(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の半導体層と、
前記第１の半導体層上に配置された前記第１の半導体層より屈折率が小さい発光層と、
前記発光層上に配置された前記発光層より屈折率が小さい第２の半導体層と、
前記第１の半導体層及び前記第２の半導体層に接続された前記発光層に電流を供給する金属電極と、
を備え、
前記第１の半導体層は、ダイヤモンド基板上に形成された導電性を有するダイヤモンド薄膜で構成され、
前記発光層及び前記第２の半導体層は、アルミニウム濃度が異なる窒化物半導体で構成されていることを特徴とすることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
第１の半導体層と、
前記第１の半導体層上に配置された前記第１の半導体層より屈折率が小さい発光層と、
前記発光層上に配置された前記発光層より屈折率が小さい第２の半導体層と、
前記第１の半導体層及び前記第２の半導体層に接続された前記発光層に電流を供給する金属電極と、
を備え、
前記第１の半導体層は、導電性を有するダイヤモンド基板で構成され、
前記発光層及び前記第２の半導体層は、アルミニウム濃度が異なる窒化物半導体で構成されていることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項３】
前記発光層で発光された光は、前記第１の半導体層側から取り出すことを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記第１の半導体層は、ダイヤモンド基板上に形成されたＶ溝内に配置された導電性を有するダイヤモンド薄膜で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項５】
前記発光層及び前記第２の半導体層は、前記導電性を有するダイヤモンド基板に形成されたＶ溝内に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の半導体発光素子。
【請求項６】
前記発光層で発光された光を取出す光取出部は、粗面化されていることを特徴とする請求項１及至５のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
【請求項７】
前記発光層で発光された光を取出す光取出部に、前記発光した光の波長を変換する蛍光体を備えていることを特徴とする請求項１及至６のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
【請求項８】
基板上に第１の半導体層を形成する工程と、
前記第１の半導体層上に前記第１の半導体層より屈折率が小さい発光層を形成する工程と、
前記発光層上に前記発光層より屈折率が小さい第２の半導体層を形成する工程と、
前記第１の半導体層及び前記第２の半導体層に接続され前記発光層に電流を供給する金属電極を形成する工程と、
を備え、
前記第１の半導体層は、ダイヤモンド基板上に形成された導電性を有するダイヤモンド薄膜で構成され、
前記発光層及び前記第２の半導体層は、アルミニウム濃度が異なる窒化物半導体で構成されていることを特徴とすることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
【請求項９】
前記第１の半導体層、前記発光層及び前記第２の半導体層の形成は、前記基板上に形成されたＶ溝内に行うことを特徴とする請求項８に記載の半導体発光素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体発光素子およびその製造方法に係わり、特にダイヤモンドを用いた半導体発光素子およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ダイヤモンドはその機械的、化学的および熱的特性に加え、優れた潜在的な半導体特性や光学特性を持つことから、半導体発光材料として注目されている。特に、ダイヤモンドは室温で約５．５ｅＶのバンドギャップを持ち、紫外領域で発光する発光素子の可能性を秘めている。ダイヤモンドを発光素子として利用する例としては、ダイヤモンドのｐｎ接合によるＬＥＤ（非特許文献１参照）、ｎ型ダイヤモンド上にｐ型ＡｌＮを形成したｐｎ接合によるＬＥＤ（非特許文献２参照）等が知られている。
【非特許文献１】S. Koizumi, et al., Science 292, 1899 (2001)
