JP3691951B2 - 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体基板表面より光を取出す窒化ガリウム系化合物半導体発光素子に係り、特に素子から発光した光を蛍光体に照射して所望とする波長の発光を得る構成に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、紫外光領域から青色、緑色領域に至る発光ダイオード（ＬＥＤ）の材料として、Ａｌｘ、Ｇａｙ、Ｉｎ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ、ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦ｌ）を用いた窒化ガリウム系化合物半導体が注目されている。このような材料の化合物半導体により、これまで困難であった発光強度の高い紫外光、青色、緑色等の発光が可能となって来ている。このような窒化ガリウム系化合物半導体は、一般に絶縁性基板であるサファイア基板上に成長形成される。
【０００３】
このため、ＧａＡｓ系の発光素子のように基板側に電極を設けることはできず、結晶成長基板側にアノ一ド、カソード電極の両方を形成することが必要である。そこで、カソード電極は、ｐ型層をエッチング除去してｎ型層を出して電極を形成する。アノ一ド電極はｐ型層の表面に形成する必要があるが、ｐ型層は導電率が低いため電極直下しか発光しない。そのため、発光領域全面に発光波長に対して透明な電極を形成しないと外部量子効率が低下することになる。
【０００４】
従来の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子（以降、単に半導体発光素子と称することもある）の構造例を図１１に示す。サファイア基板１にＧａＮバッファ層（図示せず）及びｎ型ＧａＮ層２とｐ型ＧａＮ層３が結晶成長されて、ｐ型ＧａＮ層３の一部がエッチング除去されてｎ型ＧａＮ層２が露出されている。ｐ型ＧａΝ層３上にｐ側透明電極６、ｐ側ボンディング電極５が形成され、ｎ型ＧａＮ層２上にｎ側電極４が形成されている。
【０００５】
図１２に示すように、上記のような構造の半導体発光素子１０はリードフレーム１２上に銀ペースト等の導電性接着材料１１でマウントされ、樹脂モールド８が施される構成が一般的である。また、蛍光体を発光させるには、一般に樹脂モールド８中に蛍光体９を混入させる。ｐ側のボンディング電極５から流された電流は、導電性の良い透明電極６で広げられ、ｐ型ＧａＮ層３からｎ型ＧａＮ層２に電流が注入され、その時、ｐ型ＧａＮ層３とｎ型ＧａＮ層２の間に形成されるｐｎ接合より発光し、その光は透明電極６を通してチップ外に取り出される。更に図１３に示すような樹脂モールド８を介して外部に発光する。この際、樹脂モールド８中に蛍光体９があればｐｎ接合より発光した光によって、蛍光体も発光し、蛍光体の発色の種類を選択することにより、所望の色の発光を得ることができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような従来の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子においては、ｐｎ接合で発光した光はｐ型ＧａＮ層３で吸収されてしまい、表面の透明電極６まで届かず、外部に取り出せないという深刻な問題があった。
【０００７】
また、ｐ型ＧａＮ層３を薄くした場合、この層３で吸収されなかった分の光が透明電極６を通して取り出されるが、導電性が高く、半導体層に対してオーミックが取れ、しかも発光波長での吸収が少ないという電極材料は必ずしも容易に実現できないという問題があった。その上、発光波長が短波長化するにつれて、発光波長での吸収力が少ない材料は更に実現し難いという問題があった。特に、ｐｎ接合より出た光で蛍光体９を発光（特に赤色）させるためには、蛍光体９の発光変換効率の高い３００ｎｍ程度の短波長の発光を前記ｐｎ接合から取り出す必要があるが、この波長領域において吸収が少ないという材料の実現は非常に難しいという問題があった。
【０００８】
又、樹脂モールド８中に蛍光体９を含有させると、ｐｎ接合で発光した光の多くがすぐに蛍光体９によって変換される訳ではなく、樹脂モールド８部分を光が通過していくうちに蛍光体９で光変換されるため、光が樹脂モールド８中を伝播する際の減衰によって前記蛍光体９により効率的に変換できないとい問題と、短波長光（紫外光）により樹脂モールド８の劣化が引き起こされる等の問題もあった。更に、半導体素子を樹脂モールドしないと蛍光体９によって変換された光パワーの測定ができないため、ウエハ状態でのチップ選別が難しく、量産性に欠けるという問題もあった。
【０００９】
本発明は、上述の如き従来の課題を解決するためになされたもので、その目的は、実現しがたい材料の透明電極を用いなくとも、発生した短波長光（紫外光）の光を効率よく蛍光体で可視光などに変換して外部に効率よく取り出すことができると共に、赤、緑、青の３原色を発光することができる窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、第１の発明の特徴は、ｐｎ接合を有する窒化ガリウム系化合物半導体において、前記ｐｎ接合の一部が除去されるように前記半導体表面から内部に向かって形成された断面が凹部状のｐｎ接合除去部を設けたことにある。
【００１１】
この第１の発明によれば、前記ｐｎ接合は、ｐ型のＧａＮ層とｎ型のＧａＮ層の境界部に形成され、表面のｐ型のＧａＮ層をエッチングしてｎ型のＧａＮ層を露出するように凹部状のｐｎ接合除去部を形成すると、ｐｎ接合除去部の側壁には前記ｐｎ接合の端面が露出する。ｐ型のＧａＮ層とｎ型のＧａＮ層に電圧を印加すると、前記ｐｎ接合部で紫外線が発光し、この紫外線が前記ｐｎ接合の端面から前記ｐｎ接合除去部を通して外部に照射する。ｐｎ接合除去部の内部及び周辺に蛍光体を充填又は塗布しておけば、前記紫外線は直ちに前記蛍光体により可視光に変換されて外部に照射される。
【００１２】
第２の発明の特徴は、前記ｐｎ接合除去部は、細長い溝状を有し、前記半導体表面に適当な間隔を空けて複数本設けられることにある。
【００１３】
この第２の発明によれば、前記複数本のｐｎ接合除去部から紫外線が外部に照射される。
【００１４】
第３の発明の特徴は、前記ｐｎ接合除去部は、開口部が円形又は多角形状の穴で、前記半導体表面に適当な間隔を空けて複数個設けられることにある。
【００１５】
この第３の発明によれば、例えば前記ｐｎ接合除去部は円柱形の穴などになるが、この穴の内壁面にｐｎ接合の端部が露出し、この端部から紫外線が外部に照射される。
【００１６】
第４の発明の特徴は、前記ｐｎ接合除去部の内部又は周辺部に蛍光体層を充填又は形成したことにある。
【００１７】
この第４の発明によれば、前記ｐｎ接合除去部の内壁面に露出しているｐｎ接合部から外部に照射された紫外線は前記蛍光体層により直ちに可視光線に変換されて外部に照射される。
【００１８】
第５の発明の特徴は、前記半導体表面に、前記ｐｎ接合除去部の開口部の少なくとも一部も含めて覆う蛍光体層を形成することにある。
【００１９】
