JP2016162871A - Semiconductor light-emitting element and lighting device - Google Patents

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洋行 室尾
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor light-emitting element and a lighting device having a higher efficiency and a larger optical output.SOLUTION: A semiconductor light-emitting element 100 has such a structure that at least a first semiconductor layer 30, a light-emitting semiconductor layer 40 and a second semiconductor layer 50 are laminated on an optical base material 10 where a fine uneven structure 20 is formed on one principal surface partially or entirely, and a reflective layer 90 is provided on the other principal surface on the opposite side of one principal surface. Average pitch of the fine uneven structure 20 is 200-1500 nm, a ratio M=W1×W2/(2T(W1+W2)) determined by the width W1 in the longitudinal direction and the width W2 in the traverse direction and the depth T of the optical base material 10 is 1 or more, and the reflectance of the reflective layer 90 is 80% or more.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、半導体発光素子及び照明デバイスに関する。   The present invention relates to a semiconductor light emitting element and a lighting device.

半導体発光素子、例えば発光ダイオード(LED)は、従来の蛍光灯や白熱球等の旧来の発光装置に比較して、多くの利点を有している。例えば、小型であること、電力効率が高いこと、オンオフ応答性が速いこと、振動に強いこと、及び、機器寿命が長いことが、利点として挙げられる。   Semiconductor light emitting elements, such as light emitting diodes (LEDs), have many advantages over conventional light emitting devices such as conventional fluorescent lamps and incandescent bulbs. For example, the small size, high power efficiency, fast on-off response, resistance to vibration, and long device life can be mentioned as advantages.

このような利点を活かし、LEDを用いた照明が普及し始めている。しかしながら、従来の蛍光灯を代替するにはLEDの更なる高効率化・高出力化・低コスト化が必要である。効率については、LEDの半導体層界面や光出射面等に凹凸構造を付与することで、より改善することが知られている。例えば、特許文献1では半導体層の表面に凹凸を設けて光の進行方向を変更することにより、光取り出し効率の向上を図っている。特許文献2では、基板上に凹凸構造を設け、半導体結晶層での光の導波方向を変えて、光取り出し効率LEEを上げる技術が提案されている。特許文献3では、単結晶基板に設ける凹凸構造の大きさをナノサイズとした技術が提案されている。この技術により、内部量子効率が改善することが多々報告されている。特許文献4では、p型半導体層の上面に凹凸構造を設け、透明導電膜とのコンタクト抵抗を低減させることで、電子注入効率を改善する技術が提案されている。   Taking advantage of such advantages, lighting using LEDs has begun to spread. However, to replace conventional fluorescent lamps, it is necessary to further increase the efficiency, output, and cost of LEDs. It is known that the efficiency can be further improved by providing a concavo-convex structure on the LED semiconductor layer interface, the light exit surface, and the like. For example, in Patent Document 1, light extraction efficiency is improved by providing irregularities on the surface of a semiconductor layer to change the traveling direction of light. Patent Document 2 proposes a technique in which a concavo-convex structure is provided on a substrate and the light guiding direction in the semiconductor crystal layer is changed to increase the light extraction efficiency LEE. Patent Document 3 proposes a technique in which the size of the concavo-convex structure provided on the single crystal substrate is nano-sized. It has been reported that this technique improves internal quantum efficiency. Patent Document 4 proposes a technique for improving electron injection efficiency by providing a concavo-convex structure on the upper surface of a p-type semiconductor layer and reducing contact resistance with a transparent conductive film.

LEDの効率は、内部量子効率、光取り出し効率、そして電子注入効率の三つの効率の積により決定される。そして、上記引用した特許文献に記載されるように、これらの効率は、マイクロオーダーからナノオーダーの凹凸構造の付与により改善できることが示されている。   The efficiency of an LED is determined by the product of three efficiencies: internal quantum efficiency, light extraction efficiency, and electron injection efficiency. And as described in the cited patent document, it has been shown that these efficiencies can be improved by providing a micro-order to nano-order uneven structure.

特許第4874155号公報Japanese Patent No. 4874155 特開2003−318441号公報JP 2003-318441 A 特開2007−294972号公報JP 2007-294972 A 特開2005−259970号公報JP 2005-259970 A 特許第5126800号公報Japanese Patent No. 5126800

Appl. Phys. Lett. 91. 183507 (2007)Appl. Phys. Lett. 91. 183507 (2007)

LEDを照明に用いる場合、LEDの高出力化も重要となる。照明デバイスにはその用途によって求められる光出力或いは光束があり、通常複数個のLEDを用いて所望の光出力を出している。故にLEDの光出力が向上するとデバイスに要するLEDの数を減らすことができる。これは実装部品点数の減少から低コスト化につながり、LED照明の更なる普及につながるものである。   When an LED is used for illumination, it is important to increase the output of the LED. The lighting device has a light output or a light flux required depending on its use, and usually a desired light output is output using a plurality of LEDs. Therefore, when the light output of the LED is improved, the number of LEDs required for the device can be reduced. This leads to a reduction in cost due to a decrease in the number of mounted components, and further spread of LED lighting.

LED1個当たりの光出力を上げるためには、単純には注入電流密度を上げればよい。しかしながら、注入電流密度と光出力の関係は線形ではなく、注入電流の増加に伴ってdroopと呼ばれる内部量子効率の低下が発生することが知られている(例えば、非特許文献1参照)。droopによる効率低下は、即ちLEDに投入した電力の内、熱に変換される割合が増えることを意味しており、照明デバイス設計では放熱部が複雑になり、低コスト化を妨げ、デバイスの小型化を難しくする。   In order to increase the light output per LED, simply increase the injection current density. However, the relationship between the injection current density and the light output is not linear, and it is known that a decrease in internal quantum efficiency called “drop” occurs as the injection current increases (see, for example, Non-Patent Document 1). The drop in efficiency due to droop means that the ratio of heat input to the LED is converted to heat, and the lighting device design complicates the heat dissipation part, hindering cost reduction and reducing the size of the device. Make it difficult.

一方、LED1個当たりの光出力を上げるためには、注入電流密度を保ったまま、LEDの寸法を大きくすることも考えられる。しかしながら、従来のマイクロサイズのパターンでは、チップの寸法が大きい条件では光取出し効率の向上が十分ではなかった。従来用いられているマイクロサイズのパターンは、散乱によって光取出し効率を上げている。しかし、特に光学基材を有する半導体発光素子では、寸法が大きくなると、光学基材側から半導体層への戻り光が多くなる。このときにも散乱されて取出しに寄与する成分が減少してしまう。故に、従来の凹凸構造では特にチップの寸法が大きい条件での光取出し効率が極大化されていなかった。   On the other hand, in order to increase the light output per LED, it is conceivable to increase the size of the LED while maintaining the injection current density. However, in the conventional micro-sized pattern, the light extraction efficiency is not sufficiently improved under the condition that the chip size is large. Conventionally used micro-sized patterns increase the light extraction efficiency by scattering. However, particularly in a semiconductor light emitting device having an optical substrate, when the size is increased, the return light from the optical substrate side to the semiconductor layer increases. Also at this time, the components that are scattered and contribute to the extraction decrease. Therefore, in the conventional concavo-convex structure, the light extraction efficiency has not been maximized especially under the condition that the chip size is large.

また、光学基材にナノオーダーの凹凸を設け、且つ、高反射率の反射層を設ける半導体発光素子が特許文献5に開示されている。しかし、フリップチップ実装での発光出力比は記載されているが、フェイスアップ実装での挙動は明らかではなかった。一般に、フリップチップ実装ではフェイスアップ実装よりもコストが高く、歩留まりが悪いという欠点がある。故に、LED照明の更なる普及には、コストが安いフェイスアップ実装での更なる効率の向上、且つ、チップ寸法が大きい条件での高い光出力が望まれていた。   Further, Patent Document 5 discloses a semiconductor light emitting device in which nano-order irregularities are provided on an optical substrate and a reflective layer having a high reflectance is provided. However, although the light emission output ratio in flip-chip mounting is described, the behavior in face-up mounting was not clear. In general, flip-chip mounting has the disadvantages of higher cost and lower yield than face-up mounting. Therefore, for further widespread use of LED lighting, further improvement in efficiency in face-up mounting at low cost and high light output under the condition of a large chip size have been desired.

本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、より効率が高く且つ光出力の大きな半導体発光素子及び照明デバイスを提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such problems, and an object of the present invention is to provide a semiconductor light-emitting element and a lighting device that are more efficient and have a large light output.

本発明の半導体発光素子は、一方の主面の一部又は全面に微細凹凸構造が形成された光学基材の上に少なくとも第1半導体層、発光半導体層及び第2半導体層を積層し、且つ、前記一方の主面とは反対側の他方の主面に反射層を設けた構造である半導体発光素子であって、前記微細凹凸構造の平均ピッチPavが200nm以上1500nm以下であり、且つ、前記光学基材の長手方向の幅W1及び短手方向の幅W2と厚みTから定まる下記式(1)に示す比率Mが1以上であり、前記反射層の反射率が80%以上であることを特徴とする。   The semiconductor light-emitting device of the present invention includes at least a first semiconductor layer, a light-emitting semiconductor layer, and a second semiconductor layer laminated on an optical base material having a fine concavo-convex structure formed on a part or the whole of one main surface, and A semiconductor light emitting device having a structure in which a reflective layer is provided on the other main surface opposite to the one main surface, wherein an average pitch Pav of the fine concavo-convex structure is 200 nm or more and 1500 nm or less, and The ratio M shown in the following formula (1) determined from the width W1 in the longitudinal direction and the width W2 in the lateral direction and the thickness T of the optical substrate is 1 or more, and the reflectance of the reflective layer is 80% or more. Features.

Figure 2016162871
Figure 2016162871

この構成により、内部量子効率IQEの向上と、大面積でも高い光取出し効率LEEが保たれるため、より効率が高く且つ光出力の大きな半導体発光素子となる。   With this configuration, since the internal quantum efficiency IQE is improved and the high light extraction efficiency LEE is maintained even in a large area, the semiconductor light emitting device is more efficient and has a large light output.

本発明の照明デバイスは、上記記載の半導体発光素子を搭載したことを特徴とする。   The illumination device of the present invention is characterized by mounting the above-described semiconductor light emitting element.

本発明によれば、より効率が高く光出力の大きな半導体発光素子及びそれを用いた照明デバイスを提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a semiconductor light emitting device with higher efficiency and a higher light output, and an illumination device using the same.

本実施の形態に係る半導体発光素子を示す断面概略図である。1 is a schematic cross-sectional view showing a semiconductor light emitting element according to an embodiment. 本実施の形態に係る半導体発光素子における光学基材の幅W1と厚さTとの比W1/Tと光の挙動を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows ratio W1 / T of the width | variety W1 and thickness T of the optical base material in the semiconductor light-emitting device concerning this Embodiment, and the behavior of light. 本実施の形態における半導体発光素子における幅W1、W2を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the widths W1 and W2 in the semiconductor light-emitting device in this Embodiment. 本実施の形態に係る半導体発光素子の第1半導体層を微細凹凸構造が形成された表面側から見た上面図である。It is the top view which looked at the 1st semiconductor layer of the semiconductor light-emitting device concerning this Embodiment from the surface side in which the fine concavo-convex structure was formed. 本実施の形態に係る半導体発光素子の第1半導体層を微細凹凸構造が形成された表面側から見た上面図である。It is the top view which looked at the 1st semiconductor layer of the semiconductor light-emitting device concerning this Embodiment from the surface side in which the fine concavo-convex structure was formed. 本実施の形態に係る半導体発光素子の微細凹凸構造がドット構造の場合を示す上面図である。It is a top view which shows the case where the fine grooving | roughness structure of the semiconductor light-emitting device concerning this Embodiment is a dot structure. 図6に示したピッチPに相当する線分位置における微細凹凸構造を示す断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram which shows the fine concavo-convex structure in the line segment position corresponded to the pitch P shown in FIG. 本実施の形態に係る半導体発光素子の微細凹凸構造がホール構造の場合を示す上面図である。It is a top view which shows the case where the fine concavo-convex structure of the semiconductor light emitting element concerning this Embodiment is a hole structure. 図8に示したピッチPに相当する線分位置における微細凹凸構造を示す断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram which shows the fine concavo-convex structure in the line segment position corresponded to the pitch P shown in FIG.

以下、本発明の一実施の形態(以下、「実施の形態」と略記する。)について、詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で種々変形して実施することができる。   Hereinafter, an embodiment of the present invention (hereinafter abbreviated as “embodiment”) will be described in detail. In addition, this invention is not limited to the following embodiment, It can implement by changing variously within the range of the summary.

本発明者は、上記課題を解決するために鋭意研究を重ねた結果、光学基材に設けるナノパターンの微細凹凸構造と、その光学基材の寸法比率が特定の条件を満たす場合、内部量子効率IQEの向上及び大面積の素子でも光取り出し効率LEEの向上が保たれることで、より効率が高く且つ光出力の大きな半導体発光素子となることを見出した。   As a result of intensive research to solve the above problems, the present inventor has found that when the nano-pattern fine uneven structure provided on the optical substrate and the dimensional ratio of the optical substrate satisfy a specific condition, the internal quantum efficiency It has been found that a semiconductor light emitting device with higher efficiency and a higher light output can be obtained by improving the IQE and maintaining the light extraction efficiency LEE even with a large area device.

(半導体発光素子)
まず、図面を参照して本実施の形態に係る半導体発光素子の構造について説明する。図1は、本実施の形態に係る半導体発光素子を示す断面概略図である。図1に示すように、半導体発光素子100において、光学基材10は、その一方の主面に微細凹凸構造20を形成している。光学基材10の微細凹凸構造20を含む一方の主面上に、第1半導体層30、発光半導体層40及び第2半導体層50が下から順次積層されている。なお、図1において、微細凹凸構造20は、光学基材10の主面の一部に設けることもできる。
(Semiconductor light emitting device)
First, the structure of the semiconductor light emitting device according to the present embodiment will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a semiconductor light emitting device according to the present embodiment. As shown in FIG. 1, in the semiconductor light emitting device 100, the optical substrate 10 has a fine concavo-convex structure 20 formed on one main surface thereof. The first semiconductor layer 30, the light emitting semiconductor layer 40, and the second semiconductor layer 50 are sequentially stacked from the bottom on one main surface including the fine concavo-convex structure 20 of the optical substrate 10. In FIG. 1, the fine concavo-convex structure 20 can also be provided on a part of the main surface of the optical substrate 10.

