JP5150684B2 - 半導体発光素子および半導体発光素子の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明の実施形態は、半導体発光素子および半導体発光素子の製造方法に関する。
基板上にｎ形半導体層、発光層、ｐ形半導体層、透光性電極を積層するようにして形成し、透光性電極およびｎ形半導体層にそれぞれ電極を設けた半導体発光素子が知られている。この様な半導体発光素子においては、発光層において発生した光を透光性電極または基板を介して外部に取り出すようにしているが、光が減衰するため光取り出し効率が低下してしまうという問題がある。
本発明の実施形態は、光取り出し効率を向上させることができる半導体発光素子および半導体発光素子の製造方法を提供する。
実施形態によれば、第１の主面の周縁に沿って設けられた第１の領域と、前記第１の領域よりも前記第１の主面の中心側に設けられた第２の領域と、を有する基板と、前記基板の第１の主面の上に設けられた第１の半導体層と、前記第１の半導体層の上に設けられた発光層と、前記発光層の上に設けられた第２の半導体層と、前記第２の半導体層の上に設けられた透光性電極と、を備え、前記第１の主面には、複数の突起部が設けられ、前記第２の領域における突起部の平均ピッチ寸法は、前記第１の領域における突起部の平均ピッチ寸法よりも小さく、前記第１の領域における突起部の平均ピッチ寸法は、２μｍを超え、６μｍ以下であること、を特徴とする半導体発光素子が提供される。
また、他の実施形態によれば、基板の第１の主面に、前記第１の主面の周縁に沿った第１の領域と、前記第１の領域よりも前記第１の主面の中心側に第２の領域と、を形成する工程と、前記基板の第１の主面の上に第１の半導体層を形成する工程と、前記第１の半導体層の上に発光層を形成する工程と、前記発光層の上に第２の半導体層を形成する工程と、を備え、前記第１の領域と、前記第２の領域と、を形成する工程において、前記第１の主面には、複数の突起部を形成し、前記第２の領域における突起部の平均ピッチ寸法は、前記第１の領域における突起部の平均ピッチ寸法よりも小さくされ、前記第１の領域における突起部の平均ピッチ寸法は、２μｍを超え、６μｍ以下とされること、を特徴とする半導体発光素子の製造方法が提供される。
以下、図面を参照しつつ、実施の形態について例示をする。なお、各図面中、同様の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
図１は、本実施の形態に係る半導体発光素子を例示する模式断面図である。
図１に示すように、半導体発光素子１には、基板２、半導体層３（第１の半導体層）、発光層４、半導体層５（第２の半導体層）、透光層６、透光性電極７、電極８、電極９、絶縁層１０が設けられている。
図１は、本実施の形態に係る半導体発光素子を例示する模式断面図である。
図１に示すように、半導体発光素子１には、基板２、半導体層３（第１の半導体層）、発光層４、半導体層５（第２の半導体層）、透光層６、透光性電極７、電極８、電極９、絶縁層１０が設けられている。
基板２は、半導体層３が設けられる側の主面（第１の主面）の周縁に沿って設けられた周縁領域（第１の領域）と、周縁領域よりも主面の中心側に設けられた中央領域（第２の領域）と、を有する。
また、周縁領域には突起部２ａが形成され、中央領域には突起部２ｂが形成されている。なお、突起部２ａ、突起部２ｂに関する詳細については後述する。
また、周縁領域には突起部２ａが形成され、中央領域には突起部２ｂが形成されている。なお、突起部２ａ、突起部２ｂに関する詳細については後述する。
基板２の突起部２ａ、突起部２ｂが設けられる側の主面には、結晶成長させることで半導体層３が形成されている。半導体層３を結晶成長させる場合には、半導体層３と同じ材料からなる基板を用いるか、半導体層３と格子定数および熱膨張係数の近い材料からなる基板を用いるようにすることが好ましい。例えば、半導体層３が窒化物半導体からなる場合には、基板２が窒化物半導体からなるものとすることが好ましい。ただし、一般的には、窒化物半導体からなる適切な大きさの基板を形成することは困難である。そのため、窒化物半導体からなる基板の代用としてサファイア基板、ＳｉＣ基板、スピネル基板などを用いるようにすることができる。
半導体層３は、ｎ形となるようにドープされた半導体（ｎ形半導体）からなるものとすることができる。この場合、ｎ形の窒化物半導体からなるものとすることができる。窒化物半導体としては、例えば、ＧａＮ（窒化ガリウム）、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、ＡｌＧａＮ（窒化アルミニウムガリウム）、ＩｎＧａＮ（窒化インジウムガリウム）などを例示することができる。
発光層４は、半導体層３の基板２に設けられる側とは反対側に設けられている。
発光層４は、正孔および電子が再結合して光を発生する井戸層と、井戸層よりも大きなバンドギャップを有する障壁層（クラッド層）と、によって構成された量子井戸構造とすることができる。
この場合、単一量子井戸（ＳＱＷ；Single Quantum Well）構造としてもよいし、多重量子井戸（ＭＱＷ；Multiple Quantum Well）構造としてもよい。また、単一量子井戸構造のものを複数積層するようにしてもよい。
発光層４は、正孔および電子が再結合して光を発生する井戸層と、井戸層よりも大きなバンドギャップを有する障壁層（クラッド層）と、によって構成された量子井戸構造とすることができる。
