(57)【要約】      （修正有）【課題】製造コストを低減した光取出し効率の高い半導体発光素子を提供する。【解決手段】基板１と、基板１上に光を発生するための例えばバッファ層１０、ｎ型半導体層１１、活性層１２、ｐ型半導体層１３などの複数の半導体層を有している主半導体領域２を備えた半導体発光素子において、基板１上の外周縁には主半導体領域２が形成されない領域を有し、基板１上の主半導体領域２の外側には、主半導体領域２を形成する最下層の半導体層１０ａが形成される。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、前記基板上に光を発生するための複数の半導体層を有している主半導体領域を備えた半導体発光素子において、前記基板上の外周縁には主半導体領域が形成されない領域を有し、前記基板上の前記主半導体領域の外側には、前記主半導体領域を形成する最下層の半導体層が形成されていることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
前記基板と前記主半導体領域の側面とでなすテーパー角が７０°〜９０°の範囲であ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３】
前記主半導体領域の外側において形成された前記主半導体領域を形成する最下層の半導体層の膜厚が、０．０５〜１μｍであることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記主半導体領域の外側において形成された前記主半導体領域を形成する最下層の半導体層と前記主半導体領域との間に隙間が設けられていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
【請求項５】
前記隙間は、前記主半導体領域から０．１〜２０μmの範囲であることを特徴とする請求項４に記載の半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体発光素子に関し、特に窒化物半導体発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化物系半導体を発光機能層とする半導体発光ダイオードにおいては、紫外〜緑色の波長の光を出力することができ、その適用範囲が拡大している。そして、従来の発光素子においては、窒化物半導体発光素子を構成する基板として、サファイア基板が最も多く利用されている。
【０００３】
一方、近年においては、発光ダイオードの基板に導電性基板を採用し、この導電性基板の表面上に窒化物系半導体からなる発光機能層を成膜する成膜技術の開発が進められている。導電性基板の採用は、半導体発光素子の両面に電極を作製して電流を上下に導通させる両面電極タイプの窒化物半導体発光素子とすることが可能であり、半導体デバイスの主面の大部分を発光面とすることができる。そのため、素子設計の自由度が増すばかりか、価格の比較的安い基板材料を使用することができ、既存のシリコン半導体製造プロセスを利用することができるので、有利である。導電性基板には、珪素（Ｓｉ）基板、炭化珪素（ＳｉＣ）基板等が使用されている（例えば特許文献１）。
【０００４】
このような発光ダイオードにおいては、発光した光は基板面に対して通常は垂直方向に取り出すように構成されるが、発光ダイオードの側面から出射される光の割合も比較的高く、発光した光を発光ダイオードの側面から効果的に取り出す技術が必要とされる。しかし、特許文献１に記載の半導体発光素子は、発光ダイオードの基板に珪素（Ｓｉ）基板、炭化珪素（ＳｉＣ）基板等の光吸収性基板が使用されており、発光ダイオードの側面から出射される光が光吸収性基板に吸収され、発光効率が低下するという問題があった。
【０００５】