【非特許文献２】C. R. Miskys, et al., APL 82, 290 (2003)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、ダイヤモンドは、間接遷移型半導体であるため、ダイヤモンドを用いた発光素子を使用する場合には、電荷注入により励起された状態において、光を出す過程に変化する確率（以下、これを発光効率という）が、ＧａＡｓ等の直接遷移型半導体を用いた場合と比べて悪いことが知られている。これは、非特許文献１、２に記載されているような、ダイヤモンドを用いたｐｎ接合による発光素子では、現実的にダイヤモンドの電気抵抗が高いため、より高い発光効率を得るためには、高励起状態つまり狭い領域にできるだけ多くの電流を流す必要があり、発光装置として大型化してしまうと共に、さらに、多くの電流を流すことになるため、発光素子自体が発熱してしまい、発光素子としての寿命も低下してしまう。
【０００４】
本発明はかかる実情に鑑みてなされたものであり、発光効率が高く、発熱が低減された高寿命の半導体発光素子およびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明に関わる半導体発光素子は、第１の半導体層と、前記第１の半導体層上に配置された前記第１の半導体層より屈折率が小さい発光層と、前記発光層上に配置された前記発光層より屈折率が小さい第２の半導体層と、前記第１の半導体層及び前記第２の半導体層に接続された前記発光層に電流を供給する金属電極と、を備え、前記第１の半導体層は、ダイヤモンド基板上に形成された導電性を有するダイヤモンド薄膜で構成され、
前記発光層及び前記第２の半導体層は、アルミニウム濃度が異なる窒化物半導体で構成されていることを特徴とすることを特徴とする。
また、別の本発明に関わる半導体発光素子は、第１の半導体層と、前記第１の半導体層上に配置された前記第１の半導体層より屈折率が小さい発光層と、前記発光層上に配置された前記発光層より屈折率が小さい第２の半導体層と、前記第１の半導体層及び前記第２の半導体層に接続された前記発光層に電流を供給する金属電極と、を備え、前記第１の半導体層は、導電性を有するダイヤモンド基板で構成され、前記発光層及び前記第２の半導体層は、アルミニウム濃度が異なる窒化物半導体で構成されていることを特徴とする。
【０００６】
また、本発明に係る半導体発光素子の製造方法は、基板上に第１の半導体層を形成する工程と、前記第１の半導体層上に前記第１の半導体層より屈折率が小さい発光層を形成する工程と、前記発光層上に前記発光層より屈折率が小さい第２の半導体層を形成する工程と、前記第１の半導体層及び前記第２の半導体層に接続され前記発光層に電流を供給する金属電極を形成する工程と、を備え、前記第１の半導体層は、ダイヤモンド基板上に形成された導電性を有するダイヤモンド薄膜で構成され、前記発光層及び前記第２の半導体層は、アルミニウム濃度が異なる窒化物半導体で構成されていることを特徴とすることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
発光効率が高く、発熱が低減された高寿命の半導体発光素子を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
発明者は、半導体発光素子の発光効率を上げるために、発光層より光を取り出す方向に発光波長に対して透明で屈折率が大きく、尚且つキャリアの閉じ込めを損なわない性質をもつ半導体層を用いると共に、発光層より光を取り出す方向の反対の方向には、発光波長に対して屈折率が小さく、尚且つキャリアの閉じ込めを行う性質をもつ半導体層を用いることで、発光効率が向上することを見出した。
【０００９】
半導体発光素子では、発光層に屈折率の小さい層が隣接すると、その界面での光の反射が起きやすくなり、発光層から屈折率が小さい層への光の発光効率を低下させる原因となる。また、光の発光効率を上げるために、高電流を流すと、発光層に光が集中することになるため、発光層が発熱し、劣化する原因となる。
【００１０】
そこで、発光層から発光された光を取り出す方向には、発光層より屈折率が大きい層を配置させることで発光層内への光の閉じ込めを低減し、その反対方向には、発光層より屈折率が小さい層を配置させることで、発光層と屈折率が小さい層との界面での光の反射を利用して、これら二つの相乗効果により当初成し得なかった高い発光効率を得ることができる半導体発光素子を実現することができる。更に、光の閉じ込めも無いので、発光層の発熱の少ない高寿命な半導体発光素子を得ることができる。
【００１１】
以下図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。以下の図面の記載において、同一または類似の部分には同一または類似の符号が付してある。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
