７を配置している。
【００４５】
上記本発明例Ｃ１の製造では、本発明例Ａと対応する工程において同じ処理を施した。ただしボンディングワイヤには４本のＡｕ線を用い、それぞれの断面の直径は２５μｍとした。４つのコーナーに位置する各ｎ電極の形状は４５μｍ□である。
【００４６】
次に比較例Ｄについて説明する。比較例Ｄの構造は、図５に示す構造と同じである。ただし、図５の比較例ＢにおけるＬ1が３００μｍ（０．３ｍｍ）であったのに比して、比較例ＤのＬ1は３ｍｍと１０倍としている。また、ｎ電極を形成するｎ型ＧａＮ層の部分の寸法Ｌ4は、図５の比較例Ｂと同じ１５０μｍである。比較例Ｄの製造方法は次のとおりである。
【００４７】
（比較例Ｄ）
（ｄ1）ｃ面から０．２°ずらしたサファイアの大サイズの絶縁オフ基板を使用した。サファイア基板の厚みは４００μｍとした。
（ｄ2）〜（ｄ4）本発明例Ａにおいて対応する処理と同じ処理を施した。
（ｄ5）比較例Ｄの場合、サファイア基板が絶縁体であるため、ｎ電極はｐ電極と同じ成長膜側に設ける必要がある。そこで、このウェハをさらにフォトリソグラフィ技術とＲＩＥにより、Ｍｇドープのｐ型層側からＳｉドープのｎ型層までＣｌ系ガスでエッチングすることにより、ｎ電極を設けるためのｎ型ＧａＮ層を露出させ、本発明例Ａと同様の素子分離を行なった。素子のサイズは、上記したように３ｍｍ□と大型サイズとした。ｎ電極を配置するためにで露出させたｎ型ＧａＮ層の部分の広さは１つの素子当り１５０μｍ□とした。
（ｄ6）露出させたｎ型ＧａＮ層上には、フォトリソグラフィ技術と、蒸着と、リフトオフ法とにより直径１００μｍのｎ型電極をつけた。厚み、熱処理、接触抵抗は本発明例Ａと同じである。
（ｄ7）ｐ電極は、素子領域３．１ｍｍ□から素子分離溝とｎ電極とを配置するためのｎ型ＧａＮ層の露出部１５０μｍ□を除いた、ｐ型ＧａＮ層に設けた。厚み、熱処理、接触抵抗は本発明例Ａと同じとした。
（ｄ8）〜（ｄ11）本発明例Ａにおいて対応する処理と同じ処理を行なった。
【００４８】
次に、もう一つの比較例Ｅについて説明する。比較例Ｅは、図１４に示すようにサファイア基板を用いて、ｐ電極１１２およびｎ電極１１１をともにダウン実装側に設ける点では比較例ＢおよびＤと同じである。しかし、図１５の平面図から明らかなように、ｐ電極１１２を櫛形状にして、ｎ電極１１１を櫛の歯の間に配置し、ｐ電極１１２とｎ電極１１１との間に絶縁体を配置している点で異なっている。これは、ｐ電極とｎ電極とを流れる電流を均等化して電流密度が極端に高くなる箇所を生じないようにするためである。この比較例Ｅの製造方法は次のとおりである。
【００４９】
（比較例Ｅ）
比較例Ｄと同様の作製方法で、ｎ電極１１１は０．５ｍｍおきに５本、０．１ｍｍ幅の櫛形電極を設けた（図１４および図１５参照）。ｎ電極１１１とｐ電極１１２との間を０
．１ｍｍ隔離しながら、ｎ型ＧａＮ層１０２の残りの裏面部分にｐ電極を設けた。さらに各々の電極が電気的ショートしないように、ｎ電極とｐ電極との間の隙間には表面保護のための絶縁体１１９を設けた。さらにショートしないようにリードフレームのマウント部１２１ａの各々の電極位置に対応する部分に導電性接着剤１１４を設け、チップとリードフレームの横および縦方向、さらに回転方向のずれを制御しながらチップをリードフレームに搭載した。
【００５０】
（実験およびその結果）
本発明例Ｃと比較例Ｄとを積分球内に搭載した後所定の電流を印加し、集光されディテクタから出力される光出力値の比較を行なった。２０ｍＡの電流印加において、本発明例Ｃの出力は８ｍＷであり、一方比較例Ｄでは７．２ｍＷであった。一方、２Ａ（２０００ｍＡ）の電流を印加したとき、本発明例Ｃでは１００倍の出力の８００ｍＷが得られた。しかし、比較例Ｄでは破損していた。
【００５１】
そこで比較例Ｄを樹脂封止をしない状態で、電流を印加しながらサーモビュアで素子の温度を測定した結果、ｎ電極からＭＱＷ発光部へｎ型ＧａＮ層中を層に平行な方向に集中して電流が流れる部位が異常発熱し、破損したことがわかった。
【００５２】
そこで、さらに比較例Ｄに対してｎ型電極からＭＱＷ発光部へｎ型ＧａＮ層中を層に平行な方向に流れる電流が分散する構造のものを作製した。これが上記の比較例Ｅである。比較例Ｅでは、印加電流２０ｍＡで７．２ｍＷ、２Ａで７２０ｍＷと、本発明例Ｃの０．９倍の出力を得ることができた。
【００５３】
このように、本発明例Ｃに近い性能を得ようとすれば、本発明例Ｃと比べて非常に複雑な構造およびプロセスが必要となるため製造コストは非常に大きなものとなる。
【００５４】
次に、上記の本発明例Ｃ、比較例ＤおよびＥについて静電耐圧の試験を行なった。試験は、上記のように、発光装置と、静電気がチャージされたコンデンサとを対向させて両者間に放電を生じさせた。このとき、比較例ＤおよびＥではおよそ１００Ｖの静電圧で破壊された。一方、本発明例Ｃではおよそ８０００Ｖまで破壊することがなかった。すなわち、本発明例においては８０倍程度の非常に高い静電耐圧を得ることができた。
【００５５】
本発明例Ｃ１では、開口率は５０％を大きく上回りほとんど１００％である。また、ＧａＮ基板のコーナーに位置することにより、中央に位置する場合に比較して光取り出しの障害になることは飛躍的に低減される。図１２に示す場合、平面的に見てｎ電極は活性層の外に位置するのでｎ電極が光取り出しに影響を及ぼすことはまったく無くなる。この結果、本発明例Ｃ１では本発明例Ｃよりさらに高い出力を得ることが可能である。
【００５６】
−（実施例３）−
本発明の実施例３では、光放出面における開口率およびＧａＮ基板の電気抵抗の光出力に及ぼす影響を測定した。開口率の調整は、基板面積またはｐ電極サイズとｎ電極サイズとを変えることにより行なった。試験体は、図１に示す構造のＬＥＤを用いたが、一部の試験については、図１６に示すように、蛍光材２６を配置して白色ＬＥＤとした試験体についても試験した。試験体は、本発明例Ｆと、ＧａＮ基板の比抵抗が本発明の範囲に入らない比較例ＧおよびＨの３体である。この後で説明する試験体Ｆ、Ｇ、Ｈの各々について図１に示す蛍光材を含まずエポキシ系樹脂で封止したものと、図１６に示す蛍光材を搭載した白色ＬＥＤとを作製した。開口率は、｛（ｐ電極面積−ｎ電極面積）／ｐ電極面積｝×１００（％）とした。
【００５７】
本発明例ＦのＬ1＝８ｍｍ、Ｄ＝１００μｍであり、開口率はほぼ１００％である。また、比較例ＧのＬ1＝０．４９ｍｍ、Ｄ＝１００μｍであり、開口率は９７％である。また、比較例ＨのＬ1＝８ｍｍ、Ｄ＝７．５１ｍｍであり、開口率は３１％である。上記本発明例Ｆおよび比較例Ｇ、Ｈの製造方法について次に説明する。
【００５８】
（本発明例Ｆ）
（ｆ1）〜（ｆ5）本発明例Ａにおいて対応する処理と同じ処理を行なった。
（ｆ6）その後に所定の形状になるよう、図１７に示すようにスクライブを行ない、チップ化したものを発光装置とした。得た発光装置は８ｍｍ□である。
（ｆ7）〜（ｆ11）本発明例Ａにおいて対応する処理と同じ処理を行なった。
（ｆ12）上記の（ｆ11）とは別に（ｆ10）においてでリードフレームのマウントに搭載したものの上のｎ電極側に蛍光材を搭載した後にエポキシ系樹脂により樹脂封止を行なって、白色に発光するランプをも作製した。これには４５０ｎｍの光出力１ワット当り１８０ｌｍが得られる蛍光材を使用した。
【００５９】
（比較例Ｇ）
（ｇ1）ｃ面から０．５°ずらしたｎ型ＧａＮのオフ基板を使用した。比抵抗０．６Ω・ｃｍと本発明の範囲０．５Ω・ｃｍ以下より高いものを選んだ。このＧａＮ基板の転位密度は１Ｅ７／ｃｍ2であり、また厚みは４００μｍとした。
（ｇ2）〜（ｇ5）本発明例Ｆにおいて対応する処理と同じ処理を行なった。
（ｇ6）その後に、所定の形状になるようスクライブを行ない、チップ化したものを発光装置とした。得た発光装置は０．４９ｍｍ□である。
（ｇ7）〜（ｇ12）本発明例Ｆにおいて対応する処理と同じ処理を行なった。
【００６０】
（比較例Ｈ）
（ｈ1）ｃ面から０．５°ずらしたｎ型ＧａＮのオフ基板を使用した。比抵抗０．６Ω・ｃｍと本発明の範囲０．５Ω・ｃｍ以下より高いものを選んだ。このＧａＮ基板の転位密度は１Ｅ７／ｃｍ2であり、また厚みは４００μｍとした。
（ｈ2）〜（ｈ5）本発明例Ｆにおいて対応する処理と同じ処理を行なった。
（ｈ6）その後に所定の形状になるよう、スクライブを行ない、チップ化したものを発光装置とした。得た発光装置は８ｍｍ□である。
（ｈ7）〜（ｈ12）本発明例Ｆにおいて対応する処理と同じ処理を行なった。
【００６１】
（実験およびその結果）
（１）本発明例Ｆおよび比較例Ｇ、Ｈについて、ｎ電極からＭＱＷ層へ電流が比較的均一に広がる範囲の電流分布をシミュレーションで算出した。このシミュレーション結果を、本発明例Ｆおよび比較例Ｇ、Ｈの素子設計に反映している。図１８に、電流の広がりのイメージ図を示す。図１９は、ＭＱＷの発光層４における中心からの径方向距離をｒとして、距離ｒにおける電流密度比を示す図である。電流密度はｎ電極中心の値を１とする。（ｉ）本発明例Ｆの結果：ｎ電極直下は最も電流密度が大きく、ｎ電極から離れるにつれ電流密度は小さくなった。またｎ電極直下の１／３以上の電流密度が得られる範囲がｎ電極直下を中心に直径１２ｍｍとなった。この結果を基に、発光装置の大きさはそれに内包される８ｍｍ□とした。ＧａＮ基板の第２の主表面であるＮ面には、フォトリソグラフィ技術と、蒸着と、リフトオフ法とにより８．１ｍｍ置きにチップの中心に直径１００μｍのｎ型電極をつけた。この場合、ＧａＮ基板のＮ面上でｎ型電極のない部分、つまり開口率は素子当りほぼ１００％である。厚み、熱処理、接触抵抗は本発明例Ａと同じである。
（ｉｉ）比較例Ｇの結果：ｎ電極直下の１／３以上の電流密度が得られる範囲がｎ電極直下を中心に直径０．７ｍｍとなった。そこで本発明例Ｅとｎ電極の大きさとを合わせて直径１００μｍとし、チップサイズは直径０．７ｍｍに内包される０．４９ｍｍ□とした。そこでＧａＮ基板のＮ面にはフォトリソグラフィ技術と、蒸着と、リフトオフ法とにより０．５ｍｍ置きにチップの中心に直径１００μｍのｎ型電極をつけた。この場合、開口率は素子当りほぼ９７％である。厚み、熱処理、接触抵抗は本発明例Ａ〜Ｅと同じである。
（ｉｉｉ）比較例Ｈでは、本発明例Ｅとチップの大きさを合わせて８ｍｍ□とした。ＧａＮ基板の電気抵抗は比較例Ｇと同じであり、電流の広がりが直径０．７ｍｍとなるので、８ｍｍ□に均一に電流を流そうとすると（ｎ型電極直下の１／３以上）、ｎ電極は直径７．５１ｍｍ必要である。そこで、ＧａＮ基板の第２の主表面（光放出面）には、スクライビングの幅を０．１ｍｍとして、フォトリソグラフィ技術と、蒸着と、リフトオフ法とにより８．１ｍｍおきに直径７．５１ｍｍのｎ電極をつけた。この場合、開口率は素子当りほぼ３１％となる。
【００６２】
（２）本発明例Ｆと比較例Ｇ、Ｈとを、蛍光材を搭載しないもの同士を、積分球内に搭載した後、所定の電流を印加し、集光されディテクタから出力される光出力値の比較を行なった。結果を図２０および図２１に示す。
【００６３】
２０ｍＡの電流印加では、本発明例Ｆと比較例Ｇ、Ｈとは、電極を配置していない部分の面積率と整合するように、それぞれ８ｍＷ、７．８ｍＷ、２．５ｍＷの出力となった。本発明例Ｆで最も高光出力が得られ、比較例Ｇも本発明例Ｆほどではないが比較的高い光出力が得られた。そこでさらに５００倍の１０Ａを印加した場合、本発明例Ｆおよび比較例Ｈとは、各々電極を配置しない部分の面積率に応じて４Ｗおよび１．３Ｗの出力が得られた。
【００６４】
比較例Ｇでは、印加電流０．２６Ａで発光部の電流密度が１１０Ａ／ｃｍ2のときの０．１Ｗの出力までは印加電流の増加に比例して出力が増加した。しかし、その後熱発生による温度上昇とともに出力が飽和し、電流１０Ａの印加により発光装置が壊れていた。
【００６５】
また、上記の３種の試験体の輝度を測定した結果を図２２および図２３に示す。図２２は、蛍光材を配置して白色化したＬＥＤの印加電流と得られた輝度との関係を示す図であり、また図２３は同様に電流と輝度との関係を示す図である。本発明例Ｆと比較例Ｈは同じ蛍光材を使用しても、各々電極を配置しない部分の面積率に応じて得られる輝度が変わるので、１０Ａの印加電流で７２０ｌｍ／チップ、２３４ｌｍ／チップとなった。比較例Ｇは電流印加０．２６Ａにおける１８ｌｍ／チップが熱的な限界であり、電流を１０Ａ印加すると破損した。図２２および図２３によれば、高電流で高い輝度が得られたのは本発明例Ｆだけであった。
【００６６】
なお、本実施例において電流印加を最大１０Ａとしたのは、それ以上電流を増やすとｎ電極でのジュール発熱密度が大きくなり過ぎて発熱が大きくなる可能性があるからである。
【００６７】
ｎ電極を大きくするか、または接触抵抗を充分下げれば、最大電流が電流密度１１０Ａ／ｃｍ2に対する７０Ａまで同じ効果を得ることができる。
【００６８】
（本発明例Ｆ-２およびＦ-３）
