JP2005197473A - 半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 ＩＩＩ族窒化物系化合物半導体を始め発光素子を形成する材料の屈折率は、空気に比較してかなり高いため、従来の半導体発光素子では、その構造上、活性層で発光した光が空気中に出射するには、半導体層から空気中への入射角が臨界角以下でなければならず、入射角が臨界角を超えると空気中に出射できなくなり、全反射する。
【解決手段】 上記課題を解決するために、本発明は、基板と、該基板上に、少なくとも、第１半導体層と、活性層と、第２半導体層と、を順に備える半導体発光素子であって、該第２半導体層は該第１半導体層と異なった極性を持ち、かつ該第２半導体層の側の露出した上面の面積に対して、該活性層の露出している側面の該第１半導体層、該活性層および該第２半導体層の面積の合計が５％以上である半導体発光素子である。
【選択図】 図３

Description

本発明は、出射効率の高い半導体発光素子に関する。特に、側面からの光の取り出しを重視した半導体発光素子に関する。

従来の半導体発光素子は、図１のように構成されていた。図１は、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ+ｙ≦１）で表されるＩＩＩ族窒化物系化合物半導体からなるＧａＮ系半導体発光素子の例である。図１６において、８１はｐ側ボンディングパッド、８２はｐ型電極、８３はｐ−ＧａＮ半導体層、８５はＩｎＧａＮ活性層、８６はｎ−ＧａＮ半導体層、８７はサファイア基板、８８はｎ型ボンディングパッド、８９はｎ型電極である。

Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ+ｙ≦１）で表されるＩＩＩ族窒化物系化合物半導体を始め発光素子を形成する材料の屈折率は、空気に比較してかなり高く、例えば、図１に示すＧａＮ系半導体発光素子では、ＩｎＧａＮ活性層８５で発光した光がｐ型電極８２を通して空気中に出射するには、ｐ−ＧａＮ半導体層８３での空気中への入射角が臨界角以下でなければならない。入射角が臨界角を超えると空気中に出射できなくなり、全反射する。

全反射された光は半導体発光素子内を伝搬していく。伝搬の状況を図２に示す。図２は活性層を有する半導体発光素子の中を伝搬する光の例である。図２において、９１は半導体層、９２は活性層、９３は半導体層、９４は半導体発光素子の上面、９５は半導体発光素子の底面、９６は伝搬する光を説明するための点光源である。

活性層９２の中の例えば点光源９６の位置で発光した光が、半導体層９１を通り、上面９４に達する。入射角が臨界角以下のときは空気中に出射する。臨界角θ_０は半導体層９１の屈折率をｎ_０、空気の屈折率を１とすると、下記の式で与えられる。
θ_０＝ｓｉｎ^−１（１／ｎ_０） （１）
（１）式より、ｎ_０＝２．８のとき、θ_０＝２１度となり、入射角θが２１度以下であれば、上面９４から空気中に出射する。点光源９６から半導体発光素子の上面９４方向に向かった光、又は点光源９６から半導体発光素子の底面９５に向かってから底面９５で反射された光が半導体発光素子の上面９４から空気中に出射する割合ηは、下記の式で与えられる。
η＝（１−ｃｏｓθ_０） （２）
（２）式において、θ_０＝２１度のとき、η＝７％となる。半導体発光素子が直方体であるとすれば、全方向に向かった光のうち、空気中に出射する割合は、３η＝２１％で、７９％が半導体発光素子内に閉じ込められる。

しかし、入射角θが２１度以上であれば、全反射して再び半導体層９１、９３内を伝搬する。活性層９２で発光した光にとって、半導体層９１、９３は透明であるが、活性層９２は発光した光に対応するバンドギャップを有するため吸収体にもなりうる。半導体層９１、９３を伝搬する際に、活性層９２も通過するため、通過するたびに吸収損により、伝搬する光が減衰する。

半導体発光素子の側面に到達した光は入射角が２１度以上であれば、再び全反射されて、半導体発光素子内に閉じ込められてしまう。入射角が２１度以下であれば、空気中に出射する。前述したように、活性層９２を何度も通過した光は減衰しているため、出射した光も強度が小さくなってしまう。

このように、活性層で発光した光が全反射によって、内部に閉じ込められる割合が多く、また、側面から出射する光も減衰している。活性層で発光した光を外部に取り出すことのできる割合を外部量子効率と呼ぶ。このような理由で従来の半導体発光素子では外部量子効率が悪い。

半導体発光素子の側面での全反射を少なくするために、上面の形状を三角形にした技術もある（例えば、特許文献１参照。）。しかし、前述したように、いくら、側面での全反射を少なくしても、側面から出射する光が減衰していたのでは、外部量子効率の向上が望めない。
特開平１０−３２６９１０号公報

本発明は、このような問題を解決するために、半導体発光素子において、外部量子効率を改善することを目的とする。

前述した目的を達成するために、本願第１発明は、基板と、該基板上に、少なくとも、第１半導体層と、活性層と、第２半導体層と、を順に備える半導体発光素子であって、該第２半導体層は該第１半導体層と異なった極性を持ち、かつ該第２半導体層の側の露出した上面の面積に対して、該活性層の露出している側面の該第１半導体層、該活性層および該第２半導体層の面積の合計が５％以上である半導体発光素子である。

また、本願第２発明は、基板と、該基板上に、少なくとも、第１半導体層と、活性層と、第２半導体層と、を順に備える半導体発光素子であって、該第２半導体層は該第１半導体層と異なった極性を持ち、かつ該活性層に含まれるすべての点から該活性層の露出している側面までの最短距離が４０μｍ以下の半導体発光素子である。

また、本願第３発明は、基板と、該基板上に形成された少なくとも第１半導体層と活性層と第２半導体層とを順に含む２以上のメサ部と、を備える半導体発光素子であって、該第２半導体層は該第１半導体層と異なった極性を持ち、かつ少なくとも該第２半導体層および該活性層が該メサ部間で空間的に分離されている半導体発光素子である。

