JP4481894B2 - Semiconductor light emitting device and manufacturing method thereof - Google Patents

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Description

本発明は、発光ダイオードや半導体レーザ等の半導体発光装置に係わり、特に光取り出し部分の改良をはかった半導体発光装置及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a semiconductor light emitting device such as a light emitting diode or a semiconductor laser, and more particularly to a semiconductor light emitting device with an improved light extraction portion and a method for manufacturing the same.

半導体発光素子を構成する化合物半導体は屈折率が非常に高く、この種の半導体を用いた発光素子は、表面及び界面での反射による光の損失の問題が生じている。このため、素子内部で発生した光を外部に効率良く取り出すことが困難である。例えば、ガリウムリン(GaP)などの化合物の屈折率は3.2〜3.5程度もあり、全反射のため光の19%程度しか取り出すことができない。   A compound semiconductor constituting a semiconductor light emitting device has a very high refractive index, and a light emitting device using this type of semiconductor has a problem of light loss due to reflection at the surface and interface. For this reason, it is difficult to efficiently extract light generated inside the element to the outside. For example, a compound such as gallium phosphide (GaP) has a refractive index of about 3.2 to 3.5, and only about 19% of light can be extracted due to total reflection.

その対策として一般に、半導体発光素子の表面に反射防止膜として屈折率1.5程度の単層膜を形成することが行われている。しかしながら、この種の発光素子では発光表面と単層膜の屈折率差が比較的大きいことから、充分であるとはいえない。   As a countermeasure, a single layer film having a refractive index of about 1.5 is generally formed as an antireflection film on the surface of a semiconductor light emitting device. However, this type of light emitting device is not sufficient because the difference in refractive index between the light emitting surface and the single layer film is relatively large.

光の取り出し効率を上げるために、発光素子の表面にナノメートルサイズの規則的構造(凹凸)を形成して高透過することが検討されている(例えば、非特許文献1参照)。凹凸がナノメートルサイズであることから、光は凹凸領域を屈折率が半導体表面から空気まで滑らかに変化する層と感じるようになる。そのため、反射は無くなり光は完全に透過することになる。しかしながら、この構造は凹凸領域の形状によって光取り出し効率が大きく変わり、十分な効果が得られていないのが現状である。   In order to increase the light extraction efficiency, it has been studied to form a nanometer-sized regular structure (unevenness) on the surface of the light-emitting element and to transmit the light with high efficiency (see, for example, Non-Patent Document 1). Since the unevenness is nanometer size, light feels the uneven region as a layer whose refractive index smoothly changes from the semiconductor surface to the air. As a result, there is no reflection and the light is completely transmitted. However, in this situation, the light extraction efficiency greatly varies depending on the shape of the uneven region, and a sufficient effect is not obtained at present.

また、上記の反射防止効果がある規則的構造は、ナノメートルサイズのため最新のエキシマレーザーを用いた光リソグラフィでさえ限界に近い値であるため、電子ビームによる描画・エッチング等で作製しなければならない。このため、製造コストは高く、生産性も悪く実用的ではない。さらに、規則的構造をナノメートルサイズで作製しなくてはならないことから、プロセスに対する余裕度が低い。   In addition, the above-mentioned regular structure having an antireflection effect is close to the limit even in the optical lithography using the latest excimer laser because of the nanometer size, so it must be prepared by drawing / etching with an electron beam. Don't be. For this reason, manufacturing cost is high, productivity is poor, and it is not practical. Furthermore, since the regular structure must be fabricated in nanometer size, the margin for the process is low.

なお、発光素子の表面にナノメートルサイズの構造を形成するために、ミクロ相分離構造を自己組織的に形成する樹脂組成物を用いて形成し、表面に形成されたミクロ相分離構造の少なくとも一方の相を選択的に除去し、残りをエッチングマスクに用いて表面をエッチングする方法がある(例えば、特許文献1参照)。さらに、発光表面を粗面化する技術として、塩酸,硫酸,過酸化水素,若しくはこれらの混合液で表面処理をして、粗面化する技術が知られている(例えば、特許文献2参照)。ミクロンサイズの凹凸を形成することにより、凹凸での光の多重散乱を利用して光を多く取り出す方法である。   In addition, in order to form a nanometer-sized structure on the surface of the light emitting element, at least one of the micro phase separation structures formed on the surface is formed using a resin composition that forms a micro phase separation structure in a self-organized manner. There is a method of selectively removing the phase and etching the surface using the remaining as an etching mask (see, for example, Patent Document 1). Furthermore, as a technique for roughening the light emitting surface, a technique for roughening the surface by performing surface treatment with hydrochloric acid, sulfuric acid, hydrogen peroxide, or a mixture thereof is known (for example, see Patent Document 2). . In this method, a large amount of light is extracted by using multiple scattering of light on the unevenness by forming micron-size unevenness.

しかしながら、これらの方法は、基板の結晶性の影響を受け、露出面方位により粗面化できる面とできない面が発生する。このため、常に光取り出し面が粗面化できるとは限らず、光取り出し効率の向上には制約があった。また、凹凸の形状によって光取り出し効率が大きく変化し、如何なる形状が望ましいか分かっていないのが現状であった。
特開2003−258296号公報 特開2000−299494号公報 Applied Physics Letters,142,vol78,2001,Jpn.J.Appl.Phys.,L735,vol39,2000
However, these methods are affected by the crystallinity of the substrate, and a surface that can be roughened and a surface that cannot be roughened depending on the orientation of the exposed surface. For this reason, the light extraction surface cannot always be roughened, and the improvement of the light extraction efficiency is limited. In addition, the light extraction efficiency varies greatly depending on the shape of the unevenness, and it is currently unknown what shape is desirable.
JP 2003-258296 A JP 2000-299494 A Applied Physics Letters, 142, vol78,2001, Jpn.J.Appl.Phys., L735, vol39,2000

このように従来、光取り出し効率の向上をはかるために半導体発光素子の表面に微細な凹凸構造を形成する方法が検討されているが、凹凸構造の最適形状が分からず十分な効果は得られていないのが現状である。また、発光素子の表面に微細な凹凸構造を再現性良く形成するのは極めて困難であった。   As described above, in order to improve the light extraction efficiency, a method for forming a fine concavo-convex structure on the surface of a semiconductor light emitting element has been studied. However, the optimum shape of the concavo-convex structure is not known, and a sufficient effect has been obtained. There is no current situation. In addition, it is extremely difficult to form a fine uneven structure on the surface of the light emitting element with good reproducibility.

本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その目的とするところは、発光素子の光取り出し面に適切な凹凸構造を形成することにより、素子内部で発生した光を高効率で外部に取り出すことができ、発光効率の向上をはかり得る半導体発光装置を提供することにある。   The present invention has been made in consideration of the above circumstances, and the object of the present invention is to form an appropriate concavo-convex structure on the light extraction surface of the light-emitting element, so that the light generated inside the element can be efficiently externalized. It is an object of the present invention to provide a semiconductor light emitting device that can be taken out easily and can improve luminous efficiency.

また、本発明の他の目的は、上記の半導体発光装置を安い製造コストで、且つ高い生産性をもって実現する半導体発光装置の製造方法を提供することにある。   Another object of the present invention is to provide a method for manufacturing a semiconductor light emitting device that realizes the above semiconductor light emitting device with low manufacturing cost and high productivity.

上記課題を解決するために本発明は、次のような構成を採用している。   In order to solve the above problems, the present invention adopts the following configuration.

即ち、本発明の一態様は、半導体発光素子の光取り出し面に複数の凸構造が形成された半導体発光装置であって、前記凸構造は、前記光取り出し面から順に、屈折率勾配構造を成す円錐状のメサ部、回折格子構造を成す円柱部、屈折率勾配構造を成す円錐部の3つの構造を有し、前記凸構造の間隔が、発光波長の1/(外部媒質の屈折率+基板の屈折率)より大きく1倍以下の範囲であり、前記円柱部の円相当平均直径は該メサ部の下底部の円相当平均直径の1/3から9/10倍の範囲であり、前記凸構造の平均高さは発光波長の0.6から1.5倍の範囲であり、前記メサ部の上頂部の円相当平均直径は前記円柱部の円相当平均直径と同等であり、前記円柱部の平均高さは発光波長の3/10から1倍の範囲である該メサ部の下底部の円相当平均直径は発光波長の1/(外部媒質の屈折率+基板の屈折率)より大きく1倍の範囲であり、前記メサ部の平均高さは発光波長の1/10から1/5の範囲であり、前記円錐部の下底部の円相当平均直径は前記円柱部の円相当平均直径と同等であり、前記円錐部の平均高さは発光波長の1/10から1倍の範囲であることを特徴とする。   That is, one embodiment of the present invention is a semiconductor light emitting device in which a plurality of convex structures are formed on a light extraction surface of a semiconductor light emitting element, and the convex structures form a refractive index gradient structure in order from the light extraction surface. It has three structures: a conical mesa part, a cylindrical part forming a diffraction grating structure, and a conical part forming a refractive index gradient structure, and the interval between the convex structures is 1 / (refractive index of external medium + substrate Greater than or equal to the refractive index of the cylindrical portion, and the circle equivalent average diameter of the cylindrical portion is in the range of 1/3 to 9/10 times the circle equivalent average diameter of the lower bottom portion of the mesa portion. The average height of the structure is in the range of 0.6 to 1.5 times the emission wavelength, and the circle-equivalent average diameter at the top of the mesa portion is equal to the circle-equivalent average diameter of the cylindrical portion, and the cylindrical portion The average height of the mesa is in the range of 3/10 to 1 times the emission wavelength. This average diameter is larger than 1 / (the refractive index of the external medium + the refractive index of the substrate) of the emission wavelength and is in the range of 1 time, and the average height of the mesa is in the range of 1/10 to 1/5 of the emission wavelength. The circle equivalent average diameter of the lower bottom portion of the cone portion is equal to the circle equivalent average diameter of the cylindrical portion, and the average height of the cone portion is in the range of 1/10 to 1 times the emission wavelength. It is characterized by.

なお、ここで基板の屈折率とは、発光素子を構成する半導体基板の屈折率のことであり、外部媒質の屈折率とは、半導体素子の外側に存在する発光素子の封止材料のことであり、封止をしない場合は空気などの屈折率である。   Here, the refractive index of the substrate is the refractive index of the semiconductor substrate constituting the light emitting element, and the refractive index of the external medium is the sealing material of the light emitting element existing outside the semiconductor element. Yes, it is the refractive index of air etc. when not sealed.

また、本発明の別の一態様は、上記の半導体発光素子の製造方法であって、前記光取り出し面上に円形パターンを周期的に配列したマスクを形成する工程と、前記マスクを用いて反応性イオンエッチング法により、前記光取り出し面を成す光放射側最外層又は無機光透過性層を選択的にエッチングすることによって、前記凸構造の円柱部を形成する工程を有することを特徴とする。   According to another aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing the above semiconductor light emitting device, the step of forming a mask in which circular patterns are periodically arranged on the light extraction surface, and a reaction using the mask. A step of forming the cylindrical portion of the convex structure by selectively etching the light radiation side outermost layer or the inorganic light transmitting layer forming the light extraction surface by a reactive ion etching method.

さらに必要に応じて、前記マスクを除去した後に、不活性ガスを用いた物理エッチング法により前記光放射側最外層又は無機光透過性層をエッチングすることによって、前記円柱部の底部に前記メサ部を形成すると共に該円柱部の頂部に前記円錐部を形成する工程と、を含むことを特徴とする。なお、不活性ガスを用いた物理エッチング法としては、He,Ar,Neを用いたスパッタリングやイオンミリングなどがある。   Further, if necessary, after removing the mask, the mesa portion is formed on the bottom of the cylindrical portion by etching the light emission side outermost layer or the inorganic light transmitting layer by a physical etching method using an inert gas. And forming the conical portion at the top of the cylindrical portion. Note that physical etching methods using an inert gas include sputtering using He, Ar, and Ne, ion milling, and the like.

本発明によれば、半導体発光素子の光取り出し面に形成する複数の凸構造を、屈折率勾配構造(メサ部),回折格子構造(円柱部),及び屈折率勾配構造(円錐部)の3つの構造を有するものとし、各々の構造を最適化することにより、素子内部で発生した光を高効率で外部に取り出すことができ、発光効率の向上をはかることができる。より具体的には本発明の凸構造は、ナノメートルサイズの凸構造と比較して、屈折率勾配効果により反射を抑えられるだけでなく、回折格子構造を有するため、より広角入射の光を外部に取り出すことが可能になる。   According to the present invention, the plurality of convex structures formed on the light extraction surface of the semiconductor light-emitting element are three refractive index gradient structures (mesa portions), diffraction grating structures (cylindrical portions), and refractive index gradient structures (conical portions). By having two structures and optimizing each structure, light generated inside the element can be extracted to the outside with high efficiency, and light emission efficiency can be improved. More specifically, the convex structure of the present invention not only suppresses reflection by the refractive index gradient effect, but also has a diffraction grating structure, so that light having a wider angle of incidence is externally transmitted. It becomes possible to take out.

また本発明では、マスクを用いた反応性イオンエッチングと不活性ガスを用いた物理エッチングの2段階エッチング方法を採用することにより、上記の凸構造を有する半導体発光装置を安い製造コストで、且つ高い生産性をもって実現することができる。   Further, in the present invention, by adopting a two-step etching method of reactive ion etching using a mask and physical etching using an inert gas, a semiconductor light emitting device having the above convex structure can be manufactured at low cost and high cost. It can be realized with productivity.

発明の実施形態を説明する前に、本発明の原理について説明する。   Before describing embodiments of the invention, the principles of the present invention will be described.

本発明者らは、半導体発光素子における光取り出し効率を高めるために鋭意研究及び種々の実験を行った結果、光取り出し面に凸構造を形成し、この凸構造を最適化することにより、光取り出し効率が大幅に向上することを見出した。   As a result of earnest research and various experiments to improve the light extraction efficiency in the semiconductor light emitting device, the present inventors formed a convex structure on the light extraction surface, and optimized the convex structure, thereby extracting the light. It has been found that the efficiency is greatly improved.

図1は、本発明に係わる半導体発光装置の基本構成を示す図である。発光層13を有する面発光型の半導体発光素子基板10の光取り出し面側に、後述する3段構成の凸構造20が形成されている。   FIG. 1 is a diagram showing a basic configuration of a semiconductor light emitting device according to the present invention. A convex structure 20 having a three-stage structure, which will be described later, is formed on the light extraction surface side of the surface-emitting type semiconductor light emitting element substrate 10 having the light emitting layer 13.

光取り出し面は、発光素子基板10の光放射側最外層表面で一般に電流拡散層であり、この電流拡散層に凸構造20を形成することになる。電流拡散層上には部分的に電極が形成されているが、電極の形成されていない面が光取り出し面であり、この部分に凸構造20を形成することになる。また、電流拡散層上に該層と屈折率が同等の無機光透過性層を形成し、この無機光透過性層に凸構造20を形成してもよい。工程の簡便さや光取り出し効率の高さから、電流拡散層の電極を形成していない露出表面に直接、凸構造部20を形成した方がよい。   The light extraction surface is generally a current diffusion layer on the light emission side outermost layer surface of the light emitting element substrate 10, and the convex structure 20 is formed in the current diffusion layer. An electrode is partially formed on the current diffusion layer, but the surface where the electrode is not formed is a light extraction surface, and the convex structure 20 is formed in this portion. Alternatively, an inorganic light transmissive layer having a refractive index equivalent to that of the layer may be formed on the current diffusion layer, and the convex structure 20 may be formed on the inorganic light transmissive layer. Due to the simplicity of the process and the high light extraction efficiency, it is better to form the convex structure portion 20 directly on the exposed surface where the electrode of the current diffusion layer is not formed.

凸構造20は、図2に示すように、底辺部から頂点に向かって順に、屈折率勾配構造を成すメサ部21、回折格子構造を成す円柱部22、屈折率勾配構造を成す円錐部23の3つの構造を備えている。   As shown in FIG. 2, the convex structure 20 includes, in order from the bottom to the apex, a mesa portion 21 forming a refractive index gradient structure, a cylindrical portion 22 forming a diffraction grating structure, and a conical portion 23 forming a refractive index gradient structure. It has three structures.

凸構造20を構成する凸構造間隔Hは、発光波長の1/(外部媒質の屈折率+基板の屈折率)より大きく1倍以下の範囲である。ここで、外部媒質の屈折率<基板屈折率である。凸構造20の円柱部22の円相当平均直径Cは、凸構造20のメサ部21の下底部の円相当平均直径の1/3から9/10倍の範囲である。さらに、凸構造20の平均高さBは、発光波長の0.6から1.5倍の範囲である。   The convex structure interval H constituting the convex structure 20 is larger than 1 / (refractive index of the external medium + refractive index of the substrate) and not more than one time of the emission wavelength. Here, the refractive index of the external medium <the refractive index of the substrate. The circle equivalent average diameter C of the cylindrical portion 22 of the convex structure 20 is in the range of 1/3 to 9/10 times the circle equivalent average diameter of the lower bottom portion of the mesa portion 21 of the convex structure 20. Furthermore, the average height B of the convex structure 20 is in the range of 0.6 to 1.5 times the emission wavelength.

また、凸構造20を構成する3つの部分21,22,23の大きさ、高さは以下の通りである。   Further, the size and height of the three portions 21, 22, and 23 constituting the convex structure 20 are as follows.

(円柱部)
円柱部22の平均高さEは、発光波長の3/10から1倍の範囲である。
(Cylinder part)
The average height E of the cylindrical portion 22 is in the range of 3/10 to 1 times the emission wavelength.

(メサ部)
メサ部21の下底部の円相当平均直径Aは、発光波長の1/(外部媒質の屈折率+基板の屈折率)より大きく1倍の範囲である。メサ部21の上頂部の円相当平均直径Cは、円柱部の円相当平均直径Cと同等である。メサ部21の平均高さDは、発光波長の1/10から1/5の範囲である。
(Mesa)
The circle-equivalent average diameter A at the lower bottom portion of the mesa portion 21 is larger than 1 / (refractive index of the external medium + refractive index of the substrate) and is in a range of one time. The circle-equivalent average diameter C at the top of the mesa portion 21 is equal to the circle-equivalent average diameter C of the cylindrical portion. The average height D of the mesa portion 21 is in the range of 1/10 to 1/5 of the emission wavelength.

(円錐部)
円錐部23の底辺部の円相当平均直径Fは円柱部22の上頂部と同等である。円錐部23の平均高さGは、発光波長の1/10から1倍の範囲である。
(Conical part)
The circle-equivalent average diameter F at the bottom side of the conical portion 23 is equal to the upper top portion of the cylindrical portion 22. The average height G of the conical portion 23 is in the range of 1/10 to 1 times the emission wavelength.

ここで、凸構造の間隔とは、凸構造の円錐部の頂点間距離と定義する。円柱部22及び円錐部23の底面の円相当平均直径Fは、2×(面積/π)0.5 で定義される。円柱部22及び円錐部23の定義は、円柱,円錐の底面の円形度係数が、0.6以上1以下の範囲内に規定されるものとする。円形度係数は、4π×面積/(周囲長)2 で定義され、この係数が0.6未満の場合、円柱,円錐の底面が殆ど円と見なすことはできず、円柱部又は円錐部とはいえない。ここで本発明では、円形度係数が0.6以上を実質的な円と見なし、この場合の円柱部又は円錐部の円相当平均直径とは、実質的な円の面積から、該円を真円に換算したときの直径を意味するものとする。 Here, the interval between the convex structures is defined as the distance between the apexes of the conical portion of the convex structure. The circle equivalent average diameter F of the bottom surface of the cylindrical portion 22 and the conical portion 23 is defined by 2 × (area / π) 0.5 . As for the definition of the cylindrical portion 22 and the conical portion 23, the circularity coefficient of the bottom surface of the circular column and the cone is defined within a range of 0.6 or more and 1 or less. The circularity coefficient is defined by 4π × area / (peripheral length) 2. When this coefficient is less than 0.6, the bottom surface of the cylinder or cone cannot be regarded as a circle. I can't say that. Here, in the present invention, a circularity coefficient of 0.6 or more is regarded as a substantial circle, and the equivalent circular average diameter of the cylindrical portion or the conical portion in this case is the true circle from the area of the substantial circle. It means the diameter when converted to a circle.

