発光素子および発光素子の製造方法
【課題】 活性層から発光された光を従来より効率良く素子外部へ取り出すことができる発光素子を提供する。
【解決手段】 少なくとも、半導体基板と、半導体基板上に形成された半導体薄膜からなる半導体多層反射層と、半導体多層反射層上に形成された発光層を含む半導体積層構造部と、電流拡散層とを具備する発光素子であって、電流拡散層は、表面が粗面化されており、半導体多層反射層は、電流拡散層の表面における法線方向からみた臨界角以下の角度で入射する発光層からの入射光をブラッグ反射する第１のブラッグ反射層と、電流拡散層の表面における法線方向からみた臨界角より大きな角度で入射する発光層からの入射光をブラッグ反射する第２のブラッグ反射層とからなり、かつ第１のブラッグ反射層と第２のブラッグ反射層のうち少なくとも発光層の近くに位置する側のブラッグ反射層が、発光層からの光に対して透光性を有する発光素子。
【解決手段】 少なくとも、半導体基板と、半導体基板上に形成された半導体薄膜からなる半導体多層反射層と、半導体多層反射層上に形成された発光層を含む半導体積層構造部と、電流拡散層とを具備する発光素子であって、電流拡散層は、表面が粗面化されており、半導体多層反射層は、電流拡散層の表面における法線方向からみた臨界角以下の角度で入射する発光層からの入射光をブラッグ反射する第１のブラッグ反射層と、電流拡散層の表面における法線方向からみた臨界角より大きな角度で入射する発光層からの入射光をブラッグ反射する第２のブラッグ反射層とからなり、かつ第１のブラッグ反射層と第２のブラッグ反射層のうち少なくとも発光層の近くに位置する側のブラッグ反射層が、発光層からの光に対して透光性を有する発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光ダイオード・半導体レーザ等に好適な高効率の半導体反射層を有する発光素子と発光素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
発光ダイオード（ＬＥＤ）や半導体レーザ等の半導体発光素子において、内部で発生した光を有効に取り出すこと、すなわち外部出射効率の向上は、高出力や高効率の発光素子を得るために非常に重要である。
特に発光波長を吸収する基板を用いた場合、基板での光吸収が外部出射効率の低下要因となるため、基板と発光部の間に反射層を設けて、基板による光吸収を防止する対策が考えられている（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
従来の発光素子の一例として、図３に、発光波長に対して不透明な基板上に反射層を配し、上面から光を出射させるタイプの発光素子（ＬＥＤ）の断面図を示す。
【０００４】
図３に示すような発光素子１００は、以下のようにして作製される。
例えばｎ型ＧａＡｓ基板１０１上に、ｎ型ＧａＡｓバッファ層１０２、ｎ型ＡｌＩｎＰ／ｎ型ＧａＡｓからなる多層反射層１０３、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰ層（ｎ型クラッド層）１０５、アンドープＡｌＧａＩｎＰ層（ｉ−ＡｌＧａＩｎＰ層、活性層）１０６、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ層（ｐ型クラッド層）１０７、ｐ型ＧａＰ（電流拡散層）１０８、ｐ型ＧａＰ層（厚膜の電流拡散層）１０９を順に、気相成長等の手法によって形成する。
その後、表面電極１１０を素子表面に蒸着し、素子中央部のみ残してエッチングする。また裏面電極１１１を裏面に蒸着することで作製することができる。
ここでｎ型ＡｌＩｎＰ／ｎ型ＧａＡｓ多層反射層１０３は、ｎ型ＡｌＩｎＰ膜１０３ａとｎ型ＧａＡｓ膜１０３ｂがそれぞれ１０ずつ積層されたものとすることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平０４−１００２７７号公報
【特許文献２】特開２００５−１３６０３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記のような従来の発光素子（ＬＥＤ）において、多層反射層１０３は、特定の入射方向の光（主に多層反射層へ垂直方向に入射する入射光）に対してのみ高反射率となる性質を有している。
このため、真下へ向かう光線は多層反射層によって反射され上方より出射させることができるが、斜め下方向へ向かう光線は多層反射層１０３で反射されずに多層反射層１０３を透過し、ＧａＡｓ基板１０１に吸収されてしまう。このため外部出射せず、発光出力の増加に寄与しないという問題点があった。
【０００７】
また、一般的に厚膜の電流拡散層に用いられているＧａＰと、ＬＥＤ封入用のエポキシの界面では、臨界角は２６°程度しかない。
このため、電流拡散層が粗面化されていない状態では、上部に放射された光の１０％程度しか外部に取り出すことができない。
【０００８】
そして、厚膜の電流拡散層を持つ場合は、光を取り出す面が上部表面に加えて側面が加わり、合計３０％の光が取り出されることになるが、残りの７０％の光は表面および側面で反射され、吸収される。
一方、表面を粗面化すると、取り出し角度に放射された光も部分的な凹凸により界面角度が変わり外部へ取り出すことが出来るようになる。ただし、内部の光自体も部分的には反射され吸収される。
【０００９】
また、高出力や高効率の発光素子を得るために、多層反射層を、反射させる光の波長を隣接する程度に多少ずらした２つの反射層によって構成したものがある。例えば、特許文献２に記載された技術がそれである。
これは、垂直入射光に対する反射層と、電流拡散層の表面における法線方向からみた臨界角以下の角度で斜め下方向へ向かう光に対する反射層の２つの反射層を構成することにより、下部に放射された光を効率よく上部から射出させた発光素子である。
しかし、この場合、活性層からの光に対して臨界角より大きな角度で入射する光は、いずれも反射されず、ＧａＡｓ基板で吸収される。そのため、光の取り出し効率には限界があり、発光出力は低いものにとどまっていた。
【００１０】
本発明は、上記課題を解決するためなされたものであって、活性層から発光された光を従来より効率良く素子外部へ取り出すことができる発光素子とその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するため、本発明では、少なくとも、半導体基板と、該半導体基板上に形成された半導体薄膜からなる半導体多層反射層と、該半導体多層反射層上に形成された発光層を含む半導体積層構造部と、電流拡散層とを具備する発光素子であって、前記電流拡散層は、表面が粗面化されており、前記半導体多層反射層は、前記電流拡散層の表面における法線方向からみた臨界角以下の角度で入射する前記発光層からの入射光をブラッグ反射する第１のブラッグ反射層と、前記電流拡散層の表面における法線方向からみた臨界角より大きな角度で入射する前記発光層からの入射光をブラッグ反射する第２のブラッグ反射層とからなり、かつ前記第１のブラッグ反射層と前記第２のブラッグ反射層のうち少なくとも前記発光層の近くに位置する側のブラッグ反射層が、前記発光層からの光に対して透光性を有するものであることを特徴とする発光素子を提供する。
【００１２】
このように、発光層からの光を反射させる半導体多層反射層を、電流拡散層の表面における法線方向からみた臨界角以下の角度で入射する入射光をブラッグ反射する第１のブラッグ反射層と、臨界角より大きな角度で入射する入射光をブラッグ反射する第２のブラッグ反射層との２層構造とし、また第１のブラッグ反射層と第２のブラッグ反射層のうち少なくとも発光層の近くに位置する側のブラッグ反射層が、発光層からの光に対して透光性を有するものとする。
これによって、半導体基板側へ向かう光のうち、電流拡散層の表面における法線方向からみた臨界角以下の角度で入射した光については第１のブラッグ反射層で反射され、外部に取り出すことができる。また、従来は外部に取り出すことができていなかった臨界角より大きな角度で入射した光は、第２のブラッグ反射層で反射されて、粗面化された電流拡散層から取り出すことができる。そして発光層に近い側のブラッグ反射層を透光性とすることによって、半導体多層反射層で光が吸収されることを防止でき、発光出力が低下することを防止することができる。
よって、従来の発光素子に比べて、電流拡散層の表面における法線方向からみた臨界角より大きな角度で入射した光の量だけ光取り出し効率が上昇し、光取り出し効率が飛躍的に向上した発光素子とすることができる。
【００１３】
ここで、前記発光層が、組成式（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（ただし、０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）にて表される化合物にて各々構成された第一導電型クラッド層、活性層及び第二導電型クラッド層がこの順序で積層されたダブルへテロ構造からなり、かつ前記電流拡散層がＧａＰからなるものとすることが好ましい。
ＧａＰからなる電流拡散層であれば、その表面をエッチングにより簡単に粗面化されたものとすることができ、またＡｌＧａＩｎＰからなる発光層であれば、極めて発光輝度の高い発光素子とすることができる。
【００１４】
また、前記第１のブラッグ反射層が、ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ａｓ膜（但し、０≦ｘ≦１）と（ＡｌｘＧａ（１−ｘ））ｙＩｎ（１−ｙ）Ｐ膜（但し、０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）が交互に積層されたものとすることが好ましい。
このように、第１のブラッグ反射層が、ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ａｓ膜（但し、０≦ｘ≦１）と（ＡｌｘＧａ（１−ｘ））ｙＩｎ（１−ｙ）Ｐ膜（但し、０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）が交互に積層されたものであれば、確実に前述した反射機能を有する多層反射層を形成でき、更には通常発光層形成時に用いる原料ガスが使用できるため、コスト的にも有利な発光素子とすることができる。
【００１５】
そして、前記第２のブラッグ反射層が、（Ａｌｘ１Ｇａ（１−ｘ１））ｙＩｎ（１−ｙ）Ｐ膜（但し、０≦ｘ１≦１，０≦ｙ≦１）と（Ａｌｘ２Ｇａ（１−ｘ２））ｙＩｎ（１−ｙ）Ｐ膜（但し、０≦ｘ２≦１，０≦ｙ≦１，ｘ１≠ｘ２）が交互に積層されたものとすることが好ましい。
これによって、第２のブラッグ層を、発光層からの光に対する透光性を有し、かつ電流拡散層の表面における法線方向からみた臨界角より大きな角度で入射する入射光をブラッグ反射する層とすることができる。そしてこのような組成であれば、発光層形成時に用いる原料ガスによって形成することができ、安価に製造された発光素子とすることができる。
【００１６】