この場合、単一量子井戸（ＳＱＷ；Single Quantum Well）構造としてもよいし、多重量子井戸（ＭＱＷ；Multiple Quantum Well）構造としてもよい。また、単一量子井戸構造のものを複数積層するようにしてもよい。
例えば、単一量子井戸構造のものとしては、ＧａＮ（窒化ガリウム）からなる障壁層、ＩｎＧａＮ（窒化インジウムガリウム）からなる井戸層、ＧａＮ（窒化ガリウム）からなる障壁層がこの順で積層されたものを例示することができる。
多重量子井戸構造のものとしては、ＧａＮ（窒化ガリウム）からなる障壁層、ＩｎＧａＮ（窒化インジウムガリウム）からなる井戸層、ＧａＮ（窒化ガリウム）からなる障壁層、ＩｎＧａＮ（窒化インジウムガリウム）からなる井戸層、ＧａＮ（窒化ガリウム）からなる障壁層がこの順で積層されたものを例示することができる。
この場合、前述した半導体層３を障壁層とすることもできる。
なお、発光層４は量子井戸構造に限定されるわけではなく、発光可能な構造を適宜選択することができる。
多重量子井戸構造のものとしては、ＧａＮ（窒化ガリウム）からなる障壁層、ＩｎＧａＮ（窒化インジウムガリウム）からなる井戸層、ＧａＮ（窒化ガリウム）からなる障壁層、ＩｎＧａＮ（窒化インジウムガリウム）からなる井戸層、ＧａＮ（窒化ガリウム）からなる障壁層がこの順で積層されたものを例示することができる。
この場合、前述した半導体層３を障壁層とすることもできる。
なお、発光層４は量子井戸構造に限定されるわけではなく、発光可能な構造を適宜選択することができる。
半導体層５は、発光層４の半導体層３に設けられる側とは反対側に設けられている。
半導体層５は、ｐ形となるようにドープされた半導体（ｐ形半導体）からなるものとすることができる。この場合、ｐ形の窒化物半導体からなるものとすることができる。窒化物半導体としては、例えば、ＧａＮ（窒化ガリウム）、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、ＡｌＧａＮ（窒化アルミニウムガリウム）、ＩｎＧａＮ（窒化インジウムガリウム）などを例示することができる。
半導体層５は、ｐ形となるようにドープされた半導体（ｐ形半導体）からなるものとすることができる。この場合、ｐ形の窒化物半導体からなるものとすることができる。窒化物半導体としては、例えば、ＧａＮ（窒化ガリウム）、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、ＡｌＧａＮ（窒化アルミニウムガリウム）、ＩｎＧａＮ（窒化インジウムガリウム）などを例示することができる。
透光層６は、後述する透光性電極７の透過部７ａが貫通している場合に、透過部７ａに露出した半導体層５の表面を覆うようにして設けられている。
透光層６は、入射した光を透過させる。例えば、発光層４から発せられ透光層６に入射した光や基板２などにより反射され透光層６に入射した光を透過させる。そのため、透光層６は光を透過させることのできる材料から形成されている。
また、透光層６は、透過部７ａに露出した半導体層５の表面を絶縁する。
透光層６は、例えば、ＳｉＯ２（二酸化シリコン）から形成されたものとすることができる。
なお、透光層６は必ずしも必要ではなく、必要に応じて適宜設けるようにすることができる。例えば、透過部７ａが貫通していない場合や、透過部７ａに露出した半導体層５の表面を絶縁する必要がない場合には透光層６を設けないようにすることもできる。
透光層６は、入射した光を透過させる。例えば、発光層４から発せられ透光層６に入射した光や基板２などにより反射され透光層６に入射した光を透過させる。そのため、透光層６は光を透過させることのできる材料から形成されている。
また、透光層６は、透過部７ａに露出した半導体層５の表面を絶縁する。
透光層６は、例えば、ＳｉＯ２（二酸化シリコン）から形成されたものとすることができる。
なお、透光層６は必ずしも必要ではなく、必要に応じて適宜設けるようにすることができる。例えば、透過部７ａが貫通していない場合や、透過部７ａに露出した半導体層５の表面を絶縁する必要がない場合には透光層６を設けないようにすることもできる。
透光性電極７は、半導体層５の発光層４に設けられる側とは反対側に設けられている。 ここで、半導体層５がｐ形ＧａＮ（窒化ガリウム）からなる場合は、電子の移動度が低く、電極８のみだけでは電極８からの電流が半導体層５の全面に広がらないおそれがある。そのため、透光性電極７は、電極８からの電流を半導体層５の全面に広げるために設けられている。
また、透光性電極７は入射した光を透過させる必要もある。例えば、発光層４から発せられ透光性電極７に入射した光や基板２などにより反射され透光性電極７に入射した光を透過させる必要もある。そのため、透光性電極７は光を透過させることのできる材料から形成されている。
この場合、透光性電極７は、例えば、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide；酸化インジウムスズ）などからなるものとすることができる。
この場合、透光性電極７は、例えば、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide；酸化インジウムスズ）などからなるものとすることができる。
また、透光性電極７には透過部７ａが設けられている。