また、図1に示すように、光学基材10の、微細凹凸構造20を含む一方の主面とは逆側の他方の主面上に、反射層90を設ける。   Further, as shown in FIG. 1, a reflective layer 90 is provided on the other main surface of the optical substrate 10 opposite to the one main surface including the fine concavo-convex structure 20.

ここで、発光半導体層40にて発生した発光光は、上方の第2半導体層50側又は下方の光学基材10から取り出される。さらに、第1半導体層30と第2半導体層50と、は互いに異なる半導体層である。ここで、第1半導体層30は、微細凹凸構造20を平坦化すると好ましい。第1半導体層30が微細凹凸構造20を平坦化するように設けられることにより、第1半導体層30の半導体としての性能を、発光半導体層40及び第2半導体層50へ、と反映させることができるため、内部量子効率IQEが向上する。   Here, the emitted light generated in the light emitting semiconductor layer 40 is extracted from the upper second semiconductor layer 50 side or the lower optical substrate 10. Further, the first semiconductor layer 30 and the second semiconductor layer 50 are different semiconductor layers. Here, it is preferable that the first semiconductor layer 30 planarizes the fine concavo-convex structure 20. By providing the first semiconductor layer 30 so as to planarize the fine concavo-convex structure 20, the performance of the first semiconductor layer 30 as a semiconductor can be reflected in the light emitting semiconductor layer 40 and the second semiconductor layer 50. Therefore, the internal quantum efficiency IQE is improved.

また、第1半導体層30は、図1に示すように、非ドープ第1半導体層31とドープ第1半導体層32とから構成されてもよい。ここで、非ドープ第1半導体層31が微細凹凸構造20を平坦化するように設けられることにより、非ドープ第1半導体層31の半導体としての性能を、ドープ第1半導体層32、発光半導体層40及び第2半導体層50へ、と反映させることができるため、内部量子効率IQEが向上する。   The first semiconductor layer 30 may be composed of an undoped first semiconductor layer 31 and a doped first semiconductor layer 32, as shown in FIG. Here, the undoped first semiconductor layer 31 is provided so as to planarize the fine concavo-convex structure 20, so that the performance of the undoped first semiconductor layer 31 as a semiconductor is the same as that of the doped first semiconductor layer 32 and the light emitting semiconductor layer. 40 and the second semiconductor layer 50 can be reflected, so that the internal quantum efficiency IQE is improved.

さらに、非ドープ第1半導体層31は、図1に示すように、バッファー層33を含むと好ましい。半導体発光素子100においては、微細凹凸構造20上にバッファー層33を設け、続いて、非ドープ第1半導体層31及びドープ第1半導体層32を順次積層することにより、第1半導体層30の結晶成長の初期条件である核生成及び核成長が良好となり、第1半導体層30の半導体としての性能が向上するため、内部量子効率IQE改善程度が向上する。ここでバッファー層33は、微細凹凸構造20を平坦化するように配置されてもよいが、バッファー層33の成長速度は遅いため、半導体発光素子100の製造時間を短縮する観点から、バッファー層33上に設けられる非ドープ第1半導体層31により微細凹凸構造20を平坦化することが好ましい。非ドープ第1半導体層31が微細凹凸構造20を平坦化するように設けられることにより、非ドープ第1半導体層31の半導体としての性能を、ドープ第1半導体層32、発光半導体層40及び第2半導体層50へ、と反映させることができるため、内部量子効率IQEが向上する。なお、図1において、バッファー層33は微細凹凸構造20の表面を覆うように配置されているが、微細凹凸構造20の表面に部分的に設けることもできる。特に、微細凹凸構造20の凹部底部に優先的にバッファー層33を設けることができる。   Furthermore, the undoped first semiconductor layer 31 preferably includes a buffer layer 33 as shown in FIG. In the semiconductor light emitting device 100, the buffer layer 33 is provided on the fine concavo-convex structure 20, and then the undoped first semiconductor layer 31 and the doped first semiconductor layer 32 are sequentially stacked, thereby crystallizing the first semiconductor layer 30. Nucleation and nucleus growth, which are initial conditions for growth, are improved, and the performance of the first semiconductor layer 30 as a semiconductor is improved, so that the degree of improvement in internal quantum efficiency IQE is improved. Here, the buffer layer 33 may be arranged so as to planarize the fine concavo-convex structure 20, but since the growth rate of the buffer layer 33 is slow, from the viewpoint of shortening the manufacturing time of the semiconductor light emitting device 100, the buffer layer 33. It is preferable to planarize the fine concavo-convex structure 20 with the undoped first semiconductor layer 31 provided thereon. By providing the undoped first semiconductor layer 31 so as to planarize the fine concavo-convex structure 20, the performance of the undoped first semiconductor layer 31 as a semiconductor is improved by the doped first semiconductor layer 32, the light emitting semiconductor layer 40, and the first semiconductor layer 31. 2 can be reflected in the semiconductor layer 50, so that the internal quantum efficiency IQE is improved. In FIG. 1, the buffer layer 33 is disposed so as to cover the surface of the fine concavo-convex structure 20, but may be partially provided on the surface of the fine concavo-convex structure 20. In particular, the buffer layer 33 can be preferentially provided at the bottom of the concave portion of the fine concavo-convex structure 20.

さらに、第2半導体層50上に透明導電膜60を、透明導電膜60上にアノード電極70を、そして第1半導体層30上にカソード電極80を、それぞれ設けることができる。透明導電膜60、アノード電極70及びカソード電極80の配置は、半導体発光素子により適宜最適化できるため限定されないが、一般的に、図1に例示するように設けられる。なお、図1において、透明導電膜60が、第2半導体層50の全てを覆っているが、一部の第2半導体層50が覆われないように設けることもできる。   Furthermore, the transparent conductive film 60 can be provided on the second semiconductor layer 50, the anode electrode 70 can be provided on the transparent conductive film 60, and the cathode electrode 80 can be provided on the first semiconductor layer 30. The arrangement of the transparent conductive film 60, the anode electrode 70, and the cathode electrode 80 is not limited because it can be appropriately optimized by the semiconductor light emitting device, but is generally provided as illustrated in FIG. 1. In FIG. 1, the transparent conductive film 60 covers the entire second semiconductor layer 50, but may be provided so that a part of the second semiconductor layer 50 is not covered.

図1及び図2で示した半導体発光素子100は、ダブルヘテロ構造の半導体発光素子に適用した例であるが、第1半導体層30、発光半導体層40及び第2半導体層50の積層構造はこれに限定されるものではない。   The semiconductor light emitting device 100 shown in FIGS. 1 and 2 is an example applied to a semiconductor light emitting device having a double hetero structure, but the stacked structure of the first semiconductor layer 30, the light emitting semiconductor layer 40, and the second semiconductor layer 50 is the same. It is not limited to.

本実施の形態に係る半導体発光素子100は、光学基材10の一方の主面の全面又は一部に形成された微細凹凸構造20の平均ピッチPavが、200nm以上1500nm以下(以下、所定の範囲という)であり、且つ、光学基材10の幅W1と厚みTの比率Mが1以上であることを特徴とする。   In the semiconductor light emitting device 100 according to the present embodiment, the average pitch Pav of the fine concavo-convex structure 20 formed on the entire or part of one main surface of the optical substrate 10 is 200 nm or more and 1500 nm or less (hereinafter, a predetermined range). And the ratio M between the width W1 and the thickness T of the optical substrate 10 is 1 or more.

以下、本実施の形態に係る半導体発光素子100が効果を発揮する原理について説明する。   Hereinafter, the principle that the semiconductor light emitting device 100 according to the present embodiment exerts an effect will be described.

一般に、半導体発光素子の発光効率は、内部量子効率IQEと光取り出し効率LEEによって決定される。IQE向上のために、ナノオーダーの凹凸構造による結晶欠陥の低減及びdroopを抑えること、LEE向上のために、導波モードを崩して且つ効果的にチップ外部に取り出すこと、との両立が必要となる。   In general, the light emission efficiency of a semiconductor light emitting device is determined by the internal quantum efficiency IQE and the light extraction efficiency LEE. In order to improve IQE, it is necessary to achieve both reduction of crystal defects and drop due to a nano-order concavo-convex structure, and destruction of the waveguide mode and effective extraction outside the chip in order to improve LEE. Become.

特に、導波モードを崩すために、従来は成長基材にマイクロオーダーの凹凸構造を設けることによって光を散乱させて光取り出し効率LEEの向上を行っていた。   In particular, in order to break the waveguide mode, conventionally, a micro-order concavo-convex structure is provided on the growth substrate to scatter light and improve the light extraction efficiency LEE.

しかし、発明者は、微細凹凸構造をナノオーダーとすることで、光の波動性を強調することができ、その結果生じる光回折、中でも回折のモード数と回折角度に注目した。微細凹凸構造のパラメータによって、このモードを制御することで、半導体発光素子内部の光を効果的にチップ外に取り出すことができ、大面積でも光取出し効率が高く維持できることを見出した。これによって、光学基材に設けられた微細凹凸構造による、半導体層を成膜する際の結晶欠陥の低減と、微細凹凸構造による回折によって導波モードを効果的に崩し、且つ大面積でもチップ外に効果的に取り出す作用が得られる。   However, the inventor can emphasize the wave nature of light by setting the fine concavo-convex structure to the nano-order, and pays attention to the resulting light diffraction, particularly the number of diffraction modes and the diffraction angle. It has been found that by controlling this mode according to the parameters of the fine concavo-convex structure, the light inside the semiconductor light emitting device can be effectively taken out of the chip, and the light extraction efficiency can be maintained high even in a large area. As a result, the waveguide mode is effectively destroyed by the reduction of crystal defects when the semiconductor layer is formed by the fine concavo-convex structure provided on the optical base material, and the diffraction by the fine concavo-convex structure. The action of effectively taking out can be obtained.

更に、より大面積とすることで、LED1個の光出力を向上させることができる。よって、光学基材10を特徴づけるパラメータの関係から、内部量子効率IQE及び光取り出し効率LEEの向上の両立による高効率化に加えて、素子の大面積化による光出力の大きなLEDの作成が可能となった。   Furthermore, the light output of 1 LED can be improved by setting it as a larger area. Therefore, from the relationship of the parameters that characterize the optical substrate 10, it is possible to create an LED with a large light output by increasing the area of the element in addition to improving the internal quantum efficiency IQE and the light extraction efficiency LEE. It became.

(平均ピッチPav)
まず、微細凹凸構造20の平均ピッチPavが前記所定の範囲において好ましい理由について述べる。
(Average pitch Pav)
First, the reason why the average pitch Pav of the fine uneven structure 20 is preferable in the predetermined range will be described.

一般に、半導体発光素子の発光層で生じた発光光と凹凸構造との相互作用は、半導体発光素子中での発光光の光学波長λと微細凹凸構造が有する大きさとの関係で決まる。   In general, the interaction between the emitted light generated in the light emitting layer of the semiconductor light emitting element and the uneven structure is determined by the relationship between the optical wavelength λ of the emitted light in the semiconductor light emitting element and the size of the fine uneven structure.

従来用いられていたマイクロオーダーの凹凸構造は、半導体発光素子中の発光光の光学波長λの10倍程度の大きさであり、光と凹凸構造の相互作用は散乱的である。しかしながら、内部量子効率IQEの向上のために凹凸構造の大きさがナノオーダーとなると、半導体発光素子中の発光光の光学波長λの同程度から数倍程度の大きさとなり、光の波動性が強調され相互作用としては光回折が生じるようになる。   The micro-order concavo-convex structure conventionally used is about 10 times as large as the optical wavelength λ of the emitted light in the semiconductor light emitting device, and the interaction between the light and the concavo-convex structure is scattering. However, when the size of the concavo-convex structure is nano-ordered to improve the internal quantum efficiency IQE, the optical wavelength λ of the emitted light in the semiconductor light emitting device is about the same as the optical wavelength λ, and is about several times larger. It is emphasized that light diffraction occurs as an interaction.

光回折を特徴づける要因としては、回折後の強め合う方向の数であるモード、各モードの出光角度及び各モードの強度である。光回折ではその波動性ゆえに、凹凸構造での反射及び透過によって強め合う方向が複数生成される。   Factors that characterize light diffraction are the mode, which is the number of intensifying directions after diffraction, the light output angle of each mode, and the intensity of each mode. In light diffraction, due to its wave nature, a plurality of intensifying directions are generated by reflection and transmission at the concavo-convex structure.

光回折のモード数は、平均ピッチPavと光学波長との比が小さいと少なく、平均ピッチPavと光学波長との比が大きい程多くなる。つまり、平均ピッチPavと光学波長の比が小さい条件下ではモード数が限定される。これは、回折光が指向性を有していると観察される。   The number of modes of light diffraction is small when the ratio between the average pitch Pav and the optical wavelength is small, and increases as the ratio between the average pitch Pav and the optical wavelength is large. That is, the number of modes is limited under the condition that the ratio between the average pitch Pav and the optical wavelength is small. This is observed when the diffracted light has directivity.

一方、光回折のモード数は、平均ピッチPavと光学波長との比が大きい程多くなる。この時、モード数の増加によって個々のモードが持つ強度は小さくなる。また、出光角度の分布は徐々に幅広くなる。その振る舞いは散乱的と観察される。   On the other hand, the number of modes of light diffraction increases as the ratio between the average pitch Pav and the optical wavelength increases. At this time, the strength of each mode decreases as the number of modes increases. In addition, the distribution of the light emission angle gradually becomes wider. Its behavior is observed as scattered.

