JP2007088273A - 半導体発光素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 透光性を有する基板上に、少なくともｎ型半導体層、発光層、ｐ型半導体層を順次積層して成る半導体発光素子において、光取出し効率を一層向上する。
【解決手段】 透光性の基板２上に、共に柱状で、深さが相互に等しく、誘電率（屈折率）が相互に異なる長周期Ａの第１の透明材料５８ｅと、短周期Ｂの第２の透明材料５８ｆとを重畳して埋込み形成する。そして、その周期Ａ，Ｂを、出射面への入射角θが比較的深い領域での透過率が高くなる波長λの５倍よりも大きな長周期Ａと、前記入射角θが比較的深い領域での透過率が高くなる前記波長λの５倍以下の短周期Ｂとの組合わせとする。これによって、あらゆる入射角θに対しても、回折による光取出し効率が向上し、一般的なλ／４の凹凸構造に比べて、光取出し効率を向上することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体内で電子と正孔とを結合させて光を発生する半導体発光素子およびその製造方法に関する。

近年、III−Ｎ化合物（以下、ナイトライドと呼ぶ）またはII−VI化合物を用いて、その中に量子井戸を形成し、外部から電流を流して、この量子井戸で電子と正孔とを結合させて光を発生する半導体固体発光素子の発展が目覚しい。

III−Ｖ化合物として最もよく用いられているのが前記ナイトライドのＧａＮであるが、このＧａＮを始めとして、ナイトライドの屈折率は１より大きく、大気中への光の取出しに課題がある。ＧａＮの場合を例にとると、屈折率が約２．５であり、ＧａＮと大気との境界の法線に対して、２３．６度（以下、この法線に対して２３．６度より小さい領域で形成された円錐領域をエスケープコーンと呼ぶ）より大きい角度で境界に入射された光は、大気中に放射されず、境界面で全反射され、ＧａＮの中へ閉込められてしまう。

その閉込められた光の一部は発光層に再吸収され、電子―正孔対発生と再結合とによって再発光に寄与するが、その再発光した光も一部のエスケープコーン内で発光されれば大気中へ放射されるが、大部分のエスケープコーン外で発光された光は再びＧａＮ中に閉込められる。そして、閉込められた光は、結晶や電極材料に再吸収されて熱に変化してしまう。このため、平坦なＧａＮ層では、この屈折率による全反射のために発光効率を向上することは難しいという問題がある。

そこで、このような課題に対して、たとえば特許文献１では、光取出し面にピッチ２〜４μｍ、深さλ（２ｎ＋１）／４（ｎ＝１，２，・・・）の矩形の凹凸を形成しておくことで、前記光取り出し面で光が反射する際に、凹部と凸部とでそれぞれ反射される光が互いの位相のλ／２だけ異なって打消し合い、反射が低減して、結果的に光取り出し効率を向上するように工夫されている。
特開平７−２０２２５７号公報

しかしながら、その従来技術では、全反射角以上の浅い角度で入射した光の取出し効率は向上されないので、前記ＧａＮ層側から光を取出すフェイスアップタイプに比べて、高屈折率の透明基板側から光を取出すフェイスダウン（フリップチップ）タイプの場合には、取出し効率の向上効果がほとんど得られないという問題がある。これを図１３を用いて詳しく説明する。図１３は、平坦な基板の出射面への発光層からの入射角θの変化に対する透過率（光取出し効率）の変化を模式的に示すグラフである。この図１３において、入射角θ０は、前記エスケープコーンの角度であり、該入射角θは、基板と大気との境界の法線に対する角度で、基板表面に対しては、該入射角θが、小さい程深い入射角で、大きい程浅い入射角となる。

ここで、出射面が平滑面の場合、透過率（光取出し効率）は、一般に下式で表すことができると考えられる。

光取出し効率η＝∫（透過率（θ）×入射配光分布（θ））ｄθ
これを、図１３に示すと、透過率（θ）のグラフは参照符号α０で示され、入射配光分布（θ）のグラフは参照符号β０で示され、したがって実際に外部に取出される光の量は、α０，β０の重なった領域であり、図１３において梨地で示す参照符号γ０で示される領域となる。

これに対して、上述の従来技術によるλ／４の凹凸構造を採用し、フレネルロスを低減することで、透過率のグラフは、参照符号α０’で示すように上昇させることができる。しかしながら、その透過率の上昇分は入射配光分布に交わらず、光取出し効率はほとんど向上しない。これは、参照符号β０で示すように、入射配光分布は、通常、発光層から出射面に対して、入射角が非常に深い成分は少なく、入射角が浅くなる程、成分が多くなるからである。

本発明の目的は、光取出し効率を向上することができる半導体発光素子およびその製造方法を提供することである。

本発明の半導体発光素子は、導電型の異なる半導体層が発光層を介して積層されて成る半導体発光素子において、前記発光層に平行な光取出し面の全面あるいは一部に、前記発光層に垂直な同一断面内で、前記発光層で発生された光の空気中における波長の５倍の周期よりも大きい周期と、前記５倍以下で、かつ１倍以上の周期との周期成分が重畳された誘電率構造を有することを特徴とする。

