JP2018006657A - 発光素子及び発光素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】軸上配光が強く、かつ、外部量子効率が高い発光素子及び発光素子の製造方法を提供する。【解決手段】窓層兼支持基板と、該窓層兼支持基板上に設けられ、第二導電型の第二半導体層、活性層、第一導電型の第一半導体層とをこの順に含む発光層とを有する発光素子において、少なくとも前記第一半導体層と前記活性層が除去された除去部と、該除去部以外の非除去部と、該非除去部に設けられ、前記第一半導体層と接している第一オーミック電極と、前記除去部に設けられ、前記第二半導体層または前記窓層兼支持基板と接している第二オーミック電極とを有し、前記窓層兼支持基板の前記発光層と反対側の光取出し面における前記発光層に対応する領域において、該発光層に対応する領域よりも狭い範囲に凹部が設けられており、該凹部の底面が粗面化されたものであることを特徴とする発光素子。【選択図】 図１

Description

本発明は、発光素子及び発光素子の製造方法に関する。

チップオンボード（ＣＯＢ）などの製品は、ＬＥＤ素子からの放熱性に優れ、照明等の用途において、採用されるＬＥＤチップ実装方法である。ＣＯＢなどにＬＥＤを実装する場合、チップを直接ボードに接合するフリップ実装が必須である。フリップ実装を実現するためには、発光素子の一方の面に極性の異なる通電用パッドを設けたフリップチップを作製する必要がある。また、通電用パッドが設けられた面の反対側の面は光取り出し機能を有する材料で構成する必要がある。

黄色〜赤色ＬＥＤでフリップチップを作製する場合、発光層にはＡｌＧａＩｎＰ系の材料が用いられる。ＡｌＧａＩｎＰ系材料はバルク結晶が存在せず、エピタキシャル法でＬＥＤ部は形成されるため、出発基板はＡｌＧａＩｎＰとは異なる材料が選択される。出発基板はＧａＡｓやＧｅが選択される場合が多く、これらの基板は可視光に対して光吸収の特性を有するため、フリップチップを作製する場合、出発基板は除去される。しかし、発光層を形成するエピタキシャル層は極薄膜のため、出発基板除去後に自立することができない。したがって、発光層に発光波長に対して略透明で窓層としての機能を有し、自立させるために十分の厚さを有する支持基板としての機能を有する材料・構成で、出発基板と置換する必要がある。

窓層兼支持基板の機能を有する置換材料として、ＧａＰ、ＧａＡｓＰ、サファイアなどが選択される。前記いずれの材料を選択しても、ＡｌＧａＩｎＰ系材料と異なる材料であるため、格子定数、熱膨張係数やヤング率などの機械的特性はＡｌＧａＩｎＰ系材料とは異なる。

このような技術として、特許文献１には窓層兼支持基板としてＧａＰを結晶成長と直接接合により形成する方法が開示されている。また、特許文献２には窓層兼支持基板としてＧａＰを結晶成長して形成する方法が開示されている。

ところでＡｌＧａＩｎＰ系発光素子によってフリップチップを作製する場合、配光は軸上が最大でそれ以外の角度の光強度は極小になることが理想的である。また、窓層を接合もしくは接着によって設けた場合、剥離等のリスクがあるため、結晶成長で形成することが好ましい。

しかし、窓層をＧａＰで形成する場合、屈折率が３．１〜３．３と大きいため、全反射角が大きく、光取り効率が低下する。

光取り出し効率（及び外部量子効率）を上げるため、光取出し面や側面にフロスト処理を施す方法が開示されている。

ここで図８に示すような、従来のフリップチップ構造の発光素子１０１の製造方法の一例を説明する。最初に図８（ａ）に示すように例えばＧａＡｓ（００１）等の出発基板（基板１１４）上に機能層たるダブルヘテロ（ＤＨ）層（発光層１０６）を形成する。ダブルヘテロ層は下部クラッド層（第一半導体層１０５）、活性層１０４、上部クラッド層（第二半導体層１０３）から構成される。クラッド層は（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_ｙＩｎ_１−ｙＰ（０．６≦ｘ≦１．０、０．４≦ｙ≦０．６）の組成が選択され、厚さは０．５〜２．０μｍ（好ましくは１．０μｍ前後）程度である。活性層１０４は（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_ｙＩｎ_１−ｙＰ（０．１５≦ｘ≦０．８、０．４≦ｙ≦０．６）から選択され、均一組成層あるいは活性層よりバンドギャップの大きい多重障壁層で活性層を挟んだ多重活性層構造が選択される。図８では第一半導体層１０５がｎ型、第二半導体層１０３がｐ型である例を示している。

そして、発光層１０６上には緩衝層１１５として例えばＧａ_ｙＩｎ_１−ｙＰ（０．４≦ｙ≦１．０）を成膜し、例えばＧａＰからなる窓層兼支持基板１０２を５０μｍ以上成膜する。窓層兼支持基板１０２は成長ではなく、直接接合等の方法で接合して形成しても良い。

次に、図８（ｂ）に示すようにウェットエッチング法により基板１１４を除去して自立基板とする。基板１１４の除去面である第一半導体層１０５の一部に第一オーミック電極１０９を形成する。

次に、図８（ｃ）に示すように発光層１０６の一部を切り欠き、第二半導体層１０３または窓層兼支持基板１０２が露出した領域（除去部１０７）と、除去部１０７以外の非除去部１０８を形成する。そして、この除去部１０７に第二オーミック電極１１０を形成する。図８（ｃ）では、第一半導体層１０５と活性層１０４に加えて、第二半導体層１０３及び緩衝層１１５も除去されており、窓層兼支持基板１０２に第二オーミック電極１１０が接する構造を示している。