上記のような問題を解決するため、特許文献２においては、図１に示した半導体発光素子が開示される。すなわち、Si若しくはSiC等で構成された導電性基板１の主面には凹部２１ａが形成され、主面上には、発光機能を有する発光層２が形成されている。また、発光層２から発せられる光に対して、導電性基板１よりも反射率の高い導電性反射層２１が、凹部２１ａを埋めるように形成されている。導電性基板１の主面の上方から平面的に見た場合に、半導体発光素子の側面に露出した導電性反射層２１の端部（周縁部）が発光層２よりも外側に位置している。発光層２から発せられた光の一部は、発光層２よりも外側へ向かって進む。この光を、例えば矢印５１，５２が示すように導電性反射層２１で反射させて、良好に上方向に進行させることができ、光取り出し効率を向上することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−６６８６３号公報
【特許文献２】特開２００８−５３５３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献２に開示された半導体発光素子においては、導電性基板１に銀（Ag）等よりなる反射膜を設けるため、その分の製造コストが余計にかかってしまうという問題がある。また、pn接合端面が存在する発光層の端面付近にAg等の金属を設ける構造は、信頼性の点でも好ましくない。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するため、本発明は、
基板と、前記基板上に光を発生するための複数の半導体層を有している主半導体領域を備えた半導体発光素子において、前記基板上の外周縁には主半導体領域が形成されない領域を有し、前記基板上の前記主半導体領域の外側には、前記主半導体領域を形成する最下層の半導体層が形成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
製造コストを低減でき、光取出し効率の高い半導体発光素子を提供できる。  
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】従来の半導体発光素子を概略的に示す断面図である。
【図２】本発明の第１の実施例に係る半導体発光素子を概略的に示す断面図である。
【図３】本発明の実施形態に係る半導体発光素子と比較例の半導体発光素子の特性を示す表である。
【図４】角度θに対する輝度について相関関係を示すグラフである。
【図５】角度θに対する光の方向を比較したものである。
【図６】光の入射角度に対する反射率を示すグラフである。
【図７】本発明の第２の実施例に係る半導体発光素子を概略的に示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
次に、本発明の実施例を、図面を参照して具体的に説明する。なお、ここで示す実施例は一例であって、本発明はここに示す実施例に限定される趣旨ではない。
【００１２】
（実施例１）
図２に、実施例１に係る半導体発光素子を示す。
半導体基板１は導電型決定用不純物としてボロン等の3族元素を含むｐ型単結晶シリコン基板から成る。半導体基板１のp型不純物濃度は、例えば5×1018〜5×1019cm-3程度あり
、抵抗率は0.0001Ω・ｃm〜0．01Ω・ｃm程度である。半導体基板１の好ましい厚みは比較的厚い100〜500μmである。なお、半導体基板１の導電型をｎ型にすることもできる。
【００１３】
発光素子の主要部を構成するための主半導体領域２は、シリコン半導体基板１と異種の３−５族化合物半導体から成る複数の層を有し、シリコン半導体基板１の上に周知の気相成長法によって形成されている。更に詳細には、主半導体領域２は、ダブルヘテロ接合発光ダイオードを構成するためにｎ型バッファ層１０とｎ型半導体層１１と活性層１２とｐ型半導体層１３とを順次に有している。なお、ｎ型半導体層１１をｎ型クラッド層と呼び、ｐ型半導体層１３をｐ型クラッド層と呼ぶことがある。発光ダイオードは原理的にｎ型半導体層１１とｐ型半導体層１３のみで構成できる。従って、主半導体領域２からｎ型バッファ層１０と活性層１２とのいずれか一方又は両方を省くことができる。また、必要に応じて周知の電流分散層又はオーミックコンタクト層等を主半導体領域２に付加することができる。主半導体領域２の上面は活性層１２で発生した光を外部に取り出す面としての機能を有する。主半導体領域２の下面は半導体基板１に電気的及び機械的に結合されている。
【００１４】
