(57)【要約】【課題】    チップサイズに対してサファイア基板の厚さを最適化し、光の取り出し効率の向上させる。【解決手段】    サファイア基板１と、サファイア基板１上に形成された複数の窒化物半導体層を有する発光素子構造部２を備え、サファイア基板１を通して発光素子構造部２からの発光を素子外部に出力する、平面視形状が正方形または長方形のチップに分割された裏面出射型の窒化物半導体発光素子１００であって、発光素子構造部２が、光を出射する活性層４と、活性層４よりもサファイア基板１から離れた位置に形成されて活性層４よりもバンドギャップが小さいコンタクト層８とを備え、活性層４からコンタクト層８に向けて出射された光が、コンタクト層８で吸収されサファイア基板１を通して素子外部に出力されない構造であり、サファイア基板１の表面に垂直な側面部分における垂直方向の長さＴ値が、チップの平面視形状の各辺の平均長の０．４５倍以上１倍以下である。【選択図】  図３
2019012845.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
サファイア基板と、前記サファイア基板の表面上に形成された複数の窒化物半導体層を有する発光素子構造部を備えてなり、
前記サファイア基板を通して前記発光素子構造部からの発光を素子外部に出力する、平面視形状が正方形または長方形のチップに分割された裏面出射型の窒化物半導体発光素子であって、
前記発光素子構造部が、光を出射する活性層と、前記活性層よりも前記サファイア基板から離れた位置に形成されて前記活性層よりもバンドギャップが小さいコンタクト層とを備え、前記活性層から前記コンタクト層に向けて出射された光が、前記コンタクト層で吸収され、前記サファイア基板を通して素子外部に出力されない構造であり、
前記チップの前記平面視形状の各辺の平均長が４００μｍ以上であり、
前記サファイア基板の前記表面に垂直な側面部分における垂直方向の長さであるＴ値が、前記平均長の０．４５倍以上１倍以下であることを特徴とする窒化物半導体発光素子。
【請求項２】
第１の厚さのウェハ状のサファイア基板の表面上に、複数の窒化物半導体層を有する発光素子構造部を形成する工程と、
前記発光素子構造部が形成されたウェハ状の前記サファイア基板の裏面を研磨して、前記サファイア基板の厚さを、前記第１の厚さより薄い第２の厚さに薄板化する工程と、
薄板化した前記サファイア基板上に前記発光素子構造部が形成されたウェハを、平面視形状が正方形または長方形のチップ状の窒化物半導体発光素子に分割する工程と、を備え、
前記窒化物半導体発光素子が、前記サファイア基板を通して前記発光素子構造部からの発光を素子外部に出力する裏面出射型の発光素子であって、
前記発光素子構造部が、光を出射する活性層と、前記活性層よりも前記サファイア基板から離れた位置に形成されて前記活性層よりもバンドギャップが小さいコンタクト層とを備え、前記活性層から前記コンタクト層に向けて出射された光が、前記コンタクト層で吸収され、前記サファイア基板を通して素子外部に出力されない構造であり、
前記窒化物半導体発光素子の前記平面視形状の各辺の平均長が４００μｍ以上であり、
薄板化した後の前記サファイア基板の前記表面に垂直な側面部分における垂直方向の長さであるＴ値が、前記平均長の０．４５倍以上１倍以下であることを特徴とする窒化物半導体発光素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、サファイア基板上に複数の窒化物半導体層を有する発光素子構造部を形成してなる、チップに分割された窒化物半導体発光素子に関し、特に、サファイア基板を通して活性層からの発光を素子外部に出力する裏面出射型の窒化物半導体発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、ＬＥＤ（発光ダイオード）や半導体レーザ等の窒化物半導体発光素子は、基板としてサファイア基板を用い、その上にエピタキシャル成長により複数の窒化物半導体層からなる発光素子構造を形成したものが多数存在する。窒化物半導体層は、一般式Ａｌ１−ｘ−ｙＧａｘＩｎｙＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１）で表される。
【０００３】
発光素子構造は、ｎ型窒化物半導体層とｐ型窒化物半導体層との間に、単一量子井戸構造（ＳＱＷ：Ｓｉｎｇｌｅ−Ｑｕａｎｔｕｍ−Ｗｅｌｌ）或いは多重量子井戸構造（ＭＱＷ：Ｍｕｌｔｉ−Ｑｕａｎｔｕｍ−Ｗｅｌｌ）の窒化物半導体層よりなる活性層が挟まれたダブルへテロ構造を有している。活性層がＡｌＧａＮ系半導体層の場合、ＡｌＮモル分率（ＡｌＮ組成比とも言う）を調整することにより、バンドギャップエネルギを、ＧａＮとＡｌＮが取り得るバンドギャップエネルギ（約３．４ｅＶと約６．２ｅＶ）を夫々下限及び上限とする範囲内で調整でき、発光波長が約２００ｎｍから約３６５ｎｍまでの紫外線発光素子が得られる。
【０００４】
窒化物半導体発光素子は、サファイア等のウェハ基板上に、エピタキシャル成長により複数の窒化物半導体層を成長させ、電極構造を形成した後に、平面視形状が正方形または長方形のチップに分割して形成される。サファイア基板を使用する場合、そのウェハの厚さは、約３００μｍ以上のものが一般的に使用される。ウェハが薄いと、ウェハ基板上に素子構造を形成する工程でのウェハのハンドリングが困難となり、ウェハを破損する可能性が高くなる。一方、ウェハ上のチップとチップの境界線に沿って、ダイアモンドブレード或いはレーザ等を用いてダイシングを行い、ウェハを個々のチップに分割する際には、ウェハは薄い方が好ましく、一般的に、１００μｍ±３０μｍより好ましくは、８０μｍ〜１００μｍの厚さまで、ウェハの裏面を研磨（前処理としての粗研磨、研削等を含んでも良い）等により薄板化してから、ウェハを個々のチップに分割することが行われている（例えば、下記の特許文献１及び２参照）。
【０００５】
特許文献１では、窒化物半導体発光素子である３５０μｍ角チップの青色ＬＥＤのサファイア基板の厚さが、１５０μｍ、好ましくは１００μｍまで薄板化されている。また、特許文献２では、窒化物半導体発光素子である３００μｍ〜５００μｍ角チップの青色ＬＥＤのサファイア基板の厚さが、５０μｍ〜１２０μｍ、好ましくは８０μｍ〜１００μｍまで薄板化されている。
【０００６】
ところで、活性層から出射される光は、全方向に、つまりチップの上面側にも下面側にも進行するため、上面側に進行する光をチップ上面で下方に向けて反射させ、下面側に進行する光と合わせて、サファイア基板を通過させて、チップ下面側からチップ外部に出射させる裏面出射型の窒化物半導体発光素子がある（例えば、下記の特許文献３及び４参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１０−１９９６０３号公報
