WO2013008367A1 - 窒化物系半導体発光素子 - Google Patents

窒化物系半導体発光素子 Download PDF

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light
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nitride
angle
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井上　彰
正樹 藤金
横川　俊哉
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パナソニック株式会社
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    • H01L33/32—Materials of the light emitting region containing only elements of Group III and Group V of the Periodic Table containing nitrogen

Definitions

  • the present invention relates to a nitride-based semiconductor light-emitting device comprising a substrate having a main surface, a back surface as a light extraction surface, and a plurality of side surfaces, and a nitride semiconductor multilayer structure formed on the main surface of the substrate. .
  • the present invention also relates to a light source including a nitride semiconductor light emitting device and a method for manufacturing the nitride semiconductor light emitting device.
  • a nitride semiconductor containing nitrogen (N) as a group V element is considered promising as a material for a short wavelength light emitting device because of its band gap.
  • gallium nitride compound semiconductors have been actively researched, and blue light-emitting diodes (LEDs), green LEDs, and blue semiconductor lasers using gallium nitride compound semiconductors have been put into practical use.
  • the band gap is made larger or smaller than the band gap of GaN by substituting Ga with Al or In. This makes it possible to emit not only short wavelength light such as blue and green, but also orange and red light. From these characteristics, the nitride-based semiconductor light-emitting element is also expected to be applied to image display devices and lighting devices.
  • Nitride semiconductors have a wurtzite crystal structure.
  • 1A to 1C show a wurtzite crystal structure plane in four-index notation (hexagonal crystal index).
  • crystal planes and orientations are expressed using basic vectors represented by a1, a2, a3, and c.
  • the basic vector c extends in the [0001] direction, and this direction is called “c-axis”.
  • a plane perpendicular to the c-axis is called “c-plane” or “(0001) plane”.
  • FIG. 1A shows the a-plane and m-plane in addition to the c-plane.
  • FIG. 1B shows the r-plane
  • FIG. 1C shows the (11-22) plane.
  • FIG. 2A shows the crystal structure of the nitride semiconductor in a stick ball model.
  • FIG. 2B is a diagram in which the atomic arrangement near the m-plane surface is observed from the a-axis direction. The m-plane is perpendicular to the paper surface of FIG.
  • FIG. 2C is a diagram of the atomic arrangement on the + c plane surface observed from the m-axis direction. The c-plane is perpendicular to the paper surface of FIG.
  • N atoms and Ga atoms are located on a plane parallel to the m-plane.
  • a layer in which only Ga atoms are arranged and a layer in which only N atoms are arranged are formed.
  • a c-plane substrate that is, a substrate having a (0001) plane as a main surface is used as a substrate on which a nitride semiconductor crystal is grown.
  • spontaneous polarization Electrode Polarization
  • the “c-plane” is also called “polar plane”.
  • a piezoelectric field is generated along the c-axis direction in the InGaN quantum well in the active layer of the nitride-based semiconductor light-emitting device. This electric field causes a positional shift in the distribution of electrons and holes in the active layer, so that the internal quantum efficiency of the active layer is reduced due to the quantum confined Stark effect of carriers.
  • the m-plane in the wurtzite crystal structure is six equivalent planes that are parallel to the c-axis and orthogonal to the c-plane.
  • the (1-100) plane perpendicular to the [1-100] direction corresponds to the m-plane.
  • Other m planes equivalent to the (1-100) plane include (-1010) plane, (10-10) plane, (-1100) plane, (01-10) plane, and (0-110) plane.
  • “-” attached to the left of the number in parentheses representing the Miller index means “bar” and represents the inversion of the index for convenience.
  • a nitride-based semiconductor light-emitting device having an active layer formed on the m-plane, a-plane, -r-plane, (11-22) plane, etc. has polarization characteristics derived from the structure of its valence band. Yes.
  • Patent Document 1 as a method for improving the polarization characteristics of a nitride-based semiconductor light-emitting device having a nonpolar plane or a semipolar plane as a main surface, the nitride-based semiconductor light-emitting device is divided into a diamond shape or a triangular shape. As a result, a structure is shown in which light emitted from the side surface of the nitride-based semiconductor light-emitting element is prevented from decreasing the degree of polarization.
  • Patent Document 2 as a method for improving the reliability of a nitride-based semiconductor light-emitting device, when a nitride-based semiconductor light-emitting device having an M-plane or an R-plane is separated into individual nitride semiconductor chips, Describes a method of singulation by tilting from 30 to 60 degrees.
  • Patent Document 3 as a method for enhancing light extraction of a nitride-based semiconductor light-emitting device having an a-plane as a main surface, when the nitride semiconductor chip is separated, the individual is inclined at 5 to 85 degrees from the wall open surface. A method for separating pieces is described. By doing so, unevenness is generated on the side surface of the nitride semiconductor chip, and light extraction from the side surface is improved.
  • the main object of the present invention is to provide a nitride-based semiconductor light-emitting device with improved light emission quality.
  • a nitride-based semiconductor light-emitting device includes a substrate having a main surface, a back surface that is a light extraction surface, and a plurality of side surfaces, and a nitride semiconductor multilayer structure formed on the main surface of the substrate.
  • the nitride-based semiconductor light-emitting device has an active layer that emits polarized light, and at least one side surface of the substrate has a plurality of side surfaces with respect to a main surface of the substrate.
  • the absolute value of the angle formed by the line of intersection between at least one of the plurality of side surfaces of the substrate and the main surface of the substrate with respect to the polarization direction of the polarized light in the main surface.
  • ⁇ is greater than 90 degrees and ⁇ 2 is an angle that does not include 0 degrees and 90 degrees. Therefore, a part of the polarized light emitted from the nitride semiconductor active layer is elliptically polarized on the side surface of the substrate. Reflected and can be taken out from the back. Thereby, the degree of polarization can be reduced and the quality of light emission can be improved.
  • (A)-(c) is a figure which shows the nitride type semiconductor light-emitting device whose main surface is an m surface. It is a figure which shows the measurement result of the light emission wavelength and polarization degree of the nitride type semiconductor light-emitting device whose main surface is an m surface. It is a figure explaining the measuring method of a polarization degree.
  • (A) to (c) are diagrams showing the nitride-based semiconductor light-emitting element in the first embodiment.
  • (A) to (c) are diagrams for explaining the principle of reducing the degree of polarization in the first embodiment.
  • FIG. (A) is a figure which shows the kind of polarization
  • (b) is a figure which shows the calculation result of the polarization ellipticity and polarization degree when one side 332 in Embodiment 1 is considered.
  • (A), (b) is a figure which shows the calculation result of the critical angle and relative phase difference at the time of considering the one side 332 in Embodiment 1.
  • FIG. (A) is a graph which shows the ratio (calculation result) of the light which is reflected in the side 332, and is radiate
  • (b) is a graph shown in FIG. In the graph shown in FIG.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a calculation result of the degree of polarization when the four side surfaces 332 in Embodiment 1 are considered.
  • FIG. (A) is a graph showing the result of calculating how the ratio of light extracted outside while maintaining polarization from the light extraction surface 331 depends on D / L1 and n2, and (b) is It is a graph which shows the result of having calculated the relationship between n2 and D / L1 in the value of each occupation area ratio R.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating an appropriate range of ⁇ 2 and n2 when all light extraction surfaces in Embodiment 1 are considered.
  • FIG. (A), (b) is a figure explaining the manufacturing method of Embodiment 1 using the laser dicing.
  • (A), (b) is a figure explaining the manufacturing method of Embodiment 1 using blade dicing.
  • (A), (b) is a figure which shows the upper surface photograph and cross-sectional profile of the nitride-type semiconductor light-emitting device fragmented using the blade dicing.
  • (A) to (c) are views showing a nitride-based semiconductor light-emitting element according to a first modification of the first embodiment.
  • (A) to (c) are views showing a nitride-based semiconductor light-emitting element according to a second modification of the first embodiment.
  • (A) to (c) are views showing a nitride-based semiconductor light-emitting element according to a third modification of the first embodiment.
  • (A) to (c) are diagrams showing a nitride-based semiconductor light-emitting element according to the second embodiment.
  • (A) to (c) are diagrams showing the nitride-based semiconductor light-emitting element in the third embodiment.
  • (A) to (c) are views showing a nitride-based semiconductor light-emitting element according to a first modification of the third embodiment.
  • (A) to (f) are diagrams showing the nitride-based semiconductor light-emitting device in the fourth embodiment.
  • (A) to (c) are diagrams showing a nitride-based semiconductor light-emitting device in which stripe-shaped irregularities are formed on the light extraction surface 331 and the main surface is an m-plane.
  • FIG. 3 It is a figure which shows the measurement result of a polarization degree at the time of forming striped unevenness
  • (A) to (c) are diagrams showing a nitride-based semiconductor light-emitting element in which the light extraction surface 331 has irregularities having a shape close to a hemisphere and the main surface is an m-plane. It is a figure of the measurement result which shows the reduction effect of a polarization degree in case the light extraction surface 331 has an unevenness
  • An embodiment of the present invention provides a nitride system including a substrate having a main surface, a back surface that is a light extraction surface, and a plurality of side surfaces, and a nitride semiconductor multilayer structure formed on the main surface of the substrate.
  • the nitride semiconductor multilayer structure includes an active layer that emits polarized light, and at least one side surface of the plurality of side surfaces forms an angle with respect to a main surface of the substrate.
  • An angle ⁇ is an absolute value of an angle formed by an intersecting line between at least one side surface of the plurality of side surfaces of the substrate and the main surface of the substrate with respect to the polarization direction in the main surface of the polarized light. In this case, the angle ⁇ is larger than 90 degrees, and the angle ⁇ 2 (mod 180 degrees) is an angle not including 0 degrees and 90 degrees.
  • the degree of polarization can be reduced and the quality of light emission can be improved.
  • the substrate may be an off-cut substrate of 5 ° or less.
  • the value of ( ⁇ 90 degrees) may be a value equal to or larger than the angle ⁇ 1 that satisfies the following (Equation 9).
  • the critical angle determined by the refractive indexes n1 and n2 is ⁇ c, ( ⁇ 90 degrees) ) May be larger than the critical angle ⁇ c.
  • the planar shape of the main surface and the back surface of the substrate may be a quadrangle, and the plurality of side surfaces may be four side surfaces.
  • the planar shape of the main surface and the back surface of the substrate may be any of a parallelogram, a square, a rectangle, and a rhombus.
  • the angle ⁇ 2 (mod 90 degrees) may be 25 degrees or more and 65 degrees or less, 35 degrees or more and 55 degrees or less, or 40 degrees or more and 50 degrees or less.
  • a plurality of convex portions may be formed on the back surface of the substrate.
  • the convex portion may have a conical shape or a hemispherical shape, and may be two-dimensionally arranged on the back surface of the substrate.
  • the convex portion has a stripe shape, and ⁇ (mod 180 degrees) is 5 degrees or more and 175 degrees or less when an absolute value ⁇ of an angle formed between the extending direction of the stripe shape and the polarization direction of the polarized light is used. It may be 30 degrees or more and 150 degrees or less.
  • ⁇ 1 mod 180 degrees
  • ⁇ 2 mod 180 degrees
  • a light source includes the nitride-based semiconductor light-emitting element according to an embodiment and a wavelength conversion unit including a fluorescent material that converts at least the wavelength of light emitted from the back surface of the substrate.
  • a method for manufacturing a nitride-based semiconductor device includes a step (a) of preparing a substrate having a main surface and a back surface that is a light extraction surface, and a nitride semiconductor multilayer structure on the main surface of the substrate And a step (c) of cutting the substrate and the nitride semiconductor multilayer structure and separating the substrate and the nitride semiconductor multilayer structure into a plurality of nitride semiconductor devices.
  • the nitride semiconductor multilayer structure includes an active layer that emits polarized light, and in the step (c), an angle formed by at least one side surface of the plurality of side surfaces with respect to the main surface of the substrate is formed.
  • an absolute value of an angle formed by an intersection line between at least one side surface of the plurality of side surfaces of the substrate and the principal surface of the substrate with respect to a polarization direction in the principal surface of the polarized light is an angle ⁇ 2.
  • the angle ⁇ is greater than 90 degrees.
  • the angle ⁇ 2 is cutting the substrate and the nitride semiconductor multilayer structure so that the angle excluding 0 ° and 90 °.
  • an offcut substrate of 5 ° or less may be prepared as the substrate.
  • the value of ( ⁇ 90 degrees) may be a value equal to or larger than the angle ⁇ 1 that satisfies the following (Equation 9).
  • ⁇ 1 mod 180 degrees
  • ⁇ 2 mod 180 degrees
  • FIGS. 3A to 3C show an example of a nitride-based semiconductor light-emitting device fabricated on a substrate 304 having an m-plane GaN layer on the surface.
  • 3A is a top view
  • FIG. 3B is a cross-sectional view taken along the line XX ′ of FIG. 3A
  • FIG. 3C is a cross-sectional view taken along the line YY ′ of FIG. 3A.
  • the nitride semiconductor light emitting device 300 is in contact with the n-type nitride semiconductor layer 305, the nitride semiconductor active layer 306, the p-type nitride semiconductor layer 307, and the p-type nitride semiconductor layer 307 on the substrate 304.
  • the p-type electrode 308 is formed, and the n-type electrode 309 is formed so as to be in contact with the n-type nitride semiconductor layer 305.
  • a wiring 302 is formed on the surface of the mounting substrate 301, and the nitride semiconductor light emitting element 300 and the wiring 302 on the mounting substrate 301 are connected via bumps 303.
  • the light emitted from the nitride semiconductor active layer 306 is extracted to the outside from the light extraction surface 331 and the four side surfaces 332.
  • Side surface 332 is formed to be parallel to the c-plane and a-plane of the nitride semiconductor crystal.
  • the nitride semiconductor active layer formed on such an m-plane mainly emits light whose electric field strength is biased in a direction parallel to the a-axis.
  • a light emitting element having such polarization characteristics is suitable for use in a backlight of a liquid crystal display device. However, when used for lighting or lighting, the amount of reflected light changes depending on the installation direction, and the quality as a light emitting element in such a field is lowered.
  • polarized light light whose electric field intensity is biased in a specific direction
  • polarized light in the X axis direction light whose electric field intensity is biased in a direction parallel to the X axis
  • polarization direction a direction parallel to the X axis at this time
  • the “polarized light in the X-axis direction” does not mean only linearly polarized light polarized in the X-axis direction, and may include linearly polarized light polarized in other directions.
  • polarized light in the X-axis direction refers to polarized light whose intensity (electric field intensity) transmitted through “a polarizer having a polarization transmission axis in the X-axis direction” has a polarization transmission axis in the other direction. It means light that becomes higher than the electric field intensity of light that passes through the child. Therefore, “polarized light in the X-axis direction” includes not only linearly polarized light and elliptically polarized light polarized in the X-axis direction but also a wide range of non-coherent light mixed with linearly polarized light and elliptically polarized light polarized in various directions. Including.
  • in-plane polarization direction refers to the direction in which the polarization direction is projected onto the surface.
  • the degree of polarization is defined by the following equation:
  • a nitride-based semiconductor light-emitting element having an active layer formed on the m-plane mainly emits polarized light in the a-axis direction as described above. At that time, polarized light in the c-axis direction and polarized light in the m-axis direction are also emitted. However, the intensity of the c-axis direction polarized light and the m-axis direction polarized light is weaker than that of the a-axis direction polarized light.
  • FIG. 4 is a graph showing the results of producing a nitride-based semiconductor light-emitting device having an active layer formed on the m-plane shown in FIG. 3 and measuring the emission wavelength and the degree of polarization.
  • the nitride semiconductor active layer 306 is made of InGaN, and the emission wavelength is controlled by changing the composition of In.
  • the degree of polarization was measured using the optical system shown in FIG. Specifically, the LED 1 is caused to emit light by the power source 6. The light emission of the LED 1 is confirmed with the stereomicroscope 3.
  • the stereomicroscope 3 has two ports, a silicon photodetector 4 is attached to one side, and a CCD camera is attached to the other side.
  • a polarizing plate 2 is inserted between the stereomicroscope 3 and the LED 1.
  • the polarizing plate 2 is rotated, and the maximum value and the minimum value of the emission intensity are measured with the silicon photodetector 4.
  • the structure of FIG. 3 shows a degree of polarization of about 0.3 to 0.8 depending on the emission wavelength.
  • the degree of polarization is greater than 0.1, and it is difficult to use the nitride-based semiconductor light-emitting device shown in FIG. 3 as it is in an existing application.
  • Patent Document 1 aims to maintain the polarization characteristics of a nitride-based semiconductor light-emitting element.
  • a light-emitting element having polarization characteristics when used as a light source, the amount of reflection on the object surface varies depending on the direction of polarization, that is, the direction in which the LED is installed. This is because the reflectance differs between P-polarized light and S-polarized light (S-polarized light has higher reflectance on the object surface).
  • the P-polarized light is light having an electric field component parallel to the incident surface.
  • S-polarized light is light having an electric field component perpendicular to the incident surface.
  • the polarization characteristics become an obstacle.
  • the angle which the side surface and main surface of a semiconductor chip fragmented make is not specified.
  • Patent Document 2 aims to improve the reliability of a nitride-based semiconductor light-emitting element.
  • Patent Document 2 there is no description regarding the degree of polarization, and the relationship between the wall opening direction and the degree of polarization is unknown.
  • the angle which the side surface and main surface of the semiconductor chip fragmented make is not specified.
  • Patent Document 3 aims to improve the light extraction of a nitride-based semiconductor light-emitting element. Therefore, in patent document 3, there is no description regarding the degree of polarization, and the relationship between the wall opening direction and the degree of polarization is unknown. Moreover, in patent document 3, the angle which the side surface and main surface of a semiconductor chip fragmented make is not specified.
  • the present inventor considered that the degree of polarization when polarized light of a nitride-based semiconductor light-emitting element passes through the side surface of the nitride-based semiconductor light-emitting element and exits to the outside, and is reflected once on the side surface of the nitride-based semiconductor light-emitting element
  • the dependence on the shape of the nitride-based semiconductor light-emitting element was examined in detail with respect to the degree of polarization when going outside. Part of the polarized light is reflected at the interface between the side surface of the nitride-based semiconductor light-emitting element and the outside, and the rest is transmitted through this interface.
  • the present inventor has determined that the transmittance and reflectance depend on the polarization direction of the polarized light generated in the active layer of the nitride-based semiconductor light-emitting device and the shape of the side surface of the nitride-based semiconductor light-emitting device. I found out. Based on this finding, the inventors have found a shape of a nitride-based semiconductor light-emitting element that can reduce the degree of polarization of light emitted from the nitride-based semiconductor light-emitting element.
  • FIG. 6A is a top view schematically showing the nitride-based semiconductor light-emitting device in the embodiment.
  • 6B is a cross-sectional view taken along the line X-X ′ of FIG. 6A
  • FIG. 6C is a cross-sectional view taken along the line Y-Y ′ of FIG.
  • the nitride-based semiconductor light-emitting device 300 is formed on a substrate 304 having a main surface 333, a back surface that is a light extraction surface 331, and a plurality of side surfaces 332, and a main surface 333 of the substrate 304. And a nitride semiconductor multilayer structure having a nitride semiconductor active layer 306 that emits light.
  • an angle formed by the plurality of side surfaces 332 of the substrate 304 with respect to the main surface 333 of the substrate 304 is an angle ⁇ .
  • the side surface of the substrate is perpendicular to the main surface and the back surface of the substrate, and the angle ⁇ is 90 degrees.
  • the side surface 332 of the substrate 304 is inclined from the vertical direction of the main surface 333 and the light extraction surface 331 of the substrate 304.
  • the side surface 332 is inclined so that the side surface 332 extends outward in a direction from the main surface 333 of the substrate 304 toward the light extraction surface 331. Therefore, the angle ⁇ is larger than 90 degrees.
  • the sides constituting the edge of the main surface 333 of the substrate 304 are inclined from the a-axis direction (polarization direction 324).