主半導体領域２は、シリコン半導体基板１上にエピタキシャル成長させた後にその外側（外周部）をエッチングすることで形成される。この外周部においては、シリコン半導体基板１を露出させず、図２に示すようにシリコン半導体基板１上にｎ型バッファ層１０の膜厚が０．０５〜１μｍを残し、残存部分１０ａを形成するようにエッチングを行う。残存部分１０ａの膜厚が薄すぎる場合、クラックなどが発生し、不安定な膜になるため、０．０５μm以上が好ましい。さらに好ましくは０．１μm以上である。逆に厚すぎた場合は、光取り出し面に相当する主半導体領域２の側面部分の面積が減少するため、光の取り出し効率が低下する。よって、好ましくは１μm以下、更に好ましくは０．５μm以下とするのがよい。
【００１５】
このように、シリコン半導体基板１の外周部においては、残存部分１０ａを形成することで、主半導体領域２の側面から出射される光は、残存部分１０ａにより反射され、光吸収性基盤であるシリコン半導体基板１に吸収されることはなく、光取り出し効率が向上する。図３は、残存部分１０ａの有無による光出力を比較した表である。シリコン半導体基板１の外周部に残存部分１０ａを有さずシリコン半導体基板１が露出した場合の比較例では、光出力が２ｍＷであるのに対し、残存部分１０ａを有する実施例では２．４ｍＷであり、光取り出し効率が向上していることがわかる。
【００１６】
また、この時、図２に示すシリコン半導体基板１の上面と主半導体領域２の側面とでなすテーパー角θを７０°〜９０°の範囲、さらに好ましくは８０°〜９０°の範囲となるよう形成する。  図４は、シリコン半導体基板１と主半導体領域２の側面とでなすテーパー角θに対する半導体発光素子の輝度を示したグラフである。横軸はテーパー角度の推移であり、縦軸は半導体発光素子の輝度（任意単位：ａ．ｕ．）を示したものである。テーパー角θが６０°から８０°にかけて輝度の値が著しく上昇していることがわかる。
【００１７】
このメカニズムを図５により説明する。図５は、シリコン半導体基板１と主半導体領域２の側面とでなすテーパー角θによって、活性層１２で発生した光が主半導体領域２の側面から出射する際の光の向きが異なることを示したものである。
図５（ａ）は、テーパー角θを４５°程度としたものである。活性層１２で発生した光は図中の矢印で示したように、主半導体領域２の側面まで進むと、主半導体領域２の側面の内面側で、シリコン半導体基板１方向へ反射するため、シリコン半導体基板１にその光の一部が吸収される。そのため、光の取り出し効率が悪く、発光効率の低下を招く原因となる。
一方、図５（ｂ）は、前記テーパー角θを比較的急峻（９０°に近付けた角度）としたものである。図中の矢印に示したように、テーパー角θを比較的急峻とした場合、主半導体領域２の側面の内面側でのシリコン半導体基板１方向への光の反射を抑制でき、活性層１２で発生した光は図中の矢印で示すように、効率的に外部へ出射されるため、発光効率の低下を抑制できる。
また図4において、テーパー角θが６０°から８０°にかけて輝度の値が著しく上昇していることから、基板材料をシリコン半導体のような光吸収性のものを用いた場合、主半導体領域２の側面からの光の取り出し効率が、発光素子全体の光取出し効率に大きく影響する。
【００１８】
よって、シリコン半導体基板１と主半導体領域２の側面とでなすテーパー角θは９０°に近付けるよう形成することが好ましく、具体的には７０°以上とし、さらに好ましくは８０°以上となるように形成する。
【００１９】
このように、テーパー角θを９０°に近付けるように形成することで、主半導体領域２の側面からの光はシリコン半導体基板１と水平方向に近い角度で出射される。そのため、当該光は残存部分１０ａに対し、例えば７０°以上の高い入射角で入射することになる。
一般的に、屈折率が低い物質から高い物質へと光が移動する場合、全反射はおこらず、例えば、屈折率が1.5の透明樹脂から屈折率が2.4の半導体層へ光が移動する場合は、反射率も高くないと認識されている。しかし、光の入射角が大きな場合は、高い反射率で反射することが可能になる。これにより、半導体発光素子の発光効率が向上する。
図６は、この状況を示したグラフであり、入射角が７０°から９０°に近づくに従い、飛躍的に高い反射率が得られることを示している。厳密には残存部分１０ａが薄くなってくると、その下のシリコン半導体基板１との界面が反射率に影響してくるが、９０°に近づくに従い、飛躍的に高い反射率が得られることには変わりがない。
【００２０】
