JP2011187787A - 半導体発光素子、およびそれを用いた照明装置、ならびに半導体発光素子の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】改善された輝度特性を有する半導体発光素子、およびそれを用いた照明装置、ならびにその半導体素子の製造方法の提供。
【解決手段】化合物半導体層と、その上に形成された複数の開口部を有する金属電極層と、さらにその上に形成された特定の光取り出し層を具備する半導体発光素子。金属電極層は特定の大きさの開口部を有している。また、光取り出し層は、金属電極層を被覆する20〜70nmの厚さのもの、または表面に凹凸構造が形成されており、金属電極層の表面から凸部頂点までの高さが200nm以上700nm以下のものとされる。
【選択図】図1
Description
結晶基板と、
前記結晶基板の一方の面に形成された化合物半導体層と、
前記化合物半導体層の上に形成された、膜厚が10nm以上50nm以下である金属電極層と、
前記金属電極層の上に形成された光取り出し層と、
前記結晶基板の反対側面に形成された対抗電極と
を具備する半導体発光素子であって、
前記金属電極層が、
任意の2点間が切れ目無く連続した金属部位と
前記金属電極層を貫通し、円相当平均直径が10nm以上5μm未満である複数の開口部を有しており、
前記光取り出し層が、
前記金属電極層の金属部位を少なくとも部分的に被覆しており、
20nm以上120nm以下の膜厚を有している
ことを特徴とするものである。
結晶基板と、
前記結晶基板の一方の面に形成された化合物半導体層と、
前記化合物半導体層の上に形成された、膜厚が10nm以上50nm以下である金属電極層と、
前記金属電極層の上に形成された、微細な凹凸構造を有する光取り出し層をと、
前記結晶基板の反対側面に形成された対抗電極と
を具備する半導体発光素子であって、
前記金属電極層が、
任意の2点間が切れ目無く連続した金属部位と
前記金属電極層を貫通し、円相当平均直径が10nm以上5μm未満である複数の開口部を有しており、
前記光取り出し層が、
前記金属電極層の金属部位を少なくとも部分的に被覆しており、
前記光取り出し層の凸部頂点間隔が100nm以上600nm以下であり、前記金属電極層の表面から凸部頂点までの高さが200nm以上700nm以下である
ことを特徴とするものである。
結晶基板上に化合物半導体層を形成させる工程と、
前記化合物半導体層の上に金属電極層を形成させる工程と、
前記金属電極層の上に光取り出し層を形成させる工程と、
前記結晶基板の前記化合物半導体層と反対側面に対向電極層を形成させる工程とを含み、前記金属電極層を形成させる工程が、
金属薄膜層を形成させる工程と、
前記金属薄膜層の少なくとも一部の表面にブロックコポリマーを含む組成物を塗布してブロックコポリマー膜を形成させる工程と、
前記ブロックコポリマーの相分離を起こさせることでドット状のミクロドメインを生成させる工程と、
前記ミクロドメインのパターンをエッチングマスクとして前記金属薄膜をエッチングして開口部を有する前記金属電極層を形成させる工程と、
を含むことを特徴とするものである。
結晶基板上に化合物半導体層を形成させる工程と、
前記化合物半導体層の上に金属電極層を形成させる工程と
前記金属電極層の上に光取り出し層を形成させる工程と、
前記結晶基板の前記化合物半導体層と反対側面に対向電極層を形成させる工程とを含み、前記金属電極層を形成させる工程が、
金属薄膜層を形成させる工程と、
形成させようとする金属電極層の形状に対応した微細凹凸パターンを表面に有するスタンパーを準備する工程と、
前記金属薄膜層の少なくとも一部に前記スタンパーを利用してレジストパターンを転写する工程と、
前記レジストパターンをエッチングマスクとして前記金属薄膜層に開口部を形成させる工程と、
を含むことを特徴とするものである。
2×(面積/π)1/2
で表されるものであり、開口部が円形である場合には、その直径に相当するものである。
本発明による半導体発光素子の製造方法のひとつは、ブロックコポリマーの自己組織化による相分離を利用するものである。その方法は、
結晶基板上に化合物半導体層を形成させる工程と
前記化合物半導体層の光取り出し面側に金属電極層を形成させる工程と
前記結晶基板の光取り出し面と反対側面に対向電極層を形成させる工程とを含み、前記金属電極層を形成させる工程が、
金属薄膜層を形成させる工程と、
前記金属薄膜層の少なくとも一部の表面にブロックコポリマーを含む組成物を塗布してブロックコポリマー膜を形成させる工程と、
前記ブロックコポリマーの相分離を起こさせることでドット状のミクロドメインを生成させる工程と、
