(57)【要約】      （修正有）【課題】発光素子の発光効率を改善する。【解決手段】六方晶構造をしたベース部と、該ベース部上に形成された発光部とを備え、前記ベース部は、平坦なベース面を有する発光増進層を含み、発光増進ユニットを前記ベース面に対して垂直方向に形成し、前記発光増進ユニットは、前記ベース面より内向きに複数の斜面が互いに隣接して連なった状態をし、且つ六方晶の2007235109.tif 000018面群における対応する対称面に平行し、但し、2007235109.tif 000019は２〜５であり、整数の上に横線を引いている場合はマイナス値を示す。【選択図】図１
2007235109.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光効率の良好な六方晶構造をしたベース部と、該ベース部上に形成された発光部とを備え、
前記六方晶構造のベース部は、実質上平坦なベース面を有する発光増進層を含み、発光増進ユニットを前記ベース面に対して垂直方向に形成し、
前記発光増進ユニットは、前記ベース面より内向きに複数の斜面が互いに隣接して連なった状態をし、且つ六方晶の
【数１】
2007235109.tif 000016
面群における対応する対称面に平行し、但し、
【数２】
2007235109.tif 000017
は２〜５であり、整数の上に横線を引いている場合はマイナス値を示すことを特徴とする発光素子。
【請求項２】
前記発光増進ユニットは、前記発光増進層のベース面から内向きに向斜した複数の凹みによって形成され、前記凹みのそれぞれは前記ベース面に連なる周縁部と該周縁部に連なる斜面とからなることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
【請求項３】
前記凹みのそれぞれは、底部が尖った形に形成されていることを特徴とする請求項２に記載の発光素子。
【請求項４】
前記凹みのそれぞれは、底部が平らで上面視方向に対して三角形となるように形成され、各斜面は互いに稜線で交わり連接するように形成されていることを特徴とする請求項２に記載の発光素子。
【請求項５】
前記凹みのそれぞれは、前記発光増進層のベース面から０．３μｍ〜５μｍの深さを有することを特徴とする請求項２に記載の発光素子。
【請求項６】
前記ベース部は、サファイア基板を用いることを特徴とする請求項２に記載の発光素子。
【請求項７】
前記ベース部は、前記サファイア基板上にさらに前記発光増進層と、バッファ層と、を積層し、
前記バッファ層は、複数の突起がそれぞれ発光増進ユニットの凹みに嵌合形成されたことを特徴とする請求項６に記載の発光素子。
【請求項８】
前記バッファ層における複数の突起は、前記凹みに対応して頂端が尖った形に形成され、且つ前記突起内に空洞が形成されたことを特徴とする請求項７に記載の発光素子。
【請求項９】
前記突起のそれぞれは、前記バッファ層の面に連接すると共に傾斜するように突出して前記複数の凹みのそれぞれに対応して嵌め込むように形成されることを特徴とする請求項７に記載の発光素子。
【請求項１０】
前記発光増進ユニットとして、複数の突起が、前記バッファ層の面に連接すると共に傾斜するように突出してなることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
【請求項１１】
前記突起のそれぞれは、頂点を有する三角錐状に形成されていることを特徴とする請求項１０に記載の発光素子。
【請求項１２】
前記突起のそれぞれは、頂点が平らに切り取られて平坦面を有する三角錐台状に形成されていることを特徴とする請求項１０に記載の発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光の反射率を高めて発光効率を改善する発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体発光素子の発光効率を改善する技術として、図１４に示すような、表面９１１上に複数の凹部９１２、９１２、・・・が形成された六方晶構造のサファイア基板９１を使う技術を本願出願人が提案している（例えば特許文献１を参照）。
【０００３】
