JP5493252B2 - 半導体発光素子 - Google Patents
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Description
本発明は、半導体発光素子に係り、特に、光取り出し効率を高めるために、光取り出し面に凹形状を形成した半導体発光素子に関する。
従来、ＬＥＤ等の半導体発光素子において、光取り出し側の半導体層表面には、その一部に電極が形成されると共に、半導体層からの光取り出し効率を向上させるために、複数の溝や凸部が形成されることがある（例えば、特許文献１および特許文献２参照）。
特許文献１に記載された半導体発光素子としてのＬＥＤは、ＧａＮで構成された窒化物半導体基板（ＧａＮ基板）の一方の面に、発光層などを含む半導体積層体とｐ側電極とが設けられて、このｐ側電極がフレームにダウン実装されている。そして、このＬＥＤは、ＧａＮ基板の光出射面である他方の面に、ダイシングにより、断面がＶ字形状である溝が縦横碁盤目状に形成されている。このようにすることで、溝の側壁からも光を取出して、半導体発光素子における光の利用効率を向上させている。
特許文献２に記載された半導体発光素子は、サファイア基板上に、半導体積層体としてｎ型ＧａＮ層、発光層、ｐ型ＧａＮ層が順次積層され、ｐ型ＧａＮ層の上表面はエッチングされている。このエッチングによりｐ型ＧａＮ層の上表面にはシリンドリカル・レンズ状の複数の凸部が隙間なく並列に形成されている。このシリンドリカル・レンズ状の複数の凸部を形成する方法は、以下の通りである。すなわち、所定間隔を空けて並設したストライプ状の複数のレジストを熱処理により溶融軟化させて横断面が半円状の「かまぼこ形状」に変形したものを、ｐ型ＧａＮ層の上表面に転写することで、凸部を形成する。そして、この半導体発光素子は、凸部の下方の発光層から放出された光をそれぞれのシリンドリカル・レンズによって集光し、複数の線状のビームとして放出する。これにより、発光層から放出された光の取り出し効率を改善させている。
しかしながら、従来の技術には、以下に示すような問題点が存在した。
特許文献１に記載されたＬＥＤは、半導体層であるＧａＮ基板中において、溝が縦横碁盤目状に形成されているので、各溝は、Ｖ字の頂点で繋がっており、一方、碁盤目状に仕切られた光出射面は、各溝のＶ字の開口によって分断されている。つまり、各溝のＶ字の頂点より下方でしか半導体層が繋がっていないことになる。言い換えると、ＧａＮ基板の光出射面は、各溝のＶ字の頂点が存在する平面を基準にして配列した複数の凸部の天面となっている。そのため、半導体層の光出射面側において、電流が均一には広がりにくいという問題がある。さらに、ダイシングにより溝を形成するので、溝が形成される半導体層の膜厚を比較的厚くしなければならず、半導体発光素子のサイズを小型化しにくい。
特許文献１に記載されたＬＥＤは、半導体層であるＧａＮ基板中において、溝が縦横碁盤目状に形成されているので、各溝は、Ｖ字の頂点で繋がっており、一方、碁盤目状に仕切られた光出射面は、各溝のＶ字の開口によって分断されている。つまり、各溝のＶ字の頂点より下方でしか半導体層が繋がっていないことになる。言い換えると、ＧａＮ基板の光出射面は、各溝のＶ字の頂点が存在する平面を基準にして配列した複数の凸部の天面となっている。そのため、半導体層の光出射面側において、電流が均一には広がりにくいという問題がある。さらに、ダイシングにより溝を形成するので、溝が形成される半導体層の膜厚を比較的厚くしなければならず、半導体発光素子のサイズを小型化しにくい。
また、特許文献２に記載された半導体発光素子は、ｐ型ＧａＮ層の凸部が、かまぼこ形状に形成されているので配光性が悪い。すなわち、ｐ型ＧａＮ層の凸部から外側に放出される光のうち真上への光取り出し効率が弱くなる。また、この半導体発光素子は、複数の凸部が隙間なく並列に形成されているので、ｐ型ＧａＮ層の凸部から外側に放出される光のうち天面側ではなく水平な方向（横方向）に放出された光が、隣接した凸部にすぐに入射してしまうので、その分だけ光の取り出し効率が悪い。
さらに、従来技術のように半導体層表面に凸部を複数設ける構造である場合には、複数の凸部が設けられた半導体層の上に積層される電極（ｎ側電極またはｐ側電極）からの電流の広がりが悪くなる傾向にあり、水平面内の全体のうち、特に、この電極直下への電流の流れが支配的になる傾向にある。また、この電極から水平方向への電流の広がりを均一に広げるためには、電極が配設された直下の、凸部が設けられた半導体層の膜厚を、このような方策を施す前に比べて余計に厚くする必要がある。
本発明は、前記した問題に鑑み創案されたものであり、半導体層から外側に光を効率よく取り出し易く、かつ、半導体層中において電流が均一に広がり易い半導体発光素子を提供することを目的とする。
前記課題を解決するために、本発明の半導体発光素子は、ｎ型半導体層とｐ型半導体層との間に発光層を有する半導体積層体の光取り出し面となる前記ｎ型半導体層に複数の凹部が設けられ、かつ、前記光取り出し面の上に１以上の電極を有すると共に、前記ｐ型半導体層の側に基板を備える半導体発光素子において、前記凹部が、底面を有し、前記凹部の開口から前記底面に到達するまでに前記底面に向かって縮径する方向に傾斜角の異なる２段以上の傾斜面を有し、前記２段以上の傾斜面が、前記凹部の開口に近いほど傾斜角が緩やかになるように形成されており、前記光取り出し面で隣接する２つの前記凹部は、当該２つの凹部の底面およびその上方にて前記ｎ型半導体層で繋がっており、前記凹部の深さは、前記光取り出し面から前記発光層までの厚みの半分以上の長さであり、かつ、前記光取り出し面から前記発光層までの厚みより短く、前記凹部において、傾斜角の緩やかな前記傾斜面に対応する深さは、傾斜角の急な前記傾斜面に対応する深さより深いことを特徴とする。
かかる構成によれば、半導体発光素子は、光取り出し面に凹部を設けたので、凸部を設けた場合と比べて、凹部が設けられた半導体層の上に積層される電極（ｎ側電極）からの電流の広がりが良好となる。その理由は、凸部を複数設けた場合には、隣接する２つの凸部は凸部の底面よりも下方でしか半導体層が繋がっていないが、一方、凹部を複数設けた場合には、隣接する２つの凹部は凹部の底面よりも上方でも半導体層が繋がっているからである。これにより、その上に電極が形成される凹部の天面側の半導体層表面も実質的に電流が横方向に流れるようになり、均一な発光が得られる。
また、本発明の半導体発光素子は、前記凹部が前記ｎ型半導体層に設けられている。かかる構成によれば、ｎ型半導体層はｐ型半導体層に比べて膜厚が大きいので、凹部の深さを大きくすることができる。また、半導体発光素子全体の厚みの中で相対的に深い凹部を形成することができる。その結果、半導体層から外側に光を効率よく取り出すことができる。また、かかる構成によれば、ｎ型半導体層の上に積層されるｎ側電極は、ｐ側電極に比べてサイズが小さいので、複数の電極を分散配置させるときに、半導体層中において電流が均一に広がるように容易に配置することができる。
また、本発明の半導体発光素子は、前記凹部の深さが、前記光取り出し面から前記発光層までの厚みの半分以上の長さであり、かつ、前記光取り出し面から前記発光層までの厚みより短いことから、凹部の傾斜面が発光層に近いので半導体層から外側に光を効率よく取り出すことができる。
また、本発明の半導体発光素子は、前記凹部が前記ｎ型半導体層に設けられている。かかる構成によれば、ｎ型半導体層はｐ型半導体層に比べて膜厚が大きいので、凹部の深さを大きくすることができる。また、半導体発光素子全体の厚みの中で相対的に深い凹部を形成することができる。その結果、半導体層から外側に光を効率よく取り出すことができる。また、かかる構成によれば、ｎ型半導体層の上に積層されるｎ側電極は、ｐ側電極に比べてサイズが小さいので、複数の電極を分散配置させるときに、半導体層中において電流が均一に広がるように容易に配置することができる。
また、本発明の半導体発光素子は、前記凹部の深さが、前記光取り出し面から前記発光層までの厚みの半分以上の長さであり、かつ、前記光取り出し面から前記発光層までの厚みより短いことから、凹部の傾斜面が発光層に近いので半導体層から外側に光を効率よく取り出すことができる。
