(57)【要約】      （修正有）【課題】外部の配光特性制御用の構造体をつける前の段階、すなわち発光素子チップからの直接光の段階における複雑で不均一な配光特性を解消し、配光特性のバラツキを低減できる発光素子チップを提供する。【解決手段】発光素子のチップを構成する構造体のうち、発光層から放出される光に対して透明な構造体部分の大きさに関して、横方向の大きさと厚さ方向の大きさとの比（アスペクト比）が５以上であり、かつ発光素子チップの表面もしくは該透明な構造体部分の内部に、光散乱機能を有する構造を備える。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光素子のチップから放出される光を直接測定した時の配光分布I（θ，φ）が、φ方向に依存せず、I（θ，φ）＝Ｉ（θ）でほぼ表される配光分布を有する発光素子。（ただしI（θ，φ）は（θ，φ）方向の光強度分布、θは発光素子の光取出し面の法線方向からの角度（0≦θ≦90°）、φは法線の周りの回転角（0≦φ≦360°）、Ｉ（θ）はθ=90°でゼロに近づく単調減少関数を表す。）
【請求項２】
I（θ）が、I（θ）＝Ｉ0cosnθでほぼ表される配光分布を有する請求項１記載の発光素子（ただしＩ0はθ＝0°方向の光強度、ｎは正の数を表す。）。
【請求項３】
ｎの値が、0．5≦ｎ≦２である請求項２記載の発光素子。
【請求項４】
発光素子のチップから放出される直接光の配光分布I（θ，φ）の、同一θ方向におけるφ方向360°の範囲でのバラツキの大きさが、φ方向の360°範囲の平均値I（θ）に対して20％以下である請求項１〜３のいずれかに記載の発光素子。
【請求項５】
発光素子のチップを構成する構造体のうち、発光層から放出される光に対して透明な構造体部分の大きさに関して、横方向の大きさと厚さ方向の大きさとの比（アスペクト比）が５以上であり、かつ発光素子チップの表面もしくは該透明な構造体部分の内部に、光散乱機能を有する構造を備えている請求項１〜４のいずれかに記載の発光素子。
【請求項６】
光散乱機能を有する構造が、微粒子が発光素子チップ表面もしくは透明な構造体内部の面内に配列した構造、または微粒子が半導体結晶中に分散した構造である請求項５記載の発光素子
【請求項７】
光散乱機能を有する構造が、チップ表面、またはチップ内部の光取出し面に略平行な屈折率の異なる材料間界面に形成された、該チップ表面または該界面に対して傾斜した側面を有する複数の凹凸構造である請求項５記載の発光素子。
【請求項８】
微粒子の平均直径が１０ｎｍ以上１００００ｎｍ以下である請求項７記載の発光素子。
【請求項９】
微粒子の主成分が酸化物、窒化物、炭化物、硼化物、カルコゲン化物のいずれかである請求項６または８記載の発光素子。
【請求項１０】
微粒子がシリカ、アルミナ、ジルコニア、チタニア、セリア、マグネシア、酸化亜鉛、酸化スズ、イットリウムアルミニウムガーネットのいずれかである請求項６、８または９に記載の発光素子。
【請求項１１】
発光素子のチップを構成する構造体のうち、発光層から放出される光に対して透明な構造体部分の大きさに関して、横方向の大きさと厚さ方向の大きさとの比（アスペクト比）が５以上であり、かつ発光素子チップの表面、もしくは該透明な構造体部分の内部に、発光層から放出された光を吸収して異なる波長の光を発する粒子状蛍光体分散層が形成されている請求項１〜４のいずれかに記載の発光素子。
【請求項１２】
発光素子のチップを構成する構造体のうち、発光層から放出される光に対して透明な構造体部分の大きさに関して、横方向の大きさと厚さ方向の大きさとの比（アスペクト比）が５以上であり、かつ発光素子チップの表面もしくは該透明な構造体部分の内部に、光散乱機能を有する構造を備えている発光素子。
【請求項１３】
光散乱機能を有する構造が、微粒子が発光素子チップ表面もしくは透明な構造体内部の面内に配列した構造、または微粒子が半導体結晶中に分散した構造である請求項１２記載の発光素子
【請求項１４】
