JP2010226013A

JP2010226013A - 発光素子及びその製造方法

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Publication number: JP2010226013A
Application number: JP2009074038A
Authority: JP
Inventors: Tatsuhiro Oda; 達広織田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2009-03-25
Filing date: 2009-03-25
Publication date: 2010-10-07
Anticipated expiration: 2029-03-25
Also published as: JP5191937B2

Abstract

【課題】基板側へ向かう光の反射率が高められ、光取り出し効率が改善された発光素子及びその製造方法を提供する。
【解決手段】基板と、前記基板上に設けられ、放出光を放出可能な発光層と、コンタクト層と、を有する半導体層と、前記コンタクト層の第１の面の側に設けられた第１の電極と、少なくとも２つの媒質からなり、前記放出光の媒質内波長の４分の１から４分の３の範囲内のピッチの周期構造を有し、かつ前記放出光を反射可能なフォトニック結晶層と、前記基板上に設けられ、前記第１の電極と接着された接着金属層と、を備えたことを特徴とする発光素子及びその製造方法が提供される。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光素子及びその製造方法に関する。

照明装置及び表示装置などに用いる発光素子には、高輝度であることが要求される。発光素子の上方を光取り出し側とする場合、発光層の下方に向かう光を反射させると光取り出し効率を高めることができる。

この場合、光の反射層として金属膜や誘電体膜などを用いることができる。しかしながら、金属膜の反射率は波長が短くなるに従い低下することが多い。また、誘電体を多層膜構造とし、その屈折率差により反射率を高めことができるが、得られる反射率には限界がある。

発光層の下方に向かう光を反射する主金属層を備えた技術開示例がある（特許文献１）。この例では、発光層を含む化合物半導体層と主金属層との間に接触抵抗を減ずるためのコンタクト金属層が選択的に配置されている。
しかしながら、コンタクト金属層の合金化熱処理を行うと、オーミックコンタクトが得やすくなるが、合金化層において光吸収を生じ光取り出し効率を高めることが困難となる。

特開２００５−１９４２４号公報

基板側へ向かう光の反射率が高められ、光取り出し効率が改善された発光素子及びその製造方法を提供する。

本発明の一態様によれば、基板と、前記基板上に設けられ、放出光を放出可能な発光層と、コンタクト層と、を有する半導体層と、前記コンタクト層の第１の面の側に設けられた第１の電極と、少なくとも２つの媒質からなり、前記放出光の媒質内波長の４分の１から４分の３の範囲内のピッチの周期構造を有し、かつ前記放出光を反射可能なフォトニック結晶層と、前記基板上に設けられ、前記第１の電極と接着された接着金属層と、を備えたことを特徴とする発光素子が提供される。

また、本発明の他の一態様によれば、放出光を放出可能な発光層と、コンタクト層と、を有する半導体層を結晶成長基板上に形成する工程と、前記半導体層の第１の面の側に、少なくとも２つの媒質からなりかつ前記放出光の媒質内波長よりも小さいピッチの周期構造を有するフォトニック結晶層を形成する工程と、前記コンタクト層の第１の面または前記フォトニック結晶層の第１の面に第１の電極を形成する工程と、基板に接着金属層を形成する工程と、前記第１の電極と、前記接着金属層と、を貼り合わせ状態で加熱接着したのち、前記結晶成長基板を除去する工程と、を備えたことを特徴とする発光素子の製造方法が提供される。

基板側へ向かう光の反射率が高められ、光取り出し効率が改善された発光素子及びその製造方法が提供される。

第１の実施形態にかかる発光素子の模式断面図フォトニック結晶層の模式斜視図比較例にかかる発光素子の模式断面図第１の実施形態にかかる発光素子の製造方法の工程断面図第２の実施形態にかかる発光素子の模式断面図第２の実施形態にかかる発光素子の製造方法の工程断面図第３の実施形態にかかる発光素子の模式図