なお、本発明においては、光として可視光のみならず、紫外光についても、適用することができる。従って、上記の発光波長としては、300nm以上800nm以下の範囲とすることが適切であり、メサ部21の下底部の円相当平均直径の範囲は、300/(外部媒質の屈折率+基板の屈折率)nm以上800nm以下の範囲となる。   In the present invention, not only visible light but also ultraviolet light can be applied as light. Therefore, it is appropriate that the above-mentioned emission wavelength is in the range of 300 nm to 800 nm, and the range of the circle equivalent average diameter of the lower bottom portion of the mesa portion 21 is 300 / (refractive index of external medium + refractive index of substrate. Rate) in the range of nm to 800 nm.

本発明において、微細な凹凸を施す表面を、発光素子を構成する半導体層の光放射側最外層表面としたのは、発光素子からの光放射を効率的に外部に取り出すためには、光伝達経路を構成する複数の物質の接合界面において屈折率が大きく異なっている(例えば1.5以上異なっている)界面で、光の伝達損失が大きくなるため、その界面を構成する表面に微細な凹凸を設けるものである。この界面としては、発光素子を構成する半導体層と空気層との界面、或いは、発光素子を保護するためのプラスチックなどの保護膜を形成している場合には、半導体層と保護膜との界面などが挙げられる。   In the present invention, the surface on which fine irregularities are provided is the surface of the light emitting side outermost layer of the semiconductor layer constituting the light emitting element, in order to efficiently extract the light radiation from the light emitting element to the outside. Since the optical transmission loss increases at the interface where the refractive indexes are greatly different (for example, 1.5 or more different) at the bonding interface of a plurality of substances constituting the path, fine irregularities are formed on the surface constituting the interface. Is provided. As this interface, the interface between the semiconductor layer and the air layer constituting the light emitting element, or the interface between the semiconductor layer and the protective film when a protective film such as plastic for protecting the light emitting element is formed. Etc.

次に、本発明の凸構造20における凸構造の間隔、3つの部分21,22,23に関する寸法規定、更には製造方法の説明を行う。   Next, the spacing between the convex structures in the convex structure 20 of the present invention, the stipulation of dimensions regarding the three portions 21, 22, 23, and the manufacturing method will be described.

[凸構造間隔]
凸構造の間隔については、図15のような回折格子を考えると、スカラー理論による回折格子の式は、以下のように与えられる。

Figure 0004481894
[Convex structure spacing]
Regarding the spacing between the convex structures, when a diffraction grating as shown in FIG. 15 is considered, the equation of the diffraction grating based on the scalar theory is given as follows.
Figure 0004481894

ここで、n0 ,nsub ,θi ,θm ,λ,dはそれぞれ、外部媒質の屈折率,基板の屈折率(3.2で計算),入射角度,出射角度,波長,回折格子の間隔である。1次以上の回折が起こるためにはn0 <nsub (外部媒質の屈折率<基板屈折率)であり、mは回折次数であり、光取り出し向上に関係するのはm=−1である。ここでは、簡単のためにn0 =1(空気)、λ=600nmで計算した。(1)式から求めた−1次光の回折可能な入射角度の計算結果を下記の(表1)に示す。

Figure 0004481894
Here, n 0 , n sub , θ i , θ m , λ, and d are the refractive index of the external medium, the refractive index of the substrate (calculated in 3.2), the incident angle, the outgoing angle, the wavelength, and the diffraction grating, respectively. It is an interval. In order to cause diffraction of the first order or higher, n 0 <n sub (refractive index of external medium <substrate refractive index), m is the diffraction order, and m = −1 is related to the improvement of light extraction. . Here, for the sake of simplicity, calculation was performed with n 0 = 1 (air) and λ = 600 nm. The calculation result of the incident angle at which -1st order light can be diffracted obtained from the equation (1) is shown in the following (Table 1).
Figure 0004481894

この(表1)から、凸構造の間隔が100nmでは、回折は起こらないことが分かる。そのため、光取り出し向上は屈折率勾配効果分のみである。格子間隔が150,200nmでは広角入射で回折が起こり、200nmでは39°以上と広い範囲で回折が起こることが分かる。このことから、浅い角度の入射では屈折率勾配効果によって光取り出しが向上し、広角入射では回折効果より光取り出しが向上する。そのため、大幅な光取り出し向上が実現すると考えられる。(1)式から外部媒質が空気の場合、格子間隔が発光波長の1/(1+屈折率)より大きければ回折は起こる。更に格子間隔が大きくなると、−1次の回折角は浅い角度になり、波長と同程度の600nmでは回折する角度は38°内と狭くなる。しかし、600nmにおいても全反射角(19°)より広角の光を回折することから光取り出し向上は実現する。しかし、波長よりも大きいと−1次の回折角は更に浅い角度になり、光取り出しはあまり向上しないし、散乱の効果が出てきてしまいそれほど光取り出しは向上しなくなる。そのため、凸構造の間隔は1倍以下が望ましい。   From this (Table 1), it can be seen that diffraction does not occur when the distance between the convex structures is 100 nm. Therefore, the improvement in light extraction is only for the refractive index gradient effect. It can be seen that diffraction occurs at a wide angle incidence when the grating interval is 150,200 nm, and diffraction occurs at a wide range of 39 ° or more at 200 nm. For this reason, light extraction is improved by a refractive index gradient effect at a shallow angle incidence, and light extraction is improved by a diffraction effect at a wide angle incidence. Therefore, it is considered that significant light extraction improvement is realized. From the equation (1), when the external medium is air, diffraction occurs if the lattice spacing is larger than 1 / (1 + refractive index) of the emission wavelength. When the grating interval is further increased, the -1st order diffraction angle becomes shallow, and the diffraction angle becomes narrow within 38 ° at 600 nm, which is the same as the wavelength. However, even at 600 nm, light extraction is improved because light having a wider angle than the total reflection angle (19 °) is diffracted. However, if the wavelength is larger than the wavelength, the -1st order diffraction angle becomes a shallower angle, so that the light extraction is not improved so much, and the effect of scattering appears and the light extraction is not improved so much. Therefore, the interval between the convex structures is desirably 1 time or less.

[円柱部]
円柱部22の円相当平均直径は、メサ部21の下底部の円相当平均直径の1/3から4/5倍の範囲であり、メサ部21の上頂部の円相当平均直径Cと一致する。そうすることにより、メサ部21と円柱部22の界面での反射は起こらない。
[Cylinder part]
The circle equivalent average diameter of the cylindrical portion 22 is in the range of 1/3 to 4/5 times the circle equivalent average diameter of the lower bottom portion of the mesa portion 21 and coincides with the circle equivalent average diameter C of the top top portion of the mesa portion 21. . By doing so, reflection at the interface between the mesa portion 21 and the cylindrical portion 22 does not occur.

凹凸の大きさと間隔に関しての回折は、空間内に屈折率の濃淡(n1、n0)がある場合の散乱(回折)強度Is は、以下の式のように与えられる。

Figure 0004481894
Diffraction as to size and spacing of the irregularities, the scattering (diffraction) intensity I s in the case where there is shading (n1, n0) of the refractive index in the space is given by the following equation.
Figure 0004481894

(3)式のn0 2は微小角のみに関係があり、0と取り扱ってよい。よって(3)式を(2)式に代入すると以下のようになる。

Figure 0004481894
In formula (3), n 0 2 is related only to a small angle and may be handled as 0. Therefore, substituting equation (3) into equation (2) gives the following.
Figure 0004481894

積分の中身は凹凸の形状、大きさの因子であり、これを解くとどの角度にどの程度の光が出るか分かる。〈η2 av は凹凸の密度因子であり、この値が最大のとき散乱(回折)Is は最大となる。GaPの体積分率をφA 、空間の体積分率をφB とすると、〈η2 av は以下のように与えられる。

Figure 0004481894
The contents of the integral are factors of the shape and size of the irregularities, and by solving this, you can see how much light is emitted at which angle. <Η 2> av is the density factor of unevenness, scattering when this value is maximum (diffraction) I s is maximized. If the volume fraction of GaP is φ A and the volume fraction of space is φ B , <η 2 > av is given as follows.
Figure 0004481894

よって、Is はφA =φB =0.5で最大となる。 Thus, I s is the maximum φ A = φ B = 0.5.

これより、φA とφB の積によって回折効率が決まることが分かる。円相当平均直径は、メサ部21の下底部の円相当平均直径の0.7倍付近に極大があり、ここから離れること回折の効果が小さくなる。 From this, it can be seen that the diffraction efficiency is determined by the product of φ A and φ B. The circle-equivalent mean diameter has a maximum in the vicinity of 0.7 times the circle-equivalent mean diameter of the lower bottom portion of the mesa portion 21, and the effect of diffraction away from this becomes small.

また、メサ部21の上頂部の円相当平均直径Cは、下底部の9/10倍よりも大きいときや、1/3倍よりも小さい場合には、最適化された間隔に比べ回折の効果が1/5以下になってしまう。そのため、上頂部の円相当平均直径Cは、下底部の1/3から9/10倍の範囲が望ましい。これは以下のような理論から、決定される。   Further, when the circle-equivalent average diameter C of the upper top portion of the mesa portion 21 is larger than 9/10 times that of the lower bottom portion or smaller than 1/3 times, the effect of diffraction compared to the optimized interval. Becomes 1/5 or less. Therefore, the circle-equivalent average diameter C at the upper top is preferably in the range of 1/3 to 9/10 times that of the lower bottom. This is determined from the following theory.

円柱部22の平均高さEは、文献(Journal of Optical Society Of America,1385,vol72,No10,October,1982)を参照すると、光の波長の3/10以上が好ましいと見積もられる。これより小さいと、回折効果が殆どなくなってしまう。また、平均高さEは、1倍以下程度が望ましい。それ以上になってしまうと、逆に回折効率が落ちてしまうからである。   When the average height E of the cylindrical portion 22 is referred to a document (Journal of Optical Society Of America, 1385, vol72, No10, October, 1982), it is estimated that 3/10 or more of the wavelength of light is preferable. If it is smaller than this, the diffraction effect is almost lost. Further, the average height E is desirably about 1 time or less. This is because if it exceeds that, the diffraction efficiency will decrease.

[メサ部]
光の散乱を生じる表面構造において、表面構造体の大きさが大きい物ほど光に対して影響が大きく、その効果は大きさの2乗に比例する。そのため、メサ部21の下底部の円相当平均直径Aは、発光素子の発光光の波長の1/20以上であることが好ましい。円相当平均直径Aが、これより小さいとレイリー散乱領域を外れてしまい、凹凸の効果が急速に失われてしまう。より好ましい範囲は、光の波長の1/10程度以上である。メサ部は1/(外部屈折率+基板屈折率)より大きいとしているが、外部屈折率1.5、基板屈折率3.5の場合では、1/(1.5+3.5)=1/5となり、散乱が起こる領域に入っている。また、円相当平均直径Aが大きく光の波長以上になると、光が凹凸そのものの形を認識するようになるため、屈折率勾配の効果が失われてしまい好ましくない。さらに、円相当平均直径Aは、光が凹凸の形を認識しない大きさである光の波長と同程度以下が望ましい。
[Mesa part]
In the surface structure that causes light scattering, the larger the size of the surface structure, the greater the influence on the light, and the effect is proportional to the square of the size. Therefore, it is preferable that the circle equivalent average diameter A of the lower bottom part of the mesa part 21 is 1/20 or more of the wavelength of the emitted light of a light emitting element. If the circle-equivalent average diameter A is smaller than this, the Rayleigh scattering region is deviated, and the unevenness effect is rapidly lost. A more preferable range is about 1/10 or more of the wavelength of light. The mesa portion is assumed to be larger than 1 / (external refractive index + substrate refractive index), but in the case of the external refractive index 1.5 and the substrate refractive index 3.5, 1 / (1.5 + 3.5) = 1/5. And is in an area where scattering occurs. On the other hand, when the circle-equivalent average diameter A is larger than the wavelength of light, the light recognizes the shape of the unevenness itself, so that the effect of the refractive index gradient is lost. Furthermore, the circle-equivalent average diameter A is desirably less than or equal to the wavelength of light that is large enough for the light not to recognize the uneven shape.

メサ部21の平均高さDは光の波長の1/10以上が良い。これより小さいと、屈折率が非常に短い距離で変化することになり、屈折率勾配として効果がなくなってしまう。一方、平均高さDが高いと、特に広角で入射した光は円柱部22にまで届かず、反射して基板内に戻ってしまうため、円柱部22において回折効果を起こせなくなってしまう。そのため、平均高さDは、光の波長の1/5以下程度が望ましい。   The average height D of the mesa unit 21 is preferably 1/10 or more of the wavelength of light. If it is smaller than this, the refractive index changes at a very short distance, and the effect as a refractive index gradient is lost. On the other hand, when the average height D is high, light incident at a wide angle, in particular, does not reach the cylindrical portion 22 but is reflected and returned into the substrate, so that the diffraction effect cannot be generated in the cylindrical portion 22. For this reason, the average height D is preferably about 1/5 or less of the wavelength of light.

メサ部21の上頂部の円相当平均直径Cは、下底部の9/10倍よりも大きいと、屈折率勾配の効果が殆どなくなってしまい、反射が起こってしまう。一方、1/3倍よりも小さい場合には、円柱部22の間隔が開きすぎてしまうため回折の効果が弱くなくなってしまう。そのため、上頂部の円相当平均直径Cは、下底部の1/3から9/10の範囲が望ましい。   If the circle-equivalent average diameter C at the top of the mesa portion 21 is larger than 9/10 times that of the bottom portion, the effect of the refractive index gradient is almost lost and reflection occurs. On the other hand, when it is smaller than 1/3 times, the distance between the cylindrical portions 22 becomes too large, so that the diffraction effect is not weakened. Therefore, the circle-equivalent average diameter C at the upper top is preferably in the range of 1/3 to 9/10 of the lower bottom.

[円錐部]
円錐部23の底面の円相当平均直径Fは円柱部22の円相当平均直径と一致する。そうすることにより、円柱部22と円錐部23の界面での反射は起こらない。
[Cone]
The circle-equivalent average diameter F on the bottom surface of the conical part 23 matches the circle-equivalent average diameter of the cylindrical part 22. By doing so, reflection at the interface between the cylindrical portion 22 and the conical portion 23 does not occur.

円錐部23の平均高さGは光の波長の1/10以上が良い。これより小さいと、屈折率が非常に短い距離で変化することになり、屈折率勾配としての効果がなくなってしまう。一方、平均高さGがあまりに高いと、屈折率勾配の効果がなくなってしまう。そのため、平均高さGは1倍以下程度が望ましい。   The average height G of the conical portion 23 is preferably 1/10 or more of the wavelength of light. If it is smaller than this, the refractive index changes at a very short distance, and the effect as a refractive index gradient is lost. On the other hand, if the average height G is too high, the effect of the refractive index gradient is lost. Therefore, the average height G is desirably about 1 time or less.

(製造方法)
まず、上記の必要なパターンの大きさを作製する方法として、通常の光リソグラフィ露光装置や電子線描画装置を利用できる。また、本発明者らが開発したブロックコポリマーを用いたミクロ相分離構造を利用する方法がある(特開2001−151834号公報:以下特許文献3と記す)。その他に、ポリマービーズやシリカビーズ等をマスクとして作製する方法もある(Applied Physics Letters,2174,vol63,1993)。
(Production method)
First, a normal photolithographic exposure apparatus or electron beam drawing apparatus can be used as a method for producing the required pattern size. Further, there is a method using a microphase separation structure using a block copolymer developed by the present inventors (Japanese Patent Laid-Open No. 2001-151834: hereinafter referred to as Patent Document 3). In addition, there is a method in which polymer beads or silica beads are used as a mask (Applied Physics Letters, 2174, vol 63, 1993).

発光素子を構成する半導体層の光放射側最外層又は該層上に形成された無機光透過性層の表面に上述のマスクを形成して反応性イオンエッチング(RIE)により円柱状のパターンを形成する。その後、円柱状パターンに対してAr,He,Ne,Xe,O2 ,N2 ,CF4 ,CHF3 ,SF4 など、材料に対して化学的に不活性なガスを用いて円柱状パターンを物理的エッチングする。円柱状パターンに物理的エッチングを行うと、円柱の上面と円柱の無い下面がエッチングされ、自己的にメサ部、円錐部が形成される。このような2段階エッチング方法を採用することで、前記3つの構造部を作製することが可能である。 Form the above-mentioned mask on the light emitting side outermost layer of the semiconductor layer constituting the light emitting element or the surface of the inorganic light transmitting layer formed on the layer, and form a cylindrical pattern by reactive ion etching (RIE) To do. Thereafter, the cylindrical pattern is formed using a gas that is chemically inert to the material, such as Ar, He, Ne, Xe, O 2 , N 2 , CF 4 , CHF 3 , and SF 4. Physically etch. When physical etching is performed on the cylindrical pattern, the upper surface of the cylinder and the lower surface without the cylinder are etched, and a mesa portion and a cone portion are formed by itself. By adopting such a two-step etching method, it is possible to produce the three structural portions.

以下、本発明の詳細を図示の実施形態によって説明する。   The details of the present invention will be described below with reference to the illustrated embodiments.

[発光素子の構成]
本発明の発光素子は、発光ダイオード(LED)や半導体レーザ(LD)などの半導体発光素子である。
[Configuration of Light Emitting Element]
The light emitting device of the present invention is a semiconductor light emitting device such as a light emitting diode (LED) or a semiconductor laser (LD).

図3は、本発明の一実施形態に係わる発光ダイオードの素子構造を示す断面図である。   FIG. 3 is a cross-sectional view showing an element structure of a light emitting diode according to an embodiment of the present invention.

図中11はn型のGaP基板であり、この基板11上にn型InAlPクラッド層12、InGaP活性層13、p型InAlPクラッド層14などを含むヘテロ構造部が形成され、その上にp型のGaP電流拡散層15が形成されている。電流拡散層15上の一部にはp側電極16が形成され、基板11の裏面側にはn側電極17が形成されている。そして活性層13における発光光は、電流拡散層15の電極16を形成していない面から取り出すようになっている。   In the figure, reference numeral 11 denotes an n-type GaP substrate, on which a heterostructure part including an n-type InAlP cladding layer 12, an InGaP active layer 13, a p-type InAlP cladding layer 14 and the like is formed, and a p-type is formed thereon. The GaP current diffusion layer 15 is formed. A p-side electrode 16 is formed on a part of the current diffusion layer 15, and an n-side electrode 17 is formed on the back side of the substrate 11. The emitted light in the active layer 13 is extracted from the surface of the current diffusion layer 15 where the electrode 16 is not formed.

ここまでの基本構成は従来素子と実質的に同じであるが、これに加えて本実施形態では、電流拡散層15の電極を形成していない露出表面に微小な凹凸が形成されている。そして、この表面の凹凸が前述の凸構造20を有する表面となっている。また、図4に示すように、電流拡散層15の電極を形成していない露出表面に該層15と屈折率が同等の無機光透過性層18を形成し、この無機光透過性層18の表面に微小凹凸を形成するようにしてもよい。工程の簡便さや光取り出し効率の高さから、電流拡散層15の電極を形成していない露出表面に直接、微小凹凸を形成した方がよい。   Although the basic configuration so far is substantially the same as that of the conventional element, in addition to this, in this embodiment, minute irregularities are formed on the exposed surface of the current diffusion layer 15 where the electrode is not formed. And the unevenness | corrugation of this surface becomes the surface which has the above-mentioned convex structure 20. FIG. As shown in FIG. 4, an inorganic light-transmitting layer 18 having a refractive index equivalent to that of the layer 15 is formed on the exposed surface of the current diffusion layer 15 where the electrode is not formed. Fine irregularities may be formed on the surface. In view of the simplicity of the process and the high light extraction efficiency, it is better to form minute irregularities directly on the exposed surface of the current diffusion layer 15 where the electrode is not formed.

