JP2020077817A - Semiconductor light-emitting element - Google Patents

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Abstract

To improve the light extraction efficiency of a semiconductor light-emitting element including an active layer having a three-dimensional fine structure.SOLUTION: A semiconductor light-emitting element 100 includes a substrate 110, a plurality of columnar semiconductors 130 on the substrate 110, a buried layer 140 that fills gaps between the plurality of columnar semiconductors 130, and a light extraction surface S1. The light extraction surface S1 has a plurality of convex portions D1. The plurality of columnar semiconductors 130 have a hexagonal columnar shape and are arranged at a first pitch interval J1. The plurality of convex portions D1 are arranged at a second pitch interval J2. The first pitch interval J1 and the second pitch interval J2 are different.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本明細書の技術分野は、半導体発光素子に関する。   The technical field of the present specification relates to a semiconductor light emitting device.

半導体発光素子は、活性層において正孔と電子とが再結合することにより発光する。従来、活性層として平坦なシート状の井戸層が用いられてきた。近年、柱状などの3次元的構造を有する活性層について研究されてきている。   The semiconductor light emitting device emits light by recombination of holes and electrons in the active layer. Conventionally, a flat sheet-shaped well layer has been used as an active layer. In recent years, active layers having a three-dimensional structure such as a columnar shape have been studied.

例えば、特許文献1には、平坦な半導体層の上に六角柱形状のナノワイヤ半導体を形成し、ナノワイヤ半導体の側面にITO等の透明導電膜を形成する技術が開示されている(特許文献1の請求項1、2および図3A、図3B参照)。   For example, Patent Document 1 discloses a technique in which a hexagonal prism-shaped nanowire semiconductor is formed on a flat semiconductor layer, and a transparent conductive film such as ITO is formed on a side surface of the nanowire semiconductor (Patent Document 1). See claims 1 and 2 and FIGS. 3A and 3B).

特表2016−518703号公報Japanese Patent Publication No. 2016-518703

このようなナノワイヤ構造の半導体は、それ自身が微小な微細構造であると考えられる。そのため、特許文献1では、現に、微細構造であるナノワイヤ構造体から光を外部に取り出そうとしている。   Such a semiconductor having a nanowire structure is considered to be a minute fine structure itself. Therefore, in Patent Document 1, light is actually going to be extracted from the nanowire structure, which is a fine structure, to the outside.

しかし、本発明者らの鋭意研究により、ナノワイヤ構造体から光を直接取り出そうとする場合に、ITO等の材料と大気との間で全反射を生じうることが明らかになってきた。これらの2種類の材料の屈折率の差によるものである。この問題点は、微細構造を考慮した計算を行った結果、初めて明らかになったことである。   However, the earnest studies of the present inventors have revealed that when light is directly extracted from the nanowire structure, total reflection may occur between a material such as ITO and the atmosphere. This is due to the difference in refractive index between these two types of materials. This problem has been clarified for the first time as a result of calculation considering the fine structure.

本明細書の技術が解決しようとする課題は、3次元的な微細構造の活性層を有する半導体発光素子の光取り出し効率を向上させることを図った半導体発光素子を提供することである。   The problem to be solved by the technique of the present specification is to provide a semiconductor light emitting device aiming to improve the light extraction efficiency of a semiconductor light emitting device having an active layer having a three-dimensional fine structure.

第1の態様における半導体発光素子は、下地層と、下地層の上の複数の柱状半導体と、複数の柱状半導体の間の隙間を埋める埋込層と、光取り出し面と、を有する。光取り出し面は、複数の凸形状部を有する。複数の柱状半導体は、六角柱形状をしているとともに、第1のピッチ間隔で配置されている。複数の凸形状部は、第2のピッチ間隔で配置されている。第1のピッチ間隔と第2のピッチ間隔とは異なっている。   The semiconductor light emitting element according to the first aspect includes an underlayer, a plurality of columnar semiconductors on the underlayer, a buried layer filling a gap between the plurality of columnar semiconductors, and a light extraction surface. The light extraction surface has a plurality of convex portions. The plurality of columnar semiconductors have a hexagonal columnar shape and are arranged at a first pitch interval. The plurality of convex portions are arranged at the second pitch interval. The first pitch interval and the second pitch interval are different.

この半導体発光素子は、従来のナノワイヤ構造体を備える発光素子に比べて高い光取り出し効率を有する。   This semiconductor light emitting device has higher light extraction efficiency than a light emitting device including a conventional nanowire structure.

本明細書では、3次元的な微細構造の活性層を有する半導体発光素子の光取り出し効率を向上させることを図った半導体発光素子が提供されている。   The present specification provides a semiconductor light emitting device aiming to improve the light extraction efficiency of a semiconductor light emitting device having an active layer having a three-dimensional fine structure.

第1の実施形態の半導体発光素子の概略構成を示す斜視図である。It is a perspective view showing a schematic structure of a semiconductor light emitting element of a 1st embodiment. 第1の実施形態の半導体発光素子の断面を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the cross section of the semiconductor light-emitting device of 1st Embodiment. 第1の実施形態の半導体発光素子の柱状半導体の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the columnar semiconductor of the semiconductor light-emitting device of 1st Embodiment. 図3のIV-IV 断面を示す第1の断面図である。FIG. 4 is a first sectional view showing a IV-IV section in FIG. 3. 図3のV-V 断面を示す第2の断面図である。FIG. 5 is a second cross-sectional view showing a VV cross section of FIG. 3. 第1の実施形態の半導体発光素子の製造方法を説明するための図(その1)である。FIG. 6 is a view (No. 1) for explaining the method for manufacturing the semiconductor light emitting device of the first embodiment. 第1の実施形態の半導体発光素子の製造方法を説明するための図(その2)である。FIG. 6 is a view (No. 2) for explaining the method for manufacturing the semiconductor light emitting device according to the first embodiment. 第1の実施形態の半導体発光素子の製造方法を説明するための図(その3)である。FIG. 7 is a view (No. 3) for explaining the method for manufacturing the semiconductor light emitting device of the first embodiment. 第1の実施形態の半導体発光素子の製造方法を説明するための図(その4)である。FIG. 6 is a view (No. 4) for explaining the method for manufacturing the semiconductor light emitting device according to the first embodiment. 第1の実施形態の半導体発光素子の製造方法を説明するための図(その5)である。FIG. 6 is a view (No. 5) for explaining the method for manufacturing the semiconductor light emitting device according to the first embodiment. 第1の実施形態の変形例における半導体発光素子の断面を示す断面図(その1)である。It is sectional drawing (the 1) which shows the cross section of the semiconductor light emitting element in the modification of 1st Embodiment. 第1の実施形態の変形例における半導体発光素子の断面を示す断面図(その2)である。It is sectional drawing (the 2) which shows the cross section of the semiconductor light-emitting device in the modification of 1st Embodiment. 第1の実施形態の変形例における半導体発光素子の断面を示す断面図(その3)である。It is sectional drawing (the 3) which shows the cross section of the semiconductor light emitting element in the modification of 1st Embodiment. 第2の実施形態の半導体発光素子の柱状半導体の周辺を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the periphery of the columnar semiconductor of the semiconductor light-emitting device of 2nd Embodiment. 第2の実施形態の半導体発光素子の製造方法を説明するための図(その1)である。FIG. 9 is a view (No. 1) for explaining the method for manufacturing the semiconductor light emitting device of the second embodiment. 第2の実施形態の半導体発光素子の製造方法を説明するための図(その2)である。FIG. 6 is a diagram (No. 2) for explaining the method for manufacturing the semiconductor light emitting device of the second embodiment. 第2の実施形態の半導体発光素子の製造方法を説明するための図(その3)である。FIG. 9 is a view (No. 3) for explaining the method for manufacturing the semiconductor light emitting device according to the second embodiment. 第2の実施形態の半導体発光素子の製造方法を説明するための図(その4)である。FIG. 9 is a view (No. 4) for explaining the method for manufacturing the semiconductor light emitting device according to the second embodiment. 第2の実施形態の半導体発光素子の製造方法を説明するための図(その5)である。It is a figure (the 5) for explaining the manufacturing method of the semiconductor light emitting element of a 2nd embodiment. 第3の実施形態の半導体発光素子の概略構成を示す図である。It is a figure which shows schematic structure of the semiconductor light-emitting device of 3rd Embodiment.

以下、具体的な実施形態について、半導体発光素子を例に挙げて図を参照しつつ説明する。しかし、本明細書の技術はこれらの実施形態に限定されるものではない。また、後述する半導体発光素子の各層の積層構造および電極構造は、例示である。実施形態とは異なる積層構造であってもよい場合がある。そして、それぞれの図における各層の厚みの比は、概念的に示したものであり、実際の厚みの比を示しているわけではない。   Hereinafter, specific embodiments will be described with reference to the drawings, taking a semiconductor light emitting element as an example. However, the technology of the present specification is not limited to these embodiments. Further, the laminated structure of each layer and the electrode structure of the semiconductor light emitting element described later are examples. In some cases, a laminated structure different from that of the embodiment may be used. The thickness ratio of each layer in each drawing is a conceptual one, and does not indicate an actual thickness ratio.