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態にかかる発光素子の模式断面図である。
第１のコンタクト層２０、第１のクラッド層１８、発光層１６、第２のクラッド層１４、及び第２のコンタクト層１２を有し、化合物半導体からなる半導体層２１が、第１の電極４８を介して積層体４４と接着されている。もし、発光層１６をＩｎＧａＡｌＰ系材料とすると、波長が可視光範囲内の光を放出可能である。第１のコンタクト層２０は、発光層１６の平面サイズよりも小さく、かつ凸型断面を有している。

なお、ＩｎＧａＡｌＰとは、Ｉｎ_ｘ（Ｇａ_ｙＡｌ_１−ｙ）_１−ｘＰ（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）なる組成式で表される材料であり、ｐ型不純物やｎ型不純物が添加されたものも含むものとする。

コンタクト層２０は、発光層１６の平面サイズよりも小さい凸型断面を有している。また、コンタクト層２０の第１の面２０ａにはコンタクト層２０と略同一サイズの第１の電極４８が設けられている。

フォトニック結晶層３０は、コンタクト層２０及び第１の電極４８に隣接し、半導体層２１の第１の面２１ａにおいてコンタクト層２０の非形成領域に設けられている。他方、積層体４４は、Ｓｉなどからなる基板４０と、接着金属層４２と、を有している。また、第１の電極４８と、接着金属層４２と、が接着界面５０において接着されている。なお、キャリア濃度を高めたＳｉを基板４０として用いると低抵抗とでき、かつ高い機械的強度とすることができる。

なお、フォトニック結晶層３０は、屈折率が異なる少なくとも２つの媒質から構成された微小周期構造を有しており、この構造により決定された波長範囲の光を反射可能とされる。フォトニック結晶層に関しては、のちに説明する。

また、第２のコンタクト層１２の表面には第２の電極４６が形成されている。第２のコンタクト層１２は、例えばＧａＡｓなどとされるが、第２の電極４６と略同一のサイズとすると、光取り出し側において放出光Ｇ１、Ｇ２が吸収されることを抑制できる。

図１では、コンタクト層２０は、上方からみて略チップの中央部近傍に設けられており、第２のコンタクト層１２及び第２の電極４６はチップの中央部から離間した位置に配置されている。しかし本発明はこの配置に限定されない。すなわち、第２のコンタクト層１２及び第２の電極４６はチップの中央部近傍とされ、第１のコンタクト層２０が中央部から離間し、第１のコンタクト層２０の非形成領域となる中央部近傍の凹部にフォトニック結晶層３０が設けられてもよい。

接着金属層４２とコンタクト層２０とはオーミックコンタクトを形成可能とされ、第２の電極４６と第２のコンタクト層１２とはオーミックコンタクトを形成可能とされる。注入される電流により発光再結合を生じ、コンタクト層２０上の発光層１６から放出光が放出可能となる。放出光Ｇ１は、半導体層２１の面２１ｂ側から取り出し可能である。

また、発光層１６から下方に向かう光は、フォトニック結晶層３０により反射され、面２１ｂから取り出し可能となる（Ｇ２）。すなわち、下方に向かう光であっても、基板４０内での吸収が抑制されるか、または側方へ逃げることが抑制されるので、光取り出し効率が改善可能である。

図２は、フォトニック結晶層の模式斜視図である。すなわち、図２（ａ）は１次元フォトニック結晶、図２（ｂ）は３次元フォトニック結晶を表す。

ピッチＰを媒質内波長λｍ以下とすると、光は、直進する光束としてよりも、回折や散乱などを生じ波動光学に従うとすることができる。すなわち、このような微小周期構造は、実効屈折率ｎ_ｅｆｆを有する媒質が均一に充填されているものとして扱うことができる。自由空間内の波長をλ_０とすると、媒質内波長λｍ＝λ_０／ｎ_ｅｆｆにより表される。

ここで、実効屈折率ｎ_ｅｆｆは、２つの媒質の屈折率の範囲内となる。第１の媒質がＳｉＯ_２（屈折率が略１．５）、第２の媒質が空気（屈折率が１）とすると、実効屈折率ｎ_ｅｆｆは、１と１．５の間に変化可能である。この周期構造を透過する光の波長範囲をフォトニックバンドと呼び、反射などで遮断される光の波長範囲をフォトニックバンドギャップと呼ぶ。

