JP5935031B2 - 半導体発光装置 - Google Patents
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Description
fa(εa−ε)/(εa+2ε)+fb(εb−ε)/(εb+2ε)=0(A)
n=√ε(B)
Px1<Px2<Px3<…<Pxa>…>Pxn (1)
Px1<Px2<Px3>Px4>Px5>Px6>Px7 (2)
Px1=Px(min)
Px2=Px(min)+δa
Px3=Px(min)+δb=Px(max)
Px4=Px(min)+δc
Px5=Px(min)+δd
Px6=Px(min)+δe
Px7=Px(min)+δf
Dy1<Dy2<Dy3<…<Dya>…>Dyn (3)
Dx1<Dx2<Dx3<…<Dxa>…>Dxn (4)
Hy1<Hy2<Hy3<…<Hya>…>Hyn (5)
Hx1<Hx2<Hx3<…<Hxa>…>Hxn (6)
fY0=Asin(ω0t+φ0) (7)
fYL=Bsin(ω1t+φ1) (8)
fY=Asin(ω0t+φ0+Csin(ω1t)) (9)
fY´=fY0+C´sin(t・fYL/fY0×2π) (10)
fY”=fY0+C”sin(t・fYL/fY0×2π+t・fYL’/fY0×2π) (11)
(円筒状金型作製(樹脂モールド作製用鋳型の作製))
円筒状金型の半導体発光素子用基材としては、直径80mm、長さ50mmの円筒型石英ガラスロールを用いた。この円筒型石英ガラスロール表面に、次の方法により半導体パルスレーザを用いた直接描画リソグラフィ法により微細構造(微細凹凸構造)を形成した。
露光レーザパワー:3.5mW
円筒状金型A:
X軸方向のピッチPx:398nm
X軸方向のピッチPxに対する変動幅δ2:40nm
変動幅δ2のX軸方向の長周期単位PxL :3.98μm
Y軸方向のピッチPy:460nm
Y軸方向のピッチPyに対する変動幅δ1:46nm
変動幅δ1のY軸方向の長周期単位PyL :4.60μm
円筒状金型B
X軸方向のピッチPx:398nm
X軸方向のピッチPxに対する変動幅δ2:40nm
変動幅δ2のX軸方向の長周期単位PxL :1.99μm
Y軸方向のピッチPy:460nm
Y軸方向のピッチPyに対する変動幅δ1:46nm
変動幅δ1のY軸方向の長周期単位PyL :2.33μm
L=T×s (12)
L/Py’=m (mは整数) (13)
L/PyL’=n (nは整数) (14)
fy0=s/Py’ (15)
fyL=s/PyL’ (16)
fy=fy0+δ1×sin(t×(fyL/fy0)×2π)(17)
Vx0=Px/T (18)
Vx=Vx0+Vδ2・sin(Px/PxL×t×2π)(19)
Vδ2=δ2×Vx0/Px (20)
得られた2種類の円筒状の石英ガラスロール表面(転写用モールド)に対し、デュラサーフ(登録商標、以下同じ)HD−1101Z(ダイキン化学工業社製)を塗布し、60℃で1時間加熱後、室温で24時間静置、固定化した。その後、デュラサーフHD−ZV(ダイキン化学工業社製)で3回洗浄し、離型処理を施した。
X軸方向のピッチPx:398nm
X軸方向のピッチPxに対する変動幅δ2:40nm
変動幅δ2のX軸方向の長周期単位PxL :3.98μm
Y軸方向のピッチPy:460nm
Y軸方向のピッチPyに対する変動幅δ1:46nm
変動幅δ1のY軸方向の長周期単位PyL :4.60μm
樹脂モールドB:
X軸方向のピッチPx:398nm
X軸方向のピッチPxに対する変動幅δ2:40nm
変動幅δ2のX軸方向の長周期単位PxL :1.99μm
Y軸方向のピッチPy:460nm
Y軸方向のピッチPyに対する変動幅δ1:46nm
変動幅δ1のY軸方向の長周期単位PyL :2.33μm
装置;HITACHI s−5500
加速電圧;10kV
MODE;Normal
次に、OPTOOL DAC HP(ダイキン工業社製)、トリメチロールプロパントリアクリレート(東亞合成社製 M350)、及びIrgacure 184(Ciba社製)を重量部で10:100:5の割合で混合して光硬化性樹脂を調製した。この光硬化性樹脂をPETフィルム(A4100、東洋紡社製:幅300mm、厚さ100μm)の易接着面にマイクログラビアコーティング(廉井精機社製)により、塗布膜厚2μmになるように塗布した。
