WO2011058890A1 - 発光素子 - Google Patents

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WO2011058890A1
WO2011058890A1 PCT/JP2010/069285 JP2010069285W WO2011058890A1 WO 2011058890 A1 WO2011058890 A1 WO 2011058890A1 JP 2010069285 W JP2010069285 W JP 2010069285W WO 2011058890 A1 WO2011058890 A1 WO 2011058890A1
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WO
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semiconductor layer
substrate
protrusion
light emitting
convex portion
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PCT/JP2010/069285
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
義之 川口
Original Assignee
京セラ株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by 京セラ株式会社 filed Critical 京セラ株式会社
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/02—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
    • H01L33/20—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a particular shape, e.g. curved or truncated substrate
    • H01L33/22—Roughened surfaces, e.g. at the interface between epitaxial layers

Definitions

  • the present invention relates to a light emitting element.
  • a light emitting element for example, there is a light emitting element formed of an optical semiconductor layer in which a plurality of semiconductor layers are stacked (see, for example, JP-A-2006-222288).
  • a light-emitting element includes a substrate having a plurality of convex portions protruding from a first main surface, and a material having a refractive index that is located on the upper surface of the convex portion and is larger than the refractive index of the material of the substrate. And an optical semiconductor layer having a first semiconductor layer, a light emitting layer, and a second semiconductor layer sequentially disposed on the first main surface of the substrate, wherein the refractive index of the material of the first semiconductor layer is An optical semiconductor layer having a refractive index greater than the refractive index of the protrusion and having the protrusion and the protrusion embedded between the substrate and the substrate.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the light-emitting element shown in FIG. 1 and corresponds to a cross section taken along line A-A ′ of FIG. 1.
  • FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view of a part of the light emitting element shown in FIG. 2.
  • FIG. 5 is an enlarged plan perspective view of a part of a modification of the light emitting element shown in FIG. It is sectional drawing to which a part of modification of the light emitting element shown in FIG. 2 was expanded. It is a graph explaining the refractive index change of a part of light emitting element shown in FIG.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of the light-emitting element showing a part of the manufacturing process of the light-emitting element according to one embodiment of the present invention, and corresponds to a cross section taken along line A-A ′ of FIG. It is sectional drawing of the light emitting element which shows a part of manufacturing process of the light emitting element concerning one Embodiment of this invention.
  • ⁇ Structure of light emitting element> 1 is a perspective view of the light emitting device 20 according to the present embodiment
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the light emitting device 20 shown in FIG. 1, which corresponds to a cross section taken along line AA ′ of FIG.
  • the light emitting element 20 includes a substrate 1 having a convex portion 1 a, a protrusion 5 provided on the convex portion 1 a, and an optical semiconductor layer 2 formed on the substrate 1.
  • the substrate 1 only needs to be capable of crystal growth of the optical semiconductor layer 2.
  • the substrate 1 is formed of, for example, a rectangular flat plate in plan view.
  • a translucent base material that transmits light generated in the optical semiconductor layer 2 can be used.
  • the material of the substrate 1 may be selected in consideration of the wavelength of light generated in the optical semiconductor layer 2 from sapphire, gallium nitride, aluminum nitride, or zinc oxide, for example.
  • the substrate 1 is made of sapphire.
  • the substrate 1 has a plurality of convex portions 1a in which a part of the first main surface 1A protrudes on the first main surface 1A.
  • the plurality of convex portions 1a are provided integrally with the substrate 1 by processing the substrate 1, for example.
  • the interval between the adjacent convex portions 1a is set to, for example, 0.3 ⁇ m or more and 2 ⁇ m or less.
  • the convex portion 1a has an upper surface 1a '.
  • the upper surface 1 a ′ of the convex portion 1 a indicates a surface at a position farthest from the first main surface 1 ⁇ / b> A of the substrate 1.
  • substrate 1 points out the surface of the board
  • the thickness of the substrate 1, that is, the distance between the first main surface 1A and the second main surface 1B is, for example, 10 ⁇ m or more and 1000 ⁇ m or less.
  • the convex portion 1a for example, a polygonal frustum shape such as a quadrangular frustum shape or a hexagonal frustum shape or a frustum shape can be used.
  • the convex portion 1a indicates a solid surrounded by the upper surface 1a ′, the bottom surface 1a ′′, and the side surface.