前記所定の範囲に微細凹凸構造20の平均ピッチPavがあることで、微細凹凸構造20に入射する光の波動性が顕著となる。指向性を有するが故に、従来のマイクロオーダーの凹凸構造に比べて、微細凹凸構造20を構成するパラメータを変えることで、半導体発光素子100中での光の挙動の制御がより行いやすくなるという利点がある。   By having the average pitch Pav of the fine concavo-convex structure 20 within the predetermined range, the wave nature of light incident on the fine concavo-convex structure 20 becomes remarkable. Since it has directivity, it is easier to control the behavior of light in the semiconductor light emitting device 100 by changing the parameters constituting the fine concavo-convex structure 20 compared to the conventional micro-order concavo-convex structure. There is.

(光学基材)
次に、光学基材について説明する。
図2は、本実施の形態に係る半導体発光素子における光学基材の幅W1と厚さTとの比W1/Tと光の挙動を示す説明図である。図2では便宜のために1次元で図示する。図2に示すように、光学基材10の幅W1と厚みTの比率W1/Tが大きくなるほど、半導体発光素子内部で生じた光は、光学基材10の側面から抜けにくくなり、微細凹凸構造20に光学基材10側から入射し易くなる。
(Optical substrate)
Next, the optical substrate will be described.
FIG. 2 is an explanatory diagram showing the behavior of light and the ratio W1 / T between the width W1 and the thickness T of the optical substrate in the semiconductor light emitting device according to the present embodiment. In FIG. 2, it is shown in one dimension for convenience. As shown in FIG. 2, as the ratio W1 / T between the width W1 and the thickness T of the optical base material 10 increases, the light generated inside the semiconductor light emitting element is less likely to escape from the side surface of the optical base material 10, and the fine uneven structure 20 easily enters from the optical substrate 10 side.

図2Aは、W1/T=3の場合を示し、図2Bは、W1/T=5の場合を示す。   FIG. 2A shows the case of W1 / T = 3, and FIG. 2B shows the case of W1 / T = 5.

例えば、光学基材10がサファイア基板の場合、ダイシング工程やその後のハンドリングの観点から、光学基材10の厚みTは一般に100μm〜200μm程度とされており、積層半導体層が数μmであることと比較して十倍から二十倍程度厚くなっている。このため、光学基材10の側面からの光取出しは無視できない。   For example, when the optical substrate 10 is a sapphire substrate, the thickness T of the optical substrate 10 is generally set to about 100 μm to 200 μm from the viewpoint of the dicing process and the subsequent handling, and the laminated semiconductor layer is several μm. In comparison, it is about 10 to 20 times thicker. For this reason, light extraction from the side surface of the optical substrate 10 cannot be ignored.

図2Aのように、W1/Tが小さい場合、積層半導体層から光学基材10に入射した光は、光学基材10側から微細凹凸構造20に再度入射する前に、光学基材10側面に到達し、半導体発光素子の外部に取り出される。   As shown in FIG. 2A, when W1 / T is small, the light incident on the optical base material 10 from the laminated semiconductor layer is applied to the side surface of the optical base material 10 before entering the fine concavo-convex structure 20 again from the optical base material 10 side. And reaches the outside of the semiconductor light emitting device.

一方、図2BのようにW1/Tが大きくなるにつれ、積層半導体層から光学基材10に入射した光は、光学基材10側面に到達しにくくなり、光学基材10側から再度微細凹凸構造20に入射する割合が増加する。   On the other hand, as W1 / T increases as shown in FIG. 2B, the light incident on the optical base material 10 from the laminated semiconductor layer becomes difficult to reach the side surface of the optical base material 10, and the fine concavo-convex structure again from the optical base material 10 side. The rate of incidence on 20 increases.

このとき、従来のマイクロオーダーのパターンでは、光学基材10側から入射した際にも散乱されることになり、新たな導波モードを生じる。この経路では少なくとも1回以上積層半導体層内で全反射して、微細凹凸構造20に再度入射し、光の進行方向を取出しに寄与する角度に変える必要がある。積層半導体層や透明導電膜60では吸収があることが知られており、ロスが生じて結果的に微細凹凸構造20によるLEEの向上が低減されてしまう。   At this time, in the conventional micro-order pattern, it is scattered even when incident from the optical substrate 10 side, and a new waveguide mode is generated. In this path, it is necessary to change the angle so that it is totally reflected within the laminated semiconductor layer at least once and is incident on the fine concavo-convex structure 20 again to extract the traveling direction of light. It is known that there is absorption in the laminated semiconductor layer and the transparent conductive film 60, and a loss occurs, and as a result, improvement in LEE due to the fine concavo-convex structure 20 is reduced.

高効率且つ光出力の大きなLEDの作成には、droopによる内部量子効率の低下を抑制するために、適切な電流密度領域となるような発光面積を確保しつつ、大面積条件でも光取出し効率の向上を保つ必要がある。しかしながら、上記のようにマイクロオーダーでは散乱性を有するがために最適ではなく、ナノオーダーとすることで生じる光の波動性によって、その挙動を制御することで可能となった。   In order to create a high-efficiency LED with high light output, in order to suppress the decrease in internal quantum efficiency due to droop, while ensuring a light-emitting area that becomes an appropriate current density region, the light extraction efficiency can be improved even under a large area condition. It is necessary to keep improving. However, it is not optimal because it has a scattering property in the micro order as described above, and it is made possible by controlling the behavior by the wave nature of light generated by making it in the nano order.

図2では便宜のため1次元で図示されているが、実際のチップは奥行を有している。故に、比率Mは式(1)のように記述される。式(1)において、W1は光学基材10の長手方向の幅を示し、W2は光学基材10の短手方向の幅を示し、Tは光学基材10の厚みを示す。比率Mが大きいほど光学基材10から半導体層への入射頻度は増加するため、微細凹凸構造20とすることの効果は顕著となる。微細凹凸構造20が設けられる場合、Mは1以上が好ましく、1.1以上がより好ましく、1.2以上が更に好ましい。   Although shown in FIG. 2 as one-dimensional for convenience, an actual chip has a depth. Therefore, the ratio M is described as in equation (1). In Formula (1), W1 represents the width in the longitudinal direction of the optical substrate 10, W2 represents the width in the short direction of the optical substrate 10, and T represents the thickness of the optical substrate 10. Since the incidence frequency from the optical base material 10 to the semiconductor layer increases as the ratio M increases, the effect of forming the fine concavo-convex structure 20 becomes remarkable. When the fine concavo-convex structure 20 is provided, M is preferably 1 or more, more preferably 1.1 or more, and still more preferably 1.2 or more.

Figure 2016162871
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なお、図2では微細凹凸構造20の寸法は誇張されて描かれており、微細凹凸構造20と実際の光学基材10との寸法比を表すものではない。   In FIG. 2, the dimensions of the fine concavo-convex structure 20 are exaggerated and do not represent the dimensional ratio between the fine concavo-convex structure 20 and the actual optical substrate 10.

反射層90の反射率は、素子内部で生じる光の波長での反射率が80%以上である。   The reflection layer 90 has a reflectance of 80% or more at the wavelength of light generated inside the element.

なぜならば、図2にも示すように、特にフェイスアップ実装では光学基材10の他方の主面での反射によって、光学基材10側から微細凹凸構造20に再入射することになる。故にこの成分の減衰を低減するためには反射層90を設け、且つ、反射層90の反射率が高いことが好ましい。具体的には、80%以上が好ましく、85%以上がより好ましく、90%以上が最も好ましい。反射層90としては、例えば、AgやAlといった金属やその合金の単層膜や多層膜、或いは誘電体多層膜を設けることができる。成膜方法は特に限定されず、例えば真空蒸着法やスパッタなど公知の手法を用いることができる。   This is because, as shown in FIG. 2, particularly in face-up mounting, the light is incident on the fine concavo-convex structure 20 from the optical substrate 10 side due to reflection on the other main surface of the optical substrate 10. Therefore, in order to reduce the attenuation of this component, it is preferable that the reflective layer 90 is provided and the reflectance of the reflective layer 90 is high. Specifically, it is preferably 80% or more, more preferably 85% or more, and most preferably 90% or more. As the reflective layer 90, for example, a single layer film or a multilayer film of a metal such as Ag or Al or an alloy thereof, or a dielectric multilayer film can be provided. The film formation method is not particularly limited, and for example, a known method such as a vacuum evaporation method or sputtering can be used.

この経路の寄与は、光学基材10の断面積と側面積の比率Mが大きくなるほど大きくなる。従って、反射率を高める効果はMが大きい程大きい。Mは1以上が好ましく、1.1以上がより好ましく、1.2以上が更に好ましい。   The contribution of this path increases as the ratio M between the cross-sectional area and the side area of the optical substrate 10 increases. Therefore, the effect of increasing the reflectance is greater as M is larger. M is preferably 1 or more, more preferably 1.1 or more, and still more preferably 1.2 or more.

素子の発光波長は、例えば、波長計又は分光放射輝度計によって求めることができる。反射率は、反射層90だけを成膜した基板を用意し、例えば、分光反射率測定器で測定することができる。   The emission wavelength of the element can be determined by, for example, a wavelength meter or a spectral radiance meter. The reflectance can be measured by preparing a substrate on which only the reflective layer 90 is formed and, for example, using a spectral reflectance measuring device.

図3は、本実施の形態における半導体発光素子における幅W1、W2を示す説明図である。図3Aに示すように、半導体発光素子100の断面が略正方形の場合、W1とW2はほぼ等しくなる。図3Bに示すように、長方形の場合、長手方向と短手方向をそれぞれW1、W2とする。つまり、W1とW2とは異なる。   FIG. 3 is an explanatory diagram showing the widths W1 and W2 in the semiconductor light emitting device in the present embodiment. As shown in FIG. 3A, when the cross section of the semiconductor light emitting device 100 is substantially square, W1 and W2 are substantially equal. As shown in FIG. 3B, in the case of a rectangle, the longitudinal direction and the lateral direction are W1 and W2, respectively. That is, W1 and W2 are different.

光学基材10の幅W1、W2は、例えば光学顕微鏡によって測定することができる。光学基材10の厚みTは、例えばSTEM(走査透過電子顕微鏡)によって測定することができる。像のコントラストから数μm程度の積層半導体層との境界を明確化することができ、好ましい。   The widths W1 and W2 of the optical substrate 10 can be measured by, for example, an optical microscope. The thickness T of the optical substrate 10 can be measured by, for example, STEM (scanning transmission electron microscope). The boundary with the stacked semiconductor layer of about several μm can be clarified from the contrast of the image, which is preferable.

本実施の形態に係る照明デバイスは、半導体発光素子100を搭載したことを特徴とする。半導体発光素子100を照明デバイスに用いることで、より低コスト・長寿命の照明デバイスとすることができる。照明用途ではその用いられる用途、場所によって求められる光出力或いは光束が定まっており、この基準を達成するため、通常照明デバイスには複数個のLEDが搭載されている。故に、LED1個当たりの光出力が向上すれば、照明デバイスに用いるLEDの個数を減らすことができる。これは実装に要する部品点数の減少にもつながる。LEDの実装個数の増加は、例えば電極の剥離や接触不良、駆動回路の故障といった、故障率の増加につながる。これはLEDが長寿命であるという特徴を照明デバイスとして発揮しているとは言い難い状況であり、実装点数減少による故障率の減少、低コスト化は照明デバイスとしてのLEDの更なる普及に資するものである。   The lighting device according to the present embodiment is characterized in that a semiconductor light emitting element 100 is mounted. By using the semiconductor light emitting element 100 for a lighting device, a lighting device with lower cost and longer life can be obtained. In the lighting application, the light output or light flux required by the application and place used is determined, and in order to achieve this standard, a plurality of LEDs are usually mounted on the lighting device. Therefore, if the light output per LED is improved, the number of LEDs used in the lighting device can be reduced. This also leads to a reduction in the number of parts required for mounting. An increase in the number of mounted LEDs leads to an increase in failure rate such as electrode peeling, contact failure, and drive circuit failure. This is a situation in which it is difficult to say that the LED has a long life characteristic as a lighting device. The reduction in the failure rate due to the decrease in the number of mounting points and the reduction in cost contribute to the further spread of the LED as a lighting device. Is.

以下、微細凹凸構造20のパラメータについて説明する。微細凹凸構造20は、複数の凸部又は凹部から構成される。微細凹凸構造20は、凸部又は凹部を有していれば、その形状や配列は限定されず、内部量子効率IQE及び、光取り出し効率LEEを大きくすることができる。このため、例えば、複数の柵状体が配列したラインアンドスペース構造、複数のドット(凸部、突起)状構造が配列したドット構造、複数のホール(凹部)状構造が配列したホール構造等を採用できる。ドット構造やホール構造は、例えば、円錐、円柱、四角錐、四角柱、六角錐、六角柱、多角錐、多角柱、二重リング状、多重リング状等の構造が挙げられる。なお、これらの形状は底面の外径が歪んだ形状や、側面が湾曲した形状を含む。なお、ドット構造とは、複数の凸部が互いに独立して配置された構造である。即ち、各凸部は連続した凹部により隔てられる。なお、各凸部は連続した凹部により滑らかに接続されてもよい。一方、ホール構造とは、複数の凹部が互いに独立して配置された構造である。即ち、各凹部は連続した凸部により隔てられる。なお、各凹部は連続した凸部により滑らかに接続されてもよい。   Hereinafter, parameters of the fine uneven structure 20 will be described. The fine concavo-convex structure 20 includes a plurality of convex portions or concave portions. If the fine concavo-convex structure 20 has a convex part or a concave part, the shape and arrangement thereof are not limited, and the internal quantum efficiency IQE and the light extraction efficiency LEE can be increased. For this reason, for example, a line-and-space structure in which a plurality of fence-like bodies are arranged, a dot structure in which a plurality of dot (convex portions, protrusions) -like structures are arranged, a hole structure in which a plurality of hole (concave) -like structures are arranged, etc. Can be adopted. Examples of the dot structure and the hole structure include a cone, a cylinder, a quadrangular pyramid, a quadrangular prism, a hexagonal pyramid, a hexagonal pyramid, a polygonal pyramid, a double ring shape, and a multiple ring shape. These shapes include a shape in which the outer diameter of the bottom surface is distorted and a shape in which the side surface is curved. The dot structure is a structure in which a plurality of convex portions are arranged independently of each other. That is, each convex part is separated by a continuous concave part. In addition, each convex part may be smoothly connected by the continuous recessed part. On the other hand, the hole structure is a structure in which a plurality of recesses are arranged independently of each other. That is, each recessed part is separated by the continuous convex part. In addition, each recessed part may be smoothly connected by the continuous convex part.

