JP4901117B2

JP4901117B2 - 半導体発光素子及び半導体発光素子の製造方法

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Publication number: JP4901117B2
Application number: JP2005060276A
Authority: JP
Inventors: 保晴菅原
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Description

本発明は、半導体発光素子及び半導体発光素子の製造方法に関し、特に、光外部取り出し効率が改善された半導体発光素子及び半導体発光素子の製造方法に関する。

液晶ディスプレイのバックライト、携帯電話などの押しボタン照明、蛍光灯に代わる照明などの各種の用途において、半導体発光装置の高輝度化の要求がますます高まっている。消費電力を抑制しつつ、高輝度を得るためには、半導体発光素子からの光の外部取り出し効率を改善することが重要である。

半導体発光素子において、活性層からの放射光を多重反射を生じることなく外部に取り出すことができるのは、放射面に対する入射角度が臨界角以下の場合である。半導体発光素子の放射面がＧａＰ（屈折率約３．３）からなり、半導体発光素子がエポキシ系封止樹脂（屈折率約１．５）の中に封止されている場合、臨界角は約２７度となる。従って、半導体発光素子の側面において臨界角以上の入射角となる光は、素子の内部で多重反射されたのち、外部に放射されるか、または内部で吸収されて無効光となるか、のいずれかとなる。

半導体発光素子からの光外部取り出し効率を上げる構造の一つとして、半導体発光素子の側面に傾斜を持たせることにより素子内部において発光層から素子の側面への入射角度を低減し、半導体発光素子側面における全反射の影響を低減する構造が開示されている（例えば、特許文献１）。
特開２００３−１８８４１０号公報

本発明は、光外部取り出し効率が改善された、信頼性の高い半導体発光素子及び半導体発光素子の製造方法を提供するものである。

本発明の一態様によれば、第１及び第２の主面を有し、第１の波長帯の光に対する透光性を有する基板と、前記第１の主面の上に設けられ、前記第１の波長帯の光を放出する発光層を含む半導体積層体と、を備え、前記基板は、前記第１及び第２の主面よりも、前記第１の主面と前記第２の主面との間における断面のほうが実質的に小さくなるように、その側面に凹部が設けられ、前記凹部は、斜め下方を向き、前記発光層から放出された前記第１の波長帯の光の一部を直接放射することが可能な第１の平面と、斜め上方を向き、前記発光層から放出され、前記第２の主面で反射された前記第１の波長帯の光の一部を直接放射することが可能な第２の平面と、の組合せにより形成されてなり、前記凹部は、前記第１の主面及び前記第２の主面に対して平行に延び、前記凹部は、前記基板の周囲全体に設けられ、前記第１の主面と前記第２の主面とは面積がほぼ同一であることを特徴とする半導体発光素子が提供される。
また、本発明の他の一態様によれば、第１及び第２の主面を有し、第１の波長帯の光に対する透光性を有する基板と、前記第１の主面の上に設けられ、前記第１の波長帯の光を放出する発光層を含む半導体積層体と、を備え、前記基板は、前記第１及び第２の主面よりも、前記第１の主面と前記第２の主面との間における断面のほうが実質的に小さくなるように、その側面に凹部が設けられ、前記凹部は、前記発光層から放出された前記第１の波長帯の光の一部を直接放射することが可能であり、かつ、前記発光層から放出され、前記第２の主面で反射された前記第１の波長帯の光の一部を直接放射することが可能な曲面により形成されてなり、前記凹部は、前記第１の主面及び前記第２の主面に対して平行に延び、前記凹部は、前記基板の周囲全体に設けられ、前記第１の主面と前記第２の主面とは面積がほぼ同一であることを特徴とする半導体発光素子が提供される。

本発明によれば、光外部取り出し効率の改善された信頼性の高い半導体発光素子及び半導体発光素子の製造方法が提供される。

以下、図面を参照しつつ発明の実施の形態について説明する。

図１及び図２は、本発明の第１の実施の形態にかかる半導体発光素子を例示する模式図である。すなわち、図１は、本実施形態にかかる半導体発光素子を斜め上方からみた模式斜視図である。また、図２は、本実施形態にかかる半導体発光素子の断面構造を例示する模式図である。

