JP2010135746A - 半導体発光素子およびその製造方法、発光装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】発光効率の向上を図れる半導体発光素子およびその製造方法、発光装置を提供する。
【解決手段】発光装置の半導体発光素子１は、ｎ形ＧａＮ層２２およびｐ形ＧａＮ層２４を有するＬＥＤ薄膜部２と、ＬＥＤ薄膜部２の厚み方向の一面側に直接接合された六角錘状のｎ形ＺｎＯ基板（導電性を有するＺｎＯ基板）３とを備える。カソード電極４は、ｎ形ＧａＮ層２２におけるｐ形ＧａＮ層２４側とは反対側の表面側の平坦部２２ａ上でｎ形ＧａＮ層２２に対してオーミック接触となるように形成され、アノード電極５は、ｎ形ＺｎＯ基板３の下面３１側でｎ形ＺｎＯ基板３に対してオーミック接触となるように形成されている。ｎ形ＧａＮ層２２の上記表面においてカソード電極４が形成されていない領域には、ＬＥＤ薄膜部２で発生した光のうちｎ形ＧａＮ層２２の上記表面側に放射された光の進行方向を変える微細凹凸構造２２ｃが形成されている。
【選択図】図１
【解決手段】発光装置の半導体発光素子１は、ｎ形ＧａＮ層２２およびｐ形ＧａＮ層２４を有するＬＥＤ薄膜部２と、ＬＥＤ薄膜部２の厚み方向の一面側に直接接合された六角錘状のｎ形ＺｎＯ基板（導電性を有するＺｎＯ基板）３とを備える。カソード電極４は、ｎ形ＧａＮ層２２におけるｐ形ＧａＮ層２４側とは反対側の表面側の平坦部２２ａ上でｎ形ＧａＮ層２２に対してオーミック接触となるように形成され、アノード電極５は、ｎ形ＺｎＯ基板３の下面３１側でｎ形ＺｎＯ基板３に対してオーミック接触となるように形成されている。ｎ形ＧａＮ層２２の上記表面においてカソード電極４が形成されていない領域には、ＬＥＤ薄膜部２で発生した光のうちｎ形ＧａＮ層２２の上記表面側に放射された光の進行方向を変える微細凹凸構造２２ｃが形成されている。
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Description
本発明は、半導体発光素子およびその製造方法、発光装置に関するものである。
従来から、発光層が窒化物半導体材料（ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＮなど）により形成されたＬＥＤチップからなる半導体発光素子の高効率化および高出力化の研究開発が各所で行われている。また、この種の半導体発光素子と、半導体発光素子から放射された光によって励起されて半導体発光素子よりも長波長の光を放射する波長変換材料である蛍光体とを組み合わせて半導体発光素子の発光色とは異なる色合いの混色光を出す発光装置の研究開発が各所で行われ、この種の発光装置を一般照明用途に展開する研究開発が盛んになってきている。なお、この種の発光装置としては、例えば、青色光あるいは紫外光を放射する半導体発光素子と蛍光体とを組み合わせて白色の光（白色光の発光スペクトル）を得る白色発光装置（一般的に白色ＬＥＤと呼ばれている）の商品化がなされている。
ところで、上述の半導体発光素子の光出力の高出力化を目的として発光層で発光した光を効率良く外部へ取り出すために、例えば、図８に示すように、半導体発光素子のｎ形ＧａＮ層２４’の表面側に数μｍサイズの錘状突起を設けることで微細凹凸構造を形成したものが提案されている。ここにおいて、図８に示した構成の半導体発光素子は、ｐ形ＧａＮ層２４’と発光層２３’とｎ形ＧａＮ層２２’との積層構造を有するＬＥＤ薄膜部２’におけるｐ形ＧａＮ層２４’が、Ｓｉ基板６’の一表面側に金属膜７’を介して接合されており、Ｓｉ基板６’の他表面側にアノード電極５’が形成されている。ここで、金属膜７’は、ｐ形ＧａＮ層２４’とＳｉ基板６’との間のオーミック性の電気伝導性を確保する役割と、ｐ形ＧａＮ層２４’を通過した光を発光層２３’側へ反射する役割と、ｐ形ＧａＮ層２４’とＳｉ基板６’とを接合する役割とを担っている。
しかしながら、図８に示した構成の半導体発光素子のように、ｎ形ＧａＮ層２２’の上記表面の全面に微細凹凸構造を形成するとともに、ｎ形ＧａＮ層２２’の上記表面側に例えばＴｉ膜とＡｌ膜とＡｕ膜との積層膜からなる島状のカソード電極４’を形成した場合には、ｎ形ＧａＮ層２２’側から入射した光が吸収されやすくなり、発光効率が低下してしまう。また、図８に示した構成の半導体発光素子では、光取り出し効率を向上させるために、金属膜７’の反射率を高めることが考えられるが、電気伝導度および張り合わせ強度を維持する必要があり、歩留まりが低下し生産性が低下してしまう。
また、図８に示した構成の半導体発光素子では、ｎ形ＧａＮ層２２’に対してＫＯＨ溶液を用いた結晶異方性エッチングを行うことにより錘状突起を形成しているので、錘状突起のサイズや密度がｎ形ＧａＮ層２２’の結晶性などに大きく依存してしまい、錘状突起のサイズや密度の再現性が低くて光取り出し効率のばらつきが生じ、結果的に発光効率のばらつきが生じ、歩留まり低下によるコストアップの原因となっていた。
また、従来から、図９に示すように、サファイア基板８’の一表面側に微細凹凸構造８ａ’を形成し、当該サファイア基板８’の上記一表面側に、ｎ形ＧａＮ層２２’と発光層２３’とｐ形ＧａＮ層２４’との積層構造を有するＬＥＤ薄膜部２’を形成した半導体発光素子も提案されている。ここで、図９に示した構成の半導体発光素子は、ｐ形ＧａＮ層２４’における発光層２３’側とは反対側の全面にＩＴＯ膜からなる透明導電膜２５’が形成されて当該透明導電膜２５’上に島状のアノード電極５’が形成されるとともに、ｎ形ＧａＮ層２２’における発光層２３’の積層側に島状のカソード電極４’が形成されている。ここで、図９に示した構成の半導体発光素子においてカソード電極４’を形成するにあたっては、サファイア基板８’の上記一表面側へｎ形ＧａＮ層２２’、発光層２３’、ｐ形ＧａＮ層２４’を順次成長させた後で、ｎ形ＧａＮ層２２’と発光層２３’とｐ形ＧａＮ層２４’との積層膜の所定領域をｐ形ＧａＮ層２４’の表面側からｎ形ＧａＮ層２２’の途中までエッチングすることにより露出させ、ｎ形ＧａＮ層２２’の表面に島状のカソード電極４’を形成している。
図９に示した構成の半導体発光素子は、サファイア基板８’とｎ形ＧａＮ層２２’との界面に微細凹凸構造８ａ’が形成されており、当該微細凹凸構造８ａ’により半導体発光素子内の光の進行方向を変えることで光取り出し効率を向上させ、発光効率を向上させている。
しかしながら、図９に示した構成の半導体発光素子においても、発光効率のより一層の向上が望まれており、光取り出し効率を更に向上させるために、透明導電膜２５’の光透過率を高めることが考えられるが、電気伝導度を維持することが難しく、発光効率を向上させることが難しかった。