微細凹凸構造20の配列は、正六方配列、正四方配列、準六方配列、準四方配列等を採用できる。さらに、これらの配列を組み合わせた配列を採用することもできる。例えば、正六方配列と正四方配列が交互に並んだ配列や、正六方配列から正四方配列にむけて徐々に変化し、正四方配列から正六方配列へと徐々に戻る配列等が挙げられる。ここで準六方配列とは、正六方配列の隣接する凸部間距離(ピッチ)が±15%以下のずれを生じている配列として定義する。このずれ量は、配列内に渡り均等なずれ量でもよく、ずれ量に分布が設けられていてもよい。また、微細凹凸構造20の配列がそれぞれ異なっていてもよい。   As the arrangement of the fine concavo-convex structure 20, a regular hexagonal arrangement, a regular tetragonal arrangement, a quasi-hexagonal arrangement, a quasi-tetragonal arrangement, or the like can be adopted. Furthermore, a combination of these sequences can also be employed. For example, an array in which a regular hexagonal array and a regular tetragonal array are alternately arranged, an array that gradually changes from a regular hexagonal array to a regular tetragonal array, and gradually returns from the regular tetragonal array to the regular hexagonal array, and the like. Here, the quasi-hexagonal array is defined as an array in which the distance (pitch) between adjacent convex portions of the regular hexagonal array has a deviation of ± 15% or less. This deviation amount may be a uniform deviation amount in the array, or a distribution may be provided for the deviation amount. Moreover, the arrangement of the fine concavo-convex structure 20 may be different.

次に、微細凹凸構造20で用いられるパラメータの定義を行う。パラメータの測定方法については、パラメータの説明後に述べる。また、以下の説明では、微細凹凸構造20がドット構造の場合について説明するが、ホール構造の場合について説明においても、特段区別して説明する他は、以下の用語を同様に用いて説明することができる。   Next, parameters used in the fine concavo-convex structure 20 are defined. The parameter measurement method will be described after the description of the parameters. Further, in the following description, the case where the fine concavo-convex structure 20 has a dot structure will be described. However, in the description of the case of a hole structure, the following terms may be used in the same manner, except for a specific distinction. it can.

<ピッチP及び平均ピッチPav>
図4は、本実施の形態に係る半導体発光素子の第1半導体層を微細凹凸構造が形成された表面側から見た上面図である。微細凹凸構造20が、複数の凸部20aが凹部20bの中に配置されたドット構造である場合、ある凸部A1の中心とこの凸部A1に隣接する凸部B1−1〜凸部B1−6の中心との間の距離PA1B1−1〜距離PA1B1−6を、ピッチPと定義する。しかし、この図4に示すように、隣接する凸部によりピッチPが異なる場合は次の手順に従い、平均ピッチPavを決定する。(1)任意の複数の凸部A1,A2…ANを選択する。(2)凸部AM(1≦M≦N)と凸部AMに隣接する凸部(BM−1〜BM−k)と、のピッチPAMBM−1〜PAMBM−kを測定する。(3)凸部A1〜凸部ANについても、(2)と同様にピッチPを測定する。(4)ピッチPA1B1−1〜PANBN−kの相加平均値を平均ピッチPavとして定義する。但し、Nは5以上10以下、kは4以上6以下とする。なお、ホール構造の場合、上記ドット構造にて説明した凸部20aを凹部開口部と読み替えることで、平均ピッチPavを定義することができる。
<Pitch P and average pitch Pav>
FIG. 4 is a top view of the first semiconductor layer of the semiconductor light emitting device according to the present embodiment as viewed from the surface side where the fine concavo-convex structure is formed. When the fine concavo-convex structure 20 is a dot structure in which a plurality of convex portions 20a are arranged in the concave portions 20b, the center of a certain convex portion A1 and the convex portions B1-1 to B1- adjacent to the convex portion A1. the distance P A1B1-1 ~ distance P A1B1-6 between the center of 6, is defined as a pitch P. However, as shown in FIG. 4, when the pitch P differs depending on the adjacent convex portions, the average pitch Pav is determined according to the following procedure. (1) A plurality of arbitrary convex portions A1, A2,... AN are selected. (2) The pitches P AMBM-1 to P AMBM-k between the convex portions AM (1 ≦ M ≦ N) and the convex portions (BM-1 to BM-k) adjacent to the convex portion AM are measured. (3) For the convex portions A1 to AN, the pitch P is measured as in (2). (4) An arithmetic average value of the pitches P A1B1-1 to P ANBN-k is defined as an average pitch Pav. However, N is 5 or more and 10 or less, and k is 4 or more and 6 or less. In the case of the hole structure, the average pitch Pav can be defined by replacing the convex portion 20a described in the dot structure with a concave opening.

また、図5は、本実施の形態に係る半導体発光素子の第1半導体層を微細凹凸構造が形成された表面側から見た上面図である。図5に示すように、微細凹凸構造20がラインアンドスペース構造の場合、ある凸ラインA1の中心線と、この凸ラインA1に隣接する凸ラインB1−1及び凸ラインB1−2の中心線との間の最短距離PA1B1−1及び最短距離PA1B1−2の相加平均を、ピッチPと定義する。しかし、この図5に示すように、選択する凸ラインによりピッチPが異なる場合には、次の手順に従い、平均ピッチPavを決定する。(1)任意の複数の凸ラインA1,A2…ANを選択する。(2)凸ラインAM(1≦M≦N)と凸ラインAMに隣接する凸ライン(BM−1、BM−2)と、のピッチPAMBM−1、PAMBM−2を測定する。(3)凸ラインA1〜凸ラインANについても、(2)と同様にピッチPを測定する。(4)ピッチPA1B1−1〜PANBN−2の相加平均値を平均ピッチPavとして定義する。但し、Nは5以上10以下とする。 FIG. 5 is a top view of the first semiconductor layer of the semiconductor light emitting device according to the present embodiment as viewed from the surface side on which the fine concavo-convex structure is formed. As shown in FIG. 5, when the fine concavo-convex structure 20 is a line-and-space structure, the center line of a certain convex line A1, and the center lines of the convex line B1-1 and the convex line B1-2 adjacent to the convex line A1 The arithmetic mean of the shortest distance P A1B1-1 and the shortest distance P A1B1-2 is defined as the pitch P. However, as shown in FIG. 5, when the pitch P differs depending on the selected convex line, the average pitch Pav is determined according to the following procedure. (1) An arbitrary plurality of convex lines A1, A2,... AN are selected. (2) The pitches P AMBM-1 and P AMBM-2 between the convex lines AM (1 ≦ M ≦ N) and the convex lines (BM-1, BM-2) adjacent to the convex line AM are measured. (3) For the convex lines A1 to AN, the pitch P is measured as in (2). (4) An arithmetic average value of the pitches P A1B1-1 to P ANBN-2 is defined as an average pitch Pav. However, N is 5 or more and 10 or less.

<凸部頂部幅lcvt、凹部開口幅lcct、凸部底部幅lcvb、凹部底部幅lccb>
図6は、本実施の形態に係る半導体発光素子の微細凹凸構造がドット構造の場合を示す上面図である。図6中に示す破線で示す線分は、ある凸部20aの中心と該凸部20aに最近接する凸部20aの中心との距離であり、上記説明したピッチPを意味する。図6中に示したピッチPに相当する線分位置における微細凹凸構造20の断面模式図を示したのが図7A及び図7Bである。図7は、図6に示したピッチPに相当する線分位置における微細凹凸構造を示す断面模式図である。
<Convex top width lcvt, concave opening width lcct, convex bottom width lcvb, concave bottom width lccb>
FIG. 6 is a top view showing a case where the fine uneven structure of the semiconductor light emitting device according to the present embodiment has a dot structure. A line segment indicated by a broken line in FIG. 6 is a distance between the center of a certain convex portion 20a and the center of the convex portion 20a closest to the convex portion 20a, and means the pitch P described above. FIGS. 7A and 7B show schematic cross-sectional views of the fine concavo-convex structure 20 at the line segment position corresponding to the pitch P shown in FIG. FIG. 7 is a schematic cross-sectional view showing a fine concavo-convex structure at a line segment position corresponding to the pitch P shown in FIG.

図7Aに示すように、凸部頂部幅lcvtは凸部20aの頂面の幅として定義され、凹部開口幅lcctは、ピッチPと凸部頂部幅lcvtと、の差分値(P−lcvt)として定義される。   As shown in FIG. 7A, the convex portion top width lcvt is defined as the width of the top surface of the convex portion 20a, and the concave portion opening width lcct is a difference value (P−lcvt) between the pitch P and the convex portion top width lcvt. Defined.

図7Bに示すように、凸部底部幅lcvbは凸部20aの底部の幅として定義され、凹部底部幅lccbは、ピッチPと凸部底部幅lcvbと、の差分値(P−lcvb)として定義される。   As shown in FIG. 7B, the convex bottom width lcvb is defined as the bottom width of the convex portion 20a, and the concave bottom width lccb is defined as a difference value (P−lcvb) between the pitch P and the convex bottom width lcvb. Is done.

図8は、本実施の形態に係る半導体発光素子の微細凹凸構造がホール構造の場合を示す上面図である。図8は、微細凹凸構造20がホール構造の場合の上面図を示している。図8中に破線で示す線分は、ある凹部20bの中心と該凹部20bに最近接する凹部20bの中心との距離であり、上記説明したピッチPを意味する。図8中に示したピッチPに相当する線分位置における微細凹凸構造20の断面模式図を示したのが図9A及び図9Bである。図9は、図8に示したピッチPに相当する線分位置における微細凹凸構造を示す断面模式図である。   FIG. 8 is a top view showing a case where the fine uneven structure of the semiconductor light emitting device according to the present embodiment has a hole structure. FIG. 8 shows a top view when the fine relief structure 20 has a hole structure. A line segment indicated by a broken line in FIG. 8 is the distance between the center of a certain recess 20b and the center of the recess 20b closest to the recess 20b, and means the pitch P described above. FIGS. 9A and 9B show schematic cross-sectional views of the fine concavo-convex structure 20 at the line segment position corresponding to the pitch P shown in FIG. FIG. 9 is a schematic cross-sectional view showing a fine concavo-convex structure at a line segment position corresponding to the pitch P shown in FIG.

図9Aに示すように、凹部開口幅lcctは凹部20bの開口幅として定義され、凸部頂部幅lcvtは、ピッチPと凹部開口幅lcctと、の差分値(P−lcct)として定義される。   As shown in FIG. 9A, the recess opening width lcct is defined as the opening width of the recess 20b, and the protrusion top width lcvt is defined as a difference value (P−lcct) between the pitch P and the recess opening width lcct.

図9Bに示すように、凸部底部幅lcvbは凸部20aの底部の幅として定義され、凹部底部幅lccbは、ピッチPと凸部底部幅lcvbと、の差分値(P−lcvb)として定義される。   As shown in FIG. 9B, the convex bottom width lcvb is defined as the width of the convex portion 20a, and the concave bottom width lccb is defined as a difference value (P-lcvb) between the pitch P and the convex bottom width lcvb. Is done.

<デューティ>
デューティは、ドット構造の場合、凸部底部幅lcvbとピッチPと、の比率(lcvb/P)で定義される。一方、ホール構造の場合、凹部底部幅lccbとピッチPの比率(lccb/P)で定義される。
<Duty>
In the case of the dot structure, the duty is defined by a ratio (lcvb / P) between the convex bottom width lcvb and the pitch P. On the other hand, in the case of the hole structure, it is defined by the ratio of the recess bottom width lccb to the pitch P (lccb / P).

まず、微細凹凸構造20におけるデューティの影響について述べる。前記定義より、デューティが小さいことは、凹凸構造の平坦部、即ちドット構造の配列であれば凹部底部の平坦面が多いことを示している。これは、結晶成長の点では、核形成が生じやすく有利であるが、光取り出しの面からは、回折に寄与しない平坦部は少ない方が好ましい。   First, the influence of the duty on the fine concavo-convex structure 20 will be described. From the above definition, a small duty indicates that there are many flat surfaces at the bottom of the recesses in the case of a flat part of the concavo-convex structure, that is, an arrangement of dot structures. This is advantageous in terms of crystal growth because nucleation is likely to occur, but it is preferable that the number of flat portions that do not contribute to diffraction is small in terms of light extraction.

一方、デューティの上限は半導体層の結晶成長から定まる。光学基材の平坦部の面積が小さすぎると、結晶成長する際の核形成が阻害され、結果として結晶品質が低下してしまう。   On the other hand, the upper limit of the duty is determined from the crystal growth of the semiconductor layer. If the area of the flat portion of the optical substrate is too small, nucleation during crystal growth is hindered, resulting in a decrease in crystal quality.

また、回折は凸部20aの体積によって特徴づけられる。独立した凸部20a、或いは凹部20bの配列であるドット構造、ホール構造では、デューティは凸部20aの体積に対して2乗で効く。以上を考慮すると、微細凹凸構造20において、ドット構造の凸部20aの配列に対しては、デューティは0.3以上が好ましく、0.5以上がより好ましい。上限は、0.91以下が好ましく、0.86以下がより好ましい。   Further, the diffraction is characterized by the volume of the convex portion 20a. In a dot structure or a hole structure, which is an array of independent protrusions 20a or recesses 20b, the duty is square with respect to the volume of the protrusions 20a. Considering the above, in the fine concavo-convex structure 20, the duty is preferably 0.3 or more, and more preferably 0.5 or more, with respect to the arrangement of the convex portions 20a of the dot structure. The upper limit is preferably 0.91 or less, and more preferably 0.86 or less.

