KR20150052205A - 광학 기판, 반도체 발광 소자 및 그의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
광학 기판 PP(10)는, 기판 본체와, 기판 본체의 주면 상에 형성된 복수의 볼록부(20a)로 구성되는 요철 구조(20)를 구비하고, 주면 상에 광학현미경에 의해 관찰 가능한 모양(X)이 그려지고, 모양(X)의 간격은, 요철 구조(20)의 피치보다도 크고, 모양(X)의 광학현미경 상에 있어서, 명암의 차에 의해 제1 영역(Xa) 및 제2 영역(Xb)으로 식별할 수 있고, 제1 영역(Xa)은 복수이면서, 상호 간격을 두고 배치되고, 제2 영역(Xb)은 제1 영역(Xa)의 사이를 잇고 있다. 상호 트레이드오프로 여겨져 왔던 반도체 발광 소자의 내부 양자 효율(IQE)의 향상 및 광추출 효율(LEE)의 개선을 동시에 해결한다.
Description
본 발명은 광학 기판, 반도체 발광 소자 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.
최근, 유기 일렉트로루미네센스(OLED), 형광체, 발광 다이오드(LED) 등의 반도체 발광 소자에 있어서의 효율을 향상시키기 위해서, 반도체 발광 소자로부터의 광추출 효율의 개선이 검토되고 있다. 이러한 반도체 발광 소자는, 발광부를 내부에 포함하는 고굴절율 영역이 저굴절율 영역에 의해서 끼워지는 구성을 갖는다. 이 때문에, 반도체 발광 소자의 발광부에서 발광한 발광광은 고굴절율 영역 내부를 도파하는 도파 모드가 되어, 고굴절율 영역 내부에 가두어지고, 도파 과정에서 흡수되어 열로 되어 감쇠된다. 이와 같이, 반도체 발광 소자에서는, 발광광을 반도체 발광 소자 외부로 추출할 수 없어, 광추출 효율은 크게 감소하는 문제가 있다.
LED 소자의 경우, 이하에 설명하는 것과 같이, 광추출 효율(LEE)과 내부 양자 효율(IQE), 혹은 광추출 효율(LEE)과 전자 주입 효율(EIE)을 동시에 개선함으로써, 외부 양자 효율(EQE)이 높은 LED 소자를 제조할 수 있다.
청색 LED로 대표되는 GaN계 반도체 소자는, 단결정 기판 상에 에피택셜 성장에 의해 n형 반도체층, 발광 반도체층 및 p형 반도체층을 적층하여 제조된다. 단결정 기판으로서는 일반적으로 사파이어 단결정 기판이나 SiC 단결정 기판이 이용된다. 그러나, 사파이어 결정과 GaN계 반도체 결정 사이에는 격자 부정합이 존재하기 때문에, GaN계 반도체 결정 내부에 전위(傳位)가 발생한다(예컨대, 비특허문헌 1 참조). 이 전위 밀도는 1×109 개/㎠에 달한다. 이 전위에 의해, LED의 내부 양자 효율, 즉 생성된 홀과 전자가 결합하여 광자(photon)를 생성하는 효율이 내려가, 결과적으로 외부 양자 효율(EQE)이 저하된다.
또, GaN계 반도체층의 굴절율은 사파이어 기판의 굴절율보다도 크다. 이 때문에, 발광 반도체층 내에서 발생한 빛, 즉 발광광은, 사파이어 기판과 GaN계 반도체층과의 계면으로부터 임계각 이상의 각도로는 출사하지 않는다. 즉, 발광광은 도파 모드를 형성하고, 도파 과정에서 열로 되어 감쇠된다. 이 때문에, 광추출 효율이 내려가, 결과적으로 외부 양자 효율(EQE)이 내려간다. 또, 굴절율이 보다 큰 SiC 기판을 단결정 기판으로서 사용한 경우, SiC 기판과 공기층과의 계면으로부터 출광하는 발광광의 양은, 사파이어 기판을 사용한 경우보다도 작아진다. 이 때문에, 굴절율이 높은 기판을 사용할수록 광추출 효율(LEE)이 저하된다.
즉, 반도체 결정 내부의 전위 결함에 의해 내부 양자 효율(IQE)이 저하되고, 또한 도파 모드 형성에 의해 광추출 효율(LEE)이 저하되기 때문에, LED의 외부 양자 효율(EQE)이 크게 저하된다.
그래서, 단결정 기판 상에 요철 구조를 형성하여, 반도체 결정층에서의 빛의 도파 방향을 바꿔, 광추출 효율(LEE)을 올리는 기술이 제안되어 있다(예컨대, 특허문헌 1 참조).
또, 단결정 기판에 형성하는 요철 구조의 크기를 나노 사이즈로 하여, 요철 구조의 배열을 랜덤 배치로 한 기술이 제안되어 있다(예컨대, 특허문헌 2 참조). 한편, 단결정 기판에 형성하는 요철 구조의 사이즈가 나노 사이즈이면, 마이크로 사이즈의 요철 구조가 형성된 기판에 비해서 LED의 발광 효율이 향상된다는 것이 보고되어 있다(예컨대, 비특허문헌 2 참조).
또한, 전자 주입 효율(EIE), 즉 투입 전기 에너지에 대한 정공과 전자의 생성율을 향상시키기 위해서, p형 반도체층의 상면에 요철 구조를 형성하여, 투명 도전막과의 컨택트 저항을 저감하는 GaN계 반도체 발광 소자가 제안되어 있다(특허문헌 3 참조).
비특허문헌 1: IEEE photo. Tech. Lett., 20, 13(2008)
비특허문헌 2: J. Appl. Phys., 103, 014314(2008)
그런데, LED의 발광 효율을 나타내는 외부 양자 효율(EQE)(External Quantum Efficiency)을 결정하는 요인으로서는, 전자 주입 효율(EIE)(Electron Injection Efficiency), 내부 양자 효율(IQE)(Internal Quantum Efficiency) 및 광추출 효율(LEE)(Light Extraction Efficiency)을 들 수 있다. 이 중, 내부 양자 효율(IQE)은, GaN계 반도체 결정의 결정 부정합에 기인하는 전위 밀도에 의존한다. 광추출 효율(LEE)은, 단결정 기판에 형성된 요철 구조에 의한 광산란에 의해, 도파 모드를 무너뜨림으로써 개선된다. 또한, 전자 주입 효율(EIE)은, p형 반도체층과 ITO, ZnO, In2O3, SnO2 등의 산화물로 구성된 투명 도전막과의 계면 저항을 저감함으로써 개선된다. 특히, ITO 등의 투명 도전 재료는 n형 도전체이기 때문에, p형 반도체층과의 계면에서 쇼트키 장벽(Schottky barrier)을 형성하기 쉽고, 이에 따라 오믹성이 저하하여, 컨택트 저항이 증가하기 쉽다. 그 때문에, p형 반도체층과의 계면에 요철 구조를 형성하여, 접촉 면적을 증가시켜, 오믹 접촉(ohmic contact)을 향상시킴으로써 개선된다.
즉, 반도체 발광 소자에 있어서의 요철 구조의 효과(역할)로서는, (1) 반도체 결정 내의 전위 저감에 의한 내부 양자 효율(IQE)의 개선, (2) 도파 모드를 해소함에 따른 광추출 효율(LEE)의 개선, 및 (3) 오믹 접촉 향상에 의한 전자 주입 효율(EIE)의 향상의 세 가지를 들 수 있다.
그러나, 특허문헌 1에 기재한 기술에서는, (2)의 효과에 의한 광추출 효율(LEE)의 개선은 이루어지지만, (1)의 효과에 의한 내부 양자 효율(IQE)의 개선 효과는 적다. 단결정 기판 상의 요철에 의해 전위 결함이 감소하는 이유는, 요철에 의해 GaN계 반도체층의 화학 증착(CVD)의 성장 모드가 흐트러져, 층 성장에 따른 전위 결함이 충돌하여 소멸하기 때문이다. 그 때문에, 결함 밀도에 상당하는 만큼의 요철이 존재하면 결함 감소에는 효과적이지만, 결함 밀도보다도 작은 요철 밀도에서는, 전위 저감 효과는 한정된다. 예컨대, 전위 밀도 1×109 개/㎠는, 나노 오더로 환산하면 10 개/μ㎡에 상당하고, 전위 밀도 1×108 개/㎠는, 1 개/μ㎡에 상당한다. 5 ㎛×5 ㎛(□5 ㎛)에 2개 정도 요철을 형성하면, 요철 밀도는 0.08×108 개/㎠가 되고, 500 nm×500 nm(□500 nm)에 2개 정도 요철을 형성하면, 요철 밀도는 8×108 개/㎠가 된다. 이와 같이, 요철의 사이즈를 나노 오더의 피치로 하면, 전위 밀도의 저감에 큰 효과가 있기 때문에, 내부 양자 효율(IQE)의 개선에 유효하다.
그러나, 고밀도의 요철 구조로 될수록, 즉 요철 구조의 크기가 나노 오더가 되면, 빛에 대한 산란 효과가 감소한다. 이 때문에, (2)의 도파 모드 해소 효과가 감소한다. LED의 발광 파장은 가시광 영역이며, 특히 백색 LED에 사용되는 GaN계 LED의 발광 파장은 450 nm~500 nm이다. 충분한 광산란 효과를 얻기 위해서는, 요철은 파장의 2배~20배 정도가 바람직하며, 나노 오더에서는 효과가 적다.
또, 특허문헌 3에 기재한 기술에서는, 요철 구조의 피치(간격) 및 깊이를 나노 오더로 할 필요가 있어, 형성한 요철 구조에 의한 광추출 효율(LEE)의 개선은 충분하지 않았다. 이것은, p형 반도체층의 두께를, 그 흡수 계수의 크기에서부터 수백 nm 정도로 할 필요가 있어, 필연적으로 요철 구조의 크기가 나노 오더로 되기 때문이다. 한편, LED의 발광 파장은 가시광 범위(450 nm~750 nm)이며, 파장과 같은 정도의 크기의 요철 구조에서는, 그 광추출 효율(LEE)은 낮아지는 문제가 있었다.
이와 같이, 종래 기술에서는, LED 발광 효율에 대한 세 가지 효과, (1) 내부 양자 효율(IQE)의 개선, (2) 광추출 효율(LEE)의 개선, 및 (3) 전자 주입 효율(EIE)의 향상 중, 반도체 발광 소자에 있어서의 요철 구조의 효과(역할)로서, (1)과 (2) 및 (2)와 (3)은 상호 트레이드오프의 관계에 있어, 반드시 최적의 구조를 실현할 수는 없었다. 즉, 종래 기술에서는, 내부 양자 효율(IQE)을 향상시킬수록 광추출 효율(LEE)의 개선 효과는 적어지고, 전자 주입 효율(EIE)을 향상시킬수록 광추출 효율(LEE)의 개선 효과는 작아진다고 하는 과제가 있었다.
본 발명은 상기 과제를 감안하여 이루어진 것으로, 상호 트레이드오프로 여겨져 왔던 반도체 발광 소자의 광추출 효율(LEE)의 향상과 내부 양자 효율(IQE)의 개선, 또는 광추출 효율(LEE)의 향상과 전자 주입 효율(EIE)의 향상을 동시에 해결 가능한 광학 기판, 반도체 발광 소자 및 그의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명자들은, 상기 과제를 해결하기 위해서 예의 연구를 거듭한 결과, 광학 기판의 표면에 형성된 요철 구조에 의해서 그려지는 광학현미경에 의해서 관찰 가능한 모양이, 명암의 차에 의해서 제1 영역 및 제2 영역으로 식별할 수 있고, 모양과 요철 구조가 각각 다른 효과를 발휘함으로써, 상호 트레이드오프로 여겨져 온 반도체 발광 소자의 내부 양자 효율(IQE)의 향상과 광추출 효율(LEE)의 개선, 혹은 광추출 효율(LEE)과 전자 주입 효율(EIE)의 개선을 동시에 해결할 수 있음을 알아내고, 이 지견에 기초하여 본 발명을 이루기에 이르렀다. 즉, 본 발명은 다음과 같다.
본 발명의 광학 기판은, 기판 본체와, 상기 기판 본체의 주면 상에 형성된 복수의 볼록부 또는 오목부로 구성되는 요철 구조를 구비하는 광학 기판이며, 상기 주면 상에 광학현미경에 의해서 10배~5000배의 범위 내의 어느 배율에서 관찰 가능한 모양이 그려져 있는 것, 상기 모양의 간격은, 상기 요철 구조의 피치보다도 큰 것, 및 상기 모양의 광학현미경 상에 있어서, 상기 모양은, 명암의 차에 의해서 제1 영역 및 제2 영역으로 식별할 수 있고, 상기 제1 영역은 복수이면서 상호 간격을 두고 배치되고, 상기 제2 영역은 상기 제1 영역 사이를 잇고 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 광학 기판은, 표면에 요철 구조를 구비하는 광학 기판이며, 상기 요철 구조의 평균 피치는 50 nm 이상 1500 nm 이하인 동시에, 상기 요철 구조는 흐트러짐을 포함하고, 이 흐트러짐의 요인이 되는 상기 요철 구조의 요소의 표준 편차 및 상가 평균은 하기 식(1)의 관계를 만족하는 것을 특징으로 한다.
0.025≤(표준 편차/상가 평균)≤0.5
(1)
본 발명의 광학 기판은, 적어도 n형 반도체층, 발광 반도체층 및 p형 반도체층으로 구성되는 반도체 발광 소자에 적용되는 광학 기판이며, 상기 광학 기판의 주면에 복수의 볼록부 또는 오목부로 구성되는 도트를 포함하는 요철 구조를 갖추고, 상기 요철 구조는, 적어도 상기 도트 사이의 피치, 도트 직경 또는 도트 높이 중 어느 것에 의해 제어된 2차원 포토닉 결정을 구성하고, 상기 2차원 포토닉 결정의 주기가, 상기 반도체 발광 소자의 발광 중심 파장의 2배 이상인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 반도체 발광 소자는, 상기 광학 기판의 상기 주면 상에, 적어도 제1 반도체층, 발광 반도체층 및 제2 반도체층이 적층된 것을 특징으로 한다.
본 발명의 반도체 발광 소자의 제조 방법은, 상기 광학 기판을 광학 검사하는 공정과, 상기 광학 검사를 행한 상기 광학 기판을 사용하여 반도체 발광 소자를 제조하는 공정을 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 반도체 발광 소자는, 상기 광학 기판과, 상기 요철 구조를 갖는 표면 상에 순차 적층된 제1 반도체층, 발광 반도체층 및 제2 반도체층과, 상기 제2 반도체층에 접합된 지지체를 구비하는 중간체로부터 상기 광학 기판을 분리하여 얻어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 반도체 발광 소자의 제조 방법은, 상기 광학 기판의 상기 요철 구조를 갖는 표면 상에, 제1 반도체층, 발광 반도체층 및 제2 반도체층을 이 순서로 적층하는 공정과, 상기 제2 반도체층의 표면에 지지체를 피착하여 중간체를 얻는 공정과, 상기 중간체로부터 상기 광학 기판을 분리하여, 상기 제1 반도체층, 상기 발광 반도체층, 상기 제2 반도체층 및 상기 지지체로 구성된 반도체 발광 소자를 얻는 공정을 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 상호 트레이드오프로 여겨져 왔던 반도체 발광 소자의 내부 양자 효율(IQE)의 향상 및 광추출 효율(LEE)의 개선, 또는 전자 주입 효율(EIE)의 향상과 광추출 효율(LEE)의 개선을 동시에 해결할 수 있다.
도 1은 본 실시형태에 따른 광학 기판 PP의 주면 상에 그려진 모양을 도시하는 설명도이다.
도 2는 본 실시형태에 따른 광학 기판 PP를 적용한 반도체 발광 소자의 일례를 도시하는 단면 개략도이다.
도 3은 본 실시형태에 따른 광학 기판 PP를 적용한 반도체 발광 소자의 다른 예의 단면 개략도이다.
도 4는 본 실시형태에 따른 광학 기판 PP를 적용한 반도체 발광 소자의 다른 예의 단면 개략도이다.
도 5는 본 실시형태에 따른 광학 기판 PP를 적용한 반도체 발광 소자의 다른 예의 단면 개략도이다.
도 6은 본 실시형태에 따른 광학 기판 PP를 적용한 반도체 발광 소자의 다른 예의 단면 개략도이다.
도 7은 본 실시형태에 따른 광학 기판 PP의 단면 모식도이다.
도 8은 본 실시형태에 따른 광학 기판 PP를 요철 구조면 측에서 관찰한 경우의 모양을 도시하는 설명도이다.
도 9는 본 실시형태에 따른 광학 기판 PP를 요철 구조면 측에서 관찰한 경우의 모양을 도시하는 설명도이다.
도 10은 본 실시형태에 따른 광학 기판 PP를 요철 구조면 측에서 관찰한 경우의 모양을 도시하는 설명도이다.
도 11은 본 실시형태에 따른 광학 기판 PP를 도시하는 단면 모식도이다.
도 12는 본 실시형태에 따른 광학 기판 PP를 요철 구조면 측에서 본 경우의 모양(X)을 도시하는 평면 모식도이다.
도 13은 횡축에 선분 YY'을, 종축에 도 12에 도시하는 광학 기판 PP를 요철 구조면 측에서 관찰한 경우의 모양(X)의 명암을 잡은 그래프이다.
도 14는 횡축에 선분 YY'을, 종축에 도 12에 도시하는 광학 기판 PP를 요철 구조면 측에서 관찰한 경우의 모양(X)의 명암을 잡은 그래프이다.
도 15는 횡축에 선분 YY'을, 종축에 도 12에 도시하는 광학 기판 PP를 요철 구조면 측에서 관찰한 경우의 모양(X)의 명암을 잡은 그래프이다.
도 16은 횡축에 선분 YY'을, 종축에 도 12에 도시하는 광학 기판 PP를 요철 구조면 측에서 관찰한 경우의 모양(X)의 명암을 잡은 그래프이다.
도 17은 본 실시형태에 따른 광학 기판 PP를 요철 구조면 측에서 본 경우에 관찰되는 모양(X)을 도시하는 평면 모식도이다.
도 18은 본 실시형태에 따른 광학 기판 PP를 요철 구조면 측에서 본 경우의 요철 구조를 도시하는 평면 모식도이다.
도 19는 본 실시형태에 따른 광학 기판 PP의 요철 구조면을 구성하는 요철 구조 PP가 도트 구조인 경우의 평면도이다.
도 20은 도 19 중에 나타낸 피치 P'에 상당하는 선분 위치에서의 요철 구조 PP의 단면 모식도이다.
도 21은 본 실시형태에 따른 광학 기판 PP의 요철 구조면을 구성하는 요철 구조 PP가 홀 구조인 경우의 평면도이다.
도 22는 도 21 중에 나타낸 피치 P'에 상당하는 선분 위치에서의 요철 구조 PP의 단면 모식도이다.
도 23은 본 실시형태에 따른 광학 기판 PP를 요철 구조면 측에서 관찰한 경우의 상면 상(像)을 도시하는 설명도이다.
도 24는 본 실시형태에 따른 광학 기판 D를 적용한 반도체 발광 소자의 단면 모식도이다.
도 25는 본 실시형태에 따른 광학 기판 D를 적용한 반도체 발광 소자의 다른 일례의 단면 모식도이다.
도 26은 본 실시형태에 따른 광학 기판 D를 적용한 반도체 발광 소자의 다른 일례의 단면 모식도이다.
도 27은 본 실시형태에 따른 광학 기판 D의 일례를 도시하는 단면 모식도와 유효 굴절율(Nema)의 분포를 나타내는 그래프의 관계를 도시하는 모식도이다.
도 28은 본 실시형태에 따른 광학 기판 D의 일례를 도시하는 단면 모식도와 유효 굴절율(Nema)의 분포를 나타내는 그래프의 관계를 도시하는 모식도이다.
도 29는 본 실시형태에 따른 광학 기판 D의 일례를 도시하는 단면 모식도와 유효 굴절율(Nema)의 분포를 나타내는 그래프의 관계를 도시하는 모식도이다.
도 30은 본 실시형태에 따른 광학 기판 D를 도시하는 단면 모식도이다.
도 31은 본 실시형태에 따른 광학 기판 D를 도시하는 단면 모식도이다.
도 32는 본 실시형태에 따른 광학 기판 D의 일례를 도시하는 요철 구조면 측에서 본 평면도 및 유효 굴절율(Nema)의 분포를 도시하는 그래프이다.
도 33은 본 실시형태에 따른 광학 기판 D의 일례를 도시하는 단면 모식도 및 유효 굴절율(Nema)의 분포를 도시하는 그래프이다.
도 34는 본 실시형태에 따른 광학 기판 D의 일례를 도시하는 단면 모식도 및 유효 굴절율(Nema)의 분포를 도시하는 그래프이다.
도 35는 본 실시형태에 따른 광학 기판 PC의 일례를 도시하는 사시 모식도이다.
도 36은 본 실시형태에 따른 광학 기판 PC의 다른 예를 도시하는 사시 모식도이다.
도 37은 본 실시형태에 따른 광학 기판 PC를 도시하는 평면 모식도이다.
도 38은 본 실시형태에 따른 광학 기판 PC의 제2 방향 D2에 있어서의 도트 열의 배치예를 도시하는 모식도이다.
도 39는 본 실시형태에 따른 광학 기판 PC의 다른 예를 도시하는 평면 모식도이다.
도 40은 본 실시형태에 따른 광학 기판 PC의 다른 예를 도시하는 평면 모식도이다.
도 41은 본 실시형태에 따른 광학 기판 PC의 다른 예를 도시하는 평면 모식도이다.
도 42는 본 실시형태에 따른 광학 기판 PC의 다른 예를 도시하는 평면 모식도이다.
도 43은 본 실시형태에 따른 광학 기판 PC의 다른 예를 도시하는 평면 모식도이다.
도 44는 본 실시형태에 따른 광학 기판의 제2 방향 D2에 있어서의 도트 열의 배치예를 도시하는 모식도이다.
도 45는 본 실시형태에 따른 광학 기판의 제2 방향 D2에 있어서의 도트 열의 배치예를 도시하는 모식도이다.
도 46은 본 실시형태에 따른 반도체 발광 소자의 제조 방법의 각 공정을 도시하는 단면 모식도이다.
도 47은 본 실시형태에 따른 광학 기판 PC의 제조 방법의 일례를 도시하는 개략 설명도이다.
도 48은 본 실시형태에 따른 광학 기판 PC를 형성하는 노광 장치에 있어서의 스핀들 모터의 Z상 신호를 기준 신호로 하여 기준 펄스 신호, 변조 펄스 신호를 설정한 일례를 설명하는 설명도이다.
도 49는 본 실시형태에 따른 광학 기판 PC를 형성하는 노광 장치에 있어서의 기준 펄스 신호와 변조 펄스 신호로부터 위상 변조 펄스 신호를 설정한 일례를 설명하는 설명도이다.
도 50은 본 실시형태에 따른 광학 기판 PC를 형성하는 노광 장치에 있어서의 레이저광을 조사하는 가공 헤드부의 이동 속도의 일례를 설명하는 설명도이다.
도 51은 본 발명의 실시예에서 제작한 광학 기판 D의 요철 구조를 도시하는 주사형 전자현미경 사진이다.
도 52는 본 발명의 실시예에서 제작한 광학 기판 D의 요철 구조를 도시하는 주사형 전자현미경 사진이다.
도 53은 본원의 실시예에서 제작한 사파이어 기판의 요철 구조 D를 도시하는 주사형 현미경 사진이다.
도 54는 본원의 실시예에서 제작한 사파이어 기판의 요철 구조 D를 도시하는 주사형 현미경 사진이다.
도 55는 본원의 실시예에서 제작한 사파이어 기판의 요철 구조 D를 도시하는 주사형 현미경 사진이다.
도 56은 본원의 실시예에서 제작한 사파이어 기판의 요철 구조 D를 도시하는 주사형 현미경 사진이다.
도 2는 본 실시형태에 따른 광학 기판 PP를 적용한 반도체 발광 소자의 일례를 도시하는 단면 개략도이다.
도 3은 본 실시형태에 따른 광학 기판 PP를 적용한 반도체 발광 소자의 다른 예의 단면 개략도이다.
도 4는 본 실시형태에 따른 광학 기판 PP를 적용한 반도체 발광 소자의 다른 예의 단면 개략도이다.
도 5는 본 실시형태에 따른 광학 기판 PP를 적용한 반도체 발광 소자의 다른 예의 단면 개략도이다.
도 6은 본 실시형태에 따른 광학 기판 PP를 적용한 반도체 발광 소자의 다른 예의 단면 개략도이다.
도 7은 본 실시형태에 따른 광학 기판 PP의 단면 모식도이다.
도 8은 본 실시형태에 따른 광학 기판 PP를 요철 구조면 측에서 관찰한 경우의 모양을 도시하는 설명도이다.
도 9는 본 실시형태에 따른 광학 기판 PP를 요철 구조면 측에서 관찰한 경우의 모양을 도시하는 설명도이다.
도 10은 본 실시형태에 따른 광학 기판 PP를 요철 구조면 측에서 관찰한 경우의 모양을 도시하는 설명도이다.
도 11은 본 실시형태에 따른 광학 기판 PP를 도시하는 단면 모식도이다.
도 12는 본 실시형태에 따른 광학 기판 PP를 요철 구조면 측에서 본 경우의 모양(X)을 도시하는 평면 모식도이다.
도 13은 횡축에 선분 YY'을, 종축에 도 12에 도시하는 광학 기판 PP를 요철 구조면 측에서 관찰한 경우의 모양(X)의 명암을 잡은 그래프이다.
도 14는 횡축에 선분 YY'을, 종축에 도 12에 도시하는 광학 기판 PP를 요철 구조면 측에서 관찰한 경우의 모양(X)의 명암을 잡은 그래프이다.
도 15는 횡축에 선분 YY'을, 종축에 도 12에 도시하는 광학 기판 PP를 요철 구조면 측에서 관찰한 경우의 모양(X)의 명암을 잡은 그래프이다.
도 16은 횡축에 선분 YY'을, 종축에 도 12에 도시하는 광학 기판 PP를 요철 구조면 측에서 관찰한 경우의 모양(X)의 명암을 잡은 그래프이다.
도 17은 본 실시형태에 따른 광학 기판 PP를 요철 구조면 측에서 본 경우에 관찰되는 모양(X)을 도시하는 평면 모식도이다.
도 18은 본 실시형태에 따른 광학 기판 PP를 요철 구조면 측에서 본 경우의 요철 구조를 도시하는 평면 모식도이다.
도 19는 본 실시형태에 따른 광학 기판 PP의 요철 구조면을 구성하는 요철 구조 PP가 도트 구조인 경우의 평면도이다.
도 20은 도 19 중에 나타낸 피치 P'에 상당하는 선분 위치에서의 요철 구조 PP의 단면 모식도이다.
도 21은 본 실시형태에 따른 광학 기판 PP의 요철 구조면을 구성하는 요철 구조 PP가 홀 구조인 경우의 평면도이다.
도 22는 도 21 중에 나타낸 피치 P'에 상당하는 선분 위치에서의 요철 구조 PP의 단면 모식도이다.
도 23은 본 실시형태에 따른 광학 기판 PP를 요철 구조면 측에서 관찰한 경우의 상면 상(像)을 도시하는 설명도이다.
도 24는 본 실시형태에 따른 광학 기판 D를 적용한 반도체 발광 소자의 단면 모식도이다.
도 25는 본 실시형태에 따른 광학 기판 D를 적용한 반도체 발광 소자의 다른 일례의 단면 모식도이다.
도 26은 본 실시형태에 따른 광학 기판 D를 적용한 반도체 발광 소자의 다른 일례의 단면 모식도이다.
도 27은 본 실시형태에 따른 광학 기판 D의 일례를 도시하는 단면 모식도와 유효 굴절율(Nema)의 분포를 나타내는 그래프의 관계를 도시하는 모식도이다.
도 28은 본 실시형태에 따른 광학 기판 D의 일례를 도시하는 단면 모식도와 유효 굴절율(Nema)의 분포를 나타내는 그래프의 관계를 도시하는 모식도이다.
도 29는 본 실시형태에 따른 광학 기판 D의 일례를 도시하는 단면 모식도와 유효 굴절율(Nema)의 분포를 나타내는 그래프의 관계를 도시하는 모식도이다.
도 30은 본 실시형태에 따른 광학 기판 D를 도시하는 단면 모식도이다.
도 31은 본 실시형태에 따른 광학 기판 D를 도시하는 단면 모식도이다.
도 32는 본 실시형태에 따른 광학 기판 D의 일례를 도시하는 요철 구조면 측에서 본 평면도 및 유효 굴절율(Nema)의 분포를 도시하는 그래프이다.
도 33은 본 실시형태에 따른 광학 기판 D의 일례를 도시하는 단면 모식도 및 유효 굴절율(Nema)의 분포를 도시하는 그래프이다.
도 34는 본 실시형태에 따른 광학 기판 D의 일례를 도시하는 단면 모식도 및 유효 굴절율(Nema)의 분포를 도시하는 그래프이다.
도 35는 본 실시형태에 따른 광학 기판 PC의 일례를 도시하는 사시 모식도이다.
도 36은 본 실시형태에 따른 광학 기판 PC의 다른 예를 도시하는 사시 모식도이다.
도 37은 본 실시형태에 따른 광학 기판 PC를 도시하는 평면 모식도이다.
도 38은 본 실시형태에 따른 광학 기판 PC의 제2 방향 D2에 있어서의 도트 열의 배치예를 도시하는 모식도이다.
도 39는 본 실시형태에 따른 광학 기판 PC의 다른 예를 도시하는 평면 모식도이다.
도 40은 본 실시형태에 따른 광학 기판 PC의 다른 예를 도시하는 평면 모식도이다.
도 41은 본 실시형태에 따른 광학 기판 PC의 다른 예를 도시하는 평면 모식도이다.
도 42는 본 실시형태에 따른 광학 기판 PC의 다른 예를 도시하는 평면 모식도이다.
도 43은 본 실시형태에 따른 광학 기판 PC의 다른 예를 도시하는 평면 모식도이다.
도 44는 본 실시형태에 따른 광학 기판의 제2 방향 D2에 있어서의 도트 열의 배치예를 도시하는 모식도이다.
도 45는 본 실시형태에 따른 광학 기판의 제2 방향 D2에 있어서의 도트 열의 배치예를 도시하는 모식도이다.
도 46은 본 실시형태에 따른 반도체 발광 소자의 제조 방법의 각 공정을 도시하는 단면 모식도이다.
도 47은 본 실시형태에 따른 광학 기판 PC의 제조 방법의 일례를 도시하는 개략 설명도이다.
도 48은 본 실시형태에 따른 광학 기판 PC를 형성하는 노광 장치에 있어서의 스핀들 모터의 Z상 신호를 기준 신호로 하여 기준 펄스 신호, 변조 펄스 신호를 설정한 일례를 설명하는 설명도이다.
도 49는 본 실시형태에 따른 광학 기판 PC를 형성하는 노광 장치에 있어서의 기준 펄스 신호와 변조 펄스 신호로부터 위상 변조 펄스 신호를 설정한 일례를 설명하는 설명도이다.
도 50은 본 실시형태에 따른 광학 기판 PC를 형성하는 노광 장치에 있어서의 레이저광을 조사하는 가공 헤드부의 이동 속도의 일례를 설명하는 설명도이다.
도 51은 본 발명의 실시예에서 제작한 광학 기판 D의 요철 구조를 도시하는 주사형 전자현미경 사진이다.
도 52는 본 발명의 실시예에서 제작한 광학 기판 D의 요철 구조를 도시하는 주사형 전자현미경 사진이다.
도 53은 본원의 실시예에서 제작한 사파이어 기판의 요철 구조 D를 도시하는 주사형 현미경 사진이다.
도 54는 본원의 실시예에서 제작한 사파이어 기판의 요철 구조 D를 도시하는 주사형 현미경 사진이다.
도 55는 본원의 실시예에서 제작한 사파이어 기판의 요철 구조 D를 도시하는 주사형 현미경 사진이다.
도 56은 본원의 실시예에서 제작한 사파이어 기판의 요철 구조 D를 도시하는 주사형 현미경 사진이다.
본 발명에 따른 광학 기판의 특징은, 그 광학 기판을 적용하여 제조된 반도체 발광 소자에 주목했을 때에, 그 반도체 발광 소자의 계면 위치에, 실체로서 존재하는 요철 구조에 더하여, 그 반도체 발광 소자의 발광광이 인식 가능한, 상기 요철 구조보다도 큰 패턴(모양)이 있는 것이다. 이에 따라, 반도체 발광 소자를 제조할 때 및 제조된 반도체 발광 소자를 사용할 때에 효과를 발휘한다. 우선, 반도체 발광 소자를 제조할 때에는, 반도체 결정층의 전위의 저감에 따라 내부 양자 효율(IQE)은 개선되고, 또는 p형 반도체층과 n형 도전층과의 접촉 면적이 증대되어 전자 주입 효율(EIE)이 개선된다. 그리고, 반도체 발광 소자를 사용할 때에는, 내부 양자 효율(IQE) 또는 전자 주입 효율(EIE)을 개선한 상태를 유지하는 동시에, 반도체 발광 소자의 발광광에 대한 광학적 산란성을 강화할 수 있기 때문에, 광추출 효율(LEE)이 동시에 향상된다. 즉, 내부 양자 효율(IQE)과 광추출 효율(LEE), 또는 전자 주입 효율(EIE)과 광추출 효율(LEE)을 동시에 개선한 반도체 발광 소자를 실현할 수 있다. 나아가서는, 내부 양자 효율(IQE), 전자 주입 효율(EIE) 및 광추출 효율(LEE)을 동시에 개선한 반도체 발광 소자를 제공할 수 있다.
상기 사상, 즉, 실체로서 존재하는 요철 구조와, 반도체 발광 소자의 발광광이 인식 가능한, 상기 요철 구조보다도 큰 패턴(모양)에 의해, 내부 양자 효율(IQE) 또는 전자 주입 효율(EIE)과, 광추출 효율(LEE)을 동시에 향상시키기 위해서, 본 명세서에서는 세 가지의 광학 기판을 제안한다. 이들 광학 기판을, 이하 광학 기판 PP, 광학 기판 D 및 광학 기판 PC라고 기재하고, 각각 개별적으로 설명한다. 또한, 광학 기판 PP, 광학 기판 D, 그리고 광학 기판 PC에 형성되는 요철 구조를 각각 요철 구조 PP, 요철 구조 D, 그리고 요철 구조 PC라고 기재한다. 또한, 이하의 설명에서는, 광학 기판 PP부터 설명을 시작하며, 광학 기판 PP의 내용과, 광학 기판 D 혹은 광학 기판 PC의 내용에 중복 부위가 있는 경우는, 광학 기판 D 혹은 광학 기판 PC를 설명할 때, 광학 기판 PP의 내용을 인용한다.
<<광학 기판 PP>>
우선, 본 발명의 광학 기판 PP의 개요에 관해서 설명한다. 일반적으로, 반도체 발광 소자의 외부 양자 효율(EQE)은, 내부 양자 효율(IQE), 광추출 효율(LEE) 그리고 전자 주입 효율(EIE)에 의해 결정된다. 특히, 내부 양자 효율(IQE)은 반도체 발광 소자의 발광 효율 그 자체에 영향을 주기 때문에, 개선에 의한 효과가 매우 크다. 또한, 내부 양자 효율(IQE)을 개선했다고 해도, 광추출 효율(LEE)이 낮은 경우, 발광한 빛이 반도체층 내부에 흡수되어 열로 변환된다. 이 때문에, 상호 트레이드오프의 관계에 있는 내부 양자 효율(IQE)의 향상과 광추출 효율(LEE)의 개선을 동시에 실현하는 것이, 높은 외부 양자 효율(EQE)을 실현하기 위한 효과적인 방법이다. 그래서, 상호 트레이드오프의 관계에 있는 내부 양자 효율(IQE)의 향상과 광추출 효율(LEE)의 개선을 원리의 차이에 주목했다.
반도체 발광 소자에서는, 고밀도의 요철 구조에 의해 내부 양자 효율(IQE)을 향상시킬 수 있고, 한편으로 체적 변화가 큰 강한 광학적 산란성을 발휘하는 요철 구조에 의해 광추출 효율(LEE)을 향상시킬 수 있다. 즉, 내부 양자 효율(IQE)을 향상시키려고 고밀도의 요철 구조를 형성한 경우, 요철 구조의 체적 변화는 작아지고, 광학적 산란성이 저하되기 때문에 광추출 효율(LEE)의 향상 정도가 한정된다. 이것은, 반도체 발광 소자의 발광광이 인식 가능한 광학 현상에 의해 설명할 수 있다. 내부 양자 효율(IQE)을 향상시키기에 충분한 밀도를 갖는 요철 구조에서는, 그 요철 구조의 피치는 발광광의 파장과 같은 정도 이하의 오더가 되는데, 발광광의 파장이 요철 구조의 피치에 대하여 커지면 커질수록, 광학 현상으로서 유효 매질 근사가 작용하여, 광학적 산란성이 저하하기 때문이다. 한편, 요철 구조의 체적 변화를 크게 하여 광추출 효율(LEE)을 향상시킨 경우, 실체로서 존재하는 요철 구조의 밀도가 저하하기 때문에, 전위의 분산 효과가 약해져, 내부 양자 효율(IQE) 개선의 정도가 한정된다.
여기서, 광학적 산란성을 증가시킬 목적으로 실체로서 존재하는 요철 구조의 체적 변화를 크게 한 경우, 전술한 것과 같이 내부 양자 효율(IQE)이 저하하는데, 또한, 실체로서 존재하는 요철 구조의 체적 변화율이 커지기 때문에, 반도체 결정층에 대한 크랙, 반도체 결정층의 사용량 혹은 반도체 결정층의 성막 시간 등에 대한 문제, 다시 말해서 반도체 발광 소자의 제조와 환경 적합성에 대한 과제도 있다.
이상으로부터, 반도체 발광 소자의 제조에 지장을 초래하지 않고 또한 환경 적합성을 도모하면서 내부 양자 효율(IQE)과 광추출 효율(LEE)을 동시에 개선하기 위해서는, 내부 양자 효율(IQE)을 개선할 수 있는 요철 구조에 의해 광학적 산란성을 발현시키는 것이 중요하다고 생각하여, 본 발명을 완성시키기에 이르렀다.
즉, 고밀도의 요철 구조임에도 불구하고 광학적 산란성을 강하게 할 수 있는 요철 구조를 실현함으로써, 상호 트레이드오프의 관계에 있는 내부 양자 효율(IQE)과 광추출 효율(LEE)을 동시에 향상시킬 수 있다고 생각된다.
또한, 반도체 발광 소자에서는, n형 반도체층, 발광 반도체층, p형 반도체층, 그리고 n형 도전층은 큰 흡수를 갖는다. 즉, 효과적으로 반도체 발광 소자의 외부로 발광광을 추출한다는 관점에서, 이들 층은 필연적으로 나노 오더로 얇게 할 필요가 있다. 즉, 반도체 발광 소자의 각 계면 중 어디에 요철 구조를 형성하여, 광추출 효율(LEE)을 향상시키고자 한 경우, 그 요철 구조는 필연적으로 나노 오더의 요철 구조가 된다. 이미 설명한 것과 같이, 고밀도의 요철 구조의 광학적 산란성은 작다. 즉, 광추출 효율(LEE)의 향상 정도는 한정된다.
이러한 관점에서 생각하면, 고밀도의 요철 구조임에도 불구하고 광학적 산란성을 강하게 할 수 있는 요철 구조를 실현함으로써, 반도체 발광 소자의 광추출 효율(LEE)을 보다 향상시킬 수 있다고 생각할 수 있다.
예컨대, p형 반도체층과 n형 도전층 사이에 단순히 비표면적이 큰 요철 구조를 형성한 경우, 계면 접촉 면적의 증대에 따라 오믹 접촉을 향상시킬 수 있기 때문에, 전자 주입 효율(EIE)이 향상된다. 그러나, 이미 설명한 것과 같이, 이들 요철 구조는 고밀도의 요철 구조이며, 광학적 산란성은 작기 때문에, 광추출 효율(LEE)의 향상 정도는 한정된다.
또한, 예컨대, n형 도전층의 표면에 요철 구조를 형성하여 광추출 효율(LEE)을 보다 향상시키고자 한 경우, n형 도전층 자체의 두께가 나노 오더로 제한되기 때문에, 그 요철 구조도 나노 오더의 고밀도의 요철 구조가 되어, 광학적 산란성은 커지지 않는다. 즉, 광추출 효율(LEE)의 향상 정도는 한정된다.
즉, 본 발명의 요지는, 고밀도의 요철 구조임에도 불구하고 광학적 산란성이 큰 요철 구조를 제공하는 데에 있다. 이에 따라, 내부 양자 효율(IQE) 또는 전자 주입 효율(EIE)과, 광추출 효율(LEE)을 동시에 개선할 수 있다. 나아가서는, 반도체 발광 소자를 구성하는 나노 오더의 얇은 각 층에 대하여 요철 구조를 형성한 경우라도, 이들 층의 물성을 손상시키는 일없이 광추출 효율(LEE)을 향상시킬 수 있게 된다.
한편, 이하의 설명에서는, 내부 양자 효율(IQE)과 광추출 효율(LEE)을 동시에 향상시키는 것을 중심에 두고서 설명하지만, 그 본질은, 고밀도의 요철 구조임에도 불구하고, 광학적 산란성을 강하게 발현시키는 데에 있으므로, 전자 주입 효율(EIE)과 광추출 효율(LEE)을 동시에 향상시킨다고 하는 효과로 바꿀 수 있다. 즉, 내부 양자 효율(IQE)은, 고밀도의 요철 구조에 의해 분산화 및 저감되는 전위에 의해 향상되고, 전자 주입 효율(EIE)은, 고밀도의 요철 구조에 의해 개선되는 오믹 접촉성에 의해 개량된다. 이때, 고밀도의 요철 구조는 광학적 산란성을 발현하므로, 동시에 광추출 효율(LEE)도 개선된다. 같은 사상에서, 내부 양자 효율(IQE)과 광추출 효율(LEE)의 동시 향상을 효과의 대표로서 설명하지만, 반도체 발광 소자를 구성하는 나노 오더의 얇은 각 층에 대하여 요철 구조를 형성한 경우에서의 효과, 즉, 이들 층의 물성을 손상시키지 않고서 광추출 효율(LEE)을 향상시키는 것으로 바꿀 수 있다. 예컨대, 반도체 발광 소자의 투명 도전층의 막 두께는 수백 나노 미터이다. 이 투명 도전층의 표면, 즉 반도체 발광 소자에 있어서의 투명 도전층과 밀봉재, 투명 도전층과 전극 패드, 혹은 투명 도전층과 p형 반도체층과의 계면에 요철 구조를 형성한 경우라도, 투명 도전층의 전기적 물성은 유지하면서 광추출 효율(LEE)을 보다 향상시킬 수 있다.
즉, 본 실시형태에 따른 광학 기판 PP는, 기판 본체와, 기판 본체의 주면 상에 형성된 복수의 볼록부 또는 오목부로 구성되는 요철 구조 PP를 구비하는 광학 기판 PP로서, 주면 상에 광학현미경에 의해서 10배~5000배의 범위 내의 어느 배율에서 관찰 가능한 모양이 그려져 있는 것, 모양의 간격은, 요철 구조의 피치보다도 큰 것, 및 모양의 광학현미경 상에 있어서, 상기 모양은, 명암의 차에 의해서 제1 영역 및 제2 영역으로 식별할 수 있고, 상기 제1 영역은 복수이면서 상호 간격을 두고 배치되고, 상기 제2 영역은 상기 제1 영역 사이를 잇고 있는 것을 특징으로 한다.
본 실시형태에 따른 광학 기판 PP에서, 요철 구조 PP의 평균 피치는 10 nm 이상 1500 nm 이하인 것이 바람직하다.
이 구성에 의해, 우선, 복수의 볼록부 또는 오목부로 구성된 요철 구조 PP에 의해서, 즉, 실체로서 존재하는 요철 구조에 의해 반도체 결정층의 성장 모드가 흐트러지기 때문에, 반도체 결정층 내부의 전위가 미시적으로 분산되는 동시에, 전위가 저감되어, 내부 양자 효율(IQE)이 개선된다.
한편, 요철 구조 PP의 피치는, 모양의 간격에 비해 작다. 바꿔 말하면, 복수의 볼록부 또는 오목부의 집합으로 이루어지는 요철 구조 군이 주면 상에 복수 배치되어 있다. 즉, 요철 구조 PP를 구성하는 복수의 볼록부 또는 오목부는, 이들을 구성하는 요소(예컨대, 밀도, 높이 또는 형상)의 차이에 의해서, 주면 상에 광학현미경에 의해서 10배~5000배의 범위 내의 어느 배율에서 관찰 가능한 모양이 그려진다고 추정된다. 모양이 그려지는 것은, 요소의 차이에 의해서 요철 구조 PP에 대한 유효 굴절율(Nema)(Refractive Index under Effective Medium Approximation)의 변화가 생기는 것에 의한 것이라고 추정된다. 즉, 실체로서 존재하는 복수의 볼록부 또는 오목부에 더하여, 빛이 인식 가능한 광학적 모양이 존재한다. 바꿔 말하면, 빛을 요철 구조 PP에 입사시키면 비로소 요철 구조 PP의 광학 모양이 나타난다. 이 모양은, 광학현미경 상에 있어서 명암의 차에 의해 제1 영역 및 제2 영역으로 식별할 수 있고, 제1 영역은 복수이면서, 상호 간격을 두고 배치되고, 제2 영역은 제1 영역 사이를 잇고 있다. 즉, 제1 영역과 제2 영역으로 이루어지는 모양이 광학적으로 관찰되고, 이 모양은, 요철 구조 PP의 복수의 볼록부 또는 오목부의 집합에 의해 표현되어 있다. 바꿔 말하면, 광학 기판 PP의 주면 내에서, 복수의 제1 영역의 밀도는 모양을 구성하는 요철 구조 PP의 밀도보다도 작다. 이러한 구성에 의해, 이하의 세 가지 효과를 발휘한다. 첫째로, 요철 구조 PP에 의한 전위의 분산성이 거시적으로도 유지된다. 즉, 광학 기판 PP 위에 형성되는 반도체 결정층의 전위 밀도를 면내에서 낮게 할 수 있다. 둘째로, 반도체 결정층의 성장시에 발생하는 크랙을 억제할 수 있는 동시에, 반도체 결정층의 사용량을 저감시키면서 반도체 결정층의 성막 시간을 단축할 수 있다. 마지막으로, 반도체 결정층 내부에서 도파하는 발광광은, 그 진행 방향이 흐트러지기 때문에, 도파 모드가 흐트러진다. 이상으로부터, 반도체 발광 소자의 제조에 지장을 초래하지 않으면서 환경 적합성을 도모하면서 내부 양자 효율(IQE)과 광추출 효율(LEE)을 동시에 개선할 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 따른 광학 기판 PP에서는, 상기 요철 구조 PP의 평균 피치가 10 nm 이상 900 nm 이하인 동시에, 상기 요철 구조 PP의 높이는 10 nm 이상 500 nm 이하인 것이 바람직하다.
이 구성에 의해, 요철 구조 PP의 밀도가 증가함에 따라, 전위의 분산 및 저감 효과가 보다 커진다. 또한, 높이가 소정의 범위 내이므로, 반도체 결정층을 성막할 때의 크랙의 발생을 보다 양호하게 억제할 수 있게 되고, 이에 따라, 반도체 발광 소자의 결손율을 저감할 수 있다. 나아가서는, 반도체 결정층의 사용량 저감 및 성막 시간 단축 효과가 보다 현저하게 된다. 그 밖에도, 높이가 소정의 범위를 만족시킴으로써, 요철 구조 PP를 부여하는 층의 두께가 나노 오더로 매우 얇은 경우라도, 그 층의 물성을 양호하게 유지할 수 있다. 이 때문에, 반도체 발광 소자의 계면 위치에 요철 구조 PP를 형성하여, 광추출 효율(LEE)을 향상시킬 때의, 광추출 효율(LEE) 이외의 인자의 저하를 억제할 수 있다. 예컨대, p형 반도체층과 n형 도전층(예컨대, 투명 도전층. 이하 동일.)과의 계면에 요철 구조 PP를 형성하는 경우라면, p형 반도체층의 반도체 특성 및 n형 도전층의 전기 특성을 유지한 상태에서, 오믹 접촉성을 개선하고, 전자 주입 효율(EIE)을 향상시키는 동시에, 광추출 효율(LEE)을 개선할 수 있다. 또한, 예컨대, n형 도전층의 표면 혹은 n형 도전층과 밀봉재와의 계면에 요철 구조 PP를 형성하는 경우라면, 그 n형 도전층의 전기적 특성을 유지하면서, 광추출 효율(LEE)을 향상시킬 수도 있다.
또한, 본 발명의 광학 기판 PP는, 상기 광학 기판 PP의 상기 요철 구조 PP가 있는 제1면 측에서부터, 상기 광학 기판 PP의 주면에 대하여 수직으로, 파장이 640 nm~660 nm, 525 nm~535 nm 또는 460 nm~480 nm의 3 종류의 레이저 광선을 각각 조사한 경우에, 적어도 하나 이상의 레이저 광선에 대하여, 상기 제1면과는 반대측의 제2면에서 출광하는 레이저 광선이, 2 이상으로 스플리트되는 것이 바람직하다.
이러한 구성에 따르면, 광학 모양의, 반도체 발광 소자로부터 본 강도를 향상시킬 수 있다. 즉, 광추출 효율(LEE)을 보다 향상시킬 수 있게 된다.
또한, 본 발명의 광학 기판 PP에서는, 상기 요철 구조 PP의 평균 피치는, 50 nm 이상 1500 nm 이하인 동시에, 상기 요철 구조 PP는 흐트러짐을 포함하고, 이 흐트러짐의 요인이 되는 상기 요철 구조의 요소의 표준 편차 및 상가 평균은, 하기식(1)의 관계를 만족하는 것이 바람직하다.
0.025≤(표준 편차/상가 평균)≤0.5
(1)
이 구성에 따르면, 상기 효과 중, 특히 이하 두 가지 효과가 보다 현저하게 된다. 우선, 광추출 효율(LEE)이 보다 향상된다. 이것은, 상기 식(1)을 만족함으로써, 유효 굴절율(Nema)의 분포가, 반도체 발광 소자의 발광광으로부터 봤을 때 적절하게 되어, 광학적 산란성이 보다 강하게 되기 때문이다. 이어서, 반도체 결정층에 발생하는 크랙을 억제하는 효과가 커진다. 이것은, 요철 구조 PP를 미시적으로 관찰한 경우의, 상기 요철 구조 PP의 흐트러짐이 소정의 범위 내에 들어가므로, 요철 구조 PP로부터 반도체 결정층에 가해지는 응력의 집중을 억제할 수 있기 때문이다.
또한, 본 발명의 광학 기판 PP에서는, 상기 광학 기판 PP는, 적어도 n형 반도체층, 발광 반도체층 및 p형 반도체층으로 구성되는 반도체 발광 소자에 적용되고, 상기 요철 구조 PP는, 상기 복수의 볼록부 또는 오목부로 구성되는 도트를 포함하고, 상기 요철 구조 PP는, 적어도 상기 도트 사이의 피치, 도트 직경 또는 도트 높이 중 어느 것에 의해 제어된 2차원 포토닉 결정을 구성하고, 상기 2차원 포토닉 결정의 주기가, 상기 반도체 발광 소자의 발광 중심 파장의 2배 이상인 것이 바람직하다.
이러한 구성에 따르면, 광학 기판 PP에 관찰되는 광학 모양의 명암의 차가 보다 강해진다. 즉, 고밀도의 요철 구조를 형성함에 따른 효과를 담보하면서, 광학적 산란성을 보다 강하게 발현할 수 있게 된다. 특히, 요철 구조 PP의 소정의 요소에 의해 형성되는 2차원 포토닉 결정의 주기가, 반도체 발광 소자의 발광 중심 파장의 2배 이상이므로, 발광광과 광학 모양의 상호 작용은 강해지고, 이에 따라 광학적 산란성이 보다 강해진다. 따라서, 광추출 효율(LEE)이 보다 향상된다
또한, 본 발명에는, 상기한 본 발명의 광학 기판 PP의 주면 상에, 적어도 제1 반도체층, 발광 반도체층 및 제2 반도체층이 적층된 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자가 포함된다.
또한, 본 발명에는, 상기한 본 발명의 광학 기판 PP를 사용한 반도체 발광 소자의 제조 방법이 포함된다.
이하, 본 발명의 일 실시형태(이하, 「실시형태」라고 약기함)에 관해서 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 한편, 본 발명은 이하의 실시형태에 한정되는 것이 아니라, 그 요지의 범위 내에서 여러 가지로 변형하여 실시할 수 있다.
본 명세서에서의 실체로서 존재하는 요철 구조란, 글자 그대로의 의미이며, 요철 구조가 기판의 표면에 물리적인 구조체로서 존재하는 것을 의미한다. 특히, 본 명세서에서는, 주사형 전자현미경을 사용한 관찰에 의해 관찰되는 요철 구조를, 실체로서 존재하는 요철 구조라고 부른다. 한편, 빛이 인식 가능한 모양이란, 빛으로부터 본 경우에 어떠한 요철 구조가 있는지를 나타내는 표현이다. 일반적으로, 분해능의 차는 있지만, 광학적으로 검지한 경우라도, 전자선에 의해 검지한 경우라도, 관찰되는 요철 구조의 오더는 같아진다. 그러나, 본 명세서에 의해 발견된 지견에 따르면, 실체로서 존재하는, 즉 물리적으로 존재하는 요철 구조를 빛으로부터 본 경우에, 실체로서 존재하는 요철 구조의 오더와는 다른 오더의 모양이 관찰되는 경우가 있다. 즉, 광학적 수법에 의해서 실체로서 존재하는 요철 구조를 관찰했을 때에 얻어지는, 그 요철 구조의 광학적으로 실효적인 상의 오더와, 그 실체로서 존재하는 요철 구조의 오더가 다른 경우가 있다. 이러한 광학 현상을 통해서 실체로서 존재하는 요철 구조를 생각했을 때에, 실체로서 존재하는 요철 구조와는 다른 오더의 모양이 있음을 표현하기 위해서, "빛이 인식 가능한"이라는 표현을 사용하고 있다. 이러한 관점에서, 빛이 인식 가능한 모양은, 빛이 검지할 수 있는 모양, 빛이 감득할 수 있는 모양, 혹은 광학적으로 그려지는 모양으로 바꿔 말할 수 있다. 또한, 광학적으로 마치 거기에 실체와는 다른 패턴이 존재하는 것처럼 빛이 행동하는 상태, 또는 빛으로부터 본 경우에 마치 굴절율 분포에 따른 매질이 있는 것처럼 보이는 상태라고 바꿔 말할 수도 있다. 한편, 본 명세서에서는, 이러한 모양을 광학현미경 관찰에 의해 정의한다. 광학현미경 관찰에 의해 실체와는 다른 오더의 모양이 관찰되는 것은, 광학적으로 마치 거기에 실체와는 다른 패턴이 존재하는 것처럼 빛이 행동하는 상태와 동의이기 때문이다. 즉, 광학현미경 관찰로부터 얻을 수 있는 정보를, 반도체 발광 소자에 대한 광학적 산란성에 결부시킬 수 있다.
우선, 본 실시형태에 따른 광학 기판 PP를 사용하는 효과에 관해서 개략 설명한다. 반도체 발광 소자를 제조할 때에는, 실체로서 존재하는 고밀도의 요철 구조 PP에 의해, 내부 양자 효율(IQE)의 개선, 반도체 결정층에의 크랙 발생의 저감 및 반도체 결정층 사용량의 저감과 같은 효과를 발현한다. 그리고, 반도체 발광 소자를 사용할 때에는, 발광광이 인식 가능한 광학적 모양에 의해, 광추출 효율(LEE)이 개선된다. 반복해서 말하게 되지만, 광학 모양을 그리지 않는, 즉 단순히 고밀도의 요철 구조를 사용한 경우, 전술한 반도체 발광 소자를 제조할 때의 효과는 발현되지만, 사용할 때의 효과의 발현 정도는 한정된다. 반대로, 광학적 산란성이 큰 체적 변화가 큰 요철 구조를 사용한 경우는, 전술한 반도체 발광 소자를 사용할 때의 효과는 발현되지만, 제조할 때의 효과 정도는 한정된다. 마찬가지로, 광학 모양의 오더가 요철 구조 PP의 오더 이하인 경우, 전술한 반도체 발광 소자를 사용할 때의 효과는 발현되지만, 제조할 때의 효과 정도는 한정된다. 바꿔 말하면, 본 실시형태에 따른 광학 기판 PP는, 반도체 발광 소자의 제조시에 발현되는 기능과, 반도체 발광 소자를 사용할 때에 발현되는 기능을, 실체로서의 요철 구조와, 발광광이 인식 가능한 모양에 의해, 기능 분리하고 있다. 이에 따라, 종래 실현하기가 어려웠던, 고밀도의 요철 구조에 의한 강한 광학적 산란성을 발현시키고, 내부 양자 효율(IQE)과 광추출 효율(LEE)을 동시에 개선할 수 있다.
우선, 광학 기판 PP의 기판 본체에 관해서 설명한다. 본 실시형태에 따른 광학 기판 PP의 기판 본체는, 적어도 반도체 발광 소자를 구성하는 1층 이상의 n형 반도체층, 1층 이상의 발광 반도체층, 1층 이상의 p형 반도체층 또는 1층 이상의 n형 도전층 중 어느 것에 접하는 반도체 발광 소자용 기판이다. 즉, 1종의 재료만으로 구성되는 단층 기판이라도, 복수의 재료로 구성되는 다층 기판이라도 좋다. 예컨대, 사파이어/n-GaN/MQW/p-GaN/ITO로 이루어지는 적층 구조를 포함하는 반도체 발광 소자에 대해서는, 사파이어, 사파이어/n-GaN/MQW/p-GaN로 구성되는 적층체, 혹은 사파이어/n-GaN/MQW/p-GaN/ITO로 구성되는 적층체 등을 기판 본체로서 인식할 수 있다. 바꿔 말하면, 반도체 발광 소자의 표면 혹은 계면에 대하여 요철 구조 PP를 형성하도록 적절하게 기판 본체의 구성을 변경할 수 있다.
이하, 도면을 참조하여 반도체 발광 소자에 관해서 설명한다. 도 1은 본 실시형태에 따른 광학 기판 PP의 주면 상에 그려진 모양을 도시하는 설명도이다. 광학 기판 PP(10)의 주면(10a)에는 복수의 볼록부 및 오목부로 구성되는 요철 구조 PP(도시하지 않음)가 형성되어 있다. 즉, 광학 기판 PP(10)의 주면(10a)은 복수의 볼록부 또는 오목부(도시하지 않음)로 덮여 있다. 주면(10a)을 광학현미경에 의해서 관찰한 경우, 요철 구조 PP를 구성하는 볼록부 또는 오목부에 의해서 모양(X)이 그려지고, 명암의 차에 의해서, 제1 영역(Xa)과 제2 영역(Xb)으로 식별할 수 있다. 제1 영역(Xa)은 복수 있으며, 상호 간격을 두고 배치되어 있다. 이들 제1 영역(Xa) 사이를 제2 영역(Xb)이 잇고 있다.
모양(X)은, 요철 구조 PP를 구성하는 볼록부 또는 오목부의 피치, 높이, 또는 직경에 따라 다르지만, 광학현미경을 이용하여, 10배~5000배의 범위 내의 어느 배율에서 관찰할 수 있다. 한편, 육안에 의해 모양을 관찰할 수는 없지만, 모양에 의해 생기는 광학 현상인 광회절이나 광산란을 관찰할 수는 있다.
여기서, 10배~5000배의 범위 내의 어느 배율에서 관찰할 수 있다는 것은, 광학 기판 PP(10)의 주면을 광학현미경으로 서서히 관찰 배율을 크게 하여 관찰했을 때에, 배율 A(10≤A≤5000)로 비로소 모양(X)이 식별 가능하게 되고, 배율 A보다 고배율의 배율 B로 더욱 확대한 경우, 관찰상이 지나치게 크거나, 혹은 영역(Xa)과 영역(Xb)과의 계면의 선명도가 극도로 저하되어, 모양(X)을 인식할 수 없는 상태가 있음을 의미한다. 즉, 광학현미경을 이용한 관찰에서는, 10배~5000배의 범위 내의 어느 배율에서 모양(X)이 관찰되면 된다. 한편, 모양(X)은, 광학현미경의 배율에 의해 관찰되는 상이 다르더라도 좋다. 즉, 예컨대, 배율 H(10≤H≤5000)로 관찰했을 때는, 불규칙한 간격을 갖는 상호 대략 평행한 라인형의 광학 모양이 관찰되고, 더욱 배율을 확대하여 배율 I(10≤H<I≤5000)로 했을 때에는, 상기 라인형의 모양 중에 원 형상의 광학 모양이 관찰되고, 더욱 배율을 확대하여 배율 J(10≤H<I<J≤5000)로 했을 때에는, 상기 원 형상의 모양만이 관찰되어도 좋다. 이와 같은, 저배율에서도 고배율에서도 광학 모양이 관찰되고, 또한 이들 광학 모양이 다름으로써, 이하에 설명하는 광학적 산란성의 효과는 보다 강하게 되어, 광추출 효율(LEE)의 개선 정도가 향상된다. 이와 같이 10배~5000배의 범위 내의 어느 배율에서 모양(X)이 관찰됨으로써, 이하에 설명하는 광학적 산란성을 발현할 수 있게 되어, 내부 양자 효율(IQE)의 향상을 유지한 상태에서 광추출 효율(LEE)을 개선할 수 있다.
모양(X)은, 요철 구조 PP를 구성하는 복수의 볼록부 또는 오목부를 구성하는 요소의 차이에 의해서, 요철 구조 PP에 대한 유효 굴절율(Nema)의 변화가 생김으로써 그려진다고 추정된다. 즉, 요철 구조 PP의 요소의 차이에 의해, 유효 굴절율(Nema)이 분포를 갖는다고 추정된다. 이 유효 굴절율(Nema)의 분포에 따라서, 빛의 반사, 회절 또는 산란 등이 생겨, 광학 모양(X)이 그려진다고 생각된다. 그리고, 모양(X)은 빛의 진행 방향을 변화시킬 수 있기 때문에, 반도체 발광 소자에 관해서는 광추출 효율(LEE)이 개선된다. 복수의 볼록부 또는 오목부를 구성하는 요소란, 요철 구조 PP에 대한 유효 굴절율(Nema)의 변화를 생기게 하는 것이면 되며, 예컨대, 볼록부 또는 오목부의 높이, 피치, 볼록부 바닥부의 직경 또는 오목부의 개구경이다. 이 요소에 관해서는 후술한다. 한편, 유효 굴절율(Nema)은, 실측되는 값이 아니라, 광학 현상을 전제로 하여 계산에 의해 구해지는 값이다. 여기서, 광학 현상으로서의 전제란, 유효 매질 근사이다. 이 유효 매질 근사는, 유전률 분포의 체적분률로 간이적으로 표현할 수 있다. 즉, 요철 구조 PP의 요소의 차이를, 유전률의 분포의 체적분률로서 계산하고, 이것을 굴절율로 변환함으로써 계산된다. 한편, 유전률은 굴절율의 2승이다.
도 2는 본 실시형태에 따른 광학 기판 PP를 적용한 반도체 발광 소자의 일례를 도시하는 단면 개략도이다. 도 2에 도시하는 것과 같이, 반도체 발광 소자(100)에서, 광학 기판 PP(10)는 그 표면에 요철 구조(20)를 구비하고 있다. 도 2~도 23에서, 이 요철 구조(20)는 모양(X)을 만드는 요철 구조 PP이다. 요철 구조(20)는, 복수의 볼록부(20a)와, 이들 사이를 잇는 오목부(20b)에 의해 구성되어 있고, 전술한 것과 같이 요철 구조(20)의 집합에 의해 모양(X)(도시되지 않음)이 광학적으로 표현되어 있다. 광학 기판 PP(10)의 요철 구조(20)를 포함하는 표면, 즉 주면 상에 제1 반도체층(30), 발광 반도체층(40) 및 제2 반도체층(50)이 순차 적층되어 있다. 여기서, 발광 반도체층(40)에서 발생한 발광광(이하, 단순히 발광광이라고도 함)은, 제2 반도체층(50) 측 또는 광학 기판 PP(10) 측에서 추출된다. 또한, 제1 반도체층(30)과 제2 반도체층(50)은 서로 다른 반도체층이다. 여기서, 제1 반도체층(30)은, 요철 구조(20)를 평탄화하면 바람직하다. 이것은, 제1 반도체층(30)의 반도체로서의 성능을, 발광 반도체층(40) 및 제2 반도체층(50)에 반영시킬 수 있어, 내부 양자 효율(IQE)이 향상되기 때문이다. 한편, 반도체 발광 소자(100)에 관해서는, 광학 기판 PP를, 후술하는 광학 기판 D 혹은 광학 기판 PC로 대체할 수 있다.
또한, 제1 반도체층(30)은, 도 3에 도시하는 것과 같이, 비도핑 제1 반도체층(31)과 도핑 제1 반도체층(32)으로 구성되어도 좋다. 도 3~도 6은 본 실시형태에 따른 광학 기판 PP를 적용한 반도체 발광 소자의 다른 예를 도시하는 단면 개략도이다. 한편, 반도체 발광 소자(200, 300, 400 및 500)에 관해서는, 광학 기판 PP를, 후술하는 광학 기판 D 혹은 광학 기판 PC로 대체할 수 있다. 이 경우, 도 3에 도시하는 것과 같이, 반도체 발광 소자(200)에 있어서, 광학 기판 PP(10), 비도핑 제1 반도체층(31) 및 도핑 제1 반도체층(32)의 순으로 적층되면, 내부 양자 효율(IQE)의 개선에 더하여, 휘어짐의 저감 및 반도체 발광 소자(200)의 제조 시간의 단축이 가능하게 된다. 여기서, 비도핑 제1 반도체층(31)이 요철 구조(20)를 평탄화하도록 설치됨으로써, 비도핑 제1 반도체층(31)의 반도체로서의 성능을, 도핑 제1 반도체층(32), 발광 반도체층(40) 및 제2 반도체층(50)에 반영시킬 수 있기 때문에, 내부 양자 효율(IQE)이 향상된다.
또한, 비도핑 제1 반도체층(31)은, 도 4에 도시하는 것과 같이, 버퍼층(33)을 포함하면 바람직하다. 도 4에 도시하는 것과 같이, 반도체 발광 소자(300)에 있어서는, 요철 구조(20) 상에 버퍼층(33)을 설치하고, 이어서, 비도핑 제1 반도체층(31) 및 도핑 제1 반도체층(32)을 순차 적층함으로써, 제1 반도체층(30)의 결정 성장의 초기 조건인 핵 생성 및 핵 성장이 양호하게 되어, 제1 반도체층(30)의 반도체로서의 성능이 향상되기 때문에, 내부 양자 효율(IQE) 개선 정도가 향상된다. 여기서 버퍼층(33)은, 요철 구조(20)를 평탄화하도록 배치되어도 좋지만, 버퍼층(33)의 성장 속도는 느리기 때문에, 반도체 발광 소자(300)의 제조 시간을 단축한다는 관점에서, 버퍼층(33) 상에 설치되는 비도핑 제1 반도체층(31)에 의해 요철 구조(20)를 평탄화하는 것이 바람직하다. 비도핑 제1 반도체층(31)이 요철 구조(20)를 평탄화하도록 설치됨으로써, 비도핑 제1 반도체층(31)의 반도체로서의 성능을, 도핑 제1 반도체층(32), 발광 반도체층(40) 및 제2 반도체층(50)에 반영시킬 수 있기 때문에, 내부 양자 효율(IQE)이 향상된다. 한편, 도 4에서, 버퍼층(33)은 요철 구조(20)의 표면을 덮도록 배치되어 있지만, 요철 구조(20)의 표면에 부분적으로 설치할 수도 있다. 특히, 요철 구조(20)의 오목부 바닥부 또는 요철 구조(20)의 볼록부(20a)의 측면부에 우선적으로 버퍼층(33)을 설치할 수 있다.
도 2~도 4에 도시한 반도체 발광 소자(100, 200 및 300)는, 더블 헤테로 구조의 반도체 발광 소자에 적용한 예이지만, 제1 반도체층(30), 발광 반도체층(40) 및 제2 반도체층(50)의 적층 구조는 이것에 한정되는 것이 아니다.
도 5에 도시하는 것과 같이, 반도체 발광 소자(400)에 있어서, 제2 반도체층(50) 상에 투명 도전층(60)을, 투명 도전층(60)의 표면에 애노드 전극(70)을, 그리고 제1 반도체층(30)의 표면에 캐소드 전극(80)을 각각 설치할 수 있다. 투명 도전층(60), 애노드 전극(70) 및 캐소드 전극(80)의 배치는, 반도체 발광 소자에 의해 적절하게 최적화할 수 있기 때문에 한정되지 않지만, 일반적으로 도 5에 예시하는 것과 같이 설치된다.
도 2~도 5에 도시한 반도체 발광 소자(100, 200, 300 및 400)에서 이용되는 광학 기판 PP(10)는, 볼록부(20a) 및 오목부(20b)로 구성된 요철 구조(20)를 구비하고, 요철 구조(20)를 구성하는 볼록부(20a) 및 오목부(20b)는, 도 1을 참조하여 설명한 것과 같이 모양(X)을 그리고 있다.
광학 기판 PP(10)를 사용하여 반도체 발광 소자를 제조함으로써 이하에 나타내는 세 가지의 효과를 얻을 수 있다.
