JP2008159980A - 発光素子及び照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 発光層で発生した光を一方向に取り出す発光素子において、光を取り出し方向に反射させる光反射層を簡易なプロセスにより形成できる、発光効率の高い発光素子、及び照明装置を提供すること。
【解決手段】 発光素子は、基板２０上に発光層２４を含む半導体層２００が形成されている発光素子において、基板２０と発光層２４との間に複数の島状部から成るとともに金属から成る光反射層２１が形成されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層、窒化ガリウム系化合物半導体からなる発光層及びｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層が積層されている半導体層を有している発光素子及び照明装置に関する。

窒化ガリウム系化合物半導体（III族窒化物系化合物半導体）（Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ；０≦ｘ，ｙ≦１，ｘ＋ｙ≦１）は、ＧａＮ，ＡｌＮ，ＩｎＮにより、ＡｌＧａＮ，ＩｎＧａＮ，ＩｎＡｌＧａＮ等の混晶を形成できるこのような混晶は、その組成を選択することによりバンドギャップを変化させることができ、可視光領域から紫外光領域までの発光が可能であり、発光ダイオード（ＬＥＤ）や半導体レーザ（ＬＤ）等の発光素子の材料として検討されており、実用化が図られている。

一般に、窒化ガリウム系化合物半導体からなるＬＥＤは、図３に示すように、例えばサファイアからなる絶縁性の基板１０上に、バッファ層１１、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層１２、窒化ガリウム系化合物半導体からなる発光層１３及びｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層１４を積層した半導体層が積層されている。この半導体層は、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層１２を露出させ、ｎ型及びｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層１２，１４上に、それぞれｎ型及びｐ型電極１５，１６が形成されている。従って、ｎ型及びｐ型電極１５，１６が、半導体層の同じ主面側に形成されることになる（特許文献１公報）。

このような構成のＬＥＤは、発光層１３で発生した光を上方向と下方向のどちらの方向に取り出すかによって、外部のパッケージ等の電極パッド等に対してフリップチップ接続やワイヤボンディング接続を行うことになる。

即ち、図３のような構成のＬＥＤは、ｎ型及びｐ型電極１５，１６を反射性の電極とし、外部のパッケージ等の電極パッド等にフリップチップ接続することにより、発光層１３で発生した光は基板１０側へ取り出すこととなる。

また、ｎ型電極１５がなく、基板１０が導電性のものである場合には、ｐ型電極１６にワイヤボンディング接続するものとなり、発光層１３で発生した光はｐ型電極１６側に取り出すことになる。

そして、光を基板１０と反対側の面から取り出す場合、基板１０方向へ進行する光を反射させる構造が必要となる。そのために、例えば基板１０と発光層１３の間に分布型ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ：Distributed Bragg Reflectors）を設けた構造が提案されている（例えば、特許文献２を参照）。

また、基板１０の裏面（図３では基板１０の下面）に、さらに接着層を介して反射金属層や他の基板を付加した構造が提案されている（例えば、特許文献３を参照）。

さらに、発光素子の上下面の両面に電極を形成した両面電極構造とするために、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層上に透明金属層、反射金属層、導電性基板を接着した後に、窒化ガリウム系化合物半導体層の成長に要した基板を剥離した垂直電極構造の発光素子が提案されている（例えば、特許文献４を参照）。
特開昭６１−５６４７４号公報 特開平９−０４５９５９号公報 特開２００４−２３５６１５号公報 実用新案登録３１０５４３０号公報

しかしながら、特許文献１に開示されているようなサファイアから成る絶縁性の基板を用いた構成では、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層の抵抗が高いため、電流の横方向への広がりが小さいため、電流集中の問題点や、発光層で生じた光が効果的に一方向から取り出せないため、光取り出し効率が低いという問題点があった。

光取り出し効率が低いという問題点を解決すべく、特許文献２に示されるようなＤＢＲ構造により発光層で生じた光を反射させ、基板と逆方向に取り出せるようにした構成においては、ＤＢＲの反射率を高めるために屈折率の異なる２種類の窒化ガリウム系化合物半導体層を厚く繰り返し積層する必要があるため、ＤＢＲ層や半導体層にクラックが生じたり、また縦型電導とする場合にはＤＢＲの存在が抵抗の増大の原因となるという問題点があった。

