JP2010182833A - 窒化物半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】衝撃耐性を悪化させることなく発光効率を向上することが可能な、低コストかつ高輝度の窒化物半導体発光素子を提供する。
【解決手段】基板と、前記基板上に、ｎ型窒化物半導体膜と、ｐ型窒化物半導体膜と、ｎ型窒化物半導体膜およびｐ型窒化物半導体膜で挟まれる発光部とが積層される構造を有する積層構造部とを備え、前記積層構造部は、前記積層構造部の積層方向に開口される複数の開口部を有し、前記複数の開口部は、前記発光部が発光する領域である発光領域以外の領域に、前記積層構造部の外周側面に沿って周期的に形成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、窒化物半導体発光素子に関し、特に発光ダイオードに適用される窒化物半導体発光素子に関するものである。

ＧａＮに代表されるいわゆる窒化物系化合物半導体（一般にＩｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１と表記）を用いて、可視光領域より紫外線領域に至る広い波長範囲の発光素子が実現されている。

このような窒化物半導体発光素子を用いた発光素子は、例えば発光ダイオード（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ：ＬＥＤ）である。このＬＥＤには、携帯電話等の電子機器のバックライトだけでなく、一般照明や車両のヘッドライト等の幅広い用途があるため、今後、急峻な市場の拡大が期待されている。

しかしながら、ＬＥＤは、小型および長寿命という特長があるものの、白熱電球や蛍光灯などと比較して発光効率が低く、高価であるという欠点がある。

そのため、ＬＥＤの発光効率（光出力）を高くするおよび低コスト化するためのさまざまな取り組みがなされている。

ここで、一般的なＬＥＤの構造の一例について図を用いて説明する。

図１４は、一般的な発光ダイオードの構造を示す図である。

図１４に示す従来のＬＥＤ９００は、窒化物半導体発光素子９５０と、リード線９２０ａと、リード線９２０ｂと、透明樹脂９１０とで主に構成される。

窒化物半導体発光素子９５０は、基板９５１と、基板９５１上に形成されたｎ型半導体層９５２、発光層９５３およびｐ型半導体層９５４と、ｎ型半導体層９５２に接続されているｎ型電極パッド９５６と、ｐ型半導体層９５４と透明電極９５５を介して接続されるｐ型電極パッド９５８とで構成される。

ｐ型電極パッド９５８およびｎ型電極パッド９５６は、それぞれリード線９２０ａおよび９２０ｂと金ワイヤーにより電気的に接続される。

上記のように窒化物半導体発光素子９５０は、電気的に接続されている構成となっている。そして、ＬＥＤ９００は、この窒化物半導体発光素子９５０を透明樹脂９１０により密閉することで構成されている。

以上のようにして、ＬＥＤ９００は構成されている。

ＬＥＤ９００では、リード線９２０ａおよびリード線９２０ｂに所定の電圧が印加されると、発光層９５３に電流が注入され、発光層９５３で、注入された電流を光に変換される。そして、この変換された光が窒化物半導体発光素子９５０および透明樹脂９１０を透過し、ＬＥＤ９００の外部に放射される。このようにして、ＬＥＤ９００は、動作（発光）する。

次に、ＬＥＤ９００における発光効率およびコストについて説明する。

まず、窒化物半導体発光素子９５０は、ＬＥＤ９００の発光効率とコストとを決定する重要な素子である。そのため、ＬＥＤ９００の発光効率を向上するためには、発光層９５３に注入された電流を光に変換する効率（内部量子効率）と、発光層９５３で発生した光を窒化物半導体発光素子９５０外部に取り出す効率（光取り出し効率）とが重要な要素であり、それらの向上が必要となる。

また、ＬＥＤ９００のコストを低下するためには、窒化物半導体発光素子９５０が半導体ウエハより半導体プロセスを用いて作製されるため、窒化物半導体発光素子９５０のチップサイズが重要な要素であり、それを小さくすることが必要となる。

しかしながら、窒化物半導体発光素子９５０のチップサイズを小さくすると、図１４に示す窒化物半導体発光素子９５０の上面の面積（発光面）が小さくなる。そのため、発光層９５３で発生した光の大半は、窒化物半導体発光素子９５０の側面へ向かうことになる。この場合、窒化物半導体発光素子９５０と透明樹脂９１０とで屈折率差があるため、発光層９５３で発生した光のうち側面の界面に浅い角度で入射した光はその界面で全反射されてしまい、窒化物半導体発光素子９５０の外部に光を取り出すことができない。つまり、窒化物半導体発光素子９５０のチップサイズを小さくすると、結果的に、光取り出し効率が低下してしまうという課題がある。

これに対して、窒化物半導体発光素子９５０の側面の光取り出し効率を向上させる方法
がいくつか提案されている（例えば、特許文献１および特許文献２）。

特許文献１および特許文献２では、窒化物半導体発光素子９５０の側面部分に凹凸構造を形成する方法が提案されている。

以下、図を用いて側面部分に凹凸構造が形成される従来の窒化物半導体発光素子について説明する。

図１５は、従来の窒化物半導体発光素子を説明するための図である。なお、図１５に示す窒化物半導体発光素子１０５０は、図１４の窒化物半導体発光素子９５０を上面から見た概略図に相当する。なお、この窒化物半導体発光素子１０５０は、図１４に示す窒化物半導体発光素子９５０と構造がほぼ同一であるため、詳細な説明は省略する。

図１５に示すように、窒化物半導体発光素子１０５０では、上面から、窒化物半導体発光素子１０５０が備えるｎ型半導体層１０５２、透明電極１０５５、ｎ型電極パッド１０５６およびｐ型電極パッド１０５８を見ることができる。また、図示していないが、窒化物半導体発光素子１０５０は、窒化物半導体発光素子９５０と同様、ｐ型半導体層と発光層とｎ型半導体層１０５２とを備えている。

窒化物半導体発光素子１０５０では、側面の光取り出し効率を向上させるためにｐ型半導体層と発光層とｎ型半導体層１０５２との一部の側面に凹凸側面１０６０が形成されている。