当該サファイア基板９１の表面９１１上には、開口部を複数有するマスク（図示せず）を介してドライエッチングにより複数の凹部９１２が形成されている。凹部９１２が複数形成された表面９１１上に発光層として凹部９１２に対応して突起を形成したエピタキシャル成長膜９２を形成することによって発光素子が作製される。凹部９１２や突起により、発光層９２による貫通転位を抑えて発光効率を改善しようとする。
【特許文献１】台湾特許第１２３６７７３号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記発光素子では、凹部９１２や突起のアスペクト比を高くすることには、そのエッチング法等による影響によって制限があり、その発光効率はさらに改善される余地がある。
【０００５】
本発明は、従来の上記発光素子のさらなる改良を目的に案出されたものである。すなわち、凹部や突起のアスペクト比を適宜に制御して発光効率が向上した発光素子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】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明は、発光効率の良好な六方晶構造をしたベース部と、該ベース部上に形成された発光部とを備え、六方晶構造のベース部は、実質上平坦なベース面を有する発光増進層を含み、発光増進ユニットをベース面に対して垂直方向に形成し、発光増進ユニットのそれぞれは、ベース面より内向きに複数の斜面が互いに隣接して連なった状態をし、且つ六方晶の
【数１】
2007235109.tif 000003
面群における対応する対称面に平行し、但し、
【数２】
2007235109.tif 000004
は２〜５であり、整数の上に横線を引いている場合はマイナス値を示すことを特徴とする発光素子を提供する。
【０００７】
上記発光素子はまた、発光増進ユニットのそれぞれは、発光増進層のベース面より内向きに向斜した凹みによって形成され、それぞれの凹みはベース面に連なる周縁部と該周縁部に連なる斜面とからなることが好ましい。
【０００８】
上記発光増進ユニットのそれぞれの凹みを、底部が尖るように形成することもでき、また、底部が平らで上面視方向に対して三角形となるように形成され、各斜面は互いに稜線で交わり連接するように形成されてもよい。
【０００９】
上記凹みのそれぞれは、前記発光増進層のベース面から０．３μｍ〜５μｍの深さを有することが好ましい。
【００１０】
上記ベース部は、サファイア基板を用いることが好ましい。
【００１１】
上記ベース部はまた、サファイア基板上にさらに発光増進層と、バッファ層と、を積層し、バッファ層は、複数の突起がそれぞれ発光増進ユニットの凹みに嵌合形成されるようにしてもよい。
【００１２】
また、上記複数の突起は、凹みに対応して頂端が尖った形に形成され、且つ突起内に空洞が形成されるようにしてもよい。
【００１３】
また、複数の突起のそれぞれがバッファ層の面に連接すると共に傾斜するように突出して複数の凹みのそれぞれに対応して嵌め込むように形成されるようにしてもよい。
【００１４】
また、複数の突起のそれぞれが、バッファ層の面に連接すると共に傾斜するように突出して上記発光増進ユニットとなるようにしてもよい。
【００１５】
上記発光増進ユニットのそれぞれの突起は、頂点を有する三角錐状に形成され、また、頂点が平らに切り取られて平坦面を有する三角錐台状に形成されるようにしてもよい。
【発明の効果】
【００１６】
以上により、本発明の発光素子は、ベース部において六方晶の
【数３】
2007235109.tif 000005
面群における平面に平行する方向に至る複数の斜面により画成する凹み或いは角錐状に形成された突起により、光の反射率を高くすることができ、発光効率を従来の発光素子よりも改善することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、実施形態の全図において、同一または対応する部分には同一の符号を付す。
【００１８】
図１は、本発明の第１の実施形態による発光素子１を示す縦断面図である。図２は、この形態の発光素子１の一部の縦断面図である。図３はこの発光素子のベース部２の概略的な上面図である。
【００１９】
この形態の発光素子１は、図１に示すように、発光増進効果があり発光効率の良好な六方晶構造をしたベース部２と、該ベース部２上に形成された発光部４とをそなえている。
【００２０】
