JP2016001639A - 発光ダイオード及び発光ダイオードの製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】ＬＥＤの発光層から出射される光を高効率で外部に取り出すことができる表面形状を有するＬＥＤを提供すること。【解決手段】本発明の発光ダイオードは、基板１と半導体積層部１０とを備え、半導体積層部１０は、基板１の第１主面上に形成されたｎ型半導体層３と、このｎ型半導体層３上に形成された発光層４と、この発光層４上に形成されたｐ型半導体層５とを備えている。発光ダイオードの光取り出し面に、錐台形状のパターン１ａが形成されており、錐台形状のパターン１ａの下底長が１．２λ以上１．７λ以下であり、傾斜角が６５度以上８０度以下であり、上底長が０．４λ以上１．２λ以下である。基板１は窒化物である。【選択図】図１
Description
本発明は、発光ダイオード及び発光ダイオードの製造方法に関し、より詳細には、発光層から出射される光を高効率で外部に取り出すことができる発光ダイオード及び発光ダイオードの製造方法に関する。
近年、発光ダイオード（ＬＥＤ）は、紫外領域、可視領域、赤外領域と幅広い波長範囲での発光が実現され、紫外領域は殺菌や樹脂硬化など、可視領域は照明及びディスプレイなど、赤外領域は赤外線通信や不正侵入監視用光源などに用いられ、長寿命で省電力という特徴を活かして、順調にその需要を伸ばしている。
これら発光ダイオードの課題の一つとして、光取り出し効率が低いことが挙げられる。発光ダイオードに使用される半導体材料は高屈折率のものが多く、空気との界面における全反射により、内部で発光した光を効率的に外部に取り出すことができず、発光ダイオードの発光効率を低下させる大きな要因となっている。
これら発光ダイオードの課題の一つとして、光取り出し効率が低いことが挙げられる。発光ダイオードに使用される半導体材料は高屈折率のものが多く、空気との界面における全反射により、内部で発光した光を効率的に外部に取り出すことができず、発光ダイオードの発光効率を低下させる大きな要因となっている。
そこで、光取り出し効率を向上させるための手段として、取り出し面に光の波長よりも小さい微細凹凸構造を付与することにより、フレネル反射を抑制する方法（例えば、特許文献１参照）や、広角入射した光をその光の波長よりも大きい凹凸構造の斜面を利用することで全反射を抑制する方法（例えば、特許文献２参照）などが提案されている。
更に、微細なリッジ構造におけるエバネッセント光の干渉現象を利用することにより、光取り出し効率向上についても検討されている（例えば、特許文献３参照）。
更に、微細なリッジ構造におけるエバネッセント光の干渉現象を利用することにより、光取り出し効率向上についても検討されている（例えば、特許文献３参照）。
しかしながら、上述した特許文献１に代表される取り出し面に光の波長よりも小さい微細凹凸構造を付与する技術では、大きさの異なる微小錐体形状の凹凸を形成することにより、光取り出し面におけるフレネル反射を抑制する効果は高いものの、広角入射してくる光を効率よく取り出すことはできないという問題がある。
また、上述した特許文献２に代表される広角入射した光をその光の波長よりも大きい凹凸構造の斜面を利用することで全反射を抑制する技術では、光取り出し面に傾斜面を取り入れることにより、光取り出し面に広角入射する光をより多く外部へ放出させることができるが、全反射による閉じ込めを回避することはできないという問題がある。
また、上述した特許文献２に代表される広角入射した光をその光の波長よりも大きい凹凸構造の斜面を利用することで全反射を抑制する技術では、光取り出し面に傾斜面を取り入れることにより、光取り出し面に広角入射する光をより多く外部へ放出させることができるが、全反射による閉じ込めを回避することはできないという問題がある。
また、上述した特許文献３に代表される微細なリッジ構造におけるエバネッセント光の干渉現象を利用することにより、光取り出し効率向上させる技術では、微細なリッジ構造を設けることにより、全反射に伴って発生するエバネッセント光を互いに干渉させて、効率良く伝播光に変換することにより、光取り出し効率の向上を図っているものの、リッジ構造では、リッジの垂直方向のみの取り出し効果しか期待できず、また、回折による取り出しとの組み合わせ効果については考慮されていないという問題がある。
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、高屈折率材料を用いる発光ダイオードにおいて、界面における全反射による光取り出し効率の低下に鑑み、発光層から出射される光を高効率で外部に取り出すことができる発光ダイオード及び発光ダイオードの製造方法を提供することにある。
本発明は、このような目的を達成するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、基板（１）と、該基板（１）の第１主面上に形成されたｎ型半導体層（３）と、該ｎ型半導体層（３）上に形成された発光層（４）と、該発光層（４）上に形成されたｐ型半導体層（５）とからなる半導体積層部（１０）と、を備えた中心発光波長λの光を発光する発光ダイオードであって、前記発光ダイオードの光取り出し面に、錐台形状のパターン（１ａ，５ａ）が形成されており、前記錐台形状のパターン（１ａ，５ａ）の下底長が１．２λ以上１．７λ以下であり、傾斜角が６５度以上８０度以下であり、上底長が０．４λ以上１．２λ以下であることを特徴とする。（実施形態１；図１）
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記光取り出し面が、前記基板（１）の第１主面に対向する第２主面であることを特徴とする。（実施形態２；図２）
また、請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、前記基板（１）が、窒化物であることを特徴とする。
また、請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、前記基板（１）が、窒化物であることを特徴とする。
また、請求項４に記載の発明は、基板（１０１）の第１主面上に、ｎ型半導体層（１０３）と発光層（１０４）とｐ型半導体層（１０５）とが積層された半導体積層部（１００）を備える発光ダイオード用半導体ウェハの発光ダイオードの光取り出し面となる領域上に、斜面が順テーパーの錐台形状又は錐体形状のマスク（１１０，２１０）を形成するマスク工程と、前記マスク越しに光取り出し面をエッチングして錐台形状のパターン（１１１，２１１）を形成するパターン形成工程と、を有することを特徴とする発光ダイオードの製造方法である。（図３（ａ）乃至図３（ｆ））
また、請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の発明において、前記錐台形状のパターン（１１１，２１１）が、下底長が１．２λ以上１．７λ以下であり、傾斜角が６５度以上８０度以下であり、上底長が０．４λ以上１．２λ以下であることを特徴とする。
