JP2007073734A - 発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 ドライエッチングによる凹凸構造形成や基板除去等の複雑な工程を行うことなく、発光層で発光した光の取り出し効率を向上させ、窒化ガリウム系化合物半導体による発光素子の外部量子効率を向上させること。
【解決手段】 基板１０の上面に、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層１２、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層１４及び窒化ガリウム系化合物半導体からなる発光層１３を含んで成る半導体層が形成された発光素子において、基板１０は、上下面を貫通して半導体層に達する貫通孔１７が形成されている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、窒化ガリウム系化合物半導体（Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ；０≦ｘ，ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）が複数積層されてなる発光素子に関する。

窒化ガリウム系化合物半導体（Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ；０≦ｘ，ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）は、ＡｌＮ，ＩｎＮ等の混晶であるＡｌＧａＮ，ＩｎＧａＮ，ＩｎＧａＡｌＮ等からなるとともに、その組成を選択することにより、可視領域から紫外領域までの発光が可能であり、半導体発光ダイオード（ＬＥＤ）や半導体レーザなどの発光素子材料として、検討され、また一部実用化が成されている。また、電界効果型トランジスタ等の半導体材料としても検討されており、高出力高周波素子として期待されており、開発が進められている。

図１に従来の発光素子の断面図を示す。発光素子は、例えば基板としてサファイア等の基板１０を用い、その基板１０上にバッファ層１１を介して、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層（以下ｎ型層ともいう）１２、発光層（活性層）１３、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層（以下ｐ型層ともいう）１４を形成し、ｎ型電極１５を形成するためにｐ型層１４の一部をエッチング除去し、ｎ型層１２を一部露出させている。ｐ型電極１６は、発光層１３で発光した光をｐ型層１４の側に取り出すためにｐ型層１４の一面に透明電極１６を形成し、その透明電極１６上の一部にワイヤボンディングのためのパッド電極が形成されている構成のものが一般的である。

このような構成のＬＥＤにおいては、サファイア等の基板１０と窒化ガリウム系化合物半導体層や空気との屈折率の違いにより、発光層１３で発光した光が基板１０との界面で反射され、バッファ層１１，ｎ型層１２，発光層１３及びｐ型層１４からなる半導体層の内部へ戻った光は、多重反射するうちに半導体層での吸収により外部へ効率よく取り出すことができない。つまり、外部量子効率を高くすることができないという問題がある。

そのため、例えば特許文献１，２においては、光取り出し面となる半導体層の表面を凹凸状に加工することにより、外部への光の取り出しを向上することが開示されている。

また、基板側から光を取り出す際に、基板自体の吸収、基板と半導体層との界面での反射による影響をなくし、光の取り出し効率を上げるために、基板自体を除去する方法が例えば特許文献３や非特許文献４に開示されている。
特開２０００−１９６１５２号公報 特開２００３−２１８３８３号公報 特表２００４−５０８７２０号公報 Jpn. J.Appl.Phys.Vol.41(2002)pp.L1434-1436

しかしながら、特許文献１，２のように光取り出し面となる半導体層表面に凹凸をつける方法では、凹凸形状をナノオーダーレベルにしなければ屈折率を緩衝するような効果は得られず、その形状の制御が困難であり、また、例えば反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Reactive Ion Etching）等のドライエッチングにより凹凸形状を形成すると、その際に半導体層にダメージが発生する等のおそれがある。

また、基板を除去するためには、発光素子を一旦キャリアといわれる支持材に貼り付け、例えばレーザ等により、半導体層の成長に用いたサファイア等の基板と半導体層との界面を溶融し、基板を剥離するといったレーザリフトオフ法が用いられているが、支持材への貼り付け、基板剥離といった複雑な工程が必要であり、製造上の歩留まりが悪くなる。また、レーザリフトオフ法においても、レーザ照射による半導体層へのダメージ発生のおそれがある。