光散乱機能を有する構造が、チップ表面、またはチップ内部の光取出し面に略平行な屈折率の異なる材料間界面に形成された、該チップ表面または該界面に対して傾斜した側面を有する複数の凹凸構造である請求項１２記載の発光素子。
【請求項１５】
微粒子の平均直径が１０ｎｍ以上１００００ｎｍ以下である請求項１３記載の発光素子。
【請求項１６】
微粒子の主成分が酸化物、窒化物、炭化物、硼化物、カルコゲン化物のいずれかである請求項１３または１５記載の発光素子。
【請求項１７】
微粒子がシリカ、アルミナ、ジルコニア、チタニア、セリア、マグネシア、酸化亜鉛、酸化スズ、イットリウムアルミニウムガーネットのいずれかである請求項１３、１５または１６に記載の発光素子。
【請求項１８】
発光素子のチップを構成する構造体のうち、発光層から放出される光に対して透明な構造体部分の大きさに関して、横方向の大きさと厚さ方向の大きさとの比（アスペクト比）が５以上であり、かつ発光素子チップの表面、もしくは該透明な構造体部分の内部に、発光層から放出された光を吸収して異なる波長の光を発する粒子状蛍光体分散層が形成されている請求項１２記載の発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、化合物半導体発光素子に関し、特に照明等に用いられる白色ダイオード用の化合物半導体発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
化合物半導体発光素子、特に発光ダイオード（ＬＥＤ）は、近年発光効率、光出力が向上し、大型ディスプレイ、バックライトなどに用いられている。さらに光出力・効率が向上すれば一般照明にも利用可能であることからこれを目指した開発が行われている。
【０００３】
ＬＥＤは、蛍光灯や白熱ランプなどの従来光源に比べるとはるかに小型の点光源であり、従来光源に比べて指向性が大きい特殊な配光分布を示す。
そこで、所望の配光特性を有する光源・表示器・発光装置等を得るためには、従来はＬＥＤチップの外部に配光を制御する構造体をつくることで対応してきた。
例えば、樹脂レンズ、反射鏡、光拡散板などの構造体を外部にとりつけて、集光あるいは光拡散をさせて所望の配光特性を有する各種の光源・表示器・発光装置を得ている。この場合、所望の配光特性を得るためには、レンズや反射鏡とＬＥＤチップとの精密な軸合わせ、位置合わせが必要であり、製造上は配光特性バラツキが大きくなる問題があった。
【０００４】
また、たとえ配光特性制御のための構造体の軸合わせ、位置合わせが精密にできた場合でも、発光ダイオードチップから放出される光は、チップ形状、電極形状、端面の仕上がり状態などを反映した複雑で不均一な配光分布を示しているため、依然として配光特性のバラツキが大きいという問題があった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、外部の配光特性制御用の構造体をつける前の段階、すなわち発光素子チップからの直接光の段階における複雑で不均一な配光特性を解消し、配光特性のバラツキを低減できる発光素子チップを提供することにある。
本発明のさらにもうひとつの目的は、どの方向から光源を見ても同じ明るさを感じることができ、特定方向で特異的に明るいという不自然さがない発光素子、特に照明用途の発光素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者らは、鋭意検討した結果、発光素子チップの周囲に配光制御するための特別な構造体を造らなくても、発光素子のチップから放出される光を直接測定した時の配光分布が特定の分布を示すものが、上記課題を解決することを見出し、また発光素子チップの周囲に配光制御するための特別な構造体を造らなくても、発光層から放出された光に対して透明な構造体部分のアスペクト比（横方向の大きさと層厚方向の大きさとの比）を大きくし、かつ放出する光に対して散乱機能を有する構造を発光ダイオードチップの表面または内部に形成することにより、上記課題を解決することを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００７】
