(57)【要約】 【課題】  電流拡散層の厚さが小さくとも電流拡散効果を十分に高めることができ、ひいては発光層部への均一な通電を可能とする発光素子を提供する。【解決手段】  発光素子１００は、化合物半導体からなる発光層部２４と、該発光層部２４よりも厚膜の化合物半導体層２４からなる、発光層部２４に積層された電流拡散層９１とを有する。そして、該電流拡散層９１内に電流拡散用量子井戸層８が設けられる。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
化合物半導体からなる発光層部と、該発光層部よりも厚膜の化合物半導体層からなる前記発光層部に積層された電流拡散層とを有し、前記電流拡散層内に電流拡散用量子井戸層を設けたことを特徴とする発光素子。
【請求項２】
前記電流拡散用量子井戸層は、前記発光層部からのピーク発光波長に対応するバンドギャップエネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを有する化合物半導体によりそれぞれ構成された井戸層と障壁層とを交互に積層したものであることを特徴とする請求項１記載の発光素子。
【請求項３】
前記電流拡散層は、前記電流拡散用量子井戸層がノンドープ層として構成され、かつ、該電流拡散用量子井戸層と接して配置されるとともに、前記電流拡散用量子井戸層の前記障壁層よりもバンドギャップエネルギーが大きく、かつ前記井戸層及び前記障壁層よりも有効キャリア濃度が高く設定された本体層を有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の発光素子。
【請求項４】
前記電流拡散層は、前記電流拡散用量子井戸層を２つの前記本体層により挟んだ構造を有することを特徴とする請求項３記載の発光素子。
【請求項５】
前記発光層部の第二主表面側に前記電流拡散層が配置され、それら発光層部と電流拡散層とを含む半導体積層体の第一主表面が光取出面として定められ、前記半導体積層体の前記第一主表面から前記電流拡散層の厚さ方向途中位置までが、前記第一主表面の一部領域において切り欠かれることにより切欠部が形成され、
前記光取出面の一部を覆う形で、前記発光層部に駆動電圧を印加するための光取出側電極が配置される一方、前記電流拡散層内に位置する前記切欠部の底面に、前記発光層部に駆動電圧を印加するための対向電極が配置されてなることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の発光素子。
【請求項６】
前記電流拡散層の第一主表面から前記切欠部の底面までの区間に前記電流拡散用量子井戸層を配置したことを特徴とする請求項５記載の発光素子。
【請求項７】
前記発光層部の第一主表面側に第一の電流拡散層が設けられ、前記発光層部の第二主表面側に設けられた前記電流拡散層を第二の電流拡散層として、前記第一の電流拡散層に前記電流拡散用量子井戸層が設けられていないことを特徴とする請求項６記載の発光素子。
【請求項８】
前記半導体積層体において、前記電流拡散用量子井戸層を有した前記電流拡散層が、前記発光層部に貼り合わされてなることを特徴とする請求項５ないし請求項７のいずれか１項に記載の発光素子。
【請求項９】
前記半導体積層体の前記切欠部の底面よりも前記光取出面側に位置する部分を積層体本体として、厚さ方向と直交する平面による該積層体本体の断面積が、前記光取出面に近づくほど大きくなるように、該積層体本体の側面が傾斜して形成されてなることを特徴とする請求項５ないし請求項８のいずれか１項に記載の発光素子。
【請求項１０】
前記積層体本体の傾斜した側面が、絶縁層を介して金属反射層により覆われてなることを特徴とする請求項９記載の発光素子。
【請求項１１】
前記発光層部がＡｌＧａＩｎＰからなり、該発光層部の第二主表面側に配置された前記電流拡散層の第二主表面が裏面反射層にて覆われてなることを特徴とする請求項５ないし請求項１０のいずれか１項に記載の発光素子。
【請求項１２】
前記発光層部の第二主表面側に配置された前記電流拡散層の厚さが５０μｍ以上２００μｍ以下であることを特徴とする請求項５ないし請求項１０のいずれか１項に記載の発光素子。
【請求項１３】
前記発光層部がＩｎＧａＡｌＮからなり、該発光層部の第二主表面側に前記電流拡散層が配置され、該電流拡散層の第二主表面側に、それら電流拡散層及び発光層部をエピタキシャル成長させるための成長用サファイア基板が残留してなることを特徴とする請求項５ないし請求項１０のいずれか１項に記載の発光素子。
【請求項１４】
前記電流拡散層は、ＭＯＶＰＥ法により厚さが１μｍ以上５０μｍ未満に形成されたものであることを特徴とする請求項１４記載の発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
【特許文献１】特開平５−２７５７４０号公報
【特許文献２】特開２００１−６８７３１号公報
【０００３】
発光素子の発光層部への通電は、素子表面に形成された電極を介して行なわれる。しかし電極は遮光体として作用するため、例えば発光層部主表面の中央部のみを覆う形で形成され、その周囲の電極非形成領域から光を取り出すようにする。
【０００４】
