JP4116387B2 - 半導体発光素子 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体発光素子に関し、特に、大型の半導体発光素子（パワーＬＥＤ）に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体発光素子は、ＰＮ接合に順方向電流を流し、注入キャリアがＰＮ接合域でホールと再結合する過程で生じる自然放出光を利用した発光ダイオードである。この発光ダイオードとして、チップの横幅および奥行きの長さが３００μｍ以下の小型ＬＥＤが多く用いられてきた。この小型ＬＥＤは、低消費電力・長寿命・小型軽量などの利点を有し、各種の表示装置や交通信号機等に広く使われている。特に、最近は、自動車のバックライト用として、低電流（２０ｍＡ程度）下での高輝度発光が求められている。
【０００３】
一般に、半導体発光素子は、入力電力に対し発光に寄与する割合を表した内部発光効率と、発光した光を半導体発光素子の外側に取り出す割合を表した外部光取出し効率と、が夫々高ければ高いほど、高輝度発光が可能となる。このうち、大きな内部発光効率が得られる構造としては、活性層に直接遷移型のＩｎＧａＡｌＰ系の材料を用いた構造が知られていた。もっとも、このＩｎＧａＡｌＰ系材料は、不透明なＧａＡｓ基板上に形成される。そこで、さらに、大きな外部光取出し効率を得られる構造として、ＧａＡｓ基板上にＩｎＧａＡｌＰ系材料を結晶成長させた後、透明なＧａＰ基板を接着し、不透明なＧａＡｓ基板を除去した、透明基板型の小型ＬＥＤが実用化されている。このような小型ＬＥＤは、例えば、特開２００１−５７４４１に提案されている。
【０００４】
近時では、新たなＬＥＤとして、大型で大電力が投入可能なパワーＬＥＤの開発が進められている。このパワーＬＥＤは、チップの上面の面積が０．１ｍｍ２以上となるような大型のＬＥＤであって、パッケージの熱抵抗を低下させてあり、５０ｍＡを超えるような大きな電流が投入できる。このパワーＬＥＤは、電球への置き換え、工業用装置類、分析装置類、医療用機器等への展開が期待されている。このパワーＬＥＤにおいても、活性層にＩｎＧａＡｌＰ系材料を用い、かつ、透明なＧａＰ基板を接着した、透明基板型のパワーＬＥＤが実用化されている。
【０００５】
図５は上記の従来の透明基板型のパワーＬＥＤを示す図であり、図５（ａ）は断面図、図５（ｂ）は上面図である。基板５０１の横幅および奥行きの長さは約５５０μｍ、基板５０１の内側面Ａの面積は約０．３ｍｍ２であり、大型のＬＥＤである。透明ｐ型ＧａＰ基板５０１上には、ｐ型ＧａＰ接着層５０２、ｐ型ＩｎＧａＰ接着層５０３、ＩｎＡｌＰからなるｐ型クラッド層５０４、ｐ型のＩｎＧａＡｌＰを含むＭＱＷ構造の活性層５０５、ＩｎＡｌＰからなるｎ型クラッド層５０６、ｎ型のＩｎＧａＡｌＰからなる電流拡散層５０７、ＧａＡｓからなるｎ型コンタクト層５０８、が順次形成されている。上記のｐ型ＧａＰ接着層５０２と、ｐ型ＩｎＧａＰ接着層５０３と、は接着により形成され、これらの間で接着界面が形成されている。ｐ型ＧａＰ基板５０１の図中下側には、一方側の電極であるｐ側オーミック電極５１０が形成されている。他方側の電極であるｎ側オーミック電極５１１は、図中上側に形成される。なお、実際の厚さは、透明基板５０１（ｐ型ＧａＰ接着層５０２を含む）の厚さが数百μｍ、結晶成長層５０３〜５０８の厚さが数μｍ程度であるが、図５では、説明をしやすくするため、縮尺を変えて示している。
【０００６】
図５のパワーＬＥＤでは、活性層５０５で発光した光は素子の図中上面、或いは図中側面から外部に出射される。上面から光を効率的に取り出すために、不透明なｎ側オーミック電極５１１は、図５（ｂ）のように面積的に小さく配置されている。この様にして形成された透明基板型のパワーＬＥＤは、不透明なＧａＡｓ基板上に形成された素子よりも、外部取出し効率が増大して高輝度発光が可能となる。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００１−５７４４１号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従来のパワーＬＥＤよりもさらに光取出し効率が高いパワーＬＥＤがあれば、上述の電球への置き換え等、さまざまな用途に有効に用いることができると考えられる。しかしながら、パワーＬＥＤは、高い電流で使用されることが予定されており、動作電圧が低いことが極めて重要となる。そして、この動作電圧を上昇させることなく外部取出し効率を上昇させることは通常困難であると考えられていた。このため、従来のパワーＬＥＤの光取出し効率をさらに高くすることは極めて困難であると考えられていた。
【０００９】
すなわち、小型ＬＥＤでは、光取出し効率を高めるために、電極を小さくしたり、素子を適当な形状にエッチングしたりする方法が行われていた。このように電極を小さくしたり素子をエッチングしたりすれば動作電圧が高くなるおそれもある。しかし、小型ＬＥＤは、低い電流で使用されるため、動作電圧が高くなることは大きな問題とはならなかった。これに対し、パワーＬＥＤは、小型ＬＥＤと異なり、高い電流で使用されることが予定されている。このためパワーＬＥＤは、消費電力、信頼性、寿命等の観点から、動作電圧が低いことが極めて重要となる。ところが、この動作電圧を上昇させることなく輝度を上昇させることは、実際上極めて困難であると考えられていた。この結果、従来のパワーＬＥＤの光取出し効率をさらに高くすることは極めて困難であると考えられていた。
【００１０】
本発明は、かかる課題の認識に基づくものであり、その目的は、光取出し効率が高いパワーＬＥＤ（大型の半導体発光素子）を、動作電圧の上昇や信頼性の低下なしに得ることである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の実施の形態の半導体発光素子は、第１導電型クラッド層と、前記第１導電型クラッド層上に形成されＩｎＧａＡｌＰ系材料からなり光を発生する活性層と、前記活性層上に形成された第２導電型クラッド層と、を有する結晶成長層と、ＧａＰからなり厚さが１５０μｍ以上で第１の面を有し、前記第１の面は面積が０．１ｍｍ２以上であり前記第１導電型クラッド層の接着面に直接的にまたは接着層を介して接着されている透明第１導電型ＧａＰ基板と、前記基板の前記第１の面と向き合う第２の面上に形成され、前記活性層からの前記光を反射する第１電極と、前記第２導電型クラッド層上に形成された第２電極と、を備え、前記第１導電型クラッド層の前記接着面の面積は、前記基板の前記第１の面の面積の６０％以上９０％以下であり、前記第１の面または前記接着層の一部が露呈部として露呈され、前記第２導電型クラッド層を通る前記光と前記露呈部を通る前記光が、出力光として取り出されることを特徴とする。
【００１２】
なお、ＩｎＧａＡｌＰ系材料とは、主成分がＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）からなる材料であり、少量のドーパントを含有する材料も含まれる。