さらに、基板と窒化ガリウム系化合物半導体層との格子定数差や熱膨張差に起因して、その積層時に半導体層に導入された歪が基板を剥離した際に開放されることにより、半導体層に割れ、クラック等が生じるといった問題がある。

本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、半導体層へのドライエッチングによる凹凸構造形成工程、基板除去工程等の複雑な工程を行うことなく、発光層で発光した光の取り出し効率を向上させること、即ち窒化ガリウム系化合物半導体による発光素子の外部量子効率を向上させることを目的とする。

本発明の発光素子は、基板の上面に、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層及び窒化ガリウム系化合物半導体からなる発光層を含んで成る半導体層が形成された発光素子において、前記基板は、上下面を貫通して前記半導体層に達する貫通孔が形成されていることを特徴とする。

本発明の発光素子は好ましくは、前記半導体層は、前記基板の上面に接する面のうち前記貫通孔に対向する部位のみが粗面化されていることを特徴とする。

また、本発明の発光素子は好ましくは、前記貫通孔は、空気の屈折率と前記窒化ガリウム系化合物半導体の屈折率との間の屈折率を有する透光性部材が充填されていることを特徴とする。

また、本発明の発光素子は好ましくは、前記貫通孔は、側面または前記基板の上面側端部に前記発光層で発した光を反射する反射性部材が設けられていることを特徴とする。

また、本発明の発光素子は好ましくは、前記反射性部材は、アルミニウム，銀，ロジウム及びパラジウムの少なくとも１種からなることを特徴とする。

また、本発明の発光素子は好ましくは、前記基板は、化学式ＸＢ_２（ただし、ＸはＴｉ及びＺｒのうち少なくとも１種を含む。）で表される二硼化物単結晶から成ることを特徴とする。

本発明の発光素子は、基板の上面に、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層及び窒化ガリウム系化合物半導体からなる発光層を含んで成る半導体層が形成された発光素子において、基板は、上下面を貫通して半導体層に達する貫通孔が形成されていることから、一般に発光層で発光した光は基板と半導体層との界面で反射される成分が多いが、本発明のように基板に貫通孔が形成されていると、光はその貫通孔を通り外部に放出されることになる。また、光は基板中を伝播しないので、基板での光の吸収を極力抑えることができ、半導体層内部で発光した光を効率よく外部に取り出すことができる。また本発明の発光素子は、特にフリップチップ構造等の基板側から光を取り出す場合に好適である。

本発明の発光素子は好ましくは、半導体層は、基板の上面に接する面のうち貫通孔に対向する部位のみが粗面化されていることから、粗面化されている部位において、半導体層と貫通孔内側の空間との界面での屈折率の段差状の変化を緩和することができ、その結果、半導体層内部から貫通孔内側の空間へ効率よく光を取り出すことができる。また、半導体層は、基板の上面に接する面のうち貫通孔に対向する部位以外の部位は粗面化されていないため、基板と半導体層との密着性、接合性が向上する。さらに、貫通孔に対向する部位しか粗面化を行わないので粗面化によるダメージも抑制することができる。

また、本発明の発光素子は好ましくは、貫通孔は、空気の屈折率と窒化ガリウム系化合物半導体の屈折率との間の屈折率を有する透光性部材が充填されていることから、半導体層から貫通孔の内側空間に光が放出される際の臨界角が大きくなり、さらに光の取り出しを効率的に行うことができる。さらに、貫通孔に透光性部材が充填されていることで、貫通孔形成による基板の強度低下を抑制することができ、基板の厚みを薄くすることが可能となる。

また、本発明の発光素子は好ましくは、貫通孔は、側面または基板の上面側端部に発光層で発した光を反射する反射性部材が設けられていることから、発光層で発した光を半導体層の基板と反対側の面に取り出す際に、貫通孔の基板の上面側端部に反射性部材があると、貫通孔の部分で光を反射することができ、光の取り出し効率を高めることができる。また、貫通孔の側面に反射性部材が設けられていると、半導体層から基板側に光を取り出す際に、貫通孔の側面で光を効率よく反射して基板側への光の取り出し効率を高めることができる。

