(57)【要約】【課題】光の取り出し効率に優れた発光素子およびその製造方法を提供すること。【解決手段】本発明に係る発光素子は、サファイア基板である基板１０上にｎ型ＧａＮ層である第１半導体層２６、ＩｎＧａＮ／ＧａＮの多層膜層である活性層２８およびｎ型と反対の導電型のｐ型ＧａＮ層である第２半導体層３０がこの順に設けられていて、第１半導体層２６、活性層２８および第２半導体層３０を貫通して基板１０まで達する凹部３２が設けられている。【選択図】  図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に設けられた窒化物からなる第１半導体層と、
前記第１半導体層上に設けられた窒化物からなる活性層と、
前記活性層上に設けられた前記第１半導体層と反対の導電型である窒化物からなる第２半導体層と、を具備し、
前記基板の比屈折率をｎ１、前記第１半導体層の比屈折率をｎ２としたとき、
ｎ１＜ｎ２
であり、
前記第１半導体層、前記活性層および前記第２半導体層を貫通し前記基板に達する凹部が形成されてなることを特徴とする発光素子。
【請求項２】
前記基板はサファイアであることを特徴とする請求項１記載の発光素子。
【請求項３】
前記凹部の直径をｄ、隣接する前記凹部の間隔をｐとしたとき、
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であることを特徴とする請求項１または２記載の発光素子。
【請求項４】
前記凹部は樹脂が充填されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項記載の発光素子。
【請求項５】
前記凹部は前記基板に垂直に設けられていることを特徴とする請求項４記載の発光素子。
【請求項６】
前記基板は前記活性層からの光に対して透明な基板であることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項記載の発光素子。
【請求項７】
前記第２半導体層の表面が凸凹していることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項記載の発光素子。
【請求項８】
基板上に窒化物からなる第１半導体層を形成する工程と、
前記第１半導体層上に窒化物からなる活性層を形成する工程と、
前記活性層上に前記第１半導体層と反対の導電型である窒化物からなる第２半導体層を形成する工程と、
前記第１半導体層、前記活性層および前記第２半導体層を貫通し、前記基板に達する凹部を形成する工程と、を有し、
前記基板の比屈折率をｎ１、前記第１半導体層の比屈折率をｎ２としたとき、
ｎ１＜ｎ２
であることを特徴とする発光素子の製造方法。
【請求項９】
前記凹部を形成する工程は、ドライエッチングにより前記凹部を形成する工程であることを特徴とする請求項８記載の発光素子の製造方法。
【請求項１０】
前記ドライエッチングは誘導結合型、電子サイクロトロン共鳴および容量結合型のいずれかのプラズマエッチングにより実行されることを特徴とする請求項９記載の発光素子の製造方法。
【請求項１１】
前記凹部に樹脂を形成する工程を有することを特徴とする請求項８から１０のいずれか一項記載の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、発光素子およびその製造方法に関し、より詳細には光の取り出し効率を改善することが可能な発光素子およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
発光素子はＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ）やＬＤ（Ｌａｓｅｒ  Ｄｉｏｄｅ）のように光を発する素子であり、光通信や光記憶媒体を用いた記憶装置等に用いられている。特にＧａＮ系半導体からなる発光素子は青色の光を発するとして注目を浴びている。なお、ＧａＮ系半導体とは、ＧａＮ（窒化ガリウム）やＧａＮとＡｌＮ（窒化アルミニウム）との混晶であるＡｌＧａＮやＧａＮとＩｎＮ（窒化インジウム）との混晶であるＩｎＧａＮ等の半導体をいう。
【０００３】