【００１３】
また、本発明の実施の形態の半導体発光素子は、第１導電型クラッド層と、前記第１導電型クラッド層上に形成され光を発生する活性層と、前記活性層上に形成された第２導電型クラッド層と、を有し、前記第２導電型クラッド層を通る前記光が出力光の一部として取り出される結晶成長層と、前記活性層からの前記光に対して透明で厚さが１５０μｍ以上で互いに向き合う第１の面と第２の面とを有し、前記第１の面は面積が０．１ｍｍ２以上であり前記第１導電型クラッド層の接着面に直接的にまたは接着層を介して接着され、前記第１導電型クラッド層の前記接着面の面積は前記基板の前記第１の面の面積の６０％以上９０％以下であり、前記第１の面または前記接着層の一部が露呈部として露呈され、前記露呈部を通る前記光が出力光の他部として取り出される透明第１導電型半導体基板と、前記基板の前記第２の面上に形成され、前記活性層からの前記光を反射する第１電極と、前記第２導電型クラッド層上に形成された第２電極と、を備えることを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照にしつつ、本発明の実施の形態について説明する。本実施形態の半導体発光素子の特徴の１つは、図１に示すように、パワーＬＥＤにおいて、結晶成長層１０３〜１０８の一部をエッチング除去し、接着層１０２の一部を露呈させた点である。これにより、動作電圧をほとんど上昇させることなく、光取出し効率を高くすることができる。以下では、３つの実施の形態について説明する。
【００１５】
（第１の実施の形態）
図１は本発明の第１の実施の形態の半導体発光素子を示す図であり、図１（ａ）は断面図、図１（ｂ）は上面図である。厚さ３００μｍの透明ｐ型ＧａＰ基板１０１の内側面Ａ上には、ｐ型ＧａＰ接着層１０２、ｐ型ＩｎＧａＰ接着層１０３、ＩｎＡｌＰからなるｐ型クラッド層１０４、ｐ型のＩｎＧａＡｌＰからなる井戸層を含むＭＱＷ構造の活性層１０５、ＩｎＡｌＰからなるｎ型クラッド層１０６、ｎ型のＩｎＧａＡｌＰからなる電流拡散層１０７、が順次形成されている。電流拡散層１０７上の一部には、ＧａＡｓからなるｎ型コンタクト層１０８が形成されている。このｎ型コンタクト層１０８上には、一方側の電極であるｎ側電極１１１が形成されている。他方側の電極であるｐ側電極１１０は、透明ｐ型ＧａＰ基板１０１の裏面に形成される。なお、図１の素子では、透明ｐ型ＧａＰ基板１０１の厚さが３００μｍ、ｐ型ＧａＰ接着層１０２の厚さが０．０５μｍ、結晶成長層１０３〜１０８の厚さが数μｍ、であるが説明をしやすくするため縮尺を変えて表示している。
【００１６】
上記の透明ｐ型ＧａＰ基板１０１は、幅（Ｗ）が５５０μｍ、奥行き（Ｌ）が５５０μｍ、内側面Ａから外側面Ｂまでの厚さ（Ｈ）が３００μｍ、の直方体形状である。内側面Ａの面積は約０．３ｍｍ２である。図１の素子は、このように大型の透明基板１０１を用いており、パッケージの熱抵抗を低下させることで、５０ｍＡを超えるような大きな電流が投入可能である。このような素子は、パワーＬＥＤと呼ばれる。
【００１７】
図１のパワーＬＥＤでは、ｐ側電極１１０と、ｎ側電極１１１と、から活性層１０５に電流が注入される。そして、活性層１０５から赤色発光の光が放射され、この光は図中上側（ｎ型クラッド層１０６側）から取り出される。より詳しくは、活性層１０５からの光は、まず図中主に上下方向に放射される。このうち、図中上方向に放射された光は、図中上側から直接取り出される。他方、活性層１０５から図中下方向に放射された光は、ＧａＰ基板１０１を透過した後、ｐ側電極１１０によって上方向に反射されて、図中上側から取り出される。これは、図１のパワーＬＥＤでは、活性層１０５から放射される赤色発光の光に対し、透明ｐ型ＧａＰ基板１０１が透明であるためである。ここで、上側から効率よく光を取り出すために、不透明な金属からなるｎ側電極１１１は、図１（ｂ）に示すように、面積的に小さく配置されている。具体的には、本実施形態では、図１（ｂ）のｎ側電極１１１の内側部分のサイズは１２０μｍφである。また、このｎ側電極１１１は、大電流を活性層１０５の全面に均一に流すために、図１（ｂ）から分かるように、細線電極構造となっている。この細線構造の部分のｎ側電極１１１の幅は、３〜５μｍである。なお、活性層１０５からの光の吸収を少なくするため、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層１０８も、所定の形状にエッチングされている。一方、ｐ側電極１１０は、動作電圧を下げるため、透明ｐ型ＧａＰ基板１０１の外側面Ｂ上のほぼ全面に形成される。
【００１８】
図１のパワーＬＥＤの特徴の１つは、結晶成長層１０３〜１０８の面積を透明ｐ型ＧａＰ基板１０１の内側面Ａの面積よりも小さくし、接着層１０２の外周部を露呈している点である。すなわち、図１のパワーＬＥＤでは、透明ｐ型ＧａＰ基板１０１（含むＧａＰ接着層１０２）上の外周部の結晶成長層１０３〜１０８を幅約３５μｍ除去している。このため、透明ｐ型ＧａＰ基板１０１の内側面Ａの面積は５５０×５５０≒３．０×１０５μｍ２になるのに対し、結晶成長層１０３〜１０８の面積は４８０×４８０≒２．３×１０５μｍ２になる。つまり、図１のパワーＬＥＤでは、透明ｐ型ＧａＰ基板１０１の内側面Ａの面積に対する結晶成長層１０３〜１０８の被覆率は７５％となっている。これにより、後述のように、光取り出し効率が高くなる。
【００１９】
なお、上記の図１の素子は、次のように把握することもできる。すなわち、
ｐ型（第１導電型）クラッド層１０４と、前記ｐ型クラッド層１０４上に形成されＩｎＧａＡｌＰ系材料からなり光を発生する活性層１０５と、前記活性層１０５上に形成されたｎ型（第２導電型）クラッド層１０６と、を有する結晶成長層１０４〜１０６と、互いに向き合う内側面Ａと外側面Ｂとを有し、前記内側面Ａが前記結晶成長層１０４〜１０６の前記ｐ型クラッド層１０４に接着層１０２、１０３を介して接着され、前記内側面Ａから前記外側面Ｂまでの厚さが１５０μｍ以上で、前記内側面Ａの面積が０．１ｍｍ２以上であり、前記活性層１０５からの前記光に対して透明なＧａＰからなる透明ｐ型ＧａＰ基板１０１と、を備え、前記結晶成長層１０４〜１０６の面積が前記透明ｐ型ＧａＰ基板１０１の前記内側面Ａの面積よりも小さく、前記接着層１０２の一部が露呈されているものと把握することもできる。
【００２０】
次に、図１のパワーＬＥＤの製造方法を簡単に説明すれば、以下の通りである。
【００２１】
（１）まず、直径２インチ（約５ｃｍ）の透明ｐ型ＧａＰ基板１０１上にＭＯＣＶＤ法により、ｐ型ＧａＰ接着層１０２を形成する。
【００２２】
（２）他方、直径２インチの不透明なＧａＡｓ基板（図示しない）上に、ｎ型コンタクト層１０８、電流拡散層１０７、ｎ型クラッド層１０６、活性層１０５、ｐ型クラッド層１０４、ｐ型ＩｎＧａＰ接着層１０３、を順次形成する。ここで、結晶成長層１０３〜１０８は、いずれもＩｎＧａＡｌＰ系材料からなり、ＧａＡｓ基板に格子整合する。
【００２３】
