半導体発光素子およびその製造方法
【課題】 半導体発光素子の信頼性を低下させることなく、光取り出し効率を向上させることができ、大掛かりな装置を必要とせずに低コストで作製することができる半導体発光素子およびその製造方法を提供する。
【解決手段】 発光素子本体２０からの光は、針状結晶配列体２１に入射し、針状結晶配列体２１を透過して、外部に放射される。針状結晶配列体２１は、液相法によって結晶成長させて形成される。発光素子本体２０のうち光取り出し面が形成される部分の屈折率よりも屈折率が小さく形成され、針状結晶体２２は、光取り出し面に垂直な方向に配向して形成される。複数の針状結晶体２２は、回折格子として機能し、臨界角度以上の角度で前記針状結晶配列体２１と、針状結晶配列体２１から光が放射される側の媒体との界面に入射する光の、＋１次または−１次の回折光を出射することができる。
【解決手段】 発光素子本体２０からの光は、針状結晶配列体２１に入射し、針状結晶配列体２１を透過して、外部に放射される。針状結晶配列体２１は、液相法によって結晶成長させて形成される。発光素子本体２０のうち光取り出し面が形成される部分の屈折率よりも屈折率が小さく形成され、針状結晶体２２は、光取り出し面に垂直な方向に配向して形成される。複数の針状結晶体２２は、回折格子として機能し、臨界角度以上の角度で前記針状結晶配列体２１と、針状結晶配列体２１から光が放射される側の媒体との界面に入射する光の、＋１次または−１次の回折光を出射することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光ダイオード（Light Emitting Diode：略称ＬＥＤ）、レーザダイオード（Laser Diode：略称ＬＤ）およびエレクトロルミネッセンス（Electro Luminescence：略称ＥＬ）などの面発光型の半導体発光素子およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
面発光型の半導体発光素子の高出力化を図るために、内部量子効率、あるいは外部量子効率を向上させる努力が行われている。半導体発光素子は、発光ダイオード、レーザダイオードおよびエレクトロルミネッセンスなどによって実現される。内部量子効率は、主にダブルへテロ構造および多重量子井戸（Multiple Quantum Well：略称ＭＱＷ）構造などの、半導体発光素子の構造によって向上させることができる。外部量子効率は、半導体発光素子の最外層と空気との屈折率差によって、前記最外層と空気との界面に、この界面に垂直な法線に関して斜め方向から入射する光が、前記界面で全反射して光取り出し効率が低下するのを抑制することによって向上させることができる。たとえば前記最外層の屈折率ｎ１＝３．５としたとき、空気の屈折率ｎ２＝１であり、臨界角が約１６°となる。
【０００３】
外部量子効率を向上させるために、従来の技術では、半導体発光素子の表面に凹凸を形成することによって、凹凸の基端面に斜めから入射する光が前記基端面に関して臨界角度以下であっても、凹凸面には臨界角度以上の角度となる斜め方向からの入射光とさせている。
【０００４】
第１の従来の技術では前記凹凸は、フォトリソグラフィ技術およびドライエッチング技術によって規則的に形成され、光取り出し面となる半導体層の表面での全反射を抑止して、光取り出し効率を高めている（たとえば特許文献１参照）。
【０００５】
また第２の従来の技術では前記凹凸は、光取り出し面となる表面を持つ半導体層に、ポーラス、つまり様々な形状を持つ多数の微細孔（空隙）を、ウェットエッチングによって不規則に形成することによって形成され、活性層から発せられた光が、光取り出し面となる半導体層の表面で全反射することを抑止して、光取り出し効率を向上させている（たとえば特許文献２参照）。
【０００６】
また第３の従来の技術では前記凹凸は、光を外部に取り出すための光取り出し面上にブロックコポリマーと呼ばれるマスク材を形成し、ドライエッチングを行うことによって、半導体発光素子の電流拡散層または透明膜上に形成される（たとえば特許文献３参照）。
【０００７】
【特許文献１】特開２０００−１９６１５２号公報
【特許文献２】特開２００５−２４４２０１号公報
【特許文献３】特開２００３−２１８３８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
第１および第３の従来の技術では、ドライエッチングを用いて凹凸を形成することによって、半導体発光素子あるいは透明膜にダメージを与えるおそれがあり、半導体発光素子の信頼性が低下してしまう。またエッチングに大掛かりな真空装置が必要となるという問題がある。
【０００９】
第２の従来の技術では、ＡｌＧａＡｓ系の半導体発光素子の場合、光吸収しないＡｌＧａＡｓ層が凹凸層と電流拡散層とを兼ねるようにすると、ＡｌＧａＡｓ層はＡｌを含むために酸化して劣化し、酸化の問題がないＧａＡｓ層が凹凸層と電流拡散層とを兼ねるようにすると、ＧａＡｓ層は光吸収を行うので、いずれにしても凹凸層の形成に適切な材料がないという問題がある。また多孔質化領域における半導体層の表面が大気に直接曝されることがないように、保護膜を形成するか、あるいは半導体層の表面が酸化されていることが望ましいとされるが、このような保護膜または酸化膜の形成は難しく、また多孔質化領域に信頼性を確保したオーミック電極を形成するのは難しい。また基板側から光を取り出す方式（Junction Down タイプ）のＬＥＤでは、サファイア基板に、多孔質化領域を設けることは困難である。
【００１０】
したがって本発明の目的は、半導体発光素子の信頼性を低下させることなく、光取り出し効率を向上させることができ、大掛かりな装置を必要とせずに低コストで作製することができる半導体発光素子およびその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の半導体発光素子は、面発光型の半導体発光素子本体と、
前記半導体発光素子本体の、光を取り出すための光取り出し面上に設けられ、前記光取り出し面に垂直な方向に配向する複数の針状結晶体が配列されて形成される針状結晶配列体とを含み、
前記針状結晶配列体は、
前記針状結晶体のアスペクト比が３以上１００以下に選ばれ、
複数の前記針状結晶体の単位面積あたりの数が、１０９本／ｃｍ２以上１０１２本／ｃｍ２以下に選ばれ、
前記半導体発光素子本体が発する波長の光を透過し、
前記半導体発光素子本体のうち前記光取り出し面が形成される部分の屈折率よりも屈折率が小さく選ばれることを特徴とする。
【００１２】
また本発明の半導体発光素子は、前記半導体発光素子本体が、
基板と、
前記基板の厚み方向の一表面上に、前記厚み方向に積層される複数の半導体層を含んで形成される積層体とを有し、
前記光取り出し面は、前記半導体発光素子本体の前記厚み方向の端面のうちの少なくともいずれか一方を含むことを特徴とする。
【００１３】
また本発明の半導体発光素子は、前記針状結晶配列体が、導電性を有し、前記厚み方向において前記基板から最も離反する前記半導体層に接触して設けられることを特徴とする。
【００１４】
また本発明の半導体発光素子は、前記光取り出し面が、前記厚み方向に垂直な方向における前記半導体発光素子本体の端面を含むことを特徴とする。
【００１５】
また本発明の半導体発光素子は、前記半導体発光素子本体が、
前記厚み方向に垂直な方向における前記半導体層の端面上に設けられ、前記半導体発光素子本体が発する波長の光を透過する電気絶縁膜を含んで構成され、
前記光取り出し面が、
前記電気絶縁膜の前記半導体層とは反対側の表面を含むことを特徴とする。
【００１６】
また本発明の半導体発光素子は、前記針状結晶配列体の光吸収端が３００ｎｍ以上５００ｎｍ未満であり、
前記発光素子本体の前記各半導体層は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体によって形成され、発光スペクトルのピーク波長が、５００ｎｍ以上８５０ｎｍ未満であることを特徴とする。
【００１７】
また本発明の半導体発光素子は、前記針状結晶配列体の光吸収端が２００ｎｍ以上３５０ｎｍ未満であり、
前記発光素子本体の前記各半導体層は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体によって構成され、発光スペクトルのピーク波長が３５０ｎｍ以上８５０ｎｍ未満であることを特徴とする。
【００１８】
また本発明の半導体発光素子は、前記針状結晶配列体が、Ｚｎ、ＭｇおよびＣａから成る群から選ばれる少なくとも１種以上を含む酸化物から成ることを特徴とする。
【００１９】
また本発明の半導体発光素子は、前記発光素子本体のうち、前記針状結晶配列体と接する表面部が、
ＺｎおよびＭｇの少なくとも１種以上であり、かつ前記針状結晶配列体に含まれる物質から成る金属膜、
またはＺｎおよびＭｇの少なくとも１種以上であり、かつ前記針状結晶配列体に含まれる物質を、濃度が１０１９ｃｍ−３以上となるように含む半導体膜のうち少なくともいずれか一方を含むことを特徴とする。
【００２０】
また本発明の半導体発光素子の製造方法は、半導体発光素子本体の表面を覆ってレジスト膜を形成し、
前記レジスト膜のうち、予め定める部分を除去して前記表面の一部を露出させ、
前記レジスト膜およびレジスト膜から露出する前記表面の前記一部に微小粒子を付着させ、
予め定める物質を含むアルカリ性の溶液中で、前記微小粒子を成長核として針状結晶を成長させ、
成長した針状結晶のうち、前記表面に成長した部分を除く残部を、レジスト膜とともに除去することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、針状結晶配列体は、半導体発光素子本体の光を取り出すための光取り出し面上に設けられる。針状結晶配列体は、前記光取り出し面上に、針状結晶体を結晶成長させることによって形成される。従来の技術のようにドライエッチングを用いて凹凸を形成する場合では、ドライエッチングによって半導体発光素子本体にダメージを与えてしまうおそれがあるが、本発明では、針状結晶体は結晶成長によって形成されるので、半導体発光素子あるいは光取り出し面上に形成されている透明膜などに与えるダメージを軽減することができる。針状結晶配列体は、たとえば液相法によって形成することができるので、ドライエッチングのような大掛かりな真空装置が不必要となり、低コストで半導体発光素子を製造することができる。
【００２２】
また半導体発光素子本体の一部をエッチングするのではなく、半導体発光素子本体に針状結晶配列体を設けるので、半導体発光素子本体の表面に電極が設けられていても、この電極を覆って針状結晶配列体を設けることができるので、設計の自由度が向上する。
【００２３】
半導体発光素子本体からの光は、針状結晶配列体に入射し、針状結晶配列体を透過して、外部に放射される。針状結晶配列体は、半導体発光素子本体のうち光取り出し面が形成される部分の屈折率よりも屈折率が小さいので、半導体発光素子本体からの到来する光が、半導体発光素子本体と針状結晶配列体との界面で反射してしまうことを抑制することができる。また針状結晶体は、光取り出し面に垂直な方向に配向し、すなわち光取り出し面に垂直な方向に延びて形成されるので、針状結晶配列体と、針状結晶配列体から光が放射される側の媒体との界面における反射を抑制できる。その結果、針状結晶配列体に半導体発光素子本体から入射する光のうち取り出しが可能な光が入射する角度である有効立体角度を大きくすることができ、これによって光の取り出し効率を向上させることができる。また複数の針状結晶体は、回折格子として機能し、臨界角度以上の角度で前記針状結晶配列体と、針状結晶配列体から光が放射される側の媒体との界面に入射する光の、＋１次または−１次の回折光を出射することができるので、光取り出し効率をさらに向上させることができる。
【００２４】
針状結晶体のアスペクト比が３未満であると、針状結晶配列体が回折格子として十分に機能しない。また針状結晶体のアスペクト比が１００を超えると、発光素子をピックアップする際に折れやすくなるという問題がある。なお、折れを防ぐため樹脂などの保護膜で針状結晶体を覆ってもよいが、アスペクト比が大きすぎると保護膜の種類によっては収縮により針状結晶体が折れやすくなるという問題がある。針状結晶配列体を回折格子として十分に機能させ、十分な強度の針状結晶体を得るためには、針状結晶体のアスペクト比を５以上１０以下にすることが望ましい。
【００２５】
複数の前記針状結晶体の単位面積あたりの数が、１０９本／ｃｍ２未満であると、針状結晶配列体に入射する光が、針状結晶体によって回折しないので、光取り出し効率を十分に向上させることができない。また複数の前記針状結晶体の単位面積あたりの数が、１０１２本／ｃｍ２を超えると、回折光として取り出せる光の針状結晶体への入射角度が小さくなり、光取り出し効率を十分に向上させることができない。したがって、複数の針状結晶体の、前記厚み方向に垂直な面における単位面積あたりの数を、１０９本／ｃｍ２以上１０１２本／ｃｍ２以下にすることによって、針状結晶配列体に入射する光を、針状結晶体によって回折させ、かつ回折光として取り出せる光の針状結晶体への入射角度を大きくして、光の取り出し効率を大きく向上させることができる。
【００２６】
また本発明によれば、基板と基板に積層される複数の半導体層を含んで構成される積層体層を含んで構成される積層体を有する半導体発光素子本体では、半導体発光素子本体の前記厚み方向の端面から出射する光の割合が大きいので、半導体発光素子本体の前記厚み方向の端面のうちの少なくともいずれか一方を光取り出し面として針状結晶配列体を形成することによって、光取り出し効率をより向上させることができる。
【００２７】
また本発明によれば、針状結晶配列体は、導電性を有し、厚み方向において基板から最も離反した半導体層に接触して設けられるので、前記半導体層に電流を効果的に拡散することができる。これによって半導体発光素子全体に電流が拡散し、発光強度を向上させることができる。
【００２８】
また本発明によれば、前記厚み方向に垂直な方向における半導体発光素子本体の端面上にも針状結晶配列体が形成される。半導体発光素子の１０％〜３０％の光は、前記厚み方向に垂直な方向における半導体発光素子本体の端面から放射されるので、この光を外部に効率的に取り出すことができ、光の取り出し効率を向上させることができる。
【００２９】
また本発明によれば、針状結晶配列体は、導電性を有し、厚み方向において基板から最も離反する半導体層に接触して設けられる場合には、前記半導体層の前記厚み方向に垂直な方向における端面上に電気絶縁膜を設け、この電気絶縁膜上（半導体層とは反対側の表面）にも針状結晶配列体を形成するとよい。この場合、導電性の針状結晶配列体と半導体層との間に電気絶縁膜が設けられるので、針状結晶配列体によって複数の半導体層が短絡してしまうことが防止され、また、前記厚み方向に垂直な方向における半導体発光素子本体の端面から放射される光を外部に効率的に取り出すことができ、光の取り出し効率を向上させることができる。
【００３０】
また本発明によれば、発光素子本体の前記各半導体層は、発光素子の発光スペクトルのピーク波長が５００ｎｍ以上８５０ｎｍ未満となるような、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体によって形成され、これに対して針状結晶配列体の光吸収端が３００ｎｍ以上５００ｎｍ未満であるので、前記半導体発光素子の光の波長に対して針状結晶配列体が透明となり、光の取り出し効率を向上させることができる。前記ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は、たとえばＡｌＧａＡｓ系の半導体およびＩｎＧａＡｌＰ系の半導体などによって実現される。
【００３１】
また本発明によれば、発光素子本体の前記各半導体層は、発光素子の発光スペクトルのピーク波長が３５０ｎｍ以上８５０ｎｍ未満となるような、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体またはＩＩ−ＶＩ族化合物半導体によって形成され、これに対して針状結晶配列体の光吸収端が２００ｎｍ以上３５０ｎｍ未満であるので、前記半導体発光素子の光の波長に対して針状結晶配列体が透明となり、光の取り出し効率を向上させることができる。前記ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は、たとえばＧａＮ系の半導体によって実現され、ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体は、たとえばＺｎＳｅ系の半導体およびＺｎＴｅ系の半導体によって実現される。
