発光素子
【課題】光取り出し効率を向上させた発光素子を提供する。
【解決手段】
本発明の発光素子は、一方主面２Ａに向かって光を発する光半導体層２と、一方主面２Ａとなす内角ｔ１が９０度未満の傾斜面４を有するとともに、光半導体層２の一方主面２Ａ上に列をなして配置された複数の光透過性の突起３と、を含み、複数の突起３を平面視したとき、それぞれの傾斜面４が、複数の突起３が配置された列の一方方向に向けて配置され、複数の突起３を列方向Ｇｅと垂直な方向から断面視したとき、その断面外郭線が一方主面２Ａの法線Ｈｂに対して非線対称形状である。
【解決手段】
本発明の発光素子は、一方主面２Ａに向かって光を発する光半導体層２と、一方主面２Ａとなす内角ｔ１が９０度未満の傾斜面４を有するとともに、光半導体層２の一方主面２Ａ上に列をなして配置された複数の光透過性の突起３と、を含み、複数の突起３を平面視したとき、それぞれの傾斜面４が、複数の突起３が配置された列の一方方向に向けて配置され、複数の突起３を列方向Ｇｅと垂直な方向から断面視したとき、その断面外郭線が一方主面２Ａの法線Ｈｂに対して非線対称形状である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、発光素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
現在、紫外光、青色光、緑色光等を発光する発光素子の開発が行われている。そのような発光素子として、例えば特許文献１が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−２７７３７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
発光素子の開発において、発光素子を発光させた際に内部で発光した光を外部へ取り出す光取り出し効率を改善することが求められている。本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、光取り出し効率を向上させた発光素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明にかかる発光素子は、一方主面に向かって光を発する光半導体層と、前記一方主面となす内角が９０度未満の傾斜面を有するとともに、前記光半導体層の一方主面上に列をなして配置された複数の光透過性の突起と、を含み、前記複数の突起を平面視したとき、それぞれの前記傾斜面が、前記複数の突起が配置された列の一方方向に向けて配置され、前記複数の突起を前記列方向と垂直な方向から断面視したとき、その断面外郭線が一方主面の法線に対して非線対称形状である。
【０００６】
また、本発明にかかる発光素子は、基板と、前記基板の一方主面上に設けられ、前記一方主面に向かって光を発する光半導体層と、前記他方主面となす内角が９０度未満の傾斜面を有するとともに、前記基板の他方主面に列をなして配置された複数の光透過性の突起と、を含み、前記複数の突起を平面視したとき、それぞれの前記傾斜面が、前記複数の突起が配置された列の一方方向に向けて配置され、前記複数の突起を前記列方向と垂直な方向から断面視したとき、その断面外郭線が前記他方主面の法線に対して非線対称形状をなしている。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、光取り出し効率を向上させた発光素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の第１の実施形態にかかる発光素子の斜視図である。
【図２】本発明の第１の実施形態にかかる発光素子の平面図あり、図１を平面視したときの平面に相当する。
【図３】図１または２に示す発光素子の断面図であり、図１のＡ−Ａ´線で切断したときの断面に相当する。
【図４】本発明の第１の実施形態にかかる発光素子の一部を拡大した断面図である。
【図５】本発明の第１の実施形態にかかる発光素子の一部を拡大した断面図である。
【図６】本発明の第１の実施形態にかかる発光素子の製造工程を示す発光素子の断面図である。
【図７】本発明の第１の実施形態にかかる発光素子の製造工程を示す発光素子の断面図である。
【図８】本発明の第１の実施形態にかかる発光素子の製造工程を示す発光素子の断面図である。
【図９】本発明の第１の実施形態にかかる発光素子の製造工程を示す発光素子の断面図である。
【図１０】本発明の第１の実施形態にかかる発光素子の製造工程を示す発光素子の断面図である。
【図１１】本発明の第１の実施形態にかかる発光素子の製造工程を示す発光素子の断面図である。
【図１２】本発明の第１の実施形態にかかる発光素子の製造工程を示す発光素子の断面図である。
【図１３】本発明の第１の実施形態にかかる発光素子の製造工程を示す発光素子の断面図である。
【図１４】本発明の第２の実施形態にかかる発光素子の平面図である。
【図１５】図１４に示す発光素子の断面図であり、図１４のＢ−Ｂ´線で切断したときの断面に相当する。
【図１６】本発明の実施形態にかかる発光素子の変形例を示す発光素子の断面図である。
【図１７】本発明の実施形態にかかる発光素子の変形例を示す発光素子の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下に図面を参照して、本発明にかかる発光素子の実施形態について詳細に説明する。
【００１０】
本発明は以下の実施形態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変更を施すことができる。
【００１１】
（第１の実施形態）
＜発光素子の構造＞
図１は本実施形態にかかる発光素子２０の斜視図、図２は図１に示す発光素子２０の平面図を示している。また、図３は断面図であり、図１および２のＡ−Ａ´線で切断したときの断面に相当する。
【００１２】
発光素子２０は、図１乃至３に示すように、基板１と、基板１上に形成された光半導体層２と、光半導体層２の一方主面２Ａ上に形成された突起３と、光半導体層２に電圧を印加する一対の電極５と、を有する。
【００１３】
基板１は、光半導体層２を成長させることが可能な材料を用いることができる。光半導体層２を成長させることが可能な材料としては、例えばサファイア、窒化ガリウム、窒化アルミニウムまたは酸化亜鉛などの結晶性材料を用いることができる。基板１は、かかる結晶性材料を単結晶化した後、単結晶を所望の形状に切断することにより準備される。また、このような基板１は、例えば長方形の平板や略円形状をなすウェハーなどの平面形状に設定される。
【００１４】
基板１は、発光層２ｂで発光した光を発光層２ｂの第１半導体層２ａ側から取り出す場合は、基板１を除去することが可能な材料や透光性の材料を用いることができる。具体的に、基板１として基板１を除去することが可能な材料を用いた場合、基板１上に光半導体層２を形成した後、エッチングなどにより基板１を除去する工程を追加すればよい。また、基板１に透光性の材料を用いた場合、透光性の材料としては、発光層２ｂで発光する光に対して、上述の材料から発光波長を考慮して選択することができる。なお、基板１は、例えば１０μｍ以上１０００μｍ以下の厚みに設定されている。
【００１５】
基板１上には、光半導体層２が設けられている。光半導体層２は、基板１の主面１Ａに形成された第１半導体層２ａと、第１半導体層２ａ上に形成された発光層２ｂと、発光層２ｂ上に形成された第２半導体層２ｃと、から構成されている。なお、光半導体層２は、全体の厚みが例えば１００ｎｍ以上５０００ｎｍ以下に形成されている。
【００１６】
光半導体層２は、ＩＩＩ−Ｖ族半導体を用いることができる。ＩＩＩ−Ｖ族半導体としては、ＩＩＩ族窒化物半導体、ガリウム燐またはガリウムヒ素などを例示することができる。ＩＩＩ族窒化物半導体としては、窒化ガリウム、窒化アルミニウム、窒化インジウムなどを例示することができ、化学式で例示するとＡｌｘ１Ｇａ（１−ｘ１−ｙ１）Ｉｎｙ１Ｎ（０≦ｘ１≦１、０≦ｙ１≦１、ｘ１＋ｙ１≦１）と表すことができる。なお、ＩＩＩ−Ｖ族半導体以外には、例えば酸化亜鉛を用いることができる。
【００１７】
第１半導体層２ａと第２半導体層２ｃとは、それぞれ逆の導電型を有するように形成されている。このような導電型を付与する方法としては、例えばマグネシウムやシリコンを不純物として混ぜる方法を用いることができる。
【００１８】