また、本発明では、少なくとも、半導体基板上に、半導体薄膜からなる半導体多層反射層を形成する工程と、該半導体多層反射層上に、発光層を含む半導体積層構造部を形成する工程と、該半導体積層構造部上に、電流拡散層を形成する工程と、を具備する発光素子の製造方法において、前記半導体多層反射層として、前記電流拡散層の表面における法線方向からみた臨界角以下の角度で入射する前記発光層からの入射光をブラッグ反射する第１のブラッグ反射層と、前記電流拡散層の表面における法線方向からみた臨界角より大きな角度で入射する前記発光層からの入射光をブラッグ反射する第２のブラッグ反射層とを、前記第１のブラッグ反射層と前記第２のブラッグ反射層のうち少なくとも前記発光層の近くに位置する側のブラッグ反射層が、前記発光層からの光に対して透光性を有する構造となるように形成し、前記電流拡散層形成後に、該電流拡散層の表面を粗面化する粗面化工程を行うことを特徴とする発光素子の製造方法を提供する。
【００１７】
このように、発光素子の製造工程において、電流拡散層の表面における法線方向からみた臨界角以下の角度で入射する入射光をブラッグ反射する第１のブラッグ反射層と、臨界角より大きな角度で入射する入射光をブラッグ反射する第２のブラッグ反射層との２層構造とした半導体多層反射層を形成し、また電流拡散層の表面を粗面化する。
これによって、半導体基板側へ向かう光のうち、電流拡散層の表面における法線方向からみた臨界角以下の角度で入射する入射光を第１のブラッグ反射層で反射させて、電流拡散層から発光素子外へ取り出すことができる。更に、電流拡散層の表面における法線方向からみた臨界角より大きな角度で入射する入射光をブラッグ反射させる第２のブラッグ反射層を形成し、電流拡散層の表面を粗面化することによって、従来は電流拡散層の表面で反射していたため取り出せなかった電流拡散層の表面における法線方向からみた臨界角より大きな角度で入射する光を発光素子外へ取り出すことができる。
これらの効果によって、従来の発光素子に比べて光取り出し効率が格段に向上した発光素子を製造することができる。
【００１８】
更に、第１のブラッグ反射層と第２のブラッグ反射層のうち少なくとも発光層の近くに位置する側のブラッグ反射層を、発光層からの光に対して透光性を有する構造とすることで、半導体多層反射層で光が吸収されることを防止でき、半導体多層反射層を２層構造とする効果を最大限に発揮させることができ、高輝度化を達成した発光素子を製造することができる。
【００１９】
ここで、前記発光層として、組成式（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（ただし、０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）にて表される化合物にて各々構成された第一導電型クラッド層、活性層及び第二導電型クラッド層がこの順序で積層されたダブルへテロ構造を形成し、かつ前記電流拡散層として、ＧａＰを形成することが好ましい。
このように、発光層としてＡｌＧａＩｎＰを形成することによって、極めて高輝度の発光素子とすることができる。また電流拡散層としてＧａＰを形成することによって、表面粗さを大きくできる粗面化エッチングを容易に行うことができ、光取り出し効率を更に向上させた発光素子を製造することができる。
【００２０】
また、前記第１のブラッグ反射層として、ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ａｓ膜（但し、０≦ｘ≦１）と（ＡｌｘＧａ（１−ｘ））ｙＩｎ（１−ｙ）Ｐ膜（但し、０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）を交互に積層することができ、そして、前記第２のブラッグ反射層として、（Ａｌｘ１Ｇａ（１−ｘ１））ｙＩｎ（１−ｙ）Ｐ膜（但し、０≦ｘ１≦１，０≦ｙ≦１）と（Ａｌｘ２Ｇａ（１−ｘ２））ｙＩｎ（１−ｙ）Ｐ膜（但し、０≦ｘ２≦１，０≦ｙ≦１，ｘ１≠ｘ２）を交互に積層することができる。
このように、第１のブラッグ反射層として、ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ａｓ膜（但し、０≦ｘ≦１）と（ＡｌｘＧａ（１−ｘ））ｙＩｎ（１−ｙ）Ｐ膜（但し、０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）を交互に積層したり、第２のブラッグ反射層として、（Ａｌｘ１Ｇａ（１−ｘ１））ｙＩｎ（１−ｙ）Ｐ膜（但し、０≦ｘ１≦１，０≦ｙ≦１）と（Ａｌｘ２Ｇａ（１−ｘ２））ｙＩｎ（１−ｙ）Ｐ膜（但し、０≦ｘ２≦１，０≦ｙ≦１，ｘ１≠ｘ２）を交互に積層することによって、確実に前述した反射機能を有する半導体多層反射層を形成することができる。更にはこれらの膜は、一般的な発光層の形成時に用いる原料ガスによって形成することができるため、コスト面でも優れた半導体多層反射層を有する発光素子の製造方法とすることができる。
【発明の効果】
【００２１】
以上説明したように、本発明によれば、活性層から発光された光を従来より効率良く素子外部へ取り出すことができる発光素子とその製造方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の発光素子の概略の一例を示した図である。
【図２】本発明の第１のブラッグ反射層と第２のブラッグ反射層が反射する反射光の入射角度に対する依存性を示した図である。
【図３】従来の発光素子の概略の一例を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明についてより具体的に説明する。
前述したように、発光ダイオード（ＬＥＤ）や半導体レーザ等の半導体発光素子において、内部で発生した光を有効に取り出すこと、すなわち外部出射効率の向上は、高出力や高効率の発光素子を得るためには非常に重要である。
特に発光波長を吸収する基板を用いた場合、基板での光吸収が外部出射効率の低下要因となるため、基板と発光層部の間に屈折率の異なる半導体膜を複数積層して形成されるブラッグ反射層（多層反射層ともいう）を設けて、基板による光吸収を防止する対策が考えられている。
【００２４】
しかしながら、このような発光素子（ＬＥＤ）において、ブラッグ反射層が特定の入射方向の光（主に垂直入射光）に対してのみ高反射率となる性質を有しているため、発光層から真下へ向かう光線はブラッグ反射層によって反射され上方より発光素子外へ出射させることができるが、斜め下方向へ向かう光線は吸収されてしまい外部出射に寄与しないという問題点があった。
また、垂直入射光に対する反射層と電流拡散層の表面における法線方向からみた臨界角以下の角度で斜め下方向へ向かう光に対する反射層の２つの反射層により、下部に放射された光を効率よく上部から射出させたものもある。しかし、この場合にも、活性層からの光に対して、臨界角外の光は反射されず吸収される。そのため、外部出射には寄与せず光取り出し効率には限界があり、発光出力は低いものにとどまっていた。
【００２５】
そこで、本発明者らは、更に光取り出し効率を上げるためのブラッグ反射層について鋭意検討した結果、従来は表面において全反射して外部に取り出せないため、あえて反射させていなかった電流拡散層の表面における法線方向からみた臨界角より大きな角度でブラッグ反射層に入射する光も、電流拡散層の表面を粗面化すれば取り出せることに思い至った。
【００２６】
そして、発光層からの光を反射させる半導体多層反射層を、電流拡散層の表面における法線方向からみた臨界角以下の角度で入射する入射光をブラッグ反射する第１のブラッグ反射層と、臨界角より大きな角度で入射する入射光をブラッグ反射する第２のブラッグ反射層との２層構造とするとともに、発光素子の電流拡散層の表面を粗面化することで外部への光取り出し効率を格段に向上させることができることを見出し、本発明を完成させた。
【００２７】
以下、本発明について図を参照して詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。図１は、本発明の発光素子の概略の一例を示した図である。
【００２８】
本発明の発光素子２０は、少なくとも、半導体基板２１と、半導体基板２１上に形成された半導体薄膜からなる半導体多層反射層２３と、半導体多層反射層２３上に形成された発光層２６を含む半導体積層構造部２７と、電流拡散層２９と、電流拡散層２９の第一主表面側に形成された表面電極２１０と、半導体基板２１の第二主表面（半導体多層反射層２３等が形成されていない側の表面）側に形成された裏面電極２１１を具備するものである。
【００２９】
そして、電流拡散層２９は、表面が粗面化されている。
更に、半導体多層反射層２３は、電流拡散層２９の表面における法線方向からみた臨界角以下の角度で入射する発光層２６からの入射光をブラッグ反射する第１のブラッグ反射層２０３と、電流拡散層２９の表面における法線方向からみた臨界角より大きな角度で入射する発光層からの入射光をブラッグ反射する第２のブラッグ反射層２０４とからなるものであって、かつ第１のブラッグ反射層２０３と第２のブラッグ反射層２０４のうち少なくとも発光層２６の近くに位置する側のブラッグ反射層が、発光層２６からの光に対して透光性を有するものである。
【００３０】
このように、本発明の発光素子は、第１のブラッグ反射層２０３によって、電流拡散層の表面における法線方向からみた臨界角以下の角度で入射した光を反射させ、また、第２のブラッグ反射層２０４によって、従来は外部に取り出せていなかったため反射させていなかった臨界角より大きな角度で入射した光を反射させて、粗面化された電流拡散層から取り出すことにしたものである。
また、発光層２６に近い側のブラッグ反射層は透光性を有するものであるため、ブラッグ反射層で光が吸収されることを防止でき、発光出力が低下することを防止することができる。
従って、従来の発光素子に比べて光取り出し効率を大幅に向上させた発光素子とすることができる。
【００３１】
ここで、図１に示すように、発光層２６が、組成式（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（ただし、０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）にて表される化合物にて各々構成された第一導電型クラッド層２０５、活性層２０６及び第二導電型クラッド層２０７がこの順序で積層されたダブルへテロ構造からなるものとすることができ、また、電流拡散層２９がＧａＰからなるものとすることができる。
【００３２】
このように、発光層が（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（ただし、０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）にて表される化合物にて各々構成された第一導電型クラッド層、活性層及び第二導電型クラッド層がこの順序で積層されたダブルへテロ構造からなるものであれば、発光出力の極めて大きな発光素子とすることができる。
