(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光層の発光波長に対して透明な基板と、
互いに第１ピッチｐ１を空けて前記基板の表面に離散して配置された複数の凸部の集合体からなる凸パターンと、
前記凸パターンを覆うように前記基板の前記表面に形成されたｎ型窒化物半導体層と、
前記ｎ型導体層上に形成された前記発光層と、
前記発光層上に形成されたｐ型窒化物半導体層とを含み、
前記凸部は、互いに前記第１ピッチｐ１よりも小さい第２ピッチｐ２を空けて当該凸部の頂部に離散して形成された複数の微細凸部の集合体からなる微細凸パターンと、当該微細凸パターンを支持するベース部とを含み、前記ｎ型窒化物半導体層は、互いに隣り合う前記微細凸部の間に入り込まず、当該微細凸部の頂部の間に跨るように形成されていて、前記発光素子は、前記微細凸部の前記頂部の間に跨る前記ｎ型窒化物半導体層と、当該微細凸部とによって区画された空間を含む、発光素子。
【請求項２】
前記基板の前記表面の一定の領域における前記凸パターンの占有率は、５０％〜５５％である、請求項１に記載の発光素子。
【請求項３】
前記ｎ型窒化物半導体層は、互いに隣り合う前記凸部の間に入り込み、当該凸部の間を満たすように形成されている、請求項１または２に記載の発光素子。
【請求項４】
前記凸パターンは、前記ベース部がミクロンオーダの幅ｗ１を有するマイクロパターンであり、前記微細凸パターンは、前記微細凸部がナノオーダの幅ｗ２を有するナノパターンである、請求項１〜３のいずれか一項に記載の発光素子。
【請求項５】
前記ベース部の前記幅ｗ１は２μｍ〜５μｍであり、前記微細凸部の前記幅ｗ２は前記ベース部の前記幅ｗ１の１５％〜４０％である、請求項４に記載の発光素子。
【請求項６】
前記基板の前記表面を基準に測定された前記凸部の高さＨは、１．０μｍ〜２．０μｍである、請求項１〜５のいずれか一項に記載の発光素子。
【請求項７】
前記基板の前記表面を基準に測定された前記ベース部の高さｈ１は、前記凸部の高さＨの１０％〜９５％である、請求項６に記載の発光素子。
【請求項８】
前記ベース部の頂部を基準に測定された前記微細凸部の高さｈ２は、前記凸部の高さＨの５％〜９０％である、請求項６または７に記載の発光素子。
【請求項９】
前記ベース部は、直方体形状に形成されている、請求項１〜８のいずれか一項に記載の発光素子。
【請求項１０】
前記微細凸部は、円柱形状に形成されている、請求項１〜９のいずれか一項に記載の発光素子。
【請求項１１】
前記凸パターンの前記第１ピッチｐ１は、前記ベース部の前記幅ｗ１の１．１倍〜１．３倍である、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の発光素子。
【請求項１２】
前記微細凸パターンの前記第２ピッチｐ２は、前記微細凸部の前記幅ｗ２の１．１倍〜１．３倍である、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の発光素子。
【請求項１３】
前記複数の凸部は、行列状に配列されている、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の発光素子。
【請求項１４】
前記複数の凸部は、千鳥状に配列されている、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の発光素子。
【請求項１５】
前記凸部は、ＳｉＮからなる、請求項１〜１４のいずれか一項に記載の発光素子。
【請求項１６】
前記発光素子は、前記基板の前記表面を上方に向けたフェイスアップ姿勢で用いられるものであり、前記基板の裏面に形成され、前記基板を透過した光を反射させる反射メタルをさらに含む、請求項１〜１５のいずれか一項に記載の発光素子。
【請求項１７】
前記発光素子は、前記基板の前記表面を下方に向けたフェイスダウン姿勢で用いられるものであり、前記ｐ型窒化物半導体層上に形成され、前記ｐ型窒化物半導体層を透過した光を反射させる反射メタルをさらに含む、請求項１〜１５のいずれか一項に記載の発光素子。
【請求項１８】
樹脂パッケージと、
前記樹脂パッケージに覆われた請求項１６または１７に記載の発光素子とを含む、発光素子パッケージ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光素子および発光素子パッケージに関する。
【背景技術】
【０００２】
１つの先行技術に係る半導体発光素子は、たとえば、特許文献１に開示されている。
