JPWO2014058069A1 - Semiconductor light emitting device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
さらに光取り出し効率を向上させることのできる半導体発光素子及びその製造方法を提供する。発光層を含む半導体積層部と、前記半導体積層部が表面上に形成されるサファイア基板と、を備えた半導体発光素子において、前記サファイア基板の表面には、前記発光層から発せられる光の光学波長より大きくコヒーレント長より小さい周期で凹部又は凸部が形成され、誘電体多層膜を含み、前記発光層から発せられる光の波長域で反射率が90%以上である反射部を有する。Furthermore, the present invention provides a semiconductor light emitting device capable of improving the light extraction efficiency and a method for manufacturing the same. An optical wavelength of light emitted from the light emitting layer on the surface of the sapphire substrate, wherein the semiconductor light emitting device includes a semiconductor stacked portion including a light emitting layer and a sapphire substrate on which the semiconductor stacked portion is formed. Concave portions or convex portions are formed with a period that is larger and smaller than the coherent length, include a dielectric multilayer film, and have a reflective portion having a reflectance of 90% or more in the wavelength region of light emitted from the light emitting layer.
Description
本発明は、半導体発光素子及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor light emitting device and a method for manufacturing the same.
低温堆積緩衝層技術、p型伝導性制御、n型伝導性制御、高効率発光層の作製法等の基幹技術の積み重ねにより、高輝度の青色、緑色、白色等の発光ダイオードが既に実用化されている。現在、発光ダイオードにおいては、半導体の屈折率が基板、空気等の屈折率よりも大きく、発光層から発せられた光の多くの部分が全反射もしくはフレネル反射により発光ダイオードの外部に取り出せないため、光取り出し効率の向上が課題となっている。 High-intensity blue, green, white, and other light-emitting diodes have already been put into practical use through the accumulation of basic technologies such as low-temperature deposition buffer layer technology, p-type conductivity control, n-type conductivity control, and a method for producing high-efficiency light-emitting layers. ing. Currently, in the light emitting diode, the refractive index of the semiconductor is larger than the refractive index of the substrate, air, etc., and a large part of the light emitted from the light emitting layer cannot be extracted outside the light emitting diode by total reflection or Fresnel reflection. Improvement of light extraction efficiency is a problem.
この課題を解決するために、半導体表面に数ミクロン周期の凹凸加工を施した構造が提案されている(例えば、非特許文献1参照)。半導体表面の光取り出し側に凹凸構造を設けると、光散乱の効果により全反射は消失し、比較的広い放射角にわたって50%程度の透過率を得ることができ、光取り出し効率を50%程度まで向上させることができる。 In order to solve this problem, a structure has been proposed in which a semiconductor surface is subjected to uneven processing with a period of several microns (for example, see Non-Patent Document 1). By providing a concavo-convex structure on the light extraction side of the semiconductor surface, total reflection disappears due to the effect of light scattering, a transmittance of about 50% can be obtained over a relatively wide radiation angle, and the light extraction efficiency can be up to about 50%. Can be improved.
さらに、凹凸構造の周期を発光ダイオードの光学波長の2倍以下まで小さくし、光取り出し効率を向上させることも提案されている(例えば、特許文献1参照)。この場合、数ミクロン周期の凹凸構造とは光取り出しのメカニズムが異なり、光の波動性が顕在化して、屈折率の境界が消失してフレネル反射が抑制される。このような構造は、フォトニック結晶や、モスアイ構造と呼ばれており、光取り出し効率を50%程度までは向上させることができる。 Furthermore, it has also been proposed to improve the light extraction efficiency by reducing the period of the concavo-convex structure to twice or less the optical wavelength of the light emitting diode (see, for example, Patent Document 1). In this case, the light extraction mechanism is different from the concavo-convex structure having a period of several microns, the wave nature of light becomes obvious, the boundary of the refractive index disappears, and Fresnel reflection is suppressed. Such a structure is called a photonic crystal or a moth-eye structure, and the light extraction efficiency can be improved up to about 50%.
さらにまた、凹凸構造の周期を光のコヒーレント長より小さくし、回折作用を利用して光を取り出すことが、本願発明者らにより提案されている(例えば、特許文献2参照)。特許文献2には、サファイア基板の表面上に形成され発光層を含むIII族窒化物半導体と、サファイア基板の表面側に形成され発光層から発せられる光が入射し当該光の光学波長より大きく当該光のコヒーレント長より小さい周期で凹部又は凸部が形成された回折面と、基板の裏面側に形成され回折面にて回折した光を反射して回折面へ再入射させるAl反射膜と、を備える半導体発光素子が記載されている。この半導体発光素子によれば、回折作用により透過した光を回折面に再入射させて、回折面にて再び回折作用を利用して透過させることにより、複数のモードで光を素子外部へ取り出すことができる。 Furthermore, the inventors of the present application have proposed that the period of the concavo-convex structure be made smaller than the coherent length of light and that light be extracted using the diffraction action (see, for example, Patent Document 2). In
そして、本願発明者らは、さらなる光取り出し効率の向上を追及していた。 The inventors of the present application sought to further improve the light extraction efficiency.
本発明は、前記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、さらに光取り出し効率を向上させることのできる半導体発光素子及びその製造方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a semiconductor light emitting device capable of further improving the light extraction efficiency and a method for manufacturing the same.
前記目的を達成するため、本発明では、発光層を含む半導体積層部と、前記半導体積層部が表面上に形成されるサファイア基板と、を備え、前記サファイア基板の前記表面に前記発光層から発せられる光が入射し、前記サファイア基板の表面には、前記発光層から発せられる光の光学波長より大きくコヒーレント長より小さい周期で凹部又は凸部が形成され、前記サファイア基板の裏面には、前記表面を透過した光を反射して前記表面へ再入射させる反射部が形成され、前記反射部は、誘電体多層膜を含み、前記発光層から発せられる光の波長域で反射率が90%以上である半導体発光素子が提供される。 In order to achieve the above object, according to the present invention, a semiconductor multilayer part including a light emitting layer and a sapphire substrate on which the semiconductor multilayer part is formed are provided, and emitted from the light emitting layer on the surface of the sapphire substrate. The surface of the sapphire substrate is formed with recesses or projections with a period that is greater than the optical wavelength of the light emitted from the light emitting layer and less than the coherent length. A reflection part that reflects light transmitted through the light source and re-enters the surface is formed. The reflection part includes a dielectric multilayer film, and has a reflectance of 90% or more in a wavelength region of light emitted from the light emitting layer. A semiconductor light emitting device is provided.
上記半導体発光素子において、前記サファイア基板の裏面に形成された前記誘電体多層膜は、金属層により被覆されていてもよい。 In the semiconductor light emitting device, the dielectric multilayer film formed on the back surface of the sapphire substrate may be covered with a metal layer.
上記半導体発光素子において、前記金属層は、Alからなっていてもよい。 In the semiconductor light emitting device, the metal layer may be made of Al.
上記半導体発光素子において、前記凹部又は前記凸部の高さは、300nm以上であってもよい。 In the semiconductor light emitting device, the height of the concave portion or the convex portion may be 300 nm or more.
