JP2008084974A - Semiconductor light-emitting device - Google Patents

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Takuya Kazama
Junichi Sonoda
純一 園田
拓也 風間
俊彦 馬場
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Stanley Electric Co Ltd
スタンレー電気株式会社
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To efficiently extract light radiated into air by a light emitter. <P>SOLUTION: A substrate layer, a first layer, an active layer, and a second layer are laminated sequentially. A single layer or a plurality of layers having a two-dimensional periodic structure on a surface are provided at the upper portion of the active layer. The second layer has an intermediate layer having a refractive index that is nearly equal to that of the active layer in the two-dimensional periodic structure, or near it. The intermediate layer plays a role of directional coupling, and reinforces the coupling between the active layer and the two-dimensional periodic structure, thus improving a light extraction effect. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、光取り出し効率の高い半導体発光デバイス(LED)に関し、二次元周期構造を有し、活性層より光取出し面側に活性層の屈折率以下の屈折率を有し、かつ、活性層より光取出し面側に形成された半導体層の中で最も高い屈折率を有する中間層を備えたLEDに関する。 The present invention relates to a high light extraction efficiency semiconductor light emitting device (LED) includes a two-dimensional periodic structure has a refractive index less than a refractive index of the active layer than the active layer on the light extraction surface side, and the active layer an LED having an intermediate layer having the highest refractive index among more semiconductor layers formed on the light extraction surface side.

半導体発光デバイス(LED)は、表示、ディスプレイ、照明等の広い分野での利用が期待されている。 The semiconductor light emitting device (LED) includes a display, display, use in wide fields of lighting and the like are expected. しかし、一般に半導体材料は空気や樹脂などの周囲環境に対する屈折率が大きいため、LEDから放射された光は全反射によって外部への取り出しが制限される。 However, in general the semiconductor material is the refractive index to the surrounding environment such as air or resin is large, the light emitted from the LED takes out to the outside by the total reflection is limited. よって、LEDで発光した光の利用効率が低いという問題が指摘されている。 Thus, the utilization efficiency of light emitted from the LED is has been pointed out low. 例えば半導体材料の屈折率は2.0〜3.5、空気や樹脂などの周囲の屈折率を1.0〜1.5とすると、半導体材料と周囲の媒質の間で全反射が生じるため、LEDから取り出される光の効率は数%に制限される。 For example the refractive index of the semiconductor material is 2.0 to 3.5, and the refractive index of the surrounding air or resin to 1.0 to 1.5, since the total reflection between the semiconductor material and the surrounding medium occurs, the efficiency of light extracted from the LED It is limited to a few percent.

したがって、上記したLEDでは、放射する光を外部により効率良く取り出すことが求められている。 Therefore, the LED described above, be extracted efficiently light emitted by an external being sought.

この課題を解決するものとして、半導体表面に周期構造を形成する手法が提案されている(例えば、特許文献1,2,3,4参照)。 In order to solve this problem, a method of forming a periodic structure on the semiconductor surface has been proposed (e.g., see Patent Documents 1, 2, 3 and 4). 半導体表面に形成した周期構造は、周期構造の波数変換作用によって半導体内部の光の方向を変化させ、全反射していた光を空気中に取り出すようにするもので、内部の光が大きな立体角を有することから、結果的に取り出し効率が向上する。 Periodic structure formed on the semiconductor surface, wavenumber conversion action of the periodic structure by changing the direction of the semiconductor inside the light by the light that has been totally reflected intended to take out into the air, the interior of the light large solid angle because they have, resulting in extraction efficiency is improved.

米国特許 第5779924号 US Patent No. 5779924 特開平10−4209号公報 JP 10-4209 discloses 特開2004−128445号公報 JP 2004-128445 JP 特開2004−31221号公報 JP 2004-31221 JP 特開2005−69709号公報 JP 2005-69709 JP

しかしながら、3次元光波シミュレーションによって前記した周期構造による取り出し効率を算出した結果、見込まれる取り出し効率の向上は、周期構造 による回折効率によって制限され、未だ多くの光がLED内部にとどまりその光取り出し効果が十分に発揮できていないことを確認した。 However, the results of calculating the extraction efficiency due to the periodic structure mentioned above by a three-dimensional light wave simulation, improvement in expected extraction efficiency is limited by the diffraction efficiency due to the periodic structure, the light extraction effect still many light remains inside LED it was confirmed that not be sufficiently exhibited. なお、3次元光波シミュレーションは、本出願の発明者が波動光学シミュレーション方法として出願している(特許文献5)。 The three-dimensional light wave simulation, the inventors of the present application is filed as a wave-optical simulation method (Patent Document 5).

また、周期構造を形成する加工プロセスによっては、周期構造の周期性を完全なものとすることができず、十分な光の取り出し効率が得られないという問題があり、また、この周期構造の周期性を完全なものとするには、加工プロセスに大きな負担がかかるという問題がある。 Also, depending on the fabrication process of forming the periodic structure, can not be the periodicity of the periodic structure perfect, there is a problem that extraction efficiency of sufficient light can be obtained and the period of the periodic structure to sex with perfect, there is a problem that large load is applied to the machining process.

この効率を向上させるものとして、発光層(活性層)に二次元周期構造を直接に形成する構造が考えられ、この構造とすることによって、さらに大幅な効率向上が見込まれる。 As one improving the efficiency, structure directly form a two-dimensional periodic structure in the light emitting layer (active layer) is considered, by this structure, further significant efficiency improvement can be expected. しかしながら、発光層に直接に二次元周期構造を形成する構造では、発光層自体の品質を著しく損傷させてしまうという問題があるため、現実にはこのような構造を採用することはできない。 However, in the structure formed directly on the two-dimensional periodic structure in the light emitting layer, there is a problem that significantly damage the quality of the light emitting layer itself can not be employed such a structure in reality.

一般に結合の切れた半導体表面には、バンドギャップ内に多くの表面状態や欠陥状態が存在する。 In general the coupling of the cutting semiconductor surface, a number of surface states or defect states present in the band gap. そのため、半導体表面近くの多くのキャリアは、この表面状態や欠陥状態を通し再結合する(表面再結合)。 Therefore, the semiconductor surface near a number of carriers will recombine through the surface state and defective state (surface recombination). 活性層に二次元周期構造を形成した場合、加工された活性層には結晶の結合が切れた表面と同じ状態が生じることになり、活性層に注入されたキャリアは表面再結合によりが光ではなく熱に変換されてしまい効率が低下する。 If the active layer to form a two-dimensional periodic structure, the processed active layer will be the same state as the surface has expired bound crystal caused by carriers surface recombination injected into the active layer in the light is converted to no heat will efficiency is lowered.

本発明は前記した従来の問題点を解決し、発光体が放射する光を空気中により効率よく取り出すことを目的とする。 The present invention solves the conventional problems described above, the light emitting element emits aims to efficiently extract the air.

また、加工プロセスに負担をかけることなく光の取り出し効率を向上させることを目的とする。 It is another object to improve the light extraction efficiency without burdening the fabrication process.

また、周期構造の周期性が不十分な場合であっても、光の取り出し効率を向上させることを目的とする。 Further, even if the periodicity of the periodic structure is insufficient, for the purpose of improving the light extraction efficiency.

発明者は、前記した三次元光波シミュレーションによって半導体発光デバイスからの光放射を解析した結果、光の取り出しに係わる要因として、二次元周期構造中、または二次元周期構造の近傍に活性層の屈折率以下の中間層を設けることで中間層が方向性結合の役割を果たし活性層と二次元周期構造との結合を強め光取り出しの効果を改善することを見出した。 INVENTION As a result of analyzing the light emission from the semiconductor light emitting device by a three dimensional light wave simulation described above, as a factor related to the extraction of light, the refractive index of the two-dimensional periodic structure, or the active layer in the vicinity of the two-dimensional periodic structure It found that the intermediate layer improves the effect of the stronger light extraction binding between the active layer and the two-dimensional periodic structure acts directional coupler by providing the following intermediate layer.

また、光取出しに関わる要因が、その二次元周期構造の形状、活性層と二次元周期構造との距離にあることも見出した。 Furthermore, factors involved in light extraction, the shape of the two-dimensional periodic structure has also been found that the distance between the active layer and the two-dimensional periodic structure. ここでいう二次元周期構造とは三角格子、正方格子、六角格子などの周期構造、または、ペンローズタイリングのパターン、12回対称を有する正方形―三角形タイリングのパターンなどいずれかの並進対称性を持たない準結晶構造およびそれらの組み合わせをいう。 The term two-dimensional periodic structure with a triangular lattice, square lattice, the periodic structure such as a hexagonal lattice, or a pattern of Penrose tiling, square with 12-fold symmetry - one of translational symmetry, such as triangular pattern tiling It refers to a quasi-crystal structure, and combinations of them do not have.

さらに、本発明の半導体発光デバイスは、デバイスの表面に設けた二次元周期構造と二次元周期構造中、または近傍に設けた中間層に加え、活性層を挟む2つの層の屈折率分布を非対称とすることにより、光取り出しの効果を改善することも見出した。 Furthermore, the semiconductor light-emitting device of the present invention, two-dimensional periodic structure and in the two-dimensional periodic structure provided on the surface of the device, or in addition to the intermediate layer provided in the vicinity, the refractive index distribution of the two layers sandwiching the active layer asymmetrically with it was also found to improve the effect of light extraction.

本発明の半導体発光デバイスは、二次元周期構造および中間層を設けることで、発光体が放射する光の外部への光の取り出し効率を向上させるものである。 The semiconductor light-emitting device of the present invention, by providing a two-dimensional periodic structure and the intermediate layer, light-emitting body to thereby improve the light extraction efficiency to the outside of the light emission.

本発明の半導体発光デバイスは、基板層と、この基板層の上方に、第1の層、活性層、および第2の層を順に積層した構成とする。 The semiconductor light-emitting device of the present invention includes a substrate layer, above the substrate layer, a first layer, an active layer, and a second layer laminated in this order configuration.

第1の層は、第1導電型半導体クラッド層を含む単数または複数からなる層を基板層の上方に設ける。 The first layer, a layer consisting of one or more comprising a first conductivity type semiconductor cladding layer on the substrate layer. 活性層は、この第1の層の上方に設け、さらに上方には第2の層を設ける。 The active layer is provided above the first layer, further upward providing the second layer.

第2の層は、第2導電型半導体クラッド層を含み、表面に二次元周期構造を有する単数または複数からなる層を活性層の上方に設ける。 The second layer includes a second conductive type semiconductor cladding layer, a layer consisting of one or more with a two-dimensional periodic structure on the surface above the active layer. この構成によって、デバイスの表面に二次元周期構造を持たせる。 This configuration to have a two-dimensional periodic structure on the surface of the device.

そして、本発明の半導体発光デバイスが備える第2の層は、活性層の屈折率以下の屈折率を有する中間層を含み、この中間層は、第2の層を構成する何れの他の層の屈折率より高い屈折率を有する構成とし、この中間層により、発光の外部への取り出し効率を高める。 Then, a second layer semiconductor light emitting device of the present invention is provided, including an intermediate layer having a refractive index less than a refractive index of the active layer, the intermediate layer, any other layer constituting the second layer a structure having a higher refractive index refractive index, the intermediate layer, increasing the extraction efficiency of the light emission of the external. つまり、中間層は、第2導電型半導体クラッド層の屈折率より高い。 That is, the intermediate layer is higher than the refractive index of the second conductivity type semiconductor cladding layer. 活性層が複数の井戸層および障壁層から構成される多重量子井戸構造を有する場合には、中間層は、その井戸層の屈折率以下の屈折率を有するように設定することが好ましい。 If the active layer is having a multiple quantum well structure composed of a plurality of well layers and barrier layers, the intermediate layer is preferably set to have a refractive index below the refractive index of the well layer. 中間層は、第2の層を構成する各層のいずれの層内に導入してもよく、また、いずれの層との間に導入してもよいが、活性層には隣接させないで構成するものとする。 The intermediate layer may be introduced in any layer in the layers constituting the second layer, also, it may be introduced between any of the layers, which is the active layer constituting not to be adjacent to.

また、第2の層において、二次元周期構造を形成する位置は、活性層で発光した光が通過する層の屈折率nと、光学波長λに基づいて定めることができ、二次元周期構造の底部を活性層の上部から距離が0.1nλ〜nλに位置とする。 In the second layer, the position of forming a two-dimensional periodic structure, a refractive index n of the layer light emitted in the active layer passes, it can be determined based on the optical wavelength lambda, of the two-dimensional periodic structure distance bottom from the top of the active layer and position 0.1Enuramuda~enuramuda. ここでnは二次元周期構造の底部と活性層の上部との間の層の屈折率であって、発光の真空波長(λ 0 )に対する屈折率である。 Where n is a refractive index of the layer between the top of the bottom and the active layer of the two-dimensional periodic structure, a refractive index with respect to emission of the vacuum wavelength (lambda 0). また、λは媒質中の光学波長である。 Further, the λ is the optical wavelength in the medium.