また、かかる構成によれば、半導体発光素子は、底面に向かって縮径する方向に傾斜角の異なる２段以上の傾斜面を有しているので、発光層から発した光が、ある１つの傾斜面に入射したときに、その入射した光のうちの反射光が、当初入射した傾斜面とは異なる別の傾斜面にも入射し、その別の傾斜面で反射することによって凹部の外側に放出される。この外側に放出される光は、傾斜面が１段で２度反射した光よりも、上方向に急峻な角度で取り出され易くなる。
また、かかる構成によれば、半導体発光素子は、凹部の２段以上の傾斜面を、凹部の開口に近いほど傾斜角が緩やかになるように形成したので、逆に、凹部の底面に近いほど傾斜角が緩やかになるように形成した場合と比べて、ある斜面で１度反射した光が何度も反射する確率が低くなる。言い換えると、この半導体発光素子は、凹部の開口に近いほど緩やかな傾斜角の傾斜面を有しているので、凹部の底面に近いほど緩やかな傾斜角の傾斜面を有している場合と比べて、外側に放出される光は、上方向に急峻な角度で取り出され易くなる。さらに、この半導体発光素子は、凹部の２段以上の傾斜面の傾斜角がこのような関係となっていることで、電流が広がり易く、そのため、単に凹部を設けた場合と比べて均一な発光が得られる。
また、かかる構成によれば、半導体発光素子は、凹部が底面を有する。したがって、発光層から発した光が、凹部の外側から凹部の底面に近い傾斜面に入射して凹部の内側を突き抜けて、入射した傾斜面と対向する傾斜面に入射するまでの光路は、凹部が底面を有しない場合と比較して長くなる。仮に凹部が底面を有しない場合には、半導体層から放出されて凹部の外側から凹部の底面に近い傾斜面に入射した光は、すぐに凹部の内側を突き抜けて、入射した傾斜面と対向する傾斜面から隣接する半導体層に入射してしまう。一方、底面を有した凹部を備える半導体発光素子では、底面が存在するために長くなった光路の分だけ凹部の内側における光の屈折の影響が強くなり、当初入射した傾斜面と対向する傾斜面で反射した反射光が、凹部の開口に近い別の傾斜面に入射することができる（図６（ａ）参照）。つまり、半導体層から放出された光の再入射を低減することができる。
また、本発明の半導体発光素子は、前記光取り出し面で隣接する２つの前記凹部が、当該２つの凹部の底面から前記ｎ型半導体層の最上部まで繋がっていることが好ましい。
また、本発明の半導体発光素子は、前記光取り出し面で隣接する２つの前記凹部が、当該２つの凹部の底面から前記ｎ型半導体層の最上部まで繋がっていることが好ましい。
また、本発明の半導体発光素子は、前記電極が、前記光取り出し面において、前記凹部以外の部分の上に設けられていることが好ましい。かかる構成によれば、電極が凹部からの光取り出しを妨げないので、光取り出し効率が向上する。また、複数の電極を分散配置することで、半導体層中において電流が均一に広がり易くなる。
また、本発明の半導体発光素子は、前記凹部の開口の形状が、前記光取り出し面に対する平面視で円形または楕円形であるように構成することができる。かかる構成によれば、凹部の傾斜面を容易にテーパとすることができる。
また、本発明の半導体発光素子は、前記凹部の開口の形状が、前記光取り出し面に対する平面視で多角形であることが好ましい。かかる構成によれば、平面視で、隣り合った凹部はそれぞれの開口が点で接するように密に配置したり、線で接するように密に配置したりすることができる。
また、本発明の半導体発光素子は、前記凹部の開口の形状が、前記光取り出し面に対する平面視で六角形であることが特に好ましい。かかる構成によれば、複数の凹部の配列状態として、横列ごとに凹部の中心が一致すると共に、縦列において凹部の中心が一列おきに一致する俵積み状態としつつ、開口が接線または接点で隣接した複数の凹部を最密に配置することができる。つまり、少ない表面積で数多くの凹部を効率よく集積して配置することができる。
また、本発明の半導体発光素子は、前記光取り出し面に対する平面視で、前記凹部が、隣接する６個の他の凹部と等間隔に配置され、前記隣接する６個の他の凹部の中心が六角形の頂点を成すことが好ましい。
また、本発明の半導体発光素子は、前記凹部の開口として前記光取り出し面に形成される六角形の各辺が、周囲の６個の他の凹部の開口として前記光取り出し面に形成される六角形の辺に接するように配置されていることが好ましい。
また、本発明の半導体発光素子は、前記凹部の開口の形状が、前記光取り出し面に対する平面視で円形または正六角形であり、前記光取り出し面において、前記凹部に隣接して取り囲むように環状に等間隔で６個の他の凹部が配置され、中心に位置する前記凹部が前記６個の他の凹部と等間隔に配置されていることが好ましい。
また、本発明の半導体発光素子は、前記光取り出し面に対する平面視で、前記凹部が、隣接する６個の他の凹部と等間隔に配置され、前記隣接する６個の他の凹部の中心が六角形の頂点を成すことが好ましい。
また、本発明の半導体発光素子は、前記凹部の開口として前記光取り出し面に形成される六角形の各辺が、周囲の６個の他の凹部の開口として前記光取り出し面に形成される六角形の辺に接するように配置されていることが好ましい。
また、本発明の半導体発光素子は、前記凹部の開口の形状が、前記光取り出し面に対する平面視で円形または正六角形であり、前記光取り出し面において、前記凹部に隣接して取り囲むように環状に等間隔で６個の他の凹部が配置され、中心に位置する前記凹部が前記６個の他の凹部と等間隔に配置されていることが好ましい。
また、本発明の半導体発光素子は、前記凹部の傾斜面に保護膜を備えることが好ましい。かかる構成によれば、保護膜によって、光取出しに重要な役割を果たす凹部を保護することができる。ここで、保護膜は、その屈折率が、傾斜面側の半導体層の屈折率の値と、傾斜面と反対側の外部材料の屈折率の値との間の値である材料で形成されると、光が取り出され易くなり好ましい。例えば、外部が大気の場合、保護膜は、ＳｉＯ2やＡｌ2Ｏ3などから構成されることが好ましい。
また、本発明の半導体発光素子は、前記ｐ型半導体層の前記光取り取り出し面とは反対側の面に設けられたｐ側電極に深さ方向で対向する位置に前記凹部が設けられていることが好ましい。かかる構成によれば、発光層から光取り出し面とは反対側の面に向かって放出された光がｐ側電極で反射し、その反射光が凹部から半導体層の外側に放出され易くなる。また、かかる構成によれば、ｐ側電極の配置に応じて定まる電流の広がりを考慮して、複数のｎ側電極を分散配置させることができる。例えば、凹部以外の部分の上に複数のｎ側電極を設けた場合には、ｐ側電極とｎ側電極とが、半導体積層体の深さ方向で対向しないように配置されるので、特に、半導体層中において電流が均一に広がり易くなる。これに対して、ｐ側電極とｎ側電極とが、半導体積層体の深さ方向で対向する場合には、そのｐ側電極とｎ側電極を結ぶ経路に電流が流れ易くなり、水平方向でみると電流の流れが均一とはならずにムラが生じてしまう。
また、本発明の半導体発光素子は、前記半導体積層体が、窒化ガリウム系化合物半導体から成ることが好ましい。
また、本発明の半導体発光素子は、前記半導体積層体が、窒化ガリウム系化合物半導体から成ることが好ましい。
本発明によれば、半導体層から外側に光を効率よく取り出し易く、かつ、半導体層中において電流が均一に広がり易い半導体発光素子を提供することができる。その結果、半導体層中において電流が均一に広がり易くなるので、電極が配設された直下の凹部が設けられた半導体層の膜厚を余計に厚くする必要がない。また、半導体層中において電流が均一に広がり易くなるので、半導体層中において凹部の深さを従前よりも深くすることができる。そのため、この場合には、光取り出し効率をさらに向上させることができる。
以下、図面を参照して本発明の半導体発光素子を実施するための最良の形態（以下「実施形態」という）について詳細に説明する。なお、図面に示した構成要素等の厚みや長さは、配置を明確に説明するために誇張して示してあるので、これに限定されるものではない。
［半導体発光素子の構成］
本発明の実施形態に係る半導体発光素子は、ｎ型半導体層とｐ型半導体層との間に発光層を有する半導体積層体の基板に実装される側の面とは反対側の光取り出し面に１以上の凹部が設けられ、かつ、光取り出し面の上に１以上の電極を有するものに関する。まず、半導体発光素子の構成について、図１ないし図５を参照して説明する。図１は、本発明の実施形態に係る半導体発光素子の構成を模式的に示す断面図であり、図２は、図１に示した凹部を拡大して模式的に示す断面図である。また、図３は、凹部を模式的に示す平面図であり、図４は、凹部のＸ−Ｘ断面およびＹ−Ｙ断面を模式的に示す図であり、図５は、凹部を模式的に示す斜視図である。
