JP5728116B2 - Led素子及びその製造方法 - Google Patents
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Description
d・n1・(sinθin−sinθref)=m・λ・・・(1)
である。ここで、n1は入射側の媒質の屈折率、λは入射する光の波長、mは整数である。半導体積層部19からサファイア基板2へ光が入射する場合、n1はIII族窒化物半導体の屈折率となる。図2(a)に示すように、上記(1)式を満たす反射角θrefで、界面へ入射する光は反射される。
d・(n1・sinθin−n2・sinθout)=m’・λ・・・(2)
である。ここで、n2は出射側の媒質の屈折率であり、m’は整数である。例えば半導体積層部19からサファイア基板2へ光が入射する場合、n2はサファイアの屈折率となる。図2(b)に示すように、上記(2)式を満たす透過角θoutで、界面へ入射する光は透過される。
ここで、図8(a)に示すように、仮想の三角格子を正三角形とすると、各凸部2cについて、最も近接する距離a1に位置する凸部2cは60°おきに6つ存在する。すなわち、図8(a)に示すように、所定の凸部2cを基準として、最も近接する凸部2cは、0°方向、60°方向、120°方向、180°方向、240°方向及び300°方向に位置している。このうち、0°方向と180°方向、60°方向と240°方向、120°方向と300°方向は等価な方向である。
また、各凸部2cについて、底辺の距離b2に位置する凸部2cが0°方向と180°方向に位置している。これらの方向は等価な方向である。
さらに、各凸部2cについて、(2・b1・sinθ)の距離b3に位置する凸部2cが、90°方向と270°方向に位置している。これらの方向は等価な方向である。
さらにまた、各凸部2cについて、((3/2×b2)2+(b1・sinθ)2)1/2の距離b4に位置する凸部2cが、Tan−1(b3/3・b2)方向、(180°−Tan−1(b3/3・b2))方向、(180°+Tan−1(b3/3・b2))方向及び(360°−Tan−1(b3/3・b2))方向に位置している。このうち、Tan−1(b3/3・b2)方向と(180°+Tan−1(b3/3・b2))方向、及び、(180°−Tan−1(b3/3・b2))方向と(360°−Tan−1(b3/3・b2))方向は等価な方向である。
すなわち、仮想の三角格子を二等辺三角形とした場合、主として、距離b1、距離b2、距離b3及び距離b4の4種類の周期が存在することとなり、光取り出しに利用可能な回折モードが多くなる。
図9に示すように、仮想の三角格子又は四角格子を正多角形として、1辺の長さと光取り出し効率の関係をシミュレーションにて計算した。具体的には、光の波長を450nmとし、GaN系半導体とサファイア基板の界面において、GaN系半導体からサファイア基板への透過率を計算した。
この結果、仮想の三角格子においては、1辺の長さを460nm以下とした場合と、550nm以上800nm以下とした場合に比較的良好な透過率となった。また、仮想の四角格子においては、1辺の長さを500nm以下とした場合に比較的良好な透過率となった。
図10に示すように、仮想の三角格子を二等辺三角形として、等辺の長さと光取り出し効率の関係をシミュレーションにて計算した。具体的には、底辺の長さを600nm、光の波長を450nmとし、GaN系半導体とサファイア基板の界面において、GaN系半導体からサファイア基板への透過率を計算した。
この結果、仮想の三角格子を正三角形とした場合と同様に、等辺の長さを460nm以下とした場合と、550nm以上800nm以下とした場合に比較的良好な透過率となった。
図12は、エッチング方法を示すフローチャートである。図12に示すように、本実施形態のエッチング方法は、マスク層形成工程S1と、レジスト膜形成工程S2と、パターン形成工程S3と、残膜除去工程S4と、レジスト変質工程S5と、マスク層のエッチング工程S6と、サファイア基板のエッチング工程S7と、マスク層除去工程S8と、湾曲部形成工程S9と、を含んでいる。