【００１２】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係わる半導体発光素子１を、図１を用いて説明する。図１は、本発明の第１の実施形態に係わる半導体発光素子１の概略構成を示す断面図である。
【００１３】
図１に示すように、本発明の第１の実施形態に関わる半導体発光素子１は、基板２上に、第１の半導体層３が配置され、第１の半導体層３上に、第１の半導体層３より屈折率の小さい発光層４が配置され、発光層４上に発光層４より屈折率の小さい第２の半導体層５が配置されている。更に、基板２上の第１の半導体層３、発光層４、第２の半導体層５が配置されていない他方の面は、発光層４で発光した光を半導体発光素子１から取出すための光取出部８としての機能を備えている。
【００１４】
また、第１の半導体層３及び第２の半導体層５には、金属電極６ａ、６ｂが電気的に接続されており、さらに、金属電極６ａ、６ｂを互いに絶縁するように、絶縁層７が形成されている。
【００１５】
基板２は、第１の半導体層３で用いられる材質と同程度、又は、より大きい屈折率を有する材質であることが好ましく、例えば、ダイヤモンド基板で構成されている。
【００１６】
第１の半導体層３は、屈折率が大きく、光の閉じ込めを損なわない材質として、例えば、ｐ型、又は、ｎ型の導電性を有するダイヤモンド薄膜で構成されている。なお、第１の半導体層３に用いられる材質は、ダイヤモンドに限定されることがなく、後述する発光層４より屈折率が大きい材質であればよい。
【００１７】
発光層４は、第１の半導体層３より屈折率が小さい材質として、例えば、アンドープの窒化物半導体で構成されている。なお、発光層４に用いられる材質は、窒化物半導体に限定されることがなく、第１の半導体層３より屈折率が小さく、後述する第２の半導体層５より屈折率が大きい材質であればよい。
【００１８】
第２の半導体層５は、発光層４より屈折率が小さい材質として、例えば、ｐ型、又は、ｎ型の電気特性を有する窒化物半導体で構成されている。なお、第２の半導体層５に用いられる材質は、窒化物半導体に限定されることがなく、発光層４より屈折率が小さい材質であればよい。なお、第２の半導体層５は、材質の異なる２層以上の半導体層で構成してもよい。例えば、図１に示すように、発光層４上に発光層４より屈折率が小さい層としてクラッド層５ａを配置し、クラッド層５ａの上に、金属電極と接触させるコンタクト層５ｂを備えた２層構造としてもよい。
【００１９】
金属電極６ａ、６ｂは、導電性を有する金属であればよく、例えば、融点が１０００℃を超える高融点金属材料で構成されている。
【００２０】
絶縁膜７は、金属電極６ａ、６ｂ同士を絶縁することができる絶縁性を有する材質であればよく、例えば、シリコン酸化膜で構成されている。
【００２１】
次に、第１の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法を、図２を用いて説明する。
【００２２】
図２は、第１の実施形態に係わる半導体発光素子１の製造方法を概略的に示した断面図である。
【００２３】
最初に、ダイヤモンド基板２上に、第１の半導体層３として、ＣＶＤ法により硼素が１×１０１９ｃｍ−３程度、ドープされたｐ型ダイヤモンド層を厚さ１０００ｎｍ形成する（図２（ａ））。
【００２４】
次に、ｐ型ダイヤモンド層上に、発光層４として、アンドープIn0.02Al0.44Ga0.54N層を厚さ１００ｎｍ、第２の半導体層５のクラッド層５ａとして、ｎ型のAl0.73Ga0.27N層（Siドープ）を厚さ１０００ｎｍ、コンタクト層５ｂとしてｎ型のGaN層（Siドープ）を厚さ１０００ｎｍ、それぞれ連続的に積層し、その一部をエッチングにより除去してパターニングして、ｐ型ダイヤモンド層の一部の表面を露出させた（図２（ｂ））。
【００２５】
次に、ｐ型ダイヤモンド層上に、電子ビーム蒸着により、Ti（５０ｎｍ）−Pt（５０ｎｍ）−Au（２００ｎｍ）の金属薄膜を形成し、Ａｒ中で６５０℃で１０分間アニールした。その後、形成した金属薄膜を、発光層４、第２の半導体層５の端部ｔにあたる部分をＲＩＥによりエッチングし、ｐ型ダイヤモンド層上、及び、ｎ型のGaN層（Siドープ）上に、それぞれ金属電極６ａ、６ｂとなる金属薄膜を分離して形成させた（図２（ｃ））。
【００２６】
その後、形成した金属薄膜同士を絶縁するように、ＣＶＤ法により絶縁層７となるSiO2層を形成した（図２（ｄ））。
【００２７】
最後に、ダイヤモンド基板２をカットして、パッケージングを行うことで、第１の実施形態に係る半導体発光素子１が作製される。
【００２８】