透過部７ａは、透光性電極７における光の吸収を低減させて光取り出し効率（light extraction efficiency）を向上させるために設けられる。なお、透過部７ａに関する詳細は後述する。
透過部７ａは、透光性電極７における光の吸収を低減させて光取り出し効率（light extraction efficiency）を向上させるために設けられる。なお、透過部７ａに関する詳細は後述する。
またさらに、透光性電極７の半導体層５側の主面に凹凸を設けることで屈折率分布が形成されるようにすることもできる。屈折率分布が形成されるようにすれば、回折効果により半導体発光素子１内に閉じ込められた光を外部に取り出すことが可能となり、さらに光取出し効率を向上させることができる。
電極８は、透光性電極７上に形成されている。電極８は、例えば、Ｎｉ（ニッケル）／Ａｕ（金）の二重層などの金属材料からなるものとすることができる。
電極９は、半導体層３上に形成されている。電極９は、例えば、Ａｌ（アルミニウム）／Ｔｉ（チタン）の二重層などの金属材料からなるものとすることができる。
電極９は、半導体層３上に形成されている。電極９は、例えば、Ａｌ（アルミニウム）／Ｔｉ（チタン）の二重層などの金属材料からなるものとすることができる。
絶縁層１０は、半導体層３、発光層４、半導体層５の露出部分を覆うようにして形成されている。絶縁層１０は、例えば、ＳｉＯ２（二酸化シリコン）などの絶縁性材料からなるものとすることができる。
次に、基板２の半導体層３が設けられる側の主面に形成された突起部２ａ、突起部２ｂについてさらに例示をする。
図２は、比較例に係る半導体発光素子の要部を例示する模式断面図である。なお、図２は、基板２０２の半導体層３側の主面に突起部２０２ａを等ピッチ寸法で設けた場合を例示する模式断面図である。
図２に示すように、半導体発光素子２００には、基板２０２、半導体層３、発光層４、半導体層５が設けられ、基板２０２の半導体層３側の主面には突起部２０２ａが等ピッチ寸法で設けられている。
図２は、比較例に係る半導体発光素子の要部を例示する模式断面図である。なお、図２は、基板２０２の半導体層３側の主面に突起部２０２ａを等ピッチ寸法で設けた場合を例示する模式断面図である。
図２に示すように、半導体発光素子２００には、基板２０２、半導体層３、発光層４、半導体層５が設けられ、基板２０２の半導体層３側の主面には突起部２０２ａが等ピッチ寸法で設けられている。
この様に、基板２０２の半導体層３側の主面に突起部２０２ａが等ピッチ寸法で設けられている場合には、発光層４から出射した光Ｌ１０、Ｌ２０が半導体層３と基板２０２との界面に入射すると入射した光は突起部２０２ａにより散乱または回折されて入射した光の一部が基板２０２内に入射することになる。
この場合、基板２０２の中央領域において入射した光Ｌ１０は、基板２０２の半導体層３側とは反対側の主面に入射することになるため、基板２０２の半導体層３側とは反対側の主面において入射した光の一部が反射され、残りが基板２０２の外部に向けて出射される。なお、反射された光は基板２０２内を反射しながら伝播して基板２０２の端部から外部に向けて出射される。そのため、光の減衰量が増加し、光取り出し効率が低下することになる。
この場合、基板２０２の中央領域において入射した光Ｌ１０は、基板２０２の半導体層３側とは反対側の主面に入射することになるため、基板２０２の半導体層３側とは反対側の主面において入射した光の一部が反射され、残りが基板２０２の外部に向けて出射される。なお、反射された光は基板２０２内を反射しながら伝播して基板２０２の端部から外部に向けて出射される。そのため、光の減衰量が増加し、光取り出し効率が低下することになる。
一方、基板２０２の周縁領域において入射した光の回折する角度が小さいと、基板２０２の端部において全反射してしまうので光Ｌ２０’を外部に取り出すことが困難となる。この場合、図２中のＬ２０に示すように、基板２０２に入射する光の回折する角度を大きくすれば、基板２０２の端部において全反射されることを抑制することができる。そのため、基板２０２の周縁領域において入射する光の回折する角度が大きくなるようにすれば、基板２０２の端部から外部に向けて効率よく光を出射させることができる。その結果、光の減衰量を低減させることができ、光取り出し効率を向上させることができる。
以上のように、基板２０２の中央領域においては、基板２０２内に光が入射することを抑制し、光が反射され易くなるようにすることが好ましい。すなわち、基板２０２の中央領域においては、光の反射率が高く（光の透過率が低く）なるようにすることが好ましい。また、基板２０２の周縁領域においては、光が反射されることを抑制し、基板２０２の端部から光が出射され易くなるようにすることが好ましい。すなわち、基板２０２の周縁領域においては、光の透過率が高く（光の反射率が低く）なるようにすることが好ましい。この場合、基板２０２の周縁領域において入射する光の回折する角度が大きくなるようにすることがより好ましい。
ここで、本発明者らの得た知見によれば、突起部のピッチ寸法、高さ寸法、突起部側面の角度などを変化させれば、光の透過率または反射率を変化させることができる。
図３（ａ）は突起部のピッチ寸法Ｐ、高さ寸法Ｈ、突起部側面の角度θを例示するための模式図、図３（ｂ）は突起部のピッチ寸法Ｐ、高さ寸法Ｈ、突起部側面の角度θと、光の透過率との関係を例示するための模式グラフ図である。なお、図３（ｂ）中の線Ａは突起部が設けられていない場合、Ｂ１は突起部の高さ寸法Ｈが０．５μｍ、突起部側面の角度θが８０°の場合、Ｂ２は突起部の高さ寸法Ｈが１μｍ、突起部側面の角度θが８０°の場合、Ｃ１は突起部の高さ寸法Ｈが０．５μｍ、突起部側面の角度θが６０°の場合、Ｃ２は突起部の高さ寸法Ｈが１μｍ、突起部側面の角度θが６０°の場合である。