前記ミクロドメインのパターンをエッチングマスクとして前記金属薄膜をエッチングして開口部を有する光入射面側電極層を形成させる工程と、
を含むことを特徴とするものである。
次いで、化合物半導体層上にAu/Znなどの金属を蒸着させて金属薄膜を形成させる。さらに金属薄膜の上に、レジスト組成物を塗布および加熱してレジスト層を形成させる。
最後に、イオンミリングまたはRIEによって、メッシュパターンの無機物質マスクを下地の金属薄膜に転写することにより、化合物半導体層にオーミック接触した開口部を有する金属電極層が形成される。
本発明による半導体発光素子の製造方法の別のひとつは、ナノインプリントを利用するものである。その方法は、
結晶基板上に化合物半導体層を形成させる工程と
前記化合物半導体層の光取り出し面側に金属電極層を形成させる工程と
前記結晶基板の光取り出し面と反対側面に対向電極層を形成させる工程とを含み、前記金属電極層を形成させる工程が、
金属薄膜層を形成させる工程と、
形成させようとする金属電極の形状に対応した微細凹凸パターンを表面に有するスタンパーを準備する工程と、
前記金属薄膜層の少なくとも一部に前記スタンパーを利用してレジストパターンを転写する工程と、
前記レジストパターンをエッチングマスクとして前記金属薄膜層に開口部を形成させる工程と、
を含むことを特徴とするものである。
本発明による半導体発光素子の製造方法のさらに別のひとつは、シリカ等の微粒子の単分子層をマスクとして利用するものである。その方法は、
結晶基板上に化合物半導体層を形成させる工程と
前記化合物半導体層の光取り出し面側に金属電極層を形成させる工程と
前記結晶基板の光取り出し面と反対側面に対向電極層を形成させる工程とを含み、前記金属電極層を形成させる工程が、
前記金属薄膜層の少なくとも一部にレジスト組成物を塗布してレジスト層を形成させる工程と、
前記レジスト層の表面に微粒子の単粒子層を形成させる工程と、
前記単粒子層をエッチングマスクとして前記レジスト層をエッチングしてレジストパターンを形成させる工程と、
前記レジストパターンの開口部に無機物質を充填して逆パターンマスクを形成させる工程と、
前記逆パターンマスクをエッチングマスクとして前記金属薄膜層に開口部を形成させる工程と、
を含むことを特徴とするものである。
次いで、化合物半導体層上に、AuまたはAu/Zn等を真空蒸着により製膜して、金属薄膜を形成させる。
次に、柱状レジストパターン上のSOGおよびシリカ微粒子をエッチングにより除去し、柱状レジストパターンとその隙間にSOG509が充填された構造を形成させる。
さらに、SOGマスクを除去することにより、本発明の一実施態様である半導体発光素子を得ることができる。
開口部を有する金属電極層を形成させる方法のもうひとつは、電子線描画による方法である。この方法を利用した本発明による半導体素子の製造方法は、
結晶基板上に化合物半導体層を形成させる工程と
前記化合物半導体層の光取り出し面側に金属電極層を形成させる工程と
前記結晶基板の光取り出し面と反対側面に対向電極層を形成させる工程とを含み、前記金属電極層を形成させる工程が、
金属薄膜層を形成させる工程と、
金属薄膜上に電子線用レジストを塗布してレジスト膜を形成させる工程と、
前記レジスト膜に電子線により形成させようとする開口部の形状に対応したパターンを描画し、現像してレジストパターンを形成させる工程と、
前記レジストパターンをエッチングマスクとして前記金属薄膜層に開口部を形成させる工程と、
を含むものである。
前記した方法に準じて半導体発光素子を作製した。実施例1においては開口を有する金属電極と光取り出し層を含む半導体発光素子の特性を調べるため、従来の一般的な大きさである300μm角の半導体発光素子にて評価した。
実施例1と同様のn−GaAs/n−InAlP/InGaP/p−InAlP/p−InGaAlP/p−GaAsの半導体発光素子を用意した。
実施例1と同様の構造を有するが、従来の一般的な半導体素子に比較して大きな、1mm角の半導体発光素子を用意した。
実施例2と同様の構造を有するが、従来の一般的な半導体素子に比較して大きな、1mm角の半導体発光素子を用意した。
実施例3と同様にして1mm角の半導体発光素子を用意した。ただし、絶縁膜としてZnS膜を形成する代わりに、SiN(屈折率2.0)膜をCVD法により60nmの厚さで形成した。
実施例3と同様にして1mm角の半導体発光素子を用意した。ただし、絶縁膜であるZnS膜を形成する代わりに、導電性膜であるITO(屈折率2.0)膜をスパッタリング法により60nmの厚さで形成した。またITO膜は導電性膜であるため、パッド電極を形成する際のITO膜は除去せずにその上にパッド電極を形成させて半導体発光素子を完成させた。