すなわち本発明は、〔１〕発光素子のチップから放出される光を直接測定した時の配光分布I（θ，φ）が、φ方向に依存せず、I（θ，φ）＝Ｉ（θ）でほぼ表される配光分布を有する発光素子に係るものである。（ただしI（θ，φ）は（θ，φ）方向の光強度分布、θは発光素子の光取出し面の法線方向からの角度（0≦θ≦90°）、φは法線の周りの回転角（0≦φ≦360°）、Ｉ（θ）はθ=90°でゼロに近づく単調減少関数を表す。）
I（θ）が、I（θ）＝Ｉ0cosnθでほぼ表される配光分布を有する請求項１記載の発光素子（ただしＩ0はθ＝0°方向の光強度、ｎは正の数を表す。）。
また、本発明は、〔２〕発光素子のチップを構成する構造体のうち、発光層から放出される光に対して透明な構造体部分の大きさに関して、横方向の大きさと厚さ方向の大きさとの比（アスペクト比）が５以上であり、かつ発光素子チップの表面もしくは該透明な構造体部分の内部に、光散乱機能を有する構造を備えている発光素子に係るものである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の化合物半導体発光素子は、チップの周囲に、配光特性を変化させる構造体をわざわざ造ることをしなくても、発光素子チップの光取出し面から放出される直接光の配光が、Ｉ（θ，φ）＝Ｉ0 cosθでほぼ表される配光分布を有するので、そのまま一般室内照明に好適に用いることができ、工業的価値が大きい。また、チップ間の配光分布バラツキも著しく小さくできる。レンズ等の外部の構造体と組み合わせた場合においても、従来の発光素子チップを用いた場合よりも高精度の配光制御が可能になるため、工業的にきわめて重要である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明の発光素子は、発光素子のチップから放出される光を直接測定した時の配光分布（以後、「直接光の配光分布」ということがある。）I（θ，φ）が、φ方向に依存せず、I（θ，φ）＝Ｉ（θ）でほぼ表される配光分布を有することを特徴とする。ただし、I（θ，φ）は（θ，φ）方向の光強度分布、θは発光素子の光取出し面の法線方向からの角度（0≦θ≦90°）、φは法線の周りの回転角（0≦φ≦360°）、Ｉ（θ）はθ=90°でゼロに近づく単調減少関数を表す。
配光分布とは、発光素子の光取出し面から出る光強度の方向による分布をいい、図１に示す２つの角度θ、φによって一義的に決まる方向における光強度Ｉ（θ、φ）で表される。
【００１０】
本発明で得られる発光素子においては、配光特性を制御させるための構造体を発光素子チップの外部に配置しなくても、発光素子チップからの直接光がどの方向から光源面をみてもほぼ同じ明るさに見えることが特徴である。本発明で得られる配光分布の特徴として、φ方向によるバラツキがきわめて小さいこと、θ方向の依存性としてはθに関して単調減少する関数で表される。
本発明の発光素子チップの直接光の配光分布は、Ｉ（θ、φ）＝Ｉ（θ）で表される。ただし、Ｉ（θ）はθ＝90°でゼロに近づく単調減少関数である。
ここで、θ方向の配光特性を一般的に、以下の式で表すことができる。
Ｉ（θ、φ）＝Ａ cosnαθ＋Ｂsinmβθ
式中、Ａ、Ｂは定数、ｎ、ｍは正の数、α、βは正の数である。cosnαθの項は光取出し面の法線方向に最大値を持つ成分、sinmβθの項は横方向、すなわち光取出し面の面内方向に最大値を持つ成分をあらわす。ｎ、ｍはそれぞれの成分の指向性を表し、1の場合に曲座標表示で円形の配光分布を示し、１より大きくなると指向性の強い配光分布に、1より小さいと指向性の弱まった配光分布になる。またα、βはθ＝０°または９０°のみにピークがある場合にはα＝β＝１であり、これ以外の位置にピークが来る場合には、１以外の値になる。