【００３２】
また本発明によれば、針状結晶配列体の材料を、Ｚｎ、ＭｇおよびＣａから成る群から選ばれる少なくとも１種以上を含む酸化物によって形成すると、この酸化物に含まれるＺｎ、ＭｇおよびＣａに応じて、針状結晶配列体の光吸収端を２００ｎｍ以上５００ｎｍ未満の範囲の所定の波長にすることができる。たとえばＺｎＯを用いると、針状結晶配列体の光吸収端が３００ｎｍ以上５００ｎｍとすることができ、たとえばＭｇＺｎＯまたはＣａＺｎＯを用いると、針状結晶配列体の光吸収端を２００ｎｍ以上３５０ｎｍ未満とすることができる。
【００３３】
また本発明によれば、針状結晶配列体と接する表面部が、ＺｎおよびＭｇから成る少なくとも１種以上であり、かつ前記針状結晶配列体に含まれる物質から成る金属膜、またはＺｎおよびＭｇおよび少なくとも１種以上であり、かつ針状結晶配列体に含まれる物質と同じ物質を、その濃度が１０１９ｃｍ−３以上となるように含んでいるので、針状結晶配列体とこの針状結晶配列体に接触する表面部とのオーミックコンタクトが取りやすくなる。
【００３４】
また本発明によれば、半導体発光素子本体の表面を覆ってレジスト膜を形成して、前記レジスト膜のうち、予め定める部分を除去して前記表面の一部を露出させ、前記レジスト膜およびレジスト膜から露出する前記表面の前記一部に微小粒子を付着させ、予め定める物質を含むアルカリ性の溶液中で、前記微小粒子を成長核として針状結晶を成長させ、成長した針状結晶のうち、前記表面に成長した部分を除く残部を、レジスト膜とともに除去することによって、半導体発光素子本体の光を取り出すための光取り出し面上に、光取り出し面に垂直な方向に配向する複数の針状結晶体が配列されて形成される針状結晶配列体を形成することができる。
【００３５】
従来の技術のようにドライエッチングを用いて凹凸を形成する場合では、ドライエッチングによって半導体発光素子本体にダメージを与えてしまうおそれがあるが、本発明では、針状結晶配列体が結晶成長によって形成されるので、半導体発光素子本体にダメージを与えるおそれを軽減させて、針状結晶配列体を形成することができ、半導体発光素子本体の信頼性を低下させることなく、光取り出し効率を向上させることができる。針状結晶配列体は、たとえば液相法によって形成することができ、作製工程にドライエッチングを必要としない。したがって、大掛かりな真空装置が不必要となるので、前記半導体発光素子を低コストで作製することができる。
【００３６】
また針状結晶配列体は、エッチングによって形成するのではなく、結晶成長させて形成されるので、半導体発光素子本体が表面部に電極を有していても、電極に関係なく針状結晶配列体を形成することができるので、光の取り出し効率を向上させることができる。半導体発光素子本体の表面で、針状結晶配列体を形成する領域の制限がなく、またレジスト膜から露出した表面部分にだけ針状結晶配列体を形成することができるので、設計の自由度を向上させることができ、たとえば、照明用の半導体発光素子では、半導体発光素子本体の複数の方向の表面に針状結晶配列体を形成し、プリンタ向けの半導体発光素子では、１方向の表面に針状結晶配列体を形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
図１は、本発明の実施の一形態の半導体発光素子１（以下、発光素子１ともいう）を示す断面図であり、図２の切断面線Ｉ−Ｉから見て示す。図２は、半導体発光素子１の平面図であり、半導体発光素子１の光の出射方向の下流側から見て示す。図２において、図解を容易にするために針状結晶配列体２１に斜線を付して示している。以下、半導体発光素子を、発光素子という。発光素子１は、面発光型の発光素子であり、本発明の実施の形態では、発光ダイオードによって実現される。
【００３８】
発光素子１は、基板２と、基板２の厚み方向の一表面２ａに積層される複数の半導体層３を含む積層体４と、基板２の厚み方向の他表面２ｂ上に形成される第１電極５と、針状結晶配列体２１と含んで構成される。基板２と、積層体４と、第１電極５とを含んで発光素子本体２０が形成される。
【００３９】
基板２は、ｐ型およびｎ型のうちの一方の導電型で、かつ単結晶の半導体によって形成される。本発明の実施の形態では、基板２は、ｎ型のガリウム砒素（ＧａＡｓ）によって形成される。第１電極５は、前記基板２の他表面２ｂの全面にわたって形成される。第１電極５は、Ｃｒ（クロム）とＡｕ（金）との積層膜によって形成される。
【００４０】
積層体４は、バッファ層６、発光層７、コンタクト層８および第２電極９を含んで構成される。基板２の一表面２ａ上にバッファ層６が積層され、バッファ層６に発光層７が積層され、発光層７に第２電極９が積層される。バッファ層６、発光層７およびコンタクト層８から成る半導体積層体は、略直方体形状に形成される。
【００４１】
バッファ層６は、基板２と同じ導電型の半導体によって形成され、たとえばｎ型のガリウム砒素（ＧａＡｓ）またはｎ型のガリウム窒素（ＧａＮ）によって形成される。バッファ層６の厚さは、０．１〜０．３μｍに選ばれる。以後、半導体の導電型を示すとき、ｎ型を「ｎ−」と記載し、ｐ型を「ｐ−」と記載する場合がある。
【００４２】
発光層７は、バッファ層６がｎ−ＧａＡｓによって形成される場合、ｐ−ＡｌＧａＡｓあるいはｐ−ＩｎＧａＡｌＡｓによって構成され、バッファ層６がＧａＮによって形成される場合ｐ−ＩｎＧａＮによって構成される。発光層７の厚さは、０．５μｍ〜１．０μｍに選ばれる。
【００４３】
コンタクト層８は、基板２と異なる他方の導電型の半導体によって形成され、本実施の形態ではｐ型の半導体によって形成される。コンタクト層８は、たとえば発光層７がｐ−ＡｌＧａＡｓあるいはｐ−ＩｎＧａＡｌＡｓによって形成される場合、ｐ−ＧａＡｓによって形成され、発光層７がｐ−ＩｎＧａＮによって形成される場合、ｐ−ＧａＮによって形成される。コンタクト層８の厚さは、０．０１μｍ〜０．０５μｍに選ばれる。
【００４４】
コンタクト層８は、後述する針状結晶配列体２１に含まれる物質と同じ物質を、その濃度（不純物濃度）が１０１９ｃｍ−３以上となるように含んで構成される。本実施の形態では、コンタクト層８は不純物として亜鉛（Ｚｎ）、マグネシウム（Ｍｇ）および炭素（Ｃ）を含む。これによって、針状結晶配列体２１とこの針状結晶に接触するコンタクト層８とのオーミックコンタクトが取りやすくなる。
【００４５】
コンタクト層８の前記厚み方向の一表面８ａに第２電極９が積層して形成される。第２電極９は、放射状に形成され、前記一表面８ａの中央部に設けられるボンディングワイヤ接続部１１と、ボンディングワイヤ接続部１１から放射状に延びる放射状延在部１２とを含んで構成される。放射状延在部１２は、矩形状となる前記一表面８ａの各角部１３に向かって延びる。放射状延在部１２の角部１３に臨む端部１４は、前記角部１３から離間する。第２電極９は、Ｃｒ（クロム）とＡｕ（金）との積層膜によって形成され、厚さは、発光素子本体２０が発する波長の光に対する表皮厚さよりも小さくなるように形成され、たとえば０．３μｍ〜０．５μｍに選ばれる。また電極９の放射状延在部１２の幅は、２μｍ程に選ばれる。
【００４６】
第２電極９を放射状に形成することによって、各半導体層３の全領域にわたって電流が拡散しやすくなり、発光強度を向上せることができる。
【００４７】
針状結晶配列体２１は、前記積層体４の厚み方向の一表面４ａ上に設けられ、第２電極９のボンディングワイヤ接続部１１および周縁部１５を除く部分に積層して設けられる。前記積層体４の前記厚み方向の一表面４ａは、主たる発光面である。また前記積層体４の前記厚み方向の一表面４ａは、光取り出し面であり、第２電極９の前記厚み方向の一表面９ａと、コンタクト層８の前記厚み方向の一表面８ａとが含まれる。発光素子１は、ウエハに各半導体層３を形成するための半導体膜、各電極５，９を形成するための金属膜および針状結晶配列体２１を積層した後、ダイシングを行ってチップに分割して形成される。ダイシングライン上に針状結晶配列体２１が形成されると、ダイシング中に針状結晶配列体２１にダメージが与えられ、はがれが生じてしまうので、針状結晶配列体２１は、ダイシングラインである積層体４の厚み方向の一表面４ａの周縁辺から内側に退避し、周縁部１５を除いて形成される。
【００４８】
針状結晶配列体２１は、積層体４の厚み方向の一表面４ａに垂直な方向に配向する複数の針状結晶体２２が配列されて形成される。コンタクト層８の厚み方向の一表面８ａ上には第２電極９が形成されるので、コンタクト層８の厚み方向の一表面８ａと第２電極９の厚み方向の一表面９ａとの間には段差が形成されるが、第２電極９の厚さは薄いので、コンタクト層８の厚み方向の一表面８ａと第２電極９の厚み方向の一表面９ａとが仮想一平面に含まれるものとする。針状結晶配列体２１は、結晶基部２３と、結晶基部２３から突出する複数の針状結晶体２２とを含んで形成される。
【００４９】
針状結晶配列体２１は、酸化物、たとえば酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化マグネシウム亜鉛（ＭｇＺｎＯ）、酸化カルシウム亜鉛（ＣａＺｎＯ）または酸化チタン（ＴｉＯ）によって形成される。
【００５０】
発光素子本体２０の各半導体層３を、発光素子１の発光スペクトルのピーク波長が５００ｎｍ以上８５０ｎｍ未満となるような、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体によって形成される場合、針状結晶配列体２１は、光吸収端が３００ｎｍ以上５００ｎｍ未満となるように形成される。針状結晶配列体２１の光吸収端を３００ｎｍ以上５００ｎｍ未満にするには、針状結晶配列体２１をＺｎＯによって形成すればよい。発光層７を、ＡｌＧａＡｓまたはＩｎＧａＡｓＰを用いて形成すると、発光素子１の発光スペクトルのピーク波長は５００ｎｍ以上８５０ｎｍ未満になる。このように各半導体層３および針状結晶配列体２１を形成すると、発光素子本体２０の光の波長に対して針状結晶配列体２１が透明となり、光の取り出し効率を向上させることができる。
【００５１】
また発光素子本体２０の各半導体層３を、発光素子１の発光スペクトルのピーク波長が３５０ｎｍ以上８５０ｎｍ未満となるような、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体によって形成される場合、針状結晶配列体２１は、光吸収端が２００ｎｍ以上３５０ｎｍ未満となるように形成される。針状結晶配列体２１の光吸収端を２００ｎｍ以上３５０ｎｍ未満とするには、針状結晶配列体２１をＭｇＺｎＯまたはＣａＺｎＯによって形成すればよい。発光層７をＧａＮによって形成すると、発光素子１の発光スペクトルのピーク波長は３５０ｎｍ以上８５０ｎｍ未満になる。このように各半導体層３および針状結晶配列体２１を形成すると、発光素子本体２０の光の波長に対して針状結晶配列体２１が透明となり、光の取り出し効率を向上させることができる。
【００５２】
針状結晶配列体２１の材料を、Ｚｎ、ＭｇおよびＣａから成る群から選ばれる少なくとも１種以上を含む酸化物によって形成すると、この酸化物に含まれるＺｎ、ＭｇおよびＣａに応じて、針状結晶配列体の光吸収端を２００ｎｍ以上５００ｎｍ未満の範囲の所定の波長にすることができる。たとえばＺｎＯを用いると、前述したように針状結晶配列体の光吸収端が３００ｎｍ以上５００ｎｍとすることができ、たとえばＭｇＺｎＯまたはＣａＺｎＯを用いると、針状結晶配列体の光吸収端を２００ｎｍ以上３５０ｎｍ未満とすることができる。
【００５３】
針状結晶配列体２１は、発光素子本体２０が発する波長の光を透過するように形成される。針状結晶配列体２１が透過する光は、発光素子本体２０が発する波長帯域で、８０％〜９０％程度である。これによって針状結晶配列体２１が、発光素子本体２０からの光を吸収したり、散乱したりすることが抑制される。
【００５４】
また針状結晶配列体２１は、発光素子本体２０のうち光取り出し面が形成される部分、すなわちコンタクト層８および第２電極９よりも屈折率が小さく選ばれる。また針状結晶配列体２１は、光を放射する側の媒質の屈折率よりも屈折率が大きく選ばれる。光を放射する側の媒質は、本発明の実施の形態では、空気である。針状結晶配列体２１の屈折率は、空気の屈折率よりも小さく選ばれる。
【００５５】
結晶基部２３の前記光取り出し面に垂直な方向の厚さ（本実施の形態では前記厚み方向の厚さ）Ｔ１は、針状結晶配列体２１の前記光取り出し面に垂直な方向の厚さＴ２の３０％〜５０％を占める。針状結晶体２２の先端部は、結晶基部２３から離反するにつれて、先細状となっている。前記厚さＴ２は、針状結晶配列体２１の平均の厚さである。
【００５６】
各針状結晶体２２のアスペクト比は、３以上１００以下に選ばれ、好ましくは５以上１０以下に選ばれる。針状結晶体２２のアスペクト比は、前記一表面４ａに垂直な方向の針状結晶体２２の平均の長さをＬ１とし、針状結晶体２２の平均の外径をＬ２としたとき、Ｌ１をＬ２で除算して求められる。針状結晶体２２の平均の長さＬ１は、所定の数の針状結晶体２２の長さの相加平均である。針状結晶体２２の平均の外径Ｌ２は、各針状結晶体２２における長さ方向に垂直な方向における外径の平均値の相加平均である。針状結晶体２２の外径は、針状結晶体２２において長さ方向に予め定める間隔で測定された、長さ方向に垂直な方向における外径の平均値を、所定の数の針状結晶体２２について求めて、相加平均した値である。針状結晶体の長さＬ１および外径Ｌ２は、ＳＥＭ（Scanning
Electron Microscope）による針状結晶体２２の断面像を観察して、実測して求める。針状結晶配列体２１は、液相法によって結晶成長させるので、針状結晶体２２は、縦方向、すなわちこの針状結晶体２２が形成される面に垂直に配向し、結晶方向を揃えて成長する。これによって１次回折光または−１次回折光として取り出すことができる有効立体角度が大きくなるので、光の取り出し効率が向上する。たとえば前記厚さＴ２は、１μｍ程度に選ばれ、前記長さＬ１は、７００ｎｍ程度に選ばれ、長さＬ２は、２００ｎｍ程度に選ばれる。
【００５７】
針状結晶体２２のアスペクト比が３未満であると、針状結晶配列体２１が回折格子としての十分に機能しない。また針状結晶体２２のアスペクト比が１００を超えると、発光素子をピックアップする際に折れやすくなるという問題がある。したがって針状結晶体２２のアスペクト比を、３以上１００未満とし、好ましくは５以上１０以下にすることによって、針状結晶配列体２１を回折格子として十分に機能させることができるとともに、十分な強度の針状結晶を得ることができる。
【００５８】
また複数の針状結晶体２２の単位面積あたりの数が、１０９本／ｃｍ２以上１０１２本／ｃｍ２以下に選ばれ、好ましくは１０９本／ｃｍ２以上１０１０本／ｃｍ２以下に選ばれ、さらに好ましくは３×１０９本程度に選ばれる。複数の針状結晶体２２の単位面積あたりの数が、１０９本／ｃｍ２未満であると、針状結晶配列体２１に入射する光が回折しないので、光取り出し効率を十分に向上させることができない。また複数の針状結晶体２２の単位面積あたりの数が１０１２本／ｃｍ２を超えると、回折光として取り出せる光の針状結晶体２２への入射角度が小さくなり、光取り出し効率を十分に向上させることができない。したがって、複数の針状結晶体２２の、前記厚み方向に垂直な仮想一平面における単位面積あたりの数を１０９本／ｃｍ２以上１０１２本／ｃｍ２以下とすることによって、針状結晶配列体２１に入射する光を、針状結晶体２２によって回折させて、かつ針状結晶配列体２１に入射する光の針状結晶体２２による回折角度を大きくして、光の取り出し効率を大きく向上させることができる。
【００５９】
たとえば発光層７をＧａＡｓ系の半導体によって形成した場合では、針状結晶体２２の間隔Ｌ３を、２００ｎｍ〜３００ｎｍピッチとすると、−１次または＋１次の回折光の影響によって、光の取り出し効率が上昇し、針状結晶配列体２１を設けない場合と比較して、光取り出し効率を約１．５倍とすることができる。
【００６０】
針状結晶配列体２１は、導電性を有するものを選択するとよい。針状結晶配列体２１の抵抗率は、２×１０−４Ω・ｃｍ〜７×１０−４Ω・ｃｍに選ばれる。針状結晶配列体２１が導電性を有するので、ボンディングワイヤ接続部１１に供給される電流を、発光素子全体に拡散させることができ、発光強度を向上させることができる。
【００６１】
針状結晶配列体２１は、後述するように液相法によって結晶成長させて形成されるようにするとよい。これによってエッチングによる発光素子本体２０へのダメージを軽減させ、信頼性を低下することなく、針状結晶配列体２１を形成して、光取り出し効率を向上させることができる。