本実施形態の半導体発光素子７０は、半導体発光素子７０からの放射光に対して透明な基板１０（本明細書において、「透明」とは、発光層からの光に対して全く吸収を生じない場合のみならず、吸収は生ずるが一部の光は透過するものも含むものとする）上に、活性層１４（すなわち発光層）を含む半導体積層体１９が形成された構造を有する。半導体積層体１９の上部には、上部電極２０が設けられている。一方、透明基板１０の下部には、図２に例示したように、下部電極２２が設けられている。なお、図１においては、透明基板１０の下に下部電極２２が隠れているため、図示されていない。

また、半導体積層体１９は、例えば第１クラッド層１２の上に活性層１４、第２クラッド層１６、電流拡散層１８がこの順に積層された構造を有する。

本実施形態にかかる半導体発光素子７０の透明基板１０の側面には、凹部２８が形成されている。この凹部２８は、透明基板１０の上下の主面よりも、これら上下の主面の間における断面のほうが実質的に小さくなるように、設けられている。図１及び図２に表した具体例において、凹部２８は、斜め下向きの第１平面２４と、斜め上向きの第２平面２６と、で構成されている。活性層１４から放射された光のうち、下方の透明基板１０に向かう光の一部は、透明基板１０の側面から外部に放射される。このとき、側面には、凹部２８が形成されているので、この凹部２８を通過して活性層１４からの放射光の多くが外部に取り出されることになる。このような凹部２８を設けることにより、後に詳述するように、光の取り出し効率を改善することができる。

次に、本具体例の半導体発光素子の構成要素について、より具体的に説明する。
透明基板１０としては、例えば、ｎ型ＧａＰ材料からなるものが選ばれる。また第１クラッド層１２としてはｎ型ＩｎＡｌＰ膜、活性層１４としてはＩｎＧａＡｌＰ膜、第２クラッド層１６としてはｐ型ＩｎＡｌＰ膜、電流拡散層１８としてはｐ型ＧａＰ膜などが選ばれ、半導体積層体１９が構成される。電流拡散層１８上部の一部には、ｐ側となる上部電極２０（Ａｕ及びＡｕ合金などの材料）が形成され、透明基板１０の下面側の一部には、ｎ側となる下部電極２２（Ａｕ及びＡｕ合金などの材料）が形成される。下部電極２２は、例えば、パッケージのリードの上に、ＡｕＳｎ半田や銀ペーストなどを用いてマウントされる。

なお、半導体積層体１９と透明基板１０は、ウェーハ接着工程などにより接着することができるが、この場合、ＧａＰなどからなる接着層を中間に設けるとよい。また、電流拡散層１８と上部電極２０との間にコンタクト層を設けて、接触抵抗をさらに低減することも出来る。
ＩｎＧａＡｌＰ活性層１４からは、可視光が放射されるが、ＧａＰ基板中における可視光の光吸収は２０％以下と小さいので、ＧａＡｓ基板と比較すると、より高い光外部取り出し効率が得られる。

ここで、具体例として、Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ（但し、（ｘ＋ｙ）≦１、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）系材料を用いた場合を挙げたが、それ以外にも、例えば、Ｉｎ_ｚＧａ_ｗＡｌ_{１−ｚ−ｗ}Ｎ（但し、（ｚ＋ｗ）≦１、０≦ｚ≦１，０≦ｗ≦１）系材料などを用いてもよい。また透明基板としては、サファイヤなどを用いることもできる。

次に、図２を参照しつつ、活性層１４内のＰ１点からの放射光を一例として、凹部２８の作用を説明する。同図において、矢印Ｌ５及びＬ６は、活性層１４から上方（すなわち光取り出し側）に直接放射される光を表す。

