JP2005347700A - Light emitting device and its manufacturing method - Google Patents

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Yoshinobu Suehiro
好伸 末広
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a light emitting device which enhances external irradiation without leaving light in a layer of a high light absorption coefficient, and also to provide its manufacturing method. <P>SOLUTION: In the light emitting device, a sapphire substrate is lifted off from a GaN-based semiconductor layer of an LED device 1, and the light emitting device is constituted so that a glass member 11 having lower refraction factor than the sapphire substrate and having a recessed portion 11A may be joined to an n-GaN layer 13. With the constitution, the trapped light in the layer which is propagated in the n-GaN layer 13 is efficiently reflected from the recessed portion 11A to guide it to a transparent electrode 17 side, and as a result, a light takeoff capability is improved. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は発光素子およびその製造方法に関し、特に、光吸収係数の大なる層に光を留めることなく外部放射を促進させることができる発光素子およびその製造方法に関する。   The present invention relates to a light emitting device and a method for manufacturing the same, and more particularly to a light emitting device capable of promoting external radiation without stopping light in a layer having a large light absorption coefficient and a method for manufacturing the same.

従来、サファイア等の下地基板上にIII族窒化物系化合物半導体からなる半導体結晶を成長させることによって発光素子を製造する方法が知られている。このような発光素子において、発光層で生じた光が光吸収係数の高い層に閉じ込められ、層内で吸収されることによって外部放射効率が低下することが問題となっている。   Conventionally, a method of manufacturing a light emitting device by growing a semiconductor crystal made of a group III nitride compound semiconductor on a base substrate such as sapphire is known. In such a light-emitting element, there is a problem that light generated in the light-emitting layer is confined in a layer having a high light absorption coefficient and is absorbed in the layer, thereby reducing external radiation efficiency.

このような問題を解決するものとして、サファイア基板の表面に凹凸面を形成し、その上にIII族窒化物系化合物半導体層を設けた発光素子がある（例えば、特許文献１参照。）。   As a solution to such a problem, there is a light emitting element in which an uneven surface is formed on the surface of a sapphire substrate and a group III nitride compound semiconductor layer is provided thereon (see, for example, Patent Document 1).

特許文献１に記載される発光素子は、基板表面の上にIII族窒化物系化合物半導体で形成されてその表面がテクスチャ構造、断面台形状、若しくはピット状であるバッファ層を形成し、このバッファ層の上にIII族窒化物系化合物半導体層を形成している。   The light emitting device described in Patent Document 1 is formed of a group III nitride compound semiconductor on a substrate surface, and a surface of the buffer layer having a texture structure, a trapezoidal shape, or a pit shape is formed. A group III nitride compound semiconductor layer is formed on the layer.

特許文献１に記載される発光素子によれば、サファイア基板とIII族窒化物系化合物半導体層との界面へ大きな角度をもって入射する光（当該界面と光進行方向との挟角が小さな光）であっても、当該段差面（側面）から外部へ放出できることとなり、光の取り出し効率が向上するとしている。
特開２００３−１９７９６１号公報（図１、［００１１］） According to the light-emitting element described in Patent Document 1, the light incident on the interface between the sapphire substrate and the group III nitride compound semiconductor layer with a large angle (light having a small angle between the interface and the light traveling direction). Even in such a case, the light can be emitted from the step surface (side surface) to the outside, and the light extraction efficiency is improved.
Japanese Patent Laying-Open No. 2003-197961 (FIG. 1, [0011])

しかし、特許文献１に記載された発光素子によれば、III族窒化物系化合物半導体層から直接取り出される光以外の、層内に閉じ込められた光（層内閉込光）の取り出しについては凹凸加工を施したとしても層内閉込光の反射性が充分でなく、III族窒化物系化合物半導体層とサファイア基板の屈折率差に依存するため、光取り出し効率に限界がある。また、III族窒化物系化合物半導体層は光吸収係数が大であることにより、層内閉込光となると減衰して有効に活用することができない。   However, according to the light-emitting element described in Patent Document 1, the extraction of light confined in the layer (in-layer confinement light) other than the light extracted directly from the group III nitride compound semiconductor layer is uneven. Even if the processing is performed, the reflectivity of the light confined in the layer is not sufficient, and the light extraction efficiency is limited because it depends on the refractive index difference between the group III nitride compound semiconductor layer and the sapphire substrate. Further, since the group III nitride compound semiconductor layer has a large light absorption coefficient, it is attenuated and cannot be used effectively when it becomes confined light in the layer.

従って、本発明の目的は、光吸収係数の大なる層に光を留めることなく外部放射を促進させることができる発光素子およびその製造方法を提供することにある。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a light emitting device capable of promoting external radiation without stopping light in a layer having a large light absorption coefficient, and a method for manufacturing the same.

第１の発明は、上記の目的を達成するため、発光層を含み、凹凸面を有する半導体層と、前記半導体層の前記凹凸面側に貼り付けられる透過性材料とを有し、前記透過性材料は、前記半導体層より低い屈折率を有することを特徴とする発光素子を提供する。   In order to achieve the above object, a first invention includes a semiconductor layer including a light emitting layer and having an uneven surface, and a transparent material attached to the uneven surface side of the semiconductor layer, The material provides a light-emitting element having a refractive index lower than that of the semiconductor layer.

また、第２の発明は、上記の目的を達成するため、発光層を含み、凹凸面を有する半導体層と、前記半導体層の前記凹凸面側に貼り付けられる透過性材料とを有し、前記透過性材料は、前記半導体層との間に凹凸形状に応じた空気層を有することを特徴とする発光素子を提供する。   In order to achieve the above object, the second invention includes a semiconductor layer including a light emitting layer and having an uneven surface, and a transparent material attached to the uneven surface side of the semiconductor layer, The light-transmitting material is characterized in that the transmissive material has an air layer corresponding to the uneven shape with the semiconductor layer.

また、第３の発明は、上記の目的を達成するため、下地基板を準備する基板準備工程と、前記下地基板に凹凸加工を施す凹凸加工工程と、前記凹凸加工が施された前記下地基板に半導体層を形成する半導体層形成工程と、前記半導体層から前記下地基板をリフトオフするリフトオフ工程と、前記下地基板をリフトオフされた前記半導体層の前記下地基板取り付け側に透過性材料を設ける透過性材料接合工程と、透過性材料を設けられた前記半導体層に電極を形成する電極形成工程とを含むことを特徴とする発光素子の製造方法を提供する。   According to a third aspect of the present invention, there is provided a substrate preparation step for preparing a base substrate, a concavo-convex processing step for performing concavo-convex processing on the base substrate, and the base substrate subjected to the concavo-convex processing to achieve the above object. A semiconductor layer forming step of forming a semiconductor layer; a lift-off step of lifting off the base substrate from the semiconductor layer; and a transparent material that provides a transparent material on the base substrate mounting side of the semiconductor layer lifted off the base substrate There is provided a method for manufacturing a light-emitting element, including a bonding step and an electrode formation step of forming an electrode on the semiconductor layer provided with a transmissive material.

また、第４の発明は、上記の目的を達成するため、下地基板を準備する基板準備工程と、前記下地基板に半導体層を形成する半導体層形成工程と、前記半導体層から前記下地基板をリフトオフするリフトオフ工程と、前記下地基板をリフトオフされた前記半導体層の前記下地基板取り付け側に凹凸加工を施す凹凸加工工程と、前記凹凸加工を施された前記半導体層の加工面に透過性材料を設ける透過性材料接合工程と、透過性材料を接合された前記半導体層に電極を形成する電極形成工程とを含むことを特徴とする発光素子の製造方法を提供する。   According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a substrate preparing step for preparing a base substrate, a semiconductor layer forming step for forming a semiconductor layer on the base substrate, and lifting off the base substrate from the semiconductor layer. A lift-off process, a concavo-convex process process in which a concavo-convex process is performed on the base substrate mounting side of the semiconductor layer lifted off the base substrate, and a transmissive material is provided on a processed surface of the semiconductor layer subjected to the concavo-convex process There is provided a method for manufacturing a light-emitting element, comprising: a transparent material bonding step; and an electrode formation step of forming an electrode on the semiconductor layer bonded with the transparent material.

本発明によれば、半導体層内に留まる層内閉込光を凹凸部の形状および透過性材料の屈折率に基づいて放射方向を変化させることによって光取り出し性を高めており、そのことによって光吸収係数の大なる層に光を留めることなく外部放射を促進させることができる。   According to the present invention, the light extraction property is enhanced by changing the radiation direction of the confinement light within the semiconductor layer that remains in the semiconductor layer based on the shape of the concavo-convex portion and the refractive index of the transmissive material. External radiation can be promoted without keeping light in the layer having a large absorption coefficient.