そこで、ＤＢＲにではなく反射金属層を用いる特許文献３の構成が提案されているが、このように接着層を介して反射金属層、他の基板を付加する構成においては、製造プロセスが複雑になり、工程数も増える。さらに製造歩留まりも悪くなるおそれがある。

また、両面電極構造の発光素子が可能となる特許文献４のように、透明金属層、反射金属層、導電性基板を接着した後に窒化ガリウム系化合物半導体層の成長に要した基板を剥離する構成においては、両面電極により発光素子内を流れる電流の方向が縦方向（上下方向）になるため、電流分布の不均一は生じない。しかし、窒化ガリウム系化合物半導体層の成長に要した基板を剥離する必要があり、剥離はレーザリフトオフ法等により行うため、剥離時の半導体層へのダメージやクラックの発生が懸念され、発光効率低下の恐れがある。また、製造プロセスも複雑になり、工程数も増えるため、製造歩留まりも悪い。

従って、本発明は上記従来の技術における問題点に鑑みて完成されたものであり、その目的は、発光層で発生した光を一方向に取り出す発光素子において、光を取り出し方向に反射させる光反射層を簡易なプロセスにより形成できる、発光効率の高い発光素子、及び照明装置を提供することである。

本発明の発光素子は、基板上に発光層を含む半導体層が形成されている発光素子において、前記基板と前記発光層との間に複数の島状部から成るとともに金属から成る光反射層が形成されていることを特徴とするものである。

また、本発明の発光素子は好ましくは、前記半導体層は、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層と、窒化ガリウム系化合物半導体からなる発光層と、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層とが積層された積層体を含むことを特徴とするものである。

また、本発明の発光素子は好ましくは、前記光反射層は、表層部に窒化物層が形成されていることを特徴とするものである。

また、本発明の発光素子は好ましくは、前記光反射層は前記基板上に直接形成されており、前記光反射層上に前記半導体層が積層されていることを特徴とするものである。

また、本発明の発光素子は好ましくは、前記光反射層上に前記ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層が接していることを特徴とするものである。

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り、前記光反射層はアルミニウムから成ることを特徴とするものである。

本発明の照明装置は、上記本発明の発光素子と、前記発光素子からの発光を受けて光を発する蛍光体及び燐光体の少なくとも一方とを具備していることを特徴とするものである。

本発明の発光素子は、基板上に発光層を含む半導体層が形成されている発光素子において、前記基板と前記発光層との間に複数の島状部から成るとともに金属から成る光反射層が形成されていることから、発光層で生じた光を光反射層により種々の方向に効果的に反射することが可能であり、光の取り出し効率が高い発光素子とすることができる。光反射層は複数の島状部からなっているため、連続した層からなる光反射層の場合よりも光の反射する機会が増える。また、反射した光の方向がより多くの方向となることから、多くの光が半導体層から放射され、光の取り出し効率を高くすることができる。

また、島状部同士の隙間において、基板と半導体層、または半導体層同士が上下で接することができるため、光反射層の上下で格子整合性を低下させずに半導体層を形成でき、歪が小さく結晶品質の高い半導体層を形成することができる。その結果、発光層の発光効率も高くなり、光の取り出し効率をより高くすることができる。

また、本発明の発光素子は好ましくは、半導体層は、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層と、窒化ガリウム系化合物半導体からなる発光層と、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層とが積層された積層体を含むことから、光反射層は、半導体層を成長させる際に、窒化ガリウム系化合物半導体層の成長と連続させて形成することができる。その結果、新たに接着層を介して光反射層を接着するといった工程が必要なく、製造プロセスが簡易なものとなる。従って、製造歩留まりも高くすることができる。また、レーザなどにより基板の剥離を行う必要がないため、半導体層へのダメージやクラックが発生する懸念がない。

また、本発明の発光素子は好ましくは、光反射層は、表層部に窒化物層が形成されていることから、その上に積層される窒化ガリウム系化合物半導体層を連続的に成長させることが可能となるため、結晶の転位が導入されることなく窒化ガリウム系化合物半導体層を成長でき、良好な結晶性の窒化ガリウム系化合物半導体層を成長させることができる。