この構成により、発光層で放射された光のうち、側面に浅い角度で入射するものが凹凸側面１０６０で反射して発光素子内部に戻り、吸収されてしまうのを防止する。そのため、発光効率を向上することができる。
特開２００３−１１０１３６号公報 特開２００４−６６６２号公報

しかしながら、従来の窒化物半導体発光素子１０５０では、外部からの衝撃耐性が低下してしまうという課題がある。以下、それについて説明する。

一般的に、窒化物半導体発光素子は、サファイアまたはＳｉＣなどの基板上に約１０００℃で窒化物半導体が結晶成長されて形成される。結晶成長に用いた基板と、例えばＧａＮなどの窒化物半導体とは、格子定数および熱膨張係数が異なるため、結晶成長されたＧａＮの窒化物半導体には応力が内在する。

そのため、窒化物半導体発光素子１０５０の側面に凸凹構造を形成すると、凸凹部である凹凸側面１０６０にとくに応力が集中することになるので、凸凹構造を起点としてクラックや割れなどが発生しやすくなる。すなわち外部からの衝撃への耐性が低くなってしまう。

したがって、窒化物半導体発光素子１０５０では、製造工程時、特に実装工程時において、クラック、割れおよびチップ欠けなどの発生確率が増加してしまうため、歩留りが低くなる。このように、窒化物半導体発光素子１０５０では、低コスト化が困難である。

そこで、本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、衝撃耐性を悪化させることなく発光効率を向上することが可能な、低コストかつ高輝度の窒化物半導体発光素子を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る窒化物半導体発光素子は、基板と、前記基板上に、ｎ型窒化物半導体膜と、ｐ型窒化物半導体膜と、前記ｎ型窒化物半導体膜および前記ｐ型窒化物半導体膜で挟まれる発光部とが積層される構造を有する積層構造部とを備え、前記積層構造部は、前記積層構造部の積層方向に開口される複数の開口部を有し、前記複数の開口部は、前記発光部が発光する領域である発光領域以外の領域に、前記積層構造部の外周側面に沿って周期的に形成されることを特徴とする。

この構成により、窒化物半導体発光素子の側面は平坦となり局所的な応力の集中が低減することができるため、外部からの衝撃への耐性を向上することが可能となる。また、側面より離れた距離で配列された開口部は、側面に凸凹を形成した場合と少なくとも同等以上に光取り出し効率を向上させることができる。したがって、衝撃耐性を悪化させることなく発光効率を向上することが可能な、低コストかつ高輝度な窒化物半導体発光素子を実現することができる。

また、発光領域の外側に開口部を有するため、発光領域以外の領域を有効に利用することができる。

なお、開口部は、積層構造部の側面よりも内側に形成されている。

また、前記複数の開口部は、前記外周側面より一定の距離離れた位置に、１以上の列で配列されるのが好ましい。

また、前記開口部は、前記発光部を前記積層構造部の積層方向に横切ってもよい。

また、前記開口部の開口形状は、曲線で囲まれる形状であってもよい。

このような構成により、開口部近辺においてとくに応力の集中を防ぎ分散させることができるので、窒化物半導体発光素子の歩留りをさらに高くすることが可能となる。

また、前記開口部の開口径は、５μｍ以下であってもよい。

ところで、開口部の直径が大きくなれば窒化物半導体発光素子において開口部の占める割合が増加するため、外部からの衝撃への耐性が弱くなる。また、大きな直径の開口部を配列するには発光領域が小さくなるため、窒化物半導体発光素子の特性が悪化してしまう。

そのため、このように前記開口部の開口径を５μｍ以下、より好ましくは２μｍ以下、より好ましくは１μｍ以下で構成することによって、衝撃への耐性が強く、素子の特性へ悪影響を与えずに開口部を配列することができる。衝撃耐性を悪化させることなく発光効率を向上することが可能な、低コストかつ高輝度な窒化物半導体発光素子を実現することができる。

また、前記開口部が形成される周期は、前記発光部が発光する光の波長である発光波長をλ、前記積層構造部の屈折率をｎとする場合に、２０λ／ｎ以下であってもよい。

この構成によって、より高効率に側面方向の光を窒化物半導体層の外部に取り出すことができる。

また、前記開口部の深さは、前記発光部が発光する光の波長である発光波長をλ、前記積層構造部の屈折率をｎとする場合に、λ／２ｎ以上であってもよい。

この構成によって、より高効率に側面方向の光を窒化物半導体層の外部に取り出すことができる。

本発明によれば、衝撃耐性を悪化させることなく発光効率を向上することが可能な、低コストかつ高輝度の窒化物半導体発光素子を実現することができる。

具体的には、複数の開口部を窒化物半導体発光素子の側面から離れた位置に配列させることにより、外部からの衝撃耐性を悪化させることなく側面方向の光取り出し効率を向上させることができるので、より低コストかつ高輝度な窒化物半導体発光素子を実現することが可能となる。

以下、本発明の実施の形態に係る窒化物半導体発光素子およびその製造方法について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１は、実施の形態１における窒化物半導体発光素子を示す図である。図１（ａ）は、実施の形態１における窒化物半導体発光素子１００を上面から見た概略図を示しており、図１（ｂ）は、図１（ａ）の点線Ａにおける断面構成図を示している。

（構造）
図１（ｂ）に示すように、窒化物半導体発光素子１００は、基板１と、基板１上にｎ型半導体層２、発光層３およびｐ型半導体層４が積層されてなる積層構造部１０と、積層構造部１０上に積層された透光性電極５とを備えている。また、窒化物半導体発光素子１００は、ｎ型電極パッド６、ｐ型電極パッド７および開口部１２を備える。