また、本願第４発明は、基板と、該基板上に形成された少なくとも第１半導体層と活性層と第２半導体層とを順に含む２以上のメサ部と、を備える半導体発光素子であって、該第２半導体層は該第１半導体層と異なった極性を持ち、かつ該メサ部を接続するブリッジ部を除いて少なくとも該第２半導体層および該活性層が該メサ部間で空間的に分離されている半導体発光素子である。

また、本願第５発明は、少なくとも、基板と、第１半導体層と、活性層と、第２半導体層と、を順に備える半導体発光素子であって、該第２半導体層は、該第１半導体層と異なった極性を持ち、かつ該第２半導体層の側の露出した上面が該第２半導体層の側の露出した上面から少なくとも該活性層にまで達する凹部を有する半導体発光素子である。

本願発明において、前記第２半導体層の側の露出した上面の面積に対して、前記活性層の露出している側面の前記第１半導体層、前記活性層および前記第２半導体層の面積の合計が５％以上とすることができる。

また、本願発明において、少なくとも前記活性層に含まれるすべての点から前記活性層の露出した側面までの最短距離が４０μｍ以下とすることができる。

また、本願発明において、前記第２半導体層の側の露出した上面の形状が４５度よりも小さい角度の頂点を形成することができる。

また、本願発明において、前記活性層の露出している側面と前記第２半導体層の側の露出した上面とのなす一方の内角が１３８度以上とすることができる。

また、本願発明において、前記基板の前記第１半導体層が形成された面に対して反対の側の面に反射層を備えることができる。

また、本願発明において、前記半導体発光素子がＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ+ｙ≦１）で表されるＩＩＩ族窒化物系化合物半導体発光素子とすることができる。
なお、本願発明における各構成は、可能な限り組み合わせることができる。

以上説明したように、本発明によれば半導体発光素子の出射効率を高めることができる。とくに、側面からの光の取り出しを優れたものとすることができる。

以下、本願発明の実施の形態について、添付の図面を参照して説明する。
（実施の形態１）
本実施の形態は、基板と、該基板上に、少なくとも、第１半導体層と、活性層と、第２半導体層と、を順に備える半導体発光素子であって、該第２半導体層は該第１半導体層と異なった極性を持ち、かつ該第２半導体層の側の露出した上面の面積に対する該活性層の露出している側面の該第１半導体層、該活性層および該第２半導体層の面積の合計の割合を大きくすることによって、外部量子効率の拡大を図る半導体発光素子である。

図３に本願発明の半導体発光素子の外形モデルの例を示す。図３において、１１は第２半導体層、１２は活性層、１３は第１半導体層、1４は基板、１５は第２半導体層の側の露出した上面、１７は活性層の露出している側面、２１、２２はボンディングパットである。

ここで、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ+ｙ≦１）で表されるＩＩＩ族窒化物系化合物からなる窒化物系半導体発光素子では、サファイア基板上にＧａＮバッファ層、ｎ−ＧａＮ第１半導体層、ＧａＩｎＮ活性層、ｐ−ＧａＮ第２半導体層を積層し、ｎ型電極形成のために、エッチングによってｎ−ＧａＮ第１半導体層の一部、ＧａＩｎＮ活性層、ｐ−ＧａＮ第２半導体層を露出させることがある。この場合、ｎ−ＧａＮ第１半導体層の一部がエッチングされないで残される。本明細書では、側面１７には残された第１半導体層の側面も含まれる。図３においては、活性層１２の露出している側面１７とは、図３に示す斜線部に相当した部分で、基板１４の側面や、基板１４上に残されている第１半導体層１３の一部分の側面を含む。但し、図３に示す側面１７の斜線部は半導体発光素子の１つの側面のみを表している。なお、本明細書において、以下同様とする。

図３において、基板１４上に第１半導体層１３、活性層１２、第２半導体層１１、が形成されている。第２半導体層１１と第１半導体層１３はそれぞれｐ型又はｎ型の半導体層で、かつ極性が異なっている。このとき、ｐ型半導体層から供給されたホールとｎ型半導体層から供給された電子が活性層１２で再結合して発光する。発光した光は、図２で説明したように、第２半導体層１１の側の上面１５から出射するか、第１半導体層１３、第２半導体層１１を伝搬して側面から出射する。

本実施の形態では、図３における第２半導体層１１としてＧａＮ層（屈折率２．８、透過率１００％）が０．３μｍとＡｌＧａＮ層（屈折率２．６５、透過率１００％）が０．０１μｍ、活性層１２としてＧａＩｎＮ層（屈折率２．８、透過率９５．５％）が０．１μｍ、第１半導体層１３としてＧａＮ層（屈折率２．８、透過率１００％）が０．６μｍ、基板１４としてサファイア基板（屈折率１．８、透過率１００％）の窒化物系化合物半導体において、第１半導体層１３の底面の反射率を１００％として外部量子効率をシミュレーションによって求めた。

従来の半導体発光素子の形状では、上面の面積は３００μｍ×３００μｍ、側面の面積は３００μｍ×１μｍ程度となり、上面１５の面積に対する側面１７の面積の合計の割合が１．４％となる。このときの外部量子効率を１として、上面１５の面積に対する側面１７の面積の合計の割合と相対的な外部量子効率との関係を表１に示す。

表１の（側面の面積の合計／上面の面積）に対する外部量子効率を図４に示す。図４に示すように、上面の形状に係らず上面１５の面積に対する側面１７の面積の合計の割合を増加させると外部量子効率が向上する傾向にある。特に、上面１５の面積に対する側面１７の面積の合計の割合が５％を超えると外部量子効率が大きく改善することがわかる。これは、側面から出射する光が減衰していないので、外部量子効率が高くなると考えられる。

従って、基板１４と、基板１４上に、少なくとも、第１半導体層１３と、活性層１２と、第２半導体層１１と、を順に備える半導体発光素子であって、第２半導体層１１は第１半導体層１３と異なった極性を持ち、かつ第２半導体層１１の側の露出した上面１５の面積に対する活性層１２の露出している側面の第１半導体層１３、活性層１２および第２半導体層１１の面積の合計が５％以上である半導体発光素子では、外部量子効率の拡大を図ることができた。