（第１の実施の形態）
（ＬＥＤ素子１の構成）
図１は、第１の実施の形態に係るＬＥＤ素子の縦断面図である。このフェイスアップ型のＬＥＤ素子１は、発光層１４を有するＧａＮ系半導体層１００より低屈折率の透過性材料であるガラス部材１１と、ＧａＮ半導体化合物によって形成されるｎ−ＧａＮ層１３と、ｎ−ＧａＮ層１３上に積層される発光層１４と、発光層１４上に積層されるｐ−ＧａＮ層１５と、ｐ−ＧａＮ層１５からｎ−ＧａＮ層１３にかけてエッチングにより除去されたｎ−ＧａＮ層１３に設けられるｎ−電極１６と、ｐ−ＧａＮ層１５上に設けられる透明電極１７と、透明電極１７上に設けられるｐ−電極１８とを有する。 (First embodiment)
(Configuration of LED element 1)
FIG. 1 is a longitudinal sectional view of an LED element according to the first embodiment. The face-up LED element 1 includes a glass member 11 that is a transparent material having a lower refractive index than the GaN-based semiconductor layer 100 having the light-emitting layer 14, an n-GaN layer 13 formed of a GaN semiconductor compound, n A light emitting layer 14 laminated on the -GaN layer 13, a p-GaN layer 15 laminated on the light emitting layer 14, and an n-GaN layer removed by etching from the p-GaN layer 15 to the n-GaN layer 13. 13, an n-electrode 16 provided on the p-GaN layer 15, a transparent electrode 17 provided on the p-GaN layer 15, and a p-electrode 18 provided on the transparent electrode 17.

III族窒化物系化合物半導体層の形成方法は特に限定されないが、周知の有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）、分子線結晶成長法（ＭＢＥ法）、ハライド系気相成長法（ＨＶＰＥ法）、スパッタ法、イオンプレーティング法、電子シャワー法等によって形成することができる。なお、発光素子の構成としては、ホモ構造、ヘテロ構造若しくはダブルへテロ構造のものを用いることができる。さらに、量子井戸構造（単一量子井戸構造若しくは多重量子井戸構造）を採用することもできる。   The formation method of the group III nitride compound semiconductor layer is not particularly limited, but the well-known metal organic chemical vapor deposition method (MOCVD method), molecular beam crystal growth method (MBE method), halide vapor phase epitaxy method (HVPE method). It can be formed by sputtering, ion plating, electron shower, or the like. Note that a light-emitting element having a homo structure, a hetero structure, or a double hetero structure can be used. Furthermore, a quantum well structure (single quantum well structure or multiple quantum well structure) can also be adopted.

ガラス部材１１は、屈折率ｎ＝１．５、熱膨張率６×１０−６／℃、ガラス点移点５４０℃で構成されており、図示しないサファイア基板上に成長させたＧａＮ系半導体化合物をレーザ光線の照射に基づいて剥離することによりサファイア基板から分離し、露出したｎ−ＧａＮ層１３に熱融着されている。このガラス部材１１には、発光層１４の発光に基づいてｎ−ＧａＮ層１３を介して入射する光を透明電極１７側の光取り出し方向に反射させる凹部１１Ａを有する。 The glass member 11 has a refractive index n = 1.5, a thermal expansion coefficient of 6 × 10 −6 / ° C., and a glass point transition point of 540 ° C., and a GaN-based semiconductor compound grown on a sapphire substrate (not shown). It is separated from the sapphire substrate by being peeled off based on the laser beam irradiation, and is thermally fused to the exposed n-GaN layer 13. The glass member 11 has a recess 11 </ b> A that reflects light incident through the n-GaN layer 13 based on light emission of the light emitting layer 14 in the light extraction direction on the transparent electrode 17 side.

凹部１１Ａは、逆台形状の形状を有し、ｎ−ＧａＮ層１３との熱融着に基づいてｎ−ＧａＮ層１３に設けられる凸部が転写されることにより設けられる。ｎ−ＧａＮ層１３の凸部は、サファイア基板に予めエッチング等によって逆台形状の凹部を形成しておき、その上層にＧａＮ系半導体化合物を成長させることにより形成される。凹部１１Ａの傾斜面は図の中心軸Ａに対し４５度で形成されている。   The concave portion 11 </ b> A has an inverted trapezoidal shape, and is provided by transferring a convex portion provided on the n-GaN layer 13 based on thermal fusion with the n-GaN layer 13. The convex portion of the n-GaN layer 13 is formed by forming an inverted trapezoidal concave portion in advance on the sapphire substrate by etching or the like and growing a GaN-based semiconductor compound thereon. The inclined surface of the recess 11A is formed at 45 degrees with respect to the central axis A in the figure.

（ＬＥＤ素子１の製造工程）
図２は、ＬＥＤ素子の製造工程を示す図である。以下にＬＥＤ素子１の製造工程について説明する。 (Manufacturing process of LED element 1)
FIG. 2 is a diagram showing a manufacturing process of the LED element. Below, the manufacturing process of the LED element 1 is demonstrated.

（基板準備工程）
図２（ａ）は、基板準備工程を示す図である。まず、下地基板となるウエハー状のサファイア基板１０を準備する。 (Board preparation process)
FIG. 2A is a diagram illustrating a substrate preparation process. First, a wafer-like sapphire substrate 10 serving as a base substrate is prepared.

（凹凸加工工程）
図２（ｂ）は、サファイア基板への凹凸加工工程を示す図である。サファイア基板１０に対してエッチングを施すことにより、サファイア基板１０に逆台形状の凹部１０Ａを所定の間隔で形成する。次に、凹部１０Ａを形成されたサファイア基板１０の表面にＡｌＮバッファ層１２を形成する。 (Rough process)
FIG. 2B is a diagram showing a concavo-convex processing step on the sapphire substrate. By etching the sapphire substrate 10, inverted trapezoidal concave portions 10 </ b> A are formed in the sapphire substrate 10 at a predetermined interval. Next, the AlN buffer layer 12 is formed on the surface of the sapphire substrate 10 on which the recess 10A is formed.

（半導体層形成工程）
図２（ｃ）は、ＧａＮ系半導体層の形成工程を示す図である。ＡｌＮバッファ層１２上にｎ−ＧａＮ層１３と、発光層１４と、ｐ−ＧａＮ層１５と、透明電極１７とを順次設けた後、ｐ−ＧａＮ層１５からｎ−ＧａＮ層１３にかけてをエッチングにより除去することによってｎ−ＧａＮ層１３を露出させる。 (Semiconductor layer formation process)
FIG. 2C is a diagram showing a process for forming a GaN-based semiconductor layer. An n-GaN layer 13, a light emitting layer 14, a p-GaN layer 15, and a transparent electrode 17 are sequentially provided on the AlN buffer layer 12, and then etched from the p-GaN layer 15 to the n-GaN layer 13. By removing, the n-GaN layer 13 is exposed.

（リフトオフ工程）
図２（ｄ）は、サファイア基板とＧａＮ系半導体層とのリフトオフ工程を示す図である。図２（ｃ）に示すＧａＮ系半導体層１００を積層されたサファイア基板１０に対し、サファイア基板１０側からレーザ光線をウエハー全面に照射する。ここで照射されるレーザ光線は、サファイア基板を透過し、ＧａＮ系半導体層１００を透過しない波長のものが使用される。このようなレーザ光線の照射に基づいてサファイア基板１０とｎ−ＧａＮ層１３の界面が局所的に加熱され、その結果、ｎ−ＧａＮ層１３からサファイア基板１０が剥離する。ここでｎ−ＧａＮ層１３側に残留したＡｌＮバッファ層１２は酸洗浄に基づいて除去される。 (Lift-off process)
FIG. 2D is a diagram showing a lift-off process between the sapphire substrate and the GaN-based semiconductor layer. A sapphire substrate 10 on which the GaN-based semiconductor layer 100 shown in FIG. 2C is laminated is irradiated with a laser beam from the sapphire substrate 10 side over the entire surface of the wafer. The laser beam irradiated here has a wavelength that passes through the sapphire substrate and does not pass through the GaN-based semiconductor layer 100. Based on such irradiation of the laser beam, the interface between the sapphire substrate 10 and the n-GaN layer 13 is locally heated, and as a result, the sapphire substrate 10 is peeled from the n-GaN layer 13. Here, the AlN buffer layer 12 remaining on the n-GaN layer 13 side is removed based on acid cleaning.