  • the side constituting the edge of the main surface 333 of the substrate 304 can be referred to as “intersection line between the plurality of side surfaces 332 of the substrate 304 and the main surface 333 of the substrate 304”.
  • the angle ⁇ 2 mod 180 degrees
  • the angle ⁇ 2 includes 0 degrees and 90 degrees. There is no angle.
  • “mod 180 degrees” refers to a surplus angle when the angle is divided by 180 degrees.
  • the side surface 332 of the substrate 304 is inclined from the vertical direction of the main surface 333 and the light extraction surface (back surface) 331 of the substrate 304, so that the light emitted from the nitride semiconductor active layer 306 is reflected on the side surface 332.
  • the ratio of reflected light can be increased. Due to the Goose-Henchen shift, a phase difference occurs in the light reflected on the side surface 332, and the light reflected on the side surface 332 is elliptically polarized. This phase difference is generated according to the refractive index n1 of the substrate and the refractive index n2 around the substrate.
  • the light reflected on the side surface 332 is emitted to the outside from the main surface 333, for example.
  • the light from the nitride semiconductor active layer 306 can be elliptically polarized, so that the degree of polarization can be reduced and the quality of light emission can be improved. Detailed effects will be described later using calculation results.
  • the nitride-based semiconductor light-emitting element 300 of the present embodiment is not particularly limited in its specific structure as long as it has a configuration having polarization characteristics.
  • the nitride semiconductor light emitting device 300 includes, for example, a substrate 304 having at least an m-plane GaN layer, an n-type nitride semiconductor layer 305 formed on the m-plane GaN layer, a nitride semiconductor active layer 306, and a p-type.
  • a nitride semiconductor layer 307, a p-type electrode 308 formed so as to be in contact with the p-type nitride semiconductor layer 307, and an n-type electrode 309 formed so as to be in contact with the n-type nitride semiconductor layer 305 are provided.
  • the nonpolar plane, “a plane”, “r plane”, “ ⁇ r plane”, “(11-22) plane”, “m plane” are the nonpolar plane, a plane, r plane, -R plane, "(11-22) plane", not only a plane completely parallel to the m plane, but also nonpolar plane, a plane, r plane, -r plane, "(11-22) plane” , Including a surface inclined (off-cut) by an angle of ⁇ 5 ° or less from the m-plane. That is, the substrate 304 may be an off-cut substrate (off substrate) inclined by an angle of 5 degrees or less. To the extent that it is slightly inclined from the m-plane, the influence of the change in spontaneous polarization is very small.
  • the polarization direction in the main surface is a direction in which the a-axis direction is projected onto the main surface.
  • the substrate 304 may be an m-plane GaN substrate, an m-plane SiC substrate with an m-plane GaN layer formed on the surface, an r-plane sapphire substrate with an m-plane GaN layer formed thereon, or an m-plane sapphire substrate.
  • the most important point is that the light emitted from the active layer is polarized in a specific direction.
  • ⁇ 1 mod 180 degrees
  • ⁇ 2 mod 180 degrees
  • ⁇ 2 is 85 degrees or more and 95 degrees or less
  • ⁇ 2 is the angle between the polarization direction of the polarized light and the normal line on the back surface of the substrate 304) Absolute value
  • the plane orientation of the nitride semiconductor active layer is not limited to the m plane, and may be a nonpolar plane or a semipolar plane.
  • An example of the nonpolar plane is the a plane
  • examples of the semipolar plane are the -r plane and the (11-22) plane.
  • the nitride semiconductor active layer formed on the m-plane mainly emits light whose electric field strength is biased in a direction parallel to the a-axis.
  • the nitride semiconductor active layer formed on the a-plane mainly emits light whose electric field intensity is biased in a direction parallel to the m-axis.
  • the nitride semiconductor active layer formed on the (11-22) plane which is a semipolar plane, is a light whose electric field strength is biased in the direction parallel to the m-axis when the In composition of the nitride semiconductor active layer is small.
  • the polarization characteristic of the nitride semiconductor active layer 306 on such a semipolar plane is determined by the behavior of the upper two bands (A band and B band) of the valence band, and is applied to the nitride semiconductor active layer 306. It may depend on the amount and the quantum confinement effect.
  • the nitride semiconductor active layer 306 when a substrate cut off by 5 degrees from the m plane is used, the nitride semiconductor active layer 306 also has a plane orientation inclined by 5 degrees from the m plane.
  • the light emitted from the nitride semiconductor active layer 306 mainly emits light whose electric field intensity is biased in a direction parallel to the a-axis.
  • the main surface of the substrate refers to the surface of the substrate on which the semiconductor multilayer structure is formed
  • the main surface of each nitride semiconductor layer refers to the surface in the growth direction (growth surface) of each nitride semiconductor layer.
  • These main surfaces are substantially parallel.
  • the “main surface” simply without the reference sign means “the main surface of the substrate or the nitride semiconductor active layer”.
  • An undoped GaN layer may be provided between the nitride semiconductor active layer 306 and the p-type nitride semiconductor layer 307.
  • silicon (Si) can be used as the n-type dopant.
  • Mg is added as a p-type dopant.
  • Zn or Be may be used as a p-type dopant other than Mg.
  • the Al composition ratio s may be uniform in the thickness direction, or even if the Al composition ratio s changes continuously or stepwise in the thickness direction. Good.
  • the thickness of the p-type nitride semiconductor layer 307 is, for example, about 0.05 ⁇ m to 2 ⁇ m.
  • the vicinity of the upper surface of the p-type nitride semiconductor layer 307, that is, the vicinity of the interface with the p-type electrode 308, may be formed of a semiconductor having an Al composition ratio s of zero, that is, GaN.
  • GaN contains p-type impurities at a high concentration and can function as a contact layer.
  • the nitride semiconductor active layer 306 includes, for example, a Ga 1-x In x N well layer with a thickness of about 3 nm to 20 nm and a Ga 1-y In y N well layer with a thickness of about 5 nm to 30 nm (0 ⁇ y ⁇ X ⁇ 1) It has a GaInN / GaInN multiple quantum well (MQW) structure in which barrier layers are alternately stacked.
  • MQW multiple quantum well
  • the wavelength of light emitted from the nitride-based semiconductor light-emitting element 300 is determined by the In composition x in the Ga 1-x In x N semiconductor, which is the semiconductor composition of the well layer. No piezoelectric field is generated in the nitride semiconductor active layer 306 formed on the m-plane. For this reason, even if the In composition is increased, a decrease in luminous efficiency is suppressed.
  • the n-type electrode 309 is formed by, for example, a laminated structure (Ti / Pt) of a Ti layer and a Pt layer.
  • the p-type electrode 308 may substantially cover the entire surface of the p-type nitride semiconductor layer 307.
  • the p-type electrode 308 is formed by a stacked structure (Pd / Pt) of a Pd layer and a Pt layer.
  • the nitride semiconductor light emitting device 300 is electrically connected to the wiring 302 on the mounting substrate 301 via bumps 303.
  • the substrate 304 of the nitride semiconductor light emitting device 300 is surrounded by a main surface 333, a light extraction surface (back surface) 331 formed substantially parallel to the main surface 333, and four side surfaces 332.
  • the light emitted from the nitride semiconductor active layer 306 is mainly emitted from the light extraction surface 331.
  • a semiconductor multilayer structure is formed on the main surface 333. Main surface 333, light extraction surface 331, and main surfaces of nitride semiconductor active layer 306 are substantially parallel to each other.
  • the four side surfaces 332 may be light extraction surfaces.
  • the four side surfaces 332 are inclined more than 90 degrees with respect to the main surface 333.
  • the area of the light extraction surface 331 becomes larger than the area of the main surface 333 of the substrate 304.
  • An angle obtained by subtracting 90 degrees from this inclination is defined as ⁇ 1. That is, the angle formed by the four side surfaces 332 with respect to the normal direction of the main surface 333 is ⁇ 1.
  • the outer shape 351 of the light extraction surface 331 and the outer shape 352 of the main surface 333 have a square shape in the top view.
  • the outer shape 351 and the outer shape 352 may have the same center, and the sides of the outer shape 351 and the sides of the outer shape 352 may be parallel to each other. In this case, there are four angles ⁇ 1 formed by the normal direction of the main surface and the four side surfaces 332, but they are all the same.
  • the outer shape 352 is square, the angle formed by the major axis direction of light elliptically polarized on one side surface and the major axis direction of light elliptically polarized on another side surface adjacent to the side surface. Becomes vertical. Thereby, it is possible to reduce the degree of polarization efficiently. Furthermore, since the areas of the four side surfaces are almost equal, it is easy to control the light distribution characteristics.
  • the outer shapes 351 and 352 may be similar or different shapes. Further, the outer shapes 351 and 352 may be other quadrangles or other polygons. Further, the outer shapes 351 and 352 may have a shape including a curve. Further, the number of side surfaces 332 may be three, or may be five or more.
  • ⁇ 1 is desirably set to a critical angle ⁇ c (critical angle) or more determined by the refractive index of the substrate 304 and the refractive index around the substrate 304.
  • the refractive index around the substrate 304 is the refractive index outside the side surface of the substrate.
  • the outside of the side surface of the substrate may be resin, glass, air, vacuum, or the like.
  • ⁇ c sin ⁇ 1 (n2 / n1).
  • ⁇ 1 By setting ⁇ 1 to be equal to or greater than the critical angle ⁇ c, most of the light emitted from the nitride semiconductor active layer 306 and incident on the side surface 332 can be totally reflected, and the degree of polarization can be further reduced.
  • ⁇ 1 may be a critical angle ⁇ c or more and an angle range of 30 degrees or more and less than 90 degrees. In this angle range, the light reflected by the side surface 332 is extracted without being totally reflected by the light extraction surface 331.
  • ⁇ 2 (mod 180 degrees) is an angle not including 0 degrees and 90 degrees (see FIG. 32).
  • the shape of the nitride semiconductor light emitting device 300 will be defined.
  • the outer shape of the light extraction surface 331 and the outer shape of the main surface 333 are square.
  • the refractive index of the substrate 304 is n1, and the surrounding refractive index is n2.
  • the length of one side of the main surface of the semiconductor multilayer structure is L1, the length of one side of the light extraction surface 331 is L2, and the distance between the light extraction surface 331 and the main surface of the semiconductor multilayer structure is D.
  • the angle ⁇ 1 formed by the normal direction of the main surface of the semiconductor multilayer structure and the four side surfaces 332 is the same for all four.
  • the four light extraction surfaces have the same shape and area, but these surfaces are distinguished from the side surface 332a, the side surface 332b, the side surface 332c, and the side surface 332d.
  • the side surface 332a and the side surface 332c, and the side surface 332b and the side surface 332d are surfaces facing each other.
  • the angle between the polarization direction 324 in the main surface of the polarized light of the light emitted from the nitride semiconductor active layer 306 and the side in contact with the side surface 332a and the side surface 332c in the outer shape of the main surface 333 is ⁇ 2.
  • ⁇ 2 and ⁇ 2 ′ are angles larger than 0 degrees and smaller than 90 degrees (angles not including 0 degrees and 90 degrees).
  • the angle formed between the normal direction of the main surface and the side surface 332 is ⁇ 1.
  • ⁇ 5 90 ⁇ 1.
  • the length of one side of the light extraction surface 331 is determined by D, L1, and ⁇ 5.
  • the angle ⁇ 3 formed by the normal direction of the incident light 341 and the side surface 332 and the angle formed by the reflected light and the normal direction of the light extraction surface 331 are ⁇ 4.
  • This embodiment uses the fact that a phase difference due to a Goos-Hanchen shift occurs when incident light 341 is reflected by a side surface 332.
  • the incident light has a p-polarized component and an s-polarized component, the following (Equation 1) and (Equation 2) are given if the phase shift upon reflection is ⁇ p for p-polarized light and ⁇ s for s-polarized light.
  • the electric field component E can be decomposed into a component E1 parallel to the side in contact with the side surface 332a and the side surface 332c and a component E2 parallel to the side in contact with the side surface 332b and the side surface 332d.
  • E1 and E2 are light with the same phase.
  • E1 becomes an S polarization component with respect to the side surface 332a and the side surface 332c.
  • E2 is an S polarization component with respect to the side surface 332b and the side surface 332d.
  • the phase of the S-polarized reflected light advances with respect to the p-polarized reflected light.
  • FIG. 8A shows definitions for the states of linearly polarized light, circularly polarized light, and elliptically polarized light.
  • the locus of elliptically polarized light is Or a general formula, It is expressed.
  • (Equation 4) is a definition in the case of using arbitrary orthogonal x and y coordinate systems, A x0 is the electric field amplitude in the x direction, A y0 is the electric field amplitude in the y direction, E x is the electric field in the x direction, E y is the electric field in the y direction, and ⁇ represents the phase difference between the electric field amplitude in the x direction and the electric field amplitude in the y direction.
  • Equation 5 is a definition when the minor axis direction and the major axis direction of the ellipse are set as coordinate axes.
  • E ⁇ is the electric field in the minor axis direction of the ellipse
  • E ⁇ is the major axis direction of the ellipse.
  • the electric field, a is the electric field amplitude in the minor axis direction
  • b is the electric field amplitude in the major axis direction.
  • the flatness of the ellipse is defined by the polarization ellipticity ⁇ , It is.
  • the angle between the major axis direction of the ellipse and the x direction is defined by the main axis azimuth angle ⁇ , It is represented by Where ⁇ is Meet. From the above, a relative phase difference ⁇ is generated between the s-polarized light and the p-polarized light according to the ratio of the refractive index at the interface, and the linearly polarized light is converted into elliptically polarized light.
  • the light emitted from the nitride semiconductor active layer 306 is emitted in various directions.
  • FIG. 7C showing the X-X ′ cross section of FIG. ⁇ 3 is the smallest in the case of the incident light A in FIG. 7C, and is the case where the light emitted from the nitride semiconductor active layer 306 travels in the plane direction of the nitride semiconductor active layer 306.
  • ⁇ 3 is equal to ⁇ 1.
  • ⁇ 3 is the largest in the case of incident light B in FIG. 7C, and is the case where the light emitted from the end of the nitride semiconductor active layer 306 travels along the side surface 332.
  • ⁇ 3 is 90 degrees. Therefore, ⁇ 3 is in the range of ⁇ 1 to 90 degrees.
  • the angle range of ⁇ c that simultaneously satisfies this equation and ⁇ 1> ⁇ c is 30 degrees or more and 90 degrees or less.
  • FIG. 9 (a) is a diagram showing the relationship of the critical angle with respect to the refractive index of n2, where the refractive index of n1 is 2.5 as the refractive index of gallium nitride.
  • the critical angle increases as the refractive index of n2, that is, the refractive index around the nitride semiconductor light emitting device 300 increases. That is, it means that light can be easily extracted from the nitride-based semiconductor light-emitting element 300 to the outside.
  • the refractive index of n1 when the refractive index of n1 is 2.5, the refractive index of n2 that satisfies the critical angle ⁇ c of 30 degrees or more is 1.25 or more. That is, in order to set the critical angle ⁇ c to 30 degrees or more, the value of n2 may be set to one half or more of the value of n1.
  • FIG. 9B shows values obtained by calculating the incident angle ⁇ 3 on the side surface 332 on the horizontal axis and the relative phase difference ⁇ between the s-polarized light and the p-polarized light of the reflected light 342 on the vertical axis.
  • the refractive index of n1 is 2.5, and the refractive index of n2 is changed from 1.0 to 1.8.
  • the reflected light 342 on the side surface 332 is circularly polarized.
  • Complete circular polarization can be realized when n2 is in the range of 1.0 to 1.2.
  • the angle range of ⁇ 3 can be ⁇ c or more and 90 degrees or less, the reflected light 342 is elliptically polarized.
  • FIG. 8B shows a calculation result of the relationship between the polarization ellipticity ⁇ and ⁇ 2 of the reflected light 342 when ⁇ 1 is the critical angle ⁇ c.
  • ⁇ 2 is an angle ⁇ 2 formed by the polarization direction 324 in the main surface of the polarized light of the nitride-based semiconductor light-emitting element 300, the outer shape of the light extraction surface 331, and each side of the main surface 333.
  • n2 is changed by 0.1 from 1.2 to 1.8.
  • the polarization ellipticity ⁇ is maximized when ⁇ 2 is 45 degrees and has an upwardly convex shape. The smaller the refractive index n2, the higher the polarization ellipticity ⁇ .
  • FIG. 8C shows a calculation result of the relationship between the degree of polarization of the reflected light 342 and ⁇ 2 when ⁇ 1 is the critical angle ⁇ c.
  • n2 is changed by 0.1 from 1.2 to 1.8.
  • the degree of polarization is minimum when ⁇ 2 is 45 degrees, and has a downward convex shape.
  • ⁇ 2 may be 35 to 55 degrees, and ⁇ 2 may be in the range of 40 to 50 degrees. If it exists in this range, a degree of polarization can be made lower.
  • ⁇ 1 is equal to or greater than the critical angle ⁇ c, most of the light incident on the side surface 332 can be reflected.
  • ⁇ 1 may be smaller than the critical angle ⁇ c and may be in the range shown below.
  • FIG. 10A is a graph showing the ratio (simulation result) of the light incident on the side surface 332 and reflected from the side surface 332 and emitted from the light extraction surface 331.
  • the horizontal axis of FIG. 10A is the angle ⁇ 1
  • the vertical axis is the ratio of the light incident on the side surface 332 and reflected from the side surface 332 and emitted from the light extraction surface 331.
  • the results shown in FIG. 10A are obtained assuming four cases where the refractive index of GaN is 2.5 and the refractive index n2 is 1.2, 1.4, 1.6, and 1.8. It is a thing.
  • FIG. 10B plots a value in which, in the graph shown in FIG. 10A, the ratio of the light incident on the side surface 332 and reflected from the side surface 332 and emitted from the light extraction surface 331 is 70%. It is a graph.
  • the horizontal axis of the graph of FIG. 10B is the refractive index n2, and the vertical axis is the angle ⁇ 1 when the above-mentioned ratio is 70%.
  • the value on the vertical axis decreases with a constant slope as the value of the refractive index n2 increases.
  • the profile of FIG. 10B is expressed by the following (formula 9).
  • E1 is an S-polarized component with respect to the side surface 332a and the side surface 332c.
  • E2 is an S polarization component with respect to the side surface 332b and the side surface 332d.
  • the ellipse principal axis is inclined with respect to E1 with respect to the side surface 332a and the side surface 332c, and is E2 with respect to the side surface 332b and the side surface 332d.
  • the main axis of the ellipse is inclined.
  • E1 and E2 are inclined by 90 degrees, the principal axes of the light elliptically polarized by the side surfaces 332a and 332c and the principal axes of the light elliptically polarized by the side surfaces 332b and 332d are inclined by 90 degrees. become.
  • the light reflected from the side surface 332 and extracted from the light extraction surface 331 is a superposition of elliptically polarized light whose principal axis is inclined by 90 degrees, and therefore, the reflected light from the side surface 332a and the side surface 332c and the side surface 332b and the side surface 332d. Since the reflected light at is overlapped so as to reduce the degree of polarization, the degree of polarization of the entire light extracted from the nitride-based semiconductor light-emitting element 300 can be reduced.
  • FIG. 11 shows a calculation result of the relationship between the degree of polarization of the reflected light 342 and ⁇ 2 when ⁇ 1 is the critical angle ⁇ c when the influence of the four side surfaces 332a, 332b, 332c, and 332d is taken into consideration.
  • n2 is changed by 0.1 from 1.2 to 1.8. Since the reflected light from the side surfaces 332a and 332c and the reflected light from the side surfaces 332b and 332d act to reduce the degree of polarization, it can be seen that the degree of polarization can be significantly reduced compared to FIG. .
  • ⁇ 2 may be in the range of 25 degrees to 65 degrees. By setting this range, the degree of polarization of reflected light can be reduced to 0.2 or less.
