JP4857596B2

JP4857596B2 - 発光素子の製造方法

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Publication number: JP4857596B2
Application number: JP2005133750A
Authority: JP
Inventors: 好伸末広
Original assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Current assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Priority date: 2004-06-24
Filing date: 2005-04-28
Publication date: 2012-01-18
Anticipated expiration: 2025-04-28
Also published as: JP2006041479A

Description

本発明は発光素子およびその製造方法に関し、特に、光吸収係数の大なる層に光を留めることなく外部放射を促進させることができる発光素子およびその製造方法に関する。

従来、サファイア等の下地基板上にIII族窒化物系化合物半導体からなる半導体結晶を成長させることによって発光素子を製造する方法が知られている。このような発光素子において、発光層で生じた光が光吸収係数の高い層に閉じ込められ、層内で吸収されることによって外部放射効率が低下することが問題となっている。

このような問題を解決するものとして、サファイア基板の表面に凹凸面を形成し、その上にIII族窒化物系化合物半導体層を設けた発光素子がある（例えば、特許文献１参照。）。

特許文献１に記載される発光素子は、基板表面の上にIII族窒化物系化合物半導体で形成されてその表面がテクスチャ構造、断面台形状、若しくはピット状であるバッファ層を形成し、このバッファ層の上にIII族窒化物系化合物半導体層を形成している。

特許文献１に記載される発光素子によれば、サファイア基板とIII族窒化物系化合物半導体層との界面へ大きな角度をもって入射する光（当該界面と光進行方向との挟角が小さな光）であっても、当該段差面（側面）から外部へ放出できることとなり、光の取り出し効率が向上するとしている。
特開２００３−１９７９６１号公報（［００１１］、図１）

しかし、特許文献１に記載された発光素子によれば、III族窒化物系化合物半導体層から直接取り出される光以外の、層内に閉じ込められた光（層内閉込光）の取り出しについては凹凸加工を施したとしても層内閉込光の反射性が充分でなく、III族窒化物系化合物半導体層とサファイア基板の屈折率差に依存するため、光取り出し効率に限界がある。また、ＩＩＩ族窒化物系化合物半導体層は光吸収係数が大であることにより、層内閉込光となると減衰して有効に活用することができない。

従って、本発明の目的は、光吸収係数の大なる層に光を留めることなく外部放射を促進させることができる発光素子の製造方法を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するため、下地基板を準備する基板準備工程と、前記下地基板に該下地基板より大なる屈折率を有するＧａＮ系半導体層を形成する半導体層形成工程と、前記ＧａＮ系半導体層から前記下地基板を除去するリフトオフ工程と、前記ＧａＮ系半導体層の前記下地基板を除去して露出させた該ＧａＮ系半導体層側に前記下地基板より大なる屈折率を有する材料からなる透光性高屈折率材料層を直接貼り付ける透光性高屈折率材料層形成工程と、
前記透光性高屈折率材料層を設けられた前記半導体層に電極を形成する電極形成工程とを含むことを特徴とする発光素子の製造方法を提供する。

本発明によれば、半導体層内に留まる層内閉込光を半導体層に貼り付けられる透光性高屈折率材料層を介して取り出すことで、界面反射が抑えられて光取り出し性が高まる。そのことによって光吸収係数の大なる層に光を留めることなく外部放射を促進させることができる。

（第１の実施の形態）
（ＬＥＤ素子１の構成）
図１（ａ）および（ｂ）は、第１の実施の形態に係るＬＥＤ素子であり、（ａ）は縦断
面図、（ｂ）は臨界角を示す説明図である。このフリップチップ型のＬＥＤ素子１は、図
１（ａ）に示すように発光層１４を有するＧａＮ系半導体層１００より高屈折率の透光性高屈折率材料であるガラス部材１１と、ＧａＮ半導体化合物によって形成されるｎ−ＧａＮ層１３と、ｎ−ＧａＮ層１３上に積層される発光層１４と、発光層１４上に積層されるｐ−ＧａＮ層１５と、ｐ−ＧａＮ層１５からｎ−ＧａＮ層１３にかけてエッチングにより除去されたｎ−ＧａＮ層１３に設けられるｎ−電極１６と、ｐ−ＧａＮ層１５上に設けられるｐ−電極１８とを有する。

III族窒化物系化合物半導体層の形成方法は、特に限定されないが、周知の有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）、分子線結晶成長法（ＭＢＥ法）、ハライド系気相成長法（ＨＶＰＥ法）、スパッタ法、イオンプレーティング法、電子シャワー法等によって形成することができる。なお、発光素子の構成としては、ホモ構造、ヘテロ構造若しくはダブルへテロ構造のものを用いることができる。さらに、量子井戸構造（単一量子井戸構造若しくは多重量子井戸構造）を採用することもできる。