また、本発明の半導体発光デバイスは、上述した構成において、活性層を挟む2つの層の屈折率分布を非対称とする構成とすることが好ましい。 The semiconductor light-emitting device of the present invention, in the configuration described above, it is preferable to have a structure that the refractive index distribution of the two layers sandwiching the active layer and asymmetrical. 非対称な屈折率分布とすることにより発光体が放射する光の外部への光の取り出し効率を向上させることができる。 Can be light emitters by an asymmetrical refractive index profile improves the light extraction efficiency to the outside of the light emission. ここでいう活性層を挟んで非対称な屈折率分布とは、第1の層が、第2の層の内で活性層に接する層の屈折率よりも低い屈折率の層を少なくとも一層含むように形成されていることをいう。 Here, the active layer interposed therebetween asymmetrical refractive index profile say, the first layer, a layer of lower refractive index than the refractive index of the layer in contact with the active layer of the second layer at least to more include It says that they are formed.

基板層には、第1の層と接するように、高い反射率の層(低い屈折率の層)を設けることが好ましく、さらに光取出し効率を高めることができる。 The substrate layer, in contact with the first layer, it is preferable to provide a layer of high reflectivity (low refractive index layer), it is possible to further increase the light extraction efficiency. また、一時的な成長基板上で成長した半導体積層構造を、金属層や反射層を介して別途用意した支持基板へ貼り合わせる方法を用いることにより容易に製造することができる。 Further, the semiconductor multilayer structure grown on a temporary growth substrate can be easily manufactured by using a method of bonding the supporting substrate prepared separately through the metal layer and the reflective layer.

また、本発明の半導体発光デバイスは、上述した構成において、基板層は、基板に加えて、この基板と第1の層とを接合する接合層を含む構成としてもよく、第1の層および第2の層は、適宜、バッファ層、コンタクト層、電流拡散層を設けた構成としてもよい。 The semiconductor light-emitting device of the present invention, in the above configuration, the substrate layer, in addition to the substrate, may be a structure including a bonding layer for bonding the substrate and the first layer, first layer and the 2 layers, as appropriate, the buffer layer, the contact layer may have a structure in which a current diffusion layer. 第2の層にコンタクト層、電流拡散層を設ける場合には、中間層は、コンタクト層および電流拡散層の各層の屈折率よりも大きいものとする。 Contact layer to the second layer, in the case of providing a current spreading layer, the intermediate layer is made larger than the refractive index of each layer of the contact layer and the current diffusion layer.

また、中間層は、第2の層を構成する各層のいずれの層内に導入してもよく、また、いずれの層との間に導入してもよい。 The intermediate layer may be introduced in any layer in the layers constituting the second layer, it may also be introduced between the both layers. ただし、活性層には隣接させない。 However, not adjacent to the active layer. 中間層は、二次元周期構造の溝底部よりも基板層側、あるいは二次元周期構造の溝底部よりも上方に設けても良く、中間層内に溝底部を配置してもよい。 Intermediate layer, the substrate layer side of the groove bottom portion of the two-dimensional periodic structure, or may be provided above the groove bottom portion of the two-dimensional periodic structure may be arranged to the groove bottom in the intermediate layer.

また、第2の層の二次元周期構造の凸部上に透明導電膜(ZnO(n=2)、TiO 2 、Ta 2 O 5 、ITO(n=1.8〜1.9))、高屈折率樹脂層等を形成した構成としてもよい。 The transparent conductive film on the convex portion of the two-dimensional periodic structure of the second layer (ZnO (n = 2), TiO 2, Ta 2 O 5, ITO (n = 1.8~1.9)), the high-refractive index resin layer etc. may be formed with the structure of.

本発明の半導体発光デバイスは、シミュレーションから得られる知見に基づくものであり、以下、ある屈折率の媒質を想定した場合の検証結果を示す。 The semiconductor light-emitting device of the present invention is based on knowledge obtained from the simulation, the following shows the verification result of assuming a medium having a refractive index that is.

また、実施例としてAlGaInP系デバイスとGaN系デバイスを、シミュレーション結果に基づいて構成した場合の具体的な作製方法とその光取り出し効果を示す。 Furthermore, the AlGaInP-based device and GaN-based devices as an example, specific manufacturing method when constructed in accordance with the simulation results and shows the light extraction effect.

以上説明したように、本発明によれば、発光体が放射する光をLEDの外部により効率よく取り出すことができる。 As described above, according to the present invention, the light emitter can be efficiently extracted by an external LED light emitting. また、加工プロセスに負担をかけることなく光の取り出し効率を向上させることができる。 Further, it is possible to improve the light extraction efficiency without burdening the fabrication process.

また、周期構造の周期性が不十分な場合であっても、光の取り出し効率を向上させることができる。 Further, even if the periodicity of the periodic structure is insufficient, it is possible to improve the light extraction efficiency.

以下、本発明の実施の形態について、図を参照しながら詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to FIG.

本発明の半導体発光デバイスの構成例を図1を用いて説明する。 An example of a structure of a semiconductor light-emitting device of the present invention will be described with reference to FIG. なお、図1は断面構成を示している。 Incidentally, FIG. 1 shows a cross-sectional configuration.

図1において、半導体発光デバイス1は、半導体発光デバイスの発光面が二次元周期構造を備える構成において、第1の層2と、この第1の層2上に重なる活性層3と、この活性層3上に重なる第2の層4とを備え、第2の層4の表面、又は第2の層4上に重なる層の表面に二次元周期構造10を備え、活性層の屈折率以下の屈折率を有し、かつ、第2の層内に第2の層の他の屈折率より屈折率が高い中間層を設ける構成とする。 In Figure 1, the semiconductor light-emitting device 1 has a configuration in which the light emitting surface of the semiconductor light-emitting device comprises a two-dimensional periodic structure, a first layer 2, an active layer 3 overlying the first layer 2, the active layer 3 and a second layer 4 overlying the surface of the second layer 4, or comprises a two-dimensional periodic structure 10 on the surface of the layer overlying the second layer 4, the refractive below the refractive index of the active layer has a rate, and the other refractive index than the refractive index of the second layer is to be provided with a high intermediate layer in the second layer.

なお、第1の層と第2の層は、同じ屈折率として、活性層を挟んで対称な屈折率の構成とする他、第1の層2の屈折率と第2の層4の屈折率とを異ならせ、発光層3を挟む両層の屈折率を非対称とし、かつ、第2の層4の屈折率を第1の層2の屈折率よりも高い構成としてもよい。 Note that the first and second layers, as the same refractive index, in addition to the configuration of symmetrical refractive index across the active layer, the refractive index of the first layer 2 and the refractive index of the second layer 4 preparative varied, the refractive index of both layers sandwiching the light emitting layer 3 was asymmetric, and may be the refractive index of the second layer 4 as high constitutive than the refractive index of the first layer 2.

活性層3と二次元周期構造10との距離は、活性層3の上部と二次元周期構造10の底部との距離を0.1λ 0 〜λ 0 (0.1nλ〜nλ)とする。 The distance between the active layer 3 and the two-dimensional periodic structure 10 and the distance between the bottom of the top and the two-dimensional periodic structure 10 of the active layer 3 0.1λ 0 ~λ 0 (0.1nλ~nλ) . この距離は、消失領域の浸透深さと同程度、あるいはそれよりも長い距離である。 This distance, penetration depth and the same degree of quenching region, or a distance longer than that. なお、ここで、λ 0は真空中波長と、nは活性層3と二次元周期構造10との間の半導体層の屈折率である。 Note that, lambda 0 is the vacuum wavelength, n is a refractive index of the semiconductor layer between the active layer 3 and the two-dimensional periodic structure 10.

上記屈折率を有する構成は、MOCVD(有機金属気相成長法)などによる半導体発光デバイス作製時に、第1の層2と第2の層4を構成する層の組成を調整することで実現可能である。 Structure having the refractive index, the light-emitting semiconductor device fabricated at due MOCVD (metal organic chemical vapor deposition method), can be realized by adjusting the composition of the layers constituting the first layer 2 and second layer 4 is there.

活性層に二次元周期構造を加工した場合、表面再結合により半導体発光デバイスの効率が大幅に低下するが、活性層の屈折率以下の屈折率を有する中間層を二次元周期構造中、または、二次元周期構造の近傍に設けることで中間層が方向性結合の役割を果たし、活性層と二次元周期構造との結合を強め光取り出しの効果が向上し、表面再結合による効率低下が生じない。 When processing the two-dimensional periodic structure in the active layer, but the surface recombination efficiency of the semiconductor light emitting device decreases significantly, the two-dimensional periodic structure in an intermediate layer having a refractive index less than a refractive index of the active layer, or, serve intermediate layer directional coupler by providing in the vicinity of the two-dimensional periodic structure, and improving the effect of the stronger light extraction binding between the active layer and the two-dimensional periodic structure, the efficiency reduction due to surface recombination does not occur . さらに、活性層まで二次元周期構造を加工する必要がないため、加工プロセスも容易になるメリットがある。 Furthermore, since there is no need to process the two-dimensional periodic structure to the active layer, there is a merit to be easy working process.

さらに、屈折率を非対称な構成とした場合には、半導体発光デバイスを構成する各層内における光の存在分布を、屈折率が対称である構成による光分布と異ならせ、この光分布によって発光層内に閉じ込められていた光を発光層外に取り出し易くすることが可能である。 Furthermore, in the case where the refractive index was asymmetrical configuration, the existence distribution of light in the respective layers constituting the semiconductor light emitting device, be different from the light distribution by the configuration refractive index is symmetrical, the light emitting layer by this light distribution it is possible to easily take out the light to the outside the light-emitting layer which has been trapped. これは、第2の層4の屈折率を第1の層2の屈折率よりも高くすることによって、発光層から取り出した光を、屈折率が高い第2の層4側に導き、二次元周期構造5と活性層3から発光した光が強く結合し、二次元周期構造5がより効果的に光取り出しに寄与するためである。 This leads to refractive index of the second layer 4 by higher than the refractive index of the first layer 2, the light extraction from the light-emitting layer, the higher refractive index second layer 4 side, the two-dimensional periodic structure 5 and bonded light emitted strongly from the active layer 3, because the two-dimensional periodic structure 5 to contribute to a more effective light extraction.

また、上記効果は半導体発光デバイス1の周囲が空気(n=1.00)の場合だけでなく、樹脂(n=1.45)などの媒質で覆われている場合でも効果があり、LEDの実用上効果的である。 Further, the effect is not only around the semiconductor light-emitting device 1 is air (n = 1.00), it is effective even when covered with a medium such as a resin (n = 1.45), practically effective for LED it is.

本発明の半導体発光デバイス1が備える二次元周期構造10は、例えば円孔最密配列(図1(b))又は錐状突起最密配列により構成することができ、フォトニック結晶あるいはフォトニック準結晶により形成することができる。 Two-dimensional periodic structure 10 on which the semiconductor light-emitting device 1 of the present invention comprises, for example circular holes and most densely arranged can be constituted by (FIG. 1 (b)) or cone-shaped projections close-packed array, the photonic crystal or a photonic quasi it can be formed by crystallization. 錐状突起最密配列は、錐状体の突起物を最密配列するものであり、錐状体は任意の形状とすることができ、例えば、円錐状突 起最密配列や角錐状突起最密配列とすることができる。 Cone-shaped projections close-packed array is for close-packed array of projections of the cones, cones can be of any shape, for example, the uppermost conical impact force close-packed arrangement or pyramidal projections it can be a dense array.

なお、フォトニック結晶は、屈折率を異にする領域を光の波長程度の周期で繰り返して並べることで構成され、フォトニック準結晶は、2つの異なる屈折率領域を光の波長程度の周期で繰り返すフォトニック結晶において配列パターンを準結晶のパターンに従って構成するものであり、屈折率について並進対称性を持たず、長距離秩序及び回転対称性を有する屈折率の準周期構造を備える。 Incidentally, the photonic crystal is constructed by arranging repeatedly at a period of the order of the wavelength of light having different region refractive index, photonic quasicrystal, two different refractive index region in a cycle of about the wavelength of light repeated and constitutes in accordance with the pattern of the quasicrystalline arrangement pattern in the photonic crystal, no translational symmetry for refractive index, comprising a quasi-periodic structure of the refractive index with long-range order and rotational symmetry. 準結晶を形成するパターンとしては、例えば、ペンローズタイリング(Penrose-type) のパターンや正方形−三角形タイリング(12-fold Symmetric)のパターンを用いることができる。 The pattern for forming a quasi-crystalline, for example, Penrose tiling (Penrose-type) of the pattern or square - may be used in a triangular pattern tiling (12-fold Symmetric).

フォトニック準結晶による格子構造を備えた発光取出し面を適用することによって、光の取り出し効率を高めることができ、また、視野角依存性を低減して高い立体角を得ることができる。 By applying the emission extracting surface having a grating structure according to photonic quasicrystal can increase the light extraction efficiency, it is also possible to obtain a high solid angle by reducing the viewing angle dependence.

