(57)【要約】【課題】  光吸収係数の大なる層に光を留めることなく外部放射を促進させることができる発光素子およびその製造方法を提供することにある。【解決手段】  ＬＥＤ素子１のＧａＮ系半導体層からサファイア基板をリフトオフし、サファイア基板よりも低屈折率で、かつ凹部１１Ａを有するガラス部材１１をｎ−ＧａＮ層１３に接合したので、ｎ−ＧａＮ層１３内を伝搬する層内閉込光を凹部１１Ａで効率良く反射させて透明電極１７側に導くことができ、その結果、光取り出し性を向上させることができる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光層を含み、凹凸面を有する半導体層と、
前記半導体層の前記凹凸面側に貼り付けられる透過性材料とを有し、
前記透過性材料は、前記半導体層より低い屈折率を有することを特徴とする発光素子。
【請求項２】
発光層を含み、凹凸面を有する半導体層と、
前記半導体層の前記凹凸面側に貼り付けられる透過性材料とを有し、
前記透過性材料は、前記半導体層との間に凹凸形状に応じた空気層を有することを特徴とする発光素子。
【請求項３】
前記透過性材料は、ガラス材料であることを特徴とする請求項１又は２のいずれか１項に記載の発光素子。
【請求項４】
前記半導体層は、エッチング加工によって前記凹凸面を形成したものであることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の発光素子。
【請求項５】
前記半導体層は、前記凹凸面を形成された基板上に形成された後に前記基板をリフトオフしたものであることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の発光素子。
【請求項６】
前記半導体層は、サファイア基板上に形成されるＧａＮ系半導体層であることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の発光素子。
【請求項７】
前記透過性材料は、凹凸面を形成された基板あるいはサファイア基板よりも低い屈折率を有することを特徴とする請求項５又は６記載の発光素子。
【請求項８】
前記透過性材料は、凹凸面を形成された基板、あるいはサファイア基板よりも高い屈折率を有することを特徴とする請求項５又は６記載の発光素子。
【請求項９】
下地基板を準備する基板準備工程と、
前記下地基板に凹凸加工を施す凹凸加工工程と、
前記凹凸加工が施された前記下地基板に半導体層を形成する半導体層形成工程と、
前記半導体層から前記下地基板をリフトオフするリフトオフ工程と、
前記下地基板をリフトオフされた前記半導体層の前記下地基板取り付け側に透過性材料を設ける透過性材料接合工程と、
透過性材料を設けられた前記半導体層に電極を形成する電極形成工程とを含むことを特徴とする発光素子の製造方法。
【請求項１０】
前記半導体層形成工程は、前記凹凸加工が施された前記下地基板としてのサファイア基板上に前記半導体層としてのＧａＮ系半導体層を形成す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】
下地基板を準備する基板準備工程と、
前記下地基板に半導体層を形成する半導体層形成工程と、
前記半導体層から前記下地基板をリフトオフするリフトオフ工程と、
前記下地基板をリフトオフされた前記半導体層の前記下地基板取り付け側に凹凸加工を施す凹凸加工工程と、
前記凹凸加工を施された前記半導体層の加工面に透過性材料を設ける透過性材料接合工程と、
透過性材料を接合された前記半導体層に電極を形成する電極形成工程とを含むことを特徴とする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、特に、光吸収係数の大なる層に光を留めることなく外部放射を促進させることができる発光素子およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、サファイア等の下地基板上にIII族窒化物系化合物半導体からなる半導体結晶を成長させることによって発光素子を製造する方法が知られている。このような発光素子において、発光層で生じた光が光吸収係数の高い層に閉じ込められ、層内で吸収されることによって外部放射効率が低下することが問題となっている。
【０００３】