次に、図８（ｄ）に示すように窓層兼支持基板１０２の光取出し面１１２の全面を粗面化して発光素子１０１を製造する。

特開２０１５−０１２０２８号公報 特開２０１５−００５５５１号公報

しかし、上記のようにして製造された発光素子においては、チップ全体から光が取り出されることになり、配光性が犠牲となるという問題があった。

本発明は上記の課題に鑑みてなされたもので、軸上配光が強く、かつ、外部量子効率が高い発光素子及び発光素子の製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明によれば、窓層兼支持基板と、該窓層兼支持基板上に設けられ、第二導電型の第二半導体層、活性層、及び第一導電型の第一半導体層をこの順に含む発光層とを有する発光素子において、
少なくとも前記第一半導体層と前記活性層が除去された除去部と、該除去部以外の非除去部と、該非除去部に設けられ、前記第一半導体層と接している第一オーミック電極と、前記除去部に設けられ、前記第二半導体層または前記窓層兼支持基板と接している第二オーミック電極とを有し、
前記窓層兼支持基板の前記発光層と反対側の光取出し面における前記発光層に対応する領域において、該発光層に対応する領域よりも狭い範囲に凹部が設けられており、該凹部の底面が粗面化されたものであることを特徴とする発光素子を提供する。

このような発光素子であれば、発光層に対応する領域において、該発光層に対応する領域よりも狭い範囲に凹部が設けられており、該凹部の底面が粗面化されたものであるということにより、軸上配光が強く、かつ、外部量子効率が高い発光素子とすることができる。すなわち、光取出し面のうち一部にのみ粗面を設けることにより、該粗面から光取出しを行うことができるので、外部量子効率を高くすることができる。それと共に、発光層に対応する領域に位置する凹部の底面が粗面化されているので、配光を軸上（発光層の略中央部を通る線の延長線上）において強くすることができる。

このとき、前記窓層兼支持基板の前記光取出し面において、前記凹部が設けられた以外の領域に、金属反射層が設けられたものとすることができる。

このようなものであれば、窓層兼支持基板の光取出し面に設けられた凹部以外の領域に金属反射層を設けることで、配光角を狭くすることができる。

また、前記窓層兼支持基板の前記光取出し面において、前記凹部が設けられた以外の領域に、絶縁層が設けられ、該絶縁層上に金属反射層が設けられたものとすることができる。

このようなものであれば、窓層兼支持基板と反射層の共晶を防止でき、反射率を高め、配光角をより急峻にすることができる。

また、本発明の発光素子では、前記窓層兼支持基板がＧａＰからなり、前記発光層が（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_ｙＩｎ_１−ｙＰ（０≦ｘ≦１、０．４≦ｙ≦０．６）からなるものであることが好ましい。

このように、窓層兼支持基板及び発光層として、上記のような材料を好適に用いることができる。

また本発明によれば、基板上に、該基板と格子整合系の材料で少なくとも第一半導体層、活性層、及び第二半導体層を順次エピタキシャル成長により成長させて発光層を形成する工程と、窓層兼支持基板を前記発光層と接合するか、または、前記窓層兼支持基板を前記発光層上にエピタキシャル成長させる窓層兼支持基板形成工程と、前記基板を除去する工程と、前記第一半導体層表面に第一オーミック電極を形成する工程と、少なくとも前記第一半導体層と前記活性層を除去して除去部を形成する除去工程と、前記除去部の前記第二半導体層または前記窓層兼支持基板上に第二オーミック電極を形成する工程からなる発光素子の製造方法において、
更に、前記窓層兼支持基板の前記発光層と反対側の光取出し面における前記発光層に対応する領域において、該発光層に対応する領域よりも狭い範囲に凹部を形成する凹部形成工程と、前記凹部の底面を粗面化する粗面化工程とを行うことを特徴とする発光素子の製造方法を提供する。

このような発光素子の製造方法であれば、発光層に対応する領域において、該発光層に対応する領域よりも狭い範囲に凹部を形成する凹部形成工程と、凹部の底面を粗面化する粗面化工程とを行うことにより、軸上配光が強く、かつ、外部量子効率が高い発光素子を簡単に製造することができる。すなわち、光取出し面のうち一部にのみ粗面を設けることにより、該粗面から光取出しを行うことができるので、外部量子効率を高くすることができる。それと共に、発光層に対応する領域に位置する凹部の底面が粗面化されているので、配光を軸上において強くすることができる。

このとき、更に、前記窓層兼支持基板の前記光取出し面において、前記凹部が設けられた以外の領域に、金属反射層を形成する金属反射層形成工程を行うことができる。

このようにすれば、配光角の狭い発光素子を簡単に製造することができる。

また、更に、前記窓層兼支持基板の前記光取出し面において、前記凹部が設けられた以外の領域に、絶縁層を形成する絶縁層形成工程と、前記絶縁層上に金属反射層を形成する金属反射層形成工程とを行うことができる。

このようにすれば、窓層兼支持基板と反射層の共晶を防止でき、反射率を高め、配光角がより急峻な発光素子を簡単に製造することができる。

また、本発明の発光素子の製造方法では、前記窓層兼支持基板をＧａＰとし、前記発光層を（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_ｙＩｎ_１−ｙＰ（０≦ｘ≦１、０．４≦ｙ≦０．６）とすることが好ましい。