(第1の実施形態)
1.半導体発光素子
図1は、第1の実施形態の半導体発光素子100の概略構成を示す斜視図である。半導体発光素子100は、3次元形状の活性層を有する。図1に示すように、半導体発光素子100は、基板110と、マスク120と、柱状半導体130と、埋込層140と、カソード電極N1と、アノード電極P1と、を有する。
(First embodiment)
1. Semiconductor Light Emitting Element FIG. 1 is a perspective view showing a schematic configuration of the semiconductor light emitting element 100 of the first embodiment. The semiconductor light emitting device 100 has a three-dimensional active layer. As shown in FIG. 1, the semiconductor light emitting device 100 includes a substrate 110, a mask 120, a columnar semiconductor 130, a buried layer 140, a cathode electrode N1, and an anode electrode P1.

基板110は、マスク120と、柱状半導体130と、埋込層140と、を支持するためのものである。基板110は、成長基板111と、バッファ層112と、中間層113と、n型半導体層114と、を有する(図3参照)。成長基板111は、バッファ層112と、中間層113と、n型半導体層114と、それより上層の半導体層等を支持するためのものである。成長基板111は、例えば、サファイア基板、GaN基板、AlN基板、その他の成長基板である。バッファ層112は、例えば、ノンドープのGaN層である。中間層113は、例えば、n型GaN層である。n型半導体層114は、柱状半導体130を成長させるための下地層である。n型半導体層114は、柱状半導体130を成長させるための第1面114aを有する。n型半導体層114は、例えば、n型AlGaN層である。これらは例示であり、上記以外の構造であってもよい。   The substrate 110 is for supporting the mask 120, the columnar semiconductor 130, and the buried layer 140. The substrate 110 has a growth substrate 111, a buffer layer 112, an intermediate layer 113, and an n-type semiconductor layer 114 (see FIG. 3). The growth substrate 111 is for supporting the buffer layer 112, the intermediate layer 113, the n-type semiconductor layer 114, and semiconductor layers above it. The growth substrate 111 is, for example, a sapphire substrate, a GaN substrate, an AlN substrate, or another growth substrate. The buffer layer 112 is, for example, a non-doped GaN layer. The intermediate layer 113 is, for example, an n-type GaN layer. The n-type semiconductor layer 114 is a base layer for growing the columnar semiconductor 130. The n-type semiconductor layer 114 has a first surface 114a for growing the columnar semiconductor 130. The n-type semiconductor layer 114 is, for example, an n-type AlGaN layer. These are examples, and structures other than the above may be used.

マスク120は、表面から半導体が成長しない材料である。後述するように、マスク120には、貫通孔があいている。マスク120は、透明絶縁膜であるとよい。この場合には、マスク120は、光をほとんど吸収しない。電流は、マスク120を介さず、柱状半導体130に好適に流れる。マスク120の材質として例えば、SiO2 、SiNx、Al2 3 が挙げられる。 The mask 120 is a material in which a semiconductor does not grow from the surface. As will be described later, the mask 120 has a through hole. The mask 120 is preferably a transparent insulating film. In this case, the mask 120 absorbs almost no light. The electric current suitably flows through the columnar semiconductor 130 without passing through the mask 120. Examples of the material of the mask 120 include SiO 2 , SiNx, and Al 2 O 3 .

図1に示すように、柱状半導体130は、柱状のIII 族窒化物半導体である。柱状半導体130は、基板110の上に形成されている。より具体的には、柱状半導体130は、マスク120の開口部120aに露出する基板110の表面から選択成長させた半導体である(図3参照)。柱状半導体130は、六角柱形状をしている。柱状半導体130における中心軸方向に垂直な断面は、正六角形または扁平形状の六角形である。   As shown in FIG. 1, the columnar semiconductor 130 is a columnar group III nitride semiconductor. The columnar semiconductor 130 is formed on the substrate 110. More specifically, the columnar semiconductor 130 is a semiconductor selectively grown from the surface of the substrate 110 exposed in the opening 120a of the mask 120 (see FIG. 3). The columnar semiconductor 130 has a hexagonal prism shape. A cross section of the columnar semiconductor 130 perpendicular to the central axis direction is a regular hexagon or a flat hexagon.

埋込層140は、柱状半導体130と柱状半導体130との間の隙間を埋め込むための層である。埋込層140は、柱状半導体130を覆っている。埋込層140の材料は、例えば、p−GaNである。   The buried layer 140 is a layer for filling the gap between the columnar semiconductors 130. The buried layer 140 covers the columnar semiconductor 130. The material of the buried layer 140 is, for example, p-GaN.

カソード電極N1は、基板110の上に形成されている。   The cathode electrode N1 is formed on the substrate 110.

アノード電極P1は、埋込層140の上に形成されている。アノード電極P1は、埋込層140以外のその他の半導体に形成されていてもよい。   The anode electrode P1 is formed on the buried layer 140. The anode electrode P1 may be formed on a semiconductor other than the buried layer 140.

2.柱状半導体と光取り出し面との間の関係
2−1.柱状半導体の配列
図2は、半導体発光素子100の断面を示す概念図である。柱状半導体130は、正方格子状に配置されている。図2に示すように、複数の柱状半導体130は、第1のピッチ間隔J1で周期的に配置されている。
2. Relationship between columnar semiconductor and light extraction surface 2-1. Arrangement of Columnar Semiconductors FIG. 2 is a conceptual diagram showing a cross section of the semiconductor light emitting device 100. The columnar semiconductors 130 are arranged in a square lattice. As shown in FIG. 2, the plurality of columnar semiconductors 130 are periodically arranged at the first pitch interval J1.

柱状半導体130の高さは、例えば、0.5μm以上5μm以下である。柱状半導体130の径は、例えば、50nm以上500nm以下である。ここで、径とは、中心軸方向に垂直な断面における六角形の向かい合う頂点間の距離である。長辺がある場合には、長辺方向の距離である。柱状半導体130の第1のピッチ間隔J1は、例えば、0.5μm以上5μm以下である。これらの数値は例示であり、上記以外の数値であってもよい。   The height of the columnar semiconductor 130 is, for example, 0.5 μm or more and 5 μm or less. The diameter of the columnar semiconductor 130 is, for example, 50 nm or more and 500 nm or less. Here, the diameter is a distance between facing vertices of a hexagon in a cross section perpendicular to the central axis direction. When there is a long side, it is the distance in the long side direction. The first pitch interval J1 of the columnar semiconductors 130 is, for example, 0.5 μm or more and 5 μm or less. These numerical values are examples and may be numerical values other than the above.

2−2.光取り出し面
図2に示すように、埋込層140は、光取り出し面S1を有する。光取り出し面S1は、複数の凸形状部D1を有する。複数の凸形状部D1は、円錐形状である。複数の凸形状部D1は、正方格子状に配置されている。複数の凸形状部D1は、第2のピッチ間隔J2で周期的に配置されている。
2-2. Light Extraction Surface As shown in FIG. 2, the buried layer 140 has a light extraction surface S1. The light extraction surface S1 has a plurality of convex portions D1. The plurality of convex shaped portions D1 have a conical shape. The plurality of convex shaped portions D1 are arranged in a square lattice shape. The plurality of convex shaped portions D1 are periodically arranged at the second pitch interval J2.

凸形状部D1の底部の直径は、例えば、100nm以上500nm以下である。凸形状部D1の高さは、例えば、100nm以上500nm以下である。第2のピッチ間隔J2は、例えば、100nm以上500nm以下である。これらの数値は例示であり、上記以外の数値であってもよい。   The diameter of the bottom of the convex portion D1 is, for example, 100 nm or more and 500 nm or less. The height of the convex portion D1 is, for example, 100 nm or more and 500 nm or less. The second pitch interval J2 is, for example, 100 nm or more and 500 nm or less. These numerical values are examples and may be numerical values other than the above.

2−3.柱状半導体と凸形状部との間の関係
図2に示すように、隣り合う柱状半導体130と柱状半導体130との間の第1のピッチ間隔J1は、隣り合う凸形状部D1と凸形状部D1との間の第2のピッチ間隔J2と異なっている。
2-3. Relationship between Columnar Semiconductor and Convex Shaped Part As shown in FIG. 2, the first pitch interval J1 between adjacent columnar semiconductors 130 and the columnar semiconductor 130 is equal to the adjacent convex part D1 and convex part D1. And a second pitch distance J2 between and.

