(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
頂面を持つ突起を上面に有する透光性の基板と、
前記基板の下面に配置された光半導体層と、
前記頂面領域において外周から離れて位置するように、前記突起の前記頂面に設けられた、屈折率が前記基板の屈折率と異なる付属突起と
を有する発光素子。
【請求項２】
前記付属突起は、前記基板を上方から平面視したときに前記突起の前記頂面の外周によって囲まれる頂面領域に設けられている請求項１に記載の発光素子。
【請求項３】
前記突起は、下方から上方に向かうにつれて、前記基板の前記上面と平行な断面の面積である第１横断面積が小さくなっている請求項１または２に記載の発光素子。
【請求項４】
前記付属突起は、下方から上方に向かうにつれて、前記基板の前記上面と平行な断面の面積である第２横断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。
【請求項５】
前記突起の底面は、前記光半導体層の発光する光の波長と同じ長さの直径を有する円よりも小さい請求項１−４のいずれかに記載の発光素子。
【請求項６】
前記付属突起の前記屈折率は、前記基板の前記屈折率よりも小さい請求項１−５のいずれかに記載の発光素子。
【請求項７】
前記付属突起は、前記屈折率が前記基板の前記屈折率よりも大きい請求項５に記載の発光素子。
【請求項８】
前記基板の前記上面に前記突起を複数有するとともに前記付属突起を複数有し、
前記複数の突起のそれぞれの前記頂面に前記複数の付属突起がそれぞれ対応して設けられている請求項１−７のいずれかに記載の発光素子。
【請求項９】
一導電型を呈する第１半導体層と、
前記第１半導体層上に配置された発光層と、
前記発光層上に配置された、前記発光層から離隔する方向に頂面が突出した突起を表面に有する、逆導電型を呈する第２半導体層と、
前記頂面領域において外周から離れて位置するように、前記突起の前記頂面に設けられた
、屈折率が前記第２半導体層の屈折率と異なる付属突起と
を有する発光素子。
【請求項１０】
前記付属突起は、前記第２半導体層を上方から平面視したときに前記突起の前記頂面の外周によって囲まれる頂面領域に設けられている請求項９に記載の発光素子。
【請求項１１】
前記突起は、下方から上方に向かうにつれて、前記第２半導体層の前記表面と平行な断面の面積である第１横断面積が小さくなっている請求項９または１０に記載の発光素子。
【請求項１２】
前記付属突起は、下方から上方に向かうにつれて、前記第２半導体層の前記表面と平行な断面の面積である第２横断面積が小さくなっている請求項９−１１のいずれかに記載の発光素子。
【請求項１３】
前記突起の底面は、前記発光層の発光する光の波長と同じ長さの直径を有する円よりも小さい請求項９−１２のいずれかに記載の発光素子。
【請求項１４】
前記付属突起の前記屈折率は、前記第２半導体層の前記屈折率よりも小さい請求項９−１３のいずれかに記載の発光素子。
【請求項１５】
前記付属突起は、前記屈折率が前記第２半導体層の前記屈折率よりも大きい請求項１３に記載の発光素子。
【請求項１６】
前記基板の前記上面に前記突起を複数有するとともに前記付属突起を複数有し、
前記複数の突起のそれぞれの前記頂面に前記複数の付属突起がそれぞれ対応して設けられている請求項９−１５のいずれかに記載の発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、発光素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
現在、紫外光、青色光、緑色光等を発光する発光素子の開発が行われている。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）。【０００３】
そこで、光半導体層からなる発光素子の開発において、光半導体層内で発光した光を発光素子の外へ取り出す外部取出し効率の向上が求められている。
【発明の開示】
【０００４】
本発明の第１の実施形態に係る発光素子は、頂面を持つ突起を上面に有する透光性の基板と、前記基板の下面に配置された光半導体層と、前記頂面領域において外周から離れて位置するように、前記突起の前記頂面に設けられた、屈折率が前記基板の屈折率と異なる付属突起と、を有する。
【０００５】
また、本発明の第２の実施形態に係る発光素子は、一導電型を呈する第１半導体層と、前記第１半導体層上に配置された発光層と、前記発光層上に配置された、前記発光層から離隔する方向に頂面が突出した突起を表面に有する、逆導電型を呈する第２半導体層と、前記頂面領域において外周から離れて位置するように、前記突起の前記頂面に設けられた、屈折率が前記第２半導体層の屈折率と異なる付属突起と、を有する。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】本発明の第１の実施形態の一例の発光素子の斜視図である。
【図２】図１に示す発光素子の平面図であり、基板の上方から平面視したときに相当する。
【図３】図１に示す発光素子の断面図であり、図１および２のＡ−Ａ’線で切断したときの断面に相当する。
【図４】図３に示す発光素子の断面の一部を拡大した拡大図であり、突起および付属突起の近傍を拡大したときに相当する。
【図５】図３に示す発光素子の変形例の断面の一部を拡大した拡大図であり、突起および付属突起の近傍を拡大したときに相当する。