そこで、本発明例Ｆと同じ処理を施し、本発明例Ｆ-２ではｎ電極の直径Ｄを１ｍｍ（面積０.７８５ｍｍ2）とし、ＧａＮ基板の中央に配置した。また、本発明例Ｆ-３ではｎ電極を４５０μｍ□とし、ＧａＮ基板の４つのコーナーに配置した（図２４および図２５参照）。図２４および図２５に示すように、４つのコーナーに位置するｎ電極は、それぞれボンディングワイヤによってリードフレームと電気的に接続されている。ボンディングワイヤにはＡｕ線を用い、その断面の直径は３００μｍである。この場合の開口率はいずれもほぼ１００％である。また、本発明例Ｃ1と同様に、カップ状の反射体である反射カップ３７を配置した。
【００６９】
本発明例Ｆと同様に蛍光材を搭載しないものを積分球に装入した後、所定の電流を印加して発光させた。その光を集光するディテクタから出力される光出力値を計測したところ、２０ｍＡの電流印加では８ｍＷ、印加電流を前記の５００倍の１０Ａとした場合では４Ｗ、さらに７０Ａを印加した場合では２８Ｗの出力を得ることができた。
【００７０】
また、蛍光材を配置して白色光化したＬＥＤの場合、５０４０ｌｍ／チップの輝度を得ることができた。
【００７１】
もちろんサイズが小さく、印加電流の比較的小さい発光装置を多数個並べて同様の出力を得ることが可能であるが、素子配置の位置精度のためや電気的ショートを回避するため素子間に一定距離が必要となり、全体の大きさが極端に大きくなったり、また１個１個の素子に導通を施したりすると、極端にコストが高くなったりして実用的ではない。本発明によればそうした問題を避け従来と全く同じ製造プロセス数を用いて、ほぼ同じコストでまた大きさも必要最小限で高発光出力を得ることができる。
【００７２】
また発光波長や層構造が変わっても、または基板の特性が同等であれば、ＧａＮ基板の代わりにＡｌxＧａ1-xＮ基板（ただしｘは０より大きく１以下）を用いても同様の効果があることは言うまでもない。
【００７３】
図２４および図２５に示すように、ＧａＮ基板のコーナーに位置するｎ電極とリードフレームとを半径１５０μｍの４本のＡｕ線で電気的に接続することにより、電極やワイヤが光取り出しの障害になることがなくなるので、さらに光出力を高めることが可能である。
【００７４】
−（実施例４）−
本発明の実施例４では、ＧａＮ基板厚みの光出力に及ぼす影響について説明する。図１に示すＬＥＤと同じ構造を有する本発明例Ｉ、Ｊ、Ｋの３体の試験体を用いて、ＧａＮ基板の光吸収を測定した。試験体の作製方法について説明する。
【００７５】
（本発明例Ｉ）
（ｉ1）ｃ面から０．５°ずらしたｎ型ＧａＮのオフ基板を使用した。このＧａＮ基板の比抵抗は０．０１Ω・ｃｍであり、転位密度は１Ｅ７／ｃｍ2であった。このＧａＮ基板は、厚み１００μｍとした。
（ｉ2）ＭＯＣＶＤにより、ＧａＮ基板の第１の主表面上に、順に次の層を形成した。すなわち、（ＧａＮバッファ層／Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層／クラッド層のＳｉドープｎ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ層／ＧａＮ層とＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ層との２層構造が３層重ねられたＭＱＷ層／クラッド層のＭｇドープｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ層／Ｍｇドープｐ型ＧａＮ層）の積層構造を形成した。
（ｉ3）発光波長は３８０ｎｍであり、低温４．２ＫでのＰＬ強度と室温２９８ＫでのＰＬ強度を比較することにより便宜的に算出した内部量子効率は５０％であった。
（ｉ4）〜（ｉ5）本発明例Ａにおいて対応する処理と同じ処理を施した。
（ｉ6）まず点状のｎ電極からＭＱＷ層へ電流が比較的均一に広がる範囲をシミュレーションで算出した。その結果、ｎ電極直下が最も電流密度が大きくｎ電極から離れるにつれ電流密度が小さくなった。またｎ電極直下の１／３以上の電流密度が得られる範囲がｎ電極直下を中心に直径３ｍｍとなったので、発光装置の大きさはそれに内包される１．６ｍｍ□とした。ＧａＮ基板のＮ面にはフォトリソグラフィ技術と、蒸着と、リフトオフ法とにより１．７ｍｍ置きに直径１００μｍのｎ型電極をつけた。この場合、ＧａＮ基板のＧａ面上でｎ型電極のない部分、つまり開口率は素子当りほぼ１００％である。厚み、熱処理、接触抵抗は本発明例Ａと同じである。
（ｉ7）本発明例Ａにおいて対応する処理と同じ処理を行なった。
（ｉ8）その後に所定の形状になるよう、スクライブを行ない、チップ化したものを発光装置とした。得た発光装置は１．６ｍｍ□である。
（ｉ9）〜（ｉ11）本発明例Ａにおいて対応する処理と同じ処理を行なった。
【００７６】
（本発明例Ｊ）
（ｊ1）ｃ面から０．５°ずらしたＡｌxＧａ1-xＮのオフ基板を使用した。比抵抗は０．０１Ω・ｃｍであり、転位密度は１Ｅ７／ｃｍ2であった。ｎ型ＡｌxＧａ1-xＮ基板の厚みは１００μｍとした。Ａｌの原子比率ｘ＝０．２、０．５、１と３種類のものを用いた。
（ｊ2）ＭＯＣＶＤにより、ＡｌxＧａ1-xＮ基板の第１の主表面上に、次の積層構造を形成した。（クラッド層のＳｉドープｎ型クラッドＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ／ＧａＮとＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎとの２層構造を３層重ねたＭＱＷ層／クラッド層のＭｇドープｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ層／Ｍｇドープｐ型ＧａＮ層）を順に形成する。
（ｊ3）〜（ｊ5）本発明例Ｉにおいて対応する処理と同じ処理を行なった。
（ｊ6）Ａｌ1-xＧａxＮ基板の第２の主表面には、フォトリソグラフィ技術と、蒸着と、リフトオフ法とにより４００μｍおきに直径１００μｍのｎ電極をつけた。ｎ電極は、Ａｌ1-xＧａxＮ基板の第２の主表面に接して下から順に（Ｔｉ層２０ｎｍ／Ａｌ層／１００ｎｍ／Ｔｉ層２０ｎｍ／Ａｕ層２００ｎｍ）の積層構造を形成することにより構成した。これを不活性雰囲気中で加熱処理することにより、接触抵抗を１Ｅ−４Ω・ｃｍ2以下とした。
（ｊ7）〜（ｊ11）本発明例Ｉにおいて対応する処理と同じ処理を行なった。
【００７７】
（比較例Ｋ）
（ｋ1）ｃ面から０．５°ずらしたｎ型ＧａＮのオフ基板を使用した。このＧａＮ基板の比抵抗は０．０１Ω・ｃｍであり、転位密度は１Ｅ７／ｃｍ2であった。このＧａＮ基板は、厚み１ｍｍ（１０００μｍ）とした。
（ｋ2）〜（ｋ5）本発明例Ｉにおいて対応する処理と同じ処理を施した。
（ｋ6）発光素子（チップ）のサイズは本発明例Ｇと同じの１．６ｍｍ□とした。ＧａＮ基板の第２の主表面には、フォトリソグラフィ技術と、蒸着と、リフトオフ法とにより１．７ｍｍおきに直径１００μｍのｎ型電極をつけた。この場合ＧａＮ基板の第２の主表面（光放出面）でｎ電極のない部分の比率、つまり、開口率は素子当りほぼ１００％である。厚み、熱処理、接触抵抗は本発明例Ｉと同じとした。
（ｋ7）〜（ｋ11）発明例Ｉにおいて対応する処理と同じ処理を行なった。
【００７８】
（実験およびその結果）
まず、基板厚みの違う本発明例Ｉ、Ｊおよび比較例Ｋの基板１を用意し、波長３８０ｎｍの入射光に対する透過率を測定した。図２６および図２７に光透過率測定試験の概要を示す。本発明例ＩおよびＪの厚みが１００μｍであるのに比して本発明例Ｋの厚みが１ｍｍ（１０００μｍ）と厚い。試験の結果を図２８に整理して示す。
【００７９】
図２８によれば、本発明例Ｉ、Ｊおよび比較例Ｋについて、透過率は各々７０％、９０％および１０％であった。本発明例Ｊでは、Ａｌの原子数比ｘ＝０．２、０．５および１と３種類の基板を作製したが、いずれの透過率も９０％であった。
【００８０】
そこで、蛍光材を搭載して白色ＬＥＤにした本発明例Ｉ、Ｊ、および比較例Ｋとを、積分球内に搭載した後所定の電流を印加し、集光されディテクタから出力される光出力値の比較を行なった。電流２０ｍＡを印加したところ、本発明例Ｉ、Ｊ、および比較例Ｋとで、４．２ｍＷ、５．４ｍＷ（上記３種類すべて）および０．６ｍＷの出力が得られた。この差は各々の基板の透過率の差によるものであるが、ＧａＮ基板の場合波長４００ｎｍより短波長で極端にその光の透過率が小さくなるため、その場合、本発明のように基板をＡｌxＧａ1-xＮとすることで高い光の取出しを得ることができる。
【００８１】
また、ＧａＮ基板を薄くすることでも高い光の取出しを得ることができる。厚みは薄すぎてもｎ電極からＭＱＷへの電流の広がり範囲が小さくなりすぎ、厚すぎると前述のように取出し効率が悪くなるため、発光波長にもよるが、その厚みは５０μｍ〜５００μｍが望ましい。また本発明例のようにＧａＮ基板の厚みが１００μｍ程度の薄いものを使用することにより、ＧａＮ基板の製造コストを小さくすることができ、より低コストの発光装置を製造することが可能となる。発光波長によらず、基板厚みの低減により低コスト化できることは言うまでもない。
【００８２】
−（実施例５）−
本発明の実施例５では、基板上に形成されるｎ型ＧａＮ層の厚みの製造歩留りについて説明する。用いた試験体は、ＧａＮ基板を用いる本発明例Ａと同じ構造の本発明例Ｌと、サファイア基板を用いる比較例Ｂと同様の構造の比較例Ｍ、Ｎの３体である。
【００８３】
（本発明例Ｌ）
（ｌ1）本発明例Ａにおいて対応する処理と同じ処理を行なう。
（ｌ2）ＭＯＣＶＤにより、次の積層構造を形成する(図２参照）。（ＧａＮ基板／ＧａＮバッファ層／Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層２／クラッド層のＳｉドープｎ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ層／ＧａＮ層とＩｎ0.1Ｇａ0.9Ｎ層の２層構造を３層重ねたＭＱＷ層／クラッド層のＭｇドープｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ層／Ｍｇドープｐ型ＧａＮ層）を形成する。図２を参照して、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層２の厚みｔは１００ｎｍとした。
（ｌ3）〜（ｌ13）本発明例Ａにおいて対応する処理と同様の処理を行なった。このとき素子分離のエッチング溝２５を形成すると、エッチング溝底部２５ａは図２９に示すように完全には平坦にはならず多少の凹凸のある形状となる。本発明例Ｌの場合は、上記のように中央部がＧａＮ基板やバッファ層に達してもこの部分に電極などを設けることがないので、この部分における深さや底部の平坦度が多少変動しても製造歩留り等に及ぼす影響は小さい。
【００８４】
（比較例Ｍ）
（ｍ1）比較例Ｂにおいて対応する処理と同様の処理を行なった。
（ｍ2）ＭＯＣＶＤにより、サファイア基板上に、次の積層構造を形成した（図６参照）。（サファイア基板／ＧａＮバッファ層／Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層／クラッド層のＳｉドープｎ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ層／ＧａＮ層とＩｎ0.1Ｇａ0.9Ｎ層との２層構造を３層重ねたＭＱＷ層／クラッド層のＭｇドープｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ層／Ｍｇドープｐ型ＧａＮ層）を形成する。図６を参照して、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層１０２の厚みは３μｍとした。
（ｍ3）〜（ｍ11）比較例Ｂにおける対応する処理と同じ処理を行なった。このとき素子分離のエッチング溝１２５を形成すると、エッチング溝底部１２５ａは、図３０に示すように完全には平坦にはならず多少の凹凸のある形状となる。しかし比較例Ｍの場合は、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層１０２の厚みは３μｍと厚いので、上記のように中央部がバッファ層やサファイヤ基板に達することがない。この結果、この部分における深さや底部の平坦度が多少変動しても製造歩留り等に及ぼす影響は小さい。
【００８５】
（比較例Ｎ）
（ｎ1）比較例Ｂにおける対応する処理と同じ処理を行なった。
（ｎ2）ＭＯＣＶＤにより、サファイア基板面上に、次の積層構造を形成した（図６参照）。（ＧａＮバッファ層／Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層／クラッド層のＳｉドープｎ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ層／ＧａＮ層とＩｎ0.1Ｇａ0.9Ｎ層との２層構造を３層重ねたＭＱＷ層／クラッド層のＭｇドープｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ層／Ｍｇドープｐ型ＧａＮ層を形成した。図６を参照して、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層１０２の厚みは１００ｎｍとした。
（ｎ3）〜（ｎ4）比較例Ｂにおける対応する処理と同じ処理を行なった。
