(57)【要約】【課題】光取出し効率を改善することにより発光出力を向上させた窒化物ＬＥＤを提供すること。【解決手段】窒化物半導体発光ダイオード素子１は、底面および上面を有し、内部に発光層１２ｂを含む窒化物半導体層１２を備え、窒化物半導体層１２の底面側には金属からなる保持基板１１が接合されている。窒化物半導体層１２の底面には、発光層１２ｂで生じた光を上面側に反射する光反射凹部Ａ１が形成されている。窒化物半導体発光ダイオード素子１では、発光層１２ｂで発生した光のうち、窒化物半導体層１２内を層方向に伝播する光が、光反射凹部Ａ１により反射されて進行方向を変えるために、窒化物半導体層１２の上面に臨界角以内で入射する光の割合が大きくなる。よって、従来の窒化物半導体発光ダイオード素子に比べて、光取出し効率が改善される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
底面および上面を有し、内部に発光層を含む窒化物半導体層を備え、該窒化物半導体層の底面側に金属または半導体からなる保持基板が接合された窒化物半導体発光ダイオード素子であって、
前記窒化物半導体層の底面には、前記発光層で生じた光を上面側に反射する光反射凹部が形成されていることを特徴とする、窒化物半導体発光ダイオード素子。
【請求項２】
前記光反射凹部が前記発光層に達している請求項１に記載の窒化物半導体発光ダイオード素子。
【請求項３】
前記窒化物半導体層の底面の形状が方形であり、前記光反射凹部が溝であり、該溝の長さの合計が、前記方形の対角線の長さの４倍以下である、請求項２に記載の窒化物半導体発光ダイオード素子。
【請求項４】
前記溝の幅が５μｍ以下である請求項２または３に記載の窒化物半導体発光ダイオード素子。
【請求項５】
前記窒化物半導体層の底面の形状が方形であり、該底面には、光反射凹部として溝が形成されており、該溝は前記方形の全ての辺と１０度〜８０度の角度で交わる方向に伸びる部分を有しており、該部分の長さの合計が前記方形の対角線の長さの５０％以上である、請求項１〜４のいずれかに記載の窒化物半導体発光ダイオード素子。
【請求項６】
前記窒化物半導体層の底面の形状が四角形または六角形であり、該底面には光反射凹部として直線状の溝が一本のみ、該四角形または六角形の対角線のひとつに沿って形成されており、かつ、該溝の長さが該対角線の長さと実質的に等しい、請求項１または２に記載の窒化物半導体発光ダイオード素子。
【請求項７】
前記光反射凹部の断面がＶ字状または台形状である、請求項１〜６のいずれかに記載の窒化物半導体発光ダイオード素子。
【請求項８】
前記保持基板が、前記窒化物半導体層の上に堆積された金属からなる、請求項１〜７のいずれかに記載の窒化物半導体発光ダイオード素子。
【請求項９】
前記保持基板が、前記窒化物半導体層に直接ウェハボンディングにより接合された半導体基板である、請求項１〜７のいずれかに記載の窒化物半導体発光ダイオード素子。
【請求項１０】
前記光反射凹部の内壁面が、前記窒化物半導体層の側面と連続していない、請求項９に記載の窒化物半導体発光ダイオード素子。
【請求項１１】
前記保持基板が、前記発光層のバンドギャップエネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを有する半導体からなる、請求項９または１０に記載の窒化物半導体発光ダイオード素子。
【請求項１２】
前記保持基板がＺｎＯからなる、請求項１１に記載の窒化物半導体発光ダイオード素子。
【請求項１３】
前記窒化物半導体層の上面に、当該窒化物半導体層の成長に用いられた半導体基板に由来する透光性半導体層が接合されている、請求項１〜１２のいずれかに記載の窒化物半導体発光ダイオード素子。
【請求項１４】
前記透光性半導体層が、前記窒化物半導体層の屈折率と同程度、あるいは、それよりも高い屈折率を有している、請求項１３に記載の窒化物半導体発光ダイオード素子。
【請求項１５】
前記透光性半導体層が、窒化物半導体基板またはＳｉＣ基板に由来している、請求項１３に記載の窒化物半導体発光ダイオード素子。
【請求項１６】
前記透光性半導体層の表面が凹凸状に加工されている、請求項１３〜１５のいずれかに記載の窒化物半導体発光ダイオード素子。
【請求項１７】
前記透光性半導体層の表面に錐体状または錐台状の突起が形成されている、請求項１６に記載の窒化物半導体発光ダイオード素子。
【請求項１８】
前記透光性半導体層の表面が、錐体状、錘台状またはドーム状に加工されている、請求項１３〜１５のいずれかに記載の窒化物半導体発光ダイオード素子。
【請求項１９】
前記窒化物半導体層の上面の上にパッド電極を有しており、該パッド電極が、前記光反射凹部の上方を避けるように形成されている、請求項１〜１２のいずれかに記載の窒化物半導体発光ダイオード素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光素子構造の主要部を窒化物半導体で構成した窒化物半導体発光ダイオード素子（以下「窒化物ＬＥＤ」ともいう。）に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化物半導体は、化学式ＡｌａＩｎｂＧａ１−ａ−ｂＮ（０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、０≦ａ＋ｂ≦１）で表される化合物半導体であり、３族窒化物半導体、窒化ガリウム系半導体などとも呼ばれる。上記化学式において、３族元素の一部をＢ（ホウ素）、Ｔｌ（タリウム）などで置換したもの、また、Ｎ（窒素）の一部をＰ（リン）、Ａｓ（ヒ素）、Ｓｂ（アンチモン）、Ｂｉ（ビスマス）などで置換したものも、窒化物半導体に含まれる。