この場合、電極の面積をなるべく小さくしたほうが、電極の周囲に形成される光取出領域の面積を大きくできるので、光取出し効率を向上させる観点において有利である。従来、電極形状の工夫により、素子内に効果的に電流を拡げて光取出量を増加させる試みがなされているが、この場合も電極面積の増大はいずれにしろ避けがたく、光取出面積の減少により却って光取出量が制限されるジレンマに陥っている。また、クラッド層のドーパントのキャリア濃度ひいては導電率は、活性層内でのキャリアの発光再結合を最適化するために多少低めに抑えられており、面内方向には電流が広がりにくい傾向がある。これは、電極被覆領域に電流密度が集中し、光取出領域における実質的な光取出量が低下してしまうことにつながる。そこで、発光層部と電極との間に電流拡散層を形成する方法が採用されている。該電流拡散層は、特許文献１及び特許文献２に開示されているごとく、厚く形成することで素子基板に兼用させることもできる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
電流拡散層は、十分な電流拡散効果を得るには層厚をある程度大きく設定する必要があるが、素子の低背化や小型化、層成長熱履歴からの発光層部の保護、あるいは電極形成の利便性などを考慮すると、電流拡散層の厚さを必ずしも大きく確保できない場合がある。電流拡散層の厚さが不足すれば、発光層部に対する均一な通電が困難となり、発光効率や光取出し効率の悪化を招く場合がある。
【０００６】
本発明の課題は、電流拡散層の厚さが小さくとも電流拡散効果を十分に高めることができ、ひいては発光層部への均一な通電を可能とする発光素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段及び作用・効果】
【０００７】
上記の課題を解決するために、本発明の発光素子は、化合物半導体からなる発光層部と、該発光層部よりも厚膜の化合物半導体層からなる発光層部に積層された電流拡散層とを有し、電流拡散層内に電流拡散用量子井戸層を設けたことを特徴とする。
【０００８】
量子井戸層は、バンドギャップが互いに相違する井戸層と障壁層とを、少なくとも井戸層の厚さが電子の平均自由行程もしくはそれ以下（一般に、１原子層〜数ｎｍ）となるように格子整合させる形で積層したものであり、層厚方向のキャリアの閉じ込め効果を利用した発光再結合過程の促進ひいては内部量子効率の向上を図るため、従来は発光層部に組み込んで利用することが多かった。本発明では、このような量子井戸層内において多数キャリアの層厚方向の運動が拘束され、他方、面内方向の運動の自由度は高められることに着目し、該量子井戸層を電流拡散層内に組み入れることにより、薄い電流拡散層であってもキャリアの面内方向の移動を促進することができ、良好な電流拡散効果を得ることができる。
【０００９】
電流拡散用量子井戸層は、発光層部からのピーク発光波長に対応するバンドギャップエネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを有する化合物半導体によりそれぞれ膜厚構成された井戸層と障壁層とを交互に積層したものとすることができる。これにより、電流拡散用量子井戸層での発光光束の吸収が抑制され、素子の光取出し効率を高めることができる。
【００１０】
電流拡散層内では有効キャリア濃度を少しでも高めることが電流拡散効果の向上につながるが、そのためには電流拡散層へのドーパント添加量も増やす必要がある。しかし、ドーパント原子は、生成したキャリアに対する散乱サイトとしても働くため、ドーパント濃度を高めるだけでは薄い電流拡散層の面内電気抵抗率（いわゆるシート抵抗）を十分に低減することは困難である。他方、量子井戸層の面内方向のキャリア移動の自由度を高めるには、量子井戸層をノンドープ層として構成することが有効であるが、量子井戸層自体にはキャリア発生源としての機能がないので、それだけでは電流拡散層のシート抵抗を十分に低減することができない。そこで、電流拡散層は、電流拡散用量子井戸層をノンドープ層として形成し、かつ、該電流拡散用量子井戸層と接して配置されるとともに、電流拡散用量子井戸層の障壁層よりもバンドギャップエネルギーが大きく、井戸層及び障壁層よりも有効キャリア濃度が高く設定された本体層を有するものとして構成するとよい。該構造において本体層は、面内での電流拡散効果自体はそれほど期待できないが、ドーパント濃度が高いので多数キャリアの発生源として機能し、該多数キャリアが層厚方向に移動して電流拡散用量子井戸層に注入される。量子井戸層内はドーパント濃度が低いため、本体層から注入された高濃度の多数キャリアが散乱の影響を大きく受けることなく面内にて速やかに移動する。また、電流拡散用量子井戸層の障壁層のバンドギャップエネルギーが本体層のバンドギャップエネルギーよりも小さくなっていることで、本体層から注入された多数キャリアが、ドーパント濃度の高い本体層から空間的に分離される効果が高められる。その結果、層全体の電流拡散効果を大幅に高めることができる。この効果は、電流拡散用量子井戸層を２つの本体層により挟んだ構造を有するものとして電流拡散層を構成した場合に、より顕著である。
【００１１】
なお、障壁層の厚さを井戸層の厚さよりも大きくしておくこと、具体的には多数キャリアのトンネル厚さ（例えば５０ｎｍ以上）以上としておくことで、井戸層を二次元電子ガス層として機能させることができるようになり、電流拡散効果をより高めることができる。
【００１２】
