(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多層膜を積層し、基板と反対側の面から光を取り出す半導体発光素子において、
前記半導体多層膜の光取り出し部に、（１００）面又は（１００）面±数度ＯＦＦした面に対して所定の加工を施すことにより、（１１１）面若しくはその近傍の面からなる光取り出し面を有するパターンが形成され、該光取り出し面が凹凸加工されていることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
前記光取り出し面は、（１１１）面から±２０度傾いた面までを含むことを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記光取り出し部に形成するパターンは、ライン状に配列されていることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記光取り出し部に形成するパターンは、格子状に配列されていることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項５】
前記光取り出し面に形成する凹凸は、高さ及び周期が前記発光層における発光波長以下であることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項６】
前記半導体多層膜は活性層をクラッド層で挟んだダブルへテロ構造部を有し、このダブルへテロ構造部の基板と反対側のクラッド層上に電流拡散層を形成し、該電流拡散層上に光取り出し層を形成したものであり、
前記光取り出し面及び凹凸は、前記光取り出し層の表面に形成されていることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項７】
請求項１記載の半導体発光素子を製造する方法であって、
（１００）面又は（１００）面±数度ＯＦＦした面に形成された前記半導体多層膜の光取り出し面をブレード加工して（１１１）面若しくはその近傍の面を露出させる工程と、前記露出した（１１１）面若しくはその近傍の面に粗面化処理を施して微小凹凸を形成する工程とを含むことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
【請求項８】
請求項１記載の半導体発光素子を製造する方法であって、
（１００）面又は（１００）面±数度ＯＦＦした面に形成された前記半導体多層膜の光取り出し面にラインアンドスペースのマスクを形成する工程と、前記マスクを用いて前記光取り出し面を反応性イオンエッチング法によりテーパ状にエッチングすることにより（１１１）面を露出させる工程と、前記露出した（１１１）面に粗面化処理を施して微小凹凸を形成する工程とを含むことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
【請求項９】
前記粗面化処理として、前記光取り出し面をＨＣｌ雰囲気に晒すと共に加熱処理することを特徴とする請求項７又は８記載の半導体発光素子の製造方法。
【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粗面化をはかった半導体発光素子及びその製造方法に関する。
【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度となり、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、電流拡散層の表面を粗面化する方法もあるが、一般に半導体基板の主面は（１００）面又は（１００）±数度ＯＦＦした面であり、この上に成長された各半導体層の表面も（１００）面又は（１００）±数度ＯＦＦした面であり、（１００）面又は（１００）±数度ＯＦＦした面を粗面化するのは難しい。