また、本発明では、上記半導体発光素子を製造するにあたり、サファイア基板の表面上にマスク層を形成するマスク層形成工程と、前記マスク層上にレジスト膜を形成するレジスト膜形成工程と、前記レジスト膜に所定のパターンを形成するパターン形成工程と、Arガスのプラズマを所定のバイアス出力を加えて前記サファイア基板側に誘導して、前記Arガスの前記プラズマにより前記レジスト膜を変質させてエッチング選択比を高くするレジスト変質工程と、Arガスのプラズマを前記レジスト変質工程のバイアス出力よりも高いバイアス出力を加えて前記サファイア基板側に誘導して、エッチング選択比が高くなった前記レジスト膜をマスクとして前記マスク層のエッチングを行うマスク層のエッチング工程と、エッチングされた前記マスク層をマスクとして、前記サファイア基板のエッチングを行って前記凹部又は前記凸部を形成する基板のエッチング工程と、エッチングされた前記サファイア基板の表面上に、前記半導体積層部を形成する半導体形成工程と、前記サファイア基板の裏面上に、前記誘電体多層膜を形成する多層膜形成工程と、を含む半導体発光素子の製造方法が提供される。 In the present invention, in manufacturing the semiconductor light emitting device, a mask layer forming step of forming a mask layer on the surface of the sapphire substrate, a resist film forming step of forming a resist film on the mask layer, and the resist A pattern forming process for forming a predetermined pattern on the film, and Ar gas plasma is induced to the sapphire substrate side by applying a predetermined bias output, and the resist film is altered by the Ar gas plasma to perform etching selection. A resist alteration process for increasing the ratio, and a plasma of Ar gas is applied to the sapphire substrate side by applying a bias output higher than the bias output of the resist alteration process to mask the resist film having a high etching selectivity. As an etching process of the mask layer for etching the mask layer, and before the etching Etching the substrate using the mask layer as a mask to etch the sapphire substrate to form the concave portion or the convex portion, and forming the semiconductor stacked portion on the etched surface of the sapphire substrate And a multilayer film forming step of forming the dielectric multilayer film on the back surface of the sapphire substrate.
上記半導体発光素子を製造方法において、前記基板のエッチング工程にて、前記マスク層上に前記レジスト膜が残った状態で、前記サファイア基板のエッチングを行ってもよい。 In the method for manufacturing a semiconductor light emitting device, the sapphire substrate may be etched in the state in which the resist film remains on the mask layer in the substrate etching step.
上記半導体発光素子を製造方法において、前記マスク層は、前記サファイア基板上のSiO2層と、前記SiO2層上のNi層と、を有し、前記基板のエッチング工程にて、前記SiO2層と、前記Ni層と、前記レジスト膜と、が積層した状態で、前記サファイア基板のエッチングを行ってもよい。In the manufacturing method of the semiconductor light-emitting device, wherein the mask layer, and the SiO 2 layer on the sapphire substrate, anda Ni layer on the SiO 2 layer, by an etching process of the substrate, the SiO 2 layer The sapphire substrate may be etched in a state where the Ni layer and the resist film are laminated.
さらに、本発明では、発光層を含む半導体積層部と、前記半導体積層部が表面上に形成されるサファイア基板と、を備え、前記サファイア基板の表面には、前記発光層から発せられる光の光学波長より大きくコヒーレント長より小さい周期で凹部又は凸部が形成され、誘電体多層膜を含み、前記発光層から発せられる光の波長域で反射率が90%以上である反射部を有する半導体発光素子が提供される。 Furthermore, in the present invention, a semiconductor laminated portion including a light emitting layer and a sapphire substrate on which the semiconductor laminated portion is formed are provided, and the surface of the sapphire substrate has an optical element for light emitted from the light emitting layer. A semiconductor light emitting device having a reflective portion having a concave portion or a convex portion formed with a period larger than the wavelength and smaller than the coherent length, including a dielectric multilayer film, and having a reflectance of 90% or more in a wavelength region of light emitted from the light emitting layer Is provided.
上記半導体発光素子において、前記半導体発光素子はフリップチップ型であり、前記半導体積層部上に形成された透明な拡散電極を有し、前記反射部は、前記拡散電極上の一部に形成された誘電体多層膜と、前記誘電体多層膜を被覆し、前記誘電体多層膜が形成されていない部分にて前記拡散電極と接触する金属電極と、を有していてもよい。 In the semiconductor light emitting device, the semiconductor light emitting device is of a flip chip type, has a transparent diffusion electrode formed on the semiconductor stacked portion, and the reflection portion is formed on a part of the diffusion electrode. You may have a dielectric multilayer film and the metal electrode which coat | covers the said dielectric multilayer film, and contacts the said diffusion electrode in the part in which the said dielectric multilayer film is not formed.
上記半導体発光素子において、前記誘電体多層膜には、所定の間隔で複数のビアホールが形成され、前記金属電極は、前記ビアホールを通じて前記拡散電極と接触してもよい。 In the semiconductor light emitting device, a plurality of via holes may be formed in the dielectric multilayer film at a predetermined interval, and the metal electrode may be in contact with the diffusion electrode through the via hole.
上記半導体発光素子において、前記複数のビアホールの前記所定の間隔は、20μm以上40μm以下であってもよい。 In the semiconductor light emitting device, the predetermined interval between the plurality of via holes may be 20 μm or more and 40 μm or less.
上記半導体発光素子において、前記拡散電極の前記半導体積層部との接触抵抗は、前記金属電極との接触部分の直下よりも、前記誘電体多層膜の形成領域の直下の方が相対的に高くなっていてもよい。 In the semiconductor light emitting device, the contact resistance of the diffusion electrode with the semiconductor stacked portion is relatively higher immediately below the formation region of the dielectric multilayer film than immediately below the contact portion with the metal electrode. It may be.
上記半導体発光素子において、前記拡散電極は、導電性酸化物からなっていてもよい。 In the semiconductor light emitting device, the diffusion electrode may be made of a conductive oxide.
上記半導体発光素子において、前記金属電極は、Ag−Pd−Cu系の合金材料からなっていてもよい。 In the semiconductor light emitting device, the metal electrode may be made of an Ag—Pd—Cu alloy material.
さらにまた、本発明では、上記半導体発光素子を製造するにあたり、前記複数のビアホールを有する前記誘電体多層膜を前記拡散電極上に形成し、前記誘電体多層膜をマスクとして、前記拡散電極の露出部分を変質させて、前記拡散電極の前記半導体積層部との接触抵抗を変化させる半導体発光素子の製造方法が提供される。 Furthermore, in the present invention, in manufacturing the semiconductor light emitting device, the dielectric multilayer film having the plurality of via holes is formed on the diffusion electrode, and the diffusion electrode is exposed using the dielectric multilayer film as a mask. A method of manufacturing a semiconductor light emitting device is provided in which the contact resistance between the diffusion electrode and the semiconductor laminated portion is changed by altering the portion.
上記半導体発光素子を製造方法において、前記金属電極を前記誘電体多層膜上にスパッタリング法により成膜しつつ、スパッタリング時にプラズマ化した前記金属電極の材料を前記ビアホールを通じて前記拡散電極に作用させて高抵抗化してもよい。 In the method for manufacturing the semiconductor light emitting device, the metal electrode is formed on the dielectric multilayer film by a sputtering method, and a material of the metal electrode that is made plasma at the time of sputtering is applied to the diffusion electrode through the via hole. You may make it resistance.
本発明の半導体発光素子によれば、さらに光取り出し効率を向上させることができる。 According to the semiconductor light emitting device of the present invention, the light extraction efficiency can be further improved.