さらに、ラインアンドスペース構造のような連続した凸部を持つ微細凹凸構造20では、凸部の体積はデューティに対して線形である。従って、デューティは0.3以上がより好ましく、0.5以上が最も好ましい。上限は、0.83以下が好ましく、0.74以下がより好ましい。   Furthermore, in the fine concavo-convex structure 20 having continuous convex portions such as a line and space structure, the volume of the convex portions is linear with respect to the duty. Therefore, the duty is more preferably 0.3 or more, and most preferably 0.5 or more. The upper limit is preferably 0.83 or less, and more preferably 0.74 or less.

<高さH>
微細凹凸構造20の高さHは、微細凹凸構造20の凹部20b底部の平均位置と凹凸構造の凸部20a頂点の平均位置と、の最短距離として定義する。平均位置を算出する際のサンプル点数は10点以上であることが好ましい。
<Height H>
The height H of the fine concavo-convex structure 20 is defined as the shortest distance between the average position of the bottom of the concave portion 20b of the fine concavo-convex structure 20 and the average position of the top of the convex portion 20a of the concavo-convex structure. The number of sample points for calculating the average position is preferably 10 or more.

高さHが大きい程、平均ピッチPavによって定まる回折モードの群の中から、より多くのモードと入射光は相互作用する。つまり、高さHが小さい場合には、平均ピッチPavによって定まる回折モードの群の中から限られたモードの回折光とのみ微細凹凸構造20を介して入射光が作用するが、高さHが大きい場合には、平均ピッチPavによって定まる回折モードの群の中の、より多くの回折モードと入射光は相互作用をする。つまり、高さHが大きい程、入射光と微細凹凸構造20の相互作用は、振る舞いとしてはより散乱的になる。高さHが大きい程、多くのモードと相互作用するが、この中には、光取り出しに寄与しないモードも含まれている。ゆえに散乱的であればロスが生じる。よって、微細凹凸構造20は、過剰に高い形状である必要はない。   The larger the height H, the more modes interact with the incident light from the group of diffraction modes determined by the average pitch Pav. That is, when the height H is small, incident light acts through only the diffracted light of a limited mode from the group of diffraction modes determined by the average pitch Pav through the fine concavo-convex structure 20, but the height H is When it is larger, more diffraction modes in the group of diffraction modes determined by the average pitch Pav interact with the incident light. That is, as the height H is larger, the interaction between the incident light and the fine concavo-convex structure 20 becomes more scattering in behavior. The larger the height H, the more the modes interact, but this includes modes that do not contribute to light extraction. Therefore, if it is scattering, a loss occurs. Therefore, the fine concavo-convex structure 20 does not need to have an excessively high shape.

また、特に微細凹凸構造20の平均ピッチPavが上記所定の範囲である場合について、凸部20aがナノメートルオーダーであることより、平坦化に要する第1半導体層30の厚みを薄くできる。故に、光学基材10と半導体層の格子定数の差、又は、熱膨張係数の差に由来する半導体発光素子100の反りやクラックを抑制できる。上記の観点から、微細凹凸構造20の高さHは、平均ピッチPavの1倍以下が好ましく、0.7倍以下がより好ましい。   In particular, in the case where the average pitch Pav of the fine concavo-convex structure 20 is in the predetermined range, the thickness of the first semiconductor layer 30 required for planarization can be reduced because the protrusions 20a are in the nanometer order. Therefore, warpage and cracks in the semiconductor light emitting device 100 derived from the difference in the lattice constant between the optical substrate 10 and the semiconductor layer or the difference in the thermal expansion coefficient can be suppressed. From the above viewpoint, the height H of the fine concavo-convex structure 20 is preferably not more than 1 time and more preferably not more than 0.7 times the average pitch Pav.

次に、前記パラメータの測定方法について述べる。前記パラメータ、例えばデューティや側面傾斜角Θ、高さHは、微細凹凸構造を観察、例えば走査型電子顕微鏡(SEM)で撮像することによって、前記の定義から個々の凹凸構造に対して求めることができる。本明細書中では、以下に記した局所的範囲で相加平均を取り、得られた値を微細凹凸構造が有するパラメータの値とすることとする。   Next, a method for measuring the parameters will be described. The parameters such as the duty, the side inclination angle Θ, and the height H can be obtained for each concavo-convex structure from the above definition by observing a fine concavo-convex structure, for example, by imaging with a scanning electron microscope (SEM). it can. In this specification, an arithmetic average is taken in the local range described below, and the obtained value is set as a parameter value of the fine concavo-convex structure.

(相加平均)
ある要素(変量)の分布のN個の測定値をx1、x2…、xnとした場合に、相加平均値は、次式(2)にて定義される。
(Arithmetic mean)
When N measured values of a distribution of a certain element (variable) are x1, x2,..., Xn, the arithmetic mean value is defined by the following equation (2).

Figure 2016162871
Figure 2016162871

相加平均を算出する際のサンプル点数Nは、20として定義する。20としたのは、下記局所的範囲内で任意に個々の凹凸構造を選んだ際、十分な統計平均を取るためである。   The number N of sample points when calculating the arithmetic mean is defined as 20. The reason is set to 20 in order to obtain a sufficient statistical average when individual concavo-convex structures are arbitrarily selected within the following local range.

ここで、観察に使用する局所的範囲とは、微細凹凸構造の平均ピッチPavの5倍〜50倍程度の範囲として定義する。例えば、平均ピッチPavが700nmであれば、3500nm〜35000nmの観察範囲の中で観察を行う。そのため、例えば7500nmの視野像を微細凹凸構造を有する領域内の、例えば中央の位置で撮像し、該撮像を使用して相加平均を求める。前記視野像の撮像には、例えば走査型電子顕微鏡(SEM)を用いることができる。   Here, the local range used for observation is defined as a range of about 5 to 50 times the average pitch Pav of the fine concavo-convex structure. For example, if the average pitch Pav is 700 nm, the observation is performed within the observation range of 3500 nm to 35000 nm. For this reason, for example, a field image of 7500 nm is captured at, for example, the center position in a region having a fine concavo-convex structure, and an arithmetic average is obtained using the imaging. For example, a scanning electron microscope (SEM) can be used to capture the field image.

次に、半導体発光素子100を構成する各層の材質等について説明する。本実施の形態に係る半導体発光素子100は、光学基材10の上面に設けられた微細凹凸構造20が前記所定の範囲を満たし、且つ、光学基材10の寸法比率Mが上記式(1)を満たすことで、内部量子効率IQE及び光取り出し効率LEEの両者を向上させた半導体発光素子100となるため、この効果を発揮する限り、各半導体層の材料、状態、層数又は厚み、電極の材料、層数、配置又は厚み、発光半導体層の材料、層数、又は厚み、成長基材の材料、面方位又は厚み等は適宜選択することができ、特に限定されない。   Next, materials and the like of each layer constituting the semiconductor light emitting element 100 will be described. In the semiconductor light emitting device 100 according to the present embodiment, the fine concavo-convex structure 20 provided on the upper surface of the optical substrate 10 satisfies the predetermined range, and the dimensional ratio M of the optical substrate 10 is expressed by the above formula (1). By satisfying the above, it becomes the semiconductor light emitting device 100 in which both the internal quantum efficiency IQE and the light extraction efficiency LEE are improved. As long as this effect is exhibited, the material, state, number of layers or thickness of each semiconductor layer, The material, the number of layers, the arrangement or thickness, the material of the light emitting semiconductor layer, the number of layers or thickness, the material of the growth substrate, the plane orientation, the thickness, and the like can be appropriately selected and are not particularly limited.

上面に微細凹凸構造20を形成した光学基材10の、微細凹凸構造20上に第1半導体層30、発光半導体層40及び第2半導体層50が下から順次積層され、半導体発光素子100を構成する。ここで、本実施の形態に係る半導体発光素子100は、発光半導体層40にて発生した発光光を、光学基材10から取り出すことを特徴とする。さらに、第1半導体層30と第2半導体層50と、は互いに異なる半導体層である。ここで、第1半導体層30は、微細凹凸構造20を平坦化すると好ましい。第1半導体層30が微細凹凸構造20を平坦化するように設けられることにより、第1半導体層30の半導体としての性能を、発光半導体層40及び第2半導体層50へ、と反映させることができるため、内部量子効率IQEが向上する。また、第1半導体層30は非ドープ第1半導体層31とドープ第1半導体層32とから構成されてもよい。   A first light emitting semiconductor layer 30, a light emitting semiconductor layer 40, and a second semiconductor layer 50 are sequentially stacked from the bottom of the optical base material 10 having the fine concavo-convex structure 20 formed on the upper surface. To do. Here, the semiconductor light emitting device 100 according to the present embodiment is characterized in that the emitted light generated in the light emitting semiconductor layer 40 is extracted from the optical substrate 10. Further, the first semiconductor layer 30 and the second semiconductor layer 50 are different semiconductor layers. Here, it is preferable that the first semiconductor layer 30 planarizes the fine concavo-convex structure 20. By providing the first semiconductor layer 30 so as to planarize the fine concavo-convex structure 20, the performance of the first semiconductor layer 30 as a semiconductor can be reflected in the light emitting semiconductor layer 40 and the second semiconductor layer 50. Therefore, the internal quantum efficiency IQE is improved. The first semiconductor layer 30 may be composed of an undoped first semiconductor layer 31 and a doped first semiconductor layer 32.

さらに、第1半導体層30に続いて、発光半導体層40及び第2半導体層50を積層する。その後に、半導体発光素子100の第2半導体層50上に透明導電膜60を、透明導電膜60の上面にアノード電極70を、第1半導体層30上面にカソード電極80を、そして光学基材10の裏面に反射層90を、それぞれ設けることができる。透明導電膜60、アノード電極70及びカソード電極80の配置は、半導体発光素子により適宜最適化できるため限定されないが、図1に例示するように設けられるのが一般的である。   Further, the light emitting semiconductor layer 40 and the second semiconductor layer 50 are stacked following the first semiconductor layer 30. Thereafter, the transparent conductive film 60 is formed on the second semiconductor layer 50 of the semiconductor light emitting device 100, the anode electrode 70 is formed on the upper surface of the transparent conductive film 60, the cathode electrode 80 is formed on the upper surface of the first semiconductor layer 30, and the optical substrate 10. The reflective layer 90 can be provided on the back surface of each. The arrangement of the transparent conductive film 60, the anode electrode 70, and the cathode electrode 80 is not limited because it can be appropriately optimized by the semiconductor light emitting element, but is generally provided as illustrated in FIG.

・第1半導体層30
第1半導体層30としては、半導体発光素子(LED)に適したn型半導体層として使用できるものであれば、特に制限はない。例えば、シリコン、ゲルマニウム等の元素半導体、及び、III−V族、II−VI族、VI−VI族等の化合物半導体に適宜、種々の元素をドープしたものを適用できる。
First semiconductor layer 30
The first semiconductor layer 30 is not particularly limited as long as it can be used as an n-type semiconductor layer suitable for a semiconductor light emitting device (LED). For example, elemental semiconductors such as silicon and germanium, and compound semiconductors such as III-V, II-VI, and VI-VI can be appropriately doped with various elements.

第1半導体層30と後述する微細凹凸構造20が形成された光学基材10とは、第1半導体層30内部の転位低減の観点から適宜組み合わせることができる。微細凹凸構造20の凹部20bの底部の有す平坦面と、第1半導体層30の安定成長面に対してほぼ平行な面と、が平行である場合、微細凹凸構造20の凹部20bの近傍における第1半導体層30の成長モードの乱れが大きくなり、第1半導体層30内の転位を効果的に微細凹凸構造20に応じ分散化することができるため、内部量子効率IQEが向上する。安定成長面とは、成長させる材料において成長速度の最も遅い面のことをさす。   The first semiconductor layer 30 and the optical base material 10 on which the fine concavo-convex structure 20 described later can be combined as appropriate from the viewpoint of reducing dislocations inside the first semiconductor layer 30. When the flat surface of the bottom of the concave portion 20b of the fine concavo-convex structure 20 and the surface substantially parallel to the stable growth surface of the first semiconductor layer 30 are parallel to each other, in the vicinity of the concave portion 20b of the fine concavo-convex structure 20 Since the disorder of the growth mode of the first semiconductor layer 30 is increased and the dislocations in the first semiconductor layer 30 can be effectively dispersed according to the fine concavo-convex structure 20, the internal quantum efficiency IQE is improved. The stable growth surface is the surface with the slowest growth rate in the material to be grown.

また、微細凹凸構造20がナノオーダーであることより、第1半導体層30で微細凹凸構造20を平坦化するために必要な厚みが薄くなる。このため、発光半導体層40からの光を吸収する半導体層が薄くなることで、光取り出し効率LEEのさらなる向上が見込まれると共に、第1半導体層30並びにその上に順次積層される発光半導体層40及び第2半導体層50の反りを抑制することが可能となり、従来よりも大面積の半導体発光素子100とすることができる。このため、第1半導体層30の厚みは、5μm以下が好ましく、4μm以下がより好ましく、3.5μm以下がさらに好ましく、2.5μm以下がいっそう好ましく、1.5μm以下が最も好ましい。   Further, since the fine concavo-convex structure 20 is nano-order, the thickness necessary for planarizing the fine concavo-convex structure 20 in the first semiconductor layer 30 is reduced. For this reason, since the semiconductor layer that absorbs light from the light emitting semiconductor layer 40 is thinned, the light extraction efficiency LEE is expected to be further improved, and the first semiconductor layer 30 and the light emitting semiconductor layer 40 sequentially stacked thereon are also provided. And it becomes possible to suppress the curvature of the 2nd semiconductor layer 50, and it can be set as the semiconductor light emitting element 100 of a larger area than before. For this reason, the thickness of the first semiconductor layer 30 is preferably 5 μm or less, more preferably 4 μm or less, further preferably 3.5 μm or less, still more preferably 2.5 μm or less, and most preferably 1.5 μm or less.

