JP2007123584A - 半導体素子 - Google Patents

Abstract

【課題】光取り出し効率を向上させることができる、従来とは異なる半導体素子を提供する
【解決手段】半導体素子１である。基板２の上に半導体層３を備えており、この半導体層３は、基板２側から上面に向けて、ｎ型窒化物半導体層３−１、発光部である活性層３−２、ｐ型窒化物半導体層３−３を有している。発光部である活性層３−２の外側には半導体層７が設けられており、この半導体層７は、１つ以上の窪み８を備えている。この窪み８は、半導体層７の上面に開口があり、少なくとも基板２の表面に略達する深さを有している。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体素子に関し、特に、発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザダイオード（ＬＤ）などの発光素子に関する。

従来、光取り出し効率の向上を目的として、次のような窒化ガリウム系化合物半導体発光素子が提案された（特許文献１）。
すなわち、窒化ガリウム系化合物半導体からなる第一導電型コンタクト層と発光層と第二導電型コンタクト層とが積層され、さらに前記第二導電型コンタクト層上に光透過性電極が形成される窒化ガリウム系化合物半導体発光素子であって、前記第二導電型コンタクト層に前記光透過性電極側から窪む凹部が複数個形成されることを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体発光素子である。
特許文献１には、この窒化ガリウム系化合物半導体発光素子によれば、発光層から発せられた光のうち横方向へ進む光が凹部から発光素子外部へ取り出されるため全体として光取り出し効率が向上する、と記載されている。

特開２００１−２４２２２号公報

しかしながら、上記従来の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子では、光取り出し効率を向上させようとして凹部の開口を大きくしたり多数の凹部を形成したりすると、それに伴い、光透過性電極の面積が小さくなり、また、発光層の一部が削り取られてしまう。このため、上記従来の窒化ガリウム系化合物半導体素子には、発光層における電流の広がりが悪くなってしまうという問題があった。
そこで、本発明は、光取り出し効率を向上させることができる、上記従来とは異なる半導体素子を提供することを目的とする。

本発明によれば、上記課題は、次の手段により、解決される。

第１の発明は、発光部を基板の上に備えた半導体素子において、前記発光部の外側にある半導体層に１つ以上の窪みを備え、前記窪みが少なくとも前記基板の表面に略達する深さを有する、ことを特徴とする半導体素子である。

第２の発明は、前記窪みの側面が、前記基板の表面に対して９０度未満の角度で傾いている、ことを特徴とする第１の発明に係る半導体素子である。

第３の発明は、前記発光部の外側にある半導体層の上面が発光部の上面よりも高い、ことを特徴とする第１の発明または第２の発明に係る半導体素子である。

第４の発明は、前記窪みは、前記発光部の外側にある半導体層を進行する光の直進を妨げるように複数配置されている、ことを特徴とする第１の発明〜第３の発明のいずれか１つに係る半導体素子である。

第５の発明は、前記窪みを複数備え、前記基板の上で、前記発光部の外側にある半導体層に水平に、前記発光部を横切る任意の直線を描いた場合に、この直線が前記窪みを横切る、ことを特徴とする第１の発明〜第３の発明のいずれか１つに係る半導体素子である。

第６の発明は、端面を覆う封止部材を備えたことを特徴とする第１の発明〜第５の発明のいずれか１つに係る半導体素子である。

第７の発明は、前記窪みの内部の上方に入り込んだ、前記窪みの開口面を覆う封止部材を備え、かつ、前記窪みの内部の上方に入り込んでいる封止部材の下方に気体が存する、ことを特徴とする第１の発明〜第６の発明のいずれか１つに係る半導体素子である。

第８の発明は、前記窪みの開口面において、この開口面における周縁の任意の２点を両端とする直線を描き、この直線の上に位置する任意の点を中心とした半径２．５μｍの円を描いた場合に、前記開口面における周縁の少なくとも一部が前記円の内側に入る、ことを特徴とする第７の発明に係る半導体素子である。

第９の発明は、前記発光部の外側にある半導体層の屈折率が、前記窪みの内部の上方に入り込んでいる封止部材の下方に存する気体の屈折率よりも大きく、前記窪みの内部の上方に入り込んでいる封止部材の下方に存する気体の屈折率が、前記封止部材の屈折率よりも小さい、ことを特徴とする第７の発明または第８の発明に係る半導体素子である。

第１０の発明は、前記発光部の外側にある半導体層の屈折率と、前記窪みの一部に入り込んでいる封止部材の下方に存する気体の屈折率と、前記窪みの一部に入り込んでいる封止部材の屈折率と、の比が、（２．２〜２．８）：１：（１．２〜１．７）である、ことを特徴とする第９の発明に係る半導体素子である。

