JPWO2011016201A1 - 発光素子および発光装置 - Google Patents
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Abstract
光取り出し効率を高めることができる発光素子および発光装置を提供する。発光素子１０は、光透過性を有する基板１と、ｎ型層２ａ、活性層２ｂおよびｐ型層２ｃを積層した半導体層２と、半導体層２に積層され、前記活性層２ｂからの光を基板１方向へ反射する反射電極３と、反射電極３に積層されたｐ側パッド電極４と、半導体層２の側面を覆い光透過性を有する絶縁膜６と、絶縁膜６上に積層された光反射性を有する反射膜７と、基板１に設けられたｎ側電極５とを備えている。
Description
本発明は、基板に、ｎ型層と、活性層と、ｐ型層とによる半導体層が積層されたフリップチップ型の発光素子および発光装置に関するものである。
フリップチップ型の発光素子として、特許文献１に記載されたものが知られている。特許文献１に記載のフリップチップ型の発光素子は、透光性絶縁基板に形成された窒化物半導体の同一平面側に正と負の電極が設けられ、該電極表面の露出部を除いて窒化物半導体層表面を被覆した保護膜を有し、この保護膜は絶縁性被膜からなる第１層と、第１層上の金属層と、金属層上に絶縁性被膜からなる第２層の３層構造を備えたものである。
この特許文献１では、金属層が第１層を透過した光を反射することで、集光性を高め光取り出し効率を高めることができる構成の一例として、金属層を電極の一部として構成させているものが記載されている。このような構成とすることで、電極形成と同時に金属層を形成することできる。
特許文献１に記載のフリップチップ型の発光素子では、活性層全体を金属層が囲っていることで光取り出し効率を高めているものの、更に光取り出し効率の高い発光素子が望まれている。
そこで本発明は、更に光取り出し効率を高めることができる発光素子および発光装置を提供することを目的とする。
本発明の発光素子は、光透過性を有する基板と、前記基板に、ｎ型層、活性層およびｐ型層を積層した半導体層と、前記半導体層に積層され、前記活性層からの光を前記基板方向へ反射する反射電極と、前記反射電極に積層されたｐ側パッド電極と、前記半導体層の側面を覆う光透過性を有する絶縁膜と、前記絶縁膜上に積層された光反射性を有する反射膜とを備えたことを特徴とする。
本発明は、反射層により、活性層から半導体層の側面方向に向かう光と基板裏面で反射されて戻ってくる光とを、再度、基板方向へ反射させ、反射電極により活性層から基板方向とは反対となる方向へ向かう光を基板方向へ反射させることができるので、更に光取り出し効率を向上させることができる。
好適な実施形態の第１は、光透過性を有する基板と、基板に、ｎ型層、活性層およびｐ型層を積層した半導体層と、半導体層に積層され、活性層からの光を基板方向へ反射するＡｇ層を含む反射電極と、反射電極に積層されたｐ側パッド電極と、半導体層の側面を覆う光透過性を有する絶縁膜と、絶縁膜上に積層された光反射性を有する反射膜とを備えたことを特徴とした発光素子である。
好適な実施形態の第１によれば、絶縁膜を介して、ｐ側パッド電極の電極面を露出し、半導体層の側面を覆う反射膜が設けられていることにより、活性層から半導体層の側面方向に向かう光を基板方向へ反射させることができるだけでなく、反射電極が半導体層上に積層されていることにより、更にｐ側パッド電極方向への光を基板方向へ反射させることができる。従って、活性層から基板方向とは反対となる方向へ向かう光について、基板方向へ反射させることができるので、より光取り出し効率を向上させることができる。
好適な実施形態の第２は、好適な実施形態の第１において、ｐ側パッド電極と反射膜とは、一体的に形成されていることを特徴とした発光素子である。
好適な実施形態の第２によれば、反射膜とｐ側パッド電極を一体的に形成することで、一度の工程で形成することができる。
好適な実施形態の第３は、好適な実施形態の第２において、反射膜は、反射性を有する難マイグレーション金属による反射内側膜と、Ａｕ層によるボンディング用外側膜とを備えていることを特徴とした発光素子である。
好適な実施形態の第３によれば、反射内側膜を、反射電極を形成する金属より難マイグレーション性の金属により形成することで、反射性を確保しつつ、マイグレーションの発生を防止することができ、ボンディング用外側膜をＡｕ層により形成することで、ｐ側パッド電極の電極面としての機能を持たせつつ、反射内側膜を腐食から保護する保護膜として機能させることができる。