基板１は、例えばサファイア、ＳｉＣ、ＧａＮ、Ｓｉ等で形成される半導体基板である。

ｎ型半導体層２は、例えばＳｉがドープされたＧａＮからなるｎ型半導体で形成される層である。

発光層３は、例えばＩｎＧａＮとＧａＮの多重量子井戸からなる半導体で形成される層である。

ｐ型半導体層４は、例えばＭｇがドープされたＧａＮからなるｐ型半導体で形成される層である。

ｎ型電極パッド６およびｐ型電極パッド７は、それぞれｎ型半導体層２および透光性電極５に電気的に接続されるように形成されている。

また、ｎ型電極パッド６は、例えば、Ｔｉ、Ａｌ、Ｎｉ、Ａｕ等の金属の多層膜で構成され、ｐ型半導体層４および発光層３の一部を選択的に除去することで露出したｎ型半導体層２に接する形で形成されている。

透光性電極５は、例えばＩＴＯ（Ｉｎ＿ｘ Ｓｎ＿１−ｘ Ｏ）、ＺｎＯまたはＮｉ／Ａｕなどで構成され、ｐ型半導体層４に接する形で形成されている。

ｐ型電極パッド７は、例えばＴｉ、Ａｌ、Ｎｉ、Ａｕなどの金属の多層膜で構成され、透光性電極５の一部に接する形で形成されている。

発光領域８は、積層構造部１０における発光領域であり、透光性電極５の下方の領域である。これは、ｐ型半導体層４において、印加電流の拡散する領域が概ね透光性電極５の直下の領域であり、積層構造部１０における発光領域８は、概ね透光性電極５直下の領域となるからである。

積層構造部１０は、ｎ型半導体層２、発光層３およびｐ型半導体層４とを備える。また、積層構造部１０は、透光性電極５の下方に発光領域８と、発光領域８の外側、すなわち発光領域８の周縁から外側の領域に開口部形成領域１１とを備える。ここで、下方とは、図１（ｂ）で示す下方であり、透光性電極５から基板１の方向を指す。また、外側とは、図１（ａ）上で示す外側に対応する。

開口部１２は、積層構造部１０の側面よりも内側に形成されている。すなわち、開口部形成領域１１に、ｐ型半導体層４、発光層３およびｎ型半導体層２で構成される積層構造部１０の一部が選択的に除去されて形成されている。

なお、開口部１２は、図１（ａ）に示すように、発光領域８の外側の開口部形成領域１１に設けられ、積層構造部１０における発光領域以外の領域を有効に利用できるので好ましい。

以上のように、窒化物半導体発光素子１００は構成される。

次に、開口部１２の機能について、具体的に説明する。

図２は、窒化物半導体発光素子の側面での光の挙動を説明するための図である。図２（ａ）は、窒化物半導体発光素子１００の側面部が凸凹構造のない平坦な構造である場合を示す図である。図２（ｂ）は、窒化物半導体発光素子１００の側面部に凸凹が形成された場合の構造を示す図である。図２（ｃ）は、実施の形態１における窒化物半導体発光素子１００の側面部に側面より一定の距離で開口部が形成された場合の構造を示す図である。

まず、窒化物半導体発光素子１００の発光領域８で発生した光は全方位に広がる。そして、その一部の光が横方向（図１（ｂ）に示す水平方向）に伝搬して窒化物半導体発光素子１００の側面に到達する。

図２（ａ）に示すように、窒化物半導体発光素子１００の側面が平坦な場合、窒化物半導体発光素子１００の側面と外部との界面に入射する光の角度θ_aが臨界角より大きくなると、光は全反射してしまう。そのため、窒化物半導体発光素子１００の外部に取り出すことができない。

また、図２（ｂ）に示すように、窒化物半導体発光素子１００の側面に凸凹構造が形成される場合、図２（ａ）と同じ角度で進行する光に対して、凸凹構造があることにより界面への入射角θ_bを臨界角より小さくすることができる。そのため、図２（ａ）の場合に比べて、高い光取り出し効率で窒化物半導体発光素子１００外部に光を取り出すことができる。すなわち、窒化物半導体発光素子１００の側面が平坦な場合に比べ高い光出力を得ることができる。しかし、上述したように、窒化物半導体発光素子１００の側面に凸凹構造を形成することによって、局所的に窒化物半導体発光素子１００の側面に内在する応力が集中するため、クラックや割れなどが発生しやすくなる。すなわち外部からの衝撃への耐性が低くなってしまう。

一方、図２（ｃ）に示すように、本実施の形態１における窒化物半導体発光素子１００では、開口部形成領域１１に、側面より一定の距離で開口部１２が形成される。この場合、図２（ａ）と同じ角度で進行する光は、開口部１２があることにより反射または散乱される。そのため、窒化物半導体発光素子１００の側面と外部との界面への光の入射角θｃを臨界角より小さくすることができる。特に、界面近傍での多重反射を利用して、界面への入射角θｃを小さくすることができるため、多重反射により光の光路が長くなり、その結果、光がその光路中で吸収され、光出力を低下させることがない。したがって、図２（ａ）の場合に比べて、高い光取り出し効率で窒化物半導体発光素子１００外部に光を取り出すことができる。

このように、開口部１２を備える窒化物半導体発光素子１００では、窒化物半導体発光素子１００の側面が平坦な場合に比べ高い光出力を得ることができる。

さらに、本実施の形態１における窒化物半導体発光素子１００の界面は平坦であり、内在する応力が集中しにくい構造である。そのため、側面に凸凹構造が形成される場合に比べてクラックや割れなどの発生確率は低い。

図３は、実施の形態１における窒化物半導体発光素子に対する、横方向に伝搬する光の透過率特性の光学シミュレーション結果を示す図である。図３（ａ）は、光学シミュレーションを行うために用いたモデルを示す図である。図３（ｂ）は、光学シミュレーションを行うために用いたパラメータを示す表である。図３（ｃ）は、光の入射角度を変化させるときの入射角度と透過率特性との関係を示す図である。図３（ｄ）は、開口部１２の周期Ｔ₁と光取り出し効率との関係を示す図である。ここで、この光学シミュレーションは、ＲＣＷＡ（Ｒｉｇｏｒｏｕｓ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｗａｖｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ）法を用いて行っている。