本発明の発光素子は、より具体的には以下のように構成することができる。すなわち、発光層部の第二主表面側に電流拡散層が配置され、それら発光層部と電流拡散層とを含む半導体積層体の第一主表面が光取出面として定められ、半導体積層体の第一主表面から電流拡散層の厚さ方向途中位置までが、第一主表面の一部領域において切り欠かれることにより切欠部が形成される。そして、光取出面の一部を覆う形で、発光層部に駆動電圧を印加するための光取出側電極が配置される一方、電流拡散層内に位置する切欠部の底面に、発光層部に駆動電圧を印加するための対向電極を配置する。
【００１３】
上記構成によると、極性が互いに異なる光取出電極及び対向電極が、素子の同じ主表面側に形成できるので、電極形成の工程を簡略化することができる。しかし、該構造では、電流拡散層が層厚方向途中まで切り欠かれ、その切欠部の底面に対向電極を形成しているから、切欠部底部をなす薄い領域が電流狭窄部とならざるを得ず、電流拡散層の面内に電流を均一に拡散させるのが特に難しい問題がある。そこで、本発明のごとく電流拡散層を該電流拡散層内に配設することにより、このように切り欠かれた電流拡散層であっても十分な電流拡散効果を達成することができる。この場合、光取出側電極と対向電極との間で発光駆動電圧を印加したとき、電流拡散層の第一主表面から切欠部の底面までの区間には、キャリア移動駆動力となる電界勾配を比較的大きく発生させることができるので、該区間に電流拡散用量子井戸層を配置することで、電流拡散用量子井戸層への多数キャリアの注入を促進することができ、ひいては面内電流拡散効果をより高めることができる。
【００１４】
また、上記構造の発光素子は、発光層部の第一主表面側に第一の電流拡散層を設け、発光層部の第二主表面側に電流拡散用量子井戸層を有した第二の電流拡散層を設けた構造とすることができる。発光層部の第一主表面側にも電流拡散層を設けることで、電流拡散効果をより高めることができ、また、素子の側面面積が増大するので該側面からの光取出し効率も向上できる。この場合、切欠部を有さず電流迂回の問題が生じない第一の電流拡散層については、電流拡散用量子井戸層を設けない構成とすることで、素子構造の簡略化を図ることができる。
【００１５】
また、電流拡散用量子井戸層を有した電流拡散層は、井戸層と障壁層との微細な積層構造を、気相成長法等による本体層上へのエピタキシャル成長工程により形成する必要があり、発光層部の成長とは別工程で行なうことが、発光素子の製造工程上の制約を受けにくいので有利である。この場合、半導体積層体は、電流拡散用量子井戸層を有した電流拡散層を発光層部に貼り合わせる形で作製すればよい。
【００１６】
次に、上記本発明の発光素子は、半導体積層体の切欠部の底面よりも光取出面側に位置する部分を積層体本体として、厚さ方向と直交する平面による該積層体本体の断面積が、光取出面に近づくほど大きくなるように、該積層体本体の側面を傾斜して形成することができる。この構造によると、積層体本体の側面が傾斜面になっていることから反射効率が高くなり、光取出面側への取出光束を高めることができるので、高輝度の発光素子を実現することができる。積層体本体の傾斜した側面は、さらに金属反射膜にて覆うこともできる。これにより、傾斜した側面での発光光束の反射効率をより高めることができる。他方、積層体本体の傾斜した側面にはｐ−ｎ接合を形成する発光層部が露出しており、これを金属反射膜で直接覆うと、ｐ−ｎ接合が短絡する惧れがある。この不具合を解消するために、金属反射膜と傾斜側面部との間には絶縁膜を配置することが望ましい。
【００１７】
発光層部をＡｌＧａＩｎＰで構成する場合、発光層部成長用の基板として光吸収性のＧａＡｓ基板が使用される。ＧａＡｓ基板による光吸収の弊害を抑制するには、発光層部を成長後、ＧａＡｓ基板を除去することができる。ＧａＡｓ基板は研削や化学エッチングによる除去を比較的容易に行なうことができる。ＧａＡｓ基板を除去した側の発光層部の主表面は、光取出面（つまり、第一主表面）としても利用できるし、裏面（つまり、第二主表面）としても利用できる。いずれの場合も、発光層部の第二主表面には成長用のＧａＡｓ基板が存在しないから、発光層部の第二主表面側に配置された電流拡散層の第二主表面を、裏面反射層で覆うことも容易である。これにより、電流拡散層の第二主表面に向かう発光光束も光取出面側に効率よく反射でき、素子の光取出効率を高めることができる。
【００１８】
この場合、対向電極が切欠部の底面に設けられていることから、電流拡散層の第二主表面に配置する裏面反射層は電極として機能を必ずしも有している必要はない。そこで、裏面反射層と電流拡散層との間には、接触抵抗低減用の接合合金化層を非配置とすることができる。発光層部の第二主表面側にも電流拡散層を設けるタイプの発光素子の従来の構成では、例えば特許文献２のように、この電流拡散層の第二主表面に電極を兼ねる裏面反射層を設けていたので、該電流拡散層の第二主表面には、電極との接触抵抗を低減するための接合合金化層が分散形成される。該接合合金化層は、接触抵抗低減用の金属を熱処理（いわゆるシンター処理）により電流拡散層と合金化させて形成するので反射率が低い。しかし、本発明の採用により、裏面反射層と電流拡散層との間から接合合金化層を排除することができ、裏面反射層による反射効率を一層高めることができる。
【００１９】