また、本発明の発光素子は好ましくは、光反射層は基板上に直接形成されており、光反射層上に半導体層が積層されていることから、金属から成る光反射層が電極の役割も兼ねることができる。

また、光反射層は複数の島状部から成るため、平面の金属層からなる場合と比較して半導体層との接触面積が大きくなることから、接触抵抗が低くなり、電圧降下を小さくすることが可能となる。

さらに、光反射層は複数の島状部から成ることから、基板は半導体層及び光反射層の２つの領域で接することになるため、連続した層からなる光反射層の場合に生じる、基板と光反射層との密着性の劣化の問題をなくすことができ、基板と半導体層との密着性に優れた発光素子とすることができる。

また、本発明の発光素子は好ましくは、光反射層上にｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層が接していることから、基板側からｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層を成長させることにより、ｐ型のアクセプタ不純物の活性化を改めて行う必要がなく、引き続き成長させる発光層やｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層の成長中にｐ型のアクセプタ不純物の活性化を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、基板は、化学式ＸＢ_２（ただし、ＸはＴｉ及びＺｒの少なくとも１種を含む。）で表される二硼化物単結晶から成り、光反射層はアルミニウムから成ることから、基板の格子定数と窒化ガリウム系化合物半導体層の格子定数の差が小さく、またこれらの熱膨張係数も近いことから、良好な結晶性の窒化ガリウム系化合物半導体層を成長させることができる。特に、基板側からｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層を成長させる場合、結晶性が良好な層が形成できるため、厚く形成する必要がなく、抵抗の高いｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層における電圧降下を抑制できる。

さらに、窒化ガリウム系化合物半導体層の結晶性が良いため、その成長中における水素原子の取り込みや、結晶中での拡散が抑制され、添加した不純物との結合が生じにくくなる。その結果、窒化ガリウム系化合物半導体は結晶成長終了時には既にｐ型化しており、ｐ型化のために新たにアニール処理等を行う必要がなく、低抵抗のｐ型窒化ガリウム系化合物半導体を得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、基板は、化学式ＸＢ_２（ただし、ＸはＺｒ及びＴｉの少なくとも１種を含む。）で表される二硼化物単結晶から成り、光反射層はアルミニウムから成ることから、二硼化物単結晶は、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層とオーミック接触が形成でき、導電性があり、基板自体のバルク抵抗も１０^-6Ωｃｍ程度と小さいために、両面電極構造の発光素子において電圧降下もないものとなる。

また、光反射層がアルミニウムからなることから、その表面を容易に窒化することが可能であり、その上に積層する窒化ガリウム系化合物半導体層を連続的に結晶性よく成長させることが可能となる。また、アルミニウムから成る光反射層は、発光層から発光した光の反射率も高く、光の取り出し効率も高いものとなる。

化学式ＸＢ_２（ただし、ＸはＺｒ及びＴｉの少なくとも１種を含む。）で表される二硼化物単結晶は一般に反射率は低いが、アルミニウムから成る光反射層を用いることによって、窒化ガリウム系化合物半導体層の結晶品質の向上には有効である。

従って、アルミニウムから成る光反射層を用いることにより、効果的に光を基板と逆方向に反射させることが可能となり、高品質の結晶から成る半導体層を有するとともに、高い光取り出し効率を有する発光素子を得ることが可能となる。

また、本発明の照明装置は、上記発光素子と発光素子からの発光を受けて光を発する蛍光体及び燐光体の少なくとも一方とを具備していることから、光の取り出し効率が高く、電圧降下も小さい発光素子を用いることによって、発光効率が高く、輝度の高い照明装置となる。

以下、本発明の発光素子について図面を参照しつつ詳細に説明する。

図１は、本発明の発光素子について実施の形態の一例を示す断面図である。図１において、２０は導電性基板、２１は複数の島状部から成る光反射層、２２は光反射層の表層部に形成された窒化物層、２３はｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層、２４は窒化ガリウム系化合物半導体からなる発光層、２５はｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層である。２６はｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層２５上に形成されたｐ型電極である。

本発明の発光素子は、基板２０上に発光層２４を含む半導体層２００が形成されている発光素子において、基板２０と発光層２４との間に複数の島状部から成るとともに金属から成る光反射層２１が形成されている構成である。また、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層２４上にｐ型電極２６が設けられている。