図３（ａ）に示すように、この光学シミュレーションでは、窒化物半導体発光素子１００に相当する窒化物半導体に、開口部１２に相当する直径Ｔ₁／２の円状の開口が、界面より距離Ｔ₁離れたところに周期Ｔ₁で配列されている構造のモデルを用いている。そして、図３（ｃ）では、図３（ａ）に対し、図３（ｂ）で示すパラメータを用いて算出した光の入射角度を変化させそれぞれの入射角度での透過率特性が示されている。すなわち、図３（ｃ）では、開口部１２がない場合と開口部１２が周期Ｔ₁＝２μｍで配列される場合に、光の入射角度と透過率特性との関係が算出された光学シミュレーション結果が示されている。

図３（ｃ）に示すように、窒化物半導体発光素子１００の側面に開口部１２がない場合（平坦な側面の場合）、入射角０°（界面に垂直）から入射角２３°の範囲における透過率は約８２％となる。それ以上、すなわち入射角２３°以上の範囲では、全反射のため透過率はほぼ０％となる。

それに対して、窒化物半導体発光素子１００の側面に開口部１２がある場合、入射角０°から入射角２３°の範囲における透過率は５０％程度であり、平坦な側面の場合に比べて減少する。しかし、臨界角より大きな入射角度の範囲での透過率は、２０〜４０％程度となり、平坦な側面の場合に比べて大幅に増加する。

この光学シミュレーション結果から、窒化物半導体発光素子１００の側面に開口部１２がある場合には、その光取り出し効率は、側面が平坦な場合の３．１倍程度になり、その効率が向上する。このように、側面が平坦な場合に比べて光取り出し効率が向上するのは、周期的に配列された開口部１２による回折や散乱の影響によるものと考えられる。

図３（ｄ）には、開口部１２が配列される周期を示す周期Ｔ₁と光取り出し効率との関係が示されている。ここでは、窒化物半導体発光素子１００の側面に開口部１２がない場合（平坦な側面の場合）を点線で、窒化物半導体発光素子１００の側面に開口部１２がある場合を実線で示している。

図３（ｄ）に示すように、窒化物半導体発光素子１００の側面に開口部１２がある場合、周期Ｔ₁が１０μｍのときの光取り出し効率は、平坦な場合とほぼ同じになっている。また、開口部１２がある場合の光取り出し効率は、周期Ｔ₁が短くなるにつれ徐々に増加し、周期２μｍで最大値すなわち平坦な場合３．１倍となったあと、減少する。

この結果から、開口部１２を配列する周期Ｔ₁は１０μｍ以下で特に４μｍ以下が好ましく、２μｍ付近が最適である。なお、最適な周期Ｔ₁は、窒化物半導体発光素子１００の窒化物半導体層内での光学波長によって決まるものであるので、光学波長が変化すればそれに対応して最適な周期Ｔ₁も変化する。

したがって、開口部１２が配列される周期Ｔ₁は、発光層３で発光される光の発光波長をλ、窒化物半導体発光素子１００の積層構造部１０の屈折率をｎとすると、２０λ／ｎ以下で特に１０λ／ｎ以下が好ましく、４λ／ｎ付近が最適である。

また、図４は、実施の形態１における窒化物半導体発光素子が備える開口部の開口径と光取り出し効率との関係を示す図である。図４（ａ）は、光学シミュレーションを行うために用いたモデルを示している。また、図４（ｂ）は、図４（ａ）の光学シミュレーションの結果を示している。ここで、図４（ａ）に示すように、開口部１２が配列される周期Ｔ₁を２μｍとしている。また、窒化物半導体発光素子１００の側面に開口部１２がない場合（平坦な側面の場合）を点線で、窒化物半導体発光素子１００の側面に開口部１２がある場合を実線で示している。

図４（ｂ）に示すように、光取り出し効率は、開口径ａが０（平坦な側面の場合）から大きくなるにつれ徐々に増加し、開口径ａが０．５〜１μｍの範囲で最大値となった後、減少する。

この結果から、開口部１２の直径は、開口部１２を配列する周期Ｔ₁の１／４から１／２であるのが好ましい。

また、窒化物半導体発光素子１００を樹脂封止する際において用いられる樹脂の粘度は１０００〜１０００００ｍＰａ・ｓと高い。そのため、上述のように微細な開口径とすることにより、開口部１２内への樹脂の入り込みを防ぐことができる。それにより開口部１２と窒化物半導体発光素子１００の積層構造部１０との屈折率差を大きくすることができるので好ましい。

また、図５は、実施の形態１における窒化物半導体発光素子が備える開口部の開口形状と光取り出し効率との関係を示す図である。図５（ａ）は、光学シミュレーションを行うために用いたモデルを示している。また、図５（ｂ）は、図５（ａ）の光学シミュレーションの結果を示している。ここで、図５（ａ）に示すように、開口部１２が配列される周期Ｔ₁を２μｍとし、開口形状を楕円状とし、界面と垂直方向の開口径を１μｍと固定している。そして、界面と平行方向の開口径（開口幅ｂ）を変化させるときの開口形状による光取り出し効率の変化が図５に示されている。また、窒化物半導体発光素子１００の側面に開口部１２がない場合（平坦な側面の場合）が点線で、窒化物半導体発光素子１００の側面に開口部１２がある場合が実線で示されている。

図５に示すように、光取り出し効率は、平衡方向の開口幅ｂが２μｍから小さくなるにつれて徐々に増加し、開口幅ｂの平行／垂直方向の比が０．７５程度で最大になった後、減少する。

この結果から、開口部１２の開口形状は、開口径の平行／垂直方向の比が０．５から１．５であるのが好ましい。

なお、開口部１２の界面からの深さについてはとくに限定はない。ただし、発生する光の窒化物半導体発光素子１００の積層構造部１０内での光学波長の少なくとも半分以上、すなわちλ／２ｎ以上であることが好ましい。