発光層２ｂは、第１半導体層２ａと第２半導体層２ｃとの間に設けられている。発光層２ｂは、禁制帯幅の広い障壁層と禁制帯幅の狭い井戸層とからなる量子井戸構造が複数回（例えば、２回以上１０回以下）繰り返し、規則的に積層された多層量子井戸構造（ＭＱＷ）としてもよい。なお、前述の障壁層としては、上述した化学式で例示するとＩｎ０．０１Ｇａ０．９９Ｎ層などを用いることができる。また、前述の井戸層としては、Ｉｎ０．１１Ｇａ０．８９Ｎ層などを例示できる。この場合、障壁層の厚みは例えば５ｎｍ以上１５ｎｍ以下、井戸層の厚みは例えば２ｎｍ以上１０ｎｍ以下に設定でき、発光層２ｂ全体の厚みは例えば２５ｎｍ以上１５０ｎｍ以下である。また、このように構成された発光層２ｂでは、例えば３５０ｎｍ以上６００ｎｍ以下の波長の光を発光する。なお、光半導体層２の各層の屈折率は、例えば、１．７０以上２．７０以下に設定される。
【００１９】
突起３が形成された光半導体層２には、発光させるための電圧を印加する一対の電極５がさらに形成されている。このような一対の電極５は、第１半導体層２ａと電気的に接続される第１電極５ａと、第２半導体層２ｃと電気的に接続される第２電極５ｂと、によって対をなしている。かかる第１電極５ａは第１半導体層２ａ上に形成され、第２電極５ｂは第２半導体層２ｃ上に形成されている。このように形成された一対の電極５の第１電極５ａおよび第２電極５ｂに電圧を印加することにより、発光層２ｂを発光させることが可能となる。
【００２０】
第２半導体層２ｃの主面２Ａ上には、突起３が列をなして複数配置されている。これらの突起３は、主面２Ａとなす内角ｔ１が９０度未満の傾斜面４を有している。図４は、図２に示した突起３および第２半導体層２ｃの一部とその周縁部を示す拡大断面図である。突起３は、複数の突起３の列方向Ｇｅと垂直な方向から断面視したときに、その断面外郭線が一方主面の法線Ｈｂに対して非線対称形状となるようになっている。ここで傾斜辺４ａは、傾斜面４を複数の突起３の列方向Ｇｅと垂直な方向から断面視した場合の辺を指し、非線対称形状とは、主面２Ａの法線Ｈｂに対して線対称とならない形状を指す。さらに、断面外郭線とは、断面視したときに突起３の外周の線であり、突起３の表面が波長以下で荒れている場合にはその包絡線を示す。
【００２１】
このような突起３は、平面視形状が円や多角形で形成されており、底面の直径は例えば４５０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下に設定することができる。また、突起３の高さは例えば４００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下に設定することができる。なお、突起３と第２半導体層２ｃとが異なる材料の場合には突起３の高さは底面から頂点までの高さを指し、突起３が第２半導体層２ｃと一体的に形成されている場合は、断面視して主面２Ａと突起３とが重なる線分を底辺とすることができる。
【００２２】
突起３は、発光層２ｂで発光した光を透過する透光性の材料により形成されている。このような突起３としては、例えばチタン、タンタル、アルミニウム、マグネシウム、シリコン、ジルコニウム、ハフニウム、イットリウム、ナトリウム、トリウム、スカンジウム、ネオジウム、ニオブからなる酸化物もしくは弗化物もしくは窒化物の少なくとも一種類を含む材料のうち透光性のものを用いることができる。
【００２３】
また、このような透光性の材料の中でも、第２半導体層２ｃより高い屈折率を有する材料を突起３として用いることが好ましい。具体的には、酸化ジルコニウム、酸化チタン、酸化マグネシウム、酸化ハフニウム、酸化ニオブなどを用いることができる。突起３を第２半導体層２ｃより高い屈折率を有する材料で形成することにより、第２半導体層２ｃと突起３との界面で全反射されて第２半導体層２ｃに戻りにくくすることができる。なお、突起３は第２半導体層２ｃと同じ材料で形成してもよく、その場合には突起３を第２半導体層２ｃと一体的に形成されていても構わない。
【００２４】
さらに突起３は、傾斜面４を有することにより断面外郭線が非線対称形状となっている。突起３の断面外郭線が非線対称形状となっていることから、線対称形状となっている場合と比較して、突起３内の全反射する回数を減らすことができ光半導体層２に戻りにくくすることができる。その結果、発光素子２０の光取り出し効率を向上させることができる。
【００２５】
具体的には、突起３は主面２Ａの法線Ｈｂに対して線対称とならない形状のため、突起３のそれぞれの辺での臨界角が異なるようになり、突起３の底面から入射した光が突起３の端面で全反射した場合であっても、全反射を繰り返しにくくなる。その結果、一度突起３に入射した光は光半導体層２へ戻りにくくなり、発光素子２０の光取り出し効率を向上させることができる。
【００２６】
これに対して、突起が光半導体層の主面の法線に対して線対称となる線対称形状から形成されている場合、突起へ入射した光が全反射を繰り返して光半導体層へ戻りやすくなる。具体的には、突起へ入射した光は、突起の端面で一度全反射されると他の端面でも臨界角より大きくなりやすく全反射されやすくなるため、光半導体層へ戻りやすくなり、その結果、発光素子の光取り出し効率の低下を招きやすくなる。さらに、光半導体層へ戻る光が多くなることから、光半導体層に戻った光が非発光再結合されて熱に変換されるため、発光素子の発光効率の低下を招きやすくなる。
【００２７】
本実施形態において、複数の突起３は、図２および３にも示すように、複数の突起３を平面視したときに、複数の突起３のそれぞれの傾斜面４が、列方向Ｇｅの一方方向に向けて配置されているため、さらに光取り出し効率を向上させることができる。これについて図４を用いて以下に説明する。
【００２８】
図４に示す光線Ｌｉは、光半導体層２の発光層２ｂで発光した光の経路を例示したものである。具体的には、図４の光線Ｌｉに示すように、突起３に入った光の一部すなわち傾斜辺４ａへの入射角が臨界角より大きくなるような光は、傾斜辺４ａで全反射されて隣接する突起３の方へ進むようになる。その後、傾斜辺４ａで反射された光は、隣接する突起３の傾斜辺４ａでさらに上方へ全反射されやすくなる。その結果、発光素子２０の上方での光取り出し効率を向上させることができる。また、複数の突起３の傾斜面４と主面２Ａとのなす内角ｔ１を調整することにより、上方へ全反射される光の量を調節しても構わない。このように内角ｔ１を調整することにより光取り出し効率を調節することができる。なお、内角ｔ１は０度以上９０度未満に設定すればよい。そのなかでも、突起３の配置数や突起３の端面における全反射などの観点から約４０度以上７０度未満に設定することが好ましい。
【００２９】
さらに、図５に示すように、傾斜面４に反射層６を設けてもよい。このように傾斜面４上に反射層６を設けることにより、隣接する突起３の傾斜辺４ａで反射した光を上方へより全反射させやすくすることができる。その結果、発光素子２０の上方での光取り出し効率をより向上させることができる。反射層６としては、例えば金属性材料などを用いることができる。
【００３０】
＜発光素子の製造方法＞
次に、発光素子２０の製造方法を説明する。図６から図１６は、発光素子２０の製造方法を説明するための断面図であり、図１および２に示す発光素子２０のＡ―Ａ´線における断面に相当する部分を示している。
【００３１】
（光半導体層準備工程）
図６に示すように、基板１を準備する。かかる基板１としては、上述したとおり、例えば長方形の平板や略円形状をなすウェハーなどの平面形状のものを用いることができる。
【００３２】
次に、図７に示すように、基板１の主面１Ａ上に光半導体層２を形成する。光半導体層２すなわち第１半導体層２ａ、発光層２ｂおよび第２半導体層２ｃを成長させる方法として、分子線エピタキシー（MBE:Molecular Beam Epitaxy）法、有機金属エピタキシー（MOVPE:Metal Organic Vapor Phase Epitaxy）法、ハイドライド気相成長（HVPE:Hydride Vapor Phase Epitaxy）法またはパルスレーザデポジション（PLD:Pulsed Laser Deposition）法などを用いることができる。このような光半導体層２の材料として、例えばＩＩＩ−Ｖ族半導体を用いることができる。なお、基板１上に積層する光半導体層２は、全体の厚みを例えば１００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下に設定することができる。
【００３３】
（突起形成工程）