好適な実施形態の第４は、好適な実施形態の第１から第３いずれかにおいて、基板には、半導体層の側面外側である周縁部の少なくとも一部に段部が形成され、絶縁膜および反射膜は、基板の厚み方向において段部からｐ側パッド電極に至るまで形成されていることを特徴とした発光素子である。
好適な実施形態の第４によれば、半導体層の側面外側である基板の周縁部の一部または全部に段部を形成することで、段部が形成されたところに設けられた反射膜は、活性層をより広い範囲で囲い込むことができるので、更に光取り出し効率を高めることができる。
好適な実施形態の第５は、好適な実施形態の第４において、基板に対してｐ側パッド電極と同一面側にｎ側電極が設けられ、基板は、導電性基板により形成され、ｎ側電極は、導電性基板に形
成された段部に設けられていることを特徴とした発光素子である。
成された段部に設けられていることを特徴とした発光素子である。
好適な実施形態の第５によれば、ｎ側電極が基板に対してｐ側パッド電極と同一面側に設けられていることで、フリップチップ型の発光素子とすることができる。
好適な実施形態の第６は、好適な実施形態の第４において、基板に対してｐ側パッド電極と同一面側にｎ側電極が設けられ、基板は、ｎ側電極の形成領域以外の周縁部領域に、段部が設けられていることを特徴とした発光素子である。
好適な実施形態の第６によれば、ｎ側電極が基板に対してｐ側パッド電極と同一面側に設けられていることで、フリップチップ型の発光素子とすることができる。また、ｎ側電極の電極面の位置（高さ）を従来の発光素子と同じ位置（高さ）としても、ｎ側電極の形成領域以外の周縁部領域では、段部が形成されているので、絶縁膜および反射膜を広く形成することができる。従って、活性層を広い範囲で反射膜により囲い込むことができるので、ｎ側電極のボンディング性を維持しつつ、更に光取り出し効率を高めることができる。
好適な実施形態の第７は、好適な実施形態の第１から３のいずれかにおいて、ｎ型層の一部を露出させて形成されたｎ電極形成領域を段部としてｎ側電極が設けられ、絶縁膜および反射膜は、段部からｐ側パッド電極に至るまでの深さに形成されていることを特徴とした発光素子である。
好適な実施形態の第７によれば、ｎ側電極をｎ型層のｎ電極形成領域に形成された段部に設けることで、ｎ側電極の形成領域における反射膜を広く形成することができるので、活性層からの光を幅広い範囲で反射させることができる。
好適な実施形態の第８は、好適な実施形態の第５から７のいずれかにおいて、ｎ側電極の形成領域における絶縁膜および反射膜の深さより、ｎ側電極の形成領域以外の半導体層の側面外側である周縁部領域における絶縁膜および反射膜の深さの方が深く形成されていることを特徴とした発光素子である。
好適な実施形態の第８によれば、ｎ側電極の形成領域における絶縁膜および反射膜の深さより、ｎ側電極の形成領域以外の半導体層の側面外側である周縁部領域における絶縁膜および反射膜の深さの方が深く形成されているので、ｎ側電極のボンディング性を維持しつつ、更に光取り出し効率を高めることができる。
好適な実施形態の第９は、好適な実施形態の第５から８のいずれかにおいて、基板は、矩形状に形成され、ｎ側電極は、基板の対角の位置に２つ設けられていることを特徴とした発光素子である。
好適な実施形態の第９によれば、ｎ側電極が矩形状に形成された基板の対角の位置に２つ設けられているので、活性層を流れる電流の拡散性を向上させることができる。
好適な実施形態の第１０は、好適な実施形態の第５または８において、基板は、矩形状に形成され、ｎ側電極は、基板の四隅の位置に４つ設けられていることを特徴とした発光素子である。
好適な実施形態の第１０によれば、ｎ側電極が矩形状に形成された基板の四隅の位置に４つ設けられているので、活性層を流れる電流の拡散性を更に向上させることができる。
好適な実施形態の第１１は、好適な実施形態の第１から４のいずれかにおいて、基板に対してｐ側パッド電極と反対の面側にｎ側電極が設けられていることを特徴とした発光素子である。
好適な実施形態の第１１によれば、ｎ側電極をｐ側パッド電極と反対の基板面側に設けた発光素子とすることができる。
好適な実施形態の第１２は、好適な実施形態の第１から１１のいずれかにおいて、基板は、窒化ガリウム基板であることを特徴とした発光素子である。
好適な実施形態の第１２によれば、基板を窒化ガリウム基板とすることで、反射層と反射電極からの光の強度が基板中心で高くなる特性となる発光素子が得られる。
好適な実施形態の第１３は、好適な実施形態の第５から１０のいずれかの発光素子と、発光素子を搭載面状に形成された電極にフリップチップ実装したサブマウント素子とを備えたことを特徴とした発光装置である。