[発光素子の製造方法]
次に、このような発光素子の製造方法について説明する。
[Method for Manufacturing Light-Emitting Element]
Next, a method for manufacturing such a light emitting element will be described.

最初に、本発明者らが開発したブロックコポリマーを用いたミクロ相分離構造を利用する方法を述べておく(特許文献3参照)。   First, a method using a microphase separation structure using a block copolymer developed by the present inventors will be described (see Patent Document 3).

まず、図5(a)に示すように、n−GaP基板11上に活性層13をクラッド層12,14で挟んだダブルへテロ構造部を形成した後に、その上に電流拡散層15をエピタキシャル成長させ、電流拡散層15上の一部にp側電極16を、基板11の裏面側にn側電極17を形成する。ここまでの工程は従来と同じである。   First, as shown in FIG. 5 (a), after forming a double hetero structure portion with an active layer 13 sandwiched between cladding layers 12 and 14 on an n-GaP substrate 11, a current diffusion layer 15 is epitaxially grown thereon. The p-side electrode 16 is formed on a part of the current diffusion layer 15, and the n-side electrode 17 is formed on the back surface side of the substrate 11. The process so far is the same as the conventional process.

次いで、図5(a)に示す構造の発光素子基板10に対し、図5(b)に示すように、ミクロ相分離構造組成物であるブロックコポリマーを溶剤に溶解した溶液をスピンコートで塗布した後、プリベークして溶剤を気化することにより、マスク材料層31を形成する。続いて窒素雰囲気中でアニールを行い、ブロックコポリマーの相分離を行う。   Next, as shown in FIG. 5B, a solution obtained by dissolving a block copolymer, which is a microphase separation structure composition, in a solvent was applied to the light emitting element substrate 10 having the structure shown in FIG. 5A by spin coating. Thereafter, the mask material layer 31 is formed by pre-baking to evaporate the solvent. Subsequently, annealing is performed in a nitrogen atmosphere, and phase separation of the block copolymer is performed.

次いで、相分離したブロックコポリマー付き基板をエッチングガス流通下でRIEすることにより相分離した膜のブロックコポリマーをエッチングする。このとき、ブロックコポリマーを構成する複数のポリマーフラグメントのエッチング速度の差によりいずれかのポリマーフラグメントの相が選択的にエッチングされるため、図5(c)に示すように、微小なパターン32が残る。   Next, the block copolymer of the phase-separated film is etched by performing RIE of the phase-separated substrate with the block copolymer under an etching gas flow. At this time, since the phase of one of the polymer fragments is selectively etched due to the difference in the etching rate of the plurality of polymer fragments constituting the block copolymer, a minute pattern 32 remains as shown in FIG. .

次いで、図5(d)に示すように、エッチング除去されずに残ったポリマーフラグメントのパターン32をマスクにして、所要のエッチングガスによりRIEすると、電流拡散層15の表面に微細な凹凸パターンが形成される。使用するガスは、Cl2 のみではなく、BCl3 ,N2 を添加してもエッチングできる。この後、O2 アッシャーにより残ったポリマーフラグメントを除去することにより円柱形状の凹凸パターンが形成される。 Next, as shown in FIG. 5 (d), fine concavo-convex patterns are formed on the surface of the current diffusion layer 15 by performing RIE with a required etching gas using the polymer fragment pattern 32 left without being etched away as a mask. Is done. The gas used can be etched not only by Cl 2 but also by adding BCl 3 and N 2 . Thereafter, the polymer fragment remaining by the O 2 asher is removed to form a cylindrical concavo-convex pattern.

次いで、不活性ガス、例えばArガスやHeガスでスパッタリングすると、図5(e)に示すように、円柱の上底部と下底部がスパッタエッチングされ、前記図1及び図2に示す円錐+円柱+メサ部を有する凸構造20が得られる。   Next, when sputtering is performed with an inert gas, for example, Ar gas or He gas, as shown in FIG. 5E, the upper bottom portion and the lower bottom portion of the cylinder are sputter-etched, and the cone + cylinder + shown in FIG. 1 and FIG. A convex structure 20 having a mesa portion is obtained.

また、ポリマービーズとしてPS微粒子をマスクとして用いた製造方法についても述べておく。   A manufacturing method using PS fine particles as a polymer bead as a mask will also be described.

図6(a)に示すように、発光素子基板10は図5(a)と同じである。直径が200nmのPS粒子を単分散させた水溶液中に、図6(a)に示す構造の発光素子基板10を浸漬する。その後、基板10を徐々に引き上げる。引き上げの際に、基板表面と水溶液の表面と空気中の界面が存在する、いわゆるメニスカスラインが存在するため、それに沿ってPS粒子は基板表面に吸い寄せられ、基板表面にPS粒子が単分子層で配列される。その結果、図6(b)に示すようにPS微粒子のパターン33が形成される。   As shown to Fig.6 (a), the light emitting element substrate 10 is the same as Fig.5 (a). The light emitting element substrate 10 having the structure shown in FIG. 6A is immersed in an aqueous solution in which PS particles having a diameter of 200 nm are monodispersed. Thereafter, the substrate 10 is gradually pulled up. When pulling up, there is a so-called meniscus line in which the substrate surface, the surface of the aqueous solution, and the air interface exist, so that PS particles are attracted to the substrate surface along that, and the PS particles are in a monolayer on the substrate surface. Arranged. As a result, a pattern 33 of PS fine particles is formed as shown in FIG.

次いで、図6(c)に示すように、PS微粒子のパターン33をマスクにして、所要のエッチングガスによりRIEすると、電流拡散層15の表面に微細な凹凸パターンが形成される。この後、O2 アッシャーにより残ったPS微粒子を除去することにより円柱形状の凹凸パターンが形成される。続いて、図6(d)に示すように、不活性ガスでスパッタリングすると、円柱の上底部と下底部がスパッタエッチングされ、前記図1及び図2に示す円錐+円柱+メサ部を有する凸構造20が得られる。 Next, as shown in FIG. 6C, fine concavo-convex patterns are formed on the surface of the current diffusion layer 15 by performing RIE with a required etching gas using the PS fine particle pattern 33 as a mask. Thereafter, the PS fine particles remaining by the O 2 asher are removed to form a cylindrical concavo-convex pattern. Subsequently, as shown in FIG. 6 (d), when the sputtering is performed with an inert gas, the upper bottom portion and the lower bottom portion of the cylinder are sputter-etched, and the convex structure having the cone + column + mesa portion shown in FIG. 1 and FIG. 20 is obtained.

さらに、電子ビーム描画による製造方法について述べておく。   Further, a manufacturing method by electron beam drawing will be described.

図7(a)に示すように、発光素子基板10は図5(a)と同じである。この方法ではまず、図7(b)に示すように、発光素子基板10上に電子線用レジストを形成し、パターンジェネレーターを装備した50kVの加速電圧を持つ電子線露光装置を用い、直径150nmの円形パターンを周期的に配置したレジストパターン35を発生させる。次いで、図7(c)に示すように、このレジストパターン35を用いて、所要のエッチングガスによりRIEすると、電流拡散層15の表面に微細な凹凸パターンが形成される。この後、O2 アッシャーにより残ったレジストを除去することにより円柱形状の凹凸パターンが形成される。続いて、図7(d)に示すように、不活性ガスでスパッタリングすると、円柱の上底部と下底部がスパッタエッチングされ、前記図1及び図2に示す円錐+円柱+メサ部を有する凸構造20が得られる。 As shown in FIG. 7A, the light emitting element substrate 10 is the same as FIG. In this method, first, as shown in FIG. 7B, an electron beam resist is formed on the light emitting element substrate 10, and an electron beam exposure apparatus having an acceleration voltage of 50 kV equipped with a pattern generator is used. A resist pattern 35 in which circular patterns are periodically arranged is generated. Next, as shown in FIG. 7C, by using this resist pattern 35 and performing RIE with a required etching gas, a fine uneven pattern is formed on the surface of the current diffusion layer 15. Thereafter, the remaining resist is removed by an O 2 asher to form a cylindrical concavo-convex pattern. Subsequently, as shown in FIG. 7 (d), when the sputtering is performed with an inert gas, the upper bottom portion and the lower bottom portion of the cylinder are sputter-etched, and the convex structure having the cone + column + mesa portion shown in FIG. 1 and FIG. 20 is obtained.

本方法で、電子ビームの代わりにF2 ,ArF,KrFなどのエキシマレーザー光やi線,g線などの水銀灯の輝線を光源に用いた光リソグラフィ法を用いても全く同様の結果が得られる。 In this method, the same result can be obtained even if an optical lithography method using an excimer laser beam such as F 2 , ArF, KrF or the like and an emission line of a mercury lamp such as i-line or g-line as a light source instead of an electron beam. .

なお、以下の方法に限定されるわけではないが、ブロックコポリマーのミクロ相分離構造を利用したエッチング方法について更に詳しく述べておく。   In addition, although not necessarily limited to the following method, the etching method using the micro phase separation structure of the block copolymer will be described in more detail.

[ミクロ相分離構造形成性樹脂組成物]
ブロックコポリマー又はグラフトコポリマーの薄膜を形成してミクロ相分離(ブロックコポリマーの分子内での相分離)させた後、1つのポリマー相を選択的に除去し、これによりナノメートルサイズのパターンを有する多孔質膜を形成する。得られた多孔質膜は下地をエッチングしてパターンを転写するためのマスクとして用いることができる。ミクロ相分離構造から1つのポリマー相を選択的に除去するには、2つのポリマー相の間での、ドライエッチング速度の差、エネルギー線に対する分解性の差、又は熱分解性の差を利用する。いずれの方法でも、リソグラフィ技術を用いる必要がないので、スループットが高く、コストを低減することができる。
[Microphase-separated structure-forming resin composition]
After forming a thin film of a block copolymer or graft copolymer and microphase separation (intramolecular phase separation of the block copolymer), one polymer phase is selectively removed, whereby a porous having a nanometer size pattern Form a membrane. The obtained porous film can be used as a mask for transferring a pattern by etching a base. To selectively remove one polymer phase from a microphase-separated structure, use the difference in dry etching rate, difference in decomposability with respect to energy rays, or difference in thermal decomposability between the two polymer phases. . In any method, since it is not necessary to use a lithography technique, the throughput is high and the cost can be reduced.

[ミクロ相分離構造形成組成物薄膜の形成]
ミクロ相構造形成性樹脂組成物からなる薄膜を形成するには、発光素子表面に上記樹脂組成物の均一溶液を塗布することが好ましい。均一溶液を用いれば、製膜時の履歴が残ることを防ぐことができる。溶液中に比較的大きな粒子径のミセルなどが生成して塗布液が不均一であると、不規則な相分離構造が混入して規則的なパターン形成が困難であり、規則的なパターンを形成するのに時間がかかるため好ましくない。
[Formation of microphase-separated structure-forming composition thin film]
In order to form a thin film made of the microphase structure-forming resin composition, it is preferable to apply a uniform solution of the resin composition to the surface of the light emitting element. If a uniform solution is used, it is possible to prevent a history during film formation from remaining. If the coating solution is non-uniform due to the formation of micelles with a relatively large particle size in the solution, it is difficult to form a regular pattern because of an irregular phase separation structure. Since it takes time to do, it is not preferable.

ミクロ相構造形成性樹脂組成物であるブロックコポリマーを溶解する溶媒は、ブロックコポリマーを構成する2種のポリマーに対して良溶媒であることが望ましい。ポリマー鎖どうしの斥力は2種のポリマー鎖の溶解度パラメーターの差の2乗に比例する。そこで、2種のポリマーに対する良溶媒を用いれば、2種のポリマー鎖の溶解度パラメーターの差が小さくなり、系の自由エネルギーが小さくなって相分離に有利になる。   The solvent that dissolves the block copolymer that is the microphase structure-forming resin composition is desirably a good solvent for the two types of polymers constituting the block copolymer. The repulsive force between polymer chains is proportional to the square of the difference between the solubility parameters of the two polymer chains. Therefore, if a good solvent for the two kinds of polymers is used, the difference in solubility parameter between the two kinds of polymer chains becomes small, and the free energy of the system becomes small, which is advantageous for phase separation.

ブロックコポリマーの薄膜を作製する場合には、均一溶液を調製できるように、150℃以上の例えば、エチルセロソルブアセテート(ECA)、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート(PGMEA)、エチルラクテート(EL)などの高沸点を有する溶媒を用いることが好ましい。   When preparing a block copolymer thin film, a high boiling point such as ethyl cellosolve acetate (ECA), propylene glycol monomethyl ether acetate (PGMEA), ethyl lactate (EL), etc. at 150 ° C. or higher so that a uniform solution can be prepared. It is preferable to use a solvent having

形成したミクロ相分離構造形成性組成物薄膜の膜厚は、狙いとする表面凹凸の円相当平均直径の同程度ないし3倍の範囲が好ましい。この膜厚がこの範囲をはずれた場合、所望の平均直径を有する凸構造を得ることが難しい。   The film thickness of the formed microphase-separated structure-forming composition thin film is preferably in the range of about the same or three times the circle equivalent average diameter of the target surface irregularities. When this film thickness deviates from this range, it is difficult to obtain a convex structure having a desired average diameter.

[ミクロ相分離構造の形成]
ブロックコポリマー又はグラフトコポリマーのミクロ相分離構造は、以下のような方法により作製できる。例えば、ブロックコポリマー又はグラフトコポリマーを適当な溶媒に溶解して塗布溶液を調製し、この塗布溶液を基板上に塗布し乾燥して膜を形成する。この膜をポリマーのガラス転移温度以上の温度でアニールすることによって、良好な相分離構造を形成することができる。コポリマーを溶融状態にし、ガラス転移温度以上相転移温度以下の温度でアニールしてミクロ相分離させた後、室温でミクロ相分離構造を固定してもよい。コポリマーの溶液をゆっくりとキャストさせることでミクロ相分離構造を形成することもできる。コポリマーを溶融し、ホットプレス法、射出成形法、トランスファー成形法などの方法によって、所望の形状に成形した後、アニールしてミクロ相分離構造を形成することもできる。
[Formation of micro phase separation structure]
The microphase-separated structure of the block copolymer or graft copolymer can be produced by the following method. For example, a coating solution is prepared by dissolving a block copolymer or a graft copolymer in a suitable solvent, and this coating solution is applied onto a substrate and dried to form a film. By annealing this film at a temperature equal to or higher than the glass transition temperature of the polymer, a good phase separation structure can be formed. After the copolymer is melted and annealed at a temperature not lower than the glass transition temperature and not higher than the phase transition temperature to cause microphase separation, the microphase separation structure may be fixed at room temperature. A microphase separation structure can also be formed by slowly casting a solution of the copolymer. The copolymer can be melted and molded into a desired shape by a method such as hot pressing, injection molding or transfer molding, and then annealed to form a microphase separation structure.

このようにして形成したミクロ相分離構造を利用してナノメートルサイズの構造体を形成する手段については、特許文献3に詳細に記載されており、本発明においてもこの手段を採用することができる。   The means for forming a nanometer-sized structure using the microphase separation structure thus formed is described in detail in Patent Document 3, and this means can also be adopted in the present invention. .

また、パターントランスファー法も有効な方法である。詳しくは、特許文献3に記載されており、本発明においてもこの手段を採用することができる。具体的には、該化合物半導体の基板上にエッチング耐性の異なる層(パターントランスファー層)を塗布し、さらに本発明のブロックコポリマー層を塗布する。このとき、パターントランスファー層には、SOG(スピンオングラス)を始め、特許文献3に示したような材料を用いることができる。   The pattern transfer method is also an effective method. Details are described in Patent Document 3, and this means can also be adopted in the present invention. Specifically, a layer (pattern transfer layer) having different etching resistance is applied on the compound semiconductor substrate, and the block copolymer layer of the present invention is further applied. At this time, for the pattern transfer layer, materials such as SOG (spin on glass) as shown in Patent Document 3 can be used.

ブロックコポリマー層をドライ若しくはウエットでエッチングし、ブロックコポリマーの1つの相のみを選択的に除去し、凹凸パターンを形成する。次いで、この有機物であるポリマーのパターンをマスクにして、パターントランスファー層をエッチングする。例えば、フッ素系,塩素系,若しくは臭素系ガスを用いると、有機物をマスクにしてSOGなどのパターントランスファー層をエッチングすることができる。   The block copolymer layer is etched dry or wet, and only one phase of the block copolymer is selectively removed to form a concavo-convex pattern. Next, the pattern transfer layer is etched using the organic polymer pattern as a mask. For example, when a fluorine-based, chlorine-based, or bromine-based gas is used, a pattern transfer layer such as SOG can be etched using an organic substance as a mask.

このようにして、ブロックコポリマーのミクロ相分離パターンを、パターントランスファー層に転写することが可能である。次いで、このパターンが転写されたパターントランスファー層をマスクにして、基板をエッチングする。   In this way, the microphase separation pattern of the block copolymer can be transferred to the pattern transfer layer. Next, the substrate is etched using the pattern transfer layer to which this pattern is transferred as a mask.

このような方法は、炭素系ポリマー材料とエッチング選択比をとることができない金属を含む化合物等のエッチングに有効である。また、パターントランスファー層を複数用いることで、エッチング耐性の異なる材料を積層させ、アスペクト比が高いパターンを得ることも可能である。   Such a method is effective for etching a compound containing a metal that cannot have an etching selectivity with respect to the carbon-based polymer material. In addition, by using a plurality of pattern transfer layers, it is possible to stack materials having different etching resistances and obtain a pattern having a high aspect ratio.

(実施例)
次に、本発明を以下の実施例によってさらに具体的に説明する。実施例1から17まではブロックコポリマーのミクロ相分離構造を用いた凹凸の作製方法を、実施例18から21はPS又はシリカ粒子を用いた応答の作製方法を、実施例22は電子ビーム描画による凹凸の作製方法について述べてある。
(Example)
Next, the present invention will be described more specifically with reference to the following examples. Examples 1 to 17 are a method for producing irregularities using a microphase separation structure of a block copolymer, Examples 18 to 21 are methods for producing a response using PS or silica particles, and Example 22 is an electron beam drawing method. Describes the method for forming the unevenness.

(実施例1)
図3は、本発明の第1の実施例に係わる発光ダイオードの素子構造を示す断面図である。
Example 1
FIG. 3 is a sectional view showing the element structure of the light emitting diode according to the first embodiment of the present invention.

n−GaP基板11上に、InGaAlP活性層13をn−InAlPクラッド層12及びp−InAlPクラッド層14で挟んだダブルへテロ構造が形成され、その上にp−GaP電流拡散層15が形成されている。p−GaP電流拡散層15上の一部にp側電極16が形成され、n−GaP基板11の下面の一部にn側電極17が形成され、これにより発光波長650nmの発光ダイオードが構成されている。   A double heterostructure is formed on the n-GaP substrate 11 with the InGaAlP active layer 13 sandwiched between the n-InAlP clad layer 12 and the p-InAlP clad layer 14, and a p-GaP current diffusion layer 15 is formed thereon. ing. A p-side electrode 16 is formed on a part of the p-GaP current diffusion layer 15, and an n-side electrode 17 is formed on a part of the lower surface of the n-GaP substrate 11, thereby forming a light emitting diode having an emission wavelength of 650 nm. ing.

ここで、基板11としては、GaPの代わりにGaAsを用いることが可能であり、電流拡散層15としては、GaPの代わりにInAlP或いはInGaAlPを用いることが可能である。基板をp型とし、全体の導電型を逆にしても良いのは勿論のことである。   Here, GaAs can be used as the substrate 11 instead of GaP, and InAlP or InGaAlP can be used as the current diffusion layer 15 instead of GaP. Of course, the substrate may be p-type and the overall conductivity type may be reversed.

