JP2008010771A - 半導体発光素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】製造時に手間をかけたり製品の歩留まりを低下させることなく、半導体発光素子からの光取出し効率を高くする。
【解決手段】半導体発光素子において、透光性を有する基板２と、基板２上に形成され、発光層４とＰ型半導体層５とＮ型半導体層３とを含む積層部６と、基板２の表面に散布され、粒径が１μｍ以下である複数の微粒子９と、を備える。
【選択図】 図２

Description

本発明は、半導体発光素子及びその製造方法に関し、特に、発光層から発光された光を外部へ取り出す光取出し効率を高めることができる半導体発光素子及びその製造方法に関する。

半導体発光素子の基本的な構造を、図５に基づいて説明する。半導体発光素子１００は、透光性を有する基板１０１と、基板１０１上に形成されてＮ型半導体層１０２と発光層１０３とＰ型半導体層１０４とを含む積層部１０５と、Ｐ型半導体層１０４の下面に形成されたＰ側電極１０６と、Ｎ型半導体層１０２の下面に形成されたＮ側電極１０７とを有している。Ｎ側電極１０７は、Ｐ型半導体層１０４と発光層１０３との一部をエッチングした領域に形成されている。Ｐ側電極１０６とＮ側電極１０７との間に電圧を印加することにより発光層１０３に通電され、発光層１０３から光が発生する。

一般的に、半導体発光素子１００に使用される基板１０１と、基板１０１の外部雰囲気との間には、大きな屈折率の差がある。発光層１０３から発生した光のうち、基板１０１の屈折率をｎ１、外部雰囲気の屈折率をｎ２としたとき、θｃ＝ｓｉｎ^−１（ｎ２／ｎ１）で求められる臨界角θｃ以上の入射角θで基板１０１における外部雰囲気との境界面に入射した光は、基板１０１における外部雰囲気との境界面で矢印ａで示すように全反射し、積層部１０５の表面や基板１０１の境界面で反射を繰り返す。

積層部１０５や基板１０１などは光を吸収する性質を有するため、積層部１０５の表面や基板１０１の境界面で光が反射を繰り返すと、光の減衰率が高くなり、半導体発光素子１００からの光取出し効率が低くなる。

このような課題を解決するために、特許文献１に記載された半導体発光素子の発明が提案されている。この半導体発光素子１１０は、図６に示すように、基板１１１の表面に１μｍ程度の凹凸１１２を形成し、発光層１０３から発生した光が基板１１１における外部雰囲気との境界面に入射した場合に、基板１１１における外部雰囲気との境界面で全反射して半導体発光素子１１０の内部に戻ってくる光の割合を低下させ、境界面で全反射せずに矢印ｂで示すように外部雰囲気中に進行する光の割合を高めている。
特開２００２−３１９７０８号公報

しかしながら、上述した半導体発光素子１１０においては、以下の点について配慮がなされていない。

基板１１１の表面に凹凸１１２を付ける作業は、手間がかかり、コスト高である。さらに、凹凸１１２の箇所からクラックが生じやすく、製品の歩留まりが低くなる。

本発明はこのような課題を解決するためになされたもので、その目的は、製造時に手間をかけたり製品の歩留まりを低下させることなく、半導体発光素子からの光取出し効率を高くすることである。

本発明の実施の形態に係る第１の特徴は、半導体発光素子において、透光性を有する基板と、前記基板上に形成され、発光層とＰ型半導体層とＮ型半導体層とを含む積層部と、前記基板の表面に散布され、粒径が１μｍ以下の微粒子と、を備えることである。

本発明の実施の形態に係る第２の特徴は、半導体発光素子の製造方法において、透光性を有する基板上に発光層とＰ型半導体層とＮ型半導体層とを含む積層部を形成する工程と、前記基板の表面に粒径が１μｍ以下の微粒子を散布する工程と、を備えることである。

本発明によれば、製造時に手間をかけたり製品の歩留まりを低下させることなく、半導体発光素子からの光取出し効率を高くすることができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。

（第１の実施の形態）
図１は、半導体発光素子Ａにおける透光性を有する基板Ｂと外部雰囲気との間の境界面における、基板Ｂ内から外部雰囲気に向かって進行する光の全反射のメカニズムについて説明する模式図である。

