WO2017014100A1 - 発光素子 - Google Patents

発光素子 Download PDF

Info

Publication number
WO2017014100A1
WO2017014100A1 PCT/JP2016/070515 JP2016070515W WO2017014100A1 WO 2017014100 A1 WO2017014100 A1 WO 2017014100A1 JP 2016070515 W JP2016070515 W JP 2016070515W WO 2017014100 A1 WO2017014100 A1 WO 2017014100A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
concavo
light
convex structure
diffractive surface
emitting element
Prior art date
Application number
PCT/JP2016/070515
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
須崎泰正
縄田晃史
田中覚
Original Assignee
Ｓｃｉｖａｘ株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ｓｃｉｖａｘ株式会社 filed Critical Ｓｃｉｖａｘ株式会社
Priority to JP2017529560A priority Critical patent/JPWO2017014100A1/ja
Priority to CN201680041849.0A priority patent/CN107851690A/zh
Priority to US15/310,323 priority patent/US20180248076A1/en
Priority to EP16788404.8A priority patent/EP3163634A4/en
Publication of WO2017014100A1 publication Critical patent/WO2017014100A1/ja

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/02—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
    • H01L33/20—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a particular shape, e.g. curved or truncated substrate
    • H01L33/22—Roughened surfaces, e.g. at the interface between epitaxial layers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/02—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
    • H01L33/20—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a particular shape, e.g. curved or truncated substrate
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/02—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
    • H01L33/04—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a quantum effect structure or superlattice, e.g. tunnel junction
    • H01L33/06—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a quantum effect structure or superlattice, e.g. tunnel junction within the light emitting region, e.g. quantum confinement structure or tunnel barrier
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/02—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
    • H01L33/10—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a light reflecting structure, e.g. semiconductor Bragg reflector
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/02—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
    • H01L33/26—Materials of the light emitting region
    • H01L33/30—Materials of the light emitting region containing only elements of Group III and Group V of the Periodic Table
    • H01L33/32—Materials of the light emitting region containing only elements of Group III and Group V of the Periodic Table containing nitrogen
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2933/00—Details relating to devices covered by the group H01L33/00 but not provided for in its subgroups
    • H01L2933/0008—Processes
    • H01L2933/0016—Processes relating to electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/005—Processes
    • H01L33/0062—Processes for devices with an active region comprising only III-V compounds
    • H01L33/0066—Processes for devices with an active region comprising only III-V compounds with a substrate not being a III-V compound
    • H01L33/007—Processes for devices with an active region comprising only III-V compounds with a substrate not being a III-V compound comprising nitride compounds
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/02—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
    • H01L33/12—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a stress relaxation structure, e.g. buffer layer
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/02—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
    • H01L33/14—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a carrier transport control structure, e.g. highly-doped semiconductor layer or current-blocking structure
    • H01L33/145—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a carrier transport control structure, e.g. highly-doped semiconductor layer or current-blocking structure with a current-blocking structure
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/36—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the electrodes
    • H01L33/40—Materials therefor