以上の光学シミュレーション結果から、実施の形態１における窒化物半導体発光素子１００が備える開口部１２を最適化することができる。すなわち、開口部１２が配列される周期Ｔ₁は、発光層３で発光される光の発光波長をλ、窒化物半導体発光素子１００の積層構造部１０の屈折率をｎとすると、２０λ／ｎ以下で特に１０λ／ｎ以下が好ましく、４λ／ｎ付近が最適である。また、開口部１２の開口形状は、開口径の平行／垂直方向の比が０．５から１．５であるのが好ましく、開口部１２の直径は、開口部１２を配列する周期Ｔ₁の１／４から１／２であるのが好ましい。

例えば、図３（ｄ）より、周期Ｔ１が１０μｍ以下で、より好ましくは４μｍ以下であることから、開口部１２の直径すなわち開口径は、５μｍ以下、より好ましくは２μｍ以下、より好ましくは１μｍ以下であることが好ましい。それにより衝撃への耐性が強く、素子の特性へ悪影響を与えずに開口部１２を配列することができる。

（製造方法）
次に、窒化物半導体発光素子１００の製造方法について説明する。

図６は、実施の形態１における窒化物半導体発光素子の製造方法を説明するための図である。

まず、基板１に、例えば有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ：Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いてｎ型半導体層２、発光層３およびｐ型半導体層４を積層して積層構造部１０となる厚さ５μｍの窒化物半導体層を形成する（図６（ａ））。

次に、フォトリソグラフィーを用いて、積層構造部１０の開口部形成領域１１における開口部１２を形成する部分とｎ型電極パッド６を形成する部分とに例えばフォトレジストによるマスクパターンを形成する。そして、ｐ型半導体層４、発光層３およびｎ型半導体層２の一部を、例えばＣｌ₂ガスなどを用いてエッチングする（図６（ｂ））。

次に、ｐ型半導体層４上に透光性電極５として例えば厚さ２００ｎｍのＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）を電子ビーム蒸着により形成する（図６（ｃ））。

次に、図６（ｂ）でエッチングにより露出したｎ型半導体層２上のｎ型電極パッド６を形成する部分と透光性電極５上の一部とにそれぞれｎ型電極パッド６およびｐ型電極パッド７として厚さ３００ｎｍのＴｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕ多層膜を電子ビーム蒸着により形成する（図６（ｄ））。

次に、例えばダイシングにより窒化物半導体発光素子１００を素子単位に分割する（図６（ｅ））。

以上の工程により、窒化物半導体発光素子１００が形成される。

この製造方法により、窒化物半導体発光素子１００は、透光性電極５の下方にある発光領域８の周囲を覆う形で配列された開口部１２を備えることが可能となる。

以上、実施の形態１によれば、窒化物半導体発光素子１００がフォトリソグラフィーにより低コストで形成された開口部１２を備えることにより、窒化物半導体層である積層構造部１０内を横方向に伝搬する光を効率よく外部に出射することができる。それにより、クラックや割れが発生しにくい、高効率な窒化物半導体発光素子１００を実現できる。すなわち、衝撃耐性を悪化させることなく発光効率を向上することが可能な、低コストかつ高輝度の窒化物半導体発光素子を実現することができる。

（実施の形態２）
実施の形態１では、開口部を１列備える窒化物半導体発光素子について説明したが、開口部を２列以上の複数列に配列されていても構わない。実施の形態２では、複数列に配列された開口部を備える窒化物半導体発光素子について説明する。

図７は、実施の形態２における窒化物半導体発光素子を説明するための図である。

また、図７（ａ）は、実施の形態２における窒化物半導体発光素子２００の特徴的な構造の部分を示す図である。なお、窒化物半導体発光素子２００の構造は、図７（ａ）に示した部分を除き、実施の形態１の窒化物半導体発光素子１００とほぼ同じである。そのため、同様の要素には同一の符号を付しており、それらの説明は省略する。

図７（ａ）に示されるように、窒化物半導体発光素子２００の開口部形成領域１１の開口部１２は、界面より離れたところに複数列配列される。

窒化物半導体発光素子２００では、開口部１２が複数列配列されることにより、実施の形態１と比べてより多重反射が容易になる。そのため、光の取り出しを効果的により向上させることができる。

図７（ｂ）は、実施の形態２における窒化物半導体発光素子２００に対する、開口部の列数と光取り出し効率との関係を示す図である。ここで、開口部１２は、図７（ａ）に示すように、界面と略平行で複数列に配列されている。さらに、隣接する窒化物半導体側の配列および外部界面側の配列において、一方の配列における開口部１２と他方の配列における２つの開口部１２とを頂点とする正三角形を形成するように開口部１２が配列されている。

図７（ｂ）から、窒化物半導体発光素子２００は、１列の開口部１２を備える場合よりも２列の開口部１２を備える場合の方が光取り出し効率が向上することがわかる。また、２列の開口部１２を備える場合の方が３列以上の開口部１２を備える場合よりも光取り出し効率が高いこともわかる。

したがって、開口部１２は、２列で配列されることがより好ましい。

なお、実施の形態２では、円形形状である開口部１２を複数列に並べた構造を用いて説明したが、この限りではない。実施の形態１で示したように開口部１２を楕円形状で最適化させる方法を用いてもよい。

（実施の形態３）
実施の形態１および実施の形態２では、光取り出し効率を向上するために、開口部を備える窒化物半導体発光素子について説明したが、開口部のみでなくてもよい。実施の形態３では、さらに光取り出し効率を向上させるために、開口部とともに反射膜を備える窒化物半導体発光素子について説明する。

（構造）
図８は、実施の形態３における窒化物半導体発光素子を示す図である。図８（ａ）は、実施の形態３における窒化物半導体発光素子３００を上面から見た概略図を示しており、図８（ｂ）は、図８（ａ）の点線Ａにおける断面構成図を示している。なお、図１と同様の要素には同一の符号を付しており、詳細な説明は省略する。図８に示す窒化物半導体発光素子３００は、実施の形態１に係る窒化物半導体発光素子１００に対して、ｐ型電極パッド３０７と基板３２０と反射膜３２１との構成が異なる。

図８（ｂ）に示すように、窒化物半導体発光素子３００は、基板３２０と、基板３２０上に反射膜３２１を介してｎ型半導体層２、発光層３およびｐ型半導体層４が積層されてなる積層構造部１０と、積層構造部１０上に積層された透光性電極５とを備えている。また、窒化物半導体発光素子３００は、ｐ型電極パッド３０７および開口部１２を備える。