次に、このように形成された光半導体層２の第２半導体層２ｃの主面２Ａには、傾斜面４を有する突起３が形成される。突起３の形成方向を具体的に図８〜１１を用いて、以下に説明する。
【００３４】
まず、図８に示すように、第２半導体層２ｃの主面２Ａ上に積層膜１０を形成する。この積層膜１０の材料は、突起３となる材料を用いる。突起３の材料としては、例えばＴｉ，Ｔａ，Ａｌ，Ｍｇ，Ｓｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｙ，Ｔｈ，Ｓｃ，Ｎｄ，Ｎｂ，Ｎａからなる酸化物もしくは弗化物もしくは窒化物の少なくとも一種類を含む材料のうち透光性のものを用いることができる。また、積層膜１０の厚みは突起３と同じ厚さで形成すればよく、例えば４００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下に設定することができる。
【００３５】
このような積層膜１０は、例えばスピンコート法、スパッタ法または蒸着法などの物理的な積層方法により形成することができる。このように例示した積層方法の中でもスピンコート法を用いた場合には、均一な膜を短時間で成膜することができるため、積層膜１０の形成時間を短縮することができ、生産性を向上させることができる。
【００３６】
第２半導体層２ｃの主面２Ａ上に積層膜１０を形成した後、図９に示すように、積層膜１０の主面１０Ａ上に、積層膜１０の一部が露出する露出領域１３を有するように複数の貫通孔を備えた第１マスクパターン１１を形成する。第１マスクパターン１１の露出領域１３の平面視形状は、形成する突起３の形状に合わせて設定することができ、例えば多角形状や円形状を用いることができる。
【００３７】
第１マスクパターン１１を形成する方法としては、例えば従来のフォトリソグラフィ法などを用いることができる。このような第１マスクパターン１１を形成することにより、平面透視して、第１マスクパターン１１と積層膜１０との重なる位置に線対称の予備突起１４を形成することができる。
【００３８】
このように第１マスクパターン１１を光半導体層２の主面２Ａ上に形成した後、積層膜１０の露出領域１３をウェットエッチングやドライエッチングなどのエッチング法で、積層膜１０を主面１０Ａから深さ方向に積層膜１０の一部を除去することにより、予備突起１４を形成する。具体的には、例えばウェットエッチングを用いて台形状の予備突起１４を形成する場合、サイドエッチなどを用いることができる。このようして形成される予備突起１４は、第２半導体層２の主面２Ａ上に主面２Ａの法線に対して線対称形状となっている。また予備突起１４は、断面視した時の断面外郭線が例えば台形や四角形などの多角形形状に設定することができる。
【００３９】
その後、図１１に示すように、予備突起１４の一部を被覆する第２マスクパターン１２を形成する。第２マスクパターン１２は、第２半導体層２ｃの主面２Ａに対して傾いた上方向から第２マスクパターン１２の材料をスパッタ法や蒸着法などの物理的な積層方法を用いることにより、予備突起１４の一部を被覆する第２マスクパターン１２を形成することができる。このような積層方法のなかでも、第２マスクパターン１２の材料の回り込みが少ない蒸着法を用いることが好ましい。具体的には、例えばＸ軸からＺ軸方向へ約４５度傾いた位置から蒸着法により第２マスクパターン１２を形成することができる。ここで、Ｘ軸およびＹ軸は、ＸＹ平面を第２半導体層２ｃの主面２Ａと平行となるように取り、Ｚ軸はＸＹ平面に対して垂直な方向とする。
【００４０】
第１マスクパターン１１および第２マスクパターン１２のマスク材料としては、エッチングされる積層膜１０とエッチングされにくいマスク材料の選択比によって選ぶことができ、例えば酸化シリコン、窒化シリコンなどの無機材料やクロム、ニッケルなどの金属を用いることができる。
【００４１】
さらに、このように第２マスクパターン１２を形成した後、Ｚ軸方向と垂直な上方向からエッチング法などを用いて、予備突起１４の一部を除去する。これにより、図１２に示すように、第２半導体層２ｃの主面２Ａの法線に対して非線対称形状となる突起３を形成することができる。
【００４２】
（電極形成工程）
次に、このようにして形成された光半導体層２に電圧を印加して発光層２ｂを発光させる一対の電極５を形成する。このような一対の電極５は、第１半導体層２ａと接続する第１電極５ａと第２半導体層２ｃと接続する第２電極５ｂにより構成されている。
【００４３】
第１電極５ａを設けるために、電極用溝１５を光半導体層２に形成する。具体的には、図１３に示すように、第２半導体層２ｃ、発光層２ｂおよび第１半導体層２ａの一部まで順に第２半導体層２ｃの上面からエッチング法などを用いて電極用溝１５を形成する。
【００４４】
その後、電極用溝１５の底面すなわち第１半導体層２ａの露出部に、第１半導体層２ａと電気的に接続される第１電極５ａが形成される。さらに、第２半導体層２ｃの主面２Ａに、第２半導体層２ｃと電気的に接続される第２電極５ｂが形成される。以上のようにして、一対の電極５が形成される。
【００４５】
一対の電極５の材料としては、アルミニウム、チタン、ニッケル、クロム、インジウム、錫、モリブデン、銀、金、ニオブ、タンタル、バナジウム、白金、鉛またはベリリウムなどの金属や、酸化錫、酸化インジウムまたは酸化インジウム錫などの酸化物や、金−シリコン合金、金−ゲルマニウム合金、金−亜鉛合金または金−ベリリウム合金などの合金膜を好適に用いることができる。また、一対の電極５は、それぞれ上記材質の中から選択した層を複数層積層したものとしても構わない。
【００４６】
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態にかかる発光素子２１について説明する。第１の実施形態にかかる発光素子２０と重複する部分については同一符号を付し、その説明を省略する。
【００４７】
図１４および１５は、第２の実施形態にかかる発光素子２１を示す図である。図１４は、発光素子２１の平面図、図１５は図１４のＢ−Ｂ´線で切断したときの断面に相当する。第２の実施形態かかる発光素子２１は、第１の実施形態にかかる発光素子２０と比較して突起８が基板１の主面１Ｂ上に設けられている点で異なっている。
【００４８】
具体的に本実施形態にかかる発光素子２１は、基板１と、基板１の主面１Ａに設けられ、主面１Ａに向かって光を発する光半導体層２と、主面１Ｂとなす内角ｔ２が９０度未満の傾斜面９を有するとともに、基板１の主面１Ｂに列をなして配置された複数の光透過性の突起８と、が形成されている。さらに、突起８は、複数の突起８を平面視したとき、それぞれの傾斜面９が、複数の突起８が配置された列の一方方向に向けて配置され、複数の突起８を列方向Ｇｅと垂直な方向から断面視したとき、その断面外郭線が主面１Ｂの法線に対して非線対称形状をなしている。
【００４９】
このように突起８が基板１の主面１Ｂ上に形成されていることから、発光層２ｂで発光した光を基板１側から取り出す場合に光取り出し効率を向上させることができる。
【００５０】
（変形例１）
図１６は上述した実施形態にかかる発光素子２０の突起３の変形例を示す拡大断面図である。第１の実施形態にかかる発光素子２０と重複する部分については同一符号を付し、その説明を省略する。
【００５１】
図１６の拡大断面図は図４の拡大断面図に相当するものである。図１６（ａ）は、傾斜辺４ｂを有することにより五角形状の断面外郭線をなし、且つ第２半導体層２ｃの主面２Ａの法線Ｈｂに対して非線対称形状をなしている。この場合、傾斜辺４ｂと主面２Ａとのなす内角ｔ３は、傾斜辺４ｂを延長した仮想直線と主面２Ａとがなす内角を指す。このような五角形状の断面外郭線を有する突起３は、例えば予備突起１４の上面の一部にマスクを形成した後に主面２Ａに対して傾斜方向からエッチングすることにより断面外郭線を五角形となる突起３を形成することができる。そのため、かかる非線対称形状の突起３を少ないエッチングの回数で形成することができ、比較的容易に形成することができる。
【００５２】
次に、図１６（ｂ）は、傾斜辺４ｃを突起３の先端に有することにより四角形状の断面外郭線をなし、且つ第２半導体層２ｃの主面２Ａの法線Ｈｂに対して非線対称形状をなしている。この場合、主面２Ａとなす内角ｔ４は、傾斜辺４ｃを延長した仮想直線と主面２Ａとがなす内角を指す。このように突起３を形成する場合には、主面２Ａに対して傾斜方向からエッチングすることにより非線対称形状を形成することができる。そのため、かかる非線対称形状の突起３を少ないエッチングの回数で形成することができ、比較的容易に形成することができる。また突起３の上面が傾斜していることから、かかる上面で全反射されにくくなり、突起３の上方へ多く光を取り出すことができる。