Definitions

  • the present invention relates to a light emitting element with improved light extraction efficiency.
  • a light-emitting diode basically has a structure in which an n-type semiconductor layer, a light-emitting layer, and a p-type semiconductor layer are stacked on a substrate.
  • An electrode is formed on the p-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer, and light is generated in the light-emitting layer by recombination of holes and electrons injected from the semiconductor layer.
  • the light is adopted as a structure in which the light is extracted from the translucent electrode or the substrate on the p-type semiconductor layer.
  • the translucent electrode is a translucent electrode made of a metal thin film or a transparent conductive film formed on almost the entire surface of the p-type semiconductor layer.
  • the flatness of the substrate is processed to a mirror surface level in order to control the laminated structure at the atomic level. Therefore, the semiconductor layer, the light emitting layer, and the electrode on the substrate have a laminated structure parallel to each other. ing. In this case, since the refractive index of the semiconductor layer is larger than that of the substrate or the translucent electrode, a waveguide that sandwiches the semiconductor layer between the substrate and the translucent electrode is formed.
  • Patent Document 1 discloses a structure in which a two-dimensional uneven structure is formed on a sapphire substrate and light is reflected within a critical angle to improve external quantum efficiency.
  • an object of the present invention is to provide a light emitting element in which the light extraction efficiency is further improved by forming a concavo-convex structure suitable for diffraction in consideration of the behavior of light.
  • the light-emitting element of the present invention is formed at a boundary between a stacked portion in which at least a semiconductor layer including a light-emitting layer is stacked and a layer included in the stacked portion.
  • the diffractive surface has the concavo-convex structure arranged in a lattice pattern.
  • the uneven structure may be a polygonal lattice, for example, and there are rectangles and squares as polygons.
  • the diffractive surface has a plurality of regions in which the directions of the gratings of the concavo-convex structure are different. For example, it is only necessary to have a plurality of regions in which the direction of the lattice of the concavo-convex structure differs by an equal angle.
  • the ratio S / P of the width S of the recess to the period P in the shortest period (pitch) direction of the concavo-convex structure is preferably 60% or more.
  • the diffractive surface may be one in which the uneven structure is arranged in a checkered pattern (check).
  • the concavo-convex structure may be a checkered pattern in which polygonal convex portions and concave portions are alternately arranged, and examples of the polygon include a rectangle and a square.
  • the diffractive surface has a plurality of regions in which directions of the checkered pattern of the uneven structure are different. For example, what is necessary is just to make it have the some area
  • the diffractive surface may be one in which the concavo-convex structure is arranged in a line-and-space manner.
  • the diffractive surface has a plurality of regions having different line and space directions of the concavo-convex structure.
  • the line-and-space direction may have a plurality of regions that are different from each other by equal angles.
  • the concavo-convex structure is any of a lattice, checkered pattern, and line and space
  • the direction of the concavo-convex structure is the same It is preferable to arrange them so that they are not continuous.
  • the lower limit of the period of the concavo-convex structure is preferably not less than 1 ⁇ 4 times the optical wavelength of the incident light, and the upper limit is not more than 12 times the optical wavelength of the incident light. good.
  • the lower limit of the height of the concavo-convex structure is preferably 0.1 ⁇ m or more, and the upper limit of the diffraction surface is preferably 1.5 ⁇ m or less.
  • the light emitting element of the present invention has a concavo-convex structure in consideration of three-dimensional reflection of light by the diffraction surface, the extraction efficiency can be improved as compared with the conventional one. Further, since the shape of the concavo-convex structure is smaller than that of the conventional structure, the cost of etching and the like can be reduced and the throughput can be improved.
  • the light-emitting element 1 of the present invention is mainly configured by a stacked portion in which at least a semiconductor layer 8 including a light-emitting layer is stacked, and a diffractive surface 2 formed at any boundary of the layers included in the stacked portion. .
  • the laminated portion means a portion where the semiconductor layer 8 and the substrate are laminated, and is composed of a group III nitride semiconductor layer and a sapphire substrate 70 as shown in FIG.
  • the light-emitting element 1 shown in FIG. 1 is one in which light is extracted from the side opposite to the sapphire substrate 70 (hereinafter referred to as the light extraction side), but may be one in which light is extracted from the sapphire substrate 70 side.
  • the group III nitride semiconductor layer includes, for example, a buffer layer 82, an n-type GaN layer 83, a multiple quantum well active layer (light emitting layer 84), an electron block layer 85, and a p-type GaN layer 86. It is formed in order.
  • a p-side electrode 91 is formed on the p-type GaN layer 86 and an n-side electrode 92 is formed on the n-type GaN layer 83.
  • the buffer layer 82 is formed on the diffraction surface 2 of the sapphire substrate 70 and is made of AlN.
  • the buffer layer 82 may be formed by MOCVD (Metal Organic Organic Chemical Vapor Deposition) method or sputtering method.
  • An n-type GaN layer 83 as a first conductivity type layer is formed on the buffer layer 82 and is made of n-GaN.
  • the multiple quantum well active layer (light emitting layer 84) as a light emitting layer is formed on the n-type GaN layer 83, is composed of GalnN / GaN, and emits light by injection of electrons and holes.
  • the electron block layer 85 is formed on the multiple quantum well active layer (light emitting layer 84) and is made of p-AIGaN.
  • a p-type GaN layer 86 as a second conductivity type layer is formed on the electron block layer 85 and is made of p-GaN.
  • the n-type GaN layer 83 to the p-type GaN layer 86 are formed by epitaxial growth of a group III nitride semiconductor. In addition, it has at least a first conductivity type layer, an active layer, and a second conductivity type layer, and when a voltage is applied to the first conductivity type layer and the second conductivity type layer, the active layer is recombined by recombination of electrons and holes. As long as light can be emitted at, the structure of the semiconductor layer 8 in the stacked portion may be other.
  • the p-side electrode 91 is formed on the p-type GaN layer 86 and is made of a transparent material such as ITO (Indium Tin Oxide).
  • the p-side electrode 91 may be formed by, for example, a vacuum deposition method, a sputtering method, a CVD (Chemical Vapor Deposition) method, or the like.
  • the n-side electrode 92 is formed on the exposed n-type GaN layer 83 by etching the n-type GaN layer 83 from the p-type GaN layer 86.
  • the n-side electrode 92 is made of, for example, Ti / Al / Ti / Au, and may be formed by a vacuum deposition method, a sputtering method, a CVD (Chemical Vapor Deposition) method, or the like.
  • a reflective film 90 made of Al or the like may be formed on the reverse side of the light extraction side, for example, on the back side of the sapphire substrate 70.
  • the boundary surface between the reflective film 90 and the sapphire substrate 70 forms a reflective surface, and light transmitted through the sapphire substrate 70 is reflected by the reflective surface. Thereby, the light transmitted through the sapphire substrate 70 can be returned to the light extraction side.
  • the diffractive surface is a layer included in the laminated portion, that is, formed at the boundary of either the semiconductor layer 8 or the substrate, and is formed so as to reflect incident light emitted from the light emitting layer according to Bragg diffraction conditions. It has a concavo-convex structure 20.
  • the boundary mainly means the uppermost surface or the lowermost surface of the semiconductor layer 8, but may be provided in the middle of the semiconductor layer 8 or on the surface of the substrate.
  • the diffractive surface 2 is formed at the boundary between the stacked portion and the sapphire substrate 70, the sapphire substrate 70 has a c-plane ( ⁇ 0001 ⁇ ) on which a nitride semiconductor grows on the surface side. This plane becomes the diffraction plane 2.
  • the diffractive surface 2 is formed with a plurality of concavo-convex structures 20 that are regularly arranged regularly.
  • the light diffraction effect can be obtained by the convex portion 21 of the concave-convex structure 20.
  • the concave-convex structure 20 since total reflection of light occurs when light enters from a medium having a high refractive index to a medium having a low refractive index, the concave-convex structure 20 includes a medium having a low refractive index that constitutes the convex portion 21 among the media sandwiching the boundary. Is formed so as to fill the recess 22. Therefore, since the sapphire substrate 70 has a refractive index lower than that of the buffer layer 82 in the concavo-convex structure 20 in FIG. 2, the portion composed of the material on the sapphire substrate side is filled with the convex portion 21 and the material on the buffer layer 82 side. The part which becomes is the recessed part 22.
  • Such a concavo-convex structure may be formed by a conventionally known method.
  • a resist film may be formed on a substrate on which a concavo-convex structure is to be formed, a predetermined pattern may be transferred to the resist film using an imprint technique, and then the concavo-convex structure may be formed on the substrate by etching.
  • the shape of the concavo-convex structure a shape such as a weight or a weight base obtained by cutting off the upper part of the weight is known.
  • these are mainly considering light scattering, and none designed to increase the light extraction efficiency in consideration of light diffraction is not known. The reason is that the calculation of the behavior of light with respect to diffraction is complicated and simulation is difficult.
  • RCWA method Ragorous Coupled Wave Analysis
  • FDTD method Finite Difference Time Domain method
  • the LED shown in FIG. 3 includes a light emitting layer 111, an upper layer 12 having a uniform structure with the same refractive index distribution formed on the upper model 100 side, and an uneven structure 113 formed on the surface of the upper layer 12. And a lower layer 14 having a uniform structure formed on the lower model 200 side and continuing with the same refractive index distribution.
  • the LED structure is divided into the upper model 100 on one side and the lower model 200 on the other side with the position of the light emitting layer 111 as a boundary, and the light generated in the light emitting layer 111 is transmitted as incident light and transmitted through the upper model 100 of the LED.
  • Information on diffraction efficiency of transmitted light A 1 Information on diffraction efficiency of reflected light reflected by upper model 100 and returned to the boundary B 1
  • the diffraction efficiency information A k of the transmitted light that has passed through the upper model 100 is reflected by the upper model 100 and returns to the boundary.
  • the diffraction efficiency information B k of the reflected light is calculated by the RCWA method, and the diffraction efficiency information C k of the reflected light reflected by the lower model 200 using the light of the diffraction efficiency information B k ⁇ 1 as a light source and returning to the boundary.
  • the structure of the LED means a structure necessary for the calculation of the RCWA method, which means a cross-sectional structure in a direction perpendicular to the stacked portion including the light emitting layer 111 and a periodic structure.
  • the diffraction efficiency is a value indicating how much energy is included as diffracted light among the energy of incident light.
  • the light extraction efficiency is the value of the extracted light energy when the total energy of the light output from the light source is 1.
  • the calculation in step 1, the calculation in step 2, and the calculation in step 3 may be performed using software or a computer.
  • the shape and period of the cross-sectional structure in the direction perpendicular to the light emitting layer of the LED, the thickness of each layer including the light emitting layer, the refractive index and extinction coefficient of the material of each layer, the light generated in the light emitting layer Information is input to a computer, and information A 1 , information B 1 , information D 1 , and information D 1 are obtained by calculation of the RCWA method by the computer.
  • the computer stores information C k ⁇ 1 in the upper model.
  • Input as information on the light source input information B k-1 as information on the light source of the lower model, obtain information A k , information B k , information D k , information D k by calculation of the RCWA method by the computer,
  • the computer may calculate the light extraction efficiency from the information A 1 to An and D 1 to D n .
  • Information on the light generated in the light emitting layer is information necessary for the calculation of the RCWA method, such as the light emission wavelength and light intensity, the interval between the incident angles of light, and whether the light extraction direction is the upper model side, the lower model side, or both. Means.
  • the first step to the third step will be described in further detail.
  • ⁇ First step> In the first step, as shown in FIG. 4A, it is assumed that the light generated in the light emitting layer 111 is an assembly of plane waves that isotropically spread. This is because in the FDTD method, as shown in FIG. 4B, the light source is assumed to be a collection of point light sources, but the RCWA method can handle only a single plane wave. This plane wave has the same energy at any angle.
  • the structure of the LED is divided into two models with the middle position of the light emitting layer 111 as a boundary, one side of the LED being the upper model 100 and the other side being the lower model 200.
  • the diffraction efficiency of the diffracted light generated in the upper model 100 and the lower model 200 with respect to the light (incident light) of the light emitting layer 111 is calculated using the RCWA method. Specifically, the diffraction efficiency for each angle of diffracted light is calculated for each incident angle of incident light. The calculation may be performed using software or a computer capable of calculation using the RCWA method.
  • the diffracted light is transmitted light that is transmitted through the upper model 100, reflected light that is reflected by the upper model 100 and returned to the boundary, and reflected by the lower model 200 and returned to the boundary.
  • the light is classified into four types: reflected light, which is light, and transmitted light, which is light transmitted through the lower model 200.
  • the diffraction efficiency for each angle of the diffracted light is calculated and aggregated, and information A 1 on the diffraction efficiency of the transmitted light of the upper model 100 and the diffraction efficiency of the reflected light of the upper model 100 are collected.
  • Information B 1 information C 1 on the diffraction efficiency of the reflected light of the lower model 200, and information D 1 on the diffraction efficiency of the transmitted light of the lower model 200.
  • the incident angle interval may be arbitrarily determined according to the accuracy required for the light extraction efficiency simulation. The smaller the angle interval, the more accurately the light extraction efficiency can be simulated. For example, the incident angle of incident light may be calculated at intervals of 1 degree. Further, the angular interval of the diffracted light may be appropriately approximated according to the accuracy required for the light extraction efficiency simulation.
  • ⁇ Second step> The transmitted light in the upper model and the lower model in the first step is light extracted from the LED. Therefore, the information A 1 of the transmitted light becomes part of the light extraction efficiency of the information to the upper side, the information D 1 of the transmitted light becomes part of the light extraction efficiency of information in the lower side.
  • the reflected light of the upper model 100 in the first step can be regarded as a light source in the lower model 200
  • the reflected light of the lower model 200 can be regarded as a light source in the upper model 100.
  • the second step considering the light of the information C 1 and incident light to the upper model 100, as in the first step, the information A 2 of the diffraction efficiency of the transmitted light in the upper model 100, the diffraction efficiency of the reflected light the information B 2 calculated by RCWA method. Further, the light of the information B 1 is considered as the incident light to the lower model 200, and similarly to the first step, the transmission light diffraction efficiency information A 2 and the reflected light diffraction efficiency information B 2 in the lower model 200 are Calculate with the RCWA method.
  • the reflected light on the upper side can be regarded as the light source in the lower model 200, and the reflected light on the lower side can be regarded as the light source in the upper model 100.
  • the transmitted light in the upper model 100 is obtained using the light of the information C k ⁇ 1 as the light source.
  • the diffraction efficiency information A k and the diffraction efficiency information B k of the reflected light in the upper model 100 can be calculated by the RCWA method.
  • the information C k on the diffraction efficiency of reflected light in the lower model 200 and the information D k on the diffraction efficiency of transmitted light in the lower model 200 can be calculated by the RCWA method using the light of information B k ⁇ 1 as a light source. Even in this case, the calculation may be performed using software or a computer capable of calculation using the RCWA method.
  • the natural number n may be arbitrarily determined according to the accuracy required for the light extraction efficiency simulation. The larger n is, the more accurately the light extraction efficiency can be simulated, but the calculation time becomes longer.
  • the sum of diffraction efficiency based on information A 1 to A k-1 and information D 1 to D k-1 and diffraction efficiency based on information A 1 to A k and information D 1 to D k may be set to n when the difference from the sum of is less than a certain ratio, for example, 1% or less, with respect to the total energy of the light source.
  • ⁇ Third step> In the third step, the information A 1 to An and D 1 to D n obtained in the first step and the second step are aggregated.
  • the light extraction efficiency of the LED can be calculated by calculating the energy of the extracted light when the total energy of the light source is 1. The calculation may be performed using conventionally known software or a computer.
  • the light extraction efficiency with respect to various structures of the LED is calculated, the structure of the LED is determined based on the result, and the LED is manufactured.
  • the uneven structure found using the simulation method will be described.
  • the uneven structure preferably had a side wall inclination of 75 degrees or less.
  • the present application mainly uses diffraction, and in order to maximize the effect of diffraction, the concavo-convex structure preferably has an inclination of the side wall of the convex portion with respect to the diffractive surface close to 90 degrees.