【図６】図３に示す発光素子の断面の一部を拡大した拡大図であり、隣接する２つの突起および付属突起の近傍を拡大したときに相当する。
【図７】図３に示す発光素子の変形例の断面の一部を拡大した拡大図であり、突起および付属突起の近傍を拡大したときに相当する。
【図８】（ａ）〜（ｃ）は第１の実施形態の一例の発光素子の突起および付属突起の製造方法を説明する断面図であり、図１および２のＡ−Ａ’線で切断したときの断面に相当する。
【図９】図８に示す突起および付属突起の製造方法により作製した突起および付属突起の作成例を走査型電子顕微鏡により観察したときの図面代用写真であり、図１のＡ−Ａ’線で切断したときの断面に相当する。
【図１０】本発明の第２の実施形態の一例の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対応する。
【図１１】図１０に示す発光素子の断面の一部を拡大した拡大図であり、突起および付属突起の近傍を拡大したときに相当する。
【図１２】（ａ）〜（ｃ）は第２の実施形態の一例の発光素子の突起および付属突起の製造方法を示す断面図であり、図１のＡ−Ａ’線で切断したときの断面に対応する。
【図１３】（ａ）は第１の実施形態の一例の発光素子の一部の構造を示す拡大断面図であり、（ｂ）は比較例の発光素子の一部の構造を示す拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下に図面を参照して、本発明の実施形態の一例の発光素子について詳細に説明する。
【０００８】
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。
【０００９】
［第１の実施形態］
図１は本発明の実施形態の一例の発光素子20の斜視図である。図２は図１に示す発光素子20の平面図である。図３は、図１および２のＡ−Ａ’線で切断したときの断面図である。
【００１０】
本例の発光素子20は、図３に示すように基板１、光半導体層２、突起３、付属突起３ａを有している。
【００１１】
基板１は、光半導体層２を成長させることが可能であればよい。基板１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、酸化亜鉛、シリコンカーバイド、シリコンまたは二ホウ化ジルコニウムなどを用いることができる。
【００１２】
本例の場合には、光半導体層２で発光した光を光半導体層２の基板１側から取り出すため、基板１として光半導体層２で発光した光を透過しやすい透光性の基材が用いられる。透光性の基材としては、光半導体層２で発光する光の波長に対して、例えば60％以上の透過率を有するものを用いればよい。基板１の透過率を求める方法としては、例えばＪＩＳ  Ｋ０１１５に準拠した吸光光度分析法などを用いればよい。
【００１３】
基板１として用いられる透光性の基材としては、具体的に、後述する発光層２ｂの構成を用いた場合、サファイア、窒化ガリウム、酸化亜鉛または二ホウ化ジルコニウムなどを基板１として用いることができる。本例において、基板１は光半導体層２で発光した光を透過しやすい透光性の材料であるサファイアにより形成されている。基板１の厚みとしては、例えば10μｍ以上1500μｍ以下程度である。
【００１４】
基板１の上面には突起３を有し、基板１の下面には光半導体層２が配置されている。以後の説明において、基板１の上面を第１主面１Ａ、基板１の下面を第２主面１Ｂとそれぞれ称する。
【００１５】
基板１の第２主面１Ｂに配置された光半導体層２について説明する。
【００１６】
光半導体層２は、基板１の第２主面１Ｂに、第１半導体層２ａと発光層２ｂと第２半導体層２ｃとから構成されている。第１半導体層２ａ、発光層２ｂ、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。
【００１７】
III−Ｖ族半導体としては、具体的にIII族窒化物半導体、ガリウム燐、ガリウムヒ素、酸化亜鉛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、例えば窒化ガリウム、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。
【００１８】
基板１に光半導体層２を成長させる成長方法としては、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、パルスレーザデポジション（Pulse Laser Deposition、略称ＰＬＤ）法などを用いることができる。
【００１９】
光半導体層２は、例えば、一導電型としてｎ型半導体の性質を呈する第１半導体層２ａと、発光層２ｂと、逆導電型としてｐ型半導体の性質を呈する第２半導体層２ｃとを、順に基板１の第２主面１Ｂに成長させた積層構造を有している。
【００２０】
本例において、第１半導体層２ａおよび第２半導体層２ｃはIII族窒化物半導体である窒化ガリウムにより形成されている。第１半導体層２ａをｎ型窒化ガリウムとするには、例えば元素周期律表においてIV族の元素のシリコンなどをドーパントとして層中に添加すればよい。第２半導体層２ｃをｐ型窒化ガリウムとするには、例えば元素周期律表においてII族の元素のマグネシウムなどをドーパントとして層中に添加すればよい。第１半導体層２ａの厚みは例えば１μｍ以上1500μｍ以下、第２半導体層２ｃの厚みは例えば100ｎｍ以上1000ｎｍ以下にそれぞれ設定されている。