  • ⁇ 2 may be in the range of 35 to 55 degrees. By setting this range, the degree of polarization of reflected light can be reduced to 0.1 or less. Furthermore, ⁇ 2 may be in the range of 40 to 50 degrees. By setting this range, the degree of polarization of the reflected light can be reduced to 0.05 or less. When ⁇ 2 is 45 degrees, the degree of polarization of the light reflected by the side surface 332 can be made almost zero. As the refractive index n2 is smaller, the degree of polarization can be reduced. However, as compared with FIG. 8C, it is understood that the dependence on n2 is small.
  • the light is reflected by the side surface 332 to be elliptically polarized, and further, the elliptically polarized light whose principal axis is inclined by 90 degrees is synthesized, and is emitted from the nitride-based semiconductor light emitting device 300. It can be seen that the degree of polarization of light can be greatly reduced.
  • the light emitted from the nitride semiconductor active layer 306 and directly extracted to the outside from the light extraction surface 331 maintains the polarization, which hinders the reduction of the degree of polarization.
  • the amount of light extracted directly from the light extraction surface 331 to the outside strongly depends on the critical angle ⁇ c and the area ratio between the light extraction surface 331 and the side surface 332.
  • the critical angle ⁇ c is determined by the refractive indexes of n1 and n2.
  • the area ratio is determined by the length L1 of one side of the main surface 333, the length L2 of one side of the light extraction surface 331, and the distance D between the light extraction surface 331 and the main surface of the semiconductor multilayer structure.
  • the angle ⁇ 1 formed between the normal direction of the main surface and the side surface 332 is ⁇ c, and n1 is 2.5 of gallium nitride
  • L2 is determined by L1
  • D is determined by ⁇ c
  • ⁇ c is determined by n2
  • FIG. 12A shows how the ratio of the light extracted to the outside while maintaining the polarization from the light extraction surface 331 depends on D / L1 and n2.
  • the calculation was performed by changing n2 from 1.2 to 1.8 by 0.1.
  • D / L1 is increased and n2 is decreased, the proportion of light extracted from the light extraction surface 331 while maintaining polarization can be reduced.
  • D / L1 may be 0.1 or more, or 0.2 or more.
  • the area of the nitride semiconductor active layer 306 will be considered.
  • the length L1 of one side of the main surface 333 may be smaller than the length L2 of one side of the light extraction surface 331. This means that the area where the nitride semiconductor active layer 306 is formed is smaller than the area of the substrate 304.
  • the current density increases in the configuration of the present embodiment. Means.
  • the configuration of the present embodiment requires a larger substrate area. Is meant to be.
  • FIG. 13 is an experimental result showing the current density dependence of the external quantum efficiency (EQE) of a nitride-based semiconductor light-emitting device whose main surface is an m-plane and a nitride-based semiconductor light-emitting device whose main surface is a c-plane.
  • EQE external quantum efficiency
  • the EQE value is normalized using the maximum value.
  • These nitride-based semiconductor light-emitting devices were manufactured using the manufacturing method described later.
  • the structure of the nitride-based semiconductor light-emitting element is the structure shown in FIG. 3, and ⁇ 1 and ⁇ 2 are 0 degrees. It can be seen that the nitride-based semiconductor light-emitting device fabricated on the m-plane GaN substrate has a small decrease in EQE even at a high current density. From FIG.
  • the nitride-based semiconductor light-emitting device fabricated on the m-plane GaN substrate is 4.2 times as large as the nitride-based semiconductor light-emitting device fabricated on the c-plane GaN substrate. It can be seen that the current density can be increased.
  • the occupied area ratio R of the nitride semiconductor active layer 306 is defined by (Equation 10)
  • .24 is a guideline for the minimum value, and if R is 0.24 or more, a light-emitting element having a higher light output than a nitride-based semiconductor light-emitting element whose main surface is a polar surface (c-plane) can be realized. Means.
  • FIG. 12 (b) shows the relationship between n2 and D / L1 for each occupied area ratio R value.
  • the occupation area ratio R the relationship between n2 and D / L1 is determined.
  • D / L1 may be 0.5 or less. More specifically, when the periphery of the nitride-based semiconductor light-emitting element is sealed using a material having a refractive index of about 1.4 to 1.5 such as silicone resin, D / L1 is about 0.3. You can do it.
  • 14A to 14H show the calculation results obtained by changing the value one by one.
  • the minimum value of the degree of polarization is determined by light extracted directly from the light extraction surface 331 while maintaining the polarization. It shows that the amount of light directly extracted from the light extraction surface 331 while maintaining the polarization depends on D / L1, ⁇ 2, and n2.
  • the degree of polarization is 0.30 or less (region A)
  • the degree of polarization is 0.25 or less (region B)
  • the degree of polarization is 0.20 or less (region C)
  • the degree of polarization is 0.15 or less (region).
  • D) the range of n2 and ⁇ 2 that satisfies the degree of polarization of 0.10 or less
  • region E the region refers to the entire solid line and the inside surrounded by the solid line. From FIG. 15, ⁇ 2 may be as close to 45 degrees as possible, and the value of n2 may be as small as possible.
  • the calculation results so far are calculation results for light emitted from the nitride semiconductor active layer 306 being completely polarized light, that is, light having a polarization degree of 1.
  • the degree of polarization of light emitted from the nitride semiconductor active layer 306 depends on the emission wavelength and takes a value of about 0.3 to 0.8. . That is, a value obtained by multiplying the polarization degree value of FIG. 15 by the polarization degree of the light emitted from the nitride semiconductor active layer 306 is the polarization degree of the entire light emitting element.
  • a degree of polarization of 0.1 or less can be realized in region C in FIG.
  • a degree of polarization of 0.1 or less can be realized in region E of FIG.
  • n-type nitride semiconductor layer 305 is epitaxially grown on a substrate 304 made of n-type GaN having an M-plane as a main surface by MOCVD or the like.
  • silicon is used as an n-type impurity
  • NH 3 are supplied as raw materials, and a GaN thickness of 1 ⁇ m to 3 ⁇ m at a growth temperature of about 900 ° C. to 1100 ° C.
  • About n-type nitride semiconductor layer 305 is formed.
  • a nitride semiconductor active layer 306 is formed on the n-type nitride semiconductor layer 305.
  • the nitride semiconductor active layer 306 has, for example, a GaInN / GaN multiple quantum well (MQW) structure in which a Ga 1-x In x N well layer having a thickness of 15 nm and a GaN barrier layer having a thickness of 30 nm are alternately stacked. is doing.
  • MQW multiple quantum well
  • the growth temperature may be lowered to 800 ° C. in order to capture In.
  • the emission wavelength is selected according to the use of the nitride-based semiconductor light-emitting device 300, and the In composition x corresponding to the wavelength is determined.
  • a p-type nitride semiconductor layer 307 is formed on the nitride semiconductor active layer 306.
  • Cp 2 Mg cyclopentadienyl magnesium
  • TMG and NH 3 are supplied as raw materials
  • p-type GaN having a thickness of about 50 nm to 1100 ° C. and a thickness of about 50 nm to 500 nm.
  • a p-type nitride semiconductor layer 307 is formed.
  • a p-AlGaN layer having a thickness of about 15 nm to 30 nm may be included in the p-type nitride semiconductor layer 307.
  • heat treatment is performed at a temperature of about 800 to 900 degrees for about 20 minutes.
  • the p-type nitride semiconductor layer 307, the nitride semiconductor active layer 306, and the n-type nitride semiconductor layer 305 are partially removed to form the recesses 312.
  • the n-type nitride semiconductor layer 305 is partially exposed.
  • a side surface 360 of a nitride semiconductor multilayer structure including a part of the n-type nitride semiconductor layer 305, the nitride semiconductor active layer 306, and the p-type nitride semiconductor layer 307 The angle formed by the normal direction of the main surface can be controlled. For example, when a condition with high physical etching property in which an etching pressure is lowered and an ion extraction voltage is increased is used, a side surface substantially perpendicular to the light extraction surface 331 can be formed. On the other hand, when an ICP plasma source having a high plasma density is used and a condition with high chemical etching property with a reduced ion extraction voltage is used, a side surface inclined from the normal direction of the light extraction surface 331 can be formed.
  • an n-type electrode 309 is formed so as to be in contact with a part of the exposed n-type nitride semiconductor layer 305.
  • a Ti / Pt layer is formed as the n-type electrode 309.
  • a p-type electrode 308 is formed so as to be in contact with the p-type nitride semiconductor layer 307.
  • a Pd / Pt layer is formed as the p-type electrode 308.
  • heat treatment is performed to alloy the Ti / Pt layer and the n-type nitride semiconductor layer 305, and the Pd / Pt layer and the p-type nitride semiconductor layer 307.
  • the substrate 304 is polished and thinned. At this time, the film is thinned so that the distance D between the light extraction surface 331 and the main surface of the semiconductor multilayer structure becomes a target value.
  • the nitride-based semiconductor light-emitting device 300 manufactured in this way is cut into chips.
  • ⁇ 1 and ⁇ 2 can be controlled by the fragmentation process.
  • Laser dicing, wall opening, blade dicing, or the like can be used for the fragmentation step.
  • 16 (a) and 16 (b) illustrate a method of forming the side surface 332 using laser dicing.
  • 16A is a cross-sectional view
  • FIG. 16B is a top view.
  • the laser light source 372 is disposed obliquely with respect to the normal direction of the substrate 304, and the normal direction of the substrate 304 is obtained.
  • the laser beam 373 is incident obliquely with respect to.
  • the angle formed by the normal direction of the laser beam 373 and the substrate 304 is ⁇ 1.
  • the substrate material is melted by the laser beam 373, so that the chip state is obtained.
  • the side surface 332 is formed.
  • the laser light may be implemented so as to reach the dicing tape 371.
  • the scanning direction 374 of the laser light 373 is ⁇ 2 ( ⁇ 2 ′) with respect to the polarization direction 324 in the main surface of the polarized light emitted from the nitride semiconductor active layer 306.
  • FIG. 17 (a) and 17 (b) illustrate a method of forming the side surface 332 using blade dicing.
  • FIG. 17A is a cross-sectional view
  • FIG. 17B is a top view.
  • a dicing blade 375 having an inclined tip is used in the blade dicing.
  • the angle formed by the normal direction between the inclined surface 376 at the tip of the dicing blade and the main surface of the substrate 304 is set to ⁇ 1.
  • the substrate 304 is diced, whereby the shape of the inclined surface 376 at the tip of the dicing blade is transferred to the substrate 304, thereby forming the side surface 332.
  • the scanning direction 377 of blade dicing is ⁇ 2 ( ⁇ 2 ′) with respect to the polarization direction 324 in the main surface of the polarized light emitted from the nitride semiconductor active layer 306.
  • Blade dicing has the advantage of fewer scans than laser dicing because the side surfaces 332 of adjacent nitride semiconductor light emitting devices 300 are formed simultaneously.
  • the main surface 333 and the light extraction surface (back surface) 331 of the substrate 304 are square, when cutting the nitride-based semiconductor light-emitting device 300 into pieces, scanning for cutting with a laser beam or a dicing blade or the like. The directions are kept parallel and the manufacturing process is facilitated.
  • FIG. 18A and 18B show an example in which the normal direction between the inclined surface 376 at the tip of the dicing blade and the main surface of the substrate 304 is set to 45 degrees, and the substrate 304 having a substrate thickness of 100 ⁇ m is subjected to blade dicing. An example is shown. At this time, the dicing tape is also diced to a depth of 100 ⁇ m simultaneously with the substrate 304.
  • FIG. 18A is a top view photograph showing that side surfaces 332 are formed.
  • FIG. 18B is a diagram showing a cross-sectional profile in the YY ′ direction. It can be seen that the angle formed by the side surface 332 and the normal direction of the main surface is 45 degrees, and the inclined surface 376 at the tip of the dicing blade is transferred to the substrate 304.
  • the nitride-based semiconductor light emitting device 300 that has been cut into small pieces in this manner is mounted on the mounting substrate 301.
  • the structure of the flip chip will be described with reference to FIG. 6 again.
  • a wiring 302 is formed on the mounting substrate 301 in advance.
  • an insulator such as alumina or AlN, a metal such as Al or Cu, a semiconductor such as Si or Ge, or a composite material thereof can be used.
  • metal or semiconductor is used as the main material of the mounting substrate 301, the surface may be covered with an insulating film.
  • the wiring 302 may be arranged in accordance with the electrode shape of the nitride semiconductor light emitting device 300.
  • Cu, Au, Ag, Al, or the like can be used.
  • the wiring 302 may be arranged in accordance with the electrode shape of the nitride semiconductor light emitting device 300.
  • Cu, Au, Ag, Al, or the like can be used.
  • Bump 303 is formed on wiring 302.
  • Au may be used for the bump.
  • an Au bump having a diameter of about 50 ⁇ m to 70 ⁇ m can be formed using a bump bonder.
  • Au bumps can be formed by Au plating. In this manner, the nitride-based semiconductor light-emitting element 300 is connected to the mounting substrate 301 on which the bumps 303 are formed using ultrasonic bonding.
  • the semiconductor light emitting device according to the embodiment is completed.
  • FIG. 19A is a top view schematically showing a nitride-based semiconductor light-emitting device in Modification 1 of Embodiment 1.
  • FIG. 19B is a cross-sectional view taken along line X-X ′ of FIG. 19A
  • FIG. 19C is a cross-sectional view taken along line Y-Y ′ of FIG.
  • Detailed description of the contents common to FIG. 6 is omitted.
  • the angle ⁇ 1 formed by the normal direction of the main surface and the four side surfaces 332 is the same angle, but in Modification 1 of Embodiment 1, ⁇ 1 is Everything is different.
  • FIG. 20A is a top view schematically showing a nitride semiconductor light-emitting device according to the second modification of the first embodiment.
  • 20B is a cross-sectional view taken along the line X-X ′ of FIG. 20A
  • FIG. 20C is a cross-sectional view taken along the line Y-Y ′ of FIG.
  • the side surface 360 of the nitride semiconductor stacked structure of the n-type nitride semiconductor layer 305, the nitride semiconductor active layer 306, and the p-type nitride semiconductor layer 307 is the normal direction of the main surface. As shown in FIG.
  • the side surface 360 of the nitride semiconductor stacked structure of the n-type nitride semiconductor layer 305, the nitride semiconductor active layer 306, and the p-type nitride semiconductor layer 307 is shown in FIG. Further, it may be inclined at an angle of ⁇ 1 ′ with respect to the normal direction of the main surface. In this case, ⁇ 1 ′ may be larger than the value of (Equation 9), or may be larger than the critical angle ⁇ c. In this way, light emitted from the nitride semiconductor active layer 306 and emitted in the plane direction in which the semiconductor multilayer structure is formed can be efficiently totally reflected by the side surface 360 of the nitride semiconductor multilayer structure. become.
  • FIG. 21 (a) is a top view schematically showing a nitride-based semiconductor light-emitting device in Modification 3 of Embodiment 1.
  • FIG. 21B is a cross-sectional view taken along line X-X ′ of FIG. 21A
  • FIG. 21C is a cross-sectional view taken along line Y-Y ′ of FIG.
  • Detailed description of the contents common to FIG. 6 is omitted.
  • Detailed description of the contents common to FIG. 6 is omitted.
  • the difference from FIG. 6 is that the periphery of the nitride-based semiconductor light-emitting element is covered with a sealing portion 314.
  • the value of n2 can be controlled by appropriately selecting the material of the sealing portion 314. Further, by covering the periphery of the nitride-based semiconductor light-emitting element with the sealing portion 314, light extraction can be increased and light emission output can be increased. Furthermore, since the penetration of moisture and gas can be suppressed, reliability is improved.
  • silicone is used as the material of the sealing portion 314, the value of n2 can be controlled to a value of 1.40 or more and 1.54 or less.
  • an epoxy resin is used as the material of the sealing portion 314, the value of n2 can be controlled to a value of 1.47 or more and 1.60 or less.
  • These materials can be selected from thermosetting materials and ultraviolet curable materials.
  • Embodiment 2 The second embodiment will be described with reference to FIG. 22B is a cross-sectional view taken along the line XX ′ of FIG. 22A, and FIG. 22C is a cross-sectional view taken along the line YY ′ of FIG. 22A. Detailed description of the contents common to FIG. 6 is omitted.
  • the difference from Embodiment 1 is that the outer shape 351 of the light extraction surface 331 and the outer shape 352 of the main surface 333 are rectangular in the top view. In the top view, the outer shape 351 and the outer shape 352 may have the same center, and the sides of the outer shape 351 and the sides of the outer shape 352 may be parallel to each other. By making the outer shape rectangular, the degree of freedom of electrode layout is improved.
  • the polarized light emitted from the nitride semiconductor active layer 306 is converted into elliptically polarized light by reflecting the light at the side surface 332, and the elliptically polarized light whose principal axis is inclined by 90 degrees is further converted.
  • the degree of polarization of light emitted from the nitride semiconductor light emitting device 300 can be reduced.
  • ⁇ 2 (Mod 180 degrees) is tilted by an angle not including 0 degrees and 90 degrees.
  • the absolute value of the angle formed by the side that is in contact with the reference side of the angle and the polarization direction 324 in the principal plane of the polarized light of the nitride-based semiconductor light emitting device 300 is ⁇ 2 ′
  • ⁇ 2 may be in the range of 25 to 65 degrees. By setting this range, the degree of polarization of reflected light can be reduced to 0.2 or less. Furthermore, ⁇ 2 may be in the range of 35 to 55 degrees. By setting this range, the degree of polarization of reflected light can be reduced to 0.1 or less. When ⁇ 2 is 45 degrees, the degree of polarization of the light reflected by the side surface 332 has a minimum value.
  • ⁇ 1 may be larger than a value satisfying (Equation 9), or may be equal to or larger than the critical angle ⁇ c determined by n1 and n2. Light can be efficiently reflected by the side surface 332.
  • Embodiment 2 it is desirable to set the rectangular shape and ⁇ 1 so that the areas of the four side surfaces 332a, 332b, 332c, and 332d match as much as possible.
  • FIG. 23B is a cross-sectional view taken along the line XX ′ of FIG. 23A
  • FIG. 23C is a cross-sectional view taken along the line YY ′ of FIG.
  • Detailed description of the contents common to FIG. 6 is omitted.
  • the difference from the first embodiment is that the outer shape 351 of the light extraction surface 331 and the outer shape 352 of the main surface 333 have a parallelogram shape in the top view.
  • the outer shape 351 and the outer shape 352 may have the same center, and the sides of the outer shape 351 and the sides of the outer shape 352 may be parallel to each other. Further, the outer shape 351 and the outer shape 352 may have similar shapes.
  • ⁇ 2 (Mod 180 degrees) is inclined by an angle not including 0 degrees and 90 degrees.
  • ⁇ 6 ⁇ 2 + ⁇ 2 ′ ⁇ 6 is an internal angle of the parallelogram, and ⁇ 6 is a value greater than 0 degrees and smaller than 180 degrees.
  • the polarized light emitted from the nitride semiconductor active layer 306 is elliptically polarized by reflecting the light on the side surface 332, and further the elliptically polarized light whose principal axis is inclined by ⁇ 6.
  • the degree of polarization of light emitted from the nitride-based semiconductor light-emitting element 300 can be reduced.
  • ⁇ 6 may be in the range of 50 degrees to 130 degrees, and may be in the range of 70 degrees to 110 degrees.
  • ⁇ 1 may be larger than a value satisfying (Equation 9), or may be greater than or equal to the critical angle ⁇ c determined by n1 and n2. Light can be efficiently reflected by the side surface 332.
  • the parallelogram shape and ⁇ 1 it is desirable to set the parallelogram shape and ⁇ 1 so that the areas of the four side surfaces 332a, 332b, 332c, and 332d match as much as possible.
  • FIG. 24A is a top view schematically showing a nitride-based semiconductor light-emitting device in Modification 1 of Embodiment 3.
  • FIG. 24B is a cross-sectional view taken along the line X-X ′ of FIG. 24A
  • FIG. 24C is a cross-sectional view taken along the line Y-Y ′ of FIG.