  • a slight inclination may be required in the concavo-convex structure in consideration of releasability.
  • the inclination of the side wall of a convex part is the inclination of the side wall of the convex part with respect to a diffraction surface, Comprising: The inclination of an acute angle side is meant.
  • the diffractive surface has a concavo-convex structure arranged in a lattice shape as shown in FIG.
  • the lattice shape is a regular arrangement of concave portions surrounded by a frame of convex portions.
  • the shape of the lattice (planar shape of the recesses) is preferably a polygon, such as a triangle, a quadrangle, or a hexagon.
  • a quadrangle such as a square, a rectangle, a rhombus, and a parallelogram is preferable, and a square is the most preferable because the period of the concavo-convex structure important for the control of diffraction can be aligned.
  • the period P means the minimum length of the repeating unit structure included in the concavo-convex structure, as shown in FIGS.
  • the interval between the line structures is minimized, and this is set as the period P.
  • the period of the concavo-convex structure on the diffractive surface is preferably 1/4 or more times the optical wavelength, preferably 1/2 or more, and more preferably 1 or more times. However, if the period is too large, cost and time are required for etching. Therefore, the period is preferably 12 times or less of the optical wavelength, preferably 10 times or less, and more preferably 6 times or less.
  • the optical wavelength means the optical wavelength in the smaller refractive index of both layers constituting the boundary of the concavo-convex structure for the lower limit value, and constitutes the boundary of the concavo-convex structure for the upper limit value. It means the optical wavelength in the higher refractive index of both layers.
  • the ratio S / P of the concave width S to the period P is preferably 60% or more, preferably 65% or more, and more preferably 70. % Or more is good.
  • the width of the convex portion of the concavo-convex structure is at least a quarter of the optical wavelength of the reflected light, A half or more is preferable.
  • the ratio S / P is preferably 60% or more and 80% or less, and preferably 65% or more and 75% or less.
  • the height of the concavo-convex structure is preferably 0.1 ⁇ m or more, preferably 0.2 ⁇ m or more, and more preferably 0.3 ⁇ m or more. However, if the height is too large, cost and time are required for etching. Therefore, the height is preferably 1.5 ⁇ m or less, and preferably 1.2 ⁇ m or less. Depending on the wavelength of light, it may be 0.9 ⁇ m or less or 0.8 ⁇ m or less.
  • the corner may have a chamfered shape such as a curve or a straight line that can buffer the corner as shown in FIGS. 6 (a) to 6 (c). .
  • the length of the straight portion of the side is 60% or more of the length of the side of the polygon that is not chamfered.
  • the polygon which does not chamfer can be specified by extending the linear part of a side.
  • the length of the side of the polygon that is not chamfered may be calculated from the pitch P.
  • angular part of adjacent polygons may be connected and the shape only of the side without a corner
  • the diffractive surface has a plurality of regions having different concavo-convex structure grating directions.
  • a region refers to a region in which diffraction surfaces are divided by a predetermined size, and in the same region, the directions of the gratings of the concavo-convex structure are aligned. Since the light incident from the light emitting layer is directed in all directions, the diffraction by the diffraction surface can be reliably performed by providing a plurality of regions in which the directions of the gratings of the concavo-convex structure are different. Therefore, it is preferable that the regions where the direction of the concavo-convex structure is the same on an arbitrary straight line are arranged so as not to be continuous.
  • the maximum number of continuous uneven structures may be 500 cycles or less, more preferably 200 cycles or less.
  • the size of the region is too small, reflection by the concavo-convex structure cannot be performed sufficiently. Therefore, in the region, it is better to have a continuous concavo-convex structure of at least a period that can sufficiently reflect light.
  • the concavo-convex structure may be 50 periods or more, more preferably 100 periods or more.
  • the direction of the grating in each region may be arbitrary, but it is preferable to provide a plurality of types of regions in which the directions of the grating are different from each other by equal angles in order to surely diffract incident light from any direction.
  • the shape of the lattice is an equilateral triangle
  • the direction of the lattice of the concavo-convex structure is 45 degrees. It is only necessary to form four different regions.
  • the lattice shape is a square, it is sufficient to form two types of regions where the direction of the concavo-convex structure is 45 degrees, and when the lattice shape is a regular hexagon. Two types of regions in which the direction of the lattice of the concavo-convex structure is different by 60 degrees may be formed.
  • a plurality of regions having different grating directions should be arranged as evenly as possible in order to surely diffract light in any direction.
  • the concavo-convex structure may be arranged in a checkered pattern (check shape).
  • the checkered pattern is a pattern in which convex portions and concave portions having the same planar shape are alternately arranged. Compared to the lattice-shaped one, there is an advantage that it is easy to form a convex portion having a high aspect ratio, which is advantageous when it is desired to increase the height of the convex portion.
  • the checkered pattern shape (planar shape of the convex portion or the concave portion) is preferably a polygon, such as a triangle or a quadrangle.
  • a quadrangle such as a square, a rectangle, a rhombus, and a parallelogram is preferable, and a square is the most preferable because the period of the concavo-convex structure important for the control of diffraction can be aligned.
  • the diffractive surface preferably has a plurality of regions in which the directions of the checkered pattern of the concavo-convex structure are different.
  • the region means a range where the directions of the checkered pattern of the concavo-convex structure are continuously arranged on the diffraction surface. Since the light incident from the light emitting layer is directed in all directions, the diffraction by the diffraction surface can be surely performed by providing a plurality of regions in which the direction of the checkered pattern of the concavo-convex structure is different. Therefore, it is preferable that the regions where the direction of the concavo-convex structure is the same on an arbitrary straight line are arranged so as not to be continuous.
  • the maximum number of continuous uneven structures may be 500 cycles or less, more preferably 200 cycles or less.
  • the size of the region is too small, reflection by the concavo-convex structure cannot be performed sufficiently. Therefore, in the region, it is better to have a continuous concavo-convex structure of at least a period that can sufficiently reflect light.
  • the concavo-convex structure may be 50 periods or more, more preferably 100 periods or more.
  • the direction of the checkered pattern in each region may be arbitrary, but it is preferable to provide a plurality of types of regions in which the directions of the checkered pattern are different from each other by equal angles in order to surely diffract the incident light from any direction. good.
  • the checkerboard shape is an equilateral triangle
  • two types of regions having a checkered pattern direction of 30 degrees may be formed.
  • the checkerboard pattern is a rectangle, the checkered pattern direction is 45 degrees different. What is necessary is just to form an area
  • the concavo-convex structure may be arranged in a line-and-space manner.
  • Line-and-space is one in which linear convex portions and concave portions are alternately arranged.
  • the diffractive surface preferably has a plurality of regions having different line-and-space directions of the concavo-convex structure.
  • a region refers to a region in which diffraction surfaces are divided by a predetermined size, and the line and space directions of the concavo-convex structure are aligned within the same region. Since the light incident from the light emitting layer is directed in all directions, diffraction by the diffraction surface can be reliably performed by providing a plurality of regions having different line and space directions of the concavo-convex structure. Therefore, it is preferable that the portions having the same direction of the concavo-convex structure are arranged so as not to be continuous.
  • the maximum number of continuous uneven structures may be 500 cycles or less, more preferably 200 cycles or less.
  • the size of the region is too small, reflection by the concavo-convex structure cannot be performed sufficiently. Therefore, in the region, it is better to have a continuous concavo-convex structure of at least a period that can sufficiently reflect light.
  • the concavo-convex structure may be 50 periods or more, more preferably 100 periods or more.
  • the direction of the line and space may be arbitrary, but it is preferable to provide a plurality of regions in which the direction of the line and space is different from each other by an equal angle in order to surely diffract the incident light from any direction. For example, it is only necessary to form two regions whose line and space directions are different by 90 degrees.
  • the interval between the concave portions is preferably 200 nm or more.
  • the width of the convex portion of the concavo-convex structure is preferably at least a quarter of the optical wavelength of light to be reflected, and preferably a half or more. This is because the light cannot be sufficiently diffracted unless the width of the convex portion is at least a quarter of the optical wavelength or more.
  • the diffraction of light is more likely to occur as the difference in the refractive index of the material sandwiching the diffraction surface increases. Therefore, when the concavo-convex structure 20 is formed between the substrate and the semiconductor layer 8, as shown in FIG. 9A or 9B, at least a part of the concavo-convex structure 20 includes the semiconductor layer 80 and the concavo-convex structure. It is preferable that the refractive index difference of 20 is made of a material that makes the refractive index difference between the substrate 70 and the semiconductor layer 80 larger.
  • the uneven structure 20 is formed between the sapphire substrate 70 and the semiconductor layer 80 made of gallium nitride (GaN), at least a part of the uneven structure 20 is formed of silicon dioxide (SiO 2 ). Is preferred. Since the refractive index of gallium nitride is about 2.5, the refractive index of sapphire is about 1.78, and the refractive index of silicon dioxide is about 1.45. The refractive index difference from gallium nitride can be increased. Further, at least a part of the concavo-convex structure 20 can be formed of silicon oxynitride (SiON).
  • the refractive index can be controlled by the ratio of oxygen to nitrogen.
  • the material used for the concavo-convex structure 20 needs to be selected so that the semiconductor layer 80 can be grown on the substrate 70.
  • the uneven structure 20 may be manufactured in any way, and for example, a semiconductor manufacturing technique such as lithography, imprint, or etching may be used.
  • the optical element used for the actual measurement value is composed of an LED chip 101, a reflector 102, and a resin mold 103.
  • the LED chip 101 has an area of 0.5 mm square and a thickness of 0.15 mm.
  • the reflector 102 has a hole extending in the shape of a truncated cone in which the LED chip 101 is disposed, and the surface thereof is silver-plated.
  • the upper surface of the truncated cone (the surface on the side where the LED chip 101 is disposed) The diameter was 0.75 mm, the height was 0.35 mm, and the angle of the side surface with respect to the upper surface was 45 degrees.
  • the resin mold 103 is a resin having a refractive index of 1.42 to cover the LED chip 101 and the reflector 102, and the light irradiation direction of the LED chip is a hemisphere having a diameter of 5 mm. Table 1 shows the simulation results and the measured values.
  • the light extraction efficiency showed almost the same value as that actually created, confirming the reliability of the simulation.
  • factors relating to light extraction efficiency other than PSS such as chip size, thickness, The refractive index of the resin mold is not considered in the simulation.
  • Example 1 First, the relationship between the shape of the concavo-convex structure and the light extraction efficiency was simulated.
  • a general model was used for the laminated portion composed of the semiconductor layer and the substrate of the LED.
  • the diffractive surface was arranged at the boundary between the substrate (refractive index 1.78) and the semiconductor layer (refractive index 2.5), and the shape of the concavo-convex structure was as follows.
  • L & S The line and space shown in FIG. 8 was used, and the line width was 40% of the period.
  • Lattice The recesses shown in FIG. 5 (b) were in a square lattice shape, and the line width was 30% of the period.
  • the period and height of the concavo-convex structure were the same, and eight types with different periods of 0.1 ⁇ m from 0.3 ⁇ m to 1.0 ⁇ m were simulated.
  • the concavo-convex structure of the micro PSS is a triangular arrangement of cones having a bottom diameter of 2.7 ⁇ m and a height of 1.6 ⁇ m with a period of 3 ⁇ m.
  • the inclination of the side wall of the convex part of the concavo-convex structure with respect to the diffractive surface was 90 degrees in both the example and the comparative example. The above results are shown in Table 2 and FIG.
  • the concavo-convex structure when the period and height of the concavo-convex structure is 0.5 ⁇ m or more, the concavo-convex structure is a check (triangle) and a lattice (square) than the micro PSS that has been considered good in the past.
  • the light extraction efficiency was also high.
  • the concavo-convex structure has a lattice (square) shape and the height and period are 0.7 ⁇ m, the light extraction efficiency is improved by 6.2% compared to the micro PSS.
  • line and space although not as high as micro PSS, a certain degree of light extraction efficiency could be obtained.
  • line and space has an advantage that it is easier to process than other shapes including micro PSS.
  • the period of the concavo-convex structure is line and space, check (triangle), lattice (square), and the concavo-convex structure is a lattice (square) made of SiO 2 (refractive index 1.45).
  • Eight types with different heights of 0.1 ⁇ m from 0.3 ⁇ m to 1.0 ⁇ m were simulated with the height fixed at 0.5 ⁇ m. Other conditions are the same as those in the first embodiment. The results are shown in Table 3 and FIG.
  • the lattice (square) in which the convex portions of the concavo-convex structure were made of SiO 2 was able to obtain the highest light extraction efficiency regardless of the height of the concavo-convex structure.
  • the light extraction efficiency was higher in the case where the concavo-convex structure was a check and a lattice (square) than the micro PSS, which was conventionally considered good.
  • line and space although not as high as micro PSS, a certain degree of light extraction efficiency could be obtained. As described above, line and space has an advantage that it is easier to process than other shapes including micro PSS.
  • Example 3 Next, the relationship between the inclination of the side wall of the convex portion of the concavo-convex structure with respect to the diffraction surface and the light extraction efficiency was simulated.
  • the shape in the plane direction was a square lattice
  • the period was 0.5 ⁇ m
  • the height was 0.25 ⁇ m
  • the width at a half position was 0.15 ⁇ m.
  • simulation was performed for six types of inclinations of the side walls of the convex portions of the concavo-convex structure with respect to the diffractive surface, which are different by 5 degrees in the range of 65 to 90 degrees. Other conditions are the same as those in the first embodiment.
  • the results are shown in Table 4 and FIG.
  • Example 5 Next, the result of actually creating the concavo-convex structure according to the present invention will be described with reference to the photographs in FIGS.
  • a resist was applied on a sapphire substrate, and a mask having the concavo-convex structure was formed using an imprint technique.
  • the sapphire substrate was etched using the mask, and a convex portion having a square with a side of 300 nm and a height of 500 nm was formed on the sapphire substrate in a lattice shape with a pitch of 1 ⁇ m.
  • FIG. 16 is a plan photograph in the middle of growing gallium nitride (Gan) on the concavo-convex structure formed on the sapphire substrate. As shown in FIG. 16, it can be seen that gallium nitride (GaN) is selectively grown in the recess, and the growth proceeds in the lateral direction when the selective growth proceeds to the upper surface.
  • FIG. 1 a cross-sectional photograph of the concavo-convex structure thus formed is shown in FIG. It can be seen that the recess of the sapphire substrate is completely filled with gallium nitride (GaN).
  • GaN gallium nitride
  • the concavo-convex structure is formed such that the inclination of the side wall of the convex portion with respect to the diffractive surface is 75 to 80 degrees.
  • FIG. 18A is a plan photograph obtained by the cathodoluminescence method showing dislocations of the gallium nitride layer formed in this way.
  • the dislocation density was 6.1 ⁇ 10 7 cm ⁇ 2 .
  • FIG. 18B shows a plan photograph when a gallium nitride layer is formed on a flat sapphire substrate.
  • the dislocation density was 2.0 ⁇ 10 8 cm ⁇ 2 . That is, it can be seen that the dislocation density of the gallium nitride layer formed on the concavo-convex structure according to the present invention is lower than that of the gallium nitride layer formed on the flat sapphire substrate.
  • the inclination and period P of the convex portion of the concavo-convex structure, the width S of the concave portion, the height of the concavo-convex structure, and the like are described.
  • the projections and depressions are not uniform due to distortions and the like.
  • the slope and period P of the concavo-convex structure, the width S of the concavo-convex structure, and the height h of the concavo-convex structure are defined, but doubts arise.
  • the measurement may be defined as shown in the following explanation and FIG.
  • the significance of the diffractive surface and the concavo-convex structure is taken into consideration.
  • stacking part in the plane containing the straight line of the shortest periodic direction of an uneven structure is image
  • SEM scanning electron microscope
  • a straight line C passing through the minimum value and a straight line D passing through the maximum value of the height are determined.
  • the interval between the straight line C and the straight line D is defined as the height h of the concavo-convex structure.
  • the height of the straight line C is 0, and the height of the straight line D is 100. Then, a straight line G connecting a point E having a height of 10 and a point F having a height of 90 of the reference uneven line B is determined.
  • the inclination of the straight line G with respect to the straight line C is defined as the inclination ⁇ of the side wall of the convex portion with respect to the diffraction surface.
  • a straight line H having a height of 50 parallel to the straight line C is determined, the width of the concave portion on the straight line is S, the width of the convex portion is the line width L, and the sum of the width S of the concave portion and the line width L is the period P.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Led Devices (AREA)