ｐ型電極パッド３０７は、例えばＴｉ、Ａｌ、Ｎｉ、Ａｕなどの金属の多層膜で構成され、透光性電極５に電気的に接続されるように形成されている。

基板３２０は、例えばＳｉＣ、ＧａＮ、Ｓｉ等の導電性を有する単結晶の半導体基板、またはＡｕ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｗ若しくはこれらを含む合金で形成された基板である。

反射膜３２１は、Ａｌ、ＡｇまたはＡｌおよびＡｇを含む金属膜である。

また、反射膜３２１および基板３２０は、ｎ型半導体層２と電気的に接続されるように形成されている。

以上のように、窒化物半導体発光素子３００は構成される。

このような構成とすることにより、発光領域８で発生する光のうち基板３２０側へ放射される光が反射膜３２１により反射されてロスなく開口部形成領域１１に到達することができる。そして、開口部形成領域１１に形成された開口部１２により窒化物半導体発光素子３００外部に取り出すことができる。

それにより、積層構造部１０の発光層３で発光した光をより高効率で外部に出射することができるので、より高輝度な窒化物半導体発光素子３００を実現することができる。

（製造方法）
次に、窒化物半導体発光素子３００の製造方法を説明する。

図９は、実施の形態３における窒化物半導体発光素子の製造方法を説明するための図である。

まず、基板１に、例えば有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ：Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いてｎ型半導体層２、発光層３およびｐ型半導体層４を積層して積層構造部１０となる厚さ５μｍの窒化物半導体層を形成する（図９（ａ））。

次に、フォトリソグラフィーを用いて、積層構造部１０の開口部形成領域１１の一部の領域に例えばフォトレジストによるマスクパターンを形成する。そして、ｐ型半導体層４、発光層３およびｎ型半導体層２の一部を、例えばＣｌ₂ガスなどを用いてエッチングする（図９（ｂ））。

次に、Ｐ型半導体層４上に透光性電極５として例えば厚さ２００ｎｍのＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）を電子ビーム蒸着により形成する（図９（ｃ））。

次に、透光性電極５上の一部に厚さ３００ｎｍのＴｉ／Ａｕ多層膜を、Ｐ型電極パッド２０７として電子ビーム蒸着により形成する（図９（ｄ））。

次に、例えばレーザリフトオフやエッチングにより基板１を除去し、その後厚さ２００ｎｍの反射膜３２１および基板３２０を形成する（図９（ｅ））。

次に、例えばダイシングにより窒化物半導体発光素子３００を素子単位に分割する（図９（ｄ））。

以上の工程により、窒化物半導体発光素子３００が形成される。

この製造方法により、窒化物半導体発光素子３００は、基板３２０側に反射膜３２１を配置し、発光領域８の周囲を覆う形で配列された開口部１２を備えることが可能となる。

以上、実施の形態３によれば、開口部１２と反射膜３２１とを備える窒化物半導体発光素子３００は、反射膜３２１により基板３２０側に放射される光を少ない損失で側面付近の開口部形成領域１１に到達させることができ、そして開口部１２により効率よく外部に出射させることができる。このようにして、衝撃耐性を悪化させることなく発光効率を向上することが可能な、低コストかつより高効率な窒化物半導体発光素子を実現できる。

なお、実施の形態３において、円形形状である開口部１２を１列に並べた構造を用いて説明したがこの限りではない。実施の形態１で示したように開口部１２を楕円形状で最適化させる方法や、実施の形態２で示したように開口部１２を複数列に並べる方法を用いてもよい。

（実施の形態４）
次に、実施の形態４では、光取り出し効率を向上するために、開口部とともに反射膜を備える窒化物半導体発光素子について、実施の形態３とは別の態様を説明する。

（構造）
図１０は、実施の形態４における窒化物半導体発光素子の構造を示す図である。なお、図１および図８と同様の要素には同一の符号を付しており、詳細な説明は省略する。

図１０に示す窒化物半導体発光素子４００は、実施の形態３に係る窒化物半導体発光素子３００に対して、ｎ型電極パッド４０６と基板４２０と反射膜４２１との構成が異なる。また、窒化物半導体発光素子４００は、実施の形態３に係る窒化物半導体発光素子３００の透光性電極５を備えていない。

図１０に示すように、窒化物半導体発光素子４００は、基板４２０と、基板４２０上に反射膜４２１を介してｐ型半導体層４、発光層３およびｎ型半導体層２が積層されてなる積層構造部１０とを備える。また、窒化物半導体発光素子４００は、ｎ型電極パッド４０６と、開口部１２とを備える。

ｎ型電極パッド４０６は、積層構造部１０のｎ型半導体層２上に例えば、Ｔｉ、Ａｌ、Ｎｉ、Ａｕ等の金属の多層膜で構成され、ｎ型半導体層２と電気的に接続されるように形成されている。

また、開口部は、反射膜３２１の上方（図１０での上方）にある発光領域８を囲う開口部形成領域１１に形成されている。

基板４２０は、例えばＳｉＣ、ＧａＮ、Ｓｉ等の導電性を有する単結晶の半導体基板またはＡｕ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｗ若しくはこれらを含む合金で形成される基板である。

反射膜４２１は、Ａｌ、Ａｇまたはこれらを含む金属膜である。

また、反射膜４２１および基板４２０は、ｐ型半導体層４と電気的に接続されるように形成されている。

以上のように、窒化物半導体発光素子４００は構成される。

このような構成とすることにより、発光層３と反射膜４２１との距離が近くなるので横方向に伝搬する光が増加し、開口部形成領域１１に到達する光が増加する。そして、開口部形成領域１１に形成された開口部１２によって到達した光を窒化物半導体発光素子４００の外部に効率よく取り出すことができる。