このような問題を解決するものとして、サファイア基板の表面に凹凸面を形成し、その上にIII族窒化物系化合物半導体層を設けた発光素子がある（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
特許文献１に記載される発光素子は、基板表面の上にIII族窒化物系化合物半導体で形成されてその表面がテクスチャ構造、断面台形状、若しくはピット状であるバッファ層を形成し、このバッファ層の上にIII族窒化物系化合物半導体層を形成している。
【０００５】
特許文献１に記載される発光素子によれば、サファイア基板とIII族窒化物系化合物半導体層との界面へ大きな角度をもって入射する光（当該界面と光進行方向との挟角が小さな光）であっても、当該段差面（側面）から外部へ放出できることとなり、光の取り出し効率が向上するとしている。
【特許文献１】特開２００３−１９７９６１号公報（図１、［００１１］）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献１に記載された発光素子によれば、III族窒化物系化合物半導体層から直接取り出される光以外の、層内に閉じ込められた光（層内閉込光）の取り出しについては凹凸加工を施したとしても層内閉込光の反射性が充分でなく、III族窒化物系化合物半導体層とサファイア基板の屈折率差に依存するため、光取り出し効率に限界がある。また、III族窒化物系化合物半導体層は光吸収係数が大であることにより、層内閉込光となると減衰して有効に活用することができない。
【０００７】
従って、本発明の目的は、光吸収係数の大なる層に光を留めることなく外部放射を促進させることができる発光素子およびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、発光層を含み、凹凸面を有する半導体層と、前記半導体層の前記凹凸面側に貼り付けられる透過性材料とを有し、前記透過性材料は、前記半導体層より低い屈折率を有することを特徴とする発光素子を提供する。
【０００９】
また、第２の発明は、上記の目的を達成するため、発光層を含み、凹凸面を有する半導体層と、前記半導体層の前記凹凸面側に貼り付けられる透過性材料とを有し、前記透過性材料は、前記半導体層との間に凹凸形状に応じた空気層を有することを特徴とする発光素子を提供する。
【００１０】
また、第３の発明は、上記の目的を達成するため、下地基板を準備する基板準備工程と、前記下地基板に凹凸加工を施す凹凸加工工程と、前記凹凸加工が施された前記下地基板に半導体層を形成する半導体層形成工程と、前記半導体層から前記下地基板をリフトオフするリフトオフ工程と、前記下地基板をリフトオフされた前記半導体層の前記下地基板取り付け側に透過性材料を設ける透過性材料接合工程と、透過性材料を設けられた前記半導体層に電極を形成する電極形成工程とを含むことを特徴とする発光素子の製造方法を提供する。
【００１１】
また、第４の発明は、上記の目的を達成するため、下地基板を準備する基板準備工程と、前記下地基板に半導体層を形成する半導体層形成工程と、前記半導体層から前記下地基板をリフトオフするリフトオフ工程と、前記下地基板をリフトオフされた前記半導体層の前記下地基板取り付け側に凹凸加工を施す凹凸加工工程と、前記凹凸加工を施された前記半導体層の加工面に透過性材料を設ける透過性材料接合工程と、透過性材料を接合された前記半導体層に電極を形成する電極形成工程とを含むことを特徴とする発光素子の製造方法を提供する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、半導体層内に留まる層内閉込光を凹凸部の形状および透過性材料の屈折率に基づいて放射方向を変化させることによって光取り出し性を高めており、そのことによって光吸収係数の大なる層に光を留めることなく外部放射を促進させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
（第１の実施の形態）
（ＬＥＤ素子１の構成）
図１は、第１の実施の形態に係るＬＥＤ素子の縦断面図である。このフェイスアップ型のＬＥＤ素子１は、発光層１４を有するＧａＮ系半導体層１００より低屈折率の透過性材料であるガラス部材１１と、ＧａＮ半導体化合物によって形成されるｎ−ＧａＮ層１３と、ｎ−ＧａＮ層１３上に積層される発光層１４と、発光層１４上に積層されるｐ−ＧａＮ層１５と、ｐ−ＧａＮ層１５からｎ−ＧａＮ層１３にかけてエッチングにより除去されたｎ−ＧａＮ層１３に設けられるｎ−電極１６と、ｐ−ＧａＮ層１５上に設けられる透明電極１７と、透明電極１７上に設けられるｐ−電極１８とを有する。