  • the outer shape 351 of the light extraction surface 331 and the outer shape 352 of the main surface 333 are diamond-shaped in the top view.
  • the rhombus corresponds to the special case of a parallelogram.
  • the areas of the four side surfaces 332a, 332b, 332c, and 332d can be easily matched. That is, since the amount of light reflected from each side surface is likely to match, it is possible to efficiently reduce the degree of polarization when synthesizing elliptically polarized light whose principal axis is inclined by ⁇ 6.
  • the manufacturing method can be manufactured using a method similar to the method described in Embodiment Mode 1.
  • FIGS. 25 (a) to 25 (f) The fourth embodiment will be described with reference to FIGS. 25 (a) to 25 (f).
  • 25B is a cross-sectional view taken along line XX ′ in FIG. 25A
  • FIG. 25C is a cross-sectional view taken along line YY ′ in FIG.
  • a plurality of irregularities 334 are formed on the surface of the light extraction surface 331.
  • the surface on which the unevenness 334 is formed can be referred to as a “patterned surface”.
  • the feature of this embodiment is that the light emitted from the nitride semiconductor light emitting device 300 is elliptically polarized by reflecting the light on the side surface 332, and further, the elliptically polarized light whose principal axis is inclined by 90 degrees is synthesized.
  • the degree of polarization of light directly extracted from the light extraction surface 331 can be reduced using the unevenness formed on the surface of the light extraction surface 331. This makes it possible to make the degree of polarization of light extracted outside the nitride-based semiconductor light-emitting element close to zero.
  • convex portions having a rectangular cross-sectional shape may be provided in a stripe shape on the light extraction surface 331.
  • convex portions having a triangular or curved cross-sectional shape may be provided in a stripe shape on the light extraction surface 331.
  • the period of the plurality of convex portions may be not less than 300 nm and not more than 8 ⁇ m. This is because if the convex period is smaller than 300 nm, the light is not easily affected by the unevenness 334, and if the convex period is larger than 8 ⁇ m, the number of convex parts formed on the light extraction surface 331 decreases. Because.
  • ⁇ 7 when the absolute value of the angle between the direction in which the stripe extends and the polarization direction of the polarized light is ⁇ 7, ⁇ 7 (mod 180 degrees) may be 5 degrees or more and 175 degrees or less, and ⁇ 7 ( (mod 180 degrees) may be not less than 30 degrees and not more than 150 degrees. Thereby, polarization can be reduced more effectively.
  • the shape of these two-dimensionally arranged convex portions may be a conical shape, a hemispherical shape, or the like. Further, these two-dimensionally arranged convex portions do not need to be arranged at equal intervals.
  • a light emitting element shown in FIG. 26 was manufactured.
  • Side surface 332 of nitride-based semiconductor light-emitting element 300 was formed to be parallel to the c-plane and a-plane of the nitride semiconductor crystal.
  • the size of the nitride-based semiconductor light emitting device 300 is 300 ⁇ m square.
  • the cross-sectional shape of the stripe-shaped unevenness was a shape close to an isosceles triangle, the interval between the protrusions was 8 ⁇ m, and the height of the protrusions was 2.5 ⁇ m.
  • the measurement result of the degree of polarization is shown in FIG.
  • the normalized polarization degree is a value normalized by assuming that the value when ⁇ 7 is 0 degree is 1.0.
  • the normalized polarization degree is minimum when ⁇ 7 is 45 degrees. From the measurement results shown in FIG. 27, the range of ⁇ 7 may be 5 degrees to 90 degrees, the range of ⁇ 7 may be 30 degrees to 90 degrees, and ⁇ 7 may be 45 degrees.
  • a light emitting element shown in FIG. 28 was manufactured.
  • Side surface 332 of nitride-based semiconductor light-emitting element 300 was formed to be parallel to the c-plane and a-plane of the nitride semiconductor crystal.
  • the size of the nitride-based semiconductor light emitting device 300 is 300 ⁇ m square.
  • the shape of the protrusions was close to a hemispherical shape, the height of the protrusions was 5 ⁇ m, the bottom of the protrusions were circular with a diameter of 10 ⁇ m, and the protrusions were arranged in a lattice pattern at intervals of 20 ⁇ m.
  • FIG. 29 shows the measurement results regarding the effect of reducing the degree of polarization when the surface of the light extraction surface is uneven.
  • the measurement values are overwritten on the relationship between the emission wavelength and the degree of polarization of the nitride-based semiconductor light-emitting element having the active layer formed on the m-plane of FIG. 4 already described. That is, it can be seen that the degree of polarization can be reduced to almost half by forming irregularities on the light extraction surface 331.
  • FIG. 30 shows an appropriate range of ⁇ 2 and n2 in the fourth embodiment.
  • the degree of polarization is 0.15 or less (region A), the degree of polarization is 0.125 or less (region B), the degree of polarization is 0.1 or less (region C), and the degree of polarization is 0.075 or less (region).
  • D) the range of n2 and ⁇ 2 that satisfies the degree of polarization of 0.05 or less (region E) is shown.
  • the region refers to the entire solid line and the inside surrounded by the solid line.
  • FIG. 30 shows that ⁇ 2 may be a value close to 45 degrees, and the value of n2 may be as small as possible.
  • the degree of polarization can be further reduced as compared with the case of the first embodiment by providing the light extraction surface 331 with a structure for reducing the degree of polarization.
  • Embodiment 4 the manufacturing method of Embodiment 4 will be described. Since the method is the same as that of Embodiment Mode 1 except for the method for forming the unevenness 334, a method for forming the unevenness 334 will be described here.
  • a photoresist is applied to the surface of the substrate 304 where the irregularities are to be formed, and resist patterning is performed using a contact exposure apparatus.
  • irregularities are formed by dry etching using a chlorine-based gas.
  • the cross-sectional shape of the stripe-shaped unevenness can be made to be a shape close to an isosceles triangle by using the condition that the photoresist is also etched at the same time.
  • a convex portion having a hemispherical cross section can be formed as shown in FIG.
  • FIG. 31 is a schematic diagram illustrating an example of a white light source including the nitride-based semiconductor light-emitting element 300 according to the embodiment.
  • 31 includes a nitride semiconductor light emitting device 300 having the configuration shown in FIG. 6 and a phosphor (for example, YAG) that converts the wavelength of light emitted from the nitride semiconductor light emitting device 300 to a longer wavelength.
  • a phosphor for example, YAG
  • Yttrium Alluminum Garnet
  • the nitride-based semiconductor light-emitting device 300 is mounted on a support member 410 having a wiring pattern formed on the surface, and a reflective member 420 is disposed on the support member 410 so as to surround the nitride-based semiconductor light-emitting device 300. ing.
  • the resin layer 400 is formed so as to cover the nitride semiconductor light emitting device 300.
  • the p-type semiconductor region in contact with the p-type electrode 308 is made of GaN or AlGaN
  • a layer containing In for example, InGaN may be used.
  • “In 0.2 Ga 0.8 N” whose In composition is 0.2, for example, can be used for the contact layer in contact with the p-type electrode 308.
  • the present invention since the degree of polarization of the extracted light is reduced, the present invention can be used for electrical decoration and lighting.

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Abstract

　窒化物系半導体発光素子３００は、基板３０４と、窒化物半導体積層構造とを備え、窒化物半導体積層構造は、偏光光を出射する窒化物半導体活性層３０６を有し、基板３０４の複数の側面３３２のうち少なくとも１つの側面が基板３０４の主面３３３に対してなす角度θは９０度より大きく、基板３０４の複数の側面３３２のうち少なくとも１つの側面と基板３０４の主面３３３との交線が偏光光の主面３３３内の偏光方向３２４に対してなす角度の絶対値である角度θ２（ｍｏｄ　１８０度）は０度と９０度を含まない角度である。

Description

窒化物系半導体発光素子
　本発明は、主面と光取り出し面である裏面と複数の側面とを有する基板と、前記基板の主面上に形成された窒化物半導体積層構造と、を備えた窒化物系半導体発光素子に関する。また、本発明は、窒化物系半導体発光素子を備えた光源および窒化物系半導体発光素子の製造方法に関する。
　Ｖ族元素として窒素（Ｎ）を含む窒化物半導体は、そのバンドギャップの大きさから、短波長発光素子の材料として有望視されている。そのなかでも、窒化ガリウム系化合物半導体の研究が盛んに行われており、窒化ガリウム系化合物半導体を用いた青色発光ダイオード（ＬＥＤ）、緑色ＬＥＤ、および青色半導体レーザも実用化されている。
　以下、窒化物半導体には、ガリウム（Ｇａ）の一部または全部を、アルミニウム（Ａｌ）およびインジウム（Ｉｎ）の少なくとも一方で置換した化合物半導体が含まれる。このため、窒化物半導体は、組成式ＡｌxＧａyＩｎzＮ（０≦ｘ，ｙ，ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で表される。
　ＧａをＡｌやＩｎで置換することによって、バンドギャップをＧａＮのバンドギャップよりも大きくすることも小さくすることも可能である。これにより、青色や緑色などの短波長の光のみならず、オレンジ色や赤色の光を発光させることも可能となる。このような特徴から、窒化物系半導体発光素子は、画像表示装置や照明装置へ応用することも期待されている。
　窒化物半導体はウルツ鉱型結晶構造を有している。図１Ａから図１Ｃは、ウルツ鉱型結晶構造の面を４指数表記（六方晶指数）で示している。４指数表記では、ａ１、ａ２、ａ３およびｃで示される基本ベクトルを用いて結晶面や方位が表される。基本ベクトルｃは、［０００１］方向に延びており、この方向は「ｃ軸」と呼ばれる。ｃ軸に垂直な面（ｐｌａｎｅ）は「ｃ面」または「（０００１）面」と呼ばれている。図１Ａには、ｃ面の他、ａ面、ｍ面が図示されている。また、図１Ｂには、ｒ面が図示され、図１Ｃには、（１１―２２）面が図示されている。