  • the convex portion 1a is provided to be a truncated cone.
  • a height t2 from one main surface 1A to the upper surface 1a ′ is set to, for example, 0.2 ⁇ m or more and 5 ⁇ m or less.
  • the area of the upper surface 1a ′ of the protrusion 1a is set to, for example, 40% or more and 90% or less with respect to the area of the first main surface 1A of the substrate 1 in the protrusion 1a.
  • the convex part 1a is set to 1 piece / micrometer ⁇ 2 > or more and 20 pieces / micrometer ⁇ 2 > or less, for example.
  • each convex portion 1a is defined as a region where the virtual plane including the first main surface 1A of the substrate 1 and each convex portion 1a overlap.
  • a protrusion 5 is formed so as to be positioned on the upper surface 1a 'of the convex portion 1a.
  • the protrusion 5 can have a polygonal pyramid shape, a polygonal frustum shape, a cone shape, or a truncated cone shape.
  • the protrusion 5 can be set such that the height t1 from the upper surface 1a 'to the top 5A of the convex portion 1a is, for example, 0.2 ⁇ m or more and 5 ⁇ m or less.
  • the refractive index of the protrusion 5 is higher than that of the substrate 1 and is made of a material having a lower refractive index than that of the first semiconductor layer 2a. That is, the protrusion 5 is made of a material having a refractive index between the refractive index of the first semiconductor layer 2 a and the refractive index of the substrate 1.
  • the convex portion 1a and the protrusion 5 are formed so as to be integrated, and are connected so that the respective side surfaces are continuous. That is, the outer peripheral shape of the upper surface 1 a ′ of the convex portion 1 a and the outer peripheral shape of the lower surface of the protrusion 5 coincide with each other when viewed through the plane.
  • the material of the protrusion 5 can be selected from materials containing at least one of oxide, fluoride or nitride made of titanium, tantalum, aluminum, magnesium, silicon, zirconium, hafnium or yttrium, for example.
  • the protrusion 5 has a refractive index of 1.5 to 2.3.
  • the convex portion 1a and the protrusion 5 may be collectively referred to as the protrusion 10 in some cases.
  • An optical semiconductor layer 2 is formed on the first main surface 1A of the substrate 1 on which the protrusions 10 are formed.
  • the optical semiconductor layer 2 includes a first semiconductor layer 2a, a light emitting layer 2b, and a second semiconductor layer 2c so as to be sequentially positioned from the first main surface 1A side of the substrate 1.
  • the optical semiconductor layer 2 is formed with a thickness of, for example, 1 ⁇ m or more and 15 ⁇ m or less.
  • a III-V semiconductor can be used as the first semiconductor layer 2a, the light emitting layer 2b, and the second semiconductor layer 2c.
  • group III-V semiconductors include group III nitride semiconductors, gallium phosphide, gallium arsenide, and the like.
  • group III nitride semiconductor include gallium nitride, aluminum nitride, indium nitride, and the like.
  • Al x1 Ga (1-x1-y1) In y1 N (0 ⁇ x1 ⁇ 1, 0 ⁇ y1 ⁇ 1, x1 + y1 ⁇ 1).
  • zinc oxide can be exemplified.
  • the first semiconductor layer 2a is formed on the first main surface 1A of the substrate 1 so that the protruding portion 10 is embedded between the first semiconductor layer 2a and the substrate 1. That is, as shown in FIG. 3, the first semiconductor layer 2a has a thickness th that is greater than the height obtained by adding the height t1 of the protrusion 5 and the height t2 of the protrusion 1a.
  • the thickness th of the first semiconductor layer 2a indicates the thickness of the thinnest portion of the first semiconductor layer 2a. Further, the thickness th of the first semiconductor layer 2a can be formed, for example, from 0.3 ⁇ m to 10 ⁇ m.
  • the refractive index of the first semiconductor layer 2a is set to be higher than the refractive index of the substrate 1 and the refractive index of the protrusions 5. If gallium nitride is used as the first semiconductor layer 2a, the refractive index of the first semiconductor layer 2a is set to, for example, 2.2 or more and 2.6 or less.
  • the light emitting layer 2b is provided between the first semiconductor layer 2a and the second semiconductor layer 2c.