（ｎ5）比較例Ｎの場合、サファイア基板の上にサファイアとは格子定数の異なるＧａＮ系多層膜を成長させるため、ｎ型ＧａＮ層の厚みが１００ｎｍと薄過ぎると良質の多層膜を得ることができず、発光出力は極端に小さくなる。
【００８６】
また、比較例Ｎの場合、サファイア基板が絶縁体であるためｎ電極はｐ電極と同じ成長膜側に設ける必要がある。そこでこのウェハをさらに、フォトリソグラフィ技術とＲＩＥにより、Ｍｇドープｐ型層側からＳｉドープｎ型ＧａＮ層までＣｌ系ガスでエッチングすることにより、ｎ型電極を設けるためにｎ型ＧａＮ層を露出させようとした。しかし、図３１に示すように、本比較例ＮではＳｉドープｎ型ＧａＮ層の厚みが１００ｎｍ（０．１μｍ）と薄いために、ウェハ内に均一にｎ型ＧａＮ層を露出させることができない。このため、場所によって露出面がｎ型ＡｌxＧａ1-xＮ層だったり、ＧａＮバッファ層だったりした。熱リン酸などを用いてウエットエッチングを試みたが、どのようなエッチャントでも同様の結果だった。
【００８７】
（実験結果）
実施例１と同じ要領で光出力を測定した結果、本発明例Ｌでは印加電流２０ｍＡで８ｍＷの出力を得た。一方、同じ印加電流で、比較例Ｍでは７．２ｍＷの出力を得た。また、本発明例Ｌの構造では、ｎ型ＧａＮ層の厚みを３μｍから１００ｎｍと薄くしても同等の出力を得ることができた。またｎ電極を導電性ＧａＮ基板のＮ面に設けることができるため、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層を露出させることは必要ない。
【００８８】
基板上に成長する発光素子の膜厚は、対象とする波長や出力にもよるが、通常せいぜい６μｍ以下であり、その大部分を占めるＳｉドープｎ型ＧａＮ層の厚みを、本発明例では３μｍから１００ｎｍと薄くすることができる。この結果、本発明例によれば、膜成長のコストを飛躍的に小さくすることが可能である。
【００８９】
比較例Ｎの試験体の処理工程（ｎ5）で説明したように、ｎ型ＧａＮ層を１００ｎｍ（０．１μｍ）と薄くすると、ｎ型ＧａＮ層露出の歩留まりが非常に悪く実用的ではない。また、将来の技術進歩により仮に均一な露出が実現したとしても、層の厚みが薄すぎるため、実施例１における比較例Ｂのように、ｎ型ＧａＮ層中を層に平行な方向に流れる電流の電流密度が極端に大きくなり過ぎて発熱が増加し、実用的な光出力は得ることができない（図３１参照）。もちろん蛍光材を用いて白色とした場合や発光波長を変えた場合でも同様の効果が得られるのは言うまでもない。
【００９０】
−（実施例６）−
本発明の実施例６では、ＧａＮ基板の転位密度の光出力に及ぼす影響について説明する。用いた試験体は、本発明例Ａと同じ構造を有し、転位密度が１Ｅ６／ｃｍ2の本発明例Ｏおよび転位密度が１Ｅ９／ｃｍ2の比較例Ｐの２体である。
【００９１】
（本発明例Ｏ）
（ｏ1）ｃ面から０．５°ずらしたｎ型ＧａＮのオフ基板を使用した。このＧａＮ基板の比抵抗は０．０１Ω・ｃｍであり、転位密度は１Ｅ６／ｃｍ2であった。このＧａＮ基板の厚みは４００μｍとした。
（ｏ2）〜（ｏ11）本発明例Ａにおける対応する処理と同じ処理を行なった。
【００９２】
（比較例Ｐ）
（ｐ1）ｃ面から０．５°ずらしたｎ型ＧａＮのオフ基板を使用した。このＧａＮ基板の比抵抗は０．０１Ω・ｃｍであり、転位密度は１Ｅ９／ｃｍ2であった。このＧａＮ基板の厚みは、本発明例Ｏと同じ４００μｍとした。
（ｐ2）〜（ｐ11）本発明例Ａにおける対応する処理と同じ処理を行なった。
【００９３】
（実験結果）
実施例１と同じように、光出力を測定した結果、本発明例Ｏおよび比較例Ｐにおいて、印加電流２０ｍＡでともに８ｍＷの出力を、また印加電流１００ｍＡでは各々４０ｍＷおよび３０ｍＷの出力を得た。このように本発明例Ｏは比較例Ｐと比べたとき、より高い発光出力を得ることができる。
【００９４】
本発明例Ｏと比較例Ｐとでは、比抵抗や厚み等は同じなので、発熱や放熱は同じである。上記光出力の差が熱の影響でないことを確認するため、ｄｕｔｙ比１％、印加時間１μｓの１００μｓサイクルのパルス電流を印加し比較した。この試験結果は、上述の結果と同じであり、印加電流１００ｍＡにおいて各々４０ｍＷおよび３０ｍＷの出力を得た。
【００９５】
したがって、メカニズムは必ずしも明らかではないが、熱の影響ではなく転位密度の差によって、高電流密度での発光出力の差が得られた。また、発光波長や層構造を変えた場合や、蛍光材を設けた白色とした場合でも同様の効果が得られることを発明者の実験により確認している。
【００９６】
−（実施例７）−
本発明の実施例７では、光出力に及ぼす表面および端面の非鏡面化の影響について説明する。用いた試験体は、本発明例Ｑ、Ｒである。本発明例Ｑは、表面および端面を非鏡面化した図３２に示すＬＥＤであり、本発明例Ｒは、非鏡面化を行わない図３３に示すＬＥＤである。
【００９７】
（本発明例Ｑ）
（ｑ1）〜（ｑ7）本発明例Ｆにおいて対応する処理と同じ処理を行なった。
（ｑ7とｑ8との間に挿入する処理工程）ＧａＮ基板のＮ面および素子端面を非鏡面とした。非鏡面とする方法はＲＩＥなどのドライエッチやウエットエッチによった。このようなエッチングによる非鏡面化方法のほかに機械的に研磨する方法を用いてもよい。本実施例では、エッチャントとしてＫＯＨ水溶液を用いたウエットエッチによる方法を適用した。４ｍｏｌ／ｌのＫＯＨ水溶液を、温度を４０℃に保った状態で十分に攪拌したのち、ウェハを３０分間スターラーの中に浸漬し、ＧａＮ基板のＮ面および素子端面を非鏡面化した。
（ｑ8）〜（ｑ11）本発明例Ｆにおいて対応する処理と同じ処理を行なった。
【００９８】
（比較例Ｒ）
本発明例Ｆと同じものである。
【００９９】
（実験結果）
実施例１と同じように光出力を測定した結果、本発明例Ｑおよび比較例Ｒは印加電流１０Ａで各々４．８Ｗおよび４Ｗの出力を得た。また蛍光材を設けて白色とした場合、印加電流１０Ａにおいて、本発明例Ｑで１１５０ｌｍを、また比較例Ｒで９６０ｌｍの出力を得た。すなわち、本発明例Ｑにおいて、より高発光出力を得ることができた。もちろん発光波長を変えた場合でも同様の効果があることは言うまでもない。これは、基板およびｎ型ＧａＮ層の表面および端面が鏡面状態では、図３３に示すように、屈折率の高いＧａＮの表面で全反射が生じ易く、内部から外側に光が抜けにくいからである。これに対して、図３２に示すように非鏡面化すると、外部への光放出効率を高めることができる。
【０１００】
なお、非鏡面化にＫＯＨ水溶液を使用する場合、濃度が０．１〜８ｍｏｌ／ｌ、温度が２０〜８０℃の範囲で行なうと同様の効果が得られることが発明者の実験によりわかっている。
【０１０１】
−（実施例８）−
本発明の実施例８では、光出力に及ぼすｐ型電極における反射率の影響について説明する。用いた試験体は、本発明例Ｓ、Ｔ、Ｕ、Ｖ、Ｗの５体である。
【０１０２】
（本発明例Ｓ）
（ｓ1）〜（ｓ6）本発明例Ｆにおいて対応する処理と同じ処理を行なった。
（ｓ7）ｐ電極は、次の方法で作製される。ｐ型ＧａＮ層に接して下層から順に４ｎｍ厚みのＮｉ層、および４ｎｍ厚みのＡｕ層を形成する。次いで、不活性雰囲気中で加熱処理する。この後に、上記のＡｕ層の上に１００ｎｍ厚みのＡｇ層を形成する。上記方法で作製されたｐ電極の接触抵抗は５Ｅ−４Ω・ｃｍ2であった。
【０１０３】
また上記ｐ電極のうち、ガラス板の上に接して下層から順に形成した（４ｎｍ厚みのＮｉ層／４ｎｍ厚みのＡｕ層）に、同じ熱処理を施した後に透過率を測定した。その結果、Ｎｉ層側からの４５０ｎｍの入射光に対する透過率は７０％であった。さらに、１００ｎｍ厚みのＡｇ層をガラス板につけて反射率を測定した。この結果、４５０ｎｍの入射光に対して反射率８８％が得られた。そこで（４ｎｍ厚みのＮｉ層／４ｎｍ厚みのＡｕ層／１００ｎｍのＡｇ層）をＮｉ層を下層にしてガラス板に形成して、同じ熱処理をした後に反射率を測定した。その結果、４５０ｎｍの入射光に対して４４％の反射率が得られた。この反射率は、波長４５０ｎｍの入射光が、（４ｎｍ厚みのＮｉ層／４ｎｍ厚みのＡｕ電極層）を７０％の透過率で透過した後、Ａｇ層で８８％の反射率で反射し、再び（４ｎｍ厚みのＮｉ層と４ｎｍ厚みのＡｕ電極層）を７０％の透過率で透過したとする反射率に一致する。
（ｓ8）〜（ｓ11）本発明例Ｆにおいて対応する処理と同じ処理を行なった。
【０１０４】
（本発明例Ｔ）
（ｔ1）〜（ｔ6）本発明例Ｆにおいて対応する処理と同じ処理を行なった。
（ｔ7）ｐ電極は次の方法で作製する。ｐ型ＧａＮ層の上に下から順に、４ｎｍ厚みのＮｉ層、および４ｎｍ厚みのＡｕ層を形成する。この後、不活性雰囲気中で熱処理する。次いで、上記のＡｕ層の上に、１００ｎｍ厚みのＡｌ層および１００ｎｍ厚みのＡｕ層を形成する。上記の方法で作製されたｐ電極の接触抵抗は５Ｅ−４Ω・ｃｍ2であった。
【０１０５】
またこの電極のうち、（厚み４ｎｍのＮｉ層／厚み４ｎｍのＡｕ層）の積層膜をガラス板につけて同じ熱処理をした後に透過率を測定した結果、Ｎｉ側からの４５０ｎｍの入射光に対して７０％であった。さらに、１００ｎｍ厚のＡｌ層をガラス板につけて反射率を測定した結果、４５０ｎｍの入射光に対して８４％であった。また、下から順に（４ｎｍ厚のＮｉ層／４ｎｍ厚のＡｕ層／１００ｎｍ厚のＡｌ層）の積層膜をガラス板に形成して、同じ熱処理をした後に反射率を測定した。この結果、４５０ｎｍの入射光に対して４２％の反射率が得られた。この反射率は、波長４５０ｎｍの入射光が、（４ｎｍ厚のＮｉ層／４ｎｍ厚のＡｕ電極層）を７０％の透過率で透過した後、Ａｌ層で４２％の反射率で反射し、再び（４ｎｍ厚のＮｉ層／４ｎｍ厚のＡｕ電極層）を７０％の透過率で透過したときに算出される反射率と一致する。
（ｔ8）〜（ｔ11）本発明例Ｆにおいて対応する処理と同じ処理を行なった。
【０１０６】
（本発明例Ｕ）
（ｕ1）〜（ｕ6）本発明例Ｆにおいて対応する処理と同じ処理を行なった。
（ｕ7）ｐ電極として、ｐ型ＧａＮ層に、ｐ型ＧａＮ層に対してオーミック性の電極で反射率も高いＲｈを厚み１００ｎｍで全面につけた。接触抵抗は５ｅ−４Ω・ｃｍ2である。またこの電極のＲｈをガラス板につけて透過率を測定した結果、４５０ｎｍの入射光に対して６０％であった。
（ｕ8）〜（ｕ11）本発明例Ｆにおいて対応する処理と同じ処理を行なった。
【０１０７】
（本発明例Ｖ）
（ｖ1）〜（ｖ7）本発明例Ｓにおいて対応する処理と同じ処理を行なった。
（ｖ7とｖ8との間に挿入する処理工程）本発明例Ｑにおいて、ｑ7とｑ8との間に挿入する処理工程と同じ処理を行なう。
（ｖ8）〜（ｖ11）本発明例Ｓにおいて対応する処理と同じ処理を行なった。
【０１０８】
（本発明例Ｗ）
本発明例Ｗは本発明例Ｆと同じものである。
【０１０９】
（実験結果）
実施例１と同じように光出力を測定した結果、本発明例Ｓ、Ｔ、Ｕ、ＶおよびＷは、印加電流１０Ａで、各々４．８Ｗ、４．８Ｗ、５．２Ｗ、５．８Ｗおよび４Ｗの出力を得た。本発明例Ｓ、Ｔの実装側での反射の模式図を図３４に、本発明例Ｕの実装側での反射の模式図を図３５に、また本発明例Ｗの実装側での反射の模式図を図３６に示す。本発明例Ｓ、Ｔではｐ電極１２と導電性接着剤１４との間に高反射層３５を配置しているのに対して、本発明例Ｕではｐ電極１２そのものを高反射率材料とし、本発明例Ｖではさらに非鏡面化されている。また、本発明例Ｗでは実装側における反射についてはとくに配慮していない。
【０１１０】
本発明例Ｓ、Ｔ、Ｕ、Ｖにおいて蛍光材を設けて白色ＬＥＤとした場合、印加電流１０Ａで、各々８６４ｌｍ、８６４ｌｍ、９３６ｌｍおよび１０４４ｌｍの出力を得た。これらの結果によれば、ｐ電極を高反射率材料で形成したり、またｐ電極と導電性接着剤との間に高反射率材を配置することにより、光の有効活用をはかり、光出力を向上させることができる。すなわち、電極層にＡｇやＡｌやＲｈの反射膜をｐ電極そのもの、またはｐ電極と導電性接着剤との間に組み込むことにより、発光出力をさらに向上することができた。さらに、本発明例Ｖのように、ＧａＮ基板のＮ面や端面を非鏡面とすることで、さらなる向上が可能となった。
【０１１１】
発光波長を変えた場合、Ａｇ層やＡｌ層での反射率やＡｕおよびＮｉ層での吸収率が変わるので効果の程度は一概には言えないが、いずれの波長でも効果があることは言うまでもない。またＲｈの代わりに同等以上の仕事関数を持ち、同等以上の反射率のある元素を用いて同等以上の効果を得ることも可能である。
【０１１２】
−（実施例９）−
本発明の実施例９では、ＧａＮ基板の酸素濃度と比抵抗および光の透過率との関係を把握した。その関係に基づいてｐダウン実装、すなわちＧａＮ基板を光放出面とする発光素子において、所定の光放出面積の場合に最適なＧａＮ基板厚みと酸素濃度との関係を樹立した点に特徴がある。上述のようにｐダウン実装では光放出面がＧａＮ基板となるので、つぎに示すように、比抵抗と光透過率とに大きな影響を有する酸素濃度はとくに重要である。
【０１１３】