好適な実施形態の第１は、サブマウント素子に好適な実施形態の第５から１０のいずれかの発光素子をフリップチップ実装することで、光取り出し効率の高い発光装置を得ることができる。
（実施の形態１）
実施の形態１に係る発光素子を、図面に基づいて説明する。図１は、実施の形態１に係る発光素子を示す平面図である。図２は、図１に示す発光素子のＡ−Ａ線断面図である。
実施の形態１に係る発光素子を、図面に基づいて説明する。図１は、実施の形態１に係る発光素子を示す平面図である。図２は、図１に示す発光素子のＡ−Ａ線断面図である。
図１および図２に示す発光素子１０は、基板１と、半導体層２と、反射電極３と、ｐ側パッド電極４と、ｎ側電極５と、絶縁膜６と、反射膜７とを備えたフリップチップ型の発光素子である。
基板１は、光透過性と導電性とを有する半導体基板である。例えば、基板１としては、ＳｉＣ基板、ＧａＮ基板などを用いることができる。基板１には、半導体層２の積層面に対して段差となる段部１ａが形成されている。この段部１ａは、半導体層２の側面外側である周縁部に沿って略矩形環状に形成されている。この段部１ａは、ｎ側電極５を形成する際に半導体層２と共に基板１の一部をエッチングすることで形成することができる。本実施の形態１では、段部１ａを基板１に形成しているが、活性層２ｂより深い位置に形成すればよいので、段部１ａをｎ型層２ａに形成してもよい。
半導体層２は、基板１に積層されたバッファ層（図示せず）を介して積層されたｎ型層２ａと、ｎ型層２ａに積層された活性層２ｂと、活性層２ｂに積層されたｐ型層２ｃとを備えている。バッファ層は省略することも可能である。
ｎ型層２ａは、少なくともＧａとＮを含んだ半導体層で形成されている。また、ｎ型層２ａへのｎ型ドーパントとしては、ＳｉまたはＧｅ等を好適に用いることができる。このｎ型層２ａは膜厚２μｍで形成されている。
活性層２ｂは、ｎ型層２ａの上に直接、あるいは少なくともＧａとＮを含む半導体層を介して積層されたものである。活性層２ｂは、少なくともＧａとＮとを含み、必要に応じて適量のＩｎを含ませることで、所望の発光波長を得ることができる。また、活性層２ｂとしては本実施の形態では１層構造としているが、例えば、ＩｎＧａＮ層とＧａＮ層を交互に少なくとも一対積層した多量子井戸構造とすることも可能である。活性層２ｂを多量子井戸構造とすることで、更に輝度を向上させることができる。
ｐ型層２ｃは、活性層２ｂの上に直接あるいは少なくともＧａとＮを含んだ半導体層を介して積層されたものである。ｐ型層２ｃは、少なくともＧａとＮを含んだ半導体層で形成されている。また、ｐ型層２ｃへのｐ型ドーパントとしては、Ｍｇ等が好適に用いられる。このｐ型層２ｃは膜厚０．１μｍで形成されている。
反射電極３は、ｐ型層２ｃの上に設けられた電極で、活性層２ｂから発せられてｐ型層２ｃを通過した光を基板１の方向へ反射する反射層として機能するものである。反射電極３は、Ａｇ層またはＲｈ層とすることができる。反射電極３をＡｇ層とする場合には、膜厚さを１０ｎｍ〜２０００ｎｍの範囲とすることができる。Ａｇ層は、Ａｇを含む複数層から構成してもよい。また、反射電極３をＲｈ層とする場合には、膜厚さを１０ｎｍ〜２０００ｎｍの範囲とすることができる。
ｐ側パッド電極４は、反射電極３上に形成されたＡｌ層またはＲｈ層と、最表面層に位置するＡｕ層とによるボンディング電極である。
ｎ側電極５は、基板１の一角部であって、半導体層２の積層面より一段掘り下げた段部１ａの一角部を形成領域として設けられている。ｎ側電極５は、基板１上に形成されたコンタクト性が良好なＴｉ層、またはＡｌ層などと、最表面層に位置するＡｕ層とによるボンディング電極である。
絶縁膜６は、光透過性と絶縁性を有する膜である。絶縁膜６は、ＳｉＯ２により形成することができる。絶縁膜６は、基板１の段部１ａからｐ側パッド電極４に至るまで形成されていることで、ｐ側パッド電極４の電極面を露出させ、半導体層２の側面を覆っている。
反射膜７は、絶縁膜６上に積層された反射性を有する膜である。反射膜７が絶縁膜６上に積層されていることで、基板１の段部１ａからｐ側パッド電極４に至るまで形成されていることとなり、半導体層２の側面を覆っている。反射膜７は、絶縁膜６側から反射内側膜および反射外側膜の順で積層された２つの膜を備え、反射内側膜としてＡｌ層またはＲｈ層とすることができ、反射外側膜としてＡｕ層とすることができる。また、反射内側膜と反射外側膜との界面での混じり合いを抑止するために、反射内側膜と反射外側膜との間に、Ｔｉ層、Ｐｔ層、Ｍｏ層、Ｃｒ層のいずれか、またはこれらの組み合わせたものを成膜してもよい。