Abstract

光の散乱効果よりも回折効果を主とした凹凸構造を用いることにより、光取出効率を向上した光学素子を提供する。発光層84を含む半導体層が少なくとも積層された積層部８と、積層部８に含まれる層のいずれかの境界に形成され、発光層84から発せられる入射光をブラッグの回折条件に従って反射するように形成された凹凸構造を有する回折面２と、を具備し、凹凸構造は、回折面２に対する凸部の側壁の傾きが７５度より大きく形成されたものであることを特徴とする発光素子。

Description

発光素子
　本発明は、光取出効率を向上させた発光素子に関するものである。
　発光ダイオード（ＬＥＤ）は、基本的には基板上にｎ型半導体層、発光層、ｐ型半導体層を積層した構造をもつ。そして、ｐ型半導体層及びｎ型半導体層の上に電極を形成し、半導体層から注入される正孔と電子の再結合によって発光層で光が発生する。当該光は、ｐ型半導体層上の透光性電極又は基板から取り出すようにした構造か採用されている。尚、透光性電極とは、ｐ型半導体層のほぼ全面に形成された金属薄膜又は透明導電膜からなる光透過性の電極のことである。
　かかる構造の発光ダイオードでは積層構造を原子レベルで制御する関係上、基板の平坦性を鏡面レベルに加工しているので、基板上の半導体層、発光層及び電極は相互に平行な積層構造をしている。この場合、半導体層の方が基板や透光性電極よりも屈折率が大きいため、半導体層を、基板と透光性電極によって挟む導波路が形成される。
　したがって、電極表面又は基板表面に対して所定の臨界角以上の角度で光が入射すると、電極・ｐ型半導体層の界面又は基板表面で反射されて半導体層の積層構造内を横方向に伝搬して導波路内に捕捉されてしまい、また横方向の伝播中の吸収による損失もあり、外部量子効率が低下する原因となる。
　これに対し、引用文献１には、サファイア基板上に２次元の凹凸構造を形成し、光を臨界角内に反射させて外部量子効率を改善するものが開示されている。
特開２００３－３１８４４１
　しかしながら、従来の凹凸構造は周期や高さ等がマイクロオーダであり、エッチングにコストや時間が掛かるという問題があった。また、主に光の散乱を利用するものであり、回折を積極的に利用するものではなかった。更に、回折について光の散乱と共に補助的に示唆するが、そこで用いられる凹凸構造は、光の挙動を正確に考慮して設計されたものではなく、光取出効率は未だ不十分なものであった。
　そこで本発明は、光の挙動を考慮し、回折に適した凹凸構造を形成することにより、光取出効率を更に向上した発光素子を提供することを目的とする。
　上記目的を達成するために、本発明の発光素子は、発光層を含む半導体層が少なくとも積層された積層部と、前記積層部に含まれる層のいずれかの境界に形成され、前記発光層から発せられる入射光をブラッグの回折条件に従って反射するように形成された凹凸構造を有する回折面と、を具備し、前記凹凸構造は、前記回折面に対する凸部の側壁の傾きが７５度より大きく形成されたものであることを特徴とする。
　この場合、前記回折面は、前記凹凸構造が格子状で配列されたものである方が好ましい。前記凹凸構造は、例えば多角形の格子状にすれば良く、多角形としては、長方形や正方形がある。
　また、前記回折面は、前記凹凸構造の格子の方向が異なる複数の領域を有する方が好ましい。例えば、前記凹凸構造の格子の方向が等角度ずつ異なる複数の領域を有するようにすれば良い。
　また、前記回折面は、前記凹凸構造の最短周期（ピッチ）方向の周期Ｐに対する凹部の幅Ｓの割合Ｓ／Ｐが６０％以上である方が好ましい。
　また、前記回折面は、前記凹凸構造が市松模様（チェック）で配列されたものであっても良い。前記凹凸構造は、例えば多角形の凸部と凹部を交互に配置した市松模様にすれば良く、多角形としては、長方形や正方形がある。
　また、前記回折面は、前記凹凸構造の市松模様の方向が異なる複数の領域を有する方が好ましい。例えば、前記凹凸構造の市松模様の方向が等角度ずつ異なる複数の領域を有するようにすれば良い。
　また、前記回折面は、前記凹凸構造がラインアンドスペース状で配列されたものであっても良い。
　また、前記回折面は、前記凹凸構造のラインアンドスペースの方向が異なる複数の領域を有する方が好ましい。例えば、前記ラインアンドスペースの方向が等角度ずつ異なる複数の領域を有するようにすれば良い。
　また、凹凸構造が格子、市松模様、ラインアンドスペースのいずれの場合であっても、前記回折面が前記凹凸構造の方向が異なる複数の領域を有する場合、前記凹凸構造の方向が同一である領域が連続しないように配列される方が好ましい。
　また、前記回折面は、前記凹凸構造の周期の下限が前記入射光の光学波長の４分の１倍以上である方が良く、上限が前記入射光の光学波長の１２倍以下である方が良い。また、前記回折面は、前記凹凸構造の高さの下限が０．１μｍ以上である方が良く、上限が１．５μｍ以下である方が良い。
　本発明の発光素子は、回折面による３次元的な光の反射を考慮して凹凸構造を形成したので、従来のものよりも取出効率を向上させることができる。また、従来のものよりも凹凸構造の形状が小さいため、エッチング等のコストを下げることができると共にスループットを向上することができる。
本発明の発光素子の構造を示す概略断面図である。 本発明の回折面の構造を示す概略断面図である。 発光素子におけるシミュレーション方法を説明するモデル図である。 発光層におけるシミュレーション方法を説明するモデル図である。 本発明の格子状の凹凸構造を示す平面図である。 本発明の別の格子状の凹凸構造を示す平面図である。 本発明の市松模様の凹凸構造を示す平面図である。 本発明のラインアンドスペースの凹凸構造を示す平面図である。 本発明の一部を屈折率の異なる材料にした凹凸構造を示す断面図である。 シミュレーションの信頼性評価に用いた発光素子の構成を示す図である。 凹凸構造の平面形状と光取り出し効率の関係を示すグラフである。 凹凸構造の平面形状と光取り出し効率の関係を示すグラフである。 凹凸構造の凸部の側壁の傾きを説明する図である。 凹凸構造の凸部の側壁の傾きと光取り出し効率の関係を示すグラフである。 凹凸構造の周期Ｐに対する凹部の幅Ｓの割合Ｓ／Ｐと光取り出し効率の関係を示すグラフである。 本発明に係る凹凸構造の作成過程における平面写真である。 本発明に係る凹凸構造を示す断面写真である。 （ａ）本発明に係る凹凸構造を有するサファイア基板上および（ｂ）平坦なサファイア基板上に成長させた窒化ガリウム層の転位を示す平面写真である。 本発明の凹凸構造の測定方法を示す概略説明図である。
　本発明の発光素子１は、発光層を含む半導体層８が少なくとも積層された積層部と、積層部に含まれる層のいずれかの境界に形成された回折面２と、で主に構成される。
　積層部は、半導体層８や基板が積層される部分を意味するが、例えば図１に示すように、III族窒化物半導体層とサファイア基板70で構成される。図１に示す発光素子１は、サファイア基板70とは反対側（以下、光取り出し側という）から光が取り出されるものであるが、サファイア基板70側から光を取り出すものでも良い。III族窒化物半導体層は、例えば、バッファ層82、ｎ型ＧａＮ層83、多重量子井戸活性層（発光層84）、電子ブロック層85、ｐ型ＧａＮ層86からなり、サファイア基板70側からこの順に形成される。また、ｐ型ＧａＮ層86上にはｐ側電極91が形成されるとともに、ｎ型ＧａＮ層83上にはｎ側電極92が形成される。
　バッファ層82は、サファイア基板70の回折面２上に形成され、ＡｌＮで構成されている。バッファ層82は、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic ChemicalVapor Deposition）法やスパッタリング法により形成すれば良い。第１導電型層としてのｎ型ＧａＮ層83は、バッファ層82上に形成され、ｎ－ＧａＮで構成されている。発光層としての多重量子井戸活性層（発光層84）は、ｎ型ＧａＮ層83上に形成され、ＧａｌｎＮ／ＧａＮで構成され、電子及び正孔の注入により光を発する。
　電子ブロック層85は、多重量子井戸活性層（発光層84）上に形成され、ｐ―ＡＩＧａＮで構成されている。第２導電型層としてのｐ型ＧａＮ層86は、電子ブロック層85上に形成され、ｐ－ＧａＮで構成されている。ｎ型ＧａＮ層83からｐ型ＧａＮ層86までは、III族窒化物半導体のエピタキシャル成長により形成される。なお、少なくとも第１導電型層、活性層及び第２導電型層を有し、第１導電型層及び第２導電型層に電圧が印加されると、電子及び正孔の再結合により活性層にて光が発せられるものであれば、積層部の半導体層８の構成は他のものでも良い。
　ｐ側電極91は、ｐ型ＧａＮ層86上に形成され、例えばＩＴＯ（Indium Tin Oxide）等の透明な材料からなる。ｐ側電極91は、例えば、真空蒸着法、スパッタリング法、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法等により形成すれば良い。
　ｎ側電極92は、ｐ型ＧａＮ層86からｎ型ＧａＮ層83をエッチングして、露出したｎ型ＧａＮ層83上に形成される。ｎ側電極92は、例えばＴｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕから構成され、真空蒸着法、スパッタリング法、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法等により形成すれば良い。
　発光素子１は、光取り出し側の逆側、例えばサファイア基板70の裏面側に、Ａｌ等からなる反射膜90を形成しても良い。図１の発光素子１においては、反射膜90とサファイア基板70の境界面が反射面をなしており、サファイア基板70を透過した光が反射面にて反射する。これにより、サファイア基板70を透過した光を光取り出し側へ戻すことができる。
　回折面とは、積層部に含まれる層、すなわち半導体層８又は基板のいずれかの境界に形成されるもので、発光層から発せられる入射光をブラッグの回折条件に従って反射するように形成された凹凸構造20を有するものである。境界とは、主に半導体層８の最上面又は最下面を意味するが、半導体層８の中間や基板の表面に設けても良い。図１のように、回折面２が積層部とサファイア基板70の境界に形成される場合、サファイア基板70は、表面側には窒化物半導体が成長するｃ面（｛０００１｝）を有しており、この面が回折面２となる。回折面２には、図２に示すように、周期的に規則配列された複数の凹凸構造20が形成されている。そして、凹凸構造20の凸部21により、光の回折作用を得ることができる。