また、図８に示した構成の半導体発光素子に対して、図１０に示すように、ｐ形ＧａＮ層２４’と発光層２３’とｎ形ＧａＮ層２２’とを有するＬＥＤ薄膜部と、ｎ形ＧａＮ層２２’の表面の平坦な中央部に形成されたカソード電極４’と、ｐ形ＧａＮ層２４’における発光層２３’側とは反対側に形成されたアノード電極５’と、アノード電極５’におけるｐ形ＧａＮ層２４’側とは反対側に導電性材料からなる接合層（図示せず）を介して接合された支持基板（図示せず）とを備え、ｎ形ＧａＮ層２２’の上記表面においてカソード電極４’が形成されていない領域に、光取り出し効率向上用の微細凹凸構造がＫＯＨ溶液を用いた結晶異方性エッチングにより形成され、アノード電極５’がコンタクト用ＺｎＯ層５ａ’とカソード電極４’の投影領域でのみｐ形ＧａＮ層２４’に接しているショットキー用ＺｎＯ層５ｂ’と電流拡散用ＺｎＯ層５ｃ’とで構成されてなる半導体発光素子が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
ここにおいて、図１０に示した構成の半導体発光素子では、カソード電極４’がｎ形ＧａＮ層２２’の平坦な表面に形成されていることにより、カソード電極４’での光吸収を抑制でき、しかも、アノード電極５’におけるカソード電極４’の投影領域でのｐ形ＧａＮ層２４’との接触抵抗が当該投影領域以外の領域に比べて大きいので、カソード電極４’の直下に電流が集中するのを緩和でき、カソード電極４’に吸収されたり遮られたりする光の割合が減少し、光取り出し効率が向上する。
また、近年、光取り出し効率の向上を目的として、ｎ形ＧａＮ層およびｐ形ＧａＮ層を有するＬＥＤ薄膜部と透明で導電性を有するｎ形ＺｎＯ基板とを接合してから、ｎ形ＺｎＯ基板をエッチング速度の結晶方位依存性を利用した結晶異方性エッチングにより六角錘状に加工してなる半導体発光素子が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。
ここにおいて、上記非特許文献１に開示された半導体発光素子は、ＬＥＤ薄膜部と、ＬＥＤ薄膜部に接合された六角錘状のｎ形ＺｎＯ基板とを備え、ｎ形ＺｎＯ基板の下面にアノード電極が形成されるとともに、ＬＥＤ薄膜部のｎ形ＧａＮ層におけるｎ形ＺｎＯ基板側とは反対側にカソード電極が形成されており、アノード電極およびカソード電極それぞれをバンプを介して実装基板の互いに異なる配線パターン（導体パターン）と接合して用いられる。
「松下電工とＵＣＳＢの新型ＬＥＤ，外部量子効率８０％を目指す」，日経エレクトロニクス，日経ＢＰ社，２００８年２月１１日，ｐ．１６−１７
しかしながら、図１０に示した構成の半導体発光素子は、主としてｎ形ＧａＮ層２２’の微細凹凸構造から光を取り出すことを想定したものであり、発光層２３’からｐ形ＧａＮ層２４’側へ放射された光が接合層で吸収されたり、接合層で反射されてＬＥＤ薄膜部に入射して吸収されてしまうので、発光効率が低いという問題があった。
また、上記非特許文献１に開示された半導体発光素子では、ｎ形ＺｎＯ基板の屈折率がｐ形ＧａＮ層の屈折率よりも小さいので、ＬＥＤ薄膜部で発生した光のうちｎ形ＺｎＯ基板とｐ形ＧａＮ層との接合面に対して低入射角の光がＺｎＯに導入されないので、発光効率のより一層の向上が望まれていた。
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、発光効率の向上を図れる半導体発光素子およびその製造方法、発光装置を提供することにある。
請求項１の発明は、ｎ形ＧａＮ層およびｐ形ＧａＮ層を有するＬＥＤ薄膜部と、ＬＥＤ薄膜部の厚み方向の一面側に直接接合され導電性を有するＺｎＯ基板とを備え、ＺｎＯ基板がＬＥＤ薄膜部側を下面側とする六角錘状の形状に加工され、ＺｎＯ基板の下面に対してアノード電極が形成されるとともに、ｎ形ＧａＮ層におけるｐ形ＧａＮ層側とは反対側の表面の平坦部に対してカソード電極が形成され、ｎ形ＧａＮ層の前記表面においてカソード電極が形成されていない領域に、ＬＥＤ薄膜部で発生した光のうちｎ形ＧａＮ層の前記表面側に放射された光の進行方向を変える微細凹凸構造が形成されてなることを特徴とする。
この発明によれば、ｎ形ＧａＮ層およびｐ形ＧａＮ層を有するＬＥＤ薄膜部と、ＬＥＤ薄膜部の厚み方向の一面側に直接接合された六角錘状のＺｎＯ基板とを備えた構成において、ｎ形ＧａＮ層におけるｐ形ＧａＮ層側とは反対側の表面における平坦部に対してカソード電極が形成されていることにより、ＬＥＤ薄膜部で発生した光がカソード電極で吸収されるのを抑制でき、しかも、ｎ形ＧａＮ層の前記表面においてカソード電極が形成されていない領域に、ＬＥＤ薄膜部で発生した光のうちｎ形ＧａＮ層の前記表面側に放射された光の進行方向を変える微細凹凸構造が形成されているので、ＬＥＤ薄膜部で発生した光を効率良くＺｎＯ基板に導入できるようになって、光取り出し効率が向上し、結果的に発光効率が向上する。
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記微細凹凸構造は、前記ｎ形ＧａＮ層の前記表面において前記カソード電極が形成された前記平坦部であるＮ極性面を含む平面に対して傾斜角が９０度未満の傾斜面を有することを特徴とする。
この発明によれば、傾斜角が９０度以上の場合に比べて光取り出し効率の向上を図れる。
請求項３の発明は、請求項１または請求項２の発明において、前記微細凹凸構造は、前記ｎ形ＧａＮ層の前記表面に角錘状の凹部を２次元アレイ状に設けることにより形成されてなることを特徴とする。
この発明によれば、前記微細凹凸構造が規則正しい微細凹凸パターンにより構成されることとなり、光取り出し効率の向上を図れる。
請求項４の発明は、請求項１ないし請求項３の発明において、前記カソード電極および前記アノード電極は、Ｔｉ膜とＡｌ膜とＡｕ膜との積層膜、Ｔｉ膜とＡｕ膜との積層膜、Ａｌ膜とＡｕ膜との積層膜、Ｔｉ膜とＡｌ膜とＮｉ膜とＡｕ膜との積層膜の群から選択される１つの積層膜により構成されてなることを特徴とする。
この発明によれば、前記カソード電極および前記アノード電極のいずれも最表面側がＡｕ膜となっているので、前記カソード電極および前記アノード電極の酸化を防止することができるとともに、実装基板などにＡｕバンプを利用してフリップチップ実装する際にＡｕバンプとの接合信頼性を高めることができる。また、この発明によれば、前記カソード電極を前記ｎ形ＧａＮ層に形成する一方で、前記アノード電極を前記ＺｎＯ基板に形成し、前記カソード電極と前記アノード電極とを同一の金属材料により構成しているので、前記カソード電極と前記アノード電極とを同一の金属材料として製造時の金属材料の使用量を低減しながらも、前記カソード電極および前記アノード電極のいずれも良好なオーミック接触を得ることができるとともに密着性を高めて信頼性を高めることができる。
