JPWO2011058890A1 - 発光素子 - Google Patents
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Abstract
本発明の一実施形態に係る発光素子は、第１主面から突出する凸部を複数有する基板と、前記凸部の上面に位置し、前記基板の材料の屈折率よりも大きい屈折率の材料を有する突起と、前記基板の前記第１主面上に順に位置する第１半導体層、発光層および第２半導体層を有する光半導体層であって、前記第１半導体層の材料の屈折率は前記突起の屈折率よりも大きく、前記凸部および前記突起を前記基板との間に埋設している光半導体層とを有する。
Description
この発明は、発光素子に関するものである。
現在、紫外光、青色光あるいは緑色光等を発光する発光素子の開発が行なわれている。このような発光素子としては、例えば複数の半導体層を積層した光半導体層からなる発光素子がある（例えば、特開2006−222288号公報参照）。
そこで、光半導体層からなる発光素子の開発において、光半導体層内で発生した光を外部へ取出す光取出し効率を向上させることが求められている。
本発明の一実施形態にかかる発光素子は、第１主面から突出する凸部を複数有する基板と、前記凸部の上面に位置し、前記基板の材料の屈折率よりも大きい屈折率の材料を有する突起と、前記基板の前記第１主面上に順に位置する第１半導体層、発光層および第２半導体層を有する光半導体層であって、前記第１半導体層の材料の屈折率は前記突起の屈折率よりも大きく、前記凸部および前記突起を前記基板との間に埋設している光半導体層とを有する。
以下に図面を参照して、本発明の一実施形態に係る発光素子について詳細に説明する。
なお、本発明は以下に例示する実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々変更を施すことができる。
＜発光素子の構造＞
図１は本実施形態にかかる発光素子20の斜視図、図２は図１に示す発光素子20の断面図であり、図１のＡ−Ａ’線で切断したときの断面に相当する。
図１は本実施形態にかかる発光素子20の斜視図、図２は図１に示す発光素子20の断面図であり、図１のＡ−Ａ’線で切断したときの断面に相当する。
発光素子20は、図２に示すように、凸部１ａを有する基板１と、凸部１ａ上に設けられる突起５と、基板１上に形成された光半導体層２とを有している。
基板１は、光半導体層２を結晶成長させることが可能なものであればよい。基板１は、例えば、平面視して長方形状の平板などから形成されている。基板１の材料としては、光半導体層２で発生した光を透過させる透光性の基材を用いることができる。基板１の材料としては、例えば、サファイア、窒化ガリウム、窒化アルミニウムまたは酸化亜鉛などから光半導体層２で発生する光の波長を考慮して選択すればよい。本例において、基板１はサファイアによって構成されている。
基板１は、第１主面１Ａに、第１主面１Ａの一部が突出した凸部１ａを複数有している。複数の凸部１ａは、例えば基板１を加工することにより、基板１と一体的に設けられている。隣接する凸部１ａの間隔は、例えば0.3μｍ以上２μｍ以下に設定されている。凸部１ａは上面１ａ’を有している。凸部１ａの上面１ａ’は、基板１の第１主面１Ａからの距離が最も遠い位置にある面を指す。基板１の第１主面１Ａは、凸部１ａが存在しない基板１の表面を指すものである。基板１の厚み、すなわち第１主面１Ａと第２主面１Ｂとの間の距離は、例えば10μｍ以上1000μｍ以下で形成されている。
凸部１ａとしては、例えば四角錐台状もしくは六角錐台状などの多角錐台状または円錐台状などを用いることができる。凸部１ａは、上面１ａ’、底面１ａ”および側面によって囲まれる立体を指す。本実施形態において、凸部１ａは円錐台となるように設けられている。凸部１ａは、基板１の第１主面１Ａから上面１ａ’までの高さｔ２が、例えば0.2μｍ以上５μｍ以下に設定されている。
凸部１ａは、凸部１ａの上面１ａ’の面積が、基板１の第１主面１Ａの面積に対して、例えば40％以上90％以下に設定されている。また、凸部１ａは、例えば１個／μｍ２以上20個／μｍ２以下に設定される。
