JP2007300017A - Semiconductor light emitting element - Google Patents

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Yasuhiro Kamii
康宏 神井
Mikio Tajima
未来雄 田嶋
Tetsuji Moku
哲次 杢
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor light emitting element in which a light emitted from an active layer can be efficiently taken out easily and a high brightness can be easily attained. <P>SOLUTION: The semiconductor light emitting element comprises: a non-translucent substrate 2; an epitaxial grown layer 7 which is provided on one principal plane 3 of the non-translucent substrate 2, and is constituted by sequentially laminating a first cladding layer 8, an active layer 9, and a second cladding layer 10; a plurality of trenches 19 which are formed within a region of this epitaxial grown layer 7, and extend from one principal plane of the epitaxial grown layer 7 to the active layer 9; and optical derivation means 20 which is provided in this trench 19 and derives a light emitted from the active layer 9 to one main surface side 13 of the epitaxial grown layer 7. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、半導体発光素子に関するものである。   The present invention relates to a semiconductor light emitting device.

近年、種々の分野において光を利用した技術が普及してきており、それら光を発する素子として、例えばＧａＮ系青色ＬＥＤチップなどの半導体発光素子が利用されている。
これら半導体発光素子の中には、サファイアやＳｉＣなどからなる透光性のＧａＮ結晶成長基板と、このＧａＮ結晶成長基板の一方の主面に設けられた活性層を有する発光素子と、ＧａＮ結晶基板の他方の主面に設けられた金属反射層と、を備えているものがある。 In recent years, technologies using light have been widespread in various fields, and semiconductor light emitting devices such as GaN-based blue LED chips are used as devices that emit light.
Among these semiconductor light-emitting devices, a light-transmitting GaN crystal growth substrate made of sapphire or SiC, a light-emitting device having an active layer provided on one main surface of the GaN crystal growth substrate, and a GaN crystal substrate And a metal reflective layer provided on the other main surface of the other.

このような構成によれば、活性層によって発生した光のうち、その上方側に向かって進む光が取り出されるだけでなく、下方側（ＧａＮ結晶成長基板側）に進む光をＧａＮ結晶成長基板を透過させて金属反射層によって上方に反射させることにより、その反射光をも取り出すことができる。しかし、コスト削減などの観点から、ＧａＮ結晶成長基板としてＳｉなどの非透光性の基板が利用される場合がある。   According to such a configuration, not only the light traveling upward from the light generated by the active layer is extracted, but also the light traveling downward (GaN crystal growth substrate side) is transmitted to the GaN crystal growth substrate. By transmitting the light and reflecting it upward by the metal reflection layer, the reflected light can be taken out. However, from the viewpoint of cost reduction or the like, a non-transparent substrate such as Si may be used as the GaN crystal growth substrate.

この場合、活性層の上方側に向かって進む光は取り出されるものの、下方に進む光は、非透光性基板によって吸収されてしまう。そのため、活性層の下方側に進む光を取り出すことができず、上述の透光性基板の場合と比較して、１／４から１／５程度の光出力しか得られない。
そこで、素子の横方向（発光素子の側面方向）に進む光を取り出すために、基板の一方の主面のうち発光素子の外側に溝を設け、この溝に反射膜を設けた半導体発光素子が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。これにより、発光素子から横方向に進む光を反射膜によって上方に反射させることができる。
特開２００４−５５８１６号公報 In this case, light traveling toward the upper side of the active layer is extracted, but light traveling downward is absorbed by the non-translucent substrate. Therefore, it is impossible to extract light traveling downward from the active layer, and only a light output of about 1/4 to 1/5 can be obtained as compared with the case of the above-described translucent substrate.
Therefore, in order to extract light traveling in the lateral direction of the device (side surface direction of the light emitting device), a semiconductor light emitting device in which a groove is provided outside the light emitting device on one main surface of the substrate and a reflective film is provided in the groove. It has been proposed (see, for example, Patent Document 1). Thereby, the light traveling in the lateral direction from the light emitting element can be reflected upward by the reflective film.
JP 2004-55816 A

しかしながら、上記のような反射膜を設けた構成では、確かに基板の一方の主面に沿って進む光を反射させることは可能であるものの、非透過性の基板の一方の主面に対して所定の角度（臨界角）以下で進む光は、基板に吸収されてしまい、反射膜に到達することができない。また、反射膜で反射させた光を全て上方へ向けさせることはできないので、基板の一方の主面に沿って進む光を有効に外方（半導体発光素子の外部）に取り出すことはできない。   However, in the configuration provided with the reflective film as described above, although it is possible to reflect the light traveling along one main surface of the substrate, it is possible to reflect one main surface of the non-transmissive substrate. Light traveling at a predetermined angle (critical angle) or less is absorbed by the substrate and cannot reach the reflective film. In addition, since all the light reflected by the reflective film cannot be directed upward, the light traveling along one main surface of the substrate cannot be effectively extracted outside (outside the semiconductor light emitting element).

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、活性層から発せられた光を効率よく容易に取り出すことができ、高輝度化を容易に図ることができる半導体発光素子を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such circumstances, and provides a semiconductor light-emitting element that can efficiently and easily extract light emitted from an active layer and can easily achieve high luminance. The purpose is to do.

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を提供する。
本発明に係る半導体発光素子は、非透光性基板と、前記非透光性基板の上面に設けられ、第一のクラッド層、活性層及び第二のクラッド層が順次積層されてなるエピタキシャル成長層と、前記エピタキシャル成長層の領域内に形成され、前記エピタキシャル成長層の一方の主面から前記活性層にまで到る複数の溝部と、前記溝部に設けられ、前記活性層から発せられた光を前記エピタキシャル成長層の一方の主面側に導出する光導出手段と、
を有することを特徴とする。 In order to solve the above problems, the present invention provides the following means.
A semiconductor light emitting device according to the present invention includes a non-transparent substrate, and an epitaxial growth layer provided on the upper surface of the non-transparent substrate, in which a first cladding layer, an active layer, and a second cladding layer are sequentially stacked. A plurality of grooves formed in a region of the epitaxial growth layer and extending from one main surface of the epitaxial growth layer to the active layer; and light emitted from the active layer provided in the groove portion. Light deriving means for deriving to one main surface side of the layer;
It is characterized by having.