φ2”厚さ0.33mmのC面サファイア半導体発光素子用基材上に、マスク材料をスピンコーティング法(2000rpm、20秒)により塗布し、レジスト層を形成した。マスク材料は、感光性樹脂組成物の固形分を5重量%になるようにプロピレングリコールモノメチルエーテルで希釈した塗布溶液を作成した。
感光性樹脂組成物としては、3−エチル−3{[(3−エチルオキセタン−3−イル)メトキシ]メチル}オキセタン(OXT−221、東亜合成社製)20重量部、3’、4’−エポキシシクロヘキサンカルボン酸3、4−エポキシシクロヘキシルメチル(和光純薬社製)80重量部、フェノキシジエチレングリコールアクリレート(アロニックス(登録商標、以下同じ)M−101A、東亜合成社製)50重量部、エチレンオキサイド変性ビスフェノールAジアクリレート(アロニックスM−211B、東亜合成社製)50重量部、DTS−102(みどり化学社製)8重量部、1、9−ジブトキシアントラセン(アントラキュア(登録商標)UVS−1331、川崎化成社製)1重量部、Irgacure 184(Ciba社製)5重量部及びOPTOOL DAC HP(20%固形分、ダイキン工業社製)4重量部、を混合して使用した。
反応性イオンエッチング装置(RIE−101iPH、サムコ株式会社製)を用い、下記エッチング条件でサファイア半導体発光素子用基材をエッチングした。
エッチングガス:Cl2/(Cl2+BCl3)=0.1
ガス流量:10sccm
エッチング圧力:0.1Pa
アンテナ:50w
バイアス:50w
得られたサファイア半導体発光素子用基材上に、MOCVDにより、(1)GaN低温バッファ層、(2)n型GaN層、(3)n型AlGaNクラッド層、(4)InGaN発光層(MQW)、(5)p型AlGaNクラッド層、(6)p型GaN層、(7)ITO層を連続的に積層した。サファイア半導体発光素子用基材上の凹凸は、(2)n型GaN層の積層時に埋められて、平坦化する製膜条件とした。上記構成により、半導体層からの発光は460nmであり、GaN層(屈折率:2.46)中の光学波長は、187nmであった。
次に、表面に形成されたITO層に、マスク材料をスピンコーティング法(2000rpm、20秒)により塗布し、レジスト層を形成した。マスク材料は、前記感光性樹脂組成物の固形分を5重量%になるようにプロピレングリコールモノメチルエーテルで希釈した塗布溶液を作成した。
反応性イオンエッチング装置(RIE−101iPH、サムコ株式会社製)を用い、下記エッチング条件でITO層をエッチングした。
ガス流量:10sccm
エッチング圧力:0.1Pa
アンテナ:50w
バイアス:50w
上記のように得られた半導体発光素子をパッケージに配置し、電極パッドにAuワイヤを介して電気的に接続した。次に、パッケージ内をシリコーン樹脂に650nmの主波長を有するCaAlSiN3:Eu(蛍光材)を混合した波長変換部材で充填した。
実施例1と同様に作成した円筒状金型を線速度s=1.0m/secで回転させながら、以下の条件で露光した。
露光用半導体レーザ波長:405nm
露光レーザパワー:3.5mW
X軸方向のピッチPx:260nm
X軸方向のピッチPxに対する変動幅δ2:26nm
変動幅δ2のX軸方向の長周期単位PxL1 :2.60μm
Y軸方向のピッチPy:300nm
Y軸方向のピッチPyに対する変動幅δ1:30nm
変動幅δ1のY軸方向の長周期単位PyL1 :2.60μm
変動幅δ1のY軸方向の長周期単位PyL2 :1.30μm
L=T×s (12)
L/Py’=m (mは整数) (13)
L/PyL1’=n (nは整数) (21)
L/PyL2’=m (mは整数) (22)
fy0=s/Py’ (15)
fyL1=s/PyL1’ (23)
fyL2=s/PyL2’ (24)
fy=fy0+δ1×sin(t×(fyL1/fy0)×2π+t×(fyL2/fy0)×2π) (25)
露光用半導体レーザ波長:405nm
露光レーザパワー:3.5mW
X軸方向のピッチPx:260nm
X軸方向のピッチPxに対する変動幅δ2:26nm
変動幅δ2のX軸方向の長周期単位PxL1 :2.60μm
Y軸方向のピッチPy:300nm
Y軸方向のピッチPyに対する変動幅δ1:30nm
変動幅δ1のY軸方向の長周期単位PyL1 :2.60μm
変動幅δ1のY軸方向の長周期単位PyL2 :1.30μm
実施例2と同様の半導体発光素子をパッケージに配置し、電極パッドにAuワイヤを介して電気的に接続した。次に、パッケージ内を、シリコーン樹脂に下記の主波長を有する蛍光材を混合した波長変換部材で充填した。