ここで、発光層４としてアンドープIn0.02Al0.44Ga0.54Nを、第２の半導体層５の発光層４に接触するクラッド層５ａとしてｎ型のAl0.73Ga0.27N（Siドープ）を、それぞれ用いたが、ＧａＮ系の窒化物半導体は、そのＡｌの配合比率を変えることで、その材質の屈折率を変化させることが可能である。すなわち、Ａｌの配合比が少なければ少ないほどその窒化物半導体は屈折率が大きい材質となり、Ａｌの配合比が多ければ多いほど屈折率が小さい材質となる。以上より、発光層４、及び、第２の半導体層５を形成するのに、窒化物半導体を用いると、Ａｌの混合比を変えるだけで容易に形成することができる。
【００２９】
次に、作製した半導体発光素子１の金属電極６ａ、６ｂに対して電圧を印加して発光層４に電流を流したところ、３００ｍＡ、光出力１０ｍＷで、発光波長が３２０ｎｍである紫外光の発光が強くなった。
【００３０】
（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態に係わる半導体発光素子１１を、図３を用いて説明する。図３は、本発明の第２の実施形態に係わる半導体発光素子１１の概略構成を示す断面図である。
【００３１】
図１に示すように、本発明の第１の実施形態に関わる半導体発光素子１１は、ｐ型又はｎ型の導電性を有する基板１２上に、基板１２より屈折率の小さい発光層１３が配置されており、発光層１３上に発光層１３より屈折率の小さい第２の半導体層１４が配置されている。更に、基板１２上の発光層１３、第２の半導体層１４が配置されていない他方の面は、発光層１３で発光した光を半導体発光素子１１から取出すための光取出部１７としての機能を備えている。
【００３２】
また、基板１２、及び、第２の半導体層１４には、金属電極１５ａ、１５ｂが電気的に接続されており、さらに、金属電極１５ａ、１５ｂを互いに絶縁するように、絶縁層１６が形成されている。
【００３３】
すなわち、本実施形態に関わる半導体発光素子１１は、第１の実施形態で説明した第１の半導体層３を、ｐ型又はｎ型の導電性を有する基板１２で構成している点に特徴があり、その他の点は、第１の実施形態と同様なため説明を省略する。
【００３４】
基板１２は、発光層１３より大きい屈折率を有する材質、例えば、ｐ型又はｎ型の導電性を有するダイヤモンド基板で構成されている。なお、ここで用いる基板１２は、基板全体がｐ型又はｎ型の導電性を有していても良く、また、基板１２の表面にｐ型又はｎ型の電気特性を有する屈折率が大きい不純物拡散層を形成して、その不純物拡散層を第１の半導体層としてもよい。
【００３５】
次に、第２の実施形態に係る半導体発光素子１１の製造方法を、図４を用いて説明する。
【００３６】
図４は、第２の実施形態に係わる半導体発光素子１１の製造方法を概略的に示した断面図である。
【００３７】
最初に、硼素が１×１０１９ｃｍ−３程度、ドープされたｐ型ダイヤモンド基板１２を準備する（図４（ａ））。次に、ダイヤモンド基板１２上に、ＭＢＥ法により発光層１３としてアンドープIn0.02Al0.44Ga0.54N層を厚さ１００ｎｍ、第２の半導体層１４のクラッド層１４ａとしてｎ型のAl0.73Ga0.27N層（Siドープ）を厚さ１０００ｎｍ、コンタクト層１４ｂとしてｎ型のGaN層（Siドープ）を厚さ１０００ｎｍそれぞれ連続的に積層し、その一部をエッチングにより除去してパターニングして、ｐ型ダイヤモンド基板１２の一部の表面を露出させた（図４（ｂ））。
【００３８】
次に、ｐ型ダイヤモンド基板１２の表面に、電子ビーム蒸着により、Ti（５０ｎｍ）−Pt（５０ｎｍ）−Au（２００ｎｍ）の金属薄膜を形成し、Ａｒ中で６５０℃で１０分間アニールした。その後、形成した金属薄膜を、発光層１３、第２の半導体層１４の端部ｔにあたる部分をＲＩＥによりエッチングし、ｐ型ダイヤモンド基板１２上、及び、ｎ型のGaN層（Siドープ）上に、それぞれ金属電極１５ａ、１５ｂとなる金属薄膜を分離して形成させた（図４（ｃ））。
【００３９】
その後、形成した金属薄膜同士を絶縁するように、ＣＶＤ法により絶縁層１６となるSiO2層を形成した（図４（ｄ））。
【００４０】
最後に、ダイヤモンド基板１２をカットして、パッケージングを行うことで、第２の実施形態に係る半導体発光素子１１が作製される。
【００４１】
次に、作製した半導体発光素子１１の金属電極１５ａ、１５ｂに対して電圧を印加して発光層１３に電流を流したところ、３００ｍＡ、光出力１０ｍＷで、発光波長が３２０ｎｍである紫外光の発光が強くなった。
【００４２】
（第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態に係わる半導体発光素子２１を、図５から図６を用いて説明する。図５は、本発明の第３の実施形態に係わる半導体発光素子２１の概略構成を示す断面図、図６は、本発明の第３の実施形態に係わる半導体発光素子２１の斜め方向から見た傾斜断面図である。
【００４３】