【０００３】
底面および上面を有し、内部に発光層を含む窒化物半導体層を備え、該窒化物半導体層の底面側に、金属または半導体からなる保持基板が接合された、垂直型の素子構造を有する窒化物ＬＥＤが公知である（特許文献１、特許文献２）。かかる構成を有する窒化物ＬＥＤでは、発光層で生じた光が窒化物半導体層の上面側から取り出される。
【特許文献１】米国特許公開公報２００６／０１５４３８９号
【特許文献２】特開２００６−１５６９５０号公報
【特許文献３】特開２００３−２１８３８３号公報
【特許文献４】特開２００６−２６１６５９号公報
【特許文献５】特開２００４−１３４８０３号公報
【特許文献６】特表２００６−５０１６５６
【特許文献７】特開２００５−３０２８０４
【特許文献８】特開２００６−５４２９５号公報
【非特許文献１】ジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジクス，第４５巻，第３９号，２００６年，第Ｌ１０４５〜Ｌ１０４７頁（Ｊａｐａｎｅｓｅ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｖｏｌ．４５，Ｎｏ．３９，２００６，ｐｐ．Ｌ１０４５−Ｌ１０４７）
【非特許文献２】ジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジクス，第４４巻，第１０号，２００５年，第７４１４〜７４１７頁（Ｊａｐａｎｅｓｅ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｖｏｌ．４４，Ｎｏ．１０，２００５，ｐｐ．７４１４−７４１７）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
窒化物ＬＥＤは、樹脂、ガラス等の透光性材料で封止されるか、あるいは気密封止された状態で使用されるが、窒化物半導体の屈折率が、樹脂、ガラスおよび空気の屈折率よりもかなり高いために、素子の光取出し効率が低いという問題がある。つまり、発光層で生じた光のうち、窒化物半導体層の上面に臨界角以内で入射する光だけが、素子の外部に効率的に放射されるのであるが、この臨界角が小さいために、多くの光が窒化物半導体層内を層方向に伝播することになる。この伝播光は発光層などにより吸収を受け、熱に変換される。
【０００５】
本発明はこのような事情に鑑みなされたものであり、その目的は、光取出し効率を改善することにより発光出力を向上させた窒化物ＬＥＤを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明の実施形態に係る窒化物半導体発光ダイオード素子は、次の特徴を有する。
【０００７】
（１）底面および上面を有し、内部に発光層を含む窒化物半導体層を備え、該窒化物半導体層の底面側に金属または半導体からなる保持基板が接合された窒化物半導体発光ダイオード素子であって、前記窒化物半導体層の底面には、前記発光層で生じた光を上面側に反射する光反射凹部が形成されていることを特徴とする、窒化物半導体発光ダイオード素子。
（２）前記光反射凹部が前記発光層に達している請求項１に記載の窒化物半導体発光ダイオード素子。
（３）前記窒化物半導体層の底面の形状が方形であり、前記光反射凹部が溝であり、該溝の長さの合計が、前記方形の対角線の長さの４倍以下である、前記（２）に記載の窒化物半導体発光ダイオード素子。
（４）前記溝の幅が５μｍ以下である前記（２）または（３）に記載の窒化物半導体発光ダイオード素子。
（５）前記窒化物半導体層の底面の形状が方形であり、該底面には、光反射凹部として溝が形成されており、該溝は前記方形の全ての辺と１０度〜８０度の角度で交わる方向に伸びる部分を有しており、該部分の長さの合計が前記方形の対角線の長さの５０％以上である、前記（１）〜（４）のいずれかに記載の窒化物半導体発光ダイオード素子。
（６）前記窒化物半導体層の底面の形状が四角形または六角形であり、該底面には光反射凹部として直線状の溝が一本のみ、該四角形または六角形の対角線のひとつに沿って形成されており、かつ、該溝の長さが該対角線の長さと実質的に等しい、前記（１）または（２）に記載の窒化物半導体発光ダイオード素子。
（７）前記光反射凹部の断面がＶ字状または台形状である、前記（１）〜（６）のいずれかに記載の窒化物半導体発光ダイオード素子。
（８）前記保持基板が、前記窒化物半導体層の上に堆積された金属からなる、前記（１）〜（７）のいずれかに記載の窒化物半導体発光ダイオード素子。
（９）前記保持基板が、前記窒化物半導体層に直接ウェハボンディングにより接合された半導体基板である、前記（１）〜（７）のいずれかに記載の窒化物半導体発光ダイオード素子。
（１０）前記光反射凹部の内壁面が、前記窒化物半導体層の側面と連続していない、前記（９）に記載の窒化物半導体発光ダイオード素子。