基板１に半導体層２と反射電極３とを積層して、絶縁膜６を形成した後に、リフトオフにより反射膜７を形成することで、絶縁膜６上に反射膜７が積層されると共に、反射電極３上に反射膜７と同材質の薄膜を形成することができる。この薄膜をｐ側パッド電極４とすることで、反射膜７とｐ側パッド電極４とを一体的に同時に形成することができる。絶縁膜６および反射膜７とｐ側パッド電極４とが一体的に形成されていることで、絶縁膜６および反射膜７は半導体層２および反射電極３を覆う略椀状に形成される。なお、反射膜７とｐ側パッド電極４とが一体的に形成されている、というのは別言すると、反射膜７とｐ側パッド電極４とが同じ材料で同時に形成されているということであり、反射膜７とｐ側パッド電極４とが一続きに境界がなく一体として形成されていることである。
このように本実施の形態１に係る発光素子１０が構成されていることで、活性層２ｂから半導体層２の側面方向に向かう光と、基板１裏面で反射されて戻ってくる光とを、反射膜７のＡｌ層またはＲｈ層により、再度、基板１方向へ反射させることができるだけでなく、反射率の高いＡｇ層を含む反射電極３が半導体層２上に積層されていることにより、更にｐ側パッド電極４方向への光を基板１方向へ反射させることができる。従って、活性層２ｂから基板１方向とは反対となる方向へ向かう光について、反射膜７および反射電極３により基板１方向へ反射させることができるので、より光取り出し効率を向上させることができる。また、反射電極３がＡｇ層を含む電極であっても、反射電極３上にｐ側パッド電極４が積層され、側面は絶縁膜６が設けられているので、マイグレーションの発生を抑止することができる。
本実施の形態１に係る発光素子１０は、基板１に段部１ａが形成されているが、基板１の段部１ａは省略することも可能である。その場合には、ｎ側電極５はｎ型層２ａの一部を露出して形成されたｎ側電極５の形成領域の段部に設けることができる。しかし、基板１に段部１ａが設けられていることで、反射膜７を段部１ａからｐ側パッド電極４に至るまで形成することができ、半導体層２の側面全体を囲うことができるので、段部１ａに設けられた反射膜７により、半導体層２の側面方向より更に基板１寄りに広がる光を反射させることができる。基板１を窒化ガリウム基板としているので、容易に段部１ａを形成することができる。
また、反射膜７のＡｌ層またはＲｈ層は難マイグレーション金属なので、反射性を確保しつつ、ｐ側パッド電極４とｎ側電極５とがマイグレーションにより短絡することを防止することができる。
更に、反射膜７は、反射内側膜であるＡｌ層またはＲｈ層を、反射外側膜であるＡｕ層が覆った構成としているので、ｐ側パッド電極４の電極面としての機能を持たせつつ、Ａｕ層をＡｌ層またはＲｈ層を腐食から保護する保護膜として機能させることができる。
また、基板１は、例えばサファイア基板のような絶縁性基板とすることも可能である。その場合には、ｎ側電極５はサファイア基板に設けるのではなく、エッチングで露出させたｎ型層２ａ上に設けるようにする。
（実施の形態２）
実施の形態２に係る発光素子を、図面に基づいて説明する。図３は、実施の形態２に係る発光素子を示す平面図である。図４は、図３に示す発光素子のＢ−Ｂ線断面図である。図５は、図３に示す発光素子の側面図である。なお、図３から図５においては、実施の形態１に係る発光素子と同じ構成のものは同符号を付して説明を省略する。
実施の形態２に係る発光素子を、図面に基づいて説明する。図３は、実施の形態２に係る発光素子を示す平面図である。図４は、図３に示す発光素子のＢ−Ｂ線断面図である。図５は、図３に示す発光素子の側面図である。なお、図３から図５においては、実施の形態１に係る発光素子と同じ構成のものは同符号を付して説明を省略する。
図３および図４に示す発光素子２０においては、半導体層２および反射電極３を覆う略椀状に形成される絶縁膜６および反射膜７は、基板２１の厚み方向の長さがｎ側電極５の形成領域Ｓｎにおける当該長さより、ｎ側電極５の形成領域Ｓｎ以外の基板２１の周縁部領域Ｓｘ（図３においては斜線領域で示す。）における当該長さの方が、大きく形成されていることを特徴としたものである。
発光素子２０のｎ側電極５は、半導体層２および反射電極３を基板２１に積層した後、ｎ型層２ａの一部とｐ型層２ｃと活性層２ｂとをドライエッチングすることで露出させたｎ型層２ａ面を略正方形状のｎ側電極５の形成領域Ｓｎとして、この形成領域Ｓｎに設けられている。
周縁部領域Ｓｘは、半導体層２の側面外側である周縁部の領域であって、かつｎ側電極５の形成領域Ｓｎ以外の領域である。この周縁部領域Ｓｘは、ｎ側電極５の形成領域Ｓｎを含む周縁部全体をドライエッチングした後に、基板２１が露出するまで更にｎ側電極５の形成領域Ｓｎを除く周縁部領域をドライエッチングして深堀することで形成されている。