【００５３】
さらに、図１６（ｃ）は、角度の異なる傾斜辺４ｄおよび傾斜辺４ｅを有することにより五角形状の断面外郭線をなし、且つ第２半導体層２ｃの主面２Ａの法線Ｈｂに対して非線対称形状をなしている。この場合、主面２Ａとなす内角ｔ５は傾斜辺４ｄを延長した仮想直線と主面２Ａとがなす内角を指し、主面２Ａとなす内角ｔ６は傾斜辺４ｅを延長した仮想直線と主面２Ａとがなす内角を指す。このように断面外郭線が２つの傾斜辺を有する突起３は、主面２Ａに対して傾斜方向から角度を変えて２回エッチングすることにより設けることができる。このことから、突起３のうち光半導体層２の主面２Ａに対して傾斜している辺が多くなり、突起３の中で全反射を繰り返しにくくすることができる。
【００５４】
本変形例１においては第２半導体層２ｃ上に形成される突起３の場合について説明したが、このような変形例１は基板１上に形成される突起８にも容易に適用することができるものであり、突起８に適用した場合にも同様の効果を得ることができる。
【００５５】
（変形例２）
図１７は上述した実施形態にかかる発光素子２０の突起３の変形例を示す拡大断面図である。第１の実施形態にかかる発光素子２０と重複する部分については同一符号を付し、その説明を省略する。
【００５６】
図１７（ａ）は本変形例にかかる発光素子２０の斜視図、図１７（ｂ）は図１７（ａ）に示す発光素子２０の平面図を示している。本変形例にかかる発光素子２０は、突起１６が、平面視したときに、その外郭線が四角形である。さらに、かかる四角形の隣り合う２辺には、Ｘ軸に平行な列方向Ｇｅ−Ｘの一方方向に向けて配置された傾斜辺１７と、Ｙ軸に平行な列方向Ｇｅ−Ｙの一方方向に向けて配置された傾斜辺１７と、が連続して形成されている。ここで、Ｘ軸およびＹ軸は第２半導体層２ｃの主面２Ａと平行な面を構成する軸を指している。なお、かかる外郭線は四角形に限定されるものではなく、五角形や６角形などの多角形を用いることができる。
【００５７】
このように突起１６が形成されていることから、突起１６が配置された列方向の２方向に対して断面外郭線が非線対称形状をなすようになり、結果として光取り出し効率をさらに向上させることができる。
【００５８】
（変形例３）
上述では基板１として平板のものを用いた場合について説明したが、基板１として主面１Ａに凹凸を形成したものを用いてもよい。このような基板１は、例えば基板１の一部をエッチングすることにより基板１の主面１Ａに凹凸を形成することにより準備することができる。このような基板１上に、第１半導体層２ａを横方向成長させることにより、転位の少ない光半導体層２を形成することができる。
【００５９】
第１半導体層２ａを横方向成長させる方法としては、例えば第１半導体層２ａの組成比、成長温度および成長圧力などの成長条件を調整すればよい。これにより第１半導体層２ａの成長速度を基板１の主面１Ａに対する垂直方向と水平方向とで制御することができ、第１半導体層２ａを横方向成長させることができる。
【００６０】
このように第１半導体層２ａを基板１上に横方向成長させることにより、発光層２ｂにまで延在する転位の数および位置を制御しつつ成長速度を早めることができ、光半導体層２の生産性を向上させることができる。このように基板１に凹凸を形成して横方向成長させた場合には、発光層２ｂにまで延在する転位が凸部上に存在しやすくなる。なお、このような凸部は高さが例えば５０μｍ以上３００μｍ以下に設定することができる。
【００６１】
さらに、このようにして凹凸を有する基板１上に第１半導体層を横方向成長させる場合、発光層２ｂまで延在する転位の位置を制御することができる。そのため、第１マスクパターン１１を平面透視して基板１の凹部と重なる位置に形成することが好ましい。基板１の凹部の位置に対応するような第１マスクパターン１１を形成した場合、平面透視して突起３を基板１上と重なる位置に形成することができるため、発光層２ｂで発光した光を効率よく取り出すことができる。
【００６２】
（変形例４）
上述では、突起３を形成する方法の１つとして、マスクパターンを用いて突起３を形成する方法について説明したが、突起３を形成する方法の１つとしてナノインプリント法を用いてもよい。
【００６３】
ナノインプリント法を用いて突起３を形成する場合には、第２半導体層２ｃ上に積層膜１０を形成した後、積層膜１０上に突起３と同じ形状のマスクを形成する。その後、このように形成したマスクをエッチングすることにより、積層膜１０にマスクと同じ形状すなわち突起３の形状を転写することができる。ここで、このようなマスクは、積層膜１０にレジスト膜を成膜した後、レジスト膜にナノインプリントモールドを押し付けることにより所望の形状に形成することができる。
【００６４】
ここで、ナノインプリントモールドとは、レジスト膜に押し付ける面に突起３と同じ形状の凹部が形成されており、これをレジスト膜に押し付けることにより所望の形状に形成することができる。このようなナノインプリントモールドは、例えばシリコンやシリコンカーバイドなどの結晶性材料を用いることができ、シリコンを用いた場合であれば異方性エッチングなどにより凹部を形成することができる。
【実施例】
【００６５】
本発明の発光素子の実施例を以下に説明する。
【００６６】
本発明の発光素子の効果を確認するために、光線追跡法による光取り出し効率のシミュレーションを行った。シミュレーションモデルは、図１５に示すような、突起８を基板１上に形成した発光素子である。
【００６７】
本実施例における発光素子は、基板は厚み２５０μｍのサファイア（屈折率１．７９）、光半導体層は厚み３μｍの窒化ガリウム（屈折率２．５）から構成されている。
【００６８】
光半導体層の各層の屈折率はその組成によって変化するが、その差はわずか数パーセント程度であるため、今回のシミュレーションでは一定の屈折率とした。また、外部は空気（屈折率１）であるとし、発光層で発光する光の発光波長は４００ｎｍとした。さらに、突起は底辺の直径を１μｍ、高さを１μｍとした。
【００６９】
このシミュレーションの結果、突起の断面外郭線が主面１Ｂの法線に対して線対称形状の四角形を設けた突起と比較して、傾斜面９を設けて非線対称形状とした突起の方が１．３倍の光取り出し効率の向上することがわかった。
【符号の説明】
【００７０】
１ 基板
２ 光半導体層
２ａ 第１半導体層
２ｂ 発光層
２ｃ 第２半導体層
３ 突起
４ 傾斜面
４ａ 傾斜辺
５ 一対の電極
５ａ 第１電極
５ｂ 第２電極
６ 反射層
１０ 積層膜
１１ 第１マスクパターン
１２ 第２マスクパターン
１３ 露出領域
１４ 予備突起
１５ 電極用溝
２０ 発光素子
【技術分野】
【０００１】
この発明は、発光素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
現在、紫外光、青色光、緑色光等を発光する発光素子の開発が行われている。そのような発光素子として、例えば特許文献１が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−２７７３７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
発光素子の開発において、発光素子を発光させた際に内部で発光した光を外部へ取り出す光取り出し効率を改善することが求められている。本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、光取り出し効率を向上させた発光素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明にかかる発光素子は、一方主面に向かって光を発する光半導体層と、前記一方主面となす内角が９０度未満の傾斜面を有するとともに、前記光半導体層の一方主面上に列をなして配置された複数の光透過性の突起と、を含み、前記複数の突起を平面視したとき、それぞれの前記傾斜面が、前記複数の突起が配置された列の一方方向に向けて配置され、前記複数の突起を前記列方向と垂直な方向から断面視したとき、その断面外郭線が一方主面の法線に対して非線対称形状である。
【０００６】