第１１の発明は、前記窪みは、前記発光部の外側にある半導体層と前記基板とを貫通する貫通孔である、ことを特徴とする第１の発明〜第１０の発明のいずれか１つに係る半導体素子である。

本発明によれば、半導体素子の光取り出し効率を向上させることができる。

以下に、本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。
なお、本明細書は光の動きについて言及するが、すべての光の動きを細大漏らさずに説明すると、却って本発明の理解を妨げることとなり、本発明の説明として不適切となる。そこで、本明細書では、光の動きを抽象的に説明することとする。なお、ある半導体素子における光の動きが抽象的に本発明に基づいていれば、当該半導体素子は、本発明に基づく効果の改善が図られているため、量的な点にかかわりなく、本発明の技術的範囲に属する。

本発明の第１の実施の形態は、発光部を基板の上に備えた半導体素子において、前記発光部の外側にある半導体層に１つ以上の窪みを備え、前記窪みが少なくとも前記基板の表面に略達する深さを有する、ことを特徴とする半導体素子である。
この第１の実施の形態では、発光部の外側にある半導体層に１つ以上の窪みが設けられているため、発光部から半導体素子の端面に向かって進む光が、この窪みにおいて、その進行方向を基板の上下方向に変え、光取り出し効率が向上する。なお、光が窪みにおいて進行方向を変えるのは、窪みの内部の屈折率と窪みの外にある半導体層の屈折率とが異なるからである。
また、第１の実施の形態によれば、発光部から半導体素子の端面に向かって進む光が、窪みにおいて進行方向を基板の上下方向に変えるため、光が半導体素子の端面に達し難くなる（基板の上下方向の光密度が高くなり、基板の端面付近の光密度が低くなる。）。したがって、第１の実施の形態によれば、半導体素子の端面から放出された光が端面付近にある部材や部位などに当たってこれらの部材や部位などが変色や劣化などしてしまう、ということを抑制でき、半導体素子の寿命を向上させることができる。
また、第１の実施の形態によれば、窪みの深さが、少なくとも基板の表面に略達している。したがって、第１の実施の形態においては、窪みの下方に、半導体層が全くないか、ほとんどない。よって、第１の実施の形態においては、光が、発光部から窪みの下方を通過して半導体素子の端面に達することを抑制することができる。このため、第一の実施の形態によれば、深さが基板の表面に略達していない窪みを有する半導体素子よりも光取り出し効率を向上させることができるとともに、半導体素子の端面付近にある部材や部位などの変色や劣化などを抑制することができる。
また、発光部の外側に存する半導体層に発光部を囲む凹部である溝が設けられる場合には、電荷が溝を通過できないため、発光部の外側に存する半導体層（特に、溝の外側に存する半導体層）には電流が流れ難くなるが、第１の実施の形態に係る半導体素子では、電荷が窪みと窪みの間の半導体層を通過できるため、発光部の外側に存する半導体層にも電流が流れやすくなる。よって、第１の実施の形態に係る半導体素子によれば、発光部の外側に溝を設ける場合よりも、電流の広がりを良くすることができ、駆動電圧を低下させることができる。
なお、本明細書において「発光部」とは、半導体素子において光を発する部のことをいい、たとえば、ダブルへテロ構造における活性層、シングルへテロ接合における接合界面、ホモ接合における接合界面などが該当する。
また、本明細書において、「窪みが少なくとも前記基板の表面に略達する深さを有する」とは、厳密に達している場合のみならず、厳密には達していない場合をも含み、また、「少なくとも」であるので、窪みが基板の表面に略達する深さを有する場合のみならず、内部に達する深さを有する場合や、半導体層と基板とを貫通している場合なども含まれる。

本発明の第２の実施の形態は、前記窪みの側面が、前記基板の表面に対して９０度未満の角度で傾いている、ことを特徴とする第１の実施の形態に係る半導体素子である。
窪みの側面が、基板の表面に対して９０度未満の角度で傾いていれば、窪みの側面が基板に対して垂直である場合と比較して、窪みに入射した光が基板の上下方向に進行方向を変えやすくなる。

本発明の第３の実施の形態は、前記発光部の外側にある半導体層の上面が発光部の上面よりも高い、ことを特徴とする第１の実施の形態または第２の実施の形態に係る半導体素子である。
第３の実施の形態によれば、発光部の外側にある半導体層の上面が発光部の上面よりも高いため、発光部から基板に対して水平に発せられ光のうちのより多くの光が、窪みに入射し、その進行方向を窪みにおいて基板の上下方向に変える。