発光点Ｐ１からの光Ｌ１は、下部電極２２で反射されて第２平面２６に入射する。光Ｌ１の入射角が臨界角θｃ以下のとき、第２平面２６で反射されずに放射光となる。

また、第１平面２４に入射する光Ｌ２は、入射角が臨界角θｃ以下であれば、直接放射光となる。ここで、「直接放射光」とは、活性層１４から、透明基板１０を通過して直接外部に放射される光を意味する。すなわち、透明基板１０の側面、下面、下部電極２２などによりチップ内で反射を生じることなく、直接外部に放射されることを意味する。直接放射が生ずる領域を直接放射領域８２と呼ぶこととし、ドットを付して例示した。同様に、第１平面２４と半導体積層体１９との間において、光Ｌ３で代表されるように、直接放射光が得られる直接放射領域８４をドットを付して例示した。なお、下部電極２２の近傍においては、電極金属２２と透明基板１０とのアロイ化により、反射率がやや低下するが、試作結果によれば、約５０％程度の反射率が得られた。また、透明基板１０がＧａＰ（屈折率約３．３）材料であり、半導体発光素子７０がエポキシ樹脂（屈折率約１．５）により充填されているとき、臨界角θｃは約２７度となる。

一方、発光点Ｐ１から放射され、下部電極２２において反射された光Ｌ４は、他の凹部２８の第２平面２６から放射される。凹部２８の深さＤ１を大きくすると、透明基板１０の下面で反射された後、外部に放射される（例えば光Ｌ１）光は減るものの、凹部２８から直接放射される光（例えば光Ｌ２）は増加する。凹部２８の深さＤ１は、光外部取り出し効率が全体的に高くなり、かつチップの機械的強度が維持されるように、適正に決めることが出来る。一例として、透明基板１０の一辺の長さが１５０〜１０００マイクロメータの場合、Ｄ１は２〜１００マイクロメータの範囲であることが好ましい。構造パラメータとしては、活性層１４の大きさ、活性層１４と基板との距離、基板厚みなどが関係するので、シミュレーションまたは実験により、凹部２８形状（深さＤ１を含む）を決めるのが望ましい。また、本発明者の試作結果によれば、第１平面２４が水平面となす角度θ１は、１０〜８０度が好ましい。一方、第２平面２６と水平面がなす角度θ２は、１０〜８０度が好ましい。

次に、本発明者が検討した比較例との対比により、本実施形態における凹部２８の作用を、より詳細に説明する。
図３は、比較例の半導体発光素子７０の模式断面図である。同図については、図１及び図２に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。すなわち、本比較例の透明基板１０の側面は、下部電極２２に対して垂直な４つの平面により構成される。

透明基板１０がＧａＰ材料であり、半導体発光素子７０がエポキシ系樹脂中に封止されている場合、臨界角θｃは約２７度である。図３において、光Ｈ５及び光Ｈ６は活性層１４からの直接放射光を表す。

垂直側面３０への入射角が臨界角θｃ以下となる直接放射領域８８においては、点Ｐ２からの光Ｈ３が直接外部に放射される。一方、光Ｈ１は、下部電極２２で反射された後、垂直側面３０に入射する。この場合、入射角が臨界角θｃ以上であれば、図３に例示したように、垂直側面３０において、全反射される。このあと、多重反射を繰り返して光路長が大きくなることや、活性層１４に入射して光吸収が増加することにより、外部に取り出せる光は減少する。一方、光Ｈ１と対比される第１の実施形態における光Ｌ１は、凹部２８から放射されている。

また、発光点Ｐ２から、垂直側面３０に臨界角以上で入射した光Ｈ７は、全反射されたのち、下部電極２２で更に反射される（２重反射）。もし、活性層１４に戻ることになれば、活性層１４における吸収により取り出せる光が減少する。臨界角θｃ以上ではあるが、入射角がＨ７より小さいＨ２の光は、垂直側面３０で全反射後、さらに下部電極２２において、反射され、他の垂直側面３０に入射する。そして、臨界角θｃ以下の場合、図３に例示したごとく、外部に放射される。この場合、内部で２重反射をしており、特に下部電極２２における反射により光吸収が生じている。一方、光Ｈ２にほぼ対比される、第１の実施形態における光Ｌ２は、２重反射することなく、直接放射光である。