（３）次に、透明ｐ型ＧａＰ基板１０１上のｐ型ＧａＰ接着層１０２と、結晶成長層１０３〜１０８のｐ型ＩｎＧａＰ接着層１０３と、を接着する。その後、不透明なＧａＡｓ基板を除去する。なお、ＩｎＧａＡｌＰ系材料からなる結晶成長層１０３〜１０８と、透明ｐ型ＧａＰ基板１０１と、は格子整合しないので、透明ｐ型ＧａＰ基板１０１上に結晶成長層１０３〜１０８を直接形成することは極めて困難である。
【００２４】
（４）次に、ｐ型ＧａＰ接着層１０２上の結晶成長層１０３〜１０８に予備メサを形成し、個々の素子部分を図１に示す形状にする。このように、ダイシングやスクライブによる分離前に、個々の素子部分に分離前の予備メサを形成することで、寸法精度を高くすることができる。その後、２インチの基板１０１を、ダイシングやスクライブにより一辺が５５０μｍの個々の素子に分離し、所定の形状に加工して、図１の素子が完成する。
【００２５】
以上の製造方法によって形成される図１のパワーＬＥＤでは、透明ｐ型ＧａＰ基板１０１（含むｐ型ＧａＰ接着層１０２）上の外周部の結晶成長層１０３〜１０８を所望の面積で除去し、透明ｐ型ＧａＰ基板１０１の内側面Ａの面積に対する結晶成長層１０３〜１０８の被覆率を７５％としたので、素子の上面（主出射光面）からの光取出し効率を向上させることができる。具体的には、本発明者の実験によれば、従来の素子（図５）に比べて光取出し効率を約１．２倍にすることができた。この理由について、本発明者は、次のように考えている。
【００２６】
すなわち、図１の素子では、前述のように、活性層１０５から図中下側に放射された光は、透明基板１０１を経てｐ側電極１１０で図中上側に反射される。そして、図中上側に向かう光の一部は、再び活性層１０５を通過する。ところがこの光が活性層１０５を通過する場合には、この光の一部は活性層１０５に吸収されてしまう。つまり、活性層１０５は、主出射光の光取出しにおいて阻害要因となっている。そこで、図１の素子では、この阻害要因となる活性層１０５の外周部を除去している。このようにすると、ｐ側電極１１０で図中上側に反射された光のうち外周部のものは、活性層１０５を通過せずに図中上側に向かう。このため、活性層１０５による光吸収を減少させ、光取出し効率を向上させることができると考えている。また、活性層１０５の面積を小さくし、狭い面積に電流を流すことで、非発光再結合に消費される電流成分を減らし、注入電流に対する発光再結合の割合を高くすることができるからであると考えている。
【００２７】
また、図１のパワーＬＥＤは、高い放熱性を維持できる。すなわち、図１のＧａＰ基板１０１の熱伝導率は約０．７７Ｗ／ｃｍ／ｄｅｇであり、前述のようにして剥離されるＧａＡｓ基板（図示しない）の熱伝導率約０．４７Ｗ／ｃｍ／ｄｅｇに比べて高い。そして、ＧａＰ基板１０１のサイズは、５５０μｍ（Ｗ）×５５０μｍ（Ｌ）×３００μｍ（Ｈ）の大型であり、このサイズは従来例（図５）と同様である。このため、図１のパワーＬＥＤは、従来例（図５）と同様の高い放熱性を維持できる。
【００２８】
もっとも、パワーＬＥＤにおいて、結晶成長層１０３〜１０８の一部を除去することは、通常の技術者にとっては思いもよらないことである。なぜなら、結晶成長層１０３〜１０８の面積を小さくし、活性層１０５の面積を小さくすれば、動作電圧が上昇すると考えられていたからである。すなわち、前述のように、パワーＬＥＤは、高い電流で使用されることが予定されており、消費電力、信頼性、寿命等の観点から、動作電圧が低いことが極めて重要となる。ところが、活性層１０５の面積を小さくすると、動作電圧の増加を招くおそれがある。このことから、パワーＬＥＤでは、動作電圧の増加を防止する観点から、結晶成長層１０３〜１０８の面積をあえて小さくするような構成は用いられてこなかった。
【００２９】
しかしながら、本発明者は、ある時、図５のような従来のパワーＬＥＤを得るべき製造工程で、エッチングに失敗し、基板１０１に比べて結晶成長層１０３〜１０８が小さくなった図１のようなサンプルを得た。本発明者は、当初、このサンプルの動作電圧は高くなっており、使い物にならないと考えた。ところが、測定を行ってみると、動作電圧の上昇は、製品としての動作に何ら問題のないレベルであることを独自に知得した。また、前述のように光取出し効率が高くなっていることも、知得した。この独自の知得に基づき、本発明者は、図１のように被覆率を７５％としたサンプルを製造した。その結果、動作電圧Ｖｆは約２．０２Ｖ（図２参照）であり、これは従来のパワーＬＥＤ（図５）と比べて差がないことが分かった。また、動作電圧Ｖｆの上昇がないため、信頼性の低下も起こらないことが分かった。この理由について、本発明者は、パワーＬＥＤでは、基板１０１の面積および体積が大きいために、結晶成長層１０３〜１０８が小さくなっても、動作電圧に与える影響が小さいからはないかと考えている。また、ＩｎＧａＡｌＰ系材料からなる結晶成長層１０３〜１０８と、ＧａＰからなる基板１０１と、を用いた場合には、結晶成長層１０３〜１０８よりも基板１０１の方がバンドギャップが広くなるため、結晶成長層１０３〜１０８の面積を小さくしても、基板１０１から結晶成長層１０３〜１０８に向けての電流が流れにくくなりずらいからであると考えている。
【００３０】
以上のように、図１のパワーＬＥＤでは、動作電圧の上昇や信頼性の低下なしに、光取出し効率を高くすることができる。
【００３１】
次に、透明ｐ型ＧａＰ基板１０１の内側面Ａの面積に対する活性層１０５の被覆率の範囲について、図２を参照にして検討する。すなわち、図１のパワーＬＥＤでは、ＧａＰ透明基板１０１上の外周部の結晶成長層１０３〜１０８を所望の面積で除去し、透明ｐ型ＧａＰ基板１０１の内側面Ａの面積に対する結晶成長層１０３〜１０８の被覆率を７５％としたが、上記の除去する面積を変えることで、被覆率を変化させることもできるので、この被覆率の範囲について検討する。
【００３２】
図２は、図１のパワーＬＥＤにおいて、上記の被覆率を変化させた場合の、外部光取出し効率の値と、動作電圧Ｖｆの値と、を示す図である。図中白丸は、左側の縦軸に対応し、外部光取出し効率を示す。この効率は、被覆率が１００％のときの効率を１．０とした場合の、相対値である。また、図中黒丸は、右側の縦軸に対応し、動作電圧Ｖｆを示す。また、横軸は、被覆率（％）を示す。なお、被覆率が１００％の場合は、パワーＬＥＤは、図５に示す従来例の形状である。
【００３３】
図２の白丸から分かるように、被覆率が９０％以下になると外部光取出し効率が従来（図５）の約１．１倍以上になり、被覆率が８０％以下になると外部光取出し効率はさらに上昇する。そして、被覆率が４５％以上の範囲では、被覆率を低下させるほど外部光取出し効率が上昇する。一方、図中黒丸から分かるように、被覆率が７０％より小さくなると、動作電圧Ｖｆが徐々に上昇してしまう。もっとも、被覆率が７０％以上では、動作電圧Ｖｆの上昇はほとんど起こらない。また、被覆率が６０％以上なら、製品としての動作に大きな問題がない。以上の図２の外部光取出し効率（白丸）および動作電圧Ｖｆ（黒丸）のデータから、被覆率は、６０％以上９０％以下、好ましくは７０％以上８０％以下が良いことが分かる。