第４の実施の形態は、前記窪みは、前記発光部の外側にある半導体層を進行する光の直進を妨げるように複数配置されている、ことを特徴とする第１の実施の形態〜第３の実施の形態のいずれか１つに係る半導体素子である。
第４の実施の形態によれば、発光部から半導体素子の端面に向けて進む光は、窪みに少なくとも１回は入射しなければ、半導体素子の端面に達しがたくなる。なお、「妨げるように配置」とは、厳密にすべての光が妨げられているということではなく、おおよそすべての光が妨げられていれば足りることを意味する。
なお、窪みを、発光部の外側にある半導体層を進行する光の直進を妨げるように配置するためには、たとえば、前記窪みを複数備え、前記基板の上で、前記発光部の外側にある半導体層に水平に、前記発光部を横切る任意の直線を描いた場合に、この直線が前記窪みを横切るようにすればよい。

第６の実施の形態は、端面を覆う封止部材を備えたことを特徴とする第１の実施の形態〜第５の実施の形態のいずれか１つに係る半導体素子である。
上記したように、本発明においては、発光部から半導体素子の端面に向かって進む光が、窪みにおいて進行方向を基板の上下方向に変えるため、光が半導体素子の端面に達し難くなる（基板の上下方向の光密度が高くなり、基板の端面付近の光密度が低くなる。）。したがって、第６の実施の形態によれば、光密度の低いところが封止部材で覆われるため、封止部材の変色や劣化などを抑制して、半導体素子の寿命を向上させることができる。

第７の実施の形態は、前記窪みの内部の上方に入り込んだ、前記窪みの開口面を覆う封止部材を備え、かつ、前記窪みの内部の上方に入り込んでいる封止部材の下方に気体が存する、ことを特徴とする第１の実施の形態〜第６の実施の形態のいずれか１つに係る半導体素子である。
第７の実施の形態によれば、窪みの内部に、気体と封止部材とが併存することとなるところ、一般に、光の進行について、光は屈折率が高い物質に傾く傾向がある。したがって、第７の実施の形態によれば、窪みに入射した光が封止部材の方向（基板の上方向）に向きを変える可能性が高くなる。なお、窪みの内部の上方に入り込んでいる封止部材の下方に存する気体に入射して、基板の上方向に向きを変え、窪みの内部の上方入り込んでいる封止部材に入射する光は、その光密度が、窪みの内部の上方に入り込んでいる封止部材の下方に存する気体を通過する際に低下する。したがって、この光は、窪みの内部の上方に入り込んでいる封止部材の下方に存する気体に入射する前よりも低い光密度で、窪みの内部の上方に入り込んでいる封止部材に入射することとなる。よって、第７の実施の形態によれば、窪みの内部の上方に入り込んでいる封止部材の変色や劣化などを抑えることができ、半導体素子の寿命を向上させることができる。

第８の実施の形態は、前記窪みの開口面において、この開口面における周縁の任意の２点を両端とする直線を描き、この直線の上に位置する任意の点を中心とした半径２．５μｍの円を描いた場合に、前記開口面における周縁の少なくとも一部が前記円の内側に入る、ことを特徴とする第７の実施の形態に係る半導体素子である。
第８の実施の形態によれば、開口面における周縁の任意の２点を両端とする直線上で、任意の点を中心とした半径２．５μｍの円を開口面に描いた場合に、窪みの周縁の少なくとも一部が円の内側に入るため、たとえば、半径２．５μｍの球状体が開口面上に存したとしても、この球状体の全部が窪みに入り込んでしまうということがない。したがって、第８の実施の形態によれば、封止部材が半径２．５μｍの球状体を含む場合に、この封止部材で窪みが埋め尽くされることがなくなる。

第９の実施の形態は、前記発光部の外側にある半導体層の屈折率が、前記窪みの内部の上方に入り込んでいる封止部材の下方に存する気体の屈折率よりも大きく、前記窪みの内部の上方に入り込んでいる封止部材の下方に存する気体の屈折率が、前記封止部材の屈折率よりも小さい、ことを特徴とする第７の実施の形態または第８の実施の形態に係る半導体素子である。
第９の実施の形態によれば、窪みの下方領域の屈折率が上方領域の屈折率よりも小さくなる。光は屈折率が高い物質と低い物質とがあった場合、高い物質の方に進むため、第９の実施の形態によれば、窪みに達した光が、封止部材の方向（基板の上方向）に進行方向を変えやすくなる。
なお、発光部の外側にある半導体層の屈折率と、窪みの一部に入り込んでいる封止部材の下方に存する気体の屈折率と、窪みの一部に入り込んでいる封止部材の屈折率と、の比は、たとえば、（２．２〜２．８）：１：（１．２〜１．７）とすることが望ましい。

