JP2011009524A - 発光素子及び発光素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】製造コストを大幅に増加させずに製造できる高出力の発光素子及び発光素子の製造方法を提供する。
【解決手段】発光素子１は、半導体基板１０と、第１クラッド層２２０と、第２クラッド層２２４とに挟まれる活性層２２２を有する発光部２０と、半導体基板１０と発光部２０との間に設けられ、活性層２２２が発する光を反射する反射部２１０と、表面に凹凸部２５０を有する電流分散層２４０とを備え、反射部２１０は、第１の半導体層と第２の半導体層とからなるペア層を複数有して形成される。
【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、発光素子及び発光素子の製造方法に関する。特に、本発明は、反射層を備える発光素子及び発光素子の製造方法に関する。

従来、ｎ型ＧａＡｓ基板と、ｎ型ＧａＡｓ基板上に設けられる光反射層と、光反射層上に設けられるｎ型Ａｌ_０．４５Ｇａ_０．５５Ａｓクラッド層と、ｎ型Ａｌ_０．４５Ｇａ_０．５５Ａｓクラッド層上に設けられるｐ型ＧａＡｓ活性層と、ｐ型ＧａＡｓ層上に設けられるｐ型Ａｌ_０．４５Ｇａ_０．５５Ａｓクラッド層と、ｐ型Ａｌ_０．４５Ｇａ_０．５５Ａｓクラッド層上に設けられるｐ型ＧａＡｓキャップ層とを備え、光反射層は、ｎ型ＡｌＡｓ／ｎ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓの積層構造からなり、当該積層構造は膜厚を連続的に変化させたチャープ状に形成されると共に、所定の反射波長幅及び反射率が得られる変厚割合、積層数、及び混晶比の関係が規定されている発光素子が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に記載の発光素子は、基板側へ進行した光を光反射層が光波干渉によって反射するので、光出力を向上させることができる。

特開平５−３７０１７号公報

しかしながら、特許文献１に記載の発光素子は、光反射層単体での反射波長領域を広げることができるものの、光反射層の膜厚を増加させずに発光素子の発光出力を向上させることは困難である。そして、発光素子の発光出力を向上させるには光反射層の膜厚を増加させることを要する場合があるが、斯かる場合、成長すべきエピタキシャル層の総数が増加することによる原料の増加、成長時間の増加等、製造コストが大幅に増加する場合がある。

したがって、本発明の目的は、製造コストを大幅に増加させずに製造できる高出力の発光素子及び発光素子の製造方法を提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するため、半導体基板と、第１導電型の第１クラッド層と、第１導電型とは異なる第２導電型の第２クラッド層とに挟まれる活性層を有する発光部と、半導体基板と発光部との間に設けられ、活性層が発する光を反射する反射部と、発光部の反射部の反対側に設けられ、表面に凹凸部を有する電流分散層とを備え、反射部は、第１の半導体層と、第１の半導体層とは異なる第２の半導体層とからなるペア層を複数有して形成される。ここで、活性層が発する光のピーク波長をλ_ｐ、第１の半導体層の屈折率をｎ_Ａ、第２の半導体層の屈折率をｎ_Ｂ、第１クラッド層の屈折率をｎ_Ｉｎとし、θを第１クラッド層から第１の半導体層への入射角（入射面の法線に対する角度で定義する。）とした場合に、第１の半導体層は式（１）及び式（３）で定められる厚さＴ_Ａ１を有し、第２の半導体層は式（２）及び式（４）で定められる厚さＴ_Ｂ２を有する発光素子が提供される。

また、上記発光素子は、反射部は、ペア層を少なくとも３つ含み当該複数のペア層の厚さはそれぞれ、式（１）及び式（２）のθの値が各ペア層ごとに異なることにより互いに異なり、少なくとも１つのペア層は、θの値が５０°以上の値で規定される第１の半導体層及び第２の半導体層を含むことができる。

また、上記発光素子は、第２クラッド層と電流分散層との間に設けられる介在層を更に備え、介在層は、第２クラッド層を構成する半導体のバンドギャップエネルギーと、電流分散層を構成する半導体のバンドギャップエネルギーとの間のバンドギャップエネルギーを有する半導体から形成されることもできる。

また、上記発光素子は、ペア層は、λ_ｐ／４ｎ_Ａの１．５倍以上の厚さの厚さＴ_Ａ１を有する第１の半導体層と、λ_ｐ／４ｎ_Ｂの１．５倍以上の厚さの厚さＴ_Ｂ１を有する第２の半導体層とを含むこともできる。

また、上記発光素子は、反射部は、活性層を構成する半導体のバンドギャップよりも大きなバンドギャップを有する半導体材料から形成され、当該半導体材料は、活性層から発せられる光に対して透明であることが好ましい。

また、上記発光素子は、第１の半導体層が、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（但し、０≦ｘ≦１）、又はＡｌ_０．５Ｉｎ_０．５Ｐから形成され、第２の半導体層が、Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＡｓ（但し、０≦ｙ≦１）から形成され、かつ、第１の半導体層の屈折率と第２の半導体層の屈折率とが異なるように形成することができる。

また、上記発光素子は、反射部の半導体基板側から１つ目のペア層、又は１つ目及び２つ目のペア層の第１の半導体層が、ＡｌＡｓ又はＡｌ_０．５Ｉｎ_０．５Ｐから形成され、第２の半導体層は、活性層を構成する半導体のバンドギャップよりも小さいバンドギャップを有する半導体、又は、活性層が発する光に対して不透明なＧａＡｓから形成されることもできる。

また、上記発光素子は、凹凸部は、算術平均粗さＲａが０．０４μｍ以上０．２５μｍ以下であることが好ましい。

また、上記発光素子は、凹凸部は、二乗平均粗さＲＭＳが０．０５μｍ以上０．３５μｍ以下であることが好ましい。

また、上記発光素子は、反射部は、少なくとも６対以上のペア層を有することが好ましい。

また、上記発光素子は、半導体基板は、ＧａＡｓからなることが好ましい。

また、上記発光素子は、介在層は、Ｇａ_ｚＩｎ_１−ｚＰ（但し、０．６≦ｚ≦０．９）からなり、電流分散層は、ＧａＰからなることが好ましい。

また、上記発光素子は、電流分散層の凹凸部が設けられている領域を除く領域の所定の位置に設けられる表面電極と、表面電極を除く部分に、活性層が発する光に対して透明であり、電流分散層を構成する半導体の屈折率よりも小さい屈折率を有すると共に、空気の屈折率よりも大きな屈折率の材料から形成される光取り出し層とを更に備えることができる。

また、上記発光素子は、光取り出し層は、活性層が発する光の波長をλ_ｐ、当該光取り出し層を構成する材料の屈折率をｎ、定数Ａ（但し、Ａは奇数）とした場合に、Ａ×λ_ｐ／（４×ｎ）で規定される値の±３０％の範囲内の厚さｄを有することが好ましい。

また、本発明は、上記目的を達成するため、半導体基板上に、第１の半導体層と、第１の半導体層とは異なる第２の半導体層とからなる複数のペア層を有して形成される反射部と、第１導電型の第１クラッド層と、第１導電型とは異なる第２導電型の第２クラッド層とに挟まれる活性層を有する発光部と、発光部上に形成される電流分散層とを形成する成長工程と、電流分散層の所定の位置に表面電極を形成する表面電極形成工程と、表面電極が形成されている領域を除く部分に凹凸部を形成する凹凸部形成工程とを備え、反射部は、第１の半導体層と、第１の半導体層とは異なる第２の半導体層とからなるペア層を複数有して形成される。ここで、活性層が発する光のピーク波長をλ_ｐ、第１の半導体層の屈折率をｎ_Ａ、第２の半導体層の屈折率をｎ_Ｂ、第１クラッド層の屈折率をｎ_Ｉｎとし、θを第１クラッド層から第１の半導体層への入射角（入射面の法線に対する角度で定義する。）とした場合に、第１の半導体層は式（１）及び式（３）で定められる厚さＴ_Ａ１を有し、第２の半導体層は式（２）及び式（４）で定められる厚さＴ_Ｂ２を有する発光素子の製造方法が提供される。

また、上記発光素子の製造方法は、凹凸部形成工程は、表面電極形成工程後に実施することが好ましい。

本発明に係る発光素子によれば、製造コストを大幅に増加させずに製造できる高出力の発光素子及び発光素子の製造方法を提供できる。

本発明の第１の実施の形態に係る発光素子の断面図である。 本発明の第１の実施の形態に係る発光素子の反射部の断面図である。 本発明の第１の実施の形態に係る発光素子の上面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る発光素子の断面図である。 本発明の第３の実施の形態に係る発光素子の断面図である。 電極付エピタキシャルウエハに粗面化処理を施す時間と表面粗さとの関係を示す図である。 実施例１に係る発光素子が備える反射部の簡易的な構造を示す図である。 実施例１に係る発光素子が備える反射部の簡易的な構造における反射スペクトルを示す図である。 比較例に係る発光素子が備える反射部の簡易的な構造を示す図である。 比較例に係る発光素子が備える反射部の簡易的な構造における反射スペクトルを示す図である。 実施例４及び実施例４の変形例に係る発光素子の反射部の概要を示す図である。 実施例５に係る発光素子の反射部の概要を示す図である。 比較例１に係る発光素子の断面図である。 比較例１に係る発光素子の反射部のペア数の違いによる発光出力を示す図である。