複数の凸形状部D1の頂点をn型半導体層114(下地層)の第1面114aに射影した第1の点群と、複数の柱状半導体130の頂点をn型半導体層114(下地層)の第1面114aに射影した第2の点群と、を仮想的に設定した場合に、第1の点群における各点から半径0.01μm以内の範囲内に第2の点群が入る確率は、3%以下である。より好ましくは、第2の点群は、第1の点群と重ならないとよい。ここで、柱状半導体130の頂点とは、柱状半導体130の表面であって六角柱の中心軸が通る点である。   A first point cloud obtained by projecting the vertices of the plurality of convex portions D1 onto the first surface 114a of the n-type semiconductor layer 114 (underlayer), and the vertices of the plurality of columnar semiconductors 130 through the n-type semiconductor layer 114 (underlayer). If the second point cloud projected onto the first surface 114a of and is virtually set, the probability that the second point cloud will fall within a radius of 0.01 μm from each point in the first point cloud Is 3% or less. More preferably, the second point cloud should not overlap the first point cloud. Here, the apex of the columnar semiconductor 130 is a point on the surface of the columnar semiconductor 130 through which the central axis of the hexagonal column passes.

3.柱状半導体
図3は、第1の実施形態の半導体発光素子100の柱状半導体130の概略構成図である。柱状半導体130は、柱状n型半導体131と、活性層132と、筒状p型半導体133と、を有する。柱状n型半導体131の側面は、m面である。または、m面に近い面である。m面は非極性面である。そのため、活性層132において、ピエゾ分極による発光効率の低下がほとんどない。
3. Columnar Semiconductor FIG. 3 is a schematic configuration diagram of the columnar semiconductor 130 of the semiconductor light emitting device 100 of the first embodiment. The columnar semiconductor 130 includes a columnar n-type semiconductor 131, an active layer 132, and a cylindrical p-type semiconductor 133. The side surface of the columnar n-type semiconductor 131 is an m-plane. Alternatively, it is a surface close to the m-plane. The m-plane is a non-polar plane. Therefore, in the active layer 132, there is almost no decrease in luminous efficiency due to piezoelectric polarization.

3−1.柱状半導体の構造
柱状n型半導体131は、マスク120の開口部120aに露出しているn型半導体層114を起点に柱状に選択成長させた半導体層である。前述のように、n型半導体層114は、柱状半導体130を成長させるための下地層である。柱状n型半導体131は、六角柱形状をしている。この六角柱の軸方向に垂直な断面は、正六角形または扁平形状の六角形である。柱状n型半導体131は、実際には、横方向にも成長する。そのため、柱状n型半導体131の太さは、マスク120の開口部120aの開口幅よりもやや大きい。柱状n型半導体131は、例えば、n型GaN層である。
3-1. Structure of Columnar Semiconductor The columnar n-type semiconductor 131 is a semiconductor layer selectively grown in a columnar shape starting from the n-type semiconductor layer 114 exposed in the opening 120a of the mask 120. As described above, the n-type semiconductor layer 114 is a base layer for growing the columnar semiconductor 130. The columnar n-type semiconductor 131 has a hexagonal prism shape. The cross section of the hexagonal column perpendicular to the axial direction is a regular hexagon or a flat hexagon. The columnar n-type semiconductor 131 actually grows in the lateral direction as well. Therefore, the thickness of the columnar n-type semiconductor 131 is slightly larger than the opening width of the opening 120a of the mask 120. The columnar n-type semiconductor 131 is, for example, an n-type GaN layer.

活性層132は、六角柱形状の柱状n型半導体131の外周に沿って形成されている。そのため、活性層132は、六角筒形状を備える。活性層132は、例えば、1個以上5個以下の井戸層と、井戸層を挟む障壁層と、を有する。活性層132の井戸層は、基板110の板面にほぼ垂直である。ただし、活性層132の頂部は、柱状n型半導体131の頂部を覆っていてもよい。活性層132の頂部は、基板110の板面にほぼ平行であってもよい。例えば、井戸層はInGaN層であり、障壁層はAlGaN層である。   The active layer 132 is formed along the outer periphery of the hexagonal columnar columnar n-type semiconductor 131. Therefore, the active layer 132 has a hexagonal tubular shape. The active layer 132 has, for example, one or more and five or less well layers, and barrier layers sandwiching the well layers. The well layer of the active layer 132 is substantially perpendicular to the plate surface of the substrate 110. However, the top of the active layer 132 may cover the top of the columnar n-type semiconductor 131. The top of the active layer 132 may be substantially parallel to the plate surface of the substrate 110. For example, the well layer is an InGaN layer and the barrier layer is an AlGaN layer.

筒状p型半導体133は、六角筒形状を備える活性層132の外周に沿って形成されている。そのため、筒状p型半導体133は、六角筒形状を備える。筒状p型半導体133は、活性層132と直接に接触するが、柱状n型半導体131と直接には接触しなくともよい。また、筒状p型半導体133は、埋込層140と接触している。筒状p型半導体133は、例えば、p型GaN層である。   The tubular p-type semiconductor 133 is formed along the outer periphery of the active layer 132 having a hexagonal tubular shape. Therefore, the tubular p-type semiconductor 133 has a hexagonal tubular shape. Although the cylindrical p-type semiconductor 133 directly contacts the active layer 132, it does not have to directly contact the columnar n-type semiconductor 131. Further, the tubular p-type semiconductor 133 is in contact with the buried layer 140. The tubular p-type semiconductor 133 is, for example, a p-type GaN layer.

3−2.第1の断面形状
図4は、図3のIV-IV 断面を示す第1の断面図である。図4は、柱状半導体130における基板110の板面に平行な断面を示している。図4に示すように、柱状半導体130における軸方向に垂直な断面の形状は、正六角形である。そして、六角柱形状の柱状半導体130の内側から、柱状n型半導体131と、活性層132と、筒状p型半導体133と、が配置されている。
3-2. First Cross-sectional Shape FIG. 4 is a first cross-sectional view showing the IV-IV cross section of FIG. FIG. 4 shows a cross section of the columnar semiconductor 130 parallel to the plate surface of the substrate 110. As shown in FIG. 4, the cross section of the columnar semiconductor 130 perpendicular to the axial direction has a regular hexagonal shape. The columnar n-type semiconductor 131, the active layer 132, and the cylindrical p-type semiconductor 133 are arranged from the inside of the hexagonal columnar columnar semiconductor 130.

3−3.第2の断面形状
図5は、図3のV-V 断面を示す第2の断面図である。図5は、柱状半導体130における基板110の板面に平行な断面を示している。基板110の板面に平行な断面においては、柱状n型半導体131の断面は、扁平形状の六角形である。
3-3. Second Cross-sectional Shape FIG. 5 is a second cross-sectional view showing the VV cross section of FIG. FIG. 5 shows a cross section of the columnar semiconductor 130 parallel to the plate surface of the substrate 110. In the cross section parallel to the plate surface of the substrate 110, the cross section of the columnar n-type semiconductor 131 is a flat hexagon.

活性層132は、互いに対向する一対の長辺部132a、132bと、互いに対向する二対の短辺部132c、132d、132e、132fと、を有する。長辺部132a、132bと、短辺部132c、132d、132e、132fとは、柱状n型半導体131のm面から成長した層である。長辺部132a、132bは、もちろん、短辺部132c、132d、132e、132fよりも長い辺を構成する部分である。長辺部132aは、長辺部132bと対向している。   The active layer 132 has a pair of long side portions 132a and 132b facing each other and two pairs of short side portions 132c, 132d, 132e and 132f facing each other. The long side portions 132a and 132b and the short side portions 132c, 132d, 132e, and 132f are layers grown from the m-plane of the columnar n-type semiconductor 131. The long side portions 132a and 132b are, of course, portions that form longer sides than the short side portions 132c, 132d, 132e, and 132f. The long side portion 132a faces the long side portion 132b.

活性層132の長辺部132a、132bの長辺方向K1の長さW1は、活性層132の短辺部132c、132d、132e、132fの短辺方向K2の長さW2より長い。ここで、長辺部132aの長辺方向K1の長さW1とは、長辺部132aの膜厚の中心部における長辺方向K1の長さである。短辺部についても、同様である。長辺部132aの長さは、長辺部132bの長さと等しい。短辺部132cの長さは、他の短辺部132d、132e、132fの長さと等しい。もちろん、結晶性の問題で、わずかに差異が生ずる場合がある。   The length W1 of the long side portions 132a, 132b of the active layer 132 in the long side direction K1 is longer than the length W2 of the short side portions 132c, 132d, 132e, 132f of the active layer 132 in the short side direction K2. Here, the length W1 of the long side portion 132a in the long side direction K1 is the length in the long side direction K1 at the central portion of the film thickness of the long side portion 132a. The same applies to the short side portion. The length of the long side portion 132a is equal to the length of the long side portion 132b. The length of the short side portion 132c is equal to the length of the other short side portions 132d, 132e, 132f. Of course, a slight difference may occur due to the problem of crystallinity.