　凹凸構造20は、全反射の生じる臨界角をθｃとすると、入射角がθｃ度から９０－θｃ度までの入射光を出射角が±θｃ度以下に反射するように形成されたものである。ただし、回折による出射角は、入射光の波長によって決まるため、入射光が単色光でない場合には、入射光の波長の半値幅の波長範囲で、入射光を出射角が±θｃ度以下に反射するように形成されたものが好ましい。また、光の全反射は、屈折率の高い媒質から低い媒質へ入射する際に生じるため、凹凸構造20は、境界を挟む媒質のうち屈折率の低い媒質が凸部21を構成し、屈折率の高い媒質が凹部22を満たすように形成される。したがって、図２の凹凸構造20は、サファイア基板70の方がバッファ層82より屈折率が低いため、サファイア基板側の材質で構成される部分が凸部21、バッファ層82側の材質で満たされている部分が凹部22となる。
　このような凹凸構造は、従来から知られる方法で形成すれば良い。例えば、凹凸構造を形成したい基板上にレジスト膜を形成し、インプリント技術を用いて所定のパターンを当該レジスト膜に転写した後、エッチングにより基板上に凹凸構造を形成すれば良い。
　ここで従来、凹凸構造の形状として、錘状や錘の上部を切り落とした錘台等の形状が知られている。しかしながら、これらは主に光の散乱を考慮したものであり、光の回折を考慮して光取り出し効率が高くなるように設計されたものは知られていない。その理由は、回折についての光の挙動の計算が複雑で、シミュレーションが難しいことにある。例えば、凹凸構造による回折をシミュレーションする方法にはＲＣＷＡ法（Rigorous Coupled Wave Analysis）やＦＤＴＤ法（Finite Difference Time Domain method）がある。ＲＣＷＡ法は単一の平面波を扱うものであるため、ＬＥＤの光取り出し効率のシミュレーションにはＦＤＴＤ法を用いるのが一般的である。しかしながら、ＦＤＴＤ法では、計算量が膨大であるため計算時間が長く、三次元で扱えるサイズが数μｍ3程度である。そのため、実サイズのＬＥＤへの適用は難しく、二次元（図１で言えば、上下方向と左右方向）のシミュレーションで傾向を確認する程度の利用に留まっている。したがって、シミュレーションにより、三次元（図１で言えば、上下方向と左右方向に加え、奥行き方向）の光の挙動までも考慮して、光取り出し効率の高い凹凸構造を設計することは行われていないのが現状である。一方、本願の発明者等は、鋭意研究した結果、シミュレーション方法を工夫することにより、三次元の光の挙動まで考慮したシミュレーションをすることに成功し、これにより従来よりも光取出効率の高い凹凸構造を見出した。
　ここで、そのシミュレーション方法について、図３に示すＬＥＤを用いて説明する。図３に示すＬＥＤは、発光層111と、上部モデル100側に形成される同一の屈折率分布が続く一様な構造の上部層12と、当該上部層12の表面に形成される凹凸構造113と、下部モデル200側に形成される同一の屈折率分布が続く一様な構造の下部層14とから構成される。
　まず、ＬＥＤの構造を発光層111の位置を境界として一方の側を上部モデル100、他方の側を下部モデル200として分け、発光層111で生じる光を入射光として、ＬＥＤの上部モデル100を透過した透過光の回折効率に関する情報Ａ１、上部モデル100で反射し境界に戻った反射光の回折効率に関する情報Ｂ１、ＬＥＤの下部モデル200で反射し境界に戻った反射光の回折効率に関する情報Ｃ１及び下部モデル200を透過した透過光の回折効率に関する情報Ｄ１をそれぞれＲＣＷＡ法で計算する第１ステップと、
　情報Ｂ１および情報Ｃ１を基礎とし、回折効率の情報Ｃｋ－１の光を光源として、上部モデル100を透過した透過光の回折効率の情報Ａｋ、上部モデル100で反射し境界に戻った反射光の回折効率の情報ＢｋをそれぞれＲＣＷＡ法で計算し、回折効率の情報Ｂｋ－１の光を光源として下部モデル200で反射し境界に戻った反射光の回折効率の情報Ｃｋ及び下部モデル200を透過した透過光の回折効率の情報ＤｋをそれぞれＲＣＷＡ法で計算する第２ステップ（ただし、第２ステップにおけるｋは２以上ｎ以下の自然数である。また、ｋ＝ｎの時は、ＢｎおよびＣｎは計算しなくても良い）と、
　情報Ａ１～ＡｎおよびＤ１～Ｄｎを集約し、光取り出し効率を計算する第３のステップと、
で主に構成される。そして、このシミュレーションによる光取り出し効率の計算結果に基づいて、ＬＥＤの構造を決定することができる。
　ここで、ＬＥＤの構造とは、ＲＣＷＡ法の計算に必要な構造を意味し、発光層111を含む積層部に垂直な方向の断面構造であって周期的な構造を意味する。また、回折効率とは、入射光のエネルギーのうち、回折光としてどの程度のエネルギーを有するかを示す値である。また、光取り出し効率とは、光源が出力した光のトータルのエネルギーを１としたときの取り出した光のエネルギーの値である。
　また、ステップ１の計算と、ステップ２の計算と、ステップ３の計算は、ソフトウェアやコンピュータを用いて行っても良い。この場合、第１ステップでは、ＬＥＤの発光層に垂直な方向の断面構造の形状や周期、発光層を含む各層の厚さ、各層の材料の屈折率および消衰係数、発光層で生じる光の情報をコンピュータに入力し、当該コンピュータによるＲＣＷＡ法の計算によって情報Ａ１、情報Ｂ１、情報Ｄ１、情報Ｄ１を取得し、第２ステップでは、コンピュータが情報Ｃｋ－１を上部モデルの光源の情報として入力し、情報Ｂｋ－１を下部モデルの光源の情報として入力し、当該コンピュータによるＲＣＷＡ法の計算によって情報Ａｋ、情報Ｂｋ、情報Ｄｋ、情報Ｄｋを取得し、第３ステップでは、情報Ａ１～ＡｎおよびＤ１～Ｄｎからコンピュータが光取り出し効率を計算すれば良い。発光層で生じる光の情報とは、発光波長や光強度、光の入射角の間隔、光を取り出す方向が上部モデル側か下部モデル側か、あるいは両方か等、ＲＣＷＡ法の計算に必要な情報を意味する。
　第１ステップから第３ステップを更に詳述する。
＜第１ステップ＞
　第１ステップでは、図４（ａ）に示すように、発光層111で生じる光を等方的に拡がる平面波の集合体であると仮定する。これは、ＦＤＴＤ法では、図４（ｂ）に示すように、光源を点光源の集まりと仮定するが、ＲＣＷＡ法は単一の平面波しか扱えないからである。この平面波は、どの角度でも同一のエネルギーを有する。
　また、図３に示すように、ＬＥＤの構造を発光層111の中間の位置を境界とし、ＬＥＤの一方の側を上部モデル100、他方の側を下部モデル200として二つのモデルに分ける。
　次に、発光層111の光（入射光）に対する上部モデル100及び下部モデル200で生じる回折光の回折効率を、ＲＣＷＡ法を用いて計算する。具体的には、入射光の入射角ごとに回折光の角度ごとの回折効率を計算する。当該計算は、ＲＣＷＡ法を用いた計算のできるソフトウェアやコンピュータを用いて行えば良い。
　この際、回折光を、上部モデル100を透過した光である透過光と、上部モデル100で反射し境界に戻って来た光である反射光、下部モデル200で反射し境界に戻って来た光である反射光、下部モデル200を透過した光である透過光の４つに分類する。そして、入射光の入射角ごとに、回折光の角度ごとの回折効率を計算すると共にそれらを集約し、上部モデル100の透過光の回折効率の情報Ａ１、上部モデル100の反射光の回折効率の情報Ｂ１、下部モデル200の反射光の回折効率の情報Ｃ１、下部モデル200の透過光の回折効率の情報Ｄ１を得る。
　なお、入射角の間隔は、光取り出し効率シミュレーションに要求する精度に応じて任意に決めれば良く、角度間隔が小さい程光取り出し効率を正確にシミュレーションできる。例えば、入射光の入射角を１度間隔で計算すれば良い。また、回折光の角度間隔も、光取り出し効率シミュレーションに要求する精度に応じて適宜近似すれば良い。
＜第２ステップ＞
　第１ステップの上部モデル及び下部モデルにおける透過光は、ＬＥＤから取り出した光である。したがって、透過光の情報Ａ１は上部側への光取り出し効率の情報の一部となり、透過光の情報Ｄ１は下部側への光取り出し効率の情報の一部となる。
　また、第１ステップにおける上部モデル100の反射光は、下部モデル200における光源とみなすことができ、下部モデル200の反射光は、上部モデル100における光源とみなすことができる。
　したがって、第２ステップでは、情報Ｃ１の光を上部モデル100への入射光と考え、第１ステップと同様に、上部モデル100における透過光の回折効率の情報Ａ２と、反射光の回折効率の情報Ｂ２をＲＣＷＡ法で計算する。また、情報Ｂ１の光を下部モデル200への入射光と考え、第１ステップと同様に、下部モデル200における透過光の回折効率の情報Ａ２と、反射光の回折効率の情報Ｂ２をＲＣＷＡ法で計算する。
　この結果、透過光の情報Ａ２は上部側への光取り出し効率の情報の一部となり、透過光の情報Ｄ２は下部側への光取り出し効率の情報の一部となる。また、上述したのと同様に、上部側の反射光は、下部モデル200における光源とみなすことができ、下部側の反射光は、上部モデル100における光源とみなすことができる。
　このように、情報Ｂ１および情報Ｃ１を基礎として順次透過光および反射光の回折効率の情報を計算していけば、情報Ｃｋ－１の光を光源として、上部モデル100における透過光の回折効率の情報Ａｋ、上部モデル100における反射光の回折効率の情報ＢｋをそれぞれＲＣＷＡ法で計算することができる。また、情報Ｂｋ－１の光を光源として下部モデル200における反射光の回折効率の情報Ｃｋ及び下部モデル200における透過光の回折効率の情報ＤｋをそれぞれＲＣＷＡ法で計算することができる。なお、この場合においても、当該計算は、ＲＣＷＡ法を用いた計算のできるソフトウェアやコンピュータを用いて行えば良い。
　なお、第２ステップにおけるｋは２以上ｎ以下の自然数であり、ｋ＝ｎとなるまで計算をする。また、ｋ＝ｎの時は、ＢｎおよびＣｎは第３ステップで計算する光取り出し効率の情報として不要であるため、計算しなくても良い。なお、自然数ｎは、光取り出し効率シミュレーションに要求する精度に応じて任意に決めれば良く、ｎが大きい程光取り出し効率を正確にシミュレーションできるが、計算時間は長くなる。自然数ｎの決め方の一例としては、情報Ａ１～Ａｋ－１および情報Ｄ１～Ｄｋ－１に基づく回折効率の和と情報Ａ１～Ａｋおよび情報Ｄ１～Ｄｋに基づく回折効率の和との差が、光源のトータルのエネルギーに対して一定割合以下、例えば１％以下になった時のｋの値をｎとすれば良い。
＜第３ステップ＞
　第３ステップでは、上記第１ステップおよび第２ステップで求めた情報Ａ１～ＡｎおよびＤ１～Ｄｎを集約する。そして、光源のトータルのエネルギーを１としたときの取り出した光のエネルギーを計算することにより、ＬＥＤの光取り出し効率を計算することができる。当該計算は、従来から知られているソフトウェアやコンピュータを用いて行えば良い。