本発明で得られる発光素子チップの直接光の配光分布においては、上式におけるsinθの項はなく、cosθの項のみで表現できる。また、θの0°から90°の範囲で単調減少し、90°方向でゼロに近づくことから、α＝１である。
本発明の発光素子チップの直接光の配光分布は、具体的には、I（θ）が、I（θ）＝Ｉ0cosnθでほぼ表される配光分布を有するものが挙げられる。ただし、Ｉ0は、θ＝0°方向の光強度、ｎは正の数を表す。
ここでｎの値は、０．５≦ｎ≦２が好ましい。
【００１１】
本発明で得られる発光素子においては、配光特性を制御させるための構造体を発光素子チップの外部に配置しなくても、発光素子チップからの直接光がどの方向から光源面をみてもほぼ同じ明るさに見えるのであるが、ここで言う、「外部に配置する配光特性を制御させるための構造体」とは、樹脂レンズ、反射鏡、光拡散板などの、発光素子チップの外部に設けられる、発光素子チップよりも十分大きな構造体であり、発光素子チップと一体であるとはいえないものをさす。
【００１２】
樹脂中に分散した蛍光体を外部の構造体とみなすかどうかに関しては、発光素子チップを作製した後で、これを蛍光体分散樹脂中に埋め込んだものは、樹脂部分の体積が発光素子チップよりも十分大きく、製造工程において一旦発光素子チップを作製した後で蛍光体分散樹脂中に埋め込むなど、発光素子と蛍光体分散樹脂が一体であるとは言えないため、外部の構造体とみなすものとする。
しかしながら、蛍光体を分散した樹脂の薄層が発光素子チップの表面に形成されている場合などは蛍光体層の体積は発光素子チップに比べて十分大きいとはいえない。また、チップに分割する前のウェハ段階で蛍光体層を形成し、後でチップに分割する場合などは発光素子チップと蛍光体層が一体であるといえる。従ってこれらの場合は外部の構造体とはみなさない。
【００１３】
発光素子チップからの直接光がどの方向から光源面をみてもほぼ同じ明るさに見えるようにするためには、放出される光に対して透明な構造体部分の形状が重要である。本発明において、放出される光に対して透明な構造体部分とは、発光素子チップを構成する基板、半導体結晶、保護膜などの構成要素のうち透明な部分全体をいう。例えば、サファイア上に成長したＩｎＧａＮ系青色発光ダイオードでは窒化物半導体とサファイアを一まとめにした構造体をさし、他の例として、ウェーハボンディングにより金属基板上に形成したＩｎＧａＮ系青色発光ダイオードの場合には、透明な構造体部分とは窒化物半導体部分のみになる。
【００１４】
発光する光に対して透明な構造体部分の形状の横方向（すなわち面内方向）と層厚方向のとの比が重要である。横方向（すなわち面内方向）の大きさとは、２次元形状の大きさを表す代表的指標をいい、一般には２つの指標があるが、本発明ではその小さい方をいう。
たとえば、円の場合は直径、正方形の場合は辺の長さ、長方形の場合には短辺の長さ、楕円の場合には短径で代表する。横方向の大きさと層厚方向の大きさとの比（アスペクト比）の好適な範囲は５以上である。より好ましくは、１０以上であり、さらに好ましくは１５以上である。アスペクト比が５より小さい場合は、光取出し面以外の側面から放射される光の割合が増えるため、ランベルト配光分布は実現できないので好ましくない。
【００１５】
上記のようにアスペクト比を大きくすれば、側面からの取出される光の寄与を小さくすることができるので、どの方向から光源面をみてもほぼ同じ明るさに見えるようにできる。アスペクト比を大きくするとともに、発光素子チップの表面あるいは透明な構造体の内部に、放出される光を散乱する機能を有する構造を形成することが更に好ましい。
【００１６】
光を散乱する機能を有する構造としては、微粒子を発光素子チップ表面に配列した構造、または透明な構造体の内部に微粒子を分散した構造が挙げられる。その他に発光素子チップの表面、あるいは透明な構造体内部の光取出し面に略平行な屈折率の異なる材料間界面に形成された、表面あるいは界面に対して傾斜した側面を有する多数の凹凸構造が挙げられる。