【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及びその製造方法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。
【０００８】
即ち本発明は、基板上に発光層を含む半導体多層膜を積層し、基板と反対側の面から光を取り出す半導体発光素子において、前記半導体多層膜の光取り出し部に、（１００）面又は（１００）面±数度ＯＦＦした面に対して所定の加工を施すことにより、（１１１）面若しくはその近傍の面からなる光取り出し面を有するパターンが形成され、該光取り出し面が凹凸加工されていることを特徴とする。
【０００９】
また本発明は、上記構成の半導体発光素子を製造する方法であって、（１００）面又は（１００）面±数度ＯＦＦした面に形成された前記半導体多層膜の光取り出し面をブレード加工して（１１１）面若しくはその近傍の面を露出させる工程と、前記露出した（１１１）面若しくはその近傍の面に粗面化処理を施して微小凹凸を形成する工程とを含むことを特徴とする。
【００１０】
また本発明は、上記構成の半導体発光素子を製造する方法であって、（１００）面又は（１００）面±数度ＯＦＦした面に形成された前記半導体多層膜の光取り出し面にラインアンドスペースのマスクを形成する工程と、前記マスクを用いて前記光取り出し面を反応性イオンエッチング法によりテーパ状にエッチングすることにより（１１１）面を露出させる工程と、前記露出した（１１１）面に粗面化処理を施して微小凹凸を形成する工程とを含むことを特徴とする。
【００１１】
（作用）
本発明によれば、光取り出し面が（１１１）面に形成されているので、これをＨＣｌ等で処理することにより容易に粗面化することができる。これにより、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ることが可能となる。
【００１２】
【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。
【００１３】
（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緑色ＬＥＤの素子構造を示す断面図である。
【００１４】
面方位（１００）面のｎ型ＧａＡｓ基板１０の上に、ｎ型ＧａＡｓバッファ層１１、ｎ型Ｉｎ0.5 Ａｌ0.5 Ｐクラッド層１２、ノンドープＩｎＧａＡｌＰ活性層１３、ｐ型Ｉｎ0.5 Ａｌ0.5 Ｐクラッド層１４、ｐ型Ｇａ0.5 Ａｌ0.5 Ａｓ層（第１電流拡散層）１５、ｐ型ＧａＡｓエッチング停止層１６、ｐ型Ｇａ0.5 Ａｌ0.5 Ａｓ層（第２電流拡散層）１７、ｎ型ＧａＡｓキャップ層（図示せず）が成長形成され、第２電流拡散層１７の表面にはストライプ状にＶ溝が形成され、これにより表面が（１１１）面となっている。
【００１５】
また、第２電流拡散層１７は素子中央部が円形に除去され、この部分にｐ側電極２１が形成されている。さらに、基板１０の裏面側にはｎ側電極２２が形成されている。ここで、ｐ側電極２１が第２電流拡散層１７を円形に除去した部分に形成されているため、第２電流拡散層１７には電流は流れない。従って、第２電流拡散層１７は、第１の電流拡散層と同じ組成であるが、実際には電流は流さず光取り出し部に位置する層（光取り出し層）として機能するものである。
【００１６】
本実施形態のＬＥＤの製造工程を、図２を参照して説明する。
【００１７】
まず、図２（ａ）に示すように、面方位が（１００）面で厚さ２５０μｍのｎ型ＧａＡｓ基板１０の上に、Ｖ属元素の原料ガスとしてＡｓＨ3 を用いたＭＯＣＶＤ法により０．５μｍ厚のｎ型ＧａＡｓバッファ層１１を成長する。続いて、Ｖ属元素の原料ガスとしてＰＨ3 を用いたＭＯＣＶＤ法により、０．６μｍ厚のｎ型Ｉｎ0.5 Ａｌ0.5 Ｐクラッド層１２、１．０μｍ厚のノンドープＩｎＧａＡｌＰ活性層１３、１．０μｍ厚のｐ型Ｉｎ0.5 Ａｌ0.5 Ｐクラッド層１４を成長する。
【００１８】