また、本発明にかかる発光素子は、基板と、前記基板の一方主面上に設けられ、前記一方主面に向かって光を発する光半導体層と、前記他方主面となす内角が９０度未満の傾斜面を有するとともに、前記基板の他方主面に列をなして配置された複数の光透過性の突起と、を含み、前記複数の突起を平面視したとき、それぞれの前記傾斜面が、前記複数の突起が配置された列の一方方向に向けて配置され、前記複数の突起を前記列方向と垂直な方向から断面視したとき、その断面外郭線が前記他方主面の法線に対して非線対称形状をなしている。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、光取り出し効率を向上させた発光素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の第１の実施形態にかかる発光素子の斜視図である。
【図２】本発明の第１の実施形態にかかる発光素子の平面図あり、図１を平面視したときの平面に相当する。
【図３】図１または２に示す発光素子の断面図であり、図１のＡ−Ａ´線で切断したときの断面に相当する。
【図４】本発明の第１の実施形態にかかる発光素子の一部を拡大した断面図である。
【図５】本発明の第１の実施形態にかかる発光素子の一部を拡大した断面図である。
【図６】本発明の第１の実施形態にかかる発光素子の製造工程を示す発光素子の断面図である。
【図７】本発明の第１の実施形態にかかる発光素子の製造工程を示す発光素子の断面図である。
【図８】本発明の第１の実施形態にかかる発光素子の製造工程を示す発光素子の断面図である。
【図９】本発明の第１の実施形態にかかる発光素子の製造工程を示す発光素子の断面図である。
【図１０】本発明の第１の実施形態にかかる発光素子の製造工程を示す発光素子の断面図である。
【図１１】本発明の第１の実施形態にかかる発光素子の製造工程を示す発光素子の断面図である。
【図１２】本発明の第１の実施形態にかかる発光素子の製造工程を示す発光素子の断面図である。
【図１３】本発明の第１の実施形態にかかる発光素子の製造工程を示す発光素子の断面図である。
【図１４】本発明の第２の実施形態にかかる発光素子の平面図である。
【図１５】図１４に示す発光素子の断面図であり、図１４のＢ−Ｂ´線で切断したときの断面に相当する。
【図１６】本発明の実施形態にかかる発光素子の変形例を示す発光素子の断面図である。
【図１７】本発明の実施形態にかかる発光素子の変形例を示す発光素子の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下に図面を参照して、本発明にかかる発光素子の実施形態について詳細に説明する。
【００１０】
本発明は以下の実施形態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変更を施すことができる。
【００１１】
（第１の実施形態）
＜発光素子の構造＞
図１は本実施形態にかかる発光素子２０の斜視図、図２は図１に示す発光素子２０の平面図を示している。また、図３は断面図であり、図１および２のＡ−Ａ´線で切断したときの断面に相当する。
【００１２】
発光素子２０は、図１乃至３に示すように、基板１と、基板１上に形成された光半導体層２と、光半導体層２の一方主面２Ａ上に形成された突起３と、光半導体層２に電圧を印加する一対の電極５と、を有する。
【００１３】
基板１は、光半導体層２を成長させることが可能な材料を用いることができる。光半導体層２を成長させることが可能な材料としては、例えばサファイア、窒化ガリウム、窒化アルミニウムまたは酸化亜鉛などの結晶性材料を用いることができる。基板１は、かかる結晶性材料を単結晶化した後、単結晶を所望の形状に切断することにより準備される。また、このような基板１は、例えば長方形の平板や略円形状をなすウェハーなどの平面形状に設定される。
【００１４】
基板１は、発光層２ｂで発光した光を発光層２ｂの第１半導体層２ａ側から取り出す場合は、基板１を除去することが可能な材料や透光性の材料を用いることができる。具体的に、基板１として基板１を除去することが可能な材料を用いた場合、基板１上に光半導体層２を形成した後、エッチングなどにより基板１を除去する工程を追加すればよい。また、基板１に透光性の材料を用いた場合、透光性の材料としては、発光層２ｂで発光する光に対して、上述の材料から発光波長を考慮して選択することができる。なお、基板１は、例えば１０μｍ以上１０００μｍ以下の厚みに設定されている。
【００１５】
基板１上には、光半導体層２が設けられている。光半導体層２は、基板１の主面１Ａに形成された第１半導体層２ａと、第１半導体層２ａ上に形成された発光層２ｂと、発光層２ｂ上に形成された第２半導体層２ｃと、から構成されている。なお、光半導体層２は、全体の厚みが例えば１００ｎｍ以上５０００ｎｍ以下に形成されている。
【００１６】
光半導体層２は、ＩＩＩ−Ｖ族半導体を用いることができる。ＩＩＩ−Ｖ族半導体としては、ＩＩＩ族窒化物半導体、ガリウム燐またはガリウムヒ素などを例示することができる。ＩＩＩ族窒化物半導体としては、窒化ガリウム、窒化アルミニウム、窒化インジウムなどを例示することができ、化学式で例示するとＡｌｘ１Ｇａ（１−ｘ１−ｙ１）Ｉｎｙ１Ｎ（０≦ｘ１≦１、０≦ｙ１≦１、ｘ１＋ｙ１≦１）と表すことができる。なお、ＩＩＩ−Ｖ族半導体以外には、例えば酸化亜鉛を用いることができる。
【００１７】
第１半導体層２ａと第２半導体層２ｃとは、それぞれ逆の導電型を有するように形成されている。このような導電型を付与する方法としては、例えばマグネシウムやシリコンを不純物として混ぜる方法を用いることができる。
【００１８】
発光層２ｂは、第１半導体層２ａと第２半導体層２ｃとの間に設けられている。発光層２ｂは、禁制帯幅の広い障壁層と禁制帯幅の狭い井戸層とからなる量子井戸構造が複数回（例えば、２回以上１０回以下）繰り返し、規則的に積層された多層量子井戸構造（ＭＱＷ）としてもよい。なお、前述の障壁層としては、上述した化学式で例示するとＩｎ０．０１Ｇａ０．９９Ｎ層などを用いることができる。また、前述の井戸層としては、Ｉｎ０．１１Ｇａ０．８９Ｎ層などを例示できる。この場合、障壁層の厚みは例えば５ｎｍ以上１５ｎｍ以下、井戸層の厚みは例えば２ｎｍ以上１０ｎｍ以下に設定でき、発光層２ｂ全体の厚みは例えば２５ｎｍ以上１５０ｎｍ以下である。また、このように構成された発光層２ｂでは、例えば３５０ｎｍ以上６００ｎｍ以下の波長の光を発光する。なお、光半導体層２の各層の屈折率は、例えば、１．７０以上２．７０以下に設定される。
【００１９】
突起３が形成された光半導体層２には、発光させるための電圧を印加する一対の電極５がさらに形成されている。このような一対の電極５は、第１半導体層２ａと電気的に接続される第１電極５ａと、第２半導体層２ｃと電気的に接続される第２電極５ｂと、によって対をなしている。かかる第１電極５ａは第１半導体層２ａ上に形成され、第２電極５ｂは第２半導体層２ｃ上に形成されている。このように形成された一対の電極５の第１電極５ａおよび第２電極５ｂに電圧を印加することにより、発光層２ｂを発光させることが可能となる。
【００２０】
第２半導体層２ｃの主面２Ａ上には、突起３が列をなして複数配置されている。これらの突起３は、主面２Ａとなす内角ｔ１が９０度未満の傾斜面４を有している。図４は、図２に示した突起３および第２半導体層２ｃの一部とその周縁部を示す拡大断面図である。突起３は、複数の突起３の列方向Ｇｅと垂直な方向から断面視したときに、その断面外郭線が一方主面の法線Ｈｂに対して非線対称形状となるようになっている。ここで傾斜辺４ａは、傾斜面４を複数の突起３の列方向Ｇｅと垂直な方向から断面視した場合の辺を指し、非線対称形状とは、主面２Ａの法線Ｈｂに対して線対称とならない形状を指す。さらに、断面外郭線とは、断面視したときに突起３の外周の線であり、突起３の表面が波長以下で荒れている場合にはその包絡線を示す。
【００２１】
このような突起３は、平面視形状が円や多角形で形成されており、底面の直径は例えば４５０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下に設定することができる。また、突起３の高さは例えば４００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下に設定することができる。なお、突起３と第２半導体層２ｃとが異なる材料の場合には突起３の高さは底面から頂点までの高さを指し、突起３が第２半導体層２ｃと一体的に形成されている場合は、断面視して主面２Ａと突起３とが重なる線分を底辺とすることができる。