この第５の発明によれば、前記ｐｎ接合除去部の内壁面に露出しているｐｎ接合部から外部に照射された紫外線はこのｐｎ接合除去部の開口部を塞ぐ前記蛍光体層により直ちに可視光線に変換されて外部に照射される。
【００２０】
第６の発明の特徴は、前記蛍光体層の一部分に異なる色を発色する蛍光体を含む領域が存在することにある。
【００２１】
この第６の発明によれば、前記ｐｎ接合部の端面から外部に照射された紫外線は前記蛍光体層により可視光に変換されるが、蛍光体層の種類によって異なった色の光が発光する。
【００２２】
第７の発明の特徴は、ｐ型のＧａＮ層とその下部にあるｎ型のＧａＮ層により形成されたｐｎ接合を有する窒化ガリウム系化合物半導体において、前記半導体表面の中央部にｎ側電極を設けるために前記ｐ型のＧａＮ層をエッチングして形成したｎ型のＧａＮ層の露出穴と、前記ｐｎ接合の一部が除去されるように前記半導体表面から内部に向かって形成された断面が凹部状の細長いｐｎ接合除去部とを設け、複数本の前記ｐｎ接合除去部を前記露出穴を中心として前記半導体表面の外周部へ向かって放射状に配置することにある。
【００２３】
第８の発明の特徴は、ｐ型のＧａＮ層とその下部にあるｎ型のＧａＮ層により形成されたｐｎ接合を有する窒化ガリウム系化合物半導体発光素子において、前記半導体表面の中央部にｎ側電極を設けるために前記ｐ型のＧａＮ層をエッチングして形成したｎ型のＧａＮ層の露出穴と、前記ｐｎ接合の一部が除去されるように前記半導体表面から内部に向かって形成された断面が凹部状で細長いｐｎ接合除去部とを設け、少なくとも１本以上の前記ｐｎ接合除去部を前記露出穴を中心とした同心円状に前記半導体表面に配置することにある。
【００２４】
この第８の発明によれば、通常、半導体表面は前記ｐｎ接合除去部などを除いて、透明電極で覆われるが、この透明電極を通して半導体表面電流が集中して流れやすい前記ｎ型のＧａＮ層の露出穴近くの透明電極領域のｐｎ接合部が前記ｐｎ接合除去部により同心円状に一部除去されているため、電流が半導体表面の周辺部分にも流れ、面全体で均一に発光する。
【００２５】
第９の発明の特徴は、ｐ型のＧａＮ層とその下部にあるｎ型のＧａＮ層により形成されたｐｎ接合を有する窒化ガリウム系化合物半導体において、ｐ型のＧａＮ層を複数の領域に分割し、各分割領域の半導体表面に、前記ｐｎ接合の一部が除去されるように前記半導体表面から内部に向かって形成された断面が凹部状の複数のｐｎ接合除去部を設け、且つ、前記各分割領域のｐｎ接合除去部に各分割領域毎に異なる色を発色する蛍光体層を充填することにある。
【００２６】
この第９の発明によれば、前記各分割領域のｐｎ接合除去部に充填されている蛍光体層の発色の種類が異なるため、それぞれの分割領域は異なる色の可視光を照射する。
【００２７】
第１０の発明の特徴は、前記ｐ型のＧａＮ層を３つの領域に分割し、且つ各分割領域のｐｎ接合除去部に、赤、青、緑の異なる色を発色する蛍光体層を充填して、前記各分割領域毎に異なる色の発光を得ることにある。
【００２８】
この第１０の発明によれば、３つの分割領域はそれぞれ、赤、青、緑の３原色の可視光を照射できるため、これら３原色のレベルを調整して混合することにより各種の色の可視光が得られる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の第１の実施の形態の構成例を示した斜視図である。サファイア基板１上にＧａＮバッファ層（図示せず）、ｎ型ＧａＮ層２、ｐ型ＧａＮ層３を順次結晶成長させる。次にｐ型ＧａＮ層３をＰＥＰ法によりパタ−ニングし、ＲＩＥ法等によりエッチングしてｎ型ＧａＮ層２を露出させる。その後、ＰＥＰ法を用いてパタ−ニングし、ｎ側電極４としてＴｉ／Ａｕ等をｎ型ＧａＮ層２上に蒸着して、リフトオフにより形成する。透明電極６としては、ＰＥＰ法によりパタ−ニング後、真空蒸着法により厚さ１０ｎｍのＮｉ層をｐ型ＧａＮ層３上に形成する。
【００３０】
更に、ストライプ形成のためにＰＥＰ法によりパターニング後、１０μｍ幅のレジストをマスクとしてＮｉをＨＣｌ等でウエットエッチングした後、ＲＩＥ法等によりストライプ状にｐ型ＧａＮ層３をエッチング除去して、ｎ型ＧａＮ層２を露出させることにより、ｐｎ接合の一部を除去したｐｎ接合除去部１００を形成する。更に、熱ＣＶＤ法によりＳｉＯ2 膜を形成した後、ＰＥＰ法によってＮｉ薄膜と接続されたｐ側のボンディング電極５を形成する。尚、ｐｎ接合除去部１００の間にあるＧａＮ層はメサ型をしている。
【００３１】
なお、このＳｉＯ2 膜は図１には明記されていないが、ｐｎ接合除去部１００のメサ端面、ｐｎ接合の露出面、透明電極６の表面に亙って形成されており、ｎ側電極４部分と透明電極６とｐ側のボンディング電極５の重なり部分を除く、ｐ側電極下にも形成されている。半導体層表面が酸化物等もなく、十分に清浄な状態であれば不要な工程となる場合もあるが、透明電極６及びｎ側電極４と半導体層間の密着性、オーミック性向上のために４５０℃で、２０秒のフラッシュアニールを行うことにより、電極形成する。
【００３２】
次に本実施の形態の動作について説明する。カソードのｐ側ボンディング電極５とアノードのｎ側電極４との間に電圧が印加されると、ｐ側ボンディング電極５から流入する電流は、導電性の良い透明電極６で広げられ、ｐ型ＧａＮ層３からｎ型ＧａＮ層２に注入されて、これらｐ、ｎ型ＧａＮ層３、２の間のｐｎ接合部で発光し、発光した紫外線はストライプ状に形成されたｐｎ接合除去部１００の側壁に露出しているｐｎ接合部の端面及びｐ型ＧａＮ層３、透明電極６を通して外部に照射される。
【００３３】
ここで、ストライプ状に形成されたｐｎ接合除去部１００の壁面や底面に蛍光体が塗布又は充填されておれば、前記ｐｎ接合除去部１００のｐｎ接合端面から発光した紫外線はこの蛍光体により可視光に変換されて外部に照射される。この時、前記蛍光体の発色が赤であれば赤色が、前記蛍光体の発色が青であれば青色が、前記蛍光体の発色が緑であれば緑色が外部に照射されることになる。
【００３４】
このようにして得られた本例の電流電圧特性（Ｉ−Ｖ特性）及び電流一光出力（Ｐｏ）特性を図２に示す。この図２において、電流値２０ｍＡの時に、電圧４．３Ｖ、光出力５８μＷ、発光波長は３６０ｎｍが得られることが分かる。
【００３５】
本実施の形態によれば、半導体表面に複数本のｐｎ接合除去部１００を形成することにより、ｐ型ＧａＮ層３とｎ型ＧａＮ層２より形成されるｐｎ接合の一部を除去して、このｐｎ接合で発光した紫外線をｐｎ接合除去部１００の側壁に露出するｐｎ接合端面から外部に取り出すことにより、ｐ型ＧａＮ層３や透明電極６により前記紫外線が減衰しても、前記ｐｎ接合端面から十分なレベルの紫外線を外部に取り出すことができる。従って、透明電極６の材料としては通常のものが使用でき、容易に上記効果を得ることができる。また、発光した紫外線は蛍光体の発光変換効率が高い３６０ｎｍ程度の短波長であることと、ｐｎ接合端面に近接して塗布又は充填されている蛍光体により直ちに可視光に変換するため、可視光への変換効率が極めて高く、十分なレベルの可視光を効率よく得ることができると共に、前記ＰＮ接合端面から光を外部に導き出す構造のため、発光源の微細化を容易に行うことができる。更に、上記のようにｐｎ接合部から短波長の紫外線を効率よく取り出すことができるため、この紫外線を赤色の蛍光体で赤色に変換することができ、実用レベルの赤色の発光を得ることができる。又、従来のように樹脂モールド中に蛍光体があるわけではなく、ウエハ状態で、蛍光体が塗布されているため、ウエハ状態でも前記蛍光体で変換された光の強度を測定することができ、ウエハ状態でのチップ選別を容易に行うことができ、半導体発光素子の量産性及び歩留まりの向上を図ることができる。