［第１の実施の形態］
図１Ａは、本発明の第１の実施の形態に係る発光素子の模式的な断面を示し、図１Ｂは、本発明の第１の実施の形態に係る発光素子が備える反射部の模式的な断面を示し、図１Ｃは、本発明の第１の実施の形態に係る発光素子の上面の模式的な図を示す。

（発光素子１の構造の概要）
第１の実施の形態に係る発光素子１は、一例として、赤色光を放射する発光ダイオード（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ：ＬＥＤ）である。具体的に、発光素子１は、第１導電型としてのｎ型の半導体基板１０と、半導体基板１０の上に設けられるｎ型のバッファ層２００と、バッファ層２００の上に設けられるｎ型の化合物半導体の多層構造を有する反射部２１０と、反射部２１０の上に設けられるｎ型の第１クラッド層２２０と、第１クラッド層２２０の上に設けられる活性層２２２と、活性層２２２の上に設けられる第１導電型とは異なる第２導電型としてのｐ型の第２クラッド層２２４と、第２クラッド層２２４の上に設けられるｐ型の介在層２３０と、介在層２３０の上に設けられ、表面（すなわち、光取り出し面）に凹凸部２５０を有するｐ型の電流分散層２４０とを備える。

また、発光素子１は、電流分散層２４０の凹凸部２５０が設けられている領域を除く領域の所定の位置に設けられる表面電極３０と、半導体基板１０のバッファ層２００が設けられている面の反対側の面（すなわち、半導体基板１０の裏面）に設けられる裏面電極３５とを更に備える。本実施の形態において、活性層２２２は第１クラッド層２２０と第２クラッド層２２４とに挟まれて設けられており、以下の説明において、第１クラッド層と、活性層２２２と、第２クラッド層２２４とをまとめて発光部２０という場合がある。なお、発光素子１は、表面電極３０の上にワイヤーボンディング用パッドとしてのパッド電極を更に備えることもできる。

（半導体基板１０、バッファ層２００）
半導体基板１０としては、例えば、所定の導電型のキャリアを含み、所定のキャリア濃度を有するＧａＡｓ基板を用いることができる。また、半導体基板１０としては、所定のオフ角度を有するオフ基板、又は、オフ角度を有さないジャスト基板を用いることができる。なお、半導体基板１０上に形成する複数の化合物半導体層の種類に応じて、半導体基板１０を構成する化合物半導体材料を適宜、代えることもできる。

（反射部２１０）
反射部２１０は、半導体基板１０と発光部２０との間に設けられ、活性層２２２が発する光を反射する。具体的に、反射部２１０は、図１Ｂに示すように、複数の化合物半導体層の積層構造を有する。そして、反射部２１０は、活性層２２２を構成する半導体のバンドギャップよりも大きなバンドギャップを有する半導体材料から形成されると共に、活性層２２２から発せられる光に対して透明である半導体材料から形成される。

また、反射部２１０は、第１の半導体層２１０ａと、第１の半導体層２１０ａとは異なる屈折率を有する第２の半導体層２１０ｂとからなるペア層を複数有して形成される。反射部２１０は、少なくとも６対以上のペア層を有して形成される。そして、第１の半導体層２１０ａは、例えば、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（但し、０≦ｘ≦１）、又はＡｌ_０．５Ｉｎ_０．５Ｐから形成することができ、第２の半導体層２１０ｂは、例えば、Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＡｓ（但し、０≦ｙ≦１）から形成することができる。そして、第１の半導体層２１０ａの屈折率と第２の半導体層２１０ｂの屈折率とは互いに異なるように形成する。なお、第１の半導体層２１０ａがＡｌＧａＡｓから形成される場合、第１の半導体層２１０ａのＡｌ組成「ｘ」は、第２の半導体層２１０ｂのＡｌ組成「ｙ」とは異なる値に制御される。また、第１の半導体層２１０ａの厚さ、及び第２の半導体層２１０ｂの厚さは、後述するように光の入射角に応じた厚さを有して形成することができるが、図１Ｂにおいては説明の便宜上、略同一の厚さで示す。

ここで、反射部２１０が有する複数のペア層はそれぞれ、活性層２２２が発する光の発光ピーク波長以上の波長の光を反射すると共に、それぞれ異なる入射角の光を反射する。具体的に、活性層２２２が発する光のピーク波長をλ_ｐ、第１の半導体層の屈折率をｎ_Ａ、第２の半導体層の屈折率をｎ_Ｂ、第１クラッド層２２０の屈折率をｎ_Ｉｎとし、θを第１クラッド層から第１の半導体層への入射角（入射面の法線に対する角度で定義する。）とした場合に、第１の半導体層２１０ａは以下の式（１）及び式（３）で定められる厚さＴ_Ａ１を有して形成される。また、第２の半導体層２１０ｂは以下の式（２）及び式（４）で定められる厚さＴ_Ｂ１を有して形成される。

複数のペア層に含まれる第１の半導体層２１０ａ及び第２の半導体層２１０ｂはそれぞれ、活性層２２２が発する光の発光ピーク波長以上の波長の光を反射させるべく、式（３）及び式（４）で規定される厚さ以上の厚さを有して形成される。そして、複数のペア層のうち、一のペア層に含まれる第１の半導体層２１０ａの厚さは、当該一のペア層に入射する光の入射角θに応じて式（１）から算出される厚さを有して形成される。同様に当該一のペア層に含まれる第２の半導体層２１０ｂの厚さも、入射角θに応じて式（２）から算出される厚さを有して形成される。同様にして、複数のペア層に含まれる他のペア層についても、当該他のペア層に入射する光の入射角θに応じた厚さを有する第１の半導体層２１０ａ及び第２の半導体層２１０ｂを含んで形成される。なお、ペア層は、λ_ｐ／４ｎ_Ａの１．５倍以上の厚さの厚さＴ_Ａ１を有する第１の半導体層２１０ａと、λ_ｐ／４ｎ_Ｂの１．５倍以上の厚さの厚さＴ_Ｂ１を有する第２の半導体層２１０ｂとを含むことが好ましい。

ここで、本実施の形態においては、反射部２１０は、ペア層を少なくとも３つ含んで形成される。そして、複数のペア層の厚さはそれぞれ、式（１）及び式（２）のθの値が各ペア層ごとに異なることにより互いに異なる。例えば、一のペア層の厚さと他のペア層の厚さとは、互いに異なるように形成される。そして、一のペア層におけるθの値をθ_ａ、他のペア層おけるθの値をθ_ｂにした場合に、一のペア層に含まれる第１の半導体層２１０ａの厚さ及び第２の半導体層２１０ｂの厚さは、θ_ａの値を用いて式（１）及び式（２）から算出され、他のペア層に含まれる第１の半導体層２１０ａの厚さ及び第２の半導体層２１０ｂの厚さは、θ_ａとは異なるθ_ｂの値を用いて式（１）及び式（２）から算出される。更に、少なくとも１つのペア層が、θの値が５０°以上の値で規定される厚さの第１の半導体層２１０ａ及び第２の半導体層２１０ｂを含んで形成されることにより、発光部２０から反射部２１０に入射した直射入射光を除く光を反射部２１０において光取り出し面側に反射することができる。本実施の形態に係る発光素子１はこのような反射部２１０を備えることにより、活性層２２２から放射された光が反射部２１０に様々な入射角で入射しても、当該光は、反射部２１０において光取り出し面の方向に反射される。

また、反射部２１０の半導体基板１０側から１つ目のペア層、又は１つ目及び２つ目のペア層の第１の半導体層２１０ａが、ＡｌＡｓ又はＡｌ_０．５Ｉｎ_０．５Ｐから形成される場合、第２の半導体層は、活性層２２２を構成する半導体のバンドギャップよりも小さいバンドギャップを有する半導体、又は、活性層２２２が発する光に対して不透明なＧａＡｓから形成されることが好ましい。

（発光部２０）
発光部２０は、第１クラッド層２２０、活性層２２２、及び第２クラッド層２２４を有する。まず、バッファ層２００は、半導体基板１０に接して設けられる。例えば、バッファ層２００は、半導体基板１０がｎ型のＧａＡｓ基板から形成される場合、ｎ型のＧａＡｓから形成される。また、第１クラッド層２２０と、活性層２２２と、第２クラッド層２２４とはそれぞれ、例えば、（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_ｙＩｎ_１−ｙＰ（但し、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）で表される三元系、又は四元系のＩＩＩ族化合物半導体材料から形成される。なお、第１の実施の形態に係る活性層２２２は、例えば、ノンドープのＧａ_ｘＩｎ_１−ｘＰ単層（但し、０≦ｘ≦１）から形成することもできる。