  • the light emitting layer 2b is a multilayer quantum well that is regularly stacked by repeating a quantum well structure composed of a barrier layer with a wide forbidden band and a well layer with a narrow forbidden band a plurality of times (for example, 2 to 10 times). It consists of a structure (Multiple Quantum Well abbreviation MQW).
  • the barrier layer described above an In 0.01 Ga 0.99 N layer or the like can be used as exemplified by the above chemical formula.
  • an In 0.11 Ga 0.89 N layer or the like can be used as exemplified by the above-described chemical formula.
  • the thickness of the barrier layer can be set to, for example, 5 nm to 15 nm
  • the thickness of the well layer can be set to, for example, 2 nm to 10 nm
  • the total thickness of the light emitting layer 2b is, for example, 25 nm to 150 nm.
  • the peak wavelength of light generated in the light emitting layer 2b is, for example, not less than 350 nm and not more than 600 nm.
  • the peak wavelength means a wavelength at which the light intensity reaches a peak in the light spectrum.
  • the second semiconductor layer 2c is provided on the light emitting layer 2b.
  • the second semiconductor layer 2c is set to have a reverse conductivity type with respect to the first semiconductor layer 2a by using either electrons or holes as majority carriers.
  • a method for imparting conductivity type to the semiconductor layer for example, a method of adding magnesium or silicon as an impurity can be used.
  • a pair of electrodes is connected to the optical semiconductor layer 2.
  • the pair of electrodes includes a first electrode 3 and a second electrode 4.
  • the first semiconductor layer 2a is provided with a first electrode 3 that is electrically connected to the first semiconductor layer 2a.
  • a second electrode 4 that is electrically connected to the second semiconductor layer 2c is provided on the main surface 2A of the second semiconductor layer 2c. A voltage is applied to the optical semiconductor layer 2 by the pair of electrodes formed in this way.
  • Examples of materials for the first electrode 3 and the second electrode 4 include aluminum, titanium, nickel, chromium, indium, tin, molybdenum, silver, gold, niobium, tantalum, vanadium, platinum, lead, and beryllium, and tin oxide.
  • an oxide such as an indium and tin oxide such as indium oxide, or an alloy film such as a gold-silicon alloy, a gold-germanium alloy, a gold-zinc alloy, or a gold-beryllium alloy can be preferably used.
  • the first electrode 3 and the second electrode 4 may be formed by stacking a plurality of layers selected from the above materials.
  • the light emitting element 20 formed in this way has a protrusion 5 between the substrate 1 and the first semiconductor layer 2a, and the refractive index of the protrusion 5 is equal to the refractive index of the substrate 1 and the first semiconductor layer 2a.
  • the refractive index is set between. Therefore, when the light beam Le generated in the optical semiconductor layer 2 and moving toward the substrate 1 enters the protrusion 5 from the first semiconductor layer 2a, the difference in refractive index between the first semiconductor layer 2a and the protrusion 5 is expressed as Since the difference in refractive index between the semiconductor layer 2a and the substrate 1 can be made smaller, reflection can be made difficult.
  • the difference in refractive index between the protrusion 5 and the substrate 1 may be made smaller than the difference in refractive index between the first semiconductor layer 2 a and the substrate 1. Therefore, it can be made difficult to be reflected. As a result, light generated in the light emitting layer 2b is not easily reflected at the interface between the first semiconductor layer 2a and the substrate 1, and the light extraction efficiency of the light emitting element 20 can be improved.
  • the plurality of convex portions 1a may be provided such that the protrusions 5 are positioned on the respective upper surfaces 1a ′.
  • the light extraction efficiency can be further improved.
  • FIG. 4 is a plan perspective view of a part of the light emitting element 20 as seen through the plane.
  • the chain line represents the outer edge of the convex portion 1a
  • the alternate long and short dash line represents the outer periphery of the upper surface 1a 'of the convex portion 1a.
  • the first area which is a cross-sectional area parallel to the first main surface 1A of the substrate 1
  • the first area which is a cross-sectional area parallel to the first main surface 1A of the substrate 1
  • the side surface of the convex portion 1a is inclined with respect to the first main surface 1A of the substrate 1, and the light generated in the light emitting layer 2b is incident on the convex portion 1a. In this case, reflection at the interface between the first semiconductor layer 2a and the convex portion 1a can be made difficult.
  • the protrusion 5 may have a second area that is an area of a cross section parallel to the first main surface 1A of the substrate 1 as the distance from the protrusion 1a increases.