上記の構成によれば、基板上に、少なくともｎ型半導体層、発光層、ｐ型半導体層を順次積層して成る半導体発光素子または前記各半導体層を積層後に基板を剥離して成る半導体発光素子において、サファイアなどから成る前記基板の表面または基板を剥離した後のｎ型半導体層が光取出し面となり、その光取出し面に凹凸を形成したり、誘電率の異なる部材を前記凹凸に埋込むなどして光取出し効率を向上するにあたって、本発明では、そのような誘電率構造を、長周期Ａの構造と、短周期Ｂの構造とを重畳して形成する。そして、その長周期Ａの構造は、前記発光層で発生された光の空気中における波長の５倍の周期よりも大きな前記波長より充分大きい周期とし、短周期Ｂの構造は、前記５倍以下で、かつ１倍以上の前記波長より大きい周期とする。

すなわち、前記の誘電率構造は、前記発光層で発生された光の空気中における波長の５倍の周期を境界として、それよりも短い方の周期に形成すると出射面への入射角θが比較的深い領域での透過率が高くなり、それよりも長い方の周期に形成すると出射面への入射角θが比較的浅い領域での透過率が高くなるという本件発明者の知見によるものであり、これらの周期の誘電率構造を組合わせる。一方、前記波長と等倍以下の周期構造となると、通常よく用いられるλ／４の凹凸構造などと同様に、フレネルロスの低減による光取出し効率は向上するが、本発明による回折による光取出し効率の向上効果は小さくなる。ここで、通常、発光層から出射面に対して、入射角θが非常に深い成分は少なく、入射角θが浅くなる程、成分が多くなる。

したがって、λ／４の凹凸構造を採用しないことで、前記フレネルロスの低減による光取出し効率は低下するが、それ以上に回折による光取出し効率が向上するので、前記λ／４の凹凸構造に比べて、光取出し効率を向上することができる。

また、本発明の半導体発光素子では、前記誘電率構造は、前記波長の５倍よりも大きい周期で、前記光取出し面から予め定める深さまで埋込まれ、前記光取出し面を構成する材料より小さく空気より大きい屈折率を有する柱状の第１の透明材料と、前記５倍以下で、かつ１倍以上の周期で、前記光取出し面から前記予め定める深さまで埋込まれ、前記第１の透明材料より小さく空気より大きい屈折率を有する柱状の第２の透明材料から成ることを特徴とする。

上記の構成によれば、前記の誘電率構造を、一定の深さまで埋込まれる柱状の第１および第２の透明材料で実現し、前記長周期Ａ毎に埋込まれる第１の透明材料は前記光取出し面を構成する材料より小さく空気より大きい屈折率を有する材料から成り、前記短周期Ｂ毎に埋込まれる第２の透明材料は前記第１の透明材料より小さく空気より大きい屈折率を有する材料から成る。前記第１の透明材料および第２の透明材料は、円柱状でも角柱状でもよい。

したがって、前記の周期Ａ，Ｂの成分が重畳された誘電率構造を、誘電率の異なる部材を凹凸に埋込むことで実現することができる。

さらにまた、本発明の半導体発光素子は、前記第１の透明材料および第２の透明材料の平面的な配列周期には、ペンローズのタイリングまたはアルキメデス配列を用いることを特徴とする。

上記の構成によれば、ペンローズのタイリングやアルキメデス配列等の準周期構造を用いることで、配列周期が異なる第１の透明材料および第２の透明材料を平面上に再現することが可能になり、所望とする光取出し効率の向上効果を、精度よく得ることが可能になる。

また、本発明の半導体発光素子では、前記誘電率構造は、前記波長の５倍の周期以下で、かつ１倍以上の周期で、前記光取出し面から穿設される凹部を形成し、その凹部の深さを、前記波長の５倍より大きい正弦波もしくは三角波状に設定して実現されることを特徴とする。

上記の構成によれば、前記の周期Ａ，Ｂの成分が重畳された誘電率構造を、長周期Ａで、正弦波もしくは三角波状に深さが変化し、短周期Ｂ毎に穿設される凹部で実現することができる。

さらにまた、本発明の半導体発光素子の製造方法は、前記の半導体発光素子の製造方法において、前記光取出し面にレジストを塗布する工程と、前記レジストに前記第１の透明材料を埋込むべき凹部に対応した反転形状の型を押付け、形状を転写する工程と、転写後のレジストをマスクとしてエッチングを行う工程と、前記エッチング後の光取出し面に前記第１の透明材料となるレジストを塗布する工程と、前記レジストに前記第２の透明材料を埋込むべき凹部に対応した反転形状の型を押付け、形状を転写する工程と、転写後のレジストをマスクとして選択比１の条件でエッチングを行う工程と、形成された凹部に前記第２の透明材料となるレジストを充填する工程と、前記凹部からはみ出したレジストを除去する工程とを含むことを特徴とする。