【００２１】
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が複数回（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（ＭＱＷ）を用いることができる。
【００２２】
障壁層としては例えばＩｎ０．０１Ｇａ０．９９Ｎ層、井戸層としては例えばＩｎ０．１１Ｇａ０．８９Ｎ層をそれぞれ用いることができる。この場合、障壁層の１層の厚みは例えば５ｎｍ以上15ｎｍ以下、井戸層の１層の厚みは、例えば２ｎｍ以上10ｎｍ以下にそれぞれ設定できる。発光層２ｂ全体の厚みは、例えば25ｎｍ以上500ｎｍ以下である。このような障壁層の組成および井戸層の組成によって構成された発光層２ｂは、350ｎｍ以上450ｎｍ以下の波長の光を発光することができる。
【００２３】
光半導体層２には、第１電極４および第２電極５が設けられている。第１電極４は第１半導体層２ａと電気的に接続され、第２電極５は第２半導体層２ｃと電気的に接続されている。本例において、第１電極４は第１半導体層２ａの基板１とは反対側の面に設けられ、第２電極５は第２半導体層２ｃの主面２Ａに設けられている。
【００２４】
第１電極４および第２電極５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、ベリリウム、酸化錫、酸化インジウム、酸化インジウム錫、金−シリコン合金、金−ゲルマニウム合金、金−亜鉛合金、金−ベリリウム合金などの膜を用いることができる。第１電極４および第２電極５は、上記材料の中から選択した層を複数層積層したものとしても構わない。
【００２５】
第１電極４の材料として例えば金を用いた場合には、第１電極４と第１半導体層２ａとの間にオーミックコンタクト層としてチタンからなる層を設けることができる。第２電極５の材料として例えば金を用いた場合には、第２電極５と第２半導体層２ｃとの間にオーミックコンタクト層としてニッケルからなる層を設けることができる。
【００２６】
第１電極４は、基板１が導電性を有する材料から構成されている場合、基板１の光半導体層２が配置された第２主面１Ｂと反対側の第１主面１Ａに設けてもよい。このように第１電極４を基板１の第１主面１Ａに設けた場合、第１電極４と第２電極５とが光半導体層２を基準として反対側に有する構成のため、第１電極４と第２電極５の絶縁性を確保することができ、発光素子１を実装基板等に容易に実装することができる。
【００２７】
次に、基板１の第１主面１Ａに有する突起３および突起３の頂面３Ａに設けられた付属突起３ａについて、図３および図４を参考にしつつ説明する。なお、基板１の第１主面１Ａは、基板１が突起３を有していない主面を指している。
【００２８】
基板１は、第１主面１Ａに、頂面３Ａを持つ突起３を有している。突起３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。突起３の頂面３Ａ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。突起３としては、例えば四角錘台または六角錘台などの多角錘台および円錐台などを用いることができる。以後の説明において、突起３の底面３Ｂは、図４に示す通り、突起３が基板１の第１主面１Ａと接触している仮想平面を指す。本例において突起３は、頂面３Ａ、底面３Ｂおよび側面によって囲まれる立体を指し、突起３は円錐台となるように設けられている。
【００２９】
突起３は、基板１の第１主面１Ａから頂面３Ａまでの高さＨ１を、例えば0.2μｍ以上５μｍ以下に設定することができる。突起３の高さＨ１を、例えば突起３の高さＨ１が光半導体層２で発光した光の波長より大きく設定した場合には、光半導体層３で発光して突起３に入射した光を突起３の側面から出射されやすくすることができる。
【００３０】
突起３の頂面３Ａには、屈折率が基板１の屈折率と異なる付属突起３ａが設けられている。付属突起３ａとしては、例えば四角形または六角形などからなる底面を持つ多角錘および円錐などを用いることができる。付属突起３は、突起３の頂面３Ａから頂部３ａ’までの高さＨ２を、例えば0.2μｍ以上５μｍ以下に設定することができる。なお、付属突起３ａとして、頂部３ａ’に面を有している、多角錘台および円錐台を用いてもよい。
【００３１】
突起３および付属突起３ａは、図４に示すように、例えば付属突起３ａの頂部３ａ’を通り上方から下方にかけて切断した縦断面において、付属突起３ａの面積Ｍａが突起３の面積Ｍｂに対して70％以上90％以下の割合となるように設定されている。
【００３２】
付属突起３ａの材料としては、基板１と屈折率が異なる材料により構成されていればよく、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、イットリウム、トリウム、スカンジウム、ネオジウム、ニオブまたはナ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。
【００３３】
本例の発光素子20は、上述の通り、基板１の第１主面１Ａに突起３と、突起３の頂面３Ａに基板１との屈折率が異なる付属突起３ａとを有する構成である。そのため、光半導体層２で発光した光を、基板１と外部との境界で基板１の光半導体層２側に反射されにくくすることができる。その結果、基板１の上方での光取り出し効率を向上させることができる。ここで、以下の説明において、発光素子20の外部とは屈折率が1.00の空気の場合である。