4.半導体発光素子の製造方法
4−1.基板準備工程
図6に示すように、基板110を準備する。基板110は、成長基板111の上に、バッファ層112、中間層113、n型半導体層114の順で積層したものである。
4. Manufacturing method of semiconductor light emitting device 4-1. Substrate Preparation Step As shown in FIG. 6, a substrate 110 is prepared. The substrate 110 is formed by stacking a buffer layer 112, an intermediate layer 113, and an n-type semiconductor layer 114 on a growth substrate 111 in this order.

4−2.マスク形成工程
図7に示すように、基板110のn型半導体層114の上にマスク120を形成する。なお、図7には、後述する開口部形成工程で形成される開口部120aが描かれている。
4-2. Mask Forming Step As shown in FIG. 7, a mask 120 is formed on the n-type semiconductor layer 114 of the substrate 110. Note that FIG. 7 illustrates an opening 120a formed in the opening forming process described below.

4−3.開口部形成工程
図8に示すように、マスク120にn型半導体層114を露出させる複数の開口部120aを形成する。そのために、エッチング等の技術を用いればよい。図8は、マスク120の開口部120aの配列を示す図である。図8は、基板110の板面に垂直な方向から基板110を視た図である。図8には、参考のために、柱状半導体130の形状が破線で描かれている。図8に示すように、マスク120の開口部120aが円形で正方格子状に配列されている。
4-3. Aperture Forming Step As shown in FIG. 8, a plurality of openings 120a exposing the n-type semiconductor layer 114 are formed in the mask 120. Therefore, a technique such as etching may be used. FIG. 8 is a diagram showing the arrangement of the openings 120 a of the mask 120. FIG. 8 is a diagram of the substrate 110 viewed from a direction perpendicular to the plate surface of the substrate 110. In FIG. 8, the shape of the columnar semiconductor 130 is drawn by a broken line for reference. As shown in FIG. 8, the openings 120a of the mask 120 are circular and arranged in a square lattice.

なお、マスク120の開口部120aの形状を変えることで、柱状半導体130の形状を制御することができる。開口部120aの形状が円形の場合には、正六角形に近い断面形状を有する柱状半導体130を形成することができる。開口部120aの形状がオーバル形状の場合には、扁平形状に近い断面形状を有する柱状半導体130を形成することができる。   The shape of the columnar semiconductor 130 can be controlled by changing the shape of the opening 120a of the mask 120. When the shape of the opening 120a is circular, the columnar semiconductor 130 having a cross-sectional shape close to a regular hexagon can be formed. When the shape of the opening 120a is oval, the columnar semiconductor 130 having a cross-sectional shape close to a flat shape can be formed.

4−4.柱状半導体形成工程
図9に示すように、マスク120の開口部120aの下に露出しているn型半導体層114を起点にして、六角柱形状の柱状n型半導体131を選択的に成長させる。そのために、公知の選択成長の技術を用いればよい。このように半導体層を選択成長させる場合に、m面がファセットとして表出しやすい。
4-4. Columnar Semiconductor Forming Step As shown in FIG. 9, the hexagonal columnar columnar n-type semiconductor 131 is selectively grown starting from the n-type semiconductor layer 114 exposed under the opening 120a of the mask 120. Therefore, a known selective growth technique may be used. In this way, when the semiconductor layer is selectively grown, the m-plane is likely to appear as a facet.

前述したように、マスク120の開口部120aが円形形状であるため、断面が正六角形に近い六角柱形状の柱状n型半導体131が成長する。   As described above, since the opening 120a of the mask 120 has a circular shape, the columnar n-type semiconductor 131 having a hexagonal columnar shape whose cross section is close to a regular hexagon grows.

次に、柱状n型半導体131の周囲に活性層132を形成する。活性層132は、断面が正六角形に近い形状の柱状n型半導体131の側面に形成される。また、活性層132が柱状n型半導体131の頂部にも形成される場合がある。   Next, the active layer 132 is formed around the columnar n-type semiconductor 131. The active layer 132 is formed on the side surface of the columnar n-type semiconductor 131 whose cross section is close to a regular hexagon. The active layer 132 may also be formed on the top of the columnar n-type semiconductor 131.

次に、活性層132の上に活性層132の外周を覆う筒状p型半導体133を形成する。筒状p型半導体133は六角筒形状を備える。筒状p型半導体133は、活性層132の側面に形成される。筒状p型半導体133が柱状n型半導体131または活性層132の頂部にも形成される場合がある。このようにして、柱状半導体130が形成される。   Next, a cylindrical p-type semiconductor 133 that covers the outer periphery of the active layer 132 is formed on the active layer 132. The tubular p-type semiconductor 133 has a hexagonal tubular shape. The cylindrical p-type semiconductor 133 is formed on the side surface of the active layer 132. The cylindrical p-type semiconductor 133 may be formed on the top of the columnar n-type semiconductor 131 or the active layer 132. In this way, the columnar semiconductor 130 is formed.

4−5.埋込層形成工程
図10に示すように、柱状半導体130と柱状半導体130との隙間を埋込層140で埋める。
4-5. Step of Forming Buried Layer As shown in FIG. 10, the gap between the columnar semiconductors 130 is filled with the buried layer 140.

4−6.凸形状部形成工程
次に、例えば、ICPによるドライエッチングを用いて埋込層140の表面を粗面化する。これにより、複数の凸形状部D1が埋込層140の表面に形成される。
4-6. Next, the surface of the embedded layer 140 is roughened by dry etching using ICP, for example. As a result, the plurality of convex portions D1 are formed on the surface of the embedding layer 140.

4−7.電極形成工程
次に、基板110のn型半導体層114の上にカソード電極N1を形成する。また、埋込層140の上にアノード電極P1を形成する。
4-7. Electrode forming step Next, the cathode electrode N1 is formed on the n-type semiconductor layer 114 of the substrate 110. Further, the anode electrode P1 is formed on the buried layer 140.

4−8.その他の工程
熱処理工程、半導体層の表面にパッシベーション膜等を成膜する工程、またはその他の工程を実施してもよい。
4-8. Other Steps A heat treatment step, a step of forming a passivation film or the like on the surface of the semiconductor layer, or another step may be performed.

5.第1の実施形態の効果
第1の実施形態の半導体発光素子100は、従来のナノワイヤから素子外部に直接光を取り出す発光素子に比べて、高い光取り出し効率を有する。
5. Effect of First Embodiment The semiconductor light emitting device 100 of the first embodiment has a higher light extraction efficiency than a conventional light emitting device that directly extracts light from the nanowire to the outside of the device.

従来においては、ナノワイヤ(本実施形態の柱状半導体130に相当)は、微細構造体である。そのため、ナノワイヤの形状そのものが光取り出し効率を向上させると考えられていた。しかし、ナノワイヤから光を取り出す際に、微細構造であるにもかかわらず、ナノワイヤと空気との屈折率の差に起因して全反射が起こりやすいことが、本発明者らによって明らかとなった。そのため、本発明者らは、従来において光取り出し効率が高いと考えられていたナノワイヤを、図2に示すようにあえて埋め込み、別途光取り出し面を設定した。そのため、本実施形態の半導体発光素子100は、十分に高い光取り出し効率を有する。   Conventionally, the nanowire (corresponding to the columnar semiconductor 130 of this embodiment) is a fine structure. Therefore, it has been considered that the shape of the nanowire itself improves the light extraction efficiency. However, it was revealed by the present inventors that when light is extracted from the nanowire, total reflection is likely to occur due to the difference in refractive index between the nanowire and air, despite the fine structure. Therefore, the present inventors dared to embed a nanowire, which was conventionally considered to have high light extraction efficiency, as shown in FIG. 2, and set a separate light extraction surface. Therefore, the semiconductor light emitting device 100 of this embodiment has a sufficiently high light extraction efficiency.

6.変形例
6−1.表面層
本実施形態では、埋込層140が光取り出し面S1を有する。光取り出し面S1が埋込層140以外の層に形成されていてもよい。
6. Modification 6-1. Surface Layer In the present embodiment, the embedded layer 140 has the light extraction surface S1. The light extraction surface S1 may be formed in a layer other than the embedding layer 140.

図11に示すように、埋込層140の上に表面層150を形成してもよい。表面層150は、複数の凸形状部D1を形成された光取り出し面S1を有する。表面層150の材質は、例えば、埋込層140とドープ量の異なるp−GaN層である。また、表面層150の材質は、ITO、IZO等の透明導電性酸化物であってもよい。   As shown in FIG. 11, the surface layer 150 may be formed on the buried layer 140. The surface layer 150 has a light extraction surface S1 on which a plurality of convex portions D1 are formed. The material of the surface layer 150 is, for example, a p-GaN layer having a different doping amount from the buried layer 140. Moreover, the material of the surface layer 150 may be a transparent conductive oxide such as ITO or IZO.