530nm β−SiAlON:Eu
580nm Ca−α―SiAlON:Eu
650nm CaAlSiN3:Eu
実施例1と同様の条件で通常のフラットなサファイア半導体発光素子用基材上に半導体発光素子を形成した後、実施例1と同様の波長変換部材で封止し発光出力を測定した。
実施例1と同様の方法で、半導体レーザを用いた直接描画リソグラフィ法によりナノパターンの微細構造(微細凹凸構造)を石英ガラス表面に形成した。X軸方向、Y軸方向のピッチは同じで、ピッチ変動がない六方配列とした。
X軸方向のピッチPx:398nm
Y軸方向のピッチPy:460nm
実施例1と同様の方法で、半導体レーザを用いた直接描画リソグラフィ法によりナノパターンの微細構造(微細凹凸構造)を石英ガラス表面に形成した。X軸方向、Y軸方向のピッチは同じで、ピッチ変動がない六方配列とした。
X軸方向のピッチPx:260nm
Y軸方向のピッチPy:300nm
(積層半導体の形成)
サファイア半導体発光素子用基材上に、MOCVDにより、(1)GaN低温バッファ層、(2)n型GaN層、(3)n型AlGaNクラッド層、(4)InGaN発光層(MQW)、(5)p型AlGaNクラッド層、(6)p型GaN層、(7)ITO層を連続的に積層した。上記構成により、半導体層からの発光は460nmであり、ITO層の膜厚は、600nmとした。
次に、表面に形成されたITO層に、マスク材料をスピンコーティング法(2000rpm、20秒)により塗布し、レジスト層を形成した。マスク材料は、前記感光性樹脂組成物の固形分を5重量%になるようにプロピレングリコールモノメチルエーテルで希釈した塗布溶液を作成した。
反応性イオンエッチング装置(RIE−101iPH、サムコ株式会社製)を用い、下記エッチング条件でITO層をエッチングした。
エッチングガス:BCl3
ガス流量:10sccm
エッチング圧力:0.2Pa
アンテナ:150w
バイアス:50w
530nm β−SiAlON:Eu
580nm Ca−α―SiAlON:Eu
650nm CaAlSiN3:Eu
実施例4と同様に得られた半導体発光素子をパッケージ内に封止する際、実施例4に使用したシリコーン樹脂(屈折率1.5)に650nmの主波長を有するCaAlSiN3:Eu(蛍光材)を混合した波長変換部材のみで充填した。
実施例4と同様の条件でサファイア半導体発光素子用基材上に半導体発光素子を形成した後、ITO層表面に微細構造層を設けずに、実施例1と同様の波長変換部材で封止し発光出力を測定した。
Claims (15)
- 少なくとも2層以上の半導体層と、発光層とを積層して構成される積層半導体層を有し、第一の光を発光する半導体発光素子と、
少なくとも前記半導体発光素子の一部を覆い、前記第一の光の少なくとも一部を吸収し、前記第一の光の波長とは異なる第二の光を発光する波長変換部材と、を有して構成される半導体発光装置であって、
前記半導体発光素子は、前記半導体発光素子を構成するいずれかの主面において、面外方向に延在する複数の凸部又は凹部から構成されるドットを含む微細構造層を構成要素として備え、
前記微細構造層は、前記ドット間のピッチが100nm以上460nm以下であり、前記ドット間のピッチが不定間隔であり、前記ドット間の不定間隔のピッチが周期的に増減し、前記ドット間のピッチにより制御された二次元フォトニック結晶を構成し、
前記二次元フォトニック結晶は少なくとも、周期的に増減する前記ドット間の不定間隔のピッチの長周期単位が各々1.3μm以上の2つ以上の周期を有することを特徴とする半導体発光装置。 - 前記二次元フォトニック結晶は、周期的に増減する前記ドット間の不定間隔のピッチの長周期単位が前記第一の光の光学波長の6倍以上及び前記第二の光の光学波長の6倍以上の、少なくとも2つ以上の周期を有することを特徴とする請求項1に記載の半導体発光装置。
- 少なくとも2層以上の半導体層と、発光層とを積層して構成される積層半導体層を有し、第一の光を発光する半導体発光素子と、
少なくとも前記半導体発光素子の一部を覆い、前記第一の光の少なくとも一部を吸収し、前記第一の光の波長とは異なる第二の光を発光する波長変換部材と、を有して構成される半導体発光装置であって、
前記半導体発光素子は、前記半導体発光素子を構成するいずれかの主面において、面外方向に延在する複数の凸部又は凹部から構成されるドットを含む微細構造層を構成要素として備え、