（ガラス準備工程）
図２（ｅ）は、サファイア基板が剥離されたＧａＮ系半導体層に熱融着されるガラス部材を準備するガラス準備工程を示す図である。図２（ｅ）でサファイア基板１０をリフトオフされたＧａＮ系半導体層１００に対し、ｎ−ＧａＮ層１３側にｎ＝１．５のガラス部材１１を配置する。 (Glass preparation process)
FIG.2 (e) is a figure which shows the glass preparation process which prepares the glass member heat-sealed to the GaN-type semiconductor layer from which the sapphire substrate was peeled. With respect to the GaN-based semiconductor layer 100 from which the sapphire substrate 10 is lifted off in FIG. 2E, an n = 1.5 glass member 11 is disposed on the n-GaN layer 13 side.

（ガラス圧着工程）
図２（ｆ）は、ｎ−ＧａＮ層１３にガラス部材を熱融着するガラス圧着工程を示す図である。ｎ−ＧａＮ層１３にガラス部材１１をホットプレスすることにより、ガラス部材１１には、ｎ−ＧａＮ層１３に形成されている凸部が転写されることによって凹部１１Ａが形成されるとともに熱融着される。 (Glass crimping process)
FIG. 2 (f) is a diagram showing a glass crimping process for thermally fusing a glass member to the n-GaN layer 13. By hot-pressing the glass member 11 on the n-GaN layer 13, the convex portion formed on the n-GaN layer 13 is transferred to the glass member 11, thereby forming a concave portion 11 </ b> A and heat fusion. Is done.

（電極形成工程）
図２（ｇ）は、電極を形成する電極形成工程を示す図である。エッチングにより露出させたｎ−ＧａＮ層１３にｎ−電極１６を形成し、透明電極１７上にｐ−電極１８を形成する。電極形成後、ダイサーで個々のＬＥＤ素子１に切断し、電極を除く表面に図示しない絶縁膜が形成される。なお、ＬＥＤ素子１の切断は、ダイサーによるカット以外の他の方法、例えば、スクライブによって行うこともできる。 (Electrode formation process)
FIG. 2G is a diagram showing an electrode forming process for forming an electrode. An n-electrode 16 is formed on the n-GaN layer 13 exposed by etching, and a p-electrode 18 is formed on the transparent electrode 17. After the electrodes are formed, each LED element 1 is cut with a dicer, and an insulating film (not shown) is formed on the surface excluding the electrodes. In addition, cutting | disconnection of the LED element 1 can also be performed by methods other than the cutting | disconnection by a dicer, for example, scribe.

このようにして形成されたＬＥＤ素子１を用いて、ＬＥＤランプを形成するには、まず、銅合金等により形成されたリードにＬＥＤ素子１を実装し、ｎ−電極１６及びｐ−電極１８をＡｕワイヤでリードにそれぞれボンディングする。次に、封止樹脂で一体的に封止してパッケージ化する。   In order to form an LED lamp using the LED element 1 formed as described above, first, the LED element 1 is mounted on a lead formed of a copper alloy or the like, and the n-electrode 16 and the p-electrode 18 are attached. Each wire is bonded to the lead with an Au wire. Next, it is sealed with a sealing resin and packaged.

（ＬＥＤ素子１の動作）
上記したＬＥＤランプのリードを図示しない電源部に接続して通電すると、リードからＡｕワイヤを介してｎ−電極１６及びｐ−電極１８に順方向の電圧が印加されて発光層１４においてホール及びエレクトロンのキャリア再結合が発生して発光する。この発光に基づいて生じた青色光のうち、発光層１４から透明電極１７側に放射される青色光は、透明電極１７を介して封止樹脂に入射し、封止樹脂から外部放射される。 (Operation of LED element 1)
When the LED lamp lead is connected to a power source (not shown) and energized, a forward voltage is applied from the lead to the n-electrode 16 and the p-electrode 18 through the Au wire, so that holes and electrons are generated in the light emitting layer 14. The carrier recombination occurs to emit light. Of the blue light generated based on this light emission, the blue light emitted from the light emitting layer 14 toward the transparent electrode 17 is incident on the sealing resin through the transparent electrode 17 and is emitted externally from the sealing resin.

また、発光層１４からｎ−ＧａＮ層１３側に放射された青色光のうち、ガラス部材１１の臨界角の範囲にある光はガラス部材１１との界面で反射されることによって透明電極１７側に導かれてＬＥＤ素子１の外部に放射される。   Of the blue light radiated from the light emitting layer 14 to the n-GaN layer 13 side, the light in the critical angle range of the glass member 11 is reflected at the interface with the glass member 11 to the transparent electrode 17 side. It is guided and emitted to the outside of the LED element 1.

また、ｎ−ＧａＮ層１３の横方向（層方向）に伝搬する層内閉込光の一部は、ガラス部材１１に設けられた凹部１１Ａに入射することにより透明電極１７側に反射されて外部放射される。   Further, a part of the in-layer confined light propagating in the lateral direction (layer direction) of the n-GaN layer 13 is reflected on the transparent electrode 17 side by being incident on the concave portion 11 </ b> A provided in the glass member 11. Radiated.

（第１の実施の形態の効果）
第１の実施の形態によると、以下の効果が得られる。
（１）ＬＥＤ素子１のｎ−ＧａＮ層１３からサファイア基板をリフトオフし、サファイア基板よりも低屈折率で、かつ凹部１１Ａを有するガラス部材１１をｎ−ＧａＮ層１３に接合したので、ＧａＮ層内を伝搬する層内閉込光を凹部１１Ａで効率良く反射させて透明電極１７側に導くことができ、その結果、光取り出し性を向上させることができる。サファイア基板１０を用いた場合、ｎ−ＧａＮ層１３との屈折率差に基づく臨界角θｃは、１．７（サファイア）／２．４（ＧａＮ）：θｃ＝４５度となるが、上記したガラス部材１１を用いた場合には、１．５（ガラス）／２．４（ＧａＮ）：θｃ＝３９度となり、ガラス部材１１へ透過しうる青色光が小になる。このため、光吸収係数の大なる層に青色光を留めることなく外部放射を促進させることができる。 (Effects of the first embodiment)
According to the first embodiment, the following effects can be obtained.
(1) Since the sapphire substrate is lifted off from the n-GaN layer 13 of the LED element 1 and the glass member 11 having a refractive index lower than that of the sapphire substrate and having the recess 11A is joined to the n-GaN layer 13, In-layer confinement light propagating in the light can be efficiently reflected by the concave portion 11A and guided to the transparent electrode 17 side, and as a result, the light extraction performance can be improved. When the sapphire substrate 10 is used, the critical angle θc based on the difference in refractive index with the n-GaN layer 13 is 1.7 (sapphire) /2.4 (GaN): θc = 45 degrees. When the member 11 is used, 1.5 (glass) /2.4 (GaN): θc = 39 degrees, and blue light that can be transmitted to the glass member 11 becomes small. For this reason, external radiation can be promoted without keeping blue light in a layer having a large light absorption coefficient.

（２）ｎ−ＧａＮ層１３からサファイア基板１０をレーザ光線でリフトオフして、透過性材料であるガラス部材１１を一体化するようにしたので、発光波長や、所望の光取り出し性に応じたＬＥＤ素子１を容易に形成することができる。 (2) Since the sapphire substrate 10 is lifted off from the n-GaN layer 13 with a laser beam and the glass member 11 which is a transmissive material is integrated, an LED corresponding to the emission wavelength and desired light extraction performance The element 1 can be easily formed.

（３）透過性材料として熱変形自在なガラス材料をホットプレスにより熱融着しているので、ｎ−ＧａＮ層１３との接着性に優れるとともに接合作業を容易に行うことができる。 (3) Since a heat-deformable glass material as a permeable material is heat-sealed by hot pressing, it has excellent adhesion to the n-GaN layer 13 and can be easily joined.

なお、第１の実施の形態のＬＥＤ素子１では、サファイア基板１０に凹部１０Ａを形成し、その上にＧａＮ系半導体層１００を形成する工程を説明したが、例えば、サファイア基板１０に凹部を形成せずにＧａＮ系半導体層１００を形成した後、サファイア基板１０をリフトオフし、露出したｎ−ＧａＮ層１３にエッチング等によって凹凸部を形成しても良い。   In the LED element 1 of the first embodiment, the step of forming the recess 10A on the sapphire substrate 10 and forming the GaN-based semiconductor layer 100 thereon has been described. For example, the recess is formed on the sapphire substrate 10. Alternatively, after forming the GaN-based semiconductor layer 100, the sapphire substrate 10 may be lifted off, and an uneven portion may be formed in the exposed n-GaN layer 13 by etching or the like.