【００３６】
尚、ｐｎ接合除去部１００の半導体表面に占める面積の割合は、大きいとｐｎ接合の面積が少なくなって、紫外線の発光量が少なくなってしまい、逆に前記ｐｎ接合除去部１００の面積が小さいと、ｐｎ接合部から外部に取り出す紫外線の量が少なくなるため、前記ｐｎ接合除去部１００の半導体表面に占める割合は、適切な範囲がある。
【００３７】
図３は本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の第２の実施の形態の構成例を示した斜視図である。本例は、ｐ型ＧａＮ層３の上に形成されている透明電極６及びｐｎ接合除去部１００の上に蛍光体層７が形成されている以外は、図１に示した第１の実施の形態と同様の構造を有している。これにより、カソードのｐ側ボンディング電極５とアノードのｎ側電極４との間に電圧が印加されると、ｐ型ＧａＮ層３とｎ型ＧａＮ層２の間にあるｐｎ接合部で発光し、発光した紫外線はストライプ状に形成されたｐｎ接合除去部１００の側面に露出しているｐｎ接合端面及びｐ型ＧａＮ層３、透明電極６を通して外部に照射される。この時、前記紫外線は蛍光体層７を通過する際に、可視光線に変換され、この可視光線が外部に照射されることになる。
【００３８】
この場合も、蛍光体層７はストライプ状に形成されたｐｎ接合除去部１００及び透明電極６に近接して配置されているため、発光された紫外線は減衰することなく、蛍光体層７により効率的に可視光線に変換され、第１の実施の形態と同様の効果がある。特に、本例ではｐ型ＧａＮ層３、透明電極６を通して外部に照射され紫外線も蛍光体層７により可視光に変換でき、その分効率がよくなっている。
【００３９】
図４は窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の本発明の第３の実施の形態の構成例を示した斜視図である。本例は、半導体発光素子全体に蛍光体含有有機シラン溶液を塗布して形成した蛍光体層７で半導体発光素子全体を囲んだ構成を有している他は、図３に示した第２の実施の形態と同様であり、同様の効果がある。
【００４０】
図５は本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の第４の実施の形態の構成例を示した斜視図である。本例は、ｐ型ＧａＮ層３とｎ型ＧａＮ層２のｐｎ接合部の一部を除去するｐｎ接合除去部１００がストライプ状に形成されているが、本例はストライプ状に形成されたｐｎ接合除去部１００の間にあるｐ型ＧａＮ層３とｎ型ＧａＮ層２の部分が逆メサ型になっていている点が異なり、他の構成は図１に示した第１の実施の形態と同様であり、同様の効果がある。
【００４１】
特に、ストライプ状に形成されたｐｎ接合除去部１００の間にあるｐ型ＧａＮ層３とｎ型ＧａＮ層２の部分が逆メサ型であるため、透明電極６と半導体層の接触面積を大きくし、メサエッチングされた穴の底部分２１に蛍光体を含む有機シラン溶液、或いは蛍光体そのものを詰め込むことで、ｐｎ接合部の端面から外部に発光された紫外線を前記蛍光体で効率的に赤色系の可視光に変換することができる。
【００４２】
図６は本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の第５の実施の形態の構成例を示した平面図である。本例は、ｐ型ＧａＮ層３とｎ型ＧａＮ層２の間にあるｐｎ接合除去部１００の形状を細長い溝型とし、このような形状のｐｎ接合除去部１００がチップ表面の中心から周辺部に向かって複数本直線上に伸びている。他の構成は図１に示した第１の実施の形態と同様であるため、ｐｎ接合除去部１００の壁面に露出するｐｎ接合部の端面から紫外線が外部に照射され、第１の実施の形態と同様の効果がある。尚、ｐｎ接合除去部１００内及びその周辺部に蛍光体層を設ければ、前記紫外線を効率的に可視光に変換することができる。
【００４３】
図７は本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の第６の実施の形態の構成例を示した平面図である。本例は、ｐ型ＧａＮ層３のほぼ中央部を円形にエッチングしてｎ型ＧａＮ層２を円形に露出させ、このｎ型ＧａＮ層２の表面の中央に、円形のｎ側電極４が形成されている。また、ｐ型ＧａＮ層３とｎ型ＧａＮ層２の間にあるｐｎ接合の一部を除去するｐｎ接合除去部１００の形状は細長い溝型であるが、前記円形のｎ型ＧａＮ層２の露出穴の外周部を形成するｐ型ＧａＮ層３の縁から外側に向かって放射状にｐｎ接合除去部１００が複数本配置されている。しかも、これらｐｎ接合除去部１００の一方の端部は前記露出穴に連通している。他の構成は図１に示した第１の実施の形態と同様であるため、ｐｎ接合除去部１００の壁面に露出するｐｎ接合部の端面から紫外線が外部に照射され、第１の実施の形態と同様の効果がある。尚、ｐｎ接合除去部１００の中などに蛍光体層を充填すれば、この蛍光体層により前記紫外線を効率的に可視光に変換することができる。
【００４４】
図８は本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の第８の実施の形態の構成例を示した平面図である。本例は、ｐ型ＧａＮ層３のほぼ中央部を円形にエッチングしてｎ型ＧａＮ層２を円形に露出させ、このｎ型ＧａＮ層２の表面の中央に、円形のｎ側電極４が形成され、ｐ型ＧａＮ層３の隅にＰ側ボンディング電極５が形成されている。このＰ側ボンディング電極５部分を除き、ｎ側電極４を中心として、ほぼ同心円状に複数の円形のｐｎ接合除去部１００が形成されている。これらｐｎ接合除去部１００とＰ側ボンディング電極５を除いて、ｐ型ＧａＮ層３のほぼ全面を透明電極６が覆っており、この透明電極６とＰ側のボンディング電極５は互いに接続されている。
【００４５】
本実施の形態は上記のような構造にすることにより、電流が集中して流れやすいｎ側電極４近くの透明電極６の領域のｐｎ接合部が前記ｐｎ接合除去部１００により同心円状に一部除去されているため、電流がＰ型ＧａＮ層３の周辺部分にも流れるようになり、面全体より均一な発光を得ることができる。他の構成は図１に示した第１の実施の形態と同様であるため、ｐｎ接合除去部１００の壁面に露出するｐｎ接合部の端面から紫外線が外部に照射され、第１の実施の形態と同様の効果がある。尚、ｐｎ接合除去部１００の中などに蛍光体層を充填すれば、この蛍光体層により前記紫外線を効率的に可視光に変換することができる。
【００４６】
図９は本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の第８の実施の形態の構成例を示した斜視図である。本例は、ｐ型ＧａＮ層３とｎ型ＧａＮ層２のｐｎ接合部の一部をＲＩＥ法によりエッチングして除去するｐｎ接合除去部１００が円柱型をしており、この円柱型のｐｎ接合層除去部分１００が複数個適当な間隔を離して配置されている。
【００４７】