特許文献１の図１に開示された半導体発光素子は、基板と、基板上に形成され、ナノサイズ加工された加工層と、加工層を覆うように基板上に形成されたｎ型半導体層と、ｎ型半導体層上に形成された活性層と、活性層上に形成されたｐ型半導体層とを備えている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−９３８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、凸パターンを覆うｎ型窒化物半導体層を良好に形成できながら、外部量子効率を向上させることができる発光素子およびこれを含む発光素子ユニットを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の発光素子は、発光層の発光波長に対して透明な基板と、互いに第１ピッチを空けて前記基板の表面に離散して配置された複数の凸部の集合体からなる凸パターンと、前記凸パターンを覆うように前記基板の前記表面に形成されたｎ型窒化物半導体層と、前記ｎ型導体層上に形成された前記発光層と、前記発光層上に形成されたｐ型窒化物半導体層とを含み、前記凸部は、互いに前記第１ピッチよりも小さい第２ピッチを空けて当該凸部の頂部に離散して形成された複数の微細凸部の集合体からなる微細凸パターンと、当該微細凸パターンを支持するベース部とを含み、前記ｎ型窒化物半導体層は、互いに隣り合う前記微細凸部の間に入り込まず、当該微細凸部の頂部の間に跨るように形成されていて、前記発光素子は、前記微細凸部の前記頂部の間に跨る前記ｎ型窒化物半導体層と、当該微細凸部とによって区画された空間を含む。
【０００６】
この構成によれば、凸パターンを構成する凸部の頂部に微細凸パターンが形成されているため、頂部が平面状に形成された凸部の集合体である従来の凸パターンに比べて、より高い光散乱効果を発現することができる。その結果、従来に比べて外部量子効率を向上させることができ、輝度を向上させることができる。
一方、高い光散乱効果を得ることができる程度の占有率で微細凸パターンが基板の表面に直接形成されていると、互いに隣り合う微細凸部の間が狭すぎて基板の表面がほとんど露出しないため、基板上にｎ型窒化物半導体層をエピタキシャル成長させる際に、微細凸部の間に窒化物半導体が十分に核成長できないおそれがある。
【０００７】
そこで、本発明の構成では、微細凸パターンを基板の表面に直接形成するのではなく、窒化物半導体が十分に核成長できるだけのピッチ（第１ピッチ）で配列された複数の凸部のベース部に支持させている。これにより、窒化物半導体を十分に核成長させることができ、複数の凸部の各間を窒化物半導体で確実に埋め込むことができる。その結果、凸パターンを覆うｎ型窒化物半導体を良好に形成することができる。すなわち、ｎ型窒化物半導体層を、互いに隣り合う凸部の間に入り込ませ、当該凸部の間を満たすように形成することができる。
【０００８】
すなわち、本発明によれば、凸パターンを覆うｎ型窒化物半導体層を良好に形成できながら、従来に比べて外部量子効率を向上させることができる。
また、屈折率が限りなく１に近い空気の層（空間）が微細凸部の間に存在するので、微細凸パターンにより光散乱効果を一層向上させることができる。
また、前記基板の前記表面の一定の領域における前記凸パターンの占有率は、５０％〜５５％であることが好ましい。
凸パターンの占有率が上記範囲であれば、微細凸パターンの光散乱効果を増大させることができるので、外部量子効率を一層向上させることができる。
【００１０】
また、本発明の発光素子において、前記凸パターンは、前記ベース部がミクロンオーダの幅ｗ１を有するマイクロパターンであり、前記微細凸パターンは、前記微細凸部がナノオーダの幅ｗ２を有するナノパターンであることが好ましく、具体的には、前記ベース部の前記幅ｗ１は２μｍ〜５μｍであり、前記微細凸部の前記幅ｗ２は、前記ベース部の前記幅ｗ１の１５％〜４０％であることが好ましい。
【００１１】
この構成によれば、頂部が平面状に形成された（つまり、微細凸パターンが形成されていない）凸部の集合体である従来の凸パターンに比べて、輝度を５％〜１０％程度向上させることができる。
また、本発明の発光素子において、前記基板の前記表面を基準に測定された前記凸部の高さＨは、１．０μｍ〜３．０μｍであることが好ましい。また、前記基板の前記表面を基準に測定された前記ベース部の高さｈ１は、前記凸部の高さＨの１０％〜９５％であることが好ましい。また、前記ベース部の頂部を基準に測定された前記微細凸部の高さｈ２は、前記凸部の高さＨの５％〜９０％であることが好ましい。
【００１２】
また、前記ベース部および前記微細凸部は相似形であってもなくてもよく、たとえば、ベース部が直方体形状に形成されていて、微細凸部が円柱形状に形成されていてもよい。
また、前記凸パターンの前記第１ピッチは、前記ベース部の前記幅ｗ１の１．１倍〜１．３倍であることが好ましく、前記微細凸パターンの前記第２ピッチは、前記微細凸部の前記幅ｗ２の１．１倍〜１．３倍であることが好ましい。
【００１３】
また、前記複数の凸部は、行列状に配列されていてもよく、千鳥状に配列されていてもよい。さらに、前記凸部は、ＳｉＮからなることが好ましい。
また、本発明の発光素子は、前記基板の前記表面を上方に向けたフェイスアップ姿勢で用いられるものであってもよく、その場合、前記基板の裏面に形成され、前記基板を透過した光を反射させる反射メタルをさらに含むことが好ましい。
【００１４】
一方、本発明の発光素子は、前記基板の前記表面を下方に向けたフェイスダウン姿勢で用いられるものであってもよく、その場合には、前記ｐ型窒化物半導体層上に形成され、前記ｐ型窒化物半導体層を透過した光を反射させる反射メタルをさらに含むことが好ましい。
そして、本発明の発光素子を、樹脂パッケージで覆うことにより、本発明の発光素子パッケージを構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係る発光素子の模式的な平面図である。