（第２の実施の形態）
（ＬＥＤ素子１の構成）
図３は、第２の実施の形態に係るＬＥＤ素子の縦断面図である。以下の説明において、第１の実施の形態と同一の構成および機能を有する部分については共通の引用数字を付している。このフェイスアップ型のＬＥＤ素子１は、第１の実施の形態で説明したガラス部材１１の凹部１１Ａに代えて、ガラス部材１１にｎ−ＧａＮ層１３側へ突出した凸部１１Ｂを設けた構成において第１の実施の形態と相違している。 (Second Embodiment)
(Configuration of LED element 1)
FIG. 3 is a longitudinal sectional view of an LED element according to the second embodiment. In the following description, parts having the same configuration and function as those of the first embodiment are denoted by common reference numerals. The face-up type LED element 1 has a configuration in which a convex portion 11B protruding toward the n-GaN layer 13 is provided on the glass member 11 instead of the concave portion 11A of the glass member 11 described in the first embodiment. This is different from the first embodiment.

ガラス部材１１の凹部１１Ｂは、第１の実施の形態と同様にサファイア基板１０に対するエッチングによって形成されている。   The concave portion 11B of the glass member 11 is formed by etching the sapphire substrate 10 as in the first embodiment.

（第２の実施の形態の効果）
第２の実施の形態によると、第１の実施の形態の好ましい効果に加えて、ｎ−ＧａＮ層１３内を伝搬する層内閉込光がｎ−ＧａＮ層１３側に突出した凸部１１Ｂに至り易くなるので、凸部１１Ｂでの反射に基づく反射光を透明電極１７側に導くことができ、その結果、光取り出し性が向上する。 (Effect of the second embodiment)
According to the second embodiment, in addition to the preferable effects of the first embodiment, the confinement light in the layer propagating in the n-GaN layer 13 is applied to the convex portion 11B protruding to the n-GaN layer 13 side. Since it becomes easy to reach | attain, the reflected light based on reflection by the convex part 11B can be guide | induced to the transparent electrode 17 side, As a result, light extraction property improves.

なお、第２の実施の形態についても、第１の実施の形態のＬＥＤ素子１と同様に、表面が平坦なサファイア基板１０にＧａＮ系半導体層１００を形成した後、サファイア基板１０をリフトオフし、露出したｎ−ＧａＮ層１３にエッチング等によって凹凸部を形成しても良い。   In the second embodiment, as in the LED element 1 of the first embodiment, after the GaN-based semiconductor layer 100 is formed on the sapphire substrate 10 having a flat surface, the sapphire substrate 10 is lifted off, An uneven portion may be formed on the exposed n-GaN layer 13 by etching or the like.

（第３の実施の形態）
（ＬＥＤ素子１の構成）
図４は、第３の実施の形態に係るＬＥＤ素子の縦断面図である。このフェイスアップ型のＬＥＤ素子１は、第１の実施の形態で説明したガラス部材１１およびｎ−ＧａＮ層１３の界面に微細な凹凸部１１Ｃを設けた構成において第１の実施の形態と相違している。 (Third embodiment)
(Configuration of LED element 1)
FIG. 4 is a longitudinal sectional view of an LED element according to the third embodiment. This face-up type LED element 1 is different from the first embodiment in the configuration in which fine irregularities 11C are provided at the interface between the glass member 11 and the n-GaN layer 13 described in the first embodiment. ing.

ガラス部材１１の凹凸部１１Ｃは、サファイア基板１０の表面に対する粗面化加工、エッチング処理等に基づいて不規則かつ微細に形成されている。   The concavo-convex portion 11C of the glass member 11 is irregularly and finely formed based on a roughening process, an etching process, or the like on the surface of the sapphire substrate 10.

（第３の実施の形態の効果）
第３の実施の形態によると、凹凸形状を第１の実施の形態のように制御しなくてもＧａＮ層における層内閉込光量は多いので、ＧａＮ層１３内を伝搬する層内閉込光を、ガラス部材１１およびｎ−ＧａＮ層１３の界面に形成された微細な凹凸部１１Ｃで反射させることによって光取り出し性を向上させる効果を得ることができる。 (Effect of the third embodiment)
According to the third embodiment, the in-layer confinement light propagating in the GaN layer 13 is large because the in-layer confinement light amount in the GaN layer is large even if the uneven shape is not controlled as in the first embodiment. Can be reflected by the fine irregularities 11 </ b> C formed at the interface between the glass member 11 and the n-GaN layer 13, so that the effect of improving the light extraction property can be obtained.

なお、第３の実施の形態についても、第１の実施の形態のＬＥＤ素子１と同様に、表面が平坦なサファイア基板１０にＧａＮ系半導体層１００を形成した後、サファイア基板１０をリフトオフし、露出したｎ−ＧａＮ層１３にエッチング等によって微細な凹凸部を形成しても良い。   In the third embodiment, as in the LED element 1 of the first embodiment, after forming the GaN-based semiconductor layer 100 on the sapphire substrate 10 having a flat surface, the sapphire substrate 10 is lifted off, Fine irregularities may be formed on the exposed n-GaN layer 13 by etching or the like.

（第４の実施の形態）
（ＬＥＤ素子１の構成）
図５は、第４の実施の形態に係るＬＥＤ素子の縦断面図である。このフェイスアップ型のＬＥＤ素子１は、第２の実施の形態で説明したｎ−ＧａＮ層１３に平坦なガラス部材１１を熱融着し、その際にガラス部材１１とｎ−ＧａＮ層１３との間にテーパー状の空気層を形成する凹部１３Ｂをｎ−ＧａＮ層１３に所定の間隔で設けている構成において第２の実施の形態と相違している。 (Fourth embodiment)
(Configuration of LED element 1)
FIG. 5 is a longitudinal sectional view of an LED element according to the fourth embodiment. In this face-up type LED element 1, a flat glass member 11 is thermally fused to the n-GaN layer 13 described in the second embodiment, and at that time, the glass member 11 and the n-GaN layer 13 are bonded together. The configuration is different from that of the second embodiment in the configuration in which the recess 13B for forming a tapered air layer is provided in the n-GaN layer 13 at a predetermined interval.

凹部１３Ｂは、ＧａＮ系半導体層１００を形成する際の下地基板となるサファイア基板にエッチング等の表面加工によって予め形成された凸部に対応してｎ−ＧａＮ層１３に形成され、ｎ−ＧａＮ層１３からサファイア基板をリフトオフすることによりｎ−ＧａＮ層１３の下面に露出する。   The recess 13B is formed in the n-GaN layer 13 corresponding to the protrusion formed in advance on the sapphire substrate, which is a base substrate when forming the GaN-based semiconductor layer 100, by surface processing such as etching. The sapphire substrate is lifted off from 13 to be exposed on the lower surface of the n-GaN layer 13.

ガラス部材１１は、ｎ−ＧａＮ層１３に形成された凹部１３Ｂを塞ぐことのないようにｎ−ＧａＮ層１３に熱融着される。   The glass member 11 is thermally fused to the n-GaN layer 13 so as not to block the recess 13B formed in the n-GaN layer 13.

図６（ａ）から（ｅ）は、ｎ−ＧａＮ層内を伝搬する青色光の挙動について示す図である。図６（ａ）に示すように、ガラス部材１１とｎ−ＧａＮ層１３との間に形成される凹部１３Ｂの内部には、屈折率ｎ＝１．０の空気層が形成される。この空気層の存在により、ｎ−ＧａＮ層１３を層方向に伝搬して凹部１３Ｂの傾斜面１３０に入射する青色光の挙動は以下のようになる。   FIGS. 6A to 6E are diagrams showing the behavior of blue light propagating in the n-GaN layer. As shown in FIG. 6A, an air layer having a refractive index n = 1.0 is formed inside the recess 13 </ b> B formed between the glass member 11 and the n-GaN layer 13. Due to the presence of the air layer, the behavior of the blue light that propagates in the layer direction in the n-GaN layer 13 and enters the inclined surface 130 of the recess 13B is as follows.

（青色光Ｌ１の挙動）
凹部１３Ｂの傾斜面１３０に対して斜め下方向から入射する青色光Ｌ１は、空気層との界面において全反射され、そのことによって透明電極が設けられるＬＥＤ素子の光取り出し方向に放射される。 (Behavior of the blue light L 1)
Blue light L 1 incident from obliquely downward with respect to the inclined surface 130 of the recess 13B is totally reflected at the interface with the air layer, a transparent electrode is emitted in the light extraction direction of the LED elements provided by the.

（青色光Ｌ２の挙動）
凹部１３Ｂの傾斜面１３０に対してほぼ水平方向から入射する青色光Ｌ２についても、空気層との界面において全反射され、そのことによって透明電極が設けられるＬＥＤ素子の光取り出し方向に放射される。 (Behavior of the blue light L 2)
For even the blue light L 2 incident from substantially horizontal direction with respect to the inclined surface 130 of the recess 13B, is totally reflected at the interface with the air layer, a transparent electrode is emitted in the light extraction direction of the LED elements provided by the .