高輝度な発光素子を得る上で重要となるのが、活性層で発生した光を如何に効率よく外部に取り出すかである。図１に一般的なＧａＮ系発光素子（従来例１）の断面図を示す。図１を参照に、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）からなる基板１０上にｎ−ＧａＮ層１２、活性層１４およびｐ−ＧａＮ層１６（以下、ＧａＮ半導体層１８と呼ぶ）がこの順に設けられている。ｐ−ＧａＮ層１６の表面は光取り出し面２０である。なお、図１に示している矢印は光の伝搬の様子を図示している。
【０００４】
従来例１に係るＧａＮ系発光素子において、サファイアの比屈折率は１．７であり、ＧａＮの比屈折率は２．４であるため、ＧａＮ半導体層１８は屈折率の低い空気とサファイアとに挟まれた構造になっている。したがって、活性層１４で発生した光のうち、光取り出し面２０に臨界角以内で入射した光は、光取り出し面２０から外部に出射されるが、光取り出し面２０に臨界角以上で入射した光は光取り出し面２０で全反射され、ＧａＮ半導体層１８内を横方向に伝搬する。この横方向に伝搬する光の大部分は発光素子の側面から外部に出射される。発光素子の側面から出射した光も光出力として検出することができるが、ＧａＮ半導体層１８内を伝搬する光は、活性層１４を通過する度に光の吸収による損失が発生する。
【０００５】
そこで、活性層１４で発生した光を効率よく光取り出し面２０から外部に取り出す方法として様々な方法が考えられている。例えば、特許文献１にはｎ−ＧａＮ層１２の途中まで溝部を設けることで、光の取り出し効率を向上させる技術が開示されている。図２は特許文献１に係るＧａＮ系発光素子（従来例２）の断面図およびその効果を示す図である。図２を参照に、ＧａＮ半導体層１８にｎ−ＧａＮ層１２の途中まで達する溝部２２が基板１０に対して垂直に設けられている。その他の構成については従来例１と同じであり、図１に示しているので説明を省略する。従来例２によれば、ＧａＮ半導体層１８内を伝搬してきた光の一部は溝部２２に進行する際に、光取り出し面２０の方向に屈折され、光取り出し面２０から外部に出射される。このため、光の取り出し効率を向上させることができる。
【０００６】
例えば、特許文献２には光取り出し面２０の形状を凸凹にすることで光の取り出し効率を向上させる技術が開示されている。図３は特許文献２に係るＧａＮ系発光素子（従来例３）の断面図およびその効果を示す図である。図３を参照に、ＧａＮ基板である基板１０の一方の面にＧａＮ半導体層１８が設けられている。光取り出し面２０は基板１０のＧａＮ半導体層１８が設けられていない側の面である。光取り出し面２０は凸凹をした形状をしている。従来例３によれば、凸凹の形状がない場合には光取り出し面２０に臨界角以上で入射し、光取り出し面２０で全反射されてしまう光も、光取り出し面２０が凸凹の形状をしていることにより臨界角の方向を変えることができるため、光取り出し面２０から外部に出射することができる。このため、光の取り出し効率を向上させることができる。
【特許文献１】特開２００２−１６４５７４号公報
【特許文献２】特開２００３−６９０７５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、例えば特許文献１に係るＧａＮ系発光素子は、溝部２２の側面および底面における臨界角が小さいと、溝部２２に進行する光よりも溝部２２で全反射される光の方が多くなる。このため、光取り出し面２０に屈折される光が少なくなるという課題がある。
【０００８】
また、例えば特許文献２に係るＧａＮ系発光素子は、基板１０に水平方向に進む光については、光取り出し面２０から取り出しにくいという課題がある。
【０００９】
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、光の取り出し効率に優れた発光素子およびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、基板上に設けられた窒化物からなる第１半導体層と、前記第１半導体層上に設けられた窒化物からなる活性層と、前記活性層上に設けられた前記第１半導体層と反対の導電型である窒化物からなる第２半導体層と、を具備し、前記基板の比屈折率をｎ１、前記第１半導体層の比屈折率をｎ２としたとき、ｎ１＜ｎ２であり、前記第１半導体層、前記活性層および前記第２半導体層を貫通し前記基板に達する凹部が形成されてなることを特徴とする発光素子である。本発明によれば、凹部の底面での臨界角を大きくして、凹部に光を進行しやすくすることで、光の取り出し効率に優れた発光素子を提供することができる。