【００１４】
III族窒化物系化合物半導体層の形成方法は特に限定されないが、周知の有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）、分子線結晶成長法（ＭＢＥ法）、ハライド系気相成長法（ＨＶＰＥ法）、スパッタ法、イオンプレーティング法、電子シャワー法等によって形成することができる。なお、発光素子の構成としては、ホモ構造、ヘテロ構造若しくはダブルへテロ構造のものを用いることができる。さらに、量子井戸構造（単一量子井戸構造若しくは多重量子井戸構造）を採用することもできる。
【００１５】
ガラス部材１１は、屈折率ｎ＝１．５、熱膨張率６×１０−６／℃、ガラス点移点５４０℃で構成されており、図示しないサファイア基板上に成長させたＧａＮ系半導体化合物をレーザ光線の照射に基づいて剥離することによりサファイア基板から分離し、露出したｎ−ＧａＮ層１３に熱融着されている。このガラス部材１１には、発光層１４の発光に基づいてｎ−ＧａＮ層１３を介して入射する光を透明電極１７側の光取り出し方向に反射させる凹部１１Ａを有する。
【００１６】
凹部１１Ａは、逆台形状の形状を有し、ｎ−ＧａＮ層１３との熱融着に基づいてｎ−ＧａＮ層１３に設けられる凸部が転写されることにより設けられる。ｎ−ＧａＮ層１３の凸部は、サファイア基板に予めエッチング等によって逆台形状の凹部を形成しておき、その上層にＧａＮ系半導体化合物を成長させることにより形成される。凹部１１Ａの傾斜面は図の中心軸Ａに対し４５度で形成されている。
【００１７】
（ＬＥＤ素子１の製造工程）
図２は、ＬＥＤ素子の製造工程を示す図である。以下にＬＥＤ素子１の製造工程について説明する。
【００１８】
（基板準備工程）
図２（ａ）は、基板準備工程を示す図である。まず、下地基板となるウエハー状のサファイア基板１０を準備する。
【００１９】
（凹凸加工工程）
図２（ｂ）は、サファイア基板への凹凸加工工程を示す図である。サファイア基板１０に対してエッチングを施すことにより、サファイア基板１０に逆台形状の凹部１０Ａを所定の間隔で形成する。次に、凹部１０Ａを形成されたサファイア基板１０の表面にＡｌＮバッファ層１２を形成する。
【００２０】
（半導体層形成工程）
図２（ｃ）は、ＧａＮ系半導体層の形成工程を示す図である。ＡｌＮバッファ層１２上にｎ−ＧａＮ層１３と、発光層１４と、ｐ−ＧａＮ層１５と、透明電極１７とを順次設けた後、ｐ−ＧａＮ層１５からｎ−ＧａＮ層１３にかけてをエッチングにより除去することによってｎ−ＧａＮ層１３を露出させる。
【００２１】
（リフトオフ工程）
図２（ｄ）は、サファイア基板とＧａＮ系半導体層とのリフトオフ工程を示す図である。図２（ｃ）に示すＧａＮ系半導体層１００を積層されたサファイア基板１０に対し、サファイア基板１０側からレーザ光線をウエハー全面に照射する。ここで照射されるレーザ光線は、サファイア基板を透過し、ＧａＮ系半導体層１００を透過しない波長のものが使用される。このようなレーザ光線の照射に基づいてサファイア基板１０とｎ−ＧａＮ層１３の界面が局所的に加熱され、その結果、ｎ−ＧａＮ層１３からサファイア基板１０が剥離する。ここでｎ−ＧａＮ層１３側に残留したＡｌＮバッファ層１２は酸洗浄に基づいて除去される。
【００２２】
（ガラス準備工程）
図２（ｅ）は、サファイア基板が剥離されたＧａＮ系半導体層に熱融着されるガラス部材を準備するガラス準備工程を示す図である。図２（ｅ）でサファイア基板１０をリフトオフされたＧａＮ系半導体層１００に対し、ｎ−ＧａＮ層１３側にｎ＝１．５のガラス部材１１を配置する。
【００２３】
（ガラス圧着工程）
図２（ｆ）は、ｎ−ＧａＮ層１３にガラス部材を熱融着するガラス圧着工程を示す図である。ｎ−ＧａＮ層１３にガラス部材１１をホットプレスすることにより、ガラス部材１１には、ｎ−ＧａＮ層１３に形成されている凸部が転写されることによって凹部１１Ａが形成されるとともに熱融着される。
【００２４】
（電極形成工程）