また、本発明に係る半導体発光素子は、シリコン基板と、このシリコン基板の上面に設けられ、第一のクラッド層、活性層及び第二のクラッド層が順次積層されてなるエピタキシャル成長層と、このエピタキシャル成長層の領域内に形成され、前記エピタキシャル成長層の一方の主面から前記活性層にまで到る溝部と、この溝部に設けられ、前記エピタキシャル成長層よりも屈折率の大きい材料からなり、前記活性層から発せられた光を前記エピタキシャル成長層の一方の主面側に導出する光導出手段と、前記エピタキシャル成長層の一方の主面に設けられた透明電極と、前記シリコン基板の下面に設けられた裏面電極と、を有することを特徴とする。   The semiconductor light-emitting device according to the present invention includes a silicon substrate, an epitaxial growth layer provided on the upper surface of the silicon substrate, in which a first cladding layer, an active layer, and a second cladding layer are sequentially stacked, and the epitaxial growth Formed in a region of the layer and extending from one main surface of the epitaxial growth layer to the active layer, and provided in the groove portion, and made of a material having a refractive index larger than that of the epitaxial growth layer, from the active layer Light deriving means for deriving emitted light to one main surface side of the epitaxial growth layer, a transparent electrode provided on one main surface of the epitaxial growth layer, and a back electrode provided on the lower surface of the silicon substrate; It is characterized by having.

また、本発明に係る半導体発光素子は、前記光導出手段は、光散乱体又は蛍光体から構成されていることを特徴とする。   In the semiconductor light emitting device according to the present invention, the light deriving means is composed of a light scatterer or a phosphor.

また、本発明に係る半導体発光素子は、前記溝部及び前記光導出手段が、前記非透光性基板の上面まで到ることを特徴とする。   The semiconductor light emitting device according to the present invention is characterized in that the groove and the light derivation means reach the upper surface of the non-translucent substrate.

また、本発明に係る半導体発光素子は、前記非透光性基板の一方の主面の延在方向と、前記エピタキシャル成長層の側面の積層方向との角度が８０度以上１３５度以下であることを特徴とする。   In the semiconductor light emitting device according to the present invention, an angle between the extending direction of one main surface of the non-translucent substrate and the stacking direction of the side surface of the epitaxial growth layer is 80 degrees or more and 135 degrees or less. Features.

また、本発明に係る半導体発光素子は、前記エピタキシャル成長層の横断面は、逆メサ形状であり、前記非透光性基板の上面と前記エピタキシャル成長層との間に、光を反射する反射面が設けられていることを特徴とする。   In the semiconductor light emitting device according to the present invention, a cross section of the epitaxial growth layer has an inverted mesa shape, and a reflective surface for reflecting light is provided between the upper surface of the non-translucent substrate and the epitaxial growth layer. It is characterized by being.

本発明によれば、活性層から斜め下側に進む光を光導出手段に容易に到達させることができることから、活性層から発せられた光を効率よく容易に外部、特に上方へ取り出すことができ、高輝度化を容易に図ることができる。   According to the present invention, light traveling obliquely downward from the active layer can easily reach the light deriving means, so that the light emitted from the active layer can be efficiently and easily extracted outside, particularly upward. Therefore, high brightness can be easily achieved.

（実施形態１）
以下、本発明の実施形態１における半導体発光素子について、図面を参照して説明する。
図１及び図２において、符号１は半導体発光素子を示すものである。
半導体発光素子１は、矩形板状の基板（シリコン基板）２を備えている。基板２は、Ｓｉなどからなる非透明性のＧａＮ結晶成長基板である。基板２の両主面のうち、一方の主面３には、エピタキシャル成長層７が設けられている。エピタキシャル成長層７の厚さ寸法は２μｍとなっている。このエピタキシャル成長層７は、一方の主面３よりも一回り小さくして一方の主面３の略全面に設けられている。また、エピタキシャル成長層７は、第１導電型の第１のクラッド層８と活性層９と第２のクラッド層１０とを備えている。 (Embodiment 1)
Hereinafter, the semiconductor light emitting device in Embodiment 1 of the present invention will be described with reference to the drawings.
1 and 2, reference numeral 1 denotes a semiconductor light emitting element.
The semiconductor light emitting device 1 includes a rectangular plate-like substrate (silicon substrate) 2. The substrate 2 is a non-transparent GaN crystal growth substrate made of Si or the like. An epitaxial growth layer 7 is provided on one main surface 3 of both main surfaces of the substrate 2. The thickness dimension of the epitaxial growth layer 7 is 2 μm. The epitaxial growth layer 7 is provided on substantially the entire surface of the one main surface 3 so as to be slightly smaller than the one main surface 3. The epitaxial growth layer 7 includes a first conductivity type first cladding layer 8, an active layer 9, and a second cladding layer 10.

第１のクラッド層８は一方の主面３に設けられており、第１のクラッド層８上に活性層９が設けられ、活性層９上に第２のクラッド層１０が設けられている。すなわち、一方の主面３上に、第１導電型の第１のクラッド層８と活性層９と第２のクラッド層１０とが順に積層されている。第１のクラッド層８はｎ型半導体からなり、第２のクラッド層１０はｐ型半導体からなっている。
第２のクラッド層１０の上、すなわちエピタキシャル成長層７の一方の主面１３には透光性の透明電極（第２のクラッド層１０に低抵抗接触（オーミック接触）する電極）１４が設けられている。この透明電極１４は一方の主面の略全面に設けられている。そして、透明電極１４の上面の中央には、透明電極１４に電圧を印加するための電極パッド１５が設けられている。さらに、基板２の他方の主面４には、透明電極１４と対になる裏面電極１８が設けられている。 The first cladding layer 8 is provided on one main surface 3, an active layer 9 is provided on the first cladding layer 8, and a second cladding layer 10 is provided on the active layer 9. That is, the first conductivity type first cladding layer 8, the active layer 9, and the second cladding layer 10 are sequentially stacked on one main surface 3. The first cladding layer 8 is made of an n-type semiconductor, and the second cladding layer 10 is made of a p-type semiconductor.
On the second clad layer 10, that is, on one main surface 13 of the epitaxial growth layer 7, a translucent transparent electrode (electrode having low resistance contact (ohmic contact) with the second clad layer 10) 14 is provided. Yes. The transparent electrode 14 is provided on substantially the entire surface of one of the main surfaces. An electrode pad 15 for applying a voltage to the transparent electrode 14 is provided at the center of the upper surface of the transparent electrode 14. Furthermore, a back surface electrode 18 that is paired with the transparent electrode 14 is provided on the other main surface 4 of the substrate 2.