（実施の形態２）
本実施の形態は、基板と、該基板上に、少なくとも、第１半導体層と、活性層と、第２半導体層と、を順に備える半導体発光素子であって、該第２半導体層は該第１半導体層と異なった極性を持ち、かつ該活性層に含まれるすべての点から該活性層の露出している側面までの最短距離を短くすることによって、外部量子効率の拡大を図る半導体発光素子である。

図５は本願発明の原理を説明した図である。図６は本願発明の説明図である。図５、図６において、１１は第２半導体層、１２は活性層、１３は第１半導体層、1４は基板、１５は第２半導体層の側の露出した上面、１７は活性層の露出している側面、２８は点光源である。点光源２８はこの位置で発光したとする仮想的な点である。図６において、１６は活性層の露出した側面、５０は活性層に含まれる点、５１は点５０から側面１６までの距離を示す。

図５において、基板１４上に第１半導体層１３、活性層１２、第２半導体層１１、が形成されている。第２半導体層１１と第１半導体層１３はそれぞれｐ型又はｎ型の半導体層で、かつ極性が異なっている。このとき、ｐ型半導体層から供給されたホールとｎ型半導体層から供給された電子が活性層１２で再結合して発光する。点光源２８からの光は、図２で説明したように、図５における第２半導体層１１の側の上面から出射するか、第２半導体層１１、第１半導体層１３を伝搬して側面から出射する。このとき、点光源２８からの光は活性層１２を何回か横切る。また、活性層１２は、電子とホールとの再結合によって得られたエネルギーに対応した波長をもつ光を発する。つまり、逆にその波長の光が活性層１２を通過すると、活性層１２はその波長の光にとって吸収体となり、光は減衰する。

従来の半導体発光素子では、半導体層の幅が半導体層の厚みに比べ相対的に大きいため、活性層で発光した光が半導体層の側面に到達するまでの距離が長く、半導体層と外部との境界面で反射して活性層を横切る回数が多い。そのため、光が半導体層の側面から出射したときには、光が減衰しており、十分な外部量子効率を得ることができなかった。

本実施の形態では、図６における活性層１２に含まれる点５０から側面１６までの距離５１を短くすることにより、結果として、活性層１２で発光した光が側面１６に到達するまでに活性層１２を横切る回数を減らし、光の減衰量を少なくすることが可能となった。つまり、側面１６から出射する光の出射効率を高くし、外部量子効率を向上させることが可能となった。

本実施の形態では、実験を重ねた結果、図６において、活性層１２に含まれる点５０から側面１６までの最短距離が４０μｍ以下のとき、外部量子効率が大きく向上することがわかった。ここで、最短距離とは、点５０から側面１６までの距離５１のうち最短のものをいう。

従って、基板１４と、基板１４上に、少なくとも、第１半導体層１３と、活性層１２と、第２半導体層１１と、を順に備える半導体発光素子であって、第２半導体層１１は第１半導体層１３と異なった極性を持ち、かつ活性層１２に含まれるすべての点５０から活性層１２の露出している側面１６までの最短距離を４０μｍ以下である半導体発光素子では、外部量子効率の拡大を図ることができた。

（実施の形態３）
本実施の形態は、基板と、該基板上に形成された少なくとも第１半導体層と活性層と第２半導体層とを順に含む２以上のメサ部と、を備える半導体発光素子であって、該第２半導体層は該第１半導体層と異なった極性を持ち、かつ少なくとも該第２半導体層および該活性層が該メサ部間で空間的に分離されることによって外部量子効率の拡大を図る半導体発光素子である。

図７に本願発明の半導体発光素子の構造の例を示す。図７において、１１は第２半導体層、１２は活性層、１３は第１半導体層、１４は基板、１５は第２半導体層の側の露出した上面、１７は活性層の露出している側面、２０はメサ部、２１、２２はボンディングパッドである。図７では、上面１５の形状が三角形をしたメサ部２０が基板１４上に２つ形成されている。基板１４上のメサ部２０は２つに限らず、複数あればよい。このようなメサ部２０は、基板１４上に活性層１２を含む半導体層を積層した後に、メサ部２０となる部分を除いてエッチングすることによって形成することができる。

図７において、基板１４上の各メサ部２０に少なくとも第１半導体層１３、活性層１２、第２半導体層１１、が形成されている。第２半導体層１１上に設けられたボンディングパッド２１から第２半導体層１１へ、基板１４上に設けられたボンディングパッド２２から第２半導体層１１へ電流が供給される。第２半導体層１１と第１半導体層１３はそれぞれｐ型又はｎ型の半導体層で、かつ極性が異なっている。このとき、ｐ型半導体層から供給されたホールとｎ型半導体層から供給された電子が活性層１２で再結合して発光する。発光した光は、図２で説明したように、それぞれのメサ部２０の第２半導体層１１の側の上面から出射するか、第２半導体層１１、第１半導体層１３内を伝播してそれぞれのメサ部２０の側面から出射する。

図７に示すように、大きなメサ部を形成するよりも、複数の微小なメサ部を基板上に形成する方が、第１半導体層１３、第２半導体層１１を伝搬する光は活性層１２で吸収される前にメサ部２０の側面から出射するため出射効率が高くなり、その結果、外部量子効率が大きく向上する。

実施の形態１で説明したように、本実施の形態による半導体発光素子においても、上面１５の面積に対する側面１７の面積の合計の割合が５％を超えると外部量子効率が大きく改善する。

また、実施の形態２で説明したように、本実施の形態による半導体発光素子においても、活性層１２に含まれる点から活性層１２が露出した側面までの最短距離が４０μｍ以下であると外部量子効率が大きく改善する。

図７では、基板１４の上部には第１半導体層１３の一部がエッチングされないで残されているため、ボンディングパッド２２は基板１４に設けられている。もちろん、導体を基板１４とすることができれば、第１半導体層１３の一部が残されなくても、ボンディングパッド２２は基板１４上に設けることができ、さらに、共通のボンディングパッドでもよい。基板１４が導体でもなく、基板１４の上部に第１半導体層１３の一部が残されてもいない場合は、ボンディングパッド２２は第１半導体層１３に接続されるように、第１半導体層１３に形成した棚部等に設ければよい。