六方晶構造のベース部２は、実質上平坦なベース面２１１を有する発光増進層２１を含み、発光増進層２１は発光増進ユニット３を前記ベース面２１１に対して垂直方向に形成している。発光増進ユニット３は、この例においては、ベース面２１１より内向きに複数の斜面３１が互いに隣接して連なった状態をし、且つ六方晶の
【数４】
2007235109.tif 000006
面群における対応する対称面に平行する。
【００２１】
なお、結晶面群
【数５】
2007235109.tif 000007
は、結晶の格子面を表すミラー指数であり、対称面である
【数６】
2007235109.tif 000008
面をまとめて表したものである。但し、
【数７】
2007235109.tif 000009
は２〜５であり、整数の上に横線を引いている場合はマイナス値を示す。
【数８】
2007235109.tif 000010
面により、互いに連なって尖塔状をした逆角錐をなし、一方、
【数９】
2007235109.tif 000011
面も、互いに連なって尖塔状をした逆角錐をなす。各々の斜面３１は、
【数１０】
2007235109.tif 000012
面、または
【数１１】
2007235109.tif 000013
面に対応する。
【００２２】
この例においては、発光増進ユニット３は、それぞれ発光増進層２１のベース面２１１から内向きに向斜した凹み３０によって形成され、それぞれの凹み３０はベース面２１１と連なる周縁部３０１と周縁部３０１と連なる斜面３１とによりなる。発光増進層２１に形成されたくぼみ形状をした発光増進ユニット３、３、・・・により、発光素子における発光部４からの発光の内部反射のすべてを強めることができるので、発光素子の発光効率を向上させることができる。
【００２３】
この例では、ベース部２は、サファイア基板２０を用い、ウェットエッチングにより基板２０の上部を切り込んで複数の凹み３０、３０、・・・を形成した発光増進層２１が形成されている。発光増進層２１の層の厚さは凹み３０の深さとほぼ等しい。ウェットエッチングの操作条件を制御することにより、望ましいアスペクト比（高さ−横幅）をそなえた凹み３０を形成することができ、且つ結晶面群
【数１２】
2007235109.tif 000014
のｋ値も好ましく得られる。
【００２４】
ベース部２は、発光増進層２１のベース面２１１上に複数の突起２２１がそれぞれ発光増進ユニット３の凹み３０に嵌込んで形成された六方晶のバッファ層２２が積層される。
【００２５】
発光部４は、バッファ層２２上に積層された第１のタイプのクラッド層４１と、該クラッド層４１上に積層された多重量子井戸（ＭＱＷ）構造の活性層４２と、活性層４２上に積層された第２のタイプのクラッド層４３をそなえている。クラッド層４１と４２との上にそれぞれ第１の電極１１、第２の電極１２を形成する。
【００２６】
この例では、突起２２１のそれぞれは凹み３０のそれぞれに対応して嵌合形成される。それぞれの突起２２１は頂点を有する三角錐台状に形成される（図３参照）。なお、この例では、凹み３０は、例えば発光増進層２１のベース面から０．３μｍ〜５μｍの深さを有する。
【００２７】
図４は、本発明の他の実施形態の発光素子の一部を示す縦断面図である。図５は、この発光素子のベース部２の上面図である。
【００２８】
この形態の発光素子は、図示の如く、上記形態の発光素子１とは違って、発光増進層２１のベース面２１１に底部３０２が少し平らである凹み３０を形成し、凹み３０のそれぞれに対応して突起２２１は凹み３０の開口側に広がった三角錐台状に形成されている。それぞれの凹み３０においては、平らの底部３０２は上面視方向に対して三角形をしており、各斜面３１、３１、３１とは稜線３０２１、３０２１、３０２１で交わり連接する。
【００２９】
図６は、他の実施形態による発光素子の一部を示す縦断面図である。この形態の発光素子は、上記形態の発光素子１と違って、バッファ層２２における複数の突起２２１、２２１、・・・は、凹み３０に対応して頂部が尖った形に形成され、且つ突起２２１内に空洞３３が形成される。
【００３０】
図７は、他の実施形態による発光素子の一部を示す縦断面図である。この形態の発光素子は、上記形態の発光素子１と違って、バッファ層２２における複数の突起２２１、２２１、・・・は、凹み３０に対応してそれぞれの頂部が平らに切り取られた形に形成され、且つ突起２２１内に空洞３３が形成される。