　このようにしてＬＥＤの種々の構造に対する光取り出し効率を計算し、その結果に基づいてＬＥＤの構造を決定し、ＬＥＤを製造すれば良い。
　次に、上記シミュレーション方法を用いて見出した凹凸構造について説明する。まず、従来は、光の回折よりも散乱を主に利用していたため、凹凸構造は、凸部の側壁の傾きが７５度以下である方が好ましいとされていた。しかしながら本願は、回折を主として利用するものであり、回折の効果を最大限に発揮するには、凹凸構造は、回折面に対する凸部の側壁の傾きが９０度に近い方が好ましい。もちろん、凹凸構造の形成にインプリント方法を用いる場合などには、離型性を考慮すると、凹凸構造に多少の傾き（抜き勾配）が必要になる場合もある。しかし、少なくとも従来のものより光取出効率を向上させるためには、７５度より大きく形成されたものである方が良く、好ましくは８０度以上に形成されたものが良く、更に好ましくは８５度以上に形成されたものが良い。なお、ここでいう凸部の側壁の傾きとは、回折面に対する凸部の側壁の傾きであって鋭角側の傾きを意味する。
　また、回折面は、図５に示すように、凹凸構造が格子状で配置されるものが好ましい。格子状とは、凸部の枠で囲まれた凹部を規則配列したものである。格子の形状（凹部の平面形状）としては多角形が良く、三角形、四角形、六角形等がある。この中で好ましいのは正方形、長方形、菱形、平行四辺形等の四角形であり、回折の制御に重要な凹凸構造の周期をそろえることができる点で正方形が最も好ましい。
　なお本願において周期Ｐとは、図５（ａ）～（ｄ）に示すように、凹凸構造に含まれる繰り返し単位構造の最小長さを意味する。例えば、図５（ａ）は、凹凸構造に含まれる繰り返し単位構造のうち、ライン構造同士の間隔が最小になるためこれを周期Ｐとする。
　また、回折面の凹凸構造の周期は、光学波長の４分の１倍以上が良く、好ましくは２分の１倍以上が良く、更に好ましくは、１倍以上が良い。ただし、周期があまり大きすぎるとエッチングにコストと時間が掛かるため、周期は光学波長の１２倍以下が良く、好ましくは１０倍以下が良く、更に好ましくは６倍以下が良い。なお、ここで光学波長とは、下限値については、凹凸構造の境界を構成する両層のうち屈折率の小さい方の中における光学波長を意味し、上限値については、凹凸構造の境界を構成する両層のうち屈折率の大きい方の中における光学波長を意味する。
　また、凹凸構造の最短周期方向の直線上において、周期Ｐに対する凹部の幅Ｓの割合Ｓ／Ｐは６０％以上である方が良く、好ましくは６５％以上である方が良く、更に好ましくは７０％以上が良い。ただし、凸部の幅が小さすぎると十分に光を回折することができないため、凹凸構造の凸部の幅は、少なくとも反射させる光の光学波長の４分の１倍以上である方が良く、好ましくは２分の１倍以上が良い。これを考慮すると、当該割合Ｓ／Ｐは、６０％以上８０％以下である方が良く、好ましくは６５％以上７５％以下が良い。また、凹凸構造の高さは、０．１μｍ以上ある方が良く、好ましくは、０．２μｍ以上ある方が良く、更に好ましくは、０．３μｍ以上ある方が良い。ただし、高さがあまり大きすぎるとエッチングにコストと時間が掛かるため、高さは１．５μｍ以下が良く、好ましくは１．２μｍ以下が良い。また、光の波長によっては、０．９μｍ以下や、０．８μｍ以下でも良い。
　また、半導体層８を形成する際に、格子の形状が多角形の場合には、角部の結晶成長が進まず空隙や欠陥が生じやすい。したがって、結晶成長の容易性を考慮すると、当該角部は、図６（ａ）～（ｃ）に示すように、当該角部を緩衝できる曲線又は直線等の面取りをした形状であっても良い。ただしその場合でも、辺の直線部分の長さは面取りをしない多角形の辺の長さの６０％以上であるのが好ましい。なお、面取りをしない多角形は、辺の直線部分を延長することにより特定することができる。あるいは、面取りをしない多角形の辺の長さを、ピッチＰから計算しても良い。また、図６（ｄ）に示すように、隣接する多角形同士の角部を連結し、角部のない辺だけの形状であっても良い。
　また、回折面は、凹凸構造の格子の方向が異なる複数の領域を有する方が好ましい。領域とは、回折面を所定の大きさで区切ったもので、同一領域内では、凹凸構造の格子の方向がそろっているものを言う。発光層から入射する光はあらゆる方向を向いているため、凹凸構造の格子の方向が異なる複数の領域を設けることにより、回折面による回折を確実に行うことができる。したがって、任意の直線上において凹凸構造の方向が同一である領域は連続しないように配列されるのが好ましい。例えば、領域内では、連続する凹凸構造の最大数を５００周期以下、更に好ましくは２００周期以下となるようにすれば良い。ただし、領域の大きさが小さすぎると凹凸構造による反射を十分に行うことができない。したがって、領域内では、少なくとも光を十分に反射できる周期分以上の連続する凹凸構造を有する方が良く、例えば、凹凸構造を５０周期以上、更に好ましくは１００周期以上有するようにすれば良い。
　また、各領域の格子の方向は任意でも良いが、好ましくはどの方向からの入射光も回折を確実に行わせるために、格子の方向が等角度ずつ異なる複数種類の領域を設ける方が良い。例えば、格子の形状が正三角形の場合には凹凸構造の格子の方向が３０度異なる２種類の領域を形成すれば良く、格子の形状が長方形の場合には凹凸構造の格子の方向が４５度異なる４種類の領域を形成すれば良く、格子の形状が正方形の場合には凹凸構造の格子の方向が４５度異なる２種類の領域を形成すれば良く、格子の形状が正六角形の場合には、凹凸構造の格子の方向が６０度異なる２種類の領域を形成すれば良い。
　また、更に好ましくは、どの方向の光に対しても回折を確実に行うために、格子の方向が異なる複数の領域はできるだけ均等に配置される方が良い。
　また、別の回折面としては、図７に示すように、凹凸構造が市松模様（チェック状）で配置されるものでも良い。市松模様とは、平面形状が同一である凸部と凹部を交互に配置したものである。格子状のものと比較して、アスペクト比の高い凸部を形成し易いというメリットがあり、凸部の高さを大きくしたい場合に有利である。市松模様の形状（凸部又は凹部の平面形状）としては多角形が良く、三角形、四角形等がある。この中で好ましいのは正方形、長方形、菱形、平行四辺形等の四角形であり、回折の制御に重要な凹凸構造の周期をそろえることができる点で正方形が最も好ましい。
　また、回折面は、凹凸構造の市松模様の方向が異なる複数の領域を有する方が好ましい。ここで領域とは、回折面上で凹凸構造の市松模様の方向が連続してそろっている範囲を言う。発光層から入射する光はあらゆる方向を向いているため、凹凸構造の市松模様の方向が異なる複数の領域を設けることにより、回折面による回折を確実に行うことができる。したがって、任意の直線上において凹凸構造の方向が同一である領域は連続しないように配列されるのが好ましい。例えば、領域内では、連続する凹凸構造の最大数を５００周期以下、更に好ましくは２００周期以下となるようにすれば良い。ただし、領域の大きさが小さすぎると凹凸構造による反射を十分に行うことができない。したがって、領域内では、少なくとも光を十分に反射できる周期分以上の連続する凹凸構造を有する方が良く、例えば、凹凸構造を５０周期以上、更に好ましくは１００周期以上有するようにすれば良い。
　また、各領域の市松模様の方向は任意でも良いが、好ましくはどの方向からの入射光も回折を確実に行わせるために、市松模様の方向が等角度ずつ異なる複数種類の領域を設ける方が良い。例えば、市松模様の形状が正三角形の場合には市松模様の方向が３０度異なる２種類の領域を形成すれば良く、市松模様の形状が長方形の場合には市松模様の方向が４５度異なる４種類の領域を形成すれば良く、市松模様の形状が正方形の場合には市松模様の方向が４５度異なる２種類の領域を形成すれば良い。
　また、更に好ましくは、どの方向の光に対しても回折を確実に行うために、市松模様の方向が異なる複数の領域はできるだけ均等に配置される方が良い。
　また、更に別の回折面としては、図８に示すように、凹凸構造がラインアンドスペース状で配置されるものでも良い。ラインアンドスペースとは、直線状の凸部と凹部を交互に配置したものである。
　また、回折面は、凹凸構造のラインアンドスペースの方向が異なる複数の領域を有する方が好ましい。領域とは、回折面を所定の大きさで区切ったもので、同一領域内では、凹凸構造のラインアンドスペースの方向がそろっているものを言う。発光層から入射する光はあらゆる方向を向いているため、凹凸構造のラインアンドスペースの方向が異なる複数の領域を設けることにより、回折面による回折を確実に行うことができる。したがって、凹凸構造の方向が同一である部分は連続しないように配列されるのが好ましい。例えば、領域内では、連続する凹凸構造の最大数を５００周期以下、更に好ましくは２００周期以下となるようにすれば良い。ただし、領域の大きさが小さすぎると凹凸構造による反射を十分に行うことができない。したがって、領域内では、少なくとも光を十分に反射できる周期分以上の連続する凹凸構造を有する方が良く、例えば、凹凸構造を５０周期以上、更に好ましくは１００周期以上有するようにすれば良い。
　また、ラインアンドスペースの方向は任意でも良いが、好ましくはどの方向からの入射光も回折を確実に行わせるために、ラインアンドスペースの方向が等角度ずつ異なる複数の領域を設ける方が良い。例えば、ラインアンドスペースの方向が９０度異なる２つの領域を形成すれば良い。
　また、上述した格子状、市松模様、ラインアンドスペース状の凹凸構造において、凹部の間隔は狭すぎると結晶成長の阻害要因となる場合がある。したがって、凹部の間隔は２００ｎｍ以上である方が好ましい。また、凹凸構造の凸部の幅は、少なくとも反射させる光の光学波長の４分の１倍以上である方が良く、好ましくは２分の１倍以上が良い。凸部の幅が少なくとも光学波長の４分の１倍以上でないと、十分に光を回折することができないからである。
　また、光の回折は回折面を挟む材料の屈折率差が大きい程起こりやすい。したがって、凹凸構造20を基板と半導体層８との間に形成する場合には、図９（ａ）又は（ｂ）に示すように、凹凸構造20の少なくとも一部を、半導体層80と凹凸構造20の屈折率差が、基板70と半導体層80の屈折率差よりも大きくなる材料で形成する方が好ましい。例えば、凹凸構造20をサファイア基板70と窒化ガリウム（ＧａＮ）からなる半導体層80との間に形成する場合には、当該凹凸構造20の少なくとも一部を、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）で形成する方が好ましい。窒化ガリウムの屈折率が約2.5で、サファイアの屈折率が約1.78、二酸化ケイ素の屈折率が約1.45であるため、凹凸構造20の凸部又は凸部の一部を二酸化ケイ素で作製することにより、窒化ガリウムとの屈折率差を大きくすることができる。また、凹凸構造20の少なくとも一部を、酸窒化ケイ素（ＳｉＯＮ）で形成することもできる。酸窒化ケイ素（ＳｉＯＮ）は、構成する元素の酸素が多くなると屈折率が下がり、窒素が多くなると屈折率が高くなるため、酸素と窒素の比率で屈折率をコントロールすることができる。なお、凹凸構造20に用いる材料は、基板70上に半導体層80を成長させることができるものを選択する必要がある。また、凹凸構造20の製造はどのように行っても良く、例えば、リソグラフィやインプリント、エッチング等の半導体製造技術を用いれば良い。