【００３４】
付属突起３は、図２に示すように、基板１を上方から平面視したときに突起３の頂面３Ａの外周によって囲まれる頂面領域に設けることができる。付属突起３が突起３の頂面３Ａ上に設けることにより、突起３の側面から外部に一度出射された光を付属突起３ａに入射されにくくすることができる。付属突起３は、付属突起３ａの側面と突起３の側面が面一となるように設けられるか、突起３の頂面３Ａの外周によって囲まれる頂面領域よりも内側となるように設けられていればよい。
【００３５】
突起３は、下方から上方に向かうにつれて、基板１の第１主面１Ａと平行な断面の面積である第１横断面積が小さくなっていてもよい。すなわち、突起３を上方から下方に切断した断面において、突起３の底面３Ｂをなす底辺と突起３の側面をなす側辺とがなす内角が例えば０°よりも大きく90°よりも小さくなるように設けられている。
【００３６】
ここで、下方とは突起３を基準として第１主面１Ａ側を指し、上方とは突起３を基準として頂面３Ａ側を指す。突起３は下方から上方に向かうにつれて第１横断面積が小さくなるように設けられていることから、付属突起３ａに入射した光を付属突起３ａの側面から出射されやすくすることができる。
【００３７】
さらに、付属突起３ａは、下方から上方に向かうにつれて基板１の第１主面１Ａと平行な断面の面積である第２横断面積が小さくなっていてもよい。ここで、下方とは付属突起３を基準として突起３の頂面３Ａ側を指し、上方とは付属突起３を基準として頂部３ａ’側を指す。付属突起３が、下方から上方に向かうにつれて第２横断面積が小さくなるように設けられていることから、突起３に入射した光を突起３の側面から出射されやすくすることができる。
【００３８】
突起３は、底面３Ｂが光半導体層２の発光する光の波長と同じ長さの直径を有する円よりも小さくなるように設けることができる。本例においては、突起３の底面３Ｂの直径ｔ１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。
【００３９】
突起３が光半導体層２の発光する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で発光した光が基板１から外部へ突起３を通って進む際に、基板１と外部との境界で光半導体層２に側に反射されにくくなる。この原理について以下説明する。
【００４０】
光半導体層２で発光した光は、突起３が基板１と一体的に設けられていることから、基板１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３に入射しやすくすることができる。
【００４１】
ここで、光が突起３を通過する際に突起３がその光の波長よりも小さい場合には、突起３の屈折率は、光線の進む方向に対して垂直方向の横断面において、突起３と外部の媒質が占める割合によって決められる。
【００４２】
そのため、光半導体層２で発光した光が突起３を通過する際に、突起３が上方へ向かうにつれて第１横断面積が小さくなる円錐台で設けられていることから、光線の横断面における突起３と外部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３による屈折率変化を緩やかにすることができ、突起３に入射する光を突起３の光半導体層２側に反射されにくくすることができる。
【００４３】
次に、突起３から付属突起３ａへ入射する際に、突起３と付属突起３ａとの境界において、突起３の形状によって付属突起３aの屈折率差を小さくした状態で、付属突起３aに入射させることができる。そのため、突起３から付属突起３ａに光が入射する際に、突起３と付属突起３ａ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。
【００４４】
付属突起３ａに入射した光は、付属突起３が上方に向かうにつれて第２横断面積が小さくなるように円錐台で設けられていることから、光線の横断面における付属突起３ａと外部との比率を少しずつ変化させることができるため、付属突起３aによる屈折率変化を緩やかにすることができる。その結果、付属突起３ａと外部との境界において、付属突起３ａと外部との屈折率差を小さくすることができ、付属突起３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。
【００４５】
付属突起３ａの屈折率は、基板１の屈折率よりも小さい材料で構成されていてもよい。本例において突起３がサファイアからなる基板１と一体的に設けられていることから、付属突起３ａはサファイアよりも屈折率が小さい材料を用いることができる。
【００４６】
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約1.70以上1.80以下であることから、付属突起３ａ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）、弗化マグネシウム（屈折率  約1.36以上1.40以下）、酸化シリコン（屈折率  約1.44以上1.54以下）などを用いることができる。
【００４７】