上記の構成によれば、前記の半導体発光素子を作成することができる。

また、本発明の半導体発光素子の製造方法は、前記の半導体発光素子の製造方法において、前記光取出し面にパルスレーザを照射することで前記凹部を形成し、その照射強度を連続的または非連続的に変化させることで前記深さを変化させる工程を含むことを特徴とする。

上記の構成によれば、レーザをパルスで照射することで前記凹部を形成することができ、レーザの照射強度を変化させることで、前記凹部の深さを、前記正弦波もしくは三角波状に変化させ、前記の半導体発光素子を作成することができる。

さらにまた、本発明の半導体発光素子の製造方法は、前記の半導体発光素子の製造方法において、前記光取出し面上にレーザ吸収体を形成する工程と、前記レーザ吸収体に、前記正弦波もしくは三角波の反転形状の型を押付け、形状を転写する工程と、前記レーザ吸収体にパルスレーザを照射することで前記凹部を形成する工程とを含むことを特徴とする。

上記の構成によれば、レーザをパルスで照射することで前記凹部を形成することができ、光取出し面上に前記正弦波もしくは三角波状のレーザ吸収体を形成しておくことで、前記凹部の深さを変化させ、前記の半導体発光素子を作成することができる。

また、本発明の半導体発光素子の製造方法は、前記の半導体発光素子の製造方法において、前記光取出し面上に半導体層を初期核成長させる工程と、前記半導体層にパルスレーザを照射することで前記凹部を形成する工程とを含むことを特徴とする。

上記の構成によれば、レーザをパルスで照射することで前記凹部を形成することができ、光取出し面上に半導体層を初期核成長させることで三角波状のレーザ吸収体を形成したのと同様になって前記凹部の深さを変化させ、前記の半導体発光素子を作成することができる。

本発明の半導体発光素子は、以上のように、基板上に、少なくともｎ型半導体層、発光層、ｐ型半導体層を順次積層して成る半導体発光素子または前記各半導体層を積層後に基板を剥離して成る半導体発光素子において、サファイアなどから成る前記基板の表面または基板を剥離した後のｎ型半導体層が光取出し面となり、その光取出し面に凹凸を形成したり、誘電率の異なる部材を前記凹凸に埋込むなどして光取出し効率を向上するにあたって、本発明では、そのような誘電率構造を、長周期Ａの構造と、短周期Ｂの構造とを重畳して形成し、その長周期Ａの構造は、前記発光層で発生された光の空気中における波長の５倍の周期よりも大きな前記波長より充分大きい周期とし、短周期Ｂの構造は、前記５倍以下で、かつ１倍以上の前記波長より大きい周期とする。

それゆえ、λ／４の凹凸構造を採用しないことで、フレネルロスの低減による光取出し効率は低下するが、それ以上に回折による光取出し効率が向上するので、前記λ／４の凹凸構造に比べて、光取出し効率を向上することができる。

また、本発明の半導体発光素子は、以上のように、前記の誘電率構造を、一定の深さまで埋込まれる柱状の第１および第２の透明材料で実現し、前記長周期Ａ毎に埋込まれる第１の透明材料は前記光取出し面を構成する材料より小さく空気より大きい屈折率を有する材料から成り、前記短周期Ｂ毎に埋込まれる第２の透明材料は前記第１の透明材料より小さく空気より大きい屈折率を有する材料から成る。

それゆえ、前記の周期Ａ，Ｂの成分が重畳された誘電率構造を、誘電率の異なる部材を凹凸に埋込むことで実現することができる。

また、本発明の半導体発光素子は、以上のように、前記の誘電率構造を、前記波長の５倍の周期以下で、かつ１倍以上の周期で、前記光取出し面から穿設される凹部と、その凹部の深さを、前記波長の５倍より大きい正弦波もしくは三角波状に設定することとで実現する。

それゆえ、前記の周期Ａ，Ｂの成分が重畳された誘電率構造を、長周期Ａで、正弦波もしくは三角波状に深さが変化し、短周期Ｂ毎に穿設される凹部で実現することができる。

さらにまた、本発明の半導体発光素子の製造方法は、以上のように、前記の半導体発光素子の製造方法において、前記光取出し面にレジストを塗布する工程と、前記レジストに前記第１の透明材料を埋込むべき凹部に対応した反転形状の型を押付け、形状を転写する工程と、転写後のレジストをマスクとしてエッチングを行う工程と、前記エッチング後の光取出し面に前記第１の透明材料となるレジストを塗布する工程と、前記レジストに前記第２の透明材料を埋込むべき凹部に対応した反転形状の型を押付け、形状を転写する工程と、転写後のレジストをマスクとして選択比１の条件でエッチングを行う工程と、形成された凹部に前記第２の透明材料となるレジストを充填する工程と、前記凹部からはみ出したレジストを除去する工程とを含む。