（青色光Ｌ３の挙動）
さらに、凹部１３Ｂの傾斜面１３０に対して斜め上方向から入射する青色光Ｌ３についても、空気層との界面において全反射され、そのことによって透明電極が設けられるＬＥＤ素子の光取り出し方向に放射される。 (Behavior of the blue light L 3)
Furthermore, for the blue light L 3 incident from an obliquely upward direction with respect to the inclined surface 130 of the recess 13B, is totally reflected at the interface between the air layer, the radiation in the light-extraction direction of the LED elements is a transparent electrode is provided by the Is done.

（青色光Ｌ４の挙動）
凹部１３Ｂの傾斜面１３０に対して垂直入射する青色光Ｌ４は、屈折せずに空気層界面１３Ｃへ至り、図６（ａ）の下方へ屈折し、ＬＥＤ素子から光取り出しされやすい方向の光となる。 (Behavior of the blue light L 4)
Blue light L 4 of normal incidence with respect to the inclined surface 130 of the recess 13B is led to the air-layer interface 13C without refraction, refracted downward in FIG. 6 (a), the light extraction is easy direction of light from the LED element It becomes.

図６（ｂ）は、ＧａＮ層の発光層における点Ｏで生じた光の放射を示す概略図である。発光層の任意点Ｏで発光した青色光は、全方向に放射される。そのうち発光素子封止材料（ｎ＝１．５）ないしはサファイア基板（ｎ＝１．７）へ外部放射される光は、中心軸に対し、約４０〜４５度以内の範囲に放射される光である。それ以外の方向へ放射される光はＧａＮ層における層内閉込光となる。そして層内閉込光となる方向の立体角は全体の７０％以上である。   FIG. 6B is a schematic diagram showing the emission of light generated at point O in the light emitting layer of the GaN layer. Blue light emitted at an arbitrary point O of the light emitting layer is emitted in all directions. Among them, the light emitted to the light emitting element sealing material (n = 1.5) or the sapphire substrate (n = 1.7) is light emitted within a range of about 40 to 45 degrees with respect to the central axis. is there. The light emitted in the other direction becomes the confinement light in the GaN layer. And the solid angle of the direction used as a confinement light in a layer is 70% or more of the whole.

図６（ｃ）は、（ａ）に示した状態で空気層の代わりにサファイア基板（ｎ＝１．７）が設けられるときの臨界角の関係を示す図である。凹部１３Ｂの傾斜面１３０に対する臨界角θｃは、１．７／２．４：θｃ＝４５度となる。このため、ＧａＮ層１３から外部放射されない層内閉込光のうち斜線で示した方向の範囲から入射する青色光を全反射することでＧａＮ層内から外部放射される方向の青色光とすることができる。そして、立体角Ａで見た場合、全体の３６％、ＧａＮ層１３から外部放射されない層内閉込光についてはその５０％に相当する方向からの青色光をＧａＮ層内から外部放射される方向の青色光とすることができる。   FIG. 6C is a diagram showing a relationship of critical angles when a sapphire substrate (n = 1.7) is provided instead of the air layer in the state shown in FIG. The critical angle θc of the recess 13B with respect to the inclined surface 130 is 1.7 / 2.4: θc = 45 degrees. For this reason, out of the confined light that is not emitted from the GaN layer 13, the blue light that is incident from the range indicated by the oblique lines is totally reflected to obtain the blue light that is emitted from the GaN layer. Can do. When viewed from the solid angle A, 36% of the total, and the direction in which blue light from the direction corresponding to 50% of the confined light that is not emitted from the GaN layer 13 is emitted from the GaN layer to the outside. Blue light.

図６（ｄ）は、（ａ）に示した状態で空気層の代わりにガラス部材（ｎ＝１．５）が設けられるときの臨界角の関係を示す図である。凹部１３Ｂの傾斜面１３０に対する臨界角θｃは、１．５／２．４：θｃ＝４０度となる。また、立体角Ａで見た場合、全体の４３％、層内閉込光についてはその６０％に相当する方向からの青色光をＧａＮ層内から外部放射される方向の青色光とすることが可能になる。   FIG.6 (d) is a figure which shows the relationship of a critical angle when a glass member (n = 1.5) is provided instead of an air layer in the state shown to (a). The critical angle θc of the recess 13B with respect to the inclined surface 130 is 1.5 / 2.4: θc = 40 degrees. Further, when viewed at the solid angle A, 43% of the total, and for the confinement light in the layer, the blue light from the direction corresponding to 60% of the light may be converted into the blue light in the direction of external emission from the GaN layer. It becomes possible.

図６（ｅ）は、空気層の場合の臨界角の関係を示す図である。凹部１３Ｂの傾斜面１３０に対する臨界角θｃは、１．０／２．４：θｃ＝２４．６度となる。また、立体角Ａで見た場合、全体の５６％、層内閉込光についてはその７９％に相当する方向からの青色光をＧａＮ層内から外部放射される方向の青色光とすることが可能になる。   FIG. 6 (e) is a diagram showing the relationship of the critical angle in the case of an air layer. The critical angle θc of the recess 13B with respect to the inclined surface 130 is 1.0 / 2.4: θc = 24.6 degrees. Further, when viewed at a solid angle A, 56% of the total, and for the confinement light in the layer, blue light from the direction corresponding to 79% of the light may be converted into blue light in the direction of external emission from the GaN layer. It becomes possible.

（第４の実施の形態の効果）
第４の実施の形態によると、ガラス部材１１とｎ−ＧａＮ層１３との間に凹部１３Ｂを設け、その内部に空気層を形成したので、凹部１３Ｂの傾斜面１３０に入射した青色光の多くを全反射に基づいて透明電極側に導くことができる。また、臨界角の範囲に入射した青色光については、空気層によってガラス部材１１側に放射方向を変えることによりガラス部材１１に入射し、ガラス部材１１の底面で反射されて透明電極側に導かれることから、全反射光と合わせてＧａＮ系半導体層から効率良く光を取り出すことができる。 (Effect of the fourth embodiment)
According to the fourth embodiment, since the recess 13B is provided between the glass member 11 and the n-GaN layer 13 and the air layer is formed therein, much of the blue light incident on the inclined surface 130 of the recess 13B. Can be guided to the transparent electrode side based on total reflection. Further, the blue light incident on the critical angle range is incident on the glass member 11 by changing the radiation direction toward the glass member 11 by the air layer, reflected on the bottom surface of the glass member 11 and guided to the transparent electrode side. Therefore, it is possible to efficiently extract light from the GaN-based semiconductor layer together with the total reflected light.

（第５の実施の形態）
（ＬＥＤ素子１の構成）
図７は、第５の実施の形態に係るＬＥＤ素子の縦断面図である。このフェイスアップ型のＬＥＤ素子１は、第４の実施の形態で説明したＬＥＤ素子１のガラス部材１１を薄型化してｎ−ＧａＮ層１３に熱融着しているとともに、ガラス部材１１の下側に高反射率を有するＡｇ反射層２０と、Ａｇ反射層２０との間に熱膨張率差を緩和するためのＭｏ箔２１を介して放熱用の銅部材２２を設けている構成において第２の実施の形態と相違している。 (Fifth embodiment)
(Configuration of LED element 1)
FIG. 7 is a longitudinal sectional view of an LED element according to the fifth embodiment. This face-up type LED element 1 is formed by thinning the glass member 11 of the LED element 1 described in the fourth embodiment and thermally fusing it to the n-GaN layer 13. In the configuration in which the heat-dissipating copper member 22 is provided via the Mo foil 21 for reducing the difference in thermal expansion coefficient between the Ag reflective layer 20 having a high reflectivity and the Ag reflective layer 20. This is different from the embodiment.

Ａｇ反射層２０は、蒸着法によって薄膜状にＡｇを付着させることにより形成されている。   The Ag reflection layer 20 is formed by depositing Ag in a thin film by a vapor deposition method.

