JP5204352B1 - 窒化物系半導体発光素子 - Google Patents
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Abstract
成長面がｍ面であり、ＧａＮ系半導体から形成されている活性層（２０２）と、活性層（２０２）からの光を放射する少なくとも一つの放射面とを有する窒化物系半導体発光素子（２２０）であって、放射面は、ｍ面に複数の凸部（３０３）が設けられた面であり、放射面において、複数の凸部（３０３）のそれぞれの底面は閉曲線内の領域であり、底面Ｂの形状は、閉曲線上において最も離れた位置に位置する２つの点を結ぶ線分である長軸Ａｘと、長軸Ａｘの中心を通り、長軸と直行する線分である短軸とを有し、長軸Ａｘと結晶のａ軸の延びる方向とがなす角度が４５度以内である。
Description
本願は、窒化物系半導体発光素子に関する。特に、ｍ面を主面とした半導体発光素子に関する。
Ｖ族元素として窒素（Ｎ）を有する窒化物半導体は、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（ＧａＮ系半導体）の研究は盛んに行われ、青色発光ダイオード（ＬＥＤ）、緑色ＬＥＤ、ならびにＧａＮ系半導体を材料とする半導体レーザも実用化されている。
ＧａＮ系半導体は、ウルツ鉱型結晶構造を有している。図１は、ＧａＮの単格子を模式的に示している。ＡｌxＧａyＩｎzＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１，ｘ≧０，ｙ≧０，ｚ≧０）半導体の結晶では、図１に示すＧａの一部がＡｌおよび／またはＩｎに置換され得る。
図２は、ウルツ鉱型結晶構造の面を４指標表記（六方晶指数）で表すために一般的に用いられている４つのベクトルａ１、ａ２、ａ３、ｃを示している。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。なお、「ｃ軸」および「ｃ面」は、それぞれ、「Ｃ軸」および「Ｃ面」と表記される場合もある。
ＧａＮ系半導体を用いて半導体素子を製作する場合、ＧａＮ系半導体結晶を成長させる基板として、一般的に、ｃ面すなわち（０００１）面を主面とする基板が使用される。しかしながら、ｃ面においてはＧａの原子層と窒素の原子層の位置がｃ軸方向に僅かにずれているため、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、活性層におけるＩｎＧａＮの量子井戸方向にはｃ軸方向に沿ってピエゾ電界が発生する。このようなピエゾ電界が活生層に発生すると、キャリアの量子閉じ込めシュタルク効果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、内部量子効率が低下する。このため、半導体レーザであれば、しきい値電流の増大が引き起こされる。ＬＥＤであれば、消費電力の増大や発光効率の低下が引き起こされる。また、注入キャリア密度の上昇と共にピエゾ電界のスクリーニングが起こり、発光波長の変化も生じる。
そこで、これらの課題を解決するため、非極性面、例えば［１０−１０］方向に垂直な、ｍ面と呼ばれる（１０−１０）面を主面に有する基板を使用することが検討されている。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」を意味する。ｍ面は、図２に示されるように、ｃ軸（基本ベクトルｃ）に平行な面であり、ｃ面と直交している。ｍ面においてはＧａ原子と窒素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。その結果、ｍ面に垂直な方向に半導体積層構造を形成すれば、活性層にピエゾ電界も発生しないため、上記課題を解決することができる。
ｍ面は、（１０−１０）面、（−１０１０）面、（１−１００）面、（−１１００）面、（０１−１０）面、（０−１１０）面の総称である。なお、本明細書において、「Ｘ面成長」とは、六方晶ウルツ鉱構造のＸ面（Ｘ＝ｃ、ｍなど）に垂直な方向にエピタキシャル成長が生じることを意味するものとする。Ｘ面成長において、Ｘ面を「成長面」と称する場合がある。また、Ｘ面成長によって形成された半導体の層を「Ｘ面半導体層」と称する場合がある。
よって、例えばこのような非極性面を有する基板を使用して作製したＬＥＤは、従来のｃ面上の素子に比べて発光効率の向上が実現できる。
さらに、非特許文献１などに開示されているように、ｍ面上に形成された活性層を用いたＬＥＤは、その価電子帯の構造に由来した独自の発光特性を有している。発光層のｍ面ＩｎＧａＮのバンド構造は格子不整合による歪みを有する。この歪みにより価電子帯が***する。***した価電子帯のうち、エネルギーが最も高い価電子帯の軌道がｐxに似た軌道であるために、ａ軸方向に偏光した光が放射される。この偏光光は液晶のバックライトなどに活用することでエネルギー効率を大きく高めることができる可能性を持っている。
また、従来のｃ面ＬＥＤの光取り出し効率を高めるために、例えば、成長基板裏面に対してウェットエッチングを行うことにより凹凸部を形成する製造方法が提案されている（特許文献１）。