半導体発光素子Ａでは、一般に基板Ｂのほうが外部雰囲気より屈折率が高いため、基板Ｂにおける外部雰囲気との境界面に向かって進行する光が、臨界角θｃ以上の入射角θで境界面に入射した場合、その光は全反射される。このとき、外部雰囲気側には、基板Ｂの表面より外側における光の波長レベルの寸法の領域に、エネルギーが指数関数的に減衰する電磁場Ｃが生じている。つまり、光が全反射する位置は、基板Ｂにおける外部雰囲気との境界面ではなく、光の波長レベルの寸法だけ基板Ｂの表面から染み出した位置であると言える。なお、可視光の波長は３８０〜７８０ｎｍであり、電磁場Ｃの距離は３８０〜７８０ｎｍである。

図２は、本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光素子（ＬＥＤ）１を示す縦断正面図である。半導体発光素子１は、透光性を有する基板２と、基板２上に形成されてＮ型半導体層３と発光層４とＰ型半導体層５とを含む積層部６と、Ｐ型半導体層５の下面に形成されたＰ側電極７と、Ｎ型半導体層３の下面に形成されたＮ側電極８とを有している。Ｎ側電極８は、Ｐ型半導体層５と発光層４との一部をエッチングした領域に形成されている。Ｐ側電極７とＮ側電極８との間に電圧を印加することにより発光層４に通電され、発光層４から光が発生する。

基板２における積層部６と平行に対向する表面には、微粒子９が散布された微粒子層１０が形成されている。

微粒子９としては、外部雰囲気（大気）の屈折率１．０より高い屈折率を有し、粒径が１μｍ以下である二酸化珪素（ＳｉＯ_２）を使用することができる。なお、微粒子９としては、二酸化珪素に代えて、二酸化チタン（ＴｉＯ_２）、二酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）を使用してもよい。

微粒子９の散布は、アルコール系の溶媒に微粒子９を混入させた溶液を基板２の表面に塗布し、その後に溶媒を揮発させることにより行うことができる。微粒子９が塗布されて形成される微粒子層１０の厚さ寸法は、１００ｎｍ〜１μｍとされている。

このような構成において、半導体発光素子１に微粒子層１０が形成されていない場合には、発光層４から発光して基板２における外部雰囲気に対する境界面に向けて進行する光は、境界面に対する入射角θが臨界角θｃより大きい場合、図１に示すように、基板２の表面から外部雰囲気側に光の波長に相当する寸法漏れ出した位置で全反射され、基板２中に戻る。

しかし、半導体発光素子１に微粒子層１０が形成されているため、基板２中を外部雰囲気に対する境界面に向けて進行する光の境界面に対する入射角θが臨界角θｃより大きい場合において、その光の一部は、基板２の表面から外部雰囲気側に漏れ出した後に微粒子層１０中の微粒子９に当り、図２の矢印Ｄに示すように、基板２中に戻ることなく外部雰囲気中に進行する。これにより、基板２における外部雰囲気との境界面で全反射する光の割合が低くなり、境界面で全反射せずに矢印Ｄに示すように外部雰囲気中に進行する光の割合を高めることができ、半導体発光素子１からの光取出し効率を高めることができる。

しかも、半導体発光素子１からの光取出し効率を高めるために追加する製造工程としては、基板２の表面に微粒子９を散布して微粒子層１０を形成する製造工程だけであり、製造時に要する手間の増大が僅かである。さらに、微粒子層１０を形成しても、製品の歩留まりが低下するということが生じない。

なお、微粒子９の粒径を１μｍ以下とし、微粒子層１０の厚さ寸法を１００ｎｍ〜１μｍとしたのは、以下の理由による。

可視光の波長はおよそ３８０〜７８０ｎｍであり、基板２の表面に形成される電磁場Ｃも基板２の表面から３８０〜７８０ｎｍの範囲である。この電磁場Ｃ内に漏れ出した光が微粒子９に当って外部雰囲気側へ反射するためには、微粒子９の粒径を１μｍ以下とする必要があるからである。微粒子９の粒径が１μｍ以上になると、電磁場Ｃ内で微粒子９に当った光が基板２側へ反射し、基板２内に戻ることになるためである。