(1) 내부 양자 효율(IQE)의 향상
요철 구조(20)에 의해, 제1 반도체층(30)의 성장 모드를 흐트러뜨릴 수 있게 된다. 이에 따라, 제1 반도체층(30)과 광학 기판 PP(10)와의 격자 부정합에 의해 발생하는 전위를, 실체로서 존재하는 요철 구조(20) 근방에서 소실시킬 수 있게 된다. 특히, 모양(X)은, 요철 구조(20)의 집합에 의해 그려지는 것이며, 실체로서 존재하는 것은 아니기 때문에, 광학 기판 PP(10)의 면내에서, 전위를 분산화하여 전위 밀도를 감소시킬 수 있다. 또한, 모양(X)은, 실체로서 존재하는 것은 아니기 때문에, 제1 반도체층(30)의 성장에 따른 크랙의 발생을 억제할 수 있다. 이상으로부터, 내부 양자 효율(IQE)이 향상된다고 생각된다.
(2) 광추출 효율(LEE)의 향상
모양(X)이 광학적으로 관찰 가능하다는 것은, 모양(X)이 실체로서 존재하지 않더라도, 발광광은 마치 모양(X)에 따른 패턴이 존재하는 것처럼 행동하는 것을 의미한다. 이 때문에, 발광광은 광학적 산란성(광회절 혹은 광산란)을 발휘한다. 반도체 발광 소자, 특히 LED 소자에서는, 광추출 효율(LEE)을 향상시킬 목적으로, 이미 마이크로 오더의 요철 구조를 구비한 사파이어 기판(PSS: Patterned Sapphire Substrate)이 사용되고 있는데, 마이크로 오더의 요철 구조에 대하여, 제1 반도체층(30)을 성막시킨 경우, 요철 구조의 볼록부 꼭대기부 근방에서 제1 반도체층(30)에 크랙이 생기기 쉽다고 하는 과제가 있다. 본 실시형태에서는, 모양(X)에 의해 광추출 효율(LEE)을 개선한다. 여기서, 모양(X)은 요철 구조(20)의 집합에 의해 그려지는 것이며, 실체는 없다. 즉, 관찰되는 모양(X)을 구성하는 제1 영역(Xa)의 크기나 간격이 마이크로 오더이더라도, 입체 방향으로 마이크로 오더의 구조가 있는 것은 아니다. 이 때문에, 제1 반도체층(30) 내에 발생하는 크랙을 억제할 수 있다. 즉, 제1 반도체층(30)에 생기는 크랙을 억제하면서, 반도체 결정층(제1 반도체층(30), 발광 반도체층(40) 및 제2 반도체층(50)) 내부에 제작되는 발광광의 도파 모드를 모양(X)에 의해 타파할 수 있다. 이것은, 도파 모드에 의해 소정의 진행 방향으로밖에 진행할 수 없는 발광광의 진행 방향을 변화시키는 것을 의미한다. 즉, 발광광은, 모양(X)에 의해 반도체 발광 소자 외부로 추출된다.
이상, (1) 및 (2)의 효과를 동시에 만족한다. 즉, 발광하는 효율 그 자체를 향상시키면서 발광광을 효과적으로 반도체 발광 소자 외부로 추출할 수 있게 된다. 이 때문에, 본 실시형태에 따른 광학 기판 PP(10)를 사용하여 제조된 반도체 발광 소자(100, 200, 300 및 400)는 발열량이 작아진다. 발열량이 작아지는 것은, 반도체 발광 소자의 장기간 안정성을 향상시킬 뿐만 아니라, 방열 대책에 따른 부하(예컨대, 방열 부재를 과대하게 설치하는 것)를 저감할 수 있음을 의미한다.
(3) 광학 기판 PP 제조 시간의 단축과, 반도체 결정량의 저감
또한, 광추출 효율(LEE)을 향상시키는 메커니즘이, 요철 구조(20)의 집합에 의해 그려지는 모양(X)에 의한 광학적 산란성(광회절 혹은 광산란)이라는 것은, 광학 기판 PP(10)를 제조하는 시간(비용)을 저감할 수 있음을 의미한다. 반도체 발광 소자, 특히 LED 소자에서는, 광추출 효율(LEE)을 향상시킬 목적으로, 이미 PSS가 사용되고 있지만, 마이크로 오더의 요철 구조를 제조하기 위해서는 매우 긴 시간이 걸리는 것이 문제로 되어 있다. 본 발명의 광학 기판 PP(10)는, 요철 구조(20)의 집합에 의해 모양(X)이 그려져 관찰되는 것이다. 즉, 모양(X)이 마이크로 오더의 간격이나 크기를 갖는 경우라도, 입체 방향으로는 같은 오더의 크기(구조)는 존재하지 않는다. 이 때문에, 광학 기판 PP(10)를 제조하는 데 걸리는 비용을 저감할 수 있게 된다. 또한, 성막되는 반도체 결정량을 저감할 수 있다는 것도 의미한다. LED 제조에서는, 반도체 결정층 성막 공정인 (MO) CVD 공정이 율속(律速)이며, 스루풋을 저하시키면서 재료 비용을 끌어올리고 있다. 반도체 결정량을 저감할 수 있는 것은, (MO) CVD 공정의 스루풋성을 향상시키는 동시에, 사용 재료를 저감시키는 것을 의미하기 때문에, 제조상 중요한 요건이 된다.
한편, 상기 도 2~도 5를 이용한 설명에서는, 광학 기판 PP를 기판 본체로서 설명했지만, 이미 설명한 것과 같이, 제1 반도체층(30)과 발광 반도체층(40), 발광 반도체층(40)과 제2 반도체층(50), 제2 반도체층(50)과 투명 도전층(60), 투명 도전층(60)과 애노드 전극(70), 혹은 제1 반도체층(30)과 캐소드 전극(80)의 사이(계면)에 요철 구조(20)를 형성하도록 기판 본체를 적절하게 선택할 수 있다. 또한, 상기 도 2~도 5에 예시한 것 이외에도, 이하의 <<광학 기판 D>>, <<광학 기판 PC>>또는 <<반도체 발광 소자>>에 기재한 것을 채용할 수 있다.
즉, 본 실시형태에 따른 광학 기판 PP(10)의 기판 본체는, 상기 설명한 것과 같이 반도체 발광 소자의 계면 위치에 요철 구조(20)를 적용할 수 있기 때문에, 반도체 발광 소자용 기판으로서 사용할 수 있는 것이라면 특별히 제한은 없다. 예컨대, 사파이어, 탄화규소, 질화규소, 질화갈륨, 구리-텅스텐 합금(W-Cu), 실리콘, 산화아연, 산화마그네슘, 산화망간, 산화지르코늄, 산화망간아연철, 산화마그네슘알루미늄, 붕화지르코늄, 산화갈륨, 산화인듐, 산화리튬갈륨, 산화리튬알루미늄, 산화네오디뮴갈륨, 산화란탄스트론튬알루미늄탄탈, 산화스트론튬티탄, 산화티탄, 하프늄, 텅스텐, 몰리브덴, 인화갈륨, 갈륨비소 등의 기판을 이용할 수 있다. 그 중에서도 반도체 결정층과의 격자 매칭의 관점에서, 사파이어, 질화갈륨, 인화갈륨, 갈륨비소, 탄화규소 기판, 스피넬 기판 등을 적용하는 것이 바람직하다. 또한, 단체(單體)로 이용하여도 좋고, 이들을 이용한 기판 본체 상에 다른 기판을 설치한 헤테로 구조의 기판으로 하여도 좋다.
제1 반도체층(30) 또는 n형 반도체층으로서는, LED에 알맞은 n형 반도체층으로서 사용할 수 있는 것이라면, 특별히 제한은 없다. 예컨대, 실리콘, 게르마늄 등의 원소 반도체, III-V족, II-VI족, VI-VI족 등의 화합물 반도체 등에 적절하게, 여러 가지 원소를 도핑한 것을 적용할 수 있다. 또한, n형 반도체층, p형 반도체층에는, 적절하게, 도시하지 않는 n형 클래드층, p형 클래드층을 형성할 수 있다.
발광 반도체층(40)으로서는, LED로서 발광 특성을 갖는 것이라면, 특별히 한정되지 않는다. 예컨대, 발광 반도체층(40)으로서, AsP, GaP, AlGaAs, AlGaAsInGaN, GaN, AlGaN, ZnSe, AlHaInP, ZnO 등의 반도체층을 적용할 수 있다. 또한, 발광 반도체층(40)에는, 적절하게, 특성에 따라서 여러 가지 원소를 도핑하여도 좋다.
또한, 제2 반도체층(50) 또는 p형 반도체층의 재질은, LED에 알맞은 p형 반도체층으로서 사용할 수 있는 것이라면, 특별히 제한은 없다. 예컨대, 실리콘, 게르마늄 등의 원소 반도체 및 III-V족, II-VI족, VI-VI족 등의 화합물 반도체에 적절하게, 여러 가지 원소를 도핑한 것을 적용할 수 있다.
이들 적층 반도체층(n형 반도체층, 발광 반도체층(40) 및 p형 반도체층)은 공지된 기술에 의해 제막할 수 있다. 예컨대, 제막 방법으로서는, 유기 금속 기상 성장법(MOCVD), 하이드라이드 기상 성장법(HVPE), 분자선 에피택셜 성장법(MBE) 등을 적용할 수 있다.
투명 도전층의 재질은, LED에 알맞은 투명 도전층으로서 사용할 수 있는 것이라면, 특별히 제한은 없다. 예컨대, Ni/Au 전극 등의 금속 박막이나, ITO, ZnO, In2O3, SnO2, IZO, IGZO 등의 도전성 산화물막 등을 적용할 수 있다. 특히, 투명성, 도전성의 관점에서 ITO가 바람직하다.
또한, 도 5에 도시하는 반도체 발광 소자(400)에서는, 광학 기판 PP(10)와 제1 반도체층(30) 사이에 요철 구조(20)가 형성되어 있는데, 도 6에 도시하는 것과 같이, 다른 요철 구조를 더 형성할 수 있다. 도 6에 도시하는 것과 같이, 별도로 형성되는 요철 구조로서는 이하의 것을 들 수 있다.
·광학 기판 PP(10)의 발광 반도체층(40)과는 반대측의 면 위에 형성되는 요철 구조(501)
·제2 반도체층(50)과 투명 도전층(60) 사이에 형성되는 요철 구조(502)
·투명 도전층(60) 표면에 형성되는 요철 구조(503)
·투명 도전층(60)과 애노드 전극(70) 사이에 형성되는 요철 구조(504)
·제1 반도체층(30)과 캐소드 전극(80) 사이에 형성되는 요철 구조(505)
·애노드 전극(70)의 표면에 형성되는 요철 구조(506)
·캐소드 전극(80)의 표면에 형성되는 요철 구조(507)
·제1 반도체층(30), 발광 반도체층(40), 제2 반도체층(50) 및 광학 기판 PP(10)의 측면에 형성되는 요철 구조(508)
광학 기판 PP(10)의 요철 구조(20) 외에, 요철 구조(501~508)의 적어도 어느 하나의 요철 구조를 더 형성함으로써, 이하에 설명하는 각 요철 구조(501~508)에 따른 효과를 발현할 수 있다.
요철 구조(501)를 형성함으로써, 광학 기판 PP(10)의 이면(요철 구조(20)와는 반대측의 면)에서의 전반사를 억제할 수 있기 때문에, 광추출 효율(LEE)이 보다 향상된다. 즉, 광학 기판 PP(10)의 요철 구조(20)에 의해 내부 양자 효율(IQE)을 향상시켜 효과적으로 발광한 발광광을, 반도체 발광 소자(500)의 외부로 보다 효과적으로 추출할 수 있게 된다. 또한, 반도체 발광 소자(500)의 휘어짐을 저감할 수도 있다. 따라서, 본 실시형태에 따른 광학 기판 PP(10)를 사용한 반도체 발광 소자(500)에서는, 요철 구조(501)를 더 형성하는 것이 바람직하다. 요철 구조(501)의 복수의 볼록부의 간격은 1 ㎛ 이상 500 ㎛ 이하인 것이 바람직하다. 이에 따라, 광추출 효율(LEE)과 휘어짐 저감의 효과가 발현된다. 같은 효과를 위해, 특히, 5 ㎛ 이상 100 ㎛ 이하인 것이 보다 바람직하고, 5 ㎛ 이상 50 ㎛ 이하인 것이 가장 바람직하다.
요철 구조(502)를 형성함으로써, 오믹 접촉성을 향상시키는 동시에, 광추출 효율(LEE)을 향상시킬 수 있기 때문에, 외부 양자 효율(EQE)이 크게 개선된다. 또한, 투명 도전층(60)에서의 전자의 확산성이 향상되기 때문에, 반도체 발광 소자 칩의 크기를 크게 할 수 있다. 이 요철 구조(502)는, 필연적으로 나노 오더의 고밀도의 요철 구조가 된다. 이러한 관점에서, 광추출 효율(LEE)을 보다 향상시키기 위해서, 요철 구조(502)는, 요철 구조 PP, 이하에 설명하는 요철 구조 D 또는 요철 구조 PC 중 어느 것인 것이 바람직하다.
요철 구조(503)를 형성함으로써, 투명 도전층(60)에서의 전반사를 억제할 수 있으므로, 광추출 효율(LEE)이 보다 향상된다. 특히, 투명 도전층(60)과 그 외부(주로 밀봉재)와의 굴절율은 다른 경향이 강하기 때문에, 요철 구조(503)에 의해 도파 모드를 흐트러뜨림으로써, 외부 양자 효율(EQE)이 효과적으로 개선된다. 따라서, 본 실시형태에 따른 광학 기판 PP(10)를 사용한 반도체 발광 소자(500)에서는, 요철 구조(503)를 더 형성하는 것이 바람직하다. 이 요철 구조(503)는, 필연적으로 나노 오더의 고밀도의 요철 구조가 된다. 이러한 관점에서, 광추출 효율(LEE)을 보다 향상시키기 위해서, 요철 구조(503)는, 요철 구조 PP, 이하에 설명하는 요철 구조 D 또는 요철 구조 PC 중 어느 것인 것이 바람직하다.
요철 구조(504)를 형성함으로써, 오믹 저항을 감소시키고, 오믹 접촉성을 향상시킬 수 있기 때문에, 전자 주입 효율(EIE)을 개선할 수 있어, 외부 양자 효율(EQE)을 향상시킬 수 있다. 외부 양자 효율(EQE)은, 전자 주입 효율(EIE), 내부 양자 효율(IQE) 및 광추출 효율(LEE)의 곱에 의해서 결정지어진다. 본 발명의 광학 기판 PP(10)를 사용함으로써, 내부 양자 효율(IQE)과 광추출 효율(LEE) 양쪽이 향상된다. 따라서, 본 실시형태에 따른 광학 기판 PP(10)를 사용한 반도체 발광 소자(500)에서는, 요철 구조(504)를 더 형성하는 것이 바람직하다. 이 요철 구조(504)는 필연적으로 나노 오더의 고밀도의 요철 구조가 된다. 이러한 관점에서, 광추출 효율(LEE)을 보다 향상시키기 위해서, 요철 구조(504)는, 요철 구조 PP, 이하에 설명하는 요철 구조 D 또는 요철 구조 PC 중 어느 것인 것이 바람직하다.
요철 구조(505)를 형성함으로써, 제1 반도체층(30)과 캐소드 전극(80)과의 접촉 면적이 커지기 때문에, 캐소드 전극(80)의 박리를 억제할 수 있다.
요철 구조(506)를 형성함으로써, 애노드 전극(70)에 접속되는 배선의 고정 강도가 향상되기 때문에 박리를 억제할 수 있다.
요철 구조(507)를 형성함으로써, 캐소드 전극(80)의 표면에 설치되는 배선의 고정 강도가 향상되기 때문에 박리를 억제할 수 있다.
요철 구조(508)를 형성함으로써, 제1 반도체층(30), 발광 반도체층(40), 제2 반도체층(50) 및 광학 기판 PP(10)의 측면으로부터 출광하는 발광 광량을 증가시킬 수 있기 때문에, 도파 모드에서 감쇠 소실되는 발광광 비율을 저감할 수 있다. 이 때문에, 광추출 효율(LEE)이 향상되고, 외부 양자 효율(EQE)을 크게 할 수 있다.
이상 설명한 것과 같이, 본 실시형태에 따른 광학 기판 PP(10)를 사용함으로써, 반도체 발광 소자(500)의 내부 양자 효율(IQE) 및 광추출 효율(LEE)을 향상시킬 수 있다. 또한, 상기 설명한 요철 구조(501~508)의 적어도 하나의 요철 구조를 더 형성함으로써, 요철 구조(501~508)에 의한 효과를 발현시킬 수 있다. 특히, 광추출 효율(LEE)을 보다 한층 더 향상시킨다는 관점에서, 요철 구조(501), 요철 구조(503) 또는 요철 구조(504) 중 어느 것을 적어도 형성하면 바람직하다. 또한, 전자 주입 효율(EIE)도 향상시킨다는 관점에서, 요철 구조(504)를 형성하는 것이 바람직하다. 가장 바람직하게는, 요철 구조(503) 및 요철 구조(504)를 형성한 반도체 발광 소자(500)이며, 요철 구조(503) 및 요철 구조(504)가, 요철 구조 PP, 이하에 설명하는 요철 구조 D 또는 이하에 설명하는 요철 구조 PC 중 어느 것인 경우이다. 이에 따라, 투명 도전층(60)의 막 두께를 얇게, 또한 그 전기 특성을 양호하게 유지한 상태에서, 광추출 효율(LEE)을 보다 향상시킬 수 있기 때문에, 높은 외부 양자 효율(EQE)을 실현할 수 있다. 또한, 반도체 발광 소자의 보다 바람직한 상태를 이하의 <<반도체 발광 소자>>에 기재했다.
또한, 상기 도 2~도 4에 예시되는 반도체 발광 소자(100, 200, 300)의, 제2 반도체층(50)의 노출되는 표면 상에 전극을 형성하고, 그 전극의 노출되는 표면 상에 지지 기재를 배치한 중간체로부터, 광학 기판 PP(10)를 제거하여도 좋다. 광학 기판 PP(10)의 제거는, 레이저 리프트오프나, 광학 기판 PP(10)의 전체 용해 혹은 부분 용해로 대표되는 케미컬 리프트오프에 의해 달성할 수 있다. 특히, 광학 기판 PP(10)로서 실리콘(Si) 기판을 채용하는 경우, 용해에 의한 제거가 요철 구조(20)의 정밀도 및 제1 반도체층(30)의 성능 열화의 관점에서 바람직하다. 한편, 레이저 리프트오프인 경우, 광학 기판 PP(10)에 요철 구조가 있는 경우, 광학 기판 PP(10)를 제거할 때의 박리성이 저하된다고 하는 문제가 있다. 이 박리성의 저하에 의해, 제1 반도체층(30)의 노출되는 표면에 형성되어야 하는 요철 구조(20)의 정밀도가 저하되어, 큰 분포가 생긴다고 하는 과제가 있다. 그러나, 광학 기판 PP(10)를 사용하는 경우, 실체로서의 요철 구조(20)는 고밀도의 요철 구조이므로, 레이저 리프트오프의 박리성이 향상된다. 이와 같이 광학 기판 PP(10)를 제거함으로써, 내부 양자 효율(IQE)의 개선을 유지한 상태에서, 광추출 효율(LEE)을 더 한층 향상시킬 수 있다. 이것은, 광학 기판 PP(10)와 제1 반도체층(30), 발광 반도체층(40) 및 제2 반도체층(50)과의 굴절율의 차가 큰 것에 의한 것이다. 광학 기판 PP(10)를 제거함으로써, 제1 반도체층(30)을 출광면으로 한 발광 반도체 소자를 제조할 수 있다. 이 경우, 본 발명의 요철 구조(20) 및 모양(X)을 통해 발광광이 출광하게 된다. 특히, 모양(X)이 요철 구조(20)에 의해 그려지는 구성이므로, 제1 반도체층(30)과 주위 환경(예컨대, 밀봉재) 사이의 굴절율의 경사가 완만하게 되는 동시에, 모양(X)에 의한 광학적 산란성을 발현할 수 있기 때문에, 광추출 효율(LEE)을 보다 향상시킬 수 있다.
본 실시형태에 따른 광학 기판 PP(10)의 모양(X)과 요철 구조(20)에 관해서 도면을 참조하여 설명한다. 도 7은 본 실시형태에 따른 광학 기판 PP의 단면 모식도이며, 도 7A는 광학 기판 PP(10)의 한쪽의 면이 요철 구조(20)를 구비하는 경우를, 도 7B는 광학 기판 PP(10)의 양면이 요철 구조(20)를 구비하는 경우를 나타내고 있다. 즉, 도 7A에 도시하는 것과 같이, 요철 구조(20)는 광학 기판 PP(10)의 적어도 한쪽에 형성되면 되며, 이 요철 구조(20)에 의해 모양(X)이 그려져, 관찰된다. 또한, 도 7B에 도시하는 것과 같이, 요철 구조(20)는 광학 기판 PP(10)의 양면에 형성되어도 좋다. 이 경우, 적어도 한쪽의 요철 구조(20)에 의해 모양(X)이 그려져, 관찰되면 된다.
<모양(X)>
모양(X)은, 요철 구조(20)를 구성하는 요소의 차이에 의해 그려진다고 추정된다. 여기서 요소란, 요철 구조(20)를 만드는 볼록부(20a) 또는 오목부(20b)의 높이, 간격, 볼록부 바닥부의 직경, 또는 오목부 개구부의 직경 등이며, 자세한 것은 후술한다. 요철 구조(20)는, 전술한 것과 같이 제1 반도체층(30) 내의 전위를 저감하는 효과를 발휘하므로, 나노 오더의 고밀도의 구조이다. 빛이 요철 구조에 입사한 경우, 빛의 파장이 요철 구조에 비해서 커질수록, 빛으로부터 본 요철 구조는 평균화된다. 한편, 나노 오더란 요철 구조(20)의 평균 피치가 10 nm 이상 1500 nm 이하인 것을 말한다. 여기서, 빛에 대한 매질은 물질의 굴절율에 의해 정의된다. 즉, 빛으로부터 보아 요철 구조가 평균화된다는 것은, 요철 구조를 구성하는 물질의 굴절율과 요철 구조의 주위를 둘러싸는 환경(예컨대, 제1 반도체층(30)이나 공기)의 굴절율과의 유효 굴절율(Nema)이 형성되는 것을 의미한다. 여기서, 요철 구조(20)의 볼록부(20a) 또는 오목부(20b)를 구성하는 요소에 차이가 없이 균등한 경우, 광학 기판 PP(10)의 주면에 평행한 면내에서 균등한 유효 굴절율(Nema)을 형성한다. 바꿔 말하면, 유효 굴절율(Nema)의 광학 기판 PP(10)의 면내에 있어서의 분포는 없기 때문에, 빛은 마치 유효 굴절율(Nema)을 갖는 단층막이 있는 것처럼 행동한다. 즉, 모양(X)은 그려지지 않고, 바꿔 말하면 광학 기판 PP(10)의 주면은 단색으로 관찰된다. 한편, 요철 구조(20)의 볼록부(20a) 또는 오목부(20b)를 구성하는 요소에 차이가 있는 경우, 전술한 유효 굴절율(Nema)은, 광학 기판 PP(10)의 주면에 평행한 면내에서 유효 굴절율(Nema)의 분포를 형성한다. 바꿔 말하면, 유효 굴절율(Nema)의 광학 기판 PP(10)의 면내에서의 분포가 있으므로, 빛은, 마치 유효 굴절율(Nema)의 분포에 따른 패턴(모양)이 있는 것처럼 행동하기 때문에, 광학적 산란성(광회절 또는 광산란)을 발휘한다. 즉, 모양(X)이 그려지게 된다.
모양(X)은, 광학현미경을 사용하여 관찰했을 때에, 10배~5000배의 범위 내의 어느 배율에서 관찰 가능한 모양이며, 특히 명암의 차로서 식별할 수 있다. 광학 기판 PP(10)의 주면을 광학현미경을 사용하여, 관찰 배율을 서서히 크게 해 간 경우에, 배율 A(10≤A≤5000)로 비로소 모양(X)이 식별 가능하게 되고, 배율 A보다 고배율의 배율 B로 더욱 확대한 경우, 관찰상이 지나치게 크거나, 또는 영역(Xa)과 영역(Xb)과의 계면의 선명도가 극단적으로 저하되어 모양(X)을 인식할 수 없는 상태가 있기 때문에, 광학현미경을 이용한 관찰에서는, 10배~5000배의 범위 내의 어느 배율에서 모양(X)이 관찰되면 된다. 이와 같이 10배~5000배의 범위 내의 어느 배율에서 모양(X)이 관찰됨으로써, 상기 설명한 광학적 산란성을 발현할 수 있게 되어, 내부 양자 효율(IQE)의 향상을 유지한 상태에서 광추출 효율(LEE)을 개선할 수 있다.
한편, 모양(X)은, 광학현미경의 배율에 의해 관찰되는 상이 다르더라도 좋다. 즉, 예컨대, 배율 H(10≤H≤5000)로 관찰했을 때에는, 불규칙한 간격을 지니며 상호 대략 평행한 라인형의 광학 모양이 관찰되고, 더욱 배율을 확대하여 배율 I(10≤H<I≤5000)로 했을 때에는, 상기 라인형의 모양 중에 원 형상의 광학 모양이 관찰되고, 더욱 배율을 확대하여 배율 J(10≤H<I<J≤5000)로 했을 때에는, 상기 원 형상의 모양만이 관찰되어도 좋다. 이와 같은, 저배율에서도, 고배율에서도 모양(X)이 관찰되면서 이들 모양(X)이 다름으로써, 광학적 산란성의 효과는 보다 강하게 되어, 보다 구체적으로는, 광학적 산란에 대한 모드수가 증가하기 때문에, 광추출 효율(LEE)의 개선 정도가 향상된다.
여기서, 광학현미경을 사용할 때의 관찰 배율에 관해서 생각한다. 광학현미경에 의한 관찰 배율을 규정하는 것은, 관찰 가능한 모양(X)의 크기를 제한하는 것을 의미한다. 여기서, 모양(X)은, 실체로서 존재하는 요철 구조보다도 큰 오더를 갖는, 빛에 의해 인식되는 패턴이다. 즉, 빛에 대한 작용, 구체적으로는, 광학적 산란성(광회절 또는 광산란) 정도를 결정짓는 하나의 인자가 모양(X)의 크기이다. 따라서, 광학현미경의 관찰 배율에는 적합한 범위가 있다고 추정된다.
우선, 광학 계산에 의해 광학현미경의 배율의 적합한 범위를 생각했다. 즉, 반도체 발광 소자로부터 발광하는 발광광에 대하여, 효과적으로 광학적 산란성을 발현하기 위한 모양(X)의 크기를 계산하고, 이때의 모양(X)의 크기를 관찰 가능한 광학현미경의 배율을 계산했다. 한편, 계산은, 유효 굴절율(Nema)을 사용하여, 소정의 평면 내에 굴절율의 분포가 있는 상태를 모의적으로 제작함으로써 행했다. 이 결과, 배율의 범위가 10배~1500배임으로써, 관찰 가능한 광학 모양의 크기는 소정 범위 내로 제한되어, 효과적으로 광학적 산란성을 발휘하는 것을 알 수 있었다. 이상으로부터, 10배~1500배 중 어느 배율에서 모양(X)이 관찰되는 것이 바람직하다.
광학현미경에 의해 관찰되는 모양(X)에 의해 발현되는 광학적 산란성에 대하여 보다 상세히 검토했다. 검토로서는, 광학현미경의 배율을 10배부터 서서히 크게 해 나가, 모양(X)이 관찰되었을 때의 배율을 기록했다. 한편, 광학적 산란성을 헤이즈에 의해 측정했다. 그 결과, 처음으로 모양(X)이 관찰되는 배율이 10배를 경계로 하여, 모양(X)이 있는 경우와 없는 경우의 헤이즈 값의 차가 관찰되어, 상기 계산 결과와 대략 일치하는 것이 확인되었다. 또한 500배를 경계로 하여, 헤이즈 값이 현저히 커지는 것을 알 수 있었다. 이것은, 빛으로부터 봤을 때의 모양(X)에 의한 광학적 산란성(광회절 또는 광산란)이 커지고 있음을 의미하고 있다. 이 때문에, 광학현미경을 사용한 관찰에서는, 500배~1500배 중 어느 배율에서 모양(X)이 관찰되는 것이 보다 바람직하다.
한편, 상한치도 검토했다. 상한치의 검토는, 하한치의 검토와는 반대로, 광학현미경의 관찰 배율을 서서히 올려 나가, 모양(X)이 지나치게 확대되거나, 혹은 영역(Xa)과 영역(Xb)과의 계면의 선명도가 극도로 저하되어 모양(X)으로서 인식할 수 없게 될 때의 배율을 기록했다. 또한, 하한치와 마찬가지로 헤이즈와의 대응을 취했다. 이 결과, 최고 배율 5000배를 경계로 하여, 헤이즈의 감소가 보였다. 이것은, 모양(X)의 크기가 지나치게 큰 것을 의미하고 있다. 보다 구체적으로는, 빛으로부터 본 모양(X)이 지나치게 큰 경우, 빛은 그 파장보다도 충분히 커, 평면으로서 인식할 수 있는 모양(X)을 감득하게 된다. 즉, 모양(X)의 패턴에 의한 광학적 산란성은 저하하여, 각 모양(Xa, Xb)에 있어서의 반사가 생기게 된다. 이상으로부터, 500배~5000배 중 어느 배율에서 모양(X)이 관찰되는 것이 가장 바람직하다.
한편, 관찰 배율의 보다 바람직한 범위 내에서는, 상기 설명한 것과 같이, 배율에 따라 다른 모양(X)이 관찰되는 것이 보다 바람직하다.
모양(X)은, 광학현미경 상에 있어서의 명암의 차로서 관찰되어, 명암의 차가 있는 한쪽의(예컨대, 밝은) 부위를 제1 영역(Xa)으로, 다른 쪽의(예컨대, 어두운) 부위를 제2 영역(Xb)으로 식별할 수 있다. 한편, 이하의 설명에서는, 요철 구조(20)는 복수의 볼록부(20a)와, 그 사이를 잇는 오목부(20b)로 구성되어 있는 경우를 예로 들어 설명한다.
여기서, 「명암의 차」란, 주목 대상과 그 이외의 것을 구별할 수 있는 시각적인 특징의 차이며, 특히 화상에 있어서는, 가장 어두운 부분과, 가장 밝은 부분의 휘도의 차를 말한다. 실세계의 시각에서는, 동일한 시야 내에서 색 또는 휘도의 차를 말한다. 예컨대, 밝은 제1 영역(Xa)은 물색으로 관찰되고, 어두운 제2 영역(Xb)은 진한 청색으로 관찰되거나, 밝은 제1 영역(Xa)은 엷은 분홍색으로 관찰되고, 어두운 제2 영역(Xb)은 진한 복숭아색으로 관찰되거나 한다.
도 8~도 10은 본 실시형태에 따른 광학 기판 PP를 요철 구조면 측에서 관찰한 경우의 모양을 도시하는 설명도이다. 도 8A~도 8D는 본 실시형태에 따른 광학 기판 PP를 요철 구조면 측에서, 광학현미경을 이용하여 관찰한 경우의 모양(X)을 도시하는 설명도이다. 도 8A~도 8D에 도시하는 것과 같이, 광학 기판 PP(10)를 요철 구조(20)면 측에서 광학현미경을 이용하여 관찰했을 때에 모양(X)이 관찰된다. 모양(X)은, 도 8A 및 도 8B에 도시하는 것과 같이, 대략 동일 평면 형상의 제1 영역(Xa)이 주기적으로 배치되도록 관찰되어도, 도 8C에 도시하는 것과 같이 대략 동일 평면 형상의 제1 영역(Xa)이 규칙성 낮게 배치되도록 관찰되어도, 도 8D에 도시하는 것과 같이 평면 형상이 크게 다른 제1 영역(Xa)이 배치되도록 관찰되어도 좋다.
광학 기판 PP(10)의 주면(10a) 상에는, 주사형 전자현미경을 사용하여 관찰했을 때에, 복수의 볼록부(20a) 또는 오목부(20b)가 전면에 걸쳐 형성되고, 따라서, 제1 영역(Xa)에서부터 제2 영역(Xb)과의 사이에는 복수의 볼록부(20a) 또는 오목부(20b)가 연속적으로 형성되어 있는 것이 바람직하다. 도 9 및 도 10은 본 실시형태에 따른 광학 기판 PP를 요철 구조면 측에서 광학현미경을 사용하여 관찰한 경우의 모양과, 주사형 전자현미경을 사용하여 관찰한 경우의 요철 구조의 관계를 도시하는 설명도이다. 도 9에 도시하는 것과 같이, 모양(X)에 있어서, 제1 영역(Xa)의 영역 내에서도, 제2 영역(Xb)의 영역 내에서도 복수의 볼록부(20a)가 형성되어 있다. 또한, 도 10에 도시하는 것과 같이, 제1 영역(Xa)과 제2 영역(Xb) 사이에는 실제로는 계면은 존재하지 않고, 요철 구조(20)를 구성하는 볼록부(20a)가 나란히 되어 있다.
한편, 상기 설명에서는, 모양(X)이 명암의 차로 관찰되어, 밝은 부위인 제1 영역(Xa)과, 어두운 부위인 제2 영역(Xb)으로 표현했지만, 모양(X)은, 3 이상의 밝기, 즉 색 또는 휘도가 다른 부위에 의해 제작되는 모양으로서 관찰되어도 좋다.
또한, 제1 영역(Xa)과 제2 영역(Xb)과의 계면이, 색 또는 휘도의 변화로서 선명히 관찰되어도, 색 또는 휘도가 연속적으로 변화되어도 좋다. 특히, 제1 반도체층(30) 내에 발생하는 크랙을 억제하는 동시에, 내부 양자 효율(IQE)을 보다 향상시킨다는 관점에서, 제1 영역(Xa)과 제2 영역(Xb)과의 계면은 색 또는 휘도가 연속적으로 변화되어 관찰되면 바람직하다.
도 11은 본 실시형태에 따른 광학 기판 PP를 도시하는 단면 모식도이다. 이어서, 도 11A~도 11C를 참조하여, 모양(X)과 요철 구조(20)의 관계를 보다 상세히 설명한다. 도 11A~도 11C는, 본 실시형태에 따른 광학 기판 PP를, 주사형 전자현미경을 사용하여 단면에서 관찰했을 때의 단면 모식도이다. 한편, 모양(X)은, 광학 기판 PP(10)의 요철 구조면 측에서 관찰되는 것으로, 광학 기판 PP(10)의 단면에 대하여 광학현미경 관찰을 한 경우는, 명확한 모양(X)은 관찰되지 않더라도 좋다. 도 11A는, 요철 구조(20)를 구성하는 복수의 볼록부(20a)의, 상호 인접하는 거리 P'(이하, 피치 P'라고 함)가 서서히 변화되고 있는 상태를 도시하고 있다. 이 경우, 광학 기판 PP(10)를, 광학현미경을 사용하여 요철 구조면 측에서 관찰한 경우, 피치 P'의 변화 주기에 따라서 모양(X)을 관찰할 수 있다.
도 11B는, 요철 구조(20)를 구성하는 복수의 볼록부(20a)의 높이 H가 서서히 변화되고 있는 상태를 도시하고 있다. 이 경우, 광학 기판 PP(10)를, 광학현미경을 사용하여 요철 구조면 측에서 관찰한 경우, 높이 H의 변화 주기에 따라서 모양(X)을 관찰할 수 있다.
도 11C는, 요철 구조(20)를 구성하는 복수의 볼록부(20a)의 피치 P' 및 높이 H가 서서히 변화하고 있는 상태를 도시하고 있다. 이 경우, 광학 기판 PP(10)를, 광학현미경을 사용하여 요철 구조면 측에서 관찰한 경우, 피치 P' 및 높이 H의 변화 주기에 따라서 모양(X)을 관찰할 수 있다.
이상 설명한 것과 같이, 모양(X)은, 실체로서 존재하는 구조가 아니라, 피치 P'나 높이 H와 같은 요철 구조(20)에 있어서의 볼록부(20a) 또는 오목부(20b)의 요소의 차이에 의해, 요철 구조(20)의 유효 굴절율(Nema)에 변화가 생겨, 광학 기판 PP(10)의 주면(10a)에 그려진다고 추정된다. 즉, 제1 영역(Xa)에서는, 볼록부(20a) 또는 오목부(20b)를 구성하는 요소는 동일하거나 또는 근사하고, 또한, 그 요소가 제2 영역(Xb)을 구성하는 요소와 다른 것이 군을 이루고 있다. 이 군을 「요철 구조 군」 또는 「요철 구조의 집합」이라고 부른다. 이 요철 구조 군(요철 구조의 집합)이 평면적으로 모양(X)으로서 관찰된다.
한편, 요철 구조 군(요철 구조의 집합)은, 오목부(20b)에 의해 이격되는 볼록부(20a)가 2 이상 있는 경우이다. 또한, 제1 영역(Xa)과 제2 영역(Xb)은, 인접하는 한쪽의 제1 영역(Xa)의 중심부의 볼록부(20a)와 다른 쪽의 제1 영역(Xa)의 중심부의 볼록부(20a) 사이에, 요철 구조(20)의 볼록부(20a)가 1 이상 있으면 묘화 가능하다. 바꿔 말하면, 볼록부(20a)가 3 이상 있는 동시에, 적어도 하나의 볼록부(20a)를 구성하는 요소가, 다른 볼록부(20a)의 요소와 상이한 경우, 제1 영역(Xa)과 제2 영역(Xb)을 그릴 수 있다. 이상과 같이, 모양(X)은, 요철 구조(20)의 유효 굴절율(Nema)의 변화에 따라, 광학현미경 관찰시에 관찰되는 모양이므로, 모양(X)의 제1 영역(Xa)의 간격은 요철 구조(20)의 피치 P'보다도 커진다.
또한, 제1 영역(Xa), 제2 영역(Xb), 제1 영역(Xa)으로, 볼록부(20a)를 구성하는 요소가 연속적으로 변화되어도 좋으며, 제1 영역(Xa)을 만드는 볼록부(20a)의 동일하거나 또는 근사한 요소와, 제2 영역(Xb)을 만드는 볼록부(20a)의 동일하거나 또는 근사한 요소가, 이산적으로 상이하여도 좋다. 볼록부(20a)를 구성하는 요소의 연속적인 변화 또는 이산적인 변화의 어느 것을 채용할지는, 반도체 발광 소자에 요구되는 성능으로부터 적절하게 판단할 수 있다. 예컨대, 내부 양자 효율(IQE)의 향상에 특히 중점을 두어, 광추출 효율(LEE)을 외부 양자 효율(EQE) 향상의 보완 요소로서 가하는 경우는, 볼록부(20a)를 구성하는 요소는 연속적으로 변화하는 것이 바람직하다. 이것은, 반도체 발광 소자의 반도체 결정층의 성장에 대하여 과잉의 응력이 가해지는 것을 억제하기 위해서이다. 한편, 광추출 효율(LEE)의 향상에 특히 중점을 두어, 내부 양자 효율(IQE)을 외부 양자 효율(EQE) 향상의 보완 요소로서 가하는 경우는, 볼록부(20a)를 구성하는 요소는 이산적으로 변화하는 것이 바람직하다. 이것은, 발광광이 인식할 수 있는 모양(X)의 계면, 즉, 영역(Xa)과 영역(Xb)과의 계면의 선명도를 향상시켜, 광학적 산란성을 강하게 할 수 있기 때문이다.
상기 설명한 것과 같이, 모양(X)은 요철 구조(20)를 구성하는 요소의 차이에 의해 그려진다고 추정되며, 광학 기판 PP(10)를 요철 구조면 측에서 관찰했을 때에 관찰된다. 이러한 광학 기판 PP(10)를 사용함으로써, 반도체 발광 소자의 내부 양자 효율(IQE) 및 광추출 효율(LEE)이 함께 향상되는 이유는 다음과 같다. 우선, 요철 구조(20)가 복수의 볼록부(20a)에 의해서 구성되어 있음으로써, 반도체 결정층의 성장 모드를 흐트러뜨릴 수 있게 된다. 이에 따라, 제1 반도체층(30) 내부의 전위가 미시적으로 (요철 구조(20)를 구성하는 볼록부(20a) 하나하나와 같은 미소 오더로) 분산화된다. 또한, 모양(X)은 실체로서 존재하는 구조가 아니기 때문에, 바꿔 말하면, 관찰되는 모양(X)을 구성하는 제1 영역(Xa)의 크기나 간격이, 광학 기판 PP(10)의 입체 방향(두께 방향)으로는 반영되어 있지 않기 때문에, 세 가지의 효과를 발휘한다.
(1) 요철 구조(20)에 의한 제1 반도체층(30) 내의 전위의 분산성이 거시적으로도 유지된다. 즉, 광학 기판 PP(10) 위에 설치되는 제1 반도체층(30)의 전위 밀도를 면내에서 낮게 할 수 있다. 이 때문에, 제1 반도체층(30) 상에 설치되는 발광 반도체층(40)에 있어서의 발광 특성이 향상되고, 내부 양자 효율(IQE)이 향상된다. 이것은, 모양(X)이 실체로서 존재하는 구조가 아니라, 전술한 요철 구조(20)의 집합에 의해서, 빛으로부터 본 경우에 마치 존재하는 것처럼 관찰되는 것이기 때문이다. 보다 구체적으로는, 모양(X)의 크기나 간격이 광학 기판 PP(10)의 막 두께 방향으로도 존재하는 경우, 즉, 모양(X)이 실체로서 존재하는 경우, 제1 반도체층(30)의 성장은, 모양(X)에 있어서 제1 영역(Xa) 혹은 제2 영역(Xb)부터 우선적으로 생기게 된다. 이 경우, 제1 반도체층(30) 내부에 발생하는 전위 밀도에 비해, 광학 기판 PP(10)의 주면 내에서의 모양(X)의 밀도가 작아진다. 즉, 광학 기판 PP(10) 면내에 있어서의, 제1 반도체층(30)의 전위 분산성 효과가 저하한다. 바꿔 말하면, 광학 기판 PP(10)의 면내에 주목한 경우에, 반도체 결정층의 전위 밀도가 큰 영역과 작은 영역이 혼재하게 된다. 한편, 본 발명에서는, 모양(X)은 실체로서 존재하는 것이 아니라, 전술한 요철 구조(20)의 집합에 의해 광학적으로 관찰되는 2차원적인 평면상(平面像)이다. 이 경우, 제1 반도체층(30)의 성장은, 모양(X) 내에서 대략 균등하게 일어나게 된다. 따라서, 제1 반도체층(30)은, 실체로서 존재하는 요철 구조(20)의 밀도를 느껴 성장할 수 있게 되기 때문에, 광학 기판 PP(10) 면내에 있어서의, 제1 반도체층(30)의 전위 분산성이 향상된다. 바꿔 말하면, 광학 기판 PP(10)의 면내에 주목한 경우에, 반도체 결정층의 전위 밀도가 대략 균등하게 작아진다. 즉, 내부 양자 효율(IQE)을 효과적으로 개선할 수 있다.
(2) 모양(X)은, 요철 구조(20)의 집합에 의해 광학적으로 관찰되는 2차원적인 평면상이므로, 제1 반도체층(30)의 성장시에 발생하는 크랙을 억제할 수 있는 동시에, 제1 반도체층의 사용량을 저감시키면서 제1 반도체층(30)의 성막 시간을 단축할 수 있다. 보다 구체적으로는, 관찰되는 모양(X)을 구성하는 제1 영역(Xa)의 크기나 간격이, 광학 기판 PP(10)의 막 두께 방향으로도 존재하는 3차원적인 구조체인 경우, 즉, 모양(X)이 실체로서 존재하는 경우, 제1 반도체층(30)에 의해, 모양(X)을 평탄화할 필요가 있다. 여기서, 제1 반도체층(30)에 의해 모양(X)을 평탄화할 때에, 모양(X)의 꼭대기부 부근에서는, 제1 반도체층(30)의 결정 성장 방향이 급격히 변화된다. 이 때문에, 모양(X)의 꼭대기부 부근에서의 제1 반도체층(30)에 응력 집중이 일어나게 되기 때문이다. 즉, 요철 구조(20)가 실체로서 존재하는 구조이면서, 모양(X)이 빛이 인식 가능한 모양인 평면적인 패턴임으로써, 제1 반도체층(30) 내의 크랙과 같은 거시적인 결함을 억제하여, 요철 구조(20)에 의한 전위 분산화에 의한 내부 양자 효율(IQE)의 효과를 얻을 수 있다.
(3) 마지막으로, 모양(X)은 광학적으로 관찰되는 모양이다. 바꿔 말하면, 반도체 발광 소자의 발광광은, 모양(X)에 따른 패턴이 마치 있는 것처럼 행동하게 된다. 따라서, 제1 반도체층(30), 발광 반도체층(40) 및 제2 반도체층(50) 내부에서 도파하는 발광광은, 그 진행 방향이 흐트러지기 때문에, 도파 모드가 흐트러져, 광추출 효율(LEE)이 향상된다. 보다 구체적으로는, 관찰되는 모양(X)의, 제1 영역(Xa)과 제2 영역(Xb)에서는, 반도체 발광 소자의 발광광으로부터 본 굴절율이 다르게 된다. 그리고, 제1 영역(Xa)은, 제2 영역(Xb)에 의해 떨어져 배치되어 있다. 즉, 모양(X)은 실체로서 존재하는 구조가 아니더라도, 반도체 발광 소자의 발광광으로부터 본 경우, 굴절율이 다른 모양(X)을 인식할 수 있으므로, 도파 모드를 흐트러뜨릴 수 있게 된다. 이상으로부터, 반도체 발광 소자의 제조에 지장을 초래하지 않고, 또한 환경 적합성을 도모하면서 내부 양자 효율(IQE)과 광추출 효율(LEE)을 동시에 개선할 수 있게 된다.
즉, 반도체 발광 소자를 제조할 때에는, 실체로서 존재하는 고밀도의 요철 구조(20)에 의해, 내부 양자 효율(IQE)의 개선, 반도체 결정층에의 크랙 발생의 저감 및 반도체 결정층 사용량의 저감과 같은 효과를 발현한다. 그리고, 반도체 발광 소자를 사용할 때에는, 발광광으로부터 본, 즉, 실체로서는 존재할 수 없는 모양(X)에 의해, 광추출 효율(LEE)이 개선된다. 반복해서 말하게 되지만, 모양(X)을 그리지 않는 고밀도의 요철 구조를 사용한 경우, 전술한 반도체 발광 소자를 제조할 때의 효과는 발현되지만, 사용할 때의 효과의 발현 정도는 한정된다. 반대로, 광학적 산란성이 큰 체적 변화가 큰 요철 구조를 사용한 경우는, 전술한 반도체 발광 소자를 사용할 때의 효과는 발현되지만, 제조할 때의 효과 정도는 한정된다. 바꿔 말하면, 본 실시형태에 따른 광학 기판 PP(10)는, 반도체 발광 소자의 제조시에 발현되는 기능과, 반도체 발광 소자를 사용할 때에 발현되는 기능을, 실체로서의 요철 구조와, 빛에 의해 인식되는 실체로서의 요철 구조보다도 큰 오더의 모양(X)에 의해, 기능 분리하고 있다. 이에 따라, 종래 동시에 실현하기가 곤란했던, 고밀도의 요철 구조에 의한 강한 광학적 산란성을 실현하고, 내부 양자 효율(IQE)과 광추출 효율(LEE)을 동시에 개선할 수 있다.
상기 설명한 것과 같이 광학현미경에 의해 관찰되는 모양(X)은, 주사형 전자현미경에 의해 관찰되는 복수의 요철 구조(20)의 집합에 의해, 바꿔 말하면, 복수의 볼록부(20a)를 구성하는 요소의 차이에 의해, 광학 기판 PP(10)를 요철 구조면 측에서 관찰했을 때에 관찰된다. 여기서, 상기 설명한 원리에 의해, 내부 양자 효율(IQE)을 향상시키면서 광추출 효율(LEE)을 향상시킨다는 관점에서, 모양(X)은, 가시광을 이용한 광학 관찰에 의해 관찰 가능한 것이 바람직하다. 광학적으로 모양(X)을 관찰할 수 있다는 것은, 모양(X)이 실체로서의 구조가 아닌 경우라도, 빛으로부터 보면 다른 매질이 존재하는 것을 의미하기 때문이다. 이것은, 빛에 있어서의 물질은 굴절율에 의해 정의되기 때문이며, 특히 굴절율의 평균화 작용(유효 매질 근사 작용)에 의해 설명되는 것이다. 광학적 관찰은 광학현미경에 의해 행할 수 있다. 예컨대, 본 발명의 광학 기판 PP(10)에 대한 광학적 관찰은 이하의 장치 및 조건에 의해 가능하다.
(광학적 관찰)
장치 A: 주식회사기엔스사 제조 초심도 컬러 3D 형상 측정 현미경 VK-9500
현미경 렌즈: 주식회사니콘사 제조
조건:
10×/0.30(WD. 16.5)
20×/0.46(WD. 3.1)
50×/0.95(WD. 0.35)
150×/0.95(WD. 0.2)
장치 B: 주식회사하이록스사 제조 KH-3000VD
대물 렌즈: OL-700
관찰 배율: ~5000배
한편, 광학적 관찰은 장치 B를 사용하는 것이 보다 바람직하다. 이것은, 요철 구조(20)에 의해 생기는 광회절이나 광산란에 의한 노이즈에 의해, 관찰되는 모양(X)의 선명도가 저하되는 것을 억제하는 효과가 크기 때문이다. 즉, 장치 A를 사용하여 관찰되는 상에 비해, 장치 B를 사용하여 관찰되는 상은 선명도가 높은 경우가 있다.
이어서, 광학적 관찰에 의해, 광학 기판 PP(10)를 요철 구조면 측에서 관찰했을 때에 관찰되는 모양(X)의 면내에 있어서의 배치(모양), 선명성, 윤곽의 형상, 크기 및 간격에 관해서 설명한다.
·배치(모양)
광학 기판 PP(10)를 광학현미경을 사용하여 요철 구조면 측에서 본 경우에 관찰되는 모양(X)의 배치(모양)는, 광추출 효율(LEE)을 향상시킨다는 관점에서, 광학적 산란성을 발현하는 배치라면 한정되지 않는다. 이 때문에, 제1 영역(Xa)은, 제2 영역(Xb)에 의해 떨어져 배치되어 있는 동시에, 모양(X)의 간격은, 요철 구조(20)의 피치 P'보다도 크다. 즉, 제1 영역(Xa)이 제2 영역(Xb)에 의해 요철 구조(20)의 피치 P'보다도 큰 간격을 두고서 떨어짐으로써 발광광으로부터 본 경우, 굴절율이 다른 매질이 이산되어 배치되어 있는 것과 동의가 된다. 여기서, 빛에 있어서의 굴절율은, 그 진행 방향을 변화시킬 수 있는 물질과 동의이다. 따라서, 광학적으로 관찰되는 모양(X)에 있어서, 제1 영역(Xa)이 제2 영역(Xb)에 의해 떨어져 배치됨으로써, 광학적 산란성이 발현된다. 여기서, 광학적 산란성이란, 광회절 혹은 광산란이다. 보다 구체적인, 제1 영역(또는 제2 영역)의 배열로서는, 예컨대, 복수의 라인형 모양이 나란한 배열, 즉 라인 앤드 스페이스 배열, 육방 배열, 준육방 배열, 준사방 배열, 사방 배열 또는 이들 배열을 조합시킨 배열, 혹은 규칙성이 낮은 배열 등을 채용할 수 있다. 한편, 준육방 배열이란, 육방 배열의 격자 간격(상호 인접하는 제1 영역(Xa)의 거리)의 변형량이 30% 이하인 것으로, 준사방 배열이란, 사방 배열의 격자 간격(제1 영역(Xa)의 거리)의 변형량이 30% 이하인 것으로 정의한다. 또한, 예컨대 육방 배열과 사방 배열을 포함하는 경우란, 사방 배열로 관찰되는 부분과 육방 배열로 관찰되는 부분이 산재되어 있는 상태나, 사방 배열과 육방 배열을 포함하여, 사방 배열에서 육방 배열로 서서히 변화되고, 육방 배열에서 사방 배열로 서서히 되돌아가는 배열 등을 들 수 있다.
전술한 라인 앤드 스페이스 배열이란, 예컨대, 복수의 라인형 모양이 상호 평행한 배열, 복수의 라인형 모양이 상호 대략 평행(평행도≤10%)하게 나란한 배열, 복수의 라인형 모양이 상호 평행하게 나란한 동시에, 각 라인형 모양끼리의 거리가 일정한 배열, 복수의 라인형 모양이 상호 평행하게 나란한 동시에, 각 라인형 모양끼리의 거리가 불규칙인 배열, 복수의 라인형 모양이 상호 대략 평행(평행도≤10%)하게 나란한 동시에, 각 라인형 모양끼리의 거리가 일정한 배열, 복수의 라인형 모양이 상호 대략 평행(평행도≤10%)하게 나란한 동시에, 각 라인형 모양끼리의 거리가 불규칙한 배열을 포함한다.
여기서, 이미 설명한 것과 같이, 광학현미경을 사용한 관찰에서, 관찰 배율에 따라서, 관찰되는 모양(X)이 다름으로써, 광학적 산란성은 보다 강하게 되어, 광추출 효율(LEE)이 보다 향상된다. 예컨대, 배율에 따라 2 종류의 모양(X)이 관찰되는 경우, (저배율에 의해 관찰되는 모양(X)/고배율에 의해 관찰되는 모양(X))이라고 기재한 경우에, 그 조합으로서는, (라인 앤드 스페이스 배열/육방 배열), (라인 앤드 스페이스 배열/사방 배열), (육방 배열/사방 배열), (사방 배열/육방 배열), (랜덤한 얼룩 모양/육방 배열), (랜덤한 얼룩 모양/사방 배열) 혹은 (랜덤한 얼룩 모양/라인 앤드 스페이스 배열) 등을 들 수 있다. 그 중에서도, (라인 앤드 스페이스 배열, 또는 랜덤한 얼룩 모양/육방 배열 또는 사방 배열)의 조합이면, 고배율로 관찰되는 모양(X)을 만드는 요철 구조(20)에 의한 내부 양자 효율(IQE)의 향상 효과가 높아지는 동시에, 저배율에서 관찰되는 모양(X)에 의한 광추출 효율(LEE)의 향상 효과가 보다 높아지기 때문에 바람직하다. 특히, 저배율에 의해 관찰되는 모양(X)의 규칙성은 낮고, 랜덤할수록, 광학적 산란성이 증가하기 때문에 바람직하다. 또한, 고배율에서 관찰되는 모양(X)의 규칙성은 높을수록 요철 구조(20)의 요소의 차이의 규칙성이 향상되어, 내부 양자 효율(IQE)이 향상되기 때문에 바람직하다. 한편, 저배율과 고배율 사이의 배율에서는, 저배율에서 관찰되는 모양(X)과 고배율에서 관찰되는 모양(X)이 동시에 관찰되는 것이 가장 바람직하다. 한편, 상기 예에서는, 저배율과 고배율에서 다른 상이 관찰되는 경우, 즉, 2 종류의 상이 관찰되는 경우에 관해서 예시했지만, 배율마다 다른 상이 3 종류 이상 관찰되어도 좋다. 또한, 배율에 따라 관찰되는 모양(X)이 다름으로써, 발광 각도 의존성을 작게 할 수 있다. 이 때문에, 보다 공업 용도에 적용하기 쉬운 램버시안(Lambertian) 발광 특성에 근접하게 된다.
예컨대, 도 8A~도 8D에 도시하는 것과 같은 배열을 들 수 있다. 도 8A~도 8C에서는, 모식적으로, 광학현미경에 의해 관찰되는 모양(X)에서 밝은 부위인 제1 영역(Xa)의 윤곽 형상을 원형으로 또한 선명하게 그리고 있지만, 제1 영역(Xa)의 윤곽 형상이나 계면의 선명성은 이것에 한정되는 것이 아니라, 이하에 설명하는 윤곽 형상이나 계면의 선명성을 포함하는 것으로 한다. 또한, 도 8A~도 8C에서는, 제1 영역(Xa)을 단일의 윤곽 형상으로서 표현하고 있지만, 도 8D에 도시하는 것과 같이 복수의 윤곽 형상의 제1 영역(Xa)을 포함할 수도 있다. 또한, 도 8A~도 8D에서는, 제1 영역(Xa)과 제2 영역(Xb)과의 계면 선명성도 단일하게 그리고 있지만, 이것도 복수의 선명성을 포함할 수 있다.
도 8A는 제1 영역(Xa)이 육방 배열의 모양으로서 관찰되는 상태를, 도 8B는 제1 영역(Xa)이 사방 배열의 모양으로서 관찰되는 경우를, 도 8C는 제1 영역(Xa)이 규칙성이 낮은 모양으로서 관찰되는 경우를 도시하고 있다. 또한, 도 8D는, 제1 영역(Xa)이 복수의 윤곽 형상을 갖는 모양이 규칙성 낮게 배열되어 있는 것처럼 관찰되는 경우를 도시하고 있다. 한편, 도 8A~도 8D에서는, 제1 영역(Xa) 이외 부분의 어두운 부위를 제2 영역(Xb)이라고 표기하고 있지만, 이것과는 반대로, 밝은 부위를 제2 영역(Xb)이라고 하고, 어두운 부위를 제1 영역(Xa)이라고 할 수도 있다. 이들 제1 영역(Xa) 및 제2 영역(Xb)은 각각 요철 구조(20)의 집합에 의해 구성되어 있다.
그 중에서도, 광학적 산란성을 강하게 하여, 광추출 효율(LEE)을 보다 향상시킨다는 관점에서, 모양(X)은, 광학 기판 PP(10)의 면내 방향에 있어서, 육방 배열, 사방 배열, 라인 앤드 스페이스 배열, 또는 격자 배열로서 관찰되는 것이 바람직하다. 한편, 라인 앤드 스페이스 배열이란, 밝은 부위인 제1 영역(Xa)과 어두운 부위인 제2 영역(Xb)이 서로 평행하게 교대로 배열된 상태이다. 한편, 라인 앤드 스페이스 배열에 있어서의 평행은, 평행도가 0% 이상 10% 이하인 범위를 가리킨다. 한편, 본 명세서에서의 평행도는, 0%인 경우가 기하학적으로 완전히 평행한 경우로서 정의한다.
·선명성
도 12~도 16을 참조하여, 본 실시형태에 따른 광학 기판 PP에서 관찰되는 모양(X)의 윤곽의 선명성을 설명한다. 도 12는, 본 실시형태에 따른 광학 기판 PP를 광학현미경을 이용하여 요철 구조면 측에서 본 경우의 모양(X)을 도시하는 평면 모식도이다. 도 12 중의 선분 YY'과 제1 영역(Xa)과의 교점을 a, b, c, d, e, f로 한다. 도 13~도 16은, 횡축에 선분 YY'을, 종축에 도 12에 도시하는 광학 기판 PP를, 광학현미경을 이용하여 요철 구조면 측에서 관찰한 경우의 모양(X)의 명암을 잡은 그래프이다.
도 13에 도시하는 것과 같이, 광학 기판 PP(10)를, 광학현미경을 사용하여 요철 구조면 측에서 본 경우에, 관찰되는 모양(X)을 구성하는 제1 영역(Xa) 및 제2 영역(Xb)이 대략 일정한 색감이며, 제1 영역(Xa)과 제2 영역(Xb)과의 계면에서, 급격한 명암 변화에 의해 모양(X)이 관찰되어도 좋다. 즉, 관찰되는 모양을 구성하는 제1 영역(Xa)과 제2 영역(Xb)과의 계면이 선명하게 관찰되어도 좋다. 이 경우, 제1 영역(Xa)을 만드는 볼록부(20a)의 동일하거나 또는 근사한 요소와, 제2 영역(Xb)을 만드는 볼록부(20a)의 동일하거나 또는 근사한 요소는 이산적으로 상이하다. 이 경우, 발광광으로부터 본 제1 영역(Xa)과 제2 영역(Xb)과의 계면이 선명하게 되므로, 광학적 산란성의 강도가 향상되어, 광추출 효율(LEE)이 특히 향상된다.
도 14에 도시하는 것과 같이, 광학 기판 PP(10)를, 광학현미경을 사용하여 요철 구조면 측에서 본 경우에, 관찰되는 모양(X)을 구성하는 제2 영역(Xb)이 대략 일정한 색감이며, 제2 영역(Xb)에서 제1 영역(Xa)으로 서서히 명암이 변화되는 것처럼 관찰되어도 좋다. 이 경우, 제2 영역(Xb)을 만드는 볼록부(20a)의 요소는 동일하거나 또는 근사하다. 한편, 제1 영역(Xa)을 만드는 볼록부(20a)의 요소는 연속적으로 변화하고 있다. 이 경우, 발광광으로부터 본 제1 영역(Xa)과 제2 영역(Xb)과의 계면의 선명도를 향상시키면서, 제1 영역(Xa)에서 제2 영역(Xb)을 향해 모양(X)의 색감을 연속적으로 변화시킬 수 있다. 이에 따라, 광학적 산란성의 모드수가 향상되며, 광추출 효율(LEE)이 특히 향상된다. 또한, 제1 영역(Xa)과 제2 영역(Xb)과의 계면에서부터 제2 영역(Xb)에 걸쳐서, 반도체 결정층의 성장 속도가 특이적으로 커지거나 혹은 작아지는 것을 억제하고, 반도체 결정층에 크랙이 생성되는 것을 억제할 수 있다. 또한, 모양(X)이, 제2 영역(Xb)에서 제1 영역(Xa)으로 서서히 명암이 변화되는 것처럼 관찰됨으로써, 발광 각도 의존성을 작게 할 수 있다. 이 때문에, 보다 공업 용도에 적용하기 쉬운 램버시안 발광 특성에 근접하게 된다.
도 15에 도시하는 것과 같이, 광학 기판 PP(10)를, 광학현미경을 사용하여 요철 구조면 측에서 본 경우에, 관찰되는 모양(X)을 구성하는 제2 영역(Xb) 및 제1 영역(Xa)이 함께 그라데이션이 들어가 있어, 제2 영역(Xb)에서 제1 영역(Xa)으로 서서히 색감이 변화되는 것처럼 관찰되어도 좋다. 이 경우, 제1 영역(Xa) 내 및 제2 영역(Xb) 내에서, 각각의 영역을 구성하는 볼록부(20a)의 요소는 연속적으로 변화되는 동시에, 제1 영역(Xa)에서 제2 영역(Xb)으로, 또한, 제2 영역(Xb)에서 제1 영역(Xa)으로, 모양(X)을 구성하는 볼록부(20a)의 요소는 연속적으로 변화된다. 이 경우, 발광광은, 제1 영역(Xa)과 제2 영역(Xb)의 색감의 차에 따른 광학적 산란 강도에 의해, 그 진행 방향을 변화시킬 수 있기 때문에, 광추출 효율(LEE)이 향상된다. 또한, 광학 기판 PP(10)의 면내에 걸쳐, 반도체 결정층의 성장 속도가 특이적으로 커지거나 또는 작아지는 것을 억제하여, 반도체 결정층에 크랙이 생성되는 것을 억제할 수 있다. 이 때문에, 내부 양자 효율(IQE)이 특히 향상된다. 또한, 모양(X)이, 제1 영역(Xa)에서 제2 영역(Xb)으로, 또한, 제2 영역(Xb)에서 제1 영역(Xa)으로 서서히 명암이 변화되는 것처럼 관찰됨으로써, 발광 각도 의존성을 보다 작게 할 수 있다. 이 때문에, 보다 공업 용도에 적용하기 쉬운 램버시안 발광 특성에 근접하게 된다.
또한, 도 16에 도시하는 것과 같이, 광학 기판 PP(10)를, 광학현미경을 이용하여 요철 구조면 측에서 본 경우에 관찰되는 모양(X)을 구성하는 제1 영역(Xa)에 있어서, 어느 제1 영역(Xa)과 다른 제1 영역(Xa)이 상이한 밝기라도 좋다. 마찬가지로, 어느 제2 영역(Xb)과 다른 제2 영역(Xb)이 상이한 밝기라도 좋다. 이 경우, 어느 제1 영역(Xa)을 구성하는 볼록부(20a)의 요소와, 다른 제1 영역(Xa)을 구성하는 볼록부(20a)의 요소는 상이하다. 또한, 어느 제2 영역(Xb)을 구성하는 볼록부(20a)의 요소와, 다른 제2 영역(Xb)을 구성하는 볼록부(20a)의 요소는 상이하다. 또한, 제1 영역(Xa) 내 및 제2 영역(Xb) 내에서, 각각의 영역을 구성하는 볼록부(20a)의 요소는 연속적으로 변화하는 동시에, 상호 인접하는 제1 영역(Xa)에서 제2 영역(Xb)으로, 또한, 상호 인접하는 제2 영역(Xb)에서 제1 영역(Xa)으로, 모양(X)을 구성하는 볼록부(20a)의 요소는 연속적으로 변화된다. 이 경우, 발광광은, 제1 영역(Xa)과 제2 영역(Xb)의 색감의 차에 분포가 생기므로, 광학적 산란성의 모드수가 증가하고, 광추출 효율(LEE)이 향상된다. 또한, 광학 기판 PP(10)의 면내에 걸쳐, 반도체 결정층의 성장 속도가 특이적으로 커지거나 또는 작아지는 것을 억제하여, 반도체 결정층에 크랙이 생성되는 것을 억제할 수 있다. 이 때문에, 내부 양자 효율(IQE)이 특히 향상된다. 나아가서는, 발광 각도 의존성을 보다 작게 할 수 있다. 이 때문에, 보다 공업 용도에 적용하기 쉬운 램버시안 발광 특성에 근접하게 된다.
한편, 도 13~도 16을 참조하여 설명한 모양(X)의 명암의 변화는, 도 13, 도 14, 도 15 또는 도 16에 예시한 명암의 변화를 조합시킬 수도 있다.
또, 도 13~도 16에서는, 밝은 부위를 제1 영역(Xa), 그 이외의 어두운 부위를 제2 영역(Xb)으로 표기하고 있지만, 밝은 부위를 제2 영역(Xb), 어두운 부위를 제1 영역(Xa)으로 할 수도 있다.
이상 설명한 것과 같이, 모양(X)은, 광학현미경을 이용하여 광학 기판 PP(10)의 요철 구조면 측에서 본 경우에 관찰되는 모양이며, 모양(X)을 정의하게 하는 명암은 연속적으로 변화되어도 급격하게 변화되어도 좋다. 여기서, 내부 양자 효율(IQE)을 보다 크게 향상시킨다는 관점에서는, 명암은 연속적으로 변화되면 바람직하고, 광추출 효율(LEE)을 보다 크게 향상시킨다는 관점에서는, 명암은 급격하게 변화되면 바람직하다. 어떠한 명암 변화를 채용할지는, 반도체 발광 소자 제조시의 조건(예컨대, 광학 기판 PP(10)의 종류, 제1 반도체층(30)의 성막 조건, 제1 반도체층(30), 발광 반도체층(40) 및 제2 반도체층(50)의 층 구성 등) 또는 제조되는 반도체 발광 소자의 특성에 따라 적절하게 선정할 수 있다. 특히, 제1 반도체층(30), 발광 반도체층(40) 및 제2 반도체층(50)을 성막하는 (MO) CVD 장치의 성막 조건은 매우 엄밀한 한편, 제1 반도체층(30), 발광 반도체층(40) 및 제2 반도체층(50)의 막 두께 제어는 비교적 용이하다. 이 때문에, 광학 기판 PP(10)이 발휘하는 성능인 내부 양자 효율(IQE)의 향상과 광추출 효율(LEE)의 향상에 있어서는, 내부 양자 효율(IQE)의 향상에 중점을 두는 것이 바람직하다고 생각된다. 따라서, 광학 기판 PP(10)의 주면 측에 관찰되는 모양(X)의 명암은 연속적으로 변화되는 것이 보다 바람직하다.
·윤곽의 형상
상기 설명한 것과 같이, 모양(X)은, 광학 기판 PP(10)를 광학현미경을 이용하여 요철 구조면 측에서 본 경우에 관찰되는 모양이며, 모양을 정의하게 하는 명암은, 연속적으로 변화되어도 급격하게 변화되어도 좋다. 여기서, 명암이 연속적으로 변화되는 경우, 제1 영역(Xa)의 윤곽, 즉 제1 영역(Xa)과 제2 영역(Xb)과의 계면은 선명하지 않게 되기 때문에, 제1 영역(Xa)의 윤곽 형상을 명확하게 정의하기는 곤란하지만, 대략 원형, 동심원형, n(≥3)각형, 각이 둥글게 된 n(≥3)각형, 라인 형상, 변곡점을 하나 이상 포함하는 형상 등을 들 수 있다. 특히, 반도체 결정층을 성막할 때의 크랙을 억제한다는 관점, 내부 양자 효율(IQE)을 광학 기판 PP(10)의 면내에 걸쳐 향상시킨다는 관점, 그리고 광추출 효율(LEE)을 광학 기판 PP(10)의 면내에 걸쳐 향상시킨다는 관점에서, 제1 영역(Xa)의 윤곽 형상은 대략 원형 혹은 라인 형상인 것이 보다 바람직하다.
광학 기판 PP(10)를 요철 구조면 측에서 본 경우에 관찰되는 모양(X)에서는, 명암이 연속적으로 변화됨에 따라서, 제1 영역(Xa)의 윤곽 형상은 흐릿해진다. 즉, 제1 영역(Xa)과 제2 영역(Xb) 사이에서 명암의 차가 적어져, 제1 영역(Xa)과 제2 영역(Xb)과의 계면이 선명하지 않게 된다.