図３７は、ＧａＮ基板の比抵抗に及ぼす酸素濃度の影響を示す図である。図３７より、比抵抗０.５Ωｃｍ以下は、酸素濃度１Ｅ１７個／ｃｍ3以上とすることにより実現することができる。また、図３８は、ＧａＮ基板４００μｍのときの波長４５０ｎｍの光の透過率に及ぼす酸素濃度の影響を示す図である。同図より酸素濃度が２Ｅ１９個／ｃｍ3を超えると波長４５０ｎｍの光の透過率が急激に低下することが分かる。図３７と図３８とから、酸素濃度の増大は、ＧａＮ基板の比抵抗を減少させ、発光面を拡大するのに有効であるが光の透過率を低下させることが分かる。したがって、ｐダウン実装される発光素子に用いられるＧａＮ基板としては酸素濃度、ＧａＮ基板の厚さ、発光の平面サイズをどのように設定するかが非常に重要となる。
【０１１４】
図３９は本発明例Ａに対して厚みおよび酸素濃度を変化させたＧａＮ基板からランプを作製したとき、そのランプの光出力および電流が均一に流れる平面サイズを測定した結果を示す図である。ランプの光出力についていえば、厚みが厚いほど、また酸素濃度が高いほど光出力は低下する傾向にある。また電流が均一に流れる最大の平面サイズについていえば、厚みが厚いほど、また酸素濃度が高いほど大きくなる傾向にある。
【０１１５】
図３９から、たとえば電流が均一に流れる平面サイズが一辺４ｍｍ（一辺５ｍｍ）の正方形とする場合、光出力として本発明例Ａの大きさで２０ｍＡ印加時に８ｍＷ相当以上を得たいとき、厚み２００μｍのＧａＮ基板では酸素濃度を６Ｅ１８個／ｃｍ3以上（一辺５ｍｍ正方形では８Ｅ１８個／ｃｍ3以上）とすれば、本発明例Ａの大きさで２０ｍＡ印加時に光出力８ｍＷ以上を確保した上で、均一な発光を得ることができる。つまり本発明例Ａの大きさ一辺３００μｍの正方形における２０ｍＡ印加と電流密度を合わせた場合、一辺４ｍｍ（一辺５ｍｍ）の正方形では３.６Ａ（５.６Ａ）印加に相当し、３.６Ａ（５.６Ａ）印加時に印加電流に比例して光出力１.４Ｗ（２.３Ｗ）以上確保した上で、均一な発光を得ることができる。
【０１１６】
また、厚み４００μｍのＧａＮ基板では、上記厚み２００μｍの場合と同じ目標性能としたとき、一辺４ｍｍ正方形では３Ｅ１８個／ｃｍ3以上（一辺５ｍｍ正方形の場合、酸素濃度４Ｅ１８個／ｃｍ3以上）とすればよい。ただし、厚み４００μｍでは酸素濃度を２Ｅ１９個／ｃｍ3以下にしないと本発明例Ａの大きさで２０ｍＡ印加時に８ｍＷ相当以上の光出力を得ることができない。
【０１１７】
さらに、厚み６００μｍのＧａＮ基板では、一辺４ｍｍ正方形の領域を電流が均一に流れる酸素濃度２.５Ｅ１８個／ｃｍ3以上に比して、本発明例Ａの大きさで２０ｍＡ印加時に光出力８ｍＷ相当以上となる酸素濃度の限界値は２.５Ｅ１８個／ｃｍ3よりわずかに高いだけである。したがって、上記２つの条件を満たす酸素濃度範囲は狭い範囲しかない。一方、一辺３ｍｍ正方形の領域に均一に電流が流れる酸素濃度２Ｅ１８個／ｃｍ3程度以上なので、一辺４ｍｍ正方形に比較して酸素濃度の許容範囲はわずかに広くなる。
【０１１８】
また、図３９によれば、ＧａＮ基板の厚みが２００μｍ〜４００μｍの場合、一辺１０ｍｍの正方形に均一に電流を流し、本発明例Ａの大きさで２０ｍＡ印加時に８ｍＷ相当以上の出力を得ることを可能にする酸素濃度範囲は実用上十分広いことが分かる。厚み２００μｍでは酸素濃度２Ｅ１９個／ｃｍ3より低い酸素濃度以上で可能であることが分かる。また厚み４００μｍでは酸素濃度８Ｅ１８／ｃｍ3以上で可能である。
【０１１９】
次に具体的な実施例について説明する。実施例では次の試験体を用いた。
（本発明例Ｓ1）：１Ｅ１９個／ｃｍ3の酸素濃度によりｎ型化されている厚み４００μｍのＧａＮ基板を用いた。このＧａＮ基板の比抵抗は０.００７Ωｃｍであり、波長４５０ｎｍの光に対する透過率は７２％である。上記ＧａＮ基板を用いて発光素子に組み上げるに際し、上記以外の部分は本発明例Ａと同じ条件とした。すなわち、ＧａＮ基板の平面サイズは、光放出面が１辺の長さ０.３ｍｍの正方形となるようにとり（実施例１の（ａ1）参照）、（ａ2）ＭＯＣＶＤでＧａＮ基板の第１の主面であるＧａ面上に次の積層構造を形成した。（Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層／クラッド層のＳｉドープｎ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ層／ＧａＮ層とＩｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ層との２層構造が３層重ねられたＭＱＷ／クラッド層のＭｇドープｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ層／Ｍｇドープｐ型ＧａＮ層）の積層構造を有する。
（比較例Ｔ1）：厚み４００μｍであり、酸素濃度５Ｅ１９個／ｃｍ3によりｎ型化されているＧａＮ基板を用いた。このＧａＮ基板の比抵抗は０.００２Ωｃｍであり、波長４５０ｎｍの光に対する透過率は３５％である。上記以外の条件は本発明例Ｓ1と同じである。
（比較例Ｔ2）：厚み４００μｍであり、酸素濃度２Ｅ１６個／ｃｍ3によりｎ型化されているＧａＮ基板を用いた。このＧａＮ基板の比抵抗は１.０Ωｃｍであり、波長４５０ｎｍの光に対する透過率は９０％である。上記以外の条件は本発明例Ｓ1と同じである。
【０１２０】
（試験およびその結果）：上記試験体のｐダウン実装の発光素子を組み上げて２０ｍＡの電流を印加したところ、本発明例Ｓ1では８ｍＷの光出力を得ることができた。これに比して比較例Ｔ1では４ｍＷ、また比較例Ｔ2では５ｍＷの光出力しか得ることができなかった。比較例Ｔ1の４ｍＷという光出力は、そのＧａＮ基板の透過率に応じた出力ということができる。比較例Ｔ2について出光面であるＧａＮ基板の第２主面側から発光の状態を観察したところ、面内に発光の強弱が認められた。すなわちｎ電極の周囲において発光強度が極端に強く、ｎ電極から遠ざかるにつれて急激に発光強度は弱くなる。これは、ＧａＮ基板の比抵抗が大きいためにｎ電極を経由する電流が発光素子の面内に十分に広がらなかったからである。このため、発光は電流が集中するｐ電極周囲でのみ生じた。この結果、比較例Ｔ2の発光素子全体の発光出力は、本発明例Ｓ1より劣るものとなった。
【０１２１】
−（実施例１０）−
本発明の実施例１０は、ｐダウン実装の発光素子におけるＧａＮ基板内の転位束の密度を限定して光出力を高めた点に特徴がある。ＧａＮ基板の形成の際に、大部分の領域の結晶性を高めるために、不可避的に発生する転位を集中化して集めて離散的に転位束を分布させることにより、その間の大部分の領域のＧａＮ基板の結晶性を高める。ｐダウン実装の発光素子ではＧａＮ基板が光放出側に配置されるために、転位束の密度が所定値（転位束密度４Ｅ２個／ｃｍ2）を超えると発光装置の製造歩留まりに、推定を超えて劇的に影響するという事象を確認することができた。
【０１２２】
上記ＧａＮ基板の転位束は、図４０に示すようにｐ型ＧａＮ層などエピタキシャル膜のｐ型ＧａＮ層６にも継承され、エピタキシャル膜上にコア６１として現れる。したがって、転位束密度とコア密度とはほぼ一致する。このコア６１は、エピタキシャル膜の成膜条件によっては、図４１に示すような孔状凹部となる。この孔状凹部の密度が、ＧａＮ基板を放出面とするｐダウン実装発光装置では、製造歩留まりに劇的に影響する。
【０１２３】
用いた試験体は次のとおりである。
（本発明例Ｓ2）：転位束が、平均して５００μｍ×５００μｍ当たり１個分布しているＧａＮ基板を用いた。これは転位束密度４Ｅ２個／ｃｍ2に対応する。他の条件は、本発明例Ｓ1と同じである。
（比較例Ｔ3）：比較例には転位束が１０μｍ×１０μｍ当たり１個分布しているＧａＮ基板を用いた。これは転位束密度１Ｅ６個／ｃｍ2の密度に対応する。他の条件は本発明例Ｓ2と同じとした。
【０１２４】
（試験およびその結果）：上記のＧａＮ基板を実生産ベースでそれぞれ複数の発光素子に組み上げた。各試験体に２０ｍＡの電流を印加し、光出力が８ｍＷ以上得られる歩留まりを調査した。その結果、本発明例Ｓ2では歩留まり９５％であったが、比較例Ｔ3では歩留まり５０％であった。すなわち転位束密度が４Ｅ２個／ｃｍ2以下であれば、実際に製造可能な歩留まりとすることができるが、上記密度を超えると実際に商業ベースで継続的に製造することが不可能となる。
【０１２５】
光出力が８ｍＷに満たないデバイスとしての発光素子を分解してチップを取り出し調査した。取り出したチップを適当な酸溶液で電極を取り除き、ｐ型半導体層側から観察すると、ＧａＮ基板の転位束が分布する箇所においてエピタキシャル成長層が形成されていないものが複数例、観察された。転位束が分布する箇所では、直径１μｍ程度の孔状凹部が観察された。上記孔状凹部は、光出力が８ｍＷ以上のものには認められなかった。
【０１２６】
また、上記の試験体に対して、実施例１の本発明例Ａの作製段階（ａ７）に対応する段階において、２０ｍＡの電流を印加したところ、上記孔状凹部を含む発光素子は駆動電圧がすべて１Ｖ未満であった。これは、孔状凹部を電極が埋めてｐ電極側とｎ電極側の層同士が電気的に短絡しており、その結果、電流が活性層全体に広がって十分な量供給されないために低い光出力となったと考えられる。
【０１２７】
−（実施例１１）−
本発明の実施例１１は、ＧａＮ基板とｎ型ＡｌＧａＮクラッド層３との間に、ｎ型ＡｌＧａＮバッファ層とｎ型ＧａＮバッファ層とを配置した点に特徴がある。通常、基板には反りがあるが、ＧａＮ基板ではとくに反りが大きい。このためＧａＮ基板では、オフ角も図４２に示すように、基板面内で大きく変動する。図４２は、２０ｍｍ×２０ｍｍのＧａＮ基板のｃ面からのオフ角分布例を示している。このＧａＮ基板にエピタキシャル膜を形成して発光素子に個片化して光出力を測定すると、コーナに位置してオフ角が０.０５°レベルと小さい領域Ｒ1、およびオフ角が１.５°レベルと大きい領域Ｒ2に形成された発光装置は、２０ｍＡの印加電流に対して光出力８ｍＷ以上を得ることができない。これは、ＧａＮ基板上に形成されたエピタキシャル膜の結晶性がよくないことに起因している。このため、図４３に示すように、ＧａＮ基板１とＡｌＧａＮクラッド層３との間に、両者の中間の格子定数を有するｎ型ＡｌＧａＮバッファ層３１と、ｎ型ＧａＮバッファ層２とを配置して格子定数の相違を緩和する試みを行った。より具体的には、ｎ型ＡｌＧａＮバッファ層３１を上記位置に配置した点に特徴がある。
【０１２８】
用いた試験体は次のとおりである。
（本発明例Ｓ3）：用いたＧａＮ基板は、図４２に示すように２０ｍｍ×２０ｍｍの面内で、ｃ面からのオフ角度が０.０５°の領域から１.５°の領域へと連続して変化している。このＧａＮ基板の比抵抗は０.０１Ω・ｃｍであり、転位密度は１Ｅ７／ｃｍ2であり、厚みは４００μｍである。このようにオフ角度分布があるＧａＮ基板を用いて、実施例１の本発明例Ａの製造工程（ａ1）〜（ａ11）にしたがって、上記２０ｍｍ×２０ｍｍの基板の各位置から発光素子を作製した。このとき図４３に示すように、ＧａＮ基板１とｎ型ＧａＮバッファ層２との間に厚み５０ｎｍのＡｌ0.15Ｇａ0.85Ｎバッファ層を配置した。
（比較例Ｔ4）：ＧａＮ基板は２０ｍｍ×２０ｍｍの面内で、ｃ面からのオフ角度が０.０５°の領域から１.５°の領域へと連続したものを用いた。このＧａＮ基板の比抵抗は０.０１Ω・ｃｍであり、転位密度は１Ｅ７／ｃｍ2であり、厚みは４００μｍである。実施例１の本発明例Ａの製造工程（ａ1）〜（ａ11）にしたがって各位置から複数の発光素子を作製した。比較例Ｔ4では、ＧａＮ基板１に接してｎ型ＧａＮ層を形成し、ＧａＮ基板とｎ型ＧａＮ層との間にＡｌ0.15Ｇａ0.85Ｎバッファ層を配置しなかった。
【０１２９】
（試験およびその結果）：発光素子に２０ｍＡの電流を印加したとき、本発明例Ｓ3では２０ｍｍ×２０ｍｍのＧａＮ基板の上記領域Ｒ1，Ｒ2を含む０.０５〜１.５°の領域で、光出力８ｍＷ以上を得ることができた（図４４参照）。しかし比較例Ｔ4では、オフ角度０.１°〜１.０°の領域上に形成された発光素子においてのみ光出力８ｍＷ以上を得ることができた。０.０５°および１.５°のオフ角レベルでは光出力８ｍＷに未達であった。
【０１３０】
これは、本発明例Ｓ3では、オフ角度が大きく変動するＧａＮ基板を用いても、上記のようにＡｌ0.15Ｇａ0.85Ｎバッファ層を配置することにより結晶性に優れたエピタキシャル層を形成できるからである。
【０１３１】
−（実施例１１−２）−
本発明の実施例１１−２は、実施例１１と同じくＧａＮ基板とｎ型ＡｌＧａＮクラッド層３との間に、ｎ型ＡｌＧａＮバッファ層とｎ型ＧａＮバッファ層とを配置することで、実施例１０のようなＧａＮ基板の転位束の部分にエピタキシャル膜を形成したときに生じる図４１に示した孔状凹部をなくした点に特徴がある。
【０１３２】
（本発明例Ｓ2-2）：比較例Ｔ3と同様、転位束が１０μｍ×１０μｍ当たり１個分布している直径２インチのＧａＮ基板を用いた。これは転位束密度１Ｅ６個／ｃｍ2の密度に対応する。図４３に示すように、ＧａＮ基板１とｎ型バッファ層２との間に厚み５０ｎｍのＡｌ0.15Ｇａ0.85Ｎバッファ層を配置した。他の条件は本発明例Ｓ2と同じとした。
【０１３３】
（試験およびその結果）