【特許文献２】特開２００５−１０９４３２号公報
【特許文献３】特開２００８−６６７２７号公報
【特許文献４】特開２００５−２１００５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述の裏面出射型の窒化物半導体発光素子では、一般的なサファイア基板の厚さ（１００μｍ±３０μｍ）に対して、サファイア基板上に形成される発光素子構造部の厚さは、数μｍ〜１０μｍ程度であり、活性層の厚さは、例えば、数ｎｍ程度である。従って、窒化物半導体発光素子の発光源は、サファイア基板の表面側に平面的に存在している。
【０００９】
上記裏面出射型の窒化物半導体発光素子の平面状の発光源（面光源）の任意の一点（点光源）からサファイア基板に向けて出射した光は、活性層とサファイア基板間の窒化物半導体層を通過してサファイア基板内に入射し、サファイア基板の裏面或いは側面から、チップ外に出射される。
【００１０】
図１に、チップに分割された窒化物半導体発光素子において、サファイア基板の表面側の面光源Ｓの任意の一点（点光源）Ｐから出射した光が、サファイア基板１内を通過してチップ外に出射される様子を模式的に示す。
【００１１】
サファイアは光学的に異方性を呈し、複屈折性を有する。活性層がＡｌＧａＮ系半導体層の場合、上述の通り、発光波長は約２００ｎｍから約３６５ｎｍまでの紫外発光となるが、発光波長が約３００ｎｍ〜３５０ｎｍ程度の場合、サファイアの平均的な屈折率は約１．８である。サファイア基板の外側が空気の場合、外部の屈折率が１であるので、サファイアの屈折率が１．８と仮定すると、サファイア基板と外側の空気との界面における臨界角θｃは約３４°となる。
【００１２】
サファイア基板内からチップ外に出射する光は、サファイア基板と外側の空気との界面に対する入射角θｉｎが当該臨界角θｃ以上で全反射して、チップ外に出射されずに、全てサファイア基板内に反射する。尚、以下の図１、図２、図９等を参照するサファイア基板１からチップ外への光の取り出しについての説明では、便宜的に、図面の向きに合わせて、面光源Ｓからサファイア基板１の裏面１ｒに向かう方向を上方向とする。逆に、窒化物半導体発光素子の素子構造に関する説明では、サファイア基板１の裏面１ｒから、活性層（面光源Ｓ）を含む発光素子構造部に向かう方向を上方向とする。
【００１３】
尚、サファイア基板１の裏面１ｒの上側に、屈折率がサファイアと空気の屈折率の中間にある透明な樹脂膜を設けた場合、当該樹脂膜の上面がサファイア基板１の裏面１ｒと平行であれば、サファイア基板１と当該樹脂膜の界面における臨界角θｃ１が上記臨界角θｃより大きくなり、サファイア基板と空気の界面における臨界角θｃ以上で入射した光でも、臨界角θｃ１より小さければ、全反射せずに当該樹脂膜側に透過する。しかし、当該透過光の出射角が入射角より大きくなるため、当該樹脂膜の上面への入射角が、当該樹脂膜と外側の空気との界面における臨界角θｃ２より大きくなって全反射するため、当該樹脂膜が平行平板状であれば、当該樹脂膜の有無に関係なく、サファイア基板１内から裏面１ｒに臨界角θｃ以上で入射した光は、上記何れかの界面で全反射して、チップ外に出射されずに、全て斜め下方向に反射する。
【００１４】
点光源Ｐからサファイア基板１の表面１ｔに入射し、出射角θｉｎでサファイア基板１内に出射する光は、裏面１ｒに入射角θｉｎで入射する。上述のように、活性層からサファイア基板１の表面１ｔまでの距離は、サファイア基板の厚さＴに比べて十分に小さいので、点光源Ｐがサファイア基板１の表面１ｔ上に存在すると見做せる。そこで、表面１ｔ上の点光源Ｐからの出射角θｉｎが上記臨界角θｃより小さい全ての光（以下、便宜的に「上方出射光」と称する）は、サファイア基板１の裏面１ｒに入射すると、全反射せずに所定の透過率でチップ外に透過する。尚、点光源Ｐがチップ周辺近傍に位置すると、上方出射光の一部は、裏面１ｒではなくサファイア基板１の側面１ｓに入射するが、チップ分割後の側面１ｓは、裏面１ｒのような研磨面ではなく粗面であるので、全反射せずにチップ外に透過する光が含まれる。従って、点光源Ｐから出射した上方出射光は、所定の透過率でチップ外に透過する。この上方出射光の透過率は、サファイア基板１の厚さＴに関係なくほぼ一定である。
【００１５】
次に、サファイア基板１の表面１ｔ上の点光源Ｐからの出射角θｉｎが上記臨界角θｃ以上の光（以下、便宜的に「側方出射光」と称する）について考察する。図２に、上方出射光Ｌｕと側方出射光Ｌｓを、模式的に示す。
【００１６】
側方出射光Ｌｓは、点光源Ｐから側面１ｓに直接到達する第１の側方出射光Ｌｓ１と、点光源Ｐから裏面１ｒに入射して全反射し、側面１ｓに間接的に到達する第２の側方出射光Ｌｓ２と、点光源Ｐから裏面１ｒに入射して全反射し、表面１ｔに到達して、側面１ｓに到達しない第３の側方出射光Ｌｓ３に、分類される。ここで、第１の側方出射光Ｌｓ１と第２の側方出射光Ｌｓ２は、側面１ｓが粗面であるので、見掛け上の側面１ｓに対する入射角に関係なく、全反射せずに所定の透過率でチップ外に出射するが、第３の側方出射光Ｌｓ３は発光素子構造内に再入射して、チップ外には出射しない。つまり、点光源Ｐからサファイア基板１内に入射して、有効にチップ外に出射できるのは、上方出射光Ｌｕと第１及び第２の側方出射光Ｌｓ１，Ｌｓ２である。
【００１７】
側方出射光Ｌｓの内の側面１ｓに到達する第１及び第２の側方出射光Ｌｓ１，Ｌｓ２の割合が大きい程、光の取り出し効率が高くなる。上方出射光Ｌｕの透過率は、サファイア基板１の厚さＴに関係なくほぼ一定であるので、光の取り出し効率に直接寄与する。しかし、側方出射光Ｌｓ全体に対して第１及び第２の側方出射光Ｌｓ１，Ｌｓ２の占める割合は、点光源Ｐの位置及びサファイア基板１の厚さＴに依存して変化する。厚さＴが大きい程、第１及び第２の側方出射光Ｌｓ１，Ｌｓ２の割合が大きくなるので、光の取り出し効率が高くなることが分かる。逆に、サファイア基板１の裏面を研磨してチップを薄板化すると、光の取り出し効率が低下する。
【００１８】
しかし、従来、サファイア基板１の厚さＴと光の取り出し効率について具体的に考察された例はなく、上述のように、ウェハを個々のチップに分割する際の加工容易性を重視して、基板の厚さＴは、チップサイズに関係なく、１００μｍ±３０μｍ程度に薄板化されていた。尚、チップサイズとは、チップの平面視形状の縦横の寸法である。
【００１９】
