CN104969366A - Led元件及其制造方法 - Google Patents

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CN104969366A CN201480007665.3A CN201480007665A CN104969366A CN 104969366 A CN104969366 A CN 104969366A CN 201480007665 A CN201480007665 A CN 201480007665A CN 104969366 A CN104969366 A CN 104969366A
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难波江宏一
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Abstract

本发明提供可以进一步提高光取出效率的LED元件及其制造方法。在LED元件中，蓝宝石衬底的表面形成具有比从发光层发出的光的光学波长的2倍大且比相干长度小的周期的多个凹部或凸部的垂直化蛾眼面，通过垂直化蛾眼面的反射及透射，以偏向与蓝宝石衬底和半导体层的界面垂直的方向的方式调整了强度分布的光在透射蛾眼面抑制菲涅耳反射的状态下向元件外部射出。

Description

LED元件及其制造方法
技术领域
本发明涉及LED元件及其制造方法。
背景技术
公知有一种LED元件，其具备：III族氮化物半导体，其形成于蓝宝石衬底的表面上并含有发光层；衍射面，其形成于蓝宝石衬底的表面侧，从发光层发出的光入射，以比该光的光学波长大且比该光的相干长度小的周期形成有凹部或凸部；Al反射膜，其形成于衬底的背面侧，反射由衍射面衍射的光，再使其向衍射面入射(参照专利文献1)。在该LED元件中，使通过衍射作用透射的光再入射到衍射面，通过利用衍射面再利用衍射作用使其透射，可以以多种模式向元件外部取出光。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:国际公开第2011/027679号1
发明内容
发明所要解决的课题
本申请发明人调查研究光取出效率的进一步提高。
本发明是鉴于上述情况而创立的，其目的在于，提供可以进一步提高光取出效率的LED元件及其制造方法。
用于解决课题的技术方案
为实现所述目的，本发明提供一种倒装片型的LED元件，其具备：蓝宝石衬底；形成于所述蓝宝石衬底的表面上的含有发光层的半导体层叠部；形成于所述半导体层叠部上的反射部，所述蓝宝石衬底的表面形成垂直化蛾眼面，该垂直化蛾眼面具有比从所述发光层发出的光的光学波长的2倍大且比相干长度小的周期的多个凹部或凸部，所述蓝宝石衬底的背面形成透射蛾眼面，该透射蛾眼面具有比从所述发光层发出的光的光学波长的2倍小的周期的凹部或凸部，所述垂直化蛾眼面构成为，反射及透射从所述半导体层叠部侧向该垂直化蛾眼面入射的光，在超过临界角的角度域中，与在所述半导体层叠部侧入射到该垂直化蛾眼面的光的强度分布比较，在所述半导体层叠部侧从该垂直化蛾眼面通过反射射出的光的强度分布偏向与所述半导体层叠部和所述蓝宝石衬底的界面垂直的方向，并且，在超过临界角的角度域，与在所述半导体层叠部侧入射到该垂直化蛾眼面的光的强度分布相比，在所述蓝宝石衬底侧从该垂直化蛾眼面通过透射射出的光的强度分布偏向与所述界面垂直的方向，通过所述垂直化蛾眼面的反射及透射，以偏向与所述界面垂直的方向的方式调整了强度分布的光在通过所述透射蛾眼面抑制菲涅耳反射的状态下向元件外部射出。
在上述倒装片型的LED元件中，可以是，所述反射部越接近于与所述界面垂直的角度，反射率越高。
另外，为实现所述目的，提供一种LED元件的制造方法，在制造上述LED元件时，含有下述工序：在蓝宝石衬底的表面上形成掩模层的掩模层形成工序；在所述掩模层上形成抗蚀剂膜的抗蚀剂膜形成工序；在所述抗蚀剂膜形成规定的图案的图案形成工序；施加规定的偏压输出向所述蓝宝石衬底侧感应Ar气的等离子体，通过所述Ar气的所述等离子体使所述抗蚀剂膜改质而提高蚀刻选择比的抗蚀剂改质工序；施加比所述抗蚀剂改质工序的偏压输出更高的偏压输出，向所述蓝宝石衬底侧感应Ar气的等离子体，将蚀刻选择比增高的所述抗蚀剂膜作为掩模进行所述掩模层的蚀刻的掩模层的蚀刻工序；以蚀刻的所述掩模层为掩模，进行所述蓝宝石衬底的蚀刻而形成所述凹部或所述凸部的衬底的蚀刻工序；在蚀刻的所述蓝宝石衬底的表面上形成所述半导体层叠部的半导体形成工序；在所述蓝宝石衬底的背面上形成所述电介体多层膜的多层膜形成工序。
在上述LED元件的制造方法中，也可以是，在所述衬底的蚀刻工序中，在所述掩模层上残留所述抗蚀剂膜的状态下进行所述蓝宝石衬底的蚀刻。
在上述LED元件的制造方法中，也可以是，所述掩模层具有所述蓝宝石衬底上的SiO2层和所述SiO2层上的Ni层，在所述衬底的蚀刻工序中，在所述SiO2层、所述Ni层、所述抗蚀剂膜层叠的状态下进行所述蓝宝石衬底的蚀刻。
进而，为实现所述目的，提供一种面朝上型的LED元件，其具备：蓝宝石衬底；形成于所述蓝宝石衬底的表面上的含有发光层的半导体层叠部；形成于所述蓝宝石衬底的背面上的反射部；形成于所述半导体层叠部上的电极，所述蓝宝石衬底的表面形成垂直化蛾眼面，该垂直化蛾眼面具有比从所述发光层发出的光的光学波长的2倍大且比相干长度小的周期的多个凹部或凸部，所述电极的表面形成透射蛾眼面，该透射蛾眼面具有比从所述发光层发出的光的光学波长的2倍小的周期的凹部或凸部，所述垂直化蛾眼面构成为，反射及透射从所述半导体层叠部侧向该垂直化蛾眼面入射的光，在超过临界角的角度域，与在所述半导体层叠部侧向该垂直化蛾眼面入射的光的强度分布相比，在所述半导体层叠部侧从该垂直化蛾眼面通过反射射出的光的强度分布偏向与所述半导体层叠部和所述蓝宝石衬底的界面垂直的方向，并且，在超过临界角的角度域，与在所述半导体层叠部侧向该垂直化蛾眼面入射的光的强度分布相比，在所述蓝宝石衬底侧从该垂直化蛾眼面通过透射射出的光的强度分布偏向与所述界面垂直的方向，通过所述垂直化蛾眼面的反射及透射，以偏向与所述界面垂直的方向的方式调整了强度分布的光在通过所述透射蛾眼面抑制菲涅耳反射的状态下向元件外部射出。