また、ＡｌＧａＩｎＰ発光層部に対しては、ＧａＰやＧａＩｎＰあるいはＡｌＧａＡｓからなる電流拡散層を、貼り合わせやハイドライド気相成長（Hydride Vapor Phase Epitaxial Growth Method：ＨＶＰＥ）法により、５０μｍ以上２００μｍ以下の厚膜に形成することも容易である。従って、ＧａＡｓ基板を除去することで、（電流拡散用量子井戸層を有する）発光層部の第二主表面側の電流拡散層を、５０μｍ以上２００μｍ以下に厚膜化することが可能であり、電流拡散効果と素子側面からの光取出し効率とをより向上することができる。
【００２０】
一方、本発明の発光素子は、発光層部をＩＩＩ属窒化物であるＩｎＧａＡｌＮで構成することもできる。ＩｎＧａＡｌＮからなる発光層部は、サファイアやＳｉＣ等の基板上に有機金属気相成長（Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy：ＭＯＶＰＥ）法にてエピタキシャル成長することにより形成できる。特にサファイア基板は、結晶性の良好な基板を容易に得ることができる。しかし、サファイア基板はＧａＡｓ基板と異なり、非常に硬質で化学的にも安定なため、研削や化学研磨等による除去が困難であり、最終的な発光素子においても素子基板として残留させることが多い。そこで、発光層部の第二主表面側に電流拡散層を配置し、該電流拡散層の第二主表面側に、それら電流拡散層及び発光層部をエピタキシャル成長させるための成長用サファイア基板を残留させた構造を採用することができる。サファイア基板は絶縁性であるが、電流拡散層に達する切欠部を形成して、該切欠部の底面に対向電極を配置することで発光駆動通電が問題なく可能となる。また、サファイア基板は透明なので、サファイア基板の側面からも発光光束を取り出すことができる。この場合、サファイア基板の第二主表面に裏面反射層を設けておくと、光取出し効率をさらに向上できる。
【００２１】
電流拡散層は例えばＧａＮ等のＩＩＩ属窒化物にて形成できるが、ＩＩＩ属窒化物はＭＯＶＰＥ法で形成される関係上、５０μｍ以上の厚膜成長が困難である。しかし、本発明のごとく電流拡散用量子井戸層を組み込むことで、薄膜でも良好な電流拡散効果がえられる。なお、電流拡散効果を顕著なものとするためには、電流拡散用量子井戸層を含めた電流拡散層の厚さを１μｍ以上は確保しておくことが望ましい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の実施形態を添付の図面を用いて説明する。図１の発光素子１００は、各々化合物半導体からなる第二の電流拡散層９１と、発光層部２４と、第一の電流拡散層９０とがこの順序で積層された半導体積層体５０を有する。第一の電流拡散層９０は発光層部２４からの発光光束に対し透明な化合物半導体からなり、第一主表面側に主光取出面ＥＡが形成されるとともに、発光層部２４に発光駆動電圧を印加するための光取出側電極９が、第一の電流拡散層９０の第一主表面の一部を覆うように形成されている。
【００２３】
発光層部２４は、ノンドープ（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（ただし、０≦ｘ≦０．５５，０．４５≦ｙ≦０．５５）混晶からなる活性層５を、ｐ型（ＡｌｚＧａ１−ｚ）ｙＩｎ１−ｙＰ（ただしｘ＜ｚ≦１）からなるｐ型クラッド層６と、ｎ型（ＡｌｚＧａ１−ｚ）ｙＩｎ１−ｙＰ（ただしｘ＜ｚ≦１）からなるｎ型クラッド層４とにより挟んだ構造を有し、活性層５の組成に応じて、発光波長を、緑色から赤色領域（発光波長（ピーク発光波長）が５５０ｎｍ以上６７０ｎｍ以下）にて調整できる。発光素子１００においては、光取出側電極９にｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層６が配置されており、残留基板部１側にｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層４が配置されている。従って、通電極性は光取出側電極９が正である。なお、本発明でいう「ノンドープ」とは、「ドーパントの積極添加を行なわない」との意味であり、通常の製造工程上、不可避的に混入するドーパント成分の含有（例えば１０１３〜１０１６／ｃｍ３程度を上限とする）をも排除するものではない。また、活性層５は量子井戸構造を有するものとして形成してもよい。
【００２４】
第一の電流拡散層９０はＧａＰ（あるいはＧａＡｓＰやＡｌＧａＡｓでもよい）からなり、光取出側電極９は例えばＡｕ電極からなる。第一の電流拡散層９０の第一主表面における、光取出側電極９の周囲の領域が主光取出面ＥＡをなす。第一の電流拡散層９０は、例えばクラッド層６と同等以上であって２×１０１８／ｃｍ３以下程度に有効キャリア濃度が高められており、また、１０μｍ以上２００μｍ以下（好ましくは４０μｍ以上２００μｍ以下）の厚膜に形成されることで、層側面からの取出光束も増加させ、発光素子全体の輝度（積分球輝度）を高める役割も担う。また、第一の電流拡散層９０を、発光層部２４からの発光光束のピーク波長に相当する光量子エネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを有する（つまり、透明な）ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体にて構成することで、発光光束に対する吸収も抑制されている。なお、光取出側電極９と第一の電流拡散層９０との間には、両者の接触抵抗を減ずるための接合合金化層９ａが、例えばＡｕＢｅ合金等を用いて形成されている。