（介在層２３０）
介在層２３０は、第２クラッド層２２４を構成する半導体材料と電流分散層２４０を構成する半導体材料とが互いに異なる場合に、第２クラッド層２２４と電流分散層２４０とのヘテロ界面の電位障壁を低減する半導体材料から形成される。具体的に、介在層２３０は、第２クラッド層２２４と電流分散層２４０との間に設けられる。より具体的に、介在層２３０は、第２クラッド層２２４の活性層２２２の反対側に設けられると共に、第２クラッド層２２４を構成する半導体のバンドギャップエネルギーと電流分散層２４０を構成する半導体のバンドギャップエネルギーとの間のバンドギャップエネルギーを有する半導体材料から形成される。例えば、介在層２３０は、ｐ型のＧａ_ｚＩｎ_１−ｚＰ（ただし、ｚは、一例として、０．６≦ｚ≦０．９）から形成される。発光素子１が介在層２３０を備えることにより、発光素子１の順方向電圧を低減できる。

（電流分散層２４０）
電流分散層２４０は、発光部２０の反射部２１０の反対側に設けられ、発光素子１に供給された電流が活性層２２２に略均一に供給されるように当該電流を分散させる。また、電流分散層２４０は、活性層２２２が発する光を透過する半導体材料から形成される。例えば、電流分散層２４０は、ｐ型のＧａＰ、ｐ型のＧａＡｓＰ、又はｐ型のＡｌＧａＡｓから形成することができる。

（凹凸部２５０）
凹凸部２５０は、電流分散層２４０の発光部２０の反対側の表面を粗面化して形成される。凹凸部２５０は、当該表面を所定のエッチャントでエッチングすることによりランダムな形状を有して形成される。また、凹凸部２５０は、当該表面に予め定められたパターンを有して形成することもできる。更に、凹凸部２５０は、発光素子１の光取り出し効率を向上させることを目的として、算術平均粗さＲａが０．０４μｍ以上０．２５μｍ以下であることが好ましく、二乗平均粗さＲＭＳが０．０５μｍ以上０．３５μｍ以下であることが好ましい。

（表面電極３０、裏面電極３５）
表面電極３０は、電流分散層２４０にオーミック接触する材料から形成される。具体的に、表面電極３０は、Ｂｅ、Ｚｎ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｐｔ、Ａｌ、Ａｕ等の金属材料から選択される少なくとも１つのｐ型電極用の金属材料を含んで形成される。例えば、表面電極３０は、電流分散層２４０側からＡｕＢｅ、Ｎｉ、Ａｕの順に積層された積層構造を有して形成することができる。なお、表面電極３０は、電流分散層２４０の介在層２３０の反対側の面、すなわち、発光素子１の光取り出し面の一部に設けられる。そして、表面電極３０は、図１Ｃに示すように、発光素子１の上面視にて略円形状の円部分と、円部分から発光素子１の四隅に向かって伸びる４本の足部分とを有して形成される。

裏面電極３５は、半導体基板１０にオーミック接触する材料から形成される。具体的に、裏面電極３５は、Ｇｅ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｐｔ、Ａｌ、Ａｕ等の金属材料から選択される少なくとも１つのｎ型電極用の金属材料を含んで形成される。例えば、裏面電極３５は、半導体基板１０側からＡｕＧｅ、Ｎｉ、Ａｕの順に積層された積層構造を有して形成することができる。なお、裏面電極３５は、半導体基板１０の裏面の略全面に形成される。

（変形例）
第１の実施の形態に係る発光素子１は、半導体基板１０上にバッファ層２００を備えるが、第１の実施の形態の変形例に係る発光素子は、バッファ層２００を備えずに形成することができる。

また、第１の実施の形態に係る発光素子１は、赤色を含む光（例えば、発光波長が６３０ｎｍ帯の光）を発するが、発光素子１が発する光の波長はこの波長に限定されない。活性層２２２の構造を制御して、所定の波長範囲の光を発する発光素子１を形成することもできる。活性層２２２が発する光としては、例えば、橙色光、黄色光、又は緑色光等の波長範囲の光が挙げられる。また、発光素子１が備える発光部２０は、紫外領域、紫色領域、若しくは青色領域の光を発する活性層２２２を含むＩｎＡｌＧａＮ系の化合物半導体から形成することもできる。

更に、発光素子１が備える半導体基板１０、バッファ層２００、反射部２１０、第１クラッド層２２０、第２クラッド層２２４、介在層２３０、及び電流分散層２４０の化合物半導体層は、これらの化合物半導体層を構成する化合物半導体の導電型を、本実施の形態の反対にすることもできる。例えば、半導体基板１０、バッファ層２００、反射部２１０、及び第１クラッド層２２０の導電型をｐ型にすると共に、第２クラッド層２２４、介在層２３０、及び電流分散層２４０の導電型をｎ型にすることもできる。

また、活性層２２２は量子井戸構造を有して形成することもできる。量子井戸構造は、単一量子井戸構造、多重量子井戸構造、又は歪み多重量子井戸構造のいずれの構造からも形成することができる。なお、発光部２０は、第１クラッド層２２０、活性層２２２、及び第２クラッド層２２４以外の半導体層を含んで形成することもできる。

また、表面電極３０の形状は、例えば、四角形状、菱形形状、多角形状等の形状を有して形成することができる。

（発光素子１の製造方法）
第１の実施の形態に係る発光素子１は、例えば、以下のようにして製造することができる。まず、半導体基板１０を準備する。そして、半導体基板１０上に、例えば、有機金属気相成長法（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ：ＭＯＶＰＥ法）によって複数の化合物半導体層（すなわち、バッファ層２００、反射部２１０、第１クラッド層２２０、活性層２２２、第２クラッド層２２４、介在層２３０、電流分散層２４０）を含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の半導体積層構造を形成する（成長工程）。これにより、エピタキシャルウエハが製造される。

ここで、ＭＯＶＰＥ法を用いた半導体積層構造の形成は、成長温度を６５０℃に、成長圧力を６６６６．１Ｐａ（５０Ｔｏｒｒ）に、半導体積層構造が有する複数の化合物半導体層のそれぞれの成長速度を０．３ｎｍ／ｓｅｃから１．５ｎｍ／ｓｅｃに、及びＶ／ＩＩＩ比を約１５０前後に設定して実施する。なお、Ｖ／ＩＩＩ比とは、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）等のＩＩＩ族原料のモル数を基準にした場合における、アルシン（ＡｓＨ_３）、ホスフィン（ＰＨ_３）等のＶ族原料のモル数の比である。

また、ＭＯＶＰＥ法において用いる原料は、Ｇａ原料として、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、又はトリエチルガリウム（ＴＥＧａ）を用いることができ、Ａｌ原料としてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）を用いることができ、Ｉｎ原料としてトリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）等の有機金属化合物を用いることができる。また、Ａｓ源としてアルシン（ＡｓＨ_３）を用いることができ、Ｐ源としてホスフィン（ＰＨ_３）等の水素化物ガスを用いることができる。更に、ｎ型のドーパントの原料は、セレン化水素（Ｈ_２Ｓｅ）、ジシラン（Ｓｉ_２Ｈ_６）を用いることができる。そして、ｐ型のドーパントの原料は、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ_２Ｍｇ）を用いることができる。

また、ｎ型のドーパントの原料として、モノシラン（ＳｉＨ_４）、ジエチルテルル（ＤＥＴｅ）、又はジメチルテルル（ＤＭＴｅ）を用いることもできる。そして、ｐ型のドーパントの原料として、ジメチルジンク（ＤＭＺｎ）又はジエチルジンク（ＤＥＺｎ）を用いることもできる。

なお、半導体基板１０上にバッファ層２００を形成することにより、ＭＯＶＰＥ装置内に残留している、前回の結晶成長時に用いたドーパントの影響（すなわち、炉内メモリーの影響）をキャンセルできる。これにより、エピタキシャルウエハを安定的に製造することができる。また、バッファ層２００を半導体基板１０上にエピタキシャル成長させることで、バッファ層２００上にエピタキシャル成長させる化合物半導体層の結晶性を向上させることができる。

次に、フォトリソグラフィー法、成膜法（例えば、真空蒸着法、スパッタ法等）を用いて、エピタキシャルウエハの表面、すなわち、電流分散層２４０の表面の一部に表面電極３０を形成する（表面電極形成工程）。なお、表面電極３０の形成にはリフトオフ法を用いることができる。続いて、半導体基板１０の裏面の略全面に裏面電極３５を形成する。更に、表面電極３０と電流分散層２４０との間、及び裏面電極３５と半導体基板１０裏面との間のそれぞれをオーミック接触させるべく、所定の雰囲気下（例えば、窒素雰囲気等の不活性雰囲気下）、所定の温度、所定の時間、アロイ処理を実施する。

続いて、電流分散層２４０の表面に凹凸化処理（すなわち、粗面化処理）を施すことにより、凹凸部２５０を形成する（凹凸部形成工程）。本実施の形態において粗面化処理は、表面電極３０を形成した後に実施する。そして、粗面化は、表面電極３０が形成されている領域を除く電流分散層２４０の表面に、所定のエッチャントを用いてエッチング処理を施すことにより実施する。なお、電流分散層２４０の表面にフォトリソグラフィー法を用いて予め定められたマスクパターンを形成した後、形成したマスクパターンをマスクとして、電流分散層２４０の表面にエッチング処理を施すこともできる。