請求項５の発明は、請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の半導体発光素子の製造方法であって、前記微細凹凸構造の形成にあたっては、ｎ形ＧａＮ層の前記表面側に転写層を形成する転写層形成工程と、前記微細凹凸構造に応じてパターン設計した凹凸パターンを形成したモールドを転写層に押し付けて前記凹凸パターンを転写層に転写する転写工程と、転写工程の後で転写層およびｎ形ＧａＮ層を前記表面側からドライエッチングすることでｎ形ＧａＮ層の前記表面側に前記微細凹凸構造を形成するパターン形成工程とを備えることを特徴とする。
この発明によれば、ｎ形ＧａＮ層の前記表面側に転写層を形成し、前記微細凹凸構造に応じてパターン設計した凹凸パターンを形成したモールドを転写層に押し付けて前記凹凸パターンを転写層に転写した後で、転写層およびｎ形ＧａＮ層を前記表面側からドライエッチングすることでｎ形ＧａＮ層の前記表面側に前記微細凹凸構造を形成するので、前記微細凹凸構造を再現性良く形成することが可能となり、発光効率の向上を図れる半導体発光素子を低コストで提供できる。
請求項６の発明は、請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の半導体発光素子と、半導体発光素子が一表面側に実装された実装基板と、半導体発光素子から放射される光によって励起されて半導体発光素子よりも長波長の光を放射する蛍光体を含有した透光性材料により形成され実装基板との間で半導体発光素子を囲む形で配設されたドーム状の色変換部材とを備え、実装基板は、前記一表面側に、半導体発光素子のカソード電極およびアノード電極それぞれと各別にバンプを介して接合される複数の配線パターンと、半導体発光素子から実装基板側へ放射された光を反射する反射膜とが設けられてなることを特徴とする。
この発明によれば、請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の半導体発光素子が実装基板の一表面側に実装され、実装基板には、半導体発光素子のカソード電極およびアノード電極それぞれと各別にバンプを介して接合される複数の配線パターンの他に、半導体発光素子から実装基板側へ放射された光を反射する反射膜が設けられているので、半導体発光素子から放射される光と蛍光体から放射される光との混色光の発光効率の向上を図れる。
請求項１の発明では、発光効率の向上を図れるという効果がある。
請求項５の発明では、発光効率の向上を図れる半導体発光素子を提供できるという効果がある。
請求項６の発明では、半導体発光素子から放射される光と蛍光体から放射される光との混色光の発光効率の向上を図れるという効果が得られる。
（実施形態１）
以下、図１に基づいて本実施形態の半導体発光素子１について説明する。
以下、図１に基づいて本実施形態の半導体発光素子１について説明する。
本実施形態の半導体発光素子１は、青色光を放射するＧａＮ系の青色ＬＥＤチップであり、ｎ形ＧａＮ層２２およびｐ形ＧａＮ層２４を有するＬＥＤ薄膜部２と、ＬＥＤ薄膜部２の厚み方向の一面側に直接接合されたｎ形ＺｎＯ基板３とを備え、ｎ形ＺｎＯ基板３がＬＥＤ薄膜部２側を下面３１側とする六角錘状の形状に加工されており、カソード電極４がｎ形ＧａＮ層２２におけるｐ形ＧａＮ層２４側とは反対側の表面側でｎ形ＧａＮ層２２に対してオーミック接触となるように形成されるとともに、アノード電極５がｎ形ＺｎＯ基板３におけるｐ形ＧａＮ層２４側でｎ形ＺｎＯ基板３に対してオーミック接触となるように形成されている。なお、本実施形態では、ｎ形ＺｎＯ基板３が導電性を有するＺｎＯ基板を構成している。
ここにおいて、本実施形態の半導体発光素子１は、ＬＥＤ薄膜部２が、ｎ形ＧａＮ層２２と発光層２３とｐ形ＧａＮ層２４との積層構造を有しており、ｎ形ＧａＮ層２２におけるｐ形ＧａＮ層２４側とは反対側の表面の平坦部２２ａに対して島状（ここでは、正方形状）のカソード電極４が形成され、ｎ形ＧａＮ層２２の上記表面においてカソード電極４が形成されていない領域に、ＬＥＤ薄膜部２で発生した光のうちｎ形ＧａＮ層２２の上記表面側に放射された光（つまり、ｎ形ＺｎＯ基板３側とは反対側に放射された光）の進行方向を変える微細凹凸構造２２ｃが形成されている。したがって、本実施形態の半導体発光素子１は、発光層２３の厚み方向の一方側に微細凹凸構造２２ｃを有するｎ形ＧａＮ層２２を備え、他方側にｐ形ＧａＮ層２４に直接接合された六角錘状のｎ形ＺｎＯ基板３を備えている。
ＬＥＤ薄膜部２の平面視形状は、五角形状であり、５辺のうちの４辺がｎ形ＺｎＯ基板３の正六角形状の下面３１の４辺に沿った形状に形成してあり、ｎ形ＺｎＯ基板３の下面３１においてｐ形ＧａＮ層２４が直接接合されていない部位に島状（ここでは、正方形状）のアノード電極５を形成してある。しかして、本実施形態の半導体発光素子１は、ｎ形ＧａＮ層２２と発光層２３とｐ形ＧａＮ層２４との平面サイズを同じにすることができる。ただし、ｎ形ＧａＮ層２２上のカソード電極４の形状、サイズ、数および配置は特に限定するものではないが、数については放熱性を向上させる観点から複数であることが望ましく、形状および配置についても放熱性を考慮して設計することが望ましい。なお、ＬＥＤ薄膜部２は、後述のように当該ＬＥＤ薄膜部２にｎ形ＺｎＯ基板３の基礎となるｎ形ＺｎＯウェハを直接接合する前に、一表面が（０００１）面であるサファイアウェハの上記一表面側に有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）のようなエピタキシャル成長技術を利用して成膜している。ここで、ＬＥＤ薄膜部２のエピタキシャル成長方法は、ＭＯＶＰＥ法に限定するものではなく、例えば、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ法）や、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）などを採用してもよい。
また、発光層２３は、ＧａＮ層からなる障壁層によりＩｎＧａＮ層からなる井戸層が挟まれた量子井戸構造を有しており、当該発光層２３の発光ピーク波長が４５０ｎｍとなるようにＩｎＧａＮ層の組成を設定してあるが、発光波長（発光ピーク波長）は特に限定するものではない。ここで、発光層２３の量子井戸構造は単一量子井戸構造に限らず、多重量子井戸構造でもよい。また、発光層２３は、必ずしも量子井戸構造を有している必要はなく、単層構造でもよい。また、発光層２３の材料も窒化物半導体材料であればよく、所望の発光波長に応じて、例えば、ＡｌＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＮ、ＡｌＧａＮなどを適宜採用してもよい。