図３（ａ）は突起部のピッチ寸法Ｐ、高さ寸法Ｈ、突起部側面の角度θを例示するための模式図、図３（ｂ）は突起部のピッチ寸法Ｐ、高さ寸法Ｈ、突起部側面の角度θと、光の透過率との関係を例示するための模式グラフ図である。なお、図３（ｂ）中の線Ａは突起部が設けられていない場合、Ｂ１は突起部の高さ寸法Ｈが０．５μｍ、突起部側面の角度θが８０°の場合、Ｂ２は突起部の高さ寸法Ｈが１μｍ、突起部側面の角度θが８０°の場合、Ｃ１は突起部の高さ寸法Ｈが０．５μｍ、突起部側面の角度θが６０°の場合、Ｃ２は突起部の高さ寸法Ｈが１μｍ、突起部側面の角度θが６０°の場合である。
図３（ｂ）から分かるように、突起部のピッチ寸法Ｐを小さくすれば光の透過率を低くすることができる。これは、突起部のピッチ寸法Ｐを小さくすれば光の反射率を高くすることができることをも意味する。
また、高さ寸法Ｈを小さくすれば光の透過率を低くすることができる。これは、高さ寸法Ｈを小さくすれば光の反射率を高くすることができることをも意味する。またこのことは、突起部のピッチ寸法Ｐを大きくするほど顕著となる。
また、突起部側面の角度θを大きくすれば光の透過率を低くすることができる。これは、突起部側面の角度θを大きくすれば光の反射率を高くすることができることをも意味する。またこのことは、突起部のピッチ寸法Ｐを大きくするほど顕著となる。
また、高さ寸法Ｈを小さくすれば光の透過率を低くすることができる。これは、高さ寸法Ｈを小さくすれば光の反射率を高くすることができることをも意味する。またこのことは、突起部のピッチ寸法Ｐを大きくするほど顕著となる。
また、突起部側面の角度θを大きくすれば光の透過率を低くすることができる。これは、突起部側面の角度θを大きくすれば光の反射率を高くすることができることをも意味する。またこのことは、突起部のピッチ寸法Ｐを大きくするほど顕著となる。
そのため、本実施の形態においては、中央領域における反射率が、周縁領域における反射率よりも高くされている。例えば、突起部２ａ、２ｂのピッチ寸法Ｐ、高さ寸法Ｈ、突起部側面の角度θ、からなる群より選ばれた少なくとも１種を変化させることで、中央領域における反射率が、周縁領域における反射率よりも高くなるようになっている。
また、周縁領域における透過率が、中央領域における透過率よりも高くされている。例えば、突起部２ａ、２ｂのピッチ寸法Ｐ、高さ寸法Ｈ、突起部側面の角度θ、からなる群より選ばれた少なくとも１種を変化させることで、周縁領域における透過率が、中央領域における透過率よりも高くなるようになっている。
すなわち、基板の領域毎に突起部のピッチ寸法Ｐ、高さ寸法Ｈ、突起部側面の角度θの少なくともいずれかを変化させることで、基板の領域毎に適切な光の透過率または反射率が得られるようにしている。
図４は、突起部のピッチ寸法に対する透過光と反射光の分布の様子を例示するための模式グラフ図である。なお、図中の色の濃い部分は光の強度が高い部分を表している。また、突起部の高さ寸法Ｈが０．５μｍ、突起部側面の角度θが８０°の場合である。図中の入射角は入射面に垂直な軸に対する角度であり、入射角０°は入射面に対して垂直な方向から光が入射する場合、入射角４５°は入射面に垂直な軸に対して４５°の方向から光が入射する場合である。
図４から分かるように、突起部のピッチ寸法Ｐを小さくすれば、透過光の分布範囲、反射光の分布範囲を拡げることができる。これは、突起部のピッチ寸法Ｐを小さくすれば、回折により曲がる成分が多くなるからであると考えられる。
一方、突起部のピッチ寸法Ｐを大きくすれば、透過光の分布範囲、反射光の分布範囲を狭めることができる。これは、突起部のピッチ寸法Ｐを大きくすれば、回折により曲がる成分が少なくなり０次光となる成分が多くなるからであると考えられる。
一方、突起部のピッチ寸法Ｐを大きくすれば、透過光の分布範囲、反射光の分布範囲を狭めることができる。これは、突起部のピッチ寸法Ｐを大きくすれば、回折により曲がる成分が少なくなり０次光となる成分が多くなるからであると考えられる。
図５は、突起部側面の角度に対する透過光と反射光の分布の様子を例示するための模式グラフ図である。なお、図中の色の濃い部分は光の強度が高い部分を表している。また、突起部の高さ寸法Ｈが０．５μｍ、突起部のピッチ寸法Ｐが３μｍの場合である。図中の入射角は入射面に垂直な軸に対する角度であり、入射角０°は入射面に対して垂直な方向から光が入射する場合、入射角４５°は入射面に垂直な軸に対して４５°の方向から光が入射する場合である。
図５から分かるように、突起部側面の角度θを小さくすれば、入射角０°の場合にも透過光の分布範囲、反射光の分布範囲を拡げることができる。これは、突起部側面の角度θを小さくすれば、回折により曲がる成分が多くなり高次回折光となる確率が高まるからであると考えられる。
図６は、突起部の高さ寸法に対する透過光の分布の様子を例示するための模式グラフ図である。なお、図中の色の濃い部分は光の強度が高い部分を表している。また、突起部のピッチ寸法Ｐが５μｍ、突起部側面の角度θが６０°、入射角が０°の場合である。
図６から分かるように、突起部の高さ寸法を高くすれば、透過光の分布範囲を拡げることができる。これは、突起部の高さ寸法を高くすれば、回折により曲がる成分が多くなり高次回折光となる確率が高まるからであると考えられる。