電流拡散層15の電極16を形成していない面には、本実施例の特徴とする凸構造20が形成されている。この凸構造20は、前記図1及び図2に示したように、屈折率勾配構造を成すメサ部21、回折格子構造を成す円柱部22、屈折率勾配構造を成す円錐部23の3つの構造を有し、メサ部21の下底部となる凹凸の底辺部の円相当平均直径は160nm、上頂部の円相当平均直径は100nm、平均高さは80nm、円柱部22の下底部及び上頂部の円相当平均直径はメサ部21の下底部と同じで80nm、平均高さは250nm、円錐部23の下底部の円相当平均直径はメサ部21の下底部と同じで80nm、平均高さは80nm、凸構造の間隔は180nmとなっている。   On the surface of the current diffusion layer 15 where the electrode 16 is not formed, a convex structure 20 that is characteristic of the present embodiment is formed. As shown in FIGS. 1 and 2, the convex structure 20 has three structures: a mesa portion 21 forming a refractive index gradient structure, a cylindrical portion 22 forming a diffraction grating structure, and a conical portion 23 forming a refractive index gradient structure. The circle-equivalent average diameter of the bottom part of the unevenness that becomes the lower bottom part of the mesa part 21 is 160 nm, the circle-equivalent average diameter of the upper top part is 100 nm, the average height is 80 nm, the lower bottom part and the upper top part of the cylindrical part 22 The circle-equivalent average diameter is the same as that of the lower bottom of the mesa portion 21 and is 80 nm, the average height is 250 nm. The interval between the convex structures is 180 nm.

次に、本実施例の発光ダイオードの製造方法について説明する。   Next, the manufacturing method of the light emitting diode of a present Example is demonstrated.

まず、前記図5(a)に示すように、n−GaP基板11上にn−InAlPクラッド層12,InGaAlP活性層13,p−InAlPクラッド層14及びp−GaP電流拡散層15を有機金属化学気相成長法(MOCVD法)で連続して成長形成する。続いて、電流拡散層15上にp側電極16を形成し、基板11の下面にn側電極17を形成し、各々の電極16,17を所望パターンに加工する。これにより、発光素子基板10が作製される。   First, as shown in FIG. 5A, an n-InAlP clad layer 12, an InGaAlP active layer 13, a p-InAlP clad layer 14 and a p-GaP current diffusion layer 15 are formed on an n-GaP substrate 11 by metalorganic chemistry. Continuous growth is performed by vapor deposition (MOCVD). Subsequently, the p-side electrode 16 is formed on the current diffusion layer 15, the n-side electrode 17 is formed on the lower surface of the substrate 11, and each of the electrodes 16 and 17 is processed into a desired pattern. Thereby, the light emitting element substrate 10 is manufactured.

次いで、図5(b)に示すように、発光素子基板10上に、ブロックコポリマーを溶剤に溶解した溶液をスピンコートで回転数2500rpmで塗布した後、110℃,90秒でプリベークして溶剤を気化した。これにより、電流拡散層15の電極16を形成していない面にブロックコポリマー膜31が形成される。ここで、ブロックコポリマー膜31はポリスチレン(PS)とポリメタクリル酸メチル(PMMA)で構成されている。PSの分子量は154800であり、PMMAの分子量は392300でありMw/Mnは1.08である。続いて、窒素雰囲気中で、210℃,4時間のアニールを行い、ブロックコポリマー膜31のPSとPMMAの相分離を行った。   Next, as shown in FIG. 5B, a solution obtained by dissolving a block copolymer in a solvent is applied onto the light emitting element substrate 10 by spin coating at a rotational speed of 2500 rpm, and then pre-baked at 110 ° C. for 90 seconds to remove the solvent. Vaporized. Thereby, the block copolymer film 31 is formed on the surface of the current diffusion layer 15 where the electrode 16 is not formed. Here, the block copolymer film 31 is made of polystyrene (PS) and polymethyl methacrylate (PMMA). The molecular weight of PS is 154800, the molecular weight of PMMA is 392300, and Mw / Mn is 1.08. Subsequently, annealing was performed at 210 ° C. for 4 hours in a nitrogen atmosphere, and phase separation of PS and PMMA of the block copolymer film 31 was performed.

次いで、相分離したプロックコポリマー付基板を、CF4 流量30sccm、圧力1.33Pa(10mTorr)、パワー100WでRIEすることにより、相分離した膜のPSとPMMAをエッチングした。このとき、PSとPMMAのエッチング速度差により、PMMAが選択的にエッチングされ、図5(c)に示すように、PSのパターン32が残ることになる。 Next, the phase-separated substrate with the block copolymer was etched by RIE at a CF 4 flow rate of 30 sccm, a pressure of 1.33 Pa (10 mTorr), and a power of 100 W to etch PS and PMMA of the phase-separated film. At this time, due to the etching rate difference between PS and PMMA, the PMMA is selectively etched, and the PS pattern 32 remains as shown in FIG.

次いで、図5(d)に示すように、PSのパターン32をマスクにして、Cl2 流量50sccm、圧力0.266Pa(2mTorr)、パワー300Wで約60秒だけRIEすると、電流拡散層15に微細な円柱状パターンが形成された。使用するガスはCl2 のみでなく、BCl3 ガスを添加してもエッチングできる。この後、O2 アッシャーにより残ったPSを除去した。 Next, as shown in FIG. 5D, RIE is performed for 60 seconds with a Cl 2 flow rate of 50 sccm, a pressure of 0.266 Pa (2 mTorr), and a power of 300 W using the PS pattern 32 as a mask. A cylindrical pattern was formed. Etching can be performed by adding not only Cl 2 but also BCl 3 gas. Thereafter, the remaining PS was removed by an O 2 asher.

次いで、図5(e)に示すように、ArガスでAr流量50sccm、圧力0.65Pa(5mTorr)、パワー300Wで60秒だけスパッタリングすることにより、円柱の底辺部と頂上部がスパッタリングされ、メサ部と円錐部が形成された。   Next, as shown in FIG. 5 (e), by sputtering with Ar gas at an Ar flow rate of 50 sccm, a pressure of 0.65 Pa (5 mTorr), and a power of 300 W for 60 seconds, the bottom and top of the cylinder are sputtered. And a conical part were formed.

この結果、化合物半導体の基板の電極、配線パターン以外の表面に、メサ部の下底部の平均直径は160nm、メサ部の上頂部の平均直径は100nm、メサ部の平均高さ70nmであり、円柱部の平均直径は100nm、平均高さ250nmであり、円錐部の平均直径は100nm、平均高さ80nm、凸構造の間隔は180nmである、円錐+円柱+メサ部を有する微小な凹凸が形成できた。   As a result, the average diameter of the lower bottom portion of the mesa portion is 160 nm, the average diameter of the upper top portion of the mesa portion is 100 nm, and the average height of the mesa portion is 70 nm on the surface of the compound semiconductor substrate other than the electrode and wiring pattern. The average diameter of the part is 100 nm, the average height is 250 nm, the average diameter of the cone part is 100 nm, the average height is 80 nm, and the interval between the convex structures is 180 nm. It was.

これを素子加工し、表面加工を行っていない発光ダイオードと比較したところ、30%の輝度向上が見られた。   When this was subjected to element processing and compared with a light emitting diode not subjected to surface processing, a luminance improvement of 30% was observed.

(実施例2)
また、実施例1と同様の方法で作製し相分離したブロックコポリマー付き基板を、O2 流量30sccm、圧力13.3Pa(100mTorr)、パワー100WでRIEすることにより、相分離したPSとPMMAをエッチングする。O2 エッチングしたものはCF4 と比較して基板を削ることはできないが、その代わりPMMAを選択的にエッチングすることができる。その後、実施例1と同様のプロセスを行うと、円錐+円柱+メサ部を有する微小な凹凸が形成された。
(Example 2)
In addition, the phase-separated PS and PMMA are etched by RIE of the block copolymer-attached substrate prepared by the same method as in Example 1 at an O 2 flow rate of 30 sccm, a pressure of 13.3 Pa (100 mTorr), and a power of 100 W. To do. The substrate etched with O 2 cannot cut the substrate as compared with CF 4 , but can selectively etch PMMA instead. Then, when the same process as Example 1 was performed, the minute unevenness | corrugation which has a cone + cylinder + mesa part was formed.

メサ部21の下底部の平均直径は160nm、上頂部の平均直径は100nm、平均高さは70nmであり、円柱部22の平均直径は100nm、平均高さは250nmであり、円錐部23の平均直径は100nm、平均高さは80nm、凸構造の間隔は180nmである、円錐+円柱+メサ部を有する微小な凹凸が形成できた。   The average diameter of the lower bottom part of the mesa part 21 is 160 nm, the average diameter of the top part is 100 nm, the average height is 70 nm, the average diameter of the cylindrical part 22 is 100 nm, the average height is 250 nm, and the average of the cone part 23 Fine irregularities having a cone, a cylinder, and a mesa portion were formed with a diameter of 100 nm, an average height of 80 nm, and a convex structure spacing of 180 nm.

これを素子加工し、表面加工を行っていない発光ダイオードと比較したところ、30%の輝度向上が見られた。   When this was subjected to element processing and compared with a light emitting diode not subjected to surface processing, a luminance improvement of 30% was observed.

(実施例3)
実施例1で用いた発光素子形成基板10の最上層である電流拡散層15上にPS:315000、PMMA:785000の分子量を持つブロックコポリマーを溶剤に溶かした液をスピンコート法で3000rpmで塗布した後、110℃,90秒でプリベークして溶剤を気化し150nmの膜厚を得た。次いで、窒素雰囲気中で210℃,4時間のアニールを行い、PSとPMMAの相分離を行い、直径110nm程度のPSのドットパターンを形成した。
(Example 3)
A solution obtained by dissolving a block copolymer having molecular weights of PS: 315000 and PMMA: 785000 in a solvent was applied to the current diffusion layer 15 which is the uppermost layer of the light emitting element formation substrate 10 used in Example 1 at 3000 rpm by a spin coating method. Thereafter, pre-baking was performed at 110 ° C. for 90 seconds to evaporate the solvent and obtain a film thickness of 150 nm. Next, annealing was performed at 210 ° C. for 4 hours in a nitrogen atmosphere, phase separation between PS and PMMA was performed, and a PS dot pattern having a diameter of about 110 nm was formed.

この相分離したプロックコポリマー付きGaP基板を、O2 流量30sccm、圧力13.3Pa(100mTorr)、パワー100Wの条件下でRIEすることにより、相分離したPSとPMMAをエッチングする。O2 エッチングしたものはGaP基板を削ることはできないが、その代わりPMMAを選択的にエッチングすることができる。PSとPMMAのエッチング速度比は1:4であることから、PMMAが選択的にエッチングされ、PSのパターンが残ることになり、その厚さは約130nmであった。 The phase-separated PS and PMMA are etched by performing RIE on this phase-separated GaP substrate with a block copolymer under an O 2 flow rate of 30 sccm, a pressure of 13.3 Pa (100 mTorr), and a power of 100 W. O 2 obtained by etching can not be scraping the GaP substrate may be selectively etched instead PMMA. Since the etching rate ratio of PS and PMMA is 1: 4, the PMMA is selectively etched to leave a PS pattern, and its thickness is about 130 nm.

次いで、このPSのパターンをマスクにして、容量結合プラズマ(ICP:Inductive Coupled Plasma)を用いて、BCl3 /Cl2 =5/20sccm、0.266Pa(2mTorr)、入射電力/バイアス電力=100/100Wで150秒間を行うと、直径100nm、高さ450nmの微細な円柱状パターンが形成された。その後、O2 アッシャーにより残ったPSを除去した。この後、実施例1と同様に、Arスパッタリングすると、円錐+円柱+メサ部を有する微小な凹凸が形成された。 Next, using this PS pattern as a mask, using capacitively coupled plasma (ICP), BCl 3 / Cl 2 = 5/20 sccm, 0.266 Pa (2 mTorr), incident power / bias power = 100 / When 150 seconds was performed at 100 W, a fine columnar pattern having a diameter of 100 nm and a height of 450 nm was formed. Thereafter, the remaining PS was removed by an O2 asher. Thereafter, similarly to Example 1, when Ar sputtering was performed, minute irregularities having a cone + cylinder + mesa portion were formed.

この結果、GaPの発光層表面に、メサ部の下底部の平均直径は170nm、上頂部の平均直径は110nm、平均高さは80nmであり、円柱部22の平均直径は110nm、平均高さは350nmであり、円錐部23の平均直径は110nm、平均高さは120nm、凸構造の間隔は180nmである、円錐+円柱+メサ部を有する微小な凹凸が形成できた。   As a result, the average diameter of the lower bottom portion of the mesa portion is 170 nm, the average diameter of the top portion is 110 nm, the average height is 80 nm, the average diameter of the cylindrical portion 22 is 110 nm, and the average height is on the GaP light emitting layer surface. Microscopic irregularities having a cone + cylinder + mesa portion with a diameter of 350 nm, an average diameter of the cone portion 23 of 110 nm, an average height of 120 nm, and a convex structure interval of 180 nm were formed.

これを素子加工し、表面加工を行っていない発光ダイオードと比較したところ、60%の輝度向上が見られた。   When this was subjected to element processing and compared with a light emitting diode that had not been subjected to surface processing, 60% improvement in luminance was observed.

(実施例4)
また、実施例3と同様の方法で作製し相分離したブロックコポリマー付き基板を、BCl3 /Cl2 =5/20sccm、0.266Pa(2mTorr)、入射電力/バイアス電力=100/100WでRIEすることにより、相分離したPSとPMMAをエッチングした。PSとPMMAのエッチング速度比は1:4であることから、PMMAが選択的にエッチングされ、PSのパターンが残ることになる。その後、実施例3と同様のプロセスを行った。その後、実施例1と同様にArスパッタリングすると、円錐+円柱+メサ部を有する微小な凹凸が形成された。
Example 4
Further, a block copolymer-attached substrate prepared by the same method as in Example 3 and subjected to phase separation is subjected to RIE at BCl 3 / Cl 2 = 5/20 sccm, 0.266 Pa (2 mTorr), and incident power / bias power = 100/100 W. Thus, PS and PMMA separated by phase were etched. Since the etching rate ratio of PS and PMMA is 1: 4, PMMA is selectively etched, and the PS pattern remains. Thereafter, the same process as in Example 3 was performed. Thereafter, when Ar sputtering was performed in the same manner as in Example 1, minute irregularities having a cone + column + mesa portion were formed.

この結果、化合物半導体発光層表面に、メサ部21の下底部の平均直径は160nm、上頂部の平均直径は100nm、平均高さは100nmであり、円柱部22の平均直径は100nm、平均高さは300nmであり、円錐部23の平均直径は100nm、平均高さは120nm、凸構造の間隔は180nmである、円錐+円柱+メサ部を有する微小な凹凸が形成できた。このプロセスでは、BCl3 /Cl2 のRIEで一括してPMMAの除去、化合物半導体発光層表面に凹凸が形成できた。 As a result, the average diameter of the lower bottom portion of the mesa portion 21 is 160 nm, the average diameter of the upper top portion is 100 nm, the average height is 100 nm, the average diameter of the cylindrical portion 22 is 100 nm, and the average height on the compound semiconductor light emitting layer surface. Was 300 nm, the average diameter of the conical portion 23 was 100 nm, the average height was 120 nm, and the interval between the convex structures was 180 nm, and minute concavities and convexities having a cone + cylinder + mesa portion could be formed. In this process, PMMA was removed by RIE of BCl 3 / Cl 2 and irregularities were formed on the surface of the compound semiconductor light emitting layer.

これを素子加工し、表面加工を行っていない発光ダイオードと比較したところ、55%の輝度向上が見られた。   When this was subjected to element processing and compared with a light emitting diode not subjected to surface processing, a 55% improvement in luminance was observed.

(実施例5)
また、ブロックコポリマーとして、ポリスチレン(PS)−ポリイソプレン(PI)を用いた。PSの分子量は450000、PIの分子量は1230000、Mw/Mnは1.07であった。実施例3と同様の方法で相分離したブロックコポリマー付き基板を作製した。オゾンで相分離したPS−PIブロックコポリマーのうち、PIを選択的にオゾン酸化除去した。
(Example 5)
Further, polystyrene (PS) -polyisoprene (PI) was used as the block copolymer. The molecular weight of PS was 450,000, the molecular weight of PI was 1230000, and Mw / Mn was 1.07. A substrate with a block copolymer that was phase-separated by the same method as in Example 3 was prepared. Of the PS-PI block copolymer phase-separated with ozone, PI was selectively removed by ozone oxidation.

このPSのパターンをマスクにして、容量結合プラズマ(ICP:Inductive Coupled Plasma)を用いて、BCl3 /Cl2 =5/20sccm、0.266Pa(2mTorr)、入射電力/バイアス電力=100/100Wで160秒間を行うと、円柱状パターンが形成された。その後、O2 アッシャーにより残ったPSを除去した。その後、実施例1と同様にArスパッタリングすることにより、円錐+円柱+メサ部を有する微小な凹凸が形成された。 Using this PS pattern as a mask, using capacitively coupled plasma (ICP), BCl 3 / Cl 2 = 5/20 sccm, 0.266 Pa (2 mTorr), incident power / bias power = 100/100 W After 160 seconds, a cylindrical pattern was formed. Thereafter, the remaining PS was removed by an O 2 asher. Thereafter, Ar sputtering was performed in the same manner as in Example 1 to form minute irregularities having a cone + cylinder + mesa portion.

この結果、GaPの発光層表面に、メサ部21の下底部の平均直径は170nm、上頂部の平均直径は100nm、平均高さは100nmであり、円柱部22の平均直径は100nm、平均高さは400nmであり、円錐部23の平均直径は100nm、平均高さは120nm、凸構造の間隔は180nmである、円錐+円柱+メサ部を有する微小な凹凸が形成できた。   As a result, the average diameter of the lower bottom portion of the mesa portion 21 is 170 nm, the average diameter of the top top portion is 100 nm, the average height is 100 nm, the average diameter of the cylindrical portion 22 is 100 nm, and the average height on the GaP light emitting layer surface. Was 400 nm, the average diameter of the conical part 23 was 100 nm, the average height was 120 nm, and the interval between the convex structures was 180 nm, and minute concavities and convexities having a cone + cylinder + mesa part could be formed.

これを素子加工し、表面加工を行っていない発光ダイオードと比較したところ、80%の輝度向上が見られた。   When this was subjected to element processing and compared with a light emitting diode not subjected to surface processing, an improvement in luminance of 80% was observed.

本実施例方法は、PIのモノマーが水を吸いにくいことから、重合時に高分子量のものがPMMAに比べ重合しやすい。このため、パターンを大きくすることが容易である。本方法ではブロックコポリマーの作るパターンの大きさと同じ程度の厚みの膜にしなければならない。このため、大きなパターンであれば、化合物半導体に転写するパターンの高さを高くすることができる。また、PIの代わりにポリブタジエン(PB)を用いてもほぼ同じ構造が得られた。   In the method of this example, since the PI monomer hardly absorbs water, a polymer having a high molecular weight is more easily polymerized than PMMA at the time of polymerization. For this reason, it is easy to enlarge the pattern. In this method, a film having a thickness as large as the pattern size of the block copolymer must be formed. For this reason, if it is a big pattern, the height of the pattern transcribe | transferred to a compound semiconductor can be made high. In addition, substantially the same structure was obtained even when polybutadiene (PB) was used instead of PI.

(実施例6)
図8は、本発明の第6の実施例に係わる発光ダイオードの製造工程を示す断面図である。なお、前記図5と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。
(Example 6)
FIG. 8 is a sectional view showing a manufacturing process of a light emitting diode according to the sixth embodiment of the present invention. The same parts as those in FIG. 5 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.