また、透明な構造体部分の大きさに関して、横方向の大きさと厚さ方向の大きさとの比（アスペクト比）が５以上であり、かつ発光素子チップの表面もしくは該透明な構造体部分の内部に、光散乱機能を有する構造が提案されている（特許文献２）。
また、基板上に窒化ガリウム系化合物半導体が積層された発光素子において、光取出し面が透光性膜からなり、該透光性膜の表面が該基板面に対して傾斜した平面で構成される凹凸を有していることを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体発光素子が提案されている（特許文献３）。
また、透光性無機部材と蛍光体とから構成され、第一の層と、第二の層と、その第二の層よりも屈折率が小さい第三の層とが積層されてなり、第一の層は、砲弾型のレンズ形状を有するドットの集合体として、前記発光素子に配置されていることを特徴とする発光装置が提案されている（特許文献４）。
ＡＰＰＬＩＥＤ ＰＨＹＳＩＣＳ ＬＥＴＴＥＲＳ ９２ （２００８） ０９１１０５
しかしながら、上述した従来の技術では、さらなる配光分布の改善が求められていた。本願の、限定的ではない例示的なある実施形態は、成長面がｍ面である発光層を有する窒化物系半導体発光素子の配光分布を改善することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明の一態様は、成長面がｍ面であり、ＧａＮ系半導体から形成されている発光層と、前記発光層からの光を放射する少なくとも一つの放射面とを有する窒化物系半導体発光素子であって、前記放射面は、ｍ面に複数の凸部が設けられた面であり、前記放射面において、前記複数の凸部のそれぞれの底面は閉曲線内の領域であり、前記底面の形状は、前記閉曲線上において最も離れた位置に位置する２つの点を結ぶ線分である長軸と、前記長軸の中心を通り、前記長軸と直交する線分である短軸とを有し、前記長軸と結晶のａ軸の延びる方向とがなす角度が４５度以内である。
本発明の一態様にかかる窒化物系半導体発光素子によれば、主面がｍ面である発光層からの光の配光特性がランバーシアンに近づき、配光特性を改善することができる。
まず、本発明の基礎となった一つの着眼点について説明する。
発明者は、主面がｍ面である発光層を有する窒化物系半導体発光素子は、配光分布に特異な偏りが存在し、この配光分布は、主面がｃ面である発光層を有する従来の窒化物系半導体発光素子の配光分布と大きく異なるということを発見した。
この配光分布の偏りは上述した偏光光を発するメカニズムと同じ原理で生じている。発光は半導体中の正孔と電子の結合により生じる。これは、光学的には、電気双極子の振動運動として理解することができる。Ｍ面の場合は、この振動運動が荷電子帯の軌道の***により、ａ軸方向に限定される。したがって、ａ軸方向に偏光した光を放つ。
図３は、この電気双極子の振動運動による発光の分布を表したものである。電気双極子の振動方向の発光強度に比べ、振動方向と垂直な方向の発光強度が強くなる。したがって、主面がｍ面である発光層からの光は、空間に均一に広がるものではなく、ａ軸方向に弱く、ａ軸と垂直な方向に強い強度分布となる。この強度分布は、発光層から他の半導体層を通ってチップの外に出る光にも当然影響を与え、チップの配光分布も偏ったものとなる。
この配光分布はｍ面ＬＥＤを用いた機器の設計を困難にする。何故なら、通常のｃ面ＬＥＤの配光分布は、ｍ面ＬＥＤの配光分布と大きく異なるからである。ｃ面ＬＥＤは、一般的に等方的な発光強度分布を持つ点光源とみなすことができ、その配光分布はいわゆるランバーシアン形状になる。また、多少はずれることがあっても、後のレンズ設計を考慮してランバーシアン形状に合わせやすい。したがって、ｃ面ＬＥＤを用いた機器の設計者は、配光分布がランバーシアンであることを前提に設計を行っている。一方、ｍ面ＬＥＤは、ランバーシアンと異なる配光分布を持つ。したがって、ｃ面ＬＥＤに代えてｍ面ＬＥＤを用いる場合、設計をやり直さなければいけない。
前述した特許文献１は、ｃ面ＬＥＤの配光分布を改善するが、ｍ面ＬＥＤの発光原理に基づいた特異な発光分布を適切に改善することはできない。何故なら、軸方向によって異なる配光分布の存在を考慮していないからである。すなわち、このｃ軸やｍ軸方向に強くａ軸方向に弱いという配光分布を考慮すること無しにこの課題を解決することはできない。
そのような状況の下、発明者は、主面がｍ面である発光層を有する窒化物系半導体発光素子の配光分布を改善する手段を見出した。
本発明の一態様の概要は以下のとおりである。
（１）本発明の一態様の窒化物系半導体発光素子は、成長面がｍ面であり、ＧａＮ系半導体から形成されている発光層と、前記発光層からの光を放射する少なくとも一つの放射面とを有する窒化物系半導体発光素子であって、前記放射面は、ｍ面に複数の凸部が設けられた面であり、前記放射面において、前記複数の凸部のそれぞれの底面は閉曲線内の領域であり、前記底面の形状は、前記閉曲線上において最も離れた位置に位置する２つの点を結ぶ線分である長軸と、前記長軸の中心を通り、前記長軸と直交する線分である短軸とを有し、前記長軸と結晶のａ軸の延びる方向とがなす角度が４５度以内である。