その後、Ｖ属元素の原料ガスとしてＡｓＨ3 を用いたＭＯＣＶＤ法により、１．０μｍ厚のｐ型Ｇａ0.5 Ａｌ0.5 Ａｓ層（第１電流拡散層）１５、０．０１μｍ厚のｐ型ＧａＡｓエッチング停止層１６、５．０μｍ厚のｐ型Ｇａ0.5 Ａｌ0.5 Ａｓ層（第２電流拡散層）１７、０．１μｍ厚のｎ型ＧａＡｓキャップ層１８を成長する。
【００１９】
ここで、バッファ層１１からキャップ層１８までの各エピタキシャル層は同一バッチで成長する。そして、基板１０の表面が（１００）面であることから、その上に成長した各層１１〜１８の表面は全て（１００）面となっている。
【００２０】
次いで、歯先端角７０度を有するブレード装置を用い、図２（ｂ）に示すように、表面に（１１１）面が出るように深さ５μｍ、間隔５．８μｍでブレード加工を行う。これにより、第２電流拡散層１７が断面三角形状のラインアンドスペースパターンとなり、試料表面には第２電流拡散層１７の（１１１）面が露出することになる。この露出した（１１１）面が光取り出し面となる。
【００２１】
次いで、５０℃に加熱したＨＣｌ処理で、図２（ｃ）に示すように、第２電流拡散層１７の（１１１）面にサブミクロンの凹凸を形成する。この微小凹凸の高さやピッチは発振波長以下の極めて短いものであった。
【００２２】
これ以降は、レジストマスクを用いて電極部のキャップ層１８と第２電流拡散層１７をエッチングした後、上部電極としてｐ側電極２１（Ｚｎを含むＡｕ）を蒸着により形成する。そして、ＧａＡｓ基板１０を研磨し１００μｍ厚にした後に、ｎ側電極２２（Ｇｅを含むＡｕ）を形成することによって、前記図１に示す構造が得られる。
【００２３】
次いで、熱処理として、Ａｒ雰囲気中で４５０℃，１５分の処理を行う。続いて、ウェハにスクライブを行いチップ化する。そして、組立ワイヤボンディング処理を行った後に、樹脂封止する。
【００２４】
上記のように、第２電流拡散層１７にブレード加工を施して（１１１）面を露出させ、この（１１１）面に凹凸加工を施すことにより、表面の粗面化を有効に行うことができる。そして、この凹凸における高さやピッチは発光波長よりも短いものであった。
【００２５】
その結果として、本実施形態のような突起部構造を採用することにより、図３に示すように、光取り出し効率が従来の約２０％から約５０％に向上した。このように、基本的なデバイス構造を変えることなく光取り出し効率をこれだけ上昇させることができるのは、ＬＥＤにとって極めて大きな効果である。
【００２６】
ここで、光取り出し面に（１１１）面を形成する方法としては、ブレード加工に限らずＲＩＥでも可能である。例えば、図４（ａ）に示すように、面方位が（１００）面の第２電流拡散層１７の表面にレジストマスク４１をストライプ状に複数本形成した後、Ｃｌ2 を含むガスを用いたテーパＲＩＥを行うことにより、図４（ｂ）に示すように、側面に（１１１）面を有するパターンが形成される。この後、ＨＣｌ処理を施すことにより、図４（ｃ）に示すように、（１１１）面に微小凹凸を形成することができる。
【００２７】
また、表面に作成する面は必ずしも（１１１）面丁度に限るものではなく、（１１１）面から多少傾いていても同様の効果が得られる。本発明者らの実験によれば、（１１１）±２０度でも同様の効果が確認された。
【００２８】
また、発振波長以下の凹凸を形成するための処理としては、ＨＣｌ処理に限らず、（１１１）面を粗面化できるものであればよく、ハロゲン系のガスを用いたドライエッチング、更にはウェットエッチングを利用することもできる。さらに、凹凸の形状は、図５（ａ）〜（ｆ）に示す何れの形状であってもよい。ここで、（ａ）はＥＢマスクでＲＩＥした例、（ｂ）はＥＢマスクでウェットエッチングした例、（ｃ）〜（ｆ）はマスク無しでウェットエッチングした例である。
【００２９】