【００６２】
また、針状結晶配列体２１を液相法によって結晶成長する場合、針状結晶配列体２１の積層体４側の端部は、連続体（結晶基部２３）となり、光取り出し面を覆う。すなわち、コンタクト層８よりも屈折率の小さな結晶基部２３が光取り出し面を覆うことになり、光取り出し面と、結晶基部２３との界面における反射を抑制することができ、光取り出し効率を向上させることができる。また結晶基部２３は、保護膜の役割を果たし、経時変化によるコンタクト層８および第２電極９の酸化などによる劣化を防ぎ、発光素子１の信頼性を向上させることができる。
【００６３】
図３は、発光素子１の作製手順を示すフローチャートである。図４は、作製工程における発光素子１の断面図である。図４（１）は、半導体層３１，３２，３３が積層されたウエハ３０の断面図であり、図４（２）はバッファ層６、発光層７およびコンタクト層８が形成されたウエハ３０の断面図であり、図４（３）は第１および第２電極５，９を形成した後のウエハ３０の断面図であり、図４（４）はレジスト膜３４が形成されたウエハ３０の断面図であり、図４（５）はレジスト膜３４が除去されたウエハ３０の断面図である。
【００６４】
作製手順をスタートすると、ステップｓ０からステップｓ１に移る。ステップｓ１では、図４（１）に示すように、基板２の前駆体であるウエハ３０の厚み方向の一表面３０ａ上に、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法によって、バッファ層６、発光層７およびコンタクト層８の前駆体である半導体層３１，３２，３３を順番にエピタキシャル成長させて積層した後、フォトリソグラフィおよびエッチングを用いて図４（２）に示すように各半導体層３１，３２，３３の一部を除去することによって、バッファ層６、発光層７およびコンタクト層８を形成する。
【００６５】
次にステップｓ２では、第２電極９の前駆体となる金属層を、前記バッファ層６、発光層７およびコンタクト層８の積層体を覆うようにスパッタリングによって形成し、フォトリソグラフィまたはエッチングによって金属層の一部を除去して図４（３）に示すように第２電極９を形成する。またウエハ３０の前記積層体が形成される面とは反対側の面上に、第１電極５となる金属層をスパッタリングによって形成し、フォトリソグラフィまたはエッチングを用いて、この金属層の一部を除去して図４（３）に示すように第１電極５を形成する。
【００６６】
次にステップｓ３では、バッファ層６、発光層７およびコンタクト層８ならびに第２電極９の積層体４、ならびに基板２を覆って、スピンコートによって感光性レジストを塗布してレジスト膜３４を形成する。
【００６７】
次にステップｓ４では図４（４）に示すように、ステップｓ３で形成したレジスト膜３４の所定の位置に孔３５を形成する。感光性レジストがポジ型であれば、レジスト膜３４のうち、積層体４の周縁部およびボンディングワイヤ接続部１１に積層される部分を除いて、積層体４に積層される部分を露光した後、エッチングによって露光した部分を除去して孔３５を形成する。また感光性レジストがネガ型であれば、ポジ型で露光しない部分を露光して、露光しなかった部分をエッチングによって除去して孔３５を形成する。エッチングには、ウェットエッチングを用いる。
【００６８】
次にステップｓ５では、レジスト膜３４およびレジスト膜３４から露出する積層体４の表面に微小粒子を付着させる。レジスト膜３４およびレジスト膜３４から露出する積層体４の表面に、コロイド溶液を塗布することによって微小粒子を付着させる。
【００６９】
コロイド溶液は、０．０３ｍｏｌ／ＬのＮａＯＨメタノール水溶液（以下、第１水溶液という）と、０．０１ｍｏｌ／Ｌの酢酸亜鉛（Ｚｎ(ＣＨ３ＣＯＯ)２・２Ｈ２Ｏ）のメタノール水溶液（以下、第２水溶液という）とを、第１水溶液を６５ｍｌとし第２水溶液を１２５ｍｌとして攪拌しながら室温（２８℃程度）で混合し、６０℃で２時間加熱することによって作製される。このように形成されたコロイド溶液は、粒径が１０ｎｍ以下の酸化亜鉛のコロイド粒子を含む。コロイド溶液を作製する時に、酢酸亜鉛（Ｚｎ(ＣＨ３ＣＯＯ)２・２Ｈ２Ｏ）がメタノール溶液に溶けにくければ、４０℃程度に加熱するとよい。
【００７０】
ステップｓ５では、前記コロイド溶液を、レジスト膜３４およびレジスト膜３４から露出する積層体４の表面に、スピンコートによって塗布した後、予め定める温度（約１３０℃）で焼結を行う。これによってコロイド粒子をレジスト膜３４およびレジスト膜３４から露出する積層体４の表面に付着させることができる。その後、純水によってレジスト膜３４が形成されたウエハ３０を洗浄する。洗浄することによって、密着強度の弱いコロイド粒子は洗い流されるので、スピンコートおよび焼結ならびに洗浄を数回繰り返して、微小粒子から成るシード層を、レジスト膜３４およびレジスト膜３４から露出する積層体４の表面に積層して作製する。
【００７１】
次にステップｓ６では、予め定める物質を含むアルカリ性の溶液中に、前記微小粒子を付着させたウエハ３０を浸漬して、前記シード層に含まれる微小粒子を成長核として針状結晶を成長させる。予め定める物質を含むアルカリ性の溶液は、まず０．０２Ｍの硫酸亜鉛水溶液（ＺｎＳＯ４・７Ｈ２Ｏ）と、フッ化アンモニウム（ＮＨ４Ｆ）、塩化アンモニウム（ＮＨ４Ｃｌ）、硝酸アンモニウムＮＨ４ＮＯ３、硫酸アンモニウム（(ＮＨ４)２ＳＯ４）の少なくとも一種類のアンモニウム塩とを混合して、ＮＨ４＋とＺｎ２＋とのモル比がＮＨ４＋：Ｚｎ２＋＝Ｘ：１であり、かつＸ＝２０〜５０となる水溶液を作製した後、この水溶液に、ＮａＯＨ水溶液を加えて、ｐＨ９〜ｐＨ１３のアルカリ性溶液とすることによって作製される。
【００７２】
ステップｓ６では、シード層が形成されたウエハ３０を、前述したＮＨ４＋とＺｎ２＋を含むアルカリ性の水溶液中に設置し、水溶液の温度を６０℃に保持して、１日〜１０日放置する。ステップｓ６によって、レジスト膜３４およびレジスト膜３４から露出する積層体４の表面に、針状結晶が成長する。その後、針状結晶が形成されたウエハ３０を水溶液から取り出し、純水によって洗浄した後、室温にて乾燥させる。
【００７３】
次にステップｓ７では図４（５）に示すように、ステップｓ６で成長した針状結晶のうち、レジスト膜３４から露出する積層体４の表面に成長した部分を除く残部を、レジスト膜３４とともに剥離液によって除去することによって、積層体４に針状結晶配列体２１を形成する。
【００７４】
次にステップｓ８ではウエハ３０を切断して、発光素子１を作製した後、ステップｓ９に移り作製手順を終了する。
【００７５】
従来の技術のようにドライエッチングを用いて発光素子の表面に凹凸を形成する場合では、ドライエッチングによって発光素子にダメージを与えてしまうおそれがあるが、本発明の製造方法によれば、針状結晶配列体２１が結晶成長によって形成されるので、発光素子本体２０に与えるダメージを軽減し、針状結晶配列体２１を形成することができる。その結果、発光素子１の信頼性を低下させることなく、光取り出し効率を向上させることができる。針状結晶配列体２１は、前述したように液相法によって形成することができ、作製工程にドライエッチングを必要としない。したがって大掛かりな真空装置が不必要となるので、発光素子１を低コストで作製することができる。
【００７６】
また針状結晶配列体２１は、発光素子本体２０が表面部に第２電極９を有していても、針状結晶配列体２１を形成することができるので、光の取り出し効率を向上させることができる。このように、発光素子本体２０の表面で、針状結晶配列体２１を形成する領域の制限がなく、またレジスト膜３４から露出した表面部分に針状結晶配列体２１を形成することができるので、設計の自由度を向上させることができる。
【００７７】
発光素子１では、針状結晶体２２が光取り出し面に垂直な方向に配向し、すなわち光取り出し面に垂直な方向に延びて形成されるので、針状結晶配列体２１と、針状結晶配列体２１から光が放射される側の媒体との界面における反射を抑制可能である。その結果、針状結晶配列体２１に発光素子本体から入射する光のうち取り出しが可能な光が入射する角度である有効立体角度を大きくすることができ、これによって光の取り出し効率を向上させることができる。また複数の針状結晶体２２は、回折格子としても機能し、臨界角度以上の角度で前記針状結晶配列体２１と、針状結晶配列体２１から光が放射される側の媒体との界面に入射する光の、＋１次または−１次の回折光を出射することができるので、光取り出し効率をさらに向上させることができる。
【００７８】
発光素子１では、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体によって各半導体層３が形成されるが、各半導体層３は、ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体によって形成されてもよい。各半導体層３をＩＩ−ＶＩ族化合物半導体によって形成する場合、たとえば、基板２をｎ−ＺｎＳｅやｎ−ＧａＡｓによって形成し、バッファ６層をｎ−ＺｎＳｅによって形成し、発光層７をＺｎＳｅ（ＺｎＳｅＣｄ）またはＺｎＴｅによって形成し、コンタクト層８をＺｎＳｅ−ＺｎＴｅ超格子などによって形成し、針状結晶配列体２１を、ＭｇＺｎＯまたはＣａＺｎＯによって形成すればよい。このような構成であっても、同様の効果を達成することができる。
【００７９】
図５は、本発明の実施の他の形態の発光素子４１の平面図であり、発光素子４１の光の出射方向の下流側から見て示す。図５において、図解を容易にするために針状結晶配列体２１に斜線を付して示している。本実施の形態の発光素子４１と、前述した実施の形態の発光素子１とは、第２電極の形状が異なるのみであって、他の構成は同様であるので、同様の構成には同様の参照符号を付して、その説明を省略する。本発明の形態では、第２電極４２が、厚み方向から見て矩形状に形成され、コンタクト層８の一表面８ａの中央部に形成される。第２電極４２は、その周縁部を除いて、針状結晶配列体２１から露出する。このような構成であっても、前述した実施の形態と同様の効果を達成することができる。また第２電極４２が前記コンタクト層８の一表面８ａの中央部に設けられるので、第２電極４２によって発光層７からの光が妨げられにくくなり、光の取り出し効率をより向上させることができる。
【００８０】
図６は、本発明の他の実施の形態の発光素子５１の断面図である。図７は、発光素子５１の平面図であり、発光素子５１の光の出射方向の下流側から見て示す。図７において、図解を容易にするために針状結晶配列体２１に斜線を付して示している。本実施の形態の発光素子５１と、前述した発光素子１とは同様な構成を有するので、同様の構成には同様の参照符号を付して、その説明を省略する。
【００８１】
本発明の実施の形態では、基板２の厚み方向の一表面２ａの周縁部を除いて、バッファ層６、発光層７およびコンタクト層８が積層される。コンタクト層８の厚み方向の一表面８ａの周縁部と、バッファ層６、発光層７およびコンタクト層８の前記厚み方向に垂直なそれぞれの端面とには、保護膜である電気絶縁膜５４が設けられる。電気絶縁膜５４は、透光性を有し、発光層７からの光を透過する。電気絶縁膜５４は、ＳｉＯ２によって形成される。
【００８２】
第２電極５３は、コンタクト層８の一表面８ａの中央部から、所定の方向に延びて前記電気絶縁膜５４に積層されて、基板２の一表面２ａにも積層されて設けられる。第２電極５３のうち、基板２に積層される部分がボンディングワイヤ接続部５５となる。第２電極５３は、第２電極９と同じ材料によって形成され、第２電極９の厚さと等しい厚さを有する。コンタクト層８の一表面８ａ上に積層される部分５３ａは、直方体形状に形成される。
【００８３】
針状結晶配列体２１は、バッファ層６、発光層７およびコンタクト層８、ならびに第２電極５３および電気絶縁膜５４の積層体５６の、前記厚み方向の一表面５６ａのうち、周縁部を除く部分に積層される。針状結晶配列体２１の構成は、前述した針状結晶配列体２１と同様であり、液相法によって形成される。
【００８４】
発光素子５１は、前述した実施の形態の発光素子１と同様の効果を達成することができる。また積層体５６の表面上にボンディングワイヤ接続部５５が形成されるのではなく、第２電極５３が、基板２に引き出されるので、積層体５６の前記一表面５６ａのほぼ全面にわたって針状結晶配列体２１を形成することができ、光の取り出し効率をさらに向上させることができる。
【００８５】
図８は、本発明の他の実施の形態の発光素子６１の断面図である。図９は、発光素子６１の平面図であり、発光素子６１の光の出射方向の下流側から見て示す。図９において、図解を容易にするために針状結晶配列体２１に斜線を付して示している。本実施の形態の発光素子６１と、前述した発光素子１とは同様な構成を有するので、同様な構成には同様の参照符号を付して、その説明を省略する。
【００８６】
発光素子６１は、基板６２と反対側の面から光を取り出す方式（Junction Up タイプ）の発光素子であって、基板６２と、基板６２の厚み方向の一表面６２ａに積層される複数の半導体層６３を含む積層体６４と、針状結晶配列体２１と含んで構成される。基板６２と、積層体６４とを含んで発光素子本体６５が形成される。
【００８７】
基板６２は、非導電性（絶縁性）を有する単結晶基板によって形成され、たとえばサファイア基板によって形成される。
【００８８】
積層体６４は、バッファ層６、発光層７、コンタクト層８、第１電極６６および第２電極６７を含んで構成される。基板６２の一表面６２ａ上にバッファ層６が積層され、バッファ層６に発光層７が積層され、発光層７に第２電極６７が積層される。バッファ層６、発光層７およびコンタクト層８から成る半導体積層体は、略直方体形状に形成される。前記半導体積層体は、その角部が切り欠かれて形成され、バッファ層６の厚み方向の一表面６ａが、発光層７およびコンタクト層８から露出する。発光層７およびコンタクト層８から露出するバッファ層６の一表面６ａに積層して、第１電極６６が形成される。またコンタクト層８の厚み方向の一表面８ａのうち、前記第１電極６６から最も離反する位置、すなわち厚み方向の一方から見て前記第１電極６６が形成される角部と対角の角部に、第２電極６７が形成される。このように第１および第２電極６６，６７を配置することによって、各半導体層３に電流を拡散しやすくすることができる。第１および第２電極６６，６７は、前記第１および第２電極５，９と同様の物質によって形成される。
【００８９】
前記コンタクト層８の厚み方向の一表面８ａのうち、第２電極６７が形成される領域および、周縁部を除いて、針状結晶配列体２１が形成される。本実施の形態では、前記コンタクト層８の一表面８ａが光取り出し面である。
【００９０】
発光素子６１は、前述した発光素子１と同様の効果を有する。また発光素子６１の構成は、発光層７をＩｎＧａＮ系の半導体、またはＧａＮ系の半導体によって形成するサファイア基板を用いた発光素子において、特に有効である。これはサファイア基板が絶縁体であるので、ＧａＡｓ基板の場合のように、基板の裏面に電極を形成しても半導体層と電気的に接続することができないので、基板の一表面２ａ上にカソードとアノードの電極を取る必要があるためである。
【００９１】
図１０は、本発明の他の実施の形態の発光素子７１の断面図である。図１１は、発光素子７１の平面図である。本実施の形態の発光素子７１と、前述した発光素子６１とは同様な構成を有するので、同様な構成には同様の参照符号を付して、その説明を省略する。
【００９２】
発光素子７１は、基板６２側の面から光を取り出す方式（Junction down タイプ）の発光素子であって、基板６２と、基板６２の厚み方向の一表面６２ａに積層される複数の半導体層６３を含む積層体７２と、針状結晶配列体２１と含んで構成される。基板６２と、積層体７２とを含んで発光素子本体７４が形成される。
【００９３】
積層体６４は、バッファ層６、発光層７、コンタクト層８、第１電極６６および第２電極７５を含んで構成される。第２電極７５は、コンタクト層８の厚み方向の一表面８ａの周縁部を除く全面にわたって形成される。第２電極７５は、前記第１および第２電極５，９と同様の物質によって形成される。
【００９４】
針状結晶配列体２１は、基板６２の厚み方向の他表面６２ｂ上の全面にわたって形成される。本実施の形態では、基板６２の厚み方向の他表面６２ｂが光取り出し面である。
【００９５】
発光素子７１は、前述した発光素子６１と同様の効果を達成し、さらに第２電極７５をコンタクト層８の一表面８ａの全面にわたって大きく形成することができるので、発光素子６１と比較して半導体中に電流が拡散しやすくなり、発光強度を向上させることができる。