更に、表面電極３０及び裏面電極３５が設けられ、凹凸部２５０が形成されたエピタキシャルウエハを、製造する発光素子１のサイズに合わせてダイシングすることにより、複数の発光素子１が製造される。なお、ダイシング処理後に、複数の発光素子１の端面にエッチング処理を施すことにより、ダイシングによる機械的ダメージを除去することもできる。

このようにして製造される発光素子１は、例えば、発光波長が６３１ｎｍ付近の赤色領域の光を発する発光ダイオードである。そして、発光素子１の上面視における形状は略矩形であり、上面視における寸法は、一例として、２７５μｍ角である。

（第１の実施の形態の効果）
第１の実施の形態に係る発光素子１は、複数の入射角に対応して厚さが制御された第１の半導体層２１０ａと第２の半導体層２１０ｂとからなる複数のペア層を有する反射部２１０を備えるので、反射部２１０に様々な入射角から光が入射したとしても、反射部２１０は、当該光を光取り出し面側に反射することができる。更に、発光素子１は、光取り出し面に凹凸部２５０を備えるので、反射部２１０により反射された光を効率的に発光素子１の外部に取り出すことができる。これにより、光取り出し効率が向上された本実施の形態に係る発光素子１を提供することができる。

また、第１の実施の形態に係る発光素子１は、式（１）及び式（２）の角度θの値が大きい値で規定される厚さの第１の半導体層２１０ａと第２の半導体層２１０ｂとを有するペア層により反射された光であっても、光取り出し面に凹凸部２５０が形成されているので、光取り出し面から当該光を有効に取り出すことができる。これにより、本実施の形態に係る発光素子１は、例えば、反射部２１０を、活性層２２２が発する光の発光ピーク波長に対応した半導体層のみで構成した場合に比べて、発光出力を向上させることができる。したがって、本実施の形態によれば、半導体基板１０上に成長する化合物半導体層の総数の増加による原料の増加、及び成長時間の増加による製造コストの増加を伴うことなく、光出力の高い発光素子１を提供することができる。

なお、式（３）及び式（４）から考えると、例えば反射部２１０を活性層２２２が発する光の発光ピーク波長に対応した半導体層のみで構成した場合には±２００ｎｍ程度の波長域の光しか反射できないところ、本実施の形態に係る反射部２１０は、活性層２２２が発する光の発光ピーク波長λ_ｐに対して±３００ｎｍ以上の波長域の光を反射することができる。

［第２の実施の形態］
図２は、本発明の第２の実施の形態に係る発光素子の模式的な断面の概要を示す。

第２の実施の形態に係る発光素子１ａは、第１の実施の形態に係る発光素子１と異なり、凹凸部２５０上に光取り出し層４０を更に備える点を除き、第１の実施の形態に係る発光素子１と略同一の構成を備える。したがって、相違点を除き詳細な説明は省略する。

発光素子１ａは、表面電極３０を除く部分に、活性層２２２が発する光に対して透明であり、電流分散層２４０を構成する半導体の屈折率よりも小さい屈折率を有すると共に、空気の屈折率よりも大きな屈折率を有する材料から形成される光取り出し層４０を、電流分散層２４０の発光部２０の反対側に更に備える。光取り出し層４０は、活性層２２２が発する光の波長をλ_ｐ、光取り出し層４０を構成する材料の屈折率をｎ、定数Ａ（但し、Ａは奇数）とした場合に、Ａ×λ_ｐ／（４×ｎ）で規定される値の±３０％の範囲内の厚さｄを有して形成される。

光取り出し層４０は、例えば、ＳｉＮ、ＳｉＯ_２、ＩＴＯ、Ｓｎ_２Ｏ_３、ＴｉＯ_２、ＺｎＯ等の酸化物若しくは窒化物から形成することができる。また、光取り出し層４０を構成する材料は、導電性を有することは要さない。更に、光取り出し層４０を構成する材料の導電型は、ｐ型、ｎ型のいずれであってもよい。

発光素子１ａは、電流分散層２４０と外部の空気との間に、電流分散層２４０を構成する材料の屈折率と空気の屈折率との間の屈折率を有する光取り出し層４０を備えるので、発光素子１ａの光取り出し効率を更に向上させることができる。

［第３の実施の形態］
図３は、本発明の第３の実施の形態に係る発光素子の模式的な断面の概要を示す。

第３の実施の形態に係る発光素子１ｂは、第１の実施の形態に係る発光素子１と異なり、活性層２２２が第１アンドープ層２２１と第２アンドープ層２２３により挟まれている点を除き、第１の実施の形態に係る発光素子１と略同一の構成を備える。したがって、相違点を除き詳細な説明は省略する。

具体的に、第３の実施の形態に係る発光素子１ｂは、半導体基板１０と、半導体基板１０上に形成されるバッファ層２００と、バッファ層２００上に形成される反射部２１０と、反射部２１０上に形成される第１クラッド層２２０と、第１クラッド層２２０上に形成される第１アンドープ層２２１と、第１アンドープ層２２１上に形成される活性層２２２と、活性層２２２上に形成される第２アンドープ層２２３と、第２アンドープ層２２３上に形成される第２クラッド層２２４と、第２クラッド層２２４上に形成される介在層２３０と、介在層２３０上に形成される電流分散層２４０とを備える。

第１アンドープ層２２１は、第１クラッド層２２０中のｎ型ドーパントが活性層２２２中に拡散することを抑制する。また、第２アンドープ層２２３は、第２クラッド層２２４中のｐ型ドーパントが活性層２２２中に拡散することを抑制する。第１アンドープ層２２１及び第２アンドープ層２２３は、例えば、ドーパントを含まない（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_ｙＩｎ_１−ｙＰから形成される。活性層２２２を第１アンドープ層２２１と第２アンドープ層２２３とで挟むことにより、第１クラッド層２２０及び第２クラッド層２２４から活性層２２２中へのドーパントの拡散が抑制されるので、発光部２０ａにおける発光効率の向上を図ることができると共に、発光素子１ｂの信頼性を向上させることができる。

なお、第３の実施の形態に係る発光素子１ｂにおいては、活性層２２２を第１アンドープ層２２１と第２アンドープ層２２３とによって挟んだ構造としたが、第３の実施の形態の変形例においては、第１アンドープ層２２１又は第２アンドープ層２２３のいずれか一方を形成しない発光素子を形成することもできる。

実施例１に係る発光素子として、第１の実施の形態に係る発光素子１に対応する発光素子であって、発光ピーク波長が６３１ｎｍ付近の赤色発光の発光素子を製造した。具体的に、まず、１５°オフのオフ角を有する半導体基板１０としてのｎ型ＧａＡｓ基板上に、ＭＯＶＰＥ法を用いてｎ型ＧａＡｓからなるバッファ層（ただし、Ｓｅドープ、キャリア濃度：１×１０^１８／ｃｍ^３、膜厚２００ｎｍ）と、第１の半導体層２１０ａとしてのＡｌＡｓ層と、第２の半導体層２１０ｂとしてのＡｌ_０．５Ｇａ_０．５Ａｓ層とからなるペア層を１５ペア（すなわち、１５層の第１の半導体層２１０ａと１５層の第２の半導体層２１０ｂとで３０層）含む反射部２１０とをエピタキシャル成長させた。反射部２１０を構成する各半導体層のキャリア濃度は、約１×１０^１８／ｃｍ^３に制御した。

更に、反射部２１０の上に第１クラッド層２２０としてのｎ型（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐクラッド層（但し、Ｓｅドープ、キャリア濃度：４×１０^１７／ｃｍ^３、膜厚４００ｎｍ）と、活性層２２２としてのアンドープ（Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ活性層（但し、膜厚６００ｎｍ）と、第２クラッド層２２４としてのｐ型（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐクラッド層（但し、Ｍｇドープ、キャリア濃度：２×１０^１７／ｃｍ^３、膜厚５００ｎｍ）と、介在層２３０としてのｐ型Ｇａ_０．７Ｉｎ_０．３Ｐ介在層（但し、Ｍｇドープ、キャリア濃度：６×１０^１８／ｃｍ^３、膜厚２０ｎｍ）と、電流分散層２４０としてのｐ型ＧａＰ電流分散層（但し、Ｍｇドープ、キャリア濃度：２×１０^１８／ｃｍ^３、膜厚８０００ｎｍ）とを順次エピタキシャル成長させた。これにより、実施例１に係る発光素子用のエピタキシャルウエハを製造した。

なお、ＭＯＶＰＥ成長での成長温度は、ｎ型ＧａＡｓからなるバッファ層からｐ型Ｇａ_０．７Ｉｎ_０．３Ｐ介在層までの成長温度を６５０℃に設定すると共に、ｐ型ＧａＰ電流分散層の成長温度を６７５℃に設定した。また、その他の成長条件は、成長圧力を６６６６．１Ｐａ（５０Ｔｏｒｒ）に設定すると共に、複数の化合物半導体層のそれぞれの成長速度を０．３ｎｍ／ｓｅｃから１．５ｎｍ／ｓｅｃに設定した。また、Ｖ／ＩＩＩ比は、約１５０に設定した。ただし、ｐ型ＧａＰ電流分散層の成長におけるＶ／ＩＩＩ比は、２５に設定した。ＭＯＶＰＥ成長において用いた原料等は、第１の実施の形態において説明したので詳細な説明は省略する。