（１１）前記保持基板が、前記発光層のバンドギャップエネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを有する半導体からなる、前記（９）または（１０）に記載の窒化物半導体発光ダイオード素子。
（１２）前記保持基板がＺｎＯからなる、前記（１１）に記載の窒化物半導体発光ダイオード素子。
（１３）前記窒化物半導体層の上面に、当該窒化物半導体層の成長に用いられた半導体基板に由来する透光性半導体層が接合されている、前記（１）〜（１２）のいずれかに記載の窒化物半導体発光ダイオード素子。
（１４）前記透光性半導体層が、前記窒化物半導体層の屈折率と同程度、あるいは、それよりも高い屈折率を有している、前記（１３）に記載の窒化物半導体発光ダイオード素子。
（１５）前記透光性半導体層が、窒化物半導体基板またはＳｉＣ基板に由来している、前記（１３）に記載の窒化物半導体発光ダイオード素子。
（１６）前記透光性半導体層の表面が凹凸状に加工されている、前記（１３）〜（１５）のいずれかに記載の窒化物半導体発光ダイオード素子。
（１７）前記透光性半導体層の表面に錐体状または錐台状の突起が形成されている、前記（１６）に記載の窒化物半導体発光ダイオード素子。
（１８）前記透光性半導体層の表面が、錐体状、錘台状またはドーム状に加工されている、前記（１３）〜（１５）のいずれかに記載の窒化物半導体発光ダイオード素子。
（１９）前記窒化物半導体層の上面の上にパッド電極を有しており、該パッド電極が、前記光反射凹部の上方を避けるように形成されている、前記（１）〜（１２）のいずれかに記載の窒化物半導体発光ダイオード素子。
【発明の効果】
【０００８】
従来の窒化物半導体発光ダイオード素子では、発光層で発生した光のうち、窒化物半導体層内を層方向に伝播する光は、素子の外部に放射されることなく熱に変換されていた。これに対し、本発明の実施形態に係る窒化物半導体発光ダイオード素子では、このような光が光反射凹部により反射されて進行方向を変えるために、窒化物半導体層の上面に臨界角以内で入射する光の割合が大きくなり、光取出し効率が改善される。本発明によれば、照明装置用の光源などとして好適に用いることのできる、発光出力の大きな窒化物半導体発光ダイオード素子を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
（実施形態１）
図１に、本発明の一実施形態に係る窒化物ＬＥＤの断面図を示す。図１に示す窒化物ＬＥＤ１は、金属からなる保持基板１１の上に、窒化物半導体層１２が積層された構成を有している。換言すれば、窒化物半導体層１２の底面側に、金属からなる保持基板１１が接合されている。窒化物半導体層１２は積層構造を備えており、底面側から順に、ｐ型層１２ａと、発光層１２ｂと、ｎ型層１２ｃとを有している。窒化物半導体層１２の底面には光反射凹部Ａ１が形成されている。この光反射凹部Ａ１は線状の凹部、すなわち、溝であり、その長手方向は紙面と交わる方向となっている。ｐ型層１２ａの表面にはコンタクト層Ｐ１１が形成されている。また、コンタクト層Ｐ１１が形成された領域を除く窒化物半導体層１２の表面（ｐ型層１２ａ側の表面）には、絶縁膜Ｐ１２が形成されている。コンタクト層Ｐ１１および絶縁膜Ｐ１２の表面と保持基板１１の間には、薄膜金属層Ｐ１３が介在されている。窒化物半導体層１２の上面の一部には、パッド電極Ｐ１４が形成されている。
【００１０】
窒化物ＬＥＤ１において、発光層１２ｂで発生する光のうち、窒化物半導体層１２の上面に直接、臨界角以内で入射する光の量は少なく、多くの光は、窒化物半導体層１２内を層方向（窒化物半導体層１２に平行な方向）に伝播することになる。従来の窒化物ＬＥＤでは、このような伝播光の殆どが窒化物半導体層の内部で熱に変換され、損失となっていた。それに対して、窒化物ＬＥＤ１では、この伝播光の少なくとも一部が光反射凹部Ａ１により反射されてその進行方向を変える。その結果、窒化物半導体層１２の上面に臨界角以内で入射する光の割合が大きくなるので、窒化物半導体層１２の上面から素子外に出射する光の量が多くなる。
【００１１】
光反射凹部Ａ１は線状（溝）であるために、これをドット状（孔）とした場合よりも、窒化物半導体層１２内を横方向に伝播する光が、この光反射凹部Ａ１に出会い、反射を受ける確率が高くなっている。窒化物半導体層１２の底面に線状の光反射凹部を設ける場合、その数は一本であってもよい。底面の形状が四角形または六角形である窒化物半導体層の底面に線状の光反射凹部Ａ１を一本のみ形成する場合には、その四角形または六角形の対角線のひとつに沿って、かつ、その長さが該対角線の長さと実質的に等しくなるように、凹部を形成すると、光取出し効率の向上を効果的に達成することができる。そのメカニズムを図２を用いて説明する。図２（ａ）の例では、窒化物半導体層１２の底面が四角形で、その対角線のうちのひとつに沿って、該対角線の長さと実質的に同じ長さを有する、線状の光反射凹部Ａ１１が形成されている。位置Ｘで発生して、窒化物半導体層１２内を伝播する光は、光反射凹部Ａ１１に近づく方向（方向１）か、光反射用凹部Ａ１１に平行な方向（方向２）か、あるいは、光反射用凹部Ａ１から遠ざかる方向（方向３）の、いずれかの方向に進行するが、３種類の方向のいずれに進んだ光も、光反射凹部Ａ１１により反射を受けることになる。