【００９６】
図１２は、本発明の実施の一形態の発光素子８１を示す断面図であり、図１３の切断面線ＸＩ−ＸＩから見て示す。図１３は、発光素子８１の平面図であり、発光素子８１の光の出射方向の下流側から見て示す。図１３において、図解を容易にするために針状結晶配列体２１に斜線を付して示している。発光素子８１は、前述した実施の形態の発光素子１と同様の構成を有するので、同様の部分には同様の参照符号を付して、その説明を省略する。
【００９７】
発光素子８１は、基板２と、基板２の厚み方向の一表面２ａに順次に積層されるバッファ層６、発光層７およびコンタクト層８と、第１電極５と、電気絶縁膜８２と、針状結晶配列体２１とを含んで構成される。基板２と、バッファ層６と、発光層７と、コンタクト層８と、第１および第２電極５，９と、電気絶縁膜８２とを含んで発光素子本体８４が形成される。
【００９８】
電気絶縁膜８２は、コンタクト層８の一表面８ａの周縁部と、バッファ層６、発光層７コンタクト層８および基板２の、前記厚み方向に垂直なそれぞれの端面上に、これらを覆って設けられる。電気絶縁膜８２は、前述した電気絶縁膜５４と同様の物質によって形成される。第２電極９は、その端部１４が、電気絶縁膜５４に積層されるように、コンタクト層８の一表面８ａ上に設けられる。
【００９９】
針状結晶配列体２１は、発光素子本体８４の前記厚み方向の一表面８４ａ上、および前記厚み方向に垂直な方向の表面８４ｂ上に設けられる。本実施の形態では、発光素子本体８４の前記厚み方向の一表面８４ａ、および前記厚み方向に垂直な方向の表面８４ｂが光取り出し面であり、第２電極９の前記厚み方向の一表面９ａと、コンタクト層８の前記厚み方向の一表面８ａと、電気絶縁膜８２の前記厚み方向の一表面８２ａと、電気絶縁膜８２の前記厚み方向に垂直な方向で、半導体層とは反対側の表面８２ｂとが含まれる。針状結晶配列体２１は、発光素子本体８４の前記厚み方向の一表面８４ａ上では、第２電極９のボンディングワイヤ接続部１１を除く部分に積層して設けられる。針状結晶体２２のうち、発光素子本体８４の前記厚み方向の一表面８４ａ上に形成される部分では、針状結晶体２２は、前記厚み方向に沿って延び、電気絶縁膜８２の前記表面８２ｂ上に積層される部分では、針状結晶体２２は、前記表面８２ｂに垂直な方向に延びる。
【０１００】
電気絶縁膜８２の前記厚み方向の一表面８２ａと、電気絶縁膜８２の前記厚み方向に垂直な方向で、半導体層とは反対側の表面８２ｂとが連なる角部では、前記針状結晶体２２のうち、発光素子本体８４の前記厚み方向の一表面８４ａ上に形成される部分と、電気絶縁膜８２の前記表面８２ｂ上に積層される部分との間で、発光素子本体８４から所定の方向に針状結晶体２２が延びる。前記針状結晶配列体２１は、電気絶縁膜８２の前記表面８２ｂ上において、前記基板２の前記厚み方向の中央部の側方まで形成される。
【０１０１】
発光素子８１では、前記発光素子１と同様な効果を達成することができる。発光素子本体８４が放射する光のうち１０％〜３０％の光は、前記厚み方向に垂直な方向における発光素子本体８４の端面から放射されるので、前記厚み方向に垂直な方向における発光素子本体８４の端面上にも針状結晶配列体２１を形成することによって、前記端面からの光を外部に効率的に取り出すことができ、光の取り出し効率をさらに向上させることができる。
【０１０２】
図１４は、本発明の実施のさらに他の形態の発光素子９１の平面図であり、発光素子９１の光に出射方向下流側から見て示す。図１４において図解を容易にするために針状結晶配列体２１に斜線を付して示している。本実施の形態の発光素子９１と、前述した実施の形態の発光素子８１とは、第２電極の形状が異なるのみであって、他の構成は同様であるので、同様の構成には同様の参照符号を付して、その説明を省略する。本発明の形態では、発光素子８１において第２電極９を、前述した図５に示す実施の形態の発光素子４１における第２電極４２に置き換えて構成される。このような構成であっても前述した発光素子８１と同様の効果を達成することができる。
【０１０３】
図１５は、本発明の実施のさらに他の形態の発光素子１０１の平面図であり、発光素子１０１の光に出射方向下流側から見て示す。図１５において図解を容易にするために針状結晶配列体２１に斜線を付して示している。本実施の形態の発光素子１０１と、前述した実施の形態の発光素子５１，８１とは同様な構成である。本実施の形態の発光素子１０１は、前述した発光素子５１において、発光素子８１と同様に、積層体５６の前記厚み方向に垂直な方向の端面上にも針状結晶配列体２１を設けた構成である。したがって、発光素子１０１は、発光素子５１，８１と同様の効果を達成することができる。
【０１０４】
図１６は、本発明の実施のさらに他の形態の発光素子１１１の作製手順を示すフローチャートである。図１７は、作製工程における発光素子１１１の断面図である。発光素子１１１の作製手順は、図４に示すフローチャートと同様であり、図４に示すフローチャートの各工程に加えて、ステップｓ１とステップｓ２との間に、電気絶縁膜を形成する工程を追加したものである。図１７（１）は、電気絶縁膜５４が形成されたウエハ３０の断面図であり、図１７（２）は第１および第２電極５，９を形成した後のウエハ３０の断面図であり、図４（３）はレジスト膜３４が形成されたウエハ３０の断面図であり、図１７（４）はレジスト膜３４が除去されたウエハ３０の断面図である。発光素子１１１は、前述した発光素子５１，８１と同様な構成を有し、同様の構成には同様の参照符号を付してその説明を省略する。
【０１０５】
ステップａ１は、前述した図４のフローチャートのステップｓ１と同様であるので、説明を省略する。次にステップａ２では、電気絶縁膜５４の前駆体となる絶縁層を、バッファ層６、発光層７およびコンタクト層８の積層体を覆うように、ＳｉＯ２によって形成し、フォトリソグラフィおよびエッチングによって絶縁層の一部を除去して、図１７（１）に示すようにコンタクト層８の厚み方向の一表面８ａの周縁部と、バッファ層６、発光層７およびコンタクト層８の前記厚み方向に垂直な方向の端面とを覆う電気絶縁膜５４を形成する。
【０１０６】
次にステップａ３では、第２電極９の前駆体となる金属層を、前記バッファ層６、発光層７およびコンタクト層８ならびに電気絶縁膜５４の積層体を覆うように形成した後、スパッタリングによって形成し、フォトリソグラフィおよびエッチングによって金属層の一部を除去して図１７（２）に示すように第２電極９を形成する。またステップａ３では、前述した図４のフローチャートのステップｓ２と同様にして、第１電極５を形成する。
【０１０７】
次にステップａ４では、バッファ層６、発光層７、コンタクト層８、電気絶縁膜５４ならびに第２電極９の積層体と、基板２の一表面２ａとを覆って、スピンコートによって感光性レジストを塗布してレジスト膜３４を形成する。
【０１０８】
次にステップａ５では図１７（３）に示すように、ステップｓ４で形成したレジスト膜３４の所定の位置に孔１１２を形成する。本実施の形態では、レジスト膜３４のうち、バッファ層６、発光層７、コンタクト層８、電気絶縁膜５４ならびに第２電極９の積層体が露出するように孔１１２を形成する。
【０１０９】
次にステップａ６に移る。ステップａ６〜ステップａ１０までの各工程は、前述した図４のフローチャートのステップｓ５〜ステップｓ９までの各工程にそれぞれ対応するので、説明を省略する。
【０１１０】
このようにして作製された発光素子１１１は、バッファ層６、発光層７、コンタクト層８、電気絶縁膜５４ならびに第２電極９が積層されて成る積層体の、ウエハ３０を除く表面に針状結晶配列体２１が形成され、前述した発光素子８１と同様な効果を達成することができる。
【０１１１】
図１８は、本発明の実施のさらに他の形態の発光素子１２１の断面図である。発光素子１２１は、前述した発光素子１１１の製造手順において、レジスト膜３４の孔１１２を、バッファ層６、発光層７、コンタクト層８、電気絶縁膜５４ならびに第２電極９の積層体の前記厚み方向の一表面のみが露出するように形成して、他は発光素子１１１を製造する製造手順と同様な手順によって作製される。発光素子本体の１方向の表面にのみ針状結晶配列体２１を形成することによって、たとえばプリンタ向けの半導体発光素子として用いることができる。
【０１１２】
本発明のさらに他の実施の形態において、前述した各実施の形態における電気絶縁膜は、窒化物によって形成されてもよい。このような窒化物としては、たとえばＳｉＮなどが挙げられる。
【０１１３】
前述した各実施の形態では、発光素子本体が発光ダイオードによって実現されるが、本発明のさらに他の実施の形態では、発光素子本体がレーザダイオードまたはエレクトロルミネッセンスによって形成されてもよい。
【０１１４】
本実施のさらに他の形態では、前述した各実施の形態において、針状結晶配列体２１の光が出射される側の表面を覆って樹脂層を形成してもよい。このような樹脂層は、発光素子からの光を透過し、かつ針状結晶配列体の屈折率よりも屈折率が低くなるように形成される。このような樹脂層は、たとえばポリイミド、ＢＣＢなどによって形成される。
【０１１５】
本発明の実施のさらに他の形態では、前述した各実施の形態において、オーミックコンタクト層８および電極部９の少なくともいずれか一方と、針状結晶配列体２１とに介在させて、ＺｎおよびＭｇの少なくとも１種以上であり、かつ針状結晶配列体２１に含まれる物質から成る金属膜を設けてもよい。このような金属膜を設けることによって、針状結晶配列体２１とこの針状結晶配列体２１に接触する発光素子本体の表面部とのオーミックコンタクトが取りやすくなる。
【０１１６】
なお、本発明は以上の実施の形態の例および実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更を行なうことは何等差し支えない。たとえば、図５、図６、図８、図１０、図１２、図１４、図１５、図１７および図１８に示す各実施の形態の半導体素子４１，５１，６１，７１，８１，９１，１０１，１１１，１２１において、前記発光層７を、発光層である活性層と、活性層の厚み方向の両側にそれぞれ設けられる障壁層とに代えて発光素子を構成してもよい。障壁層は、そのバンドギャップが活性層のバンドギャップよりも大きくなるように形成される。バッファ層６と活性層との間に介在される障壁層を第１障壁層とし、活性層とコンタクト層８との間に介在される障壁層を第２障壁層とすると、基板２、バッファ層６、第１障壁層、活性層、第２障壁層およびコンタクト層は、たとえば、以下の表１の材料の組み合わせによって形成される。表１では、発光素子４１，５１，８１，９１，１０１，１１１，１２１をＡタイプとし、発光素子６１，７１をＢタイプとする。
【０１１７】
【表１】
【０１１８】
このような構成であっても、同様の効果を達成することができ、さらに障壁層を設けることによって、内部量子効率を向上させて発光効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０１１９】
【図１】本発明の実施の一形態の半導体発光素子１を示す断面図である。
【図２】半導体発光素子１の平面図である。
【図３】発光素子１の作製手順を示すフローチャートである。
【図４】作製工程における発光素子１の断面図である。
【図５】本発明の実施の他の形態の発光素子４１の平面図である。
【図６】本発明の他の実施の形態の発光素子５１の断面図である。
【図７】発光素子５１の平面図である。
【図８】本発明の他の実施の形態の発光素子６１の断面図である。
【図９】発光素子６１の平面図である。
【図１０】本発明の他の実施の形態の発光素子７１の断面図である。
【図１１】発光素子７１の平面図である。
【図１２】本発明の実施の一形態の発光素子８１を示す断面図である。
【図１３】発光素子８１の平面図である。
【図１４】本発明の実施のさらに他の形態の発光素子９１の平面図である。
【図１５】本発明の実施のさらに他の形態の発光素子１０１の平面図である。
【図１６】本発明の実施のさらに他の形態の発光素子１１１の作製手順を示すフローチャートである。
【図１７】作製工程における発光素子１１１の断面図である。
【図１８】本発明の実施のさらに他の形態の発光素子１２１の断面図である。
【符号の説明】
【０１２０】
１，４１，５１，６１，７１，８１，９１，１０１，１１１，１２１ 発光素子
２，６２ 基板
３，６３ 半導体層
４，５６，６４，７２ 積層体
２０，６５，７４，８４ 発光素子本体
２１ 針状結晶配列体
２２ 針状結晶体
３４ レジスト膜
３５，１１２ 孔
５４，８２ 電気絶縁膜
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光ダイオード（Light Emitting Diode：略称ＬＥＤ）、レーザダイオード（Laser Diode：略称ＬＤ）およびエレクトロルミネッセンス（Electro Luminescence：略称ＥＬ）などの面発光型の半導体発光素子およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
面発光型の半導体発光素子の高出力化を図るために、内部量子効率、あるいは外部量子効率を向上させる努力が行われている。半導体発光素子は、発光ダイオード、レーザダイオードおよびエレクトロルミネッセンスなどによって実現される。内部量子効率は、主にダブルへテロ構造および多重量子井戸（Multiple Quantum Well：略称ＭＱＷ）構造などの、半導体発光素子の構造によって向上させることができる。外部量子効率は、半導体発光素子の最外層と空気との屈折率差によって、前記最外層と空気との界面に、この界面に垂直な法線に関して斜め方向から入射する光が、前記界面で全反射して光取り出し効率が低下するのを抑制することによって向上させることができる。たとえば前記最外層の屈折率ｎ１＝３．５としたとき、空気の屈折率ｎ２＝１であり、臨界角が約１６°となる。
【０００３】
外部量子効率を向上させるために、従来の技術では、半導体発光素子の表面に凹凸を形成することによって、凹凸の基端面に斜めから入射する光が前記基端面に関して臨界角度以下であっても、凹凸面には臨界角度以上の角度となる斜め方向からの入射光とさせている。
【０００４】
第１の従来の技術では前記凹凸は、フォトリソグラフィ技術およびドライエッチング技術によって規則的に形成され、光取り出し面となる半導体層の表面での全反射を抑止して、光取り出し効率を高めている（たとえば特許文献１参照）。
【０００５】
また第２の従来の技術では前記凹凸は、光取り出し面となる表面を持つ半導体層に、ポーラス、つまり様々な形状を持つ多数の微細孔（空隙）を、ウェットエッチングによって不規則に形成することによって形成され、活性層から発せられた光が、光取り出し面となる半導体層の表面で全反射することを抑止して、光取り出し効率を向上させている（たとえば特許文献２参照）。
【０００６】
また第３の従来の技術では前記凹凸は、光を外部に取り出すための光取り出し面上にブロックコポリマーと呼ばれるマスク材を形成し、ドライエッチングを行うことによって、半導体発光素子の電流拡散層または透明膜上に形成される（たとえば特許文献３参照）。
【０００７】
【特許文献１】特開２０００−１９６１５２号公報
【特許文献２】特開２００５−２４４２０１号公報
【特許文献３】特開２００３−２１８３８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
第１および第３の従来の技術では、ドライエッチングを用いて凹凸を形成することによって、半導体発光素子あるいは透明膜にダメージを与えるおそれがあり、半導体発光素子の信頼性が低下してしまう。またエッチングに大掛かりな真空装置が必要となるという問題がある。
【０００９】
第２の従来の技術では、ＡｌＧａＡｓ系の半導体発光素子の場合、光吸収しないＡｌＧａＡｓ層が凹凸層と電流拡散層とを兼ねるようにすると、ＡｌＧａＡｓ層はＡｌを含むために酸化して劣化し、酸化の問題がないＧａＡｓ層が凹凸層と電流拡散層とを兼ねるようにすると、ＧａＡｓ層は光吸収を行うので、いずれにしても凹凸層の形成に適切な材料がないという問題がある。また多孔質化領域における半導体層の表面が大気に直接曝されることがないように、保護膜を形成するか、あるいは半導体層の表面が酸化されていることが望ましいとされるが、このような保護膜または酸化膜の形成は難しく、また多孔質化領域に信頼性を確保したオーミック電極を形成するのは難しい。また基板側から光を取り出す方式（Junction Down タイプ）のＬＥＤでは、サファイア基板に、多孔質化領域を設けることは困難である。