一般に、半導体層の基板と反対側に光を取り出すには、例えば基板と半導体層の間に金属層等の反射層を挿入したり、透光性の基板の裏面に金属層を形成する方法や、半導体層中にＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）と言われる屈折率の異なる２つの層を交互に積層する方法等の半導体層の成長工程で工夫する方法等が行われるが、反射層を挿入すると基板側から半導体層を成長する際にエピタキシャル成長が困難になり、半導体層の結晶性低下につながり、結局外部量子効率の低下を招く。また、基板の裏面に反射性の金属層を形成しても、基板での光吸収や、基板と半導体層との界面での光反射をなくすことはできない。さらに、ＤＢＲを形成する方法では、半導体層の各層の膜厚制御性により所望の反射率が得られない等の問題がある。

これに対して、本発明のように、基板に貫通孔を設け、貫通孔の側面または基板の上面側端部に発光層で発した光を反射する反射性部材が設けられていることから、発光層で発した光は基板と半導体層との界面の反射性部材で反射されることになる。基板上に半導体層をエピタキシャル成長した後に、基板と半導体層との界面に反射性部材を挿入することになるので、半導体層の結晶性の低下を招くことなく反射性部材を設けることができる。また、基板と半導体層との界面で光を反射させることができるので、基板での光吸収の影響を受けることがなく、高い光の取り出し効率を得ることができる。さらに、ＤＢＲの形成のように半導体層の結晶成長時に、細かな膜厚制御等の必要がなく、半導体層の基板と反対側の面への光の取出しが可能な発光素子を容易に得ることができる。

また、本発明の発光素子は好ましくは、反射性部材は、アルミニウム，銀，ロジウム及びパラジウムの少なくとも１種からなることから、これらの材料は紫外光領域から可視光領域にわたって高い反射率を有しているため、このような光波長領域での外部量子効率を高めることが可能となる。さらに、反射性部材は導電性を有するため、反射部材としてだけでなく電極としても利用することができ、貫通孔を通して半導体層に電流を流すことが可能になるため、絶縁性の基板であっても両面電極を有する発光素子を作製可能となる。

また、本発明の発光素子は好ましくは、基板は化学式ＸＢ_２（ただし、ＸはＴｉ及びＺｒのうち少なくとも１種を含む。）で表される二硼化物単結晶から成ることから、基板は窒化ガリウム系化合物半導体と格子定数が近くなり、また、基板の熱膨張係数も窒化ガリウム系化合物半導体の熱膨張係数と近くなる。このため、この基板上に半導体層の結晶成長をすることで、結晶性の良い、転位密度の低い窒化ガリウム系化合物半導体からなる発光素子を得ることができ、その結果、内部量子効率の高い発光素子を得ることが可能となる。

さらに、化学式ＸＢ_２（ただし、ＸはＴｉ及びＺｒのうち少なくとも１種を含む。）で表される二硼化物単結晶から成る基板は、フッ酸と硝酸の混合液であるふっ硝酸で容易にウェットエッチングすることが可能であり、貫通孔を容易に形成できる。また、複数個の貫通孔を形成する場合においても、パターニング後にウェットエッチングするというプロセスで容易に短時間での形成が可能である。

また、フッ硝酸で基板に貫通孔を形成すると同時に、半導体層もエッチング可能となり、同時に粗面化を行うことが可能となる。通常の窒化ガリウム系化合物では基板を除去した面はＮ極性の（０００−１）面となるため、貫通孔を開けることでウェットでのエッチングが可能となりその面を粗面化することができる。したがって、ドライエッチングでの粗面化よりダメージを極力抑制することができる。