図1から図7Cは本発明の第1の実施形態を示すものであり、図1は半導体発光素子の模式断面図である。 1 to 7C show a first embodiment of the present invention, and FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a semiconductor light emitting device.
図1に示すように、発光素子1は、回折面2aを有するサファイア基板2の表面上に、III族窒化物半導体層からなる半導体積層部19が形成されたものである。この発光素子1は、フェイスアップ型であり、サファイア基板2と反対側から主として光が取り出される。III族窒化物半導体層は、バッファ層10、n型GaN層12、多重量子井戸活性層14、電子ブロック層16、p型GaN層18をサファイア基板2側からこの順に有している。p型GaN層18上にはp側電極20が形成されるとともに、n型GaN層12上にはn側電極22が形成されている。 As shown in FIG. 1, the
サファイア基板2は、窒化物半導体が成長されるc面({0001})である回折面2aを表面側に有している。回折面2aには、平坦部2b(図4(a)参照)と、平坦部2bに周期的に形成された複数の凸部2c(図4(a)参照)と、が形成されている。各凸部2cの形状は、円錐、多角錘等の錘状の他、錘の上部を切り落とした円錘台、多角錘台等の錘台状とすることができる。本実施形態においては、周期的に配置される各凸部2cにより、光の回折作用を得ることができる。 The
図2は、異なる屈折率の界面における光の回折作用を示す説明図であり、(a)は界面にて反射する状態を示し、(b)は界面を透過する状態を示す。 2A and 2B are explanatory diagrams showing the diffraction action of light at the interface having different refractive indexes, where FIG. 2A shows a state of reflection at the interface, and FIG. 2B shows a state of transmission through the interface.
ここで、ブラッグの回折条件から、界面にて光が反射する場合において、入射角θinに対して反射角θrefが満たすべき条件は、
d・n1・(sinθin−sinθref)=m・λ・・・(1)
である。ここで、n1は入射側の媒質の屈折率、λは入射する光の波長、mは整数である。本実施形態では、n1は、III族窒化物半導体の屈折率となる。図2(a)に示すように、上記(1)式を満たす反射角θrefで、界面へ入射する光は反射される。Here, from the Bragg diffraction condition, when light is reflected at the interface, the condition that the reflection angle θ ref should satisfy with respect to the incident angle θ in is:
d · n1 · (sin θ in −sin θ ref ) = m · λ (1)
It is. Here, n1 is the refractive index of the medium on the incident side, λ is the wavelength of the incident light, and m is an integer. In the present embodiment, n1 is the refractive index of the group III nitride semiconductor. As shown in FIG. 2A, light incident on the interface is reflected at a reflection angle θ ref that satisfies the above equation (1).
一方、ブラッグの回折条件から、界面にて光が透過する場合において、入射角θinに対して透過角θoutが満たすべき条件は、
d・(n1・sinθin−n2・sinθout)=m’・λ・・・(2)
である。ここで、n2は出射側の媒質の屈折率であり、m’は整数である。本実施形態では、n2は、サファイアの屈折率となる。図2(b)に示すように、上記(2)式を満たす透過角θoutで、界面へ入射する光は透過される。On the other hand, from the Bragg diffraction condition, when light is transmitted at the interface, the condition that the transmission angle θ out should satisfy with respect to the incident angle θ in is:
d · (n1 · sin θ in −n2 · sin θ out ) = m ′ · λ (2)
It is. Here, n2 is the refractive index of the medium on the exit side, and m ′ is an integer. In the present embodiment, n2 is the refractive index of sapphire. As shown in FIG. 2B, light incident on the interface is transmitted at a transmission angle θ out that satisfies the above equation (2).
上記(1)式及び(2)式の回折条件を満たす反射角θref及び透過角θoutが存在するためには、回折面2aの周期は、素子内部の光学波長である(λ/n1)や(λ/n2)よりも大きくなければならない。一般的に知られているモスアイ構造は、周期が(λ/n1)や(λ/n2)よりも小さく設定されており、回折光は存在しない。そして、回折面2aの周期は、光が波としての性質を維持できるコヒーレント長より小さくなければならず、コヒーレント長の半分以下とすることが好ましい。コヒーレント長の半分以下とすることにより、回折による反射光及び透過光の強度を確保することができる。In order for the reflection angle θ ref and the transmission angle θ out that satisfy the diffraction conditions of the above expressions (1) and (2) to exist, the period of the
図3は、半導体発光素子の一部拡大模式断面図である。 FIG. 3 is a partially enlarged schematic cross-sectional view of the semiconductor light emitting device.
図3に示すように、サファイア基板2の裏面側には、誘電体多層膜24が形成されている。誘電体多層膜24は金属層により被覆される。本実施形態においては、誘電体多層膜24の下面にはAl層26が形成されている。この発光素子1においては、誘電体多層膜24及びAl層26が反射部をなしており、活性層14から発せられ回折面2aを回折作用によって透過した光を当該反射部で反射する。そして、回折作用により透過した光を回折面2aに再入射させて、回折面2aにて再び回折作用を利用して透過させることにより、複数のモードで光を素子外部へ取り出すことができる。本願発明者らは、反射部として誘電体多層膜24を含み多重量子井戸活性層14から発せられる光の波長域で90%以上のものを用いることで、発光素子1の光取り出し効率が飛躍的に向上することを見出した。 As shown in FIG. 3, a
バッファ層10は、サファイア基板2の回折面2a上に形成され、AlNで構成されている。本実施形態においては、バッファ層10は、MOCVD(Metal Organic Chemical
Vapor Deposition)法により形成されるが、スパッタリング法を用いることもできる。また、バッファ層10は、各凸部2cに沿って周期的に形成される複数の錘台状の凹部を回折面2a側に有している。第1導電型層としてのn型GaN層12は、バッファ層10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14は、n型GaN層12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青色光を発する。ここで、青色光とは、例えば、ピーク波長が430nm以上480nm以下の光をいうものとする。本実施形態においては、多重量子井戸活性層14の発光のピーク波長は450nmである。The
A Vapor Deposition method is used, but a sputtering method can also be used. In addition, the
電子ブロック層16は、多重量子井戸活性層14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18は、電子ブロック層16上に形成され、p−GaNで構成されている。n型GaN層12からp型GaN層18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、サファイア基板2の回折面2aには周期的に凸部2cが形成されているが、III族窒化物半導体の成長初期に横方向成長による平坦化が図られる。尚、第1導電型層、活性層及び第2導電型層を少なくとも含み、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、半導体層の層構成は任意である。 The
p側電極20は、p型GaN層18上に形成され、例えばITO(Indium Tin Oxide)等の透明な材料からなる。本実施形態においては、p側電極120は、真空蒸着法、スパッタリング法、CVD(Chemical Vapor Deposition)法等により形成される。 The p-