図2(a)は円孔最密配列による二次元周期構造10の平面を示し、図2(b)は半導体発光デバイス1及び二次元周期構造10の側面を示している。 2 (a) shows a plan view of the two-dimensional periodic structure 10 by circular holes close-packed array, FIG. 2 (b) shows a side of the semiconductor light-emitting device 1 and the two-dimensional periodic structure 10.

この円孔最密配列の二次元周期構造を備える半導体発光デバイス1では、第2の半導体層4に孔径2r、孔の深さdhを有する円孔11aが周期的に配列され、円孔11aの底部12と活性層3の上部との間の距離をdsとしている。 In the semiconductor light-emitting device 1 comprises a two-dimensional periodic structure of the circular hole close-packed array, a pore diameter 2r to the second semiconductor layer 4, a circular hole 11a having a depth dh of holes are periodically arranged, the circular hole 11a the distance between the top of the bottom 12 and the active layer 3 is set to ds. 二次元周期構造を定めるパラメータとして格子常数a(孔間のピッチ)を備える。 Comprising a lattice constant a (pitch between holes) as parameters defining a two-dimensional periodic structure.

3次元光波シミュレーションの結果によれば、これらのパラメータa,2r,及びdhによって光の取り出し効率が変化し、 According to the three-dimensional light wave simulation results, these parameters a, 2r, and the light extraction efficiency is changed by dh,
a=nλ〜1.5nλ a = nλ~1.5nλ
2r=0.5a〜0.6a 2r = 0.5a~0.6a
dh=0.5nλ〜nλ dh = 0.5nλ~nλ
において、光の取り出し効率が最大となる。 In, the light extraction efficiency is maximized.

また、図3(a)は円錐突起最密配列による二次元周期構造10の平面を示し、図3(b)は半導体発光デバイス1及び二次元周期構造10の側面を示している。 Further, FIG. 3 (a) shows a plan of the two-dimensional periodic structure 10 by a conical protrusion close-packed array, FIG. 3 (b) shows a side of the semiconductor light-emitting device 1 and the two-dimensional periodic structure 10.

この円錐突起最密配列の二次元周期構造を備える半導体発光デバイス1(発光面は円錐突起によって完全に満たされているものとする)では、第2の半導体層4に角度θを有する円錐突起13が周期的に配列され、円錐突起13の底部14と活性層3の上部との間の距離をdsとしている。 In the semiconductor light emitting device 1 comprising a two-dimensional periodic structure of the conical projection close-packed array (light-emitting surface is assumed to be completely filled by the conical projections), the conical protrusion having an angle θ to the second semiconductor layer 4 13 There are periodically arranged, and the distance between the top of the bottom 14 and the active layer 3 of the conical projection 13 and the ds. 二次元周期構造を定めるパラメータとして格子常数a(円錐突起間のピッチ)、及び角度θを備える。 Lattice constant a as parameters defining a two-dimensional periodic structure (pitch between the conical projections), and a angle theta.

3次元光波シミュレーションの結果によれば、これらのパラメータa,θによって光の取り出し効率が変化し、 According to the three-dimensional light wave simulation results, these parameters a, the light extraction efficiency varies depending theta,
a=0.5nλ〜nλ a = 0.5nλ~nλ
θ=60°〜65° θ = 60 ° ~65 °
において、光の取り出し効率が最大となる。 In, the light extraction efficiency is maximized.

格子常数aの依存性が小さいことから、要素のサイズと最密配列の程度が、最適な最密配列から大きくずれていない程度に適正化されていれば、他の表面構造であっても同様の効果を得ることを期待することができる。 Since the dependence of the lattice constant a is small, the degree of element size and close-packed array, if it is optimized to an extent that is not largely deviated from the optimum close-packed array, be other surface structure similar it can be expected to obtain the effect.

以上より、二次元周期構造の加工精度は低くてもよいため、加工プロセスも容易であることがわかる。 Thus, since processing accuracy may be lowered two-dimensional periodic structure, it is understood that fabrication process is easy.

なお、上記光の取り出し効率は、後述するように、二次元周期構造を備えない平面構造の自発光デバイスの光取り出し量を基準とした比較によって得ている。 Incidentally, the extraction efficiency of the light, as will be described later, is obtained by comparison relative to the light extraction quantity of the self-luminous device of a planar structure without the two-dimensional periodic structure.

また、3次元光波シミュレーションの結果によれば、活性層3の上部と二次元周期構造10の底部(図2(b)に示す円孔最密配列の底部12、図3(b)に示す円錐突起最密配列の底部14)との距離dsを0.1nλ〜0.3nλ、又は0.3nλ〜nλとすることによって、光の取り出し効率が向上する。 Further, according to the results of the three-dimensional light wave simulation, shown in the bottom (bottom of the circular hole close-packed arrangement shown in FIG. 2 (b) 12 of the top and the two-dimensional periodic structure 10 of the active layer 3, and FIG. 3 (b) conical projections close-packed array of bottom 14) the distance ds between 0.1Enuramuda~0.3Enuramuda, or by a 0.3Enuramuda~enuramuda, the light extraction efficiency is improved.

距離dsを0.3nλ〜nλとして、活性層の上部と二次元周期構造の底部との距離を厚い構成とした場合には、活性層3で自由発光する光の活性層からの取り出しを高め、また、距離dsを0.1nλ〜0.3nλとして、活性層の上部と二次元周期構造の底部との距離を薄い構成とした場合には、光放射及び光の取り出しを、より高めるように変化させることで取り出し効率を向上させる。 The distance ds as 0.3Enuramuda~enuramuda, when the distance between the bottom of the top and two-dimensional periodic structure of the active layer and the thick structure enhances the removal from the active layer of the light freely emitted by the active layer 3, also , the distance ds as 0.1Enuramuda~0.3Enuramuda, when the distance between the bottom of the top and two-dimensional periodic structure of the active layer and thin configuration, the extraction of light emitting and light, changing so as to increase more improve the extraction efficiency.

この二次元周期構造は、モールドや鋳型によって予め二次元周期構造の突起を形成しておき、この突起構造を半導体基板に転写することで形成するほか、エピタキシャル等のエッチング処理等によって形成することができる。 The two-dimensional periodic structure, previously formed a projection in advance a two-dimensional periodic structure by the mold and the mold as well be formed by transferring the protrusion structure on a semiconductor substrate, it is formed by etching or the like of epitaxial etc. it can.

この二次元周期構造の形成において半導体層を削る工程を含む場合、底部では活性層の近傍まで半導体層を削ることになり、その距離は前記したdsで定まる。 If the formation of the two-dimensional periodic structure comprising the step of grinding the semiconductor layer, will be cutting the semiconductor layer to the vicinity of the active layer at the bottom, the distance is determined by ds described above. そのため、活性層の上部と二次元周期構造の底部との距離dsが薄い構成では、製造プロセス中に活性層を損傷する可能性が高くなるという問題がある。 Therefore, the distance ds is thin configuration of the bottom of the top and two-dimensional periodic structure of the active layer, there is a problem that can damage the active layer during the manufacturing process becomes high.

この場合には、前記した距離dsを0.3nλ〜nλの二次元周期構造形成し、本発明の構成のように、中間層を導入すること、または、さらに活性層を挟み非対称な屈折率分布を形成することにより、高い光取出し効率を維持しつつ、この製造プロセス中の活性層の損傷の問題を解決することができる。 In this case, the distance ds which is the two-dimensionally periodic structure formed of 0.3Enuramuda~enuramuda, as in the configuration of the present invention, the introduction of the intermediate layer, or, a more asymmetrical refractive index distribution sandwiching the active layer by forming, high while maintaining the light extraction efficiency, it is possible to solve the problem of damage to the active layer in the manufacturing process. なお、中間層を導入した構成において、後述する図4〜7中の例で示すように、F=3.20を達成することができる。 In the configuration of introducing an intermediate layer, as shown in the example in FIGS. 4-7 to be described later, it is possible to achieve a F = 3.20. なお、ここで、Fは、二次元周期構造を持たず、中間層の導入されていない構成において取り出される光強度を基準(1.00)としたときの光強度を表している。 Note that, F is, represents the light intensity when the no two-dimensional periodic structure, the light intensity to be extracted in a configuration that has not been introduced in the intermediate layer as a reference (1.00).

以下、上記した半導体発光デバイスの光の取り出し効率について、二次元周期構造を備えない平面構造の半導体発光デバイスの光強度を基準として3次元光波シミュレーションにより求めた結果を、図4〜図7を用いて示す。 Hereinafter, the light extraction efficiency of the semiconductor light-emitting device described above, the result obtained by a three-dimensional light wave simulation of light intensity of the semiconductor light-emitting device of a planar structure without the two-dimensional periodic structure as a basis, reference to FIGS show Te.

なお、活性層の屈折率は2.8、第1の層の屈折率は2.8または2.5、第2の層の屈折率は2.8、2.78、2.5、および中間層の屈折率を2.78として演算を行った。 The refractive index of the active layer is 2.8, the first refractive index of the layer is 2.8 or 2.5, the refractive index of the second layer 2.8,2.78,2.5, and intermediate the refractive index of the layer was calculated as 2.78. また、光の光学波長λとするとき、活性層3の厚さを0.2nλとする。 Also, when the optical wavelength λ of light, and 0.2nλ the thickness of the active layer 3. 発光面が面する空気の屈折率を1.0(図4、5)、樹脂の屈折率を1.45とした。 The refractive index of air emission surface facing 1.0 (FIGS. 4 and 5), the refractive index of the resin was 1.45.

図4,5に、二次元周期構造を備える半導体発光デバイスについて、各構造の光取り出し効率(F)を、二次元周期構造を備えない平面構造の半導体発光デバイスの場合を基準(1.00)として示す。 4 and 5, the semiconductor light-emitting device comprising a two-dimensional periodic structure, the light extraction efficiency (F) of the structure, relative to the case of the semiconductor light-emitting device of a planar structure without the two-dimensional periodic structure (1.00) It is shown as. 3次元光波シミュレーションの結果により得られた最適なパラメータ範囲に基づいて、図4に示す円孔最密配列の二次元周期構造を備える半導体発光デバイスでは、a=1.5nλ、2r=0.6a,dh=nλとし、図5に示す円錐突起最密配列の二次元周期構造を備える半導体発光デバイスではa=0.5nλ、θ=63°とした結果である。 Based on the optimum parameter range obtained as a result of three-dimensional light wave simulation, the semiconductor light emitting device comprising a two-dimensional periodic structure of the circular hole close-packed arrangement shown in Figure 4, a = 1.5nλ, 2r = 0.6a, dh = a n [lambda, the semiconductor light emitting device comprising a two-dimensional periodic structure of the conical projection densest arrangement shown in FIG. 5 is the result of a = 0.5nλ, and theta = 63 °.

図4、5には、シミュレーションを行った、単一層の構造((b),(f))、屈折率を異ならせる非対称構造((c),(g))、屈折率を等しくする対称構造((d),(h))、第2の半導体層に中間層を備える中間層構造((e),(i))、の各構造の模式図を各層の屈折率と共に示す。 4 and 5, the simulation was performed, the structure of the single-layer ((b), (f)), an asymmetric structure to vary the refractive index ((c), (g)), symmetrical structure to equalize the refractive index together with ((d), (h)), the intermediate layer structure comprising an intermediate layer on the second semiconductor layer ((e), (i)), the refractive index of each layer is a schematic diagram of the structure of. また、二次元周期構造の底部と活性層との距離dsを0.3nλ〜nλとした場合((b)〜(e))、0.1nλ〜0.3nλとした場合((f)〜(i))についてそれぞれ示した。 Further, when the distance ds between the bottom and the active layer of the two-dimensional periodic structure and 0.3nλ~nλ ((b) ~ (e)), when the 0.1nλ~0.3nλ ((f) ~ (i)) It is shown respectively, for.

上記図4,5に示したシミュレーション結果をまとめると、以下の表1となる。 To summarize the simulation results shown in FIG. 4 and 5, the Table 1 below.

二次元周期構造の形状を円孔最密配列とした場合においても、円錐突起最密配列とした場合においても同様の光取出し効率向上の傾向が見られた。 The shape of the two-dimensional periodic structure in case of a circular hole close-packed arrangement also tended similar light extraction efficiency even when the conical protrusions close-packed array. また、二次元周期構造を設けた場合において、半導体発光デバイスの層構成が非対称構造の場合に、最も高い光取出し効率が得られ、続いて、中間層構造の場合に高い光取出し効率が得られた。 Further, in the case of providing a two-dimensional periodic structure, when the layer structure of the semiconductor light emitting devices are asymmetrical structure, the highest light extraction efficiency is obtained, followed by high light extraction efficiency in the case of the intermediate layer structure is obtained It was. また、いずれの構造においても、二次元周期構造の底部と活性層との距離dsは、小さい方(0.1nλ〜0.3nλ)が光取出し効率が高いことが確認できた。 In any structure, the distance ds between the bottom and the active layer of the two-dimensional periodic structure, a smaller (0.1nλ~0.3nλ) it was confirmed that a high light extraction efficiency.