【００３４】
以上説明した第１の実施の形態のパワーＬＥＤでは、大電流を流して使用するという通常の使用方法の場合につい説明した。これに対し、パワーＬＥＤを低電流で使用する場合には、動作電圧の上昇の問題は少なくなるので、光取出し効率を重視して、被覆率を６０％未満にする（図２）こともできる。
【００３５】
（第２の実施の形態）
図３は、本発明の第２の実施の形態の半導体発光素子（パワーＬＥＤ）の断面図であり、図３（ａ）は断面図、図３（ｂ）は上面図である。構成に伴う作用と効果は第１の実施の形態（図１）と同様であり、第１の実施の形態と同様の構成部分は同一の符号で示した。第１の実施の形態と異なる点は、パワーＬＥＤの上面（主出射光面）の外周部のみならず該上面のやや中央の中央域にも、ｐ型ＧａＰ接着層１０２を露呈させた事である。つまり図３のパワーＬＥＤでは、露呈されたｐ型ＧａＰ接着層１０２の位置が、ｐ型ＧａＰ接着層１０２の外周部と、この外周部よりも中央の中央域と、である。このようにすることにより、電流注入効果の弱い上記中央域での光吸収を防止して、活性層１０５からの発光を効率よく外部に取り出し、光取出し効率をさらに増加させることができる。
【００３６】
図３の素子の構造をさらに詳細に説明すれば、次のとおりである。図３（ｂ）の上面図で、電流拡散層１０７の大きさは、縦４８０μｍ、横４８０μｍである。この電流拡散層１０７上に形成されたｎ側電極１１１の、内側部分のサイズは、１２０μｍφである。また、ｎ側電極１１１の、外側部分の細線構造の幅は、３〜５μｍである。図３の素子では、この細線構造のｎ側電極１１１の周囲３〜５μｍを残して、残りの部分の積層構造１０３〜１０７をエッチングして、中央域のｐ型ＧａＰ接着層１０２を露呈させている。ここで、この細線構造のｎ側電極１１１からの電流は、細線幅と同程度の幅だけ広がって、活性層１０５に注入される。しかし、その他の部分の活性層１０５は、電流注入効果が弱い。そこで、図３の素子では、この電流注入効果が弱い部分をエッチングしている。このようにエッチングを行っても、エッチングされた部分の活性層１０５はもともとほとんど発光しないので、エッチングにより輝度が低下することはない。むしろ、発光しない部分の活性層１０５を除去することで、この部分の活性層１０５が光吸収を起こすことを防止して、ｎ側電極１１１の下側部分からの活性層１０５からの発光を有効に取り出すことができる。この結果、光取出し効率をさらに増加させることができる。
【００３７】
以上説明した図３の素子では、ｎ側電極１１１の細線部分を、ｎ側電極１１１の中央部分と同心円状に、１重に設けたが、これを２重や３重に設けても良い。２重に設けた場合は、１重目の細線電極と、２重目の細線電極と、の間の部分のｐ型ＧａＰ接着層１０２を露呈させることもできる。ただし、細線電極の周囲の、細線電極と同程度の幅は、図３の素子と同様に、エッチングせずに残すことが好ましい。
【００３８】
（第３の実施の形態）
図４は、本発明の第３の実施の形態の半導体発光素子（パワーＬＥＤ）の断面図であり、図４（ａ）は断面図、図４（ｂ）は上面図である。構成に伴う作用と効果は第１の実施の形態（図１）と同様であり、第１の実施の形態と同様の構成部分は同一の符号で示した。第１の実施の形態と異なる点は、図４から分かるように、ｐ型ＧａＰ基板１０１の側面形状をテ−パ状にした事である。これにより、光取出し効率をさらに上昇させることができる。
【００３９】
以上説明した実施の形態では、透明ｐ型ＧａＰ基板１０１を接着層１０２、１０３を介してｐ型クラッド層１０４に接着したが、これを直接的に接着し、内側面Ａの一部が露呈されるようにすることもできる。
【００４０】
また、以上説明した実施の形態では、透明ｐ型ＧａＰ基板１０１の大きさを、内側面Ａの面積が約０．３ｍｍ２となるようにしたが、これが０．１ｍｍ２以上、好ましくは０．２ｍｍ２以上であれば、本発明を有効に用いることができる。また、透明ｐ型ＧａＰ基板１０１の厚さを３００μｍとしたが、これが１５０μｍ以上であれば、本発明を有効に用いることができる。また、透明ｐ型ＧａＰ基板１０１を略直方体形状とし、横幅を３５０μｍ以上、奥行きを３５０μｍ以上、とすることで、製造プロセスの観点から、さらに有効に本発明を用いることができる。
【００４１】
また、以上説明した実施の形態では、ｐ型とｎ型を逆にすることも可能である。また、結晶成長層１０３〜１０８をＩｎＧａＡｌＰ系材料、基板１０１をＧａＰとしたが、他の材料を用いることもできる。
【００４２】
【発明の効果】
本発明によれば、パワーＬＥＤにおいて、基板に対する結晶成長層の被覆率を６０％以上９０％以下としたので、動作電圧の上昇や信頼性の低下なしに、光取出し効率を高くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の半導体発光素子の断面図。
【図２】本発明の第１の実施の形態の半導体発光素子における、被覆率と、外部光取し効率と、動作電圧Ｖｆと、の関係を示す図。
【図３】本発明の第２の実施の形態の半導体発光素子の断面図。
【図４】本発明の第３の実施の形態の半導体発光素子の断面図。
【図５】従来のパワーＬＥＤの断面図。
【符号の説明】
１０１ 透明ｐ型ＧａＰ基板
１０２ ｐ型ＧａＰ接着層
１０３ ｐ型ＩｎＧａＰ接着層
１０４ ｐ型クラッド層
１０５ 活性層
１０６ ｎ型クラッド層
１０７ 電流拡散層
１０８ コンタクト層
１１０ ｐ側電極
１１１ ｎ側電極
Ａ 内側面
Ｂ 外側面
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体発光素子に関し、特に、大型の半導体発光素子（パワーＬＥＤ）に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体発光素子は、ＰＮ接合に順方向電流を流し、注入キャリアがＰＮ接合域でホールと再結合する過程で生じる自然放出光を利用した発光ダイオードである。この発光ダイオードとして、チップの横幅および奥行きの長さが３００μｍ以下の小型ＬＥＤが多く用いられてきた。この小型ＬＥＤは、低消費電力・長寿命・小型軽量などの利点を有し、各種の表示装置や交通信号機等に広く使われている。特に、最近は、自動車のバックライト用として、低電流（２０ｍＡ程度）下での高輝度発光が求められている。
【０００３】
一般に、半導体発光素子は、入力電力に対し発光に寄与する割合を表した内部発光効率と、発光した光を半導体発光素子の外側に取り出す割合を表した外部光取出し効率と、が夫々高ければ高いほど、高輝度発光が可能となる。このうち、大きな内部発光効率が得られる構造としては、活性層に直接遷移型のＩｎＧａＡｌＰ系の材料を用いた構造が知られていた。もっとも、このＩｎＧａＡｌＰ系材料は、不透明なＧａＡｓ基板上に形成される。そこで、さらに、大きな外部光取出し効率を得られる構造として、ＧａＡｓ基板上にＩｎＧａＡｌＰ系材料を結晶成長させた後、透明なＧａＰ基板を接着し、不透明なＧａＡｓ基板を除去した、透明基板型の小型ＬＥＤが実用化されている。このような小型ＬＥＤは、例えば、特開２００１−５７４４１に提案されている。