n側電極22は、p型GaN層18からn型GaN層12をエッチングして、露出したn型GaN層12上に形成される。n側電極22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)法等により形成される。 The n-
図3に示すように、誘電体多層膜24は、屈折率の異なる第1材料24aと第2材料24bのペアを複数繰り返して構成される。誘電体多層膜24は、例えば、第1材料24aをZrO2(屈折率:2.18)、第2材料24bをSiO2(屈折率:1.46)とし、ペア数を5とすることができる。尚、ZrO2とSiO2と異なる材料を用いて誘電体多層膜24を構成してもよく、例えば、AlN(屈折率:2.18)、Nb2O3(屈折率:2.4)、Ta2O3(屈折率:2.35)等を用いてもよい。As shown in FIG. 3, the
次いで、図4を参照してサファイア基板2について詳述する。図4はサファイア基板を示し、(a)が模式斜視図、(b)がA−A断面を示す模式説明図、(c)が模式拡大説明図である。 Next, the
図4(a)に示すように、回折面2aは、平面視にて、各凸部2cの中心が正三角形の頂点の位置となるように、所定の周期で仮想の三角格子の交点に整列して形成される。各凸部2cの周期は、多重量子井戸活性層14から発せられる光の光学波長より大きく、当該光のコヒーレント長より小さくなっている。尚、ここでいう周期とは、隣接する凸部2cにおける高さのピーク位置の距離をいう。また、光学波長とは、実際の波長を屈折率で除した値を意味する。さらに、コヒーレント長とは、所定のスペクトル幅のフォトン群の個々の波長の違いによって、波の周期的振動が互いに打ち消され、可干渉性が消失するまでの距離に相当する。コヒーレント長lcは、光の波長をλ、当該光の半値幅をΔλとすると、おおよそlc=(λ2/Δλ)の関係にある。ここで、各凸部2cの周期は、多重量子井戸活性層14から発せられる光の光学波長の2倍より大きいことが好ましい。また、各凸部2cの周期は、多重量子井戸活性層14から発せられる光のコヒーレント長の半分以下であることが好ましい。As shown in FIG. 4 (a), the
本実施形態においては、各凸部2cの周期は、460nmである。また、III族窒化物半導体の屈折率が2.4、サファイアの屈折率が1.8であることから、回折面2aにおけるコヒーレント長を考慮する上での屈折率はこれらの平均値の2.1となる。本実施形態においては、活性層14から発せられる光の波長は450nmであることから、回折面2aにおけるコヒーレント長を考慮する上での光学波長は214nmである。また、活性層14から発せられる光の半値幅は27nmであることから、回折面2aにおけるコヒーレント長を考慮する上での半値幅は13nmである。すなわち、当該光のコヒーレント長は3523nmであり、回折面2aの周期は、活性層14の光学波長の2倍より大きく、かつ、コヒーレント長の半分以下となっている。 In this embodiment, the period of each
本実施形態においては、図4(c)に示すように、回折面2aの各凸部2cは、平坦部2bから上方へ伸びる側面2dと、側面2dの上端から凸部2cの中心側へ湾曲して伸びる湾曲部2eと、湾曲部2eと連続的に形成される平坦な上面2fとを有する。後述するように、側面2dと上面2fの会合部により角が形成された湾曲部2e形成前の凸部2cのウエットエッチングにより、角を落とすことで湾曲部2eが形成される。尚、ウエットエッチングにより角が落とされていれば、湾曲形状でなくともよい。また、平坦な上面2fが消失して凸部2cの上側全体が湾曲部2eとなるまでウェットエッチングを施すようにしても差し支えない。本実施形態においては、具体的に、各凸部2cは、基端部の直径が380nmであり、高さは350nmとなっている。サファイア基板2の回折面2aは、各凸部2cの他は平坦部2bとなっており、半導体の横方向成長が助長されるようになっている。 In the present embodiment, as shown in FIG. 4C, each
ここで、図5から図7Cを参照して発光素子1用のサファイア基板2の作製方法について説明する。図5は、サファイア基板を加工するためのプラズマエッチング装置の概略説明図である。 Here, a manufacturing method of the
図5に示すように、プラズマエッチング装置91は、誘導結合型(ICP)であり、サファイア基板2を保持する平板状の基板保持台92と、基板保持台92を収容する容器93と、容器93の上方に石英板96を介して設けられたコイル94と、基板保持台92に接続された電源95と、を有している。コイル94は立体渦巻形のコイルであり、コイル中央から高周波電力を供給し、コイル外周の末端が接地されている。エッチング対象のサファイア基板2は直接或いは搬送用トレーを介して基板保持台92に載置される。基板保持台92にはサファイア基板2を冷却するための冷却機構が内蔵されており、冷却制御部97によって制御される。容器93は供給ポートを有し、O2ガス、Arガス等の各種ガスが供給可能となっている。As shown in FIG. 5, the
このプラズマエッチング装置1でエッチングを行うにあたっては、基板保持台92にサファイア基板2を載置した後、容器93内の空気を排出して減圧状態とする。そして、容器93内に所定の処理ガスを供給し、容器93内のガス圧力を調整する。その後、コイル94及び基板保持台92に高出力の高周波電力を所定時間供給して、反応ガスのプラズマ98を生成させる。このプラズマ98によってサファイア基板2のエッチングを行う。 In performing the etching with the
次いで、図6、図7A、図7B及び図7Cを参照して、プラズマエッチング装置1を用いたエッチング方法について説明する。
図6は、エッチング方法を示すフローチャートである。図6に示すように、本実施形態のエッチング方法は、マスク層形成工程S1と、レジスト膜形成工程S2と、パターン形成工程S3と、残膜除去工程S4と、レジスト変質工程S5と、マスク層のエッチング工程S6と、サファイア基板のエッチング工程S7と、マスク層除去工程S8と、湾曲部形成工程S9と、を含んでいる。Next, an etching method using the
FIG. 6 is a flowchart showing an etching method. As shown in FIG. 6, the etching method of this embodiment includes a mask layer forming step S1, a resist film forming step S2, a pattern forming step S3, a residual film removing step S4, a resist alteration step S5, and a mask layer. Etching step S6, sapphire substrate etching step S7, mask layer removing step S8, and curved portion forming step S9.
図7Aはサファイア基板及びマスク層のエッチング方法の過程を示し、(a)は加工前のサファイア基板を示し、(b)はサファイア基板上にマスク層を形成した状態を示し、(c)はマスク層上にレジスト膜を形成した状態を示し、(d)はレジスト膜にモールドを接触させた状態を示し、(e)はレジスト膜にパターンが形成された状態を示す。
図7Bはサファイア基板及びマスク層のエッチング方法の過程を示し、(f)はレジスト膜の残膜を除去した状態を示し、(g)はレジスト膜を変質させた状態を示し、(h)はレジスト膜をマスクとしてマスク層をエッチングした状態を示し、(i)はマスク層をマスクとしてサファイア基板をエッチングした状態を示す。尚、変質後のレジスト膜は、図中、塗りつぶすことで表現している。
図7Cはサファイア基板及びマスク層のエッチング方法の過程を示し、(j)はマスク層をマスクとしてサファイア基板をさらにエッチングした状態を示し、(k)はサファイア基板から残ったマスク層を除去した状態を示し、(l)はサファイア基板にウェットエッチングを施した状態を示す。7A shows the process of the etching method of the sapphire substrate and the mask layer, (a) shows the sapphire substrate before processing, (b) shows the state in which the mask layer is formed on the sapphire substrate, and (c) shows the mask. A state where a resist film is formed on the layer is shown, (d) shows a state where a mold is brought into contact with the resist film, and (e) shows a state where a pattern is formed on the resist film.
FIG. 7B shows the process of the etching method of the sapphire substrate and the mask layer, (f) shows the state where the remaining film of the resist film is removed, (g) shows the state where the resist film has been altered, and (h) The mask layer is etched using the resist film as a mask, and (i) shows the sapphire substrate etched using the mask layer as a mask. Incidentally, the resist film after the alteration is expressed by painting out in the drawing.