【００２２】
突起３は、発光層２ｂで発光した光を透過する透光性の材料により形成されている。このような突起３としては、例えばチタン、タンタル、アルミニウム、マグネシウム、シリコン、ジルコニウム、ハフニウム、イットリウム、ナトリウム、トリウム、スカンジウム、ネオジウム、ニオブからなる酸化物もしくは弗化物もしくは窒化物の少なくとも一種類を含む材料のうち透光性のものを用いることができる。
【００２３】
また、このような透光性の材料の中でも、第２半導体層２ｃより高い屈折率を有する材料を突起３として用いることが好ましい。具体的には、酸化ジルコニウム、酸化チタン、酸化マグネシウム、酸化ハフニウム、酸化ニオブなどを用いることができる。突起３を第２半導体層２ｃより高い屈折率を有する材料で形成することにより、第２半導体層２ｃと突起３との界面で全反射されて第２半導体層２ｃに戻りにくくすることができる。なお、突起３は第２半導体層２ｃと同じ材料で形成してもよく、その場合には突起３を第２半導体層２ｃと一体的に形成されていても構わない。
【００２４】
さらに突起３は、傾斜面４を有することにより断面外郭線が非線対称形状となっている。突起３の断面外郭線が非線対称形状となっていることから、線対称形状となっている場合と比較して、突起３内の全反射する回数を減らすことができ光半導体層２に戻りにくくすることができる。その結果、発光素子２０の光取り出し効率を向上させることができる。
【００２５】
具体的には、突起３は主面２Ａの法線Ｈｂに対して線対称とならない形状のため、突起３のそれぞれの辺での臨界角が異なるようになり、突起３の底面から入射した光が突起３の端面で全反射した場合であっても、全反射を繰り返しにくくなる。その結果、一度突起３に入射した光は光半導体層２へ戻りにくくなり、発光素子２０の光取り出し効率を向上させることができる。
【００２６】
これに対して、突起が光半導体層の主面の法線に対して線対称となる線対称形状から形成されている場合、突起へ入射した光が全反射を繰り返して光半導体層へ戻りやすくなる。具体的には、突起へ入射した光は、突起の端面で一度全反射されると他の端面でも臨界角より大きくなりやすく全反射されやすくなるため、光半導体層へ戻りやすくなり、その結果、発光素子の光取り出し効率の低下を招きやすくなる。さらに、光半導体層へ戻る光が多くなることから、光半導体層に戻った光が非発光再結合されて熱に変換されるため、発光素子の発光効率の低下を招きやすくなる。
【００２７】
本実施形態において、複数の突起３は、図２および３にも示すように、複数の突起３を平面視したときに、複数の突起３のそれぞれの傾斜面４が、列方向Ｇｅの一方方向に向けて配置されているため、さらに光取り出し効率を向上させることができる。これについて図４を用いて以下に説明する。
【００２８】
図４に示す光線Ｌｉは、光半導体層２の発光層２ｂで発光した光の経路を例示したものである。具体的には、図４の光線Ｌｉに示すように、突起３に入った光の一部すなわち傾斜辺４ａへの入射角が臨界角より大きくなるような光は、傾斜辺４ａで全反射されて隣接する突起３の方へ進むようになる。その後、傾斜辺４ａで反射された光は、隣接する突起３の傾斜辺４ａでさらに上方へ全反射されやすくなる。その結果、発光素子２０の上方での光取り出し効率を向上させることができる。また、複数の突起３の傾斜面４と主面２Ａとのなす内角ｔ１を調整することにより、上方へ全反射される光の量を調節しても構わない。このように内角ｔ１を調整することにより光取り出し効率を調節することができる。なお、内角ｔ１は０度以上９０度未満に設定すればよい。そのなかでも、突起３の配置数や突起３の端面における全反射などの観点から約４０度以上７０度未満に設定することが好ましい。
【００２９】
さらに、図５に示すように、傾斜面４に反射層６を設けてもよい。このように傾斜面４上に反射層６を設けることにより、隣接する突起３の傾斜辺４ａで反射した光を上方へより全反射させやすくすることができる。その結果、発光素子２０の上方での光取り出し効率をより向上させることができる。反射層６としては、例えば金属性材料などを用いることができる。
【００３０】
＜発光素子の製造方法＞
次に、発光素子２０の製造方法を説明する。図６から図１６は、発光素子２０の製造方法を説明するための断面図であり、図１および２に示す発光素子２０のＡ―Ａ´線における断面に相当する部分を示している。
【００３１】
（光半導体層準備工程）
図６に示すように、基板１を準備する。かかる基板１としては、上述したとおり、例えば長方形の平板や略円形状をなすウェハーなどの平面形状のものを用いることができる。
【００３２】
次に、図７に示すように、基板１の主面１Ａ上に光半導体層２を形成する。光半導体層２すなわち第１半導体層２ａ、発光層２ｂおよび第２半導体層２ｃを成長させる方法として、分子線エピタキシー（MBE:Molecular Beam Epitaxy）法、有機金属エピタキシー（MOVPE:Metal Organic Vapor Phase Epitaxy）法、ハイドライド気相成長（HVPE:Hydride Vapor Phase Epitaxy）法またはパルスレーザデポジション（PLD:Pulsed Laser Deposition）法などを用いることができる。このような光半導体層２の材料として、例えばＩＩＩ−Ｖ族半導体を用いることができる。なお、基板１上に積層する光半導体層２は、全体の厚みを例えば１００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下に設定することができる。
【００３３】
（突起形成工程）
次に、このように形成された光半導体層２の第２半導体層２ｃの主面２Ａには、傾斜面４を有する突起３が形成される。突起３の形成方向を具体的に図８〜１１を用いて、以下に説明する。
【００３４】
まず、図８に示すように、第２半導体層２ｃの主面２Ａ上に積層膜１０を形成する。この積層膜１０の材料は、突起３となる材料を用いる。突起３の材料としては、例えばＴｉ，Ｔａ，Ａｌ，Ｍｇ，Ｓｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｙ，Ｔｈ，Ｓｃ，Ｎｄ，Ｎｂ，Ｎａからなる酸化物もしくは弗化物もしくは窒化物の少なくとも一種類を含む材料のうち透光性のものを用いることができる。また、積層膜１０の厚みは突起３と同じ厚さで形成すればよく、例えば４００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下に設定することができる。
【００３５】
このような積層膜１０は、例えばスピンコート法、スパッタ法または蒸着法などの物理的な積層方法により形成することができる。このように例示した積層方法の中でもスピンコート法を用いた場合には、均一な膜を短時間で成膜することができるため、積層膜１０の形成時間を短縮することができ、生産性を向上させることができる。
【００３６】
第２半導体層２ｃの主面２Ａ上に積層膜１０を形成した後、図９に示すように、積層膜１０の主面１０Ａ上に、積層膜１０の一部が露出する露出領域１３を有するように複数の貫通孔を備えた第１マスクパターン１１を形成する。第１マスクパターン１１の露出領域１３の平面視形状は、形成する突起３の形状に合わせて設定することができ、例えば多角形状や円形状を用いることができる。
【００３７】
第１マスクパターン１１を形成する方法としては、例えば従来のフォトリソグラフィ法などを用いることができる。このような第１マスクパターン１１を形成することにより、平面透視して、第１マスクパターン１１と積層膜１０との重なる位置に線対称の予備突起１４を形成することができる。
【００３８】
このように第１マスクパターン１１を光半導体層２の主面２Ａ上に形成した後、積層膜１０の露出領域１３をウェットエッチングやドライエッチングなどのエッチング法で、積層膜１０を主面１０Ａから深さ方向に積層膜１０の一部を除去することにより、予備突起１４を形成する。具体的には、例えばウェットエッチングを用いて台形状の予備突起１４を形成する場合、サイドエッチなどを用いることができる。このようして形成される予備突起１４は、第２半導体層２の主面２Ａ上に主面２Ａの法線に対して線対称形状となっている。また予備突起１４は、断面視した時の断面外郭線が例えば台形や四角形などの多角形形状に設定することができる。
【００３９】