进而，为实现所述目的，提供一种LED元件，其具备：蓝宝石衬底；形成于所述蓝宝石衬底的表面上的含有发光层的半导体层叠部，所述蓝宝石衬底的表面形成垂直化蛾眼面，该垂直化蛾眼面具有比从所述发光层发出的光的光学波长的2倍大且比相干长度小的周期的多个凹部或凸部，所述垂直化蛾眼面构成为，反射及透射从所述半导体层叠部侧向该垂直化蛾眼面入射的光，在超过临界角的角度域，与在所述半导体层叠部侧向该垂直化蛾眼面入射的光的强度分布比较，在所述半导体层叠部侧从该垂直化蛾眼面通过反射射出的光的强度分布偏向与所述半导体层叠部和所述蓝宝石衬底的界面垂直的方向，并且，在超过临界角的角度域，与在所述半导体层叠部侧向该垂直化蛾眼面入射的光的强度分布比较，在所述蓝宝石衬底侧从该垂直化蛾眼面通过透射射出的光的强度分布偏向与所述界面垂直的方向，具有对透射垂直化蛾眼面的光进行反射的反射部，具备透射蛾眼面，该透射蛾眼面具有比从所述发光层发出的光的光学波长的2倍小的周期的凹部或凸部，通过所述垂直化蛾眼面的反射及透射，以偏向与所述界面垂直的方向的方式调整了强度分布的光在所述透射蛾眼面抑制菲涅耳反射的状态下向元件外部射出。
发明效果
根据本发明的LED元件，可以进一步提高光取出效率。
附图说明
图1是表示本发明第一实施方式的LED元件的示意剖面图；
图2是表示不同的折射率的界面的光的衍射作用的说明图，(a)表示在界面反射的状态，(b)表示透过界面的状态；
图3是表示凹部或凸部的周期为500nm的情况下的III属氮化物半导体层和蓝宝石衬底的界面的从半导体层侧向界面入射的光的入射角、和在界面的衍射作用下的透射角的关系的曲线图；
图4是表示凹部或凸部的周期为500nm的情况下的III属氮化物半导体层和蓝宝石衬底的界面的从半导体层侧向界面入射的光的入射角、和在界面的衍射作用下的反射角的关系的曲线图；
图5是表示元件内部的光的行进方向的说明图；
图6是LED元件的局部放大示意剖面图；
图7表示蓝宝石衬底，(a)是示意立体图，(b)是表示A－A剖面的示意说明图，(c)是示意放大说明图；
图8是等离子体蚀刻装置的概略说明图；
图9是表示蓝宝石衬底的蚀刻方法的流程图；
图10A表示蓝宝石衬底及掩模层的蚀刻方法的过程，(a)表示加工前的蓝宝石衬底，(b)是表示在蓝宝石上形成掩模层的状态，(c)表示在掩模层上形成抗蚀剂膜的状态，(d)表示模型与抗蚀剂膜接触的状态，(e)表示在抗蚀剂膜上形成图案的状态；
图10B表示蓝宝石衬底及掩模层的蚀刻方法的过程，(f)表示除去了抗蚀剂膜的残膜的状态，(g)表示使抗蚀剂膜改质的状态，(h)表示以抗蚀剂膜为掩模蚀刻掩模层的状态，(i)表示以掩模层为掩模蚀刻蓝宝石衬底的状态；
图10C表示蓝宝石衬底及掩模层的蚀刻方法的过程，(j)表示以掩模层为掩模进一步蚀刻蓝宝石衬底的状态，(k)表示从蓝宝石衬底除去残留的掩模层的状态，(l)表示对蓝宝石衬底实施湿式蚀刻的状态；
图11是表示实施例1的反射部的反射率的曲线图；
图12是表示实施例2的反射部的反射率的曲线图；
图13是表示本发明的第二实施方式的LED元件的示意剖面图；
图14是LED元件的局部放大示意剖面图；
图15是表示实施例3的反射部的反射率的曲线图；
图16是表示实施例4的反射部的反射率的曲线图。
符号说明
1      LED元件
2      蓝宝石衬底
2a     垂直化蛾眼面
2b     平坦部
2c     凸部
2d     侧面
2e     弯曲部
2f     上面
2g     透射蛾眼面
2h     平坦部
2i     凸部
10    缓冲层
12    n型GaN层
14    发光层
16    电子阻挡层
18    p型GaN层
19    半导体层叠部
21    扩散电极
22    电介体多层膜
22a   第一材料
22b   第二材料
22c   通孔
23    金属电极
24    扩散电极
25    电介体多层膜
25a   通孔
26    金属电极
27    p侧电极
28    n侧电极
30    掩模层
31    SiO2层
32    Ni层
40    抗蚀剂膜
41    凹凸构造
42    残膜
43    凸部
50    模型
51    凹凸构造
91    等离子体蚀刻装置
92    衬底保持台
93    容器
94    线圈
95    电源
96    石英板
97    冷却控制部
98    等离子体
101   LED元件
102   蓝宝石衬底
102a  垂直化蛾眼面
110   缓冲层
112   n型GaN层
114   发光层
116   电子阻挡层
118   p型GaN层
119   半导体层叠部
122   焊盘电极
124   电介体多层膜
124a  第一材料
124b 第二材料
126  Al层
127  p侧电极
128  n侧电极
具体实施方式
图1是表示本发明第一实施方式的LED元件的示意剖面图。
如图1所示，LED元件1是在蓝宝石衬底2的表面上形成有由III族氮化物半导体层构成的半导体层叠部19的元件。该LED元件1是倒装片型，主要从蓝宝石衬底2的背面侧取出光。半导体层叠部19从蓝宝石衬底2侧按顺序具有缓冲层10、n型GaN层12、发光层14、电子阻挡层16、p型GaN层18。在p型GaN层18上形成有p侧电极27，并且在n型GaN层12上形成有n侧电极28。
如图1所示，缓冲层10形成于蓝宝石衬底2的表面上，由AlN构成。本实施方式中，缓冲层10通过MOCVD(Metal Organic Chemical VaporDeposition)法形成，但也可以使用溅射法。作为第一导电型层的n型GaN层12形成于缓冲层10上，由n－GaN构成。发光层14形成于n型GaN层12上，由GalnN/GaN构成，通过电子及空穴的注入而发出蓝色光。在此，蓝色光是指例如峰值波长为430nm以上480nm以下的光。本实施方式中，发光层14的发光的峰值波长为450nm。
电子阻挡层16形成于发光层14上，由p－AlGaN构成。作为第二导电型层的p型GaN层18形成于电子阻挡层16上，由p－GaN构成。从n型GaN层12至p型GaN层18通过III族氮化物半导体的外延成长而形成，在蓝宝石衬底2的表面周期性地形成有凸部2c，但在III族氮化物半导体的成长初期实现横方向成长的平坦化。此外，至少含有第一导电型层、活性层及第二导电型层，只要是在对第一导电型层及第二导电型层施加电压时，只要通过电子及空穴的再结合使活性层发光，则半导体层的层构成就是任意的。
蓝宝石衬底2的表面形成垂直化蛾眼面2a，蓝宝石衬底2的背面形成透射蛾眼面2g。蓝宝石衬底2的表面形成有平坦部2b、和周期性形成于平坦部2b的多个凸部2c。各凸部2c的形状除圆锥、多角锥等锥状外，还可以形成切下锥的上部的圆锥台、多角锥台等锥台状。各凸部2c以衍射从发光层14发出的光的方式设计。本实施方式中，通过周期性配置的各凸部2c，可以得到光的垂直化作用。在此，光的垂直化作用是指光的强度分布与向垂直化蛾眼面入射前相比，反射及透射之后一方偏向相对于蓝宝石衬底2和半导体层叠部19的界面垂直的方向。