このように、窓層兼支持基板及び発光層として、上記のような材料を好適に用いることができる。

本発明の発光素子及び発光素子の製造方法であれば、軸上配光が強く、かつ、外部量子効率が高い発光素子を実現することができる。

本発明の発光素子の製造方法の第一の実施形態を示した概略図である。 第一オーミック電極、第二オーミック電極及び発光層領域の形状を示した概略図であり、光取出し面とは反対から発光素子を見た図である。 凹部の形状の一例（円形状）を示した概略図であり、光取出し面から発光素子を見た図である。 凹部の形状の一例（発光層領域の外形に沿った形状）を示した概略図であり、光取出し面から発光素子を見た図である。 本発明の発光素子の製造方法の第二の実施形態を示した概略図である。 本発明の発光素子の製造方法の第三の実施形態を示した概略図である。 実施例１〜３及び比較例において製造した発光素子をフリップ実装した時の、配光特性を示したグラフである。 従来の発光素子の製造方法を示した概略図である。

以下、本発明について実施の形態を説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。

上記したように、外部量子効率を上げるため、光取出し面や側面にフロスト処理を施す従来の方法により製造された発光素子では、チップ全体から光が取り出されることになり、配光性が犠牲となっていた。

そこで、本発明者はこのような問題を解決すべく鋭意検討を重ねた。その結果、窓層兼支持基板の発光層と反対側の光取出し面における発光層に対応する領域において、該発光層に対応する領域よりも狭い範囲に凹部が設けられており、該凹部の底面が粗面化されたものであれば、軸上配光が強く、かつ、外部量子効率が高い発光素子とすることができることに想到した。そして、これらを実施するための最良の形態について精査し、本発明を完成させた。

（第一の実施形態）
まず、本発明の発光素子の第一の実施形態について、図１（ｄ）を参照して説明する。図１（ｄ）に示すように、本発明の第一の実施形態における発光素子１ａは、窓層兼支持基板２と、該窓層兼支持基板２上に設けられ、第二導電型の第二半導体層３、活性層４、及び第一導電型の第一半導体層５をこの順に含む発光層６とを有している。窓層兼支持基板２と第二半導体層３の間には緩衝層１５があってもよい。また、発光素子１ａは、少なくとも第一半導体層５と活性層４が除去された除去部７と、該除去部７以外の非除去部８と、該非除去部８に設けられ、第一半導体層５と接している第一オーミック電極９と、除去部７に設けられ、第二半導体層３または窓層兼支持基板２と接している第二オーミック電極１０とを有している。

除去部７は、図１（ｄ）に示すように、発光層６の一部の領域が除去された部分を示す。図１（ｄ）では、第一半導体層５と活性層４に加えて、第二半導体層３及び緩衝層１５も除去されており、窓層兼支持基板２に第二オーミック電極１０が接する構造を示している。第一半導体層５及び活性層４が除去された構造とし、すなわち第二半導体層３（及び緩衝層１５）を残した構造とし、第二オーミック電極１０は第二半導体層３に接する構造としても良い。

このとき、窓層兼支持基板２がＧａＰからなり、発光層６が（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_ｙＩｎ_１−ｙＰ（０≦ｘ≦１、０．４≦ｙ≦０．６）からなるものであることが好ましい。図１（ｄ）では、窓層兼支持基板２及び発光層６がこれらの材料からなる例を示している。また、発光層６を構成する第二半導体層３の第二導電型がｐ型、第一半導体層５の第一導電型がｎ型である例を示しているが、導電型は逆であっても良い。緩衝層１５としては、Ｇａ_ｙＩｎ_１−ｙＰ（０．４≦ｙ≦１．０）を用いる例を示している。

また、発光素子１ａは、図２に示す第一オーミック電極９、第二オーミック電極１０及び、発光層領域１１ａのようなパターン形状を有するものとすることができる。

そして、発光素子１ａは、図１（ｄ）に示すように、窓層兼支持基板２の発光層６と反対側の光取出し面１２における発光層６に対応する領域１１ｂにおいて、該発光層６に対応する領域１１ｂよりも狭い範囲に凹部１３が設けられており、該凹部１３の底面が粗面化されたものである。ここで、発光層６に対応する領域１１ｂとは、第二半導体層３、活性層４、及び第一半導体層５を有する発光層６が形成された窓層兼支持基板２上の領域（例えば、図２の発光層領域１１ａ）に対して、窓層兼支持基板２を挟んで反対側、すなわち光取出し面１２側に位置する、同じ範囲の領域のことである。発光層６が構成されていない領域については発光層領域１１ａではない。例えば、第一半導体層５及び活性層４が除去された一方で、第二半導体層３が存在する領域があるように発光素子１ａを構成した場合、その領域は発光層領域１１ａではない。

このような発光素子１ａであれば、発光層６に対応する領域１１ａにおいて、該発光層６に対応する領域１１ａよりも狭い範囲に凹部１３が設けられており、該凹部１３の底面が粗面化されたものであるということにより、軸上配光が強く、かつ、外部量子効率が高い発光素子とすることができる。すなわち、光取出し面１２のうち一部にのみ粗面を設けることにより、該粗面から光取出しを行うことができるので、外部量子効率を高くすることができる。それと共に、発光層６に対応する領域１１ａに位置する凹部１３の底面が粗面化されているので、配光を軸上において強くすることができる。

このとき、凹部１３の形状は、図３に示すような円形状のパターン１８や、図４に示すような発光層に対応する領域１１ｂの外形に沿った形状１９等を任意に選択することができる。

次に、本発明の第一の実施形態における発光素子の製造方法について説明する。まず、図１（ａ）に示すように例えばＧａＡｓ（００１）等の出発基板（基板１４）を準備する。

次に、基板１４上に、該基板１４と格子整合系の材料で少なくとも、第一半導体層５（下部クラッド層）、活性層４、及び第二半導体層３（上部クラッド層）を順次エピタキシャル成長により成長させて機能層たるダブルヘテロ（ＤＨ）層（発光層６）を形成する。