図５、図６に示すように、本発明の第３の実施形態に関わる半導体発光素子２１は、基板２２上に、Ｖ溝２３が形成されており、Ｖ溝２３内に、第１の半導体層２４が配置され、第１の半導体層２４上に第１の半導体層２４より屈折率の小さい発光層２５が配置され、発光層２５上に発光層２５より屈折率の小さい第２の半導体層２６が配置されている。更に、基板２２のＶ溝２３が形成されていない他方の面は、発光層２５で発光した光を半導体発光素子２１から取出すための光取出部２９としての機能を備えている。
【００４４】
また、第１の半導体層２４、及び、第２の半導体層２６には、金属電極２７ａ、２７ｂが電気的に接続されており、さらに、金属電極２７ａ、２７ｂを互いに絶縁するように、絶縁層２８が形成されている。
【００４５】
すなわち、本実施形態に関わる半導体発光素子２１は、第１の実施形態で説明した第１の半導体層、発光層、第２の半導体層の積層構造が、基板２２に形成されたＶ溝２３内に配置されている点に特徴があり、その他の点は、第１の実施形態と同様なため説明を省略する。
【００４６】
このように、基板２２に形成したＶ溝２３内に、Ｖ字状に発光層を配置させることで、より広範囲に発光効率が高い光を取り出すことが出来る。更に、より明るい光を発光しなければならない場合あっても、高電流を流すことで高い発光効率でより明るい光を広範囲に発光することができ、更に、光の閉じ込めも無いので、発光層の発熱の少ない高寿命な半導体発光素子を実現することができる。
【００４７】
次に、第３の実施形態に係る半導体発光素子２１の製造方法を、図７を用いて説明する。
【００４８】
図７は、第３の実施形態に係わる半導体発光素子２１の製造方法を概略的に示した断面図である。
【００４９】
最初に、表面が｛１００｝面の面方位を有するダイヤモンド基板２２を準備する（図７（ａ））。次に、ダイヤモンド基板２２の表面に、レーザービームなどの機械加工により、｛１１１｝面の面方位からなるＶ溝２３を形成した（図７（ｂ））。
【００５０】
次に、Ｖ溝２３内に、ＣＶＤ法により、第１の半導体層２４として、硼素が１×１０１９ｃｍ−３程度、ドープされたｐ型ダイヤモンド層を厚さ１０００ｎｍ、発光層２５として、アンドープIn0.02Al0.44Ga0.54N層を厚さ１００ｎｍ、第２の半導体層２６のクラッド層２６ａとして、ｎ型のAl0.73Ga0.27N層（Siドープ）を厚さ１０００ｎｍ、コンタクト層２６ｂとしてｎ型のGaN層（Siドープ）を厚さ１０００ｎｍそれぞれ連続的に積層し、その一部をエッチングにより除去してパターニングして、ダイヤモンド基板２２の一部の表面を露出させて、Ｖ溝２３内に、第１の半導体層２４、発光層２５、第２の半導体層２６をそれぞれ積層して形成した（図７（ｃ））。
【００５１】
次に、ダイヤモンド基板２２の表面に、電子ビーム蒸着により、Ti（５０ｎｍ）−Pt（５０ｎｍ）−Au（２００ｎｍ）の金属薄膜を形成し、Ａｒ中で６５０℃で１０分間アニールした。その後、形成した金属薄膜を、発光層２５、第２の半導体層２６の端部ｔにあたる部分をＲＩＥによりエッチングし、第１の半導体層２４の端部ｔ１、及び、第２の半導体層２６のコンタクト層２６ｂ上に、それぞれ金属電極２７ａ、２７ｂとなる金属薄膜を分離して形成させ、その後、形成した金属薄膜同士を絶縁するように、ＣＶＤ法により絶縁層２８となるSiO2層を形成した（図７（ｄ））。
【００５２】
最後に、ダイヤモンド基板２２をカットして、パッケージングを行うことで、第３の実施形態に係る半導体発光素子２１が作成される。
【００５３】
次に、作成した半導体発光素子２１の金属電極２７ａ、２７ｂに対して電圧を印加して発光層２５に電流を流したところ、３００ｍＡ、光出力１０ｍＷで、発光波長が３２０ｎｍである紫外光の発光が強くなった。
【００５４】
（第４の実施形態）
本発明の第４の実施形態に係わる半導体発光素子３１を、図８から図９を用いて説明する。図８は、本発明の第４の実施形態に係わる半導体発光素子３１の概略構成を示す断面図、図９は、本発明の第４の実施形態に係わる半導体発光素子３１の斜め方向から見た傾斜断面図である。
【００５５】
図８、図９に示すように、本発明の第４の実施形態に関わる半導体発光素子３１は、ｐ型又はｎ型の導電性を有する基板３２上に、Ｖ溝３３が形成されており、Ｖ溝３３内に、基板３２より屈折率の小さい発光層３４が配置され、発光層３４上に発光層３４より屈折率の小さい第２の半導体層３５が配置されている。更に、基板３２のＶ溝３３が形成されていない他方の面は、発光層３４で発光した光を半導体発光素子３１から取出すための光取出部３８としての機能を備えている。
【００５６】
また、基板３２及び第２の半導体層３５には、金属電極３６ａ、３６ｂが電気的に接続されており、さらに、金属電極３６ａ、３６ｂを互いに絶縁するように、絶縁層３７が形成されている。