【図２】図２は、図１の発光素子の模式的な底面図である。
【図３】図３は、図１の発光素子の模式的な断面図であって、図１の切断線Ａ−Ａでの断面を示している。
【図４Ａ】図４Ａは、図３の凸パターンの一例を示す図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、図３の凸パターンの他の例を示す図である。
【図５】図５は、図３の凸パターンの拡大図であって、図３の破線で囲まれた部分を示している。
【図６】図６は、凸パターンの模式的な平面図である。
【図７】図７は、凸パターンを構成する１つの凸部の平面図である。
【図８Ａ】図８Ａは、図３の発光素子の製造工程の一部を示す図である。
【図８Ｂ】図８Ｂは、図８Ａの次の工程を示す模式的な断面図である。
【図８Ｃ】図８Ｃは、図８Ｂの次の工程を示す模式的な断面図である。
【図８Ｄ】図８Ｄは、図８Ｃの次の工程を示す模式的な断面図である。
【図８Ｅ】図８Ｅは、図８Ｄの次の工程を示す模式的な断面図である。
【図８Ｆ】図８Ｆは、図８Ｅの次の工程を示す模式的な断面図である。
【図８Ｇ】図８Ｇは、図８Ｆの次の工程を示す模式的な断面図である。
【図８Ｈ】図８Ｈは、図８Ｇの次の工程を示す模式的な断面図である。
【図８Ｉ】図８Ｉは、図８Ｈの次の工程を示す模式的な断面図である。
【図８Ｊ】図８Ｊは、図８Ｉの次の工程を示す模式的な断面図である。
【図８Ｋ】図８Ｋは、図８Ｊの次の工程を示す模式的な断面図である。
【図９】図９は、凸部の隙間での核成長が十分である状態を示す図である。
【図１０】図１０は、凸部の隙間での核成長が不十分である状態を示す図である。
【図１１】図１１は、ｎ型ＧａＮ層にエピ空洞が発生した状態のＳＥＭ画像である。
【図１２】図１２は、発光素子パッケージ（フェイスアップタイプ）の模式的な断面図である。
【図１３】図１３は、凸パターンの占有率と輝度との関係を示すグラフである。
【図１４】図１４は、ハイブリッドタイプの凸パターン付近のＳＥＭ画像である。
【図１５】図１５は、凹凸構造の高さの変化に応じて輝度がどのように変化するかを示すグラフである。
【図１６】図１６は、発光素子パッケージ（フェイスダウンタイプ）の模式的な断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下では、本発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る発光素子１の模式的な平面図である。図２は、図１の発光素子１の模式的な底面図である。図３は、図１の発光素子１の模式的な断面図であって、図１の切断線Ａ−Ａでの断面を示している。図４Ａは、図３の凸パターン２０の一例を示す図である。図４Ｂは、図３の凸パターン２０の他の例を示す図である。
【００１７】
発光素子１は、たとえば、長辺および短辺を有する平面視長方形のチップ状である。チップ状の発光素子１の長辺は０．１６ｍｍ〜２．０ｍｍ、短辺は０．１６ｍｍ〜２．０ｍｍである。
発光素子１は、表面３および裏面４を有する基板２と、基板２の表面３に順に積層されたｎ型窒化物半導体層としてのｎ型ＧａＮ層６、発光層７（たとえばＩｎＧａＮ）およびｐ型窒化物半導体層としてのｐ型ＧａＮ層８からなる窒化物半導体積層構造部９とを含む。この実施形態では、基板２の表面３が光取出し面３４（後述）側の面となっており、発光層７が発光すると、ほとんどの光は、ｐ型ＧａＮ層８を透過して、発光層７に対して基板２の反対側（光取出し面３４側）から取り出される。
【００１８】
基板２は、発光層７の発光波長λ（たとえば４５０ｎｍ）に対して透明な材料（たとえばサファイア、ＧａＮまたはＳｉＣ）からなる。基板２の厚さは、たとえば、２００μｍ〜３００μｍである。
基板２の裏面４には、透明接着層１０、反射メタル１１、バリアメタル１２および接合メタル１３がこの順に積層されている。透明接着層１０は、その側面１４（外郭）が基板２の側面５と面一に揃うように基板２の裏面４全面に形成されている。この透明接着層１０上の反射メタル１１、バリアメタル１２および接合メタル１３は、それらの側面１５，１６，１７（外郭）が互いに面一に揃っており、揃った側面１５，１６，１７が透明接着層１０の側面１４に対して内側において、個々のメタル１１，１２，１３を区画している。したがって、図２に示すように、反射メタル１１、バリアメタル１２および接合メタル１３は、透明接着層１０の裏面に収まる大きさで形成されていて、発光素子１を光取出し面３４の反対側（基板２の裏面４側）から見たときに、反射メタル１１、バリアメタル１２および接合メタル１３を取り囲む透明接着層１０の周縁部１８（透明接着層１０の裏面）が露出している。
【００１９】
また、それぞれの厚さの一例として、たとえば、透明接着層１０は１６０ｎｍ程度、反射メタル１１は１００ｎｍ程度、バリアメタル１２は１００ｎｍ程度、接合メタル１３は２μｍ程度の厚さをそれぞれ有している。なお、これらの数値はあくまでも一例であって、適宜変更することができる。
透明接着層１０は、たとえば、発光層７の発光波長λに対して透明な材料（たとえばＩＴＯ（酸化インジウム錫）、ＺｎＯ（酸化亜鉛））からなる。
【００２０】