［半導体発光素子の構成］
本発明の実施形態に係る半導体発光素子は、ｎ型半導体層とｐ型半導体層との間に発光層を有する半導体積層体の基板に実装される側の面とは反対側の光取り出し面に１以上の凹部が設けられ、かつ、光取り出し面の上に１以上の電極を有するものに関する。まず、半導体発光素子の構成について、図１ないし図５を参照して説明する。図１は、本発明の実施形態に係る半導体発光素子の構成を模式的に示す断面図であり、図２は、図１に示した凹部を拡大して模式的に示す断面図である。また、図３は、凹部を模式的に示す平面図であり、図４は、凹部のＸ−Ｘ断面およびＹ−Ｙ断面を模式的に示す図であり、図５は、凹部を模式的に示す斜視図である。
図１に示すように、本実施形態に係る半導体発光素子１は、主として、基板１０と、メタライズ層２０と、ｐ側電極３０と、保護膜４０と、半導体積層体５０と、ｎ側電極６０と、保護膜７０と、裏面メタライズ層８０とからなる。
（基板）
基板１０は、シリコン（Ｓｉ）から構成される。なお、Ｓｉのほか、例えば、Ｇｅ，ＳｉＣ，ＧａＮ，ＧａＡｓ，ＧａＰ，ＩｎＰ，ＺｎＳｅ，ＺｎＳ，ＺｎＯ等の半導体から成る半導体基板、または、金属単体基板、または、相互に非固溶あるいは固溶限界の小さい２種以上の金属の複合体から成る金属基板を用いることができる。このうち、金属単体基板として具体的にはＣｕを用いることができる。また、金属基板の材料として具体的にはＡｇ，Ｃｕ，Ａｕ，Ｐｔ等の高導電性金属から選択された１種以上の金属と、Ｗ，Ｍｏ，Ｃｒ，Ｎｉ等の高硬度の金属から選択された１種以上の金属と、から成るものを用いることができる。半導体材料の基板１０を用いる場合には、それに素子機能、例えばツェナーダイオードを付加した基板１０とすることもできる。さらに、金属基板としては、Ｃｕ−ＷあるいはＣｕ−Ｍｏの複合体を用いることが好ましい。
基板１０は、シリコン（Ｓｉ）から構成される。なお、Ｓｉのほか、例えば、Ｇｅ，ＳｉＣ，ＧａＮ，ＧａＡｓ，ＧａＰ，ＩｎＰ，ＺｎＳｅ，ＺｎＳ，ＺｎＯ等の半導体から成る半導体基板、または、金属単体基板、または、相互に非固溶あるいは固溶限界の小さい２種以上の金属の複合体から成る金属基板を用いることができる。このうち、金属単体基板として具体的にはＣｕを用いることができる。また、金属基板の材料として具体的にはＡｇ，Ｃｕ，Ａｕ，Ｐｔ等の高導電性金属から選択された１種以上の金属と、Ｗ，Ｍｏ，Ｃｒ，Ｎｉ等の高硬度の金属から選択された１種以上の金属と、から成るものを用いることができる。半導体材料の基板１０を用いる場合には、それに素子機能、例えばツェナーダイオードを付加した基板１０とすることもできる。さらに、金属基板としては、Ｃｕ−ＷあるいはＣｕ−Ｍｏの複合体を用いることが好ましい。
（メタライズ層）
メタライズ層２０は、この半導体発光素子１を製造する工程において、２つの基板を貼り合わせる共晶である。詳細には、図８（ｄ）に示すエピタキシャル（成長）側（以下、エピ側という）メタライズ層２１と、図８（ｅ）に示す基板側メタライズ層２２とを貼り合わせて構成される。このうちエピ側メタライズ層２１の材料としては、例えば、図８（ｄ）において下からチタン（Ｔｉ）／白金（Ｐｔ）／金（Ａｕ）／錫（Ｓｎ）／金（Ａｕ）の順番に積層したものが挙げられる。また、基板側メタライズ層２２の材料としては、例えば、図８（ｅ）において上から金（Ａｕ）／白金（Ｐｔ）／二ケイ化チタン（ＴｉＳｉ2）、あるいは、二ケイ化チタン（ＴｉＳｉ2）／白金（Ｐｔ）／パラジウム（Ｐｄ）の順番に積層したものが挙げられる。
図１に戻って半導体発光素子１の構成についての説明を続ける。
メタライズ層２０は、この半導体発光素子１を製造する工程において、２つの基板を貼り合わせる共晶である。詳細には、図８（ｄ）に示すエピタキシャル（成長）側（以下、エピ側という）メタライズ層２１と、図８（ｅ）に示す基板側メタライズ層２２とを貼り合わせて構成される。このうちエピ側メタライズ層２１の材料としては、例えば、図８（ｄ）において下からチタン（Ｔｉ）／白金（Ｐｔ）／金（Ａｕ）／錫（Ｓｎ）／金（Ａｕ）の順番に積層したものが挙げられる。また、基板側メタライズ層２２の材料としては、例えば、図８（ｅ）において上から金（Ａｕ）／白金（Ｐｔ）／二ケイ化チタン（ＴｉＳｉ2）、あるいは、二ケイ化チタン（ＴｉＳｉ2）／白金（Ｐｔ）／パラジウム（Ｐｄ）の順番に積層したものが挙げられる。
図１に戻って半導体発光素子１の構成についての説明を続ける。
（ｐ側電極）
ｐ側電極３０は、半導体積層体５０の基板１０側の実装面において、深さ方向で半導体積層体５０の最上面の凹部９０に対向する位置に設けられている。
ｐ側電極３０は、詳細には、半導体積層体５０側のｐ電極第１層（図示せず）と、このｐ電極第１層の下側のｐ電極第２層（図示せず）との少なくとも２層構造で構成されている。
ｐ側電極３０は、半導体積層体５０の基板１０側の実装面において、深さ方向で半導体積層体５０の最上面の凹部９０に対向する位置に設けられている。
ｐ側電極３０は、詳細には、半導体積層体５０側のｐ電極第１層（図示せず）と、このｐ電極第１層の下側のｐ電極第２層（図示せず）との少なくとも２層構造で構成されている。
ｐ電極第１層（図示せず）は、通常、電極として用いることができる材料を例示することができる。例えば、銀（Ａｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、ニッケル（Ｎｉ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）、ルテニウム（Ｒｕ）、オスミウム（Ｏｓ）、イリジウム（Ｉｒ）、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、バナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）、マンガン（Ｍｎ）、モリブデン（Ｍｏ）、クロム（Ｃｒ）、タングステン（Ｗ）、ランタン（Ｌａ）、銅（Ｃｕ）、イットリウム（Ｙ）等の金属、合金；ＩＴＯ、ＺｎＯ、ＳｎＯ2等の導電性酸化物等の単層膜又は積層膜等が挙げられる。ｐ電極第２層（図示せず）は、例えば、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、Ｎｉ−Ｔｉ−Ａｕ系の電極材料を用いることができる。
ｐ側電極３０は、具体例として、図示しないが、ｐ電極第１層／ｐ電極第２層の２層構造である場合には、白金（Ｐｔ）／金（Ａｕ）、パラジウム（Ｐｄ）／金（Ａｕ）、ロジウム（Ｒｈ）／金（Ａｕ）、ニッケル（Ｎｉ）／金（Ａｕ）等がある。また、ｐ電極第１層とｐ電極第２層との間に、第３層を介する３層構造としては、ニッケル（Ｎｉ）／白金（Ｐｔ）／金（Ａｕ）、パラジウム（Ｐｄ）／白金（Ｐｔ）／金（Ａｕ）、ロジウム（Ｐｈ）／白金（Ｐｔ）／金（Ａｕ）等がある。さらに、ｐ電極第１層とｐ電極第２層との間に、第３層および第４層を介する４層構造としては、銀（Ａｇ）／ニッケル（Ｎｉ）／チタン（Ｔｉ）／白金（Ｐｔ）等がある。
（保護膜）
保護膜４０は、ｐ型半導体層５３よりも屈折率が低く透明な材料から構成され、ｐ側電極３０と同一平面内でｐ側電極３０の形成されていない部分に形成されている。保護膜４０は、絶縁膜からなるものであって、特に酸化膜からなるものが好ましい。保護膜４０は、例えば、二酸化ケイ素（ＳｉＯ2）やＺｒ酸化膜（ＺｒＯ2）からなる。
保護膜４０は、ｐ型半導体層５３よりも屈折率が低く透明な材料から構成され、ｐ側電極３０と同一平面内でｐ側電極３０の形成されていない部分に形成されている。保護膜４０は、絶縁膜からなるものであって、特に酸化膜からなるものが好ましい。保護膜４０は、例えば、二酸化ケイ素（ＳｉＯ2）やＺｒ酸化膜（ＺｒＯ2）からなる。
保護膜４０は、例えば、スパッタリング法、ＥＣＲ（Electron Cyclotron Resonance：電子サイクロトロン共鳴）スパッタリング法、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition：化学気相成長）法、ＥＣＲ−ＣＶＤ法、ＥＣＲ一プラズマＣＶＤ法、蒸着法、ＥＢ法（Electron Beam：電子ビーム蒸着法）等の公知の方法で形成することができる。なかでも、ＥＣＲスパッタリング法、ＥＣＲ−ＣＶＤ法、ＥＣＲ一プラズマＣＶＤ法等で形成することが好ましい。