また、請求項６に記載の発明は、請求項４又は５に記載の発明において、前記マスク（１１０，２１０）が、サファイア基板をウェットエッチングして得られた形状をモールドとして用い、インプリント技術により形成されることを特徴とする。
また、請求項６に記載の発明は、請求項４又は５に記載の発明において、前記マスク（１１０，２１０）が、サファイア基板をウェットエッチングして得られた形状をモールドとして用い、インプリント技術により形成されることを特徴とする。
本発明によれば、高屈折率材料を用いる発光ダイオードにおいて、界面における全反射による光取り出し効率の低下に鑑み、発光層から出射される光を高効率で外部に取り出すことができる発光ダイオード及び発光ダイオードの製造方法を実現することができる。
以下、本発明を実施するための形態について説明する。
本実施形態の発光ダイオードは、基板と、この基板の第１主面上に形成されたｎ型半導体層と、このｎ型半導体層上に形成された発光層及びこの発光層上に形成されたｐ型半導体層とからなる半導体積層部と、を備えた中心発光波長λの光を発光する発光ダイオードである。発光ダイオードの光取り出し面に、錐台形状のパターンが形成されており、錐台形状のパターンの下底長が、１．２λ以上１．７λ以下であり、傾斜角が６５度以上８０度以下であり、上底長が０．４λ以上１．２λ以下である。
本実施形態の発光ダイオードは、基板と、この基板の第１主面上に形成されたｎ型半導体層と、このｎ型半導体層上に形成された発光層及びこの発光層上に形成されたｐ型半導体層とからなる半導体積層部と、を備えた中心発光波長λの光を発光する発光ダイオードである。発光ダイオードの光取り出し面に、錐台形状のパターンが形成されており、錐台形状のパターンの下底長が、１．２λ以上１．７λ以下であり、傾斜角が６５度以上８０度以下であり、上底長が０．４λ以上１．２λ以下である。
また、錐台形状のパターンの下底長が、１．２λ以上１．７λ以下であり、傾斜角が６５度以上８０度以下であり、上底長が０．４λ以上１．２λ以下であることにより、従来よりも高効率で外部への光取り出しが実現される。
錐台形状のパターンを高密度に形成し、外部への光取り出し効率を向上させる観点から、錐台形状のパターンの下底長は、１．２λ以上１．７λ以下であり、好ましくは、１．２λ以上１．６λ以下である。また、発生したエバネッセント波が消衰する前に伝搬光に変換し、外部への光取り出し効率を向上させる観点から、錐台形状のパターンの上底長が、０．４λ以上１．２λ以下であり、好ましくは、０．５λ以上１．１λ以下である。
錐台形状のパターンを高密度に形成し、外部への光取り出し効率を向上させる観点から、錐台形状のパターンの下底長は、１．２λ以上１．７λ以下であり、好ましくは、１．２λ以上１．６λ以下である。また、発生したエバネッセント波が消衰する前に伝搬光に変換し、外部への光取り出し効率を向上させる観点から、錐台形状のパターンの上底長が、０．４λ以上１．２λ以下であり、好ましくは、０．５λ以上１．１λ以下である。
広角入射してくる光を回折で取り出し、外部への光取り出し効率を向上させる観点から、錐台形状のパターンの傾斜角は６５度以上８０度以下であり、好ましくは６６度以上７８度以下である。
本実施形態の発光ダイオードにおいて、「中心発光波長λ」とは、発光ダイオードを発光させた際に出力される光において強度が最も強い波長を意味する。中心発光波長は、発光ダイオードから発光された光を分光光度計で測定し、波長ごとの光強度を測定することで測定される。
本実施形態の発光ダイオードにおいて、「中心発光波長λ」とは、発光ダイオードを発光させた際に出力される光において強度が最も強い波長を意味する。中心発光波長は、発光ダイオードから発光された光を分光光度計で測定し、波長ごとの光強度を測定することで測定される。
また、本実施形態の発光ダイオードにおいて、「錐台形状のパターン」とは、底面と上面とが略平行な二次元形状であり、底面と上面の間の側面が順テーパー形状の立体であり、好ましくは、錐体から、頂点を共有し相似に縮小した錐体を取り除いた形状である。錐台形状の例としては、円錐台形状、楕円錐台形状、ｎ角錐台形状（ｎは３以上の整数）が挙げられるがこの限りではない。高密度に錐台形状のパターンを充填し、外部への光取り出し効率を向上させる観点から、円錐台形状や三角錐台形状、六角錐台形状が好ましく、円錐台形状、六角錐台形状がより好ましい。また、底面と上面は相似の関係にあることが好ましいが本実施形態の発光ダイオードはこれに限られない。
また、「錐台形状のパターンの下底長」、「錐台形状のパターンの上底長」は、錐台形状のパターンを平面視で観察したときの各面のエッジ距離が最長となる長さを意味する。例えば、底面又は上面が円形（すなわち、パターンが円錐台形状）の場合、その円の直径が下底長や上底長となる。また、「錐体形状のパターンの傾斜角」は、錐台形状パターンを断面視で観察したときの底面と斜面なす角を意味する。
また、「光取り出し面」は、半導体積層部にて生成した光が、外部に取り出される領域を意味する。本実施形態の発光ダイオードでは、半導体積層部の表面部であってもよいし、基板の第２主面側の表面部（例えば、基板の第２主面、基板の第２主面上に形成された層）であってもよいし、基板や半導体積層部の側面部であってもよい。錐台形状のパターンの形成容易性や光取り出し効率向上の観点から、半導体積層部の表面部や基板の第２主面側の表面部であることが好ましく、半導体積層部のｐ型半導体層の主表面部や、基板の第２主面側の表面部であることがより好ましい。
また、錐台形状のパターンは、光取り出し面上に高密度に形成・配置されることが好ましい。錐台形状のパターンの配置については、三角格子、正方格子、ランダム配置の何れも選択することができるが、三角格子配列が最も対称性が良好であり、また高密度化が可能であるため好ましい。
また、本実施形態の発光ダイオードは、発光部から放出される光の外部への取り出し効率向上の観点から、各錐台形状のパターンの間隔が、λ以上３λ以下であることが好ましく、１．５λ以上２．２λ以下であることがより好ましい。各錐台形状のパターンの間隔がλ以上３λ以下であることにより、光取り出し面上の錐台形状のパターンの比表面積が十分に大きくなり、光取り出し効率向上に寄与する為好ましい。各錐台形状のパターンの間隔は、全て等間隔でもよいし、等間隔ではなくある程度分布を有していてよい。
また、本実施形態の発光ダイオードは、発光部から放出される光の外部への取り出し効率向上の観点から、各錐台形状のパターンの間隔が、λ以上３λ以下であることが好ましく、１．５λ以上２．２λ以下であることがより好ましい。各錐台形状のパターンの間隔がλ以上３λ以下であることにより、光取り出し面上の錐台形状のパターンの比表面積が十分に大きくなり、光取り出し効率向上に寄与する為好ましい。各錐台形状のパターンの間隔は、全て等間隔でもよいし、等間隔ではなくある程度分布を有していてよい。
次に、本実施形態の発光ダイオードの各構成要件について説明する。
［基板］