【００１１】
上記構成において、前記基板はサファイアである構成とすることができる。
【００１２】
上記構成において、前記凹部の直径をｄ、隣接する前記凹部の間隔をｐとしたとき、
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である構成とすることができる。この構成によれば、単位電力あたりの光出力を改善することができる。
【００１３】
上記構成において、前記凹部は透明な樹脂が充填されている構成とすることができる。この構成によれば、樹脂の比屈折率が大きいため光の取り出し効率をより向上させることができる。
【００１４】
上記構成において、前記凹部は前記基板に垂直に設けられている構成とすることができる。この構成によれば、凹部に進行した光の取り出し効率を向上させることができる。
【００１５】
上記構成において、前記基板は前記活性層からの光に対して透明である構成とすることができる。
【００１６】
上記構成において、前記第２半導体層の表面が凸凹している構成とすることができる。この構成によれば、臨界角の向きを変えることで光の取り出し効率をより向上させることができる。
【００１７】
本発明は、基板上に窒化物からなる第１半導体層を形成する工程と、前記第１半導体層上に窒化物からなる活性層を形成する工程と、前記活性層上に前記第１半導体層と反対の導電型である窒化物からなる第２半導体層を形成する工程と、前記第１半導体層、前記活性層および前記第２半導体層を貫通し前記基板にまで達する凹部を形成する工程と、を有し、前記基板の比屈折率をｎ１、前記第１半導体の比屈折率をｎ２としたとき、ｎ１＜ｎ２であることを特徴とする発光素子の製造方法である。本発明によれば、凹部の底面での臨界角を大きくして、凹部に光を進行しやすくすることで、光の取り出し効率に優れた発光素子の製造方法を提供することができる。
【００１８】
上記構成において、前記凹部を形成する工程は、ドライエッチングにより前記凹部を形成する工程である構成とすることができる。また、上記構成において、前記ドライエッチングは誘電結合型、電子サイクロトロン共鳴および容量結合型のいずれかのプラズマエッチングにより実行される構成とすることができる。この構成によれば、凹部を容易に形成することができる。
【００１９】
上記構成において、前記凹部に樹脂を形成する工程を有する構成とすることができる。この構成によれば、光の取り出し効率をより向上させることができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、凹部の底面での臨界角を大きくして、凹部に光を進行しやすくすることで、光の取り出し効率に優れた発光素子およびその製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、図面を参照に本発明の実施例について説明する。
【実施例１】
【００２２】
図４（ａ）は比較例１に係るＧａＮ系発光素子の斜視図、図４（ｂ）は図４（ａ）の上視図、図４（ｃ）は図４（ｂ）のＡ−Ａ間の断面図である。図５（ａ）は比較例２に係るＧａＮ系発光素子の斜視図、図５（ｂ）は図５（ａ）の上視図、図５（ｃ）は図５（ｂ）のＡ−Ａ間の断面図である。図６（ａ）は実施例１に係るＧａＮ系発光素子の斜視図、図６（ｂ）は図６（ａ）の上視図、図６（ｃ）は図６（ｂ）のＡ−Ａ間の断面図である。
【００２３】
図４（ａ）から図４（ｃ）を参照に、比較例１に係るＧａＮ系発光素子は、サファイアからなる基板１０上にｎ型ＧａＮ層である第１半導体層２６が設けられている。第１半導体層２６上にＩｎＧａＮ／ＧａＮの多層膜層である活性層２８が設けられている。活性層２８上にｎ型と反対の導電型のｐ型ＧａＮ層である第２半導体層３０が設けられている。第１半導体層２６上にはＮｉ（ニッケル）／Ａｕ（金）からなるｎ電極パッド２３が、第２半導体層３０上にはＮｉ／Ａｕからなるｐ電極パッド２４が設けられている。光取り出し面２０は第２半導体層３０の表面である。なお、ＳｉドープＧａＮ層３４、アンドープＧａＮ層３６、ＩＴＯ（酸化インジウム錫）層３８およびｎコンタクト電極４４は図示を省略している。（以下、図５、図６、図１２および図１９において同じ）