また、ＧａＰからなる電流拡散層であれば、その表面をエッチングにより簡単に粗面化されたものとすることができ、光取り出し効率の高い発光素子を容易に得ることができる。
【００３３】
そして、図１に示すように、第１のブラッグ反射層２０３が、ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ａｓ膜２０３ｂと（ＡｌｘＧａ（１−ｘ））ｙＩｎ（１−ｙ）Ｐ膜２０３ａが交互に積層されたものとすることができる。ここで、ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ａｓ膜２０３ｂはＧａＡｓ、（ＡｌｘＧａ（１−ｘ））ｙＩｎ（１−ｙ）Ｐ膜２０３ａはＡｌＩｎＰが好ましい。
また、第２のブラッグ反射層２０４が、（Ａｌｘ１Ｇａ（１−ｘ１））ｙＩｎ（１−ｙ）Ｐ膜２０４ｂと（Ａｌｘ２Ｇａ（１−ｘ２））ｙＩｎ（１−ｙ）Ｐ膜２０４ａが交互に積層されたものとすることができる。ここで、（Ａｌｘ１Ｇａ（１−ｘ１））ｙＩｎ（１−ｙ）Ｐ膜２０４ｂはＡｌＧａＩｎＰが好ましく、（Ａｌｘ２Ｇａ（１−ｘ２））ｙＩｎ（１−ｙ）Ｐ膜２０４ａはＡｌＩｎＰが好ましい。
【００３４】
このように、第１のブラッグ反射層を、ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ａｓ膜と（ＡｌｘＧａ（１−ｘ））ｙＩｎ（１−ｙ）Ｐ膜が交互に積層されたものとすることによって、電流拡散層の表面における法線方向からみた臨界角以下の角度で入射する入射光に対する反射率に優れたものとすることができ、また原料ガスは発光素子を形成する際に一般的に用いられるものを用いることができ、製造コストに優れた発光素子とすることができる。
【００３５】
また、第２のブラッグ反射層を、（Ａｌｘ１Ｇａ（１−ｘ１））ｙＩｎ（１−ｙ）Ｐ膜と（Ａｌｘ２Ｇａ（１−ｘ２））ｙＩｎ（１−ｙ）Ｐ膜とが交互に積層されたものとすることによって、発光層からの光に対する透光性を有し、かつ電流拡散層の表面における法線方向からみた臨界角より大きな角度で入射する入射光の反射率に優れたものとすることができる。また原料ガスは発光素子を形成する際に一般的に用いられるものを用いることができ、更に製造コストに優れた発光素子とすることができる。
なお、図１では半導体基板２１をＧａＡｓ単結晶基板２０１としているが、ＧａＡｓ単結晶基板２０１の代わりにＧａＰ単結晶基板等の透明半導体基板やＧａＰエピタキシャル層等の透明半導体層を採用しても良い。
【００３６】
上記のような、本発明の発光素子は、以下に示すような発光素子の製造方法によって製造することができる。しかしもちろんこれに限定されるものではない。
以下、本発明の発光素子の製造方法について図面を参照して詳細に説明するが、もちろんこれに限定されるものではない。
【００３７】
まず、成長用の半導体基板２１として、ｎ型のＧａＡｓ単結晶基板２０１を用意する。
次に、そのｎ型ＧａＡｓ単結晶基板２０１の主表面に、ｎ型ＧａＡｓバッファ層２０２を、エピタキシャル成長させる。
【００３８】
次いで、半導体多層反射層２３として、第１のブラッグ反射層２０３と、第２のブラッグ反射層２０４とを、エピタキシャル成長させる。
【００３９】
ここで、第１のブラッグ反射層２０３は、電流拡散層２９の表面における法線方向からみた臨界角以下の角度で入射する発光層２６からの入射光をブラッグ反射するものとし、第２のブラッグ反射層２０４は、電流拡散層２９の表面における法線方向からみた臨界角より大きな角度で入射する発光層からの入射光をブラッグ反射するものとする。
また、第１のブラッグ反射層２０３と第２のブラッグ反射層２０４のうち、後に形成する発光層２６に近い側の反射層は、活性層２０６から発せられる光に対して透光性を有するものとする。そして本例示の場合は、第２のブラッグ反射層２０４が活性層２０６に近いため、透光性を有するような組成とする。
【００４０】
ここで第１のブラッグ反射層２０３は、例えば厚さ４８ｎｍのｎ型ＡｌＩｎＰ膜２０３ａと、例えば厚さ４１ｎｍのｎ型ＧａＡｓ膜２０３ｂとが、交互に例えば１０層ずつ積層（トータル厚さ８９０ｎｍ）された構造とすることができる。
【００４１】
また、第２のブラッグ反射層２０４は、例えば厚さ６１ｎｍのｎ型ＡｌＩｎＰ膜２０４ａと、例えば厚さ５８ｎｍのｎ型（Ａｌ０．６Ｇａ０．４）０．５Ｉｎ０．５Ｐ膜２０４ｂ層とが、交互に例えば１０層ずつ積層（トータル厚さ１１９０ｎｍ）した透光性の多層反射層とすることができる。
【００４２】
このように、ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ａｓ膜と（ＡｌｘＧａ（１−ｘ））ｙＩｎ（１−ｙ）Ｐ膜を交互に積層して第１のブラッグ反射層を形成したり、（Ａｌｘ１Ｇａ（１−ｘ１））ｙＩｎ（１−ｙ）Ｐ膜と（Ａｌｘ２Ｇａ（１−ｘ２））ｙＩｎ（１−ｙ）Ｐ膜を交互に積層して第２のブラッグ反射層を形成することによって、電流拡散層の表面における法線方向からみた臨界角以下の角度で入射する入射光に対する反射率に優れたブラッグ反射層や、電流拡散層の表面における法線方向からみた臨界角より大きな角度で入射する入射光に対する反射率に優れたブラッグ反射層を形成することができる。
そして、発光層形成時と同じ原料ガスによって形成することができ、コストパフォーマンスに優れた半導体多層反射層とすることができる。
また、第２のブラッグ反射層が上記のような組成であれば、Ｐ系のみの構成とすることができ、活性層２０６から出射された光のうち、反射帯域外の光を吸収することなく第１のブラッグ反射層２０３に透過させることができ、光取り出し効率が低下する危険性を避けることができる。
【００４３】
次いで、発光層２６として、各々（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（ただし、０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）よりなる、厚さ０．８μｍ以上４μｍ以下の第一導電型クラッド層２０５（ｎ型ドーパントはＳｉ）、厚さ０．４μｍ以上２μｍ以下の活性層（ノンドープ）２０６、及び厚さ０．８μｍ以上４μｍ以下の第二導電型クラッド層２０７（ｐ型ドーパントはＭｇ：有機金属分子からのＣもｐ型ドーパントとして寄与しうる）を、この順序にてエピタキシャル成長させてダブルヘテロ構造とすることができる。
【００４４】
このように、発光層として、各々（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰよりなる、第一導電型クラッド層、活性層、第二導電型クラッド層とを、この順序にてエピタキシャル成長させたダブルヘテロ構造を形成することによって、極めて高輝度の発光素子とすることができる。
また後述するが、電流拡散層として、ＧａＰを形成することによって、粗面化エッチングを容易に行うことができ、また表面粗さを大きくし易いものとすることができるため、光取り出し効率が更に良好な発光素子の製造方法とすることができる。
【００４５】
更に、第二導電型クラッド層２０７上に、ｐ型のＧａＰ層からなる電流拡散層（接続層）２０８を、例えば厚さ２．０μｍエピタキシャル成長させる。
【００４６】
上記各層のエピタキシャル成長は、公知のＭＯＶＰＥ法により行うことができる。
そして、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ（インジウム）、Ｐ（リン）の各成分源となる原料ガスとしては以下のようなものを使用できる。
・Ａｌ源ガス；トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）、トリエチルアルミニウム（ＴＥＡｌ）など、
・Ｇａ源ガス；トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、トリエチルガリウム（ＴＥＧａ）など、
・Ｉｎ源ガス；トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、トリエチルインジウム（ＴＥＩｎ）など、
・Ｐ源ガス：トリメチルリン（ＴＭＰ）、トリエチルリン（ＴＥＰ）、ホスフィン（ＰＨ３）など、が挙げられる。
【００４７】
次に、ｐ型ＧａＰよりなる厚膜の電流拡散層２０９（厚さ６０μｍ）を、例えばＨＶＰＥ法により成長させる。
【００４８】
このＨＶＰＥ法は、具体的には、容器内にてＩＩＩ族元素であるＧａを所定の温度に加熱保持しながら、そのＧａ上に塩化水素を導入することにより、下記（１）式の反応によりＧａＣｌを生成させ、キャリアガスであるＨ２ガスとともに基板上に供給する。
Ｇａ（液体）＋ＨＣｌ（気体） → ＧａＣｌ（気体）＋１／２Ｈ２‥‥（１）
成長温度は例えば６４０℃以上８６０℃以下に設定する。また、Ｖ族元素であるＰは、ＰＨ３をキャリアガスであるＨ２とともに基板上に供給する。さらに、ｐ型ドーパントとしてＺｎを用いる場合は、ＤＭＺｎ（ジメチルＺｎ）の形で供給する。ＧａＣｌはＰＨ３との反応性に優れ、下記（２）式の反応により、効率よく電流拡散層２０９を成長させることができる。
ＧａＣｌ（気体）＋ＰＨ３（気体）
→ＧａＰ（固体）＋ＨＣｌ（気体）＋Ｈ２（気体）‥‥（２）
【００４９】
このｐ型ＧａＰからなる厚膜の電流拡散層２０９の成長が終了したら、スパッタリングや真空蒸着法により、ＧａＰ電流拡散層２０９の第一主表面に表面電極２１０を形成し、かつｎ型ＧａＡｓ基板２０１の第二主表面側（半導体多層反射層２３や発光層２６、電流拡散層２９が存在する側とは反対側の表面）に裏面電極２１１を形成する。
なお、電流拡散層２０９の成長が終了した後に、ｎ型ＧａＡｓ基板２０１をエッチング等により除去し、そこにｎ型ＧａＡｓ基板２０１の代わりにｎ型ＧａＰ基板等の透明半導体基板を貼り合わせても良いし、また、エピタキシャル成長によりＧａＰ等の透明半導体層を形成しても良い。
【００５０】
次に発光素子チップサイズに合わせてダイシングを行う。ここでは完全にチップを分離させないようハーフダイシングを行うことができるが、フルダイシングにより完全に分離させてもよい。
【００５１】
その後、発光素子チップの主表面及び側面に粗面化用エッチング液を接触させ、ｐ型ＧａＰよりなる電流拡散層２０９の主表面、側面を粗面化する粗面化エッチングを行う。
【００５２】
ここで、この粗面化用エッチング液は、例えば酢酸と弗酸と硝酸とヨウ素とを含有する水溶液を用いることができる。このようなエッチング液の具体的な組成は、
酢酸（ＣＨ３ＣＯＯＨ換算）：３７．４質量％以上９４．８質量％以下、
弗酸（ＨＦ換算）：０．４質量％以上１４．８質量％以下、
硝酸（ＨＮＯ３換算）：１．３質量％以上１４．７質量％以下、
ヨウ素（Ｉ２換算）：０．１２質量％以上０．８４質量％以下
の範囲で含有し、かつ、水の含有量が２．４質量％以上４５質量％以下のもの、より望ましくは、
酢酸（ＣＨ３ＣＯＯＨ換算）：４５．８質量％以上９４．８質量％以下、
弗酸（ＨＦ換算）：０．５質量％以上１４．８質量％以下、