さらに、本実施形態においては、半導体発光素子１の高さ方向Ｈ（エピタキシャル成長層７の積層方向）にエピタキシャル成長層７を貫通する溝部１９が形成されている。すなわち、溝部１９は、エピタキシャル成長層７の一方の主面１３から活性層９にまで到っており、さらに、活性層９を越えて基板２に到っていることが望ましい。これら溝部１９が、図２に示すように、エピタキシャル成長層７の領域に複数形成されている。
溝部１９の径は１０〜１００ｎｍであり、溝部１９と隣りの溝部１９との間は３００ｎｍ〜５０μｍ程度とする。溝部１９は、縦と横に並んだ方向（行列方向）に複数形成してもよいが、ジグザグとなるように交互に溝１９を設けてもよい。
溝部１９内には光を散乱させる光散乱体（光導出手段）２０が設けられている。光散乱体２０は、エピタキシャル成長層７よりも屈折率の高い材料から形成される。
また、溝部１９の側面及びエピタキシャル成長層７の側面２５は、基板２の一方の主面３に対して垂直に立ち上げられている。すなわち、半導体発光素子１を側面視して、基板２の一方の主面３の延伸方向と、溝部１９の側面及びエピタキシャル成長層７の側面２５の角θが９０度となるように設定されている。この角θは、第１のクラッド層が設けられている側になす角度とする。 Further, in the present embodiment, a groove portion 19 that penetrates the epitaxial growth layer 7 is formed in the height direction H (the stacking direction of the epitaxial growth layer 7) of the semiconductor light emitting device 1. That is, it is desirable that the groove portion 19 extends from one main surface 13 of the epitaxial growth layer 7 to the active layer 9 and further reaches the substrate 2 beyond the active layer 9. A plurality of the grooves 19 are formed in the region of the epitaxial growth layer 7 as shown in FIG.
The diameter of the groove part 19 is 10 to 100 nm, and the distance between the groove part 19 and the adjacent groove part 19 is about 300 nm to 50 μm. A plurality of groove portions 19 may be formed in a direction (matrix direction) aligned vertically and horizontally, but the grooves 19 may be provided alternately so as to be zigzag.
A light scatterer (light derivation means) 20 that scatters light is provided in the groove 19. The light scatterer 20 is formed of a material having a refractive index higher than that of the epitaxial growth layer 7.
Further, the side surface of the groove portion 19 and the side surface 25 of the epitaxial growth layer 7 are raised vertically to the one main surface 3 of the substrate 2. That is, when the semiconductor light emitting device 1 is viewed from the side, the extending direction of one main surface 3 of the substrate 2 and the angle θ between the side surface of the groove 19 and the side surface 25 of the epitaxial growth layer 7 are set to 90 degrees. . The angle θ is an angle formed on the side where the first cladding layer is provided.

次に、本実施形態における半導体発光素子１の製造方法について説明する。
まず、図３に示すように、基板２の一方の主面３上にエピタキシャル成長層７を形成する。そして、図４に示すように、エピタキシャル成長層７にドライエッチングによって垂直な溝部１９を形成する。これにより、エピタキシャル成長層７の領域に行列方向の複数の溝部１９が形成される。さらに、図５に示すように、エピタキシャル成長層７の一方の主面１３上に、スピンコーティングにより、光散乱層２３を形成する。このとき、溝部１９も光散乱層２３で充填される。そして、図６に示すように、ＣＭＰ（ケミカル・メカニカル・ポリッシング）により、エピタキシャル成長層７の一方の主面１３上を洗浄し、エピタキシャル成長層７の一方の主面１３上の光散乱層２３を除去する。このとき、溝部１９内の光散乱層２３が残存し、光散乱体２０となる。 Next, a method for manufacturing the semiconductor light emitting device 1 in the present embodiment will be described.
First, as shown in FIG. 3, an epitaxial growth layer 7 is formed on one main surface 3 of the substrate 2. Then, as shown in FIG. 4, a vertical groove portion 19 is formed in the epitaxial growth layer 7 by dry etching. Thereby, a plurality of grooves 19 in the matrix direction are formed in the region of the epitaxial growth layer 7. Further, as shown in FIG. 5, a light scattering layer 23 is formed on one main surface 13 of the epitaxial growth layer 7 by spin coating. At this time, the groove portion 19 is also filled with the light scattering layer 23. Then, as shown in FIG. 6, one main surface 13 of the epitaxial growth layer 7 is cleaned by CMP (Chemical Mechanical Polishing), and the light scattering layer 23 on the one main surface 13 of the epitaxial growth layer 7 is removed. To do. At this time, the light scattering layer 23 in the groove 19 remains and becomes the light scatterer 20.

続いて、図７に示すように、光散乱層２３が除去された一方の主面１３上に、透明電極１４と電極パッド層２４を順次蒸着にて積層する。そして、図８に示すように、フォトリソグラフィによって電極パッド層２４の中央を残してそれ以外の電極パッド層２４を除去する。これによって電極パッド１５が形成される。さらに、図９に示すように、基板２の他方の主面４に、裏面電極１８を蒸着する。これにより、図１に示す半導体発光素子１が得られる。   Subsequently, as shown in FIG. 7, the transparent electrode 14 and the electrode pad layer 24 are sequentially stacked on the one main surface 13 from which the light scattering layer 23 has been removed. Then, as shown in FIG. 8, the other electrode pad layers 24 are removed by photolithography, leaving the center of the electrode pad layer 24. As a result, the electrode pad 15 is formed. Further, as shown in FIG. 9, a back electrode 18 is deposited on the other main surface 4 of the substrate 2. Thereby, the semiconductor light emitting device 1 shown in FIG. 1 is obtained.