本発明の一態様の窒化物系半導体発光素子によると、主面がｍ面である発光層からの光の配光特性がランバーシアンに近づき、配光特性を改善することができる。
（２）前記（１）において、前記閉曲線は凸閉曲線であってもよい。
（３）前記（１）または（２）において、前記長軸と前記閉曲線が交わる２つの点を点ｘ１および点ｘ２とし、前記短軸と前記閉曲線が交わる２つの点を点ｙ１および点ｙ２とした場合、前記点ｘ１、ｘ２のそれぞれを通り、前記短軸と平行な２つの直線と、前記点ｙ１、ｙ２のそれぞれを通り、前記長軸と平行な２つの直線とを辺に有する長方形内に、前記閉曲線が配置されていてもよい。
（４）前記（１）または（２）において、前記凸部は頂部を有し、前記凸部の表面は、前記底面から前記頂部に向う方向に突出した曲面であってもよい。
（５）前記（１）から（４）のいずれかにおいて、前記閉曲線は楕円であってもよい。
（６）前記（１）から（５）のいずれかにおいて、前記長軸の長さは、前記短軸の長さの１倍よりも大きく１０倍以下であってもよい。
（７）前記（１）から（６）のいずれかにおいて、前記長軸の長さは、０．５μｍ以上５０μｍ以下であってもよい。
（８）前記（１）から（７）のいずれかにおいて、前記放射面は、前記窒化物系半導体発光素子の底面または天面であってもよい。
（９）前記（１）から（８）のいずれかにおいて、前記複数の凸部は、楕円錐の形状を有していてもよい。
（１０）本発明の一態様の光源は、前記（１）から（９）の何れかに記載の窒化物系半導体発光素子と、前記放射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。
（１１）本発明の一態様の窒化物系半導体発光素子の製造方法は、基板を用意する工程（ａ）と、成長面がｍ面である発光層を含む半導体積層構造を形成する工程（ｂ）と、前記発光層からの光を放射する放射面上に複数の凸部を形成する工程（ｃ）とを備え、前記放射面において、前記複数の凸部のそれぞれの底面は閉曲線内の領域であり、前記底面の形状は、前記閉曲線上において最も離れた位置に位置する２つの点を結ぶ線分である長軸と、前記長軸の中心を通り、前記長軸と直交する線分である短軸とを有し、前記長軸と結晶のａ軸の延びる方向とがなす角度が４５度以内である。
以下、本発明の例示的な実施の形態について、図面を参照しながら具体的に説明する。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４（ａ）は、本発明の例示的な実施の形態による窒化物系半導体発光素子２２０を模式的に示す断面図である。
図４（ａ）は、本発明の例示的な実施の形態による窒化物系半導体発光素子２２０を模式的に示す断面図である。
本実施の形態の窒化物系半導体発光素子２２０は、成長面がｍ面である基板２００と、基板２００の上に設けられ、窒化物系半導体から形成されている積層構造２１０と、ｐ側電極３０２およびｎ側電極３０１とを有している。積層構造２１０は活性層２０２を含む。
窒化物系半導体発光素子２００がフリップチップ実装（フェイスダウン）される場合、窒化物系半導体発光素子２００は、基板２００側を上にして実装基板に搭載される。この場合、活性層２０２から発せられた光は、基板２００の裏面（成長面と反対側の面）や側面を透過して外部に取り出される。本明細書においては、活性層２０２からの光が外部に取り出される面を「放射面」と呼ぶ。
本実施形態において、基板２００の裏面はｍ面であり、基板２００の裏面には複数の凸部３０３が設けられている。
図４（ｂ）に、複数の凸部３０３のうちのいくつかを拡大して示す。複数の凸部３０３の底面Ｂは楕円であり、楕円の長軸Ａｘ（底面Ｂを構成する楕円上において最も離れた位置に存在する２点を結ぶ線分）は結晶のａ軸方向と平行である。凸部３０３の表面のうち、底面Ｂからｍ軸方向に最も離れた点（線または面）を頂部Ｔとした場合、凸部３０３の表面は、底面Ｂから頂部Ｔに向う方向に突出したなだらかな曲面である。
凸部３０３の底面の長軸Ａｘの長さは、例えば０．５μｍ以上５０μｍ以下であり、凸部３０３の高さは例えば０．５μｍ以上５０μｍ以下である。
複数の凸部３０３のうちのそれぞれの形状は同一でなくてもよく、底面Ｂの大きさや側面の曲率、凸部３０３の向き等は、それぞれの凸部３０３で異なっていてもよい。凸部３０３の底面Ｂの長軸Ａｘはａ軸から傾いていてもよく、この場合、ａ軸と長軸Ａｘとの間の角度は４５度以内である。
上述したように、ｍ面を成長面として有する活性層２０２からの光は、ａ軸方向に弱く、ａ軸と垂直な方向に強い分布を有する。本実施形態によると、凸部３０３の長軸Ａｘがａ軸に沿った方向（またはａ軸からの傾きが４５度以内の方向）に沿って設けられている。また、凸部３０３の側面が曲面であるため、微視的に見て、その法線方向は多様である。これにより、活性層２０２からの光の配光特性のばらつきを緩和することができる。