（半導体積層体）
半導体積層体５０は、例えば、窒化ガリウム系化合物半導体（例えば、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＮ等）から成る。特に、エッチングされた面の結晶性がよいなどの点でＧａＮであることが好ましい。半導体積層体５０は、基板１０に実装される側の面とは反対側の光取り出し面側から、ｎ型半導体層５１、発光層５２およびｐ型半導体層５３の順番に積層されて構成されている。また、半導体積層体５０は、一般式がＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）で示される。
半導体積層体５０は、例えば、窒化ガリウム系化合物半導体（例えば、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＮ等）から成る。特に、エッチングされた面の結晶性がよいなどの点でＧａＮであることが好ましい。半導体積層体５０は、基板１０に実装される側の面とは反対側の光取り出し面側から、ｎ型半導体層５１、発光層５２およびｐ型半導体層５３の順番に積層されて構成されている。また、半導体積層体５０は、一般式がＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）で示される。
光取り出し面には１以上の凹部９０が形成されている。本実施形態では、光取り出し面は、ｎ型半導体層５１の表面である。つまり、凹部９０は、ｎ型半導体層５１に設けられている。凹部９０の詳細については後記する。
ｎ型半導体層５１は、例えば、ｎ型不純物としてＳｉやＧｅ、Ｏ等を含むＧａＮから構成される。また、ｎ型半導体層５１は、複数の層で形成されていてもよい。
発光層５２は、例えば、ＩｎＧａＮから構成される。
ｐ型半導体層５３は、例えば、ｐ型不純物としてＭｇを含むＧａＮから構成される。
発光層５２は、例えば、ＩｎＧａＮから構成される。
ｐ型半導体層５３は、例えば、ｐ型不純物としてＭｇを含むＧａＮから構成される。
この半導体積層体５０の光取り出し面には１以上の電極が形成されている。本実施形態では、光取り出し面は、ｎ型半導体層５１の表面であるので、光取り出し面に形成された電極は、ｎ側電極６０である。
（ｎ側電極）
図１に示すように、ｎ側電極６０は、光取り出し面において、凹部９０以外の部分の上に設けられている。本実施形態では、光取り出し面は、ｎ型半導体層５１の表面であるので、ｎ側電極６０は、ｎ型半導体層５１の上面で、凹部９０の形成されていない部分に、電気的に接続されるように形成されている。ｎ側電極６０は、ワイヤボンディングにより外部と接続される。ｎ側電極６０は、ｎ型半導体層５１の上面側から、例えば、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ／Ｎｉ、Ｔｉ／Ａｌ、Ｔｉ／Ａｌ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｗ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｖ／Ｐｔ／Ａｕのような複数の金属で構成される。なお、ｎ側電極６０は、オーミック電極とパッド電極とから構成されるようにしてもよい。
図１に示すように、ｎ側電極６０は、光取り出し面において、凹部９０以外の部分の上に設けられている。本実施形態では、光取り出し面は、ｎ型半導体層５１の表面であるので、ｎ側電極６０は、ｎ型半導体層５１の上面で、凹部９０の形成されていない部分に、電気的に接続されるように形成されている。ｎ側電極６０は、ワイヤボンディングにより外部と接続される。ｎ側電極６０は、ｎ型半導体層５１の上面側から、例えば、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ／Ｎｉ、Ｔｉ／Ａｌ、Ｔｉ／Ａｌ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｗ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｖ／Ｐｔ／Ａｕのような複数の金属で構成される。なお、ｎ側電極６０は、オーミック電極とパッド電極とから構成されるようにしてもよい。
（保護膜）
保護膜７０は、前記した保護膜４０と同一材料で形成されている。ここで同一材量とは、例えば、保護膜４０がＳｉＯ2によって形成されているのであれば、保護膜７０もＳｉＯ2によって形成されていることを意味し、その製造方法等によって、組成に若干の差異が生じることがあってもよい。保護膜７０は、ｎ側電極６０の上表面のワイヤボンディングされる領域を除いた表面と、凹部９０の内周面を含む内側と、ｎ型半導体層５１の表面と、半導体積層体５０の側面とを被覆している。
保護膜７０は、前記した保護膜４０と同一材料で形成されている。ここで同一材量とは、例えば、保護膜４０がＳｉＯ2によって形成されているのであれば、保護膜７０もＳｉＯ2によって形成されていることを意味し、その製造方法等によって、組成に若干の差異が生じることがあってもよい。保護膜７０は、ｎ側電極６０の上表面のワイヤボンディングされる領域を除いた表面と、凹部９０の内周面を含む内側と、ｎ型半導体層５１の表面と、半導体積層体５０の側面とを被覆している。
（裏面メタライズ層）
裏面メタライズ層８０は、基板１０のメタライズ層２０が形成されている面と反対側に形成されオーミック電極として機能する。裏面メタライズ層８０の材料としては、例えば、図１において上から二ケイ化チタン（ＴｉＳｉ2）／白金（Ｐｔ）／金（Ａｕ）の順番に積層したものが挙げられる。
裏面メタライズ層８０は、基板１０のメタライズ層２０が形成されている面と反対側に形成されオーミック電極として機能する。裏面メタライズ層８０の材料としては、例えば、図１において上から二ケイ化チタン（ＴｉＳｉ2）／白金（Ｐｔ）／金（Ａｕ）の順番に積層したものが挙げられる。
（凹部の構成）
凹部９０は、図２に拡大して示すように、開口９１から底面９２に到達するまでに底面９２に向かって縮径する方向に傾斜角の異なる２段の傾斜面９３，９４を有し、それぞれの傾斜面９３，９４が、凹部９０の開口９１に近いほど傾斜角が緩やかになるように形成されている。つまり、凹部９０は、ｎ型半導体層５１の表面から離れるにつれて先細りとなる形状で、側面は２つの先細り角θ1，θ2の異なる傾斜面９３，９４を有している。なお、図２は、図４のＸ−Ｘ断面矢視図である。
凹部９０は、図２に拡大して示すように、開口９１から底面９２に到達するまでに底面９２に向かって縮径する方向に傾斜角の異なる２段の傾斜面９３，９４を有し、それぞれの傾斜面９３，９４が、凹部９０の開口９１に近いほど傾斜角が緩やかになるように形成されている。つまり、凹部９０は、ｎ型半導体層５１の表面から離れるにつれて先細りとなる形状で、側面は２つの先細り角θ1，θ2の異なる傾斜面９３，９４を有している。なお、図２は、図４のＸ−Ｘ断面矢視図である。
本実施形態では、先細り角θ1，θ2は、半導体積層体５０の水平方向から積層方向に向かう角度で示される。表面側の先細り角θ1は、０°より大きく６０°より小さい。さらに、θ1は、２０〜５０°の範囲であることが好ましい。発光層５２側の先細り角θ2は、６０°以上９０°より小さい。さらに、θ2は、６０〜８０°の範囲であることが好ましい。ここで、２つの先細り角θ1，θ2の差がある程度大きい方が、発光層５２から様々な角度に放射される光路の光を傾斜面９３，９４で効率よく反射及び透過させて取り出し易くなる。例えば、図２に示したように、２つの傾斜面９３，９４を明確に区別したときには、先細り角θ1＝４５°、θ2＝７０°、θ2−θ1＝２５°となる。先細り角θ1，θ2の数値を、前記した数値範囲とすると、このように傾斜角の差θ2−θ1をある程度大きくすることが比較的容易である。
ｎ型半導体層５１が複数の層で形成される場合には、各傾斜面９３，９４は、それぞれＧａＮで構成されていることが好ましい。さらに、各傾斜面９３，９４においてＧａＮにドープするｎ型不純物（例えばＳｉ）の濃度の値を異ならせることが好ましい。また、例えば、表面側の傾斜面９３はアンドープのＧａＮで構成し、発光層５２側の傾斜面９４は、ＳｉドープのＧａＮで構成することができる。