ここで、それぞれの凸部１ａの底面を便宜上、基板１の第１主面１Ａを含む仮想上の平面とそれぞれの凸部１ａとが重なる領域とする。
凸部１ａの上面１ａ’に位置するように、突起５が形成されている。図３に、凸部１ａ、突起５およびその周辺部の拡大断面図を示す。突起５は、多角錐形状、多角錐台形状、円錐形状または円錐台形状を用いることができる。突起５は、凸部１ａの上面１ａ’から頂部５Ａまでの高さｔ１が、例えば0.2μｍ以上５μｍ以下に設定することができる。
突起５の屈折率は、基板１よりも大きい屈折率であり、第１半導体層２ａよりも小さい屈折率の材料から形成されている。すなわち、突起５は、第１半導体層２ａの屈折率と基板１の屈折率との間の屈折率を持つ材料から形成されている。
本実施形態において、凸部１ａおよび突起５は、一体となすように形成され、それぞれの側面が連続するように接続されている。すなわち、平面透視したときに、凸部１ａの上面１ａ’の外周形状と、突起５の下面の外周形状とが一致するように形成されている。
突起５の材料としては、例えば、チタン、タンタル、アルミニウム、マグネシウム、シリコン、ジルコニウム、ハフニウムまたはイットリウムからなる酸化物もしくは弗化物もしくは窒化物の少なくとも一種類を含む材料から選択することができる。そのような突起５は、例えば屈折率が1.5以上2.3以下に設定される。なお、以下の説明において凸部１ａおよび突起５の２つを総称して突起部10と称することがある。
突起部10が形成された基板１の第１主面１Ａ上には光半導体層２が形成されている。光半導体層２は、第１半導体層２ａ、発光層２ｂおよび第２半導体層２ｃを基板１の第１主面１Ａ側から順に位置するように有している。光半導体層２は、厚みが例えば１μｍ以上15μｍ以下で形成されている。
第１半導体層２ａ、発光層２ｂおよび第２半導体層２ｃとしては、III−Ｖ族半導体を用いることができる。III−Ｖ族半導体としては、III族窒化物半導体、ガリウム燐またはガリウムヒ素などを例示することができる。III族窒化物半導体としては、窒化ガリウム、窒化アルミニウム、窒化インジウムなどを例示することができ、化学式で例示するとＡｌｘ１Ｇａ（１−ｘ１−ｙ１）Ｉｎｙ１Ｎ（０≦ｘ１≦１、０≦ｙ１≦１、ｘ１＋ｙ１≦１）と表すことができる。さらに、III−Ｖ族半導体以外には、酸化亜鉛などを例示することができる。
第１半導体層２ａは、突起部10を基板１との間に埋設するように、基板１の第１主面１Ａ上に形成されている。すなわち、図３に示すように、第１半導体層２ａは、突起５の高さｔ１と凸部１ａの高さｔ２とを足し合わせた高さよりも大きい長さの厚みｔｈを有している。なお、第１半導体層２ａの厚みｔｈは、第１半導体層２ａのうち最も薄い部分の厚みを示している。また、第１半導体層２ａの厚みｔｈは、例えば0.3μｍ以上10μｍ以下で形成することができる。
第１半導体層２ａの屈折率は、基板１の屈折率および突起５の屈折率よりも高くなるように設定されている。第１半導体層２ａとして窒化ガリウムを用いた場合であれば、第１半導体層２ａの屈折率は、例えば2.2以上2.6以下に設定される。
発光層２ｂは、第１半導体層２ａと第２半導体層２ｃとの間に設けられている。発光層２ｂは、禁制帯幅の広い障壁層と禁制帯幅の狭い井戸層とからなる量子井戸構造を複数回（例えば、２回以上10回以下）繰り返し、規則的に積層された多層量子井戸構造（Multiple Quantum Well 略称ＭＱＷ）から構成されている。
前述した障壁層としては、上述した化学式で例示するとＩｎ0.01Ｇａ0.99Ｎ層などを用いることができる。また、前述した井戸層としては、上述した化学式で例示するとＩｎ0.11Ｇａ0.89Ｎ層などを用いることができる。この場合、障壁層の厚みは、例えば５ｎｍ以上15ｎｍ以下、井戸層の厚みは例えば２ｎｍ以上10ｎｍ以下に設定でき、発光層２ｂ全体の厚みは、例えば25ｎｍ以上150ｎｍ以下である。このように構成された発光層２ｂにおいて、発光層２ｂで発生する光のピーク波長が例えば350ｎｍ以上600ｎｍ以下となる。ここで、ピーク波長とは、光のスペクトルのうち光強度がピークとなる波長をいう。
第２半導体層２ｃは、発光層２ｂ上に設けられている。第２半導体層２ｃは、電子または正孔のどちらかを多数キャリアとすることにより、第１半導体層２ａとは逆導電型を示すように設定されている。半導体層に導電型を付与する方法としては、例えばマグネシウムまたはシリコンを不純物として添加する方法を用いることができる。