【００１７】
光を散乱する機能を有する構造を形成することは、上述のとおりどの方向から光源面をみてもほぼ同じ明るさに見えるようにするのに有効であるが、これとは別に、光の取出し効率を向上して発光素子の光出力、発光効率を向上させる効果もある。
すなわち、光を散乱する機能を有する構造を発光素子チップに形成しない場合には、主に横方向に進む光は化合物半導体結晶表面での全反射の繰り返し（多重反射）によって減衰し、有効に取出されない。これに対して、光を散乱する機能を有する構造を形成した場合には、全反射の効果が減り、光が取出し面から有効に取出されるので光取出し効率が向上する。
【００１８】
白色発光を得るために、発光ダイオードからの光で励起され波長変換により他の波長の光を発する蛍光体粒子を発光ダイオードの周囲に分散させることが行われる。このような蛍光体粒子分散層を利用することにより、光散乱機能を有する構造を形成する場合と同様に発光素子チップ表面が平坦でなくなり、どの方向から光源面をみてもほぼ同じ明るさに見える効果が生じる。さらに、蛍光体粒子分散層を形成することと、発光素子チップの透明な構造体部分のアスペクト比を大きくすることとを組み合わせることが、好ましい。
【００１９】
蛍光層が非粒子性のものである場合には、通常は光を散乱する機能を有してないので、どの方向から光源面をみてもほぼ同じ明るさに見える効果は少ない。このような非粒子性の蛍光層を用いる場合には、その表面あるいは発光素子との界面に光を散乱する機能を有する構造を形成しておくことが好ましい。この場合でも、発光素子チップの透明な構造体部分のアスペクト比を大きくすることと組み合わせることが好ましい。
非粒子性蛍光層の例としては、スパッタ法やレーザーアブレーション法などの薄膜作製法により形成される粒子状蛍光体と同じ組成の薄膜、発光ダイオードの発光層に利用される化合物半導体薄膜の積層構造、あるいは放出される光の波長に比べて粒径が十分小さくて光を散乱する機能をほとんど持たない超微粒子蛍光体を含む薄膜層などが挙げられる。
【００２０】
光を散乱させるための微粒子に関しては、その大きさ、形状、材料、密度の制御がどの方向から光源面をみてもほぼ同じ明るさに見えるために重要である。光を散乱させる微粒子の形状に関しては、球状、板状、針状、不定形など各種形状のものが利用可能であるが、球状のものを好適に用いることができる。
【００２１】
光を散乱させる微粒子の大きさとしては、放出される光の波長程度以上の大きさが必要であり、概ね平均粒径が１０ｎｍ以上１００００ｎｍ以下であることが好ましい。１０ｎｍ以上であれば散乱の効果がより優れるので好ましく、１００００ｎｍ以下では発光素子チップに含まれる微粒子の数が多くなることにより全体の散乱効果が強まり均一な配光分布が得られやすくなるので好ましい。
【００２２】
光を散乱させる微粒子の材料としては、発光素子から放出される光に対して光透過性または光反射性を有する材料が好ましく、酸化物、窒化物、炭化物、硼化物、カルコゲン化物などが利用できる。
【００２３】
なかでも、シリカ、アルミナ、ジルコニア、チタニア、セリア、マグネシア、酸化亜鉛、酸化スズおよびイットリウムアルミニウムガーネットの粒子が好ましい。更に好ましいのは真球状で、光透過性が高いものが得られやすいシリカである。
【００２４】
光を散乱させる微粒子の分散状態に関しては、発光素子チップの透明構造体内部の３次元空間に分散させても良いが、透明構造内部の特定の平面内だけに２次元的に配置させても良い。２次元的に配置する場合の好ましい面密度は、平均粒径にも依存するが、概ね２Ｘ１０6／ｃｍ2以上２Ｘ１０10／ｃｍ2以下が好ましい。２Ｘ１０6／ｃｍ2以下では光散乱機能が弱くなり本発明の効果が得られないので好ましくない。
【００２５】
光を散乱させる微粒子を発光素子内部に導入する方法としては、結晶成長用基板上にスピンコートやディップ法などにより粒子を配置させた後に結晶成長を行い、光散乱粒子を埋め込む方法や、結晶成長を途中で一旦止め、スピンコートやディップ法などにより粒子を結晶表面に配置させた後に再び結晶成長を行なって光散乱粒子を埋め込む方法などがある。