図２（ａ）の１次元フォトニック結晶３１は、繰り返し２層膜３１ａ、３１ｂから構成され、例えばＳｉＯ_２とＳｉ_３Ｎ_４との組み合わせなどを用いることができる。ピッチＰを、実効屈折率ｎ_ｅｆｆにより決定される媒質内波長λｍの４分の１から４分の３の範囲とすると、周期構造により光が強めあい反射率を高めることができる。例えば、屈折率が異なる２つの誘電体膜のピッチＰが略２分の１波長となるように積層したブラッグ反射構造では、その反射率は積層数に対して指数関数的に増大する。
ここでは、誘電体膜として、二酸化シリコン、窒化シリコン、及び窒化アルミニウムの少なくともいずれかを用いることができる。

また、図２（ｂ）は、ウッドパイル型フォトニック結晶に属し、角柱状の第１の誘電体３１ｃを積み上げたものであり、例えば、第１の誘電体３１ｃの屈折率は、屈折率が１．３〜２．６の範囲などとすることができる。このような誘電体として、ＳｉＯ_２（屈折率は略１．５）やＳｉ_３Ｎ_４（屈折率は略２．０）、及びＡｌＮ（屈折率は略２．０）などをあげることができる。本図において、半導体層を構成する第１のクラッド層１８に隣接して、フォトニック結晶層３１が設けられている。フォトニック結晶層３１は、上記のような誘電体からなる角柱が交互積層される。これらの角柱の間の中空領域は、例えば空気層３１ｅとすることができる。

発光素子からの放出光を反射するには、１次元または３次元フォトニック結晶とすることが好ましい。特に、発光素子からの放出光は３次元的に広がるので、３次元フォトニック結晶層とすると、フォトニック結晶層への入射角によらず反射率を高く保つことが容易となり、より好ましい。

フォトニック結晶内の実効屈折率ｎ_ｅｆｆは、周期構造及びこれらを構成する材質により制御可能である。可視光の場合、周期構造のピッチＰは、例えば２００〜４４０ｎｍなどとなる。

図３は、比較例にかかる発光素子の模式断面図である。
図３（ａ）において、基板１４０上に設けられた接着金属層１４２は、半導体層の第１のコンタクト層１２０と、接着界面１５０において接着されている。コンタクト層１２０と接着金属層１４２との間に合金層を形成するとオーミックコンタクトとすることができる。しかしながらこの合金層において光吸収層１１９を生じて光出力の低下を生じやすい（Ｇ１０）。

また、接着金属層１４２においても光吸収を生じる。例えば、Ａｕでは、緑〜赤色波長範囲での反射率は９０％以上であるが、青色での反射率は５０％以下に低下する。また、Ｃｕでは、赤色での反射率は略９７％であるが、青〜緑色波長範囲では略６０％程度に低下する。このように、金属膜の反射率は可視光波長の範囲の短波長側で低下する場合がある。

他方、図３（ｂ）においては、第１のコンタクト層１２０の平面サイズを縮小し、その周囲に半導体層よりも屈折率が低い酸化膜１２２のような誘電体を設けて、第１のコンタクト層１２０における光吸収を低減している。酸化膜１２２の屈折率を１．５とし、半導体層の屈折率を３．５とすると、その臨界角θｃは略２５度となる。このために、２５度よりも大きい入射角度の光Ｇ１１は、第１のクラッド層１１８と酸化膜１２２との界面において反射されるが、２５度よりも小さい入射角の光Ｇ１２は、酸化膜１２２を透過したのち一部が接着金属層１４２に吸収される。すなわち、図３に表す比較例では光損失を十分には低減できない。

これに対して、本実施形態では微細周期構造のピッチを適正に設定することによって、フォトニックバンドギャップの波長範囲内において反射率を高め、光損失をより低減することが容易となる。例えば、ピッチＰを媒質内波長の略２分の１とすると、反射率を１００％により近づけ、高出力（高輝度）発光素子を得ることができる。