【００２５】
他方、第二の電流拡散層９１は、発光層部２４からの発光光束のピーク波長に相当する光量子エネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを有するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる本体層９１ｍと、該本体層９１ｍに接して配置される電流拡散用量子井戸層８とを有する。本実施形態において電流拡散用量子井戸層８は、２つの本体層９１ｍ，９１ｍにより挟まれている。本体層９１ｍは、電流拡散用量子井戸層８の障壁層８ｂよりもバンドギャップエネルギーが大きく、かつ井戸層８ｗ及び障壁層８ｂよりも有効キャリア濃度が高く設定されている。本実施形態では、本体層９１ｍをＧａＰにて構成している。電流拡散用量子井戸層８を含めた第二の電流拡散層９１の厚さは１μｍ以上２００μｍ以下であり、特に、５０μｍ以上２００μｍ以下とした場合には、第二の電流拡散層９１の側面からの光取出し効率を高めることができる。
【００２６】
図２に示すように、電流拡散用量子井戸層８は、井戸層８ｗと障壁層８ｂとを交互に積層したものである。両層８ｗ，８ｂはいずれも、発光層部２４からのピーク発光波長に対応する光量子エネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを有する化合物半導体により構成されている。本体層９１ｍがＧａＰ層である場合、井戸層８ｗと障壁層８ｂとは、例えばＧａ１−ｘＩｎｘＰやＧａＡｓｙＰ１−ｙなどで構成できる。Ｇａ１−ｘＩｎｘＰを用いる場合、ＩｎＰ混晶比ｘが増加するほどバンドギャップエネルギーは小さくなる。従って、井戸層８ｗのＩｎＰ混晶比をｘｗ、障壁層８ｂのＩｎＰ混晶比をｘｂとして、１＞ｘｗ＞ｘｂに設定する。ＧａＡｓｙＰ１−ｙを用いる場合、ＧａＡｓ混晶比ｙが増加するほどバンドギャップエネルギーは小さくなる。従って、井戸層８ｗのＧａＡｓ混晶比をｙｗ、障壁層８ｂのＧａＡｓ混晶比をｙｂとして、１＞ｙｗ＞ｙｂに設定する。
【００２７】
井戸層８ｗの厚さは、層厚方向のキャリア閉じ込め効果を高めるために、０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下とすることができる。また、障壁層８ｂの厚さは０．５ｎｍ以上２０ｎｍ以下とするのがよく、特に、井戸層８ｗを二次元電子ガス層的に構成したい場合は、１０ｎｍ以上２０ｎｍ以下とするのがよい。井戸層８ｗ及び障壁層８ｂはノンドープ層として構成することが望ましい。また、電流拡散用量子井戸層８は、なお、井戸層８ｗを複数有する多重量子井戸構造としてもよいし、井戸層ｗを１層のみ有する単一量子井戸構造としてもいずれでもよい。
【００２８】
図１に戻り、半導体積層体５０の第一主表面から電流拡散層９１の厚さ方向途中位置までが、第一主表面の一部領域において切り欠かれることにより切欠部ＪＫが形成されている。電流拡散層９１内に位置する切欠部ＪＫの底面には、発光層部に駆動電圧を印加するためのＡｕ電極等からなる対向電極１５が配置されてなる。また、切欠部ＪＫの底面をなす本体層９１ｍと対向電極１５との間には、接触抵抗低減用の接合合金化層１５ａが配置されている。本実施形態では、本体層９１ｍがｎ型であり、接合合金化層９ａはＡｕＧｅＮｉ合金等からなる。
【００２９】
本実施形態において切欠部ＪＫは、図３に示すように、発光素子１００の四角形状の第一主表面の周縁に沿って形成され、対向電極１５は該切欠部ＪＫの底面のほぼ全面に渡って形成されている。また、光取出側電極９は、光取出面ＥＡのほぼ中央に形成されている。なお、図４に示すように、光取出側電極９と一体に、光取出面ＥＡを部分的に覆う副電極９ｓ（放射状、樹枝状あるいはネットワーク状に形成できる）を設けることもできる。また、図４においては、第一主表面の周縁に沿って形成された切欠部ＪＫの幅よりも対向電極１５の幅が小さく設定され、各辺の対向電極１５が交差する角部には、ワイヤボンディング用の金属パッド１５ｃが形成されている。なお、切欠部ＪＫは、第一主表面の全周に沿って形成する必要は必ずしもなく、例えば図５に示すように、第一主表面の角部に選択的に形成することもできる。
【００３０】
図１に戻り、第二の電流拡散層９１において電流拡散用量子井戸層８は、その第一主表面から切欠部ＪＫの底面までの区間に配置されている。また、第一の電流拡散層９０には電流拡散用量子井戸層が設けられていない。そして、電流拡散用量子井戸層９を有した第二の電流拡散層９１は、発光層部２４に貼り合わせにより結合されている。他方、第一の電流拡散層９０も発光層部２４に貼り合わせにより結合されているが、該第一の電流拡散層９０については、発光層部２４上に厚膜のエピタキシャル層として成長してもよい。
【００３１】
第二の電流拡散層９１（つまり、発光層部２４の第二主表面側に配置された電流拡散層）の第二主表面は、裏面反射層１０により覆われている。この裏面反射層１０は、対向電極１５とは電気的に分離されていて、電極としての機能が付与されていない。従って、該裏面反射層１０と第二の電流拡散層９１との間には、両層間の接触抵抗を低減するための接合合金化層が非配置となっている。本実施形態では、裏面反射層１０の第二主表面に、Ａｇペースト等からなる金属接着層１１を介して、ヒートシンクを兼ねた素子基板１２が貼り合わされている。ヒートシンクを兼ねた素子基板１２は、例えばＣｕやＡｌ等の金属、窒化アルミニウム、炭化珪素あるいはアルミナなどの熱伝導性の良好なセラミックにて構成できる。