  • the upper surface 1a ′ of the convex portion 1a may be inclined with respect to the first main surface 1A of the substrate 1 as shown in FIG. Since the upper surface 1a ′ of the convex portion 1a is inclined with respect to the first main surface 1A of the substrate 1, it is reflected at the interface between the projection 5 and the convex portion 1a when entering the convex portion 1a from the projection 5. Can be difficult.
  • a method of inclining the upper surface 1a ′ of the convex portion 1a with respect to the first main surface 1A of the substrate 1 a material having an off angle is used as the substrate 1, or the convex portion 1a is used as the first main surface of the substrate 1. After forming on the surface 1A, a method of performing dry etching from a direction inclined with respect to the upper surface 1a ′ of the convex portion 1a can be used.
  • the convex portion 1 a When the convex portion 1 a is provided so as to be smaller than the wavelength of the light generated in the optical semiconductor layer 2, the light generated in the optical semiconductor layer 2 travels from the substrate 1 to the outside through the protruding portion 10. Furthermore, it can be made difficult to be reflected on the optical semiconductor layer 2 side at the boundary between the first semiconductor layer 2 a and the substrate 1. This principle will be described below with reference to the configuration of FIG.
  • the light generated in the optical semiconductor layer 2 is reflected to the optical semiconductor layer 2 side when entering the protrusion 3 from the first semiconductor layer 2 c because the protrusion 5 has a refractive index smaller than that of the substrate 1. This makes it easy to enter the protrusions 5.
  • the convex portion 1a is provided integrally with the substrate 1, light incident on the convex portion 1a is less likely to be reflected to the optical semiconductor layer 2 side at the interface between the convex portion 1a and the substrate 1. Can do.
  • the refractive index of the protrusion 10 is in the same medium with respect to the traveling direction of the light beam Le. This is determined by the proportion of the protrusion 10 and the external medium in the vertical cross section. This is presumably because the influence of not only the geometrical optical behavior by the protrusion 10 but also the wave optical behavior on the light beam Le is increased.
  • the protrusion 5 when the light emitted from the optical semiconductor layer 2 passes through the protrusion 10, the protrusion 5 is provided in a conical shape so that the first area decreases as the distance from the protrusion 1a increases.
  • the ratio between the protrusion 5 on the surface and the first semiconductor layer 2a can be changed little by little.
  • the refractive index change due to the protrusion 5 can be moderated, and the light incident on the protrusion 5 can be made difficult to be reflected to the optical semiconductor layer 2 side.
  • the projection 5 when the projection 5 is incident on the convex portion 1a, the projection 5 is made incident on the boundary between the projection 5 and the convex portion 1a with the difference in refractive index of the convex portion 1a being reduced by the shape of the projection 5. be able to. Therefore, when light enters the convex portion 1a from the protrusion 5, it can be made difficult to be reflected on the optical semiconductor layer 2 side at the boundary between the protrusion 5 and the convex portion 1a.
  • the light incident on the convex portion 1a is provided in the shape of a truncated cone so that the second area decreases as the convex portion 1a moves away from the first main surface 1A of the substrate 1, and thus the convex portion 1a in the cross section of the light beam. Since the ratio between the first semiconductor layer 2a and the first semiconductor layer 2a can be changed little by little, the refractive index change can be moderated when entering the substrate 1 from the convex portion 1a. As a result, the difference in refractive index can be reduced at the boundary between the convex portion 1a and the substrate 1, and light incident on the substrate 1 from the convex portion 1a can be made difficult to be reflected on the optical semiconductor layer 2 side.
  • the graph shown in FIG. 6 explains how the refractive index changes when the light beam Le emitted from the light emitting layer 2 b travels from the first semiconductor layer 2 a to the substrate 1.
  • the graph M1 shows a change in refractive index when the light beam Le travels from the first semiconductor layer 2a through the protrusion 10 to the substrate 1.
  • the refractive index change when the light beam Le travels from the first semiconductor layer 2a to the substrate 1 is moderated. can do.
  • a change in refractive index when no protrusion is provided is shown in a graph M2 in FIG.
  • the refractive index change between the first semiconductor layer and the substrate that is, the differential coefficient at the boundary between the first semiconductor layer and the substrate becomes large
  • the light emitted from the light emitting layer is the first semiconductor layer. It becomes easy to reflect at the interface between the substrate and the substrate.