ガラス部材１１は、屈折率ｎ＝２．０、熱膨張率：７．０×１０^−６／℃、屈伏点：６
５０℃、Ｂｉ_２Ｏ_３系材料で、図示しないサファイア基板上に成長させたＧａＮ系半導体
化合物をレーザ光線の照射に基づいて剥離することによりサファイア基板から分離し、露出したｎ−ＧａＮ層１３に熱融着されている。

図１（ｂ）は、ガラス部材を用いた場合の臨界角の違いを示す図である。サファイア基板である場合、界面１Ａに対して臨界角はｎ＝１．７の矢印で示される範囲（界面方向に対し４５度）となり、ガラス部材１１の場合より全反射することなく外部放射される光が少なくなる。外部放射されない光は層内閉込光となってＧａＮ系半導体層１００内での光吸収や電極部材による光吸収によって光ロスになる。一方、ｎ−ＧａＮ層１３に表面にガラス部材１１を貼り付けた場合、ガラス部材１１の界面１Ａに対して臨界角はｎ＝２．０の矢印で示される範囲（界面方向に対し５６度）となる。これによって、ＧａＮ系半導体層１００内での光吸収を減じ、光放射効率の向上を図ることができる。

（ＬＥＤ素子１の製造工程）
図２は、ＬＥＤ素子の製造工程を示す図である。以下にＬＥＤ素子１の製造工程について説明する。

（基板準備工程）
図２（ａ）は、基板準備工程を示す図である。まず、下地基板となるウエハー状のサファイア基板１０を準備する。

（バッファ層形成工程）
図２（ｂ）は、サファイア基板へのバッファ層形成工程を示す図である。サファイア基板１０の表面にＡｌＮバッファ層１２を形成する。

（半導体層形成工程）
図２（ｃ）は、ＧａＮ系半導体層の形成工程を示す図である。ＡｌＮバッファ層１２上にｎ−ＧａＮ層１３と、発光層１４と、ｐ−ＧａＮ層１５とを順次設けた後、ｐ−ＧａＮ層１５からｎ−ＧａＮ層１３にかけてをエッチングにより除去することによってｎ−ＧａＮ層１３を露出させる。

（リフトオフ工程）
図２（ｄ）は、サファイア基板とＧａＮ系半導体層とのリフトオフ工程を示す図である。図２（ｃ）に示すＧａＮ系半導体層１００を積層されたサファイア基板１０に対し、サファイア基板１０側からレーザ光線をウエハー全面に照射する。ここで照射されるレーザ光線は、サファイア基板を透過し、ＧａＮ系半導体層１００を透過しない波長のものが使用される。このようなレーザ光線の照射に基づいてサファイア基板１０とｎ−ＧａＮ層１３の界面が局所的に加熱され、その結果、ｎ−ＧａＮ層１３から形成基板であるサファイア基板１０が剥離する。ここでｎ−ＧａＮ層１３側に残留したＡｌＮバッファ層１２は酸洗浄に基づいて除去される。

（ガラス準備工程）
図２（ｅ）は、サファイア基板が剥離されたＧａＮ系半導体層に熱融着されるガラス部材を準備するガラス準備工程を示す図である。図２（ｅ）でサファイア基板１０をリフトオフされたＧａＮ系半導体層１００に対し、ｎ−ＧａＮ層１３側にｎ＝２．０のガラス部材１１を配置する。

（ガラス圧着工程）
図２（ｆ）は、ｎ−ＧａＮ層１３にガラス部材を熱融着するガラス圧着工程を示す図である。ガラス部材１１は、ｎ−ＧａＮ層１３にホットプレスされることにより熱融着される。

（電極形成工程）
図２（ｇ）は、電極を形成する電極形成工程を示す図である。エッチングにより露出させたｎ−ＧａＮ層１３に第１の電極としてｎ−電極１６を形成し、ｐ−ＧａＮ層１５上に第２の電極としてｐ−電極１８を形成する。電極形成後、ダイサーで個々のＬＥＤ素子１に切断し、電極を除く表面に図示しない絶縁膜が形成される。なお、ＬＥＤ素子１の切断は、ダイサーによるカット以外の他の方法、例えば、スクライブによって行うこともできる。