제1 영역(Xa)의 윤곽 형상이 흐릿해지는 것은, 제1 영역(Xa)을 구성하는 볼록부(20a)의 요소가, 제1 영역(Xa)에서 제2 영역(Xb)으로, 또한, 제2 영역(Xb)에서 제1 영역(Xa)으로 연속적으로 변화되는 것을 의미한다. 광학 기판 PP(10)의 주면 상에 제1 반도체층(30)을 설치하는 경우, 제1 반도체층(30)의 광학 기판 PP(10)의 주면 내에서의 성장 속도 분포를 작게 할 필요가 있다. 이것은, 제1 반도체층(30)의 성장 속도가 광학 기판 PP(10)의 주면 내에서 분포를 갖는 경우, 성장 속도가 빠른 부위와 느린 부위의 계면부에, 성장 속도의 차에 기인한 융기나 함몰이 생성되기 때문이며, 이러한 융기나 함몰이 존재하는 경우, 반도체 발광 소자의 발광 효율이 크게 저하되어, 반도체 발광 소자의 결손율이 증가하기 때문이다. 제1 영역(Xa)의 윤곽 형상이 흐릿해짐으로써, 광학 기판 PP(10)의 주면 내에서의 제1 반도체층(30)의 성장 속도 분포를 연속적으로 변화시킬 수 있게 되어, 전술한 융기나 함몰을 억제할 수 있다. 즉, 제1 영역(Xa)의 윤곽 형상이 흐릿해지는, 바꿔 말하면, 제1 영역(Xa)에서 제2 영역(Xb)으로, 명암이 연속적으로 변화됨으로써, 광학적으로 그려지는 모양(X)에 의해 광추출 효율(LEE)의 개선을 담보한 상태에서, 반도체 결정층을 성막할 때의 반도체 결정층에의 크랙 발생을 억제하는 동시에 반도체 결정층의 특이 성장을 억제할 수 있기 때문에, 내부 양자 효율(IQE)의 향상 정도가 커진다.
·크기
광학 기판 PP(10)를 요철 구조면 측에서 본 경우에 관찰되는 모양(X)의 크기는, 제1 영역(Xa)의 크기로서 정의되지만, 특별히 한정되지 않는다. 이것은, 상기 설명한 것과 같이, 모양(X)은, 광학현미경을 사용한 특정 배율 범위 내에서 관찰 가능한 모양이므로, 빛에 대하여 모양(X)에 따른 광학적 산란성(광회절 또는 광산란)을 발현할 수 있기 때문이다. 또한, 제1 영역(Xa)의 윤곽은 선명하지 않은 경우가 많아, 즉, 제1 영역(Xa)의 형상을 명확하게 파악하기가 곤란한 경우가 많기 때문이다. 따라서, 모양(X)의 크기, 즉 제1 영역(Xa)의 크기는, 이하에 설명하는 간격에 의해서 정의되는 것으로 한다.
·간격
상기 설명해 온 것과 같이, 광학 기판 PP(10)를 광학현미경을 사용하여 요철 구조면 측에서 본 경우에 관찰되는 모양(X)은, 명암에 의해 정의된다. 모양(X)의 간격은, 주위보다도 밝은(혹은 어두운) 제1 영역(Xa)과, 이 제1 영역(Xa)에 인접하는 주위보다도 밝은(혹은 어두운) 다른 제1 영역(Xa)의 거리 D로서 정의된다. 도 17은, 본 실시형태에 따른 광학 기판 PP를 광학현미경을 사용하여 요철 구조면 측에서 본 경우에 관찰되는 모양(X)의 평면 모식도이며, 모양(X)의 간격을 설명하는 도면이다. 도 17에 도시하는 것과 같이, 복수의 제1 영역(Xa)이 그려져 있는 경우, 어느 제1 영역 A1의 중심과 이 부분 A1에 인접하는 제1 영역 B1-1~제1 영역 B1-6의 중심 사이의 거리 DA1B1 -1~거리 DA1B1 -6를, 간격 D라고 정의한다. 그러나, 이 도 17에 도시하는 것과 같이, 인접하는 제1 영역(Xa)에 의해 간격 D이 다른 경우는 다음 순서에 따라서, 평균 간격 Dave을 결정한다. (1) 임의의 복수의 제1 영역 A1, A2…AN을 선택한다. (2) 제1 영역 AM과 이 제1 영역 AM(1≤M≤N)에 인접하는 제1 영역(BM-1~BM-k)과의 간격 DAMBM -1~DAMBM-k을 측정한다. (3) 제1 영역 A1~제1 영역 AN에 관해서도, (2)와 마찬가지로 간격 D를 측정한다. (4) 간격 DA1B1 -1~DANBN -k의 상가 평균치를 평균 간격 Dave으로서 정의한다. 단, N은 5 이상 10 이하, k는 4 이상 6 이하로 한다. 한편, 제1 영역의 중심이란, 예컨대 도 16의 경우를 예로 들면, 도 16에서 화살표로 지시하고 있는 부분이며, 인접하는 화살표 사이의 거리가 상기 간격(도 16에서의 D1 및 D2로 나타냄)이다.
광학 기판 PP(10)를 광학현미경을 사용하여 요철 구조면 측에서 본 경우에 관찰되는 모양(X)의 평균 간격 Dave은, 요철 구조(20)의 평균 피치 P'ave보다도 큰 범위 내에서, 광추출 효율(LEE)을 향상시킨다는 관점에서 800 nm 이상이면 바람직하다. 특히, 광학적 산란성(광회절 혹은 광산란)을 강하게 하여, 도파 모드를 효과적으로 흐트러뜨린다는 관점에서, 1000 nm 이상인 것이 바람직하고, 1100 nm 이상인 것이 보다 바람직하고, 1200 nm 이상인 것이 가장 바람직하다. 한편, 상한치는 광학적 산란 점수를 증가시킨다는 관점에서, 100 ㎛ 이하인 것이 바람직하고, 50 ㎛ 이하인 것이 보다 바람직하고, 10 ㎛ 이하인 것이 가장 바람직하다. 특히, 5 ㎛ 이하임으로써, 광회절성이 강하게 발현되기 때문에, 요철 구조(20)를 구성하는 복수의 볼록부(20a)의 집합에 의해 그려지고, 광학현미경에 의해서 비로소 관찰되는, 실체로서는 존재하지 않는 모양(X)에 의한 도파 모드를 흐트러뜨리는 효과가 보다 커지기 때문에 바람직하다.
이상 설명한 것과 같이, 모양(X)은, 요철 구조(20)에 의해 그려지는 것이며, 광학현미경에 의해 관찰되는 모양(X)의 명암의 차에 의해 정의되게 된다. 또한, 모양(X)은, 선명성, 배치, 윤곽 형상, 크기 혹은 간격 등에 의해 특징지을 수 있다. 이들 인자의 조합에 의해, 모양(X)으로서의 기능인, 새로운 광학적 산란성의 부여 정도가 변화된다. 여기서, 모양(X)에 의해 광추출 효율(LEE)이 향상되는 이유는, 모양(X)에 의해 발현되는 광학적 산란성이다. 즉, 모양(X)을 소정의 모양(배치나 윤곽 형상, 선명성 등)으로 함으로써, 광추출 효율(LEE)의 향상 정도가 변화된다고 생각된다. 또한, 모양(X)은 빛에 의해 인식되는 평면적 패턴이며, 실체로서는 존재하지 않는다. 그러나, 모양(X)은 요철 구조(20)를 만드는 요소의 변화에 의해 그려지는 것으로 추정되므로, 반도체 발광 소자를 제조할 때의 반도체 결정층은, 이 요철 구조(20)의 요소의 변화를 감득하게 된다. 즉, 반도체 발광 소자를 제조한다는 관점에서, 요철 구조(20)의 요소를 변화시키는 방법에 대하여도, 보다 적합한 범위가 있다고 생각된다.
빛으로부터 본 모양(X)과, 모양(X)에 의해 발현되는 광학적 산란성에 의한 광추출 효율(LEE)에 관해서, 광학 시뮬레이션(FDTD법 및 RCWA법)을 적용시켜 계산한 바, 유효 굴절율(Nema)의 분포라는 시점에 서면, 규칙성이 높고, 일반적 회절 격자에 가까운 형상의 모양(X)을 포함함으로써, 발광광이 보다 반도체 발광 소자의 외부로 추출되는 것을 알 수 있었다. 한편, 반도체 결정층의 성막(성장)에 관해서, 랜덤 워크를 가정하여, 반도체 결정층의 핵을 계산에 의해 내려 쌓이게 한 바, 규칙성이 높은 요철 구조(20)의 요소 변화에 의해, 반도체 결정층의 성막성이 안정되는 것을 알 수 있었다.
이상으로부터, 광학현미경에 의해 관찰되는 모양(X)으로서는, 규칙성이 높은 것을 포함하는 것이 보다 바람직하다는 것을 알 수 있었다. 여기서, 빛으로부터 본 규칙성에 주목하면, 소정의 빛에 대한 회절 격자로서의 기능이 중요하다고 생각할 수 있다. 즉, 소정의 파장을 갖는 레이저 광선을, 광학 기판 PP(10)에 대하여 조사했을 때에, 광학 기판 PP(10)를 투과하여 출광하는 레이저 광선이 스플리트되는 것이 바람직하다. 이 점에 관해서 보다 상세히 설명한다.
우선, 계로서는 이하의 조건을 채용한다.
·레이저 광선
파장 640 nm~660 nm, 525 nm~535 nm 또는 460 nm~480 nm의 3 종류의 레이저 광선을 각각 사용한다. 여기서, 파장이 λ1~λ2와 같이 범위를 갖고 있는 것은, 이러한 파장 분포를 갖는 레이저광을 사용하는 것을 의도하는 것은 아니고, 중심 파장을 λc로 한 경우에 λ1~λc~λ2의 관계를 만족하는 레이저 광선을 사용하는 것을 의미한다. 예컨대, 파장이 650 nm, 532 nm, 그리고 473 nm인 레이저 광선을 각각 채용하면 된다. 한편, 간이하게는, 적색, 녹색 및 청색의 레이저 포인터를 레이저 광선으로서 사용할 수 있다.
·레이저 광선의 조사 방법
광학 기판 PP(10)의 요철 구조(20)의 어느 면에 대하여 수직으로 입사시킨다. 여기서, 입광면과 레이저 광선의 출사부와의 거리는 50 mm로 한다.
·출광하는 레이저 광선
광학 기판 PP(10)의, 레이저 광선의 입광면과는 반대측의 면으로부터 출광하는 레이저 광선이, 출광하는 레이저 광선(이하, 출광광이라고도 부름)이다. 여기서, 광학 기판 PP(10)의 출광면에 평행하면서 출광면에서부터 150 mm 떨어진 위치에 스크린을 설치한다. 이 스크린에 투영된 출광광의 패턴을 관찰한다. 한편, 관찰을 쉽게 하기 위해서, 상기 관찰은 암실에서 행한다.
상기 조건으로 스크린에 투영되는 출광광을 관찰했을 때에, 출광하는 레이저 광선이 적어도 2 이상으로 스플리트되는 것이 바람직하다. 출광광이 스플리트되지 않는 경우란, 스크린 상에는 하나의 광점만이 투영되는 상태이다. 한편, 출광광이 X개로 스플리트된다는 것은, 스크린 상에 투영되는 광점의 수가 X개(X≥2)임을 의미한다. 즉, 입사하는 레이저 광선의 축 상에 존재하는 출광광의 광점도 포함하는 것으로 한다. 또한, X개로 스플리트되는 경우란, 이하의 1~3 중 어느 한 케이스이다.
1. 스크린 상의 어느 직선 A 위에 X개의 광점이 나란히 늘어선 상태
2. 스크린 상의 어느 직선 A와, 이 직선 A에 수직인 스크린 상의 직선 B 위에, 각각 광점이 나란히 늘어선 상태
3. 스크린 상의 어느 직선 A와, 이 직선 A를 60도 우측으로 회전시킨 스크린 상의 직선 B와, 이 직선 B를 더욱 60도 우측으로 회전시킨 스크린 상의 직선 C 위에, 각각 광점이 나란히 늘어선 상태
여기서, 2 이상으로 스플리트되는 상태는, 레이저광이, 광학 기판 PP(10)의 모양(X)에 의해 회절되고 있음을 의미한다. 즉, 빛의 진행 방향을 변화시키는 능력이 크다, 바꿔 말하면, 광추출 효율(LEE)을 향상시키는 능력이 크다는 것을 의미한다. 같은 관점에서, 적어도 3 이상으로 스플리트되는 것이 바람직하고, 5 이상으로 스플리트되는 것이 보다 바람직하고, 9 이상으로 스플리트되는 것이 가장 바람직하다.
한편, 상기 관찰은, 파장 640 nm~660 nm, 525 nm~535 nm 또는 460 nm~480 nm의 3 종류의 레이저 광선으로 시험했을 때에, 적어도 1 이상의 레이저 광선에 대하여 관찰되면 된다. 이것은, 반도체 발광 소자의 굴절율과 발광 주파장은, 반도체 발광 소자에 따라 다르기 때문이다.
이어서, 요철 구조(20)와 모양(X)의 관계에 관해서 설명한다. 모양(X)은 광학현미경에 의해 관찰되며, 요철 구조(20)는 주사형 전자현미경에 의해 관찰된다. 모양(X)은 요철 구조(20)의 집합에 의해 그려지기 때문에, 모양(X)의 관찰되는 상을 순차 확대해 나가면, 이윽고 요철 구조(20)를 관찰할 수 있다. 예컨대, 광학현미경에 의해 모양(X)을 관찰하고, 관찰된 모양(X)에 상당하는 위치를, 주사형 전자현미경을 이용하여 보다 고배율로 관찰함으로써, 요철 구조(20)를 관찰할 수 있다. 요철 구조(20)를 구성하는 복수의 볼록부(20a)가 전술한 요철 구조 군을 형성하는 것, 즉 요철 구조(20)가 집합화됨으로써, 광학 기판 PP(10)를 요철 구조면 측에서 광학현미경을 사용하여 관찰한 경우에, 모양(X)이 관찰되면, 내부 양자 효율(IQE)을 향상시키면서 광추출 효율(LEE)을 개선할 수 있기 때문에, 요철 구조(20)를 구성하는 볼록부(20a)의 형상이나 배열은 특별히 한정되지 않는다. 한편, 요철 구조(20)의 보다 바람직한 형태에 관해서는 추후 설명한다.
주사형 전자현미경을 사용하여 관찰되는 요철 구조 군에 의해, 광학현미경을 사용하여 모양(X)을 관찰할 수 있게 하기 위해서는, 모양(X)에 있어서의 명암이 다른 부분의 요철 구조(20)가 서로 다를 필요가 있다. 여기서, 요철 구조(20)가 서로 다르다는 것은, 이하에 설명하는 요철 구조(20)를 구성하는 볼록부(20a)의 요소(예컨대, 피치, 높이, 볼록부 바닥부 폭 등)가 다른 것을 의미한다. 예컨대, 도 15를 예로 설명한다. 도 15에서는, 광학 기판 PP(10)를 요철 구조면 측에서 광학현미경을 이용하여 본 경우에 관찰되는 모양(X)을 구성하는 제2 영역(Xb) 및 제1 영역(Xa)이, 함께 그라데이션이 들어가 있어, 제2 영역(Xb)에서 제1 영역(Xa)으로 서서히 명암이 변화되는 경우이다. 여기서, 도 15 중의 화살표 A, 화살표 B 및 화살표 C로 지시한 부분은, 광학 기판 PP(10)를 요철 구조면 측에서 본 경우에 관찰되는 모양(X)의 명암이 다른 부분이다. 이러한 명암의 차는, 주사형 전자현미경에 의해 관찰되는 요철 구조(20)를 구성하는 요소의 차에 의해서 실현할 수 있다. 예컨대, 도 15 중의 화살표 A로 나타내어지는 부분의 요철 구조(20)의 피치를 P'a, 화살표 B로 나타내어지는 부분의 요철 구조(20)의 피치를 P'b, 화살표 C로 나타내어지는 부분의 요철 구조(20)의 피치를 P'c라고 표기한 경우, 표 1에 나타내는 것과 같이, P'a>P'b>P'c나, P'a<P'b<P'c와 같은 요철 구조(20)의 차이에 의해 모양(X)을 제작할 수 있다. 즉, 주사형 전자현미경에 의해 관찰되는 요철 구조(20)의 요소의 차이에 의해, 광학 기판 PP(10)를 광학현미경에 의해 요철 구조면 측에서 본 경우에 모양(X)이 관찰된다. 한편, 피치 P'가 다른 경우는, 요철 구조(20)의 배열이 다른 경우를 포함한다. 마찬가지로, 도 15의 화살표 A, 화살표 B 및 화살표 C로 나타내어지는 부분의 요철 구조(20)의 높이(깊이, 이하 동일)를, 각각 Ha, Hb 및 Hc라고 표기한 경우, 표 1에 나타내는 것과 같이, Ha>Hb>Hc나 Ha<Hb<Hc와 같은 요철 구조(20)의 차이에 의해 모양(X)을 제작할 수 있다. 또한, 도 15의 화살표 A, 화살표 B및 화살표 C로 나타내어지는 부분의 요철 구조(20)의 볼록부 바닥부의 외접원 직경을, 각각 φout_a, φout_b 및 φout_c라고 표기한 경우, 표 1에 나타내는 것과 같이, φout_a>φout_b>φout_c나 φout_a<φout_b<φout_c와 같은 요철 구조(20)의 차이에 의해 모양(X)을 제작할 수 있다. 한편, 상기 설명에서는, 요철 구조(20)를 구성하는 요소가 단독으로 변화함으로써 모양(X)을 관찰할 수 있게 한 경우를 설명했지만, 요철 구조(20)를 구성하는 요소가 복수 동시에 변화되어도 좋다. 복수 동시에 변화되는 경우, 요철 구조(20)의 체적 변화가 커지기 때문에, 모양(X)의 선명성 및 제1 영역(Xa)과 제2 영역(Xb)의 색감의 차가 증가하여, 광추출 효율(LEE)을 보다 개선할 수 있다. 예컨대, 요철 구조(20)의 피치 P'와 높이(깊이) H, 요철 구조(20)의 피치 P'와 볼록부 바닥부 외접원 직경 φout, 요철 구조(20)의 피치 P', 높이 H 및 볼록부 바닥부 외접원 직경 φout 등을 들 수 있다. 또한, 복수의 요소가 동시에 변화되는 경우, 이들 요소의 변화에 대한 상관 계수는 플러스라도 마이너스라도 좋다. 예컨대, 피치 P'와 높이 H가 동시에 변화되는 경우, 피치 P'의 증가에 따라 높이 H가 감소하여도, 반대로 높이 H가 증가하여도 좋다.
여기서, 요철 구조(20)의 요소의 차이에 관해서 검토한 결과를 기재한다. 요철 구조(20)의 요소의 대표예로서, 피치 P', 높이 H 및 볼록부 바닥부 외접원 직경 φout의 3 종류를 선정했다. 이들 세 가지 요소의 각각에 대하여, 주사형 전자현미경 관찰로부터 요소의 차이를 정량화하고, 광학현미경 관찰로부터 모양(X)을 관찰하여, 그 명암을 관찰했다. 결과, 어느 요소를 선정한 경우라도, 차이가 5 nm 이상 있으면, 모양(X)이 관찰되는 것을 알 수 있었다. 보다 구체적으로는, 광학현미경에 의해 관찰되는 모양(X)에 있어서의 제1 영역(Xa)을 만드는, 주사형 전자현미경에 의해 관찰되는 요철 구조(20)의 피치를 P'(Xa), 높이를 H(Xa), 그리고 볼록부 바닥부 외접원 직경을 φout(Xa)로 하고, 제2 영역(Xb)을 만드는 주사형 전자현미경에 의해 관찰되는 요철 구조(20)의 피치를 P'(Xb), 높이를 H(Xb), 그리고 볼록부 바닥부 외접원 직경을 φout(Xb)로 하면, |P'(Xa)-P'(Xa)|≥5 nm, |H(Xa)-H(Xb)|≥5 nm, 또는 |φout(Xa)-φout(Xb)|≥5 nm를 만족함으로써, 모양(X)을 관찰할 수 있고, 광학적 산란성의 효과를 발현하는 것이 확인되었다. 특히, 하나의 요소만이 변동하는 경우는, 요소의 차이는 10 nm 이상 있는 것이 바람직하다. 한편, 2 이상의 요소가 동시에 변동하는 경우, 예컨대, 피치 P'와 높이 H, 높이 H와 볼록부 바닥부 외접원 직경 φout, 피치 P'와 높이 H와 볼록부 바닥부 외접원 직경 φout은, 각각의 요소의 차이가 5 nm 이상 있으면, 모양(X)은 선명하게 관찰 가능하면서, 광학적 산란성의 효과가 발현되었다. 이 결과는, 이하에 설명하는 다른 요소에 관해서도 마찬가지라고 생각할 수 있다.
또한, 복수의 요소가 동시에 변화되는 경우의, 이들 요소의 상관 계수에 관해서도 확인한 결과, 상관 계수가 마이너스인 관계를 만족하는 요소를 포함함으로써, 반도체 결정층을 성막할 때의, 크랙을 억제하는 효과가 특히 높아지는 것을 알 수 있었다. 보다 구체적으로는, 피치 P'와 높이 H(또는, 볼록부 바닥부 외접원 직경 φout)가 동시에 변화되는 경우, 피치 P'의 증가에 따라 높이 H(또는, 볼록부 바닥부 외접원 직경 φout)가 감소하는 것이, 크랙의 관점에서 보다 바람직하고, 피치 P', 높이 H 및 볼록부 바닥부 외접원 직경 φout이 동시에 변화되는 경우는, 피치 P'가 증가함에 따라, 높이 H 및 볼록부 바닥부 외접원 직경 φout이 감소하는 것이, 크랙의 관점에서 보다 바람직한 것을 알 수 있었다.
한편, 광추출 효율(LEE)을 향상시킨다는 관점에서는, 적어도, 피치 P'와 높이 H 또는 피치 P'와 볼록부 바닥부 외접원 직경 φout의 관계는, 플러스의 상관인 것이 바람직하다. 이것은, 이러한 관계를 만족함으로써, 요철 구조(20)의 요소의 체적 변화 정도가 커지고, 이에 따라 유효 굴절율(Nema)의 분포에 있어서의 굴절율차가 커져, 광학적 산란성의 강도가 강해지기 때문이다. 특히, 피치 P'가 증가함에 따라, 높이 H 및 볼록부 바닥부 외접원 직경 φout이 증가하는 것이 가장 바람직하다.
이상으로부터, 요철 구조(20)의 요소의 차이에 의해 모양(X)을 그리고, 이에 따라 광학적 산란성의 효과를 발현시키기 위해서는, 요철 구조(20)의 요소의 차이는 5 nm 이상인 것이 바람직하다. 또한, 요소가 하나만인 경우는, 그 차이는 10 nm 이상인 것이 바람직하다. 또, 가장 바람직하게는, 요소가 2 이상인 동시에, 이들 요소의 차이가 함께 10 nm 이상인 경우이다.
요철 구조(20)의 요소의 차이는, 이하에 설명하는 요철 구조(20)의 요소의 명칭을 사용하면, 특히, 피치 P', 높이 H 또는 볼록부 바닥부 외접원 직경 φout의 변화를 포함하는 것이 바람직하다. 이것은, 이들 요소의 차이는, 체적 환산했을 때에 그 값이 커지고, 광학적 산란성에의 기여가 크기 때문이다. 또한, 적어도 피치 P'의 변화를 포함함으로써, 광학현미경에 의해 관찰되는 모양(X)의 명암의 차를 크게 하는 동시에, 반도체 결정층의 성장시에 생기는 크랙의 억제 효과가 커지기 때문에 바람직하다. 또한, 피치 P'와, 높이 H 또는 볼록부 바닥부 외접원 직경 φout의 변화를 적어도 포함함으로써, 반도체 결정층에 대한 전위 밀도 저감 효과와 크랙 억제 효과, 그리고 광추출 효율(LEE)의 향상이 보다 커지기 때문에 바람직하다. 한편, 가장 바람직하게는, 피치 P', 높이 H 및 볼록부 바닥부 외접원 직경 φout의 변화를 포함하는 경우이다. 이 경우, 전위의 분산화와 전위 밀도의 저감 효과, 크랙 억제 효과, 강한 광학적 산란성의 효과가 동시에 보다 개선된다. 한편, 이 경우, 피치 P'와 높이 H 및 피치 P'와 볼록부 바닥부 외접원 직경 φout의 상관 계수가 마이너스임으로써, 크랙 억제 효과가 높아진다. 한편, 피치 P'와 높이 H 및 피치 P'와 볼록부 바닥부 외접원 직경 φout의 상관 계수가 플러스임으로써, 광추출 효율(LEE)의 향상 정도가 보다 커진다. 이에 따라, 내부 양자 효율(IQE)의 개선을 유지한 상태에서, 광추출 효율(LEE)을 보다 향상시킬 수 있다.
또한, 요철 구조(20)에 의해 내부 양자 효율(IQE)을 개선하면서, 모양(X)에 의해, 개선된 내부 양자 효율(IQE)을 유지하여 광추출 효율(LEE)을 향상시킨다는 관점에서, 요철 구조(20)의 평균 피치 P'ave와 모양(X)의 평균 간격 Dave은, 평균 간격 Dave>평균 피치 P'ave를 만족한다. 즉, 주사형 전자현미경에 의해 관찰되는 실체로서 존재하는 물리적인 구조의 오더에 비해서, 광학현미경을 사용하여 관찰되는 모양의 오더는 크다. 특히, 내부 양자 효율(IQE)의 개선 정도를 향상시킨 경우라도, 광추출 효율(LEE)을 향상시킨다는 관점에서, 평균 간격 Dave≥2P'ave를 만족하는 것이 바람직하고, 평균 간격 Dave≥3P'ave를 만족하는 것이 보다 바람직하고, 평균 간격 Dave≥4P'ave를 만족하는 것이 가장 바람직하다. 한편, 상한치는 광추출 효율(LEE)의 향상 정도와, 내부 양자 효율(IQE)의 개선도 유지 상황에 따라 결정되며, 평균 간격 Dave≤500P'ave를 만족하는 것이 바람직하다. 그 중에서도, 광학적 산란점의 밀도를 향상시킨다는 관점에서, 평균 간격 Dave≤100P'ave를 만족하는 것이 바람직하고, 평균 간격 Dave≤50P'ave를 만족하는 것이 보다 바람직하고, 평균 간격 Dave≤20P'ave를 만족하는 것이 가장 바람직하다.
한편, 요철 구조(20)의 피치 P' 및 평균 피치 P'ave는 다음과 같이 정의된 것으로 한다. 도 18은, 본 실시형태에 따른 광학 기판 PP를 주사형 전자현미경을 사용하여 요철 구조면 측에서 본 경우의 요철 구조를 도시하는 평면 모식도이다. 도 18에 도시하는 것과 같이, 요철 구조(20)가, 복수의 볼록부(20a)가 배치된 도트 구조인 경우, 어느 볼록부 A1의 중심과 이 볼록부 A1에 인접하는 볼록부 B1-1~볼록부 B1-6의 중심 사이의 거리 P'A1B1 -1~거리 P'A1B1 -6를, 피치 P'라고 정의한다. 그러나, 이 도 18에 도시하는 것과 같이, 인접하는 볼록부에 의해 피치 P'가 다른 경우는 다음 순서에 따라서 평균 피치 P'ave를 결정한다. (1) 임의의 복수의 볼록부 A1, A2…AN을 선택한다. (2) 볼록부 AM과 볼록부 AM(1≤M≤N)에 인접하는 볼록부(BM-1~BM-k)의 피치 P'AMBM -1~P'AMBM -k를 측정한다. (3) 볼록부 A1~볼록부 AN에 관해서도, (2)와 마찬가지로 피치 P'를 측정한다. (4) 피치 P'A1B1 -1~P'ANBN -k의 상가 평균치를 평균 피치 P'ave로서 정의한다. 단, N은 5 이상 10 이하, k는 4 이상 6 이하로 한다. 한편, 홀 구조인 경우, 상기 도트 구조에서 설명한 볼록부를 오목부 개구부라고 바꿔 읽음으로써, 평균 피치 P'ave를 정의할 수 있다.
평균 피치 P'ave는, 상기 평균 피치 P'ave와 평균 간격 Dave의 관계성을 만족하는 범위에서, 10 nm 이상 1500 nm 이하이면, 내부 양자 효율(IQE) 및 광추출 효율(LEE)을 함께 크게 할 수 있다. 특히, 평균 피치 P'ave가 10 nm 이상임으로써, 광학 기판 PP(10)를 요철 구조면 측에서 본 경우에 관찰되는 모양(X)의 명암의 변화가 커지고, 이 때문에, 광추출 효율(LEE)을 향상킬 수 있게 된다. 상기 효과를 보다 발휘한다는 관점에서, 평균 피치 P'ave는 150 nm 이상이면 바람직하고, 200 nm 이상이면 보다 바람직하고, 250 nm 이상이면 가장 바람직하다. 한편, 평균 피치 P'ave가 1500 nm 이하임으로써, 요철 구조(20)의 밀도가 향상된다. 이에 따라, 제1 반도체층(30) 내부의 전위를 분산화할 수 있게 되어, 국소적 및 거시적인 전위 밀도를 저감할 수 있으므로, 내부 양자 효율(IQE)을 크게 할 수 있다. 상기 효과를 보다 발휘한다는 관점에서, 평균 피치 P'ave는 1000 nm 이하인 것이 바람직하다. 특히, 평균 피치 P'ave가 900 nm 이하임으로써, 요철 구조(20)의 밀도가, 반도체 결정층의 전위 밀도에 대하여 효과적으로 커져, 전위의 분산화와 전위 밀도 저감 효과가 보다 현저하게 되기 때문에 바람직하다. 가장 바람직하게는, 같은 효과를 위해 800 nm 이하이다. 특히, 이하에 설명하는 높이 H의 적합한 범위와 이미 설명한 평균 피치 P'ave의 적합한 범위를 동시에 만족하는 경우, 반도체 결정층에 대한 크랙 억제 효과, 반도체 결정층의 사용량 저감 효과, 그리고 내부 양자 효율(IQE)의 개선 효과가 전부 양호하게 되기 때문에 바람직하다.
(요철 구조)
이어서, 요철 구조(20)의 보다 바람직한 양태에 관해서 설명한다. 요철 구조(20)는 볼록부 및 오목부를 갖고 있으면 된다. 특히, 이하의 <<광학 기판 D>>에서 설명하는 요철 구조 D 혹은 이하의 <<광학 기판 PC>>에서 설명하는 요철 구조 PC인 것이 바람직하다. 이에 따라, 광학적 산란성이 강하게 되기 때문에, 모양(X)의 명암의 차가 커져, 광추출 효율(LEE)의 향상이 커진다.
요철 구조(20)로서는, 예컨대, 복수의 울타리 형상체가 배열된 라인 앤드 스페이스 구조, 복수의 울타리 형상체가 교차된 격자 구조, 복수의 도트(볼록부, 돌기)형 구조가 배열된 도트 구조, 복수의 홀(오목부)형 구조가 배열된 홀 구조 등을 채용할 수 있다. 도트 구조나 홀 구조는, 예컨대, 원추, 원기둥, 사각추, 사각기둥, 육각추, 육각기둥, 다각추, 다각기둥, 이중 링 형상, 다중 링 형상 등의 구조를 들 수 있다. 한편, 이들 형상은 바닥면의 외경이 변형된 형상이나 측면이 만곡된 형상을 포함한다.
한편, 도트 구조란, 복수의 볼록부가 상호 독립적으로 배치된 구조이다. 즉, 각 볼록부는 연속된 오목부에 의해 이격된다. 한편, 각 볼록부는 연속된 오목부에 의해 매끄럽게 접속되어도 좋다. 한편, 홀 구조란, 복수의 오목부가 상호 독립적으로 배치된 구조이다. 즉, 각 오목부는 연속된 볼록부에 의해 이격된다. 또, 각 오목부는 연속된 볼록부에 의해 매끄럽게 접속되어도 좋다. 그 중에서도 내부 양자 효율(IQE)을 보다 높인다는 관점에서, 요철 구조(20)는 도트 구조이면 바람직하다. 이것은, 요철 구조(20)에 의해 내부 양자 효율(IQE)을 향상시키기 위해서는, 요철 구조(20)의 밀도에 의한 전위 분산화를 촉진할 필요가 있기 때문이다.
요철 구조(20) 상에 형성되는 제1 반도체층(30)에 크랙이 발생하는 것을 억제하기 위해서, 요철 구조(20)의 볼록부는, 볼록부 꼭대기부의 크기가 볼록부 바닥부의 크기보다도 작은 구조이면 바람직하다.
특히, 내부 양자 효율(IQE)을 향상시키기 위해서, 요철 구조(20)는, 도트 구조 중에서도, 볼록부 꼭대기부에 평탄면을 갖지 않는 구조이면 바람직하다. 또한, 내부 양자 효율(IQE)을 보다 향상시키기 위해서, 요철 구조(20)의 오목부 바닥부는 평탄면을 갖는 것이 보다 바람직하다. 한편, 볼록부 꼭대기부에 평탄면을 갖지 않는 구조란, 주사형 전자현미경에 의해 볼록부(20a)를 관찰했을 때에, 그 볼록부(20a)의 꼭대기부의 평탄면의 직경이 10 nm 이하의 것으로서 정의한다.
또한, 반도체 결정층에의 크랙 생성과, 내부 양자 효율(IQE)의 개선 효과를 보다 발현한다는 관점에서, 볼록부 꼭대기부에서 볼록부 바닥부로, 경사 각도가 2 단계 이상의 변화를 하는 구조가 보다 바람직하다. 한편, 볼록부 측면부의 경사 각도의 변화는, 볼록부 바닥부에서 볼록부 꼭대기부로 완만하게 되는 변화이면 가장 바람직하다.
요철 구조(20)의 오목부 바닥부가 갖는 평탄면과, 요철 구조(20) 상에 형성되는 제1 반도체층(30)의 안정 성장면에 대해 거의 평행한 면(이하, 「평행 안정 성장면」이라고 부름)이 평행한 경우, 요철 구조(20)의 오목부 근방에서의 제1 반도체층(30)의 성장 모드의 흐트러짐이 커져, 제1 반도체층(30) 내의 전위를 효과적으로 요철 구조(20)에 의해 저감할 수 있으므로, 내부 양자 효율(IQE)이 향상된다. 안정 성장면이란, 성장시키는 재료에 있어서 성장 속도가 가장 느린 면을 가르킨다. 일반적으로는, 안정 성장면은 성장 도중에 파셋(facet)면으로서 나타나는 것이 알려져 있다. 예컨대, 질화갈륨계 화합물 반도체의 경우, M면으로 대표되는 A축에 평행한 평면이 안정 성장면으로 된다. GaN계 반도체층의 안정 성장면은, 육방정 결정의 M면 (1-100), (01-10), (-1010)이며, A축에 평행한 평면의 하나이다. 한편, 성장 조건에 따라서는, GaN계 반도체의 M면 이외의 평면인 A축을 포함하는 다른 평면이 안정 성장면으로 되는 경우도 있다.
이어서, 요철 구조(20)를 구성하는 요소와, 이들 요소의 보다 바람직한 범위에 관해서 설명한다. 요철 구조(20)의 요소로서, 예컨대, 피치 P', 듀티, 종횡비, 볼록부 꼭대기부 폭 lcvt, 볼록부 바닥부 폭 lcvb, 오목부 개구 폭 lcct, 오목부 바닥부 폭 lccb, 볼록부 측면의 경사 각도, 볼록부 측면의 경사 각도의 전환수, 볼록부 바닥부 내접원 직경 φin, 볼록부 바닥부 외접원 직경 φout, 볼록부 높이 H, 볼록부 꼭대기부의 면적, 볼록부 표면의 미소 돌기수(밀도)나 이들의 비율, 또 요철 구조의 배열로부터 유추할 수 있는 정보(예컨대, 오목부의 형상 등)를 들 수 있다.
<높이 H>
요철 구조(20)의 높이는, 요철 구조(20)의 오목부 바닥부의 평균 위치와 요철 구조(20)의 볼록부 정점의 위치와의 최단 거리로서 정의한다. 평균 위치를 산출할 때의 샘플 점수는 10점 이상인 것이 바람직하다.
요철 구조(20)의 높이 H는 10 nm 이상 1000 nm 이하인 것이 바람직하다. 높이 H가 10 nm 이상임으로써, 제1 반도체층(30)의 성장 모드를 흐트러뜨릴 수 있게 되기 때문에, 전위 밀도가 감소하여, 내부 양자 효율(IQE)을 향상시킬 수 있다. 특히, 모양(X)의 명암의 차를 크게 하여, 광추출 효율(LEE)을 향상시킨다는 관점에서, 높이 H는 30 nm 이상인 것이 바람직하고, 50 nm 이상인 것이 보다 바람직하고, 100 nm 이상인 것이 가장 바람직하다. 한편, 1000 nm 이하임으로써, 제1 반도체층(30)의 성막량을 감소시켜, 성막 시간을 단축할 수 있다. 특히, 500 nm 이하임으로써, 제1 반도체층(30)의 성장에 따른 크랙의 발생을 억제할 수 있기 때문에 바람직하다. 같은 효과를 위해, 350 nm 이하인 것이 보다 바람직하고, 300 nm 이하인 것이 가장 바람직하다.
<볼록부 꼭대기부 폭 lcvt, 오목부 개구 폭 lcct, 볼록부 바닥부 폭 lcvb, 오목부 바닥부 폭 lccb>
도 19는 본 실시형태에 따른 광학 기판 PP의 요철 구조면을 구성하는 요철 구조 PP가 도트 구조인 경우의 평면도이다. 도 19는 요철 구조(20)가 도트 구조인 경우의 평면도를 도시하고 있다. 도 19 중에 파선으로 도시하는 선분은, 어느 볼록부(20a)의 중심과 그 볼록부(20a)에 가장 근접하는 볼록부의 중심의 거리이며, 상기 설명한 피치 P'를 의미한다. 도 19 중에 나타낸 피치 P'에 상당하는 선분 위치에서의 요철 구조 PP의 단면 모식도를 도시한 것이 도 20A 및 도 20B이다.
도 20A에 도시하는 것과 같이, 볼록부 꼭대기부 폭 lcvt은 볼록부(20a)의 꼭대기면의 폭으로서 정의되고, 오목부 개구 폭 lcct은, 피치 P'와 볼록부 꼭대기부 폭 lcvt과의 차분치(P'-lcvt)로서 정의된다. 도 20B에 도시하는 것과 같이, 볼록부 바닥부 폭 lcvb은 볼록부(20a)의 바닥부의 폭으로서 정의되고, 오목부 바닥부 폭 lccb은 피치 P'와 볼록부 바닥부 폭 lcvb과의 차분치(P'-lcvb)로서 정의된다.
도 21은 본 실시형태에 따른 광학 기판 PP의 요철 구조면을 구성하는 요철 구조 PP가 홀 구조인 경우의 평면도이다. 도 21 중에 파선으로 나타내는 선분은, 어느 오목부(20b)의 중심과 그 오목부(20b)에 가장 근접하는 오목부의 중심의 거리이며, 상기 설명한 피치 P'를 의미한다. 도 21 중에 나타낸 피치 P'에 상당하는 선분 위치에서의 요철 구조(20)의 단면 모식도를 도시한 것이 도 22A 및 도 22B이다.
도 22는 도 21 중에 나타낸 피치 P'에 상당하는 선분 위치에서의 요철 구조 PP의 단면 모식도이다. 도 22A에 도시하는 것과 같이, 오목부 개구 폭 lcct은 오목부(20b)의 개구 직경으로서 정의되고, 볼록부 꼭대기부 폭 lcvt은, 피치 P'와 오목부 개구 폭 lcct과의 차분치(P'-lcct)로서 정의된다. 도 22B에 도시하는 것과 같이, 볼록부 바닥부 폭 lcvb은, 볼록부(20a)의 바닥부의 폭으로서 정의되고, 오목부 바닥부 폭 lccb은 피치 P'와 볼록부 바닥부 폭 lcvb과의 차분치(P'-lcvb)로서 정의된다.
요철 구조(20)의 볼록부 꼭대기부 폭 lcvt과 오목부 개구 폭 lcct의 비율(lcvt/lcct)은 작을수록 바람직하고, 실질적으로 0이면 가장 바람직하다. 한편, lcvt/lcct=0이란, lcvt=0 nm임을 의미한다. 그러나, 예컨대, 주사형 전자현미경에 의해 lcvt를 측정한 경우라도, 0 nm는 정확하게는 계측할 수 없다. 따라서, 여기서의 lcvt는 측정 분해능 이하인 경우 모두를 포함하는 것으로 한다. 비율(lcvt/lcct)이 3 이하이면, 내부 양자 효율(IQE)을 효과적으로 향상시킬 수 있다. 이것은, 볼록부 꼭대기부 상에서 발생하는 전위가 억제되어, 전위의 분산성이 향상되고, 미시적 및 거시적인 전위 밀도가 저하하기 때문이다. 또한, (lcvt/lcct)가 1 이하임으로써, 광추출 효율(LEE)을 향상시킬 수 있다. 이것은 광학 기판 PP(10)와 제1 반도체층(30)에 의해 제작되는 굴절율 분포가, 발광광으로부터 봤을 때 적절하게 되기 때문이다. 상기 설명한 내부 양자 효율(IQE) 및 광추출 효율(LEE)을 함께 크게 향상시킨다는 관점에서, (lcvt/lcct)는 0.4 이하가 바람직하고, 0.2 이하가 보다 바람직하고, 0.15 이하가 또한 바람직하다.
또, 요철 구조(20)의 오목부(20b)의 바닥부가 평탄면을 지니면, 내부 양자 효율(IQE)을 향상시키는 동시에, 반도체 결정 성막 장치 사이의 차를 작게 할 수 있기 때문에 바람직하다. 반도체 발광 소자에서 내부 양자 효율(IQE)을 향상시키기 위해서는, 반도체 결정층 내부의 전위를 분산화하여, 국소적 및 거시적인 전위 밀도를 감소시킬 필요가 있다. 여기서, 이들의 물리 현상의 초기 조건은, 반도체 결정층을 화학 증착(CVD)에 의해 성막할 때의 핵 생성 및 핵 성장이다. 요철 구조(20)의 오목부(20b)의 바닥부에 평탄면을 지님으로써, 핵 생성을 적합하게 생기게 할 수 있게 되기 때문에, 요철 구조(20)의 밀도에 의한 반도체 결정층 내의 전위 저감 효과를 보다 발현시킬 수 있게 된다. 그 결과, 내부 양자 효율(IQE)을 보다 크게 할 수 있다. 이상의 관점에서, 요철 구조(20)의 볼록부 바닥부 폭 lcvb과 오목부 바닥부 폭 lccb의 비율(lcvb/lccb)은 5 이하이면 바람직하다. 특히, 요철 구조(20)의 오목부 바닥부를 기준면으로 한 반도체 결정층의 성장을 보다 촉진한다는 관점에서, (lcvb/lccb)는 2 이하가 보다 바람직하고, 1 이하가 가장 바람직하다.
또한, 볼록부 꼭대기부 폭 lcvt은 볼록부 바닥부 폭 lcvb보다도 작은 형상이면, 상기 설명한 비율(lcvt/lcct) 및 비율(lcvb/lccb)을 동시에 만족하기가 용이하게 되고, 이 때문에, 이미 설명한 메커니즘에 의해, 내부 양자 효율(IQE)과 광추출 효율(LEE)을 동시에 크게 할 수 있다.
또한, 요철 구조(20)는, 도트 구조이면 볼록부 꼭대기부 폭 lcvt 및 볼록부 바닥부 폭 lcvb의 제어가 용이하게 되고, 비율(lcvt/lcct) 및 비율(lcvb/lccb)을 동시에 만족하기가 용이하게 되며, 이 때문에, 이미 설명한 메커니즘에 의해, 내부 양자 효율(IQE)과 광추출 효율(LEE)을 동시에 크게 할 수 있다.
<듀티>
듀티는 볼록부 바닥부 폭 lcvb과 피치 P'의 비율(lcvb/P')로 나타낸다. 광추출 효율(LEE)의 관점에서는, 듀티는 클수록, 즉 1에 점근할수록 바람직하고, 내부 양자 효율(IQE)의 관점에서, 듀티는 소정치 이하인 것이 바람직하다. 여기서, 듀티는 0.95 이하인 것이 바람직하다. 이 0.95 이하를 만족함으로써, 반도체 결정층의 핵의 생성 및 성장성이 유지되기 때문이다. 또한, 반도체 결정층 성막시의 핵의 생성을 양호하게 하여, 내부 양자 효율(IQE)을 향상시킨다는 관점에서, 0.03 이상 0.83 이하이면 바람직하다. 0.03 이상임으로써, 반도체 결정층의 결정 모드를 흐트러뜨리는 효과가 커져, 내부 양자 효율(IQE)을 개선할 수 있는 동시에, 볼록부의 체적이 커지므로 도파 모드를 흐트러뜨리는 효과가 커져 광추출 효율(LEE)을 향상시킬 수 있다. 같은 효과를 위해, 비율(lcvb/P')은 0.17 이상인 것이 보다 바람직하고, 0.33 이상인 것이 가장 바람직하다. 한편, 0.83 이하임으로써, 반도체 결정층의 화학 증착에 있어서의 핵 생성 및 핵 성장을 양호하게 행할 수 있게 되어, 내부 양자 효율(IQE)을 높일 수 있다. 같은 효과를 위해, 비율(lcvb/P')은 0.73 이하가 보다 바람직하고, 0.6 이하인 것이 가장 바람직하다.
<종횡비>
요철 구조(20)가 도트 구조인 경우, 종횡비는, 상기 설명한 lcvb를 이용하여, 요철 구조(20)의 높이 H/lcvb로서 정의된다. 한편, 요철 구조(20)가 홀 구조인 경우, 종횡비는, 상기 설명한 lcct를 이용하여, 요철 구조(20)의 깊이 H/lcct로서 정의된다. 평균 종횡비는, 종횡비를 10점 이상 평균(상가 평균)한 값으로서 정의한다. 평균 종횡비는 0.1 이상 3 이하인 것이 바람직하다. 평균 종횡비가 0.1 이상임으로써, 제1 반도체층(30)의 성장 모드를 흐트러뜨릴 수 있게 되기 때문에, 전위 밀도가 감소하여, 내부 양자 효율(IQE)을 향상시킬 수 있다. 특히, 모양(X)의 명암의 차를 크게 하여, 광추출 효율(LEE)을 향상시킨다는 관점에서, 평균 종횡비는 0.3 이상인 것이 바람직하고, 0.5 이상인 것이 보다 바람직하고, 0.6 이상인 것이 가장 바람직하다. 한편, 3 이하임으로써, 제1 반도체층(30)의 성막량을 감소시켜, 성막 시간을 단축할 수 있다. 특히, 2 이하임으로써, 제1 반도체층(30)의 성장에 따른 크랙의 발생을 억제할 수 있기 때문에 바람직하다. 같은 효과를 위해, 1.5 이하인 것이 보다 바람직하고, 1.2 이하인 것이 가장 바람직하다.
<볼록부 바닥부 외접원 직경 φout, 볼록부 바닥부 내접원 직경 φin>
도 23은 본 실시형태에 따른 광학 기판 PP를 주사형 전자현미경을 사용하여 요철 구조면 측에서 관찰한 경우의 상면상(上面像)을 도시하는 설명도이다. 도 23A~도 23E에, 광학 기판 PP(10)를 주사형 전자현미경을 사용하여 요철 구조면 측에서 관찰한 경우의, 요철 구조(20)의 상면상을 도시했다. 본 실시형태에 따른 광학 기판 PP(10)의 요철 구조(20)의 볼록부는 휜 형상이라도 좋다. 요철 구조(20)를 요철 구조면 측에서 관찰한 경우의 요철 구조(20)의 윤곽(이하, 볼록부 바닥부 윤곽이라고 함)을, 도 23A에서부터 도 23E에 「A」로 나타낸다. 여기서, 볼록부 바닥부 윤곽 A가 진원(眞圓)이 아닌 경우, 볼록부 바닥부 윤곽 A에 대한 내접원과 외접원은 일치하지 않는다. 도 23A 내지 도 23E에서, 내접원을 「B」로 나타내고, 외접원을 「C」로 나타낸다. 볼록부 바닥부 윤곽 A에 대한 내접원 B의 직경을 볼록부 바닥부 내접원 직경 φin이라고 정의한다. 한편, φin은, 내접원 B의 크기가 최대가 될 때의 내접원 B의 직경으로 한다. 한편, 내접원 B는 볼록부 바닥부 윤곽 A보다 내측에 배치되는 원이며, 볼록부 바닥부 윤곽 A의 일부에 접하면서, 볼록부 바닥부 윤곽 A보다 외측으로 비어져 나오지 않는 원이다. 한편, 볼록부 바닥부 윤곽 A에 대한 외접원 C의 직경을 볼록부 바닥부 외접원 직경 φout이라고 정의한다. φout는, 외접원 C의 크기가 최소될 때의 외접원 C의 직경으로 한다. 한편, 외접원 C은, 볼록부 바닥부 윤곽 A보다 외측에 배치되는 원이며, 볼록부 바닥부 윤곽 A의 일부에 접하면서, 볼록부 바닥부 윤곽 A보다 내측으로 침입하지 않는 원이다.
볼록부 바닥부 외접원 직경 φout과 볼록부 바닥부 내접원 직경 φin의 비율(φout/φin)은, 볼록부 바닥부 윤곽 A의 변형을 나타내는 척도이다. 이 비율(φout/φin)이 1 이상 3 이하이면 내부 양자 효율(IQE)의 향상과 광추출 효율(LEE)의 향상을 동시에 실현할 수 있기 때문에 바람직하다. 비율(φout/φin)이 1인 경우, 볼록부 바닥부 윤곽 A는 진원이 된다. 이 경우, 요철 구조(20)를 설계할 때, 광학 시뮬레이션을 적합하게 작용시킬 수 있게 되기 때문에, 반도체 발광 소자의 설계가 용이하게 된다. 나아가서는, 반도체 결정층의 성장 속도의 균등성이 향상되기 때문에, 내부 양자 효율(IQE)이 보다 향상되는 동시에, 반도체 발광 소자의 결손율이 저하된다. 광추출 효율(LEE)을 향상시킨다는 관점에서는, 비율(φout/φin)은 1을 넘으면 바람직하다. 한편, 비율(φout/φin)이 3 이하임으로써, 내부 양자 효율(IQE)을 향상시킬 수 있다. 비율(φout/φin)이 큰 것은, 볼록부 바닥부의 직경이 진원으로부터 크게 휘고 있음을 의미한다. 즉, 상기 설명한, 볼록부 바닥부 폭 lcvb 및 오목부 바닥부 폭 lccb이 측정하는 방향에 따라 변화하는 것을 의미한다. 특히 오목부 바닥부 폭 lccb은, 반도체 결정층의 성장의 기준면으로서 중요하기 때문에, 상기 설명한 범위를 만족할 필요가 있다. 이러한 관점에서, 비율(φout/φin)은 3 이하이면 바람직하고, 2 이하이면 보다 바람직하고, 1.5 이하인 것이 가장 바람직하다.
<볼록부 측면 경사각 Θ>
볼록부 측면의 경사 각도 Θ는, 상기 설명한 요철 구조(20)의 형상 파라미터로부터 결정된다. 특히, 볼록부 꼭대기부에서 볼록부 바닥부를 향해 다단계로 경사 각도가 변화되면 바람직하다. 예컨대, 볼록부 측면이 위로 팽창된 변곡점이 하나의 곡선을 그리는 경우, 경사 각도는 2개가 된다. 이러한 다단계의 경사 각도를 지님으로써, 제1 반도체층(30) 내에 발생하는 크랙을 억제할 수 있다. 또한, 광학 기판 PP(10)와 반도체 결정층의 재질에 의해, 볼록부 측면의 경사 각도를, 볼록부 측면으로 나오는 결정면에서 선정할 수도 있다. 이 경우, 반도체 결정층의 성장성이 양호하게 되기 때문에, 보다 내부 양자 효율(IQE)을 높일 수 있다고 생각된다.
한편, 요철 구조(20)가 복수의 오목부(20b)로 구성되는 경우, 상기 「볼록부 바닥부」라는 표현을 「오목부 개구부」라고 바꿔 읽을 수 있다.
이상 설명한 것과 같이, 광학현미경에 의해 관찰되는 모양(X)은, 요철 구조(20)의 요소의 차이에 의해 형성되는 유효 굴절율(Nema)의 분포에 의해 그려진다고 추정되며, 요철 구조(20)의 요소를 파라미터로 잡아 변화시킴으로써, 실제로 모양(X)을 그리는 것을 실증할 수 있었다. 여기서, 유효 굴절율(Nema)의 변화를 일으키는 것이 모양(X)을 그리는 본질이라고 생각할 수 있으므로, 모양(X)을 그리는 방법은, 실체로서 존재하는 요철 구조(20)의 형상이나 배열의 차이 외에, 요철 구조(20)를 구성하는 재료의 종류에 의해서도 실현할 수 있다고 생각할 수 있다. 즉, 상기 설명한 요철 구조(20)의 차이를, 요철 구조(20)를 만드는 물질, 특히, 요철 구조(20)를 만드는 물질의 굴절율 혹은 감쇠 계수의 차이로서 파악함에 의해서도 모양(X)을 그리는 것이 가능하다고 생각된다. 특히, 광학 기판 PP(10)를 반도체 발광 소자에 적용하는 것을 생각하면, 요철 구조(20)를 만드는 물질의 굴절율의 차이에 의해 모양(X)을 그리는 것이, 광추출 효율(LEE)을 향상시킨다는 관점에서 바람직하다고 생각된다. 또한, 물질의 굴절율에 의한 차이에 의해 모양(X)을 그리는 것은, 굴절율에 의한 빛의 거동의 정도의 차가 중요하다는 것은 상상하기 어렵지 않다. 이러한 관점에서 계산하면, 요철 구조(20)를 만드는 물질의 굴절율의 차이에 의해 모양(X)을 그리기 위해서는, 굴절율의 차이는 0.07 이상인 것이 바람직하고, 0.1 이상인 것이 보다 바람직하다. 이에 따라, 빛의 반사율을 증가시킬 수 있기 때문이다. 특히, 반사율을 보다 크게 하여, 모양(X)의 명암의 차를 강하게 한다는 관점에서, 상기 굴절율의 차이는 0.5 이상인 것이 보다 바람직하다고 추정된다. 한편, 상기 굴절율의 차이는 클수록 바람직하며, 1.0 이상인 것이 가장 바람직하다.
이어서, 본 실시형태에 따른 광학 기판 PP(10)의 제조 방법에 관해서 설명한다. 본 실시형태에 따른 광학 기판 PP(10)는, 상기 설명한 조건을 만족한 요철 구조(20)를 구비하면, 그의 제조 방법은 한정되지 않으며, 전사법, 포토리소그래피법, 열리소그래피법, 전자선묘화법, 간섭노광법, 나노 입자를 마스크로 한 리소그래피법, 자기 조직화 구조를 마스크로 한 리소그래피법 등에 의해 제조할 수 있다. 특히, 광학 기판 PP(10)의 요철 구조(20)의 가공 정밀도나 가공 속도의 관점에서, 전사법을 채용하면 바람직하다.
여기서 전사법이란, 표면에 미세 구조가 관찰되는 몰드의, 미세 구조를 피처리체(요철 구조(20)를 제작하기 전의 광학 기판 PP(10))에 전사하는 공정을 포함하는 방법으로서 정의한다. 여기서, 몰드의 미세 구조의 배열은, 상기 설명한 요철 구조(20) 및 모양(X)의 배열와 마찬가지이다. 또한, 몰드는, 예컨대 이하에 설명하는 <<광학 기판 PC>>에 기재한 수법에 의해, 원통형 마스터 몰드를 제조하고, 이 원통형 마스터 몰드의 패턴을 전사함에 의해서도 제조할 수 있다. 즉, 몰드의 미세 구조와 피처리체를 전사재를 통해 접합하는 공정과, 몰드를 박리하는 공정을 적어도 포함하는 방법이다. 보다 구체적으로, 전사법은 2개로 분류할 수 있다.
첫째로, 피처리체에 전사 부여된 전사재를 영구제로서 사용하는 경우이다. 예컨대, 주면이, 사파이어, 실리콘, 탄화규소, 질화갈륨 또는 투명 도전막(ITO 등) 중 어느 것인 기판 본체의 주면 상에, SiO2, ITO, ZnO, TiO2 또는 SnO 등을 주성분으로 하는 영구제를 부여할 수 있다. 이 경우, 광학 기판 PP(10)의 본체와 요철 구조(20)를 구성하는 재료는 다르게 된다. 또한, 요철 구조(20)는 영구제로서 남아, 반도체 발광 소자로서 사용되는 것을 특징으로 한다. 반도체 발광 소자는, 수만 시간이라는 장기간에 걸쳐 사용함으로써, 전사재를 영구제로서 사용하는 경우, 전사재를 구성하는 재료는, 금속 원소를 포함하면 바람직하다. 특히, 가수분해 및 중축합 반응을 일으키는 금속 알콕시드나 금속 알콕시드의 축합체를 원료에 포함함으로써, 영구제로서의 성능이 향상되기 때문에 바람직하다. 한편, 전사재에 2 이상의 재료를 혼합한 것을 사용하여, 이들 재료의 굴절율의 차를 설계하는 동시에, 상 분리를 이용함으로써, 상기 설명한 요철 구조(20)를 만드는 물질의 굴절율의 차이에 의한 모양(X)의 묘화가 가능하다고 생각된다.
둘째로, 나노 임프린트 리소그래피법을 들 수 있다. 나노 임프린트 리소그래피법은, 몰드의 미세 구조의 배열을 피처리체 상에 전사하는 공정과, 에칭에 의해 피처리체를 가공하기 위한 마스크를 설치하는 공정과, 피처리체를 에칭하는 공정을 포함하는 방법이다. 예컨대, 전사재를 1 종류 이용하는 경우, 우선 피처리체와 몰드를 전사재를 통해 접합한다. 이어서, 열이나 빛(UV)에 의해 전사재를 경화시켜, 몰드를 박리한다. 전사재로 구성되는 요철 구조에 대하여 산소 애싱으로 대표되는 에칭을 하여, 피처리체를 부분적으로 노출시킨다. 그 후, 전사재를 마스크로 하여, 에칭에 의해 피처리체를 가공한다. 이때의 가공 방법으로서는, 드라이 에칭과 웨트 에칭을 채용할 수 있다. 요철 구조(20)의 높이를 높게 하고 싶은 경우는 드라이 에칭이 유용하다. 또한, 예컨대 전사재를 2 종류 이용하는 경우, 우선 피처리체 상에 제1 전사재층을 성막한다. 이어서, 제1 전사재층과 몰드를 제2 전사재를 통해 접합한다. 그 후, 열이나 빛(UV)에 의해 전사재를 경화시켜, 몰드를 박리한다. 제2 전사재로 구성되는 요철 구조에 대하여 산소 애싱으로 대표되는 에칭을 하여, 제1 전사재를 부분적으로 노출시킨다. 이어서, 제2 전사재층을 마스크로 하여, 제1 전사재층을 드라이 에칭에 의해 에칭한다. 그 후, 전사재를 마스크로 하여, 에칭에 의해 피처리체를 가공한다. 이때의 가공 방법으로서는 드라이 에칭과 웨트 에칭을 채용할 수 있다. 요철 구조(20)의 높이를 높게 하고 싶은 경우는 드라이 에칭이 유용하다.
또한, 전사법으로서 마스크층과 레지스트층을 미리 구비한 나노 가공용 부재인 나노 가공용 시트를 제조하고, 이 시트를 사용하는 방법을 채용할 수 있다. 여기서, 나노 가공용 시트란, 몰드의 미세 구조의 오목부 내부에 마스크층을 충전 배치하고, 마스크층이 충전된 몰드의 미세 구조면 상에, 미세 구조를 평탄화하도록 레지스트층을 성막한 시트이다. 나노 가공용 시트를 피처리체에 접합하는 공정과, 몰드를 박리하는 공정을 적어도 이 순서로 포함함으로써, 피처리체/레지스트층/마스크층으로 구성되는 적층체를 얻을 수 있다. 얻어진 적층체의 마스크층면 측에서 제1 드라이 에칭 처리를 하여, 부분적으로 피처리체를 노출시킨다. 여기서, 제1 드라이 에칭 처리로서, 산소를 사용한 산소 애싱을 채용할 수 있다. 이어서, 드라이 에칭 혹은 웨트 에칭에 의해 피처리체를 나노 가공할 수 있다. 특히, 드라이 에칭을 채용함으로써, 피처리체 상에 종횡비가 높은 나노 구조를 부여할 수 있다. 예컨대, 피처리체가 사파이어 기판인 경우, 드라이 에칭에 사용하는 가스로서, Cl2 가스, BCl3 가스 혹은 Cl2 가스와 BCl3 가스의 혼합 가스를 사용할 수 있다. 또한, 이들 가스에 Ar를 첨가하여도 좋다. 이와 같은 나노 가공용 시트를 사용함으로써, 피처리체의 면내 가공 균등성이 향상된다. 나노 가공용 시트를 구성하는 마스크층으로서는, Ti, Si, Zr 등의 금속 원소를 포함할 수 있고, 금속 알콕시드나 실란커플링재를 선정할 수 있다. 또한, 레지스트층으로서는 광경화성 수지나 열경화성 수지를 채용할 수 있다.
이상 설명한 것과 같이, 전사법을 채용함으로써, 몰드의 미세 구조 배열을 피처리체에 반영시킬 수 있기 때문에, 양호한 광학 기판 PP(10)를 얻을 수 있다.
즉, 본 실시형태에 따른 임프린트 몰드는, 몰드 본체와, 상기 몰드 본체의 주면에 형성된 미세 구조를 구비하는, 표면에 상기 미세 구조의 배열이 전사된 광학 기판 PP(10)를 제작하기 위해서 사용하는 몰드로서, 상기 주면 상에 광학현미경에 의해서 10배~5000배의 범위 내의 어느 배율에서 관찰 가능한 모양이 그려져 있는 것, 상기 모양의 간격은, 상기 요철 구조의 피치보다도 큰 것, 및 상기 모양의 광학현미경 상에 있어서, 상기 모양은, 명암의 차에 의해서 제1 영역 및 제2 영역으로 식별할 수 있고, 상기 제1 영역은 복수이면서 상호 간격을 두고 배치되고, 상기 제2 영역은 상기 제1 영역 사이를 잇고 있는 것을 특징으로 한다.
여기서, 미세 구조의 배열은, 상기 요철 구조(20)를 미세 구조로 바꿔 읽은 것을 채용할 수 있다. 특히, 상기 요철 구조(20)에 있어서의 홀 형상 구조가 바람직하다. 또한, 몰드에 관찰되는 모양의 정의는, 상기 설명한 내용에서, 요철 구조(20)를 미세 구조로, 광학 기판 PP(10)를 몰드로 바꿔 읽음으로써 정의할 수 있다. 또한, 광학 기판 PP(10)와 마찬가지로 레이저 광선을 사용한 관찰을 했을 때에, 레이저 광선이 2 이상으로 스플리트되는 것이 바람직하다.
임프린트 몰드의 재질은 특별히 한정되지 않고, 유리, 석영, 사파이어, 니켈, 다이아몬드나, 플렉시블한 수지를 사용할 수 있다. 그 중에서도, 플렉시블한 몰드를 사용함으로써, 몰드의 미세 구조의 전사 정밀도가 향상되고, 광학 기판 PP(10)의 요철 구조 정밀도가 향상되기 때문에 바람직하다. 특히, 전사 정밀도를 보다 향상시킨다는 관점에서, 불소 수지, 실리콘 수지, 불소를 함유하는 수지, 메틸기를 포함하는 수지 중 어느 것으로 구성되는 것이 가장 바람직하다.
반도체 발광 소자를 제조하는 경우, 본 실시형태에 따른 광학 기판 PP(10)를 준비하는 공정과, 광학 기판 PP(10)에 대하여 광학 검사를 하는 공정과, 광학 기판 PP(10)를 사용하여 반도체 발광 소자를 제조하는 공정을 이 순서로 포함하면 바람직하다.
이미 설명한 것과 같이, 본 실시형태에 따른 광학 기판 PP(10)는, 요철 구조(20)에 의해 제작되는 모양(X)을 관찰할 수 있다. 이 때문에, 광학 기판 PP(10)를 준비한 후에 광학 검사를 함으로써, 요철 구조(20) 및 모양(X)의 정밀도를 사전에 파악할 수 있게 된다. 다른 면에서 보면, 전자선을 사용하는 것과 같은 고도의 해석을 하지 않아도, 일반적인 광학현미경 관찰로 요철 구조(20)의 정밀도를 판단할 수 있다. 예컨대, 내부 양자 효율(IQE)과 광추출 효율(LEE)을 동시에 향상시키기 위해서, 사파이어 기판에 요철 구조(20)(모양(X))를 부여한 경우, 그 사파이어 기판에 대하여 광학 검사를 하여, 광학 검사의 산란 성분을 평가함으로써, 요철 구조(20)(모양(X))의 정밀도를 파악할 수 있다. 이 때문에, 사전에, 제작되는 LED 소자의 성능 순위의 목표를 두는 것이 가능하게 된다. 또한, 사용할 수 없는 광학 기판의 선별도 가능하기 때문에, 수율이 향상된다.
여기서 광학 검사는, 광학 기판 PP(10)의 모양(X)의 정의에 사용하는 광학현미경 관찰 외에, 투과 측정 및 반사 측정의 어느 것을 이용하여도 측정할 수 있다. 투과 측정의 경우, 투과광의 산란 성분을 검지하면 된다. 이 때문에, 산란 성분을 직접 평가하여도, 헤이즈(Haze)를 이용하여도 좋다. 특히, 헤이즈의 경우, 공지된 시판되는 장치를 전용할 수 있기 때문에 바람직하다. 헤이즈는, 광원에 의해 조사되어 시료 안을 투과한 빛의 전체 투과율 T 및 시료 중 및 시료 표면에서 확산되어 산란된 빛의 투과율 D로부터 구해지며, 헤이즈치 H=D/T×100로서 정의된다. 이들은 JIS K 7105에 의해 규정되어 있고, 시판되는 탁도계(예컨대, 닛폰덴쇼쿠고교사 제조, NDH-10.025DP 등)에 의해 용이하게 측정할 수 있다. 헤이즈의 본질은, 투과광의 산란 성분이기 때문에, 광학 기판 PP(10)에 대하여 빛을 입사했을 때에, 투과한 빛의 산란 성분을 검지하는 것이라면, 요철 구조(20)와 모양(X)의 관계를 광학 검사로서 정량화할 수 있다. 특히, 입사광은 수직 입사가 아니라, 소정의 각도에 따라 입사시키면 바람직하다.
한편, 반사 측정의 경우, 정반사 성분 및 확산 반사 성분의 어느 것을 이용하여도 좋다. 정반사 성분을 이용함으로써, 요철 구조(20)의 윤곽 형상의 정밀도를 평가할 수 있게 되고, 확산 반사 성분을 이용함으로써, 요철 구조(20)의 체적 분포 정밀도를 평가할 수 있게 된다. 어느 것을 채용할지는, 사용하는 요철 구조(20)와 목적에 따라 적절하게 선택할 수 있다. 또한, 확산 반사 성분과 정반사 성분의 비율이나, (확산 반사 성분-정반사 성분), (확산 반사 성분-정반사 성분)/정반사 성분, (확산 반사 성분-정반사 성분)/확산 반사 성분 등을 사용할 수도 있다.
상기 광학 검사에서는, 광원의 파장을, 요철 구조(20)의 평균 피치 P'ave보다 크게 함으로써, 모양(X)의 효과를 추출할 수 있다. 이것은, 모양(X)의 효과를 순수히 평가하는 것을 의미하기 때문에, 보다 높은 정밀도의 관리가 가능함을 의미한다. 또한, 반사 측정에서도, 출력을 크게 하기 위해서, 사입사로 측정하면 바람직하다.
<<광학 기판 D>>
본 실시형태인 광학 기판 D의 개요에 관해서 설명한다. 이미 설명한 것과 같이 내부 양자 효율(IQE)과 광추출 효율(LEE)의 향상 및 전자 주입 효율(EIE)과 광추출 효율(LEE)의 향상은, 상호 트레이드오프의 관계에 있다. 여기서, 이들의 트레이드오프 관계는, 모두 「나노 오더의 구조」와 「마이크로 오더의 구조」와 같은 오더의 차이에 기인하는 것에 주목했다.
반도체 발광 소자에서는, 나노 오더의 구조에 의해 내부 양자 효율(IQE) 혹은 전자 주입 효율(EIE)을 향상시킬 수 있고, 한편 마이크로 오더의 구조에 의한 광학적 산란성(광산란 혹은 광회절)을 이용하여 광추출 효율(LEE)을 향상시킬 수 있다. 여기서, 빛의 파장보다도 충분히 작은 요철 구조는, 빛으로부터 봤을 때 평균화(유효 매질 근사)되어, 유효 굴절율(Nema)을 갖는 박막으로서 기능한다. 이 때문에, 나노 오더의 요철 구조를 형성하여도, 광학적 산란성은 매우 작아져, 광추출 효율(LEE)의 향상 정도는 한정된다.
여기서, 소정의 사이즈 및 배열을 갖는 요철 구조가 흐트러짐을 포함하는 경우, 광원의 파장이 요철 구조의 크기보다도 충분히 큰 유효 매질 근사 하에서의 광학 검사를 행한 경우라도, 광학적 산란성이 검지되는 것을 발견하여, 주목했다. 이것은, 유효 굴절율(Nema)을 갖는 박막이, 요철 구조의 흐트러짐에 따라서 굴절율의 분포를 갖기 때문에, 빛으로부터 본 경우, 마치 그 굴절율 분포에 따른 매질이 있는 것처럼 보이기 때문이라고 생각된다. 이미 설명한 용어를 이용하면, 실체로서 존재하는 요철 구조에 대하여 흐트러짐을 가함으로써, 빛이 인식 가능한, 실체로서 존재하는 요철 구조보다도 큰 오더의 광학적인 패턴이 생성되기 때문에, 나노 오더의 요철 구조라도 광학적 산란성을 발현한다.
또, 빛의 파장이 요철 구조의 크기와 같은 정도 이하와 같은 유효 매질 근사 하에 없는 요철 구조인 경우, 요철 구조에 흐트러짐을 가함으로써, 요철 구조 하나하나와 같은 미시적 오더에서 생기는 광회절에 복수의 모드를 가할 수 있게 된다고 생각된다. 이 때문에, 수십 마이크로미터 이상과 같은 거시적 오더에서는, 복수의 모드에 의한 광회절의 평균적 광학 거동이 관찰되기 때문에, 광산란성을 발휘하는 것을 알아냈다. 즉, 요철 구조에 흐트러짐을 가함으로써, 도파 모드를 흐트러뜨리는 효과가 큰 광산란성을 이용할 수 있기 때문에, 광추출 효율(LEE)을 보다 향상시킬 수 있게 된다.