【００３２】
これにより、半導体積層体５０の第二主表面に、反射率の低い接合合金化層を配置する必要がなくなり、該第二主表面の全面を反射面として有効活用できるようになるため、光取出効果を改善することができる。しかし、該構造の採用に伴い、通常はこの第二主表面に設けられる対向電極１５は、半導体積層体５０の第一主表面側に形成された切欠部ＪＫの底面に設けることが不可欠となる。その結果、該対向電極１５の近傍では、第二の電流拡散層９１内の通電経路が切欠部ＪＫにより厚さを減じられ、かつ、電極被覆領域も切欠部ＪＫ内に限定されるので、該第二の電流拡散層９１の第二主表面全面に電極形成する場合と比較して、層面内の電流拡散は相当困難となる。しかし、本発明に係る発光素子１００においては第二の電流拡散層９１内に電流拡散用量子井戸層９を設けているので、電流拡散上不利な構造を採用しているにもかかわらず、発光層部２４の面内に均一に電流供給することができ、発光効率を高めることができる。そして、発光層部２４の両面に電流拡散層９０，９１を設けていることで、素子側面からの光取出し効率も向上し、高発光強度の素子が実現する。
【００３３】
以下、図１の発光素子１００の製造方法について説明する。
まず、図６の工程１に示すように、ｎ型ＧａＡｓ単結晶からなる成長用基板１の第一主表面上にＧａＡｓバッファ層２を成長し、続いて、発光層部２４として、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層４、ＡｌＧａＩｎＰ活性層（ノンドープ）５、及びｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層６を、この順序にて周知のＭＯＶＰＥ法によりエピタキシャル成長させる。また、別途用意したＧａＰ基板（ｐ型、厚さ：４０μｍ以上２００μｍ以下（例えば１００μｍ））を発光層部２４の第一主表面に重ね合わせ、工程２に示すように、加圧しながら３５０℃以上７００℃以下、本実施形態では６００℃にて熱処理することにより貼り合せて、第一の電流拡散層９０とする。なお、ＧａＰ基板を貼り合せる代わりに、ＧａＰ層を例えばＨＶＰＥ法を用いてエピタキシャル成長してもよい。そして、工程３に進み、成長用基板１及びバッファ層２を研削あるいは化学エッチングにより除去する。
【００３４】
図７に進み、上記とは別に、第二の電流拡散層９１となるサブウェーハを作製する。具体的には、工程４に示すように、一方の本体層９１ｍとなるべきｎ型ＧａＰ基板を用意し、その上に電流拡散用量子井戸層８をＭＯＶＰＥ法にてエピタキシャル成長する。その後、工程５に示すように、他方の本体層９１ｍとなるべきｎ型ＧａＰ層をＨＶＰＥ法またはＭＯＶＰＥ法によりエピタキシャル成長し、サブウェーハとする。そして、工程６に示すように、このサブウェーハを発光層部２４の第二主表面に重ね合わせ、工程７に示すように、加圧しながら３５０℃以上７００℃以下、本実施形態では６００℃にて熱処理することにより第二の電流拡散層９１として貼り合せ、貼り合わせウェーハＷを得る。
【００３５】
次に、図８に示すように、上記貼り合せウェーハＷを、個々の素子チップに分離するためにダイシングする。このダイシングは、個々のチップに切欠部ＪＫを形成する工程も兼ねる。具体的には、図８の工程８に示すように、貼り合せウェーハＷの第一主表面側から第二の電流拡散層９１の厚さ方向途中位置、本実施形態では、電流拡散用量子井戸層８を分断して第二主表面側の本体層９１ｍの厚さ方向途中位置に到達する深さで、切欠部ＪＫとなるべきハーフダイシング溝ＤＧを、第一のダイシング刃ＤＢを用いて形成する。次いで、工程９に示すように、各素子チップの第一主表面となるべき領域と、ハーフダイシング溝ＤＧの底とに、それぞれ接合合金化層を形成するための金属層を蒸着により形成し、その後合金化熱処理を行って接合合金化層９ａ，１５ａを形成し、さらに、光取出側電極９と対向電極１５とを蒸着形成する。
【００３６】
次に、第二の電流拡散層９１の第二主表面には裏面反射層１０を形成し、さらに該裏面反射層１０の第二主表面に金属接着層１１を介して素子基板１２を接着する。そして、工程１０に示すように、ハーフダイシング溝ＤＧの底部を、第一のダイシング刃ＤＢよりも薄い第二のダイシング刃ＤＬを用いてフルダイシングし、個々の素子チップに分離する。該ダイシング後は、ダイシング面に形成された加工ダメージ層を化学エッチングにより除することで、最終的な素子チップ１００が完成する。
【００３７】
以下、本発明の発光素子の種々の変形例について説明する（図１の発光素子１００と共通の部分には、同一の符号を付与して詳細な説明を省略する）。図９の発光素子２００は、第一の電流拡散層９０に電流拡散用量子井戸層８を設けた例であり、第二の電流拡散層９１からは電流拡散用量子井戸層が省略されている。第二の電流拡散層９１の第二主表面には、対向電極の役割を果たす接合合金化層３１が分散形成されている（従って、切欠部ＪＬは形成されていない）。電流拡散用量子井戸層８により面内方向の電流拡散性が高められた第一の電流拡散層９０は、第二の電流拡散層９１よりも薄く形成され、素子の低背化が図られている。