他の構成は図１に示した第１の実施の形態と同様で、円柱型のｐｎ接合除去部１００の壁面に露出するｐｎ接合部端面から紫外線が外部に取り出され、同様の効果がある。特に、円柱型のｐｎ接合除去部１００の大きさとその数を適切にすることにより、ｐ型ＧａＮ層３と透明電極６との接触面積を増やすことができるため、素子のＩ−Ｖ特性を改善することができ、より安定な発光を行うことができる。
【００４８】
図１０は本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の第９の実施の形態の構成例を示した斜視図である。本例は、円柱型のｐｎ接合除去部１００の開口部を塞ぐように蛍光体層７を設けてあるところが、図９に示した第８の実施の形態と異なるだけで、他の構成は第８の実施の形態と同様である。
【００４９】
これにより、円柱型のｐｎ接合除去部１００から取り出される紫外線は蛍光体層７により直ちに可視光に効率よく変換されて、この可視光が外部に照射される。従って、蛍光体層７の種類を変えることにより、可視光の種類を例えば赤、青、緑と変えることができる。他の効果は第８の実施の形態と同様で、同様の効果がある。
【００５０】
図１１は本発明窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の第１０の実施の形態の構成例を示した斜視図である。本例は、図１０に示した半導体発光素子が３個隣接して形成されている。これら３個の半導体発光素子のｐ型ＧａＮ層３から上の部分はそれぞれ他と区分されているが、ｎ型ＧａＮ層２、サファイア基板１は共通で、ｎ側電極４も共通である。これら３個の半導体発光素子の円柱型のｐｎ接合除去部の開口部には、これを塞ぐように３原色の赤、青、緑の蛍光体層１３、１４、１５が充填されている。このため、蛍光体層１３からは赤色が発光され、蛍光体層１４からは青色が発光され、蛍光体層１５からは緑色が発光される。
【００５１】
本実施の形態によれば、窒化ガリウム系化合物半導体発光素子のみでフルカラーの実現が可能となるばかりでなく、生産コストの低減、歩留まりの向上を図ることができると共に、発光源を微細化することができる。
【００５２】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、第１、第２、第３、第７の発明によれば、ｐｎ接合の一部を除去するｐｎ接合除去部を設けて、ｐｎ接合の端面を露出させ、このｐｎ接合の端面から紫外線を取り出すことにより、実現しがたい材料の透明電極を用いなくとも、発生した紫外光を効率よく外部に取り出すことができる。
【００５３】
第４、第５の発明によれば、前記ｐｎ接合の端面に近接して、蛍光体を配置することにより、前記ｐｎ接合から取り出された紫外線を前記蛍光体により直ちに可視光に変換するため、十分なレベルの赤などの可視光を効率よく得ることができる。
【００５４】
第８の発明によれば、半導体表面電流が集中するｎ型のＧａＮ層の露出穴の付近に同心円状のｐｎ接合除去部が設けてあるため、半導体表面電流が表面全体に流れて、半導体表面より均一な発光を得ることができる。
【００５５】
第６の発明によれば、前記ｐｎ接合の端面に近接して、複数の発色の蛍光体を配置することにより、複数の色の可視光の照射を同時に得ることができる。
【００５６】
第９、１０の発明によれば、各分割領域のｐｎ接合除去部に異なる発色の蛍光体層を充填したため、各分割領域毎で異なる色の可視光を得ることができる。特に前記分割領域を３分割とし、前記異なる発色の蛍光体層を赤、青、緑の３原色とすれば、窒化ガリウム系化合物半導体発光素子のみで、カラーのＬＥＤを容易に実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の第１の実施の形態の構成例を示した斜視図である。
【図２】図１に示した光半導体素子の電流電圧特性及び電流光出力特性を示した特性図である。
【図３】本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の第２の実施の形態の構成例を示した斜視図である。
【図４】本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の第３の実施の形態の構成例を示した斜視図である。
【図５】本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の第４の実施の形態の構成例を示した斜視図である。
【図６】本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の第５の実施の形態の構成例を示した平面図である。
【図７】本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の第６の実施の形態の構成例を示した平面図である。
【図８】本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の第７の実施の形態の構成例を示した平面図である。
【図９】本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の第８の実施の形態の構成例を示した斜視図である。
【図１０】本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の第９の実施の形態の構成例を示した斜視図である。
【図１１】本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の第１０の実施の形態の構成例を示した斜視図である。
【図１２】従来の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の構成例を示した斜視図である。
【図１３】従来の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の他の構成例を示した斜視図である。
【符号の説明】
１ サファイア基板
２ ｎ型ＧａＮ層
３ ｐ型ＧａＮ層
４ ｎ側電極
５ ｐ側のボンディング電極
６ 透明電極
７、１３、１４、１５、１６ 蛍光体層
１００ ｐｎ接合除去部
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体基板表面より光を取出す窒化ガリウム系化合物半導体発光素子に係り、特に素子から発光した光を蛍光体に照射して所望とする波長の発光を得る構成に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、紫外光領域から青色、緑色領域に至る発光ダイオード（ＬＥＤ）の材料として、Ａｌｘ、Ｇａｙ、Ｉｎ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ、ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦ｌ）を用いた窒化ガリウム系化合物半導体が注目されている。このような材料の化合物半導体により、これまで困難であった発光強度の高い紫外光、青色、緑色等の発光が可能となって来ている。このような窒化ガリウム系化合物半導体は、一般に絶縁性基板であるサファイア基板上に成長形成される。
【０００３】