このとき、発光層６として、（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_ｙＩｎ_１−ｙＰ（０≦ｘ≦１、０．４≦ｙ≦０．６）のような材料を好適に用いることができる。

このとき、第一半導体層５及び第二半導体層３は、（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_ｙＩｎ_１−ｙＰ（０．６≦ｘ≦１．０、０．４≦ｙ≦０．６）の組成が選択されることが好ましく、厚さは０．５〜２．０μｍ（好ましくは１．０μｍ前後）程度とすることができる。また、これらの層は、互いに組成（上記のｘ、ｙ）が異なる２層以上のサブレイヤーからなる層とすることもできる。

また、活性層４は、（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_ｙＩｎ_１−ｙＰ（０．１５≦ｘ≦０．８、０．４≦ｙ≦０．６）から選択されることが好ましく、均一組成層あるいは活性層よりバンドギャップの大きい多重障壁層で活性層を挟んだ多重活性層構造が選択される。

次に、窓層兼支持基板２を発光層６と接合するか、または窓層兼支持基板２を発光層６上にエピタキシャル成長させる窓層兼支持基板形成工程を行う。エピタキシャル成長により窓層兼支持基板２を成長させる場合には緩衝層１５を形成しても良い。すなわち、発光層６上には、例えば、Ｇａ_ｙＩｎ_１−ｙＰ（０．４≦ｙ≦１．０）からなる緩衝層１５を成膜し、該緩衝層１５上に、例えばＧａＰからなる窓層兼支持基板２を５０μｍ以上成膜する。窓層兼支持基板２は成長ではなく、直接接合等の方法で接合して形成しても良い。

次に、図１（ｂ）に示すように、例えば、ウェットエッチング法により基板（出発基板）１４を除去して自立基板とする。次に、基板１４の除去面である第一半導体層５表面の一部に第一オーミック電極９を形成する。

次に、図１（ｃ）に示すように少なくとも第一半導体層５と活性層４を除去して除去部７を形成する。そして、除去部７の第二半導体層３または窓層兼支持基板２上に第二オーミック電極１０を形成する。図１（ｃ）には、第一半導体層５と活性層４に加えて、第二半導体層３及び緩衝層１５も除去した例を示している。この場合、第二オーミック電極１０は、窓層兼支持基板２上に形成される。第一半導体層５及び活性層４が除去された構造とし、すなわち第二半導体層３（及び緩衝層１５）を残した構造とし、第二オーミック電極１０は第二半導体層３に接する構造としても良い。

次に、図１（ｄ）に示すように窓層兼支持基板２の発光層６と反対側の光取出し面１２における発光層６に対応する領域１１ｂにおいて、該発光層６に対応する領域１１ｂよりも狭い範囲に凹部１３を形成する。このとき、凹部１３の形状は、図３に示すような円形状のパターン１８や、図４に示すような発光層に対応する領域１１ｂの外形に沿った形状１９を任意に選択することができる。そして、この凹部１３の底面を粗面化する。

このようにすれば、発光層６に対応する領域１１ａにおいて、該発光層６に対応する領域１１ａよりも狭い範囲に凹部１３を形成する凹部形成工程と、凹部１３の底面を粗面化する粗面化工程とを行うことにより、軸上配光が強く、かつ、外部量子効率が高い発光素子を簡単に製造することができる。すなわち、光取出し面１２のうち一部にのみ粗面を設けることにより、該粗面から光取出しを行うことができるので、外部量子効率を高くすることができる。それと共に、発光層６に対応する領域１１ａに位置する凹部１３の底面が粗面化されているので、配光を軸上において強くすることができる。

このとき、凹部１３の形成と、凹部１３の底面の粗面化は、例えば、以下のようにして行うことができる。まず、図１（ｃ）の窓層兼支持基板２の光取出し面１２側にエッチングマスク用のＳｉＯ_２膜を形成し、フォトリソグラフィー法と弗酸ウェットエッチング法によりＳｉＯ_２膜の一部が開口したマスクを形成する。このとき、この開口部は発光層６に対応する領域１１ｂを超えない範囲で形成する。

次に、例えば、図３に示すような円形のＳｉＯ_２膜開口部の窓層兼支持基板２の一部をドライエッチング法によりエッチングする。窓層兼支持基板２のエッチングは、例えば、塩素含有ガスを使用したドライエッチング法で行い、１〜１０μｍ程度の深さのトレンチエッチングを行うことができる。エッチング後、例えば、弗酸・沃素・塩酸含有エッチング液でトレンチエッチング領域に粗面処理を施すことができる。そして、このドライエッチングマスク用のＳｉＯ_２膜を除去することで、発光素子１ａを製造することができる。このドライエッチングマスク用のＳｉＯ_２膜は、弗酸ウェットエッチング法により除去することができる。

（第二の実施形態）
次に、本発明の発光素子の第二の実施形態について、図５（ｄ）を参照して説明する。第二の実施形態における発光素子１ｂは、窓層兼支持基板２の光取出し面１２において、凹部１３が設けられた以外の領域に、金属反射層１６が設けられたものであることを除いて、第一の実施形態における発光素子１ａと同様である。すなわち、図５（ｄ）に示すように、本発明の第二の実施形態における発光素子１ｂは、窓層兼支持基板２と、該窓層兼支持基板２上に設けられ、第二導電型の第二半導体層３、活性層４、及び第一導電型の第一半導体層５をこの順に含む発光層６とを有している。窓層兼支持基板２と第二半導体層３の間には緩衝層１５があってもよい。また、発光素子１ｂは、少なくとも第一半導体層５と活性層４が除去された除去部７と、該除去部７以外の非除去部８と、該非除去部８に設けられ、第一半導体層５と接している第一オーミック電極９と、除去部７に設けられ、第二半導体層３または窓層兼支持基板２と接している第二オーミック電極１０とを有している。