前記微細構造層は、前記ドット間のピッチが100nm以上460nm以下であり、前記ドット間のピッチが不定間隔であり、前記ドット間の不定間隔のピッチが周期的に増減し、前記ドット間のピッチにより制御された二次元フォトニック結晶を構成し、
前記二次元フォトニック結晶は、周期的に増減する前記ドット間の不定間隔のピッチの長周期単位が前記第一の光の光学波長の6倍以上及び前記第二の光の光学波長の6倍以上の、少なくとも2つ以上の周期を有することを特徴とする半導体発光装置。 - 前記波長変換部材が、少なくとも前記第一の光及び前記第二の光に対し透明である第一の材料、及び、前記第一の光の少なくとも一部を吸収し、前記第二の光を発光する第二の材料を含有することを特徴とする請求項1から請求項3のいずれかに記載の半導体発光装置。
- 前記微細構造層を、少なくとも、前記半導体発光素子の最表面に構成要素として備え、
前記微細構造層と前記波長変換部材との間には、少なくとも前記第一の光及び前記第二の光に対し実質的に透明であり、前記第二の材料を含まない中間材料が充填されていることを特徴とする請求項4に記載の半導体発光装置。 - 前記第二の材料が、前記第一の光の第一の材料における光学波長よりも小さい平均粒子径であることを特徴とする請求項5に記載の半導体発光装置。
- 前記波長変換部材は、前記第二の光と、前記第一の光及び前記第二の光の各波長とは異なる第三の光とを発光する構成であり、
前記波長変換部材が、少なくとも前記第一の光と前記第二の光及び前記第三の光に対し透明である第一の材料、及び、前記第一の光の少なくとも一部を吸収し、前記第三の光を発光する第三の材料を含有し、
前記二次元フォトニック結晶は、周期的に増減する前記ドット間の不定間隔のピッチの長周期単位が前記第三の光の光学波長の6倍以上の周期を有することを特徴とする請求項4に記載の半導体発光装置。 - 前記微細構造層を、少なくとも、前記半導体発光素子の最表面に構成要素として備え、
前記微細構造層と前記波長変換部材との間には、少なくとも前記第一の光と前記第二の光及び前記第三の光に対し実質的に透明であり、前記第二の材料及び前記第三の材料を含まない中間材料が充填されていることを特徴とする請求項7に記載の半導体発光装置。 - 前記第二の材料及び第三の材料の少なくとも一つが、前記第一の光の前記第一の材料における光学波長よりも小さい平均粒子径であることを特徴とする請求項8に記載に半導体発光装置。
- 前記波長変換部材は、前記第二の光と、前記第三の光と、前記第一の光、前記第二の光及び前記第三の光の各波長とは異なる第四の光とを発光する構成であり、
前記波長変換部材が、少なくとも前記第一の光と前記第二の光と前記第三の光及び前記第四の光に対し透明である第一の材料、及び、前記第一の光の少なくとも一部を吸収し、前記第四の光を発光する第四の材料を含有し、
前記二次元フォトニック結晶は、周期的に増減する前記ドット間の不定間隔のピッチの長周期単位が前記第四の光の光学波長の6倍以上の周期を有することを特徴とする請求項7に記載の半導体発光装置。 - 前記微細構造層を、少なくとも、前記半導体発光素子の最表面に構成要素として備え、
前記微細構造層と前記波長変換部材との間には、少なくとも前記第一の光と前記第二の光と前記第三の光及び前記第四の光に対し実質的に透明であり、前記第二の材料、前記第三の材料及び前記第四の材料を含まない中間材料が充填されていることを特徴とする請求項10に記載の半導体発光装置。 - 前記第二の材料、前記第三の材料及び前記第四の材料の少なくとも一つが、前記第一の光の前記第一の材料における光学波長よりも小さい平均粒子径であることを特徴とする請求項11に記載の半導体発光装置。
- 前記二次元フォトニック結晶が、前記半導体発光素子を構成するいずれか異なる二つ以上の主面に構成され、各々の二次元フォトニック結晶の周期的に増減する前記ドット間の不定間隔のピッチの長周期単位が互いに異なることを特徴とする請求項1から請求項12のいずれかに記載の半導体発光装置。
- 前記二次元フォトニック結晶の周期的に増減する前記ドット間の不定間隔のピッチの長周期単位が少なくとも前記主面の一軸方向に周期を有することを特徴とする請求項1から請求項12のいずれかに記載の半導体発光装置。
- 前記二次元フォトニック結晶の周期的に増減する前記ドット間の不定間隔のピッチの長周期単位が少なくとも独立する前記主面の二軸方向に周期を有することを特徴とする請求項1から請求項12のいずれかに記載の半導体発光装置。
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