(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に発光層を含む半導体積層部が形成され、その上に電流拡散層が形成され、基板と反対側の面から光を取り出す方式の半導体発光素子であって、
一つの発光素子本体を構成するチップの形状を、前記発光層と平行な２つの面と、前記発光層と非平行な４つの面と、からなる６つの面を側面とする六角柱に形成してなることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
前記六角柱のチップを、前記発光層と非平行な面同士が接触するように、複数個アレイ状に配置したことを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）や半導体レーザ（ＬＤ）等の半導体発光素子に係わり、特に光取り出し面の改良をはかった半導体発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、高輝度の発光ダイオードは、半導体基板上にダブルへテロ構造等からなる発光部を形成し、その上に電流拡散層を形成して構成される。この発光ダイオードを樹脂にてパッケージする場合、電流拡散層の上部は、素子保護のための透明樹脂で覆われた構造となっている。
【０００３】
この構造では、電流拡散層（屈折率：３．１〜３．５）と透明樹脂（屈折率：１．５程度）との間の臨界角は２５〜２９°となり、これより入射角が大きくなる光は全反射し、発光素子外部に放出される確率が著しく低下する。このため、実際に発生した光の取り出し効率は２０％程度になっているのが現状である。
【０００４】
なお、電流拡散層の上部に高屈折率膜を形成し、臨界角を上げることによって光取り出し効率を向上させる方法もあるが、効率向上は２０％程度と低いものであった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このように従来、樹脂にてパッケージする発光ダイオードにおいては、発光層を含む半導体多層膜の最上層（一般には電流拡散層）と透明樹脂との境界で、界面に斜め方向から入射する光が全反射し、光取り出し効率が低下するという問題があった。また、この問題は発光ダイオードに限るものではなく、面発光型の半導体レーザに関しても同様に言えることである。
【０００６】
本発明は、上記事情を考慮して成されたもので、その目的とするところは、発光層を含む半導体多層膜の最上層と透明樹脂との境界における光の全反射の影響で光取り出し効率が低下するのを防止することができ、光取り出し効率の向上をはかり得る半導体発光素子を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
（構成）
上記課題を解決するために本発明は次のような構成を採用している。
【００１２】
即ち本発明は、基板上に発光層を含む半導体積層部が形成され、その上に電流拡散層が形成され、基板と反対側の面から光を取り出す方式の半導体発光素子であって、一つの発光素子本体を構成するチップの形状を、発光層と平行な２つの面と、発光層と非平行な４つの面と、からなる６つの面を側面とする六角柱に形成してなることを特徴とする。さらに、前記六角柱のチップを、前記発光層と非平行な面同士が接触するように、複数個アレイ状に配置したことを特徴とする。
【００１８】
（作用）
本発明によれば、チップ形状を発光層と平行な２つの面と、発光層と非平行な４つの面（斜面）と、からなる６つの面を側面とする六角柱に形成することにより、斜面部における光の全反射を低減することができ、光取り出し効率の向上をはかることが可能となる。さらに、六角柱状のチップを斜面同士が接するようにアレイ配置することにより、単位面積当たりの発光強度を増加させることも可能となる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の詳細を図示の実施形態によって説明する。
【００２０】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係わるＬＥＤの素子構造を示す断面図である。
【００２１】