ここで、反射部２１０について詳細に説明する。反射部２１０が有する複数のペア層の第１の半導体層２１０ａであるＡｌＡｓ層の厚さ、及び第２の半導体層２１０ｂであるＡｌ_０．５Ｇａ_０．５Ａｓ層の厚さはそれぞれ、式（１）及び式（２）から算出される厚さに制御した。すなわち、λ_ｐとしてはアンドープ（Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ活性層から放出される光の発光ピーク波長「６３１ｎｍ」を、ｎ_ＡとしてはＡｌＡｓ層の屈折率「３．１１４」を、ｎ_ＢとしてはＡｌ_０．５Ｇａ_０．５Ａｓ層の屈折率「３．５０７」を、ｎ_Ｉｎとしてはｎ型（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐクラッド層の屈折率「３．１２７」を用いた。更に、式（１）及び式（２）中の角度θは、０°、２０°、３０°、４０°、５０°、６０°、７０°を用いた。

具体的に、実施例１に係る発光素子用のエピタキシャルウエハに形成した反射部２１０の構造は以下のとおりである。すなわち、まず、ｎ型ＧａＡｓバッファ層上に、θを７０°に設定して式（１）及び式（２）から算出される厚さを有するＡｌＡｓ層とＡｌ_０．５Ｇａ_０．５Ａｓ層とからなるペア層（以下、「７０°ＤＢＲ層」という）を２ペア形成した。次に、７０°ＤＢＲ層の上にθを６０°に設定して式（１）及び式（２）から算出される厚さを有するＡｌＡｓ層とＡｌ_０．５Ｇａ_０．５Ａｓ層とからなるペア層（以下、「６０°ＤＢＲ層」という）を２ペア形成した。そして、６０°ＤＢＲ層の上にθを５０°に設定して式（１）及び式（２）から算出される厚さを有するＡｌＡｓ層とＡｌ_０．５Ｇａ_０．５Ａｓ層とからなるペア層（以下、「５０°ＤＢＲ層」という）を１ペア形成した。

更に、５０°ＤＢＲ層の上にθを４０°に設定して式（１）及び式（２）から算出される厚さを有するＡｌＡｓ層とＡｌ_０．５Ｇａ_０．５Ａｓ層とからなるペア層（以下、「４０°ＤＢＲ層」という）を１ペア形成した。そして、４０°ＤＢＲ層の上にθを３０°に設定して式（１）及び式（２）から算出される厚さを有するＡｌＡｓ層とＡｌ_０．５Ｇａ_０．５Ａｓ層とからなるペア層（以下、「３０°ＤＢＲ層」という）を２ペア形成した。

更に、３０°ＤＢＲ層の上にθを２０°に設定して式（１）及び式（２）から算出される厚さを有するＡｌＡｓ層とＡｌ_０．５Ｇａ_０．５Ａｓ層とからなるペア層（以下、「２０°ＤＢＲ層」という）を６ペア形成した。そして、２０°ＤＢＲ層の上に最上層として、θを０°に設定して式（１）及び式（２）から算出される厚さを有するＡｌＡｓ層とＡｌ_０．５Ｇａ_０．５Ａｓ層とからなるペア層（以下、「０°ＤＢＲ層」という）を１ペア形成した。なお、この０°ＤＢＲ層は、発光ピーク波長をλ_ｐ、第１の半導体層２１０ａの屈折率をｎ_Ａ、第２の半導体層２１０ｂの屈折率をｎ_Ｂにしたときに、λ_ｐ／４ｎ_Ａ、λ_ｐ／４ｎ_Ｂにより、第１の半導体層２１０ａの厚さと第２の半導体層２１０ｂの厚さとを算出することもできる。このような１５ペアのペア層を有する反射部２１０をｎ型ＧａＡｓバッファ層上に形成した。

なお、実施例１に係る発光素子の反射部２１０が有する複数のペア層のペア数を１５ペア（なお、反射部２１０の厚さは約２０００ｎｍ弱である）にした理由は、後述する比較例１に係る発光素子の反射部２１２が２１ペアのペア層を有して形成されているので（なお、当該反射部２１２の厚さは約２０００ｎｍ強である）、比較例１に係る発光素子の反射部２１２と同等の厚さの反射部２１０を形成することにより、実施例１に係る発光素子と比較例１に係る発光素子とを比較することを目的にしたことによる。

以上のようにして製造した実施例１に係る発光素子用のエピタキシャルウエハをＭＯＶＰＥ装置から搬出した後、直径が１００μｍの円部分と、円部分の外縁から延びる４本の足部分とを有する表面電極３０を、エピタキシャルウエハの表面（すなわち、ウエハの上面であって、電流分散層の表面）にマトリックス状に配列するように形成した。表面電極３０の形成には、フォトリソグラフィー法を用いた。すなわち、エピタキシャルウエハの表面にフォトレジストを塗布した後、マスクアライナーを用いたフォトリソグラフィー法により、複数の表面電極３０が形成される領域のそれぞれに開口を有するマスクパターンをエピタキシャルウエハの表面に形成した。その後、真空蒸着法を用いて開口に４００ｎｍ厚のＡｕＢｅと、１０ｎｍ厚のＮｉと、１０００ｎｎ厚のＡｕとをこの順に蒸着した。蒸着後、リフトオフ法によりエピタキシャルウエハに形成されたマスクパターンを除去することにより、エピタキシャルウエハの表面に表面電極３０を形成した。

次に、エピタキシャルウエハの裏面、すなわち、表面電極３０が形成された面の反対側の面の全面に、真空蒸着法を用いて裏面電極３５を形成した。裏面電極３５は、６０ｎｍ厚のＡｕＧｅと、１０ｎｍ厚のＮｉと、５００ｎｍ厚のＡｕとをこの順に蒸着することにより形成した。表面電極３０及び裏面電極３５を形成した後、電極を合金化するアロイ工程を実施した。具体的には、表面電極３０及び裏面電極３５が形成されたエピタキシャルウエハを、窒素ガス雰囲気中、４００℃にて５分間加熱することにより実施した。これにより、実施例１に係る発光素子用の電極付エピタキシャルウエハを製造した。

実施例２に係る発光素子として、実施例１に係る発光素子とは異なる反射部２１０を備える発光素子を製造した。反射部２１０を除く他の構成は実施例１と同一であるので、相違点を除き詳細な説明は省略する。

実施例２に係る発光素子が備える反射部２１０の構成は以下のような構成である。すなわち、実施例２に係る反射部２１０は、ｎ型ＧａＡｓバッファ層の側から、７０°ＤＢＲ層を２ペアと、６０°ＤＢＲ層を２ペアと、５０°ＤＢＲ層を１ペアと、４０°ＤＢＲ層を１ペアと、３０°ＤＢＲ層を３ペアと、２０°ＤＢＲ層を４ペアと、１０°ＤＢＲ層を１ペアと、０°ＤＢＲ層を１ペアとを順次成長することにより形成した。ただし、０°ＤＢＲ層は、式（１）及び式（２）のθの値に「０」を代入して算出される厚さを有する第１の半導体層２１０ａと第２の半導体層２１０ｂとからなるペア層を指す。反射部２１０に含まれる複数のペア層の数は１５ペアであり、反射部２１０の厚さは約２０００ｎｍ弱である。なお、その他の構成は実施例１と同様である。

以上のようにして実施例１及び実施例２に係る発光素子用の電極付エピタキシャルウエハを製造した。

（凹凸部２５０の粗さについて）
次に、実施例１及び実施例２に係る発光素子用の電極付エピタキシャルウエハを劈開により４分割して、１／４のサイズの小片を作製した。実施例１に係る発光素子用の電極付エピタキシャルウエハから作製した１／４サイズの１枚の小片と、実施例２に係る発光素子用の電極付エピタキシャルウエハから作製した１枚の１／４サイズの小片とはそれぞれそのままの状態で比較用として保管した。一方、実施例１に係る発光素子用のエピタキシャルウエハから作製した１／４サイズの３枚の小片と、実施例２に係る発光素子用のエピタキシャルウエハから作製した１／４サイズの３枚の小片とについては、表面電極３０が形成されている領域を除く電流分散層の表面に凹凸化処理（粗面化処理）を施した。

粗面化処理は、酢酸系のエッチング液を用いて実施した。凹凸化（粗面化）は、エッチング時間（粗化処理時間）を変えて３パターン実施した。すなわち、電流分散層の表面の凹凸を、エッチング時間（粗化処理時間）によって異なる形状にした。エッチング時間（粗化処理時間）は、実施例１及び実施例２に係る発光素子用のエピタキシャルウエハから作製した１／４サイズの小片のいずれについても、１５秒、３０秒、６０秒の３パターンを実施した。そして、エッチング時間（粗化処理時間）を変えてエッチングされた電流分散層の表面の凹凸を評価した結果、算術平均粗さＲａは０．０４以上０．２５であり、二乗平均粗さＲＭＳは０．０５以上０．３５以下であった。