FIG. 7C shows the process of etching the sapphire substrate and the mask layer, (j) shows a state where the sapphire substrate is further etched using the mask layer as a mask, and (k) shows a state where the remaining mask layer is removed from the sapphire substrate. (L) shows a state in which wet etching is performed on the sapphire substrate.
まず、図7A(a)に示すように、加工前のサファイア基板2を準備する。エッチングに先立って、サファイア基板2を所定の洗浄液で洗浄しておく。本実施形態においては、サファイア基板2はサファイア基板である。 First, as shown in FIG. 7A (a), a
次いで、図7A(b)に示すように、サファイア基板2にマスク層30を形成する(マスク層形成工程:S1)。本実施形態においては、マスク層30は、サファイア基板2上のSiO2層31と、SiO2層31上のNi層32と、を有している。各層31,112の厚さは任意であるが、例えばSiO2層を1nm以上100nm以下、Ni層32を1nm以上100nm以下とすることができる。尚、マスク層30は、単層とすることもできる。マスク層30は、スパッタリング法、真空蒸着法、CVD法等により形成される。Next, as shown in FIG. 7A (b), a
次に、図7A(c)に示すように、マスク層30上にレジスト膜40を形成する(レジスト膜形成工程:S2)。本実施形態においては、レジスト膜40として熱可塑性樹脂が用いられ、スピンコート法により均一な厚さに形成される。レジスト膜40は、例えばエポキシ系樹脂からなり、厚さが例えば100nm以上300nm以下である。尚、レジスト膜40として、光硬化性樹脂を用いることもできる。 Next, as shown in FIG. 7A (c), a resist
そして、レジスト膜40をサファイア基板2ごと加熱して軟化させ、図7A(d)に示すように、モールド50でレジスト膜40をプレスする。モールド50の接触面には凹凸構造51が形成されており、レジスト膜40が凹凸構造51に沿って変形する。 Then, the resist
この後、プレス状態を保ったまま、レジスト膜40をサファイア基板2ごと冷却して硬化させる。そして、モールド50をレジスト膜40から離隔することにより、図7A(e)に示すように、レジスト膜40に凹凸構造41が転写される(パターン形成工程:S3)。ここで、凹凸構造41の周期は1μm以下となっている。本実施形態においては、凹凸構造41の周期は460nmである。また、本実施形態においては、凹凸構造41の凸部43の直径は100nm以上300nm以下となっており、例えば230nmである。また、凸部43の高さは100nm以上300nm以下となっており、例えば250nmである。この状態で、レジスト膜40の凹部には残膜42が形成されている。 Thereafter, while maintaining the pressed state, the resist
以上のようにレジスト膜40が形成されたサファイア基板2を、プラズマエッチング装置1の基板保持台92に取り付ける。そして、例えばプラズマアッシングにより残膜42を取り除いて、図7B(f)に示すように被加工材であるマスク層30を露出させる(残膜除去工程:S4)。本実施形態においては、プラズマアッシングの処理ガスとしてO2ガスが用いられる。このとき、レジスト膜40の凸部43もアッシングの影響を受け、凸部43の側面44は、マスク層30の表面に対して垂直でなく、所定の角度だけ傾斜する。The
そして、図7B(g)に示すようにレジスト膜40を変質用条件にてプラズマに曝して、レジスト膜40を変質させてエッチング選択比を高くする(レジスト変質工程:S5)。本実施形態においては、レジスト膜40の変質用の処理ガスとして、Arガスが用いられる。また、本実施形態においては、変質用条件として、プラズマをサファイア基板2側に誘導するための電源95のバイアス出力が、後述のエッチング用条件よりも低くなるよう設定される。 Then, as shown in FIG. 7B (g), the resist
この後、エッチング用条件にてプラズマに曝し、エッチング選択比が高くなったレジスト膜40をマスクとして被加工材としてのマスク層30のエッチングを行う(マスク層のエッチング工程:S6)。本実施形態においては、レジスト膜40のエッチング用の処理ガスとして、Arガスが用いられる。これにより、図7B(h)に示すように、マスク層30にパターン33が形成される。 Thereafter, the
ここで、変質用条件とエッチング用条件について、処理ガス、アンテナ出力、バイアス出力等を適宜に変更できるが、本実施形態のように同一の処理ガスを用いてバイアス出力を変えることが好ましい。具体的に、変質用条件について、処理ガスをArガスとし、コイル94のアンテナ出力を350W、電源95のバイアス出力50Wとすると、レジスト膜40の硬化が観察された。そして、エッチング用条件について、処理ガスをArガスとし、コイル94のアンテナ出力を350W、電源95のバイアス出力を100Wとすると、マスク層30のエッチングが観察された。尚、エッチング用条件に対してバイアス出力を低くする他、アンテナ出力を低くしたり、ガス流量を少なくしても、レジストの硬化が可能である。 Here, the processing gas, the antenna output, the bias output, and the like can be changed as appropriate for the alteration condition and the etching condition, but it is preferable to change the bias output using the same processing gas as in this embodiment. Specifically, with respect to the condition for alteration, when the processing gas is Ar gas, the antenna output of the
次に、図7B(i)に示すように、マスク層30をマスクとして、サファイア基板2のエッチングを行う(サファイア基板のエッチング工程:S7)。本実施形態においては、マスク層30上にレジスト膜40が残った状態でエッチングが行われる。また、処理ガスとしてBCl3ガス等の塩素系ガスを用いたプラズマエッチングが行われる。Next, as shown in FIG. 7B (i), the
そして、図7C(j)に示すように、エッチングが進行していくと、サファイア基板2に回折面2aが形成される。本実施形態においては、回折面2aの凹凸構造の高さは、350nmである。尚、凹凸構造の高さを350nmより大きくすることもできる。ここで、凹凸構造の高さが、例えば300nmのように比較的浅くするのならば、図7B(i)に示すように、レジスト膜40が残留した状態でエッチングを終了しても差し支えない。 Then, as shown in FIG. 7C (j), as the etching proceeds, a
本実施形態においては、マスク層30のSiO2層31により、サイドエッチングが助長されて、回折面2aの凸部2cの側面2dが傾斜している。また、レジスト膜40の側面43の傾斜角によっても、サイドエッチングの状態を制御することができる。尚、マスク層30をNi層32の単層とすれば、凸部2cの側面2dを主面に対してほぼ垂直にすることができる。In the present embodiment, side etching is promoted by the SiO 2 layer 31 of the
この後、図7B(k)に示すように、所定の剥離液を用いてサファイア基板2上に残ったマスク層30を除去する(マスク層除去工程:S8)。本実施形態においては、高温の硝酸を用いることでNi層32を除去した後、フッ化水素酸を用いてSiO2層31を除去する。尚、レジスト膜40がマスク層30上に残留していても、高温の硝酸でNi層32とともに除去することができるが、レジスト膜40の残留量が多い場合はO2アッシングにより予めレジスト膜40を除去しておくことが好ましい。Thereafter, as shown in FIG. 7B (k), the
そして、図7B(l)に示すように、ウェットエッチングにより凸部2cの角を除去して湾曲部を形成する(湾曲部形成工程:S9)。ここで、エッチング液は任意であるが、例えば170℃程度に加温したリン酸水溶液、いわゆる“熱リン酸”を用いることができる。尚、この湾曲部形成工程は、適宜省略することができる。以上の工程を経て、表面に凹凸構造を有するサファイア基板2が作製される。 Then, as shown in FIG. 7B (l), the corner of the
このサファイア基板2のエッチング方法によれば、レジスト膜40をプラズマに曝して変質させたので、マスク層30とレジスト膜40のエッチングの選択比を高くすることができる。これにより、マスク層30に対して微細で深い形状の加工を施しやすくなり、微細な形状のマスク層30を十分に厚く形成することができる。 According to this etching method of the
また、プラズマエッチング装置1により、レジスト膜40の変質と、マスク層30のエッチングとを連続的に行うことができ、工数が著しく増大することもない。本実施形態においては、電源95のバイアス出力を変化させることにより、レジスト膜40の変質とマスク層30のエッチングとを行っており、簡単容易にレジスト膜40の選択比を高くすることができる。 Further, the
さらに、十分に厚いマスク層30をマスクとして、サファイア基板2のエッチングを行うようにしたので、サファイア基板2に対して微細で深い形状の加工を施しやすくなる。特に、サファイア基板において、周期が1μm以下で深さが300nm以上の凹凸構造を形成することは、マスク層が形成された基板上にレジスト膜を形成し、レジスト膜を利用してマスク層のエッチングを行うエッチング方法では従来は不可能であったが、本実施形態のエッチング方法では可能となる。特に、本実施形態のエッチング方法では、周期が1μm以下で深さが500nm以上の凹凸構造を形成するのに好適である。 Furthermore, since the
ナノスケールの周期的な凹凸構造はモスアイと称されるが、このモスアイの加工をサファイアに行う場合、サファイアは難削材であることから、200nm程度の深さまでしか加工ができなかった。しかしながら、200nm程度の段差では、モスアイとして不十分な場合があった。本実施形態のエッチング方法は、サファイア基板にモスアイ加工を施す場合の新規な課題を解決したものといえる。 The nanoscale periodic concavo-convex structure is referred to as moth eye. However, when this moth eye is processed on sapphire, sapphire is a difficult-to-cut material and can only be processed to a depth of about 200 nm. However, a step of about 200 nm may be insufficient as a moth eye. It can be said that the etching method of this embodiment has solved a novel problem in the case of performing moth-eye processing on a sapphire substrate.