このため、ＧａＡｓ系の発光素子のように基板側に電極を設けることはできず、結晶成長基板側にアノ一ド、カソード電極の両方を形成することが必要である。そこで、カソード電極は、ｐ型層をエッチング除去してｎ型層を出して電極を形成する。アノ一ド電極はｐ型層の表面に形成する必要があるが、ｐ型層は導電率が低いため電極直下しか発光しない。そのため、発光領域全面に発光波長に対して透明な電極を形成しないと外部量子効率が低下することになる。
【０００４】
従来の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子（以降、単に半導体発光素子と称することもある）の構造例を図１１に示す。サファイア基板１にＧａＮバッファ層（図示せず）及びｎ型ＧａＮ層２とｐ型ＧａＮ層３が結晶成長されて、ｐ型ＧａＮ層３の一部がエッチング除去されてｎ型ＧａＮ層２が露出されている。ｐ型ＧａΝ層３上にｐ側透明電極６、ｐ側ボンディング電極５が形成され、ｎ型ＧａＮ層２上にｎ側電極４が形成されている。
【０００５】
図１２に示すように、上記のような構造の半導体発光素子１０はリードフレーム１２上に銀ペースト等の導電性接着材料１１でマウントされ、樹脂モールド８が施される構成が一般的である。また、蛍光体を発光させるには、一般に樹脂モールド８中に蛍光体９を混入させる。ｐ側のボンディング電極５から流された電流は、導電性の良い透明電極６で広げられ、ｐ型ＧａＮ層３からｎ型ＧａＮ層２に電流が注入され、その時、ｐ型ＧａＮ層３とｎ型ＧａＮ層２の間に形成されるｐｎ接合より発光し、その光は透明電極６を通してチップ外に取り出される。更に図１３に示すような樹脂モールド８を介して外部に発光する。この際、樹脂モールド８中に蛍光体９があればｐｎ接合より発光した光によって、蛍光体も発光し、蛍光体の発色の種類を選択することにより、所望の色の発光を得ることができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような従来の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子においては、ｐｎ接合で発光した光はｐ型ＧａＮ層３で吸収されてしまい、表面の透明電極６まで届かず、外部に取り出せないという深刻な問題があった。
【０００７】
また、ｐ型ＧａＮ層３を薄くした場合、この層３で吸収されなかった分の光が透明電極６を通して取り出されるが、導電性が高く、半導体層に対してオーミックが取れ、しかも発光波長での吸収が少ないという電極材料は必ずしも容易に実現できないという問題があった。その上、発光波長が短波長化するにつれて、発光波長での吸収力が少ない材料は更に実現し難いという問題があった。特に、ｐｎ接合より出た光で蛍光体９を発光（特に赤色）させるためには、蛍光体９の発光変換効率の高い３００ｎｍ程度の短波長の発光を前記ｐｎ接合から取り出す必要があるが、この波長領域において吸収が少ないという材料の実現は非常に難しいという問題があった。
【０００８】
又、樹脂モールド８中に蛍光体９を含有させると、ｐｎ接合で発光した光の多くがすぐに蛍光体９によって変換される訳ではなく、樹脂モールド８部分を光が通過していくうちに蛍光体９で光変換されるため、光が樹脂モールド８中を伝播する際の減衰によって前記蛍光体９により効率的に変換できないとい問題と、短波長光（紫外光）により樹脂モールド８の劣化が引き起こされる等の問題もあった。更に、半導体素子を樹脂モールドしないと蛍光体９によって変換された光パワーの測定ができないため、ウエハ状態でのチップ選別が難しく、量産性に欠けるという問題もあった。
【０００９】
本発明は、上述の如き従来の課題を解決するためになされたもので、その目的は、実現しがたい材料の透明電極を用いなくとも、発生した短波長光（紫外光）の光を効率よく蛍光体で可視光などに変換して外部に効率よく取り出すことができると共に、赤、緑、青の３原色を発光することができる窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、第１の発明の特徴は、ｐｎ接合を有する窒化ガリウム系化合物半導体において、前記ｐｎ接合の一部が除去されるように前記半導体表面から内部に向かって形成された断面が凹部状のｐｎ接合除去部を設けたことにある。
【００１１】
この第１の発明によれば、前記ｐｎ接合は、ｐ型のＧａＮ層とｎ型のＧａＮ層の境界部に形成され、表面のｐ型のＧａＮ層をエッチングしてｎ型のＧａＮ層を露出するように凹部状のｐｎ接合除去部を形成すると、ｐｎ接合除去部の側壁には前記ｐｎ接合の端面が露出する。ｐ型のＧａＮ層とｎ型のＧａＮ層に電圧を印加すると、前記ｐｎ接合部で紫外線が発光し、この紫外線が前記ｐｎ接合の端面から前記ｐｎ接合除去部を通して外部に照射する。ｐｎ接合除去部の内部及び周辺に蛍光体を充填又は塗布しておけば、前記紫外線は直ちに前記蛍光体により可視光に変換されて外部に照射される。
【００１２】
第２の発明の特徴は、前記ｐｎ接合除去部は、細長い溝状を有し、前記半導体表面に適当な間隔を空けて複数本設けられることにある。
【００１３】
この第２の発明によれば、前記複数本のｐｎ接合除去部から紫外線が外部に照射される。
【００１４】
第３の発明の特徴は、前記ｐｎ接合除去部は、開口部が円形又は多角形状の穴で、前記半導体表面に適当な間隔を空けて複数個設けられることにある。
【００１５】
この第３の発明によれば、例えば前記ｐｎ接合除去部は円柱形の穴などになるが、この穴の内壁面にｐｎ接合の端部が露出し、この端部から紫外線が外部に照射される。
【００１６】
第４の発明の特徴は、前記ｐｎ接合除去部の内部又は周辺部に蛍光体層を充填又は形成したことにある。
【００１７】
この第４の発明によれば、前記ｐｎ接合除去部の内壁面に露出しているｐｎ接合部から外部に照射された紫外線は前記蛍光体層により直ちに可視光線に変換されて外部に照射される。
【００１８】
第５の発明の特徴は、前記半導体表面に、前記ｐｎ接合除去部の開口部の少なくとも一部も含めて覆う蛍光体層を形成することにある。
【００１９】
この第５の発明によれば、前記ｐｎ接合除去部の内壁面に露出しているｐｎ接合部から外部に照射された紫外線はこのｐｎ接合除去部の開口部を塞ぐ前記蛍光体層により直ちに可視光線に変換されて外部に照射される。
【００２０】
第６の発明の特徴は、前記蛍光体層の一部分に異なる色を発色する蛍光体を含む領域が存在することにある。
【００２１】
この第６の発明によれば、前記ｐｎ接合部の端面から外部に照射された紫外線は前記蛍光体層により可視光に変換されるが、蛍光体層の種類によって異なった色の光が発光する。
【００２２】
第７の発明の特徴は、ｐ型のＧａＮ層とその下部にあるｎ型のＧａＮ層により形成されたｐｎ接合を有する窒化ガリウム系化合物半導体において、前記半導体表面の中央部にｎ側電極を設けるために前記ｐ型のＧａＮ層をエッチングして形成したｎ型のＧａＮ層の露出穴と、前記ｐｎ接合の一部が除去されるように前記半導体表面から内部に向かって形成された断面が凹部状の細長いｐｎ接合除去部とを設け、複数本の前記ｐｎ接合除去部を前記露出穴を中心として前記半導体表面の外周部へ向かって放射状に配置することにある。
【００２３】