本実施形態の発光ダイオードにおいて、基板は、第１主面上に半導体積層部を形成可能なものであれば特に制限されず、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）、スピネル（ＭｇＡｌ２Ｏ４）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）などの酸化物単結晶、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＡｌＮ、ＧａＮなどの基板を使用することができる。基板の面方位は特に限定されず、ジャスト基板であっても、オフ角を付与した基板であっても良い。また、厚みについても特に限定されることはなく、ハンドリングが可能な厚み以上で適正なものを用いることができる。
基板上にバッファー層を設けたうえで半導体積層部を形成する場合は、このバッファー層も基板の一部として扱う。例えば、後の工程で元の基板を除去するような場合は、残ったバッファー層が基板である。
［基板］
本実施形態の発光ダイオードにおいて、基板は、第１主面上に半導体積層部を形成可能なものであれば特に制限されず、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）、スピネル（ＭｇＡｌ２Ｏ４）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）などの酸化物単結晶、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＡｌＮ、ＧａＮなどの基板を使用することができる。基板の面方位は特に限定されず、ジャスト基板であっても、オフ角を付与した基板であっても良い。また、厚みについても特に限定されることはなく、ハンドリングが可能な厚み以上で適正なものを用いることができる。
基板上にバッファー層を設けたうえで半導体積層部を形成する場合は、このバッファー層も基板の一部として扱う。例えば、後の工程で元の基板を除去するような場合は、残ったバッファー層が基板である。
［半導体積層部］
本実施形態の発光ダイオードにおいて、半導体積層部は、基板の第１主面上に形成されたｎ型半導体層と、ｎ型半導体層上に形成された発光層及び発光層上に形成されたｐ型半導体層を少なくとも有する。これらｎ型半導体層、発光層、ｐ型半導体層以外に、電極との良好なオーミック接触を実現するためのコンタクト層や、発光効率を向上させるためのバリア層（ブロック層）などの別の層を更に備えていてもよい。発光層は、発光効率を向上させるために、単一又は多重量子井戸構造であることが好ましい。半導体積層部に用いる材料としては、発光ダイオードの発光波長に応じて公知のものを採用可能できる。一例としては、ＩｎｘＡｌｙＧａ（１−ｘ−ｙ）Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）、やＡｌＧａＩｎＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）で表されるIII−V族化合物半導体材料を用いることができる。
本実施形態の発光ダイオードにおいて、半導体積層部は、基板の第１主面上に形成されたｎ型半導体層と、ｎ型半導体層上に形成された発光層及び発光層上に形成されたｐ型半導体層を少なくとも有する。これらｎ型半導体層、発光層、ｐ型半導体層以外に、電極との良好なオーミック接触を実現するためのコンタクト層や、発光効率を向上させるためのバリア層（ブロック層）などの別の層を更に備えていてもよい。発光層は、発光効率を向上させるために、単一又は多重量子井戸構造であることが好ましい。半導体積層部に用いる材料としては、発光ダイオードの発光波長に応じて公知のものを採用可能できる。一例としては、ＩｎｘＡｌｙＧａ（１−ｘ−ｙ）Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）、やＡｌＧａＩｎＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）で表されるIII−V族化合物半導体材料を用いることができる。
半導体積層部のｎ型半導体を形成するための不純物としては、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｃなどが挙げられ、ｐ型半導体を形成するための不純物としては、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ等が挙げられる。半導体積層部の形成方法は特に限定されないが、ＭＯＣＶＤ法、ＭＯＶＰＥ法、ＭＢＥ法、ＨＶＰＥ法などで形成することができる。
本実施形態の発光ダイオードは、発光ダイオードを発光させるために、半導体積層部のｎ型半導体層とｐ型半導体層は、それぞれ電極と電気的に接続されていることが好ましい。電極の材料としては、Ｔｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕ、Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕ、Ｎｉ／Ａｕ、Ｃｒ／Ａｕ、Ｔｉ／Ａｕ、ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕ、Ａｕ／ＡｕＺｎ／Ａｕなどが挙げられる。これらの電極の材料は蒸着などの方法により形成される。また、電極としてはＩＴＯ（ｔｉｎ−ｄｏｐｅｄ ｉｎｄｉｕｍ ｏｘｉｄｅ）などの透光性電流拡散層（透明電極）を独立又は組み合わせて用いてもよい。ここで、例えば、半導体積層部のｐ型半導体層上に透光性電流拡散層を設けた場合、光取り出し面は透光性電流拡散層ではなく、半導体積層部の表面部であるｐ型半導体層となる。
本実施形態の発光ダイオードは、発光ダイオードを発光させるために、半導体積層部のｎ型半導体層とｐ型半導体層は、それぞれ電極と電気的に接続されていることが好ましい。電極の材料としては、Ｔｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕ、Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕ、Ｎｉ／Ａｕ、Ｃｒ／Ａｕ、Ｔｉ／Ａｕ、ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕ、Ａｕ／ＡｕＺｎ／Ａｕなどが挙げられる。これらの電極の材料は蒸着などの方法により形成される。また、電極としてはＩＴＯ（ｔｉｎ−ｄｏｐｅｄ ｉｎｄｉｕｍ ｏｘｉｄｅ）などの透光性電流拡散層（透明電極）を独立又は組み合わせて用いてもよい。ここで、例えば、半導体積層部のｐ型半導体層上に透光性電流拡散層を設けた場合、光取り出し面は透光性電流拡散層ではなく、半導体積層部の表面部であるｐ型半導体層となる。
また、本実施形態の発光ダイオードは、光取り出し面の発光層に対する反対側の任意の領域に金属などからなる反射層を具備しても良い。その場合、反射層に光が吸収されて消失しない場合には、素子構造内での反射を繰り返しながら光が放出されることから、反射層を持たない発光ダイオードに比べて、高い光取出し効率が期待できる。