微粒子層１０の厚さ寸法が１μｍより大きくなると、２つ以上の微粒子９が重なった領域が生じ易くなり、そのような領域では、１つの微粒子９に当って進行方向が変わった光が、さらに別の微粒子に当って進行方向が変わり、外部雰囲気中に取り出される前に減衰するという現象が発生する。このような現象を抑制するためには、微粒子層１０の厚さ寸法を１μｍより小さくする必要がある。

また、微粒子層１０の厚さ寸法が薄過ぎる場合には、光が微粒子層１０中の微粒子９に当らない場合が生じ易くなり、微粒子９に当らずに全反射して基板２内に戻るという現象が発生する。このため、基板２から漏れ出した光を微粒子層１０中の微粒子９に当てるためには、微粒子層１０の厚さ寸法を１００ｎｍより大きくする必要がある。

また、微粒子９の屈折率が外部雰囲気の屈性率と比較して高いほうが光の進行方向を変化させる効果が高いため、微粒子９の屈折率は外部雰囲気の屈折率より高いことが好適であるが、基板２の屈折率よりは低くなければならない。

なお、図２では、同一粒径の微粒子９が等間隔で配列されている場合を例に挙げて説明したが、図３に示すように、微粒子９の粒径が均一でなくてもよく、また、微粒子９の間隔が均一でなくてもよい。

基板２として屈折率が２．４の炭化珪素（ＳｉＣ）を用い、屈折率が１．４の二酸化珪素（ＳｉＯ_２）を材料として形成した粒径が３００ｎｍの微粒子９を用いた半導体発光素子１を製造し、光取出し効率を確認する試験を行った。基板２の表面への微粒子９の散布は、アルコール系の溶媒に微粒子９を混入させた溶液を基板２の表面に塗布し、その後に溶媒を揮発させることにより行った。このとき、微粒子層１０の厚さ寸法は、溶媒中の微粒子９の濃度で制御し、溶媒の濃度を、微粒子９が基板２の表面で縦方向に重ならない微粒子濃度である０．００１５％にした。このような条件で製造した半導体発光素子１に電圧を印加して発光層４から光を発生させたところ、図１に示したような微粒子層を有しない半導体発光素子に比べて、１０％の光取出し効率の上昇を確認することができた。

（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態に係る半導体発光素子について、図４に基づいて説明する。なお、第１の実施の形態において、第１の実施の形態において説明した構成要素と同じ構成要素には同じ符号を付け、重複する説明は省略する。

第１の実施の形態に係る半導体発光素子１では、積層部６と平行に対向する基板２の表面にのみ微粒子層１０を形成したが、第２の実施の形態に係る半導体発光素子１Ａでは、基板２の表面と、基板２の側面とに微粒子層１０が形成されている。

このような構成において、基板２の側面で全反射していた光の一部を外部雰囲気中へ取り出すことができ、半導体発光素子１Ａからの光取出し効率を高めることができる。

半導体発光素子における透光性を有する基板と外部雰囲気との間の境界面における、基板内から外部雰囲気に向かって進行する光の全反射のメカニズムについて説明する模式図である。 本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光素子を示す縦断正面図である。 第１の実施の形態に係る半導体発光素子の変形例を示す縦断正面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る半導体発光素子を示す縦断正面図である。 従来例の半導体発光素子を示す縦断正面図である。 他の従来例の半導体発光素子を示す縦断正面図である。

符号の説明

１、１Ａ…半導体発光素子、２…基板、３…Ｎ型半導体層、４…発光層、５…Ｐ型半導体層、６…積層部、９…微粒子、１０…微粒子層

Claims (4)

1. 透光性を有する基板と、
   前記基板上に形成され、発光層とＰ型半導体層とＮ型半導体層とを含む積層部と、
   前記基板の表面に散布され、粒径が１μｍ以下である複数の微粒子と、
   を備えることを特徴とする半導体発光素子。
2. 前記微粒子が散布されて形成される微粒子層の厚さ寸法が、１００ｎｍ〜１μｍであることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
3. 前記微粒子の屈折率が、前記基板の外部雰囲気の屈折率より高いことを特徴とする請求項１又は２記載の半導体発光素子。
4. 透光性を有する基板上に発光層とＰ型半導体層とＮ型半導体層とを含む積層部を形成する工程と、
   前記基板の表面に粒径が１μｍ以下の微粒子を散布する工程と、
   を備えることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
   
   
   
   

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