第１１の実施の形態は、前記窪みは、前記発光部の外側にある半導体層と前記基板とを貫通する貫通孔である、ことを特徴とする第１の実施の形態〜第１０の実施の形態のいずれか１つに係る半導体素子である。
第１１の実施の形態によれば、窪みが、発光部の外側にある半導体層と基板とを貫通する貫通孔であるため、発光部から半導体層を通過して半導体素子の端面に向かう光のみならず、発光部から基板を通過して半導体素子の端面に向かう光についても、窪みに入射して、その進行方向を基板の上下方向に変える。

つぎに、添付した図面を参照しつつ、本発明の実施の形態をより具体化して説明する。なお、以下の説明は、本発明及び上記した第１の実施の形態〜第１１の実施の形態の理解を容易にするためのものであるから、以下の説明によって、本発明及び上記した第１の実施の形態〜第１１の実施の形態が限定されるものでないことはいうまでもない。

図１は、実施の形態に係る半導体素子１を模式的に示した斜視図（ａ）、平面図（ｂ）、および断面図（ｃ）である。
図１の斜視図（ａ）、平面図（ｂ）、および断面図（ｃ）が示すように、実施の形態に係る半導体素子１は、サファイアやＳｉなどの基板２の上に半導体層３を備えており、この半導体層３は、基板２側から上面に向けて、ｎ型窒化物半導体層３−１、発光部である活性層３−２、ｐ型窒化物半導体層３−３を有している。ｎ型窒化物半導体層３−１は、たとえばＩｎ_ｅＡｌ_ｆＧａ_{１−ｅ−ｆ}Ｎ（０≦ｅ、０≦ｆ、ｅ＋ｆ≦１）などで形成できる。活性層３−２は、単一量子井戸構造、若しくは多重量子井戸構造を用いることができ、たとえば、Ｉｎ_ａＧａ_１−ａＮ（０≦ａ＜１）で形成できる。また、ｐ型窒化物半導体層３−３は、たとえば、基板２側から順に、ｐ型クラッド層（図示せず）とｐ型コンタクト層（図示せず）とを有することができる。ｐ型コンタクト層は、たとえばＩｎ_ｒＡｌ_ｓＧａ_{１−ｒ−ｓ}Ｎ（０≦ｒ＜１、０≦ｓ＜１、ｒ＋ｓ＜１）で形成できる。
この半導体素子１は、ｐ型窒化物半導体層３−３の上にＮｉ／Ａｕなどのｐ電極４を有しており、このｐ電極４の上にパッド電極５を有している。また、この半導体層１は、ｎ型窒化物半導体層３−１の上に、Ｗ／Ａｌなどのｎ電極６を有している。
発光部である活性層３−２の外側には半導体層７が設けられており、この半導体層７は、複数の窪み８を備えている。この窪み８は、半導体層７の上面に開口があり、基板の表面に達する深さとなっている。
以上説明した実施の形態に係る半導体素子１においては、発光部の外側にある半導体層に１つ以上の窪みが設けられているため、発光部から半導体素子の端面に向かって進む光が、この窪みにおいて、その進行方向を基板の上下方向に変え、光取り出し効率が向上する。なお、光が窪みにおいて進行方向を変えるのは、窪みの内部の屈折率と窪みの外にある半導体層の屈折率とが異なるからである。
また、上記実施の形態に係る半導体素子によれば、発光部から半導体素子の端面に向かって進む光が、窪みにおいて進行方向を基板の上下方向に変えるため、光が半導体素子の端面に達し難くなる（基板の上下方向の光密度が高くなり、基板の端面付近の光密度が低くなる。）。したがって、半導体素子の端面から放出された光が端面付近にある部材や部位などに当たってこれらの部材や部位などが変色や劣化などしてしまう、ということを抑制でき、半導体素子の寿命を向上させることができる。
また、実施の形態に係る半導体素子においては、窪みの深さが、少なくとも基板の表面に略達している。したがって、上記実施の形態に係る半導体素子においては、窪みの下方に、半導体層が全くないか、ほとんどない。よって、光が、発光部から窪みの下方を通過して半導体素子の端面に達することを抑制することができ、深さが基板の表面に略達していない窪みを有する半導体素子よりも光取り出し効率を向上させることができるとともに、半導体素子の端面付近にある部材や部位などの変色や劣化などを抑制することができる。
また、発光部の外側に存する半導体層に発光部を囲む凹部である溝が設けられる場合には、電荷が溝を通過できないため、発光部の外側に存する半導体層（特に、溝の外側に存する半導体層）には電流が流れ難くなるが、上記実施の形態に係る半導体素子では、電荷が窪みと窪みの間の半導体層を通過できるため、発光部の外側に存する半導体層にも電流が流れやすくなる。よって、実施の形態に係る半導体素子によれば、発光部の外側に溝を設ける場合よりも、電流の広がりを良くすることができ、駆動電圧を低下させることができる。
また、実施の形態に係る半導体素子１−１によれば、窪みが活性層３−２の外側にある半導体層７に配置されるため、活性層３−２の外側にある半導体層が有効に利用される。