凹部９０の深さＤは、光取り出し面から発光層５２までの厚みＨの半分以上の長さであり、かつ、光取り出し面から発光層までの厚みＨより短い（Ｈ／２≦Ｄ＜Ｈ）。また、凹部９０を形成し易いようにするためには、凹部９０の深さＤのうち、傾斜面９３に対応する深さＤ1は、傾斜面９４に対応する深さＤ2に比べて深いことが好ましい。
凹部９０の底面の大きさＷ（直径Ｗ）は、先細り角θ1，θ2にもよるが、開口９１の大きさＬ（最大幅Ｌ）に対して、５分の１以上半分以下である（Ｌ／５≦Ｗ≦Ｌ／２）。さらに、３分の１以上半分以下であることが好ましい（Ｌ／３≦Ｗ≦Ｌ／２）。ここで、凹部９０の底面の大きさＷと、開口９１の大きさＬとの差がある程度大きい方が、発光層５２から様々な角度に放射される光路の光を傾斜面９３，９４で効率よく反射及び透過させて取り出し易くなる。例えば、図２に示したように、凹部９０の底面の大きさＷを、開口９１の大きさＬの１／３にした場合には、先細り角θ1，θ2の数値を、前記した数値範囲としつつ、かつ、凹部９０の深さＤのうち、傾斜面９３に対応する深さＤ1を、傾斜面９４に対応する深さＤ2に比べて深くすることができるので、凹部９０を製造し易くなる。したがって、上のように数値範囲を定めた。
凹部９０の底面の大きさＷ（直径Ｗ）は、先細り角θ1，θ2にもよるが、開口９１の大きさＬ（最大幅Ｌ）に対して、５分の１以上半分以下である（Ｌ／５≦Ｗ≦Ｌ／２）。さらに、３分の１以上半分以下であることが好ましい（Ｌ／３≦Ｗ≦Ｌ／２）。ここで、凹部９０の底面の大きさＷと、開口９１の大きさＬとの差がある程度大きい方が、発光層５２から様々な角度に放射される光路の光を傾斜面９３，９４で効率よく反射及び透過させて取り出し易くなる。例えば、図２に示したように、凹部９０の底面の大きさＷを、開口９１の大きさＬの１／３にした場合には、先細り角θ1，θ2の数値を、前記した数値範囲としつつ、かつ、凹部９０の深さＤのうち、傾斜面９３に対応する深さＤ1を、傾斜面９４に対応する深さＤ2に比べて深くすることができるので、凹部９０を製造し易くなる。したがって、上のように数値範囲を定めた。
図３の平面図に示すように、複数の凹部９０は、開口の整列状態として、横列ごとに凹部９０の中心が一致すると共に、縦列において凹部９０の中心が一列おきに一致する、いわゆる俵積み状態として配置されている。図３では、凹部９０ａを、右斜め上から時計回りに６個の凹部９０ｂ，９０ｃ，９０ｄ，９０ｅ，９０ｆ，９０ｇが最密となるように取り囲んでいる。すなわち、凹部９０ａは、開口としての正六角形の各辺３０１〜３０６で周囲の６個の凹部９０ｂ〜９０ｇに対して接している。また、凹部９０ａは、開口としての正六角形の各頂点３１１〜３１６で周囲の６個の凹部９０ｂ〜９０ｇに対して接している。ここで、図４のＹ−Ｙ断面矢視図に示すように、凹部９０ａの開口としての正六角形の各辺（例えば、辺３０２）は、一直線であり光取り出し面上に存在している。図５は、凹部９０を図４のＹ−Ｙ断面で切断した一部断面斜視図である。したがって、半導体発光素子１は、開口９１が接線および接点で隣接した凹部９０を最密に配置した構造となっている。つまり、半導体発光素子１は、少ない表面積で数多くの凹部９０を効率よく集積して配置したものである。
［半導体発光素子の特性］
（光取り出し効率）
図６は、本実施形態の半導体発光素子と従来例との比較を模式的に示す断面図である。図６（ａ）は、本実施形態の半導体発光素子１の凹部９０の断面を示し、図６（ｂ）は、従来の半導体発光素子の凸部１９０の断面を示している。ここでは、図示は省略するが、比較としての従来の半導体発光素子の凸部１９０は、複数の凸部１９０が格子状または俵積み状態で配列されているものとする。そして、隣接する凸部１９０の上先端部で囲まれる領域を便宜上、開口１９１と呼ぶ。
（光取り出し効率）
図６は、本実施形態の半導体発光素子と従来例との比較を模式的に示す断面図である。図６（ａ）は、本実施形態の半導体発光素子１の凹部９０の断面を示し、図６（ｂ）は、従来の半導体発光素子の凸部１９０の断面を示している。ここでは、図示は省略するが、比較としての従来の半導体発光素子の凸部１９０は、複数の凸部１９０が格子状または俵積み状態で配列されているものとする。そして、隣接する凸部１９０の上先端部で囲まれる領域を便宜上、開口１９１と呼ぶ。
＜高角＞
図６（ａ）に示すように、凹部９０と凹部９０との間の半導体層の下方から高角で上方に放出される光は、凹部９０の上方の傾斜面９３と保護膜７０の屈折率で定まる方向に放射される。同様に、図６（ｂ）に示すように、凸部１９０の半導体層の下方から高角で上方に放出される光は、凸部１９０の上方の曲率と保護膜１７０の屈折率の変化で定まる方向に放射される。
図６（ａ）に示すように、凹部９０と凹部９０との間の半導体層の下方から高角で上方に放出される光は、凹部９０の上方の傾斜面９３と保護膜７０の屈折率で定まる方向に放射される。同様に、図６（ｂ）に示すように、凸部１９０の半導体層の下方から高角で上方に放出される光は、凸部１９０の上方の曲率と保護膜１７０の屈折率の変化で定まる方向に放射される。
＜低角＞
図６（ａ）に示すように、凹部９０と凹部９０との間の半導体層の下方から低角でほぼ水平に放出される光は、凹部９０の下方の傾斜面９４と保護膜７０の屈折率で定まる方向に放射される。この放射された光は、隣接した凹部９０の傾斜面９４に入射するが、この入射した光のうち反射光は、傾斜面９３に入射し、この傾斜面９３で反射する。これにより、半導体層の下方から低角で放出された光も、半導体層の外側に取り出すことが可能である。一方、図６（ｂ）に示すように、凸部１９０の半導体層の下方から低角でほぼ水平に放出される光は、すぐに、隣接した凸部１９０の下方に入射し、ほとんど反射することがない。したがって、半導体層の下方から低角で放出された光は、半導体層の外側に取り出すことが困難である。ゆえに、本実施形態の半導体発光素子１は、従来例と比較すると、光取り出し効率が向上した。
図６（ａ）に示すように、凹部９０と凹部９０との間の半導体層の下方から低角でほぼ水平に放出される光は、凹部９０の下方の傾斜面９４と保護膜７０の屈折率で定まる方向に放射される。この放射された光は、隣接した凹部９０の傾斜面９４に入射するが、この入射した光のうち反射光は、傾斜面９３に入射し、この傾斜面９３で反射する。これにより、半導体層の下方から低角で放出された光も、半導体層の外側に取り出すことが可能である。一方、図６（ｂ）に示すように、凸部１９０の半導体層の下方から低角でほぼ水平に放出される光は、すぐに、隣接した凸部１９０の下方に入射し、ほとんど反射することがない。したがって、半導体層の下方から低角で放出された光は、半導体層の外側に取り出すことが困難である。ゆえに、本実施形態の半導体発光素子１は、従来例と比較すると、光取り出し効率が向上した。
（配光性）
図７は、本実施形態の半導体発光素子の指向性の一例を示すグラフである。図７は、極座標で指向特性を表すものであり、径方向が光強度、周方向は角度を示す。ここで、周方向は、指向角９０°を基準（縦軸：Ｙ軸）として、横軸（Ｘ軸）の負方向が指向角０°、横軸（Ｘ軸）の正方向が指向角１８０°をそれぞれ示す。また、指向角０〜１８０°は、平面視でｎ側電極６０の長手方向（φ＝９０°）に測定したものを示す。また、図７において、実線は、本実施形態の半導体発光素子１の場合、すなわち、図６（ａ）に示す凹部９０を有している場合を示す。また、破線は、従来の半導体発光素子の場合、すなわち、図６（ｂ）に示す凸部１９０を有している場合を示す。ただし、それぞれの違いを明確にするために、指向角９０°の場合の絶対値をそれぞれ「１」に正規化した。
図７は、本実施形態の半導体発光素子の指向性の一例を示すグラフである。図７は、極座標で指向特性を表すものであり、径方向が光強度、周方向は角度を示す。ここで、周方向は、指向角９０°を基準（縦軸：Ｙ軸）として、横軸（Ｘ軸）の負方向が指向角０°、横軸（Ｘ軸）の正方向が指向角１８０°をそれぞれ示す。また、指向角０〜１８０°は、平面視でｎ側電極６０の長手方向（φ＝９０°）に測定したものを示す。また、図７において、実線は、本実施形態の半導体発光素子１の場合、すなわち、図６（ａ）に示す凹部９０を有している場合を示す。また、破線は、従来の半導体発光素子の場合、すなわち、図６（ｂ）に示す凸部１９０を有している場合を示す。ただし、それぞれの違いを明確にするために、指向角９０°の場合の絶対値をそれぞれ「１」に正規化した。