従って、基板１４と、基板１４上に形成された少なくとも第１半導体層１３と活性層１２と第２半導体層１１とを順に含む２以上のメサ部２０と、を備える半導体発光素子であって、第２半導体層１１は第１半導体層１３と異なった極性を持ち、かつ少なくとも第２半導体層１１および活性層１２がメサ部間で空間的に分離された半導体発光素子では、上面１５の面積に対する側面１７の面積の合計の割合を大きくすることができるため、外部量子効率を大きく改善することができた。また、本実施の形態の半導体発光素子では、活性層１２に含まれる点から活性層の露出した側面までの最短距離を短くすることもできるため、外部量子効率を大きく改善することができた。

さらに、上面１５の面積に対する側面１７の面積の合計の割合を５％以上にした半導体発光素子や、活性層１２に含まれるすべての点から活性層１２の露出した側面までの最短距離が４０μｍ以下の半導体発光素子では、側面から出射する光が減衰し難いので、外部量子効率の拡大を図ることが可能となる。

（実施の形態４）
本実施の形態は、基板と、該基板上に形成された少なくとも第１半導体層と活性層と第２半導体層とを順に含む２以上のメサ部と、を備える半導体発光素子であって、該第２半導体層は該第１半導体層と異なった極性を持ち、かつ該メサ部を接続するブリッジ部を除いて少なくとも該第２半導体層および該活性層が該メサ部間で空間的に分離されることによって外部量子効率の拡大を図る半導体発光素子である。

図８、図９に本願発明の半導体発光素子の構造の例を示す。図８、図９において、１１は第２半導体層、１２は活性層、１３は第１半導体層、１４は基板、１５は第２半導体層の側の露出した上面、１７は活性層の露出している側面、２０はメサ部、２１、２２はボンディングパッド、２３はブリッジ部、２４は棚部である。図８、図９では、上面１５の形状が三角形をしたメサ部２０が基板１４上に２つ形成されている。基板上のメサ部は２つに限らず、複数あればよい。２つのメサ部はブリッジ部２３によって接続されている。

ここで、ブリッジ部２３は、基板上に形成された複数のメサ部２０を電気的に接続するためのもので、基板１４上に活性層１２を含む半導体層を積層した後に、メサ部２０又はブリッジ部２３となる部分を除いてエッチングすることによって形成することができる。本実施の形態では、実施の形態３に示した半導体発光素子において、各メサ部２０の活性層１２の一部、即ちブリッジ部２３によって接続された部分を除いて分離した形態となっている。

図８において、基板１４上の各メサ部２０に少なくとも第１半導体層１３、活性層１２、第２半導体層１１が形成されている。第２半導体層１１上に設けられたボンディングパッド２１から２つのメサ部２０の第２半導体層１１へ、棚部２４上に設けられたボンディングパッド２２から２つのメサ部２０の第１半導体層１３へ電流が供給される。第２半導体層１１と第１半導体層１３はそれぞれｐ型又はｎ型の半導体層で、かつ極性が異なっている。このとき、ｐ型半導体層から供給されたホールとｎ型半導体層から供給された電子が活性層１２で再結合して発光する。発光した光は、図２で説明したように、それぞれのメサ部２０の第２半導体層１１の側の上面から出射するか、第２半導体層１１、第１半導体層１３内を伝播してそれぞれのメサ部２０の側面から出射する。

図８において、２つのメサ部２０の第２半導体層１１及び第１半導体層１３はブリッジ部２３で接続されることによってそれぞれのメサ部２０が電気的に接続されているため、ボンディングパッド２１とボンディングパッド２２はそれぞれ１つずつあれば足り、半導体発光素子の製造工程が簡易になる。図８の基板１４は導体でもなく、基板１４の上部に第１半導体層１３の一部が残されていないため、ボンディングパッド２２は第１半導体層１３に接続されるように、第１半導体層１３に形成した棚部２４に設けている。

図９において、基板１４上の各メサ部２０に少なくとも第１半導体層１３、活性層１２、第２半導体層１１、が形成されている。第２半導体層１１上に設けられたボンディングパッド２１から２つのメサ部２０の第２半導体層１１へ、基板１４上に設けられたボンディングパッド２２から２つのメサ部２０の第１半導体層１３へ電流が供給される。第２半導体層１１と第１半導体層１３はそれぞれｐ型又はｎ型の半導体層で、かつ極性が異なっている。このとき、ｐ型半導体層から供給されたホールとｎ型半導体層から供給された電子が活性層１２で再結合して発光する。発光した光は、図２で説明したように、それぞれのメサ部の第１半導体層の側の上面から出射するか、第２半導体層１１、第１半導体層１３内を伝搬してそれぞれのメサ部２０の側面から出射する。

図９において、２つのメサ部２０の第２半導体層１１及び第１半導体層１３はブリッジ部２３で接続されているため、ボンディングパッド２１とボンディングパッド２２はそれぞれ１つずつあれば足り、半導体発光素子の製造工程が簡易になる。図９の基板１４の上部には第１半導体層１３の一部がエッチングされないで残されているため、ボンディングパッド２２は基板１４に設けることができる。もちろん、導体を基板１４とすることができれば、第１半導体層１３の一部が残されなくても、ボンディングパッド２２は基板１４上に設けることができる。

本実施の形態では、前述した実施の形態３で説明したのと同様の効果が得られることに加え、ボンディングパッドを共通とすることが可能となる。

（実施の形態５）
本実施の形態は、少なくとも、基板と、第１半導体層と、活性層と、第２半導体層と、を順に備える半導体発光素子であって、該第２半導体層は、該第１半導体層と異なった極性を持ち、かつ該第２半導体層の側の露出した上面が該第２半導体層の側の露出した上面から少なくとも該活性層にまで達する凹部を有することによって外部量子効率の拡大を図る半導体発光素子である。