反射メタル１１は、たとえば、ＡｇとＰｄとＣｕとを含む合金（ＡｄＰｄＣｕ合金）からなるが、Ｐｄに代えてＰｔを用いたＡｄＰｔＣｕ合金であってもよい。各金属の配合比率は、Ａｇが９９％程度であり、Ｐｄが０．６％、Ｃｕが０．２％であることが好ましい。ＰｄおよびＣｕをこの割合で含有させることにより、Ａｇ単体で発生し易い硫化を抑制することができる。
【００２１】
バリアメタル１２は、たとえば、ＴｉＷ合金（チタン・タングステン合金）からなり、接合メタル１３は、たとえば、Ａｇ、半田またはＡｕＳｎ合金からなる。これらの組み合わせのうち、ＴｉＷ合金からなるバリアメタル１２と、ＡｕＳｎ合金からなる接合メタル１３との組み合わせが好ましい。これにより、反射メタル１１（ＡｇＰｄＣｕ合金）と接合メタル１３（ＡｕＳｎ合金）との間に、ＴｉＷ合金からなるバリアメタル１２が介在することになるので、反射メタル１１の成分が接合メタル１３へ拡散することを良好に抑制することができる。
【００２２】
一方、基板２の表面３には、互いに間隔を空けて基板２の表面３に離散して配置され、ｎ型ＧａＮ層６へ向かって突出する複数の凸部１９の集合体からなる凸パターン２０が形成されている。凸パターン２０の配列形態は、たとえば、図４Ａに示すような行列状であってもよいし、図４Ｂに示すような千鳥状であってもよい。凸パターン２０を構成する各凸部１９は、ＳｉＮ（窒化シリコン）からなる。
【００２３】
ＳｉＮからなる凸部１９が基板２の表面３に形成されているので、反射メタル１１で反射して、基板２とｎ型ＧａＮ層６との界面に対して様々な角度で入射する光が、当該界面において光取出し面３４の反対側（反射メタル１１側）に全反射することを抑制することができる。その結果、光の取り出し効率を向上させることができる。
窒化物半導体積層構造部９は、平面視で発光素子１とほぼ相似な長方形となるようにｐ型ＧａＮ層８からｎ型ＧａＮ層６が露出する深さまでエッチングされている。そして、ｎ型ＧａＮ層６は、窒化物半導体積層構造部９から、基板２の表面３に沿う横方向に引き出された引き出し部２１を有している。すなわち、引き出し部２１は、ｎ型ＧａＮ層６の延長部で構成されている。
【００２４】
引き出し部２１は、その側面２２が基板２の側面５と面一に揃う位置まで窒化物半導体積層構造部９の側面から外側に引き出され、窒化物半導体積層構造部９を取り囲む環状の外周部２３と、当該外周部２３から窒化物半導体積層構造部９を横切る方向に直線状に延びる直線部２４とを含む。
引き出し部２１の外周部２３は、この実施形態では、基板２の厚さ方向において反射メタル１１と対向しない程度の幅で形成されている。これにより、外周部２３の上に電極などの部材が形成されても、その部材が反射メタル１１と対向することにならないので（つまり、部材が光取り出しの際の障害物にならないので）、反射メタル１１で反射した光の取り出し効率を向上させることができる。
【００２５】
引き出し部２１の直線部２４は、窒化物半導体積層構造部９の周縁部に配置されたパッドスペース２５（たとえば、円形のスペース）と、当該周縁部に囲まれた窒化物半導体積層構造部９の中央部に配置され、パッドスペース２５よりも幅が狭い配線スペース２６とを含む。
この実施形態では、パッドスペース２５は、窒化物半導体積層構造部９の長手方向一端部に配置され、配線スペース２６は、パッドスペース２５から当該長手方向にパッドスペース２５の反対側に延びている。また、パッドスペース２５の幅（直径）は、９０μｍ〜１２０μｍ程度であり、配線スペース２６の幅は、２０μｍ〜３０μｍ程度である。
【００２６】
この引き出し部２１の表面に、ｎ側電極２７が接触して形成されている。ｎ側電極２７は、引き出し部２１上に敷設されたｎ側メタル配線２８と、パッドスペース２５においてｎ側メタル配線２８上に形成されたｎ側パッド２９とを含む。
ｎ側メタル配線２８は、たとえば、ＡｌやＣｒからなる。この実施形態では、Ａｌを引き出し部２１（ｎ型ＧａＮ層６）に接するように形成し、そのＡｌ上にＣｒを形成することでｎ側メタル配線２８を構成している。ｎ側メタル配線２８の厚さは、たとえば、７００ｎｍ程度である。
【００２７】
ｎ側メタル配線２８は、この実施形態では、引き出し部２１の直線部２４、およびパッドスペース２５に近い側の窒化物半導体積層構造部９の短辺に沿う外周部２３の一部に敷設されており、このｎ側メタル配線２８により、ｎ型ＧａＮ層６に対するｎ側電極２７のコンタクトが形成されている。また、ｎ側メタル配線２８は、パッドスペース２５においては、パッドスペース２５の幅よりもやや小さい幅の板状に形成されており、パッドスペース２５以外の直線部２４（つまり配線スペース２６）および外周部２３においては細線状に形成されている。
【００２８】
ｎ側パッド２９は、パッドスペース２５からｐ型ＧａＮ層８よりも上方に突出する柱状（この実施形態では、円柱状）に形成されており、その厚さは、たとえば、１μｍ〜２μｍ程度である。ｎ側パッド２９は、たとえば、Ａｇ、半田またはＡｕＳｎ合金からなる。
ｎ側電極２７に関しては、ｎ側メタル配線２８が、平面視で反射メタル１１を長手方向に横切って、基板２の厚さ方向に反射メタル１１と対向することになるが、ｎ側メタル配線２８が細線状に形成されているため、反射メタル１１で反射した光の取り出し効率に与える影響が少なくて済む。一方、ｎ側メタル配線２８よりも幅が広いｎ側パッド２９も反射メタル１１に対向することになるが、このｎ側パッド２９は反射メタル１１の周縁部にしか対向していないので、ｎ側メタル配線２８と同様に、反射メタル１１で反射した光の取り出し効率に与える影響が少ない。