즉, 빛으로부터 봤을 때 요철 구조가 충분히 작은 경우라도, 같은 정도~수십배 정도의 요철 구조라도, 흐트러짐을 포함함으로써 광산란성을 발휘할 수 있게 된다. 이 때문에, 흐트러짐이 작은 요철 구조에 따른 기능(요철 구조에 의한 내부 양자 효율(IQE) 혹은 전자 주입 효율(EIE)의 향상)과, 흐트러짐에 의해 새롭게 가해지는 기능(흐트러짐에 의한 광학적 산란성을 이용한 광추출 효율(LEE)의 향상)을 동시에 발현할 수 있게 된다. 특히, 요철 구조에 의한 내부 양자 효율(IQE) 혹은 전자 주입 효율(EIE)의 향상을 유지한 상태에서, 광추출 효율(LEE)을 향상시키기 위해서는, 광학 검사에 있어서의 유효 굴절율(Nema)로서의 분포를 소정의 범위로 하는 것이 중요하다고 생각되며, 이를 위해서는, 요철 구조에 흐트러짐을 가하는 것이 효과적이라는 것을 알아내어, 본 실시형태인 광학 기판 D를 완성하기에 이르렀다.
본 실시형태에서, 「요철 구조가 흐트러짐을 포함한다」에는, 2개의 양태를 생각할 수 있다.
첫 번째 양태는, 요철 구조의 요소의 적어도 하나가 규칙성 또는 균질성을 갖는 동시에, 다른 요철 구조의 요소의 적어도 하나에 불규칙성 또는 불균질성이 있는 경우이다.
두 번째 양태는, 요철 구조가, 요철 구조의 요소의 적어도 하나가 규칙성 또는 균질성을 갖는 주된 부위 외에, 요철 구조의 요소가 주된 부위와 다른 부위(이하, 특이 부위)를 포함하는 것을 말한다.
바꿔 말하면, 본 발명에서 「요철 구조가 흐트러짐을 포함한다」란, 원래의 요철 구조에 따른 기능, 혹은 광학 현상을 발휘하는 볼록부 또는 오목부의 구조 혹은 배열(이하, 기본 구조라고 부름)을 갖는 동시에, 그 기본 구조로부터 어긋난 볼록부 또는 오목부의 구조 혹은 배열이며 기본 구조와는 다른 광학 현상을 발휘하는 것(이하, 특이 구조라고 부름)을 갖는다는 것을 말한다.
전술한 첫 번째 양태에서는, 규칙성 또는 균질성을 갖는 요철 구조의 요소가 기본 구조에 해당하고, 불규칙성을 갖는 요철 구조의 요소가 특이 구조에 해당한다.
또한, 전술한 두 번째 양태에서는, 주된 부위가 기본 구조에 해당하고, 특이 부위가 특이 구조에 해당한다.
여기서 요철 구조의 요소란, 요철 구조의 볼록부 또는 오목부의 구조(치수, 형상 등), 또는 볼록부 또는 오목부의 배열 등을 결정하는 조건이다.
요철 구조의 요소는, 예컨대 이하에 열거하는 것인 것이 바람직하고, 하나라도 2개 이상이라도 좋다. 한편, 이하의 용어는 <광학 기판 PP>에서 이미 설명한 정의에 따른 것이다.
요철 구조의 볼록부의 높이 H,
요철 구조의 볼록부 바닥부의 외경,
요철 구조의 종횡비,
요철 구조의 볼록부 바닥부 외접원 직경 φout,
요철 구조의 볼록부 바닥부 내접원 직경 φin,
요철 구조의 볼록부 바닥부 외접원 φout과 요철 구조의 볼록부 바닥부 내접원 직경 φin의 비율,
요철 구조의 피치 P',
요철 구조의 듀티,
요철 구조의 볼록부의 측면의 경사 각도, 및
요철 구조의 볼록부 꼭대기부의 평탄면의 면적
요철 구조를 만드는 물질의 굴절율
즉, 본 발명의 광학 기판 D는, 표면에 요철 구조 D를 구비하는 광학 기판이며, 요철 구조 D의 평균 피치는 50 nm 이상 1500 nm 이하인 동시에, 요철 구조 D가 흐트러짐을 포함하고, 흐트러짐이 요인이 되는 요철 구조 D의 요소의 분포의 표준 편차 및 상가 평균은, 하기 식(1)의 관계를 만족한다.
0.025≤(표준 편차/상가 평균)≤0.5
(1)
즉, 광학 기판 D의 요철 구조 D는, 상기 예시한 요철 구조 D의 요소의 군에서 선택되는 적어도 1 이상의 요소가, 상기 식(1)을 만족하는 흐트러짐을 갖는 동시에, 요철 구조 D의 평균 피치가 소정의 범위 내에 있는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 우선 요철 구조 D의 평균 피치가 소정의 범위 내에 있으므로, 요철 구조의 밀도를 높일 수 있다. 따라서, <<광학 기판 PP>>에서 설명한 것과 같은 원리에서, 내부 양자 효율(IQE)이 향상된다. 혹은, 반도체 발광 소자의 계면 위치에 요철 구조 D를 형성한 경우라도, 요철 구조 D는 고밀도이므로, 반도체 발광 소자의 각 층의 물성을 손상시키는 일없이 계면의 접촉 면적을 증대시킬 수 있다. 이에 따라, 예컨대, 오믹 접촉성이 양호하게 되어, 전자 주입 효율(EIE)이 향상된다. 여기서, 상기 식(1)으로 표시되는 흐트러짐을 포함하므로, 고밀도의 요철 구조임에도 불구하고, 반도체 발광 소자의 발광광에 대하여 광학적 산란성을 발휘할 수 있게 된다. 따라서, 내부 양자 효율(IQE) 또는 전자 주입 효율(EIE)과, 광추출 효율(LEE)을 동시에 개선할 수 있다.
우선, 본 실시형태에 따른 광학 기판 D를 사용하는 효과에 관해서 개략적으로 설명한다. 반도체 발광 소자를 제조할 때에는, 고밀도의 기본 구조인 요철 구조 D에 의해, 내부 양자 효율(IQE)의 개선, 반도체 결정층에의 크랙 발생의 저감 및 반도체 결정층 사용량의 저감과 같은 효과를 발현한다. 그리고, 반도체 발광 소자를 사용할 때에는, 특이 구조에 의해, 발광광이 인식 가능한 유효 굴절율(Nema)의 분포를 형성하여, 광학적 산란성을 발현시켜, 광추출 효율(LEE)이 개선된다. 반복하여 말하게 되지만, 흐트러짐을 포함하지 않는, 즉 특이 구조를 포함하지 않는 고밀도의 요철 구조를 사용한 경우, 전술한 반도체 발광 소자를 제조할 때의 효과는 발현되지만, 사용할 때의 효과의 발현 정도는 한정된다. 반대로, 광학적 산란성이 큰 체적 변화가 큰 요철 구조를 사용한 경우는, 전술한 반도체 발광 소자를 사용할 때의 효과는 발현되지만, 제조할 때의 효과 정도는 한정된다. 바꿔 말하면, 본 실시형태에 따른 광학 기판 D는, 반도체 발광 소자의 제조시에 발현되는 기능과, 반도체 발광 소자를 사용할 때에 발현되는 기능을, 기본 구조와 특이 구조에 의해, 기능 분리하고 있다. 이에 따라, 종래 동시에 실현하기가 곤란했던, 내부 양자 효율(IQE)과 광추출 효율(LEE)을 동시에 개선할 수 있다.
본 발명의 광학 기판 D를 반도체 발광 소자에 사용함으로써, 내부 양자 효율(IQE) 혹은 전자 주입 효율(EIE)과 광추출 효율(LEE)이 동시에 향상된다. 그 이유는 다음과 같다.
내부 양자 효율(IQE)은, 광학 기판 D의 격자 상수와 반도체 결정층의 격자 상수와의 부정합(격자 부정합)에 의해 발생하는 전위에 의해 감소한다. 여기서, 광학 기판 D의 표면에 전위 밀도와 같은 정도 이상의 밀도를 갖는 고밀도의 요철 구조를 형성한 경우, 반도체 결정층의 결정 성장 모드를 흐트러뜨릴 수 있게 되어, 반도체 결정층 내의 전위를 요철 구조 D에 따라서 분산화할 수 있다. 즉, 미시적으로도 거시적으로도 전위 밀도를 저감할 수 있다. 이 때문에, 내부 양자 효율(IQE)을 향상시킬 수 있게 된다.
전자 주입 효율(EIE)은, 쇼트키 장벽에 의한 컨택트 저항의 증대에 의해 저하한다. 광학 기판 D가, 적어도 2층 이상의 반도체 결정층과 발광 반도체층을 적층하여 구성되는 적층 반도체층을 갖는 반도체 발광 소자의 최표면에 설치됨으로써, 그 표면에 구성되는 투명 도전막 또는 전극 패드와의 접촉 면적이 요철 구조 D의 비표면적에 따라 증대되어, 컨택트 저항을 저감할 수 있다. 이 때문에, 오믹 접촉이 향상되어, 전자 주입 효율(EIE)을 향상시킬 수 있다.
그러나, 내부 양자 효율(IQE)을 향상시키기 위해서도, 전자 주입 효율(EIE)을 향상시키기 위해서도, 나노 오더의 미소한 요철 구조가 필요하게 된다. 요철 구조의 밀도나 비표면적을 향상시킬수록, 발광광의 파장으로부터 본 요철 구조의 크기는 작아지기 때문에, 광학적 산란 효과가 감소한다. 즉, 도파 모드를 흐트러뜨리는 효과가 약해지기 때문에, 광추출 효율(LEE)의 향상 정도가 작아진다.
여기서, 본 발명자들은, 기본이 되는 요철 구조에 흐트러짐을 가함으로써,즉, 기본 구조와 특이 구조를 동시에 포함하는 요철 구조 D를 사용함으로써, 원래의 요철 구조, 즉 기본 구조에 의해 발현되는 기능(고밀도의 요철 구조에 의한 내부 양자 효율(IQE)의 향상 혹은 전자 주입 효율(EIE)의 향상)에, 요철 구조의 흐트러짐, 즉 특이 구조에 따른 새로운 광학 현상(광회절이나 광산란)을 부가할 수 있음을 알아냈다. 즉, 고밀도의 요철 구조에 의해 내부 양자 효율(IQE) 혹은 전자 주입 효율(EIE)을 향상시키고(원래의 기능), 또한, 요철 구조의 흐트러짐에 따른 새로운 광학 현상(광회절 혹은 광산란)을 적용할 수 있게 되기 때문에, 내부 양자 효율(IQE) 혹은 전자 주입 효율(EIE)의 향상을 유지한 상태에서, 광추출 효율(LEE)을 향상시킬 수 있게 된다. 이하, 본 원리에 관해서 실제의 검토를 포함하여 상세히 설명한다.
요철 구조의 크기에 대하여 빛의 파장이 같은 정도 이하인 경우, 광학 현상으로서는 광회절이 생긴다. 한편, 빛의 파장이 충분히 크면 유효 매질 근사적 작용이 기능한다.
전자의 경우, 요철 구조 하나하나와 같은 미시적 오더에서는 광회절이 생기게 되며, 흐트러짐이 실질적으로 없는 요철 구조, 즉 기본 구조만인 경우, 광회절의 모드수가 한정된다. 즉, 도파 모드를 흐트러뜨리는 회절 점수가 한정되게 된다. 한편, 요철 구조가 흐트러짐을 갖는 경우, 즉, 기본 구조에 대하여 특이 구조를 포함한 경우, 흐트러짐에 따라서 광회절의 모드의 수가 증가한다고 생각된다. 즉, 수십 마이크로미터 이상과 같은 거시적 오더로 관찰한 경우, 복수의 광회절 모드에 의한 출광의 평균적 광이 관찰되기 때문에, 흐트러짐을 포함하는 요철 구조는 광산란성을 발휘하게 된다. 이러한 광산란성은 도파 모드를 흐트러뜨리는 효과가 크기 때문에, 광추출 효율(LEE)을 크게 향상시킬 수 있다.
예컨대, 파장이 550 nm인 빛으로부터 봤을 때, 평균 피치 P'ave가 460 nm인 육방 격자형으로 배열된 복수의 볼록부와 오목부로 구성되는 요철 구조는, 평균 피치 P'ave에 따른 광회절을 일으키게 된다. 이 때문에, 눈으로 확인하여 관찰한 결과, 기본이 되는 요철 구조에 의한 회절광에 따른 무지개색의 번쩍임을 관찰할 수 있었다(이하, 「원래의 광학 현상」이라고도 함). 이어서, 상기 요철 구조에 소정의 흐트러짐을 가했다. 이 경우, 기본이 되는 요철 구조에 의한 원래의 광학 현상(광회절 현상)에 더하여, 요철 구조의 흐트러짐, 즉 특이 구조에 따른 산란 성분(이하, 「새로운 광학 현상」이라고도 함)을 더욱 포함하는 것을 확인할 수 있었다. 여기서, 평균 피치 P'ave와 같은 정도이며 광회절을 일으키는 파장(예컨대, 550 nm)의 빛을 이용하여 광학 검사한 결과, 특이 구조를 실질적으로 포함하지 않는 요철 구조를 대상으로 한 경우에 비해, 특이 구조를 포함하는 요철 구조를 대상으로 한 경우의 산란성(헤이즈 및 확산 반사 강도)이 보다 강하게 되는 것이 확인되었다. 이것은, 파장 550 nm의 빛으로부터 본 경우, 요철 구조의 볼록부는 회절점으로서 기능하는데, 기본 구조는, 볼록부의 배열 규칙성 또는 볼록부의 윤곽 형상의 균등성이 높기 때문에, 회절 모드수는 배열에 의해 한정된다. 한편, 요철 구조에 흐트러짐을 포함하는 경우, 특이 구조에 따라 회절 모드수는 증대되고, 또한 분산을 포함하기 때문이라고 생각된다. 예컨대, 평균 피치 P'ave가 300 nm인 복수의 볼록부가 정육방 격자형으로 배열된 사파이어 기판(기본 구조)에 대한 헤이즈는, 평균 피치 P'ave가 300 nm인 복수의 볼록부가 정육방 격자형으로 배열되면서, 1%의 비율로 분산된 높이가 0 nm인 볼록부(특이 부위)를 포함하는 사파이어 기판의 헤이즈의 0.5배였다.
또, 460 nm의 평균 피치 P'ave에 대하여, ±10%의 변조를 주기 4600 nm에서 가한 경우, 즉, 피치 P'가 414 nm~506 nm 사이에서 단계적으로 변화되고, 그 주기가 4600 nm인 특이 구조를 포함하는 경우, 새로운 광학 현상인 산란 성분이 회절 격자에 다가가는 것이 확인되었다. 즉, 눈으로 보아 관찰을 하면, 평균 피치 P'ave에 따른 원래의 광학 현상(회절점에 의한 광회절)에 의한 무지개색의 번쩍임에 더하여, 피치 P'의 분포에 의해 제작되는 회절 격자에 다가가는 새로운 광학 현상(회절 격자에 의한 광회절)을 더욱 관찰할 수 있었다. 이 때문에, 백색의 형광등을 비춰 보아 관찰한 경우, 평균 피치 P'ave에 따른 번쩍거림 중에, 회절 격자에 의한 빛의 스플리트 현상을 새롭게 관찰할 수 있었다. 또한, 상기 <광학 기판 PP>에서 설명한 레이저 광선의 스플리트 현상도 관찰할 수 있었다. 특히, 상기 피치 P'의 변조를 일차원 방향으로만 생기게 한 경우에는, 출광하는 레이저 광선의 스플리트는, 어느 하나의 축 상에 배열되고, 2차원 방향으로 생기게 한 경우는, 60도의 회전각을 이루는 3개의 축 상에 배열되는 것이 확인되었다.
또, 평균 피치 P'ave가 460 nm인 육방 배열형 패턴(기본 구조)에 대하여 1%의 비율로 요철 구조의 볼록부가 결락된 요철 구조(특이 부위)를 제작한 바, 그 볼록부(특이 부위)가 산란점으로서 기능한다고 생각되며, 새로운 광학 현상으로서 산란성이 확인되었다. 즉, 눈으로 보아 관찰을 하면, 평균 피치 P'ave에 따른 원래의 광학 현상(광회절)에 의한 번쩍임에 더하여, 산란점에 따른 새로운 광학 현상(광산란)을 관찰할 수 있었다. 이 때문에, 원래의 광학 현상인 광회절에 의한 번쩍임은, 새로운 광학 현상인 산란에 의해 완화되어, 흐려짐을 동반하고 있었다.
흐트러짐이 실질적으로 없는 요철 구조, 즉 기본 구조만인 경우, 균등한 유효 굴절율(Nema)이 형성되므로, 광학적 산란성은 끝없이 작아진다. 한편, 요철 구조가 흐트러짐을 갖는 경우, 즉, 기본 구조에 대하여 특이 구조를 포함한 경우, 유효 굴절율(Nema) 내에 요철 구조의 흐트러짐에 따른 분포를 더할 수 있게 된다고 생각된다. 이 때문에, 빛은, 마치 그 분포에 따른 외형을 갖는 유효 굴절율(Nema)을 갖는 매질이 존재하는 것처럼 행동하기 때문에, 그 분포에 따른 광학 현상(광회절 혹은 광산란)을 새롭게 발현할 수 있게 되어, 광추출 효율(LEE)을 향상시킬 수 있다. 뒤집어 생각하면, 요철 구조의 흐트러짐은, 광학적 산란 성분으로서 나타난다는 것을 의미하고 있다.
예컨대, 파장이 550 nm인 빛으로부터 봤을 때, 평균 피치 P'ave가 200 nm인 육방 격자형으로 배열된 복수의 볼록부 및 오목부로 구성되는 기본 구조는, 유효 매질 근사적 작용에 의해 평균화된다. 이 요철 구조를 투명한 기판 상에 형성하여, 눈으로 보아 관찰한 바, 반사광이 매우 적은 투명한 기판을 관찰할 수 있었다. 이것은 일반적으로 무반사막이나 모스아이 구조라고 불리는 것이다. 이것은, 빛의 파장보다 충분히 작은 요철 구조는, 유효 매질 근사 작용에 의해, 빛으로부터 봤을 때 평균화되기 때문이다. 여기서, 상기 요철 구조가 흐트러짐을 포함하는 경우, 광학 현상(반사 방지 효과)에 더하여, 새로운 광학 현상으로서 산란 성분을 더욱 포함하는 것을 확인했다. 즉, 특이 구조를 실질적으로 포함하지 않는 요철 구조에 대하여, 평균 피치 P'ave보다도 충분히 큰 파장(예컨대, 550 nm)의 빛을 이용하여 광학 검사를 행한 결과, 산란 성분이 매우 작아지는 것이 확인되었다. 이것은, 유효 매질 근사 작용이 기능하여, 유효 굴절율(Nema)을 갖는 박막에 대한 광학 검사와 동등하게 되기 때문이라고 생각된다. 한편, 특이 구조를 포함하는 요철 구조를 측정 대상으로 함으로써, 산란 성분이 증가하는 것이 확인되었다. 이것은, 유효 굴절율(Nema)에 특이 구조에 따른 분포가 더해지기 때문에, 요철 구조의 흐트러짐에 따른 외형을 갖는 유효 굴절율(Nema)의 매질을 측정하고 있는 것처럼 광학 검사에 사용하는 빛은 거동하기 때문이라고 생각된다. 예컨대, 평균 피치 P'ave가 200 nm인 정육방 격자형으로 배열된 볼록부(기본 구조)에 대한 헤이즈는, 평균 피치 P'ave가 200 nm이며 육방 격자와 사방 격자 사이의 배열을 랜덤하게 포함하는 볼록부(특이 구조를 포함하는 요철 구조)에 대한 헤이즈에 대하여, 0.89배였다.
또, 파장 750 nm의 측정광에 대한 정반사 강도는, 평균 피치 P'ave가 200 nm인 정육방 격자형으로 배열된 볼록부(기본 구조)에 대한 경우는, 평균 피치 P'ave가 200 nm이며 육방 격자와 사방 격자를 랜덤하게 포함하는 볼록부(특이 구조를 포함하는 요철 구조)에 대한 경우의 0.31배였다.
또, 200 nm의 평균 피치 P'ave에 대하여 ±10%의 변조를 주기 1600 nm로 가한 경우, 즉, 피치가 180 nm~220 nm 사이에서 단계적으로 변화되고, 그 주기가 1600 nm인 특이 구조를 포함하는 요철 구조인 경우, 새로운 광학 현상인 산란 성분이 회절 격자에 다가가는 것이 확인되었다. 즉, 눈으로 보아 관찰한 바, 평균 피치 P'ave에 따른 원래의 광학 현상(반사 방지)에 의한 투명한 기판 중에, 유효 굴절율(Nema)에 의해 제작된다고 생각되는 회절 격자에 다가가는 새로운 광학 현상(회절 격자에 의한 광회절)을 더욱 관찰할 수 있었다. 이 때문에, 평균 피치 P'ave에 따른 투명체 중에, 유효 굴절율(Nema)에 의해 제작되는 회절 격자에 의한 빛의 스플리트 현상을 관찰할 수 있었다. 또한, 상기 <광학 기판 PP>에서 설명한 레이저 광선의 스플리트 현상도 관찰할 수 있었다. 특히, 상기 피치 P'의 변조를 일차원 방향으로만 생기게 한 경우에는, 출광하는 레이저 광선의 스플리트는, 어느 하나의 축 상에 배열되고, 2차원 방향으로 생기게 한 경우는, 60도의 회전각을 이루는 3개의 축 상에 배열되는 것이 확인되었다.
또, 평균 피치 P'ave가 200 nm의 기본이 되는 요철 구조에 대하여, 볼록부 직경이 100 nm~125 nm인 범위에서 불규칙한 분포를 갖는 특이 구조를 포함하는 요철 구조를 제작한 바, 새로운 광학 현상에 의한 산란 성분이 산란점으로서 관찰되었다. 즉, 눈으로 보아 관찰한 바, 평균 피치 P'ave에 따른 원래의 광학 현상(반사 방지)에 의한 투명한 기판 중에, 유효 굴절율(Nema)에 의해 제작된다고 추정되는 산란점에 따른 새로운 광학 현상(광산란)을 관찰할 수 있었다. 이 때문에, 원래의 광학 현상인 반사 방지에 의한 투명체 중에, 새로운 광학 현상인 산란에 의한 흐려짐을 관찰할 수 있었다.
전술한 것과 같이, 요철 구조의 형상이나 배열에 흐트러짐을 가함, 즉 요철 구조에 특이 구조를 포함함으로써, 요철 구조의 흐트러짐에 따른 새로운 광학 현상을 부가할 수 있음이 판명되었다. 즉, 원래 도파 모드를 충분히 흐트러뜨릴 수 없는 고밀도의 요철 구조라도, 흐트러짐을 포함함으로써, 흐트러짐에 따른 새로운 광학 현상(광회절이나 광산란)을 발현할 수 있게 되기 때문에, 내부 양자 효율(IQE) 혹은 전자 주입 효율(EIE)을 유지한 상태에서, 광추출 효율(LEE)을 향상시킬 수 있게 된다. 바꿔 말하면, 원래라면 도파 모드를 충분히 흐트러뜨릴 수 없는 고밀도의 요철 구조라도, 흐트러짐에 의해 강한 광학적 산란성을 발현하므로, 고밀도의 요철 구조에 의해 내부 양자 효율(IQE) 혹은 전자 주입 효율(EIE)을 개선하고, 동시에, 새롭게 부가한 강한 광학적 산란성에 의해 광추출 효율(LEE)을 개선할 수 있다.
이상 설명한 것과 같이, 반도체 발광 소자에 있어서, 고밀도의 요철 구조에 의해 내부 양자 효율(IQE) 혹은 전자 주입 효율(EIE)을 향상시키면서, 광추출 효율(LEE)을 동시에 향상시키기 위해서는, 규칙성 또는 균질성이 높은 요철 구조의 기본 구조에 대하여, 광학적 산란 성분을 새롭게 부가하는 것이 본질이다. 즉, 요철 구조를 구비하는 광학 기판에 대한 광학 검사를 하여, 헤이즈나 확산 반사 강도와 같은 산란 성분을 검지함으로써, 반도체 발광 소자의 광추출 효율(LEE)의 향상에 알맞은 요철 구조의 흐트러짐을 결정할 수 있다. 여기서, 반도체 발광 소자에 적용하는 요철 구조의 평균 피치 P'ave를 고정한 경우, 요철 구조의 흐트러짐 효과는 광학적 투과 측정 혹은 광학적 반사 측정에 의해 판단할 수 있다. 특히, 광학적 투과 측정에서는 투과광의 산란 성분이나, 헤이즈(Haze)의 값을 적합하게 이용할 수 있고, 광학적 반사 측정에서는, 정반사 성분, 확산 반사 성분 및 이들의 차분치나 비율을 적합하게 이용할 수 있다. 한편, 요철 구조의 흐트러짐에 의한 효과만을 추출하는 경우, 요철 구조를 유효 매질 근사화하여 광학 검사를 할 필요가 있다. 즉, 광학 측정 파장 λ을, 요철 구조의 평균 피치보다도 큰 값으로 하여 결정할 필요가 있다. 이와 같이, 유효 매질 근사화한 상태에서 광학 검사를 함으로써, 요철 구조의 흐트러짐에 기인하는 산란 성분을 정량화할 수 있다.
본 발명자들은, 상기 설명한 시점에서 검토를 하여, 내부 양자 효율(IQE) 혹은 전자 주입 효율(EIE)의 향상을 유지한 상태에서의 광추출 효율(LEE)의 향상 정도를 측정하고 또한 FDTD법에 의한 시뮬레이션을 한 결과, 요철 구조의 흐트러짐의 종류는 특별히 한정되지 않고, 요철 구조의 흐트러짐에 따른 광학적 산란 성분의 크기가 중요하다는 것을 알아냈다. 즉, 본 실시형태에 따른 광학 기판 D의 요철 구조 D는, 요철 구조에 대한 광학적 산란 성분에 의해, 특히, 요철 구조를 유효 매질 근사화할 수 있는 광학 측정 파장 λ을 사용하여 광학 검사를 했을 때의 산란 성분에 의해 결정할 수 있다. 즉, 흐트러짐을 발현시키기 위한 요철 구조의 요소가 중요한 것이 아니라, 흐트러짐의 정도를 나타내는 산란 성분의 강도가 중요하다는 것을 알아냈다. 또한, 이 산란 성분의 강도는, 요철 구조의 요소에 대한 변동 계수에 양의 상관을 보이는 것을 알아냈다. 나아가서는, 요철 구조의 소정의 요소에 대한 흐트러짐을 이용함으로써, 내부 양자 효율(IQE) 혹은 전자 주입 효율(EIE)과 광추출 효율(LEE)을 동시에 향상시키는 것에 대하여, 보다 현저한 효과가 있음을 알아냈다.
우선, 광학 기판 D의 기판 본체에 관해서 설명한다. 본 실시형태에 따른 광학 기판 D의 기판 본체는, <<광학 기판 PP>>에서 설명한 광학 기판의 본체를 사용할 수 있다. 이 때문에, 반도체 발광 소자의 표면 혹은 계면에 대하여, 요철 구조 D를 형성하도록 적절하게 기판 본체의 구성을 변경할 수 있다.
본 실시형태에 따른 광학 기판 D를 사용한 반도체 발광 소자의 구성으로서는, <<광학 기판 PP>>에서 설명한 것을 채용할 수 있다. <<광학 기판 PP>>에서 설명한 반도체 발광 소자에 관해 보다 구체적으로 설명한다. 도 24는 본 실시형태에 따른 광학 기판 D를 적용한 반도체 발광 소자의 단면 모식도이다. 도 24에 도시하는 것과 같이, 반도체 발광 소자(600)에 있어서는, 광학 기판 D(601)의 일 주면 상에 형성된 요철 구조층(602) 상에 n형 반도체층(603), 발광 반도체층(604) 및 p형 반도체층(605)이 순차 적층되어 있다. 한편, p형 반도체층(605) 상에는 투명 도전막(606)이 형성되어 있다. 또, n형 반도체층(603) 표면에 캐소드 전극(607)이, 투명 도전막(606) 표면에 애노드 전극(608)이 각각 형성되어 있다. 한편, 광학 기판 D(601) 상에 순차 적층된 n형 반도체층(603), 발광 반도체층(604) 및 p형 반도체층(605)을 적층 반도체층(610)이라고 부른다.
도 24에서는, 광학 기판 D(601)이, 예컨대, 사파이어, 탄화규소(SiC), 실리콘(Si) 또는 질화갈륨(GaN) 등인 경우를 상정하여 도면을 그리고 있지만, <<광학 기판 PP>>에서 설명한 것과 같이, 예컨대, 투명 도전막(606)의 표면, 투명 도전막(606)과 p형 반도체층(605)과의 계면 등에도 요철 구조 D를 형성할 수 있다. 그 효과에 관해서는 <<광학 기판 PP>>에서 도 6을 참조하여 설명한 것과 같다.
한편, 도 24에서는, 광학 기판 D(601)의 일 주면 상에 형성된 요철 구조층(602) 상에 반도체층(603, 604, 605)을 순차 적층하고 있지만, 광학 기판 D(601)의 요철 구조층(602)이 형성된 면과 마주 대하는 다른 일 주면 상에 반도체층을 순차 적층하여도 좋다.
도 25 및 도 26은, 본 실시형태에 따른 광학 기판 D를 적용한 반도체 발광 소자의 다른 일례의 단면 모식도이다. 도 25에 도시하는 것과 같이, 반도체 발광 소자(700)에 있어서, 기판(701) 상에는, n형 반도체층(702), 발광 반도체층(703) 및 p형 반도체층(704)이 순차 적층되어 있다. 또, p형 반도체층(704) 상에는, p형 반도체층(704)과 접하는 일 주면 상에 요철 구조층(705)을 갖는다. 또, n형 반도체층(702) 표면에 캐소드 전극(707)이, 투명 도전막(706) 표면에 애노드 전극(708)이 각각 형성되어 있다. 한편, 반도체 발광 소자(700)에서는, 투명 도전막(706) 혹은 기판(701)/n형 반도체층(702)/발광 반도체층(703)/p형 반도체층(704)으로 이루어지는 적층체를, 본 실시형태에 따른 광학 기판 D로서 설정할 수 있다.
도 25에서는, 투명 도전막(706)의 요철 구조층(705)이 형성되는 주면은, p형 반도체층(704)과 인접하고 있지만, p형 반도체층(704)과 마주 대하는 주면에 형성하여도 좋다.
도 26에 도시하는 것과 같이, 반도체 발광 소자(800)에서는, 기판(801) 상에 n형 반도체층(802), 발광 반도체층(803) 및 발광 반도체층(803)과 마주 대하는 주면 상에 요철 구조층(805)이 형성된 p형 반도체층(804)이 순차 적층되어 있다. 기판(801)의 n형 반도체층(802)과 접하는 주면과는 반대측의 주면에 캐소드 전극(806)이, p형 반도체층(804) 표면에 애노드 전극(807)이 각각 형성되어 있다. 한편, 반도체 발광 소자(800)에서는, 예컨대, p형 반도체층(804), 또는 기판(801)/n형 반도체층(802)/발광 반도체층(803)/p형 반도체층(804)으로 이루어지는 적층체를, 본 실시형태에 따른 광학 기판 D로서 설정할 수 있다.
도 24~도 26에 도시한 반도체 발광 소자(600, 700, 800)는, 본 실시형태에 따른 광학 기판 D를, 더블 헤테로 구조의 반도체 발광 소자에 적용한 예이지만, 적층 반도체층의 적층 구조는 이것에 한정되는 것이 아니다. 또, 기판(601, 701, 801)과 n형 반도체층(603, 702, 802) 사이에, 도시하지 않는 버퍼층을 설치하여도 좋다.
본 실시형태에 따른 광학 기판 D의 구성은, <<광학 기판 PP>>에서 도 7을 참조하여 설명한 것과 같다. 즉, 도 7A에 도시하는 것과 같이, 요철 구조(20)(D)는 광학 기판(10)(D)의 적어도 한쪽에 형성되면 되고, 이 요철 구조(20)(D)의 평균 피치가 상기 설명한 범위 내인 동시에, 상기 설명한 것과 같이 요철 구조(20)(D)가 흐트러짐을 포함하고 있으면 된다.
이어서, 본 실시형태에 따른 광학 기판 D의 요철 구조 D의 흐트러짐에 관해서 설명한다.
요철 구조 D의 흐트러짐이 요인이 되는 요소의 분포는, 이미 설명한 것과 같이, 상기 식(1)에 나타내는 (표준 편차/상가 평균)을 갖는다. 식(1)에서, 요철 구조 D의 (표준 편차/상가 평균), 즉 변동 계수는, 요철 구조 D를 구성하는 요소에 대한 값이다. 예컨대, 요철 구조 D가 요소 A, B, C 3개로 구성되는 경우, 요소 A에 대한 표준 편차를 요소 A에 대한 상가 평균으로 나눈 변동 계수라고 하는 것과 같이, 동일한 요소에 대한 표준 편차 및 상가 평균에 대한 비율로서 정의한다. 각 요소에 관해서는 후술한다. 또한, 이하의 설명에서는, 표준 편차를 상가 평균으로 나눈 값을 변동 계수라고도 부른다.
(상가 평균)
어느 요소(변량)의 분포의 N개의 측정치를 x1, x2 …, xn으로 한 경우에, 상가 평균치는 다음 식으로 정의된다.
(표준 편차)
요소(변량)의 분포의 N개의 측정치를 x1, x2 …, xn으로 한 경우에, 상기 정의된 상가 평균치를 사용하여, 다음 식으로 정의된다.
상가 평균을 산출할 때의 샘플 점수 N은 10 이상으로서 정의한다. 또, 표준 편차 산출시의 샘플 점수는, 상가 평균 산출시의 샘플 점수 N과 같게 한다.
또, 변동 계수는, 광학 기판 D의 면내에 있어서의 값이 아니라, 광학 기판 D의 국소적인 부위에 대한 값으로서 정의한다. 즉, 광학 기판 D의 면내에 걸쳐 N점을 계측하여, 변동 계수를 산출하는 것이 아니고, 광학 기판 D의 국소적인 관찰을 하여, 그 관찰 범위 내에서의 변동 계수를 산출한다. 여기서, 관찰에 사용하는 국소적인 범위란, 요철 구조 D의 평균 피치 P'ave의 5배~50배 정도의 범위로서 정의한다. 예컨대, 평균 피치 P'ave가 300 nm라면, 1500 nm~15000 nm의 관찰 범위 중에서 관찰을 한다. 그 때문에, 예컨대 2500 nm의 시야상을 촬상하고, 이 촬상을 사용하여 표준 편차와 상가 평균을 구하여, 변동 계수를 산출한다.
이미 설명한 것과 같이, 요철 구조에 흐트러짐을 가함으로써, 새로운 광학 현상을 불러 일으킬 수 있게 되고, 내부 양자 효율(IQE) 혹은 전자 주입 효율(EIE)의 향상을 유지한 상태에서 광추출 효율(LEE)을 향상시킬 수 있게 된다. 상기 식(1)은, 요철 구조 D가 있는 요소에 대한 규격화된 불균일성을 나타내고 있다. 즉, 상기 설명한 광학 검사에 의해 얻어지는 산란 성분이 적절한 값으로 되는 흐트러짐을 표현하고 있다. 이 때문에, 상기 식(1)의 범위를 만족함으로써, 흐트러짐에 따른 새로운 광학 현상(광회절 혹은 광산란)에 의해 도파 모드를 흐트러뜨릴 수 있게 되어, 광추출 효율(LEE)을 향상시킬 수 있다.
변동 계수는, 요철 구조 D를 구성하는 요소마다 최적치가 존재하는데, 요철 구조 D의 흐트러짐의 요인이 되는 요소에 상관없이 식(1)을 만족함으로써, 광추출 효율(LEE)을 향상시킬 수 있다. 여기서, 하한치는 광추출 효율(LEE) 향상 정도에 따라, 상한치는 내부 양자 효율(IQE) 혹은 전자 주입 효율(EIE)의 향상 유지 정도에 따라 결정했다. 반도체 발광 소자의 제조 조건이나 광학 기판 D의 종류에 대한 영향을 보다 작게 하여, 내부 양자 효율(IQE) 혹은 전자 주입 효율(EIE)의 향상과 광추출 효율(LEE)의 쌍방을 높게 한다는 관점에서, 하한치는 0.03 이상인 것이 보다 바람직하다. 한편 상한치는, 0.35 이하인 것이 바람직하고, 0.25 이하인 것이 보다 바람직하고, 0.15 이하인 것이 가장 바람직하다.
한편, 이하에 설명하는 피치 P', 볼록부 바닥부 외접원 직경 φout, 볼록부 바닥부 외접원 직경 φout/볼록부 바닥부 내접원 직경 φin 및 높이 H의 군에서 선택되는 1 이상의 요소가 상기 식(1)을 만족함으로써, 요철 구조 D의 흐트러짐에 기초한 새로운 광학 현상(광회절 혹은 광산란)의 발현 강도를 크게 할 수 있기 때문에 바람직하다. 즉, 내부 양자 효율(IQE) 혹은 전자 주입 효율(EIE)의 향상을 유지한 상태에서, 광추출 효율(LEE)을 크게 할 수 있다. 이것은, 요철 구조 D의 흐트러짐에 의한 광학적 산란성을 강하게 하기 위해서는, 요철 구조 D의 체적 변화가 중요하기 때문이다. 상기 설명한 요소가 흐트러짐을 가짐으로써 요철 구조 D의 체적 변화를 크게 할 수 있게 되고, 광회절 모드수의 증가 혹은 유효 굴절율(Nema)의 흐트러짐에 대응한 부위에서의 콘트라스트를 크게 할 수 있다. 즉, 광학적 산란성은 커져, 광추출 효율(LEE)을 향상시킬 수 있게 된다. 특히, 피치 P' 및 높이 H에 관해서는, 규칙적인 흐트러짐을 가하는 것도 용이하다. 이 경우, 규칙성이 있는 흐트러짐에 의해, 새로운 광학 현상으로서 광회절을 이용할 수 있게 된다.
요철 구조 D에 대한 흐트러짐은, 특히, 피치 P', 높이 H 또는 볼록부 바닥부 외접원 직경 φout의 흐트러짐을 포함하는 것이 바람직하다. 이것은, 이들 요소의 흐트러짐은, 체적 환산했을 때에 그 값이 커지고, 광학적 산란성에의 기여가 크기 때문이다. 또한, 적어도 피치 P'의 변화를 포함함으로써, 반도체 결정층의 성장시에 생기는 크랙을 억제하는 효과가 커지는 동시에, 광학적 산란 강도가 강해지기 때문에 바람직하다. 또한, 피치 P'와, 높이 H 또는 볼록부 바닥부 외접원 직경 φout의 변화를 적어도 포함함으로써, 반도체 결정층에 대한 전위 밀도 저감 효과와 크랙 억제 효과, 그리고 광추출 효율(LEE)의 향상이 보다 커지기 때문에 바람직하다. 한편, 가장 바람직하게는, 피치 P', 높이 H 및 볼록부 바닥부 외접원 직경 φout의 흐트러짐을 포함하는 경우이다. 이 경우, 전위의 분산화와 전위 밀도의 저감 효과, 크랙 억제 효과, 강한 광학적 산란성 효과가 동시에 보다 개선된다.
한편, 이 경우, 피치 P'와 높이 H 및 피치 P'와 볼록부 바닥부 외접원 직경 φout의 상관 계수가 마이너스임으로써, 크랙 억제 효과가 높아진다. 한편, 피치 P'와 높이 H 및 피치 P'와 볼록부 바닥부 외접원 직경 φout의 상관 계수가 플러스임으로써, 광추출 효율(LEE)의 향상 정도가 보다 커진다. 이에 따라, 내부 양자 효율(IQE)의 개선을 유지한 상태에서, 광추출 효율(LEE)을 보다 향상시킬 수 있다.
광추출 효율(LEE)을 향상시킨다는 관점에서는, 적어도, 피치 P'와 높이 H 또는 피치 P'와 볼록부 바닥부 외접원 직경 φout의 관계는 양의 상관인 것이 바람직하다. 이것은, 이러한 관계를 만족함으로써, 요철 구조 D의 요소의 체적 변화 정도가 커지고, 이에 따라 유효 굴절율(Nema)의 분포에 있어서의 굴절율차가 커져, 광학적 산란성의 강도가 강해지기 때문이다. 특히, 피치 P'가 증가함에 따라, 높이 H 및 볼록부 바닥부 외접원 직경 φout이 증가하는 것이 가장 바람직하다.
한편, 상기 식(1)을 만족하는 범위의 어느 수치를 채용할지는, 광학 기판 D의 표면 상태, 목적에 따라 여러 가지로 선택하여, 최적의 구조를 선택할 수 있다. 예컨대, 내부 양자 효율(IQE)과 광추출 효율(LEE)을 동시에 향상시키는 선택에 있어서, 전위 결함이 비교적 생기기 어려운 광학 기판 D, CVD 장치 또는 CVD 조건을 적용할 수 있는 경우에는, 광산란 효과를 높이기 위해서, 상기 식(1)을 만족하는 범위에서 큰 변동 계수를 채용하면 좋다. 또, 전위 결함이 비교적 많이 생기기 쉬운 광학 기판 D, CVD 장치 또는 CVD 장치 조건인 경우에는, 전위 결함을 저감하여 내부 양자 효율(IQE)을 보다 높이기 위해서, 상기 식(1)을 만족하는 범위에서 작은 변동 계수를 채용하면 좋다.
또, 전자 주입 효율(EIE)과 광추출 효율(LEE)을 동시에 향상시키는 선택에서는, 투명 도전막 또는 전극 패드와 최표층 반도체층의 생성 조건이나 종류에 따라 여러 가지로 선택하여, 최적의 구조를 선택할 수 있다. 예컨대, 비교적 오믹 특성이 좋은 p형 반도체층과 투명 도전막과의 조합인 경우에는, 광산란 효과를 높여 광추출 효율(LEE)을 향상시키기 위해서, 상기 식(1)을 만족하는 범위에서 큰 변동 계수를 채용하면 좋다. 반대로, 오믹 특성이 좋지 않은 경우에는, 접촉 면적 증대에 의한 컨택트 저항의 저감에 의한 전자 주입 효율(EIE)의 향상을 실현하기 위해서, 상기 식(1)을 만족하는 범위에서 작은 변동 계수를 채용하면 좋다.
이어서, 본 실시형태에 따른 광학 기판 D의 요철 구조 D에 관해서 설명한다. 요철 구조 D는, 볼록부 및 오목부를 갖고 있으면, 그 형상이나 배열은 한정되지 않고, <<광학 기판 PP>>에서 설명한 형상이나 배열을 채용할 수 있다. 이것은, 상기 식(1)을 만족함으로써, 광추출 효율(LEE)을, 내부 양자 효율(IQE) 혹은 전자 주입 효율(EIE)의 향상을 유지한 상태에서 크게 할 수 있기 때문이다.
한편, 도트 구조에 있어서의 각 볼록부는 연속된 오목부에 의해 매끄럽게 접속되어도 좋다. 한편, 홀 구조에 있어서의 각 오목부는 연속된 볼록부에 의해 매끄럽게 접속되어도 좋다. 그 중에서도 내부 양자 효율(IQE) 혹은 전류 주입 효율(EIE)을 보다 높인다는 관점에서 도트 구조이면 바람직하다. 이것은, 내부 양자 효율(IQE)을 향상시키기 위해서는, 요철 구조 D의 밀도에 의한 전위 분산화를 촉진할 필요가 있기 때문이다. 한편, 전류 주입 효율(EIE)을 향상시키기 위해서는, 요철 구조 D의 비표면적을 증대시키는 동시에, 증가한 비표면적을 이용하여 접촉 면적을 크게 하고, 컨택트 저항을 저감할 필요가 있기 때문이다. 특히, 내부 양자 효율(IQE)을 향상시키기 위해서는, 전위의 분산화를 촉진시키기 위해서, 도트 구조 중에서도, 볼록부 꼭대기부에 평탄면을 갖지 않는 구조가 가장 바람직하다. 또한, 요철 구조 D의 오목부 바닥부는 평탄면을 갖는 것이 바람직하다. 이것은, 반도체 결정층의 핵 생성 및 핵 성장을 촉진하고, 내부 양자 효율(IQE)을 향상시킬 수 있기 때문이다.
이어서, 요철 구조 D의 설명에 사용하는 용어에 관해서 정의한다.
<평균 피치 P'ave>
평균 피치 P'ave의 정의에 관해서는, 도 18을 참조하여 <<요철 구조 PP>>에서 설명한 것과 같다. 한편, 요철 구조(20)(D)가 라인 앤드 스페이스 구조인 경우, 피치 P'는 상호 근접하는 볼록 형상체의 중심선 간격으로서 정의한다.
평균 피치 P'ave는, 50 nm 이상 1500 nm 이하이면, 내부 양자 효율(IQE) 혹은 전자 주입 효율(EIE) 및 광추출 효율(LEE)을 함께 크게 할 수 있다. 특히, 평균 피치 P'ave가 50 nm 이상임으로써, 전술한 요철 구조 D의 흐트러짐에 기초한 새로운 광학 현상(광회절 혹은 광산란)의 발현 강도를 강하게 할 수 있게 되고, 도파 모드를 흐트러뜨리는 효과가 강해진다. 이 때문에, 광추출 효율(LEE)을 향상시킬 수 있게 된다. 상기 효과를 보다 발휘한다는 관점에서, 평균 피치 P'ave는 150 nm 이상이면 바람직하고, 200 nm 이상이면 보다 바람직하고, 250 nm 이상이면 가장 바람직하다. 한편, 평균 피치 P'ave가 1500 nm 이하임으로써, 요철 구조 D의 밀도 및 비표면적이 향상된다. 이에 따라, 반도체 결정층 내부의 전위를 분산화할 수 있게 되어, 국소적 및 거시적인 전위 밀도를 저감할 수 있기 때문에, 내부 양자 효율(IQE)을 크게 할 수 있다. 상기 효과를 보다 발휘한다는 관점에서, 평균 피치 P'ave는 1000 nm 이하인 것이 바람직하고, 900 nm 이하인 것이 보다 바람직하다. 특히, 900 nm 이하인 경우, 요철 구조의 밀도가 전위 밀도에 대하여 적절히 커지기 때문에, 전위 저감 및 분산화의 효과가 높아진다. 그 중에서도, 550 nm 이하인 것이 보다 바람직하고, 400 nm 이하인 것이 가장 바람직하다. 또, 큰 비표면적에 의해 접촉 면적이 커지기 때문에, 컨택트 저항을 감소시켜, 전자 주입 효율(EIE)을 향상시킬 수 있다. 상기 효과를 보다 발휘한다는 관점에서, 평균 피치 P'ave는 1000 nm 이하인 것이 바람직하고, 800 nm 이하인 것이 보다 바람직하고, 550 nm 이하인 것이 가장 바람직하다.
또, 요철 구조 D의 흐트러짐으로서 피치의 흐트러짐을, 상기 메커니즘에 의해 내부 양자 효율(IQE) 혹은 전자 주입 효율(EIE)의 향상을 유지한 상태에서, 광추출 효율(LEE)의 향상에 적용한다는 관점에서, 흐트러짐의 요인이 되고 있는 요철 구조 D의 요소인 피치 P'에 대한 변동 계수는, 상기 가장 넓은 범위(0.025 이상 0.5 이하) 중에서, 0.03 이상 0.4 이하이면 바람직하다. 특히, 0.03 이상임으로써, 광추출 효율(LEE)에의 기여가 양호하게 되고, 0.4 이하임으로써 내부 양자 효율(IQE) 혹은 전자 주입 효율(EIE)의 향상 유지에의 기여가 양호하게 된다. 같은 관점에서, 0.035 이상이 바람직하고, 0.04 이상이 보다 바람직하다. 또, 0.35 이하가 바람직하고, 0.25 이하가 보다 바람직하고, 0.15 이하가 가장 바람직하다.
피치 P'가 상기 범위를 만족하는 경우, 요철 구조 D의 흐트러짐에 기초한 새로운 광학 현상(광회절 혹은 광산란)의 발현 강도를 크게 할 수 있기 때문에 바람직하다. 즉, 내부 양자 효율(IQE) 혹은 전자 주입 효율(EIE)의 향상을 유지한 상태에서, 광추출 효율(LEE)을 크게 할 수 있다. 이것은, 요철 구조 D의 흐트러짐에 의한 광학적 산란성을 강하게 하기 위해서는, 요철 구조 D의 체적 변화가 중요하기 때문이다. 상기 설명한 요소가 흐트러짐을 지님으로써 요철 구조 D의 체적 변화를 크게 할 수 있게 되어, 광회절 모드수의 증가 혹은 유효 굴절율(Nema)의 흐트러짐에 대응한 부위에 있어서의 콘트라스트를 크게 할 수 있다. 즉, 광학적 산란성은 커지고, 광추출 효율(LEE)을 향상시킬 수 있게 된다. 특히, 피치 P' 및 높이 H 혹은 볼록부 바닥부 외접원 직경 φout이 상기 식(1)의 범위를 만족함으로써, 상기 설명한 체적 변화의 효과가 커지기 때문에, 광학적 산란성이 강하게 된다. 즉, 요철 구조 D의 흐트러짐에 기초한 새로운 광학 현상(광회절 및 광산란)의 강도가 향상되기 때문에, 광추출 효율(LEE)이 향상된다. 또한, 피치 P', 높이 H 및 볼록부 바닥부 외접원 직경 φout이 상기 식(1)의 범위를 만족함으로써, 상기 효과가 보다 커지기 때문에 바람직하다.
한편, 요철 구조 D의 피치 P'의 흐트러짐은, 높은 규칙성을 갖더라도 규칙성이 낮더라도 좋다. 예컨대, 정육방 배열, 육방 배열, 준육방 배열, 준사방 배열, 사방 배열 및 정사방 배열을 비규칙적으로 포함하는 특이 구조를 포함하는 요철 구조 D의 경우, 요철 구조 D의 피치 P'의 흐트러짐의 규칙성은 저하하고, 새로운 광학 현상으로서 광산란을 발현할 수 있다. 한편, 정육방 배열에서는, 피치 P'의 증감이 주기적으로 생기는 특이 구조를 포함하는 요철 구조 D의 경우, 피치 P'의 흐트러짐은 높은 규칙성을 갖게 되고, 새로운 광학 현상으로서 광회절을 발현할 수 있다. 또한, 예컨대, 기본 구조인 정육방 배열 중에 국소적으로 특이 구조인 비정육방 배열(예컨대, 사방 배열) 부위가 배치되는 경우, 그 특이 구조가 비규칙적으로 산재하면, 요철 구조 D의 피치 P'의 흐트러짐의 규칙성은 저하하고, 새로운 광학 현상으로서 광산란을 발현할 수 있다. 한편, 기본 구조인 정육방 배열 중에 국소적으로 특이 구조인 비정육방 배열(예컨대, 사방 배열) 부위가 배치되고, 그 특이 구조가 규칙적으로 형성되는 경우, 피치 P'의 흐트러짐은 높은 규칙성을 갖게 되고, 새로운 광학 현상으로서 광회절을 발현할 수 있다.
<볼록부 꼭대기부 폭 lcvt, 오목부 개구 폭 lcct, 볼록부 바닥부 폭 lcvb, 오목부 바닥부 폭 lccb>
볼록부 꼭대기부 폭 lcvt, 오목부 개구 폭 lcct, 볼록부 바닥부 폭 lcvb 및 오목부 바닥부 폭 lccb의 정의에 관해서는, 도 19~도 22를 참조하여 <<광학 기판 PP>>에서 설명한 것과 같다.
비율(lcvt/lcct)은, <<광학 기판 PP>>에서 설명한 적합한 범위와 같은 범위를 만족하는 것이 바람직하다. 이에 따라, 상기 식(1)에 의한 흐트러짐의 효과인 광학적 산란성을 발현하는 동시에, 미시적 및 거시적인 전위 밀도의 저감에 의한 내부 양자 효율(IQE)의 향상을 실현할 수 있기 때문이다.
또, 요철 구조(20)(D)의 오목부(20b)의 바닥부는, <<광학 기판 PP>>에서 설명한 것과 같은 효과 때문에, 평탄면을 가지면 바람직하다. 또한, <<광학 기판 PP>>에서 설명한 것과 같은 원리 때문에, 비율(lcvb/lccb)도 <<광학 기판 PP>>에 기재한 적합한 범위를 만족하는 것이 바람직하다. 이러한 범위를 만족함으로써, 요철 구조 D의 오목부 바닥부를 기준면으로 한 반도체 결정층의 성장을 보다 촉진하여, 내부 양자 효율(IQE)을 양호하게 개선할 수 있는 동시에, 반도체 결정 성막 장치 사이의 차를 작게 할 수 있다.
한편, 전자 주입 효율(EIE)의 향상과 광추출 효율(LEE)의 향상을 동시에 만족시키기 위해, 요철 구조(20)(D)의 오목부 바닥부의 평탄면은 실질적으로 없는 것이 가장 바람직하다. 즉, 비율(lcvb/lccb)은 클수록 바람직하고, 무한대로 점근하는 것이 가장 바람직하다. 반도체 발광 소자에 있어서 전자 주입 효율(EIE)을 향상시키기 위해서는, 얇은 p형 반도체층의 비표면적을 효과적으로 증대시켜, 컨택트 저항을 감소시킬 필요가 있다. 또한, 예컨대, 투명 도전막의 표면에 요철 구조 D를 형성하는 경우는, 요철 구조의 체적을 크게 하는 것이, 광학적 산란성을 크게 하는 것으로 이어진다. 한편, 광추출 효율(LEE)을 향상시키기 위해서는, 전술한 것과 같이 요철 구조 D의 흐트러짐에 의해 광산란성을 발현시켜, 도파 모드를 효과적으로 흐트러뜨릴 필요가 있다. 이상의 관점에서, 요철 구조(20)(D)의 볼록부 바닥부 폭 lcvb과 오목부 바닥부 폭 lccb의 비율(lcvb/lccb)은 0.33 이상이면 바람직하다. 특히, 비표면적을 증대시키는 동시에, 광학적 산란성을 향상시킨다는 관점에서, (lcvb/lccb)는 0.6 이상이 보다 바람직하고, 3 이상이 가장 바람직하다.
또한, 볼록부 꼭대기부 폭 lcvt은 볼록부 바닥부 폭 lcvb보다도 작은 형상이면, 상기 설명한 비율(lcvt/lcct) 및 비율(lcvb/lccb)을 동시에 만족하기가 용이하게 되고, 이 때문에, 이미 설명한 메커니즘에 의해, 내부 양자 효율(IQE) 혹은 전자 주입 효율(EIE)과, 광추출 효율(LEE)을 동시에 크게 할 수 있다.
또, 요철 구조(20)(D)는, 도트 구조이면 볼록부 꼭대기부 폭 lcvt 및 볼록부 바닥부 폭 lcvb의 제어가 용이하게 되고, 비율(lcvt/lcct) 및 비율(lcvb/lccb)을 동시에 만족하기가 용이하게 되며, 이 때문에, 이미 설명한 메커니즘에 의해, 내부 양자 효율(IQE) 혹은 전자 주입 효율(EIE)과, 광추출 효율(LEE)을 동시에 크게 할 수 있다.
<듀티>
듀티의 정의는 <<광학 기판 PP>>에 기재한 것과 같다. 또한, 내부 양자 효율(IQE)과 광추출 효율(LEE)을 동시에 향상시킨다는 관점에 선 경우의 적합한 범위는, 같은 이유에서 <<광학 기판 PP>>에 기재한 것과 같다.
한편, 전자 주입 효율(EIE)을 향상시킨다는 관점에서, 듀티는 0.25 이상 1 이하이면 바람직하다. 0.25 이상임으로써, 비표면적을 효과적으로 크게 할 수 있게 되어, 전자 주입 효율(EIE)을 개선할 수 있는 동시에, 볼록부의 체적이 커지므로 도파 모드를 흐트러뜨리는 효과가 커져 광추출 효율(LEE)을 향상시킬 수 있다. 같은 효과를 위해, 비율(lcvb/P)은 0.38 이상인 것이 바람직하고, 0.5 이상인 것이 보다 바람직하고, 0.75 이상인 것이 가장 바람직하다.
한편, 이하에 설명하는 볼록부 바닥부 외접원 직경 φout 및 볼록부 바닥부 외접원 직경 φout/볼록부 바닥부 내접원 직경 φin이 상기 식(1)을 만족함으로써, 광학적 산란성을 효과적으로 발현할 수 있게 되기 때문에 바람직하다. 볼록부 바닥부 외접원 직경 φout이 흐트러짐을 갖는 것은, 듀티가 흐트러짐을 갖는 것을 의미한다.
<종횡비>
요철 구조 D가 도트 구조인 경우, 종횡비는, 상기 설명한 lcvb를 이용하여, 요철 구조 D의 높이 H/lcvb로서 정의된다. 한편, 요철 구조 D가 홀 구조인 경우, 종횡비는, 상기 설명한 lcct를 이용하여, 요철 구조 D의 깊이/lcct로서 정의된다.
종횡비가 0.1 이상임으로써, 요철 구조 D의 흐트러짐에 의한 산란성에 의해서, 광추출 효율(LEE)을 향상시킬 수 있다. 특히, 0.3 이상이 바람직하고, 0.5 이상이 보다 바람직하고, 0.8 이상이 가장 바람직하다. 한편, 종횡비는 5 이하임으로써, 전위 밀도를 저감할 수 있는 것 외에, 요철 구조 D를 제작하는 시간을 짧게 할 수 있으면서 반도체 결정량을 저감할 수 있기 때문에 바람직하다. 또, 종횡비가 5 이하임으로써, 접촉 불량을 억제할 수 있게 되어, 컨택트 저항 저감에 의한 전자 주입 효율(EIE)의 향상 효과를 양호하게 발현할 수 있다. 같은 효과를 위해, 2 이하가 보다 바람직하고, 1.5 이하가 가장 바람직하다.
한편, 이하에 설명하는 높이 H가 상기 식(1)을 만족하는 흐트러짐을 갖는 경우, 광학적 산란성이 효과적으로 높아지기 때문에 바람직하다. 이 경우, 동시에 종횡비도 흐트러짐을 갖게 된다. 한편, 요철 구조 D의 높이 H의 흐트러짐은, 높은 규칙성을 갖더라도 규칙성이 낮더라도 좋다. 즉, 종횡비의 흐트러짐은, 높은 규칙성을 갖더라도 규칙성이 낮더라도 좋다. 예컨대, 중심 높이 H0, 최소 높이 H1, 최대 높이 H2의 요철 구조 D가 있고, 높이 H가 상기 범위 내에서 규칙성 낮게 흐트러짐을 갖는 특이 구조를 포함하는 요철 구조 D인 경우, 요철 구조 D의 높이 H의 흐트러짐의 규칙성은 저하되어, 새로운 광학 현상으로서 광산란을 발현할 수 있다. 한편, 높이 H의 증감이 주기적으로 생기는 특이 구조를 포함하는 요철 구조 D의 경우, 높이 H의 흐트러짐은 높은 규칙성을 갖게 되어, 새로운 광학 현상으로서 광회절을 발현할 수 있다. 또한, 예컨대, 높이 H1의 집합인 기본 구조 중에 국소적으로 높이 H2의 특이 부위가 배치되는 경우, 그 특이 부위가 비규칙적으로 산재하면, 요철 구조 D의 높이 H의 흐트러짐의 규칙성은 저하되어, 새로운 광학 현상으로서 광산란을 발현할 수 있다. 한편, 높이 H1의 집합인 기본 구조 중에 국소적으로 높이 H2의 특이 부위가 배치되어, 그 특이 부위가 규칙적으로 형성되는 경우, 높이 H의 흐트러짐은 높은 규칙성을 갖게 되어, 새로운 광학 현상으로서 광회절을 발현할 수 있다.
<볼록부 바닥부 외접원 직경 φout, 볼록부 바닥부 내접원 직경 φin>
볼록부 바닥부 외접원 직경 φout 및 볼록부 바닥부 내접원 직경 φin의 정의는, 도 23을 참조하여 <<광학 기판 PP>>에 기재한 것과 같다. 또한, 이들의 바람직한 범위에 관해서도, 같은 이유에서 <<광학 기판 PP>>에 기재한 범위를 만족하는 것이 바람직하다.
또, 볼록부 바닥부 외접원 직경 φout의 흐트러짐을, 상기 메커니즘에 의해 내부 양자 효율(IQE) 혹은 전자 주입 효율(EIE)의 향상을 유지한 상태에서, 광추출 효율(LEE)의 향상에 적용한다는 관점에서, 흐트러짐의 요인이 되는 요철 구조 D의 볼록부 바닥부 외접원 직경 φout에 대한 (표준 편차/상가 평균)은, 상기 가장 넓은 범위(0.025~0.5) 중에서, 0.03 이상 0.4 이하이면 바람직하다. 특히, 0.03 이상임으로써, 광추출 효율(LEE)에의 기여가 양호하게 되고, 0.4 이하임으로써, 내부 양자 효율(IQE) 혹은 전자 주입 효율(EIE)의 향상 유지에의 기여가 양호하게 된다. 같은 관점에서, 0.04 이상이 바람직하고, 0.05 이상이 보다 바람직하고, 0.06 이상이 가장 바람직하다. 또, 0.35 이하가 바람직하고, 0.25 이하가 보다 바람직하고, 0.15 이하가 가장 바람직하다.
또, 비율(φout/φin)의 흐트러짐을, 상기 메커니즘에 의해 내부 양자 효율(IQE) 혹은 전자 주입 효율(EIE)의 향상을 유지한 상태에서, 광추출 효율(LEE)의 향상에 적용한다는 관점에서, 흐트러짐이 요인이 되는 요철 구조 D의 비율(φout/φin)에 대한 변동 계수는, 상기 가장 넓은 범위(0.025~0.5) 중에서, 0.03 이상 0.35 이하이면 바람직하다. 특히, 0.03 이상임으로써, 광추출 효율(LEE)에의 기여가 양호하게 되고, 0.35 이하임으로써 내부 양자 효율(IQE) 혹은 전자 주입 효율(EIE)의 향상 유지에의 기여가 양호하게 된다. 같은 관점에서, 0.04 이상이 바람직하고, 0.05 이상이 보다 바람직하고, 0.06 이상이 가장 바람직하다. 또, 0.25 이하가 바람직하고, 0.15 이하가 보다 바람직하고, 0.10 이하가 가장 바람직하다.
상기 볼록부 바닥부 외접원 직경 φout 및 볼록부 바닥부 외접원 직경 φout/볼록부 바닥부 내접원 직경 φin이 상기 범위를 만족하는 경우, 요철 구조 D의 흐트러짐에 기초한 새로운 광학 현상(광회절 혹은 광산란)의 발현 강도를 크게 할 수 있기 때문에 바람직하다. 즉, 내부 양자 효율(IQE) 혹은 전자 주입 효율(EIE)의 향상을 유지한 상태에서, 광추출 효율(LEE)을 크게 할 수 있다. 이것은, 요철 구조 D의 흐트러짐에 의한 광학적 산란성을 강하게 하기 위해서는, 요철 구조 D의 체적 변화가 중요하기 때문이다. 상기 설명한 요소가 흐트러짐을 가짐으로써, 요철 구조 D의 체적 변화를 크게 할 수 있게 되어, 광회절 모드수의 증가 혹은 유효 굴절율(Nema)의 흐트러짐에 대응한 부위에서의 콘트라스트를 크게 할 수 있다. 즉, 광학적 산란성은 커져, 광추출 효율(LEE)을 향상시킬 수 있게 된다.
또한, 볼록부 바닥부 외접원 직경 φout과 이하에 설명하는 높이 H가 상기 식(1)의 범위를 만족함으로써, 상기 설명한 요철 구조 D의 체적 변화가 커져, 광추출 효율(LEE)의 향상 정도가 보다 커지기 때문에 바람직하다. 같은 효과를 위해, 볼록부 바닥부 외접원 직경 φout, 높이 H 및 피치 P'가 상기 식(1)을 만족하면 바람직하고, 볼록부 바닥부 외접원 직경 φout, 높이 H, 피치 P' 및 볼록부 바닥부 외접원 직경 φout/볼록부 바닥부 내접원 직경 φin이 상기 식(1)을 만족하면 보다 바람직하다. 한편, 볼록부 바닥부 외접원 직경 φout과 높이 H와의 상관에서는, 양의 상관 계수를 갖는 것이 바람직하다.
<높이 H>
요철 구조의 높이 H의 정의에 관해서는, <<광학 기판 PP>>에서 설명한 것과 같다. 높이 H는, 평균 피치 P'ave의 2배 이하이면 광추출 효율(LEE), 내부 양자 효율(IQE), 요철 구조 D의 제작에 걸리는 시간, 사용하는 반도체 결정량의 관점에서 바람직하다. 또, 평균 피치 P'ave의 2배 이하이면, 광추출 효율(LEE)을 향상시킬 수 있는 동시에, 접촉 불량의 억제에 의해 양호하게 전자 주입 효율(EIE)을 향상시킬 수 있기 때문에 바람직하다. 특히, 평균 피치 P'ave 이하인 경우, 요철 구조 D의 굴절율 분포가, 발광광으로부터 봤을 때 적절하게 되기 때문에, 광추출 효율(LEE)을 보다 향상시킬 수 있다. 이러한 관점에서, 요철 구조 D의 높이 H는, 평균 피치 P'ave의 0.8배 이하가 보다 바람직하고, 0.6배 이하가 가장 바람직하다.
또, 높이 H의 흐트러짐을, 상기 메커니즘에 의해 내부 양자 효율(IQE) 혹은 전자 주입 효율(EIE)의 향상을 유지한 상태에서, 광추출 효율(LEE)의 향상에 적용한다는 관점에서, 흐트러짐의 요인이 되는 요철 구조 D의 높이 H에 대한 변동 계수는, 상기 가장 넓은 범위(0.025~0.5) 중에서, 0.03 이상 0.40 이하이면 바람직하다. 특히, 0.03 이상임으로써, 광추출 효율(LEE)에의 기여가 양호하게 되고, 0.40 이하임으로써, 내부 양자 효율(IQE) 혹은 전자 주입 효율(EIE)의 향상 유지에의 기여가 양호하게 된다. 같은 관점에서, 0.04 이상이 바람직하고, 0.05 이상이 보다 바람직하고, 0.12 이상이 가장 바람직하다. 또, 0.35 이하가 바람직하고, 0.3 이하가 보다 바람직하고, 0.25 이하가 가장 바람직하다.
상기 높이 H가 상기 범위를 만족하는 경우, 요철 구조 D의 흐트러짐에 기초한 새로운 광학 현상(광회절 혹은 광산란)의 발현 강도를 크게 할 수 있기 때문에 바람직하다. 즉, 내부 양자 효율(IQE) 혹은 전자 주입 효율(EIE)의 향상을 유지한 상태에서, 광추출 효율(LEE)을 크게 할 수 있다. 이것은, 요철 구조 D의 흐트러짐에 의한 광학적 산란성을 강하게 하기 위해서는 요철 구조 D의 체적 변화가 중요하기 때문이다. 상기 설명한 요소가 흐트러짐을 가짐으로써 요철 구조 D의 체적의 변화를 크게 할 수 있게 되고, 광회절 모드수의 증가 혹은 유효 굴절율(Nema)의 흐트러짐에 대응한 부위에서의 콘트라스트를 크게 할 수 있다. 즉, 광학적 산란성은 커져, 광추출 효율(LEE)을 향상시킬 수 있게 된다. 특히, 높이 H와 피치 P'가 상기 식(1)을 만족함으로써, 광학적 산란성 효과가 커져, 광추출 효율(LEE)이 보다 향상되기 때문에 바람직하다. 한편, 높이 H와 피치 P'의 상관에 있어서는, 크랙 억제라는 관점에서는, 마이너스의 상관 계수를 갖는 것이 바람직하다. 한편, 광추출 효율(LEE)의 관점에서는, 플러스의 상관 계수를 갖는 것이 바람직하다. 같은 원리에서, 높이 H, 피치 P' 및 볼록부 바닥부 외접원 직경 φout이 상기 식(1)을 만족하면 보다 바람직하고, 높이 H, 피치 P', 볼록부 바닥부 외접원 직경 φout 및 볼록부 바닥부 외접원 직경 φout/볼록부 바닥부 내접원 직경 φin이 상기 식(1)을 만족하면 보다 바람직하다.
한편, 높이 H의 흐트러짐은, 높은 규칙성을 갖더라도 규칙성이 낮더라도 좋다. 예컨대, 중심 높이 H0, 최소 높이 H1, 최대 높이 H2의 요철 구조 D가 있고, 높이 H가 상기 범위 내에서 규칙성 낮게 흐트러짐을 갖는 특이 구조를 포함하는 요철 구조 D의 경우, 요철 구조 D의 높이 H의 흐트러짐의 규칙성은 저하하여, 새로운 광학 현상으로서 광산란을 발현할 수 있다. 한편, 높이 H의 증감이 주기적으로 생기는 특이 구조를 포함하는 요철 구조 D의 경우, 높이 H의 흐트러짐은 높은 규칙성을 갖게 되어, 새로운 광학 현상으로서 광회절을 발현할 수 있다. 또한, 예컨대, 높이 H1의 집합인 기본 구조 중에 국소적으로 높이 H2의 특이 부위가 배치되는 경우, 그 특이 부위가 비규칙적으로 산재하면, 요철 구조 D의 높이 H의 흐트러짐의 규칙성은 저하하여, 새로운 광학 현상으로서 광산란을 발현할 수 있다. 한편, 높이 H1의 집합인 기본 구조 중에 국소적으로 높이 H2의 특이 부위가 배치되고, 이 특이 부위가 규칙적으로 형성되는 경우, 높이 H의 흐트러짐은 높은 규칙성을 갖게 되어, 새로운 광학 현상으로서 광회절을 발현할 수 있다.