第８の発明の特徴は、ｐ型のＧａＮ層とその下部にあるｎ型のＧａＮ層により形成されたｐｎ接合を有する窒化ガリウム系化合物半導体発光素子において、前記半導体表面の中央部にｎ側電極を設けるために前記ｐ型のＧａＮ層をエッチングして形成したｎ型のＧａＮ層の露出穴と、前記ｐｎ接合の一部が除去されるように前記半導体表面から内部に向かって形成された断面が凹部状で細長いｐｎ接合除去部とを設け、少なくとも１本以上の前記ｐｎ接合除去部を前記露出穴を中心とした同心円状に前記半導体表面に配置することにある。
【００２４】
この第８の発明によれば、通常、半導体表面は前記ｐｎ接合除去部などを除いて、透明電極で覆われるが、この透明電極を通して半導体表面電流が集中して流れやすい前記ｎ型のＧａＮ層の露出穴近くの透明電極領域のｐｎ接合部が前記ｐｎ接合除去部により同心円状に一部除去されているため、電流が半導体表面の周辺部分にも流れ、面全体で均一に発光する。
【００２５】
第９の発明の特徴は、ｐ型のＧａＮ層とその下部にあるｎ型のＧａＮ層により形成されたｐｎ接合を有する窒化ガリウム系化合物半導体において、ｐ型のＧａＮ層を複数の領域に分割し、各分割領域の半導体表面に、前記ｐｎ接合の一部が除去されるように前記半導体表面から内部に向かって形成された断面が凹部状の複数のｐｎ接合除去部を設け、且つ、前記各分割領域のｐｎ接合除去部に各分割領域毎に異なる色を発色する蛍光体層を充填することにある。
【００２６】
この第９の発明によれば、前記各分割領域のｐｎ接合除去部に充填されている蛍光体層の発色の種類が異なるため、それぞれの分割領域は異なる色の可視光を照射する。
【００２７】
第１０の発明の特徴は、前記ｐ型のＧａＮ層を３つの領域に分割し、且つ各分割領域のｐｎ接合除去部に、赤、青、緑の異なる色を発色する蛍光体層を充填して、前記各分割領域毎に異なる色の発光を得ることにある。
【００２８】
この第１０の発明によれば、３つの分割領域はそれぞれ、赤、青、緑の３原色の可視光を照射できるため、これら３原色のレベルを調整して混合することにより各種の色の可視光が得られる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の第１の実施の形態の構成例を示した斜視図である。サファイア基板１上にＧａＮバッファ層（図示せず）、ｎ型ＧａＮ層２、ｐ型ＧａＮ層３を順次結晶成長させる。次にｐ型ＧａＮ層３をＰＥＰ法によりパタ−ニングし、ＲＩＥ法等によりエッチングしてｎ型ＧａＮ層２を露出させる。その後、ＰＥＰ法を用いてパタ−ニングし、ｎ側電極４としてＴｉ／Ａｕ等をｎ型ＧａＮ層２上に蒸着して、リフトオフにより形成する。透明電極６としては、ＰＥＰ法によりパタ−ニング後、真空蒸着法により厚さ１０ｎｍのＮｉ層をｐ型ＧａＮ層３上に形成する。
【００３０】
更に、ストライプ形成のためにＰＥＰ法によりパターニング後、１０μｍ幅のレジストをマスクとしてＮｉをＨＣｌ等でウエットエッチングした後、ＲＩＥ法等によりストライプ状にｐ型ＧａＮ層３をエッチング除去して、ｎ型ＧａＮ層２を露出させることにより、ｐｎ接合の一部を除去したｐｎ接合除去部１００を形成する。更に、熱ＣＶＤ法によりＳｉＯ2 膜を形成した後、ＰＥＰ法によってＮｉ薄膜と接続されたｐ側のボンディング電極５を形成する。尚、ｐｎ接合除去部１００の間にあるＧａＮ層はメサ型をしている。
【００３１】
なお、このＳｉＯ2 膜は図１には明記されていないが、ｐｎ接合除去部１００のメサ端面、ｐｎ接合の露出面、透明電極６の表面に亙って形成されており、ｎ側電極４部分と透明電極６とｐ側のボンディング電極５の重なり部分を除く、ｐ側電極下にも形成されている。半導体層表面が酸化物等もなく、十分に清浄な状態であれば不要な工程となる場合もあるが、透明電極６及びｎ側電極４と半導体層間の密着性、オーミック性向上のために４５０℃で、２０秒のフラッシュアニールを行うことにより、電極形成する。
【００３２】
次に本実施の形態の動作について説明する。カソードのｐ側ボンディング電極５とアノードのｎ側電極４との間に電圧が印加されると、ｐ側ボンディング電極５から流入する電流は、導電性の良い透明電極６で広げられ、ｐ型ＧａＮ層３からｎ型ＧａＮ層２に注入されて、これらｐ、ｎ型ＧａＮ層３、２の間のｐｎ接合部で発光し、発光した紫外線はストライプ状に形成されたｐｎ接合除去部１００の側壁に露出しているｐｎ接合部の端面及びｐ型ＧａＮ層３、透明電極６を通して外部に照射される。
【００３３】
ここで、ストライプ状に形成されたｐｎ接合除去部１００の壁面や底面に蛍光体が塗布又は充填されておれば、前記ｐｎ接合除去部１００のｐｎ接合端面から発光した紫外線はこの蛍光体により可視光に変換されて外部に照射される。この時、前記蛍光体の発色が赤であれば赤色が、前記蛍光体の発色が青であれば青色が、前記蛍光体の発色が緑であれば緑色が外部に照射されることになる。
【００３４】
このようにして得られた本例の電流電圧特性（Ｉ−Ｖ特性）及び電流一光出力（Ｐｏ）特性を図２に示す。この図２において、電流値２０ｍＡの時に、電圧４．３Ｖ、光出力５８μＷ、発光波長は３６０ｎｍが得られることが分かる。
【００３５】
本実施の形態によれば、半導体表面に複数本のｐｎ接合除去部１００を形成することにより、ｐ型ＧａＮ層３とｎ型ＧａＮ層２より形成されるｐｎ接合の一部を除去して、このｐｎ接合で発光した紫外線をｐｎ接合除去部１００の側壁に露出するｐｎ接合端面から外部に取り出すことにより、ｐ型ＧａＮ層３や透明電極６により前記紫外線が減衰しても、前記ｐｎ接合端面から十分なレベルの紫外線を外部に取り出すことができる。従って、透明電極６の材料としては通常のものが使用でき、容易に上記効果を得ることができる。また、発光した紫外線は蛍光体の発光変換効率が高い３６０ｎｍ程度の短波長であることと、ｐｎ接合端面に近接して塗布又は充填されている蛍光体により直ちに可視光に変換するため、可視光への変換効率が極めて高く、十分なレベルの可視光を効率よく得ることができると共に、前記ＰＮ接合端面から光を外部に導き出す構造のため、発光源の微細化を容易に行うことができる。更に、上記のようにｐｎ接合部から短波長の紫外線を効率よく取り出すことができるため、この紫外線を赤色の蛍光体で赤色に変換することができ、実用レベルの赤色の発光を得ることができる。又、従来のように樹脂モールド中に蛍光体があるわけではなく、ウエハ状態で、蛍光体が塗布されているため、ウエハ状態でも前記蛍光体で変換された光の強度を測定することができ、ウエハ状態でのチップ選別を容易に行うことができ、半導体発光素子の量産性及び歩留まりの向上を図ることができる。
【００３６】
尚、ｐｎ接合除去部１００の半導体表面に占める面積の割合は、大きいとｐｎ接合の面積が少なくなって、紫外線の発光量が少なくなってしまい、逆に前記ｐｎ接合除去部１００の面積が小さいと、ｐｎ接合部から外部に取り出す紫外線の量が少なくなるため、前記ｐｎ接合除去部１００の半導体表面に占める割合は、適切な範囲がある。
【００３７】
図３は本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の第２の実施の形態の構成例を示した斜視図である。本例は、ｐ型ＧａＮ層３の上に形成されている透明電極６及びｐｎ接合除去部１００の上に蛍光体層７が形成されている以外は、図１に示した第１の実施の形態と同様の構造を有している。これにより、カソードのｐ側ボンディング電極５とアノードのｎ側電極４との間に電圧が印加されると、ｐ型ＧａＮ層３とｎ型ＧａＮ層２の間にあるｐｎ接合部で発光し、発光した紫外線はストライプ状に形成されたｐｎ接合除去部１００の側面に露出しているｐｎ接合端面及びｐ型ＧａＮ層３、透明電極６を通して外部に照射される。この時、前記紫外線は蛍光体層７を通過する際に、可視光線に変換され、この可視光線が外部に照射されることになる。