硝酸（ＨＮＯ３換算）：１．６質量％以上１４．７質量％以下、
ヨウ素（Ｉ２換算）：０．１５質量％以上０．８４質量％以下
の範囲で含有し、かつ、水の含有量が２．４質量％以上３２．７質量％以下のものを採用することができる。液温は４０℃以上６０℃以下が適当である。
なお、粗面化用エッチング液は、上記組成のエッチング液に限定されず、粗面化が可能な成分を含有するものであればよい。
【００５３】
その後、分離後の発光素子チップに対して、裏面電極をＡｇペースト層を介して金属ステージに接着し、更に、表面電極にボンディングワイヤを接続し、さらにエポキシ樹脂からなる図示しないモールド部を形成すれば、発光素子２０が完成する。
【００５４】
このように、半導体多層反射層２３として、電流拡散層２９の表面における法線方向からみた臨界角以下の角度で入射した光をブラッグ反射させる第１のブラッグ反射層２０３と、電流拡散層２９の表面における法線方向からみた臨界角より大きな角度で入射した光をブラッグ反射させる第２のブラッグ反射層２０４の２種類の多層反射構造を形成することにより、活性層２０６から電流拡散層２９の表面における法線方向からみた臨界角以下の角度で下部に出射された光は、第１のブラッグ反射層２０３によって上方へ反射され、電流拡散層２９から外部に出射される。また、活性層２０６から下方へ向けて出射された光のうち、従来反射させていなかった電流拡散層２９の表面における法線方向からみた臨界角より大きな角度で入射する光は、第２のブラッグ反射層２０４によって上方もしくは、側方へ反射され、電流拡散層２９から外部へ出射される。
【００５５】
ここで、図２は、本発明の第１のブラッグ反射層と第２のブラッグ反射層の２種類の反射層が反射する反射光の入射角度に対する依存性を示した図である。
図２から明らかなように、活性層から出射された光のうち、電流拡散層の表面における法線方向からみた臨界角以下の角度で入射する、すなわち主に垂直方向に入射する光は第１のブラッグ反射層により反射され、臨界角より大きな角度で入射する光は第２のブラッグ反射層で反射される。
【００５６】
また、厚膜のｐ型ＧａＰからなる電流拡散層の表面を粗面化すると、放射された光が部分的な凹凸により界面角度が変わり、外部へ放射することが出来るようになり、光取り出し効率が向上する。すなわち、電流拡散層を持つ表面を粗面化させた発光素子では、従来反射させていなかった臨界角（約２６°）より大きな角度（主に３０°〜６０°）で半導体多層反射層に入射する光も発光素子外へ取り出すことが可能となり、効率的に外部への光の取り出しを行うことが可能となる。このため、従来に比べて光取り出し効率を格段に向上させることができる。
【００５７】
従って、本発明に係る半導体発光素子の製造方法のように活性層からの光に対して互いに異なる入射光に対する角度依存のブラッグ反射層を２層形成することによって、半導体多層反射層全体として活性層からの光に対する反射角度が広がることになり、活性層から発光された光を、外部へ従来より格段に効率良く取り出すことができる。
【００５８】
尚、上記例示では半導体積層構造部２７は、発光層２６のみからなる場合について示したが、半導体積層構造部はこれに限定されず、発光層の他に、例えばドーパント拡散を抑止するための障壁層を複数層設けたりすることができる。
【実施例】
【００５９】
以下、実施例及び比較例を示して本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
（実施例）
図１に示すような組成・構造の半導体発光素子を複数個製造し、そのうちの１０個のチップをマウントしてランプにして、ＬＥＤ ＴＥＳＴＥＲ ＣＭＦ３０００にて発光強度の測定を行った。
【００６０】
（比較例）
図３に示すような組成・構造の半導体発光素子を複数個製造し、そのうちの１０個のチップをマウントしてランプにして、ＬＥＤ ＴＥＳＴＥＲ ＣＭＦ３０００にて発光強度の測定を行った。
【００６１】
実施例の発光素子では、発光層から出射された光のうち、電流拡散層の表面における法線方向からみた臨界角以下の角度で入射する反射光に加えて、電流拡散層の表面における法線方向からみた臨界角より大きな角度で入射する光も第２のブラッグ反射層によって反射され、粗面化された発光素子表面から外部に取り出される。その結果、従来構造である比較例の発光素子に比べて約２０％輝度が向上した。
これに対し、比較例の発光素子では、発光層から出射された光のうち、電流拡散層の表面における法線方向からみた臨界角以下の角度で入射する光のみが反射層で反射され、斜め方向の光はＧａＡｓ単結晶基板に吸収されるため、実施例に比較して輝度が低くなった。
【００６２】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
【符号の説明】
【００６３】
２０…発光素子、
２１…半導体基板、 ２３…半導体多層反射層、 ２６…発光層、 ２７…半導体積層構造部、 ２９…電流拡散層、
１００…発光素子、
１０１…ｎ型ＧａＡｓ基板、 １０２…ｎ型ＧａＡｓバッファ層、
１０３…多層反射層、 １０３ａ…ｎ型ＡｌＩｎＰ膜、 １０３ｂ…ｎ型ＧａＡｓ膜、
１０５…ｎ型ＡｌＧａＩｎＰ層（ｎ型クラッド層）、 １０６…ｉ−ＡｌＧａＩｎＰ層（活性層）、 １０７…ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ層（ｐ型クラッド層）、
１０８…ｐ型ＧａＰ層（電流拡散層）、 １０９…ｐ型ＧａＰ層（厚膜の電流拡散層）、
１１０…表面電極、 １１１…裏面電極、
２０１…ｎ型ＧａＡｓ単結晶基板、 ２０２…ｎ型ＧａＡｓバッファ層、
２０３…第１のブラッグ反射層、 ２０３ａ…ｎ型（ＡｌｘＧａ（１−ｘ））ｙＩｎ（１−ｙ）Ｐ膜、 ２０３ｂ…ｎ型ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ａｓ膜、
２０４…第２のブラッグ反射層、 ２０４ａ…ｎ型（Ａｌｘ２Ｇａ（１−ｘ２））ｙＩｎ（１−ｙ）Ｐ膜、 ２０４ｂ…ｎ型（Ａｌｘ１Ｇａ（１−ｘ１））ｙＩｎ（１−ｙ）Ｐ膜、
２０５…ｎ型ＡｌＧａＩｎＰ層（第一導電型クラッド層）、 ２０６…ｉ−ＡｌＧａＩｎＰ層（活性層）、 ２０７…ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ層（第二導電型クラッド層）、
２０８…ｐ型ＧａＰ層（電流拡散層）、 ２０９…ｐ型ＧａＰ層（電流拡散層）、
２１０…表面電極、 ２１１…裏面電極。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光ダイオード・半導体レーザ等に好適な高効率の半導体反射層を有する発光素子と発光素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
発光ダイオード（ＬＥＤ）や半導体レーザ等の半導体発光素子において、内部で発生した光を有効に取り出すこと、すなわち外部出射効率の向上は、高出力や高効率の発光素子を得るために非常に重要である。
特に発光波長を吸収する基板を用いた場合、基板での光吸収が外部出射効率の低下要因となるため、基板と発光部の間に反射層を設けて、基板による光吸収を防止する対策が考えられている（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
従来の発光素子の一例として、図３に、発光波長に対して不透明な基板上に反射層を配し、上面から光を出射させるタイプの発光素子（ＬＥＤ）の断面図を示す。
【０００４】
図３に示すような発光素子１００は、以下のようにして作製される。
例えばｎ型ＧａＡｓ基板１０１上に、ｎ型ＧａＡｓバッファ層１０２、ｎ型ＡｌＩｎＰ／ｎ型ＧａＡｓからなる多層反射層１０３、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰ層（ｎ型クラッド層）１０５、アンドープＡｌＧａＩｎＰ層（ｉ−ＡｌＧａＩｎＰ層、活性層）１０６、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ層（ｐ型クラッド層）１０７、ｐ型ＧａＰ（電流拡散層）１０８、ｐ型ＧａＰ層（厚膜の電流拡散層）１０９を順に、気相成長等の手法によって形成する。
その後、表面電極１１０を素子表面に蒸着し、素子中央部のみ残してエッチングする。また裏面電極１１１を裏面に蒸着することで作製することができる。
ここでｎ型ＡｌＩｎＰ／ｎ型ＧａＡｓ多層反射層１０３は、ｎ型ＡｌＩｎＰ膜１０３ａとｎ型ＧａＡｓ膜１０３ｂがそれぞれ１０ずつ積層されたものとすることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平０４−１００２７７号公報
【特許文献２】特開２００５−１３６０３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記のような従来の発光素子（ＬＥＤ）において、多層反射層１０３は、特定の入射方向の光（主に多層反射層へ垂直方向に入射する入射光）に対してのみ高反射率となる性質を有している。
このため、真下へ向かう光線は多層反射層によって反射され上方より出射させることができるが、斜め下方向へ向かう光線は多層反射層１０３で反射されずに多層反射層１０３を透過し、ＧａＡｓ基板１０１に吸収されてしまう。このため外部出射せず、発光出力の増加に寄与しないという問題点があった。
【０００７】
また、一般的に厚膜の電流拡散層に用いられているＧａＰと、ＬＥＤ封入用のエポキシの界面では、臨界角は２６°程度しかない。
このため、電流拡散層が粗面化されていない状態では、上部に放射された光の１０％程度しか外部に取り出すことができない。
【０００８】
そして、厚膜の電流拡散層を持つ場合は、光を取り出す面が上部表面に加えて側面が加わり、合計３０％の光が取り出されることになるが、残りの７０％の光は表面および側面で反射され、吸収される。
一方、表面を粗面化すると、取り出し角度に放射された光も部分的な凹凸により界面角度が変わり外部へ取り出すことが出来るようになる。ただし、内部の光自体も部分的には反射され吸収される。
【０００９】
また、高出力や高効率の発光素子を得るために、多層反射層を、反射させる光の波長を隣接する程度に多少ずらした２つの反射層によって構成したものがある。例えば、特許文献２に記載された技術がそれである。
これは、垂直入射光に対する反射層と、電流拡散層の表面における法線方向からみた臨界角以下の角度で斜め下方向へ向かう光に対する反射層の２つの反射層を構成することにより、下部に放射された光を効率よく上部から射出させた発光素子である。
しかし、この場合、活性層からの光に対して臨界角より大きな角度で入射する光は、いずれも反射されず、ＧａＡｓ基板で吸収される。そのため、光の取り出し効率には限界があり、発光出力は低いものにとどまっていた。
【００１０】