本例において、突起３の底面３Ｂの直径ｔ１が、光半導体層２で発光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突起３が奏する限り、突起３の底面３Ｂ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。
【００４８】
具体的に、突起３の底面３Ｂが、光半導体層２で発光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、光半導体層２で発光した光が通過する際、かかる線分部分と平行な偏光を有していれば、本例の効果を奏するものである。
【００４９】
突起３の頂面３Ａは、基板１の第１主面１Ａに対して傾いていてもよい。具体的には、付属突起３ａ頂部３ａ’を通り上方から下方にかけて切断した断面において、突起３の頂面３Ａを構成する直線を延長した仮想直線Ｒａと基板１の第１主面１Ａとがなす内角Ｒｔが、例えば10°以上45°以下となるように設定されている。突起３の頂面３Ａが基板１の第１主面１Ａに対して傾いていることにより、光半導体層２で発光した光が突起３から付属突起３ａに入射する際の屈折率変化をさらに緩やかにすることができる。
【００５０】
一方、突起３が光半導体層２で発光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、付属突起３ａの屈折率は、基板１の屈折率よりも大きく、基板１を上方から平面視したときに突起３の頂面３Ａの外周よりも内側で、かつ突起３の頂面３Ａの外周から間隔をあけて設けられていてもよい。付属突起３ａの屈折率は、例えば突起３の頂面３Ａの面積、付属突起３ａの底面の面積および付属突起３ａの形状を考慮して設定することができる。
【００５１】
このような付属突起３ａを設けた場合、突起３から付属突起３ａを通過する際に、突起３の屈折率を付属突起３ａの屈折率と近づけた状態で、付属突起３ａに入射させることができるため、突起３と付属突起３ａ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。
【００５２】
本例の発光素子20は、図１、２および６に示すように、基板１の第１主面１Ａに突起３を複数有するとともに付属突起３ａを複数有していてもよい。突起３は、基板１の第１主面１Ａに密度が、例えば１個／μｍ以上200個／μｍ以下となるように設けられている。突起３は、隣接する突起３との距離ｔｄが、例えば1ｎｍ以上1000ｎｍ以下となるように設けられている。
【００５３】
隣接する２つの突起３の距離ｔｄを、光半導体層２で発光した光の波長よりも小さくしてもよい。この場合、光半導体層２で発光した光が、隣接する２つの突起３の間に位置する基板１の第１主面１Ａを通過する際に、基板１が突起３を有するため、外部との屈折率変化を緩やかにすることができる。その結果、光半導体層２で発光した光を、基板１の第１主面１Ａで光半導体層２側に反射されにくくすることができる。
【００５４】
複数の付属突起３ａは、複数の突起３のそれぞれの頂面３Ａに、それぞれが対応して設けられている。付属突起３ａの頂部３ａ’間ｔｅは、例えば0.3μｍ以上５μｍ以下に設定されている。突起３および付属突起３ａが複数設けられていることにより、基板１と外部との境界において反射されにくくすることができるため、光半導体層２で発光した光を基板１の第１主面１Ａ側から効率よく取り出すことができる。
【００５５】
インジウムとガリウムを含む窒化物の混晶で発光層２ｂを形成した場合には、インジウムの組成を調整して、発光する光の偏光の量を調整してもよい。インジウムとガリウムを含む窒化物の混晶で発光する光の波長を350ｎｍ以上420ｎｍ以下となるようなインジウムの組成にすると、光半導体層２の積層方向に発光する光の80％以上が発光層２ｂの平面に対して平行な振動の偏光を有するようになる。そのため、突起３の底面３Ｂを350ｎｍ以上420ｎｍ以下で形成することにより、発光層２ｂに対して平行な振動を有する光を効率よく取り出すことができる。
【００５６】
一方、発光層２ｂがインジウムとガリウムを含む窒化物の混晶からなり、発光する光の波長が460ｎｍよりも大きくなるインジウムの組成の場合、インジウム原子が局在するため、発光層２ｂの平面に対して平行な振動を有する光が50％以下となり、発光した光の強度の低下を招きやすくなる。
【００５７】
本例では、突起３と基板１よりも小さな屈折率の材料からなる付属突起３ａとを有する場合について説明したが、図７に示す通り、突起３と付属突起３ａとの間に、基板１の屈折率と付属突起３ａの屈折率との間の屈折率を有する材料からなる中間層３ｂを１層以上設けてもよい。突起３と付属突起３ａとの間に中間層３ｂを設けることにより、突起３と付属突起３ａとの境界における屈折率差をさらに小さくすることができる。そのため、突起３と付属突起３との境界においてさらに反射されにくくすることができる。
【００５８】
突起３および付属突起３ａが設けられた状態は、例えばダイナミック二次イオン質量分析法（Ｄ−ＳＩＭＳ）、エネルギー分散Ｘ線分光法（ＥＤＸ）またはオージェ電子分光法（ＡＥＳ）を用いて、付属突起３ａの頂部３ａ’から突起３の底面３Ｂ方向に元素分析をすることによって確認することができる。このようなダイナミック二次イオン質量分析法またはオージェ電子分光法で測定する際には、ＪＩＳ  Ｋ０１４６に準拠した方法が用いられる。
【００５９】