その後、図１１に示すように、予備突起１４の一部を被覆する第２マスクパターン１２を形成する。第２マスクパターン１２は、第２半導体層２ｃの主面２Ａに対して傾いた上方向から第２マスクパターン１２の材料をスパッタ法や蒸着法などの物理的な積層方法を用いることにより、予備突起１４の一部を被覆する第２マスクパターン１２を形成することができる。このような積層方法のなかでも、第２マスクパターン１２の材料の回り込みが少ない蒸着法を用いることが好ましい。具体的には、例えばＸ軸からＺ軸方向へ約４５度傾いた位置から蒸着法により第２マスクパターン１２を形成することができる。ここで、Ｘ軸およびＹ軸は、ＸＹ平面を第２半導体層２ｃの主面２Ａと平行となるように取り、Ｚ軸はＸＹ平面に対して垂直な方向とする。
【００４０】
第１マスクパターン１１および第２マスクパターン１２のマスク材料としては、エッチングされる積層膜１０とエッチングされにくいマスク材料の選択比によって選ぶことができ、例えば酸化シリコン、窒化シリコンなどの無機材料やクロム、ニッケルなどの金属を用いることができる。
【００４１】
さらに、このように第２マスクパターン１２を形成した後、Ｚ軸方向と垂直な上方向からエッチング法などを用いて、予備突起１４の一部を除去する。これにより、図１２に示すように、第２半導体層２ｃの主面２Ａの法線に対して非線対称形状となる突起３を形成することができる。
【００４２】
（電極形成工程）
次に、このようにして形成された光半導体層２に電圧を印加して発光層２ｂを発光させる一対の電極５を形成する。このような一対の電極５は、第１半導体層２ａと接続する第１電極５ａと第２半導体層２ｃと接続する第２電極５ｂにより構成されている。
【００４３】
第１電極５ａを設けるために、電極用溝１５を光半導体層２に形成する。具体的には、図１３に示すように、第２半導体層２ｃ、発光層２ｂおよび第１半導体層２ａの一部まで順に第２半導体層２ｃの上面からエッチング法などを用いて電極用溝１５を形成する。
【００４４】
その後、電極用溝１５の底面すなわち第１半導体層２ａの露出部に、第１半導体層２ａと電気的に接続される第１電極５ａが形成される。さらに、第２半導体層２ｃの主面２Ａに、第２半導体層２ｃと電気的に接続される第２電極５ｂが形成される。以上のようにして、一対の電極５が形成される。
【００４５】
一対の電極５の材料としては、アルミニウム、チタン、ニッケル、クロム、インジウム、錫、モリブデン、銀、金、ニオブ、タンタル、バナジウム、白金、鉛またはベリリウムなどの金属や、酸化錫、酸化インジウムまたは酸化インジウム錫などの酸化物や、金−シリコン合金、金−ゲルマニウム合金、金−亜鉛合金または金−ベリリウム合金などの合金膜を好適に用いることができる。また、一対の電極５は、それぞれ上記材質の中から選択した層を複数層積層したものとしても構わない。
【００４６】
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態にかかる発光素子２１について説明する。第１の実施形態にかかる発光素子２０と重複する部分については同一符号を付し、その説明を省略する。
【００４７】
図１４および１５は、第２の実施形態にかかる発光素子２１を示す図である。図１４は、発光素子２１の平面図、図１５は図１４のＢ−Ｂ´線で切断したときの断面に相当する。第２の実施形態かかる発光素子２１は、第１の実施形態にかかる発光素子２０と比較して突起８が基板１の主面１Ｂ上に設けられている点で異なっている。
【００４８】
具体的に本実施形態にかかる発光素子２１は、基板１と、基板１の主面１Ａに設けられ、主面１Ａに向かって光を発する光半導体層２と、主面１Ｂとなす内角ｔ２が９０度未満の傾斜面９を有するとともに、基板１の主面１Ｂに列をなして配置された複数の光透過性の突起８と、が形成されている。さらに、突起８は、複数の突起８を平面視したとき、それぞれの傾斜面９が、複数の突起８が配置された列の一方方向に向けて配置され、複数の突起８を列方向Ｇｅと垂直な方向から断面視したとき、その断面外郭線が主面１Ｂの法線に対して非線対称形状をなしている。
【００４９】
このように突起８が基板１の主面１Ｂ上に形成されていることから、発光層２ｂで発光した光を基板１側から取り出す場合に光取り出し効率を向上させることができる。
【００５０】
（変形例１）
図１６は上述した実施形態にかかる発光素子２０の突起３の変形例を示す拡大断面図である。第１の実施形態にかかる発光素子２０と重複する部分については同一符号を付し、その説明を省略する。
【００５１】
図１６の拡大断面図は図４の拡大断面図に相当するものである。図１６（ａ）は、傾斜辺４ｂを有することにより五角形状の断面外郭線をなし、且つ第２半導体層２ｃの主面２Ａの法線Ｈｂに対して非線対称形状をなしている。この場合、傾斜辺４ｂと主面２Ａとのなす内角ｔ３は、傾斜辺４ｂを延長した仮想直線と主面２Ａとがなす内角を指す。このような五角形状の断面外郭線を有する突起３は、例えば予備突起１４の上面の一部にマスクを形成した後に主面２Ａに対して傾斜方向からエッチングすることにより断面外郭線を五角形となる突起３を形成することができる。そのため、かかる非線対称形状の突起３を少ないエッチングの回数で形成することができ、比較的容易に形成することができる。
【００５２】
次に、図１６（ｂ）は、傾斜辺４ｃを突起３の先端に有することにより四角形状の断面外郭線をなし、且つ第２半導体層２ｃの主面２Ａの法線Ｈｂに対して非線対称形状をなしている。この場合、主面２Ａとなす内角ｔ４は、傾斜辺４ｃを延長した仮想直線と主面２Ａとがなす内角を指す。このように突起３を形成する場合には、主面２Ａに対して傾斜方向からエッチングすることにより非線対称形状を形成することができる。そのため、かかる非線対称形状の突起３を少ないエッチングの回数で形成することができ、比較的容易に形成することができる。また突起３の上面が傾斜していることから、かかる上面で全反射されにくくなり、突起３の上方へ多く光を取り出すことができる。
【００５３】
さらに、図１６（ｃ）は、角度の異なる傾斜辺４ｄおよび傾斜辺４ｅを有することにより五角形状の断面外郭線をなし、且つ第２半導体層２ｃの主面２Ａの法線Ｈｂに対して非線対称形状をなしている。この場合、主面２Ａとなす内角ｔ５は傾斜辺４ｄを延長した仮想直線と主面２Ａとがなす内角を指し、主面２Ａとなす内角ｔ６は傾斜辺４ｅを延長した仮想直線と主面２Ａとがなす内角を指す。このように断面外郭線が２つの傾斜辺を有する突起３は、主面２Ａに対して傾斜方向から角度を変えて２回エッチングすることにより設けることができる。このことから、突起３のうち光半導体層２の主面２Ａに対して傾斜している辺が多くなり、突起３の中で全反射を繰り返しにくくすることができる。
【００５４】
本変形例１においては第２半導体層２ｃ上に形成される突起３の場合について説明したが、このような変形例１は基板１上に形成される突起８にも容易に適用することができるものであり、突起８に適用した場合にも同様の効果を得ることができる。
【００５５】
（変形例２）
図１７は上述した実施形態にかかる発光素子２０の突起３の変形例を示す拡大断面図である。第１の実施形態にかかる発光素子２０と重複する部分については同一符号を付し、その説明を省略する。
【００５６】
図１７（ａ）は本変形例にかかる発光素子２０の斜視図、図１７（ｂ）は図１７（ａ）に示す発光素子２０の平面図を示している。本変形例にかかる発光素子２０は、突起１６が、平面視したときに、その外郭線が四角形である。さらに、かかる四角形の隣り合う２辺には、Ｘ軸に平行な列方向Ｇｅ−Ｘの一方方向に向けて配置された傾斜辺１７と、Ｙ軸に平行な列方向Ｇｅ−Ｙの一方方向に向けて配置された傾斜辺１７と、が連続して形成されている。ここで、Ｘ軸およびＹ軸は第２半導体層２ｃの主面２Ａと平行な面を構成する軸を指している。なお、かかる外郭線は四角形に限定されるものではなく、五角形や６角形などの多角形を用いることができる。
【００５７】
このように突起１６が形成されていることから、突起１６が配置された列方向の２方向に対して断面外郭線が非線対称形状をなすようになり、結果として光取り出し効率をさらに向上させることができる。
【００５８】
（変形例３）
上述では基板１として平板のものを用いた場合について説明したが、基板１として主面１Ａに凹凸を形成したものを用いてもよい。このような基板１は、例えば基板１の一部をエッチングすることにより基板１の主面１Ａに凹凸を形成することにより準備することができる。このような基板１上に、第１半導体層２ａを横方向成長させることにより、転位の少ない光半導体層２を形成することができる。