上記の構成により、発光層で生じた光を光反射層により種々の方向に効果的に反射することが可能であり、光の取り出し効率が高い発光素子とすることができる。発光層２４で生じた光を光反射層２１により種々の方向に効果的に反射するには、島状部の形状は、図１に示すように、縦断面形状が半円形状、半楕円形状、半長円形状等のような滑らかな凸形曲面であることが好ましい。

また、半導体層２００は好ましくは、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層２３と、窒化ガリウム系化合物半導体からなる発光層２４と、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層２５とが積層された積層体を含むものである。

光反射層２１は、複数の島状部から成るものであるが、各島状部の幅は１０ｎｍ〜１０μｍ程度がよい。１０ｎｍ〜１０μｍでは、光の反射率を効果的に高くすることができ、さらに窒化物層２２を形成しても十分な反射率を得ることができる。しかし、１０ｎｍ未満では、島状部が密接することになり、平坦な金属膜と同様になるため、光取り出し効率の向上効果が小さい。また１０μｍを超える場合にも、発光素子中に分布する島状部が少なくなることから、平坦な金属膜と同様となり、島状であることによる光取り出し効率の向上の効果が小さくなる。さらには、５０ｎｍ〜１００ｎｍが好ましい。

各島状部の高さは１５ｎｍ〜１００ｎｍ程度がよく、１５ｎｍ未満では、光反射層２１を透過する光が生じるため十分な反射率を得ることができなくなる。１００ｎｍを超えると、その上に成長する窒化ガリウム系化合物半導体層の平坦性を悪くする。

また、各島状部の平面視における形状は円形がよく、その場合、ＭＯＶＰＥ法等によって形成する際に導電性基板２０上で円形状に凝集することにより容易に形成できることから好ましい。しかし、フォトプロセスによるパターニングにより、例えば楕円形、三角形、四角形、五角形以上の多角形等の形状とすることができる。

また、島状部同士の間の間隔は、１０ｎｍ〜１μｍ程度がよく、１０ｎｍ未満では、導電性基板２０の露出部が少なくなるため、窒化ガリウム系化合物半導体と格子整合性の高い硼化ジルコニウム単結晶やＧａＮから成る導電性基板２０を用いて窒化ガリウム系化合物半導体層を成長する際に、導電性基板２０の格子整合性を有効に生かすことができない。１μｍを超えると、光反射層２１の反射率が低下し易くなる。

従って、島状部の平面視における個数密度は１０^５〜１０^１２個／ｃｍ^２程度となる。

また、光反射層２１の平面視における面積は、基板２０の上面の面積に対する面積占有率が５０％以上、さらには７５％以上であることが好ましい。５０％未満では、光反射層２１の高反射率と、光反射層２１上に形成されるｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層２３の結晶性を高品質化することを両立することが難しくなる。

本発明の発光素子において、基板２０がｎ型電極を兼ねることができることから、基板２０は導電性基板からなるものが好適であるが、窒化ガリウム系化合物半導体層がエピタキシャル成長し得るものであればよい。基板２０が導電性基板から成る場合、炭化珪素（ＳｉＣ），ＧａＮ，硼化ジルコニウム（ＺｒＢ_２），酸化亜鉛（ＺｎＯ）等からなる。

また、基板２０は、化学式ＸＢ_２（ただし、ＸはＺｒ及びＴｉの少なくとも１種を含む。）で表される二硼化物単結晶から成ることが好ましい。この場合、基板２０は、ＺｒＢ_２単結晶，ＴｉＢ_２単結晶等からなるが、窒化ガリウム系化合物半導体との格子整合性及び熱膨張係数の整合性の点で優れていることを考慮すると、ＺｒＢ_２単結晶からなるものを使用することが好ましい。また、ＺｒＢ_２単結晶において、Ｚｒの一部がＴｉに置換されているものであってもよい。また、ＺｒＢ_２単結晶において、その結晶性また格子定数が大きく変化しない程度に不純物としてＴｉ，Ｈｆ，Ｍｇ，Ａｌ等を含んでいても構わない。