【００５７】
すなわち、本実施形態に関わる半導体発光素子３１は、第３の実施形態で説明したＶ溝２３内に形成された第１の半導体層２４を、ｐ型又はｎ型の導電性を有する基板３２で構成している点に特徴があり、その他の点は、第３の実施形態と同様なため説明を省略する。
【００５８】
基板３２は、発光層３４より大きい屈折率を有する材質、例えば、ｐ型又はｎ型の導電性を有するダイヤモンド基板で構成されている。なお、ここで用いる基板３２は、基板全体がｐ型又はｎ型の導電性を有していても良く、また、基板３２の表面にｐ型又はｎ型の電気特性を有する屈折率が大きい不純物拡散層を形成して、その不純物拡散層を第１の半導体層としてもよい。
【００５９】
次に、第４の実施形態に係る半導体発光素子３１の製造方法を、図１０を用いて説明する。
【００６０】
図１０は、第４の実施形態に係わる半導体発光素子３１の製造方法を概略的に示した断面図である。
【００６１】
最初に、表面が｛１００｝面の面方位を有し、硼素が１×１０１９ｃｍ−３程度、ドープされたｐ型ダイヤモンド基板３２を準備する（図１０（ａ））。次に、ｐ型ダイヤモンド基板３２の表面に、レーザービームなどの機械加工により、｛１１１｝面の面方位からなるＶ溝３３を形成する（図１０（ｂ））。
【００６２】
次に、Ｖ溝３３内に、ＭＢＥ法により、発光層３４として、アンドープIn0.02Al0.44Ga0.54N層を厚さ１００ｎｍ、第２の半導体層３５のクラッド層３５ａとして、ｎ型のAl0.73Ga0.27N層（Siドープ）を厚さ１０００ｎｍ、コンタクト層３５ｂとしてｎ型のGaN層（Siドープ）を厚さ１０００ｎｍそれぞれ連続的に積層し、その一部をエッチングにより除去してパターニングして、ダイヤモンド基板３２の一部の表面を露出させて、Ｖ溝３３内に、発光層３４、第２の半導体層３５をそれぞれ積層して形成した（図１０（ｃ））。
【００６３】
次に、ダイヤモンド基板３２の表面に、電子ビーム蒸着により、Ti（５０ｎｍ）−Pt（５０ｎｍ）−Au（２００ｎｍ）の金属薄膜を形成し、Ａｒ中で６５０℃で１０分間アニールした。その後、形成した金属薄膜を、発光層３４、第２の半導体層３５の端部ｔにあたる部分をＲＩＥによりエッチングし、ダイヤモンド基板３２上、及び、第２の半導体層３５のコンタクト層３５ｂ上に、それぞれ金属電極３６ａ、３６ｂとなる金属薄膜を分離して形成させ、その後、形成した金属薄膜同士を絶縁するように、ＣＶＤ法により絶縁層３７となるSiO2層を形成した（図１０（ｄ））。
【００６４】
最後に、ダイヤモンド基板３２をカットして、パッケージングを行うことで、第４の実施形態に係る半導体発光素子３１が作製される。
【００６５】
次に、作成した半導体発光素子３１の金属電極３６ａ、３６ｂに対して電圧を印加して発光層３４に電流を流したところ、３００ｍＡ、光出力１０ｍＷで、発光波長が３２０ｎｍである紫外光の発光が強くなった。
【００６６】
（第５の実施形態）
本発明の第５の実施形態に係わる半導体発光素子４１を、図１１を用いて説明する。図１１は、本発明の第５の実施形態に係わる半導体発光素子４１の概略構成を示す断面図である。
【００６７】
図１１に示すように、本発明の第５の実施形態に関わる半導体発光素子４１は、基板４２の一方の面には、第１の半導体層４３が配置され、第１の半導体層４３上に第１の半導体層４３より屈折率の小さい発光層４４が配置され、更に、発光層４４上に発光層４４より屈折率の小さい第２の半導体層４５が配置されている。また、基板４２の第１の半導体層４３、発光層４４、第２の半導体層４５が配置されていない他方の面は、発光層４４で発光した光を半導体発光素子４１から取出すための光取出部４８としての機能を備えている。
【００６８】
更に、光取出部４８、すなわち、基板４２の第１の半導体層４３、発光層４４、第２の半導体層４５が配置されていない他方の面は、粗面化されており、例えば、凹凸４９が形成されている。形成されている凹凸４９の深さ方向４９ａの間隔は、例えば、３５０ｎｍ〜４００ｎｍである。さらに、凹凸４９の幅方向４９ｂの間隔は、発光する光の波長以下の幅を有しており、例えば２５０ｎｍ〜３００ｎｍである。
【００６９】
また、第１の半導体層４３及び第２の半導体層４５には、金属電極４６ａ、４６ｂが電気的に接続されており、さらに、金属電極４６ａ、４６ｂを互いに絶縁するように、絶縁層４７が形成されている。
【００７０】
すなわち、本実施形態に関わる半導体発光素子４１は、第１の実施形態で説明した光取出部８の表面が粗面化されている点に特徴があり、その他の点は、第１の実施形態と同様なため説明を省略する。
【００７１】
以上のように、第５の実施形態に関わる半導体発光素子４１の光取出部４８の表面には、粗面化された凹凸４９が形成されているため、発光効率が高い光を、より高い取出効率で、半導体発光素子４１から取出すことが可能となる。