図４は、電極付エピタキシャルウエハに粗面化処理を施す時間と表面粗さとの関係を示す。

図４においては、エッチング時間（粗化処理時間）を９０秒にして粗面化処理を実施した場合の表面粗さも示す。図４を参照すると分かるように、Ｒａ及びＲＭＳ共に、エッチング時間（粗化処理時間）を１５秒以上にすることにより０．０４以上になることが示された。

（反射部２１０の構成について）
図５Ａは、実施例１に係る発光素子が備える反射部の簡易的な構造を示し、図５Ｂは、実施例１に係る発光素子が備える反射部の簡易的な構造における反射スペクトルを示す。また、図６Ａは、比較例に係る発光素子が備える反射部の簡易的な構造を示し、図６Ｂは、比較例に係る発光素子が備える反射部の簡易的な構造における反射スペクトルを示す。

図５Ａを参照すると分かるように、実施例１に係る発光素子が備える反射部２１０の簡易的な構造は、半導体基板１０としてのｎ型ＧａＡｓ基板の上に、７０°ＤＢＲ層と、４０°ＤＢＲ層と、０°ＤＢＲ層とがこの順に形成された構造を備える。斯かる構造の反射部２１０の反射スペクトルを測定したところ、図５Ｂに示すように、様々な波長の光を反射することが示された。

一方、図６Ａを参照すると分かるように、比較例に係る発光素子が備える反射部の簡易的な構造は、半導体基板１０としてのｎ型ＧａＡｓ基板の上に、３つの０°ＤＢＲ層が形成された構造を備える。斯かる構造の反射部の反射スペクトルを測定したところ、図６Ｂに示すように、ピーク波長が６４０ｎｍ付近の波長の光のみを主として反射することが示された。

（発光素子）
続いて、保管していた実施例１に係る発光素子用のエピタキシャルウエハから作製した１／４サイズの１枚の小片と、実施例２に係る発光素子用のエピタキシャルウエハから作製した１／４サイズの１枚の小片と、粗面化処理を施した実施例１に係る１／４サイズの３枚の小片（すなわち、１５秒、３０秒、６０秒のエッチングを施すことにより表面を粗面化した小片）と、粗面化処理を施した実施例２に係る１／４サイズの３枚の小片（すなわち、１５秒、３０秒、６０秒のエッチングを施すことにより表面を粗面化した小片）とのそれぞれについて、表面電極３０が中心になるようにダイシング装置を用いて切断した。

これにより、粗面化処理を施していない比較用の２種類のＬＥＤベアチップ（すなわち、実施例１に係る発光素子用の電極付エピタキシャルウエハから作製した比較用のＬＥＤベアチップと、実施例２に係る発光素子用の電極付エピタキシャルウエハから作製した比較用のＬＥＤベアチップとの２種類）と、実施例１に係る３種類のＬＥＤベアチップ（すなわち、粗面化処理を施したＬＥＤベアチップであり、粗面化処理の時間が１５秒、３０秒、６０秒の３種類のＬＥＤベアチップ）と、実施例２に係る３種類のＬＥＤベアチップ（すなわち、粗面化処理を施したＬＥＤベアチップであり、粗面化処理の時間が１５秒、３０秒、６０秒の３種類のＬＥＤベアチップ）とを作製した。なお、チップサイズはいずれも、２７５μｍ角である。

次に、作製したＬＥＤベアチップのそれぞれをＴＯ−１８ステムにＡｇペーストを用いてダイボンディングした。そして、ＴＯ−１８ステムにマウントされたＬＥＤベアチップの表面電極３０にＡｕからなるワイヤーを用いてワイヤーボンディングして、実施例１、実施例２、並びに実施例１の比較用、及び実施例２の比較用の発光素子をそれぞれ作製した。

実施例３に係る発光素子として、実施例２に係る発光素子とは異なる反射部２１０を備える発光素子を製造した。反射部２１０を除く他の構成は実施例２と同一であるので、相違点を除き詳細な説明は省略する。

実施例３に係る発光素子が備える反射部２１０の構成は以下のような構成であり、実施例２に係る反射部２１０とは反対の構成である。すなわち、実施例３に係る反射部２１０は、ｎ型ＧａＡｓバッファ層の側から、０°ＤＢＲ層を１ペアと、１０°ＤＢＲ層を１ペアと、２０°ＤＢＲ層を４ペアと、３０°ＤＢＲ層を３ペアと、４０°ＤＢＲ層を１ペアと、５０°ＤＢＲ層を１ペアと、６０°ＤＢＲ層を２ペアと、７０°ＤＢＲ層を２ペアとを順次成長することにより形成した。その他の構成は実施例２と同様である。そして、実施例１及び実施例２と同様にして、実施例３に係る発光素子を作製した。

図７は、実施例４及び実施例４の変形例に係る発光素子の反射部の概要を示す。

実施例４及び実施例４の変形例に係る発光素子として、実施例１及び実施例２に係る発光素子とは異なる反射部２１０を備える発光素子を製造した。実施例４及び実施例４の変形例に係る発光素子は、反射部２１０を除く他の構成は実施例１及び実施例２と同一であるので、相違点を除き詳細な説明は省略する。

実施例４に係る発光素子においては、実施例１に係る反射部２１０の２ペアの７０°ＤＢＲ層の内１ペアを、第１の半導体層２１０ａとしてのＡｌＡｓ層と、第２の半導体層２１０ｃとしてのＧａＡｓ層とで構成した。その他のペア層は実施例１に係る反射部２１０が有するペア層と同一にした。また、実施例４の変形例に係る発光素子においては、実施例３に係る反射部２１０の１ペアの０°ＤＢＲ層を、第１の半導体層２１０ａとしてのＡｌＡｓ層と、第２の半導体層２１０ｃとしてのＧａＡｓ層とで構成した。その他のペア層は実施例３に係る反射部２１０が有するペア層と同一にした。そして、実施例１及び実施例２と同様にして、実施例４及び実施例４の変形例に係る発光素子を作製した。

図８は、実施例５に係る発光素子の反射部の概要を示す。

実施例５に係る発光素子として、実施例１に係る発光素子とは異なる反射部２１０を備える発光素子を製造した。実施例５に係る発光素子は、反射部２１０を除く他の構成は実施例１と同一であるので、相違点を除き詳細な説明は省略する。

実施例５に係る発光素子においては、実施例１に係る反射部２１０の第１の半導体層としてのＡｌＡｓ層の全てを、第１の半導体層２１０ｄとしてのＡｌ_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ層に代えて反射部２１０を形成した。その他の構成は実施例１と同一である。そして、実施例１及び実施例２と同様にして、実施例５に係る発光素子を作製した。

（比較例１）
図９は、比較例１に係る発光素子の模式的な断面の概要を示し、図１０は、比較例１に係る発光素子の反射部のペア数の違いによる発光出力を示す。

比較例１に係る発光素子は、反射部２１２の構成等が異なる点を除き、実施例１と同様の構成を備える。したがって、実施例１に係る発光素子との相違点を除き詳細な説明は省略する。

まず、比較例１に係る発光素子の反射部２１２は、第１の半導体層としてのＡｌＡｓ層と、第２の半導体層としてのＡｌ_０．５Ｇａ_０．５Ａｓ層とからなる複数のペア層を有する。そして、比較例１においては、第１の半導体層の厚さと、第２の半導体層の厚さとを、λ_ｐ／４ｎから算出される厚さに制御した。ここで、λ_ｐは活性層２２２が発する光の発光ピーク波長であり、ｎは、第１の半導体層又は第２の半導体層の屈折率である。

具体的に、発光ピーク波長は６３１ｎｍであるので、比較例１に係る第１の半導体層としてのＡｌＡｓ層の厚さＴ_Ａは、Ｔ_Ａ＝６３１／４×３．１１４（ただし、３．１１４はＡｌＡｓ層の屈折率)となり、５０．７ｎｍである。また、比較例１に係る第２の半導体層としてのＡｌ_０．５Ｇａ_０．５Ａｓ層の厚さＴ_Ｂは、Ｔ_Ｂ＝６３１／４×３．５０７（ただし、３．５０７は、Ａｌ_０．５Ｇａ_０．５Ａｓ層の屈折率）となり、４５．０ｎｍである。したがって、このような厚さを有する第１の半導体層及び第２の半導体層からなるペア層を有する反射部２１２を備えるように、比較例１に係る発光素子を製造した。

また、反射部２１２に含まれるペア層のペア数を様々に変えたところ、図１０を参照すると分かるように、反射部２１２に含まれるペア層のペア数が２０以上になると比較例１に係る発光素子の発光出力が飽和することが示された。したがって、反射部２１２が有するペア層のペア数は２０以上にした。ただし、反射部２１２の厚さが約２０００ｎｍになるようにペア数を制御した。具体的に、比較例１に係る反射部２１２が有するペア層のペア数は２１ペアにした。そして、反射部２１２の厚さは２０１０ｎｍであった。