図8(a)に示すように、実施例1と同様の構造の発光素子基板10を用意した。最上層の電流拡散層15はInGaAlPである。   As shown in FIG. 8A, a light emitting element substrate 10 having the same structure as that of Example 1 was prepared. The uppermost current spreading layer 15 is InGaAlP.

次いで、図8(b)に示すように、3層用レジスト36(日産化学ARCXHRiC−11)を塗布し、500nm厚の膜を形成した。これをオーブン内で300℃で1分間ベークを行った。続いて、この上にスピンオングラス(SOG)37(東京応化OCD T−7)を110nmスピンコートし、ホットプレート上で200℃,60秒、さらに300℃,60秒間ベークした。さらに、実施例3と同じブロックコポリマーを溶剤に溶解した溶液38をスピンコートで基板に回転数2500rpmで塗布した後、110℃,90秒でプリベークして溶剤を気化した。次に、窒素雰囲気中で、210℃,4時間のアニ−ルを行い、ブロックコポリマーのPSとPMMAの相分離を行った。   Next, as shown in FIG. 8B, a three-layer resist 36 (Nissan Chemical ARCXHRiC-11) was applied to form a film having a thickness of 500 nm. This was baked in an oven at 300 ° C. for 1 minute. Subsequently, spin-on-glass (SOG) 37 (Tokyo Ohka OCD T-7) was spin-coated at 110 nm thereon, and baked on a hot plate at 200 ° C. for 60 seconds, and further at 300 ° C. for 60 seconds. Further, a solution 38 in which the same block copolymer as in Example 3 was dissolved in a solvent was applied onto the substrate by spin coating at 2500 rpm, and then pre-baked at 110 ° C. for 90 seconds to evaporate the solvent. Next, annealing was performed at 210 ° C. for 4 hours in a nitrogen atmosphere to separate the block copolymer PS and PMMA.

この相分離したプロックコポリマー付基板を、O2 流量30sccm、圧力13.3Pa(100mTorr)、パワー=100WでRIEすることにより、相分離した膜のPSとPMMAをエッチングした。このとき、PSとPMMAのエッチング速度差により、PMMAが選択的にエッチングされ、PSのパターンが残る。このPSのパターンをマスクにして、CF4 流量30sccm、圧力1.33Pa(10mTorr)、パワー=100WでSOGをエッチングした。さらに、O2 流量30sccm、圧力1.33Pa(10mTorr)、パワー=100WでRIEすると、下層のレジスト膜がエッチングされ、高さ500nmの柱状のパターンを得ることができた。図8(c)に示すようなマスクパターン39が形成される。 This phase-separated substrate with a block copolymer was subjected to RIE at an O 2 flow rate of 30 sccm, a pressure of 13.3 Pa (100 mTorr), and a power = 100 W, thereby etching the PS and PMMA of the phase-separated film. At this time, due to the etching rate difference between PS and PMMA, PMMA is selectively etched, and a PS pattern remains. Using this PS pattern as a mask, SOG was etched at a CF 4 flow rate of 30 sccm, a pressure of 1.33 Pa (10 mTorr), and a power = 100 W. Further, when RIE was performed at an O 2 flow rate of 30 sccm, a pressure of 1.33 Pa (10 mTorr), and a power = 100 W, the lower resist film was etched, and a columnar pattern having a height of 500 nm could be obtained. A mask pattern 39 as shown in FIG. 8C is formed.

次いで、図8(d)に示すように、BCl3 /N2 =23:7sccm、圧力0.200Pa(1.5mTorr)、パワー500Wで、電流拡散層15のエッチングを行った。最後に酸素でアッシングを行い、ポリマーを除去した。なお、SOGはその前のBCl3 /N2 エッチングで削られてなくなっており、問題にはならなかった。 Next, as shown in FIG. 8D, the current diffusion layer 15 was etched with BCl 3 / N 2 = 23: 7 sccm, pressure 0.200 Pa (1.5 mTorr), and power 500 W. Finally, ashing was performed with oxygen to remove the polymer. Note that the SOG was not removed by the previous BCl 3 / N 2 etching, which was not a problem.

その後、実施例1と同様にArスパッタリングすると、図8(e)に示すように、円錐+円柱+メサ部を有する微小な凹凸が形成された。   Thereafter, when Ar sputtering was performed in the same manner as in Example 1, as shown in FIG. 8E, minute irregularities having a cone + cylinder + mesa portion were formed.

この結果、普通のエッチング方法では難しいInGaAlPのエッチングを行うことができた。エッチング後の形状は、メサ部21の下底部の平均直径は170nm、上頂部の平均直径は110nm、平均高さは150nmであり、円柱部22の平均直径は110nm、平均高さは350nmであり、円錐部23の平均直径は110nm、平均高さは100nm、凸構造の間隔は200nmである、円錐+円柱+メサ部を有する微小な凹凸が形成できた。   As a result, InGaAlP that was difficult to be etched by a normal etching method could be performed. As for the shape after etching, the average diameter of the lower bottom part of the mesa part 21 is 170 nm, the average diameter of the top part is 110 nm, the average height is 150 nm, the average diameter of the cylindrical part 22 is 110 nm, and the average height is 350 nm. The conical portion 23 had an average diameter of 110 nm, an average height of 100 nm, and a convex structure having a spacing of 200 nm.

(実施例7)
図9は、本発明の第7の実施例に係わる発光ダイオードの製造工程を示す断面図である。なお、前記図5と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。
(Example 7)
FIG. 9 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of a light emitting diode according to the seventh embodiment of the present invention. The same parts as those in FIG. 5 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.

図9(a)に示すように、実施例1と同様の発光素子基板10を用意した。次いで、図9(b)に示すように、光取り出し面であるp−GaP電流拡散層15の表面、n−GaP基板11の裏面に、実施例3と同様の方法でブロックコポリマー41,41’を形成した。   As shown in FIG. 9A, a light-emitting element substrate 10 similar to that in Example 1 was prepared. Next, as shown in FIG. 9B, block copolymers 41 and 41 ′ are formed on the surface of the p-GaP current diffusion layer 15 as the light extraction surface and the back surface of the n-GaP substrate 11 by the same method as in Example 3. Formed.

次いで、図9(c)に示すように、ブロックコポリマー付基板を、窒素雰囲気中で210℃,4時間のアニールを行い、PSとPMMAの相分離を行い、直径110nm程度のPSのドットパターン42,42’を形成した。   Next, as shown in FIG. 9C, the block copolymer-attached substrate is annealed in a nitrogen atmosphere at 210 ° C. for 4 hours, phase separation of PS and PMMA is performed, and a PS dot pattern 42 having a diameter of about 110 nm is obtained. , 42 '.

次いで、図9(d)に示すように、この相分離したプロックコポリマー付き基板両面を、O2 流量30sccm、圧力13.3Pa(100mTorr)、パワー100Wの条件下でそれぞれRIEすることにより、相分離したPSとPMMAをエッチングした。PMMAが選択的にエッチングされ、PSのパターンが残ることになり、その厚さは両面共に約130nmであった。 Next, as shown in FIG. 9 (d), the phase separation is performed by performing RIE on both surfaces of the substrate with the block-separated block copolymer under the conditions of an O 2 flow rate of 30 sccm, a pressure of 13.3 Pa (100 mTorr), and a power of 100 W. Etched PS and PMMA. The PMMA was selectively etched to leave a PS pattern, the thickness of which was about 130 nm on both sides.

このPSのパターンをマスクにして、容量結合プラズマ(ICP:Inductive Coupled Plasma)を用いて、p−GaP,n−GaP両面をそれぞれBCl3 /Cl2 =5/20sccm、0.266Pa(2mTorr)、入射電力/バイアス電力=100/100Wで150秒間を行うと、直径100nm、高さ450nmの微細な円柱状パターンがp−GaP、n−GaP表面に形成された。その後、O2 アッシャーにより残ったPSを除去した。この後、実施例1と同様に、両面をそれぞれArスパッタリングすることにより、円錐+円柱+メサ部を有する微小な凹凸がp−GaP,n−GaP両表面に形成された。 Using this PS pattern as a mask, both surfaces of p-GaP and n-GaP are BCl 3 / Cl 2 = 5/20 sccm, 0.266 Pa (2 mTorr) using capacitively coupled plasma (ICP), When incident power / bias power = 100/100 W was performed for 150 seconds, a fine columnar pattern having a diameter of 100 nm and a height of 450 nm was formed on the p-GaP and n-GaP surfaces. Thereafter, the remaining PS was removed by an O 2 asher. Thereafter, similarly to Example 1, by performing Ar sputtering on both sides, minute irregularities having a cone + column + mesa portion were formed on both surfaces of p-GaP and n-GaP.

この結果、p−GaP,n−GaPの各々の光取り出し面に、メサ部21の下底部の平均直径は180nm、上頂部の平均直径は100nm、平均高さは80nmであり、円柱部22の平均直径は100nm、平均高さは350nmであり、円錐部23の平均直径は100nm、平均高さは120nm、凸構造の間隔は180nmである、円錐+円柱+メサ部を有する微小な凹凸が形成できた。   As a result, on the light extraction surfaces of p-GaP and n-GaP, the average diameter of the lower bottom portion of the mesa portion 21 is 180 nm, the average diameter of the upper top portion is 100 nm, and the average height is 80 nm. The average diameter is 100 nm, the average height is 350 nm, the average diameter of the cone portion 23 is 100 nm, the average height is 120 nm, and the interval between the convex structures is 180 nm. did it.

これを素子加工し、表面加工を行っていない発光ダイオードと比較したところ、100%の輝度向上が見られた。また、本実施例の発光ダイオードは、表面だけでなく裏面からの発光もあるため、裏面にも凹凸を施すことで大幅な輝度向上が確認された。   When this was subjected to element processing and compared with a light emitting diode that had not been subjected to surface processing, 100% improvement in luminance was observed. In addition, since the light emitting diode of the present embodiment emits light not only from the front surface but also from the back surface, it was confirmed that the luminance was significantly improved by providing unevenness on the back surface.

(実施例8)
実施例6と同様の構造のInGaAlPが光取り出し面に成膜されている発光素子基板10に、スピンオングラス(SOG)(東京応化OCD T−7)を110nmスピンコートし、ホットプレート上で200℃,60秒、さらに300℃,60秒間ベークした。さらに、実施例3と同じブロックコポリマーを溶剤に溶解した溶液をスピンコートで基板に回転数2500rpmで塗布した後、110℃,90秒でプリベークして溶剤を気化した。次いで、窒素雰囲気中で、210℃,4時間のアニ−ルを行い、ブロックコポリマーのPSとPMMAの相分離を行った。
(Example 8)
Spin-on glass (SOG) (Tokyo Ohka OCD T-7) was spin-coated at 110 nm on the light-emitting element substrate 10 on which InGaAlP having the same structure as that of Example 6 was formed on the light extraction surface, and 200 ° C. on a hot plate. , 60 seconds, and further baked at 300 ° C. for 60 seconds. Further, a solution obtained by dissolving the same block copolymer as in Example 3 in a solvent was applied to the substrate by spin coating at a rotation speed of 2500 rpm, and then pre-baked at 110 ° C. for 90 seconds to vaporize the solvent. Next, annealing was performed at 210 ° C. for 4 hours in a nitrogen atmosphere to separate the block copolymer PS and PMMA.

この相分離したプロックコポリマー付基板を、O2 流量30sccm、圧力13.3Pa(100mTorr)、パワー100WでRIEすることにより、相分離した膜のPSとPMMAをエッチングした。このとき、PSとPMMAのエッチング速度差により、PMMAが選択的にエッチングされ、PSのパターンが残る。次いで、このPSのパターンをマスクにして、CF4 流量30sccm、圧力1.33Pa(10mTorr)、パワー100WでSOGをエッチングした。これにより、前記図8(c)に示すように、マスクパターン39が形成された。 This phase-separated substrate with a block copolymer was subjected to RIE at an O 2 flow rate of 30 sccm, a pressure of 13.3 Pa (100 mTorr), and a power of 100 W, thereby etching PS and PMMA of the phase-separated film. At this time, due to the etching rate difference between PS and PMMA, PMMA is selectively etched, and a PS pattern remains. Next, using this PS pattern as a mask, SOG was etched with a CF 4 flow rate of 30 sccm, a pressure of 1.33 Pa (10 mTorr), and a power of 100 W. As a result, a mask pattern 39 was formed as shown in FIG.

次いで、ICPを用いて、BCl3 /Cl2 =5/20sccm、0.266Pa(2mTorr)、入射電力/バイアス電力=100/100Wで3分間を行うと、前記図8(d)に示すように円柱状パターンが形成された。その後、実施例1と同様にArスパッタリングすることにより、図8(e)に示すような、円錐+円柱+メサ部を有する微小な凹凸が形成された。 Next, when ICP is used for 3 minutes at BCl 3 / Cl 2 = 5/20 sccm, 0.266 Pa (2 mTorr), incident power / bias power = 100/100 W, as shown in FIG. A cylindrical pattern was formed. Thereafter, Ar sputtering was performed in the same manner as in Example 1 to form minute irregularities having a cone + cylinder + mesa portion as shown in FIG.

この結果、エッチング後の形状は、メサ部21の下底部の平均直径は170nm、上頂部の平均直径は100nm、平均高さは120nmであり、円柱部22の平均直径は100nm、平均高さは450nmであり、円錐部23の平均直径は100nm、平均高さは150nm、凸構造の間隔は180nmである、円錐+円柱+メサ部を有する微小な凹凸が形成できた。   As a result, after etching, the average diameter of the lower bottom portion of the mesa 21 is 170 nm, the average diameter of the top top is 100 nm, the average height is 120 nm, the average diameter of the cylindrical portion 22 is 100 nm, and the average height is Minute concavities and convexities having a cone + cylinder + mesa portion having a diameter of 450 nm, an average diameter of the conical portion 23 of 100 nm, an average height of 150 nm, and a convex structure interval of 180 nm were formed.

このサンプルとパターンを付けなかったサンプルの発光効率を比較したところ、輝度が120%向上していることが確認された。   When the luminous efficiency of this sample was compared with that of the sample without the pattern, it was confirmed that the luminance was improved by 120%.

(実施例9)
実施例1で用いた発光ダイオードであるGaP電流拡散層15の表面に、実施例7と同様にしてSOGを100nm形成した。さらに、実施例3と同じブロックコポリマーを溶剤に溶解した溶液をスピンコートにより回転数2500rpmで塗布した後、110℃、90秒でプリベークして溶剤を気化した。次に窒素雰囲気中で、210℃、4時間のアニ−ルを行い、ブロックコポリマーのPSとPMMAの相分離を行った。
Example 9
SOG was formed to a thickness of 100 nm on the surface of the GaP current diffusion layer 15 which is the light emitting diode used in Example 1 in the same manner as in Example 7. Further, a solution in which the same block copolymer as in Example 3 was dissolved in a solvent was applied by spin coating at 2500 rpm, and then pre-baked at 110 ° C. for 90 seconds to evaporate the solvent. Next, annealing was performed at 210 ° C. for 4 hours in a nitrogen atmosphere to separate the block copolymer PS and PMMA.

この相分離したプロックコポリマー付基板を、O2 流量30sccm、圧力13.3Pa(100mTorr)、パワー100WでRIEすることにより、相分離した膜のPSとPMMAをエッチングし、PSのパターンを形成した。このPSのパターンをマスクにして、CF4 流量30sccm、圧力1.33Pa(10mTorr)、パワー100WでSOGをエッチングした。 This phase-separated substrate with a block copolymer was subjected to RIE at an O 2 flow rate of 30 sccm, a pressure of 13.3 Pa (100 mTorr), and a power of 100 W, thereby etching PS and PMMA of the phase-separated film to form a PS pattern. Using this PS pattern as a mask, SOG was etched with a CF 4 flow rate of 30 sccm, a pressure of 1.33 Pa (10 mTorr), and a power of 100 W.

次に、ICPを用いて、BCl3 /Cl2 /CF4 =5/20/5sccm、圧力0.266Pa(2mTorr)、入射電力/バイアス電力=100/100Wで3分間を行うと、円柱状パターンが形成された。その後、実施例1と同様にArスパッタリングすることにより、円錐+円柱+メサ部を有する微小な凹凸が形成された。 Next, when ICP is used for 3 minutes at BCl 3 / Cl 2 / CF 4 = 5/20/5 sccm, pressure 0.266 Pa (2 mTorr), incident power / bias power = 100/100 W, a cylindrical pattern Formed. Thereafter, Ar sputtering was performed in the same manner as in Example 1 to form minute irregularities having a cone + cylinder + mesa portion.

この結果、エッチング後の形状は、メサ部21の下底部の平均直径は180nm、上頂部の平均直径は110nm、平均高さは150nmであり、円柱部22の平均直径は110nm、平均高さは500nmであり、円錐部23の平均直径は110nm、平均高さは180nm、凸構造の間隔は190nmである、円錐+円柱+メサ部を有する微小な凹凸が形成できた
このサンプルとパターンを付けなかったサンプルの発光効率を比較したところ、輝度が150%向上していることが確認された。
As a result, after etching, the average diameter of the lower bottom portion of the mesa 21 is 180 nm, the average diameter of the top top is 110 nm, the average height is 150 nm, the average diameter of the cylindrical portion 22 is 110 nm, and the average height is 500 nm, the average diameter of the conical portion 23 is 110 nm, the average height is 180 nm, the interval between the convex structures is 190 nm, and a minute unevenness having a cone + cylinder + mesa portion can be formed. When the luminous efficiency of the samples was compared, it was confirmed that the luminance was improved by 150%.

(実施例10)
PS:300000、PMMA:420000の分子量を持ち、Mw/Mn=1.07のブロックコポリマーと分子量15000のPMMAホモポリマーを重量比で、6:4の割合で混合し、それぞれが3重量%のPGMEA溶液になるように調整した。この溶液をスピンコートで、実施例1で用いた発光ダイオードであるGaPの発光層15の表面に回転数2500rpmで塗布した後、110℃,90秒でプリベークして溶剤を気化した。次いで、窒素雰囲気中で210℃,4時間のアニールを行い、ブロックコポリマーのPSとPMMAの相分離を行った。
(Example 10)
A block copolymer having a molecular weight of PS: 300,000 and PMMA: 420,000, and a PMMA homopolymer having a molecular weight of 15000 and Mw / Mn = 1.07 are mixed at a weight ratio of 6: 4, each of 3% by weight of PGMEA. The solution was adjusted to be a solution. This solution was applied by spin coating onto the surface of the GaP light emitting layer 15 which is the light emitting diode used in Example 1, at 2500 rpm, and then pre-baked at 110 ° C. for 90 seconds to evaporate the solvent. Next, annealing was performed at 210 ° C. for 4 hours in a nitrogen atmosphere, and phase separation of the block copolymer PS and PMMA was performed.

この相分離したプロックコポリマー付基板を、O2 流量30sccm、圧力13.3Pa(100mTorr)、パワー=100Wの条件下でRIEすることにより、相分離したPSとPMMAをエッチングする。O2 エッチングしたものはGaPを削ることはできないが、その代わりPMMAを選択的にエッチングすることができる。PSとPMMAのエッチング速度比は1:4であることから、PMMAが選択的にエッチングされ、PSのパターンが残ることになり、その厚さは約130nmであった。 The phase-separated PS and PMMA are etched by performing RIE on this phase-separated substrate with a block copolymer under conditions of an O 2 flow rate of 30 sccm, a pressure of 13.3 Pa (100 mTorr), and a power = 100 W. O 2 obtained by etching can not cut the GaP but can be selectively etched instead PMMA. Since the etching rate ratio of PS and PMMA is 1: 4, the PMMA is selectively etched to leave a PS pattern, and its thickness is about 130 nm.