【００１０】
したがって本発明の目的は、半導体発光素子の信頼性を低下させることなく、光取り出し効率を向上させることができ、大掛かりな装置を必要とせずに低コストで作製することができる半導体発光素子およびその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の半導体発光素子は、面発光型の半導体発光素子本体と、
前記半導体発光素子本体の、光を取り出すための光取り出し面上に設けられ、前記光取り出し面に垂直な方向に配向する複数の針状結晶体が配列されて形成される針状結晶配列体とを含み、
前記針状結晶配列体は、
前記針状結晶体のアスペクト比が３以上１００以下に選ばれ、
複数の前記針状結晶体の単位面積あたりの数が、１０９本／ｃｍ２以上１０１２本／ｃｍ２以下に選ばれ、
前記半導体発光素子本体が発する波長の光を透過し、
前記半導体発光素子本体のうち前記光取り出し面が形成される部分の屈折率よりも屈折率が小さく選ばれることを特徴とする。
【００１２】
また本発明の半導体発光素子は、前記半導体発光素子本体が、
基板と、
前記基板の厚み方向の一表面上に、前記厚み方向に積層される複数の半導体層を含んで形成される積層体とを有し、
前記光取り出し面は、前記半導体発光素子本体の前記厚み方向の端面のうちの少なくともいずれか一方を含むことを特徴とする。
【００１３】
また本発明の半導体発光素子は、前記針状結晶配列体が、導電性を有し、前記厚み方向において前記基板から最も離反する前記半導体層に接触して設けられることを特徴とする。
【００１４】
また本発明の半導体発光素子は、前記光取り出し面が、前記厚み方向に垂直な方向における前記半導体発光素子本体の端面を含むことを特徴とする。
【００１５】
また本発明の半導体発光素子は、前記半導体発光素子本体が、
前記厚み方向に垂直な方向における前記半導体層の端面上に設けられ、前記半導体発光素子本体が発する波長の光を透過する電気絶縁膜を含んで構成され、
前記光取り出し面が、
前記電気絶縁膜の前記半導体層とは反対側の表面を含むことを特徴とする。
【００１６】
また本発明の半導体発光素子は、前記針状結晶配列体の光吸収端が３００ｎｍ以上５００ｎｍ未満であり、
前記発光素子本体の前記各半導体層は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体によって形成され、発光スペクトルのピーク波長が、５００ｎｍ以上８５０ｎｍ未満であることを特徴とする。
【００１７】
また本発明の半導体発光素子は、前記針状結晶配列体の光吸収端が２００ｎｍ以上３５０ｎｍ未満であり、
前記発光素子本体の前記各半導体層は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体によって構成され、発光スペクトルのピーク波長が３５０ｎｍ以上８５０ｎｍ未満であることを特徴とする。
【００１８】
また本発明の半導体発光素子は、前記針状結晶配列体が、Ｚｎ、ＭｇおよびＣａから成る群から選ばれる少なくとも１種以上を含む酸化物から成ることを特徴とする。
【００１９】
また本発明の半導体発光素子は、前記発光素子本体のうち、前記針状結晶配列体と接する表面部が、
ＺｎおよびＭｇの少なくとも１種以上であり、かつ前記針状結晶配列体に含まれる物質から成る金属膜、
またはＺｎおよびＭｇの少なくとも１種以上であり、かつ前記針状結晶配列体に含まれる物質を、濃度が１０１９ｃｍ−３以上となるように含む半導体膜のうち少なくともいずれか一方を含むことを特徴とする。
【００２０】
また本発明の半導体発光素子の製造方法は、半導体発光素子本体の表面を覆ってレジスト膜を形成し、
前記レジスト膜のうち、予め定める部分を除去して前記表面の一部を露出させ、
前記レジスト膜およびレジスト膜から露出する前記表面の前記一部に微小粒子を付着させ、
予め定める物質を含むアルカリ性の溶液中で、前記微小粒子を成長核として針状結晶を成長させ、
成長した針状結晶のうち、前記表面に成長した部分を除く残部を、レジスト膜とともに除去することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、針状結晶配列体は、半導体発光素子本体の光を取り出すための光取り出し面上に設けられる。針状結晶配列体は、前記光取り出し面上に、針状結晶体を結晶成長させることによって形成される。従来の技術のようにドライエッチングを用いて凹凸を形成する場合では、ドライエッチングによって半導体発光素子本体にダメージを与えてしまうおそれがあるが、本発明では、針状結晶体は結晶成長によって形成されるので、半導体発光素子あるいは光取り出し面上に形成されている透明膜などに与えるダメージを軽減することができる。針状結晶配列体は、たとえば液相法によって形成することができるので、ドライエッチングのような大掛かりな真空装置が不必要となり、低コストで半導体発光素子を製造することができる。
【００２２】
また半導体発光素子本体の一部をエッチングするのではなく、半導体発光素子本体に針状結晶配列体を設けるので、半導体発光素子本体の表面に電極が設けられていても、この電極を覆って針状結晶配列体を設けることができるので、設計の自由度が向上する。
【００２３】
半導体発光素子本体からの光は、針状結晶配列体に入射し、針状結晶配列体を透過して、外部に放射される。針状結晶配列体は、半導体発光素子本体のうち光取り出し面が形成される部分の屈折率よりも屈折率が小さいので、半導体発光素子本体からの到来する光が、半導体発光素子本体と針状結晶配列体との界面で反射してしまうことを抑制することができる。また針状結晶体は、光取り出し面に垂直な方向に配向し、すなわち光取り出し面に垂直な方向に延びて形成されるので、針状結晶配列体と、針状結晶配列体から光が放射される側の媒体との界面における反射を抑制できる。その結果、針状結晶配列体に半導体発光素子本体から入射する光のうち取り出しが可能な光が入射する角度である有効立体角度を大きくすることができ、これによって光の取り出し効率を向上させることができる。また複数の針状結晶体は、回折格子として機能し、臨界角度以上の角度で前記針状結晶配列体と、針状結晶配列体から光が放射される側の媒体との界面に入射する光の、＋１次または−１次の回折光を出射することができるので、光取り出し効率をさらに向上させることができる。
【００２４】
針状結晶体のアスペクト比が３未満であると、針状結晶配列体が回折格子として十分に機能しない。また針状結晶体のアスペクト比が１００を超えると、発光素子をピックアップする際に折れやすくなるという問題がある。なお、折れを防ぐため樹脂などの保護膜で針状結晶体を覆ってもよいが、アスペクト比が大きすぎると保護膜の種類によっては収縮により針状結晶体が折れやすくなるという問題がある。針状結晶配列体を回折格子として十分に機能させ、十分な強度の針状結晶体を得るためには、針状結晶体のアスペクト比を５以上１０以下にすることが望ましい。
【００２５】
複数の前記針状結晶体の単位面積あたりの数が、１０９本／ｃｍ２未満であると、針状結晶配列体に入射する光が、針状結晶体によって回折しないので、光取り出し効率を十分に向上させることができない。また複数の前記針状結晶体の単位面積あたりの数が、１０１２本／ｃｍ２を超えると、回折光として取り出せる光の針状結晶体への入射角度が小さくなり、光取り出し効率を十分に向上させることができない。したがって、複数の針状結晶体の、前記厚み方向に垂直な面における単位面積あたりの数を、１０９本／ｃｍ２以上１０１２本／ｃｍ２以下にすることによって、針状結晶配列体に入射する光を、針状結晶体によって回折させ、かつ回折光として取り出せる光の針状結晶体への入射角度を大きくして、光の取り出し効率を大きく向上させることができる。
【００２６】
また本発明によれば、基板と基板に積層される複数の半導体層を含んで構成される積層体層を含んで構成される積層体を有する半導体発光素子本体では、半導体発光素子本体の前記厚み方向の端面から出射する光の割合が大きいので、半導体発光素子本体の前記厚み方向の端面のうちの少なくともいずれか一方を光取り出し面として針状結晶配列体を形成することによって、光取り出し効率をより向上させることができる。
【００２７】
また本発明によれば、針状結晶配列体は、導電性を有し、厚み方向において基板から最も離反した半導体層に接触して設けられるので、前記半導体層に電流を効果的に拡散することができる。これによって半導体発光素子全体に電流が拡散し、発光強度を向上させることができる。
【００２８】
また本発明によれば、前記厚み方向に垂直な方向における半導体発光素子本体の端面上にも針状結晶配列体が形成される。半導体発光素子の１０％〜３０％の光は、前記厚み方向に垂直な方向における半導体発光素子本体の端面から放射されるので、この光を外部に効率的に取り出すことができ、光の取り出し効率を向上させることができる。
【００２９】
また本発明によれば、針状結晶配列体は、導電性を有し、厚み方向において基板から最も離反する半導体層に接触して設けられる場合には、前記半導体層の前記厚み方向に垂直な方向における端面上に電気絶縁膜を設け、この電気絶縁膜上（半導体層とは反対側の表面）にも針状結晶配列体を形成するとよい。この場合、導電性の針状結晶配列体と半導体層との間に電気絶縁膜が設けられるので、針状結晶配列体によって複数の半導体層が短絡してしまうことが防止され、また、前記厚み方向に垂直な方向における半導体発光素子本体の端面から放射される光を外部に効率的に取り出すことができ、光の取り出し効率を向上させることができる。
【００３０】
また本発明によれば、発光素子本体の前記各半導体層は、発光素子の発光スペクトルのピーク波長が５００ｎｍ以上８５０ｎｍ未満となるような、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体によって形成され、これに対して針状結晶配列体の光吸収端が３００ｎｍ以上５００ｎｍ未満であるので、前記半導体発光素子の光の波長に対して針状結晶配列体が透明となり、光の取り出し効率を向上させることができる。前記ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は、たとえばＡｌＧａＡｓ系の半導体およびＩｎＧａＡｌＰ系の半導体などによって実現される。
【００３１】
また本発明によれば、発光素子本体の前記各半導体層は、発光素子の発光スペクトルのピーク波長が３５０ｎｍ以上８５０ｎｍ未満となるような、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体またはＩＩ−ＶＩ族化合物半導体によって形成され、これに対して針状結晶配列体の光吸収端が２００ｎｍ以上３５０ｎｍ未満であるので、前記半導体発光素子の光の波長に対して針状結晶配列体が透明となり、光の取り出し効率を向上させることができる。前記ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は、たとえばＧａＮ系の半導体によって実現され、ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体は、たとえばＺｎＳｅ系の半導体およびＺｎＴｅ系の半導体によって実現される。
【００３２】
また本発明によれば、針状結晶配列体の材料を、Ｚｎ、ＭｇおよびＣａから成る群から選ばれる少なくとも１種以上を含む酸化物によって形成すると、この酸化物に含まれるＺｎ、ＭｇおよびＣａに応じて、針状結晶配列体の光吸収端を２００ｎｍ以上５００ｎｍ未満の範囲の所定の波長にすることができる。たとえばＺｎＯを用いると、針状結晶配列体の光吸収端が３００ｎｍ以上５００ｎｍとすることができ、たとえばＭｇＺｎＯまたはＣａＺｎＯを用いると、針状結晶配列体の光吸収端を２００ｎｍ以上３５０ｎｍ未満とすることができる。
【００３３】
また本発明によれば、針状結晶配列体と接する表面部が、ＺｎおよびＭｇから成る少なくとも１種以上であり、かつ前記針状結晶配列体に含まれる物質から成る金属膜、またはＺｎおよびＭｇおよび少なくとも１種以上であり、かつ針状結晶配列体に含まれる物質と同じ物質を、その濃度が１０１９ｃｍ−３以上となるように含んでいるので、針状結晶配列体とこの針状結晶配列体に接触する表面部とのオーミックコンタクトが取りやすくなる。
【００３４】
また本発明によれば、半導体発光素子本体の表面を覆ってレジスト膜を形成して、前記レジスト膜のうち、予め定める部分を除去して前記表面の一部を露出させ、前記レジスト膜およびレジスト膜から露出する前記表面の前記一部に微小粒子を付着させ、予め定める物質を含むアルカリ性の溶液中で、前記微小粒子を成長核として針状結晶を成長させ、成長した針状結晶のうち、前記表面に成長した部分を除く残部を、レジスト膜とともに除去することによって、半導体発光素子本体の光を取り出すための光取り出し面上に、光取り出し面に垂直な方向に配向する複数の針状結晶体が配列されて形成される針状結晶配列体を形成することができる。
【００３５】
従来の技術のようにドライエッチングを用いて凹凸を形成する場合では、ドライエッチングによって半導体発光素子本体にダメージを与えてしまうおそれがあるが、本発明では、針状結晶配列体が結晶成長によって形成されるので、半導体発光素子本体にダメージを与えるおそれを軽減させて、針状結晶配列体を形成することができ、半導体発光素子本体の信頼性を低下させることなく、光取り出し効率を向上させることができる。針状結晶配列体は、たとえば液相法によって形成することができ、作製工程にドライエッチングを必要としない。したがって、大掛かりな真空装置が不必要となるので、前記半導体発光素子を低コストで作製することができる。
【００３６】
また針状結晶配列体は、エッチングによって形成するのではなく、結晶成長させて形成されるので、半導体発光素子本体が表面部に電極を有していても、電極に関係なく針状結晶配列体を形成することができるので、光の取り出し効率を向上させることができる。半導体発光素子本体の表面で、針状結晶配列体を形成する領域の制限がなく、またレジスト膜から露出した表面部分にだけ針状結晶配列体を形成することができるので、設計の自由度を向上させることができ、たとえば、照明用の半導体発光素子では、半導体発光素子本体の複数の方向の表面に針状結晶配列体を形成し、プリンタ向けの半導体発光素子では、１方向の表面に針状結晶配列体を形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
図１は、本発明の実施の一形態の半導体発光素子１（以下、発光素子１ともいう）を示す断面図であり、図２の切断面線Ｉ−Ｉから見て示す。図２は、半導体発光素子１の平面図であり、半導体発光素子１の光の出射方向の下流側から見て示す。図２において、図解を容易にするために針状結晶配列体２１に斜線を付して示している。以下、半導体発光素子を、発光素子という。発光素子１は、面発光型の発光素子であり、本発明の実施の形態では、発光ダイオードによって実現される。
【００３８】
発光素子１は、基板２と、基板２の厚み方向の一表面２ａに積層される複数の半導体層３を含む積層体４と、基板２の厚み方向の他表面２ｂ上に形成される第１電極５と、針状結晶配列体２１と含んで構成される。基板２と、積層体４と、第１電極５とを含んで発光素子本体２０が形成される。
【００３９】
基板２は、ｐ型およびｎ型のうちの一方の導電型で、かつ単結晶の半導体によって形成される。本発明の実施の形態では、基板２は、ｎ型のガリウム砒素（ＧａＡｓ）によって形成される。第１電極５は、前記基板２の他表面２ｂの全面にわたって形成される。第１電極５は、Ｃｒ（クロム）とＡｕ（金）との積層膜によって形成される。
【００４０】
積層体４は、バッファ層６、発光層７、コンタクト層８および第２電極９を含んで構成される。基板２の一表面２ａ上にバッファ層６が積層され、バッファ層６に発光層７が積層され、発光層７に第２電極９が積層される。バッファ層６、発光層７およびコンタクト層８から成る半導体積層体は、略直方体形状に形成される。
【００４１】
バッファ層６は、基板２と同じ導電型の半導体によって形成され、たとえばｎ型のガリウム砒素（ＧａＡｓ）またはｎ型のガリウム窒素（ＧａＮ）によって形成される。バッファ層６の厚さは、０．１〜０．３μｍに選ばれる。以後、半導体の導電型を示すとき、ｎ型を「ｎ−」と記載し、ｐ型を「ｐ−」と記載する場合がある。
【００４２】
発光層７は、バッファ層６がｎ−ＧａＡｓによって形成される場合、ｐ−ＡｌＧａＡｓあるいはｐ−ＩｎＧａＡｌＡｓによって構成され、バッファ層６がＧａＮによって形成される場合ｐ−ＩｎＧａＮによって構成される。発光層７の厚さは、０．５μｍ〜１．０μｍに選ばれる。