　図２（ａ）は、窒化物半導体の結晶構造を棒球モデルで示している。図２（ｂ）は、ｍ面表面付近の原子配列を、ａ軸方向から観察した図である。ｍ面は、図２（ｂ）の紙面に垂直である。図２（ｃ）は、＋ｃ面表面の原子配列を、ｍ軸方向から観察した図である。ｃ面は、図２（ｃ）の紙面に垂直である。図２（ｂ）からわかるように、ｍ面に平行な平面上にＮ原子およびＧａ原子が位置している。これに対して、ｃ面では、図２（ｃ）からわかるように、Ｇａ原子のみが配置される層と、Ｎ原子のみが配置される層とが形成される。
　従来、窒化物半導体を用いて半導体素子を作製する場合、窒化物半導体結晶を成長させる基板として、ｃ面基板すなわち（０００１）面を主面に有する基板が使用される。この場合、Ｇａ原子およびＮ原子の配置に起因して、窒化物半導体にはｃ軸方向に自発的な分極（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）が形成される。このため、「ｃ面」は「極性面」とも呼ばれている。分極の結果、窒化物系半導体発光素子の活性層におけるＩｎＧａＮの量子井戸には、ｃ軸方向に沿ってピエゾ電界が発生する。この電界により、活性層内における電子およびホールの分布に位置ずれが生じるため、キャリアの量子閉じ込めシュタルク効果により、活性層の内部量子効率が低下する。
　そこで、非極性面と呼ばれるｍ面やａ面、あるいは半極性面と呼ばれる－ｒ面や（１１－２２）面を表面に有する基板を使用して、発光素子を製造することが検討されている。図１に示すように、ウルツ鉱型結晶構造におけるｍ面はｃ軸に平行であり、ｃ面と直交する６つの等価な面である。例えば、図１において［１－１００］方向に垂直な（１－１００）面がｍ面に該当する。（１－１００）面と等価な他のｍ面には、（－１０１０）面、（１０－１０）面、（－１１００）面、（０１－１０）面、（０－１１０）面がある。ここで、ミラー指数を表すカッコ内の数字の左に付された「－」は、「バー」を意味し、その指数の反転を便宜的に表している。
　ｍ面においては、図２（ｂ）に示されるように、Ｇａ原子およびＮ原子は同一原子面上に存在するため、ｍ面に垂直な方向に分極は発生しない。そのため、ｍ面上に形成した半導体積層構造を用いて発光素子を作製すれば、活性層にピエゾ電界が発生せず、キャリアの量子閉じ込めシュタルク効果による内部量子効率の低下という課題を解決することができる。このことは、ｍ面以外の非極性面であるａ面でも同様であり、また、半極性面と呼ばれる－ｒ面や（１１－２２）面でも類似の効果を得ることが可能である。
　さらに、ｍ面、ａ面、－ｒ面、（１１－２２）面等に形成された活性層を有する窒化物系半導体発光素子は、その価電子帯の構造に由来した偏光特性を有している。
　例えば、特許文献１では、非極性面あるいは半極性面を主面とする窒化物系半導体発光素子の偏光特性を改善する方法として、窒化物系半導体発光素子を菱型形状、あるいは三角形形状に小片化することで、窒化物系半導体発光素子の側面から出射する光が偏光度を低下させることを抑制する構造が示されている。
　例えば特許文献２では、窒化物系半導体発光素子の信頼性を改善する方法として、Ｍ面あるいはＲ面の窒化物系半導体発光素子において、窒化物半導体チップの個片化する際に、壁開面から３０から６０度傾けて個片化する方法が記載されている。
　例えば特許文献３では、ａ面を主面とする窒化物系半導体発光素子の光取り出しを高める方法として、窒化物半導体チップの個片化する際に、壁開面から５から８５度傾けて個片化する方法が記載されている。このようにすることで、窒化物半導体チップの側面に凹凸が発生し、側面からの光取り出しが向上する。
特開２００９―７１１７４号公報 特開２００７－２３４９０８号公報 特開２００８－２７７３２３号公報
　しかしながら、上述した従来の技術では、さらなる発光の品質の向上が求められていた。
　本発明の主な目的は、発光の品質を向上させた窒化物系半導体発光デバイスを提供することである。
　ある実施形態の窒化物系半導体発光素子は、主面と光取り出し面である裏面と複数の側面とを有する基板と、前記基板の主面上に形成された窒化物半導体積層構造と、を備えた窒化物系半導体発光素子であって、前記窒化物半導体積層構造は、偏光光を出射する活性層を有し、前記基板の複数の側面のうち少なくとも１つの側面が前記基板の主面に対してなす角度を角度θ、前記基板の複数の側面のうち少なくとも１つの側面と前記基板の主面との交線が前記偏光光の前記主面内の偏光方向に対してなす角度の絶対値を角度θ２とした場合、前記角度θは９０度より大きく、前記角度θ２（ｍｏｄ　１８０度）は０度と９０度を含まない角度である。
　本発明によれば、θが９０度より大きく、θ２は０度と９０度を含まない角度であるので、窒化物半導体活性層が出射した偏光光の一部が基板の側面で楕円偏光化して反射し、裏面から取り出すことができる。これにより、偏光度を低減し、発光の品質を向上させることができる。
ウルツ鉱型結晶構造のｃ面、ａ面、ｍ面を示す図である。 ウルツ鉱型結晶構造のｒ面を示す図である。 ウルツ鉱型結晶構造の（１１―２２）面を示す図である。 （ａ）窒化物半導体の結晶構造を棒球モデルで示した図であり、（ｂ）は、ｍ面表面付近の原子配列を、ａ軸方向から観察した図であり、（ｃ）は、＋ｃ面表面の原子配列を、ｍ軸方向から観察した図である。 （ａ）から（ｃ）は、主面がｍ面である窒化物系半導体発光素子を示す図である。 主面がｍ面である窒化物系半導体発光素子の発光波長と偏光度の測定結果を示す図である。 偏光度の測定方法を説明する図である。 （ａ）から（ｃ）は、実施の形態１における窒化物系半導体発光素子を示す図である。 （ａ）から（ｃ）は、実施の形態１における偏光度の低減の原理を説明する図である。 （ａ）は偏光の種類を示す図であり、（ｂ）、（ｃ）は、実施の形態１における１つの側面３３２を考慮した場合の偏光楕円率、偏光度の計算結果を示す図である。 （ａ）、（ｂ）は、実施の形態１における１つの側面３３２を考慮した場合の臨界角、相対位相差の計算結果を示す図である。 （ａ）は、側面３３２に入射した光のうち、側面３３２において反射されて光取り出し面３３１から出射する光の割合（計算結果）を示すグラフであり、（ｂ）は、図１０（ａ）に示すグラフにおいて、側面３３２に入射した光のうち、側面３３２において反射されて光取り出し面３３１から出射する光の割合が７０％となる値をプロットしたグラフである。 実施の形態１における４つの側面３３２を考慮した場合の偏光度の計算結果を示す図である。 （ａ）は、光取り出し面３３１から偏光を維持したまま外部に取り出される光の割合がＤ／Ｌ１とｎ２にどのように依存するかを計算した結果を示すグラフであり、（ｂ）は、各占有面積率Ｒの値におけるｎ２とＤ／Ｌ１の関係を計算した結果を示すグラフである。 主面がｃ面である窒化物系半導体発光素子と、主面がｍ面である窒化物系半導体発光素子の電流密度と外部量子効率ＥＱＥの測定結果を示す図である。 実施の形態１におけるすべての光取り出し面を考慮し、屈折率ｎ２が１．９の場合の偏光度の計算結果を示す図である。 実施の形態１におけるすべての光取り出し面を考慮し、屈折率ｎ２が１．８の場合の偏光度の計算結果を示す図である。 実施の形態１におけるすべての光取り出し面を考慮し、屈折率ｎ２が１．７の場合の偏光度の計算結果を示す図である。 実施の形態１におけるすべての光取り出し面を考慮し、屈折率ｎ２が１．６の場合の偏光度の計算結果を示す図である。 実施の形態１におけるすべての光取り出し面を考慮し、屈折率ｎ２が１．５の場合の偏光度の計算結果を示す図である。 実施の形態１におけるすべての光取り出し面を考慮し、屈折率ｎ２が１．４の場合の偏光度の計算結果を示す図である。 実施の形態１におけるすべての光取り出し面を考慮し、屈折率ｎ２が１．３の場合の偏光度の計算結果を示す図である。 実施の形態１におけるすべての光取り出し面を考慮し、屈折率ｎ２が１．２の偏光度の計算結果を示す図である。 実施の形態１におけるすべての光取り出し面を考慮した場合のθ２とｎ２の適切な範囲を示す図である。 （ａ）、（ｂ）は、レーザーダイシングを用いた実施の形態１の製造方法を説明する図である。 （ａ）、（ｂ）は、ブレードダイシングを用いた実施の形態１の製造方法を説明する図である。 （ａ）、（ｂ）は、ブレードダイシングを用いて小片化された窒化物系半導体発光素子の上面写真と断面プロファイルを示す図である。 （ａ）から（ｃ）は、実施の形態１の第１変形例の窒化物系半導体発光素子を示す図である。 （ａ）から（ｃ）は、実施の形態１の第２変形例の窒化物系半導体発光素子を示す図である。 （ａ）から（ｃ）は、実施の形態１の第３変形例の窒化物系半導体発光素子を示す図である。 （ａ）から（ｃ）は、実施の形態２における窒化物系半導体発光素子を示す図である。 （ａ）から（ｃ）は、実施の形態３における窒化物系半導体発光素子を示す図である。 （ａ）から（ｃ）は、実施の形態３の第１変形例の窒化物系半導体発光素子を示す図である。 （ａ）から（ｆ）は、実施の形態４における窒化物系半導体発光素子を示す図である。 （ａ）から（ｃ）は、光取り出し面３３１にストライプ状の凹凸が形成された、主面がｍ面である窒化物系半導体発光素子を示す図である。 主面がｍ面である窒化物系半導体発光素子の光取り出し面３３１にストライプ状の凹凸を形成した場合の偏光度の測定結果を示す図である。 （ａ）から（ｃ）は、光取り出し面３３１に半球形に近い形状の凹凸が形成された、主面がｍ面である窒化物系半導体発光素子を示す図である。 光取り出し面３３１に凹凸がある場合の偏光度の低減効果を示す測定結果の図である。 実施の形態４におけるすべての光取り出し面を考慮した場合のθ２とｎ２の適切な範囲を示す図である。 実施形態の窒化物系半導体発光素子３００を有する白色光源の一例を示す模式図である。 θ２を説明する図である。
　本発明のある実施形態は、主面と光取り出し面である裏面と複数の側面とを有する基板と、前記基板の主面上に形成された窒化物半導体積層構造と、を備えた窒化物系半導体発光素子であって、前記窒化物半導体積層構造は、偏光光を出射する活性層を有し、前記基板の複数の側面のうち少なくとも１つの側面が前記基板の主面に対してなす角度を角度θ、前記基板の複数の側面のうち少なくとも１つの側面と前記基板の主面との交線が前記偏光光の前記主面内の偏光方向に対してなす角度の絶対値を角度θ２とした場合、前記角度θは９０度より大きく、前記角度θ２（ｍｏｄ　１８０度）は０度と９０度を含まない角度である。
　この構成によれば、偏光度を低減し、発光の品質を向上させることができる。
　前記基板は５°以下のオフカット基板であってもよい。
　（θ－９０度）の値は、下記（式９）を満たす角度θ１以上の値であってもよい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　前記基板の光の屈折率がｎ１、前記基板における複数の側面と接する媒質の屈折率がｎ２である場合、前記屈折率ｎ１、ｎ２によって決定される臨界角をθｃとすると、（θ－９０度）の値は前記臨界角θｃより大きくてもよい。
　前記基板の主面および裏面の平面形状は四角形であり、前記複数の側面は４つの側面であってもよい。
　前記基板の主面および裏面の平面形状は平行四辺形、正方形、長方形および菱形のいずれかであってもよい。
　前記角度θ２（ｍｏｄ　９０度）は、２５度以上６５度以下であってもよく、３５度以上５５度以下であってもよく、４０度以上５０度以下であってもよい。
　前記基板の裏面上には、複数の凸部が形成されていてもよい。
　前記凸部は、円錐形状または半球形状を有し、前記基板の裏面に二次元的に配置されていてもよい。
　前記凸部は、ストライプ形状を有し、前記ストライプ形状の延伸方向と前記偏光光の偏光方向とのなす角の絶対値γとした場合、γ（ｍｏｄ　１８０度）は５度以上１７５度以下であってもよいし、３０度以上１５０度以下であってもよい。
　前記偏光光の偏光方向と前記基板の主面の法線とのなす角の絶対値をσ１とすると、σ１（ｍｏｄ　１８０度）は、８５度以上、９５度以下であってもよく、前記偏光光の偏光方向と前記基板の裏面の法線とのなす角の絶対値をσ２とすると、σ２（ｍｏｄ　１８０度）は、８５度以上、９５度以下であってもよい。
　本発明のある実施形態の光源は、ある実施形態の窒化物系半導体発光素子と、少なくとも前記基板の裏面から放射された光の波長を変換する蛍光物質を含む波長変換部とを備える。
　本発明のある実施形態の窒化物系半導体素子の製造方法は、主面および光取り出し面である裏面を有する基板を用意する工程（ａ）と、前記基板の主面上に窒化物半導体積層構造を形成する工程（ｂ）と、前記基板および前記窒化物半導体積層構造を切断し、複数の窒化物系半導体素子に分離する工程（ｃ）と、を含む窒化物系半導体素子の製造方法であって、前記窒化物半導体積層構造は、偏光光を出射する活性層を含み、前記工程（ｃ）は、前記基板の複数の側面のうち少なくとも１つの側面が前記基板の主面に対してなす角度を角度θ、前記基板の複数の側面のうち少なくとも１つの側面と前記基板の主面との交線が前記偏光光の前記主面内の偏光方向に対してなす角度の絶対値を角度θ２とした場合、前記角度θは９０度よりも大きく、角度θ２が０度と９０度を含まない角度となるように前記基板および前記窒化物半導体積層構造を切断する。
　前記工程（ａ）においては、前記基板として５°以下のオフカット基板を用意してもよい。
　（θ－９０度）の値は、下記（式９）を満たす角度θ１以上の値であってもよい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　前記偏光光の偏光方向と前記基板の主面の法線とのなす角の絶対値をσ１とすると、σ１（ｍｏｄ　１８０度）は、８５度以上、９５度以下であってもよく、前記偏光光の偏光方向と前記基板の裏面の法線とのなす角の絶対値をσ２とすると、σ２（ｍｏｄ　１８０度）は、８５度以上、９５度以下であってもよい。
　次に、本実施形態の一つの着目点について説明する。ｍ面、ａ面、－ｒ面、（１１－２２）面等に形成された活性層を有する窒化物系半導体発光素子は、その価電子帯の構造に由来した偏光特性を有している。図３（ａ）から（ｃ）には、表面にｍ面ＧａＮ層を有する基板３０４上に作製された窒化物系半導体発光素子の一例を示す。図３（ａ）は上面図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）のＸ－Ｘ’線断面図、図３（ｃ）は図３（ａ）のＹ－Ｙ’線断面図である。窒化物系半導体発光素子３００は、基板３０４上のｎ型窒化物半導体層３０５と、窒化物半導体活性層３０６と、ｐ型窒化物半導体層３０７と、ｐ型窒化物半導体層３０７に接するように形成されたｐ型電極３０８と、ｎ型窒化物半導体層３０５に接するように形成されたｎ型電極３０９からなる。実装基板３０１の表面には配線３０２が形成されており、バンプ３０３を介して、窒化物系半導体発光素子３００と実装基板３０１上の配線３０２が接続されている。窒化物半導体活性層３０６から出射した光は、光取り出し面３３１および４つの側面３３２から外部に取り出される。側面３３２は、窒化物半導体結晶のｃ面およびａ面に平行になるように形成されている。このようなｍ面上に形成された窒化物半導体活性層は、ａ軸に平行な方向に電界強度が偏った光を主として出射する。このような偏光特性を持った発光素子は、液晶表示装置のバックライトなどに用いる場合は、適したものになる。しかし、電飾や照明などに用いる場合は、設置方向によって光の反射量が変化してしまい、このような分野での発光素子としての品質が低くなる。
　ここで、本明細書では、特定方向に電界強度が偏った光を「偏光光（Ｐｏｌａｒｉｚｅｄ　Ｌｉｇｈｔ）」と称する。例えばＸ軸に平行な方向に電界強度が偏った光を「Ｘ軸方向の偏光光」と称し、このときのＸ軸に平行な方向を「偏光方向」と称する。なお、「Ｘ軸方向の偏光光」とは、Ｘ軸方向に偏光した直線偏光光のみを意味するものではなく、他の方向に偏光した直線偏光光を含んでいても良い。より詳細には、「Ｘ軸方向の偏光光」とは、「Ｘ軸方向に偏光透過軸を有する偏光子」を透過する光の強度（電界強度）が他の方向に偏光透過軸を有する偏光子を透過する光の電界強度よりも高くなる光を意味する。従って、「Ｘ軸方向の偏光光」は、Ｘ軸方向に偏光した直線偏光光および楕円偏光光のみならず、種々の方向に偏光した直線偏光光や楕円偏光光が混在した非コヒーレント光を広く含む。
　また、「面内の偏光方向」とは、偏光方向を、その面に投影した方向をいう。
　偏光子の偏光透過軸を光軸の周りに回転させたとき、その偏光子を透過する光の電界強度が最も強くなるときの強度をＩｍａｘ、電界強度が最も弱くなるときの強度をＩｍｉｎとするとき、偏光度は、以下の式で定義される。
　｜Ｉｍａｘ－Ｉｍｉｎ｜／｜Ｉｍａｘ＋Ｉｍｉｎ｜
　「Ｘ軸方向の偏光光」では、偏光子の偏光透過軸がＸ軸に平行なとき、その偏光子を透過する光の電界強度がＩｍａｘとなり、偏光子の偏光透過軸がＹ軸に平行なとき、その偏光子を透過する光の電界強度がＩｍｉｎとなる。完全な直線偏光光では、Ｉｍｉｎ＝０となるため、偏光度は１に等しくなる。一方、完全な非偏光光では、Ｉｍａｘ－Ｉｍｉｎ＝０になるため、偏光度は０に等しくなる。
　ｍ面上に形成された活性層を有する窒化物系半導体発光素子は、上述のようにａ軸方向の偏光光を主として出射する。そのとき、ｃ軸方向の偏光光やｍ軸方向の偏光光も出射する。しかしながら、ｃ軸方向の偏光光とｍ軸方向の偏光光では、ａ軸方向の偏光光と比較し、その強度が弱い。
　図４は、図３に示したｍ面上に形成された活性層を有する窒化物系半導体発光素子を作製し、発光波長と偏光度を測定した結果を示すグラフである。窒化物半導体活性層３０６にはＩｎＧａＮを用い、Ｉｎの組成を変化させることで発光波長の制御を行っている。偏光度の測定は、図５に示す光学系を用いて行った。具体的には、ＬＥＤ１を電源６で発光させる。ＬＥＤ１の発光は、実体顕微鏡３で確認する。実体顕微鏡３にはポートが２つあり、片方にシリコンフォトディテクタ４を取り付け、もう一方にはＣＣＤカメラを取り付ける。実体顕微鏡３とＬＥＤ１の間には偏光板２が挿入されている。偏光板２を回転させて、シリコンフォトディテクタ４で発光強度の最大値と最小値を測定する。図４に示したように、図３の構造では発光波長に依存して０．３から０．８程度の偏光度を示す。偏光度が０．１よりも大きく、図３に示す窒化物系半導体発光素子を既存のアプリケーションでそのまま使用することは難しい。
　特許文献１では、窒化物系半導体発光素子の偏光特性を維持することを目的としている。しかしながら、偏光特性を有する発光素子を光源とする場合、偏光の向き、すなわちＬＥＤの設置方向によって物体表面での反射量が異なるため、物体の見え方が変わるという課題が発生する。これは、Ｐ偏光光とＳ偏光光によって反射率が異なる（Ｓ偏光のほうが物体表面での反射率が高い）ためである。ここでＰ偏光光とは、入射面に対して平行な電界成分を有する光である。また、Ｓ偏光光とは、入射面に対して垂直な電界成分を有する光である。偏光特性をそのまま利用するアプリケーションにおいては、偏光度の向上が重要であるが、一般的な照明用途では、偏光特性が邪魔になるという課題がある。また、特許文献１では、小片化された半導体チップの側面と主面がなす角度は、明示されていない。
　特許文献２では、窒化物系半導体発光素子の信頼性を改善することを目的としている。特許文献２では、偏光度に関する記載はなく、壁開方向と偏光度の関係は不明である。また、特許文献２では、小片化された半導体チップの側面と主面がなす角度は、明示されていない。
　特許文献３では、窒化物系半導体発光素子の光取出しを改善することを目的としている。従って、特許文献３では、偏光度に関する記載はなく、壁開方向と偏光度の関係は不明である。また、特許文献３では、小片化された半導体チップの側面と主面がなす角度は、明示されていない。
　本発明者は、窒化物系半導体発光素子の偏光光が、窒化物系半導体発光素子の側面を透過して外部に出るときの偏光度、および、窒化物系半導体発光素子の側面で一回反射して外部に出るときの偏光度に関して、窒化物系半導体発光素子の形状に対する依存性を詳細に検討した。偏光光の一部は、窒化物系半導体発光素子の側面と外部との界面で反射され、残りはこの界面を透過する。本発明者は、検討の結果、これらの透過率および反射率は、窒化物系半導体発光素子の活性層で発生した偏光光が持つ偏光方向と窒化物系半導体発光素子の側面の形状に依存していることを見出した。この知見に基づき、窒化物系半導体発光素子が放射する光の偏光度を低減することができる窒化物系半導体発光素子の形状を見出した。
　以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面においては、説明の簡略化のため、実質的に同一の機能を有する構成要素を同一の参照符号で示す。なお、本発明は以下の実施の形態に限定されない。
（実施の形態１）
　図６を参照しながら、第１の実施の形態を説明する。
　まず、図６（ａ）から（ｃ）を参照する。図６（ａ）は、実施の形態における窒化物系半導体発光デバイスを模式的に示した上面図である。図６（ｂ）は、図６（ａ）のＸ－Ｘ’線断面図、図６（ｃ）は、図６（ａ）のＹ－Ｙ’線断面図である。
　本実施形態の窒化物系半導体発光素子３００は、主面３３３と光取り出し面３３１である裏面と複数の側面３３２とを有する基板３０４と、基板３０４の主面３３３上に形成され、偏光光を出射する窒化物半導体活性層３０６を有する窒化物半導体積層構造とを備えている。