【０００４】
近時では、新たなＬＥＤとして、大型で大電力が投入可能なパワーＬＥＤの開発が進められている。このパワーＬＥＤは、チップの上面の面積が０．１ｍｍ２以上となるような大型のＬＥＤであって、パッケージの熱抵抗を低下させてあり、５０ｍＡを超えるような大きな電流が投入できる。このパワーＬＥＤは、電球への置き換え、工業用装置類、分析装置類、医療用機器等への展開が期待されている。このパワーＬＥＤにおいても、活性層にＩｎＧａＡｌＰ系材料を用い、かつ、透明なＧａＰ基板を接着した、透明基板型のパワーＬＥＤが実用化されている。
【０００５】
図５は上記の従来の透明基板型のパワーＬＥＤを示す図であり、図５（ａ）は断面図、図５（ｂ）は上面図である。基板５０１の横幅および奥行きの長さは約５５０μｍ、基板５０１の内側面Ａの面積は約０．３ｍｍ２であり、大型のＬＥＤである。透明ｐ型ＧａＰ基板５０１上には、ｐ型ＧａＰ接着層５０２、ｐ型ＩｎＧａＰ接着層５０３、ＩｎＡｌＰからなるｐ型クラッド層５０４、ｐ型のＩｎＧａＡｌＰを含むＭＱＷ構造の活性層５０５、ＩｎＡｌＰからなるｎ型クラッド層５０６、ｎ型のＩｎＧａＡｌＰからなる電流拡散層５０７、ＧａＡｓからなるｎ型コンタクト層５０８、が順次形成されている。上記のｐ型ＧａＰ接着層５０２と、ｐ型ＩｎＧａＰ接着層５０３と、は接着により形成され、これらの間で接着界面が形成されている。ｐ型ＧａＰ基板５０１の図中下側には、一方側の電極であるｐ側オーミック電極５１０が形成されている。他方側の電極であるｎ側オーミック電極５１１は、図中上側に形成される。なお、実際の厚さは、透明基板５０１（ｐ型ＧａＰ接着層５０２を含む）の厚さが数百μｍ、結晶成長層５０３〜５０８の厚さが数μｍ程度であるが、図５では、説明をしやすくするため、縮尺を変えて示している。
【０００６】
図５のパワーＬＥＤでは、活性層５０５で発光した光は素子の図中上面、或いは図中側面から外部に出射される。上面から光を効率的に取り出すために、不透明なｎ側オーミック電極５１１は、図５（ｂ）のように面積的に小さく配置されている。この様にして形成された透明基板型のパワーＬＥＤは、不透明なＧａＡｓ基板上に形成された素子よりも、外部取出し効率が増大して高輝度発光が可能となる。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００１−５７４４１号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従来のパワーＬＥＤよりもさらに光取出し効率が高いパワーＬＥＤがあれば、上述の電球への置き換え等、さまざまな用途に有効に用いることができると考えられる。しかしながら、パワーＬＥＤは、高い電流で使用されることが予定されており、動作電圧が低いことが極めて重要となる。そして、この動作電圧を上昇させることなく外部取出し効率を上昇させることは通常困難であると考えられていた。このため、従来のパワーＬＥＤの光取出し効率をさらに高くすることは極めて困難であると考えられていた。
【０００９】
すなわち、小型ＬＥＤでは、光取出し効率を高めるために、電極を小さくしたり、素子を適当な形状にエッチングしたりする方法が行われていた。このように電極を小さくしたり素子をエッチングしたりすれば動作電圧が高くなるおそれもある。しかし、小型ＬＥＤは、低い電流で使用されるため、動作電圧が高くなることは大きな問題とはならなかった。これに対し、パワーＬＥＤは、小型ＬＥＤと異なり、高い電流で使用されることが予定されている。このためパワーＬＥＤは、消費電力、信頼性、寿命等の観点から、動作電圧が低いことが極めて重要となる。ところが、この動作電圧を上昇させることなく輝度を上昇させることは、実際上極めて困難であると考えられていた。この結果、従来のパワーＬＥＤの光取出し効率をさらに高くすることは極めて困難であると考えられていた。
【００１０】
本発明は、かかる課題の認識に基づくものであり、その目的は、光取出し効率が高いパワーＬＥＤ（大型の半導体発光素子）を、動作電圧の上昇や信頼性の低下なしに得ることである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の実施の形態の半導体発光素子は、第１導電型クラッド層と、前記第１導電型クラッド層上に形成されＩｎＧａＡｌＰ系材料からなり光を発生する活性層と、前記活性層上に形成された第２導電型クラッド層と、を有する結晶成長層と、ＧａＰからなり厚さが１５０μｍ以上で第１の面を有し、前記第１の面は面積が０．１ｍｍ２以上であり前記第１導電型クラッド層の接着面に直接的にまたは接着層を介して接着されている透明第１導電型ＧａＰ基板と、前記基板の前記第１の面と向き合う第２の面上に形成され、前記活性層からの前記光を反射する第１電極と、前記第２導電型クラッド層上に形成された第２電極と、を備え、前記第１導電型クラッド層の前記接着面の面積は、前記基板の前記第１の面の面積の６０％以上９０％以下であり、前記第１の面または前記接着層の一部が露呈部として露呈され、前記第２導電型クラッド層を通る前記光と前記露呈部を通る前記光が、出力光として取り出されることを特徴とする。
【００１２】
なお、ＩｎＧａＡｌＰ系材料とは、主成分がＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）からなる材料であり、少量のドーパントを含有する材料も含まれる。
【００１３】
また、本発明の実施の形態の半導体発光素子は、第１導電型クラッド層と、前記第１導電型クラッド層上に形成され光を発生する活性層と、前記活性層上に形成された第２導電型クラッド層と、を有し、前記第２導電型クラッド層を通る前記光が出力光の一部として取り出される結晶成長層と、前記活性層からの前記光に対して透明で厚さが１５０μｍ以上で互いに向き合う第１の面と第２の面とを有し、前記第１の面は面積が０．１ｍｍ２以上であり前記第１導電型クラッド層の接着面に直接的にまたは接着層を介して接着され、前記第１導電型クラッド層の前記接着面の面積は前記基板の前記第１の面の面積の６０％以上９０％以下であり、前記第１の面または前記接着層の一部が露呈部として露呈され、前記露呈部を通る前記光が出力光の他部として取り出される透明第１導電型半導体基板と、前記基板の前記第２の面上に形成され、前記活性層からの前記光を反射する第１電極と、前記第２導電型クラッド層上に形成された第２電極と、を備えることを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照にしつつ、本発明の実施の形態について説明する。本実施形態の半導体発光素子の特徴の１つは、図１に示すように、パワーＬＥＤにおいて、結晶成長層１０３〜１０８の一部をエッチング除去し、接着層１０２の一部を露呈させた点である。これにより、動作電圧をほとんど上昇させることなく、光取出し効率を高くすることができる。以下では、３つの実施の形態について説明する。
【００１５】
（第１の実施の形態）