それゆえ、前記の半導体発光素子を作成することができる。

また、本発明の半導体発光素子の製造方法は、以上のように、前記の半導体発光素子の製造方法において、前記光取出し面にパルスレーザを照射することで前記凹部を形成し、その照射強度を連続的または非連続的に変化させることで前記深さを変化させる工程を含む。

それゆえ、レーザをパルスで照射することで前記凹部を形成することができ、レーザの照射強度を変化させることで、前記凹部の深さを、前記正弦波もしくは三角波状に変化させ、前記の半導体発光素子を作成することができる。

さらにまた、本発明の半導体発光素子の製造方法は、以上のように、前記の半導体発光素子の製造方法において、前記光取出し面上にレーザ吸収体を形成する工程と、前記レーザ吸収体に、前記正弦波もしくは三角波の反転形状の型を押付け、形状を転写する工程と、前記レーザ吸収体にパルスレーザを照射することで前記凹部を形成する工程とを含む。

それゆえ、レーザをパルスで照射することで前記凹部を形成することができ、光取出し面上に前記正弦波もしくは三角波状のレーザ吸収体を形成しておくことで、前記凹部の深さを変化させ、前記の半導体発光素子を作成することができる。

また、本発明の半導体発光素子の製造方法は、以上のように、前記の半導体発光素子の製造方法において、前記光取出し面上に半導体層を初期核成長させる工程と、前記半導体層にパルスレーザを照射することで前記凹部を形成する工程とを含む。

それゆえ、レーザをパルスで照射することで前記凹部を形成することができ、基板に半導体層を初期核成長させることで三角波状のレーザ吸収体を形成したのと同様になって前記凹部の深さを変化させ、前記の半導体発光素子を作成することができる。

［実施の形態１］
図１は本発明の実施の第１の形態に係る発光ダイオード５１の構造を示す断面図であり、図２はその正面図であり、図２において図１の切断面を参照符号Ｉ−Ｉで示す。図１は１チップ分の断面であり、１チップのサイズは、たとえば０．３〜１ｍｍ角である。図２は、図１の一部分の正面図を示している。

この発光ダイオード５１は、大略的に、サファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）基板２上に、ｎ型半導体層３、発光層４、ｐ型半導体層５が形成され、発光層４で発生した光をサファイア基板２側から取出すフリップチップ（フェイスダウン）タイプの発光ダイオードである。前記ｎ型半導体層３上で、一部分の発光層４およびｐ型半導体層５が除去されてｎ電極領域となり、前記ｐ型半導体層５上の一部分がｐ電極領域となり、それぞれｎ電極６およびｐ電極７が形成され、それらはバンプ電極などを介して、図示しない配線基板に接続される。

前記基板２は、前記サファイアに限定されず、発光波長に対して透光性を持つものであればよいことは言うまでもない。またこの種の発光ダイオードの製造方法については、当業者には公知のＭＯＣＶＤ法を用いて実現することができ、ここでの詳しい説明は省略する。

注目すべきは、本発明では、基板２の発光層４が形成される面とは反対側の表面が、面方向に周期的に異なる誘電率に形成され、さらにその誘電率の異なる周期は、波長λ以上で、かつ５λを境界として、５λより充分大きい長周期Ａと、５λ以下の短周期Ｂとの周期成分が重畳されたものであることである。ここで多重反射する界面に、凹凸５８によって周期的に誘電率（＝屈折率^２）を変化させた形状を形成すると、光の回折効果などの波動光学現象により外部への光取出し効率を向上させることが可能となる。さらに本発明では、その凹凸５８の周期は、前記長周期Ａと短周期Ｂとの成分が重畳されたものである。

前記凹凸５８は、長周期Ａ毎に基板２の表面から予め定める深さまで埋込まれ、前記基板２より小さく空気より大きい屈折率を有する円柱状の第１の透明材料５８ｅと、短周期Ｂ毎に前記基板２の表面から前記予め定める深さまで埋込まれ、前記第１の透明材料より小さく空気より大きい屈折率を有する円柱状の第２の透明材料５８ｆとの組合わせとする。前記透明材料５８ｅ，５８ｆを埋込むために、前記基板２の表面から、それぞれに対応した凹部５８ｃ，５８ｄが刻設され、それらの凹部５８ｃ，５８ｄに前記透明材料５８ｅ，５８ｆがそれぞれ充填され、凹部５８ｃ，５８ｄが形成されなかった基板２の表面部分が凸部５８ａとなる。

そして、重畳される第１の透明材料５８ｅの長周期Ａは、前記発光層４で発生された光の空気中における波長λの５倍の周期よりも大きな前記波長より充分大きい周期とし、第２の透明材料５８ｆの短周期Ｂは、前記５倍以下で、かつ１倍以上の前記波長λより大きい周期とする。前記第１の透明材料５８ｅおよび第２の透明材料５８ｆは、角柱状でもよい。