【００３１】
図８は、他の実施形態の発光素子を示す縦断面図である。この例では、図示の如く、フリップチップ状に形成された発光素子は前記形態の発光素子とは違って全体が逆様になって第１の電極１１と第２の電極１２との下に挟まれたパッド５２、５２を介して放熱部材５１が設けられる。パッド５２、５２と放熱部材５１との間に熱伝導部材５３、５３が設けられている。
【００３２】
図９は、他の実施形態の発光素子の一部を示す縦断面図である。図１０は、本形態の発光素子の上面図である。
【００３３】
この形態の発光素子は、図示の如く、上記形態の発光素子とは違って、第２のクラッド層４３下に発光増進のための金属層７が形成され、金属層７下に放熱層５が積層されている。なお、簡単に説明するために、図９と図１０において基板が上であるように図示する。次いで、サファイア基板２０を除去し、ベース面２１１即ちバッファ層２２の除去された基板側の面２２２に第１の電極１１を形成し、第２のタイプのクラッド層４３上に第２の電極１２を形成する。バッファ層２２は、この例では、ベース部２の発光増進層２１としての働きをする。複数の突起２２１、２２１、・・・のそれぞれがバッファ層２２の面２２２より突出て上記形態例における発光増進ユニット３として形成され、それぞれの突起２２１は頂点を有する三角錐状に形成される。
【００３４】
図１１は他の実施形態にかかる発光素子の一部を示す上面部である。この発光素子においては、バッファ層２２の突起２２１のそれぞれが頂点が平らに切り取られて平坦面２０２を有する三角錐台状に形成される。
【００３５】
図１２は、他の実施形態の発光素子を示す縦断面図である。この発光素子では、第２の電極１２は放熱層５の下に形成される。
【００３６】
以上の発光素子の代表的な製造例について説明する。
【００３７】
〈実施例１〉
図４及び５に示す発光素子を以下のように製造する。
サファイア基板２０を用意する。該サファイア基板２０の全面にシリコン酸化膜を発光増進層２１として形成する。次に、図示しないが、全面にフォトレジスト膜を形成する。フォトリソグラフィ技術を用い、フォトレジスト膜に円形開口部を形成する。かかる開口部は、直径が３μｍ程度のもので、シリコン酸化膜をエッチングするためのものである。次にフォトレジスト膜をマスクとして、シリコン酸化膜をエッチングする。この際、エッチングは、２６０℃の下で、の濃度が９８ｖｏｌ％のＨ２ＳＯ４１００ｍｌと濃度が８５ｖｏｌ％のＨ３ＰＯ４５０ｍｌを混合した腐食剤を用いる。これにより、シリコン酸化膜を発光増進層２１としてその全面に複数の断面円形の凹みが並列される。それぞれの凹みは深さがシリコン酸化膜のベース面２１１の表面から約０．５μｍである。次に、エピタキシャル成長法により、ＧａＮドープのバッファ層２２と、ｎ−ＧａＮよりなる第１のタイプのクラッド層４１と、ＧａＮをベースとするＭＱＷ構造の活性層４２と、ｐ−ＧａＮよりなる第２のタイプのクラッド層４３とを有する積層体がパターニングされたサファイア基板２０上に形成される。次に、第１の電極１１と第２の電極１２とをそれぞれクラッド層４１と４３に形成する。このようにして、本実施形態による発光素子が製造される。この発光素子の各部の屈折率及び層厚を、下記に示す。サファイア基板２０は屈折率が１．７６、厚さが１００μｍである。クラッド層４１は、屈折率が２．４２で膜厚が３μｍである。活性層４２は、屈折率が２．５４で膜厚が０．３μｍである。クラッド層４３は、屈折率が２．４５で膜厚が０．４μｍである。なお、この発光素子を、例えばフロントライトタイプの発光ダイオードとして形成することができる。つまり、活性層４２よりの発光は、サファイア基板２０と逆の側のエピ層構造の面より射出することができる。
【００３８】
なお、腐食剤に８５ｖｏｌ％のＨ３ＰＯ４を添加することにより、Ａｌ２（ＳＯ４）３・１７Ｈ２Ｏの沈殿物を形成することを避けることができ、発光素子を製造する過程において汚れの影響を減らすことができる。
【００３９】
〈実施例２〉
上記実施例１と類似する製造方法により、図７に示す実施形態の発光素子が製造される。なお、この発光素子の凹み３０は、深さが１．０μｍである。
【００４０】
〈実施例３〉
上記実施例１と類似する製造方法により、図６に示す実施形態の発光素子が製造される。なお、この発光素子の凹み３０は、深さが１．５μｍである。
【００４１】
〈実施例４〉
