JP4829190B2 - 発光素子 - Google Patents

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Description

本発明は、光取り出し効率の向上した発光素子に係り、特に、そのような発光素子の基板表面構造に関する。
近年、半導体発光素子、中でも発光ダイオード（ＬＥＤ）は、ディスプレイ用バックライト、車載用、照明用などに幅広く用いられている。これらの用途において、半導体発光素子は、発光効率の高いものが要求されている。半導体発光素子の発光効率を高めるための有力な手段として、素子からの光取出し効率を上げることが考えられ、これに関し、これまで多くの研究が重ねられている。
例えば、屈折率の高い基板を用いた発光素子では、外部との大きな屈折率差による基板表面及び界面での反射があることと、外部への出射角が全反射の臨界角以上であるため外部へ取り出せない光成分があることにより、光取り出しの損失の問題が存在している。
このような光取り出しの損失を回避する方法として、反射防止効果や回折効果を得るために、基板表面に高屈折率樹脂層を形成したり、ナノ凹凸表面加工などを施す技術が知られている。
しかし、発光素子内部で発生した光を外部に効率よく取り出すために従来検討されているナノ凹凸表面加工の方法（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）では、凹凸形状を実際に形成するためにエッチングなどの複雑な工程が必要となり、理論上の最適形状を最適位置で形成することが困難であった。
特開２００３−２５８２９６号公報 特開２００７−１８４３１３号公報
本発明は、以上のような事情の下になされ、高屈折率基板の光取り出し面から効率良く光を取り出すことの可能な発光素子を提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、本発明の一態様は、発光層を備える支持基板、及び前記支持基板の光取り出し面上に形成された光透過層を具備し、前記光透過層は、前記支持基板よりも屈折率の低い材料の複数の凸状構造体、及び前記凸状構造体を覆う、前記凸状構造体よりも屈折率の低い材料の被覆層を含み、面内方向に周期的屈折率分布構造を有することを特徴とする発光素子を提供する。
このような発光素子において、前記凸状構造体を無機材料とし、前記被覆層を樹脂材料とすることができる。
あるいはまた、前記凸状構造体及び被覆層は樹脂材料からなるものとし、前記凸状構造体を、エネルギービームの照射による樹脂の相転移により形成することができる。
前記支持基板の光取り出し面は、水平面とその周囲の傾斜面とからなるものとすることができる。また、前記凸状構造体は、ナノメーターないしサブミクロンオーダーのサイズを有するものとすることができる。更に、前記凸状構造体の上、又は隣接する凸状構造体間の空隙内に、蛍光体粒子を配置することができる。
本発明によると、光透過層が面内方向及び厚さ方向に周期的屈折率分布構造を有しているため、高屈折率基板の光取り出し面から効率良く光を取り出すことが可能な発光素子が提供される。
以下、発明を実施するための最良の形態について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る発光素子の光取り出し面を示す図である。図１において、ＬＥＤ構造（図示せず）を有するＬＥＤ基板１の光出射面には、光透過層２が形成され、この光透過層２は、高屈折率部分として、無機物質からなる凸状構造体３と、低屈折率部分として、凸状構造体３を覆う樹脂層４とから構成されている。なお、無機物質からなる凸状構造体３が周期的屈折率分布構造を有していればよく、低屈折率部分としての樹脂層４は必ずしも必要ではなく、空気層であってもよい。