図２（ｇ）は、電極を形成する電極形成工程を示す図である。エッチングにより露出させたｎ−ＧａＮ層１３にｎ−電極１６を形成し、透明電極１７上にｐ−電極１８を形成する。電極形成後、ダイサーで個々のＬＥＤ素子１に切断し、電極を除く表面に図示しない絶縁膜が形成される。なお、ＬＥＤ素子１の切断は、ダイサーによるカット以外の他の方法、例えば、スクライブによって行うこともできる。
【００２５】
このようにして形成されたＬＥＤ素子１を用いて、ＬＥＤランプを形成するには、まず、銅合金等により形成されたリードにＬＥＤ素子１を実装し、ｎ−電極１６及びｐ−電極１８をＡｕワイヤでリードにそれぞれボンディングする。次に、封止樹脂で一体的に封止してパッケージ化する。
【００２６】
（ＬＥＤ素子１の動作）
上記したＬＥＤランプのリードを図示しない電源部に接続して通電すると、リードからＡｕワイヤを介してｎ−電極１６及びｐ−電極１８に順方向の電圧が印加されて発光層１４においてホール及びエレクトロンのキャリア再結合が発生して発光する。この発光に基づいて生じた青色光のうち、発光層１４から透明電極１７側に放射される青色光は、透明電極１７を介して封止樹脂に入射し、封止樹脂から外部放射される。
【００２７】
また、発光層１４からｎ−ＧａＮ層１３側に放射された青色光のうち、ガラス部材１１の臨界角の範囲にある光はガラス部材１１との界面で反射されることによって透明電極１７側に導かれてＬＥＤ素子１の外部に放射される。
【００２８】
また、ｎ−ＧａＮ層１３の横方向（層方向）に伝搬する層内閉込光の一部は、ガラス部材１１に設けられた凹部１１Ａに入射することにより透明電極１７側に反射されて外部放射される。
【００２９】
（第１の実施の形態の効果）
第１の実施の形態によると、以下の効果が得られる。
（１）ＬＥＤ素子１のｎ−ＧａＮ層１３からサファイア基板をリフトオフし、サファイア基板よりも低屈折率で、かつ凹部１１Ａを有するガラス部材１１をｎ−ＧａＮ層１３に接合したので、ＧａＮ層内を伝搬する層内閉込光を凹部１１Ａで効率良く反射させて透明電極１７側に導くことができ、その結果、光取り出し性を向上させることができる。サファイア基板１０を用いた場合、ｎ−ＧａＮ層１３との屈折率差に基づく臨界角θｃは、１．７（サファイア）／２．４（ＧａＮ）：θｃ＝４５度となるが、上記したガラス部材１１を用いた場合には、１．５（ガラス）／２．４（ＧａＮ）：θｃ＝３９度となり、ガラス部材１１へ透過しうる青色光が小になる。このため、光吸収係数の大なる層に青色光を留めることなく外部放射を促進させることができる。
【００３０】
（２）ｎ−ＧａＮ層１３からサファイア基板１０をレーザ光線でリフトオフして、透過性材料であるガラス部材１１を一体化するようにしたので、発光波長や、所望の光取り出し性に応じたＬＥＤ素子１を容易に形成することができる。
【００３１】
（３）透過性材料として熱変形自在なガラス材料をホットプレスにより熱融着しているので、ｎ−ＧａＮ層１３との接着性に優れるとともに接合作業を容易に行うことができる。
【００３２】
なお、第１の実施の形態のＬＥＤ素子１では、サファイア基板１０に凹部１０Ａを形成し、その上にＧａＮ系半導体層１００を形成する工程を説明したが、例えば、サファイア基板１０に凹部を形成せずにＧａＮ系半導体層１００を形成した後、サファイア基板１０をリフトオフし、露出したｎ−ＧａＮ層１３にエッチング等によって凹凸部を形成しても良い。
【００３３】
（第２の実施の形態）
（ＬＥＤ素子１の構成）
図３は、第２の実施の形態に係るＬＥＤ素子の縦断面図である。以下の説明において、第１の実施の形態と同一の構成および機能を有する部分については共通の引用数字を付している。このフェイスアップ型のＬＥＤ素子１は、第１の実施の形態で説明したガラス部材１１の凹部１１Ａに代えて、ガラス部材１１にｎ−ＧａＮ層１３側へ突出した凸部１１Ｂを設けた構成において第１の実施の形態と相違している。
【００３４】
ガラス部材１１の凹部１１Ｂは、第１の実施の形態と同様にサファイア基板１０に対するエッチングによって形成されている。
【００３５】
（第２の実施の形態の効果）
第２の実施の形態によると、第１の実施の形態の好ましい効果に加えて、ｎ−ＧａＮ層１３内を伝搬する層内閉込光がｎ−ＧａＮ層１３側に突出した凸部１１Ｂに至り易くなるので、凸部１１Ｂでの反射に基づく反射光を透明電極１７側に導くことができ、その結果、光取り出し性が向上する。
【００３６】