図13Bはサファイア基板及びマスク層のエッチング方法の過程を示し、(f)はレジスト膜の残膜を除去した状態を示し、(g)はレジスト膜を変質させた状態を示し、(h)はレジスト膜をマスクとしてマスク層をエッチングした状態を示し、(i)はマスク層をマスクとしてサファイア基板をエッチングした状態を示す。尚、変質後のレジスト膜は、図中、塗りつぶすことで表現している。
図13Cはサファイア基板及びマスク層のエッチング方法の過程を示し、(j)はマスク層をマスクとしてサファイア基板をさらにエッチングした状態を示し、(k)はサファイア基板から残ったマスク層を除去した状態を示し、(l)はサファイア基板にウェットエッチングを施した状態を示す。
図22に示すように、LED素子201は、フェイスアップ型であり、サファイア基板202の表面上に、III族窒化物半導体層からなる半導体積層部219が形成されたものである。半導体積層部219は、バッファ層210、n型GaN層212、発光層214、電子ブロック層216、p型GaN層218をサファイア基板202側からこの順に有している。p型GaN層218上にはp側電極227が形成されるとともに、n型GaN層212上にはn側電極228が形成されている。
図23に示すように、発光層214から発せられた光のうち、サファイア基板202へ臨界角を超えて入射する光は、垂直化モスアイ面202aで入射時よりも垂直寄りの方向へ透過及び反射する。すなわち、垂直化モスアイ面202aで反射した光は、垂直寄りへ角度変化した状態で透過モスアイ面227gへ入射する。また、垂直化モスアイ面202aを透過した光は、垂直寄りへ角度変化した状態で後述する誘電体多層膜224及びAl層226からなる反射部で反射された後、垂直化モスアイ面202aに再度入射する。このときの入射角は、先の入射角よりも垂直寄りとなる。この結果、透過モスアイ面227gへ入射する光を垂直寄りとすることができる。
2 サファイア基板
2a 垂直化モスアイ面
2b 平坦部
2c 凸部
2d 側面
2e 湾曲部
2f 上面
2g 透過モスアイ面
2h 平坦部
2i 凸部
10 バッファ層
12 n型GaN層
14 発光層
16 電子ブロック層
18 p型GaN層
19 半導体積層部
21 拡散電極
22 誘電体多層膜
22a 第1材料
22b 第2材料
22c ビアホール
23 金属電極
24 拡散電極
25 誘電体多層膜
25a ビアホール
26 金属電極
27 p側電極
28 n側電極
30 マスク層
31 SiO2層
32 Ni層
40 レジスト膜
41 凹凸構造
42 残膜
43 凸部
50 モールド
51 凹凸構造
91 プラズマエッチング装置
92 基板保持台
93 容器
94 コイル
95 電源
96 石英板
97 冷却制御部
98 プラズマ
101 LED素子
102 サファイア基板
102a 垂直化モスアイ面
110 バッファ層
112 n型GaN層
114 発光層
116 電子ブロック層
118 p型GaN層
119 半導体積層部
122 パッド電極
124 誘電体多層膜
124a 第1材料
124b 第2材料
126 Al層
127 p側電極
127g 透過モスアイ面
128 n側電極
201 LED素子
202 サファイア基板
202a 垂直化モスアイ面
202b 平坦部
202c 凸部
210 バッファ層
212 n型GaN層
214 発光層
216 電子ブロック層
218 p型GaN層
219 半導体積層部
221 拡散電極層
222 モスアイ層
223 パッド電極
224 誘電体多層膜
226 Al層
227 p側電極
227g 透過モスアイ面
227h 平坦部
227i 凸部
228 n側電極
330 第1マスク層
330a 開口
332 レジスト層
332a 開口
334 ステンシルマスク
334a 開口
336 第2マスク層
Claims (8)
- 発光層を含む半導体積層部と、
