JP2006270001A - 光取り出し効率及び放熱効果が改善された半導体発光素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
本発明は、光の取り出し効率を上げるとともに放熱効率を上げることができる半導体発光素子、及びその製造方法を提供するものである。
【解決手段】
本発明は、半導体発光素子の表面に、当該半導体発光素子の成分又はそれと実質的に同等な成分により、当該結晶の表面に凹凸構造が付加された半導体表面層を有する半導体発光素子、及びその製造方法に関する。
【選択図】 なし

Description

本発明は、半導体発光素子の表面に、当該半導体発光素子の成分又はそれと実質的に同等な成分により、当該結晶の表面に凹凸構造が付加された半導体表面層を有する半導体発光素子、及びその製造方法に関する。

近年、半導体発光素子は、低電圧で発光し、赤外から紫外までの広い範囲の発色を実現できる素子として注目されている。小型で軽量でしかも寿命も長く、各種のディスプレー用の素子としてだけでなく、信号機などの光源としても実用化されてきている。
このような半導体発光素子においては、輝度を高くすることが求められており、発光素子の発光効率についての改善が行われきた。そして、現在では発光素子の理論値に近い状態までの発光効率が達成されつつある。

しかしながら、半導体発光素子により効率よく発光されたとしても、半導体発光素子の屈折率と空気の屈折率の相違により、当該半導体発光素子から取り出される光の量には限界が生じていた。
通常の発光ダイオードの表面はオーム性電極を作製するためのキャリア密度の高い半導体層等で終端されており、その表面は平坦であった。平坦性および半導体の大きな屈折率と外部の小さい屈折率との差によって、半導体素子の内部で発生した光は表面で反射されるため光の取り出し効率が十分に大きくなかった。その解決の手段として表面をエッチングで凹凸をつける方法が提案されている（非特許文献１参照）。このような凹凸構造の大きさを理論値から特定の範囲にとすると計算したもの（特許文献１参照）、形状をメサ構造とするもの（特許文献２参照）など多くの報告がなされている。
このような凹凸構造は、エッチングによって形成されるのが一般的であるが（例えば、特許文献３参照）、基板の表面を凹凸にして半導体素子の表面を凹凸にする方法（特許文献４及び５参照）や、ＩＴＯ電極の表面を凹凸にする方法（特許文献６参照）なども提案されている。また、オフ基板を用いて成長させた結晶をカットすることにより凹凸を形成させる方法（特許文献７参照）や、成長した結晶を基板から取り外す際に結晶の底面に凹凸を設ける方法（特許文献８参照）なども提案されている。

さらに、半導体発光素子からの光取り出し効率を改善する方法として、半導体素子の表面にドーム状の透明体をかぶせる方法（特許文献９参照）、表面をシリカなどの酸化物でコーティングする方法（特許文献１０参照）、表面に回折格子膜を設ける方法（特許文献１１参照）、銀などの光吸収物質で凸構造を設ける方法（特許文献１２参照）などの多数の表面処理方法が提案されている。このような表面の処理だけでなく、半導体素子の裏面の反射効率を改善する方法（特許文献１３参照）、側面を円筒状にする方法（特許文献１４参照）、側面を斜めに切って反射効率を上げる方法（特許文献１５参照）、側面を階段状にする方法（特許文献１６参照）などが提案されている。
このように、半導体発光素子自体の発光効率だけでなく、半導体素子からの光取り出し効率を高める上げるための半導体素子の表面の加工方法が多数提案されているが、いずれも実用性に乏しく、さらなる改善が期待されている。
また、半導体発光素子の発光効率を上げて発熱を抑える方法も検討されているが、電流により励起したエネルギーの全てが光エネルギーに変換される訳ではなく、その少なくとも一部は熱エネルギーになる。また、素子内に閉じこめられた光も熱エネルギーとなって半導体素子を発熱させることになる。その熱は、通常平坦な表面を通した熱伝導で冷却されているのであるが、表面を凹凸にすることにより、放熱効果を上げる方法も提案されている（特許文献７参照）。

特開２００４−１４７７４６号公報 特開２００４−１５８７７８号公報 特開２００３−２１８３８３号公報 特開２００３−１９７９６３号公報 特開２００４−１５３０８９号公報 特開２００２−３５２９５６号公報 特開２００３−２４９６８２号公報 特開２００３−２１８３９４号公報 特開２００５−５７２６６号公報 特開２００４−８８０１３号公報 特開２００４−１１９２８６号公報 特開２００４−８７２２５号公報 特開２００２−１９０６２０号公報 特開２００２−７６４３５号公報 特開２００３−３４７５８９号公報 特開２００４−１１１４９３号公報 T.Fujii, Y.Gao, R.Sharma, E.L.Hu,S.P.Denbaars and S.Nakamura, Appl. Phys. Lett. 84, 855 (2004).