ダイナミック二次イオン質量分析法を用いた場合、具体的に、測定の際に発光素子20に照射する一次イオン源として、ガリウム（Ｇａ）および窒素（Ｎ）の場合は酸素イオン（Ｏ２＋）やセシウムイオン（Ｃｓ＋）、マグネシウム（Ｍｇ）の場合は酸素イオン（Ｏ２＋）、シリコン（Ｓｉ）の場合はセシウムイオン（Ｃｓ＋）を用いることができる。
【００６０】
一次イオンの照射方向は、検出器などの配置等によっても異なるが、例えば基板１の第１主面１Ａに対して60°方向に設定することができる。装置による測定結果の違いは、例えば標準試料を用いて相関をとることによって補正すればよい。例えば、付属突起３ａがフッ化マグネシウムで形成され、突起３がサファイアで形成されている場合、それぞれの領域におけるマグネシウムの組成比をＤ−ＳＩＭＳで測定することにより、突起３および付属突起３ａを有することを確認することができる。
【００６１】
突起３を製造する際に、突起３と付属突起３ａとの間に、突起３または付属突起３ａを構成する主成分量に対してその他の成分量が増加するなどして形成された異常層が数ｎｍ程度存在することもあるが、この場合でも上述の効果を有するものである。これは、異常層の厚みが、光半導体層２で発光した光の波長の10分の１以下だと、上述の効果に与える影響は小さいからである。
【００６２】
次に、突起３および付属突起３ａを製造する方法について、図８を参考にしつつ説明する。
【００６３】
突起３は、図８に示すように、光半導体層２が形成された第２主面１Ｂと反対側の基板１の上面１Ａ’に付属突起３ａとなる材料で積層膜10を成膜し、付属突起３ａを厚み方向に基板１までエッチングすることによって形成することができる。
【００６４】
具体的には、図８（ａ）に示すように、付属突起３ａとなる積層膜10を基板１の上面１Ａ’に形成する。積層膜10の材料としては、例えば、酸化マグネシウム、酸化ジルコニウム、フッ化マグネシウムまたは酸化シリコンなどの材料を用いることができる。積層膜10の厚みｔｂは、付属突起３ａの高さＨ２に設定することができる。積層膜10は、スパッタリングまたはスピンコートなどによって形成することができる。
【００６５】
その後、図８（ｂ）に示すように、マスクパターンまたはレジストパターンなどとして被覆膜11を形成する。被覆膜11は、後に除去される積層膜10の一部が露出するように形成されている。被覆膜11としては、例えばニッケルなどの金属材料などを用いることができる。
【００６６】
そして、図８（ｃ）に示すように、積層膜10を厚み方向に基板１の一部が除去されるまでエッチングもしくはリソグラフィーを行うことにより、厚みｔｂの付属突起３ａおよび厚みｔａの突起３を形成することができる。基板１の一部まで除去することにより、隣接する２つの突起３の間に露出する基板１の第１主面１Ａが形成され、基板１の上面１Ａ’が突起３の頂面３Ａとなる。なお、この厚みｔａが突起３の高さＨ１に対応し、厚みｔｂが付属突起３ａの高さＨ２に対応する。
【００６７】
積層膜10および基板１の一部を除去する際に、積層膜10と基板１とのエッチング速度の違いを用いて、突起３の頂面３Ａの外周よりも内側に付属突起３ａの底面が配置されるように設けてもよい。すなわち、積層膜10に基板１よりもエッチング速度の早い材料を用いて、積層膜10を基板１よりも早く除去することにより、突起３の頂面３Ａの外周よりも内側に付属突起３ａの底面を配置することができる。
【００６８】
上述した突起３および付属突起３ａを製造する方法によって製造した突起３および付属突起３ａの作成例を、図９に示す。図９は、基板１の上方から下方にかけて切断した断面の電子顕微鏡写真を示している。図９に示す作成例は、基板１はサファイア、付属突起３ａとなる積層膜10は酸化ジルコニウムである。なお、付属突起３ａは円錐台形状としている。
【００６９】
積層膜10の一部および基板１の一部を除去する方法としては、ＥＣＲ−ＲＩＥ装置を用いてエッチング法を用いた。エッチング法を用いて、積層膜10の一部および基板１の一部を除去する方法としては、ガス流量を例えば10ｓｃｃｍ以上40ｓｃｃｍ以下にした塩素系ガス雰囲気中で、圧力を例えば0.2Ｐａ以上1.8Ｐａ以下とし、電圧を例えば0.1ｋＶ以上0.5ｋＶ以下とした条件で、例えば90分以上200分以下の時間エッチングを行えばよい。
【００７０】
このように基板１および付属突起３ａの材料とエッチング条件を調整することにより、突起３の頂面３Ａの外周よりも内側に付属突起３ａの底面を配置することができる。
【００７１】
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、保護層を、付属突起３ａよりも小さい屈折率の材料で形成することができる。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、シリコーン樹脂の屈折率が1.4以上1.7以下のもの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、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。
【００７２】
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、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。
【００７３】
［第２の実施形態］