（第５の実施の形態の効果）
第５の実施の形態によると、ｎ−ＧａＮ層１３とＡｇ反射層２０とが薄型化されたガラス部材１１を介して直接接することなく接着されるので、ｎ−ＧａＮ層１３の層内閉込光がＡｇ反射層２０に直接入射せず、そのことによって吸収損失を生じることなしに透明電極側への光取り出し性を高めることができる。即ち、高反射率のＡｇとはいえ薄膜のＧａＮ層内伝搬の際には、多数回の反射が繰り返されるために、大きな吸収損失が生じるが、ガラス部材１１を介すことにより、全反射によるＧａＮ層内伝搬とすることができるため、反射時の吸収損失をなくすことができる。また、薄型化されたガラス部材１１によって銅部材２２への放熱性が向上する。 (Effect of 5th Embodiment)
According to the fifth embodiment, since the n-GaN layer 13 and the Ag reflection layer 20 are bonded without directly contacting each other through the thinned glass member 11, the n-GaN layer 13 is confined in the layer. Light does not directly enter the Ag reflection layer 20, thereby improving the light extraction property to the transparent electrode without causing absorption loss. That is, although a high reflectance Ag is propagated in the thin GaN layer, a large absorption loss occurs due to the repetition of many reflections. Since propagation within the GaN layer can be achieved, absorption loss during reflection can be eliminated. Moreover, the heat dissipation to the copper member 22 is improved by the thinned glass member 11.

（第６の実施の形態）
（ＬＥＤ素子１の構成）
図８は、第６の実施の形態に係るＬＥＤ素子の縦断面図である。このフェイスアップ型のＬＥＤ素子１は、ＬＥＤ素子１のｎ−ＧａＮ層１３に設けられる凹部１３Ｂに第５の実施の形態で説明した薄型のガラス部材１１とＡｇ反射層２０とを配置し、更に半田層２３を介して銅部材２２を固定した構成において第５の実施の形態と相違している。 (Sixth embodiment)
(Configuration of LED element 1)
FIG. 8 is a longitudinal sectional view of an LED element according to the sixth embodiment. In the face-up type LED element 1, the thin glass member 11 and the Ag reflection layer 20 described in the fifth embodiment are arranged in the recess 13B provided in the n-GaN layer 13 of the LED element 1, and further, The configuration in which the copper member 22 is fixed via the solder layer 23 is different from that of the fifth embodiment.

（第６の実施の形態の効果）
第６の実施の形態によると、ｎ−ＧａＮ層１３の凹部１３Ｂに高反射率のＡｇ反射層２０が配置されるので、第５の実施の形態の好ましい効果に加えて凹部１３Ｂに入射した層内閉込光を反射させて透明電極側に効率良く取り出せるとともに、ガラス部材１１を透過した青色光についてもＡｇ反射層２０で反射させて透明電極側に反射させることができ、その結果、ｎ−ＧａＮ層１３の層内閉込光に対する光取り出し性を向上させることができる。 (Effect of 6th Embodiment)
According to the sixth embodiment, since the high-reflectance Ag reflecting layer 20 is disposed in the recess 13B of the n-GaN layer 13, in addition to the preferable effect of the fifth embodiment, the layer incident on the recess 13B The internal confinement light is reflected and can be efficiently extracted to the transparent electrode side, and the blue light transmitted through the glass member 11 can also be reflected by the Ag reflection layer 20 and reflected to the transparent electrode side. The light extraction property with respect to the confinement light in the GaN layer 13 can be improved.

図９は、第６の実施の形態のＬＥＤ素子の変形例を示す縦断面図である。この変形例では、ｎ−ＧａＮ層１３に高反射率のＡｇ反射層２０を接合した構成を有している。このようにガラス部材１１を設けない構成としても青色光を透明電極側に効率良く取り出すことができる。また、ガラス部材１１を設けないことで製造工程数を低減でき、コストダウンに有効であるとともにＬＥＤ素子１の薄型化を図れる。   FIG. 9 is a longitudinal sectional view showing a modification of the LED element of the sixth embodiment. In this modification, the n-GaN layer 13 is joined to an Ag reflective layer 20 having a high reflectivity. Thus, even if it is the structure which does not provide the glass member 11, blue light can be efficiently taken out to the transparent electrode side. Further, by not providing the glass member 11, the number of manufacturing steps can be reduced, and the LED element 1 can be reduced in thickness while being effective for cost reduction.

（第７の実施の形態）
図１０は、第７の実施の形態に係るフリップチップ型のＬＥＤ素子を示し、（ａ）は縦断面図、（ｂ）はｎ−ＧａＮ層における青色光の挙動を示す図である。このＬＥＤ素子１は、（ａ）に示すように発光層を有する半導体層より低屈折率（ｎ＝１．９）の透過性材料であるガラス部材１１と、ＧａＮ半導体化合物によって形成されるｎ−ＧａＮ層１３と、ｎ−ＧａＮ層１３上に積層される発光層１４と、発光層１４上に積層されるｐ−ＧａＮ層１５と、ｐ−ＧａＮ層１５からｎ−ＧａＮ層１３にかけてエッチングにより除去されたｎ−ＧａＮ層１３に設けられるｎ−電極１６と、ｐ−ＧａＮ層１５上に設けられるｐ−電極１９とを有する。 (Seventh embodiment)
FIG. 10 shows a flip-chip type LED element according to the seventh embodiment, wherein (a) is a longitudinal sectional view and (b) is a diagram showing the behavior of blue light in an n-GaN layer. The LED element 1 is formed of a glass member 11 which is a transparent material having a lower refractive index (n = 1.9) than a semiconductor layer having a light emitting layer as shown in FIG. The GaN layer 13, the light emitting layer 14 stacked on the n-GaN layer 13, the p-GaN layer 15 stacked on the light emitting layer 14, and the p-GaN layer 15 to the n-GaN layer 13 are removed by etching. The n-electrode 16 provided on the n-GaN layer 13 and the p-electrode 19 provided on the p-GaN layer 15 are provided.

発光層１４は、ＧａＮ系半導体層１００を成長させる下地基板として、図示しないサファイア基板上にＧａＮ系半導体を結晶成長させることにより形成される。また、結晶成長時にサファイア基板に設けられる凸部に応じた形状（円柱状）の凹部１３Ｂがｎ−ＧａＮ層１３に形成される。この凹部１３Ｂは、格子状あるいは千鳥状等の配列でｎ−ＧａＮ層１３に設けることができる。   The light emitting layer 14 is formed by growing a GaN-based semiconductor on a sapphire substrate (not shown) as a base substrate on which the GaN-based semiconductor layer 100 is grown. Further, a concave portion 13B having a shape (cylindrical shape) corresponding to the convex portion provided on the sapphire substrate during crystal growth is formed in the n-GaN layer 13. The recesses 13B can be provided in the n-GaN layer 13 in an array such as a lattice shape or a staggered shape.

この発光層１４は、サファイア基板側から照射されるレーザ光線の照射に基づいてｎ−ＧａＮ層１３からサファイア基板がリフトオフされ、代わりにガラス部材１１がｎ−ＧａＮ層１３に熱融着される。熱融着されたガラス部材１１とｎ−ＧａＮ層１３との間には、凹部１３Ｂの形状に応じて空気層が形成される。なお、ウエハー状態でこの工程を行った後、電極形成、ダイシング等の工程を行う。   In the light emitting layer 14, the sapphire substrate is lifted off from the n-GaN layer 13 based on the irradiation of the laser beam irradiated from the sapphire substrate side, and the glass member 11 is thermally fused to the n-GaN layer 13 instead. An air layer is formed between the heat-fused glass member 11 and the n-GaN layer 13 according to the shape of the recess 13B. In addition, after performing this process in a wafer state, processes such as electrode formation and dicing are performed.

ｎ−ＧａＮ層１３は、（ｂ）に示すようにガラス部材１１とｎ−ＧａＮ層１３との間に形成される凹部１３Ｂによって、内部に屈折率ｎ＝１．０の空気層が形成される。この空気層の存在により、ｎ−ＧａＮ層１３を層方向に伝搬する青色光の挙動は以下のようになる。   In the n-GaN layer 13, an air layer having a refractive index n = 1.0 is formed inside by the recess 13 </ b> B formed between the glass member 11 and the n-GaN layer 13 as shown in FIG. . Due to the presence of this air layer, the behavior of blue light propagating in the layer direction through the n-GaN layer 13 is as follows.