図12に示すように、埋込層140の表面に凹凸形状を形成し、その凹凸形状の上に表面層150を形成することにより、凸形状部D1を形成してもよい。ここで、埋込層140は、例えば、p−GaN等のIII 族窒化物半導体である。表面層150は、例えば、ITO等の透明導電性酸化物である。   As shown in FIG. 12, the convex portion D <b> 1 may be formed by forming an uneven shape on the surface of the embedding layer 140 and forming the surface layer 150 on the uneven shape. Here, the buried layer 140 is, for example, a group III nitride semiconductor such as p-GaN. The surface layer 150 is, for example, a transparent conductive oxide such as ITO.

6−2.柱状半導体の配列および凸形状部の配列
複数の柱状半導体130の配列がハニカム状であり、複数の凸形状部D1の配列がハニカム状であってもよい。柱状半導体130のピッチ間隔J1と凸形状部D1のピッチ間隔J2とが異なっていればよい。
6-2. Arrangement of Columnar Semiconductors and Arrangement of Convex Shaped Portions A plurality of columnar semiconductors 130 may be arranged in a honeycomb shape, and a plurality of convex shape portions D1 may be arranged in a honeycomb shape. It suffices that the pitch interval J1 of the columnar semiconductor 130 and the pitch interval J2 of the convex portion D1 be different.

複数の柱状半導体130の配列がハニカム状であり、複数の凸形状部D1の配列が正方格子状であってもよい。また、複数の柱状半導体130の配列が正方格子状であり、複数の凸形状部D1の配列がハニカム状であってもよい。このように、柱状半導体130の配列と凸形状部D1の配列とが異なっていれば、ピッチ間隔J1とピッチ間隔J2とは同じであっても、異なっていてもよい。   The array of the plurality of columnar semiconductors 130 may be a honeycomb shape, and the array of the plurality of convex shaped portions D1 may be a square lattice shape. Further, the array of the plurality of columnar semiconductors 130 may be a square lattice shape, and the array of the plurality of convex shaped portions D1 may be a honeycomb shape. As described above, if the arrangement of the columnar semiconductors 130 and the arrangement of the convex portions D1 are different, the pitch interval J1 and the pitch interval J2 may be the same or different.

なお、柱状半導体130の配列を変えるには、マスク120の開口部120aの配置を変えればよい。複数の凸形状部D1の配列を変えるには、埋込層140をエッチングする際のマスクパターンを変えればよい。   The arrangement of the columnar semiconductors 130 may be changed by changing the arrangement of the openings 120a of the mask 120. The arrangement of the plurality of convex portions D1 can be changed by changing the mask pattern for etching the embedded layer 140.

6−3.柱状半導体の組成
本実施形態では、柱状n型半導体131はn型GaN層であり、井戸層はInGaN層であり、障壁層はAlGaN層であり、筒状p型半導体133はp型GaN層である。これらは例示であり、その他のIII 族窒化物半導体であってもよい。また、その他の半導体であってもよい。
6-3. Composition of Columnar Semiconductor In this embodiment, the columnar n-type semiconductor 131 is an n-type GaN layer, the well layer is an InGaN layer, the barrier layer is an AlGaN layer, and the cylindrical p-type semiconductor 133 is a p-type GaN layer. is there. These are examples, and other group III nitride semiconductors may be used. Also, other semiconductors may be used.

6−4.埋込層の組成
本実施形態では、埋込層140の材料は、p−GaN層である。しかし、埋込層140としてp−GaN層の代わりにp−AlGaN層を用いることができる。AlGaN層の屈折率は、p型GaN層の屈折率よりも小さい。そのため、光取り出し効率が向上する。または、埋込層140は、その他のp−AlInGaN層であってもよい。
6-4. Buried Layer Composition In this embodiment, the material of the buried layer 140 is a p-GaN layer. However, as the buried layer 140, a p-AlGaN layer can be used instead of the p-GaN layer. The refractive index of the AlGaN layer is smaller than that of the p-type GaN layer. Therefore, the light extraction efficiency is improved. Alternatively, the buried layer 140 may be another p-AlInGaN layer.

6−5.柱状半導体の電流阻止層
柱状半導体130の側面からの電流注入を促進させることが好ましい。例えば、図13に示すように、柱状半導体130の頂部に透明絶縁膜165を設ける。これにより、柱状半導体130の頂部に流れる電流が阻止され、柱状半導体130の側面から良好に電流注入を行うことができる。
6-5. Current Blocking Layer of Columnar Semiconductor It is preferable to promote current injection from the side surface of the columnar semiconductor 130. For example, as shown in FIG. 13, a transparent insulating film 165 is provided on the top of the columnar semiconductor 130. As a result, the current flowing to the top of the columnar semiconductor 130 is blocked, and the current can be favorably injected from the side surface of the columnar semiconductor 130.

6−6.凹凸加工基板
基板110の成長基板111は、凹凸加工を施されていてもよい。つまり、成長基板111は、半導体層側の面に凹凸を周期的に配置された凹凸形状部を有する。凹凸形状として、例えば、円錐形状、半球形状が挙げられる。これらの凸形状が、例えば、正方格子状またはハニカム状に配置されているとよい。これにより、光取り出し効率がさらに向上する。
6-6. Textured Substrate The growth substrate 111 of the substrate 110 may be textured. That is, the growth substrate 111 has a concave-convex portion in which irregularities are periodically arranged on the surface on the semiconductor layer side. Examples of the uneven shape include a conical shape and a hemispherical shape. These convex shapes may be arranged in, for example, a square lattice shape or a honeycomb shape. Thereby, the light extraction efficiency is further improved.

凹凸形状が半球形状であると仮定した場合には、半球形状の底部の直径は1μm以上5μm以下であり、半球形状の高さは0.5μm以上5μm以下であり、半球形状のピッチは1μm以上15μm以下であるとよい。上記の数値範囲は例示であり、上記以外の数値範囲であってよい。   Assuming that the uneven shape is a hemisphere, the diameter of the bottom of the hemisphere is 1 μm or more and 5 μm or less, the height of the hemisphere is 0.5 μm or more and 5 μm or less, and the pitch of the hemisphere is 1 μm or more. The thickness is preferably 15 μm or less. The above numerical range is an example and may be a numerical range other than the above.

6−7.凹形状部
本実施形態の凸形状部D1の代わりに、凹形状部を光取り出し面に形成してもよい。
6-7. Concave portion Instead of the convex portion D1 of the present embodiment, a concave portion may be formed on the light extraction surface.

6−8.反射層
半導体発光素子100は、基板110におけるマスク層120の反対側の裏面に、反射層を有していてもよい。
6-8. Reflective Layer The semiconductor light emitting device 100 may have a reflective layer on the back surface of the substrate 110 opposite to the mask layer 120.

6−9.組み合わせ
上記の変形例を自由に組み合わせてもよい。
6-9. Combination The above modifications may be freely combined.

(第2の実施形態)
第2の実施形態について説明する。
(Second embodiment)
The second embodiment will be described.

1.半導体発光素子
図14は、第2の実施形態の半導体発光素子200の柱状半導体130の周辺を示す断面図である。図14に示すように、半導体発光素子200は、柱状半導体130の側面にトンネル接合を有する。
1. Semiconductor Light Emitting Element FIG. 14 is a sectional view showing the periphery of the columnar semiconductor 130 of the semiconductor light emitting element 200 of the second embodiment. As shown in FIG. 14, the semiconductor light emitting device 200 has a tunnel junction on the side surface of the columnar semiconductor 130.

半導体発光素子200は、柱状半導体130の側面に、p+層271と、n+層272と、を有する。p+層271は、柱状半導体130とn+層272との間の位置にある。p+層271は、高いp型不純物濃度を有する層である。p+層271のMg濃度は、例えば、2×1020cm-3である。n+層272は、高いn型不純物濃度を有する層である。n+層272のSi濃度は、例えば、2×1020cm-3である。 The semiconductor light emitting device 200 has a p + layer 271 and an n + layer 272 on the side surface of the columnar semiconductor 130. The p + layer 271 is located between the columnar semiconductor 130 and the n + layer 272. The p + layer 271 is a layer having a high p-type impurity concentration. The Mg concentration of the p + layer 271 is, for example, 2 × 10 20 cm −3 . The n + layer 272 is a layer having a high n-type impurity concentration. The Si concentration of the n + layer 272 is, for example, 2 × 10 20 cm −3 .