次に、本実施形態の発光ダイオードの製造方法について説明する。
次に、本実施形態の発光ダイオードの製造方法について説明する。
［発光ダイオードの製造方法］
本実施形態の発光ダイオードの製造方法は、基板の第１主面上にｎ型半導体層と発光層とｐ型半導体層とが積層された半導体積層部を備える発光ダイオード用半導体ウェハの、発光ダイオードの光取り出し面となる領域上に、斜面が順テーパーの錐台形状又は錐体形状のマスクを形成するマスク工程と、マスク越しに光取り出し面をエッチングして錐台形状のパターンを形成するパターン形成工程と、を有している。
本実施形態の発光ダイオードの製造方法は、基板の第１主面上にｎ型半導体層と発光層とｐ型半導体層とが積層された半導体積層部を備える発光ダイオード用半導体ウェハの、発光ダイオードの光取り出し面となる領域上に、斜面が順テーパーの錐台形状又は錐体形状のマスクを形成するマスク工程と、マスク越しに光取り出し面をエッチングして錐台形状のパターンを形成するパターン形成工程と、を有している。
形成される錐台形状のパターンは、下底長が１．２λ以上１．７λ以下であり、傾斜角が６５度以上８０度以下であり、上底長が０．４λ以上１．２λ以下であることが好ましい。
パターン形成工程におけるエッチングの方法は、加工面の材料により、ウェットエッチングやドライエッチングなどから適正なものを選択することができる。錐台形状に結晶面のエッチングレート差の影響が出にくく、形状の制御性が良好なドライエッチングでの加工が好ましい。ドライエッチングを用いる場合、ドライエッチングにおけるプラズマダメージにより、発光層へのダメージを低減させる観点から、発光層から加工底面までの距離が３００ｎｍ以上となっていることが望ましい。
パターン形成工程におけるエッチングの方法は、加工面の材料により、ウェットエッチングやドライエッチングなどから適正なものを選択することができる。錐台形状に結晶面のエッチングレート差の影響が出にくく、形状の制御性が良好なドライエッチングでの加工が好ましい。ドライエッチングを用いる場合、ドライエッチングにおけるプラズマダメージにより、発光層へのダメージを低減させる観点から、発光層から加工底面までの距離が３００ｎｍ以上となっていることが望ましい。
マスク工程において、斜面が順テーパーの錐台形状又は錐体形状のマスクを形成する方法は、フォトリソグラフィやインプリントなどの、一般的な手法を用いることができる。マスク材料としては、フォトレジスト、インプリントレジスト、ＳｉＯ２膜などの誘電体材料及び各種メタル膜などを用いることができる。斜面が順テーパーの錐台形状又は錐体形状のマスクを用いることで、錐台形状のパターンを容易に形成することが可能になる。例えば、ＳｉＯ２膜をマスクとする場合、フッ酸などでフォトレジストをＳｉＯ２膜マスク形成用のマスクにしてウェットエッチングすることが好ましい。また、インプリントを用いる場合、インプリントレジストのインプリント時のモールド形状をあらかじめ順テーパー形状にしておくことも好適な例として挙げられる。
錐台形状のパターンを形成するため、マスクはパターン形成工程終了後においても残っている状態の方が好ましい。残ったマスクを除去した後には、錐台の上底部が、平坦面を保持しつつ、なおかつ傾斜面と上底部の交点がきれいな鈍角のパターン（すなわち、順テーパー形状の錐台形状又は錐体形状のパターン）を形成することが容易である。具体例としては、サファイア基板をウェットエッチングして得られた形状をモールドとして、インプリント技術によりマスクを形成する方法が挙げられる。
以下、図面を参照して本発明の各実施形態について説明する。
＜実施形態１＞
図１は、本発明に係る発光ダイオードの実施形態１を説明するための断面模式図である。本実施形態１の発光ダイオードは、中心発光波長λの光を発光する発光ダイオードで、基板１と半導体積層部１０とを備え、半導体積層部１０は、基板１の第１主面上に形成されたｎ型半導体層３と、このｎ型半導体層３上に形成された発光層４と、この発光層４上に形成されたｐ型半導体層５とを備えている。
＜実施形態１＞
図１は、本発明に係る発光ダイオードの実施形態１を説明するための断面模式図である。本実施形態１の発光ダイオードは、中心発光波長λの光を発光する発光ダイオードで、基板１と半導体積層部１０とを備え、半導体積層部１０は、基板１の第１主面上に形成されたｎ型半導体層３と、このｎ型半導体層３上に形成された発光層４と、この発光層４上に形成されたｐ型半導体層５とを備えている。
また、発光ダイオードの光取り出し面に、錐台形状のパターン１ａが形成されており、錐台形状のパターン１ａの下底長が１．２λ以上１．７λ以下であり、傾斜角が６５度以上８０度以下であり、上底長が０．４λ以上１．２λ以下である。また、基板１は、窒化物であることが好ましい。
つまり、本実施形態１の発光ダイオードは、基板１と、この基板１上に積層されたバッファー層２と、このバッファー層２の上に積層されたｎ型半導体層３と、このｎ型半導体層３上に積層された発光層４及びこの発光層４上に積層されたｐ型半導体層５からなる半導体積層部１０と、ｐ型半導体層５上に積層された透光性電流拡散層６とを備えている。
つまり、本実施形態１の発光ダイオードは、基板１と、この基板１上に積層されたバッファー層２と、このバッファー層２の上に積層されたｎ型半導体層３と、このｎ型半導体層３上に積層された発光層４及びこの発光層４上に積層されたｐ型半導体層５からなる半導体積層部１０と、ｐ型半導体層５上に積層された透光性電流拡散層６とを備えている。
図１に示すように、発光層４及びｐ型半導体層５、ｎ型半導体層３の面内方向の一部が除去され、ｎ型半導体層３は厚さ方向に対しても一部は除去されることで露出されたｎ型半導体層３上にｎ型電極７が配置され、ｐ型半導体層上の透明電流拡散層６の一部にｐ型電極８が配置されている発光ダイオードである。
錐台形状のパターン５ａは、半導体積層部１０の表面部であるｐ型半導体層５の上部に形成されている。すなわち、第１の実施形態の発光ダイオードにおける光取り出し面は、ｐ型半導体層５の上部である。
錐台形状のパターン５ａは、半導体積層部１０の表面部であるｐ型半導体層５の上部に形成されている。すなわち、第１の実施形態の発光ダイオードにおける光取り出し面は、ｐ型半導体層５の上部である。
＜実施形態２＞
図２は、本発明に係る発光ダイオードの実施形態２を説明するための断面模式図である。本実施形態２の発光ダイオードは、中心発光波長λの光を発光する発光ダイオードで、基板１と半導体積層部１０とを備え、半導体積層部１０は、基板１の第１主面上に形成されたｎ型半導体層３と、このｎ型半導体層３上に形成された発光層４と、この発光層４上に形成されたｐ型半導体層５とを備えている。
図２は、本発明に係る発光ダイオードの実施形態２を説明するための断面模式図である。本実施形態２の発光ダイオードは、中心発光波長λの光を発光する発光ダイオードで、基板１と半導体積層部１０とを備え、半導体積層部１０は、基板１の第１主面上に形成されたｎ型半導体層３と、このｎ型半導体層３上に形成された発光層４と、この発光層４上に形成されたｐ型半導体層５とを備えている。