図１０、図１１に本願発明の半導体発光素子の構造の例を示す。図１０、図１１において、１１は第２半導体層、１２は活性層、１３は第１半導体層、１４は基板、１７は活性層の露出している側面、２１、２２はボンディングパッド、２４は棚部、２７は凹部、である。図１０、図１１では、深さが少なくとも活性層１２にまで達する凹部２７が２つ設けられているが、第２半導体層１１の側の上面の凹部２７は２つに限らず、１以上あればよい。このような凹部２７は、基板１４上に活性層１２を含む半導体層を積層した後に、エッチングすることによって形成することができる。なお、凹部２７の形状および配置について、鋭角を持つ三角形形状をした凹部２７を図１０、図１１に示すものとしたが、本実施の形態の１例であり、凹部２７の形状および配置については、種々のものを適用することができる。

図１０において、基板１４上に第１半導体層１３、活性層１２および第２半導体層１１、が形成されている。第２半導体層１１上に設けられたボンディングパッド２１から第２半導体層１１へ、棚部２４上に設けられたボンディングパッド２２から第１半導体層１３へ電流が供給される。第２半導体層１１と第１半導体層１３はそれぞれｐ型又はｎ型の半導体層で、かつ極性が異なっている。このとき、ｐ型半導体層から供給されたホールとｎ型半導体層から供給された電子が活性層１２で再結合して発光する。発光した光は、図２で説明したように、第２半導体層１１の側の上面から出射するか、第２半導体層１１、第１半導体層１３内を伝播してそれぞれの半導体層の側面から出射する。

図１０に示すように、１以上の凹部２７を設けることによって、活性層１２が露出した側面が新たに形成され、第１半導体層１３、第２半導体層１１を伝搬する光は活性層１２で吸収される前に新たに形成された側面から出射するため出射効率が高くなり、その結果、外部量子効率が大きく向上する。

実施の形態１で説明したように、本実施の形態による半導体発光素子においても、上面１５の面積に対する側面１７の面積の合計の割合が５％を超えると外部量子効率が大きく改善する。

また、実施の形態２で説明したように、本実施の形態による半導体発光素子においても、活性層１２に含まれる点から活性層１２が露出した側面までの最短距離が４０μｍ以下であると外部量子効率が大きく改善する。

図１０において、第２半導体層１１及び第１半導体層１３は電気的に接続されているため、ボンディングパッド２１とボンディングパッド２２はそれぞれ１つずつあれば足り、半導体発光素子の製造工程が簡易になる。図１０の基板１４は導体でもなく、基板１４の上部に第１半導体層１３の一部が残されていない場合は、ボンディングパッド２２は第１半導体層１３に接続されるように、第１半導体層１３に形成した棚部２４に設けなければならない。

図１１において、基板１４上に第１半導体層１３、活性層１２および第２半導体層１１、が形成されている。第２半導体層１１上に設けられたボンディングパッド２１から第２半導体層１１へ、基板１４上に設けられたボンディングパッド２２から第１半導体層１３へ電流が供給される。第２半導体層１１と第１半導体層１３はそれぞれｐ型又はｎ型の半導体層で、かつ極性が異なっている。このとき、ｐ型半導体層から供給されたホールとｎ型半導体層から供給された電子が活性層１２で再結合して発光する。発光した光は、図２で説明したように、第２半導体層１１の側の上面から出射するか、第２半導体層１１、第１半導体層１３内を伝搬してそれぞれの半導体層の側面から出射する。

図１１において、第２半導体層１１及び第１半導体層１３は電気的に接続されているため、ボンディングパッド２１とボンディングパッド２２はそれぞれ１つずつあれば足り、半導体発光素子の製造工程が簡易になる。図１１の基板１４の上部には第１半導体層１３の一部がエッチングされないで残されているため、ボンディングパッド２２は基板１４に設けることができる。もちろん、導体を基板１４とすることができれば、第１半導体層１３の一部が残されなくても、ボンディングパッド２２は基板１４上に設けることができる。

従って、本実施の形態では、少なくとも、基板１４と、第１半導体層１３と、活性層１２と、第２半導体層１１と、を順に備える半導体発光素子であって、第２半導体層１１は、第１半導体層１３と異なった極性を持ち、かつ第２半導体層１１の側の露出した上面１５が第２半導体層１１の側の露出した上面１５から少なくとも活性層１２にまで達する凹部を有することによって、上面１５に対する側面１７の面積の合計の割合を大きくすることが可能で、外部量子効率を改善することができた。また、本実施の形態の半導体発光素子では、活性層１２に含まれる点から活性層の露出した側面までの最短距離を短くすることもできるため、外部量子効率を改善することができた。

さらに、第２半導体層１１の側の露出した上面１５の面積に対する側面１７の面積の合計の割合を５％以上にした半導体発光素子や、活性層１２に含まれるすべての点から活性層１２の露出した半導体層の側面までの最短距離が４０μｍ以下の半導体発光素子では、側面から出射する光が減衰し難いので、外部量子効率の拡大を図ることが可能となる。また、さらに、凹部２７を設けても半導体層は電気的に接続されているため、ボンディングパッドを共通とすることが可能となる。

（実施の形態６）
本実施の形態は、少なくとも、基板と、第１半導体層と、活性層と、第２半導体層と、を順に備える半導体発光素子であって、該第２半導体層は該第１半導体層と異なった極性を持ち、かつ該第２半導体層の側の露出した上面の形状が４５度よりも小さい角度の頂点を有することによって外部量子効率の拡大を図る半導体発光素子である。

図１２に本願発明の半導体発光素子の構造の例を示す。図１２において、１１は第２半導体層、１２は活性層、１３は第１半導体層、１４は基板、１５は第２半導体層の側の露出した上面、１７は活性層の露出している側面、である。図１２では、上面１５の形状が三角形をしている。形状は三角形に限らず、多角形でもよい。このような形状は、基板１４上に活性層１２を含む半導体層を積層した後に、エッチングすることによって形成することができる。

第２半導体層１１と第１半導体層１３はそれぞれｐ型又はｎ型の半導体層で、かつ極性が異なっている。このときｐ型半導体層から供給されたホールとｎ型半導体層から供給された電子が活性層１２で再結合して発光する。発光した光は、図２で説明したように、活性層１２の第２半導体層１１の側の上面から出射するか、第２半導体層１１、第１半導体層１３内を伝搬して活性層１２が露出した側面から出射する。