本発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、サファイア基板の厚さ、チップサイズ、及び、光の取り出し効率の間の関係を明確にして、チップサイズに対してサファイア基板の厚さを最適化して、光の取り出し効率の向上を図ることにある。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本願の発明者の鋭意研究によって、裏面出射型の窒化物半導体発光素子において、サファイア基板を通してチップ外に取り出される光の内、上方出射光Ｌｕの大きさは、サファイア基板の厚さに関係なくほぼ一定であるのに対して、側方出射光Ｌｓの大きさは、サファイア基板が厚いほど大きくなり、光の取り出し効率が向上することを見出し、更に、最適なサファイア基板の厚さとチップサイズの間に一定の関係のあることを見出した。
【００２１】
本発明は、上記新知見に基づいて成されたものであり、サファイア基板と、前記サファイア基板上に形成された複数の窒化物半導体層を有する発光素子構造部を備えてなり、前記サファイア基板を通して前記発光素子構造部からの発光を素子外部に出力する、平面視形状が正方形または長方形のチップに分割された裏面出射型の窒化物半導体発光素子であって、前記チップの前記平面視形状の各辺の平均長が４００μｍ以上であり、前記サファイア基板の厚さが、前記平均長の０．４５倍以上１倍以下であることを第１の特徴とする窒化物半導体発光素子を提供する。
【００２２】
更に好ましくは、上記第１の特徴の窒化物半導体発光素子は、前記発光素子構造部が、前記サファイア基板上に形成されたＡｌＧａＮ系半導体層を含む下地構造部と、前記下地構造部の結晶表面上に形成された、ｎ型ＡｌＧａＮ系半導体層のｎ型クラッド層、ＡｌＧａＮ系半導体層を有する活性層、及び、ｐ型ＡｌＧａＮ系半導体層のｐ型クラッド層を含む発光積層部を備えて構成されることを第２の特徴とする。
【００２３】
更に好ましくは、上記第１または第２の特徴の窒化物半導体発光素子は、前記サファイア基板の厚さが、前記平均長の０．５倍以上であることを第３の特徴とする。
【００２４】
更に好ましくは、上記第１乃至第３の特徴の窒化物半導体発光素子は、前記サファイア基板の厚さが、前記平均長の０．８倍以下であることを第４の特徴とする。
【００２５】
更に好ましくは、上記第１乃至第４の特徴の窒化物半導体発光素子は、ウェハ状態からステルスダイシングによって前記チップに分割されたことを第５の特徴とする。
【００２６】
更に好ましくは、上記第１乃至第５特徴の窒化物半導体発光素子は、前記平均長が５００μｍ以上であることを第６の特徴とする。
【００２７】
更に、本発明は、第１の厚さのウェハ状のサファイア基板上に、複数の窒化物半導体層を有する発光素子構造部を形成する工程と、前記発光素子構造部が形成されたウェハ状の前記サファイア基板の裏面を研磨して、前記サファイア基板の厚さを、前記第１の厚さより薄い第２の厚さに薄板化する工程と、薄板化した前記サファイア基板上に前記発光素子構造部が形成されたウェハを、平面視形状が正方形または長方形のチップ状の窒化物半導体発光素子に分割する工程と、を備え、前記窒化物半導体発光素子が、前記サファイア基板を通して前記発光素子構造部層からの発光を素子外部に出力する裏面出射型の発光素子であって、前記窒化物半導体発光素子の前記平面視形状の各辺の平均長が４００μｍ以上であり、前記第２の厚さが、前記平均長の０．４５倍以上１倍以下であることを第１の特徴とする窒化物半導体発光素子の製造方法を提供する。尚、前記薄板化する工程における研磨処理は、前処理としての粗研磨、研削等の処理を含んでも良い。
【００２８】
更に好ましくは、上記第１の特徴の窒化物半導体発光素子の製造方法は、前記発光素子構造部を形成する工程が、前記第１の厚さのウェハ状の前記サファイア基板上に、ＡｌＧａＮ系半導体層を含む下地構造部を形成する工程と、前記下地構造部の結晶表面上に、ｎ型ＡｌＧａＮ系半導体層のｎ型クラッド層、ＡｌＧａＮ系半導体層を有する活性層、及び、ｐ型ＡｌＧａＮ系半導体層のｐ型クラッド層を含む発光積層部を形成する工程と、を有することを第２の特徴とする。
【００２９】
更に好ましくは、上記第１または第２の特徴の窒化物半導体発光素子の製造方法は、前記ウェハを前記チップに分割する工程においてステルスダイシングを用いることを第３の特徴とする。
【００３０】
更に好ましくは、上記第３の特徴の窒化物半導体発光素子の製造方法は、前記ステルスダイシングの処理工程において、ステルスダイシングに使用するレーザ光の前記サファイア基板内の厚さ方向の合焦位置を複数に設定することを第４の特徴とする。
【発明の効果】
【００３１】
上記特徴の窒化物半導体発光素子またはその製造方法によれば、裏面出射型の窒化物半導体発光素子において、チップサイズに関係なく、チップ内部から出射された光の内、最大限取り出し得る光の約９５％以上を、高効率にチップ外に取り出すことが可能となる。
【００３２】
ＡｌＧａＮ系半導体層で構成される窒化物半導体発光素子の場合、一般的に、下地構造部の上にｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層が順番に積層され、最上層にｐ電極とオーミック接触するｐ型コンタクト層が形成される。また、ｐ型コンタクト層として、ｐ電極と良好なオーミック接触を形成するために、ｐ型のＧａＮ層が用いられる。しかし、当該ＧａＮ層は、より大きなＡｌモル分率のＡｌＧａＮ系半導体層の活性層から出射された光を吸収するため、ＡｌＧａＮ系半導体の発光素子では、チップ上面から光を取り出すためには、ｐ電極及びｐ型コンタクト層の構造を工夫する必要がある。よって、当該ｐ型コンタクト層の問題を回避するための有効な手段として、本発明が対象とする裏面出射型の窒化物半導体発光素子がある。従って、上記特徴の窒化物半導体発光素子またはその製造方法は、ＡｌＧａＮ系半導体層で構成される窒化物半導体発光素子に、より好適であると言える。
【００３３】
尚、本発明では、ＡｌＧａＮ系半導体は、一般式ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（ｘはＡｌＮモル分率、０≦ｘ≦１）で表わされる３元（または２元）加工物を基本とし、そのバンドギャップエネルギがＧａＮ（ｘ＝０）とＡｌＮ（ｘ＝１）のバンドギャップエネルギ（約３．４ｅＶと約６．２ｅＶ）を下限及び上限とする範囲内の３族窒化物半導体であり、当該バンドギャップエネルギに関する条件を満たす限りにおいて、微量のＩｎが含有されている場合も含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】サファイア基板からチップ外への光の取り出しを模式的に説明する図である。