このように本実施形態によれば、半導体多層構造の実質的な最上層である第２電流拡散層１７に（１１１）面を形成し、これをＨＣｌで処理して祖面化することにより、光取り出し面に微小凹凸を形成することができる。これにより、第２電流拡散層１７と封止用の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ることができる。また、電流拡散層１７の（１１１）面はブレード加工やＲＩＥにより露出させるために、電流拡散層１７の成長時の表面の面方位は何ら制約されるものではない。従って、成長基板１０の面方位に左右されることなく、通常用いられる（１００）基板に対して適用することができる。
【００３０】
（第２の実施形態）
図６は、本発明の第２の実施形態に係わる緑色ＬＥＤの素子構造を示す断面図である。
【００３１】
本実施形態は、ｎ，ｐの成長層を第１の実施形態と逆にしたものであり、基本的な構成は図１の実施形態と同様である。
【００３２】
ｐ型ＧａＡｓ基板５０の上に、０．５μｍ厚のｐ型ＧａＡｓバッファ層５１，０．６μｍ厚のｐ型Ｉｎ0.5 Ａｌ0.5 Ｐクラッド層５２，１．０μｍ厚のノンドープＩｎＧａＡｌＰ活性層５３，１．０μｍ厚のｎ型Ｉｎ0.5 Ａｌ0.5 Ｐクラッド層５４、１．０μｍ厚のｎ型Ｇａ0.5 Ａｌ0.5 Ｐ層（第１電流拡散層）５５、０．０１μｍのｎ型ＧａＡｓエッチング停止層５６、５．０μｍのｎ型Ｇａ0.5 Ａｌ0.5 Ａｓ層（第２電流拡散層）５７、０．１μｍのｐ型ＧａＡｓキャップ層（図示せず）がＭＯＣＶＤ法で成長形成される。
【００３３】
第２電流拡散層５７の表面は、第１の実施形態と同様にして、ブレード装置又はテーパＲＩＥにより加工され、（１１１）面が露出した状態となっている。この（１１１）面に、ＨＣｌ処理により凹凸加工が施されている。そして、電流拡散層５７の一部を除去した部分にｎ側の電極６１が形成され、基板５０の裏面側にｐ側の電極６２が形成されている。
【００３４】
このような構成であっても、第２電流拡散層５７の表面に設けた（１１１）面及び凹凸部分により、パッケージのための透明樹脂に対する光の入射確率を高めることができ、第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【００３５】
（第３の実施形態）
図７は、本発明の第３の実施形態に係わる面発光レーザの素子構造を示す断面図である。
【００３６】
まず、２５０μｍ厚のｎ型ＧａＡｓ基板７０の上に、０．５μｍ厚のｎ型ＧａＡｓバッファ層７１を成長し、その上にｎ−Ｉｎ0.5 Ａｌ0.5 Ｐ／ｎ−ＧａＡｓの積層構造からなる第１のＤＢＲ反射層７８を成長する。続いて、０．６μｍ厚のｎ型Ｉｎ0.5 Ａｌ0.5 Ｐクラッド層７２、ノンドープのＩｎ0.5 （Ｇａ0.55Ａｌ0.45）0.5 Ｐ／Ｉｎ0.5 Ｇａ0.5 ＰのＭＱＷ活性層７３、更に０．６μｍ厚のｐ型Ｉｎ0.5 Ａｌ0.5 Ｐクラッド層７４を成長してダブルへテロ構造部を形成する。続いて、ｐ−Ｉｎ0.5 Ａｌ0.5 Ｐ／ｐ−ＧａＡｓの積層構造からなる第２のＤＢＲ反射層７９を成長した後に、１．０μｍ厚のｐ型Ｉｎ0.5 Ａｌ0.5 Ｐ層（第１電流拡散層）７５、０．０１μｍのｐ型ＧａＡｓ層７６、５．０μｍのｐ型Ｉｎ0.5 Ａｌ0.5 Ｐ層（第２電流拡散層）７７、０．１μｍのｎ型ＧａＡｓキャップ層（図示せず）を成長する。
【００３７】
ここで、バッファ層７１からキャップ層までのエピタキシャル膜は、ＭＯＣＶＤ法を用いて同一バッチで成長し、用いるガスの種類や圧力は各層が良好に成長される条件にする。
【００３８】
次いで、第１の実施形態と同様に、歯先端角７０度を有するブレード装置にて表面に（１１１）面が出るように深さ５μｍ、間隔５．８μｍでブレード加工を行う。これにより、第２電流拡散層５７の表面は（１１１）面が露出した状態となる。続いて、第１の実施形態と同様に、ＨＣｌ処理で（１１１）面にサブミクロンの凹凸を形成する。
【００３９】