このようにして形成されたＬＥＤ素子１を用いて、ＬＥＤランプを形成するには、まず、配線パターンを設けられたセラミックス基板にＬＥＤ素子１をＡｕバンプを介して実装する。次に、封止樹脂でＬＥＤ素子１を一体的に封止してパッケージ化する。

（ＬＥＤ素子１の動作）
上記したＬＥＤランプの配線パターンを図示しない電源部に接続して通電すると、配線パターンを介してｎ−電極１６及びｐ−電極１８に順方向の電圧が印加され、発光層１４においてホール及びエレクトロンのキャリア再結合が生じて発光する。この発光に基づいて生じた青色光のうち、発光層１４からガラス部材１１側に放射される青色光は、ガラス部材１１を介して封止樹脂に入射し、封止樹脂から外部放射される。

また、発光層１４からｐ−ＧａＮ層１５側に放射された青色光は、ｐ−電極１８で反射されてガラス部材１１の方向に導かれる。ここで、ガラス部材１１の臨界角の範囲にある光はガラス部材１１を透過してＬＥＤ素子１の外部に放射される。

尚、ガラス部材１１に至った光は高い効率で外部に放射される。すなわち、図１においては、説明のためガラス部材１１と各ＧａＮ層との厚さを同等として描いてあるが、実際にはガラス部材１１が１００ミクロン程度であるのに対し、ＧａＮ層１３＋発光層１４＋ｐ−ＧａＮ層１５は数ミクロンの厚さであり、ＧａＮに閉じ込められる光は層内吸収と電極部材吸収によって著しく減衰する。一方、ガラス部材に至った光は、ガラス部材１１での吸収は無視できるものであり、封止樹脂（ｎ＝１．５）とガラス部材１１との臨界角は約５０度のため、上面で外部放射されない光は側面から外部放射される。他の界面反射の場合も同様、２度の界面反射内で外部放射される。そして、ガラス部材１１は十分な厚さがあるので、このような２度の界面反射の確率は高い。

（第１の実施の形態の効果）
第１の実施の形態によると、以下の効果が得られる。
（１）ＬＥＤ素子１のｎ−ＧａＮ層１３からサファイア基板をリフトオフし、サファイア基板よりも高い屈折率を有するガラス部材１１をｎ−ＧａＮ層１３に接合したので、ＧａＮ層内に閉じ込められる層内閉込光を低減して外部放射される青色光を増やすことができ、その結果、光取り出し性を向上させることができる。サファイア基板１０を用いた場合、ｎ−ＧａＮ層１３との屈折率比に基づく臨界角θｃは、１．７（サファイア）／２．４（ＧａＮ）：θｃ＝４５度となるが、上記した屈折率ｎ＝２．０のガラス部材１１を用いた場合には、θｃが５６度になるため、開口角の立体角は５２％増となり、ガラス部材１１へ透過しうる青色光が５０％余り増す。このため、光吸収係数の大なる層に青色光を留めることなく外部放射を促進させることができる。

（２）ｎ−ＧａＮ層１３からサファイア基板１０をレーザ光線でリフトオフして、透過性材料であるガラス部材１１を一体化するようにしたので、発光波長や、所望の光取り出し性に応じたＬＥＤ素子１を容易に形成することができる。

（３）透過性材料として熱変形自在なガラス材料をホットプレスにより熱融着しているので、ｎ−ＧａＮ層１３との接着性に優れるとともに接合作業を容易に行うことができる。また、熱膨張率が同等となるようにしてあるので、熱融着後、クラックや大きな反りが生じることを防ぐことができる。

（第２の実施の形態）
（ＬＥＤ素子１の構成）
図３は、第２の実施の形態に係るＬＥＤ素子の縦断面図である。このフリップチップ型のＬＥＤ素子１は、第１の実施の形態で説明したガラス部材１１に代えて蛍光体を含有した蛍光体含有ガラス部材１１Ｂを設けた構成において第１の実施の形態と相違している。

蛍光体含有ガラス部材１１Ｂは、蛍光体として、例えば、青色光によって励起されて黄色光を放射するＹＡＧ：Ｃｅの蛍光体粒子を用いることができる。また、他の蛍光体として蛍光錯体を用いることができる。

（第２の実施の形態の効果）
第２の実施の形態によると、高屈折率のガラス部材に蛍光体を含有した蛍光体含有ガラス部材１１Ｂを用いることにより、高屈折率材料外に蛍光体を備えるものと比べ、蛍光体へ至る光量を増すことができ、波長変換できる光量を増すことができる。また、蛍光体による波長変換光（黄色光）は、ＧａＮ層内吸収、電極吸収とも青色光と比較し大幅に小さい。このため、光取り出し性に優れ、かつ、蛍光体の良好な励起に基づく色むらのない白色光を放射する波長変換型のＬＥＤ素子１が得られる。