光半導体層２には一対の電極が接続されている。一対の電極は、第１電極３と第２電極４とを有している。第１半導体層２ａには、第１半導体層２ａと電気的に接続される第１電極３が設けられている。第２半導体層２ｃは、第２半導体層２ｃの主面２Ａに、第２半導体層２ｃと電気的に接続される第２電極４が設けられている。このように形成された一対の電極によって、光半導体層２に電圧が印加される。
第１電極３および第２電極４の材料としては、アルミニウム、チタン、ニッケル、クロム、インジウム、錫、モリブデン、銀、金、ニオブ、タンタル、バナジウム、白金、鉛またはベリリウムなどの金属や、酸化錫あるいは酸化インジウム等のインジウムと錫の酸化物などの酸化物や、金−シリコン合金、金−ゲルマニウム合金、金−亜鉛合金または金−ベリリウム合金などの合金膜を好適に用いることができる。また、第１電極３および第２電極４は、上記材質の中から選択した層を複数積層したものとしても構わない。
このように形成された発光素子20は、基板１と第１半導体層２ａとの間に、突起５を有しているとともに、突起５の屈折率が基板１の屈折率と第１半導体層２ａの屈折率との間に設定されている。そのため、光半導体層２で発生し、基板１側にすすむ光線Ｌｅが、第１半導体層２ａから突起５に入射する際に、第１半導体層２ａと突起５との屈折率差を、第１半導体層２ａと基板１との屈折率差よりも小さくすることができるため、反射されにくくすることができる。
また、突起５に入射した光が、基板１に入射する際にも、突起５と基板１との屈折率差を、第１半導体層２ａと基板１との屈折率差よりも小さくすることができるため、反射されにくくすることができる。その結果、発光層２ｂで発生した光が、第１半導体層２ａと基板１との界面で、反射されにくくなり、発光素子20の光取出し効率を向上させることができる。
（各種変形例について）
（変形例１）
複数の凸部１ａは、それぞれの上面１ａ’に突起５が位置するように設けられていてもよい。このように複数の凸部１ａのそれぞれの上面１ａ’に突起５が設けられていることにより、さらに光取出し効率を向上させることができる。
（変形例１）
複数の凸部１ａは、それぞれの上面１ａ’に突起５が位置するように設けられていてもよい。このように複数の凸部１ａのそれぞれの上面１ａ’に突起５が設けられていることにより、さらに光取出し効率を向上させることができる。
突起５は、図４に示すように、基板１の第１主面１Ａ側から発光素子20を平面透視したときに、凸部１ａの上面１ａ’の外周によって囲まれる上面領域Ｄｆに位置するように設けられていてもよい。図４は、発光素子20の一部を平面透視したときの平面透視図である。なお、図４において、鎖線は凸部１ａの外縁を表しており、一点鎖線は凸部１ａの上面１ａ’の外周を表している。
凸部１ａは、基板１の第１主面１Ａから遠ざかるにつれて、基板１の第１主面１Ａと平行な断面の面積である第１面積が小さくなっていてもよい。このように凸部１ａが形成されていることにより、凸部１ａの側面が基板１の第１主面１Ａに対して傾斜するようになり、発光層２ｂで発生した光が凸部１ａに入射した場合に、第１半導体層２ａと凸部１ａとの界面で反射されにくくすることができる。
また、突起５は、凸部１ａから遠ざかるにつれて、基板１の第１主面１Ａと平行な断面の面積である第２面積が小さくなっていてもよい。このように突起５が形成されていることにより、突起５の側面が基板１の第１主面１Ａに対して傾斜するようになり、発光層２ｂで発生した光が突起５に入射した場合に、第１半導体層２ａと突起５との界面で反射されにくくすることができる。
（変形例２）
凸部１ａの上面１ａ’は、図５に示すように、基板１の第１主面１Ａに対して傾いていてもよい。凸部１ａの上面１ａ’が、基板１の第１主面１Ａに対して傾いていることにより、突起５から凸部１ａに入射する際に、突起５と凸部１ａとの界面で反射されにくくすることができる。このように凸部１ａの上面１ａ’を、基板１の第１主面１Ａに対して傾ける方法としては、基板１としてオフ角を有する材料を用いたり、凸部１ａを基板１の第１主面１Ａに形成した後、凸部１ａの上面１ａ’に対して傾いた方向からドライエッチングを行なう方法を用いたりすることができる。