<볼록부 측면 경사각 Θ>
볼록부 측면의 경사 각도 Θ는, 상기 설명한 요철 구조 D의 형상 파라미터로부터 결정된다. 특히, 볼록부 꼭대기부에서 볼록부 바닥부를 향해 다단계로 경사 각도가 변화되면 바람직하다. 예컨대, 볼록부 측면이 위로 팽창된 변곡점이 하나의 곡선을 그리는 경우, 경사 각도는 2개가 된다. 이러한 다단계의 경사 각도를 가짐으로써, 요철 구조 D의 흐트러짐에 의한 광산란성 효과를 보다 강하게 할 수 있게 되어, 광추출 효율(LEE)을 향상시킬 수 있다. 또, 광학 기판과 반도체 결정층의 재질에 따라, 볼록부 측면의 경사 각도를, 볼록부 측면으로 나오는 결정면에서 선정할 수도 있다. 이 경우, 반도체 결정층의 성장성이 양호하게 되기 때문에, 보다 내부 양자 효율(IQE)을 높일 수 있다고 생각된다.
이어서, 상기 식(1)을 만족하는 요철 구조 D의 흐트러짐에 관해서 구체예를 이용하여 설명한다. 상기 식(1)을 만족하는 요철 구조 D의 요소는 특별히 한정되지 않지만, 요철 구조 D의 흐트러짐의 요인이 되는 요소로서, 예컨대, 피치 P', 듀티, 종횡비, 볼록부 꼭대기부 폭 lcvt, 볼록부 바닥부 폭 lcvb, 오목부 개구 폭 lcct, 오목부 바닥부 폭 lccb, 볼록부 측면의 경사 각도, 볼록부 측면의 경사 각도의 전환수, 볼록부 바닥부 내접원 직경 φin, 볼록부 바닥부 외접원 직경 φout, 볼록부 높이, 볼록부 꼭대기부의 면적, 볼록부 표면의 미소 돌기수(밀도)나, 이들의 비율, 또한 요철 구조 D의 배열로부터 유추할 수 있는 정보(예컨대, 오목부의 형상 등)를 들 수 있다.
이들과 같은 요소 중에서, 피치 P'는 요철 구조 D의 배열의 흐트러짐을 의미하고, 피치 P' 이외의 요소는 요철 구조 D의 형상의 흐트러짐을 의미한다. 이들의 흐트러짐은, 상기 요소 1종만의 흐트러짐이라도, 복합된 흐트러짐이라도 좋다. 이것은, 상기 식(1)이 상기 광학 검사의 산란 성분에 의해 요철 구조 D의 흐트러짐을 평가할 수 있으므로 알게 됨에 따른 것이다. 특히, 산란성을 보다 강하게 발휘하여, 도파 모드를 효과적으로 타파하여, 광추출 효율(LEE)을 향상시킨다는 관점에서, 복수의 요소가 상기 식(1)으로 표시되는 흐트러짐을 동시에 만족하면 바람직하다. 그 중에서도, 피치 P', 듀티, 높이 H, 종횡비, 볼록부 바닥부 외접원 직경 φout 혹은 비율(φout/φin)이 분포를 갖는 경우, 회절 모드수의 증가에 의한 산란성 혹은, 유효 굴절율(Nema)의 분포에 의한 산란성이 커진다고 생각되며, 도파 모드를 흐트러뜨리는 효과가 크기 때문에 바람직하다. 이들 중, 2 이상의 분포를 동시에 포함함으로써, 광추출 효율(LEE)의 향상을 보다 현저하게 할 수 있다. 그 중에서도, 피치 P', 높이 H, 볼록부 바닥부 외접원 직경 φout 및 볼록부 바닥부 외접원 직경 φout/볼록부 바닥부 내접원 직경 φin 중 어느 것이 상기 식(1)을 만족하는 흐트러짐을 지니면, 광학적 산란성 효과가 현저하게 되기 때문에 바람직하고, 이들의 복합적 흐트러짐이면 보다 바람직하다.
요철 구조 D(12)의 흐트러짐에 의해 상기 식(1)을 만족하여 산란성을 발휘하는 상태는, 유효 매질 근사 영역 하의 광학 검사에 있어서, 유효 굴절율(Nema)에 국소적인 굴절율의 분포를 포함하는 경우(도 27 참조)와, 유효 굴절율(Nema)에 각 요철 구조 D(12)보다도 큰 오더의 굴절율의 분포를 포함하는 경우(도 28 참조) 및 유효 매질 근사 영역에 달할 수 없는 부분이 존재하는 경우(도 29 참조)로 분류할 수 있다고 생각된다. 이미 설명한 것과 같이, 유효 매질 근사 하에서의 광학 검사에 의해 요철 구조 D(12)의 흐트러짐에 기인하는 산란 성분을 추출하는 것이 가능하다. 이 흐트러짐은 새롭게 발현되는 광학 현상(광회절 혹은 광산란)이다. 이 때문에, 반도체 발광 소자의 발광광은, 발광광으로부터 봤을 때 요철 구조 D(12)가 작은 경우라도, 같은 정도 이상의 크기인 경우라도, 요철 구조 D(12)의 흐트러짐에 따른 산란성을 발현할 수 있게 되어, 광추출 효율(LEE)이 향상된다. 한편, 본 명세서에서의 유효 굴절율(Nema)은, 실측되는 값이 아니라, 광학 현상을 전제로 하여 계산에 의해 구해지는 값이다. 여기서, 광학 현상으로서의 전제란, 유효 매질 근사이다. 이 유효 매질 근사는, 유전률 분포의 체적분률로 간이적으로 표현할 수 있다. 즉, 요철 구조 D의 요소의 차이를, 유전률의 분포의 체적분률로서 계산하여, 이것을 굴절율로 변환함으로써 계산된다. 한편, 유전률은 굴절율의 2승이다.
도 27~도 29는, 본 실시형태에 따른 광학 기판 D의 일례를 나타내는 단면 모식도와 유효 굴절율(Nema)의 분포를 나타내는 그래프와의 관계를 도시하는 모식도이다. 도 27은, 유효 매질 근사 영역 하에서, 유효 굴절율(Nema)이 국소적인 굴절율의 분포를 포함하는 경우로서, 광학 기판 D(11)의 단면 모식도와 유효 굴절율(Nema)의 분포를 나타내는 그래프와의 관계를 도시한 개념도이다. 도 27에서, 화살표로 지시한 부분은, 상기 설명한 요철 구조 D(12)의 흐트러짐이 요인이 되는, 요철 구조 D(12)의 주된 부위의 볼록부(13)와는 다른 형상 또는 치수를 갖는 볼록부(13)로 이루어지는 특이 부위에 상당한다. 한편, 화살표로 지시한 부분이, 도 27의 볼록부(13)의 대부분을 차지한 경우, 요철 구조 D(12)는 인접하는 볼록부(13)가 서로 다른 상태, 즉 특이 구조를 포함하는 요철 구조 D(12)가 된다.
도 27에서의 그래프는, 횡축이 위치이며 각 요철 구조 D(12)의 위치와 대응하고 있다. 종축은, 요철 구조 D(12)의 어느 단면 위치(도 27에서 A-A로 나타내어지는 위치)에서의 유효 굴절율(Nema)을 나타내고 있다. 또, 도 27에서의 상단의 그래프는, 요철 구조 D(12)의 흐트러짐이 실질적으로 없는 경우를, 하단의 그래프는, 요철 구조 D(12)에 흐트러짐(화살표로 지시하고 있는 부분)이 있는 경우를 나타내고 있다. 유효 매질적 근사 영역에서는, 요철 구조 D(12)는 평균의 굴절율, 즉 유효 굴절율(Nema)를 갖는 매질로서 행동한다. 이 때문에, 흐트러짐이 실질적으로 없는 경우, 유효 굴절율(Nema)은 요철 구조 D(12)의 위치(평면 방향)에 상관없이 대략 일정한 값을 취한다. 즉, 유효 매질 근사 하의 광학 검사에 있어서의 산란 성분은 매우 작아진다. 한편, 요철 구조 D(12)에 흐트러짐이 있는 경우, 요철 구조 D(12)의 특이 부위에서, 유효 굴절율(Nema)도 변화된다. 한편, 화살표로 지시한 부분이, 도 27의 볼록부(13)의 대부분을 차지하는 경우는, 유효 굴절율(Nema)은 연속적으로 변화되는 굴절율을 내포한다. 즉, 요철 구조 D(12)가 특이 구조를 포함함으로써, 유효 굴절율(Nema)은 분포를 지니고, 빛은 마치 유효 굴절율(Nema)의 분포에 따른 매질이 존재한다고 느낀다고 추정된다. 이 때문에, 유효 굴절율(Nema)의 분포에 따른 산란성을 발휘하게 되어, 유효 매질 근사 하의 광학 검사에서의 산란 성분은 증가한다. 이 때문에, 예컨대 반사 측정에 있어서의 확산 반사 강도나 투과 측정에 있어서의 헤이즈 값이 커진다. 따라서, 도 27에서 화살표로 나타낸 특이 부위가 주기적으로 배치되는 경우는, 유효 굴절율(Nema)의 분포도 주기성을 띤다고 생각되며, 새로운 광학 현상으로서 발현되는 산란성은, 광회절로서 관찰되게 된다. 한편, 도 27에서 화살표로 나타낸 특이 부위가 비주기적으로 배치되는 경우는, 유효 굴절율(Nema)의 분포도 비주기성을 띤다고 생각되며, 새로운 광학 현상으로서 발현되는 산란성은 광산란으로서 관찰되게 된다. 또한, 화살표로 지시한 부분이 도 27의 볼록부(13)의 대부분을 차지하는 경우로서, 볼록부(13)가 주기적인 분포를 갖는 경우는, 유효 굴절율(Nema)의 분포도 주기성을 띤다고 생각되며, 새로운 광학 현상으로서 발현되는 산란성은 광회절로서 관찰되게 된다. 한편, 화살표로 지시한 부분이 도 27의 볼록부(13)의 대부분을 차지하는 경우로서, 볼록부(13)가 비주기적인 분포를 갖는 경우는, 유효 굴절율(Nema)의 분포도 비주기성을 띤다고 생각되며, 새로운 광학 현상으로서 발현되는 산란성은 광산란으로서 관찰되게 된다.
요철 구조 D(12)의 흐트러짐에 관해서는 자세한 것은 후술하지만, 예컨대, 상기 설명한 피치 P' 이외의 요철 구조의 요소에 의한 경우가 본 케이스에 해당된다.
예컨대, 요철 구조 D(12)의 평균 피치 P'ave가 300 nm, 볼록부 바닥부 폭 lcvb이 150 nm, 종횡비가 1인 볼록부 꼭대기부에 평탄면을 갖지 않는 기본 형상, 즉, 주된 부위에 대하여, 종횡비가 0~0.3 정도인 볼록부(13)가 혼재하고 있는 경우, 그 낮은 종횡비 부분이 특이 부위에 상당하며, 그 특이 부위에서는 유효 굴절율(Nema)이 분포를 갖는다고 생각된다. 이 유효 굴절율(Nema)의 분포에 따라, 바꿔 말하면 낮은 종횡비를 갖는 볼록부(13)의 분포에 따라, 새로운 광학 현상인 산란성이 발현되게 된다. 또한, 예컨대, 요철 구조 D(12)의 평균 피치 P'ave가 300 nm이고, 종횡비의 평균치가 1, 종횡비가 0.8~1.2인 범위에서 규칙성 낮게 분포를 갖는 특이 구조를 포함하는 요철 구조 D의 경우, 종횡비의 분포에 의해 상기 식(1)은 달성되며, 그 분포에 따라 유효 굴절율(Nema)이 분포를 갖는다고 생각된다. 이 유효 굴절율(Nema)의 분포에 따라, 바꿔 말하면 볼록부(13)의 종횡비의 분포에 따라, 새로운 광학 현상인 산란성이 발현되게 된다. 이러한 유효 굴절율(Nema)의 분포에 따른 산란성은, 상기 식(1)으로 표시되는 요철 구조 D(12)의 흐트러짐으로서 표현할 수 있다. 이 때문에, 상기 식(1)을 만족하는 흐트러짐의 요철 구조 D(12)를 갖는 광학 기판 D(11)를 반도체 발광 소자에 적용함으로서, 반도체 발광 소자의 발광광은 요철 구조 D(12)의 흐트러짐에 따른 새로운 광학 현상을 발현할 수 있게 되어, 내부 양자 효율(IQE) 혹은 전자 주입 효율(EIE)의 향상을 유지한 상태에서, 광추출 효율(LEE)을 향상시킬 수 있다.
도 28은 유효 매질 근사 영역 하에서 각 요철 구조 D(12)보다도 큰 오더의 유효 굴절율(Nema)의 흐트러짐을 포함하는 경우이며, 광학 기판 D(11)의 단면 모식도와 유효 굴절율(Nema)의 분포를 나타내는 그래프와의 관계를 도시한 개념도이다. 도 28에서의 그래프는, 횡축이 광학 기판 D(11)의 평면 방향 위치이다. 종축은, 요철 구조 D(12)의 어느 소정 높이 위치에서의 유효 굴절율(Nema)을 나타내고 있다. 또, 도 28에서의 상단의 그래프는, 요철 구조 D(12)의 흐트러짐이 실질적으로 없는 경우를, 하단의 그래프는, 요철 구조 D(12)에 흐트러짐이 있는 경우를 나타내고 있다. 유효 매질적 근사 영역에서는, 요철 구조 D(12)는 평균의 굴절율(Nema)을 갖는 매체로서 행동한다. 도 28 중에 나타낸 특이 부위가 주기적으로 배치되는 경우는, 유효 굴절율(Nema)의 분포도 큰 주기성을 띤다고 생각되며, 새로운 광학 현상으로서 발현되는 산란성은 광회절로서 관찰되게 된다. 한편, 도 28 중에 나타낸 특이 부위가 비주기적으로 배치되는 경우는, 유효 굴절율(Nema)의 분포도 비주기성을 띤다고 생각되며, 새로운 광학 현상으로서 발현되는 산란성은 광산란으로서 관찰되게 된다. 요철 구조 D(12)의 흐트러짐에 관해서는 자세한 것은 후술하지만, 예컨대, 평균 피치 P'ave가 250 nm인 도메인 A와 평균 피치 P'ave가 300 nm인 도메인 B가 혼재하고 있는 경우를 들 수 있다. 도메인 A와 도메인 B가 간격 1500 ㎛로 혼재하고 있는 경우, 유효 굴절율(Nema)도 간격 1500 ㎛로 분포를 갖는다고 추정된다. 즉, 유효 굴절율(Nema)의 분포(간격 1500 ㎛)에 따른 산란성이 새로운 광학 현상으로서 발현되게 된다. 또, 예컨대, 정육방 배열의 기본 구조 중에, 부분적으로 사방 배열의 특이 부위가 형성되는 경우가 본 케이스에 해당한다. 보다 구체적으로는, 평균 피치 P'ave가 300 nm인 정육방 배열의 기본 구조 중에, 평균 피치 P'ave가 300 nm, 집합의 크기가 900 nm~1500 nm인 특이 구조가 분포하고 있는 경우를 들 수 있다. 이 경우, 특이 구조가 규칙적으로 배치되면, 유효 굴절율(Nema)도 규칙적인 특이 구조에 따른 분포를 갖기 때문에, 새로운 광학 현상으로서 광회절이 생기게 되고, 특이 구조가 비규칙적으로 배치되면, 유효 굴절율(Nema)의 분포도 비규칙성을 띠기 때문에, 새로운 광학 현상으로서 광산란이 발현되게 된다. 또, 예컨대, 육방 배열, 준육방 배열, 준사방 배열 및 사방 배열이 비규칙적으로 포함되는 특이 구조에 의해 요철 구조 D가 구성되는 경우도 본 케이스에 해당한다. 이 경우, 유효 굴절율(Nema)의 분포는 국소적으로도 거시적으로도 비규칙성을 띠게 되기 때문에, 새로운 광학 현상으로서 광산란이 발현된다. 이러한 유효 굴절율(Nema)의 분포에 따른 새로운 광학 현상(산란성이나 회절성)은, 상기 식(1)으로 표시되는 요철 구조 D(12)의 흐트러짐으로서 표현할 수 있다. 이 때문에, 상기 식(1)을 만족하는 흐트러짐의 요철 구조 D(12)를 갖는 광학 기판 D(11)를 반도체 발광 소자에 적용함으로써, 반도체 발광 소자의 발광광은 요철 구조 D(12)의 흐트러짐에 따른 새로운 광학 현상을 발현할 수 있게 되어, 내부 양자 효율(IQE) 혹은 전자 주입 효율(EIE)의 향상을 유지한 상태에서, 광추출 효율(LEE)을 향상시킬 수 있다.
도 29는 부분적으로 유효 매질 근사 영역 하에 포함되지 않는 요철 구조 D(12)를 포함하는 경우이며, 광학 기판 D(11)의 단면 모식도와 유효 굴절율(Nema)의 분포를 나타내는 그래프와의 관계를 도시한 개념도이다. 도 29에서, 화살표로 지시한 부분은 요철 구조 D(12)의 흐트러짐을 나타내고, 이 부위가 유효 매질 근사 영역 하에 포함되지 않는 부분이다. 예컨대, 요철 구조 D(12)의 평균 피치 P'ave가 250 nm이므로, 유효 매질 근사를 적용하기 위해서, 파장 550 nm의 광학 측정 파장을 사용한 경우, 그 파장(550 nm)과 같은 정도 이상의 크기를 갖는 볼록부(예컨대, 500 nm의 크기의 볼록부)가 배치되는 경우이다. 도 29에서의 그래프는, 횡축이 위치이며 각 요철 구조 D(12)의 위치와 대응하고 있다. 종축은, 요철 구조 D(12)의 어느 단면 위치(도 29에서 A-A로 나타내어지는 위치)에서의 유효 굴절율(Nema)을 나타내고 있다. 또, 도 29에서의 상단의 그래프는, 요철 구조의 흐트러짐이 실질적으로 없는 경우를, 하단의 그래프는, 요철 구조 D(12)에 흐트러짐(화살표로 지시하고 있는 부분)이 있는 경우를 나타내고 있다. 유효 매질적 근사 영역에서는, 요철 구조 D(12)는 평균의 굴절율, 즉 유효 굴절율(Nema)을 갖는 매질로서 행동한다. 요철 구조 D(12)를 구성하는 재질의 굴절율을 Nact라고 표기하면, 유효 굴절율(Nema) 중에서, 특이 부위에 상당하는 위치의 굴절율은 Nact가 된다. 즉, 유효 굴절율(Nema)로서 행동하는 매질 중에, 유효 굴절율(Nema)과는 다른 굴절율(Nact)을 갖는 매질이, 흐트러짐의 분포에 따라 배치된 상태로서 기능한다. 즉, 빛은, 마치 굴절율(Nact)을 갖는 매질이 분산된 유효 굴절율(Nema)을 갖는 매질로 이루어지는 박막으로서 느끼기 때문에, 굴절율(Nact)의 분포에 따라서, 산란성을 발휘하게 된다. 도 29 중에 나타낸 특이 부위가 주기적으로 배치되는 경우는, 굴절율(Nact)의 분포도 큰 주기성을 띤다고 추정된다. 이 때문에, 새로운 광학 현상으로서 발현되는 산란성은 광회절로서 관찰되게 된다. 한편, 도 29 중에 나타낸 요철 구조 D(12)의 특이 부위가 비주기적으로 배치되는 경우는, 굴절율(Nact)의 분포도 비주기성을 띤다고 생각되며, 새로운 광학 현상으로서 발현되는 산란성은, 광산란으로서 관찰되게 된다. 요철 구조 D(12)의 흐트러짐에 관해서는 자세한 것은 후술하지만, 예컨대, 평균 피치 P'ave가 200 nm로, 광학 측정 파장 λ을 800 nm로 설정했다고 하자. 이때, 부분적으로, 볼록부 직경(lcvt나 lcvb)이 1200 ㎛인 볼록부가 포함되어 있다고 하자. 이 경우, 큰 볼록부 직경을 갖는 볼록부(13)가 특이 부위에 상당하며, 이 특이 부위가 굴절율(Nact)의 산란점에 상당하게 되어, 상기 요철 구조 D(12)는 산란성을 발휘하게 된다. 또한 예컨대, 평균 피치 P'ave가 300 nm로, 광학 측정 파장λ을 800 nm로 설정했다고 하자. 이때, 부분적으로, 오목부 직경(오목부 개구 폭 lcct나 오목부 바닥부 폭 lccb)이 600 nm~1500 nm인 오목부가 포함되어 있다고 하자. 이 경우, 큰 오목부 직경을 갖는 오목부가 특이 부위에 상당하고, 이 특이 부위가 산란점에 상당하게 되어, 상기 요철 구조 D(12)는 산란성을 발휘하게 된다. 한편, 큰 오목부 직경을 갖는 오목부가 특이 부위로서 기능하는 경우의 굴절율은, 요철 구조 D(12)의 주위를 둘러싸는 매질의 굴절율(예컨대, 반도체의 굴절율)로 된다. 이러한 유효 굴절율(Nema)의 분포에 따른 산란성은, 상기 식(1)으로 표시되는 요철 구조 D(12)의 흐트러짐으로서 표현할 수 있다. 이 때문에, 상기 식(1)을 만족하는 흐트러짐의 요철 구조 D(12)를 갖는 광학 기판 D(11)를 반도체 발광 소자에 적용함으로써, 반도체 발광 소자의 발광광은 요철 구조 D(12)의 흐트러짐에 따른 새로운 광학 현상을 발현할 수 있게 되어, 내부 양자 효율(IQE) 혹은 전자 주입 효율(EIE)의 향상을 유지한 상태에서, 광추출 효율(LEE)을 향상시킬 수 있다.
상기 도 27~도 29를 이용하여 설명한 요철 구조 D(12)의 흐트러짐은 복합화되면, 유효 굴절율(Nema)의 분포가 보다 커져, 산란점이 증가하는 동시에, 산란 강도가 강하게 된다. 즉, 상기 설명한 요철 구조 D(12)의 흐트러짐을 복수 포함함으로써, 요철 구조 D(12)의 흐트러짐이 요인이 되는 요소의 분포의 (표준 편차/상가 평균)도 커져, 도파 모드를 흐트러뜨리는 효과가 커진다. 이 때문에, 광추출 효율(LEE)의 향상 정도가 커진다.
이어서, 요철 구조 D(12)의 흐트러짐에 관해서 보다 상세히 설명한다. 요철 구조 D(12)의 흐트러짐은, 전술한 것과 같이 요철 구조 D(12)의 형상에 기인하는 흐트러짐과, 배열에 기인하는 흐트러짐으로 나눌 수 있다. 우선, 요철 구조 D(12)의 형상의 흐트러짐에 관해서 설명한다.
<형상에 기인하는 흐트러짐>
이미 설명한 것과 같이, 요철 구조 D(12)의 흐트러짐이 요인이 되는 요소의 분포는, 상기 설명한 용어인 피치 P', 종횡비, 듀티, 볼록부 꼭대기부 폭 lcvt, 볼록부 바닥부 폭 lcvb, 오목부 개구 폭 lcct, 오목부 바닥부 폭 lccb, 볼록부 측면의 경사 각도, 볼록부 측면의 경사 각도의 전환수, 볼록부 바닥부 내접원 직경 φin, 볼록부 바닥부 외접원 직경 φout, 볼록부 높이, 볼록부 꼭대기부의 면적, 볼록부 표면의 미소 돌기수(밀도)나 이들의 비율을 포함하며, 이들 이외에도 이들로부터 파생하는 분포를 포함한다.
도 30A~도 30E, 도 31A~도 31D에 요철 구조 D(12)의 형상의 흐트러짐의 예를 기재했다. 도 30A~도 30E, 도 31A~도 31D는 본 실시형태에 따른 광학 기판 D를 도시하는 단면 모식도이며, 도 30A~도 30E, 도 31A~도 31D에서 화살표로 지시하고 있는 부분이, 요철 구조 D(12)의 형상 변동이 요인이 되는 특이 부위를 나타내고 있다. 한편, 도 30 및 도 31에서는, 요철 구조 D(12)의 특이 부위를 명확하게 하기 위해서, 요철 구조 D(12)를 구성하는 볼록부(13) 중, 소정의 볼록부(13)의 형상이나 치수가 다른 부위의 볼록부(13)와 극단적으로 다른 경우를 도시하고 있다. 즉, 인접하는 볼록부 N과 볼록부 N+1을 생각했을 때에, 볼록부 N과 볼록부 N+1은 형상이 근소하게 다르고, 볼록부 N+1과 볼록부 N+2도 형상이 근소하게 다르고, 볼록부 N+M과 볼록부 N+M+1의 형상도 근소하게 다른 상태를 포함하는 것으로 한다. 이 경우, k<M으로 설정했을 때에, 볼록부 N+k와 같은 형상을 갖는 볼록부를 볼록부 N~볼록부 N+M 내에 포함할 수도 있다. 즉, 요철 구조 D(12)의 주된 부위와는 별도로 형성되어 있던 특이 부위가, 주된 부위보다도 그 비율이 충분히 커진 상태이며, 특이 구조를 포함하는 요철 구조이다. 예컨대, <<광학 기판 PP>>에서 사용한 도 11과 같은 상태이다. 상기 식(1)의 본질은, 요철 구조 D(12)의 평균적인 흐트러짐이기 때문에, 요철 구조 D(12)를 구성하는 복수의 볼록부(13)가 평균치로부터 각각 근소하게 다른 상태도 포함하는 것으로 한다.
도 30A 및 도 30B는, 요철 구조 D(12)에서 적어도 높이 H에 기인하는 흐트러짐을 포함하는 예이다. 높이 H에 기인하는 요철 구조 D(12)의 흐트러짐에 동반하여, 요철 구조 D(12)의 볼록부(13)의 종횡비 및 볼록부 측면의 경사 각도 Θ에 기인하는 요철 구조 D(12)의 흐트러짐도 포함되어 있다. 도 30A는, 요철 구조 D(12)가, 주된 부위의 볼록부(13)보다도 높이 H가 높은 볼록부(13)로 이루어지는 특이 부위를 포함하는 경우이며, 도 30B는, 주된 부위의 볼록부(13)보다도 높이 H가 낮은 볼록부(13)로 이루어지는 특이 부위를 갖는 경우이다. 예컨대, 평균 높이가 150 nm인 요철 구조 D(12)에 대하여, 국소적으로 180 nm의 볼록부(13)가 존재하는 경우(도 30A)나, 국소적으로 120 nm의 볼록부(13)가 존재하는 경우(도 30B)가 본 케이스에 해당한다. 또한, 평균 높이가 150 nm이고, 높이 H가 130 nm~180 nm의 범위에서 분포를 갖는 특이 구조를 포함하는 요철 구조도 본 케이스에 해당한다. 또, 같은 사상에서, 종횡비의 상가 평균이 0.67이며, 이들이 0.6~0.1의 범위에서 분포를 갖는 경우 등이 본 케이스에 해당한다.
도 30C 및 도 30D는, 요철 구조 D(12)의 볼록부 직경(볼록부 꼭대기부 폭 lcvt, 볼록부 바닥부 폭 lcvb, 볼록부 바닥부 외접원 직경 φout, 볼록부 바닥부 내접원 직경 φin)에 기인하는 흐트러짐을 포함하는 경우이며, 오목부 개구 폭 lcct, 오목부 바닥부 폭 lccb, 종횡비, 듀티, 볼록부 측면의 경사 각도 Θ가 다른 특이 부위를 포함하는 경우이다. 도 30C는, 주된 부위의 볼록부(13)보다도 볼록부 직경이 큰 볼록부(13)로 이루어지는 특이 부위를 포함하는 경우이며, 도 30D는, 주된 부위의 볼록부(13)보다도 볼록부 직경이 작은 볼록부(13)로 이루어지는 특이 부위를 포함하는 경우이다. 예컨대, 볼록부 바닥부 폭 lcvb의 평균치가 150 nm이고, 부분적으로 250 nm 이상의 볼록부 바닥부 폭 lcvb을 갖는 볼록부(13)가 혼재하는 경우가 도 15C에 해당된다. 한편, 볼록부 바닥부 폭 lcvb의 평균치가 150 nm이고, 부분적으로 100 nm 이하의 볼록부 바닥부 폭 lcvb을 갖는 볼록부(13)를 포함하는 경우가 도 15D에 해당한다. 같은 사상에서, 볼록부 꼭대기부 폭 lcvt의 상가 평균이 7.9 nm이며, 0 nm~20 nm 범위의 분포를 갖는 경우나, 오목부 바닥부 폭 lccb의 상가 평균이 147 nm이며, 130 nm~165 nm 범위의 분포를 갖는 경우 등이 본 케이스에 해당한다.
도 30E는, 볼록부 꼭대기부 폭 lcvt에 기인하는 요철 구조(12)의 흐트러짐을 갖고 있는 경우이며, 이에 따라, 볼록부 측면의 경사 각도 Θ가 다른 특이 부위를 포함하고 있다.
도 31A는, 볼록부 바닥부 폭 lcvb에 기인하는 요철 구조 D(12)의 흐트러짐을 갖고 있는 경우이며, 이에 따라 볼록부 측면의 경사 각도 Θ가 다른 특이 부위를 포함하고 있다. 예컨대, 요철 구조 D(12)의 높이 방향을 법선으로 했을 때에, 볼록부(13)의 측면이 법선으로부터 평균으로 31도 기운 측면을 갖는 볼록부(13)에 대하여, 27도 기운 측면을 갖는 볼록부(13)가 혼재하고 있는 경우 등이 본 케이스에 해당된다.
도 31B는, 볼록부 바닥부 폭 lcvb에 기인하는 오목부 구조(12)의 흐트러짐을 갖고 있는 경우이며, 특히 인접하는 볼록부(13)끼리가 부분적으로 연결되어, 보다 큰 볼록부(13)를 형성한 상태의 특이 부위를 포함하고 있다.
도 31C는, 볼록부 꼭대기부 형상에 기인하는 요철 구조 D(12)의 흐트러짐을 갖는 경우이며, 볼록부 꼭대기부의 곡율이 다른 특이 부위를 나타내고 있다.
도 31D는, 볼록부 측면의 형상에 기인하는 요철 구조 D(12)의 흐트러짐을 갖는 경우이며, 볼록부 측면의 곡율이 다른 특이 부위를 포함하고 있다.
한편, 도시하지 않지만, 도 30A~도 30E, 도 31A~도 31D에 기초하여 설명한 요철 구조 D(12)의 형상에 기인하는 흐트러짐을 2개 이상 포함하여도 좋다.
<배열에 기인하는 흐트러짐>
이어서, 요철 구조 D(12)의 배열에 기인하는 흐트러짐에 관해서 설명한다. 배열에 기인하는 흐트러짐은, 요철 구조 D(12)의 주기성의 흐트러짐이나, 다른 요철 구조 종류를 갖는 도메인의 배열 등에 의해 달성할 수 있다.
도 32는, 본 실시형태에 따른 광학 기판 D의 일례를 도시하는 요철 구조면 측에서 본 평면도 및 유효 굴절율(Nema)의 분포를 도시하는 그래프이다. 예컨대, 도 32A에 도시하는 것과 같이, 요철 구조 D(12)의 집합인 도메인 A와 도메인 B가 배열되어 있는 경우, 도메인 A와 도메인 B의 유효 굴절율(Nema)은, 도메인 A와 도메인 B를 구성하는 요철 구조 D(12)에 따라서 다른 값을 취한다. 여기서, 도메인 A와 도메인 B를 구성하는 요철 구조 D(12)가 다르다는 것은, 상기 설명한 요철 구조 D(12)의 요소가, 각 도메인을 구성하는 요철 구조 D(12)에서 다르다는 것을 의미한다. 보다 구체적으로는, 예컨대, 도메인 A의 평균 피치 P'ave가 300 nm이며 도메인 B의 평균 피치 P'ave가 250 nm인 것과 같은 식이다. 이러한 도메인의 배열은, 유효 굴절율(Nema)의 거시적(요철 구조 D(12)의 크기보다도 충분히 큰 오더)인 분포를 형성한다. 따라서, 빛은, 도 32B에 도시한 그래프에 예시하는 것과 같은 유효 굴절율(Nema)의 외형을 갖는 매질이 존재하는 것처럼 행동하여 산란성을 발휘하게 된다. 한편, 도 32A에 예시한 도메인의 배열은, 도메인 A와 도메인 B의 2 종류의 배열로 하고 있지만, 예컨대, 도메인 A, 도메인 B 및 도메인 C를 제작하여, 도메인 A와 도메인 B를 1 셋트로 생각하여, 도메인 A와 도메인 B의 셋트와 도메인 C를 교대로 배열시키는 식으로 할 수도 있다. 보다 구체적으로는, 상기한 예에서, 도메인 A의 평균 피치 P'ave를 300 nm, 도메인 B의 평균 피치 P'ave를 600 nm, 도메인 C의 평균 피치 P'ave를 1000 nm로 하는 것을 들 수 있다.
도 33 및 도 34는, 본 실시형태에 따른 광학 기판 D의 일례를 도시하는 단면 모식도 및 유효 굴절율(Nema)의 분포를 도시하는 그래프이다. 또, 예컨대, 도 33에 각 볼록부(13) 사이의 거리인 피치 P'의 흐트러짐이 존재하는 경우를 도시했다. 도 33에 도시하는 것과 같이, 요철 구조 D(12)의 주기에 흐트러짐이 있는 경우, 유효 굴절율(Nema)은, 요철 구조 D(12)의 주기에 대응한 분포를 만든다. 즉, 유효 굴절율(Nema)의 흐트러짐에 상당하는 산란성을 발휘하게 된다. 여기서, 피치 P'의 흐트러짐이 비주기적인 경우, 유효 굴절율(Nema)의 분포도 비주기적으로 된다. 즉, 새롭게 발현되는 광학 현상인 산란성은, 광산란에 강하게 의존하게 된다. 한편, 피치 P'의 흐트러짐이 주기적인 경우, 유효 굴절율(Nema)의 분포도 주기적으로 된다. 즉, 새롭게 발현되는 광학 현상인 산란성은, 광회절에 강하게 의존하게 된다. 특히, 상기 설명한 주기의 흐트러짐에 대응하여, 적어도 높이 H 혹은 볼록부 바닥부 외접원 직경 φout이 흐트러짐을 가지면, 광산란성이 향상되기 때문에 바람직하고, 높이 H 및 볼록부 바닥부 외접원 직경 φout이 동시에 흐트러짐을 가지면 보다 바람직하다. 또한, 볼록부 체적 변화가 커지므로, 볼록부 바닥부 외접원 직경 φout/볼록부 바닥부 내접원 직경 φin도 동시에 흐트러짐을 가지면 더욱 바람직하다.
또, 예컨대, 도 34에 각 볼록부(13)의 거리인 피치 P'가 연속적으로 변화되는 경우를 도시했다. 도 34에 도시하는 것과 같이, 유효 굴절율(Nema)은, 연속적인 피치 P'의 변화에 대응한 분포를 형성하게 되고, 이 유효 굴절율(Nema)의 분포에 대응한 산란성이 발현되게 된다. 여기서, 연속적인 변화에 주기성이 있는 경우, 예컨대, 평균 피치 P'ave가 300 nm이고, ±10%의 피치의 변동이, 주기 1500 ㎛로 반복 배치되는 경우, 유효 굴절율(Nema)은 주기 1500 ㎛의 분포를 갖게 되고, 그 주기에 따른 산란성을 발현하게 되어, 새로운 광학 현상에 의한 산란성은, 광회절에 강하게 의존하게 된다. 특히, 상기 설명한 주기의 연속적인 변화에 대응하여, 적어도 높이 H 혹은 볼록부 바닥부 외접원 직경 φout이 흐트러짐을 가지면, 광회절성이 향상되기 때문에 바람직하고, 높이 H 및 볼록부 바닥부 외접원 직경 φout이 동시에 흐트러짐을 가지면 보다 바람직하다. 또한, 볼록부 체적 변화가 커지므로, 볼록부 바닥부 외접원 직경 φout/볼록부 바닥부 내접원 직경 φin도 동시에 흐트러짐을 가지면 더욱 바람직하다.
본 실시형태에 따른 광학 기판 D를, 반도체 발광 소자에 적용하는 경우의, 반도체 발광 소자의 층 구성은, 도 24~도 26을 참조하여 이미 설명한 것과 같다. 또한, 반도체 발광 소자의 각 층에 적용할 수 있는 재료는 <<광학 기판 PP>>에서 설명한 것을 채용할 수 있다.
한편, 상기 설명한 요철 구조 D(12)의 흐트러짐에 관해서, 주기적 또는 규칙성 높다고 하는 표현을 사용한 것에 관해서는, 상기 <<광학 기판 PP>>에서 설명한 레이저 광선의 스플리트 현상이 관찰되는 경우가 있다. 특히, 광학 기판 D에서도, 상기 레이저 광선의 스플리트가 관찰됨으로써, 광추출 효율(LEE)의 향상 정도가 보다 커지기 때문에 바람직하다. 즉, 상기 평균 피치 P'ave의 범위, 상기 식(1) 및 상기 레이저 광선의 스플리트 현상을 만족하는 경우가 가장 바람직하다.
이상 설명한 것과 같이, 요철 구조 D(12)의 요소의 흐트러짐에 의해, 유효 굴절율(Nema)이 분포를 형성하고, 이에 따라 광학적 산란성이 발현된다고 생각되며, 요철 구조 D(12)의 요소를 파라미터로 잡아 변화시킴으로써 광학적 산란성이 강하게 되는 것을 실증할 수 있었다. 여기서, 유효 굴절율(Nema)의 변화를 생기게 하는 것이 본질이라고 생각할 수 있으므로, 상기 설명한 식(1)을 만족하는 요철 구조 D(12)의 요소의 차이 외에도, 요철 구조 D(12)를 구성하는 재료의 종류에 의해서도, 광학적 산란성을 강하게 발현할 수 있다고 추정할 수 있다. 즉, 상기 설명한 요철 구조 D(12)의 요소의 흐트러짐을, 요철 구조를 만드는 물질, 특히, 요철 구조를 만드는 물질의 굴절율 혹은 감쇠 계수의 흐트러짐으로서 파악함에 의해서도, 강한 광학적 산란성을 발현할 수 있다고 생각된다. 특히, 광학 기판 D를 반도체 발광 소자에 적용하는 것을 생각하면, 요철 구조 D(12)를 만드는 물질의 굴절율의 차이를 이용하는 것이, 광추출 효율(LEE)을 향상시킨다는 관점에서 바람직하다고 생각된다. 또한, 물질의 굴절율에 의한 차이에 의해서, 광학적 산란성을 강화하기 위해서는, 굴절율에 의한 빛의 거동 정도의 차가 중요하다는 것은 상상하기 어렵지 않다. 이러한 관점에서 계산하면, 요철 구조 D(12)를 만드는 물질의 굴절율의 흐트러짐에 있어서는, 굴절율의 차이는 0.07 이상인 것이 바람직하고, 0.1 이상인 것이 보다 바람직하다. 이에 따라, 빛의 반사율을 증가시킬 수 있기 때문이다. 특히, 반사율을 보다 크게 하여, 광학적 산란성을 보다 강하게 한다는 관점에서, 상기 굴절율의 차이는 0.5 이상인 것이 보다 바람직하다고 추정된다. 한편, 상기 굴절율의 차이는 클수록 바람직하며, 1.0 이상인 것이 가장 바람직하다.
이어서, 본 실시형태에 따른 광학 기판 D의 제조 방법에 관해서 설명한다.
본 실시형태에 따른 광학 기판 D는, 상기 설명한 조건을 만족한 요철 구조 D를 구비하면, 그의 제조 방법은 한정되지 않고, <<광학 기판 PP>>에서 설명한 수법을 채용할 수 있으며, 특히 전사법을 채용하는 것이 바람직하다. 이것은, 전사법을 채용함으로써, 요철 구조 D의 가공 정밀도 및 가공 속도가 향상되기 때문이다.
여기서 전사법이란, <<광학 기판 PP>>에서 기재한 것과 같이 정의되는 수법이며, 피처리체에 전사 부여된 전사재를 영구제로서 사용하는 경우, 나노 임프린트 리소그래피법 및 나노 가공용 시트법을 포함한다.
이상 설명한 것과 같이, 전사법을 채용함으로써, 몰드의 미세 구조를 피처리체에 반영시킬 수 있기 때문에, 양호한 광학 기판 D를 얻을 수 있다.
즉, 본 실시형태에 따른 임프린트 몰드는, 표면에 미세 구조를 구비한 몰드이며, 미세 구조가 전술한 평균 피치 P' 및 상기 식(1)을 만족하는 것을 특징으로 한다. 한편, 전사법에 사용하는 몰드의 미세 구조와 전사 부여되는 요철 구조는 반대의 구조이다. 이 때문에, 본 실시형태에 따른 몰드의 미세 구조는, 상기 광학 기판 D에서 설명한 볼록과 오목을 바꾼 구조이다.
임프린트 몰드의 재질은 <<광학 기판 PP>>에 기재한 것과 같은 것을 채용할 수 있다.
또한, 반도체 발광 소자를 제조하는 경우, 본 실시형태에 따른 광학 기판 D를 준비하는 공정과, 광학 기판 D에 대하여 광학 검사를 하는 공정과, 광학 기판 D를 사용하여 반도체 발광 소자를 제조하는 공정을 이 순서로 포함하면 바람직하다.
이미 설명한 것과 같이, 본 실시형태에 따른 광학 기판 D의 요철 구조 D는, 광학적 산란 성분에 의해 정의할 수 있다. 이 때문에, 광학 기판 D를 준비한 후에 광학 검사를 함으로써, 요철 구조 D의 정밀도를 사전에 파악할 수 있게 된다. 예컨대, 내부 양자 효율(IQE)과 광추출 효율(LEE)을 동시에 향상시키기 위해서, 사파이어 기판에 요철 구조 D를 부여한 경우, 이 사파이어 기판(광학 기판 D)에 대하여 광학 검사를 하여, 광학적 산란 성분를 평가함으로써, 요철 구조 D(12)의 정밀도를 파악할 수 있다. 이 때문에, 사전에, 제작되는 반도체 발광 소자의 성능 랭크의 목표를 두는 것이 가능하게 된다. 또, 사용할 수 없는 광학 기판 D를 선별하는 것도 가능하기 때문에, 수율이 향상된다. 여기서 광학 검사는 <<광학 기판 PP>>에 기재한 것과 같다. 한편, 광학 검사에서는, 광원의 파장을, 요철 구조 D(12)의 평균 피치 P'ave보다 크게 함으로써, 상기 식(1)으로 표시되는 요철 구조 D의 흐트러짐 효과를 추출할 수 있다. 이것은, 흐트러짐 효과를 순수하게 평가하는 것을 의미하기 때문에, 보다 높은 정밀도의 관리가 가능하다는 것을 의미한다. 또, 반사 측정에 있어서도, 출력을 크게 하기 위해서, 사입사로 측정하면 바람직하다.
<<광학 기판 PC>>
이어서, 본 실시형태인 광학 기판 PC에 관해서 설명한다.
용어는, 특별히 양해가 없는 한 <<광학 기판 PP>에서 이미 설명한 정의에 따른다. <<광학 기판 PP>> 및 <<광학 기판 D>>에서 설명해 온 것과 같이, 상호 트레이드오프의 관계에 있는 내부 양자 효율(IQE) 또는 전자 주입 효율(EIE)과, 광추출 효율(LEE)을 동시에 개선하기 위해서는, 실체로서 존재하는 요철 구조의 밀도를 크게 하여, 반도체 발광 소자의 발광광에 의해 인식되는 광학적인 유효 굴절율(Nema)의 분포에 기초한 광학적 산란성을 새롭게 가하는 것이 본질이라고 생각되었다. 여기서, 굴절율의 주기 구조를 갖는 다차원 나노 구조체는, 포토닉 결정이라는 학문 분야로 분류(categorize)된다. 포토닉 결정은, 주기 구조의 방향에 의해 1차원 포토닉 결정, 2차원 포토닉 결정 및 3차원 포토닉 결정으로 분류된다. 전자현미경 등을 사용하여 관찰함으로써, 나노 오더의 구조체로 구성되는 주기 구조를 관찰할 수 있다. 여기서 중요한 것은, 광학적 산란성을 크게 하기 위해서, 광학 기판의 두께 방향에 대하여, 마이크로 오더의 큰 구조를 형성한 경우, 내부 양자 효율(IQE)의 향상 정도가 한정되는 것이다. 이러한 관점에 보면, 포토닉 결정을 이용함으로써, 광학 기판에 대하여 나노 오더의 요철 구조를 형성하는 동시에, 이 나노 오더의 요철 구조에 의해 강한 광학적 산란성을 발현시킬 수 있게 된다. 즉, 상호 트레이드오프로 여겨져 왔던 내부 양자 효율(IQE)과 광추출 효율(LEE)을 동시에 개선할 수 있다.
본 실시형태에 따른 광학 기판 PC란, 적어도 1층 이상의 n형 반도체층과, 적어도 1층 이상의 p형 반도체층과 1층 이상의 발광 반도체층으로 구성되는 반도체 발광 소자에 적용되는 반도체 발광 소자용 기판이다. 광학 기판 PC의 구체적인 재질에 관해서는 <<광학 기판 PP>>에서 설명한 것을 채용할 수 있다.
또한, 광학 기판 PC를 사용한 반도체 발광 소자는, 도 2~도 6을 참조하여 <<광학 기판 PP>>에서 설명한 반도체 발광 소자에 관해, 요철 구조 PP를 포토닉 결정층 PC(요철 구조 PC)로 한 것, 또는 도 24~도 26를 참조하여 <<광학 기판 D>>에서 설명한 반도체 발광 소자에 관해, 요철 구조 D를 포토닉 결정층 PC(요철 구조 PC)로 한 것을 채용할 수 있다.
포토닉 결정층은, 굴절율(유전률)이 주기적으로 변화되는 다차원 나노 구조체이다. 본 실시형태에 따른 포토닉 결정층은, 반도체 발광 소자용 기판의 주면에 면외 방향으로 뻗어 나오는 복수의 볼록부 또는 오목부로 구성되는 도트를 포함하는 미세 구조층에 의해 구성되어 있다. 반도체 발광 소자용 기판은 <<광학 기판 PP>>에 기재한 것을 사용할 수 있다. 포토닉 결정층은, 굴절율(유전률)의 주기 구조이기 때문에, 주사형 전자현미경에 의해 관찰되는 미세 구조층의 오더와, 광학현미경에 의해 관찰되는 상의 오더는 다르다. 이 때문에, 주사형 전자현미경에 의해 관찰하면, 미세 구조층의 요철이 인식될 수 있을 뿐이지만, 미세 구조층의 요철의 주기보다도 큰 주기 구조로서 포토닉 결정층이 존재한다.
이어서, 도 35를 참조하여, 본 실시형태에 따른 광학 기판 PC의 구성에 관해서 상세히 설명한다. 도 35는 본 실시형태에 따른 광학 기판 PC의 일례를 도시하는 사시 모식도이다. 도 35에 도시하는 것과 같이, 광학 기판 PC(1)는, 대체로 평판 형상을 갖고 있고, 기판 본체(21)와, 이 기판 본체(21)의 일 주면 상에 형성된 미세 구조층(22)을 구비하고 있다. 미세 구조층(22)은, 기판 본체(21)의 주면에서 위쪽으로 돌출되는 복수의 볼록부(23)(볼록부 열 23-1~23-N)를 포함한다. 볼록부(23)는 각각 특정 간격을 두고서 배치되어 있다.
도 36은 본 실시형태에 따른 광학 기판 PC의 다른 예를 도시하는 사시 모식도이다. 도 36에 도시하는 것과 같이, 광학 기판 PC(1a)는, 대체로 평판 형상을 갖고 있고, 기판 본체(21a)와, 이 기판 본체(21a)의 일 주면 상에 형성된 미세 구조층(22a)을 구비하고 있다. 미세 구조층(22a)은, 미세 구조층(22a)의 표면 S에서 기판 본체(21a) 주면 측으로 향해서 함몰된 복수의 오목부(24)(오목부 열 24-1~24-N)를 포함한다. 오목부(24)는 각각 특정 간격을 두고서 배치되어 있다.
미세 구조층(22, 22a)은, 기판 본체(21, 21a)의 주면 상에 별도 형성하여도 좋고, 기판 본체(21, 21a)를 직접 가공하여 형성하여도 좋다.
이하, 본 실시형태에 따른 광학 기판 PC(1, 1a)에 있어서의 미세 구조층(22, 22a)의 미세 구조를 구성하는 볼록부(23) 또는 오목부(24)를 「도트」라고 부른다. 본 실시형태에서는 상기 도트는 나노 오더이다.
이 구성에 따르면, 나노 오더의 요철 구조가 광학 기판 PC(1, 1a) 표면에 형성됨으로써, 광학 기판 PC(1, 1a) 표면에 반도체 결정층을 형성할 때에 반도체 결정층의 CVD 성장 모드가 흐트러져, 층 성장에 따른 전위 결함이 충돌하여 소멸하여, 전위 결함의 저감 효과를 생기게 할 수 있다. 반도체 결정층 내의 전위 결함이 저감함으로써, 반도체 발광 소자의 내부 양자 효율(IQE)을 높일 수 있게 된다.
또한 본 실시형태에 따른 광학 기판 PC(1, 1a)에서는, 전술한 도트 사이의 피치, 도트 직경 또는 도트 높이 중 어느 것에 의해 제어된 2차원 포토닉 결정이 형성되어 있다. 본 실시형태에서, 포토닉 결정이란, 굴절율이 주기적으로 변화되는 다차원 나노 구조체이며, 굴절율이 주기적으로 변화함으로써, 결정 내부의 전파광에 대한 반사, 투과, 회절 특성을 제어할 수 있다.
본 실시형태에 따른 광학 기판 PC(1, 1a)에서는, 전술한 도트는 나노 오더이며, 전파광의 파장과 대략 같은 정도이다. 그 때문에, 본 실시형태에서 포토닉 결정의 특성을 결정하는 것은, 구조에 기인한 굴절율을 평균화한 유효 굴절율(Nema)의 주기적인 변화이다(유효 매질 근사). 유효 굴절율(Nema)의 분포가, 광학 기판 PC(1, 1a)의 주면 내에서 반복되고 있기 때문에, 2차원 포토닉 결정이 형성된다.
또한 본 실시형태에 따른 광학 기판 PC(1, 1a)에서는, 전술한 2차원 포토닉 결정의 주기가, 적용되는 반도체 발광 소자의 발광광의 파장의 2배 이상일 필요가 있다. 2차원 포토닉 결정이 발광 파장의 2배 이상의 주기를 갖기 때문에, 광회절성보다도 광산란성이 강해지게 된다. 그 때문에, 본 실시형태에 따른 광학 기판 PC(1, 1a)에서는, 반도체 결정층 중으로부터의 발광에 대하여, 광산란성을 강하게 발현시킬 수 있어, 이 광산란성에 의해서 도파 모드를 해소하여, 광추출 효율(LEE)을 높일 수 있게 된다.
또한 동시에, 강한 광산란성에 의해, 그 발광 특성에 있어서의 각도 의존성은 약해져, 보다 공업 용도에 적용하기 쉬운 램버시안 발광 특성에 근접하게 된다.
도트 사이의 피치, 도트 직경 또는 도트 높이에 의해 제어된 2차원 포토닉 결정에 관해서, 도면에 의해 더욱 상세히 설명한다.
도 37은 본 실시형태에 따른 광학 기판 PC를 도시하는 평면 모식도이다. 도 37에 도시하는 것과 같이, 도트(볼록부(23) 또는 오목부(24))는, 광학 기판 PC(1, 1a)의 기판 본체(21, 21a) 주면 내의 제1 방향 D1에서, 복수의 도트가 부정 간격의 피치 Py로 배열된 복수의 도트 열(도 35 및 도 36에 도시하는 볼록부 열 23-1~23-N 또는 오목부 열 24-1~24-N)을 구성한다. 또한, 각 도트 열은, 기판 본체(21, 21a) 주면 내에서 제1 방향 D1에 직교하는 제2 방향 D2에서, 부정 간격 Px으로 배치되어 있다.
또한, 2차원 포토닉 결정은, 제1 방향 D1에서의 도트 사이의 부정 간격의 피치 Py가 주기적으로 증감하거나, 또는 제1 방향 D1에 직교하는 제2 방향 D2에서의 부정 간격의 도트 열의 간격인 피치 Px가 주기적으로 증감하는 것의 어느 한쪽 또는 양쪽에 의해 제작된다. 이와 같이 각 도트의 간격인 피치 Py 혹은 도트 열의 간격인 피치 Px를 증감시킴으로써. 도트 사이의 피치로 제어된 2차원 포토닉 결정을 형성할 수 있다. 왜냐하면, 개개의 도트의 크기 및 피치는, 발광 파장과 같은 정도 이하이기 때문에, 광학적으로는, 개개의 도트의 존재는, 유효 매질 근사에 의해 유효 굴절율(Nema)로 대체된다. 도 37에서는, 제1 방향 D1에서, 도트 사이의 부정 간격의 피치 Py가 주기적으로 증감하고 있기 때문에, 전술한 유효 매질 근사에 의해, 빛으로서는, 부정 간격의 피치 Py의 주기적 증감의 주기를 느끼게 되어, 마치, 보다 큰 요철 구조가 존재하는 것과 등가의 거동을 보인다.
즉, 도 37에서는, 나노 오더의 요철에 의한 나노 구조체로 구성된 2차원 포토닉 결정에 있어서, 그 요철 구조체보다도 큰 주기를 갖는 2차원 포토닉 결정이 구성되게 된다. 즉, 반도체 결정층을 성막할 때는, 나노 오더의 요철에 의해 전위를 분산화하여 저감함으로써, 내부 양자 효율을 개선할 수 있다. 그리고, 반도체 발광 소자를 사용할 때는, 2차원 포토닉 결정에 대하여, 반도체 발광 소자의 발광광은 광학 거동을 보이므로, 도파 모드를 효과적으로 타파하여, 광추출 효율을 향상시킬 수 있다.
더욱 상세하게는, 서로 다른 피치 Px로 부정 간격으로 배치된 제2 방향 D2에서의 도트 열의 배치예에 관해서 설명한다. 한편, 피치 Px는, 제1 방향 D1으로 배열하는 도트 열의, 제2 방향 D2에서의 간격, 즉, 도트 열 사이의 간격이다. 도 38은, 본 실시형태에 따른 광학 기판 PC의 제2 방향 D2에서의 도트 열의 배치예를 도시하는 모식도이다. 도 38에 도시하는 것과 같이, 제2 방향 D2에서의 도트 열(도 38에서 DL로 나타냄)은, 8열씩 특정 간격(피치 Px)으로 배치되어 있고, 또한, 8열의 도트 열이 반복해서 배치되어 있다. 이 복수(z)의 도트 열로 구성된 단위를, 장주기 단위 Lxz(단, z는 양의 정수)라고 부른다. 본 실시형태에서는, 이 장주기 단위 Lxz가, 반도체 발광 소자의 발광 파장의 2배 이상일 필요가 있다. 한편, 서로 다른 피치 Py로 부정 간격으로 배치된 제1 방향 D1에서의 도트에 관해서도, 장주기 단위 Lyz를 사용하여, 이하의 설명과 같이 배치할 수 있다. 즉, 이하의 피치 Px를 피치 Py로 바꿀 수 있다.
피치 Px는, 인접하는 도트 열 사이의 거리이다. 여기서, 장주기 단위 Lxz에 있어서의 적어도 인접하는 4개 이상 m개 이하의 도트 열 사이의 피치 Pxn(3≤n≤2a 또는 3≤n≤2a+1. 단, m, a는 양의 정수이며, n=m-1)에는, 다음 식(2)의 관계가 성립한다.
Px1<Px2<Px3<…<Pxa>…>Pxn
(2)
한편, 각 도트 직경은 피치 Pxn보다 작다. 피치 Px1에서부터 Pxn까지의 길이는 장주기 단위 Lxz를 구성한다. 한편, 도트 직경은 볼록부 바닥부 외접원 직경 φout이다.
도 38은 장주기 단위 Lxz가 8열의 도트 열로 구성되는 경우, 즉, m=8인 경우를 나타내고 있다. 이 경우, n=7, a=3이 되기 때문에, 장주기 Lx1에 있어서, 도트 열 사이의 피치 Pxn에는, 다음 식(3)의 관계가 성립되고 있다.
Px1<Px2<Px3>Px4>Px5>Px6>Px7
(3)
또한, 장주기 단위 Lxz에 있어서의 피치 Px는, 피치 Px의 최대치(Px(max))와, 최소치(Px(min))의 차로 나타내어지는 최대 위상 어긋남 δ이, (Px(min))×0.01<δ<(Px(min))×0.66, 바람직하게는 (Px(min))×0.02<δ<(Px(min))×0.5, 보다 바람직하게는 (Px(min))×0.1<δ<(Px(min))×0.4를 만족하도록 설정되어 있다.
예컨대, 도 38에 도시하는 장주기 Lx1에서는, 각 도트 열 사이의 피치 Pxn는 다음과 같이 나타내어진다.
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
단, δa에서부터 δf의 값은, Px(min)×0.01<(δa~δf)<Px(min)×0.5를 만족한다. 인접하는 장주기 Lx2에 관해서도 마찬가지이다.
또한, 장주기 단위 Lxz 혹은 장주기 단위 Lyz에 있어서의 z의 최대치는, 4≤z≤1000, 바람직하게는 4≤z≤100, 보다 바람직하게는 4≤z≤20을 만족하도록 설정되어 있다.
한편, 제1 방향 D1 및 제2 방향 D2에 있어서의 장주기 단위 Lxz 및 Lyz는 서로 동일할 필요는 없다.
본 실시형태에 따른 광학 기판 PC(1, 1a)에 있어서, 제1 방향 D1에서는, 상기한 장주기 단위 Lyz를 갖는 도트 군이 적어도 1개 이상 배열되고, 제2 방향 D2에서는, 상기한 장주기 단위 Lxz를 갖는 도트 열 군이 적어도 1개 이상 배열되는 것이 바람직하다.
피치 Py의 부정기 간격으로 배치된 배치는, 상기 설명한 서로 다른 피치 Px로 부정 간격으로 배치된 제2 방향 D2에서의 도트 열의 배치예에 있어서, 도트 열을 도트라고 바꿔 읽음으로써 정의된다.
본 실시형태에 따른 광학 기판 PC(1, 1a)에서는, 미세 구조층(22)(22a)의 미세 구조를 구성하는 도트는, 제1 방향 D1, 제2 방향 D2 모두 상기 설명한 것과 같은 부정 간격의 피치 Px, Py로 배치할 수도 있고(도 37 참조), 제1 방향 D1 또는 제2 방향 D2 중 어느 한쪽만을 상기 설명한 것과 같은 부정 간격의 피치로 배치하고, 다른 쪽을 일정 간격의 피치로 배치할 수도 있다(도 39 참조). 도 39는 본 실시형태에 따른 광학 기판 PC의 다른 예를 도시하는 평면 모식도이다. 한편, 도 39에서는, 제1 방향 D1에서의 도트가 부정 간격으로 배치되고, 제2 방향 D2에서의 도트열이 일정 간격으로 배치되어 있다. 즉, 피치 Py가 부정 간격이며, 피치 Px가 일정 간격인 경우이다.
도 37 및 도 39에서 도시한 2차원 포토닉 결정은, 비주기의 도트로 형성된 2차원 포토닉 결정인데, 본 실시형태에 따른 광학 기판 PC(1, 1a)에서는, 2차원 포토닉 결정을 구성하는 도트의 패턴 배열은 주기적이라도 좋다. 개개의 도트의 주기성은, 전술한 것과 같이 유효 매질 근사에 의해 캔슬되기 때문에, 장주기 단위 Lxz가, 본 발명의 효과를 발현하기 위해서 필요하다. 이 때문에, 개개의 도트의 주기/비주기보다도, 장주기 단위 Lxz에 의한 효과가 커진다.
주기적인 도트 패턴의 예로서, 도 40~도 43을 예로 든다. 도 40~도 43은 본 실시형태에 따른 광학 기판 PC의 다른 예를 도시하는 평면 모식도이다. 이들의 배치예에서는, 인접하는 제1 도트 열 및 제2 도트 열, 혹은 제1 도트 열 및 제3 도트 열이 갖춰진 배치로 되어 있고, 도트 패턴은 주기적이다.
또한, 본 실시형태에 따른 광학 기판 PC(1, 1a)에서는, 도트 패턴에 의한 2차원 포토닉 결정은, 적어도 기판 주면의 일차 방향으로 발광 중심 파장의 2배 이상의 주기를 갖는 것이 바람직하고, 구체적으로는, 도 39, 도 41 및 도 43에 도시하는 것과 같은 2차원 포토닉 결정이다.
또한, 나아가서는, 본 실시형태에 따른 광학 기판 PC(1, 1a)에서는, 도트 패턴에 의한 2차원 포토닉 결정은, 적어도 독립된 2축 방향으로 주기적인 것이 바람직하고, 구체적으로는, 도 37, 도 40 및 도 42에 도시하는 것과 같은 2차원 포토닉 결정이다.
도 37, 도 40 및 도 42에 도시하는 배열은, 독립된 2축 방향은 상호 직교하고 있는 예이지만, 반드시 직교할 필요는 없고, 임의의 각도로 배치시킬 수 있다. 또한, 독립된 3축 방향의 패턴 배열로 하여도 좋으며, 이 경우는, 도트의 조밀(粗密)에 의해 형성되는 2차원 포토닉 결정은, 삼각 격자 배열로 할 수 있다.
또한, 제1 방향 D1에서의 도트 간격 혹은 제2 방향 D2에서의 도트 열 간격 중 어느 한쪽이 일정 간격으로 배치되는 경우에는, 일정 간격의 피치에 대한 부정 간격의 피치의 비가 특정 범위 내에 있는 것이 바람직하다.
여기서, 제1 방향 D1에서의 도트가 일정 간격의 피치 Pyc로 배치되고, 제2 방향 D2에서의 도트 열이 부정 간격인 Px으로 배치되는 예에 관해서 설명한다. 이 경우에는, 일정 간격의 피치 Pyc에 대한, 부정 간격의 피치 Px의 비는, 85%~100%의 범위 내에 있는 것이 바람직하다. 일정 간격의 피치 Pyc에 대한, 부정 간격의 피치 Px의 비가 85% 이상이라면, 인접하는 도트 사이의 중복이 작아지기 때문에 바람직하다. 또한, 일정 간격의 피치 Pyc에 대한, 부정 간격의 피치 Px의 비가 100% 이하라면, 도트를 구성하는 볼록부(23)의 충전율이 향상되기 때문에 바람직하다. 한편, 일정 간격의 피치 Pyc에 대한, 부정 간격의 피치 Px의 비는 90%~95%의 범위 내에 있는 것이 보다 바람직하다.
또한, 하나의 장주기 단위 Lxz 혹은 Lyz는, 5개 이상의 도트로 구성되면, 바꿔 말하면, 속하는 피치 Px 또는 Py가 4 이상이면, 유효 굴절율(Nema)의 장주기의 변동이 나노 오더에서 멀어져, 광산란이 생기기 쉽게 되기 때문에 바람직하다. 한편, 충분한 광추출 효율(LEE)을 얻기 위해서는, 장주기 단위 Lxz 혹은 Lyz는, 1001개 이하의 도트로 구성되는, 바꿔 말하면, 속하는 피치 Px 또는 Py가 1000 이하인 것이 바람직하다.
본 실시형태에 따른 광학 기판 PC(1, 1a)는, 이상과 같은 미세 구조층(22, 22a)의 미세 구조의 관계를 만족하는 2차원 포토닉 결정이 형성됨으로써, 광산란 효과가 충분하게 되면서, 도트(볼록부(23) 또는 오목부(24))의 간격이 작아지기 때문에 전위 결함의 저감 효과가 생기게 된다. 바꿔 말하면, 반도체 발광 소자를 제조할 때에는, 실체로서 존재하는 나노 오더의 고밀도의 요철 구조에 의해, 내부 양자 효율(IQE)이나 전자 주입 효율(EIE)이 개선된다. 또한, 반도체 발광 소자를 사용할 때에는, 빛에 인식 가능한 2차원 포토닉 결정에 의해 강해지는 광학적 산란성이 부여되어, 광추출 효율(LEE)을 개선할 수 있다.
또한, 포토닉 결정임에도 불구하고, 그 광회절성이 억제되어, 보다 공업적 용도에 적합한 램버시안 발광에 근접하게 된다.
이어서, 본 실시형태에 따른 광학 기판 PC(1, 1a)의 미세 구조층(22, 22a)의 2차원 포토닉 결정을 구성하는 도트 형상(요철 구조)에 관해서 설명한다. 볼록부(23) 및 오목부(24)의 형상은, 본 발명의 효과를 얻을 수 있는 범위라면 특별히 한정되지 않고, 용도에 따라서 적시에 변경 가능하다. 볼록부(23) 및 오목부(24)의 형상으로서는, <<광학 기판 PP>> 혹은 <<광학 기판 D>>에서 설명한 것을 채용할 수 있다. 또한, <<광학 기판 PP>> 혹은 <<광학 기판 D>> 중에서, 내부 양자 효율(IQE)의 개선 효과가 크다고 기재한 형상을, 같은 이유에서 채용하는 것이 바람직하다.
이상 설명한 것은, 본 발명에 있어서의 2차원 포토닉 결정이 도트의 간격에 의해 구성되어 있는 경우이지만, 도트 직경의 대소에 의해 구성되어도 좋다. 구체적으로는, 본 실시형태에 따른 광학 기판 PC(1, 1a)의 미세 구조층(22, 22a)의 미세 구조를 구성하는 도트 형상(요철 구조)에 있어서는, 도트의 각각의 직경이, 피치 Py 및/또는 피치 Px에 대응하여 증감하는 것이 바람직하다. 한편, 피치에 대응하여 증감하는 도트 직경은, 피치와 도트 직경의 상관을 생각했을 때에, 그 상관 계수가 양이라도 또 음이라도 좋다.
이하, 피치에 대응하여 증감하는 도트 직경의 예에 관해서 상세히 설명한다. 한편, 도트 직경이란, <<광학 기판 PP>>에서 설명한 볼록부 바닥부 외접원 직경 φout이다. 본 실시형태에 따른 광학 기판 PC(1, 1a)에서는, 피치 Py가 부정 간격인 경우에는, 적어도 인접하는 4개 이상 m개 이하의 피치를 구성하는 도트 직경 Dyn(3≤n≤2a 또는 3≤n≤2n+1. 단, m, a는 양의 정수이고, n=m-1)은, 하기 식(4)의 관계를 만족하는 동시에, 제1 방향 D1에서, 도트 직경 Dy1~Dyn으로 구성되는 도트 군이 장주기 단위 Lyz로 반복 배열되고, 또한 피치 Px가 부정 간격인 경우에는, 적어도 인접하는 4개 이상 m개 이하의 피치를 구성하는 도트 직경 Dxn(3≤n≤2a 또는 3≤n≤2n+1. 단, m, a는 양의 정수이고, n=m-1)은, 하기 식(5)의 관계를 만족하는 동시에, 제2 방향 D2에서, 도트 직경 Dx1~Dxn으로 구성되는 도트 군이 장주기 단위 Lxz로 반복 배열되는 것이 바람직하다. 본 실시형태에서는, 이 장주기 단위 Lxz 및 Lyz가, 반도체 발광 소자의 발광 중심 파장의 2배 이상일 필요가 있다.
Dy1<Dy2<Dy3<…<Dya>…>Dyn
(4)
Dx1<Dx2<Dx3<…<Dxa>…>Dxn
(5)
도 44는, 장주기 단위 Lxz가 8열의 도트 열로 구성되는 경우, 즉, m=8인 경우를 나타내고 있다. 도 44는, 본 실시형태에 따른 광학 기판 PC의 제2 방향 D2에서의 도트 열의 배치예를 도시하는 모식도이다. 이 경우, n=7, a=3이 되기 때문에, 장주기 Lx1에 있어서, 도트 열을 구성하는 각 도트의 직경 Dxn에는, 상기 식(5)의 관계가 성립되고 있다.
도 44에서는, 인접하는 도트 간격이 넓어지면, 도트 직경이 작아지고, 도트 간격이 좁아지면 도트 직경이 커지고 있다. 증감하는 도트 직경의 증감 범위는, 반도체 결정층의 성장성의 관점에서 상한치가, 그리고, 빛에 대한 산란성의 관점에서 하한치가 결정된다. 동일한 장주기 단위 Lxz 내에서의, 도트의 평균 직경에 대하여, ±20% 이내이면, 광추출 효율이 증가하여 바람직하다.
상기 구성에 의해, 도트의 체적이 장주기 단위 Lxz로 증감하게 되어, 2차원 포토닉 결정을 구성하게 된다. 왜냐하면, 유효 매질 근사는, 유전률 분포의 체적분률로 간이적으로 표현할 수 있으며, 유전률은, 굴절율의 2승이 되기 때문이다. 즉, 매질의 체적이 장주기 단위 Lxz로 변화함으로써, 유효 굴절율(Nema)이 장주기 단위 Lxz로 변화하게 된다.
발광 중심 파장의 2배 이상의 주기를 갖는 2차원 포토닉 결정이 형성되기 때문에, 발광광에 대한 광산란성이 커져, 반도체 발광 소자에 있어서의 광추출 효율(LEE)이 증가하게 된다.
본 발명의 2차원 포토닉 결정의 주기는, 얻어지는 반도체 발광 소자의 발광 중심 파장의 2배 이상의 주기를 갖는 것이 바람직하고, 5배 이상이면, 발광광에 대한 광산란성이 커져 바람직하고, 10배 이상이면, 발광각 분포의 각도 의존성이 감소하여, 램버시안형에 근접하기 때문에 보다 바람직하다.
이어서, 본 실시형태에 따른 광학 기판 PC(1, 1a)에 있어서, 2차원 포토닉 결정이 도트 높이에 의해 제어되는 예에 관해서 설명한다.