実施例3と同様にして1mm角の半導体発光素子を用意した。ただし、金属電極層に開口部を形成させる際に用いる電子線レジストの代わりに、i線用レジストを用いた。具体的には、パターンマスクを形成するのに、金属薄膜層にi線用レジスト(東京応化株式会社製:商品名THMR−iP3650)の塗膜を1μmの厚さで形成させ、i線用のステッパー露光装置で開口径500nm、1μmの間隔を有するホールパターンを形成させた。その後は実施例3と同様にして半導体発光素子を完成させた。
実施例4と同様にして1mm角の半導体発光素子を用意した。ただし、金属電極層に開口部を形成させる際に用いる電子線レジストの代わりに、i線用レジストを用いた。具体的には、パターンマスクを形成するのに、金属薄膜層へi線用レジスト(東京応化株式会社製:商品名THMR−iP3650)の塗膜を1μmの厚さで形成させ、i線用のステッパー露光装置で開口径500nm、1μmの間隔を有するホールパターンを形成させた。その後は実施例4と同様にして半導体発光素子を完成させた。
実施例7と同様にして1mm角の半導体発光素子を用意した。ただし、ホールパターンは、開口径1.5μm、間隔2μmとした。その後は実施例7と同様にして半導体発光素子を完成させた。
実施例1と同様のn−GaAs/n−InAlP/InGaP/p−InAlP/p−InGaAlP/p−GaAsの半導体発光素子を用意した。p型GaAs層(コンタクト層)104にAu(厚さ10nm)/Au−Zn(3%)膜(厚さ30nm)を蒸着して金属薄膜層105Aを形成し、窒素雰囲気下で450℃、30分間アニールを行った。
実施例10と同様にして、化合物半導体層の上に金属電極層105を形成させた(図7(A)〜(G))。
実施例1と同様のn−GaAs/n−InAlP/InGaP/p−InAlP/p−InGaAlP/p−GaAsの半導体発光素子を用意した。p型GaAs層104にAu(厚さ10nm)/Au−Zn(3%)(厚さ10nm)層105Aを蒸着法により形成し、窒素雰囲気下で450℃、30分間アニールを行った。
実施例12と同様にして、化合物半導体層の上に金属電極層105を形成させた(図9(A)〜(E))。
実施例1と同様のn−GaAs/n−InAlP/InGaP/p−InAlP/p−InGaAlP/p−GaAsの半導体発光素子を用意した。p型GaAs層104にAu(厚さ10nm)/Au−Zn(3%)(厚さ40nm)105Aを蒸着法により形成し、窒素雰囲気下で450℃、30分間アニールを行った。
実施例14と同様にして、化合物半導体層の上に金属電極層105を形成させた(図11(A)〜(E))。
サファイア基板1201上にGaNバッファー層1202を形成した上にn−GaN:Si層1203、InGaN/GaNのMQW(Multi Quantum Well)層1204、p−Al0.2Ga0.8N:Mg層1205、p−GaN:Mg層1206をエピタキシャル成長させた。p−GaN:Mg層のl上にNi(厚さ10nm)/Au(厚さ40nm)層1207Aを蒸着法により形成し、急速高温アニールによりオーミックコンタクトを形成した(図12(A))。
実施例16と同様にして、化合物半導体層の上に金属電極層1207を形成させた(図13(A)〜(C))。
実施例16と同様のサファイア基板/GaNバッファー層/n−GaN:Si層/InGaN/GaNのMQW層/p−Al0.2Ga0.8N:Mg層/p−GaN:Mg層の半導体発光素子を用意した。p−GaN:Mg層の上にNi(厚さ2nm)/Ag(厚さ30nm)を蒸着して金属薄膜層1207Aを形成し、急速高温アニールによりオーミックコンタクトを形成した。
実施例18と同様にして、化合物半導体層の上に金属電極層1207を形成させた(図15(A)〜(D))。
101 結晶基板
102 ヘテロ構造部
103 電流拡散層
104 コンタクト層
105 金属電極層
106A、106B 光取り出し層
107 対向電極
105X 開口部
105Y 金属部位
202 パッド電極
401 ドットパターンマスク
602A シリカ粒子
603A SOG膜
801A レジスト層
803A ブロックコポリマー層
1001 石英モールド
1201 サファイア基板
1202は、GaNバッファー層
1203 n−GaN:Si層
1204 MQW層
1205 p−Al0.2Ga0.8N:Mg層
1206 p−GaN:Mg層
1207A Ni/Au層
1208 ホールパターン
1209 n型電極
1210 パッド電極