本実施形態の凸部３０３の形状は図４（ｂ）に示す形状に限られない。以下、凸部３０３の多様な形状について説明する。図５（ａ）から（ｄ）は、本実施形態の凸部３０３の形状の例を示す図である。
図５（ａ）に示すように、凸部３０３は、楕円の底面Ｂを有し、頂部Ｔを頂点とする楕円錐の形状を有していてもよい。図５（ｂ）に示すように、凸部３０３の頂部Ｔは、点ではなく線であってもよい。このとき、頂部Ｔは、ａ軸に沿っていてもよいし、ａ軸から傾いていてもよい。
図５（ｃ）に示すように、凸部３０３の頂部Ｔは点ではなく面であってもよい。図５（ｃ）は、楕円錐の先端を切り落としたような形状を有する。なお、図５（ｃ）には、頂部Ｔの縁が明確に示されているが、縁が明確でなくてもよく、頂部Ｔと側面とがなだらかな曲面によって接合されていてもよい。
本実施形態の凸部３０３は、図５（ｄ）に示すような形状を有していてもよい。図５（ｄ）において、凸部３０３の頂部Ｔから底面Ｂに垂直な直線（ｍ軸方向に沿った直線）ｌTを引いた場合、その直線ｌTと底面Ｂとの交わる点は、長軸Ａｘの中心Ａｃと一致していない。長軸Ａｘの中心からａ軸方向にずれていてもよいし、ｃ軸方向からずれていてもよい。
なお、「凸部３０３の底面Ｂ」とは、凸部３０３の根元部分の平面形状のことを指す。例えば図４（ａ）に示す窒化物系半導体発光素子２２０の基板２００の裏面において、凸部３０３の底面Ｂ以外の部分にはｍ面が露出している。
本実施形態において、凸部３０３の底面Ｂの形状は楕円でなくてもよい。楕円とは異なる曲率を有する閉曲線であってもよい。以下、凸部３０３の底面Ｂの形状を説明する。図６は、凸部３０３の底面Ｂを示す図である。図６に示す凸部３０３の底面Ｂは、閉曲線ｃ内の領域である。
図６に示すように、凸部３０３の底面Ｂの形状は、閉曲線ｃ上において最も離れた位置に位置する２つの点を結ぶ線分である長軸Ａｘと、長軸Ａｘの中心Ｏを通り、長軸Ａｘと直交する線分である短軸Ａｙとを有する。短軸Ａｙは、長軸Ａｘよりも短い必要がある。凸部３０３の底面Ｂが楕円の場合、短軸Ａｙは、閉曲線ｃ上の任意の２点を結ぶ線分のうち最も短いものとなる。凸部３０３の底面が楕円でない場合、短軸Ａｙは、閉曲線ｃ上の任意の２点を結ぶ線分のうち最も短いものでなくてもよい。
本実施形態によると、凸部３０３の底面Ｂが閉曲線ｃ内の領域であり、底面Ｂが平面的に見てａ軸方向（またはａ軸から４５度以内の方向）に長い形状を有することにより、放射面を通過した光の配光特性の偏りが緩和される。
閉曲線ｃは、凸閉曲線であってもよい。本明細書において、「凸閉曲線」とは、その閉曲線上の任意の２点を結ぶ線分が、その閉曲線の外部に出ることのない閉曲線のことを言う。例えば、楕円は凸閉曲線である。ただし、閉曲線ｃは凸閉曲線でなくてもよく、閉曲線ｃの一部が内側に向かって凹状であってもよい。
図６に示すように、長軸Ａｘと閉曲線ｃが交わる２つの点を点ｘ１および点ｘ２とし、短軸Ａｙと閉曲線ｃが交わる２つの点を点ｙ１および点ｙ２とした場合、点ｘ１、ｘ２のそれぞれを通り、短軸Ａｙと平行な２つの直線と、点ｙ１、ｙ２のそれぞれを通り、長軸Ａｘと平行な２つの直線とを辺に有する長方形Ｌ内に、閉曲線ｃが配置されていてもよい。ただし、閉曲線ｃが、部分的に長方形Ｌよりも外側に配置されていてもよい。
また、点ｘ１と点ｙ１とを結ぶ直線、点ｙ１と点ｘ２とを結ぶ直線、点ｘ２と点ｙ２とを結ぶ直線、点ｙ２と点ｘ１とを結ぶ直線よりも、閉曲線ｃは外側に配置されていてもよい。ただし、閉曲線ｃが、部分的にこれらの直線よりも内側に配置されていてもよい。
次に、本実施形態の窒化物系半導体発光素子２２０と、窒化物系半導体発光素子２２０に含まれる積層構造２１０とを説明する。
図７は、本発明の例示的な実施の形態１における積層構造２１０を模式的に示す断面図である。図７に示す積層構造２１０は、ＧａＮ系半導体、より具体的には、ＡｌxＩｎyＧａzＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、ｘ≧０、ｙ≧０、ｚ≧０）半導体から形成されている。
本実施の形態の積層構造２１０は、ｍ面を主面（成長面）とするｎ型ＧａＮ基板である基板２００上に形成され、基板２００のｍ面の上に形成されたｎ型半導体層２０１と、ｎ型半導体層２０１の上に設けられ、発光領域として機能する活性層２０２と、活性層２０２の上に設けられたｐ型半導体層２０３とを備えている。ｐ型半導体層２０３は、ｐ型半導体層２０３の他の部分２０３ａよりｐ型不純物濃度の高いｐ型コンタクト層２０４を有している。ｎ型半導体層２０１は、例えば、ＡｌuＧａvＩｎwＮ層（ｕ＋ｖ＋ｗ＝１， ｕ≧０， ｖ≧０， ｗ≧０）から形成されている。ｐ型半導体層２０３は、例えば、ＡｌdＧａeＮ層（ｄ＋ｅ＝１， ｄ≧０， ｅ≧０）から形成されている。
活性層２０２の成長方向はｍ面に対して垂直であり（ｍ面窒化物半導体層）、活性層２０２の成長面はｍ面に平行でもある。ｐ型半導体層２０３の主面（成長面）側には、ｐ型半導体層２０３の他の部分よりｐ型不純物濃度の高いｐ型コンタクト層２０４が設けられている。活性層２０２は、例えば、ＡｌaＩｎbＧａcＮ層（ａ＋ｂ＋ｃ＝１，ａ≧０， ｂ≧０， ｃ≧０）を含む。活性層２０２とｐ型半導体層２０３との間にはＡｌＧａＮ層からなるオーバーフロー抑制層（ＯＦＳ層）が挿入されていてもよい。