另外，蓝宝石衬底2的背面形成有平坦部2h、和周期性形成于平坦部2h的多个凸部2i。各凸部2i的形状除圆锥、多角锥等锥状外，还可以形成切下锥的上部的圆锥台、多角锥台等锥台状。透射蛾眼面的凸部2i的周期比垂直化蛾眼面的凸部2c的周期短。本实施方式中，通过周期性配置的各凸部2i，抑制和外部的界面的菲涅耳反射。
图2是表示不同的折射率的界面的光的衍射作用的说明图，(a)表示由界面反射的状态，(b)表示透射界面的状态。
在此，根据布拉格的衍射条件，光在界面反射的情况下，相对于入射角θin，反射角θref应满足的条件为如下式(1)。
d·n1·(sinθin－sinθref)＝m·λ  (1)
在此，n1为入射侧的介质的折射率，λ为入射的光的波长，m为整数。光从半导体层叠部19向蓝宝石衬底2入射的情况下，n1为III族氮化物半导体的折射率。如图2(a)所示，以满足上述式(1)的反射角θref反射向界面入射的光。
另一方面，根据布拉格的衍射条件，光在界面透射的情况下，相对于入射角θin，透射角θout应满足的条件为如下式(2)。
d·(n1·sinθin－n2·sinθout)＝m′·λ  (2)
在此，n2为射出侧的介质的折射率，m′为整数。例如，光从半导体层叠部19向蓝宝石衬底2入射的情况下，n2为蓝宝石的折射率。如图2(b)所示，以满足上述式(2)的透射角θout透射向界面入射的光。
为了使满足上述式(1)及式(2)的衍射条件的反射角θref及透射角θout存在，蓝宝石衬底2的表面的周期必须比元件内部的光学波长即(λ/n1)及(λ/n2)大。因此，蓝宝石衬底2的表面以衍射光存在的方式将周期设定为比(λ/n1)及(λ/n2)大。
图3是表示以凹部或凸部的周期为500nm的情况下的III属氮化物半导体层和蓝宝石衬底的界面的从半导体层侧向界面入射的光的入射角、和在界面的衍射作用下的透射角的关系的曲线图。另外，图4是表示以凹部或凸部的周期为500nm的情况下的III属氮化物半导体层和蓝宝石衬底的界面的从半导体层侧向界面入射的光的入射角、和在界面的衍射作用下的反射角的关系的曲线图。
作为向垂直化蛾眼面2a入射的光，与一般的平坦面一样存在全反射的临界角。在GaN系半导体层和蓝宝石衬底2的界面，临界角为45.9°。如图3所示，在超过临界角的区域，可进行满足上述式(2)的衍射条件的m′＝1，2，3，4下的衍射模式下的透射。另外，如图4所示，在超过临界角的区域，可进行满足上述式(1)的衍射条件的m＝1，2，3，4下的衍射模式下的反射。在临界角为45.9°的情况下，超过临界角的光输出约为70％，未超过临界角的光输出约为30％。即，取出超过临界角的区域的光非常有助于LED元件1的光取出效率的提高。
在此，在透射角θout比入射角θin小的区域，透过垂直化蛾眼面2a的光相对于蓝宝石衬底2和III族氮化物半导体层的界面以偏垂直的方式角度变化。图3中用剖面线表示该区域。如图3所示，对于透过垂直化蛾眼面2a的光，在超过临界角的区域，m′＝1，2，3的衍射模式的光在全部的角度域以偏垂直的方式角度变化。m′＝4的衍射模式的光在一部分角度域没有偏垂直，但用于衍射次数大的光的强度较小，所以影响小，在该一部分的角度域实际上还以偏垂直角度变化。即，与在半导体层叠部19侧向垂直化蛾眼面2a入射的光的强度分布比较，在蓝宝石衬底2侧透过垂直化蛾眼面2a射出的光的强度分布偏向与半导体层叠部19和蓝宝石衬底2的界面垂直的方向。
另外，在反射角θref比入射角θin小的区域，在垂直化蛾眼面2a反射的光相对于蓝宝石衬底2和III族氮化物半导体层的界面以偏垂直的方式角度变化。图4中用剖面线表示该区域。如图4所示，对于在垂直化蛾眼面2a反射的光，在超过临界角的区域，m＝1，2，3的衍射模式的光在全部的角度域以偏垂直的方式角度变化。m＝4的衍射模式的光在一部分角度域没有偏垂直，但由于衍射次数大的光的强度较小，所以影响小，在该一部分的角度域实际上还以偏垂直的方式角度变化。即，与在半导体层叠部19侧向垂直化蛾眼面2a入射的光的强度分布比较，在半导体层叠部19侧从垂直化蛾眼面2a通过反射射出的光的强度分布偏向与半导体层叠部19和蓝宝石衬底2的界面垂直的方向。
图5是表示元件内部的光的行进方向的说明图。
如图5所示，从发光层14发出的光中，向蓝宝石衬底2超过临界角入射的光在垂直化蛾眼面2a比入射时向偏垂直的方向透射及反射。即，透过垂直化蛾眼面2a的光在向偏垂直角度变化的状态下向透射蛾眼面2g入射。另外，由垂直化蛾眼面2a反射的光在向偏垂直角度变化的状态下通过p侧电极27及n侧电极28反射后，向垂直化蛾眼面2a再次入射。这时的入射角比前面的入射角偏垂直。其结果，可以使向透射蛾眼面2g入射的光偏垂直。
图6是LED元件的局部放大示意剖面图。
如图6所示，p侧电极27具有形成于p型GaN层18上的扩散电极21、形成于扩散电极21上的规定区域的电介体多层膜22、形成于电介体多层膜22上的金属电极23。扩散电极21全面地形成于p型GaN层18，例如，由ITO(Indium Tin Oxide)等透明材料构成。另外，电介体多层膜22重复多对折射率不同的第一材料22a和第二材料22b而构成。电介体多层膜22例如将第一材料22a采用ZrO2(折射率：2.18)，第二材料22b采用SiO2(折射率：1.46)，可以将对数设为5。此外，也可以使用与ZrO2和SiO2不同的材料构成电介体多层膜22，例如，也可以使用AlN(折射率：2.18)、Nb2O3(折射率：2.4)、Ta2O3(折射率：2.35)等。金属电极23被覆电介体多层膜22，例如，由Al等金属材料构成。金属电极23通过形成于电介体多层膜22的通孔22a与扩散电极21电连接。
如图6所示，n侧电极28从p型GaN层18蚀刻n型GaN层12，形成于露出的n型GaN层12上。n侧电极28具有形成于n型GaN层12上的扩散电极24、形成于扩散电极24上的规定区域的电介体多层膜25、形成于电介体多层膜25上的金属电极26。扩散电极24全面地形成于n型GaN层12，例如，由ITO(Indium Tin Oxide)等透明材料构成。另外，电介体多层膜25重复多对折射率不同的第一材料25a和第二材料25b构成。电介体多层膜25例如第一材料25a采用ZrO2(折射率：2.18)，第二材料25b采用SiO2(折射率：1.46)，可以将对数设为5。此外，也可以使用与ZrO2和SiO2不同的材料构成电介体多层膜25，例如，也可以使用AlN(折射率：2.18)、Nb2O3(折射率：2.4)、Ta2O3(折射率：2.35)等。金属电极26被覆电介体多层膜25，例如，由Al等金属材料构成。金属电极26通过形成于电介体多层膜25的通孔25a与扩散电极24电连接。
在该LED元件1中，p侧电极27及n侧电极28形成反射部。p侧电极27及n侧电极28分别越接近于垂直角度，反射率越高。向反射部除入射从发光层14发出并直接入射的光外，还入射由蓝宝石衬底2的垂直化蛾眼面2a反射并相对于界面以偏垂直的方式角度变化的光。即，向反射部入射的光的强度分布与蓝宝石衬底2的表面为平坦面的情况比较，为偏向垂直的状态。
接着，参照图7，对蓝宝石衬底2详细叙述。图7表示蓝宝石衬底，(a)为示意立体图，(b)为表示A－A剖面的示意说明图，(c)为示意放大说明图。
如图7(a)所示，垂直化蛾眼面2a在俯视以各凸部2c的中心为正三角形的顶点的位置的方式以规定的周期排列形成于假想的三角格子的交点。各凸部2c的周期比从发光层14发出的光的光学波长大，比该光的相干长度小。另外，在此所说的周期是指相邻的凸部2c的高度的峰值位置的距离。另外，光学波长是指实际的波长除以折射率所得的值。另外，相干长度相当于因规定的光谱宽的光子群的各波长不同，从而波的周期性振动相互抵消，至可干涉性消失的距离。相干长度lc如果将光的波长设为λ，该光的半幅值设为Δλ，则大体为lc＝(λ2/Δλ)的关系。在此，各凸部2c的周期在光学波长的1倍以上，相对于临界角以上的角度的入射光，衍射作用逐渐有效地起作用，如果比从发光层14发出的光的光学波长的2倍大，则透射模式及反射模式的数量充分增加，所以优选。另外，各凸部2c的周期优选为从发光层14发出的光的相干长度的一半以下。
在本实施方式，各凸部2c的周期为460nm。从发光层14发出的光的波长为450nm，III族氮化物半导体层的折射率为2.4，因此，其光学波长为187.5nm。另外，从发光层14发出的光的半幅值为27nm，因此，该光的相干长度为7837nm。即，垂直化蛾眼面2a的周期比发光层14的光学波长的2倍大，且为相干长度的一半以下。
在本实施方式中，如图7(c)所示，垂直化蛾眼面2a的各凸部2c具有从平坦部2b向上方延伸的侧面2d、从侧面2d的上端向凸部2c的中心侧弯曲延伸的弯曲部2e、与弯曲部2e连续地形成的平坦的上面2f。如后述，通过由侧面2d和上面2f的会合部形成角的弯曲部2e形成前的凸部2c的湿式蚀刻去掉角，由此形成弯曲部2e。此外，也可以实施蚀刻，直至平坦的上面2f消失，凸部2c的上侧全体为弯曲部2e。本实施方式中，具体而言，各凸部2c的基端部的直径为380nm，高度为350nm。蓝宝石衬底2的垂直化蛾眼面2a除各凸部2c外均为平坦部2b，助长半导体的横方向成长。
另外，蓝宝石衬底2的背面的透射蛾眼面2g在俯视以各凸部2i的中心为正三角形的顶点的位置的方式以规定的周期排列形成于假想的三角格子的交点。各凸部2i的周期比从发光层14发出的光的光学波长小。即，在透射蛾眼面2g，菲涅耳反射被抑制。本实施方式中，各凸部2i的周期为300nm。从发光层14发出的光的波长为450nm，蓝宝石的折射率为1.78，因此，其光学波长为252.8nm。即，透射蛾眼面2g的周期比发光层14的光学波长的2倍小。此外，蛾眼面的周期只要为光学波长的2倍以下，就可以抑制界面的菲涅耳反射。透射蛾眼面2g的周期随着光学波长从2倍趋近于1倍，菲涅耳反射的抑制作用增大。如果蓝宝石衬底2的外部是树脂及空气，则透射蛾眼面2g的周期只要是光学波长的1.25倍以下，就可以得到与1倍以下大体相同的菲涅耳反射的抑制作用。
在此，参照图8～图10C，对LED元件1用的蓝宝石衬底2的制作方法进行说明。图8是用于加工蓝宝石衬底的等离子体蚀刻装置的概略说明图。
如图8所示，等离子体蚀刻装置91为感应耦合型(ICP)，具有保持蓝宝石衬底2的平板状的衬底保持台92、收纳衬底保持台92的容器93、经由石英板96设置在容器93的上方的线圈94、与衬底保持台92连接电源95。线圈94为立体螺旋形的线圈，从线圈中央供给高频率电力，线圈外周的末端接地。蚀刻对象的蓝宝石衬底2直接或经由输送用托盘载置于衬底保持台92。在衬底保持台92内装有用于冷却蓝宝石衬底2的冷却机构，通过冷却控制部97控制。容器93具有供给口，可供给O2气、Ar气等各种气体。
通过该等离子体蚀刻装置1进行蚀刻时，在衬底保持台92上载置蓝宝石衬底2后，排出容器93内的空气形成减压状态。而且，向容器93内供给规定的处理气体，调整容器93内的气体压力。之后，向线圈94及衬底保持台92供给规定时间的高输出的高频电力，生成反应气体的等离子体98。通过该等离子体98进行蓝宝石衬底2的蚀刻。
接着，参照图9、图10A、图10B及图10C，对使用等离子体蚀刻装置1的蚀刻方法进行说明。
图9是表示蚀刻方法的流程图。如图9所示，本实施方式的蚀刻方法含有下述工序：掩模层形成工序S1、抗蚀剂膜形成工序S2、图案形成工序S3、残膜除去工序S4、抗蚀剂改质工序S5、掩模层的蚀刻工序S6、蓝宝石衬底的蚀刻工序S7、掩模层除去工序S8、弯曲部形成工序S9。
图10A表示蓝宝石衬底及掩模层的蚀刻方法的过程，(a)表示加工前的蓝宝石衬底，(b)表示在蓝宝石衬底上形成掩模层的状态，(c)表示在掩模层上形成抗蚀剂膜的状态，(d)表示使模型与抗蚀剂膜接触的状态，(e)表示在抗蚀剂膜形成有图案的状态。
图10B表示蓝宝石衬底及掩模层的蚀刻方法的过程，(f)表示除去抗蚀剂膜的残膜的状态，(g)表示使抗蚀剂膜改质的状态，(h)表示以抗蚀剂膜为掩模蚀刻掩模层的状态，(i)表示以掩模层为掩模蚀刻蓝宝石衬底的状态。此外，改质后的抗蚀剂膜在图中通过涂抹来表现。
图10C表示蓝宝石衬底及掩模层的蚀刻方法的过程，(j)表示以掩模层为掩模进一步蚀刻蓝宝石衬底的状态，(k)表示从蓝宝石衬底除去残留的掩模层的状态，(l)表示对蓝宝石衬底实施湿式蚀刻的状态。
首先，如图10A(a)所示，准备加工前的蓝宝石衬底2。在蚀刻之前，用规定的清洗液清洗蓝宝石衬底2。本实施方式中，蓝宝石衬底2为蓝宝石衬底。
接着，如图10A(b)所示，在蓝宝石衬底2上形成掩模层30(掩模层形成工序：S1)。本实施方式中，掩模层30具有蓝宝石衬底2上的SiO2层31、SiO2层31上的Ni层32。各层31、112的厚度是任意的，但例如可以将SiO2层设为1nm以上100nm以下，将Ni层32设为1nm以上100nm以下。另外，掩模层30也可以形成单层。掩模层30通过溅射法、真空蒸镀法、CVD法等形成。
接着，如图10A(c)所示，在掩模层30上形成抗蚀剂膜40(抗蚀剂膜形成工序：S2)。本实施方式中，作为抗蚀剂膜40使用热塑性树脂，通过旋涂法以均匀的厚度形成。抗蚀剂膜40例如由环氧系树脂构成，厚度例如为100nm以上300nm以下。此外，作为抗蚀剂膜40也可以使用光固化性树脂。
而且，使抗蚀剂膜40与蓝宝石衬底2一起加热软化，如图10A(d)所示，用模型50冲压抗蚀剂膜40。在模型50的接触面形成凹凸构造51，抗蚀剂膜40沿着凹凸构造51变形。
之后，一直保持冲压状态，使抗蚀剂膜40与蓝宝石衬底2一起冷却固化。然后，通过将模型50从抗蚀剂膜40剥离，如图10A(e)所示，在抗蚀剂膜40上转印凹凸构造41(图案形成工序：S3)。在此，凹凸构造41的周期为1μm以下。本实施方式中，凹凸构造41的周期为460nm。另外，在本实施方式中，凹凸构造41的凸部43的直径为100nm以上300nm以下，例如为230nm。另外，凸部43的高度为100nm以上300nm以下，例如为250nm。在该状态下，在抗蚀剂膜40的凹部形成有残膜42。
如上所述，将形成有抗蚀剂膜40的蓝宝石衬底2安装于等离子体蚀刻装置1的衬底保持台92。然后，例如，通过等离子体灰化除掉残膜42，如图10B(f)所示，使被加工材料即掩模层30露出(残膜除去工序：S4)。本实施方式中，作为等离子体灰化的处理气体使用O2气。这时，抗蚀剂膜40的凸部43也受灰化的影响，凸部43的侧面44不与掩模层30的表面垂直，仅倾斜规定的角度。
而且，如图10B(g)所示，在改质用条件下，使抗蚀剂膜40暴露在等离子体中，使抗蚀剂膜40改质，提高蚀刻选择比(抗蚀剂改质工序：S5)。本实施方式中，作为抗蚀剂膜40的改质用的处理气体使用Ar气。另外，本实施方式中，作为改质用条件，用于向蓝宝石衬底2侧感应等离子体的电源95的偏压输出设定为比后述的蚀刻用条件低。
之后，在蚀刻用条件下曝露在等离子体内，以蚀刻选择比提高的抗蚀剂膜40为掩模进行作为被加工材料的掩模层30的蚀刻(掩模层的蚀刻工序：S6)。本实施方式中，作为抗蚀剂膜40的蚀刻用的处理气体使用Ar气。由此，如图10B(h)所示，在掩模层30上形成图案33。
在此，对于改质用条件和蚀刻用条件，可以适当变更处理气体、天线输出、偏压输出等，但，如本实施方式，优选使用相同的处理气体变更偏压输出。具体而言，对于改质用条件，如果将处理气体设为Ar气，将线圈94的天线输出设为350W，将电源95的偏压输出设为50W，则观察到抗蚀剂膜40的固化。此外，对于蚀刻用条件，如果将处理气体设为Ar气，将线圈94的天线输出设为350W，将电源95的偏压输出设为100W，则观察到掩模层30的蚀刻。另外，对于蚀刻用条件，除降低偏压输出外，即使还降低天线输出，或减少气体流量，也可进行抗蚀的固化。
接着，如图10B(i)所示，以掩模层30为掩模，进行蓝宝石衬底2的蚀刻(蓝宝石衬底的蚀刻工序：S7)。本实施方式中，在掩模层30上残留抗蚀剂膜40的状态下进行蚀刻。另外，进行作为处理气体使用BCl3气体等氯系气体的等离子体蚀刻。
而且，如图10C(j)所示，如果蚀刻进行，则在蓝宝石衬底2上形成垂直化蛾眼面2a。本实施方式中，垂直化蛾眼面2a的凹凸构造的高度为350nm。此外，也可以使凹凸构造的高度比350nm大。在此，凹凸构造的高度例如假设小到如300nm，则如图10B(i)所示，也可以在抗蚀剂膜40残留的状态下结束蚀刻。
在本实施方式中，通过掩模层30的SiO2层31，助长侧面蚀刻，垂直化蛾眼面2a的凸部2c的侧面2d倾斜。另外，通过抗蚀剂膜40的侧面43的倾斜角还可以控制侧面蚀刻的状态。此外，如果将掩模层30作为Ni层32的单层，则可以使凸部2c的侧面2d形成与主面大体垂直。
之后，如图10B(k)所示，使用规定的剥离液，除去残留于蓝宝石衬底2上的掩模层30(掩模层除去工序：S8)。本实施方式中，通过使用高温的硝酸，除去Ni层32，之后，使用氢氟酸除去SiO2层31。另外，即使抗蚀剂膜40残留于掩模层30上，也可以通过高温的硝酸与Ni层32一起除去，但在抗蚀剂膜40的残留量多的情况下，优选通过O2灰化预先除去抗蚀剂膜40。
而且，如图10B(l)所示，通过湿式蚀刻，除去凸部2c的角而形成弯曲部(弯曲部形成工序：S9)。在此，蚀刻液是任意的，例如可以使用加热到170℃左右的磷酸水溶液即所谓的“热磷酸”。此外，该弯曲部形成工序可以适当省略。经过以上的工序，制作表面具有凹凸构造的蓝宝石衬底2。
根据该蓝宝石衬底2的蚀刻方法，因将抗蚀剂膜40曝露在等离子体使其改质，所以可以提高掩模层30和抗蚀剂膜40的蚀刻的选择比。由此，容易对掩模层30实施细微、深的形状的加工，可以充分厚地形成微细的形状的掩模层30。
另外，通过等离子体蚀刻装置1，可以连续地进行抗蚀剂膜40的改质和掩模层30的蚀刻，工时数也没有显著增加。本实施方式中，通过使电源95的偏压输出变化，进行抗蚀剂膜40的改质和掩模层30的蚀刻，可以简单容易地提高抗蚀剂膜40的选择比。
另外，以充分厚的掩模层30为掩模，进行蓝宝石衬底2的蚀刻，因此，容易对蓝宝石衬底2实施微细且深的形状的加工。特别是在蓝宝石衬底上，形成周期为1μm以下深度为300nm以上的凹凸构造目前通过在形成有掩模层的衬底上形成抗蚀剂膜，利用抗蚀剂膜进行掩模层的蚀刻的蚀刻方法是不可能的，但用本实施方式的蚀刻方法是可能的。特别是在本实施方式的蚀刻方法中，优选形成周期为1μm以下深度为500nm以上的凹凸构造。
纳米级周期的凹凸构造称为蛾眼，但在蓝宝石上进行该蛾眼的加工的情况下，由于蓝宝石是难削磨材料，所以仅可以加工至200nm左右的深度。然而，200nm左右的台阶中有时作为蛾眼是不充分。本实施方式的蚀刻方法可以说是解决对蓝宝石衬底实施蛾眼加工的情况的新的课题。
此外，作为被加工材料，表示由SiO2/Ni构成的掩模层30，但当然掩模层30也可以是Ni的单层或其它材料。总之，只要使抗蚀剂改质，提高掩模层30和抗蚀剂膜40的蚀刻选择比即可。
另外，表示了使等离子体蚀刻装置1的偏压输出变化来作为改质用条件和蚀刻用条件的情况，但除了使天线输出、气体流量变化外，例如也可以通过变更处理气体而设定。总之，改质用条件只要是在抗蚀剂在等离子体曝露时改质，蚀刻选择比提高的条件即可。
另外，表示了作为掩模层30含有Ni层32的情况，但即使是其它材料的蚀刻，不用说也可以应用本发明。此外，本实施方式的蓝宝石衬底的蚀刻方法也可以适用于SiC、Si、GaAs、GaN、InP、ZnO等衬底。
在如上制作的蓝宝石衬底2的垂直化蛾眼面2a，通过横方向成长使由III族氮化物半导体构成的半导体层叠部19外延成长(半导体形成工序)，形成p侧电极27及n侧电极28(电极形成工序)。之后，在蓝宝石衬底2的背面通过与表面的垂直化蛾眼面2a同样的工序形成凸部2i后，通过切割分割为多个LED元件1，由此，制造出LED元件1。
在如上构成的LED元件1中，具备垂直化蛾眼面2a，因此，在蓝宝石衬底2和III族氮化物半导体层的界面以超过全反射临界角的角度入射的光可以形成相对于界面偏垂直。另外，因具备抑制菲涅耳反射的透射蛾眼面2g，所以在蓝宝石衬底2和元件外部的界面，可以顺利地向元件外部取出偏垂直的光。这样，虽然蓝宝石衬底2的表面和背面均进行凹凸加工，但被赋予垂直化功能和菲涅耳反射抑制功能这种不同的功能，通过这些功能的协同效果，可以质地提高光取出效率。
另外，使从发光层14发出的光达到蓝宝石衬底2的背面的距离极短，可以抑制元件内部的光的吸收。LED元件中，超过界面的临界角的角度区域的光会向横方向传递，因此，存在会在元件内部吸收光的问题，但在垂直化蛾眼面2a将超过临界角的角度区域的光形成偏垂直，抑制偏垂直的光的透射蛾眼面2g的菲涅耳反射，因此，可以质地减少在元件内部吸收的光。
另外，在本实施方式的LED元件1中，因以短的周期形成凸部2c，所以每单位面积的凸部2c的数量增多。凸部2c超过相干长度的2倍的情况下，即使在该凸部2c存在为位错的起点的角部，因位错密度小，所以对发光效率也几乎没有影响。但是，如果凸部2c的周期比相干长度小，则半导体层叠部19的缓冲层10中的位错密度增大，发光效率的降低显著。该倾向在周期为1μm以下时更显著。此外，发光效率的降低不论缓冲层10的制作方法都产生，既可以通过MOCVD法形成，也可以通过溅射法形成而产生。本实施方式中，在各凸部2c的上侧没有成为位错的起点的角部，因此，没有在缓冲层10形成时以该角部为起点产生位错。其结果，在发光层14也成为位错的密度较小的结晶，没有通过在垂直化蛾眼面2a形成凸部2c而损害发光效率的情况。
在此，本申请发明人发现，作为p侧电极27及n侧电极28，使用电介体多层膜22、25及金属层23、26的组合，由此，LED元件1的光取出效率显著增大。即，根据电介体多层膜22、25和金属层23、26的组合，越接近与界面垂直的角度，反射率越高，对相对于界面偏垂直的光成为有利的反射条件。
图11是表示实施例1的反射部的反射率的曲线图。实施例1中将形成于ITO上的电介体多层膜通过ZrO2和SiO2的组合，将对数设为5，与电介体多层膜重叠而形成Al层。如图11所示，在入射角从0度～45度的角度域实现98％以上的反射率。另外，在入射角从0度～75度的角度域实现90％以上的反射率。这样，电介体多层膜和金属层的组合对相对于界面偏垂直的光为有利的反射条件。
图12是表示实施例2的反射部的反射率的曲线图。实施例2中，在ITO上只形成Al层。如图12所示，不论入射角，大体为84％的一定的反射率。这样，也可以将反射部作为仅Al层的金属的单层。
图13是表示本发明第二实施方式的LED元件的示意剖面图。
如图13所示，该LED元件101是在蓝宝石衬底102的表面上形成有由III族氮化物半导体层构成的半导体层叠部119的元件。该LED元件101是面朝上型，主要从蓝宝石衬底102的相反侧取出光。半导体层叠部119从蓝宝石衬底102侧按顺序具有缓冲层110、n型GaN层112、发光层114、电子阻挡层116、p型GaN层118。在p型GaN层118上形成有p侧电极127，并且在n型GaN层112上形成有n侧电极128。
如图13所示，缓冲层110形成于蓝宝石衬底102的表面上，由AlN构成。n型GaN层112形成于缓冲层110上，由n－GaN构成。发光层114形成于n型GaN层112上，由GalnN/GaN构成。本实施方式中，发光层114的发光的峰值波长为450nm。
电子阻挡层116形成于发光层114上，由p－AlGaN构成。p型GaN层118形成于电子阻挡层116上，由p－GaN构成。从n型GaN层112至p型GaN层118通过III族氮化物半导体的外延成长而形成，在蓝宝石衬底102的表面周期性形成有凸部102c，在III族氮化物半导体的成长初期实现横方向成长的平坦化。此外，至少还含有第一导电型层、活性层及第二导电型层，只要在对第一导电型层及第二导电型层施加电压时，通过电子及空穴的再结合在活性层发光，则半导体层的层构成是任意的。
本实施方式中，蓝宝石衬底102的表面形成垂直化蛾眼面102a，p侧电极127形成透射蛾眼面127g。蓝宝石衬底102的表面形成有平坦部102b、周期性形成于平坦部102b的多个凸部102c。各凸部102c的形状除圆锥、多角锥等锥状外，还可以采用切掉锥的上部的圆锥台、多角锥台等锥台状。各凸部102c以衍射从发光层114发出的光的方式设计。本实施方式中，通过周期性配置的各凸部102c，可以得到光的垂直化作用。
p侧电极127具有形成于p型GaN层118上的扩散电极121、形成于扩散电极121上的一部的焊盘电极122。扩散电极121全面地形成于p型GaN层118，例如，由ITO(Indium Tin Oxide)等透明材料构成。另外，焊盘电极122例如由Al等金属材料构成。扩散电极121的表面形成有平坦部127h、和周期性形成于平坦部127h的多个凸部127i。各凸部127i的形状除圆锥、多角锥等锥状外，还可以采用切掉锥的上部的圆锥台、多角锥台等锥台状。透射蛾眼面的凸部127i的周期比发光层114的光学波长的2倍小。本实施方式中，通过周期性配置的各凸部127i抑制和外部的界面的菲涅耳反射。
n侧电极128形成于从p型GaN层118蚀刻n型GaN层112，露出的n型GaN层112上。n侧电极128形成于n型GaN层12上，例如由Al等金属材料构成。
图14是LED元件的局部放大示意剖面图。
如图14所示，在蓝宝石衬底102的背面侧形成有电介体多层膜124。电介体多层膜124由金属层即Al层126被覆。在该发光元件101中，电介体多层膜124及Al层126形成反射部，由该反射部反射从发光层114发出并通过衍射作用透过了垂直化蛾眼面102a的光。而且，将通过衍射作用透射的光再入射到衍射面102a，可以通过在衍射面102a再利用衍射作用进行透射，由此，可以以多个模式向元件外部取出光。
在如上构成的LED元件101中，因具备垂直化蛾眼面102a，所以在蓝宝石衬底102和III族氮化物半导体层的界面可以将以超过全反射临界角的角度入射的光形成偏垂直。另外，因具备透射蛾眼面127g，所以在蓝宝石衬底102和元件外部的界面，可以抑制作为偏垂直的光的菲涅耳反射。由此，可以质地提高光取出效率。
另外，从发光层114发出的光可以明显地缩短到达p侧电极127的表面的距离，可以抑制元件内部的光的吸收。在LED元件中，超过界面的临界角角度区域的光会向横方向传播，所以存在会在元件内部吸收光的问题，但通过在垂直化蛾眼面102a使超过临界角的角度区域的光为偏垂直，可以质地减少由元件内部吸收的光。
在此，本申请发明人发现，通过使用电介体多层膜124及金属层126的组合作为蓝宝石衬底102的背面的反射部，LED元件101的光取出效率显著增大。即，当为电介体多层膜124和金属层126的组合时，越接近与界面垂直的角度，反射率越高，对相对于界面偏垂直的光为有利的反射条件。
图15是表示实施例3的反射部的反射率的曲线图。实施例3中，将形成于蓝宝石衬底上的电介体多层膜通过ZrO2和SiO2的组合，将对数为5，与电介体多层膜重叠形成Al层。如图15所示，在入射角从0度～55度的角度域，实现99％以上的反射率。另外，在入射角从0度～60度的角度域实现98％以上的反射率。另外，在入射角从0度～75度的角度域实现92％以上的反射率。这样，电介体多层膜和金属层的组合对相对于界面偏垂直的光为有利的反射条件。
图16是表示实施例4的反射部的反射率的曲线图。实施例4中，在蓝宝石衬底上仅形成Al层。如图16所示，不按入射角，为大致88％的一定的反射率。这样，也可以将反射部作为仅Al层的金属的单层。
此外，在上述各实施方式，表示由周期性形成的凸部构成垂直化蛾眼面及透射蛾眼面的构造，但不用说也可以由周期性形成的凹部构成各蛾眼面。另外，凸部或凹部除排列形成于三角格子的交点外，例如，也可以排列形成假想的正方格子的交点。
另外，LED元件的具体的构造也不限定于上述各实施方式的构造。即，LED元件具备蓝宝石衬底和形成于蓝宝石衬底的表面上的含有发光层的半导体层叠部，蓝宝石衬底的表面构成为，形成具有比从发光层发出的光的光学波长的2倍大比相干长度小的周期的多个凹部或凸部的垂直化蛾眼面，垂直化蛾眼面反射及透射从半导体层叠部侧向该垂直化蛾眼面入射的光，在超过临界角的角度域，与在半导体层叠部侧向垂直化蛾眼面入射的光的强度分布比较，在半导体层叠部侧从垂直化蛾眼面射出的光的强度分布偏向与半导体层叠部和蓝宝石衬底的界面垂直的方向，并且，在超过临界角的角度域，与在半导体层叠部侧向垂直化蛾眼面入射的光的强度分布相比，在蓝宝石衬底侧从垂直化蛾眼面射出的光的强度分布偏向与界面垂直的方向，具有反射透射垂直化蛾眼面的光的反射部，且具备具有比从发光层发出的光的光学波长的2倍小的周期的凹部或凸部的透射蛾眼面，通过垂直化蛾眼面的反射及透射，以偏向与界面垂直的方向的方式调整强度分布的光只要在透射蛾眼面抑制菲涅耳反射的状态下向元件外部射出即可。
产来上的可利用性
本发明的LED元件可以使光取出效率进一步提高，在产业上有用。

Claims (7)

1.一种倒装片型的LED元件，具备：
蓝宝石衬底；
形成于所述蓝宝石衬底的表面上的含有发光层的半导体层叠部；
形成于所述半导体层叠部上的反射部，
所述蓝宝石衬底的表面形成垂直化蛾眼面，该垂直化蛾眼面具有比从所述发光层发出的光的光学波长的2倍大且比相干长度小的周期的多个凹部或凸部，
所述蓝宝石衬底的背面形成透射蛾眼面，该透射蛾眼面具有比从所述发光层发出的光的光学波长的2倍小的周期的凹部或凸部，
所述垂直化蛾眼面构成为，反射及透射从所述半导体层叠部侧向该垂直化蛾眼面入射的光，在超过临界角的角度域中，与在所述半导体层叠部侧入射到该垂直化蛾眼面的光的强度分布比较，在所述半导体层叠部侧从该垂直化蛾眼面通过反射射出的光的强度分布偏向与所述半导体层叠部和所述蓝宝石衬底的界面垂直的方向，并且，在超过临界角的角度域，与在所述半导体层叠部侧入射到该垂直化蛾眼面的光的强度分布相比，在所述蓝宝石衬底侧从该垂直化蛾眼面通过透射射出的光的强度分布偏向与所述界面垂直的方向，
通过所述垂直化蛾眼面的反射及透射，以偏向与所述界面垂直的方向的方式调整了强度分布的光在通过所述透射蛾眼面抑制菲涅耳反射的状态下向元件外部射出。
2.如权利要求1所述的倒装片型的LED元件，其中，
所述反射部越接近于与所述界面垂直的角度，反射率越高。
3.一种LED元件的制造方法，在制造权利要求2所述的LED元件时，含有下述工序：
在蓝宝石衬底的表面上形成掩模层的掩模层形成工序；
在所述掩模层上形成抗蚀剂膜的抗蚀剂膜形成工序；
在所述抗蚀剂膜形成规定的图案的图案形成工序；
施加规定的偏压输出向所述蓝宝石衬底侧感应Ar气的等离子体，通过所述Ar气的所述等离子体使所述抗蚀剂膜改质而提高蚀刻选择比的抗蚀剂改质工序；
施加比所述抗蚀剂改质工序的偏压输出更高的偏压输出，向所述蓝宝石衬底侧感应Ar气的等离子体，将蚀刻选择比增高的所述抗蚀剂膜作为掩模进行所述掩模层的蚀刻的掩模层的蚀刻工序；
以蚀刻的所述掩模层为掩模，进行所述蓝宝石衬底的蚀刻而形成所述凹部或所述凸部的衬底的蚀刻工序；
在蚀刻的所述蓝宝石衬底的表面上形成所述半导体层叠部的半导体形成工序；
在所述蓝宝石衬底的背面上形成所述电介体多层膜的多层膜形成工序。
4.如权利要求3所述的LED元件的制造方法，其中，
在所述衬底的蚀刻工序中，在所述掩模层上残留所述抗蚀剂膜的状态下进行所述蓝宝石衬底的蚀刻。
5.如权利要求4所述的LED元件的制造方法，其中，
所述掩模层具有所述蓝宝石衬底上的SiO2层和所述SiO2层上的Ni层，
在所述衬底的蚀刻工序中，在所述SiO2层、所述Ni层、所述抗蚀剂膜层叠的状态下进行所述蓝宝石衬底的蚀刻。
6.一种面朝上型的LED元件，具备：
蓝宝石衬底；
形成于所述蓝宝石衬底的表面上的含有发光层的半导体层叠部；
形成于所述蓝宝石衬底的背面上的反射部；
形成于所述半导体层叠部上的电极，
所述蓝宝石衬底的表面形成垂直化蛾眼面，该垂直化蛾眼面具有比从所述发光层发出的光的光学波长的2倍大且比相干长度小的周期的多个凹部或凸部，
所述电极的表面形成透射蛾眼面，该透射蛾眼面具有比从所述发光层发出的光的光学波长的2倍小的周期的凹部或凸部，
所述垂直化蛾眼面构成为，反射及透射从所述半导体层叠部侧向该垂直化蛾眼面入射的光，在超过临界角的角度域，与在所述半导体层叠部侧向该垂直化蛾眼面入射的光的强度分布相比，在所述半导体层叠部侧从该垂直化蛾眼面通过反射射出的光的强度分布偏向与所述半导体层叠部和所述蓝宝石衬底的界面垂直的方向，并且，在超过临界角的角度域，与在所述半导体层叠部侧向该垂直化蛾眼面入射的光的强度分布相比，在所述蓝宝石衬底侧从该垂直化蛾眼面通过透射射出的光的强度分布偏向与所述界面垂直的方向，
通过所述垂直化蛾眼面的反射及透射，以偏向与所述界面垂直的方向的方式调整了强度分布的光在通过所述透射蛾眼面抑制菲涅耳反射的状态下向元件外部射出。
7.一种LED元件，具备：
蓝宝石衬底；
形成于所述蓝宝石衬底的表面上的含有发光层的半导体层叠部，
所述蓝宝石衬底的表面形成垂直化蛾眼面，该垂直化蛾眼面具有比从所述发光层发出的光的光学波长的2倍大且比相干长度小的周期的多个凹部或凸部，
所述垂直化蛾眼面构成为，反射及透射从所述半导体层叠部侧向该垂直化蛾眼面入射的光，在超过临界角的角度域，与在所述半导体层叠部侧向该垂直化蛾眼面入射的光的强度分布比较，在所述半导体层叠部侧从该垂直化蛾眼面通过反射射出的光的强度分布偏向与所述半导体层叠部和所述蓝宝石衬底的界面垂直的方向，并且，在超过临界角的角度域，与在所述半导体层叠部侧向该垂直化蛾眼面入射的光的强度分布比较，在所述蓝宝石衬底侧从该垂直化蛾眼面通过透射射出的光的强度分布偏向与所述界面垂直的方向，
具有对透射垂直化蛾眼面的光进行反射的反射部，
具备透射蛾眼面，该透射蛾眼面具有比从所述发光层发出的光的光学波长的2倍小的周期的凹部或凸部，
通过所述垂直化蛾眼面的反射及透射，以偏向与所述界面垂直的方向的方式调整了强度分布的光在所述透射蛾眼面抑制菲涅耳反射的状态下向元件外部射出。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113054064A (zh) * 2021-03-22 2021-06-29 华南师范大学 高外量子效率的深紫外led及其制备方法

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6436694B2 (ja) * 2014-09-17 2018-12-12 住友化学株式会社 窒化物半導体テンプレートの製造方法
DE102014115740A1 (de) * 2014-10-29 2016-05-04 Osram Opto Semiconductors Gmbh Optoelektronischer Halbleiterchip
CN104538514B (zh) * 2014-12-31 2017-07-11 杭州士兰微电子股份有限公司 倒装led芯片结构及其制作方法
JP7087796B2 (ja) * 2017-08-04 2022-06-21 住友大阪セメント株式会社 分散液、組成物、封止部材、発光装置、照明器具および表示装置
US10304993B1 (en) * 2018-01-05 2019-05-28 Epistar Corporation Light-emitting device and method of manufacturing the same
CN112670403B (zh) * 2019-10-16 2024-04-30 联华电子股份有限公司 半导体结构
US11682752B2 (en) * 2021-03-31 2023-06-20 Lumileds Llc Light-emitting device with nano-structured light extraction layer
WO2023190493A1 (ja) * 2022-03-31 2023-10-05 住友大阪セメント株式会社 分散液、組成物、封止部材、発光装置、照明器具、表示装置および分散液の製造方法

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000221698A (ja) * 1999-01-29 2000-08-11 Sony Corp 電子装置の製造方法
US20080123713A1 (en) * 2005-03-01 2008-05-29 Meijo University Two-light flux interference exposure device, two-light flux interference exposure method, semiconductor light emitting element manufacturing method, and semiconductor light emitting element
JP2009164423A (ja) * 2008-01-08 2009-07-23 Nichia Corp 発光素子
JP2010074090A (ja) * 2008-09-22 2010-04-02 Meijo Univ 発光素子、発光素子用サファイア基板及び発光素子用サファイア基板の製造方法
CN102484183A (zh) * 2009-09-07 2012-05-30 崇高种子公司 半导体发光元件
US20120248406A1 (en) * 2011-03-30 2012-10-04 Toyoda Gosei Co., Ltd Group iii nitride semiconductor light-emitting device
CN102738348A (zh) * 2011-04-08 2012-10-17 日亚化学工业株式会社 半导体发光元件

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5486883B2 (ja) * 2009-09-08 2014-05-07 東京エレクトロン株式会社 被処理体の処理方法
JP5142236B1 (ja) * 2011-11-15 2013-02-13 エルシード株式会社 エッチング方法

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000221698A (ja) * 1999-01-29 2000-08-11 Sony Corp 電子装置の製造方法
US20080123713A1 (en) * 2005-03-01 2008-05-29 Meijo University Two-light flux interference exposure device, two-light flux interference exposure method, semiconductor light emitting element manufacturing method, and semiconductor light emitting element
JP2009164423A (ja) * 2008-01-08 2009-07-23 Nichia Corp 発光素子
JP2010074090A (ja) * 2008-09-22 2010-04-02 Meijo Univ 発光素子、発光素子用サファイア基板及び発光素子用サファイア基板の製造方法
CN102484183A (zh) * 2009-09-07 2012-05-30 崇高种子公司 半导体发光元件
US20120248406A1 (en) * 2011-03-30 2012-10-04 Toyoda Gosei Co., Ltd Group iii nitride semiconductor light-emitting device
CN102738348A (zh) * 2011-04-08 2012-10-17 日亚化学工业株式会社 半导体发光元件

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113054064A (zh) * 2021-03-22 2021-06-29 华南师范大学 高外量子效率的深紫外led及其制备方法

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