　ここで、基板３０４の複数の側面３３２が基板３０４の主面３３３に対してなす角度を角度θとする。一般的な素子では、基板の側面が基板の主面および裏面と垂直な関係にあり、角度θは９０度である。本実施形態においては、基板３０４の側面３３２が、基板３０４の主面３３３および光取り出し面３３１の鉛直方向から傾いている。側面３３２は、基板３０４の主面３３３から光取り出し面３３１に向う方向に側面３３２が外側に広がるように傾斜している。したがって、角度θは９０度より大きくなる。
　また、本実施形態においては、基板３０４の主面３３３の縁を構成する辺が、ａ軸方向（偏光方向３２４）から傾いている。基板３０４の主面３３３の縁を構成する辺は、「基板３０４の複数の側面３３２と基板３０４の主面３３３との交線」と言い換えることができる。この交線が偏光光の主面３３３内の偏光方向３２４（ａ軸方向）に対してなす角度の絶対値を角度θ２とした場合、角度θ２（ｍｏｄ　１８０度）は０度と９０度を含まない角度である。ここで、「ｍｏｄ　１８０度」とは、その角度を１８０度で除した場合の余りの角度を言う。
　本実施形態によると、基板３０４の側面３３２が、基板３０４の主面３３３および光取り出し面（裏面）３３１の鉛直方向から傾いていることにより、窒化物半導体活性層３０６から出射した光が側面３３２において反射される割合を高めることができる。グース・ヘンヒェンシフトにより、側面３３２において反射される光には位相差が発生し、側面３３２において反射される光が楕円偏光化される。この位相差は、基板の屈折率ｎ１、および基板の周囲の屈折率ｎ２に応じて発生する。側面３３２において反射された光は、例えば主面３３３などから外部に出射する。本実施形態によると、窒化物半導体活性層３０６からの光を楕円偏光化することができるため、偏光度が低減され、発光の品質を向上させることができる。詳細な効果については、後に計算結果を用いて説明する。
　本実施の形態の窒化物系半導体発光素子３００は、偏光特性を有する構成を備えていれば、その具体的な構造は特に限定されない。窒化物系半導体発光素子３００は、例えば、少なくともｍ面ＧａＮ層を有する基板３０４と、ｍ面ＧａＮ層上に形成されたｎ型窒化物半導体層３０５と、窒化物半導体活性層３０６と、ｐ型窒化物半導体層３０７と、ｐ型窒化物半導体層３０７に接するように形成されたｐ型電極３０８と、ｎ型窒化物半導体層３０５に接するように形成されたｎ型電極３０９とを備える。ここで、窒化物半導体は、ＡｌxＩｎyＧａzＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、ｘ≧０、ｙ≧０、ｚ≧０）半導体であってもよいし、ＧａＮ系半導体（ＡｌxＩｎyＧａzＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、ｘ≧０、ｙ≧０、ｚ＞０）であってもよい。
　本明細書において非極性面、「ａ面」、「ｒ面」、「－ｒ面」、「（１１－２２）面」、「ｍ面」とは、非極性面、ａ面、ｒ面、－ｒ面、「（１１－２２）面」、ｍ面に対して完全に平行な面のみだけでなく、非極性面、ａ面、ｒ面、－ｒ面、「（１１－２２）面」、ｍ面から±５°以下の角度だけ傾斜（オフカット）した面を含む。すなわち、基板３０４は、５度以下の角度だけ傾斜したオフカット基板（オフ基板）であってもよい。ｍ面から僅かに傾斜する程度では、自発分極の変化の影響は非常に小さい。一方、結晶成長技術では結晶方位が厳密に一致した基板よりも僅かに傾斜した基板の方が半導体層をエピタキシャル成長させやすい場合がある。したがって、自発分極の影響を十分に抑制させながら、エピタキシャル成長させる半導体層の質を向上させたり、結晶成長速度を高めたりするために結晶面を傾斜させることが有用な場合もある。
　傾斜角度が大きければ、ａ軸方向にオフするか、c軸方向にオフするかに依存して偏光方向が変わる。しかし、±５度程度のオフであれば、電界強度が最も強くなるのはａ軸方向に一致する。この場合、「主面内の偏光方向」は、ａ軸方向を主面に投影した方向となる。
　基板３０４は、ｍ面ＧａＮ基板でも良いし、表面にｍ面ＧａＮ層が形成されたｍ面ＳｉＣ基板、ｍ面ＧａＮ層が形成されたｒ面サファイア基板やｍ面サファイア基板であってもよい。最も重要な点は、活性層から放射される光が特定方向に偏光していることにある。
　基板３０４がｍ面ＧａＮ基板の場合、上記傾斜を考慮すると、σ１（ｍｏｄ　１８０度）は、８５度以上、９５度以下となり（σ１は、偏光光の偏光方向と基板３０４の主面の法線とのなす角の絶対値）、また、σ２（ｍｏｄ　１８０度）は、８５度以上、９５度以下となる（σ２は、偏光光の偏光方向と基板３０４の裏面の法線とのなす角の絶対値）。
　窒化物半導体活性層の面方位はｍ面に限定されず、非極性面や半極性面であればよい。非極性面の例はａ面であり、半極性面の例は、－ｒ面や（１１－２２）面である。前述したように、ｍ面上に形成された窒化物半導体活性層は、ａ軸に平行な方向に電界強度が偏った光を主として出射する。また、ａ面上に形成された窒化物半導体活性層は、ｍ軸に平行な方向に電界強度が偏った光を主として出射する。半極性面である（１１－２２）面上に形成された窒化物半導体活性層は、窒化物半導体活性層のＩｎの組成が小さい場合にはｍ軸に平行な方向に電界強度が偏った光を主として出射し、窒化物半導体活性層のＩｎの組成が大きい場合には〔－１－１２３〕方向に平行な方向に電界強度が偏った光を主として出射する。このような半極性面上の窒化物半導体活性層３０６の偏光特性は、価電子帯の上部２つのバンド（ＡバンドおよびＢバンド）の振る舞いによって決まり、窒化物半導体活性層３０６に印加される歪量や、量子閉じ込め効果によって左右される場合がある。
　例えば、ｍ面から５度オフカットされた基板を用いた場合、窒化物半導体活性層３０６もｍ面から５度傾いた面方位を有する。このようにｍ面からのオフカット角度が小さい場合には、窒化物半導体活性層３０６から出射する光は、ａ軸に平行な方向に電界強度が偏った光を主として出射する。
　本実施の形態において、基板の主面とは、半導体積層構造が形成される基板表面をいい、各窒化物半導体層の主面とは、各窒化物半導体層の成長方向の表面（成長面）をいう。これらの主面は、ほぼ平行となる。以下、符号等を付さずに単に「主面」という場合は、「基板または窒化物半導体活性層の主面」を意味する。
　窒化物半導体活性層３０６とｐ型窒化物半導体層３０７との間に、アンドープのＧａＮ層を設けても良い。
　ｎ型窒化物半導体層３０５は、例えばｎ型のＡｌuＧａvＩｎwＮ（ｕ＋ｖ＋ｗ＝１、ｕ≧０、ｖ≧０、ｗ≧０）から形成されている。ｎ型ドーパントとして例えば、シリコン（Ｓｉ）を用いることができる。ｐ型窒化物半導体層３０７は、例えばｐ型のＡｌsＧａtＮ（ｓ＋ｔ＝１、ｓ≧０、ｔ≧０）半導体からなる。ｐ型ドーパントとして、例えばＭｇが添加されている。Ｍｇ以外のｐ型ドーパントとして、例えばＺｎ、Ｂｅなどを用いてもよい。ｐ型窒化物半導体層３０７において、Ａｌの組成比率ｓは、厚さ方向に一様であってもよいし、Ａｌの組成比率ｓが厚さ方向に連続的または階段的に変化していてもよい。具体的には、ｐ型窒化物半導体層３０７の厚さは、例えば、０．０５μｍ以上２μｍ以下程度である。
　ｐ型窒化物半導体層３０７の上面近傍、すなわち、ｐ型電極３０８との界面近傍はＡｌの組成比率ｓがゼロである半導体、つまり、ＧａＮから形成されていてもよい。また、この場合、ＧａＮはｐ型の不純物が高濃度で含まれており、コンタクト層として機能することができる。
　窒化物半導体活性層３０６は、例えば、厚さ３ｎｍ以上２０ｎｍ以下程度のＧａ1-xＩｎxＮ井戸層と、厚さ５ｎｍ以上３０ｎｍ以下程度のＧａ1-yＩｎyＮ井戸層（０≦ｙ＜ｘ＜１）バリア層とが交互に積層されたＧａＩｎＮ／ＧａＩｎＮ多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有している。
　窒化物系半導体発光素子３００から出射する光の波長は、上記井戸層の半導体組成であるＧａ1-xＩｎxＮ半導体におけるＩｎの組成ｘによって決まる。ｍ面上に形成された窒化物半導体活性層３０６にはピエゾ電界が発生しない。このため、Ｉｎ組成を増加させても発光効率の低下が抑制される。
　ｎ型電極３０９は、例えば、Ｔｉ層およびＰｔ層の積層構造（Ｔｉ／Ｐｔ）などで形成される。ｐ型電極３０８は概ねｐ型窒化物半導体層３０７の表面全体を覆っていてもよい。ｐ型電極３０８はＰｄ層およびＰｔ層の積層構造（Ｐｄ／Ｐｔ）などで形成される。
　窒化物系半導体発光素子３００は、実装基板３０１上の配線３０２にバンプ３０３を介して電気的に接続されている。
　窒化物系半導体発光素子３００の基板３０４は、主面３３３と、主面３３３にほぼ平行に形成された光取り出し面（裏面）３３１と、４つの側面３３２と、によって囲まれている。窒化物半導体活性層３０６が出射した光は、主に光取り出し面３３１から出射される。主面３３３上には、半導体積層構造が形成されている。主面３３３、光取り出し面３３１および窒化物半導体活性層３０６の主面は、互いにほぼ平行である。
　本実施形態において、４つの側面３３２に入射した光のうちの一部は、それぞれの側面３３２において反射されず、それぞれの側面３３２を透過してもよい。このように、４つの側面３３２は、光取り出し面であってもよい。４つの側面３３２は、主面３３３に対して９０度より大きく傾いている。これにより、光取り出し面３３１の面積は、基板３０４の主面３３３の面積よりも大きくなる。この傾きから９０度を差し引いた角度をθ１とする。すなわち、４つの側面３３２が主面３３３の法線方向に対してなす角度をθ１とする。
　また、光取り出し面３３１の外形３５１および主面３３３の外形３５２は、上面図において正方形の形状をしている。上面図において、外形３５１と外形３５２は中心を同じくし、かつ、外形３５１の辺と、外形３５２の辺が、互いに平行になっていてもよい。このようにすると、主面の法線方向と４つの側面３３２がなす角度θ１は４つ存在するが、すべて同じになる。
　本実施形態によると、外形３５２が正方形であるため、一つの側面で楕円偏光化した光の長軸方向と当該側面に隣接する他の側面で楕円偏光化した光の長軸方向とのなす角が垂直となる。これにより、偏光度を効率的に低減することが可能である。さらに、４つの側面の面積がほぼ等しくなるため、配光特性の制御も容易になる。
　外形３５１、３５２は、相似であってもよいし、異なった形であっても良い。また、外形３５１、３５２は、他の四角形であってもよいし、他の多角形であってもよい。また、外形３５１、３５２は、曲線が含まれた形状であっても良い。また、側面３３２は、３つであってもよいし、５つ以上であってもよい。
　θ１は、基板３０４の屈折率と基板３０４の周囲の屈折率で決まる臨界角θｃ（ｃｒｉｔｉｃａｌ　ａｎｇｌｅ）以上に設定することが望ましい。ここで、基板３０４の周囲の屈折率とは、基板の側面の外側の屈折率である。基板の側面の外側は、樹脂、ガラス、空気、真空などであってもよい。具体的には、基板３０４の屈折率をｎ１、基板３０４の周囲の屈折率をｎ２とした場合、θｃ＝ｓｉｎ-1（ｎ２／ｎ１）となる。θ１を臨界角θｃ以上にすることで、窒化物半導体活性層３０６で発光し、側面３３２に入射する光のほとんどを全反射することが可能となり、偏光度をより低減させることが可能となる。θ１は臨界角θｃ以上であり、かつ３０度以上９０度未満の角度範囲になっていてもよい。この角度範囲では、側面３３２で反射した光は、光取り出し面３３１で全反射せずに取り出される。
　外形３５２に角度の基準となる辺を一つ選び、この辺と、窒化物系半導体発光素子３００の偏光光の主面３３３内の偏光方向３２４とが形成する角度の絶対値をθ２とした場合、θ２（ｍｏｄ　１８０度）は０度と９０度を含まない角度である（図３２参照）。ここで、角度の基準となる辺に接する辺と窒化物系半導体発光素子３００の偏光光の主面３３３内の偏光方向３２４とが形成する角度の絶対値をθ２’とした場合、外形３５２は正方形であることから、θ２’＝｜９０度―θ２｜となる。
　次に、図７（ａ）から（ｃ）を参照しながら、本実施の形態の構成による偏向低減の原理について説明する。図７（ａ）から（ｃ）では、簡略化のため、ｎ型電極３０９、ｐ型電極３０８、実装基板３０１、配線３０２、バンプ３０３は省略して記載してある。
　まず、窒化物系半導体発光素子３００の形状に関して定義する。簡略化のため、光取り出し面３３１の外形および主面３３３の外形が正方形とする。基板３０４の屈折率をｎ１、周囲の屈折率をｎ２とする。半導体積層構造の主面の一辺の長さをＬ１、光取り出し面３３１の一辺の長さをＬ２、光取り出し面３３１と半導体積層構造の主面の距離をＤとする。さらに、半導体積層構造の主面の法線方向と４つの側面３３２がなす角度θ１は、４つとも同じとする。ここで、先の仮定から４つの光取り出し面は形状や面積が全く同じ面となるが、これらの面は、側面３３２ａ、側面３３２ｂ、側面３３２ｃ、および側面３３２ｄと区別しておく。側面３３２ａと側面３３２ｃ、側面３３２ｂと側面３３２ｄが互いに対向する面である。
　次に、角度に関して定義する。図７（ａ）において、窒化物半導体活性層３０６が発する光の偏光光の主面内の偏光方向３２４が、主面３３３の外形のうち側面３３２ａおよび側面３３２ｃと接する辺となす角度をθ２とする。また、窒化物半導体活性層３０６が発する光の偏光光の主面内の偏光方向３２４が、主面３３３の外形のうち側面３３２ｂおよび側面３３２ｄと接する辺となす角度をθ２’とする。主面３３３の外形が正方形であるため、θ２’＝９０―θ２となる。θ２およびθ２’は０度よりも大きく９０度よりも小さい角度（０度と９０度を含まない角度）である。
　図７（ａ）のＸ－Ｘ’断面を示す図７（ｂ）において、主面の法線方向と側面３３２がなす角度をθ１とする。光取り出し面３３１と側面３３２がなす角度をθ５とした場合、θ５＝９０－θ１となる。光取り出し面３３１の一辺の長さは、Ｄ、Ｌ１、θ５で決まることになる。窒化物半導体活性層３０６で発光した光が側面３３２に入射する場合を考え、この光を入射光３４１、側面３３２で反射する光を反射光３４２、側面３３２から透過する光を透過光３４３とする。入射光３４１と側面３３２の法線方向がなす角度θ３、反射光が光取り出し面３３１の法線方向となす角度をθ４とする。
　以下、側面３３２を一つだけ考慮した場合、４つの側面３３２を考慮した場合、すべての光取り出し面を考慮した場合について順に説明する。
　（側面３３２を一つだけ考慮した場合）
　まず、一つの側面３３２で反射した光の偏光度について議論する。
　本実施の形態は、入射光３４１が側面３３２で反射する際にグース・ヘンヒェンシフト（Ｇｏｏｓ－Ｈａｎｃｈｅｎ　ｓｈｉｆｔ）による位相差が発生することを利用している。入射光がｐ偏光成分とｓ偏光成分を持つ場合、反射の際の位相のずれをｐ偏光に関してδｐ、ｓ偏光に関してδｓとすると、下記（式１）、（式２）が与えられる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003

Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　また、相対位相差をδとすると、下記（式３）が与えられる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　すなわち、光が反射する際に、界面での屈折率の比に応じてｓ偏光光とｐ偏光光が位相差を発生することから、側面３３２に対して入射光３４１がｐ偏光成分とｓ偏光成分を持つようにすれば、直線偏光光が入射した場合には楕円偏光（あるいは円偏光）に変換することが可能となり、偏光度を低減することができる。
　偏光光を直線偏光として取り扱った場合、その電界成分Ｅを側面３３２ａおよび側面３３２ｃと接する辺に平行な成分Ｅ１と、側面３３２ｂおよび側面３３２ｄと接する辺に平行な成分Ｅ２に分解することができる。ここで、Ｅ１とＥ２は位相がそろった光である。この場合、側面３３２ａおよび側面３３２ｃに対してＥ１がＳ偏光成分となる。一方、側面３３２ｂおよび側面３３２ｄに対してＥ２がＳ偏光成分となる。ｐ偏光の反射光に対して、Ｓ偏光の反射光のほうが位相は進むことになる。
　図８（ａ）に、直線偏光、円偏光および楕円偏光の状態について定義を示す。楕円偏光光の軌跡は、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
あるいは、一般式、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
であらわされる。（式４）は直交する任意のｘ、ｙ座標系を用いた場合の定義であり、Ａx0はｘ方向の電界振幅、Ａy0はｙ方向の電界振幅、Ｅxはｘ方向の電界、Ｅyはｙ方向の電界であり、δはｘ方向の電界振幅とｙ方向の電界振幅との位相差を表している。（式５）は、楕円の短軸方向と長軸方向を座標軸に設定した場合の定義であり、ｂ＞ａとすると、Ｅξは楕円の短軸方向の電界、Ｅηは楕円の長軸方向の電界、ａは短軸方向の電界振幅、ｂは長軸方向の電界振幅である。このとき、楕円の扁平度は偏光楕円率χで定義され、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
である。また、楕円の長軸方向がx方向となす角度は、主軸方位角φで定義され、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
で表される。ここで、αは、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
を満たす。以上のことから、界面での屈折率の比に応じてｓ偏光光とｐ偏光光に相対位相差δが発生し、直線偏光光は楕円偏光に変換される。
　窒化物半導体活性層３０６から出射する光は様々な方向に出射する。ここで、図７（ａ）のＸ－Ｘ’断面を示す図７（ｃ）を用いて、θ３が取りえる角度範囲について考える。θ３が最も小さくなるのは図７（ｃ）の入射光Ａの場合であり、窒化物半導体活性層３０６から出射した光が、窒化物半導体活性層３０６の面方向に進んだ場合である。この場合、θ３はθ１に等しくなる。θ３が最も大きくなるのは図７（ｃ）の入射光Ｂの場合であり、窒化物半導体活性層３０６の端部から出射した光が側面３３２に沿って進んだ場合である。この場合、θ３は９０度になる。従って、θ３はθ１以上９０度以下の範囲をとることになる。
　側面３３２での反射を利用するために、側面３３２において多くの光が反射してもよい。θ３がθ１以上９０度以下の範囲をとることから、θ１を臨界角θｃ以上にすれば、側面３３２に入射光３４１のほぼすべてを全反射することが可能となる。また、θ４＜θｃであれば、側面３３２で反射した光を、光取り出し面３３１において取り出すことができる。θ４＝θ５―θ３、θ５＝９０－θ１の関係から、θ４＝９０―θ１―θ３＜θｃとなる。先の条件から、θ３がθ１以上９０度以下の範囲をとってもよく、θ３＝θ１のときにθ４は最も大きくなり、９０－２・θ１＜θｃとなる。この式と、θ１＞θｃを同時に満たすθｃの角度範囲は、３０度以上９０度以下となる。
　図９（ａ）は、ｎ１の屈折率として窒化ガリウムの屈折率の２．５とし、ｎ２の屈折率に対する臨界角の関係を示した図である。ｎ２の屈折率、すなわち窒化物系半導体発光素子３００の周囲の屈折率が大きくなるほど、臨界角が大きくなる。すなわち、窒化物系半導体発光素子３００から光が外部に取り出しやすくなることを意味している。図９（ａ）に示すように、ｎ１の屈折率が２．５の場合、臨界角θｃが３０度以上を満たすｎ２の屈折率は、１．２５以上である。すなわち、臨界角θｃを３０度以上にするためには、ｎ２の値を、ｎ１の値の２分の１以上とすればよい。
　図９（ｂ）は、横軸に側面３３２への入射角度θ３を、縦軸に反射光３４２のｓ偏光とｐ偏光の相対位相差δを計算した値である。ｎ１の屈折率は２．５とし、ｎ２の屈折率を１．０から１．８まで変化させている。
　相対位相差δが９０度の条件においてのみ、側面３３２での反射光３４２は円偏光化する。完全な円偏光が実現できるのは、ｎ２が１．０から１．２の範囲の場合である。実際には、θ３の角度範囲はθｃ以上９０度以下をとりえることから、反射光３４２は楕円偏光化することになる。
　図８（ｂ）には、θ１が臨界角θｃの場合において、反射光３４２の偏光楕円率χとθ２の関係の計算結果を示した。ここでθ２は、窒化物系半導体発光素子３００の偏光光の主面内の偏光方向３２４と、光取り出し面３３１の外形および主面３３３の各辺とがなす角度θ２である。ｎ２は１．２から１．８まで０．１ずつ変化させている。偏光楕円率χはθ２が４５度の時に最大となり、上に凸の形状になる。屈折率ｎ２は、小さいほど偏光楕円率χを高めることができる。
　図８（ｃ）には、θ１が臨界角θｃの場合において、反射光３４２の偏光度とθ２の関係の計算結果を示した。ｎ２は１．２から１．８まで０．１ずつ変化させている。偏光度はθ２が４５度の時に最小となり、下に凸の形状となる。屈折率ｎ２は、小さいほど偏光度を小さくすることができる。図８（ｃ）に示すように、θ２は３５から５５度であってもよく、θ２は４０から５０度の範囲にあってもよい。この範囲内にあれば、偏光度をより低くすることができる。
　以上の計算結果から、グース・ヘンヒェンシフトによる位相差を利用して、反射光３４２を楕円偏光化することで、偏光度が低減できることを示した。