さらに、光Ｈ４は下部電極２２により反射後、垂直側面３０において再度全反射されチップ内部に向かう。この結果、一部の光は外部に取り出すのが困難となる。一方、光Ｈ４に対比される第１の実施形態における光Ｌ４は、下部電極２２において１度反射されるものの、凹部２８から、外部に放射されている。

一般に、半導体発光素子における光学的損失の原因としては、活性層における再吸収、電極領域におけるアロイ層により生じる吸収、ドーピング領域における自由キャリア吸収を含む結晶内吸収などがある。従って、内部反射することのない直接放射光は損失が小さいのに対して、反射を生じると上述のように損失が増加する。すなわち、多重反射の場合には、光路長が長くなることも加わり、上記原因により光外部取り出し効率が低下する。

また、内部反射が多いと、光の放射方向が光取り出し側とは異なってくるために、最終的にパッケージに実装した半導体発光装置の外部に光を有効に取り出せない場合が多い。

以上説明したように、図３に例示した比較例においては、素子の側面において、全反射を生じる領域が広い。これに対して、第１の実施の形態においては、例えば深さＤ１が２マイクロメータ以上の凹部２８を形成することで、素子の側面において、全反射を生じる領域を低減できる。このため、直接放射光を増加させることができる。また、半導体発光素子内部における多重反射回数を低減できるので、光吸収を低減できる。この結果、後述する表面実装型パッケージを用いた半導体発光装置において、図３に例示した比較例の半導体発光素子を用いた場合と比較して、１．４〜１．７倍の光外部取り出し効率が得られる。また、側面の傾斜は深さＤ１の凹部２８に限定して設けられているために、チップサイズの増大なしに、光外部取り出し効率の改善が可能となる。言い換えると、１ウェーハあたりのチップ総数を、矩形型チップと同様に維持しつつ、光取り出し効率が改善できる。

さらに、本実施形態によれば、半導体発光素子の上下面積をほぼ同一にできる点でも有利な作用効果が得られる。

すなわち、比較例として特許文献１に開示されている発光ダイオードチップの場合、光取り出し効率を改善するために側面を傾斜させた角錐台形状をとされている。しかし、この比較例の構造においては、傾斜した側面の上方に設けられる水平面の面積は、側面の下方の底面の面積より小さい。接触抵抗の上昇を防ぐためには、上面に設けられる電極面積には下限があるので、同一の光出力を得るためのチップサイズは、上下が同面積の構造と比較して大きくなる。この結果、１ウェーハあたり得られるチップ総数が減少する問題が生じる。また、仮に、このような比較例のチップを上下反対にマウントした場合には、マウント面の面積が、素子の上面の面積よりも小さくなる。つまり、接着面積が小さくなることにより接着強度や物理的な安定性が低下する。

これに対して、本実施の形態にかかる半導体発光素子は、素子の上下の主面の面積がほぼ同一であるために、ウェーハあたり得られるチップ数が減ることはなく、また安定して確実に接着できるメリットがある。この結果、傾斜側面を有するにもかかわらず、熱的および機械的に優れた構造にでき、より高い信頼性が得られる。

次に、第２の実施の形態にかかる半導体発光素子について説明する。

図４は、第２の実施の形態にかかる半導体発光素子７０の模式断面図である。同図については、図１及び図２に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。

本実施形態においては、透明基板１０の側面が、曲面状の凹部３２を有する。この凹部３２も、透明基板１０の上下の主面よりも、これら上下の主面の間における断面のほうが実質的に小さくなるように、設けられている。曲面状の凹部３２は、図４に示した断面が外部に向かって凹である曲線で構成される。具体例として、半楕円柱曲面および半円柱曲面などがある。この場合も、例えば、透明基板１０はｎ型ＧａＰ材料とし、半導体発光素子７０は、エポキシ樹脂中に封止されたものとすることができる。

活性層１４中の発光点Ｐ３からの光Ｇ５及びＧ６は、活性層１４からの直接放射光である。発光点Ｐ３からの光Ｇ１は、下部電極２２で反射後、凹部３２より外部に放射される。また、凹部３２において、入射光が凹部３２に入射された点に接する面への入射角が臨界角θｃより小さい、ドットで表された直接放射領域９２においては、光Ｇ２のように外部に直接放射される。また、凹部３２と、半導体積層体１９との間の、ドットで表された直接放射領域９４においては、臨界角θｃ以下ならば光Ｇ３が外部に直接放射される。