図6,7に、二次元周期構造を備え、かつ光取出し面を樹脂により覆った被覆構造の半導体発光デバイスについて、各構造の光取り出し効率(F)を、二次元周期構造を備えない平面構造の半導体発光デバイスの場合(樹脂被覆あり)を基準(1.00)として示す。 Figure 6 and 7, comprises a two-dimensional periodic structure, and a light extraction surface for the semiconductor light emitting device covered covering structure with a resin, the light extraction efficiency of each structure (F), a planar structure without the two-dimensional periodic structure It shows the case of a semiconductor light-emitting devices (with resin coating) as a reference (1.00). 3次元光波シミュレーションの結果により得られた最適なパラメータ範囲に基づいて、図6に示す円孔最密配列の二次元周期構造を備える半導体発光デバイスでは、a=1.5nλ、2r=0.6a,dh=nλとし、図7に示す円錐突起最密配列の二次元周期構造を備える半導体発光デバイスではa=0.5nλ、θ=63°とした結果である。 Based on the optimum parameter range obtained as a result of three-dimensional light wave simulation, the semiconductor light emitting device comprising a two-dimensional periodic structure of the circular hole close-packed arrangement shown in FIG. 6, a = 1.5nλ, 2r = 0.6a, dh = a n [lambda, the semiconductor light emitting device comprising a two-dimensional periodic structure of the conical projection densest arrangement shown in FIG. 7 is the result of a = 0.5nλ, and theta = 63 °.

図6、7には、シミュレーションを行った、屈折率を異ならせる非対称構造((a)、(d))、屈折率を等しくする対称構造((b)、(e))、第2の半導体層に中間層を備える中間層構造((c)、(f))の各構造の模式図を各層の屈折率と共に示す。 Figure 6 and 7 was simulated, asymmetric structure to vary the refractive index ((a), (d)), symmetrical structure to equalize the refractive index ((b), (e)), the second semiconductor intermediate layer structure comprising an intermediate layer in the layer ((c), (f)) along with the refractive index of each layer is a schematic diagram of the structure of. 二次元周期構造の底部と活性層との距離dsを0.3nλ〜nλとした場合((a)〜(c))、0.1nλ〜0.3nλとした場合((d)〜(f))についてそれぞれ示した。 Respectively, for the case where the distance ds between the bottom and the active layer of the two-dimensional periodic structure and 0.3nλ~nλ ((a) ~ (c)), when the 0.1nλ~0.3nλ ((d) ~ (f)) Indicated.

上記図6および図7の結果より、光取出し面を樹脂で被覆した場合においても、二次元周期構造を有する構造、二次元周期構造および非対称な屈折率分布を有する構造、二次元周期構造および中間層を有する構造で光取出し効率の向上の効果を確認できる。 From the results in FIGS. 6 and 7, in the case where the light extraction surface coated with a resin also, the structure having the structure, the two-dimensional periodic structure and asymmetrical refractive index profile having a two-dimensional periodic structure, the two-dimensional periodic structure and the intermediate We can confirm the effect of improving the light extraction efficiency by the structure having the layers. また、二次元周期構造の形状は、円孔最密配列および円錐突起最密配列のいずれの形状においても光取出し向上の効果が確認できた。 The shape of the two-dimensional periodic structure was also confirmed the effect of light extraction improvement in any of the shape of the circular hole close-packed array and conical projections close-packed array.

また、半導体部分に孔(開口部)あるいは凹部を形成する手法は、光照射による凹部の生成するレーザー加工技術や、マスクを用いて半導体層をエッチングする等の半導体生成技術を用いることができる。 Further, the method of forming a hole (opening) or recesses in the semiconductor portion, and laser processing techniques to produce the recesses by light irradiation, it is possible to use a semiconductor generation technique such as etching the semiconductor layer using the mask.

シミュレーション結果によれば、円錐突起周期構造において、半導体発光デバイスのサイズが固定であり、格子定数aが6λまで可変である場合には、光の取り出し効率は最大値の半分まで低下する。 According to the simulation results, the conical projections periodic structure, a fixed size of the semiconductor light-emitting device, when the lattice constant a is variable up 6λ the extraction efficiency of light is reduced to half of the maximum value. このことは、各要素での光散乱、及びフォトニック結晶の周期性による光の回折は、光の取り出し効率に対して同程度に寄与していることを表している。 This light scattering, and diffraction of light by the periodicity of the photonic crystal of each element represents that contribute to the same extent with respect to the light extraction efficiency.

また、格子常数aの依存性が小さいことから、フォトニック結晶は光の取り出し効率に大きく寄与している。 Further, since the dependency of the lattice constant a is small, the photonic crystal is greatly contributes to the light extraction efficiency. また、要素のサイズと最密配列の程度が、構造がローカルで周期的で最適な最密配列から大きくずれていない程度に適正化されていれば、他の表面構造であっても同様の効果を得ることを期待することができる。 The degree of element size and close-packed array, if it is optimized to the extent that structure is not largely deviated from the periodic optimal close-packed array locally, be other surface structure similar effect You can expect to get.

なお、上述した構成は、第1の層、第2の層および活性層を単層で示したが、複数層であってもよい。 Incidentally, the above-described configuration, the first layer, but the second layer and the active layer shown as a single layer, or may be a plurality of layers. 実際の半導体発光デバイスは、一般的に種々の機能を有する複数の層から構成されるため、後述する実施例のように第1の層および第2の層は、適宜、バッファ層、コンタクト層、電流拡散層を設けた構成としてもよく活性層は多重量子井戸構造としてもよい。 Actual semiconductor light emitting device, since generally is composed of a plurality of layers having various functions, the first and second layers as in the embodiment described below, as appropriate, the buffer layer, a contact layer, At best active layer as a structure in which a current diffusion layer may have a multiple quantum well structure. また、中間層は、第2の層を構成する各層のいずれの層内に導入してもよく、いずれの層との間に導入してもよい。 The intermediate layer may be introduced in any layer in the layers constituting the second layer may be introduced between any of the layers. ただし、中間層は活性層には隣接させない。 However, the intermediate layer is not adjacent to the active layer.

ここで、第2の層を複数の層で構成する場合には、中間層は、活性層に隣接させないよう設計すればよい。 Here, when forming the second layer in a plurality of layers, the intermediate layer may be designed so as not to be adjacent to the active layer. 活性層を多重量子井戸構造で構成する場合には、中間層は、活性層の井戸層の屈折率以下となるよう設計する。 When the active layer in the multiple quantum well structure, the intermediate layer is designed to be less than the refractive index of the well of the active layer layer. さらに、活性層(多重量子井戸構造の場合は、中でも井戸層)の屈折率に近いことが望ましい。 Further, the active layer (in the case of multiple quantum well structure, among them the well layer) is desirably close to the refractive index of. このことは、中間層としては、屈折率が大きい方が2次元周期構造との結合効果の点で有効と考えられる一方、発光波長の吸収損失を少なくする観点から、活性層よりバンドギャップの小さい材料、すなわち活性層(多重量子井戸構造の場合は、中でも井戸層)の屈折率以下とすることが望ましいためである。 This is, as the intermediate layer, while the larger the refractive index is considered valid in terms of the coupling effects between the two-dimensional periodic structure, from the viewpoint of reducing the absorption loss of light emission wavelength, a small band gap than the active layer material, namely (in the case of multiple quantum well structure, among them the well layer) the active layer because it is preferably less than or equal to the refractive index of.

また、非対称な屈折率分布を構成する場合においては、第1の層は、第2の層の活性層に接する層の屈折率よりも低い屈折率の層を有するように設計される。 Further, in the case of constituting an asymmetrical refractive index distribution, the first layer is designed to have a layer of lower refractive index than the refractive index of the layer in contact with the active layer of the second layer. また、活性層を複数の層で構成する場合には、各層の屈折率の膜厚荷重平均値を活性層の屈折率とみなし、それより低い屈折率を有する層で第1の層、第2の層を構成するよう設計される。 Further, when forming the active layer in the multiple layers regards the thickness weighted average value of the refractive index of each layer and the refractive index of the active layer, the first layer a layer having the same lower refractive index, the second It is designed to constitute the layer. このことは、多重量子井戸構造の場合、井戸層および障壁層の膜厚(数nm)は、発光波長の10分の1以下であるため、発光は、それぞれの層の屈折率に対し影響を受けるのではなく、その平均屈折率の影響を受けるためである。 This is the case of multiple quantum well structure, since the thickness of the well layer and the barrier layer (a few nm) is less than one tenth of the emission wavelength, emission, the effect on the refractive index of each layer instead of receiving is due to the influence of the average refractive index.

また、第2の層の二次元周期構造の凸部上に透明導電膜(ZnO(n=2)、TiO 2 、Ta 2 O 5 、ITO(n=1.8〜1.9))、高屈折率樹脂層等を形成した構成としてもよい。 The transparent conductive film on the convex portion of the two-dimensional periodic structure of the second layer (ZnO (n = 2), TiO 2, Ta 2 O 5, ITO (n = 1.8~1.9)), the high-refractive index resin layer etc. may be formed with the structure of.

次に、本発明の半導体発光デバイスの実施例として、AlGaInP系とGaN系の2つの材料系について、構成、作製方法、および光取り出し効果のシミュレーション結果について説明する。 Next, as an embodiment of a semiconductor light-emitting device of the present invention, for two material systems AlGaInP-based and GaN-based, configuration, manufacturing method, and the light extraction simulation results of the effect will be described.

図8には、中間層が二次元周期構造の凸部の底部に設けられている半導体発光デバイスの構成およびその屈折率分布を示す。 Figure 8 shows a structure and a refractive index distribution of the semiconductor light-emitting device in which the intermediate layer is provided at the bottom of the convex portion of the two-dimensional periodic structure. 基板層6A上に第1の層である第1導電型半導体クラッド層2A、活性層3A,第2の層である第2導電型半導体クラッド層4Aa、電流拡散層4Ab、中間層5A、電流拡散層4Abを積層して形成し、第2の層4A中に電流拡散層4bの表面に二次元周期構造10を形成する。 First first-conductivity-type semiconductor cladding layer 2A is a layer on the substrate layer 6A, the active layer 3A, a second layer and a second conductivity type semiconductor cladding layer 4Aa, the current diffusion layer 4Ab, intermediate layer 5A, current spreading formed by stacking layers 4Ab, to form a two-dimensional periodic structure 10 on the surface of the current diffusion layer 4b in the second layer 4A. また、基板層6Aの下方には電極7Aを設ける。 Further, below the substrate layer 6A provided electrode 7A.

図9には、中間層が二次元周期構造の凸部の中間に設けられている半導体発光デバイスの構成およびその屈折率分布を示す。 FIG 9 shows a structure and a refractive index distribution of the semiconductor light-emitting device in which the intermediate layer is provided in the middle of the convex portion of the two-dimensional periodic structure. 中間層5Aの位置を除いては、図8に示す構成と同一である。 Except for the position of the intermediate layer 5A, which is the same as that shown in FIG.

図10には、中間層が二次元周期構造の凸部の下に設けられている半導体発光デバイスの構成およびその屈折率分布を示す。 Figure 10 shows a structure and a refractive index distribution of the semiconductor light-emitting device in which the intermediate layer is provided below the projecting portion of the two-dimensional periodic structure. 中間層5Aの位置を除いては、図8または図9に示す構成と同一である。 Except for the position of the intermediate layer 5A, which is the same as that shown in FIG. 8 or 9.

図11には、図8と同様、中間層が二次元周期構造の凸部の底部に設けられている半導体発光デバイスの構成およびその屈折率分布を示す。 11 is similar to FIG. 8 shows a structure and a refractive index distribution of the semiconductor light-emitting device in which the intermediate layer is provided at the bottom of the convex portion of the two-dimensional periodic structure. 図8とは、基板と半導体層間の構成が異なり、基板と半導体層間に電極8Bcおよび結合層8Baが設けられている。 The Figure 8, different configurations of a substrate and semiconductor layers, electrodes 8Bc and binding layer 8Ba is provided on the substrate and the semiconductor layer. 基板と半導体層間の構成が異なるのは、その製造方法が、基板上に直接半導体層を成長して作製するのではく、一時成長基板(最終的に除去される)で形成した半導体層を別途用意した永久基板に貼り合わせて作製されることによる。 The structure of the substrate and the semiconductor layers are different, the manufacturing method, foil in the making to grow directly semiconductor layer on a substrate, a semiconductor layer formed with the temporary growth substrate (are finally removed) separately bonded to the permanent substrate prepared due to be made.