본 실시형태에 따른 광학 기판 PC(1, 1a)에서는, 전술한 2차원 패턴에 동기하여 미세 구조층(22, 22a)의 미세 구조를 구성하는 도트 형상(요철 구조)의, 각 도트의 각각의 높이가, 피치 Py 및/또는 피치 Px에 대하여 증감하는 것이 바람직하다. 한편, 피치에 대응하여 증감하는 도트의 높이는, 피치와 도트 높이의 상관을 생각했을 때에, 그 상관 계수가 양이라도 또 음이라도 좋다.
이하, 피치에 대응하여 증감하는 도트 높이의 예에 관해서 상세히 설명한다. 한편, 도트 높이란, <<광학 기판 PP>>에서 설명한 높이 H이다.
본 실시형태에 따른 광학 기판 PC(1, 1a)에서는, 피치 Py가 부정 간격인 경우에는, 적어도 인접하는 4개 이상 m개 이하의 피치를 구성하는 도트 높이 Hyn(3≤n≤2a 또는 3≤n≤2n+1. 단, m, a는 양의 정수이고, n=m-1임)는, 하기 식(6)의 관계를 만족하는 동시에, 제1 방향 D1에서, 도트 높이 Hy1~Hyn로 구성되는 도트 군이 장주기 단위 Lyz로 반복 배열되고, 피치 Px가 부정 간격인 경우에는, 적어도 인접하는 4개 이상 m개 이하의 피치를 구성하는 도트 높이 Hxn(3≤n≤2a 또는 3≤n≤2n+1. 단, m, a는 양의 정수이고, n=m-1임)는, 하기 식(7)의 관계를 만족하는 동시에, 또한, 제2 방향에서, 도트 높이 Hx1~Hxn로 구성되는 도트 군이 장주기 단위 Lxz로 반복 배열되는 것이 바람직하다. 본 실시형태에서는, 이 장주기 단위 Lxz 및 Lyz가, 반도체 발광 소자의 발광 중심 파장의 2배 이상일 필요가 있다.
Hy1<Hy2<Hy3<…<Hya>…>Hyn
(6)
Hx1<Hx2<Hx3<…<Hxa>…>Hxn
(7)
도 45는, 장주기 단위 Lxz가 8열의 도트 열로 구성되는 경우, 즉, m=8인 경우를 나타내고 있다. 도 45는, 본 실시형태에 따른 광학 기판 PC의 제2 방향 D2에서의 도트 열의 배치예를 도시하는 모식도이다. 이 경우, n=7, a=3이 되기 때문에, 장주기 Lx1에 있어서, 도트 열을 구성하는 각 도트의 높이 Hxn에는, 상기 식(7)의 관계가 성립되고 있다.
도 45에서는, 인접하는 도트 간격이 넓어지면, 도트 높이가 작아지고, 도트 간격이 좁아지면 도트 높이가 커지고 있다. 증감하는 도트 높이의 증감 범위는, 광추출 효율(LEE)의 얼룩의 관점에서 상한치가 결정되고, 도트 높이의 증감에 기인하는 광추출 효율의 향상 정도의 관점에서 하한치가 결정된다. 동일한 장주기 단위 Lxz 내에서의, 도트의 평균 높이에 대하여, ±20% 이내이면, 광추출 효율이 얼룩 없이 증가하여 바람직하다.
상기 구성에 의해, 도트의 체적이 장주기 단위 Lxz로 증감하게 되어, 2차원 포토닉 결정을 구성하게 된다. 왜냐하면, 유효 매질 근사는, 유전률 분포의 체적분률로 간이적으로 표현할 수 있으며, 유전률은, 굴절율의 2승이 되기 때문이다. 즉, 매질의 체적이 장주기 단위 Lxz로 변화함으로써, 유효 굴절율(Nema)이 장주기 단위 Lxz로 변화하게 된다.
발광 중심 파장의 2배 이상의 주기를 갖는 2차원 포토닉 결정이 형성되기 때문에, 발광광에 대한 광산란성이 커져, 반도체 발광 소자에 있어서의 광추출 효율(LEE)이 증가하게 된다.
상기 도 44 및 도 45를 사용하여 설명한 예에서는, 도트 간격과 도트 직경, 또는 도트 간격과 도트 높이가 동시에 변화되는 경우를 설명했다. 여기서, 2차원 포토닉 결정을 만들기 위한 본질은, 유효 굴절율(Nema)의 분포이다. 이러한 관점에서, 2차원 포토닉 결정을 만들기 위한 미세 구조층(22, 22a)의 미세 구조의 요소는, <<광학 기판 PP>> 또는 <<광학 기판 D>>에서 설명한 요철 구조판 PP, 또는 요철 구조 D의 요소에서 임의로 선택할 수 있다. 그 중에서도, 이미 설명한 도트 간격, 도트 직경 또는 도트 높이의 차이에 의해 2차원 포토닉 결정이 만들어짐으로써, 도트의 체적 변화가 커져, 광학적 산란성이 강해지기 때문에 바람직하다. 특히, 도트 간격, 도트 직경 및 도트 높이가 동시에 변화됨으로써, 2차원 포토닉 결정을 형성하는 경우, 광학적 산란성의 강도가 가장 높아진다.
한편, 상기 설명한 2차원 포토닉 결정을 만드는 미세 구조층(22, 22a)의 미세 구조의 요소의 차이에 관해서 주기적이라고 하는 표현을 사용한 것에 관해서는, 상기 <<광학 기판 PP>>에서 설명한 레이저 광선의 스플리트 현상이 관찰되는 경우가 있다. 특히, 광학 기판 PC에서도, 상기 레이저 광선의 스플리트가 관찰됨으로써, 광추출 효율(LEE)의 향상 정도가 보다 커지기 때문에 바람직하다.
이상 설명한 것과 같이, 2차원 포토닉 결정을 만드는 미세 구조층(22, 22a)의 미세 구조의 요소의 차이에 의해, 유효 굴절율(Nema)이 분포를 형성하고, 이에 따라 2차원 포토닉 결정이 형성되어, 광학적 산란성이 발현된다고 생각되었다. 또한, 미세 구조층(22, 22a)의 미세 구조의 요소를 변화시켜, 2차원 포토닉 결정을 만듦으로써, 광학적 산란성이 강하게 되는 것을 실증할 수 있었다. 여기서, 유효 굴절율(Nema)의 변화를 생기게 하는 것이 본질이라고 생각할 수 있으므로, 2차원 포토닉 결정을 형성하기 위해서는, 상기 설명한 미세 구조층(22, 22a)의 미세 구조의 형상이나 간격 외에도, 미세 구조를 구성하는 재료의 종류에 의해서도, 광학적 산란성을 강하게 발현할 수 있다고 추정할 수 있다. 즉, 상기 설명한 도트 간격, 도트 직경 또는 도트 높이를, 미세 구조를 만드는 물질, 특히, 미세 구조를 만드는 물질의 굴절율 혹은 감쇠 계수의 흐트러짐으로서 파악함에 의해서도, 2차원 포토닉 결정을 효과적으로 형성할 수 있다고 생각된다. 특히, 광학 기판 PC를 반도체 발광 소자에 적용하는 것을 생각하면, 미세 구조를 만드는 물질의 굴절율의 차이를 이용하는 것이, 광추출 효율(LEE)을 향상시킨다는 관점에서 바람직하다고 생각된다. 또한, 물질의 굴절율에 의한 차이에 의해 광학적 산란성을 강하게 하기 위해서는, 굴절율에 의한 빛의 거동 정도의 차가 중요한 것은 상상하기 어렵지 않다. 이러한 관점에서 계산하면, 미세 구조층(22, 22a)의 미세 구조를 만드는 물질의 굴절율의 차이에 있어서는, 굴절율의 차이는 0.07 이상인 것이 바람직하고, 0.1 이상인 것이 보다 바람직하다. 이에 따라, 빛이 인식 가능한 물질로서의 차이를 크게 하여, 효과적으로 2차원 포토닉 결정을 형성할 수 있기 때문이다. 특히, 광학적 산란성을 보다 강하게 한다는 관점에서, 상기 굴절율의 차이는 0.5 이상인 것이 보다 바람직하다고 추정된다. 한편, 상기 굴절율의 차이는 클수록 바람직하며, 1.0 이상인 것이 가장 바람직하다.
또한, 상기한 본 실시형태에 따른 광학 기판(1, 1a)에 있어서, 피치 Px, 피치 Py는 각각 100 nm 이상 1000 nm 이하인 것이 바람직하다. 피치 Px, Py가 이 범위 내에 있으면, 나노 오더의 요철이 광학 기판 PC(1, 1a)의 표면에 형성됨으로써, 광학 기판 PC(1, 1a)의 표면에 반도체 결정층을 형성한 경우의 반도체 결정층 중의 전위 결함의 수를 줄일 수 있다. 피치 Px, Py는, 100 nm 이상임으로써, 반도체 발광 소자의 광추출 효율(LEE)이 향상되고, 발광 효율 향상에 기여하는 전위 결함의 감소 효과가 나타난다. 또한, 피치 Px, Py가 1000 nm 이하임으로써, 전위 결함의 수를 저감하는 효과가 유지된다.
상기한 도 37~도 45에서 도시한 본 실시형태에 따른 2차원 포토닉 결정은, 그 표면 구조를 주사형 전자현미경이나 원자간력 현미경 등의 나노 오더의 해상도를 갖는 분석기기로 관찰함으로써 검증할 수 있다. 특히, 주사형 전자현미경을 사용하는 것이, 미세 구조층(22, 22a)의 미세 구조의 변화를 명확하게 관찰한다는 점에서 바람직하다. 주사형 전자현미경을 사용한 관찰에 의해, 실체로서 존재하는 나노 오더의 도트가 장주기 단위를 갖는 것, 그리고, 그 장주기와 발광 중심 파장과의 관계를 명백하게 할 수 있다.
이어서, 본 실시형태에 따른 광학 기판 PC(1, 1a)에 의해, 광추출 효율(LEE)이 향상되는 원리에 관해서 설명한다.
전술한 대로, 광학 기판 PC(1, 1a)에, 나노 오더의 도트로 구성되는 2차원 포토닉 결정층을 형성함으로써, 광산란에 의해 도파 모드를 해소함에 따른 광추출 효율(LEE)의 개선 효과를 얻을 수 있다.
복수의 도트로 구성되는 장주기 단위 Lxz를 반복해서 나란히 함으로써, 장주기 단위 Lxz마다 굴절율이 변화되어, 장주기 단위 Lxz를 구성하는 복수의 도트가 1 단위가 되어 반복된 경우와 동일한 효과를 생기게 하게 된다. 바꿔 말하면, 파장과 같은 정도의 복수의 도트인 경우, 유효 굴절율(Nema)의 분포로 빛의 거동을 설명할 수 있기 때문에, 공간의 유효 굴절율(Nema)의 분포를 계산하면, 마치, 장주기 단위 Lxz의 복수의 도트가 1 단위로서 반복된 것처럼 빛에 작용한다. 이와 같이 장주기 단위 Lxz로 나란히 늘어선 복수의 도트는 광산란 효과를 발휘한다.
또한, 본 실시형태에 따른 광학 기판 PC(1, 1a)에서는, 도트의 각각의 직경이 피치에 따라서 증감한다. 공간의 유효 굴절율(Nema) 분포는, 구성 단위의 체적분률에 의존하여 변화되기 때문에, 장주기 단위 Lxz의 복수의 도트에 있어서, 각 도트의 체적의 변화에 따라 유효 굴절율(Nema) 분포가 변화된다. 즉, 각 도트의 체적 변화가 클수록, 같은 장주기 단위 Lxz라도, 보다 광산란 효과가 높아지게 된다. 이 효과는, 도트 간격이 좁은 경우, 도트 직경을 작게, 도트 간격이 넓은 경우, 도트 직경을 크게 함으로써 보다 현저하게 된다. 한편, 도트 간격이 좁은 경우, 도트 직경을 크게, 도트 간격이 넓은 경우, 도트 직경을 작게 함으로써, 실체로서의 미세 구조의 체적 변화 정도가 작아지므로, 반도체 결정층을 성막할 때의 크랙 억제 효과가 커진다.
또한, 본 실시형태에 따른 광학 기판 PC(1, 1a)에서는, 도트의 높이도 도트 간격에 따라서 증감한다. 이 경우도 상기한 이유와 마찬가지로, 도트 간격이 좁은 경우, 도트 높이를 작게 하고, 도트 간격이 넓은 경우, 도트 높이를 크게 하면, 장주기 단위 Lxz 내의 유효 굴절율(Nema)의 분포가 커져, 광산란 효과를 증가시키게 된다. 한편, 도트 간격이 좁은 경우, 도트 높이를 크게, 도트 간격이 넓은 경우, 도트 높이를 작게 함으로써, 실체로서의 미세 구조의 체적 변화 정도가 작아지므로, 반도체 결정층을 성막할 때의 크랙 억제 효과가 커진다.
또한, 복수의 도트로 구성되는 장주기 단위 Lxz를 반복하여 나란히 한 배열에서, 상기한 도트의 각각의 직경과 도트 높이 양쪽을, 피치에 따라서 증감시키면, 유효 매질 근사에 의해 기술되는 굴절율 분포의 차가 더욱 커지기 때문에 바람직하다. 이 경우, 도트 간격이 좁은 경우, 도트 직경과 도트 높이를 작게 하고, 도트 간격이 넓은 경우, 도트 직경과 도트 높이를 크게 하면, 공간의 유효 굴절율(Nema) 분포에 있어서, 구성 단위의 체적분률의 차가 커지고, 보다 광산란 효과가 높아져 바람직하다. 한편, 도트 간격이 좁은 경우, 도트 직경과 도트 높이를 크게 하고, 도트 간격이 넓은 경우, 도트 직경과 도트 높이를 작게 함으로써, 실체로서의 미세 구조의 체적 변화 정도가 작아지므로, 반도체 결정층을 성막할 때의 크랙 억제 효과가 커진다.
본 실시형태에 따른 광학 기판 PC(1, 1a)에서는, 기판 본체(21, 21a)의 재질은 <<광학 기판 PP>>에서 설명한 것을 채용할 수 있다.
본 실시형태에 따른 반도체 발광 소자에서는, 도 2~도 6 및 도 24~도 26을 참조하여 <<광학 기판 PP>> 및 <<광학 기판 D>>에서 설명한 반도체 발광 소자를 채용할 수 있다. 여기서, 광학 기판 PP 혹은 광학 기판 D를, 광학 기판 PC이라고 바꿔 읽으면 된다.
이어서, 본 실시형태에 따른 반도체 발광 소자의 제조 방법에 관해서 설명한다. 본 실시형태에 따른 반도체 발광 소자의 제조 방법에서는, 전술한 본 실시형태에 따른 광학 기판 PC(1, 1a) 상에 반도체층을 설치하는 공정을 적어도 포함하는 것을 특징으로 한다.
전술한 것과 같이, 주면에 2차원 포토닉 결정층을 갖는 광학 기판 PC(1, 1a)의, 2차원 포토닉 결정층을 갖는 주면 측에, n형 반도체층, 발광 반도체층 및 p형 반도체층을 형성한다. 본 실시형태에 따른 반도체 발광 소자의 제조 방법에서는, 본 실시형태에 따른 광학 기판 PC(1, 1a) 상에, 반도체층을 형성하는 공정이 포함되어 있으면 되며, 얻어지는 반도체 발광 소자 중에, 본 실시형태에 따른 광학 기판 PC(1, 1a)가 포함되어 있을 필요는 없다. 구체적으로는, 광학 기판 PC(1, 1a) 상에 반도체 결정층을 형성한 후, 광학 기판 PC(1, 1a)를 제거하는 방법을 들 수 있다.
도 46을 참조하여, 본 실시형태에 따른 반도체 발광 소자의 제조 방법의 각 공정을 설명한다. 한편, 도 46을 참조하여 설명하는 반도체 발광 소자의 제조 방법은, 상기 설명한 <<광학 기판 PP>> 및 <<광학 기판 D>>에도 적용된다. 즉, 이하의 설명의 광학 기판 PC를, 광학 기판 PP 혹은 광학 기판 D로 바꿔 읽을 수 있다. 도 46은 본 실시형태에 따른 반도체 발광 소자의 제조 방법의 각 공정을 도시하는 단면 모식도이다.
도 46A에 도시하는 중간체(900)는, 본 실시형태에 따른, 표면에 2차원 포토닉 결정층(920)을 갖춘 광학 기판 PC(901) 상에, n형 반도체층(930), 발광 반도체층(940) 및 p형 반도체층(950)이 순차 적층되어 있다. 또한, p형 반도체층(950) 상에, p 전극층(960) 및 지지체(970)가 순차 적층되어 있다.
지지체(970)로서는, Si, Ge, GaAs, Fe, Ni, Co, Mo, Au, Cu 또는 Cu-W 등으로 이루어지는 도전성 기판을 이용할 수 있다. 또한, 도 46A에서는, 중간체(900)는 소자면에 수직인 방향으로 도통을 취하는 구성으로 되어 있지만, 평행 전극형이라도 좋다. 이 경우, 지지체(970)는 절연성 기판이라도 좋다. 지지체(970)와 p형 반도체층(950)과의 접합에는, 저융점 금속인 Au-Sn, Au-Si, Ag-Sn-Cu, Sn-Bi 등의 금속 공정(共晶), 또는 저융점 금속은 아니지만, Au층, Sn층, Cu층 등을 이용할 수도 있다. 한편, p 전극층(960) 상에 직접 도금, 스퍼터, 증착 등에 의해서 금속층을 형성하여 지지체(970)로 하여도 좋다. 또한, 지지체(970)의 p 전극층(960)과 면하지 않은 면에, 도시하지 않는 이면 전극을 설치하여도 좋다.
중간체(900)로부터, 도 46B에 도시하는 것과 같이, 광학 기판 PC(901)를 박리(리프트오프)함으로써, n형 반도체층(930)의 박리면에, 2차원 포토닉 결정층(920)이 반전된 2차원 포토닉 결정층(980)이 형성된 반도체 발광 소자(1000)를 얻을 수 있다. 이 경우, 반전된 2차원 포토닉 결정층(980)이, 얻어지는 반도체 발광 소자(1000)에 알맞은 구조가 되도록, 반전원(反轉元)이 되는 2차원 포토닉 결정층(920)의 구조가 적절하게 설계된다. 한편, 반전원이 되는 2차원 포토닉 결정층(920)의 미세 구조와, 반전된 2차원 포토닉 결정층(980)의 미세 구조는 완전히 일치하여도 일치하지 않아도 된다. 특히, 포토닉 결정층(980)의 설계 자유도 및 반도체 발광 소자(1000)의 외부 양자 효율(EQE)의 관점에서, 포토닉 결정층(920)의 미세 구조에 대한 포토닉 결정층(980)의 미세 구조의 전사율은, 0% 이상 30% 이하인 것이 바람직하다. 한편, 전사율은, 포토닉 결정층(920)의 미세 구조의 높이를 Hm, 그리고 포토닉 결정층(980)의 미세 구조의 높이를 Ht라고 기재한 경우에, (Hm-Ht)/Hm×100으로서 정의한다.
광학 기판 PC(901)의 박리에는, 예컨대 레이저 리프트오프, 케미컬 리프트오프 등이 채용된다. 레이저 리프트오프의 경우, 조사되는 레이저는, 광학 기판 PC(901)을 투과하고, n형 반도체층(930)을 투과하지 않는 파장이 이용된다. 또한, 케미컬 리프트오프의 경우는, 2차원 포토닉 결정층(920) 상에 얇은 에칭층을 적층하고, 케미컬 에칭에 의해서 광학 기판 PC(901)을 박리하는 방법을 들 수 있다. 한편, 광학 기판 PC(901)로서 실리콘을 채용한 경우, 상기 에칭층을 적층하지 않아도, 실리콘을 용이하게 용해하여 제거할 수 있다. 여기서, 광학 기판 PC 혹은, 광학 기판 PP 또는 광학 기판 D를 사용함으로써, 나노 오더의 고밀도의 요철 구조 PC 혹은, 요철 구조 PP 또는 요철 구조 D에 의해 광학적 산란성을 발현할 수 있다. 뒤집어 생각하면, 광학 기판 PC, 광학 기판 PP 또는 광학 기판 D에 형성되는 요철 구조 PC, 요철 구조 PP 또는 요철 구조 D는, 일반적으로 사용되고 있는 마이크로 오더의 요철 구조에 비해서 충분히 미소(微小)하다. 이 때문에, 광학 기판 PC(901) 혹은 광학 기판 PP 또는 광학 기판 D를 제거하는 리프트오프시의 n형 반도체층(930)에 대한 물리적 손상을 억제할 수 있다. 나아가서는, 광학 기판 PC(901) 혹은 광학 기판 PP 또는 광학 기판 D를 제거한 후의 n형 반도체층(930)의 표면에 형성되는 요철 구조의 정밀도, 즉, 광학 기판 PC(901) 혹은 광학 기판 PP 또는 광학 기판 D의 요철 구조의 전사 정밀도가 향상된다.
이어서, 반도체 발광 소자(1000)는, 도 46C에 도시하는 것과 같이, 2차원 포토닉 결정층(980)을 포함하는 n형 반도체층(930)의 표면 상에, n 전극층(990)을 형성한다.
본 실시형태에 따른 광학 기판 PC(901) 상에 반도체 결정층을 순차 적층하는 공정, 혹은 전술한 것과 같이 얻어진 중간체(900)로부터 광학 기판(901)을 리프트오프하는 공정 후에, 디바이스 프로세스를 더욱 실행하여, 전극 등을 적절하게 형성하여, 반도체 발광 소자(1000)로 한다.
이어서, 본 실시형태에 따른 광학 기판 PC(901)의 제조 방법에 관해서 설명한다. 단, 이하에 나타내는 제조 방법은 일례이며, 광학 기판 PC(901)의 제조 방법은 이것에 한정되는 것이 아니다.
광학 기판 PC는 예컨대 전사법에 의해 제조된다. 여기서, 전사법은 <<광학 기판 PP>>에 기재한 전사법으로 정의한다. 이때, 몰드로서는, 이하에 설명하는 원통형 마스터 몰드를 그대로 사용하는 것 외에, 원통형 마스터 몰드를 사용하여 제작한 수지 몰드나, 수지 몰드로 제작한 니켈제 몰드 등을 사용할 수 있다.
도 47은 본 실시형태에 따른 광학 기판 PC의 제조 방법의 일례를 도시하는 개략 설명도이다. 도 47에 도시하는 것과 같이, 노광 장치(470)는, 레지스트층이 피복된 롤형 부재(471)를 도시하지 않는 롤 파지부에 의해 파지되고 있고, 회전 제어부(472)와, 가공 헤드부(473)와, 이동 기구부(474)와, 노광 제어부(475)를 구비하고 있다. 회전 제어부(472)는, 롤형 부재(471)의 중심을 축으로 하여, 롤형 부재(471)를 회전시킨다. 가공 헤드부(473)는, 레이저광을 조사하여, 롤형 부재(471)의 레지스트층을 노광한다. 이동 기구부(474)는, 가공 헤드부(473)를 롤형 부재(471)의 장축 방향을 따라서 제어 속도로 이동시킨다. 노광 제어부(475)는, 회전 제어부(472)에 의한 롤형 부재(471)의 회전과 동기(同期)한 기준 신호에 기초하여, 가공 헤드부(473)에 의한 레이저 노광의 펄스 신호를 제어한다.
노광 장치(470)에 의한 롤형 부재(471)의 가공은, 롤형 부재(471)를 회전시킨 상태에서, 가공 헤드부(473)로부터 펄스 레이저를 조사함으로써 행한다. 가공 헤드부(473)는, 펄스 레이저를 조사하면서, 이동 기구부(474)에 의해서, 롤형 부재(471)의 장축 방향을 따라서 이동한다. 롤형 부재(471)의 회전수 및 펄스 레이저의 주파수로부터, 회전 방향에 있어서의 롤형 부재(471)의 외주면의 레지스트층에 임의의 피치로 패턴(476)이 기록된다. 이것이, 원통형 마스터 몰드에 있어서의 제1 방향 D1의 피치 Py가 된다.
또한, 롤형 부재(471)의 장축 방향을 따라서 주사하고 있기 때문에, 임의의 위치에서부터 롤형 부재(471)가 일주하면, 가공 헤드부(473)가 장축 방향으로 어긋나게 된다. 이것이 원통형 마스터 몰드에 있어서의 제2 방향 D2의 피치 Px가 된다. 롤형 부재(471)의 원주 길이와 비교하여, 패턴(476)의 피치 Py, Px는, 나노 미터 오더로 매우 작기 때문에, 제1 방향 D1의 피치 Py를 유지하면서, 장축 방향에서 보면 제1 방향 D1의 시프트량이 어긋난 열상(列狀) 패턴을 형성할 수 있다. 또한, 전술한 것과 같이, 패턴(476)의 피치 Py, Px는, 롤형 부재(401)의 원주 길이와 비교하여 매우 작기 때문에, 제1 방향 D1과 제2 방향 D2는 실질적으로 직교한다.
롤형 부재(471)는 원통형으로 형성된 부재에 회전축이 구비되어 있는 것이며, 재질로서는 금속, 카본 코어, 유리, 석영 등을 적용할 수 있다. 롤형 부재(471)는, 고속 회전이 가능한 가공 정밀도가 필요하게 되므로, 재질은 금속, 카본 코어 등이 바람직하다. 또한, 레이저 노광되는 원통 표면부만 다른 재료로 피복할 수도 있다. 특히, 열반응형 레지스트를 사용할 때에는, 단열 효과를 높이기 위해서 금속보다도 열전도율이 낮은 재료를 적용하는 것이 바람직하며, 유리, 석영, 산화물, 질화물 등을 들 수 있다. 원통 표면에 피복한 층을, 후술하는 레지스트층을 마스크로 하여 에칭하는 에칭층으로서 사용하는 것도 가능하다.
롤형 부재(471)를 피복하는 레지스트는, 레이저광에 의해 노광되는 것이라면 특별히 한정되는 것은 아니며, 광경화형 레지스트, 광증폭형 레지스트, 열반응형 레지스트 등을 적용할 수 있다. 특히, 열반응형 레지스트는, 레이저광의 파장보다도 작은 파장으로 패턴 형성할 수 있기 때문에 바람직하다.
열반응형 레지스트는 유기 레지스트 또는 무기 레지스트인 것이 바람직하다. 이들 레지스트에 의해 형성된 레지스트층은, 단층 구조라도, 복수의 레지스트층을 조합시킨 다층 구조라도 좋다. 한편, 어떠한 레지스트를 선택할지는, 공정이나 요구 가공 정밀도 등에 따라서 적절하게 변경할 수 있다. 예컨대, 유기 레지스트는, 롤형 부재(471)를 피복하는 레지스트층을 형성할 때에, 롤코터 등으로 도포할 수 있기 때문에 공정이 간편하게 된다. 단, 슬리브 상에 도포하기 때문에 레지스트의 점성에 제한이 있고, 도포 두께 정밀도나 제어 혹은 다층으로 코팅하기가 어렵다.
유기 레지스트로서는, (주)죠호기코 발간 「최신 레지스트 재료 핸드북」이나 (주)고교죠사카이 「포토폴리머 핸드북」에 있는 것과 같이, 노볼락 수지 또는 노볼락 수지와 디아조나프토퀸과의 혼합물, 메타크릴레이트계 수지, 폴리스티렌계 수지, 폴리에틸렌계 수지, 페놀계 수지, 폴리이미드계 수지, 폴리아미드계 수지, 실리콘 수지, 폴리에스테르계 수지, 에폭시계 수지, 멜라민계 수지, 비닐계 수지 등을 들 수 있다.
한편, 무기 레지스트는, 롤형 부재(471)를 피복하는 레지스트층을, 저항가열증착법이나 전자빔스퍼터법, CVD법 등의 기상법 등에 의해서 형성하는 것이 적합하다. 이들 방법은, 기본적으로 진공 프로세스가 되기 때문에, 슬리브 상에 형성하려면 공정수가 들지만, 막 두께를 정밀도 좋게 제어할 수 있고, 또한, 다층으로 적층하는 것이 용이하다.
무기 레지스트 재료는, 반응시키는 온도에 따라 여러 가지를 선택할 수 있다. 예컨대, 무기 레지스트 재료로서는, Al, Si, P, Ni, Cu, Zn, Ga, Ge, As, Se, In, Sn, Sb, Te, Pb, Bi, Ag, Au 및 이들의 합금을 들 수 있다. 또한, 무기 레지스트 재료는, Mg, Al, Si, Ca, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Ge, As, Se, Sr, Y, Zr, Nb, Mo, Pd, Ag, In, Sn, Sb, Te, Ba, Hf, Ta, W, Pt, Au, Pb, Bi, La, Ce, Sm, Gd, Tb, Dy의 산화물, 질화물, 질산화물, 탄화물, 황화물, 황산화물, 불화물, 염화물이나 이들의 혼합물을 적용하여도 좋다.
롤형 부재(471)를 피복하는 레지스트로서 열반응형 레지스트 재료를 사용한 경우, 하기의 패턴을 형성하는 노광 전에, 레지스트를 패턴 형성시보다도 낮은 온도에서 처리하는 예비 가열을 실시하여도 좋다. 예비 가열을 가함으로써, 패턴 형성시의 분해능을 향상시킬 수 있게 된다. 예비 가열에 의해 분해능이 향상되는 메커니즘의 상세는 불분명하지만, 열반응형 레지스트 재료의 열에너지에 의한 레지스트층을 형성하는 재료의 변화가 복수의 반응에 기초한 경우, 예비 가열에 의해, 패턴 형성시의 반응 이외의 것을 사전에 종료시킴으로써, 패턴 형성 반응이 단순하게 되어, 패턴 분해능이 향상된다고 추측된다.
롤형 부재(471)를 피복하는 레지스트를 예비 가열하는 방법으로서는, 특별히 제한되는 것은 아니며, 롤형 부재 전체를 가열하는 방법이나, 롤형 부재(471)에 레이저로 패터닝하는 것보다도 낮은 출력으로 롤 표면 전체를 주사하여, 레지스트에 열에너지를 조사하는 방법 등을 들 수 있다.
롤형 부재(471)를 피복하는 레지스트로서, 열반응형 레지스트를 사용하면, 후술하는 회전과 동기한 기준 신호에 기초하여 위상 변조시킨 펄스 신호로 노광하는 경우, 패턴을 형성하는 도트의 각각의 직경이, 피치 Py 및/또는 피치 Px에 대응하여 증감하기 때문에 바람직하다. 열반응형 레지스트를 사용한 경우에, 피치에 대응하여 도트 직경이 증감하는 명확한 메커니즘은 불분명하지만, 다음과 같이 추측된다. 한편, 원통형 마스터 몰드의 설명에서는, 도트 직경이란, 도트가 볼록 형상체인 경우는 볼록부 바닥부 외접원 직경 φout이고, 도트가 오목 형상체인 경우에는, 그 오목 형상체의 개구경이다.
열반응형 레지스트의 경우, 조사부에 조사된 레이저의 열에너지에 의해 레지스트층을 형성하는 재료에 변화가 생겨, 에칭 특성이 변함으로써 패턴이 형성된다. 이때, 조사된 열은 레지스트층의 변화에 전부 사용되는 것은 아니고, 일부는 축열되어 인접하는 영역에 전열된다. 그 때문에, 인접하는 영역에서의 열에너지는, 조사 에너지에 더하여, 인접하는 영역으로부터의 전열 에너지가 가해지게 된다. 나노 오더의 패턴 형성에서는, 이 전열 에너지의 기여는 무시할 수 없으며, 전열의 기여는, 패턴을 형성하는 도트 간격에 반비례하기 때문에, 결과적으로 얻어지는 패턴 직경은 인접하는 도트 간격의 영향을 받는다.
여기서, 도트 간격이 위상 변조에 의해 변하면, 상기한 전열 에너지의 기여가, 도트마다 다르게 되어, 도트 간격이 넓으면, 전열 에너지의 기여가 작아져, 도트 직경이 작아지고, 도트 간격이 좁으면, 전열 에너지의 기여가 커지기 때문에, 도트 직경이 커진다.
또한, 롤형 부재(471)를 피복하는 레지스트로서, 열반응형 레지스트를 사용하여, 후술하는 에칭층을 형성하여, 패턴의 가공 깊이를 제어하면, 상기한 것과 같이 회전과 동기한 기준 신호에 기초하여 위상 변조시킨 펄스 신호로 노광하는 경우, 패턴을 형성하는 도트의 각각의 높이가, 피치 Py 및/또는 피치 Px에 대응하여 증감하기 때문에 바람직하다. 열반응형 레지스트와 에칭층을 병용한 경우에, 피치 Px에 대응하여 도트 직경이 증감하는 메커니즘은 불분명하지만, 상기한, 도트 간격에 따라서 도트 직경이 증감하므로 설명이 가능하다.
즉, 나노 오더의 패터닝에 있어서, 도트 직경에 따라서, 에칭 깊이는 증감하여, 도트 직경이 넓어지면 에칭 깊이는 깊어지고, 도트 직경이 좁아지면 에칭 깊이가 얕아지는 경향이 있다. 특히, 에칭 수법이 드라이 에칭에 있어서 현저하다. 이것은, 에칭제의 교환 혹은 에칭 생성물의 이탈이 신속하게 이루어지지 않기 때문이라고 생각된다.
전술한 것과 같이, 열반응형 레지스트를 사용하면, 도트 간격이 넓으면 도트 직경이 작아지고, 도트 간격이 좁으면 도트 직경이 커진다. 도트 직경에 따라서 에칭 깊이가 증감하는 경향이 있기 때문에, 결과적으로 도트 간격이 넓으면, 도트 깊이는 얕아지고, 도트 간격이 좁으면, 도트 깊이가 깊어진다.
전술한 도트 간격과, 도트 직경, 도트 깊이의 증감의 영향은, 평균 피치가 작아지면 현저하다. 이것은, 전술한 전열 에너지의 영향이 커지기 때문으로 추정된다.
본 실시형태에서는, 롤형 부재(471)를 피복하는 레지스트층을 이용하여 그대로 원통형 마스터 몰드로서 적용하여도 좋고, 또한, 레지스트층을 마스크로 하여, 롤형 부재(471)의 표면 기재를 에칭함으로써 패턴 형성하여도 좋다.
롤형 부재(471)에 에칭층을 형성함으로써, 패턴의 가공 깊이를 자유롭게 제어할 수 있으면서, 열반응 레지스트층의 두께를 가공에 최적인 막 두께로 선택할 수 있다. 즉, 에칭층의 두께를 제어함으로써, 가공 깊이를 자유롭게 제어할 수 있다. 또한, 가공 깊이는 에칭층으로 제어할 수 있으므로, 열반응형 레지스트층은 노광이나 현상이 용이한 막 두께를 선택하면 된다.
노광을 행하는 가공 헤드부(473)에 이용하는 레이저는, 파장 150 nm 이상 550 nm 이하가 바람직하다. 또한, 파장의 소형화 및 입수의 용이성으로부터, 반도체 레이저를 사용하는 것이 바람직하다. 반도체 레이저의 파장은 150 nm 이상 550 nm 이하인 것이 바람직하다. 파장이 150 nm보다 짧은 경우에는, 레이저의 출력이 작아져, 롤형 부재(471)를 피복하는 레지스트층을 노광하기가 곤란하기 때문이다. 한편, 파장이 550 nm보다 긴 경우에는, 레이저의 스폿 직경을 500 nm 이하로 할 수 없어, 작은 노광부를 형성하기가 곤란하기 때문이다.
한편, 스폿 사이즈가 작은 노광부를 형성하기 위해서는, 가공 헤드부(473)에 이용하는 레이저로서, 가스 레이저를 사용하는 것이 바람직하다. 특히, XeF, XeCl, KrF, ArF, F2의 가스 레이저는, 파장이 351 nm, 308 nm, 248 nm, 193 nm, 157 nm로 짧아, 매우 작은 스폿 사이즈로 집광할 수 있으므로 바람직하다.
또한, 가공 헤드부(473)에 이용하는 레이저로서, Nd:YAG 레이저의 2배파, 3배파, 4배파를 이용할 수 있다. Nd:YAG 레이저의 2배파, 3배파, 4배파의 파장은 각각 532 nm, 355 nm, 266 nm이며, 작은 스폿 사이즈를 얻을 수 있다.
롤형 부재(471)의 표면에 형성된 레지스트층에 미세 패턴을 노광에 의해 형성하는 경우, 롤형 부재(471)의 회전 위치 정밀도가 매우 높아, 처음에 초점 심도 내에 부재 표면이 있도록 레이저의 광학계를 조정해 두면 제조는 용이하다. 그러나, 나노 임프린트에 적합한 정도의 롤 치수 정밀도, 회전 정밀도를 유지하기는 매우 곤란하다. 그 때문에, 노광에 이용하는 레이저는 대물 렌즈에 의해 수속(收束)되어 롤형 부재(471) 표면이 초점 심도 중에 끊임없이 존재하도록 오토-포커스가 걸려 있는 것이 바람직하다.
회전 제어부(472)는, 롤형 부재(471)를 롤의 중심을 축으로 회전시키는 기능을 갖는 장치이면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예컨대, 스핀들 모터 등이 적합이다.
가공 헤드부(473)를 롤형 부재(471)의 장축 방향으로 이동시키는 이동 기구부(474)로서는, 제어된 속도로 가공 헤드부(473)를 이동할 수 있으면 특별히 제한되는 것은 아니며, 선형 서보 모터 등을 적합하게 예로 들 수 있다.
도 47에 도시하는 노광 장치(470)에서는, 롤형 부재(471)의 표면 상에 형성되는 노광 패턴이 회전 제어부(472)의 회전(예컨대, 스핀들 모터의 회전)에 동기한 기준 신호에 기초하여, 위상 변조시킨 펄스 신호에 의해 노광 제어부(475)에서 노광부의 위치를 제어하고 있다. 기준 신호로서는, 스핀들 모터의 회전에 동기한 인코더로부터의 출력 펄스를 이용할 수 있다.
상기 설명한 수법에 의해 원통형 마스터 몰드를 제조할 수 있다. 이 원통형 마스터 몰드의 표면에 제작되는 패턴을 제어함으로써, 본 실시형태의 광학 기판 PC를, 전사법에 의해 제조하기 위한, 몰드를 제조할 수 있다. 또한, 상기 수법을 응용함으로써, <<광학 기판 PP>> 및 <<광학 기판 D>>를 전사법으로 제조할 때의 몰드를 제조하기 위한, 원통형 마스터 몰드를 용이하게 제조할 수도 있다. 한편, 상기 수법을, 광학 기판 PC의 기판 본체에 직접 적용함으로써, 광학 기판 PC를 제조할 수도 있다. 마찬가지로, 광학 기판 PP 또는 광학 기판 D의 기판 본체에 직접 적용함으로써, 광학 기판 PP 혹은 광학 기판 D를 제조할 수도 있다.
전술한 것과 같이, 열반응형 레지스트를 사용함으로써, 피치의 변화에 대하여, 음의 상관 계수를 만족하는 도트 직경 및 도트 높이를 구비하는 원통형 마스터 몰드를 제작할 수 있다. 또한, 원통형 마스터 몰드로부터 수지 몰드를 전사 형성한 경우도, 이들 관계는 유지된다.
여기서, 제작한 수지 몰드를 사용하여 <<광학 기판 PP>>에 기재한 피처리체에 전사 부여된 전사재를 영구제로서 사용하는 방법, 또는 나노 임프린트 리소그래피법을 적용하여, 기판 본체를 가공한 경우, 기판 본체에 형성되는 요철 구조 PC, 요철 구조 PP 또는 요철 구조 D의 피치와 도트 직경(볼록부 바닥부 외접원 직경 φout), 및 피치와 높이 H와의 상관을 음으로 할 수 있다.
한편, 제작한 수지 몰드를 사용하여 <<광학 기판 PP>>에 기재한 나노 가공용 시트를 제작하고, 이것을 사용하여 기판 본체를 가공한 경우, 기판 본체에 형성되는 요철 구조 PC, 요철 구조 PP 또는 요철 구조 D의 피치와 도트 직경(볼록부 바닥부 외접원 직경 φout), 및 피치와 높이 H와의 상관을 양으로 할 수 있다. 이것은, 나노 가공용 시트를 제작할 때의, 마스크층 성막 공정에서, 피치가 크고 도트 개구경이 작은 부분에 마스크층이 자발적으로 집합하기 때문이다.
즉, 광학 기판 PC, 광학 기판 PP 또는 광학 기판 D의 광학 기판 PC, 광학 기판 PP 또는 광학 기판 D에서는, 피치와 볼록부 바닥부 외접원 직경 φout 또는 피치와 높이 H와의 관계를 양의 상관으로도, 음의 상관으로도 제어하여 제작할 수 있다. 어느 상관을 채용하는지는 이미 설명한 것과 같다.
회전과 동기한 기준 신호에 기초하여 위상 변조시킨 펄스 신호는, 예컨대 다음과 같이 제어할 수 있다.
도 48A~도 48C를 이용하여, 스핀들 모터의 Z상 신호와, 기준 펄스 신호, 변조 펄스 신호의 관계를 설명한다. 도 48은, 본 실시형태에 따른 광학 기판 PC를 형성하는 노광 장치에 있어서의 스핀들 모터의 Z상 신호를 기준 신호로 하여 기준 펄스 신호, 변조 펄스 신호를 설정한 일례를 설명하는 설명도이다. Z상 신호를 기준으로 하여, 그 m배(m>2의 정수)의 주파수의 펄스 신호가 기준 펄스 신호이며, n배(m/n>k 또한 k>1의 정수)의 주파수의 펄스 신호가 변조 펄스 신호가 된다. 기준 펄스 신호, 변조 펄스 신호의 어느 것이나, Z상 신호의 주파수의 정수배이기 때문에, 롤형 부재(401)가 중심축 둘레로 1 회전하는 시간 내에 정수의 펄스 신호가 존재하게 된다.
이어서, 도 49를 이용하여, 기준 펄스 신호와 변조 펄스 신호, 위상 변조 펄스 신호와의 관계를 설명한다. 도 49는, 본 실시형태에 따른 광학 기판 PC를 형성하는 노광 장치에 있어서의 기준 펄스 신호와 변조 펄스 신호로부터 위상 변조 펄스 신호를 설정한 일례를 설명하는 설명도이다.
기준 펄스 신호의 위상을 변조 펄스 신호의 파장으로 주기적으로 증감시키면, 위상 변조 펄스 신호가 된다. 예컨대, 기준 펄스 주파수 fY0를 다음 식(8)으로 표시하고, 변조 주파수 fYL를 다음 식(9)으로 표시하면, 주파수 변조시킨 변조 펄스 신호 fY는 다음 식(10)으로 표시될 수 있다.
fY0=Asin(ω0t+φ0)
(8)
fYL=Bsin(ω1t+φ1)
(9)
fY=Asin(ω0t+φ0+Csin(ω1t))
(10)
또한, 다음 식(11)으로 표시되는 것과 같이, 기준 펄스 주파수 fY0에, 변조 펄스 신호로부터 얻어지는 사인파를 가산함에 의해서도 위상 변조 펄스 신호 fY'를 얻을 수 있다.
fY'=fY0+C'sin(t·fYL/fY0×2π)
(11)
나아가서는, 기준 펄스의 펄스 파장 LY0에, 변조 펄스 신호의 파장 LYL으로부터 얻어지는 사인파를 가산함으로써, 위상 변조 펄스 신호의 파장 LY을 얻을 수 있다.
도 49에 도시하는 것과 같이, 얻어지는 위상 변조 펄스 신호는, 변조 펄스 신호의 신호 간격에 따라서, 기준 펄스 신호의 펄스 간격이 주기적으로 증감한 신호가 된다.
또한, 노광 장치(470)에서는, 위상 변조한 펄스 신호에 상관없이, 일정 주파수의 기준 펄스 신호를 이용하여 가공 헤드부(473)에 의한 레이저 노광의 펄스 신호를 제어하여, 이동 기구부(474)에 의한 가공 헤드부(473)의 이동 속도를 주기적으로 증감시키는 구성으로 하여도 좋다. 이 경우에는, 예컨대, 도 50에 도시하는 것과 같이, 가공 헤드부(473)의 이동 속도를 주기적으로 증감한다. 도 50은 본 실시형태에 따른 광학 기판 PC를 형성하는 노광 장치에 있어서의 레이저광을 조사하는 가공 헤드부의 이동 속도의 일례를 설명하는 설명도이다. 도 50에 도시한 이동 속도는, 기준 이동 속도±σ의 이동 속도의 예이다. 이 이동 속도는, 롤형 부재(471)의 회전과 동기시키는 것이 바람직하며, 예컨대, Z상 신호에 있어서의 속도가 도 50에 도시하는 속도가 되도록 제어한다.
이상은, 패턴(476)이 주기적인 위상 변조로 제어된 경우이지만, 주기적이 아니라 랜덤한 위상 변조에 의해서 패턴(476)을 형성할 수도 있다. 예컨대 제1 방향 D1에서는, 피치 Py는, 펄스 주파수에 반비례하기 때문에, 펄스 주파수에, 최대 위상 어긋남이 1/10이 되도록 랜덤 주파수 변조를 행하면, 피치 Py는, 피치 Py의 1/10의 최대 변동 폭 δ1을 지니고, 랜덤하게 피치 Py가 증감한 패턴을 얻을 수 있다.
회전과 동기한 기준 신호의 제어 빈도에 관해서는, 롤 일주(一周)마다 등 복수 회 이상의 빈도에 의한 기준 신호에 의해, 변조 펄스 신호를 제어하여도 좋고, 노광 초기에 설정한 초기의 기준 신호만으로 제어하여도 좋다. 초기의 기준 신호만으로 제어하는 경우, 회전 제어부(472)의 회전수에 변조가 생긴 경우, 노광 펄스 신호에 위상 변조가 생기게 된다. 왜냐하면, 나노 오더의 회전 제어이기 때문에, 회전 제어부(472)의 근소한 전위 변동이라도, 나노 오더의 피치 변동이 생겨, 그것이 적산되기 때문이다. 만일 500 nm 피치의 패턴 피치인 경우, 롤 외주 길이가 250 mm이면, 50만 회의 레이저 노광이 되어, 1만 회마다 1 nm의 어긋남으로도, 50 nm의 어긋남으로 된다.
동일한 피치, 동일한 장주기라도, 기준 신호의 제어 빈도의 조정에 의해, 도 37 및 도 40에 도시하는 배치의 미세 구조를 제작할 수 있게 된다. 도 37에 도시하는 배치의 미세 구조를 형성하는 경우는, 기준 신호의 제어 빈도를 내리고 있고, 도 40에 도시하는 배치의 미세 구조를 형성하는 경우는 기준 신호의 제어 빈도를 올리고 있다. 그 때문에, 도 40에 도시하는 배치에서는, 해당하는 도트의 제2 방향의 위상(위치)이 갖춰져 있고, 도 37에 도시하는 배치에서는, 해당하는 도트의 제2 방향의 위상(위치)에 어긋남이 생긴다. 도 39 및 도 41에 도시하는 배치의 관계도 마찬가지이다.
노광 장치(470)에 의해, 표면에 형성된 레지스트층이 노광된 롤형 부재(471)를 현상하고, 현상한 레지스트층을 마스크로 하여, 드라이 에칭에 의해 에칭층을 에칭한다. 에칭 후, 잔사의 레지스트층을 제거하면, 원통형 마스터 몰드를 얻을 수 있다.
전술한 것과 같이 얻어진 패턴(476)을, 소정의 기판에 전사하여, 본 실시형태에 따른 광학 기판을 얻는 방법으로서는, 특별히 한정되는 것이 아니라, <<광학 기판 PP>>에서 설명한 전사법을 채용할 수 있다. 원통형 마스터 몰드, 구체적으로는, 원통형 마스터 몰드(롤형 부재(471))의 패턴(476)을 한 번 필름에 전사하여, 수지 몰드를 형성하고 나서, 이미 설명한 전사법을 행한다.
원통형 마스터 몰드로부터 수지 몰드에 패턴(476)을 전사하는 방법으로서는, 특별히 한정되는 것이 아니라, 예컨대, 직접 나노 임프린트법을 적용할 수 있다. 직접 나노 임프린트법으로서는, 소정 온도에서 가열하면서 원통형 마스터 몰드의 패턴(476)에 열경화성 수지를 충전하고, 원통형 마스터 몰드를 냉각하고 나서 경화된 열경화성 수지를 이형(離型)하여 전사하는 열 나노 임프린트법이나, 원통형 마스터 몰드의 패턴(476)에 충전한 광경화성 수지에 소정 파장의 광조사하여, 광경화성 수지를 경화시키고 나서, 원통형 마스터 몰드로부터 경화된 광경화성 수지를 이형하여 전사하는 광 나노 임프린트법을 들 수 있다.
원통형 마스터 몰드(롤형 부재(471))는, 심리스(seamless)의 원통형 몰드이기 때문에, 특히, 롤투롤 나노 임프린트에 의해 수지 몰드를 연속 전사하는 데에 적합하다.
또한, 패턴(476)을 전사한 수지 몰드로부터 전기 주조에 의해 전기 주조 몰드를 제작하고, 이 전기 주조 몰드를 사용하여 전사법을 행할 수도 있다. 전기 주조 몰드를 형성한 경우는, 원형(元型)이 되는 원통형 마스터 몰드의 수명을 연장시킨다는 점에서 바람직하고, 전기 주조 몰드를 한 번 형성하는 방식에서도, 기재의 평탄성을 흡수할 수 있기 때문에, 수지 몰드를 더 형성하는 방법이 바람직하다.
또한, 수지 몰드법에서는, 반복 전사가 용이하기 때문에 바람직하다. 여기서의 「반복 전사」란, (1) 요철 패턴 형상을 갖는 수지 몰드(+)로부터, 전사 반전된 요철 패턴 전사물을 복수 제조하는 것, 또는 (2) 특히 경화성 수지 조성물을 전사제로서 이용하는 경우에 있어서, 수지 몰드(+)로부터 반전된 전사체(-)를 얻고, 이어서 전사체(-)를 수지 몰드(-)로 하여, 반전 전사된 전사체(+)를 얻고, 요철/요철/요철/요철/···/을 반복하여 패턴 반전 전사하는 것 중 어느 하나 혹은 양쪽을 의미한다.
한편, 전술한 전사법에 사용하는 몰드는 <<광학 기판 PP>> 및 <<광학 기판 D>>에 대하여도 마찬가지로 적용된다.
<<반도체 발광 소자>>
이어서, 상기 설명한 <<광학 기판 PP>>, <<광학 기판 D>> 및 <<광학 기판 PC>>에서, 도 2~도 6을 참조하여 설명한 반도체 발광 소자의 보다 바람직한 상태에 관해 설명한다.
이하의 설명에서는, 요철 구조 PP, 요철 구조 D 또는 요철 구조 PC(이하, 단순히 요철 구조라고 기재함)의 높이는, 요철 구조의 평균 높이로서 정의한다. 즉, 요철 구조 PP에서 정의한 높이 H의 상가 평균치를 채용하여, 평균 높이 h라고 기재한다. 또한, 요철 구조의 평균 오목부 바닥부 위치 및 볼록부 꼭대기부 위치는, 주사형 전자현미경을 이용한 단면 관찰상으로부터 결정된다. 또, 요철 구조의 오목부 바닥부에까지 프로브를 주사시킬 수 있는 경우, 요철 구조에 대한 원자간력 현미경에 의해 결정할 수도 있다.
<거리 Hbun>
본 실시형태에 따른 반도체 발광 소자는, 도 2~도 6을 참조하여 <<광학 기판 PP>>에서 설명한 반도체 발광 소자에 관해서, 광학 기판 PP를 광학 기판 PP, 광학 기판 D 또는 광학 기판 PC로 한 것, 요철 구조 PP를 요철 구조 PP, 요철 구조 D 또는 요철 구조 PC로 한 것을 채용할 수 있다. 광학 기판 PP(10)의 발광 반도체층(40) 측의 표면과 제1 반도체층(30)의 발광 반도체층(40) 측의 표면의 거리를 거리 Hbun라고 정의한다. 여기서, 광학 기판 PP(10)의 발광 반도체층(40) 측의 표면이란, 요철 구조(20)의 평균 오목부 바닥부 위치로서 정의한다. 또, 제1 반도체층(30)의 발광 반도체층(40) 측의 표면은 평균면으로서 정의한다. 평균은 상가 평균이며, 평균 점수는 10점 이상으로 한다. 즉, 거리 Hbun는, 요철 구조(20)의 평균 오목부 바닥부 위치를 기준으로 했을 때의 제1 반도체층(30)의 평균 두께이다.
<거리 Hbu>
광학 기판 PP(10)의 발광 반도체층(40) 측의 표면과 비도핑 제1 반도체층(31)의 발광 반도체층(40) 측의 표면의 거리를 거리 Hbu라고 정의한다. 여기서, 광학 기판 PP(10)의 발광 반도체층(40) 측의 표면이란, 요철 구조(20)의 평균 오목부 바닥부 위치로서 정의한다. 또, 비도핑 제1 반도체층(31)의 발광 반도체층(40) 측의 표면은, 평균면으로서 정의한다. 평균은 상가 평균이며, 평균 점수는 10점 이상으로 한다. 즉, 거리 Hbu는, 요철 구조(20)의 평균 오목부 바닥부 위치를 기준으로 했을 때의 비도핑 제1 반도체층(31)의 평균 두께이다.
이어서, 반도체 발광 소자(100)(200, 300, 400, 500을 포함한다. 이하 동일.)를 구성하는 각 요소에 관해서 상세히 설명한다.
·거리 Hbun와 평균 높이 h의 비율(Hbun/h)
거리 Hbun와 평균 높이 h의 비율(Hbun/h)은 하기 식(12)을 만족한다.
8≤Hbun/h≤300
(12)
비율(Hbun/h)은, 요철 구조(20)의 평균 높이(h)와 제1 반도체층(30)의 평균 두께 Hbun의 비율을 의미하고 있고, 비율(Hbun/h)이 클수록, 제1 반도체층(30)의 평균 두께 Hbun가 커진다. 비율(Hbun/h)이 8 이상임으로써, 제1 반도체층(30)의 발광 반도체층(40) 측 표면의 평탄성이 양호하게 되기 때문에 바람직하다. 특히, 비율(Hbun/h)은, 요철 구조(20)의 설계 자유도를 향상시킨다는 관점에서 10 이상인 것이 바람직하고, 12 이상인 것이 보다 바람직하다. 또, 비율(Hbun/h)은, 요철 구조(20)의 영향을 억제하여, 제1 반도체층(30)의 발광 반도체층(40) 측 표면의 평탄성을 보다 양호하게 한다는 관점에서, 14 이상인 것이 바람직하고, 16 이상인 것이 보다 바람직하다. 또한, 제1 반도체층(30)의, 요철 구조(20)의 평균 볼록부 꼭대기부 위치와 발광 반도체층(40) 사이에서, 전위의 충돌 확률을 증가시켜, 내부 양자 효율(IQE)을 보다 높인다는 관점에서 20 이상이 보다 바람직하고, 25 이상이 가장 바람직하다. 한편, 비율(Hbun/h)이 300 이하임으로써, 반도체 발광 소자(100)의 휘어짐을 억제할 수 있다. 반도체 발광 소자(100)의 제조에 따른 시간을 단축한다는 관점에서, 비율(Hbun/h)은 200 이하인 것이 바람직하고, 150 이하인 것이 보다 바람직하다. 또한, 광학 기판 PP(10)와 제1 반도체층(30)과의 열팽창차에 의한 변형을 작게 하고, 광학 기판 PP(10)의 크기를 크게 하여 대면적의 반도체 발광 소자(100)를 제조한 경우라도, 휘어짐을 효과적으로 억제한다는 관점에서, 비율(Hbun/h)은 100 이하인 것이 보다 바람직하고, 50 이하인 것이 가장 바람직하다.
·거리 Hbu와 평균 높이 h의 비율(Hbu/h)
거리 Hbu와 평균 높이 h의 비율(Hbu/h)은 하기 식(13)을 만족한다.
3.5≤Hbu/h≤200
(13)
비율(Hbu/h)은, 요철 구조(20)의 평균 높이(h)와, 비도핑 제1 반도체층(31)의 평균 두께 Hbu의 비율을 의미하고 있고, 비율(Hbun/h)이 클수록, 비도핑 제1 반도체층(31)의 평균 두께 Hbu가 커진다. 비율(Hbun/h)이 3.5 이상임으로써, 비도핑 제1 반도체층(31)의 발광 반도체층(40) 측 표면의 평탄성이 양호하게 되기 때문에 바람직하다. 특히, 비율(Hbu/h)은, 요철 구조(20)의 설계 자유도를 향상시키는 동시에, 비도핑 제1 반도체층(31)의 반도체로서의 성능을 도핑 제1 반도체층(32)에 반영시켜 제1 반도체층(30)의 제조 시간을 단축한다는 관점에서 4 이상인 것이 바람직하고, 5 이상인 것이 보다 바람직하다. 또, 비율(Hbu/h)은, 요철 구조(20)의 영향을 억제하여, 비도핑 제1 반도체층(31)의 발광 반도체층(40) 측 표면의 평탄성을 보다 양호하게 한다는 관점에서, 8 이상인 것이 바람직하고, 10 이상인 것이 보다 바람직하다. 또한, 비도핑 제1 반도체층(31)의, 요철 구조(20)의 평균 볼록부 꼭대기부 위치와 발광 반도체층(40) 사이에서, 전위의 충돌 확률을 증가시켜, 내부 양자 효율(IQE)을 보다 높인다는 관점에서 15 이상인 것이 가장 바람직하다. 한편, 비율(Hbu/h)이 200 이하임으로써, 반도체 발광 소자(100)의 휘어짐을 억제할 수 있다. 반도체 발광 소자(100)의 제조에 따른 시간을 단축한다는 관점에서, 비율(Hbu/h)은 100 이하인 것이 바람직하고, 50 이하인 것이 보다 바람직하다. 또한, 광학 기판 PP(10)와 제1 반도체층(30)과의 열팽창차에 의한 변형을 작게 하고, 광학 기판 PP(10)의 크기를 크게 하여 대면적의 반도체 발광 소자(100)를 제조한 경우라도, 휘어짐을 효과적으로 억제한다는 관점에서, 비율(Hbu/h)은 30 이하인 것이 가장 바람직하다.
·제1 반도체층
제1 반도체층(30)의 재질은 이미 설명한 것과 같다. 제1 반도체층(30)의 막 두께(Hbun)는, 요철 구조(20)를 평탄화하는 동시에, 제1 반도체층(30) 내부의 전위를 저감하여, 발광 반도체층(40) 및 제2 반도체층(50)에 반도체로서의 성능을 반영시킴으로써 내부 양자 효율(IQE)을 향상시킨다는 관점에서, 1000 nm 이상이면 바람직하다. 특히, 요철 구조(20)에 의한 전위 저감 효과를 보다 발휘한다는 관점에서, 1500 nm 이상인 것이 바람직하고, 2000 nm 이상인 것이 보다 바람직하다. 또한, 발광 반도체층(40) 및 제2 반도체층(50)에 반도체로서의 성능을 반영시켜 내부 양자 효율(IQE)을 효과적으로 크게 한다는 관점에서, 2500 nm 이상인 것이 바람직하고, 3000 nm 이상인 것이 보다 바람직하고, 4000 nm 이상인 것이 가장 바람직하다. 한편, 상한치는 기판의 휘어짐을 감소시킨다는 관점에서 100000 nm 이하이면 바람직하고, 7500 nm 이하인 것이 보다 바람직하고, 6500 nm 이하인 것이 가장 바람직하다.
한편, 도핑 제1 반도체층(32)은, 반도체 발광 소자(예컨대, LED)에 알맞은 n형 반도체층으로서 사용할 수 있는 것이라면, 특별히 제한은 없다. 예컨대, 실리콘, 게르마늄 등의 원소 반도체, III-V족, II-VI족, VI-VI족 등의 화합물 반도체 등에 적절하게 여러 가지 원소를 도핑한 것을 적용할 수 있다. 도핑 제1 반도체층(32)의 막 두께는, 발광 반도체층(40)에의 전자 주입성의 관점에서, 800 nm 이상이면 바람직하고, 1500 nm 이상인 것이 보다 바람직하고, 2000 nm 이상인 것이 가장 바람직하다. 한편, 상한치는, 휘어짐을 저감한다는 관점에서, 5000 nm 이하인 것이 바람직하다. 도핑 제1 반도체층(32)의 사용량을 저감하는 동시에, 반도체 발광 소자(100)의 제조 시간을 단축한다는 관점에서, 4300 nm 이하인 것이 바람직하고, 4000 nm 이하인 것이 보다 바람직하고, 3500 nm 이하인 것이 가장 바람직하다.
비도핑 제1 반도체층(31)은, 도핑 제1 반도체층(32)의 n형 반도체층으로서의 성능에 지장을 초래하지 않는 범위에서 적절하게 선택할 수 있다. 예컨대, 실리콘, 게르마늄 등의 원소 반도체, III-V족, II-VI족, VI-VI족 등의 화합물 반도체 등을 적용할 수 있다. 비도핑 제1 반도체층(31)의 막 두께(Hbu)는, 요철 구조(20)를 평탄화한다는 관점에서, 1000 nm 이상인 것이 바람직하다. 특히, 비도핑 제1 반도체층(31)의 내부에서 전위를 효과적으로 저감한다는 관점에서 1500 nm 이상인 것이 바람직하고, 2000 nm 이상인 것이 보다 바람직하고, 2500 nm 이상인 것이 가장 바람직하다. 한편 상한치는, 반도체 발광 소자(100)의 휘어짐을 저감한다는 관점에서 6000 nm 이하인 것이 바람직하다. 특히, 반도체 발광 소자(100)의 제조 시간을 단축한다는 관점에서, 5000 nm 이하인 것이 바람직하고, 4000 nm 이하인 것이 보다 바람직하고, 3500 nm 이하인 것이 가장 바람직하다.
한편, 광학 기판 PP(10)의 요철 구조(20) 상에 적어도 비도핑 제1 반도체층(31) 및 도핑 제1 반도체층(32)이 순차 적층되는 경우, 도핑 제1 반도체층(32) 상에 다른 비도핑 반도체층(2)을 더 형성하고, 그 위에 발광 반도체층(40)을 형성할 수도 있다. 이 경우, 다른 비도핑 반도체층(2)으로서는, 상기 비도핑 제1 반도체층(31)에서 설명한 재료를 사용할 수 있다. 다른 비도핑 반도체층(2)의 막 두께는, 반도체 발광 소자(100)의 발광성의 관점에서, 10 nm 이상인 것이 바람직하고, 100 nm 이상인 것이 보다 바람직하고, 200 nm 이상인 것이 가장 바람직하다. 한편 상한치는, 발광 반도체층(40) 내에서의 정공과 전자의 재결합이라는 관점에서, 500 nm 이하인 것이 바람직하고, 400 nm 이하인 것이 보다 바람직하고, 350 nm 이하인 것이 가장 바람직하다.
·제1 반도체층 및 요철 구조의 관계
제1 반도체층(30)과 요철 구조(20)는 제1 반도체층(30) 내부의 전위 저감의 관점에서 적절하게 조합할 수 있다. 요철 구조(20)의 오목부 바닥부가 갖는 평탄면(이하, 「평탄면 B」라고 함)과, 제1 반도체층(30)의 안정 성장면에 대하여 거의 평행한 면(이하, 「평행 안정 성장면」이라고 함)이 평행한 경우, 요철 구조(20)의 오목부 근방에서의 제1 반도체층(30)의 성장 모드의 흐트러짐이 커져, 제1 반도체층(30) 내의 전위를 효과적으로 요철 구조(20)에 따라 분산화할 수 있기 때문에, 내부 양자 효율(IQE)이 향상된다. 안정 성장면이란, 성장시키는 재료에 있어서 성장 속도가 가장 느린 면을 가리킨다. 일반적으로는, 안정 성장면은 성장 도중에 파셋면으로서 나타난다는 것이 알려져 있다. 예컨대, 질화갈륨계 화합물 반도체의 경우, M면으로 대표되는 A축에 평행한 평면이 안정 성장면으로 된다. GaN계 반도체층의 안정 성장면은, 육방정 결정의 M면 (1-100), (01-10), (-1010)이며, A축에 평행한 평면의 하나이다. 한편, 성장 조건에 따라서는, GaN계 반도체의 M면 이외의 평면인 A축을 포함하는 다른 평면이 안정 성장면으로 되는 경우도 있다.
상기 요건을 만족하는 반도체 발광 소자로 함으로써, 광학 기판 PP, 광학 기판 D 및 광학 기판 PC의 효과를 효과적으로 발현한 반도체 발광 소자를 효율적으로 제조할 수 있다. 보다 구체적으로는, 광학 기판은 일반적으로 웨이퍼형이다. 이 광학 웨이퍼에 대하여 반도체 결정층을 성막할 때에, 반도체 결정층에의 크랙의 생성 및 휘어짐의 문제가 생긴다. 상기 범위를 만족함으로써, 반도체 결정층의 막 두께가 얇은 경우라도, 효율적으로 발광하는 반도체 발광 소자를 제조할 수 있다. 이 점에서, 크랙과 휘어짐은 감소하여, 효율적인 반도체 발광 소자 칩을, 1장의 광학 웨이퍼로부터 많이 제조할 수 있게 된다.
실시예
이하, 본 발명의 효과를 확인하기 위해서 행한 실시예에 관해서 설명한다.
이하의 설명에서 사용하는 기호는 이하의 의미를 나타낸다.
·DACHP…불소 함유 우레탄 (메트)아크릴레이트(OPTOOL DAC HP(다이킨고교사 제조))
·M350…트리메틸올프로판(EO 변성) 트리아크릴레이트(도아고세이사 제조 아로닉스 M350)
·I.184…1-히드록시시클로헥실페닐케톤(BASF사 제조 Irgacure(등록상표) 184)
·I.369…2-벤질-2-디메틸아미노-1-(4-모르폴리노페닐)-부타논-1(BASF사 제조 Irgacure(등록상표) 369)
·TTB…티타늄(IV)테트라부톡시드 모노머(와코쥰야쿠고교사 제조)
·SH710…페닐 변성 실리콘(도오레다우코닝사 제조)
·3APTMS…3-아크릴옥시프로필트리메톡시실란(KBM5103(신에츠실리콘사 제조))
·DIBK…디이소부틸케톤
·MEK…메틸에틸케톤
·MIBK…메틸이소부틸케톤
·DR833…트리시클로데칸디메탄올디아크릴레이트(SR833(SARTOMER사 제조))
·SR368…트리스(2-히드록시에틸)이소시아누레이트트리아크릴레이트(SR833(SARTOMER사 제조)
(실시예 1)
<광학 기판 PP>
표면에 모양(X)이 그려진 광학 기판 PP를 제작하고, 이 기판 PP를 사용하여 반도체 발광 소자(LED)를 제작하여, LED의 효율을 비교했다.
이하의 검토에서는, 우선 (1) 원통형 마스터 몰드를 제작하고, (2) 원통형 마스터 몰드에 대하여 광전사법을 적용하여, 수지 몰드를 제작했다. (3) 그 후, 수지 몰드를 나노 가공용 시트로 가공했다. 계속해서, (4) 나노 가공용 시트를 사용하여, 광학 기판 상에 가공 마스크를 형성하고, 얻어진 가공 마스크를 통해 드라이 에칭을 행함으로써, 표면에 요철 구조 PP를 구비하는 광학 기판 PP를 제작했다. 마지막으로, (5) 얻어진 광학 기판 PP를 사용하여, 반도체 발광 소자를 제작하여, 성능을 평가했다.
(1) 원통형 마스터 몰드의 제작
반도체 레이저를 이용한 직접 묘화 리소그래피법에 의해 원통형 석영 유리의 표면에 미세 구조를 형성했다. 우선 원통형 석영 유리 표면 상에, 스퍼터링법에 의해 레지스트층을 성막했다. 스퍼터링법은, 타겟(레지스트층)으로서, φ3 인치의 CuO(8 atm% Si 함유)를 이용하고, RF 100 W의 전력으로 실시하여, 20 nm의 레지스트층을 성막했다. 이어서, 원통형 석영 유리를 회전시키면서, 파장 405 nm 반도체 레이저를 이용하여, 레지스트층 전면을 한 번 노광했다. 이어서, 한 번 노광된 레지스트층에 대하여, 같은 반도체 레이저를 사용하여, 펄스 노광을 했다. 여기서, 레이저 펄스의 노광 패턴에 대하여 소정의 규칙성을 가하여, 미세 구조의 배열을 제어했다. 예컨대, 어느 원통형 마스터에 대해서는, 원통형 석영 유리의 둘레 방향의 노광 펄스 폭을 일정하게 하고, 축 방향의 펄스 간격을 사인파에 따라 변동시켰다. 또한, 별도의 원통형 마스터에 대해서는, 원통형 석영 유리의 둘레 방향의 노광 펄스 간격 및 축 방향의 노광 펄스 간격 모두 사인파에 따라 변동시켰다. 또한, 별도의 원통형 마스터에 대해서는, 원통형 석영 유리의 둘레 방향의 노광 펄스 간격 및 축 방향의 노광 펄스 간격 모두 사인파에 따라 변동시키는 동시에, 원통형 마스터의 회전 속도에 증감을 더했다. 이어서, 펄스 노광 후의 레지스트층을 현상했다. 레지스트층의 현상은, 0.03 wt%의 글리신 수용액을 이용하여 240 sec 처리로 했다. 이어서, 현상한 레지스트층을 마스크로 하여, 드라이 에칭에 의한 에칭층(석영 유리)을 에칭했다. 드라이 에칭은, 에칭 가스로서 SF6를 이용하고, 처리 가스압 1 Pa, 처리 전력 300 W, 처리 시간 5분의 조건으로 실시했다. 마지막으로, 표면에 미세 구조가 부여된 원통형 석영 유리로부터, 레지스트층 잔사만을 pH 1의 염산을 이용하여 박리했다. 박리 시간은 6분간으로 했다.