エピタキシャル層を生成したのち、微分干渉顕微鏡およびＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）でエピタキシャル層側のウエハ面内を観察した。その結果、図４１に示すような孔状凹部は一つもないことを確認した。上記の直径２インチのＧａＮ基板を外周から縁５ｍｍ程度を除き、すべて発光素子に組み上げた。発光素子を５０個に１個の割合で抜き取り、２０ｍＡの電流を印加し、光出力が８ｍＷ以上得られる歩留まりを調査した。結果は、１００％の歩留まりであった。上記の歩留まりは、より多くの製造を行なえば、孔状凹部以外の製造要因により１００％未満の１００％に近い歩留まりが得られると考えられる。しかし、孔状凹部に焦点を絞って行った上記歩留まり試験結果では、１００％という特異に良好な歩留まりを得ることができた。
【０１３４】
−（実施例１２）−
本発明の実施例１２は、ＭＱＷ４／ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層５／ｐ型ＧａＮ層６の外側に電導性を高めたｐ型ＡｌＧａＮ層を配置して、ｐ電極として反射率の高いＡｇ電極層のみを全面に配置した点に特徴がある。したがって仕事関数等を考慮した他の金属電極を設けていない。この構成によりダウン側底部において高い反射率を有するため、他の金属電極を用いた場合に生じる光の吸収が小さくなり、光放出効率を高めることができる。
【０１３５】
試験体は次のとおりである。
（本発明例Ｓ4（図４５参照））：本発明例Ａと同様にＧａＮ基板の第１の主面であるＧａ面上に次の積層構造を有する。／ＭＱＷ４／クラッド層のＭｇドープｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ層５／Ｍｇドープｐ型ＧａＮ層６／厚み５ｎｍのＭｇドープＩｎＧａＮ層３２
上記の積層構造ではＭｇドープｐ型ＧａＮ層６に接して厚み５ｎｍのＭｇドープＩｎＧａＮ層３２を有する点に特徴がある。さらに実施例１の本発明例Ａでは処理工程（ａ7）においてＮｉ/Ａｕ電極層を形成していたが、（ａ7）の処理工程を行わず、代わりに厚みが１００ｎｍのＡｇ電極層３３を形成した。
（比較例Ｔ5）：実施例１の本発明例Ａの構造において、Ｎｉ／Ａｕ電極層に接してさらに厚み１００ｎｍのＡｇ電極層を配置した。
【０１３６】
（試験およびその結果）：本発明例Ｓ4では、ｐ型ＧａＮ層６に接してｐ型ＩｎＧａＮ層３２があるためにアクセプタレベルが低くなる。このためキャリア濃度が増加し、それほど仕事関数が大きくないＡｇ反射膜３３をｐ電極としてｐ型ＩｎＧａＮ層３２に接して配置しても、Ａｇ反射膜３３とｐ型ＩｎＧａＮ層３２との接触抵抗はそれほど大きくならない。本発明例Ｓ4の発光素子の駆動電圧と、比較例Ｔ5の発光素子の駆動電圧とを比較したが、差は０.０５Ｖ未満であり、有意な差を認めることはできなかった。
【０１３７】
本発明例Ｓ4では、２０ｍＡの電流を印加したとき１１.５ｍＷの光出力を得ることができたのに比して、比較例Ｔ5では９.６ｍＷであった。なお、本発明例Ａは８ｍＷであった。
【０１３８】
上記のように本発明例Ｓ4において大きな光出力が得られるのは、発光層からｐ半導体層側に向かう光が、Ｎｉ／Ａｕ電極層がないためにＮｉ／Ａｕ電極層で吸収されることはなく、反射率８８％のＡｇ層に反射されるためである。一方、比較例Ｔ5では、ｐ電極層における光の反射率＝Ｎｉ／Ａｕによる吸収７０％×Ａｇ反射率×再吸収７０％＝４４％と低いものになる。この結果、本発明例Ｓ4では、外部に取り出すことができた光出力が、比較例Ｔ5の１.２倍に達した。
【０１３９】
なお、本実施例ではｐ電極にＡｇ膜を用いたが、そのほか反射率が高くｐ型ＩｎＧａＮ層３２との接触抵抗がそれほど高くなければどのような材料を用いてもよく、たとえばＡｌ、Ｒｈを用いることができる。
【０１４０】
−（実施例１３）−
本発明の実施例１３では、ｐ電極をｐ型ＧａＮ層との接触抵抗が小さいＮｉ／Ａｕ層を離散的に配置し、その間隙を埋めるようにＡｇ膜を被覆して光出力を向上させた点に特徴がある。図４６はｐ電極に着目した断面図である。エピタキシャル層のダウン側底面に、所定のピッチでＮｉ／Ａｕ電極層１２ａが離散的に配置されている。さらにその間を埋め、エピタキシャル層のダウン側底面およびＮｉ／Ａｕ電極層１２ａを被覆するようにＡｇ層３３が配置されている。図４７は、ｐ電極の上側部分を透してｐ電極を見た平面図である。
【０１４１】
また、離散的なＮｉ／Ａｕ電極層１２ａの典型的なピッチは３μｍである。ピッチ３μｍは、通常のｐ型ＧａＮ層やｐ型ＡｌＧａＮクラッド層では、その比抵抗から電流が広がる範囲の直径がせいぜい６μｍであることに基づいている。すなわちピッチ３μｍとすることにより、１つの離散電極から隣りの離散電極に電流が届く。電流を電極層にわたって抜けのないように流すためには、ピッチ３μｍ以下とするのがよいが、あまりピッチを小さくすると離散配置のＮｉ／Ａｕ電極層により光の有効取出量が減ることになる。
【０１４２】
たとえば離散的Ｎｉ/Ａｕ電極の面積率が２０％のとき、図４６および図４７に示すｐ電極の構造によれば、光の反射率（計算）＝反射率８８％×面積率８０％＋反射率４０％×面積率２０％＝７８％（計算）が得られる。本試算をベースにして実際に上記構造のｐ電極を作製し、光出力を測定した。試験体は次のとおりである。
（本発明例Ｓ5）：実施例１の本発明例Ａと同じ製造工程にしたがって作製したが、ｐ電極の作製工程（ａ7）において、ｐ型ＧａＮ層に接して厚み４ｎｍのＮｉ層を形成し、その上に厚み４ｎｍのＡｕ層を全面に形成した。次いで、レジストマスクをもちいてパターニングし、離散的に分布したＮｉ／Ａｕ電極を形成した（図４６、４７参照）。次いで、不活性ガス雰囲気中で加熱処理することにより、接触抵抗を５Ｅ-４Ω・ｃｍ2とした。このあと、Ｎｉ／Ａｕ電極の間隙を埋め込み、かつＮｉ／Ａｕ電極を覆うように全面にＡｇ層を形成し、反射電極とした。離散的に配置されたＮｉ／Ａｕ層のｐ型ＧａＮ層における占有率は２０％とし、Ａｇの占有率は８０％とした。また、Ｎｉ／Ａｕ電極層１２のピッチは３μｍとした（図４８参照）。
（比較例Ｔ6）：実施例１の本発明例Ａと同じ製造工程にしたがって積層構造をＧａＮ基板上に形成した。ｐ電極は、その作製工程（ａ7）にしたがってｐ型ＧａＮ層に接して全面にＮｉ／Ａｕ層を配置し、熱処理を行った。次いで、本発明例Ａの構成と異なり、さらにＮｉ／Ａｕ層に接してＡｇ層を全面に形成した（図４９参照）。
【０１４３】
比較のために本発明例Ａと同じ発光素子について、ダウン側に向かった光の反射挙動を図５０に示す。
【０１４４】
（試験およびその結果）：上記のように作製された各発光素子に電流２０ｍＡを印加して光出力を測定した。本発明例Ｓ5では１１.５ｍＷの光出力が得られたが、比較例Ｔ6では９.６ｍＷであった。また、活性層からマウント側（ダウン側）に向かった光のうちｐ電極で反射されて出射面から出射される比率は、本発明例では８６％に達する（図４８参照）。これに対して比較例Ｔ6では６７％であった（図４９）。一方、本発明例Ａにおける上記の比率は４０％であった（図５０）。
【０１４５】
本発明例Ｓ5ではダウン側に向かった光は、ｐ電極の８０％を占有するＡｇにより、その８０％分が８８％の反射率で反射され、またｐ電極の２０％を占めるＮｉ／Ａｕ層によりその２０％分が４０％を超える反射率（単純に反射率４０％ではない）で反射される。この結果、本発明例Ｓ5では上記の比率は８６％となる。比較例Ｔ6では、Ｎｉ／Ａｕ層のダウン側に位置するＡｇ層によってさらに反射され、その反射分があるために本発明例Ａよりも大きな比率となる。
【０１４６】
なお、比較例Ｔ6は、最も広くは本発明例に属することは言うまでもない。本実施例を説明するため便宜上比較例としているだけである。
【０１４７】
上記のＮｉ／Ａｕ電極層は、Ｐｔ電極層またはＰｄ電極層で置き換えてもよい。また、反射電極Ａｇ層は、Ｐｔ層またはＲｈ層で置き換えてもよい。
【０１４８】
同様にＮｉ／Ａｕ電極の面積率が１０％のとき２０ｍＡ印加時の光出力は１１.８ｍＷ、Ｎｉ／Ａｕ電極の面積率が４０％のとき２０ｍＡ印加時の光出力は１０.６ｍＷと、その面積率に応じて比較例Ｔ6よりも大きい光出力が得られる。しかし、Ｎｉ／Ａｕ電極の面積率が１０％未満の２％の場合、光出力は比較例Ｔ6と同じ９.６ｍＷしか得られず、Ｎｉ／Ａｕ電極の周りで極端に強い発光むらがあることが本発明者の実験で確認されている。
【０１４９】
−（実施例１４）−
本発明の実施例１４は、ＧａＮ基板からエピタキシャル層に伝播した並行した複数の板状結晶反転領域を除去し、その板状結晶反転領域の間隙領域ごとにｐ電極を配置した点に特徴がある。ＧａＮ基板には、ＧａＮ基板の厚み方向に並行に分布してストライプ状にＧａＮ基板の主面に現れ、その結晶反転領域がエピタキシャル層２，３，４，５，６に伝播する。図５１、図５２に示す板状結晶反転領域は主面上で格子状に配置されている。窒化物半導体基板を作製するとき、転位束（＝コア）を集めた領域では周囲の結晶配列に対して反転した結晶配列をとる。このため、板状結晶反転領域と転位束とは、周囲と結晶配列が反転しているという点で同じである。両者の相違は、転位束が転位をひも状または太さのある線状に集め、したがって結晶反転領域がひも状であるのに対して、板状結晶反転領域ではそれが板状である点にある。すなわち、板状結晶反転領域は、転位が、厚みを有する面状領域内に高密度で分布する。
【０１５０】
本実施例では、上記エピタキシャル層中の結晶反転領域を完全除去し、またＧａＮ基板の結晶反転領域を第１主面側の所定深さに至るまで除去し、各エピタキシャル層を隔て、隔てられたエピタキシャル層ごとにｐ電極を設けた点に特徴がある（図５３参照）。板状結晶反転領域は、図５１に示すように板状結晶反転領域が主面上で交差する格子状結晶反転領域から形成されていてもよいし、あとで説明するように主面上で一定方向に揃って分布する並行配置でもよい。
（本発明例Ｓ6）：図５１、図５２に示すＧａＮ基板では、エピタキシャル層側の第１の主表面は面方位が（０００１）面つまりｃ面である。この第１の主表面と面対称の関係にある結晶反転領域は、（０００-１）面つまり-ｃ面であり、ｃ軸が反転して成長している。ｃ面では表面はＧａ原子が配列されたＧａ面であり、結晶反転領域ではその表面はＮ原子が配列されたＮ面である。本発明例Ｓ6では、第１の主表面において１００μｍおきに幅３０μｍの結晶反転領域が格子状に配列されたＧａＮ基板を用いた。結晶反転領域は、ＧａＮ基板上に形成されたエピタキシャル膜に伝播する。
【０１５１】
上記ＧａＮ基板を用いて、本発明例Ａと同じ製造方法で積層構造を形成した（本発明例Ａの工程（ａ1）-（ａ6）参照）。ｐ電極を形成する工程では（ａ7）に代えて次の処理を行う。すなわち、ｐ型ＧａＮ層に図５２のように伝播した結晶反転領域のみを被覆するマスクパターンを用いて、マスク間隙のｃ面の領域のみにｐ電極層を形成したのち、マスクパターンを取り除いた。
【０１５２】
次いで、上記ＧａＮ基板の第２の主面（裏面）全面にマスクを被覆した半導体基板を、８Ｎ（規定）８０℃のＫＯＨ中に保持して、第１の主面側の結晶反転領域をｐ型ＧａＮ層などのエピタキシャル層を経てＧａＮ基板の中にまでエッチングして除去して溝５２を設けた。板状結晶反転領域５１は転位密度が高い転位密集部なのでＫＯＨによるエッチングが容易である。ＧａＮ基板内のエッチング深さは、エピタキシャル層とＧａＮ基板との界面からＧａＮ基板側に１５０μｍ入った位置までである。このあとマスクを取り除き、溝５２を埋め込むように絶縁膜を堆積した（図５３）。
【０１５３】
（試験および試験結果）：上記の本発明例Ｓ6を発光素子に組み上げ、２０ｍＡの電流を印加したところ、９.６ｍＷの光出力を得ることができた。これは本発明例Ａの光出力８ｍＷの１.２倍である。
【０１５４】
上述したように、本発明例Ｓ6では板状結晶反転領域が格子状に配列されていたが、板状結晶反転領域は格子状である必要はなく、図５４（平面図）および図５５（断面図）に示すように、ＧａＮ基板の主面に一定方向に沿って並列的にのみ配置された板状結晶反転領域であってもよい。また、点状（実際は面又は小円状）の結晶反転領域が規則的に存在する窒化物半導体基板を使用した場合でも、エッチング孔の大きさや深さに応じて本発明例Ｓ6と同様に本発明例Ａよりも大きい光出力を得ることができる。
【０１５５】
−（実施例１５）−
本発明の実施例１５では、図５６に示すように、半導体チップの上方に、ＧａＮ基板１に対面するように蛍光板４６を配置して樹脂１５によって封止した点に特徴がある。ｐダウン実装における放射面となるＧａＮ基板に対面させて蛍光板を配置した構成に、斬新さがある。用いた試験体は、図５６に示す本発明例Ｓ7、Ｓ8および比較例Ｔ7である。
（本発明例Ｓ7）：本発明例Ｓ7は基本的には実施例３に示した本発明例Ｆの製造工程にしたがって製造される。図５６に示すように、ｐダウン搭載したチップの上に蛍光板４６をＧａＮ基板１裏面に対面するように配置し、エポキシ系樹脂１５で封止して白色発光装置とした。
【０１５６】
上記の蛍光板４６は、次の製造方法で作製した。ハロゲン輸送法によりＩ（ヨウ素）が拡散された塊状のＺｎＳＳｅ結晶を作製し、この塊状ＺｎＳＳｅ結晶をＺｎ、Ｃｕ雰囲気中で加熱することにより、ＺｎＳＳｅ内部にＣｕを拡散させた。ついでこの塊状ＺｎＳＳｅ結晶を粗い研磨盤を用いて厚さ０.５ｍｍまで研磨したのち、リードフレームに収まる形状に切り出した。上記の方法で作製された蛍光板の表面および裏面の粗さは、Ｒmax＝１μｍであった。