【図２】サファイア基板の表面上の点光源からサファイア基板内に出射する上方出射光と側方出射光を模式的に示す図である。
【図３】本発明に係る窒化物半導体発光素子の基本的な構造を模式的に示す断面図である。
【図４】本発明に係る窒化物半導体発光素子のより詳細な素子構造の一例を模式的に示す要部断面図である。
【図５】本発明に係る窒化物半導体発光素子の平面視パターンの一例を模式的に示す平面図である。
【図６】サブマウント上にフリップチップ実装された本発明に係る窒化物半導体発光素子の一例を模式的に示す断面図である。
【図７】例１の平面視形状が正方形のサファイア基板を示す平面図である。
【図８】例２の平面視形状が長方形のサファイア基板を示す平面図である。
【図９】例１及び例２のサファイア基板を示す側面図である。
【図１０】例１のサファイア基板における１５点の点光源Ｐｉｊの光取り出し効率Ｒｉｊとサファイア基板の厚さＴとの関係を示す図である。
【図１１】例１のサファイア基板における選択された５点の点光源Ｐｉｊの光取り出し効率Ｒｉｊとサファイア基板の厚さＴとの関係を示す図である。
【図１２】例２のサファイア基板における１５点の点光源Ｐｉｊの光取り出し効率Ｒｉｊとサファイア基板の厚さＴとの関係を示す図である。
【図１３】例２のサファイア基板における選択された５点の点光源Ｐｉｊの光取り出し効率Ｒｉｊとサファイア基板の厚さＴとの関係を示す図である。
【図１４】例１のサファイア基板における面光源Ｓからの光取り出し効率ＲＳ１とサファイア基板の厚さＴとの関係を示す図である。
【図１５】例２のサファイア基板における面光源Ｓからの光取り出し効率ＲＳ２とサファイア基板の厚さＴとの関係を示す図である。
【図１６】ウェハ状態とチップ状態で測定した光出力の比とサファイア基板の厚さとの関係を示す図である。
【図１７】サファイア基板の厚さＴが１００μｍの場合のチップサイズと光取り出し効率ＲＳ１の関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
本発明に係る窒化物半導体発光素子（以下、適宜「本発光素子」と称する）の実施の形態につき、図面に基づいて説明する。尚、以下の説明で使用する図面では、説明の理解の容易のために、要部を強調して発明内容を模式的に示しているため、各部の寸法比は必ずしも実際の素子と同じ寸法比とはなっていない。以下、本発光素子が発光ダイオードの場合を想定して説明する。
【００３６】
図３に示すように、本発光素子１００は、サファイア基板１と、サファイア基板１上に形成された複数の窒化物半導体層を有する発光素子構造部２と、を備えた構成となっている。更に、発光素子構造部２は、少なくとも、ｎ型窒化物半導体層のｎ型クラッド層３とｐ型窒化物半導体層のｐ型クラッド層５の間に、単一量子井戸構造または多重量子井戸構造の窒化物半導体層よりなる活性層４が挟まれたダブルへテロ構造を有している。
【００３７】
発光素子構造部２を構成する各窒化物半導体層がＡｌＧａＮ系半導体層である場合、発光素子構造部２は、一例として、図４の要部断面図に示すように、サファイア基板１上に形成されたＡｌＮ層６ａとＡｌＧａＮ層６ｂからなる下地構造部６と、当該下地構造部６上に、ｎ型ＡｌＧａＮからなるｎ型クラッド層３、活性層４、Ａｌモル分率が活性層４より大きいｐ型ＡｌＧａＮの電子ブロック層７、ｐ型ＡｌＧａＮのｐ型クラッド層５、ｐ型ＧａＮのｐ型コンタクト層８を順番に積層した発光積層部９と、を備える。
【００３８】
下地構造部６は、必ずしもＡｌＮ層６ａとＡｌＧａＮ層６ｂの２層構造である必要はなく、何れかのみの単層構造であってもよく、３層以上で構成されていてもよい。
【００３９】
発光積層部９は、ｎ型クラッド層３より上部の活性層４、電子ブロック層７、ｐ型クラッド層５、ｐ型コンタクト層８の一部が、ｎ型クラッド層３の一部表面が露出するまで反応性イオンエッチング等により除去され、ｎ型クラッド層３上の第１領域Ｒ１に活性層４からｐ型コンタクト層８までの積層構造が形成されている。更に、ｐ型コンタクト層９の表面に、例えば、Ｎｉ／Ａｕのｐ電極１０が、ｎ型クラッド層３の露出表面（第２領域Ｒ２）の一部に、例えば、Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕのｎ電極１１が形成されている。
【００４０】
また、活性層４は、一例として、ｎ型ＡｌＧａＮのバリア層４ａとＡｌＧａＮの井戸層４ｂからなる単層の量子井戸構造となっている。活性層４は、下側層と上側層にＡｌモル分率の大きいｎ型及びｐ型ＡｌＧａＮ層で挟持されるダブルヘテロジャンクション構造であれば良く、また、上記単層の量子井戸構造を多層化した多重量子井戸構造であっても良い。
【００４１】
各ＡｌＧａＮ層は、研磨等により薄板化する前のウェハ状のサファイア基板１上に、有機金属化合物気相成長（ＭＯＶＰＥ）法、或いは、分子線エピタキシ（ＭＢＥ）法等の周知のエピタキシャル成長法により形成される。ｎ型層のドナー不純物として、例えばＳｉ、ｐ型層のアクセプタ不純物として、例えばＭｇを使用している。尚、導電型を明記していないＡｌＮ層及びＡｌＧａＮ層は、不純物注入されないアンドープ層である。
【００４２】
尚、発光素子構造部２を構成する各窒化物半導体層は、ＡｌＧａＮ系半導体層に限定されるものではなく、また、ＡｌＧａＮ系半導体層の場合においても、各層の膜厚、Ａｌモル分率は、本発光素子１００の仕様に応じて適宜変更し得る。
【００４３】
発光素子構造部２が形成された後のウェハ状態の複数個の本発光素子１００は、サファイア基板１の裏面を研削及び研磨して、所定の厚さ（第２の厚さに相当）まで薄板化された後、ダイシングを行い、平面視形状が正方形または長方形のチップ状に分割して、本発光素子１００のベアチップが得られる。上記所定の厚さは、チップの平面視形状の各辺の平均長Ｌａｖの０．４５倍以上１倍以下とするのが好ましい。尚、薄板化する前のサファイア基板１の厚さ（第１の厚さに相当）は、上記所定の厚さより大きいものを使用する。
【００４４】