なお、本実施の形態においては、たとえば、図２に示すように、窪みの深さを、基板の内部に達するものであるとすることもできる。このようにすれば、基板を通過して半導体素子の端面に向かう光についても、その進行方向を基板の上下方向に変えることができるため、深さが基板の内部に達していない窪みを有する半導体素子よりも光取り出し効率を向上させることができるとともに、半導体素子の端面付近にある部材や部位などの変色や劣化などを抑制することができる。また、窪みを、発光部の外側にある半導体層と基板とを貫通する貫通孔とすれば、発光部から半導体層を通過して半導体素子の端面に向かう光のみならず、発光部から基板を通過して半導体素子の端面に向かう光についても、これを窪みに入射させ、その進行方向を基板の上下方向に変えることができる。

また、本実施の形態においては、図３に示すように、窪み８の側面を基板の表面に対して９０度未満の角度で傾斜させることもできる。窪みの側面が、基板の表面に対して９０度未満の角度で傾いていれば、窪みの側面が基板に対して垂直である場合と比較して、窪みに入射した光が基板の上下方向に進行方向を変えやすくなる。

また、本実施の形態においては、図４に示すように、発光部である活性層３−２の外側にある半導体層７の上面を、発光部である活性層３の上面よりも高くすることができる。このようにすれば、発光部から基板に対して水平に発せられ光が、窪みに入射する可能性が高まり、その進行方向を窪みにおいて基板の上下方向に変える可能性が高くなる。

なお、図１の（ｂ）に示すように、本発明の実施の形態に係る半導体素子１においては、窪み８を「口」の字状に整列させたが、本実施の形態においては、窪みは、発光部の外側にある半導体層を進行する光の直進を妨げるように配置することができる。このような配置をとるためには、たとえば、半導体素子が複数の窪みを備えることとして、基板の上で、発光部の外側にある半導体層に水平に、発光部を横切る任意の直線を描いた場合に、この直線が窪みを横切ることとすればよい（より具体的な例として、たとえば、図６、図７参照）。このようにすれば、半導体素子を基板に対して横方向に進行する光が、半導体素子の端面に達するまでに、窪みを横切り、その進行方向を基板の上下方向に変える可能性が高くなる。

なお、本実施の形態に係る半導体素子については、その端面を、封止部材で覆うこととしてもよい。本実施の形態においては、発光部から半導体素子の端面に向かって進む光が、窪みにおいて進行方向を基板の上下方向に変える可能性が高くなるため、光が半導体素子の端面に達する可能性が低くなる（基板の上下方向の光密度が高くなり、基板の端面付近の光密度が低くなる。）。したがって、端面を封止部材で覆った場合には、光密度の低いところが封止部材で覆われることとなるため、封止部材の変色や劣化などを抑制して、半導体素子の寿命を向上させることができる。