また、発光点Ｐ３からの光Ｇ４は、下部電極２２において反射された後、他の凹部３２から外部に放射される。図４に表される曲面状凹部３２の作用は、第１の実施の形態の平面状凹部２８とほぼ同様に理解される。

第２の実施の形態においても、活性層１４からの光を反射なく外部に直接取り出せる領域（ドットで例示された領域９２及び９４）を拡大できる。また、下部電極２２において反射した光（例えば、Ｇ４）についても、多重反射回数を減少できる。この結果、比較例の１．４〜１．７倍の光外部取り出し効率が得られる。また、第１の実施の形態と同様に、チップサイズの増大なしに、光取り出し効率の改善が可能となる。またさらに、第２の実施の形態においては、凹部３２が曲面により構成されている。この結果、光の放射角度を連続的に変化できるので、半導体発光装置としての指向特性を滑らかに変化させることが可能となる。
なお、透明基板１０の一辺の長さが１５０〜１０００マイクロメータの場合、凹部３２の深さＤ２は２〜１００マイクロメータの範囲であることが好ましい。

次に、第２の実施の形態にかかる半導体発光素子の製造方法について説明する。
図５乃至図１０は、本実施形態の半導体発光素子の製造方法を表す工程断面図である。

図５は、ウェーハ工程が終了した状態の模式断面図である。活性層１４（すなわち、発光層）を含んだ半導体積層体１９は、透明基板１０上に結晶成長されるか接着されている。ついで、半導体積層体１９の上面と透明基板１０の下面に、上部電極２０及び下部電極２２をそれぞれパターン形成する。さらに、半導体積層体１９の一部を、ウェットエッチングまたはＲＩＥ（Reactive Ion Etching）などによりエッチングして素子ごとに分離して、ウェーハ工程が終了する。

次に、半導体積層体１９及び上部電極２０をレジストなどのマスク材４０で覆う。このあと、例えば、フェムト秒レーザのような、短パルス駆動高出力レーザのビーム４６を３次元的に走査する。
図６は、凹部とすべき領域を３次元的に走査することにより、透明基板１０に、第１改質層４４が形成された状態を表す模式断面図である。半導体発光素子７０における透明基板１０の一辺の長さが１５０〜１０００マイクロメータの場合、第１改質層４４は、その上下長が２〜１５０マイクロメータで、水平方向幅が４〜２００マイクロメータとなる範囲内で選ぶことが出来る。

図１１は、改質層４４を形成するプロセスをさらに詳しく表した模式図である。
すなわち、基板１０に対して略透明な波長帯のレーザ光を光学系５５により収束させてビーム４６を形成し、その焦点を基板１０の内部に合わせる。すると、「多光子吸収」というレーザ光の強度を非常に大きくした場合に生ずる光学的な損傷現象が生ずる。

すなわち、一般に、透明材料においても、高エネルギーを有するレーザビームが照射されると、多光子吸収現象が生じて、結晶内部の結合が弱くなったり、屈折率変化を生じるなど、内部構造に変化を生じる。その結果として、高エネルギーを有するレーザビームの焦点４６Ｆにおいては、透明基板内の結晶の結合が脆弱となった状態が形成される。

透明基板１０に対してレーザビーム４６を、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向に対して３次元的に走査することにより、レーザビームの焦点４６Ｆを透明基板１０の中で移動させ、所望の領域において光学的損傷を生じさせて第１改質層４４を形成することができる。

第１改質層４４を形成したら、その次に、図７に例示したように、チップ分離のためのダイシングラインとなる領域に、同様にビーム４６を３次元的に走査し、第２改質層４８を形成する。この時も、収束させたレーザビームを基板１０に順次照射することにより、光学的損傷を生じさせて第２改質層４８を形成することができる。
第２改質層４８は透明基板１０をほぼ貫通して形成され、その幅は１〜５０マイクロメータの範囲で選ぶことが出来るので、ブレードダイシングプロセスによるよりもダイシング幅を小さく出来る。