尚、ダイシングの方法は、特に限定されるものではなく、公知のダイシング方法を用いれば良い。但し、後述するように、本発光素子１００の薄板化後のサファイア基板１の厚さは、従来の通常の厚さよりチップサイズに応じて厚くなるので、従来一般的に使用されていたダイアモンドブレードを用いた方法より、公知のステルスダイシングを使用するのが好ましい。ステルスダイシングは、極薄半導体ウェハを高速且つ高品位にダイシングするために開発され実用化されたもので、ウェハに対して透明性のある波長のレーザ光を、ウェハ内部で焦点を結ぶように集光させて、当該合焦位置で非線形吸収効果によるレーザエネルギの局所的な吸収によって、ウェハを切断する技術である。本実施形態では、当該ステルスダイシングを厚膜ウェハのダイシングに応用する。具体的には、サファイア基板内の厚さ方向における上記合焦位置を複数設定して、各合焦位置でレーザ光をチップとチップの境界線に沿ってスキャンすることにより、ステルスダイシングを厚膜ウェハに適用する。一例として、当該合焦位置を厚さ方向に約１００μｍ間隔で設定する。
【００４５】
図５に、平面視形状が正方形のチップに分割された本発光素子１００の平面視パターンの一例を示す。図５は、各電極１０、１１が形成される前の第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２を示す。ｐ電極１０は第１領域Ｒ１のほぼ全面に形成される。第２領域はｎ型クラッド層３上の第１領域を除く領域に相当する。図５に示す本発光素子１００のチップサイズは、一例として、縦横夫々８００μｍである。尚、本発光素子１００の平面視形状は、正方形に限定されるものではなく、長方形であっても良く、チップサイズ及び第１領域Ｒ１の形状、面積も、図５に示す数値例や形状例に限定されるものではない。
【００４６】
本発光素子１００は、活性層４から出射された光を、サファイア基板１を通してチップ外に取り出す裏面出射型の発光素子であり、一例として、図６に示すように、サファイア基板１の裏面１ｒを上向きにして、ｐ電極１０とｎ電極１１を下側に向けて、サブマウント２０上に載置され、所謂フリップチップ実装される。サブマウント２０は、絶縁材料からなる基材２１の表面の一部に、アノード側の第１金属電極配線２２とカソード側の第２金属電極配線２３が夫々形成されてなる。第１及び第２金属電極配線２２，２３は、基材２１に設けられた貫通電極（図示せず）を介して、基材２１の裏面側に設けられたリード端子２４，２５と接続している。フリップチップ実装により、本発光素子１００のｐ電極１０とｎ電極１１が、バンプ２６を介して、第１及び第２金属電極配線２２，２３上に接続される。これにより、チップ状の本発光素子１００がサブマウント２０上に固定されるとともに、ｐ電極１０とｎ電極１１が、サブマウント２０に形成されたリード端子２４，２５と夫々電気的に接続される。尚、サブマウント２０上に載置された本発光素子１００は、サファイア基板１の裏面１ｒとチップ側面が、活性層４から出射された光に対して透明な樹脂で封止されるのが好ましい。また、当該封止樹脂として、屈折率が１より大きく、サファイアの屈折率より小さいものを使用するのが好ましい。
【００４７】
本発光素子１００は、サファイア基板１の厚さＴが、チップの平面視形状の各辺の平均長Ｌａｖの０．４５倍以上１倍以下であることを特徴とする。ここで、各辺の平均長Ｌａｖは、チップの平面視形状が正方形の場合は、当該正方形の１辺の長さＬに等しく、チップの平面視形状が長方形の場合は、当該長方形の長辺の長さＬ１と短辺の長さＬ２の平均値（Ｌ１＋Ｌ２）／２に等しい。
【００４８】
次に、本発光素子１００において、サファイア基板１の厚さＴが、チップの平面視形状の各辺の平均長Ｌａｖの０．４５倍以上１倍以下とする理由を、図面を参照して説明する。
【００４９】
以下の説明では、チップサイズ及びサファイア基板１の厚さＴを無次元化し、チップの平面視形状が、正方形と長方形の２種類のチップ（例１、例２）について、サファイア基板１の表面１ｔ上にある複数の点光源Ｐから出射される光について、上述した上方出射光Ｌｕの光出力Ｑｕと、第１及び第２の側方出射光Ｌｓ１，Ｌｓ２の合計光出力Ｑｓを、以下に示す計算式で、夫々近似的に算出し、当該算出結果に基づいて、面光源Ｓからのチップ外に取り出される光出力Ｑを、近似的に算出する。尚、サファイア基板１の裏面１ｒ及び側面１ｓでの全反射しない光の透過率を１００％と仮定し、透過率の影響を無視する。
【００５０】
図７に、例１の平面視形状が正方形のサファイア基板１の平面図を示し、図８に、例２の平面視形状が長方形のサファイア基板１の平面図を示し、図９に、例１及び例２のサファイア基板１の側面図を示す。平面視形状が正方形または長方形のサファイア基板１の各頂点をＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄとし、側面視した場合、裏面１ｒ上の頂点と表面１ｔ上の頂点が、厚さＴで上下に分離するので、裏面１ｒ上の各頂点をＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄとし、表面１ｔ上の対応する各頂点をＡ’，Ｂ’，Ｃ’，Ｄ’とする。尚、図７及び図８の平面図上では、頂点Ａ’，Ｂ’，Ｃ’，Ｄ’は、頂点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄと夫々同一に扱う。
【００５１】
説明の便宜上、サファイア基板１の表面１ｔと裏面１ｒが、直交座標系のｘ軸とｙ軸を含むｘｙ平面と平行な平面とし、例１の正方形の各頂点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄのｘｙ座標を、（１，１）、（１，−１）、（−１，−１）、（−１，１）とし、例２の長方形の各頂点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄのｘｙ座標を、（１，０．８）、（１，−０．８）、（−１，−０．８）、（−１，０．８）とする。ｘｙ座標の原点（０，０）は、正方形と長方形の各中心Ｏを示す。例１の正方形では、１辺の長さＬが２となり、例２の長方形では、長辺の長さＬ１が２となり、短辺の長さＬ２が１．６となる。尚、図７及び図８では、一例として、辺ＣＤの中点と辺ＡＢの中点を通る線をｘ軸、辺ＢＣの中点と辺ＤＡの中点を通る線をｙ軸、辺ＣＤから辺ＡＢに向かって＋ｘ方向、辺ＢＣから辺ＤＡに向かって＋ｙ方向とした場合を図示している。
【００５２】
例１における点光源Ｐのｘｙ座標として、次の１５点を使用する。
Ｐ００：（０，０）
Ｐ２０：（０．２，０）
Ｐ２２：（０．２，０．２）
Ｐ４０：（０．４，０）
Ｐ４２：（０．４，０．２）
Ｐ４４：（０．４，０．４）
Ｐ６０：（０．６，０）
Ｐ６２：（０．６，０．２）
Ｐ６４：（０．６，０．４）
Ｐ６６：（０．６，０．６）
Ｐ８０：（０．８，０）
Ｐ８２：（０．８，０．２）
Ｐ８４：（０．８，０．４）
Ｐ８６：（０．８，０．６）
Ｐ８８：（０．８，０．８）
【００５３】
例２における点光源Ｐのｘｙ座標として、次の１５点を使用する。
Ｐ００：（０，０）
