JP3723843B2

JP3723843B2 - 半導体発光素子及び半導体発光素子の製造方法

Info

Publication number: JP3723843B2
Application number: JP2001278057A
Authority: JP
Inventors: 一博羽根; 義明金森
Original assignee: Tohoku University NUC
Current assignee: Tohoku University NUC
Priority date: 2001-09-13
Filing date: 2001-09-13
Publication date: 2005-12-07
Anticipated expiration: 2021-09-13
Also published as: JP2003086835A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体発光素子及び半導体発光素子の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年においては、小型、軽量、及び長寿命などの長所を有する発光ダイオード（ＬＥＤ）などの半導体発光素子の社会的要求が高まっており、これに伴いＬＥＤの高輝度化及び高効率化の要求も高まっている。
【０００３】
図１は、従来のダブルヘテロ構造のＬＥＤの一例を示す構成図である。図１に示すＬＥＤ１０においては、ｐ−ＧａＡｌＡｓなどからなる基板１上に、同じくｐ−ＧａＡｌＡｓなどからなる第１の半導体層２及びｎ−ＧａＡｌＡｓなどからなる第２の半導体層３が順次に形成されている。そして、基板１の裏面にはＡｕＺｎなどからなる第１の電極４が形成され、第２の半導体層３上にはＡｕＳｎなどからなる第２の電極５が形成されている。基板１、第１の半導体層２、及び第２の半導体層３は多層積層構造８を構成する。
【０００４】
第１の半導体層２は発光層として機能し、基板１及び第２の半導体層３は前記発光層に対する導電層として機能する。また、第２の半導体層３の上面は発光面６を構成する。第１の電極４及び第２の電極５間に所定の電圧が印加されると、基板１及び第２の半導体層３を通じて第１の半導体層２に電流が流れ、これを励起することにより発光を生ぜしめる。
【０００５】
このとき、例えば第１の半導体層２の中心部分で生成された光は、図１中の矢印で示すような反射や電極による吸収を繰り返した後、臨界角θｃ内に至ることによって、発光面６から外部へ取り出される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
図１において、ＬＥＤ１０の外部に位置する大気の屈折率ｎ１は約１．０であり、発光面６を構成する第２の半導体層３の屈折率ｎ２は、例えばＧａＡｌＡｓから構成した場合約３．５である。また、臨界角θｃは、θｃ＝ｓｉｎ^−１（ｎ１／ｎ２）で表されるため、上述したように屈折率ｎ１及びｎ２の差が大きくなると臨界角θｃが減少してしまう。この結果、発光面６からの光の透過率が劣化してしまい、光取り出し効率が極めて低下してしまうという問題があった。
【０００７】
かかる問題点に鑑み、多層積層構造８と第２の電極５との間に反射防止膜を設けることが試みられているが、このような反射防止膜に用いる材料が極めて限定されてしまうとともに、極めて狭い発光波長に対してしか用いることができなかった。その結果、十分な透過率を実現することができず、光取り出し効率の向上も限られていた。
【０００８】
本発明は、半導体発光素子を構成する複数の半導体層からなる多層積層構造で生成された光に対する透過率を向上させ、光の高い取り出し効率を得ることを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成すべく、本発明は、複数の半導体層からなる多層積層構造を含む半導体発光素子であって、前記多層積層構造の発光面上に、前記多層積層構造より発せられる光の波長よりも短い周期で、格子状に配置された複数の凸部よりなる反射防止フィルタを具えるとともに、前記反射防止フィルタによって、前記光が取り出される外部の屈折率と前記多層積層構造の、前記発光面を構成する半導体層の屈折率との差が連続的に変化するようにしたことを特徴とする、半導体発光素子に関する。