次に、本実施形態における半導体発光素子１の作用について説明する。
図１０は、活性層からの光の進行の様子を説明する模式図である。
電極パッドと裏面電極に順方向なる電圧を印加すると、活性層において放射方向に光が発せられる。
ここで、それらの光のうち、活性層から上方Ｈｕ側に向かって進む光と、活性層から下方Ｈｄ側に向かって進む光と、基板の一方の主面上に沿って横方向に進む光とに分けて説明する。 Next, the operation of the semiconductor light emitting device 1 in this embodiment will be described.
FIG. 10 is a schematic diagram for explaining the progress of light from the active layer.
When a forward voltage is applied to the electrode pad and the back electrode, light is emitted in the radiation direction in the active layer.
Of these lights, light traveling from the active layer toward the upper Hu side, light traveling from the active layer toward the lower Hd side, and light traveling laterally along one main surface of the substrate. This will be explained separately.

まず、上方Ｈｕ側に向かって進む光のうち、エピタキシャル成長層の一方の主面に対する入射角が臨界角よりも大きい光Ｌ１はエピタキシャル成長層及び透明電極を透過して外方へ進んでいく。一方、臨界角よりも小さい光Ｌ２はエピタキシャル成長層の一方の主面で反射し、下方Ｈｄ又は横方向（溝部の側面又はエピタキシャル成長層の側面）に向かって進む。なお、エピタキシャル成長層の一方の主面で反射する光は、エピタキシャル成長層の一方の主面で反射する毎に、光のエネルギーの一部は熱として変化されて消費され、光の強度は減衰する。   First, of the light traveling toward the upper Hu side, the light L1 having an incident angle with respect to one main surface of the epitaxial growth layer larger than the critical angle passes through the epitaxial growth layer and the transparent electrode and travels outward. On the other hand, the light L2 smaller than the critical angle is reflected on one main surface of the epitaxial growth layer and travels downward Hd or in the lateral direction (side surface of the groove or side surface of the epitaxial growth layer). Note that each time light reflected by one main surface of the epitaxial growth layer is reflected by one main surface of the epitaxial growth layer, part of the energy of the light is changed and consumed as heat, and the intensity of the light is attenuated.

下方Ｈｄ側に向かって進む光のうち、基板の一方の主面に対する入射角が臨界角よりも小さい光Ｌ３は基板によって吸収される。一方、臨界角よりも大きい光Ｌ３´は基板の一方の主面で反射し、上方Ｈｕ又は横方向（溝部の側面又はエピタキシャル成長層の側面）に向かって進む。なお、基板の一方の主面で反射する光は、基板の一方の主面で反射する毎に、光のエネルギーの一部は熱として変化されて消費され、光の強度は減衰する。   Of the light traveling toward the lower Hd side, light L3 having an incident angle with respect to one main surface of the substrate smaller than the critical angle is absorbed by the substrate. On the other hand, the light L3 ′ larger than the critical angle is reflected by one main surface of the substrate and travels upward Hu or in the lateral direction (side surface of the groove or side surface of the epitaxial growth layer). Note that each time light reflected by one main surface of the substrate is reflected by one main surface of the substrate, part of the energy of the light is changed and consumed as heat, and the intensity of the light is attenuated.

従来では、エピタキシャル成長層の外側の領域に反射膜が形成されていたことから、図１０に示すように、光が反射膜に到達する前に基板に吸収され、又は、光が反射を繰り返す毎に光のエネルギーが減衰してしまい、結果的に光を外部、特に上方へ良好に取り出すことができなかった。
本発明では、以下のようにして、光が外方へ取り出される。図１１に示すように、まず上方Ｈｕ側に向かって進む光のうち、光散乱体２０に到達する光Ｌ２’’は、一部反射してエピタキシャル成長層７に戻って更に反射を繰り返すものの、その大半は反射して進行方向が変わることで外方に取り出され、又はエピタキシャル成長層７と光散乱体２０との界面で屈折されて光散乱体２０内へ入り、光散乱体２０内へ入った光は光散乱することによって有効に外方に取り出される。
また、横方向又は下方Ｈｄ側に向かって進む光のうち、光散乱体２０に到達する光Ｌ３’’は、一部反射して、エピタキシャル成長層７に戻って更に反射を繰り返し又は基板２に吸収されるものの、その大半はエピタキシャル成長層７と光散乱体２０との界面で屈折されて光散乱体２０内へ入り、光散乱することによって有効に外方に取り出される。 Conventionally, since a reflection film is formed in a region outside the epitaxial growth layer, as shown in FIG. 10, each time light is absorbed by the substrate before reaching the reflection film, or each time light is repeatedly reflected. The energy of light was attenuated, and as a result, the light could not be extracted well, particularly upward.
In the present invention, light is extracted outward as follows. As shown in FIG. 11, the light L2 '' reaching the light scatterer 20 among the light traveling toward the upper Hu side is partially reflected and returned to the epitaxial growth layer 7 to be further reflected. Most of the light is reflected and taken out by changing the direction of travel, or is refracted at the interface between the epitaxial growth layer 7 and the light scatterer 20 and enters the light scatterer 20. Is effectively extracted outward by light scattering.
Of the light traveling toward the lateral direction or the lower Hd side, the light L3 ″ reaching the light scatterer 20 is partially reflected and returned to the epitaxial growth layer 7 to be further repeatedly reflected or absorbed by the substrate 2. However, most of the light is refracted at the interface between the epitaxial growth layer 7 and the light scatterer 20, enters the light scatterer 20, and is effectively extracted outward by light scattering.