半導体発光素子からの光取り出し効率を上げるために半導体発光素子の表面を凹凸の構造にすることが提案されているが、表面を凹凸にするために半導体表面を化学エッチングする方法では、エッチングのための特別な工程を必要とするだけでなく、エッチング後に有害な廃液が生ずることになる。廃液に関する環境的配慮が求められており、液体を使わずに凹凸層を形成する方法が求められている。さらに、発光素子は高出力にすると熱が発生し、発光に関する内部量子効率が低下することが知られている。すなわち半導体素子の温度が上がらないよう、効率的な放熱手段が望まれている。
本発明は、光の取り出し効率を上げるとともに放熱効率を上げることができる半導体発光素子、及びその製造方法を提供するものである。

本発明者らは、これらの問題を解決するため、エッチング液などの溶液を使うことなく、より簡易な方法で光取り出し効率を向上させ、放熱効果を上げる素子構造を検討し、その結果、半導体発光素子の結晶の成長を制御することにより、半導体発光素子の表面構造が光取り出し効率を上げるに適した凹凸構造になると同時に、放熱効果をも備えた構造になることを見出した。
すなわち、本発明は、半導体発光素子の表面に、当該半導体発光素子を構成する成分又はそれと実質的に同等な成分により、当該素子の表面に凹凸構造を有する半導体表面層が付加された、より詳細には低温半導体層を高温処理により形成される凹凸構造を有する半導体表面層が付加されたことを特徴とする半導体発光素子に関する。
また、本発明は、半導体発光素子の表面に、当該半導体発光素子を構成する成分又はそれと実質的に同等な成分を、当該半導体発光素子用の結晶を製造する温度よりも低い温度で当該半導体結晶の表面層に積層して低温半導体層を形成させ、次いで当該低温半導体層を加熱昇温することによって半導体発光素子の表面に形成された低温半導体層に凹凸構造を生じさせることを特徴とする凹凸構造を有する半導体表面層を有する半導体発光素子の製造方法に関する。

さらに、本発明は、前記した本発明の半導体発光素子を含有してなる半導体発光装置に関する。

本発明の半導体発光素子としては、ＬＥＤや半導体レーザーのような、無機結晶体を用いた発光素子であれば特に制限はないが、好ましくは、半導体発光素子が、Ｂ、Ｇａ、Ｉｎ、及びＡｌの群からなる元素のいづれか一つ以上の元素と、Ｎ、Ｐ、及びＡｓの群からなる元素のいづれか一つ以上の元素を含有するものが挙げられる。より具体的には、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮなどが挙げられる。本発明の半導体発光素子としては、ヒ素やリンを含有する半導体素子であってもよいが、ヒ素やリンは、それ自体に毒性があることから、製造時や使用時の安全性の点からは窒素系の半導体素子が好ましい。
また、本発明の半導体素子としては、前記した無機結晶体に各種の元素や化合物がドーピングされたものであってもよい。

本発明は、従来の半導体発光素子の表面に、当該半導体発光素子を構成する成分、より詳細には、当該素子の結晶成分又はそれと実質的に同等な成分を、当該半導体発光素子の結晶を製造する温度よりも低い温度で当該半導体結晶の表面層に積層して低温半導体層を形成させ、次いで当該低温半導体層を有する表面層を加熱昇温することによって半導体発光素子の表面層に凹凸構造を生じさせることを特徴とするものである。即ち本発明の半導体発光素子における凹凸構造が付加された半導体表面層とは、前記低温半導体層を高温処理して形成されるものでることを特徴とするものである。
このような低温半導体層の温度処理により凹凸構造が生じる詳細な理由は必ずしも明確ではないが、温度処理により、低温半導体層の成分の一部が結晶化し、全体的に結晶構造と非結晶構造が混在することになり、このような構造の変化により、表面が凹凸化されるものと考えられる。