（本発明例Ｓ8）：本発明例Ｓ8では、上記蛍光板４６のＧａＮ基板に対面する表面４６ａに凹凸を形成した（図５７参照）。凹凸の高さは２μｍとし、凹凸の平均的なピッチは５μｍとした。他の構造は、本発明例Ｓ7と同じとした。
（比較例Ｔ7）：図５８に示すように、ｐトップ搭載したチップの上方に蛍光板４６をチップに対面するように配置し、エポキシ系樹脂１５で封止して白色発光装置とした。
【０１５７】
（試験および試験結果）：上記のＧａＮ基板から組み上げた発光装置に電流１０Ａを印加したとき、得られた発光の輝度はつぎのとおりであった。本発明例Ｓ7では８００ｌｍ、本発明例Ｓ8では８８０ｌｍといずれも高い輝度を得ることができた。一方、比較例Ｔ7の輝度は５４０ｌｍであった。上記の結果は、ｐダウン搭載においてＧａＮ基板に対面して蛍光板を配置する方が、ｐトップ搭載に蛍光板を配置するよりも高い輝度を確保できることを示すものであり、蛍光板のＧａＮ基板に対面する表面を租面化することによりさらに輝度を向上させることが判明した。
【０１５８】
次に、上記の実施例と重複するものもあるが本発明の実施例を羅列的に挙げて説明する。
【０１５９】
上記のＧａＮ基板は酸素ドープによりｎ型化されており、酸素濃度が、酸素原子１Ｅ１７個／ｃｍ3〜２Ｅ１９個／ｃｍ3の範囲にあり、ＧａＮ基板の厚みが１００μｍ〜６００μｍであるようにできる。
【０１６０】
上述のように酸素濃度１Ｅ１７個／ｃｍ3以上とすることにより、ＧａＮ基板の比抵抗を向上することができ、ｐ電極から導入された電流をＧａＮ基板に十分広げることができ、活性層の広さを十分使って発光を生じさせることができる。また酸素濃度２Ｅ１９個／ｃｍ3以下とすることにより、波長４５０ｎｍの光に対して６０％以上の透過率を確保することができ、放射面となるＧａＮ基板における透過率を高め、光出力を確保することができる。上記の酸素濃度範囲は、ｐダウン搭載した構造においてＧａＮ基板の厚みが１００μｍ〜６００μｍの場合、とくに有効に作用する。
【０１６１】
また、上記の酸素濃度が、酸素原子５Ｅ１８個／ｃｍ3〜２Ｅ１９個／ｃｍ3の範囲にあり、ＧａＮ基板の厚みが２００μｍ〜４００μｍの範囲にあり、第２の主表面の光を放出する矩形状の面の両方の辺が１０ｍｍ以下の範囲にあるようにできる。
【０１６２】
この構成により、発光面の全域にわたって発光させ、かつ十分な光出力を得ることができる。
【０１６３】
さらに、上記の酸素濃度を、酸素原子３Ｅ１８個／ｃｍ3〜５Ｅ１８個／ｃｍ3の範囲にして、ＧａＮ基板の厚みを４００μｍ〜６００μｍの範囲にし、第２の主表面の光を放出する矩形状の面の両方の辺を３ｍｍ以下の範囲としてもよい。また、上記の酸素濃度を、酸素原子５Ｅ１８個／ｃｍ3〜５Ｅ１９個／ｃｍ3の範囲にして、ＧａＮ基板の厚みを１００μｍ〜２００μｍの範囲にし、第２の主表面の光を放出する矩形状の面の両方の辺を３ｍｍ以下の範囲とすることもできる。
【０１６４】
上記のようにＧａＮ基板の厚みに応じて酸素濃度とチップサイズとを適切にすることにより、チップサイズに応じて性能上（全面均一発光、発光効率）より適切なＧａＮ基板を設定することができる。また、製造コスト上、最も望ましい条件設定を行なうこともできる。
【０１６５】
上記のＧａＮ基板の大部分の領域の結晶性を高めるために、その形成時に不可避的に生成する転位を離散的にひも状に集中化して基板厚み方向に沿って分布させてできた転位束が、ＧａＮ基板の第１の主表面に平均４Ｅ６個／ｃｍ2以下の密度で分布するＧａＮ基板を用いてもよい。
【０１６６】
この構成により、所定値以上の光出力を有する発光素子を高い製造歩留まりで製造することができる。
【０１６７】
上記の転位束が第１の主表面に平均４Ｅ２個／ｃｍ2以下の密度で分布し、第２の主表面の光を放出する矩形状の面の両方の辺が２００μｍ〜４００μｍの範囲にあるようにしてもよい。
【０１６８】
上記のような小型の発光素子では、転位束を含む場合、その特性劣化は避けられず、歩留まり低下に直結する。上記のように転位束の密度を低下させることにより、歩留まり低下を、実用上許容できる範囲にとどめることができる。
【０１６９】
また、上記のＧａＮ基板とｎ型ＡｌxＧａ1-xＮ層（０≦x≦１）との間において、ＧａＮ基板に接してｎ型ＡｌＧａＮバッファ層が、またそのｎ型ＡｌＧａＮバッファ層に接してｎ型ＧａＮバッファ層が位置し、そのｎ型ＧａＮバッファ層に接してｎ型ＡｌxＧａ1-xＮ層（０≦x≦１）が位置する構成としてもよい。
【０１７０】
上記のようなヘテロエピタキシャル積層構造の場合、ＧａＮ基板と活性層のクラッド層であるｎ型ＡｌxＧａ1-xＮ層（０≦x≦１）との間に、上記のようにｎ型ＡｌＧａＮバッファ層とｎ型ＧａＮバッファ層とを配置してもよい。
【０１７１】
上記のようなＧａＮ基板とクラッド層との間に、ｎ型ＧａＮバッファ層だけでなくｎ型ＡｌＧａＮバッファ層を加えることにより、結晶性の良好なヘテロエピタキシャル積層構造を形成することができる。
【０１７２】
とくに上記の積層構造は、ＧａＮ基板において、オフ角が０.１０°以下の領域と１.０°以上の領域とを有するような場合に、用いるのがよい。
【０１７３】
この構成により、ＧａＮ基板が反っており、上記のようにオフ角が変動する場合においても、ｎ型ＧａＮ層に加えてｎ型ＡｌＧａＮバッファ層を配置することにより、結晶性に優れたヘテロエピタキシャル積層構造を得ることができる。
【０１７４】
上記のＧａＮ基板には転位束が分布し、前記ｎ型ＡｌＧａＮバッファ層およびｎ型ＡｌＧａＮバッファ層に接して位置するｎ型ＧａＮバッファ層の上に位置するエピタキシャル層には転位束が伝播していない構成としてもよい。
【０１７５】
この構成により、たとえ転位束密度が高いＧａＮ基板を用いても、製造歩留まりを非常に大きくすることができる。すなわち、上記のようにｎ型ＡｌＧａＮバッファ層と、ｎ型ＧａＮバッファ層とを配置することにより、発光層を含むエピタキシャル積層構造中における転位束を実質的になくすことができる。すなわち、前記ｎ型ＡｌＧａＮバッファ層およびｎ型ＡｌＧａＮバッファ層により、転位束をＧａＮ基板またはその直上層付近において終端させることができる。
【０１７６】
上記のｐ型ＡｌxＧａ1-xＮ層（０≦x≦１）に接してダウン側に位置するｐ型ＧａＮバッファ層と、そのｐ型ＧａＮバッファ層に接して位置するｐ型ＩｎＧａＮコンタクト層とを備えてもよい。
【０１７７】
上記の構成により、ｐ電極層が載せられるその下層に電気伝導度に優れたｐ型ＩｎＧａＮコンタクト層を配置することができ、ｐ電極層として仕事関数などを最重要視してその材料を選択する必要性が小さくなる。このため、たとえば反射率などを最重要視してｐ電極の材料を選択することができる。
【０１７８】
上記のｐ型ＩｎＧａＮコンタクト層のＭｇ濃度が、Ｍｇ原子１Ｅ１８〜１Ｅ２１個／ｃｍ3の範囲にあるようにできる。
【０１７９】
上記の構成により、電気伝導度を十分確保でき、ｐ電極に導入された電流をエピタキシャル膜の全体にわたって広げることができる。
【０１８０】
上記のｐ型ＩｎＧａＮコンタクト層に接してＡｇ層から構成されるｐ電極層を有する構成としてもよい。
【０１８１】
上記の構成により、搭載部すなわち発光素子底部からの反射率を大きくしてロスされる光を少なくすることにより、光出力を大きくすることができる。
【０１８２】
上記のＧａＮ基板は、その厚み方向とそのＧａＮ基板面内とにわたって連続して延びる板状結晶反転領域を有し、そのＧａＮ基板内の板状結晶反転領域と、ＧａＮ基板上に形成されたｎ型およびｐ型窒化物半導体層に伝播した板状結晶反転領域とが、ｐ型窒化物半導体層側からｎ型窒化物半導体層を経てＧａＮ基板内にいたる位置まで除去され、その除去されたあとに残ったｐ型窒化物半導体層に接して、各ｐ型窒化物半導体層ごとにｐ電極が設けられているようにできる。
【０１８３】
この構成によれば光取り出し面を増大できるので光出力を向上させることができる。
【０１８４】
上記において、板状結晶反転領域をＧａＮ基板内の位置までＫＯＨ水溶液で除去してもよい。
【０１８５】
ＫＯＨ水溶液で板状結晶反転領域を除去するとき、フォトマスクが不要であり、また窒化物半導体基板の第２の主面を非鏡面化する処理と同時処理することができるメリットがある。このため、ＫＯＨ水溶液を用いることにより上記の構成において製造コストを低下させることができる。
【０１８６】
上記のｐ型窒化物半導体層に接してそのｐ型窒化物半導体層の表面にわたって離散的に配置される第１のｐ電極と、その第１のｐ電極の間隙を充填して、ｐ型窒化物半導体層と第１のｐ電極とを被覆するＡｇからなる第２のｐ電極とを備えてもよい。
【０１８７】
この構成により、ｐ電極に導入された電流を面内にわたって十分広げた上で、反射率を高めて光出力を向上させることができる。
【０１８８】
上記の離散的に配置される第１のｐ電極のｐ型窒化物半導体層の表面における被覆率が、１０〜４０％の範囲にあるようにしてもよい。
【０１８９】
この構成により、電気伝導度を確保した上で導入された電流を面内にわたって広げることができる。上記被覆率が１０％未満では電流をエピタキシャル層にわたって抜けなく流すことができない。また、４０％を超えると離散的に配置されたｐ電極層による光の取出し効率に対する悪影響を無視できなくなる。
【０１９０】
上記の窒化物半導体基板から離れて窒化物半導体基板の第２の主表面に対面するように蛍光板が配置されてもよい。
【０１９１】
ｐダウン搭載の光放射部を構成する窒化物半導体基板の直上に蛍光板を配置することにより、蛍光板の裏面で反射して戻ってきた光が窒化物半導体表面で再反射され、蛍光板側に向かうようにできる。この結果、光出力を向上させることができる。
【０１９２】
上記の蛍光板の窒化物半導体基板の第２の主表面に面する表面が凹凸化処理されるようにできる。
【０１９３】
上記の構成により、さらに光の取り出し効率を高めることができる。
【０１９４】
上記の窒化物半導体基板は、過渡電圧または静電放電に対して、その電力をグラウンドに逃がす接地部材として機能させてもよい。
【０１９５】
電気伝導率の高い窒化物半導体基板は、その窒化物半導体基板とダウン実装されたｐ型ＡｌxＧａ1-xＮ層の側との間に加わる過渡電圧や静電放電に対して発光素子を高電圧から保護するために、それら高電圧をグラウンドに逃がす接地部材として機能させることができる。このため、上記の過渡電圧または静電放電に対処するため、ツェナーダイオードを含む電力分路回路などの保護回路を備えなくてもよくなる。過渡電圧および静電放電は、ＩＩＩ族窒化物半導体に対する回路故障の主要な要因であり、上記のように窒素物半導体基板の電気伝導度が高ければ、それを接地部材として用い、製造工程を大幅に短縮し、製造コストも低くすることができる。
【０１９６】
上記の発光素子は４Ｖ以下の電圧を印加することにより発光するようにできる。電気伝導度が高い、すなわち電気抵抗の小さい窒化物半導体基板を用いることにより、低い電圧印加で発光に十分な電流を発光層に注入し、発光させることができる。このため、より少ない個数の電池の搭載で済むので、発光素子を組み込んだ照明装置の小型化、軽量化、低コスト化に資することができる。また、消費電力の抑制にも有効である。
【０１９７】
上記の窒化物半導体基板の厚みを５０μｍ以上としてもよい。
【０１９８】
この構成により、点状または小面積のｎ電極から電子を流す場合、電子はＧａＮ基板またはｎ型窒化物半導体基板の表面から内部に入るにしたがって広がってゆく。このため、ＧａＮ基板またはｎ型窒化物半導体は厚いほうが望ましい。上記基板の厚みが５０μｍ未満ではｎ電極の面積を小さくした場合、量子井戸構造の活性層に到達したときに十分に広がらず、活性層において発光しない部分または発光が十分でない部分を生じる。上記の基板の厚みを５０μｍ以上とすることにより、低い電気抵抗によりｎ電極の面積を小さくしても上記基板内において電流が十分な広がりをみせて、活性層での発光部分を十分拡大することができる。より好ましくは７５μｍ以上とするのがよい。しかし、あまり厚くしすぎると基板による吸収が無視できなくなるので、５００μｍ以下にするのが望ましい。
【０１９９】
上記の窒化物半導体基板の第２の主表面に、開口率５０％以上で電極が設けられてもよい。
【０２００】
この構成により、第２の主表面からの光の放出効率を高めることができる。回効率は大きいほどｎ電極で吸収される光量が減るので光出力を増大させることができる。このため、開口率は、より望ましくは７５％以上、さらに望ましくは９０％以上とするのがよい。
【０２０１】
上記の窒化物半導体基板に設けられた電極と、その窒化物半導体基板との接触面積が０.０５５ｍｍ2以上であるようにできる。
【０２０２】
この構成により、たとえば８ｍｍ□の半導体チップで７０Ａ程度まで、電極発熱の影響なく線形の電流−光出力特性を得ることができる。
【０２０３】
また、電極とリードフレームとを電気的に接続するボンディングワイヤの断面積が０.
００２ｍｍ2以上であるようにしてもよい。
【０２０４】
この構成により、電流２Ａまでワイヤ部の発熱の影響なく稼動させることができる。
【０２０５】
上記の電極とリードフレームとを電気的に接続するボンディングワイヤの断面積を０.