図１２において、上面１５の形状は角度θの頂点を有する。本実施の形態では、図１２における第２半導体層１１としてＧａＮ層（屈折率２．８、透過率１００％）が０．３μｍとＡｌＧａＮ層（屈折率２．６５、透過率１００％）が０．０１μｍ、活性層１２としてＧａＩｎＮ層（屈折率２．８、透過率９７．５％）が０．１μｍ、第１半導体層１３としてＧａＮ層（屈折率２．８、透過率１００％）が０．６μｍ、基板１４としてサファイア基板（屈折率１．８、透過率１００％）の窒化物系半導体発光素子において、第１半導体層１３の底面に反射率を１００％として、上面１５の面積に対する側面１７の面積の合計の割合が２０％のときの、頂点の角度θをパラメータに外部量子効率をシミュレーションによって求めた。

従来の半導体発光素子の形状は、上面１５の面積に対する側面１７の面積の合計の割合が１．４％の正方形である。このときの外部量子効率を１として、上面の頂点の角度に対する外部量子効率の関係を図１３に示す。図１３に示すように、頂点の角度が４５度以下になると外部量子効率が向上する。

従って、基板１４上に活性層１２を含む半導体層が形成された半導体発光素子であって、第２半導体層１１は第１半導体層１３と異なった極性を持ち、かつ第２半導体層１１の側の露出した上面１５の形状が４５度よりも小さい角度の頂点を有する半導体発光素子は、外部量子効率の拡大を図ることができた。特に、活性層１２に含まれるすべての点から活性層１２の露出している側面までの最短距離が４０μｍ以下である半導体素子や、上面１５の面積に対する側面１７の面積の合計の割合を５％以上にした半導体発光素子や、活性層１２が空間で分離された複数のメサ部を基板上に備える半導体発光素子や、活性層１２がブリッジ部をのぞいて空間で分離された複数のメサ部を基板上に備える半導体発光素子では、側面から出射する光が減衰し難いので、外部量子効率の改善効果が高い。

（実施の形態７）
本実施の形態は、少なくとも、基板と、第１半導体層と、活性層と、第２半導体層と、を順に備える半導体発光素子であって、該第２半導体層は該第１半導体層と異なった極性を持ち、かつ該活性層の露出している側面と該第２半導体層の側の露出した上面とのなす一方の内角が１３８度以上とすることによって外部量子効率の拡大を図る半導体発光素子である。

図１４に本願発明の半導体発光素子の外形モデルの例を示す。図１４において、１１は第２半導体層、１２は活性層、１３は第１半導体層、１４は基板、１５は第２半導体層の側の露出した上面、１７は活性層の露出している側面、２６は点光源である。点光源２６はこの位置で発光したとする仮想的な点である。図１４に示すような側面１７は、縦、横の選択比の差が小さい条件でエッチングすると得られる。

図１４において、基板１４上に第１半導体層１３、活性層１２、第２半導体層１１、が形成されている。第２半導体層１１と第１半導体層１３はそれぞれｐ型又はｎ型の半導体層で、かつ極性が異なっている。このときｐ型半導体層から供給されたホールとｎ型半導体層から供給された電子が活性層１２で再結合して発光する。図１４に示すように、例えば、活性層１２の中の点光源２６で発光した光は、第２半導体層１１の側の上面から出射するか、第２半導体層１１、第１半導体層１３内を伝搬して各半導体層の側面から出射する。

図１４において、本実施の形態では、第２半導体層１１としてＧａＮ層（屈折率２．８）とＡｌＧａＮ層（屈折率２．６５）、活性層１２としてＧａＩｎＮ層（屈折率２．８）、第１半導体層１３としてＧａＮ層（屈折率２．８）の窒化物系半導体発光素子において、第１半導体層１３の底面の反射率を１００％として側面１７と上面１５のなす内角の最適値を求めた。

活性層１２で発光した光が第２半導体層１１の側の上面で臨界角で反射して、さらに、第１半導体層１３の底面で反射して、側面に対して臨界角である２１度よりも小さい入射角φで入射する条件は、α≧１３８である。側面１７への入射角が２１度よりも小さいと、側面で全反射されずに、外部の空気中に出射する。

従って、基板１４上に活性層１２を含む半導体層が形成された半導体発光素子であって、第２半導体層１１は第１半導体層１３と異なった極性を持ち、かつ側面１７と上面１５のなす内角を１３８度以上とする半導体発光素子は、外部量子効率の拡大を図ることができた。特に、活性層１２に含まれるすべての点から活性層１２の露出している側面までの最短距離が４０μｍ以下である半導体素子や、上面１５の面積に対する側面１７の面積の合計の割合を５％以上にした半導体発光素子や、活性層１２が空間で分離された複数のメサ部を基板上に備える半導体発光素子や、活性層１２がブリッジ部をのぞいて空間で分離された複数のメサ部を基板上に備える半導体発光素子では、側面から出射する光が減衰し難いので、外部量子効率の改善効果が高い。

（実施の形態８）
本実施の形態は、少なくとも、基板と、第１半導体層と、活性層と、第２半導体層と、を順に備える半導体発光素子であって、該第２半導体層は該第１半導体層と異なった極性を持ち、かつその基板上の第１半導体層が形成された面と反対側の面に反射層を有することによって、外部量子効率の拡大を図る半導体発光素子である。

図１５において、基板１４上に活性層１２を含む第２半導体層１１、第１半導体層１３が形成されている。第２半導体層１１と第１半導体層１３はそれぞれｐ型又はｎ型の半導体層で、かつ極性が異なっている。このときｐ型半導体層から供給されたホールとｎ型半導体層から供給された電子が活性層１２で再結合して発光する。発光した光は、第２半導体層１１の側の上面から出射するか、基板１４に向かう。基板１４が金属基板であれば、基板１４に向かった光は、基板で反射される。基板１４が透明材料の場合は、基板１４の半導体層が形成された面と反対側の面に反射層２５を設けると、基板１４に向かった光は、反射層２５で反射される。

活性層１２で発光した光が第２半導体層１１の側の上面で臨界角で反射したり、反射層２５で反射したりして、側面１７に対して臨界角である２１度よりも小さい入射角φで入射すると、側面１７で全反射されずに、外部の空気中に出射する。