一時成長基板(図示なし)上に、第2の層(第2導電型半導体クラッド層4B、中間層5A、第2導電型半導体クラッド層4B)、活性層3B、第1の層2B(電流拡散層2Bbおよび第1導電型半導体クラッド層2Ba)を成長した後、オーミック電極8Bb、結合層8Baの一部を形成する。 On one o'clock growth substrate (not shown), a second layer (second conductivity type semiconductor cladding layer 4B, the intermediate layer 5A, the second conductivity type semiconductor cladding layer 4B), the active layer 3B, the first layer 2B (current spreading after growing the layers 2Bb and the first conductive type semiconductor cladding layer 2Ba), ohmic electrode 8Bb, form part of the binding layer 8Ba. 一方、基板6B上に、電極8Bc、結合層8Baの一部を形成する。 On the other hand, on the substrate 6B, electrodes 8Bc, form part of the binding layer 8Ba. 結合層8Baを向かい合わせて熱圧着した後、一時成長基板を除去し、露出した第2導電型半導体クラッド層4Bの表面に二次元周期構造10を形成する。 After binding layer and thermocompression bonding face each other 8Ba, to remove a temporary growth substrate, forming a two-dimensional periodic structure 10 on the exposed surface of the second conductivity type semiconductor cladding layer 4B. 電極8Bbは、半導体層とオーミック接合をとると共に、活性層から基板側へ向かう光を基板へ到達する前に反射する機能を有する。 Electrode 8Bb has with taking the semiconductor layer and the ohmic junction, the function of reflecting before reaching the light directed from the active layer to the substrate side to the substrate.

図12には、図8および図11と同様、中間層が二次元周期構造の凸部の底部に設けられている半導体発光デバイスの構成およびその屈折率分布を示す。 FIG 12, similar to FIG. 8 and FIG. 11 shows a structure and a refractive index distribution of the semiconductor light-emitting device in which the intermediate layer is provided at the bottom of the convex portion of the two-dimensional periodic structure. 図8および図11とは、基板と半導体層間の構成が異なり、基板と半導体層との間に高い反射率(あるいは低い屈折率)を有する反射層8Bdを備えた構成を有する。 The FIGS. 8 and 11, different configurations of a substrate and a semiconductor layer, and has a configuration in which the reflective layer 8Bd having a high reflectance between the substrate and the semiconductor layer (or the low refractive index). 図11における電極8Bbより高い反射率の層を導入することができるため、高い光取出し効率を得ることができる。 It is possible to introduce a layer higher than electrodes 8Bb reflectance in FIG. 11, it is possible to obtain a high light extraction efficiency.

図8から図12において、中間層5Aの屈折率は、活性層3Aの屈折率以下とするとともに、第2の層4Aの他の層の屈折率より高くする。 In Figures 8-12, the refractive index of the intermediate layer 5A, as well as the less the refractive index of the active layer 3A, higher than the refractive index of the other layers of the second layer 4A. 中間層5Aは、二次元周期構造10の内部に設ける(図8または図9)他、二次元周期構造10の外部(図10)に設けても、二次元周期構造の内部と外部に渡って(図示なし)設けても良い。 Intermediate layer 5A is provided in the interior of the two-dimensional periodic structure 10 (FIG. 8 or FIG. 9) other, be provided outside the two-dimensional periodic structure 10 (FIG. 10), across the inside and outside of the two-dimensional periodic structure (not shown) may be provided. また、第1の層と第2の層の屈折率は、両者が同一または第1の層の屈折率より第2の層の屈折率が高いことが望ましく、特に後者が望ましい。 The refractive index of the first layer and the second layer, both desirably high refractive index of the same or the second layer than the refractive index of the first layer, in particular the latter is desirable.

上述した図8、図9、図10に示す構成のAlGaInP系材料における実施例について、各層の材料例、屈折率を以下の表2に示し、,図11、図12に示す構成の実施例について、各層の材料例、屈折率を以下の表3に示す。 Figure 8 described above, FIG. 9, for example in the AlGaInP material having the configuration shown in FIG. 10, each layer of material embodiment, the refractive index shown in Table 2 below ,, 11, for example of the configuration shown in FIG. 12 shows the material of each layer example, the refractive index in Table 3 below.

なお、いずれも、第2の層の屈折率がと第1の層の屈折率より大きい場合について示している。 Incidentally, both the refractive index of the second layer and shows the case larger than the refractive index of the first layer.

なお、ここでは、活性層を多重量子井戸で構成しており、このときの屈折率は井戸層(AlGaInP、z =0.15、膜厚20nm、n=3.46)とバリア層(AlGaInP、z =0.56、膜厚10nm、n=3.30)の荷重平均値(3.41)を使用している。 Here, the active layer is composed of multiple quantum well, the refractive index is the well layer at this time (AlGaInP, z = 0.15, thickness 20 nm, n = 3.46) and a barrier layer (AlGaInP, z = 0.56, using thickness 10 nm, n = 3.30 weighted mean value of) the (3.41).

上記表2において、zは(Al z Ga 1-z ) 0.5 In 0.5 PのAl組成の比率を示し、活性層の組成範囲はz=0〜0.6であり、第1の層および第2の層の組成範囲はz=0.5〜1.0であり、中間層の組成範囲はz=0〜0.6(ただし、屈折率は、活性層>中間層、zは、活性層<中間層)である。 In Table 2, z denotes a ratio of the Al composition of (Al z Ga 1-z) 0.5 In 0.5 P, the composition range of the active layer is z = 0 to 0.6, the first and second layers composition range is z = 0.5 to 1.0, the composition range of the intermediate layer is z = 0 to 0.6 (where the refractive index, the active layer> middle layer, z is the active layer <the intermediate layer) is.

本発明の半導体発光デバイスの作製方法の実施例について説明する。 For example of a method for manufacturing a semiconductor light-emitting device of the present invention will be described. 以下では、成長基板上に直接半導体層を成長することで図8、9、10に示すような構成の半導体発光デバイスを作製する方法と、永久基板と半導体層とをメタルボンディング等により貼り合わせることで図11、12に示すような構成の半導体発光デバイスを作製する方法の2つの作製方法を説明する。 In a method of fabricating a semiconductor light-emitting device having a configuration as shown in FIG. 8, 9 and 10 by directly grown semiconductor layer on a growth substrate, to align the permanent substrate and the semiconductor layer together by metal bonding or the like below two manufacturing method of a method of making in the semiconductor light-emitting device having a configuration as shown in FIGS. 11 and 12 will be described.

はじめに、二次元周期構造を有する、GaAs成長基板上にAlGaInP 系半導体層を形成して半導体発光デバイスを作製する方法について説明する。 First, having a two-dimensional periodic structure, a method for manufacturing a semiconductor light-emitting device by forming an AlGaInP-based semiconductor layer on a GaAs growth substrate.

n型GaAs成長基板上にAlGaInPから成るn-Clad層、活性層、p-Clad層、さらに、及び、電極とオーミック接触を確保するためのGaPから成る電流拡散層(CSL)をMOCVD法((有機金属気相成長法)により順次成長する。本実施例では活性層を(Al z Ga 1-z ) 0.5 In 0.5 Pの組成が井戸層(z=0.15,20nm)、バリア層(z=0.56,10nm)の多重量子井戸構造とした。ただし、井戸層とバリア層のAl組成(z)は発光波長に合わせ0<z<0.7の範囲で調整可能であり、本実施例の組成で限定するものではない。 n-Clad layer made of AlGaInP n-type GaAs growth substrate, an active layer, p-Clad layer, further, and the current diffusion layer composed of GaP to ensure electrode and ohmic contact (CSL) by MOCVD (( sequentially grown by metal organic vapor phase epitaxy) of the active layer in. this example (Al z Ga 1-z) 0.5 in 0.5 P composition well layers (z = 0.15,20nm), a barrier layer (z = 0.56 and a multiple quantum well structure 10 nm). However, Al composition of the well layer and the barrier layer (z) is adjustable from a total 0 <z <0.7 in emission wavelength, to limit the composition of the present embodiment not.

AlGaInP系材料の場合、(Al z Ga 1-z ) 1-x In x Pの組成をx=0.5に調整し、Al組成(z)を変化させることで、GaAs成長基板に格子整合させて屈折率を変化させることが可能である。 When an AlGaInP material, a composition of (Al z Ga 1-z) 1-x In x P was adjusted to x = 0.5, by changing the Al composition (z), by lattice-matched to GaAs growth substrate refractive it is possible to change the rate. つまり、n-Clad,p-CladはAlGaInPのAl組成を調整して選択される。 That, n-Clad, p-Clad is selected by adjusting the Al composition of the AlGaInP.

この実施例では、バンドオフセットによる電子・ホールの閉じ込めと屈折率を考慮し、n-Clad(Zs=1.0)、p-Clad(Zs=0.7)、CSLをGaPとした。 In this embodiment, considering confinement and refractive index of the electron-hole by band offset, n-Clad (Zs = 1.0), p-Clad (Zs = 0.7), was GaP the CSL.

中間層は、p-Clad層とCSLの間にAl組成を調整したAlGaInP(z=0.3)からなる層を挿入した。 The intermediate layer was inserted a layer made of AlGaInP (z = 0.3) was adjusted Al composition between p-Clad layer and CSL. このAl組成の調整は、中間層の屈折率が、CSL層の屈折率より大きくなるように、また、活性層の光を吸収しないように(活性層の屈折率より小さくなるように)設定する。 The adjustment of the Al composition, the refractive index of the intermediate layer, so as to be larger than the refractive index of the CSL layer, so as not to absorb light in the active layer (to be smaller than the refractive index of the active layer) is set . 実施例では中間層の屈折率を3.39とした。 The refractive index of the intermediate layer is 3.39 in the embodiment.

電流拡散層は、すでに活性層を積層した後の成長であるため、発光色に対し透明で、かつ、電気的に導電性を有し、金系の合金によりオーミック接触が可能であれば良い。 Current spreading layer are the growth after already laminated active layer, transparent to the emission color, and electrically conductive, an alloy of gold-based may be any possible ohmic contact. 格子定数がGaAsの格子定数と3%程度異なるGaPでも、AlGaInPの成長温度より50〜100℃程度高温に成長すれば、十分な結晶が製造できる。 Lattice constant even about 3% different GaP lattice constant of GaAs, if grown to 50 to 100 ° C. about hotter than AlGaInP growth temperature, sufficient crystal can be produced. また、AlGaAs、GaInPを選択することも可能であり、GaInPの場合はIn組成を調整して所望の屈折率を得ることができる。 Moreover, AlGaAs, it is also possible to select a GaInP, in the case of GaInP is possible to obtain a desired refractive index by adjusting the In composition.

MOCVD法で成長させた後、CSL表面に二次元周期構造を形成する。 After growth by the MOCVD method to form a two-dimensional periodic structure in CSL surface. ここでいう二次元周期構造とは三角格子、正方格子、六角格子などいずれかの周期構造、または、ペンローズタイリングのパターン、12回対称を有する正方形―三角形タイリングのパターンなどいずれかの並進対称性を持たない準結晶構造をいう。 The term two-dimensional periodic structure with a triangular lattice, square lattice, hexagonal or periodic structures, such as gratings, or pattern of Penrose tiling, 12 times the square has a symmetry - translational symmetry of any such triangular pattern tiling It refers to a quasi-crystal structure that does not have a gender.

実施例では、円孔で構成された三角格子配列の二次元周期構造を、第2の層であるCSL層の表面に形成した。 In an embodiment, a two-dimensional periodic structure of the triangular lattice sequence composed of circular holes, formed on the surface of the CSL layer as the second layer. 二次元周期構造の周期a=1000nm、円孔半径r=300nm、深さd=600nm、活性層との距離h=600nmとした。 Period a = 1000 nm of the two-dimensional periodic structure, the circular hole radius r = 300 nm, the depth d = 600 nm, and a distance h = 600 nm of the active layer.

その二次元周期構造の形成方法は、CSL層の表面にフォトリソグラフィー、電子線描画、ナノインプリント、干渉露光などの手法により二次元周期構造のレジストパターンを形成し、ウェットエッチング、または、ドライエッチングにより所望の二次元周期構造を作成する。 Desired method of forming the two-dimensional periodic structure, photolithography on the surface of the CSL layer, electron beam lithography, nanoimprint, by a technique such as interference exposure to form a resist pattern of the two-dimensional periodic structure, wet etching, or dry etching to create a two-dimensional periodic structure. また、SiO 2のパターンを上記方法で形成し、MOCVD法で再成長させることで二次元周期構造を形成することも可能である。 Moreover, the pattern of the SiO 2 was formed by the above method, it is possible to form a two-dimensional periodic structure by regrowing by MOCVD.

電流を供給するための電極は、GaAs基板裏面とCSL層の表面に真空蒸着法、スパッタ法、電子ビーム蒸着法などにより形成することができる。 Electrodes for supplying a current can be formed on the surface of the GaAs substrate backside and CSL layer vacuum deposition method, a sputtering method, or an electron beam deposition method. 具体的には、GaAs基板裏面の電極は金、ゲルマニウム、ニッケルの合金を用いて形成し、CSL層の表面の電極は、金、亜鉛の合金を用いて形成した。 Specifically, the electrode of the GaAs substrate back surface is formed by using gold, germanium, nickel alloy, the surface of the electrode of the CSL layer was formed using gold, zinc alloy. LEDに電流を注入するための電極は、二次元周期構造作成前に形成しても、または、二次元周期構造後に形成しても構わない。 Electrodes for injecting current into the LED, be formed before creating the two-dimensional periodic structure, or may be formed after the two-dimensional periodic structure.

次に、永久基板(Si層)上のAlGaInP系LEDをメタルボンディングすることによって、半導体発光デバイスを作製する方法について説明する。 Then, by metal bonding the AlGaInP-based LED on the permanent substrate (Si layer), a method for manufacturing a semiconductor light-emitting device.