　次に、回折面の凹凸構造と光取り出し効率との関係をシミュレーションした。シミュレーションには、シノプシス社（synopsys, Inc）製のソフトDiffractMODを用いた。
［信頼性評価］
　まず、シミュレーションの信頼性を評価するために、凹凸構造のないフラットなものと、従来、光の取り出し効率が最も良いとされているマイクロＰＳＳについてシミュレーションし、実測値と比較した。実測値に用いた光学素子は、図１０（ａ）に示すように、ＬＥＤチップ101と、リフレクタ102と、樹脂モールド103からなるものである。ＬＥＤチップ101は、面積が0.5ｍｍ角で厚さ0.15ｍｍのものと用いた。リフレクタ102は、ＬＥＤチップ101が内部に配置される円錐台状に広がる孔を有し、表面に銀メッキが施されたもので、円錐台の上面（ＬＥＤチップ101が配置される側の面）の直径が0.75ｍｍ、高さが0.35ｍｍ、側面の上面に対する角度が45度のものを用いた。また、樹脂モールド103は、屈折率が1.42の樹脂でＬＥＤチップ101及びリフレクタ102を覆うもので、ＬＥＤチップの光照射方向は、直径５ｍｍの半球状としたものを用いた。シミュレーションの結果と実測値を表１に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　表１に示すように光取り出し効率が実際に作成されたものとほぼ同一の値を示しており、当該シミュレーションの信頼性が確かめられた。なお、この実施例では、凹凸構造のないフラットなもの及びマイクロＰＳＳについて、シミュレーションの信頼性を評価することを目的としているため、ＰＳＳ以外の光取り出し効率に関わる因子、例えばチップサイズ、厚さ、樹脂モールドの屈折率等はシミュレーション上考慮されていない。
［実施例１］
　まず、凹凸構造の形状と光取り出し効率との関係をシミュレーションした。ここで、ＬＥＤの半導体層や基板からなる積層部は一般的なモデルを用いた。また、回折面は基板（屈折率1.78）と半導体層（屈折率2.5）の境界に配置し、その凹凸構造の形状は、下記の通りとした。
Ｌ＆Ｓ：図８に示すラインアンドスペース状とし、ラインの幅は周期の４０％とした。
チェック（市松模様）：図７（ａ）に示す三角形のチェック状とした。
格子：図５（ｂ）に示す凹部が正方形の格子状とし、ラインの幅は周期の３０％とした。
　また、凹凸構造の周期と高さは同じ大きさとし、周期が０．３μｍから１．０μｍまで０．１μｍずつ異なる８種類をシミュレーションした。
　また、比較例として、凹凸構造のないフラットなものと、従来、光の取り出し効率が最も良いとされているマイクロＰＳＳについてもシミュレーションした。マイクロＰＳＳの凹凸構造は、底面の直径が２．７μｍ、高さが１．６μｍの円錐を周期が３μｍで三角配置したものである。回折面に対する凹凸構造の凸部の側壁の傾きは実施例、比較例共に９０度とした。以上の結果を表２及び図１１に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
 フラット：光取り出し効率６．７
マイクロＰＳＳ：光取り出し効率１６．２
　また、表２および図１０より、凹凸構造の周期及び高さが０．５μｍ以上の場合、凹凸構造がチェック（三角）、格子（正方形）であるものは、従来良いとされているマイクロＰＳＳよりも光取り出し効率が高かった。特に、凹凸構造の形状が格子（正方形）のものが良く、高さ及び周期が０．７μｍの場合、光取り出し効率がマイクロＰＳＳに比べて６．２％向上した。また、ラインアンドスペースでも、マイクロＰＳＳ程ではないが、ある程度高い光取り出し効率を得ることができた。ただし、ラインアンドスペースは、マイクロＰＳＳを含む他の形状よりも加工し易いというメリットがある。
［実施例２］
　次に、凹凸構造がラインアンドスペース、チェック（三角）、格子（正方形）であるものと、凹凸構造の凸部がＳｉＯ２（屈折率1.45）からなる格子（正方形）であるものについて、周期を０．５μｍに固定し、高さが０．３μｍから１．０μｍまで０．１μｍずつ異なる８種類をシミュレーションした。その他の条件は、実施例１と同じである。その結果を表３及び図１２に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
 フラット：光取り出し効率６．７
マイクロＰＳＳ：光取り出し効率１６．２
　表３および図１２より、凹凸構造の凸部がＳｉＯ２からなる格子（正方形）は、凹凸構造の高さがいずれの場合にも、最も高い光取り出し効率を得ることができた。また、凹凸構造の高さが０．６μｍ以下の場合、凹凸構造がチェック、格子（正方形）であるものは、従来良いとされているマイクロＰＳＳよりも光取り出し効率が高かった。また、ラインアンドスペースでも、マイクロＰＳＳ程ではないが、ある程度高い光取り出し効率を得ることができた。先にも述べた通り、ラインアンドスペースは、マイクロＰＳＳを含む他の形状よりも加工し易いというメリットがある。
［実施例３］
　次に、回折面に対する凹凸構造の凸部の側壁の傾きと光取り出し効率との関係をシミュレーションした。凹凸構造は、平面方向の形状を正方格子、周期を０．５μｍ、高さを０．２５μｍ、高さの半分（高さ０．１２５μｍ）の位置における幅を０．１５μｍとした。そして、図１３に示すように、回折面に対する凹凸構造の凸部の側壁の傾きを、６５～９０度の範囲で５度ずつ異なる６種類についてシミュレーションした。その他の条件は、実施例１と同じである。その結果を表４及び図１４に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
　表４および図１４より、凹凸構造の角度が大きいほど高い光取り出し効率を得ることができた。
［実施例４］
　次に、回折面における凹凸構造の最短周期方向の周期Ｐに対する凹部の幅Ｓの割合Ｓ／Ｐと光取り出し効率との関係をシミュレーションした。凹凸構造は、平面方向の形状を正方格子、周期を０．５μｍ、高さを０．５μｍ、とした。そして、凹凸構造の最短周期方向の周期Ｐに対する凹部の幅をＳとしたときの割合Ｓ／Ｐが５０％、６０％、７０％のときの３種類についてシミュレーションした。その他の条件は、実施例１と同じである。その結果を表５及び図１５に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000005
　表５および図１５より、凹凸構造のＳ／Ｐが大きいほど高い光取り出し効率を得ることができた。
［実施例５］
　次に、本発明に係る凹凸構造を実際に作成した結果を、図１６～図１８の写真を用いて説明する。凹凸構造は、まず、サファイア基板上にレジストを塗布し、インプリント技術を用いて凹凸構造を有するマスクを形成した。次に、当該マスクを用いてサファイア基板にエッチングを行い、サファイア基板上に上面の一辺が３００ｎｍの正方形で高さ５００ｎｍの凸部を、ピッチ１μｍで格子状に形成した。次に、当該凹凸構造上に窒化ガリウム（ＧａＮ）を成長させて、本発明の凹凸構造を作成した。図１６は、サファイア基板に形成された凹凸構造上に窒化ガリウム（Ｇａｎ）を成長させる途中の平面写真である。図１６に示すように、凹部において窒化ガリウム（ＧａＮ）が選択的に結晶成長され、上面まで選択成長が進んだところで横方向に成長が進んでいることがわかる。
　次に、このように形成された凹凸構造の断面写真を図１７に示す。サファイア基板の凹部に窒化ガリウム（ＧａＮ）が完全に充填されていることがわかる。また、凹凸構造は、回折面に対する凸部の側壁の傾きが７５～８０度で形成されている。
　図１８（ａ）は、このように形成された窒化ガリウム層の転位を示すカソードルミネッセンス法によって得られた平面写真である。転位密度は、6.1×107ｃｍ－２であった。比較のために、平坦なサファイア基板上に窒化ガリウム層を形成した場合の平面写真を図１８（ｂ）に示す。この場合、転位密度は、2.0×108ｃｍ－２であった。すなわち、本発明に係る凹凸構造上に形成された窒化ガリウム層の転位密度は、平坦なサファイア基板上に形成された窒化ガリウム層より低減されていることがわかる。
　なお、本明細書中で、凹凸構造の凸部の傾きや周期Ｐ、凹部の幅Ｓ、凹凸構造の高さ等を説明しているが、実際の発光素子は、微視的には回折面に凹凸があり、また、凸部や凹部も歪み等があり一様ではない。基本的には、回折面や凹凸構造の意義を十分に考慮して、凹凸構造の凸部の傾きや周期Ｐ、凹部の幅Ｓ、凹凸構造の高さｈを定義するが、疑義が生じた場合には、次の説明および図１９に示すように測定して定義すれば良い。なお、その際にも、回折面や凹凸構造の意義を十分に考慮して行うこととする。
（１）凹凸構造の最短周期方向の直線を含む平面で積層部を切った断面写真を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で撮影する。
（２）回折面のおおよその方向を考慮した上で、断面写真から凹凸構造の境界上の点を測定し、それを最小二乗法で計算して近似直線Ａを導く。
（３）近似直線Ａを基準として、断面写真の凹凸構造の境界の高さを測定し、近似直線Ａ上の１０ｎｍ間隔で当該高さの平均を取り、直線補間でスムージングを行う。これにより、特異な欠陥や歪みを取り除いた基準凹凸線Ｂが作成される。
（４）傾きの測定をする側壁を挟む基準凹凸線Ｂ上の凸部と凹部に対し、近似直線Ａと平行な直線であって、近似直線Ａを基準とした基準凹凸線Ｂの高さの最小値を通る直線Ｃと、高さの最大値を通る直線Ｄを決定する。直線Ｃと直線Ｄの間隔を凹凸構造の高さｈとする。
（５）直線Ｃの高さを０、直線Ｄの高さを１００とする。そして基準凹凸線Ｂの１０の高さの点Ｅと９０の高さの点Ｆを結んだ直線Ｇを決定する。この直線Ｇの直線Ｃに対する傾きを、回折面に対する凸部の側壁の傾きθとする。
（６）直線Ｃと平行な高さ５０の直線Ｈを決定し、当該直線上の凹部の幅をＳ、凸部の幅を線幅Ｌ、凹部の幅Ｓと線幅Ｌの和を周期Ｐとする。
　１　発光素子
　２　回折面
　８　積層部
　20　凹凸構造
　21　凸部
　22　凹部
　70　サファイア基板
　84　発光層
　Ｐ　周期
　Ｓ　凹部の幅