また発光素子表面に光散乱粒子を配置する方法としては、結晶成長した後に、その表面あるいは裏面にスピンコートやディップ法などにより粒子を塗布する方法などがある。
【００２６】
上述の光を散乱させる微粒子を導入する方法の他にも、発光素子チップの表面、あるいは透明な構造体内部の光取出し面に略平行な屈折率の異なる材料間界面に、表面あるいは界面に対して傾斜した側面を有する多数の凹凸構造を形成する方法が、どの方向から光源面をみてもほぼ同じ明るさに見えるために有効である。この凹凸構造の形状としては、錐体形状または錐台形状のように、側面が傾斜した突起状の形態のものが特に好ましい。
凹凸の高さとしては、５０ｎｍ以上２０００ｎｍ以下が好ましい。この範囲であれば、本発明の効果がより得られやすいので好ましい。
【００２７】
凹凸の側面の傾斜角度としては、１５°以上７５°以下が好ましい。側面傾斜角度は一定でも良いが、突起の高さ方向の位置によって変化していても良い。
【００２８】
傾斜側面を有する突起状の凹凸の密度は、概ね２Ｘ１０6／ｃｍ2以上２Ｘ１０10／ｃｍ2以下が好ましい。２Ｘ１０6／ｃｍ2以下の密度では光散乱機能が弱くなり本発明の効果が得られないので好ましくない。
【００２９】
上記の傾斜側面を有する突起状の凹凸の形成方法としては、半導体の結晶成長条件の調整により結晶表面に凹凸を形成する方法、通常のフォトリソグラフィ法によりマスクを形成しエッチングにより凹凸を形成する方法、ナノインプリント法によりより微細な凹凸を形成する方法、結晶表面に微粒子をスピンコート法やディップ法などによりキャスティングし、これをマスクとしてエッチングを行う方法などが挙げられる。
【００３０】
また、傾斜側面を有する突起状の凹凸は、（１）結晶成長用基板の表面、（２）結晶成長途中の表面、あるいは（３）結晶成長後の結晶表面や成長用基板の裏面に形成できる。（１）および（２）の場合には、発光素子チップの内部の屈折率の異なる界面に凹凸が形成されることになる。（３）の場合には発光素子表面に凹凸が形成される。
【実施例】
【００３１】
以下に、本発明の一実施例を図２を用いて説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
実施例１
【００３２】
基板として厚さ４３０μｍの２インチサファイア１のＣ面を鏡面研磨したものを用いた。無機粒子としてコロイダルシリカ（扶桑化学工業(株)製、ＰＬ−２０（商品名）、１次粒径３７０ｎｍ、粒子濃度２４重量％）に含まれているシリカ粒子を用いた。スピナーに成長基板をセットし、その上に１０重量％に希釈したコロイダルシリカを塗布し、スピン乾燥を行った。ＳＥＭで観察したところ、シリカ粒子による成長基板表面の被覆率は約３９％であった
【００３３】
続いて、窒化物半導体層をエピタキシャル成長させ、シリカ粒子を窒化物半導体層に埋没させた。エピタキシャル成長には常圧ＭＯＶＰＥ法を用いた。１気圧で、サセプタの温度を４８５℃、キャリアガスを水素とし、キャリアガス、アンモニア及びＴＭＧを供給して、厚みが約５００ÅのＧａＮバッファ層を成長した。次に、サセプタの温度を９００℃にしたのち、キャリアガス、アンモニア、ＴＭＧを供給して、アンドープＧａＮ層を形成した。次に、サセプタ温度１０４０℃にして炉圧力を１／４気圧に落とし、キャリアガス、アンモニア及びＴＭＧを供給して厚さ約５μｍのアンドープＧａＮ層を形成した。以上のようにして、ＧａＮ結晶中にシリカ粒子が層状に含有されている窒化物半導体中間基板を得た。
続いて、ｎ型半導体層、ＩｎＧａＮ発光層（ＭＱＷ構造）、ｐ型半導体層を順に形成し、発光波長４４０ｎｍの青色ＬＥＤ用窒化物半導体積層基板とした。
【００３４】