凸部１ａの上面１ａ’は、図５に示すように、基板１の第１主面１Ａに対して傾いていてもよい。凸部１ａの上面１ａ’が、基板１の第１主面１Ａに対して傾いていることにより、突起５から凸部１ａに入射する際に、突起５と凸部１ａとの界面で反射されにくくすることができる。このように凸部１ａの上面１ａ’を、基板１の第１主面１Ａに対して傾ける方法としては、基板１としてオフ角を有する材料を用いたり、凸部１ａを基板１の第１主面１Ａに形成した後、凸部１ａの上面１ａ’に対して傾いた方向からドライエッチングを行なう方法を用いたりすることができる。
（変形例３）
発光素子20を平面透視して、凸部１ａの外縁、すなわち凸部１ａの底面１ａ”が、光半導体層２で発生した光の波長と同じ長さの直径を有する円に収まる大きさであってもよい。本例においては、凸部１ａの底面１ａ”の直径が、光半導体層２の発光する光の波長と同じ長さの直径となるように設けられている場合について説明する。
発光素子20を平面透視して、凸部１ａの外縁、すなわち凸部１ａの底面１ａ”が、光半導体層２で発生した光の波長と同じ長さの直径を有する円に収まる大きさであってもよい。本例においては、凸部１ａの底面１ａ”の直径が、光半導体層２の発光する光の波長と同じ長さの直径となるように設けられている場合について説明する。
凸部１ａが光半導体層２で発生する光の波長よりも小さくなるように設けられている場合には、光半導体層２で発生した光が基板１から外部へ突起部10を通って進む際に、第１半導体層２ａと基板１との境界で光半導体層２側に反射されにくくすることができる。この原理について、図２の構成を参照しつつ以下説明する。
光半導体層２で発生した光は、突起５が基板１よりも小さい屈折率を有していることから、第１半導体層２ｃから突起３に入射する際に、光半導体層２側に反射されるのを抑制しつつ、突起５に入射しやすくすることができる。
また、凸部１ａが基板１と一体的に設けられていることから、凸部１ａに入射した光が、凸部１ａと基板１との界面で、光半導体層２側に反射されにくくすることができる。ここで、光が突起部10を通過する際に、突起部10がその光の波長よりも小さい場合には、突起部10の屈折率は、同じ媒質内において、光線Ｌｅの進む方向に対して垂直方向の横断面において、突起部10と外部の媒質が占める割合によって決められる。これは、光線Ｌｅに対する、突起部10による幾何光学的なふるまいだけでなく波動光学的なふるまいの影響も大きくなるためと考えられる。
そのため、光半導体層２で発光した光が突起部10を通過する際に、突起５が凸部１ａから遠ざかるにつれて第１面積が小さくなるように円錐形状で設けられていることから、光線の横断面における突起５と第１半導体層２ａとの比率を少しずつ変化させることができる。その結果、突起５による屈折率変化を緩やかにすることができ、突起５に入射する光を光半導体層２側に反射されにくくすることができる。
次に、突起５から凸部１ａへ入射する際に、突起５と凸部１ａとの境界において、突起５の形状によって凸部１ａの屈折率差を小さくした状態で、凸部１ａに入射させることができる。そのため、突起５から凸部１ａに光が入射する際に、突起５と凸部１ａの境界において光半導体層２側に反射されにくくすることができる。
凸部１ａに入射した光は、凸部１ａが基板１の第１主面１Ａから遠ざかるにつれて第２面積が小さくなるように円錐台状で設けられていることから、光線の断面における凸部１ａと第１半導体層２ａとの比率を少しずつ変化させることができるため、凸部１ａから基板１に入射する際に屈折率変化を緩やかにすることができる。その結果、凸部１ａと基板１との境界において、屈折率差を小さくすることができ、凸部１ａから基板１に入射する光を光半導体層２側に反射されにくくすることができる。
図６に示すグラフは、発光層２ｂで発光した光線Ｌｅが第１半導体層２ａから基板１へ進む際の屈折率変化の様子を説明するものである。ここでグラフＭ１は、光線Ｌｅが第１半導体層２ａから突起部10を通過して基板１へ進む場合の屈折率変化を示している。このグラフＭ１に示されるように、第１半導体層２ａと基板１との間に突起部10を有することにより、光線Ｌｅが第１半導体層２ａから基板１へ進む場合の屈折率変化を緩やかにすることができる。