さらに、化学式ＸＢ_２（ただし、ＸはＴｉ及びＺｒのうち少なくとも１種を含む。）で表される二硼化物単結晶から成る基板は、紫外光領域から可視光領域の光に対して吸収が大きいため、基板側からの光の取り出しは困難であったが、本発明のように基板に貫通孔を形成することで、光吸収の影響を小さくでき、基板を除去することなく光の取出しが可能となる。

以下、本発明の実施の形態を、添付図面を参照しながら詳細に説明する。

図２は、本発明の第１の実施の形態に係る発光素子の構成を表し、基板１０上にバッファ層１１を介して窒化ガリウム系化合物半導体１００をＭＯＣＶＤ法により形成した構成である。図２で示す発光素子は、基板上１０にバッファ層１１を介して第一導電型（例えばｎ型）窒化ガリウム系化合物半導体層（以下ｎ型層ともいう）１２を形成し、その上に引き続き発光層１３を形成し、最後に第二導電型（例えばｐ型）窒化ガリウム系化合物半導体層（以下ｐ型層ともいう）１４が積層されている。

さらに、ｎ型層１２に一部を露出させるため、ｐ型層１４及び発光層１３の一部が除去され、露出したｎ型層１２の表面上にｎ型とオーミック接触するｎ型の電極１５、及びｐ型層１４の表面にｐ型層１４とオーミック接触するｐ型の電極１６が形成されている。

なお、本実施の形態においては、第一導電型をｎ型、第二導電型をｐ型としているが、第一導電型をｐ型、第二導電型をｎ型としても構わない。

本発明では好ましくは、基板１０は化学式ＸＢ_２（ただし、ＸはＴｉ及びＺｒのうち少なくとも１種を含む。）で表される二硼化物単結晶を用いる。より好適には、二硼化ジルコニウム（ＺｒＢ_２）を挙げることができるが、ＺｒＢ_２の結晶性また格子定数が大きく変化しない程度に他の不純物を含んでいても構わない。

また、基板１０の材料としては、サファイア（Ａｌ_２Ｏ_３），シリコンカーバイド（ＳｉＣ），窒化ガリウム（ＧａＮ），シリコン（Ｓｉ），酸化亜鉛（ＺｎＯ）等を挙げることができるが、窒化ガリウム系化合物半導体層を成長し得る材料であれば特に限定されるものではない。しかし、発光層１３で発した光を吸収する材料からなる基板１０であるほど、本発明の貫通孔を形成した効果が顕著になる。

また、バッファ層１１は、窒化ガリウム系化合物半導体１００と基板１０の格子定数や熱膨張係数が近い場合は必ずしも形成する必要はないが、窒化ガリウム（ＧａＮ），窒化アルミニウム（ＡｌＮ），これらの混晶である窒化ガリウムアルミニウム（ＡｌＧａＮ）を用いることができる。

バッファ層１１形成後に温度を上げ、ｎ型層１２を引き続き形成する。図２では、ｎ型層１２としてＧａＮ層を成長したが、ＡｌＧａＮ，ＩｎＧａＮ等の、ＡｌＮ，窒化インジウム（ＩｎＮ）の混晶組成でもよい。また、成長方法は、ＭＯＣＶＤ法の他にも分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法やハイドライド気相成長（ＨＶＰＥ）法、パルスレーザデポジション（ＰＬＤ）法等が挙げられる。

バッファ層１１及び窒化ガリウム系化合物半導体１００の形成温度は、それぞれ４００℃〜８００℃、８００℃〜１１００℃である。

また、ｎ型層１２は、Ｓｉ等が不純物元素として添加されているが、さらにその上にＡｌＧａＮ層やＩｎＧａＮ層が形成されていてもよく、一層でなくても構わないが、ｎ型ＧａＮ層が一部露出しており、その表面上にｎ型の電極１５が形成されていることが必要である。