・発光半導体層40
発光半導体層40としては、半導体発光素子(例えば、LED)として発光特性を有するものであれば、特に限定されない。例えば、発光半導体層40として、AsP、GaP、AlGaAs、InGaN、GaN、AlGaN、ZnSe、AlHaInP、ZnO等の半導体層を適用できる。また、発光半導体層40には、適宜、特性に応じて種々の元素をドープしてもよい。
-Light emitting semiconductor layer 40
The light emitting semiconductor layer 40 is not particularly limited as long as it has a light emitting characteristic as a semiconductor light emitting element (for example, LED). For example, as the light emitting semiconductor layer 40, a semiconductor layer such as AsP, GaP, AlGaAs, InGaN, GaN, AlGaN, ZnSe, AlHaInP, or ZnO can be applied. Further, the light emitting semiconductor layer 40 may be appropriately doped with various elements according to characteristics.

・第2半導体層50
第2半導体層50としては、半導体発光素子(例えば、LED)に適したp型半導体層として使用できるものであれば、特に制限はない。例えば、シリコン、ゲルマニウム等の元素半導体、及び、III−V族、II−VI族、VI−VI族等の化合物半導体に適宜、種々の元素をドープしたものを適用できる。
Second semiconductor layer 50
The second semiconductor layer 50 is not particularly limited as long as it can be used as a p-type semiconductor layer suitable for a semiconductor light emitting element (for example, LED). For example, elemental semiconductors such as silicon and germanium, and compound semiconductors such as III-V, II-VI, and VI-VI can be appropriately doped with various elements.

・光学基材10
光学基材10の材質は、半導体発光素子用基板として使用できるものであれば特に制限はない。サファイア、SiC、SiN、GaN、W−Cu、シリコン、酸化亜鉛、酸化マグネシウム、酸化マンガン、酸化ジルコニウム、酸化マンガン亜鉛鉄、酸化マグネシウムアルミニウム、ホウ化ジルコニウム、酸化ガリウム、酸化インジウム、酸化リチウムガリウム、酸化リチウムアルミニウム、酸化ネオジウムガリウム、酸化ランタンストロンチウムアルミニウムタンタル、酸化ストロンチウムチタン、酸化チタン、ハフニウム、タングステン、モリブデン、GaP、GaAs等の基板を用いることができる。中でも半導体層との格子マッチングの観点から、サファイア、GaN、GaP、GaAs、SiC基板、Si基板、スピネル基板等を適用することが好ましい。さらに、単体で用いてもよく、これらを用いた基板本体上に別の基板を設けたヘテロ構造の基板としてもよい。特にフェイスアップ実装では、光学基材10は発光波長に対して吸収が小さいことが好ましい。例えば、光学基材10に、C面(0001)を主面とするサファイア基板を用いることができる。
Optical substrate 10
The material of the optical substrate 10 is not particularly limited as long as it can be used as a substrate for a semiconductor light emitting device. Sapphire, SiC, SiN, GaN, W-Cu, silicon, zinc oxide, magnesium oxide, manganese oxide, zirconium oxide, manganese zinc iron oxide, magnesium aluminum oxide, zirconium boride, gallium oxide, indium oxide, lithium gallium oxide, oxidation Substrates such as lithium aluminum, neodymium gallium oxide, lanthanum strontium aluminum tantalum, strontium titanium oxide, titanium oxide, hafnium, tungsten, molybdenum, GaP, and GaAs can be used. Of these, sapphire, GaN, GaP, GaAs, SiC substrate, Si substrate, spinel substrate and the like are preferably used from the viewpoint of lattice matching with the semiconductor layer. Furthermore, it may be used alone, or may be a heterostructure substrate in which another substrate is provided on the substrate body using these. Particularly in face-up mounting, it is preferable that the optical substrate 10 has a small absorption with respect to the emission wavelength. For example, a sapphire substrate having a C plane (0001) as the main surface can be used as the optical base material 10.

・透明導電膜60
本実施の形態に係る半導体発光素子100においては、透明導電膜60の材質は、例えば、LEDに適した透明導電膜60として使用できるものであれば、特に制限はない。例えば、Ni/Au電極等の金属薄膜や、ITO、ZnO、In、SnO、IZO、IGZO等の導電性酸化物膜等を適用できる。特に、透明性、導電性の観点からITOが好ましい。
・ Transparent conductive film 60
In the semiconductor light emitting device 100 according to the present embodiment, the material of the transparent conductive film 60 is not particularly limited as long as it can be used as the transparent conductive film 60 suitable for LEDs, for example. For example, a metal thin film such as a Ni / Au electrode or a conductive oxide film such as ITO, ZnO, In 2 O 3 , SnO 2 , IZO, or IGZO can be applied. In particular, ITO is preferable from the viewpoints of transparency and conductivity.

・反射層90
反射層90の材質は発光波長での反射率が高ければ特に限定されない。例えば金属ではAg、Al又はその合金などが、例えば反射率や光学基材10との密着性などから選択される。或いは、より高い反射率とするために、誘電体多層膜を形成しても良い。反射率が所望の範囲で有れば膜厚及び層数は特に限定されず、例えば、高屈折率層としてチタン酸化物、ジルコニウム酸化物、ニオブ酸化物、タンタル酸化物、窒化アルミ、低屈折率層としてシリコン酸化物を用いることができる。また、誘電体多層膜を形成した後、金属を製膜しても良い。
Reflective layer 90
The material of the reflective layer 90 is not particularly limited as long as the reflectance at the emission wavelength is high. For example, for metal, Ag, Al, or an alloy thereof is selected, for example, from reflectivity and adhesion to the optical substrate 10. Alternatively, a dielectric multilayer film may be formed in order to obtain a higher reflectance. The film thickness and the number of layers are not particularly limited as long as the reflectance is in a desired range. For example, titanium oxide, zirconium oxide, niobium oxide, tantalum oxide, aluminum nitride, low refractive index as a high refractive index layer Silicon oxide can be used as the layer. Further, after forming the dielectric multilayer film, a metal film may be formed.

また、光学基材10との密着性を改善するために、光学基材10と反射層90の間に密着層を設けても良い。密着層は例えばシリコン酸化物を用いることができる。   In order to improve the adhesion with the optical substrate 10, an adhesion layer may be provided between the optical substrate 10 and the reflective layer 90. For example, silicon oxide can be used for the adhesion layer.

次に、本実施の形態に係る半導体発光素子100の製造方法の各工程について説明する。   Next, each process of the manufacturing method of the semiconductor light emitting device 100 according to the present embodiment will be described.

・微細凹凸構造準備工程
上記説明した微細凹凸構造20を形成することができれば、その作製方法は限定されず、転写法、フォトリソグラフィ法、熱リソグラフィ法、電子線描画法、干渉露光法、ナノ粒子をマスクとしたリソグラフィ法、自己組織化構造をマスクとしたリソグラフィ法等により作製することができる。特に、微細凹凸構造20の加工精度や加工速度の観点から、転写法を採用すると好ましい。
-Fine concavo-convex structure preparation process If the above-described fine concavo-convex structure 20 can be formed, the production method is not limited, and a transfer method, a photolithography method, a thermal lithography method, an electron beam drawing method, an interference exposure method, and nanoparticles It can be manufactured by a lithography method using a mask as a mask, a lithography method using a self-organized structure as a mask, or the like. In particular, it is preferable to employ a transfer method from the viewpoint of processing accuracy and processing speed of the fine relief structure 20.

本明細書における転写法とは、表面にテクスチャーを具備したモールドの、テクスチャーを被処理体(微細凹凸構造20を作製する前の光学基材10)に転写する工程を含む方法として定義する。即ち、モールドのテクスチャーと被処理体とを転写材を介し貼合する工程と、モールドを剥離する工程と、を少なくとも含む方法である。より具体的に、転写法は2つに分類することができる。   The transfer method in this specification is defined as a method including a step of transferring a texture of a mold having a texture on the surface to an object to be processed (the optical substrate 10 before producing the fine concavo-convex structure 20). That is, it is a method including at least a step of bonding a texture of a mold and an object to be processed through a transfer material and a step of peeling the mold. More specifically, the transfer method can be classified into two.

第1に、被処理体に転写付与された転写材を永久剤として使用する場合である。この場合、特に微細凹凸構造20では光学基材10本体と微細凹凸構造20とを構成する材料は異なることとなる。また、微細凹凸構造20は永久剤として残り、半導体発光素子100として使用されることを特徴とする。半導体発光素子100は、数万時間と長期に渡り使用することから、転写材を永久剤として使用する場合、転写材を構成する材料は、金属元素を含むと好ましい。特に、加水分解・重縮合反応を生じる金属アルコキシドや、金属アルコキシドの縮合体を原料に含むことにより、永久剤としての性能が向上するため好ましい。   First, the transfer material transferred to the object to be processed is used as a permanent agent. In this case, particularly in the fine concavo-convex structure 20, the materials constituting the optical substrate 10 main body and the fine concavo-convex structure 20 are different. Further, the fine uneven structure 20 remains as a permanent agent and is used as the semiconductor light emitting device 100. Since the semiconductor light emitting device 100 is used for a long period of tens of thousands of hours, when the transfer material is used as a permanent agent, the material constituting the transfer material preferably contains a metal element. In particular, it is preferable to include a metal alkoxide that generates a hydrolysis / polycondensation reaction or a metal alkoxide condensate as a raw material because the performance as a permanent agent is improved.

第2に、ナノインプリントリソグラフィ法が挙げられる。ナノインプリントリソグラフィ法は、モールドのテクスチャーを被処理体上に転写する工程と、エッチングにより被処理体を加工するためのマスクを設ける工程と、被処理体をエッチングする工程と、を含む方法である。例えば、転写材を1種類用いる場合、まず被処理体とモールドとを、転写材を介し貼合する。続いて、熱や光(UV)により転写材を硬化させ、モールドを剥離する。転写材から構成される凹凸構造に対して酸素アッシングに代表されるエッチングを行い、被処理体を部分的に露出させる。その後、転写材をマスクとして、エッチングにより被処理体を加工する。この際の加工方法としては、ドライエッチングとウェットエッチングを採用できる。凹凸構造の高さを高くしたい場合はドライエッチングが有用である。また、例えば転写材を2種類用いる場合、まず被処理体上に第1転写材により第1転写材層を成膜する。続いて、第1転写材層とモールドとを、第2転写材を介して貼合する。その後、熱や光(UV)により転写材を硬化させ、モールドを剥離する。第2転写材層から構成される凹凸構造に対して酸素アッシングに代表されるエッチングを行い、第1転写材層を部分的に露出させる。続いて、第2転写材層をマスクとして、第1転写材層をドライエッチングによりエッチングする。その後、エッチング後、残された第1転写材層及び第2転写材層をマスクとして、エッチングにより被処理体を加工する。この際の加工方法としては、ドライエッチングとウェットエッチングを採用できる。微細凹凸構造の高さを高くしたい場合はドライエッチングが有用である。   Secondly, there is a nanoimprint lithography method. The nanoimprint lithography method includes a step of transferring a texture of a mold onto a target object, a step of providing a mask for processing the target object by etching, and a step of etching the target object. For example, when one type of transfer material is used, first, the object to be processed and the mold are bonded via the transfer material. Subsequently, the transfer material is cured by heat or light (UV), and the mold is peeled off. Etching typified by oxygen ashing is performed on the concavo-convex structure made of a transfer material to partially expose the object to be processed. Thereafter, the object to be processed is processed by etching using the transfer material as a mask. As a processing method at this time, dry etching and wet etching can be employed. Dry etching is useful for increasing the height of the concavo-convex structure. For example, when two types of transfer materials are used, a first transfer material layer is first formed on the object to be processed using the first transfer material. Subsequently, the first transfer material layer and the mold are bonded via the second transfer material. Thereafter, the transfer material is cured by heat or light (UV), and the mold is peeled off. Etching typified by oxygen ashing is performed on the concavo-convex structure composed of the second transfer material layer to partially expose the first transfer material layer. Subsequently, the first transfer material layer is etched by dry etching using the second transfer material layer as a mask. Thereafter, after the etching, the object to be processed is processed by etching using the remaining first transfer material layer and second transfer material layer as a mask. As a processing method at this time, dry etching and wet etching can be employed. Dry etching is useful for increasing the height of the fine relief structure.

以上説明したように、転写法を採用することで、モールドのテクスチャーを被処理体に反映させることができるため、良好な微細凹凸構造20を具備する光学基材10又は微細凹凸構造20を具備する半導体発光素子100を得ることができる。   As described above, by adopting the transfer method, the texture of the mold can be reflected on the object to be processed, so that the optical substrate 10 or the fine concavo-convex structure 20 having the fine concavo-convex structure 20 is provided. The semiconductor light emitting device 100 can be obtained.

ナノインプリントモールドの材質は特に限定されず、非フレキシブルなガラス、石英、サファイア、ニッケルや、フレキシブルな樹脂を使用することができる。中でも、フレキシブルなモールドを使用することで、モールドのテクスチャーの転写精度が向上し、且つ、形成される微細凹凸構造20の精度が向上するため、好ましい。   The material of the nanoimprint mold is not particularly limited, and non-flexible glass, quartz, sapphire, nickel, or flexible resin can be used. Among them, it is preferable to use a flexible mold because the transfer accuracy of the texture of the mold is improved and the accuracy of the fine uneven structure 20 to be formed is improved.