【００４３】
コンタクト層８は、基板２と異なる他方の導電型の半導体によって形成され、本実施の形態ではｐ型の半導体によって形成される。コンタクト層８は、たとえば発光層７がｐ−ＡｌＧａＡｓあるいはｐ−ＩｎＧａＡｌＡｓによって形成される場合、ｐ−ＧａＡｓによって形成され、発光層７がｐ−ＩｎＧａＮによって形成される場合、ｐ−ＧａＮによって形成される。コンタクト層８の厚さは、０．０１μｍ〜０．０５μｍに選ばれる。
【００４４】
コンタクト層８は、後述する針状結晶配列体２１に含まれる物質と同じ物質を、その濃度（不純物濃度）が１０１９ｃｍ−３以上となるように含んで構成される。本実施の形態では、コンタクト層８は不純物として亜鉛（Ｚｎ）、マグネシウム（Ｍｇ）および炭素（Ｃ）を含む。これによって、針状結晶配列体２１とこの針状結晶に接触するコンタクト層８とのオーミックコンタクトが取りやすくなる。
【００４５】
コンタクト層８の前記厚み方向の一表面８ａに第２電極９が積層して形成される。第２電極９は、放射状に形成され、前記一表面８ａの中央部に設けられるボンディングワイヤ接続部１１と、ボンディングワイヤ接続部１１から放射状に延びる放射状延在部１２とを含んで構成される。放射状延在部１２は、矩形状となる前記一表面８ａの各角部１３に向かって延びる。放射状延在部１２の角部１３に臨む端部１４は、前記角部１３から離間する。第２電極９は、Ｃｒ（クロム）とＡｕ（金）との積層膜によって形成され、厚さは、発光素子本体２０が発する波長の光に対する表皮厚さよりも小さくなるように形成され、たとえば０．３μｍ〜０．５μｍに選ばれる。また電極９の放射状延在部１２の幅は、２μｍ程に選ばれる。
【００４６】
第２電極９を放射状に形成することによって、各半導体層３の全領域にわたって電流が拡散しやすくなり、発光強度を向上せることができる。
【００４７】
針状結晶配列体２１は、前記積層体４の厚み方向の一表面４ａ上に設けられ、第２電極９のボンディングワイヤ接続部１１および周縁部１５を除く部分に積層して設けられる。前記積層体４の前記厚み方向の一表面４ａは、主たる発光面である。また前記積層体４の前記厚み方向の一表面４ａは、光取り出し面であり、第２電極９の前記厚み方向の一表面９ａと、コンタクト層８の前記厚み方向の一表面８ａとが含まれる。発光素子１は、ウエハに各半導体層３を形成するための半導体膜、各電極５，９を形成するための金属膜および針状結晶配列体２１を積層した後、ダイシングを行ってチップに分割して形成される。ダイシングライン上に針状結晶配列体２１が形成されると、ダイシング中に針状結晶配列体２１にダメージが与えられ、はがれが生じてしまうので、針状結晶配列体２１は、ダイシングラインである積層体４の厚み方向の一表面４ａの周縁辺から内側に退避し、周縁部１５を除いて形成される。
【００４８】
針状結晶配列体２１は、積層体４の厚み方向の一表面４ａに垂直な方向に配向する複数の針状結晶体２２が配列されて形成される。コンタクト層８の厚み方向の一表面８ａ上には第２電極９が形成されるので、コンタクト層８の厚み方向の一表面８ａと第２電極９の厚み方向の一表面９ａとの間には段差が形成されるが、第２電極９の厚さは薄いので、コンタクト層８の厚み方向の一表面８ａと第２電極９の厚み方向の一表面９ａとが仮想一平面に含まれるものとする。針状結晶配列体２１は、結晶基部２３と、結晶基部２３から突出する複数の針状結晶体２２とを含んで形成される。
【００４９】
針状結晶配列体２１は、酸化物、たとえば酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化マグネシウム亜鉛（ＭｇＺｎＯ）、酸化カルシウム亜鉛（ＣａＺｎＯ）または酸化チタン（ＴｉＯ）によって形成される。
【００５０】
発光素子本体２０の各半導体層３を、発光素子１の発光スペクトルのピーク波長が５００ｎｍ以上８５０ｎｍ未満となるような、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体によって形成される場合、針状結晶配列体２１は、光吸収端が３００ｎｍ以上５００ｎｍ未満となるように形成される。針状結晶配列体２１の光吸収端を３００ｎｍ以上５００ｎｍ未満にするには、針状結晶配列体２１をＺｎＯによって形成すればよい。発光層７を、ＡｌＧａＡｓまたはＩｎＧａＡｓＰを用いて形成すると、発光素子１の発光スペクトルのピーク波長は５００ｎｍ以上８５０ｎｍ未満になる。このように各半導体層３および針状結晶配列体２１を形成すると、発光素子本体２０の光の波長に対して針状結晶配列体２１が透明となり、光の取り出し効率を向上させることができる。
【００５１】
また発光素子本体２０の各半導体層３を、発光素子１の発光スペクトルのピーク波長が３５０ｎｍ以上８５０ｎｍ未満となるような、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体によって形成される場合、針状結晶配列体２１は、光吸収端が２００ｎｍ以上３５０ｎｍ未満となるように形成される。針状結晶配列体２１の光吸収端を２００ｎｍ以上３５０ｎｍ未満とするには、針状結晶配列体２１をＭｇＺｎＯまたはＣａＺｎＯによって形成すればよい。発光層７をＧａＮによって形成すると、発光素子１の発光スペクトルのピーク波長は３５０ｎｍ以上８５０ｎｍ未満になる。このように各半導体層３および針状結晶配列体２１を形成すると、発光素子本体２０の光の波長に対して針状結晶配列体２１が透明となり、光の取り出し効率を向上させることができる。
【００５２】
針状結晶配列体２１の材料を、Ｚｎ、ＭｇおよびＣａから成る群から選ばれる少なくとも１種以上を含む酸化物によって形成すると、この酸化物に含まれるＺｎ、ＭｇおよびＣａに応じて、針状結晶配列体の光吸収端を２００ｎｍ以上５００ｎｍ未満の範囲の所定の波長にすることができる。たとえばＺｎＯを用いると、前述したように針状結晶配列体の光吸収端が３００ｎｍ以上５００ｎｍとすることができ、たとえばＭｇＺｎＯまたはＣａＺｎＯを用いると、針状結晶配列体の光吸収端を２００ｎｍ以上３５０ｎｍ未満とすることができる。
【００５３】
針状結晶配列体２１は、発光素子本体２０が発する波長の光を透過するように形成される。針状結晶配列体２１が透過する光は、発光素子本体２０が発する波長帯域で、８０％〜９０％程度である。これによって針状結晶配列体２１が、発光素子本体２０からの光を吸収したり、散乱したりすることが抑制される。
【００５４】
また針状結晶配列体２１は、発光素子本体２０のうち光取り出し面が形成される部分、すなわちコンタクト層８および第２電極９よりも屈折率が小さく選ばれる。また針状結晶配列体２１は、光を放射する側の媒質の屈折率よりも屈折率が大きく選ばれる。光を放射する側の媒質は、本発明の実施の形態では、空気である。針状結晶配列体２１の屈折率は、空気の屈折率よりも小さく選ばれる。
【００５５】
結晶基部２３の前記光取り出し面に垂直な方向の厚さ（本実施の形態では前記厚み方向の厚さ）Ｔ１は、針状結晶配列体２１の前記光取り出し面に垂直な方向の厚さＴ２の３０％〜５０％を占める。針状結晶体２２の先端部は、結晶基部２３から離反するにつれて、先細状となっている。前記厚さＴ２は、針状結晶配列体２１の平均の厚さである。
【００５６】
各針状結晶体２２のアスペクト比は、３以上１００以下に選ばれ、好ましくは５以上１０以下に選ばれる。針状結晶体２２のアスペクト比は、前記一表面４ａに垂直な方向の針状結晶体２２の平均の長さをＬ１とし、針状結晶体２２の平均の外径をＬ２としたとき、Ｌ１をＬ２で除算して求められる。針状結晶体２２の平均の長さＬ１は、所定の数の針状結晶体２２の長さの相加平均である。針状結晶体２２の平均の外径Ｌ２は、各針状結晶体２２における長さ方向に垂直な方向における外径の平均値の相加平均である。針状結晶体２２の外径は、針状結晶体２２において長さ方向に予め定める間隔で測定された、長さ方向に垂直な方向における外径の平均値を、所定の数の針状結晶体２２について求めて、相加平均した値である。針状結晶体の長さＬ１および外径Ｌ２は、ＳＥＭ（Scanning
Electron Microscope）による針状結晶体２２の断面像を観察して、実測して求める。針状結晶配列体２１は、液相法によって結晶成長させるので、針状結晶体２２は、縦方向、すなわちこの針状結晶体２２が形成される面に垂直に配向し、結晶方向を揃えて成長する。これによって１次回折光または−１次回折光として取り出すことができる有効立体角度が大きくなるので、光の取り出し効率が向上する。たとえば前記厚さＴ２は、１μｍ程度に選ばれ、前記長さＬ１は、７００ｎｍ程度に選ばれ、長さＬ２は、２００ｎｍ程度に選ばれる。
【００５７】
針状結晶体２２のアスペクト比が３未満であると、針状結晶配列体２１が回折格子としての十分に機能しない。また針状結晶体２２のアスペクト比が１００を超えると、発光素子をピックアップする際に折れやすくなるという問題がある。したがって針状結晶体２２のアスペクト比を、３以上１００未満とし、好ましくは５以上１０以下にすることによって、針状結晶配列体２１を回折格子として十分に機能させることができるとともに、十分な強度の針状結晶を得ることができる。
【００５８】
また複数の針状結晶体２２の単位面積あたりの数が、１０９本／ｃｍ２以上１０１２本／ｃｍ２以下に選ばれ、好ましくは１０９本／ｃｍ２以上１０１０本／ｃｍ２以下に選ばれ、さらに好ましくは３×１０９本程度に選ばれる。複数の針状結晶体２２の単位面積あたりの数が、１０９本／ｃｍ２未満であると、針状結晶配列体２１に入射する光が回折しないので、光取り出し効率を十分に向上させることができない。また複数の針状結晶体２２の単位面積あたりの数が１０１２本／ｃｍ２を超えると、回折光として取り出せる光の針状結晶体２２への入射角度が小さくなり、光取り出し効率を十分に向上させることができない。したがって、複数の針状結晶体２２の、前記厚み方向に垂直な仮想一平面における単位面積あたりの数を１０９本／ｃｍ２以上１０１２本／ｃｍ２以下とすることによって、針状結晶配列体２１に入射する光を、針状結晶体２２によって回折させて、かつ針状結晶配列体２１に入射する光の針状結晶体２２による回折角度を大きくして、光の取り出し効率を大きく向上させることができる。
【００５９】
たとえば発光層７をＧａＡｓ系の半導体によって形成した場合では、針状結晶体２２の間隔Ｌ３を、２００ｎｍ〜３００ｎｍピッチとすると、−１次または＋１次の回折光の影響によって、光の取り出し効率が上昇し、針状結晶配列体２１を設けない場合と比較して、光取り出し効率を約１．５倍とすることができる。
【００６０】
針状結晶配列体２１は、導電性を有するものを選択するとよい。針状結晶配列体２１の抵抗率は、２×１０−４Ω・ｃｍ〜７×１０−４Ω・ｃｍに選ばれる。針状結晶配列体２１が導電性を有するので、ボンディングワイヤ接続部１１に供給される電流を、発光素子全体に拡散させることができ、発光強度を向上させることができる。
【００６１】
針状結晶配列体２１は、後述するように液相法によって結晶成長させて形成されるようにするとよい。これによってエッチングによる発光素子本体２０へのダメージを軽減させ、信頼性を低下することなく、針状結晶配列体２１を形成して、光取り出し効率を向上させることができる。
【００６２】
また、針状結晶配列体２１を液相法によって結晶成長する場合、針状結晶配列体２１の積層体４側の端部は、連続体（結晶基部２３）となり、光取り出し面を覆う。すなわち、コンタクト層８よりも屈折率の小さな結晶基部２３が光取り出し面を覆うことになり、光取り出し面と、結晶基部２３との界面における反射を抑制することができ、光取り出し効率を向上させることができる。また結晶基部２３は、保護膜の役割を果たし、経時変化によるコンタクト層８および第２電極９の酸化などによる劣化を防ぎ、発光素子１の信頼性を向上させることができる。
【００６３】
図３は、発光素子１の作製手順を示すフローチャートである。図４は、作製工程における発光素子１の断面図である。図４（１）は、半導体層３１，３２，３３が積層されたウエハ３０の断面図であり、図４（２）はバッファ層６、発光層７およびコンタクト層８が形成されたウエハ３０の断面図であり、図４（３）は第１および第２電極５，９を形成した後のウエハ３０の断面図であり、図４（４）はレジスト膜３４が形成されたウエハ３０の断面図であり、図４（５）はレジスト膜３４が除去されたウエハ３０の断面図である。
【００６４】
作製手順をスタートすると、ステップｓ０からステップｓ１に移る。ステップｓ１では、図４（１）に示すように、基板２の前駆体であるウエハ３０の厚み方向の一表面３０ａ上に、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法によって、バッファ層６、発光層７およびコンタクト層８の前駆体である半導体層３１，３２，３３を順番にエピタキシャル成長させて積層した後、フォトリソグラフィおよびエッチングを用いて図４（２）に示すように各半導体層３１，３２，３３の一部を除去することによって、バッファ層６、発光層７およびコンタクト層８を形成する。
【００６５】
次にステップｓ２では、第２電極９の前駆体となる金属層を、前記バッファ層６、発光層７およびコンタクト層８の積層体を覆うようにスパッタリングによって形成し、フォトリソグラフィまたはエッチングによって金属層の一部を除去して図４（３）に示すように第２電極９を形成する。またウエハ３０の前記積層体が形成される面とは反対側の面上に、第１電極５となる金属層をスパッタリングによって形成し、フォトリソグラフィまたはエッチングを用いて、この金属層の一部を除去して図４（３）に示すように第１電極５を形成する。
【００６６】
次にステップｓ３では、バッファ層６、発光層７およびコンタクト層８ならびに第２電極９の積層体４、ならびに基板２を覆って、スピンコートによって感光性レジストを塗布してレジスト膜３４を形成する。
【００６７】
次にステップｓ４では図４（４）に示すように、ステップｓ３で形成したレジスト膜３４の所定の位置に孔３５を形成する。感光性レジストがポジ型であれば、レジスト膜３４のうち、積層体４の周縁部およびボンディングワイヤ接続部１１に積層される部分を除いて、積層体４に積層される部分を露光した後、エッチングによって露光した部分を除去して孔３５を形成する。また感光性レジストがネガ型であれば、ポジ型で露光しない部分を露光して、露光しなかった部分をエッチングによって除去して孔３５を形成する。エッチングには、ウェットエッチングを用いる。
【００６８】
次にステップｓ５では、レジスト膜３４およびレジスト膜３４から露出する積層体４の表面に微小粒子を付着させる。レジスト膜３４およびレジスト膜３４から露出する積層体４の表面に、コロイド溶液を塗布することによって微小粒子を付着させる。
【００６９】
コロイド溶液は、０．０３ｍｏｌ／ＬのＮａＯＨメタノール水溶液（以下、第１水溶液という）と、０．０１ｍｏｌ／Ｌの酢酸亜鉛（Ｚｎ(ＣＨ３ＣＯＯ)２・２Ｈ２Ｏ）のメタノール水溶液（以下、第２水溶液という）とを、第１水溶液を６５ｍｌとし第２水溶液を１２５ｍｌとして攪拌しながら室温（２８℃程度）で混合し、６０℃で２時間加熱することによって作製される。このように形成されたコロイド溶液は、粒径が１０ｎｍ以下の酸化亜鉛のコロイド粒子を含む。コロイド溶液を作製する時に、酢酸亜鉛（Ｚｎ(ＣＨ３ＣＯＯ)２・２Ｈ２Ｏ）がメタノール溶液に溶けにくければ、４０℃程度に加熱するとよい。
【００７０】
ステップｓ５では、前記コロイド溶液を、レジスト膜３４およびレジスト膜３４から露出する積層体４の表面に、スピンコートによって塗布した後、予め定める温度（約１３０℃）で焼結を行う。これによってコロイド粒子をレジスト膜３４およびレジスト膜３４から露出する積層体４の表面に付着させることができる。その後、純水によってレジスト膜３４が形成されたウエハ３０を洗浄する。洗浄することによって、密着強度の弱いコロイド粒子は洗い流されるので、スピンコートおよび焼結ならびに洗浄を数回繰り返して、微小粒子から成るシード層を、レジスト膜３４およびレジスト膜３４から露出する積層体４の表面に積層して作製する。
【００７１】
次にステップｓ６では、予め定める物質を含むアルカリ性の溶液中に、前記微小粒子を付着させたウエハ３０を浸漬して、前記シード層に含まれる微小粒子を成長核として針状結晶を成長させる。予め定める物質を含むアルカリ性の溶液は、まず０．０２Ｍの硫酸亜鉛水溶液（ＺｎＳＯ４・７Ｈ２Ｏ）と、フッ化アンモニウム（ＮＨ４Ｆ）、塩化アンモニウム（ＮＨ４Ｃｌ）、硝酸アンモニウムＮＨ４ＮＯ３、硫酸アンモニウム（(ＮＨ４)２ＳＯ４）の少なくとも一種類のアンモニウム塩とを混合して、ＮＨ４＋とＺｎ２＋とのモル比がＮＨ４＋：Ｚｎ２＋＝Ｘ：１であり、かつＸ＝２０〜５０となる水溶液を作製した後、この水溶液に、ＮａＯＨ水溶液を加えて、ｐＨ９〜ｐＨ１３のアルカリ性溶液とすることによって作製される。