図７に示すように、本実施形態の半導体発光素子１の場合には（図７中、実線で示す）、指向角９０°において強度が最も大きい。一方、従来の半導体発光素子の場合には（図７中、破線で示す）、指向角５０°および指向角１３０°における強度が最も大きく、指向角９０°における強度の１．８倍となっている。つまり、配光性は、従来の半導体発光素子よりも、本実施形態の半導体発光素子１の方が優れている。
［半導体発光素子の製造方法］
図１に示した半導体発光素子の製造方法について、図８および図９を参照（適宜図１ないし図５参照）して説明する。図８および図９は、図１に示した半導体発光素子の製造工程を模式的に示す断面図である。
図１に示した半導体発光素子の製造方法について、図８および図９を参照（適宜図１ないし図５参照）して説明する。図８および図９は、図１に示した半導体発光素子の製造工程を模式的に示す断面図である。
まず、図８（ａ）に示すように、エピ用基板１００の上に、ｎ型半導体層５１、発光層５２、ｐ型半導体層５３をこの順番に積層し、半導体積層体５０を形成する。エピ用基板１００は、後工程で剥離される基板であり、例えば、Ｃ面、Ｒ面およびＡ面のいずれかを主面とするサファイアから構成される。なお、エピ用基板１００としてサファイアと異なる異種基板を用いてもよい。異種基板としては、例えば、スピネル（ＭｇＡｌ 2Ｏ4）のような絶縁性基板、ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃを含む）、ＺｎＳ、ＺｎＯ、ＧａＡｓおよび窒化物半導体と格子整合する酸化物基板等、窒化物半導体を成長させることが可能で、従来から知られている基板材料を用いることができる。
次に、図８（ｂ）に示すように、半導体積層体５０の上面（ｐ型半導体層５３の表面）に、マグネトロンスパッタ法を用いて、図示しないｐ電極第１層、ｐ電極第２層をこの順番に積層することでｐ側電極３０を形成する。次に、図８（ｃ）に示すように、ＥＣＲスパッタリング法によって、ｐ側電極３０の間に保護膜４０をパターン形成する。次に、図８（ｄ）に示すように、ｐ側電極３０および保護膜４０の上に、エピ側メタライズ層２１を積層する。また、エピ側メタライズ層２１の形成の前後または並行して、図８（ｅ）に示すように、基板１０の上に基板側メタライズ層２２を積層する。そして、図８（ｅ）に示すように、基板側メタライズ層２２が積層された基板１０を裏返しにして、基板側メタライズ層２２とエピ側メタライズ層２１とを貼り合わせる。
次に、図９（ａ）に示すように、半導体積層体５０からエピ用基板１００を剥離する。次に、図９（ｂ）に示すように、エピ用基板１００が剥離された基板１０を裏返しにすることで最上面となった半導体積層体５０の上面（ｎ型半導体層５１の表面）をＣＭＰ(Chemical Mechanical Polishing：化学機械研磨)により研磨する。次に、図９（ｃ）に示すように、半導体積層体５０の上面（ｎ型半導体層５１の表面）に凹部９０を形成する。
具体的には、正六角形の形状の複数の開口部が設けられたマスク（第１マスク）をｎ型半導体層５１の表面に設け、深さＤ1までＲＩＥ（Reactive Ion Etching反応性イオンエッチング）によりエッチングする（第１エッチング）。そして、複数の開口部が設けられたマスク（第２マスク）をｎ型半導体層５１の表面に設ける。ここで、第２マスクは、その開口部の配列が、第１マスクの開口部の配列と同じであり、第２マスクの各開口部の大きさは、第１マスクの開口部よりも小さいものである。ここで、第２マスクの開口の形状は、円形とする。そして、深さＤ2（Ｄ2＜Ｄ1）までＲＩＥによりエッチングする（第２エッチング）。
ここで、前記した第１エッチングと第２エッチングとを実施する順序は任意である。前記したように、第１エッチングに続いて第２エッチングを実施する場合には、それぞれの先細り角θ1，θ2が比較的明確になり、傾斜面９３，９４を明確な面とし易くなる。また、エッチングする深さが比較的小さくても、明確な傾斜面９３，９４を容易に得ることができるという利点もある。
また、第２エッチングに続いて第１エッチングを実施する場合には、第２エッチングにより形成した傾斜面９４が、第１エッチングを実行するときに（傾斜面９３を形成するときに）、さらにエッチングされ易くなる。また、この場合には、傾斜面９３と傾斜面９４との境界がなだらかになり、この境界領域でも光を有効に外部に取り出すことが可能となるという利点もある。
次に、図９（ｄ）に示すように、半導体積層体５０の上面（ｎ型半導体層５１の表面）で凹部９０が形成されていない部分に、ｎ側電極６０を形成する。
次に、図９（ｅ）に示すように、凹部９０の内周面を含む内側と、半導体積層体５０の上面（ｎ型半導体層５１の表面）とを保護膜７０で被覆する。なお、ｎ側電極６０の上表面のワイヤボンディングされる領域を除いた表面と、半導体積層体５０の側面とを保護膜７０で被覆する。そして、基板１０を裏返しにすることで最上面となる基板１０の表面に、オーミック電極としての裏面メタライズ層８０を形成し、ダイシングする。すなわち、ウェハ形状からバー形状に分割し、共振器端面にミラーを形成し、バー形状からチップ形状に劈開し、ワイヤをｎ側電極６０および裏面メタライズ層８０の表面に接続することで、図１に示した半導体発光素子１を製造する。
次に、図９（ｅ）に示すように、凹部９０の内周面を含む内側と、半導体積層体５０の上面（ｎ型半導体層５１の表面）とを保護膜７０で被覆する。なお、ｎ側電極６０の上表面のワイヤボンディングされる領域を除いた表面と、半導体積層体５０の側面とを保護膜７０で被覆する。そして、基板１０を裏返しにすることで最上面となる基板１０の表面に、オーミック電極としての裏面メタライズ層８０を形成し、ダイシングする。すなわち、ウェハ形状からバー形状に分割し、共振器端面にミラーを形成し、バー形状からチップ形状に劈開し、ワイヤをｎ側電極６０および裏面メタライズ層８０の表面に接続することで、図１に示した半導体発光素子１を製造する。
本実施形態の半導体発光素子１によれば、光取り出し面に凹部９０を設けたので、凸部を設けた場合と比べて、ｎ側電極６０からの電流の広がりが良好となる。また、半導体発光素子１は、底面９２に向かって縮径する方向に傾斜角の異なる２段の傾斜面９３，９４が、凹部９０の開口９１に近いほど傾斜角が緩やかになるように形成したので、発光層５２から発した光が反射により外部に取り出され易くなる。さらに、半導体発光素子１は、凹部９０が底面９２を有するので、半導体層から放出された光の再入射を低減することができる。
以上、本実施形態について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、その趣旨を変えない範囲でさまざまに実施することができる。例えば、半導体積層体５０の光取り出し面をｎ型半導体層５１としたが、光取り出し面をｐ型半導体層５３として、このｐ型半導体層５３に凹部９０を設けることとしてもよい。なお、本実施形態のように構成した方が凹部９０を深くすることができるので好ましい。また、本実施形態では、凹部９０に２段の傾斜面９３，９４を設けることとしたが、それぞれの傾斜面が、凹部９０の開口９１に近いほど先細り角（傾斜角）が緩やかになるように形成されていれば、３段以上であっても同等の効果がある。この場合、表面側の傾斜面に対応した先細り角θ1や発光層５２側の傾斜面に対応した先細り角θ2は、前記した数値範囲としつつも、その中間に設ける１以上の傾斜面に対応した先細り角との差が、開口９１から底面９２にかけてなるべく均等になるように適宜定めることで、発光層５２から様々な角度に放射される光路の光を合計３以上の傾斜面で効率よく反射及び透過させて取り出し易くすることができる。また、本実施形態では、凹部９０が設けられていない部分にｎ側電極６０を設けることとしたが、凹部９０の上にｎ側電極６０を設けてもよい。なお、本実施形態のように構成した方が半導体層中で電流が広がり易いので好ましい。また、半導体発光素子１の半導体積層体５０を構成する材料は、窒化物半導体に限定されるものではない。