  • the protrusion when the protrusion is made of only a material having a refractive index different from that of the substrate and the first semiconductor layer, the protrusion has a refractive index different from that of the substrate and the first semiconductor layer, and therefore the boundary between the first semiconductor layer and the protrusion.
  • the change in the refractive index at the boundary between the protrusion and the substrate becomes large, and reflection becomes easy. Therefore, the light extraction efficiency is liable to be reduced.
  • the protrusion when the protrusion is made of only the same material as the substrate, when the light emitted from the light emitting layer is incident on the substrate, the protrusion is made of a material different from that of the first semiconductor layer. The change in the refractive index at the boundary becomes larger and the light is easily reflected.
  • the refractive index of sapphire is, for example, 1.70 or more and 1.80 or less
  • the refractive index of the first semiconductor layer is, for example, 2.2 or more and 2.6 or less. Therefore, for example, magnesium oxide (refractive index: about 1.68 or more and 1.73 or less), zirconium dioxide (refractive index: about 1.78 or more and 2.00 or less) can be used as the material of the protrusion 5.
  • the diameter of the bottom surface 1a ′′ of the convex portion 1a is provided with the same dimension as the wavelength of the light generated in the optical semiconductor layer 2 has been described.
  • a part of the bottom surface 1a ′′ of the convex portion 1a may protrude from a circle whose diameter is the wavelength of light emitted from the optical semiconductor layer 2.
  • the bottom surface 1a ′′ of the convex portion 1a has a line segment portion formed smaller than the same line segment as the wavelength of the light generated in the optical semiconductor layer 2, the effect of this example is achieved in the line segment portion. Is.
  • the height of the protrusion 10 that is, the height obtained by adding the height t 1 of the protrusion 5 and the height t 2 of the protrusion 1 a is provided to be equal to or less than the same wavelength as the wavelength of the light generated in the optical semiconductor layer 2. May be.
  • the outer edge shape of the convex portion 1a is formed in a size that fits in a circle having the same diameter as the wavelength of the light generated in the optical semiconductor layer 2, and is shown in the second modification example.
  • the upper surface 1a of the convex portion 1a may be inclined with respect to the first main surface 1A of the substrate 1. In this way, by inclining the upper surface 1a of the protrusion 1a, the ratio of the protrusion 5 to the protrusion 1a can be gradually changed when entering the protrusion 1a from the protrusion 5, so that the refractive index changes. Can be further relaxed.
  • the upper surface 1a ′ of the convex portion 1a may be a rough surface as shown in FIG.
  • the protrusion 10 may have a rough surface at the interface between the protrusion 1 a and the protrusion 5.
  • Such a rough surface can be set so that the maximum height Rz of the unevenness of the rough surface is about a half wavelength of the light emitted from the light emitting layer 2b, for example, 200 nm or less.
  • the maximum height Rz of the irregularities on the rough surface conforms to JIS B0601-2001.
  • the upper surface 1a ′ of the convex portion 1a is formed of a rough surface, when the light beam Le emitted from the light emitting layer 2b travels from the projection 5 to the convex portion 1a, the refractive index at the boundary between the projection 5 and the convex portion 1a. Change can be moderated.
  • the protrusion 5 is formed on the rough surface of the upper surface 1a 'of the protrusion 1a, the surface area where the protrusion 1a and the protrusion 5 come into contact can be increased, so that the adhesion can be improved.
  • the convex portion 1a is roughened by dry etching. Can be used.
  • the angle ⁇ formed between the bottom surface 1a ′ and the side surface of the convex portion 1a may be set to, for example, 10 ° to 80 °.
  • the protrusion 10 is preferably used as a mask pattern for lateral growth of the first semiconductor layer 2a on the substrate 1 as will be described later by setting the angle ⁇ to 40 ° or more and 75 ° or less, for example. Can do.
  • the angle ⁇ formed between the bottom surface 1a ′′ and the side surface of the convex portion 1a and the angle ⁇ formed between the bottom surface 5B and the side surface of the protrusion 5 may be different.