【００７２】
次に、第５の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法を、図１２を用いて説明する。
【００７３】
図１２は、第５の実施形態に係わる半導体発光素子４１の製造方法を概略的に示した断面図である。
【００７４】
最初に、ダイヤモンド基板４２上の一方の表面に、第１の半導体層４３として、ＣＶＤ法により硼素が１×１０１９ｃｍ−３程度、ドープされたｐ型ダイヤモンド層を厚さ１０００ｎｍ形成する（図１２（ａ））。
【００７５】
次に、ｐ型ダイヤモンド層上に、発光層４４として、アンドープIn0.02Al0.44Ga0.54N層を厚さ１００ｎｍ、第２の半導体層４５のクラッド層４５ａとして、ｎ型のAl0.73Ga0.27N層（Siドープ）を厚さ１０００ｎｍ、コンタクト層４５ｂとしてｎ型のGaN層（Siドープ）を厚さ１０００ｎｍ、それぞれ連続的に積層し、その一部をエッチングにより除去してパターニングして、ｐ型ダイヤモンド層の一部の表面を露出させた（図１２（ｂ））。
【００７６】
次に、第１の半導体層４３が形成されていないダイヤモンド基板４２の他方の面に、ＥＣＲエッチングにより深さ３８０ｎｍ、幅２８０ｎｍの凹凸４９を形成した（図１２（ｃ））。
【００７７】
次に、ｐ型ダイヤモンド層上に、電子ビーム蒸着により、Ti（５０ｎｍ）−Pt（５０ｎｍ）−Au（２００ｎｍ）の金属薄膜を形成し、Ａｒ中で６５０℃で１０分間アニールした。その後、形成した金属薄膜を、発光層４４、第２の半導体層４５の端部ｔにあたる部分をＲＩＥによりエッチングし、ｐ型ダイヤモンド層上、及び、ｎ型のGaN層（Siドープ）上に、それぞれ金属電極４６ａ、４６ｂとなる金属薄膜を分離して形成させた（図１２（ｄ））。
【００７８】
その後、形成した金属薄膜同士を絶縁するように、ＣＶＤ法により絶縁層４７となるSiO2層を形成した（図１２（ｅ））。
【００７９】
最後に、ダイヤモンド基板４２をカットして、パッケージングを行うことで、第５の実施形態に係る半導体発光素子４１が作製される。
【００８０】
次に、作製した半導体発光素子４１の金属電極４６ａ、４６ｂに対して電圧を印加して発光層４４に電流を流したところ、３００ｍＡ、光出力１０ｍＷで、発光波長が３２０ｎｍである紫外光の発光が得られた。
【００８１】
（第６の実施形態）
本発明の第６の実施形態に係わる半導体発光素子５１を、図１３を用いて説明する。図１３は、本発明の第５の実施形態に係わる半導体発光素子５１の概略構成を示す断面図である。
【００８２】
図１３に示すように、本発明の第５の実施形態に関わる半導体発光素子５１は、基板５２の一方の面には、第１の半導体層５３が配置され、第１の半導体層５３上に第１の半導体層５３より屈折率の小さい発光層５４が配置され、発光層５４上に発光層５４より屈折率の小さい第２の半導体層５５が配置されている。
【００８３】
また、基板５２の第１の半導体層５３、発光層５４、第２の半導体層５５が配置されていない他方の面は、発光層５４で発光した光を半導体発光素子５１から取出すための光取出部５８としての機能を備えている。
【００８４】
更に、光取出部５８、すなわち、基板５２の第１の半導体層５３、発光層５４、第２の半導体層５５が配置されていない他方の面には、粗面化されており、例えば、凹凸５９が形成されている。形成されている凹凸５９の深さ方向の間隔は、例えば３５０ｎｍ〜４００ｎｍである。さらに、凹凸５９の幅方向の間隔は、発光する光の波長以下の幅を有しており、例えば２５０ｎｍ〜３００ｎｍである。
【００８５】
さらに、凹凸５９上には蛍光体６０が設けられている。蛍光体６０については後述する。
【００８６】
また、第１の半導体層５３及び第２の半導体層５５には、金属電極５６ａ、５６ｂが電気的に接続されており、さらに、金属電極５６ａ、５６ｂを互いに絶縁するように、絶縁層５７が形成されている。
【００８７】
すなわち、本実施形態に関わる半導体発光素子５１は、第５の実施形態で説明した基板４２の光取出部４８の表面の凹凸４９上に、蛍光体６０が配置されている点に特徴があり、その他の点は、第５の実施形態と同様なため説明を省略する。
【００８８】
蛍光体６０は、光取出部５８から取出された光の波長を変換させて様々な発光色を持つ光を放出する特性を備えている。蛍光体６０は、例えば、白色光を発生するYAG、青色系の光を発生するSr5(PO4)3Cl:Eu等で構成されている。
【００８９】
以上のように、第６の実施形態に関わる半導体発光素子５１は、光取出部５８である粗面化された凹凸５９上に蛍光体６０が設けられているため、発光効率が高い光を、高い取出効率で、様々な発光色を備えた多色光を発光することが可能となる。