また発光層１３は、禁制帯幅の広い障壁層と禁制帯幅の狭い井戸層とから成る量子井戸構造が複数回繰り返し規則的に積層された多層量子井戸構造（ＭＱＷ）としている（図示せず）。その構成は、ＩｎＮ，ＧａＮ，ＡｌＮ，またはそれらの混晶からなるとともに、発光波長により適宜組み合わせて形成される。例えば、井戸層としてＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ、障壁層としてＩｎ_ｙＧａ_１−ｙＮ（ただしｘ＞ｙ≧０）等を用いた組み合わせが可能である。

発光層（活性層）１３の形成温度は、インジウム（Ｉｎ）の組成にもよるがキャップ層１３と同様に７００℃〜９００℃である。基板１０からのホウ素（Ｂ）の拡散をなくすためには、７００℃〜８００℃と低い方が好ましい。

また、障壁層の厚みは５〜１５ｎｍ、井戸層の厚みは３〜１０ｎｍであり、さらに量子井戸構造の繰返し数は３〜５層が用いられるが、限定されるものではない。

さらに、発光層１３上に形成されるｐ型層１４は、ＡｌＧａＮ層，ＧａＮ層等の複数の層からなっている（図示せず）。ｐ型層１４に含まれるｐ型不純物元素として、マグネシウム（Ｍｇ），亜鉛（Ｚｎ）等が添加されている。

また、露出したｎ型層１２の一部上に形成されたｎ型の電極１５は、ｎ型層１２に良好なオーミック接触をとることができる材質から成る層状のものとしている。そのような材質としては、例えば薄く成膜したアルミニウム（Ａｌ），チタン（Ｔｉ），ニッケル（Ｎｉ），クロム（Ｃｒ），インジウム（Ｉｎ），錫（Ｓｎ），モリブデン（Ｍｏ），銀（Ａｇ），金（Ａｕ），ニオブ（Ｎｂ），タンタル（Ｔａ），バナジウム（Ｖ），白金（Ｐｔ）等の薄膜、または酸化錫（ＳｎＯ_２），酸化インジウム（Ｉｎ_２Ｏ_３），酸化インジウム錫（ＩＴＯ），酸化亜鉛（ＺｎＯ）等の薄膜を挙げることができる。また、上記薄膜を複数積層したり、化合物としたものでも構わない。好適には、Ｔｉ層，Ａｌ層，Ｎｉ層，Ａｕ層を順次積層したものが用いられる。

また、ｐ型層１４上に形成されたｐ型の電極１６は、ｐ型層１４に良好なオーミック接触をとることができる材質からなるものとしている。そのような材質としては、例えば薄く成膜したアルミニウム（Ａｌ），チタン（Ｔｉ），ニッケル（Ｎｉ），クロム（Ｃｒ），インジウム（Ｉｎ），錫（Ｓｎ），モリブデン（Ｍｏ），銀（Ａｇ），金（Ａｕ），ニオブ（Ｎｂ），タンタル（Ｔａ），バナジウム（Ｖ），白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ），パラジウム（Ｐｄ）等の薄膜、または酸化錫（ＳｎＯ_２），酸化インジウム（Ｉｎ_２Ｏ_３），酸化インジウム錫（ＩＴＯ），酸化亜鉛（ＺｎＯ）等の薄膜を挙げることができる。また、上記薄膜を複数積層したり、化合物としたものでも構わない。

さらに、ｐ型の電極１６の材料は、発光素子の発光層１３で生じた光の取り出し方向によって反射性の材質、透過性の材質を適宜選択することが可能である。例えば、光をｐ型層１４の側に取り出す場合、電極１６としてＮｉ薄膜，Ａｕ薄膜を順次積層してなる透明電極を用い、光を基板側に取り出す場合、電極１６として反射性の材質、例えば銀（Ａｇ），アルミニウム（Ａｌ），ロジウム（Ｒｈ），パラジウム（Ｐｄ）からなる薄膜を好適に用いることができる。