この図１の例では、周期Ａと周期Ｂとの比は、３：１であり、かつ透明材料５８ｅ，５８ｆ（凹部５８ｃ，５８ｄ）の位相は一致しており、したがって第２の透明材料５８ｆ（凹部５８ｄ）の３つに１つが第１の透明材料５８ｅ（凹部５８ｃ）に重なるようになっている。また、第１の透明材料５８ｅ（凹部５８ｃ）と第２の透明材料５８ｆ（凹部５８ｄ）との径は、たとえば５００ｎｍで、高さ（深さ）は、たとえば３００ｎｍである。そして、第１の透明材料５８ｅの屈折率ｎ１と、第２の透明材料５８ｆの屈折率ｎ２とは、サファイア（ｎ＝１．７６８）＞ｎ１＞ｎ２＞空気（ｎ＝１）となっており、たとえばｎ１＝１．５、ｎ２＝１．２である。

前記発光層４の発光波長λは、たとえば４６０ｎｍであり、上述のように周期Ａ，Ｂ共、前記発光層４で発生された光の空気中における前記波長λよりも大きく、長周期Ａは、５λより大きい周期に選ばれ、短周期Ｂは、前記５λ以下に選ばれる。基板２内の波長λ’は、λ／ｎとなり、サファイアの場合、ｎ＝１．７６８であるから、λ’＝２５８ｎｍである。

図３に、本件発明者のシミュレーション結果のグラフを示す。このグラフは、前記図１３と同様に、基板の出射面への発光層からの入射角θの変化に対する透過率（光取出し効率）の変化を示すグラフである。この図３は、基板２がサファイアの場合を示しており、前記図１３と同様に、参照符号α０は基板２の表面が平坦な状態での透過率を示し、参照符号β０は、入射配光分布のグラフである。一方、参照符号α１，α２，α３，α４は、基板２の表面に凹凸を形成した状態での透過率を示し、それぞれ周期が１，２，３，４μｍである。

したがって、５λ＝２．３μｍ程度を境界に、図４の参照符号αａで模式的に示すように、それよりも短い方の周期に形成すると出射面への入射角θが比較的深い領域での透過率が高くなり、図５の参照符号αｂで模式的に示すように、それよりも長い方の周期に形成すると前記入射角θが比較的浅い領域での透過率が高くなることが理解される。本件発明者は、このような知見に基づき、前述のように周期Ａ，Ｂ共、波長λよりも大きく、かつ長周期Ａは５λより大きく、短周期Ｂは前記５λ以下に設定する。

たとえば、長周期Ａを前記参照符号α３の３μｍに設定し、短周期Ｂを前記参照符号α１の１μｍに設定すると、図３において、前述の図１３と同様に梨地で示す参照符号γ０で示される領域に加えて、斜線で示す参照符号γ１で示される領域も、前記参照符号β０で示す入射配光分布内であるので、新たに光として取出すことができる。これによって、λ／４の凹凸構造を採用しないことで、前記フレネルロスの低減による光取出し効率は低下するが、それ以上に回折による光取出し効率が向上するので、前記λ／４の凹凸構造に比べて、光取出し効率を向上することができる。

ここで、Ｂ＝λ以下の周期構造となると、通常よく用いられるλ／４の凹凸構造などと同様に、フレネルロスの低減による光取出し効率は向上するが、本発明による回折による光取出し効率の向上効果は小さくなる。また、加工性から、Ａ＝１５λ程度までが好ましい。

図６は、前記発光ダイオード５１の凹凸５８の形成工程を示す図である。作成方法としては、下記に示すような、ナノインプリントリソグラフィー法を用いることができる。図６（ａ）〜（ｂ）で示すように、第１のレジスト５２をスピンコートし、長周期Ａの凹部５８ｃに対応した高さ１μｍのパターンを有する型５３をレジスト５２に押付け、型形状をレジスト５２に転写する。型形状が転写されたレジスト５２をマスクとして、選択比１の条件で、図６（ｃ）で示すように基板２のリアクティブイオンエッチングを行い、図６（ｄ）で示すように基板２に型５３の形状を転写する。

こうして、基板２に長周期Ａの凹部５８ｃとなる孔が加工された後、図６（ｅ）で示すように、前記第１の透明材料５８ｅとなる第２のレジスト５４をスピンコートして基板２の孔に充填し、かつ、表面に０．５μｍの厚みを形成する。続いて、図６（ｆ）で示すように、短周期Ｂの凹部５８ｄに対応した高さ１μｍのパターンを有する型５５をレジスト５４に押付け、型形状をレジスト５４に転写する。型形状が転写されたレジスト５４をマスクとして、選択比１の条件で、図６（ｇ）で示すように基板２のリアクティブイオンエッチングを行い、図６（ｈ）で示すように、前記凹部５８ｃ内に第１の透明材料５８ｅが残されたまま、基板２に型５５の形状を転写する。