このように基板２１が形成されることで、活性層２ｂからｎ側電極５の形成領域Ｓｎまでの深さＤ１１より、活性層２ｂからｎ側電極５の形成領域Ｓｎ以外の周縁部領域Ｓｘまでの深さＤ１２の方が深くなる。ここで深さというのは基板２１の厚み方向の長さ、あるいは距離のことである。
従って、図５に示すように、絶縁膜６および反射膜７は、ｎ側電極５の形成領域Ｓｎにおける深さＤ２１より、ｎ側電極５の形成領域Ｓｎ以外の周縁部領域Ｓｘにおける深さＤ２２の方が大きくなる。そうすることで、ｎ側電極５の電極面の位置を従来の発光素子と同じ位置とすることができると共に、半導体層２や反射電極３の層厚はそのままに、絶縁膜６および反射膜７が半導体層２の側面を覆う面積を広く形成することができる。
つまり、ｎ側電極５の電極面の位置を従来の発光素子と同じ位置とすることができることにより、フリップチップ実装する際の実装面との距離を従来の発光素子と同等もしくは同じとすることができるので、バンプを介在して実装するときのボンディング性は変わらない。また、周縁部領域Ｓｘにおける絶縁膜６および反射膜７を広く形成することができるので、活性層２ｂからの光を幅広い範囲で反射することができる。
従って、発光素子２０は、ｎ側電極５のボンディング性を維持しつつ、更に光取り出し効率を高めることができる。
本実施の形態２に係る発光素子２０では、ｎ側電極５の形成領域Ｓｎをｎ型層２ａ上の段部２ｄ上とし、ｎ側電極５の形成領域Ｓｎ以外の領域Ｓｘを基板２１の段部１ａ上としているが、領域Ｓｘにおける反射膜７の深さが、ｎ側電極５の形成領域Ｓｎにおける反射膜７に対して充分確保できるのであれば、基板２１の段部１ａを省略して領域Ｓｘをｎ型層２ａ上としてもよい。
（実施の形態２の変形例１）
実施の形態２に係る発光素子の変形例１について、図面に基づいて説明する。図６は、実施の形態２に係る発光素子の変形例１を示す平面図である。
実施の形態２に係る発光素子の変形例１について、図面に基づいて説明する。図６は、実施の形態２に係る発光素子の変形例１を示す平面図である。
図６に示す本実施の形態２に係る発光素子の変形例１は、ｎ側電極５の形成領域Ｓｎを矩形状に形成された基板２１の対角の位置に２つ設け、その形成領域Ｓｎにｎ側電極５を設けて発光素子３０としたものである。
このようにｎ側電極５を基板２１に配置することで、ｎ型層２ａからの電流が２つのｎ側電極５に広がりながら流れ込むので、光取り出し効率の向上を図りながら、活性層２ｂを流れる電流の拡散性を、向上させることができる。
（実施の形態２の変形例２）
実施の形態２に係る発光素子の変形例２について、図面に基づいて説明する。図７は、実施の形態２に係る発光素子の変形例２を示す平面図である。
実施の形態２に係る発光素子の変形例２について、図面に基づいて説明する。図７は、実施の形態２に係る発光素子の変形例２を示す平面図である。
図７に示す本実施の形態２に係る発光素子の変形例２は、ｎ側電極５の形成領域Ｓｎを矩形状に形成された基板２１の四隅の位置に４つ設け、ｎ側電極５を形成領域Ｓｎに設けて発光素子４０としたものである。
このようにｎ側電極５を配置することで、ｎ型層２ａからの電流が４つのｎ側電極５に広がりながら流れ込むので、光取り出し効率の向上を図りながら、活性層２ｂを流れる電流の拡散性を、更に向上させることができる。
（実施の形態３）
実施の形態３に係る発光素子を、図面に基づいて説明する。図８は、実施の形態３に係る発光素子の断面図である。なお、図８においては、実施の形態１，２に係る発光素子と同じ構成のものは同符号を付して説明を省略する。
実施の形態３に係る発光素子を、図面に基づいて説明する。図８は、実施の形態３に係る発光素子の断面図である。なお、図８においては、実施の形態１，２に係る発光素子と同じ構成のものは同符号を付して説明を省略する。
図８に示す本実施の形態３に係る発光素子５０においては、半導体層２の周縁部分において当該半導体層２の一部を厚み方向に取り除くことにより段差部２ｄを設けている。半導体層２の周縁部の一角部に設けられたｎ側電極５の形成領域Ｓｎと、ｎ側電極５の形成領域Ｓｎ以外の周縁部の領域Ｓｘとは段部２ｄに設けられている。また、ｎ側電極５と絶縁膜６および反射膜７とが段部２ｄに設けられていることを特徴としたものである。
この段部２ｄは、半導体層２を基板５１に積層した後、ｎ型層２ａの一部とｐ型層２ｃと活性層２ｂとの周縁部をドライエッチングすることで露出させた矩形の環状切欠部である。