【００７２】
ステップｓ６では、シード層が形成されたウエハ３０を、前述したＮＨ４＋とＺｎ２＋を含むアルカリ性の水溶液中に設置し、水溶液の温度を６０℃に保持して、１日〜１０日放置する。ステップｓ６によって、レジスト膜３４およびレジスト膜３４から露出する積層体４の表面に、針状結晶が成長する。その後、針状結晶が形成されたウエハ３０を水溶液から取り出し、純水によって洗浄した後、室温にて乾燥させる。
【００７３】
次にステップｓ７では図４（５）に示すように、ステップｓ６で成長した針状結晶のうち、レジスト膜３４から露出する積層体４の表面に成長した部分を除く残部を、レジスト膜３４とともに剥離液によって除去することによって、積層体４に針状結晶配列体２１を形成する。
【００７４】
次にステップｓ８ではウエハ３０を切断して、発光素子１を作製した後、ステップｓ９に移り作製手順を終了する。
【００７５】
従来の技術のようにドライエッチングを用いて発光素子の表面に凹凸を形成する場合では、ドライエッチングによって発光素子にダメージを与えてしまうおそれがあるが、本発明の製造方法によれば、針状結晶配列体２１が結晶成長によって形成されるので、発光素子本体２０に与えるダメージを軽減し、針状結晶配列体２１を形成することができる。その結果、発光素子１の信頼性を低下させることなく、光取り出し効率を向上させることができる。針状結晶配列体２１は、前述したように液相法によって形成することができ、作製工程にドライエッチングを必要としない。したがって大掛かりな真空装置が不必要となるので、発光素子１を低コストで作製することができる。
【００７６】
また針状結晶配列体２１は、発光素子本体２０が表面部に第２電極９を有していても、針状結晶配列体２１を形成することができるので、光の取り出し効率を向上させることができる。このように、発光素子本体２０の表面で、針状結晶配列体２１を形成する領域の制限がなく、またレジスト膜３４から露出した表面部分に針状結晶配列体２１を形成することができるので、設計の自由度を向上させることができる。
【００７７】
発光素子１では、針状結晶体２２が光取り出し面に垂直な方向に配向し、すなわち光取り出し面に垂直な方向に延びて形成されるので、針状結晶配列体２１と、針状結晶配列体２１から光が放射される側の媒体との界面における反射を抑制可能である。その結果、針状結晶配列体２１に発光素子本体から入射する光のうち取り出しが可能な光が入射する角度である有効立体角度を大きくすることができ、これによって光の取り出し効率を向上させることができる。また複数の針状結晶体２２は、回折格子としても機能し、臨界角度以上の角度で前記針状結晶配列体２１と、針状結晶配列体２１から光が放射される側の媒体との界面に入射する光の、＋１次または−１次の回折光を出射することができるので、光取り出し効率をさらに向上させることができる。
【００７８】
発光素子１では、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体によって各半導体層３が形成されるが、各半導体層３は、ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体によって形成されてもよい。各半導体層３をＩＩ−ＶＩ族化合物半導体によって形成する場合、たとえば、基板２をｎ−ＺｎＳｅやｎ−ＧａＡｓによって形成し、バッファ６層をｎ−ＺｎＳｅによって形成し、発光層７をＺｎＳｅ（ＺｎＳｅＣｄ）またはＺｎＴｅによって形成し、コンタクト層８をＺｎＳｅ−ＺｎＴｅ超格子などによって形成し、針状結晶配列体２１を、ＭｇＺｎＯまたはＣａＺｎＯによって形成すればよい。このような構成であっても、同様の効果を達成することができる。
【００７９】
図５は、本発明の実施の他の形態の発光素子４１の平面図であり、発光素子４１の光の出射方向の下流側から見て示す。図５において、図解を容易にするために針状結晶配列体２１に斜線を付して示している。本実施の形態の発光素子４１と、前述した実施の形態の発光素子１とは、第２電極の形状が異なるのみであって、他の構成は同様であるので、同様の構成には同様の参照符号を付して、その説明を省略する。本発明の形態では、第２電極４２が、厚み方向から見て矩形状に形成され、コンタクト層８の一表面８ａの中央部に形成される。第２電極４２は、その周縁部を除いて、針状結晶配列体２１から露出する。このような構成であっても、前述した実施の形態と同様の効果を達成することができる。また第２電極４２が前記コンタクト層８の一表面８ａの中央部に設けられるので、第２電極４２によって発光層７からの光が妨げられにくくなり、光の取り出し効率をより向上させることができる。
【００８０】
図６は、本発明の他の実施の形態の発光素子５１の断面図である。図７は、発光素子５１の平面図であり、発光素子５１の光の出射方向の下流側から見て示す。図７において、図解を容易にするために針状結晶配列体２１に斜線を付して示している。本実施の形態の発光素子５１と、前述した発光素子１とは同様な構成を有するので、同様の構成には同様の参照符号を付して、その説明を省略する。
【００８１】
本発明の実施の形態では、基板２の厚み方向の一表面２ａの周縁部を除いて、バッファ層６、発光層７およびコンタクト層８が積層される。コンタクト層８の厚み方向の一表面８ａの周縁部と、バッファ層６、発光層７およびコンタクト層８の前記厚み方向に垂直なそれぞれの端面とには、保護膜である電気絶縁膜５４が設けられる。電気絶縁膜５４は、透光性を有し、発光層７からの光を透過する。電気絶縁膜５４は、ＳｉＯ２によって形成される。
【００８２】
第２電極５３は、コンタクト層８の一表面８ａの中央部から、所定の方向に延びて前記電気絶縁膜５４に積層されて、基板２の一表面２ａにも積層されて設けられる。第２電極５３のうち、基板２に積層される部分がボンディングワイヤ接続部５５となる。第２電極５３は、第２電極９と同じ材料によって形成され、第２電極９の厚さと等しい厚さを有する。コンタクト層８の一表面８ａ上に積層される部分５３ａは、直方体形状に形成される。
【００８３】
針状結晶配列体２１は、バッファ層６、発光層７およびコンタクト層８、ならびに第２電極５３および電気絶縁膜５４の積層体５６の、前記厚み方向の一表面５６ａのうち、周縁部を除く部分に積層される。針状結晶配列体２１の構成は、前述した針状結晶配列体２１と同様であり、液相法によって形成される。
【００８４】
発光素子５１は、前述した実施の形態の発光素子１と同様の効果を達成することができる。また積層体５６の表面上にボンディングワイヤ接続部５５が形成されるのではなく、第２電極５３が、基板２に引き出されるので、積層体５６の前記一表面５６ａのほぼ全面にわたって針状結晶配列体２１を形成することができ、光の取り出し効率をさらに向上させることができる。
【００８５】
図８は、本発明の他の実施の形態の発光素子６１の断面図である。図９は、発光素子６１の平面図であり、発光素子６１の光の出射方向の下流側から見て示す。図９において、図解を容易にするために針状結晶配列体２１に斜線を付して示している。本実施の形態の発光素子６１と、前述した発光素子１とは同様な構成を有するので、同様な構成には同様の参照符号を付して、その説明を省略する。
【００８６】
発光素子６１は、基板６２と反対側の面から光を取り出す方式（Junction Up タイプ）の発光素子であって、基板６２と、基板６２の厚み方向の一表面６２ａに積層される複数の半導体層６３を含む積層体６４と、針状結晶配列体２１と含んで構成される。基板６２と、積層体６４とを含んで発光素子本体６５が形成される。
【００８７】
基板６２は、非導電性（絶縁性）を有する単結晶基板によって形成され、たとえばサファイア基板によって形成される。
【００８８】
積層体６４は、バッファ層６、発光層７、コンタクト層８、第１電極６６および第２電極６７を含んで構成される。基板６２の一表面６２ａ上にバッファ層６が積層され、バッファ層６に発光層７が積層され、発光層７に第２電極６７が積層される。バッファ層６、発光層７およびコンタクト層８から成る半導体積層体は、略直方体形状に形成される。前記半導体積層体は、その角部が切り欠かれて形成され、バッファ層６の厚み方向の一表面６ａが、発光層７およびコンタクト層８から露出する。発光層７およびコンタクト層８から露出するバッファ層６の一表面６ａに積層して、第１電極６６が形成される。またコンタクト層８の厚み方向の一表面８ａのうち、前記第１電極６６から最も離反する位置、すなわち厚み方向の一方から見て前記第１電極６６が形成される角部と対角の角部に、第２電極６７が形成される。このように第１および第２電極６６，６７を配置することによって、各半導体層３に電流を拡散しやすくすることができる。第１および第２電極６６，６７は、前記第１および第２電極５，９と同様の物質によって形成される。
【００８９】
前記コンタクト層８の厚み方向の一表面８ａのうち、第２電極６７が形成される領域および、周縁部を除いて、針状結晶配列体２１が形成される。本実施の形態では、前記コンタクト層８の一表面８ａが光取り出し面である。
【００９０】
発光素子６１は、前述した発光素子１と同様の効果を有する。また発光素子６１の構成は、発光層７をＩｎＧａＮ系の半導体、またはＧａＮ系の半導体によって形成するサファイア基板を用いた発光素子において、特に有効である。これはサファイア基板が絶縁体であるので、ＧａＡｓ基板の場合のように、基板の裏面に電極を形成しても半導体層と電気的に接続することができないので、基板の一表面２ａ上にカソードとアノードの電極を取る必要があるためである。
【００９１】
図１０は、本発明の他の実施の形態の発光素子７１の断面図である。図１１は、発光素子７１の平面図である。本実施の形態の発光素子７１と、前述した発光素子６１とは同様な構成を有するので、同様な構成には同様の参照符号を付して、その説明を省略する。
【００９２】
発光素子７１は、基板６２側の面から光を取り出す方式（Junction down タイプ）の発光素子であって、基板６２と、基板６２の厚み方向の一表面６２ａに積層される複数の半導体層６３を含む積層体７２と、針状結晶配列体２１と含んで構成される。基板６２と、積層体７２とを含んで発光素子本体７４が形成される。
【００９３】
積層体６４は、バッファ層６、発光層７、コンタクト層８、第１電極６６および第２電極７５を含んで構成される。第２電極７５は、コンタクト層８の厚み方向の一表面８ａの周縁部を除く全面にわたって形成される。第２電極７５は、前記第１および第２電極５，９と同様の物質によって形成される。
【００９４】
針状結晶配列体２１は、基板６２の厚み方向の他表面６２ｂ上の全面にわたって形成される。本実施の形態では、基板６２の厚み方向の他表面６２ｂが光取り出し面である。
【００９５】
発光素子７１は、前述した発光素子６１と同様の効果を達成し、さらに第２電極７５をコンタクト層８の一表面８ａの全面にわたって大きく形成することができるので、発光素子６１と比較して半導体中に電流が拡散しやすくなり、発光強度を向上させることができる。
【００９６】
図１２は、本発明の実施の一形態の発光素子８１を示す断面図であり、図１３の切断面線ＸＩ−ＸＩから見て示す。図１３は、発光素子８１の平面図であり、発光素子８１の光の出射方向の下流側から見て示す。図１３において、図解を容易にするために針状結晶配列体２１に斜線を付して示している。発光素子８１は、前述した実施の形態の発光素子１と同様の構成を有するので、同様の部分には同様の参照符号を付して、その説明を省略する。
【００９７】
発光素子８１は、基板２と、基板２の厚み方向の一表面２ａに順次に積層されるバッファ層６、発光層７およびコンタクト層８と、第１電極５と、電気絶縁膜８２と、針状結晶配列体２１とを含んで構成される。基板２と、バッファ層６と、発光層７と、コンタクト層８と、第１および第２電極５，９と、電気絶縁膜８２とを含んで発光素子本体８４が形成される。
【００９８】
電気絶縁膜８２は、コンタクト層８の一表面８ａの周縁部と、バッファ層６、発光層７コンタクト層８および基板２の、前記厚み方向に垂直なそれぞれの端面上に、これらを覆って設けられる。電気絶縁膜８２は、前述した電気絶縁膜５４と同様の物質によって形成される。第２電極９は、その端部１４が、電気絶縁膜５４に積層されるように、コンタクト層８の一表面８ａ上に設けられる。
【００９９】
針状結晶配列体２１は、発光素子本体８４の前記厚み方向の一表面８４ａ上、および前記厚み方向に垂直な方向の表面８４ｂ上に設けられる。本実施の形態では、発光素子本体８４の前記厚み方向の一表面８４ａ、および前記厚み方向に垂直な方向の表面８４ｂが光取り出し面であり、第２電極９の前記厚み方向の一表面９ａと、コンタクト層８の前記厚み方向の一表面８ａと、電気絶縁膜８２の前記厚み方向の一表面８２ａと、電気絶縁膜８２の前記厚み方向に垂直な方向で、半導体層とは反対側の表面８２ｂとが含まれる。針状結晶配列体２１は、発光素子本体８４の前記厚み方向の一表面８４ａ上では、第２電極９のボンディングワイヤ接続部１１を除く部分に積層して設けられる。針状結晶体２２のうち、発光素子本体８４の前記厚み方向の一表面８４ａ上に形成される部分では、針状結晶体２２は、前記厚み方向に沿って延び、電気絶縁膜８２の前記表面８２ｂ上に積層される部分では、針状結晶体２２は、前記表面８２ｂに垂直な方向に延びる。
【０１００】
電気絶縁膜８２の前記厚み方向の一表面８２ａと、電気絶縁膜８２の前記厚み方向に垂直な方向で、半導体層とは反対側の表面８２ｂとが連なる角部では、前記針状結晶体２２のうち、発光素子本体８４の前記厚み方向の一表面８４ａ上に形成される部分と、電気絶縁膜８２の前記表面８２ｂ上に積層される部分との間で、発光素子本体８４から所定の方向に針状結晶体２２が延びる。前記針状結晶配列体２１は、電気絶縁膜８２の前記表面８２ｂ上において、前記基板２の前記厚み方向の中央部の側方まで形成される。
【０１０１】
発光素子８１では、前記発光素子１と同様な効果を達成することができる。発光素子本体８４が放射する光のうち１０％〜３０％の光は、前記厚み方向に垂直な方向における発光素子本体８４の端面から放射されるので、前記厚み方向に垂直な方向における発光素子本体８４の端面上にも針状結晶配列体２１を形成することによって、前記端面からの光を外部に効率的に取り出すことができ、光の取り出し効率をさらに向上させることができる。
【０１０２】
図１４は、本発明の実施のさらに他の形態の発光素子９１の平面図であり、発光素子９１の光に出射方向下流側から見て示す。図１４において図解を容易にするために針状結晶配列体２１に斜線を付して示している。本実施の形態の発光素子９１と、前述した実施の形態の発光素子８１とは、第２電極の形状が異なるのみであって、他の構成は同様であるので、同様の構成には同様の参照符号を付して、その説明を省略する。本発明の形態では、発光素子８１において第２電極９を、前述した図５に示す実施の形態の発光素子４１における第２電極４２に置き換えて構成される。このような構成であっても前述した発光素子８１と同様の効果を達成することができる。
【０１０３】
図１５は、本発明の実施のさらに他の形態の発光素子１０１の平面図であり、発光素子１０１の光に出射方向下流側から見て示す。図１５において図解を容易にするために針状結晶配列体２１に斜線を付して示している。本実施の形態の発光素子１０１と、前述した実施の形態の発光素子５１，８１とは同様な構成である。本実施の形態の発光素子１０１は、前述した発光素子５１において、発光素子８１と同様に、積層体５６の前記厚み方向に垂直な方向の端面上にも針状結晶配列体２１を設けた構成である。したがって、発光素子１０１は、発光素子５１，８１と同様の効果を達成することができる。
【０１０４】
図１６は、本発明の実施のさらに他の形態の発光素子１１１の作製手順を示すフローチャートである。図１７は、作製工程における発光素子１１１の断面図である。発光素子１１１の作製手順は、図４に示すフローチャートと同様であり、図４に示すフローチャートの各工程に加えて、ステップｓ１とステップｓ２との間に、電気絶縁膜を形成する工程を追加したものである。図１７（１）は、電気絶縁膜５４が形成されたウエハ３０の断面図であり、図１７（２）は第１および第２電極５，９を形成した後のウエハ３０の断面図であり、図４（３）はレジスト膜３４が形成されたウエハ３０の断面図であり、図１７（４）はレジスト膜３４が除去されたウエハ３０の断面図である。発光素子１１１は、前述した発光素子５１，８１と同様な構成を有し、同様の構成には同様の参照符号を付してその説明を省略する。