それにより、発光層３で発光した光をより高効率で外部に出射することができるので、より高輝度な窒化物半導体発光素子４００を実現することが可能となる。

なお、実施の形態２において、円形形状である開口部１２を１列に並べた構造を用いて説明したがこの限りではない。実施の形態１で示したように開口部１２を楕円形状で最適化させる方法や、実施の形態２で示したように開口部１２を複数列に並べる方法を用いてもよい。

（実施の形態５）
実施の形態４では、光取り出し効率を向上するために、開口部を備えるとともに、発光層に近い距離に反射膜を備えることで、横方向に伝搬する光を増加させる窒化物半導体発光素子について説明した。実施の形態５では、さらに光取り出し効率を向上するために、横方向に伝搬する光を増加させる窒化物半導体発光素子についての別の態様について説明する。

（構造）
図１１は、実施の形態５における窒化物半導体発光素子の構造を示す図である。なお、図１および図１０と同様の要素には同一の符号を付しており、詳細な説明は省略する。

図１１に示す窒化物半導体発光素子５００は、実施の形態４に係る窒化物半導体発光素子４００に対して、ｎ型電極パッド５０６と透光性基板５５１と高反射ｐ型電極５７１とｐ型バンプ５７２とｎ型バンプ５７３との構成が異なる。

図１１に示すように、窒化物半導体発光素子５００は、基板４２０と、基板４２０上にｐ型バンプ５７２および高反射ｐ型電極５７１を介して、ｐ型半導体層４およびｎ型半導体層２が積層されてなる積層構造部１０と、積層構造部１０上に実装される透光性基板５５１とを備える。また、窒化物半導体発光素子５００は、ｎ型電極パッド５０６と、開口部１２とを備える。

ｎ型電極パッド５０６は、ｎ型半導体層２に電気的に接続するように、基板４２０の１部の領域上のｎ型バンプ５７３に形成されている。

また、開口部１２は、高反射ｐ型電極５７１の上方にある発光領域８を囲う開口部形成領域１１に形成されている。

透光性基板５５１は、例えばサファイア等の発光波長に対して透光性を有する単結晶基板である。

高反射ｐ型電極５７１は、Ａｌ、Ａｇまたはこれらを含む金属膜で構成される反射膜であり、ｐ型半導体層４とｐ型バンプ５７２と電気的に接続されるように形成されている。

以上のように、窒化物半導体発光素子５００は構成される。

このような構成とすることにより、発光層３と高反射ｐ型電極５７１との距離が近くなるので横方向に伝搬する光が増加し、開口部形成領域１１に到達する光が増加する。さらに、透光性基板５５１と積層構造部１０との屈折率差のため、透光性基板５５１とｎ型半導体層２の界面では全反射が起こるので、横方向に伝搬する光がさらに増加し、開口部形成領域１１に到達する光が増加する。そして、開口部形成領域１１に形成された開口部１２によって窒化物半導体発光素子５００の外部に効率よく取り出すことができる。

それにより、発光層３で発光した光をより高効率で外部に出射することができるので、より高輝度な窒化物半導体発光素子５００を実現することが可能となる。

なお、実施の形態５において、円形形状である開口部１２を１列に並べた構造を用いて説明したがこの限りではない。実施の形態１で示したように開口部１２を楕円形状で最適化させる方法や、実施の形態２で示したように開口部１２を複数列に並べる方法を用いてもよい。

（実施の形態６）
実施の形態３では、光取り出し効率を向上するために、反射膜とともに開口部を備える窒化物半導体発光素子について説明したが、窒化物半導体発光素子が開口部を備える箇所はこれに限らない。実施の形態６では、反射膜とともに開口部を備える窒化物半導体発光素子の別の態様について説明する。

（構造）
図１２は、実施の形態６における窒化物半導体発光素子を示す図である。図１２（ａ）は、実施の形態６における窒化物半導体発光素子６００を上面から見た概略図を示しており、図１２（ｂ）は、図１２（ａ）の点線Ａにおける断面構成図を示している。なお、図８と同様の要素には同一の符号を付しており、詳細な説明は省略する。

図１２に示す窒化物半導体発光素子６００は、実施の形態３に係る窒化物半導体発光素子３００に対して、開口部６１２の構成が異なる。

図１２（ｂ）に示すように、窒化物半導体発光素子６００は、基板３２０と、基板３２０上に反射膜３２１を介してｎ型半導体層２、発光層３およびｐ型半導体層４が積層されてなる積層構造部１０と、積層構造部１０上に積層された透光性電極５とを備えている。また、窒化物半導体発光素子６００は、ｐ型電極パッド３０７および開口部６１２を備える。

ｐ型電極パッド３０７は、透光性電極５に電気的に接続されるように形成されている。

また、開口部６１２は、上面から見て発光層３およびｐ型半導体層４の外側を囲う第２の開口部形成領域６１１に形成されている。すなわち、開口部６１２は、窒化物半導体発光素子６００を素子分離するためのスクライブ領域に形成されている。

このような構成とすることにより、第２の開口部形成領域６１１である開口部６１２を形成する領域の面積が増加し、開口部６１２の数が実施の形態３における開口部１２に比べて増加する。そのため、発光領域８から基板３２０側に出射され、反射膜３２１と透光性電極５の間を横方向に伝搬する光を、より高効率に窒化物半導体発光素子６００外部に取り出すことができる。それにより、高輝度な窒化物半導体発光素子６００を実現することができる。すなわち、衝撃耐性を悪化させることなく発光効率を向上することが可能な、低コストかつ高輝度の窒化物半導体発光素子を実現することができる。

なお、実施の形態６において、円形形状である開口部６１２を１列に並べた構造を用いて説明したがこの限りではない。実施の形態１で示したように開口部６１２を楕円形状に最適化させる方法や、実施の形態２で示したように開口部６１２を複数列に並べる方法を用いてもよい。

（実施の形態７）
実施の形態７では、実施の形態６における開口部を備える窒化物半導体発光素子と別の態様の開口部を備える窒化物半導体発光素子について説明する。

（構造）
図１３は、実施の形態７における窒化物半導体発光素子を示す図である。図１３（ａ）は、実施の形態７における窒化物半導体発光素子７００を上面から見た概略図を示しており、図１３（ｂ）は、図１３（ａ）の点線Ａにおける断面構成図を示している。なお、図８と図１２と同様の要素には同一の符号を付しており、詳細な説明は省略する。