また、本実施の形態に係る半導体素子については、窪みの内部の上方に入り込んだ、窪みの開口面を覆う封止部材を備え（図８参照）、かつ、窪みの内部の上方に入り込んでいる封止部材の下方に気体が存する（図９）とすることもできる。一般に、光の進行について、光は屈折率の高い物質へ傾く傾向があり、窪みの内部に、気体と封止部材とが併存することとなれば、半導体素子の端面に向かう光のうちのより多くが、その進行方向を、封止部材がある基板の上方向に変える。なお、窪みの内部の上方に入り込んでいる封止部材の下方に存する気体に入射して、基板の上方向に向きを変え、窪みの内部の上方入り込んでいる封止部材に入射する光は、その光密度が、窪みの内部の上方に入り込んでいる封止部材の下方に存する気体を通過する際に低下する。したがって、この光は、窪みの内部の上方に入り込んでいる封止部材の下方に存する気体に入射する前よりも低い光密度で、窪みの内部の上方に入り込んでいる封止部材に入射することとなる。よって、窪みの内部の上方に入り込んでいる封止部材の下方に気体が存することとすれば、窪みの内部の上方に入り込んでいる封止部材の変色や劣化などを抑えることができ、半導体素子の寿命を向上させることができる。
なお、窪みの内部の上方に封止部材が入り込むこととし、この窪みの内部の上方に入り込んだ封止部材の下方に気体が存するようにするためには、窪みの開口面を封止部材の構成要素よりも小さくしておけばよい。たとえば、封止部材の構成要素が球状体である場合には、窪みの開口面を、この球状体の半径よりも小さい半径を有する円とすればよく、また、封止部材の構成要素が直方体である場合には、窪みの開口面を、直方体の一面よりも小さい面積を有する正方形または長方形とすればよい。また、窪みの開口面を、半導体素子の大きさや形状などの様々な目的に応じて適宜変更させたい場合には、次の条件を満たすようにして開口面を形成すればよい。すなわち、窪みの開口面において、この開口面における周縁の任意の２点を両端とする直線を描き、この直線の上に位置する任意の点を中心とした円、正方形または長方形を描いた場合に、開口面における周縁の少なくとも一部が円、正方形または長方形の内側に入るようにすればよい。ここで、円、正方形または長方形の大きさは、窪みの内部の上方に封止部材が入り込むことがないように、封止部材の構成要素の大きさによって決まる。たとえば、封止部材が半径２．５μｍの球状体で構成される場合には、図５に示すように、窪みの開口面において、この開口面における周縁の任意の２点を両端とする直線を描き、この直線の上に位置する任意の点を中心とした半径２．５μｍの円を描いた場合に、開口面における周縁の少なくとも一部が円の内側に入るようにすればよい。このようにすれば、窪みの周縁の少なくとも一部が上記円の内側に入るため、半径２．５μｍの球状体が開口面上に存したとしても、この球状体の全部が窪みに入り込んでしまうということがない。したがって、窪みの全部が封止部材で埋め尽くされるということがない。なお、窪み８の開口を上記のように形成すれば、フォトリソグラフィ時のレジスト膜厚ムラに起因する不良をなくすことができる。

なお、光の進行について、光が屈折率が高い物質へ傾く傾向があるのは、気体と封止部材とでは、気体の方が屈折率が小さいためである。すなわち、一般に、光は屈折率が高い物質と低い物質とがあった場合、高い物質の方に進むため、窪みの下方領域の屈折率が上方領域の屈折率よりも小さくなる上記実施の形態においては、窪みに達した光が基板の上方向に進行方向を変える。
なお、発光部の外側にある半導体層の屈折率を、窪みの内部の上方に入り込んでいる封止部材の下方に存する気体の屈折率よりも大きくし、窪みの内部の上方に入り込んでいる封止部材の下方に存する気体の屈折率を、窪みの内部の上方に入り込んでいる封止部材の屈折率よりも小さくすれば、窪みの下方領域の屈折率が上方領域の屈折率よりも小さくなる。発光部の外側にある半導体層の屈折率と、窪みの内部の上方に入り込んでいる封止部材の下方に存する気体の屈折率と、窪みの内部の上方に入り込んでいる封止部材の屈折率と、の比は、具体的には、たとえば、（２．２〜２．８）：１：（１．２〜１．７）とすることが望ましい。もっとも、本発明において、発光部の外側にある半導体層の屈折率と、窪みの内部の上方に入り込んでいる封止部材の下方に存する気体の屈折率と、窪みの内部の上方に入り込んでいる封止部材の屈折率と、の比が、上記数値に限定されるものではないことは、いうまでない。
なお、封止部材９としては、発光波長の光を透過させる透光性樹脂が用いられ、たとえば、エポキシ樹脂やシリコーン樹脂やアクリル樹脂などが適している。封止部材９の形状は、任意に設計することができ、たとえば半円柱状や直線状などとすることができる。

なお、上記したように、半導体素子の端面に向かう光が窪みで進行方向を基板の上方向に変えるが、窪みの中には、その形状や封止部材などのために、光が基板の下方向に進行方向を変える場合もある。このような場合には、半導体素子をマウントするパッケージに反射膜を設けることによって、基板の下方向に進行する光の進行方向を基板の上方向に変えることができる。

なお、本実施の形態に係る半導体素子においては、基板の表面部分に凹部及び／又は凸部を形成して、発光部から半導体素子の端面に向かう光を、基板の表面部分に形成された凸及び／又は凸部において、進行方向を基板の上方向に変えることができる。この場合には、凸及び／又は凸部に少なくとも２つ以上の傾斜角の異なる傾斜面を有することが望ましい。