図４は、第１の実施形態にかかる発光素子の製造方法の工程断面図である。
図４（ａ）のように、ＧａＡｓなどからなる結晶成長基板１０に、ｐ型ＧａＡｓなどからなる第２のコンタクト層１２（厚さ：０．１μｍ、キャリア濃度：２×１０^１８ｃｍ^−３）、ｐ型ＩｎＡｌＰなどからなる第２のクラッド層１４（厚さ：０．６μｍ）、Ｉｎ_０．５（Ｇａ_ｙＡｌ_１−ｙ）_０．５Ｐなどからなる発光層１６、ｎ型ＩｎＡｌＰなどからなる第１のクラッド層１８（厚さ：０．６μｍ）、及びｎ型ＧａＡｓなどからなる第１のコンタクト層２０（キャリア濃度：２×１０^１８ｃｍ^−３）をこの順序で結晶成長する。

結晶成長は、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法及びＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）法などを用いることができる。なお、導電型はこれに限定されず反対導電型であってもよい。

発光層１６をＭＱＷ（Multi Quantum Well)構造とすると、発光波長の制御及び動作
電流の低減が容易となる。ＭＱＷ構造は、例えば、ｙ＝０．９６且つ幅５ｎｍの井戸層と、ｙ＝０．２且つ幅８ｎｍの障壁層と、を複数配置して実現できる。

コンタクト層２０を凸型断面形状にパターニングし、その第１の面２０ａに第１の電極４８を形成する（図４（ｂ））。なお、コンタクト層２０の上に第１の電極となる膜を形成したのち、第１の電極４８をパターニングし、さらにコンタクト層２０をパターニングしても図４（ｂ）の構造とすることもできる。

さらに、半導体層２１の第１の面２１ａにおいて、コンタクト層２０の非形成領域に、コンタクト層２０及び第１の電極４８に隣接しかつ第１の電極４８の第１の面４８ａが露出するようにフォトニック結晶層３０を形成する。この場合、例えば、ＳｉＯ_２のような第１の誘電体を形成したのち、フォトリソグラフィー法などを用いて、角柱状の第１の誘電体から構成された第１層を形成する。さらに第１層を構成する角柱と略直交するように、フォトリソグラフィー法などを用いて、第２層を形成する。同様にして第３層以降を積み重ねて３次元構造からなるフォトニック結晶層３０を形成することができる。

それぞれの角柱の中空領域を空気層とすると、構造及び製造方法を簡素にすることができる。このような微細周期構造は、半導体製造プロセスにおけるフォトリソグラフィー法などを用いて形成することができる。なお、図２（ａ）の１次元フォトニック結晶は、より簡素な構造である。

他方、図４（ｄ）のように、ｎ型Ｓｉなどからなる基板４０にＡｕなどを含む接着金属層４２を設けた積層体４４を形成する。さらに、図４（ｅ）のように、第１の電極４８及びフォトニック結晶層３０と、積層体４４の接着金属層４２とを貼り合わせ、例えば加重を加えつつ、水素雰囲気中または不活性ガス雰囲気中などで加熱する。この結果、図４（ｆ）のように接着界面５０において接着される。

第１の電極４８は、例えばコンタクト層２０の側から、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕなる構造とできる。また、接着金属層４２は、例えば基板４０側から、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕなる構造とできる。このような組み合わせの場合、３５０〜５００℃の温度範囲で、３０分間加熱を行うと、第１の電極４８と、接着金属層４２と、が接着される。

また、第１の電極４８及び接着金属層４２の少なくとも一方に、共晶半田を含むようにしてもよい。この場合、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕからなる第１の層の上に、ＡｕＳｂ（融点略２７０℃）、ＡｕＧｅ（融点略３５６℃）、ＡｕＳｉ（融点略３７０℃）などの共晶半田層を設ける。さらにその上に、Ａｕ層を設けると、共晶半田の酸化が抑制できる。このようにすると、共晶半田の融点よりも僅かに高い温度で高い接着強度とすることができる。

続いて、基板１０をエッチング法及び機械的研磨法の少なくともいずれかを用いて除去する（図４（ｇ））。さらに、ＡｕＺｎなどからなる第２の電極４６を形成し、第２のコンタクト層１２をエッチングすると、図４（ｈ）の構造が得られる。
また、基板４０を低抵抗Ｓｉ基板とすると、接着金属層４２からの電流は基板４０を介して実装部材の導電部へ取り出し可能となる。