方向１に進んだ光が光反射凹部Ａ１１により反射を受けることは勿論であるが、方向２や方向３に進んだ光も、窒化物半導体層１２の側面で反射されるうちに進行方向を変え、光反射凹部Ａ１１と出会うことになるからである。これに対して、図２（ｂ）の例のように、光反射凹部Ａ１２を四角形の１辺に平行に形成すると、図２（ｂ）中に矢印で示す伝播光は、窒化物半導体層１２の側面で反射を受けても、その進行方向は常に光反射用凹部Ａ１２に平行となるため、光反射凹部Ａ１２と出会うことがない。また、図２（ｃ）の例のように、光反射凹部Ａ１３を対角線に沿って形成するが、その長さが該対角線と比べてかなり短い場合には、図２（ｃ）に矢印で示す伝播光のように、窒化物半導体層１２の側面で反射されて進行方向を変えるにもかかわらず、光反射凹部Ａ１３と出会わない伝播光が存在することになる。従って、直線状の光反射凹部を一本のみ設ける場合には、図２（ａ）のように設けることが最も好ましい。上記にいう、対角線の長さと実質的に等しい長さとは、対角線の長さの５０％〜１００％の長さをいう。この実施形態における、光反射凹部のより好ましい長さは、対角線の長さの７０％〜１００％であり、更に好ましい長さは、対角線の長さの９０％〜１００％である。ただし、本発明は、図２（ｂ）（ｃ）に示すような光反射用凹部の形成態様を決して排除するものではない。なお、上記の説明において、六角形の対角線とは、六角形のあるひとつの角と、その角から最も離れた角とを結ぶ、直線のことである。
【００１２】
線状の光反射凹部の他の好適な形態例を、図８および図９に例示する。図８（ａ)〜図９（ｆ）のいずれの例においても、線状の光反射凹部は、方形である窒化物半導体層１２の底面の全ての辺と交わる方向に伸びる部分を有している。線状の光反射凹部がこのような部分を有していると、窒化物半導体層１２内を伝播する光を、効果的に反射させることができる。なぜなら、光反射凹部が線状であるとき、その伸長方向に平行な方向に伝播する光は、該光反射凹部により反射されないが、この線状の光反射凹部の伸長方向が、窒化物半導体層の底面の全ての辺と交わる方向であると、上記の光反射凹部により反射されない光が、窒化物半導体層の側面で反射されることによって、その進行方向を変え、該光反射凹部により反射され得る光（光反射凹部の伸長方向と交わる方向に伝播する光）となるからである。よって、窒化物半導体層の底面の形状が方形であり、その底面に線状の光反射凹部を設ける場合には、この線状の光反射凹部に、この方形の全ての辺と１０度〜８０度の角度で交わる方向に伸びる部分（以下「特徴部分」と呼ぶ）を設けることが好ましい。特徴部分は、この方形の全ての辺と３０度〜６０度の角度で交わる方向に伸びるように設けることがより好ましく、この方形の全ての辺と約４５度（４０度〜５０度）で交わる方向に伸びるように設けることが更に好ましい。線状の光反射凹部に含まれる特徴部分の長さの合計は、この方形の対角線の長さの５０％以上とすることが好ましく、１００％以上とすることがより好ましく、１５０％以上とすることが更に好ましい。
【００１３】
窒化物半導体層１２の底面に形成する光反射凹部Ａ１は、線状の凹部（溝）が格子状パターンをなすものであってもよい。図３は、そのように光反射凹部Ａ１を形成した窒化物半導体層１２の底面を示す図であり、線状の凹部が正方格子状のパターンをなしている。格子状パターンは、正方格子状に限定されるものではなく、他のパターンであってもよい。このような実施形態は、素子サイズが大きい場合に好ましい。具体的には、窒化物半導体層１２の底面が、８００μｍ角より大きい場合であり、特に、１ｍｍ角より大きい場合である。その他、光反射凹部を線状の凹部（溝）とする場合には、曲がった溝としてもよいし、折れ曲がった溝としてもよい。また、環状の溝としてもよいし、分岐や交差部を有するものとしてもよい。一方、光反射凹部はドット状の凹部（孔）であってもよく、また、線状の光反射凹部とドット状の光反射凹部の両方を設けることもできる。
【００１４】
光反射凹部は、図３に示す例のように、その内壁面が窒化物半導体層の側面と連続するように形成してもよいし、図２（ａ）〜（ｃ）、図８（ａ）〜（ｃ）、図９（ｄ）〜（ｆ）に示す例のように、その内壁面が窒化物半導体層の側面と連続しないように形成してもよい。
【００１５】
窒化物ＬＥＤ１では、また、光反射凹部Ａ１の断面がＶ字状であり、その側壁面が傾斜しているために、該光反射凹部Ａ１で反射された光が、窒化物半導体層１２の上面に臨界角以内で入射する確率が高くなっている。光反射凹部が線状の場合もドット状の場合も、断面形状をＶ字状とすると、凹部の内表面に占める傾斜した側壁面の比率が最も大きくなるので、光取出し効率の改善効果が最も高くなる。ここで、断面形状がＶ字状のドット状凹部とは、錐体状（例えば、円錐状、角錐状など）の孔のことである。光反射凹部の側壁面の傾斜は３０度〜６０度とすることが好ましく、約４５度（４０度〜５０度）とすることが更に好ましい。光反射凹部の断面形状は、Ｖ字状の他、台形状としてもよく、その場合も、凹部の側壁が傾斜面となるために、光取り出し効率の改善効果が良好となる。ここで、断面形状が台形状のドット状凹部とは、錘台状（円錐台状、角錐台状など）の孔のことである。光反射凹部は、窒化物半導体層内を横方向に伝播する光を乱反射させて、その進行方向をランダム化させる働きを持つものであってもよい。よって、光反射凹部の断面形状は、Ｖ字状や台形状に限定されるものではなく、その他の形状、例えば、Ｕ字状、矩形状、不定形などであってもよい。伝播光の進行方向をランダム化することによって、多重反射の抑制による光取出し効率の向上を図ることができる。