上記の青色ＬＥＤ用窒化物半導体積層基板を８分割して、その一つにｎ型コンタクト層を表出させるためのエッチング加工、半透明ｐ電極形成およびｎ電極形成を行い、窒化物半導体からなる窒化物半導体発光素子を得た。こうして得たＬＥＤウェハの透明部分の大きさは２５ｍｍ×１３ｍｍ×０．４３ｍｍであり、アスペクト比は30(13/0.43=30)である（窒化物半導体結晶厚さは１０μｍ以下なので透明部分全体の厚さはほとんどサファイア厚さが占めると近似できるので０．４３μｍとした）
【００３５】
こうして得られたＬＥＤウェハのほぼ中心部にある、直径２００μｍのｐ電極部とその周囲のｎ電極部に順方向電圧を印加し発光させた状態で、θ、φ方向に受光素子であるフォトダイオードを走査させて配光特性を測定した。θ方向に関しては０〜９０°範囲を１．５°ステップで、φ方向に関しては０〜３６０°範囲を１０°ステップで測定した。その結果を図４に示す。図４はθ方向の発光強度を曲座標表示で表したものであり。すべてのφ方向のデータを重ねて一度に表示している。この図１を見てわかるように、原点で表面に接する円の形をしていることがわかる。これは配光分布がcosθの分布（ランベルト配光分布）を示していることに対応するものである。
【００３６】
比較例１
コロイダルシリカをサファイア上に塗布することを行わず、サファイア基板上にバッファ層、ｎ型半導体層、ＩｎＧａＮ発光層（ＭＱＷ構造）、ｐ型半導体層を順に形成し、発光波長４４０ｎｍの青色ＬＥＤ用窒化物半導体積層基板とした。次に実施例１と同様に８分割片の一つにエッチング加工、半透明ｐ電極形成およびｎ電極形成を行い、窒化物半導体からなる窒化物半導体発光素子を作製し、ウェハ中心部にあるｐ電極を用いて配光測定を行った。配光測定の結果を図５に示す。図５では、図４の円に比べていくぶん扁平な形の分布をしており、cosθ分布から外れている。またφ方向のばらつきが非常に大きくなっている。以上からシリカ粒子埋め込み層を用いることにより、配光がランベルト配光分布に近づくことがわかる。
【００３７】
比較例２
実施例１で得られた青色ＬＥＤ用窒化物半導体積層基板の他の８分割片の一つを用いてＬＥＤ作製した後、スクライバーを用いて２×２ｍｍの大きさのチップを切り出した。
このチップの透明部分のアスペクト比は4．7である。（横：厚さ＝2ｍｍ：0.43ｍｍ=4.65）。このチップの配光特性測定結果を図６に示す。図６では図２に比べて横方向（θ＝４５°付近）の強度が法線方向よりも相対的に大きくなるような分布をしており、cosθ分布から外れている。またφ方向のバラツキも大きい。
このように、微粒子を導入して光を散乱する構造をつくったＬＥＤであっても、透明な構造体部分のアスペクト比が小さい場合には、側面から放出される光の影響が現れて、ランベルト配光を得ることはできない。
【００３８】
実施例２
他の実施例として、図３に示すような、サファイア基板を剥離して透明な構造体がほぼ半導体結晶のみからなる発光素子の例（アスペクト比が非常に大きな場合の例）を示す。
コロイダルシリカをサファイア基板に塗布することなく、比較例１と同様にして青色ＬＥＤ用窒化物半導体積層を成長させた。成長した層のトータル厚は４．５μｍである。
次に、素子分離を行うためにドライエッチングを行いサファイア基板まで達する分離溝を形成した後、電気的に分離したメサ部分の上面ほぼ全面に半透明ｐ電極パターンを形成した。次にｐ電極の上に接着層であるＡｕＳｎ合金膜（Ａｕ８０％、Ｓｎ２０％）を蒸着法により５０００Å形成した。なおｐ電極とＡｕＳｎ合金層の間に両者の密着性向上のためにＴｉ/Ｐｔ層を形成した（Ｔｉ５００Å、Ｐｔ５００Å）。（以後この状態の基板を素子分離基板と呼ぶ。）
次に、厚さ１００μｍ、２インチφで表面研磨したモリブデン（Ｍｏ）基板表面に接着層であるＡｕＳｎ合金膜（Ａｕ８０％、Ｓｎ２０％）を蒸着法により５０００Å形成した。なおＭｏ基板とＡｕＳｎ合金層の間に両者の密着性向上のためにＴｉ/Ｐｔ層を形成した（Ｔｉ５００Å、Ｐｔ５００Å）