前記発光層から発せられる光が入射し、当該光の光学波長より大きく当該光のコヒーレント長より小さい周期で凸部が形成され、入射光をブラッグの回折条件に従って複数のモードで反射するとともに、入射光をブラッグの回折条件に従って複数のモードで透過する回折面と、
前記回折面にて回折した光を反射して前記回折面へ再入射させる反射面と、を備え、
前記半導体積層部は、前記回折面上に前記凸部の周囲に空隙なく形成され、
前記回折面において、平面視にて、平坦部の割合が40%以上であり、
前記発光層は青色光を発し、
前記凸部は、平面視にて、仮想の三角格子の交点に配置され、
前記仮想の三角格子をなす三角形は、正三角形ではなく、各辺の長さが前記青色光の光学波長の2倍より大きくコヒーレント長より小さいLED素子。 - 請求項1に記載のLED素子を製造するにあたり、
サファイア基板の表面上にマスク層を形成するマスク層形成工程と、
前記マスク層上にレジスト膜を形成するレジスト膜形成工程と、
前記レジスト膜に所定のパターンを形成するパターン形成工程と、
前記レジスト膜をマスクとして前記マスク層のエッチングを行うマスク層のエッチング工程と、
エッチングされた前記マスク層をマスクとして、前記サファイア基板のエッチングを行って前記凸部を形成する基板のエッチング工程と、
エッチングされた前記サファイア基板の表面上に、前記半導体積層部を形成する半導体形成工程と、を含み、
前記マスク層は、メタルマスクを含み、当該メタルマスクの厚さによって凸部の基端部の大きさを制御するLED素子の製造方法。 - サファイア基板と、
前記サファイア基板の表面上に形成され青色光を発する発光層を含む半導体積層部と、を備え、
前記サファイア基板の表面は、平面視にて、仮想の三角格子の交点に配置される複数の凹部又は凸部を有し、
前記仮想の三角格子をなす三角形は、正三角形ではなく、各辺の長さが前記青色光の光学波長の2倍より大きくコヒーレント長より小さく、
前記複数の凹部又は凸部を有する前記サファイア基板の表面は、前記発光層から発せられる光が入射し、入射光をブラッグの回折条件に従って複数のモードで反射するとともに、入射光をブラッグの回折条件に従って複数のモードで透過する回折面をなすLED素子。 - 前記仮想の三角格子をなす三角形の一辺の長さが、前記青色光の光学波長の2倍以上460nm以下、または、550nm以上800nm以下である請求項3に記載のLED素子。
- 前記仮想の三角格子をなす三角形は、二等辺三角形である請求項4に記載のLED素子。
- 前記二等辺三角形の等辺と底辺の一方の長さが前記青色光の光学波長の2倍以上460nm以下であり、他方の長さが550nm以上800nm以下である請求項5に記載のLED素子。
- 前記サファイア基板の表面は、前記凹部又は凸部が、前記青色光の光学波長の2倍より大きくコヒーレント長より小さい周期で配置された垂直化モスアイ面をなし、
前記垂直化モスアイ面は、前記半導体積層部側から当該垂直化モスアイ面へ入射する光を反射及び透過し、臨界角を超えた角度域において、前記半導体積層部側にて当該垂直化モスアイ面へ入射する光の強度分布と比べて、前記半導体積層部側にて当該垂直化モスアイ面から反射により出射する光の強度分布が、前記半導体積層部と前記サファイア基板の界面に対して垂直な方向に偏るとともに、臨界角を超えた角度域において、前記半導体積層部側にて当該垂直化モスアイ面へ入射する光の強度分布と比べて、前記サファイア基板側にて当該垂直化モスアイ面から透過により出射する光の強度分布が、前記界面に対して垂直な方向に偏るよう構成され、
前記垂直化モスアイ面を透過した光を反射する反射部を有し、
前記発光層から発せられる光の光学波長の2倍より小さい周期の凹部又は凸部を有する透過モスアイ面を有し、
前記垂直化モスアイ面における反射及び透過により、前記界面に対して垂直な方向に偏るよう強度分布が調整された光は、前記透過モスアイ面にてフレネル反射が抑制された状態で素子外部へ放出される請求項3から6のいずれか1項に記載のLED素子。 - 前記反射部は、前記界面に対して垂直に近い角度ほど反射率が高い請求項7に記載のLED素子。
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