また、光取り出し面は、基板１の第１主面に対向する第２主面であり、発光ダイオードの光取り出し面に、錐台形状のパターン５ａが形成されており、錐台形状のパターン５ａの下底長が１．２λ以上１．７λ以下であり、傾斜角が６５度以上８０度以下であり、上底長が０．４λ以上１．２λ以下である。また、基板１は、窒化物であることが好ましい。
つまり、本実施形態２の発光ダイオードは、基板１と、この基板１上に積層されたバッファー層２と、このバッファー層２の上に積層されたｎ型半導体層３と、このｎ型半導体層３上に積層された発光層４と、この発光層４上に積層されたｐ型半導体層５からなる半導体積層部２０とを備えている。発光層４とｐ型半導体層５の間に、相対的にバンドギャップが大きい電子ブロック層（図示せず）を設けてもよい。図２に示すように、発光層４及びｐ型半導体層５、ｎ型半導体層３の面内方向の一部が除去され、なおかつｎ型半導体層３は厚さ方向に対しても一部は除去されることで露出されたｎ型半導体層３上にｎ型は電極７が配置され、ｐ型半導体層５上にｐ型電極８が配置されている発光ダイオードである。
錐台形状のパターン１ａは、基板１の第２主面側の表面に形成されている。すなわち、第２の実施形態の発光ダイオードにおける光取り出し面は、基板１の第２主面側の表面である。
このようにして、高屈折率材料を用いる発光ダイオードにおいて、界面における全反射による光取り出し効率の低下に鑑み、発光層から出射される光を高効率で外部に取り出すことができる発光ダイオードを実現することができる。
以下、本発明に係る発光ダイオードの製造方法における各実施例について説明する。
このようにして、高屈折率材料を用いる発光ダイオードにおいて、界面における全反射による光取り出し効率の低下に鑑み、発光層から出射される光を高効率で外部に取り出すことができる発光ダイオードを実現することができる。
以下、本発明に係る発光ダイオードの製造方法における各実施例について説明する。
図３（ａ）乃至図３（ｆ）は、本発明に係る発光ダイオードの製造方法の実施例１を説明するための断面工程図である。
本発明の実施例１に係る発光ダイオードの製造方法は、基板１０１の第１主面上に、ｎ型半導体層１０３と発光層１０４とｐ型半導体層１０５とが積層された半導体積層部１００を備える発光ダイオード用半導体ウェハの発光ダイオードの光取り出し面となる領域上に、斜面が順テーパーの錐台形状又は錐体形状のマスク１１０を形成するマスク工程と、マスク越しに光取り出し面をエッチングして錐台形状のパターン１１１を形成するパターン形成工程とを有している。
本発明の実施例１に係る発光ダイオードの製造方法は、基板１０１の第１主面上に、ｎ型半導体層１０３と発光層１０４とｐ型半導体層１０５とが積層された半導体積層部１００を備える発光ダイオード用半導体ウェハの発光ダイオードの光取り出し面となる領域上に、斜面が順テーパーの錐台形状又は錐体形状のマスク１１０を形成するマスク工程と、マスク越しに光取り出し面をエッチングして錐台形状のパターン１１１を形成するパターン形成工程とを有している。
また、錐台形状のパターン１１１は、下底長が１．２λ以上１．７λ以下であり、傾斜角が６５度以上８０度以下であり、上底長が０．４λ以上１．２λ以下である。
まず、図３（ａ）に示すように、ＭＯＣＶＤ法によりサファイア基板１０１上に、ＧａＮ低温バッファー層１０２と、ｎ−ＧａＮ半導体層１０３と、ＩｎＧａＮ量子井戸発光層１０４と、ｐ−ＡｌＧａＮ電子ブロック層１０９と、ｐ−ＧａＮ半導体層１０５とを順に積層した半導体積層部１００を形成した。
まず、図３（ａ）に示すように、ＭＯＣＶＤ法によりサファイア基板１０１上に、ＧａＮ低温バッファー層１０２と、ｎ−ＧａＮ半導体層１０３と、ＩｎＧａＮ量子井戸発光層１０４と、ｐ−ＡｌＧａＮ電子ブロック層１０９と、ｐ−ＧａＮ半導体層１０５とを順に積層した半導体積層部１００を形成した。
次に、図３（ｂ）に示すように、半導体積層部１００上（すなわち、ｐ型半導体層表面）にプラズマＣＶＤ法を用いて厚さ２００ｎｍのＳｉＯ２膜を堆積させ、フォトリソグラフィ法を用いて、周期が１．０μｍ、径が０．６μｍの三角格子配列のドットパターン１１０ａのレジストマスク１１０を作製し、その後、バッファードフッ酸（ＢＨＦ）によるウェットエッチングを行い、ＳｉＯ２膜の錐台形状のドットパターンのマスクを作製した。
次に、図３（ｃ）に示すように、上述したＳｉＯ２膜の錐台形状のドットパターンをマスクとしてドライエッチング法を用いて、ｐ型半導体層１０５上に錐台形状のパターン１１１を作製した。ここで、ドライエッチング法の条件としては、ＩＣＰ型ドライエッチャー装置を用い、塩素ガスとアルゴンガスの混合ガスを用い、ガス圧が０．６Ｐａ、エッチングパワーがアンテナパワー：３００Ｗ／バイアスパワー：５０Ｗの条件でエッチングを行った。ドライエッチング後、残ったＳｉＯ２膜のマスクをバッファードフッ酸（ＢＨＦ）で除去した。得られた凹凸形状は、上底長が４３０ｎｍ、下底長が６８０ｎｍ、傾斜角が６７度の円錐台形状であった。
次に、図３（ｄ）に示すように、上述した錐台形状のパターン１１１が作製されたｐ型半導体層１０５上にプラズマＣＶＤ法を用いて厚さ５００ｎｍのＳｉＯ２膜１１２を積層させ、フォトリソグラフィ法を用いて、発光ダイオードパターンのレジストマスクを作製し、その後、バッファードフッ酸（ＢＨＦ）によるウェットエッチングを行い、ＳｉＯ２膜１１２の発光ダイオードのパターンのマスクを作製し、次に、上述したＳｉＯ２膜１１２の発光ダイオードのパターンをマスクとしてドライエッチング法を用いて、ｎ型電極領域のメサエッチングを行った。ドライエッチング法ではＩＣＰ型ドライエッチャー装置を用い、塩素ガスとアルゴンガスの混合ガスを用い、ガス圧が０．７Ｐａ、エッチングパワーがアンテナパワー：３００Ｗ／バイアスパワー：１５０Ｗの条件でｎ型半導体層が露出するまでメサエッチングを行った。ドライエッチング後、残ったＳｉＯ２膜のマスクをバッファードフッ酸（ＢＨＦ）で除去した。
次に、図３（ｅ）に示すように、上述したメサエッチング後の試料表面上にＥＢ蒸着法により厚さ１５０ｎｍのＩＴＯ膜を積層させ、フォトリソグラフィ法を用いてｐ電極パターンのレジストマスク１１３を作製し、その後、王水によるウェットエッチングを行い、ｐ型半導体層上にＩＴＯ膜のｐ電極パターンを作製した。ＩＴＯ膜はｐ型半導体層との接触抵抗低減のため、ＲＴＡ装置を用いてアニール処理を行った。
次に、図３（ｆ）に示すように、メサエッチングにより露出したｎ型半導体層及びＩＴＯ膜上に、フォトリソグラフィ法で作製した金属電極用パターンのレジストマスク１１３の上からＣｒ／Ａｕの金属膜を蒸着法を用いて成膜し、リフトオフ法にて金属電極のパターン（ｎ型電極部１０７、ｐ型電極部１０８）を作製し、発光ダイオードを得た。中心発光波長は４６０ｎｍであった。