埋込層140は、柱状半導体130と、p+層271と、n+層272と、を覆っている。埋込層140は、n−GaN層である。   The buried layer 140 covers the columnar semiconductor 130, the p + layer 271, and the n + layer 272. The buried layer 140 is an n-GaN layer.

2.第2の実施形態の効果
これにより、柱状半導体130の側面から効率的に電流を注入することができる。このとき、埋込層140をn型半導体層で構成することができる。そのため、光吸収損失の低減、並びに、素子抵抗の低減に効果的である。
2. Effect of Second Embodiment As a result, the current can be efficiently injected from the side surface of the columnar semiconductor 130. At this time, the buried layer 140 can be composed of an n-type semiconductor layer. Therefore, it is effective in reducing the light absorption loss and the element resistance.

3.半導体発光素子の製造方法
3−1.基板準備工程
図15に示すように、第1の実施形態と同様に基板110を準備する。
3. Manufacturing method of semiconductor light emitting device 3-1. Substrate Preparation Step As shown in FIG. 15, a substrate 110 is prepared as in the first embodiment.

3−2.マスク形成工程
第1の実施形態と同様に基板110の上にマスク層120を形成する。
3-2. Mask forming step The mask layer 120 is formed on the substrate 110 as in the first embodiment.

3−3.開口部形成工程
図16に示すように、第1の実施形態と同様にマスク層120に開口部120aを形成する。
3-3. Opening Forming Step As shown in FIG. 16, the opening 120a is formed in the mask layer 120 as in the first embodiment.

3−4.柱状半導体形成工程
第1の実施形態と同様に開口部120aに露出しているn型半導体層114から柱状n型半導体131と活性層132と筒状p型半導体133とを成長させる。
3-4. Columnar Semiconductor Forming Step Similar to the first embodiment, the columnar n-type semiconductor 131, the active layer 132, and the tubular p-type semiconductor 133 are grown from the n-type semiconductor layer 114 exposed in the opening 120a.

3−5.トンネル接合形成工程
次に、柱状半導体130の筒状p型半導体133の側面にp+層271を形成する。その後、p+層271の側面にn+層272を形成する。この時の様子を図17に示す。この後、p+層271およびn+層272の上部をエッチングにより除去する。これにより、図18に示すように、柱状半導体130の側面にp+層271およびn+層272が形成される。
3-5. Tunnel Junction Forming Step Next, the p + layer 271 is formed on the side surface of the cylindrical p-type semiconductor 133 of the columnar semiconductor 130. After that, the n + layer 272 is formed on the side surface of the p + layer 271. The state at this time is shown in FIG. After that, the upper portions of the p + layer 271 and the n + layer 272 are removed by etching. Thereby, as shown in FIG. 18, p + layer 271 and n + layer 272 are formed on the side surface of columnar semiconductor 130.

3−6.埋込層形成工程
次に、図19に示すように、p+層271およびn+層272を備える柱状半導体130と柱状半導体130との間の隙間を埋込層140により埋める。
3-6. Buried Layer Forming Step Next, as shown in FIG. 19, the gap between the columnar semiconductor 130 including the p + layer 271 and the n + layer 272 and the columnar semiconductor 130 is filled with the buried layer 140.

3−7.凹凸形状形成工程
次に、埋込層140の表面に粗面化処理を施し、複数の凸形状部D1を形成する。
3-7. Concavo-convex shape forming step Next, the surface of the embedding layer 140 is roughened to form a plurality of convex-shaped portions D1.

3−8.電極形成工程
そして、埋込層140の上にアノード電極P1を形成する。また、n型半導体層114の上にカソード電極N1を形成する。
3-8. Electrode Forming Step Then, the anode electrode P1 is formed on the buried layer 140. Further, the cathode electrode N1 is formed on the n-type semiconductor layer 114.

4.変形例
第1の実施形態の変形例を用いることができる。
4. Modifications Modifications of the first embodiment can be used.

(第3の実施形態)
第3の実施形態について説明する。
(Third Embodiment)
A third embodiment will be described.

1.半導体発光素子
図20は、第3の実施形態の半導体発光素子300の概略構成を示す図である。半導体発光素子300は、基板110と、マスク層120と、柱状半導体130と、透明導電膜340と、埋込層350と、を有する。
1. Semiconductor Light Emitting Element FIG. 20 is a diagram showing a schematic configuration of a semiconductor light emitting element 300 according to the third embodiment. The semiconductor light emitting device 300 includes a substrate 110, a mask layer 120, a columnar semiconductor 130, a transparent conductive film 340, and a buried layer 350.

透明導電膜340は、複数の柱状半導体130を覆っている。透明導電膜340の材質は、例えば、ITO等の透明導電性酸化物である。透明導電膜340は、アノード電極P1に電気的に接続されている。   The transparent conductive film 340 covers the plurality of columnar semiconductors 130. The material of the transparent conductive film 340 is, for example, a transparent conductive oxide such as ITO. The transparent conductive film 340 is electrically connected to the anode electrode P1.

埋込層350は、透明導電膜340に接触するとともに、透明導電膜340を有する柱状半導体130と柱状半導体130との間の隙間を埋め込む層である。埋込層350の材質は樹脂である。透明導電膜340が柱状半導体130とアノード電極P1とを導通する役割を担っているため、埋込層350の樹脂は絶縁性であってよい。また、埋込層350の表面には複数の凸形状部D1が形成されている。つまり、埋込層350は、光取り出し面S1を有する。   The burying layer 350 is a layer that is in contact with the transparent conductive film 340 and fills a gap between the columnar semiconductor 130 having the transparent conductive film 340 and the columnar semiconductor 130. The material of the buried layer 350 is resin. Since the transparent conductive film 340 plays a role of electrically connecting the columnar semiconductor 130 and the anode electrode P1, the resin of the buried layer 350 may be insulative. Further, a plurality of convex shaped portions D1 are formed on the surface of the buried layer 350. That is, the buried layer 350 has the light extraction surface S1.

2.変形例
2−1.埋込層の材質
埋込層350は、樹脂以外の電気抵抗率の高い材料であってもよい。ただし、埋込層350の材料は、透明性の材料である。
2. Modification 2-1. Material of Buried Layer The buried layer 350 may be a material having a high electric resistivity other than resin. However, the material of the buried layer 350 is a transparent material.

2−2.組み合わせ
第1の実施形態および第2の実施形態とこれらの変形例と自由に組み合わせて良い場合がある。
2-2. Combination In some cases, the first embodiment and the second embodiment may be freely combined with these modified examples.

(シミュレーション)
複数の柱状半導体および複数の凸形状部の配列を変えて、光取り出し効率を計算した。なお、柱状半導体の大きさと光取り出し面の凸形状部の大きさとは、桁が違っている。そのため、従来の計算手法では、柱状半導体と凸形状部とを考慮して計算することは容易ではなかった。
(simulation)
The light extraction efficiency was calculated by changing the arrangement of the plurality of columnar semiconductors and the plurality of convex portions. The size of the columnar semiconductor is different from that of the convex portion of the light extraction surface. Therefore, in the conventional calculation method, it was not easy to calculate in consideration of the columnar semiconductor and the convex portion.

1.計算した構造
1−1.第1の構造(第1の実施形態の変形例)
第1の構造は、表1に示す構造である。つまり、第1の構造は、凹凸基板を用いるとともに、柱状半導体を埋め込む埋込層が複数の凸形状部を有する。第1の構造の発光素子の発光波長は、405nmである。また、円錐形状の凸形状部がハニカム状に配置されている。凸形状部の底部の直径は200nmであり、凸形状部の高さは170nmであり、凸形状部同士のピッチ間隔は200nmである。
1. Calculated Structure 1-1. First structure (modification of the first embodiment)
The first structure is the structure shown in Table 1. That is, in the first structure, the uneven substrate is used, and the embedded layer in which the columnar semiconductor is embedded has a plurality of convex portions. The emission wavelength of the light emitting device having the first structure is 405 nm. Further, the conical convex portions are arranged in a honeycomb shape. The diameter of the bottom of the convex portions is 200 nm, the height of the convex portions is 170 nm, and the pitch interval between the convex portions is 200 nm.

埋込層の材質はn−GaNであり、埋込層の高さは2μmである。柱状半導体はハニカム状に配列されており、柱状半導体の高さは1.5μmであり、柱状半導体のピッチ間隔は1.2μmである。筒状p型半導体の材質はp−GaNであり、筒状p型半導体の膜厚は100nmである。活性層の材質はInGaNであり、活性層の膜厚は37nmである。柱状n型半導体の材質はn−GaNであり、柱状n型半導体の径は200nmである。ここで、柱状n型半導体の径とは、正六角形の向かい合う頂点間の長さである。   The material of the buried layer is n-GaN, and the height of the buried layer is 2 μm. The columnar semiconductors are arranged in a honeycomb shape, the columnar semiconductors have a height of 1.5 μm, and the columnar semiconductors have a pitch interval of 1.2 μm. The material of the tubular p-type semiconductor is p-GaN, and the film thickness of the tubular p-type semiconductor is 100 nm. The material of the active layer is InGaN, and the film thickness of the active layer is 37 nm. The material of the columnar n-type semiconductor is n-GaN, and the diameter of the columnar n-type semiconductor is 200 nm. Here, the diameter of the columnar n-type semiconductor is the length between the facing vertices of a regular hexagon.