次に、先の素子分離基板とＡｕＳｎ接着層を形成したＭｏ基板を、ウェハボンディング装置にて、ＡｕＳｎ層同士が接するように貼り合わせを行った。貼り合わせは、真空中２５０℃にて、５０００Ｎの荷重を３０分間かけて行った。この状態の基板を以後、貼り合わせ基板と呼ぶ。
次に、貼り合わせ基板のサファイア側から、波長３５５ｎｍのＹＡＧの３倍波レーザーを照射して、レーザーリフトオフを行い、貼り合わせ基板からサファイアを分離した。こうしてＭｏ基板にＡｕＳｎ接着層を介して素子分離した青色ＬＥＤが形成された基板を作製した（以後この状態の基板をＭｏ上青色ＬＥＤ基板と呼ぶ）。
【００３９】
Ｍｏ上青色ＬＥＤ基板の表面、すなわちレーザーリフトオフによって露出したｎ型ＧａＮの表面を、希塩酸、ＢＨＦで処理をした後、実施例１で用いたものと同じコロイダルシリカスラリーを用いてスピンコートを行い、ＬＥＤ表面にシリカを塗布した。次にこの上にフォトリソグラフィによってメッシュ状パターン（メッシュ状にフォトレジストのない部分ができたパターン）作製した。この後ＢＦＨ処理を行い、メッシュ状にシリカ粒子のない部分を作製した。
次にフォトレジストを残したままＡｌ電極およびＮｉ保護層を蒸着した後、リフトオフを行った後、フォトレジストを有機溶媒で除去することにより、メッシュ状電極とそのメッシュ内部にコロイダルシリカが配置された構造の表面を形成した。
こうして表面に形成されたコロイダルシリカ粒子をマスクにしてドライエッチングを行うことにより、メッシュ内部の表面に凹凸を形成した。形成した凹凸の高さは５００ｎｍである。こうして作製したＭｏ上青色ＬＥＤのアスペクト比は、素子横サイズ：厚さ＝500μｍ：4.5μｍ、アスペクト比111である（500/4.5=111）。
配線の形成された平坦なセラミック製パッケージに導電性ペーストでＭｏ上青色ＬＥＤを載置した後、ワイヤーボンディングによりリード線を接続し、サブマウント上の素子の配光特性を測定したところ、図７を得た。図７から配光分布がほぼcosθの分布を示しており、バラツキも小さいことがわかる。
【００４０】
実施例３
次の例は実施例２と同様にしてＭｏ上青色ＬＥＤ基板を作製したが、次の工程のコロイダルシリカマスクエッチング処理による光散乱機構の形成を行うことをしなかったものの、粒子状蛍光体の樹脂分散層を表面に形成した例である。
実施例２と同様にしてＭｏ上青色ＬＥＤ基板を作製した後、通常のフォトリソグラフィとリフトオフプロセスによりメッシュ状のＡｌ電極を形成した。このＭｏ上青色ＬＥＤ基板を配線の形成された平坦なセラミック製パッケージに導電性ペーストで載置した後、ワイヤーボンディングにより電極を接続した。次に、ＴＡＧ：Ｃｅ蛍光体をシリコーン樹脂に分散したスラリーをスピンコートにより上記のＭｏ上青色ＬＥＤ基板ののったサブマウント上に塗布した。塗布膜厚は約20μｍである。蛍光体層の厚さ20μｍはＭｏ上青色ＬＥＤ基板の厚さ100μｍに比べて小さいので、この蛍光体層は発光素子チップと一体であるとみなすことができる。こうして得られた発光素子の配光特性を測定したところ図８に示す配光分布が得られた。図８から配光がほぼcosθの分布をしており、バラツキも小さいことがわかる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】配光分布の説明図
【図２】実施例１の素子構造の断面模式図
【図３】実施例２の素子構造の断面模式図
【図４】実施例１の配光分布を示す図
【図５】比較例１の配光分布を示す図
【図６】比較例２の配光分布を示す図
【図７】実施例２の配光分布を示す図
【図８】実施例３の配光分布を示す図
【符号の説明】
【００４２】
１・・・・サファイア基板
２・・・・光を散乱する構造
３・・・・化合物半導体層
４・・・・発光層
５・・・・透明構造体
６・・・・ｐ電極
７・・・・ｎ電極
８・・・・接着層
９・・・・金属基板図１
【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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