このPSのパターンをマスクにして、ICPを用いて、BCl3 /Cl2 =5/20sccm、0.266Pa(2mTorr)、入射電力/バイアス電力=100/100Wで150秒間を行うと、直径100nm、高さ450nmの微細な円柱状パターンが形成された。その後、O2 アッシャーにより残ったPSを除去した。この後、実施例1と同様に、Arスパッタリングすることにより、円錐+円柱+メサ部を有する微小な凹凸が形成された。 When this PS pattern is used as a mask and ICP is used for 150 seconds with BCl 3 / Cl 2 = 5/20 sccm, 0.266 Pa (2 mTorr), incident power / bias power = 100/100 W, the diameter is 100 nm, A fine columnar pattern having a height of 450 nm was formed. Thereafter, the remaining PS was removed by an O 2 asher. Thereafter, similarly to Example 1, by performing Ar sputtering, minute irregularities having a cone + cylinder + mesa portion were formed.

この結果、GaPの発光層表面に、メサ部21の下底部の平均直径は160nm、上頂部の平均直径は90nm、平均高さは100nmであり、円柱部22の平均直径は90nm、平均高さは350nmであり、円錐部23の平均直径は90nm、平均高さは110nm、凸構造の間隔は180nmである、円錐+円柱+メサ部を有する微小な凹凸が形成できた。これを素子加工し、表面加工を行っていない発光ダイオードと比較したところ、70%の輝度向上が見られた。   As a result, the average diameter of the lower bottom portion of the mesa portion 21 is 160 nm, the average diameter of the top top portion is 90 nm, the average height is 100 nm, the average diameter of the cylindrical portion 22 is 90 nm, and the average height on the GaP light emitting layer surface. 350 nm, the average diameter of the conical portion 23 is 90 nm, the average height is 110 nm, and the interval between the convex structures is 180 nm, and minute concavities and convexities having a cone + cylinder + mesa portion can be formed. When this was subjected to element processing and compared with a light emitting diode not subjected to surface processing, a 70% improvement in luminance was observed.

ブロックコポリマーにPMMAホモポリマーを添加すると、相分離構造の規則性がある程度高まったため、回折効率が向上し、実施例3と比較して輝度が向上したと考えられる。   When the PMMA homopolymer was added to the block copolymer, the regularity of the phase separation structure was increased to some extent, so that the diffraction efficiency was improved and the luminance was considered to be improved as compared with Example 3.

(実施例11)
相分離ポリマーとして、PS(ポリスチレン)−PI(ポリイソプレン)ジブロックコポリマー(分子量(Mw)PS:23万、PI:40万 Mw/Mn=1.06)を用い、低分子量ホモポリマー(分子量Mw:2000、Mw/Mn:1.45)としてPIポリマーを用いた例を示す。即ち、実施例9と同様にしてPS−PIジブロックポリマーにPIの低分子量ホモポリマーを添加し、PGEMEAに溶解させ溶液化した。
(Example 11)
PS (polystyrene) -PI (polyisoprene) diblock copolymer (molecular weight (Mw) PS: 230,000, PI: 400,000 Mw / Mn = 1.06) was used as the phase separation polymer, and a low molecular weight homopolymer (molecular weight Mw). : 2000, Mw / Mn: 1.45), an example using a PI polymer is shown. That is, in the same manner as in Example 9, a low molecular weight homopolymer of PI was added to the PS-PI diblock polymer and dissolved in PGEMEA to form a solution.

実施例9と同様にして、発光素子基板10のGaP電流拡散層15上にPS−PIジブロックコポリマーとPIホモポリマーの混合物を薄膜化し、熱アニールによってミクロ相分離構造を作製した後、オゾン酸化法によって、PIを除去し、基板上にPSのエッチングマスクを作製した。この後、実施例9と同様にして、発光素子を作製した。その結果、なにも発光面を加工しなかったサンプルに比べ、約100%の輝度の向上が見られた。   In the same manner as in Example 9, a mixture of PS-PI diblock copolymer and PI homopolymer was thinned on the GaP current diffusion layer 15 of the light-emitting element substrate 10, and a microphase separation structure was formed by thermal annealing, and then ozone oxidation. PI was removed by the method, and a PS etching mask was formed on the substrate. Thereafter, a light emitting device was produced in the same manner as in Example 9. As a result, the luminance was improved by about 100% compared to the sample in which no light emitting surface was processed.

(実施例12)
PSが24万、PMMAが73万、Mw/Mnは1.08のブロックコポリマーに、Mw=15000のPMMAと、分子量9000のPSのホモポリマーを添加したサンプルを発光素子基板の電流拡散層上に薄膜化した。PS−PMMAブロックコポリマーとPMMAホモポリマーとPSホモポリマーの混合率と、その結果得られたミクロ相分離パターンのPSの直径は、以下の(表2)の通りである。

Figure 0004481894
(Example 12)
A sample in which PMMA with Mw = 15000 and PS homopolymer with a molecular weight of 9000 was added to a block copolymer with PS of 240,000, PMMA of 730,000, and Mw / Mn of 1.08 on the current spreading layer of the light emitting device substrate. Thinned. The mixing ratio of the PS-PMMA block copolymer, the PMMA homopolymer and the PS homopolymer, and the PS diameter of the resulting microphase separation pattern are as shown in Table 2 below.
Figure 0004481894

この結果、PSの球状パターンはPSの添加によって、大きくなることが分かる。本発明で用いられるパターン形成方法は、膜厚はPSの球の直径と同じ程度に設定する必要がある。このため、得られた直径とほぼ同じ膜厚になるように、ポリマーの濃度及びスピンコートの回転数を調整して、電極を作製したGaP電流拡散層15上にポリマー薄膜を塗布した。これを同様の方法でアニールし膜中に相分離構造を発生させた。この相分離したプロックコポリマー付基板を、O2 =30sccm、圧力1.33Pa(10mTorr)、パワー=100WでRIEすることにより、相分離したポリマー膜中のPMMAを除去した。残ったPSのパターンをマスクにして、Cl2 =50sccm、0.266Pa(2mTorr)、パワー=300WでRIE行うと電流拡散層上に微細なパターンが形成された。この後、O2 アッシャーにより残ったPSを除去した。 As a result, it can be seen that the spherical pattern of PS increases with the addition of PS. In the pattern forming method used in the present invention, the film thickness needs to be set to the same degree as the diameter of the PS sphere. For this reason, the polymer thin film was applied on the GaP current diffusion layer 15 on which the electrode was prepared by adjusting the polymer concentration and the spin coating rotation speed so that the film thickness was almost the same as the obtained diameter. This was annealed in the same manner to generate a phase separation structure in the film. This phase-separated substrate with a block copolymer was subjected to RIE at O 2 = 30 sccm, pressure 1.33 Pa (10 mTorr), and power = 100 W, thereby removing PMMA in the phase-separated polymer film. When the remaining PS pattern was used as a mask and RIE was performed with Cl 2 = 50 sccm, 0.266 Pa (2 mTorr), and power = 300 W, a fine pattern was formed on the current diffusion layer. Thereafter, the remaining PS was removed by an O 2 asher.

続いて、ArガスでAr=50sccm、0.65Pa(5mTorr)、パワー=300Wで60secスパッタリングすると、円柱の底辺部と頂上部がスパッタリングされ、メサ部と円錐部が形成された。   Subsequently, sputtering was performed with Ar gas at Ar = 50 sccm, 0.65 Pa (5 mTorr), power = 300 W for 60 seconds, and the bottom and top of the cylinder were sputtered to form a mesa and a cone.

この結果、光取り出し面を成す電流拡散層の電極、配線パターン以外の表面に、円錐+円柱+メサ部を有する微小な凹凸が形成できた。これを素子加工し、表面加工を行っていない発光ダイオードと比較した輝度の向上は、以下の(表3)の通りであった。

Figure 0004481894
As a result, minute irregularities having a cone + cylinder + mesa portion could be formed on the surface other than the electrode and wiring pattern of the current diffusion layer forming the light extraction surface. The improvement of the brightness compared with the light emitting diode which processed the element and did not perform the surface processing was as follows (Table 3).
Figure 0004481894

このように、ブロックコポリマーの多数相、少数相ともホモポリマー添加することで、ブロックコポリマーの相分離パターンを大きくすることが可能であり、またこの結果、化合物半導体をエッチングするマスクとなるPSの高さを高くできることで、化合物半導体を深くまでエッチングすることができる。この方法は分子量を高くすることが難しいときや、ロット間でのばらつきと低減するのに効果がある。   Thus, by adding homopolymers to both the majority and minority phases of the block copolymer, it is possible to increase the phase separation pattern of the block copolymer, and as a result, the high PS of the mask that etches the compound semiconductor can be obtained. Since the thickness can be increased, the compound semiconductor can be etched deeply. This method is effective when it is difficult to increase the molecular weight or to reduce variation among lots.

(実施例13)
図10は、本発明の第13の実施例に係わる発光ダイオードの素子構造を示す断面図である。本実施例の発光ダイオードは、紫外光(UV光)を発光するものである。
(Example 13)
FIG. 10 is a sectional view showing an element structure of a light emitting diode according to the thirteenth embodiment of the present invention. The light emitting diode of this embodiment emits ultraviolet light (UV light).

まず、以下のように、エッチングマスクとして、SiNxのパターンを単結晶Al2 3 基板51上に形成する。単結晶Al2 3 基板51上にプラズマCVD法でSiNxを200nm成膜し、その上にPS:315000、PMMA:785000の分子量、Mw/Mn=1.06のブロックコポリマーをPGMEAに溶かした液をスピンコート法で3000rpmで塗布した後、110℃,90秒でプリベークして溶剤を気化し150nmの膜厚を得た。 First, a SiNx pattern is formed on the single crystal Al 2 O 3 substrate 51 as an etching mask as follows. A liquid obtained by forming a SiNx film with a thickness of 200 nm on a single-crystal Al 2 O 3 substrate 51 by plasma CVD, and dissolving a block copolymer of PS: 315000, PMMA: 785000 in molecular weight and Mw / Mn = 1.06 in PGMEA Was applied by spin coating at 3000 rpm and prebaked at 110 ° C. for 90 seconds to evaporate the solvent and obtain a film thickness of 150 nm.

次いで、窒素雰囲気中で180℃,4時間のアニールを行い、PSとPMMAの相分離を行い、直径110nm程度のポリスチレンのドットパターンを形成した。この相分離したプロックコポリマー付き単結晶Al2 3 基板を、O2 =30sccm、圧力13.3Pa(100mTorr)、パワー=100Wの条件下でRIEすることにより、相分離したPS−PMMAのうちPMMAを選択的にエッチングした。この結果、凝集した0.1μm程度の大きさのポリスチレンが0.1μm程度の間隔で残り,SiNxパターン形成用のマスクとなる。 Next, annealing was performed at 180 ° C. for 4 hours in a nitrogen atmosphere to separate phases of PS and PMMA to form a polystyrene dot pattern having a diameter of about 110 nm. This phase-separated single crystal Al 2 O 3 substrate with a block copolymer was subjected to RIE under the conditions of O 2 = 30 sccm, pressure 13.3 Pa (100 mTorr), power = 100 W, and PMMA of phase-separated PS-PMMA. Was selectively etched. As a result, the aggregated polystyrene having a size of about 0.1 μm remains at an interval of about 0.1 μm, and becomes a mask for forming a SiNx pattern.

この試料に対し、Ar/CHF3 =185/15sccm,圧力40mTorr,パワー100Wの条件で6.5分間エッチングを行い、エッチングマスクとしてのSiNxパターンを形成した。次いで、SiNxパターンをエッチングマスクとして用い、単結晶Al2 3 基板51を、BCl3 /Cl2 =5/20sccm、圧力5mTorr、パワー100Wの条件で20分間エッチングを行った。続いて、ArガスでAr=50sccm、圧力0.65Pa(5mTorr)、パワー300Wで5分間スパッタリングすると、円柱の底辺部と頂上部がスパッタリングされ、メサ部と円錐部が形成された。 This sample was etched for 6.5 minutes under the conditions of Ar / CHF 3 = 185/15 sccm, pressure 40 mTorr, and power 100 W to form a SiNx pattern as an etching mask. Next, using the SiNx pattern as an etching mask, the single crystal Al 2 O 3 substrate 51 was etched for 20 minutes under the conditions of BCl 3 / Cl 2 = 5/20 sccm, pressure 5 mTorr, and power 100 W. Subsequently, when sputtering was performed with Ar gas at Ar = 50 sccm, pressure 0.65 Pa (5 mTorr), and power 300 W for 5 minutes, the bottom and top of the cylinder were sputtered to form a mesa and a cone.

これにより、単結晶Al2 3 基板51の表面に、メサ部の下底部の平均直径は120nm、上頂部の平均直径は80nm、平均高さ90nmであり、円柱部の平均直径は80nm、平均高さは250nmであり、円錐部の平均直径は80nm、平均高さは100nm、凸構造の間隔は170nmである、円錐+円柱+メサ部を有する微小な凹凸(凸構造60)が形成できた。 Thereby, on the surface of the single crystal Al 2 O 3 substrate 51, the average diameter of the lower bottom part of the mesa part is 120 nm, the average diameter of the top part is 80 nm, the average height is 90 nm, the average diameter of the cylindrical part is 80 nm, the average The height is 250 nm, the average diameter of the conical part is 80 nm, the average height is 100 nm, and the interval between the convex structures is 170 nm, and a minute unevenness (convex structure 60) having a cone + cylinder + mesa part can be formed. .

次いで、CVDプロセスで単結晶Al2 3 基板51の凹凸加工した表面上に、n−Al0.4 Ga0.6 N(コンタクト層)52、n−Al0.35Ga0.65N(クラッド層)53、n−Al0.28Ga0.72N/n−Al0.24Ga0.76N(SL活性層)54、p−Al0.4 Ga0.6 N/p−Al0.3 Ga0.7 N(SLクラッド層)55、p−GaN(コンタクト層)56を順次成長形成した。続いて、コンタクト層56からクラッド層53までを選択的に除去してコンタクト層52の一部を露出させた。そして、コンタクト層56上にp側電極57を、コンタクト層52上にn側電極58を形成した後、チップに切断し、発光素子とした。 Next, n-Al 0.4 Ga 0.6 N (contact layer) 52, n-Al 0.35 Ga 0.65 N (cladding layer) 53, n-Al are formed on the uneven surface of the single crystal Al 2 O 3 substrate 51 by a CVD process. 0.28 Ga 0.72 N / n-Al 0.24 Ga 0.76 N (SL active layer) 54, p-Al 0.4 Ga 0.6 N / p-Al 0.3 Ga 0.7 N (SL clad layer) 55, p-GaN (contact layer) 56 Sequential growth formed. Subsequently, the contact layer 56 to the cladding layer 53 were selectively removed to expose a part of the contact layer 52. Then, a p-side electrode 57 and an n-side electrode 58 were formed on the contact layer 56 and the contact layer 52, respectively, and then cut into chips to obtain a light emitting element.

作製した素子の構成は図10に示す通りであり、活性層54における発光光は基板51を通して基板裏面側から取り出されることになる。本実施例の発光素子と凸構造を作製しなかった発光素子とで、紫外光(λ=300nm)の発光強度を比較した。その結果、凸構造を付けたものの輝度は、凹凸加工しなかったものに比べ約40%向上していた。このように、本実施例により得られた構造は、UV光でも効果があることが確認された。   The structure of the fabricated element is as shown in FIG. 10, and the emitted light in the active layer 54 is extracted from the back side of the substrate through the substrate 51. The light emission intensity of ultraviolet light (λ = 300 nm) was compared between the light emitting element of this example and the light emitting element in which the convex structure was not manufactured. As a result, the brightness of the convex structure was improved by about 40% compared to the brightness of the convex structure. Thus, it was confirmed that the structure obtained by this example was effective even with UV light.

(実施例14)
実施例13で単結晶Al2 3 基板51の表面に凸構造60を作製した紫外光を発光する発光ダイオード(UV−LED)に対し、基板51の裏面に蛍光体を載せることで、白色光を出すようにした。用いた蛍光体は、以下の(表4)の通りである。

Figure 0004481894
(Example 14)
In contrast to the light-emitting diode (UV-LED) that emits ultraviolet light in which the convex structure 60 is formed on the surface of the single crystal Al 2 O 3 substrate 51 in Example 13, a phosphor is placed on the back surface of the substrate 51 to obtain white light. I was going to put out. The phosphors used are as follows (Table 4).
Figure 0004481894

この蛍光体をLEDの発光面(図10では基板51の裏面)上に薄膜化し、エポキシ樹脂で封止した。同様の蛍光体を使い、LED表面に凸構造を付けなかったLEDと白色光の輝度を比較した。この結果、凹凸を付けたLEDの輝度の方が、約30%上回った。この結果、本実施例により得られた構造は、蛍光体を用いた白色LEDでも効果があることが確認された。   The phosphor was thinned on the light emitting surface of the LED (the back surface of the substrate 51 in FIG. 10) and sealed with an epoxy resin. Using the same phosphor, the brightness of white light was compared with an LED having no convex structure on the LED surface. As a result, the brightness of the uneven LED was about 30% higher. As a result, it was confirmed that the structure obtained by this example was effective even with a white LED using a phosphor.

(実施例15)
図11は、本発明の第15の実施例に係わる発光ダイオードの素子構造を示す断面図である。なお、図10と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。本実施例の発光ダイオードも実施例13と同様に、紫外光(UV光)を発光するものである。
(Example 15)
FIG. 11 is a sectional view showing an element structure of a light emitting diode according to the fifteenth embodiment of the present invention. The same parts as those in FIG. 10 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted. The light emitting diode of this example also emits ultraviolet light (UV light) as in Example 13.

単結晶Al2 3 基板51上に、CVDプロセスでn−Al0.4 Ga0.6 N(コンタクト層)52、n−Al0.35Ga0.65N(クラッド層)53、n−Al0.28Ga0.72N/n−Al0.24Ga0.76N(SL活性層)54、p−Al0.4 Ga0.6 N/p−Al0.3 Ga0.7 N(SLクラッド層)55、p−GaN(コンタクト層)56を順次成長形成した。続いて、コンタクト層56からクラッド層53までを選択的に除去してコンタクト層52の一部を露出させた。そして、コンタクト層56上にp側電極を形成し、コンタクト層52上にn側電極58を形成し、発光ダイオード(UV−LED)を作製した。 On a single crystal Al 2 O 3 substrate 51, n-Al 0.4 Ga 0.6 N (contact layer) 52, n-Al 0.35 Ga 0.65 N (cladding layer) 53, n-Al 0.28 Ga 0.72 N / n- Al 0.24 Ga 0.76 N (SL active layer) 54, p-Al 0.4 Ga 0.6 N / p-Al 0.3 Ga 0.7 N (SL clad layer) 55, and p-GaN (contact layer) 56 were sequentially grown. Subsequently, the contact layer 56 to the cladding layer 53 were selectively removed to expose a part of the contact layer 52. Then, a p-side electrode was formed on the contact layer 56, and an n-side electrode 58 was formed on the contact layer 52 to produce a light emitting diode (UV-LED).

次いで、CVDプロセスによって積層したのとは反対の面にSiNxのパターンを形成する。単結晶Al2 3 基板11の裏面にプラズマCVD法でSiNxを200nm成膜し、その上にPS:315000、PMMA:785000の分子量、Mw/Mn=1.06のブロックコポリマーをPGMEAに溶かした液をスピンコート法で3000rpmで塗布した後、110℃,90秒でプリベークして溶剤を気化し150nmの膜厚を得た。 Next, a SiNx pattern is formed on the opposite side of the layer laminated by the CVD process. A SiNx film having a thickness of 200 nm was formed on the back surface of the single crystal Al 2 O 3 substrate 11 by plasma CVD, and a block copolymer of PS: 315000, PMMA: 785000, and a molecular weight of Mw / Mn = 1.06 was dissolved in PGMEA. The solution was applied by spin coating at 3000 rpm and then pre-baked at 110 ° C. for 90 seconds to evaporate the solvent and obtain a film thickness of 150 nm.