次に、本実施形態の窒化物系半導体発光素子２２０の製造方法を説明する。
まず、図７に示す積層構造２１０を形成する。積層構造２１０は、一般的な技術によって製造することができる。例えば、積層構造２１０は、基板２００を準備し、基板２００の上に、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ ｐｈａｓｅ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）もしくはＭＯＶＰＥ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）と呼ばれる方法を用いて、ｎ型半導体層２０１、活性層（発光層）２０２およびｐ型半導体層２０３を順に堆積することにより形成される。
積層構造２１０を形成するための結晶成長工程が完了すれば、図４（ａ）に示す窒化物系半導体発光素子２２０を形成するために、前工程、プロセス工程などと呼ばれる工程を行う。ここでは、一般的な半導体プロセス技術である、洗浄、フォト、エッチング、電極形成などを行ってデバイスを形成していく。ＬＥＤの場合はｐｎ接合に電流を流すことで光を発生させるデバイスであることから、主な工程はｎ側電極用の領域の形成、ｎ側電極３０１の形成、ｐ側電極３０２の形成である。
典型的には、光取り出し面の凸部３０３は、窒化物系半導体発光素子２２０の形成が終了してから行う。まず、基板２００を研摩により薄膜化する。基板２００の厚さは、チップの強度や光取り出し効率などを考慮して決定され、例えば５〜２００μｍ程度となる。例えば、基板２００の厚さを１０μｍまで薄くしてそれ以上の高さの凸部を形成した場合、窒化物系半導体発光素子２２０の裏面に基板２００は残らない。したがって、窒化物系半導体発光素子２２０は、必ずしも基板２００を有していなくてもよい。研摩が終了した後に、放射面（光取り出し面）である基板２００の裏面（基板２００の成長面とは反対側の面）に複数の凸部３０３を形成する。まず、基板２００の裏面に、レジスト膜を塗布し、所望のパターンを持つガラスマスクをアライメントしてレジスト膜を露光することができる波長の光を照射する。これを所定の現像液で現像することにより、所望のパターンが得られる。レジスト膜のパターンをマスクとしてドライエッチング工程を行うことにより、基板２００の裏面に所望の凹凸構造を形成することができる。
例えば、楕円錐形状（または楕円柱の上側縁部が丸められた形状）の凸部３０３を形成するためには、楕円柱状（柱状）のレジストマスクを形成した後、高温（例えば１５０℃から２５０℃）でベイクを行う。高温で加熱することによりレジストマスクがだれて、レジストマスクの楕円柱の角部が丸められる。このようなレジストマスクを用いてエッチングを行うことにより、基板２００の裏面状に、レジストマスクの形状と同様の形状を有する凸部３０３を形成することができる。または、グレースケールマスクを用いて露光することで、レジストマスクの形状を所望のものとしてもよい。
レジストマスクはフォト工程におけるパターニングが可能であるため、レジストマスクを用いると特に生産性を高めることができる。ただし、ドライエッチングのためのマスクとしては、ＳｉＯ2やＳｉＮなどから形成されている無機膜や、ＰｔやＮｉ、Ｃｒなどの金属膜やポリイミドから形成されている有機膜を用いてもよい。
なお、本実施形態においては、エッチングにより凸部３０３を形成するのではなく、凸部３０３が設けられた樹脂などからなるシートを貼り付けてもよい。
次に、レーザダイシングなどによってチップに切り出し、アルミナやアルミナイトライドの実装基板に搭載する。実装された窒化物系半導体発光素子の配光特性は、ゴニオメーターと呼ばれる角度を振る機械を用いて様々な角度における発光の強度分布を測定することにより評価される。
次に、上述の方法で作製した窒化物系半導体発光素子の配光特性をシミュレーションによって算出した結果を説明する。光線追跡法によるシミュレーションにより配光分布を算出した。発光層において軸方向の異方性を持った光源を用いた以外は、通常の光線追跡シミュレーションを行った。また、窒化物系半導体発光素子を覆う樹脂や蛍光体が設けられておらず、チップから空気中へ直接光が取り出される場合を想定してシミュレーションを行っている。
図８は、凸部が円錐、ａ軸方向に沿った楕円錐、ｃ軸方向に沿った楕円錐のそれぞれの場合の配向特性を示すグラフである。図８のサンプル（ａ）は、ａ軸方向に沿った楕円錐（楕円の短軸が４μｍ、長軸が２５μｍ）を裏面に敷き詰めた構成を有する。サンプル（ｂ）は、直径１０μｍの円錐を１０μｍ周期で裏面に敷き詰めた構成を有する。サンプル（ｃ）は、ｃ軸方向に沿った楕円錐（楕円の短軸が４μｍ、長軸が２５μｍ）を裏面に敷き詰めた構成を有する。
それぞれの角度において、規格化したランバーシアンからのズレ量を算出し、角度ごとのズレ量のうちの最大値をグラフに示した。ズレ量は、ランバーシアンの場合の光量を１として得られた光量の値を算出し、ランバーシアンの光量から、得られた光量の値を減ずることにより算出した。