なお、上記のようにテーパー角θを比較的急峻に形成するには、主半導体領域２形成後のドライエッチングにおいて、エッチングマスクとして使用するレジストの端面をほぼ直角に形成し、その後エッチングを行うことで比較的急峻なテーパー角を形成することができる。また、ドライエッチング時の選択比（前記レジストと主半導体領域２のエッチレート比）を上げることで比較的急峻なテーパー角を形成することができる。
【００２１】
このように、テーパー角θを９０°に近付けるように形成することで、主半導体領域２の側面からの光出力が増加するとともに、主半導体領域２の側面から出射された光は残存部分１０ａにおいて高い反射率で反射されるため、発光素子の光取り出し効率が大きく向上することになる。
【００２２】
光透過性導電膜１９は主半導体領域２の上面即ちｐ型半導体層１３の表面のほぼ全部に配置され、ここにオーミック接触している。従って、光透過性導電膜１９は主半導体領域２に電流を均一に流すために寄与し、且つ主半導体領域２から放射された光の取り出しを可能にする。この実施例の光透過性導電膜１９は厚さ１８００オングストローム程度のＩＴＯ（インジウム・錫・オキサイド）から成る。なお、光透過性導電膜１９をＩＴＯ以外のＮｉ、Ｐｔ、Ｐｄ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ｏｓ，Ｉｒ，Ａｕ、Ａｇ等から選択された材料で形成することもできる。しかし、いずれの材料で形成する場合であっても光透過性導電膜１９の光透過性を高めることが必要であり、光透過性導電膜１９をあまり厚く形成することができず、例えば５００〜５０００オングストローム、好ましくは１８００オングストローム程度に形成される。
【００２３】
絶縁膜１７は光透過性導電膜１９よりも光透過性が良い材料、例えばシリコン酸化物（ＳｉＯ２）、によって光透過性導電膜１９、主半導体領域２、及び残存部分１０ａを覆うように形成されている。絶縁膜１７は光透過性導電膜１９よりも光透過性が良い材料（ＳｉＯ２）から成るので、この厚みを光透過性導電膜１９よりも厚い例えば１５００〜１００００オングストロームとすることができる。
【００２４】
第１の電極（上側電極）３は光透過性導電膜１９よりも抵抗率の低い材料（例えば、Ａｕ，Ｎｉ）からなり、光透過性導電膜１９に接続されている。
【００２５】
第２の電極（基板電極）４は金属層からなり、半導体基板１の下面にオーミック接触している。
【００２６】
（実施例２）
図７に、実施例２に係る半導体発光素子を示す。
実施例２に係る半導体発光素子は、実施例１と比較し、残存部分１０ａが主半導体領域２と繋がっておらず、隙間が設けられている点が異なる。その他の構造は、実施例１と同じである。
【００２７】
上述した通り、残存部分１０ａの膜厚は薄いため、小片化する工程での衝撃などでクラックが発生する場合がある。そのクラックが主半導体領域２まで及ばないように、残存部分１０ａと主半導体領域２との間に隙間を設け、シリコン半導体基板１が露出するようにした構造としている。
これにより、残存部分１０ａと主半導体領域２とが分離され、残存部分１０ａでクラックが発生しても、当該クラックが主半導体領域２へ伝播しないため、信頼性の高い半導体発光素子を作成することができる。なお、残存部分１０ａと主半導体領域２との隙間は、主半導体領域２から０．１〜２０μmの範囲が好ましい。
【００２８】
なお、残存部分１０ａと主半導体領域２との間にシリコン半導体基板１が露出するように隙間を設けるには、一般的に周知なフォトリソグラフィ技術を用いることが可能である。また、その他の方法としては、ドライエッチング時のガス条件やエッチング圧力を適宜に調整し、前記隙間を形成する部分のエッチングレートを速くする方法等も採用可能である。
【符号の説明】
【００２９】
１  シリコン半導体基板
２  主半導体領域
３  第１の電極
４  第２の電極
１０  ｎ型バッファ層
１０ａ  残存部分
１１  ｎ型半導体層
１２  活性層
１３  ｐ型半導体層
１７  絶縁膜
１９  光透過性導電膜
【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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