　上述したように、θ１が臨界角θｃ以上であれば、側面３３２に入射した光のほとんどを反射させることができる。ただし、θ１が臨界角θｃよりも小さく、以下に示す範囲であってもよい。
　図１０（ａ）は、側面３３２に入射した光のうち、側面３３２において反射されて光取り出し面３３１から出射する光の割合（シミュレーション結果）を示すグラフである。図１０（ａ）の横軸は、角度θ１であり、縦軸は、側面３３２に入射した光のうち、側面３３２において反射されて光取り出し面３３１から出射する光の割合である。図１０（ａ）に示す結果は、ＧａＮの屈折率を２．５とし、屈折率ｎ２が１．２、１．４、１．６、１．８である４つの場合を想定して得られたものである。
　図１０（ｂ）は、図１０（ａ）に示すグラフにおいて、側面３３２に入射した光のうち、側面３３２において反射されて光取り出し面３３１から出射する光の割合が７０％となる値をプロットしたグラフである。図１０（ｂ）のグラフの横軸は屈折率ｎ２であり、縦軸は、上述の割合が７０％となるときの角度θ１である。図１０（ｂ）に示すように、屈折率ｎ２の値が大きくなるほど縦軸の値は一定の傾きで小さくなる。図１０（ｂ）のプロファイルは、下記（式９）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000011
　以上の結果から、θ１が（式９）の値よりも大きければ、側面３３２に入射した光のうち、側面３３２において反射されて光取り出し面３３１から出射する光の割合を７０％以上にすることができる。
（４つの側面３３２ａ、３３２ｂ、３３２ｃ、および３３２ｄを考慮した場合）
　次に、４つの側面３３２ａ、３３２ｂ、３３２ｃ、および３３２ｄで反射した光をすべて考慮した場合の偏光度について議論する。ここでは、再度、図７（ａ）を用いて説明する。偏光光の電界成分Ｅを、Ｅ１とＥ２に分解して考えるが、この場合、側面３３２ａおよび側面３３２ｃに対してＥ１がＳ偏光成分となる。一方、側面３３２ｂおよび側面３３２ｄに対してＥ２がＳ偏光成分となる。ここで、側面３３２で楕円偏光化した光の主軸方位角をθ６とすると、側面３３２ａおよび側面３３２ｃに対してはＥ１に対して楕円の主軸が傾き、側面３３２ｂおよび側面３３２ｄに対してはＥ２に対して楕円の主軸が傾いていることになる。ここで、Ｅ１とＥ２は９０度傾いていることから、側面３３２ａおよび側面３３２ｃで楕円偏光化した光の主軸と、側面３３２ｂおよび側面３３２ｄで楕円偏光化した光の主軸は９０度傾いていることになる。すなわち、側面３３２で反射し、光取り出し面３３１から取り出される光は、主軸が９０度傾いた楕円偏光光の重ねあわせになるため、側面３３２ａおよび側面３３２ｃでの反射光と、側面３３２ｂおよび側面３３２ｄでの反射光は、偏光度を低減するように重ねあわされるため、窒化物系半導体発光素子３００から取り出される光全体として偏光度を低減することができる。
　図１１に、４つの側面３３２ａ、３３２ｂ、３３２ｃ、および３３２ｄの影響を考慮した場合の、θ１が臨界角θｃにおける、反射光３４２の偏光度とθ２の関係の計算結果を示した。ｎ２は１．２から１．８まで０．１ずつ変化させている。側面３３２ａおよび側面３３２ｃでの反射光と、側面３３２ｂおよび側面３３２ｄでの反射光が偏光度を低減するように作用するため、図８（ｃ）と比較すると、偏光度を大幅に低減できることが分かる。θ２は２５度から６５度の範囲であってもよい。この範囲にすることで反射光の偏光度を０．２以下に低減できる。さらに、θ２は３５から５５度の範囲であってもよい。この範囲にすることで反射光の偏光度を０．１以下に低減できる。さらに、θ２は４０から５０度の範囲であってもよい。この範囲にすることで反射光の偏光度を０．０５以下に低減できる。θ２が４５度の場合には、側面３３２で反射した光の偏光度をほぼ０にすることができる。屈折率ｎ２は、小さいほど偏光度を小さくすることができるが、図８Ｃと比較すると、ｎ２に対する依存性が小さいことがわかる。
　以上のことから、実施の形態では、側面３３２で光を反射させることで楕円偏光化し、さらに、主軸が９０度傾いた楕円偏光光を合成することによって、窒化物系半導体発光素子３００から出射する光の偏光度を大幅に低減できることが分かる。
（すべての光取り出し面を考慮した場合）
　最後に、すべての光取り出し面を考慮した場合の偏光度に関して議論する。すなわち、４つの側面３３２ａ、３３２ｂ、３３２ｃ、および３３２ｄでの反射光に加えて、光取り出し面３３１から出射光を考慮することになる。
　窒化物半導体活性層３０６から出射し、光取り出し面３３１から外部に直接取り出される光は偏光を維持しているため、偏光度低減の妨げになる。光取り出し面３３１から外部に直接取り出される光の光量は臨界角θｃと、光取り出し面３３１と側面３３２の面積比に強く依存している。ここで臨界角θｃはｎ１とｎ２の屈折率で決まる。一方、面積比は、主面３３３の一辺の長さＬ１、光取り出し面３３１の一辺の長さＬ２、光取り出し面３３１と半導体積層構造の主面との距離Ｄで決まる。
　ここで、主面の法線方向と側面３３２がなす角度θ１をθｃ、ｎ１を窒化ガリウムの２．５とすると、Ｌ２はＬ１、Ｄおよびθｃで決まり、さらにθｃはｎ２で決まることから、Ｌ２を考慮する必要が無くなる。すなわち、窒化物系半導体素子の周囲を封止する材料の屈折率ｎ２が決まれば、窒化物系半導体素子の外形を決定するパラメータはＤとＬ１になることを意味している。
　以下、ｎ２およびＤとＬ１の比であるＤ／Ｌ１をパラメータとして議論していく。図１２（ａ）に、光取り出し面３３１から偏光を維持したまま外部に取り出される光の割合がＤ／Ｌ１とｎ２にどのように依存するかを示した。ｎ２は１．２から１．８まで０．１ずつ変化させて計算を行った。Ｄ／Ｌ１を大きくするほど、また、ｎ２が小さいほど、光取り出し面３３１から偏光を維持したまま外部に取り出される光の割合を小さくすることができる。図１１で示したように、側面３３２での反射光の偏光度はｎ２に依存性が小さいが、光取り出し面３３１から直接取り出される光はｎ２に依存していると言える。Ｄ／Ｌ１としては０．１以上、または０．２以上であってもよい。
　次に、窒化物半導体活性層３０６の面積について考える。本実施の形態では、主面３３３の一辺の長さＬ１は、光取り出し面３３１の一辺の長さＬ２よりも小さくてもよい。これは、基板３０４の面積に対して窒化物半導体活性層３０６が形成されている面積が小さいことを意味する。これは、図３に示した窒化物系半導体発光素子と、本実施の形態の窒化物系半導体発光素子を同一の基板面積で比較した場合、本実施の形態の構成では電流密度が高くなることを意味している。あるいは、図３に示した窒化物系半導体発光素子と、本実施の形態の窒化物系半導体発光素子を同一の電流密度で比較した場合、本実施の形態の構成ではより大きな基板面積が必要になることを意味している。
　一方で、窒化物系半導体発光素子の主面が極性面（ｃ面）の場合と比較すると、本実施の形態は、電流密度あるいは基板面積の観点でも優位な構造が実現できる。これは、主面が非極性面、あるいは半極性面の窒化物系半導体発光素子は、高い電流密度においても効率が維持されるという特徴があるためである。図１３は、主面がｍ面である窒化物系半導体発光素子と、主面がｃ面である窒化物系半導体発光素子の外部量子効率（ＥＱＥ）の電流密度依存性について示した実験結果である。ＥＱＥの値は最大値を用いて規格化してある。これらの窒化物系半導体発光素子は、後述する製造方法を用いて作製した。窒化物系半導体発光素子の構造は図３に示した構造であり、θ１およびθ２は０度である。ｍ面ＧａＮ基板上に作製された窒化物系半導体発光素子では、高い電流密度においてもＥＱＥの低下が小さいことがわかる。図１３から、ＥＱＥが等しくなる条件に注目すると、ｍ面ＧａＮ基板上に作製された窒化物系半導体発光素子では、ｃ面ＧａＮ基板上に作製された窒化物系半導体発光素子の４．２倍に電流密度を高めることが可能であることがわかる。ここで窒化物半導体活性層３０６の占有面積率Ｒを、（式１０）で定義すると、窒化物半導体活性層３０６の占有面積率Ｒは電流密度が４．２倍となる占有面積率Ｒ＝０．２４が最小値の目安となり、Ｒが０．２４以上になるようにすれば、主面が極性面（ｃ面）である窒化物系半導体発光素子よりも光出力が高い発光素子が実現できることを意味している。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000012
　図１２（ｂ）には、各占有面積率Ｒの値におけるｎ２とＤ／Ｌ１の関係を示した。占有面積率Ｒが決まると、ｎ２とＤ／Ｌ１の関係が決まる。例えば、Ｒ＝０．２４の場合にはＤ／Ｌ１を０．５以下にすればよい。より具体的には、シリコーン樹脂のような屈折率が１．４から１．５程度の材料を用いて窒化物系半導体発光素子の周囲を封止した場合は、Ｄ／Ｌ１は０．３程度にすればよい。
　以上のような計算結果をもとに、θ２を５度から４５度まで５度ずつ変化させた場合のＤ／Ｌ１と偏光度の関係を、屈折率ｎ２を１．９から１．２まで０．１ずつ変化させて計算した結果を、図１４Ａから図１４Ｈに示した。図中に示した破線はＲ＝０．２４となるＤ／Ｌ１の値であり、破線よりも右側の領域が構造として好ましい領域を示していることになる。図１４Ａから図１４Ｈにおいて、偏光度の最小値を決めているのは、光取り出し面３３１から偏光を維持したまま直接取り出される光である。光取り出し面３３１から偏光を維持したまま直接取り出される光の量は、Ｄ／Ｌ１、θ２、ｎ２に依存していることを示している。
　図１４Ａから図１４Ｈを、Ｒ＝０．２４以上、θ１が臨界角θｃ以上の場合において、分かりやすくまとめたものが図１５である。図１５には、偏光度が０．３０以下（領域Ａ）、偏光度が０．２５以下（領域Ｂ）、偏光度が０．２０以下（領域Ｃ）、偏光度が０．１５以下（領域Ｄ）、偏光度が０．１０以下（領域Ｅ）のそれぞれを満足するｎ２とθ２の範囲が図示されている。ここで領域とは、実線上および実線で囲まれた内側すべてを指す。図１５から、θ２はできるだけ４５度に近い値にしてもよく、ｎ２の値はできるだけ小さな値にしてもよい。
　これまでの計算結果は窒化物半導体活性層３０６から出射した光が完全偏光の場合、すなわち偏光度が１の光に対する計算結果である。図４に示したように、実際の窒化物系半導体発光素子では、窒化物半導体活性層３０６から出射した光の偏光度は発光波長に依存し、０．３から０．８程度の値をとる。すなわち、図１５の偏光度の値に対して、窒化物半導体活性層３０６から出射した光の偏光度を掛けた値が、発光素子全体としての偏光度となる。つまり、発光波長が４００から４１０ｎｍ程度の近紫外領域では図１５の領域Ｃにおいて０．１以下の偏光度が実現できる。また、発光波長が４４０から４６０ｎｍ程度の青色領域では、図１５の領域Ｅにおいて０．１以下の偏光度が実現できる。
　次に、本実施の形態１の製造方法について、図６を用いて説明する。
　Ｍ面を主面とするｎ型ＧａＮから形成されている基板３０４上に、ｎ型窒化物半導体層３０５をＭＯＣＶＤ法などを用いてエピタキシャル成長させる。例えば、ｎ型不純物としてシリコンを用い、ＴＭＧ（Ｇａ（ＣＨ3）3）、およびＮＨ3を原料として供給し、９００℃以上１１００℃以下程度の成長温度で、ＧａＮからなる厚さ１μｍ以上３μｍ以下程度のｎ型窒化物半導体層３０５を形成する。
　次に、ｎ型窒化物半導体層３０５上に、窒化物半導体活性層３０６を形成する。窒化物半導体活性層３０６は、例えば、厚さ１５ｎｍのＧａ1-xＩｎxＮ井戸層と、厚さ３０ｎｍのＧａＮバリア層が交互に積層されたＧａＩｎＮ／ＧａＮ多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有している。Ｇａ1-xＩｎxＮ井戸層を形成する際には、Ｉｎの取り込みを行うために、成長温度を８００℃に下げてもよい。窒化物系半導体発光素子３００の用途に応じて発光波長を選択し、波長に応じたＩｎ組成ｘを決定する。波長を４５０ｎｍ（青色）にする場合にはＩｎ組成ｘを０．１８以上０．２以下に決定する。５２０ｎｍ（緑色）であればｘ＝０．２９以上０．３１以下であり、６３０ｎｍ（赤色）であればｘ＝０．４３以上０．４４以下となる。
　窒化物半導体活性層３０６の上に、ｐ型窒化物半導体層３０７を形成する。例えば、ｐ型不純物としてＣｐ２Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用い、ＴＭＧおよびＮＨ3を原料として供給し、９００℃以上１１００℃以下程度の成長温度で、厚さ５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下程度のｐ型ＧａＮからなるｐ型窒化物半導体層３０７を形成する。ｐ型窒化物半導体層３０７の内部に、厚さ１５ｎｍ以上３０ｎｍ以下程度のｐ－ＡｌＧａＮ層を含んでも良い。ｐ－ＡｌＧａＮ層を設けることで、動作時に電子のオーバーフローを抑制することができる。
　次に、ｐ－ＧａＮ層の活性化のため、８００度以上９００度以下程度の温度で、２０分程度熱処理を行う。
　次に、塩素系ガスを用いてドライエッチングを行うことにより、ｐ型窒化物半導体層３０７、窒化物半導体活性層３０６およびｎ型窒化物半導体層３０５の一部を除去して凹部３１２を形成し、ｎ型窒化物半導体層３０５の一部を露出させる。
　ここで、ドライエッチングの条件を制御することで、ｎ型窒化物半導体層３０５の一部、窒化物半導体活性層３０６およびｐ型窒化物半導体層３０７からなる窒化物半導体積層構造の側面３６０と、主面の法線方向が成す角度を制御することができる。例えば、エッチング圧力を下げ、イオンの引き出し電圧を高めた物理的エッチング性が高い条件を用いた場合、光取り出し面３３１に対してほぼ垂直な側面を形成できる。一方、プラズマ密度が高いＩＣＰプラズマ源を用い、イオンの引き出し電圧を小さくした化学的エッチング性が高い条件を用いた場合、光取り出し面３３１の法線方向から傾斜した側面を形成できる。
　次いで、露出したｎ型窒化物半導体層３０５の一部に接するように、ｎ型電極３０９を形成する。例えば、ｎ型電極３０９としてＴｉ／Ｐｔ層を形成する。さらにｐ型窒化物半導体層３０７に接するように、ｐ型電極３０８を形成する。例えば、ｐ型電極３０８としてＰｄ／Ｐｔ層を形成する。その後、熱処理を行って、Ｔｉ／Ｐｔ層とｎ型窒化物半導体層３０５、および、Ｐｄ／Ｐｔ層とｐ型窒化物半導体層３０７を合金化させる。
　その後、基板３０４を研磨し薄膜化する。この際、光取り出し面３３１と半導体積層構造の主面との距離Ｄが目的の値になるように薄膜化する。
　このようにして作製された窒化物系半導体発光素子３００をチップ状態に小片化する。小片化工程によってθ１、θ２を制御することができる。小片化工程には、レーザーダイシング、壁開、ブレードダイシングなどを用いることができる。
　図１６（ａ）、（ｂ）は、レーザーダイシングを用いて側面３３２を形成する方法を図示したものである。図１６（ａ）が断面図、図１６（ｂ）は上面図を示している。図１６（ａ）の断面図に示したように、基板３０４をダイシングテープ３７１に貼り付けた後、基板３０４の法線方向に対してレーザー光源３７２を斜めに配置し、基板３０４の法線方向に対して斜めにレーザー光３７３を入射させる。このとき、レーザー光３７３と基板３０４の法線方向がなす角度がθ１となる。レーザー光３７３で基板材料が溶融することでチップ状態に小片化される。この際、側面３３２が形成される。レーザー光はダイシングテープ３７１に到達するように実施するとよい。図１６（ｂ）の上面図に示したように、レーザー光３７３の走査方向３７４は、窒化物半導体活性層３０６から出射する偏光光の主面内の偏光方向３２４に対してθ２（θ２´）の角度をなすように設定する。レーザーダイシングでは、４つの側面３３２を形成するためには最低４回のレーザー光の走査が必要になる。
　図１７（ａ）、（ｂ）は、ブレードダイシングを用いて側面３３２を形成する方法を図示したものである。図１７（ａ）が断面図、図１７（ｂ）は上面図を示している。図１７（ａ）の断面図に示したように、ブレードダイシングでは、先端に傾斜が形成されたダイシングブレード３７５を用いる。このとき、ダイシングブレード先端の傾斜面３７６と基板３０４の主面の法線方向がなす角度がθ１になるように設定する。基板３０４をダイシングテープ３７１に貼り付けた後、基板３０４のダイシングを実施することで、ダイシングブレード先端の傾斜面３７６の形状が基板３０４に転写されることで側面３３２が形成される。図１７（ｂ）の上面図に示したように、ブレードダイシングの走査方向３７７は、窒化物半導体活性層３０６から出射する偏光光の主面内の偏光方向３２４に対してθ２（θ２´）の角度をなすように設定する。ブレードダイシングでは、隣り合う窒化物系半導体発光素子３００の側面３３２が同時に形成されるため、レーザーダイシングよりも走査回数が少ないという利点がある。
　本実施形態によると、基板３０４の主面３３３および光取り出し面（裏面）３３１が正方形であるため、窒化物系半導体発光素子３００を小片化する際に、レーザー光あるいはダイシングブレード等による切断の走査方向が平行に保たれ、製造工程が容易になる。
　図１８（ａ）、（ｂ）は、ダイシングブレード先端の傾斜面３７６と基板３０４の主面の法線方向が４５度になるように設定し、基板厚さ１００μｍの基板３０４をブレードダイシングした実施例を示す。この際、基板３０４と同時にダイシングテープも１００μｍの深さ分までダイシングを行っている。図１８（ａ）が上面写真であり、側面３３２が形成されていることがわかる。図１８（ｂ）はＹ－Ｙ´方向の断面プロファイルを示した図である。側面３３２が主面の法線方向となす角度は４５度であり、ダイシングブレード先端の傾斜面３７６が基板３０４に転写されていることが分かる。
　このように小片化された窒化物系半導体発光素子３００は、実装基板３０１に実装される。ここでは、図６を再度参照しながら、フリップチップの構造について説明する。
　実装基板３０１には、あらかじめ配線３０２が形成されている。実装基板の主材料としては、アルミナ、ＡｌＮなどの絶縁物、Ａｌ、Ｃｕなどの金属、ＳｉやＧｅなど半導体、あるいはこれらの複合材料を用いることができる。金属や半導体を実装基板３０１の主材料として用いる場合には、表面を絶縁膜で覆ってもよい。配線３０２は、窒化物系半導体発光素子３００の電極形状に合わせて配置すればよい。配線３０２には、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌなどを用いることができる。配線３０２は、窒化物系半導体発光素子３００の電極形状に合わせて配置すればよい。配線３０２には、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌなどを用いることができる。これらの材料は、スパッタやメッキなどによって実装基板３０１上に形成される。
　配線３０２上に、バンプ３０３を形成する。バンプにはＡｕを用いると良い。Ａｕバンプの形成には、バンプボンダを用いて、直径５０μｍ以上７０μｍ以下程度のＡｕバンプを形成することができる。また、Ａｕメッキ処理によってＡｕバンプを形成することもできる。このように、バンプ３０３が形成された実装基板３０１に、超音波接合を用いて窒化物系半導体発光素子３００を接続する。
　このようにして、実施の形態に係る半導体発光デバイスが完成する。
　図１９（ａ）は、実施の形態１の変形例１における窒化物系半導体発光デバイスを模式的に示した上面図である。図１９（ｂ）は、図１９（ａ）のＸ－Ｘ’線断面図、図１９（ｃ）は、図１９（ａ）のＹ－Ｙ’線断面図である。図６と共通の内容に関しては、詳細な説明を省略する。第１の実施の形態では、主面の法線方向と４つの側面３３２がなす角度θ１が、４つとも同じ角度である例について説明したが、実施の形態１の変形例１では、θ１はすべて異なっている。これは、光取り出し面３３１の外形３５１がなす正方形と、主面３３３の外形３５２がなす正方形の中心が一致しない場合などに、θ１の角度がそれぞれ異なることになる。加工精度の問題から４つのθ１を完全に一致させることは難しいが、θ１の角度がそれぞれ異なっていたとしても、先に説明した偏光低減の効果が同様に得られる。本変形例においても、４つのθ１（θ１ａ、θ１ｂ、θ１ｃ、θ１ｄ）が（式９）を満たす場合には、側面３３２に入射した光のうち、側面３３２において反射されて光取り出し面３３１から出射する光の割合を７０％以上にすることができる。また、４つのθ１が臨界角θｃよりも大きければ、それぞれの側面において、光を効率よく反射させることができる。ただし、必ずしも４つのθ１がこれらの条件を満たさなくてもよく、少なくとも１つのθ１がこれらの条件を満たせばよい。
　図２０（ａ）は、実施の形態１の変形例２における窒化物半導体系発光デバイスを模式的に示した上面図である。図２０（ｂ）は、図２０（ａ）のＸ－Ｘ’線断面図、図２０（ｃ）は、図２０（ａ）のＹ－Ｙ’線断面図である。図６と共通の内容に関しては、詳細な説明を省略する。第１の実施の形態の図６では、ｎ型窒化物半導体層３０５、窒化物半導体活性層３０６、ｐ型窒化物半導体層３０７の窒化物半導体積層構造の側面３６０が、主面の法線方向に対して平行な例を図示したが、図２０に示すように、ｎ型窒化物半導体層３０５、窒化物半導体活性層３０６、ｐ型窒化物半導体層３０７の窒化物半導体積層構造の側面３６０が、主面の法線方向に対してθ１’の角度で傾いていても良い。この場合、θ１’は、（式９）の値よりも大きくてもよく、または、臨界角θｃよりも大きくしてもよい。このようにすることで、窒化物半導体活性層３０６から出射し、半導体積層構造が形成された平面方向に出射する光を、窒化物半導体積層構造の側面３６０で効率的に全反射することが可能になる。