（第３の実施の形態）
（ＬＥＤ素子１の構成）
図４は、第３の実施の形態に係るＬＥＤ素子の縦断面図である。このフリップチップ型のＬＥＤ素子１は、第１の実施の形態で説明したｎ−ＧａＮ層１３に平坦なガラス部材１１を熱融着し、その光取り出し面に微細な凹凸形状部１１Ｃを設けている構成において第１の実施の形態と相違している。

凹凸形状部１１Ｃは、ガラス部材１１をｎ−ＧａＮ層１３にホットプレスする金型に設けられた凹凸によって転写される。なお、凹凸形状は転写以外の方法で形成することも可能であり、予め凹凸形状を形成されたガラス部材１１をホットプレスによりｎ−ＧａＮ層１３に一体化するようにしても良い。

（第３の実施の形態の効果）
第３の実施の形態によると、ｎ−ＧａＮ層１３に接合されるガラス部材１１に光取り出し面に微細な凹凸形状部１１Ｃを設けたので、表面積を増すこと等によって、ガラス部材１１の光取り出し面における青色光の光取り出し性を、向上させることができる。

（第４の実施の形態）
（ＬＥＤ素子１の構成）
図５（ａ）から（ｃ）は、第４の実施の形態に係るＬＥＤ素子を示す図であり、（ａ）
は縦断面図、（ｂ）は（ａ）の外形および切断部を示す平面図、（ｃ）はカット部に入射
する光を示す図である。このフリップチップ型のＬＥＤ素子１は、第１の実施の形態で説明したＬＥＤ素子１のガラス部材１１の角部を４５度にカットしたカット部１１０を設けて青色光の光取り出し性を高めている構成において第１の実施の形態と相違している。

カット部１１０は、ＬＥＤ素子１の切り出し後にガラス部材１１の角部をカットして形成されている。また、ＬＥＤ素子１の切り出し時にダイサー等の切削に基づいてＶ字状の切り込みを形成し、この切り込みの底部を中心に分断することによって傾斜面を形成するようにしても良い。コーナーカット部形状は、平面による４５度カットに限らず、４５度以外のカット、あるいは凸面によるカット形状でもよい。

図５（ｂ）は、ＬＥＤ素子１の平面図である。ＬＥＤ素子１は、ｐ−電極１８の設けられる領域の発光層１４において発光し、ガラス部材１１を介して青色光を外部放射する。

図５（ｃ）は、発光層で生じた青色光Ｌ_Ｂのガラス部材１１における透過を示す図であ
る。発光層１４で生じた青色光Ｌ_Ｂのうち、上面方向に放射された青色光Ｌ_Ｂだけでなく
４５度方向に放射された光についてもカット部１１０において垂直入射に近づくこととなることにより、界面反射による光ロスの発生を防げる。

（第４の実施の形態の効果）
第４の実施の形態によると、ガラス部材１１の角部を４５度にカットしたカット部１１０を設けたことにより、ガラス部材１１に入射した青色光を外部により効率良く取り出すことができ、光放射効率を向上させることができる。また、ＬＥＤ素子１を硬質部材で封止する際などエッジが鋭角でないため、クラックが発生しにくいといった利点もある。

（第５の実施の形態）
（ＬＥＤ素子１の構成）
図６は、第５の実施の形態に係るＬＥＤ素子の縦断面図である。このフリップチップ型のＬＥＤ素子１は、第４の実施の形態で説明したＬＥＤ素子１のｐ−電極１８を素子中央部に配置し、曲面で形成される光学形状を有したガラス部材１１の上面に青色光が垂直入射するようにした構成において第４の実施の形態と相違している。

（第５の実施の形態の効果）
第５の実施の形態によると、第４の実施の形態の好ましい効果に加えて、発光層１４から放射される青色光の配光をｐ−電極１８の配置とガラス部材１１の形状に基づいて設定することにより、制御することができる。但し、屈折によるレンズ効果を得るためには、ＬＥＤ素子の封止材料の屈折率に対し有意な差のあるガラス部材１１の屈折率とする必要がある。このためにも、ｎ＝１．７以上の屈折率が望ましい。