【００２４】
図５（ａ）から図５（ｃ）を参照に、比較例２に係るＧａＮ系発光素子は、活性層２８および第２半導体層３０を貫通し、第１半導体層２６の途中まで達する深さ１．０μｍの穴部である凹部３２が基板１０上に周期的にかつ基板１０に垂直に設けられている。その他の構成については、比較例１と同じであり、図４（ａ）から図４（ｃ）に示しているので説明を省略する。
【００２５】
図６（ａ）から図６（ｃ）を参照に、実施例１に係るＧａＮ系発光素子は、第１半導体層２６、活性層２８および第２半導体層３０を貫通して、基板１０に達する深さ４．０μｍの穴部である凹部３２が基板１０上に周期的にかつ基板１０に垂直に設けられている。その他の構成については、比較例１と同じであり、図４（ａ）から図４（ｃ）に示しているので説明を省略する。
【００２６】
図７（ａ）から図９を参照に、実施例１に係るＧａＮ系発光素子の第１の製造方法を説明する。
【００２７】
図７（ａ）を参照に、サファイア基板である基板１０上に、ＭＯＣＶＤ法（有機金属化学的気相成長法）により、ＳｉドープＧａＮ層３４、アンドープＧａＮ層３６、ｎ型ＧａＮ層である第１半導体層２６、ＩｎＧａＮ／ＧａＮの多層膜層である活性層２８およびｎ型と反対の導電型のｐ型ＧａＮ層である第２半導体層３０をこの順に形成する。図７（ｂ）を参照に、７５０℃の窒素雰囲気中で１０分間アニールを行い、第２半導体層３０を活性化させた後、フォトレジストを用いてパターニングを行い、ＩＣＰ−ＲＩＥ（誘導結合型プラズマエッチング）を用いて、おもにＣｌ２ガスにより活性層２８および第２半導体層３０を貫通し、第１半導体層２６の途中までエッチングする。なお、ＩＣＰ以外に、ＥＣＲ（電子サイクロトロン共鳴）およびＣＣＰ（容量結合型）のプラズマエッチングを用いることもできる。図７（ｃ）を参照に、９０ｗｔ％のＩｎ２Ｏ３と１０ｗｔ％のＳｎＯ２との複合酸化物をソースにして、電子ビーム蒸着法により膜厚２．５μｍのＩＴＯ層３８を形成する。５００℃大気雰囲気中でアニールを行いＩＴＯ層３８を透明化させる。ＲＦマグネトロンスパッタ装置を用いて膜厚１．０μｍのＳｉＯ２層４２を形成する。その後、フォトレジストを用いてパターンニングを行い、ＩＣＰ−ＲＩＥを用いてＣＦ４ガスによりＳｉＯ２層４２をエッチングする。
【００２８】
図８（ａ）を参照に、ＳｉＯ２層４２をマスクにして、ＩＣＰ−ＲＩＥを用いて、おもにＣｌ２ガスによりＩＴＯ層３８、第２半導体層３０、活性層２８、第１半導体層２６、アンドープＧａＮ層３６およびＳｉドープＧａＮ層３４をドライエッチングして、第１半導体層２６、活性層２８および第２半導体層３０を貫通し基板１０に達する円形の穴部である凹部３２を形成する。これにより、容易に凹部３２を形成することができる。図８（ｂ）を参照に、ＳｉＯ２層４２を除去した後、フォトレジストを用いてパターンニングを行い、ＩＴＯ層３８を４５℃のＨＮＯ３：ＨＣｌ：Ｈ２Ｏ＝０．０８：１：１の王水によりエッチングする。図８（ｃ）を参照に、フォトレジストを用いてパターンニングを行い、基板１０側からＴａ（タンタル）／Ａｌ（アルミニウム）／Ｐｔ（白金）からなるｎコンタクト電極４４を蒸着によるリフトオフ法により形成する。図９を参照に、５００℃の大気雰囲気中でｎコンタクト電極４４をアニールした後、蒸着によるリフトオフ法によりＮｉ／Ａｕからなるｎ電極パッド２３およびｐ電極パッド２４を形成する。これにより、実施例１に係る発光素子が完成する。
【００２９】
図１０に凹部３２の深さと光出力改善比との関係を示す。なお、比較例１、比較例２および実施例１に係るＧａＮ系発光素子の凹部３２の直径が３μｍ、隣接する凹部３２の間隔が６μｍの場合について測定を行い、比較例１に係るＧａＮ系発光素子の光出力で基準化して比較例２および実施例１の光出力改善比を示している。図１１は凹部３２の直径および隣接する凹部３２の間隔とを説明するための図である。図１１を参照に、隣接する凹部３２の間隔とは凹部３２の中心間の距離をいう。
【００３０】