こうして、基板２に短周期Ｂの凹部５８ｄとなる孔が加工された後、図６（ｉ）で示すように、前記第２の透明材料５８ｆとなる第３のレジスト５６をスピンコートして基板２の孔に充填し、かつ表面に０．５μｍの厚みを形成する。続いて、図６（ｊ）で示すように、孔からはみ出した部分を酸素ガスによるリアクティブイオンエッチングにより、基板２を加工せずにレジスト残渣のみ除去し、図６（ｋ）で示すような所望の形状を得る。

以上のように構成される発光ダイオード５１によれば、基板２の発光層４が形成される面とは反対側の表面に、２重周期Ａ，Ｂで透明材料５８ｅ，５８ｆが埋込まれているので、基板２の天面に臨界角以上の角度で入射する光も取出すことができるようになる。しかも、その周期Ａ，Ｂは、出射面への入射角θが比較的深い領域での透過率が高くなる波長λの５倍よりも大きな長周期Ａと、前記入射角θが比較的深い領域での透過率が高くなる前記波長λの５倍以下の短周期Ｂとの組合わせであるので、あらゆる入射角θに対しても、回折による光取出し効率が向上し、前記λ／４の凹凸構造に比べて、光取出し効率を向上することができる。

なお、平面的には、前記周期Ａ，Ｂには、ペンローズのタイリングやアルキメデス配列等の準周期構造を適用することが好ましい。ペンローズのタイリングとは、２種類の図形で平面上を非周期的に、すき間なく敷き詰めるようなタイルのことである。図７の例では、２種類の菱形で正五角形を作成している。黒塗りで示すその正五角形の頂点に前記長周期Ａの第１の透明材料５８ｅを埋込み、残余の２種類の菱形の中心に前記短周期Ｂの第２の透明材料５８ｆを埋込む。もちろん、この図７の例に限られるものではない。

一方、アルキメデス配列（平面充填形）も、２種類の図形で平面上をすき間なく敷き詰めるという点でペンローズのタイリングと同意であるが、正多角形を用いる。図８の例では、正方形と正八角形とによって平面を敷き詰めている。アルキメデス配列はこれを含めて全部で８種類（１種類の正多角形で充填する場合を含めると１１種類）あることが知られている。これらの図形を用いれば、本発明の凹凸５８の周期構造を平面上に再現することが可能になり、所望とする光取出し効率の向上効果を、精度よく得ることが可能になる。

［実施の形態２］
図９は、本発明の実施の第２の形態に係る発光ダイオード８１の構造を示す断面図である。この発光ダイオード８１は、前述の発光ダイオード５１に類似し、対応する部分には同一の参照符号を付して示し、その説明を省略する。注目すべきは、この発光ダイオード８１では、基板８２の表面に形成される凹凸８８は、短周期Ｂ毎に穿設される凹部８８ｃの深さを、前記長周期Ａの正弦波もしくは三角波状（図９では三角波状）に設定して実現されることである。

前記凹凸８８の具体的な作成方法の一例を、図１０を用いて、以下に詳述する。本例では、サファイアから成る基板８２に対して、前記凹凸８８の形成には、パルスレーザと、その照射強度を連続的または非連続的に変化させることが可能な光学系とを用いる。詳しくは、ミラー８３およびレンズ８４を介して前記基板８２に照射されるレーザ光８５の経路に、透過強度が可変であるような光学素子（ＮＤフィルタ、アテネータ、シャッターなど）８６を配置し、前記光学素子８６をモータなどで任意の周期で連続（アナログ）的・あるいは非連続（デジタル）的に制御し、かつ任意のパルスレーザの周期と重畳させることにより、図９のような２重周期構造の凹凸８８を作成することができる。

以下に具体的なパラメータについて詳述する。レーザ源には、サファイアに適応したＴＨＧ−ＹＡＧレーザ（λ＝３５５ｎｍ、パルス幅２５ｎｓ、繰り返し周波数１０ｋＨｚ）を用いる。この際、レーザ光８５の経路内に、前記光学素子８６として、透過率Ｔを０〜９２％まで段階的に変化させることが可能なＮＤフィルタ（回転させることでレーザの透過位置の透過率Ｔを可変にしたもの）を配置し、そのＮＤフィルタの透過率Ｔが最大から最小になるまでの周期が１ｍｓとなるよう、モータを使って５００ｒｐｍで回転し、さらに基板８２を固定したステージを１ｍｍ／ｓｅｃで走査する。

その結果、Ｂ＝１μｍ、Ａ＝３μｍで、加工深さ０．１〜１μｍの２重周期構造の凹凸８８の作成が可能となった。この周期ピッチおよび加工深さは、レーザの出力・レーザの周波数・フィルタの回転数・基板固定ステージの走査速度などを変化させることで、自由に変化させることが可能である。