GaAs基板を一時基板とし、AlGaInP系の材料による半導体層を成長した後に、その半導体層を別途用意した基板に貼り付け、しかる後にGaAsを除去した。 And a temporary substrate of GaAs substrate, after growing the semiconductor layer by the material of AlGaInP system, affixed to a substrate prepared the semiconductor layer separately, to remove GaAs thereafter. このような形態のデバイスにおいても高性能化が図られる。 Performance is achieved even in devices such forms.

なお、手順の概略を図13を用いて説明する。 Note that an outline of the steps will be described with reference to FIG. 13.

半導体層と基板層とを個別に形成しておき、これらの層を結合層を挟んで、メタルボンディングによって結合することで行われる。 A semiconductor layer and the substrate layer leave separately formed, these layers sandwiching the bonding layer is carried out by binding the metal bonding. 図13(a)〜(d)は半導体層を形成する手順であり、図13(e)〜(g)は基板層を形成する手順であり、図12(h)〜(j)は半導体層と基板層とを結合する手順を示している。 Figure 13 (a) ~ (d) is a procedure for forming a semiconductor layer, FIG. 13 (e) ~ (g) is a procedure for forming the substrate layer, FIG. 12 (h) ~ (j) a semiconductor layer It shows a procedure for coupling the substrate layer and the.

半導体層を形成する手順では、GaAs基板上に半導体層を形成し(図13(a))、半導体層に上に反射電極層を形成し(図13(b))、さらにその上にバリア層とAuの金属層を形成した後(図13(c))、反転させる(図13(d))。 The steps of forming the semiconductor layer, forming a semiconductor layer on a GaAs substrate (FIG. 13 (a)), a reflective electrode layer thereon is formed on the semiconductor layer (FIG. 13 (b)), further barrier layer thereon after forming a metal layer of Au (FIG. 13 (c)), it is inverted (FIG. 13 (d)). この半導体層に、上述した第1の層、活性層、第2の層を含むものであり、n形GaAs成長基板(図13(a)に相当)上にAlGaInPから成るn-Clad層、活性層、p-Clad層、さらに、GaPから成る電流拡散層(CSL)をMOCVD法により順次成長する(図13(b)に相当)。 This semiconductor layer, the first layer described above, the active layer, which comprises a second layer, n-Clad layer made of AlGaInP on the n-type GaAs growth substrate (corresponding to FIG. 13 (a)), the active layer, p-Clad layer, further, sequentially grown by MOCVD current spreading layer (CSL) made of GaP (corresponding to FIG. 13 (b)). 本実施例ではn-Clad層が光取り出し面側になるため、n-Clad層の屈折率を3.26(z=0.7)、p-Clad層の屈折率を3.17(z=1.0)、とした。 Since the n-Clad layer is on the light extraction surface in this embodiment, the refractive index of the n-Clad layer 3.26 (z = 0.7), the refractive index of the p-Clad layer 3.17 (z = 1.0), was. 本実施例では活性層の(Al z Ga 1-z ) 0.5 In 0.5 Pの組成を井戸層(z=0.15,20nm)、バリア層(z=0.56,10nm)とした。 Was well the composition of (Al z Ga 1-z) 0.5 In 0.5 P active layer layer (z = 0.15,20nm), a barrier layer (z = 0.56,10nm) in this embodiment. ただし、井戸層とバリア層のAl組成(z)は発光波長に合わせ0<z<0.7の範囲で調整可能であり、本実施例の組成で限定するものではない。 However, Al composition of the well layer and the barrier layer (z) is adjustable from a total 0 <z <0.7 in emission wavelength are not intended to limit the composition of the present embodiment.

中間層を導入する場合は、n-Clad層の間にn-Clad層より屈折率が大きくなるように、また、活性層の光を吸収しないようにAl組成を調整したAlGaInP(z=0.3)からなる層を挿入した。 When introducing the intermediate layer, so that the refractive index than n-Clad layer between the n-Clad layer increases, also, AlGaInP adjusting the Al composition so as not to absorb light in the active layer (z = 0.3) It was inserted into a layer made of.

MOCVD法で半導体層の各層を成長させた後、電流拡散層(CSL層)の表面に半導体結晶との電気的接触を確保するためのAuZn合金(図13(b)の反射電極層に相当)をスパッタなどで形成し(厚み3000Å)、電気的接合とAuSnとの密着性を確保するためTa、Au(厚み3000Å)を形成する(図13(c)のバリア層およびAuに相当)。 After each layer of the semiconductor layer grown by MOCVD method, a current diffusion layer (CSL layer) AuZn alloy to ensure electrical contact with the semiconductor crystal surface (corresponding to the reflective electrode layer of FIG. 13 (b)) was formed like by sputtering (thickness 3000 Å), Ta order to secure the adhesion between the electrical connection and AuSn, to form a Au (thickness 3000 Å) (corresponding to the barrier layer and an Au in FIG 13 (c)). また、図12に示す構成のように、半導体層と基板層に反射層を有する半導体発光デバイスを作製する場合には、例えば電流拡散層上にSiO 2等からなる高い反射率の得られる層を部分的に形成した後、AuZn電極層、バリア層、密着層等を形成する。 Also, as in the configuration shown in FIG. 12, a layer in the case, the resulting high reflectance of SiO 2 or the like on the example, the current spreading layer for producing a semiconductor light-emitting device having a reflective layer on the semiconductor layer and the substrate layer after partially formed, AuZn electrode layer, a barrier layer, forming an adhesion layer or the like.

一方、例えばSiの永久基板にAuSnを形成し(図13(f)、(g)の金属層、結合層に相当)、この永久基板のAuSn上に、前記した半導体層側のAuを載せて加熱・圧着してAuSnを溶解し、MOCVD法で形成した層と永久基板を結合する(図13(h)に相当)。 On the other hand, for example, to form a AuSn permanent substrate Si put a (FIG. 13 (f), a metal layer, corresponding to the coupling layer (g)), the AuSn on the permanent substrate, of the above-described semiconductor layer side Au heated and pressure bonded to dissolve the AuSn, to bond the layers and permanent substrate formed by MOCVD (corresponding to FIG. 13 (h)). この構成によれば、永久基板は成長基板を除去したあとのLED構造の機械的強度を保ち、電極との電気的接合を提供する。 According to this arrangement, the permanent substrate keeps the mechanical strength of the LED structure after removal of the growth substrate, provides an electrical connection between the electrodes.

GaAs成長基板は永久基板に接着した後、アンモニアと過酸化水素から成るエッチャントにより除去される(図13(i)に相当)。 After GaAs growth substrate adhered permanently substrate is removed by an etchant consisting of ammonia and hydrogen peroxide (corresponding to FIG. 13 (i)). 成長基板を除去した後、n-Clad層に二次元周期構造を形成する。 After removal of the growth substrate, forming a two-dimensional periodic structure n-Clad layer. なお、二次元周期構造の構造、作製方法は前記した実施例と同様である。 The structure of the two-dimensional periodic structure, the manufacturing method is similar to the embodiment described above.

上記したメタルボンディングの手順は一例であり、反転させずに形成する方法、金属層や結合層を介さずに貼り合わせる方法など種々の方法をとり得る。 Procedure metal bonding described above is an example, a method of forming without inverting, may take a variety of methods such as a method of bonding without using the metal layer or bonding layer.

次に、上述した、AlGaInP系LEDについてのシミュレーション結果について説明する。 Next, we described above, the simulation results for the AlGaInP based LED will be described. 表4にAlGaInP系LEDの波動光学シミュレーションにおける二次元周期構造の設定条件を示す。 Table 4 shows the setting conditions of the two-dimensional periodic structure in the wave-optical simulation of an AlGaInP-based LED. シミュレーションの設定項目は図14に示される。 Setting items of the simulation is shown in FIG. 14. また、波動光学シミュレーションにおける発光波長(真空中)は、λ 0 =640nm、励振方法はインコヒーレント、時間ステップは0.03fs、セルサイズは20nm×20nm×20nmとした。 Further, the emission wavelength of the wave optical simulation (in vacuum) is, lambda 0 = 640 nm, excitation method incoherent, time step 0.03Fs, cell size was 20nm × 20nm × 20nm.

図15に示す各構成について光り取り出し効果について比較した。 They were compared for light extraction effect for each component shown in FIG. 15. 比較を行う構成は、二次元周期構造を有さず活性層を挟み対称な屈折率分布を有する構成(以下、基本構造、あるいは「平面対称」)、二次元周期構造を有さず活性層を挟み非対称な屈折率分布を有する構成(以下、「平面非対称」)、二次元周期構造および活性層を挟み対称な屈折率分布を有する構成(以下、「二次元周期×対称」)、二次元周期構造、活性層を挟み対称な屈折率分布および中間層を有する構成(以下、「二次元周期×対称×中間層」)、二次元周期構造および活性層を挟み非対称な屈折率分布を有する構成(以下、「二次元周期×非対称」)、二次元周期構造、活性層を挟み非対称な屈折率分布および中間層を有する構成(以下、「二次元周期×非対称×中間層」)である。 Configuration for comparison arrangement having a symmetric refractive index distribution sandwiching the active layer does not have a two-dimensional periodic structure (hereinafter, the basic structure, or "plane of symmetry"), the active layer does not have a two-dimensional periodic structure structure having sandwiched an asymmetric refractive index distribution (hereinafter, "planar asymmetric"), configuration having a symmetrical refractive index distribution sandwiching the two-dimensional periodic structure and the active layer (hereinafter, "two-dimensional periodic × symmetry"), two-dimensional periodic structures, configurations having sandwiching the active layer symmetrical refractive index distribution and the intermediate layer (hereinafter, "two-dimensional periodic × symmetric × intermediate layer"), a configuration having an asymmetric refractive index distribution sandwiching the two-dimensional periodic structure and the active layer ( hereinafter, "two-dimensional periodic × asymmetric"), a two-dimensional periodic structure, a configuration having an asymmetric refractive index distribution and intermediate layers sandwich the active layer (hereinafter, "two-dimensional periodic × asymmetric × intermediate layer"). なお、活性層を挟み非対称な屈折率分布を有する構造については、各層の屈折率を、第1の層3.26、活性層3.4)、第2の層屈折率3.17、中間層3.39で計算した。 Note that the structure having an asymmetric refractive index distribution sandwiching the active layer, a refractive index of each layer, the first layer 3.26, the active layer 3.4), a second layer refractive index 3.17 was calculated in the middle layer 3.39. なお、λ 0 =640nmとしている。 It should be noted that the λ 0 = 640nm.

図15,図16に、AlGaInP系LEDにおける光り取り出し効果を示す。 Figure 15, Figure 16, shows the light extraction efficiency in the AlGaInP-based LED.

図15は、AlGaInP系LEDの各構成における光取り出し効果を「平面対称」の光強度を基準(1.00)として一覧で示したものである。 Figure 15 is a diagram showing a list of the light extraction effect as a reference (1.00) the light intensity of "the plane of symmetry" in each structure of an AlGaInP-based LED.

図16は、基本構造で得られる光強度を基準としたときの各構成で得られる光強度の比率と、二次元周期構造の底部と活性層との間の距離hとの関係について示している。 Figure 16 shows the relationship between the distance h between the the ratio of the light intensity obtained in the configuration when a reference light intensity obtained in the base structure, the bottom and the active layer of the two-dimensional periodic structure .

図16中の符号Aは「二次元周期×対称」を、符号Bは「二次元周期×対称×中間層」を、符号Cは「二次元周期×非対称」を、符号Dは二次元周期×非対称×中間層」を示している。 The symbol A in FIG. 16, "two-dimensional periodic × symmetric", symbol B a "two-dimensional periodic × symmetric × interlayer", symbol C a "two-dimensional periodic × asymmetric", the symbol D is two-dimensional periodic × It shows an asymmetric × intermediate layer. "

図15,図16に示すシミュレーション結果から、距離hと波長λ 0との比率をh/λ 0が小さい場合には、AとBおよび、CとDの比較から中間層を導入することで光りの取り出し効果が高まることが確認される。 15, from the simulation results shown in FIG. 16, the ratio between the distance h and the wavelength lambda 0 when h / lambda 0 is small, light by introducing an intermediate layer from a comparison of A and B and, C and D increased extraction efficiency of it is confirmed. また、光りの取り出し効果はh/λ 0が小さいほど増加することが確認される。 Also, extraction efficiency of the light it is confirmed that increases as h / lambda 0 is small.