図１０を参照に、凹部３２の深さが深いほど光出力が改善していることが分かる。例えば、凹部３２の深さが１．０μｍである比較例２の場合は光出力改善比１．３１程度であるが、凹部３２の深さが４．０μｍである実施例１の場合は１．４５程度となっている。なお、活性層２８は第２半導体層３０から深さ０．２μｍの場所に設けられている。つまり、凹部３２の深さが０．２μｍ以上であれば、凹部３２は活性層２８を貫通していることになる。
【００３１】
比較例２に係るＧａＮ系発光素子のように、凹部３２が活性層２８を貫通して第１半導体層２６の途中まで達していれば、活性層２８で発生した光を凹部３２による屈折により光取り出し面２０から出射させることができるため、光の取り出し効率を向上させることができる。比較例２のような活性層２８を貫通して第１半導体層２６まで達する凹部３２の形成は、ｎコンタクト電極４４を設けるために活性層２８および第２半導体層３０を貫通し、第１半導体層２６の途中までエッチングする工程と同時に形成できるため製造が容易である。一方、実施例１のような第１半導体層２６、活性層２８および第２半導体層３０を貫通し、基板１０に達する凹部３２を形成するには、ｎコンタクト電極４４を設けるためのエッチング工程とは別工程のエッチングにより形成する必要がある。さらに、ＧａＮ層は大変強固であるため、ＧａＮ層を深くエッチングすることは大変困難である。さらに、凹部３２の深さが深いほど第１半導体層２６、活性層２８および第２半導体層３０の面積が減少するため抵抗が上昇し投入電力が増大してしまう。したがって、従来は比較例２のような第１半導体層２６の途中まで達する凹部３２を設けることで光の取り出し効率の向上を図っていた。
【００３２】
しかしながら、図１０から明らかなように、実施例１のように第１半導体層２６、活性層２８および第２半導体層３０を貫通し、基板１０に達する凹部３２が形成されることで、比較例２よりもさらに光出力を改善することができる。このように実施例１の光出力が比較例２に比べて改善する第１の理由は、凹部３２が基板１０に達することで、凹部３２の底面から凹部３２に光が進行しやすくなり、光取り出し面２０からより多くの光が出射されるためである。
【００３３】
第１の理由について、図１２（ａ）および図１２（ｂ）を参照して説明する。図１２（ａ）は実施例１の凹部３２の断面図であり、図１２（ｂ）は比較例２の凹部３２の断面図である。図１２（ａ）および図１２（ｂ）を参照に、凹部３２は空気で充満している。実施例１の凹部３２の底面は基板１０に接していて、比較例２の凹部３２の底面は第１半導体層２６に接している。サファイアである基板１０の比屈折率ｎ１は１．７であり、ｎ型ＧａＮ層である第１半導体層２６の比屈折率ｎ２は２．４である。このため、凹部３２の底面における臨界角が実施例１は±３５°、比較例２は±２４°となる。よって、実施例１の方が比較例２に比べてより多くの光が凹部３２に進行しやすくなる。したがって、実施例１の方が比較例２に比べて、光取り出し面２０からより多くの光が出射されるようになる。
【００３４】
第２の理由は、凹部３２が第１半導体層２６、活性層２８および第２半導体層３０を貫通し、基板１０に達することで、凹部３２の側面の面積が比較例２の場合よりも大きくなる。このため、第１半導体層２６、活性層２８および第２半導体層３０を横方向に伝搬してきたより多くの光を、凹部３２により光取り出し面２０に向かって屈折させることができるためである。
【００３５】
実施例１において、基板１０はサファイア（比屈折率ｎ１は１．７）で、第１半導体層２６はＧａＮ（比屈折率ｎ２は２．４）である場合を例に示したが、凹部３２の底面における臨界角を大きくすることができるため、基板１０の比屈折率ｎ１と第１半導体層２６の比屈折率ｎ２とが、ｎ１＜ｎ２という関係を満たせば、その他の材料でもよい。
【００３６】
また実施例１において、第１半導体層２６はｎ型ＧａＮ層、活性層２８はＩｎＧａＮ／ＧａＮの多層膜、第２半導体層３０はｐ型ＧａＮ層であるＧａＮ系発光素子の場合を例に示したが、これに限られるわけではない。第１半導体層２６、活性層２８および第２半導体層３０が窒化物からなる半導体である場合でも良い。なお、窒化物からなる半導体として、例えばＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮおよびこれらの混晶等の半導体を用いることができる。
【００３７】