また、前記凹凸８８の具体的な作成方法の他の例を、図１１を用いて、以下に詳述する。本例では、前記凹凸８８の形成に、前記パルスレーザを使用し、事前に基板８２の加工面上に、レーザ吸収体８９を、高さが長周期Ａで変化するように形成しておく。具体的には、エンボス・インプリント加工を利用し、前記レーザ吸収体８９となるシリコーン樹脂を基板８２上にスピンコート（３０００ｒｐｍ，６０ｓｅｃ）し、約５μｍの樹脂層８９ａを生成する。次に、この樹脂層８９ａに対して上から垂直に、前記長周期Ａの約３μｍピッチの凹凸を有するモールド８９ｂを４ＭＰａの圧力で型押し（ｅｍｂｏｓｓ）する。この結果、モールド８９ｂに描いた凹凸形状の反転形状が、樹脂層８９ａに転写（ｉｍｐｒｉｎｔ）される。次に、このように凹凸形状が転写された樹脂層８９ａに対し、前記ＴＨＧ−ＹＡＧレーザ（λ＝３５５ｎｍ、パルス幅２５ｎｓ、繰り返し周波数１０ｋＨｚ）を照射する。すると、レーザ照射スポットにおいてシリコーン樹脂がレーザを吸収するので、サファイア基板８２に到達するエネルギーは減衰する。したがって、加工点におけるシリコーン樹脂が厚い程、加工深さが小さくなる。

こうして、微細凹部８８ｃの穿設（短周期Ｂ）と、レーザのパルス（長周期Ａ）により、２重周期構造の凹凸８８を作成することができる。本例では、ステージの走査速度を１ｍｍ／ｓｅｃとしたところ、Ｂ＝１μｍ、Ａ＝３μｍ（加工深さ０．１〜１μｍ）の２重周期構造の凹凸８８の作成が可能となった。この周期ピッチおよび加工深さは、レーザの出力・レーザの周波数・樹脂層の材料・モールドの凹凸形状などを変化させることにより、自由に変化させることが可能である。

さらにまた、前記凹凸８８の具体的な作成方法の他の例を、図１２を用いて、以下に詳述する。本例では、前記凹凸８８の形成に、前記パルスレーザを使用し、事前に基板８２の加工面上に、ＧａＮ層９０を、高さが長周期Ａで変化するようにエピタキシャル成長させておく。詳しくは、ＧａＮなどの半導体材料をサファイア基板８２などの異種材料上にエピタキシャル成長する場合、成長の初期段階においては、図１２のように、積層面とは垂直な断面で三角錐状に核成長する。通常、このような核成長はＧａＮ膜の平坦性に影響して、さらに上に積層する発光層などの品質を悪くするので、長時間かけて核成長が終了するまで成長させるが、本例では、微小なサイズの周期的な凹凸構造を得るために、逆に短時間で成長を終了し、この初期核成長の状態で成長したＧａＮ層９０を利用する。

具体的には、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長）装置のチャンバー内に、前記基板８２を挿入して８００℃程度まで加熱する。次に、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）とＮＨ_３（アンモニア）ガスとを同方向から同時に前記チャンバー内に流入させる。この際のＴＭＧの流量は、たとえば２０μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＮＨ_３の流量は、２６ｍｍｏｌ／ｍｉｎとする。この状態で、約１分間結晶成長させた後でガスを止め、基板８２を冷却してチャンバーから取出した結果、ピッチ１μｍ、高さ０．５μｍの周期的な凹凸構造を作製できた。このピッチ・高さは、ガス流量および基板温度を変化させることによって制御することが可能である。したがって、本例によれば、ごく短時間で微細な周期的凹凸構造を数十ｎｍの精度で作成することが可能である。

こうして作成したＧａＮ層９０は、紫外レーザ光（たとえば前記のＴＨＧ−ＹＡＧレーザ（λ＝３５５ｎｍ））に対し、１０^５ｃｍ^−１程度の吸収率（係数）を持つので、ｔ＝０．１μｍ程度の膜でも６０％以上の光を吸収する。したがって、膜厚が最大の領域（ｔ＝１μｍ）と最小の領域（ｔ＝０．１μｍ）との間で、充分に下地のサファイア層に凹凸８８を形成させることが可能である。もちろん、成長させる材料はＧａＮに限らず、レーザに対する吸収特性を持っている結晶であれば何でもよい（紫外レーザに対してであれば、ＡｌＮ，ＡｌＧａＮ，ＩｎＧａＮ，ＡｌＩｎＧａＮなど）。

なお、成長させたＧａＮ層９０は、レーザ照射によってほぼ蒸発するが、レーザが直接照射されなかったまわりの領域もエネルギーの強い紫外レーザとその発生熱とによってＧａとＮとに分解される。そこで、１０％程度のＨＣｌ溶液に数分間浸透させることによって、分解された残渣は容易に除去することができ、光取り出し面に残留したＧａＮが発光層４からの光を遮蔽してしまうことはない。このようにしてもまた、前記２重周期構造の凹凸８８の作成が可能となった。

また、本発明は、基板２，５２上に凹凸５８，８８を形成するのではなく、各層３，４，５を形成した後、基板２，５２を剥離して、ｎ型半導体層３の裏面にｎ型の電極６を形成するタイプの発光ダイオードにも用いることができ、前記凹凸５８，８８を光取出し面に形成すればよい。