ＬＥＤ基板１としては、例えば、炭素化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、サファイア（Ａｌ2Ｏ3）、などの半導体基板を用いることができる。
また、無機物質からなる凸状構造体３としては、ＧａＮやＺｎＯ材料を主成分とする無機物質を用いることができる。これらの無機物質からなる凸状構造体３は、ナノロッド、マイクロロッド、ナノコラム、ナノウィスカなどとよばれる形状のものを形成することができる。
凸状構造体３のサイズ、即ち、高さ及び径は、ナノメートルないしサブミクロンオーダーであることが好ましい。このようなサイズの凸状構造体３は、溶液から析出させることにより、基板面から垂直方向に成長させることができる。
低屈折率部分としての樹脂層には、シリコーン樹脂、アクリル樹脂、エポキシ樹脂などの種々のポリマー材料が挙げられる。
以上の光透過層２を構成する材料は、発光波長に対して光透過率が高い材料であることが望ましい。
図１に示すように、ＬＥＤ基板１の光取り出し面上に光透過層２を形成することで、反射防止効果が得られ、また光透過層２内に凸状構造体３からなる周期的屈折率分布構造を形成することで、回折効果と合わせて、高屈折率基板１からの光取り出し効率を向上させることができる。
このような本実施形態の効果について、図２を参照して説明する。
図２において、基板１の屈折率をｎ１、凸状構造体３の屈折率をｎ２、樹脂層４の屈折率をｎ３とすると、ｎ１＞ｎ２＞ｎ３である。即ち、発光層（図示せず）からの光は、様々な経路を経て、例えば、高屈折率ｎ１を有する基板１から、屈折率ｎ１より低い屈折率ｎ２を有する凸状構造体３を通って、屈折率ｎ２より低い屈折率ｎ３を有する樹脂層４へ、段階的に順次減少する屈折率の媒質を経て、空気中に至る。
図２に示すように、基板１の光取り出し面から垂直方向に出た光Ａは、そのまま進路を変えることなく凸状構造体３及び樹脂層４を透過する。基板１の光取り出し面から垂直方向に樹脂層４に直接入った光Ｂもまたそのまま樹脂層４を透過する。
次に、基板１の光取り出し面から臨界角より小さい角度で凸状構造体３に入射し、凸状構造体３と樹脂層４の間の臨界角より大きい角度で凸状構造体３と樹脂層４の界面に入射した光Ｃは、全反射を繰り返して、凸状構造体３の頂部から樹脂層４に出る。
また、基板１の光取り出し面から基板１と樹脂層４の間の臨界角より大きい角度で樹脂層４に直接入った光Ｄは、全反射して基板１内に戻る。また、基板１の光取り出し面から臨界角より小さい角度で凸状構造体３に入射し、凸状構造体３と樹脂層４の間の臨界角より小さい角度で凸状構造体３と樹脂層４の界面に入射した光Ｅは、樹脂層４に入り、最終的に外部に出る。
このように、本実施形態においては、光出射面上に凸状構造体３を形成することにより、光出射面における屈折率の差を小さくすることができるため、光出射面で光が全反射する臨界角度を、空気中へ出射される場合よりも大きくすることができる。このため、光の取り出し効率を向上させることができる。
例えば、基板１としてｎ型ＧａＮを用い、その光取り出し面上に凸状構造体３としてＺｎＯ柱を形成した場合、光が全反射する臨界角度は４８．４°となり、空気中へ出射される場合の臨界角度２３．２°よりはるかに大きくすることができる。このため、光の取り出し効率を約４倍にすることができる。
なお、ＬＥＤとして青色ＬＥＤを用い、凸状構造体３を黄色蛍光体により構成することにより、白色光を取り出すことができる。
図３は、本発明の第２の実施形態に係る発光素子の光取り出し面を示す図である。図３において、ＬＥＤ構造（図示せず）を有するＬＥＤ基板１の光出射面は、水平面とその周囲に傾斜面を有している。これら水平面及び傾斜面上には、凸状構造体３及び樹脂層４からなる光透過層２が形成されている。