図８から分るように、ｃ軸方向に沿った楕円錐のサンプル（ｃ）のズレ量は円錐のサンプル（ｂ）と同程度であるが、ａ軸方向に沿った楕円錐のサンプル（ａ）のズレ量は、これら２つのサンプルよりも低いことがわかる。
図９は、シミュレーションより求めたサンプル（ａ）から（ｃ）の配光の全周分布を示している。この全周分布においては、ａ軸方向とｃ軸方向を含めて全周で光強度が均一になっているほど、配光特性が高いといえる。図９から、ｃ軸方向に沿った楕円錐のサンプル（ｃ）では、ａ軸方向とｃ軸方向の光強度の差が大きい。サンプル（ｃ）の全周分布は、円錐のサンプル（ｂ）よりも悪化していることが分る。それに比べて、ａ軸方向に沿った楕円錐のサンプル（ａ）では、円錐のサンプル（ｂ）よりも明らかに光強度の差がａ軸方向とｃ軸方向で小さくなっている。この結果から、サンプル（ａ）では、全周において光強度が均一になっており、配光分布にあきらかな改善が見られることがわかる。以上の結果から、凸部の底面を構成する楕円の長軸は、ｃ軸方向よりもａ軸方向に沿っているほうが、配光分布が改善されることが分かる。楕円の長軸はａ軸方向からずれていてもよく、長軸とａ軸方向とのなす角度は４５度以下であってもよい。長軸とａ軸方向とのなす角度は１５度以下であってもよい。
次に、凸部の底面を構成する楕円の長軸と短軸との比を変えて配光特性を算出した結果を示す。図１０は、楕円の長軸と短軸の比を楕円率として、楕円率が１（円錐）のサンプル（ｆ）と、楕円率が２（楕円の長軸１４μｍ、短軸７μｍ）のサンプル（ｅ）と、楕円率が６．２５（楕円の長軸２５μｍ、短軸４μｍ）のサンプル（ｄ）の配光分布のランバーシアンからのズレ量をプロットしたグラフである。図８と同様に、それぞれの角度において、規格化したランバーシアンからのズレ量を算出し、角度ごとのズレ量のうちの最大値をグラフに示した。
それぞれのサンプル（ｄ）から（ｆ）において凸部の密度が等しい値になるように、凸部の大きさをそれぞれ調整している。凸部の密度は７０パーセント程度である。図１０から、楕円率が大きくなるに従って、ズレ量の最大値が小さくなっていることが分る。
サンプル（ｄ）から（ｅ）の配光の全周分布を図１１に示す。図１１からも、楕円率を大きくするほど全周での光強度が均一になっていることがわかる。楕円率は大きいほど良いが、楕円率が１０を超えると、作製が困難になる。例えば、楕円率が１５の場合、短軸が４μｍならば長軸は６０μｍになる。チップの１辺は、例えば１００μｍ以上３０００μｍ以下または１００μｍ以上１０００μｍ以下である。長軸が６０μｍであれば、チップに複数の凸部を配置させるのが難しくなる。そのため、楕円率の現実的な上限は１０程度だと考えられる。
次に、楕円錐の頂部の形状について検討した結果を説明する。図１２は、楕円錐の頂部の長さ（長軸に沿った長さ）の異なるサンプル（ｇ）から（ｉ）を示す鳥瞰図である。
図１２には、頂部の長さが０μｍ、すなわち、頂部を点とみなせる楕円錐のサンプル（ｇ）と、頂部の長さが１２μｍの楕円錐のサンプル（ｈ）と、頂部の長さが２４μｍの楕円錐のサンプル（ｉ）とを示す。なお、それぞれのサンプルにおいて、頂部の幅（長さ方向と直交する方向の幅）は０と想定している。それぞれのサンプルの底面の長軸は２５μｍである。また、それぞれのサンプルの短軸の長さは４μｍである。
図１３は、サンプル（ｇ）から（ｉ）の配光分布のランバーシアンからのズレ量の最大値をプロットしたグラフである。図８と同様に、それぞれの角度において、規格化したランバーシアンからのズレ量を算出し、角度ごとのズレ量のうちの最大値をグラフに示した。
図１３から分るように、頂部の長さが短くなるほど、ズレ量の最大値が小さくなることが分る。図１４は、シミュレーションにより求めたサンプル配光の全周分布を示す。図１４からも、頂部の長さが短くなるほどズレ量の最大値が小さくなっていることが分る。頂部の長さが１２μｍのとき、ズレの最大値は０．５となる。ズレ量の最大値と配光の全周分布から、頂部の長さが１２μｍ以下のとき、すなわち、頂部の長さが長軸の長さの１／２以下のとき、配光特性をより向上することができる。
凸部３０３の大きさは、例えば０．５μｍ以上５０μｍ以下である。本実施形態において用いた光線追跡シミュレーションの結果は、同じ形の凸部３０３の大きさのみを変化させても（相似形）、偏光に対する作用に変化が無いためである。凸部３０３が、波長と同程度（可視の発光であれば０．５μｍ程度）より小さければ、光は波動性を示し始める。また、凸部３０３の底面における長軸の長さは、例えば、チップサイズの１/１０程度以下である。よって、チップサイズが例えば５００μｍであれば、凸部３０３の底面における長軸の長さは５０μｍ以下である。
凸部の高さが０．５μｍ以上であれば、凸部に入射する光の量が十分に多くなるため、配光特性を十分に改善される。凸部の高さが５０μｍ以下であれば、底面に対する高さの値が大きくなりすぎることによって製造が困難になるのを回避できる。