Claims (12)
- 結晶基板と、
前記結晶基板の一方の面に形成された化合物半導体層と、
前記化合物半導体層の上に形成された、膜厚が10nm以上50nm以下である金属電極層と、
前記金属電極層の上に形成された光取り出し層と、
前記結晶基板の反対側面に形成された対抗電極と、
を具備する半導体発光素子であって、
前記金属電極層が、
任意の2点間が切れ目無く連続した金属部位と、
前記金属電極層を貫通し、円相当平均直径が10nm以上5μm未満である複数の開口部を有しており、
前記光取り出し層が、
前記金属電極層の金属部位を少なくとも部分的に被覆しており、
20nm以上120nm以下の膜厚を有している
ことを特徴とする半導体発光素子。 - 結晶基板と、
前記結晶基板の一方の面に形成された化合物半導体層と、
前記化合物半導体層の上に形成された、膜厚が10nm以上50nm以下である金属電極層と、
前記金属電極層の上に形成された、微細な凹凸構造を有する光取り出し層と、
前記結晶基板の反対側面に形成された対抗電極と、
を具備する半導体発光素子であって、
前記金属電極層が、
任意の2点間が切れ目無く連続した金属部位と、
前記金属電極層を貫通し、円相当平均直径が10nm以上5μm未満である複数の開口部を有しており、
前記光取り出し層が、
前記金属電極層の金属部位を少なくとも部分的に被覆しており、
前記光取り出し層の凸部頂点間隔が100nm以上600nm以下であり、前記金属電極層の表面から凸部頂点までの高さが200nm以上700nm以下である
ことを特徴とする半導体発光素子。 - 前記金属電極層が、Ag、またはAuを主成分とし、Al、Zn、Zr、Si、Ge、Pt、Rh、Ni、Pd、Cu、Sn、C、Mg、Cr、Te、Se、およびTiからなる群から選択される少なくとも一つの元素をさらに含有するものであることを特徴とする請求項1または2記載の半導体発光素子。
- 前記光取り出し層が誘電体膜または透明導電性膜であることを特徴とする請求項1または2記載の半導体発光素子。
- 前記光取り出し層の屈折率が1.8以上2.5以下であることを特徴とする請求項1または2記載の半導体発光素子。
- 前記金属電極層の面積が1mm2以上であることを特徴とする請求項1または2のいずれか1項に記載の半導体発光素子。
- 前記金属電極層と、前記化合物半導体層とがオーミック接触をしていることを特徴とする請求項1または2記載の半導体発光素子。
- 前記金属電極層のシート抵抗が10Ω/□以下であることを特徴とする請求項1または2記載の半導体発光素子。
- 前記金属電極層の、前記化合物半導体層から放射される光の波長における光透過率が10%以上であることを特徴する請求項1または2に記載の半導体発光素子。
- 請求項1または2記載の半導体発光素子を具備してなることを特徴とする照明装置。
- 結晶基板上に化合物半導体層を形成する工程と、
前記化合物半導体層の上に金属電極層を形成する工程と、
前記金属電極層の上に光取り出し層を形成する工程と、
前記結晶基板の前記化合物半導体層と反対側面に対向電極層を形成する工程と、を有する半導体発光素子の製造方法であって、
前記金属電極層を形成させる工程が、
金属薄膜層を形成する工程と、
前記金属薄膜層の少なくとも一部の表面にブロックコポリマーを含む組成物を塗布してブロックコポリマー膜を形成する工程と、
前記ブロックコポリマーの相分離を起こさせることでドット状のミクロドメインを生成する工程と、
前記ミクロドメインのパターンをエッチングマスクとして前記金属薄膜をエッチングして開口部を有する前記金属電極層を形成する工程と、
を備えたことを特徴とする請求項1または2記載の半導体発光素子の製造方法。 - 結晶基板上に化合物半導体層を形成する工程と、
前記化合物半導体層の上に金属電極層を形成する工程と
前記金属電極層の上に光取り出し層を形成する工程と、
前記結晶基板の前記化合物半導体層と反対側面に対向電極層を形成する工程と、を有する半導体発光素子の製造方法であって、
前記金属電極層を形成する工程が、
金属薄膜層を形成する工程と、
形成する金属電極層の形状に対応した微細凹凸パターンを表面に有するスタンパーを準備する工程と、
前記金属薄膜層の少なくとも一部に前記スタンパーを利用してレジストパターンを転写する工程と、
前記レジストパターンをエッチングマスクとして前記金属薄膜層に開口部を形成する工程と、
を備えた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素子の製造方法。
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