얻어진 원통형 석영 유리를 엑시머 세정하고, 이어서, 미세 구조에 대하여, 불소계 이형제인 듀라서프 HD-1101Z(다이킨가가쿠고교사 제조)를 도포하여, 60℃에서 1시간 가열한 후, 실온에서 24시간 정치하여 고정화했다. 그 후, 듀라서프 HD-ZV(다이킨가가쿠고교사 제조)로 3회 세정하여, 원통형 마스터 몰드를 얻었다.
(2) 수지 몰드의 제작
제작한 원통형 마스터 몰드를 주형으로 하고, 광나노 임프린트법을 적용하여, 연속적으로 수지 몰드 G1을 제작했다. 이어서, 수지 몰드 G1을 템플레이트로 하여, 광나노 임프린트법에 의해 연속적으로 수지 몰드 G2를 얻었다.
PET 필름 A-4100(도요보사 제조: 폭 300 mm, 두께 100 ㎛)의 이(易)접착면에 마이크로 그라비아 코팅(야스이세이키사 제조)에 의해, 도포 막 두께 2.5 ㎛가 되도록 이하에 나타내는 재료 1을 도포했다. 이어서, 원통형 마스터 몰드에 대하여, 재료 1이 도포된 PET 필름을 닙 롤로 꽉 누르고, 대기 하에, 온도 25℃, 습도 60%로, 램프 중심 하에서의 적산 노광량이 1500 mJ/㎠가 되도록, 퓨젼UV시스템즈재팬주식회사 제조 UV 노광 장치(H 벌브)를 이용하여 자외선을 조사하고, 연속적으로 광경화를 실시하여, 표면에 미세 구조가 전사된 수지 몰드 G1(길이 200 m, 폭 300 mm)을 얻었다.
재료 1…DACHP:M350:I.184:I.369=17.5 g:100 g:5.5 g:2.0 g
제작한 수지 몰드 G1의 미세 구조면을, 광학현미경으로 관찰하여 모양을 확인했다. 또한, 모양을 주사형 전자현미경에 의해 확대함으로써, 미세 구조를 확인했다. 결과를 표 2에 정리했다. 한편, 광학현미경에 의한 관찰은, 주식회사니콘사 제조의 광학 렌즈를 사용한 주식회사기엔스사 제조의 초심도 컬러 3D 형상 측정 현미경(VK-9500) 및 주식회사하이록스사 제조의 KH-3000VD(대물 렌즈: OL-700)를 사용하여 행했다. 특히, VK-9500을 사용한 경우는 10배~1000배의 범위를 관찰하고, KH-3000VD를 사용한 경우는 700배~5000배를 관찰했다. 어느 광학현미경을 사용한 경우라도 같은 광학 모양이 관찰되었지만, 후자의 KH-3000VD를 사용한 경우 쪽이, 관찰된 광학 모양의 선명도가 높은 것이 확인되었다. 한편, 이하의 실시예에서의 광학현미경 관찰에는, 상기 2개의 광학현미경을 각각 사용했다. 또한, 어느 실시예에서나, KH-3000VD를 사용한 경우의 관찰상이 선명하다는 것이 확인되었다.
또한, 주사형 전자현미경을 사용하여, 수지 몰드 G1의 미세 구조면을 관찰했다. 주사형 전자현미경으로서는, 히타치 초고분해능 전계 방출형 주사 전자현미경 SU8010(주식회사히타치하이테크놀로지즈사 제조)를 사용했다. 또한, 이하 어느 실시예에서나, 특별히 양해가 없는 한, 주사형 전자현미경으로서는 상기 SU8010를 사용했다.
한편, 표 2에서, 열 A는 광학현미경 상을 관찰한 결과를 나타내고, 열 B는 주사형 전자현미경 상을 관찰한 결과를 나타낸다.
No. 2-1의 수지 몰드 G1은, 광학현미경에 의해, 500배 및 1000배의 배율로 관찰한 바, 명암의 변화로서 주위보다도 밝은 제1 영역(Xa)이 사방 배열된 모양(X)이 관찰되었다. 한편, 사방 배열되어 있는 제1 영역(Xa)은 평균 간격 Dave이 1450 nm인 원 형상 모양(Xa)이며, 모양(Xa)의 윤곽은 대략 원형이고 그라데이션이 들어가 있으며, 어느 원 형상 모양(Xa)과 다른 원 형상 모양(Xa)과의 명암은 상이한 부위가 확인되었다. 또한, 관찰 배율을 더욱 올려, 1400배, 2800배 및 4900배로 한 경우도 모양(X)은 관찰되었다. 또한, 제1 영역(Xa)이 대략 원 형상 모양인 것, 그리고 평균 간격 Dave이 1450 nm인 것에 변함은 없었다. 즉, 도 16에서 설명한 것과 같이, 어떤 축을 잡았을 때에, 명암이 연속적으로 변화되는 모양이 관찰되었다. 또한, 주사형 전자현미경으로 5000배, 10000배 및 50000배의 배율로 관찰한 바, 광학현미경에서 관찰된 모양(X)은, 보다 미세한 미세 구조에 의해 형성되어 있음을 확인할 수 있었다. 미세 구조의 볼록부의 윤곽은 대략 원형이며, 평균 피치 P'ave는 300 nm였다. 또한, 미세 구조의 피치 P'는, 300 nm를 중심으로 연속적으로 변화하고 있는 것, 및 그 변화가 큰 주기의 평균이 1450 nm로, 광학현미경 관찰에 의해 확인된 모양(X)의 평균 간격 Dave과 대략 일치하는 것이 확인되었다. 또한, 광학현미경에 의해 관찰된 명암 모양에 있어서, 명부에서부터 암부에 걸쳐서 주사형 전자현미경 관찰을 한 바, 명부, 암부 및 이들의 계면부에는 전부 미세 구조가 형성되어 있음이 확인되었다. 또한, 미세 구조의 피치 P'의 변화에 따라, 높이 H 및 볼록부 바닥부 외접원 직경 φout도 연속적으로 변화하고 있음을 관찰할 수 있었다. 특히, 피치 P'가 증가함으로써, 높이 H 및 볼록부 바닥부 외접원 직경 φout은 작아지는 것이 확인되었다.
No. 2-2의 수지 몰드 G1은, 광학현미경에 의해, 500배 및 1000배의 배율로 관찰한 바, 명암의 변화로서 주위보다도 밝은 제1 영역(Xa)이 사방 배열된 모양(X)이 관찰되었다. 사방 배열되어 있는 제1 영역(Xa)은, 평균 간격 Dave이 1650 nm인 원 형상 모양(Xa)이며, 원 형상 모양(Xa)의 윤곽은 그라데이션이 들어가 있었다. 또한, 사방 배열되어 있는 원 형상 모양(Xa)은, 일축 방향으로 군을 이루고, 그 축과 수직 방향으로 보다 크게 배열되어 있음이 확인되었다. 즉, 광학현미경 상에 있어서, 미시적으로는 사방 배열되어 있는 원 형상 모양(Xa)이 관찰되고, 거시적으로는, 상기 원 형상 모양(Xa)과는 별도로, 규칙성이 낮은 라인형의 모양이 관찰되었다. 또한, 어느 원 형상 모양(Xa)과 다른 원 형상 모양(Xa)과의 명암은 상이한 부위가 확인되었다. 또한, 관찰 배율을 더욱 올려, 1400배, 2800배 및 4900배로 한 경우도 모양(X)은 관찰되었다. 또한, 제1 영역(Xa)은 대략 원 형상 모양인 것, 그리고 평균 간격 Dave이 1650 nm인 것에 변함은 없었다. 즉, 도 16에서 설명한 것과 같이, 어떤 축을 잡았을 때에, 명암이 연속적으로 변화되는 모양이 관찰되었다. 또한, 주사형 전자현미경으로 5000배, 10000배 및 50000배의 배율로 관찰한 바, 광학현미경으로 관찰된 모양(X)은, 보다 미세한 미세 구조에 의해 형성되어 있음을 확인할 수 있었다. 특히, 미세 구조는, 사방 배열되어 있는 부분, 육방 배열되어 있는 부분 및 사방 배열과 육방 배열의 중간의 배열을 하고 있는 부분이 규칙성 낮게 혼동된 배열이었다. 보다 상세히 해석한 바, 미세 구조는 1600 nm~1700 nm 정도 크기의 군을 이루고 있었다. 즉, 주사형 전자현미경으로 관찰되는 미세 구조의 군의 크기와, 광학현미경에 의해 관찰된 원 형상 모양(Xa)의 크기가 대략 일치했다. 또한, 주사형 전자현미경 상에 의해 사방 배열되어 있는 부분과, 육방 배열되어 있는 부분과의 규칙성이 낮은 주기 및 폭을 50점 플롯하고, 한편 광학현미경으로 관찰된 라인형 모양의 간격 및 폭을 50점 플롯하여, 그 정합성을 확인한 바, R2=0.86에서 정합을 확인할 수 있었다. 또한, 광학현미경에 의해 관찰된 명암 모양에 있어서, 명부에서부터 암부에 걸쳐서 주사형 전자현미경 관찰을 한 바, 명부, 암부 및 이들의 계면부에는 전부 미세 구조가 형성되어 있음이 확인되었다.
No. 2-3의 수지 몰드 G1은, 광학현미경에 의해, 500배 및 1000배의 배율로 관찰한 바, 명암의 변화로서 주위보다도 밝은 제1 영역(Xa)이 라인 앤드 스페이스형으로 배열된 라인형 모양(Xa)가 관찰되었다. 제1 영역(Xa)의 평균 간격 Dave은 5060 nm였다. 또한, 제1 영역(Xa)의 윤곽은 그라데이션이 들어가 있었다. 또한, 관찰 배율을 더욱 올려, 1400배, 2800배 및 4900배로 한 경우도 모양(X)은 관찰되었다. 또한, 라인형 모양(Xa)의 평균 간격 Dave이 5060 nm인 것에 변함은 없었다. 즉, 도 16에서 설명한 것과 같이, 어떤 축을 잡았을 때에(단, 라인 앤드 스페이스에 수직인 방향), 명암이 연속적으로 변화되는 모양이 관찰되었다. 또한, 주사형 전자현미경으로 5000배, 10000배 및 20000배의 배율로 관찰한 바, 광학현미경으로 관찰된 모양(X)은, 보다 미세한 요철 구조에 의해 형성되어 있음을 확인할 수 있었다. 미세 구조는, 평균 피치 P'ave가 460 nm인 육방 배열로서 관찰되었다. 또한, 미세 구조의 피치 P'는, 460 nm를 중심으로 소정 방향으로 연속적으로 변화하고 있고, 그 변화가 큰 주기의 평균이 5060 nm로, 광학현미경 관찰에 의해 확인된 모양의 평균 간격 Dave과 거의 일치하는 것이 확인되었다. 또한, 광학현미경에 의해 관찰된 명암 모양에 있어서, 명부에서부터 암부에 걸쳐서 주사형 전자현미경 관찰을 한 바, 명부, 암부 및 이들의 계면부에는 전부 미세 구조가 형성되어 있음이 확인되었다. 또한, 미세 구조의 피치 P'의 변화에 따라, 높이 H 및 볼록부 바닥부 외접원 직경 φout도 연속적으로 변화하고 있음을 관찰할 수 있었다. 특히, 피치 P'가 증가함으로써, 높이 H 및 볼록부 바닥부 외접원 직경 φout은 작아지는 것이 확인되었다.
No. 2-4의 수지 몰드 G1은, 광학현미경에 의해, 500배 및 1000배의 배율로 관찰한 바, 명암의 변화로서 주위보다도 밝은 제1 영역(Xa)이 사방 배열된 모양(X)이 관찰되었다. 제1 영역(Xa)은 평균 간격 Dave이 1450 nm인 원 형상 모양(Xa)이며, 원 형상 모양(Xa)의 윤곽은 그라데이션이 들어가 있었다. 또한, 광학현미경의 배율.을 50배로 한 바, 사방 배열로서 관찰되고 있던 원 형상 모양(Xa)은, 일축 방향으로 라인형으로 군을 이루고 있음이 관찰되었다. 즉, 평균 폭 15 ㎛의 일축 방향의 라인형 모양(Xa)(1) 내에, 평균 간격 Dave이 1450 nm인 사방 배열의 원 형상 모양(Xa)(2)이 확인되었다. 한편, 라인형 모양(Xa)(1)을 관찰 가능한 배율에서는, 원 형상 모양은 거의 관찰할 수 없었다. 또한, 어느 원 형상 모양(Xa)(2)과 다른 원 형상 모양(Xa)과의 명암은 상이한 부위가 확인되었다. 또한, 관찰 배율을 더욱 올려, 1400배, 2800배 및 4900배로 한 경우도 모양(Xa)은 관찰되었다. 또한, 대략 원 형상 모양인 것, 그리고 평균 간격 Dave이 1450 nm에 있는 것에 변함은 없었다. 즉, 도 16에서 설명한 것과 같이, 어떤 축을 잡았을 때에, 명암이 연속적으로 변화되는 모양이 관찰되었다. 또한, 주사형 전자현미경으로 5000배, 10000배 및 50000배의 배율로 관찰한 바, 광학현미경으로 관찰된 모양(X)은, 보다 미세한 미세 구조에 의해 형성되어 있음을 확인할 수 있었다. 특히, 미세 구조는, 평균 피치 P'ave는 300 nm의 육방 배열인 것이 확인되었다. 또한, 미세 구조의 피치 P'는, 300 nm를 중심으로 소정 방향으로 연속적으로 변화되고 있고, 그 변화가 큰 주기의 평균이 1450 nm로, 광학현미경 관찰에 의해 확인된 모양(X)의 평균 간격 Dave과 거의 일치하는 것이 확인되었다. 또한, 광학현미경의 저배율 관찰시에 관찰된 라인형 모양(Xa)(1)의 계면부를 주사형 전자현미경에 의해 관찰한 바, 육방 배열에서 사방 배열로 변화되는 것 같은 상이 관찰되었다. 또한, 광학현미경에 의해 관찰된 명암 모양에 있어서, 명부에서부터 암부에 걸쳐서 주사형 전자현미경 관찰을 한 바, 명부, 암부 및 이들의 계면부에는 전부 미세 구조가 형성되어 있음이 확인되었다. 또한, 미세 구조의 피치 P'의 변화에 따라, 높이 H 및 볼록부 바닥부 외접원 직경 φout도 연속적으로 변화하고 있음을 관찰할 수 있었다. 특히, 피치 P'가 증가함으로써, 높이 H 및 볼록부 바닥부 외접원 직경 φout은 작아지는 것이 확인되었다.
No. 2-5의 수지 몰드 G1은, 광학현미경에 의해, 500배 및 1000배의 배율로 관찰한 바, 명암의 변화로서 주위보다도 밝은 제1 영역(Xa)이 사방 배열된 모양(X)이 관찰되었다. 제1 영역(Xa)은 평균 간격 Dave이 1650 nm인 원 형상 모양(Xa)이며, 원 형상 모양(Xa)의 윤곽은 그라데이션이 들어가 있었다. 또한, 광학현미경의 배율을 50배로 한 바, 사방 배열로서 관찰되고 있던 원 형상 모양(Xa)은, 일축 방향으로 라인형으로 군을 이루고 있음이 관찰되었다. 즉, 평균 간격이 15 ㎛인 일축 방향의 라인형 배열 내에, 평균 간격 Dave이 1650 nm인 사방 배열의 원 형상 모양(Xa)이 확인되었다. 또한, 어느 원 형상 모양(Xa)과 다른 원 형상 모양(Xa)과의 명암은 상이한 부위가 확인되었다. 또한, 관찰 배율을 더욱 올려, 1400배, 2800배 및 4900배로 한 경우도 모양(Xa)은 관찰되었다. 또한, 제1 영역(Xa)이 대략 원 형상 모양인 것, 그리고 평균 간격 Dave이 1650 nm인 것에 변함은 없었다. 즉, 도 16에서 설명한 것과 같이, 어떤 축을 잡았을 때에, 명암이 연속적으로 변화되는 모양이 관찰되었다. 또한, 주사형 전자현미경으로 5000배, 10000배 및 50000배의 배율로 관찰한 바, 광학현미경으로 관찰된 모양(X)은, 보다 미세한 미세 구조에 의해 형성되어 있음을 확인할 수 있었다. 특히, 미세 구조는, 평균 피치 P'ave는 330 nm였다. 배열은, 육방 배열과 사방 배열을 규칙성 낮게 포함하고, 이들 배열 사이를 오가는 배열이었다.
이어서, 수지 몰드 G1을 템플레이트로 하고, 광나노 임프린트법을 적용하여 연속적으로 수지 몰드 G2를 제작했다.
PET 필름 A-4100(도요보사 제조: 폭 300 mm, 두께 100 ㎛)의 이접착면에 마이크로 그라비아 코팅(야스이세이키사 제조)에 의해, 재료 1을 도포 막 두께 2 ㎛가 되도록 도포했다. 이어서, 수지 몰드 G1의 미세 구조면에 대하여, 재료 1이 도포된 PET 필름을 닙 롤(0.1 MPa)로 꽉 누르고, 대기 하에, 온도 25℃, 습도 60%로, 램프 중심 하에서의 적산 노광량이 1200 mJ/㎠가 되도록, 퓨젼UV시스템즈재팬주식회사 제조 UV 노광 장치(H 벌브)를 이용하여 자외선을 조사하고, 연속적으로 광경화를 실시하여, 표면에 미세 구조가 전사된 수지 몰드 G2(길이 200 m, 폭 300 mm)를 복수 얻었다.
재료 1…DACHP:M350:I.184:I.369=17.5 g:100 g:5.5 g:2.0 g
제작한 수지 몰드 G2의 미세 구조면을, 광학현미경으로 관찰하여 모양을 확인했다. 모양을 주사형 전자현미경에 의해 더욱 확대함으로써, 미세 구조를 확인했다. 결과를 표 3에 정리했다.
한편, 표 3에서, 열 A는 광학현미경 상을 관찰한 결과를 나타내고, 열 B는 주사형 전자현미경 상을 관찰한 결과를 나타낸다.
No. 3-1의 수지 몰드 G2는, 광학현미경에 의해 500배 및 1000배의 배율로 관찰한 바, 명암의 변화로서 주위보다도 밝은 제1 영역(Xa)이 사방 배열된 모양(X)이 관찰되었다. 제1 영역(Xa)은 평균 간격 Dave이 1450 nm인 원 형상 모양(Xa)이며, 모양(Xa)의 윤곽은 비교적 선명했다. 또한, 어느 원 형상 모양(Xa)과 다른 원 형상 모양(Xa)과의 명암은 상이한 부위가 확인되었다. 또한, 관찰 배율을 더욱 올려, 1400배, 2800배 및 4900배로 한 경우도 모양(Xa)은 관찰되었다. 또한, 제1 영역(Xa)이 대략 원 형상 모양인 것, 그리고 평균 간격 Dave이 1450 nm에 있는 것에 변함은 없었다. 즉, 도 14에서 설명한 것과 같이, 어떤 축을 잡았을 때에, 명암의 변화가 급격하게 일어나고, 그 후 서서히 변화되는 모양의 주기가 관찰되었다. 또한, 주사형 전자현미경으로 5000배, 10000배 및 50000배의 배율로 관찰한 바, 광학현미경으로 관찰된 모양(X)은, 보다 미세한 미세 구조에 의해 형성되어 있음을 확인할 수 있었다. 미세 구조의 오목부의 윤곽은 대략 원형이며, 평균 피치 P'ave는 300 nm였다. 또한, 미세 구조의 피치 P'는, 300 nm를 중심으로 연속적으로 변화되고 있는 것, 및 그 변화가 큰 주기의 평균이 1450 nm로, 광학현미경에 의해 관찰된 모양(X)의 평균 간격 Dave과 거의 일치하는 것이 확인되었다. 또한, 광학현미경에 의해 관찰된 명암 모양에 있어서, 명부에서부터 암부에 걸쳐서 주사형 전자현미경 관찰을 한 바, 명부, 암부 및 이들의 계면부에는 전부 미세 구조가 형성되어 있음이 확인되었다. 또한, 미세 구조의 피치 P'의 변화에 따라, 높이 H 및 오목부 개구부 직경 lcct도 연속적으로 변화되고 있음을 관찰할 수 있었다. 특히, 피치 P'가 증가함으로써, 높이 H 및 오목부 개구부 직경 lcct은 작아지는 것이 확인되었다.
No. 3-2의 수지 몰드 G2는, 광학현미경에 의해 500배 및 1000배의 배율로 관찰한 바, 명암의 변화로서 주위보다도 밝은 제1 영역(Xa)이 사방 배열된 모양(X)이 관찰되었다. 제1 영역(Xa)은 평균 간격 Dave이 1650 nm인 원 형상 모양(Xa)이며, 원 형상 모양(Xa)의 윤곽은 비교적 선명했다. 또한, 사방 배열되어 있는 원 형상 모양(Xa)은, 일축 방향으로 군을 이루고, 그 축과 수직 방향으로 보다 크게 배열되어 있음이 확인되었다. 즉, 광학현미경 상에 있어서, 미시적으로는 사방 배열되어 있는 원 형상 모양(Xa)이 관찰되고, 거시적으로는, 상기 원 형상 모양(Xa)과는 별도로, 규칙성이 낮은 라인형의 모양이 관찰되었다. 또한, 어느 원 형상 모양(Xa)과 다른 원 형상 모양(Xa)과의 명암은 상이한 부위가 확인되었다. 또한, 관찰 배율을 더욱 올려, 1400배, 2800배 및 4900배로 한 경우도 모양(X)은 관찰되었다. 또한, 제1 영역(Xa)이 대략 원 형상 모양인 것, 그리고 평균 간격 Dave이 1650 nm인 것에 변함은 없었다. 즉, 도 14에서 설명한 것과 같이, 어떤 축을 잡았을 때에, 명암의 변화가 급격하게 일어나고, 그 후 서서히 변화되는 모양의 주기가 관찰되었다. 또한, 주사형 전자현미경으로 관찰한 바, 광학현미경으로 관찰된 모양(X)은, 보다 미세한 미세 구조(복수의 오목부가 배열되는 구조)에 의해 형성되어 있음을 확인할 수 있었다. 특히, 미세 구조는, 사방 배열되어 있는 부분, 육방 배열되어 있는 부분 및 사방 배열과 육방 배열의 중간의 배열을 하고 있는 부분이 규칙성 낮게 혼동된 배열이었다. 보다 상세하게 해석한 바, 미세 구조는 1600 nm~1700 nm 정도 크기의 군을 이루고 있었다. 즉, 주사형 전자현미경으로 관찰되는 미세 구조의 군의 크기와, 광학현미경에 의해 관찰된 원 형상 모양(Xa)의 크기가 거의 일치했다. 또한, 주사형 전자현미경 상에 의해 사방 배열되어 있는 부분과, 육방 배열되어 있는 부분과의 규칙성이 낮은 주기 및 폭을 50점 플롯하고, 한편으로 광학현미경으로 관찰된 라인형 모양의 간격 및 폭을 50점 플롯하여, 그 정합성을 확인한 바, R2=0.89에서 정합을 확인할 수 있었다. 또한, 광학현미경에 의해 관찰된 명암 모양에 있어서, 명부에서부터 암부에 걸쳐서 주사형 전자현미경 관찰을 한 바, 명부, 암부 및 이들의 계면부에는 전부 미세 구조가 형성되어 있음이 확인되었다.
No. 3-3의 수지 몰드 G2는, 광학현미경에 의해 500배 및 1000배의 배율로 관찰한 바, 명암의 변화로서 주위보다도 밝은 제1 영역(Xa)이 라인 앤드 스페이스형으로 배열된 모양(X)이 관찰되었다. 제1 영역(Xa)의 평균 간격 Dave은 5060 nm였다. 또한, 제1 영역(Xa)의 윤곽은 비교적 선명했다. 또한, 관찰 배율을 더욱 올려, 1400배, 2800배 및 4900배로 한 경우도 모양(X)은 관찰되었다. 또한, 제1 영역(Xa)이 라인형 모양인 것, 그리고 평균 간격 Dave이 5060 nm인 것에 변함은 없었다. 즉, 도 14에서 설명한 것과 같이, 어떤 축을 잡았을 때에(단, 라인 앤드 스페이스에 수직인 방향), 명암이 급격히 변화되는 규칙 모양이 관찰되었다. 또한, 주사형 전자현미경으로 5000배, 10000배 및 20000배의 배율로 관찰한 바, 광학현미경으로 관찰된 모양(X)은, 보다 미세한 미세 구조에 의해 형성되어 있음을 확인할 수 있었다. 미세 구조는, 평균 피치 P'ave가 460 nm인 복수의 오목부의 육방 배열로서 관찰되었다. 또한, 미세 구조의 피치 P'는, 460 nm를 중심으로 소정 방향으로 연속적으로 변화하고 있고, 그 변화가 큰 주기의 평균이 5060 nm로, 광학현미경에 의해 관찰된 모양(X)의 평균 간격 Dave과 거의 일치하는 것이 확인되었다. 또한, 광학현미경에 의해 관찰된 명암 모양에 있어서, 명부에서부터 암부에 걸쳐서 주사형 전자현미경 관찰을 한 바, 명부, 암부 및 이들의 계면부에는 전부 미세 구조가 형성되어 있음이 확인되었다. 또한, 미세 구조의 피치 P'의 변화에 따라, 높이 H 및 오목부 개구부 직경 lcct도 연속적으로 변화하고 있음을 관찰할 수 있었다. 특히, 피치 P'가 증가함으로써, 높이 H 및 오목부 개구부 직경 lcct은 작아지는 것이 확인되었다.
No. 3-4의 수지 몰드 G2는, 광학현미경에 의해 500배 및 1000배의 배율로 관찰한 바, 명암의 변화로서 주위보다도 밝은 제1 영역(Xa)이 사방 배열된 모양(X)이 관찰되었다. 제1 영역(Xa)은 평균 간격 Dave이 1450 nm인 원 형상 모양(Xa)이며, 원 형상 모양(Xa)의 윤곽은 그라데이션이 들어가 있었다. 또한, 광학현미경의 배율을 50배로 한 바, 사방 배열로서 관찰되고 있던 원 형상 모양(Xa)은, 일축 방향으로 라인형으로 군을 이루고 있음이 관찰되었다. 즉, 평균 폭 15 ㎛의 일축 방향의 라인형 배열 내에, 평균 간격 Dave이 1450 nm인 사방 배열의 모양(X)이 확인되었다. 한편, 라인형 모양을 관찰 가능한 배율에서는, 원 형상 모양은 거의 관찰할 수 없었다. 또한, 어느 원 형상 모양(Xa)과 다른 원 형상 모양(Xa)과의 명암은 상이한 부위가 확인되었다. 또한, 관찰 배율을 더욱 올려, 1400배, 2800배 및 4900배로 한 경우도 모양(X)은 관찰되었다. 또한, 제1 영역(Xa)이 대략 원 형상 모양인 것, 그리고 평균 간격 Dave이 1450 nm인 것에 변함은 없었다. 즉, 도 16에서 설명한 것과 같이, 어떤 축을 잡았을 때에, 명암이 연속적으로 변화되는 모양이 관찰되었다. 또한, 주사형 전자현미경으로 5000배, 10000배 및 50000배의 배율로 관찰한 바, 광학현미경으로 관찰된 모양(X)은, 보다 미세한 미세 구조에 의해 형성되어 있음을 확인할 수 있었다. 특히, 미세 구조는 복수의 오목부로 구성되고, 평균 피치 P'ave는 300 nm인 육방 배열인 것이 확인되었다. 또한, 광학현미경의 저배율 관찰시에 관찰된 라인형 모양의 계면부를 주사형 전자현미경에 의해 관찰한 바, 육방 배열에서 사방 배열로 변화되는 것 같은 상이 관찰되었다. 또한, 광학현미경에 의해 관찰된 명암 모양에 있어서, 명부에서부터 암부에 걸쳐서 주사형 전자현미경 관찰을 한 바, 명부, 암부 및 이들의 계면부에는 전부 미세 구조가 형성되어 있음이 확인되었다. 또한, 미세 구조의 피치 P'의 변화에 따라, 높이 H 및 오목부 개구부 직경 lcct도 연속적으로 변화하고 있음을 관찰할 수 있었다. 특히, 피치 P'가 증가함으로써, 높이 H 및 오목부 개구부 직경 lcct은 작아지는 것이 확인되었다.
No. 3-5의 수지 몰드 G2는, 광학현미경에 의해 500배 및 1000배의 배율로 관찰한 바, 명암의 변화로서 주위보다도 밝은 제1 영역(Xa)이 사방 배열된 모양(X)이 관찰되었다. 제1 영역(Xa)은 평균 간격 Dave이 1650 nm인 원 형상 모양(Xa)이며, 원 형상 모양(Xa)의 윤곽은 그라데이션이 들어가 있었다. 또한, 광학현미경의 배율을 50배로 한 바, 원 형상 모양(Xa)은, 일축 방향으로 라인형으로 군을 이루고 있음이 관찰되었다. 즉, 평균 간격이 15 ㎛인 일축 방향의 라인형 배열 내에, 평균 간격 Dave이 1650 nm인 사방 배열의 원 형상 모양(Xa)이 확인되었다. 또한, 어느 원 형상 모양(Xa)과 다른 원 형상 모양(Xa)과의 명암은 상이한 부위가 확인되었다. 또한, 관찰 배율을 더욱 올려, 1400배, 2800배 및 4900배로 한 경우도 모양(X)은 관찰되었다. 또한, 제1 영역(Xa)이 대략 원 형상 모양인 것, 그리고 평균 간격 Dave이 1650 nm인 것에 변함은 없었다. 즉, 도 16에서 설명한 것과 같이, 어떤 축을 잡았을 때에, 명암이 연속적으로 변화되는 모양(X)이 관찰되었다. 또한, 주사형 전자현미경으로 5000배, 10000배 및 50000배의 배율로 관찰한 바, 광학현미경으로 관찰된 모양은, 보다 미세한 미세 구조에 의해 형성되어 있음을 확인할 수 있었다. 특히, 미세 구조는 복수의 오목부로 구성되고, 평균 피치 P'ave는 330 nm였다. 배열은, 육방 배열과 사방 배열을 규칙성 낮게 포함하고, 이들 배열 사이를 오가는 배열이었다.
한편, 상기 설명한 필름형 수지 몰드 G2의 제조에 사용한 5개의 원통형 마스터 몰드의 미세 구조면을 각각 광학현미경 및 주사형 전자현미경을 이용하여 관찰한 바, 제조된 No. 3-1~No. 3-5의 필름형 수지 몰드 G2의 관찰 결과와 대략 같은 모양 및 미세 구조가 관찰되었다.
(3) 나노 가공용 시트의 제작
수지 몰드 G2의 미세 구조면에 대하여, 하기 재료 2의 희석액(마스크층의 희석액)을 도공했다. 이어서, 재료 2를 요철 구조 내부에 내포하는 수지 몰드 G2의 요철 구조면 상에, 하기 재료 3의 희석액(레지스트층의 희석액)을 도공하여, 나노 가공용 시트를 얻었다.
재료 2…TTB:3APTMS:SH710:I.184:I.369=65.2 g:34.8 g:5.0 g:1.9 g:0.7 g
재료 3…Bindingpolymer:SR833:SR368:I.184:I.369=77.1 g:11.5 g:11.5 g:1.47 g:0.53 g
Bindingpolymer…벤질메타크릴레이트 80 질량%, 메타크릴산 20 질량%의 2원 공중합체의 메틸에틸케톤 용액(고형분 50%, 중량 평균 분자량 56000, 산 당량 430, 분산도 2.7)
(2) 수지 몰드의 제작과 같은 장치를 사용하여, PGME로 희석한 재료 2를, 수지 몰드 G2의 미세 구조면 상에 직접 도공했다. 여기서, 희석 농도는, 단위면적당 도공 원료(PGME로 희석한 재료 2) 중에 포함되는 고형분량이, 단위면적당 미세 구조의 체적보다도 작아지도록 설정했다. 구체적으로는, 수지 몰드 G2의 오목부 내부에 80 nm의 재료 2가 충전되도록 했다. 도공 후, 95℃의 송풍 건조로 내를 5분간 걸쳐 통과시켜, 재료 2를 미세 구조 내부에 내포하는 수지 몰드 G2를 권취하여 회수했다.
이어서, 재료 2를 미세 구조 내부에 내포하는 수지 몰드 G2를 풀어내는 동시에, 다이코터를 사용하여, PGME 및 MEK로 희석한 재료 3을, 미세 구조면 상에 직접 도공했다. 요철 구조 내부에 배치된 재료 2와 도공된 재료 3의 계면과, 재료 3의 표면의 거리가 400 nm가 되도록 설정했다. 도공 후, 95℃의 송풍 건조로 내를 5분간 걸쳐 통과시키고, 권취하여 회수했다.
(4) 광학 기판의 나노 가공
제작한 나노 가공용 시트를 사용하여, 광학 기판을 가공했다. 광학 기판으로서는 c면 사파이어 기판을 사용했다.
4 인치φ의 사파이어 기판에 대하여 UV-O3 처리를 5분간 하여, 표면의 파티클을 제거하는 동시에, 친수화했다. 이어서, 나노 가공용 시트의 재료 3 표면을, 사파이어 기판에 대하여 접합했다. 이때, 사파이어 기판을 105℃로 가온한 상태에서 접합했다. 이어서, 고압 수은등 광원을 사용하여, 적산 광량이 1200 mJ/㎠가 되도록 수지 몰드 G2 너머로 광조사했다. 그 후, 수지 몰드 G2를 박리했다.
얻어진 적층체(재료 2/재료 3/기판으로 이루어지는 적층체)의 재료 2의 면 측에서 산소 가스를 사용한 에칭을 하고, 재료 2를 마스크로 간주하여 재료 3을 나노 가공하여, 사파이어 기판 표면을 부분적으로 노출시켰다. 산소 에칭으로서는, 압력 1 Pa, 전력 300 W의 조건으로 행했다. 이어서, 재료 2의 면 측에서 BCl3 및 아르곤의 혼합 가스를 사용한 반응성 이온 에칭을 하여, 사파이어를 나노 가공했다. 에칭은, ICP: 150 W, BIAS: 100 W, 압력 0.3 Pa로 실시하고, 반응성 이온 에칭 장치(RIE-101iPH, 삼코주식회사 제조)를 사용했다.
마지막으로, 황산 및 과산화수소수를 2:1의 중량비로 혼합한 용액으로 세정하여, 요철 구조를 표면에 구비하는 사파이어 기판을 얻었다.
제작한 광학 기판 PP의 요철 구조면 측을, 광학현미경으로 관찰하여 모양을 확인했다. 또한, 모양을 주사형 전자현미경에 의해 확대함으로써, 요철 구조를 확인했다. 결과를 표 4에 정리했다.
한편, 표 4에서, 열 A는 광학현미경 상을 관찰한 결과를 나타내고, 열 B는 주사형 전자현미경 상을 관찰한 결과를 나타낸다.
또한, 광학 기판 PP에 대해서는, 레이저광을 사용한 관찰도 했다. 레이저광으로서는, 파장 532 nm의 그린 레이저를 사용했다. 광학 기판 PP의 주면에 대하여 수직으로 레이저광을 입사시켰다. 여기서, 입광면과 레이저 광선의 출사부와의 거리는 50 mm로 했다. 한편, 광학 기판 PP의 출광면에 평행하면서, 출광면에서 150 mm 떨어진 위치에 스크린을 설치하여, 스크린 상에 투영되는 레이저광의 패턴을 관찰했다. 한편, 관찰은 암실에서 했다. 또한, 이하의 실시예에서, 레이저광의 스플리트수를 기술한 것은 전부 여기의 기재와 같은 식의 시험을 한 것으로 한다.
No. 4-1의 광학 기판은, 광학현미경에 의해 500배 및 1000배의 배율로 관찰한 바, 명암의 변화로서 주위보다도 밝은 제1 영역(Xa)이 사방 배열된 모양(X)이 관찰되었다. 제1 영역(Xa)은 평균 간격 Dave이 1450 nm인 원 형상 모양(Xa)이며, 원 형상 모양(Xa)의 윤곽은 서서히 변화되고 있었다. 또한, 어느 원 형상 모양(Xa)과 다른 원 형상 모양(Xa)과의 명암은 상이한 부위가 확인되었다. 또한, 관찰 배율을 더욱 올려, 1400배, 2800배 및 4900배로 한 경우도 모양(X)은 관찰되었다. 또한, 제1 영역(Xa)이 대략 원 형상 모양인 것, 그리고 평균 간격 Dave이 1450 nm인 것에 변함은 없었다. 즉, 도 16에서 설명한 것과 같이, 어떤 축을 잡았을 때에, 명암이 연속적으로 변화되는 모양이 관찰되었다. 또한, 주사형 전자현미경으로 5000배, 10000배 및 50000배의 배율로 관찰한 바, 광학현미경으로 관찰된 모양(X)은, 보다 미세한 요철 구조에 의해 형성되어 있음을 확인할 수 있었다. 요철 구조는 복수의 독립된 볼록부로 제작되고, 볼록부 바닥부의 윤곽은 대략 원형이며, 평균 피치 P'ave는 300 nm, 높이 H의 상가 평균치는 160 nm, 평균 볼록부 바닥부 외접원 직경 φout은 210 nm였다. 또한, 요철 구조의 피치 P'는, 300 nm를 중심으로, 높이 H는 160 nm를 중심으로, 볼록부 바닥부 직경은 210 nm를 중심으로 연속적으로 변화하고 있는 것, 및 그 변화가 큰 주기의 평균이 1450 nm로, 광학현미경에 의해 관찰된 모양(X)의 평균 간격 Dave과 거의 일치하는 것이 확인되었다. 한편, 높이 H의 최대치는 310 nm, 최소치는 200 nm였다. 또한, 볼록부는, 볼록부 바닥부에서 볼록부 꼭대기부로 향함에 따라서 직경이 가늘어지는 형상이었다. 또한, 오목부 바닥부에는 평탄면이 형성되어 있었다. 또한, 요철 구조의 피치 P'의 변화에 따라, 높이 H 및 볼록부 바닥부 외접원 직경 φout도 연속적으로 변화하고 있음을 관찰할 수 있었다. 특히, 피치 P'가 증가함으로써, 높이 H 및 볼록부 바닥부 외접원 직경 φout은 커지는 것이 확인되었다. 또한, 광학현미경에 의해 관찰된 모양(X)에 있어서, 명부에서부터 암부에 걸쳐서 주사형 전자현미경 관찰을 한 바, 명부, 암부 및 이들의 계면부에는 전부 미세 구조가 형성되어 있음이 확인되었다. 한편, 상기 레이저 광선을 이용한 관찰을 한 바, 레이저광은 스플리트되어, 용이하게 5개로 스플리트된 레이저 출광 패턴을 확인할 수 있었다.
No. 4-2의 광학 기판은, 광학현미경에 의해 500배 및 1000배의 배율로 관찰한 바, 명암의 변화로서 주위보다도 밝은 제1 영역(Xa)이 사방 배열된 모양(X)이 관찰되었다. 제1 영역(Xa)은 평균 간격 Dave이 1650 nm인 원 형상 모양(Xa)이며, 원 형상 모양(Xa)의 윤곽은 서서히 변화하고 있었다. 또한, 사방 배열되어 있는 원 형상 모양(Xa)은, 일축 방향으로 군을 이루어, 그 축과 수직 방향으로 보다 크게 배열되어 있음이 확인되었다. 즉, 광학현미경 상에 있어서, 미시적으로는 사방 배열되어 있는 원 형상 모양(Xa)이 관찰되고, 거시적으로는 그 원 형상 모양(Xa)과는 별도로, 규칙성이 낮은 라인형의 모양이 관찰되었다. 또한, 어느 원 형상 모양(Xa)과 다른 원 형상 모양(Xa)과의 명암은 상이한 부위가 확인되었다. 또한, 관찰 배율을 더욱 올려, 1400배, 2800배 및 4900배로 한 경우도 모양(X)은 관찰되었다. 또한, 제1 영역(Xa)이 대략 원 형상 모양인 것, 그리고 평균 간격 Dave이 1650 nm인 것에 변함은 없었다. 즉, 도 16에서 설명한 것과 같이, 어떤 축을 잡았을 때에, 명암이 연속적으로 변화되는 모양이 관찰되었다. 또한, 주사형 전자현미경으로 5000배, 10000배 및 50000배의 배율로 관찰한 바, 광학현미경으로 관찰된 모양(X)은, 보다 미세한 요철 구조(복수의 볼록부가 배열되는 구조)에 의해 형성되어 있음을 확인할 수 있었다. 특히, 요철 구조는, 사방 배열과 육방 배열이 규칙성 낮게 혼동된 배열이었다. 또한, 볼록부는, 볼록부 바닥부에서 볼록부 꼭대기부로 향함에 따라서 직경이 가늘어지는 형상이었다. 또한, 오목부 바닥부에는 평탄면이 형성되어 있었다. 한편, 높이 H의 최대치는 340 nm, 최소치는 230 nm였다. 보다 상세하게 해석한 바, 요철 구조는 1600 nm~1700 nm 정도 크기의 군을 이루고 있었다. 즉, 주사형 전자현미경으로 관찰되는 미세 구조의 군의 크기와, 광학현미경에 의해 관찰된 원 형상 모양(Xa)과의 크기가 거의 일치했다. 또한, 주사형 전자현미경 상에 의해 사방 배열되어 있는 부분과, 육방 배열되어 있는 부분과의 규칙성이 낮은 주기 및 폭을 50점 플롯하고, 한편 광학현미경으로 관찰된 라인형 모양의 간격 및 폭을 50점 플롯하여, 그 정합성을 확인한 바, R2=0.81에서 정합을 확인할 수 있었다. 또한, 광학현미경에 의해 관찰된 모양(X)에 있어서, 명부에서부터 암부에 걸쳐서 주사형 전자현미경 관찰을 한 바, 명부, 암부 및 이들의 계면부에는 전부 미세 구조가 형성되어 있음이 확인되었다. 한편, 상기 레이저 광선을 이용한 관찰을 한 바, 레이저광은 스플리트되어, 용이하게 5개로 스플리트된 레이저 출광 패턴을 확인할 수 있었다.
No. 4-3의 광학 기판은, 광학현미경에 의해 500배 및 1000배의 배율로 관찰한 바, 명암의 변화로서 주위보다도 밝은 제1 영역(Xa)이 라인 앤드 스페이스형으로 배열된 모양(X)이 관찰되었다. 제1 영역(Xa)의 평균 간격 Dave은 5060 nm였다. 또한, 제1 영역(Xa)의 윤곽은 비교적 선명했다. 또한, 관찰 배율을 더욱 올려, 1400배, 2800배 및 4900배로 한 경우도 모양(X)은 관찰되었다. 또한, 제1 영역(Xa)이 라인형 모양인 것, 그리고 평균 간격 Dave이 5060 nm인 것에 변함은 없었다. 즉, 도 14에서 설명한 것과 같이, 어떤 축을 잡았을 때에(단, 라인 앤드 스페이스에 수직인 방향), 명암이 급격하게 변화되는 규칙 모양이 관찰되었다. 또한, 주사형 전자현미경으로 5000배, 10000배 및 20000배의 배율로 관찰한 바, 광학현미경으로 관찰된 모양(X)은, 보다 미세한 요철 구조에 의해 형성되어 있음을 확인할 수 있었다. 요철 구조는, 평균 피치 P'ave가 460 nm인 복수의 볼록부의 육방 배열로서 관찰되었다. 한편, 볼록부는 상호 독립되어 있었다. 또한, 요철 구조의 피치 P'는, 460 nm를 중심으로, 요철 구조의 높이는 250 nm를 중심으로, 요철 구조의 볼록부 바닥부 직경은 310 nm를 중심으로, 소정의 방향으로 연속적으로 변화되고 있고, 그 변화가 큰 주기의 평균이 5060 nm로, 광학현미경에 의해 관찰된 모양(X)의 평균 간격 Dave과 거의 일치하는 것이 확인되었다. 한편, 높이 H의 최대치는 440 nm, 최소치는 240 nm였다. 또한, 요철 구조의 피치 P'의 변화에 따라, 높이 H 및 볼록부 바닥부 외접원 직경 φout도 연속적으로 변화되고 있음을 관찰할 수 있었다. 특히, 피치 P'가 증가함으로써, 높이 H 및 볼록부 바닥부 외접원 직경 φout은 커지는 것이 확인되었다. 또한, 볼록부는, 볼록부 바닥부에서 볼록부 꼭대기부로 향함에 따라서 직경이 가늘어지는 형상이었다. 또한, 오목부 바닥부에는 평탄면이 형성되어 있었다. 또한, 광학현미경에 의해 관찰된 모양(X)에 있어서, 명부에서부터 암부에 걸쳐서 주사형 전자현미경 관찰을 한 바, 명부, 암부 및 이들의 계면부에는 전부 미세 구조가 형성되어 있음이 확인되었다. 한편, 상기 레이저 광선을 이용한 관찰을 한 바, 레이저광은 스플리트되어, 용이하게 3개로 스플리트된 레이저 출광 패턴을 확인할 수 있었다.
No. 4-4의 광학 기판은, 광학현미경에 의해 500배 및 1000배의 배율로 관찰한 바, 명암의 변화로서 주위보다도 밝은 제1 영역(Xa)이 사방 배열된 모양(X)이 관찰되었다. 제1 영역(Xa)은 평균 간격 Dave이 1450 nm인 원 형상 모양(Xa)이며, 원 형상 모양(Xa)의 윤곽은 그라데이션이 들어가 있었다. 또한, 광학현미경의 배율을 50배로 한 바, 사방 배열로서 관찰되고 있던 원 형상 모양(Xa)은, 일축 방향으로 라인형으로 군을 이루고 있음이 관찰되었다. 즉, 평균 폭 15 ㎛의 일축 방향의 라인형 배열 내에, 평균 간격 Dave이 1450 nm인 사방 배열의 원 형상 모양(Xa)이 확인되었다. 한편, 라인형 모양을 관찰 가능한 배율에서는, 원 형상 모양은 거의 관찰할 수 없었다. 또한, 어느 원 형상 모양(Xa)과 다른 원 형상 모양(Xa)과의 명암은 상이한 부위가 확인되었다. 또한, 관찰 배율을 더욱 올려, 1400배, 2800배 및 4900배로 한 경우도 모양(X)은 관찰되었다. 또한, 제1 영역(Xa)이 대략 원 형상 모양인 것, 그리고 평균 간격 Dave이 1450 nm인 것에 변함은 없었다. 즉, 도 16에서 설명한 것과 같이, 어떤 축을 잡았을 때에, 명암이 연속적으로 변화되는 모양이 관찰되었다. 또한, 주사형 전자현미경으로 5000배, 10000배, 및 50000배의 배율로 관찰한 바, 광학현미경으로 관찰된 모양(X)은, 보다 미세한 요철 구조에 의해 형성되어 있음을 확인할 수 있었다. 특히, 요철 구조는, 복수의 볼록부로 구성되고, 평균 피치 P'ave는 300 nm, 평균 볼록부 바닥부 외접원 직경 φout은 240 nm, 높이 H의 상가 평균치는 200 nm이며, 육방 배열인 것이 확인되었다. 또한, 볼록부는, 볼록부 바닥부에서 볼록부 꼭대기부로 향함에 따라서 직경이 가늘어지는 형상이었다. 또한, 오목부 바닥부에는 평탄면이 형성되어 있었다. 또한, 광학현미경의 저배율 관찰시에 관찰된 라인형 모양의 계면부를 주사형 전자현미경에 의해 관찰한 바, 육방 배열에서 사방 배열로 변화되는 듯한 상이 관찰되었다. 또한, 요철 구조의 피치 P'의 변화에 따라, 높이 H 및 볼록부 바닥부 외접원 직경 φout도 연속적으로 변화하고 있음을 관찰할 수 있었다. 특히, 피치 P'가 증가함으로써, 높이 H 및 볼록부 바닥부 외접원 직경 φout은 커지는 것이 확인되었다. 또한, 광학현미경에 의해 관찰된 모양(X)에 있어서, 명부에서부터 암부에 걸쳐서 주사형 전자현미경 관찰을 한 바, 명부, 암부 및 이들의 계면부에는 전부 미세 구조가 형성되어 있음이 확인되었다. 한편, 상기 레이저 광선을 이용한 관찰을 한 바, 레이저광은 스플리트되어, 용이하게 9개로 스플리트된 레이저 출광 패턴을 확인할 수 있었다.
No. 4-5의 수지 몰드 G2는, 광학현미경에 의해 500배 및 1000배의 배율로 관찰한 바, 명암의 변화로서 주위보다도 밝은 제1 영역(Xa)이 관찰되었다. 제1 영역(Xa)은 평균 간격 Dave이 1650 nm인 원 형상 모양(Xa)이며, 원 형상 모양(Xa)의 윤곽은 그라데이션이 들어가 있었다. 또한, 광학현미경의 배율을 50배로 한 바, 사방 배열로서 관찰되고 있던 원 형상 모양(Xa)은, 일축 방향으로 라인형으로 군을 이루고 있음이 관찰되었다. 즉, 평균 간격이 15 ㎛인 일축 방향의 라인형 배열 내에, 평균 간격 Dave이 1650 nm인 사방 배열의 원 형상 모양(Xa)이 확인되었다. 또한, 어느 원 형상 모양(Xa)과 다른 원 형상 모양(Xa)과의 명암은 상이한 부위가 확인되었다. 또한, 관찰 배율을 더욱 올려, 1400배, 2800배 및 4900배로 한 경우도 모양(X)은 관찰되었다. 또한, 제1 영역(Xa)이 대략 원 형상 모양인 것, 그리고 평균 간격 Dave이 1650 nm인 것에 변함은 없었다. 즉, 도 16에서 설명한 것과 같이, 어떤 축을 잡았을 때에, 명암이 연속적으로 변화되는 모양이 관찰되었다. 또한, 주사형 전자현미경으로 5000배, 10000배 및 50000배의 배율로 관찰한 바, 광학현미경으로 관찰된 모양(X)은, 보다 미세한 요철 구조에 의해 형성되어 있음을 확인할 수 있었다. 특히, 요철 구조는, 복수의 볼록부로 구성되며, 평균 피치 P'ave는 330 nm, 평균 볼록부 바닥부 외접원 직경 φout은 150 nm, 높이 H의 상가 평균치는 150 nm였다. 배열은, 육방 배열과 사방 배열을 규칙성 낮게 포함하고, 이들 배열 사이를 오가는 배열이었다. 또한, 볼록부는, 볼록부 바닥부에서 볼록부 꼭대기부로 향함에 따라서 직경이 가늘어지는 형상이었다. 또한, 오목부 바닥부에는 평탄면이 형성되어 있었다. 한편, 상기 레이저 광선을 이용한 관찰을 한 바, 레이저광은 스플리트되어, 용이하게 5개로 스플리트된 레이저 출광 패턴을 확인할 수 있었다.
(5) 반도체 발광 소자의 제작
얻어진 사파이어 기판 상에, MOCVD에 의해, (1) AlGaN 저온 버퍼층, (2) n형 GaN층, (3) n형 AlGaN 클래드층, (4) InGaN 발광 반도체층(MQW), (5) p형 AlGaN 클래드층, (6) p형 GaN층, (7) ITO층을 연속적으로 적층했다. 사파이어 기판 상의 요철은, (2) n형 GaN층의 적층시에 메워져, 평탄화하는 제막 조건으로 했다. 또한, 에칭 가공하여 전극 패드를 부착했다.
이 상태에서, 프로버를 이용하여 p 전극 패드와 n 전극 패드 사이에 20 mA의 전류를 흘려 발광 출력을 측정했다.
[비교예 1~3]
비교예로서, 3 종류의 광학 기판을 준비하고, 이 광학 기판을 사용하여, 상기한 대로, 반도체 발광 소자를 제작하여, 발광 출광을 평가했다. 비교예에서 사용한 광학 기판을 표 5에 정리했다.
한편, 표 5에서, 열 A는 광학현미경 상을 관찰한 결과를 나타내고, 열 B는 주사형 전자현미경 상을 관찰한 결과를 나타낸다.
비교예 1은 표 5의 No. 5-1이며, 평균 피치 P'ave가 300 nm인 복수의 볼록부가 육방 배열된 사파이어 기판이다. 복수의 볼록부는 상호 독립적이며, 사파이어 면내를 임의로 10점 선택하여, 주사형 전자현미경으로 5000배, 10000배 및 50000배의 배율로 관찰한 바, 어느 부분이나 대략 정육방 배열의 요철 구조의 배열이 확인되었다. 또한, 광학현미경에 의해, 50배, 500배 및 1000배의 배율로 관찰한 바, 모양은 관찰되지 않고, 대략 동일 색의 영상이 투영되었다. 한편, 상기 레이저 광선을 이용한 관찰을 한 바, 레이저광의 스플리트는 관찰되지 않고, 스크린 상에는 광점이 1점만 투영되어 있었다.
비교예 2는 표 5의 No. 5-2이며, 평균 피치 P'ave가 1500 nm인 복수의 볼록부를 형성한 사파이어 기판이다. 또한, 광학현미경에 의해 500배 및 1000배의 배율로 관찰된 평균 간격 Dave도 1500 nm였다. 즉, 광학현미경에 의해 관찰되는 모양을 확대하더라도, 그 이상으로 미세한 요철 구조는 관찰되지 않았다. 한편, 상기 레이저 광선을 이용한 관찰을 한 바, 레이저광은 스플리트되어, 용이하게 9개로 스플리트된 레이저 출광 패턴을 확인할 수 있었다.
비교예 3은, 요철 구조도 모양도 구비하지 않는 사파이어 기판이며, 표 5의 No. 5-3이다. 상기 레이저 광선을 이용한 관찰을 한 바, 레이저광의 스플리트는 관찰되지 않고, 스크린 상에는 광점이 1점만 투영되어 있었다.
표 6에, 내부 양자 효율(IQE) 및 발광 출력비인 강도비를 기재했다. 한편, 강도비는, 비교예 3(표 5의 No. 5-3)을 1로 하여 규격화했다. 또한, 내부 양자 효율(IQE)은 PL 강도로부터 결정했다. 내부 양자 효율(IQE)은, (단위 시간에 발광 반도체층에서 발생하는 광자의 수/단위 시간에 반도체 발광 소자에 주입되는 전자의 수)에 의해 정의된다. 본 명세서에서는, 상기 내부 양자 효율(IQE)을 평가하는 지표로서, (300 K에서 측정한 PL 강도/10 K에서 측정한 PL 강도)를 채용했다.
표 6으로부터 이하의 것을 알 수 있다. 우선, 비교예 2(표 5의 No. 5-2)로부터, 나노 오더의 요철 구조를 마련함으로써 내부 양자 효율(IQE)이 향상된다. 이것은, 제1 반도체층의 성장이 흐트러지는 동시에, 전위를 분산화할 수 있었기 때문으로 추정되며, 실제로 투과형 전자현미경에 의해 측정된 전위 밀도는, 비교예 3(표 5의 No. 5-3)에 대하여 1 자릿수 이상 감소하고 있었다. 이어서, 비교예 1(표 5의 No. 5-1)로부터, 나노 오더의 요철 구조뿐이라면, 발광 출광비가 크게 향상되지 않음을 알 수 있다. 이것은, 나노 오더의 요철 구조인 경우, 유효 매질 근사적 작용이 강하게 작용하기 때문에, 광학적 산란성이 약해지고, 광추출 효율(LEE)의 향상이 한정되기 때문으로 추정된다. 한편, 실시예의 표 4의 No. 4-1~4-5에서는, 내부 양자 효율(IQE)이 향상되면서, 발광 출광비도 커지고 있음을 알 수 있다. 이것은, 나노 오더의 요철 구조에 의해 내부 양자 효율(IQE)을 향상시키는 동시에, 요철 구조의 집합에 의해 그려지는 광학적 모양인 모양(X)에 의해서 광산란성이 향상되고, 이에 따라 광추출 효율(LEE)이 개선되었기 때문이라고 생각된다. 또한, 실시예의 표 4의 No. 4-1~4-5에서는, 관찰되는 모양(X)의 오더가, 광학 기판의 두께 방향으로의 구조에 반영되지 않고, 모양(X)은 실체로서는 존재하지 않는 모양이기 때문에, 제1 반도체층의 성막 조건에 상관없이, 크랙을 억제하고, 그리고, 제1 반도체층의 두께를 감소시킬 수 있었다. 한편, 비교예 2(표 5의 No. 5-2)에서는, 제1 반도체층의 성막 조건에 따라서는 크랙이 발생하여, 양호한 LED를 제조하기가 곤란했다. 실시예끼리를 비교하면, 모양(X)이 만드는 보다 큰 배열이나 모양이 있는 경우에, 발광 출광비가 커지고 있음을 알 수 있다. 이것은, 이러한 관찰이 이루어지는 것은, 광학적 산란성이 복수의 모드에 의해서 생기고 있음을 의미하기 때문이다. 즉, 광학적 산란성이 강해져, 도파 모드를 흐트러뜨리는 효과가 커졌기 때문으로 추정된다.
상기 실시예로부터, 광학현미경에 의해 광학 모양이 관찰되는 동시에, 상기 광학 모양은 보다 미세한 요철 구조에 의해 제작됨으로써, 내부 양자 효율(IQE)과 광추출 효율(LEE)을 동시에 개선하는 동시에, 반도체 결정층에의 크랙 생성을 저감하고, 반도체 결정층의 성막량(시간)도 감소할 수 있음이 판명되었다. 여기서, 요철 구조의 평균 피치 P'ave 및 높이 H에 관해서 더욱 조사했다.
(평균 피치 P'ave의 영향)
원통형 마스터 몰드를 제조할 때의, 레이저 펄스 패턴을 변경하여, 요철 구조의 평균 피치 P'ave를 파라미터로 설정했다. 여기서, 요철 구조의 피치 P'가 사인파에 따라 변화하도록 하고, 그 사인파의 피치는 요철 구조의 피치 P'의 14배로 하여 고정했다.
제작한 원통형 마스터 몰드로부터, 상기 실시예와 마찬가지로, 나노 가공용 시트를 제조하여, 광학 기판을 가공했다. 제조한 광학 기판 PP에 대하여, 광학현미경 관찰 및 주사형 전자현미경 관찰을 한 바, 다음과 같은 광학 모양이 관찰되었다.
광학현미경의 배율은, 요철 구조의 평균 피치 P'ave에 따라 다르며, 500배부터 1500배의 범위 내에서, 선명하게 관찰되는 영역이 있었다. 관찰된 광학 모양은, 명암의 변화로서 주위보다도 밝은 제1 영역(Xa)이 사방 배열된 모양(X)이었다. 제1 영역(Xa)의 평균 간격 Dave은, 요철 구조의 평균 피치 P'ave의 13.5~14.5배의 크기로서 관찰되었다. 또한, 광학현미경의 배율을, 2800배 및 4200배로 확대한 경우라도 같은 모양(X)이 관찰되었다. 또한, 원 형상 모양(Xa)의 윤곽은 그라데이션이 들어가 있었다. 또한, 어느 원 형상 모양(Xa)과 다른 원 형상 모양(Xa)과의 명암은 다소 다르지만, 대략 균질한 원 형상 모양으로서 관찰되었다. 즉, 도 15에서 설명한 것과 같이, 어떤 축을 잡았을 때에, 명암이 연속적으로 변화되는 모양이 관찰되었다. 또한, 주사형 전자현미경으로 5000배, 10000배 및 50000배의 배율로 관찰한 바, 광학현미경으로 관찰된 모양(X)은, 보다 미세한 요철 구조에 의해 형성되어 있음을 확인할 수 있었다. 한편, 요철 구조의 배열은 육방 배열인 것이 확인되었다. 또한, 볼록부는, 볼록부 바닥부에서 볼록부 꼭대기부로 향함에 따라서 직경이 가늘어지는 형상이며, 볼록부 꼭대기부에 평탄면은 없고, 오목부 바닥부에는 평탄면이 있는 구조였다. 또한, 광학현미경에 의해 관찰된 명암 모양(X)에 있어서, 명부에서부터 암부에 걸쳐서 주사형 전자현미경 관찰을 한 바, 명부, 암부 및 이들의 계면부에는 전부 미세 구조가 형성되어 있음이 확인되었다. 한편, 상기 레이저 광선을 이용한 관찰을 한 바, 레이저광은 스플리트되어, 광학 기판의 요철 구조에 따라 다르지만, 5~13개로 스플리트된 레이저 출광 패턴을 확인할 수 있었다.
상기 실시예와 마찬가지로, LED를 조립하여 효율을 비교했다. 결과를 표 7에 기재했다.
우선, 내부 양자 효율(IQE)에 관해서는, 요철 구조의 평균 피치 P'ave가 나노 오더로 작아지면, 증가하는 것을 알 수 있다. 이것은, 요철 구조의 밀도가, 평균 피치 P'ave가 1500 nm 이하 정도부터, 반도체 결정층의 전위 밀도에 점근하기 때문이며, 이에 따라, 전위를 분산화하는 동시에 저감할 수 있기 때문으로 추정된다. 특히, 평균 피치 P'ave가 900 nm 이하인 경우, 반도체 결정층의 전위 밀도수에 대한 요철 구조 밀도가 보다 높아지는 경향이 있으므로, 이 효과가 촉진되었다고 생각된다. 이것은, 투과형 전자현미경을 이용한 광학 기판의 단면 관찰로부터도 판단된다. 보다 구체적으로는, 투과형 전자현미경 관찰에 의해, 평균 피치 P'ave가 1500 nm 이하인 경우는, 하나의 오목부에서 1~4개 정도의 전위가 생성되었지만, 평균 피치 P'ave가 900 nm 이하인 경우는, 하나의 오목부에서 1~2개 정도의 전위밖에 발생하지 않았다. 이어서, 강도비에 주목한다. 한편, 강도비는 가장 효율이 낮았던 No. 7-9를 1로 하여 규격화하고 있다. 평균 피치 P'ave가 900 nm를 경계로, 강도비가 크게 향상되고 있음을 알 수 있다. 이것은, 내부 양자 효율(IQE)의 향상에 더하여, 요철 구조 그 자체의 광회절 작용과, 광학 모양에 의한 광산란 작용이 조합되어 발현했기 때문으로 추정된다. 이상으로부터, 광학 기판의 요철 구조의 평균 피치 P'ave는 900 nm 이하가 보다 바람직하다고 판단할 수 있다.
(높이 H의 영향)
원통형 마스터 몰드를 제조할 때의, 레이저 펄스 강도를 변경하여, 요철 구조의 깊이(높이)를 파라미터로 설정했다. 여기서, 요철 구조의 피치 P'가 사인파에 따라 변화하도록 하고, 그 사인파의 피치는 3500 nm로 했다.
제작한 원통형 마스터 몰드로부터, 상기 실시예와 마찬가지로, 나노 가공용 시트를 제조하여, 광학 기판을 가공했다. 제조한 광학 기판에 대하여, 광학현미경 관찰 및 주사형 전자현미경 관찰을 한 바, 다음과 같은 광학 모양이 관찰되었다.
광학현미경의 배율을 500배, 1400배, 2800배, 4900배의 범위에서 바꾸었지만, 어느 배율에서나 원 형상 모양(Xa)이 관찰되었다. 원 형상 모양(Xa)의 평균 간격 Dave은 3500 nm였다. 관찰된 원 형상 모양(Xa)은, 명암의 변화로서 주위보다도 밝은 제1 영역(Xa)이 사방 배열된 모양였다. 또한, 원 형상 모양(Xa)의 윤곽은 그라데이션이 들어가 있었다. 또한, 어느 원 형상 모양(Xa)과 다른 원 형상 모양(Xa)과의 명암은 다소 다르지만, 대략 균질한 원 형상 모양으로서 관찰되었다. 즉, 도 15에서 설명한 것과 같이, 어떤 축을 잡았을 때에, 명암이 연속적으로 변화되는 모양이 관찰되었다. 또한, 주사형 전자현미경으로 5000배, 10000배 및 50000배의 배율로 관찰한 바, 광학현미경으로 관찰된 모양(X)은, 보다 미세한 요철 구조에 의해 형성되어 있음을 확인할 수 있었다. 한편, 요철 구조의 배열은 육방 배열인 것이 확인되었다. 또한, 볼록부는, 볼록부 바닥부에서 볼록부 꼭대기부로 향함에 따라서 직경이 가늘어지는 형상이며, 볼록부 꼭대기부에 평탄면은 없고, 오목부 바닥부에는 평탄면이 있는 구조였다. 볼록부의 평균 피치 P'ave는 700 nm였다. 또한, 광학현미경에 의해 관찰된 모양(X)에 있어서, 명부에서부터 암부에 걸쳐서 주사형 전자현미경 관찰을 한 바, 명부, 암부 및 이들의 계면부에는 전부 미세 구조가 형성되어 있음이 확인되었다. 한편, 상기 레이저 광선을 이용한 관찰을 한 바, 레이저광은 스플리트되어, 5개로 스플리트된 레이저 출광 패턴을 확인할 수 있었다.
상기 실시예와 마찬가지로, LED를 조립하여 효율을 비교했다. 결과를 표 8에 기재했다.
우선, 내부 양자 효율(IQE)에 관해서는, 요철 구조의 높이 H가 낮아질수록 증가하는 것을 알 수 있다. 이것은, 요철 구조의 밀도가 높은 영역 내에서의 비교에서는, 요철 구조의 높이 H가 작을수록, 반도체 결정층의 성막성이 안정되기 때문이라고 생각된다. 특히, 높이 H가 1000 nm를 경계로, 내부 양자 효율(IQE)이 크게 향상되고 있다. 반도체 결정층의 성막 시간을 고정하여, 제1 반도체층을 성막한 후의, 표면 거칠기를 원자간력 현미경으로 평가한 바, 높이 H가 1300 nm인 경우와 1000 nm인 경우에서 표면 거칠기가 2배나 다르고, 높이 H가 1000 nm인 쪽이 보다 평활했다. 이 양호한 평탄성에 기인하여, 발광 반도체층 및 제2 반도체층의 막질도 양호하게 되어, 내부 양자 효율(IQE)이 개선되었다고 추정된다. 이상으로부터, 높이 H는 1000 nm 이하가 보다 바람직하다고 판단할 수 있다. 이어서, 강도비에 주목한다. 한편, 강도비는 가장 효율이 낮았던 No. 8-5를 1로서 규격화하고 있다. 내부 양자 효율(IQE)의 경우와 마찬가지로 높이가 1000 nm를 경계로, 강도비가 크게 향상되고 있음을 알 수 있다. 이것은, 주로 내부 양자 효율(IQE)의 향상에 영향을 받고 있다. 한편, 높이가 500 nm인 경우, 더욱 강도비가 향상되는 것을 알 수 있다. 이것은, 광회절이 적절하게 되는 동시에, 요철 구조에 의해 그려지는 모양(X)의 명암의 차가 커져, 도파 모드를 흐트러뜨리는 정도가 높아졌기 때문으로 추정된다. 이상으로부터, 높이 H는 500 nm 이하이면 가장 바람직하다고 판단할 수 있다.
이어서, 광학 모양과 레이저 광선의 스플리트수와의 관계를 간편하게 조사했다. 레이저 광선의 스플리트는, 유효 굴절율(Nema)이 회절 격자로서 기능하는 경우에 발현되는 현상이다. 따라서, 원통형 마스터 몰드를 제조할 때의, 피치의 변조에 대한 주기성을 제어함으로써, 레이저 광선의 스플리트의 유무를 파라미터로 설정했다. 상기 설명하여 온 수법과 같은 식으로 하여 사파이어 기판을 가공했다. 가공된 사파이어 기판은 이하의 3 종류이다.
광학 기판 1. 주사형 전자현미경에 의해 관찰된 요철 구조의 평균 피치 P'ave가 300 nm. 500배 및 1400배의 광학현미경 관찰에 의해, 원 형상 모양(Xa)을 확인했다. 원 형상 모양(Xa)의 평균 간격 Dave은 4200 nm였다. 모양(X)에 있어서의 제1 영역(Xa)은 거의 원형의 외형이며 사방 배열되어 있었다. 레이저 광선의 스플리트수는 5였다.
광학 기판 2. 주사형 전자현미경에 의해 관찰된 요철 구조의 평균 피치 P'ave가 300 nm. 500배 및 1400배의 광학현미경 관찰에 의해 대략 원 형상 모양(Xa)을 확인했다. 모양(X)에 있어서의, 제1 영역(Xa)의 배치에 규칙성은 관찰되지 않고, 랜덤이었다. 레이저 광선의 스플리트는 관찰되지 않았다.
광학 기판 3. 주사형 전자현미경에 의해 관찰된 요철 구조의 평균 피치 P'ave가 4200 nm. 500배 및 1400배의 광학현미경 관찰에 의해, 대략 원 형상 모양(Xa)을 확인했다. 모양(X)에 있어서의 제1 영역(Xa)의 크기와, 주사형 전자현미경에 의해 관찰된 요철 구조의 볼록부의 크기는 대략 동일했다. 레이저 광선의 스플리트수는 9개였다.