次に、第２の実施形態に係る発光素子30について説明する。第１の実施形態の一例の発光素子20と重複する部分については同一符号または対応する符号を付し、その説明を省略する。図１０は発光素子30の断面図であり、図１のＡ−Ａ’線で切断した断面に相当する。
【００７４】
発光素子30は、基板１が除去され、光半導体層８を構成する一導電型を呈する第２半導体層８ｃの表面８Ａに、発光層２ｂから離隔する方向に頂面９Ａが突出した突起９を有し、突起９の頂面９Ａに、第２半導体層８ｃとは屈折率が異なる付属突起９ａを有する点で第１の実施形態の一例と異なっている。第１の実施形態の一例の発光素子20における光半導体層２の第１半導体層２ａおよび第２半導体層２ｃは、本例において光半導体層８の第１半導体層８ａおよび第２半導体層２ｃにそれぞれ対応する。
【００７５】
第２半導体層８ｃは、表面８Ａを有している。この突起９は、第２半導体層８ｃと一体的に形成されている。突起９の頂面９Ａには、第２半導体層８ｃと屈折率の異なる付属突起部９ａが設けられている。なお、本例の突起９および付属突起９ａは、上述した第１の実施形態の一例の発光素子20の突起３および付属突起３ａにそれぞれ対応する。
【００７６】
本例の発光素子30は、このように第２半導体層８ｃの表面８Ａに突起９と、突起９の頂面９Ａに屈折率が第２半導体層８ｃの屈折率と異なる付属突起９ａとを有する構成である。そのため、光半導体層８で発光した光を、第２半導体層８ｃの表面８Ａと外部との境界で第２半導体層８ｃの発光層８ｂ側に反射されにくくすることができる。その結果、第２半導体層８ｃの上方での光取り出し効率を向上させることができる。
【００７７】
付属突起９ａは、第２半導体層８ｃを上方から平面視したときに突起９の頂面９Ａの外周によって囲まれる頂面領域に設けられていてもよい。付属突起９ａが突起９の頂面９Ａ上に設けられていることにより、突起９の側面から外部に一度出射された光を付属突起９ａに入射されにくくすることができる。第２半導体層８ｃの表面８Ａは、第１の実施形態の一例の発光素子20における基板１の第１主面１Ａに対応している。
【００７８】
突起９は、下方から上方に向かうにつれて、第２半導体層８ｃの表面８Ａと平行な断面の面積である第１横断面積が小さくなっていてもよい。このように突起９が設けられていることにより、突起９に入射した光を突起９の側面から出射されやすくすることができる。
【００７９】
付属突起９ａは、下方から上方に向かうにつれて、第２半導体層８ｃの表面８Ａと平行な断面の面積である第２横断面積が小さくなるようになっていてもよい。このように付属突起９ａが設けられていることにより、付属突起９ａに入射した光を付属突起９ａの側面から出射されやすくすることができる。
【００８０】
突起９の底面９Ｂは、光半導体層８の上方から平面視したときに、光半導体層２で発光した光の波長の寸法と同じ直径を有する円内に含まれる大きさで形成することができる。ただし、本例の効果を奏する限り、突起９がこの円から一部はみ出していてもよい。突起９が第２半導体層８ｃと一体的に設けられていることから、第２半導体層８ｃと外部との境界での反射を小さくすることができる。
【００８１】
付属突起９ａの屈折率は、第２半導体層８ｃの屈折率よりも小さい材料で構成されていてもよい。本例において突起９が第２半導体層８ｃと一体的に設けられていることから、付属突起９ａは第２半導体層８ｃよりも屈折率の小さい材料で設けられている。
【００８２】
付属突起９ａは、具体的に、光半導体層８が窒化ガリウムで形成されている場合、光半導体層８で発光する光が例えば350ｎｍ以上450ｎｍ以下の波長において、窒化ガリウムの屈折率が例えば2.2以上2.5以下となる。そのため、付属突起９ａとして、例えば、酸化マグネシウム（屈折率  約1.68以上1.73以下）、酸化ジルコニウム（屈折率  約1.78以上2.00以下）、フッ化マグネシウム（屈折率  約1.36以上1.40以下）、酸化シリコン（屈折率  約1.44以上1.54以下）などを用いることができる。
【００８３】
付属突起９ａが、第２半導体層８ｃよりも屈折率が小さい材料によって構成されていることから、突起９から付属突起９ａに入射する際に、突起９と付属突起９ａとの境界で反射されにくくすることができる。そのため、突起９に入射した光を、付属突起９ａに入射しやすくすることができる。
【００８４】
突起９の頂面９Ａは、第２半導体層８ｃの表面８Ａに対して傾いていてもよい。突起９の頂面９Ａが、第２半導体層８ｃの表面８ｃに対して傾いていることにより、光半導体層８で発光した光が突起９から付属突起９ａに入射する際の屈折率変化をさらに緩やかにすることができる。
【００８５】
一方、突起９が光半導体層８で発光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、付属突起９ａの屈折率は、第２半導体層８ｃの屈折率よりも大きく、第２半導体層８ｃを上方から平面視したときに突起３の頂面３Ａの外周よりも内側で、かつ突起９の頂面３Ａの外周から間隔をあけて設けることができる。付属突起９ａの屈折率は、例えば突起９の頂面９Ａの面積、付属突起９ａの底面の面積および付属突起９ａの形状を考慮して設定することができる。
【００８６】
このような付属突起９ａを設ける場合、突起９から付属突起９ａを通過する際に、突起９の屈折率を付属突起９ａの屈折率と近づけた状態で、付属突起９ａに入射させることができるため、突起９と付属突起９ａとの境界で光半導体層８側に反射されにくくすることができる。