　図２１（ａ）は、実施の形態１の変形例３における窒化物系半導体発光デバイスを模式的に示した上面図である。図２１（ｂ）は、図２１（ａ）のＸ－Ｘ’線断面図、図２１（ｃ）は、図２１（ａ）のＹ－Ｙ’線断面図である。図６と共通の内容に関しては、詳細な説明を省略する。図６と共通の内容に関しては、詳細な説明を省略する。図６との違いは、窒化物系半導体発光素子の周囲が封止部３１４で覆われていることである。封止部３１４の材料としては、エポキシ、シリコーン、ガラスなどを用いることができる。封止部３１４の材料を適切に選ぶことでｎ２の値を制御することができる。また、窒化物系半導体発光素子の周囲を封止部３１４で覆うことで光取り出しが高まり、発光出力を高めることができる。さらに、水分やガスの浸透を抑制できるため、信頼性が向上する。例えば封止部３１４の材料としてシリコーンを用いた場合、ｎ２の値は１．４０以上１．５４以下の値に制御が可能となる。また、例えば封止部３１４の材料としてエポキシ樹脂を用いた場合、ｎ２の値は１．４７以上１．６０以下の値に制御が可能となる。これらの材料は、熱硬化材料、紫外線硬化材料から選定することが可能である。
　　（実施の形態２）
　図２２を参照しながら、第２の実施の形態を説明する。図２２（ｂ）は、図２２（ａ）のＸ－Ｘ’線断面図、図２２（ｃ）は、図２２（ａ）のＹ－Ｙ’線断面図である。図６と共通の内容に関しては、詳細な説明を省略する。実施の形態１との違いは、光取り出し面３３１の外形３５１および主面３３３の外形３５２は、上面図において長方形の形状をしている点である。上面図において、外形３５１と外形３５２は中心を同じくし、かつ、外形３５１の辺と、外形３５２の辺が、互いに平行になっていてもよい。外形を長方形にすることで、電極レイアウトの自由度が向上する。
　外形３５１および外形３５２を長方形にした場合も、窒化物半導体活性層３０６から出射した偏光光を、側面３３２で光を反射させることで楕円偏光化し、さらに、主軸が９０度傾いた楕円偏光光を合成することで、窒化物系半導体発光素子３００から出射する光の偏光度を低減できる。
　外形３５１に角度の基準となる辺を一つ選び、この辺と、窒化物系半導体発光素子３００の偏光光の主面内の偏光方向３２４とが形成する角度の絶対値をθ２とした場合、θ２（ｍｏｄ　１８０度）は０度と９０度を含まない角度だけ傾いている。ここで、角度の基準となる辺に接する辺と窒化物系半導体発光素子３００の偏光光の主面内の偏光方向３２４とが形成する角度の絶対値をθ２’とした場合、外形３５１は長方形であることから、θ２’＝｜９０度―θ２｜となる。
　実施の形態１と同様に、θ２は２５から６５度の範囲内であってもよい。この範囲にすることで反射光の偏光度を０．２以下に低減できる。さらに、θ２は３５から５５度の範囲内であってもよい。この範囲にすることで反射光の偏光度を０．１以下に低減できる。θ２が４５度の時に、側面３３２で反射した光の偏光度は極小値となる。
　実施の形態１と同様に、θ１は、（式９）を満たす値よりも大きくてもよく、またはｎ１とｎ２で決まる臨界角θｃ以上であってもよい。側面３３２で効率的に光を反射することが可能になる。
　実施の形態２では、４つの側面３３２ａ，３３２ｂ，３３２ｃ，および３３２ｄの面積が、できるだけ一致するように長方形の形状およびθ１を設定することが望ましい。
　製造方法としては、実施の形態１の方法と同様の方法を用いることが可能である。
　　（実施の形態３）
　図２３を参照しながら、第３の実施の形態を説明する。図２３（ｂ）は、図２３（ａ）のＸ－Ｘ’線断面図、図２３（ｃ）は、図２３（ａ）のＹ－Ｙ’線断面図である。図６と共通の内容に関しては、詳細な説明を省略する。実施の形態１との違いは、光取り出し面３３１の外形３５１および主面３３３の外形３５２は、上面図において平行四辺形の形状をしている点である。上面図において、外形３５１と外形３５２は中心を同じくし、かつ、外形３５１の辺と、外形３５２の辺が、互いに平行になっていてもよい。また、外形３５１と外形３５２は相似な形状であってもよい。外形を平行四辺形にすることで、電極レイアウトの自由度が向上する。
　外形３５１に角度の基準となる辺を一つ選び、この辺と、窒化物系半導体発光素子３００の偏光光の主面内の偏光方向３２４とが形成する角度の絶対値をθ２とした場合、θ２（ｍｏｄ　１８０度）は０度および９０度を含まない角度だけ傾いている。角度の基準となる辺に接する辺と窒化物系半導体発光素子３００の偏光光の主面内の偏光方向３２４とが形成する角度の絶対値をθ２’とした場合、θ６＝θ２＋θ２’とすると、θ６は平行四辺形の内角となり、θ６は０度より大きく１８０度よりも小さな値となる。
　外形３５１および外形３５２を平行四辺形にした場合も、窒化物半導体活性層３０６から出射した偏光光を、側面３３２で光を反射させることで楕円偏光化し、さらに、主軸がθ６傾いた楕円偏光光を合成することで、窒化物系半導体発光素子３００から出射する光の偏光度を低減できる。
　θ２およびθ２’は２５から６５度の範囲であってもよい。この範囲にすることで反射光の偏光度を０．２以下に低減できる。さらに、θ２およびθ２’は３５から５５度の範囲であってもよい。この範囲にすることで反射光の偏光度を０．１以下に低減できる。特に、θ２＝θ２’＝θ６／２であれば、側面３３２で反射した光の偏光度は極小値となる。
　θ６＝θ２＋θ２’、θ２＝θ２’の関係から、θ６は５０度から１３０度の範囲であってもよく、さらに７０度から１１０度の範囲であってもよい。
　実施の形態１と同様に、θ１は、（式９）を満たす値よりも大きくてもよく、ｎ１とｎ２で決まる臨界角θｃ以上であってもよい。側面３３２で効率的に光を反射することが可能になる。
　実施の形態３では、４つの側面３３２ａ，３３２ｂ，３３２ｃ，および３３２ｄの面積が、できるだけ一致するように平行四辺形の形状およびθ１を設定することが望ましい。
　図２４（ａ）は、実施の形態３の変形例１における窒化物系半導体発光デバイスを模式的に示した上面図である。図２４（ｂ）は、図２４（ａ）のＸ－Ｘ’線断面図、図２４（ｃ）は、図２４（ａ）のＹ－Ｙ’線断面図である。図２３と共通の内容に関しては、詳細な説明を省略する。実施の形態３の変形例１では、光取り出し面３３１の外形３５１および主面３３３の外形３５２は、上面図において菱形の形状をしている点である。菱形は平行四辺形の特殊な場合に該当する。菱形は各辺の長さが同じであるため、４つの側面３３２ａ，３３２ｂ，３３２ｃ，および３３２ｄの面積を一致させやすい。すなわち、各側面で反射する光の光量が一致しやすいため、主軸がθ６傾いた楕円偏光光を合成する際に、効率的に偏光度を低減することが可能になる。
　製造方法は、実施の形態１で述べた方法と同様の方法を用いて作製が可能である。
　　（実施の形態４）
　図２５（ａ）から（ｆ）を参照しながら、第４の実施の形態を説明する。図２５（ｂ）は、図２５（ａ）のＸ－Ｘ’線断面図、図２５（ｃ）は、図２５（ａ）のＹ－Ｙ’線断面図である。図６と共通の内容に関しては、詳細な説明を省略する。実施の形態１との違いは、光取り出し面３３１の表面に複数の凹凸３３４が形成されていることである。本実施形態においては、凹凸３３４が形成されている面を、「パターンド・サーフェス」と呼ぶことができる。
　本実施の形態の特徴は、側面３３２で光を反射させることで楕円偏光化し、さらに、主軸が９０度傾いた楕円偏光光を合成することによって、窒化物系半導体発光素子３００から出射する光の偏光度を大幅に低減することに加え、光取り出し面３３１から直接取り出される光の偏光度を、光取り出し面３３１の表面に形成された凹凸を用いて低減することができる。これにより、窒化物系半導体発光素子の外部に取り出される光の偏光度を、ほぼ０に近づけることが可能になる。
　本実施形態においては、図２５（ｂ）に示すように、矩形の断面形状を有する凸部が光取り出し面３３１にストライプ状に設けられていてもよい。また、図２５（ｄ）、（ｅ）に示すように、三角形や曲線の断面形状を有する凸部が光取り出し面３３１にストライプ状に設けられていてもよい。複数の凸部の周期は３００ｎｍ以上８μｍ以下であってもよい。凸部の周期が３００ｎｍよりも小さければ、光は凹凸３３４の影響を受けにくくなるためであり、凸部の周期が８μｍより大きければ、光取り出し面３３１に形成される凸部の数が少なくなるためである。上面図において、ストライプが延伸する方向と、偏光光の偏光方向がなす角度の絶対値をθ７とした場合、θ７（ｍｏｄ　１８０度）は５度以上１７５度以下であってもよく、さらにθ７（ｍｏｄ　１８０度）は３０度以上１５０度以下であってもよい。これにより、さらに効果的に偏光を低減できる。
　複数の凹凸の別の例としては、図２５（ｆ）に示すように、複数の凸部が二次元的に配置されている構造であってもよい。これらの二次元的に配置された凸部の形状は、円錐型、半球型などであってもよい。また、これらの二次元的に配置された凸部は、等間隔に整列している必要はない。
　光取り出し面３３１の表面に形成されたストライプ形状の複数の凹凸３３４が偏光度に与える影響を調べるために、図２６に示される発光素子を作製した。窒化物系半導体発光素子３００の側面３３２は、窒化物半導体結晶のｃ面およびａ面に平行になるように形成した。窒化物系半導体発光素子３００のサイズは３００μｍ角である。このように、側面３３２をｃ面およびａ面に平行になるように形成することで、側面３３２が偏光度に与える影響を小さくし、凹凸３３４の影響のみを評価している。ストライプ状凹凸の断面形状は二等辺三角形に近い形状であり、凸の間隔が８μｍ、凸部の高さは２．５μｍとした。ストライプの延伸方向と偏光光の電界方向（窒化物半導体結晶のａ軸方向）がなす角度の絶対値θ７を、０度、５度、３０度、４５度、９０度と変化させたときの規格化偏光度の測定結果を、図２７に示す。規格化偏光度とは、θ７が０度の時の値を１．０として規格化した値である。規格化偏光度はθ７が４５度の時に最小となる。図２７で示した測定結果から、θ７の範囲は５度から９０度であってもよく、さらにθ７の範囲は３０度から９０度であってもよく、θ７は４５度であってもよい。
　光取り出し面３３１の表面に形成された複数の凹凸３３４が偏光度に与える影響を調べるために、図２８に示される発光素子を作製した。窒化物系半導体発光素子３００の側面３３２は、窒化物半導体結晶のｃ面およびａ面に平行になるように形成した。窒化物系半導体発光素子３００のサイズは３００μｍ角である。このように、側面３３２をｃ面およびａ面に平行になるように形成することで、側面３３２が偏光度に与える影響を小さくし、凹凸３３４の影響のみを評価している。凸部の形状は半球形に近い形状であり、凸部の高さは５μｍ、凸部の底部は直径が１０μｍの円形、凸部は２０μｍの間隔で格子状に配置した。
　図２９に光取り出し面の表面に凹凸がある場合の偏光度の低減効果に関して、測定結果を示した。既に説明した図４のｍ面上に形成された活性層を有する窒化物系半導体発光素子の発光波長と偏光度の関係に測定値を重ね書きしている。すなわち、光取り出し面３３１に凹凸を形成することで、偏光度はほぼ半分に低減することが可能であることが分かる。
　図２９の結果と、図１５の結果から、占有面積率Ｒ＝０．２４以上、θ１が臨界角θｃ以上の場合において、本実施の形態４において適切なθ２とｎ２の範囲を示した図面が図３０である。図３０には、偏光度が０．１５以下（領域Ａ）、偏光度が０．１２５以下（領域Ｂ）、偏光度が０．１以下（領域Ｃ）、偏光度が０．０７５以下（領域Ｄ）、偏光度が０．０５以下（領域Ｅ）のそれぞれを満足するｎ２とθ２の範囲が図示されている。ここで領域とは、実線上および実線で囲まれた内側すべてを指す。図３０から、θ２は４５度に近い値にしてもよく、ｎ２の値はできるだけ小さな値にしてもよいことが分かる。
　以上のことから、光取り出し面３３１に対して偏光度を低減する構造を付与することで、実施の形態１の場合よりもさらに偏光度を低減できる。
　次に、実施の形態４の製造方法について説明する。凹凸３３４の形成方法以外は実施の形態１と同じであるため、ここでは、凹凸３３４の形成方法について説明する。
　基板３０４の凹凸を形成する面にフォトレジストを塗布し、コンタクト露光装置を用いてレジストパターンニングを行う。次に、フォトレジストをマスクとして、塩素系ガスを用いたドライエッチングによって凹凸を形成する。この際、フォトレジストも同時にエッチングされる条件を用いることで、ストライプ状凹凸の断面形状が二等辺三角形に近い形状にすることができる。また、ドライエッチングの条件を化学反応性が高いエッチング条件にすることにより、図２５に示すように半球状の断面を有する凸部を形成することができる。
　図３１は、実施形態の窒化物系半導体発光素子３００を有する白色光源の一例を示す模式図である。図３１の光源は、図６に示す構成を有する窒化物系半導体発光素子３００と、この窒化物系半導体発光素子３００から放射された光の波長を、より長い波長に変換する蛍光体（例えばＹＡＧ：Ｙｔｔｒｉｕｍ　Ａｌｕｍｎｉｎｕｍ　Ｇａｒｎｅｔ）が分散された樹脂層４００とを備えている。窒化物系半導体発光素子３００は、表面に配線パターンが形成された支持部材４１０上に搭載されており、支持部材４１０上には窒化物系半導体発光素子３００を取り囲むように反射部材４２０が配置されている。樹脂層４００は、窒化物系半導体発光素子３００を覆うように形成されている。
　なお、ｐ型電極３０８と接触するｐ型半導体領域がＧａＮ、もしくはＡｌＧａＮから構成される場合について説明したが、Ｉｎを含む層、例えばＩｎＧａＮであってもよい。この場合、Ｉｎの組成を例えば０．２とした「Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ」を、ｐ型電極３０８と接するコンタクト層に用いることができる。ＧａＮにＩｎを含ませることにより、ＡｌaＧａbＮ（ａ＋ｂ＝１、ａ≧０、＞０）のバンドギャップをＧａＮのバンドギャップよりも小さくできるため、コンタクト抵抗を低減することができる。以上のことから、ｐ型電極３０８が接するｐ型半導体領域は、ＡｌxＩｎyＧａzＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１，ｘ≧０，ｙ＞０，ｚ≧０）半導体から形成されていればよい。
　本発明によると、取り出される光の偏光度が低減されるため、本発明は電飾や照明などへ利用し得る。
　１　　　ＬＥＤ
　２　　　偏光板
　３　　　実体顕微鏡
　４　　　シリコンフォトディテクタ
　５　　　ＣＣＤカメラ
　６　　　電源
　３００　窒化物系半導体発光素子
　３０１　実装基板
　３０２　配線
　３０３　バンプ
　３０４　基板
　３０５　ｎ型窒化物半導体層
　３０６　窒化物半導体活性層
　３０７　ｐ型窒化物半導体層
　３０８　ｐ型電極
　３０９　ｎ型電極
　３１４　封止部
　３１６　凹部
　３２４　偏光光の主面内の偏光方向
　３３１　裏面（光取り出し面）
　３３２（３３２ａ、３３２ｂ，３３２ｃ，３３２ｄ）　側面
　３３３　主面（基板３０４において窒化物半導体積層構造が形成された面）
　３３４　凹凸
　３４１　入射光
　３４２　反射光
　３４３　透過光
　３５１　光取り出し面３３１の外形
　３５２　主面３３３の外形
　３６０　窒化物半導体積層構造の側面
　３７１　ダイシングテープ
　３７２　レーザー光源
　３７３　レーザー光
　３７４　レーザー光３７３の走査方向
　３７５　ダイシングブレード
　３７６　ブレード先端の傾斜面
　３７７　ダイシングブレード３７５の走査方向

Claims (22)

  1. 　主面と光取り出し面である裏面と複数の側面とを有する基板と、前記基板の主面上に形成された窒化物半導体積層構造と、を備えた窒化物系半導体発光素子であって、
    　前記窒化物半導体積層構造は、偏光光を出射する活性層を有し、
    　前記基板の複数の側面のうち少なくとも１つの側面が前記基板の主面に対してなす角度を角度θ、
    　前記基板の複数の側面のうち少なくとも１つの側面と前記基板の主面との交線が前記偏光光の前記主面内の偏光方向に対してなす角度の絶対値を角度θ２
     とした場合、
    　前記角度θは９０度より大きく、
    　前記角度θ２（ｍｏｄ　１８０度）は０度と９０度を含まない角度である窒化物系半導体発光素子。
  2. 　前記基板は５°以下のオフカット基板である、請求項１に記載の窒化物系半導体発光素子。
  3. 　（θ－９０度）の値は、下記（式９）を満たす角度θ１以上の値である、請求項１または２のいずれかに記載の窒化物系半導体発光素子。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000013
  4. 　前記基板の光の屈折率がｎ１、前記基板における複数の側面と接する媒質の屈折率がｎ２である場合、前記屈折率ｎ１、ｎ２によって決定される臨界角をθｃとすると、（θ－９０度）の値は前記臨界角θｃより大きい、請求項３に記載の窒化物系半導体発光素子。
  5. 　前記基板の主面および裏面の平面形状は四角形であり、前記複数の側面は４つの側面である請求項１から４のいずれかに記載の窒化物系半導体発光素子。
  6. 　前記基板の主面および裏面の平面形状は平行四辺形である請求項５に記載の窒化物系半導体発光素子。
  7. 　前記基板の主面および裏面の平面形状は正方形である請求項５に記載の窒化物系半導体発光素子。
  8. 　前記基板の主面および裏面の平面形状は長方形である請求項５に記載の窒化物系半導体発光素子。
  9. 　前記基板の主面および裏面の平面形状は菱形である請求項５に記載の窒化物系半導体発光素子。
  10. 　前記角度θ２（ｍｏｄ　９０度）は、２５度以上６５度以下である請求項１から９の何れかに記載の窒化物系半導体発光素子。
  11. 　前記角度θ２（ｍｏｄ　９０度）は、３５度以上５５度以下である請求項１から９の何れかに記載の窒化物系半導体発光素子。
  12. 　前記角度θ２（ｍｏｄ　９０度）は、４０度以上５０度以下である請求項１から９の何れかに記載の窒化物系半導体発光素子。
  13. 　前記基板の裏面上には、複数の凸部が形成されている請求項１から１２の何れかに記載の窒化物系半導体発光素子。
  14. 　前記凸部は、円錐形状または半球形状を有し、前記基板の裏面に二次元的に配置されている請求項１３に記載の窒化物系半導体発光素子。
  15. 　前記凸部は、ストライプ形状を有し、
    　前記ストライプ形状の延伸方向と前記偏光光の偏光方向とのなす角の絶対値γとした場合、
    　γ（ｍｏｄ　１８０度）は５度以上１７５度以下である請求項１３に記載の窒化物系半導体発光素子。
  16. 　γ（ｍｏｄ　１８０度）は３０度以上１５０度以下である請求項１５に記載の窒化物系半導体発光素子。
  17. 　前記偏光光の偏光方向と前記基板の主面の法線とのなす角の絶対値をσ１とすると、σ１（ｍｏｄ　１８０度）は、８５度以上、９５度以下であり、前記偏光光の偏光方向と前記基板の裏面の法線とのなす角の絶対値をσ２とすると、σ２（ｍｏｄ　１８０度）は、８５度以上、９５度以下である請求項１から１６の何れかに記載の窒化物系半導体発光素子。
  18. 　請求項１から１７の何れかの窒化物系半導体発光素子と、少なくとも前記基板の裏面から放射された光の波長を変換する蛍光物質を含む波長変換部とを備える光源。
  19. 　主面および光取り出し面である裏面を有する基板を用意する工程（ａ）と、
    　前記基板の主面上に窒化物半導体積層構造を形成する工程（ｂ）と、
    　前記基板および前記窒化物半導体積層構造を切断し、複数の窒化物系半導体素子に分離する工程（ｃ）と、
     を含む窒化物系半導体素子の製造方法であって、
    　　　前記窒化物半導体積層構造は、偏光光を出射する活性層を含み、
     前記工程（ｃ）は、
    　　　前記基板の複数の側面のうち少なくとも１つの側面が前記基板の主面に対してなす角度を角度θ、
    　　　前記基板の複数の側面のうち少なくとも１つの側面と前記基板の主面との交線が前記偏光光の前記主面内の偏光方向に対してなす角度の絶対値を角度θ２とした場合、
    　　　前記角度θは９０度よりも大きく、
    　　　角度θ２が０度と９０度を含まない角度となるように前記基板および前記窒化物半導体積層構造を切断する、窒化物系半導体素子の製造方法。
  20. 　前記工程（ａ）においては、前記基板として５°以下のオフカット基板を用意する、請求項１９に記載の製造方法。
  21. 　（θ－９０度）の値は、下記（式９）を満たす角度θ１以上の値である、請求項１９または２０に記載の製造方法。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000014
  22. 　前記偏光光の偏光方向と前記基板の主面の法線とのなす角の絶対値をσ１とすると、σ１（ｍｏｄ　１８０度）は、８５度以上、９５度以下であり、前記偏光光の偏光方向と前記基板の裏面の法線とのなす角の絶対値をσ２とすると、σ２（ｍｏｄ　１８０度）は、８５度以上、９５度以下である請求項１９から２１の何れかに記載の製造方法。
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