本発明の実施の第１の形態に係る発光ダイオードの構造を示す断面図である。 図１の正面図である。 本件発明者のシミュレーションによる凹凸を形成した基板の出射面への発光層からの入射角の変化に対する透過率（光取出し効率）の変化を示すグラフである。 前記図３で示す本件発明者のシミュレーション結果の一部を模式的に示すグラフである。 前記図３で示す本件発明者のシミュレーション結果の一部を模式的に示すグラフである。 前記発光ダイオードの基板表面への凹凸の形成工程の一例を示す図である。 ペンローズのタイリングを説明するための図である。 アルキメデス配列を説明するための図である。 本発明の実施の第２の形態に係る発光ダイオードの構造を示す断面図である。 図９で示す発光ダイオードにおける凹凸の具体的な作成方法の一例を説明するための図である。 図９で示す発光ダイオードにおける凹凸の具体的な作成方法の他の例を説明するための図である。 図９で示す発光ダイオードにおける凹凸の具体的な作成方法のさらに他の例を説明するための図である。 平坦な基板の出射面への発光層からの入射角の変化に対する透過率（光取出し効率）の変化を模式的に示すグラフである。

符号の説明

５１，８１ 発光ダイオード
２，５２ 基板
３ ｎ型半導体層
４ 発光層
５ ｐ型半導体層
６ ｎ電極
７ ｐ電極
１３ チャンバ
５２，５４，５６ レジスト
５３，５５ 型
５８，８８ 凹凸
５８ａ，８８ａ 凸部
５８ｃ，５８ｄ，８８ｃ 凹部
５８ｅ 第１の透明材料
５８ｆ 第２の透明材料
８３ ミラー
８４ レンズ
８５ レーザ光
８６ 光学素子
８９ レーザ吸収体
８９ａ 樹脂層
８９ｂ モールド
９０ ＧａＮ層

Claims (8)

1. 導電型の異なる半導体層が発光層を介して積層されて成る半導体発光素子において、
   前記発光層に平行な光取出し面の全面あるいは一部に、前記発光層に垂直な同一断面内で、前記発光層で発生された光の空気中における波長の５倍の周期よりも大きい周期と、前記５倍以下で、かつ１倍以上の周期との周期成分が重畳された誘電率構造を有することを特徴とする半導体発光素子。
2. 前記誘電率構造は、前記波長の５倍よりも大きい周期で、前記光取出し面から予め定める深さまで埋込まれ、前記光取出し面を構成する材料より小さく空気より大きい屈折率を有する柱状の第１の透明材料と、前記５倍以下で、かつ１倍以上の周期で、前記光取出し面から前記予め定める深さまで埋込まれ、前記第１の透明材料より小さく空気より大きい屈折率を有する柱状の第２の透明材料から成ることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
3. 前記第１の透明材料および第２の透明材料の平面的な配列周期には、ペンローズのタイリングまたはアルキメデス配列を用いることを特徴とする請求項１または２記載の半導体発光素子。
4. 前記誘電率構造は、前記波長の５倍の周期以下で、かつ１倍以上の周期で、前記光取出し面から穿設される凹部を形成し、その凹部の深さを、前記波長の５倍より大きい正弦波もしくは三角波状に設定して実現されることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
5. 前記請求項２または３記載の半導体発光素子の製造方法において、
   前記光取出し面にレジストを塗布する工程と、
   前記レジストに前記第１の透明材料を埋込むべき凹部に対応した反転形状の型を押付け、形状を転写する工程と、
   転写後のレジストをマスクとしてエッチングを行う工程と、
   前記エッチング後の光取出し面に前記第１の透明材料となるレジストを塗布する工程と、
   前記レジストに前記第２の透明材料を埋込むべき凹部に対応した反転形状の型を押付け、形状を転写する工程と、
   転写後のレジストをマスクとして選択比１の条件でエッチングを行う工程と、
   形成された凹部に前記第２の透明材料となるレジストを充填する工程と、
   前記凹部からはみ出したレジストを除去する工程とを含むことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
6. 前記請求項４記載の半導体発光素子の製造方法において、
   前記光取出し面にパルスレーザを照射することで前記凹部を形成し、その照射強度を連続的または非連続的に変化させることで前記深さを変化させる工程を含むことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
7. 前記請求項４記載の半導体発光素子の製造方法において、
   前記光取出し面上にレーザ吸収体を形成する工程と、
   前記レーザ吸収体に、前記正弦波もしくは三角波の反転形状の型を押付け、形状を転写する工程と、
   前記レーザ吸収体にパルスレーザを照射することで前記凹部を形成する工程とを含むことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
8. 前記請求項４記載の半導体発光素子の製造方法において、
   前記光取出し面上に半導体層を初期核成長させる工程と、
   前記半導体層にパルスレーザを照射することで前記凹部を形成する工程とを含むことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。

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