次いで、窒素雰囲気中で180℃,4時間のアニールを行い、PSとPMMAの相分離を行い、直径110nm程度のポリスチレンのドットパターンを形成した。この相分離したプロックコポリマー付き単結晶Al2 3 基板51を、O2 =30sccm、圧力13.3Pa(100mTorr)、パワー=100Wの条件下でRIEすることにより、相分離したPS−PMMAのうちPMMAを選択的にエッチングした。この結果、凝集した0.1μm程度の大きさのポリスチレンが0.1μm程度の間隔で残り,SiNxパターン形成用のマスクとなる。 Next, annealing was performed at 180 ° C. for 4 hours in a nitrogen atmosphere to separate phases of PS and PMMA to form a polystyrene dot pattern having a diameter of about 110 nm. This phase-separated single crystal Al 2 O 3 substrate 51 with a block copolymer is subjected to RIE under the conditions of O 2 = 30 sccm, pressure 13.3 Pa (100 mTorr), power = 100 W, and phase-separated PS-PMMA PMMA was selectively etched. As a result, the aggregated polystyrene having a size of about 0.1 μm remains at an interval of about 0.1 μm, and becomes a mask for forming a SiNx pattern.

この試料に対し、Ar/CHF3 =185/15sccm,40mTorr,100Wの条件で6.5分間エッチングを行い、エッチングマスクとしてのSiNxパターンを形成した。次いで、SiNxパターンをエッチングマスクとして単結晶Al2 3 基板51を、BCl3 /Cl2 =5/20sccm、圧力5mTorr、パワー100Wの条件で20minエッチングを行った。続いて、ArガスでAr流量50sccm、圧力0.65Pa(5mTorr)、パワー300Wで5分間スパッタリングすると、円柱の底辺部と頂上部がスパッタリングされ、メサ部と円錐部が形成された。 This sample was etched for 6.5 minutes under the conditions of Ar / CHF 3 = 185/15 sccm, 40 mTorr, 100 W to form a SiNx pattern as an etching mask. Next, the single crystal Al 2 O 3 substrate 51 was etched for 20 min under the conditions of BCl 3 / Cl 2 = 5/20 sccm, pressure 5 mTorr, and power 100 W using the SiNx pattern as an etching mask. Subsequently, when sputtering was performed with Ar gas at an Ar flow rate of 50 sccm, a pressure of 0.65 Pa (5 mTorr), and a power of 300 W for 5 minutes, the bottom and top of the cylinder were sputtered to form a mesa and a cone.

これにより、単結晶Al2 3 基板51の裏面に、メサ部の下底部の平均直径は110nm、上頂部の平均直径は80nm、平均高さ90nmであり、円柱部の平均直径は80nm、平均高さは250nmであり、円錐部の平均直径は80nm、平均高さは100nm、凸構造の間隔は170nmである、円錐+円柱+メサ部を有する微小な凹凸(凸構造60)が形成できた。 Thereby, on the back surface of the single crystal Al 2 O 3 substrate 51, the average diameter of the lower bottom part of the mesa part is 110 nm, the average diameter of the top part is 80 nm, the average height is 90 nm, the average diameter of the cylindrical part is 80 nm, the average The height is 250 nm, the average diameter of the conical part is 80 nm, the average height is 100 nm, and the interval between the convex structures is 170 nm, and a minute unevenness (convex structure 60) having a cone + cylinder + mesa part can be formed. .

作製した素子の構成は図11に示す通りである。本実施例の発光素子と凸構造を作製しなかった発光素子とで、紫外光(λ=300nm)の発光強度を比較した。その結果、凸構造を付けたものの輝度は、凹凸加工しなかったものに比べ約50%向上していた。このように、本実施例により得られた構造は、UV光でも効果があることが確認された。   The structure of the manufactured element is as shown in FIG. The light emission intensity of ultraviolet light (λ = 300 nm) was compared between the light emitting element of this example and the light emitting element in which the convex structure was not manufactured. As a result, the brightness of the convex structure was improved by about 50% compared to the brightness of the convex structure. Thus, it was confirmed that the structure obtained by this example was effective even with UV light.

(実施例16)
実施例15で単結晶Al2 3 基板51の裏面に凸構造60を作製したUV−LEDに対し、基板51の裏面に蛍光体を載せることで、白色光を出すようにした。用いた蛍光体は、先の(表4)の通りである。
(Example 16)
In contrast to the UV-LED in which the convex structure 60 was produced on the back surface of the single crystal Al 2 O 3 substrate 51 in Example 15, a white light was emitted by placing a phosphor on the back surface of the substrate 51. The phosphor used is as shown in (Table 4) above.

この蛍光体をLEDの発光面(図11では基板51の裏面)上に薄膜化し、エポキシ樹脂で封止した。同様の蛍光体を使い、LED表面に凸構造をつけなかったLEDと白色光の輝度を比較した。この結果、凹凸をつけたLEDの輝度の方が、約35%上回った。   This phosphor was thinned on the light emitting surface of the LED (the back surface of the substrate 51 in FIG. 11) and sealed with an epoxy resin. The brightness of white light was compared with that of an LED having a convex structure on the LED surface using the same phosphor. As a result, the brightness of the uneven LED was about 35% higher.

(実施例17)
図12は、本発明の第17の実施例に係わる発光ダイオードの素子構造を示す断面図である。
(Example 17)
FIG. 12 is a sectional view showing an element structure of a light emitting diode according to the seventeenth embodiment of the present invention.

n型GaN基板61上に、n型GaNバッファ層62、n型GaNクラッド層63、InGaN/GaNからなるMQW活性層64、p型AlGaNキャップ層65、p型GaNコンタクト層66が成長形成され、コンタクト層66上の一部にp側電極67が形成され、基板61の裏面にn側電極68が形成されている。この発光ダイオードの発光波長は400nmであった。また、コンタクト層66の電極67を形成していない面には、本実施例の特徴とする凸構造70が形成されている。   An n-type GaN buffer layer 62, an n-type GaN cladding layer 63, an InGaN / GaN MQW active layer 64, a p-type AlGaN cap layer 65, and a p-type GaN contact layer 66 are grown on the n-type GaN substrate 61, A p-side electrode 67 is formed on a part of the contact layer 66, and an n-side electrode 68 is formed on the back surface of the substrate 61. The light emission wavelength of this light emitting diode was 400 nm. Further, a convex structure 70 which is a feature of the present embodiment is formed on the surface of the contact layer 66 where the electrode 67 is not formed.

次に、本実施例の発光ダイオードの製造方法について説明する。   Next, the manufacturing method of the light emitting diode of a present Example is demonstrated.

まず、図13(a)に示すように、n−GaN基板61上にn−GaNバッファ層62、n−GaNクラッド層63をMOCVD法により成長形成し、その上に、InGaN/GaNからなるMQW活性層64を成長形成する。さらにその上に、p−AlGaNキャップ層65、p−GaNコンタクト層66をMOCVD法により成長形成する。そして、コンタクト層66上にp側電極67を形成し、基板61の裏面にn側電極68を形成し、各々の電極67,68を所望パターンに加工する。これにより、発光素子基板60が作製される。   First, as shown in FIG. 13A, an n-GaN buffer layer 62 and an n-GaN cladding layer 63 are grown on an n-GaN substrate 61 by MOCVD, and an MQW made of InGaN / GaN is formed thereon. An active layer 64 is grown and formed. Furthermore, a p-AlGaN cap layer 65 and a p-GaN contact layer 66 are grown thereon by MOCVD. Then, a p-side electrode 67 is formed on the contact layer 66, an n-side electrode 68 is formed on the back surface of the substrate 61, and each of the electrodes 67 and 68 is processed into a desired pattern. Thereby, the light emitting element substrate 60 is manufactured.

次いで、図13(b)に示すように、発光素子基板60上に、実施例9と同様にしてSOG膜71を100nm形成し、さらにブロックコポリマーを溶剤に溶解した溶液72をスピンコートにより回転数2500rpmで塗布した後、110℃,90秒でプリベークして溶剤を気化した。次いで、窒素雰囲気中で、210℃,4時間のアニ−ルを行い、ブロックコポリマーのPSとPMMAの相分離を行った。   Next, as shown in FIG. 13B, an SOG film 71 having a thickness of 100 nm is formed on the light emitting element substrate 60 in the same manner as in Example 9, and a solution 72 in which a block copolymer is dissolved in a solvent is spin-coated. After coating at 2500 rpm, the solvent was vaporized by prebaking at 110 ° C. for 90 seconds. Next, annealing was performed at 210 ° C. for 4 hours in a nitrogen atmosphere to separate the block copolymer PS and PMMA.

次いで、図13(c)に示すように、相分離したプロックコポリマー付基板を、O2 流量30sccm、圧力13.3Pa(100mTorr)、パワー100WでRIEすることにより、相分離した膜のPSとPMMAをエッチングし、PSのパターン73を形成した。その後、PSのパターン73をマスクにして、CF4 流量30sccm、圧力1.33Pa(10mTorr)、パワー=100WでSOGをエッチングした。 Next, as shown in FIG. 13 (c), the phase-separated film PS and PMMA were obtained by RIE of the phase-separated substrate with the block copolymer at an O 2 flow rate of 30 sccm, a pressure of 13.3 Pa (100 mTorr), and a power of 100 W. Was etched to form a PS pattern 73. Thereafter, the SOG was etched using the PS pattern 73 as a mask at a CF 4 flow rate of 30 sccm, a pressure of 1.33 Pa (10 mTorr), and a power of 100 W.

次いで、図13(d)に示すように、ICPを用いて、BCl3 /Cl2 =5/20/sccm、圧力0.266Pa(2mTorr)、入射電力/バイアス電力=100/100Wで3分間を行うと、円柱状パターンが形成された。 Next, as shown in FIG. 13D, using ICP, BCl 3 / Cl 2 = 5/20 / sccm, pressure 0.266 Pa (2 mTorr), incident power / bias power = 100/100 W for 3 minutes. When done, a cylindrical pattern was formed.

次いで、図13(e)に示すように、ArガスでAr=50sccm、圧力0.65Pa(5mTorr)、パワー300Wで2分間スパッタリングすると、円柱の底辺部と頂上部がスパッタリングされ、メサ部と円錐部が形成された。この結果、エッチング後の形状は、メサ部の下底部の平均直径は140nm、上頂部の平均直径は100nm、平均高さ100nmであり、円柱部の平均直径は100nm、平均高さは400nmであり、円錐部の平均直径は100nm、平均高さは100nm、凸構造の間隔は180nmである、円錐+円柱+メサ部を有する微小な凹凸が形成できた。   Next, as shown in FIG. 13E, when Ar gas is sputtered at Ar = 50 sccm, pressure 0.65 Pa (5 mTorr), power 300 W for 2 minutes, the bottom and top of the cylinder are sputtered, and the mesa and cone Part was formed. As a result, after etching, the average diameter of the lower bottom part of the mesa part is 140 nm, the average diameter of the top part is 100 nm, the average height is 100 nm, the average diameter of the cylindrical part is 100 nm, and the average height is 400 nm. The average diameter of the cone portion was 100 nm, the average height was 100 nm, and the interval between the convex structures was 180 nm, so that minute irregularities having a cone + cylinder + mesa portion could be formed.

この実施例サンプルとパターンを付けなかったサンプルの発光効率を比較したところ、実施例サンプルの方で輝度が80%向上していることが確認された。   When the luminous efficiency of the sample with no pattern was compared with that of the example sample, it was confirmed that the luminance of the example sample was improved by 80%.

(実施例18)
直径が200nmのPS粒子(密度1.05)を単分散させた水溶液中に、実施例1で用いた発光ダイオードであるGaPの発光層表面を備えた発光素子基板10を浸漬する。その後、基板を温度25℃,湿度40%の条件下で10μm/secの速度で引き上げる。引き上げの際に、基板表面と水溶液の表面と空気中の界面が存在、いわゆるメニスカスラインに沿ってPS粒子は基板表面に吸い寄せられ、基板表面にPS粒子が単分子層で配列された(図6(b))。
(Example 18)
The light emitting element substrate 10 provided with the light emitting layer surface of GaP which is the light emitting diode used in Example 1 is immersed in an aqueous solution in which PS particles (density 1.05) having a diameter of 200 nm are monodispersed. Thereafter, the substrate is pulled up at a speed of 10 μm / sec under conditions of a temperature of 25 ° C. and a humidity of 40%. During the pulling, there is an interface in the air between the substrate surface, the aqueous solution surface, and the air, so that PS particles are attracted to the substrate surface along a so-called meniscus line, and the PS particles are arranged in a monomolecular layer on the substrate surface (FIG. 6). (B)).

このPS粒子付基板を、ICPを用いて、BCl3 /Cl2 =5/20sccm、圧力0.266Pa(2mTorr)、入射電力/バイアス電力=100/100Wで2分間を行うと、円柱状パターンが形成された(図6(c))。その後、実施例1と同様にArスパッタリングすると、図6(d)に示すような、円錐+円柱+メサ部を有する微小な凹凸が形成された。 When this substrate with PS particles is subjected to BCl 3 / Cl 2 = 5/20 sccm, pressure 0.266 Pa (2 mTorr), incident power / bias power = 100/100 W for 2 minutes using ICP, a cylindrical pattern is formed. Formed (FIG. 6C). Thereafter, when Ar sputtering was performed in the same manner as in Example 1, fine irregularities having a cone + cylinder + mesa portion as shown in FIG. 6D were formed.

この結果、エッチング後の形状は、メサ部の下底部の平均直径は200nm、上頂部の平均直径は150nm、平均高さは100nmであり、円柱部の平均直径は150nm、平均高さは300nmであり、円錐部の平均直径は150nm、平均高さは120nm、凸構造の間隔は220nmである、円錐+円柱+メサ部を有する微小な凹凸が形成できた。   As a result, after etching, the average diameter of the lower bottom part of the mesa part is 200 nm, the average diameter of the top part is 150 nm, the average height is 100 nm, the average diameter of the cylindrical part is 150 nm, and the average height is 300 nm. In addition, a minute concavity and convexity having a cone + cylinder + mesa portion with an average diameter of the cone portion of 150 nm, an average height of 120 nm, and a convex structure interval of 220 nm were formed.

この実施例サンプルとパターンを付けなかったサンプルの発光効率を比較したところ、実施例サンプルの方で輝度が60%向上していることが確認された。   When the luminous efficiencies of this example sample and the sample without a pattern were compared, it was confirmed that the luminance of the example sample was improved by 60%.

(実施例19)
直径が500nmのPS粒子(密度1.05)を単分散させた水溶液中に、実施例1で用いた発光ダイオードであるGaPの光取り出し面を備えた発光素子基板を浸漬する。その後、実施例18と同様に引き上げることにより基板表面にPS粒子が単分子層で配列された。
(Example 19)
A light-emitting element substrate having a light extraction surface of GaP, which is the light-emitting diode used in Example 1, is immersed in an aqueous solution in which PS particles (density 1.05) having a diameter of 500 nm are monodispersed. Thereafter, PS particles were arranged in a monomolecular layer on the substrate surface by pulling up in the same manner as in Example 18.

このPS粒子付基板を、ICPを用いて、BCl3 /Cl2 =5/20sccm、0.266Pa(2mTorr)、入射電力/バイアス電力=100/100Wで3分間を行うと、円柱状パターンが形成された。その後、実施例1と同様にArスパッタリングすると、図に示すような、円錐+円柱+メサ部を有する微小な凹凸が形成された。   When this substrate with PS particles was subjected to BCl3 / Cl2 = 5/20 sccm, 0.266 Pa (2 mTorr), incident power / bias power = 100/100 W for 3 minutes using ICP, a cylindrical pattern was formed. . Thereafter, when Ar sputtering was performed in the same manner as in Example 1, fine irregularities having a cone + column + mesa portion were formed as shown in the figure.

この結果、エッチング後の形状は、メサ部の下底部の平均直径は500nm、上頂部の平均直径は350nm、平均高さ150nmであり、円柱部の平均直径は350nm、平均高さは450nmであり、円錐部の平均直径は350nm、平均高さは150nm、凸構造の間隔は550nmである、円錐+円柱+メサ部を有する微小な凹凸が形成できた。   As a result, after etching, the average diameter of the lower bottom part of the mesa part is 500 nm, the average diameter of the top part is 350 nm, the average height is 150 nm, the average diameter of the cylindrical part is 350 nm, and the average height is 450 nm. The average diameter of the cone portion was 350 nm, the average height was 150 nm, and the interval between the convex structures was 550 nm, and fine irregularities having a cone + column + mesa portion could be formed.

この実施例サンプルとパターンを付けなかったサンプルの発光効率を比較したところ、実施例サンプルの方で輝度が30%向上していることが確認された。本実施例のようにPS粒子を用いると、ブロックコポリマーでは実現するのが難しいと思われる大きさの凸構造も形成することが容易に可能である。   When the luminous efficiencies of this example sample and the sample without a pattern were compared, it was confirmed that the luminance of the example sample was improved by 30%. When PS particles are used as in this example, it is possible to easily form a convex structure having a size that is difficult to achieve with a block copolymer.

(実施例20)
直径が200nmのシリカ粒子(密度2.0)を単分散させた水溶液中に、実施例1で用いた発光ダイオードであるGaPの光取り出し面を備えた発光素子基板を浸漬する。その後、実施例18と同様に引き上げることにより基板表面にシリカ粒子が単分子層で配列された(図6(b))。
(Example 20)
A light-emitting element substrate having a light extraction surface of GaP, which is the light-emitting diode used in Example 1, is immersed in an aqueous solution in which silica particles having a diameter of 200 nm (density 2.0) are monodispersed. Thereafter, silica particles were arranged in a monomolecular layer on the substrate surface by pulling up in the same manner as in Example 18 (FIG. 6B).

このシリカ粒子付基板を、ICPを用いて、BCl3 /Cl2 =5/20sccm、圧力0.266Pa(2mTorr)、入射電力/バイアス電力=100/100Wで3分間を行うと、円柱状パターンが形成された(図6(c))。その後、実施例1と同様にArスパッタリングすると、図6(d)に示すような、円錐+円柱+メサ部を有する微小な凹凸が形成された。 When this substrate with silica particles is subjected to BCl 3 / Cl 2 = 5/20 sccm, pressure 0.266 Pa (2 mTorr), incident power / bias power = 100/100 W for 3 minutes using ICP, a cylindrical pattern is formed. Formed (FIG. 6C). Thereafter, when Ar sputtering was performed in the same manner as in Example 1, fine irregularities having a cone + cylinder + mesa portion as shown in FIG. 6D were formed.

この結果、エッチング後の形状は、メサ部の下底部の平均直径は200nm、上頂部の平均直径は150nm、平均高さは150nmであり、円柱部の平均直径は150nm、平均高さは450nmであり、円錐部の平均直径は150nm、平均高さは150nm、凸構造の間隔は220nmである、円錐+円柱+メサ部を有する微小な凹凸が形成できた。   As a result, after etching, the average diameter of the lower bottom part of the mesa part is 200 nm, the average diameter of the top part is 150 nm, the average height is 150 nm, the average diameter of the cylindrical part is 150 nm, and the average height is 450 nm. The cone had an average diameter of 150 nm, an average height of 150 nm, and a convex structure with an interval of 220 nm. Microscopic irregularities having a cone + cylinder + mesa portion could be formed.

この実施例サンプルとパターンを付けなかったサンプルの発光効率を比較したところ、実施例サンプルの方で輝度が130%向上していることが確認された。このように、シリカ粒子は塩素系エッチングに対して耐性が強く、PS粒子よりも選択比が大きくとれるため、より高い凹凸形状が形成できる。   When the luminous efficiency of this example sample and a sample without a pattern were compared, it was confirmed that the luminance of the example sample was improved by 130%. Thus, since the silica particles are highly resistant to chlorine-based etching and have a higher selectivity than the PS particles, a higher uneven shape can be formed.

(実施例21)
図14は、本発明の第21の実施例に係わる発光ダイオードの素子構造を示す断面図である。なお、図13と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。
(Example 21)
FIG. 14 is a sectional view showing an element structure of a light emitting diode according to the twenty-first embodiment of the present invention. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to FIG. 13 and an identical part, and the detailed description is abbreviate | omitted.