一方、比較例として突起部が設けられていない場合の屈折率変化を図６のグラフＭ２に示す。この場合、図６のグラフＭ２において第１半導体層と基板との屈折率変化、すなわち第１半導体層と基板との境界における微分係数が大きくなるため、発光層で発光した光が第１半導体層と基板との界面で反射しやすくなる。
さらに、突起部が基板および第１半導体層と屈折率の異なる材料のみからなる場合には、突起部が基板および第１半導体層と屈折率が異なるため、第１半導体層と突起部との境界および突起部と基板との境界における屈折率変化が大きくなって反射しやすくなる。そのため、光取出し効率の低下を招きやすくなる。
また、突起部が基板と同じ材料のみからなる場合は、発光層で発光した光が基板に入射する際に、突起部が第１半導体層と材料が異なるため、突起部と第１半導体層との境界における屈折率変化が大きくなって反射しやすくなる。
具体的には、本例の発光素子20で発光する光の波長では、サファイアの屈折率が例えば1.70以上1.80以下であり、第１半導体層の屈折率が例えば2.2以上2.6以下である。そのため、突起５の材料としては、例えば酸化マグネシウム（屈折率 約1.68以上1.73以下）、二酸化ジルコニウム（屈折率 約1.78以上2.00以下）などを用いることができる。
本例において、凸部１ａの底面１ａ”の直径が、光半導体層２で発生した光の波長と同じ寸法で設けられている場合について説明したが、屈折率変化を緩和させるという効果を凸部１ａが奏する限り、凸部１ａの底面１ａ”の一部が光半導体層２で発光する光の波長を直径とする円からはみ出してもよい。
凸部１ａの底面１ａ”が、光半導体層２で発生した光の波長と同じ線分よりも小さく形成されている線分部分を有する場合であれば、線分部分において本例の効果を奏するものである。
さらに、突起部10の高さ、すなわち突起５の高さｔ１と凸部１ａの高さｔ２とを足した高さが、光半導体層２で発生した光の波長と同じ寸法以下で設けられていてもよい。このような高さで突起部10が形成されていることにより、突起部10の高さ方向に対しても、波動光学的なふるまいをさせることができる。その結果、光が突起部10を通過する際に、突起部10の高さ方向に対しても、屈折率を緩和させることができる。
また、本例のように、凸部１ａの外縁形状を、光半導体層２で発生した光の波長と同じ大きさの直径を有する円に収まる大きさで形成するとともに、変形例２に示したように、凸部１ａの上面１ａを、基板１の第１主面１Ａに対して傾けてもよい。このように、凸部１ａの上面１ａを傾斜させることにより、突起５から凸部１ａに入射する際に、突起５と凸部１ａとの割合を徐々に変化させることができるため、屈折率変化をさらに緩やかにすることができる。
（変形例４）
凸部１ａの上面１ａ’は、図７に示すように、粗面となっていてもよい。すなわち、図７に示すように、突起部10は、凸部１ａと突起５との界面に粗面を有していてもよい。このような粗面は、粗面の凹凸の最大高さＲｚが発光層２ｂで発光した光の半波長程度に設定することができ、例えば200ｎｍ以下で形成することができる。ここで、粗面の凹凸の最大高さＲｚは、ＪＩＳ Ｂ0601−2001に準拠している。
凸部１ａの上面１ａ’は、図７に示すように、粗面となっていてもよい。すなわち、図７に示すように、突起部10は、凸部１ａと突起５との界面に粗面を有していてもよい。このような粗面は、粗面の凹凸の最大高さＲｚが発光層２ｂで発光した光の半波長程度に設定することができ、例えば200ｎｍ以下で形成することができる。ここで、粗面の凹凸の最大高さＲｚは、ＪＩＳ Ｂ0601−2001に準拠している。
凸部１ａの上面１ａ’が粗面により形成されていることにより、発光層２ｂで発光した光線Ｌｅが突起５から凸部１ａに進む際に、突起５と凸部１ａとの境界において屈折率変化を緩やかにすることができる。また、凸部１ａの上面１ａ’の粗面に突起５が形成されることによって、凸部１ａと突起５とが接触する表面積を増やすことができるため、密着性を向上させることができる。
このように、凸部１ａの上面１ａ’を粗面とする方法としては、例えば、凸部１ａを基板１の第１主面１Ａに形成した後、凸部１ａをドライエッチングによって粗くする方法などを用いることができる。