発光素子５０のｎ側電極５は、この段部２ｄが形成されることで露出したｎ型層２ａ面の一角部を、略正方形状のｎ側電極５の形成領域Ｓｎとして、この形成領域Ｓｎに設けられている。
絶縁膜６および反射膜７は、エッチングにより露出した半導体層２の側面全体を囲うように、段部２ｄからｐ側パッド電極４に至るまでの深さに形成されている。
このような発光素子５０としても、活性層２ｂから半導体層２の側面方向に向かう光と、基板１裏面で反射されて戻ってくる光とを、反射電極３および反射膜７により、再度、基板１方向へ反射させることができる。従って、発光素子５０は光取り出し効率を向上させることができる。
（実施の形態４）
実施の形態４に係る発光素子を、図面に基づいて説明する。図９は、実施の形態４に係る発光素子６０の断面図である。なお、図９においては、実施の形態１〜３と同じ構成のものは同符号を付して説明を省略する。
実施の形態４に係る発光素子を、図面に基づいて説明する。図９は、実施の形態４に係る発光素子６０の断面図である。なお、図９においては、実施の形態１〜３と同じ構成のものは同符号を付して説明を省略する。
図９に示す本実施の形態４に係る発光素子６０は、基板１において、ｐ側パッド電極４と反対の面（主発光面）側に、ワイヤボンディングされるｎ側ボンディング電極６５が設けられていることを特徴としたものである。発光素子６０は、ｎ側ボンディング電極６５がｐ側パッド電極４と基板１の反対側面に設けられている以外は実施の形態１の発光素子１０と同じである。
このようにｎ側ボンディング電極６５が基板１の天面に設けられた発光素子６０であっても、反射電極３および反射膜７が設けられていることにより、活性層２ｂから基板１方向とは反対方向へ出射された光を、基板１方向へ反射させることができる。また、活性層２ｂからｎ側ボンディング電極６５の基板１への設置面に照射され反射した光も、反射電極３および反射膜７により再度、基板１方向へ反射させることができる。従って、発光素子６０は光取り出し効率を向上させることができる。
（実施の形態５）
実施の形態５に係る発光装置を、図面に基づいて説明する。図１０は、実施の形態５に係る発光装置７０を示す断面図である。図１１は、図１０に示す発光装置７０の回路図である。
実施の形態５に係る発光装置を、図面に基づいて説明する。図１０は、実施の形態５に係る発光装置７０を示す断面図である。図１１は、図１０に示す発光装置７０の回路図である。
本実施の形態５に係る発光装置７０は、ツェナーダイオードとして機能するサブマウント素子８０の搭載面側に設けられた搭載面電極８１ａ，８１ｂに、実施の形態１に係る発光素子１０を、バンプＢを介してフリップチップ実装した複合素子である。
サブマウント素子８０は、過度な電圧が発光素子１０に印加しないよう、ｎ型のシリコン基板８２の一部にｐ型の半導体領域８３を設けることで、ツェナーダイオードとして機能する。このサブマウント素子８０へは、底面側に設けられた底面電極８４ａとワイヤ８４ｂにより電源が供給される。このサブマウント素子８０に発光素子１０を搭載した状態の回路図を図１１に示す。本実施の形態５では、サブマウント素子８０をツェナーダイオードＺとしたが、ダイオード、コンデンサ、抵抗、またはバリスタや、窒化アルミにより形成された絶縁基板に配線パターンが形成されたプリント配線基板とすることも可能である。
このように発光素子１０をサブマウント素子８０にフリップチップ実装することで、光取り出し効率の高い発光装置７０を得ることができる。
実施例として、図１および図２に示す窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を作製した。本実施例においては、窒化ガリウム系化合物半導体の成長方法として有機金属気相成長法を用いているが、成長方法はこれに限定されるものではなく、分子線エピタキシー法や有機金属分子線エピタキシー法等を用いることも可能である。
先ず、表面を鏡面に仕上げられたＧａＮの基板１を反応管内の基板ホルダーに載置した後、基板１の温度を１０５０℃に保ち、窒素と水素とアンモニアを流しながら基板１を５分間加熱することにより、基板１の表面に付着している有機物等の汚れや水分を取り除いた。
次に、キャリアガスとして窒素と水素を流しながら、アンモニア、ＴＭＧそしてＳｉＨ4を供給して、ＳｉをドープしたＧａＮからなるｎ型層２ａを２μｍの厚さで成長させた。
ｎ型層２ａを成長させた後、ＴＭＧとＳｉＨ４の供給を止め、基板温度を７５０℃にまで降下させ、７５０℃において、キャリアガスとして窒素を流しながら、アンモニア、ＴＭＧ、トリメチルインジウム（以下、「ＴＭＩ」と略称する。）を供給して、アンドープのＩｎＧａＮからなる単一量子井戸構造の活性層２ｂを２ｎｍの厚さで成長させた。