図３（ｃ）における錐台形状のパターン１１１を作成する工程において、レジストのドットパターンを、周期が１．０μｍ、径が０．５μｍの三角格子配列のドットパターンで作製した以外は、実施例１と同様の方法で発光ダイオードを作製した。得られた凹凸形状は、上底長が３８０ｎｍ、下底長が５７０ｎｍ、傾斜角が７７度の円錐台形状であった。
図３（ｃ）における錐台形状のパターン１１１を作成する工程において、レジストのドットパターンを、周期が１．０μｍ、径が０．４μｍの三角格子配列のドットパターンで作製した以外は、実施例１と同様の方法で発光ダイオードを作製した。得られた凹凸形状は、上底長が２７０ｎｍ、下底長が５９０ｎｍ、傾斜角が６９度の円錐台形状であった。
図３（ｃ）における錐台形状のパターン１１１を作成する工程において、レジストのドットパターンを、周期が１．０μｍ、径が０．６５μｍの三角格子配列のドットパターンで作製した以外は、実施例１と同様の方法で発光ダイオードを作製した。得られた凹凸形状は、上底長が４７０ｎｍ、下底長が７３０ｎｍ、傾斜角が７５度の円錐台形状であった。
実施例１の記載と同様の方法で、ＭＯＣＶＤ法によりＧａＮ基板１０１の第１主面上に、ｎ−ＧａＮ半導体層１０３と、ＩｎＧａＮ量子井戸発光層１０４と、ｐ−ＡｌＧａＮ電子ブロック層１０９と、ｐ−ＡｌＧａＮ半導体層１０５との順で積層した。
図４は、本発明に係る発光ダイオードの製造方法の実施例５を説明するための断面模式図である。本発明の実施例５に係る発光ダイオードの製造方法は、基板１０１の第１主面上に、ｎ型半導体層１０３と発光層１０４とｐ型半導体層１０４とが積層された半導体積層部１００を備える発光ダイオード用半導体ウェハの発光ダイオードの光取り出し面となる領域上に、斜面が順テーパーの錐台形状又は錐体形状のマスク１１０を形成するマスク工程と、マスク越しに光取り出し面をエッチングして錐台形状のパターン２１１を形成するパターン形成工程とを有している。
図４は、本発明に係る発光ダイオードの製造方法の実施例５を説明するための断面模式図である。本発明の実施例５に係る発光ダイオードの製造方法は、基板１０１の第１主面上に、ｎ型半導体層１０３と発光層１０４とｐ型半導体層１０４とが積層された半導体積層部１００を備える発光ダイオード用半導体ウェハの発光ダイオードの光取り出し面となる領域上に、斜面が順テーパーの錐台形状又は錐体形状のマスク１１０を形成するマスク工程と、マスク越しに光取り出し面をエッチングして錐台形状のパターン２１１を形成するパターン形成工程とを有している。
また、錐台形状のパターン２１１は、下底長が１．２λ以上１．７λ以下であり、傾斜角が６５度以上８０度以下であり、上底長が０．４λ以上１．２λ以下である。
つまり、半導体積層部１００と対向する面である基板１０１の第２主面上にプラズマＣＶＤ法を用いて厚さ２００ｎｍのＳｉＯ２膜を堆積させ、フォトリソグラフィ法を用いて、周期が１．０μｍ、径が０．６μｍの三角格子配列のドットパターン２１０ａのレジストマスク２１０を作製し、その後、バッファードフッ酸（ＢＨＦ）によるウェットエッチングを行い、ＳｉＯ２膜の錐台形状のドットパターンのマスクを作製し、ＳｉＯ２膜の錐台形状のドットパターンをマスクとしてドライエッチング法を用いて、錐台形状のパターン２１１を基板１０１の第２主面上に作製した。
つまり、半導体積層部１００と対向する面である基板１０１の第２主面上にプラズマＣＶＤ法を用いて厚さ２００ｎｍのＳｉＯ２膜を堆積させ、フォトリソグラフィ法を用いて、周期が１．０μｍ、径が０．６μｍの三角格子配列のドットパターン２１０ａのレジストマスク２１０を作製し、その後、バッファードフッ酸（ＢＨＦ）によるウェットエッチングを行い、ＳｉＯ２膜の錐台形状のドットパターンのマスクを作製し、ＳｉＯ２膜の錐台形状のドットパターンをマスクとしてドライエッチング法を用いて、錐台形状のパターン２１１を基板１０１の第２主面上に作製した。
ドライエッチング法では、ＩＣＰ型ドライエッチャー装置を用い、塩素ガスとアルゴンガスの混合ガスを用い、ガス圧が０．６Ｐａ、エッチングパワーがアンテナパワー：３００Ｗ／バイアスパワー：５０Ｗの条件で、ＧａＮ基板表面を任意の凹凸形状になるようにエッチングを行った。ドライエッチング後、残ったＳｉＯ２膜のマスクをバッファードフッ酸（ＢＨＦ）で除去し、発光ダイオードを得た。得られた凹凸形状は、上底長が３６０ｎｍ、下底長が６８０ｎｍ、傾斜角７２度の円錐台形状であった。中心発光波長は４６０ｎｍであった。
次に、半導体積層部１００側に、プラズマＣＶＤ法を用いて厚さ５００ｎｍのＳｉＯ２膜を積層させ、フォトリソグラフィ法を用いて、発光ダイオードパターンのレジストマスクを作製し、その後、バッファードフッ酸（ＢＨＦ）によるウェットエッチングを行い、ＳｉＯ２膜の発光ダイオードのパターンのマスクを作製した。
次に、上述したＳｉＯ２膜の発光ダイオードのパターンをマスクとしてドライエッチング法を用いて、ｎ型電極領域のメサエッチングを行った。ドライエッチング法ではＩＣＰ型ドライエッチャー装置を用い、塩素ガスとアルゴンガスの混合ガスを用い、ガス圧が０．７Ｐａ、エッチングパワーがアンテナパワー：３００Ｗ／バイアスパワー：１５０Ｗの条件で上記試料表面からｎ型半導体層が露出するまでメサエッチングを行った。ドライエッチング後は残ったＳｉＯ２膜のマスクをバッファードフッ酸（ＢＨＦ）で除去した。
次に、上述したＳｉＯ２膜の発光ダイオードのパターンをマスクとしてドライエッチング法を用いて、ｎ型電極領域のメサエッチングを行った。ドライエッチング法ではＩＣＰ型ドライエッチャー装置を用い、塩素ガスとアルゴンガスの混合ガスを用い、ガス圧が０．７Ｐａ、エッチングパワーがアンテナパワー：３００Ｗ／バイアスパワー：１５０Ｗの条件で上記試料表面からｎ型半導体層が露出するまでメサエッチングを行った。ドライエッチング後は残ったＳｉＯ２膜のマスクをバッファードフッ酸（ＢＨＦ）で除去した。
次に、メサエッチングにより露出したｎ型半導体層及びｐ型半導体層の電極としてＣｒ／Ａｕの金属膜をフォトリソグラフィ法で作製した電極パターン用のレジストマスクの上から蒸着法を用いて成膜し、リフトオフ法にてｎ型電極及びｐ型電極を作製した。
最後に、発光ダイオードサイズにダイシングし、ｐ型電極とｎ型電極に対して、パッケージにフリップチップボンディングを行い、発光ダイオードを得た。中心発光波長は４６０ｎｍであった。
最後に、発光ダイオードサイズにダイシングし、ｐ型電極とｎ型電極に対して、パッケージにフリップチップボンディングを行い、発光ダイオードを得た。中心発光波長は４６０ｎｍであった。
ＭＯＣＶＤ法によりＡｌＮ基板の第１主面上に、ｎ−ＡｌＧａＮ半導体層と、ＡｌＧａＮ量子井戸発光層と、ｐ−ＡｌＧａＮ半導体層と、ｐ−ＧａＮ半導体層とを順に積層した。
次に、半導体積層部１００と対向する面、つまり、基板１０１の第２主面上にプラズマＣＶＤ法を用いて厚さ２００ｎｍのＳｉＯ２膜を堆積させ、フォトリソグラフィ法を用いて、周期が０．７μｍ、径が０．３５μｍの三角格子配列のドットパターンのレジストマスクを作製し、その後、バッファードフッ酸（ＢＨＦ）によるウェットエッチングを行い、ＳｉＯ２膜の錐台形状のドットパターンのマスクを作製した。