その後、図８に例示したように、粘着テープ５０をウェーハ裏面に貼り付けたのち、粘着テープ５０を引き伸ばす。第２改質層４８は、脆弱になっているために、引き伸ばしによって、ウェーハが各半導体発光素子７０に分離される。

このとき基板１０の側面に露出した第１改質層４４は、第２改質層４８と同様に脆弱となっており、エッチング速度が他より速い。従って、例えば塩酸、硫酸、フッ酸などを含む薬液またはこれに過酸化水素などを添加した混合液を用いたウェットエッチング処理により、改質層４４、４８を選択的に除去でき、凹部３２を形成できる。

なお、ウェット処理によらず、ＣＤＥ（Chemical Dry Etching）などのドライエッチング法を用いても、凹部３２の形成は可能である。

また、レーザビーム走査による改質層形成を行うことなく、ＲＩＥを用いたボーイングプロセスを用いても、曲面状の凹部３２を形成することは可能である。しかし、改質層４４がない場合には、凹部３２の断面形状をボーイングプロセスにおいて生ずる化学反応により制御するため、形状制御がやや困難である。

最後に、図１０に例示したように、マスク材４０を剥離し、その後、粘着テープ５０を除去すると、半導体発光素子７０が得られる。

以上、図６〜図１０に例示した工程においては、マスク材４０は、半導体積層体１９を覆うように設けられ、粘着テープ５０は、透明基板１０の反対側に貼り付けられている。これとは逆に、粘着テープ５０が半導体積層体１９を覆うように貼り付けられ、マスク材４０が透明基板１０の反対側に設けられてもよい。この場合、レーザビーム４６は、半導体積層体１９の反対側から照射される。

本実施形態の製造方法によれば、ウェーハ状態のまま、凹部とすべき領域をレーザビームにて走査できる。この結果、所望の形状の凹部３２を、制御性よく、かつ生産性よく形成できる。また、レーザビーム４６の走査を制御することにより、図１に例示した第１実施形態の半導体発光素子７０の凹部２８も同様に形成することができる。

次に、本発明の第３の実施の形態にかかる半導体発光素子について説明する。
図１２は、第３の実施の形態にかかる半導体発光素子７０を表す模式断面図である。同図については、図２に例示した半導体発光素子と同様の要素には同一の番号を付して、詳細な説明は省略する。
第３の実施形態においては、凹部２８の表面に微小な凹凸からなる粗面６０が設けられている。すなわち、図１２において、第１平面２４及び第２平面２６のうちの少なくともいずれかの平面の、少なくとも一部に高低差Ｔを有する凹凸からなる粗面６０が設けられている。粗面６０の一例を、図１２中において、部分的に拡大して例示した。ここで、高低差Ｔの上限について補足する。凹部２８の深さＤ１より小さければ、凹凸が形成可能であるのでこれを上限とする。

図１２において、発光点Ｐ４から放射される光のうち、第１平面２４に対する入射角が臨界角θｃ以下の領域をドットで表した。第１平面２４上に粗面６０が設けられない場合には、この領域内においては、光Ｍ２のように全反射することなく直接放射される。一方、臨界角θｃ以上の角度で入射する光は、全反射により、半導体発光素子７０の内部に戻る。しかし、第１平面２４に粗面６０が設けられていると、入射角を変化させることが出来る。この結果、粗面６０が無い場合には内部へ戻っていた光の一部を、直接放射により外部に取り出せるので、光取り出し効率をさらに改善できる。