活性層２ｂを成長させた後、ＴＭＩの供給を止め、ＴＭＧを流しながら基板温度を１０５０℃に向けて昇温させながら、引き続きアンドープのＧａＮ（図示せず）を４ｎｍの厚さで成長させ、基板温度が１０５０℃に達したら、キャリアガスとして窒素と水素を流しながら、アンモニア、ＴＭＧ、トリメチルアルミニウム（以下、「ＴＭＡ」、と略称する。）シクロペンタジエニルマグネシウム（以下、「Ｃｐ2Ｍｇ」と略称する。）を供給して、ＭｇをドープさせたＡｌＧａＮからなるｐ型層２ｃを０．０５μｍの厚さで成長させた。
ｐ型層２ｃを成長させた後、ＴＭＧとＴＭＡとＣｐ2Ｍｇの供給を止め、窒素ガスとアンモニアを流しながら、基板１の温度を室温程度にまで冷却させて、基板１の上に窒化ガリウム系化合物半導体が積層されたウェハを反応管から取り出した。
このようにして形成した窒化ガリウム系化合物半導体からなる積層構造に対して、別途アニールを施すことなく、その表面上にＣＶＤ法によりＳｉＯ2膜を堆積させた後、フォトリソグラフィとウェットエッチングにより略方形状にパターンニングしてエッチング用のＳｉＯ2マスクを形成した。そして、反応性イオンエッチング法により、ｐ型層２ｃと活性層２ｂとｎ型層２ａを約３μｍの深さで積層方向と逆の方向に向かって除去することで、基板１の表面を露出させた。
そして、エッチング用のＳｉＯ2マスクをウェットエッチングにより除去した後、再度ＳｉＯ2を積層し積層構造の表面上にフォトレジストを塗布し、フォトリソグラフィによりｐ型層２ｃの表面上のフォトレジストとＳｉＯ2膜を取り除くことで、ｐ型コンタクト層上のＳｉＯ2膜の表面の８０％以上を露出させ、露出したＳｉＯ2膜をウェットエッチングし、Ｐ層を露出させた。
そして、積層構造を真空蒸着装置のチャンバー内に装着し、チャンバー内を２×１０-6Ｔｏｒｒ以下にまで真空排気した後、電子ビーム蒸着法により露出されたｐ型層２ｃの表面上およびフォトレジスト上に、０．３ｎｍの厚さのＮｉ層を蒸着した。
続いて、１００ｎｍの厚さのＡｇ層を反射層３として蒸着し、更に３０ｎｍの厚さのＣｒ層を順次蒸着した。
次に、積層構造をチャンバーから取り出し、フォトレジスト上のＰｔ層とＡｇ層とＣｒ層をフォトレジストと共に除去することによって、ｐ型層２ｃの表面上にＰｔ層とＡｇ層とＣｒ層とが順次積層された反射電極３を形成した。このようにしてＡｇ層の剥がれが発生することなく、反射層３を積層することができた。
再び積層構造の表面上にフォトレジストを塗布し、フォトリソグラフィにより露出させたＳｉＯ2と反射電極３上のフォトレジストのみを取り除くことで、ＳｉＯ2と反射電極３を露出させた。
次に、積層構造を真空蒸着装置のチャンバー内に装着し、チャンバー内を２×１０-6Ｔｏｒｒ以下にまで真空排気した後、電子ビーム蒸着法により、露出されたＳｉＯ2と反射電極３の表面上およびフォトレジスト上に、Ａｌ層（２５０ｎｍ）と、Ｔｉ層（１００ｎｍ）と、更に１．３μｍの厚さのＡｕ層を蒸着した。
次に、積層構造をチャンバーから取り出し、フォトレジスト上のＡｌ層、Ｔｉ層とＡｕ層をフォトレジストと共に除去することによって、絶縁膜６として形成されたＳｉＯ2上と反射電極３上にＡｌとＴｉとＡｕが順次積層された反射層７を形成した。
再び、積層構造の表面上にフォトレジストを塗布し、フォトリソグラフィにより露出させたｎ型層２ａ上のフォトレジストとＳｉＯ2膜を取り除くことで、ｎ型層２ａを露出させた。
次に、積層構造を真空蒸着装置のチャンバー内に装着し、チャンバー内を２×１０-6Ｔｏｒｒ以下にまで真空排気した後、電子ビーム蒸着法により、露出させたＳｉＯ2と反射電極３の表面上およびフォトレジスト上に、Ａｌ層（２５０ｎｍ）と、Ｔｉ層（１００ｎｍ）と、更に１．３μｍの厚さのＡｕ層を蒸着した。
次に、積層構造をチャンバーから取り出し、フォトレジスト上のＡｌ層、Ｔｉ層とＡｕ層をフォトレジストと共に除去することによって、ｎ型層２ａ上にＡｌとＴｉとＡｕとが順次積層されたｎ側電極５を形成した。
この後、基板１の裏面を研磨して１００μｍ程度の厚さに調整し、スクライブによりチップ状に分離した。このようにして、図１および図２に示す窒化ガリウム系化合物半導体発光素子（発光素子１０）を得た。