本発明は、上記課題を解決するためなされたものであって、活性層から発光された光を従来より効率良く素子外部へ取り出すことができる発光素子とその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するため、本発明では、少なくとも、半導体基板と、該半導体基板上に形成された半導体薄膜からなる半導体多層反射層と、該半導体多層反射層上に形成された発光層を含む半導体積層構造部と、電流拡散層とを具備する発光素子であって、前記電流拡散層は、表面が粗面化されており、前記半導体多層反射層は、前記電流拡散層の表面における法線方向からみた臨界角以下の角度で入射する前記発光層からの入射光をブラッグ反射する第１のブラッグ反射層と、前記電流拡散層の表面における法線方向からみた臨界角より大きな角度で入射する前記発光層からの入射光をブラッグ反射する第２のブラッグ反射層とからなり、かつ前記第１のブラッグ反射層と前記第２のブラッグ反射層のうち少なくとも前記発光層の近くに位置する側のブラッグ反射層が、前記発光層からの光に対して透光性を有するものであることを特徴とする発光素子を提供する。
【００１２】
このように、発光層からの光を反射させる半導体多層反射層を、電流拡散層の表面における法線方向からみた臨界角以下の角度で入射する入射光をブラッグ反射する第１のブラッグ反射層と、臨界角より大きな角度で入射する入射光をブラッグ反射する第２のブラッグ反射層との２層構造とし、また第１のブラッグ反射層と第２のブラッグ反射層のうち少なくとも発光層の近くに位置する側のブラッグ反射層が、発光層からの光に対して透光性を有するものとする。
これによって、半導体基板側へ向かう光のうち、電流拡散層の表面における法線方向からみた臨界角以下の角度で入射した光については第１のブラッグ反射層で反射され、外部に取り出すことができる。また、従来は外部に取り出すことができていなかった臨界角より大きな角度で入射した光は、第２のブラッグ反射層で反射されて、粗面化された電流拡散層から取り出すことができる。そして発光層に近い側のブラッグ反射層を透光性とすることによって、半導体多層反射層で光が吸収されることを防止でき、発光出力が低下することを防止することができる。
よって、従来の発光素子に比べて、電流拡散層の表面における法線方向からみた臨界角より大きな角度で入射した光の量だけ光取り出し効率が上昇し、光取り出し効率が飛躍的に向上した発光素子とすることができる。
【００１３】
ここで、前記発光層が、組成式（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（ただし、０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）にて表される化合物にて各々構成された第一導電型クラッド層、活性層及び第二導電型クラッド層がこの順序で積層されたダブルへテロ構造からなり、かつ前記電流拡散層がＧａＰからなるものとすることが好ましい。
ＧａＰからなる電流拡散層であれば、その表面をエッチングにより簡単に粗面化されたものとすることができ、またＡｌＧａＩｎＰからなる発光層であれば、極めて発光輝度の高い発光素子とすることができる。
【００１４】
また、前記第１のブラッグ反射層が、ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ａｓ膜（但し、０≦ｘ≦１）と（ＡｌｘＧａ（１−ｘ））ｙＩｎ（１−ｙ）Ｐ膜（但し、０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）が交互に積層されたものとすることが好ましい。
このように、第１のブラッグ反射層が、ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ａｓ膜（但し、０≦ｘ≦１）と（ＡｌｘＧａ（１−ｘ））ｙＩｎ（１−ｙ）Ｐ膜（但し、０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）が交互に積層されたものであれば、確実に前述した反射機能を有する多層反射層を形成でき、更には通常発光層形成時に用いる原料ガスが使用できるため、コスト的にも有利な発光素子とすることができる。
【００１５】
そして、前記第２のブラッグ反射層が、（Ａｌｘ１Ｇａ（１−ｘ１））ｙＩｎ（１−ｙ）Ｐ膜（但し、０≦ｘ１≦１，０≦ｙ≦１）と（Ａｌｘ２Ｇａ（１−ｘ２））ｙＩｎ（１−ｙ）Ｐ膜（但し、０≦ｘ２≦１，０≦ｙ≦１，ｘ１≠ｘ２）が交互に積層されたものとすることが好ましい。
これによって、第２のブラッグ層を、発光層からの光に対する透光性を有し、かつ電流拡散層の表面における法線方向からみた臨界角より大きな角度で入射する入射光をブラッグ反射する層とすることができる。そしてこのような組成であれば、発光層形成時に用いる原料ガスによって形成することができ、安価に製造された発光素子とすることができる。
【００１６】
また、本発明では、少なくとも、半導体基板上に、半導体薄膜からなる半導体多層反射層を形成する工程と、該半導体多層反射層上に、発光層を含む半導体積層構造部を形成する工程と、該半導体積層構造部上に、電流拡散層を形成する工程と、を具備する発光素子の製造方法において、前記半導体多層反射層として、前記電流拡散層の表面における法線方向からみた臨界角以下の角度で入射する前記発光層からの入射光をブラッグ反射する第１のブラッグ反射層と、前記電流拡散層の表面における法線方向からみた臨界角より大きな角度で入射する前記発光層からの入射光をブラッグ反射する第２のブラッグ反射層とを、前記第１のブラッグ反射層と前記第２のブラッグ反射層のうち少なくとも前記発光層の近くに位置する側のブラッグ反射層が、前記発光層からの光に対して透光性を有する構造となるように形成し、前記電流拡散層形成後に、該電流拡散層の表面を粗面化する粗面化工程を行うことを特徴とする発光素子の製造方法を提供する。
【００１７】
このように、発光素子の製造工程において、電流拡散層の表面における法線方向からみた臨界角以下の角度で入射する入射光をブラッグ反射する第１のブラッグ反射層と、臨界角より大きな角度で入射する入射光をブラッグ反射する第２のブラッグ反射層との２層構造とした半導体多層反射層を形成し、また電流拡散層の表面を粗面化する。
これによって、半導体基板側へ向かう光のうち、電流拡散層の表面における法線方向からみた臨界角以下の角度で入射する入射光を第１のブラッグ反射層で反射させて、電流拡散層から発光素子外へ取り出すことができる。更に、電流拡散層の表面における法線方向からみた臨界角より大きな角度で入射する入射光をブラッグ反射させる第２のブラッグ反射層を形成し、電流拡散層の表面を粗面化することによって、従来は電流拡散層の表面で反射していたため取り出せなかった電流拡散層の表面における法線方向からみた臨界角より大きな角度で入射する光を発光素子外へ取り出すことができる。
これらの効果によって、従来の発光素子に比べて光取り出し効率が格段に向上した発光素子を製造することができる。
【００１８】
更に、第１のブラッグ反射層と第２のブラッグ反射層のうち少なくとも発光層の近くに位置する側のブラッグ反射層を、発光層からの光に対して透光性を有する構造とすることで、半導体多層反射層で光が吸収されることを防止でき、半導体多層反射層を２層構造とする効果を最大限に発揮させることができ、高輝度化を達成した発光素子を製造することができる。
【００１９】
ここで、前記発光層として、組成式（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（ただし、０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）にて表される化合物にて各々構成された第一導電型クラッド層、活性層及び第二導電型クラッド層がこの順序で積層されたダブルへテロ構造を形成し、かつ前記電流拡散層として、ＧａＰを形成することが好ましい。
このように、発光層としてＡｌＧａＩｎＰを形成することによって、極めて高輝度の発光素子とすることができる。また電流拡散層としてＧａＰを形成することによって、表面粗さを大きくできる粗面化エッチングを容易に行うことができ、光取り出し効率を更に向上させた発光素子を製造することができる。
【００２０】
また、前記第１のブラッグ反射層として、ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ａｓ膜（但し、０≦ｘ≦１）と（ＡｌｘＧａ（１−ｘ））ｙＩｎ（１−ｙ）Ｐ膜（但し、０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）を交互に積層することができ、そして、前記第２のブラッグ反射層として、（Ａｌｘ１Ｇａ（１−ｘ１））ｙＩｎ（１−ｙ）Ｐ膜（但し、０≦ｘ１≦１，０≦ｙ≦１）と（Ａｌｘ２Ｇａ（１−ｘ２））ｙＩｎ（１−ｙ）Ｐ膜（但し、０≦ｘ２≦１，０≦ｙ≦１，ｘ１≠ｘ２）を交互に積層することができる。
このように、第１のブラッグ反射層として、ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ａｓ膜（但し、０≦ｘ≦１）と（ＡｌｘＧａ（１−ｘ））ｙＩｎ（１−ｙ）Ｐ膜（但し、０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）を交互に積層したり、第２のブラッグ反射層として、（Ａｌｘ１Ｇａ（１−ｘ１））ｙＩｎ（１−ｙ）Ｐ膜（但し、０≦ｘ１≦１，０≦ｙ≦１）と（Ａｌｘ２Ｇａ（１−ｘ２））ｙＩｎ（１−ｙ）Ｐ膜（但し、０≦ｘ２≦１，０≦ｙ≦１，ｘ１≠ｘ２）を交互に積層することによって、確実に前述した反射機能を有する半導体多層反射層を形成することができる。更にはこれらの膜は、一般的な発光層の形成時に用いる原料ガスによって形成することができるため、コスト面でも優れた半導体多層反射層を有する発光素子の製造方法とすることができる。
【発明の効果】
【００２１】
以上説明したように、本発明によれば、活性層から発光された光を従来より効率良く素子外部へ取り出すことができる発光素子とその製造方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の発光素子の概略の一例を示した図である。
【図２】本発明の第１のブラッグ反射層と第２のブラッグ反射層が反射する反射光の入射角度に対する依存性を示した図である。
【図３】従来の発光素子の概略の一例を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明についてより具体的に説明する。
前述したように、発光ダイオード（ＬＥＤ）や半導体レーザ等の半導体発光素子において、内部で発生した光を有効に取り出すこと、すなわち外部出射効率の向上は、高出力や高効率の発光素子を得るためには非常に重要である。
特に発光波長を吸収する基板を用いた場合、基板での光吸収が外部出射効率の低下要因となるため、基板と発光層部の間に屈折率の異なる半導体膜を複数積層して形成されるブラッグ反射層（多層反射層ともいう）を設けて、基板による光吸収を防止する対策が考えられている。
【００２４】