Ｐ０３：（０，０．３）
Ｐ０６：（０，０．６）
Ｐ２０：（０．２，０）
Ｐ２３：（０．２，０．３）
Ｐ２６：（０．２，０．６）
Ｐ４０：（０．４，０）
Ｐ４３：（０．４，０．３）
Ｐ４６：（０．４，０．６）
Ｐ６０：（０．６，０）
Ｐ６３：（０．６，０．３）
Ｐ６６：（０．６，０．６）
Ｐ８０：（０．８，０）
Ｐ８３：（０．８，０．３）
Ｐ８６：（０．８，０．６）
【００５４】
１つの点光源Ｐを原点とする極座標系を想定する。点光源Ｐを通過するサファイア基板１の表面１ｔと直交する法線Ｚと、点光源Ｐから出射した光線Ｅの成す角をθとし、平面視した当該光線Ｅとｘ軸の成す角をφとし、φ＝０を＋ｘ方向とする。
【００５５】
点光源Ｐからθ方向に出射した光線Ｅの単位微小面積当たりの強度ΔＱは、下記の数１で与えられる。Ｉはθ＝０の方向へ出射した光線の単位微小面積当たりの光強度を表す定数である。
【００５６】
【数１】
2019012845.tif 000003
【００５７】
点光源Ｐから出射した上方出射光Ｌｕの光出力Ｑｕは、上述のように、全てチップ外に出射するので、点光源Ｐの位置に関係なく、下記の数２で与えられる。
【００５８】
【数２】
2019012845.tif 000004
【００５９】
点光源Ｐからサファイア基板１内に出射された全出射光の光出力Ｑａｌｌは、上記数２において、θを０〜π／２の範囲で積分して算出され、Ｑａｌｌ＝Ｉπとなる。一方、臨界角θｃが３３．７５°（サファイアの屈折率が１．８）の場合、Ｑｕ＝Ｉπ×０．３０９となる。従って、全出射光の光出力Ｑａｌｌに対する上方出射光Ｌｕの光出力Ｑｕの占める割合は、約３０％となる。
【００６０】
点光源Ｐから出射した第１及び第２の側方出射光Ｌｓ１，Ｌｓ２の合計光出力Ｑｓは、下記の数３に示すように、頂点Ａ，Ｂ，Ｂ’，Ａ’で囲まれた側面１ｓ１を通過する光出力Ｑｓ１と、頂点Ｂ，Ｃ，Ｃ’，Ｂ’で囲まれた側面１ｓ２を通過する光出力Ｑｓ２と、頂点Ｃ，Ｄ，Ｄ’，Ｃ’で囲まれた側面１ｓ３を通過する光出力Ｑｓ３と、頂点Ｄ，Ａ，Ａ’，Ｄ’で囲まれた側面１ｓ４を通過する光出力Ｑｓ４に、分解される。
【００６１】
【数３】
2019012845.tif 000005
【００６２】
一例として、光出力Ｑｓ１は、下記の数４で与えられる。
【００６３】
【数４】
2019012845.tif 000006
【００６４】
上記数４において、図７に示すように、点光源Ｐから線分ＡＢに下ろした垂線Ｐ１の方向をφ＝０とし、垂線Ｐ１と線分ＰＡの成す角度をφ１Ａ、垂線Ｐ１と線分ＰＢの成す角度をφ１Ｂとする。尚、図７では、角度φの正方向を半時計方向としているので、数４では、φ１Ａが正値、φ１Ｂが負値となっている。φ１Ａ及びφ１Ｂは、下記の数５及び数６で与えられる。尚、数５及び数６中、ｘｐ、ｙｐは点光源Ｐのｘ座標、ｙ座標であり、ｘＡ、ｙＢは頂点Ａのｘ座標、ｙ座標であり、ｘＢ、ｙＢは頂点Ｂのｘ座標、ｙ座標である。
【００６５】
【数５】
2019012845.tif 000007
【数６】
2019012845.tif 000008
【００６６】
上記数４において、図９に示すように、点光源Ｐから裏面１ｒに下ろした垂線Ｚの方向をθ＝０とし、点光源Ｐから（θ、φ）方向に出射した光が、裏面１ｒの点Ｒで全反射し、丁度、線分Ａ’Ｂ'上の点Ｍに到達する場合の角度θをθ１として、θ１と臨界角θｃの大きい方をθｘとしている。（θ１、φ）方向と（θｘ、φ）方向の間で出射した光は、上方出射光Ｌｕとなるから、数４の積分範囲から当該範囲を除外する。
【００６７】
点光源Ｐと点Ｒから表面１ｔに下ろした垂線と表面１ｔの交点Ｒ’との距離Ｌｍは、下記の数７で与えられ、角度θ１は、下記の数８で与えられる。数８中のＴは、サファイア基板１の厚さである。
【００６８】
【数７】
2019012845.tif 000009
【数８】
2019012845.tif 000010
【００６９】
以上より、θ１がφの関数θ１（φ）となり、φの値に応じてθ１（φ）とθｃの大小関係が変化するので、上記数４の定積分において、θｘは、θ１（φ）＞θｃの場合は、θｘ＝θ１（φ）とし、θ１（φ）≦θｃの場合は、θｘ＝θｃとする。
【００７０】
他の３つの側面１ｓ２〜１ｓ４を通過する光出力Ｑｓ２〜Ｑｓ４については、頂点Ａ，Ｂを、頂点Ｂ，Ｃ、頂点Ｃ，Ｄ、頂点Ｄ，Ａに順次変更し、光出力Ｑｓ１と同様の要領により算出できる。具体的には、φ＝０となる方向（＋ｘ方向）を９０度ずつ回転させて、点光源Ｐ及び各頂点Ａ〜Ｄのｘｙ座標の値を変換し、上記の数４〜数６の（φ１Ａ，φ１Ｂ）を、（φ２Ｂ，φ２Ｃ）、（φ３Ｃ，φ３Ｄ）、（φ４Ｄ，φ４Ａ）に置き換え、数７のＬｍも同様に変更して、上記数４を、他の光出力Ｑｓ２〜Ｑｓ４用に変換することができる。よって、光出力Ｑｓ２〜Ｑｓ４の算出方法は基本的に光出力Ｑｓ１と同様であるので、重複する説明は割愛する。
【００７１】
以上より、点光源Ｐから出射し、サファイア基板１を通過してチップ外に取り出せる総光出力Ｑｕｓは、上記要領で算出した第１及び第２の側方出射光Ｌｓ１，Ｌｓ２の合計光出力Ｑｓと上方出射光Ｌｕの光出力Ｑｕの合計として算出できる。
【００７２】
図１０〜図１３に、例１の正方形のチップと例２の長方形のチップにおいて、上述の１５点の各点光源Ｐｉｊに対して算出した、総光出力Ｑｕｓの計算結果を示す。図１０〜図１３では、横軸がサファイア基板１の厚さＴであり、縦軸が各点光源Ｐｉｊの総光出力Ｑｕｓを全出射光の光出力Ｑａｌｌで除した光取り出し効率Ｒｉｊである。図１０は、例１の１５点の点光源Ｐｉｊの全ての計算結果を示し、図１１は、例１の選択された５点の点光源Ｐ００，Ｐ４０，Ｐ４４，Ｐ８０，Ｐ８８の計算結果を示し、図１２は、例２の１５点の点光源Ｐｉｊの全ての計算結果を示し、図１３は、例２の選択された５点の点光源Ｐ００，Ｐ０６，Ｐ４３，Ｐ８０，Ｐ８６の計算結果を示す。
【００７３】
図１０及び図１２より、チップ形状が正方形と長方形の何れにおいても、点光源Ｐｉｊの位置によって、点光源Ｐｉｊの光取り出し効率Ｒｉｊが変化していることが分かる。しかし、何れの点光源Ｐｉｊにおいても、サファイア基板１の厚さＴが大きくなるにつれ、光取り出し効率をＲｉｊが増加し、最終的に１に収束することが分かる。
【００７４】
点光源Ｐｉｊの位置による光取り出し効率Ｒｉｊの違いの詳細は、図１１及び図１３によって、より明確になる。例１の正方形のチップの場合、厚さＴが約０．６５以下では、チップ中心に近い点光源Ｐより、チップ周辺に近い点光源Ｐの方が、光取り出し効率Ｒｉｊが高く、逆に、厚さＴが約０．６５以上では、チップ中心に近い点光源Ｐの方が、チップ周辺に近い点光源Ｐの方より、光取り出し効率Ｒｉｊが高くなる。例２の長方形のチップの場合、厚さＴが約０．５８以下では、チップ中心に近い点光源Ｐより、チップ周辺に近い点光源Ｐの方が、光取り出し効率Ｒｉｊが高く、逆に、厚さＴが約０．５８以上では、チップ中心に近い点光源Ｐの方が、チップ周辺に近い点光源Ｐの方より、光取り出し効率Ｒｉｊが高くなる。