このように、光取り出し面が傾斜面を有する場合でも、凸状構造体３は傾斜面に垂直方向に形成することが可能である。従来のエッチングにより凹凸面を形成する光取り出し面構造では、凹凸面は傾斜面に垂直に形成することは出来ず、水平面に垂直方向に形成されてしまうため、凸状構造体３同士が光出射を阻害してしまい、光取り出し効率が劣化してしまう。本実施形態のように、光出射面に対し垂直方向に凸状構造体３を形成することにより、光取り出し効率を大幅に増加させることが可能である。
傾斜面の傾斜角は、特に限定されないが、２５ないし５０°であるのが好ましい。
図４は、本発明の第３の実施形態に係る発光素子の光取り出し面を示す図である。図４において、ＬＥＤ構造（図示せず）を有するＬＥＤ基板１の光出射面上には、高屈折率部６及び低屈折率部７からなる光透過層５が形成されている。
高屈折率部６及び低屈折率部７は、いずれも樹脂材料からなり、有機材料層にエネルギービームを照射することにより相転移を生ぜしめ、高屈折率部６と低屈折率部７からなる周期的屈折率分布構造を形成するものである。
有機材料層としては、例えば、光記録用樹脂材料、ホログラム記録用樹脂材料、回折格子光学部品用樹脂材料などを用いることができる。これら樹脂層を形成位置に塗布した後、光強度分布をもつエネルギービームの照射により相転移を生ぜしめ、屈折率分布を形成することができる。材料によってはその後熱硬化によって固定化することができる。
エネルギービームとしては、レーザビーム、電子線ビームを用いることができる。
本実施形態に係る例は、光強度分布に応じて層内の屈折率分布を形成するものであるため、分布間隔や位置などの制御性に優れている。
図５は、本発明の第４の実施形態に係る発光素子の光取り出し面を示す図である。図５において、ＬＥＤ構造（図示せず）を有するＬＥＤ基板１の光出射面上には、凸状構造体３及び樹脂層４からなる光透過層２が形成されていることは、図１に示す実施形態と同様である。本実施形態では、凸状構造体３上に、その間隙を塞ぐように蛍光体粒子８が配置されている。この場合の蛍光体粒子８の粒径は、２５ないし７０ｎｍ程度であるのが好ましい。
図６は、本発明の第５の実施形態に係る発光素子の光取り出し面を示す図である。図６において、ＬＥＤ構造（図示せず）を有するＬＥＤ基板１の光出射面上には、凸状構造体３及び樹脂層４からなる光透過層２が形成され、凸状構造体３上に、その間隙を塞ぐように蛍光体粒子８が配置されていることは、図５に示す実施形態と同様である。本実施形態では、凸状構造体３の間隙内に小粒径の蛍光体粒子９が収容されている。この場合の蛍光体粒子９の粒径は、１０ないし２５ｎｍ程度であるのが好ましい。
図７は、本発明の第６の実施形態に係る発光素子の光取り出し面を示す図である。図６において、ＬＥＤ構造（図示せず）を有するＬＥＤ基板１の光出射面上には、凸状構造体３及び樹脂層４からなる光透過層２が形成されていることは、図１に示す実施形態と同様である。
本実施形態では、凸状構造体３上に、非球状蛍光体１０が配置されている。
以上の第５〜７の実施形態において、ＬＥＤとして青色ＬＥＤを用い、蛍光体粒子８,９,１０として黄色蛍光体を用いることにより、白色光を取り出すことができる。
以下に実施例を挙げて本発明について説明する。
実施例１
図８に示す発光ダイオードは、ＧａＮ、ＳｉＣ又はサファイアよりなる基板１１上に、ｎ型ＧａＮ層１２、活性層１３、ｐ型ＧａＡｌＮ層（電子オーバーフロー防止層）１４、ｐ型ＧａＮからなる第１のコンタクト層１５、及びｐ型ＧａＮからなる第２のコンタクト層１６を順次形成し、更にｐ型ＧａＮからなる第２のコンタクト層１６上にｐ型電極層１７を、ｎ型ＧａＮ層１２上にｎ型電極層１８を形成することにより構成される。
以上のように構成される図８に示す発光ダイオードは、次のように製造される。