図１３に示す窒化物半導体発光素子７００は、実施の形態６に係る窒化物半導体発光素子６００に対して、さらに開口部１２の構成を有する点が異なる。

図１３（ｂ）に示すように、窒化物半導体発光素子７００は、基板３２０と、基板３２０上に反射膜３２１を介してｎ型半導体層２、発光層３およびｐ型半導体層５０４が積層されてなる積層構造部１０と、積層構造部１０上に積層された透光性電極５とを備えている。

また、窒化物半導体発光素子６００は、ｐ型電極パッド３０７、開口部１２および開口部６１２とを備える。

ｐ型電極パッド３０７は、透光性電極５に電気的に接続されるように形成されている。

開口部１２は、透光性電極５の下方である発光領域８を囲う開口部形成領域１１に形成されている。

開口部６１２は、上面から見て発光層３およびｐ型半導体層５０４の外側を囲う第２の開口部形成領域６１１に形成されている。すなわち、開口部６１２は、開口部１２の発光領域８の周囲にあり、窒化物半導体発光素子７００を素子分離するためのスクライブ領域に形成されている。

このような構成とすることにより、発光領域８から横方向に出射する光は、開口部１２により高効率に取り出すことができる。また、発光領域８から基板３２０側に出射され、反射膜３２１と透光性電極５の間を横方向に伝搬する光は、開口部６１２により高効率に取り出すことができる。

このように、開口部１２および開口部６１２を両方備えることによって、より高輝度な窒化物半導体発光素子７００を実現することができる。したがって、衝撃耐性を悪化させることなく発光効率を向上することが可能な、低コストかつ高輝度の窒化物半導体発光素子を実現することができる。

なお、実施の形態７において、円形形状である開口部１２および開口部６１２をそれぞれ１列に並べた構造を用いて説明したがこの限りではない。実施の形態１で示したように開口部１２および開口部６１２を楕円形状に最適化させる方法や、実施の形態２で示したように開口部１２および開口部６１２を複数列に並べる方法を用いてもよい。

以上、本発明の窒化物半導体発光素子について、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、この実施の形態に限定されるものではない。本発明の趣旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を本実施の形態に施したものや、異なる実施の形態における構成要素を組み合わせて構築される形態も、本発明の範囲内に含まれる。

本発明は、窒化物半導体発光素子に利用でき、特に各種表示用または照明用の高輝度窒化物半導体発光ダイオードに利用することができる。

実施の形態１における窒化物半導体発光素子を示す図である。 窒化物半導体発光素子の側面での光の挙動を説明するための図である。 実施の形態１における窒化物半導体発光素子に対する、横方向に伝搬する光の透過率特性の光学シミュレーション結果を示す図である。 実施の形態１における窒化物半導体発光素子が備える開口部の開口径と光取り出し効率との関係を示す図である。 実施の形態１における窒化物半導体発光素子が備える開口部の開口形状と光取り出し効率との関係を示す図である。 実施の形態１における窒化物半導体発光素子の製造方法を説明するための図である。 実施の形態２における窒化物半導体発光素子を説明するための図である。 実施の形態３における窒化物半導体発光素子を示す図である。 実施の形態３における窒化物半導体発光素子の製造方法を説明するための図である。 実施の形態４における窒化物半導体発光素子の構造を示す図である。 実施の形態５における窒化物半導体発光素子の構造を示す図である。 実施の形態６における窒化物半導体発光素子を示す図である。 実施の形態７における窒化物半導体発光素子を示す図である。 一般的な発光ダイオードの構造を示す図である。 従来の窒化物半導体発光素子を説明するための図である。

１、３２０、４２０、９５１ 基板
２、９５２、１０５２ ｎ型半導体層
３、９５３ 発光層
４、５０４、９５４ ｐ型半導体層
５ 透光性電極
６、４０６、９５６、１０５６ ｎ型電極パッド
７、３０７、９５８、１０５８ ｐ型電極パッド
８ 発光領域
１０ 積層構造部
１１ 開口部形成領域
１２、６１２ 開口部
１００、２００、３００、４００、５００、６００、７００、９５０、１０５０ 窒化物半導体発光素子
３２１、４２１ 反射膜
５０６ ｎ型電極パッド
５５１ 透光性基板
５７１ 高反射ｐ型電極
５７２ ｐ型バンプ
５７３ ｎ型バンプ
６１１ 第２の開口部形成領域
９１０ 透明樹脂
９２０ａ、９２０ｂ リード線
９５５、１０５５ 透明電極

Claims (7)

1. 基板と、
   前記基板上に、ｎ型窒化物半導体膜と、ｐ型窒化物半導体膜と、前記ｎ型窒化物半導体膜および前記ｐ型窒化物半導体膜で挟まれる発光部とが積層される構造を有する積層構造部とを備え、
   前記積層構造部は、前記積層構造部の積層方向に開口される複数の開口部を有し、
   前記複数の開口部は、前記発光部が発光する領域である発光領域以外の領域に、前記積層構造部の外周側面に沿って周期的に形成される
   ことを特徴とする窒化物半導体発光素子。
2. 前記複数の開口部は、前記外周側面より一定の距離離れた位置に、１以上の列で配列される
   ことを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
3. 前記開口部は、前記発光部を前記積層構造部の積層方向に横切る
   ことを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
4. 前記開口部の開口形状は、曲線で囲まれる形状である
   ことを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
5. 前記開口部の開口径は、５μｍ以下である
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の窒化物半導体発光素子。
6. 前記開口部が形成される周期は、前記発光部が発光する光の波長である発光波長をλ、前記積層構造部の屈折率をｎとする場合に、２０λ／ｎ以下である
   ことを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
7. 前記開口部の深さは、前記発光部が発光する光の波長である発光波長をλ、前記積層構造部の屈折率をｎとする場合に、λ／２ｎ以上である
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。

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