【００７５】
このことは、チップ周辺に近い点光源Ｐの場合、サファイア基板１の４つの側面１ｓの内の１面または２面に近接するため、サファイア基板１の厚さＴの減少に対して、第１及び第２の側方出射光Ｌｓ１，Ｌｓ２の合計光出力Ｑｓの内、当該１面または２面の側面１ｓから出射する光出力の減少が顕著ではないためと考えられる。また、例１の正方形のチップと例２の長方形のチップを比較すると、長方形のチップの方が、チップの短辺側の周辺に近い点光源Ｐでは、２面の側面１ｓに近接する度合いが高くなるので、同じ厚さでも光出力Ｑｓは大きくなることが分かる。
【００７６】
上記各点光源Ｐｉｊの総光出力Ｑｕｓが、各点光源Ｐｉｊを中心とする０．２×０．２の小区画の面光源Ｓｉｊの光出力の平均値と見做せるので、上記各点光源Ｐｉｊの総光出力Ｑｕｓの集合が、面光源Ｓの光出力ＱＳｕｓとなる。ここでは、離散的な１５の点光源Ｐｉｊのチップ内の配置の対称性を考慮して、各点光源Ｐｉｊの光取り出し効率Ｒｉｊの加重平均値を算出することで、面光源Ｓからの光取り出し効率の概算値を得ることができる。本実施形態では、各点光源Ｐｉｊの光取り出し効率をＲｉｊとし、例１の正方形のチップの面光源Ｓからの光取り出し効率ＲＳ１を、下記の数９により、例２の長方形のチップの面光源Ｓからの光取り出し効率ＲＳ２を、下記の数１０により、夫々算出した。加重平均の係数は、点光源がｘ及びｙ方向に夫々０．２間隔で満遍なく分散配置された場合を想定した値となっている。例２では、例えば、点光源Ｐ２３は、ｘｙ座標（０．２，０．２）と（０．２，０．４）の２つの点光源Ｐ２２，Ｐ２４を代表している。
【００７７】
【数９】
2019012845.tif 000011
【数１０】
2019012845.tif 000012
【００７８】
図１４に例１の正方形のチップの面光源Ｓからの光取り出し効率ＲＳ１を示し、図１５に例２の長方形のチップの面光源Ｓからの光取り出し効率ＲＳ２を示す。横軸がサファイア基板１の厚さＴであり、縦軸が光取り出し効率ＲＳ１，ＲＳ２である。
【００７９】
図１４より、例１の正方形のチップの場合、厚さＴが０．９以上で、光取り出し効率ＲＳ１が０．９５３以上となっており、厚さＴが１以上で、光取り出し効率ＲＳ１が０．９７０以上となっている。また、厚さＴが１．６で０．９９９７（ほぼ１）に収束し、厚さＴが１．９５で完全に１に収束している。チップ中心Ｏの点光源Ｐ００の光取り出し効率Ｒ００が、厚さＴが０．９以上で、０．９９１以上となっており、厚さＴが１以上で、０．９９９以上となっており、総合的に見て、厚さＴが０．９以上で、光取り出し効率の向上が十分に図れていると判断できる。更に、厚さＴが１以上で、より完璧に光取り出し効率の改善を図ることができる。光取り出し効率ＲＳ１が１．９５の厚さＴで完全に１に収束しているので、誤差を考慮しても、厚さＴを２より大きくするメリットはない。実質的には、厚さＴは１．６以下で十分である。
【００８０】
図１５より、例２の長方形のチップの場合、厚さＴが０．８以上で、光取り出し効率ＲＳ２が０．９５３以上となっており、厚さＴが０．９以上で、光取り出し効率ＲＳ２が０．９７１以上となっている。また、厚さＴが１．４５で０．９９９７（ほぼ１）に収束し、厚さＴが１．７で完全に１に収束している。チップ中心Ｏの点光源Ｐ００の光取り出し効率Ｒ００が、厚さＴが０．８以上で、０．９８８以上となっており、厚さＴが０．９以上で、０．９９９以上となっており、総合的に見て、厚さＴが０．８以上で、光取り出し効率の向上が十分に図れていると判断できる。更に、厚さＴが０．９以上で、より完璧に光取り出し効率の改善を図ることができる。光取り出し効率ＲＳ２は厚さＴが１．７で完全に１に収束しているので、誤差を考慮しても、厚さＴを１．８より大きくするメリットはない。実質的には、厚さＴは１．４５以下で十分である。
【００８１】
以上、図１４及び図１５に示す例１の正方形のチップと例２の長方形のチップの光取り出し効率ＲＳ１，ＲＳ２の計算結果より、サファイア基板１の厚さＴは、チップの平面視形状が正方形と長方形に何れにおいても、チップの平面視形状の各辺の平均長Ｌａｖの０．４５倍以上１倍以下であることが好ましい。更に好ましくは、厚さＴは、平均長Ｌａｖの０．５倍以上１倍以下、または、平均長Ｌａｖの０．４５倍以上０．８倍以下、更には、０．５倍以上０．８倍以下であることが好ましい。
【００８２】
また、同じチップ面積では、正方形の方が、長方形より平均長Ｌａｖが短くなるので、同じ光取り出し効率を得られるサファイア基板１の厚さＴは小さくなる。
【００８３】
ところで、図１４及び図１５に示す光取り出し効率ＲＳ１，ＲＳ２の計算結果は、面光源Ｓがチップ全面の８０％程度に存在すると仮定しているが、実際のチップでは、活性層（第１領域Ｒ１）の平面視パターンは、図５に示すような櫛形のものや、よりチップ中央に寄ったパターンのものも想定される。しかし、斯かる平面視パターンでは、上述の１５点の点光源Ｐｉｊの内、チップ周辺の点光源の占有率が減少することになり、平均長Ｌａｖに対する厚さＴの比が０．３３を超える範囲では、光取り出し効率ＲＳ１，ＲＳ２はより向上するものと考えられる。つまり、図１４及び図１５に示す光取り出し効率ＲＳ１，ＲＳ２の計算結果は、種々の平面視パターンの活性層に対してワーストケースを示していると言える。
【００８４】
次に、サファイア基板１の厚さＴが、チップの平面視形状の各辺の平均長Ｌａｖの０．４５倍以上１倍以下で、面光源Ｓからの光取り出し効率の向上が十分に図れることを裏付ける２種類の実験結果について説明する。
【００８５】
最初の実験結果は、薄板化前のウェハ状態における発光素子（ＬＥＤ）の光出力ＱＳｗａｆｅｒを測定し、薄板化した後の当該ウェハをダイシングしてチップに分割した後、再度、光出力ＱＳｃｈｉｐを測定し、その光出力比（ＱＳｃｈｉｐ／ＱＳｗａｆｅｒ）を算出した。使用したサンプルは、図５に例示した平面視パターンのダイシング後のチップサイズが８００μｍ角のＬＥＤである。薄板化した後のサファイア基板の厚さＴは、１５０μｍ、２００μｍ、４３０μｍ、６５０μｍの４通りである。光出力ＱＳｗａｆｅｒは、順方向電流２０ｍＡで積分球照度計を用いて測定し、光出力ＱＳｃｈｉｐは、順方向電流６０ｍＡで積分球照度計を用いて測定した。図１６にその算出結果を示す。
【００８６】