なお、第５の実施の形態では、ｎ−ＧａＮ層１３に光学形状を有したガラスを設けた構成を説明したが、例えばＴｉＯ_２、ＳｉＣ、あるいはＧａＮといった発光層１４と同等の屈折率を有する基板を貼り付けたものであっても良い。これにより、ＧａＮ層方向伝搬光を発光層１４等の吸収率の高い層の影響を受けることなく側面に至らしめることができ、高い外部放射効率を得ることができる。

特に、ＬＥＤ素子サイズの１／５以上の基板厚があれば、ＬＥＤ素子１の中心軸に対し、９０°付近の角度をなすＧａＮ層方向伝搬光を外部放射するにあたり、十分有意なものとすることができる。

また、ＬＥＤ素子１はフリップチップ型であるため、サファイア基板をリフトオフした面は電気的な制約や、エピタキシャル成長のための格子定数の整合性といった制約なく光取り出し効率を向上させるための基板を選択することが可能になる。

（第６の実施の形態）
（ＬＥＤ素子１の構成）
図７は、第６の実施の形態に係るＬＥＤ素子の縦断面図である。このフリップチップ型のＬＥＤ素子１は、第１の実施の形態で説明したガラス部材１１とｎ−ＧａＮ層１３との界面に微細な凹凸部１Ｂを設けた構成において第１の実施の形態と相違している。

凹凸部１Ｂは、サファイア基板をリフトオフしたｎ−ＧａＮ層１３を粗面化加工して形成されており、凹凸部１Ｂ上にガラス部材１１をホットプレスすることによってガラス部材１１を一体化している。

（第６の実施の形態の効果）
第６の実施の形態によると、ガラス部材１１をホットプレスにより粘度を下げ加圧することで、界面に微細な凹凸部を設けたエピ成長させた半導体層であるＧａＮ層形状に対応させることができる。そして、第１の実施形態では図１（ｂ）のように界面方向に対し、５６度以上の角度方向で界面に入射する光は、全反射が生じガラス部材１１へは入射されないが、ガラス部材１１とｎ−ＧａＮ層１３との界面に凹凸部１Ｂを設けることによって、ｎ−ＧａＮ層１３における層内閉込光をＧａＮ層面方向に対し５６度以上の光も界面へ臨界角以内で入射させることができ、ガラス部材１１へ至る光量が増す。これによって外部放射効率を向上させることができる。

（第７の実施の形態）
（ＬＥＤ素子１の構成）
図８（ａ）から（ｃ）は、第７の実施の形態に係るＬＥＤ素子を示す図である。このフリップチップ型のＬＥＤ素子１は、第１の実施の形態で説明したガラス部材１１とｎ−ＧａＮ層１３との界面に凹部１３Ａを設けた構成において第１の実施の形態と相違している。ｎ−ＧａＮ層１３に形成される凹部１３Ａは略柱状形状であり、凹部１３Ａの傾斜面は図の中心軸Ａに対し略平行な角度で形成されている。

（第７の実施の形態の効果）
第７の実施の形態によると、ガラス部材１１とｎ−ＧａＮ層１３との界面に略柱状形状の凹部１３Ａを設けることによって、ｎ−ＧａＮ層１３における層内閉込光のガラス部材１１への取り出し性がより向上し、青色光の外部放射効率を高めることができる。すなわち、ｎ−ＧａＮ層１３とガラス部材１１との界面を平坦面から特に配慮なくランダムな粗面とした場合、平坦面であればｎ−ＧａＮ層１３からガラス部材１１へ入射することができる方向で界面に達した光の一部は、界面の角度が変っているため、ガラス部材１１へ入射することができなくなる。しかし、図１（ａ）に示すＬＥＤ素子１のｎ−ＧａＮ層１３からガラス部材１１へ放射される光は、図８（ｃ）のａ、ｂ、ｃのように同等効率で放射される。さらに図１（ａ）に示すようにガラス部材１１との界面が平坦である場合、ガラス部材１１とｎ−ＧａＮ層１３との屈折率差による全反射によってガラス部材１１へ放射されなかった光も、ｄのように放射される。尚、ｃのようにガラス部材１１へ放射される光は、図８（ｃ）のような２次元では４５度あるいは５０度以上の臨界角となるものとすれば有効なガラス部材１１への光放射となる。臨界角が４５度以上であれば、２度の界面入射内でガラス部材１１への光放射ができ、更に５０度以上であれば、フレネル反射が大きくない角度とできるので、さらなる効率を得ることができる。３次元では柱形状によるが、図８のような直方形状であれば、５５度あるいは６０度以上の臨界角となるものとすれば、３度の界面入射内でガラス部材１１への光放射ができる。高屈折率のガラス部材１１を用いることで、これを満たしたもの、あるいはこれに近づけるものとできる。