・半導体層及び透明導電膜積層工程
光学基材10の微細凹凸構造20上に、第1半導体層30、発光半導体層40、第2半導体層50及び透明導電膜60を順次成膜する。各半導体層の形成方法は、特に限定されないが、周知の有機金属気相成長法(MOCVD法)、分子線結晶成長法(MBE法)、ハライド系気相成長法(HVPE法)、スパッタ法、イオンプレーティング法、電子シャワー法等によって形成することができる。
-Semiconductor layer and transparent conductive film lamination process On the fine uneven structure 20 of the optical base material 10, the 1st semiconductor layer 30, the light emitting semiconductor layer 40, the 2nd semiconductor layer 50, and the transparent conductive film 60 are formed into a film in order. The method for forming each semiconductor layer is not particularly limited, but the well-known metal organic chemical vapor deposition method (MOCVD method), molecular beam crystal growth method (MBE method), halide vapor phase epitaxy method (HVPE method), sputtering method, It can be formed by an ion plating method, an electron shower method, or the like.

微細凹凸構造20がナノオーダーの構造であるために、第1半導体層30で平坦化するために有する膜厚を薄くすることができる。これは、従来手法よりも製造時間及びコストが低減されることを意味している。LED製造においては、半導体結晶層成膜工程である(MO)CVD工程が律速であり、スループットを低下させ、且つ材料コストを押し上げている。半導体結晶量を低減できることは、(MO)CVD工程のスループット性を向上させると共に、使用材料を低減させることを意味するため、製造上重要な要件となる。   Since the fine concavo-convex structure 20 has a nano-order structure, the thickness of the first semiconductor layer 30 for planarization can be reduced. This means that the manufacturing time and cost are reduced as compared with the conventional method. In LED manufacturing, the (MO) CVD process, which is a semiconductor crystal layer deposition process, is rate-limiting, lowering throughput and raising material costs. The ability to reduce the amount of semiconductor crystals means an improvement in throughput of the (MO) CVD process and a reduction in materials used, which is an important requirement for manufacturing.

・電極形成工程
上述の通り成膜したウェハに対して、アノード電極70及びカソード電極80を形成する。これらの電極の形成は、公知の方法によって行われる。例えば、フォトレジストを成膜し、フォトリソグラフィを行って半導体発光素子100をパターニングする。レジストで覆われていない部分を、塩素系ドライエッチングで第1半導体層30までエッチングした後、レジストを除去する。再度、フォトレジストを成膜し、フォトリソグラフィを行って電極パッド形成部位をパターニングする。次に、真空蒸着法やスパッタなどの公知の方法で電極パッド材料の金属(Cr、Ti、Au等)を全面に成膜する。その後、レジストとレジスト上に成膜された電極パッド材料をリフトオフ法により除去して、アノード電極70とカソード電極80が形成される。
-Electrode formation process The anode electrode 70 and the cathode electrode 80 are formed with respect to the wafer formed into a film as mentioned above. These electrodes are formed by a known method. For example, a photoresist is formed, and photolithography is performed to pattern the semiconductor light emitting device 100. The portion not covered with the resist is etched down to the first semiconductor layer 30 by chlorine-based dry etching, and then the resist is removed. A photoresist is formed again, and photolithography is performed to pattern the electrode pad formation site. Next, a metal (Cr, Ti, Au, etc.) as an electrode pad material is formed on the entire surface by a known method such as vacuum deposition or sputtering. Thereafter, the resist and the electrode pad material formed on the resist are removed by a lift-off method, and the anode electrode 70 and the cathode electrode 80 are formed.

アノード電極70及びカソード電極80の材料は、当該電極が接合する半導体層に対して低抵抗にコンタクトをとることができる材料であればよい。アノード電極70及びカソード電極80はパッド部のみからなる構造であってもよいが、パッド部に連続する格子状、放射状等の配線状パターンの配線電極を設け、素子面方向の電流拡散性を向上させるようにしてもよい。   The material of the anode electrode 70 and the cathode electrode 80 may be any material that can contact the semiconductor layer to which the electrodes are bonded with low resistance. The anode electrode 70 and the cathode electrode 80 may have a structure including only a pad portion. However, a wiring electrode having a grid pattern or a radial pattern continuous to the pad portion is provided to improve current diffusion in the element surface direction. You may make it make it.

・反射層形成工程
光学基材10の微細凹凸構造20を有する一方の主面と逆の他方の面に反射層90を形成する。反射層90の材質は、例えばAl、Ag又はその合金である。より高い反射率とするために、反射層90として誘電体多層膜を形成しても良い。例えば、高屈折率層と してチタン酸化物、ジルコニウム酸化物、ニオブ酸化物、タンタル酸化物、窒化アルミ、低屈折率層としてシリコン酸化物を用いることができる。また、誘電体多層膜を形成した後、金属を製膜しても良い。
-Reflective layer formation process The reflective layer 90 is formed in the other surface opposite to one main surface which has the fine concavo-convex structure 20 of the optical base material 10. FIG. The material of the reflective layer 90 is, for example, Al, Ag, or an alloy thereof. In order to obtain a higher reflectance, a dielectric multilayer film may be formed as the reflective layer 90. For example, titanium oxide, zirconium oxide, niobium oxide, tantalum oxide, aluminum nitride can be used as the high refractive index layer, and silicon oxide can be used as the low refractive index layer. Further, after forming the dielectric multilayer film, a metal film may be formed.

また、光学基材10との密着性を改善するために、光学基材10と反射層90との間に密着層を設けても良い。密着層は例えばシリコン酸化物を用いることができる。   In order to improve the adhesion with the optical substrate 10, an adhesion layer may be provided between the optical substrate 10 and the reflective layer 90. For example, silicon oxide can be used for the adhesion layer.

反射層90の形成は、例えば、真空蒸着法やスパッタなどの公知の方法で行うことができる。   The reflective layer 90 can be formed by a known method such as vacuum vapor deposition or sputtering.

また、反射層90の形成前に、例えば光学基材10を研磨して厚みを薄くしても良い。   Further, before the reflective layer 90 is formed, for example, the optical substrate 10 may be polished to reduce the thickness.

・裁断工程
レーザースクライプやレーザーダイサ等を用いて、発光素子単位に分断する個片化処理を行う。
・ Cutting process Using a laser scrip or a laser dicer, etc., a singulation process is performed to divide into light emitting elements.

まず、LED用基板を作製した。LED用基板のパターンは、ナノ加工シートを使用して作成した。ナノ加工シートについては後述する。2インチの片面鏡面のc面サファイアを準備し、洗浄した。続いて、サファイアを120℃のホットプレート上に配置した。次に、ナノ加工シートを、120℃に加温したラミネートロールを使用して、サファイアに貼り合わせた。貼り合わせは、0.5MPaの圧力で、線速50mm/秒にて行った。ナノ加工シートの貼り合わせされたサファイアに対して、サファイア越しに紫外線を照射した。紫外線は、波長365nmのUV−LED光源より照射されたもので、積算光量が1500mJ/cmになるように設定した。次に、120℃に加熱した2枚の並行平板で、ナノ加工シートとサファイアを挟み込んだ。挟み込みの圧力は0.3MPaとし、時間は10秒とした。続いて、空冷にて室温まで冷却し、ナノ加工シートをサファイアより、50mm/秒の速度で剥離した。以上の操作により、サファイアの主面上に、2層レジスト層を転写付与した。レジスト層の表面には凹凸構造が設けられている。この凹凸構造の形状及び配列、2層レジストの層構成、そして以下に記載のドライエッチング条件によりLED用基板のパターンを制御した。 First, an LED substrate was prepared. The pattern of the board | substrate for LED was created using the nano process sheet | seat. The nano-processed sheet will be described later. A 2-inch single-sided mirror c-plane sapphire was prepared and washed. Subsequently, sapphire was placed on a 120 ° C. hot plate. Next, the nano-processed sheet was bonded to sapphire using a laminate roll heated to 120 ° C. The bonding was performed at a pressure of 0.5 MPa and a linear speed of 50 mm / second. The sapphire bonded with the nano-processed sheet was irradiated with ultraviolet rays through the sapphire. The ultraviolet rays were irradiated from a UV-LED light source having a wavelength of 365 nm, and the integrated light amount was set to 1500 mJ / cm 2 . Next, the nano-processed sheet and sapphire were sandwiched between two parallel flat plates heated to 120 ° C. The sandwiching pressure was 0.3 MPa and the time was 10 seconds. Subsequently, it was cooled to room temperature by air cooling, and the nano-processed sheet was peeled from sapphire at a speed of 50 mm / second. With the above operation, a two-layer resist layer was transferred onto the main surface of sapphire. An uneven structure is provided on the surface of the resist layer. The pattern of the LED substrate was controlled by the shape and arrangement of the concavo-convex structure, the layer structure of the two-layer resist, and the dry etching conditions described below.

ナノ加工シートは、貼合操作及び剥離操作で、被処理体上に加工マスクを転写付与できる成形体である。構成としては、樹脂製のモールド、第1レジスト層、及び第2レジスト層である。樹脂モールドは、表面に凹凸構造を有し、当該凹凸構造の凹部の内部に、第1レジスト層が充填される。そして、樹脂モールドの凹凸構造と第1レジスト層と、を平坦化するように第2レジスト層が配置される。   The nano-processed sheet is a molded body that can transfer and apply a processing mask onto the object to be processed by a bonding operation and a peeling operation. The configuration includes a resin mold, a first resist layer, and a second resist layer. The resin mold has a concavo-convex structure on the surface, and the first resist layer is filled inside the concave portion of the concavo-convex structure. Then, the second resist layer is disposed so as to flatten the uneven structure of the resin mold and the first resist layer.

まず、樹脂製のモールドを、ロール・ツー・ロールの光ナノインプリント法を使用して、製造した。幅は500mm、長さは180mである。層構成としては、厚み50μmのPETフィルムの易接着面上に厚み1.5μmの転写層がある構成であり、転写層の表面に光ナノインプリント法にて転写された凹凸構造がある。また、樹脂モールドの凹凸構造面に対する水滴の接触角は140°〜153°の間であった。   First, a resin mold was manufactured using a roll-to-roll optical nanoimprint method. The width is 500 mm and the length is 180 m. As a layer structure, there is a structure in which a transfer layer having a thickness of 1.5 μm is provided on an easily adhesive surface of a PET film having a thickness of 50 μm, and there is a concavo-convex structure transferred onto the surface of the transfer layer by an optical nanoimprint method. Moreover, the contact angle of the water droplet with respect to the concavo-convex structure surface of the resin mold was between 140 ° and 153 °.

次に、樹脂モールドの凹凸構造に対して、第1レジスト層を、ダイコート法にて成膜した。第1レジスト層は、チタン含有有機無機複合レジストである。チタン含有有機無機複合レジストは、表面張力が24.0mN/m以下の溶剤Aと、表面張力が27.0以上の溶剤Bと、を混合した混合溶剤にて希釈し、塗布液とした。ダイコート法にて塗布する際に、ダイリップの上流側を減圧した。塗布の速度は10m/分とし、吐出量を制御することで、第1レジスト層の充填量を制御した。塗布後、120℃のエアを吹き付け乾燥させ、その後、巻き取り回収した。ここで、第1レジスト層を成膜した樹脂モールドを解析し、第1レジスト層の状態を把握した。解析は、走査型電子顕微鏡、透過型電子顕微鏡、及びエネルギー分散型X線分光法を併用した。第1レジスト層は、樹脂モールドの凹凸構造の凹部の内部に充填されていた。一方で、樹脂モールドの凹凸構造の凸部の上面には、数ナノメートルオーダーの第1レジスト層の残渣(凝集物)が観察されることはあったが、当該上面に、第1レジスト層が厚く成膜されることはなかった。また、ダイコート成膜に関し、塗液の吐出量を変化させることで、第1レジスト層の充填量が変化し、これに伴い、第1レジスト層の充填径が変化することを確認した。   Next, the 1st resist layer was formed into a film with the die-coating method with respect to the uneven structure of a resin mold. The first resist layer is a titanium-containing organic-inorganic composite resist. The titanium-containing organic-inorganic composite resist was diluted with a mixed solvent in which a solvent A having a surface tension of 24.0 mN / m or less and a solvent B having a surface tension of 27.0 or more were mixed to prepare a coating solution. When coating by the die coating method, the upstream side of the die lip was decompressed. The filling speed of the first resist layer was controlled by controlling the discharge rate at a coating speed of 10 m / min. After coating, air at 120 ° C. was blown and dried, and then wound up and collected. Here, the resin mold on which the first resist layer was formed was analyzed to grasp the state of the first resist layer. For the analysis, a scanning electron microscope, a transmission electron microscope, and energy dispersive X-ray spectroscopy were used in combination. The first resist layer was filled in the concave portion of the concave-convex structure of the resin mold. On the other hand, a residue (aggregate) of the first resist layer on the order of several nanometers was sometimes observed on the upper surface of the convex portion of the concavo-convex structure of the resin mold, but the first resist layer was observed on the upper surface. A thick film was not formed. Further, regarding die coating, it was confirmed that the filling amount of the first resist layer was changed by changing the discharge amount of the coating liquid, and the filling diameter of the first resist layer was changed accordingly.

次に、第1レジスト層の充填された樹脂モールドに対して、第2レジスト層を成膜した。成膜方法は、第1レジスト層の場合と同様に行った。第2レジスト層は、アクリロイル基を側鎖に具備するノボラック樹脂であり、表面張力が25.0mN/m以下の溶剤にて希釈し、塗液とした。乾燥は、105℃にて行った。乾燥後、ヘーズ(濁度)が10%以下のPE/EVA保護フィルムを貼り合わせ、巻き取り、回収した。ここで、製造したナノ加工シートを解析し、第1レジスト層及び第2レジスト層の状態を把握した。解析は、走査型電子顕微鏡、透過型電子顕微鏡、及びエネルギー分散型X線分光法を併用した。第1レジスト層については、第2レジスト層の成膜前後で変化はなかった。第2レジスト層は、樹脂モールドの凹凸構造及び第1レジスト層を平坦化するように成膜できていた。また、成膜厚は、ダイコート成膜の吐出量を変化させることで、制御可能であることを確認した。即ち、ダイコート成膜の吐出量を制御して、第1レジスト層の充填径及び第2レジスト層の膜厚を変化させた。   Next, a second resist layer was formed on the resin mold filled with the first resist layer. The film forming method was the same as that for the first resist layer. The second resist layer is a novolac resin having an acryloyl group in the side chain, and diluted with a solvent having a surface tension of 25.0 mN / m or less to obtain a coating solution. Drying was performed at 105 ° C. After drying, a PE / EVA protective film having a haze (turbidity) of 10% or less was bonded, wound and collected. Here, the manufactured nano-processed sheet was analyzed, and the states of the first resist layer and the second resist layer were grasped. For the analysis, a scanning electron microscope, a transmission electron microscope, and energy dispersive X-ray spectroscopy were used in combination. The first resist layer did not change before and after the second resist layer was formed. The second resist layer could be formed so as to flatten the uneven structure of the resin mold and the first resist layer. In addition, it was confirmed that the film thickness can be controlled by changing the discharge amount of the die coat film formation. That is, the discharge amount of the die coat film formation was controlled to change the filling diameter of the first resist layer and the film thickness of the second resist layer.