また、凹部９０を形成する方法は、第１マスクと第２マスクという２種類のマスクを用いる方法に限定されるものではなく、ＲＩＥにおいて、例えば、ガス種、真空度、高周波電力なのエッチング条件を調整することで、傾斜面９３，９４が生じるように段階的にエッチングするようにしてもよい。
また、凹部９０の形状については、様々な変形例が可能である。以下では、そのバリエーションについて説明する。
また、凹部９０の形状については、様々な変形例が可能である。以下では、そのバリエーションについて説明する。
［第１変形例］
図１０は、凹部の第１変形例のＸ−Ｘ断面およびＹ−Ｙ断面を模式的に示す図であり、図１１は、図１０に示した第１変形例のＹ−Ｙ断面で切断した一部断面斜視図である。この第１変形例では、凹部９０ａは、開口としての正六角形の各辺３０１〜３０６がそれぞれ一直線ではなく、断面形状が、各辺３０１〜３０６の中点を頂点とするＶ字形状となっている。例えば、平面視での辺３０２では、頂点３１１と頂点３１２とが、光取り出し面上に存在している。ここで、Ｖ字の谷よりも下に、上側斜面（傾斜面９３：図２参照）がある。換言すると、Ｖ字は、上側斜面（傾斜面９３：図２参照）内におさまっている。これにより、Ｖ字谷が形成されていない場合と比べて電流が均一に広がり易いという効果がある。その他は、本実施形態の凹部９０と同様であるので説明を省略する。
図１０は、凹部の第１変形例のＸ−Ｘ断面およびＹ−Ｙ断面を模式的に示す図であり、図１１は、図１０に示した第１変形例のＹ−Ｙ断面で切断した一部断面斜視図である。この第１変形例では、凹部９０ａは、開口としての正六角形の各辺３０１〜３０６がそれぞれ一直線ではなく、断面形状が、各辺３０１〜３０６の中点を頂点とするＶ字形状となっている。例えば、平面視での辺３０２では、頂点３１１と頂点３１２とが、光取り出し面上に存在している。ここで、Ｖ字の谷よりも下に、上側斜面（傾斜面９３：図２参照）がある。換言すると、Ｖ字は、上側斜面（傾斜面９３：図２参照）内におさまっている。これにより、Ｖ字谷が形成されていない場合と比べて電流が均一に広がり易いという効果がある。その他は、本実施形態の凹部９０と同様であるので説明を省略する。
［第２変形例］
図１２は、凹部の第２変形例のＸ−Ｘ断面およびＹ−Ｙ断面を模式的に示す図であり、図１３は、図１２に示した第２変形例のＹ−Ｙ断面で切断した一部断面斜視図である。この第２変形例では、傾斜面９３と傾斜面９４とが滑らかには繋がっていない点を除いて、第１変形例と同様である。傾斜面９３と傾斜面９４との間には、先太りの傾斜面９５が生じている。このような傾斜面９５が実際に生じたとしても、先細りしているものではなく、凹部９０の内側での反射光の経路にほとんど寄与しないので、第１変形例と同等な効果を奏する。
図１２は、凹部の第２変形例のＸ−Ｘ断面およびＹ−Ｙ断面を模式的に示す図であり、図１３は、図１２に示した第２変形例のＹ−Ｙ断面で切断した一部断面斜視図である。この第２変形例では、傾斜面９３と傾斜面９４とが滑らかには繋がっていない点を除いて、第１変形例と同様である。傾斜面９３と傾斜面９４との間には、先太りの傾斜面９５が生じている。このような傾斜面９５が実際に生じたとしても、先細りしているものではなく、凹部９０の内側での反射光の経路にほとんど寄与しないので、第１変形例と同等な効果を奏する。
［第３変形例］
図１４は、凹部の第３変形例のＸ−Ｘ断面およびＹ−Ｙ断面を模式的に示す図であり、図１５は、図１４に示した第３変形例のＹ−Ｙ断面で切断した一部断面斜視図である。この第３変形例では、複数の凹部９０の配列状態が、図３に示した配列状態ほど密ではない点を除いて、本実施形態と同様である。すなわち、例えば、凹部９０ａは、開口としての正六角形の各辺が周囲の６個の凹部９０ｂ〜９０ｇに対して接していない。しかしながら、凹部９０ａは、開口としての正六角形の各頂点３２１〜３２６で周囲の６個の凹部９０ｂ〜９０ｇに対して接している。言い換えると、凹部９０ａは、図１４の平面図においてハッチングで示した６個の正三角形に周囲を囲まれている。これら６個の正三角形は、光取り出し面上に存在している。したがって、光取り出し面における電流の広がりが良好である。
図１４は、凹部の第３変形例のＸ−Ｘ断面およびＹ−Ｙ断面を模式的に示す図であり、図１５は、図１４に示した第３変形例のＹ−Ｙ断面で切断した一部断面斜視図である。この第３変形例では、複数の凹部９０の配列状態が、図３に示した配列状態ほど密ではない点を除いて、本実施形態と同様である。すなわち、例えば、凹部９０ａは、開口としての正六角形の各辺が周囲の６個の凹部９０ｂ〜９０ｇに対して接していない。しかしながら、凹部９０ａは、開口としての正六角形の各頂点３２１〜３２６で周囲の６個の凹部９０ｂ〜９０ｇに対して接している。言い換えると、凹部９０ａは、図１４の平面図においてハッチングで示した６個の正三角形に周囲を囲まれている。これら６個の正三角形は、光取り出し面上に存在している。したがって、光取り出し面における電流の広がりが良好である。
［第４変形例］
図１６は、凹部の第４変形例のＸ−Ｘ断面およびＹ−Ｙ断面を模式的に示す図であり、図１７は、図１６に示した第４変形例のＹ−Ｙ断面で切断した一部断面斜視図である。この第４変形例では、複数の凹部９０の開口の形状が円形である点を除いて、第３変形例と同様である。例えば、凹部９０ａは、開口としての円形が周囲の６個の凹部９０ｂ〜９０ｇに対して接してはいない。しかしながら、複数の凹部９０は、開口の整列状態として、横列ごとに凹部９０の中心が一致すると共に、縦列において凹部９０の中心が一列おきに一致する、いわゆる俵積み状態として配置されている。そして、凹部９０ａ〜９０ｇは、図１６の平面図においてハッチングで示した光取り出し面にそれぞれの周囲を囲まれている。したがって、光取り出し面における電流の広がりが良好である。
図１６は、凹部の第４変形例のＸ−Ｘ断面およびＹ−Ｙ断面を模式的に示す図であり、図１７は、図１６に示した第４変形例のＹ−Ｙ断面で切断した一部断面斜視図である。この第４変形例では、複数の凹部９０の開口の形状が円形である点を除いて、第３変形例と同様である。例えば、凹部９０ａは、開口としての円形が周囲の６個の凹部９０ｂ〜９０ｇに対して接してはいない。しかしながら、複数の凹部９０は、開口の整列状態として、横列ごとに凹部９０の中心が一致すると共に、縦列において凹部９０の中心が一列おきに一致する、いわゆる俵積み状態として配置されている。そして、凹部９０ａ〜９０ｇは、図１６の平面図においてハッチングで示した光取り出し面にそれぞれの周囲を囲まれている。したがって、光取り出し面における電流の広がりが良好である。
［その他の変形例］
凹部９０の開口９１が、平面視で、六角形と円形のものをこれまで例示したが、その他に、三角形、四角形などの多角形や楕円形であってもよいことはもちろんである。なお、効率よく電流の広がりがなされ、また、光取り出し効率を向上させるためには、最密な配列が可能な六角形や円形が好ましい。また、凹部９０の底面９２が水平であるものを図示したが、必ずしも平面である必要はなく、例えば、下に凸な曲面であってもよい。また、凹部９０の底面９２にさらに１つ以上の凹部を設けるようにしても同等の効果がある。
凹部９０の開口９１が、平面視で、六角形と円形のものをこれまで例示したが、その他に、三角形、四角形などの多角形や楕円形であってもよいことはもちろんである。なお、効率よく電流の広がりがなされ、また、光取り出し効率を向上させるためには、最密な配列が可能な六角形や円形が好ましい。また、凹部９０の底面９２が水平であるものを図示したが、必ずしも平面である必要はなく、例えば、下に凸な曲面であってもよい。また、凹部９０の底面９２にさらに１つ以上の凹部を設けるようにしても同等の効果がある。
本発明の効果を確認するために本実施形態に係る半導体発光素子を製造した。具体的には、図８および図９に示した製造工程にしたがって半導体発光素子１を製造した。
半導体発光素子１を製造するために、エピ用基板１００は、サファイア基板を用いた。また、基板１０として、厚さ４００μｍのウェハ形状のシリコン（Ｓｉ）基板を用いた。