金属から成る光反射層２１は、高い光の反射率、窒化の容易さの観点から、特にアルミニウムが好ましい。

本発明の発光素子において、光反射層２１は、表層部に窒化物層２２が形成されていることが好ましい。この場合、光反射層２１の上に積層される窒化ガリウム系化合物半導体層を連続的に成長させることが可能となるため、結晶の転位が導入されることなく窒化ガリウム系化合物半導体層を成長でき、良好な結晶性の窒化ガリウム系化合物半導体層を成長させることができる。

光反射層２１の表層部に形成される窒化物層２２は、例えば金属から成る光反射層２１をアンモニアガスの雰囲気中に曝すことによって表面を窒化させて形成される。また、アンモニアガスによる窒化処理以外の窒化の方法として、窒素プラズマ等による処理が挙げられる。

窒化物層２２の厚みは５ｎｍ〜３０ｎｍがよい。５ｎｍ未満では、窒化物層２２の上に成長する窒化ガリウム系化合物半導体層の成長が金属層上への成長と同様になってしまい、窒化ガリウム系化合物半導体層の成長性、結晶性が劣化する。３０ｎｍを超えると、光反射層２１の窒化は窒素の拡散・反応により生じることから、光反射層２１の表層部では窒化が十分に起こるが、内部の方では十分な窒化が生じず、結晶性の悪い窒化物層２２が形成されることになる。そのため、窒化物層２２の上に成長する窒化ガリウム系化合物半導体層の結晶品質が劣化したり、また窒化に要する時間が長くなる。

また、光反射層２１の島状部において、厚さ方向で窒化されない金属部の厚みが１０ｎｍ以上であることが好ましい。１０ｎｍ未満では、光反射層２１の反射率を高くすることができなくなる。

ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層２３は、Ｓｉ等の不純物元素として添加されたｎ型の層であるが、さらにその上にＡｌＧａＮ層やＩｎＧａＮ層が形成されていて、一層でなくてもよい。

また、発光層２４は、例えば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：Multi Quantum Well）としている（図示せず）。その組成は、ＩｎＮ，ＧａＮ，ＡｌＮ，またはそれらの混晶からなり、発光波長により適宜組み合わせて形成される。例えば、井戸層にＩｎＧａＮ、障壁層にＧａＮ、また、井戸層にＩｎ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ｎ、障壁層にＩｎ_ｙＧａ_{（１−ｙ）}Ｎ（ただし、ｘ＞ｙ）を用いて、形成可能である。

さらに、発光層２４上に形成されるｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層２４は、ＡｌＧａＮ層，ＧａＮ層等の層を複数積層したものからなる。ｐ型不純物元素としては、マグネシウム（Ｍｇ），亜鉛（Ｚｎ）等が添加される。

また、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層２４上に形成されたｐ型電極２６は、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層２４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。そのような材質のものとしては、例えば、厚み１０ｎｍ程度に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、上記材質の複数を化合物としたものでも構わない。

また、本発明の発光素子は、光反射層２１は基板２０上に直接形成されており、光反射層２１上に半導体層２００が積層されていることが良い。この場合、金属から成る光反射層２１が電極の役割も兼ねることができ、半導体層２００に対して効率よく電流を注入することができる。

また、図１の例では、光反射層２１上にｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層２３を形成しているが、光反射層２１上にｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層２５を形成し、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層２５上に発光層２４、発光層２４上にｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層２３を形成した構成も可能である。基板２０として硼化ジルコニウム（ＺｒＢ_２）単結晶から成るものを用いる場合、基板２０との接触抵抗を小さくする観点からは、基板２０側からｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層２５を積層する構成が好ましい。

次に、本発明の発光素子の製造方法について以下に説明する。

発光素子の製造方法は、基板２０上に、光反射層２１を形成する工程と、光反射層の表面を窒化し窒化物層２２を形成する工程と、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層２３、発光層２４及びｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層２５を含む半導体層２００をエピタキシャル成長させる工程と、半導体層２００上にｐ型電極２６を形成する工程を具備する構成である。

具体的には、図１の発光素子の断面図に示すように、光反射層２１、窒化物層２２及び半導体層２００（ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層２３、発光層２４及びｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層２５からなる）は、基板２０上に有機金属化学気相成長（ＭＯＶＰＥ）法によって形成される。