【００２９】
ｐ型ＧａＮ層８の表面には、透明電極層３０が形成されており、この透明電極層３０により、ｐ型ＧａＮ層８に対するｐ側電極３１（後述）のコンタクトが形成されている。透明電極層３０は、たとえば、発光層７の発光波長λに対して透明な材料（たとえばＩＴＯ、ＺｎＯ）からなる。また、透明電極層３０の厚さは、たとえば、１００ｎｍ〜２００ｎｍ程度である。
【００３０】
この透明電極層３０の表面３４に、ｐ側電極３１が形成されている。ｐ側電極３１は、たとえば、Ａｇ、半田またはＡｕＳｎ合金からなり、窒化物半導体積層構造部９の周縁部に配置されたｐ側パッド３２と、ｐ側パッド３２から窒化物半導体積層構造部９の側面に沿って延びるｐ側メタル配線３３とを一体的に含む。
この実施形態では、ｐ側パッド３２は、窒化物半導体積層構造部９の長手方向におけるｎ側パッド２９の反対側に配置され、ｐ側メタル配線３３は、平面視において反射メタル１１の外側を、直線部２４上のｎ側メタル配線２８と平行に敷設されている。とりわけ、ｐ側メタル配線３３は、直線部２４上のｎ側メタル配線２８を挟むように、当該ｎ側メタル配線２８に対して一方側および他方側に１本ずつ設けられ、それぞれのｐ側メタル配線３３が、ｐ側パッド３２におけるｎ側パッド２９から遠い側の端部に一体的に接続されている。
【００３１】
ｐ側電極３１に関しては、ｐ側メタル配線３３が、平面視で反射メタル１１を避けるように反射メタル１１の外側に敷設されているので、反射メタル１１で反射した光の取り出し効率に与える影響がほとんどない。一方、ｐ側パッド３２は反射メタル１１に対向することになるが、このｐ側パッド３２は、窒化物半導体積層構造部９の長手方向におけるｎ側パッド２９の反対側に配置され、反射メタル１１の周縁部にしか対向していない。そのため、ｎ側パッド２９と同様に、反射メタル１１で反射した光の取り出し効率に与える影響が少ない。
【００３２】
この発光素子１では、ｐ側電極３１（ｐ側パッド３２）とｎ側電極２７（ｎ側パッド２９）との間に順方向電圧を印加すると、発光層７から、発光波長λ＝４４０ｎｍ〜４８０ｎｍの光が発生する。この光は、ｐ型ＧａＮ層８および透明電極層３０を透過して、透明電極層３０の表面３４（光取出し面）から取り出される。発光層７からｎ型ＧａＮ層６側に向かった光は、ｎ型ＧａＮ層６、基板２および透明接着層１０をこの順で透過して、反射メタル１１で反射する。反射した光は、透明接着層１０、基板２、ｎ型ＧａＮ層６、発光層７、ｐ型ＧａＮ層８および透明電極層３０をこの順で透過して、光取出し面３４から取り出される。発光層７からチップ側面に向かった光は、チップ側面から発光素子１の外部に取り出される。
【００３３】
次に、凸パターン２０を構成する凸部１９の具体的な形状を、図４Ｂの千鳥状パターンの場合を例に挙げて説明する。
まず、複数の凸部１９は、互いに第１ピッチｐ１（たとえば、４．５μｍ〜５．５μｍ）を空けて、基板２の表面３に千鳥状に配列されていて、たとえば、基板２の表面３の一定の領域における凸パターン２０の占有率は、５０％〜５５％である。凸パターン２０の占有率は、この実施形態では、互いに隣り合う３つの凸部１９の中心を結んでできる三角形（図６の破線参照）からなる基本格子の内側に収まる凸パターン２０の平面面積の割合を示している。
【００３４】
各凸部１９は、互いに第１ピッチｐ１よりも小さい第２ピッチｐ２（たとえば、６００ｎｍ〜８００ｎｍ）を空けて当該凸部１９の頂部に離散して形成された複数の微細凸部３５の集合体からなる微細凸パターン３６と、当該微細凸パターン３６を支持するベース部３７とを含む。
ベース部３７は、直方体形状に形成されており、その高さ（基板２の表面３を基準に測定された高さ）ｈ１は、たとえば、１．０μｍ〜１．５μｍである。また、ベース部３７は、ミクロンオーダの幅ｗ１を有している。ミクロンオーダとは、幅ｗ１の値が「μｍ」との単位で表すことが適当である場合を示し、たとえば、数μｍから１０００μｍ未満のことである。ベース部３７の幅ｗ１は、具体的には、２．０μｍ〜５．０μｍである。
【００３５】
そして、ベース部３７の頂部としての表面３８に、当該表面３８から上方に突出する微細凸部３５が離散して配列されている。微細凸部３５の配列形態は、たとえば、この実施形態のように千鳥状であってもよく、また、行列状であってもよい。
各微細凸部３５は、円柱形状に形成されており、その高さ（ベース部３７の表面３８を基準に測定された高さ）ｈ２は、たとえば、０．５ｎｍ〜１．０ｎｍである。また、ベース部３７の高さｈ１と微細凸部３５の高さｈ２とを合わせた凸部１９の高さ（基板２の表面３を基準に測定された高さ）Ｈは、たとえば、１．０μｍ〜２．０μｍである。
【００３６】
また、各微細凸部３５は、ナノオーダの幅ｗ２（直径）を有している。ナノオーダとは、幅ｗ２の値が「ｎｍ」との単位で表すことが適当である場合を示し、たとえば、数ｎｍから１０００ｎｍ未満のことである。微細凸部３５の幅ｗ２は、具体的には、４００ｎｍ〜６００ｎｍである。
そして、このような凸パターン２０を覆うｎ型ＧａＮ層６は、互いに隣り合う微細凸部３５の間に入り込まない一方、互いに隣り合う凸部１９の間には入り込み、凸部１９の間を満たしている。これにより、各凸部１９には、微細凸部３５の頂部の間に跨るｎ型ＧａＮ層６と、微細凸部３５とによって区画された空間３９（屈折率ｎＡｉｒ≒１）が形成されている。