同様に、第２平面２６に粗面６０を設けることにより、発光点Ｐ４より放射された光Ｍ１のうち、全反射される光を減らすことができる。さらに、このような粗面６０が凹部２８以外の透明基板１０表面にも設けられてよいことは勿論である。
次に、粗面６０の形成方法について説明する。
例えば、図９に例示した凹部３２の形成後、粘着テープ５０に貼り付けた状態で、室温〜摂氏約７０度のＨＦ（フッ酸）中に数分〜十数分浸して揺動する（フロスト処理）ことにより、粗面６０を形成できる。あるいは、フッ素を含むガスまたは溶液を用いても粗面６０を形成できる。これらの方法によって形成された粗面６０の凹凸は、その高低差Ｔが数ナノメータ〜数マイクロメータ程度となり、平面状の凹部２８の深さＤ１や曲面状凹部３２の深さＤ２と比べてより小さくできて、入射角を多様に変化させることが出来る。例えば、ＧａＰ基板をフッ酸でエッチングした場合、幅及び高さが概ね１マイクロメータ前後の角錐状の凹凸からなる粗面６０が形成される。このような角錐の集合体からなる粗面６０により、光の取り出し効果を高くできる。
第３の実施の形態においては、第１の実施の形態及び第２の実施の形態の凹部による光取り出し効率改善に、上記のような微小な粗面６０による光取り出し効率改善が加わる。

次に、本発明の第４の実施の形態にかかる半導体発光素子について説明する。

図１３は、本具体例の半導体発光素子７０を表わす模式断面図である、透明基板としてサファイヤ基板５１が用いられた窒化ガリウム系発光素子である。サファイヤ基板５１の上に、ＧａＮバッファ層５２、ｎ型ＧａＮ層５３、ｎ型ＧａＮガイド層５４、活性層５５、ｐ型ＧａＮガイド層５６、及びｐ型ＧａＮ層５８が、この順序で、例えばＭＯＣＶＤ法により成長される。ｐ型電極１２０がｐ型ＧａＮ層５８の上に、ｎ型電極１２２がｎ型ＧａＮ層５３の上にそれぞれ形成される。さらに、サファイヤ基板５１の下面には、活性層からの放射光を反射するリフレクタ１２４が設けられる。サファイヤ基板５１の側面には、第１〜第３の実施の形態と同様なプロセスを用いて、凹部２８が形成される。本具体例においては、半導体発光素子の駆動電流Ｊは、ｐ型電極１２０とｎ型電極１２２の間に流れるので、サファイヤ基板５１には流れない。

図１３において、発光点Ｐ５から放射される光のうち、第１平面２４に対する入射角が臨界角θｃ以下の光Ｑ２が直接外部へ放射される。また、リフレクタ１２４で反射された光Ｑ１は、第２平面２６から外部へ放射される。この結果、チップサイズの増大なしに、光取り出し効率の改善が可能となる。

次に、第１〜第４の実施の形態にかかる半導体発光素子を用いた半導体発光装置について説明する。
図１４は、第１の実施の形態にかかる半導体発光装置の模式断面図である。
半導体発光素子７０としては、例えば第１〜第３の実施の形態にかかる半導体発光素子７０が用いられる。図１３は、第１の実施の形態にかかる半導体発光素子７０が用いられた場合を例示する。第１リード１００及び、対向する第２リード１０４が、樹脂１０２及び樹脂１１０に、埋め込まれている。半導体発光素子７０は、第１リード１００の上に、例えば、ＡｕＳｎ半田または銀ペーストなど（図示せず）により接着されている。半導体発光素子７０上に設けられた上部電極２０と、第２リード１０４とは、Ａｕ線のようなボンディングワイヤ１０５で接続されている。半導体発光素子７０及びボンディングワイヤ１０５はエポキシ系樹脂やシリコーン樹脂のような封止樹脂１０６で封止されている。樹脂１１０と封止樹脂１０６との界面には、リフレクタ１０８が形成されている。この構造は、表面実装型（ＳＭＤ：Surface Mount Device）とよばれ、実装基板に高密度実装が可能である。

半導体発光素子７０の上面から、光Ｎ１及び光Ｎ２がほぼ上方に放射される。半導体発光素子７０の凹部２８の第１平面２４から放射される光Ｎ３は、リフレクタ１０８で反射された後、封止樹脂１０６と空気界面で屈折されて放射される。また、第２平面２６からの光Ｎ４も、リフレクタ１０８で反射された後、封止樹脂１０６と空気界面で屈折されて放射される。凹部が図４に例示したような曲面状であっても同様である。なお、リフレクタ１０８は、例えば樹脂１１０の表面にアルミニウムのような反射率の高い金属を被着することにより設けられる。上記半導体発光装置における光外部取り出し効率は、図３に例示した比較例の半導体発光素子７０を用いた半導体発光装置と比較して、１．４〜１．７倍となる。