【００５９】
第１半導体層２ａを横方向成長させる方法としては、例えば第１半導体層２ａの組成比、成長温度および成長圧力などの成長条件を調整すればよい。これにより第１半導体層２ａの成長速度を基板１の主面１Ａに対する垂直方向と水平方向とで制御することができ、第１半導体層２ａを横方向成長させることができる。
【００６０】
このように第１半導体層２ａを基板１上に横方向成長させることにより、発光層２ｂにまで延在する転位の数および位置を制御しつつ成長速度を早めることができ、光半導体層２の生産性を向上させることができる。このように基板１に凹凸を形成して横方向成長させた場合には、発光層２ｂにまで延在する転位が凸部上に存在しやすくなる。なお、このような凸部は高さが例えば５０μｍ以上３００μｍ以下に設定することができる。
【００６１】
さらに、このようにして凹凸を有する基板１上に第１半導体層を横方向成長させる場合、発光層２ｂまで延在する転位の位置を制御することができる。そのため、第１マスクパターン１１を平面透視して基板１の凹部と重なる位置に形成することが好ましい。基板１の凹部の位置に対応するような第１マスクパターン１１を形成した場合、平面透視して突起３を基板１上と重なる位置に形成することができるため、発光層２ｂで発光した光を効率よく取り出すことができる。
【００６２】
（変形例４）
上述では、突起３を形成する方法の１つとして、マスクパターンを用いて突起３を形成する方法について説明したが、突起３を形成する方法の１つとしてナノインプリント法を用いてもよい。
【００６３】
ナノインプリント法を用いて突起３を形成する場合には、第２半導体層２ｃ上に積層膜１０を形成した後、積層膜１０上に突起３と同じ形状のマスクを形成する。その後、このように形成したマスクをエッチングすることにより、積層膜１０にマスクと同じ形状すなわち突起３の形状を転写することができる。ここで、このようなマスクは、積層膜１０にレジスト膜を成膜した後、レジスト膜にナノインプリントモールドを押し付けることにより所望の形状に形成することができる。
【００６４】
ここで、ナノインプリントモールドとは、レジスト膜に押し付ける面に突起３と同じ形状の凹部が形成されており、これをレジスト膜に押し付けることにより所望の形状に形成することができる。このようなナノインプリントモールドは、例えばシリコンやシリコンカーバイドなどの結晶性材料を用いることができ、シリコンを用いた場合であれば異方性エッチングなどにより凹部を形成することができる。
【実施例】
【００６５】
本発明の発光素子の実施例を以下に説明する。
【００６６】
本発明の発光素子の効果を確認するために、光線追跡法による光取り出し効率のシミュレーションを行った。シミュレーションモデルは、図１５に示すような、突起８を基板１上に形成した発光素子である。
【００６７】
本実施例における発光素子は、基板は厚み２５０μｍのサファイア（屈折率１．７９）、光半導体層は厚み３μｍの窒化ガリウム（屈折率２．５）から構成されている。
【００６８】
光半導体層の各層の屈折率はその組成によって変化するが、その差はわずか数パーセント程度であるため、今回のシミュレーションでは一定の屈折率とした。また、外部は空気（屈折率１）であるとし、発光層で発光する光の発光波長は４００ｎｍとした。さらに、突起は底辺の直径を１μｍ、高さを１μｍとした。
【００６９】
このシミュレーションの結果、突起の断面外郭線が主面１Ｂの法線に対して線対称形状の四角形を設けた突起と比較して、傾斜面９を設けて非線対称形状とした突起の方が１．３倍の光取り出し効率の向上することがわかった。
【符号の説明】
【００７０】
１ 基板
２ 光半導体層
２ａ 第１半導体層
２ｂ 発光層
２ｃ 第２半導体層
３ 突起
４ 傾斜面
４ａ 傾斜辺
５ 一対の電極
５ａ 第１電極
５ｂ 第２電極
６ 反射層
１０ 積層膜
１１ 第１マスクパターン
１２ 第２マスクパターン
１３ 露出領域
１４ 予備突起
１５ 電極用溝
２０ 発光素子
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方主面に向かって光を発する光半導体層と、
前記一方主面となす内角が９０度未満の傾斜面を有するとともに、前記光半導体層の一方主面上に列をなして配置された複数の光透過性の突起と、を含み、
前記複数の突起を平面視したとき、それぞれの前記傾斜面が、前記複数の突起が配置された列の一方方向に向けて配置され、
前記複数の突起を前記列方向と垂直な方向から断面視したとき、その断面外郭線が一方主面の法線に対して非線対称形状である、発光素子。
【請求項２】
前記複数の突起が、前記光半導体層と異なる材料からなる、請求項１に記載の発光素子。
【請求項３】
前記複数の突起を平面視したとき、その外郭線が多角形であり、前記傾斜面が前記多角形の隣り合う２辺に連続して形成されている、請求項１または２に記載された発光素子。
【請求項４】
前記傾斜面の表面に、前記光半導体層で発光した光を反射する反射層をさらに有する、請求項１乃至３のいずれかに記載の発光素子。
【請求項５】
基板と、
前記基板の一方主面上に設けられ、前記一方主面に向かって光を発する光半導体層と、
前記他方主面となす内角が９０度未満の傾斜面を有するとともに、前記基板の他方主面に列をなして配置された複数の光透過性の突起と、を含み、
前記複数の突起を平面視したとき、それぞれの前記傾斜面が、前記複数の突起が配置された列の一方方向に向けて配置され、
前記複数の突起を前記列方向と垂直な方向から断面視したとき、その断面外郭線が前記他方主面の法線に対して非線対称形状をなす、発光素子。
【請求項６】
前記複数の突起が、前記基板と同じ材料からなる、請求項５に記載の発光素子。
【請求項１】
一方主面に向かって光を発する光半導体層と、
前記一方主面となす内角が９０度未満の傾斜面を有するとともに、前記光半導体層の一方主面上に列をなして配置された複数の光透過性の突起と、を含み、
前記複数の突起を平面視したとき、それぞれの前記傾斜面が、前記複数の突起が配置された列の一方方向に向けて配置され、
前記複数の突起を前記列方向と垂直な方向から断面視したとき、その断面外郭線が一方主面の法線に対して非線対称形状である、発光素子。
【請求項２】
前記複数の突起が、前記光半導体層と異なる材料からなる、請求項１に記載の発光素子。
【請求項３】
前記複数の突起を平面視したとき、その外郭線が多角形であり、前記傾斜面が前記多角形の隣り合う２辺に連続して形成されている、請求項１または２に記載された発光素子。
【請求項４】
前記傾斜面の表面に、前記光半導体層で発光した光を反射する反射層をさらに有する、請求項１乃至３のいずれかに記載の発光素子。
【請求項５】
基板と、
前記基板の一方主面上に設けられ、前記一方主面に向かって光を発する光半導体層と、
前記他方主面となす内角が９０度未満の傾斜面を有するとともに、前記基板の他方主面に列をなして配置された複数の光透過性の突起と、を含み、
前記複数の突起を平面視したとき、それぞれの前記傾斜面が、前記複数の突起が配置された列の一方方向に向けて配置され、
前記複数の突起を前記列方向と垂直な方向から断面視したとき、その断面外郭線が前記他方主面の法線に対して非線対称形状をなす、発光素子。
【請求項６】
前記複数の突起が、前記基板と同じ材料からなる、請求項５に記載の発光素子。
【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】
【公開番号】特開２０１１−１５９６５０（Ｐ２０１１−１５９６５０Ａ）
【公開日】平成２３年８月１８日（２０１１．８．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１７６４７（Ｐ２０１０−１７６４７）
【出願日】平成２２年１月２９日（２０１０．１．２９）
【出願人】（０００００６６３３）京セラ株式会社 (13,660)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年８月１８日（２０１１．８．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１月２９日（２０１０．１．２９）
【出願人】（０００００６６３３）京セラ株式会社 (13,660)
【Ｆターム（参考）】
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