【００１０】
本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討を行なった。その結果、従来の半導体発光素子を構成する発光面上に、上述した特徴を有する反射防止フィルタを設けることにより上記目的を達成できることを見出した。すなわち、上述した反射防止フィルタを設けることにより、前記多層積層構造の前記発光面を構成する半導体層の屈折率と、半導体発光素子外部の大気の屈折率との差を補完し、さらに、前記半導体層の前記屈折率と前記大気の屈折率との間で、その積層方向において連続的に変化し、両者の屈折率差が滑らかに整合する任意の屈折率空間が形成される。
【００１１】
このため、前記半導体発光素子の前記発光面における実質的な臨界角が増大する。そして、前記半導体発光素子内で生成された光の、前記発光面からの透過率も増大し、結果として光取り出し効率も向上し、本発明の目的を実現することができる。
【００１２】
なお、このような反射防止フィルタは、従来の反射防止膜などに比較して、材料の選択性が高く、広範囲の発光波長に対して適用することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を発明の実施の形態に基づいて詳細に説明する。
図２は、本発明の半導体発光素子の一例を示す構成図である。なお、図２においては本発明の特徴を明確にすべく、実際の構成とは異なるように描いている。
【００１４】
図２に示す半導体発光素子２０は、ｐ−ＧａＡｌＡｓなどからなる基板１１上において、同じくｐ−ＧａＡｌＡｓなどからなる第１の半導体層１２及びｎ−ＧａＡｌＡｓなどからなる第２の半導体層１３を順次に具えている。そして、基板１１の裏面にはＡｕＺｎなどからなる第１の電極１４が形成され、第２の半導体層１３上にはＡｕＳｎなどからなる第２の電極１５が形成され、ダブルへテロ構造のＬＥＤを構成している。
【００１５】
基板１１、第１の半導体層１２、及び第２の半導体層１３は多層積層構造１８を構成する。第１の半導体層１２は発光層として機能し、基板１１及び第２の半導体層１３は前記発光層に対する導電層として機能する。
【００１６】
第２の半導体層１３は中央部が凹んで形成されており、前記凹部内の底面が発光面１６として機能する。また、発光面１６上には反射防止フィルタ１７が形成されている。この反射防止フィルタ１７は、横方向に周期Ｔ１、縦方向に周期Ｔ２で格子状に配置された複数の凸部から構成されている。なお、以下に示す本発明の半導体発光素子の製造方法に起因して、前記複数の凸部、すなわち反射防止フィルタ１７は、第２の半導体層１３と同一の半導体材料、例えばｐ−ＧａＡｌＡｓから構成されている。
【００１７】
本発明においては、反射防止フィルタ１７を構成する格子状に配置された複数の凸部の周期Ｔ１及びＴ２が、多層積層構造１８の発光面１６より発せられる光の波長よりも短いことが必要である。これによって、半導体発光素子２０から光を取り出す外部（大気）の屈折率ｎ１と、発光面１６を構成する第２の半導体層１３の屈折率ｎ２との差を補完し、これら屈折率差を滑らかに整合する任意の屈折率空間を形成することができる。
【００１８】
図３は、図２に示す本発明に半導体発光素子２０の、積層方向における屈折率変化を示す概念図であり、図４は、図１に示す従来の半導体発光素子１０の、積層方向における屈折率変化を示す図である。図３に示すように、本発明に従った図２の半導体発光素子２０においては、反射防止フィルタ１７によって第２の半導体層１３の屈折率ｎ２と外部（大気）の屈折率ｎ１との屈折率差を埋めるように、積層方向に向けて連続的に変化した屈折率空間が形成される。
【００１９】
これに対して、図４に示すように、反射防止フィルタを有しない従来の半導体発光素子１０においては、第２の半導体層１３から外部（大気）に向けて屈折率がステップ状に急峻に変化するようになる。
【００２０】