さらに実施例１において、ＳｉドープＧａＮ層３４、アンドープＧａＮ層３６が設けられている場合を例に示したが、これに限らず、ＡｌＮ等の窒化物からなる半導体が設けられている場合でもよい。
【００３８】
さらに実施例１において、凹部３２は基板１０上に周期的に設けられている場合を例に示したが、非周期的に設けられている場合でもよい。
【００３９】
さらに実施例１において、基板１０はサファイア基板である場合を例に示したが、これに限らず、活性層２８からの光に対して透明である材料であればその他の基板でもよい。
【００４０】
さらに、実施例１において、ＩＣＰ−ＲＩＥを用いたプラズマエッチングによるドライエッチングで第１半導体層２６、活性層２８および第２半導体層３０を貫通して基板１０に達するように凹部３２を形成する場合を例に示したが、ＥＣＲやＣＣＰを用いたプラズマエッチングによるドライエッチングで凹部３２を形成する場合でもよい。また、凹部３２の基板１０に水平方向な断面の形が円形である場合を例に示したが、これに限らず楕円形や方形等その他の形でもよい。また、凹部３２が溝部であってもよい。
【００４１】
図１３（ａ）は、実施例１に係るＧａＮ系発光素子の凹部３２の直径と隣接する凹部３２の間隔との関係による光出力改善比について、実験と光線追跡法の計算とを合わせた結果を示している。なお、図１３（ａ）において、比較例１の光出力を１として各領域の光出力改善比を示している。図１３（ｂ）は隣接する凹部３２の間隔が２０μｍの場合、つまり図１３（ａ）のラインＡの場合における凹部３２の直径と光出力改善比との関係を示している。
【００４２】
図１３（ｂ）より、隣接する凹部３２の間隔を２０μｍと固定にした場合、凹部３２の直径が大きくなるほど光出力が改善していることが分かる。これは、凹部３２の直径が大きくなるほど凹部３２の底面および側面の面積が大きくなるため、より多くの光が凹部３２に進行し凹部３２での屈折により光取り出し面２０から出射するためである。
【００４３】
図１４（ａ）は、実施例１に係るＧａＮ系発光素子の凹部３２の直径と隣接する凹部３２の間隔との関係による１／投入電力比について、第１半導体層２６、活性層２８および第２半導体層３０の面積から計算した結果を示している。なお、図１４（ａ）において、比較例１の１／投入電力を１として各領域の１／投入電力比を示している。図１４（ｂ）は隣接する凹部３２の間隔が２０μｍの場合、つまり図１４（ａ）のラインＡの場合における凹部３２の直径と１／投入電力比との関係を示している。
【００４４】
図１４（ｂ）より、隣接する凹部３２の間隔を２０μｍと固定にした場合、凹部３２の直径が大きくなるほど１／投入電力比は小さくなっている。つまり、投入電力比は大きくなっていることが分かる。
【００４５】
図１３（ｂ）および図１４（ｂ）より、隣接する凹部３２の間隔を固定した場合、凹部３２の直径を大きくすれば、光出力を改善することはできるが、大きな投入電力が必要となってしまう。そこで、パワー効率比（光出力改善比／投入電力比）という指標を設け、凹部３２の直径と隣接する凹部３２の間隔との関係によるパワー効率比について図１５（ａ）に示す。図１５（ａ）は比較例１の場合のパワー効率を１として各領域のパワー効率比を示している。図１５（ｂ）は隣接する凹部３２の間隔が２０μｍの場合、つまり図１５（ａ）のラインＡの場合における凹部３２の直径とパワー効率比との関係を示している。
【００４６】
図１５（ａ）および図１５（ｂ）を参照に、ほとんどの範囲で比較例１と同等以上のパワー効率比が得られていることが分かる。特に、凹部３２の直径ｄと隣接する凹部３２の間隔ｐとが数１を満たせば、実施例１のパワー効率比が１．１以上、つまり実施例１のパワー効率を比較例１に比べて１０％以上改善することができる。ウエハ内でのパワー効率のばらつきや測定装置の測定誤差を考慮しても、パワー効率が１０％以上改善するということは大きな効果である。ここで、数１は図１５（ａ）の太線Ｂの内部領域を表している。
【数１】
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【００４７】
図１６（ａ）から図１７（ｃ）を参照に、実施例１に係るＧａＮ系発光素子の第２の製造方法を説明する。
【００４８】