ここで、一例として、基板の領域に応じて突起部のピッチ寸法Ｐを変化させた場合について例示をする。
図７は、基板の領域に応じて突起部のピッチ寸法Ｐを変化させた場合について例示をするための模式平面図である。なお、図７（ａ）は図１における基板２の周縁領域の様子を例示する模式平面図、図７（ｂ）は図１における基板２の中央領域の様子を例示する模式平面図である。
図７は、基板の領域に応じて突起部のピッチ寸法Ｐを変化させた場合について例示をするための模式平面図である。なお、図７（ａ）は図１における基板２の周縁領域の様子を例示する模式平面図、図７（ｂ）は図１における基板２の中央領域の様子を例示する模式平面図である。
図７（ａ）、（ｂ）に示すように、本実施の形態に係る半導体発光素子１においては、基板２の中央領域における突起部２ｂのピッチ寸法Ｐｂが基板２の周縁領域における突起部２ａのピッチ寸法Ｐａよりも小さくなるようになっている。そのため、基板２の中央領域においては光の反射率を高く（光の透過率を低く）することができる。
この場合、図３（ｂ）から分かるように、基板２の周縁領域における突起部２ａのピッチ寸法Ｐａが２μｍを超えるものとすれば光の透過率を高くすることができるので、基板２の周端側から光を効率よく取り出すことができる。この場合、基板２の周縁領域における突起部２ａのピッチ寸法Ｐａが６μｍを超えるものとすれば光の回折効果が低下する（光の回折する角度が小さくなる）おそれがある。
そのため、基板２の周縁領域における突起部２ａのピッチ寸法Ｐａを２μｍを超え、６μｍ以下とすることができる。
そのため、基板２の周縁領域における突起部２ａのピッチ寸法Ｐａを２μｍを超え、６μｍ以下とすることができる。
また、基板２の中央領域における突起部２ｂのピッチ寸法Ｐｂを２μｍ以下とすれば光の反射率を高くすることができるので、透光性電極７を介して光を効率よく取り出すことができる。
そのため、基板２の中央領域における突起部２ｂのピッチ寸法Ｐｂを２μｍ以下とすることができる。
そのため、基板２の中央領域における突起部２ｂのピッチ寸法Ｐｂを２μｍ以下とすることができる。
また、本発明者らの得た知見によれば、基板２の周縁領域における突起部２ａの側面の角度θを６０°以下とすれば回折により曲がる成分を多くすることができるので、基板２の周端側から光を効率よく取り出すことができる。
そのため、基板２の周縁領域における突起部２ａの側面の角度θを６０°以下とすることができる。
そのため、基板２の周縁領域における突起部２ａの側面の角度θを６０°以下とすることができる。
この様にすれば、図１に示すように、基板２の中央領域においては光Ｌ１が反射されやすくなるので、基板２内に光Ｌ１が入射することを抑制することができ、反射された光Ｌ１を半導体層３、発光層４、半導体層５、透光層６、透光性電極７を介して外部に出射させることができる。そのため、前述した基板内における光の減衰量を低減させることができるので、光取り出し効率を向上させることができる。
また、基板２の周縁領域においては光Ｌ２が透過しやすくなるので、光Ｌ２が反射されることを抑制することができ、透過した光Ｌ２を基板２から外部に出射させることができる。そのため、光取り出し効率を向上させることができる。
なお、発光層４から半導体層５側に出射した光Ｌ３は、半導体層５、透光層６、透光性電極７を介して外部に出射される。
なお、発光層４から半導体層５側に出射した光Ｌ３は、半導体層５、透光層６、透光性電極７を介して外部に出射される。
ここで、図１に示すように、基板２の厚み寸法をＴ、周縁領域の幅寸法をＷとすれば、周縁領域の幅寸法Ｗが基板２の厚み寸法Ｔ以下となるようにすることが好ましい。その様にすれば、基板２の周縁領域において、基板２の半導体層３側とは反対側の主面に光Ｌ２が入射することなく基板２の外部に出射させることが容易となる。そのため、前述した基板内における光の減衰量を低減させることができるので、光取り出し効率を向上させることができる。
なお、２つの領域（中央領域、周縁領域）毎に突起部のピッチ寸法Ｐ、高さ寸法Ｈ、突起部側面の角度θの少なくともいずれかを変化させる場合を例示したが、領域の数は３つ以上であってもよい。領域の数が３つ以上の場合であっても領域毎に突起部のピッチ寸法Ｐ、高さ寸法Ｈ、突起部側面の角度θの少なくともいずれかを変化させることで、領域毎に適切な光の透過率または反射率が得られるようにすればよい。
また、突起部のピッチ寸法Ｐ、高さ寸法Ｈ、突起部側面の角度θの少なくともいずれかを徐々に変化させるようにしてもよい。
また、突起部のピッチ寸法Ｐ、高さ寸法Ｈ、突起部側面の角度θの少なくともいずれかを徐々に変化させるようにしてもよい。
なお、図７においては、マトリクス状に配設された突起部２ａ、突起部２ｂを例示したがこれに限定されるわけではない。
図８は、他の実施形態に係る突起部２ａ１、２ｂ１を例示するための模式平面図である。なお、図８（ａ）は図１における基板２の周縁領域の様子を例示する模式平面図、図８（ｂ）は図１における基板２の中央領域の様子を例示する模式平面図である。
図８は、他の実施形態に係る突起部２ａ１、２ｂ１を例示するための模式平面図である。なお、図８（ａ）は図１における基板２の周縁領域の様子を例示する模式平面図、図８（ｂ）は図１における基板２の中央領域の様子を例示する模式平面図である。
図８（ａ）、（ｂ）に示すように、突起部の配設形態はマトリクス状に限定されるわけではなく任意の配置とすることができる。また、突起部２ａ１、突起部２ｂ１の断面寸法、断面形状、ピッチ寸法は一定でなくてもよい。