【００３７】
図８Ａ〜図８Ｋは、図３の発光素子１の製造工程の一部を工程順に示す図である。
発光素子１を製造するには、たとえば、図８Ａに示すように、基板ウエハ４１（たとえば、３５０μｍ〜９００μｍのウエハ）を準備する。
次に、図８Ｂに示すように、基板ウエハ４１の表面３全面に、凸パターン２０に加工される、ＳｉＮからなる加工膜４２を形成する。なお、加工膜４２は、ＳｉＮ以外に、たとえば、ＳｉＯ２、ＳｉＯＮ、Ａｌ２Ｏ３などであってもよい。
【００３８】
次に、図８Ｃに示すように、加工膜４２上にレジスト４３を形成する。
次に、図８Ｄに示すように、ナノインプリント技術に適用するナノインプリントモールド４４を準備する。ナノインプリントモールド４４の材料としては、Ｃｕなどの金属、あるいは石英などを適用することができる。ナノインプリントモールド４４のパターンは、電子線描画法によって形成され、ナノメータスケールである。
【００３９】
次に、図８Ｅに示すように、ナノインプリント技術を適用して、ナノインプリントモールド４４をレジスト４３に圧着して、レジスト４３に凹部を形成する。ここで、ナノインプリント技術としては、たとえば、熱サイクルナノインプリント技術、光ナノインプリント技術などを用いることができる。
次に、図８Ｆに示すように、ＲＩＥなどのエッチング技術を用いて、レジスト４３を加工して加工膜４２を露出させた後、図８Ｇに示すように、当該加工されたレジスト４３を用いて、ＲＩＥなどのエッチング技術を用いて、加工膜４２を膜厚方向途中まで除去し、微細凸パターン３６を形成する。
【００４０】
次に、図８Ｈに示すように、レジスト４５を形成し、当該加工されたレジスト４５をマスクとするエッチングにより、この加工膜４２を複数の凸部１９に分離して各凸部１９のベース部３７を成形し、凸パターン２０を形成する。これにより、凸パターン２０の間から基板２の表面３が露出することとなる。
次に、図８Ｉに示すように、露出された基板２上に、たとえば、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition：有機金属気相成長）法などにより、ｎ型ＧａＮ層６となるＧａＮ層を成長させる。たとえば、基板２をサーマルクリーニングした後、基板温度を１０００°Ｃ程度に設定して、基板２上に、ｎ型不純物を添加したｎ型ＧａＮ層６を１μｍ〜５μｍ程度成長させる。ｎ型ＧａＮ層６には、たとえばｎ型不純物としてＳｉを３×１０１８ｃｍ−３程度の濃度で添加したＧａＮ膜が採用可能である。Ｓｉを不純物添加する場合は、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、アンモニア（ＮＨ３）およびシラン（ＳｉＨ４）を原料ガスとして供給して、ｎ型ＧａＮ層６を形成する。図８Ｉに示すように、ｎ型ＧａＮ層６となるＧａＮ層中には、貫通転位４６が発生している。
【００４１】
次に、図８Ｊに示すように、ＥＬＯ（Epitaxial Lateral Overgrowth）によって、ｎ型ＧａＮ層６を形成する。横方向選択エピタキシャルの成長面上に横方向選択エピタキシャル成長層が形成されて、図８Ｊ中のベクトルＬＡ、ＬＢ方向にｎ型ＧａＮ層６が、横方向に選択エピタキシャル成長される。結果として、貫通転位４６も曲げられて、各凸部１９の中央部ＬＯ近傍において左右からの選択エピタキシャル成長面が合体し、同時に貫通転位４６もつながる。
【００４２】
ここで、前述のように、基板２の表面３に形成されるものが、ナノオーダの微細凸部３５が配列された微細凸パターン３６ではなく、ミクロンオーダの凸部１９が占有率５０〜５５％で配列された凸パターン２０であるため、これにより、ＧａＮ層を十分に核成長させることができ、複数の凸部１９の各間をＧａＮ層で確実に埋め込むことができる。
具体的には、ミクロンオーダの凸パターン２０（占有率小：５０〜５５％程度）の場合には、図９に示すように、互いに隣り合う凸部１９の間に適当な間隔が設けられているので、核成長を十分に行うことができる。
【００４３】
これに対し、ミクロンオーダの凸パターン２０であっても、占有率大：８５〜９０％程度の場合や、ナノオーダの微細凸パターン３６が形成される場合は、図１０に示すように、互いに隣り合う凸部１９の間が狭すぎて基板２の表面３がほとんど露出しないため、核成長が不十分になりやすい。その結果、図１１に示すように、形成後のｎ型ＧａＮ層６の一部に空洞（エピ空洞）が発生するおそれがあり、ｎ型ＧａＮ層６の品質がよいとは言えない。
【００４４】
そして、この実施形態では、凸パターン２０がＧａＮ層６で完全に隠れるようにするため、エピタキシャル成長の途中から、横方向成長を促進させる条件にエピタキシャル成長条件を変えてもよい。横方向成長を促進させるためには、たとえば、結晶成長時のガス系の圧力を変化させると良い。第１のステップとして、たとえば約１０５０℃で、約１００Ｔｏｒｒで約１μｍ程度成長後、第２のステップとして、たとえば約１０５０℃で、約２００Ｔｏｒｒで約１．５μｍ程度成長させることができる。このようにｎ型ＧａＮ層６を形成することによって、ＥＬＯによる貫通転位密度の低減効果と共に、横方向成長を促進させることができる。これにより、凸パターン２０を覆うように、横方向選択エピタキシャル成長（ＥＬＯ）させるため、結晶の貫通転位を曲げることができ、結晶性も向上する。