なお、第２の実施の形態についても、第１の実施の形態のＬＥＤ素子１と同様に、表面が平坦なサファイア基板１０にＧａＮ系半導体層１００を形成した後、サファイア基板１０をリフトオフし、露出したｎ−ＧａＮ層１３にエッチング等によって凹凸部を形成しても良い。
【００３７】
（第３の実施の形態）
（ＬＥＤ素子１の構成）
図４は、第３の実施の形態に係るＬＥＤ素子の縦断面図である。このフェイスアップ型のＬＥＤ素子１は、第１の実施の形態で説明したガラス部材１１およびｎ−ＧａＮ層１３の界面に微細な凹凸部１１Ｃを設けた構成において第１の実施の形態と相違している。
【００３８】
ガラス部材１１の凹凸部１１Ｃは、サファイア基板１０の表面に対する粗面化加工、エッチング処理等に基づいて不規則かつ微細に形成されている。
【００３９】
（第３の実施の形態の効果）
第３の実施の形態によると、凹凸形状を第１の実施の形態のように制御しなくてもＧａＮ層における層内閉込光量は多いので、ＧａＮ層１３内を伝搬する層内閉込光を、ガラス部材１１およびｎ−ＧａＮ層１３の界面に形成された微細な凹凸部１１Ｃで反射させることによって光取り出し性を向上させる効果を得ることができる。
【００４０】
なお、第３の実施の形態についても、第１の実施の形態のＬＥＤ素子１と同様に、表面が平坦なサファイア基板１０にＧａＮ系半導体層１００を形成した後、サファイア基板１０をリフトオフし、露出したｎ−ＧａＮ層１３にエッチング等によって微細な凹凸部を形成しても良い。
【００４１】
（第４の実施の形態）
（ＬＥＤ素子１の構成）
図５は、第４の実施の形態に係るＬＥＤ素子の縦断面図である。このフェイスアップ型のＬＥＤ素子１は、第２の実施の形態で説明したｎ−ＧａＮ層１３に平坦なガラス部材１１を熱融着し、その際にガラス部材１１とｎ−ＧａＮ層１３との間にテーパー状の空気層を形成する凹部１３Ｂをｎ−ＧａＮ層１３に所定の間隔で設けている構成において第２の実施の形態と相違している。
【００４２】
凹部１３Ｂは、ＧａＮ系半導体層１００を形成する際の下地基板となるサファイア基板にエッチング等の表面加工によって予め形成された凸部に対応してｎ−ＧａＮ層１３に形成され、ｎ−ＧａＮ層１３からサファイア基板をリフトオフすることによりｎ−ＧａＮ層１３の下面に露出する。
【００４３】
ガラス部材１１は、ｎ−ＧａＮ層１３に形成された凹部１３Ｂを塞ぐことのないようにｎ−ＧａＮ層１３に熱融着される。
【００４４】
図６（ａ）から（ｅ）は、ｎ−ＧａＮ層内を伝搬する青色光の挙動について示す図である。図６（ａ）に示すように、ガラス部材１１とｎ−ＧａＮ層１３との間に形成される凹部１３Ｂの内部には、屈折率ｎ＝１．０の空気層が形成される。この空気層の存在により、ｎ−ＧａＮ層１３を層方向に伝搬して凹部１３Ｂの傾斜面１３０に入射する青色光の挙動は以下のようになる。
【００４５】
（青色光Ｌ１の挙動）
凹部１３Ｂの傾斜面１３０に対して斜め下方向から入射する青色光Ｌ１は、空気層との界面において全反射され、そのことによって透明電極が設けられるＬＥＤ素子の光取り出し方向に放射される。
【００４６】
（青色光Ｌ２の挙動）
凹部１３Ｂの傾斜面１３０に対してほぼ水平方向から入射する青色光Ｌ２についても、空気層との界面において全反射され、そのことによって透明電極が設けられるＬＥＤ素子の光取り出し方向に放射される。
【００４７】
（青色光Ｌ３の挙動）
さらに、凹部１３Ｂの傾斜面１３０に対して斜め上方向から入射する青色光Ｌ３についても、空気層との界面において全反射され、そのことによって透明電極が設けられるＬＥＤ素子の光取り出し方向に放射される。
【００４８】
（青色光Ｌ４の挙動）
凹部１３Ｂの傾斜面１３０に対して垂直入射する青色光Ｌ４は、屈折せずに空気層界面１３Ｃへ至り、図６（ａ）の下方へ屈折し、ＬＥＤ素子から光取り出しされやすい方向の光となる。
【００４９】
図６（ｂ）は、ＧａＮ層の発光層における点Ｏで生じた光の放射を示す概略図である。発光層の任意点Ｏで発光した青色光は、全方向に放射される。そのうち発光素子封止材料（ｎ＝１．５）ないしはサファイア基板（ｎ＝１．７）へ外部放射される光は、中心軸に対し、約４０〜４５度以内の範囲に放射される光である。それ以外の方向へ放射される光はＧａＮ層における層内閉込光となる。そして層内閉込光となる方向の立体角は全体の７０％以上である。
【００５０】