なお、ＬＥＤ薄膜部２の積層構造については、ｎ形ＧａＮ層２２およびｐ形ＧａＮ層２４以外は特に限定するものではなく、例えば、ｎ形ＧａＮ層２２とｐ形ＧａＮ層２４とだけの積層構造でもよいし、発光層２３とｐ形ＧａＮ層との間にｐ形ＡｌＧａＮ層が介在した積層構造でもよい。
ところで、ＧａＮおよびＺｎＯはウルツ鉱型の結晶構造でｃ軸方向に極性を有する有極性半導体であり、ＬＥＤ薄膜部２は、ｎ形ＧａＮ層２２における発光層２３側とは反対側の上記表面の平坦部２２ａがＮ極性面である（０００−１）面により構成され、ｐ形ＧａＮ層２４における発光層２３側とは反対側の表面がＧａ極性面である（０００１）面により構成されており、ｎ形ＺｎＯ基板３は、ＬＥＤ薄膜部２側の上記下面３１がＺｎ極性面である（０００１）面により構成され、ＬＥＤ薄膜部２側とは反対側の上面３２がＯ極性面である（０００−１）面により構成されている。要するに、ＬＥＤ薄膜部２とｎ形ＺｎＯ基板３とは、ｎ形ＺｎＯ基板３のＺｎ極性面とｐ形ＧａＮ層２４のＧａ極性面とが直接接合されている。
ｎ形ＺｎＯ基板３は、ドーピングではなく酸素空孔もしくは亜鉛の格子間原子欠陥によりｎ形の導電形を示すものを用いてもよいが、ドーピングによって導電形をｎ形とし且つ導電率を制御したもの、例えば、ＧａドープＺｎＯ基板（ＧＺＯ基板）や、ＡｌドープＺｎＯ基板（ＡＺＯ基板）を用いる方が、アノード電極５とのオーミック接触の接触抵抗を低減するうえでより好ましい。ただし、本実施形態では、後述のようにｎ形ＺｎＯ基板３の基礎となるｎ形ＺｎＯウェハとして水熱合成法を利用して製造されものを用いているので、ｎ形ＺｎＯ基板３が導電性（電気伝導性）を有し且つ可視光に対する光透過率が非常に高いので、光吸収損失を低く抑えることができる。
また、上述のカソード電極４およびアノード電極５は、Ｔｉ膜とＡｌ膜とＡｕ膜との積層膜により構成してあり、カソード電極４およびアノード電極５のいずれも最表面側がＡｕ膜により構成されている。ここで、カソード電極４およびアノード電極５は、Ｔｉ膜の膜厚を１０ｎｍ、Ａｌ膜の膜厚を５０ｎｍ、Ａｕ膜の膜厚を５００ｎｍにそれぞれ設定してあるが、これらの数値は一例であって特に限定するものではない。いずれにしても、本実施形態の半導体発光素子１では、カソード電極４とアノード電極５とが同一の金属材料により形成され、同一の電極構造を有しており、カソード電極４およびアノード電極５それぞれを構成する積層膜において厚み方向で重なる膜同士の密着性を高めることができるとともに、ｎ形ＧａＮ層２２およびｎ形ＺｎＯ基板３に対する密着性を高めることができる。ここにおいて、本実施形態では、カソード電極４とアノード電極５とを電子ビーム蒸着法（ＥＢ蒸着法）により同時に形成している。
なお、カソード電極４およびアノード電極５のパターニングは、リフトオフ法を利用している。すなわち、カソード電極４およびアノード電極５の形成にあたっては、カソード電極４およびアノード電極５それぞれの形成予定領域が開口されたレジスト層を形成してから、電子ビーム蒸着法によりカソード電極４およびアノード電極５を形成し、レジスト層上の不要膜をレジスト層とともに除去するようにしている。また、本実施形態の半導体発光素子では、ｎ形ＧａＮ層２２の膜厚を４μｍ程度と比較的大きく設定してあり且つｎ形ＧａＮ層２２の電気伝導性が高いので、カソード電極４のサイズを小さくしながらも良好なオーミック接触（オーミックコンタクト）を得ることができる。ただし、ｎ形ＧａＮ層２２の膜厚は特に限定するものではない。
本実施形態の半導体発光素子１では、カソード電極４およびアノード電極５として、上述のようにＴｉ膜とＡｌ膜とＡｕ膜との積層膜を採用することにより、それぞれｎ形ＧａＮ層２２、ｎ形ＺｎＯ基板３に対して良好なオーミック接触（低接触抵抗のオーミック接触）を得ることができるが、上記積層膜に限らず、Ｔｉ膜とＡｕ膜との積層膜、Ａｌ膜とＡｕ膜との積層膜、Ｔｉ膜とＡｌ膜とＮｉ膜とＡｕ膜との積層膜の群から選択される１つの積層膜により構成してもよく、いずれの構成でも、カソード電極４およびアノード電極５の最表面側がＡｕ膜となるので、カソード電極４およびアノード電極５の酸化を防止することができるとともに、実装基板２０にＡｕバンプからなるバンプ４０，４０を利用してフリップチップ実装する際にバンプ４０，４０との接合信頼性を高めることができる。また、本実施形態の半導体発光素子１では、カソード電極４をｎ形ＧａＮ層２２に形成する一方で、アノード電極５をｎ形ＺｎＯ基板３に形成し、カソード電極４とアノード電極５とを同一の金属材料により構成しているので、カソード電極４とアノード電極５とを同一の金属材料として製造時の金属材料の使用量を低減しながらも、カソード電極４およびアノード電極５のいずれも良好なオーミック接触を得ることができるとともに密着性を高めて信頼性を高めることができる。
ただし、カソード電極４とアノード電極５とは必ずしも同一の電極構造にする必要はなく、例えば、アノード電極５をＴｉ膜とＡｕ膜との積層膜により構成する一方で、カソード電極４をＴｉ膜とＡｌ膜とＮｉ膜とＡｕ膜との積層膜により構成してもよい。
本実施形態の半導体発光素子１では、アノード電極５とカソード電極４との間に順方向バイアス電圧を印加することにより、トンネル電流注入によりアノード電極５からｐ形ＧａＮ層２４へホールが注入されるとともに、カソード電極４からｎ形ＧａＮ層２２へ電子が注入され、発光層２３に注入された電子とホールとが再結合することで発光し、ｎ形ＺｎＯ基板３の各側面３３および上面３２などから光が放射される。なお、波長が４５０ｎｍの光に対するＺｎＯの屈折率は２．１、ＧａＮの屈折率は２．４、空気の屈折率は１である。
ところで、本実施形態の半導体発光素子１は、上述のように、ｎ形ＧａＮ層におけるｐ形ＧａＮ層２４側とは反対側の上記表面においてカソード電極４が形成されていない領域に、ＬＥＤ薄膜部２で発生した光のうちｎ形ＧａＮ層２２の上記表面側に放射された光の進行方向を変える微細凹凸構造２２ｃが形成されているが、この微細凹凸構造２２ｃは、ｎ形ＧａＮ層２２の上記表面に多数の凹部２２ｂを２次元アレイ状に設けることにより形成してある（仮想正方格子の各格子点それぞれに凹部２２ｂを形成してある）ので、規則正しい微細凹凸パターンにより構成される。ここで、本実施形態では、微細凹凸構造２２ｃの各凹部２２ｂの開口形状を１辺が５μｍの正方形状として隣り合う凹部２２ｂ間の距離を５μｍとし、且つ、各凹部２２ｂの内側面とカソード電極４が形成された平坦部２２ａであるＮ極性面を含む平面とのなす角度を略９０度としてあり、微細凹凸構造２２ｃの断面形状が矩形波状となっている。