【００８７】
本例の発光素子30は、図１０に示すように、第２半導体層８の表面８Ａに突起９を複数有するとともに付属突起９ａを複数有していてもよい。さらに、複数の付属突起９ａは、複数の突起９のそれぞれの頂面９Ａに、それぞれが対応して設けられている。突起９および付属突起９ａが複数設けられていることにより、基板１と外部との境界において反射されにくくすることができるため、光半導体層８で発光した光を基板１の第１主面１Ａ側から効率よく取り出すことができる。
【００８８】
次に、突起９および付属突起９ａを製造する方法について、図１２を参考にしつつ説明する。
【００８９】
突起９を設ける方法としては、例えば、光半導体層８を成長させる基板１の第２主面１Ｂに凹部13を形成する方法を用いることができる。図１２（ａ）に示すように、基板１の第２主面１Ｂに、基板１の一部が露出するようなマスクパターンまたはレジストパターンなどの保護膜12を形成する。保護層12としては、例えば金属材料などを用いることができる。
【００９０】
その後、図１２（ｂ）に示すように、基板１をエッチング等によって一部除去することにより、突起９および付属突起９ａの高さとなる深さｔｈの凹部13を形成する。凹部13の形状を調整することにより、突起９および付属突起９ａの形状を調整することができる。
【００９１】
次に、付属突起９ａとなる堆積部14を凹部13の内部に設ける。堆積部14は、第２半導体層８ｃよりも屈折率の小さな材料をスパッタリングなどすることによって設けることができる。堆積層14は、凹部13の深さよりも小さい厚みに設定される。すなわち、堆積層14は凹部13が埋まらない程度に設けられている。
【００９２】
その後、図１２（ｃ）に示すように、保護膜12を除去して、堆積層14および基板１の凹部13を埋設するように光半導体層８の第２半導体層８ｃをエピタキシャル成長させることによって突起９を形成することができる。
【００９３】
このように凹部13を基板１に形成した後、凹部13の一部に空間を有する状態で、保護膜12で保護されていた基板１の上部１Ｒに第２半導体層８ｃをエピタキシャル成長させる場合には、第２半導体層８ｃを横方向成長させてもよい。このように第２半導体層８ｃを横方向成長させることにより、基板１から光半導体層８の厚み方向に延びる転位の数を減らすことができるため、第２半導体層８ｃの結晶品質を向上させることができる。
【００９４】
さらに、発光層８ｂおよび第１半導体層８ａを設けた後、基板１を除去することにより、発光素子30を製造することができる。なお、基板１を除去する際に、光半導体層２の基板１とは反対側の主面にレジン系ワックスまたはレジストを成膜した後、基板１を除去することにより、基板１を除去した際に光半導体層８に生じるクラックまたは歪みを抑制することができる。なお、基板１の屈折率が第２半導体層８ｃおよび付属突起９ａよりも小さい場合、基板１を除去せずに発光素子30として用いてもよい。
【００９５】
本例においては、突起９が第２半導体層８ｃに設けられた場合について説明したが、突起９が第１半導体層８ａに設けた場合でも上述の効果を奏するものである。
【実施例】
【００９６】
次に本発明の実施形態に係る発光素子20（以下において、本実施例という。）について、発光した光の透過率を有限差分時間領域法によるシミュレーションによって検証した。図１３にシミュレーションに用いたモデルを示す。図１３（ａ）は、本実施例に係る基板１および突起３の一部を拡大した図であり、図１３（ｂ）は比較例として基板１および基板１上に設けた光導出層25および光導出層25に形成した突起26を拡大した図である。【００９７】
本シミュレーションのシュミレーションモデルは、具体的に、基板１をサファイア（屈折率1.79）、突起３をサファイア（屈折率1.79）、付属突起３ａを二酸化ケイ素（屈折率1.47）、光導出層25および突起26を二酸化ケイ素（屈折率1.47）、外部を空気（屈折率1.00）とした。【００９８】
図１３（ａ）に示すように、本実施例に係る突起３および付属突起３ａは、２つの付属突起３ａの頂点間隔ｄ１をλe、付属突起３ａの高さｄ２をλe、突起３の高さｄ３をλe、底面の直径ｄ４をλeとした。突起３および付属突起３ａの外形は円錐とした。ただし、λｅは発光波長を基板の屈折率で割ったものとする。【００９９】
比較例の突起26は、図１３（ｂ）に示すように、隣接する２つの突起３の頂点間隔ｋ１をλe、突起26の高さｋ２をλe、底面の寸法ｋ３をλeの円錐とした。【０１００】
本シミュレーションモデルにおいて、光半導体層２側から基板１に対し垂直方向に発光波長400ｎｍの光を入射させた。【０１０１】
シミュレーションの結果、比較例の突起26を有する場合における基板１および光導出層25透過率に対して、本実施例に係る突起３を有する場合における基板１および付属突起３ａの透過率が1.13倍であった。本例のような突起３を設けることにより、基板１から突起３および付属突起３ａを介して外部に光が出る際に屈折率変化を小さくすることができ、基板１と外部との境界での反射を低減することができることがわかる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図９】
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