上記実施例１と類似する製造方法により、図６に示す実施形態の発光素子が製造される。なお、この発光素子の凹み３０は、深さが２．０μｍである。
【００４２】
〈実施例５〉
上記実施例１と類似する製造方法により、図８に示す実施形態の発光素子が製造される。なお、この発光素子は、バックライトタイプの発光ダイオードとして形成される。
【００４３】
〈実施例６〉
上記実施例１と類似する製造方法により、図９に示す実施形態の発光素子が製造される。ただし、金属層７はＡｇ／Ｔｉよりなる。放熱層５はＳｉ−Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕよりなる。なお、レーザ技術によりサファイア基板２０を除去する。
【００４４】
図１３は、本発明の発光素子及び従来の発光素子の発光効率の凹み深さ依存性を示す図である。図１３において、黒い四角のプロットが従来の発光素子の発光効率を示し、黒い丸のプロットが本発明の発光素子の光の発光効率を示す。図１３からは、本発明の発光素子は従来の発光素子よりも光の発光効率が良好であることが分かる。
【００４５】
さらに、実施例６により製造された発光素子（図９）によれば、最大の発光強度が３．７５ｍＷ／ｓｒであるのに対して、従来の発光素子ではたった１．８ｍＷ／ｓｒである。
【００４６】
以上により、本発明の発光素子によれば、六方晶系の
【数１３】
2007235109.tif 000015
面群における平面に平行する方向に至る複数の傾斜面３１、３１、・・・により画成する凹み３０或いは角錐状に形成された突起２２１により、反射率を高くすることができ、発光効率を従来の発光素子よりも改善することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明の発光素子は、良好な発光効率を求める電気機器に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の第１の実施形態による発光素子を示す断面図である。
【図２】図１の発光素子の一部の断面図である。
【図３】図１の発光素子におけるベース部の上面図である。
【図４】本発明の他の実施形態による発光素子の一部を示す断面図である。
【図５】図４の発光素子におけるベース部の上面図である。
【図６】本発明の他の実施形態による発光素子の一部を示す断面図である。
【図７】本発明の他の実施形態による発光素子の一部を示す断面図である。
【図８】本発明の他の実施形態による発光素子を示す縦断面図である。
【図９】本発明の他の実施形態による発光素子の一部を示す縦断面図である。
【図１０】図９の発光素子の上面図である。
【図１１】本発明の他の実施形態による発光素子の上面図である。
【図１２】本発明の他の実施形態による発光素子を示す縦断面図である。
【図１３】本発明の発光素子及び従来の発光素子の発光効率の凹み深さ依存性を示す図である。
【図１４】従来の発光素子の一部を示す縦断面図である。
【符号の説明】
【００４９】
１  発光素子
１１、１２  電極
２  ベース部
２０  サファイア基板
２０２  平坦面
２１  発光増進層
２１１  ベース面
２２  バッファ層
２２１  突起
２２２  面
３  発光増進ユニット
３０  凹み
３０１  周縁部
３０２  底部
３０２１  稜線
３１  斜面
３３  空洞
４  発光部
４１、４３  クラッド層
４２  活性層
５  放熱層
５１  放熱部材
５２  パッド
５３  熱伝導部材
７  金属層
【図１】
2007235109.tif 000020
【図２】
2007235109.tif 000021
【図３】
2007235109.tif 000022
【図４】
2007235109.tif 000023
【図５】
2007235109.tif 000024
【図６】
2007235109.tif 000025
【図７】
2007235109.tif 000026
【図８】
2007235109.tif 000027
【図９】
2007235109.tif 000028
【図１０】
2007235109.tif 000029
【図１１】
2007235109.tif 000030
【図１２】
2007235109.tif 000031
【図１３】
2007235109.tif 000032
【図１４】
2007235109.tif 000033