図１は本発明の第１の実施の形態の半導体発光素子を示す図であり、図１（ａ）は断面図、図１（ｂ）は上面図である。厚さ３００μｍの透明ｐ型ＧａＰ基板１０１の内側面Ａ上には、ｐ型ＧａＰ接着層１０２、ｐ型ＩｎＧａＰ接着層１０３、ＩｎＡｌＰからなるｐ型クラッド層１０４、ｐ型のＩｎＧａＡｌＰからなる井戸層を含むＭＱＷ構造の活性層１０５、ＩｎＡｌＰからなるｎ型クラッド層１０６、ｎ型のＩｎＧａＡｌＰからなる電流拡散層１０７、が順次形成されている。電流拡散層１０７上の一部には、ＧａＡｓからなるｎ型コンタクト層１０８が形成されている。このｎ型コンタクト層１０８上には、一方側の電極であるｎ側電極１１１が形成されている。他方側の電極であるｐ側電極１１０は、透明ｐ型ＧａＰ基板１０１の裏面に形成される。なお、図１の素子では、透明ｐ型ＧａＰ基板１０１の厚さが３００μｍ、ｐ型ＧａＰ接着層１０２の厚さが０．０５μｍ、結晶成長層１０３〜１０８の厚さが数μｍ、であるが説明をしやすくするため縮尺を変えて表示している。
【００１６】
上記の透明ｐ型ＧａＰ基板１０１は、幅（Ｗ）が５５０μｍ、奥行き（Ｌ）が５５０μｍ、内側面Ａから外側面Ｂまでの厚さ（Ｈ）が３００μｍ、の直方体形状である。内側面Ａの面積は約０．３ｍｍ２である。図１の素子は、このように大型の透明基板１０１を用いており、パッケージの熱抵抗を低下させることで、５０ｍＡを超えるような大きな電流が投入可能である。このような素子は、パワーＬＥＤと呼ばれる。
【００１７】
図１のパワーＬＥＤでは、ｐ側電極１１０と、ｎ側電極１１１と、から活性層１０５に電流が注入される。そして、活性層１０５から赤色発光の光が放射され、この光は図中上側（ｎ型クラッド層１０６側）から取り出される。より詳しくは、活性層１０５からの光は、まず図中主に上下方向に放射される。このうち、図中上方向に放射された光は、図中上側から直接取り出される。他方、活性層１０５から図中下方向に放射された光は、ＧａＰ基板１０１を透過した後、ｐ側電極１１０によって上方向に反射されて、図中上側から取り出される。これは、図１のパワーＬＥＤでは、活性層１０５から放射される赤色発光の光に対し、透明ｐ型ＧａＰ基板１０１が透明であるためである。ここで、上側から効率よく光を取り出すために、不透明な金属からなるｎ側電極１１１は、図１（ｂ）に示すように、面積的に小さく配置されている。具体的には、本実施形態では、図１（ｂ）のｎ側電極１１１の内側部分のサイズは１２０μｍφである。また、このｎ側電極１１１は、大電流を活性層１０５の全面に均一に流すために、図１（ｂ）から分かるように、細線電極構造となっている。この細線構造の部分のｎ側電極１１１の幅は、３〜５μｍである。なお、活性層１０５からの光の吸収を少なくするため、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層１０８も、所定の形状にエッチングされている。一方、ｐ側電極１１０は、動作電圧を下げるため、透明ｐ型ＧａＰ基板１０１の外側面Ｂ上のほぼ全面に形成される。
【００１８】
図１のパワーＬＥＤの特徴の１つは、結晶成長層１０３〜１０８の面積を透明ｐ型ＧａＰ基板１０１の内側面Ａの面積よりも小さくし、接着層１０２の外周部を露呈している点である。すなわち、図１のパワーＬＥＤでは、透明ｐ型ＧａＰ基板１０１（含むＧａＰ接着層１０２）上の外周部の結晶成長層１０３〜１０８を幅約３５μｍ除去している。このため、透明ｐ型ＧａＰ基板１０１の内側面Ａの面積は５５０×５５０≒３．０×１０５μｍ２になるのに対し、結晶成長層１０３〜１０８の面積は４８０×４８０≒２．３×１０５μｍ２になる。つまり、図１のパワーＬＥＤでは、透明ｐ型ＧａＰ基板１０１の内側面Ａの面積に対する結晶成長層１０３〜１０８の被覆率は７５％となっている。これにより、後述のように、光取り出し効率が高くなる。
【００１９】
なお、上記の図１の素子は、次のように把握することもできる。すなわち、
ｐ型（第１導電型）クラッド層１０４と、前記ｐ型クラッド層１０４上に形成されＩｎＧａＡｌＰ系材料からなり光を発生する活性層１０５と、前記活性層１０５上に形成されたｎ型（第２導電型）クラッド層１０６と、を有する結晶成長層１０４〜１０６と、互いに向き合う内側面Ａと外側面Ｂとを有し、前記内側面Ａが前記結晶成長層１０４〜１０６の前記ｐ型クラッド層１０４に接着層１０２、１０３を介して接着され、前記内側面Ａから前記外側面Ｂまでの厚さが１５０μｍ以上で、前記内側面Ａの面積が０．１ｍｍ２以上であり、前記活性層１０５からの前記光に対して透明なＧａＰからなる透明ｐ型ＧａＰ基板１０１と、を備え、前記結晶成長層１０４〜１０６の面積が前記透明ｐ型ＧａＰ基板１０１の前記内側面Ａの面積よりも小さく、前記接着層１０２の一部が露呈されているものと把握することもできる。
【００２０】
次に、図１のパワーＬＥＤの製造方法を簡単に説明すれば、以下の通りである。
【００２１】
（１）まず、直径２インチ（約５ｃｍ）の透明ｐ型ＧａＰ基板１０１上にＭＯＣＶＤ法により、ｐ型ＧａＰ接着層１０２を形成する。
【００２２】
（２）他方、直径２インチの不透明なＧａＡｓ基板（図示しない）上に、ｎ型コンタクト層１０８、電流拡散層１０７、ｎ型クラッド層１０６、活性層１０５、ｐ型クラッド層１０４、ｐ型ＩｎＧａＰ接着層１０３、を順次形成する。ここで、結晶成長層１０３〜１０８は、いずれもＩｎＧａＡｌＰ系材料からなり、ＧａＡｓ基板に格子整合する。
【００２３】
（３）次に、透明ｐ型ＧａＰ基板１０１上のｐ型ＧａＰ接着層１０２と、結晶成長層１０３〜１０８のｐ型ＩｎＧａＰ接着層１０３と、を接着する。その後、不透明なＧａＡｓ基板を除去する。なお、ＩｎＧａＡｌＰ系材料からなる結晶成長層１０３〜１０８と、透明ｐ型ＧａＰ基板１０１と、は格子整合しないので、透明ｐ型ＧａＰ基板１０１上に結晶成長層１０３〜１０８を直接形成することは極めて困難である。
【００２４】
（４）次に、ｐ型ＧａＰ接着層１０２上の結晶成長層１０３〜１０８に予備メサを形成し、個々の素子部分を図１に示す形状にする。このように、ダイシングやスクライブによる分離前に、個々の素子部分に分離前の予備メサを形成することで、寸法精度を高くすることができる。その後、２インチの基板１０１を、ダイシングやスクライブにより一辺が５５０μｍの個々の素子に分離し、所定の形状に加工して、図１の素子が完成する。
【００２５】
以上の製造方法によって形成される図１のパワーＬＥＤでは、透明ｐ型ＧａＰ基板１０１（含むｐ型ＧａＰ接着層１０２）上の外周部の結晶成長層１０３〜１０８を所望の面積で除去し、透明ｐ型ＧａＰ基板１０１の内側面Ａの面積に対する結晶成長層１０３〜１０８の被覆率を７５％としたので、素子の上面（主出射光面）からの光取出し効率を向上させることができる。具体的には、本発明者の実験によれば、従来の素子（図５）に比べて光取出し効率を約１．２倍にすることができた。この理由について、本発明者は、次のように考えている。
【００２６】