図５は、第２の実施形態にかかる発光素子の模式断面図である。
コンタクト層２０は凸型断面ではなく発光層１６と同一のサイズであり、導電性のフォトニック結晶層３０、及び第１の電極４８が全面に積層されている。すなわち、発光層１６から下方へ向かう光はフォトニック層３０の全面で反射可能であり、光取りだし効率を高めることがより容易となる。導電性のフォトニック結晶層３０を構成する媒質としては、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide：酸化インジウム錫）、ＩＺＯ（Indiumu Zinc Oxide：酸化インジウム亜鉛)、ＮｉＯ（酸化ニッケル）、酸化亜鉛、及び窒化チタンなどを含む。

図６は、本実施形態の製造方法の工程断面図である。
図６（ａ）のように、コンタクト層２０はウェーハ全面に残される。また、図６（ｂ）のように、フォトニック結晶層３０は、コンタクト層２０の第１の面２０ａの全面に形成される。なお、第２の実施形態では、コンタクト層２０の第１の面２０ａは、半導体層２１の第１の面２１ａと一致することになる。さらに、図６（ｃ）のように、第１の電極４８は、フォトニック結晶層３０の第１の面３０ａの全面に形成される。すなわち、コンタクト層２０、フォトニック結晶層３０、及び第１の電極４８は、パターニング工程が不要であるので、工程がより簡素にできる。

第１の電極４８及び接着金属層４２は、例えばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕとすることができる。また、少なくともいずれかにＡｕＳｂなどの共晶半田をさらに含むようにしてもよい。本実施形態では、第１の電極４８と接着金属層４２との接着面積を広くすることができるので、接着強度を高めることがより容易となる。

図７は、第３の実施形態にかかる発光素子の模式図である。すなわち、図７（ａ）は平面図、図７（ｂ）はＡ−Ａ線に沿った断面図、図７（ｃ）はＢ−Ｂ線に沿って切断した下面図である。
半導体層２１は、積層体４４側から、第１のコンタクト層２０、電流拡散層１９、クラッド層１８、発光層１６、クラッド層１４、電流拡散層１３、及び第２のコンタクト層１２、が積層されている。電流拡散層１３、１９は、例えばＩｎ_０．５（Ｇａ_０．３Ａｌ_０．７）_０．５Ｐなどからなり、電極４６から注入された電流を発光層１６の面内に広げることを容易にするが、クラッド層１４、１８により電流拡散が可能であれば省略することができる。

また、発光層１６及びクラッド層１８からの電流が、電流拡散層１９に沿って流れ、コンタクト層２０及び接着金属層４２を介して流れる電流経路となる。フォトニック結晶層３０が絶縁材料の場合、フォトニック結晶層３０とコンタクト層２０との面積を大きくして反射を高めようとすると、電流拡散層１９を設ける方が好ましい。

第１の電極４８は、凸型断面にパターニングされたコンタクト層２０の上に設けられており、接着金属層４２と接着されている。

また、第２の電極４６は、ワイヤボンディング用のパッド部４６ａと、これを取り囲む細線部４６ｂと、を有している。細線部４６ｂの幅は、例えば３〜６μｍなどとし、パッド部２０ａと細線部２０ｂとの間隔は、例えば６〜５０μｍなどとする。電流は、第２の電極４６と第１の電極４８との間を流れる。

フォトニック結晶層３０は、凸型のコンタクト層２０及びその上に設けられた第１の電極４８に隣接した凹部に、第１の電極４８の第１の面４８ａが露出するように円環状に設けられる。発光層１６から下方に向かう光はフォトニック結晶層３０により上方に向けて反射可能となる。すなわち、細線電極４６ｂにより発光領域が広げられ、フォトニック結晶層３０により上方に向かって光を反射可能となるので、放出光Ｇ２の出力を高めることが容易となる。なお、発光層１６から放出光が上方へ放出されることはもちろんであるが、本図では省略してある。