まず、基板１１上に、ｎ型不純物がドープされたｎ型ＧａＮ層１２を結晶成長する。結晶成長には、例えば有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ：Metal Organic Chemical Vapor Deposition）を用いることができる。有機金属気相成長法以外に、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ：Molecular Beam Epitaxy）により結晶成長を行っても良い。ｎ型不純物としては、ＳｉやＧｅなど種々の元素を用いることが可能であるが、本実施例ではＳｉを用いている。Ｓｉのドーピング量としては、２×１０１８ｃｍ−３程度にすれば良い。
次いで、ｎ型ＧａＮ層１２の上に、膜厚３．５ｎｍ程度のアンドープのＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎからなる量子井戸層と、この量子井戸をはさんでその両側に膜厚７ｎｍ程度のＳｉドープのＩｎ０．０１Ｇａ０．９９Ｎからなるバリア層を交互に積層した多重量子井戸（ＭＱＷ：Multiple Quantum Well）構造の活性層１３を形成する。この場合の成長温度は７００〜８００℃である。
次に、活性層１３の上に、ｐ型不純物がドープされた膜厚１０ｎｍ程度のＧａ０．８Ａｌ０．２Ｎを電子オーバーフロー防止層１４として成長させる。ｐ型不純物としては、ＭｇやＺｎなど種々の元素を用いることが可能であるが、ここではＭｇを用いるものとする。Ｍｇのドーピング量としては４×１０１８ｃｍ−３程度であれば良い。
その後、電子オーバーフロー防止層１４の上に、Ｍｇが１×１０１９ｃｍ−３程度ドープされた第１のｐ型コンタクト層１５を成長する。第１のｐ型コンタクト層１５の膜厚は５０ｎｍ程度あれば良い。
最後に、ｐ型コンタクト層１５の上に、Ｍｇが１×１０２０ｃｍ−３程度ドープされた、膜厚２０ｎｍ程度の第２のｐ型コンタクト層１６を成長する。電子オーバーフロー防止層１４と、第１及び第２のｐ型コンタクト層１５,１６の成長温度は１０００〜１１００℃程度である。
以上のように結晶成長を行ったウェハに対して、以下のデバイスプロセスを行うことにより、最終的に発光ダイオードが作製される。
即ち、第２のｐ型ＧａＮコンタクト層１６上にレジストを塗布し、フォトリソグラフィーもしくは電子線リソグラフィーなどを用いて、エッチングマスクを形成する。次いで、ドライエッチングにより、第２のｐ型ＧａＮコンタクト層１６の一部を、ｎ型ＧａＮ層１２が露出するまでエッチング除去する。
次に、第２のｐ型ＧａＮコンタクト層１６上にレジストを塗布し、フォトリソグラフィーもしくは電子線リソグラフィーなどを用いて、電極形成用の開口パターンのレジストマスクを形成する。そして、銀あるいは銀を含む合金の電極よりなるｐ型電極層７を形成する。更に、レジストを塗布し、フォトリソグラフィーもしくは電子線リソグラフィーにより、ｎ型電極１８形成用の開口パターンを形成し、例えば、チタン−白金−金（Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ）の複合膜からなるｎ型電極層１８を形成する。ｎ型電極層１８は、例えば、膜厚０．０５μｍ程度のＴｉ膜、膜厚０．０５μｍ程度のＰｔ膜、および膜厚１．０μｍ程度のＡｕ膜である。
その後、基板１１の裏面側から研磨し、ウェハの厚さを薄くする。この時、ウエハ全体の厚さは、１００μｍ〜３５０μｍの間に調整する。次いで、ダイシングを用いて、ＬＥＤチップ側面の傾斜面に相当するＶ溝を格子状に形成する。傾斜面の傾斜角は４５〜９０度とする。ここで、傾斜面の傾斜角は、ダイシング装置のカッターの刃先の角度で制御することができる。
このように加工したウエハーを、０．０２モル／Ｌの硝酸亜鉛（Ｚｎ（ＮＯ３）２・６Ｈ２）と０．０２モル／Ｌのヘキサメチレンテトラミン（Ｃ６Ｈ１２Ｎ４（ＨＭＴ））とからなる水溶液中に浸漬し、溶液温度約８０℃で１時間保持する。
これにより、図９に示すような六角柱状のＺｎＯの結晶を基板面に垂直方向に、即ち、傾斜面に対しても垂直方向に成長させることができた。