この場合、突起部２ａ１におけるピッチ寸法の平均値（以下、平均ピッチ寸法と称する）をＰａ１、突起部２ｂ１におけるピッチ寸法の平均値（以下、平均ピッチ寸法と称する）をＰｂ１とした場合に、平均ピッチ寸法Ｐａ１と平均ピッチ寸法Ｐｂ１との関係が、前述したピッチ寸法Ｐａとピッチ寸法Ｐｂとの関係と同じとなっていればよい。
例えば、基板２の中央領域における突起部２ｂ１の平均ピッチ寸法Ｐｂ１が基板２の周縁領域における突起部２ａ１の平均ピッチ寸法Ｐａ１よりも小さくなるようにすればよい。この場合、基板２の周縁領域における突起部２ａ１の平均ピッチ寸法Ｐａ１を２μｍを超え、６μｍ以下とすることができる。また、基板２の中央領域における突起部２ｂ１の平均ピッチ寸法Ｐｂ１を２μｍ以下とすることができる。
なお、ピッチ寸法を一定とした場合には、「ピッチ寸法」と「平均ピッチ寸法」とが等しいものとなる。そのため、本明細書においては、「平均ピッチ寸法」に前述した「ピッチ寸法」が含まれるものとする。
なお、ピッチ寸法を一定とした場合には、「ピッチ寸法」と「平均ピッチ寸法」とが等しいものとなる。そのため、本明細書においては、「平均ピッチ寸法」に前述した「ピッチ寸法」が含まれるものとする。
次に、透光性電極７に設けられた透過部７ａについてさらに例示をする。
図９は、透過部７ａを例示するための模式図である。なお、図９（ａ）は模式斜視図、図９（ｂ）は図９（ａ）におけるＤ部の模式拡大図である。
前述したように、発光層４から半導体層５側に出射した光Ｌ３や基板２により反射された光Ｌ１は、透光性電極７を介して外部に出射される。そのため、透光性電極７はＩＴＯ（Indium Tin Oxide；酸化インジウムスズ）などの光を透過させることのできる材料から形成される。
図９は、透過部７ａを例示するための模式図である。なお、図９（ａ）は模式斜視図、図９（ｂ）は図９（ａ）におけるＤ部の模式拡大図である。
前述したように、発光層４から半導体層５側に出射した光Ｌ３や基板２により反射された光Ｌ１は、透光性電極７を介して外部に出射される。そのため、透光性電極７はＩＴＯ（Indium Tin Oxide；酸化インジウムスズ）などの光を透過させることのできる材料から形成される。
しかしながら、光を透過させることのできる材料から透光性電極７を形成するようにしても、透光性電極７内を透過する際に光が吸収され、光取り出し効率が低下することになる。
そのため、本実施の形態においては、透光性電極７に光をより透過させ易い透過部７ａを設けることで光の吸収を抑制させて光取り出し効率を向上させるようにしている。
そのため、本実施の形態においては、透光性電極７に光をより透過させ易い透過部７ａを設けることで光の吸収を抑制させて光取り出し効率を向上させるようにしている。
例えば、図９（ａ）、（ｂ）に示すように、透光性電極７を貫通する透過部７ａをマトリクス状に設けるようにすることができる。透光性電極７を貫通する透過部７ａを設けるようにすれば、透過部７ａを透過する光の吸収を極めて小さくすることができるので、その分、光取り出し効率を向上させることができる。
図１０は、透過部を設けた場合の効果を例示するための模式グラフ図である。
なお、図１０（ａ）は厚み３５０ｎｍの透光層６がＳｉＯ２（二酸化シリコン）から形成され、厚み１７０ｎｍの透光性電極７がＩＴＯ（Indium Tin Oxide；酸化インジウムスズ）から形成された場合である。
図１０（ｂ）は厚み３５０ｎｍの透光層６がＳｉＯ２（二酸化シリコン）から形成され、厚み７０ｎｍの透光性電極７がＩＴＯ（Indium Tin Oxide；酸化インジウムスズ）から形成された場合である。
また、図１０（ａ）の「Ｅ１」、図１０（ｂ）の「Ｆ１」は透過部７ａが設けられていない場合である。図１０（ａ）の「Ｅ２」、図１０（ｂ）の「Ｆ２」は透光性電極７を貫通する透過部７ａをマトリクス状に設け、開口率を２７％とした場合である。
なお、図１０（ａ）は厚み３５０ｎｍの透光層６がＳｉＯ２（二酸化シリコン）から形成され、厚み１７０ｎｍの透光性電極７がＩＴＯ（Indium Tin Oxide；酸化インジウムスズ）から形成された場合である。
図１０（ｂ）は厚み３５０ｎｍの透光層６がＳｉＯ２（二酸化シリコン）から形成され、厚み７０ｎｍの透光性電極７がＩＴＯ（Indium Tin Oxide；酸化インジウムスズ）から形成された場合である。
また、図１０（ａ）の「Ｅ１」、図１０（ｂ）の「Ｆ１」は透過部７ａが設けられていない場合である。図１０（ａ）の「Ｅ２」、図１０（ｂ）の「Ｆ２」は透光性電極７を貫通する透過部７ａをマトリクス状に設け、開口率を２７％とした場合である。
図１０（ａ）において、「Ｅ１」と「Ｅ２」とを比較すると、光取り出し効率を６％程度向上させることができることが分かる。
図１０（ｂ）において、「Ｆ１」と「Ｆ２」とを比較すると、光取り出し効率を３％程度向上させることができることが分かる。
また、光の吸収が大きくなる厚みの厚い透光性電極７に透過部７ａを設けるようにすれば、光取り出し効率の向上をより効果的に行うことができることが分かる。
なお、透光性電極７を貫通する透過部７ａを例示したが、透光性電極７を貫通しない凹状の透過部としてもよい。例えば、有底の孔状や溝状の透過部としてもよい。凹状の透過部とすれば、透過部を透過する光の吸収が増加するが、電極としての特性（順方向降下電圧Ｖｆや電流の広がりなど）を向上させることができる。そのため、透光性電極７が設けられる領域に電流が流れやすいように、凹状の透過部を設けるようにしてもよい。