図中の１０は厚さ２５０μｍ前後のｎ型ＧａＡｓ基板又はＧａＰ基板であり、この基板１０上に活性層（発光層）をｎ型及びｐ型のクラッド層で挟んだＩｎＧａＡｌＰ系材料からなるダブルへテロ構造部（発光部）２０が成長形成され、その上にｐ型ＧａＰ電流拡散層３０が成長若しくは接着によって厚さ２００μｍ前後に形成されている。ここで、ダブルへテロ構造部２０を構成する活性層は例えば厚さ０．６μｍ前後のＩｎＧａＡｌＰ、クラッド層は例えば厚さ０．６〜１．０μｍ前後のＩｎＡｌＰである。そして、電流拡散層３０上の一部にｐ側電極４１が形成され、基板１０の裏面にｎ側電極４２が形成されている。
【００２２】
ここまでの基本構成は従来素子と同様であるが、本実施形態では、電流拡散層３０の表面は上側に凸に湾曲して形成され、基板１０の裏面は下側に凸に湾曲して形成され、素子全体が球状に形成されている。この形成方法としては、基板上に電極まで形成した後、ダイシングしてチップを切り離し、チップ全体を研磨することで球状体を得る。なお、図中の５１は素子全体或いは素子の上面部を封止するための透明樹脂、５２は基板側に漏れた光を上方に導くための反射ミラーを示している。
【００２３】
このような構成であれば、電流拡散層３０及び基板１０の湾曲構造によって、電流拡散層側及び基板側における光取り出し効率の向上をはかることができる。即ち、電流拡散層３０と透明樹脂５１との界面が平坦な場合は、図２（ｂ）に示すように、発光層３０からの入射光は電流拡散層３０と透明樹脂５１の各々の屈折率の関係で決まる所定の入射角度で全反射となる。これに対し、本実施形態のように光取り出し面が湾曲された場合は、図２（ａ）に示すように、従来素子では全反射となった入射角度においても全反射することなく光を外部に取り出すことができる。これは、基板側に対しても同様に言えることである。従って本実施形態では、光取り出し効率の向上をはかることが可能となる。
【００２４】
なお、この実施形態では素子全体を球状に形成したが、円柱状に形成してもよい。また、この実施形態では電流拡散層側及び基板側の両方に湾曲構造を設けたが、活性層２０に対し基板１０と反対側のみに光を取り出す構造の場合は、電流拡散層側のみに湾曲構造を設け、基板１０の裏面は全面電極としてもよい。
【００２５】
（第２の実施形態）
図３は、本発明の第２の実施形態に係わるＬＥＤの素子構造を示す斜視図である。なお、図１と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。
【００２６】
ｎ型ＧａＡｓ基板１０上に活性層をクラッド層で挟んだＩｎＧａＡｌＰ系材料からなるダブルへテロ構造部（発光部）２０が成長形成され、その上にｐ型ＧａＰ電流拡散層３０が成長形成されている。そして、電流拡散層３０上の一部にｐ側電極４１が形成され、基板３０の裏面の一部にｎ側電極４２が形成されている。
【００２７】
ここまでの基本構成は従来素子と同様であるが、本実施形態では、電流拡散層３０の端部は斜めにカットされており、基板１０の端部も斜めにカットされており、素子全体が六角柱状に形成されている。
【００２８】
このような構成であれば、電流拡散層３０及び基板１０の傾斜部においては、ある角度で全反射されて取り出せなかった入射光も取り出せるようになり、光取り出し効率が向上する。従って、第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【００２９】
また、素子全体が六角柱であることから、図４に示すように、六角柱のチップを傾斜部同士が接触するように複数個アレイ状に配置することができる。この場合、複数のチップを細密構造で並べることが可能となるので、単位面積当たりの発光強度も増加する。
【００３０】
（第３の実施形態）
図５は、本発明の第３の実施形態に係わるＬＥＤの素子構造を示す断面図である。なお、図１と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。
【００３１】
ｎ型ＧａＡｓ基板１０上に活性層をクラッド層で挟んだＩｎＧａＡｌＰ系材料からなるダブルへテロ構造部（発光部）２０が成長形成され、その上にｐ型ＧａＰ電流拡散層３０が成長形成されている。この電流拡散層３０上には、多数のマイクロレンズ６０が形成されている。そして、マイクロレンズ６０を覆うように透明樹脂５１が形成されている。