しかしながら、このような発光素子（ＬＥＤ）において、ブラッグ反射層が特定の入射方向の光（主に垂直入射光）に対してのみ高反射率となる性質を有しているため、発光層から真下へ向かう光線はブラッグ反射層によって反射され上方より発光素子外へ出射させることができるが、斜め下方向へ向かう光線は吸収されてしまい外部出射に寄与しないという問題点があった。
また、垂直入射光に対する反射層と電流拡散層の表面における法線方向からみた臨界角以下の角度で斜め下方向へ向かう光に対する反射層の２つの反射層により、下部に放射された光を効率よく上部から射出させたものもある。しかし、この場合にも、活性層からの光に対して、臨界角外の光は反射されず吸収される。そのため、外部出射には寄与せず光取り出し効率には限界があり、発光出力は低いものにとどまっていた。
【００２５】
そこで、本発明者らは、更に光取り出し効率を上げるためのブラッグ反射層について鋭意検討した結果、従来は表面において全反射して外部に取り出せないため、あえて反射させていなかった電流拡散層の表面における法線方向からみた臨界角より大きな角度でブラッグ反射層に入射する光も、電流拡散層の表面を粗面化すれば取り出せることに思い至った。
【００２６】
そして、発光層からの光を反射させる半導体多層反射層を、電流拡散層の表面における法線方向からみた臨界角以下の角度で入射する入射光をブラッグ反射する第１のブラッグ反射層と、臨界角より大きな角度で入射する入射光をブラッグ反射する第２のブラッグ反射層との２層構造とするとともに、発光素子の電流拡散層の表面を粗面化することで外部への光取り出し効率を格段に向上させることができることを見出し、本発明を完成させた。
【００２７】
以下、本発明について図を参照して詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。図１は、本発明の発光素子の概略の一例を示した図である。
【００２８】
本発明の発光素子２０は、少なくとも、半導体基板２１と、半導体基板２１上に形成された半導体薄膜からなる半導体多層反射層２３と、半導体多層反射層２３上に形成された発光層２６を含む半導体積層構造部２７と、電流拡散層２９と、電流拡散層２９の第一主表面側に形成された表面電極２１０と、半導体基板２１の第二主表面（半導体多層反射層２３等が形成されていない側の表面）側に形成された裏面電極２１１を具備するものである。
【００２９】
そして、電流拡散層２９は、表面が粗面化されている。
更に、半導体多層反射層２３は、電流拡散層２９の表面における法線方向からみた臨界角以下の角度で入射する発光層２６からの入射光をブラッグ反射する第１のブラッグ反射層２０３と、電流拡散層２９の表面における法線方向からみた臨界角より大きな角度で入射する発光層からの入射光をブラッグ反射する第２のブラッグ反射層２０４とからなるものであって、かつ第１のブラッグ反射層２０３と第２のブラッグ反射層２０４のうち少なくとも発光層２６の近くに位置する側のブラッグ反射層が、発光層２６からの光に対して透光性を有するものである。
【００３０】
このように、本発明の発光素子は、第１のブラッグ反射層２０３によって、電流拡散層の表面における法線方向からみた臨界角以下の角度で入射した光を反射させ、また、第２のブラッグ反射層２０４によって、従来は外部に取り出せていなかったため反射させていなかった臨界角より大きな角度で入射した光を反射させて、粗面化された電流拡散層から取り出すことにしたものである。
また、発光層２６に近い側のブラッグ反射層は透光性を有するものであるため、ブラッグ反射層で光が吸収されることを防止でき、発光出力が低下することを防止することができる。
従って、従来の発光素子に比べて光取り出し効率を大幅に向上させた発光素子とすることができる。
【００３１】
ここで、図１に示すように、発光層２６が、組成式（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（ただし、０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）にて表される化合物にて各々構成された第一導電型クラッド層２０５、活性層２０６及び第二導電型クラッド層２０７がこの順序で積層されたダブルへテロ構造からなるものとすることができ、また、電流拡散層２９がＧａＰからなるものとすることができる。
【００３２】
このように、発光層が（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（ただし、０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）にて表される化合物にて各々構成された第一導電型クラッド層、活性層及び第二導電型クラッド層がこの順序で積層されたダブルへテロ構造からなるものであれば、発光出力の極めて大きな発光素子とすることができる。
また、ＧａＰからなる電流拡散層であれば、その表面をエッチングにより簡単に粗面化されたものとすることができ、光取り出し効率の高い発光素子を容易に得ることができる。
【００３３】
そして、図１に示すように、第１のブラッグ反射層２０３が、ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ａｓ膜２０３ｂと（ＡｌｘＧａ（１−ｘ））ｙＩｎ（１−ｙ）Ｐ膜２０３ａが交互に積層されたものとすることができる。ここで、ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ａｓ膜２０３ｂはＧａＡｓ、（ＡｌｘＧａ（１−ｘ））ｙＩｎ（１−ｙ）Ｐ膜２０３ａはＡｌＩｎＰが好ましい。
また、第２のブラッグ反射層２０４が、（Ａｌｘ１Ｇａ（１−ｘ１））ｙＩｎ（１−ｙ）Ｐ膜２０４ｂと（Ａｌｘ２Ｇａ（１−ｘ２））ｙＩｎ（１−ｙ）Ｐ膜２０４ａが交互に積層されたものとすることができる。ここで、（Ａｌｘ１Ｇａ（１−ｘ１））ｙＩｎ（１−ｙ）Ｐ膜２０４ｂはＡｌＧａＩｎＰが好ましく、（Ａｌｘ２Ｇａ（１−ｘ２））ｙＩｎ（１−ｙ）Ｐ膜２０４ａはＡｌＩｎＰが好ましい。
【００３４】
このように、第１のブラッグ反射層を、ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ａｓ膜と（ＡｌｘＧａ（１−ｘ））ｙＩｎ（１−ｙ）Ｐ膜が交互に積層されたものとすることによって、電流拡散層の表面における法線方向からみた臨界角以下の角度で入射する入射光に対する反射率に優れたものとすることができ、また原料ガスは発光素子を形成する際に一般的に用いられるものを用いることができ、製造コストに優れた発光素子とすることができる。
【００３５】
また、第２のブラッグ反射層を、（Ａｌｘ１Ｇａ（１−ｘ１））ｙＩｎ（１−ｙ）Ｐ膜と（Ａｌｘ２Ｇａ（１−ｘ２））ｙＩｎ（１−ｙ）Ｐ膜とが交互に積層されたものとすることによって、発光層からの光に対する透光性を有し、かつ電流拡散層の表面における法線方向からみた臨界角より大きな角度で入射する入射光の反射率に優れたものとすることができる。また原料ガスは発光素子を形成する際に一般的に用いられるものを用いることができ、更に製造コストに優れた発光素子とすることができる。
なお、図１では半導体基板２１をＧａＡｓ単結晶基板２０１としているが、ＧａＡｓ単結晶基板２０１の代わりにＧａＰ単結晶基板等の透明半導体基板やＧａＰエピタキシャル層等の透明半導体層を採用しても良い。
【００３６】
上記のような、本発明の発光素子は、以下に示すような発光素子の製造方法によって製造することができる。しかしもちろんこれに限定されるものではない。
以下、本発明の発光素子の製造方法について図面を参照して詳細に説明するが、もちろんこれに限定されるものではない。
【００３７】
まず、成長用の半導体基板２１として、ｎ型のＧａＡｓ単結晶基板２０１を用意する。
次に、そのｎ型ＧａＡｓ単結晶基板２０１の主表面に、ｎ型ＧａＡｓバッファ層２０２を、エピタキシャル成長させる。
【００３８】
次いで、半導体多層反射層２３として、第１のブラッグ反射層２０３と、第２のブラッグ反射層２０４とを、エピタキシャル成長させる。
【００３９】
ここで、第１のブラッグ反射層２０３は、電流拡散層２９の表面における法線方向からみた臨界角以下の角度で入射する発光層２６からの入射光をブラッグ反射するものとし、第２のブラッグ反射層２０４は、電流拡散層２９の表面における法線方向からみた臨界角より大きな角度で入射する発光層からの入射光をブラッグ反射するものとする。
また、第１のブラッグ反射層２０３と第２のブラッグ反射層２０４のうち、後に形成する発光層２６に近い側の反射層は、活性層２０６から発せられる光に対して透光性を有するものとする。そして本例示の場合は、第２のブラッグ反射層２０４が活性層２０６に近いため、透光性を有するような組成とする。
【００４０】
ここで第１のブラッグ反射層２０３は、例えば厚さ４８ｎｍのｎ型ＡｌＩｎＰ膜２０３ａと、例えば厚さ４１ｎｍのｎ型ＧａＡｓ膜２０３ｂとが、交互に例えば１０層ずつ積層（トータル厚さ８９０ｎｍ）された構造とすることができる。
【００４１】
また、第２のブラッグ反射層２０４は、例えば厚さ６１ｎｍのｎ型ＡｌＩｎＰ膜２０４ａと、例えば厚さ５８ｎｍのｎ型（Ａｌ０．６Ｇａ０．４）０．５Ｉｎ０．５Ｐ膜２０４ｂ層とが、交互に例えば１０層ずつ積層（トータル厚さ１１９０ｎｍ）した透光性の多層反射層とすることができる。
【００４２】
このように、ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ａｓ膜と（ＡｌｘＧａ（１−ｘ））ｙＩｎ（１−ｙ）Ｐ膜を交互に積層して第１のブラッグ反射層を形成したり、（Ａｌｘ１Ｇａ（１−ｘ１））ｙＩｎ（１−ｙ）Ｐ膜と（Ａｌｘ２Ｇａ（１−ｘ２））ｙＩｎ（１−ｙ）Ｐ膜を交互に積層して第２のブラッグ反射層を形成することによって、電流拡散層の表面における法線方向からみた臨界角以下の角度で入射する入射光に対する反射率に優れたブラッグ反射層や、電流拡散層の表面における法線方向からみた臨界角より大きな角度で入射する入射光に対する反射率に優れたブラッグ反射層を形成することができる。
そして、発光層形成時と同じ原料ガスによって形成することができ、コストパフォーマンスに優れた半導体多層反射層とすることができる。
また、第２のブラッグ反射層が上記のような組成であれば、Ｐ系のみの構成とすることができ、活性層２０６から出射された光のうち、反射帯域外の光を吸収することなく第１のブラッグ反射層２０３に透過させることができ、光取り出し効率が低下する危険性を避けることができる。
【００４３】
次いで、発光層２６として、各々（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（ただし、０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）よりなる、厚さ０．８μｍ以上４μｍ以下の第一導電型クラッド層２０５（ｎ型ドーパントはＳｉ）、厚さ０．４μｍ以上２μｍ以下の活性層（ノンドープ）２０６、及び厚さ０．８μｍ以上４μｍ以下の第二導電型クラッド層２０７（ｐ型ドーパントはＭｇ：有機金属分子からのＣもｐ型ドーパントとして寄与しうる）を、この順序にてエピタキシャル成長させてダブルヘテロ構造とすることができる。