本実施形態において、発光層１６はＩｎＧａＡｌＰ系半導体からなるものとしたが、本発明はこれに限定されず、例えばＧａＡｌＡｓ系半導体やＩｎＧａＡｌＮ系半導体からなるものであってもよい。また、基板４０としては、Ｇｅ、ＳｉＣ、ＧａＮ、ＧａＰのいずれかであってもよい。

本実施形態にかかる発光素子は高輝度を得ることが容易であり、照明装置、表示装置、及び信号機などの用途に広く用いることができる。

以上、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明した。しかしながら本発明はこれら実施形態に限定されない。発光素子を構成する基板、フォトニック結晶層、発光層コンタクト層などを含む半導体層、電極などの材質、サイズ、形状、配置などに関して当業者が各種設計変更を行ったものであっても、本発明の主旨を逸脱しない限り本発明の範囲に包含される。

１０結晶成長基板、２０、２０ａ第１のコンタクト層、２１、２１ａ、２１ｂ半導体層、１６発光層、３０、３０ａ、３１フォトニック結晶層、４０基板、４２接着金属層、４４積層体、４８第１の電極、Ｇ１、Ｇ２放出光

Claims

基板と、
前記基板上に設けられ、放出光を放出可能な発光層と、コンタクト層と、を有する半導体層と、
前記コンタクト層の第１の面の側に設けられた第１の電極と、
少なくとも２つの媒質からなり、前記放出光の媒質内波長の４分の１から４分の３の範囲内のピッチの周期構造を有し、かつ前記放出光を反射可能なフォトニック結晶層と、
前記基板上に設けられ、前記第１の電極と接着された接着金属層と、
を備えたことを特徴とする発光素子。
前記コンタクト層は、前記発光層の平面サイズよりも小さい凸型断面を有し、
前記第１の電極は、前記コンタクト層の前記第１の面に前記コンタクト層と略同一サイズとなるように設けられ、
前記フォトニック結晶層は、前記コンタクト層及び前記第１の電極に隣接するように、
前記半導体層の第１の面の前記コンタクト層の非形成領域と前記接着金属層との間に設けられたことを特徴とする請求項１記載の発光素子。
前記フォトニック結晶層は、導電性を有しかつ前記コンタクト層と前記第１の電極との間に設けられたことを特徴とする請求項１記載の発光素子。
前記周期構造は、１次元または３次元的に広がることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の発光素子。
前記ピッチは、前記媒質内波長の略２分の１とされることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の発光素子。
前記媒質は、誘電体膜、導電体膜、及び空気のいずれかを含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の発光素子。
前記導電体膜は、酸化インジウム錫、酸化インジウム亜鉛、酸化亜鉛、酸化ニッケル及び窒化チタンを含むことを特徴とする請求項６記載の発光素子。
放出光を放出可能な発光層と、コンタクト層と、を有する半導体層を結晶成長基板上に形成する工程と、
前記半導体層の第１の面の側に、少なくとも２つの媒質からなりかつ前記放出光の媒質内波長よりも小さいピッチの周期構造を有するフォトニック結晶層を形成する工程と、
前記コンタクト層の第１の面または前記フォトニック結晶層の第１の面に第１の電極を形成する工程と、
基板に接着金属層を形成する工程と、
前記第１の電極と、前記接着金属層と、を貼り合わせ状態で加熱接着したのち、前記結晶成長基板を除去する工程と、
を備えたことを特徴とする発光素子の製造方法。
前記コンタクト層を前記発光層の平面サイズよりも小さい凸型断面に加工する工程をさらに備え
前記第１の電極の形成工程は、前記コンタクト層の前記第１の面に前記コンタクト層と略同一の平面サイズとなるように前記第１の電極を形成する工程を含み、
前記フォトニック結晶層の形成工程は、前記第１の電極が露出するように、前記半導体層の前記第１の面の前記コンタクト層の非形成領域に前記フォトニック結晶層を形成する工程を含むことを特徴とする請求項８記載の発光素子の製造方法。
前記フォトニック結晶層の形成工程は、前記コンタクト層の前記第１の面に導電性を有するフォトニック結晶層を形成する工程を含み、
前記第１の電極の形成工程は、前記フォトニック結晶層の前記第１の面に形成する工程を含むことを特徴とする請求項８記載の発光素子の製造方法。