【００３２】
ここで、本実施形態に用いたマイクロレンズ６０は、単に凸型マイクロレンズを配列したものではなく、凸型マイクロレンズ６１と凹型マイクロレンズ６２を交互に配置したものである。凸型マイクロレンズ６１と凹型マイクロレンズ６２との配置関係は、図６（ａ）に示すようにライン毎に交互に配列してもよいし、図６（ｂ）に示すように市松状に配列してもよい。マイクロレンズ６０の材料としては、下地のクラッド層と同じ材料、又はクラッド層と屈折率差の小さいものを用いることができる。マイクロレンズの形成方法としては、マイクロレンズ材の上にレジストパターンを形成し、これをマスクにマイクロレンズ材をウェットエッチングした後、表面を研磨することで得ることができる。
【００３３】
また、マイクロレンズ６０の曲率半径ｒは次のように設定すればよい。即ち、図１０（ａ）に示すように、ダブルへテロ構造部２０の活性層からマイクロレンズ６０までの距離をＬ、電流拡散層３０の屈折率をｎ１、及びマイクロレンズ６０を保護する透明樹脂５１の屈折率をｎ２とするとき、全反射の式から臨界角は
ｓｉｎφ＝ｎ２／ｎ１
であり、これが全反射しないためには、
ｓｉｎφ≦ｎ２／ｎ１
φ≦ｓｉｎ-1（ｎ２／ｎ１）
ここで、ｔａｎφ＝Ｌ／ｒより
Ｌ／ｒ≦ｔａｎ｛ｓｉｎ-1（ｎ２／ｎ１）｝
故に、Ｌとｒとの関係は
ｒ≧Ｌ／［ｔａｎ｛ｓｉｎ-1（ｎ２／ｎ１）｝］
に設定すればよい。
【００３４】
また、図１０（ａ）にはマイクロレンズが凹凸の場合を示すが、図１０（ｂ）には凸のみの場合を示す。図１０（ａ）（ｂ）において光が同じ点から出たとすると、角度φ１の光は、（ａ）よりも（ｂ）の方で電流拡散層内を通る距離が長くなり、途中で減衰することが考えられる。従って、マイクロレンズとしては凹凸の組の方が光取り出し効率の点で効果が大きい。
【００３５】
（第４の実施形態）
図７は、本発明の第４の実施形態に係わるＬＥＤの要部構成を示す平面図である。
【００３６】
素子の基本構成は図５に示す第３の実施形態と同様であり、第３の実施形態とはマイクロレンズの形状及び配置が異なっている。即ち、本実施形態におけるマイクロレンズ６５は、図７（ａ）に示すように六角形状であり、互いに隙間が生じないようにハニカム配列となっている。また、マイクロレンズの種類は凸型であっても良いし、凸型と凹型を組み合わせたものであってもよい。
【００３７】
このような構成であれば、光取り出し面に対してマイクロレンズを有効に配置することができ、光取り出し効率のより一層の向上をはかることができる。即ち、図７（ｂ）に示すように複数の円形レンズ６６を配置した場合、レンズ間にどうしても隙間が生じてしまう。これに対し、本実施形態のように複数の六角形レンズ６５をハニカム状に配置すると、レンズ間の隙間を無くすことができるため、レンズを有効配置できることになる。つまり、光取り出し面の全面にマイクロレンズを配置することができ、全面に亘って光取り出し効率の向上をはかることが可能となる。
【００３８】
（第５の実施形態）
図８は、本発明の第５の実施形態に係わるＬＥＤの製造工程、特にマイクロレンズ部の製造工程を示す断面図である。なお、図１と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。
【００３９】
まず、図８（ａ）に示すように、ｎ型ＧａＡｓ基板１０上に活性層をｎ型及びｐ型のクラッド層で挟んだＩｎＧａＡｌＰ系材料からなるダブルへテロ構造部（発光部）２０を成長形成し、その上にｐ型ＧａＰ電流拡散層３０を成長形成する。
【００４０】
次いで、図８（ｂ）に示すように、電流拡散層３０上にノボラック系やスチレン系のレジスト７０を膜厚２μｍに塗布形成した後、周知のフォトリソグラフィプロセスにより、電流拡散層３０上にレジスト７０を所定の間隔（ピッチ４〜６μｍ、スペース０．５μｍ）で島状に残す。
【００４１】
次いで、図８（ｃ）に示すように、レジスト７０を１５０〜２００℃に加熱してリフローすることにより、半球面状のレジストパターンを形成する。次いで、図８（ｄ）に示すように、半球面状のレジスト７０のパターン形状を電流拡散層３０に転写することにより、電流拡散層３０からなるマイクロレンズを形成されることになる。
【００４２】