この発光素子１０を、電極形成面側を下向きにして、正負一対の電極を有するＳｉダイオードの上にＡｕバンプにより接着させた。このとき、発光素子のｐ側パッド電極４およびｎ側電極５が、それぞれＳｉダイオードの負電極および正電極と接続されるようして発光素子１０を搭載する。この後、発光素子を搭載させたＳｉダイオードを、Ａｇペーストによりステム上に載置し、Ｓｉダイオードの正電極をステム上の電極にワイヤで結線し、その後樹脂モールドして発光ダイオードを作製した。この発光ダイオードのＩ−Ｌ特性を絶縁膜６および反射膜７を設けていない従来の発光素子（比較品）と比較したところ、図１２に示すように約１０％明るさが向上した。また、配光特性は図１３に示すように比較品より発明品（発光素子１０）の方が狭配光化していることがわかる。また、基板１を窒化ガリウム基板とすることで、基板１の中心部が高く周縁部に向かって光の強度が徐々に低くなる特性が得られた。
本発明は、更に光取り出し効率を高めることができるので、基板に、ｎ型層と、活性層と、ｐ型層とによる半導体層が積層されたフリップチップ型の発光素子および発光装置などに好適である。
１，２１，５１ 基板
１ａ，２ｄ 段部
２ 半導体層
２ａ ｎ型層
２ｂ 活性層
２ｃ ｐ型層
３ 反射電極
４ ｐ側パッド電極
５ ｎ側電極
６ 絶縁膜
７ 反射膜
１０，２０，３０，４０，５０，６０ 発光素子
６５ ｎ側ボンディング電極
７０ 発光装置
８０ サブマウント素子
８１ａ，８１ｂ 搭載面電極
８２ ｎ型のシリコン基板
８３ ｐ型の半導体領域
８４ａ 底面電極
８４ｂ ワイヤ
Ｂ バンプ
Ｓｎ ｎ側電極の形成領域
Ｓｘ 周縁部領域
Ｚ ツェナーダイオード
１ａ，２ｄ 段部
２ 半導体層
２ａ ｎ型層
２ｂ 活性層
２ｃ ｐ型層
３ 反射電極
４ ｐ側パッド電極
５ ｎ側電極
６ 絶縁膜
７ 反射膜
１０，２０，３０，４０，５０，６０ 発光素子
６５ ｎ側ボンディング電極
７０ 発光装置
８０ サブマウント素子
８１ａ，８１ｂ 搭載面電極
８２ ｎ型のシリコン基板
８３ ｐ型の半導体領域
８４ａ 底面電極
８４ｂ ワイヤ
Ｂ バンプ
Ｓｎ ｎ側電極の形成領域
Ｓｘ 周縁部領域
Ｚ ツェナーダイオード
Claims (13)
- 光透過性を有する基板と、
前記基板に、ｎ型層、活性層およびｐ型層を積層した半導体層と、
前記半導体層に積層され、前記活性層からの光を前記基板方向へ反射する反射電極と、
前記反射電極に積層されたｐ側パッド電極と、
前記半導体層の側面を覆う光透過性を有する絶縁膜と、
前記絶縁膜上に積層された光反射性を有する反射膜とを備えたことを特徴とする発光素子。 - 前記ｐ側パッド電極と前記反射膜とは、一体的に形成されている請求項１記載の発光素子。
- 前記反射膜は、前記反射電極を形成する金属より難マイグレーション性の金属による反射内側膜と、Ａｕ層によるボンディング用外側膜とを少なくとも備えている請求項２記載の発光素子。
- 前記基板には、前記半導体層の側面外側である周縁部の少なくとも一部に段部が形成され、
前記絶縁膜および前記反射膜は、前記基板の厚み方向において前記段部から前記ｐ側パッド電極に至るまで形成されている請求項１から３のいずれかの項に記載の発光素子。 - 前記基板に対して前記ｐ側パッド電極と同一面側にｎ側電極が設けられ、
前記基板は、導電性基板により形成され、
前記ｎ側電極は、前記導電性基板に形成された前記段部に設けられている請求項４記載の発光素子。 - 前記基板に対して前記ｐ側パッド電極と同一面側にｎ側電極が設けられ、
前記基板は、前記ｎ側電極の形成領域以外の周縁部領域に、前記段部が設けられている請求項４記載の発光素子。 - 前記ｎ型層の一部を露出させて形成されたｎ電極形成領域を段部としてｎ側電極が設けられ、
前記絶縁膜および前記反射膜は、前記基板の厚み方向において前記段部から前記ｐ側パッド電極に至るまで形成されている請求項１から３のいずれかの項に記載の発光素子。 - 前記基板の厚み方向における前記絶縁膜および反射膜の長さは、前記ｎ側電極の形成領域より、前記半導体層の側面外側である周縁部領域であって且つ前記ｎ側電極の形成領域以外の部分の方が大きく形成されている請求項５から７のいずれかの項に記載の発光素子。
- 前記基板は、矩形状に形成され、
前記ｎ側電極は、前記基板の対角の位置に２つ設けられている請求項５から８のいずれかの項に記載の発光素子。 - 前記基板は、矩形状に形成され、
前記ｎ側電極は、前記基板の四隅の位置に４つ設けられている請求項５から８のいずれかの項に記載の発光素子。 - 前記基板に対して前記ｐ側パッド電極と反対の面側にｎ側電極が設けられている請求項１から４のいずれかの項に記載の発光素子。
- 前記基板は、窒化ガリウム基板である請求項１から１１のいずれかの項に記載の発光素子。
- 請求項５から１０のいずれか一つに記載の発光素子と、搭載面を有し当該搭載面に形成された電極に前記発光素子をフリップチップ実装したサブマウント素子とを備えた発光装置。
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