以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明はこれらの具体例に限定されるものではない。

例えば、本発明の半導体発光素子および半導体発光装置を構成する半導体積層体、側面凹部、微小凹凸、パッケージをはじめとする各要素の構造、材料、形状、厚み、配置関係については、公知の半導体発光素子および半導体発光装置をもとに当業者が適宜適用したものも包含する。

本発明の第１の実施の形態にかかる半導体発光素子を斜め上からみた模式斜視図である。本発明の第１の実施の形態にかかる半導体発光素子の模式断面図である。比較例の半導体発光素子の模式断面図である。本発明の第２の実施の形態にかかる半導体発光素子の模式断面図である。本発明の第２の実施の形態にかかる半導体発光素子の製造工程を表す工程断面図である。本発明の第２の実施の形態にかかる半導体発光素子の製造工程を表す工程断面図である。本発明の第２の実施の形態にかかる半導体発光素子の製造工程を表す工程断面図である。本発明の第２の実施の形態にかかる半導体発光素子の製造工程を表す工程断面図である。本発明の第２の実施の形態にかかる半導体発光素子の製造工程を表す工程断面図である。本発明の第２の実施の形態にかかる半導体発光素子の製造工程を表す工程断面図である。改質層４４を形成するプロセスをさらに詳しく表した模式図である。本発明の第３の実施の形態にかかる半導体発光素子の模式断面図である。本発明の第４の実施の形態にかかる半導体発光素子の模式断面図である。本発明の第１の実施の形態にかかる半導体発光素子を用いた半導体発光装置の模式断面図である。

符号の説明

１０透明基板
１９半導体積層体
２８、３２凹部
７０半導体発光素子

Claims

第１及び第２の主面を有し、第１の波長帯の光に対する透光性を有する基板と、
前記第１の主面の上に設けられ、前記第１の波長帯の光を放出する発光層を含む半導体積層体と、
を備え、
前記基板は、前記第１及び第２の主面よりも、前記第１の主面と前記第２の主面との間における断面のほうが実質的に小さくなるように、その側面に凹部が設けられ、
前記凹部は、斜め下方を向き、前記発光層から放出された前記第１の波長帯の光の一部を直接放射することが可能な第１の平面と、斜め上方を向き、前記発光層から放出され、前記第２の主面で反射された前記第１の波長帯の光の一部を直接放射することが可能な第２の平面と、の組合せにより形成されてなり、
前記凹部は、前記第１の主面及び前記第２の主面に対して平行に延び、
前記凹部は、前記基板の周囲全体に設けられ、
前記第１の主面と前記第２の主面とは面積がほぼ同一であることを特徴とする半導体発光素子。
第１及び第２の主面を有し、第１の波長帯の光に対する透光性を有する基板と、
前記第１の主面の上に設けられ、前記第１の波長帯の光を放出する発光層を含む半導体積層体と、
を備え、
前記基板は、前記第１及び第２の主面よりも、前記第１の主面と前記第２の主面との間における断面のほうが実質的に小さくなるように、その側面に凹部が設けられ、
前記凹部は、前記発光層から放出された前記第１の波長帯の光の一部を直接放射することが可能であり、かつ、前記発光層から放出され、前記第２の主面で反射された前記第１の波長帯の光の一部を直接放射することが可能な曲面により形成されてなり、
前記凹部は、前記第１の主面及び前記第２の主面に対して平行に延び、
前記凹部は、前記基板の周囲全体に設けられ、
前記第１の主面と前記第２の主面とは面積がほぼ同一であることを特徴とする半導体発光素子。
前記凹部の最も凹んでいる部分が、前記発光層の真下にまで達していることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体発光素子。
前記凹部の少なくとも一部に粗面が設けられてなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の半導体発光素子。