尚、被加工材として、SiO2/Niからなるマスク層30を示したが、マスク層30がNiの単層であったり他の材料であってもよいことは勿論である。要は、レジストを変質させて、マスク層30とレジスト膜40のエッチング選択比を高くすればよいのである。Although the
また、プラズマエッチング装置1のバイアス出力を変化させて変質用条件とエッチング用条件とするものを示したが、アンテナ出力、ガス流量を変化させる他、例えば処理ガスを変更することで設定してもよい。要は、変質用条件は、レジストがプラズマに曝された際に変質してエッチング選択比が高くなる条件であればよい。 In addition, the change of the bias output of the
また、マスク層30としてNi層32が含まれるものを示したが、他の材料のエッチングであっても本発明を適用可能なことはいうまでもない。尚、本実施形態のサファイア基板のエッチング方法は、SiC、Si、GaAs、GaN、InP、ZnO等の基板にも適用可能である。 Although the
以上のように作製されたサファイア基板2の回折面2aに、横方向成長を利用してIII族窒化物半導体をエピタキシャル成長させ(半導体形成工程)、各電極を形成し、裏面に誘電体多層膜24及びAl層26を形成した後(多層膜形成工程)、ダイシングにより複数の発光素子1に分割することにより、発光素子1が製造される。 A group III nitride semiconductor is epitaxially grown on the
以上のように構成された発光素子1では、活性層14から発せられる光の光学波長より大きく、当該光のコヒーレント長より小さい周期で凸部2cが形成された回折面2aと、回折面2aにて回折した光を反射して回折面2aへ再入射させる反射部と、を備えることにより、サファイア基板2とIII族窒化物半導体層の界面にて、全反射臨界角を超える角度で入射する光についても回折作用を利用して素子外部へ光を取り出すことができる。具体的には、回折作用により透過した光を回折面2aに再入射させて、回折面2aにて再び回折作用を利用して透過させることにより、複数のモードで光を素子外部へ取り出すことができる。本実施形態については、回折作用により光を取り出していることから、散乱作用により光を取り出すものとは異質な作用効果を奏し、発光素子1の光取り出し効率を飛躍的に向上させることができる。 In the
また、本実施形態の発光素子1では、凸部2cが短い周期で形成されているので、単位面積あたりの凸部2cの数が多くなる。凸部2cがコヒーレント長の2倍を超える場合は、この凸部2cに転位の起点となる角部が存在したとしても、転位密度が小さいために発光効率には殆ど影響を与えない。しかしながら、凸部2cの周期がコヒーレント長より小さくなると、半導体積層部19のバッファ層10中の転位密度が大きくなり、発光効率の低下が顕著となる。この傾向は、周期が1μm以下となるとさらに顕著になる。尚、発光効率の低下は、バッファ層10の製法によらず発生し、MOCVD法で形成されていても、スパッタリング法で形成されていても生じる。本実施形態においては、各凸部2cの上側に転位の起点となる角部がないので、バッファ層10の形成時に当該角部を起点として転位が生じることはない。この結果、多重量子井戸活性層14においても、転位の密度が比較的小さい結晶となっており、回折面2aに凸部2cが形成されることにより、発光効率が損なわれることはない。 Moreover, in the
ここで、本願発明者らは、サファイア基板2の裏面に誘電体多層膜24を含む反射部を設けることにより、発光素子1の光取り出し効率が顕著に増大することを見いだした。反射部をAl層単体とした場合と比較して、反射率が90%以上の反射部とすることにより、光出力が20%以上向上する。サファイア基板2の裏面に誘電体多層膜24を含む反射部を設けた場合、反射部の反射率が仮に90%だとしても、Al層の反射率が約80%であるから、反射率だけを見ればたかだか約10%の向上である。そして、サファイア基板2の表面が平坦である場合は、サファイア基板2の裏面の反射率が10%程度向上したとしても、素子全体の光出力は10%程度しか向上しない。しかしながら、サファイア基板2の表面に回折面2aが形成され、回折面2a上に活性層14を含む半導体層が形成されている場合は、光出力が20%以上向上し、これは当業者の予測の範囲を超えたサファイア基板2の表面にモスアイ構造が形成された素子特有の作用効果ということができる。 Here, the inventors of the present application have found that the light extraction efficiency of the light-emitting
図8は、表面が凹凸により回折面となっているサファイア基板を使用した発光素子と、表面が平面状のサファイア基板を使用した発光素子における、順方向電流と光出力の関係を示すグラフである。データ取得にあたっては、実施例として、表面に高さ350nmの凸部を460nmの周期で形成し、裏面に誘電体多層膜及びAl層を形成したサファイア基板を使用した発光素子の試料体を作製した。また、比較例1として、表面に高さ350nmの凸部を460nmの周期で形成し、裏面にAl層のみを形成したサファイア基板を使用した発光素子の試料体を作製した。また、比較例2として、表面が平坦で裏面に誘電体多層膜及びAl層を形成したサファイア基板を使用した発光素子の試料体を作製した。また、比較例3として、表面が平坦で裏面にAl層のみを形成したサファイア基板を使用した発光素子の試料体を作製した。尚、各試料体の半導体積層部は全て同一の構成で、発光層からは450nmの波長の光が発せられるようにした。また、各試料体の誘電体多層膜は、51.6nmのZrO2と76.76nmSiO2の組み合わせでペア数を5とした。FIG. 8 is a graph showing the relationship between forward current and light output in a light-emitting device using a sapphire substrate whose surface has a diffractive surface due to unevenness and a light-emitting device using a sapphire substrate having a flat surface. . In data acquisition, as an example, a sample body of a light emitting device using a sapphire substrate in which convex portions having a height of 350 nm were formed on the surface with a period of 460 nm and a dielectric multilayer film and an Al layer were formed on the back surface was prepared. . Further, as Comparative Example 1, a sample body of a light-emitting element using a sapphire substrate in which convex portions having a height of 350 nm were formed on the surface with a period of 460 nm and only an Al layer was formed on the back surface was manufactured. Further, as Comparative Example 2, a sample body of a light-emitting element using a sapphire substrate having a flat front surface and a dielectric multilayer film and an Al layer formed on the back surface was manufactured. Moreover, as Comparative Example 3, a sample body of a light emitting element using a sapphire substrate having a flat front surface and only an Al layer formed on the back surface was manufactured. In addition, all the semiconductor lamination parts of each sample body were the same structures, and it was made for the light of a wavelength of 450 nm to be emitted from a light emitting layer. In addition, the dielectric multilayer film of each sample body had a combination of 51.6 nm ZrO 2 and 76.76 nm SiO 2 and had 5 pairs.