また、発光素子１ｂは、図２に示す第一オーミック電極９、第二オーミック電極１０及び、発光層領域１１ａのようなパターン形状を有するものとすることができる。発光素子１ｂは、図５（ｄ）に示すように、窓層兼支持基板２の発光層６と反対側の光取出し面１２における発光層６に対応する領域１１ｂにおいて、該発光層６に対応する領域１１ｂよりも狭い範囲に凹部１３が設けられており、該凹部１３の底面が粗面化されたものである。

発光素子１ｂは、図５（ｄ）に示すように、さらに、窓層兼支持基板２の光取出し面１２において、凹部１３が設けられた以外の領域に、金属反射層１６が設けられたものである。

このような発光素子１ｂであれば、軸上配光が強く、かつ、外部量子効率が高い発光素子とすることができる。さらに、窓層兼支持基板２の光取出し面１２に設けられた凹部１３以外の領域に金属反射層１６を設けることで、配光角を狭くすることができる。

このとき、凹部１３の形状は、図３に示すような円形状のパターン１８や、図４に示すような発光層に対応する領域１１ｂの外形に沿った形状１９等を任意に選択することができる。

次に、本発明の第二の実施形態における発光素子の製造方法について説明する。図５（ａ）〜（ｃ）までは、上述した本発明の第一の実施形態における発光素子の製造方法と同様にして行うことができる。

次に、図５（ｄ）に示すように窓層兼支持基板２の発光層６と反対側の光取出し面１２における発光層６に対応する領域１１ｂにおいて、該発光層６に対応する領域１１ｂよりも狭い範囲に凹部１３を形成する。このとき、凹部１３の形状は、図３に示すような円形状のパターン１８や、図４に示すような発光層に対応する領域１１ｂの外形に沿った形状１９を任意に選択することができる。そして、凹部１３の底面を粗面化する。

そして、更に、窓層兼支持基板２の光取出し面１２において、凹部１３が設けられた以外の領域に、金属反射層１６を形成する。このように窓層兼支持基板２の光取出し面１２に設けられた凹部１３以外の領域に金属反射層１６が設けることで、配光角の狭い発光素子１ｂを簡単に製造することができる。

このとき、凹部１３の形成と、凹部１３の底面の粗面化及び金属反射層１６の形成は、例えば、以下のようにして行うことができる。まず、図５（ｃ）の窓層兼支持基板２の光取出し面１２側に、図５（ｄ）に示すように例えばＡｌからなる厚さ１μｍの、反射金属膜（金属反射層１６）を形成する。金属反射層１６の形成方法は特に限定されないが、真空蒸着、スパッタリング等を好適に用いることができる。

次に、ドライエッチングマスク用のＳｉＯ_２膜を形成し、フォトリソグラフィー法と弗酸ウェットエッチング法によりＳｉＯ_２膜と金属反射層１６の一部が開口したマスクを形成する。この開口部は発光層６に対応する領域１１ｂを超えない範囲で形成する。

次に、例えば、図３に示すような円形の開口部の窓層兼支持基板２の一部をドライエッチング法によりエッチングする。窓層兼支持基板２のエッチングは、例えば、塩素含有ガスを使用したドライエッチング法で行い、１〜１０μｍ程度の深さのトレンチエッチングを行うことができる。エッチング後、例えば、弗酸・沃素・塩酸含有エッチング液でトレンチエッチング領域に粗面処理を施すことができる。そして、このドライエッチングマスク用のＳｉＯ_２膜を除去することで、発光素子１ｂを製造することができる。このドライエッチングマスク用のＳｉＯ_２膜は、弗酸ウェットエッチング法により除去することができる。

（第三の実施形態）
次に、本発明の発光素子の第三の実施形態について、図６（ｄ）を参照して説明する。第三の実施形態における発光素子１ｃは、窓層兼支持基板２の光取出し面１２において、凹部１３が設けられた以外の領域に、絶縁層１７が設けられ、該絶縁層１７上に金属反射層１６が設けられたものであることを除いて、第一の実施形態における発光素子１ａと同様である。すなわち、図６（ｄ）に示すように本発明の第三の実施形態における発光素子１ｃは、窓層兼支持基板２と、該窓層兼支持基板２上に設けられ、第二導電型の第二半導体層３、活性層４、及び第一導電型の第一半導体層５をこの順に含む発光層６とを有している。窓層兼支持基板２と第二半導体層３の間には緩衝層１５があってもよい。また、発光素子１ｃは、少なくとも第一半導体層５と活性層４が除去された除去部７と、該除去部７以外の非除去部８と、該非除去部８に設けられ、第一半導体層５と接している第一オーミック電極９と、除去部７に設けられ、第二半導体層３または窓層兼支持基板２と接している第二オーミック電極１０とを有している。

また、発光素子１ｃは、図２に示す第一オーミック電極９、第二オーミック電極１０及び、発光層領域１１ａのようなパターン形状を有するものとすることができる。発光素子１ｃは、図６（ｄ）に示すように、窓層兼支持基板２の発光層６と反対側の光取出し面１２における発光層６に対応する領域１１ｂにおいて、該発光層６に対応する領域１１ｂよりも狭い範囲に凹部１３が設けられており、該凹部１３の底面が粗面化されたものである。

発光素子１ｃは、図６（ｄ）に示すように、さらに、窓層兼支持基板２の光取出し面１２において、凹部１３が設けられた以外の領域に、絶縁層１７が設けられ、該絶縁層１７上に金属反射層１６が設けられたものである。

このような発光素子１ｃであれば、軸上配光が強く、かつ、外部量子効率が高い発光素子とすることができる。さらに、窓層兼支持基板２と金属反射層１６の共晶を防止でき、反射率を高め、配光角をより急峻にすることができる。