なお、図１（ａ）は、本実施形態の半導体発光素子１を実装基板５０に対してｎ形ＺｎＯ基板３よりもＬＥＤ薄膜部２が近くなる形で実装した発光装置を示しており、カソード電極４およびアノード電極５それぞれが、Ａｕバンプからなるバンプ４０，４０を介して、実装基板５０における絶縁性基板５０ａの一表面側に形成された配線パターン（導体パターン）５４，５４と接合されている。ここで、実装基板５０は、半導体発光素子１で発生した熱を伝熱させる伝熱板を兼ねたものであり、絶縁性基板５０ａとして、ガラスエポキシ樹脂基板などの有機系基板に比べて熱伝導率の高い窒化アルミニウム基板を用いているが、窒化アルミニウム基板に限らず、例えば、アルミナ基板や、ホーロー基板、表面にシリコン酸化膜が形成されたシリコン基板などを用いてもよい。また、各バンプ４０，４０の材料は、Ａｕに限らず、半田などでもよいが、半導体発光素子１で発生した熱を効率的に放熱させるには、半田に比べて熱伝導率の高いＡｕを採用することが好ましい。また、バンプ４０の数が多いほど半導体発光素子１と実装基板５０との間の熱抵抗を低減できて放熱性を高めることができる。また、絶縁性基板５０ａの上記一表面側には、半導体発光素子１から実装基板５０側へ放射された光を所望の方向へ反射する反射膜を設けて、発光装置としての発光効率を向上させることが好ましい。
以下、本実施形態の半導体発光素子１の製造方法について説明する。
上述の半導体発光素子１の製造にあたっては、まず、上述のサファイアウェハの上記一表面側にノンドープのＧａＮ層からなるバッファ層を介してｎ形ＧａＮ層２２と発光層２３とｐ形ＧａＮ層２４との積層構造を有するＬＥＤ薄膜部２をＭＯＶＰＥ法などにより成長する結晶成長工程を行い、その後、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用してＬＥＤ薄膜部２を所定形状（本実施形態では、上述の五角形状の形状）にパターニングするパターニング工程を行う。次に、サファイアウェハの上記一表面側のＬＥＤ薄膜部２とｎ形ＺｎＯ基板３の基礎となるｎ形ＺｎＯウェハとを直接接合する接合工程を行ってから、ＬＥＤ薄膜部２からサファイアウェハを除去するウェハリフトオフ工程を行う。続いて、ｎ形ＧａＮ層２２の上記表面に微細凹凸構造２２ｃを形成する微細凹凸構造形成工程を行い、その後、カソード電極４およびアノード電極５を形成する電極形成工程を行う。その後、ｎ形ＺｎＯウェハにおけるＬＥＤ薄膜部２側とは反対側に所定形状（ｎ形ＺｎＯ基板３の上面３２の形状に相当する形状）にパターニングされたマスク層を形成するマスク層形成工程を行い、続いて、塩酸系のエッチング液（例えば、塩酸水溶液など）を用いてエッチング速度の結晶方位依存性を利用した結晶異方性エッチングを行うことによりｎ形ＺｎＯウェハの一部からなる六角錘状のｎ形ＺｎＯ基板３を形成する加工工程を行い、その後、上記マスク層を除去するマスク層除去工程を行うようにしている。
上述のｎ形ＺｎＯウェハとしては、転位欠陥密度が１０３ｃｍ−２以下で結晶性の優れた単結晶ＺｎＯウェハであり、量産に適した水熱合成法を利用して製造されものを用いている。また、上述の接合工程では、ＬＥＤ薄膜部２とｎ形ＺｎＯウェハとの互いの接合表面を清浄化した後、ＬＥＤ薄膜部２におけるサファイアウェハ側とは反対側にｎ形ＺｎＯウェハを重ね合わせ、所定圧力（例えば、２ＭＰａ）を印加しながら、熱処理を行うことにより、ＬＥＤ薄膜部２とｎ形ＺｎＯウェハとを直接接合する。ここで、上述の所定圧力の値は特に限定するものではなく、また、ｎ形ＺｎＯウェハのウェハサイズに応じて適宜変更すればよい。また、熱処理の条件としては、雰囲気を窒素ガス雰囲気として熱処理温度を８００℃としているが、これらの条件は一例であって、特に限定するものではない。
また、微細凹凸構造形成工程では、ｎ形ＧａＮ層２２の表面側に各凹部２２ｂそれぞれに対応する領域が開口されたレジスト層（以下、第１のレジスト層と称する）をフォトリソグラフィ技術を利用して形成し、その後、第１のレジスト層をマスクとして、塩素系ガス（例えば、Ｃｌ２ガス、ＢＣｌ３ガス、Ｃｌ２ガスとＢＣｌ３ガスとの混合ガスなど）をエッチングガスとして用いたドライエッチングによりｎ形ＧａＮ層２２を異方性エッチングすることにより各凹部２２ｂを形成し、その後、第１のレジスト層を除去するようにしている。ここにおいて、ｎ形ＧａＮ層２２を異方性エッチングする際、上述の平坦部２２ａは第１のレジスト層により覆われている。
また、電極形成工程では、ｎ形ＺｎＯウェハにおけるＬＥＤ薄膜部２との接合面側にカソード電極４およびアノード電極５それぞれの形成予定領域が開口されたレジスト層（以下、第２のレジスト層と称する）をフォトリソグラフィ技術を利用して形成してから、電子ビーム蒸着法などによりカソード電極４およびアノード電極５を同時に形成し、続いて、第２のレジスト層および第２のレジスト層上の不要膜を有機溶剤（例えば、アセトンなど）を用いて除去すればよい（リフトオフすればよい）。
六角錘状のｎ形ＺｎＯ基板３の高さ（厚さ）は、ｎ形ＺｎＯウェハの厚さで規定することができ、本実施形態では、ｎ形ＺｎＯウェハとして厚さが５００μｍのものを用いているので、ｎ形ＺｎＯ基板３の高さは５００μｍとなっているが、ｎ形ＺｎＯウェハの厚さは特に限定するものではない。また、ｎ形ＺｎＯ基板３の下面３１に対する各側面３３それぞれの傾斜角は、ｎ形ＺｎＯウェハの結晶軸方向で規定される。本実施形態では、ＬＥＤ薄膜部２側がＺｎ極性面である（０００１）面、ＬＥＤ薄膜部２側とは反対側がＯ極性面である（０００−１）面のｎ形ＺｎＯウェハに対して上述の結晶異方性エッチングを行うことによりｎ形ＺｎＯ基板３を形成しているので、ｎ形ＺｎＯ基板３の各側面３３は、｛１０−１−１｝面により構成されており、再現性良く傾斜角が６０°の側面３３を形成することができる。しかも、本実施形態では、上記マスク層を平面視正六角形状の形状としてｎ形ＺｎＯウェハの結晶異方性エッチングを行うので、上記マスク層の平面サイズによりｎ形ＺｎＯ基板３の上面３２の面積を規定することができ、上記マスク層の平面サイズとｎ形ＺｎＯウェハの厚さとでｎ形ＺｎＯ基板３の下面３１の面積を規定することができるから、ｎ形ＺｎＯウェハの厚さを変更することなしに上記マスク層の平面サイズを大きくすることによりｎ形ＺｎＯ基板３の下面３１の面積を大きくすることができ、発光層２３の大面積化による高出力化を図ることも可能である。