図8に示すように、実施例と比較例1を見ると、サファイア基板の表面を回折面とし、サファイア基板の裏面に誘電体多層膜及びAl層を形成すると、裏面にAl層のみを形成した場合と比べて光出力が大幅に増加することが理解される。尚、比較例2と比較例3からサファイア基板の表面が平坦な場合であっても光出力が増加することが理解されるが、サファイア基板の表面が回折面である場合にはこの作用が顕著となる。 As shown in FIG. 8, in the example and the comparative example 1, when the surface of the sapphire substrate is a diffraction surface and the dielectric multilayer film and the Al layer are formed on the back surface of the sapphire substrate, only the Al layer is formed on the back surface. It is understood that the light output is greatly increased compared to the case. It is understood from Comparative Examples 2 and 3 that the light output increases even when the surface of the sapphire substrate is flat, but this effect is remarkable when the surface of the sapphire substrate is a diffractive surface. It becomes.
図9は、実施例の反射部の反射率を示すグラフである。実施例では、誘電体多層膜をZrO2とSiO2の組み合わせでペア数を5とし、誘電体多層膜に重ねてAl層を形成した。図9に示すように、420nmから500nmにわたってほぼ100%の反射率が実現されている。FIG. 9 is a graph showing the reflectivity of the reflecting portion of the example. In the example, the dielectric multilayer film is a combination of ZrO 2 and SiO 2 and the number of pairs is five, and an Al layer is formed on the dielectric multilayer film. As shown in FIG. 9, a reflectance of almost 100% is realized from 420 nm to 500 nm.
図10は、表面に凹凸によるモスアイ加工が施されたサファイア基板(MPSS基板)を使用した発光素子と、表面が平面状のサファイア基板(FLAT基板)を使用した発光素子と、表面に比較的大きな凹凸加工が施されたサファイア基板(PSS基板)を使用した発光素子の、サファイア基板の裏面に誘電体多層膜及びAl層を形成した場合の光出力が、裏面にAl層のみ形成した場合と比較してどれだけ増加したかを示す表である。MPSS基板については実施例と比較例1の光出力から増加率を求め、FLAT基板については比較例2と比較例3の光出力から増加率を求めた。また、比較例4として、表面に高さ700nm、直径5000nmの凸部を6800nmの周期で形成し、裏面に誘電体多層膜及びAl層を形成したサファイア基板を使用した発光素子の試料体を作製した。また、比較例5として、表面に高さ700nm、直径5000nmの凸部を6800nmの周期で形成し、裏面にAl層のみを形成したサファイア基板を使用した発光素子の試料体を作製した。PSS基板については比較例4と比較例5の光出力から増加率を求めた。 FIG. 10 shows a light emitting device using a sapphire substrate (MPSS substrate) having a moth-eye process on the surface, a light emitting device using a flat sapphire substrate (FLAT substrate), and a relatively large surface. The light output of a light-emitting device using a sapphire substrate (PSS substrate) with concavo-convex processing when a dielectric multilayer film and an Al layer are formed on the back surface of the sapphire substrate is compared with the case where only the Al layer is formed on the back surface. It is a table showing how much has increased. For the MPSS substrate, the increase rate was obtained from the light output of the example and the comparative example 1, and for the FLAT substrate, the increase rate was obtained from the light output of the comparative example 2 and the comparative example 3. Further, as Comparative Example 4, a sample body of a light emitting element using a sapphire substrate in which convex portions having a height of 700 nm and a diameter of 5000 nm are formed on the surface with a period of 6800 nm and a dielectric multilayer film and an Al layer are formed on the back surface is manufactured. did. As Comparative Example 5, a sample body of a light-emitting element using a sapphire substrate in which convex portions having a height of 700 nm and a diameter of 5000 nm were formed on the surface with a period of 6800 nm and only an Al layer was formed on the back surface was manufactured. For the PSS substrate, the increase rate was obtained from the light output of Comparative Example 4 and Comparative Example 5.
図10に示すように、MPSS基板では光出力が26%増加しているのに対し、FLAT基板では12%の増加にとどまっている。さらに、表面に凹凸構造を有するPSS基板ではわずか2%しか増加しない。これは、PSS基板が回折作用でなく散乱作用を利用して光を取り出しているからと考えられる。 As shown in FIG. 10, the optical output of the MPSS substrate is increased by 26%, while the increase of the FLAT substrate is only 12%. Furthermore, the PSS substrate having a concavo-convex structure on the surface increases only 2%. This is presumably because the PSS substrate takes out light using a scattering action instead of a diffraction action.
図11から図13は、反射部を誘電体多層膜のみとした場合の反射率を示すグラフである。図11は、誘電体多層膜を51.6nmのZrO2と76.76nmSiO2の組み合わせでペア数を20とした場合の反射率を示している。図12は、誘電体多層膜を51.6nmのZrO2と76.76nmSiO2の組み合わせでペア数を10とした場合の反射率を示している。図13は、誘電体多層膜を51.6nmのZrO2と76.76nmSiO2の組み合わせでペア数を5とした場合の反射率を示している。FIG. 11 to FIG. 13 are graphs showing the reflectance when the reflecting portion is only a dielectric multilayer film. FIG. 11 shows the reflectance when the dielectric multilayer film is a combination of 51.6 nm ZrO 2 and 76.76 nm SiO 2 and the number of pairs is 20. FIG. 12 shows the reflectance when the dielectric multilayer film is a combination of 51.6 nm ZrO 2 and 76.76 nm SiO 2 and the number of pairs is 10. FIG. 13 shows the reflectivity when the dielectric multilayer film is a combination of 51.6 nm ZrO 2 and 76.76 nm SiO 2 and the number of pairs is five.
図11に示すように、ペア数を20とすると、400nmから510nmにわたって反射率をほぼ100%とすることができる。また、図12に示すように、ペア数を10とすると、420nmから480nmにわたって反射率をほぼ100%とすることができる。すなわち、ペア数が10以上であれば、Al層なしであっても、前記実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
一方で、図11から図13に示すように、誘電体多層膜のペア数を多くすれば誘電体多層膜が狙っている波長の反射率を向上させることができる反面、高反射率の波長域の外側で反射率が急激に低下するという不都合が生ずる。As shown in FIG. 11, when the number of pairs is 20, the reflectivity can be almost 100% from 400 nm to 510 nm. Also, as shown in FIG. 12, when the number of pairs is 10, the reflectance can be almost 100% from 420 nm to 480 nm. That is, if the number of pairs is 10 or more, the same effects as those of the embodiment can be obtained even without the Al layer.