本発明の方法を図１により概念的に示す。図１の１Ａは、従来の半導体発光素子を概念的に簡略化して示したものである。即ち、基板１の上に半導体発光素子２０がある。従来法では、この半導体発光素子２０をエッチング処理や、粗面化処理して表面に凹凸構造を形成していた。これらの方法は、いずれも半導体発光素子２０の一部を切削または溶解させるものであった。
本発明の方法は、半導体発光素子２０を切削や溶解させるものではなく、図１の１Ｂに示されるように、当該半導体発光素子２０の上、さらに必要であれば、側面も含んでいてもよいが、半導体発光素子２０の少なくとも１つの表面に、当該半導体発光素子２０を構成する成分、又はそれと実質的に同等な成分を積層させて、低温半導体層３０を形成させ、さらにこれを高温処理することにより、低温半導体層３０に凹凸構造を形成させて、凹凸構造を有する半導体表面層とするものである。

図１における低温半導体層３０の成分としては、透明性があって、屈折率が半導体発光素子２０と同じかほぼ同じ程度であり、かつ高温処理により結晶化が可能であるものであればよく、さらに好ましくは、半導体発光素子２０と低温半導体層３０との境界面を消失させることができる、少なくとも光学的な意味において境界面が存在しないことが好ましい。
したがって、低温半導体層３０の成分としては半導体発光素子２０の成分と同じ成分であることが好ましいが、必ずしも同じでなくてもよく、少なくとも屈折率などの光学的性質に共通性があるものであればよい。低温半導体層３０の成分（材質）が、半導体発光素子２０の成分（材質）と同じ成分（材質）を使用する場合には、半導体発光素子２０を製造する工程で、半導体発光素子２０を製造した後、続けて低温半導体層３０を形成させ、次いで高温処理することにより簡便に凹凸構造を形成させることができる。また、低温半導体層３０の成分（材質）と半導体発光素子２０の成分（材質）が異なる場合には、いったん半導体発光素子２０を製造した後、低温半導体層３０の成分（材質）からなる結晶を製造することができる装置を用いて、低温で低温半導体層２０を形成させ、次いで高温処理することにより製造することができる。

本発明の方法における低温半導体層３０を形成させる温度は、半導体発光素子２０の結晶を製造する温度よりも低い温度で、結晶化が起こらない温度で積層が可能な温度であれば特に制限はないが、通常は、結晶化の温度よりも３００℃以上低い温度、好ましくは４００℃以上低い温度で積層が可能な温度であればよい。このような処理温度は、半導体発光素子２０の材質によるが、通常は４００〜８００℃、好ましくは４５０〜６００℃程度の範囲で設定される。
低温半導体層の厚さは、凹凸構造を形成できる厚さであればよく、必要以上に厚くすることはない。好ましくは、当該半導体発光素子２０により発光される光の波長を考慮して当該波長に適した凹凸構造になるように調整することができる。通常は半導体発光素子２０の厚さと同じ厚さ〜当該厚さの１／１０、好ましくは１／２〜１／１０程度である。より具体的には、０．１〜５．０μｍ、好ましくは０．２〜３．０μｍ、又は０．３〜３．０μｍ程度である。

低温半導体層３０は、次いで高温処理される。この高温処理は、前記した低温処理に引き続いて行うこともできるが、低温処理の後、一度大気に接触させてから行うこともできる。好ましくは、低温処理の後、低温半導体層を大気に接触させてから、高温処理が行なわれる。
この高温処理の処理温度としては、結晶化が生じる温度以上である。結晶化が生じる温度は半導体発光素子２０の材質によるが、通常は、６５０〜１１００℃、７００〜１０５０℃程度に材質に合わせて設定される。
高温処理の処理時間は、低温半導体層の一部が結晶化する時間であればよい。長時間に亘る処理は、全体が結晶化することもあり、好ましくない。高温処理による結晶化は、低温半導体層３０の２０〜８０％、好ましくは３０〜７０％程度が結晶化するように設定することができる。

図２に本発明の半導体発光素子をより具体的な態様の例を示す。図２は本発明の凹凸な構造を有する半導体表面層を備えた発光ダイオードの断面構造図を示している。ｐｎ接合を基本とするダイオード構造になっており、ｎ型ＧａＮ層３とｐ型ＧａＮ層５の間にＩｎＧａＮ発光層４が挟まれている。光はＩｎＧａＮ発光層４で発生する。従来構造では、ｎ層３上にｎ側電極７そしてｐ層５上にｐ型電極８が設置されている。そして、本発明では図２に示すように素子の上部に、低温半導体層の高温処理により形成された凹凸な構造を有する半導体表面層６が設けられている。
図２に示されるように、本発明の凹凸構造は、上部表面だけでなく、側部表面や切削面の表面などのいかなる表面に設けることもできる。半導体発光素子の全部の表面を凹凸構造にするか、上部表面だけのように一部の表面だけを凹凸構造にするかは、実施に当たって適宜設定することができる。