図１０（ｂ）において、「Ｆ１」と「Ｆ２」とを比較すると、光取り出し効率を３％程度向上させることができることが分かる。
また、光の吸収が大きくなる厚みの厚い透光性電極７に透過部７ａを設けるようにすれば、光取り出し効率の向上をより効果的に行うことができることが分かる。
なお、透光性電極７を貫通する透過部７ａを例示したが、透光性電極７を貫通しない凹状の透過部としてもよい。例えば、有底の孔状や溝状の透過部としてもよい。凹状の透過部とすれば、透過部を透過する光の吸収が増加するが、電極としての特性（順方向降下電圧Ｖｆや電流の広がりなど）を向上させることができる。そのため、透光性電極７が設けられる領域に電流が流れやすいように、凹状の透過部を設けるようにしてもよい。
また、マトリクス状に配設された透過部７ａを有する透光性電極７を例示したが、透光性電極の形状は適宜変更することができる。
図１１は、他の実施形態に係る透光性電極を例示するための模式平面図である。
図１１（ａ）は縦溝状の透過部１７ａを有する透光性電極１７、図１１（ｂ）は横溝状の透過部２７ａを有する透光性電極２７、図１１（ｃ）は四角柱の周りに設けられた溝状の透過部３７ａを有する透光性電極３７、図１１（ｄ）は円柱の周りに設けられた溝状の透過部４７ａを有する透光性電極４７、図１１（ｅ）は大きさの異なる円柱の周りに設けられた溝状の透過部５７ａを有する透光性電極５７を例示する模式平面図である。
この様に、任意の平面形状からなる透過部を有する透光性電極とすることができる。
また、透過部の大きさ、配設ピッチ寸法、数、開口率などは、電極としての特性（順方向降下電圧Ｖｆや電流の広がりなど）を考慮しつつ適宜決定するようにすることができる。
図１１は、他の実施形態に係る透光性電極を例示するための模式平面図である。
図１１（ａ）は縦溝状の透過部１７ａを有する透光性電極１７、図１１（ｂ）は横溝状の透過部２７ａを有する透光性電極２７、図１１（ｃ）は四角柱の周りに設けられた溝状の透過部３７ａを有する透光性電極３７、図１１（ｄ）は円柱の周りに設けられた溝状の透過部４７ａを有する透光性電極４７、図１１（ｅ）は大きさの異なる円柱の周りに設けられた溝状の透過部５７ａを有する透光性電極５７を例示する模式平面図である。
この様に、任意の平面形状からなる透過部を有する透光性電極とすることができる。
また、透過部の大きさ、配設ピッチ寸法、数、開口率などは、電極としての特性（順方向降下電圧Ｖｆや電流の広がりなど）を考慮しつつ適宜決定するようにすることができる。
次に、本実施の形態に係る半導体発光素子の製造方法について例示をする。
本実施の形態に係る半導体発光素子の製造方法は、例えば、基板の半導体層３が設けられる側の主面（第１の主面）に、当該主面の周縁に沿った周縁領域（第１の領域）と、周縁領域よりも当該主面の中心側に周縁領域における反射率よりも高い反射率を有する中央領域（第２の領域）と、を形成する工程と、基板の当該主面の上に半導体層３（第１の半導体層）を形成する工程と、半導体層３の上に発光層４を形成する工程と、発光層４の上に半導体層５（第２の半導体層）を形成する工程と、を備えたものとすることができる。
本実施の形態に係る半導体発光素子の製造方法は、例えば、基板の半導体層３が設けられる側の主面（第１の主面）に、当該主面の周縁に沿った周縁領域（第１の領域）と、周縁領域よりも当該主面の中心側に周縁領域における反射率よりも高い反射率を有する中央領域（第２の領域）と、を形成する工程と、基板の当該主面の上に半導体層３（第１の半導体層）を形成する工程と、半導体層３の上に発光層４を形成する工程と、発光層４の上に半導体層５（第２の半導体層）を形成する工程と、を備えたものとすることができる。
また、基板の半導体層３が設けられる側の主面に、当該主面の周縁に沿った周縁領域と、周縁領域よりも当該主面の中心側に周縁領域における透過率よりも低い透過率を有する中央領域と、を形成する工程と、基板の当該主面の上に半導体層３を形成する工程と、半導体層３の上に発光層４を形成する工程と、発光層４の上に半導体層５を形成する工程と、を備えたものとすることもできる。すなわち、周縁領域における透過率が中央領域における透過率よりも高くなるようにすることもできる。
ここで、周縁領域、中央領域における反射率、透過率は、例えば、基板の半導体層３が設けられる側の主面に形成された突起部２ａ、突起部２ｂにより制御することができる。
すなわち、突起部のピッチ寸法、高さ寸法、突起部側面の角度などを変化させることで、光の透過率または反射率を変化させることができる。
そのため、周縁領域、中央領域における反射率、または、周縁領域、中央領域における透過率が前述した関係となるような突起部を周縁領域、中央領域にそれぞれ形成するようにすることができる。
なお、突起部のピッチ寸法、高さ寸法、突起部側面の角度などに関しては、前述したものと同様のため詳細な説明は省略する。
すなわち、突起部のピッチ寸法、高さ寸法、突起部側面の角度などを変化させることで、光の透過率または反射率を変化させることができる。
そのため、周縁領域、中央領域における反射率、または、周縁領域、中央領域における透過率が前述した関係となるような突起部を周縁領域、中央領域にそれぞれ形成するようにすることができる。
なお、突起部のピッチ寸法、高さ寸法、突起部側面の角度などに関しては、前述したものと同様のため詳細な説明は省略する。
この様な、突起部は、例えば、ナノインプリント法、リソグラフィ法などを用いて形成するようにすることができる。