（青色光Ｌ１，Ｌ１’の挙動）
ＧａＮ層１３からガラス部材１１へ全反射とならない角度で入射する青色光は、凹部１３Ｂの側面に臨界角より大なる角度で入射する。凹部１３Ｂの側面に臨界角より大なる角度で入射する青色光Ｌ１は、空気層との界面において全反射される。この青色光Ｌ１は、（ａ）に示すｐ−電極１９で再度上方に反射されることによりガラス部材１１を介して外部放射される。また、ｎ−ＧａＮ層１３からガラス部材１１に向かう青色光Ｌ１’についても空気層との界面において全反射されることにより、ガラス部材１１を介して外部放射される。凹部１３Ｂの側面は略垂直面であるために、ＧａＮ層１３からガラス部材１１へ全反射とならない角度で入射する青色光は、全反射してもＧａＮ層１３からガラス部材１１へ全反射とならない角度で入射する青色光のままであるためである。 (Behavior of blue light L 1 , L 1 ′)
Blue light incident from the GaN layer 13 to the glass member 11 at an angle that does not cause total reflection enters the side surface of the recess 13B at an angle greater than the critical angle. Blue light L 1 incident at larger becomes than the critical angle to the side face of the recess 13B is totally reflected at the interface between the air layer. The blue light L 1 is radiated outside through the glass member 11 by being reflected again upward p- electrode 19 shown in (a). Further, the blue light L 1 ′ from the n-GaN layer 13 toward the glass member 11 is also totally radiated through the glass member 11 by being totally reflected at the interface with the air layer. Since the side surface of the recess 13 </ b> B is a substantially vertical surface, blue light incident at an angle that does not cause total reflection from the GaN layer 13 to the glass member 11 does not undergo total reflection from the GaN layer 13 to the glass member 11. This is because the blue light incident at an angle remains.

（青色光Ｌ２，Ｌ２’の挙動）
凹部１３Ｂの側面に対して斜め上方向から入射する青色光Ｌ２は、空気層との界面を透過してｎ−ＧａＮ層１３との界面で垂直方向側に放射方向を変えられることによりｐ−電極１９で反射され、ｎ−ＧａＮ層１３を透過して空気層との界面で再び放射方向を変えられてガラス部材１１に入射し、ガラス部材１１から外部放射される。また、ｎ−ＧａＮ層１３から空気層との界面に斜め下方向から入射する青色光Ｌ２’は、空気層とガラス部材１１との界面において更に上方に放射方向を変えられてガラス部材１１に入射し、ガラス部材１１から外部放射される。 (Behavior of blue light L 2 , L 2 ′)
Blue light L 2 incident from an obliquely upward direction with respect to the side face of the recess 13B, by changed radiation direction vertical side passes through the interface between the air layer at the interface between the n-GaN layer 13 p- The light is reflected by the electrode 19, passes through the n-GaN layer 13, changes the radiation direction again at the interface with the air layer, enters the glass member 11, and is externally radiated from the glass member 11. Further, the blue light L 2 ′ incident from the n-GaN layer 13 to the interface with the air layer obliquely from below is changed in the radiation direction further upward at the interface between the air layer and the glass member 11, and is applied to the glass member 11. Incident light is emitted from the glass member 11 to the outside.

（青色光Ｌ３，Ｌ３’の挙動）
凹部１３Ｂの側面に対してほぼ水平でやや斜め上方向から入射する青色光Ｌ３は、空気層との界面においてｎ−ＧａＮ層１３側に放射方向を変えられ、更にｎ−ＧａＮ層１３との界面において垂直方向側に放射方向を変えられることによりｐ−電極１９で反射され、ｎ−ＧａＮ層１３を透過してガラス部材１１に入射し、ガラス部材１１から外部放射される。また、ｎ−ＧａＮ層１３から空気層との界面にほぼ水平でやや斜め上方に入射する青色光Ｌ３’は、空気層とガラス部材１１との界面において更に上方に放射方向を変えられてガラス部材１１に入射し、ガラス部材１１から外部放射される。 (Behavior of blue light L 3 , L 3 ′)
Blue light L 3 incident from an oblique upper direction nearly horizontal to the side face of the recess 13B is the n-GaN layer 13 side at the interface between the air layer can change the radial direction, yet the n-GaN layer 13 When the radiation direction is changed to the vertical direction side at the interface, the light is reflected by the p-electrode 19, passes through the n-GaN layer 13, enters the glass member 11, and is emitted from the glass member 11 to the outside. Further, the blue light L 3 ′ which is incident substantially horizontally and slightly obliquely upward from the n-GaN layer 13 to the interface with the air layer has its radiation direction changed further upward at the interface between the air layer and the glass member 11, so that the glass The light enters the member 11 and is emitted from the glass member 11 to the outside.

（第７の実施の形態の効果）
第７の実施の形態によると、ｎ−ＧａＮ層１３の凹部１３Ｂに入射する青色光がガラス部材１１側あるいはｐ−電極１９に放射方向を変えることにより、フリップチップ型のＬＥＤ素子１であっても光取り出し性を向上させることができる。 (Effect of 7th Embodiment)
According to the seventh embodiment, the blue light incident on the recess 13 </ b> B of the n-GaN layer 13 changes the radiation direction to the glass member 11 side or the p-electrode 19. Also, the light extraction property can be improved.

ただし、この場合、第１から第６の実施の形態でフェイスアップ型のＬＥＤ素子１を用い、界面反射を利用したものとは異なり、半導体層からガラス部材１１へ取り出しが容易になるよう、更にここで界面屈折を利用するものである。このため、ガラス部材１１は元の基板であるサファイアのｎ＝１．７より高い屈折率とすることで、サファイアに凹凸形成したものをそのまま用いるより大きな効果を得ることができる。   However, in this case, unlike the case where the face-up type LED element 1 is used in the first to sixth embodiments and the interface reflection is used, the semiconductor layer can be easily taken out to the glass member 11. Here, interfacial refraction is utilized. For this reason, the glass member 11 can obtain a larger effect by using the sapphire formed as it is as it is by making the refractive index higher than n = 1.7 of the original substrate sapphire.

なお、フリップチップ型のＬＥＤ素子では、光取り出し面側に電極が存在しないので、高屈折率媒体からの光取り出しという意味以外でも、発光素子から外部への光取り出しが有利である。   Note that in the flip-chip type LED element, since no electrode is present on the light extraction surface side, it is advantageous to extract light from the light emitting element to the outside other than the meaning of light extraction from the high refractive index medium.

なお、第７の実施の形態では、凹部１３Ｂの形状に応じた空気層を形成するとして説明したが、空気層がなくても光取り出しの効果を得ることができる。この場合も上述のようにガラス部材１１の屈折率は大である方が望ましい。凹部１３Ｂを円柱状とした構成を説明したが、四角柱状や六角柱状等の他の形状を有していても良い。   In the seventh embodiment, the air layer corresponding to the shape of the recess 13B is formed. However, the light extraction effect can be obtained without the air layer. Also in this case, it is desirable that the refractive index of the glass member 11 is large as described above. Although the configuration in which the concave portion 13B is cylindrical has been described, it may have other shapes such as a quadrangular prism shape or a hexagonal prism shape.

また、他の形状として円錐や角錐状等としても良い。この場合、凹部１３Ｂの側面で全反射する光の挙動は同様ではなくなるが、ガラス部材１１の屈折率がサファイアより大であれば、ＧａＮ層とサファイア基板とが平坦状に形成されている状態ではＧａＮ層から外部反射できない光、あるいは同一形状で凹凸形成されたＧａＮ層とサファイア基板との界面から外部反射できない光を外部放射することができ、光取り出し効果を得ることができる。   Moreover, it is good also as a cone, a pyramid shape, etc. as another shape. In this case, the behavior of the light totally reflected on the side surface of the recess 13B is not the same, but if the refractive index of the glass member 11 is larger than that of sapphire, the GaN layer and the sapphire substrate are formed in a flat state. Light that cannot be externally reflected from the GaN layer, or light that cannot be externally reflected from the interface between the GaN layer and the sapphire substrate that are formed in the same shape, and the sapphire substrate can be emitted externally, and a light extraction effect can be obtained.

また、凹部１３Ｂを平面のサファイア基板をリフトオフした後に、ドライエッチング等によって形成するとしてもよい。   Further, the recess 13B may be formed by dry etching or the like after the planar sapphire substrate is lifted off.

第１から第７の実施の形態では、ＧａＮからなる半導体層を有するＬＥＤ素子として説明したが、ＧａＡｓ、ＡｌＩｎＧａＰ等他の材料を用いたものとしてもよい。また、サファイア基板をリフトオフしたものとして説明したが、エピ層と基板とが同等の屈折率であれば、必ずしも基板を除去する必要はなく、基板に直接凹凸加工したものでもよい。   In the first to seventh embodiments, the LED element having the semiconductor layer made of GaN has been described. However, other materials such as GaAs and AlInGaP may be used. In addition, the sapphire substrate has been described as being lifted off. However, if the epi layer and the substrate have the same refractive index, the substrate does not necessarily have to be removed, and the substrate may be directly processed to be uneven.