【００１６】
窒化物ＬＥＤ１では、また、光反射凹部Ａ１を発光層１２ｂに達するように形成していることで、光取出し効果が特に良好となっている。窒化物ＬＥＤ１では、発光素子構造をダブルヘテロ型とする場合、典型的な構成として、発光層１２ｂをＩｎＧａＮを含む結晶で形成し、ｐ型層１２ａおよびｎ型層１２ｃをＧａＮまたはＡｌＧａＮを主体として形成することができるが、このとき、ＩｎＧａＮの屈折率がＧａＮおよびＡｌＧａＮよりも高いために、発光層１２ｂをコアとする導波路構造が形成される。すなわち、窒化物半導体層１２内を層方向に伝播する光は、発光層１２ｂ内に強く閉じ込められる傾向を持つことになる。よって、光反射凹部Ａ１を発光層１２ｂに達するように形成することにより、この光を効果的に反射させることができる。より好ましい実施形態では、光反射凹部Ａ１を、ｎ型層１２ｃに達するように形成する。
【００１７】
ところで、光反射凹部を発光層に達するように形成する場合、窒化物半導体層の底面における光反射凹部形成領域の面積を大きくするほど、発光層の面積が減少することになる。発光層の面積が減少すると、素子駆動時に発光層の温度が高くなる傾向が生じ、発光効率が低下する問題や、素子の寿命や信頼性が低下する問題が生じる。この問題を防止するうえで、窒化物ＬＥＤ１のように、光反射凹部Ａ１を線状に形成することは有効である。なぜなら、前述のように、線状の光反射凹部は、ドット状の光反射凹部に比べて、窒化物半導体層内を層方向に伝播する光を、より効果的に反射させることができるからである。そこで、窒化物半導体層の底面の形状を方形とし、該底面に発光層に達する光反射凹部を形成する場合には、該反射用凹部を線状とし、その長さの合計を、好ましくは、該方形の対角線の長さの４倍以下、より好ましくは３倍以下、更に好ましくは２倍以下とする。また、窒化物ＬＥＤ１のように、ｐ型層側の表面から発光層に達する線状の光反射凹部を形成する場合には、その幅（ｐ型層の表面における溝幅）を、好ましくは５μｍ以下、より好ましくは３μｍ以下、更に好ましくは１μｍ以下とする。光反射凹部の側壁面の傾斜が前述の好ましい範囲内となるように、この幅は、ｐ型層の膜厚（一般的に０．１μｍ〜０．５μｍの範囲に設定される）よりも大きくすることが好ましい。
【００１８】
窒化物ＬＥＤ１の製造方法を次に説明する。
【００１９】
まず、図４（ａ）に示すように、サファイア基板、ＳｉＣ基板、ＧａＮ基板、Ｓｉ基板、ＧａＡｓ基板など、窒化物半導体結晶のエピタキシャル成長に適した成長用基板１３を準備し、ＭＯＶＰＥ法、ＨＶＰＥ法、ＭＢＥ法などを用いて、その上に窒化物半導体層１２を、ｎ型層１２ｃ側から順に成長させる。ｎ型層１２ｃ、発光層１２ｂ、ｐ型層１２ａの各層は多層構造としてよい。ｎ型層１２ｃは、その上に成長させる発光層１２ｂの結晶性が良好となるように、２μｍ以上の膜厚に形成することが好ましい。また、ｎ型層１２ｃには、膜厚１μｍ以上の高キャリア濃度層（キャリア濃度：１×１０１８ｃｍ−３以上）を設けることが好ましい。発光層１２ｂは井戸層をＩｎＧａＮ、ＩｎＧａＡｌＮなどで形成した、多重量子井戸構造とすることが好ましい。ｐ型層１２ａの最上部は、コンタクト層Ｐ１１との接触抵抗が低くなるよう、Ｍｇ（マグネシウム）を高濃度（８×１０１９ｃｍ−３以上）にドープしたＧａＮ、ＡｌＧａＮまたはＩｎＧａＮで形成することが好ましい。また、ｎ型層１２ｃおよびｐ型層１２ａのうち、発光層１２ｂに隣接する部分については、ダブルヘテロ構造が構成されるように、結晶組成を定めることが好ましい。ＥＬＯ（Ｅｐｉｔａｘｉａｌ  Ｌａｔｅｒａｌ  Ｏｖｅｒｇｒｏｗｔｈ）などの、結晶品質の改善効果のある結晶成長法は適宜用いてよい。窒化物半導体層１２内には、歪緩和のための超格子層など、各種の機能層を適宜導入することができる。
【００２０】
次に、図４（ｂ）に示すように、窒化物半導体層１２にエッチングを施して光反射凹部Ａ１を形成するとともに、光反射凹部Ａ１が形成される部分を除くｐ型層１２ａ上の領域に、コンタクト層Ｐ１１を形成する。好ましくは、先にコンタクト層Ｐ１１を形成し、その後で、光反射凹部Ａ１を形成する。光反射凹部Ａ１は、スクライバー、ダイサーなどを用いて、機械的加工により形成することも可能である。コンタクト層Ｐ１１は、ｐ型窒化物半導体との低接触抵抗の接合を形成する金属または半導体で形成する。好適な材料としては、ＩＴＯ（インジウム錫酸化物）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｃｒ（クロム）、Ａｕ（金）、白金族（Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｏｓ）などが例示される。コンタクト層Ｐ１１には、ｐ型窒化物半導体に対するオーミック電極として知られている薄膜が利用可能である。コンタクト層Ｐ１１を透光性の薄膜で形成し、その上に、光反射膜として機能する、Ａｌ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｎｉなどからなる、銀白色の外観を呈する金属層を積層することもできる。