【００４５】
次に、図８Ｋに示すように、発光層７をｎ型ＧａＮ層６上に形成した後、発光層７上に、ｐ型ＧａＮ層８を形成して、窒化物半導体積層構造部９が形成される。
その後は、たとえばスパッタ法により、透明電極層３０の材料（ＩＴＯ等）を窒化物半導体積層構造部９上に堆積させることにより、透明電極層３０を形成する。
次に、所定の形状のマスクを介して、透明電極層３０および窒化物半導体積層構造部９をエッチングする。これにより、窒化物半導体積層構造部９が所定の形状（平面視長方形）に成形され、同時に、ｎ型ＧａＮ層６の延長部からなる引き出し部２１が形成される。
【００４６】
次に、透明電極上にｐ側電極３１を形成し、また、引き出し部２１（ｎ型ＧａＮ層６）上にｎ側電極２７を形成する。また、基板２の裏面４に、透明接着層１０、反射メタル１１、バリアメタル１２および接合メタル１３を形成する。
そして、基板ウエハ４１に外力を加えることにより、基板ウエハ４１を各発光素子１の個片（チップ）に分割する。これにより、図３の発光素子１の個片が得られる。
【００４７】
図１３は、発光素子パッケージ５１（フェイスアップタイプ）の模式的な断面図である。
発光素子パッケージ５１は、発光素子１と、支持基板５２と、樹脂パッケージ５３とを含む。
発光素子１は、基板２の表面３が上を向くようなフェイスアップ姿勢で接合メタル１３が支持基板５２に接合されることにより、支持基板５２に配置されている。
【００４８】
支持基板５２は、発光素子１を支持する絶縁基板５４と、絶縁基板５４の両端から露出するように設けられて、発光素子１と外部とを電気的に接続する金属製の一対の電極（外部ｎ側電極５５および外部ｐ側電極５６）とを有している。
そして、発光素子１のｎ側電極２７（ｎ側パッド２９）と外部ｎ側電極５５とが、ｎ側ワイヤ５７によって接続されている。また、発光素子１のｐ側電極３１（ｐ側パッド３２）と外部ｐ側電極５６とが、ｐ側ワイヤ５８によって接続されている。
【００４９】
樹脂パッケージ５３は、樹脂が充填されたケースであり、その内側に発光素子１を収容して（覆って）保護した状態で、支持基板５２に固定されている。樹脂パッケージ５３は、側方（発光素子１に向かい合う部分）に反射部５９を有し、発光素子１から出射された光を反射させて外部へ取り出す。
樹脂パッケージ５３を構成する樹脂には、蛍光体や反射剤が含有されているものがある。たとえば発光素子１が青色光を発光する場合、当該樹脂に黄色蛍光体を含有させることで発光素子パッケージ５１は白色光を発光することができる。発光素子パッケージ５１は、多数が集まることによって、電球などの照明機材に用いることもでき、また液晶テレビのバックライトや自動車等のヘッドランプに用いることもできる。
【００５０】
以上のように、発光素子１によれば、発光層７が発光すると、ほとんどの光は、ｐ型ＧａＮを透過して、透明電極層３０の表面３４（光取出し面）から取り出されるが、一部の光は、ｎ型ＧａＮ層６、基板２および透明接着層１０を順に透過してから、透明接着層１０と反射メタル１１との界面で反射し、その後、光取出し面３４から取り出される。
そして、この発光素子１によれば、凸パターン２０を構成する各凸部１９の頂部に微細凸パターン３６が形成されているため、頂部が平面状に形成された凸部の集合体である従来の凸パターンに比べて、より高い光散乱効果を発現することができる。その結果、従来に比べて外部量子効率を向上させることができ、輝度を向上させることができる。
【００５１】
このような効果を実証するため、（１）ミクロンオーダ（ｗ１＝３μｍ  ピッチｐ１＝４．０μｍ）の凸パターンの各凸部（ベース部）の頂部にナノオーダ（ｗ２＝６００ｎｍ  ピッチｐ２＝８００ｎｍ）の微細凸パターンが形成された本発明のタイプ（ハイブリッドタイプ）、（２）頂部が平坦なミクロンオーダ（ｗ１＝３μｍ  ピッチｐ１＝４．０μｍ）の凸パターンが形成されたタイプ（標準凹凸構造）および（３）ナノオーダ（ｗ２＝６００ｎｍ  ピッチｐ２＝８００ｎｍ）の微細凸パターンが形成されたタイプ（ナノ微細凹凸構造）の３タイプについて、凸パターンの占有率と輝度との関係を調べた。結果は図１３の通りとなった。
【００５２】
図１３に示すように、ハイブリッドタイプの構造では、従来の標準凹凸構造やナノ微細構造に比べて、５％程度輝度を向上できることを確認できた。
一方、高い光散乱効果を得ることができる程度の占有率で微細凸パターン３６が基板２の表面３に直接形成されていると、互いに隣り合う微細凸部３５の間が狭すぎて基板２の表面３がほとんど露出しないため、基板２上にｎ型ＧａＮ層６をエピタキシャル成長させる際に、微細凸部３５の間にＧａＮが十分に核成長できないおそれがある（図１０参照）。
【００５３】
そこで、発光素子１では、微細凸パターン３６を基板２の表面３に直接形成するのではなく、ＧａＮが十分に核成長できるだけのピッチｐ１（たとえば、４．５μｍ〜５．５μｍ）で配列された複数の凸部１９のベース部３７に支持させている。これにより、ＧａＮを十分に核成長させることができ、複数の凸部１９の各間をＧａＮで確実に埋め込むことができる。その結果、凸パターン２０を覆うｎ型ＧａＮ層６を良好に形成することができる。
【００５４】