このとき、凹部１３の形状は、図３に示すような円形状のパターン１８や、図４に示すような発光層に対応する領域１１ｂの外形に沿った形状１９を任意に選択することができる。

次に、本発明の第三の実施形態における発光素子の製造方法について説明する。図６（ａ）〜（ｃ）までは、上述した本発明の第一の実施形態における発光素子の製造方法と同様にして行うことができる。

次に、図６（ｄ）に示すように窓層兼支持基板２の発光層６と反対側の光取出し面１２における発光層６に対応する領域１１ｂにおいて、該発光層６に対応する領域１１ｂよりも狭い範囲に凹部１３を形成する。このとき、凹部１３の形状は、図３に示すような円形状のパターン１８や、図４に示すような発光層に対応する領域１１ｂの外形に沿った形状１９を任意に選択することができる。そして、この凹部１３の底面を粗面化する。

そして、更に、窓層兼支持基板２の光取出し面１２において、凹部１３が設けられた以外の領域に、絶縁層１７を形成し、この絶縁層１７上に金属反射層１６を形成する。このように窓層兼支持基板２の光取出し面１２に設けられた凹部１３以外の領域に絶縁層１７が設けることで、窓層兼支持基板２と金属反射層１６の共晶を防止でき、反射率を高め、配光角がより急峻な発光素子を簡単に製造することができる。

このとき、凹部１３の形成と、凹部１３の底面の粗面化及び、絶縁層１７と金属反射層１６の形成は、例えば、以下のようにして行うことができる。まず、図６（ｃ）の窓層兼支持基板２の光取出し面１２側に、図６（ｄ）に示すように例えば、ＳｉＯ_２からなる厚さ０．５μｍの絶縁層１７を形成し、この絶縁層１７の上に、例えばＡｌからなる厚さ１μｍの、反射金属膜（金属反射層１６）を形成する。絶縁層１７及び金属反射層１６の形成方法は特に限定されないが、絶縁層１７はＣＶＤ法により、金属反射層１６は真空蒸着、スパッタリング等により好適に形成することができる。

次に、ドライエッチングマスク用のＳｉＯ_２膜を形成し、フォトリソグラフィー法と弗酸ウェットエッチング法によりＳｉＯ_２膜と金属反射層１６及び絶縁層１７の一部が開口したマスクを形成する。この開口部は発光層６に対応する領域１１ｂを超えない範囲で形成する。

次に、例えば、図３に示すような円形の開口部の窓層兼支持基板２の一部をドライエッチング法によりエッチングする。窓層兼支持基板２のエッチングは、例えば、塩素含有ガスを使用したドライエッチング法で行い、１〜１０μｍ程度の深さのトレンチエッチングを行うことができる。エッチング後、例えば、弗酸・沃素・塩酸含有エッチング液でトレンチエッチング領域に粗面処理を施すことができる。そして、このドライエッチングマスク用のＳｉＯ_２膜のみを弗酸ウェットエッチング法により除去する（金属反射層１６に覆われた絶縁層（ＳｉＯ_２）１７は、金属反射層１６が存在することにより、除去されない）ことで、発光素子１ｃを製造することができる。

以下、本発明の実施例及び比較例を示して本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

（実施例１）
図１に示すような本発明の発光素子の製造方法の第一の実施形態に基づいて、発光素子１ａの製造を行った。

まず、図１（ａ）に示すように、出発基板としてＧａＡｓ（００１）からなる基板（出発基板）１４を準備し、この基板１４上に、機能層たるダブルヘテロ層（発光層６）をＭＯＶＰＥ法にて形成した。発光層６は、下部クラッド層（第一半導体層５）、活性層４、上部クラッド層（第二半導体層３）を順次積層したものとした。

第一半導体層５及び第二半導体層３は、（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_ｙＩｎ_１−ｙＰ（０．６≦ｘ≦１．０、０．４≦ｙ≦０．６）の組成が選択され、本実施例では、第一半導体層５として、ｎ型ＡｌＩｎＰクラッド層を０．７μｍ（ドーピング濃度３．０×１０^１７／ｃｍ^３）、ｎ型Ａｌ_０．８５ＧａＩｎＰ層を０．３μｍ（ドーピング濃度１．０×１０^１７／ｃｍ^３）の２層構造とした。

活性層４は、（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_ｙＩｎ_１−ｙＰ（０．１５≦ｘ≦０．８、０．４≦ｙ≦０．６）から選択され、波長によって組成ｘ及びｙは変更した。本実施例において活性層５は、多重活性層を用いた。活性層及び障壁層の膜厚は求める波長により変更され、それぞれ４〜１２ｎｍの範囲で波長に合わせて調整した。

第二半導体層３として、ｐ型ＡｌＩｎＰクラッド層を０．９μｍ（ドーピング濃度３．０×１０^１７／ｃｍ^３）、ｐ型Ａｌ_０．６ＧａＩｎＰ層を０．１μｍ（ドーピング濃度１．０×１０^１７／ｃｍ^３）の２層構造とした。

発光層６上には、ＧａＩｎＰからなる緩衝層１５を成膜し、この緩衝層１５上にＧａＰからなる窓層兼支持基板２をＭＯＶＰＥ法及びＶＰＥ法にて１００μｍ成膜した。

窓層兼支持基板２を形成した後、図１（ｂ）に示すように、ウェットエッチング法により基板１４を除去して自立基板とし、基板１４を除去した面に第一オーミック電極９を形成した。第一オーミック電極９は、Ｓｉ、Ｚｎ、Ｓを含有するＡｕ電極からなり、膜厚は１．５μｍとした。