【００２１】
次に、図４（ｃ）に示すように、メサ構造の形成を行う。すなわち、ウェハ上において隣接する素子部どうしの間を分離するべく、窒化物半導体層１２に対して、ｐ型層１２ａ側からエッチングを行い、ｎ型層１２ｃに達する溝を形成する。好ましくは、この例のように、溝の底部に成長用基板１３が露出するようにする。エッチングの方法としては、反応性イオンエッチング法などのドライエッチング法が好適に用い得る。
【００２２】
次に、図５（ｄ）に示すように、コンタクト層Ｐ１１の表面上の領域を除く、ウェハの表面を絶縁膜Ｐ１２で覆う。絶縁膜Ｐ１２は透光性の材料で形成する。絶縁膜Ｐ１２は、金属酸化物、金属窒化物、金属酸窒化物、金属フッ化物などの無機材料で形成することが好ましく、具体的な材料としては、酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸窒化ケイ素、酸化アルミニウム、スピネル、酸化ジルコニウム、酸化マグネシウム、酸化チタン、フッ化マグネシウム、フッ化リチウムなどが例示される。光反射凹部Ａ１の光反射性を良好にするうえでは、フッ化マグネシウム、フッ化リチウム、酸化ケイ素などの、屈折率の低いものを用いることが好ましい。絶縁膜Ｐ１２は多層膜とすることもできる。好ましくは、絶縁膜Ｐ１２をプラズマＣＶＤ法を用いて形成すると、窒化物半導体層１２の側面の被覆を確実に行うことができる。
【００２３】
次に、図５（ｅ）に示すように、ウェハの表面を覆うように、薄膜金属層Ｐ１３を形成する。薄膜金属層Ｐ１３は、後の工程で保持基板１１を電気メッキで形成するために形成する、メッキ下地層である。薄膜金属層Ｐ１２は、保持基板１１を無電解メッキで形成する場合にも、形成することが好ましい。薄膜金属層Ｐ１２は、例えば、Ｃｒ、Ｐｔ、Ｐｔ／Ａｕ、Ｃｒ／Ａｕ、Ｎｉ／Ａｕ、Ｔｉ／Ａｕ、ＴａＮ／Ａｕで形成することができる。保持基板１１を、蒸着、スパッタリング、ＣＶＤのような乾式メッキで形成する場合には、薄膜金属層Ｐ１２の形成は必須ではないが、そのような場合においても、保持基板１１を構成する金属と、コンタクト層Ｐ１１との間で、好ましくない相互作用（合金化反応など）が発生しないようにするためのバリア層として、薄膜金属層Ｐ１２を形成することができる。
【００２４】
次に、図５（ｆ）に示すように、保持基板１１を形成する。保持基板１１は、好ましくは、電気メッキまたは無電解メッキにより金属層を堆積して形成する。無電解メッキを用いる場合には、結晶基板側の表面にポリイミド層などをコーティングしておく。保持基板１１を電気メッキで形成する場合の材料金属としては、Ａｕ（金）、Ｎｉ（銀）、Ｃｕ（銅）、Ａｇ（銀）など、電鋳（ｅｌｅｃｔｏｒｏ  ｆｏｒｍｉｎｇ）における電着金属として汎用されている金属が好ましく例示されるが、これらに限定されるものではない。
【００２５】
次に、図６（ｇ）に示すように、成長用基板１３を除去する。成長用基板１３の除去には、レーザリフトオフ、ウェットエッチング、ドライエッチング、研削、研磨など、結晶基板とその上に成長したエピタキシャル成長層とを分離するための公知の方法を、任意に用いてよい。成長用基板１３の除去後、図６（ｈ）に示すように、露出したｎ型層１２ｃの表面にパッド電極Ｐ１４を形成する。ｎ型層１２ｃに高キャリア濃度層を設けた場合には、該高キャリア濃度層を露出させて、その表面上にパッド電極Ｐ１４を形成する。パッド電極Ｐ１４は、光反射凹部Ａ１の上方を避けて形成することが好ましい。つまり、パッド電極Ｐ１４の真下に光反射凹部Ａ１が位置しないように、パッド電極Ｐ１４を形成することが好ましい。パッド電極Ｐ１４をｎ型層１２ｃ上に直接形成しないで、電流拡散用電極をｎ型層１２ｃの表面上に拡がるように形成し、その上にパッド電極Ｐ１４を形成してもよい。電流拡散用電極としては、ＩＴＯ、ＺｎＯなどの透明導電性酸化物からなる透明導電膜や、開口パターンを有する金属薄膜を用いることができる。パッド電極Ｐ１４に覆われた部分を除く、ｎ型層１２ｃの表面や、電流拡散用電極の表面には、絶縁保護膜を形成することが好ましい。最後に、公知のダイシング法を用いてウェハを切断することにより、チップ状の素子（ダイス）を得ることができる。
【００２６】
窒化物ＬＥＤ１の製造方法については、以上に説明した他に、特許文献１などを参考とすることができる。
【００２７】
（実施形態２）
窒化物ＬＥＤ１では、保持基板１１を金属で形成しているが、保持基板は半導体で形成することも可能である。図７に、保持基板を半導体で形成した、本発明の一実施形態に係る窒化物ＬＥＤの断面図を示す。この図に示す窒化物ＬＥＤ２では、半導体からなる保持基板２１の上に、窒化物半導体層２２が積層されている。保持基板２１と窒化物半導体２２との接合は直接的ウェハボンディング（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｗａｆｅｒ  Ｂｏｎｄｉｎｇ）により行われている。窒化物半導体層２２は、底面側から順に、ｐ型層２２ａと、発光層２２ｂと、ｎ型層２２ｃとを有している。窒化物半導体層２２の底面には、光反射凹部Ａ２が形成されている。窒化物半導体層２２の上面の一部には、パッド電極Ｐ２４が形成されている。保持基板２１の裏面には下部電極Ｐ２５が形成されている。保持基板２１を構成する半導体は、直接的ウェハボンディングにより窒化物半導体と接合し得るものであればよい。好ましくは、保持基板２１を構成する半導体は、発光層２２ｂで生じる光を強く吸収しないように、発光層２２ｂのバンドギャップエネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを持つ半導体とする。発光層２２ｂの発光波長が４００ｎｍ以上の場合、保持基板２１を構成する半導体として、ＺｎＯ（酸化亜鉛）が好ましく例示される。