さらに、溝部１９の側面又はエピタキシャル成長層７の側面２５の角度は、基板２の一方の主面３に対して垂直となるように形成されている。一般的な半導体発光素子の側面は、ダイシングカットされると、基板２の一方の主面３に対して３０〜６０度の傾斜が形成され、活性層９から横方向に進む光のほとんどは外方に取り出されない。本実施形態のように形成することによって、反射を繰り返すことで光のエネルギーが減衰し又は基板２に吸収される光が減少し、溝部１９の側面又はエピタキシャル成長層７の側面２５で反射した光を外方に取り出す、又は光散乱体２０内に入って光拡散して外方に良好に取り出すことが可能となる。本実施形態によれば、従来の半導体発光素子に比べて、１．５倍程度の光出力を得ることができる。   Further, the angle of the side surface of the groove 19 or the side surface 25 of the epitaxial growth layer 7 is formed so as to be perpendicular to one main surface 3 of the substrate 2. When a dicing cut is performed on a side surface of a general semiconductor light emitting device, an inclination of 30 to 60 degrees is formed with respect to one main surface 3 of the substrate 2, and most of the light traveling laterally from the active layer 9 is outside. Is not taken out. By forming as in the present embodiment, the light energy is attenuated by repeating reflection or the light absorbed by the substrate 2 is reduced, and the light reflected by the side surface of the groove 19 or the side surface 25 of the epitaxial growth layer 7 is reflected. It can be taken out outward, or can enter the light scatterer 20 and diffuse light to be taken out favorably outward. According to this embodiment, it is possible to obtain a light output about 1.5 times that of a conventional semiconductor light emitting device.

なお、本実施の形態において、溝部１９に光散乱体２０を設ける構造としたが、これに限ることはなく、蛍光体（光導出手段）を設けてもよい。この場合、活性層から発せられた光と、活性層から発せられた光が蛍光体によって波長変換された光との合成色光が得られ、活性層から発せられた光を蛍光体によって波長変換された光で色度補正する等を行うことが考えられる。   In the present embodiment, the light scatterer 20 is provided in the groove portion 19. However, the present invention is not limited to this, and a phosphor (light deriving means) may be provided. In this case, a combined color light of light emitted from the active layer and light obtained by wavelength conversion of the light emitted from the active layer is obtained, and the light emitted from the active layer is wavelength-converted by the phosphor. It is conceivable to correct the chromaticity with the light.

（実施形態２）
次に、本発明の実施形態２について説明する。
図１２及び図１３において、図１から図１１に記載の構成要素と同一部分については同一符号を付し、その説明を省略する。
この実施形態と上記第１の実施形態とは基本的構成は同一であり、ここでは異なる点についてのみ説明する。
本実施形態においては、溝部１９´の横断面が逆メサ形状となっている。すなわち、溝部１９´は、エピタキシャル成長層７の一方の主面１３から基板２の一方の主面３にわたって、縦断面積が漸次大きくなるように形成されている。言い換えると、溝部１９´の側面は、側面視して、エピタキシャル成長層７の一方の主面１３から基板２の一方の主面３にわたって、互いに漸次離隔するように所定の角度傾斜して形成されている。溝部１９´は、エピタキシャル成長層７を貫通して形成されている。 (Embodiment 2)
Next, Embodiment 2 of the present invention will be described.
12 and 13, the same components as those shown in FIGS. 1 to 11 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
This embodiment and the first embodiment have the same basic configuration, and only the differences will be described here.
In the present embodiment, the cross section of the groove 19 'has an inverted mesa shape. That is, the groove 19 ′ is formed so that the longitudinal sectional area gradually increases from one main surface 13 of the epitaxial growth layer 7 to one main surface 3 of the substrate 2. In other words, the side surface of the groove 19 ′ is formed at a predetermined angle so as to be gradually separated from one main surface 13 of the epitaxial growth layer 7 to one main surface 3 of the substrate 2 in a side view. Yes. The groove 19 ′ is formed through the epitaxial growth layer 7.

さらに、エピタキシャル成長層７の横断面は、全体として逆メサ形状に形成されている。すなわち、エピタキシャル成長層７の側面２５の角θが、９０度以上に設定されている。この角θは、例えば１３５度に設定される。
また、基板２の一方の主面３とエピタキシャル成長層７との間に、光を反射する金属からなる反射面２８が設けられている。
なお、溝部１９´には、光散乱体２０は設けられていない。 Further, the cross section of the epitaxial growth layer 7 is formed in an inverted mesa shape as a whole. That is, the angle θ of the side surface 25 of the epitaxial growth layer 7 is set to 90 degrees or more. This angle θ is set to 135 degrees, for example.
A reflective surface 28 made of a metal that reflects light is provided between one main surface 3 of the substrate 2 and the epitaxial growth layer 7.
Note that the light scatterer 20 is not provided in the groove 19 ′.

次に、本実施形態における半導体発光素子１の製造方法について説明する。
まず、図１４に示すように、基板２´の一方の主面３上にエピタキシャル成長層７を形成する。そして、図１５に示すように、エピタキシャル成長層７にドライエッチングにより溝部１９´を形成する。これにより、エピタキシャル成長層７の領域に行列方向の複数の溝部１９´が形成される。このときの溝部１９´の横断面はメサ形状とする。さらに、図１６に示すように、エピタキシャル成長層７の一方の主面１３上に、金属板からなる反射面２８を介して基板２を張りあわせる。そして、図１７に示すように、下側の基板２´（図１４に示すあらかじめ設けられていた方の基板）のみを除去する。さらに、残った基板２をエピタキシャル成長層７ごと上下反転させ、図１８に示すように、エピタキシャル成長層７の一方の主面１３上に、透明電極１４を介して電極パッド層２４を蒸着する。そして、図１９に示すように、フォトリソグラフィによって、中央を残して電極パッド層２４を剥離する。さらに、図２０に示すように、基板２の他方の主面４に、裏面電極１８を蒸着する。
これにより、図１２及び図１３に示す上述の半導体発光素子１が得られる。 Next, a method for manufacturing the semiconductor light emitting device 1 in the present embodiment will be described.
First, as shown in FIG. 14, an epitaxial growth layer 7 is formed on one main surface 3 of the substrate 2 ′. Then, as shown in FIG. 15, a groove 19 ′ is formed in the epitaxial growth layer 7 by dry etching. Thereby, a plurality of grooves 19 ′ in the matrix direction are formed in the region of the epitaxial growth layer 7. At this time, the cross section of the groove 19 'has a mesa shape. Further, as shown in FIG. 16, the substrate 2 is bonded onto one main surface 13 of the epitaxial growth layer 7 via a reflective surface 28 made of a metal plate. Then, as shown in FIG. 17, only the lower substrate 2 ′ (the previously provided substrate shown in FIG. 14) is removed. Further, the remaining substrate 2 is turned upside down together with the epitaxial growth layer 7, and an electrode pad layer 24 is deposited on one main surface 13 of the epitaxial growth layer 7 through the transparent electrode 14 as shown in FIG. 18. Then, as shown in FIG. 19, the electrode pad layer 24 is removed by photolithography, leaving the center. Further, as shown in FIG. 20, a back electrode 18 is deposited on the other main surface 4 of the substrate 2.
Thereby, the above-described semiconductor light emitting device 1 shown in FIGS. 12 and 13 is obtained.