以上説明した本実施形態の半導体発光素子１によれば、ｎ形ＧａＮ層２２およびｐ形ＧａＮ層２４を有するＬＥＤ薄膜部２と、ＬＥＤ薄膜部２の厚み方向の上記一面側に直接接合された六角錘状のｎ形ＺｎＯ基板３とを備えた構成において、ｎ形ＧａＮ層２２におけるｐ形ＧａＮ層２４側とは反対側の表面における平坦部２２ａに対してカソード電極４が形成されていることにより、ＬＥＤ薄膜部２で発生した光がカソード電極４で吸収されるのを抑制でき、しかも、ｎ形ＧａＮ層２２の上記表面においてカソード電極４が形成されていない領域に、ＬＥＤ薄膜部２で発生した光のうちｎ形ＧａＮ層２２の上記表面側に放射された光の進行方向を変える微細凹凸構造２２ｃが形成されているので、ＬＥＤ薄膜部２で発生した光を効率良くｎ形ＺｎＯ基板３に導入できるようになって、光取り出し効率が向上し、結果的に発光効率が向上する。また、本実施形態では、微細凹凸構造２２ｃをフォトリソグラフィ技術とドライエッチング技術とを利用して形成しているので、微細凹凸構造２２ｃを所望の形状およびサイズで再現性良く形成することができる。
また、本実施形態の半導体発光素子１は、発光層２３の厚み方向の一方側に微細凹凸構造２２ｃを有するｎ形ＧａＮ層２２を備え、他方側にｐ形ＧａＮ層２４に直接接合された六角錘状のｎ形ＺｎＯ基板３を備えているので、発光層２３の厚み方向の両側への光の出射経路を確保することができるから、当該半導体発光素子１内部での光の多重反射の回数を低減でき、多重反射に起因した光吸収損失の低減による光取り出し効率の向上を図れ、発光効率の向上を図れる。また、本実施形態の半導体発光素子１では、カソード電極４おおびアノード電極５の両方を島状に形成しながらも、カソード電極４およびアノード電極５それぞれについて良好なオーミック接触を得ることができるので、所望の電気的特性を維持しつつ、カソード電極４およびアノード電極５の面積を縮小することができ、カソード電極４とｎ形ＧａＮ層２２との界面、アノード電極５とｎ形ＺｎＯ基板３との界面それぞれでの光吸収損失を低減することができる。また、本実施形態の半導体発光素子１では、カソード電極４をｎ形ＧａＮ層２２の平坦部２２ａに形成しているので、ｎ形ＧａＮ層２２の微細凹凸構造２２ｃにカソード電極４を形成する場合に比べて、カソード電極４とｎ形ＧａＮ層２２との接触面積を低減でき且つ発光層２３側からの光を効率良く反射することができるので、カソード電極４とｎ形ＧａＮ層２２との界面での光吸収損失を低減することができる。
なお、本実施形態の半導体発光素子１では、ＬＥＤ薄膜部２をｎ形ＺｎＯ基板３と接合してあるが、ＺｎＯの構成元素であるＺｎおよびＯは豊富な資源であり且つ無毒なので、今後、低コスト化および安定供給の点で有望であると考えられる。また、本実施形態の半導体発光素子１では、ｎ形ＺｎＯ基板３の下面３１側にカソード電極４およびアノード電極５が形成されており、ｎ形ＺｎＯ基板３の下面３１に対する各側面３３の傾斜角が６０°となっているので、出射光の広がり角を大きくすることができる。ここにおいて、単位立体角当たりの放射光強度が最大値に対して５０％以上となる角度範囲を光出射角（出射光の広がり角）と定義すると、本実施形態の半導体発光素子１の光出射角は１２０°以上となる。
（実施形態２）
本実施形態の半導体発光素子１および発光装置の基本構成は実施形態１と略同じであり、図２および図３に示すように、微細凹凸構造２２ｃの形状が相違するだけである。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を適宜省略する。
本実施形態の半導体発光素子１および発光装置の基本構成は実施形態１と略同じであり、図２および図３に示すように、微細凹凸構造２２ｃの形状が相違するだけである。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を適宜省略する。
本実施形態における微細凹凸構造部２２ｃは、凹部２２ｂの内側面が、ｎ形ＧａＮ層２２の上記表面においてカソード電極４が形成された平坦部２２ａであるＮ極性面を含む平面に対して傾斜角θが９０度未満の傾斜面により構成されており、傾斜角θが９０度以上の場合に比べて光取り出し効率の向上を図れる。より具体的には、微細凹凸構造２２ｃは、各凹部２２ｂを角錘状（ここでは、四角錘状）の形状に形成してあり、凹部２２ｂの４つの内側面それぞれの傾斜角θが６０度となっているが、傾斜角θは６０度に限定するものではない。
本実施形態の半導体発光素子１の製造方法は、実施形態１で説明した製造方法と略同じであって、微細凹凸構造２２ｃを形成する微細凹凸構造形成工程が相違するだけなので、微細凹凸構造形成工程について図４を参照しながら説明する。
微細凹凸構造形成工程では、微細凹凸構造２２ｃの形成にあたって、ｎ形ＧａＮ層２２の上記表面側に転写層６０を形成する転写層形成工程を行うことにより図４（ａ）に示す構造を得てから、微細凹凸構造２２ｃに応じてパターン設計した凹凸パターン７１を形成したモールド７０を転写層６０に押し付けて凹凸パターン７１を転写層６０に転写する転写工程を行う。転写層形成工程では、例えば、ＰＭＭＡなどのレジストをスピンコート法により塗布することにより転写層６０を形成し、転写工程では、図４（ｂ）に示すようにモールド７０を転写層６０に対向させて位置合わせを行ってから、転写層６０を加熱して軟化させた状態でモールド７０を転写層６０に接触させモールド７０を所定圧力で加圧することで図４（ｃ）に示すように転写層６０を変形させ、転写層６０を冷却してから、モールド７０を転写層６０から離すことで図４（ｄ）に示す構造を得るようにしている。ここにおいて、上述のモールド７０の凹凸パターン７１は、四角錘状の凸部７１ａが二次元アレイ状に配列されており、転写層６０は、四角錘状の凹部６１ａが二次元アレイ状に配列された形にパターニングされる。なお、転写層６０においてｎ形ＧａＮ層２２の上記平坦部２２ａに対応する部分６１ｂには、凹部６１ａが形成されないようにモールド７０の形状を設計してある。また、転写層形成工程では、転写層６０の加熱、冷却を行っているが、転写層６０ではなく、モールド７０の加熱、冷却を行うようにしてもよい。また、転写層６０の材料は、レジストに限定するものではない。
上述の転写工程の後、転写層６０およびｎ形ＧａＮ層２２を当該ｎ形ＧａＮ層２２の上記表面側からドライエッチングすることでｎ形ＧａＮ層２２の上記表面側に微細凹凸構造２２ｃを形成するパターン形成工程を行うことにより、図４（ｅ）に示す構造を得る。なお、パターン形成工程では、塩素系ガス（例えば、Ｃｌ２ガス、ＢＣｌ３ガス、Ｃｌ２ガスとＢＣｌ３ガスとの混合ガスなど）をエッチングガスとして用いる。