なお、凹部１３Ａは、ＧａＮ側に側面まで連続した溝を形成したものとして説明したが、ＧａＮ側にドット状の溝を形成したものとしてもよい。但し残留気泡なしにＧａＮ層１３とガラス部材１１とを良好に接着するためには、連続した溝形成を行う方が好ましい。また、図５のように、ガラス部材１１のコーナーカットを施してもよく、あるいは蛍光体含有ガラスを用いたものとしてもよい。

（第８の実施の形態）
（ＬＥＤ素子１の構成）
図９は、第８の実施の形態に係るＬＥＤ素子の縦断面図である。以下の説明において、第１の実施の形態と同一の構成および機能を有する部分については共通の引用数字を付している。このＬＥＤ素子１は、第１の実施の形態で説明したガラス部材１１に代えて、屈折率ｎ＝２．０の乳白色ガラス部材１１Ａを設けた構成およびフェイスアップ型のＬＥＤ素子であることにおいて第１の実施の形態と相違している。

（第８の実施の形態の効果）
第８の実施の形態によると、ｎ−ＧａＮ層１３内を伝搬する層内閉込光が乳白色ガラス部材１１Ａで拡散されるので、光取り出し性が向上する。また、ＬＥＤ素子１を実装する部材の光吸収影響を受けないという効果もある。Ａｇペーストや有機接着剤等ではＬＥＤ素子１の発する光や熱によって劣化し、光吸収度合いが大になるといった問題があるが、これを回避することができる。このようにフリップタイプに限らずフェイスアップタイプとして用いてもよい。

なお、第１から第８の実施の形態では、ＧａＮからなる半導体層を有するＬＥＤ素子として説明したが、ＧａＡｓ、ＡｌＩｎＧａＰ等他の材料を用いたものとしてもよい。また、サファイア基板１０をリフトオフしたものとして説明したが、半導体層と基板とが同等の屈折率であれば、基板を除去しなくても良い。また、Ｂｉ_２Ｏ_３系材料、屈折率２．０のガラス部材として説明したが、Ｂｉ_２Ｏ_３系に限らずＳｉＯ_２−Ｎｂ_２Ｏ_５系、ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３など他の材料であってもよい。また、ＬＥＤ素子封止材料あるいは、半導体成長基板より高い屈折率であれば、光取出効率向上効果を得ることができる。例えば、一般に屈折率ｎ＝１．５のエポキシ樹脂がＬＥＤ素子封止材料として一般に用いられているが、ＧａＡｓやＡｌＩｎＧａＰに屈折率ｎ＝１．６以上のガラス部材１１を貼り付ければ効果を得ることができる。サファイア基板（屈折率ｎ＝１．７）１０に成長させたＧａＮの場合、基板以上の屈折率材料を半導体層へ接着することで効果を得ることができる。基板自体の光透過率が高い場合は、基板以上の屈折率材料とする必要がある。もちろん、ＧａＡｓやＡｌＩｎＧａＰでも、屈折率ｎ＝１．７以上のガラス部材１１の方が大きな効果を得ることができる。

また、光取出し側に設ける高屈折率材料層は、上記したガラス以外の他の材料からなるものであっても良く、例えば、樹脂からなる高屈折率材料層であっても良い。また、ＧａＮ系半導体層１００からの光取出し性を高める他の無機材料で構成することも可能である。

（第９の実施の形態）
図１０は、第９の実施の形態に係るＬＥＤ素子を示す断面図である。このフリップチップ型のＬＥＤ素子１は、第１の実施の形態で説明したように、サファイア基板をリフトオフすることにより露出させたｎ−ＧａＮ層１３の表面に無機材料からなる薄膜状の高屈折率材料層１９を設けた構成を有している。

高屈折率材料層１９は、電子ビーム蒸着法により原材料である酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）を加熱蒸気化させてｎ−ＧａＮ層１３の表面に膜厚１μｍとなるように形成される。Ｔａ_２Ｏ_５は、屈折率ｎ＝２．２であり、ｎ−ＧａＮ層１３との屈折率比に基づく臨界角θｃは６６°となる。また、高屈折率材料層１９の光取出し側となる面には、電子ビーム蒸着法に基づく粗面部１９Ａが形成される。