次に、本実施形態における半導体発光素子１の作用について説明する。
まず、上方Ｈｕ側に向かって進む光のうち、エピタキシャル成長層７の一方の主面１３に対する入射角が臨界角よりも大きい光Ｌ１は、エピタキシャル成長層７及び透明電極１４を透過して外方（半導体発光素子１の外方）に進んでいく。一方、上方Ｈｕ側に向かって進む光のうち、エピタキシャル成長層７の一方の主面１３に対する入射角が臨界角よりも小さい光Ｌ２は、エピタキシャル成長層７の一方の主面１３で反射し、下方Ｈｄ側、又は溝部１９の側面又はエピタキシャル成長層７の側面２５に向かって進んでいく。
また、下方Ｈｄ側に向かって進む光のうち、反射膜２８に到達した光は、反射膜２８で反射し、上方Ｈｕ又は溝部１９の側面又はエピタキシャル成長層７の側面２５に向かって進んでいく。したがって、実施形態１と異なり、基板２で光が吸収されることはない。
また、上方Ｈｕ側に向かって進む光のうち、光散乱体２０に到達する光は、溝部１９の側面又はエピタキシャル成長層７の側面２５が逆メサ形状となっていることから、エピタキシャル成長層の側面がメサ形状である従来の半導体発光素子や実施形態１の半導体発光素子に比べて少ない。上方Ｈｕ側に向かって進む光をより良好に外方に取り出すことができる。 Next, the operation of the semiconductor light emitting device 1 in this embodiment will be described.
First, of the light traveling toward the upper Hu side, the light L1 having an incident angle with respect to one main surface 13 of the epitaxial growth layer 7 larger than the critical angle is transmitted through the epitaxial growth layer 7 and the transparent electrode 14 to the outside (semiconductors). Proceed to the outside of the light emitting element 1). On the other hand, of the light traveling toward the upper Hu side, the light L2 whose incident angle with respect to one main surface 13 of the epitaxial growth layer 7 is smaller than the critical angle is reflected by the one main surface 13 of the epitaxial growth layer 7 and lower Hd It progresses toward the side or the side surface of the groove 19 or the side surface 25 of the epitaxial growth layer 7.
Of the light traveling toward the lower Hd side, the light reaching the reflective film 28 is reflected by the reflective film 28 and travels toward the upper Hu or the side surface of the groove 19 or the side surface 25 of the epitaxial growth layer 7. Therefore, unlike the first embodiment, the substrate 2 does not absorb light.
Further, among the light traveling toward the upper Hu side, the light reaching the light scatterer 20 has the side surface of the groove portion 19 or the side surface 25 of the epitaxial growth layer 7 having a reverse mesa shape. Compared to the conventional semiconductor light emitting device having a mesa shape and the semiconductor light emitting device of the first embodiment. Light traveling toward the upper Hu side can be taken out better.

また、下方Ｈｄ側に向かって進む光のうち、光散乱体２０に到達する光は、一部反射してエピタキシャル成長層７に戻ってしまうものの、溝部１９の側面又はエピタキシャル成長層７の側面２５が逆メサ形状であるため、エピタキシャル成長層７に戻る光が反射膜２８に当たって反射する反射角は小さくなり、横方向の光が多くなる。横方向の光は光散乱体２０に到達して光散乱体２０内へ入り、光散乱することによって外方に取り出される。したがって、本実施形態のように形成することによって、反射を繰り返すことで光のエネルギーが減衰又は基板２に吸収される光が減少し、溝部１９の側面又はエピタキシャル成長層７の側面２５で反射した光を外方に取り出すこと、又は光散乱体２０内に入って光拡散して外方に良好に取り出すことが可能となる。   Of the light traveling toward the lower Hd side, the light reaching the light scatterer 20 is partially reflected and returned to the epitaxial growth layer 7, but the side surface of the groove 19 or the side surface 25 of the epitaxial growth layer 7 is reversed. Because of the mesa shape, the reflection angle at which the light returning to the epitaxial growth layer 7 strikes the reflection film 28 is reduced, and the lateral light is increased. The light in the lateral direction reaches the light scatterer 20, enters the light scatterer 20, and is extracted outward by light scattering. Therefore, by forming as in the present embodiment, the light energy is attenuated or the light absorbed by the substrate 2 is decreased by repeating reflection, and the light reflected by the side surface of the groove 19 or the side surface 25 of the epitaxial growth layer 7 is reflected. Can be taken out to the outside, or can enter the light scatterer 20 to diffuse light and be taken out to the outside well.