製造したナノ加工シートを使用して、既に説明したように、サファイアの主面上に、第1レジスト層及び第2レジスト層からなる2層レジスト層を転写付与した。次に、レジスト層を加工するエッチングと、サファイアを加工するエッチングを同一チャンバー内で連続して行った。レジスト層のエッチングには、酸素ガスを使用した。ここでは、第1レジスト層が第2レジスト層のエッチングマスクとして機能し、第2レジスト層をサファイアの主面が部分的に露出するまでエッチングする。エッチング条件は、処理ガス圧1Pa、処理電力300Wの条件とした。続いて、BClガスとClガスと、の混合ガスを使用した反応性イオンエッチングを行い、サファイアをエッチングした。ここでは、第2レジスト層をエッチングマスクとして、サファイアをエッチングした。処理条件としては、ICP:150W、BIAS:50W、圧力0.2Paとした。 Using the manufactured nano-processed sheet, as already described, a two-layer resist layer composed of a first resist layer and a second resist layer was transferred onto the main surface of sapphire. Next, etching for processing the resist layer and etching for processing sapphire were continuously performed in the same chamber. Oxygen gas was used for etching the resist layer. Here, the first resist layer functions as an etching mask for the second resist layer, and the second resist layer is etched until the main surface of sapphire is partially exposed. The etching conditions were a processing gas pressure of 1 Pa and a processing power of 300 W. Subsequently, reactive ion etching using a mixed gas of BCl 3 gas and Cl 2 gas was performed to etch sapphire. Here, sapphire was etched using the second resist layer as an etching mask. The processing conditions were ICP: 150 W, BIAS: 50 W, and pressure 0.2 Pa.

エッチング加工したサファイアを取り出し、硫酸及び過酸化水素水を2:1の重量比にて混合した溶液にて洗浄した。この時、処理液の温度は、100℃以上に制御した。   The etched sapphire was taken out and washed with a solution in which sulfuric acid and hydrogen peroxide were mixed at a weight ratio of 2: 1. At this time, the temperature of the treatment liquid was controlled to 100 ° C. or higher.

製造したサファイアの主面には、パターンが形成されていた。このパターンの形状(凸部底部の径φ、高さH)は、ナノ加工シートの第1レジスト層の充填径及び第2レジスト層の膜厚、及びドライエッチングの処理条件により、任意に調整できた。   A pattern was formed on the main surface of the manufactured sapphire. The shape of the pattern (diameter φ, height H of the convex bottom) can be arbitrarily adjusted depending on the filling diameter of the first resist layer and the thickness of the second resist layer of the nano-processed sheet, and the dry etching processing conditions. It was.

得られたサファイア基材上に、バッファー層としてAlxGa1−xN(0≦x≦1)の低温成長バッファー層を100Å成膜した。次に、非ドープ第1半導体層として、アンドープのGaNを成膜し、ドープ第1半導体層として、SiドープのGaNを成膜した。続いて歪吸収層を設け、その後発光半導体層として、多重量子井戸の活性層(井戸層、障壁層=アンドープのInGaN、SiドープのGaN)をそれぞれの膜厚を(60Å、250Å)として井戸層が6層、障壁層が7層となるように交互に積層した。発光半導体層上に、第2半導体層として、エレクトロブロッキング層を含むようにMgドープのAlGaN、アンドープのGaN、MgドープのGaNを積層し、積層半導体層を得た。   On the obtained sapphire base material, a low-temperature growth buffer layer of AlxGa1-xN (0 ≦ x ≦ 1) was formed as a buffer layer in a thickness of 100 mm. Next, undoped GaN was formed as an undoped first semiconductor layer, and Si-doped GaN was formed as a doped first semiconductor layer. Subsequently, a strain absorption layer is provided, and then, as a light emitting semiconductor layer, a multi-quantum well active layer (well layer, barrier layer = undoped InGaN, Si-doped GaN) is formed as a well layer with a thickness of (60 mm, 250 mm). Were alternately stacked so that there were 6 layers and 7 barrier layers. On the light emitting semiconductor layer, Mg-doped AlGaN, undoped GaN, and Mg-doped GaN were laminated as a second semiconductor layer so as to include an electroblocking layer, to obtain a laminated semiconductor layer.

その後、透明導電膜としてITOを成膜し、電極形成工程の後、サファイア基材を厚さ120μmから150μmまで研磨して裏面に反射層を設けた。反射層は、Ag−Pd−Cu系の合金又はチタン酸化物/シリコン酸化物からなる誘電体多層膜のものを成膜した。その後裁断工程を経て得られた半導体発光素子について、フェイスアップで実装を行った。金メッキTO缶にAgペーストで接合し、ワイヤボンディングすることでp電極パッドとn電極パッドの間に電流を流し発光出力を測定した。このとき、表1に示すように、チップの寸法を厚み120μm*360μm四方(比較例1)、厚み120μm*500μm四方(実施例1)、厚み135μm*600μm四方(実施例2)、厚み150μm*550μm×1100μm(実施例3)の4種作成した。なお、電流は360μm四方のチップで20mAとし、他のサイズのチップでは、ITOが成膜されている面積で換算して同等の電流密度となる条件とした。発光出力比は、凹凸構造として市販のマイクロサイズのパターンを有する基材、具体的には周期3000nm、高さ1500nm、底部径2500nmの円錐形状の凹凸構造を具備する基材から作成した半導体発光素子の発光出力を、それぞれのチップサイズで1とした。発光波長は450nmであった。   Thereafter, ITO was formed as a transparent conductive film, and after the electrode forming step, the sapphire substrate was polished from 120 μm to 150 μm in thickness to provide a reflective layer on the back surface. The reflective layer was formed of a dielectric multilayer film made of an Ag—Pd—Cu alloy or titanium oxide / silicon oxide. Thereafter, the semiconductor light-emitting element obtained through the cutting process was mounted face up. A gold-plated TO can was joined with an Ag paste, and wire bonding was performed to pass a current between the p electrode pad and the n electrode pad, and the light emission output was measured. At this time, as shown in Table 1, the chip dimensions are 120 μm * 360 μm square (Comparative Example 1), 120 μm * 500 μm square (Example 1), 135 μm * 600 μm square (Example 2), and 150 μm * thick. Four types of 550 μm × 1100 μm (Example 3) were prepared. The current was 20 mA for a 360 μm square chip, and for other size chips, the conditions were such that the current density was equivalent when converted to the area where ITO was deposited. The light emission output ratio is a semiconductor light emitting device produced from a base material having a commercially available micro-size pattern as a concave-convex structure, specifically, a base material having a conical concave-convex structure with a period of 3000 nm, a height of 1500 nm, and a bottom diameter of 2500 nm. The light emission output was set to 1 for each chip size. The emission wavelength was 450 nm.

内部量子効率IQEはPL強度より決定した。内部量子効率IQEは、(単位時間に発光半導体層より発せられるフォトンの数/単位時間に半導体発光素子に注入される電子の数)により定義される。本実施例においては、上記内部量子効率IQEを評価する指標として、(300Kにて測定したPL強度/10Kにて測定したPL強度)を採用した。表2〜表4より、ナノオーダーの微細凹凸構造とすることで、市販のPSSよりもIQEが高い、即ち結晶性が向上していることが分かる。   The internal quantum efficiency IQE was determined from the PL intensity. The internal quantum efficiency IQE is defined by (number of photons emitted from the light emitting semiconductor layer per unit time / number of electrons injected into the semiconductor light emitting element per unit time). In this example, (PL intensity measured at 300K / 10 PL intensity measured at 10K) was adopted as an index for evaluating the internal quantum efficiency IQE. From Tables 2 to 4, it is understood that IQE is higher than that of commercially available PSS, that is, the crystallinity is improved by using a nano-order fine uneven structure.

Figure 2016162871
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表2は、反射層としてAg−Pd−Cuの合金材料を用いた場合である。発光波長での反射率は89%であった。   Table 2 shows the case where an alloy material of Ag—Pd—Cu is used as the reflective layer. The reflectance at the emission wavelength was 89%.

Mが1より大きい場合にPSSよりも発光出力比が向上していることが分かる。発光出力比が1を超えている場合には、より高効率なLEDであり、チップでの発光出力比以上に、発熱低減によるデバイス放熱部の簡素化など更なる効果があり、産業上有用であることは自明だが、発光出力比が1であっても、実施例で用いた基板では凸部高さが比較例のPSSよりも小さいため、基板加工時のエッチング時間の短縮による基板の生産性向上、加えて、半導体層の成膜に要するGaN層を薄くすることが可能となるので、LEDの生産性向上、コストダウンに資するものである。   It can be seen that when M is greater than 1, the light emission output ratio is improved over PSS. When the light emission output ratio exceeds 1, it is a more efficient LED, and there are further effects such as simplification of the device heat radiation part by reducing heat generation over the light emission output ratio of the chip, which is industrially useful. Although it is obvious that even if the light emission output ratio is 1, the height of the convex portion is smaller than the PSS of the comparative example in the substrate used in the example, so that the productivity of the substrate by shortening the etching time when processing the substrate In addition, the GaN layer required for film formation of the semiconductor layer can be made thinner, which contributes to improvement of LED productivity and cost reduction.

表3は、反射層としてチタン酸化物とシリコン酸化物からなる多層膜を用いた場合である。密着層としてシリコン酸化物を500nm成膜した後、チタン酸化物を55nm、シリコン酸化物を75nmで12層ずつ成膜した多層膜を用いた。発光波長での反射率は99%であった。誘電体多層膜が表1の合金材料よりも反射率が高いために、表1の結果よりも向上の程度が大きいことが分かる。   Table 3 shows the case where a multilayer film made of titanium oxide and silicon oxide is used as the reflective layer. As the adhesion layer, a multi-layer film was used in which a silicon oxide film having a thickness of 500 nm was formed, and then a titanium oxide film having a thickness of 55 nm and a silicon oxide film having a thickness of 75 nm. The reflectance at the emission wavelength was 99%. Since the dielectric multilayer film has a higher reflectance than the alloy material of Table 1, it can be seen that the degree of improvement is greater than the results of Table 1.

表4は、反射層を設けない場合であり、接合に用いたAgペーストが実質的な反射層となる。反射率は70%であった。この時、チップのサイズに依らず、微細凹凸構造による光取出し効率の向上が効果的に発揮されていないことが分かる。   Table 4 shows a case where no reflective layer is provided, and the Ag paste used for bonding becomes a substantial reflective layer. The reflectance was 70%. At this time, it can be seen that the improvement in light extraction efficiency due to the fine concavo-convex structure is not effectively exhibited regardless of the size of the chip.

なお、本発明は上記実施の形態に限定されず、種々変更して実施することが可能である。上記実施の形態において、図面に図示されている大きさや形状等については、これに限定されず、本発明の効果を発揮する範囲内で適宜変更することが可能である。   In addition, this invention is not limited to the said embodiment, It can change and implement variously. In the above-described embodiment, the size, shape, and the like illustrated in the drawings are not limited to this, and can be appropriately changed within a range in which the effects of the present invention are exhibited.

本発明は、例えば、発光ダイオード(LED)等の半導体発光素子に好適に適用することが可能である。   The present invention can be suitably applied to a semiconductor light emitting element such as a light emitting diode (LED).

10 光学基材
20 微細凹凸構造
30 第1半導体層
40 発光半導体層
50 第2半導体層
60 透明導電膜
70 アノード電極
80 カソード電極
90 反射層
100 半導体発光素子
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Optical base material 20 Fine uneven structure 30 1st semiconductor layer 40 Light emitting semiconductor layer 50 2nd semiconductor layer 60 Transparent conductive film 70 Anode electrode 80 Cathode electrode 90 Reflective layer 100 Semiconductor light emitting element

Claims (2)

一方の主面の一部又は全面に微細凹凸構造が形成された光学基材の上に少なくとも第1半導体層、発光半導体層及び第2半導体層を積層し、且つ、前記一方の主面とは反対側の他方の主面に反射層を設けた構造である半導体発光素子であって、
前記微細凹凸構造の平均ピッチPavが200nm以上1500nm以下であり、且つ、
前記光学基材の長手方向の幅W1及び短手方向の幅W2と厚みTから定まる下記式(1)に示す比率Mが1以上であり、
前記反射層の反射率が80%以上であることを特徴とする半導体発光素子。
Figure 2016162871
At least a first semiconductor layer, a light emitting semiconductor layer, and a second semiconductor layer are stacked on an optical base material having a fine concavo-convex structure formed on a part or the whole of one main surface, and the one main surface is A semiconductor light emitting device having a structure in which a reflective layer is provided on the other main surface on the opposite side,
The average pitch Pav of the fine concavo-convex structure is 200 nm or more and 1500 nm or less, and
The ratio M shown in the following formula (1) determined from the width W1 in the longitudinal direction and the width W2 in the lateral direction and the thickness T of the optical substrate is 1 or more,
A semiconductor light emitting device, wherein the reflective layer has a reflectance of 80% or more.
Figure 2016162871
請求項1記載の半導体発光素子を搭載したことを特徴とする照明デバイス。
An illumination device comprising the semiconductor light emitting element according to claim 1.
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