即ち、基板２０上に、アルミニウムからなる光反射層２１、光反射層２１の表面の窒化により形成した窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなる窒化物層２２、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層２３を順次積層する。次に、その上に発光層２４として障壁層で挟まれた井戸層から成る量子井戸層が複数回繰り返し積層された超格子である多層量子井戸層（ＭＱＷ）を形成する。次に、その上にｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層２５である、第１のｐ型クラッド層と第２のｐ型クラッド層とｐ型コンタクト層とを順次積層する。

具体的には以下のような製造方法である。

＜光反射層２１の形成工程＞
硼化ジルコニウム（ＺｒＢ_２）単結晶から成る基板２０を、まずフッ酸を１体積％程度含むフッ酸水溶液で１分間洗浄し、その後ＭＯＶＰＥ装置中に基板２０を設置し、１０００℃〜１３００℃程度まで加熱してサーマルエッチングを行う。

その後、基板温度を４００℃〜９００℃に降温し、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ：Ａｌ（ＣＨ₃）₃）のみを供給し、基板２０上にアルミニウムから成る複数の島状部の光反射層２１を形成する。トリメチルアルミニウムの供給流量、供給時間、基板２０の温度によって光反射層２１の島状部の大きさ、分布は異なるが、トリメチルアルミニウムの供給流量を２０ｓｃｃｍ（standard cc/min）、供給時間を１分間程度、基板２０の温度を８００℃程度とすることによって、直径１００ｎｍ程度の島状部が分布した構成のアルミニウムから成る光反射層２１を形成することができる。ただし、基板２０とアルミニウムとの濡れ性によっても、島状部の分布や大きさが異なるため、適宜条件を調整する必要がある。

＜窒化物層２２の形成工程＞
アルミニウムからなる光反射層２１を形成した後、トリメチルアルミニウムの供給を中止し、窒化物層２２を形成するためにアンモニアガスを供給する。窒化処理の際の基板２０の温度は高い方が窒化しやすいが、あまり基板２０の温度を高くすると、アルミニウムが再蒸発する可能性がある。そのため、１０００℃以下の９５０℃程度で窒化処理を行う必要がある。アンモニアガスの供給量は３ｓｌｍ（standard L/min）程度であり、窒化処理に要する時間は１分〜１０分程度あればよい。

＜半導体層２００の形成工程＞
また、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層２３としては、例えば、基板２０の温度を９５０〜１１５０℃とし、窒化ガリウム（ＧａＮ）を数μｍ程度（例えば１〜５μｍ）の厚さで形成すればよい。この際、ｎ型とするためにＳｉをドープする。

また、発光層２４を成す多層量子井戸層は、基板２０の温度を７００℃程度とし、厚さ５〜５０ｎｍ程度の窒化インジウムアルミニウム（Ｉｎ_０．０１Ｇａ_０．９９Ｎ）から成る障壁層と、厚さ１〜２０ｎｍ程度の窒化インジウムアルミニウム（Ｉｎ_０．１１Ｇａ_０．８９Ｎ）から成る井戸層とを順次積層し、その上にそれらと同じ厚さ及び同じ組成の障壁層と井戸層とを、例えば３回繰り返して形成して、最後に同じ厚さ及び同じ組成の井戸層と障壁層が形成されるようにして形成すればよい。

また、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層２５を成す第１のｐ型クラッド層は、基板２０の温度を７００℃程度とし、多層量子井戸層の障壁層上に、窒化アルミニウムガリウム（Ａｌ_０．１５Ｇａ_０．８５Ｎ）層を、１０〜１００ｎｍ程度の厚さで形成する。また、第２のｐ型クラッド層は、基板２０の温度を８２０℃程度とし、第１のｐ型クラッド層上に、窒化アルミニウムガリウム（Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎ）層を５０〜３００ｎｍ程度の厚さで形成する。また、ｐ型コンタクト層は、基板２０の温度を８２０〜１０５０℃程度とし、第２のｐ型クラッド層上に、窒化ガリウム（ＧａＮ）層を、５〜５０ｎｍ程度の厚さで形成する。

＜ｐ型電極２６の形成工程＞
ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層２５上に形成されるｐ型電極２６は、Ｎｉ，Ａｕ層を積層したもの、酸化インジウム錫（ＩＴＯ）層から成るもの等を用いることができる。