なお、本実施形態１及び２においては、角θを１３５度に設定したが、これに限ることはなく、９０度以上から１３５度以下の範囲であれば、適宜変更可能である。
また、溝部１９´に光散乱体や蛍光体などの光導出手段を設けず、空洞としてもよい。
なお、上記実施形態１及び２においては、溝部１９，１９´は、エピタキシャル成長層７を貫通するとしたが、これに限ることはなく、エピタキシャル成長層７の一方の主面１３から、活性層９に少しでもかかっていればよい。ただし、少なくとも活性層９を貫通するだけの深さに設定することが好ましいのは言うまでもない。 In Embodiments 1 and 2, the angle θ is set to 135 degrees. However, the angle θ is not limited to this, and can be changed as appropriate as long as it is in the range of 90 degrees to 135 degrees.
Further, the groove portion 19 ′ may be a cavity without providing light derivation means such as a light scatterer or phosphor.
In the first and second embodiments, the groove portions 19 and 19 ′ pass through the epitaxial growth layer 7. However, the present invention is not limited to this, and the main surface 13 of the epitaxial growth layer 7 slightly extends to the active layer 9. But it only has to be. However, it goes without saying that it is preferable to set the depth to penetrate at least the active layer 9.

また、上記実施形態１及び２においては、溝部１９，１９´を行列方向に複数設けるとしたが、これに限ることはなく、形成場所、形成数などは適宜変更可能である。例えば、図２３に示すように、電極パッド１５を取り囲むように、複数の矩形又は円形であって異なる寸法からなるリング状の長溝３２を形成してもよい。
また、上記実施形態１又は２において、基板２の一方の主面３とエピタキシャル成長層７との間に反射面２８を設けてもよい。
なお、本発明の技術範囲は上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の変更を加えることが可能である。 In the first and second embodiments, a plurality of groove portions 19 and 19 'are provided in the matrix direction. However, the present invention is not limited to this, and the formation location, the number of formations, and the like can be changed as appropriate. For example, as shown in FIG. 23, a plurality of rectangular or circular ring-shaped long grooves 32 having different dimensions may be formed so as to surround the electrode pad 15.
In the first or second embodiment, the reflective surface 28 may be provided between one main surface 3 of the substrate 2 and the epitaxial growth layer 7.
The technical scope of the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.

本発明の第１の実施形態としての半導体発光素子を示す側断面図である。1 is a side sectional view showing a semiconductor light emitting element as a first embodiment of the present invention. 図１の半導体発光素子を示す平面図である。It is a top view which shows the semiconductor light-emitting device of FIG. 図１の半導体発光素子の製造方法を示す図であって、基板にエピタキシャル成長層を設けた様子を示す側断面図である。It is a figure which shows the manufacturing method of the semiconductor light-emitting device of FIG. 1, Comprising: It is a sectional side view which shows a mode that the epitaxial growth layer was provided in the board | substrate. 図１の半導体発光素子の製造方法を示す図であって、エピタキシャル成長層にドライエッチングを施した様子を示す側断面図である。It is a figure which shows the manufacturing method of the semiconductor light-emitting device of FIG. 1, Comprising: It is a sectional side view which shows a mode that dry etching was performed to the epitaxial growth layer. 図１の半導体発光素子の製造方法を示す図であって、エピタキシャル成長層に光散乱層を設けた様子を示す側断面図である。It is a figure which shows the manufacturing method of the semiconductor light-emitting device of FIG. 1, Comprising: It is a sectional side view which shows a mode that the light-scattering layer was provided in the epitaxial growth layer. 図１の半導体発光素子の製造方法を示す図であって、エピタキシャル成長層の一方の主面に設けられた光散乱層を除去した様子を示す側断面図である。It is a figure which shows the manufacturing method of the semiconductor light-emitting device of FIG. 1, Comprising: It is a sectional side view which shows a mode that the light-scattering layer provided in one main surface of the epitaxial growth layer was removed. 図１の半導体発光素子の製造方法を示す図であって、エピタキシャル成長層にｐ電極を介して電極パッド層を設けた様子を示す側断面図である。It is a figure which shows the manufacturing method of the semiconductor light-emitting device of FIG. 1, Comprising: It is a sectional side view which shows a mode that the electrode pad layer was provided in the epitaxial growth layer through p electrode. 図１の半導体発光素子の製造方法を示す図であって、所定箇所の電極パッド層を剥離して電極パッドを形成した様子を示す側断面図である。It is a figure which shows the manufacturing method of the semiconductor light-emitting device of FIG. 1, Comprising: It is a sectional side view which shows a mode that the electrode pad layer of the predetermined location was peeled and the electrode pad was formed. 図１の半導体発光素子の製造方法を示す図であって、基板の他方の主面にｎ電極を設けた様子を示す側断面図である。It is a figure which shows the manufacturing method of the semiconductor light-emitting device of FIG. 1, Comprising: It is a sectional side view which shows a mode that the n electrode was provided in the other main surface of a board | substrate. 従来において、活性層から発せられた光の進行の様子を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the mode of the progress of the light emitted from the active layer conventionally. 本実施形態において、活性層から発せられた光の進行の様子を示す説明図である。In this embodiment, it is explanatory drawing which shows the mode of the progress of the light emitted from the active layer. 本発明の第２の実施形態としての半導体発光素子を示す側断面図である。It is a sectional side view which shows the semiconductor light-emitting device as the 2nd Embodiment of this invention. 図１２の半導体発光素子を示す平面図である。It is a top view which shows the semiconductor light-emitting device of FIG. 図１２の半導体発光素子の製造方法を示す図であって、基板にエピタキシャル成長層を設けた様子を示す側断面図である。It is a figure which shows the manufacturing method of the semiconductor light-emitting device of FIG. 12, Comprising: It is a sectional side view which shows a mode that the epitaxial growth layer was provided in the board | substrate. 図１２の半導体発光素子の製造方法を示す図であって、エピタキシャル成長層にドライエッチングを施した様子を示す側断面図である。It is a figure which shows the manufacturing method of the semiconductor light-emitting device of FIG. 12, Comprising: It is a sectional side view which shows a mode that dry etching was performed to the epitaxial growth layer. 図１２の半導体発光素子の製造方法を示す図であって、エピタキシャル成長層に、反射面を介して基板を張り合わせた様子を示す側断面図である。It is a figure which shows the manufacturing method of the semiconductor light-emitting device of FIG. 12, Comprising: It is a sectional side view which shows a mode that the board | substrate was bonded to the epitaxial growth layer via the reflective surface. 図１２の半導体発光素子の製造方法を示す図であって、下側の基板を除去して上下反転させた様子を示す側断面図である。It is a figure which shows the manufacturing method of the semiconductor light-emitting device of FIG. 12, Comprising: It is a sectional side view which shows a mode that the lower board | substrate was removed and it turned upside down. 図１２の半導体発光素子の製造方法を示す図であって、エピタキシャル成長層に透明電極を介して電極パッド層を設けた様子を示す側断面図である。It is a figure which shows the manufacturing method of the semiconductor light-emitting device of FIG. 12, Comprising: It is a sectional side view which shows a mode that the electrode pad layer was provided in the epitaxial growth layer through the transparent electrode. 図１２の半導体発光素子の製造方法を示す図であって、所定箇所の電極パッド層を剥離して電極パッドを形成した様子を示す側断面図である。It is a figure which shows the manufacturing method of the semiconductor light-emitting device of FIG. 12, Comprising: It is a sectional side view which shows a mode that the electrode pad layer of the predetermined location was peeled and the electrode pad was formed. 図１２の半導体発光素子の製造方法を示す図であって、基板の他方の主面に裏面電極を設けた様子を示す側断面図である。It is a figure which shows the manufacturing method of the semiconductor light-emitting device of FIG. 12, Comprising: It is a sectional side view which shows a mode that the back surface electrode was provided in the other main surface of a board | substrate. 図２及び図１３の溝部の変形例を示す平面図である。It is a top view which shows the modification of the groove part of FIG.2 and FIG.13.