図４（ａ）に示す窒化物系半導体発光素子２００は、図１５（ａ）に示すように、フェイスダウン方式によって実装される。この場合、窒化物系半導体発光素子２００の基板２００の裏面（放射面）側から光が放射される。窒化物系半導体発光素子２００の成長面（主面）側に設けられたｎ側電極３０１、ｐ側電極３０２は、パッド電極１０１およびバンプ１０２を介して、実装基板１０４に設けられた配線１０３に接続されている。
本実施形態において、窒化物半導体発光素子は、フェイスアップ方式によって実装されてもよい。図１５（ｂ）は、フェイスアップ実装を示す断面図である。図１５（ｂ）において、凸部３０３Ａは、ｐ型半導体層２０３の成長面上に設けられている。この場合、ｐ側電極３０２側から光が放射されるため、ｐ型半導体層２０３の成長面（天面）は光の放射面となる。ｐ型半導体層２０３の成長面に設けられている凸部３０３Ａは、ｐ側電極３０２によって覆われている。ｎ側電極３０１およびｐ側電極３０２には、パッド電極１０１が接触している。パッド電極１０１は、ワイヤ１０５によって、実装基板１０４上に設けられた配線１０３に接続されている。このようなフェイスアップタイプの場合、ｐ側電極３０２を通じて光を取り出す必要があるため、ｐ側電極３０２としては、ＩＴＯなどの透明電極、あるいは、Ｎｉなどの極薄膜を用いればよい。
以上では、横型タイプの窒化物系半導体発光素子について説明したが、本実施形態では、縦型の素子を形成することもできる。図１６は、本発明の例示的な実施形態の変形例である縦型タイプの窒化物系半導体発光素子５００を示す断面図である。
図１６に示す窒化物系半導体発光素子５００も、図４（ａ）に示す窒化物系半導体発光素子２２０と同様に、成長面がｍ面である基板２００と、窒化物系半導体から形成されている積層構造２１０と、ｐ側電極３０２およびｎ側電極３０１とを有している。窒化物系半導体発光素子５００においては、ｎ側電極３０１が、基板２００のうち積層構造２１０と接する面とは反対（基板２００の裏面）側に設けられている。ｐ側電極３０２は、ｐ型半導体層２０３のうち活性層２０２と接する面とは反対側の面を全体的に覆うように形成されている。
図１６の窒化物系半導体発光素子５００において、光の取り出し方向は、基板２００側である。基板２００の裏面から光が取り出される。基板２００の裏面には、凸部３０３が設けられている。基板２００とｎ側電極３０１との間にも凸部３０３が設けられていてもよいし、設けられていなくてもよい。ｐ側電極３０２としては、反射率の高い金属、たとえばＡｇを用いてもよい。
窒化物系半導体発光素子５００は、ｐ側電極３０２を下にして、実装基板１０４に張り合わされている。実装基板１０４には、電気伝導性を有し、かつ熱伝導率が高い材料を用いるとよい。例えば、実装基板１０４には、シリコン、ゲルマニウム、銅、アルミニウムなどを用いるとよい。
縦型タイプの場合、基板２００の電気伝導性の有無が重要である。例えば、基板２００としてｍ面サファイア基板を用いると、ｍ面サファイア基板が絶縁性を有しているため、縦型タイプの構造を採用することはできない。しかしながら、導電性を有するｎ型ＧａＮ基板などを基板２００として用いれば、縦型タイプの構造を採用できる。また、基板２００を剥離し、ｎ型半導体層２０１にｎ側電極３０１を接触させてもよい。基板２００を剥離する場合、例えば、ｎ型半導体層２０１の裏面に、凸部３０３を有するシートを貼り付けてもよい。
図１７は、本実施形態の窒化物系半導体発光素子２００を有する白色光源の一例を示す模式図である。図１７の光源は、図４（ａ）に示す構成を有する発光素子２２０と、この発光素子２２０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。発光素子２２０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上には発光素子２２０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、発光素子２２０を覆うように形成されている。なお、図１７において、発光素子２２０に設けられた凸部３０３の図示は省略している。
なお、ｐ側電極３０２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側電極３０２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側電極３０２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。
なお、実際のｍ面の成長面や光の放射面は、ｍ面に対して完全に平行な面である必要はなく、ｍ面から所定の角度で傾斜していてもよい。傾斜角度は、窒化物半導体層における成長面または光の放射面の法線とｍ面の法線とが形成する角度により規定される。傾斜角度θの絶対値は、ｃ軸方向において５°以下、または１°以下の範囲であればよい。また、ａ軸方向において５°以下、または１°以下の範囲であればよい。このような傾斜角度であれば、窒化物半導体層の成長面または光の放射面は全体的にｍ面から傾斜しているが、微視的には多数のｍ面領域が露出していると考えられる。すなわち、窒化物半導体層の成長面または光の放射面は複数のステップ状のｍ面領域を有する。これにより、ｍ面から絶対値で５°以下の角度で傾斜している面は、ｍ面と同様の性質を有すると考えられる。傾斜角度θの絶対値が５°より小さい場合、ピエゾ電界による内部量子効率の低下を抑制することができる。したがって、本願発明の「ｍ面」は、傾斜角度θの絶対値がｃ軸方向において５°以下であってａ軸方向において５°以下の面、および複数のステップ状のｍ面領域を有する面を含む。