上記４通りの厚さＴのチップサイズ８００μｍ（平均長Ｌａｖ＝８００μｍ）に対する比（Ｔ／Ｌａｖ）は、夫々、０．１８７５、０．２５、０．５３７５、０．８１２５となっている。尚、光出力比（ＱＳｃｈｉｐ／ＱＳｗａｆｅｒ）の最大値が、１より大きく４．５倍程度となっているのは、ウェハ状態では、チップ外に取り出せる光が、上述の上方出射光Ｌｕに限定され、サファイア基板の側面からの光取り出しができないため、光取り出し効率が、全出射光の光出力Ｑａｌｌに対する上方出射光Ｌｕの光出力Ｑｕの割合である約３０％に制限される点と、光出力ＱＳｗａｆｅｒの測定において、チップ外に取り出した光の全てが積分球照度計で捕捉されていない点、順方向電流の差などにより、ウェハ状態での光取り出し効率が、２０％〜２５％程度に制限されるためと考えられる。
【００８７】
図１６に示す結果では、上記比（Ｔ／Ｌａｖ）が０．１８７５、０．２５、０．５３７５、０．８１２５で、光出力比（ＱＳｃｈｉｐ／ＱＳｗａｆｅｒ）は、３．３、３．６８、４．５、４，５となっている。これより、Ｔ／Ｌａｖが０．５３７５以上で、既に、光出力比（ＱＳｃｈｉｐ／ＱＳｗａｆｅｒ）が約４．５に飽和している状態である。ここで、各光出力比（ＱＳｃｈｉｐ／ＱＳｗａｆｅｒ）を当該飽和値で正規化すると、正規化後の光出力比は、０．７３、０．８２、１、１となる。
【００８８】
一方、図１４に示す計算結果では、厚さＴが、０．３、０．５、１、１．６で、上記比（Ｔ／Ｌａｖ）が夫々、０．１８７５、０．２５、０．５、０．８となり、当該厚さＴでの光取り出し効率ＲＳ１は、０．６６、０．８１、０．９７、１．００となっている。以上より、図１６に示す実験結果の光出力比（ＱＳｃｈｉｐ／ＱＳｗａｆｅｒ）と、図１４に示す例１の正方形のチップの光取り出し効率ＲＳ１の計算結果とは、極めて良好に一致していると言える。
【００８９】
第２の実験結果は、サファイア基板の側面からの光取り出しの比率を検証した実験である。図５に例示した平面視パターンのダイシング後のチップサイズが８００μｍ角で、サファイア基板の厚さＴが４３０μｍのＬＥＤの３サンプルに対して、光出力ＱＳ０を測定し、その後、サファイア基板の側面の４面にグリスを塗布し、側面から出射した光を当該グリスで吸収させるようにし、再度、光出力ＱＳ１を測定し、側面比率（ＱＳ０−ＱＳ１）／ＱＳ０を算出した。各サンプルの光出力ＱＳ０が、３．３３ｍＷ、３．０５ｍＷ、３．０５ｍＷであったのに対し、光出力ＱＳ１は夫々、０．９７、０．６１、０．６８に減少していた。この結果、側面比率（ＱＳ０−ＱＳ１）／ＱＳ０は、０．７１、０．８０、０．７８と算出された。これより、サファイア基板の厚さを十分に厚くすると、側面からの光取り出しの比率は、７０％〜８０％に及ぶことが分かった。上述のように、全出射光の光出力Ｑａｌｌに対する上方出射光Ｌｕの光出力Ｑｕの割合は約３０％であるが、その一部の光は、直接側面に到達する光も含むため、側面からの光取り出しの比率が７０％〜８０％という結果と符合する。
【００９０】
以上、上記２つの実験結果より、図１４及び図１５に示す例１の正方形のチップと例２の長方形のチップの光取り出し効率ＲＳ１，ＲＳ２の計算結果が、実用上問題ないことが明らかとなった。
【００９１】
背景技術の項で説明したように、窒化物半導体発光素子の分野では、サファイア基板の厚さＴは、一般に１００μｍ前後のものが使用されている。よって、サファイア基板の厚さＴを当該１００μｍに固定した場合、正方形のチップのチップサイズを大きくすると、光取り出し効率ＲＳ１がどのように低下するかを、図１４の光取り出し効率ＲＳ１の計算結果から算出した結果を、図１７に示す。
【００９２】
図１７に示すように、チップサイズが４００μｍで、光取り出し効率ＲＳ１は０．８１に低下し、チップサイズが５００μｍで、光取り出し効率ＲＳ１は０．７４に低下し、チップサイズが６６７μｍで、光取り出し効率ＲＳ１は０．６６に低下し、チップサイズが１０００μｍで、光取り出し効率ＲＳ１は０．５５に低下し、チップサイズが２０００μｍで、光取り出し効率ＲＳ１は０．４１にまで低下する。サファイア基板の側面からの光取り出しを無視して、従来のように、サファイア基板の厚さＴを１００μｍ前後に設定していると、チップの大型化、つまり、発光素子の高効率、高出力化は達成し得ない。従って、サファイア基板の厚さＴは、チップサイズに応じて最適化する必要があり、この場合、チップの平面視形状の各辺の平均長Ｌａｖの０．４５倍以上１倍以下に設定するのが好ましい。更に、このようにサファイア基板の厚さＴを平均長Ｌａｖを基準に設定することの効果は、平均長Ｌａｖが、例えば、４００μｍ以上で顕著であり、更に大きくなる程、その効果は大きくなる。本実施形態では、当該平均長Ｌａｖとしては、特定の値に限定されるものではないが、４００μｍ以上、特に、５００μｍ以上となる場合を想定している。
【産業上の利用可能性】
【００９３】
本発明に係る窒化物半導体発光素子は、サファイア基板を通して活性層からの発光を素子外部に出力する裏面出射型の窒化物半導体発光素子に適用することで、光取り出しの高効率化が図れる。
【符号の説明】
【００９４】
１００：  窒化物半導体発光素子
１：      サファイア基板
１ｒ：    サファイア基板の裏面
１ｓ：    サファイア基板の側面
１ｔ：    サファイア基板の表面
２：      発光素子構造部
３：      ｎ型クラッド層
４：      活性層
４ａ：    バリア層
４ｂ：    井戸層
５：      ｐ型クラッド層
６：      下地構造部
６ａ：    ＡｌＮ層
６ｂ：    ＡｌＧａＮ層
７：      電子ブロック層
８：      ｐ型コンタクト層
９：      発光積層部
１０：    ｐ電極
１１：    ｎ電極
２０：    サブマウント
２１：    基材
２２：    第１金属電極配線
２３：    第２金属電極配線
２４，２５：  リード端子
２６：    バンプ
Ｐ：      点光源
Ｓ：      面光源
Ｒ１：    第１領域
Ｒ２：    第２領域
【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９】
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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１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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