（第９の実施の形態の効果）
第９の実施の形態によると、ｎ−ＧａＮ層１３の表面にｎ＝２．２のＴａ_２Ｏ_５からなる高屈折率材料層１９を設けたことにより、立体角の拡大を図ることができる。また、Ｔａ_２Ｏ_５成膜時においてｎ−ＧａＮ層１３の表面にＴａ_２Ｏ_５が再結晶化する際に粗面部１９Ａが形成されるので、ＬＥＤ素子１と外部との界面におけるランダムな入射角度を付与することができ、光取出し効率が向上する。

なお、上記した高屈折率材料層１９は、Ｔａ_２Ｏ_５以外の他の材料で形成しても良く、例えば、ＺｎＳ（ｎ＝２．４）、ＳｉＣ（ｎ＝２．４）、ＨｆＯ_２（ｎ＝２．０）、ＩＴＯ（ｎ＝２．０）、あるいはＧａＮであっても良い。これら成膜材料は導電性材料でなくても良く、付着力に優れ、光学特性に優れるものであれば良い。

（第１０の実施の形態）
図１１は、第１０の実施の形態に係るＬＥＤ素子を示す断面図である。このフリップチップ型のＬＥＤ素子１は、第９の実施の形態で説明したＬＥＤ素子１の高屈折率材料層１９の表面にｎ＝１．７５のガラス部材１１を接合した構成を有している。

（第１０の実施の形態の効果）
第１０の実施の形態によると、ｎ−ＧａＮ層１３から高屈折率材料層１９へ入射した光がガラス部材１１との界面で光拡散し、より外部放射性が高められる。これは、Ｔａ_２Ｏ_５からなる高屈折率材料層１９の粗面部１９Ａに加えて、Ｔａ_２Ｏ_５から放射される際の臨界角θｃがガラス部材１１を介することで大になり、ｎ−ＧａＮ層１３から高屈折率材料層１９への出射効率を高めることができることによる。

（第１１の実施の形態）
図１２は、第１１の実施の形態に係るＬＥＤ素子を示す断面図である。このフリップチップ型のＬＥＤ素子１は、第９の実施の形態で説明したＬＥＤ素子１のｐ−電極１８に代えて、熱膨張率が７．７×１０^−６／℃のＩＴＯコンタクト電極２０と、Ａｌ層２１ＡとＡｕ層２１Ｂからなるボンディングパッド２１を設けた構成を有している。

（第１１の実施の形態の効果）
第１１の実施の形態によると、第９の実施の形態の好ましい効果に加えてＧａＮ系半導体層１００と略同等の熱膨張率を有するＩＴＯコンタクト電極２０を設けたので、ｐ側電極の付着性が向上し、ＬＥＤ素子１の封止加工に伴う熱や、発光に伴って生じる発熱によってｐ側電極の剥離を生じない信頼性の高いＬＥＤ素子１が得られる。また、ＩＴＯの電流拡散性に基づいて発光むらを小にすることができる。

（第１２の実施の形態）
図１３（ａ）および（ｂ）は、第１２の実施の形態に係るＬＥＤ素子を示し、（ａ）はＬＥＤ素子の平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ部における断面図である。このフリップチップ型のＬＥＤ素子１は、第１１の実施の形態で説明したＬＥＤ素子１のｎ−ＧａＮ層１３に対して、図１３（ａ）に示すように所定の幅および深さを有した溝状の凹部１３Ａを格子状に設け、その表面に図１３（ｂ）に示すように高屈折率材料層１９を設けた構成を有する。

（第１２の実施の形態の効果）
第１２の実施の形態によると、第１１の実施の形態の好ましい効果に加えて、溝状の凹部１３Ａを格子状に設けることで、光取出し面が拡大され、かつ平面と垂直面からなる光取出し面となることで、光取出し性が高められる。さらにｎ−ＧａＮ層１３の表面に粗面部１９Ａを有する高屈折率材料層１９が設けられているので、ｎ−ＧａＮ層１３閉込伝搬光は側面に至る前に溝状の凹部１３Ａから外部放射でき、その際の臨界角は高屈折率材料層１９によって広げられる。このため、外部放射性に優れるＬＥＤ素子１が得られる。

（第１３の実施の形態）
図１４は、第１３の実施の形態に係るＬＥＤ素子を示す断面図である。このフリップチップ型のＬＥＤ素子１は、第１２の実施の形態で説明したＬＥＤ素子１の高屈折率材料層１９表面にｎ＝１．７５のガラス部材１１を貼り付けた構成を有する。

（第１３の実施の形態の効果）
第１３の実施の形態によると、第１２の実施の形態の好ましい効果に加えて、ｎ−ＧａＮ層１３から高屈折率材料層１９へ入射した光がガラス部材１１との界面でランダムな入射角度で入射するが、その際の臨界角を大にできるため、より外部放射性を高めることができる。