すなわち、図１の素子では、前述のように、活性層１０５から図中下側に放射された光は、透明基板１０１を経てｐ側電極１１０で図中上側に反射される。そして、図中上側に向かう光の一部は、再び活性層１０５を通過する。ところがこの光が活性層１０５を通過する場合には、この光の一部は活性層１０５に吸収されてしまう。つまり、活性層１０５は、主出射光の光取出しにおいて阻害要因となっている。そこで、図１の素子では、この阻害要因となる活性層１０５の外周部を除去している。このようにすると、ｐ側電極１１０で図中上側に反射された光のうち外周部のものは、活性層１０５を通過せずに図中上側に向かう。このため、活性層１０５による光吸収を減少させ、光取出し効率を向上させることができると考えている。また、活性層１０５の面積を小さくし、狭い面積に電流を流すことで、非発光再結合に消費される電流成分を減らし、注入電流に対する発光再結合の割合を高くすることができるからであると考えている。
【００２７】
また、図１のパワーＬＥＤは、高い放熱性を維持できる。すなわち、図１のＧａＰ基板１０１の熱伝導率は約０．７７Ｗ／ｃｍ／ｄｅｇであり、前述のようにして剥離されるＧａＡｓ基板（図示しない）の熱伝導率約０．４７Ｗ／ｃｍ／ｄｅｇに比べて高い。そして、ＧａＰ基板１０１のサイズは、５５０μｍ（Ｗ）×５５０μｍ（Ｌ）×３００μｍ（Ｈ）の大型であり、このサイズは従来例（図５）と同様である。このため、図１のパワーＬＥＤは、従来例（図５）と同様の高い放熱性を維持できる。
【００２８】
もっとも、パワーＬＥＤにおいて、結晶成長層１０３〜１０８の一部を除去することは、通常の技術者にとっては思いもよらないことである。なぜなら、結晶成長層１０３〜１０８の面積を小さくし、活性層１０５の面積を小さくすれば、動作電圧が上昇すると考えられていたからである。すなわち、前述のように、パワーＬＥＤは、高い電流で使用されることが予定されており、消費電力、信頼性、寿命等の観点から、動作電圧が低いことが極めて重要となる。ところが、活性層１０５の面積を小さくすると、動作電圧の増加を招くおそれがある。このことから、パワーＬＥＤでは、動作電圧の増加を防止する観点から、結晶成長層１０３〜１０８の面積をあえて小さくするような構成は用いられてこなかった。
【００２９】
しかしながら、本発明者は、ある時、図５のような従来のパワーＬＥＤを得るべき製造工程で、エッチングに失敗し、基板１０１に比べて結晶成長層１０３〜１０８が小さくなった図１のようなサンプルを得た。本発明者は、当初、このサンプルの動作電圧は高くなっており、使い物にならないと考えた。ところが、測定を行ってみると、動作電圧の上昇は、製品としての動作に何ら問題のないレベルであることを独自に知得した。また、前述のように光取出し効率が高くなっていることも、知得した。この独自の知得に基づき、本発明者は、図１のように被覆率を７５％としたサンプルを製造した。その結果、動作電圧Ｖｆは約２．０２Ｖ（図２参照）であり、これは従来のパワーＬＥＤ（図５）と比べて差がないことが分かった。また、動作電圧Ｖｆの上昇がないため、信頼性の低下も起こらないことが分かった。この理由について、本発明者は、パワーＬＥＤでは、基板１０１の面積および体積が大きいために、結晶成長層１０３〜１０８が小さくなっても、動作電圧に与える影響が小さいからはないかと考えている。また、ＩｎＧａＡｌＰ系材料からなる結晶成長層１０３〜１０８と、ＧａＰからなる基板１０１と、を用いた場合には、結晶成長層１０３〜１０８よりも基板１０１の方がバンドギャップが広くなるため、結晶成長層１０３〜１０８の面積を小さくしても、基板１０１から結晶成長層１０３〜１０８に向けての電流が流れにくくなりずらいからであると考えている。
【００３０】
以上のように、図１のパワーＬＥＤでは、動作電圧の上昇や信頼性の低下なしに、光取出し効率を高くすることができる。
【００３１】
次に、透明ｐ型ＧａＰ基板１０１の内側面Ａの面積に対する活性層１０５の被覆率の範囲について、図２を参照にして検討する。すなわち、図１のパワーＬＥＤでは、ＧａＰ透明基板１０１上の外周部の結晶成長層１０３〜１０８を所望の面積で除去し、透明ｐ型ＧａＰ基板１０１の内側面Ａの面積に対する結晶成長層１０３〜１０８の被覆率を７５％としたが、上記の除去する面積を変えることで、被覆率を変化させることもできるので、この被覆率の範囲について検討する。
【００３２】
図２は、図１のパワーＬＥＤにおいて、上記の被覆率を変化させた場合の、外部光取出し効率の値と、動作電圧Ｖｆの値と、を示す図である。図中白丸は、左側の縦軸に対応し、外部光取出し効率を示す。この効率は、被覆率が１００％のときの効率を１．０とした場合の、相対値である。また、図中黒丸は、右側の縦軸に対応し、動作電圧Ｖｆを示す。また、横軸は、被覆率（％）を示す。なお、被覆率が１００％の場合は、パワーＬＥＤは、図５に示す従来例の形状である。
【００３３】
図２の白丸から分かるように、被覆率が９０％以下になると外部光取出し効率が従来（図５）の約１．１倍以上になり、被覆率が８０％以下になると外部光取出し効率はさらに上昇する。そして、被覆率が４５％以上の範囲では、被覆率を低下させるほど外部光取出し効率が上昇する。一方、図中黒丸から分かるように、被覆率が７０％より小さくなると、動作電圧Ｖｆが徐々に上昇してしまう。もっとも、被覆率が７０％以上では、動作電圧Ｖｆの上昇はほとんど起こらない。また、被覆率が６０％以上なら、製品としての動作に大きな問題がない。以上の図２の外部光取出し効率（白丸）および動作電圧Ｖｆ（黒丸）のデータから、被覆率は、６０％以上９０％以下、好ましくは７０％以上８０％以下が良いことが分かる。
【００３４】
以上説明した第１の実施の形態のパワーＬＥＤでは、大電流を流して使用するという通常の使用方法の場合につい説明した。これに対し、パワーＬＥＤを低電流で使用する場合には、動作電圧の上昇の問題は少なくなるので、光取出し効率を重視して、被覆率を６０％未満にする（図２）こともできる。
【００３５】
（第２の実施の形態）
図３は、本発明の第２の実施の形態の半導体発光素子（パワーＬＥＤ）の断面図であり、図３（ａ）は断面図、図３（ｂ）は上面図である。構成に伴う作用と効果は第１の実施の形態（図１）と同様であり、第１の実施の形態と同様の構成部分は同一の符号で示した。第１の実施の形態と異なる点は、パワーＬＥＤの上面（主出射光面）の外周部のみならず該上面のやや中央の中央域にも、ｐ型ＧａＰ接着層１０２を露呈させた事である。つまり図３のパワーＬＥＤでは、露呈されたｐ型ＧａＰ接着層１０２の位置が、ｐ型ＧａＰ接着層１０２の外周部と、この外周部よりも中央の中央域と、である。このようにすることにより、電流注入効果の弱い上記中央域での光吸収を防止して、活性層１０５からの発光を効率よく外部に取り出し、光取出し効率をさらに増加させることができる。
【００３６】