  • the angle ⁇ smaller than the angle ⁇ , it is possible to reduce the height t1 ′ of the projection 5. Therefore, after forming a crystal having a specific facet on the first main surface 1A of the substrate 1, the growth direction is increased. In the case of lateral growth in which the crystal is grown in the horizontal direction, the height of the crystal can be reduced, so that the productivity can be improved. It refers to a crystal plane grown on the first main surface 1A of the substrate 1 before the direction growth.
  • the protrusion 5 may be arranged at a position away from the outer periphery of the upper surface 1a ′ of the convex portion 1a. That is, the protrusion 5 is provided in a region (excluding the outer periphery) surrounded by the outer periphery of the upper surface 1a ′ of the convex portion 1a.
  • the convex part 1a which has the outer edge shape of a dimension smaller than the wavelength of the light generated in the light emitting layer 2b is formed
  • the convex part 1a is adjusted by adjusting the size of the bottom surface 5B of the protrusion 5.
  • the refractive index at the time of incidence on the light can be adjusted.
  • the size of the bottom surface 5B of the projection 5 is adjusted in accordance with the difference in refractive index between the projection 5 and the substrate 1, thereby providing the projection 5 And the refractive index change between the substrate 1 and the substrate 1 can be further relaxed.
  • the protrusion 5 of the protrusion 10 may be formed of an insulating material.
  • the first electrode 3 may be electrically connected to the substrate 1.
  • the density of the protrusions 5 may be determined in consideration of the current density of the current flowing into the light emitting layer 2b, for example.
  • the protrusion 5 when the protrusion 5 is formed of an insulating material and a voltage is applied between the first electrode 3 and the second electrode 4, when a current flows from the substrate 1 side to the light emitting layer 2 b, the current is applied to the substrate 1. And the protrusion 5 positioned between the first semiconductor layer 2a and the first semiconductor layer 2a, the current density of the current flowing into the light emitting layer 2b can be increased. As a result, the light emission efficiency of the light emitting element 3 can be improved.
  • the protrusion 10 having the protrusion 5 on the upper surface 1a 'of the protrusion 1a has been described, but the protrusion 5 formed on the protrusion 1a may be formed of a plurality of layers.
  • the protrusion 10 has a refractive index of the plurality of protrusions 5 set to a value between the refractive index of the substrate 1 and the refractive index of the first semiconductor layer 2a. The rate is formed so as to gradually decrease in the direction toward the top 5A of the protrusion 5.
  • the refractive index change between the substrate 1 and the first semiconductor layer 2a can be further reduced when the light beam Le travels from the first semiconductor layer 2a to the substrate 1. As a result, reflection at the boundary between the first semiconductor layer 2a and the substrate 1 can be reduced.
  • the light emitting element 20 may be sealed with a protective layer.
  • the protective layer may be formed of a material having a refractive index smaller than that of the material constituting the substrate 1.
  • a silicone resin or the like can be used.
  • the substrate 1 is made of sapphire, a silicone resin having a refractive index of 1.4 or more and 1.7 or less can be used.
  • the light emitting layer 2b emits light having a wavelength of 350 nm or more and 420 nm or less, a phosphor or phosphor that can be excited at the wavelength of the emitted light is mixed in such a silicone resin, The light from the light emitting layer 2b may be converted into white light.
  • the light emitting element 20 of this example is used as a light emitting device mounted on a mounting body such as a package made of a ceramic material, for example.
  • a mounting body such as a package made of a ceramic material, for example.
  • the light emitting element 20 can use flip-chip connection with the second semiconductor layer 2c on the main surface side of the package.
  • a deposited layer 13 in which a material having a higher refractive index than that of the substrate 1 is deposited is formed on the first main surface 1 ⁇ / b> A of the substrate 1.
  • the method for forming the deposition layer 13 can be appropriately selected from an evaporation method, a spin coating method, and the like according to the material to be deposited. Note that the height t1 of the protrusion 5 can be changed by changing the thickness of the deposited layer 13.
  • a mask pattern 14 in which a part of the surface of the deposited layer 13 is exposed is formed. Thereafter, the deposition layer 13 and a part of the substrate 1 are removed by a method such as etching in the depth direction from the surface of the deposition layer 13 exposed from the mask pattern 14 toward the optical semiconductor layer 2 side.
  • a method such as etching in the depth direction from the surface of the deposition layer 13 exposed from the mask pattern 14 toward the optical semiconductor layer 2 side.
  • etching method a wet etching method or a dry etching method can be used.