第１半導体層２６、活性層２８および第２半導体層３０をエッチングする所までは第１の製造方法と同じであり、図７（ａ）および図７（ｂ）に示しているので説明を省略する。
【００４９】
図１６（ａ）を参照に、９０ｗｔ％のＩｎ２Ｏ３と１０ｗｔ％のＳｎＯ２との複合酸化物をソースにして、電子ビーム蒸着法により膜厚２．５μｍのＩＴＯ層３８を形成する。５００℃の大気雰囲気中でアニールを行い、ＩＴＯ層３８を透明化させる。図１６（ｂ）を参照に、フォトレジストを用いてパターンニングを行い、ＩＴＯ層３８を４５℃のＨＮＯ３：ＨＣｌ：Ｈ２Ｏ＝０．０８：１：１の王水によりエッチングする。図１６（ｃ）を参照に、ＲＦマグネトロンスパッタ装置を用いて膜厚１．０μｍのＳｉＯ２層４２を形成した後に、フォトレジストを用いてパターニングを行い、ＩＣＰ−ＲＩＥを用いてＣＦ４ガスによりＳｉＯ２層４２をエッチングする。
【００５０】
図１７（ａ）を参照に、ＳｉＯ２層４２をマスクにして、ＩＣＰ−ＲＩＥを用いておもにＣｌ２ガスにより第２半導体層３０、活性層２８、第１半導体層２６、アンドープＧａＮ層３６およびＳｉドープＧａＮ層３４をドライエッチングして、第１半導体層２６、活性層２８および第２半導体層３０を貫通し基板１０に達する円形の穴部である凹部３２を形成する。これにより、容易に凹部３２を形成することができる。図１７（ｂ）を参照に、フォトレジストを用いてパターニングを行い、バッファードフッ酸でＳｉＯ２層４２をエッチングする。その後、エッチングしたＳｉＯ２層４２の箇所に基板１０側からＴａ／Ａｌ／Ｐｔからなるｎコンタクト電極４４を蒸着によるリフトオフ法により形成する。図１７（ｃ）を参照に、５００℃の大気雰囲気中でｎコンタクト電極４４をアニールした後、フォトレジストを用いてパターンニングを行い、バッファードフッ酸でＳｉＯ２層４２をエッチングする。その後、エッチングしたＳｉＯ２層４２の箇所およびｎコンタクト電極４４上にＮｉ／Ａｕを蒸着によるリフトオフ法により形成をして、ｎ電極パッド２３およびｐ電極パッド２４を形成する。これにより、実施例１に係る発光素子が完成する。
【実施例２】
【００５１】
実施例２は実施例１に係る発光素子を砲弾型ＬＥＤに搭載した場合の例であり、図１８は実施例２の断面図を示している。図１８を参照に、実施例１に係る発光素子４６は接着剤４８によりリード５０に接着している。ボンディングワイヤ５２によりｎ電極パッド２３はカソード側のリード５０に、ｐ電極パッド２４はアノード側のリード５０に電気的に接続している。発光素子４６は比屈折率１．５の透明なエポキシ系の樹脂５４によりポッティング法で樹脂封止されている。なお、樹脂封止は発光素子４６の保護を目的として行っている。これにより、発光素子４６に設けられている凹部３２には樹脂５４が充填されている。
【００５２】
実施例２によれば、凹部３２は樹脂５４が充填されていて、樹脂５４は比屈折率１．５のエポキシ系樹脂である。凹部３２の側面はＧａＮ系半導体からなる第１半導体層２６、活性層２８および第２半導体層３０に接している。ＧａＮの比屈折率は２．４であるため、凹部３２に空気が充満している実施例１に比べて屈折率差が小さくなる。同様に、凹部３２の底面はサファイアからなる基板１０に接していて、サファイアの比屈折率は１．７であるため、実施例１に比べて屈折率差が小さくなる。このため、実施例１に比べて凹部３２の底面および側面の臨界角が大きくなる。よって、より多くの光が凹部３２に進行し、凹部３２での屈折により光取り出し面２０から出射するため、光の取り出し効率を実施例１より向上させることができる。
【００５３】
また、実施例２によれば、凹部３２の側面および底面の臨界角が大きくなり、より多くの光が凹部３２に進行する。よって、凹部３２が基板１０に対して逆テーパー等の形状をして設けられている場合に比べ、凹部３２は基板に垂直に設けられている場合が好ましい。この場合は、凹部３２の側面から凹部３２に進行した光をより多く光取り出し面２０に屈折させることができる。
【００５４】
実施例２において、凹部３２は樹脂５４が充填されていて、樹脂５４は透明なエポキシ系の樹脂である場合を例に示したが、これに限らず、透明なシリコーン系等の樹脂でもよい。特に、比屈折率の大きい透明な樹脂が好ましい。また、凹部３２に樹脂５４を形成する方法として、ポッティング法により形成する場合を例に示したが、これに限らず、モールディング法等により形成してもよい。特に、表面実装型ＬＥＤではモールディング法が好ましい。