（第１４の実施の形態）
図１５は、第１４の実施の形態に係るＬＥＤ素子を示す断面図である。このフリップチップ型のＬＥＤ素子１は、第１３の実施の形態で説明したＬＥＤ素子１のガラス部材１１端部に４５°の傾斜を有するカット部１１０を設けた構成を有する。

（第１４の実施の形態の効果）
第１４の実施の形態によると、第１３の実施の形態の好ましい効果に加えて、ガラス部材１１を横伝搬する光がカット部１１０から外部放射されるようになり、より光取出し性を向上させることができる。

（ａ）および（ｂ）は、第１の実施の形態に係るＬＥＤ素子であり、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は臨界角を示す説明図である。ＬＥＤ素子の製造工程を示す図であり、（ａ）は、基板準備工程を示す図、（ｂ）は、サファイア基板へのバッファ層形成工程を示す図、（ｃ）は、ＧａＮ系半導体層の形成工程を示す図、（ｄ）は、サファイア基板とＧａＮ系半導体層とのリフトオフ工程を示す図、（ｅ）は、サファイア基板が剥離されたＧａＮ系半導体層に熱融着されるガラス部材を準備するガラス準備工程を示す図、（ｆ）は、ｎ−ＧａＮ層にガラス部材を熱融着するガラス圧着工程を示す図、（ｇ）は、電極を形成する電極形成工程を示す図である。第２の実施の形態に係るＬＥＤ素子の縦断面図である。第３の実施の形態に係るＬＥＤ素子の縦断面図である。（ａ）から（ｃ）は、第４の実施の形態に係るＬＥＤ素子を示す図であり、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は（ａ）の外形および切断部を示す平面図、（ｃ）はカット部に入射する光を示す図である。第５の実施の形態に係るＬＥＤ素子の縦断面図である。第６の実施の形態に係るＬＥＤ素子の縦断面図である。第７の実施の形態に係るＬＥＤ素子を示す図である。第８の実施の形態に係るＬＥＤ素子の縦断面図である。第９の実施の形態に係るＬＥＤ素子を示す断面図である。第１０の実施の形態に係るＬＥＤ素子を示す断面図である。第１１の実施の形態に係るＬＥＤ素子を示す断面図である。（ａ）および（ｂ）は、第１２の実施の形態に係るＬＥＤ素子を示し、（ａ）はＬＥＤ素子の平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ部における断面図である。第１３の実施の形態に係るＬＥＤ素子を示す断面図である。第１４の実施の形態に係るＬＥＤ素子を示す断面図である。

符号の説明

１…ＬＥＤ素子、１Ａ…界面、１Ｂ…凹凸部、１０…サファイア基板、１１…ガラス部材、１１Ａ…乳白色ガラス部材、１１Ｂ…蛍光体含有ガラス部材、１１Ｃ…凹凸形状部、１２…バッファ層、１３…ｎ−ＧａＮ層、１３Ａ…凹部、１４…発光層、１５…ｐ−ＧａＮ層、１６…ｎ−電極、１８…ｐ−電極、１９…高屈折率材料層、１９Ａ…粗面部、２０…ＩＴＯコンタクト電極、２１…ボンディングパッド、２１Ａ…Ａｌ層、２１Ｂ…Ａｕ層、１００…ＧａＮ系半導体層、１１０…カット部

Claims

下地基板を準備する基板準備工程と、
前記下地基板に該下地基板より大なる屈折率を有するＧａＮ系半導体層を形成する半導体層形成工程と、
前記ＧａＮ系半導体層から前記下地基板を除去するリフトオフ工程と、
前記ＧａＮ系半導体層の前記下地基板を除去して露出させた該ＧａＮ系半導体層側に前記下地基板より大なる屈折率を有する材料からなる透光性高屈折率材料層を直接貼り付ける透光性高屈折率材料層形成工程と、
前記透光性高屈折率材料層を設けられた前記半導体層に電極を形成する電極形成工程と
を含む
ことを特徴とする発光素子の製造方法。
前記半導体層形成工程は、前記下地基板としてのサファイア基板に前記ＧａＮ系半導体層を形成することを特徴とする請求項１に記載の発光素子の製造方法。
前記リフトオフ工程は、レーザー光線の照射により、前記下地基板を剥離させて除去することを特徴とする請求項１又は２に記載の発光装置。
前記透光性高屈折率材料層は、蛍光体を含むことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の発光装置。
前記透光性高屈折率材料層は、ガラスであることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の発光装置。