また、比較例１に係る発光素子として、凹凸部２５０を備えていない発光素子だけでなく、凹凸部２５０を備えている発光素子も作製した。具体的には、実施例１及び実施例２と同様に、発光素子用の電極付エピタキシャルウエハを４分割して、粗面化処理を施さない小片と、エッチング時間（粗化処理時間）を変化させた粗面化処理を施した３種類の小片とを作製した。エッチング時間（粗化処理時間）は、実施例１及び実施例２と同様に、１５秒、３０秒、６０秒の３パターンである。粗面化処理により形成された電流分散層の表面は、実施例１及び実施例２と同程度のＲａ及びＲＭＳであることを確認した。比較例１に係る発光素子の発光特性を表１に示す。

表１に示すように、比較例１に係る発光素子の発光出力は、粗面化処理を施していない素子、すなわち、凹凸部を備えていない素子で２．２５ｍＷであった。また、粗面化処理を施した素子の発光出力は、凹凸部を備えていない素子の発光出力よりも約１０％低下することが確認された。すなわち、比較例１に係る発光素子においては、電流分散層の表面に粗面化処理を施すと発光出力が低下することが示された。

（比較例２）
比較例２に係る発光素子として、実施例１において製造した発光素子用のエピタキシャルウエハを用い、電流分散層２４０の表面に表面電極３０を形成する前に、電流分散層２４０の表面に粗面化処理を施した。すなわち、実施例１との相違点は、表面電極３０の形成前に粗面化処理を実施した点である。その他の発光素子の構成等については実施例１と同様であるので、詳細な説明は省略する。

比較例２に係る発光素子の初期特性を評価した。その結果、比較例２に係る発光素子の順方向電圧（Ｖｆ）は２．５Ｖ以上であった。すなわち、表面電極３０を形成する前に粗面化処理を実施して、電流分散層２４０の表面に凹凸部２５０を形成すると、順方向電圧（Ｖｆ）が高くなることが示された。

（実施例１、実施例２、及び比較例１の特性評価）
上述したように作製した実施例１及び実施例２に係る発光素子の初期特性を評価した結果を表２に示す。なお、評価に用いた発光素子はそれぞれ、エピタキシャルウエハの中心付近から取り出した素子である。また、表２には、比較例１に係る発光素子の評価結果も示す。なお、表１における発光出力は、２０ｍＡ通電時の発光出力である。

表２を参照すると、実施例１に係る発光素子用の電極付エピタキシャルウエハから作製した比較用のＬＥＤベアチップ（すなわち、凹凸部２５０を備えていないチップ）から作製した発光素子の発光出力は２．１６３ｍＷであり、実施例２に係る発光素子用の電極付エピタキシャルウエハから作製した比較用のＬＥＤベアチップ（すなわち、凹凸部２５０を備えていないチップ）から作製した発光素子の発光出力は２．１０２ｍＷであった。これは、比較例１に係る発光素子の発光出力に比べて約４％から７％発光出力が低下したことを示す。

しかしながら、粗面化処理を施すことにより凹凸部が形成された実施例１に係る３種類のＬＥＤベアチップ（すなわち、粗面化処理が１５秒、３０秒、６０秒の３種類のＬＥＤベアチップ）から作製した発光素子と、実施例２に係る３種類のＬＥＤベアチップ（すなわち、粗面化処理が１５秒、３０秒、６０秒の３種類のＬＥＤベアチップ）から作製した発光素子とについては、発光出力が２．６４３ｍＷ以上２．７９４ｍＷ以下であり、比較例１に比較して、発光出力が約１８％から２４％向上したことが示された。これにより、製造コストを増加させなくても、発光出力が比較例１に係る発光素子よりも約１．２倍の発光素子を提供できることが示された。

なお、実施例１及び実施例２において反射部２１０は複数のペア層を有しており、また、電流分散層２４０の表面には凹凸部２５０が形成されているので、発光素子の発光ピーク波長が変わる可能性がある。しかしながら、発光ピーク波長は、表３に示すように、±１ｎｍの範囲内に収まり、大きな変動は認められなかった。

更に、実施例１及び実施例２に係る発光素子の順方向電圧（Ｖｆ）についても、表４に示すように約１．８８Ｖであり、実用上、十分に低い順方向電圧であることが確認された。なお、表４を参照すると、比較例に係る発光素子に比べて順方向電圧は若干低いことが示された。これは、実施例１及び実施例２に係る発光部２１０が有するペア層のペア数が、比較例に係る発光素子の反射部のペア数よりも少ないことに起因して、第１の半導体層と第２の半導体層とのヘテロ接合界面が減少したことに起因すると考えられる。

（信頼性評価）
また、実施例１に係る発光素子用の電極付エピタキシャルウエハから作製した比較用のＬＥＤベアチップ（すなわち、凹凸部２５０を備えていないチップ）から作製した発光素子と、実施例２に係る発光素子用の電極付エピタキシャルウエハから作製した比較用のＬＥＤベアチップ（すなわち、凹凸部２５０を備えていないチップ）から作製した発光素子と、実施例１及び実施例２に係る発光素子（すなわち、実施例１及び実施例２のそれぞれについて、粗面化処理のエッチング時間が異なる３種類のそれぞれの発光素子）とについて、信頼性試験を実施した。

具体的に、信頼性試験は、室温、５０ｍＡ通電の条件で１６８時間、通電試験を実施して評価した。信頼性試験の結果、いずれの発光素子も、相対出力が１００％から１０５％であった。なお、相対出力は、１６８時間通電後の発光出力／初期発光出力×１００から算出した。したがって、電流分散層２４０の表面に粗面化処理を施していない発光素子と同程度の信頼性を、実施例１及び実施例２に係る発光素子は有していることが示された。

以上より、実施例１及び実施例２に係る発光素子においては、発光特性を維持したまま、低コストで発光出力を約１．２倍にすることができた。なお、粗面化処理時のエッチングによるコストは増加するものの、多数枚の電極付エピタキシャルウエハをバッチ処理することにより、当該コストの増加の影響を低減できる。

［実施例のまとめ］
比較例１に係る発光素子と実施例１乃至５に係る発光素子とを比較すると、比較例１に係る発光素子においては電流分散層の表面を粗面化すると発光出力が低下した。したがって、電流分散層の表面を粗面化して発光出力を向上させるには、実施例１乃至５に係る構造を備える発光素子であることを要することが示された。

（実施例３について）
実施例３に係る発光素子においても、実施例１に係る発光素子と同様に、電流分散層の表面に凹凸部を形成しない場合に比べて、発光出力が１．２倍になることを確認した。また、その他の発光波長、Ｖｆ、信頼性等のＬＥＤ特性についても、実施例１に係る発光素子と同等であった。したがって、反射部２１０を構成する複数のペア層を、実施例２の構成とは反対に構成したとしても、良好な光出力特性を有する発光素子が得られることが確認された。

（実施例４及び実施例４の変形例について）
実施例４に係る発光素子、及び実施例４の変形例に係る発光素子においても、実施例１及び実施例２に係る発光素子と同等の特性が得られることを確認した。また、比較例１に係る発光素子に比べて、約１．２５倍の発光出力が得られることを確認した。ここで、実施例１及び実施例２に係る発光素子よりも光出力が向上した理由は以下のとおりである。すなわち、第１の半導体層２１０ａとしてのＡｌＡｓ層の屈折率と、第２の半導体層２１０ｃとしてのＧａＡｓ層の屈折率との屈折率差が、ＡｌＡｓ層の屈折率とＡｌ_０．５Ｇａ_０．５Ａｓ層の屈折率との屈折率差よりも大きいことに起因して、反射部２１０における反射率が向上したためである。

ただし、ＧａＡｓ層は、例えば、赤色光に対して透明ではなく赤色光を吸収する。したがって、第２の半導体層の全てをＧａＡｓ層にすると、ＧａＡｓ層による光吸収により発光出力は低下する傾向がある。よって、実施例４においては、反射部２１０の最下層、すなわち、発光部２０から最も離れた位置に形成されるペア層（換言すれば、半導体基板１０に最も近い位置に形成されるペア層）の第２の半導体層をＧａＡｓ層にすることが光出力の向上の観点からは好ましい。これは、本発明者が、反射部２１０が有するペア層のペア数を増加させない場合、最下層に位置するペア層は光吸収を考慮するよりも、反射率の向上を考慮した方が好ましいとの知見を得たことによる。

（実施例５について）
実施例５に係る発光素子の発光出力は、比較例１に係る発光素子の発光出力の約１．１倍であり、実施例１乃至４に比べて発光出力の向上度合いは小さかった。そこで、実施例５と同様に、反射部２１０の第１の半導体層をＡｌＡｓ層からＡｌ_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ層にした比較例１の変形例に係る発光素子を作製した。比較例１の変形例に係る発光素子の発光出力は、比較例１に係る発光素子の発光出力よりも低いことが示された。そして、実施例５に係る発光素子の発光出力は、比較例１の変形例に係る発光素子の発光出力の約１．２倍であることを確認した。