図14(a)に示すように、実施例17と同様の素子形成基板60を用意する。次いで、図14(b)に示すように、直径が300nmのシリカ粒子(密度2.0)を単分散させた水溶液中に、素子形成基板60の表面(GaNコンタクト層)を浸漬する。その後、実施例18と同様に引き上げることにより基板表面にシリカ粒子75が単分子層で配列された。   As shown in FIG. 14A, an element formation substrate 60 similar to that in Example 17 is prepared. Next, as shown in FIG. 14B, the surface (GaN contact layer) of the element formation substrate 60 is immersed in an aqueous solution in which silica particles having a diameter of 300 nm (density 2.0) are monodispersed. Thereafter, the silica particles 75 were arranged in a monomolecular layer on the substrate surface by pulling up in the same manner as in Example 18.

次いで、図14(c)に示すように、シリカ粒子付基板をICPを用いて、BCl3 /Cl2 =5/20sccm、圧力0.266Pa(2mTorr)、入射電力/バイアス電力=100/100Wの条件で3分間エッチングを行うと、円柱状パターンが形成された。その後、実施例1と同様にArスパッタリングすることにより、図14(d)に示すように、円錐+円柱+メサ部を有する微小な凹凸が形成された。 Next, as shown in FIG. 14 (c), the substrate with silica particles is made of ICP and BCl 3 / Cl 2 = 5/20 sccm, pressure 0.266 Pa (2 mTorr), incident power / bias power = 100/100 W. When etching was performed for 3 minutes under the conditions, a cylindrical pattern was formed. After that, by performing Ar sputtering in the same manner as in Example 1, as shown in FIG. 14D, minute irregularities having a cone + column + mesa portion were formed.

この結果、エッチング後の形状は、メサ部の下底部の平均直径は300nm、上頂部の平均直径は170nm、平均高さは220nmであり、円柱部の平均直径は170nm、平均高さは500nmであり、円錐部の平均直径は170nm、平均高さは200nm、凸構造の間隔は250nmである、円錐+円柱+メサ部を有する微小な凹凸が形成できた。   As a result, the shape after etching is such that the average diameter of the lower bottom portion of the mesa portion is 300 nm, the average diameter of the top portion is 170 nm, the average height is 220 nm, the average diameter of the cylindrical portion is 170 nm, and the average height is 500 nm. In addition, minute concavities and convexities having a cone, a cylinder, and a mesa portion were formed in which the average diameter of the cone portion was 170 nm, the average height was 200 nm, and the interval between the convex structures was 250 nm.

この実施例サンプルとパターンを付けなかったサンプルの発光効率を比較したところ、実施例サンプルの方で輝度が90%向上していることが確認された。このように本実施例では、GaNをより深くエッチングできたことにより輝度が上昇した。   When the luminous efficiencies of this example sample and the sample without a pattern were compared, it was confirmed that the luminance of the example sample was improved by 90%. As described above, in this example, the brightness increased because GaN could be etched deeper.

(実施例22)(EB描画)
実施例1で用いた発光ダイオードであるGaPの発光層表面を備えた発光素子基板10上に、電子線用レジスト(フジフィルム製:FEP−301)を形成した。そして、パターンジェネレーターを装備した50kVの加速電圧を持つ電子線露光装置で150nmの円形状パターンを発生させた(図7(b))。
(Example 22) (EB drawing)
An electron beam resist (manufactured by Fujifilm: FEP-301) was formed on the light-emitting element substrate 10 having the surface of the GaP light-emitting layer, which is the light-emitting diode used in Example 1. Then, a 150 nm circular pattern was generated by an electron beam exposure apparatus equipped with a pattern generator and having an acceleration voltage of 50 kV (FIG. 7B).

このレジストパターン付基板を、ICPを用いて、BCl3 /Cl2 =5/20/sccm、圧力0.266Pa(2mTorr)、入射電力/バイアス電力=100/100Wの条件で3分間エッチングを行うと、円柱状パターンが形成された(図7(c))。 When this resist-patterned substrate is etched using ICP under the conditions of BCl 3 / Cl 2 = 5/20 / sccm, pressure 0.266 Pa (2 mTorr), incident power / bias power = 100/100 W, for 3 minutes. A cylindrical pattern was formed (FIG. 7C).

続いて、ArガスでAr=50sccm、圧力0.65Pa(5mTorr)、パワー300Wで2分間スパッタリングすると、円柱の底辺部と頂上部がスパッタリングされ、図7(d)に示すようなメサ部と円錐部が形成された。   Subsequently, when sputtering is performed with Ar gas at Ar = 50 sccm, pressure 0.65 Pa (5 mTorr), power 300 W for 2 minutes, the bottom and top of the cylinder are sputtered, and the mesa and cone as shown in FIG. Part was formed.

この結果、エッチング後の形状は、メサ部の下底部の平均直径は200nm、上頂部の平均直径は150nm、平均高さは100nmであり、円柱部の平均直径は150nm、平均高さは400nmであり、円錐部の平均直径は150nm、平均高さは100nm、凸構造の間隔は220nmである、円錐+円柱+メサ部を有する微小な凹凸が形成できた。   As a result, after etching, the average diameter of the lower bottom part of the mesa part is 200 nm, the average diameter of the top part is 150 nm, the average height is 100 nm, the average diameter of the cylindrical part is 150 nm, and the average height is 400 nm. In addition, a minute concavity and convexity having a cone + cylinder + mesa portion with an average diameter of the cone portion of 150 nm, an average height of 100 nm, and a convex structure interval of 220 nm could be formed.

この実施例サンプルとパターンを付けなかったサンプルの発光効率を比較したところ、実施例サンプルの方で輝度が100%向上していることが確認された。   When the luminous efficiencies of this example sample and the sample without a pattern were compared, it was confirmed that the luminance of the example sample was improved by 100%.

なお、本発明は上述した各実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施することができる。また、実施例を適宜組み合わせて実施することも可能である。   The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the spirit of the invention. Moreover, it is also possible to implement combining an Example suitably.

本発明に係わる半導体発光装置の基本構成を示す断面図。1 is a cross-sectional view showing a basic configuration of a semiconductor light emitting device according to the present invention. 図1における凸構造を拡大して示す図。The figure which expands and shows the convex structure in FIG. 本発明の一実施形態に係わる発光ダイオードの素子構造を示す断面図。Sectional drawing which shows the element structure of the light emitting diode concerning one Embodiment of this invention. 本発明の他の実施形態に係わる発光ダイオードの素子構造を示す断面図。Sectional drawing which shows the element structure of the light emitting diode concerning other embodiment of this invention. 図3の発光ダイオードの製造工程(ブロックコポリマーを用いたミクロ相分離構造を利用)を示す断面図。Sectional drawing which shows the manufacturing process (utilizing the micro phase-separation structure using a block copolymer) of the light emitting diode of FIG. 図3の発光ダイオードの製造工程(PS微粒子利用)を示す断面図。Sectional drawing which shows the manufacturing process (PS fine particle utilization) of the light emitting diode of FIG. 図3の発光ダイオードの製造工程(電子ビーム描画利用)を示す断面図。Sectional drawing which shows the manufacturing process (electron beam drawing utilization) of the light emitting diode of FIG. 第6の実施例に係わる発光ダイオードの製造工程を示す断面図。Sectional drawing which shows the manufacturing process of the light emitting diode concerning a 6th Example. 第7の実施例に係わる発光ダイオードの製造工程を示す断面図。Sectional drawing which shows the manufacturing process of the light emitting diode concerning a 7th Example. 第13の実施例に係わる発光ダイオードの素子構造を示す断面図。Sectional drawing which shows the element structure of the light emitting diode concerning a 13th Example. 第15の実施例に係わる発光ダイオードの素子構造を示す断面図。Sectional drawing which shows the element structure of the light emitting diode concerning a 15th Example. 第17の実施例に係わる発光ダイオードの素子構造を示す断面図。Sectional drawing which shows the element structure of the light emitting diode concerning a 17th Example. 第17の実施例に係わる発光ダイオードの製造工程を示す断面図。Sectional drawing which shows the manufacturing process of the light emitting diode concerning a 17th Example. 第21の実施例に係わる発光ダイオードの製造工程を示す断面図。Sectional drawing which shows the manufacturing process of the light emitting diode concerning a 21st Example. 本発明の原理を説明するためのもので、凸型の回折格子の構造を示す断面図。Sectional drawing which shows the structure of a convex diffraction grating for demonstrating the principle of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

11…n−GaP基板
12…n−InAlPクラッド層
13…InGaAlP活性層
14…p−InAlPクラッド層
15…p−GaP電流拡散層
16,57,67…p側電極
17,58,68…n側電極
20,60,70…凸構造
21…メサ部
22…円柱部
23…円錐部
31…マスク材料層
32…ポリマーフラグメントパターン
33…PS粒子パターン
35…レジストパターン
36…3層用レジスト
37,71…SOG膜
38,72…ブロックコポリマー溶液
41…ブロックコポリマー
42…ドットパターン
51…Al2 3 基板
52…n−AlGaNコンタクト層
63…n−AlGaNクラッド層
54…n−AlGaN/n−AlGaN活性層
55…p−AlGaN/p−AlGaNクラッド層
56…p−GaNコンタクト層
61…n−GaN基板
62…n−GaNバッファ層
63…n−GaNクラッド層
64…MQW活性層
65…p−AlGaNキャップ層
66…p−GaNコンタクト層
73…PSパターン
75…シリカ粒子パターン
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... n-GaP board | substrate 12 ... n-InAlP clad layer 13 ... InGaAlP active layer 14 ... p-InAlP clad layer 15 ... p-GaP current spreading layer 16, 57, 67 ... p side electrode 17, 58, 68 ... n side Electrodes 20, 60, 70 ... convex structure 21 ... mesa part 22 ... cylindrical part 23 ... conical part 31 ... mask material layer 32 ... polymer fragment pattern 33 ... PS particle pattern 35 ... resist pattern 36 ... three-layer resist 37, 71 ... SOG film 38,72 ... block copolymer solution 41 ... block copolymer 42 ... dot pattern 51 ... Al 2 O 3 substrate 52 ... n-AlGaN contact layer 63 ... n-AlGaN cladding layer 54 ... n-AlGaN / n- AlGaN active layer 55 ... p-AlGaN / p-AlGaN cladding layer 56 ... p-GaN contour Coat layer 61 ... n-GaN substrate 62 ... n-GaN buffer layer 63 ... n-GaN clad layer 64 ... MQW active layer 65 ... p-AlGaN cap layer 66 ... p-GaN contact layer 73 ... PS pattern 75 ... Silica particles pattern

Claims (12)

半導体発光素子の光取り出し面に複数の凸構造が形成された半導体発光装置であって、
前記凸構造は、前記光取り出し面から順に、屈折率勾配構造を成す円錐状のメサ部、回折格子構造を成す円柱部、屈折率勾配構造を成す円錐部の3つの構造を有し、
前記凸構造の間隔が、発光波長の1/(外部媒質の屈折率+基板の屈折率)より大きく1倍以下の範囲であり、前記円柱部の円相当平均直径は前記メサ部の下底部の円相当平均直径の1/3から9/10倍の範囲であることを特徴とする半導体発光装置。
A semiconductor light emitting device in which a plurality of convex structures are formed on a light extraction surface of a semiconductor light emitting element,
The convex structure has, in order from the light extraction surface, a conical mesa portion that forms a refractive index gradient structure, a cylindrical portion that forms a diffraction grating structure, and a conical portion that forms a refractive index gradient structure,
The interval between the convex structures is greater than 1 / (refractive index of the external medium + refractive index of the substrate) and not more than 1 time, and the circle-equivalent mean diameter of the cylindrical portion is the lower bottom portion of the mesa portion. A semiconductor light emitting device characterized in that it is in the range of 1/3 to 9/10 times the circle equivalent average diameter.
前記メサ部の上頂部の円相当平均直径は前記円柱部の円相当平均直径と同等であり、該メサ部の下底部の円相当平均直径は発光波長の1/(外部媒質の屈折率+基板の屈折率)より大きく1倍の範囲であり、前記メサ部の平均高さは発光波長の1/10から1/5の範囲であることを特徴とする請求項1記載の半導体発光装置。   The circle-equivalent average diameter of the top portion of the mesa portion is equal to the circle-equivalent average diameter of the cylindrical portion, and the circle-equivalent average diameter of the bottom portion of the mesa portion is 1 / (refractive index of external medium + substrate 2. The semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein the average height of the mesa portion is in the range of 1/10 to 1/5 of the emission wavelength. 前記円錐部の下底部の円相当平均直径は前記円柱部の円相当平均直径と同等であり、前記円錐部の平均高さは発光波長の1/10から1倍の範囲であることを特徴とする請求項1又は2記載の半導体発光装置。   The circle-equivalent average diameter of the lower bottom part of the cone part is equal to the circle-equivalent average diameter of the cylindrical part, and the average height of the cone part is in the range of 1/10 to 1 times the emission wavelength. The semiconductor light emitting device according to claim 1 or 2. 前記凸構造の平均高さは発光波長の0.6から1.5倍の範囲であることを特徴とする請求項1〜3の何れかに記載の半導体発光装置。   4. The semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein the average height of the convex structure is in the range of 0.6 to 1.5 times the emission wavelength. 前記円柱部の平均高さは発光波長の3/10から1倍の範囲であることを特徴とする請求項1から1〜4の何れかに記載の半導体発光装置。   5. The semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein an average height of the cylindrical portion is in a range of 3/10 to 1 times the emission wavelength. 半導体発光素子の光取り出し面に複数の凸構造が形成された半導体発光装置であって、
前記凸構造は、前記光取り出し面から順に、屈折率勾配構造を成す円錐状のメサ部、回折格子構造を成す円柱部、屈折率勾配構造を成す円錐部の3つの構造を有し、
前記凸構造の間隔は、発光波長の1/(外部媒質の屈折率+基板の屈折率)より大きく1倍以下の範囲であり、該凸構造の平均高さは発光波長の0.6から1.5倍の範囲であり、
前記円柱部の円相当平均直径は前記メサ部の下底部の円相当平均直径の1/3から9/10倍の範囲であり、該円柱部の平均高さは発光波長の3/10から1倍の範囲であり、
前記メサ部の上頂部の円相当平均直径は前記円柱部の円相当平均直径と同等であり、該メサ部の下底部の円相当平均直径は発光波長の1/(外部媒質の屈折率+基板の屈折率)より大きく1倍の範囲であり、前記メサ部の平均高さは発光波長の1/10から1/5の範囲であり、
前記円錐部の下底部の円相当平均直径は前記円柱部の円相当平均直径と同等であり、該円錐部の平均高さは発光波長の1/10から1倍の範囲であることを特徴とする半導体発光装置。
A semiconductor light emitting device in which a plurality of convex structures are formed on a light extraction surface of a semiconductor light emitting element,
The convex structure has, in order from the light extraction surface, a conical mesa portion that forms a refractive index gradient structure, a cylindrical portion that forms a diffraction grating structure, and a conical portion that forms a refractive index gradient structure,
The interval between the convex structures is in a range greater than 1 / (refractive index of external medium + refractive index of substrate) and not more than one time, and the average height of the convex structures is 0.6 to 1 of the emission wavelength. .5 times the range,
The circle equivalent average diameter of the cylindrical portion is in the range of 1/3 to 9/10 times the circle equivalent average diameter of the lower bottom portion of the mesa portion, and the average height of the cylindrical portion is 3/10 to 1 of the emission wavelength. Double the range
The circle-equivalent average diameter of the top portion of the mesa portion is equal to the circle-equivalent average diameter of the cylindrical portion, and the circle-equivalent average diameter of the bottom portion of the mesa portion is 1 / (refractive index of external medium + substrate The average height of the mesa portion is in the range of 1/10 to 1/5 of the emission wavelength,
The circle-equivalent average diameter of the lower bottom part of the cone part is equal to the circle-equivalent average diameter of the cylindrical part, and the average height of the cone part is in the range of 1/10 to 1 times the emission wavelength. A semiconductor light emitting device.
前記発光素子は発光ダイオードであり、前記光取り出し面の一部に電極が形成され、前記光取り出し面の前記電極が形成されていない部分に前記凸構造が形成されていることを特徴とする請求項1記載の半導体発光装置。   The light-emitting element is a light-emitting diode, and an electrode is formed on a part of the light extraction surface, and the convex structure is formed on a portion of the light extraction surface where the electrode is not formed. Item 14. A semiconductor light emitting device according to Item 1. 請求項1〜7の何れかに記載の半導体発光装置の製造方法であって、
前記光取り出し面上に円形パターンを周期的に配列したマスクを形成する工程と、
前記マスクを用いて反応性イオンエッチング法により、前記光取り出し面を成す光放射側最外層又は無機光透過性層を選択的にエッチングすることによって、前記凸構造の円柱部を形成する工程と、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
A method for manufacturing a semiconductor light-emitting device according to claim 1,
Forming a mask in which circular patterns are periodically arranged on the light extraction surface;
Forming the cylindrical portion of the convex structure by selectively etching the light emitting side outermost layer or the inorganic light transmitting layer forming the light extraction surface by a reactive ion etching method using the mask; and
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
請求項1〜7の何れかに記載の半導体発光装置の製造方法であって、
前記光取り出し面上に円形パターンを周期的に配列したマスクを形成する工程と、
前記マスクを用いて反応性イオンエッチング法により、前記光取り出し面を成す光放射側最外層又は無機光透過性層を選択的にエッチングすることによって、前記凸構造の円柱部を形成する工程と、
不活性ガスを用いた物理エッチング法により前記光放射側最外層又は無機光透過性層をエッチングすることによって、前記円柱部の底部に前記メサ部を形成すると共に該円柱部の頂部に前記円錐部を形成する工程と、
を含むことを特徴とする半導体発光装置の製造方法。
A method for manufacturing a semiconductor light-emitting device according to claim 1,
Forming a mask in which circular patterns are periodically arranged on the light extraction surface;
Forming the cylindrical portion of the convex structure by selectively etching the light emitting side outermost layer or the inorganic light transmitting layer forming the light extraction surface by a reactive ion etching method using the mask; and
The mesa portion is formed at the bottom of the cylindrical portion by etching the outermost layer on the light emission side or the inorganic light transmitting layer by a physical etching method using an inert gas, and the conical portion is formed at the top of the cylindrical portion. Forming a step;
A method of manufacturing a semiconductor light emitting device, comprising:
前記マスクを形成する工程として、前記光取り出し面上にレジストを形成した後、前記レジストに電子ビームや光を用いたリソグラフィ法により前記円形パターンを描画することを特徴とする請求項8又は9記載の半導体発光装置の製造方法。   10. The step of forming the mask, wherein a resist is formed on the light extraction surface, and then the circular pattern is drawn on the resist by a lithography method using an electron beam or light. Manufacturing method of the semiconductor light-emitting device. 前記マスクを形成する工程として、前記光取り出し面上に、ブロックコポリマー又はグラフトコポリマーを含有し、ミクロ相分離構造を自己組織的に形成する樹脂組成物からなる薄膜を形成した後、前記薄膜のミクロ相分離構造の少なくとも一方の相を選択的に除去することを特徴とする請求項8又は9記載の半導体発光装置の製造方法。   As the step of forming the mask, after forming a thin film made of a resin composition containing a block copolymer or a graft copolymer on the light extraction surface and forming a micro phase separation structure in a self-organized manner, 10. The method of manufacturing a semiconductor light emitting device according to claim 8, wherein at least one phase of the phase separation structure is selectively removed. 前記マスクを形成する工程として、前記光取り出し面上にポリマービーズ又はシリカビーズを単一粒子層に並べたものを形成することを特徴とする請求項8又は9記載の半導体発光装置の製造方法。   10. The method of manufacturing a semiconductor light emitting device according to claim 8, wherein the step of forming the mask includes forming a polymer bead or silica bead in a single particle layer on the light extraction surface.
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