従って、基板１４上に活性層１２を含む半導体層が形成された半導体発光素子であって、第２半導体層１１は第１半導体層１３と異なった極性を持ち、かつその基板１４上の半導体層が形成された面と反対側の面に反射層２５を有する半導体発光素子は、外部量子効率の拡大を図ることができた。特に、活性層１２に含まれるすべての点から活性層１２の露出している側面までの最短距離が４０μｍ以下である半導体素子や、上面１５の面積に対する側面１７の面積の合計の割合を５％以上にした半導体発光素子や、活性層１２が空間で分離された複数のメサ部を基板上に備える半導体発光素子や、活性層１２がブリッジ部をのぞいて空間で分離された複数のメサ部を基板上に備える半導体発光素子では、側面から出射する光が減衰し難いので、外部量子効率の改善効果が高い。

本願発明のＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ+ｙ≦１）で表されるＩＩＩ族窒化物系化合物半導体発光素子は、以下の方法で作製することができた。作製した半導体発光素子の構造を図１６に示す。以下、図１６を参照して説明する。

基板としてのサファイア基板３８上に４００〜７００℃の温度でキャリアガスである水素ガス（Ｈ_２）と共に有機金属化合物ガスであるトリメチルガリウム（ＴＭＧ）と反応ガスであるアンモニア（ＮＨ_３）を原料ガスとして供給し、有機金属化合物気相成長法により、ＧａＮからなる層を０．０１〜０．２μｍ程度形成する。ＧａＮ層は半導体発光素子の半導体層の一部としてのＧａＮ低温バッファ層３７となる。サファイア基板３８の形成の際に、必要によりＳｉＨ_４を供給して、ドーパントとしてのＳｉを添加してもよい。半導体発光素子のサファイア基板の低温バッファ層３７が形成される面と反対側の面に金属反射層４２を形成する場合は、ＧａＮ低温バッファ層３７を形成する前に、予め、金属で蒸着等により金属反射層４２を形成しておく。

次に、９００〜１２００℃の温度で前述の原料ガスに加えてドーパントとしてのＳｉＨ_４を供給し、ｎ−ＧａＮ：Ｓｉからなる層を２〜５μｍ程度形成する。ｎ−ＧａＮ：Ｓｉ層は半導体発光素子の半導体層の一部としてのｎ−ＧａＮ：Ｓｉ高温バッファ層３６となる。

次に、前述の原料ガスに加えてトリメチルインディウムを導入し、バンドギャップエネルギが半導体層のバンドギャップエネルギよりも小さくなる材料、例えば、Ｉｎ_１−ｙＧａ_ｙＮ（０＜ｙ≦１）からなる層を０．００２〜０．１μｍ程度形成する。Ｉｎ_１−ｙＧａ_ｙＮ活性層は半導体発光素子の活性層としてのＩｎ_１−ｙＧａ_ｙＮ活性層３５となる。

次に、前述の原料ガスに加えてｐ型のドーパントとしてシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ_２Ｍｇ）を供給し、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）：Ｍｇからなる層を０．０１μｍ程度形成する。Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）：Ｍｇ層は半導体発光素子の半導体層の一部としてのＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ：Ｍｇ半導体層３４となる。

次に、前述の原料ガスに加えてｐ型のドーパントとしてシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ_２Ｍｇ）を供給し、ｐ−ＧａＮ：Ｍｇからなる層を０．３〜１μｍ程度形成する。ｐ−ＧａＮ：Ｍｇ層は半導体発光素子の半導体層の一部としてのｐ−ＧａＮ：Ｍｇコンタクト層３３となる。

さらに、４００〜８００℃でアニールを行い、ｐ−ＧａＮ：Ｍｇ半導体層３４とｐ−ＧａＮコンタクト層３３のドーパントの活性化を図る。ＩＩＩ族窒化物系化合物からなる窒化物系半導体素子のｐ型層はドーパントしてのＭｇなどがドーピングされているが、Ｍｇなどはドーピングの際、キャリアガスであるＨ_２や反応ガスであるＮＨ_３のＨと化合し、ドーパントとしての働きをせず高抵抗になる。そこで、ＭｇとＨを切り離し、Ｈを放出して低抵抗化するために、アニールをおこなう。

次に、ｐ型電極としてＮｉ／Ａｕを蒸着により形成する。蒸着されたＮｉ／ＡｕはＮｉ／Ａｕ ｐ型電極３２となる。

次に、ｎ型電極を形成するため、レジストを塗布してパターニングを行い、成長した各半導体層、活性層、ｐ型電極の一部をドライエッチングにより除去して、ｎ−ＧａＮ：Ｓｉ高温バッファ層３６を露出させる。さらに、レジストを塗布してパターニングを行い、Ｎｉ／Ａｕを蒸着により形成する。リフトオフを行って、Ａｌ／Ａｕ ｎ型電極４０となる。ここでは、ドライエッチングにより半導体層等の一部を除去したが、半導体層を形成する材料によっては、ウェットエッチング等、他の手法を使用してもよい。

基板上に複数のメサ部や凹部を形成する場合は、各メサ部や凹部に対応してパターニングを行う。複数のメサ部の半導体層上面に電流を拡散させるための電流拡散層を設けるためには、各メサ部を結ぶようにブリッジ部をパターニングする。このとき、Ｎｉ／Ａｕ ｐ型電極３２がｐ側の電流拡散層に、ｎ−ＧａＮ：Ｓｉ高温バッファ層３６がｎ側の電流拡散層となる。半導体層の上面に形状４５度よりも小さい角度の頂点を持たせる場合は、その形状に合わせてパターニングする。

次に、レジストを塗布してパターニングを行い、Ｔｉ／Ａｕを蒸着により形成する。リフトオフを行って、Ｔｉ／Ａｕボンディングパッド３１、３９とする。電流拡散層、ボンディングパッドの形成には、ドライエッチングだけでなく、ウェットエッチング等、他の手法を用いてもよい。