第１の実施の形態に係るＬＥＤ素子の縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view of the LED element which concerns on 1st Embodiment. ＬＥＤ素子の製造工程を示す図であり、（ａ）は、基板準備工程を示す図、（ｂ）は、サファイア基板への凹凸加工工程を示す図、（ｃ）は、ＧａＮ系半導体層の形成工程を示す図、（ｄ）は、サファイア基板とＧａＮ系半導体層とのリフトオフ工程を示す図、（ｅ）は、サファイア基板が剥離されたＧａＮ系半導体層に熱融着されるガラス部材を準備するガラス準備工程を示す図、（ｆ）は、ｎ−ＧａＮ層１３にガラス部材を熱融着するガラス圧着工程を示す図、（ｇ）は、電極を形成する電極形成工程を示す図である。It is a figure which shows the manufacturing process of an LED element, (a) is a figure which shows a board | substrate preparation process, (b) is a figure which shows the uneven | corrugated processing process to a sapphire substrate, (c) is formation of a GaN-type semiconductor layer The figure which shows a process, (d) is a figure which shows the lift-off process of a sapphire substrate and a GaN-type semiconductor layer, (e) prepares the glass member heat-sealed to the GaN-type semiconductor layer from which the sapphire substrate was peeled off The figure which shows the glass preparatory process to perform, (f) is a figure which shows the glass crimping | compression-bonding process of thermally fusing a glass member to the n-GaN layer 13, (g) is a figure which shows the electrode formation process which forms an electrode. . 第２の実施の形態に係るＬＥＤ素子の縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view of the LED element which concerns on 2nd Embodiment. 第３の実施の形態に係るＬＥＤ素子の縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view of the LED element which concerns on 3rd Embodiment. 第４の実施の形態に係るＬＥＤ素子の縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view of the LED element which concerns on 4th Embodiment. （ａ）から（ｅ）は、ｎ−ＧａＮ層内を伝搬する青色光の挙動について示す図である。(A) to (e) are diagrams showing the behavior of blue light propagating in the n-GaN layer. 第５の実施の形態に係るＬＥＤ素子の縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view of the LED element which concerns on 5th Embodiment. 第６の実施の形態に係るＬＥＤ素子の縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view of the LED element which concerns on 6th Embodiment. 第６の実施の形態のＬＥＤ素子の変形例を示す縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view which shows the modification of the LED element of 6th Embodiment. 第７の実施の形態に係るフリップチップ型のＬＥＤ素子を示し、（ａ）は縦断面図、（ｂ）はｎ−ＧａＮ層における青色光の挙動を示す図である。FIG. 10 shows a flip-chip type LED element according to a seventh embodiment, where (a) is a longitudinal sectional view and (b) is a diagram showing the behavior of blue light in an n-GaN layer.

符号の説明Explanation of symbols

１、ＬＥＤ素子 １０、サファイア基板 １０Ａ、凹部 １１、ガラス部材
１１Ａ、凹部 １１Ｂ、凸部 １１Ｃ、凹凸部 １２、ＡｌＮバッファ層
１３、ｎ−ＧａＮ層 １３Ｂ、凹部 １３Ｃ、空気層界面 １４、発光層
１５、ｐ−ＧａＮ層 １６、ｎ−電極 １７、透明電極 １８、ｐ−電極
１９、ｐ−電極２０、Ａｇ反射層 ２１、Ｍｏ箔 ２２、銅部材
２３、半田層 １００、ＧａＮ系半導体層 １３０、傾斜面 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, LED element 10, Sapphire substrate 10A, Concave part 11, Glass member 11A, Concave part 11B, Convex part 11C, Concave-convex part 12, AlN buffer layer 13, n-GaN layer 13B, Concave part 13C, Air layer interface 14, Light emitting layer 15 , P-GaN layer 16, n-electrode 17, transparent electrode 18, p-electrode 19, p-electrode 20, Ag reflection layer 21, Mo foil 22, copper member 23, solder layer 100, GaN-based semiconductor layer 130, inclined surface

Claims (11)

発光層を含み、凹凸面を有する半導体層と、
前記半導体層の前記凹凸面側に貼り付けられる透過性材料とを有し、
前記透過性材料は、前記半導体層より低い屈折率を有することを特徴とする発光素子。 A semiconductor layer including a light emitting layer and having an uneven surface;
A transparent material attached to the uneven surface side of the semiconductor layer,
The light-emitting element, wherein the transparent material has a lower refractive index than the semiconductor layer. 発光層を含み、凹凸面を有する半導体層と、
前記半導体層の前記凹凸面側に貼り付けられる透過性材料とを有し、
前記透過性材料は、前記半導体層との間に凹凸形状に応じた空気層を有することを特徴とする発光素子。 A semiconductor layer including a light emitting layer and having an uneven surface;
A transparent material attached to the uneven surface side of the semiconductor layer,
The light-emitting element, wherein the transmissive material has an air layer corresponding to a concavo-convex shape between the semiconductor layer and the semiconductor layer. 前記透過性材料は、ガラス材料であることを特徴とする請求項１又は２のいずれか１項に記載の発光素子。   The light-emitting element according to claim 1, wherein the transparent material is a glass material. 前記半導体層は、エッチング加工によって前記凹凸面を形成したものであることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の発光素子。   4. The light emitting device according to claim 1, wherein the semiconductor layer has the uneven surface formed by etching. 5. 前記半導体層は、前記凹凸面を形成された基板上に形成された後に前記基板をリフトオフしたものであることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の発光素子。   5. The light emitting device according to claim 1, wherein the semiconductor layer is formed on the substrate on which the uneven surface is formed, and then lifted off the substrate. 6. 前記半導体層は、サファイア基板上に形成されるＧａＮ系半導体層であることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の発光素子。   The light emitting device according to any one of claims 1 to 5, wherein the semiconductor layer is a GaN-based semiconductor layer formed on a sapphire substrate. 前記透過性材料は、凹凸面を形成された基板あるいはサファイア基板よりも低い屈折率を有することを特徴とする請求項５又は６記載の発光素子。   The light-emitting element according to claim 5, wherein the transparent material has a refractive index lower than that of a substrate having a concavo-convex surface or a sapphire substrate. 前記透過性材料は、凹凸面を形成された基板、あるいはサファイア基板よりも高い屈折率を有することを特徴とする請求項５又は６記載の発光素子。   The light-emitting element according to claim 5, wherein the transparent material has a refractive index higher than that of a substrate having an uneven surface or a sapphire substrate. 下地基板を準備する基板準備工程と、
前記下地基板に凹凸加工を施す凹凸加工工程と、
前記凹凸加工が施された前記下地基板に半導体層を形成する半導体層形成工程と、
前記半導体層から前記下地基板をリフトオフするリフトオフ工程と、
前記下地基板をリフトオフされた前記半導体層の前記下地基板取り付け側に透過性材料を設ける透過性材料接合工程と、
透過性材料を設けられた前記半導体層に電極を形成する電極形成工程とを含むことを特徴とする発光素子の製造方法。 A substrate preparation step of preparing a base substrate;
An unevenness processing step for applying unevenness to the base substrate;
A semiconductor layer forming step of forming a semiconductor layer on the base substrate subjected to the uneven processing;
A lift-off step of lifting off the base substrate from the semiconductor layer;
A transparent material bonding step of providing a transparent material on the base substrate mounting side of the semiconductor layer lifted off the base substrate;
An electrode formation step of forming an electrode on the semiconductor layer provided with a transmissive material. 前記半導体層形成工程は、前記凹凸加工が施された前記下地基板としてのサファイア基板上に前記半導体層としてのＧａＮ系半導体層を形成することを特徴とする請求項９記載の発光素子の製造方法。   10. The method for manufacturing a light-emitting element according to claim 9, wherein in the semiconductor layer forming step, a GaN-based semiconductor layer as the semiconductor layer is formed on a sapphire substrate as the base substrate on which the unevenness processing has been performed. . 下地基板を準備する基板準備工程と、
前記下地基板に半導体層を形成する半導体層形成工程と、
前記半導体層から前記下地基板をリフトオフするリフトオフ工程と、
前記下地基板をリフトオフされた前記半導体層の前記下地基板取り付け側に凹凸加工を施す凹凸加工工程と、
前記凹凸加工を施された前記半導体層の加工面に透過性材料を設ける透過性材料接合工程と、
透過性材料を接合された前記半導体層に電極を形成する電極形成工程とを含むことを特徴とする発光素子の製造方法。 A substrate preparation step of preparing a base substrate;
A semiconductor layer forming step of forming a semiconductor layer on the base substrate;
A lift-off step of lifting off the base substrate from the semiconductor layer;
A concavo-convex processing step of performing concavo-convex processing on the base substrate mounting side of the semiconductor layer lifted off the base substrate;
A permeable material joining step of providing a permeable material on the processed surface of the semiconductor layer that has been subjected to the uneven processing;
An electrode forming step of forming an electrode on the semiconductor layer bonded with a transparent material.
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