そして、このＳｉ基板上に、半導体積層体５０として以下の各層を積層した。まずは、Ｓｉ基板上に、ＳｉドープＡｌＧａＮからなるｎ型クラッド層、ＧａＮからなるｎ型光ガイド層を成長させた。これにより、厚さ４０００ｎｍのｎ型半導体層５１を形成した。続いて、ＳｉドープＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎからなる障壁層と、アンドープＩｎ0.1Ｇａ0.9Ｎからなる井戸層とを交互２回積層させ、その上に障壁層を積層させた多重量子井戸構造（Multiple-Quantum Well：ＭＱＷ）の発光層５２を成長させた。次いで、ＭｇドープＡｌＧａＮからなるｐ型電子閉じ込め層、アンドープＧａＮからなるｐ型光ガイド層、アンドープＡｌ0.16Ｇａ0.84Ｎからなる層とＭｇドープＧａＮからなる層とを交互積層させた超格子層からなるｐ型クラッド層、Ｍｇドープｐ型ＧａＮからなるｐ型コンタクト層を成長させた。これによりｐ型半導体層５３を形成した。その後、窒素雰囲気中でウェハを７００℃でアニーリングして、ｐ型半導体層５３をさらに低抵抗化した。
半導体発光素子１を製造するために、エピ用基板１００は、サファイア基板を用いた。また、基板１０として、厚さ４００μｍのウェハ形状のシリコン（Ｓｉ）基板を用いた。
そして、このＳｉ基板上に、半導体積層体５０として以下の各層を積層した。まずは、Ｓｉ基板上に、ＳｉドープＡｌＧａＮからなるｎ型クラッド層、ＧａＮからなるｎ型光ガイド層を成長させた。これにより、厚さ４０００ｎｍのｎ型半導体層５１を形成した。続いて、ＳｉドープＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎからなる障壁層と、アンドープＩｎ0.1Ｇａ0.9Ｎからなる井戸層とを交互２回積層させ、その上に障壁層を積層させた多重量子井戸構造（Multiple-Quantum Well：ＭＱＷ）の発光層５２を成長させた。次いで、ＭｇドープＡｌＧａＮからなるｐ型電子閉じ込め層、アンドープＧａＮからなるｐ型光ガイド層、アンドープＡｌ0.16Ｇａ0.84Ｎからなる層とＭｇドープＧａＮからなる層とを交互積層させた超格子層からなるｐ型クラッド層、Ｍｇドープｐ型ＧａＮからなるｐ型コンタクト層を成長させた。これによりｐ型半導体層５３を形成した。その後、窒素雰囲気中でウェハを７００℃でアニーリングして、ｐ型半導体層５３をさらに低抵抗化した。
ｐ側電極３０は、４００ｎｍの厚さで、半導体積層体５０側から銀（Ａｇ）／ニッケル（Ｎｉ）／チタン（Ｔｉ）／白金（Ｐｔ）からなる層構造とした。保護膜４０は、４００ｎｍの厚さで、ＳｉＯ2から構成した。エピ側メタライズ層２１は、１４００ｎｍの厚さであり、図８（ｄ）において下からチタン（Ｔｉ）／白金（Ｐｔ）／金（Ａｕ）／錫（Ｓｎ）／金（Ａｕ）の順番に積層した。基板側メタライズ層は、６５３ｎｍの厚さで、図８（ｅ）において上から金（Ａｕ）／白金（Ｐｔ）／二ケイ化チタン（ＴｉＳｉ2）、二ケイ化チタン（ＴｉＳｉ2）／白金（Ｐｔ）／パラジウム（Ｐｄ）の順番に積層した。ｎ型半導体層５１に形成した凹部９０の深さＤは、２５００ｎｍとした。ｎ側電極６０は、１３００ｎｍの厚さで、ｎ型半導体層５１の上面側から、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ／Ｎｉからなる層構造とした。保護膜７０は、４００ｎｍの厚さで、ＳｉＯ2から構成した。裏面メタライズ層８０は、７５３ｎｍの厚さで、基板１０側から二ケイ化チタン（ＴｉＳｉ2）／白金（Ｐｔ）／金（Ａｕ）の順番に積層した。このようにして構成した半導体発光素子１は、図７の実線で示すような配光性を示した。
本発明に係る半導体発光素子は、半導体発光素子をデバイスとして応用することができるすべての用途、例えば、照明、露光、ディスプレイ、各種分析、光ネットワーク等の種々の分野において利用することができる。
１ 半導体発光素子
１０ 基板
２０ メタライズ層
２１ エピ側メタライズ層
２２ 基板側メタライズ層
３０ ｐ側電極
４０ 保護膜
５０ 半導体積層体
５１ ｎ型半導体層
５２ 発光層
５３ ｐ型半導体層
６０ ｎ側電極
７０ 保護膜
８０ 裏面メタライズ層
９０ 凹部
９１ 開口
９２ 底面
９３，９４ 傾斜面
１００ エピ用基板
１０ 基板
２０ メタライズ層
２１ エピ側メタライズ層
２２ 基板側メタライズ層
３０ ｐ側電極
４０ 保護膜
５０ 半導体積層体
５１ ｎ型半導体層
５２ 発光層
５３ ｐ型半導体層
６０ ｎ側電極
７０ 保護膜
８０ 裏面メタライズ層
９０ 凹部
９１ 開口
９２ 底面
９３，９４ 傾斜面
１００ エピ用基板
Claims (12)
- ｎ型半導体層とｐ型半導体層との間に発光層を有する半導体積層体の光取り出し面となる前記ｎ型半導体層に複数の凹部が設けられ、かつ、前記光取り出し面の上に１以上の電極を有すると共に、前記ｐ型半導体層の側に基板を備える半導体発光素子において、
前記凹部は、底面を有し、前記凹部の開口から前記底面に到達するまでに前記底面に向かって縮径する方向に傾斜角の異なる２段以上の傾斜面を有し、前記２段以上の傾斜面が、前記凹部の開口に近いほど傾斜角が緩やかになるように形成されており、
前記光取り出し面で隣接する２つの前記凹部は、当該２つの凹部の底面およびその上方にて前記ｎ型半導体層で繋がっており、
前記凹部の深さは、前記光取り出し面から前記発光層までの厚みの半分以上の長さであり、かつ、前記光取り出し面から前記発光層までの厚みより短く、
前記凹部において、傾斜角の緩やかな前記傾斜面に対応する深さは、傾斜角の急な前記傾斜面に対応する深さより深い
ことを特徴とする半導体発光素子。 - 前記光取り出し面で隣接する２つの前記凹部は、当該２つの凹部の底面から前記ｎ型半導体層の最上部まで繋がっていることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
- 前記電極は、前記光取り出し面において、前記凹部以外の部分の上に設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体発光素子。
- 前記凹部の開口の形状は、前記光取り出し面に対する平面視で円形または楕円形であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
- 前記凹部の開口の形状は、前記光取り出し面に対する平面視で多角形であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
- 前記凹部の開口の形状は、前記光取り出し面に対する平面視で六角形であることを特徴とする請求項５に記載の半導体発光素子。
- 前記光取り出し面に対する平面視で、前記凹部が、隣接する６個の他の凹部と等間隔に配置され、前記隣接する６個の他の凹部の中心が六角形の頂点を成すことを特徴とする請求項４ないし請求項６のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
- 前記凹部の開口として前記光取り出し面に形成される六角形の各辺は、周囲の６個の他の凹部の開口として前記光取り出し面に形成される六角形の辺に接するように配置されていることを特徴とする請求項６に記載の半導体発光素子。
- 前記凹部の開口の形状は、前記光取り出し面に対する平面視で円形または正六角形であり、
前記光取り出し面において、前記凹部に隣接して取り囲むように環状に等間隔で６個の他の凹部が配置され、中心に位置する前記凹部が前記６個の他の凹部と等間隔に配置されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の半導体発光素子。 - 前記凹部の傾斜面に保護膜を備えることを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
- 前記ｐ型半導体層の前記光取り取り出し面とは反対側の面に設けられたｐ側電極に深さ方向で対向する位置に前記凹部が設けられていることを特徴とする請求項１ないし請求項１０のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
- 前記半導体積層体は、窒化ガリウム系化合物半導体から成ることを特徴とする請求項１ないし請求項１１のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
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