Claims (22)

  1. 　発光層を含む半導体層が少なくとも積層された積層部と、
    　前記積層部に含まれる層のいずれかの境界に形成され、前記発光層から発せられる入射光をブラッグの回折条件に従って反射するように形成された凹凸構造を有する回折面と、を具備し、
    　前記凹凸構造は、前記回折面に対する凸部の側壁の傾きが７５度より大きく形成されたものであることを特徴とする発光素子。
  2. 　前記回折面は、前記凹凸構造が格子状で配列されたものであることを特徴とする請求項１記載の発光素子。
  3. 　前記回折面は、前記凹凸構造が多角形の格子状で配列されたものであることを特徴とする請求項２記載の発光素子。
  4. 　前記回折面は、前記凹凸構造が長方形又は正方形の格子状で配列されたものであることを特徴とする請求項２記載の発光素子。
  5. 　前記回折面は、前記凹凸構造の格子の方向が異なる複数の領域を有することを特徴とする請求項２ないし４のいずれかに記載の発光素子。
  6. 　前記回折面は、前記凹凸構造の格子の方向が等角度ずつ異なる複数の領域を有することを特徴とする請求項２ないし４のいずれかに記載の発光素子。
  7. 　前記回折面は、前記凹凸構造の最短周期方向の周期Ｐに対する凹部の幅Ｓの割合Ｓ／Ｐが６０％以上であることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の発光素子。
  8. 　前記回折面は、前記凹凸構造が市松模様で配列されたものであることを特徴とする請求項１記載の発光素子。
  9. 　前記回折面は、前記凹凸構造が多角形の市松模様で配列されたものであることを特徴とする請求項８記載の発光素子。
  10. 　前記回折面は、前記凹凸構造が長方形又は正方形の市松模様で配列されたものであることを特徴とする請求項８記載の発光素子。
  11. 　前記回折面は、前記凹凸構造の市松模様の方向が異なる複数の領域を有することを特徴とする請求項８ないし１０のいずれかに記載の発光素子。
  12. 　前記回折面は、前記凹凸構造の市松模様の方向が等角度ずつ異なる複数の領域を有することを特徴とする請求項９又は１０記載の発光素子。
  13. 　前記回折面は、前記凹凸構造がラインアンドスペース状で配列されたものであることを特徴とする請求項１記載の発光素子。
  14. 　前記回折面は、前記凹凸構造のラインアンドスペースの方向が異なる複数の領域を有することを特徴とする請求項１３記載の発光素子。
  15. 　前記回折面は、前記凹凸構造のラインアンドスペースの方向が等角度ずつ異なる複数の領域を有することを特徴とする請求項１２記載の発光素子。
  16. 　前記回折面は、前記凹凸構造の方向が異なる複数の領域を有すると共に、前記凹凸構造の方向が同一である領域が連続しないように配列されることを特徴とする請求項５、６、１１、１２、１４、１５のいずれかに記載の発光素子。
  17. 　前記回折面は、前記凹凸構造の周期が前記入射光の光学波長の４分の１倍以上であることを特徴とする請求項１ないし１６のいずれかに記載の発光素子。
  18. 　前記回折面は、前記凹凸構造の周期が前記入射光の光学波長の１２倍以下であることを特徴とする請求項１ないし１７のいずれかに記載の発光素子。
  19. 　前記回折面は、前記凹凸構造の高さが０．１μｍ以上であることを特徴とする請求項１ないし１８のいずれかに記載の発光素子。
  20. 　前記回折面は、前記凹凸構造の高さが１．５μｍ以下であることを特徴とする請求項１ないし１９のいずれかに記載の発光素子。
  21. 　前記凹凸構造は、基板と前記半導体層との間に形成され、当該凹凸構造の少なくとも一部は、前記半導体層と前記凹凸構造の屈折率差が、前記基板と前記半導体層の屈折率差よりも大きくなる材料からなることを特徴とする請求項１ないし２０のいずれかに記載の発光素子。
  22. 　前記凹凸構造は、サファイア基板と前記半導体層との間に形成され、当該凹凸構造の少なくとも一部は、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）又は酸窒化ケイ素（ＳｉＯＮ）からなることを特徴とする請求項１ないし２０のいずれかに記載の発光素子。
PCT/JP2016/070515 2015-07-17 2016-07-12 発光素子 WO2017014100A1 (ja)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2017529560A JPWO2017014100A1 (ja) 2015-07-17 2016-07-12 発光素子
CN201680041849.0A CN107851690A (zh) 2015-07-17 2016-07-12 发光元件
US15/310,323 US20180248076A1 (en) 2015-07-17 2016-07-12 Light emitting device
EP16788404.8A EP3163634A4 (en) 2015-07-17 2016-07-12 Light emitting element

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2015-143398 2015-07-17
JP2015143398 2015-07-17
JP2015195946 2015-10-01
JP2015-195946 2015-10-01

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2017014100A1 true WO2017014100A1 (ja) 2017-01-26

Family

ID=57834009

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2016/070515 WO2017014100A1 (ja) 2015-07-17 2016-07-12 発光素子

Country Status (6)

Country Link
US (1) US20180248076A1 (ja)
EP (1) EP3163634A4 (ja)
JP (1) JPWO2017014100A1 (ja)
CN (1) CN107851690A (ja)
TW (1) TW201712892A (ja)
WO (1) WO2017014100A1 (ja)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2018106784A2 (en) 2016-12-07 2018-06-14 Djg Holdings, Llc Preparation of large area signage stack

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003318441A (ja) 2001-07-24 2003-11-07 Nichia Chem Ind Ltd 半導体発光素子
JP2008113049A (ja) * 2004-06-28 2008-05-15 Matsushita Electric Ind Co Ltd 発光素子
JP2011100839A (ja) * 2009-11-05 2011-05-19 Mitsubishi Chemicals Corp 半導体発光素子
JP2012023121A (ja) * 2010-07-13 2012-02-02 Toshiba Corp 半導体発光素子および半導体発光素子の製造方法
JP2014195069A (ja) * 2013-02-28 2014-10-09 Asahi Kasei E-Materials Corp 半導体発光素子及びその製造方法並びに光学基材
JP2015029118A (ja) * 2013-04-16 2015-02-12 エルシード株式会社 Ｌｅｄ素子及びその製造方法

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7161188B2 (en) * 2004-06-28 2007-01-09 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Semiconductor light emitting element, semiconductor light emitting device, and method for fabricating semiconductor light emitting element
TW200929593A (en) * 2007-12-20 2009-07-01 Nat Univ Tsing Hua Light source with reflective pattern structure
EP3293775A1 (en) * 2009-09-07 2018-03-14 EL-Seed Corporation Semiconductor light emitting element
JP2011146589A (ja) * 2010-01-15 2011-07-28 Stanley Electric Co Ltd 半導体発光素子及びその製造方法
TWI515929B (zh) * 2012-04-24 2016-01-01 新世紀光電股份有限公司 發光角度收斂之圖案化基材及發光二極體元件
US20160056352A1 (en) * 2012-10-12 2016-02-25 Asahi Kasei E-Materials Corporation Optical substrate, semiconductor light emitting device and manufacturing method of the same
US20140191243A1 (en) * 2013-01-08 2014-07-10 University Of Florida Research Foundation, Inc. Patterned articles and light emitting devices therefrom
US9548419B2 (en) * 2014-05-20 2017-01-17 Southern Taiwan University Of Science And Technology Light emitting diode chip having multi microstructure substrate surface
US9899569B2 (en) * 2015-04-23 2018-02-20 Research Cooperation Foundation Of Yeungnam University Patterned substrate for gallium nitride-based light emitting diode and the light emitting diode using the same

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003318441A (ja) 2001-07-24 2003-11-07 Nichia Chem Ind Ltd 半導体発光素子
JP2008113049A (ja) * 2004-06-28 2008-05-15 Matsushita Electric Ind Co Ltd 発光素子
JP2011100839A (ja) * 2009-11-05 2011-05-19 Mitsubishi Chemicals Corp 半導体発光素子
JP2012023121A (ja) * 2010-07-13 2012-02-02 Toshiba Corp 半導体発光素子および半導体発光素子の製造方法
JP2014195069A (ja) * 2013-02-28 2014-10-09 Asahi Kasei E-Materials Corp 半導体発光素子及びその製造方法並びに光学基材
JP2015029118A (ja) * 2013-04-16 2015-02-12 エルシード株式会社 Ｌｅｄ素子及びその製造方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See also references of EP3163634A4

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2018106784A2 (en) 2016-12-07 2018-06-14 Djg Holdings, Llc Preparation of large area signage stack

Also Published As

Publication number Publication date
US20180248076A1 (en) 2018-08-30
EP3163634A4 (en) 2018-01-17
EP3163634A1 (en) 2017-05-03
JPWO2017014100A1 (ja) 2018-04-26
CN107851690A (zh) 2018-03-27
TW201712892A (zh) 2017-04-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2733752B1 (en) Light emitting element and method for manufacturing the same
JP6410751B2 (ja) 半導体発光素子
JP5206923B2 (ja) 半導体発光素子
JP3595277B2 (ja) ＧａＮ系半導体発光ダイオード
KR100859069B1 (ko) 발광 소자
US9312448B2 (en) Metallic contact for optoelectronic semiconductor device
EP2056368B1 (en) Light emitting device and method for manufacturing the same
JP5973620B2 (ja) 半導体発光素子
Shin et al. Effects of nanometer-scale photonic crystal structures on the light extraction from GaN light-emitting diodes
JP2006135285A (ja) 半導体発光素子
USRE47398E1 (en) Light-emitting device having patterned substrate and method of manufacturing thereof
US11309454B2 (en) Deep ultraviolet LED and method for producing the same
KR20070012930A (ko) 반도체 발광소자 및 그 제조방법
EP2579343A2 (en) Light-emitting element including light-emitting layer sandwiched between two semiconductor layers
WO2017014100A1 (ja) 発光素子
KR101946661B1 (ko) 편광된 복사선을 방출하는 반도체 칩
JP6903210B2 (ja) 半導体発光素子及びその製造方法
JP4258191B2 (ja) 窒化物半導体発光素子とその製造方法
JP2007173569A (ja) 発光素子
JP2004031405A (ja) 半導体発光素子およびその基板
JP2010129654A (ja) 発光素子
Bae et al. Characteristics and simulation analysis of GaN‐based vertical light emitting diodes via wafer‐level additional surface roughening process
KR100726971B1 (ko) 질화물 반도체 발광소자
Lin et al. Enhancement of external quantum efficiency of LEDs by fabricating photonic crystal in ITO p-contact layer

Legal Events

Date Code Title Description
REEP Request for entry into the european phase

Ref document number: 2016788404

Country of ref document: EP

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2016788404

Country of ref document: EP

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 15310323

Country of ref document: US

121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 16788404

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2017529560

Country of ref document: JP

Kind code of ref document: A

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE