JP2006049855A - Semiconductor light emitting device and its manufacturing method - Google Patents

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Inventor
Kenji Orita
賢児 折田
Original Assignee
Matsushita Electric Ind Co Ltd
松下電器産業株式会社
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor light emitting device which is more improved in light extraction efficiency than conventional ones. <P>SOLUTION: Irregularities having a two-dimensionally periodic structure are formed on the surface of a semiconductor multilayered film opposite to its primary surface, and a metal electrode of high reflectance is formed on the other surface. The surface where the irregularities are formed can be improved in light extraction efficiency making use of the diffraction effect of the two-dimensionally periodic structure. Light emitted toward the metal electrode is reflected toward the rugged surface by the metal electrode of high reflectance, so that an effect to be brought about by the two-dimensionally periodic structure is doubled. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、半導体を用いた発光素子、及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a light emitting element using a semiconductor, and a method of manufacturing the same.

AlInGaNに代表される窒化物系化合物半導体を用いることにより、これまで十分な発光強度を得るのが困難であった紫外光から青色、緑色の波長帯の光を出力する発光ダイオード(LED)や半導体レーザなどの発光素子が実用化されるようになり、その研究開発が盛んに行われるようになった。 By using a nitride compound semiconductor represented by AlInGaN, light emitting diode (LED) or a semiconductor which outputs blue light in the green wavelength band from which to ultraviolet light was difficult to obtain a sufficient emission intensity light-emitting element such as a laser is to be commercialized, it began to research and development are actively conducted. 発光素子の中でもLEDは半導体レーザに比べ製造が容易である上に制御が容易であり、また蛍光灯に比べ長寿命であるので、特に窒化物系化合物半導体を用いたLEDが照明用光源として期待されている。 LED among the light emitting elements are easy to control on the manufacturing is easy compared to the semiconductor laser, and since it is compared long life fluorescent lamps, particularly expected as LED illumination light source using nitride-based compound semiconductor It is.

図35は、従来の窒化物系化合物半導体LEDを示す斜視図である。 Figure 35 is a perspective view of a conventional nitride-based compound semiconductor LED. 従来のLEDは、サファイア基板1001の上にn型GaN層1002、InGaN活性層1003、p型GaN層1004が順次結晶成長された構成を有する。 Conventional LED has a structure in which n-type GaN layer 1002, InGaN active layer 1003, p-type GaN layer 1004 are sequentially grown on a sapphire substrate 1001. また、InGaN活性層1003およびp型GaN層1004の一部がエッチングにより除去されて、n型GaN層1002が露出している。 Also, some of the InGaN active layer 1003 and the p-type GaN layer 1004 is removed by etching, n-type GaN layer 1002 is exposed. このn型GaN層1002の露出部分の上には、n側電極1006が形成されている。 On the exposed portion of the n-type GaN layer 1002, n-side electrode 1006 is formed. また、p型GaN層1004の上にはp側ボンディング電極1007が設けられている。 Further, p-side bonding electrode 1007 is formed on the p-type GaN layer 1004 is provided.

このLEDは以下のように動作する。 The LED is operated as follows.

まず、p側ボンディング電極1007から注入された正孔は、p側透明電極1005で横方向に拡がり、p型GaN層1004からInGaN活性層1003に注入される。 First, holes injected from the p-side bonding electrode 1007, spreads laterally p-side transparent electrode 1005, it is injected from the p-type GaN layer 1004 in the InGaN active layer 1003.

一方、n側電極1006から注入された電子は、n型GaN層1002を通じて、InGaN活性層1003に注入される。 Meanwhile, electrons injected from the n-side electrode 1006 through the n-type GaN layer 1002 are injected into the InGaN active layer 1003. InGaN活性層1003中で正孔と電子が再結合することで発光する。 Holes and electrons in the InGaN active layer 1003 emits light by recombination. この光は、p側透明電極1005を通じてLED外に放出される。 This light is emitted in the LED outside through the p-side transparent electrode 1005.

しかし、このような従来構造では、光取り出し効率が十分に高いとは言えなかった。 However, in such a conventional structure, the light extraction efficiency is not sufficient high. 光取り出し効率とは、LEDにおいて、活性層で発生した光のうちLEDから空気中に放出される割合である。 The light extraction efficiency, the LED, the proportion that is emitted from the LED into the air of the light generated in the active layer. 従来のLEDにおいて光取り出し効率が低い原因は、半導体の屈折率が空気よりも大きく、半導体と空気の界面での全反射により活性層からの光がLED内部に閉じ込められることにある。 Cause light extraction efficiency is low in the conventional LED, the refractive index of the semiconductor is greater than that of air is that the light from the active layer is confined to the internal LED by total reflection at the interface of the semiconductor and air. 例えばGaNの屈折率は波長480nmで約2.45であるので、全反射が生じる臨界屈折角が約23度と小さい。 For example the refractive index of GaN is about 2.45 at a wavelength of 480 nm, the critical angle of refraction total reflection occurs is about 23 degrees and smaller. つまり、半導体と空気の界面の法線からみて、この臨界角よりも大きい角度で活性層から放射された光は、半導体と空気の界面で全反射されるので、結局、活性層から放出される光の約4%しかLEDの外へ取り出せない。 That is, when viewed from a normal of the interface between the semiconductor and air, light emitted from the active layer at an angle greater than this critical angle, because it is totally reflected at the interface of the semiconductor and air, eventually emitted from the active layer only about 4% of the light can not be extracted outside the LED. 従って、外部量子効率(LEDに投入した電流のうち、LEDから取り出せる光の効率)が低く、蛍光灯と比べて電力変換効率(投入した電力のうち、取り出せる光出力の効率)が低いという不具合があった。 Therefore, (of current charged into the LED, the efficiency of light which can be extracted from the LED) external quantum efficiency is low, (among the electric power is turned on, the efficiency of light output which can be extracted) power conversion efficiency as compared with the fluorescent lamp is disadvantageously low there were.

この課題に対する解決策として、特許文献1に開示されているように、LEDの表面にフォトニック結晶を形成する技術が提案されている。 As a solution to this problem, as disclosed in Patent Document 1, a technique of forming a photonic crystal on the surface of the LED has been proposed.

図36は、上面にフォトニック結晶が形成された従来のLEDを示す斜視図である。 Figure 36 is a perspective view showing a conventional LED photonic crystal is formed on the top surface. 同図に示すように、2次元周期的な凹凸がp型GaN層1004に形成されている。 As shown in the figure, two-dimensional periodic roughness is formed on the p-type GaN layer 1004. この構造においては、半導体と空気の界面に対して臨界屈折角よりも大きい法線角度で活性層から放出された光も、周期的凹凸の回折により出射方向を臨界屈折角よりも小さくすることができる。 In this structure, even light emitted from the active layer at a greater normal angle than the critical angle of refraction with respect to the interface of the semiconductor and air, be made smaller than the critical angle of refraction the outgoing direction by the diffraction of the periodic unevenness it can. そのため、全反射されずにLED外部に放出される光の割合が高くなり、光取り出し効率が向上する。 Therefore, the proportion of light emitted LED outside without being totally reflected is high, the light extraction efficiency is improved. なお、本明細書において、「2次元周期的」と言う場合には、平面上において、構造体が第1の方向に沿って一定間隔(一定周期)に形成されると共に、第1の方向と交差する第2の方向に沿って一定間隔(一定周期)に形成されることを意味するものとする。 In the present specification, reference to "two-dimensional periodic" is on a plane, the structure is formed at regular intervals along the first direction (constant period), a first direction along a second direction crossing shall mean being formed at regular intervals (constant period).
特開2000−196152号公報 JP 2000-196152 JP

しかしながら、p型GaN層などの活性層に近いLED表面に凹凸を形成する場合、以下のような不具合が生じることがある。 However, when forming the uneven surface of the LED close to the active layer, such as a p-type GaN layer, which may the following problems will be caused.

p型GaN層1004は抵抗率が高いため、LEDの直列抵抗を低減して高効率発光させるためには、p型GaN層1004の膜厚は0.2μm程度に薄いことが望まれる。 Because of the high p-type GaN layer 1004 resistivity, in order to high-efficiency light emission by reducing the series resistance of the LED, the thickness of the p-type GaN layer 1004 is desirably thin to about 0.2 [mu] m. しかし、p型GaN層1004の上面に凹凸を形成するためには、p型GaN層1004の膜厚を大きくする必要がある。 However, in order to form irregularities on the upper surface of the p-type GaN layer 1004, it is necessary to increase the thickness of the p-type GaN layer 1004. そのため、図36に示すような従来のLEDでは、直列抵抗が増加し、電力変換効率が低下することがあった。 Therefore, in the conventional LED shown in FIG. 36, the series resistance increases, the power conversion efficiency may deteriorate. また、p型GaN層1004に凹凸を形成するためのドライエッチングによって、p型GaN層1004の表面に結晶欠陥が発生する。 Further, the dry etching for forming irregularities on the p-type GaN layer 1004, crystal defects are generated on the surface of the p-type GaN layer 1004. このような結晶欠陥は電子のドナーとして機能するため、n型GaN層1002においては表面での電子濃度が増加して接触抵抗が低減する。 Such crystal defects to serve as an electron donor, the electron density at the surface in n-type GaN layer 1002 is reduced the contact resistance increases. しかし、p型GaN層1004においてはエッチングダメージによる結晶欠陥が正孔を補償してしまうため、オーミック電極の形成が困難となる。 However, the crystal defects due to etching damage in the p-type GaN layer 1004 will compensate the hole, formation of ohmic electrodes becomes difficult. その結果、接触抵抗率が増加し、電力変換効率が低下するという不具合が生じる。 As a result, the contact resistivity increases, problems will be caused that the power conversion efficiency decreases. さらに、凹凸が活性層に近いため、凹凸形成時のエッチングによるダメージが活性層に生じ、活性層での内部量子効率(活性層中において再結合する電子・正孔対のうち、光子に変換される割合)が低下し、LEDの発光効率が低下するという問題も生じやすい。 Further, since unevenness is close to the active layer, resulting in damage the active layer by etching for roughening, of electron-hole pairs recombine in internal quantum efficiency (the active layer in the active layer, it is converted to photons that ratio) is decreased, also prone problem luminous efficiency of the LED decreases.

LEDにおいて、2次元フォトニック結晶を形成できる面としては、主面側の面と裏面側の面とが考えられる。 In LED, as a surface capable of forming a two-dimensional photonic crystal, it is considered that the surface and the back side surface of the main surface side. この場合、フォトニック結晶を形成する位置として、基板裏面、および基板と半導体との界面の2つが考えられる。 In this case, as the position for forming a photonic crystal, the substrate back surface, and two of the interface between the substrate and the semiconductor contemplated. しかし、いずれの場合も従来の技術を用いて作成した場合には以下のような不具合が生じる。 However, the results have the following drawbacks when both cases were prepared using conventional techniques. フォトニック結晶を基板裏面に形成する場合、半導体と基板の界面において全反射が生じるため、基板裏面に形成されたフォトニック結晶による光取り出し効率向上の効果が半導体に形成されたフォトニック結晶の場合よりも低下する。 When forming a photonic crystal on the substrate back surface, since the total reflection at the interface between the semiconductor and the substrate occurs in the case of photonic crystals light extraction efficiency is improved is formed in the semiconductor by the photonic crystal formed on the back surface of the substrate lower than that. また、半導体と基板との界面にフォトニック結晶を形成した場合、半導体と基板との屈折率差が小さいため周期的凹凸による回折の効率が低下し、光取り出し効率向上の効果がLEDの最上面にフォトニック結晶を形成した場合よりも低下する。 Also, in the case of forming a photonic crystal on the interface between the semiconductor and the substrate, the refractive index difference between the semiconductor and the substrate reduces the efficiency of the diffraction by the periodic uneven because of small, light extraction uppermost surface effects of the LED efficiency lower than the case of forming a photonic crystal.

本発明の目的は、従来よりも光取り出し効率の向上した半導体発光素子を提供することにある。 An object of the present invention is to than the prior art to provide a semiconductor light-emitting device with improved light extraction efficiency.

本発明の第1の半導体発光素子は、基板上に形成された後、前記基板から剥離された多層半導体層を備えた半導体発光素子であって、前記多層半導体層の面のうち前記基板と接していた第1主面に2次元周期構造が形成されている。 The first semiconductor light-emitting device of the present invention, after being formed on a substrate, a semiconductor light-emitting device comprising a multilayer semiconductor layer which is peeled off from the substrate in contact with the substrate among surfaces of said multilayer semiconductor layer 2-dimensional periodic structure in the first main surface was is formed.

この構成により、素子の製造時に多層半導体層の裏面に損傷が入りにくくなるので、電力変換効率を従来よりも向上させることができる。 By this configuration, the less likely contains the damage to the back surface of the multilayer semiconductor layer during manufacture of the device can be improved over conventional power conversion efficiency.

前記基板はサファイア等で構成されてもよいが、シリコンで構成されていることが望ましい。 The substrate may be composed of sapphire or the like, but it is preferably composed of silicon. シリコン基板はサファイア基板に比べ、熱伝導が優れている。 Silicon substrate than the sapphire substrate, the thermal conductivity is excellent. このため、剥離時に発生する熱(例えば、ウエットエッチングでシリコン基板を除去する場合の反応熱)を2次元周期構造全体に渡って、均一にすることができる。 Therefore, heat generated at the time of peeling (for example, the reaction heat in the case of removing the silicon substrate by wet etching) throughout the two-dimensional periodic structure, can be made uniform.

本発明の第2の半導体発光素子は、第1主面上に2次元周期構造を有する基板と、前記基板の第1主面上に形成された光を生成する活性層を含む多層半導体層とを有する半導体発光素子であって、前記基板はシリコンであることを特徴とする。 The second semiconductor light-emitting device of the present invention includes a substrate having a two-dimensional periodic structure on the first main surface, and a multilayer semiconductor layer including an active layer for generating light which is formed on the first main surface of said substrate a semiconductor light-emitting element having, wherein said substrate is silicon.

この構成により、基板を除去しなくても回折効率を大きくすることができるので、基板を除去する場合に比べて製造が容易となる。 With this configuration, since even without removing the substrate can be increased diffraction efficiency, manufacturing is easier than in the case of removing the substrate.

基板としてシリコンを用いることが適切なことを、我々は以下のように見出した。 The may be appropriate to use silicon as the substrate, we have found as follows.

結晶成長中には、シリコン基板は高温に曝されるが、結晶成長炉内の残留酸素により、シリコン基板表面(二次元周期構造の表面)には、ごく薄いSiO 2膜が形成される。 During crystal growth, the silicon substrate is exposed to a high temperature, the residual oxygen in the crystal growth furnace, the silicon substrate surface (the surface of the two-dimensional periodic structure), very thin SiO 2 film is formed. シリコンの屈折率が約3.3であるのに対し、SiO 2の屈折率は約1.4である。 While the refractive index of silicon is about 3.3, the refractive index of SiO 2 is about 1.4. 発光半導体層の屈折率は一般に2.4〜3.3であるので、このSiO 2膜により二次元周期構造の屈折率変化が増強される。 Since the refractive index of the light emitting semiconductor layer is generally at 2.4 to 3.3, the refractive index change of the two-dimensional periodic structure is enhanced by the SiO 2 film. 屈折率変化が大きいほど回折効率が大きいので、さらに発光効率を高めることが可能となる。 Since the diffraction efficiency higher the refractive index change is large, it is possible to further increase the luminous efficiency.

本発明の半導体発光素子の製造方法は、基板の主面上に第1の2次元周期構造を形成する工程(a)と、前記第1の2次元周期構造の上に多層半導体層を形成する工程(b)とを備えている。 The method of manufacturing a semiconductor light-emitting device of the present invention includes the steps of forming a first two-dimensional periodic structure on the main surface of the substrate (a), an multilayer semiconductor layer on the first two-dimensional periodic structure and a step (b).

この方法により、多層半導体層の裏面に損傷を与えずに2次元周期構造などの構造を形成することが可能となる。 This method makes it possible to form a structure such as a two-dimensional periodic structure without damaging the back surface of the multilayer semiconductor layer. このため、光取り出し効率を向上させた半導体発光素子を製造することが可能となる。 Therefore, it becomes possible to manufacture a semiconductor light-emitting device with improved light extraction efficiency.

本発明の半導体発光素子は上記構成を有することにより、2次元周期構造を構成する半導体にダメージが入りにくくなっているので、光取り出し効率を向上させることができる。 The semiconductor light-emitting device of the present invention by having the above configuration, since damage to the semiconductor constituting the two-dimensional periodic structure is less likely to enter, it is possible to improve the light extraction efficiency. また、2次元周期構造が形成された基板や半導体を鋳型とすることもできるので、均一な特性の製品を安価に製造することが可能になる。 Further, since the two-dimensional periodic substrate structure is formed and a semiconductor can be a template, it is possible to inexpensively manufacture a product having uniform properties.

以下、実施の形態を用いて本発明をさらに具体的に説明する。 Hereinafter, more detailed explanation of the present invention by way of exemplary embodiments. なお、本明細書中では、エピタキシャル成長により形成された半導体層の結晶成長方向にある面を主面と呼び、主面に対向する面を裏面と呼ぶものとする。 Incidentally, herein, referred to a plane that is at the crystal growth direction of the semiconductor layer formed by epitaxial growth and the main surface, it is assumed that the surface opposite to the main surface is called a rear surface.

(第1の実施形態) (First Embodiment)
−発光素子の構成− - the structure of the light-emitting element -
図1は、本発明の第1の実施形態に係る半導体発光素子を示す斜視図である。 Figure 1 is a perspective view showing a semiconductor light emitting device according to a first embodiment of the present invention. 同図に示すように、本実施形態の半導体発光素子は、エピタキシャル成長により形成された厚さ200nmのp型GaN層(第1の半導体層)3と、p型GaN層3の結晶成長面(主面)上に形成され、白金(Pt)と金(Au)が積層されてなる厚さ1μmの高反射p電極(第1の電極)2と、高反射p電極2の下面上に形成された厚さ10μmのAuメッキ層1と、p型GaN層3の裏面上に形成された厚さ3nmのノンドープInGaN活性層4と、ノンドープInGaN活性層4の裏面上に形成され、裏面に凸形状の2次元周期構造6が形成された厚さ4μmのn型GaN層(第2の半導体層)5と、n型GaN層5の裏面上に形成され、チタン(Ti)とAuとが積層されてなる厚さ1μmのn電極(第2の電極)7とを備えている As shown, the semiconductor light-emitting device of this embodiment, p-type GaN layer having a thickness of 200nm formed by epitaxial growth (first semiconductor layer) 3 and the crystal growth surface of the p-type GaN layer 3 (mainly is formed on the surface), and platinum (Pt) and gold (highly reflective p-electrode having a thickness of 1μm to Au) are laminated (the first electrode) 2, is formed on the lower surface of the highly reflective p electrode 2 the Au plating layer 1 having a thickness of 10 [mu] m, and p-type GaN layer thickness 3nm undoped InGaN active layer 4 formed on the back surface of 3, is formed on the back surface of the non-doped InGaN active layer 4, the convex shape on the back surface n-type GaN layer having a thickness of 4μm to 2-dimensional periodic structure 6 is formed (second semiconductor layer) 5 is formed on the back surface of the n-type GaN layer 5, it is stacked with Au and titanium (Ti) n electrode thickness 1μm and a (second electrode) 7 is composed of ここで、下面とは、ある層のうち、図1で下の方に位置する面のことを意味する。 Here, the lower surface, of a layer, means that the surface located at the bottom in FIG. 1. 図1に示す例では、高反射p電極2はp型GaN層3の主面全体の上に設けられており、n電極7は、n型GaN層5の裏面の一部の上に設けられている。 In the example shown in FIG. 1, the high-reflection p electrode 2 is provided on the entire surface of the p-type GaN layer 3, n electrode 7 is provided over part of the back surface of the n-type GaN layer 5 ing. なお、「ノンドープ」とは、該当する層に対しドーピングを意図的に行っていないことを意味する。 It is to be noted that the "non-doped" means that it is not going to intentionally doping with respect to the appropriate layer.

本実施形態の半導体発光素子はn型GaN層5の裏面方向から光が取り出されるLEDとして機能し、ノンドープInGaN活性層4のPLピーク波長は405nmである。 The semiconductor light-emitting device of the present embodiment functions as the LED light is extracted from the rear surface direction of the n-type GaN layer 5, PL peak wavelength of the non-doped InGaN active layer 4 is 405 nm. 後述するが、半導体発光素子を構成する窒化物系化合物半導体の結晶成長方法には、MOCVD(有機金属化学気相成長:Metal-organic Chemical Vapor Deposition)法や、MBE(分子線エピタキシャル成長:Molecular Beam Epitaxy)法などを用いる。 As will be described later, the nitride-based compound semiconductor crystal growth method of the semiconductor light emitting element, MOCVD (metal organic chemical vapor deposition: Metal-organic Chemical Vapor Deposition) method or, MBE (molecular beam epitaxy: Molecular Beam Epitaxy ) method is used, and the like.

n型GaN層5の裏面に形成された2次元周期構造6の周期、すなわち2次元の面内で隣り合う凸部の中心間隔は0.4μm、凸部の高さは150nmである。 Period of the formed on the back surface of the n-type GaN layer 5 two-dimensional periodic structure 6, that is, the center spacing of the protrusions adjacent in a two-dimensional plane is 0.4 .mu.m, the height of the protrusions is 150 nm.

−n型GaN層表面における回折の説明− Description of diffraction at -n-type GaN layer surface -
次に、本実施形態の半導体発光素子のn型GaN層表面(裏面)での回折について、シミュレーション結果を踏まえて説明する。 Next, the diffraction at the n-type GaN layer surface of the semiconductor light emitting device of this embodiment (the rear surface) is described in light of the simulation results.

図2は、ノンドープInGaN活性層から放射され、n型GaN層の裏面(図中では上側の面)に入射する光の透過率、すなわちLED外部に放射される光量の入射角依存性の理論計算結果を示す図である。 Figure 2 is emitted from the non-doped InGaN active layer, n-type rear surface of the GaN layer transmittance of light incident on the (upper surface of the in the figure), i.e. the incident angle dependence of the theoretical calculation of the amount of light emitted to the LED external result is a diagram showing a. 理論計算はFDTD法による数値解析を用いた。 Theoretical calculations using a numerical analysis by the FDTD method. 入射角は、n型GaN層の裏面に垂直入射する場合を0度としている。 Angle of incidence, a case of perpendicularly incident on the back surface of the n-type GaN layer is set to 0 degrees.

図2に示すように、n型GaN層の表面が平滑な場合、入射角が0度から全反射臨界角θc(GaNの屈折率が約2.5なのでθc=sIn−1(1/2.5)=約23度)まで透過率は一定であり、その値は約90%である。 As shown in FIG. 2, when the surface of the n-type GaN layer is smooth, the incident angle is 0 degree total reflection critical angle .theta.c (refractive index of GaN is about 2.5 because θc = sIn-1 (1/2. 5) = about 23 degrees) until the transmittance is constant and its value is about 90%. ここで、発生した光のうち10%が反射されて再びLED内部に戻る理由は、GaNと空気との屈折率差で生じるフレネル反射である。 The reason why 10% of the generated light is returned to the LED inside again reflected is a Fresnel reflection caused by the refractive index difference between GaN and air. 入射角が全反射臨界角を超えると、透過率がほとんど0になるのはGaNと空気との界面において全反射が生じるためである。 When the incident angle exceeds a total reflection critical angle, the transmittance becomes almost zero because the total reflection at the interface between the GaN and the air occurs. この全反射が生じる理由を図3を用いて説明する。 The reason for this total reflection occurs is described with reference to FIG.

図3(a)はLEDにおける(1)実空間での構成を示す図であり、(b)および(c)は発光素子における(2)波数空間での構成を示す図である。 3 (a) is a diagram showing the configuration of (1) the real space in LED, (b) and (c) is a diagram showing the configuration of (2) Fourier space in the light-emitting element. 図3(b)は光の入射角が小さい場合を示し、図3(c)は光の入射角が大きい場合を示している。 FIG. 3 (b) shows a case where the incident angle of light is small, FIG. 3 (c) shows a case where the incident angle of light is large. 図3(b)、(c)における半円は等周波数面であり、LED内部および空気中で入射波、反射波、透過波が満たすべき波数ベクトルの大きさ(波数k=2πn/λ;nは屈折率、λは真空中の波長)を示す。 FIG. 3 (b), the semi-circular in (c) is equal frequency surface, the incident wave inside the LED and in the air, the reflected wave, the magnitude of the wave vector to be satisfied by the transmitted wave (wave number k = 2πn / λ; n refractive index, lambda denotes the wavelength in vacuum). この半円はフォトンエネルギー(hω/2π、hはプランク定数)の保存則を意味する。 This semicircle is photon energy (hω / 2π, h is Planck's constant) means conservation law. なぜならば、k=ωn/cという関係があるからである(cは真空中の光速)。 This is because, it is from the relationship of k = ωn / c (c is the velocity of light in a vacuum). 図3(a)に示す(1)のように実空間の構成が水平方向に対して並進対称性を有する場合は、入射波、反射波、透過波が従うべき法則として、水平方向の波数成分の保存則がある(これは電磁波の位相連続性に関係している)。 If the configuration of the real space, as shown in FIG. 3 (a) to show (1) has a translational symmetry with respect to the horizontal direction, the incident wave, the reflected wave, as a power law transmitted wave to follow, wavenumber component in the horizontal direction there is conservation law (which is related to the phase continuity of the electromagnetic wave). 以上の2つの法則を満たすように、入射角と出射角が決まる。 So as to satisfy the two laws above, emission angle determines the angle of incidence.

図3(b)に示すように光の入射角が小さい場合、上記の2法則を満たす出射角が存在するため、光は空気中に出射することができる。 Figure 3 when the angle of incidence of the light as shown in (b) is small, the exit angle that satisfies the 2's law described above is present, light can be emitted into the air. しかし、図3(c)に示すように光の入射角が大きい場合、水平方向の波数成分を満たす出射角が存在しないため、光は空気中に出射することができない。 However, when the incident angle of light is large, as shown in FIG. 3 (c), since the output angle to meet the horizontal wavenumber component is not present, the light can not be emitted into the air. この場合、透過率TはT=0となるため、LEDと空気の界面での吸収がない場合、反射率Rは光エネルギーの保存則T+R=1を満たす必要があるため、R=1となる。 In this case, since the transmittance T is T = 0, since if there is no absorption at the interface between the LED and air, the reflectivity R is need to satisfy conservation law T + R = 1 the light energy, and R = 1 . すなわち、光はLEDと空気の界面で全反射される。 That is, the light is totally reflected at the interface between LED and air. ちなみに、無反射膜のようにフレネル反射を低減する構造をLEDと空気の界面に導入しても、透過率T=0となる条件であれば、必ずR=1となり、全反射することは避けられない。 Incidentally, it is introduced into the interface of the structure of the LED and air to reduce the Fresnel reflection as reflection-free film, as long as conditions that the transmittance T = 0, always R = 1, and the to total reflection avoided It is not.

次に、図4(a)、(b)は、n型GaN表面に0.1μm周期の2次元周期構造が形成されている場合の、波数空間の構成を示す図である。 Next, FIG. 4 (a), (b) is the case where 2-dimensional periodic structure of 0.1μm cycle n-type GaN surface is formed is a diagram showing the configuration of a wave number space. 表面に周期構造が形成されているために回折が生じ、入射波の水平方向の波数k 1// 、透過波の水平方向の波数k 2//は回折ベクトルG=2π/Λ(Λは周期)により、以下の条件と整合する必要がある。 Diffraction occurs for the periodic structure is formed on a surface, horizontal wavenumber k 1 //, the wave number k 2 // diffraction vector G = 2π / Λ (Λ is the period of the horizontal direction of the transmission wave of the incident wave ) by, it is necessary to match the following conditions.

2// =k 1// ± mG (mは回折次数で、m=0,±1,±2・・・) k 2 // = k 1 // ± mG (m is a diffraction order, m = 0, ± 1, ± 2 ···)
上式と前述の等周波数面の条件を満たす波数k 2//が存在する場合、透過波が生じる。 If conditions are satisfied wavenumber k 2 // equal frequency surface with the above equation described above is present, the transmitted wave is generated.

図4(a)に示すように、構造体の周期が0.1μmで入射角が0度の場合、回折ベクトルの大きさが大き過ぎるため、透過波が回折されると仮定すると、k 2//は空気中の等周波数面より大きいため全反射される。 As shown in FIG. 4 (a), when the period of the structure of the incident angle is 0 degrees 0.1 [mu] m, because too large size of the diffraction vector, the transmitted wave is assumed to be diffracted, k 2 / / it is totally reflected larger than equal frequency surface in air. 従って、この場合、回折は生じない。 Therefore, in this case, there is no diffraction. また、図4(b)に示すように、0次の透過波が全反射される入射角70度の場合、光が回折されたとしても全反射される条件となる。 Further, as shown in FIG. 4 (b), 0-order transmitted wave if the incident angle of 70 degrees is totally reflected, the conditions under which light is totally reflected as diffracted. 従って、この周期の場合、表面が平坦な場合と同様に全反射臨界角以上の入射角において、全反射が生じる。 Therefore, in this period, the surface of the total reflection critical angle or angle of incidence as with flat, total reflection occurs.

図5は、表面に周期構造が形成された半導体層の各部分における屈折率を示す図である。 Figure 5 is a diagram showing the refractive index in each portion of the semiconductor layer periodic structure is formed on the surface. 図5に示すように、光の波長より小さい周期の周期構造の場合、半導体層表面の2次元周期構造ではその凹凸により実効的な屈折率が低下し、2次元周期構造は、空気とLEDとの中間の屈折率の層として機能する。 As shown in FIG. 5, when the periodic structure of period smaller than the wavelength of light, the effective refractive index is lowered due to the irregularities in the two-dimensional periodic structure of the semiconductor layer surface, the two-dimensional periodic structure, air and LED functions as a layer having a refractive index of the intermediate. この場合、空気とLEDとの屈折率差が緩和されるため、入射角が全反射臨界角より小さい場合に生じるフレネル反射を抑制し、図2に示すような入射角が全反射臨界角より小さい場合の光の透過率を向上させることができる。 In this case, since the difference in refractive index between the air and the LED is reduced to suppress the Fresnel reflection occurring when the incident angle is smaller than the total reflection critical angle, incident angle as shown in FIG. 2 is smaller than the total reflection critical angle the transmittance of light in the case can be improved.

次に、n型GaN層表面(裏面)に0.2μm周期の2次元周期構造がある場合について説明する。 Next, the case where the n-type GaN layer surface (back surface) has a two-dimensional periodic structure of 0.2μm period. 図6(a)〜(c)は、n型GaN表面に0.2μm周期の2次元周期構造が形成されている場合の、波数空間の構成を示す図である。 FIG 6 (a) ~ (c) is, when the two-dimensional periodic structure of 0.2μm cycle n-type GaN surface is formed is a diagram showing the configuration of a wave number space.

この条件では、図6(a)に示すように、光の入射角が0度であれば、回折を受けた場合のk 2//は空気中の等周波数面より大きいため全反射され、回折は生じない。 In this condition, as shown in FIG. 6 (a), if the incident angle of light is 0 degree, k 2 // when receiving the diffraction is totally reflected larger than equal frequency surface in the air, the diffraction It does not occur. この場合、0次の透過波がn型GaN層と空気との界面を透過する。 In this case, 0-order transmitted wave passes through the interface between the n-type GaN layer and air.

これに対し、表面が平坦なときには全反射が生じる入射角が30度や入射角70度の場合、図6(b)、(c)に示すように、k 2//は空気中の等周波数面より小さく、回折された透過波(回折次数−1)が界面を透過することができる。 In contrast, when the incident angle when the surface is flat total reflection occurs is 30 degrees and the incident angle of 70 degrees, as shown in FIG. 6 (b), (c) , k 2 // is equal frequency in air less than the surface, the diffracted transmitted wave (diffraction orders -1) can be transmitted through the interface. その結果、図2で示すように全反射臨界角以上でも透過率が0とならない。 As a result, not a transmittance of 0 even higher total reflection critical angle as shown in Figure 2. 実際の透過率には回折効率も寄与するため、透過率は複雑な曲線を示す。 Since the actual transmission also contribute diffraction efficiency, the transmittance indicates a complex curve. この場合、回折ベクトルが比較的大きいため、2次以上の回折が透過に寄与することはない。 In this case, since the diffraction vector is relatively large, does not second or higher diffraction contribute to the transmission.

図7は、n型GaN層の表面に0.4μm周期の2次元周期構造が形成されている場合の、波数空間の構成を示す図である。 7, when the two-dimensional periodic structure of 0.4μm period on the surface of the n-type GaN layer is formed is a diagram showing the configuration of a wave number space. この周期では回折ベクトルが比較的小さいため、図7(a)に示す光の入射角が0度である場合でも1次の回折が透過に関係する。 Therefore the period is relatively small diffraction vector in the diffraction angle of incidence of light of the primary even if it is 0 degrees shown in FIG. 7 (a) is related to transmission. また、図7(b)に示す入射角が35度の場合では1次と2次の回折が、図7(c)に示す入射角が70度の場合では2次と3次の回折が、それぞれ透過に寄与する。 Also, the diffraction of the primary and secondary in the case of the incident angle is 35 degrees shown in FIG. 7 (b), the diffraction of the secondary and tertiary in the case the angle of incidence shown in FIG. 7 (c) is 70 degrees, It contributes to transmission, respectively. その結果、図2に示すように全反射臨界角以上でも透過率が比較的高くなる。 As a result, the transmittance even total reflection critical angle or more as shown in FIG. 2 is relatively high.

このように、n型GaN層表面に形成される構造体の周期が大きくなるにつれて高次の回折が関与し、光の挙動は複雑になる。 Thus, high-order diffracted are involved as the period of the structure formed on the n-type GaN layer surface is increased, the behavior of the light is complicated.

以上の検討を踏まえ、本実施形態の半導体発光素子においては、2次元周期構造を形成した半導体層の屈折率をN、2次元周期構造の周期をΛとした場合、0.5λ/N<Λ<20λ/Nであるものとする。 Based on the above consideration, in the semiconductor light emitting device of the present embodiment, when the refractive index of the semiconductor layer to form a two-dimensional periodic structure has a period of N, 2-dimensional periodic structure and Λ, 0.5λ / N <Λ <assumed to be 20λ / N. 0.5λ/N>Λにおいては回折による角度変化が大きく回折光は全反射の臨界角を超えるため半導体発光素子の外部に放射されない。 0.5 [lambda / N> angle changes largely diffracted light by diffraction in Λ are not radiated to the outside of the semiconductor light emitting element for more than the critical angle of total reflection. この場合、2次元周期の回折は光取り出し効率を向上することができない。 In this case, the diffraction of the two-dimensional periodic can not improve the light extraction efficiency. また、Λ>20λ/Nにおいては活性層から放射される光の波長よりも周期が非常に大きくなるため、回折の効果がほとんど期待できない。 Also, Λ> 20λ / order cycle is much larger than the wavelength of the light emitted from the active layer in the N, the effect of diffraction can hardly be expected. 以上より、2次元周期構造の効果を有効にするためには、0.5λ/N<Λ<20λ/Nの条件であることが望ましい。 As described above, in order to enable the effects of the two-dimensional periodic structure, it is desirable that the condition of 0.5λ / N <Λ <20λ / N.

図8は、光取り出し効率の計算に用いる立体角を説明するための図である。 Figure 8 is a diagram for explaining a solid angle used to calculate the light extraction efficiency. 同図に示すように、実際の光取り出し効率ηは入射角ごとの反射率T(θ)に立体角の効果を考慮して、入射角で積分する必要がある。 As shown in the figure, the actual light extraction efficiency η in consideration of the effect of solid angle on the reflectance of each incident angle T (theta), it is necessary to integrate the incident angle. 具体的には、ηは下式から導くことができる。 Specifically, eta can be derived from the following equation.
η=∫2πT(θ)・θ・dθ η = ∫2πT (θ) · θ · dθ
図9は、上式から求めた光取り出し効率を、n型GaN層の表面が平坦な場合の光取り出し効率で規格化した値を示す図である。 Figure 9 is a diagram showing the light extraction efficiency was determined from the above equation, the surface of the n-type GaN layer is normalized by the light extraction efficiency in the case of flat values. 計算のパラメータとして周期Λと凹凸の高さhを考慮している。 Into account the height h of the period Λ and irregularities as parameters for calculation. この結果では、GaN層表面の凸状部の高さが150nmの場合に光取り出し効率が最大となっている。 This result, light extraction efficiency is a maximum when the height of the convex portion of the GaN layer surface is 150 nm. これは、凹凸の高さhがλ/{2(n2−n1)]のとき(λは空気中あるいは真空中での発光波長、n1は空気の屈折率、n2は半導体の屈折率)、凹凸を通過する光のうち、凸部を通過する光成分の位相と凹部を通過する光成分の位相が干渉で強めあい、凹凸による回折効率が最大となるためである。 This (emission wavelength of lambda in or in vacuum in the air, n1 is the refractive index of air, n2 semiconductor refractive index) when the irregularity height h λ / {2 (n2-n1) of, irregularities of the light passing through the phase of the light component passing through the phase and the recess of the light component passing through the convex portion strengthen each other by interference, diffraction efficiency due to the unevenness is due to the maximum. この場合、h=約130nmとなるため、FDTDによる数値計算結果とほぼ一致する。 In this case, since the h = about 130 nm, which substantially matches the numerical results by FDTD. このように、本実施形態の半導体発光素子では、hがλ/{2(n2−n1)]の整数倍近傍となることが最も好ましい。 Thus, the semiconductor light emitting device of this embodiment is most preferably h is an integer multiple vicinity of λ / {2 (n2-n1)]. ここで、hがλ/{2(n2−n1)]に近似する、としたのは製造工程による一般的な性能のばらつきなどを考慮したものである。 Here, h is approximate to λ / {2 (n2-n1)], of the was is obtained by considering the variation of the general performance of the manufacturing process.

また、図9より、凹凸の高さhが150nmの場合、周期Λが0.4〜0.5μmであれば、n型GaN層の表面が平坦な場合に比べて最大で光取り出し効率が、2.6倍向上することがわかる。 Further, from FIG. 9, when the height h of unevenness of 150 nm, if the period Λ is 0.4 to 0.5 [mu] m, the light extraction efficiency is at a maximum as compared with the case where the surface of the n-type GaN layer is flat, it can be seen that the improved 2.6 times. ここで、周期Λが大きいほど全反射を回避するためには高次の回折を利用する必要があるが、回折次数が大きくなるほど回折効率が低下するため、周期Λが0.4μm以上の範囲では、周期が大きくなるにつれて光取り出し効率が低下する。 Here, in order to avoid total reflection more period Λ is large, it is necessary to use the diffraction order, because the higher the diffraction efficiency of diffraction orders increases decreases, a range cycle Λ is equal to or greater than 0.4μm is , the light extraction efficiency decreases as the period is increased. 例えば、図2に示す構造体の周期が2.0μmの場合、入射角が全反射臨界角以上の光の透過率は周期0.4μmより低下している。 For example, if the period of the structure shown in FIG. 2 of 2.0 .mu.m, the incident angle of the transmittance of the total reflection critical angle or more light is lower than the period 0.4 .mu.m.

図10(a)、(b)は、n型GaN層表面に形成された2次元周期構造の配列を示す平面図である。 Figure 10 (a), (b) is a plan view showing an arrangement of a two-dimensional periodic structure formed on the n-type GaN layer. 同図に示すように、本実施形態の半導体発光素子で形成される2次元周期構造としては、正方格子であっても三角格子であってもよい。 As shown in the figure, a two-dimensional periodic structure formed in the semiconductor light emitting device of this embodiment may be a triangular lattice even square lattice.

−発光素子の製造方法− - method of manufacturing the light emitting device -
図11(a)〜(f)は、図1に示す本実施形態の半導体発光素子の製造方法を示す斜視図である。 Figure 11 (a) ~ (f) are perspective views showing a method of manufacturing a semiconductor light emitting device of the present embodiment shown in FIG.

まず、図11(a)に示すように、サファイア基板8を準備し、有機金属気相成長法(Metal Organic Chemical Vapor Deposition: MOCVD)を用いてこのサファイア基板8の主面上に厚さ1μmのAlGaN層9を結晶成長させる。 First, as shown in FIG. 11 (a), preparing a sapphire substrate 8, a metal organic chemical vapor deposition method (Metal Organic Chemical Vapor Deposition: MOCVD) thick 1μm on the main surface of the sapphire substrate 8 using the AlGaN layer 9 is grown. ここで、AlGaN層9の厚みが1μmであれば、結晶欠陥の発生が低減する。 The thickness of the AlGaN layer 9 if 1 [mu] m, the occurrence of crystal defects is reduced. AlGaN層9中のAl組成は後のレーザリフトオフで用いる光の波長に対して透明であればどのような組成であってもよいが、ここではAl組成100%とする。 Al composition in the AlGaN layer 9 may be any composition as long as transparent to the wavelength of light used in the laser lift-off later, here, the Al composition 100%.

次に、図11(b)に示すように、AlGaN層9の主面に凹型の2次元周期構造10をパターニングする。 Next, as shown in FIG. 11 (b), patterning of the two-dimensional periodic structure 10 of the concave on the main surface of the AlGaN layer 9. 本工程においては、電子ビーム露光やステッパーなどを利用してエッチングマスクのレジストのパターニングを行い、その後、窒化物系化合物半導体のエッチングにはRIE(反応性イオンエッチング:Reactive Ion Etching)法やイオンミリング(Ion Milling)法などのドライエッチング技術や、紫外線を照射しながらの光化学エッチングや加熱した酸・アルカリ液によるエッチングなどのウェットエッチング技術を用いることによってAlGaN層のエッチングを行うことができる。 In this step, the resist was patterned etch mask by using an electron beam exposure or stepper, then nitride compound semiconductor of the etch RIE (reactive ion etching: Reactive Ion Etching) method or an ion milling (Ion Milling) method or a dry etching technique such as, ultraviolet can be etched in the AlGaN layer by using a wet etching technique such as etching by photochemical etching or heated acid or alkali solution while irradiating. この例では、電子ビーム露光とRIE法により2次元周期構造10を形成する。 In this example, to form a two-dimensional periodic structure 10 by electron beam exposure and RIE. 2次元周期構造10の周期は0.4μm、凹部の深さは150nmとする。 Period of the two-dimensional periodic structure 10 is 0.4 .mu.m, the depth of the recess to 150 nm. なお、2次元周期構造10の形状は特に限定されないが、図11(b)の例では凹部は円柱形状になっている。 Although the shape of the two-dimensional periodic structure 10 is not particularly limited, in the example shown in FIG. 11 (b) recess is in a cylindrical shape.

次に、図11(c)に示すように、2次元周期構造10を形成したAlGaN層9の主面上にMOCVD法により、n型GaN層11(図1でのn型GaN層5)、ノンドープInGaN活性層12(ノンドープInGaN活性層4)、p型GaN層13(p型GaN層3)をこの順に形成する。 Next, as shown in FIG. 11 (c), by MOCVD on the main surface of the AlGaN layer 9 formed a two-dimensional periodic structure 10, (n-type GaN layer 5 in FIG. 1) n-type GaN layer 11, doped InGaN active layer 12 (undoped InGaN active layer 4), p-type GaN layer 13 (p-type GaN layer 3) are formed in this order. ここで、n型GaN層11、ノンドープInGaN活性層12、p型GaN層13の各層の厚みは、それぞれ4μm、3nm、200nmとする。 Here, n-type GaN layer 11, the thickness of each layer of non-doped InGaN active layer 12, p-type GaN layer 13 4 [mu] m, 3 nm, and 200nm respectively. 本工程において、n型GaN層11の結晶成長は、2次元周期構造10を埋め込むように成長条件を設定して行う。 In this step, the crystal growth of the n-type GaN layer 11 is performed by setting the growth conditions so as to fill a two-dimensional periodic structure 10.

その後、p型GaN層13の主面上にPt/Au(PtとAuの積層膜)からなる高反射p電極2を、例えば電子ビーム蒸着により形成する。 Thereafter, a highly reflective p electrode 2 of Pt / Au (Pt and Au laminated film) on the main surface of p-type GaN layer 13, for example, it is formed by electron beam evaporation. さらに、この高反射p電極2のAu層を下地電極として、厚さ約50μmのAuメッキ層15を形成する。 Furthermore, the Au layer of the highly reflective p-electrode 2 as a base electrode, forming the Au plating layer 15 having a thickness of about 50 [mu] m.

続いて、図11(d)に示すように、サファイア基板8の裏面からKrFエキシマレーザ(波長248nm)を、ウエハ面内をスキャンする形で照射する。 Subsequently, as shown in FIG. 11 (d), a KrF excimer laser from the back surface of the sapphire substrate 8 (wavelength 248 nm), it is irradiated in the form of scanning the surface of the wafer. 照射されたレーザ光はサファイア基板8およびAlGaN層9では吸収されず、n型GaN層11でのみ吸収されるので、局所的な発熱によりAlGaN層9との界面付近にてGaNの結合が分解する。 The laser beam emitted is not absorbed in the sapphire substrate 8 and the AlGaN layer 9, since it is only absorbed by the n-type GaN layer 11, degrade the binding of GaN at the vicinity of the interface between the AlGaN layer 9 by local heat generation . これにより、AlGaN層9およびサファイア基板8がn型GaN層11から分離可能となり、GaN系半導体からなるデバイス構造を得ることができる。 Thus, AlGaN layer 9 and the sapphire substrate 8 becomes separable from the n-type GaN layer 11, it is possible to obtain a device structure consisting of GaN-based semiconductor. ここで使用する光源としてはGaN層に対して吸収されAlGaN層およびサファイア基板に対して透明な波長であればよく、YAGレーザの第三高調波(波長355nm)、あるいは水銀灯輝線(波長365nm)を使用しても良い。 Examples of the light source used be absorbed against GaN layer may be a transparent wavelength against AlGaN layer and the sapphire substrate, the third harmonic of YAG laser (wavelength 355 nm), or a mercury lamp bright line (wavelength 365 nm) it may be used.

次に、図11(e)に示すように、図11(d)に示す状態からサファイア基板8およびAlGaN層9を除去する。 Next, as shown in FIG. 11 (e), removing the sapphire substrate 8 and the AlGaN layer 9 in the state shown in FIG. 11 (d). これにより、凸型の2次元周期構造6が自発的にn型GaN層の裏面に形成される。 Thus, two-dimensional periodic structure 6 of convex is formed on the rear surface of the spontaneously n-type GaN layer. このような、基板を除去した後の半導体多層膜(すなわち、n型GaN層11、ノンドープInGaN活性層12、p型GaN層13からなる多層膜)は、膜厚5μm程度の非常に薄い薄膜であるため、従来のフォトリソグラフィ技術であればフォトニック結晶のような微細構造を形成することが困難であった。 Such semiconductor multilayer film after removal of the substrate (ie, n-type GaN layer 11, a multilayer film made of undoped InGaN active layer 12, p-type GaN layer 13) is very thin film thickness of about 5μm some reason, it is difficult to form a fine structure such as a photonic crystal as long as conventional photolithography techniques. しかし、本発明の方法によれば、予め基板に形成した凹状の2次元周期構造10の上から半導体多層膜の堆積を行い、その後に基板を除去するだけで、半導体多層膜の表面(裏面)に微細構造を容易に転写することができる。 However, according to the method of the present invention performs deposition of the semiconductor multilayer film over the recessed two-dimensional periodic structure 10 formed in advance substrate and then simply removing the substrate, the semiconductor multilayer film surface (back surface) it can be easily transferred microstructures.

次いで、図11(f)に示すように、蒸着法とリソグラフィ法などにより、n型GaN層11の裏面のうち、2次元周期構造6が形成されていない領域上に厚さ1μmのTi/Auからなるn電極7を形成する。 Then, as shown in FIG. 11 (f), by a vapor deposition method and a lithography method, n-type of the back surface of the GaN layer 11, a thickness of 1μm on a region two-dimensional periodic structure 6 is not formed Ti / Au forming an n-electrode 7 made of. 以上のようにして、本実施形態の半導体発光素子が作製できる。 As described above, the semiconductor light emitting device of this embodiment can be fabricated.

−半導体発光素子およびその製造方法の効果− - a semiconductor light emitting element and the effect of the manufacturing process -
このようにして得られた半導体発光素子の特性を図12に示す。 The characteristics of the semiconductor light-emitting device obtained in this way is shown in Figure 12. 図12(a)は、従来および本実施形態の半導体発光素子の電流−電圧特性を示す図であり、(b)は従来および本実施形態の半導体発光素子の電流−光出力特性を示す図である。 12 (a) is a current of the semiconductor light-emitting device of the prior art and this embodiment - a view showing a voltage characteristic, (b) the current of the semiconductor light-emitting device of the prior art and this embodiment - a view showing an optical output characteristics is there. 同図において、LED表面が平坦でサファイア基板が除去されていない従来の構造の半導体素子の特性を点線のグラフで、本実施形態の半導体発光素子の特性を実線で示している。 In the figure, shows the characteristics of a semiconductor device of a conventional structure LED surface has not been removed flat sapphire substrate by the dotted line in the graph, the characteristics of the semiconductor light-emitting device of the present embodiment by a solid line.

図12(a)に示す電流−電圧特性からは、本実施形態および従来の半導体発光素子で、立ち上り電圧がほぼ同じであることを含め、電流−電圧特性がほぼ等しいことが分かる。 The voltage characteristics, in the present embodiment and the conventional semiconductor light emitting element, including that the rising voltage is substantially the same, current - - current shown in FIG. 12 (a) it can be seen voltage characteristics substantially equal. この、n型GaN層の表面に凹凸を形成しない従来例との対比から、本実施形態の方法で製造した半導体発光素子では、2次元周期構造を形成することによる半導体多層膜への加工ダメージがないことが分かる。 This, from the comparison with the conventional example which does not form irregularities on the surface of the n-type GaN layer, in the semiconductor device produced by the method of this embodiment, the machining damage to the semiconductor multilayer film by forming a two-dimensional periodic structure it can be seen not. 図11(d)、(e)に示す基板分離工程で、サファイア基板8を研磨にて除去し、AlGaN層9をエッチングを用いて除去することができるが、レーザを用いる方法の方が短時間で完了するのでより好ましい。 In FIG. 11 (d), the substrate separation step shown in (e), to remove the sapphire substrate 8 by polishing, but the AlGaN layer 9 can be removed by using an etching, towards a method of using a laser for a short time more preferable because completed in.

また、図12(b)に示す電流−光出力特性から、20mA以下の電流領域において本実施形態の半導体発光素子は、従来例と比べて同一電流における光出力がほぼ5倍に増加していることが分かる。 The current shown in FIG. 12 (b) - from the optical output characteristic, a semiconductor light emitting device of this embodiment in the following current region 20mA, the light output at the same current as compared with the prior art has increased almost 5-fold it can be seen. これは、図2に示す理論計算値のほぼ2倍の値である。 This is approximately twice the value of the theoretical calculated values ​​as shown in FIG. これは、LED表面の2次元周期構造により表面からの光取り出し効率が従来の平坦なLED表面と比べて約2.5倍に増加し、さらに、LED下面側(p型GaN層13の裏面上)に形成された高反射p電極14により、ノンドープInGaN活性層12から高反射p電極14側に放射される光を2次元周期構造6側に効率的に反射させることができるためである。 This is because the light extraction efficiency from the surface by two-dimensional periodic structure of the LED surface is increased by about 2.5 times compared with conventional flat LED surface, furthermore, on the back surface of the LED lower surface side (p-type GaN layer 13 the highly reflective p-electrode 14 formed on), is because it is possible to efficiently reflect light emitted from the non-doped InGaN active layer 12 in the high-reflection p electrode 14 side in a two-dimensional periodic structure 6 side.

また、図12(b)からは、従来の構造では大電流下で光出力が飽和するが、本実施形態の素子では100mAを超える大電流においても光出力が飽和しないことが分かる。 Also, from the FIG. 12 (b), the in the conventional structure the light output is saturated under a large current, it can be seen that the light output is not saturated even at high current exceeding 100mA in device of this embodiment. これは、従来の構造では活性層で生じた熱が、数μmと厚いn型半導体層と放熱性の悪いサファイア基板を通じて放熱されているためである。 This is, in the conventional structure the heat generated in the active layer, because that is the heat dissipation through several μm and a thick n-type semiconductor layer and the heat dissipation poor sapphire substrate. また、本実施形態の発光素子では、活性層の熱はサブμmと薄いp型半導体側から熱伝導性の高いAuメッキ層を介して放熱することができるので、放熱性に優れているためでもある。 In the light emitting device of this embodiment, the heat of the active layer can be radiated through the high Au plating layer thermal conductivity from the sub-μm thin p-type semiconductor side, even because of its excellent heat radiation property is there.

このように、Auメッキ層15により大電流時においても2次元周期構造6による光取り出し効率の向上を維持することができる。 Thus, it is possible to maintain the improvement of light extraction efficiency according to the two-dimensional periodic structure 6 during large current by Au plating layer 15.

図13(a)、(b),図14,および図15(a)、(b)は、それぞれ本実施形態の半導体発光素子の変形例を示す斜視図である。 Figure 13 (a), (b), FIG. 14, and FIG. 15 (a), (b) is a perspective view showing a modified example of the semiconductor light emitting device of this embodiment, respectively. また、図16(a)、(b)は、本実施形態の半導体発光素子の製造方法の変形例を示す斜視図である。 Further, FIG. 16 (a), (b) is a perspective view showing a modification of the method of manufacturing the semiconductor light emitting device of this embodiment.

本実施形態の半導体発光素子では、サファイア基板8上のAlGaN層9表面に形成された凹型の2次元周期構造10を「鋳型」としてLED表面に凸型の2次元周期構造6を形成したが、図13(a)、(b)に示すように、AlGaN層9表面に凸型の2次元周期構造16を形成することにより、LED表面に凹型の2次元周期構造17を形成しても同様の効果が得られる。 In the semiconductor light emitting device of this embodiment has formed the two-dimensional periodic structure 6 of convex to the LED surface a two-dimensional periodic structure 10 of the concave formed in the AlGaN layer 9 surface on the sapphire substrate 8 as a "template", as shown in FIG. 13 (a), (b), by forming a two-dimensional periodic structure 16 of the convex type AlGaN layer 9 surface, concave in the LED surface similar also form a two-dimensional periodic structure 17 effect can be obtained. つまり、LED表面の構造体が凸状であっても凹状であっても、2次元周期的に形成されていれば入射光を回折することができる。 That is, the structure of the LED surface be concave even convex, it can diffract the incident light if it is two-dimensionally periodically formed.

また、図14に示すように、AlGaN層9に凹凸を形成する方法の他に、レーザリフトオフなどによってサファイア基板8の一部を除去し、サファイア基板8の主面に凸状または凹状の2次元周期構造16を形成しても、これを鋳型としてAlGaN層9表面に凸型または凹型の2次元周期構造が形成された半導体発光素子を実現することができる。 Further, as shown in FIG. 14, in addition to the method for forming irregularities on the AlGaN layer 9, to remove a portion of the sapphire substrate 8 by laser lift-off, two-dimensional convex or concave to the main surface of the sapphire substrate 8 be formed periodic structure 16, which can realize a semiconductor light-emitting element 2-dimensional periodic structure of convex or concave is formed on the AlGaN layer 9 surface as a template.

あるいは、図15(a)に示すように、サファイア基板8上にサファイア基板8の上にSiO 2膜やSiN膜などの酸化物膜あるいは窒化物膜、タングステン(W)膜などの金属膜を形成してからパターニングし、凸状の2次元周期構造16を形成することもできる。 Alternatively, as shown in FIG. 15 (a), an oxide film or nitride film such as SiO 2 film or SiN film on the sapphire substrate 8 on the sapphire substrate 8, a metal film such as tungsten (W) film is formed It may be then patterned after, to form a convex two-dimensional periodic structure 16. また、図15(b)に示すように、酸化膜、窒化膜あるいは金属膜からなる凸状の2次元周期構造16をAlGaN層9の主面上に形成することでも、本実施形態の半導体発光素子と同様の特性を有する発光素子を作製することができる。 Further, as shown in FIG. 15 (b), the oxide film, even by forming the convex two-dimensional periodic structure 16 made of a nitride film or a metal film on the main surface of the AlGaN layer 9, a semiconductor light-emitting of the embodiment it is possible to fabricate a light emitting device having the same characteristics as the element.

また、サファイア基板に代えてSiC基板を用いれば、SiCとGaNとの選択的ドライエッチングにより基板を除去することができる。 Further, by using the SiC substrate in place of sapphire substrate, the substrate can be removed by selective dry etching of SiC and GaN. また、Si基板を用いれば、ウェットエッチングにより容易に基板を除去することができる。 Further, the use of the Si substrate can be easily removing the substrate by wet etching. Si基板を用いた場合の詳細については、以下に別途、説明する。 For more information on using a Si substrate, hereinafter separately it is described.

また、基板を除去することで形成されるn型GaN層11裏面(表面)に形成された凹状の2次元周期構造17の深さが浅い場合や、凹部の内斜面の傾斜が垂直でない場合には、基板除去後に図16(a)、(b)に示すような処理を行うことにより凹部の形状を調整することができる。 Further, and when the two-dimensional periodic depth of the structure 17 of the concave formed on the n-type GaN layer 11 rear surface which is formed by removing the substrate (surface) is shallow, when the inclination of the inner slopes of the recess is not perpendicular is FIG. 16 (a) after the substrate removal, it is possible to adjust the shape of the concave portion by performing the processing shown in (b).

すなわち、図16(a)に示すように、KOH水溶液などの電解液中にLED構造とPtなどの対極電極を浸け、LEDのp側を正として、LEDと対極電極との間に電圧を印加する。 That is, applied as shown in FIG. 16 (a), immerse the counter electrode, such as an LED structure and Pt in an electrolytic solution such as KOH aqueous solution, the p-side of the LED as a positive, the voltage between the LED and the counter electrode to. すると、図16(b)に示すように、陽極酸化によりGaNのエッチングが生じるが、電界は凹部に集中するため凹部のみがエッチングされ、凹部の深さを深くすることができる。 Then, as shown in FIG. 16 (b), although GaN etching occurs by anodic oxidation, the electric field only concave to focus the concave portion is etched, it is possible to increase the depth of the recess. また、電界の凹部への集中により、陽極酸化のエッチングは垂直に進行する。 Further, the concentration of the recess of the electric field, the etching of the anodic oxidation is traveling normally. そのため、基板除去後の凹部の内斜面が垂直でなくても、陽極酸化のエッチングにより斜面が垂直な凹部を形成できる。 Therefore, even the inner slope of the recess of the substrate after removal is not perpendicular, the slope can be formed a vertical recess by etching the anodic oxidation.

図17は、光取り出し効率の凹部の傾斜角度に対する依存性の理論計算結果を示す図である。 Figure 17 is a diagram showing a theoretical calculation result of dependence on angle of inclination of the recess of the light extraction efficiency. ここで、傾斜角度は、同図の左図に示すように、180度から、縦断面における凹部の側面とn型GaN層11の上面とが形作る角度を引いたものとする。 Here, the inclination angle, as shown in the left view of the drawing, to 180 degrees, and minus the angle at which the upper surface of the concave portion of the side surface and the n-type GaN layer 11 in the longitudinal section form. 図17に示す結果から、傾斜角度が50度以下になると光取り出し効率が急激に低下することが分かる。 From the results shown in FIG. 17, the inclination angle is seen that the light extraction efficiency becomes below 50 degrees decreases rapidly. すなわち、基板を除去した後に形成できる2次元周期構造の傾斜角度が小さい場合、上述の陽極酸化エッチングにより傾斜角度を大きくすることができ、高い光取り出し効率を実現することができる。 That is, when the inclination angle of the two-dimensional periodic structure can be formed after removing the substrate is small, it is possible to increase the inclination angle by anodic oxidation etching described above, it is possible to realize a high light extraction efficiency. このように、本実施形態の半導体発光素子では、2次元周期構造の傾斜角度は50度以上とするのが好ましい。 Thus, the semiconductor light emitting device of this embodiment, the inclination angle of the two-dimensional periodic structure is preferably not less than 50 degrees. なお、2次元周期構造が凸状である場合でも、傾斜角度は50度以上であると光取り出し効率が向上するので好ましい。 Even when the two-dimensional periodic structure is convex, the angle of inclination preferably improved light extraction efficiency When it is more than 50 degrees.

−シリコン基板を用いた発光素子の製造方法− - method of manufacturing the light emitting device using a silicon substrate -
図18(a)〜(f)は、図1に示す本実施形態の半導体発光素子の、第2の製造方法を示す斜視図である。 Figure 18 (a) ~ (f), the semiconductor light-emitting device of the present embodiment shown in FIG. 1 is a perspective view showing a second manufacturing method.

まず、図18(b)に示すように、Si基板51の主面に凹型の2次元周期構造10をパターニングする。 First, as shown in FIG. 18 (b), patterning of the two-dimensional periodic structure 10 of the concave on the main surface of the Si substrate 51. 本工程においては、電子ビーム露光やステッパーなどを利用してエッチングマスクとなるレジストのパターニングを行う。 In this step, patterning the resist serving as an etching mask by using an electron beam exposure or stepper. その後、本工程では、RIE(反応性イオンエッチング:Reactive Ion Etching)法やイオンミリング(Ion Milling)法などのドライエッチング技術、あるいは紫外線を照射しながら行う光化学エッチングや加熱した酸・アルカリ液によるエッチングなどのウェットエッチング技術を用いることによってSi基板51のエッチングを行うことができる。 Then, in this step, RIE (reactive ion etching: Reactive Ion Etching) method or an ion milling etching using (Ion Milling) method a dry etching technique, or ultraviolet photochemical etching or heated acid or alkali solution to carry out while applying such it is possible to perform etching of the Si substrate 51 by using a wet etching technique such as. この例では、電子ビーム露光とRIE法によりSi基板51に2次元周期構造10を形成する。 In this example, to form a two-dimensional periodic structure 10 in the Si substrate 51 by electron beam exposure and RIE. 2次元周期構造10の周期は0.4μm、凹部の深さは150nmとする。 Period of the two-dimensional periodic structure 10 is 0.4 .mu.m, the depth of the recess to 150 nm. なお、2次元周期構造10の形状は特に限定されないが、図18(b)に示す例では凹部が円柱形状になっている。 Although not the shape of the two-dimensional periodic structure 10 is particularly limited, in the example shown in FIG. 18 (b) recess has a cylindrical shape.

次に、図18(c)に示すように、2次元周期構造10を形成したSi基板51の主面上にMOCVD法により、n型GaN層11(図1でのn型GaN層5)、ノンドープInGaN活性層12(図1でのノンドープInGaN活性層4)、p型GaN層13(図1でのp型GaN層3)をこの順に形成する。 Next, as shown in FIG. 18 (c), by MOCVD on the main surface of the Si substrate 51 formed with two-dimensional periodic structure 10, (n-type GaN layer 5 in FIG. 1) n-type GaN layer 11, doped InGaN active layer 12 (undoped InGaN active layer 4 in FIG. 1), p-type GaN layer 13 (p-type GaN layer 3 in FIG. 1) are formed in this order. ここで、n型GaN層11、ノンドープInGaN活性層12、p型GaN層13の各層の厚みは、それぞれ4μm、3nm、200nmとする。 Here, n-type GaN layer 11, the thickness of each layer of non-doped InGaN active layer 12, p-type GaN layer 13 4 [mu] m, 3 nm, and 200nm respectively. 本工程において、n型GaN層11の結晶成長は、2次元周期構造10を埋め込むように成長条件を設定して行う。 In this step, the crystal growth of the n-type GaN layer 11 is performed by setting the growth conditions so as to fill a two-dimensional periodic structure 10.

その後、図18(d)に示すように、p型GaN層13の主面上にPt/Au(PtとAuの積層膜)からなる高反射p電極14を、例えば電子ビーム蒸着により形成する。 Thereafter, as shown in FIG. 18 (d), a highly reflective p-electrode 14 made of Pt / Au (Pt and Au laminated film) on the main surface of p-type GaN layer 13, for example, it is formed by electron beam evaporation. さらに、この高反射p電極14のAu層を下地電極として、厚さ約50μmのAuメッキ層15を形成する。 Furthermore, the Au layer of the highly reflective p-electrode 14 as a base electrode, forming the Au plating layer 15 having a thickness of about 50 [mu] m.

次に、図18(e)に示すように、HF/HNO 3を含むエッチャントを用いてSi基板51を除去する。 Next, as shown in FIG. 18 (e), removing the Si substrate 51 using an etchant comprising HF / HNO 3. これにより、凸型の2次元周期構造6が自発的にn型GaN層11の裏面に形成される。 Thus, two-dimensional periodic structure 6 of convex is formed on the rear surface of the spontaneously n-type GaN layer 11. このような、基板を除去した後の半導体多層膜(すなわち、n型GaN層11、ノンドープInGaN活性層12、p型GaN層13からなる多層膜)は、合計の膜厚が4〜5μm程度の非常に薄い膜であるため、従来のフォトリソグラフィ技術であればフォトニック結晶のような微細構造を形成することが困難であった。 Such semiconductor multilayer film after removal of the substrate (ie, n-type GaN layer 11, a multilayer film made of undoped InGaN active layer 12, p-type GaN layer 13), the film thickness of the total of about 4~5μm since a very thin film, it is difficult to form a fine structure such as a photonic crystal as long as conventional photolithography techniques. しかし、本発明の方法によれば、予め基板に形成した凹状の2次元周期構造10の上から半導体多層膜の堆積を行い、その後に基板を除去するだけで、半導体多層膜の表面(裏面)に微細構造を容易に転写することができる。 However, according to the method of the present invention performs deposition of the semiconductor multilayer film over the recessed two-dimensional periodic structure 10 formed in advance substrate and then simply removing the substrate, the semiconductor multilayer film surface (back surface) it can be easily transferred microstructures.

次いで、図18(f)に示すように、蒸着法およびリソグラフィ法などにより、n型GaN層11の裏面のうち、2次元周期構造6が形成されていない領域上に厚さ1μmのTi/Auからなるn電極7を形成する。 Then, as shown in FIG. 18 (f), by a vapor deposition method and a lithography method, n-type of the back surface of the GaN layer 11, a thickness of 1μm on a region two-dimensional periodic structure 6 is not formed Ti / Au forming an n-electrode 7 made of. 以上のようにして、本実施形態の半導体発光素子を作製することができる。 As described above, it is possible to manufacture a semiconductor light-emitting device of the present embodiment.

−Si基板を用いた場合の効果− Effect of using the -Si substrate -
Siは熱伝導性が優れている。 Si thermal conductivity is excellent. このため、剥離時に発生する熱(例えば、ウエットエッチングでSi基板を除去する場合の反応熱)を2次元周期構造全体に渡って、均一にすることができる。 Therefore, heat generated at the time of peeling (for example, the heat of reaction when removing the Si substrate by wet etching) throughout the two-dimensional periodic structure, can be made uniform. この結果、Si基板51を剥離する際の化学反応がムラなく起こり、剥離時に2次元周期構造6が破損するのを防ぐことができる。 As a result, take place without chemical reaction unevenness during peeling the Si substrate 51, a two-dimensional periodic structure 6 can be prevented from being damaged at the time of peeling.

また、一般に半導体発光素子はIII-V族半導体で構成されており、Siとは格子整合せず、熱膨張係数もSiと異なる。 In general the semiconductor light emitting element is made of a group III-V semiconductor, and Si not lattice matched, the thermal expansion coefficient different from that of Si. このため、凹凸界面には極微小な欠陥が生じ、この欠陥により容易に半導体多層膜とSi基板51とが分離可能となる。 Therefore, it occurs very small defects uneven surface, easily and semiconductor multilayer film and the Si substrate 51 is separable by this defect.

また、Si基板が平坦でなく凹凸構造になっていることにより、凹凸界面には、少なくとも二つ以上の結晶面が存在することになる。 Further, since the Si substrate is in the uneven structure not flat, the unevenness interface, so that at least two or more crystal faces are present. Siは結晶面によってウエットエッチングの速度が異なる。 Si is the speed of wet etching varies depending on the crystal surface. そのため、2次元周期構造10内にエッチング速度の周期的変化が生じ、微小攪拌が発生し、より高速にエッチングすることが可能となる。 Therefore, periodic variation in the etching rate occurs in a two-dimensional periodic structure 10, the minute agitation occurs, it is possible to etch faster.

以上のように、2次元周期構造を形成するための基板としてSi基板を用いることで半導体発光素子の生産性を向上させることができる。 As described above, it is possible to improve the productivity of the semiconductor light-emitting device by using a Si substrate as a substrate for forming a two-dimensional periodic structure.

(第2の実施形態) (Second Embodiment)
図19(a)は、本発明の第2の実施形態に係る半導体発光素子を示す斜視図であり、(b)は、第2の実施形態の半導体発光素子を上から見た平面図である。 Figure 19 (a) is a perspective view showing a semiconductor light emitting device according to a second embodiment of the present invention, (b) is a plan view of the semiconductor light-emitting device of the second embodiment . 本実施形態の半導体発光素子は、n型GaN層5の上面(裏面)に形成された凸状の2次元周期構造18が多角錐形状である点が第1の実施形態の半導体発光素子と異なっている。 The semiconductor light emitting device of this embodiment, different points n-type GaN layer 5 on the upper surface convex formed on the surface (back surface) two-dimensional periodic structure 18 is pyramid shaped semiconductor light emitting device of the first embodiment ing.

図19(a)、(b)に示すように、本実施形態の半導体発光素子は、エピタキシャル成長により形成された厚さ200nmのp型GaN層3と、p型GaN層3の結晶成長面(主面)上に形成され、白金(Pt)と金(Au)が積層されてなる厚さ1μmの高反射p電極2と、高反射p電極2の下面上に形成された厚さ10μmのAuメッキ層1と、p型GaN層3の裏面上に形成された厚さ3nmのノンドープInGaN活性層4と、ノンドープInGaN活性層4の裏面上に形成され、裏面に六角錐の突起で構成された2次元周期構造18が形成された厚さ4μmのn型GaN層5と、n型GaN層5の裏面上に形成され、チタン(Ti)とAuとが積層されてなる厚さ1μmのn電極7とを備えている。 FIG. 19 (a), the (b), the semiconductor light emitting device of this embodiment, the p-type GaN layer 3 having a thickness of 200nm formed by epitaxial growth, the crystal growth surface of the p-type GaN layer 3 (mainly is formed on the face), platinum (Pt) and gold (highly reflective p electrode 2 having a thickness of 1μm to Au) are laminated, the thickness of 10μm formed on the lower surface of the highly reflective p electrode 2 Au plating a layer 1, a p-type GaN layer thickness 3nm undoped InGaN active layer 4 formed on the back surface of 3, is formed on the back surface of the non-doped InGaN active layer 4, composed of a hexagonal pyramid projections on the back surface 2 an n-type GaN layer 5 having a thickness of 4μm to dimensional periodic structure 18 is formed, is formed on the back surface of the n-type GaN layer 5, n electrode 7 having a thickness of 1μm which the Au and titanium (Ti) formed by stacking It is equipped with a door. また、第1の実施形態と同様に、ノンドープInGaN活性層4のPLピーク波長は405nmである。 As in the first embodiment, PL peak wavelength of the non-doped InGaN active layer 4 is 405 nm. n型GaN層5裏面の突起構造の側面はGaNの{10−1−1}面からなっている。 n-type GaN layer 5 side of the rear surface of the projection structure consists {10-1-1} plane of GaN. また、2次元周期構造18の周期、すなわち2次元の面内で隣り合う突起部の中心間隔は1.0μm、突起の高さは950nmである。 The period of the two-dimensional periodic structure 18, i.e. the distance between the centers of protrusions adjacent in a two-dimensional plane 1.0 .mu.m, the height of the protrusions is 950 nm.

図20(a)は、n型GaN層の表面(裏面)に六角錐状の突起を形成した場合の、活性層から放射されn型GaN層の表面に入射する光の透過率Tの理論計算結果を示す図であり、(b)は、2次元周期構造の周期と光取り出し効率との関係を示す図である。 FIG. 20 (a), n-type GaN layer in the case of forming a hexagonal pyramid shaped projections on the surface (back surface) of the theoretical calculation of the transmittance T of the light incident on the surface of the radiation n-type GaN layer from the active layer shows the results, (b) are diagrams showing the relationship between the period and the light extraction efficiency of the two-dimensional periodic structure. 図20(b)ではn型GaN層の表面が平坦な場合を1とし、比較のために2次元周期構造が突起状の場合と凹凸状(第1の実施形態と同じ形状)の場合とを示している。 Surface shown in FIG. 20 (b) the n-type GaN layer is set to 1 when flat, and the case where 2-dimensional periodic structure for comparison of the protruding and uneven (the same shape as the first embodiment) shows.

図20(a)に示す結果から、2次元周期構造の周期が1.0μmと周期が長い場合でも、突起構造においては入射角が45度付近において高い透過率を示すことが分かる。 From the results shown in FIG. 20 (a), even if the period of the two-dimensional periodic structure is 1.0μm and the period is long, it can be seen that a high transmittance incidence angle near 45 degrees in the projection structure. このように、2次元周期構造の断面形状が三角波形状である本実施形態の半導体発光素子の場合には、活性層から半導体発光素子表面の2次元周期構造に入射する角度が大きい場合に2次元周期構造の斜面と入射光の角度が垂直に近づくため、回折効率が大きくなる。 Thus, when the cross-sectional shape of the two-dimensional periodic structure of a semiconductor light-emitting device of the present embodiment is a triangular wave shape, the two-dimensional when the angle is large incident from the active layer in a two-dimensional periodic structure of the semiconductor light-emitting device surface since the slope with the angle of incident light of the periodic structure approaches perpendicular, the diffraction efficiency is increased. 入射角度が大きい光は活性層から放射される光に占める割合が大きいため、高い光取り出し効率が実現する。 Since the light incident angle is large a large percentage of the light emitted from the active layer, to achieve a high light extraction efficiency.

また、図20(b)に示す結果から、突起構造では凹凸構造と同様の高い発光効率を示し、特に、周期が長くなっても光取り出し効率の増大の効果を維持していることが分かる。 Further, from the results shown in FIG. 20 (b), in the projection structure showed high luminous efficiency as with uneven structure, in particular, it is seen that cycle maintains the effect of the light extraction efficiency increases longer. なお、1.0μmの周期においては、2次元周期構造を形成した面からの光取り出し効率が2.7倍に増強する。 In the period of 1.0 .mu.m, the light extraction efficiency from the formation to the surface a two-dimensional periodic structure is enhanced to 2.7 times.

次に、本実施形態の半導体発光素子の製造方法を以下に説明する。 Next, a method for manufacturing a semiconductor light emitting device of this embodiment below.

図21(a)〜(f)は、本実施形態の半導体発光素子の製造方法を示す斜視図である。 Figure 21 (a) ~ (f) are perspective views showing a method of manufacturing a semiconductor light emitting device of the present embodiment. 本実施形態の製造方法において、図21(a)〜(e)に示す工程は図11に示す第1の実施形態の製造方法とほぼ同じであるので説明を省略する。 In the production method of the present embodiment, a description thereof will be omitted the step shown in FIG. 21 (a) ~ (e) are substantially the same as the manufacturing method of the first embodiment shown in FIG. 11. ただし、AlGaN層9の主面に形成された凹型の2次元周期構造10の周期は1.0μm、凹部の深さは150nmとする。 However, two-dimensional periodic periodic structure 10 of a concave formed on the main surface of the AlGaN layer 9 is 1.0 .mu.m, the depth of the recess to 150 nm.

すなわち、本実施形態の製造方法においては、図21(e)までの工程で、発光素子本体からサファイア基板8が除去され、例えば円柱状の凸部によって構成される2次元周期構造6が自発的にn型GaN層11の裏面上に形成される。 That is, in the manufacturing method of this embodiment, the steps up to FIG. 21 (e), the sapphire substrate 8 is removed from the light-emitting element body, for example, 2-dimensional periodic structure 6 is spontaneously formed by columnar protrusion It is formed on the back surface of the n-type GaN layer 11 on.

次に、図21(f)に示す工程では、この凸型の2次元周期構造6が形成されたn型GaN層11に、KOH水溶液によるウェットエッチングを施す。 Next, in a step shown in FIG. 21 (f), the n-type GaN layer 11 to the two-dimensional periodic structure 6 of the convex is formed is subjected to wet etching by KOH aqueous solution. KOHによるエッチングにおいては、エッチング速度が結晶面によって異なる条件が存在することが知られている。 In etching by KOH, the etching rate is known to be different condition exists by crystal faces. そのような条件において、上述のような凸型の2次元周期構造6は、エッチングによって図21(f)に示すような六角錐型の2次元周期構造18に変化する。 In such conditions, the two-dimensional periodic structure 6 convex as described above, changes to the two-dimensional periodic structure 18 of the hexagonal pyramid shape as shown in FIG. 21 (f) by etching. ここで示す実施例では、濃度が0.1MのKOH水溶液においてエッチングを行い、結晶面{10−1−1}を斜面とする六角錐の2次元周期構造18を形成している。 In the embodiment shown here, the concentration etched in KOH aqueous solution of 0.1 M, to form a six-sided pyramid of the two-dimensional periodic structure 18 to slope the crystal plane {10-1-1}. 特定の結晶面を斜面として利用しているため、断面が三角形状の2次元周期構造が容易且つ再現性良く形成できることが製造方法での特徴である。 Due to the use of the specified crystal plane as the inclined surface, which is characterized in that the production process in cross-section two-dimensional periodic structure of triangular can be formed easily and with good reproducibility.

本実施形態の半導体発光素子においては、光取り出し効率がn型GaN層の表面が平坦な場合に比べて高反射p電極2からの反射も利用できるため、図20(b)に示す理論計算結果の約2倍(従来例の約5.3倍)に向上する。 In the semiconductor light emitting device of the present embodiment, since the light extraction efficiency is the surface of the n-type GaN layer can also be used reflections from highly reflective p electrode 2 than in the case of flat, theoretical calculation results shown in FIG. 20 (b) improved to about twice (about 5.3 times that of the conventional example). また、サブμmと薄いp型GaN層13および熱伝導性の高いAuメッキ層15を介して活性層で生じた熱を放熱することができる。 Further, it is possible to radiate the heat generated in the active layer through the sub μm and a thin p-type GaN layer 13 and having a high thermal conductivity Au plating layer 15. そのため、本実施形態の半導体発光素子では、100mAの大電流が流れる際にも2次元周期構造による光取り出し効率の向上効果が維持されている。 Therefore, in the semiconductor light emitting device of this embodiment, the effect of improving the light extraction efficiency is maintained by the two-dimensional periodic structure even when a large current of 100mA flows. なお、高反射p電極2は、Pt膜とAu膜との積層膜以外の材料からなっていてもよいが、活性層で生じる光のピーク波長に対して80%以上の反射率を有していることが実用上好ましい。 The high reflective p-electrode 2, Pt film may be made of a material other than multilayer film and the Au film, but has a reflectivity of 80% or more with respect to the peak wavelength of the light generated in the active layer it is practically preferable to have. 具体的には、高反射p電極2はAu膜、Pt膜、Cu膜、Ag膜およびRh膜のうちの少なくとも1つを含む金属膜であれば好ましい。 Specifically, highly reflective p electrode 2 Au film, Pt film, Cu film, is preferred if a metal film containing at least one of the Ag film and the Rh film.

そして、放熱性を良好に保つためには、Auメッキ層15の厚みは10μm以上であることが好ましい。 Then, in order to keep the heat dissipation good, it is preferable that the thickness of the Au plating layer 15 is 10μm or more. また、Auメッキ層15の材料としては、Auが最も好ましいが、熱伝導性が比較的高いことから、CuあるいはAgなどの金属であれば用いることができる。 Further, as the material of the Au plating layer 15, Au is most preferable, since the heat conductivity is relatively high, can be used if metal such as Cu or Ag.

また、上述の製造方法によれば、2次元周期構造を直接エッチングで形成する方法に比べてn型GaN層の損傷を低減できるので、電流−電圧特性は2次元周期構造を形成しない場合とほぼ同様となっている。 Further, according to the manufacturing method described above, it is possible to reduce damage of the n-type GaN layer as compared to a method of forming a direct etching a two-dimensional periodic structure, the current - voltage characteristics substantially the case of not forming a two-dimensional periodic structure It has the same.

また、図22(a)〜(c)、図23(a)、(b)、図24(a)、(b)、図25(a)、(b)、図26(a)〜(c)は、それぞれ本実施形態の半導体発光装置の製造方法の変形例を示す図である。 Further, FIG. 22 (a) ~ (c), FIG. 23 (a), (b), FIG. 24 (a), (b), FIG. 25 (a), (b), FIG. 26 (a) ~ (c ) is a diagram showing a modification of the method of manufacturing the semiconductor light-emitting device of the present embodiment, respectively.

例えば、本実施形態の製造方法においては、凹状の2次元周期構造を形成したサファイア基板8あるいはAlGaN層9を用いて半導体(n型GaN層11)表面に縦断面が三角形状の2次元周期構造を形成したが、図22(a)〜(c)のように凸状の2次元周期構造16を形成したサファイア基板8あるいはAlGaN層9を用いて半導体表面に凹状の2次元周期構造17を転写してもよい。 For example, in the manufacturing method of this embodiment, two-dimensional periodic structure with a sapphire substrate 8 or AlGaN layer 9 formed a two-dimensional periodic structure of the recessed semiconductor (n-type GaN layer 11) longitudinal section on the surface of a triangular shape were formed, transfer the concave two-dimensional periodic structure 17 on the semiconductor surface using a sapphire substrate 8 or AlGaN layer 9 forming a two-dimensional periodic structure 16 of convex as shown in FIG. 22 (a) ~ (c) it may be. この方法では、上述のウェットエッチングを利用して、半導体表面に縦断面が三角形状となる凹型の2次元周期構造19を形成することもできる。 In this way, by using the wet etching mentioned above, longitudinal section on a semiconductor surface may be formed a two-dimensional periodic structure 19 of the concave as a triangular shape. なお、2次元周期構造19が凹状部が六角錐をくり抜いた形状となっている場合でも本実施形態の半導体発光素子と同様に高い光取り出し効率を実現することができる。 Incidentally, it is possible to two-dimensional periodic structure 19 is recessed portion is realized similarly high light extraction efficiency and a semiconductor light-emitting device of the present embodiment, even if it is a shape hollowed out hexagonal pyramid.

また、図23(a)、(b)、図24(a)、(b)に示すように、予めAlGaN層9の表面に形成する2次元周期構造20の縦断面を三角形状になるように形成しておけば、サファイア基板8およびAlGaN層9を除去した場合に、半導体表面に縦断面が三角形状の凸部または凹部からなる2次元周期構造18、19を自発的に形成することができる。 Further, FIG. 23 (a), (b), FIG. 24 (a), the (b), the longitudinal section of the two-dimensional periodic structure 20 to be formed in advance surface of the AlGaN layer 9 so as to triangular by forming, can when removing the sapphire substrate 8 and the AlGaN layer 9, longitudinal section on the semiconductor surface is spontaneously form a two-dimensional periodic structure 18 and 19 made of triangular projections or recesses .

なお、2次元周期構造を形成する層の材料がAlGaNのように六方晶系の半導体であれば、上述と同様の方法により、斜面が特定の結晶面を持った六角錐を形成することができる。 The material of the layer to form a two-dimensional periodic structure as long as the semiconductor hexagonal as AlGaN, by the same method as described above, can form a six-sided pyramid which slope with a specific crystal plane . 例えば、図25(a)に示すように、AlGaN表面にエッチングマスク21として凹状に加工する部分を開口したTi膜を形成し、その後、100℃のKOH水溶液によりエッチングを施すと、2次元周期構造20がAlGaN層9表面に形成される。 For example, as shown in FIG. 25 (a), Ti film was formed having an open portion to be processed into a concave shape as an etch mask 21 on the AlGaN surface, then, when etched by KOH aqueous solution of 100 ° C., 2-dimensional periodic structure 20 is formed on the AlGaN layer 9 surface. この場合も{10−1−1}のように特定の結晶面が斜面を構成するため、再現性よく2次元周期構造を形成することができる。 Specific crystal plane as in this case {10-1-1} is to configure the slope, can be formed with good reproducibility two-dimensional periodic structure.

また、(001)面を主面とするSiのように、立方晶系の半導体を2次元周期構造を形成する基板として用いる場合、図26(a)に示すように、Tiからなるエッチングマスク21を正方格子状に2次元周期で形成し、70℃のKOH水溶液でエッチングする。 Further, (001) plane and as Si whose principal, when using the semiconductor cubic as a substrate for forming a two-dimensional periodic structure, as shown in FIG. 26 (a), an etching mask 21 made of Ti a square lattice shape to form a two-dimensional periodic, etched at 70 ° C. of an aqueous KOH solution. すると、図26(b)に示すように、四角錐形状の2次元周期構造20を基板に再現性よく容易に形成することができ、図26(c)に示すように、基板から半導体表面へと四角錐形状の孔からなる2次元周期構造18を転写することができる。 Then, as shown in FIG. 26 (b), four pyramidal two-dimensional periodic structure 20 shape can be reproduced with good easily formed on the substrate, as shown in FIG. 26 (c), the semiconductor surface from the substrate it can be transferred to the two-dimensional periodic structure 18 consisting of the quadrangular pyramid of the hole.

(第3の実施形態) (Third Embodiment)
図27は、本発明の第3の実施形態に係る半導体発光装置を示す斜視図である。 Figure 27 is a perspective view showing a semiconductor light emitting device according to a third embodiment of the present invention. 本実施形態の半導体発光装置は、第1または第2の実施形態に係る半導体発光素子を実装基板22上に実装した後に、発光素子の周辺を半円球のドーム状の樹脂23でモールドした樹脂封止型半導体発光装置である。 The semiconductor light-emitting device of this embodiment, after mounting the semiconductor light emitting device according to the first or second embodiment on the mounting substrate 22 was molded around the light-emitting element in a dome-shaped resin 23 in hemispherical resin a sealed semiconductor light-emitting device. 図27において、半導体発光素子の構成部材のうち、図1と同じものについては同じ符号を付している。 27, among the constituent members of the semiconductor light-emitting device are denoted by the same reference numerals same as FIG.

このように、ドーム状に成型した樹脂によって発光素子を封止することにより、以下で説明するように半導体発光素子における光の取り出し効率を向上させることができる。 Thus, by sealing the light emitting element by molding resin in a dome shape, it is possible to improve the light extraction efficiency in the semiconductor light-emitting device as described below.

図28(a)は、半導体発光素子を樹脂でモールドした場合における光の透過率の理論計算結果を示す図であり、(b)は、本実施形態の半導体発光装置において、光取り出し効率の2次元周期構造の周期に対する依存性の理論計算結果を示す図である。 FIG. 28 (a) is a diagram showing a theoretical calculation result of the transmittance of light in the case where the semiconductor light emitting element is molded with resin, (b), in the semiconductor light-emitting device of the present embodiment, the light extraction efficiency 2 is a diagram showing the dependence of theoretical calculation result for the period dimension periodic structure. 図28(a)では比較のために、半導体発光素子を樹脂でモールドしていない場合、あるいは半導体発光素子の表面が平坦な場合も表示している。 For comparison in FIG. 28 (a), the case is not a semiconductor light-emitting element is molded with resin, or the surface of the semiconductor light emitting device are also displayed when flat. また、これらの図に示す計算では、樹脂の屈折率は1.5としている。 Further, in the calculation shown in these figures, the refractive index of the resin is set to 1.5. 図28(b)の計算においては、斜面が垂直な凹凸が2次元周期構造で配列しているものとし、凸部の高さは150nmとする。 In the calculation of FIG. 28 (b), the assumed that slopes vertical irregularities are arranged in a two-dimensional periodic structure, the height of the convex portion is set to 150 nm.

図28(a)に示す結果から、周期が0.4μmの2次元周期構造を有する場合、樹脂で封止した半導体発光素子は、樹脂封止されていないものに比べ、ほぼすべての角度で入射光に対する透過率が向上していることが分かる。 From the results shown in FIG. 28 (a), if the period has a two-dimensional periodic structure of 0.4 .mu.m, the semiconductor light-emitting device encapsulated with the resin, as compared with those not sealed with resin, incident at almost all angles it is understood that the transmittance of light is improved. また、2次元周期構造を設けない半導体発光素子においても樹脂封止を行うことで光の透過率を向上させることができることから、2次元周期構造の周期に関わらず、樹脂封止することで光の透過率を大幅に向上させることができることが分かる。 Further, since it is possible to improve the transmittance of light by performing the resin sealing in the semiconductor light emitting device without the two-dimensional periodic structure, regardless of the period of the two-dimensional periodic structure, the light by the resin sealing it can be seen that the transmittance can be greatly improved.

ここで、光の透過率が向上するのは、半導体発光素子の表面が平坦な場合であっても、樹脂でモールドすることにより全反射臨界角が拡大し、また全反射臨界角以下での入射角においてもフレネル反射が低減するためである。 Here, the light transmittance is improved, even if the surface of the semiconductor light-emitting device is flat, enlarged total reflection critical angle by resin molding, and the incidence of below the total reflection critical angle Fresnel reflection is to reduce even at the corners. すなわち、半導体発光素子の内部(屈折率2.5)と外部(屈折率1.5)の屈折率差が低減したために、光の透過率が向上する。 That is, the refractive index difference between the inside (refractive index 2.5) and an external (refractive index 1.5) of the semiconductor light-emitting device is reduced, the light transmittance is improved.

また、図28(b)に示す結果から、樹脂でモールドすることにより、2次元周期構造による光取り出し効率の向上効果をさらに増強でき、光の取り出し効率は、従来例と比べて最大で3.8倍に達することが分かる。 Further, from the results shown in FIG. 28 (b), by molding a resin, the effect of improving the light extraction efficiency due to the two-dimensional periodic structure can further enhance the light extraction efficiency is the maximum as compared with the conventional example 3. it can be seen that reach to 8 times. これは、モールドする樹脂が半円球状のドーム型であるために、半導体発光素子表面の2次元周期構造によって半導体発光素子から樹脂に取り出された光は、樹脂と空気との界面に垂直に入射し、ほぼ100%の効率で空気中に放射されるからである。 This is because the resin to mold a domed hemispherical, light extracted to the resin from the semiconductor light emitting element by a two-dimensional periodic structure of the semiconductor light emitting element surface, perpendicularly incident on the interface between the resin and air and, since radiated into the air at nearly 100% efficiency. このように、本実施形態の半導体発光装置は、2次元周期構造を形成した発光素子をドーム状に樹脂封止することで、光の取り出し効率が大きく向上している。 Thus, the semiconductor light-emitting device of this embodiment, a light emitting element formed of the two-dimensional periodic structure by the resin sealing in a dome shape, light extraction efficiency is improved greatly.

本実施形態の半導体発光装置は、光取り出し効率が平坦な表面の場合よりも高反射p電極2による2次元周期構造を形成した裏面からの反射も利用できるため、光取り出し効率の実測値は、図28(b)の理論計算結果の約2倍の7.5倍(従来例との比較)に向上した。 The semiconductor light-emitting device of the present embodiment, since the light extraction efficiency can be also utilized reflected from the rear surface forming a two-dimensional periodic structure according to the high-reflection p electrode 2 than in the case of a flat surface, the measured value of light extraction efficiency, about 2-fold 7.5 times the theoretical calculation results shown in FIG. 28 (b) was increased to (conventional example comparisons). また、この光取り出し効率の増強効果は、サブμmと薄いp型半導体側から熱伝導性の高いAuメッキ層を介して放熱に優れているため、100mAの大電流が電極に流れる場合であっても、2次元周期構造による光取り出し効率の向上を維持することができる。 Furthermore, enhancing effect of the light extraction efficiency is excellent in heat dissipation via thermal conductivity a high Au plating layer from the sub-μm thin p-type semiconductor side, even when a large current of 100mA flows through the electrode also, it is possible by the two-dimensional periodic structure to maintain the improvement of the light extraction efficiency.

次に、本実施形態の半導体発光装置の製造方法を説明する。 Next, a method for manufacturing a semiconductor light-emitting device of the present embodiment.

図29(a)〜(d)は、本実施形態の半導体発光装置の製造方法を示す斜視図である。 Figure 29 (a) ~ (d) are perspective views showing a method of manufacturing the semiconductor light-emitting device of the present embodiment.

まず、図29(a)に示すように、図11に示す第1の実施形態の半導体発光素子の製造方法、あるいは図21に示す第2の実施形態の半導体発光素子の製造方法を用いて第1の実施形態あるいは第2の実施形態の半導体発光素子を作製する。 First, as shown in FIG. 29 (a), first using the first method of manufacturing an embodiment of a semiconductor light-emitting device or the manufacturing method of the semiconductor light-emitting device of the second embodiment shown in FIG. 21, shown in FIG. 11 manufacturing a semiconductor light-emitting device 1 of the embodiment or the second embodiment.

次に、図29(b)に示すように、半導体発光素子を実装基板22に実装する。 Next, as shown in FIG. 29 (b), mounting a semiconductor light-emitting element mounting substrate 22. その後、樹脂23を半導体発光素子に滴下する。 Then, dropping the resin 23 in the semiconductor light emitting element.

次いで、図29(c)に示すように、樹脂23が半導体発光素子を覆った後であって樹脂23が硬化するまでの間に、半円球の空洞が設けられた金型24で樹脂23をプレスする。 Then, as shown in FIG. 29 (c), until the resin 23 is hardened is a the resin 23 after covering the semiconductor light-emitting device, the resin in the mold 24 provided with a cavity of hemispherical 23 the press. これにより、図29(d)に示すように、樹脂23が半円球のドーム状に成型される。 Thus, as shown in FIG. 29 (d), the resin 23 is molded into a dome-shaped hemispherical. その後、樹脂を紫外線で硬化する。 Thereafter, the resin is cured with ultraviolet light. 以上の方法によって本実施形態の半導体発光装置が製造される。 The semiconductor light-emitting device of the present embodiment is manufactured by the above method.

従来の、単純に樹脂を塗布してモールドする技術では半円球状に再現性よく樹脂形状を形成することが困難であったが、本実施形態の製造方法によって安定に同一形状の樹脂の成型が可能となる。 Conventional, is simply but in a resin is applied to molding technique it is difficult to form a good reproducibility resin shaped in a semi-sphere, the molding of the resin stably same shape by the manufacturing method of this embodiment It can become.

なお、以上で説明したような、金型を用いて樹脂を半円球状に成型する方法は、本発明の第1および第2の実施形態以外の実施形態に係る半導体発光素子にも適用することができる。 Incidentally, as described above, a method of the resin using a mold for molding the hemispherical also be applied to a semiconductor light emitting device according to the first and embodiments other than the second embodiment of the present invention can.

(第4の実施形態) (Fourth Embodiment)
図30は、本発明の第4の実施形態に係る半導体発光素子の一部を示す断面図である。 Figure 30 is a cross-sectional view showing a part of a semiconductor light emitting device according to a fourth embodiment of the present invention. 本実施形態の半導体発光素子が第1および第2の半導体発光素子と異なる点は、サファイア基板8およびAlGaN層9が除去されないまま実装基板22に実装されていることと、高反射p電極2とn電極7とがn型GaN層5から見て同じ側に形成されていることである。 That the semiconductor light emitting device of this embodiment differs from the first and second semiconductor light emitting element are that the sapphire substrate 8 and the AlGaN layer 9 are mounted on the mounting board 22 without being removed, highly reflective p electrode 2 and n electrode 7 is that it is formed on the same side as viewed from the n-type GaN layer 5.

すなわち、図30に示す本実施形態の半導体発光素子は、エピタキシャル成長により形成された厚さ200nmのp型GaN層3と、p型GaN層3の結晶成長面(主面)上に形成され、白金(Pt)と金(Au)が積層されてなる厚さ1μmの高反射p電極2と、p型GaN層3の裏面上に形成された厚さ3nmのノンドープInGaN活性層4と、ノンドープInGaN活性層4の裏面上に形成された厚さ4μmのn型GaN層5と、n型GaN層5の下に形成されたTiとAuとが積層されてなる厚さ1μmのn電極7と、n型GaN層5の裏面上に設けられ、主面(n型GaN層5に向き合う面)に凸状の2次元周期構造16が形成されたAlGaN層9と、AlGaN層9の裏面上に配置されたサファイア基板8とを備えている。 That is, the semiconductor light-emitting device of the present embodiment shown in FIG. 30, a p-type GaN layer 3 having a thickness of 200nm formed by epitaxial growth, is formed on the crystal growth surface of the p-type GaN layer 3 (main surface), platinum (Pt) and gold (Au) and highly reflective p electrode 2 having a thickness of 1μm which are laminated, non-doped InGaN active layer 4 having a thickness of 3nm formed on the back surface of the p-type GaN layer 3, an undoped InGaN active a back n-type GaN layer having a thickness of 4μm was formed on the fifth layer 4, an n-electrode 7 having a thickness of 1μm which the n-type Ti and Au was formed under the GaN layer 5 are laminated, n provided on the back surface of -type GaN layer 5, the principal (n-type GaN layer 5 on the facing surface) in a two-dimensional periodic structure 16 is formed AlGaN layer convex 9 is disposed on the back surface of the AlGaN layer 9 It was and a sapphire substrate 8. 図30に示す例では、半導体発光装置は実装基板22上に実装されており、特に、高反射p電極2およびn電極7がAuからなるバンプ25を介して実装基板22に接続されている。 In the example shown in FIG. 30, the semiconductor light emitting device is mounted on the mounting board 22, in particular, highly reflective p-electrode 2 and the n electrode 7 is connected to the mounting substrate 22 via the bump 25 made of Au. 2次元周期構造16の周期、すなわち2次元の面内で隣り合う凸部の中心間隔は0.4μm、凹凸の高さは150nmである。 Period of the two-dimensional periodic structure 16, i.e. the distance between the centers of the convex portions adjacent in the two-dimensional plane 0.4 .mu.m, the height of unevenness is 150 nm. なお、図30に示す例では、2次元周期構造16にn型GaN層5が埋め込まれないように形成しているが、埋め込まれるように形成すると光取り出し効率が低下するので、埋め込まないようにするのが好ましい。 In the example shown in FIG. 30, because although the two-dimensional periodic structure 16 is n-type GaN layer 5 is formed so as not embedded, the light extraction efficiency decreases when formed so as to be embedded, so as not buried it is preferable to.

このように、サファイアなどからなる基板を残したまま実装することによって、ノンドープInGaN活性層4から放射された光は、AlGaN層9まで屈折率差がほとんどないため、全反射やフレネル反射による損失なく発光素子中を伝搬する。 Thus, by implementing leaving the substrate made of sapphire, the light emitted from the non-doped InGaN active layer 4, the refractive index difference to the AlGaN layer 9 is almost no, no losses due to total reflection and Fresnel reflection propagating in the light-emitting element. しかし、従来の構成では、サファイア基板(屈折率1.6)とAlGaN層(屈折率2.5)との屈折率差が大きいため、入射角が大きい光はサファイア基板とAlGaN層との界面において全反射され、再び半導体多層膜内に戻りLED外部へ取り出すことができなかった。 However, in the conventional structure, the refractive index difference between the AlGaN layer sapphire substrate (refractive index 1.6) (refractive index 2.5) is large, light large angle of incidence at the interface between the sapphire substrate and the AlGaN layer is totally reflected, it could not be taken out to the LED external back again to the semiconductor multilayer film. これに対し、本実施形態の半導体発光素子のようにAlGaN層の裏面に2次元周期構造を形成すれば、2次元周期構造の回折により伝搬方向を変化させる。 In contrast, by forming a two-dimensional periodic structure on the back surface of the AlGaN layer as the semiconductor light emitting device of this embodiment changes the propagation direction by the diffraction of the two-dimensional periodic structure. その結果、AlGaN層の裏面が平坦であった場合には、サファイア基板とAlGaN層の界面において全反射されていた入射角の大きく、立体角に占める割合も大きい光も、全反射されることなくサファイア基板に入射できる。 As a result, when the rear surface of the AlGaN layer was flat, large angle of incidence which has been totally reflected at the interface between the sapphire substrate and the AlGaN layer, even larger light also share of solid angle, without being totally reflected It can be incident on a sapphire substrate. サファイア基板は透明であり、空気との屈折率差も小さいため、サファイア基板に入射した光の大半が空気中に放射される。 Sapphire substrate is transparent, the refractive index difference between the air is small, most of the light incident on the sapphire substrate is emitted into the air.

なお、樹脂でモールドした場合、サファイア基板と樹脂(屈折率約1.5)との屈折率差がさらに小さくなり、樹脂の形状を半円球のドームとすれば、さらに光取り出し効率を向上させることができる。 Incidentally, when molded with the resin, the refractive index difference between sapphire substrate and the resin (refractive index approximately 1.5) is further reduced, if the shape of the resin and the dome of hemispherical, to further improve the light extraction efficiency be able to.

次に、本実施形態の半導体発光素子の製造方法を説明する。 Next, a method for manufacturing a semiconductor light emitting device of this embodiment. 図31(a)〜(e)は、本実施形態の半導体発光素子の製造方法を示す断面図である。 Figure 31 (a) ~ (e) are cross-sectional views showing a method of manufacturing a semiconductor light emitting device of this embodiment.

まず、図31(a)に示すように、サファイア基板8上に例えばMOCVD法によりAlGaN層9を結晶成長する。 First, as shown in FIG. 31 (a), crystal growth of AlGaN layer 9, for example, by MOCVD method on a sapphire substrate 8. ここで、AlGaN層9の膜厚は、結晶欠陥を低減するために1μmとする。 The thickness of the AlGaN layer 9, and 1μm to reduce crystal defects. AlGaN層9中のAl組成は後のレーザリフトオフで用いる光の波長に対して透明であればどのような組成であってもよいが、ここではAlの組成を100%とする。 Al composition in the AlGaN layer 9 may be any composition as long as transparent to the wavelength of light used in the laser lift-off later, where the 100% composition of Al. 次いで、ステッパーによる露光とRIE法とによってAlGaN層に凹型あるいは凸型の2次元周期構造16をパターニングする。 Then, patterning of the two-dimensional periodic structure 16 of the concave or convex in the AlGaN layer by an exposure and a RIE method by a stepper. ここでは、2次元周期構造16の周期は0.4μm、凹部の深さ(あるいは凸部の高さ)は150nmとした。 Here, (the height of the or convex) period of the two-dimensional periodic structure 16 is 0.4 .mu.m, the depth of the recess was 150 nm.

次に図31(b)に示すように、2次元周期構造16を形成したAlGaN層9の主面上にMOCVD法を用いて、n型GaN層5、ノンドープInGaN活性層4、p型GaN層3をそれぞれこの順に形成する。 Next, as shown in FIG. 31 (b), by MOCVD on the main surface of the AlGaN layer 9 forming a two-dimensional periodic structure 16, n-type GaN layer 5, an undoped InGaN active layer 4, p-type GaN layer 3 respectively are formed in this order. n型GaN層11の結晶成長は、2次元周期構造16を埋め込まないように成長条件を設定し行う。 Crystal growth of the n-type GaN layer 11 performs setting the growth conditions so as not to fill a two-dimensional periodic structure 16.

その後に、図31(c)に示すように一部の領域をn型GaN層5の主面が露出するようにエッチングを行った後、電子ビーム蒸着により、p型GaN層3の主面上にPt/Auからなる高反射p電極2を、n型GaN層5主面の露出部分上にTi/Auからなるn電極7をそれぞれ形成する。 Then, after the etching so that a part of the area n-type main surface of the GaN layer 5 as shown in FIG. 31 (c) is exposed by electron beam evaporation, p type GaN layer 3 on the main surface in a highly reflective p electrode 2 of Pt / Au, respectively form n electrode 7 made of Ti / Au on the exposed portion of the n-type GaN layer 5 major surface.

次に、図31(d)に示すように、半導体発光素子を、n電極用および高反射p電極用のバンプ25が形成された実装基板22上に実装する。 Next, as shown in FIG. 31 (d), the semiconductor light emitting element is mounted on the n-electrode and highly reflective p mounting substrate 22 on which the bumps 25 are formed for the electrodes. これにより、図31(e)に示す本発明の第4の実施形態に係る半導体発光素子を得ることができる。 Thus, it is possible to obtain a semiconductor light-emitting device according to a fourth embodiment of the present invention shown in FIG. 31 (e).

このようにして作製された半導体発光素子においては、AlGaN層9の主面が平坦な場合よりも、高反射p電極2によるLEDの下面側からの反射も利用できるため、光取り出し効率が図28(b)に示す理論計算結果の約2倍(従来の発光素子の4倍)に向上する。 In the semiconductor light-emitting element manufactured in this way, since than the main surface is flat in the AlGaN layer 9, can be utilized reflected from the lower surface side of the LED by the highly reflective p-electrode 2, the light extraction efficiency is 28 about 2 times the theoretical calculation results shown in (b) to improve the (four times the conventional light-emitting element).

また、サブμmと薄いp型GaN層3側から熱伝導性の高いバンプ25を介して活性層で生じた熱を放熱できるので、本実施形態の半導体発光素子では過度の温度上昇が防がれている。 Since it dissipates heat generated in the active layer through the sub μm and a thin p-type GaN layer 3 side high thermal conductivity bump 25, the excessive temperature rise in the semiconductor light emitting device of this embodiment is prevented ing. そして、半導体発光素子の光出力の入力電流に対する増加率は、100mAの大電流が電極に流れる際にも入力電流が小さい場合と変わらない。 The increasing rate with respect to the input current of the light output of the semiconductor light emitting element, a large current of 100mA is not different from the case where the input current is also when flowing between the electrodes small.

なお、本発明においてはサファイア基板8上のAlGaN層9の主面に2次元周期構造を形成したが、サファイア基板8の主面に2次元周期構造を形成してもよい。 Although to form a two-dimensional periodic structure on the main surface of the AlGaN layer 9 on the sapphire substrate 8 in the present invention may form a two-dimensional periodic structure on the main surface of the sapphire substrate 8. また、基板はサファイア以外であっても、活性層から放射される光に対して透明な材料からなればよい。 The substrate may be other than sapphire may if a material transparent to light emitted from the active layer.

さらに、サファイア基板8の裏面(主面)が荒れた面の場合には、光取り出し効率は従来構造より4.5倍に増強する。 Furthermore, in the case of the surface backside (principal surface) is roughened sapphire substrate 8, the light extraction efficiency is enhanced by 4.5 times than the conventional structure. これは、荒れた裏面があることで、サファイア基板と空気との界面での全反射による損失が低減するためである。 This is because there is a rough rear surface, loss due to total reflection at the interface between the sapphire substrate and the air is to reduce. 裏面の荒れについて、サファイア基板8裏面の面内分布の自己相関距離Tが0.5λ/N<T<20λ/Nで、且つ垂直方向の高さの分布Dが0.5λ/N<D<20λ/Nであると十分に損失を小さくできるので好ましい。 The rear surface of the rough, with the correlation length T of the in-plane distribution of the back surface sapphire substrate 8 is 0.5λ / N <T <20λ / N, and the distribution D of the vertical height is 0.5λ / N <D < It preferred because it reduced sufficiently loss When it is 20λ / N.

さらに、半円球状の樹脂でモールドすると、光取り出し効率は従来構造より6倍に向上する。 Further, when the resin molding of hemispherical, light extraction efficiency is improved to 6 times higher than the conventional structure. これは、樹脂とサファイア基板との屈折率差が小さいため、サファイア基板と樹脂との界面での全反射による損失が低減するためである。 This is because the difference in refractive index between the resin and the sapphire substrate is small, a loss due to total reflection at the interface between the sapphire substrate and the resin is to reduce.

また、本実施形態の半導体発光素子において、サファイア基板の代わりにGaAs、InP、Si、SiC、AlNから選ばれた1つからなる基板を用いることもできる。 In the semiconductor light emitting device of this embodiment, GaAs instead of the sapphire substrate can be used InP, Si, SiC, a substrate made from one selected from AlN.

なお、図30に示す例ではAlGaN層9の主面に2次元周期構造16を形成する例を示したが、サファイア基板の代わりにSi基板を用いた場合、Si基板の主面に2次元周期構造を形成してもよい。 Incidentally, in the example shown in FIG. 30 shows an example of forming a two-dimensional periodic structure 16 on the main surface of the AlGaN layer 9, the case of using a Si substrate instead of the sapphire substrate, a two-dimensional periodic on the main surface of the Si substrate structure may be formed. 結晶成長中には、Si基板は高温に曝されるが、結晶成長炉内の残留酸素により、Si基板表面(二次元周期構造の表面)には、ごく薄いSiO 2膜が形成される。 During the crystal growth, but the Si substrate is exposed to a high temperature, the residual oxygen in the crystal growth furnace, the Si substrate surface (the surface of the two-dimensional periodic structure), a very thin SiO 2 film is formed. Siの屈折率が約3.3であるのに対し、SiO 2の屈折率は約1.4である。 While the refractive index of Si is about 3.3, the refractive index of SiO 2 is about 1.4. 発光半導体層の屈折率は一般に2.4〜3.3であるので、このSiO 2膜により二次元周期構造の屈折率変化が増強される。 Since the refractive index of the light emitting semiconductor layer is generally at 2.4 to 3.3, the refractive index change of the two-dimensional periodic structure is enhanced by the SiO 2 film. 屈折率変化が大きいほど回折効率が大きいので、さらに発光効率を高めることが可能となる。 Since the diffraction efficiency higher the refractive index change is large, it is possible to further increase the luminous efficiency.

(第5の実施形態) (Fifth Embodiment)
図32(a)〜(e)は、本発明の第5の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法を示す斜視図である。 Figure 32 (a) ~ (e) are perspective views showing a manufacturing method of a semiconductor light emitting device according to a fifth embodiment of the present invention. 本実施形態の製造方法は、ナノプリント法を用いて基板の主面に2次元周期構造の形成するための方法である。 Manufacturing method of the present embodiment is a method for forming a two-dimensional periodic structure on the main surface of the substrate using a nano printing method.

まず、図32(a)、(b)に示すように、高さ400nmの凸状部で構成され、周期が0.4μmの2次元周期構造を形成したSi基板やSiC基板などを準備する。 First, as shown in FIG. 32 (a), (b), is composed of a convex portion of the height of 400 nm, period to prepare such as Si substrate or a SiC substrate having a two-dimensional periodic structure of 0.4 .mu.m. 次いで、この基板を鋳型(モールド)26として、膜厚600nmレジスト27を塗布したサファイア基板8の主面に押し付ける。 Then, the substrate as a template (mold) 26, pressed against the main surface of the sapphire substrate 8 coated with the film thickness 600nm resist 27.

その後、図32(c)に示すように、モールド26をサファイア基板8から離すと、レジスト27に凹形状の2次元周期構造(孔の深さ400nm、周期0.4μm)が転写される。 Thereafter, as shown in FIG. 32 (c), releasing the mold 26 from the sapphire substrate 8, the recessed two-dimensional periodic structure (hole depth 400 nm, the period 0.4 .mu.m) is transferred to the resist 27.

次に、図32(d)に示すように、O 2ドライエッチングにより、レジスト27の孔の底に残るレジストを除去する。 Next, as shown in FIG. 32 (d), the O 2 dry etch, to remove the resist remaining on the bottom of the hole of the resist 27.

次いで、図32(e)に示すように、レジスト27をエッチングマスクとしてドライエッチングを施した後、レジスト27を除去することにより、サファイア基板8の主面に深さ150nmの凹部からなり、周期が0.4μmの2次元周期構造を形成する。 Then, as shown in FIG. 32 (e), it was subjected to dry etching using the resist 27 as an etching mask, by removing the resist 27, made from the recess of depth 150nm to the main surface of the sapphire substrate 8, cycles to form a two-dimensional periodic structure of 0.4 .mu.m.

このように、ナノプリント法を用いれば、ステッパーやEB露光装置などの高価な製造装置を用いることなくサブミクロンオーダーの微細な構造のパターニングを行うことができる。 Thus, by using the nano-imprint method, it is possible to perform patterning of the fine structure of submicron order without using an expensive production apparatus such as a stepper or EB exposure device. 加えて、本実施形態の製造方法によれば、モールドを押し付けるだけで行えるので、高速にパターニングを行うことができる。 In addition, according to the manufacturing method of this embodiment, since performed simply pressing the mold, it is possible to perform patterning at high speed. 以上のようにして作製された基板を鋳型として用いれば、本発明の第1〜第4の実施形態の半導体発光素子を低コストで作製することができる。 Using the substrate produced as described above as a template, it is possible to manufacture a semiconductor light-emitting device of the first to fourth embodiments of the present invention at low cost.

(第6の実施形態) (Sixth Embodiment)
図33(a)〜(g)は、本発明の第6の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法を示す斜視図である。 Figure 33 (a) ~ (g) are perspective views showing a manufacturing method of a semiconductor light emitting device according to a sixth embodiment of the present invention. 本実施形態の半導体発光素子の製造方法は、ソフトモールド法を用いて半導体薄膜の主面に2次元周期構造の形成するための方法である。 The method of manufacturing a semiconductor light-emitting device of the present embodiment is a method for forming a two-dimensional periodic structure on the main surface of the semiconductor thin film by using a soft mold process.

まず、図33(a)に示すように、微細加工に用いるソフトモールドを作製する。 First, as shown in FIG. 33 (a), to produce a soft mold used for fine processing. 本工程では、Si基板やSiC基板などの基板29上に塗布したポリシランなどの樹脂30に、フォトリソグラフィやEBリソグラフィ、あるいはナノプリント法により、深さ400nmの孔部(凹部)で構成された周期0.4μmの2次元周期構造31を形成する。 In this step, a resin 30, such as a polysilane coated on a substrate 29 such as Si substrate or a SiC substrate, photolithography or EB lithography or by nano-imprint method, which is constituted by the hole depth 400 nm (recess) cycle to form a two-dimensional periodic structure 31 of 0.4 .mu.m. このように作製した樹脂付き基板をソフトモールドとして後の微細加工工程に用いる。 Thus using the resin-coated substrate prepared in microfabrication process after the soft mold.

次に、図33(b)に示すように、第1の実施形態で説明した方法により、Auメッキ層15を有する薄膜状の半導体多層膜を形成する。 Next, as shown in FIG. 33 (b), by the method described in the first embodiment, to form a thin-film semiconductor multilayer film having an Au plating layer 15. ただし、本実施形態の方法では半導体多層膜の形成に用いた基板の表面が平坦であるため、半導体多層膜の表面も平坦である。 However, in the method of this embodiment for the surface of a substrate used for forming the semiconductor multilayer film is flat, the surface of the semiconductor multilayer film is also flat.

次に、図33(c)に示すように、半導体多層膜の主面上にレジスト27を塗布する。 Next, as shown in FIG. 33 (c), the resist 27 is coated on the main surface of the semiconductor multilayer film. ただし、ベーキングによるレジスト27中の溶媒の揮発はここでは行なわない。 However, volatilization of the solvent in the resist 27 by the baking is not carried out here. このレジスト27上に、上述のソフトモールドを置く。 On this resist 27, put soft mold described above. この場合、数μm厚さの半導体多層膜が破壊されないように、できるだけ圧力をかけないようにソフトモールドを置く。 In this case, as the semiconductor multilayer film having μm thickness is not broken, put soft mold so as not to apply as much as possible pressure.

すると、図33(d)に示すように、樹脂30がレジスト27の溶媒を吸収することにより毛細管現象が発生し、レジスト27がソフトモールドの樹脂の2次元周期の孔を埋めるように浸透する。 Then, as shown in FIG. 33 (d), the resin 30 is a capillary phenomenon occurs by absorbing the solvent of the resist 27, the resist 27 permeates to fill the pores of the two-dimensional periodic resin of the soft mold.

その後、図33(e)に示すように、モールドを半導体多層膜から離すと、レジスト27に凸形状の2次元周期構造(凸の高さ400nm、周期0.4μm)が転写される。 Thereafter, as shown in FIG. 33 (e), releasing the mold from the semiconductor multilayer film, two-dimensional periodic structure that is convex toward the resist 27 (convex height 400 nm, the period 0.4 .mu.m) is transferred.

次に、図33(f)に示すように、O 2ドライエッチングにより、レジストの孔の底に残るレジスト27を除去する。 Next, as shown in FIG. 33 (f), the O 2 dry etch, to remove the resist 27 remaining on the bottom of the resist holes.

その後、図33(g)に示すように、レジスト27をエッチングマスクとして半導体多層膜の主面にドライエッチングを施た後にレジストを除去することにより、半導体多層膜の主面に2次元周期構造(凸部の高さ150nm、周期0.4μm)を形成する。 Thereafter, as shown in FIG. 33 (g), by removing the resist after had facilities to dry etching on the main surface of the semiconductor multilayer film using the resist 27 as an etching mask, a two-dimensional periodic structure in the main surface of the semiconductor multilayer film ( height 150nm of the convex portion to form a cycle 0.4 .mu.m).

このように、ソフトモールド法を用いれば、厚さが数μm程度の半導体多層膜のように非常に扱いが困難な薄膜に対しても、サブミクロンオーダーの微細加工が可能となる。 Thus, by using the soft mold process, even for very handling difficult thin as several μm order of the semiconductor multilayer film thickness, it is possible to fine processing of a submicron order. この場合、半導体多層膜の結晶成長に用いる基板は平坦でよいため、凹凸を形成した基板上の結晶成長の場合よりも、結晶成長が容易となる。 In this case, since the substrate can be a flat for use in crystal growth of the semiconductor multilayer film, than in the case of crystal growth on a substrate obtained by forming the unevenness, thereby facilitating crystal growth.

なお、これまでで説明した実施形態では、加工が困難な窒化物系化合物半導体や、波長が青色や紫色の短波長の発振波長に対応して凹凸の周期が小さくなり微細加工が困難な場合を特に記載しているが、半導体としてAlGaAs(屈折率3.6)やAlGaInP(屈折率3.5)を用いた赤外や赤色の半導体発光素子に対しても本発明の設計は適用可能である。 Incidentally, this embodiment described until, machining is difficult to nitride-based compound semiconductor and, where wavelength is difficult microfabrication becomes small concavo-convex cycle corresponding to the oscillation wavelength of the short wavelength blue or purple Although specifically described, is applicable design of the present invention with respect to the infrared or red semiconductor light-emitting device using the AlGaAs (refractive index 3.6) and AlGaInP (refractive index 3.5) as the semiconductor .

(第7の実施形態) (Seventh Embodiment)
図34は、本発明の第7の実施形態に係る半導体発光素子を示す斜視図である。 Figure 34 is a perspective view showing a semiconductor light emitting device according to a seventh embodiment of the present invention. 同図に示すように、本実施形態の半導体発光素子は、エピタキシャル成長により形成された厚さ200nmのp型AlGaN層43と、p型AlGaN層43の結晶成長面(主面)上に形成され、Alからなる厚さ0.5μmの高反射p電極(第1の電極)42と、高反射p電極2の下面上に形成された厚さ10μmのAuメッキ層41と、p型GaN層43の裏面上に形成された厚さ3nmのノンドープAlInGaN活性層44と、ノンドープAlInGaN活性層44の裏面上に形成され、裏面に凸形状の2次元周期構造46が形成された厚さ4μmのn型AlGaN層(第2の半導体層)45と、n型GaN層5の裏面上に形成され、チタン(Ti)とAuとが積層されてなる厚さ1μmのn電極(第2の電極)47とを備えている。 As shown, the semiconductor light-emitting device of this embodiment includes a p-type AlGaN layer 43 having a thickness of 200nm formed by epitaxial growth, it is formed on the crystal growth surface of the p-type AlGaN layer 43 (main surface) highly reflective p-electrode (first electrode) 42 with a thickness of 0.5μm made of al, and Au plating layer 41 having a thickness of 10μm formed on the lower surface of the highly reflective p-electrode 2, the p-type GaN layer 43 a non-doped AlInGaN active layer 44 having a thickness of 3nm formed on the back surface, an undoped AlInGaN is formed on the back surface of the active layer 44, a thickness of 4μm to two-dimensional periodic structure 46 of a convex shape is formed on the back surface n-type AlGaN a layer (second semiconductor layer) 45 is formed on the back surface of the n-type GaN layer 5, an n-electrode (second electrode) 47 having a thickness of 1μm which the Au and titanium (Ti) formed by stacking It is provided. ここで、下面とは、ある層のうち、図34で下の方に位置する面のことを意味する。 Here, the lower surface, of a layer, means that the surface located at the bottom in FIG. 34.