図６（ｃ）は、（ａ）に示した状態で空気層の代わりにサファイア基板（ｎ＝１．７）が設けられるときの臨界角の関係を示す図である。凹部１３Ｂの傾斜面１３０に対する臨界角θｃは、１．７／２．４：θｃ＝４５度となる。このため、ＧａＮ層１３から外部放射されない層内閉込光のうち斜線で示した方向の範囲から入射する青色光を全反射することでＧａＮ層内から外部放射される方向の青色光とすることができる。そして、立体角Ａで見た場合、全体の３６％、ＧａＮ層１３から外部放射されない層内閉込光についてはその５０％に相当する方向からの青色光をＧａＮ層内から外部放射される方向の青色光とすることができる。
【００５１】
図６（ｄ）は、（ａ）に示した状態で空気層の代わりにガラス部材（ｎ＝１．５）が設けられるときの臨界角の関係を示す図である。凹部１３Ｂの傾斜面１３０に対する臨界角θｃは、１．５／２．４：θｃ＝４０度となる。また、立体角Ａで見た場合、全体の４３％、層内閉込光についてはその６０％に相当する方向からの青色光をＧａＮ層内から外部放射される方向の青色光とすることが可能になる。
【００５２】
図６（ｅ）は、空気層の場合の臨界角の関係を示す図である。凹部１３Ｂの傾斜面１３０に対する臨界角θｃは、１．０／２．４：θｃ＝２４．６度となる。また、立体角Ａで見た場合、全体の５６％、層内閉込光についてはその７９％に相当する方向からの青色光をＧａＮ層内から外部放射される方向の青色光とすることが可能になる。
【００５３】
（第４の実施の形態の効果）
第４の実施の形態によると、ガラス部材１１とｎ−ＧａＮ層１３との間に凹部１３Ｂを設け、その内部に空気層を形成したので、凹部１３Ｂの傾斜面１３０に入射した青色光の多くを全反射に基づいて透明電極側に導くことができる。また、臨界角の範囲に入射した青色光については、空気層によってガラス部材１１側に放射方向を変えることによりガラス部材１１に入射し、ガラス部材１１の底面で反射されて透明電極側に導かれることから、全反射光と合わせてＧａＮ系半導体層から効率良く光を取り出すことができる。
【００５４】
（第５の実施の形態）
（ＬＥＤ素子１の構成）
図７は、第５の実施の形態に係るＬＥＤ素子の縦断面図である。このフェイスアップ型のＬＥＤ素子１は、第４の実施の形態で説明したＬＥＤ素子１のガラス部材１１を薄型化してｎ−ＧａＮ層１３に熱融着しているとともに、ガラス部材１１の下側に高反射率を有するＡｇ反射層２０と、Ａｇ反射層２０との間に熱膨張率差を緩和するためのＭｏ箔２１を介して放熱用の銅部材２２を設けている構成において第２の実施の形態と相違している。
【００５５】
Ａｇ反射層２０は、蒸着法によって薄膜状にＡｇを付着させることにより形成されている。
【００５６】
（第５の実施の形態の効果）
第５の実施の形態によると、ｎ−ＧａＮ層１３とＡｇ反射層２０とが薄型化されたガラス部材１１を介して直接接することなく接着されるので、ｎ−ＧａＮ層１３の層内閉込光がＡｇ反射層２０に直接入射せず、そのことによって吸収損失を生じることなしに透明電極側への光取り出し性を高めることができる。即ち、高反射率のＡｇとはいえ薄膜のＧａＮ層内伝搬の際には、多数回の反射が繰り返されるために、大きな吸収損失が生じるが、ガラス部材１１を介すことにより、全反射によるＧａＮ層内伝搬とすることができるため、反射時の吸収損失をなくすことができる。また、薄型化されたガラス部材１１によって銅部材２２への放熱性が向上する。
【００５７】
（第６の実施の形態）
（ＬＥＤ素子１の構成）
図８は、第６の実施の形態に係るＬＥＤ素子の縦断面図である。このフェイスアップ型のＬＥＤ素子１は、ＬＥＤ素子１のｎ−ＧａＮ層１３に設けられる凹部１３Ｂに第５の実施の形態で説明した薄型のガラス部材１１とＡｇ反射層２０とを配置し、更に半田層２３を介して銅部材２２を固定した構成において第５の実施の形態と相違している。
【００５８】
（第６の実施の形態の効果）
第６の実施の形態によると、ｎ−ＧａＮ層１３の凹部１３Ｂに高反射率のＡｇ反射層２０が配置されるので、第５の実施の形態の好ましい効果に加えて凹部１３Ｂに入射した層内閉込光を反射させて透明電極側に効率良く取り出せるとともに、ガラス部材１１を透過した青色光についてもＡｇ反射層２０で反射させて透明電極側に反射させることができ、その結果、ｎ−ＧａＮ層１３の層内閉込光に対する光取り出し性を向上させることができる。
【００５９】