상기 광학 기판 1.~광학 기판 3.의 광학 기판을 사용하여 반도체 발광 소자를 제조하여, 그 효율을 비교했다. 우선, 내부 양자 효율(IQE)에 관해서는, 광학 기판 1.과 광학 기판 2.가 대략 90%로, 동일했다. 한편, 광학 기판 3.에서는 60%로, 매우 낮음이 판명되었다. 이어서, 광추출 효율(LEE)을, 발광 출력과 내부 양자 효율(IQE)로부터 계산하여 비교한 바, 광학 기판 3., 광학 기판 2., 광학 기판 1.의 순으로 높은 것을 알 수 있었다. 마지막으로, 발광 출력은, 광학 기판 2., 광학 기판 1., 광학 기판 3.의 순으로 양호했다. 즉, 광학현미경에 의해 모양(X)이 관찰되는 동시에, 그 모양(X)은 주사형 전자현미경에 의해 관찰되는 요철 구조의 요소의 차이에 의해 제작되는 것이면서, 레이저 광선의 스플리트가 관찰되는 경우가 가장 효율이 좋다는 것을 알 수 있었다. 이 이유는 다음과 같이 생각할 수 있다. 우선, 주사형 전자현미경에 의해 관찰되는 요철 구조는 실체로서 존재하는 물리적 구조이다. 그리고, 광학현미경에 의해 관찰되는 모양(X)의 오더가, 주사형 전자현미경에 의해 관찰되는 요철 구조의 오더보다도 큰 것은, 실체로서 존재하는 요철 구조의 요소의 차이에 의해 광학적인 모양이 그려지고 있음을 의미한다. 즉, 빛으로부터 본 경우에 큰 모양(X)이 존재하는 것이고, 실체로서는 그와 같은 큰 구조는 존재하지 않음을 의미한다. 이 때문에, 광학 기판 3.에서는, 큰 실체로서의 요철 구조의 영향으로, 반도체 결정층의 성막이 양호하게 이루어지지 않고, 크랙이 생성되어, 내부 양자 효율(IQE)이 저하되었다고 생각된다. 한편, 광학 기판 1.에서는, 실체로서의 구조는 나노 오더의 구조이므로, 반도체 결정층의 전위 저감 효과가 크고, 반도체 결정층에의 크랙도 억제할 수 있어, 내부 양자 효율(IQE)이 향상되었다고 생각된다. 그리고, 레이저 광선의 스플리트는, 빛과 모양(X)과의 상호 작용의 세기를 나타내는 척도이다. 보다 구체적으로는, 모양(X)이, 발광광에 대하여, 랜덤한 산란 성분으로서 기능하는지, 혹은 회절 격자로서 기능하지를 나타내는 척도이다. 특히, 모양(X)에 의해 제작되는 회절 격자는, 실체로서의 회절 격자에 비해, 격자 계면이 완만하게 변화되므로, 광회절과 광산란을 혼재시킨 것과 같은 광학 현상으로 이어진다. 따라서, 레이저 광선에 대한 스플리트가 있는 쪽이, 없는 경우에 비해서, 광추출 효율(LEE)이 향상된다고 추정된다. 이상으로부터, 광학 기판 2., 광학 기판 1., 광학 기판 3.의 순으로 반도체 발광 소자의 성능이 높아졌다고 생각된다.
(실시예 2)
<광학 기판 D>
표면에 요철 구조 D를 구비하는 광학 기판 D를 제작하고, 이 광학 기판 D를 사용하여 반도체 발광 소자(LED)를 제작하여, LED의 효율을 비교했다. 이때, 요철 구조의 배열이나 형상을 변화시켜, (표준 편차/상가 평균)을 제어했다.
실시예 1과 마찬가지로, (1) 원통형 마스터 몰드를 제작하고, (2) 수지 몰드를 제작했다. (3) 그 후, 수지 몰드를 이용하여, 나노 가공용 부재(나노 가공용 시트)를 제작했다. 이어서, (4) 나노 가공용 시트를 사용하여, 광학 기판의 표면에 요철 구조를 제작했다. 마지막으로, (5) 얻어진 요철 구조 D를 구비한 광학 기판 D를 사용하여, 반도체 발광 소자를 제작하고, 성능을 평가했다. 한편, 요철 구조 D의 (표준 편차/상가 평균)은 (1)에서 제작하는 원통형 마스터 몰드의 요철 구조, (3)에서 행하는 광전사법, (4)에서 제작하는 나노 가공용 시트 및 드라이 에칭에 의해 제어했다.
(1) 원통형 마스터 몰드의 제작
실시예 1과 같은 식으로 제작했다.
(2) 수지 몰드의 제작
제작한 원통형 마스터 몰드를 주형으로 하고, 광나노 임프린트법을 적용하여, 연속적으로 수지 몰드 G1을 제작했다. 이어서, 수지 몰드 G1을 템플레이트로 하여, 광나노 임프린트법에 의해, 연속적으로 수지 몰드 G2를 얻었다. 수지 몰드 G1은, 재료 1의 도포 막 두께를 5 ㎛로 변경한 것 이외에는, 실시예 1과 같은 식으로 하여 제작했다. 수지 몰드 G2는, 재료 1의 도포 막 두께를 3 ㎛로 변경한 것 이외에는, 실시예 1과 같은 식으로 하여 제작했다.
(3) 나노 가공용 시트의 제작
수지 몰드 G2의 요철 구조면에 대하여, 실시예 1에서 설명한 재료 2의 희석액을 도공했다. 이어서, 재료 2를 요철 구조 내부에 내포하는 수지 몰드 G2의 요철 구조면 상에, 상기 재료 3의 희석액을 도공하여, 나노 가공용 시트를 얻었다.
(2) 수지 몰드의 제작과 같은 장치를 사용하여, PGME로 희석한 재료 2를, 수지 몰드 G2의 요철 구조면 상에 직접 도공했다. 여기서, 희석 농도는, 단위면적당 도공 원료(PGME로 희석한 재료 2) 중에 포함되는 고형분량이, 단위면적당 요철 구조의 체적보다도 20% 이상 작아지도록 설정했다. 도공 후, 80℃의 송풍 건조로 내를 5분간 걸쳐 통과시켜, 재료 2를 요철 구조 내부에 내포하는 수지 몰드 G2를 권취하여 회수했다.
이어서, 재료 2를 요철 구조 내부에 내포하는 수지 몰드 G2를 풀어내는 동시에, (2) 수지 몰드의 제작과 같은 장치를 사용하여, PGME 및 MEK로 희석한 재료 3을 요철 구조면 상에 직접 도공했다. 여기서, 희석 농도는, 요철 구조 내부에 배치된 재료 2와 도공된 재료 3의 계면과, 재료 3의 표면의 거리가 400 nm~800 nm가 되도록 설정했다. 도공 후, 80℃의 송풍 건조로 내를 5분간 걸쳐 통과시키고, 재료 3의 표면에 폴리프로필렌으로 이루어지는 커버 필름을 합치고, 권취하여 회수했다.
(4) 광학 기판의 나노 가공
제작한 나노 가공용 시트를 사용하여 광학 기판을 가공했다. 광학 기판으로서는 c면 사파이어 기판을 사용했다.
2 인치φ의 사파이어 기판에 대하여 UV-O3 처리를 5분간 하여, 표면의 파티클을 제거하는 동시에 친수화했다. 이어서, 나노 가공용 시트의 재료 3 표면을, 사파이어 기판에 대하여 접합했다. 접합 압력은 0.3 MPa로 하고, 접합 속도는 50 mm/초로 했다. 이때, 사파이어 기판을 80℃로 가온하여, 접합 롤러 표면의 온도를 105℃로 한 상태에서 접합했다. 이어서, 고압 수은등 광원을 사용하여, 적산 광량이 1200 mJ/㎠가 되도록 수지 몰드 G2 너머로 광조사했다. 그 후, 수지 몰드 G2를 박리했다.
얻어진 적층체(재료 2/재료 3/기판으로 이루어지는 적층체)의 재료 2의 면 측에서 산소 가스를 사용한 에칭을 하고, 재료 2를 마스크로 간주하여 재료 3을 나노 가공하여, 사파이어 기판 표면을 부분적으로 노출시켰다. 산소 에칭은, 압력 1 Pa, 전력 300 W의 조건으로 행했다. 이어서, 재료 2의 면 측에서 BCl3 가스를 사용한 반응성 이온 에칭을 하여, 사파이어를 나노 가공했다. BCl3을 사용한 에칭은, ICP: 150 W, BIAS: 50 W, 압력 0.2 Pa로 실시하고, 반응성 이온 에칭 장치(RIE-101iPH, 삼코주식회사 제조)를 사용했다.
마지막으로, 황산 및 과산화수소수를 2:1의 중량비로 혼합한 용액으로 세정하여, 요철 구조를 표면에 구비하는 사파이어 기판을 얻었다. 한편, 사파이어 기판 상에 제작되는 요철 구조의 형상은, 주로 나노 가공용 시트의 재료 2의 충전율과 재료 3의 막 두께에 의해 제어했다.
사파이어 기판의 표면에 제작된 요철 구조의 형상은, 원통형 마스터 몰드에 제작된 요철 구조의 형상, 수지 몰드를 제조할 때의 닙 압력 조건, 드라이 에칭의 처리 조건에 의해 적절하게 제어했다. 도 51 및 도 52는, 본 발명의 실시예에서 제작한 광학 기판 D의 요철 구조를 도시하는 주사형 전자현미경 사진이다. 도 51은 평균 피치 P'ave가 200 nm인 경우이며, 도 51A가 표면상을, 도 51B가 단면상을 각각 나타내고 있다.
도 51로부터, 사파이어 기판 상에는 복수의 대략 원추형 볼록부가 상호 이격되어 배열되어 있음을 알 수 있다. 도 51A의 표면상으로부터, 주된 분포는, 볼록부 바닥부 외접원 직경 φout 및 볼록부 바닥부 외접원 직경 φout과 볼록부 바닥부 내접원 직경 φin의 비율임을 알 수 있다. 특히, 볼록부 바닥부 외접원의 형상은 대략 원형이며, 이하의 표 9에 나타내는 것과 같이, 볼록부 바닥부 외접원 직경 φout/볼록부 바닥부 내접원 직경 φin에 대한 변동 계수는 작은 것이었다. 또한, 도 51B의 단면상으로부터, 볼록부의 높이 H 및 볼록부 측면의 경사 각도에 분포의 불균일이 생기고 있는 것, 즉 다른 부위와는 다른 볼록부의 높이 H 및 볼록부 측면의 경사 각도를 갖는 볼록부로 이루어지는 특이 부위가 포함되어 있는 것을 알 수 있다. 특히, 볼록부의 높이 H가 높은 때에는, 볼록부 바닥부 외접원 직경 φout이 크고, 높이 H가 낮은 때에는, 볼록부 바닥부 외접원 직경 φout이 작은 것이 확인되었다. 각 요소에 대하여 변동 계수를 구한 결과, 특히, 볼록부 바닥부 외접원 직경 φout의 분포가 큰 것을 알 수 있었다. 한편, 오목부 바닥부에 평탄면이 제작되어 있는 것도 확인할 수 있었다.
한편, 도 52는 평균 피치 P'ave가 300 nm인 경우이며, 도 52A가 표면상을, 도 52B가 단면상을 각각 나타내고 있다. 도 52로부터, 사파이어 기판 상에는 복수의 대략 원추형 볼록부가 상호 이격되어 배치되고, 각 볼록부 측면의 경사 각도는 2 단계로 변화하고 있음을 알 수 있다. 도 52A의 표면상으로부터, 볼록부 바닥부의 윤곽 형상은 진원과는 멀고, 윤곽에 있어서 복수의 변곡점을 갖는 것을 알 수 있다. 또, 볼록부 높이가 부분적으로 낮거나, 혹은 볼록부가 부분적으로 없는 부위가 생기고 있는 것도 알 수 있다. 이 부위는, 수지 몰드를 제조할 때에, 닙 압력을 제어하여, 수지 몰드의 요철 구조로서 제작한 부분이 전사 형성된 부분이다. 또한, 도 52B의 단면상으로부터, 볼록부의 꼭대기부의 위치에 분포가 있는 것도 확인되었다. 즉, 볼록부 바닥부 외접원의 윤곽에 주목했을 때에, 그 중심에 정점이 있는 경우도 있고, 정점의 위치가, 볼록부 바닥부 외접원의 윤곽의 중심에 없는 경우도 혼재되어 있었다. 이것은, 드라이 에칭 공정에 생기는 열을 이용하여, 레지스트층이 열 진동하는 현상을 이용한 것이다.
이상과 같이, 얻어진 사파이어 기판을 주사형 전자현미경에 의해 관찰한 결과를 표 9에 정리했다.
(5) 반도체 발광 소자의 제작
실시예 1과 같은 식으로 제작했다. 발광 출력은, 표 9의 No. 9-7에 기재한 요철 구조를 구비하지 않는 사파이어 기판을 사용한 경우의 출력을 1로 하여 평가했다. 한편, 표 9에서 No. 9-6, 9-7은 비교예이다.
표 9로부터 알 수 있는 것과 같이, 요철 구조를 구비하지 않는 사파이어 기판을 사용한 경우(No. 9-7)에 비해서, 요철 구조를 구비하는 사파이어 기판을 사용한 경우(No. 9-6, No. 9-1~9-5)의 발광 출력이 향상되고 있음을 알 수 있다. 비교예인 No. 9-6은, 평균 피치 P'ave가 200 nm이며, 육방 최밀 충전 배열로 복수의 볼록부가 배열된 사파이어 기판을 보이고 있다. 이 경우, 발광 출력은 거의 증가하지 않는 것을 알 수 있다. 이것은, 평균 피치 P'ave가 200 nm로 미소하므로, 전위 밀도는 감소하여 내부 양자 효율(IQE)이 향상되지만, 요철 구조가 지나치게 미소하기 때문에 광추출 효율(LEE)이 거의 향상되지 않기 때문이라고 생각된다. 한편, 전위 밀도는 투과형 전자현미경 관찰로부터, 1 자릿수 이상 크게 감소하고 있음이 관찰되고 있다. 이어서, No. 9-1은 No. 9-6과 평균 피치 P'ave는 동일하지만, 볼록부 형상에 기인하는 요철 구조의 흐트러짐을 크게 한 경우이다. No.9 -1의 경우, No. 9-6에 비해서 발광 출력이 증가하고 있음을 알 수 있다. 이것은, 볼록부 형상에 기인하는 요철 구조의 흐트러짐에 따른 산란 성분에 의해, 도파 모드를 흐트러뜨리는 효과가 더해졌기 때문이라고 생각할 수 있다. 한편, No. 9-1과 No. 9-6의 요철 구조를 필름에 전사하여 헤이즈를 측정한 바, No. 9-1의 요철 구조 쪽이, 1.5배 정도 헤이즈가 큰 것이 확인되었다. No. 9-1과 No. 9-6은 함께 평균 피치 P'ave가 200 nm이며, 함께 육방 최밀 충전 배열이므로, 이 헤이즈의 증가는 흐트러짐에 의한 산란의 영향이라고 생각할 수 있다. No. 9-1과 No.9-2는, 평균 피치 P'ave는 마찬가지로 200 nm이지만, 피치의 분포가 다르다. No. 9-2에서는, 피치 P'를 180 nm~220 nm 사이에서 사인파에 따라 변화시키고 있다. 사인파의 파장은 2800 nm이다. 이 피치 P'의 변조가 피치의 분포로서 나타나고 있다. No. 9-1과 No. 9-2는, 평균 피치 P'ave가 동일하기 때문에, 내부 양자 효율(IQE)에 미치는 요철 구조의 영향은 거의 마찬가지라고 생각할 수 있다. 따라서, 발광 출력의 증가는, 피치의 분포에 의해 생기는 산란의 영향이라고 생각된다. No. 9-3은 평균 피치 P'ave가 300 nm인 경우이며, 육방 최밀 충전으로 배열한 경우이다. No. 9-3의 요철 구조는, φin/φout이 큰 값을 갖고 있다. 이것은, 도 52에 예시한 것과 같이, 볼록부 바닥부의 윤곽을 크게 변형시킴에 의한 것이다. No. 9-3의 발광 출력이 No. 9-1의 그것보다 큰 것은, 볼록부 형상에 기인하는 요철 구조의 흐트러짐이 큰 것에 기인한 광산란성의 부여와, 평균 피치 P'ave가 커짐에 의한 것으로 생각된다. 평균 피치 P'ave가 미치는 내부 양자 효율에의 영향을 조사한 바, 평균 피치 P'ave가 350 nm를 넘은 부근부터, 내부 양자 효율(IQE)의 저하가 현저하게 되는 것이 확인되어 있다. 즉, 평균 피치 P'ave가 200 nm에서 300 nm로 증가함으로써 저하하는 내부 양자 효율(IQE)의 영향에 비해서, 평균 피치 P'ave가 증가함에 따른 광추출 효율(LEE)에 미치는 영향이 크다고 생각할 수 있다. 한편, No. 9-3이 No. 9-2에 비해서 발광 출력이 작은 것은, 요철 구조의 흐트러짐이 No. 9-2 쪽이 크기 때문에, 도파 모드를 흐트러뜨리는 효과가 작기 때문으로 추정된다. No. 9-4는, 평균 피치 P'ave가 300 nm이며, No.9-3에 비해서 볼록부의 높이의 분포의 불균일이 큰 경우이다. 이것은, 부분적으로 볼록부가 결락된 구조를 제작함으로써 실현했다. No. 9-4의 요철 구조는 높이에 큰 흐트러짐이 있기 때문에, 흐트러짐에 따른 산란 성분이 크고, 이 때문에, 도파 모드를 효과적으로 흐트러뜨릴 수 있고 있다고 생각된다. 또한, No. 9-5에서는, No. 9-4에 대하여 피치에 분포를 더하고 있다. 피치 P'의 분포는 270 nm~330 nm 사이에 있어서의 분포로 하고, 사인파에 따르게 했다. 사인파의 파장은 1200 nm로 했다. No. 9-4에 비해서 피치의 분포의 효과도 더해지기 때문에, 발광 출력이 보다 향상되는 것을 알 수 있다. 한편, No. 9-2 및 No. 9-5에 관해서는, 실시예 1과 같은 광학현미경 관찰에 의해 모양(X)을 관찰할 수 있었다. 또한, 실시예 1와 같은 레이저 광선을 사용한 관찰을 한 바, 레이저광이 5개로 스플리트되는 것이 관찰되었다. 한편, 상기 2점 이외의 실시예 및 비교예에서 사용한 광학 기판에 대해서는, 광학 모양 및 레이저광의 스플리트는 관찰되지 않았다.
(실시예 3)
<광학 기판 PC>
(원통형 마스터 몰드의 제작)
원통형 마스터의 기재로서는, 직경 80 mm, 길이 50 mm의 원통형 석영 유리 롤을 이용했다. 이 원통형 석영 유리 롤 표면에, 다음 방법에 의해 반도체 펄스 레이저를 이용한 직접 묘화 리소그래피법에 의해 미세 구조(미세 요철 구조)를 형성했다.
우선, 이 석영 유리 표면의 미세 구조 상에 스퍼터링법에 의해 레지스트층을 성막했다. 스퍼터링법은, 타겟(레지스트층)으로서, CuO(8 atm% Si 함유)를 이용하여, RF 100 W의 전력으로 실시했다. 성막 후의 레지스트층의 막 두께는 20 nm였다. 이상과 같이 제작한 원통형 금형을 선속도 s=1.0 m/sec로 회전시키면서 이하의 조건으로 노광했다.
노광용 반도체 레이저 파장: 405 nm
노광 레이저 파워: 3.5 mW
X축 방향 피치 Px: 398 nm
X축 방향 피치 Px에 대한 변동 폭 δ2: 80 nm
변동 폭 δ2의 X축 방향의 장주기 PxL: 5 ㎛
Y축 방향 피치 Py: 460 nm
Y축 방향 피치 Py에 대한 변동 폭 δ1: 100 nm
변동 폭 δ1의 Y축 방향의 장주기 PyL: 5 ㎛
Y축 방향 피치 Py는 다음과 같이 결정된다.
스핀들 모터의 Z상 신호를 기준으로, 일주에 드는 시간 T이 측정되고, 선속도 s로부터 원주 길이 L가 계산되어, 다음 식(14)을 얻을 수 있다.
L=T×s
(14)
목표 피치를 Py로 하고, L/Py가 정수가 되도록 목표 피치 Py의 0.1% 이하의 값을 더하여 조정하여, 실효 피치 Py'를 다음 식(15)에 의해서 얻는다.
L/Py'=m(m은 정수)
(15)
목표 피치 Py와 실효 피치 Py'는, 엄밀하게는 Py≠Py'이지만, L/Py≒107이기 때문에, Py/Py'≒107이 되어, 실질적으로 같은 것으로서 취급할 수 있다. 마찬가지로, 장주기 PyL도, L/PyL이 정수가 되도록 실효 장주기 PyL'를 다음 식(16)에 의해서 얻는다.
L/PyL'=n(n은 정수)
(16)
이 경우도 엄밀하게는 PyL≠PyL'이지만, L/PyL≒105이기 때문에, PyL/PyL'≒105가 되어, 실질적으로 같은 것으로서 취급할 수 있다.
이어서 실효 피치 Py'로부터, 식(17), 식(18)에 의해 기준 펄스 주파수 fy0, 변조 주파수 fyL가 산출된다.
fy0=s/Py'
(17)
fyL=s/PyL'
(18)
마지막으로, 식(17), 식(18)으로부터, 스핀들 모터의 Z상 신호로부터의 경과 시간 t에 있어서의 펄스 주파수 fy가 식(19)과 같이 결정된다.
fy=fy0+δ1×sin(t×(fyL/fy0)×2π)
(19)
X축 방향의 축 이송 속도는 다음과 같이 결정된다.
스핀들 모터의 Z상 신호를 기준으로, 일주에 드는 시간 T이 측정되고, X축 방향 피치 Px로부터, 축 방향의 기준 이송 속도 Vx0가 다음 식(20)과 같이 결정된다.
Vx0=Px/T
(20)
X축 방향의 장주기 PxL로부터, 시각 t에 있어서의 축 이송 속도 Vx를 다음 식(21)으로 결정하여, 스캔한다.
Vx=Vx0+Vδ2·sin(Px/PxL×t×2π)
(21)
여기서, Vδ2는, x축 방향의 장주기 PxL에 있어서의 속도 변동 폭이며, 장주기 PxL의 피치 변동 폭 δ2, Px, Vx0에 의해, 다음 식(22)으로 나타내어진다.
Vδ2=δ2×Vx0/Px
(22)
이어서, 레지스트층을 현상한다. 레지스트층의 현상은, 0.03 wt%의 글리신 수용액을 이용하여, 처리 시간 240초의 조건으로 실시했다. 이어서, 현상한 레지스트층을 마스크로 하여, 드라이 에칭에 의해 에칭층을 에칭했다. 드라이 에칭은, 에칭 가스로서 SF6를 이용하고, 처리 가스압 1 Pa, 처리 전력 300 W, 처리 시간 5분의 조건으로 실시했다. 이어서, 표면에 미세 구조가 부여된 원통형 마스터로부터, 잔사의 레지스트층만을 pH 1의 염산으로 6분간의 조건으로 박리하여 원통형 마스터 몰드를 제작했다.
(수지 몰드의 제작)
얻어진 원통형의 석영 유리 롤 표면(전사용 몰드)에 대하여, 듀라서프 HD-1101Z(다이킨가가쿠고교사 제조)를 도포하여, 60℃에서 1시간 가열한 후, 실온에서 24시간 정치, 고정화했다. 그 후, 듀라서프 HD-ZV(다이킨가가쿠고교사 제조)로 3회 세정하여, 이형 처리를 했다.
이어서, 얻어진 원통형 마스터 몰드로부터 수지 몰드를 제작했다. DACHP, M350 및 I.184를 중량부로 10:100:5의 비율로 혼합하여 광경화성 수지를 조제했다. 이어서, 이 광경화성 수지를 PET 필름(A4100, 도요보사 제조: 폭 300 mm, 두께 100 ㎛)의 이접착면에 마이크로그라비아 코팅(야스이세이키사 제조)에 의해, 도포 막 두께 6 ㎛가 되도록 도포했다.
이어서, 원통형 마스터 몰드에 대하여, 광경화성 수지를 도포한 PET 필름을 닙 롤(0.1 MPa)로 꽉 누르고, 대기 하에, 온도 25℃, 습도 60%로, 램프 중심 하에서의 적산 노광량이 600 mJ/㎠가 되도록, UV 노광 장치(퓨젼UV시스템즈재팬사 제조, H 벌브)를 이용하여 자외선을 조사하여 연속적으로 광경화를 실시하여, 표면에 미세 구조가 반전 전사된 릴형 투명 수지 몰드(길이 200 m, 폭 300 mm)를 얻었다.
수지 몰드를 주사형 전자현미경으로 관찰한 바, 볼록부 바닥부 외접원 직경 φout이 400 nm, 높이 H가 800 nm인 볼록부가 다음의 장주기 구조를 갖는 주기 구조로 형성되어 있었다. 또한, 피치의 증가에 따라, 볼록부 바닥부 외접원 직경 φout 및 높이 H가 감소하는 것이 확인되었다.
X축 방향 피치 Px: 398 nm
X축 방향 피치 Px에 대한 변동 폭 δ2: 80 nm
변동 폭 δ2의 X축 방향의 장주기 PxL: 5 ㎛
Y축 방향 피치 Py: 460 nm
Y축 방향 피치 Py에 대한 변동 폭 δ1: 100 nm
변동 폭 δ1의 Y축 방향의 장주기 PyL: 5 ㎛
(전자현미경)
장치; HITACHI S-5500
가속 전압; 10 kV
MODE; Normal
(반전 수지 몰드의 제작)
이어서, DACHP, M350 및 I.184를 중량부로 10:100:5의 비율로 혼합하여 광경화성 수지를 조제했다. 이 광경화성 수지를 PET 필름(A4100, 도요보사 제조: 폭 300 mm, 두께 100 ㎛)의 이접착면에 마이크로그라비아 코팅(야스이세이키사 제조)에 의해, 도포 막 두께 2 ㎛가 되도록 도포했다.
이어서, 상기 수지 몰드에, 광경화성 수지를 도포한 PET 필름을 닙 롤(0.1 MPa)로 꽉 누르고, 대기 하에, 온도 25℃, 습도 60%로, 램프 중심 하에서의 적산 노광량이 600 mJ/㎠가 되도록, UV 노광 장치(퓨젼UV시스템즈재팬사 제조, H 벌브)를 이용하여 자외선을 조사하여 연속적으로 광경화를 실시하여, 표면에 미세 구조가 반전 전사된 투명 수지 몰드 시트(길이 200 mm, 폭 300 mm)를 얻었다.
(나노 임프린트 리소그래피)
φ2" 두께 0.33 mm의 C면 사파이어 기판 상에, 마스크 재료를 스핀코팅법(2000 rpm, 20초)에 의해 도포하여, 레지스트층을 형성했다. 마스크 재료는, 감광성 수지 조성물의 고형분을 5 중량%가 되도록 프로필렌글리콜모노메틸에테르로 희석한 도포 용액을 제작했다.
(감광성 수지 조성물)
감광성 수지 조성물로서는, 3-에틸-3{[3-에틸옥세탄-3-일)메톡시]메틸}옥세탄(OXT-221, 도아고세이사 제조) 20 중량부, 3',4'-에폭시시클로헥산카르복실산3,4-에폭시시클로헥실메틸(와코쥰야쿠사 제조) 80 중량부, 페녹시디에틸렌글리콜아크릴레이트(아로닉스(등록상표) M-101A, 도아고세이사 제조) 50 중량부, 에틸렌옥사이드 변성 비스페놀A디아크릴레이트(아로닉스(등록상표) M-211B, 도아고세이사 제조) 50 중량부, DTS-102(미도리가가쿠사 제조) 8 중량부, 1,9-디부톡시안트라센(안트라큐어(등록상표) UVS-1331, 가와사키가세이사 제조) 1 중량부, Irgacure(등록상표) 184(치바사 제조) 5 중량부 및 옵툴(등록상표) DACHP(20% 고형분, 다이킨고교사 제조) 4 중량부를 혼합하여 사용했다.
레지스트층을 형성한 사파이어 기판 상에, 투명 수지 몰드 시트를 70 mm×70 mm(□70 mm)로 절단하여 접합시켰다. 접합에는, 산텍크사 제조의 필름 접합 장치(TMS-S2)를 사용하여, 접합 닙 압력 90 N, 접합 속도 1.5 m/s로 접합시켰다. 이어서, 접합하여 일체화한 투명 수지 몰드/레지스트층/사파이어 기판을, □70 mm×t10 mm의 투명 실리콘판(경도 20) 2장으로 사이에 끼웠다. 그 상태에서 엔지니어링시스템사 제조의 나노 임프린트 장치(EUN-4200)를 이용하여, 0.05 MPa의 압력으로 프레스했다. 프레스한 상태에서, 투명 수지 몰드 측에서 자외선을 2500 mJ/㎠로 조사하여, 레지스트층을 경화시켰다. 경화 후, 투명 실리콘판과 투명 수지 몰드를 박리하여, C면형으로 패턴이 형성된 레지스트/사파이어 적층체를 얻었다.
(에칭)
반응성 이온 에칭 장치(RIE-101iPH, 삼코주식회사 제조)를 이용하여, 하기 에칭 조건으로 사파이어를 에칭했다.
에칭 가스: Cl2/(Cl2+BCl3)=0.1
가스 유량: 10 sccm
에칭 압력: 0.1 Pa
안테나: 50 w
바이어스: 50 w
에칭 후, 사파이어 기판의 단면과 표면 구조를 전자현미경으로 관찰한 바, 볼록부 바닥부 외접원 직경 φout이 400 nm, 높이 H가 250 nm인 볼록부가, 나노 임프린트에 사용한 릴형 투명 수지 몰드와 같은 장주기 구조를 포함하는 주기 구조이며, 나노 구조체로 구성된 주기 5 ㎛를 갖는 2차원 포토닉 결정을 얻을 수 있었다. 또한, 피치의 증가에 따라, 볼록부 바닥부 외접원 직경 φout 및 높이 H가 감소하는 것이 확인되었다.
(반도체 발광 소자의 형성)
얻어진 사파이어 기판 상에, MOCVD에 의해, (1) AlGaN 저온 버퍼층, (2) n형 GaN층, (3) n형 AlGaN 클래드층, (4) InGaN 발광 반도체층(MQW), (5) p형 AlGaN 클래드층, (6) p형 GaN층, (7) ITO층을 연속적으로 적층했다. 사파이어 기판 상의 요철은, (2) n형 GaN층의 적층시에 메워져, 평탄화하는 제막 조건으로 했다. 또한 에칭 가공하여 전극 패드를 부착했다.
이 상태에서, 프로버를 이용하여 p 전극 패드와 n 전극 패드 사이에 20 mA의 전류를 흘려 발광 출력을 측정했다. 얻어진 반도체 발광 소자의 발광 중심 파장은 450 nm였다. 비교예 4와의 발광 출력비를 표 10에 나타낸다. 후술하는 비교예 4와 비교하여, 발광 소자로부터의 발광에, 회절 특유의 불균일은 관찰되지 않고, 발광 각도 의존성은 거의 없었다.
(실시예 4)
실시예 3과 같은 식으로 제작한 원통형 마스터를 선속도 s=1.0 m/sec로 회전시키면서 이하의 조건으로 노광했다.
노광용 반도체 레이저 파장: 405 nm
노광 레이저 파워: 3.5 mW
X축 방향 피치 Px: 260 nm
X축 방향 피치 Px에 대한 변동 폭 δ2: 26 nm
변동 폭 δ2의 X축 방향의 장주기 PxL: 3.64 ㎛
Y축 방향 피치 Py: 300 nm
Y축 방향 피치 Py에 대한 변동 폭 δ1: 30 nm
변동 폭 δ1의 Y축 방향의 장주기 PyL: 4.2 ㎛
이어서 실시예 3과 마찬가지로, 표면 구조가 반전 전사된 릴형 투명 수지 몰드(길이 200 m, 폭 300 mm)를 얻을 수 있었다.
이어서, 제작한 릴형 투명 수지 몰드의 표면을 주사형 전자현미경에 의해 관찰했다. 관찰된 미세 구조에서는, Y축 방향(상하 방향), X축 방향(좌우 방향) 모두, 나노 오더의 볼록부가 부정 간격으로 배열되고, 각 피치는, 상기한 피치가 장주기로 반복 배열되어 있었다.
또한, 실시예 3과 같은 방법으로, 사파이어 기판의 표면에, 나노 오더의 요철 구조를 전사했다. 전자현미경으로 단면 및 표면 구조를 관찰한 바, 세로 방향으로 장주기 3.64 ㎛, 가로 방향으로 장주기 4.2 ㎛를 갖는 2차원 포토닉 결정을 얻을 수 있었다. 또한, 피치의 증가에 따라, 볼록부 바닥부 외접원 직경 φout 및 높이 H가 감소하는 것이 확인되었다.
이하, 실시예 3과 같은 식으로 반도체 발광 소자를 제작하여 발광 출력을 측정했다. 발광 출력비를 표 10에 나타낸다. 실시예 3과 마찬가지로, 얻어진 반도체 발광 소자의 발광 중심 파장은 450 nm이며, 회절 특유의 불균일이 있는 발광은 관찰되지 않고, 발광 각도 의존성은 거의 없었다.
(실시예 5)
실시예 3과 같은 식으로 제작한 원통형 마스터를 선속도 s=1.0 m/sec로 회전시키면서 이하의 조건으로 노광했다.
노광용 반도체 레이저 파장: 405 nm
노광 레이저 파워: 3.5 mW
X축 방향 피치 Px: 700 nm
X축 방향 피치 Px에 대한 변동 폭 δ2: 70 nm
변동 폭 δ2의 X축 방향의 장주기 PxL: 4.90 ㎛
Y축 방향 피치 Py: 606 nm
Y축 방향 피치 Py에 대한 변동 폭 δ1: 61 nm
변동 폭 δ1의 Y축 방향의 장주기 PyL: 4.8 ㎛
이어서 실시예 3과 마찬가지로, 표면 구조가 반전 전사된 릴형 투명 수지 몰드(길이 200 m, 폭 300 mm)를 얻을 수 있었다.
또한, 실시예 3과 같은 방법으로, 사파이어 기판의 표면에, 나노 오더의 요철 구조를 전사했다. 전자현미경으로 단면 및 표면 구조를 관찰한 바, 세로 방향으로 장주기 4.90 ㎛, 가로 방향으로 장주기 4.8 ㎛를 갖는 2차원 포토닉 결정을 얻을 수 있었다. 또한, 피치의 증가에 따라, 볼록부 바닥부 외접원 직경 φout 및 높이 H가 감소하는 것이 확인되었다.
이하, 실시예 3과 같은 식으로 반도체 발광 소자를 제작하여 발광 출력을 측정했다. 발광 출력비를 표 10에 나타낸다. 실시예 3과 마찬가지로, 얻어진 반도체 발광 소자의 발광 중심 파장은 450 nm이며, 회절 특유의 불균일이 있는 발광은 관찰되지 않고, 발광 각도 의존성은 거의 없었다.
(실시예 6)
실시예 4와 같은 식으로 하여, 표면에 미세 구조가 반전 전사된 투명 수지 몰드 시트(길이 200 m, 폭 300 mm)를 얻었다.
(중간체의 형성)
얻어진 사파이어 기판 상에, MOCVD에 의해, (1) AlGaN 저온 버퍼층, (2) n형 GaN층, (3) n형 AlGaN 클래드층, (4) InGaN 발광 반도체층(MQW), (5) p형 AlGaN 클래드층, (6) p형 GaN 층을 연속적으로 적층했다. 사파이어 기판 상의 요철은, (2) n형 GaN 층의 적층시에 메워져, 평탄화하는 제막 조건으로 했다.
이어서, p 전극층을 스퍼터에 의해서 제작한 후, Si 웨이퍼 지지체와 p 전극층을 땜납을 통해 접합했다. 그리고, 사파이어 기판 이면측(n형 GaN층에 면하고 있는 면과 반대측)으로부터 레이저광을 조사하고, 레이저 리프트오프에 의해, 사파이어 기판을 분리 제거하고, 사파이어 기판의 제거에 의해 노출된 n형 GaN층 표면을 염산에 의해서 세정했다. 얻어진 n형 GaN층 표면에는, 사파이어 기판 표면이 반전된 미세 구조가 형성되었다.
n형 GaN층 표면을 전자현미경으로 관찰한 바, 나노 오더의 요철 구조가 전사되어, 세로 방향으로 장주기 4.90 ㎛, 가로 방향으로 장주기 4.8 ㎛를 갖는 2차원 포토닉 결정을 얻을 수 있었다. 또한, n형 GaN층 표면에 n 전극을 형성하여, 반도체 발광 소자로 했다. 또한, 피치의 증가에 따라, 볼록부 바닥부 외접원 직경 φout 및 높이 H가 감소하는 것이 확인되었다.
이 상태에서, 프로버를 이용하여 p 전극 패드와 n 전극 패드 사이에 20 mA의 전류를 흘려 발광 출력을 측정했다. 이 실시예 6과, 후술하는 비교예 B와의 발광 출력비를 표 10에 나타낸다. 실시예 6의 발광 소자로부터의 발광에 있어서는, 얻어진 반도체 발광 소자의 발광 중심 파장은 450 nm이며, 회절 특유의 불균일이 있는 발광은 관찰되지 않고, 발광 각도 의존성은 거의 없었다.
(실시예 7)
실시예 3과 같은 식으로 제작한 원통형 금형을 선속도 s=1.0 m/sec로 회전시키면서 이하의 조건으로 노광했다.
노광용 반도체 레이저 파장: 405 nm
노광 레이저 파워: 3.5 mW
X축 방향 피치 Px: 260 nm
X축 방향 피치 Px에 대한 변동 폭 δ2: 26 nm
변동 폭 δ2의 X축 방향의 장주기 PxL: 1.04 ㎛
Y축 방향 피치 Py: 300 nm
Y축 방향 피치 Py에 대한 변동 폭 δ1: 30 nm
변동 폭 δ1의 Y축 방향의 장주기 PyL: 1.2 ㎛
이어서 실시예 3과 마찬가지로, 표면 구조가 반전 전사된 릴형 투명 수지 몰드(길이 200 m, 폭 300 mm)를 얻을 수 있었다.
또한, 실시예 3과 같은 방법으로, 사파이어 기판의 표면에, 나노 오더의 요철 구조를 전사했다. 전자현미경으로 단면 및 표면 구조를 관찰한 바, 세로 방향으로 장주기 1.04 ㎛, 가로 방향으로 장주기 1.2 ㎛를 갖는 2차원 포토닉 결정을 얻을 수 있었다. 또한, 피치의 증가에 따라, 볼록부 바닥부 외접원 직경 φout 및 높이 H가 감소하는 것이 확인되었다.
이하, 실시예 3과 같은 식으로 반도체 발광 소자를 제작하여 발광 출력을 측정했다. 발광 출력비를 표 10에 나타낸다. 실시예 3과 같은 식으로, 얻어진 반도체 발광 소자의 발광 중심 파장은 450 nm이며, 회절 특유의 불균일이 있는 발광은 관찰되지 않고, 발광 각도 의존성은 거의 없었다.
[비교예 4]
실시예 3과 같은 조건으로 통상의 편평한 사파이어 기판 상에 발광 반도체층을 형성하여, 같은 방법으로 발광 출력을 측정했다.
[비교예 5]
실시예 3과 같은 방법으로, 반도체 레이저를 이용한 직접 묘화 리소그래피법에 의해 나노 패턴의 미세 구조(미세 요철 구조)를 석영 유리 표면에 형성했다. X축 방향, Y축 방향의 피치는 동일하고, 피치 변동이 없는 육방 배열로 했다.
X축 방향 피치 Px: 398 nm
Y축 방향 피치 Py: 460 nm
또한, 실시예 3과 같은 방법으로, 사파이어 기판의 표면에, 나노 오더의 요철 구조를 전사했다. 전자현미경으로 단면 및 표면 구조를 관찰한 바, 460 nm의 주기를 갖는 2차원 포토닉 결정을 얻을 수 있었다.
그 후, 실시예 3과 같은 방법으로 발광 반도체층을 형성하여, 발광 출력을 측정했다. 얻어진 반도체 발광 소자로부터의 발광에 있어서는, 얻어진 반도체 발광 소자의 발광 중심 파장은 450 nm이며, 회절 구조 특유의 회절광이 강하게 관찰되고, 발광 각도 분포가 컸다.
[비교예 6]
사파이어 기판 상에 형성한 패턴이 비교예 B와 같은 것 이외에는, 실시예 6과 같은 방법의 리프트오프 공정을 거쳐, 반도체 발광 소자를 제작하여, 발광 출력을 측정했다. 얻어진 반도체 발광 소자로부터의 발광에 있어서는, 얻어진 반도체 발광 소자의 발광 중심 파장은 450 nm이며, 회절 구조 특유의 회절광이 강하게 관찰되고, 발광 각도 분포는 컸다.
상기한 것 이외에는 실시예 3과 같은 식으로 하여 발광 출력을 측정했다. 결과를 표 10에 나타낸다.
표 10은 비교예 A의 출력을 1로 하여, 발광 출력비로서 나타내고 있다. 표 10으로부터, 본 실시형태에 따른 광학 기판(실시예 3~실시예 7)에 의하면, 종래의 평탄한 사파이어 기판(비교예 4), 종래 파장의 2배 이상의 주기를 갖지 않는 2차원 포토닉 결정을 갖는 사파이어 기판(비교예 5, 비교예 6)에 비해서, 사파이어 기판 상에 성막한 반도체층 중의 전위 결함수를 줄일 수 있고, 또한, 주기성이 흐트러진 요철 패턴에 기인하는 광산란에 의해 도파 모드를 해소하여 광추출 효율을 올릴 수 있기 때문에, 높은 광 효율을 갖는 반도체 발광 소자를 얻을 수 있음을 알 수 있었다. 또한, 발광 소자로부터의 발광 특성에 있어서, 각도 의존성이 거의 없는 것을 알 수 있어, 공업 실용상 적합한 발광 소자이다. 한편, 상기 실시예 3~7에서 제조한 광학 기판에 대하여, 실시예 1과 마찬가지로 광학현미경을 사용한 관찰을 한 바, 어느 광학 기판에서나, 장주기에 대응한 광학 모양을 명암의 차로서 관찰할 수 있었다. 또한, 실시예 1과 마찬가지로 레이저광을 이용한 관찰을 한 바, 레이저광은 5개 혹은 9개로 스플리트되는 것이 관찰되었다. 한편, 비교예 4, 5의 경우는, 광학현미경에 의한 모양도 레이저광의 스플리트도 관찰되지 않았다.
(실시예 8)
<반도체 발광 소자>
표면에 요철 구조를 구비하는 광학 기판을 제작하고, 광학 기판을 사용하여 반도체 발광 소자(LED)를 제작하여, 휘어짐을 평가했다. 이어서, 칩화를 행하여, LED의 효율을 비교했다.
이하의 검토에서는, 실시예 1과 마찬가지로, (1) 원통형 마스터 몰드를 제작하고, (2) 수지 몰드를 제작했다. (3) 수지 몰드를 이용하여, 나노 가공용 부재(나노 가공용 시트)를 제작했다. 이어서, (4) 나노 가공용 시트를 사용하여, 표면에 요철 구조를 구비한 기판을 제작했다. 마지막으로, (5) 얻어진 요철 구조를 구비한 기판을 사용하여, 반도체 발광 소자를 제작하고, 성능을 평가했다. 한편, 요철 구조는, (1)에서 제작하는 원통형 마스터 몰드의 요철 구조, (3)에서 행하는 광전사법, (4)에서 제작하는 나노 가공용 시트 및 드라이 에칭에 의해 제어했다.
(1) 원통형 마스터 몰드의 제작
실시예 1과 같은 식으로 제작했다.
(2) 수지 몰드의 제작
실시예 2와 같은 식으로, 제작한 원통형 마스터 몰드를 주형으로 하고, 광나노 임프린트법을 적용하여, 연속적으로 수지 몰드 G1을 제작했다. 이어서, 실시예 2와 같은 식으로 수지 몰드 G1을 템플레이트로 하여, 광나노 임프린트법에 의해, 연속적으로 수지 몰드 G2를 얻었다.
(3) 나노 가공용 시트의 제작
실시예 2와 같은 식으로 나노 가공용 시트를 제작했다.
(4) 광학 기판의 나노 가공
제작한 나노 가공용 시트를 사용하여, 광학 기판의 가공을 시도했다. 광학 기판으로서는 A면(11-20)에 오리엔테이션 플랫(orientation flat)이 있는 C면(0001) 사파이어 기판을 사용했다.
실시예 2와 같은 식으로 나노 가공용 시트를 사용하여, 적층체(재료 2/재료 3/기판으로 이루어지는 적층체)를 얻었다. 이어서, 실시예 2와 같은 식으로 기판을 에칭 가공했다.
마지막으로, 실시예 2와 같은 식으로 세정하여, 요철 구조(20)를 표면에 구비하는, 복수의 사파이어 기판을 얻었다. 한편, 사파이어 기판 상에 제작되는 요철 구조의 형상은, 주로 나노 가공용 시트의 재료 2의 충전율과 재료 3의 막 두께에 의해 제어했다.
사파이어 기판의 표면에 제작된 요철 구조의 형상은, 원통형 마스터 몰드에 제작된 요철 구조의 형상, 수지 몰드를 제조할 때의 닙 압력 조건, 드라이 에칭의 처리 조건에 의해 적절하게 제어했다. 도 53~도 56은 본원의 실시예에서 제작한 사파이어 기판의 요철 구조 D를 도시하는 주사형 현미경 사진이다.
도 53은 요철 구조를 비스듬히 위쪽에서 관찰한 결과이며, 요철 구조의 평균 피치(P'ave)는 460 nm이다. 또, 요철 구조는 복수의 대략 원추형의 볼록부로 구성되고, 각각의 볼록부는 정육방 배열되어 있음을 알 수 있다. 이 배열은, 원통형 마스터 몰드를 제조할 때의 반도체 레이저 펄스 패턴에 의해 제어했다. 또, 볼록부 꼭대기부와 볼록부 측면은 연속적으로 매끄럽게 이어지는 동시에, 오목부 바닥부에 평탄면이 형성되어 있음을 알 수 있다. 또한, 볼록부 측면은 근소하게 위로 볼록한 팽창부를 갖는 것을 알 수 있다. 이러한 볼록부의 형상은, 나노 가공용 시트의 재료 2의 충전율, 재료 3의 막 두께, 및 재료 2와 재료 3의 에칭율비, 그리고 드라이 에칭 조건에 의해 제어했다.
도 54는 요철 구조의 평균 피치(P'ave)가 700 nm인 경우이며, 도 54A가 상면을, 도 54B가 단면을 도시한다. 도 54로부터, 복수의 대략 원추형의 볼록부가 정육방 배열되어 있음을 알 수 있다. 이 배열은, 원통형 마스터 몰드를 제조할 때의 반도체 레이저 펄스 패턴에 의해 제어했다. 특히, 인접하는 볼록부의 바닥부 윤곽끼리의 간격(P'-lcvb)은 매우 좁으며, 가장 좁은 부위에서 50 nm였다. 한편, 간격(P-lcvb)의 10점의 상가 평균치는 83 nm였다. 또, 각 볼록부 바닥부의 외형은 근소하게 진원보다 휘어 있음을 알 수 있다. 이 진원으로부터의 어긋남은, 나노 가공용 시트의 재료 1에 의해 제어했다. 또, 볼록부 꼭대기부의 평탄면이 없고, 한편 오목부 바닥부에 평탄면이 있음을 알 수 있다. 이것은, 주로 드라이 에칭 조건에 의해 제어했다.
도 55는 평균 피치(P'ave)가 200 nm인 경우이며, 도 55A가 상면을, 도 55B가 단면을 도시한다. 도 55A로부터, SEM 관찰상 내에 있어서, 복수의 볼록부의 배열은, 육방 배열~사방 배열까지가 불규칙하게 포함되어 있음을 알 수 있다. 즉, 어느 볼록부를 임의로 선택한 경우에, 선택하는 볼록부에 따라, 선택한 볼록부를 포함하는 배열이 육방 배열인 경우, 사방 배열인 경우, 또는 육방 배열과 사방 배열 사이의 배열인 경우가 있는 상태였다. 이 배열 규칙성의 흐트러짐은, 원통형 마스터 몰드를 제조할 때의 반도체 펄스 레이저의 기준점을 없앰으로써 제어했다. 또, 각 볼록부 꼭대기부와 볼록부 측면부는 매끄럽게 연속되는 동시에, 오목부 바닥부에 평탄면이 존재하는 것을 알 수 있다. 또한, 각 볼록부 바닥부의 외형은 동일하지 않고, 약간 볼록부 사이에 따라 차가 있음을 알 수 있다. 보다 구체적으로는, 임의로 볼록부를 선택한 경우, 그 볼록부의 단면 형상은, 포탄 형상인 경우도 있고, 원추 형상인 경우도 있었다. 이러한 볼록부 형상 및 그 분포는, 나노 가공용 시트의 재료 2의 충전율, 재료 3의 막 두께, 및 재료 2와 재료 3의 에칭율비, 그리고 드라이 에칭 조건에 의해 제어했다.
도 56은 평균 피치(P'ave)가 300 nm인 경우이며, 도 56A가 상면을, 도 56B가 단면을 도시한다. 도 56으로부터, 복수의 볼록부가 정육방 배열되는 동시에, 부분적으로 볼록부 높이가 0 nm 혹은 낮은 부분이 혼재하고 있음을 알 수 있다. 즉, 정육방 배열되는 볼록부로부터, 랜덤하게 볼록부를 솎아낸 것과 같은 배열이었다. 이 솎아내는 비율은 약 5.5%였다. 이것은, 수지 몰드 G1을 제조할 때의, 닙 압력에 의해 제어된 것이다. 보다 구체적으로는, 원통형 마스터 몰드의 오목부 내부에 재료 1을 충전할 때에 필요한 압력과 거의 동등한 압력대의 닙을 행함으로써, 원통형 마스터 몰드의 요철 구조 중, 일부의 오목부에 재료 1이 충전되지 않는 부분을 형성함으로써 행했다. 또, 각 볼록부의 꼭대기부와 측면부는 매끄럽게 연속화되어 있는 동시에, 오목부 바닥부에는 평탄면이 형성되어 있다. 또한, 볼록부 바닥부의 외형은 진원이 아니라, 복수의 변곡점이 존재하는 것을 알 수 있다. 이러한 구조는 주로 나노 가공용 시트의 재료 2에 의해 제어했다.
이상 예시한 것과 같이, 요철 구조가 다른 사파이어 기판을 제조했다.
(5) 반도체 발광 소자의 제작
얻어진 사파이어 기판 상에, 버퍼층으로서 AlxGa1 - xN(0≤x≤1)의 저온 성장버퍼층을 100Å 성막했다. 이어서, 비도핑 제1 반도체층으로서, 언도핑의 GaN을 성막하고, 도핑 제1 반도체층으로서, Si 도핑의 GaN을 성막했다. 이어서, 변형 흡수층을 형성하고, 그 후 발광 반도체층으로서, 다중 양자 웰(multi quantum well)의 활성층(웰층, 장벽층=언도핑의 InGaN, Si 도핑의 GaN)를 각각의 막 두께를 (60Å, 250Å)로 하여 웰층이 6층, 장벽층이 7층이 되도록 교대로 적층했다. 발광 반도체층 상에, 제2 반도체층으로서, 일렉트로블로킹층을 포함하도록 Mg 도핑의 AlGaN, 언도핑의 GaN, Mg 도핑의 GaN을 적층했다. 이어서, ITO를 성막하고, 에칭 가공한 후에 전극 패드를 부착했다. 이 상태에서, 프로버를 이용하여 p 전극 패드와 n 전극 패드 사이에 20 mA의 전류를 흘려 발광 출력을 측정했다. 표 12의 비교예 7에 기재한 요철 구조를 구비하지 않는 사파이어를 사용한 경우의 출력을 1로 하여 평가했다.
상기 조작에 의해 반도체 발광 소자를 평가했다. 상기 (5) 반도체 발광 소자의 제작에 있어서의, 비도핑 제1 반도체층의 막 두께(Hbu) 및 도핑 제1 반도체층의 막 두께(Hbun), 그리고 요철 구조의 평균 피치(P'ave)와 높이 H를 파라미터로 하여, 내부 양자 효율(IQE) 및 반도체 발광 소자의 휘어짐을 평가했다.
내부 양자 효율(IQE)은 PL 강도로부터 결정했다. 내부 양자 효율(IQE)은, (단위 시간에 발광 반도체층으로부터 발생하는 광자의 수/단위 시간에 반도체 발광 소자에 주입되는 전자의 수)에 의해 정의된다. 본 실시예에서는, 상기 내부 양자 효율(IQE)을 평가하는 지표로서, (300 K에서 측정한 PL 강도/10 K에서 측정한 PL 강도)를 채용했다.
검토 결과를 표 11에 정리했다. 한편, 표 11에 기재한 용어의 의미는 다음과 같다.
·No.: 샘플의 관리 번호
·P'ave: 요철 구조의 평균 피치(P'ave)이며, 치수는 「nm」
·h: 요철 구조의 평균 높이(h)이며, 치수는 「nm」
·Hbun: 제1 반도체층의 막 두께이며, 치수는 「nm」
·Hbu: 비도핑 제1 반도체층의 막 두께이며, 치수는 「nm」
·Hbun/h: 제1 반도체층의 막 두께와 요철 구조의 평균 높이(h)의 비율이며 무차원치
·Hbu/h: 비도핑 제1 반도체층의 막 두께와 요철 구조의 평균 높이(h)의 비율이며 무차원치
·IQE: 내부 양자 효율(Internal Quantum Efficiency)이며, 치수는 「%」
·휘어짐: 반도체 발광 소자(100)의 칩화에 지장을 초래한 경우를 「×」, 문제가 없었던 경우를 「○」로 하여 평가
·종합: IQE 및 휘어짐을 고려한 종합 평가
한편, 표 11에 기재한 비교예 7은, 요철 구조를 구비하지 않는 평탄한 사파이어 기판을 사용한 경우이다.
또한, 사용한 기판과 표 11의 No.의 관계는 다음과 같다.
No. 9 및 No. 11…도 53에 도시하는 기판
No. 10…도 54에 도시하는 기판
No. 4, No. 6 및 No.8…도 55에 도시하는 기판
No. 1, No. 5, No. 7 및 No. 12…도 56에 도시하는 기판
No. 2 및 No. 3에서는, 평균 피치(P'ave)가 200 nm이며 복수의 볼록부가 정육방 격자 배열된 기판을 사용했다. 볼록부 바닥부의 평균 직경은 100 nm, 볼록부의 평균 높이는 80 nm였다. 또한, 볼록부 꼭대기부 상에 평탄면은 없고, 볼록부 꼭대기부와 볼록부 측면부는 연속적으로 이어져 있었다.
No. 13에서는, 평균 피치(P'ave)가 3000 nm이며 복수의 볼록부가 정육방 격자 배열된 기판을 사용했다. 볼록부 바닥부의 평균 폭은 1500 nm이며, 볼록부의 평균 높이는 1500 nm였다. 한편, No. 13에 기재한 기판만 이하의 제법에 의해 제작했다. 사파이어 기판의 C면 (0001) 상에, 에칭 마스크가 되는 SiO2막을 성막하여, 포토리소그래피법에 의해 패터닝했다. 계속해서, SiO2로 구성되는 마스크를 이용하여, 사파이어 기판을 에칭함으로써 요철 구조를 제작했다. 한편, 에칭은 웨트 에칭에 의해 행하고, 에칭액으로서 인산과 황산의 혼합산을 이용했다. 액온은 대략 295℃였다.
표 11로부터 다음의 것을 알 수 있다. Hbun/h가 18.0 이상 73.8 이하의 범위에 있어서, 내부 양자 효율(IQE)이 요철 구조를 구비하지 않는 경우에 비해서, 1.46배~1.7배로 커지고 있는 동시에, 반도체 발광 소자의 휘어짐도 억제되고 있다. 이때의 Hbu/h는 10.0 이상 43.8 이하이다. 이것은 Hbun/h가 소정의 값 이상의 범위를 만족하므로, 요철 구조에 의해 제1 반도체층 내의 전위를 분산화하여 저감할 수 있는 것과, Hbun/h가 소정의 값 이하의 범위를 만족하므로, 제1 반도체층의 막 두께를 얇게 할 수 있게 되어 휘어짐을 저감할 수 있는 것 때문이라고 생각된다. 한편, No. 12에서는, Hbun/h가 6.7, Hbu/n이 3.3으로 작은 값으로 되고 있어, 내부 양자 효율(IQE)은 요철 구조가 없는 경우(비교예 7의 No. 0)와 비교하여 향상되지 않았다. 이것은, 제1 반도체층 내부에서의 전위 저감 효과가 낮으므로, 발광 반도체층 및 제2 반도체층의 반도체로서의 성능이 저하되고 있기 때문이라고 생각할 수 있다. 또, No. 1에서는, Hbun/h가 306.7, Hbu/h가 213.3으로 큰 값이며, 반도체 발광 소자의 휘어짐이 칩화에 영향을 주고 있음을 알 수 있다. 이상으로부터, Hbun/h가 소정의 범위 내에 있음으로써, 내부 양자 효율(IQE)이 개선되면서, 반도체 발광 소자(100)의 휘어짐을 저감할 수 있다는 것을 알 수 있다.
(실시예 9)
평균 피치(P'ave)가 300 nm이고 육방 격자형으로 복수의 볼록부가 배열된 요철 구조에 대해서, 소정의 흐트러짐을 가하여, 외부 양자 효율(EQE)을 보다 향상시킬 수 있는지를 조사했다. 결과를 표 12에 정리했다. 한편, 표 12에 기재된 용어의 의미는 다음과 같다.
·No.: 샘플의 관리 번호
·P'ave: 요철 구조의 평균 피치(P'ave)
·변동 계수: 요철 구조를 구성하는 어느 요소에 대한 표준 편차를, 그 요소에 대한 상가 평균으로 나눈 값. 무차원치.
·발광 출력비: 비교예 7을 기준(1.00)으로 한 경우의 발광 강도비
표 12에 예로 든 실시예 9의 반도체 발광 소자에서는, 내부 양자 효율(IQE)은 모두 80%를 넘고, 또한 반도체 발광 소자의 휘어짐은 억제되고 있음이 확인되었다. 표 12로부터 알 수 있는 것과 같이, 요철 구조를 구비하지 않는 사파이어 기판을 사용한 경우(비교예 7의 No. 0)에 비해서, 요철 구조를 구비하는 사파이어 기판을 사용한 경우(실시예 9)의 발광 출력이 향상되고 있음을 알 수 있다. 우선, No. 14는 복수의 볼록부가 정육방 배열을 하고 있고, 각각의 볼록부의 형상이 대략 동일한 경우이다. 이러한 배열 및 형상 규칙성이 높은 요철 구조를 구비하는 기판을 사용함으로써, 발광 출력은 1.21배로 증가하고 있다. 이것은, 평균 피치(P'ave)에 따른 광회절을 이용하여, 도파 모드를 흐트러뜨림으로써 광추출 효율 LEE가 향상되고 있기 때문으로 추정되며, FDTD를 사용한 시뮬레이션 결과와 대략 일치하고 있다.
No. 15는, 복수의 볼록부가 정육방 배열되어 있는데, 각 볼록부의 형상에 흐트러짐을 형성한 경우이다. 보다 구체적으로는, 볼록부 바닥부 외접원 직경 φout에 흐트러짐이 있다. 이것은, 볼록부의 바닥부의 크기에 분포가 있음을 의미하며, 배열이 정육방 배열이므로, 요철 구조의 오목부 바닥부의 면적도 동시에 분포를 갖는 것을 의미한다. 또한, φout/φin에 흐트러짐이 있다. 이것은, 볼록부를 위쪽에서 관찰한 경우에, 그 형상이 진원이 아닌 것, 또한, 볼록부 바닥부 외접원에 대한 볼록부 정점의 위치가 각 볼록부에 따라 다른 것을 의미한다. 또, 각 볼록부의 높이 H도 분포를 갖고 있다. 이러한 배열 규칙성이 높고, 형상 흐트러짐이 큰 요철 구조를 사용함으로써, 발광 강도는 1.35배까지 커지고 있음을 알 수 있다. 이것은, 요철 구조의 흐트러짐에 의해, 도파 모드를 흐트러뜨리는 회절 모드수가 커져, 광출출 효율(LEE)이 향상되었기 때문으로 추정된다.
No. 16은, No. 15에 비해서 볼록부 높이 H의 흐트러짐이 커지고 있다. 이것은 부분적으로 볼록부가 없는 요철 구조이다. 이 경우, 발광 출력은 1.50배까지 향상되고 있음을 알 수 있다. 이것은, 볼록부가 결손되어 존재하지 않는 요철 구조는, 볼록부의 큰 체적 변화를 내포하므로, 광학 산란성이 커져, 도파 모드를 흐트러뜨리는 효과가 커졌기 때문으로 추정된다.
마지막으로 No. 17은, No. 16에 대하여 배열의 흐트러짐을 가한 경우이다. 배열의 흐트러짐은, 랜덤이 아니라 제어된 흐트러짐이다. 구체적으로는, 피치 P'가 사인파에 따라 변화되도록 설계했다. 이 경우, 발광 출력은 1.55배까지 증가하고 있다. 또한, No. 17에 대하여, 실시예 1과 마찬가지로 광학현미경 관찰을 한 바, 명암의 차로서, 대략 원 형상 모양이 사방 배열되어 있음이 관찰되었다. 또한, 실시예 1과 마찬가지로 레이저광을 이용한 관찰을 한 바, 레이저광이 5개로 스플리트되는 것을 확인할 수 있었다. 한편, No. 14~No. 16에 관해서는, 광학 모양 및 레이저광의 스플리트는 관찰되지 않았다. 이것은, 배열의 흐트러짐에 의해 도파 모드를 흐트러뜨리는 회절 모드의 수가 증가하여, 광학적 산란성이 증가함으로써, 광추출 효율(LEE)이 향상되었기 때문으로 추정된다.
한편, 본 발명은 상기 실시형태에 한정되지 않고, 여러 가지로 변경하여 실시할 수 있다. 상기 실시형태에 있어서, 첨부 도면에 도시되어 있는 크기나 형상 등에 대해서는 이것에 한정되지 않고, 본 발명의 효과를 발휘하는 범위 내에서 적절하게 변경할 수 있다.
본 발명은, 예컨대, OLED, 형광체, 발광 다이오드(LED) 등의 반도체 발광 소자에 적합하게 적용할 수 있다.
본 출원은, 2012년 10월 12일 출원의 일본 특원 2012-227299, 2012년 10월 17일 출원의 일본 특원 2012-230000, 2012년 10월 19일 출원의 일본 특원 2012-231861, 2012년 12월 21일 출원의 일본 특원 2012-280240, 2013년 2월 7일 출원의 일본 특원 2013-022576 및 2013년 5월 27일 출원의 일본 특원 2013-111091에 기초한다. 이들의 내용은 여기에 포함시켜 둔다.
Claims (22)
- 기판 본체와,
상기 기판 본체의 주면(主面) 상에 형성된 복수의 볼록부 또는 오목부로 구성되는 요철 구조
를 구비하는 광학 기판으로서,
상기 주면 상에 광학현미경에 의해서 10배~5000배의 범위 내의 어느 배율에서 관찰 가능한 모양이 그려져 있는 것,
상기 모양의 간격은, 상기 요철 구조의 피치보다도 큰 것, 및
상기 모양의 광학현미경 상(像)에 있어서, 상기 모양은, 명암의 차에 의해서 제1 영역 및 제2 영역으로 식별할 수 있고, 상기 제1 영역은 복수이면서 상호 간격을 두고 배치되고, 상기 제2 영역은 상기 제1 영역 사이를 잇고 있는 것을 특징으로 하는 광학 기판. - 제1항에 있어서, 상기 모양이, 상기 광학현미경에 의해서 10배~1500배의 범위 내의 어느 배율에서 관찰 가능한 것을 특징으로 하는 광학 기판.
- 제1항에 있어서, 상기 모양이, 상기 광학현미경에 의해서 500배~1500배의 범위 내의 어느 배율에서 관찰 가능한 것을 특징으로 하는 광학 기판.
- 제1항에 있어서, 상기 모양이, 상기 광학현미경에 의해서 500배~5000배의 범위 내의 어느 배율에서 관찰 가능한 것을 특징으로 하는 광학 기판.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 모양이, 상기 요철 구조를 구성하는 상기 복수의 볼록부 또는 오목부를 구성하는 요소의 차이에 의해서 그려져 있는 것을 특징으로 하는 광학 기판.
- 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 요철 구조의 평균 피치는 10 nm 이상 1500 nm 이하인 것을 특징으로 하는 광학 기판.
- 제6항에 있어서, 상기 요철 구조의 평균 피치가 10 nm 이상 900 nm 이하인 동시에, 상기 요철 구조의 높이는 10 nm 이상 500 nm 이하인 것을 특징으로 하는 광학 기판.
- 제1항 또는 제5항에 있어서, 상기 광학 기판의 상기 요철 구조가 있는 제1면 측에서부터, 상기 광학 기판의 주면에 대하여 수직으로, 파장이 640 nm~660 nm, 525 nm~535 nm 또는 460 nm~480 nm의 3 종류의 레이저 광선을 각각 조사한 경우에, 적어도 1 이상의 레이저 광선에 대하여, 상기 제1면과는 반대측의 제2면으로부터 출광하는 레이저 광선이, 2 이상으로 스플리트되는 것을 특징으로 하는 광학 기판.
- 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 요철 구조의 평균 피치는, 50 nm 이상 1500 nm 이하인 동시에,
상기 요철 구조는 흐트러짐을 포함하고,
상기 흐트러짐의 요인이 되는 상기 요철 구조의 요소의 표준 편차 및 상가 평균은, 하기 식(1)의 관계를 만족하는 것을 특징으로 하는 광학 기판.
0.025≤(표준 편차/상가 평균)≤0.5 (1) - 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광학 기판은, 적어도 n형 반도체층, 발광 반도체층 및 p형 반도체층으로 구성되는 반도체 발광 소자에 적용되고,
상기 요철 구조는, 상기 복수의 볼록부 또는 오목부로 구성되는 도트를 포함하고,
상기 요철 구조는, 적어도 상기 도트 사이의 피치, 도트 직경 또는 도트 높이 중 어느 것에 의해 제어된 2차원 포토닉 결정을 구성하고,
상기 2차원 포토닉 결정의 주기가, 상기 반도체 발광 소자의 발광 중심 파장의 2배 이상인 것을 특징으로 하는 광학 기판. - 표면에 요철 구조를 구비하는 광학 기판으로서,
상기 요철 구조의 평균 피치는, 50 nm 이상 1500 nm 이하인 동시에,
상기 요철 구조는 흐트러짐을 포함하고,
상기 흐트러짐의 요인이 되는 상기 요철 구조의 요소의 표준 편차 및 상가 평균은, 하기 식(1)의 관계를 만족하는 것을 특징으로 하는 광학 기판.
0.025≤(표준 편차/상가 평균)≤0.5 (1) - 제11항에 있어서, 상기 요철 구조의 오목부 바닥부는 평탄면을 갖는 것을 특징으로 하는 광학 기판.
- 제11항 또는 제12항에 있어서, 상기 요철 구조의 요소는, 상기 요철 구조의 볼록부의 높이, 상기 요철 구조의 볼록부 바닥부의 외경, 상기 요철 구조의 종횡비, 상기 볼록부 바닥부 윤곽에 대한 외접원의 직경, 상기 볼록부 바닥부 윤곽에 대한 내접원의 직경, 상기 볼록부 바닥부 윤곽에 대한 외접원의 직경과 상기 볼록부 바닥부 윤곽에 대한 내접원의 직경의 비율, 상기 요철 구조의 피치, 상기 요철 구조의 듀티, 상기 볼록부의 측면의 경사 각도 및 상기 볼록부의 꼭대기부의 평탄면의 면적으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 광학 기판.
- 적어도 n형 반도체층, 발광 반도체층 및 p형 반도체층으로 구성되는 반도체 발광 소자에 적용되는 광학 기판으로서,
상기 광학 기판의 주면에 복수의 볼록부 또는 오목부로 구성되는 도트를 포함하는 요철 구조를 갖추고,
상기 요철 구조는, 적어도 상기 도트 사이의 피치, 도트 직경 또는 도트 높이 중 어느 것에 의해 제어된 2차원 포토닉 결정을 구성하고,
상기 2차원 포토닉 결정의 주기가, 상기 반도체 발광 소자의 발광 중심 파장의 2배 이상인 것을 특징으로 하는 광학 기판. - 제14항에 있어서, 상기 2차원 포토닉 결정의 주기가 적어도 상기 주면의 일축 방향으로 주기를 갖는 것을 특징으로 하는 광학 기판.
- 제14항에 있어서, 상기 2차원 포토닉 결정의 주기가 적어도 독립된 상기 주면의 이축 방향으로 주기를 갖는 것을 특징으로 하는 광학 기판.
- 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 기재한 광학 기판의 상기 주면 상에, 적어도 제1 반도체층, 발광 반도체층 및 제2 반도체층이 적층된 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
- 제17항에 있어서, 상기 발광 반도체층 측의 표면과 상기 발광 반도체층의 상기 제1 반도체층 측의 표면의 거리(Hbun)와, 상기 광학 기판의 상기 발광 반도체층 측의 표면에 형성된 상기 요철 구조의 평균 높이(h)의 비율(Hbun/h)이 하기 식(12)을 만족하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
8≤Hbun/h≤300 (12) - 제18항에 있어서, 상기 제1 반도체층이, 상기 광학 기판 측에서부터 비도핑 제1 반도체층 및 도핑 제1 반도체층의 순으로 구성되고,
상기 광학 기판의 상기 발광 반도체층 측의 표면과 상기 비도핑 제1 반도체층의 상기 도핑 제1 반도체층 측의 표면의 거리(Hbu)와, 상기 요철 구조의 평균 높이(h)의 비율(Hbu/h)이 하기 식(13)을 만족하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
3.5≤Hbu/h≤200 (13) - 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 기재한 광학 기판을 광학 검사하는 공정과,
상기 광학 검사를 행한 상기 광학 기판을 사용하여 반도체 발광 소자를 제조하는 공정
을 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자의 제조 방법. - 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 기재한 광학 기판과, 상기 요철 구조를 갖는 표면 상에 순차 적층된 제1 반도체층, 발광 반도체 층 및 제2 반도체층과, 상기 제2 반도체층에 접합된 지지체를 구비하는 중간체로부터, 상기 광학 기판을 분리하여 얻어지는 반도체 발광 소자.
- 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 기재한 광학 기판의 상기 요철 구조를 갖는 표면 상에, 제1 반도체층, 발광 반도체층 및 제2 반도체층을 이 순서로 적층하는 공정과,
상기 제2 반도체층의 표면에 지지체를 피착하여 중간체를 얻는 공정과,
상기 중간체로부터 상기 광학 기판을 분리하여, 상기 제1 반도체층, 상기 발광 반도체층, 상기 제2 반도체층 및 상기 지지체로 구성된 반도체 발광 소자를 얻는 공정
을 구비하는 반도체 발광 소자의 제조 방법.
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