したがって、上述したように、従来の半導体発光素子１０においては、発光面６に対する臨界角θｃが小さくなってしまうのに対し、本発明に従った半導体発光素子２０においては、外部（大気）に対する屈折率変化が小さいために、発光面１６に対する実質的な臨界角が増大する。この結果、発光面１６の透過率が増大し、外部（大気）への光取り出し効率も増大する。
【００２１】
なお、反射防止フィルタ１７を構成する複数の凸部の周期Ｔ１及びＴ２は、異なっていても良いが、通常は作製工程を簡易化するために実質上同一にする。
【００２２】
また、反射防止フィルタ１７の高さｈは、１００ｎｍ〜４００ｎｍであることが好ましく、さらには２００ｎｍ〜４００ｎｍであることが好ましい。これによって、可視光域にあるほとんど統べての光に対して、反射防止フィルタとして機能することができ、上述した作用効果をより顕著に出現させることができる。なお、高さｈの下限は主として現状の微細加工技術によって制限されている。
【００２３】
さらに、反射防止フィルタ１７を構成する複数の凸部の周期Ｔ１及びＴ２は、発光面１６より発せられる光の波長よりも短ければ特には限定されないが、統べての可視光域の光に対処すべく１００ｎｍ〜４００ｎｍの範囲に設定する。これによって反射防止フィルタ１７の作製を簡易に行なうことができるとともに、広範囲の発光波長に対して上述した作用効果を生ぜしめることができる。
【００２４】
なお、第１の半導体層１２及び第２の半導体層１３の厚さなどについては、これら各層の組成や成膜技術、目的とする物理特性などに依存して任意に形成することができる。
【００２５】
次に、図２に示す半導体発光素子２０の製造方法について説明する。図５〜図１０は、半導体発光素子２０の製造工程を説明するための断面図である。なお、これらの図面においては、半導体発光素子２０のＡ−Ａ線を含む断面において半導体発光素子が順次に形成される様子を示している。
【００２６】
最初に、図５に示すように、基板１１上において第１の半導体層１２及び第２の半導体層１３を、ＣＶＤ法やエピタキシャル成長法など公知の成膜技術を用いて形成する。次いで、図６に示すように、基板１１の裏面に第１の電極１４を形成し、第２の半導体層１３上に第２の電極１５を形成する。次いで、図７に示すように、第２の半導体層１３上に、第２の電極１５を覆うようにして電子線レジスト膜２１をスピンコート法などによって、例えば厚さ０．１μｍ〜０．４μｍに形成する。
【００２７】
次いで、図８に示すように、レジスト膜２１に対して電子線描画処理を行ない、その後現像処理を施すことにより、レジストパターン２２を形成する。次いで、図９に示すように、所定のエッチングガスを用い、レジストパターン２２を介してエッチング処理を施すことにより、第２の半導体層１３を直接的にエッチング処理し、反射防止フィルタ１７を形成する。次いで、図１０に示すように、残留したレジストパターン２２を有機溶剤などを用いて除去することにより、反射防止フィルタ１７を有する半導体発光素子２０を得る。
【００２８】
上記エッチング処理においては、前記所定のエッチングガスを放電により原子状に分解し、これによって得た原子状のエッチング種を用いて行なうことが好ましい。これによって、第２の半導体層１３のエッチング処理をより効果的に行なうことができ、上述した高さｈを有する反射防止フィルタ１７を短時間で得ることができる。
【００２９】
また、前記エッチングガスをエッチング特性の異なる複数のハロゲンガスから構成し、これら複数のハロゲン系ガスを交互に用いて行なうことが好ましい。例えば、ＳＦ_６ガス及びＣｌ_２ガスを交互に用いて行なう。ＳＦ_６ガスは横方向のエッチング特性に優れ、Ｃｌ_２ガスは深さ方向のエッチング特性に優れる。したがって、両者を併用し、これらを交互に用いてエッチング処理を行なうことにより、反射防止フィルタとして十分に機能する、アスペクト比に優れた複数の凸部を簡易に形成することができる。
【００３０】
なお、複数の凸部のアスペクト比が小さいと、これらは実質的に格子状に配置されないことになり、反射防止フィルタとして機能しなくなる場合がある。
【００３１】