次に、半導体積層部１００と対向する面、つまり、基板１０１の第２主面上にプラズマＣＶＤ法を用いて厚さ２００ｎｍのＳｉＯ２膜を堆積させ、フォトリソグラフィ法を用いて、周期が０．７μｍ、径が０．３５μｍの三角格子配列のドットパターンのレジストマスクを作製し、その後、バッファードフッ酸（ＢＨＦ）によるウェットエッチングを行い、ＳｉＯ２膜の錐台形状のドットパターンのマスクを作製した。
次に、上述したＳｉＯ２膜の錐台形状のドットパターンをマスクとしてドライエッチング法を用いて凹凸形状を作製した。ドライエッチング法ではＩＣＰ型ドライエッチャー装置を用い、三塩化ホウ素ガスとアルゴンガスの混合ガスを用い、ガス圧が０．６Ｐａ、エッチングパワーがアンテナパワー：３００Ｗ／バイアスパワー：５０Ｗの条件で、ＡｌＮ基板の第２主面のエッチングを行った。ドライエッチング後、残ったＳｉＯ２膜のマスクをバッファードフッ酸（ＢＨＦ）で除去した。得られた錐台形状のパターンは、上底長が２６０ｎｍ、下底長が４２０ｎｍ、傾斜角が７７度の円錐台形状であった。
次に、半導体積層部１００側に、プラズマＣＶＤ法を用いて厚さ５００ｎｍのＳｉＯ２膜を積層させ、フォトリソグラフィ法を用いて、発光ダイオードパターンのレジストマスクを作製し、その後、バッファードフッ酸（ＢＨＦ）によるウェットエッチングを行い、ＳｉＯ２膜の発光ダイオードのパターンのマスクを作製した。
次に、上述したＳｉＯ２膜の発光ダイオードのパターンをマスクとしてドライエッチング法を用いて、ｎ型電極領域のメサエッチングを行った。ドライエッチング法ではＩＣＰ型ドライエッチャー装置を用い、塩素ガスとアルゴンガスの混合ガスを用い、ガス圧が０．７Ｐａ、エッチングパワーがアンテナパワー：３００Ｗ／バイアスパワー：１５０Ｗの条件で上述した試料表面からｎ型半導体層が露出するまでメサエッチングを行った。ドライエッチング後、残ったＳｉＯ２膜のマスクをバッファードフッ酸（ＢＨＦ）で除去した。
次に、上述したＳｉＯ２膜の発光ダイオードのパターンをマスクとしてドライエッチング法を用いて、ｎ型電極領域のメサエッチングを行った。ドライエッチング法ではＩＣＰ型ドライエッチャー装置を用い、塩素ガスとアルゴンガスの混合ガスを用い、ガス圧が０．７Ｐａ、エッチングパワーがアンテナパワー：３００Ｗ／バイアスパワー：１５０Ｗの条件で上述した試料表面からｎ型半導体層が露出するまでメサエッチングを行った。ドライエッチング後、残ったＳｉＯ２膜のマスクをバッファードフッ酸（ＢＨＦ）で除去した。
次に、メサエッチングにより露出したｎ型半導体層の電極としてＴｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕ、ｐ型半導体層の電極としてＮｉ／Ａｕの金属膜をフォトリソグラフィ法で作製した電極パターン用のレジストマスクの上から蒸着法を用いて成膜し、リフトオフ法にてｎ型電極及びｐ型電極を作製した。金属電極は各半導体層との接触抵抗低減のため、ＲＴＡ装置を用い、アニール処理を行った。
最後に、発光ダイオードサイズにダイシングし、ｐ型電極とｎ型電極に対して、パッケージにフリップチップボンディングを行い、発光ダイオードを得た。中心発光波長は２６０ｎｍであった。
最後に、発光ダイオードサイズにダイシングし、ｐ型電極とｎ型電極に対して、パッケージにフリップチップボンディングを行い、発光ダイオードを得た。中心発光波長は２６０ｎｍであった。
［比較例１］
ｐ型半導体層上の錐台形状のパターンを形成しない以外は実施例１と同様の方法で発光ダイオードを作製した。
［比較例２］
錐台形状のパターンを作成する工程において、レジストのドットパターンを、周期が１．０μｍ、径が０．５５μｍの三角格子配列のドットパターンで作製し、ドライエッチング時間を短縮した以外は、実施例１と同様の方法で発光ダイオードを作製した。得られた凹凸形状は、上底長が４３０ｎｍ、下底長が６８０ｎｍ、傾斜角が５５度の円錐台形状であった。
ｐ型半導体層上の錐台形状のパターンを形成しない以外は実施例１と同様の方法で発光ダイオードを作製した。
［比較例２］
錐台形状のパターンを作成する工程において、レジストのドットパターンを、周期が１．０μｍ、径が０．５５μｍの三角格子配列のドットパターンで作製し、ドライエッチング時間を短縮した以外は、実施例１と同様の方法で発光ダイオードを作製した。得られた凹凸形状は、上底長が４３０ｎｍ、下底長が６８０ｎｍ、傾斜角が５５度の円錐台形状であった。
［比較例３］
錐台形状のパターンを作成する工程において、レジストのドットパターンを、周期が１．０μｍ、径が０．３μｍの三角格子配列のドットパターンで作製した以外は、実施例１と同様の方法で発光ダイオードを作製した。得られた凹凸形状は、上底長が１７０ｎｍ、下底長が６８０ｎｍ、傾斜角が６７度の円錐台形状であった。
［比較例４］
錐台形状のパターンを作成する工程において、レジストのドットパターンを、周期が１．０μｍ、径が０．６５μｍの三角格子配列のドットパターンで作製し、ドライエッチング時間を伸ばした以外は、実施例１と同様の方法で発光ダイオードを作製した。得られた凹凸形状は、上底長が１７０ｎｍ、下底長が６８０ｎｍ、傾斜角が６７度の円錐台形状であった。
錐台形状のパターンを作成する工程において、レジストのドットパターンを、周期が１．０μｍ、径が０．３μｍの三角格子配列のドットパターンで作製した以外は、実施例１と同様の方法で発光ダイオードを作製した。得られた凹凸形状は、上底長が１７０ｎｍ、下底長が６８０ｎｍ、傾斜角が６７度の円錐台形状であった。
［比較例４］
錐台形状のパターンを作成する工程において、レジストのドットパターンを、周期が１．０μｍ、径が０．６５μｍの三角格子配列のドットパターンで作製し、ドライエッチング時間を伸ばした以外は、実施例１と同様の方法で発光ダイオードを作製した。得られた凹凸形状は、上底長が１７０ｎｍ、下底長が６８０ｎｍ、傾斜角が６７度の円錐台形状であった。
［比較例５］
錐台形状のパターンを作成する工程において、レジストのドットパターンを、周期が０．７μｍ、径が０．３５μｍの三角格子配列のドットパターンで作製した以外は、実施例１と同様の方法で発光ダイオードを作製した。得られた凹凸形状は、上底長が１７０ｎｍ、下底長が６８０ｎｍ、傾斜角が６７度の円錐台形状であった。
［比較例６］
錐台形状のパターンを作成する工程において、レジストのドットパターンを、周期が１．５μｍ、径が０．９μｍの三角格子配列のドットパターンで作製した箇所以外は、実施例１と同様の方法で発光ダイオードを作製した。得られた凹凸形状は、上底長が６４０ｎｍ、下底長が１０２０ｎｍ、傾斜角が６７度の円錐台形状であった。
錐台形状のパターンを作成する工程において、レジストのドットパターンを、周期が０．７μｍ、径が０．３５μｍの三角格子配列のドットパターンで作製した以外は、実施例１と同様の方法で発光ダイオードを作製した。得られた凹凸形状は、上底長が１７０ｎｍ、下底長が６８０ｎｍ、傾斜角が６７度の円錐台形状であった。
［比較例６］