以上、本発明を例示的な実施形態により説明してきたが、こうした記述は限定事項ではなく、勿論、種々の改変が可能である。
本発明の一態様にかかる半導体発光素子は、たとえば、一般照明や車のヘッドライト、液晶のバックライト等のＬＥＤを用いる用途などに利用することができる。
１０１ パッド電極
１０２ バンプ
１０３ 配線
１０４ 実装基板
１０５ ワイヤ
２００ 基板
２０１ ｎ型半導体層
２０２ 活性層（発光層）
２０３ ｐ型半導体層
２０４ ｐ型コンタクト層
２１０ 積層構造
２２０ 窒化物系半導体発光素子
３０１ ｎ側電極
３０２ ｐ側電極
３０３ 凸部（凹凸構造、テクスチャ）
４００ 樹脂層
４１０ 支持部材
４２０ 反射部材
５００ 窒化物系半導体発光素子
４１０ 支持部材
４２０ 反射部材
Ａｃ 中心
Ａｘ 長軸
Ａｙ 短軸
Ｂ 底面
Ｌ 長方形
ｏ 中心
Ｔ 頂部
ｃ 閉曲線
ｌT 直線
ｘ１ 点
ｘ２ 点
ｙ１ 点
ｙ２ 点
１０２ バンプ
１０３ 配線
１０４ 実装基板
１０５ ワイヤ
２００ 基板
２０１ ｎ型半導体層
２０２ 活性層（発光層）
２０３ ｐ型半導体層
２０４ ｐ型コンタクト層
２１０ 積層構造
２２０ 窒化物系半導体発光素子
３０１ ｎ側電極
３０２ ｐ側電極
３０３ 凸部（凹凸構造、テクスチャ）
４００ 樹脂層
４１０ 支持部材
４２０ 反射部材
５００ 窒化物系半導体発光素子
４１０ 支持部材
４２０ 反射部材
Ａｃ 中心
Ａｘ 長軸
Ａｙ 短軸
Ｂ 底面
Ｌ 長方形
ｏ 中心
Ｔ 頂部
ｃ 閉曲線
ｌT 直線
ｘ１ 点
ｘ２ 点
ｙ１ 点
ｙ２ 点
Claims (11)
- 成長面がｍ面であり、ＧａＮ系半導体から形成されている発光層と、
前記発光層からの光を放射する少なくとも一つの放射面とを有する窒化物系半導体発光素子であって、
前記放射面は、ｍ面に複数の凸部が設けられた面であり、
前記放射面において、前記複数の凸部のそれぞれの底面は閉曲線内の領域であり、
前記底面の形状は、前記閉曲線上において最も離れた位置に位置する２つの点を結ぶ線分である長軸と、前記長軸の中心を通り、前記長軸と直交する線分である短軸とを有し、
前記長軸と結晶のａ軸の延びる方向とがなす角度が４５度以内である、窒化物系半導体発光素子。 - 前記閉曲線は凸閉曲線である、請求項１に記載の窒化物系半導体発光素子。
- 前記長軸と前記閉曲線が交わる２つの点を点ｘ１および点ｘ２とし、前記短軸と前記閉曲線が交わる２つの点を点ｙ１および点ｙ２とした場合、
前記点ｘ１、ｘ２のそれぞれを通り、前記短軸と平行な２つの直線と、前記点ｙ１、ｙ２のそれぞれを通り、前記長軸と平行な２つの直線とを辺に有する長方形内に、前記閉曲線が配置されている、請求項１または２に記載の窒化物系半導体発光素子。 - 前記凸部は頂部を有し、
前記凸部の表面は、前記底面から前記頂部に向う方向に突出した曲面である、請求項１または２に記載の窒化物系半導体発光素子。 - 前記閉曲線は楕円である、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。
- 前記長軸の長さは、前記短軸の長さの１倍よりも大きく１０倍以下である、請求項１から５のいずれかに記載の窒化物系半導体発光素子。
- 前記長軸の長さは、０．５μｍ以上５０μｍ以下である、請求項１から６のいずれかに記載の窒化物系半導体発光素子。
- 前記放射面は、前記窒化物系半導体発光素子の底面または天面である請求項１から７の何れかに記載の窒化物系半導体発光素子。
- 前記複数の凸部は、楕円錐の形状を有する、請求項１から８のいずれかに記載の窒化物系半導体発光素子。
- 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と、
前記放射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。 - 基板を用意する工程（ａ）と、
成長面がｍ面である発光層を含む半導体積層構造を形成する工程（ｂ）と、
前記発光層からの光を放射する放射面上に複数の凸部を形成する工程（ｃ）とを備え、
前記放射面において、前記複数の凸部のそれぞれの底面は閉曲線内の領域であり、
前記底面の形状は、前記閉曲線上において最も離れた位置に位置する２つの点を結ぶ線分である長軸と、前記長軸の中心を通り、前記長軸と直交する線分である短軸とを有し、
前記長軸と結晶のａ軸の延びる方向とがなす角度が４５度以内である、窒化物系半導体発光素子の製造方法。
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