【００４４】
このように、発光層として、各々（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰよりなる、第一導電型クラッド層、活性層、第二導電型クラッド層とを、この順序にてエピタキシャル成長させたダブルヘテロ構造を形成することによって、極めて高輝度の発光素子とすることができる。
また後述するが、電流拡散層として、ＧａＰを形成することによって、粗面化エッチングを容易に行うことができ、また表面粗さを大きくし易いものとすることができるため、光取り出し効率が更に良好な発光素子の製造方法とすることができる。
【００４５】
更に、第二導電型クラッド層２０７上に、ｐ型のＧａＰ層からなる電流拡散層（接続層）２０８を、例えば厚さ２．０μｍエピタキシャル成長させる。
【００４６】
上記各層のエピタキシャル成長は、公知のＭＯＶＰＥ法により行うことができる。
そして、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ（インジウム）、Ｐ（リン）の各成分源となる原料ガスとしては以下のようなものを使用できる。
・Ａｌ源ガス；トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）、トリエチルアルミニウム（ＴＥＡｌ）など、
・Ｇａ源ガス；トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、トリエチルガリウム（ＴＥＧａ）など、
・Ｉｎ源ガス；トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、トリエチルインジウム（ＴＥＩｎ）など、
・Ｐ源ガス：トリメチルリン（ＴＭＰ）、トリエチルリン（ＴＥＰ）、ホスフィン（ＰＨ３）など、が挙げられる。
【００４７】
次に、ｐ型ＧａＰよりなる厚膜の電流拡散層２０９（厚さ６０μｍ）を、例えばＨＶＰＥ法により成長させる。
【００４８】
このＨＶＰＥ法は、具体的には、容器内にてＩＩＩ族元素であるＧａを所定の温度に加熱保持しながら、そのＧａ上に塩化水素を導入することにより、下記（１）式の反応によりＧａＣｌを生成させ、キャリアガスであるＨ２ガスとともに基板上に供給する。
Ｇａ（液体）＋ＨＣｌ（気体） → ＧａＣｌ（気体）＋１／２Ｈ２‥‥（１）
成長温度は例えば６４０℃以上８６０℃以下に設定する。また、Ｖ族元素であるＰは、ＰＨ３をキャリアガスであるＨ２とともに基板上に供給する。さらに、ｐ型ドーパントとしてＺｎを用いる場合は、ＤＭＺｎ（ジメチルＺｎ）の形で供給する。ＧａＣｌはＰＨ３との反応性に優れ、下記（２）式の反応により、効率よく電流拡散層２０９を成長させることができる。
ＧａＣｌ（気体）＋ＰＨ３（気体）
→ＧａＰ（固体）＋ＨＣｌ（気体）＋Ｈ２（気体）‥‥（２）
【００４９】
このｐ型ＧａＰからなる厚膜の電流拡散層２０９の成長が終了したら、スパッタリングや真空蒸着法により、ＧａＰ電流拡散層２０９の第一主表面に表面電極２１０を形成し、かつｎ型ＧａＡｓ基板２０１の第二主表面側（半導体多層反射層２３や発光層２６、電流拡散層２９が存在する側とは反対側の表面）に裏面電極２１１を形成する。
なお、電流拡散層２０９の成長が終了した後に、ｎ型ＧａＡｓ基板２０１をエッチング等により除去し、そこにｎ型ＧａＡｓ基板２０１の代わりにｎ型ＧａＰ基板等の透明半導体基板を貼り合わせても良いし、また、エピタキシャル成長によりＧａＰ等の透明半導体層を形成しても良い。
【００５０】
次に発光素子チップサイズに合わせてダイシングを行う。ここでは完全にチップを分離させないようハーフダイシングを行うことができるが、フルダイシングにより完全に分離させてもよい。
【００５１】
その後、発光素子チップの主表面及び側面に粗面化用エッチング液を接触させ、ｐ型ＧａＰよりなる電流拡散層２０９の主表面、側面を粗面化する粗面化エッチングを行う。
【００５２】
ここで、この粗面化用エッチング液は、例えば酢酸と弗酸と硝酸とヨウ素とを含有する水溶液を用いることができる。このようなエッチング液の具体的な組成は、
酢酸（ＣＨ３ＣＯＯＨ換算）：３７．４質量％以上９４．８質量％以下、
弗酸（ＨＦ換算）：０．４質量％以上１４．８質量％以下、
硝酸（ＨＮＯ３換算）：１．３質量％以上１４．７質量％以下、
ヨウ素（Ｉ２換算）：０．１２質量％以上０．８４質量％以下
の範囲で含有し、かつ、水の含有量が２．４質量％以上４５質量％以下のもの、より望ましくは、
酢酸（ＣＨ３ＣＯＯＨ換算）：４５．８質量％以上９４．８質量％以下、
弗酸（ＨＦ換算）：０．５質量％以上１４．８質量％以下、
硝酸（ＨＮＯ３換算）：１．６質量％以上１４．７質量％以下、
ヨウ素（Ｉ２換算）：０．１５質量％以上０．８４質量％以下
の範囲で含有し、かつ、水の含有量が２．４質量％以上３２．７質量％以下のものを採用することができる。液温は４０℃以上６０℃以下が適当である。
なお、粗面化用エッチング液は、上記組成のエッチング液に限定されず、粗面化が可能な成分を含有するものであればよい。
【００５３】
その後、分離後の発光素子チップに対して、裏面電極をＡｇペースト層を介して金属ステージに接着し、更に、表面電極にボンディングワイヤを接続し、さらにエポキシ樹脂からなる図示しないモールド部を形成すれば、発光素子２０が完成する。
【００５４】
このように、半導体多層反射層２３として、電流拡散層２９の表面における法線方向からみた臨界角以下の角度で入射した光をブラッグ反射させる第１のブラッグ反射層２０３と、電流拡散層２９の表面における法線方向からみた臨界角より大きな角度で入射した光をブラッグ反射させる第２のブラッグ反射層２０４の２種類の多層反射構造を形成することにより、活性層２０６から電流拡散層２９の表面における法線方向からみた臨界角以下の角度で下部に出射された光は、第１のブラッグ反射層２０３によって上方へ反射され、電流拡散層２９から外部に出射される。また、活性層２０６から下方へ向けて出射された光のうち、従来反射させていなかった電流拡散層２９の表面における法線方向からみた臨界角より大きな角度で入射する光は、第２のブラッグ反射層２０４によって上方もしくは、側方へ反射され、電流拡散層２９から外部へ出射される。
【００５５】
ここで、図２は、本発明の第１のブラッグ反射層と第２のブラッグ反射層の２種類の反射層が反射する反射光の入射角度に対する依存性を示した図である。
図２から明らかなように、活性層から出射された光のうち、電流拡散層の表面における法線方向からみた臨界角以下の角度で入射する、すなわち主に垂直方向に入射する光は第１のブラッグ反射層により反射され、臨界角より大きな角度で入射する光は第２のブラッグ反射層で反射される。
【００５６】
また、厚膜のｐ型ＧａＰからなる電流拡散層の表面を粗面化すると、放射された光が部分的な凹凸により界面角度が変わり、外部へ放射することが出来るようになり、光取り出し効率が向上する。すなわち、電流拡散層を持つ表面を粗面化させた発光素子では、従来反射させていなかった臨界角（約２６°）より大きな角度（主に３０°〜６０°）で半導体多層反射層に入射する光も発光素子外へ取り出すことが可能となり、効率的に外部への光の取り出しを行うことが可能となる。このため、従来に比べて光取り出し効率を格段に向上させることができる。
【００５７】
従って、本発明に係る半導体発光素子の製造方法のように活性層からの光に対して互いに異なる入射光に対する角度依存のブラッグ反射層を２層形成することによって、半導体多層反射層全体として活性層からの光に対する反射角度が広がることになり、活性層から発光された光を、外部へ従来より格段に効率良く取り出すことができる。
【００５８】
尚、上記例示では半導体積層構造部２７は、発光層２６のみからなる場合について示したが、半導体積層構造部はこれに限定されず、発光層の他に、例えばドーパント拡散を抑止するための障壁層を複数層設けたりすることができる。
【実施例】
【００５９】
以下、実施例及び比較例を示して本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
（実施例）
図１に示すような組成・構造の半導体発光素子を複数個製造し、そのうちの１０個のチップをマウントしてランプにして、ＬＥＤ ＴＥＳＴＥＲ ＣＭＦ３０００にて発光強度の測定を行った。
【００６０】
（比較例）
図３に示すような組成・構造の半導体発光素子を複数個製造し、そのうちの１０個のチップをマウントしてランプにして、ＬＥＤ ＴＥＳＴＥＲ ＣＭＦ３０００にて発光強度の測定を行った。
【００６１】
実施例の発光素子では、発光層から出射された光のうち、電流拡散層の表面における法線方向からみた臨界角以下の角度で入射する反射光に加えて、電流拡散層の表面における法線方向からみた臨界角より大きな角度で入射する光も第２のブラッグ反射層によって反射され、粗面化された発光素子表面から外部に取り出される。その結果、従来構造である比較例の発光素子に比べて約２０％輝度が向上した。
これに対し、比較例の発光素子では、発光層から出射された光のうち、電流拡散層の表面における法線方向からみた臨界角以下の角度で入射する光のみが反射層で反射され、斜め方向の光はＧａＡｓ単結晶基板に吸収されるため、実施例に比較して輝度が低くなった。
【００６２】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
【符号の説明】
【００６３】
２０…発光素子、
２１…半導体基板、 ２３…半導体多層反射層、 ２６…発光層、 ２７…半導体積層構造部、 ２９…電流拡散層、
１００…発光素子、
１０１…ｎ型ＧａＡｓ基板、 １０２…ｎ型ＧａＡｓバッファ層、
１０３…多層反射層、 １０３ａ…ｎ型ＡｌＩｎＰ膜、 １０３ｂ…ｎ型ＧａＡｓ膜、
１０５…ｎ型ＡｌＧａＩｎＰ層（ｎ型クラッド層）、 １０６…ｉ−ＡｌＧａＩｎＰ層（活性層）、 １０７…ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ層（ｐ型クラッド層）、
１０８…ｐ型ＧａＰ層（電流拡散層）、 １０９…ｐ型ＧａＰ層（厚膜の電流拡散層）、
１１０…表面電極、 １１１…裏面電極、
２０１…ｎ型ＧａＡｓ単結晶基板、 ２０２…ｎ型ＧａＡｓバッファ層、
２０３…第１のブラッグ反射層、 ２０３ａ…ｎ型（ＡｌｘＧａ（１−ｘ））ｙＩｎ（１−ｙ）Ｐ膜、 ２０３ｂ…ｎ型ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ａｓ膜、
２０４…第２のブラッグ反射層、 ２０４ａ…ｎ型（Ａｌｘ２Ｇａ（１−ｘ２））ｙＩｎ（１−ｙ）Ｐ膜、 ２０４ｂ…ｎ型（Ａｌｘ１Ｇａ（１−ｘ１））ｙＩｎ（１−ｙ）Ｐ膜、
２０５…ｎ型ＡｌＧａＩｎＰ層（第一導電型クラッド層）、 ２０６…ｉ−ＡｌＧａＩｎＰ層（活性層）、 ２０７…ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ層（第二導電型クラッド層）、