【００３８】
この場合も、蛍光体層７はストライプ状に形成されたｐｎ接合除去部１００及び透明電極６に近接して配置されているため、発光された紫外線は減衰することなく、蛍光体層７により効率的に可視光線に変換され、第１の実施の形態と同様の効果がある。特に、本例ではｐ型ＧａＮ層３、透明電極６を通して外部に照射され紫外線も蛍光体層７により可視光に変換でき、その分効率がよくなっている。
【００３９】
図４は窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の本発明の第３の実施の形態の構成例を示した斜視図である。本例は、半導体発光素子全体に蛍光体含有有機シラン溶液を塗布して形成した蛍光体層７で半導体発光素子全体を囲んだ構成を有している他は、図３に示した第２の実施の形態と同様であり、同様の効果がある。
【００４０】
図５は本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の第４の実施の形態の構成例を示した斜視図である。本例は、ｐ型ＧａＮ層３とｎ型ＧａＮ層２のｐｎ接合部の一部を除去するｐｎ接合除去部１００がストライプ状に形成されているが、本例はストライプ状に形成されたｐｎ接合除去部１００の間にあるｐ型ＧａＮ層３とｎ型ＧａＮ層２の部分が逆メサ型になっていている点が異なり、他の構成は図１に示した第１の実施の形態と同様であり、同様の効果がある。
【００４１】
特に、ストライプ状に形成されたｐｎ接合除去部１００の間にあるｐ型ＧａＮ層３とｎ型ＧａＮ層２の部分が逆メサ型であるため、透明電極６と半導体層の接触面積を大きくし、メサエッチングされた穴の底部分２１に蛍光体を含む有機シラン溶液、或いは蛍光体そのものを詰め込むことで、ｐｎ接合部の端面から外部に発光された紫外線を前記蛍光体で効率的に赤色系の可視光に変換することができる。
【００４２】
図６は本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の第５の実施の形態の構成例を示した平面図である。本例は、ｐ型ＧａＮ層３とｎ型ＧａＮ層２の間にあるｐｎ接合除去部１００の形状を細長い溝型とし、このような形状のｐｎ接合除去部１００がチップ表面の中心から周辺部に向かって複数本直線上に伸びている。他の構成は図１に示した第１の実施の形態と同様であるため、ｐｎ接合除去部１００の壁面に露出するｐｎ接合部の端面から紫外線が外部に照射され、第１の実施の形態と同様の効果がある。尚、ｐｎ接合除去部１００内及びその周辺部に蛍光体層を設ければ、前記紫外線を効率的に可視光に変換することができる。
【００４３】
図７は本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の第６の実施の形態の構成例を示した平面図である。本例は、ｐ型ＧａＮ層３のほぼ中央部を円形にエッチングしてｎ型ＧａＮ層２を円形に露出させ、このｎ型ＧａＮ層２の表面の中央に、円形のｎ側電極４が形成されている。また、ｐ型ＧａＮ層３とｎ型ＧａＮ層２の間にあるｐｎ接合の一部を除去するｐｎ接合除去部１００の形状は細長い溝型であるが、前記円形のｎ型ＧａＮ層２の露出穴の外周部を形成するｐ型ＧａＮ層３の縁から外側に向かって放射状にｐｎ接合除去部１００が複数本配置されている。しかも、これらｐｎ接合除去部１００の一方の端部は前記露出穴に連通している。他の構成は図１に示した第１の実施の形態と同様であるため、ｐｎ接合除去部１００の壁面に露出するｐｎ接合部の端面から紫外線が外部に照射され、第１の実施の形態と同様の効果がある。尚、ｐｎ接合除去部１００の中などに蛍光体層を充填すれば、この蛍光体層により前記紫外線を効率的に可視光に変換することができる。
【００４４】
図８は本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の第８の実施の形態の構成例を示した平面図である。本例は、ｐ型ＧａＮ層３のほぼ中央部を円形にエッチングしてｎ型ＧａＮ層２を円形に露出させ、このｎ型ＧａＮ層２の表面の中央に、円形のｎ側電極４が形成され、ｐ型ＧａＮ層３の隅にＰ側ボンディング電極５が形成されている。このＰ側ボンディング電極５部分を除き、ｎ側電極４を中心として、ほぼ同心円状に複数の円形のｐｎ接合除去部１００が形成されている。これらｐｎ接合除去部１００とＰ側ボンディング電極５を除いて、ｐ型ＧａＮ層３のほぼ全面を透明電極６が覆っており、この透明電極６とＰ側のボンディング電極５は互いに接続されている。
【００４５】
本実施の形態は上記のような構造にすることにより、電流が集中して流れやすいｎ側電極４近くの透明電極６の領域のｐｎ接合部が前記ｐｎ接合除去部１００により同心円状に一部除去されているため、電流がＰ型ＧａＮ層３の周辺部分にも流れるようになり、面全体より均一な発光を得ることができる。他の構成は図１に示した第１の実施の形態と同様であるため、ｐｎ接合除去部１００の壁面に露出するｐｎ接合部の端面から紫外線が外部に照射され、第１の実施の形態と同様の効果がある。尚、ｐｎ接合除去部１００の中などに蛍光体層を充填すれば、この蛍光体層により前記紫外線を効率的に可視光に変換することができる。
【００４６】
図９は本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の第８の実施の形態の構成例を示した斜視図である。本例は、ｐ型ＧａＮ層３とｎ型ＧａＮ層２のｐｎ接合部の一部をＲＩＥ法によりエッチングして除去するｐｎ接合除去部１００が円柱型をしており、この円柱型のｐｎ接合層除去部分１００が複数個適当な間隔を離して配置されている。
【００４７】
他の構成は図１に示した第１の実施の形態と同様で、円柱型のｐｎ接合除去部１００の壁面に露出するｐｎ接合部端面から紫外線が外部に取り出され、同様の効果がある。特に、円柱型のｐｎ接合除去部１００の大きさとその数を適切にすることにより、ｐ型ＧａＮ層３と透明電極６との接触面積を増やすことができるため、素子のＩ−Ｖ特性を改善することができ、より安定な発光を行うことができる。
【００４８】
図１０は本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の第９の実施の形態の構成例を示した斜視図である。本例は、円柱型のｐｎ接合除去部１００の開口部を塞ぐように蛍光体層７を設けてあるところが、図９に示した第８の実施の形態と異なるだけで、他の構成は第８の実施の形態と同様である。
【００４９】
これにより、円柱型のｐｎ接合除去部１００から取り出される紫外線は蛍光体層７により直ちに可視光に効率よく変換されて、この可視光が外部に照射される。従って、蛍光体層７の種類を変えることにより、可視光の種類を例えば赤、青、緑と変えることができる。他の効果は第８の実施の形態と同様で、同様の効果がある。
【００５０】