基板は、半導体から遠い側から、反射層、サファイア基板、n−GaN層、n−Al0.03Ga0.97N層の順で積層されている。サファイア基板の膜厚は120μmである。n−GaN層の膜厚は2.6μmである。n−Al0.03Ga0.97N層の膜厚は1.2μmである。サファイア基板の凹凸形状は半球形状であり、ハニカム状に配置されている。凹凸の直径は2.8μmであり、凹凸の高さは1.5μmであり、凹凸のピッチ間隔は6μmである。 The substrate includes a reflective layer, a sapphire substrate, an n-GaN layer, and an n-Al 0.03 Ga 0.97 N layer stacked in this order from the side farther from the semiconductor. The film thickness of the sapphire substrate is 120 μm. The film thickness of the n-GaN layer is 2.6 μm. The film thickness of the n-Al 0.03 Ga 0.97 N layer is 1.2 μm. The uneven shape of the sapphire substrate has a hemispherical shape and is arranged in a honeycomb shape. The diameter of the unevenness is 2.8 μm, the height of the unevenness is 1.5 μm, and the pitch interval of the unevenness is 6 μm.

[表1]
第1の構造
発光波長 405nm
凸形状部
凸形状部の形状 円錐
凸形状部の配列 ハニカム状(三角格子)
凸形状部の底部の直径 200nm
凸形状部の高さ 170nm
ピッチ間隔 200nm
埋込層
埋込層の材質 n−GaN
埋込層の高さ 2μm
柱状半導体
柱状半導体の形状 六角柱(断面は正六角形)
柱状半導体の配列 ハニカム状(三角格子)
柱状半導体の高さ 1.5μm
ピッチ間隔 1.2μm
筒状p型半導体の材質 p−GaN
筒状p型半導体の膜厚 100nm
活性層の材質 InGaN
活性層の膜厚 37nm
柱状n型半導体の材質 n−GaN
柱状n型半導体の径 200nm
基板
n−Al0.03Ga0.97N層 1.2μm(膜厚)
n−GaN層 2.6μm(膜厚)
サファイア基板 120μm(膜厚)
反射層の材質 Al
サファイア基板の凹凸
凹凸の形状 半球形状
凹凸の配列 ハニカム状(三角格子)
凹凸の直径 2.8μm
凹凸の高さ 1.5μm
凹凸のピッチ間隔 6μm
[Table 1]
First structure Emission wavelength 405 nm
Convex shape Convex shape Conical Convex shape array Honeycomb (triangular lattice)
Diameter of the bottom of the convex portion is 200 nm
Height of convex part 170nm
Pitch interval 200nm
Buried layer Buried layer material n-GaN
Buried layer height 2 μm
Columnar semiconductor Columnar semiconductor shape Hexagonal column (regular cross section)
Array of columnar semiconductors Honeycomb (triangular lattice)
Columnar semiconductor height 1.5 μm
Pitch interval 1.2 μm
Material of tubular p-type semiconductor p-GaN
Thickness of cylindrical p-type semiconductor 100 nm
Material of active layer InGaN
Thickness of active layer 37nm
Material of columnar n-type semiconductor n-GaN
Diameter of columnar n-type semiconductor 200 nm
Substrate n-Al 0.03 Ga 0.97 N layer 1.2 μm (film thickness)
n-GaN layer 2.6 μm (film thickness)
Sapphire substrate 120 μm (film thickness)
Material of reflective layer Al
Asperity of sapphire substrate Asperity shape Hemisphere shape Asperity array Honeycomb shape (triangular lattice)
Uneven diameter 2.8 μm
Uneven height 1.5 μm
Uneven pitch pitch 6 μm

なお、解析結果への影響が小さいと思われる構造については、計算上省略した。省略した構造は、例えば、サファイア基板とn−GaN層との間のバッファ層、トンネル接合するためのp+層、n+層である。これらの膜厚は非常に薄いためである。   Note that the structures that are thought to have a small effect on the analysis results were omitted from the calculation. The omitted structures are, for example, a buffer layer between the sapphire substrate and the n-GaN layer, a p + layer for tunnel junction, and an n + layer. This is because these film thicknesses are very thin.

1−2.第2の構造(第1の実施形態)
第2の構造は、表1のうち凹凸のあるサファイア基板を平坦なサファイア基板に変更した構造である。
1-2. Second structure (first embodiment)
The second structure is a structure in which the uneven sapphire substrate in Table 1 is changed to a flat sapphire substrate.

1−3.第3の構造(従来構造)
第3の構造は、表1のうち凹凸のあるサファイア基板を平坦なサファイア基板に変更するとともに、埋込層を除去して柱状半導体をITOで覆った構造である。
1-3. Third structure (conventional structure)
The third structure is a structure in which the uneven sapphire substrate in Table 1 is changed to a flat sapphire substrate, and the embedded layer is removed to cover the columnar semiconductor with ITO.

2.計算結果
表2は、シミュレーションの結果を示している。表2に示すように、従来の第3の構造では、光取り出し効率は31%であった。これに対して、第1の実施形態の変形例に対応する第1の構造では、光取り出し効率は56%であった。第1の実施形態に対応する第2の構造では、光取り出し効率は53%であった。
2. Calculation Results Table 2 shows the results of the simulation. As shown in Table 2, in the conventional third structure, the light extraction efficiency was 31%. On the other hand, in the first structure corresponding to the modified example of the first embodiment, the light extraction efficiency was 56%. In the second structure corresponding to the first embodiment, the light extraction efficiency was 53%.

[表2]
構造 埋込層 基板の加工 光取り出し効率
第1の構造 有り 有り 56%
第2の構造 有り 無し 53%
第3の構造 無し 無し 31%
[Table 2]
Structure Buried layer Substrate processing Light extraction efficiency First structure Yes Yes 56%
Second structure Yes No No 53%
Third structure None None 31%

このように、微細構造であるはずの柱状半導体から光を直接取り出す場合よりも、柱状半導体をあえて埋め込むとともに別途光取り出し面を設ける場合の方が、光取り出し効率は高い。   As described above, the light extraction efficiency is higher when the columnar semiconductor is intentionally embedded and a separate light extraction surface is provided than when the light is directly extracted from the columnar semiconductor that should have a fine structure.

(付記)
第1の態様における半導体発光素子は、下地層と、下地層の上の複数の柱状半導体と、複数の柱状半導体の間の隙間を埋める埋込層と、光取り出し面と、を有する。光取り出し面は、複数の凸形状部を有する。複数の柱状半導体は、六角柱形状をしているとともに、第1のピッチ間隔で配置されている。複数の凸形状部は、第2のピッチ間隔で配置されている。第1のピッチ間隔と第2のピッチ間隔とは異なっている。
(Appendix)
The semiconductor light emitting element according to the first aspect includes an underlayer, a plurality of columnar semiconductors on the underlayer, a buried layer filling a gap between the plurality of columnar semiconductors, and a light extraction surface. The light extraction surface has a plurality of convex portions. The plurality of columnar semiconductors have a hexagonal columnar shape and are arranged at a first pitch interval. The plurality of convex portions are arranged at the second pitch interval. The first pitch interval and the second pitch interval are different.

第2の態様における半導体発光素子は、第1面を有する下地層と、下地層の上の複数の柱状半導体と、複数の柱状半導体の間の隙間を埋める埋込層と、光取り出し面と、を有する。光取り出し面は、周期的に配置された複数の凸形状部を有する。複数の柱状半導体は、六角柱形状であるとともに周期的に配置されている。複数の凸形状部の頂点を下地層の第1面に射影した第1の点群と、複数の柱状半導体の頂点を下地層の第1面に射影した第2の点群と、を仮想的に設定した場合に、第1の点群における各点から半径0.01μm以内の範囲内に第2の点群が入る確率は、3%以下である。   A semiconductor light emitting device according to a second aspect, an underlayer having a first surface, a plurality of columnar semiconductors on the underlayer, an embedding layer filling a gap between the plurality of columnar semiconductors, a light extraction surface, Have. The light extraction surface has a plurality of convex portions arranged periodically. The plurality of columnar semiconductors have a hexagonal columnar shape and are periodically arranged. A first point group in which the vertices of the plurality of convex portions are projected onto the first surface of the underlayer and a second point group in which the vertices of the plurality of columnar semiconductors are projected onto the first surface of the underlayer are virtually When set to, the probability that the second point group will fall within a radius of 0.01 μm from each point in the first point group is 3% or less.