しかして、本実施形態の半導体発光素子１の製造方法によれば、ｎ形ＧａＮ層２２の上記表面側に転写層６０を形成し、微細凹凸構造２２ｃに応じてパターン設計した凹凸パターン７１を形成したモールド７０を転写層６０に押し付けて凹凸パターン７１を転写層６０に転写した後で、転写層６０およびｎ形ＧａＮ層２２をドライエッチングすることでｎ形ＧａＮ層２２の上記表面側に微細凹凸構造２２ｃを形成するので、微細凹凸構造２２ｃを再現性良く形成することが可能となり、発光効率の向上を図れる半導体発光素子１を低コストで提供できる。
（実施形態３）
本実施形態の半導体発光素子１および発光装置の基本構成は実施形態２と略同じであり、図５に示すように、微細凹凸構造２２ｃの形状が相違する（図３で説明した傾斜角θが異なる）するとともに、ｎ形ＧａＮ層２２の平坦部２２ａ、カソード電極４、アノード電極５の数が２つずつに増えている点が相違する。なお、実施形態２と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を適宜省略する。
本実施形態の半導体発光素子１および発光装置の基本構成は実施形態２と略同じであり、図５に示すように、微細凹凸構造２２ｃの形状が相違する（図３で説明した傾斜角θが異なる）するとともに、ｎ形ＧａＮ層２２の平坦部２２ａ、カソード電極４、アノード電極５の数が２つずつに増えている点が相違する。なお、実施形態２と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を適宜省略する。
また、本実施形態の半導体発光素子１では、カソード電極４およびアノード電極５を、Ａｌ膜とＡｕ膜との積層膜により構成してあり、Ａｌ膜の膜厚を１００ｎｍ、Ａｕ膜の膜厚を５００ｎｍにそれぞれ設定してあるが、これらの数値は一例であって特に限定するものではない。なお、カソード電極４およびアノード電極５の積層膜は、Ａｌ膜とＡｕ膜との積層膜に限らず、例えば、Ｔｉ膜とＡｌ膜とＡｕ膜との積層膜、Ｔｉ膜とＡｕ膜との積層膜、Ｔｉ膜とＡｌ膜とＮｉ膜とＡｕ膜との積層膜でもよい。
ここで、図５における半導体発光素子１の実施例において、カソード電極４およびアノード電極５の反射率（光反射率）を種々変化させた場合の光取り出し効率についてシミュレーションした結果を図６の「イ」に示し、図８に示した従来例の半導体発光素子において、カソード電極４’および金属膜７’の反射率を種々変化させた場合の光取り出し効率についてシミュレーションした結果を図６の「ロ」に示す。図６から、実施例および従来例のいずれも、反射率が高くなるにつれて光取り出し効率が高くなり、また、実施例の方が従来例よりも光取り出し効率が高くなることが分かる。ここにおいて、反射率を１００％にするのは無理であり、波長が４６０ｎｍの光に対するＡｌの反射率は９２％程度であるから、実施例と従来例とを同じ９２％の反射率で比較すると、実施例の方が従来例に比べて光取り出し効率を大幅に向上できることが分かる（従来例では光取り出し効率が６３％程度であるのに対して、実施例では光取り出し効率が９７％程度となる）。このような実施例と従来例との光取り出し効率の大きな差については、図８に示した従来例の半導体発光素子では発光層２３’に対向するように平坦な金属膜７’がＳｉ基板６’の上記一表面側の全面に形成されており、光吸収損失による光取り出し効率の低下量が金属膜７’の反射率に強く依存しているのに対して、実施例の半導体発光素子１では光吸収損失の原因となるカソード電極４とｎ形ＧａＮ層２２との界面の面積を低減でき、かつ、発光層２３の厚み方向の一方側に微細凹凸構造２２ｃを有するｎ形ＧａＮ層２２を備え、他方側にｐ形ＧａＮ層２４に直接接合された六角錘状のｎ形ＺｎＯ基板３を備えていることにより、従来例よりも光を効率良く外部へ放出することが可能となるからであると考えられる。
本実施形態の半導体発光素子１では、上述のように光取り出し効率の向上を図れるので、カソード電極４においてｎ形ＧａＮ層２２に接する金属材料として反射率がさほど高くないＡｌを採用しながらも、光取り出し効率が９７％という非常に高い値となる。また、本実施形態では、カソード電極４の電極材料の選択肢が多くなり、電極形成工程が容易になるとともに、発光効率の高い半導体発光素子１の生産性を向上できる。
（実施形態４）
本実施形態の発光装置の基本構成は実施形態３と略同じであり、図７に示すように、半導体発光素子１から放射される光によって励起されて半導体発光素子１よりも長波長の光を放射する波長変換材料である蛍光体を含有した透光性材料により形成され実装基板５０との間で半導体発光素子１を囲む形で配設されたドーム状の色変換部材８０を備えている点が相違する。なお、実施形態３と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
本実施形態の発光装置の基本構成は実施形態３と略同じであり、図７に示すように、半導体発光素子１から放射される光によって励起されて半導体発光素子１よりも長波長の光を放射する波長変換材料である蛍光体を含有した透光性材料により形成され実装基板５０との間で半導体発光素子１を囲む形で配設されたドーム状の色変換部材８０を備えている点が相違する。なお、実施形態３と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
本実施形態の発光装置は、実施形態１の発光装置と同様、半導体発光素子１から実装基板５０側へ放射された光を反射する反射膜（図示せず）を備えており、上記反射膜の材料として、半導体発光素子１から放射される光に対して反射率が高く且つ絶縁性を有する白色のレジストを採用しているので、実装基板５０における絶縁性基板５０ａの上記一表面の露出部位をなくすことができる。すなわち、上記反射膜の材料として金属などの導電性材料を採用した場合には配線パターン５４との短絡を防ぐために配線パターン５４との間に隙間を設ける必要があるが、絶縁性を有する材料を採用することで、反射膜の一部が配線パターン５４の一部に重なるようにパターニングされていてもよくなるので、実装基板５０における絶縁性基板５０ａの上記一表面の露出部位をなくすことができる。なお、絶縁性基板５０ａがＡｌＮよりも反射率の低い材料により形成されている場合には、上記反射膜の材料としてＡｌＮを採用してもよい。
また、色変換部材８０は、実装基板５０側の端縁（開口部の周縁）を実装基板５０に対して、例えば接着剤（例えば、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂など）を用いて固着すればよい。