次に、図１（ｃ）に示すように、発光層６の一部をフォトリソグラフィー法とエッチング法により切り欠き、発光層領域（非除去部８）と、窓層兼支持基板２を露出させた領域（除去部７）とを設けた。

そして、除去部７の窓層兼支持基板２上に第二オーミック電極１０を形成した。第二オーミック電極１０は、Ｂｅを含有するＡｕ電極からなり、膜厚は１．５μｍとした。

次に、窓層兼支持基板２の光取出し面１２側にエッチングマスク用のＳｉＯ_２膜を形成し、フォトリソグラフィー法と弗酸ウェットエッチング法によりＳｉＯ_２膜の一部が開口したマスクを形成した。

次に、図３に示すような円形のＳｉＯ_２膜開口部の窓層兼支持基板２の一部をドライエッチング法によりエッチングした。窓層兼支持基板２のエッチングは、塩素含有ガスを使用したドライエッチング法で行い、１〜１０μｍ程度の深さのトレンチエッチングを行った。本実施例ではおおむね５μｍ±１μｍ前後を狙ってトレンチを形成した。エッチング後、弗酸・沃素・塩酸含有エッチング液でトレンチエッチング領域に粗面処理を施した。その後、このエッチングマスク用のＳｉＯ_２膜は除去した。このようにして図１（ｄ）に示すような発光素子１ａを製造した。

（実施例２）
図５に示すような本発明の発光素子の製造方法の第二の実施形態に基づいて、発光素子１ｂの製造を行った。

図５（ａ）〜（ｃ）までは、上述した実施例１と同様にして行った。その後、窓層兼支持基板２の光取出し面１２側にＡｌからなる厚さ１μｍの反射金属膜（金属反射層１６）を形成した。

次に、ドライエッチングマスク用のＳｉＯ_２膜を形成し、フォトリソグラフィー法と弗酸ウェットエッチング法によりＳｉＯ_２膜と金属反射層１６の一部が開口したマスクを形成した。この開口部は発光層６に対応する領域１１ｂを超えない範囲とした。

次に、開口部の窓層兼支持基板２の一部をドライエッチング法によりエッチングした。窓層兼支持基板２のエッチングは塩素含有ガスを使用したドライエッチング法で行い、１〜１０μｍ程度の深さのトレンチエッチングを行った。本実施例ではおおむね５μｍ±１μｍ前後を狙ってトレンチを形成した。エッチング後、弗酸・沃素・塩酸含有エッチング液でトレンチエッチング領域に粗面処理を施した。その後、このエッチングマスク用のＳｉＯ_２膜は除去した。このようにして図５（ｄ）に示すような発光素子１ｂを製造した。

（実施例３）
図６に示すような本発明の発光素子の製造方法の第三の実施形態に基づいて、発光素子１ｃの製造を行った。

図６（ａ）〜（ｃ）までは、上述した実施例１と同様にして行った。その後、窓層兼支持基板２の光取出し面１２側に、ＳｉＯ_２からなる厚さ０．５μｍの絶縁層１７を形成し、この絶縁層１７上に、Ａｌからなる厚さ１μｍの反射金属膜（金属反射層１６）を形成した。

次に、ドライエッチングマスク用のＳｉＯ_２膜を形成し、フォトリソグラフィー法と弗酸ウェットエッチング法によりＳｉＯ_２膜と金属反射層１６及び絶縁層１７の一部が開口したマスクを形成した。この開口部は発光層６に対応する領域１１ｂを超えない範囲とした。

次に、開口部の窓層兼支持基板２の一部をドライエッチング法によりエッチングした。窓層兼支持基板２のエッチングは塩素含有ガスを使用したドライエッチング法で行い、１〜１０μｍ程度の深さのトレンチエッチングを行った。本実施例ではおおむね５μｍ±１μｍ前後を狙ってトレンチを形成した。エッチング後、弗酸・沃素・塩酸含有エッチング液でトレンチエッチング領域に粗面処理を施した。その後、このエッチングマスク用のＳｉＯ_２膜は除去した。このようにして図６（ｄ）に示すような発光素子１ｃを製造した。

なお、実施例１〜３では第一オーミック電極、第二オーミック電極及び発光層領域は図２で示すパターン形状で形成した。また、開口部に関しては、図３に示す円形状のパターン１８を形成した。

（比較例）
図８に示すような発光素子の製造方法に基づいて、発光素子１０１の製造を行った。図８（ａ）〜（ｃ）までは、上述した実施例１と同様にして行った。こののち、弗酸・沃素・塩酸含有エッチング液で窓層兼支持基板１０２の光取り出し面１１２側に粗面処理を施した。このようにして図８（ｄ）に示すような発光素子１０１を製造した。

図７に比較例と実施例１、２、３で製造した発光素子をフリップ実装した時の、配光特性を示した。図７に示すように、比較例においては、配光角０度の領域での配光が低く、配光角３０度前後の領域で配光強度のピークを有する特性になっている。

一方、実施例１においては、配光角０度方向の配光強度が高くなり、軸上方向の配光強度が最も強くなっている。実施例２及び３においては、配光角度の広がりが狭くなり、軸上方向に強い光が出ていることが分かる。また、実施例１〜３で製造した発光素子では、凹部の底面が粗面化されたものであるので、外部量子効率が十分に高いものであった。

なお、実施例１で製造した波長が異なるいずれの発光素子についても、それぞれ、図７の実施例１に示すような配光特性を示した。同様に、実施例２、３及び比較例で製造した波長が異なるいずれの発光素子についても、それぞれ、図７の実施例２、３及び比較例に示すような配光特性を示した。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。