このような効果を実証するため、前述の実験のハイブリッドタイプの凸パターン付近のＳＥＭ画像を撮影し、ｎ型ＧａＮ層の埋め込み状態を確認した。ＳＥＭ画像を図１４に示す。
図１４によると、互いに隣り合う凸部１９の間がＧａＮでしっかりと埋め込まれていることが確認でき、また、そのｎ型ＧａＮ層６が微細凸部３５の頂部の間に跨っていて、それにより、ｎ型ＧａＮ層６と微細凸部３５とによって区画された空間３９が形成されていることが確認できた。図１４に現れたような空間３９（屈折率ｎＡｉｒ≒１）が微細凸部３５の間に存在していれば、微細凸パターン３６により光散乱効果を一層向上させることができる。
【００５５】
すなわち、発光素子１によれば、凸パターン２０を覆うｎ型ＧａＮ層６を良好に形成できながら、従来に比べて外部量子効率を向上させることができる。
さらに、前述の実験のハイブリッドタイプの凸部１９の高さＨの変化に応じて、輝度がどのように変化するかを調べたところ、図１５に示す結果となった。すなわち、高さＨが大きくなるほど輝度が向上することが確認できた。
【００５６】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はさらに他の形態で実施することもできる。
たとえば、本発明の発光素子は、図１６に示すようなフェイスダウンタイプ（フリップチップタイプ）の発光素子６１に適用することもできる。
発光素子６１は、フェイスアップタイプの発光素子１と異なる構成として、基板２の裏面４に反射メタル１１等のメタルが形成されておらず、代わりに、反射メタル６２が、ｐ型ＧａＮ層８の表面に、透明電極層６３を介して形成されている。
【００５７】
これにより、発光素子パッケージ６４では、発光層７が発光すると、ほとんどの光は、ｎ型ＧａＮ層６を透過して基板２から取り出されるが、一部の光は、ｐ型ＧａＮ層８および透明電極層６３を順に透過してから透明電極層６３と反射メタル６２との界面で反射され、その後、基板２から取り出される。
その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。
【符号の説明】
【００５８】
１    発光素子
２    基板
３    （基板の）表面
４    （基板の）裏面
５    （基板の）側面
６    ｎ型ＧａＮ層
７    発光層
８    ｐ型ＧａＮ層
９    窒化物半導体積層構造部
１０  透明接着層
１１  反射メタル
１２  バリアメタル
１３  接合メタル
１４  （透明接着層の）側面
１５  （反射メタルの）側面
１６  （バリアメタルの）側面
１７  （接合メタルの）側面
１８  （透明接着層の）周縁部
１９  凸部
２０  凸パターン
２１  引き出し部
２２  （引き出し部の）側面
２３  （引き出し部の）外周部
２４  （引き出し部の）直線部
２５  パッドスペース
２６  配線スペース
２７  ｎ側電極
２８  ｎ側メタル配線
２９  ｎ側パッド
３０  透明電極層
３１  ｐ側電極
３２  ｐ側パッド
３３  ｐ側メタル配線
３４  光取出し面
３５  微細凸部
３６  微細凸パターン
３７  ベース部
３８  （ベース部の）表面
３９  空間
４１  基板ウエハ
４２  加工膜
４３  レジスト
４４  ナノインプリントモールド
４５  レジスト
４６  貫通転位
５１  発光素子パッケージ
５２  支持基板
５３  樹脂パッケージ
５４  絶縁基板
５５  外部ｎ側電極
５６  外部ｐ側電極
５７  ｎ側ワイヤ
５８  ｐ側ワイヤ
５９  反射部
６１  発光素子
６２  反射メタル
６３  透明電極層
６４  発光素子パッケージ
【図１】
0005885436.tif 000002
【図２】
0005885436.tif 000003
【図３】
0005885436.tif 000004
【図４Ａ】
0005885436.tif 000005
【図４Ｂ】
0005885436.tif 000006
【図５】
0005885436.tif 000007
【図６】
0005885436.tif 000008
【図７】
0005885436.tif 000009
【図８Ａ】
0005885436.tif 000010
【図８Ｂ】
0005885436.tif 000011
【図８Ｃ】
0005885436.tif 000012
【図８Ｄ】
0005885436.tif 000013
【図８Ｅ】
0005885436.tif 000014
【図８Ｆ】
0005885436.tif 000015
【図８Ｇ】
0005885436.tif 000016
【図８Ｈ】
0005885436.tif 000017
【図８Ｉ】
0005885436.tif 000018
【図８Ｊ】
0005885436.tif 000019
【図８Ｋ】
0005885436.tif 000020
【図９】
0005885436.tif 000021
【図１０】
0005885436.tif 000022
【図１２】
0005885436.tif 000023
【図１３】
0005885436.tif 000024
【図１５】
0005885436.tif 000025
【図１６】
0005885436.tif 000026
【図１１】
0005885436.tif 000027
【図１４】
0005885436.tif 000028