また、本実施の形態によれば、上記で説明したように、光密度が高くなるところに封止部材（樹脂など）が存在しないこととなったり、あるいは、光密度を下げた状態で光が封止部材（樹脂など）に入るようになるため、樹脂の変色や劣化などを抑えることができる。

以上説明した実施の形態に係る半導体素子１は、たとえば次のようにして製造することができる。
まず、基板２を反応容器内にセットし、基板２上にバッファ層を成長させる。
次に、基板２の温度を上げ、ｎ型窒化物半導体層３−１を成長させる。
次に、活性層３−２を成長させる。
次に、ｐ型窒化物半導体層３−３を成長させる。
次ぎに、温度を室温まで下げ、さらに窒素雰囲気中、ウェハを反応容器内においてアニーリングを行い、ｐ型窒化物半導体層３−３をさらに低抵抗化する。
次ぎに、ウェハを反応容器から取り出し、ｐ型窒化物半導体層３−３において、ｐ電極４を形成する位置に、所定の形状のＳｉＯ_２マスクを厚さ１μｍで形成し、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）装置でｐ型窒化物半導体層側からエッチングを行い、基板２を露出させる。
次に、形成したＳｉＯ_２マスクの上に更に一部を残してレジスト膜を形成し、ＲＩＥによってｎ型窒化物半導体層における一部の表面を露出させる。
次ぎに、最上層にあるｐ型窒化物半導体層のほぼ全面に膜厚２００オングストロームのＮｉとＡｕを含む透光性のｐ電極４と、そのｐ電極４の上にボンディング用のＡｕよりなるｐパッド電極５を０．５μｍの膜厚で形成する。一方、エッチングにより露出させたｎ型窒化物半導体層の表面にはＷとＡｌを含むｎ電極６を形成する。
以上のようにして形成した基板２を研磨してチップ化すれば、半導体素子１を得ることができる。

つぎに、本発明の実施例について説明する。

径が２μｍの窪みを複数個有する３２０μｍのチップを作製する。このチップの特性は、駆動電流２０ｍＡで主波長４７０ｎｍ、駆動電圧が３．１Ｖ、輝度の初期値が１２．５ｍＷ、１０００ｈでの輝度が初期値の約６２％である。

径が２μｍで、側面が基板の表面に対して７０度で傾いている窪みを複数個有する３２０μｍのチップを作製する。このチップの特性は、駆動電流２０ｍＡで主波長４７０ｎｍ、駆動電圧が３．１Ｖ、輝度の初期値が１３．５ｍＷ、１０００ｈでの輝度が初期値の約６５％である。

径が２μｍで、発光部の外側にある半導体層の上面が発光部の上面よりも２μｍ高い窪みを複数個有する３２０μｍのチップを作製する。このチップの特性は、駆動電流２０ｍＡで主波長４７０ｎｍ、駆動電圧が３．０５Ｖ、輝度の初期値が１４．０ｍＷ、１０００ｈでの輝度が初期値の約６８％である。

径が２μｍの窪みを複数個有する３２０μｍのチップを作製する。このチップにおいては、複数の窪みを１．５μｍの間隔で口の字状に配置する。また、これら窪みの外側に、窪みと窪みとの間隔を塞ぐようにして、さらなる窪みを配置する。このチップの特性は、駆動電流２０ｍＡで主波長４７０ｎｍ、駆動電圧が３．１５Ｖ、輝度の初期値が１６．０ｍＷ、１０００ｈでの輝度が初期値の約７５％である。

径が２μｍの窪みを複数個有する３２０μｍのチップを作製する。また、このチップの端面を樹脂で覆う。このチップの特性は、駆動電流２０ｍＡで主波長４７０ｎｍ、駆動電圧が３．１Ｖ、輝度の初期値が１８ｍＷ、１０００ｈでの輝度が初期値の約５０％である。

径が２μｍの窪みを複数個有する３２０μｍのチップを作製する。また、窪みの開口面を樹脂で覆い、この樹脂が窪みの内部の上方に入り込むこととする。窪みの内部の上方に入り込んでいる樹脂の下方には気体が存するものとする。このチップの特性は、駆動電流２０ｍＡで主波長４７０ｎｍ、駆動電圧が３．１Ｖ、輝度の初期値が１９ｍＷ、１０００ｈでの輝度が初期値の約４５％である。

比較例１

実施例１に対して、窪みを有さない他は同様にして３２０μｍのチップを作製する。このチップの特性は、駆動電流２０ｍＡで主波長４７０ｎｍ、駆動電圧が３．１Ｖ、輝度の初期値が１０．０ｍＷ、１０００ｈでの輝度が初期値の約４８％である。