【００９０】
以上、本発明の実施の形態および実施例について説明したが、本発明はこのような形態に限定されるものではなく、本発明の技術思想の範囲内で種々変形して実施可能である。例えば、本発明の第２の実施形態に係わる半導体発光素子１１の基板１２上の発光層１３が配置されていない他方の面に、第５の実施形態で説明した粗面化された凹凸を形成してもよく、さらに、粗面化された凹凸面上に第６の実施形態で説明した蛍光体を設けてもよい。また、本発明の第３、４の実施形態に係わる半導体発光素子２１、３１のＶ溝２３、３３が配置されていない基板２２、３２の他方の面に第５の実施形態で説明した粗面化された凹凸を形成してもよく、さらに、粗面化された凹凸面上に第６の実施形態で説明した蛍光体を設けてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００９１】
本発明に係る発光素子は、主として、一般的に広く用いられている表示装置、照明装置、記録装置に適用することができると共に、電球、蛍光灯等への置き換えも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００９２】
【図１】第１の実施形態に係わる半導体発光素子の概略構成を示す断面図。
【図２】第１の実施形態に係わる半導体発光素子の製造方法を概略的に示した断面図。
【図３】第２の実施形態に係わる半導体発光素子の概略構成を示す断面図。
【図４】第２の実施形態に係わる半導体発光素子の製造方法を概略的に示した断面図。
【図５】第３の実施形態に係わる半導体発光素子の概略構成を示す断面図。
【図６】第３の実施形態に係わる半導体発光素子の斜め方向から見た傾斜断面図。
【図７】第３の実施形態に係わる半導体発光素子の製造方法を概略的に示した断面図。
【図８】第４の実施形態に係わる半導体発光素子の概略構成を示す断面図。
【図９】第４の実施形態に係わる半導体発光素子の斜め方向から見た傾斜断面図。
【図１０】第４の実施形態に係わる半導体発光素子の製造方法を概略的に示した断面図。
【図１１】第５の実施形態に係わる半導体発光素子の概略構成を示す断面図。
【図１２】第５の実施形態に係わる半導体発光素子の製造方法を概略的に示した断面図。
【図１３】第６の実施形態に係わる半導体発光素子の概略構成を示す断面図。
【符号の説明】
【００９３】
１  半導体発光素子
２  基板
３  第１の半導体層
４  発光層
５  第２の半導体層
５ａ  クラッド層
５ｂ  コンタクト層
６ａ  金属電極
６ｂ  金属電極
７  絶縁層
８  光取出部
１１  半導体発光素子
１２  基板
１３  発光層
１４  第２の半導体層
１４ａ  クラッド層
１４ｂ  コンタクト層
１５ａ  金属電極
１５ｂ  金属電極
１６  絶縁層
１７  光取出部
２１  半導体発光素子
２２  基板
２３  Ｖ溝
２４  第１の半導体層
２５  発光層
２６  第２の半導体層
２６ａ  クラッド層
２６ｂ  コンタクト層
２７ａ  金属電極
２７ｂ  金属電極
２８  絶縁層
２９  光取出部
３１  半導体発光素子
３２  基板
３３  Ｖ溝
３４  発光層
３５  第２の半導体層
３５ａ  クラッド層
３５ｂ  コンタクト層
３６ａ  金属電極
３６ｂ  金属電極
３７  絶縁層
３８  光取出部
４１  半導体発光素子
４２  基板
４３  第１の半導体層
４４  発光層
４５  第２の半導体層
４５ａ  クラッド層
４５ｂ  コンタクト層
４６ａ  金属電極
４６ｂ  金属電極
４７  絶縁層
４８  光取出部
４９  凹凸
４９ａ  凹凸の深さ方向
４９ｂ  凹凸の幅方向
５１  半導体発光素子
５２  基板
５３  第１の半導体層
５４  発光層
５５  第２の半導体層
５５ａ  クラッド層
５５ｂ  コンタクト層
５６ａ  金属電極
５６ｂ  金属電極
５７  絶縁層
５８  光取出部
５９  凹凸
６０  蛍光体
【図１】
0004476912.tif 000002
【図２】
0004476912.tif 000003
【図３】
0004476912.tif 000004
【図４】
0004476912.tif 000005
【図５】
0004476912.tif 000006
【図６】
0004476912.tif 000007
【図７】
0004476912.tif 000008
【図８】
0004476912.tif 000009
【図９】
0004476912.tif 000010
【図１０】
0004476912.tif 000011
【図１１】
0004476912.tif 000012
【図１２】
0004476912.tif 000013
【図１３】
0004476912.tif 000014