【００２８】
窒化物ＬＥＤ２を製造するには、まず、ｃ面サファイア基板を成長用基板として用い、その上にＭＯＣＶＤ法により、ｎ型層２２ｃ、発光層２２ｂ、ｐ型層２２ａを順次成長させて、サファイア基板上に窒化物半導体層２２が積層されたＬＥＤウェハを形成する。このとき、ｐ型層２２ａの表面の５×５μｍ２の領域をＡＦＭ（原子間力顕微鏡）で測定したときのｒｍｓ粗さが０．５５ｎｍ以下となるようにすることが望ましい。
【００２９】
次に、ＬＥＤウェハの窒化物半導体層２２にエッチングを施して光反射凹部Ａ２を形成する。
【００３０】
次に、半導体からなる保持基板２１を、直接的ウェハボンディングの方法により、窒化物半導体層２２の表面に接合する。保持基板２１としてＺｎＯ基板を用いる場合の手順については、非特許文献１を参照することができる。即ち、ＺｎＯ基板としては、ハイドロサーマル法で製造された、膜厚５００μｍ、電気抵抗約０．２Ω・ｃｍ、表面の５×５μｍ２の領域をＡＦＭ（原子間力顕微鏡）で測定したときのｒｍｓ粗さが０．７５ｎｍ以下であるものを好ましく用いることができる。ＺｎＯ基板は、アセトンおよびイソプロピルアルコールで洗浄し、脱イオン水でリンスした後、乾燥させる。ＬＥＤウェハは、アセトンおよびイソプロピルアルコールで洗浄し、ＨＣｌ溶液に１分間浸漬したうえ、脱イオン水でリンスし、乾燥させる。洗浄処理の後、直ぐに、クリーンルーム内でＬＥＤウェハとＺｎＯ基板を重ね合わせ、一軸方向に２ＭＰａの圧力を印加させた状態で、窒素ガス雰囲気中、６００℃、１時間の熱処理を施す。このようにして、ＬＥＤウェハの窒化物半導体層にＺｎＯ基板を接合させることができる。
【００３１】
ウェハボンディングの後、レーザリフトオフ、ウェットエッチング、ドライエッチング、研削、研磨などの方法を用いて、成長用基板として用いたサファイア基板を取り除く。サファイア基板の除去後、露出したｎ型層２２ｃの表面にパッド電極Ｐ２４を形成するとともに、保持基板２１の裏面に下部電極Ｐ２５を形成する。その後、公知のダイシング法を用いてウェハを切断することにより、チップ状の素子（ダイス）を得ることができる。このとき、予め、光反射凹部を、ダイシング後の窒化物半導体層２２の底面内におさまる形状に形成しておき、ダイシングにより露出する窒化物半導体層２２の側面と光反射凹部Ａ２の内壁面とが連続しないようにすると、窒化物半導体層２２の側面に光反射凹部Ａ２が開口することがない（光反射凹部Ａ２の内部が素子の外部から隔離される）ので、光反射凹部Ａ２内に水分などの異物が侵入することが防止できる。光反射凹部Ａ２内には半導体が露出しているので、水分などが侵入すると素子の寿命や信頼性が低下する。
【００３２】
（その他の実施形態）
上記実施形態１または実施形態２において、エピタキシャル成長による窒化物半導体層の形成に用いる成長用基板として、ＳｉＣ基板、ＧａＮ基板、ＺｎＯ基板などの、半導体からなる透光性基板を用いることができる。このような成長用基板は、最終製品である窒化物ＬＥＤの構造から、必ずしも、完全に除去しなくてもよい。すなわち、このような成長用基板は、その一部または全部を、窒化物半導体層の上面に接合された透光性半導体層として、素子中に残してよい。このように、成長用基板の一部または全部を透光性半導体層として残す実施形態では、パッド電極を、ｎ型窒化物半導体層に形成する代わりに、該透光性半導体層の表面に形成してもよい。この実施形態における特に好ましい成長用基板は、窒化物半導体層の屈折率と同程度の屈折率を有する基板（例えば、ＧａＮ基板、ＡｌＧａＮ基板などの窒化物半導体基板）、あるいは、窒化物半導体層よりも高い屈折率を有する基板（例えば、ＳｉＣ基板）である。なぜなら、このような成長用基板に由来する透光性半導体層には、光を窒化物半導体層に閉じ込める作用がない、もしくは、かかる作用があったとしても弱いからである。この実施形態において、好ましくは、該透光性半導体層の表面から光が素子外部に出射し易くなるように、透光性半導体層の表面を凹凸状に加工する。特に好ましくは、透光性半導体層の表面に、窒化物半導体層から遠ざかるにつれ断面積（窒化物半導体層の膜厚方向に直交する平面で切ったときの断面積）が減少する、錐体（円錐、角錐）状または錘台（円錐台、角錐台）状の突起が形成されるように加工する。あるいは、透光性半導体層の表面が、錐体状、錘台状またはドーム状となるように加工する。錐体状または錘台状の突起を形成する場合の突起の高さは、０．１μｍ以上とすることが好ましい。この突起の高さに上限はなく、１０μｍ以上としてもよいし、５０μｍ以上としてもよいし、１００μｍ以上としてもよい。