第１の実施の形態において、基板１０に開けられた貫通孔１７は、バッファ層１１に達するように複数形成されている。図３（ａ），（ｂ）に示すように、貫通孔１７は、その縦断面形状において、貫通孔１７の径が基板１０の上下面間にわたって一定であってもよく、また径が変化していてもよい。例えば、基板１０下面から基板１０と半導体層との界面に向かって径が漸次減少する構成、逆に径が増加している構成でもよい。また、貫通孔１７は、バッファ層１１も貫通して、ｎ型層１２まで達していても構わない。なお、貫通孔１７の個数は１個以上である。

また、貫通孔１７が複数形成されていることで、上記効果がより顕著になり、光を効率よく取り出すことができる。また、基板１０すべてを半導体層から除去する場合と異なり、特に支持材料を必要としないものとなり、また、基板１０は貫通孔１７を有しているが、貫通孔１７以外は部分的に残っているので、半導体層を支持できる。従って、複雑な工程を必要としない。

また、それぞれの貫通孔１７の径については、発光層１３から基板１０とバッファ層１１との界面までの距離と、半導体層の屈折率（ｎ_１）及び貫通孔１７内の物質の屈折率（ｎ_２）とにより決まる臨界角θ_ｒ＝ａｒｃｓｉｎ（ｎ_１／ｎ_２）により、効率的な最小の径を決めることができる。つまり、貫通孔１７の直径をＤ_ｈ（μｍ）、発光層１３から基板１０とバッファ層１１との界面までの距離をＤ_ｓとすると、効率的に光を取り出すことができる最小の貫通孔１７の径を、Ｄ_ｈ＝２・Ｄ_ｓ・ｔａｎθ_ｒで決定することができる。

窒化ガリウム系化合物半導体の屈折率が２．５、空気が１なので、本実施の形態では臨界角θｒは約２３°となる。従って、発光層１３から基板１０とバッファ層との界面１１までの距離が２μｍのとき、貫通孔１７の最小の径は約１．７μｍと決めることができる。貫通孔１７の径がこの最小の径以上であれば、貫通孔１７を通して効果的に光を取り出すことができる。

また、以上のような１個以上の貫通孔１７の基板１０の上下面の面積に占める割合、つまり開口率は５０％以上あることが好ましく、また９５％以下であることが好ましい。開口率が５０％より小さいと、光の取り出し効率の向上があまり顕著でなく、基板１０の吸収の影響が大きい。また、開口率が９５％より大きくなると、半導体層を支持するのが困難になり、基板１０にクラック、割れ等が生じる。開口率は極力大きい方が好ましいが、基板１０材料によってその支持性等を考慮し、適宜選択するのがよい。

さらに、貫通孔１７の基板１０の上下面における開口の大きさは、全て一定の大きさである必要はなく、異なる大きさの開口の組み合わせにより構成されていてもよい。

また、複数個の貫通孔１７を形成する場合、その配列は一定の規則に沿って配列していてもよいし、またランダムに配列してもよい。

以上のような貫通孔１７の各種開口形状についての実施の形態の一例を、図４（ａ）〜（ｆ）の平面図（基板１０の上下面における平面図）に示す。貫通孔１７の形状は上記の貫通孔１７の径と開口率を満たしておけばよく、同様の効果を得ることができる。ここで貫通孔１７の径は開口部の最短の距離を示し、例えば図４（ｄ），（ｅ）のような円形であればその直径を表し、図４（ａ）〜（ｃ）のような方形においては最短の辺の長さを、また図４（ｆ）のような多角形においては対向する辺間の距離を示す。

このような貫通孔１７は、例えば基板１０がＺｒＢ_２からなる場合、フッ硝酸によるウェットエッチングで形成可能である。ウェットエッチングを行う前に基板１０を機械的研磨により薄層化しておくことで、エッチング時間の短縮が図れる。