【００３８】
図１０の発光素子３００は、図１の発光素子１００に近い構造を有しているが、電流拡散用量子井戸層８を有する第二の電流拡散層９１が第一の電流拡散層９０よりも薄く形成され、素子の低背化が図られている。本実施形態では、図１の発光素子１００では電流拡散用量子井戸層８の両側に２層設けられていた本体層９１ｍ，９１ｍのうちの一層（ここでは、発光層部２４側のもの）が省略されている。
【００３９】
図１１の発光素子４００においては、第二の電流拡散層９１の第二主表面に多重反射膜７０を介して素子基板７が貼り合わされている。多重反射膜７０は、屈折率が互いに異なる複数の要素反射層からなる積層周期単位を２周期以上形成したものである。積層周期単位を最も簡単に構成するには、発光光束に対する屈折率が互いに異なる第一要素反射層と第二要素反射層との２層構造とすることができる。この場合、両層の屈折率の差が大きいほど、熱線の反射率を十分に高く確保する上での、必要な積層周期単位数を削減することができる。なお、積層周期単位を構成する要素反射層の層数は３層以上であってもよい。
【００４０】
積層周期単位を最も簡単に構成するには、発光光束に対する屈折率が互いに異なる第一要素反射層と第二要素反射層との２層構造とすることができる。この場合、両層の屈折率の差が大きいほど、発光光束の反射率を十分に高く確保する上での、必要な積層周期単位数を削減することができる。なお、積層周期単位を構成する要素反射層の層数は３層以上であってもよい。
【００４１】
特に、第一の要素反射層と第二の要素反射層のうち、高屈折率層の厚さをｔ１、低屈折率層の厚さをｔ２として、ｔ１＜ｔ２に設定する、すなわち高屈折率層の厚さを低屈折率層の厚さよりも小さく設定すると、発光光束に対する特定波長帯の反射率がさらに高められる。そして、反射すべき発光光束に対する高屈折率層の屈折率をｎ１、同じく低屈折率層の屈折率をｎ２として、ｔ１×ｎ１＋ｔ２×ｎ２が、反射させるべき発光光束の波長λの１／２に等しくなっているとき、その波長を含んだ比較的広い波長帯域にて反射率がほぼ１００％に近い完全反射帯域を形成できる。
【００４２】
周期的に屈折率が変化する積層体の層厚方向には、光量子化された電磁波エネルギーに対し、結晶内の電子エネルギーと類似したバンド構造（以下、フォトニックバンド構造という）が形成され、屈折率変化の周期に応じた特定波長の電磁波が積層体構造中に侵入することが妨げられる。この現象は、フォトニックバンド構造において、一定エネルギー域（つまり、一定波長域）の電磁波の存在自体が禁止されることを意味し、電子のバンド理論との関連からフォトニックバンドギャップとも称される。多層膜の場合、屈折率変化が層厚方向にのみ形成されるので、狭義には一次元フォトニックバンドギャップともいう。その結果、該積層体は、該波長の発光光束に対する選択的な反射率が向上した反射層として機能する。
【００４３】
フォトニックバンドギャップを形成するための、各層の厚さおよび周期数は、反射すべき波長帯の範囲により、計算または実験的に決定することができる。その骨子は以下の通りである。フォトニックバンドギャップの中心波長をλｍとしたとき、屈折率変化の１周期の厚さθは、波長λｍの発光光束が１／２波長分（あるいはその整数倍でもよいが、その分膜厚が多く必要である。以下、１／２波長の場合で代表させる）だけ存在できるように設定する。これは、層の１周期内に入射した発光光束が定在波を形成するための条件であり、結晶中の電子波が定在波を形成するブラッグ反射条件と同様である。電子のバンド理論では、このブラッグ反射条件を満足する逆格子の境界位置にエネルギーギャップが現れるが、フォトニックバンド理論でもこれは全く同様である。
【００４４】
ここで、要素反射層に入射した発光光束は、層の屈折率にほぼ逆比例して波長が短くなる。厚さがｔ、屈折率ｎの要素反射層層に波長λの発光光束が垂直に入射すると、その波長はλ／ｎとなるから、層厚方向の波数はｎ・ｔ／λとなる。これは、屈折率１、厚さｎ・ｔの層に波長λの発光光束が入射した場合と同じであり、ｎ・ｔを屈折率ｎの要素反射層の光学的厚さと呼ぶことにする。
【００４５】
発光光束反射材料層においては、反射すべき発光光束に対する高屈折率層の屈折率をｎ１、同じく低屈折率層の屈折率をｎ２とすれば、高屈折率層の光学的厚さはｔ１×ｎ１となり、同じく低屈折率層の光学的厚さはｔ２×ｎ２となる。従って、１周期の換算厚さθ’はｔ１×ｎ１＋ｔ２×ｎ２にて表される。この値が、反射させるべき発光光束の波長λの１／２に等しくなっているとき、前記した高反射率帯が極めて顕著に現れる。特に、ｔ１×ｎ１＝ｔ２×ｎ２の条件を満たす場合は、１周期の換算厚さθ’の２倍の波長を中心として、ほぼ左右対称な形で完全反射帯域が形成される。
【００４６】
本実施形態では、素子基板７がシリコン基板とされ、多重反射膜７０を、該シリコン基板７の第一主表面上に交互に積層された高屈折率層のシリコン層と、低屈折率層のシリカ（二酸化珪素）層との２層を積層周期単位とした多層膜として、フォトニックバンド構造を実現している。シリコン層とシリカ層とは屈折率差が非常に大きく、少ない積層周期数で大きな反射率を達成することができる。
【００４７】