  • the wet etching method When the wet etching method is used, a side etch that etches around the mask pattern 14 can be used.
  • the dry etching method When the dry etching method is used, the etching is performed from a direction inclined from the surface of the deposition layer 13. The method can be used.
  • the etching depth is set to be equal to or higher than the height of the protrusion 5, that is, the thickness t 1 of the deposited layer 13.
  • the depth of the substrate 1 is the height t2 of the convex portion 1a. In this way, as shown in FIG. 12, the substrate 1 having the convex portion 1a and the projection 5 formed on the upper surface of the convex portion 1a are integrally formed.
  • the optical semiconductor layer 2 is formed by sequentially laminating the first semiconductor layer 2a, the light emitting layer 2b, and the second semiconductor layer 2c on the substrate 1 having the protrusions 5 and the convex portions 1a.
  • MBE molecular beam epitaxy
  • MOVPE metal organic epitaxy
  • HVPE hydride vapor phase epitaxy
  • PLD pulsed laser deposition
  • the optical semiconductor layer 2 can be laterally grown on the substrate 1. Specifically, the optical semiconductor layer 2 can be grown in the lateral direction by adjusting the growth conditions such as the composition ratio, the growth temperature, and the growth pressure in each layer of the optical semiconductor layer 2.
  • the first semiconductor layer 2a when the first semiconductor layer 2a is crystal-grown by lateral growth, defects extending from the first semiconductor layer 2a to the light emitting layer 2b can be reduced. As a result, the crystal quality of the optical semiconductor layer 2 can be improved, and the emission intensity of the light emitted from the light emitting layer 2b can be increased.
  • the first electrode 3 electrically connected to the first semiconductor layer 2a and the second electrode 4 electrically connected to the second semiconductor layer 2c are formed.
  • the first electrode 3 is formed after forming the first exposed portion 21 where a part of the first semiconductor layer 2a is exposed.
  • Such a first exposed portion 21 can be formed, for example, by etching a part of the optical semiconductor layer 2 in the depth direction so that a part of the first semiconductor layer 2a is exposed.
  • materials for forming the first electrode 3 and the second electrode 4 are formed on the surfaces of the first exposed portion 21 and the second semiconductor layer 2c by a method such as vapor deposition or sputtering.
  • the protrusion 5 may be provided so as to be separated from the outer periphery of the upper surface 1 a ′ of the convex portion 1 a by utilizing the fact that the deposition layer 13 and the substrate 1 have different etching rates. Good. Since the protrusions 1a and the protrusions 5 are made of different materials, the etching rate differs between the protrusions 1a and the protrusions 5 when etching is performed. Therefore, the convex part 1a and the protrusion 5 as shown in FIG. 9 can be formed. Further, the protrusion 10 as shown in FIG. 8 may be formed by utilizing the fact that the etching rate of the deposited layer 13 and the substrate 1 is different.

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

発光素子
　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。
本発明の一実施形態にかかる発光素子の模式的な斜視図である。 図１に示す発光素子の断面図であり、図１のＡ－Ａ’線で切断したときの断面に相当する。 図２に示す発光素子の一部を拡大した断面図である。 図２に示す発光素子の変形例の一部を平面透視して、拡大した平面透視図である。 図２に示す発光素子の変形例の一部を拡大した断面図である。 図２に示す発光素子の一部の屈折率変化を説明するグラフである。 図２に示す発光素子の変形例の一部を拡大した断面図である。 図２に示す発光素子の変形例の一部を拡大した断面図である。 図２に示す発光素子の変形例の一部を拡大した断面図である。 本発明の一実施形態にかかる発光素子の製造工程の一部を示す発光素子の断面図であり、図１のＡ－Ａ’線で切断したときの断面に相当する。 本発明の一実施形態にかかる発光素子の製造工程の一部を示す発光素子の断面図である。 本発明の一実施形態にかかる発光素子の製造工程の一部を示す発光素子の断面図である。 本発明の一実施形態にかかる発光素子の製造工程の一部を示す発光素子の断面図である。 本発明の一実施形態にかかる発光素子の製造工程の一部を示す発光素子の断面図である。
　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。
　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。
　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。
　（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。
　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’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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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)

  1. 　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。
  2. 　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。
  3. 　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。
  4. 　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。
  5. 　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。
  6. 　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。
  7. 　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。
  8. 　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。
  9. 　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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