０７ｍｍ2以上とすることができる。
【０２０６】
この構成により、電流７０Ａ程度までワイヤ部の発熱の影響なく稼動させることができる。
【０２０７】
電極が窒化物半導体基板の２以上のコーナーに分かれて位置し、電極と窒化物半導体基板との接触面積の合計が０.０５５ｍｍ2以上であり、かつリードフレームとコーナーに位置する電極とを電気的に接続するボンディングワイヤの断面積の合計が０.００２ｍｍ2以上であるようにできる。
【０２０８】
この構成により、半導体チップの光取り出しにおいて光の障害となる部分がほとんど配置されないようにすることができる。
【０２０９】
上記のコーナーに位置する電極とリードフレームとを電気的に接続するボンディングワイヤの断面積の合計を０.０７ｍｍ2以上とすることができる。
【０２１０】
この構成により、光取り出しの障害となる部分をほとんど無くしながら、光の出力効率を高めることができる。
【０２１１】
上記の第２の主表面の光を放出する部分の面積を０．２５ｍｍ2以上としてもよい。
【０２１２】
この構成により、所定の個数の上記発光素子を配列することにより、既存の照明機器に代替しうる範囲が増大する。光を放出する部分の面積が０．２５ｍｍ2未満では、使用す
る発光素子の数が多くなりすぎ、既存の照明器具を代替することができない。上記本発明の実施の形態における、光を放出する部分は。窒化物化合物半導体基板で、電流が十分広がる範囲内で大きいほどよい。これは電気抵抗が小さいほど光放出面積を広くとれることを意味し、たとえば窒化物化合物半導体基板の比抵抗が０．０１Ω・ｃｍならば、本発明例Ｆのように、８ｍｍ×８ｍｍ程度にすることができる。
【０２１３】
また、上記の窒化物半導体基板の第２の主表面の光を放出する部分を、１ｍｍ×１ｍｍ以上のサイズとしてもよい。上記の窒化物半導体基板の第２の主表面の光を放出する部分を、３ｍｍ×３ｍｍ以上のサイズとすることもできる。さらに、上記の窒化物半導体基板の第２の主表面の光を放出する部分を、５ｍｍ×５ｍｍ以上のサイズとしてもよい。
【０２１４】
上記のように、光放出面を大面積化することにより、照明装置に搭載する発光素子の数を減らすことができ、加工工数の抑制、部品点数の削減、消費電力の抑制、などを実現することができる。なお、念のために付け加えると、１ｍｍ×１ｍｍ以上のサイズとは、１ｍｍ×１ｍｍを含むサイズをいう。
【０２１５】
ＡｌＮ基板に形成される発光素子の場合も含んで、上記の発光素子は、熱抵抗が３０℃／Ｗ以下となるように構成されてもよい。
【０２１６】
発光素子は温度上昇により発光効率が低下し、また、過度に温度上昇が生じる場合には、発光素子が損傷を受ける。このため、発光素子において、温度または熱抵抗は重要な設計要素である。従来、熱抵抗はほぼ６０℃／Ｗとされていた（上記特許文献１）。しかし、上記のように、熱抵抗が３０℃／Ｗ以下となるように設定することにより、発光素子への投入電力を十分行なっても発光効率の低下をいちじるしく生じたり、また発光素子の損傷を生じることがなくなる。上記のような熱抵抗の半減化は、上記のように比抵抗の小さいＧｎＮ基板を用いることによりはじめて実現されたのである。
【０２１７】
また、上記の発光素子では、連続発光状態で最も温度が上昇する部分の温度を、１５０℃以下とすることができる。
【０２１８】
この構成により、最も温度が上昇する部分、すなわち発光層の温度を１５０℃以下にして、十分高い発光効率を確保することができる。さらに従来の発光素子に比較して寿命の大幅延長を得ることが可能になる。
【０２１９】
上記のｎ型窒化物半導体層の厚みは３μｍ以下とするのがよい。
【０２２０】
このｎ型窒化物半導体層は、窒化物半導体基板の上にエピタキシャル成長させるものであり、むやみに厚くすると成膜処理に長時間を要し、原料費用も増大する。上記のようにｎ型窒化物半導体層の厚みを３μｍ以下とすることにより、大きなコスト減を得ることが
できる。さらに望ましくは２μｍ以下とするのがよい。
【０２２１】
上記の窒化物半導体基板の第２の主表面において、電極が被覆していない部分に非鏡面処理を施してもよい。
【０２２２】
この構成により、第２の主表面、すなわち放出面において、発光層で発生した光が全反射により上記基板内に閉じ込められ効率が低下するのを防ぐことができる。積層構造の側面にも非鏡面処理を施してもよいことは言うまでもない。
【０２２３】
上記の非鏡面処理が施された表面が、水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液、水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）水溶液、アンモニア（ＮＨ3）水溶液またはその他のアルカリ水溶液を用いて非鏡面化された表面であってもよい。
【０２２４】
上記の非鏡面化処理によりＧａＮ基板のＮ面だけを凹凸の大きな表面を能率よく得ることができる。Ｇａ面側はエッチングされない。
【０２２５】
また、上記非鏡面処理が施された表面が、硫酸（Ｈ2ＳＯ4）水溶液、塩酸（ＨＣｌ）水溶液、リン酸（Ｈ2ＰＯ4）水溶液、フッ酸（ＨＦ）水溶液およびその他の酸水溶液の少なくとも１つを用いて非鏡面化された表面であってもよい。
【０２２６】
また、上記の非鏡面処理が施された表面が、ＲＩＥを用いて非鏡面化された表面であってもよい。これにより、ドライプロセスにより面積の寸法精度に優れた非鏡面を得ることができる。さらには、ドライエッチングのＲＩＥおよびアルカリ水溶液による湿式エッチングのいずれによっても、フォトリソグラフィ技術と組み合わせることにより、所定の凹凸間隔を得ることができる。
【０２２７】
上記のｐ型窒化物半導体層に設けられる電極を、反射率０．５以上の反射率の材質で形成されるようにできる。
【０２２８】
この構成により、実装面側での光の吸収を防ぎ、上記基板の第２の主面に向けて反射する光量を多くすることができる。この反射率はより高いほうが好ましく、０．７以上とするのがよい。
【０２２９】
上記の窒化物半導体基板の第２の主表面を覆うように蛍光体を配置してもよい。また、窒化物半導体基板に蛍光を発する不純物および欠陥の少なくとも一方を含ませてもよい。
【０２３０】
上記の構成により、ともに白色ＬＥＤを形成することができる。
【０２３１】
本発明の発光素子は、上記に挙げたいずれかの発光素子を２つ以上含み、それらの発光素子が直列接続されていてもよい。
【０２３２】
上記の構成により、高電圧電源を用いて、上述の高効率の発光素子を複数、リードフレーム等に搭載した照明部品を得ることができる。たとえば、自動車用バッテリーは１２Ｖ程度なので、本発明の発光素子を４段以上直列に接続して発光することができる。
【０２３３】
また、本発明の別の発光素子は、上述の発光素子を２つ以上含み、それらの発光素子が並列接続されていてもよい。
【０２３４】
上記の構成により、高電流電源を用いて、上述の高効率の発光素子から構成される照明部品を得ることができる。
【０２３５】
本発明のさらに別の発光素子と、それらの発光素子を発光させるための電源回路とを含み、電源回路において、発光素子が２つ以上並列に接続された２以上の並列部が直列に接続される構成をとってもよい。
【０２３６】
この構成により、個々の発光素子の発光条件を満たしながら照明部品の容量と電源容量との整合をとることが可能になる。なお、上記の電源回路では、照明装置の容量を可変とする場合、並直切換部を備え、その並直切換部により、発光素子に印加される配線が切り換えられてもよい。
【０２３７】
上記において、本発明の実施の形態および実施例について説明を行ったが、上記に開示された本発明の実施の形態および実施例は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれら発明の実施の形態に限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。
【産業上の利用可能性】
【０２３８】
本発明の発光素子は、導電性の高い窒化物半導体基板を用い、ｐダウン実装した構造を用いた結果、（１）放熱性に優れ、複雑な電極構造を設ける必要がなく、大出力の発光を可能にし、（２）導電性に優れ、過渡電圧や静電放電から発光素子を保護するための保護回路を設ける必要がなく、大面積発光および静電耐圧に優れ、（３）発光層から基板にかけて屈折率の大から小への大きな不連続性がないため、発光層から放出面にいたる間で全反射が生じ難く、したがって全反射に起因する、効率低下や側面部の樹脂劣化がなく、（４）低電圧で発光するので、大容量の電源を必要とせず、とくに自動車用の照明装置用に適しており、（５）その構造が簡単なために、製造しやすく安価であり、メインテナンス性にも優れている。このため、今後、自動車の照明装置を含めて各種の照明製品に広範に利用されることが期待される。
【図面の簡単な説明】
【０２３９】
【図１】本発明の実施例１における本発明例ＡのＬＥＤを示す図である。
【図２】図１のＬＥＤの発光層を含む積層構造を示す図である。
【図３】本発明例Ａの積層構造のチップをウエハから採取するときのウエハの状態を示す図である。
【図４】図３における電極の配置を示す図である。
【図５】比較例Ｂを示す図である。
【図６】比較例ＢのＬＥＤの発光層を含む積層構造を示す図である。
【図７】比較例Ｂの積層構造のチップをウエハから採取するときのウエハの状態を示す図である。
【図８】図７における電極の配置を示す図である。
【図９】本発明例Ａおよび比較例Ｂの印加電流と光出力との関係を示す図である。
【図１０】本発明例Ａおよび比較例Ｂの発光層での電流密度と光出力との関係を示す図である。
【図１１】本発明の実施例２における本発明例ＣのＬＥＤを示す図である。
【図１２】本発明の実施例２における本発明例Ｃ１のＬＥＤを示す図である。
【図１３】図１２の発明例Ｃ１のＬＥＤの平面図である。
【図１４】比較例ＥのＬＥＤを示す図である。
【図１５】図１４に示す比較例ＥのＬＥＤの平面図である。
【図１６】本発明の実施例３における本発明例ＦのＬＥＤを示す図である。
【図１７】本発明例Ｆの積層構造のチップをウエハから採取するときの電極の配置を示す図である。
【図１８】計算シミュレーションによるＬＥＤチップ内の電流の流れを模式的に示す図である。
【図１９】本発明の実施例３におけるＬＥＤの発光層における電流密度比を示す図である。
【図２０】本発明の実施例３におけるＬＥＤ（蛍光材なし）の印加電流と光出力との関係を示す図である。
【図２１】本発明の実施例３におけるＬＥＤ（蛍光材なし）の発光層での電流密度と光出力との関係を示す図である。
【図２２】本発明の実施例３におけるＬＥＤ（蛍光材あり：白色）の印加電流と光出力との関係を示す図である。
【図２３】本発明の実施例３におけるＬＥＤ（蛍光材あり：白色）の発光層での電流密度と光出力との関係を示す図である。
【図２４】本発明の実施例３におけるＬＥＤの変形例Ｆ-３を示す図である。
【図２５】図２４のＬＥＤの平面図である。
【図２６】本発明の実施例４におけるＬＥＤの透過率測定試験の概要を示す図である。
【図２７】図２６に示す透過率測定試験において光が基板を透過する状況を示す図である。
【図２８】透過率に及ぼす基板の厚みの影響を示す図である。
【図２９】本発明の実施例５において、本発明例ＬのＬＥＤをウエハから採取するために素子分離のエッチングを行なった後の状態を示す図である。
【図３０】本発明の実施例５において、比較例ＭのＬＥＤをウエハから採取するために素子分離のエッチングを行ない、ｎ電極をエッチング溝の底部に形成しようとするときの状態を示す図である。
【図３１】本発明の実施例５において、比較例ＮのＬＥＤをウエハから採取するために素子分離のエッチングを行ない、ｎ電極をエッチング溝の底部に形成しようとするときの状態を示す図である。
【図３２】本発明の実施例７の本発明例ＱのＬＥＤを示す図である。
【図３３】本発明の実施例７の本発明例ＲのＬＥＤを示す図である。
【図３４】本発明の実施例８の本発明例ＳおよびＴのＬＥＤを示す図である。
【図３５】本発明の実施例８の本発明例ＵのＬＥＤを示す図である。
【図３６】本発明の実施例８の本発明例ＷのＬＥＤを示す図である。
【図３７】本発明の実施例９においてＧａＮ基板の比抵抗に及ぼす酸素濃度の影響を示す図である。
【図３８】本発明の実施例９においてＧａＮ基板の光（波長４５０ｎｍ）の透過率に及ぼす酸素濃度の影響を示す図である。
【図３９】厚みおよび酸素濃度を変化させたＧａＮ基板から発光素子を作製したときのその発光素子の光出力および電流が均一に流れる平面サイズを示す図である。
【図４０】本発明の実施例１０におけるＧａＮ基板中のコアがエピタキシャル層に継承された状態を示す図である。
【図４１】孔状凹部となったエピタキシャル層に継承されたコアを示す図である。
【図４２】本発明の実施例１１において、２０ｍｍ×２０ｍｍのＧａＮ基板のｃ面からのオフ角度分布を示す図である。
【図４３】本発明の実施例１１における、ＧａＮ基板とＡｌＧａＮクラッド層との間にバッファ層を配置した構造を示す図である。
【図４４】本発明の実施例１１において、光出力８ｍＷ以上を得ることができるオフ角範囲を広げた結果を示す図である。
【図４５】本発明の実施例１２における発光素子を示す図である。
【図４６】本発明の実施例１３における発光素子のｐ電極に着目した断面図である。
【図４７】図４６の発光素子のｐ電極を透視した平面図である。
【図４８】実施例１３の本発明例Ｓ5における発光および反射を示す図である。
【図４９】実施例１３の比較例Ｔ6における発光および反射を示す図である。
【図５０】実施例１３の比較例として挙げられた本発明例Ａにおける発光および反射を示す図である。
【図５１】本発明の実施例１４において、板状結晶反射領域が格子状に現れているＧａＮ基板の主面を示す図である。
【図５２】図５１の板状結晶反射領域を示すＧａＮ基板の断面図である。
【図５３】本発明の実施例１４の本発明例Ｓ6を示す断面図である。
【図５４】本発明の実施例１４に含まれる、図５１とは別の並列配置の板状結晶領域を示す平面図である。
【図５５】図５４の断面図である。
【図５６】本発明の実施例１５の本発明例Ｓ7における発光および反射を示す断面図である。
【図５７】本発明の実施例１５における他の実施例である本発明例Ｓ8での発光および反射を示す断面図である。
【図５８】比較例Ｔ7における発光および反射を示す断面図である。
【図５９】従来のＬＥＤを示す図である。
【符号の説明】
【０２４０】
１  ＧａＮ基板、１ａ  光放出面（第２の主表面）、２  ｎ型ＧａＮ層、３  ｎ型ＡｌxＧａ1-xＮ層、４  ＭＱＷ（発光層）、５  ｐ型ＡｌxＧａ1-xＮ層、６  ｐ型ＧａＮ層、１１  ｎ電極、１２  ｐ電極、１２ａ  離散配置のＮｉ/Ａｕのｐ電極、１３  ワイヤ、１４  導電性接着剤、１５  エポキシ系樹脂、２１ａ  リードフレームのマウント部、２１ｂ  リードフレームのリード部、２５  素子分離溝、２５ａ  素子分離溝の底部、２６  蛍光材、３５  高反射膜、５０  チップ境界、Ｌ1  ｐ電極辺長さ、Ｌ2  スクライブ線間隔（チップ辺長さ）、Ｌ3  素子分離溝幅、Ｌ4  エッチング溝辺長さ、Ｄ  ｎ電極直径、ｒ  発光層での中央からの距離、ｔ  ｎ型ＧａＮ層の厚み、３１  ｎ型ＡｌＧａＮバッファ層、３２  ｐ型ＩｎＧａＮ層、３３  Ａｇ電極層、４６  蛍光板、４６ａ  蛍光板の凹凸面、５１  板状結晶反転領域、５２  トレンチ、６１  コア（孔状凹部）、Ｒ1  オフ角０.０５°領域、Ｒ2  オフ角１.４４°領域。
【図１】
2005210053.tif 000003
【図２】
2005210053.tif 000004
【図３】
2005210053.tif 000005
【図４】
2005210053.tif 000006
【図５】
2005210053.tif 000007
【図６】
2005210053.tif 000008
【図７】
2005210053.tif 000009
【図８】
2005210053.tif 000010
【図９】
2005210053.tif 000011
【図１０】
2005210053.tif 000012
【図１１】
2005210053.tif 000013
【図１２】
2005210053.tif 000014
【図１３】
2005210053.tif 000015
【図１４】
2005210053.tif 000016
【図１５】
2005210053.tif 000017
【図１６】
2005210053.tif 000018
【図１７】
2005210053.tif 000019
【図１８】
2005210053.tif 000020
【図１９】
2005210053.tif 000021
【図２０】
2005210053.tif 000022
【図２１】
2005210053.tif 000023
【図２２】
2005210053.tif 000024
【図２３】
2005210053.tif 000025
【図２４】
2005210053.tif 000026
【図２５】
2005210053.tif 000027