その後、ウエハをブレーキングにより分離し、チップ化する。一個のチップの大きさは、一辺の長さが２００μｍ〜１０００μｍの断面正方形あるいは長方形とする。これにより、図１０に示すように、光出射面に垂直方向に六角柱状のＺｎＯ結晶が形成されたデバイス構造を作製することができる。
このようにして作製された発光素子では、ＺｎＯ柱のない場合と比較して、光の取り出し効率を約４にすることができる。
実施例２
本実施例は、図１１に示すような基板を挟んで上下に電極を設け、上下に電流を流す構造の発光ダイオードに適用した例である。
図１１に示す発光ダイオードは、ｎ型ＧａＮ基板２１上に、ｎ型ＧａＮ層２２、活性層２３、ｐ型ＧａＡｌＮ層（電子オーバーフロー防止層）２４と、ｐ型ＧａＮからなる第１のコンタクト層２５、及びｐ型ＧａＮからなる第２のコンタクト層２６を順次形成し、更にｐ型ＧａＮからなる第２のコンタクト層２６上にｐ型電極層２７を、ｎ型ＧａＮ基板２１上にｎ型電極層２８を形成することにより構成される。
以上のように構成される図１１に示す発光ダイオードは、次のように製造される。
まず、ｎ型ＧａＮ基板２１上に、ｎ型不純物がドープされたｎ型ＧａＮ層２２を結晶成長する。結晶成長には、例えば有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ：Metal Organic Chemical Vapor Deposition）を用いることができる。有機金属気相成長法以外に、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ：Molecular Beam Epitaxy）により結晶成長を行っても良い。ｎ型不純物としては、ＳｉやＧｅなど種々の元素を用いることが可能であるが、本実施例ではＳｉを用いている。Ｓｉのドーピング量としては、２×１０１８ｃｍ−３程度にすれば良い。
次いで、ｎ型ＧａＮ層２２の上に、膜厚３．５ｎｍ程度のアンドープのＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎからなる量子井戸層と、この量子井戸をはさんでその両側に膜厚７ｎｍ程度のＳｉドープのＩｎ０．０１Ｇａ０．９９Ｎからなるバリア層を交互に積層した多重量子井戸（ＭＱＷ：Multiple Quantum Well）構造の活性層２３を形成する。この場合の成長温度は７００〜８００℃である。
次に、活性層２３の上に、ｐ型不純物がドープされた膜厚１０ｎｍ程度のＧａ０．８Ａｌ０．２Ｎを電子オーバーフロー防止層２４として成長させる。ｐ型不純物としては、ＭｇやＺｎなど種々の元素を用いることが可能であるが、ここではＭｇを用いるものとする。Ｍｇのドーピング量としては４×１０１８ｃｍ−３程度であれば良い。
その後、電子オーバーフロー防止層２４の上に、Ｍｇが１×１０１９ｃｍ−３程度ドープされた第１のｐ型コンタクト層２５を成長する。第１のｐ型コンタクト層２５の膜厚は５０ｎｍ程度あれば良い。
最後に、ｐ型コンタクト層２５の上に、Ｍｇが１×１０２０ｃｍ−３程度ドープされた、膜厚６０ｎｍ程度の第２のｐ型コンタクト層２６を成長する。電子オーバーフロー防止層２４と、第１及び第２のｐ型コンタクト層２５,２６の成長温度は１０００〜１１００℃程度である。
以上のように結晶成長を行ったウェハに対して、以下のデバイスプロセスを行うことにより、最終的に発光ダイオードが作製される。
即ち、第２のｐ型ＧａＮコンタクト層２６上にレジストを塗布し、フォトリソグラフィーもしくは電子線リソグラフィーなどを用いて、エッチングマスクを形成する。次いで、ドライエッチングにより、第２のｐ型ＧａＮコンタクト層２６の一部を、ｎ型ＧａＮ層１２が露出するまでエッチング除去する。
次に、第２のｐ型ＧａＮコンタクト層１６上にレジストを塗布し、フォトリソグラフィーもしくは電子線リソグラフィーなどを用いて、電極形成用の開口パターンのレジストマスクを形成する。そして、銀あるいは銀を含む合金の電極よりなるｐ型電極層２７を形成する。