上述の色変換部材８０は、蛍光体（蛍光体粒子）が当該蛍光体よりも屈折率が小さな透光性材料（例えば、シリコーン樹脂など）に分散されており、蛍光体として、赤色蛍光体粒子および緑色蛍光体粒子を採用している。したがって、本実施形態の発光装置は、半導体発光素子１から放射された青色光と色変換部材８０の赤色蛍光体粒子および緑色蛍光体粒子それぞれから光とが色変換部材８０の光出射面（外面）７０ｂを通して放射されることとなり、白色光を得ることができる。ここで、色変換部材８０の蛍光体としては、赤色蛍光体粒子および緑色蛍光体粒子を用いる代わりに、例えば、黄色蛍光体粒子を用いてもよいし、緑色蛍光体粒子と橙色蛍光体粒子とを用いてもよいし、黄緑色蛍光体粒子と橙色蛍光体粒子とを用いてもよい。また、半導体発光素子１として青色光を放射するものを用いる代わりに、紫外光を放射するものを用い、蛍光体として赤色蛍光体粒子、緑色蛍光体粒子および青色蛍光体粒子を用いることで白色光を得るようにしてもよい。また、色変換部材８０の透光性材料は、シリコーン樹脂に限らず、例えば、ガラスでもよく、シリコーン樹脂やガラスを採用することにより、励起光として一般的な青色光や紫外光を採用した場合に透光性材料が励起光により劣化するのを抑制することができる。また、色変換部材８０の透光性材料としては、シリコーン樹脂やガラスに限らず、例えば、アクリル樹脂、有機成分と無機成分とがｎｍレベルもしくは分子レベルで混合、結合した有機・無機ハイブリッド材料などを採用してもよい。
以上説明した本実施形態の発光装置では、半導体発光素子１の光取り出し効率が従来例に比べて高く、しかも、実装基板５０には、半導体発光素子１のカソード電極４およびアノード電極５それぞれと各別にバンプ４０，４０を介して接合される複数の配線パターン５４，５４の他に、半導体発光素子１から実装基板５０側へ放射された光を反射する上記反射膜が設けられているので、半導体発光素子１から放射される光と蛍光体から放射される光との混色光の発光効率の向上を図れる。また、本実施形態の発光装置では、色変換部材８０と半導体発光素子１との間に気体層（例えば、空気層）９０が介在しており、半導体発光素子１から放射されて色変換部材８０に入射し色変換部材８０中の蛍光体により散乱された光のうち半導体発光素子１側へ戻る光の光量を低減できて、半導体発光素子１から放射される光と色変換部材８０の蛍光体から放射される光との混色光の取り出し効率を高めることができ、光出力の向上を図れ、しかも、外部雰囲気中の水分が半導体発光素子１に到達しにくくなるという利点がある。気体層９０の気体は空気に限らず、例えば、窒素ガスなどでもよい。
なお、本実施形態の発光装置において、色変換部材８０の代わりに、蛍光体を含まず透光性材料のみで形成されたカバー部材を用いてもよく、この場合には、半導体発光素子１と同じ発光色の光について発光効率の高い発光装置を実現できる。
ところで、上記各実施形態では、半導体発光素子１から放射される光が青色光となるように発光層２３を設計してあるが、半導体発光素子１から放射される光は青色光に限らず、例えば、赤色光、緑色光、紫色光、紫外光などでもよい。
１ 半導体発光素子
２ ＬＥＤ薄膜部
３ ｎ形ＺｎＯ基板
４ カソード電極
５ アノード電極
２２ ｎ形ＧａＮ層
２２ａ 平坦部
２２ｂ 凹部
２２ｃ 微細凹凸構造
２３ 発光層
２４ ｐ形ＧａＮ層
４０ バンプ
５０ 実装基板
５４ 配線パターン
６０ 転写層
７０ モールド
７１ 凹凸パターン
８０ 色変換部材
２ ＬＥＤ薄膜部
３ ｎ形ＺｎＯ基板
４ カソード電極
５ アノード電極
２２ ｎ形ＧａＮ層
２２ａ 平坦部
２２ｂ 凹部
２２ｃ 微細凹凸構造
２３ 発光層
２４ ｐ形ＧａＮ層
４０ バンプ
５０ 実装基板
５４ 配線パターン
６０ 転写層
７０ モールド
７１ 凹凸パターン
８０ 色変換部材
Claims (6)
- ｎ形ＧａＮ層およびｐ形ＧａＮ層を有するＬＥＤ薄膜部と、ＬＥＤ薄膜部の厚み方向の一面側に直接接合され導電性を有するＺｎＯ基板とを備え、ＺｎＯ基板がＬＥＤ薄膜部側を下面側とする六角錘状の形状に加工され、ＺｎＯ基板の下面に対してアノード電極が形成されるとともに、ｎ形ＧａＮ層におけるｐ形ＧａＮ層側とは反対側の表面の平坦部に対してカソード電極が形成され、ｎ形ＧａＮ層の前記表面においてカソード電極が形成されていない領域に、ＬＥＤ薄膜部で発生した光のうちｎ形ＧａＮ層の前記表面側に放射された光の進行方向を変える微細凹凸構造が形成されてなることを特徴とする半導体発光素子。
- 前記微細凹凸構造は、前記ｎ形ＧａＮ層の前記表面において前記カソード電極が形成された前記平坦部であるＮ極性面を含む平面に対して傾斜角が９０度未満の傾斜面を有することを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
- 前記微細凹凸構造は、前記ｎ形ＧａＮ層の前記表面に角錘状の凹部を２次元アレイ状に設けることにより形成されてなることを特徴とする請求項１または請求項２記載の半導体発光素子。
- 前記カソード電極および前記アノード電極は、Ｔｉ膜とＡｌ膜とＡｕ膜との積層膜、Ｔｉ膜とＡｕ膜との積層膜、Ａｌ膜とＡｕ膜との積層膜、Ｔｉ膜とＡｌ膜とＮｉ膜とＡｕ膜との積層膜の群から選択される１つの積層膜により構成されてなることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
- 請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の半導体発光素子の製造方法であって、前記微細凹凸構造の形成にあたっては、ｎ形ＧａＮ層の前記表面側に転写層を形成する転写層形成工程と、前記微細凹凸構造に応じてパターン設計した凹凸パターンを形成したモールドを転写層に押し付けて前記凹凸パターンを転写層に転写する転写工程と、転写工程の後で転写層およびｎ形ＧａＮ層を前記表面側からドライエッチングすることでｎ形ＧａＮ層の前記表面側に前記微細凹凸構造を形成するパターン形成工程とを備えることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
- 請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の半導体発光素子と、半導体発光素子が一表面側に実装された実装基板と、半導体発光素子から放射される光によって励起されて半導体発光素子よりも長波長の光を放射する蛍光体を含有した透光性材料により形成され実装基板との間で半導体発光素子を囲む形で配設されたドーム状の色変換部材とを備え、実装基板は、前記一表面側に、半導体発光素子のカソード電極およびアノード電極それぞれと各別にバンプを介して接合される複数の配線パターンと、半導体発光素子から実装基板側へ放射された光を反射する反射膜とが設けられてなることを特徴とする発光装置。
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