本発明の発光素子において好ましくは、半導体層は、基板１０上面に接する面のうち貫通孔１７に対向する部位のみが粗面化されているが、この場合、基板１０に半導体層を形成した状態で基板１０にフッ硝酸によるウェットエッチングを施すことにより、貫通孔１７を形成するとともに、半導体層の基板１０上面に接する面のうち貫通孔１７に対向する部位のみを粗面化することができる。これにより、粗面化されている部位において、半導体層と貫通孔１７内側の空間との界面での屈折率の段差状の変化を緩和することができ、その結果、半導体層内部から貫通孔１７内側の空間へ効率よく光を取り出すことができる。また、半導体層は、基板１０上面に接する面のうち貫通孔１７に対向する部位以外の部位は粗面化されていないため、基板１０と半導体層との密着性、接合性が向上する。さらに、貫通孔１７に対向する部位しか粗面化を行わないので粗面化によるダメージも抑制することができる。

上記の効果を有する、半導体層における基板１０上面に接する面のうち貫通孔１７に対向する粗面化されている部位の算術平均粗さは、１００ｎｍ〜１μｍ程度がよく、粗面化されている部位の凹凸の高さと粗さ（凹凸の周期）のアスペクト比（高さ／粗さ）は、１〜５がよい。

さらに、本発明における第２の実施の形態の構成を図５に示す。本実施の形態では、第１の実施の形態と同じように、基板１０上にバッファ層１１を介して窒化ガリウム系化合物半導体１００をＭＯＣＶＤ法により形成している。そして、本実施の形態では、基板１０に開けられた貫通孔１７に、空気と窒化ガリウム系化合物半導体との間の屈折率を有する透光性部材１８が充填されている。このような透光性部材１８としては樹脂材料が好適であり、特にシリコーン系樹脂が耐久性、光透過性の点で好ましい。窒化ガリウム系化合物半導体の屈折率は約２．５、空気の屈折率は１、このような樹脂材料の屈折率は約１．５であり、半導体層から貫通孔１７を通して光を取り出す場合に臨界角を大きくすることができ、光が反射する割合を減少させ、半導体層から貫通孔１７に侵入する光をより多く外部に取り出すことが可能になる。

貫通孔１７に樹脂材料を充填した場合の臨界角θ_ｒは、上述の式より約３６°となる。従って、効率的に光を取り出すことができる最小の貫通孔１７の径は、Ｄ_ｈ＝２・Ｄ_ｓ・ｔａｎθ_ｒより、発光層１３から基板１０とバッファ層１１との界面までの距離が２μｍのとき、貫通孔１７の最小の径は約２．９μｍと決めることができる。貫通孔１７の径がこの最小の径以上であれば、貫通孔１７を通して効果的に光を外部に取り出すことができる。

このような樹脂材料からなる透光性部材１８は、必ずしも貫通孔１７に完全に充填されている必要はなく、貫通孔１７の内表面を覆うように形成されていても同じような効果を得ることができる。また、透光性部材１８の他の材料として、ＳｉＯ_２を用いることができる。

さらに、本発明における第３の実施の形態の構成を図６に示す。本第３の実施の形態では、第１の実施の形態と同じように、基板１０上にバッファ層１１を介して窒化ガリウム系化合物半導体１００をＭＯＣＶＤ法により形成している。

第３の実施の形態においては、好ましくは、貫通孔１７は、側面または基板１０の上面側端部に発光層１３で発した光を反射する反射性部材１９が設けられている。発光層１３で発した光を半導体層の基板１０と反対側の面に取り出す際に、貫通孔１７の基板１０上面側端部に反射性部材１９があると、貫通孔１７の部分で光を反射することができ、光の取り出し効率を高めることができる。また、貫通孔１７の側面に反射性部材１９が設けられていると、半導体層から基板１０側に光を取り出す際に、貫通孔１７の側面で光を効率よく反射して基板１０側への光の取り出し効率を高めることができる。

また、図６のように、貫通孔１７の基板１０の上面側端部及び側面に反射性部材１９を設けてもよい。この場合、光を半導体層の基板１０と反対側の面に効率的に取り出すことができるとともに、基板１０の下面を電極として用いた場合、半導体層に低抵抗かつ効率的に電流を供給して高い発光効率を得ることができる。