符号の説明Explanation of symbols

１ 半導体発光素子
２ 基板（非透光性基板、シリコン基板）
３ 一方の主面（非透光性基板の一方の上面）
７ エピタキシャル成長層
８ 第１のクラッド層
９ 活性層
１０ 第２のクラッド層
１３ 一方の主面（エピタキシャル成長層の一方の主面）
１４ 透明電極
１８ 裏面電極
１９、１９´ 溝部
２０ 光散乱体（光導出手段）
２５ 側面
２８ 反射面
1 Semiconductor Light Emitting Element 2 Substrate (Non-Transparent Substrate, Silicon Substrate)
3 Main surface (One upper surface of non-translucent substrate)
7 Epitaxial growth layer 8 First cladding layer 9 Active layer 10 Second cladding layer 13 One main surface (one main surface of the epitaxial growth layer)
14 Transparent electrode 18 Back electrode 19, 19 'Groove part 20 Light scatterer (light extraction means)
25 Side 28 Reflecting surface

Claims (6)

非透光性基板と、
前記非透光性基板の上面に設けられ、第一のクラッド層、活性層及び第二のクラッド層が順次積層されてなるエピタキシャル成長層と、
前記エピタキシャル成長層の領域内に形成され、前記エピタキシャル成長層の一方の主面から前記活性層にまで到る複数の溝部と、
前記溝部に設けられ、前記活性層から発せられた光を前記エピタキシャル成長層の一方の主面側に導出する光導出手段と、
を有することを特徴とする半導体発光素子。 A non-translucent substrate;
An epitaxial growth layer provided on the upper surface of the non-translucent substrate, in which a first cladding layer, an active layer, and a second cladding layer are sequentially stacked;
A plurality of grooves formed in a region of the epitaxial growth layer and extending from one main surface of the epitaxial growth layer to the active layer;
A light derivation means for deriving light emitted from the active layer to one main surface side of the epitaxial growth layer, provided in the groove portion;
A semiconductor light emitting element comprising: シリコン基板と、
このシリコン基板の上面に設けられ、第一のクラッド層、活性層及び第二のクラッド層が順次積層されてなるエピタキシャル成長層と、
このエピタキシャル成長層の領域内に形成され、前記エピタキシャル成長層の一方の主面から前記活性層にまで到る溝部と、
この溝部に設けられ、前記エピタキシャル成長層よりも屈折率の大きい材料からなり、前記活性層から発せられた光を前記エピタキシャル成長層の一方の主面側に導出する光導出手段と、
前記エピタキシャル成長層の一方の主面に設けられた透明電極と、
前記シリコン基板の下面に設けられた裏面電極と、
を有することを特徴とする半導体発光素子。 A silicon substrate;
An epitaxial growth layer provided on the upper surface of the silicon substrate, in which a first cladding layer, an active layer, and a second cladding layer are sequentially stacked;
A groove formed in a region of the epitaxial growth layer and extending from one main surface of the epitaxial growth layer to the active layer;
A light derivation unit that is provided in the groove and is made of a material having a refractive index larger than that of the epitaxial growth layer, and guides light emitted from the active layer to one main surface side of the epitaxial growth layer;
A transparent electrode provided on one main surface of the epitaxial growth layer;
A back electrode provided on the lower surface of the silicon substrate;
A semiconductor light emitting element comprising: 前記光導出手段は、光散乱体又は蛍光体から構成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体発光素子。   The semiconductor light emitting element according to claim 1, wherein the light deriving unit includes a light scatterer or a phosphor. 前記溝部及び前記光導出手段が、前記非透光性基板の上面まで到ることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の半導体発光素子。   4. The semiconductor light emitting element according to claim 1, wherein the groove and the light deriving unit reach an upper surface of the non-translucent substrate. 5. 前記非透光性基板の一方の主面の延在方向と、前記エピタキシャル成長層の側面の積層方向との角度が８０度以上１３５度以下であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の半導体発光素子。   The angle between the extending direction of one main surface of the non-translucent substrate and the stacking direction of the side surface of the epitaxial growth layer is 80 degrees or more and 135 degrees or less. The semiconductor light-emitting device according to any one of the above. 前記エピタキシャル成長層の横断面は、逆メサ形状であり、
前記非透光性基板の上面と前記エピタキシャル成長層との間に、光を反射する反射面が設けられていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
The cross section of the epitaxial growth layer is an inverted mesa shape,
6. The semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein a reflective surface that reflects light is provided between an upper surface of the non-translucent substrate and the epitaxial growth layer. 7. element.
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