本発明の半導体発光素子を含有してなる半導体発光装置としては、ディスプレーなどの表示装置、ライトなどの照明装置などが挙げられる。これらの装置に本発明の半導体発光素子を組み込む方法としては公知の各種の方法を採用することができる。本発明の半導体発光素子は光取り出し効率が極めてよく、かつ放熱効率が改善されていることからより大きな電流による発光も可能であり、大型のディスプレーや、ライトなどの照明装置に特に適しているものである。

本発明の半導体発光素子は、後述する実施例において具体的に示されるように、光取り出し効率が無処理の半導体発光素子に比べて少なくとも５０％以上向上するものであり、より詳細には５０％〜３００％以上向上するものである。本発明のような簡便な処理によりこのような大幅な光取り出し効率の改善は驚くべきことであり、半導体発光素子のディスプレーや照明装置などへの適用に本発明は大きく貢献するものである。
また、本発明の半導体発光素子は、表面が凹凸構造になっていることから、放熱効率がよく、しかも半導体発光素子の表面にさらに積層したにもかかわらず、低温半導体層が半導体発光素子の材質（成分）と同じか同等であるために、両者の熱伝導性がよく、放熱がよくなっている。本発明の半導体発光素子は、無処理の半導体発光素子に比べて、１０％以上、通常は１５％以上の向上された放熱特性を有している。したがって、本発明の半導体発光素子はより大きな電流による発光が可能となり、前記した光取り出し効率の改善と併せて、従来の半導体発光素子に比べて大幅な輝度の向上を図ることができる。
さらに、本発明の半導体発光素子は、エッチングのような特別の工程を設けることなく、従来の半導体発光素子の製造装置をそのまま使用だけの簡便な方法で確実に製造することができる。また、エッチングのような有害な廃液を出すこともない。

以下、実施例により本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれら実施例により何ら限定されるものではない。

下記の工程で凹凸な構造を有する半導体表面層を成長させる。
（１） 基板１にＭＯＶＰＥ法を用いて低温バッファー層２を５２０℃で１５０秒間成長させる。その際，Ｇａ源としてＴＭＧガスを３．８×１０^−５モル／分、Ｎ源としてアンモニアガスを４．５リットル／分、キャリアガスとしてＨ_２を４．８リットル／分の流量で流す。
（２） その後、１０４０℃まで昇温し、温度が安定したらｎ型ＧａＮ層３を１時間成長させる。その際、ＴＭＧガスを５．３×１０^−５モル／分とする以外は、低温バッファー層２成長時と同じ流量のガスを流す。
（３） 次に基板１の温度を５２０℃まで下げ、低温半導体層を成長させる。その際のガスの流量はｎ型ＧａＮ層３成長時と同じ流量のガスを流す。
（４） 冷却後、反応炉から基板を取り出して大気接触させる。
（５） 再度基板を反応炉に入れ１０４０℃まで加熱し、５分間熱処理を行う。この時、低温半導体層の成長温度よりも高い温度で熱処理を行ったため、凹凸を有する半導体表面層６が形成される。
この工程において、（２）の低温半導体層の成長時間を１６分間から２時間４０分まで変えることにより、凹凸を有する半導体表面層６の平均膜厚が０．２μｍから２．４μｍの試料が得られた。これらの試料に対してフォトルミネッセンス測定を行った。結果を図３〜図６に示す。図３は波長５５０ｎｍでの測定結果を示し、図４は波長５８０ｎｍでの結果を示し、図５は波長６００ｎｍでの測定結果を示し、図６は波長６２０ｎｍでの測定結果を示す。図３〜６では、凹凸を有する半導体表面層６を付けていない試料の各波長での発光強度を１．０とした時の相対発光強度が示されている。凹凸を有する半導体表面層６がいずれの厚さにおいても相対発光強度は１．０以上となっており、このような層を設けることにより光取り出し効率が向上することが明瞭に示されている。また、平均膜厚が０．８μｍの凹凸を有する半導体表面層６を付けた試料の波長６００ｎｍでの発光強度（図５参照）は３．０と３倍も強くなっていることが示されている。これらの結果からも明らかなように、凹凸を有する半導体表面層６を付けることは光の取り出し効率を上げる手段として非常に有効であることがわかった。