また、半導体層３、発光層４、半導体層５の形成には、既知の成膜法、例えば、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）、分子線結晶成長法（ＭＢＥ法）、ハライド系気相成長法（ＨＶＰＥ法）、スパッタ法、イオンプレーティング法などを用いることができる。
また、半導体層３、発光層４、半導体層５の形成には、既知の成膜法、例えば、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）、分子線結晶成長法（ＭＢＥ法）、ハライド系気相成長法（ＨＶＰＥ法）、スパッタ法、イオンプレーティング法などを用いることができる。
その他、前述した半導体発光素子１に設けられる透光層６、透光性電極７、電極８、電極９、絶縁層１０などを適宜形成するようにすることができる。なお、これらの形成には既知の成膜法やリソグラフィ法などを用いることができるのでそれらの説明は省略する。
以上、実施の形態について例示をした。しかし、本発明はこれらの記述に限定されるものではない。
前述の実施の形態に関して、当業者が適宜、構成要素の追加、削除若しくは設計変更を行ったもの、または、工程の追加、省略若しくは条件変更を行ったものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。
例えば、半導体発光素子１が備える各要素の形状、寸法、材質、配置、数などは、例示をしたものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。
また、前述した各実施の形態が備える各要素は、可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。
前述の実施の形態に関して、当業者が適宜、構成要素の追加、削除若しくは設計変更を行ったもの、または、工程の追加、省略若しくは条件変更を行ったものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。
例えば、半導体発光素子１が備える各要素の形状、寸法、材質、配置、数などは、例示をしたものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。
また、前述した各実施の形態が備える各要素は、可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。
１ 半導体発光素子、２ 基板、２ａ 突起部、２ｂ 突起部、３ 半導体層、４ 発光層、５ 半導体層、６ 透光層、７ 透光性電極、７ａ 透過部、８ 電極、９ 電極、１０ 絶縁層
Claims (8)
- 第１の主面の周縁に沿って設けられた第１の領域と、前記第１の領域よりも前記第１の主面の中心側に設けられた第２の領域と、を有する基板と、
前記基板の第１の主面の上に設けられた第１の半導体層と、
前記第１の半導体層の上に設けられた発光層と、
前記発光層の上に設けられた第２の半導体層と、
前記第２の半導体層の上に設けられた透光性電極と、
を備え、
前記第１の主面には、複数の突起部が設けられ、
前記第２の領域における突起部の平均ピッチ寸法は、前記第１の領域における突起部の平均ピッチ寸法よりも小さく、
前記第１の領域における突起部の平均ピッチ寸法は、２μｍを超え、６μｍ以下であること、を特徴とする半導体発光素子。 - 前記第１の領域の幅寸法は、前記基板の厚み寸法以下であることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
- 前記突起部の高さ寸法、および突起部側面の角度の少なくともいずれかが前記第１の領域と前記第２の領域とで異なること、を特徴とする請求項１または２に記載の半導体発光素子。
- 前記第２の領域における反射率は、前記第１の領域における反射率よりも高いこと、を特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
- 前記第１の領域における透過率は、前記第２の領域における透過率よりも高いこと、を特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
- 前記透光性電極は、凹状の透過部を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
- 前記透光性電極は、前記透光性電極を貫通する透過部を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
- 基板の第１の主面に、前記第１の主面の周縁に沿った第１の領域と、前記第１の領域よりも前記第１の主面の中心側に第２の領域と、を形成する工程と、
前記基板の第１の主面の上に第１の半導体層を形成する工程と、
前記第１の半導体層の上に発光層を形成する工程と、
前記発光層の上に第２の半導体層を形成する工程と、
を備え、
前記第１の領域と、前記第２の領域と、を形成する工程において、
前記第１の主面には、複数の突起部を形成し、
前記第２の領域における突起部の平均ピッチ寸法は、前記第１の領域における突起部の平均ピッチ寸法よりも小さくされ、
前記第１の領域における突起部の平均ピッチ寸法は、２μｍを超え、６μｍ以下とされること、を特徴とする半導体発光素子の製造方法。
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