図３の素子の構造をさらに詳細に説明すれば、次のとおりである。図３（ｂ）の上面図で、電流拡散層１０７の大きさは、縦４８０μｍ、横４８０μｍである。この電流拡散層１０７上に形成されたｎ側電極１１１の、内側部分のサイズは、１２０μｍφである。また、ｎ側電極１１１の、外側部分の細線構造の幅は、３〜５μｍである。図３の素子では、この細線構造のｎ側電極１１１の周囲３〜５μｍを残して、残りの部分の積層構造１０３〜１０７をエッチングして、中央域のｐ型ＧａＰ接着層１０２を露呈させている。ここで、この細線構造のｎ側電極１１１からの電流は、細線幅と同程度の幅だけ広がって、活性層１０５に注入される。しかし、その他の部分の活性層１０５は、電流注入効果が弱い。そこで、図３の素子では、この電流注入効果が弱い部分をエッチングしている。このようにエッチングを行っても、エッチングされた部分の活性層１０５はもともとほとんど発光しないので、エッチングにより輝度が低下することはない。むしろ、発光しない部分の活性層１０５を除去することで、この部分の活性層１０５が光吸収を起こすことを防止して、ｎ側電極１１１の下側部分からの活性層１０５からの発光を有効に取り出すことができる。この結果、光取出し効率をさらに増加させることができる。
【００３７】
以上説明した図３の素子では、ｎ側電極１１１の細線部分を、ｎ側電極１１１の中央部分と同心円状に、１重に設けたが、これを２重や３重に設けても良い。２重に設けた場合は、１重目の細線電極と、２重目の細線電極と、の間の部分のｐ型ＧａＰ接着層１０２を露呈させることもできる。ただし、細線電極の周囲の、細線電極と同程度の幅は、図３の素子と同様に、エッチングせずに残すことが好ましい。
【００３８】
（第３の実施の形態）
図４は、本発明の第３の実施の形態の半導体発光素子（パワーＬＥＤ）の断面図であり、図４（ａ）は断面図、図４（ｂ）は上面図である。構成に伴う作用と効果は第１の実施の形態（図１）と同様であり、第１の実施の形態と同様の構成部分は同一の符号で示した。第１の実施の形態と異なる点は、図４から分かるように、ｐ型ＧａＰ基板１０１の側面形状をテ−パ状にした事である。これにより、光取出し効率をさらに上昇させることができる。
【００３９】
以上説明した実施の形態では、透明ｐ型ＧａＰ基板１０１を接着層１０２、１０３を介してｐ型クラッド層１０４に接着したが、これを直接的に接着し、内側面Ａの一部が露呈されるようにすることもできる。
【００４０】
また、以上説明した実施の形態では、透明ｐ型ＧａＰ基板１０１の大きさを、内側面Ａの面積が約０．３ｍｍ２となるようにしたが、これが０．１ｍｍ２以上、好ましくは０．２ｍｍ２以上であれば、本発明を有効に用いることができる。また、透明ｐ型ＧａＰ基板１０１の厚さを３００μｍとしたが、これが１５０μｍ以上であれば、本発明を有効に用いることができる。また、透明ｐ型ＧａＰ基板１０１を略直方体形状とし、横幅を３５０μｍ以上、奥行きを３５０μｍ以上、とすることで、製造プロセスの観点から、さらに有効に本発明を用いることができる。
【００４１】
また、以上説明した実施の形態では、ｐ型とｎ型を逆にすることも可能である。また、結晶成長層１０３〜１０８をＩｎＧａＡｌＰ系材料、基板１０１をＧａＰとしたが、他の材料を用いることもできる。
【００４２】
【発明の効果】
本発明によれば、パワーＬＥＤにおいて、基板に対する結晶成長層の被覆率を６０％以上９０％以下としたので、動作電圧の上昇や信頼性の低下なしに、光取出し効率を高くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の半導体発光素子の断面図。
【図２】本発明の第１の実施の形態の半導体発光素子における、被覆率と、外部光取し効率と、動作電圧Ｖｆと、の関係を示す図。
【図３】本発明の第２の実施の形態の半導体発光素子の断面図。
【図４】本発明の第３の実施の形態の半導体発光素子の断面図。
【図５】従来のパワーＬＥＤの断面図。
【符号の説明】
１０１ 透明ｐ型ＧａＰ基板
１０２ ｐ型ＧａＰ接着層
１０３ ｐ型ＩｎＧａＰ接着層
１０４ ｐ型クラッド層
１０５ 活性層
１０６ ｎ型クラッド層
１０７ 電流拡散層
１０８ コンタクト層
１１０ ｐ側電極
１１１ ｎ側電極
Ａ 内側面
Ｂ 外側面
Claims (6)
- 第１導電型クラッド層と、前記第１導電型クラッド層上に形成されＩｎＧａＡｌＰ系材料からなり光を発生する活性層と、前記活性層上に形成された第２導電型クラッド層と、を有する結晶成長層と、
ＧａＰからなり厚さが１５０μｍ以上で第１の面を有し、前記第１の面は面積が０．１ｍｍ２以上であり前記第１導電型クラッド層の接着面に直接的にまたは接着層を介して接着されている透明第１導電型ＧａＰ基板と、
前記基板の前記第１の面と向き合う第２の面上に形成され、前記活性層からの前記光を反射する第１電極と、
前記第２導電型クラッド層上に形成された第２電極と、
を備え、
前記第１導電型クラッド層の前記接着面の面積は、前記基板の前記第１の面の面積の６０％以上９０％以下であり、前記第１の面または前記接着層の一部が露呈部として露呈され、
前記第２導電型クラッド層を通る前記光と前記露呈部を通る前記光が、出力光として取り出されることを特徴とする半導体発光素子。 - 第１導電型クラッド層と、前記第１導電型クラッド層上に形成され光を発生する活性層と、前記活性層上に形成された第２導電型クラッド層と、を有し、前記第２導電型クラッド層を通る前記光が出力光の一部として取り出される結晶成長層と、
前記活性層からの前記光に対して透明で厚さが１５０μｍ以上で互いに向き合う第１の面と第２の面とを有し、前記第１の面は面積が０．１ｍｍ２以上であり前記第１導電型クラッド層の接着面に直接的にまたは接着層を介して接着され、前記第１導電型クラッド層の前記接着面の面積は前記基板の前記第１の面の面積の６０％以上９０％以下であり、前記第１の面または前記接着層の一部が露呈部として露呈され、前記露呈部を通る前記光が出力光の他部として取り出される透明第１導電型半導体基板と、
前記基板の前記第２の面上に形成され、前記活性層からの前記光を反射する第１電極と、
前記第２導電型クラッド層上に形成された第２電極と、
を備えることを特徴とする半導体発光素子。 - 前記基板が略直方体形状で、前記基板の幅が３５０μｍ以上、奥行きが３５０μｍ以上であることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の半導体発光素子。
- 前記結晶成長層の前記第１導電型クラッド層が前記基板の前記第１の面の中央部に接着され、前記第１の面の外周部または前記接着層の外周部が露呈されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の半導体発光素子。
- 前記結晶成長層の一部に溝が設けられ、前記溝の底面の前記第１の面または前記接着層が露呈されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の半導体発光素子。
- 前記基板の前記第１の面の面積に対する、前記結晶成長層の被覆率が、７０％以上８０％以下であることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の半導体発光素子。
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