すなわち、実施例５に係る発光素子の発光出力が比較例１に係る発光素子の発光出力の約１．１倍であることの理由は、反射部２１０が有する第１の半導体層２１０ｄの全てがＡｌ_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ層から形成されることによることに起因することが示された。具体的に、Ａｌ_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ層の屈折率がＡｌＡｓ層の屈折率よりも大きいことにより、第１の半導体層の屈折率と第２の半導体層の屈折率との屈折率差が小さくなり、結果として実施例５に係る反射部２１０の反射率が低下したことに起因する。

したがって、実施例５に係る発光素子においても、複数の入射角に対応して厚さが制御された第１の半導体層２１０ｄと第２の半導体層２１０ｂとからなる複数のペア層を有する反射部２１０を備えることにより、反射部２１０に様々な入射角から光が入射したとしても、反射部２１０は当該光を光取り出し面側に反射することができること、及び光取り出し面に形成された凹凸部２５０が反射部２１０により反射された光を効率的に発光素子の外部に取り出すことにより素子の光取り出し効率を向上できることが示された。

（比較例２との比較）
実施例１及び実施例２に係る発光素子のＶｆは、１．８８Ｖ程度であるところ、比較例２に係る発光素子のＶｆは２．５Ｖであった。つまり、電流分散層２４０の粗面化処理を表面電極３０を形成する前に実施すると、順方向電圧が上昇することが確認された。したがって、粗面化処理は、表面電極３０が形成された後に実施することが好ましいことが示された。

なお、比較例２において順方向電圧が上昇した詳細な理由は明確ではないものの、以下のような理由が考えられる。すなわち、表面電極３０を形成する前に粗面化処理を実施すると、電流分散層２４０の表面が凹凸化する。したがって、粗面化処理後に表面電極３０を形成すると、表面電極を構成する電極材料が凹凸部２５０の細部にまで入り込まないことが理由の一つとして考えられる。また、電流分散層２４０の表面の粗面化エッチングにより、電流分散層２４０の表面が想定外の形状に変化した可能性、又は、エッチング液が凹凸部２５０の凹部に残留した可能性も理由として考えられる。

以上、本発明の実施の形態及び実施例を説明したが、上記に記載した実施の形態及び実施例は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態及び実施例の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。

１、１ａ、１ｂ 発光素子
３ 発光素子
１０ 半導体基板
２０ 発光部
３０ 表面電極
３５ 裏面電極
４０ 光取り出し層
２００ バッファ層
２１０ 反射部
２１２ 反射部
２１０ａ、２１０ｄ 第１の半導体層
２１０ｂ、２１０ｃ 第２の半導体層
２２０ 第１クラッド層
２２１ 第１アンドープ層
２２２ 活性層
２２３ 第２アンドープ層
２２４ 第２クラッド層
２３０ 介在層
２４０ 電流分散層
２５０ 凹凸部

Claims (16)

1. 半導体基板と、
   第１導電型の第１クラッド層と、前記第１導電型とは異なる第２導電型の第２クラッド層とに挟まれる活性層を有する発光部と、
   前記半導体基板と前記発光部との間に設けられ、前記活性層が発する光を反射する反射部と、
   前記発光部の前記反射部の反対側に設けられ、表面に凹凸部を有する電流分散層とを備え、
   前記反射部は、第１の半導体層と、前記第１の半導体層とは異なる第２の半導体層とからなるペア層を複数有して形成され、
   前記活性層が発する光のピーク波長をλ_ｐ、前記第１の半導体層の屈折率をｎ_Ａ、前記第２の半導体層の屈折率をｎ_Ｂ、前記第１クラッド層の屈折率をｎ_Ｉｎとし、θを第１クラッド層から第１の半導体層への入射角（入射面の法線に対する角度で定義する。）とした場合に、
   前記第１の半導体層は、式（１）及び式（３）で定められる厚さＴ_Ａ１を有し、
   前記第２の半導体層は、式（２）及び式（４）で定められる厚さＴ_Ｂ１を有する発光素
   子。
   

   

   

   

   
2. 前記反射部は、ペア層を少なくとも３つ含み
   当該複数のペア層の厚さはそれぞれ、前記式（１）及び前記式（２）のθの値が各ペア層ごとに異なることにより互いに異なり、少なくとも１つのペア層は、θの値が５０°以上の値で規定される前記第１の半導体層及び前記第２の半導体層を含む請求項１に記載の発光素子。
3. 前記第２クラッド層と前記電流分散層との間に設けられる介在層を更に備え、
   前記介在層は、前記第２クラッド層を構成する半導体のバンドギャップエネルギーと、
   前記電流分散層を構成する半導体のバンドギャップエネルギーとの間のバンドギャップエネルギーを有する半導体から形成される請求項２に記載の発光素子。
4. 前記ペア層は、λ_ｐ／４ｎ_Ａの１．５倍以上の厚さの前記厚さＴ_Ａ１を有する前記第１の半導体層と、λ_ｐ／４ｎ_Ｂの１．５倍以上の厚さの前記厚さＴ_Ｂ１を有する前記第２の半導体層とを含む請求項３に記載の発光素子。
5. 前記反射部は、前記活性層を構成する半導体のバンドギャップよりも大きなバンドギャップを有する半導体材料から形成され、当該半導体材料は、前記活性層から発せられる光に対して透明である請求項４に記載の発光素子。
6. 前記第１の半導体層が、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（但し、０≦ｘ≦１）、又はＡｌ_０．５Ｉｎ_０．５Ｐから形成され、
   前記第２の半導体層が、Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＡｓ（但し、０≦ｙ≦１）から形成され、かつ、前記第１の半導体層の屈折率と前記第２の半導体層の屈折率とが異なる請求項５に記載の発光素子。
7. 前記反射部の前記半導体基板側から１つ目のペア層、又は１つ目及び２つ目のペア層の第１の半導体層が、ＡｌＡｓ又はＡｌ_０．５Ｉｎ_０．５Ｐから形成され、
   前記第２の半導体層は、前記活性層を構成する半導体のバンドギャップよりも小さいバンドギャップを有する半導体、又は、前記活性層が発する光に対して不透明なＧａＡｓから形成される請求項６に記載の発光素子。
8. 前記凹凸部は、算術平均粗さＲａが０．０４μｍ以上０．２５μｍ以下である請求項１〜７のいずれか１項に記載の発光素子。
9. 前記凹凸部は、二乗平均粗さＲＭＳが０．０５μｍ以上０．３５μｍ以下である請求項１〜７のいずれか１項に記載の発光素子。
10. 前記反射部は、少なくとも６対以上の前記ペア層を有する請求項１〜９のいずれか１項に記載の発光素子。
11. 前記半導体基板は、ＧａＡｓからなる請求項１〜１０のいずれか１項に記載の発光素子。
12. 前記介在層は、Ｇａ_ｚＩｎ_１−ｚＰ（但し、０．６≦ｚ≦０．９）からなり、
    前記電流分散層は、ＧａＰからなる請求項３〜１１のいずれか１項に記載の発光素子。
13. 前記電流分散層の前記凹凸部が設けられている領域を除く領域の所定の位置に設けられる表面電極と、
    前記表面電極を除く部分に、前記活性層が発する光に対して透明であり、前記電流分散層を構成する半導体の屈折率よりも小さい屈折率を有すると共に、空気の屈折率よりも大きな屈折率の材料から形成される光取り出し層とを更に備える請求項１〜１２のいずれか１項に記載の発光素子。
14. 前記光取り出し層は、前記活性層が発する光の波長をλ_ｐ、当該光取り出し層を構成する材料の屈折率をｎ、定数Ａ（但し、Ａは奇数）とした場合に、Ａ×λ_ｐ／（４×ｎ）で規定される値の±３０％の範囲内の厚さｄを有する請求項１３に記載の発光素子。
15. 半導体基板上に、第１の半導体層と、前記第１の半導体層とは異なる第２の半導体層とからなる複数のペア層を有して形成される反射部と、第１導電型の第１クラッド層と、前記第１導電型とは異なる第２導電型の第２クラッド層とに挟まれる活性層を有する発光部と、前記発光部上に形成される電流分散層とを形成する成長工程と、
    前記電流分散層の所定の位置に表面電極を形成する表面電極形成工程と、
    前記表面電極が形成されている領域を除く部分に凹凸部を形成する凹凸部形成工程とを備え、
    前記反射部は、第１の半導体層と、前記第１の半導体層とは異なる第２の半導体層とからなるペア層を複数有して形成され、
    前記活性層が発する光のピーク波長をλ_ｐ、前記第１の半導体層の屈折率をｎ_Ａ、前記第２の半導体層の屈折率をｎ_Ｂ、前記第１クラッド層の屈折率をｎ_Ｉｎとし、θを第１クラッド層から第１の半導体層への入射角（入射面の法線に対する角度で定義する。）とした場合に、
    前記第１の半導体層は、式（１）及び式（３）で定められる厚さＴ_Ａ１を有し、
    前記第２の半導体層は、式（２）及び式（４）で定められる厚さＴ_Ｂ１を有する発光素
    子の製造方法。
    

    

    

    

    
16. 前記凹凸部形成工程は、前記表面電極形成工程後に実施する請求項１５に記載の発光素
    子の製造方法。

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