２０８…ｐ型ＧａＰ層（電流拡散層）、 ２０９…ｐ型ＧａＰ層（電流拡散層）、
２１０…表面電極、 ２１１…裏面電極。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも、半導体基板と、該半導体基板上に形成された半導体薄膜からなる半導体多層反射層と、該半導体多層反射層上に形成された発光層を含む半導体積層構造部と、電流拡散層とを具備する発光素子であって、
前記電流拡散層は、表面が粗面化されており、
前記半導体多層反射層は、前記電流拡散層の表面における法線方向からみた臨界角以下の角度で入射する前記発光層からの入射光をブラッグ反射する第１のブラッグ反射層と、前記電流拡散層の表面における法線方向からみた臨界角より大きな角度で入射する前記発光層からの入射光をブラッグ反射する第２のブラッグ反射層とからなり、かつ前記第１のブラッグ反射層と前記第２のブラッグ反射層のうち少なくとも前記発光層の近くに位置する側のブラッグ反射層が、前記発光層からの光に対して透光性を有するものであることを特徴とする発光素子。
【請求項２】
前記発光層が、組成式（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（但し、０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）にて表される化合物にて各々構成された第一導電型クラッド層、活性層及び第二導電型クラッド層がこの順序で積層されたダブルへテロ構造からなり、かつ前記電流拡散層がＧａＰからなるものであ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】
前記第１のブラッグ反射層が、ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ａｓ膜（但し、０≦ｘ≦１）と（ＡｌｘＧａ（１−ｘ））ｙＩｎ（１−ｙ）Ｐ膜（但し、０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）が交互に積層されたものであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の発光素子。
【請求項４】
前記第２のブラッグ反射層が、（Ａｌｘ１Ｇａ（１−ｘ１））ｙＩｎ（１−ｙ）Ｐ膜（但し、０≦ｘ１≦１，０≦ｙ≦１）と（Ａｌｘ２Ｇａ（１−ｘ２））ｙＩｎ（１−ｙ）Ｐ膜（但し、０≦ｘ２≦１，０≦ｙ≦１，ｘ１≠ｘ２）が交互に積層されたものであることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の発光素子。
【請求項５】
少なくとも、
半導体基板上に、半導体薄膜からなる半導体多層反射層を形成する工程と、
該半導体多層反射層上に、発光層を含む半導体積層構造部を形成する工程と、
該半導体積層構造部上に、電流拡散層を形成する工程と、を具備する発光素子の製造方法において、
前記半導体多層反射層として、前記電流拡散層の表面における法線方向からみた臨界角以下の角度で入射する前記発光層からの入射光をブラッグ反射する第１のブラッグ反射層と、前記電流拡散層の表面における法線方向からみた臨界角より大きな角度で入射する前記発光層からの入射光をブラッグ反射する第２のブラッグ反射層とを、前記第１のブラッグ反射層と前記第２のブラッグ反射層のうち少なくとも前記発光層の近くに位置する側のブラッグ反射層が、前記発光層からの光に対して透光性を有する構造となるように形成し、
前記電流拡散層形成後に、該電流拡散層の表面を粗面化する粗面化工程を行うことを特徴とする発光素子の製造方法。
【請求項６】
前記発光層として、組成式（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（但し、０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）にて表される化合物にて各々構成された第一導電型クラッド層、活性層及び第二導電型クラッド層がこの順序で積層されたダブルへテロ構造を形成し、かつ前記電流拡散層として、ＧａＰを形成することを特徴とする請求項５に記載の発光素子の製造方法。
【請求項７】
前記第１のブラッグ反射層として、ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ａｓ膜（但し、０≦ｘ≦１）と（ＡｌｘＧａ（１−ｘ））ｙＩｎ（１−ｙ）Ｐ膜（但し、０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）を交互に積層することを特徴とする請求項５または請求項６に記載の発光素子の製造方法。
【請求項８】
前記第２のブラッグ反射層として、（Ａｌｘ１Ｇａ（１−ｘ１））ｙＩｎ（１−ｙ）Ｐ膜（但し、０≦ｘ１≦１，０≦ｙ≦１）と（Ａｌｘ２Ｇａ（１−ｘ２））ｙＩｎ（１−ｙ）Ｐ膜（但し、０≦ｘ２≦１，０≦ｙ≦１，ｘ１≠ｘ２）を交互に積層することを特徴とする請求項５ないし請求項７のいずれか１項に記載の発光素子の製造方法。
【請求項１】
少なくとも、半導体基板と、該半導体基板上に形成された半導体薄膜からなる半導体多層反射層と、該半導体多層反射層上に形成された発光層を含む半導体積層構造部と、電流拡散層とを具備する発光素子であって、
前記電流拡散層は、表面が粗面化されており、
前記半導体多層反射層は、前記電流拡散層の表面における法線方向からみた臨界角以下の角度で入射する前記発光層からの入射光をブラッグ反射する第１のブラッグ反射層と、前記電流拡散層の表面における法線方向からみた臨界角より大きな角度で入射する前記発光層からの入射光をブラッグ反射する第２のブラッグ反射層とからなり、かつ前記第１のブラッグ反射層と前記第２のブラッグ反射層のうち少なくとも前記発光層の近くに位置する側のブラッグ反射層が、前記発光層からの光に対して透光性を有するものであることを特徴とする発光素子。
【請求項２】
前記発光層が、組成式（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（但し、０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）にて表される化合物にて各々構成された第一導電型クラッド層、活性層及び第二導電型クラッド層がこの順序で積層されたダブルへテロ構造からなり、かつ前記電流拡散層がＧａＰからなるものであ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】
前記第１のブラッグ反射層が、ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ａｓ膜（但し、０≦ｘ≦１）と（ＡｌｘＧａ（１−ｘ））ｙＩｎ（１−ｙ）Ｐ膜（但し、０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）が交互に積層されたものであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の発光素子。
【請求項４】
前記第２のブラッグ反射層が、（Ａｌｘ１Ｇａ（１−ｘ１））ｙＩｎ（１−ｙ）Ｐ膜（但し、０≦ｘ１≦１，０≦ｙ≦１）と（Ａｌｘ２Ｇａ（１−ｘ２））ｙＩｎ（１−ｙ）Ｐ膜（但し、０≦ｘ２≦１，０≦ｙ≦１，ｘ１≠ｘ２）が交互に積層されたものであることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の発光素子。
【請求項５】
少なくとも、
半導体基板上に、半導体薄膜からなる半導体多層反射層を形成する工程と、
該半導体多層反射層上に、発光層を含む半導体積層構造部を形成する工程と、
該半導体積層構造部上に、電流拡散層を形成する工程と、を具備する発光素子の製造方法において、
前記半導体多層反射層として、前記電流拡散層の表面における法線方向からみた臨界角以下の角度で入射する前記発光層からの入射光をブラッグ反射する第１のブラッグ反射層と、前記電流拡散層の表面における法線方向からみた臨界角より大きな角度で入射する前記発光層からの入射光をブラッグ反射する第２のブラッグ反射層とを、前記第１のブラッグ反射層と前記第２のブラッグ反射層のうち少なくとも前記発光層の近くに位置する側のブラッグ反射層が、前記発光層からの光に対して透光性を有する構造となるように形成し、
前記電流拡散層形成後に、該電流拡散層の表面を粗面化する粗面化工程を行うことを特徴とする発光素子の製造方法。
【請求項６】
前記発光層として、組成式（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（但し、０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）にて表される化合物にて各々構成された第一導電型クラッド層、活性層及び第二導電型クラッド層がこの順序で積層されたダブルへテロ構造を形成し、かつ前記電流拡散層として、ＧａＰを形成することを特徴とする請求項５に記載の発光素子の製造方法。
【請求項７】
前記第１のブラッグ反射層として、ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ａｓ膜（但し、０≦ｘ≦１）と（ＡｌｘＧａ（１−ｘ））ｙＩｎ（１−ｙ）Ｐ膜（但し、０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）を交互に積層することを特徴とする請求項５または請求項６に記載の発光素子の製造方法。
【請求項８】
前記第２のブラッグ反射層として、（Ａｌｘ１Ｇａ（１−ｘ１））ｙＩｎ（１−ｙ）Ｐ膜（但し、０≦ｘ１≦１，０≦ｙ≦１）と（Ａｌｘ２Ｇａ（１−ｘ２））ｙＩｎ（１−ｙ）Ｐ膜（但し、０≦ｘ２≦１，０≦ｙ≦１，ｘ１≠ｘ２）を交互に積層することを特徴とする請求項５ないし請求項７のいずれか１項に記載の発光素子の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１１−７７４９６（Ｐ２０１１−７７４９６Ａ）
【公開日】平成２３年４月１４日（２０１１．４．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−６０１５９（Ｐ２０１０−６０１５９）
【出願日】平成２２年３月１７日（２０１０．３．１７）
【出願人】（０００１９０１４９）信越半導体株式会社 (867)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年４月１４日（２０１１．４．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月１７日（２０１０．３．１７）
【出願人】（０００１９０１４９）信越半導体株式会社 (867)
【Ｆターム（参考）】
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