比較例２

実施例５に対して、窪みを有さない他は同様にして３２０μｍのチップを作製する。このチップの特性は、駆動電流２０ｍＡで主波長４７０ｎｍ、駆動電圧が３．０５Ｖ、輝度の初期値が１５．５ｍＷ、１０００ｈでの輝度が初期値の約４０％である。

比較例３

実施例６に対して、窪みを有さない他は同様にして３２０μｍのチップを作製する。このチップの特性は、駆動電流２０ｍＡで主波長４７０ｎｍ、駆動電圧が３．０５Ｖ、輝度の初期値が１６．５ｍＷ、１０００ｈでの輝度が初期値の約３５％である。

本発明は、あらゆる半導体素子に適用できるが、特に、ディスプレイ、光通信、ＯＡ機器などの、高輝度、高信頼性が要求される光源に最適である。

実施の形態に係る半導体素子１を模式的に示した斜視図（ａ）、平面図（ｂ）、および断面図（ｃ）である。 実施の形態に係る半導体素子１の他の例（その１）を模式的に示す図である。 実施の形態に係る半導体素子１の他の例（その２）を模式的に示す図である。 実施の形態に係る半導体素子１の他の例（その３）を模式的に示す図である。 窪み８の開口面を詳細に説明するための模式図である。 実施の形態に係る半導体素子１の他の例（その４）を模式的に示す図である。 実施の形態に係る半導体素子１の他の例（その５）を模式的に示す図である。 実施の形態に係る半導体素子１を封止部材９で封止する様子を模式的に示す図（ａ）、および、半導体素子１を封止部材９で封止した様子を模式的に示す図（ｂ）である。

符号の説明

１ 半導体素子
２ 基板
３ 半導体層
３−１ ｎ型窒化物半導体層
３−２ 活性層
３−３ ｐ型窒化物半導体層
４ ｐ電極
５ パッド電極
６ ｎ電極
７ 半導体層
８ 窪み
９ 封止部材
ｔ 半導体層７の厚み
Ｒ 半径２．５μｍ

Claims (11)

1. 発光部を基板の上に備えた半導体素子において、前記発光部の外側にある半導体層に１つ以上の窪みを備え、前記窪みが少なくとも前記基板の表面に略達する深さを有する、ことを特徴とする半導体素子。
2. 前記窪みの側面が、前記基板の表面に対して９０度未満の角度で傾いている、ことを特徴とする請求項１に記載の半導体素子。
3. 前記発光部の外側にある半導体層の上面が発光部の上面よりも高い、ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体素子。
4. 前記窪みは、前記発光部の外側にある半導体層を進行する光の直進を妨げるように複数配置されている、ことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の半導体素子。
5. 前記窪みを複数備え、
   前記基板の上で、前記発光部の外側にある半導体層に水平に、前記発光部を横切る任意の直線を描いた場合に、この直線が前記窪みを横切る、
   ことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の半導体素子。
6. 端面を覆う封止部材を備えたことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の半導体素子。
7. 前記窪みの内部の上方に入り込んだ、前記窪みの開口面を覆う封止部材を備え、かつ、前記窪みの内部の上方に入り込んでいる封止部材の下方に気体が存する、ことを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の半導体素子。
8. 前記窪みの開口面において、この開口面における周縁の任意の２点を両端とする直線を描き、この直線の上に位置する任意の点を中心とした半径２．５μｍの円を描いた場合に、前記開口面における周縁の少なくとも一部が前記円の内側に入る、ことを特徴とする請求項７に記載の半導体素子。
9. 前記発光部の外側にある半導体層の屈折率が、前記窪みの内部の上方に入り込んでいる封止部材の下方に存する気体の屈折率よりも大きく、
   前記窪みの内部の上方に入り込んでいる封止部材の下方に存する気体の屈折率が、前記封止部材の屈折率よりも小さい、
   ことを特徴とする請求項７または請求項８に記載の半導体素子。
10. 前記発光部の外側にある半導体層の屈折率と、前記窪みの一部に入り込んでいる封止部材の下方に存する気体の屈折率と、前記窪みの一部に入り込んでいる封止部材の屈折率と、の比が、（２．２〜２．８）：１：（１．２〜１．７）である、ことを特徴とする請求項９に記載の半導体素子。
11. 前記窪みは、前記発光部の外側にある半導体層と前記基板とを貫通する貫通孔である、ことを特徴とする請求項１〜請求項１０のいずれか１項に記載の半導体素子。
    
    

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