ここで、レジスト７０のパターン形状を電流拡散層に転写する工程としては、マグネトロンＲＩＥ装置を用いて、エッチングガスにＢＣｌ3 ，Ｃｌ2 或いはその混合ガスを用い、更にＯ2 ，Ａｒを添加ガスとして用い、レジスト７０と電流拡散層３０を同時にエッチングする。レジスト７０と電流拡散層３０のエッチング速度がほぼ等しいものであれば、ＲＩＥによりレジスト７０の表面形状が電流拡散層３０に反映されることになる。
【００４３】
また、図９（ａ）に示すような、レジスト７０のリフロー後の形状に対し、ＢＣｌ3 ，Ｃｌ2 或いはその混合ガスで電流拡散層３０を僅かにエッチングした後に、Ｏ2 ，Ａｒ又はその混合ガスでレジスト７０を単独で僅かにエッチングし、これらのエッチングを繰り返してステップエッチングすることで、図９（ｂ）に示すように、電流拡散層３０の表面を階段状形状にする。マイクロレンズの形状制御は、電流拡散層３０をエッチングする時間とレジスト７０をエッチングする時間をステップ毎に変えることにより可能である。そして、図９（ｃ）に示すように電流拡散層３０の表面全体が階段状になった後に、電流拡散層３０の表面をＣＭＰによりなだらかにすることにより、図９（ｄ）に示すようなレンズ形状が得られる。
【００４４】
（変形例）
なお、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではない。実施形態では、発光層をクラッド層で挟んだダブルへテロ構造部を有する発光ダイオードについて説明したが、必ずしもダブルへテロ構造部を有する必要はなく、発光層を有する半導体積層部を有するものであればよい。さらに、実施形態では、発光ダイオードについて説明したが、面発光型の半導体レーザに適用することも可能である。
【００４５】
また、発光素子を構成する各半導体層の材料，組成，厚さ等の条件は、仕様に応じて適宜変更可能である。その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施することができる。
【００４６】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、半導体発光素子における光取り出し面の改良によって、発光層を含む半導体多層膜の最上層と透明樹脂との境界における全反射の影響で光取り出し効率が低下するのを防止することができ、光取り出し効率の向上をはかることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に係わるＬＥＤの素子構造を示す断面図。
【図２】第１の実施形態の効果を説明するための模式図。
【図３】第２の実施形態に係わるＬＥＤの素子構造を示す斜視図。
【図４】第２の実施形態における六角柱のチップを複数個アレイ状に配置した状態を示す図。
【図５】第３の実施形態に係わるＬＥＤの素子構造を示す断面図。
【図６】第３の実施形態における凸型マイクロレンズと凹型マイクロレンズとの配置関係を示す平面図。
【図７】第４の実施形態に係わるＬＥＤの要部構成を示す平面図。
【図８】第５の実施形態に係わるＬＥＤの製造工程を示す断面図。
【図９】第５の実施形態におけるマイクロレンズ部の製造工程を示す断面図。
【図１０】第３の実施形態を説明するためのもので、マイクロレンズが凹凸の場合と凸のみの場合を示す断面図。
【符号の説明】
１０…ｎ型ＧａＡｓ基板
２０…ダブルへテロ構造部（発光部）
３０…ｐ型ＧａＰ電流拡散層
４１…ｐ側電極
４２…ｎ側電極
５１…透明樹脂
５２…反射ミラー
６０…マイクロレンズ
６１…凸型マイクロレンズ
６２…凹型マイクロレンズ
６５…六角形レンズ
６６…円形レンズ
７０…レジスト
【図１】
0004091279.tif 000002
【図２】
0004091279.tif 000003
【図３】
0004091279.tif 000004
【図４】
0004091279.tif 000005
【図５】
0004091279.tif 000006
【図６】
0004091279.tif 000007
【図７】
0004091279.tif 000008
【図８】
0004091279.tif 000009
【図９】
0004091279.tif 000010
【図１０】
0004091279.tif 000011