また、ＳＦ_６ガス及びＣｌ_２ガスなど複数のハロゲン系ガスを用いる場合においても、これらを放電により原子状に分解して形成されたエッチング種として用いることが好ましいが、原子状に分解する放電条件はガス毎に異なる。
【００３２】
【実施例】
本実施例においては、図５〜図１０に示す工程に従って、図２に示すような半導体発光素子２０を作製した。なお、基板１１はｐ−ＧａＡｌＡｓから構成するとともに、第１の半導体層１２は厚さ０．３５μｍのｐ−ＧａＡｌＡｓから構成した。また、第２の半導体層１３は厚さ１６０μｍのｎ−ＧａＡｌＡｓから構成した。また、レジスト膜２１の厚さは０．４μｍとした。
【００３３】
さらに、エッチングパターンを介しての第２の半導体層１３のエッチングは、ＳＦ_６ガス及びＣｌ_２ガスを、ＳＦ_６ガス、Ｃｌ_２ガス、ＳＦ_６ガスの順に用い、３段階で実施した。なお、これらエッチングガスは、放電により原子状に分解させて使用した。
【００３４】
図１１は、このようにして形成した反射防止フィルタ１７の一部を示すＳＥＭ写真である。図１１から明らかなように、反射防止フィルタ１７は、格子状に配置された複数の凸部から形成されていることが分かる。また、複数の凸部の配置周期は、横方向及び縦方向共に約２００ｎｍであり、高さは約２７５ｎｍであることが分かる。
【００３５】
図１２は、上述のようにして作製した半導体発光素子２０の相対発光強度を示すグラフである。図１２において、角度０度は発光面１６に垂直な方向（法線方向）を示し、角度が大きくなるにつれて発光面１６に対する法線方向から発光面１６に向けて傾斜することを示している。なお、相対強度は、反射防止フィルタを介して出力された光の強度を、反射防止フィルタを介さずに出力された光の強度で除したものである。
【００３６】
図１２から明らかなように、測定角度の４０度程度まで均一に光が出力されており、発光面１６に対する実質的な臨界角は少なくとも４０度程度の値を示すことが分かる。さらに、図１に示すような従来のＧａＡｌＡｓからなる半導体発光素子の臨界角θｃが約１６度程度であることを考慮すると、本実施例において得た半導体発光素子２０は約２倍以上の実質的な臨界角を有することが分かる。
【００３７】
図１３は、上記半導体発光素子の発光スペクトル（実線）を示すグラフである。なお、同一の条件で作製した反射防止フィルタを有しない半導体発光素子の発光スペクトル（点線）も合わせて示す。
【００３８】
図１３から明らかなように、反射防止フィルタを有する本実施例の半導体発光素子は、反射防止フィルタを有しないものに比較して、約３０％発光強度が増大している。すなわち、発光面１６における透過率が増大し、光取り出し効率が増大していることが分かる。さらに、本実施例の半導体発光素子では、ピーク波長の半値幅も増大しており、広波長帯域において好適に用いることが可能であることが分かる。
【００３９】
以上、具体例を挙げながら発明の実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明してきたが、本発明は上記内容に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいて、あらゆる変形や変更が可能である。
【００４０】
例えば、上記においては、第２の半導体層１３を直接的にエッチングすることによって反射防止フィルタ１７を作製したが、第２の半導体層１３上に追加の層を形成し、この層に対してエッチング処理を施すことによって、第２の半導体層１３と別体で作製することもできる。
【００４１】
また、レジストパターン２１を作製する際に、電子線描画処理に代えてレーザ干渉法やステッパーを用いて行なうことができる。さらに、反射防止フィルタ１７を構成する凸部はテーパー状を呈するが、その他の任意の形状を有することができる。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、発光面の実質的な臨界角を増大させて発光波長の透過率を向上させ、光取り出し効率に優れた半導体発光素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の半導体発光素子の一例を示す構成図である。