なお、図１１を援用して示すように、ＧａＡｓからなる素子基板１を用い、該素子基板１上へのエピタキシャル成長により形成されたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなるＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）層を多重反射膜１７０として形成してもよい。
【００４８】
図１２の発光素子５００においては、素子基板７がシリコン基板とされ、第二の電流拡散層９１の第二主表面をＡｕ又はＡｇを主成分とする金属からなる裏面反射層１０を介して素子基板７に直接貼り合わせている。このような構造は、第二の電流拡散層９１側にＡｕ又はＡｇを主成分とする第一の金属層を、素子基板７側にＡｕ又はＡｇを主成分とする第二の金属層をそれぞれ形成し、それら第一の金属層と第二の金属層とを重ね合わせて加圧あるいは加熱することにより得ることができる。
【００４９】
図１３の発光素子６００においては、厚さ方向と直交する平面による該積層体本体５０の断面積が光取出面ＥＡに近づくほど大きくなるように、積層体本体５０（切欠部ＪＫ）の側面が傾斜側面部ＩＰとして形成されている。これにより、切欠部ＪＫの側面に向かう発光光束のうち、全反射臨界角以下の角度で入射するものを光取出面ＥＡ側に反射させることができ、ひいては光取出面ＥＡからの発光光束の取出効率を高めることができる。上記のように傾斜した側面形態を有する切欠部ＪＫは、図８の工程８に示す溝ＤＧを、ダイシング刃ＤＢによるハーフダイシング加工に代え、図１４に示すように、円錐台形態の回転砥石１６０を用いた溝入れ加工にて形成することにより得られる。
【００５０】
図１５の発光素子７００は、図１３の発光素子６００の傾斜側面部ＩＰを、金属反射膜６１にて覆ったものに相当する。これにより、傾斜側面部ＩＰでの発光光束の反射効率をより高めることができる。また、傾斜側面部ＩＰに対し全反射臨界角以上の角度で入射した発光光束も反射させることができる。金属反射膜６１は、例えばＡｕ層あるいはＡｇ層とすることができる。なお、傾斜側面部ＩＰにはｐ−ｎ接合を形成する発光層部２４が露出しており、これを金属反射膜６１で直接覆うと、ｐ−ｎ接合が短絡する惧れがある。そこで、本実施形態では、金属反射膜６１と傾斜側面部ＩＰとの間に、セラミック（例えばシリカ、アルミナ、窒化珪素、窒化アルミニウムなど）や樹脂からなる絶縁膜６０が配置されている。
【００５１】
図１６の発光素子８００においては、ダブルへテロ構造をなす発光層部１２４の各層（ｐ型クラッド層１０６、活性層１０５及びｎ型クラッド層１０４）を、ＩｎＧａＡｌＮ（ＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ：０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，ｘ＋ｙ≦１）にて構成しており、活性層１０５の組成に応じて紫外領域から赤色（ピーク発光波長が３００ｎｍ以上７００ｎｍ以下：特に３８０ｎｍ以上４８０ｎｍ以下の紫ないし青色）にかけての広範囲の発光波長を実現することができる。第一の電流拡散層１９０と、第二の電流拡散層１９１の本体層１９１ｍはＧａＮにて構成され、電流拡散用量子井戸層１０８の井戸層及び障壁層は混晶比の異なるＧａＡｌＮにより構成されている。これら第一の電流拡散層１９０、発光層部１２４及び第一の電流拡散層１９０は、サファイア基板１６７の第一主表面上にＭＯＶＰＥ法によりエピタキシャル成長されたものである。第一の電流拡散層１９０及び第二の電流拡散層１９１（電流拡散用量子井戸層１０８を含む）の各厚さは、それぞれ１μｍ以上５０μｍ未満である。なお、サファイア基板１６７の第二主表面はＡｕ、Ａｇ又はＡｌを主成分とする裏面反射層１０で覆われている。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の発光素子の第一例を示す断面模式図。
【図２】電流拡散用量子井戸層の概念図。
【図３】切欠部及び対向電極の形成形態の第一例を示す平面図。
【図４】切欠部及び対向電極の形成形態の第二例を示す平面図。
【図５】切欠部及び対向電極の形成形態の第三例を示す平面図。
【図６】図１の発光素子の製造工程説明図。
【図７】図６に続く説明図。
【図８】図７に続く説明図。
【図９】本発明の発光素子の第二例を示す断面模式図。
【図１０】本発明の発光素子の第三例を示す断面模式図。
【図１１】本発明の発光素子の第四例を示す断面模式図。
【図１２】本発明の発光素子の第五例を示す断面模式図。
【図１３】本発明の発光素子の第六例を示す断面模式図。
【図１４】図１３の発光素子の切欠部の形成方法の一例を示す説明図。
【図１５】本発明の発光素子の第七例を示す断面模式図。
【図１６】本発明の発光素子の第八例を示す断面模式図。
【符号の説明】
【００５３】
１００，２００，３００，４００，５００，６００，７００，８００  発光素子
８，１０８  電流拡散用量子井戸層
９  光取出側電極
１０  裏面反射層
１５  対向電極
ＪＫ  切欠部
２４，１２４  発光層部
３１  接合合金化層（裏面電極部）
６１  金属反射層
９０，１９０  第一の電流拡散層
９１，１９１  第二の電流拡散層
９１ｍ，１９１ｍ  本体層
【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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