図９は、第６の実施の形態のＬＥＤ素子の変形例を示す縦断面図である。この変形例では、ｎ−ＧａＮ層１３に高反射率のＡｇ反射層２０を接合した構成を有している。このようにガラス部材１１を設けない構成としても青色光を透明電極側に効率良く取り出すことができる。また、ガラス部材１１を設けないことで製造工程数を低減でき、コストダウンに有効であるとともにＬＥＤ素子１の薄型化を図れる。
【００６０】
（第７の実施の形態）
図１０は、第７の実施の形態に係るフリップチップ型のＬＥＤ素子を示し、（ａ）は縦断面図、（ｂ）はｎ−ＧａＮ層における青色光の挙動を示す図である。このＬＥＤ素子１は、（ａ）に示すように発光層を有する半導体層より低屈折率（ｎ＝１．９）の透過性材料であるガラス部材１１と、ＧａＮ半導体化合物によって形成されるｎ−ＧａＮ層１３と、ｎ−ＧａＮ層１３上に積層される発光層１４と、発光層１４上に積層されるｐ−ＧａＮ層１５と、ｐ−ＧａＮ層１５からｎ−ＧａＮ層１３にかけてエッチングにより除去されたｎ−ＧａＮ層１３に設けられるｎ−電極１６と、ｐ−ＧａＮ層１５上に設けられるｐ−電極１９とを有する。
【００６１】
発光層１４は、ＧａＮ系半導体層１００を成長させる下地基板として、図示しないサファイア基板上にＧａＮ系半導体を結晶成長させることにより形成される。また、結晶成長時にサファイア基板に設けられる凸部に応じた形状（円柱状）の凹部１３Ｂがｎ−ＧａＮ層１３に形成される。この凹部１３Ｂは、格子状あるいは千鳥状等の配列でｎ−ＧａＮ層１３に設けることができる。
【００６２】
この発光層１４は、サファイア基板側から照射されるレーザ光線の照射に基づいてｎ−ＧａＮ層１３からサファイア基板がリフトオフされ、代わりにガラス部材１１がｎ−ＧａＮ層１３に熱融着される。熱融着されたガラス部材１１とｎ−ＧａＮ層１３との間には、凹部１３Ｂの形状に応じて空気層が形成される。なお、ウエハー状態でこの工程を行った後、電極形成、ダイシング等の工程を行う。
【００６３】
ｎ−ＧａＮ層１３は、（ｂ）に示すようにガラス部材１１とｎ−ＧａＮ層１３との間に形成される凹部１３Ｂによって、内部に屈折率ｎ＝１．０の空気層が形成される。この空気層の存在により、ｎ−ＧａＮ層１３を層方向に伝搬する青色光の挙動は以下のようになる。
【００６４】
（青色光Ｌ１，Ｌ１’の挙動）
ＧａＮ層１３からガラス部材１１へ全反射とならない角度で入射する青色光は、凹部１３Ｂの側面に臨界角より大なる角度で入射する。凹部１３Ｂの側面に臨界角より大なる角度で入射する青色光Ｌ１は、空気層との界面において全反射される。この青色光Ｌ１は、（ａ）に示すｐ−電極１９で再度上方に反射されることによりガラス部材１１を介して外部放射される。また、ｎ−ＧａＮ層１３からガラス部材１１に向かう青色光Ｌ１’についても空気層との界面において全反射されることにより、ガラス部材１１を介して外部放射される。凹部１３Ｂの側面は略垂直面であるために、ＧａＮ層１３からガラス部材１１へ全反射とならない角度で入射する青色光は、全反射してもＧａＮ層１３からガラス部材１１へ全反射とならない角度で入射する青色光のままであるためである。
【００６５】
（青色光Ｌ２，Ｌ２’の挙動）
凹部１３Ｂの側面に対して斜め上方向から入射する青色光Ｌ２は、空気層との界面を透過してｎ−ＧａＮ層１３との界面で垂直方向側に放射方向を変えられることによりｐ−電極１９で反射され、ｎ−ＧａＮ層１３を透過して空気層との界面で再び放射方向を変えられてガラス部材１１に入射し、ガラス部材１１から外部放射される。また、ｎ−ＧａＮ層１３から空気層との界面に斜め下方向から入射する青色光Ｌ２’は、空気層とガラス部材１１との界面において更に上方に放射方向を変えられてガラス部材１１に入射し、ガラス部材１１から外部放射される。
【００６６】
（青色光Ｌ３，Ｌ３’の挙動）
凹部１３Ｂの側面に対してほぼ水平でやや斜め上方向から入射する青色光Ｌ３は、空気層との界面においてｎ−ＧａＮ層１３側に放射方向を変えられ、更にｎ−ＧａＮ層１３との界面において垂直方向側に放射方向を変えられることによりｐ−電極１９で反射され、ｎ−ＧａＮ層１３を透過してガラス部材１１に入射し、ガラス部材１１から外部放射される。また、ｎ−ＧａＮ層１３から空気層との界面にほぼ水平でやや斜め上方に入射する青色光Ｌ３’は、空気層とガラス部材１１との界面において更に上方に放射方向を変えられてガラス部材１１に入射し、ガラス部材１１から外部放射される。
【００６７】
（第７の実施の形態の効果）