【図２】本発明の半導体発光素子の一例を示す斜視図である。
【図３】本発明の半導体発光素子における、積層方向の屈折率変化を示す概念図である。
【図４】従来の半導体発光素子における、積層方向の屈折率変化を示す概念図である。
【図５】本発明の半導体発光素子の製造方法における一工程を示す断面図である。
【図６】図５に示す工程の次の工程を示す断面図である。
【図７】図６に示す工程の次の工程を示す断面図である。
【図８】図７に示す工程の次の工程を示す断面図である。
【図９】図８に示す工程の次の工程を示す断面図である。
【図１０】図９に示す工程の次の工程を示す断面図である。
【図１１】本発明の半導体発光素子の反射防止フィルタの一部を示すＳＥＭ写真である。
【図１２】本発明の半導体発光素子の相対発光強度を示すグラフである。
【図１３】本発明の半導体発光素子の発光スペクトルを示すグラフである。
【符号の説明】
１、１１基板
２、１２第１の半導体層
３、１３第２の半導体層
４、１４第１の電極
５、１５第２の電極
６、１６発光面
８、１８多層積層構造
１０、２０半導体発光素子
１７反射防止フィルタ

Claims

複数の半導体層からなる多層積層構造を含む半導体発光素子であって、前記多層積層構造の発光面上に、前記多層積層構造より発せられる光の波長よりも短い周期で、格子状に配置された複数の凸部よりなる反射防止フィルタを具えるとともに、前記反射防止フィルタによって、前記光が取り出される外部の屈折率と前記多層積層構造の、前記発光面を構成する半導体層の屈折率との差が連続的に変化するようにしたことを特徴とする、半導体発光素子。
前記反射防止フィルタは、前記多層積層構造の、前記発光面を構成する前記半導体層と同一の半導体材料から構成されていることを特徴とする、請求項１に記載の半導体発光素子。
前記反射防止フィルタを構成する前記複数の凸部の高さが１００ｎｍ〜４００ｎｍであることを特徴とする、請求項１又は２に記載の半導体発光素子。
前記反射防止フィルタを構成する前記複数の凸部の格子状周期が１００ｎｍ〜４００ｎｍであることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一に記載の半導体発光素子。
複数の半導体層からなる多層積層構造を形成する工程と、
前記多層積層構造の発光面上に電子線レジスト膜を形成する工程と、
前記レジスト膜を電子線描画し、現像することにより所定のレジストパターンを形成する工程と、
前記レジストパターンを介して前記多層積層構造の、前記発光面を構成する半導体層をエッチングして、前記多層積層構造より発せられる光の波長よりも短い周期で格子状に配置され、前記光が取り出される外部の屈折率と前記多層積層構造の、前記発光面を構成する半導体層の屈折率との差が連続的に変化するようにして反射防止フィルタを形成する工程と、
を含むことを特徴とする、半導体発光素子の製造方法。
前記多層積層構造の、前記発光面を構成する前記半導体層のエッチングは、エッチングガスを放電により原子状に分解してなる原子状のエッチング種を用いて行なうことを特徴とする、請求項５に記載の半導体発光素子の製造方法。
前記エッチングガスはエッチング特性の異なる複数のハロゲン系ガスからなり、前記エッチングは前記複数のハロゲン系ガスを交互に用いて行なうことを特徴とする、請求項６に記載の半導体発光素子の製造方法。
前記複数のハロゲン系ガスは、ＳＦ_６ガス及びＣｌ_２ガスから構成されることを特徴とする、請求項７に記載の半導体発光素子の製造方法。
前記反射防止フィルタは、前記多層積層構造の、前記発光面を構成する前記半導体層と同一の半導体材料から構成されていることを特徴とする、請求項５〜８のいずれか一に記載の半導体発光素子の製造方法。
前記反射防止フィルタを構成する前記複数の凸部の高さが１００ｎｍ〜４００ｎｍであることを特徴とする、請求項５〜９のいずれか一に記載の半導体発光素子の製造方法。
前記反射防止フィルタを構成する前記複数の凸部の格子状周期が１００ｎｍ〜４００ｎｍであることを特徴とする、請求項５〜１０のいずれか一に記載の半導体発光素子の製造方法。