現実的には、突起の高さの上限は、残存させる成長用基板（研磨により膜厚を低減させてもよい）の膜厚により制限される。特に好ましい例として、高さ０．１μｍ〜１μｍの錐体状または錘台状の突起を密に形成する実施形態が挙げられる。このように突起を形成するための加工方法はよく知られており、例えば、サブミクロンサイズの金属微粒子やポリマー微粒子を加工すべき表面上にランダムに堆積し、この微粒子をマスクとして、マスク自体もエッチングされる条件にてドライエッチングを行えばよい。より詳しくは、特許文献３、特許文献４、非特許文献２などを参照すればよい。透光性半導体層の表面に、大型の錐体状または錘台状突起を形成する方法としては、断面Ｖ字型のブレードを用いて、該表面に断面Ｖ字型の溝を加工する方法が例示される他、エッチング加工による成形方法も好ましく用いることができる。特許文献５、特許文献６などを参照してもよい。透光性半導体層の表面をドーム状に加工する方法については、特許文献７、特許文献８などを参照すればよい。ＺｎＯ基板の表面には、塩酸をエッチャントに用いた異方性エッチングによって、錐体状または錘台状の凸部を形成することができる（非特許文献１）。
【００３３】
本発明は上記に明示的に記載した実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を損なわない範囲内で、種々の変形が可能である。例えば、本発明の一実施形態に係る窒化物半導体発光ダイオード素子は、窒化物半導体層の底面側に、ハンダなどの接合材料を用いたウェハボンディングによって該底面に接合された金属基板または半導体基板を有するものであってもよい。
【００３４】
次の事項を付記する。
（１ａ）底面及び上面を有し、内部に発光層を含む窒化物半導体層を備え、該窒化物半導体層の底面側に金属または半導体からなる保持基板が接合された窒化物半導体発光ダイオード素子であって、前記窒化物半導体層の底面には、前記発光層で生じた光を上面側に反射する光反射凹部が形成されていることを特徴とする、窒化物半導体発光ダイオード素子。
（２ａ）前記光反射凹部が前記発光層に達している、前記（１ａ）に記載の窒化物半導体発光ダイオード素子。
（３ａ）前記光反射凹部が溝を含む、前記（１ａ）または（２ａ）に記載の窒化物半導体発光ダイオード素子。
（４ａ）前記窒化物半導体層の底面の形状が四角形または六角形であり、該底面には光反射凹部として直線状の溝が一本のみ、該四角形または六角形の対角線のひとつに沿って形成されており、かつ、該溝の長さが該対角線の長さと実質的に等しい、前記（３ａ）に記載の窒化物半導体発光ダイオード素子。
（５ａ）前記光反射凹部の断面がＶ字状または台形状である、前記（１ａ）〜（４ａ）のいずれかに記載の窒化物半導体発光ダイオード素子。
（６ａ）前記保持基板が、前記窒化物半導体層の上に堆積された金属からなる、前記（１ａ）〜（５ａ）のいずれかに記載の窒化物半導体発光ダイオード素子。
（７ａ）前記保持基板が、前記発光層のバンドギャップエネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを有する半導体からなる、前記（１ａ）〜（５ａ）のいずれかに記載の窒化物半導体発光ダイオード素子。
（８ａ）前記保持基板がＺｎＯからなる、前記（７ａ）に記載の窒化物半導体発光ダイオード素子。
（９ａ）前記窒化物半導体層の上面に、該窒化物半導体層の屈折率と同程度、あるいは、それよりも高い屈折率を有する透光性半導体層が接合されている、前記（１ａ）〜（８ａ）のいずれかに記載の窒化物半導体発光ダイオード素子。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の一実施形態に係る窒化物半導体発光ダイオード素子の断面図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る窒化物半導体発光ダイオード素子において、光取出し効率の向上が効果的に達成されるメカニズムを説明するための図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る窒化物発光ダイオード素子における、光反射凹部が形成された窒化物半導体層の底面を示す図である。
【図４】図１に示す窒化物半導体発光ダイオード素子の製造方法を説明するための図である。
【図５】図１に示す窒化物半導体発光ダイオード素子の製造方法を説明するための図である。
【図６】図１に示す窒化物半導体発光ダイオード素子の製造方法を説明するための図である。
【図７】本発明の一実施形態に係る窒化物半導体発光ダイオード素子の断面図である。
【図８】本発明の一実施形態に係る窒化物半導体発光ダイオード素子における、光反射凹部が形成された窒化物半導体層の底面を示す図である。
【図９】本発明の一実施形態に係る窒化物半導体発光ダイオード素子における、光反射凹部が形成された窒化物半導体層の底面を示す図である。
【符号の説明】
【００３６】
１、２  窒化物半導体発光ダイオード素子
１１、２１  保持基板
１２、２２  窒化物半導体層
Ａ１、Ａ２  光反射凹部
【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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