錐台形状のパターンを作成する工程において、レジストのドットパターンを、周期が１．５μｍ、径が０．９μｍの三角格子配列のドットパターンで作製した箇所以外は、実施例１と同様の方法で発光ダイオードを作製した。得られた凹凸形状は、上底長が６４０ｎｍ、下底長が１０２０ｎｍ、傾斜角が６７度の円錐台形状であった。
［比較例７］
錐台形状のパターンを作成する工程において、レジストのドットパターンを、周期が１．５μｍ、径が０．６μｍの三角格子配列のドットパターンで作製した箇所以外は、実施例１と同様の方法で発光ダイオードを作製した。得られた凹凸形状は、上底長が４３０ｎｍ、下底長が６８０ｎｍ、傾斜角が６７度の円錐台形状であった。
［比較例８］
ｐ型半導体層上の錐台形状のパターンを形成しない以外は実施例５と同様の方法で発光ダイオードを作製した。
［比較例９］
ｐ型半導体層上の錐台形状のパターンを形成しない以外は実施例６と同様の方法で発光ダイオードを作製した。
錐台形状のパターンを作成する工程において、レジストのドットパターンを、周期が１．５μｍ、径が０．６μｍの三角格子配列のドットパターンで作製した箇所以外は、実施例１と同様の方法で発光ダイオードを作製した。得られた凹凸形状は、上底長が４３０ｎｍ、下底長が６８０ｎｍ、傾斜角が６７度の円錐台形状であった。
［比較例８］
ｐ型半導体層上の錐台形状のパターンを形成しない以外は実施例５と同様の方法で発光ダイオードを作製した。
［比較例９］
ｐ型半導体層上の錐台形状のパターンを形成しない以外は実施例６と同様の方法で発光ダイオードを作製した。
（発光評価）
実施例１乃至６及び比較例１乃至９においてそれぞれ得られた発光ダイオードについて、ｎ型電極部とｐ型電極部間に２０ｍＡの順方向電流を流したときの光出力を、集光レンズの開口数が約０．３の実体顕微鏡上に装着したＳｉフォトダイオードにより測定した。
実施例１乃至４及び比較例２乃至７については、比較例１の出力を１としたときの出力比を、実施例５については比較例８の出力を１としたときの出力比を、実施例６については比較例９の出力を１としたときの出力比（対Ｆｌａｔ出力比）をそれぞれ求め、本発明の光取り出し効率を評価した。
各実施例及び比較例における発光波長、錐台形状のパターンの構造ならびに対中心発光波長比率、傾斜角度、および出力比をまとめたものを表１に示す。
実施例１乃至６及び比較例１乃至９においてそれぞれ得られた発光ダイオードについて、ｎ型電極部とｐ型電極部間に２０ｍＡの順方向電流を流したときの光出力を、集光レンズの開口数が約０．３の実体顕微鏡上に装着したＳｉフォトダイオードにより測定した。
実施例１乃至４及び比較例２乃至７については、比較例１の出力を１としたときの出力比を、実施例５については比較例８の出力を１としたときの出力比を、実施例６については比較例９の出力を１としたときの出力比（対Ｆｌａｔ出力比）をそれぞれ求め、本発明の光取り出し効率を評価した。
各実施例及び比較例における発光波長、錐台形状のパターンの構造ならびに対中心発光波長比率、傾斜角度、および出力比をまとめたものを表１に示す。
いずれの実施例においても光取出し効率は１．９倍以上の効率向上を確認することができた。
図５は、上述した実施例１の発光ダイオードの光取り出し面における錐台形状のパターンの断面ＳＥＭ像を示す図で、実施例１における凹凸形状を示し、上底長４３０ｎｍ、下底長６８０ｎｍ、傾斜角が６７度のものであって、その際の光取出し効率は２．１倍であった。
このようにして、高屈折率材料を用いる発光ダイオードにおいて、界面における全反射による光取り出し効率の低下に鑑み、発光層から出射される光を高効率で外部に取り出すことができる発光ダイオードの製造方法を実現することができる。
図５は、上述した実施例１の発光ダイオードの光取り出し面における錐台形状のパターンの断面ＳＥＭ像を示す図で、実施例１における凹凸形状を示し、上底長４３０ｎｍ、下底長６８０ｎｍ、傾斜角が６７度のものであって、その際の光取出し効率は２．１倍であった。
このようにして、高屈折率材料を用いる発光ダイオードにおいて、界面における全反射による光取り出し効率の低下に鑑み、発光層から出射される光を高効率で外部に取り出すことができる発光ダイオードの製造方法を実現することができる。
１，１０１ 基板
１ａ，５ａ，１１１，２１１ 錐台形状のパターン
２，１０２ バッファー層
３，１０３ ｎ型半導体層
４，１０４ 活性層（発光層）
５，１０５ ｐ型半導体層
６ ｎ電極
７ ｎ型電極
８ ｐ型電極
１０，２０，１００ 半導体積層部
１０７ ｎ型電極部
１０８ ｐ型電極部
１０９ ブロック層
１１０，１１３，２１０ レジストマスク
１１０ａ，２１０ａ 三角格子配列のドットパターン
１１２ ＳｉＯ２膜
１ａ，５ａ，１１１，２１１ 錐台形状のパターン
２，１０２ バッファー層
３，１０３ ｎ型半導体層
４，１０４ 活性層（発光層）
５，１０５ ｐ型半導体層
６ ｎ電極
７ ｎ型電極
８ ｐ型電極
１０，２０，１００ 半導体積層部
１０７ ｎ型電極部
１０８ ｐ型電極部
１０９ ブロック層
１１０，１１３，２１０ レジストマスク
１１０ａ，２１０ａ 三角格子配列のドットパターン
１１２ ＳｉＯ２膜
Claims (6)
- 基板と、
該基板の第１主面上に形成されたｎ型半導体層と、該ｎ型半導体層上に形成された発光層と、該発光層上に形成されたｐ型半導体層とからなる半導体積層部と、
を備えた中心発光波長λの光を発光する発光ダイオードであって、
前記発光ダイオードの光取り出し面に、錐台形状のパターンが形成されており、前記錐台形状のパターンの下底長が１．２λ以上１．７λ以下であり、傾斜角が６５度以上８０度以下であり、上底長が０．４λ以上１．２λ以下である発光ダイオード。 - 前記光取り出し面が、前記基板の第１主面に対向する第２主面である請求項１に記載の発光ダイオード。
- 前記基板が、窒化物である請求項１又は２に記載の発光ダイオード。
- 基板の第１主面上に、ｎ型半導体層と発光層とｐ型半導体層とが積層された半導体積層部を備える発光ダイオード用半導体ウェハの発光ダイオードの光取り出し面となる領域上に、斜面が順テーパーの錐台形状又は錐体形状のマスクを形成するマスク工程と、
前記マスク越しに光取り出し面をエッチングして錐台形状のパターンを形成するパターン形成工程と、
を有する発光ダイオードの製造方法。 - 前記錐台形状のパターンが、下底長が１．２λ以上１．７λ以下であり、傾斜角が６５度以上８０度以下であり、上底長が０．４λ以上１．２λ以下である請求項４に記載の発光ダイオードの製造方法。
- 前記マスクが、サファイア基板をウェットエッチングして得られた形状をモールドとして用い、インプリント技術により形成される請求項４又は５に記載の発光ダイオードの製造方法。
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-
2014
- 2014-06-11 JP JP2014120298A patent/JP6306443B2/ja active Active
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