次いで、レジストパターニング後、ｎ型クラッド層７２までエッチングしてレーザーリッジ形成を行う。続いて、０．５μｍ厚の絶縁膜（ＳｉＯ2 ）８１を堆積する。次いで、レジストマスクで電極部の絶縁膜８１とキャップ層と第２電流拡散層７７をエッチングする。次いで、ｐ側電極８３（Ｚｎを含むＡｕ）を蒸着し、レジストマスクで上部電極を形成する。次いで、基板７０を研磨し１００μｍ厚にした後に、ｎ側電極８５（Ｇｅを含むＡｕ）を形成する。次いで、Ａｒ雰囲気中で４５０℃，１５分の熱処理を行う。続いて、ウェハにスクライブを行いチップ化する。その後、樹脂パッケージに組立を行う。
【００４０】
このように構成された面発光レーザにおいては、光取り出し面に（１１１）面が形成され、この（１１１）面にＨＣｌ処理を施すことにより、微小な凹凸を容易に形成することができる。従って、第１の実施形態と同様に、光取り出し効率の向上をはかることができる。本実施形態のレーザは赤色発光であるが、赤以外の半導体レーザにおいても上記効果を確認している。
【００４１】
（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。第１及び第２の実施形態では、緑色ＬＥＤについて説明したが、本発明は緑以外のＬＥＤに適用しても同様の効果が得られる。そして、素子形成材料としては、ＩｎＧａＡｌＰ以外にも、ＩｎＧａＡｌＡｓ系，ＧａＡｌＡｓ系，ＧａＰ系などを用いることが可能である。さらに、各半導体層の組成，厚さ等の条件は、仕様に応じて適宜変更可能である。
【００４２】
また、光取り出し面に露出させる面は、必ずしも（１１１）面丁度に限るものではなく、（１１１）面から少し傾いた面であってもよい。具体的には、（１１１）から±２０度程度の傾きの範囲内であればよい。さらに、（１１１）面に形成する凹凸は、高さ及び周期が発光波長以下であるのが最も望ましいが、必ずしもこの範囲に規定されるものではない。また、（１１１）面を有するパターンは必ずしもライン状である必要はなく、格子状であってもよい。格子状パターンを形成するには、ブレード装置を用いる場合は互いに交差する方向に加工すればよく、選択エッチングを利用する場合は、マスクの形状を格子状にすればよい。
【００４３】
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。
【００４４】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、基板上に発光層を含む半導体多層膜を積層し、基板と反対側の面から光を取り出す半導体発光素子において、半導体多層膜の光取り出し部に（１１１）面を有するパターン形成し、該（１１１）面に凹凸加工を施すことにより、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緑色ＬＥＤの素子構造を示す断面図。
【図２】第１の実施形態に係わる緑色ＬＥＤの製造工程を示す断面図。
【図３】実施形態構造の採用により光取り出し効率が向上する様子を示す図。
【図４】（１１１）面を形成するための例を示す断面図。
【図５】（１１１）面に形成した凹凸の例を示す断面図。
【図６】第２の実施形態に係わる緑色ＬＥＤの素子構造を示す断面図。
【図７】第３の実施形態に係わる面発光型半導体レーザの素子構造を示す断面図。
【符号の説明】
１０…ｎ型ＧａＡｓ基板
１１…ｎ型ＧａＡｓ層（バッファ層）
１２…ｎ型Ｉｎ0.5 Ａｌ0.5 Ｐ層（第１クラッド層）
１３…ＩｎＧａＡｌＰ層（活性層）
１４…ｐ型Ｉｎ0.5 Ａｌ0.5 Ｐ層（第２クラッド層）
１５…ｐ型Ｇａ0.5 Ａｌ0.5 Ａｓ層（第１電流拡散層）
１６…ｐ型ＧａＡｓ層（エッチング停止層）
１７…ｐ型Ｇａ0.5 Ａｌ0.5 Ａｓ層（第２電流拡散層）
１８…ｎ型ＧａＡｓ層（キャップ層）
２１…ＡｕＺｎ電極（ｐ側電極）
２２…ＡｕＧｅ電極（ｎ側電極）
４１…レジストマスク
【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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