さらに、ワイヤボンディングやプローバ測定を行うために、ｐ型電極２６やｎ型電極を兼ねる基板２０の裏面上にパッド電極を設けてもよい。パッド電極としては、Ｔｉ層，Ａｕ層を積層したもの等を使用することができる。

そして、ダイシングまたはスクライブ等により、発光素子のチップごとに切断分離することにより、図１に示す発光素子が得られる。

図２は、本発明の発光素子について実施の形態の他例を示す断面図である。図２において、３０は導電性基板、３１は第１のｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層、３２は光反射層、３３は光反射層３２の表層部に形成された窒化物層、３４は第２のｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層、３５は窒化ガリウム系化合物半導体からなる発光層、３６はｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層である。３７はｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層３６上に形成されたｐ型電極である。

即ち、図２の本発明の発光素子は、基板３０上に第１のｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層３１が形成され、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層３１上に光反射層３２が形成され、光反射層３２の表層部を窒化することで窒化物層３３が形成されている。さらに、第２のｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層３４、窒化ガリウム系化合物半導体からなる発光層３５及びｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層３６を含むとともにこの順でこれらの層が積層されている半導体層３００が形成されており、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層３６上にｐ型電極３７が設けられており、基板３０がｎ型電極を兼ねる構成となっている。

図１の例と異なる点は、光反射層３２が基板３０上に直接形成されておらず、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層の途中に形成されている。その他の構成は図１と同じである。

図２の構成においても、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層とｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層を入れ換えて、基板３０上に第１のｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層、光反射層、窒化物層、第２のｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層、発光層、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層を順次積層した構成も可能である。

また、基板３０とｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層３１の間に、ＡｌＮ，ＧａＮ，これらの混晶であるＡｌＧａＮ，硼化ジルコニウム（ＺｒＢ_２）等からなる１０ｎｍ〜１００ｎｍ程度の厚さのバッファ層を形成してもよい。

図２の本発明の発光素子は、図１の発光素子の製造方法と同様の製造方法によって製造される。

本発明の照明装置は、本発明の発光素子と、発光素子からの発光を受けて光を発する蛍光体及び燐光体の少なくとも一方とを具備している構成である。この照明装置は、本発明の発光素子を透明樹脂等で覆うか内包するようにし、その透明樹脂等に蛍光体や燐光体を混入させた構成とすればよく、蛍光体や燐光体によって発光素子の紫外光〜近紫外光を白色光等に変換するものとすることができる。また、集光性を高めるために透明樹脂等に凹面鏡等の光反射部材を設けることもできる。このような照明装置は、従来の蛍光灯等よりも消費電力が小さく、小型であることから、小型で高輝度の照明装置として有効である。

なお、本発明は上記の実施の形態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は何等差し支えない。

本発明の発光素子について実施の形態の一例を示す断面図である。 本発明の発光素子について実施の形態の他例を示す断面図である。 従来の発光素子の一例を示す断面図である。

符号の説明

２０，３０：基板
２１，３２：光反射層
２２，３３：窒化物層
２３：ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層
２４，３５：発光層
２５，３６：ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層
２６，３７：ｐ型電極
３１：第１のｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層
３４：第２のｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層

Claims (7)

1. 基板上に発光層を含む半導体層が形成されている発光素子において、前記基板と前記発光層との間に複数の島状部から成るとともに金属から成る光反射層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、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層と、窒化ガリウム系化合物半導体からなる発光層と、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層とが積層された積層体を含むことを特徴とする請求項１記載の発光素子。
3. 前記光反射層は、表層部に窒化物層が形成されていることを特徴とする請求項２記載の発光素子。
4. 前記光反射層は前記基板上に直接形成されており、前記光反射層上に前記半導体層が積層さ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. 前記光反射層上に前記ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層が接していることを特徴とする請求項２乃至４のいずれか記載の発光素子。
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り、前記光反射層はアルミニウムから成ることを特徴とする請求項２乃至５のいずれか記載の発光素子。
7. 請求項１乃至５のいずれかの発光素子と、前記発光素子からの発光を受けて光を発する蛍光体及び燐光体の少なくとも一方とを具備していることを特徴とする照明装置。

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