また、活性層と二次元周期構造底部の距離hがλ 0より小さい場合に、「二次元周期×対称」、「二次元周期×対称×中間層」、「二次元周期×非対称」、「二次元周期×非対称×中間層」のいずれの構成も「平面対称」より光取出し効果が改善している。 Further, when the active layer and the two-dimensional periodic structure bottom distance h is lambda 0 less than "two-dimensional periodic × symmetry", "two-dimensional periodic × symmetric × intermediate layer", "two-dimensional periodic × asymmetrical", "two any of the structures of dimensions cycle × asymmetric × intermediate layer "also improves the light extraction efficiency than the" plane of symmetry ". ここで、h/λ 0の値が1であるときのhはnλであるため、活性層から二次元周期構造の底部までの距離は、nλ以下において光取出し効率が向上すると言える。 Since the h when the value of h / lambda 0 is 1 is n [lambda, the distance from the active layer to the bottom of the two-dimensional periodic structure, it can be said that the light extraction efficiency is improved in the following n [lambda. なかでも、「二次元周期×対称×中間層」、「二次元周期×非対称×中間層」は高い光取出し効果が得られることが確認できた。 Among them, "two-dimensional periodic × symmetric × intermediate layer", "two-dimensional periodic × asymmetric × interlayer" it was confirmed that high light extraction effect is obtained. このことは、中間層が方向性結合の役割を果たし活性層と二次元周期構造との結合を強めることによるものと考えられる。 This intermediate layer is considered to be due to strengthen the bond between the active layer and the two-dimensional periodic structure acts directional coupler. 特に「二次元周期×非対称×中間層」は、光取出し効果が高いことが確認できた。 In particular, "two-dimensional periodic × asymmetric × intermediate layer", it light extraction effect is high is confirmed. 「二次元周期×非対称×中間層」の光取出し効率が、「二次元周期×対称×中間層」や「二次元周期×非対称」の効果から予測される以上に高い結果が得られた理由としては、非対称な屈折率分布の形成により、光取出し面側および活性層中を導波した光のうち、光取出し面側へ導波する光が2次元周期構造へと結合し取り出され、活性層中を導波する光が中間層を介して2次元周期構造へと結合し取り出されたことによると考えられる。 Light extraction efficiency of the "two-dimensional periodic × asymmetric × intermediate layer" is, as the reason for higher results than is expected from the effect is obtained of the "two-dimensional periodic × symmetric × intermediate layer" or "two-dimensional periodic × asymmetric" is the formation of asymmetrical refractive index distribution, of the light guided through the light extraction surface side and the active layer, light guided to the light extraction surface side is taken to bind to the two-dimensional periodic structure, the active layer light guided through the medium is considered to be due to binding to the retrieved into the two-dimensional periodic structure via an intermediate layer.

ここで、中間層は、屈折率を活性層以下とし、第2の層の他の層の屈折率より高く設定するが、活性層とほぼ同等の屈折率を有することが好ましい。 Here, the intermediate layer, the refractive index is less active layer, but is set to be higher than the refractive index of the other layers of the second layer preferably has substantially the same refractive index as the active layer. 活性層に回折格子を加工した場合、表面再結合により半導体発光デバイスの効率が大幅に低下するが、活性層の屈折率とほぼ等しい中間層を二次元周期構造中、または、近傍に設けることで中間層が方向性結合の役割を果たし活性層と二次元周期構造との結合を強め光取り出しの効果が向上する。 When processed the diffraction grating in the active layer, the efficiency of the semiconductor light emitting device is greatly reduced by surface recombination, in a two-dimensional periodic structure of substantially equal intermediate layer and the refractive index of the active layer, or by providing in the vicinity intermediate layer is improved, the effect of the stronger light extraction binding between the active layer and the two-dimensional periodic structure acts directional coupler. 中間層を備えた場合、表面再結合による効率低下が生じない。 If an intermediate layer, the efficiency reduction due to surface recombination does not occur. さらに、活性層まで回折格子を加工する必要がないため、加工プロセスも容易になるメリットがある。 Furthermore, since there is no need to process the diffraction grating to the active layer, there is a merit to be easy working process.

次に、GaN系LED構成の実施例について、各層の材料例、屈折率を以下の表9,10に示す。 Next, an example of a GaN-based LED structure, showing the layers of material embodiment, the refractive index in Table 9 below. なお、表5は、二次元周期構造と中間層とを備えた図8〜10に示すような構成についての例であって、活性層を挟む2つの層の屈折率が対称のものを示した。 Note that Table 5 is an example of the configuration shown in FIG. 8 to 10 and a two-dimensional periodic structure and the intermediate layer, the refractive index of the two layers sandwiching the active layer showed that the symmetry . また、表6は、二次元周期構造と中間層とを備えた図11および12に示すような構成についての例であって、活性層を挟む2つの層の屈折率が非対称であるものを示した。 Further, Table 6 is an example of the configuration shown in FIGS. 11 and 12 and a two-dimensional periodic structure and the intermediate layer, the refractive index of the two layers sandwiching the active layer represents what is asymmetric It was.

なお、ここでは、活性層を多重量子井戸で構成しており、このときの屈折率は井戸層(In x Ga 1-x N、x=0.4,2nm、n=2.75)とバリア層(GaN、14nm)、n=2.50)の荷重平均値(n=2.53)を使用している。 Here, the active layer is composed of multiple quantum well, the refractive index is the well layer in this case (In x Ga 1-x N , x = 0.4,2nm, n = 2.75) and a barrier layer (GaN, 14 nm), using n = 2.50 weighted mean value of) the (n = 2.53).

なお、 上記表記載の実施例に限らず、In x Ga 1-x NのIn組成の比率xは、活性層においてx=0〜0.4(井戸とバリアの平均)であり、第2の層においてx=0〜0.5であり、中間層においてx=0〜0.4(ただし、活性層>中間層)とすることが好ましく、In組成の調整により所望の屈折率を得ることができる。 The present invention is not limited to the embodiment described above table, the ratio x of the In composition of In x Ga 1-x N is x = 0 to 0.4 in the active layer (average of wells and barriers), the second a x = 0 to 0.5 in the layer, can be in the intermediate layer x = 0 to 0.4 (provided that the active layer> the intermediate layer) is preferably set to, by adjusting the in composition obtaining a desired refractive index.

以下、上記図11の構成を有するGaN系LEDの実施例の作製方法について示す。 Hereinafter, a method for manufacturing an embodiment of a GaN-based LED having the structure of FIG 11.

はじめに、MOCVD法によりサファイアからなる成長基板上に膜厚数nm〜10nm程度のGaN、またはAlNからなるバッファ層、膜厚1〜6um程度のSiドープGaNから成るn-Clad層、n-Clad層の間にn-Clad層より屈折率が大きくなるようにIn組成を調整したInGaNから成る中間層、InGaNから成る活性層、屈折率を非対称にするためのMgドープp-AlGaN層、p-GaNからなるp-Clad層を形成する。 First, a buffer layer made of the film thickness Number nm~10nm about GaN or AlN, on a growth substrate made of sapphire by MOCVD, n-Clad layer made of Si-doped GaN having a thickness of about 1~6um, n-Clad layer n-Clad intermediate layer having a refractive index consisting of InGaN adjusting the in composition to be greater than the layer, the active layer composed of InGaN, Mg-doped p-AlGaN layer for asymmetrical refractive index between, p-GaN forming a p-Clad layer made of.

その後、p-Clad層表面に半導体結晶との電気的接触を確保するためのPt/Ag合金からなる電極層をスパッタなどで形成し(厚み3000Å)、電気的接合とAuSnとの密着性を確保するためのTa、Au(厚み3000Å)などからなる金属層を形成し、AuSnが形成された永久基板(例えばSi)に加熱・圧着によりAuSnを溶解して結合する。 Thereafter, ensuring the adhesion between the p-Clad layer surface electrode layer made of Pt / Ag alloy to ensure electrical contact with the semiconductor crystal formed like by sputtering (thickness 3000 Å), electrically joining the AuSn Ta to form a metal layer made of Au (thickness 3000 Å), by heating and pressure bonded permanently substrate AuSn is formed (e.g., Si) that bind to dissolve the AuSn.

サファイアの場合成長基板裏面からのパルスレーザ照射により成長基板を除去した後、n-Clad層GaN表面に二次元周期構造を形成する。 After removal of the growth substrate by pulsed laser irradiation from when the growth substrate back surface of the sapphire, to form a two-dimensional periodic structure n-Clad layer GaN surface.

実施例では、円孔で構成された三角格子配列の二次元周期構造を、第2の層であるn-GaN表面に形成した。 In an embodiment, a two-dimensional periodic structure of the triangular lattice sequence composed of circular holes, formed in the n-GaN surface as the second layer. 本実施例においては、二次元周期構造の周期a=700nm、円孔半径r=200nm、深さd=400nm、活性層との距離をh=120nmとした。 In the present embodiment, the period a = 700 nm of the two-dimensional periodic structure, the circular hole radius r = 200 nm, the depth d = 400 nm, the distance between the active layer was h = 120 nm.

その形成手法は、n-Clad層GaN表面にフォトリソグラフィー、電子線描画、電子線転写、ナノインプリント、干渉露光などの手法により二次元周期構造のレジストパターンを形成し、ウェットエッチング、または、ドライエッチングにより所望の二次元周期構造を作成する。 Its formation technique, photolithography n-Clad layer GaN surface, electron beam lithography, electron beam transfer, nanoimprinting, techniques such as interference exposure by forming a resist pattern of the two-dimensional periodic structure, wet etching, or dry etching to create a desired two-dimensional periodic structure. また、SiO 2のパターンを上記方法で形成し、MOCVD法で再成長させることで二次元周期構造を形成することも可能である。 Moreover, the pattern of the SiO 2 was formed by the above method, it is possible to form a two-dimensional periodic structure by regrowing by MOCVD.

LEDに電流を注入するための電極は、永久基板が導電性の場合、永久基板裏面とn-Clad GaN表面に形成する。 Electrodes for injecting current into the LED, the permanent substrate may electrically conductive, to form a permanent substrate back surface and the n-Clad GaN surface.

ここで、GaN系LEDにおいて、p側領域に加工を行う場合、ドライエッチングなどが結晶に損傷を与えp型層が高抵抗化を引き起こす可能性がある。 Here, the GaN-based LED, when performing processing on the p-side region, dry etching is likely to p-type layer to damage the crystals causes high resistance. しかし、本実施例のような製法を用いることにより、n側層を加工することで高抵抗化が回避できる。 However, by using the method as in this embodiment, higher resistance can be avoided by processing an n-side layer. また、GaN系LEDでは、活性層を挟み非対称(第2の層の屈折率>第1の層の屈折率)な屈折率分布を有する構成を、成長基板上に直接半導体層を積層してLEDを作製する方法によっては屈折率の低い第1の層を形成するためにAl組成の高いAlGaNからなるn型クラッド層を形成する必要があるが、一方で、n型側に電子の障壁となるAlGaN層の形成により電子注入能力が低下するという問題があるため作製困難である。 Furthermore, the GaN-based LED, (refractive index of the second layer> refractive index of the first layer) the active layer was sandwiched asymmetric configuration having a refractive index distribution, by laminating directly a semiconductor layer on a growth substrate LED Although the method of making it is necessary to form the n-type cladding layer made of a high Al composition AlGaN to form a first layer having a refractive index lower, while the the electron barrier in the n-type side electron injecting ability by forming the AlGaN layer is difficult manufacturing because of the lowered. しかし、本実施例のように基板の貼り合わせ工程を用いることにより作製することができる。 However, it can be manufactured using a bonding process of a substrate as in this embodiment.

次に、GaN系LED についてのシミュレーションについて説明する。 Next, a description will be given simulation for GaN-based LED. 表7はGaN系LEDの波動光学シミュレーションにおける二次元周期構造の設定条件であり、各設定項目は、AlGaInP系LEDのシミュレーション同様、図14に示される。 Table 7 is a setting condition of the two-dimensional periodic structure in the wave optical simulation of the GaN-based LED, the setting items, like simulation of AlGaInP based LED, shown in Figure 14. また、波動光学シミュレーションにおける発光波長(真空中)は、λ 0 =455nm、励振方法はインコヒーレント、時間ステップは0.03fs、セルサイズは20nm×20nm×20nmとした。 Further, the emission wavelength of the wave optical simulation (in vacuum) is, lambda 0 = 455 nm, excitation method incoherent, time step 0.03Fs, cell size was 20nm × 20nm × 20nm.

図17,図18に、GaN系LEDにおけるシミュレーション結果として得られた光り取り出し効果を示す。 Figure 17, Figure 18 shows a light extraction effect is obtained as the simulation result in the GaN-based LED.