（変形例５）
凸部１ａの底面１ａ’と側面とのなす角度αは、例えば10°以上80°以下に設定してもよい。この場合、発光層２ｂで発光した光が第１半導体層２ａから基板１へ透過する際に、第１半導体層２ａと基板１との境界の屈折率変化をより緩やかにすることができる。さらに、突起部10は、角度αを例えば40°以上75°以下とすることにより、後述するように基板１上に第１半導体層２ａを横方向成長させる際のマスクパターンとしても好適に用いることができる。
凸部１ａの底面１ａ’と側面とのなす角度αは、例えば10°以上80°以下に設定してもよい。この場合、発光層２ｂで発光した光が第１半導体層２ａから基板１へ透過する際に、第１半導体層２ａと基板１との境界の屈折率変化をより緩やかにすることができる。さらに、突起部10は、角度αを例えば40°以上75°以下とすることにより、後述するように基板１上に第１半導体層２ａを横方向成長させる際のマスクパターンとしても好適に用いることができる。
また、図８に示すように、凸部１ａにおける底面１ａ”と側面とのなす角度αと、突起５における底面５Ｂと側面とのなす角度βとが異なるように形成されていてもよい。例えば、角度βを角度αより小さくすることにより、突起５の高さｔ１’を小さくすることができる。そのため、基板１の第１主面１Ａに特定のファセット持つ結晶体を形成した後、成長方向に対して水平方向に結晶成長させる横方向成長をする場合に、結晶体の高さを小さくすることができるため生産性を向上させることができる。なお、ファセットとは第１半導体層２ａを横方向成長させる前に基板１の第１主面１Ａ上に育成する結晶平面のことを指す。
（変形例６）
突起５は、図９に示すように、凸部１ａの上面１ａ’の外周から離れた位置に配置されていてもよい。すなわち、突起５は、凸部１ａの上面１ａ’の外周によって囲まれる領域（外周上は除く）内に設けられている。このように、発光層２ｂで発生した光の波長よりも小さい寸法の外縁形状を持つ凸部１ａが形成されている場合は、突起５の底面５Ｂの大きさを調整することにより、凸部１ａに入射する際の屈折率を調整することができる。
突起５は、図９に示すように、凸部１ａの上面１ａ’の外周から離れた位置に配置されていてもよい。すなわち、突起５は、凸部１ａの上面１ａ’の外周によって囲まれる領域（外周上は除く）内に設けられている。このように、発光層２ｂで発生した光の波長よりも小さい寸法の外縁形状を持つ凸部１ａが形成されている場合は、突起５の底面５Ｂの大きさを調整することにより、凸部１ａに入射する際の屈折率を調整することができる。
このように凸部１ａに入射する際の屈折率を調整することができることから、突起５と基板１との屈折率差に併せて突起５の底面５Ｂの大きさを調整することにより、突起５と基板１との屈折率変化をさらに緩和することができる。
（変形例７）
基板１を導電性材料から形成し、基板１と第２電極４との間に電圧を印加する場合は、突起部10の突起５を絶縁材料で形成してもよい。この場合には、第１電極３は基板１に電気的に接続すればよい。突起５の密度は、例えば発光層２ｂに流れ込む電流の電流密度を考慮して決めればよい。
基板１を導電性材料から形成し、基板１と第２電極４との間に電圧を印加する場合は、突起部10の突起５を絶縁材料で形成してもよい。この場合には、第１電極３は基板１に電気的に接続すればよい。突起５の密度は、例えば発光層２ｂに流れ込む電流の電流密度を考慮して決めればよい。
このように突起５を絶縁材料で形成し、第１電極３と第２電極４との間に電圧を印加することにより、基板１側から発光層２ｂに電流が流れる際に、電流が基板１と第１半導体層２ａとの間に位置する突起５を避けて流れるようになり、発光層２ｂに流れ込む電流の電流密度を高くすることができる。その結果、発光素子３の発光効率を向上させることができる。
以上の例では凸部１ａの上面１ａ’に突起５を有する突起部10について説明したが、凸部１ａ上に形成される突起５は、複数の層によって形成されていてもよい。その場合には、突起部10は複数の層からなる突起５の屈折率が基板１の屈折率と第１半導体層２ａの屈折率との間の値に設定されており、この突起５の屈折率が突起５の頂部５Ａ方向に向かうにつれて順次小さくなるように形成される。