本実施形態の半導体発光素子はn型AlGaN層45の裏面方向から光が取り出される紫外線LEDとして機能し、ノンドープAlInGaN活性層44のPLピーク波長は350nmである。 The semiconductor light emitting device of this embodiment functions as an ultraviolet LED which light is extracted from the rear surface direction of the n-type AlGaN layer 45, PL peak wavelength of the undoped AlInGaN active layer 44 is 350 nm.

n型AlGaN層45の裏面に形成された2次元周期構造46の周期、すなわち2次元の面内で隣り合う凸部の中心間隔は0.3μm、凸部の高さは130nmである。 Period of formed on the back surface of the n-type AlGaN layer 45 two-dimensional periodic structure 46, i.e. the distance between the centers of the convex portions adjacent in the two-dimensional plane is 0.3 [mu] m, the height of the projections 130 nm.

本実施形態の半導体発光素子を構成する窒化物系化合物半導体は、第1の実施形態に係る半導体発光素子を構成する窒化物系化合物半導体と同様にMOCVD法や、MBE法などを用いて形成することができる。 The semiconductor light emitting element nitride-based compound semiconductor constituting the present embodiment, and the MOCVD method similarly to the nitride-based compound semiconductor constituting the semiconductor light emitting device according to the first embodiment is formed by using a MBE method be able to.

本実施形態の半導体発光素子においても、第1の実施形態の半導体発光素子と同様に高い光取り出し効率と優れた放熱性とが実現されている。 In the semiconductor light emitting device of this embodiment, a first similar to the semiconductor light emitting element of Embodiment high light extraction efficiency and excellent heat dissipation is achieved. 特に、高反射率p電極42がAlで構成されているので、ノンドープAlInGaN活性層44で発生した光を高い効率で反射することができる。 In particular, since the high reflectivity p electrode 42 is composed of Al, it is possible to reflect light generated in the undoped AlInGaN active layer 44 with high efficiency.

このように、本発明に係る半導体発光素子の構造は、発光波長のピークが紫外領域にある発光素子にも有効に適用される。 Thus, the structure of the semiconductor light emitting device according to the present invention, the peak emission wavelength is effectively applied to a light-emitting element in the ultraviolet region.

本発明の半導体発光素子は、高発光効率の光源として有用である。 The semiconductor light-emitting device of the present invention is useful as a high luminous efficiency of the light source.

本発明の第1の実施形態に係る半導体発光素子を示す斜視図である。 The semiconductor light emitting device according to the first embodiment of the present invention is a perspective view showing. 半導体発光素子の外部に放射される光量の入射角依存性の理論計算結果を示す図である。 It is a diagram showing a theoretical calculation result of the incident angle dependency of the amount of light emitted to the outside of the semiconductor light emitting element. (a)は、LEDにおける実空間での構成を示す図であり、(b)および(c)は、発光素子における波数空間での構成を示す図である。 (A) is a diagram showing the structure of the real space in LED, (b) and (c) is a diagram showing the configuration of a wave number space in the light-emitting element. (a),(b)は、n型GaN表面に0.1μm周期の2次元周期構造が形成されている場合の、波数空間の構成を示す図である。 (A), (b) it is the case where 2-dimensional periodic structure of 0.1μm cycle n-type GaN surface is formed is a diagram showing the configuration of a wave number space. 表面に周期構造が形成された半導体層の各部分における屈折率を示す図である。 Illustrates a refractive index at each part of the semiconductor layer periodic structure is formed on the surface. (a)〜(c)は、n型GaN表面に0.2μm周期の2次元周期構造が形成されている場合の、波数空間の構成を示す図である。 (A) ~ (c) is, when the two-dimensional periodic structure of 0.2μm cycle n-type GaN surface is formed is a diagram showing the configuration of a wave number space. n型GaN層の表面に0.4μm周期の2次元周期構造が形成されている場合の、波数空間の構成を示す図である。 When the two-dimensional periodic structure of 0.4μm period on the surface of the n-type GaN layer is formed is a diagram showing the configuration of a wave number space. 光取り出し効率の計算に用いる立体角を説明するための図である。 It is a diagram for explaining a solid angle used to calculate the light extraction efficiency. 計算式を用いて求めた光取り出し効率を、n型GaN層の表面が平坦な場合の光取り出し効率で規格化した値を示す図である。 The light extraction efficiency obtained by using a formula, the surface of the n-type GaN layer is a diagram illustrating the value normalized by the light extraction efficiency in the case flat. (a)、(b)は、n型GaN層表面に形成された2次元周期構造の配列を示す平面図である。 (A), (b) is a plan view showing an arrangement of a two-dimensional periodic structure formed on the n-type GaN layer. (a)〜(f)は、第1の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法を示す斜視図である。 (A) ~ (f) are perspective views showing a method for manufacturing a semiconductor light emitting device according to the first embodiment. (a)は、従来および第1の実施形態に係る半導体発光素子の電流−電圧特性を示す図であり、(b)は従来および第1の実施形態に係る半導体発光素子の電流−光出力特性を示す図である。 (A), the current of the conventional and the first semiconductor light emitting device according to an embodiment of - a diagram showing the voltage characteristic, (b) the current of the semiconductor light emitting device according to the prior art and the first embodiment - optical output characteristic is a diagram illustrating a. (a)、(b)は、それぞれ第1の実施形態に係る半導体発光素子の変形例を示す斜視図である。 (A), (b) is a perspective view showing a modified example of the semiconductor light emitting device according to the first embodiment, respectively. それぞれ第1の実施形態に係る半導体発光素子の変形例を示す斜視図である。 Is a perspective view showing the respective modification of the semiconductor light emitting device according to the first embodiment. (a)、(b)は、それぞれ第1の実施形態に係る半導体発光素子の変形例を示す斜視図である。 (A), (b) is a perspective view showing a modified example of the semiconductor light emitting device according to the first embodiment, respectively. (a)、(b)は、それぞれ第1の実施形態に係る半導体発光素子の変形例を示す斜視図である。 (A), (b) is a perspective view showing a modified example of the semiconductor light emitting device according to the first embodiment, respectively. 光取り出し効率の凹部の傾斜角度に対する依存性の理論計算結果を示す図である。 It is a diagram showing a theoretical calculation result of dependence on angle of inclination of the recess of the light extraction efficiency. (a)〜(f)は、図1に示す本実施形態の半導体発光素子の、第2の製造方法を示す斜視図である。 (A) ~ (f), the semiconductor light-emitting device of the present embodiment shown in FIG. 1 is a perspective view showing a second manufacturing method. (a)は、本発明の第2の実施形態に係る半導体発光素子を示す斜視図であり、(b)は、第2の実施形態の半導体発光素子を上から見た平面図である。 (A) is a perspective view showing a semiconductor light emitting device according to a second embodiment of the present invention, (b) are a top plan view of a semiconductor light-emitting device of the second embodiment. (a)は、n型GaN層の表面(裏面)に六角錐状の突起を形成した場合の、n型GaN層の表面に入射する光の透過率Tの理論計算結果を示す図であり、(b)は、2次元周期構造の周期と光取り出し効率との関係を示す図である。 (A) is a diagram showing a theoretical calculation result of the light transmittance T incident on the surface of the n-type GaN layer when forming a hexagonal pyramid shaped projections on the surface (back surface) of the n-type GaN layer, (b) is a diagram showing the relationship between the period and the light extraction efficiency of the two-dimensional periodic structure. (a)〜(f)は、第2の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法を示す斜視図である。 (A) ~ (f) are perspective views showing a manufacturing method of a semiconductor light emitting device according to the second embodiment. (a)〜(c)は、第2の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法の変形例を示す図である。 (A) ~ (c) are diagrams showing a modification of the method of manufacturing the semiconductor light emitting device according to the second embodiment. (a),(b)は、第2の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法の変形例を示す図である。 (A), (b) is a diagram showing a modification of the method of manufacturing the semiconductor light emitting device according to the second embodiment. (a),(b)は、第2の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法の変形例を示す図である。 (A), (b) is a diagram showing a modification of the method of manufacturing the semiconductor light emitting device according to the second embodiment. (a),(b)は、第2の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法の変形例を示す図である。 (A), (b) is a diagram showing a modification of the method of manufacturing the semiconductor light emitting device according to the second embodiment. (a)〜(c)は、第2の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法の変形例を示す図である。 (A) ~ (c) are diagrams showing a modification of the method of manufacturing the semiconductor light emitting device according to the second embodiment. 本発明の第3の実施形態に係る半導体発光装置を示す斜視図である。 The semiconductor light-emitting device according to a third embodiment of the present invention is a perspective view showing. (a)は、半導体発光素子を樹脂でモールドした場合における光の透過率の理論計算結果を示す図であり、(b)は、第3の実施形態に係る半導体発光装置において、光取り出し効率の2次元周期構造の周期に対する依存性の理論計算結果を示す図である。 (A) is a diagram showing a theoretical calculation result of the transmittance of light in the case where the semiconductor light emitting element is molded with resin, (b), in the semiconductor light-emitting device according to the third embodiment, the light extraction efficiency is a diagram showing the dependence of theoretical calculation result for the period of the two-dimensional periodic structure. (a)〜(d)は、第3の実施形態に係る半導体発光装置の製造方法を示す斜視図である。 (A) ~ (d) are perspective views showing a manufacturing method of the semiconductor light emitting device according to a third embodiment. 本発明の第4の実施形態に係る半導体発光素子の一部を示す断面図である。 A portion of the semiconductor light emitting device according to a fourth embodiment of the present invention is a cross-sectional view illustrating. (a)〜(e)は、第4の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法を示す断面図である。 (A) ~ (e) are cross-sectional views showing a method of manufacturing a semiconductor light emitting device according to the fourth embodiment. (a)〜(e)は、本発明の第5の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法を示す斜視図である。 (A) ~ (e) are perspective views showing a manufacturing method of a semiconductor light emitting device according to a fifth embodiment of the present invention. (a)〜(g)は、本発明の第6の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法を示す斜視図である。 (A) ~ (g) are perspective views showing a manufacturing method of a semiconductor light emitting device according to a sixth embodiment of the present invention. 本発明の第7の実施形態に係る半導体発光素子を示す斜視図である。 The semiconductor light emitting device according to a seventh embodiment of the present invention is a perspective view showing. 従来の半導体発光素子を示す斜視図である。 It is a perspective view showing a conventional semiconductor light-emitting device. 上面にフォトニック結晶が形成された従来の半導体発光素子を示す斜視図である。 It is a perspective view showing a conventional semiconductor light emitting device the photonic crystal is formed on the top surface.

符号の説明 DESCRIPTION OF SYMBOLS

1,15,41 Auメッキ層2,14,42 高反射p電極3,13 p型GaN層4,12 ノンドープInGaN活性層5,11 n型GaN層6,10,16,17,18,19,20,31,46 2次元周期構造7,47 n電極8 サファイア基板9 AlGaN層21 エッチングマスク22 実装基板23,30 樹脂24 金型25 バンプ26 モールド27 レジスト29 基板43 p型AlGaN層44 ノンドープAlInGaN活性層45 n型AlGaN層51 Si基板 1,15,41 Au plating layer 2,14,42 highly reflective p-electrode 3, 13 p-type GaN layer 4, 12 a non-doped InGaN active layer 5 and 11 n-type GaN layer 6,10,16,17,18,19, 20,31,46 two-dimensional periodic structure 7 and 47 n electrode 8 sapphire substrate 9 AlGaN layer 21 etching mask 22 mount board 23, 30 resin 24 mold 25 bumps 26 molded 27 resist 29 substrate 43 p-type AlGaN layer 44 doped AlInGaN active layer 45 n-type AlGaN layer 51 Si substrate

Claims (14)

  1. 基板上に形成された後、前記基板から剥離された多層半導体層を備えた半導体発光素子であって、前記多層半導体層の面のうち前記基板と接していた第1主面に2次元周期構造が形成されていることを特徴とする半導体発光素子。 After being formed on a substrate, a semiconductor light-emitting device comprising a multilayer semiconductor layer which is peeled off from the substrate, a two-dimensional periodic structure in the first main surface was in contact with the substrate among surfaces of said multilayer semiconductor layer the semiconductor light emitting device characterized in that There are formed.
  2. 前記基板はシリコンで構成されていることを特徴とする請求項1に記載の半導体発光素子。 The device according to claim 1 wherein the substrate is characterized by being composed of silicon.
  3. 前記多層半導体層の第2主面上に設けられ、前記活性層で生じた光のピーク波長に対する反射率が80%以上である第1の電極と、 Said provided on the second major surface of the multilayer semiconductor layer, the first electrode reflectivity for the peak wavelength of the light generated in the active layer is 80% or more,
    前記多層半導体層の第1主面のうち、前記2次元周期構造が形成されない領域上に設けられた第2の電極とをさらに備えていることを特徴とする請求項1に記載の半導体発光素子。 The multilayer of the first major surface of the semiconductor layer, a semiconductor light emitting device according to claim 1, characterized in that it comprises further a second electrode provided on the two-dimensional periodic structure is not formed region .
  4. 主面上に2次元周期構造を有する基板と、前記基板の主面上に形成され、光を生成する活性層を有する多層半導体層とを備え、前記基板はシリコンであることを特徴とする半導体発光素子。 A substrate having a two-dimensional periodic structure on the main surface, is formed on the main surface of the substrate, and a multilayer semiconductor layer including an active layer for generating light, wherein the substrate is a silicon semiconductor the light-emitting element.
  5. 主面上に2次元周期構造を有する基板と、前記基板の主面上に形成され、光を生成する活性層を有する多層半導体層とを備え、 A substrate having a two-dimensional periodic structure on the main surface, is formed on the main surface of the substrate, and a multilayer semiconductor layer including an active layer for generating light,
    前記基板の主面と前記多層半導体層の第1主面との間の一部には空隙が形成されていることを特徴とする半導体発光素子。 The semiconductor light emitting device characterized by being void formed in the part between the first main surface of the main surface and the multilayer semiconductor layer of the substrate.
  6. 基板上の主面上に第1の2次元周期構造を形成する工程(a)と、 Forming a first two-dimensional periodic structure on the main surface of the substrate as (a),
    前記第1の2次元周期構造上に多層半導体層を形成する工程(b)と、 (B) forming a multi-layered semiconductor layer on the first two-dimensional periodic structure,
    前記基板と前記多層半導体層を剥離する工程(c)とを備えていることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。 The method of manufacturing a semiconductor light emitting element characterized by comprising a step (c) of removing the multilayer semiconductor layer and the substrate.
  7. 前記工程(b)は、前記多層半導体層の第1主面上に、前記第1の2次元周期構造と相補的な形状を形成する工程を含んでいることを特徴とする請求項6に記載の半導体素子の製造方法。 The step (b), according to the first major surface of the multilayer semiconductor layer, in claim 6, characterized in that it includes a step of forming a complementary shape to the first two-dimensional periodic structure the method of manufacturing a semiconductor device.
  8. 前記工程(b)で形成された前記第1の2次元周期構造と相補的な形状は、凹状部で構成されており、 Complementary shape to the said formed in step (b) the first two-dimensional periodic structure is formed by a recessed portion,
    前記工程(c)の後に、電解液中で前記多層半導体層に電気を流すことにより、前記凹状部を深くする、あるいは前記凹状部の断面形状を変化させる工程をさらに備えている請求項7に記載の半導体発光素子の製造方法。 After said step (c), the flow of electricity to the multilayer semiconductor layer in an electrolytic solution, deeper the concave portion, or to claim 7, further comprising the step of changing the cross-sectional shape of the concave portion the method of manufacturing a semiconductor light emitting device according.
  9. 前記基板はシリコンで構成されていることを特徴とする請求項6に記載の半導体発光素子の製造方法。 The method of manufacturing a semiconductor light emitting device according to claim 6 wherein the substrate is characterized by being composed of silicon.
  10. 前記工程(c)は、前記基板の研磨または前記基板のウエットエッチングの少なくとも一方によって行われることを特徴とする請求項6に記載の半導体発光素子の製造方法。 Wherein step (c), a method of manufacturing a semiconductor light emitting device according to claim 6, characterized in that it is performed by at least one of wet etching of polishing or the substrate of the substrate.
  11. 前記工程(c)は、レーザリフトオフによって行われることを特徴とする請求項6に記載の半導体発光素子の製造方法。 Wherein step (c), a method of manufacturing a semiconductor light emitting device according to claim 6, characterized in that it is made by laser lift-off.
  12. 前記工程(c)で除去される前記基板は再利用可能であることを特徴とする請求項6に記載の半導体発光素子の製造方法。 The method of manufacturing a semiconductor light emitting device according to claim 6, wherein the substrate is removed in the step (c) is reusable.
  13. 前記工程(c)の後に、結晶面によってエッチング速度が異なる条件でウェットエッチングを行うことにより、多角錐形状の凸部または凹部で構成された第2の2次元周期構造を前記多層半導体層の第1主面に形成する工程をさらに備えていることを特徴とする請求項7に記載の半導体発光素子の製造方法。 After said step (c), by performing wet etching with an etching rate depending on the crystal plane different conditions, the second two-dimensional periodic structure consisting of projections or recesses of polygonal pyramid shape of the multilayer semiconductor layer the method of manufacturing a semiconductor light emitting device according to claim 7, characterized in that it further comprises a step of forming the first major surface.
  14. 前記工程(b)では、前記基板の主面と前記多層半導体層の裏面との界面の一部領域に空隙が生じるように前記多層半導体層を形成することを特徴とする請求項6に記載の半導体発光素子の製造方法。 In the step (b), according to claim 6, characterized in that to form the multi-layered semiconductor layer as voids in a partial region of the interface occurs between the rear surface of the main surface of the substrate and the multilayer semiconductor layer the method of manufacturing a semiconductor light-emitting device.
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