次に、電極金属とＩＩＩ族窒化物系化合物半導体との間をオーミック接触にするためと、Ｎｉ／Ａｕ ｐ型電極を半透明にするため、３００℃程度の熱処理を行う。ついで、ＳｉＯ_２膜をパッシベーション膜として形成する。Ｔｉ／Ａｕボンディングパッド３１、３９を露出するために、レジストでパターニングしてフッ酸等のエッチェントでＴｉ／Ａｕボンディングパッド３１、３９にあたる部分をウェットエッチングする。サファイア基板ごとダイシングにより、チップ化し、本願発明の半導体発光素子を得ることができた。

本発明の半導体発光素子は、ＬＥＤとして適用することができる。

従来のＩＩＩ族窒化物系化合物からなるＧａＮ系半導体発光素子の構成を説明する図である。 活性層を有する半導体発光素子の中を伝搬する光の例を説明する図である。 本願発明の半導体発光素子の外形モデルの例を説明する図である。 本願発明の半導体発光素子の半導体層の上面の面積に対する側面の面積の合計の割合と外部量子効率との関係を説明する図である。 本願発明の原理を説明する図である。 本願発明の半導体発光素子を説明する図である。 本願発明の半導体発光素子の構造の例を説明する図である。 本願発明の半導体発光素子の構造の例を説明する図である。 本願発明の半導体発光素子の構造の例を説明する図である。 本願発明の半導体発光素子の構造の例を説明する図である。 本願発明の半導体発光素子の構造の例を説明する図である。 本願発明の半導体発光素子の構造の例を説明する図である。 本願発明の半導体発光素子の半導体層の上面の頂点の角度に対する外部量子効率の関係を説明する図である。 本願発明の半導体発光素子の外形モデルの例を説明する図である。 本願発明の半導体発光素子の構造の例を説明する図である。 本願発明の実施例として作製した半導体発光素子の構造の例を説明する図である。

符号の説明

１１ 第２半導体層
１２ 活性層
１３ 第１半導体層
１４ 基板
１５ 第２半導体層の側の露出した上面
１６ 活性層の露出した側面
１７ 活性層の露出した側面
２０ メサ部
２１、２２ ボンディングパッド
２３ ブリッジ部
２４ 棚部
２５ 反射層
２６ 点光源
２７ 凹部
２８ 点光源
２９ 半径
５０ 活性層に含まれる点
５１ 側面までの距離
３１、３９ Ｔｉ／Ａｕボンディングパッド
３２ Ｎｉ／Ａｕ ｐ型電極
３３ ｐ−ＧａＮ：Ｍｇコンタクト層
３４ Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ：Ｍｇ半導体層
３５ Ｉｎ_１−ｙＧａ_ｙＮ活性層
３６ ｎ−ＧａＮ：Ｓｉ高温バッファ層
３７ ＧａＮ低音バッファ層
３８ サファイア基板
４０ Ａｌ／Ａｕ ｎ型電極
４２ 金属反射層
８１ ｐ側ボンディングパッド
８２ ｐ型電極
８３ ｐ−ＧａＮ半導体層
８５ ＩｎＧａＮ活性層
８６ ｎ−ＧａＮ半導体層
８７ サファイア基板
８８ ｎ型ボンディングパッド
８９ ｎ型電極
９１ 半導体層
９２ 活性層
９３ 半導体層
９４ 半導体発光素子の上面
９５ 半導体発光素子の底面
９６ 点光源

Claims (11)

1. 基板と、該基板上に、少なくとも、第１半導体層と、活性層と、第２半導体層と、を順に備える半導体発光素子であって、該第２半導体層は該第１半導体層と異なった極性を持ち、かつ該第２半導体層の側の露出した上面の面積に対して、該活性層の露出している側面の該第１半導体層、該活性層および該第２半導体層の面積の合計が５％以上である半導体発光素子。
2. 基板と、該基板上に、少なくとも、第１半導体層と、活性層と、第２半導体層と、を順に備える半導体発光素子であって、該第２半導体層は該第１半導体層と異なった極性を持ち、かつ該活性層に含まれるすべての点から該活性層の露出している側面までの最短距離が４０μｍ以下の半導体発光素子。
3. 基板と、該基板上に形成された少なくとも第１半導体層と活性層と第２半導体層とを順に含む２以上のメサ部と、を備える半導体発光素子であって、該第２半導体層は該第１半導体層と異なった極性を持ち、かつ少なくとも該第２半導体層および該活性層が該メサ部間で空間的に分離されている半導体発光素子。
4. 基板と、該基板上に形成された少なくとも第１半導体層と活性層と第２半導体層とを順に含む２以上のメサ部と、を備える半導体発光素子であって、該第２半導体層は該第１半導体層と異なった極性を持ち、かつ該メサ部を接続するブリッジ部を除いて少なくとも該第２半導体層および該活性層が該メサ部間で空間的に分離されている半導体発光素子。
5. 少なくとも、基板と、第１半導体層と、活性層と、第２半導体層と、を順に備える半導体発光素子であって、該第２半導体層は、該第１半導体層と異なった極性を持ち、かつ該第２半導体層の側の露出した上面が該第２半導体層の側の露出した上面から少なくとも該活性層にまで達する凹部を有する半導体発光素子。
6. 前記第２半導体層の側の露出した上面の面積に対して、前記活性層の露出している側面の前記第１半導体層、前記活性層および前記第２半導体層の面積の合計が５％以上であることを特徴とする請求項２から請求項５に記載の半導体発光素子。
7. 少なくとも前記活性層に含まれるすべての点から前記活性層の露出した側面までの最短距離が４０μｍ以下の請求項３から請求項５に記載の半導体発光素子。
8. 前記第２半導体層の側の露出した上面の形状が４５度よりも小さい角度の頂点を有することを特徴とする請求項１から請求項７に記載の半導体発光素子。
9. 前記活性層の露出している側面と前記第２半導体層の側の露出した上面とのなす一方の内角が１３８度以上であることを特徴とする請求項１から請求項８に記載の半導体発光素子。
10. 前記基板の前記第１半導体層が形成された面に対して反対の側の面に反射層を有することを特徴とする請求項１から請求項９に記載の半導体発光素子。
11. 前記半導体発光素子がＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ+ｙ≦１）で表されるＩＩＩ族窒化物系化合物半導体発光素子であることを特徴とする請求項１から請求項１０に記載の半導体発光素子。
    
    

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