第3の態様における半導体発光素子においては、第2の点群は、第1の点群と重ならない。   In the semiconductor light emitting device according to the third aspect, the second point cloud does not overlap with the first point cloud.

第4の態様における半導体発光素子においては、埋込層が、光取り出し面を有する。   In the semiconductor light emitting device according to the fourth aspect, the embedded layer has a light extraction surface.

第5の態様における半導体発光素子は、埋込層の上に表面層を有する。表面層が、光取り出し面を有する。   The semiconductor light emitting element in the fifth aspect has a surface layer on the embedded layer. The surface layer has a light extraction surface.

第6の態様における半導体発光素子においては、埋込層が、n−GaN層である。   In the semiconductor light emitting device according to the sixth aspect, the embedded layer is an n-GaN layer.

第7の態様における半導体発光素子においては、埋込層が、p−GaN層である。   In the semiconductor light emitting device according to the seventh aspect, the embedded layer is a p-GaN layer.

第8の態様における半導体発光素子は、複数の柱状半導体を覆う透明導電膜を有する。   The semiconductor light emitting element in the eighth aspect has a transparent conductive film that covers the plurality of columnar semiconductors.

第9の態様における半導体発光素子においては、埋込層は、樹脂であるとともに、透明導電膜に接触している。   In the semiconductor light emitting element according to the ninth aspect, the embedded layer is made of resin and is in contact with the transparent conductive film.

第10の態様における半導体発光素子においては、複数の柱状半導体は、III 族窒化物半導体である。複数の柱状半導体は、ハニカム状に配置されている。   In the semiconductor light emitting device according to the tenth aspect, the plurality of columnar semiconductors are group III nitride semiconductors. The plurality of columnar semiconductors are arranged in a honeycomb shape.

第11の態様における半導体発光素子においては、複数の凸形状部は、ハニカム状に配置されている。   In the semiconductor light emitting element according to the eleventh aspect, the plurality of convex shaped portions are arranged in a honeycomb shape.

第12の態様における半導体発光素子は、下地層を支持する基板を有する。基板は、凹凸形状部を有する。   The semiconductor light emitting element in the twelfth aspect has a substrate that supports the underlayer. The substrate has an uneven portion.

100…半導体発光素子
110…基板
111…成長基板
112…バッファ層
113…中間層
114…n型半導体層
114a…第1面
120…マスク
120a…開口部
130…柱状半導体
131…柱状n型半導体
132…活性層
133…筒状p型半導体
140…埋込層
150…表面層
N1…カソード電極
P1…アノード電極
S1…光取り出し面
D1…凸形状部
100 ... Semiconductor light emitting element 110 ... Substrate 111 ... Growth substrate 112 ... Buffer layer 113 ... Intermediate layer 114 ... N-type semiconductor layer 114a ... First surface 120 ... Mask 120a ... Opening 130 ... Columnar semiconductor 131 ... Columnar n-type semiconductor 132 ... Active layer 133 ... Cylindrical p-type semiconductor 140 ... Buried layer 150 ... Surface layer N1 ... Cathode electrode P1 ... Anode electrode S1 ... Light extraction surface D1 ... Convex portion

Claims (12)

下地層と、
前記下地層の上の複数の柱状半導体と、
前記複数の柱状半導体の間の隙間を埋める埋込層と、
光取り出し面と、
を有し、
前記光取り出し面は、
複数の凸形状部を有し、
前記複数の柱状半導体は、
六角柱形状をしているとともに、
第1のピッチ間隔で配置されており、
前記複数の凸形状部は、
第2のピッチ間隔で配置されており、
前記第1のピッチ間隔と前記第2のピッチ間隔とは異なっていること
を特徴とする半導体発光素子。
An underlayer,
A plurality of columnar semiconductors on the underlayer,
A buried layer filling a gap between the plurality of columnar semiconductors,
Light extraction surface,
Have
The light extraction surface is
Has a plurality of convex portions,
The plurality of columnar semiconductors,
While having a hexagonal prism shape,
They are arranged at the first pitch interval,
The plurality of convex shaped portions,
They are arranged at the second pitch interval,
A semiconductor light emitting device characterized in that the first pitch interval and the second pitch interval are different.
第1面を有する下地層と、
前記下地層の上の複数の柱状半導体と、
前記複数の柱状半導体の間の隙間を埋める埋込層と、
光取り出し面と、
を有し、
前記光取り出し面は、
周期的に配置された複数の凸形状部を有し、
前記複数の柱状半導体は、
六角柱形状であるとともに周期的に配置されており、
前記複数の凸形状部の頂点を前記下地層の前記第1面に射影した第1の点群と、前記複数の柱状半導体の頂点を前記下地層の前記第1面に射影した第2の点群と、を仮想的に設定した場合に、
前記第1の点群における各点から半径0.01μm以内の範囲内に前記第2の点群が入る確率は、3%以下であること
を特徴とする半導体発光素子。
An underlayer having a first surface,
A plurality of columnar semiconductors on the underlayer,
A buried layer filling a gap between the plurality of columnar semiconductors,
Light extraction surface,
Have
The light extraction surface is
Having a plurality of convex portions arranged periodically,
The plurality of columnar semiconductors,
It has a hexagonal prism shape and is arranged periodically,
A first point group in which the vertices of the plurality of convex portions are projected onto the first surface of the underlayer, and a second point in which the vertices of the plurality of columnar semiconductors are projected onto the first surface of the underlayer. When the group and are virtually set,
A semiconductor light emitting device characterized in that the probability that the second point group falls within a radius of 0.01 μm from each point in the first point group is 3% or less.
請求項2に記載の半導体発光素子において、
前記第2の点群は、前記第1の点群と重ならないこと
を特徴とする半導体発光素子。
The semiconductor light emitting device according to claim 2,
The semiconductor light emitting device characterized in that the second point cloud does not overlap with the first point cloud.
請求項1から請求項3までのいずれか1項に記載の半導体発光素子において、
前記埋込層が、
光取り出し面を有すること
を特徴とする半導体発光素子。
The semiconductor light emitting device according to any one of claims 1 to 3,
The buried layer is
A semiconductor light emitting device having a light extraction surface.
請求項1から請求項4までのいずれか1項に記載の半導体発光素子において、
前記埋込層の上に表面層を有し、
前記表面層が、
光取り出し面を有すること
を特徴とする半導体発光素子。
The semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein:
A surface layer on the buried layer,
The surface layer is
A semiconductor light emitting device having a light extraction surface.
請求項1から請求項5までのいずれか1項に記載の半導体発光素子において、
前記埋込層が、n−GaN層であること
を特徴とする半導体発光素子。
The semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein:
A semiconductor light emitting device, wherein the buried layer is an n-GaN layer.
請求項1から請求項5までのいずれか1項に記載の半導体発光素子において、
前記埋込層が、p−GaN層であること
を特徴とする半導体発光素子。
The semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein:
The semiconductor light emitting device, wherein the buried layer is a p-GaN layer.
請求項1から請求項5までのいずれか1項に記載の半導体発光素子において、
前記複数の柱状半導体を覆う透明導電膜を有すること
を特徴とする半導体発光素子。
The semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein:
A semiconductor light emitting device comprising a transparent conductive film covering the plurality of columnar semiconductors.
請求項8に記載の半導体発光素子において、
前記埋込層は、
樹脂であるとともに、
前記透明導電膜に接触していること
を特徴とする半導体発光素子。
The semiconductor light emitting device according to claim 8,
The buried layer is
Being a resin,
A semiconductor light emitting device, which is in contact with the transparent conductive film.
請求項1から請求項9までのいずれか1項に記載の半導体発光素子において、
前記複数の柱状半導体は、III 族窒化物半導体であり、
前記複数の柱状半導体は、
ハニカム状に配置されていること
を特徴とする半導体発光素子。
The semiconductor light emitting element according to claim 1, wherein:
The plurality of columnar semiconductors is a group III nitride semiconductor,
The plurality of columnar semiconductors,
A semiconductor light emitting device, which is arranged in a honeycomb shape.
請求項1から請求項10までのいずれか1項に記載の半導体発光素子において、
前記複数の凸形状部は、
ハニカム状に配置されていること
を特徴とする半導体発光素子。
The semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein:
The plurality of convex shaped portions,
A semiconductor light emitting device, which is arranged in a honeycomb shape.
請求項1から請求項11までのいずれか1項に記載の半導体発光素子において、
前記下地層を支持する基板を有し、
前記基板は、
凹凸形状部を有すること
を特徴とする半導体発光素子。
The semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein:
A substrate supporting the underlayer,
The substrate is
A semiconductor light emitting device having an uneven portion.
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