図17は、GaN系LEDの各構成における光取り出し効果を一覧で示したものである。 Figure 17 is a diagram showing a list of the light extraction effect in the construction of the GaN-based LED. 比較を行う構成は、二次元周期構造を有さず活性層を挟み対称な屈折率分布を有する構成(以下、基本構造、あるいは「平面対称」)、二次元周期構造を有さず活性層を挟み非対称な屈折率分布を有する構成(以下、「平面非対称」)、二次元周期構造および活性層を挟み対称な屈折率分布を有する構成(以下、「二次元周期×対称」)、二次元周期構造、活性層を挟み対称な屈折率分布および中間層を有する構成(以下、「二次元周期×対称×中間層」)、二次元周期構造および活性層を挟み非対称な屈折率分布を有する構成(以下、「二次元周期×非対称」)、二次元周期構造、活性層を挟み非対称な屈折率分布および中間層を有する構成(以下、「二次元周期×非対称×中間層」)である。 Configuration for comparison arrangement having a symmetric refractive index distribution sandwiching the active layer does not have a two-dimensional periodic structure (hereinafter, the basic structure, or "plane of symmetry"), the active layer does not have a two-dimensional periodic structure structure having sandwiched an asymmetric refractive index distribution (hereinafter, "planar asymmetric"), configuration having a symmetrical refractive index distribution sandwiching the two-dimensional periodic structure and the active layer (hereinafter, "two-dimensional periodic × symmetry"), two-dimensional periodic structures, configurations having sandwiching the active layer symmetrical refractive index distribution and the intermediate layer (hereinafter, "two-dimensional periodic × symmetric × intermediate layer"), a configuration having an asymmetric refractive index distribution sandwiching the two-dimensional periodic structure and the active layer ( hereinafter, "two-dimensional periodic × asymmetric"), a two-dimensional periodic structure, a configuration having an asymmetric refractive index distribution and intermediate layers sandwich the active layer (hereinafter, "two-dimensional periodic × asymmetric × intermediate layer").

図18は、基本構造で得られる光強度を基準としたときの各構成で得られる光強度の比率と、二次元周期構造の底部と活性層との間の距離hとの関係について示している。 Figure 18 shows the relationship between the distance h between the the ratio of the light intensity obtained in the configuration when a reference light intensity obtained in the base structure, the bottom and the active layer of the two-dimensional periodic structure .

図17中の符号Eは「二次元周期×対称」、符号Fは「二次元周期×対称×中間層」、符号Gは「二次元周期×非対称」、符号Hは二「二次元周期×非対称×中間層」を示している。 Sign E in FIG. 17, "two-dimensional periodic × symmetric", symbol F is "two-dimensional periodic × symmetric × interlayer", code G is "two-dimensional periodic × asymmetric", the code H is two "two-dimensional periodic × asymmetric It shows × intermediate layer. "

「二次元周期×対称」(E)と「二次元周期×対称×中間層」(F)との比較および、「二次元周期×非対称」(G)と「二次元周期×非対称×中間層」(H)との比較より、中間層を設けることにより光取出し効率が高くなることが確認できた。 "Two-dimensional periodic × symmetric" (E) and "two-dimensional periodic × symmetric × intermediate layer" (F) Comparison with and "two-dimensional periodic × asymmetric" (G) and "two-dimensional periodic × asymmetric × interlayer" than compared with (H), it was confirmed that light extraction efficiency is increased by providing the intermediate layer. さらに、非対称な屈折率分布を有する「二次元周期×非対称」(G)および「二次元周期×非対称×中間層」(H)の光取出し効率が高く、中でも中間層を有する「二次元周期×非対称×中間層」(H)の光取出し効率が高い。 Further, high light extraction efficiency of having an asymmetric refractive index distribution "two-dimensional periodic × asymmetric" (G), and "two-dimensional periodic × asymmetric × intermediate layer" (H), "two-dimensional periodic × having inter alia an intermediate layer light extraction efficiency of the asymmetric × intermediate layer "(H) is high. 中間層導入の効果および非対称屈折率分布により光取出し向上の効果は、距離hと波長λ 0との比率h/λ 0が小さくなるほど高まることが確認できる。 The effect of light extraction improvement by the effect and asymmetric refractive index distribution of the intermediate layer introduction, the distance h and the ratio h / lambda 0 the wavelength lambda 0 can be confirmed that the increase as smaller. ここで、中間層を導入した効果については、非対称の屈折率分布を有する場合には、活性層と二次元周期構造底部の距離hが1.5nλ(h/λ 0 =1.5)以下において、対称の屈折率分布を有する場合には、0.7nλ(h/λ 0 =0.7)以下において、光取出し向上の効果が確認できた。 Here, the intermediate layer the introduced effect, when having a refractive index distribution asymmetric in the active layer and the two-dimensional periodic structure bottom distance h is 1.5nλ (h / λ 0 = 1.5 ) or less , when having a refractive index distribution symmetric in the following 0.7nλ (h / λ 0 = 0.7 ), the effect of light extraction improvement was confirmed.

図17,図18に示すGaN系LEDのシミュレーション結果は光の取り出し効果はAlGaInP系LEDよりも小さいが、AlGaInP系LEDのシミュレーション結果とほぼ同様の傾向を示しており、異なる材料系においても同様の傾向を示すことが確認できた。 17, but the simulation results of the GaN-based LED illustrated in Figure 18 takes the effect of the light is smaller than the AlGaInP based LED, shows substantially the same tendency as the simulation result of the AlGaInP-based LED, the same also in different material systems to show the trend it could be confirmed.

本発明は、半導体LED、およびそれを用いた白色照明、ライト、インジケータ、LED通信等に適用することができる。 The present invention relates to a semiconductor LED, and white illumination using the same can be applied light, indicator, the LED communication.

本発明の半導体発光デバイスの構成例を説明するための図である。 It is a diagram for explaining a configuration example of a semiconductor light-emitting device of the present invention. 本発明の二次元周期構造の円孔最密配列の平面図および側面図である。 It is a plan view and a side view of the circular hole close-packed array of two-dimensional periodic structure of the present invention. 本発明の二次元周期構造の円錐突起最密配列の平面図および側面図である。 It is a plan view and a side view of a tapered protrusion close-packed array of two-dimensional periodic structure of the present invention. 本発明の二次元周期構造(円孔最密配列)を備える半導体発光デバイスの光取り出し効率を示す図である。 It is a diagram illustrating a light extraction efficiency of the semiconductor light-emitting device comprising a two-dimensional periodic structure (circular hole close-packed array) of the present invention. 本発明の二次元周期構造(円錐突起最密配列)を備える半導体発光デバイスの光取り出し効率を示す図である。 It is a diagram illustrating a light extraction efficiency of the semiconductor light-emitting device comprising a two-dimensional periodic structure (conical protrusion close-packed array) of the present invention. 本発明の二次元周期構造(円孔最密配列)を備える半導体発光デバイスの光取り出し効率を示す図である。 It is a diagram illustrating a light extraction efficiency of the semiconductor light-emitting device comprising a two-dimensional periodic structure (circular hole close-packed array) of the present invention. 本発明の二次元周期構造(円錐突起最密配列)を備える半導体発光デバイスの光取り出し効率を示す図である。 It is a diagram illustrating a light extraction efficiency of the semiconductor light-emitting device comprising a two-dimensional periodic structure (conical protrusion close-packed array) of the present invention. 本発明のAlGaInP系LEDの二次元周期構造と非対称屈折率構成と中間層の構成を説明するための構成図である。 It is a block diagram for explaining a configuration of a two-dimensional periodic structure and an asymmetric refractive index structure and the intermediate layer of an AlGaInP-based LED of the present invention. 本発明のAlGaInP系LEDの二次元周期構造と非対称屈折率構成と中間層の構成を説明するための構成図である。 It is a block diagram for explaining a configuration of a two-dimensional periodic structure and an asymmetric refractive index structure and the intermediate layer of an AlGaInP-based LED of the present invention. 本発明のAlGaInP系LEDの二次元周期構造と非対称屈折率構成との構成を説明するための構成図を示し。 It shows a block diagram for illustrating the configuration of a two-dimensional periodic structure of an AlGaInP-based LED and asymmetric refractive index structure of the present invention. 本発明のAlGaInP系LEDの二次元周期構造と非対称屈折率構成と中間層の構成を説明するための構成図である。 It is a block diagram for explaining a configuration of a two-dimensional periodic structure and an asymmetric refractive index structure and the intermediate layer of an AlGaInP-based LED of the present invention. 本発明のAlGaInP系LEDの二次元周期構造と非対称屈折率構成と中間層の構成を説明するための構成図である。 It is a block diagram for explaining a configuration of a two-dimensional periodic structure and an asymmetric refractive index structure and the intermediate layer of an AlGaInP-based LED of the present invention. メタルボンディングによって永久基板層上に半導体層を形成する手順の概略を説明するための図である。 It is a diagram for explaining an outline of steps for forming a semiconductor layer on the permanent substrate layer by metal bonding. 本発明のシミュレーションにおける二次元周期構造の設定条件を説明するための図である。 It is a diagram for explaining the setting condition of the two-dimensional periodic structure in the simulation of the present invention. 本発明のAlGaInP系LEDにおける光り取り出し効果を示す図である。 It is a diagram showing a light extraction effect in the AlGaInP-based LED of the present invention. 本発明のAlGaInP系LEDにおける光り取り出し効果を示す図である。 It is a diagram showing a light extraction effect in the AlGaInP-based LED of the present invention. 本発明のGaN系LEDにおける光り取り出し効果を示す図である。 It is a diagram showing a light extraction effect in GaN-based LED of the present invention. 本発明のGaN系LEDにおける光り取り出し効果を示す図である。 It is a diagram showing a light extraction effect in GaN-based LED of the present invention.

符号の説明 DESCRIPTION OF SYMBOLS

1…半導体発光デバイス 2…第1の層 2A…n-Clad層 2Ba…p-Clad層 2Bb…CSL(電流拡散層) 1 ... semiconductor light-emitting device 2 ... first layer 2A ... n-Clad layer 2Ba ... p-Clad layer 2Bb ... CSL (current diffusion layer)
2Ca…p-Clad層 2Cb…CSL(電流拡散層) 2Ca ... p-Clad layer 2Cb ... CSL (current diffusion layer)
3…活性層 3A,3B,3C…活性層 4…第2の層 4Aa…p-Clad層 4Ab…CSL(電流拡散層) 3 ... active layer 3A, 3B, 3C ... active layer 4: second layer 4Aa ... p-Clad layer 4Ab ... CSL (current diffusion layer)
4B…n-Clad層 5…中間層 5A,5B,5C…中間層 6…基板層 6A…成長基板 6B,6C…永久基板 7A,7B…電極 10…二次元周期構造 11…孔 11a…円孔 12…底部 13…突起 13a…円錐突起 4B ... n-Clad layer 5 ... intermediate layer 5A, 5B, 5C ... intermediate layer 6 ... substrate layer 6A ... growth substrate 6B, 6C ... permanent substrate 7A, 7B ... electrode 10 ... two-dimensional periodic structure 11 ... hole 11a ... circular hole 12 ... bottom 13 ... projections 13a ... conical projection
14…底部 14 ... bottom

Claims (3)

  1. 基板層と、 And the substrate layer,
    前記基板層の上方に設けた第1導電型半導体クラッド層を含む単数または複数からなる第1の層と、 A first layer made of one or more comprising a first conductivity type semiconductor cladding layer provided above the substrate layer,
    前記第1の層の上方に設けた活性層と、 An active layer provided above the first layer,
    前記活性層の上方に設けた、第2導電型半導体クラッド層を含み、表面に二次元周期構造を有する単数または複数からなる第2の層と、を備えた半導体発光デバイスであって、 Wherein provided above the active layer includes a second conductive type semiconductor cladding layer, a second layer consisting of one or more with a two-dimensional periodic structure on the surface, a semiconductor light emitting device comprising a,
    前記第2の層は、前記活性層の屈折率以下の屈折率を有する中間層を含み、 It said second layer includes an intermediate layer having a refractive index less than a refractive index of said active layer,
    前記中間層は、前記第2の層を構成する何れの他の層の屈折率より高い屈折率を有することを特徴とする半導体発光デバイス。 The intermediate layer, a semiconductor light emitting device characterized by having a refractive index higher than that of any other layer constituting the second layer.
  2. 基板層と、 And the substrate layer,
    前記基板層の上方に設けた単数または複数からなる第1の層と、 A first layer made of one or more provided above the substrate layer,
    前記第1の層の上方に設けた多重量子井戸構造を有する活性層と、 An active layer having a multiple quantum well structure provided above the first layer,
    前記活性層の上方に設けた、表面に二次元周期構造を有する単数または複数からなる第2の層と、を備えた半導体発光デバイスであって、 Provided above the active layer, a second layer consisting of one or more with a two-dimensional periodic structure on the surface, a semiconductor light emitting device comprising a,
    前記第2の層は、前記多重量子井戸構造を構成する井戸層の屈折率以下の屈折率を有する中間層を含み、 It said second layer includes an intermediate layer having a refractive index less than a refractive index of the well layer constituting the multiple quantum well structure,
    前記中間層は、前記第2の層の他の層の屈折率より高いことを特徴とすることを特徴とする半導体発光デバイス。 The intermediate layer, a semiconductor light emitting device characterized by being higher than the refractive index of the other layers of the second layer.
  3. 前記二次元周期構造の底部と前記活性層の上部の距離が、0.1nλ〜nλ(n:前記二次元周期構造の底部と活性層の上部との間の層の屈折率、λ:光学波長)であることを特徴とする請求項1または2に記載の半導体発光デバイス。 Distance over the active layer and the bottom of the two-dimensional periodic structure, 0.1nλ~nλ (n: refractive index of the layer between the top of the bottom and the active layer of the two-dimensional periodic structure, lambda: an optical wavelength) the semiconductor light emitting device according to claim 1 or 2, characterized in that.
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