１ａ、１ｂ、１ｃ…発光素子、 ２…窓層兼支持基板、 ３…第二半導体層、
４…活性層、 ５…第一半導体層、 ６…発光層、 ７…除去部、 ８…非除去部、
９…第一オーミック電極、 １０…第二オーミック電極、 １１ａ…発光層領域、
１１ｂ…発光層に対応する領域、 １２…光取出し面、 １３…凹部、 １４…基板、
１５…緩衝層、 １６…金属反射層、 １７…絶縁層、 １８…円形状のパターン、
１９…発光層に対応する領域の外形に沿った形状。

このような発光素子１ａであれば、発光層６に対応する領域１１ｂにおいて、該発光層６に対応する領域１１ｂよりも狭い範囲に凹部１３が設けられており、該凹部１３の底面が粗面化されたものであるということにより、軸上配光が強く、かつ、外部量子効率が高い発光素子とすることができる。すなわち、光取出し面１２のうち一部にのみ粗面を設けることにより、該粗面から光取出しを行うことができるので、外部量子効率を高くすることができる。それと共に、発光層６に対応する領域１１ｂに位置する凹部１３の底面が粗面化されているので、配光を軸上において強くすることができる。

このようにすれば、発光層６に対応する領域１１ｂにおいて、該発光層６に対応する領域１１ｂよりも狭い範囲に凹部１３を形成する凹部形成工程と、凹部１３の底面を粗面化する粗面化工程とを行うことにより、軸上配光が強く、かつ、外部量子効率が高い発光素子を簡単に製造することができる。すなわち、光取出し面１２のうち一部にのみ粗面を設けることにより、該粗面から光取出しを行うことができるので、外部量子効率を高くすることができる。それと共に、発光層６に対応する領域１１ｂに位置する凹部１３の底面が粗面化されているので、配光を軸上において強くすることができる。

そして、更に、窓層兼支持基板２の光取出し面１２において、凹部１３が設けられた以外の領域に、金属反射層１６を形成する。このように窓層兼支持基板２の光取出し面１２に設けられた凹部１３以外の領域に金属反射層１６を設けることで、配光角の狭い発光素子１ｂを簡単に製造することができる。

そして、更に、窓層兼支持基板２の光取出し面１２において、凹部１３が設けられた以外の領域に、絶縁層１７を形成し、この絶縁層１７上に金属反射層１６を形成する。このように窓層兼支持基板２の光取出し面１２に設けられた凹部１３以外の領域に絶縁層１７を設けることで、窓層兼支持基板２と金属反射層１６の共晶を防止でき、反射率を高め、配光角がより急峻な発光素子を簡単に製造することができる。

Claims (8)

1. 窓層兼支持基板と、該窓層兼支持基板上に設けられ、第二導電型の第二半導体層、活性層、及び第一導電型の第一半導体層をこの順に含む発光層とを有する発光素子において、
   少なくとも前記第一半導体層と前記活性層が除去された除去部と、該除去部以外の非除去部と、該非除去部に設けられ、前記第一半導体層と接している第一オーミック電極と、前記除去部に設けられ、前記第二半導体層または前記窓層兼支持基板と接している第二オーミック電極とを有し、
   前記窓層兼支持基板の前記発光層と反対側の光取出し面における前記発光層に対応する領域において、該発光層に対応する領域よりも狭い範囲に凹部が設けられており、該凹部の底面が粗面化されたものであることを特徴とする発光素子。
2. 前記窓層兼支持基板の前記光取出し面において、前記凹部が設けられた以外の領域に、金属反射層が設けられたものであることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
3. 前記窓層兼支持基板の前記光取出し面において、前記凹部が設けられた以外の領域に、絶縁層が設けられ、該絶縁層上に金属反射層が設けられたものであることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
4. 前記窓層兼支持基板がＧａＰからなり、前記発光層が（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_ｙＩｎ_１−ｙＰ（０≦ｘ≦１、０．４≦ｙ≦０．６）からなるものであ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発光素子。
5. 基板上に、該基板と格子整合系の材料で少なくとも第一半導体層、活性層、及び第二半導体層を順次エピタキシャル成長により成長させて発光層を形成する工程と、窓層兼支持基板を前記発光層と接合するか、または、前記窓層兼支持基板を前記発光層上にエピタキシャル成長させる窓層兼支持基板形成工程と、前記基板を除去する工程と、前記第一半導体層表面に第一オーミック電極を形成する工程と、少なくとも前記第一半導体層と前記活性層を除去して除去部を形成する除去工程と、前記除去部の前記第二半導体層または前記窓層兼支持基板上に第二オーミック電極を形成する工程からなる発光素子の製造方法において、
   更に、前記窓層兼支持基板の前記発光層と反対側の光取出し面における前記発光層に対応する領域において、該発光層に対応する領域よりも狭い範囲に凹部を形成する凹部形成工程と、前記凹部の底面を粗面化する粗面化工程とを行うことを特徴とする発光素子の製造方法。
6. 更に、前記窓層兼支持基板の前記光取出し面において、前記凹部が設けられた以外の領域に、金属反射層を形成する金属反射層形成工程を行うことを特徴とする請求項５に記載の発光素子の製造方法。
7. 更に、前記窓層兼支持基板の前記光取出し面において、前記凹部が設けられた以外の領域に、絶縁層を形成する絶縁層形成工程と、前記絶縁層上に金属反射層を形成する金属反射層形成工程とを行うことを特徴とする請求項５に記載の発光素子の製造方法。
8. 前記窓層兼支持基板をＧａＰとし、前記発光層を（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_ｙＩｎ_１−ｙＰ（０≦ｘ≦１、０．４≦ｙ≦０．６）とすることを特徴とする請求項５から請求項７のいずれか一項に記載の発光素子の製造方法。

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