第７の実施の形態によると、ｎ−ＧａＮ層１３の凹部１３Ｂに入射する青色光がガラス部材１１側あるいはｐ−電極１９に放射方向を変えることにより、フリップチップ型のＬＥＤ素子１であっても光取り出し性を向上させることができる。
【００６８】
ただし、この場合、第１から第６の実施の形態でフェイスアップ型のＬＥＤ素子１を用い、界面反射を利用したものとは異なり、半導体層からガラス部材１１へ取り出しが容易になるよう、更にここで界面屈折を利用するものである。このため、ガラス部材１１は元の基板であるサファイアのｎ＝１．７より高い屈折率とすることで、サファイアに凹凸形成したものをそのまま用いるより大きな効果を得ることができる。
【００６９】
なお、フリップチップ型のＬＥＤ素子では、光取り出し面側に電極が存在しないので、高屈折率媒体からの光取り出しという意味以外でも、発光素子から外部への光取り出しが有利である。
【００７０】
なお、第７の実施の形態では、凹部１３Ｂの形状に応じた空気層を形成するとして説明したが、空気層がなくても光取り出しの効果を得ることができる。この場合も上述のようにガラス部材１１の屈折率は大である方が望ましい。凹部１３Ｂを円柱状とした構成を説明したが、四角柱状や六角柱状等の他の形状を有していても良い。
【００７１】
また、他の形状として円錐や角錐状等としても良い。この場合、凹部１３Ｂの側面で全反射する光の挙動は同様ではなくなるが、ガラス部材１１の屈折率がサファイアより大であれば、ＧａＮ層とサファイア基板とが平坦状に形成されている状態ではＧａＮ層から外部反射できない光、あるいは同一形状で凹凸形成されたＧａＮ層とサファイア基板との界面から外部反射できない光を外部放射することができ、光取り出し効果を得ることができる。
【００７２】
また、凹部１３Ｂを平面のサファイア基板をリフトオフした後に、ドライエッチング等によって形成するとしてもよい。
【００７３】
第１から第７の実施の形態では、ＧａＮからなる半導体層を有するＬＥＤ素子として説明したが、ＧａＡｓ、ＡｌＩｎＧａＰ等他の材料を用いたものとしてもよい。また、サファイア基板をリフトオフしたものとして説明したが、エピ層と基板とが同等の屈折率であれば、必ずしも基板を除去する必要はなく、基板に直接凹凸加工したものでもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】第１の実施の形態に係るＬＥＤ素子の縦断面図である。
【図２】ＬＥＤ素子の製造工程を示す図であり、（ａ）は、基板準備工程を示す図、（ｂ）は、サファイア基板への凹凸加工工程を示す図、（ｃ）は、ＧａＮ系半導体層の形成工程を示す図、（ｄ）は、サファイア基板とＧａＮ系半導体層とのリフトオフ工程を示す図、（ｅ）は、サファイア基板が剥離されたＧａＮ系半導体層に熱融着されるガラス部材を準備するガラス準備工程を示す図、（ｆ）は、ｎ−ＧａＮ層１３にガラス部材を熱融着するガラス圧着工程を示す図、（ｇ）は、電極を形成する電極形成工程を示す図である。
【図３】第２の実施の形態に係るＬＥＤ素子の縦断面図である。
【図４】第３の実施の形態に係るＬＥＤ素子の縦断面図である。
【図５】第４の実施の形態に係るＬＥＤ素子の縦断面図である。
【図６】（ａ）から（ｅ）は、ｎ−ＧａＮ層内を伝搬する青色光の挙動について示す図である。
【図７】第５の実施の形態に係るＬＥＤ素子の縦断面図である。
【図８】第６の実施の形態に係るＬＥＤ素子の縦断面図である。
【図９】第６の実施の形態のＬＥＤ素子の変形例を示す縦断面図である。
【図１０】第７の実施の形態に係るフリップチップ型のＬＥＤ素子を示し、（ａ）は縦断面図、（ｂ）はｎ−ＧａＮ層における青色光の挙動を示す図である。
【符号の説明】
【００７５】
１、ＬＥＤ素子  １０、サファイア基板  １０Ａ、凹部  １１、ガラス部材
１１Ａ、凹部  １１Ｂ、凸部  １１Ｃ、凹凸部  １２、ＡｌＮバッファ層
１３、ｎ−ＧａＮ層  １３Ｂ、凹部  １３Ｃ、空気層界面  １４、発光層
１５、ｐ−ＧａＮ層  １６、ｎ−電極  １７、透明電極  １８、ｐ−電極
１９、ｐ−電極２０、Ａｇ反射層  ２１、Ｍｏ箔  ２２、銅部材
２３、半田層  １００、ＧａＮ系半導体層  １３０、傾斜面
【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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