このような反射性部材１９の材料としては、アルミニウム（Ａｌ），銀（Ａｇ），ロジウム（Ｒｈ）及びパラジウム（Ｐｄ）の少なくとも１種からなることが好ましい。これらの材料は、紫外光領域から可視光領域にわたって高い反射率を有しているため、発光層１３から基板１０側に発した光を反射性部材１９により効率的に反射できるので、外部量子効率を高めることが可能となる。また、反射性部材１９は複数の積層体から構成されていても構わない。例えば、一層目に透光性材料層もしくはごく薄い金属薄層を積層した後に、上記の反射性の材料の層を積層する構成としてもよい。

反射性部材１９は、基板１０に貫通孔１７をウェットエッチング等の方法で開けた後に、抵抗加熱による蒸着法や、電子ビームによる蒸着法、スパッタリング法、電界めっき法、無電解めっき法等の方法により、積層または蒸着して形成することができる。

反射性部材１９の厚みについては、極端に薄いと光が透過するようになるため１０ｎｍ以上であることが好ましい。

図６の構成では、基板１０に導電性の基板を用いた場合、基板１０をｎ型の電極１５とすることもでき、その場合ｎ型層１２の一部を露出させる必要はない。

また、サファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）のような絶縁性材料からなる基板１０においても、同様にして貫通孔１７に形成した金属等の反射性部材１９を通して電流を流すことができるので、基板１０にｎ型の電極１５を形成する構成とすることができる。

以上のような構成とすることで、窒化ガリウム系化合物半導体（Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ；０≦ｘ，ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）を用いたＬＥＤ等の発光素子において、基板１０除去等の複雑な工程を行うことなく、半導体層へのダメージを発生させることなく、発光素子の発光効率、特に活性層１３で発した光を半導体層の外部に取り出す光取り出し効率を向上させることができる。

なお、本発明は上記の実施の形態及び実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更を施すことができる。

従来の窒化ガリウム系化合物半導体を用いた発光素子の断面図である。 本発明の第１の実施の形態における発光素子の断面図である。 （ａ），（ｂ）は、それぞれ本発明の第１の実施の形態における貫通孔を示す断面図である。 （ａ）〜（ｆ）は、それぞれ本発明の第１の実施の形態における貫通孔の平面図である。 本発明の第２の実施の形態における発光素子の断面図である。 本発明の第３の実施の形態における発光素子の断面図である。

符号の説明

１０：基板
１１：バッファ層
１２：ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層
１３：発光層
１４：ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層
１５，１６：電極
１７：貫通孔
１８：透光性部材
１９：反射性部材

Claims (6)

1. 基板の上面に、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層及び窒化ガリウム系化合物半導体からなる発光層を含んで成る半導体層が形成された発光素子において、前記基板は、上下面を貫通して前記半導体層に達する貫通孔が形成されていることを特徴とする発光素子。
2. 前記半導体層は、前記基板の上面に接する面のうち前記貫通孔に対向する部位のみが粗面化されていることを特徴とする請求項１記載の発光素子。
3. 前記貫通孔は、空気の屈折率と前記窒化ガリウム系化合物半導体の屈折率との間の屈折率を有する透光性部材が充填されていることを特徴とする請求項１または２記載の発光素子。
4. 前記貫通孔は、側面または前記基板の上面側端部に前記発光層で発した光を反射する反射性部材が設けられていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか記載の発光素子。
5. 前記反射性部材は、アルミニウム，銀，ロジウム及びパラジウムの少なくとも１種からなることを特徴とする請求項４記載の発光素子。
6. 前記基板は、化学式ＸＢ_２（ただし、ＸはＴｉ及びＺｒのうち少なくとも１種を含む。）で表される二硼化物単結晶から成ることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか記載の発光素子。
   
   

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