本発明は、光取り出し効率及び放熱効率が大きく改善された新規な半導体発光素子、例えばＬＥＤや半導体レーザー用の素子を提供するものであり、半導体発光素子の実用化に大きな貢献を果たすものであり、産業上の利用可能性を有している。

図１は、本発明の半導体発光素子の製造過程を模式的に示すものである。 図２は、凹凸な構造を有する本発明の半導体表面層を有する発光ダイオードの態様における断面構造図を示すものである。図２の（ａ）は、高抵抗でかつ凹凸な構造を有する半導体表面層を用いた場合の発光ダイオードの断面構造図を示す。図２の（ｂ）は、ｎ型伝導を有しかつ凹凸な構造を有する半導体表面層を用いた場合の発光ダイオードの断面構造図を示す。 図３は、本発明の発光ダイオードからの波長５５０ｎｍでの発光強度の凹凸な構造を有する半導体表面層の平均膜厚依存性を測定した結果を示す。 図４は、本発明の発光ダイオードからの波長５８０ｎｍでの発光強度の凹凸な構造を有する半導体表面層の平均膜厚依存性を測定した結果を示す。 図５は、本発明の発光ダイオードからの波長６００ｎｍでの発光強度の凹凸な構造を有する半導体表面層の平均膜厚依存性を測定した結果を示す。 図６は、本発明の発光ダイオードからの波長６２０ｎｍでの発光強度の凹凸な構造を有する半導体表面層の平均膜厚依存性を測定した結果を示す。

符号の説明

１・・・基板
２・・・低温バッファー層
３・・・ｎ型ＧａＮ層
４・・・ＩｎＧａＮ発光層
５・・・ｐ型ＧａＮ層
６・・・凹凸を有する半導体表面層
７・・・ｎ型側電極
８・・・ｐ型側電極
２０・・・半導体発光素子
３０・・・低温半導体層

Claims (14)

1. 半導体発光素子の表面に、当該半導体発光素子の成分又はそれと実質的に同等な成分により、当該素子の表面に凹凸構造を有する半導体表面層が付加された半導体発光素子。
2. 半導体発光素子の成分が、Ｂ、Ｇａ、Ｉｎ、及びＡｌの群からなる元素のいずれか一つ以上の元素と、Ｎ、Ｐ、及びＡｓの群からなる元素のいずれか一つ以上の元素を含有するものである請求項１に記載の半導体発光素子。
3. 半導体発光素子の成分が、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、又はＡｌＧａＮである請求項２に記載の半導体発光素子。
4. 半導体発光素子が、ＬＥＤで有る請求項１〜３のいずれかに記載の半導体発光素子。
5. 付加された凹凸構造が、半導体発光素子の表面に連続的に付加されたものである請求項１〜４のいずれかに記載の半導体発光素子。
6. 連続的な付加が、光学的な境界面を形成しないものである請求項５に記載の半導体発光素子。
7. 半導体発光素子の表面に、当該半導体発光素子の成分又はそれと実質的に同等な成分を、当該半導体発光素子の結晶を製造する温度よりも低い温度で当該半導体結晶の表面層に積層して低温半導体層を形成させ、次いで当該低温半導体層を加熱昇温することによって半導体発光素子の表面の低温半導体層に凹凸構造を生じさせることを特徴とする凹凸構造を有する半導体表面層を有する半導体発光素子の製造方法。
8. 半導体発光素子の成分が、Ｂ、Ｇａ、Ｉｎ、及びＡｌの群からなる元素のいずれか一つ以上の元素と、Ｎ、Ｐ、及びＡｓの群からなる元素のいずれか一つ以上の元素を含有するものである請求項７に記載の方法。
9. 半導体発光素子の成分が、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、又はＡｌＧａＮである請求項８に記載の方法。
10. 半導体発光素子が、ＬＥＤで有る請求項７〜９のいずれかに記載の方法。
11. 半導体発光素子の結晶を製造する温度よりも低い温度が、４００〜８００℃である請求項７〜１０のいずれかに記載の方法。
12. 加熱昇温の温度が、６５０〜１１００℃である請求項７〜１１のいずれかに記載の方法。
13. 請求項１〜６のいずれかに記載の半導体発光素子を含有してなる半導体発光装置。
14. 半導体発光装置が、表示装置又は照明装置である請求項１３に記載の装置。
    

Images