【実施例３】
【００５５】
図１９は実施例３に係る発光素子の断面図および光取り出し効果を示す図である。図１９を参照に、光取り出し面２０である第２半導体層３０の表面の形状を凸凹にしている。その他の構成については実施例１に係る発光素子と同じであり、図６（ｃ）に示しているので説明を省略する。
【００５６】
実施例３によれば、第２半導体層３０の表面が凸凹していることにより臨界角の方向を変えることができる。このため、第２半導体層３０の表面が凸凹していない場合では第２半導体層３０の表面に臨界角以上で入射して反射される光も、第２半導体層３０の表面に臨界角以内で入射される場合が生じ、光取り出し面２０から外部に出射することができる。このため、実施例１に比べ光の取り出し効率を向上させることができる。
【００５７】
以上、本発明の好ましい実施例について記載したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】図１は従来例１に係るＧａＮ系発光素子の断面図である。
【図２】図２は従来例２に係るＧａＮ系発光素子の断面図である。
【図３】図３は従来例３に係るＧａＮ系発光素子の断面図である。
【図４】図４（ａ）は比較例１に係るＧａＮ系発光素子の斜視図、図４（ｂ）は図４（ａ）の上視図、図４（ｃ）は図４（ｂ）のＡ−Ａ間の断面図である。
【図５】図５（ａ）は比較例２に係るＧａＮ系発光素子の斜視図、図５（ｂ）は図５（ａ）の上視図、図５（ｃ）は図５（ｂ）のＡ−Ａ間の断面図である。
【図６】図６（ａ）は実施例１に係るＧａＮ系発光素子の斜視図、図６（ｂ）は図６（ａ）の上視図、図６（ｃ）は図６（ｂ）のＡ−Ａ間の断面図である。
【図７】図７（ａ）から図７（ｃ）は実施例１に係る発光素子の第１の製造方法を示す断面図（その１）である。
【図８】図８（ａ）から図８（ｃ）は実施例１に係る発光素子の第１の製造方法を示す断面図（その２）である。
【図９】図９は実施例１に係る発光素子の第１の製造方法を示す断面図（その３）である。
【図１０】図１０は凹部３２の深さと光出力改善比の関係を示す図である。
【図１１】図１１は凹部３２の直径および隣接する凹部３２の間隔を説明するための図である。
【図１２】図１２（ａ）実施例１に係る発光素子の、図１２（ｂ）は比較例２に係る発光素子の効果を説明するための図である。
【図１３】図１３は光出力改善比について凹部３２の直径と隣接する凹部３２の間隔との関係を示す図である。
【図１４】図１４は１／投入電力比について凹部３２の直径と隣接する凹部３２の間隔との関係を示す図である。
【図１５】図１５はパワー効率比について凹部３２の直径と隣接する凹部３２の間隔との関係を示す図である。
【図１６】図１６（ａ）から図１６（ｃ）は実施例１に係る発光素子の第２の製造方法を示す断面図（その１）である。
【図１７】図１７（ａ）から図１７（ｃ）は実施例１に係る発光素子の第２の製造方法を示す断面図（その２）である。
【図１８】図１８は実施例２に係る発光素子の断面図である。
【図１９】図１９は実施例３に係る発光素子の断面図である。
【符号の説明】
【００５９】
１０  基板
１２  ｎ−ＧａＮ層
１４  活性層
１６  ｐ−ＧａＮ層
１８  ＧａＮ半導体層
２０  光取り出し面
２２  溝部
２３  ｎ電極パッド
２４  ｐ電極パッド
２６  第１半導体層
２８  活性層
３０  第２半導体層
３２  凹部
３４  ＳｉドープＧａＮ層
３６  アンドープＧａＮ層
３８  ＩＴＯ層
４２  ＳｉＯ２層
４４  ｎコンタクト電極
４６  発光素子
４８  接着剤
５０  リード
５２  ボンディングワイヤ
５４  樹脂
【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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【図１８】
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【図１９】
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