【０１０５】
ステップａ１は、前述した図４のフローチャートのステップｓ１と同様であるので、説明を省略する。次にステップａ２では、電気絶縁膜５４の前駆体となる絶縁層を、バッファ層６、発光層７およびコンタクト層８の積層体を覆うように、ＳｉＯ２によって形成し、フォトリソグラフィおよびエッチングによって絶縁層の一部を除去して、図１７（１）に示すようにコンタクト層８の厚み方向の一表面８ａの周縁部と、バッファ層６、発光層７およびコンタクト層８の前記厚み方向に垂直な方向の端面とを覆う電気絶縁膜５４を形成する。
【０１０６】
次にステップａ３では、第２電極９の前駆体となる金属層を、前記バッファ層６、発光層７およびコンタクト層８ならびに電気絶縁膜５４の積層体を覆うように形成した後、スパッタリングによって形成し、フォトリソグラフィおよびエッチングによって金属層の一部を除去して図１７（２）に示すように第２電極９を形成する。またステップａ３では、前述した図４のフローチャートのステップｓ２と同様にして、第１電極５を形成する。
【０１０７】
次にステップａ４では、バッファ層６、発光層７、コンタクト層８、電気絶縁膜５４ならびに第２電極９の積層体と、基板２の一表面２ａとを覆って、スピンコートによって感光性レジストを塗布してレジスト膜３４を形成する。
【０１０８】
次にステップａ５では図１７（３）に示すように、ステップｓ４で形成したレジスト膜３４の所定の位置に孔１１２を形成する。本実施の形態では、レジスト膜３４のうち、バッファ層６、発光層７、コンタクト層８、電気絶縁膜５４ならびに第２電極９の積層体が露出するように孔１１２を形成する。
【０１０９】
次にステップａ６に移る。ステップａ６〜ステップａ１０までの各工程は、前述した図４のフローチャートのステップｓ５〜ステップｓ９までの各工程にそれぞれ対応するので、説明を省略する。
【０１１０】
このようにして作製された発光素子１１１は、バッファ層６、発光層７、コンタクト層８、電気絶縁膜５４ならびに第２電極９が積層されて成る積層体の、ウエハ３０を除く表面に針状結晶配列体２１が形成され、前述した発光素子８１と同様な効果を達成することができる。
【０１１１】
図１８は、本発明の実施のさらに他の形態の発光素子１２１の断面図である。発光素子１２１は、前述した発光素子１１１の製造手順において、レジスト膜３４の孔１１２を、バッファ層６、発光層７、コンタクト層８、電気絶縁膜５４ならびに第２電極９の積層体の前記厚み方向の一表面のみが露出するように形成して、他は発光素子１１１を製造する製造手順と同様な手順によって作製される。発光素子本体の１方向の表面にのみ針状結晶配列体２１を形成することによって、たとえばプリンタ向けの半導体発光素子として用いることができる。
【０１１２】
本発明のさらに他の実施の形態において、前述した各実施の形態における電気絶縁膜は、窒化物によって形成されてもよい。このような窒化物としては、たとえばＳｉＮなどが挙げられる。
【０１１３】
前述した各実施の形態では、発光素子本体が発光ダイオードによって実現されるが、本発明のさらに他の実施の形態では、発光素子本体がレーザダイオードまたはエレクトロルミネッセンスによって形成されてもよい。
【０１１４】
本実施のさらに他の形態では、前述した各実施の形態において、針状結晶配列体２１の光が出射される側の表面を覆って樹脂層を形成してもよい。このような樹脂層は、発光素子からの光を透過し、かつ針状結晶配列体の屈折率よりも屈折率が低くなるように形成される。このような樹脂層は、たとえばポリイミド、ＢＣＢなどによって形成される。
【０１１５】
本発明の実施のさらに他の形態では、前述した各実施の形態において、オーミックコンタクト層８および電極部９の少なくともいずれか一方と、針状結晶配列体２１とに介在させて、ＺｎおよびＭｇの少なくとも１種以上であり、かつ針状結晶配列体２１に含まれる物質から成る金属膜を設けてもよい。このような金属膜を設けることによって、針状結晶配列体２１とこの針状結晶配列体２１に接触する発光素子本体の表面部とのオーミックコンタクトが取りやすくなる。
【０１１６】
なお、本発明は以上の実施の形態の例および実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更を行なうことは何等差し支えない。たとえば、図５、図６、図８、図１０、図１２、図１４、図１５、図１７および図１８に示す各実施の形態の半導体素子４１，５１，６１，７１，８１，９１，１０１，１１１，１２１において、前記発光層７を、発光層である活性層と、活性層の厚み方向の両側にそれぞれ設けられる障壁層とに代えて発光素子を構成してもよい。障壁層は、そのバンドギャップが活性層のバンドギャップよりも大きくなるように形成される。バッファ層６と活性層との間に介在される障壁層を第１障壁層とし、活性層とコンタクト層８との間に介在される障壁層を第２障壁層とすると、基板２、バッファ層６、第１障壁層、活性層、第２障壁層およびコンタクト層は、たとえば、以下の表１の材料の組み合わせによって形成される。表１では、発光素子４１，５１，８１，９１，１０１，１１１，１２１をＡタイプとし、発光素子６１，７１をＢタイプとする。
【０１１７】
【表１】
【０１１８】
このような構成であっても、同様の効果を達成することができ、さらに障壁層を設けることによって、内部量子効率を向上させて発光効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０１１９】
【図１】本発明の実施の一形態の半導体発光素子１を示す断面図である。
【図２】半導体発光素子１の平面図である。
【図３】発光素子１の作製手順を示すフローチャートである。
【図４】作製工程における発光素子１の断面図である。
【図５】本発明の実施の他の形態の発光素子４１の平面図である。
【図６】本発明の他の実施の形態の発光素子５１の断面図である。
【図７】発光素子５１の平面図である。
【図８】本発明の他の実施の形態の発光素子６１の断面図である。
【図９】発光素子６１の平面図である。
【図１０】本発明の他の実施の形態の発光素子７１の断面図である。
【図１１】発光素子７１の平面図である。
【図１２】本発明の実施の一形態の発光素子８１を示す断面図である。
【図１３】発光素子８１の平面図である。
【図１４】本発明の実施のさらに他の形態の発光素子９１の平面図である。
【図１５】本発明の実施のさらに他の形態の発光素子１０１の平面図である。
【図１６】本発明の実施のさらに他の形態の発光素子１１１の作製手順を示すフローチャートである。
【図１７】作製工程における発光素子１１１の断面図である。
【図１８】本発明の実施のさらに他の形態の発光素子１２１の断面図である。
【符号の説明】
【０１２０】
１，４１，５１，６１，７１，８１，９１，１０１，１１１，１２１ 発光素子
２，６２ 基板
３，６３ 半導体層
４，５６，６４，７２ 積層体
２０，６５，７４，８４ 発光素子本体
２１ 針状結晶配列体
２２ 針状結晶体
３４ レジスト膜
３５，１１２ 孔
５４，８２ 電気絶縁膜
【特許請求の範囲】
【請求項１】
面発光型の半導体発光素子本体と、
前記半導体発光素子本体の、光を取り出すための光取り出し面上に設けられ、前記光取り出し面に垂直な方向に配向する複数の針状結晶体が配列されて形成される針状結晶配列体とを含み、
前記針状結晶配列体は、
前記針状結晶体のアスペクト比が３以上１００以下に選ばれ、
複数の前記針状結晶体の単位面積あたりの数が、１０９本／ｃｍ２以上１０１２本／ｃｍ２以下に選ばれ、
前記半導体発光素子本体が発する波長の光を透過し、
前記半導体発光素子本体のうち前記光取り出し面が形成される部分の屈折率よりも屈折率が小さく選ばれることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
前記半導体発光素子本体は、
基板と、
前記基板の厚み方向の一表面上に、前記厚み方向に積層される複数の半導体層を含んで形成される積層体とを有し、
前記光取り出し面は、前記半導体発光素子本体の前記厚み方向の端面のうちの少なくともいずれか一方を含むことを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記針状結晶配列体は、導電性を有し、前記厚み方向において前記基板から最も離反する前記半導体層に接触して設けられることを特徴とする請求項２記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記光取り出し面は、前記厚み方向に垂直な方向における前記半導体発光素子本体の端面を含むことを特徴とする請求項２記載の半導体発光素子。
【請求項５】
前記半導体発光素子本体は、
前記厚み方向に垂直な方向における前記半導体層の端面上に設けられ、前記半導体発光素子本体が発する波長の光を透過する電気絶縁膜を含んで構成され、
前記光取り出し面は、
前記電気絶縁膜の前記半導体層とは反対側の表面を含むことを特徴とする請求項３記載の半導体発光素子。
【請求項６】
前記針状結晶配列体は、光吸収端が３００ｎｍ以上５００ｎｍ未満であり、
前記発光素子本体の前記各半導体層は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体によって形成され、発光スペクトルのピーク波長が、５００ｎｍ以上８５０ｎｍ未満であることを特徴とする請求項２〜５のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【請求項７】
前記針状結晶配列体は、光吸収端が２００ｎｍ以上３５０ｎｍ未満であり、
前記発光素子本体の前記各半導体層は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体によって構成され、発光スペクトルのピーク波長が３５０ｎｍ以上８５０ｎｍ未満であることを特徴とする請求項２〜５のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【請求項８】
前記針状結晶配列体は、Ｚｎ、ＭｇおよびＣａから成る群から選ばれる少なくとも１種以上を含む酸化物から成ることを特徴とする請求項６または７記載の半導体発光素子。
【請求項９】
請求項３に係る請求項８記載の半導体発光素子であって、
前記発光素子本体のうち、前記針状結晶配列体と接する表面部は、
ＺｎおよびＭｇの少なくとも１種以上であり、かつ前記針状結晶配列体に含まれる物質から成る金属膜、
またはＺｎおよびＭｇの少なくとも１種以上であり、かつ前記針状結晶配列体に含まれる物質を、濃度が１０１９ｃｍ−３以上となるように含む半導体膜のうち少なくともいずれか一方を含むことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項１０】
半導体発光素子本体の表面を覆ってレジスト膜を形成し、
前記レジスト膜のうち、予め定める部分を除去して前記表面の一部を露出させ、
前記レジスト膜およびレジスト膜から露出する前記表面の前記一部に微小粒子を付着させ、
予め定める物質を含むアルカリ性の溶液中で、前記微小粒子を成長核として針状結晶を成長させ、
成長した針状結晶のうち、前記表面に成長した部分を除く残部を、レジスト膜とともに除去することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
【請求項１】
面発光型の半導体発光素子本体と、
前記半導体発光素子本体の、光を取り出すための光取り出し面上に設けられ、前記光取り出し面に垂直な方向に配向する複数の針状結晶体が配列されて形成される針状結晶配列体とを含み、
前記針状結晶配列体は、
前記針状結晶体のアスペクト比が３以上１００以下に選ばれ、
複数の前記針状結晶体の単位面積あたりの数が、１０９本／ｃｍ２以上１０１２本／ｃｍ２以下に選ばれ、
前記半導体発光素子本体が発する波長の光を透過し、
前記半導体発光素子本体のうち前記光取り出し面が形成される部分の屈折率よりも屈折率が小さく選ばれることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
前記半導体発光素子本体は、
基板と、
前記基板の厚み方向の一表面上に、前記厚み方向に積層される複数の半導体層を含んで形成される積層体とを有し、
前記光取り出し面は、前記半導体発光素子本体の前記厚み方向の端面のうちの少なくともいずれか一方を含むことを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記針状結晶配列体は、導電性を有し、前記厚み方向において前記基板から最も離反する前記半導体層に接触して設けられることを特徴とする請求項２記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記光取り出し面は、前記厚み方向に垂直な方向における前記半導体発光素子本体の端面を含むことを特徴とする請求項２記載の半導体発光素子。
【請求項５】
前記半導体発光素子本体は、
前記厚み方向に垂直な方向における前記半導体層の端面上に設けられ、前記半導体発光素子本体が発する波長の光を透過する電気絶縁膜を含んで構成され、
前記光取り出し面は、
前記電気絶縁膜の前記半導体層とは反対側の表面を含むことを特徴とする請求項３記載の半導体発光素子。
【請求項６】
前記針状結晶配列体は、光吸収端が３００ｎｍ以上５００ｎｍ未満であり、
前記発光素子本体の前記各半導体層は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体によって形成され、発光スペクトルのピーク波長が、５００ｎｍ以上８５０ｎｍ未満であることを特徴とする請求項２〜５のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【請求項７】
前記針状結晶配列体は、光吸収端が２００ｎｍ以上３５０ｎｍ未満であり、
前記発光素子本体の前記各半導体層は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体によって構成され、発光スペクトルのピーク波長が３５０ｎｍ以上８５０ｎｍ未満であることを特徴とする請求項２〜５のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【請求項８】
前記針状結晶配列体は、Ｚｎ、ＭｇおよびＣａから成る群から選ばれる少なくとも１種以上を含む酸化物から成ることを特徴とする請求項６または７記載の半導体発光素子。
【請求項９】
請求項３に係る請求項８記載の半導体発光素子であって、
前記発光素子本体のうち、前記針状結晶配列体と接する表面部は、
ＺｎおよびＭｇの少なくとも１種以上であり、かつ前記針状結晶配列体に含まれる物質から成る金属膜、
またはＺｎおよびＭｇの少なくとも１種以上であり、かつ前記針状結晶配列体に含まれる物質を、濃度が１０１９ｃｍ−３以上となるように含む半導体膜のうち少なくともいずれか一方を含むことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項１０】
半導体発光素子本体の表面を覆ってレジスト膜を形成し、
前記レジスト膜のうち、予め定める部分を除去して前記表面の一部を露出させ、
前記レジスト膜およびレジスト膜から露出する前記表面の前記一部に微小粒子を付着させ、
予め定める物質を含むアルカリ性の溶液中で、前記微小粒子を成長核として針状結晶を成長させ、
成長した針状結晶のうち、前記表面に成長した部分を除く残部を、レジスト膜とともに除去することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【公開番号】特開２００７−２９９９５３（Ｐ２００７−２９９９５３Ａ）
【公開日】平成１９年１１月１５日（２００７．１１．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１２７０１８（Ｐ２００６−１２７０１８）
【出願日】平成１８年４月２８日（２００６．４．２８）
【出願人】（０００００６６３３）京セラ株式会社 (13,660)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１１月１５日（２００７．１１．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年４月２８日（２００６．４．２８）
【出願人】（０００００６６３３）京セラ株式会社 (13,660)
【Ｆターム（参考）】
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