その後、基板２１の裏面側から研磨し、ウェハの厚さを薄くする。この時、ウエハ全体の厚さは、１００μｍ〜３５０μｍの間に調整する。
更に、レジストを塗布し、フォトリソグラフィーもしくは電子線リソグラフィーにより、ｎ型電極２８形成用の開口パターンを形成し、例えば、チタン−白金−金（Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ）の複合膜からなるｎ型電極層１８を形成する。ｎ型電極層１８は、例えば、膜厚０．０５μｍ程度のＴｉ膜、膜厚０．０５μｍ程度のＰｔ膜、および膜厚１．０μｍ程度のＡｕ膜である。
次いで、ダイシングを用いて、ＬＥＤチップ側面の傾斜面に相当するＶ溝を格子状に形成する。傾斜面の傾斜角は４５〜９０度とする。ここで、傾斜面の傾斜角は、ダイシング装置のカッターの刃先の角度で制御することができる。
このように加工したウエハーを、０．０２モル／Ｌの硝酸亜鉛（Ｚｎ（ＮＯ３）２・６Ｈ２）と０．０２モル／Ｌのヘキサメチレンテトラミン（Ｃ６Ｈ１２Ｎ４（ＨＭＴ））とからなる水溶液中に浸漬し、溶液温度約８０℃で１時間保持する。
これにより、図１２に示すような六角柱状のＺｎＯの結晶を基板面に垂直方向に、即ち、傾斜面に対しても垂直方向に成長させることができた。
その後、ウエハをブレーキングにより分離し、チップ化する。一個のチップの大きさは、一辺の長さが２００μｍ〜１０００μｍの断面正方形あるいは長方形とする。これにより、図１２に示すように、光出射面に垂直方向に六角柱状のＺｎＯ結晶が形成されたデバイス構造を作製することができる。
このようにして作製された発光素子では、ＺｎＯ柱のない場合と比較して、光の取り出し効率を約４にすることができる。
本発明の第１の実施形態に係る発光素子を示す模式図。 本発明の第１の実施形態に係る発光素子の光取り出しのメカニズムを説明する図。 本発明の第２の実施形態に係る発光素子を示す模式図。 本発明の第３の実施形態に係る発光素子を示す模式図。 本発明の第４の実施形態に係る発光素子を示す模式図。 本発明の第５の実施形態に係る発光素子を示す模式図。 本発明の第６の実施形態に係る発光素子を示す模式図。 実施例１に係る発光素子を示す模式図。 実施例１に係る発光素子における六角柱状のＺｎＯ結晶を示す図。 実施例１に係る発光素子の光取出し面を示す模式図。 実施例１に係る発光素子を示す模式図。 実施例２に係る発光素子の光取出し面を示す模式図。
符号の説明
１，１１，２１…基板、２，５…光透過層、３…凸状構造体、４…樹脂層、６…高屈折率部、７…低屈折率部、８，９，１０…蛍光体粒子、１２，２２…ｎ型ＧａＮ層１２、１３，２３…活性層、１４，２４…ｐ型ＧａＡｌＮ層、１５，２５…第１のコンタクト層、１６，２６…第２のコンタクト層、１７，２７…ｐ型電極層、１８，２８…ｎ型電極層。

Claims (3)

  1. 発光層を備える支持基板、及び前記支持基板の光取り出し面上に形成された光透過層を
    具備し、前記光透過層は、前記支持基板よりも屈折率の低い材料の複数の凸状構造体、及
    び前記凸状構造体を覆う、前記凸状構造体よりも屈折率の低い材料の被覆層を含み、前記
    凸状構造体及び被覆層は樹脂材料であり、前記凸状構造体は、エネルギービームの照射に
    よる樹脂の相転移により形成され、面内方向に周期的屈折率分布構造を有することを特徴
    とする発光素子。
  2. 前記支持基板の光取り出し面は、水平面とその周囲の傾斜面とからなることを特徴とす
    る請求項１に記載の発光素子。
  3. 前記凸状構造体は、ナノメーターないしサブミクロンオーダーのサイズを有することを
    特徴とする請求項１又は２に記載の発光素子。
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