【図２６】
2005210053.tif 000028
【図２７】
2005210053.tif 000029
【図２８】
2005210053.tif 000030
【図２９】
2005210053.tif 000031
【図３０】
2005210053.tif 000032
【図３１】
2005210053.tif 000033
【図３２】
2005210053.tif 000034
【図３３】
2005210053.tif 000035
【図３４】
2005210053.tif 000036
【図３５】
2005210053.tif 000037
【図３６】
2005210053.tif 000038
【図３７】
2005210053.tif 000039
【図３８】
2005210053.tif 000040
【図３９】
2005210053.tif 000041
【図４０】
2005210053.tif 000042
【図４１】
2005210053.tif 000043
【図４２】
2005210053.tif 000044
【図４３】
2005210053.tif 000045
【図４４】
2005210053.tif 000046
【図４５】
2005210053.tif 000047
【図４６】
2005210053.tif 000048
【図４７】
2005210053.tif 000049
【図４８】
2005210053.tif 000050
【図４９】
2005210053.tif 000051
【図５０】
2005210053.tif 000052
【図５１】
2005210053.tif 000053
【図５２】
2005210053.tif 000054
【図５３】
2005210053.tif 000055
【図５４】
2005210053.tif 000056
【図５５】
2005210053.tif 000057
【図５６】
2005210053.tif 000058
【図５７】
2005210053.tif 000059
【図５８】
2005210053.tif 000060
【図５９】
2005210053.tif 000061
【手続補正書】
【提出日】平成17年4月25日(2005.4.25)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化物半導体基板のＧａＮ基板と、前記ＧａＮ基板の第１の主表面の側に、ｎ型窒化物半導体層のｎ型ＡｌxＧａ1-xＮ層（０≦x≦１）と、前記ＧａＮ基板から見て前記ｎ型ＡｌxＧａ1-xＮ層より遠くに位置するｐ型ＡｌxＧａ1-xＮ層（０≦x≦１）と、前記ｎ型ＡｌxＧａ1-xＮ層およびｐ型ＡｌxＧａ1-xＮ層の間に位置する発光層とを備えた発光装置であって、
前記ＧａＮ基板の転位密度が、１０８／ｃｍ２以下であり、
前記ｐ型ＡｌxＧａ1-xＮ層の側をダウン実装し、前記ＧａＮ基板の前記第１の主表面と反対側の主表面である第２の主表面から光を放出し、前記ＧａＮ基板は酸素ドープによりｎ型化されており、酸素濃度が、酸素原子１Ｅ１７個／ｃｍ３〜２Ｅ１９個／ｃｍ３の範囲にあり、前記ＧａＮ基板の厚みが１００μｍ〜６００μｍである、発光装置。
【請求項２】
前記酸素濃度が、酸素原子５Ｅ１８個／ｃｍ３〜２Ｅ１９個／ｃｍ３の範囲にあり、前記ＧａＮ基板の厚みが２００μｍ〜４００μｍの範囲にあり、前記第２の主表面の光を放出する矩形状の面の両方の辺が１０ｍｍ以下の範囲にある、請求項１に記載の発光装置。
【請求項３】
前記酸素濃度が、酸素原子３Ｅ１８個／ｃｍ3〜５Ｅ１８個／ｃｍ3の範囲にあり、前記ＧａＮ基板の厚みが４００μｍ〜６００μｍの範囲にあり、前記第２の主表面の光を放出する矩形状の面の両方の辺が３ｍｍ以下の範囲にある、請求項１に記載の発光装置。
【請求項４】
前記酸素濃度が、酸素原子５Ｅ１８個／ｃｍ3〜５Ｅ１９個／ｃｍ3の範囲にあり、前記ＧａＮ基板の厚みが１００μｍ〜２００μｍの範囲にあり、前記第２の主表面の光を放出する矩形状の面の両方の辺が３ｍｍ以下の範囲にある、請求項１に記載の発光装置。
【請求項５】
前記ＧａＮ基板の大部分の領域の結晶性を高めるために、その形成時に不可避的に生成する転位を離散的にひも状に集中化して基板厚み方向に沿って分布させてできた転位束が、前記ＧａＮ基板の第１の主表面に平均４Ｅ６個／ｃｍ2以下の密度で分布している、請求項１〜４のいずれかに記載の発光装置。
【請求項６】
前記転位束が前記第１の主表面に平均４Ｅ２個／ｃｍ2以下の密度で分布し、前記第２の主表面の光を放出する矩形状の面の両方の辺が２００μｍ〜４００μｍの範囲にある、請求項５に記載の発光装置。
【請求項７】
前記ＧａＮ基板と前記ｎ型ＡｌxＧａ1-xＮ層（０≦x≦１）との間において、前記ＧａＮ基板に接してｎ型ＡｌＧａＮバッファ層が、またそのｎ型ＡｌＧａＮバッファ層に接してｎ型ＧａＮバッファ層が位置し、そのｎ型ＧａＮバッファ層に接して前記ｎ型ＡｌxＧａ1-xＮ層（０≦x≦１）が位置している、請求項１〜６のいずれかに記載の発光装置。
【請求項８】
前記ＧａＮ基板は、オフ角が０.１０°以下の領域と１.０°以上の領域とを有する、請求項７に記載の発光装置。
【請求項９】
前記ＧａＮ基板には前記転位束が分布し、前記ＧａＮバッファ層に接して位置するｎ型ＡｌxＧａ1-xＮ層（０≦x≦１）には、前記転位束が伝播していない、請求項７に記載の発光装置。
【請求項１０】
前記ｐ型ＡｌxＧａ1-xＮ層（０≦x≦１）に接してダウン側に位置するｐ型ＧａＮバッファ層と、そのｐ型ＧａＮバッファ層に接して位置するｐ型ＩｎＧａＮコンタクト層とを備える、請求項１〜９のいずれかに記載の発光装置。
【請求項１１】
前記ｐ型ＩｎＧａＮコンタクト層のＭｇ濃度が、Ｍｇ原子１Ｅ１８〜１Ｅ２１個／ｃｍ3の範囲にある、請求項１０に記載の発光装置。
【請求項１２】
前記ｐ型ＩｎＧａＮコンタクト層に接してＡｇ、ＡｌおよびＲｈ層のいずれかから構成されるｐ電極層を有する、請求項１０または１１に記載の発光装置。
【請求項１３】
前記ＧａＮ基板は、その厚み方向とそのＧａＮ基板面内の１方向とに沿って連続して平面状に延びる板状結晶反転領域を有し、そのＧａＮ基板内の板状結晶反転領域と、前記ＧａＮ基板上に形成された前記ｎ型およびｐ型窒化物半導体層に伝播した板状結晶反転領域とが、前記ｐ型窒化物半導体層側から前記ｎ型窒化物半導体層を経て前記ＧａＮ基板内にいたる位置まで除去され、その除去されたあとに残ったｐ型窒化物半導体層に接して、各ｐ型窒化物半導体層ごとにｐ電極が設けられている、請求項１〜１２のいずれかに記載の発光装置。
【請求項１４】
前記板状結晶反転領域が前記ＧａＮ基板内にいたる位置までＫＯＨ水溶液で除去されている、請求項１３に記載の発光装置。
【請求項１５】
前記ｐ型窒化物半導体層に接してそのｐ型窒化物半導体層の表面にわたって離散的に配置される第１のｐ電極と、その第１のｐ電極の間隙を充填して、前記ｐ型窒化物半導体層と前記第１のｐ電極とを被覆する、Ａｇ、ＡｌおよびＲｈのいずれかからなる第２のｐ電極とを備える、請求項１〜１４のいずれかに記載の発光装置。
【請求項１６】
前記第１のｐ電極の前記ｐ型窒化物半導体層の表面における被覆率が、１０〜４０％の範囲にある、請求項１５に記載の発光装置。
【請求項１７】
前記発光装置の静電耐圧が３０００Ｖ以上ある、請求項１〜１６のいずれかに記載の発光装置。
【請求項１８】
前記窒化物半導体基板と、前記ダウン実装されるｐ型ＡｌxＧａ1-xＮ層の側との間に加わる過渡電圧または静電放電から前記発光装置を保護するための保護回路をとくに備えない、請求項１〜１７のいずれかに記載の発光装置。 
【請求項１９】
前記過渡電圧または静電放電に対処するための、ツェナーダイオードを含む電力分路回路を備えない、請求項１８に記載の発光装置。
【請求項２０】
前記発光装置は４Ｖ以下の電圧を印加することにより発光する、請求項１〜１９のいずれかに記載の発光装置。
【請求項２１】
前記窒化物半導体基板の厚みが５０μｍ以上ある、請求項１〜２０のいずれかに記載の発光装置。
【請求項２２】
前記窒化物半導体基板の第２の主表面に、開口率５０％以上で電極が設けられている、請求項１〜２１のいずれかに記載の発光装置。
【請求項２３】
前記窒化物半導体基板に設けられた電極と、その窒化物半導体基板との接触面積が０.０５５ｍｍ2以上である、請求項１〜１６、１８〜２２のいずれかに記載の発光装置。
【請求項２４】
前記電極とリードフレームとを電気的に接続するボンディングワイヤの断面積が０.００２ｍｍ2以上である、請求項１〜１６、１８〜２３のいずれかに記載の発光装置。
【請求項２５】
前記電極とリードフレームとを電気的に接続するボンディングワイヤの断面積が０.０７ｍｍ2以上である、請求項２４に記載の発光装置。
【請求項２６】
前記電極が前記窒化物半導体基板の２以上のコーナーに分かれて位置し、前記電極と前記窒化物半導体基板との接触面積の合計が０.０５５ｍｍ2以上であり、かつリードフレームと前記コーナーに位置する電極とを電気的に接続するボンディングワイヤの断面積の合計が０.００２ｍｍ2以上である、請求項１〜１６、１８〜２５のいずれかに記載の発光装置。
【請求項２７】
前記コーナーに位置する電極とリードフレームとを電気的に接続するボンディングワイヤの断面積の合計が０.０７ｍｍ2以上である、請求項２６に記載の発光装置。
【請求項２８】
前記窒化物半導体基板の第２の主表面の光を放出する部分の面積が０．２５ｍｍ2以上ある、請求項１〜１６、１８〜２７のいずれかに記載の発光装置。
【請求項２９】
前記窒化物半導体基板の第２の主表面の光を放出する部分が、１ｍｍ×１ｍｍ以上のサイズである、請求項１〜１６、１８〜２８のいずれかに記載の発光装置。
【請求項３０】
前記窒化物半導体基板の第２の主表面の光を放出する部分が、３ｍｍ×３ｍｍ以上のサイズである、請求項２９に記載の発光装置。
【請求項３１】
前記窒化物半導体基板の第２の主表面の光を放出する部分が、５ｍｍ×５ｍｍ以上のサイズである、請求項２９に記載の発光装置。
【請求項３２】
熱抵抗が３０℃／Ｗ以下となるように構成されている、請求項１〜３１のいずれかに記載の発光装置。
【請求項３３】
連続発光状態で最も温度が上昇する部分の温度が、１５０℃以下である、請求項１〜３２のいずれかに記載の発光装置。
【請求項３４】
前記ｎ型窒化物半導体層の厚みが３μｍ以下である、請求項１〜３３のいずれかに記載の発光装置。
【請求項３５】
前記窒化物半導体基板の第２の主表面において、前記電極が被覆していない部分に非鏡面処理が施されている、請求項１〜３４のいずれかに記載の発光装置。
【請求項３６】
前記非鏡面処理が施された表面が、水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液、水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）水溶液、アンモニア（ＮＨ3）水溶液またはその他のアルカリ水溶液を用いて非鏡面化された表面である、請求項３５に記載の発光装置。
【請求項３７】
前記非鏡面処理が施された表面が、硫酸（Ｈ2ＳＯ4）水溶液、塩酸（ＨＣｌ）水溶液、リン酸（Ｈ2ＰＯ4）水溶液、フッ酸（ＨＦ）水溶液およびその他の酸水溶液の少なくとも１つを用いて非鏡面化された表面である、請求項３５に記載の発光装置。
【請求項３８】
前記非鏡面処理が施された表面が、反応性イオンエッチング（Reactive Ion Etching:RIE)を用いて非鏡面化された表面である、請求項３５に記載の発光装置。
【請求項３９】
前記ｐ型窒化物半導体層に設けられる電極は反射率０．５以上の反射率の材質で形成されている、請求項１〜３８のいずれかに記載の発光装置。
【請求項４０】
前記窒化物半導体基板の第２の主表面を覆うように蛍光体が配置されている、請求項１〜３９のいずれかに記載の発光装置。
【請求項４１】
前記窒化物半導体基板から離れて前記窒化物半導体基板の第２の主表面に対面するように蛍光板が配置されている、請求項１〜４０のいずれかに記載の発光装置。
【請求項４２】
前記蛍光板の前記窒化物半導体基板の第２の主表面に面する表面が凹凸化処理されている、請求項１〜４１のいずれかに記載の発光装置。
【請求項４３】
前記窒化物半導体基板が蛍光を発する不純物および欠陥の少なくとも一方を含んでいる、請求項１〜４２のいずれかに記載の発光装置。
【請求項４４】
前記請求項１〜４３のいずれかに記載の発光装置を２つ以上含み、それらの発光装置が直列接続または並列接続された、発光装置。
【請求項４５】
前記請求項１〜４４のいずれかに記載の発光装置と、それらの発光装置を発光させるための電源回路とを含み、前記電源回路において、前記発光装置が２つ以上並列に接続された２以上の並列部が直列に接続されている、発光装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１６】
本発明の発光装置がその中に包含される発光装置は、窒化物半導体基板と、窒化物半導体基板の第１の主表面の側に、ｎ型窒化物半導体層と、窒化物半導体基板から見てｎ型窒化物半導体層より遠くに位置するｐ型窒化物半導体層と、ｎ型窒化物半導体層およびｐ型窒化物半導体層の間に位置する発光層とを備えた発光装置である。この発光装置では、窒化物半導体基板の比抵抗が０．５Ω・ｃｍ以下であり、ｐ型窒化物半導体層の側をダウン実装し、窒化物半導体基板の第１の主表面と反対側の主表面である第２の主表面から光を放出する。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２２】
本発明の発光装置は、また、窒化物半導体基板のＧａＮ基板と、ＧａＮ基板の第１の主表面の側に、ｎ型窒化物半導体層のｎ型ＡｌxＧａ1-xＮ層（０≦x≦１）と、ＧａＮ基板から見てｎ型ＡｌxＧａ1-xＮ層より遠くに位置するｐ型ＡｌxＧａ1-xＮ層（０≦x≦１）と、ｎ型ＡｌxＧａ1-xＮ層およびｐ型ＡｌxＧａ1-xＮ層の間に位置する発光層とを備えた発光装置である。この発光装置は、ＧａＮ基板の転位密度が、１０８／ｃｍ２以下であり、ｐ型ＡｌxＧａ1-xＮ層の側をダウン実装し、ＧａＮ基板の第１の主表面と反対側の主表面である第２の主表面から光を放出する。そして、上記のＧａＮ基板は酸素ドープによりｎ型化されており、酸素濃度が、酸素原子１Ｅ１７個／ｃｍ3〜２Ｅ１９個／ｃｍ3の範囲にあり、ＧａＮ基板の厚みが１００μｍ〜６００μｍである。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２３】
この構成によれば、上記本発明におけるＧａＮ基板は導電性を有することを前提とし、電気抵抗を低減することは容易なので、上記の発光装置における作用効果に加えて、ＧａＮ基板の転位密度が、１０８／ｃｍ２以下であるので結晶性が高いこと、および高い開口率により第２の主表面からの光出力を高めることができる。また、側面からも光を放出する。そして、上述のように酸素濃度１Ｅ１７個／ｃｍ3以上とすることにより、ＧａＮ基板の比抵抗を向上することができ、ｐ電極から導入された電流をＧａＮ基板に十分広げることができ、活性層の広さを十分使って発光を生じさせることができる。また酸素濃度２Ｅ１９個／ｃｍ3以下とすることにより、波長４５０ｎｍの光に対して６０％以上の透過率を確保することができ、放射面となるＧａＮ基板における透過率を高め、光出力を確保することができる。上記の酸素濃度範囲は、ｐダウン搭載した構造においてＧａＮ基板の厚みが１００μｍ〜６００μｍの場合、とくに有効に作用する。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２５】
本発明の参考例である発光装置は、窒化物半導体基板の導電性のＡｌＮ基板と、ＡｌＮ基板の第１の主表面の側に、ｎ型窒化物半導体層のｎ型ＡｌxＧａ1-xＮ層（０≦x≦１）と、ＡｌＮ基板から見て前記ｎ型ＡｌxＧａ1-xＮ層より遠くに位置するｐ型ＡｌxＧａ1-xＮ層（０≦x≦１）と、ｎ型ＡｌxＧａ1-xＮ層およびｐ型ＡｌxＧａ1-xＮ層の間に位置する発光層とを備えた発光装置である。そして、上記のＡｌＮ基板の熱伝導率が、１００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であり、ｐ型ＡｌxＧａ1-xＮ層の側をダウン実装し、ＡｌＮ基板の第１の主表面と反対側の主表面である第２の主表面から光を放出する。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１１８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１１８】
また、図３９によれば、ＧａＮ基板の厚みが２００μｍ〜４００μｍの場合、一辺１０ｍｍの正方形に均一に電流を流し、本発明例Ａの大きさで２０ｍＡ印加時に８ｍＷ相当以上の出力を得ることを可能にする酸素濃度範囲は実用上十分広いことが分かる。厚み２００μｍでは酸素濃度２Ｅ１９個／ｃｍ3より低いある酸素濃度以上で可能であることが分かる。また厚み４００μｍでは酸素濃度８Ｅ１８／ｃｍ3以上で可能である。