図１１は本発明窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の第１０の実施の形態の構成例を示した斜視図である。本例は、図１０に示した半導体発光素子が３個隣接して形成されている。これら３個の半導体発光素子のｐ型ＧａＮ層３から上の部分はそれぞれ他と区分されているが、ｎ型ＧａＮ層２、サファイア基板１は共通で、ｎ側電極４も共通である。これら３個の半導体発光素子の円柱型のｐｎ接合除去部の開口部には、これを塞ぐように３原色の赤、青、緑の蛍光体層１３、１４、１５が充填されている。このため、蛍光体層１３からは赤色が発光され、蛍光体層１４からは青色が発光され、蛍光体層１５からは緑色が発光される。
【００５１】
本実施の形態によれば、窒化ガリウム系化合物半導体発光素子のみでフルカラーの実現が可能となるばかりでなく、生産コストの低減、歩留まりの向上を図ることができると共に、発光源を微細化することができる。
【００５２】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、第１、第２、第３、第７の発明によれば、ｐｎ接合の一部を除去するｐｎ接合除去部を設けて、ｐｎ接合の端面を露出させ、このｐｎ接合の端面から紫外線を取り出すことにより、実現しがたい材料の透明電極を用いなくとも、発生した紫外光を効率よく外部に取り出すことができる。
【００５３】
第４、第５の発明によれば、前記ｐｎ接合の端面に近接して、蛍光体を配置することにより、前記ｐｎ接合から取り出された紫外線を前記蛍光体により直ちに可視光に変換するため、十分なレベルの赤などの可視光を効率よく得ることができる。
【００５４】
第８の発明によれば、半導体表面電流が集中するｎ型のＧａＮ層の露出穴の付近に同心円状のｐｎ接合除去部が設けてあるため、半導体表面電流が表面全体に流れて、半導体表面より均一な発光を得ることができる。
【００５５】
第６の発明によれば、前記ｐｎ接合の端面に近接して、複数の発色の蛍光体を配置することにより、複数の色の可視光の照射を同時に得ることができる。
【００５６】
第９、１０の発明によれば、各分割領域のｐｎ接合除去部に異なる発色の蛍光体層を充填したため、各分割領域毎で異なる色の可視光を得ることができる。特に前記分割領域を３分割とし、前記異なる発色の蛍光体層を赤、青、緑の３原色とすれば、窒化ガリウム系化合物半導体発光素子のみで、カラーのＬＥＤを容易に実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の第１の実施の形態の構成例を示した斜視図である。
【図２】図１に示した光半導体素子の電流電圧特性及び電流光出力特性を示した特性図である。
【図３】本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の第２の実施の形態の構成例を示した斜視図である。
【図４】本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の第３の実施の形態の構成例を示した斜視図である。
【図５】本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の第４の実施の形態の構成例を示した斜視図である。
【図６】本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の第５の実施の形態の構成例を示した平面図である。
【図７】本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の第６の実施の形態の構成例を示した平面図である。
【図８】本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の第７の実施の形態の構成例を示した平面図である。
【図９】本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の第８の実施の形態の構成例を示した斜視図である。
【図１０】本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の第９の実施の形態の構成例を示した斜視図である。
【図１１】本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の第１０の実施の形態の構成例を示した斜視図である。
【図１２】従来の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の構成例を示した斜視図である。
【図１３】従来の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の他の構成例を示した斜視図である。
【符号の説明】
１ サファイア基板
２ ｎ型ＧａＮ層
３ ｐ型ＧａＮ層
４ ｎ側電極
５ ｐ側のボンディング電極
６ 透明電極
７、１３、１４、１５、１６ 蛍光体層
１００ ｐｎ接合除去部
Claims (4)
- ｐ型のＧａＮ層とその下部にあるｎ型のＧａＮ層により形成されたｐｎ接合を有する窒化ガリウム系化合物半導体発光素子において、
前記半導体表面の中央部にｎ側電極を設けるために前記ｐ型のＧａＮ層をエッチングして形成したｎ型のＧａＮ層の露出穴と、
前記ｐｎ接合の一部が除去されるように前記半導体表面から内部に向かって形成された断面が凹部状の細長いｐｎ接合除去部とを設け、
複数本の前記ｐｎ接合除去部を前記露出穴を中心として前記半導体表面の外周部へ向かって放射状に配置す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。 - ｐ型のＧａＮ層とその下部にあるｎ型のＧａＮ層により形成されたｐｎ接合を有する窒化ガリウム系化合物半導体発光素子において、
前記半導体表面の中央部にｎ側電極を設けるために前記ｐ型のＧａＮ層をエッチングして形成したｎ型のＧａＮ層の露出穴と、
前記ｐｎ接合の一部が除去されるように前記半導体表面から内部に向かって形成された断面が凹部状で細長いｐｎ接合除去部とを設け、
少なくとも一本以上の前記ｐｎ接合除去部を前記露出穴を中心とした同心円状に前記半導体表面に配置す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。 - ｐ型のＧａＮ層とその下部にあるｎ型のＧａＮ層により形成されたｐｎ接合を有する窒化ガリウム系化合物半導体発光素子において、
ｐ型のＧａＮ層を複数の領域に分割し、各分割領域の半導体表面に、前記ｐｎ接合の一部が除去されるように前記半導体表面から内部に向かって形成された断面が凹部状の複数のｐｎ接合除去部を設け、
且つ、前記各分割領域のｐｎ接合除去部に各分割領域毎に異なる色を発色する蛍光体層を充填す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。 - 前記各分割領域のｐｎ接合除去部に、赤、青、緑の異なる色を発色する蛍光体層を充填して、前記各分割領域毎に異なる色の発光を得ることを特徴とする請求項３記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
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