突起５を複数の層で形成することにより、光線Ｌｅが第１半導体層２ａから基板１へ進む際に、基板１と第１半導体層２ａとの屈折率変化をさらに小さくすることができる。その結果、第１半導体層２ａと基板１との境界で反射されることを少なくすることができる。
さらに、発光素子20を保護層によって封止してもよい。この場合、保護層は、基板１を構成する材料の屈折率よりも小さい屈折率を持つ材料で形成すればよい。具体的には、シリコーン樹脂などを用いることができる。本例では、基板１がサファイアから構成されているため、屈折率が1.4以上1.7以下のシリコーン樹脂を用いることができる。また、発光層２ｂが350ｎｍ以上420ｎｍ以下の波長の光を発光する場合には、このようなシリコーン樹脂の中に、発光する光の波長で励起することができる蛍光体や燐光体を混ぜて、発光層２ｂからの光を白色光に変換してもよい。
本例の発光素子20は、例えばセラミック材料からなるパッケージなどの実装体に実装した発光装置として用いられる。このように実装体の主面に形成された配線導体に発光素子20を実装する場合は、発光素子20は第２半導体層２ｃをパッケージの主面側にしたフリップチップ接続を用いることができる。
上述した変形例１−７は、適宜それぞれの変形例と組み合わせることができる。
＜発光素子の製造方法＞
（基板を準備する工程）
図10に示すように、基板１の第１主面１Ａ上に基板１よりも屈折率の大きい材料が堆積した堆積層13が形成される。堆積層13を形成する方法としては、蒸着法やスピンコート法などから適宜、堆積させる材料に応じて選択することができる。なお、堆積層13の厚みを変化させることにより、突起５の高さｔ１を変化させることができる。
（基板を準備する工程）
図10に示すように、基板１の第１主面１Ａ上に基板１よりも屈折率の大きい材料が堆積した堆積層13が形成される。堆積層13を形成する方法としては、蒸着法やスピンコート法などから適宜、堆積させる材料に応じて選択することができる。なお、堆積層13の厚みを変化させることにより、突起５の高さｔ１を変化させることができる。
次に、図11に示すように、堆積層13の表面の一部が露出するマスクパターン14を形成する。その後、マスクパターン14から露出した堆積層13の表面から光半導体層２側へ深さ方向に、エッチングなどの方法によって堆積層13および基板１の一部を除去する。エッチングの方法としては、ウエットエッチング法またはドライエッチング法を用いることができる。
ウエットエッチング法を用いた場合には、マスクパターン14を回り込むようにエッチングするサイドエッチを用いることができ、ドライエッチング法を用いた場合には、堆積層13の表面から傾斜した方向からエッチングを行なう方法を用いることができる。
このことから、堆積層13だけでなく基板１の一部もエッチングによって除去するため、エッチング深さは突起５の高さ以上、すなわち堆積層13の厚みｔ１以上に設定される。その際、基板１を削った深さが凸部１ａの高さｔ２となる。このようにして、図12に示すように、凸部１ａを有する基板１と、凸部１ａの上面に形成される突起５とが一体的に形成される。
（光半導体層を形成する工程）
さらに、図13に示すように、突起５および凸部１ａを有する基板１上に第１半導体層２ａ、発光層２ｂおよび第２半導体層２ｃを順次積層した光半導体層２が形成される。光半導体層２を結晶成長させる方法としては、分子線エピタキシー（Molecular Beam Epitaxy、略称ＭＢＥ）法、有機金属エピタキシー（Metal Organic Vapor Phase Epitaxy、略称ＭＯＶＰＥ）法、ハイドライド気相成長（Hydride Vapor Phase Epitaxy、略称ＨＶＰＥ）法またはパルスレーザデポジション（Pulsed Laser Deposition、略称ＰＬＤ）法などを用いることができる。
さらに、図13に示すように、突起５および凸部１ａを有する基板１上に第１半導体層２ａ、発光層２ｂおよび第２半導体層２ｃを順次積層した光半導体層２が形成される。光半導体層２を結晶成長させる方法としては、分子線エピタキシー（Molecular Beam Epitaxy、略称ＭＢＥ）法、有機金属エピタキシー（Metal Organic Vapor Phase Epitaxy、略称ＭＯＶＰＥ）法、ハイドライド気相成長（Hydride Vapor Phase Epitaxy、略称ＨＶＰＥ）法またはパルスレーザデポジション（Pulsed Laser Deposition、略称ＰＬＤ）法などを用いることができる。
ここで、基板１上に突起部10を有することから、光半導体層２を基板１上で横方向成長させることができる。具体的には、光半導体層２のそれぞれの層において組成比、成長温度および成長圧力などの成長条件を調整することにより、光半導体層２を横方向成長させることができる。
このように、第１半導体層２ａを横方向成長で結晶成長させた場合は、第１半導体層２ａから発光層２ｂへ延びる欠陥を少なくすることができる。その結果、光半導体層２の結晶品質を向上させることができ、発光層２ｂで発光する光の発光強度を強くすることができる。
（電極を形成する工程）
次に、第１半導体層２ａに電気的に接続される第１電極３と、第２半導体層２ｃに電気的に接続される第２電極４とを形成する。まず、図14に示すように、第１半導体層２ａの一部が露出する第１露出部21を形成した後、第１電極３を形成する。このような第１露出部21は、第１半導体層２ａの一部が露出されるように、例えば光半導体層２の一部を深さ方向にエッチングすることによって形成することができる。
次に、第１半導体層２ａに電気的に接続される第１電極３と、第２半導体層２ｃに電気的に接続される第２電極４とを形成する。まず、図14に示すように、第１半導体層２ａの一部が露出する第１露出部21を形成した後、第１電極３を形成する。このような第１露出部21は、第１半導体層２ａの一部が露出されるように、例えば光半導体層２の一部を深さ方向にエッチングすることによって形成することができる。
その後、第１露出部21および第２半導体層２ｃの表面に第１電極３および第２電極４となる材料を蒸着法やスパッタリング法などの方法によって形成する。
ここで、基板１を準備する工程において、堆積層13と基板１とのエッチング速度が異なることを利用して、突起５が凸部１ａの上面１ａ’の外周から離れているように設けてもよい。凸部１ａと突起５とが異なる材料で構成されていることから、エッチングをした場合に、凸部１ａと突起５とでエッチング速度が異なるようになる。そのため、図９に示すような、凸部１ａおよび突起５を形成することができる。さらに、堆積層13と基板１とのエッチング速度が異なることを利用して、図８に示すような、突起部10を形成してもよい。
Claims (9)
- 第１主面から突出する凸部を複数有する透光性の基板と、
前記凸部の上面に位置し、前記基板の材料の屈折率よりも大きい屈折率の材料を有する突起と、
前記基板の前記第１主面上に順に位置する第１半導体層、発光層および第２半導体層を有する光半導体層であって、前記第１半導体層の材料の屈折率は前記突起の屈折率よりも大きく、前記凸部および前記突起を前記基板との間に埋設している光半導体層と
を備えた発光素子。 - 複数の前記凸部は、それぞれの前記上面に前記突起が位置している請求項１に記載の発光素子。
- 前記突起は、前記基板を前記第１主面側から平面透視したときに、前記凸部の前記上面の外周によって囲まれる上面領域に位置している請求項１または２に記載の発光素子。
- 前記凸部は、前記第１主面から遠ざかるにつれて前記基板の前記第１主面と平行な断面の面積である第１面積が小さくなっている請求項１−３のいずれかに記載の発光素子。
- 前記突起は、前記凸部から遠ざかるにつれて前記基板の前記第１主面と平行な断面の面積である第２面積が小さくなっている請求項１−４のいずれかに記載の発光素子。
- 前記凸部の前記上面は、前記基板の前記第１主面に対して傾いている請求項１−５のいずれかに記載の発光素子。
- 平面透視における前記凸部の外縁形状は、前記光半導体層で発生した光の波長と同じ長さの直径を有する円に収まる大きさである請求項１−６のいずれかに記載の発光素子。
- 前記突起は、前記凸部の前記上面の外周から離れている請求項７に記載の発光素子。
- 前記凸部の前記上面は、粗面となっている請求項７または８に記載の発光素子。
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