On the other hand, as shown in FIGS. 11 to 13, if the number of pairs of dielectric multilayer films is increased, the reflectance of the wavelength targeted by the dielectric multilayer films can be improved, but the wavelength range of high reflectance is high. Inconveniently, the reflectivity rapidly decreases outside the area.
また、図13に示すように、ペア数を5とすると、反射率が90%に満たなくなる。この場合は、Al層を重ねて設けることにより、図9に示すように420nmから500nmにわたって反射率をほぼ100%とすることができ、反射率が急激に低下するという不都合を回避しつつ高い反射率を実現することができる。 Further, as shown in FIG. 13, when the number of pairs is 5, the reflectance is less than 90%. In this case, by providing the Al layer in an overlapping manner, the reflectivity can be almost 100% from 420 nm to 500 nm as shown in FIG. 9, and the high reflectivity can be avoided while avoiding the inconvenience that the reflectivity rapidly decreases. Rate can be realized.
ここで、誘電体多層膜を被覆する金属膜としてAl層以外の構成とすることも可能である。図14は、金属膜としてAgを用いた場合の反射部の反射率を示すグラフである。図14に示すように、420nmから530nmにわたってほぼ100%の反射率が実現されている。 Here, the metal film covering the dielectric multilayer film may have a configuration other than the Al layer. FIG. 14 is a graph showing the reflectivity of the reflection portion when Ag is used as the metal film. As shown in FIG. 14, a reflectance of almost 100% is realized from 420 nm to 530 nm.
図15から図18は本発明の第2の実施形態を示すものであり、図15は発光素子の模式断面図である。 15 to 18 show a second embodiment of the present invention, and FIG. 15 is a schematic cross-sectional view of a light emitting element.
図15に示すように、発光素子100は、回折面102aを有するサファイア基板102上に、III族窒化物半導体層からなる半導体積層部119が形成されたものである。III族窒化物半導体層は、バッファ層110、n型GaN層32、多重量子井戸活性層114、電子ブロック層116、p型GaN層118をサファイア基板102側からこの順に有している。p型GaN層118上にはp側電極120が形成されるとともに、n型GaN層32上にはn側電極122が形成されている。また、サファイア基板102の裏面側には、誘電体多層膜124が形成されている。さらに、誘電体多層膜124の下面にはAl層126が形成されている。 As shown in FIG. 15, the
サファイア基板102は、窒化物半導体が成長されるc面({0001})である回折面102aを有している。回折面102aには、平坦部102bと、平坦部102bに周期的に形成された複数の錐状の凹部102cと、が形成されている。各凹部102cの形状は、円錐、多角錘等の形状とすることができる。本実施形態においては、周期的に配置される各凹部102cにより、光の回折作用を得ることができる。 The
バッファ層110は、サファイア基板102の回折面102a上に形成され、GaNで構成されている。本実施形態においては、バッファ層110は、後述するn型GaN層112等よりも低温にて成長されている。また、バッファ層110は、各凹部102cに沿って周期的に形成される複数の錘状の凸部を回折面102a側に有している。 The
n型GaN層112、多重量子井戸活性層114、電子ブロック層116、p型GaN層118、p側電極120、n側電極122は、誘電体多層膜124及びAl層126は、第1の実施形態と同様の構成である。本実施形態においても、回折作用により透過した光を回折面102aに再入射させて、回折面102aにて再び回折作用を利用して透過させることにより、複数のモードで光を素子外部へ取り出すことができる。本願発明者らは、反射部として誘電体多層膜124を用いることで、発光素子100の光取り出し効率が飛躍的に向上することを見出した。 The n-
次いで、図16を参照してサファイア基板102について詳述する。図16はサファイア基板を示し、(a)が模式斜視図、(b)がB−B断面を示す模式縦断面図である。 Next, the
図16(a)に示すように、回折面102aは、平面視にて、各凹部102cの中心が正三角形の頂点の位置となるように、所定の周期で仮想の三角格子の交点に整列して形成される。各凹部102cの周期は、多重量子井戸活性層114から発せられる光の光学波長より大きく、当該光のコヒーレント長より小さくなっている。尚、ここでいう周期とは、隣接する凹部102cにおける深さのピーク位置の距離をいう。また、光学波長とは、実際の波長を屈折率で除した値を意味する。さらに、コヒーレント長とは、所定のスペクトル幅のフォトン群の個々の波長の違いによって、波の周期的振動が互いに打ち消され、可干渉性が消失するまでの距離に相当する。コヒーレント長lcは、光の波長をλ、当該光の半値幅をΔλとすると、おおよそlc=(λ2/Δλ)の関係にある。ここで、各凹部102cの周期は、多重量子井戸活性層114から発せられる光の光学波長の2倍より大きいことが好ましい。また、各凹部102cの周期は、多重量子井戸活性層114から発せられる光のコヒーレント長の半分以下であることが好ましい。As shown in FIG. 16A, the
本実施形態においては、各凹部102cの周期は、500nmである。また、III族窒化物半導体層の屈折率が2.4、サファイアの屈折率が1.8であることから、回折面102aにおけるコヒーレント長を考慮する上での屈折率はこれらの平均値の2.1となる。本実施形態においては、活性層114から発せられる光の波長は450nmであることから、回折面2aにおけるコヒーレント長を考慮する上での光学波長は214nmである。また、活性層114から発せられる光の半値幅は63nmであることから、回折面2aにおけるコヒーレント長を考慮する上での半値幅は30nmである。すなわち、当該光のコヒーレント長は1527nmであり、回折面102aの周期は、活性層114の光学波長の2倍より大きく、かつ、コヒーレント長の半分以下となっている。 In the present embodiment, the period of each
本実施形態においては、図16(b)に示すように、回折面102aの各凹部102cは、円錐状に形成される。具体的に、各凹部102cは、基端部の直径が200nmであり、深さは500nmとなっている。サファイア基板102の回折面102aは、各凹部102cの他は平坦部102bとなっており、半導体層の横方向成長が助長されるようになっている。 In the present embodiment, as shown in FIG. 16B, each
ここで、図17及び図18を参照して発光素子100用のサファイア基板102の作製方法について説明する。図17は、サファイア基板を加工する説明図であり、(a)は回折面に第1マスク層が形成された状態を示し、(b)は第1マスク層上にレジスト層が形成された状態を示し、(c)はレジスト層に選択的に電子線を照射する状態を示し、(d)はレジスト層を現像して除去した状態を示し、(e)は第2マスク層が形成された状態を示している。 Here, a method for manufacturing the
まず、図17(a)に示すように、平板状のサファイア基板102を用意し、サファイア基板102の表面に第1マスク層130を形成する。第1マスク層130は、例えばSiO2からなり、スパッタリング法、真空蒸着法、CVD法等により形成される。第1マスク層130の厚さは、任意であるが、例えば1.0μmである。First, as shown in FIG. 17A, a
例えば、マグネトロンスパッタリング装置を用いて第1マスク層130を形成する場合、Arガスを用い、高周波(RF)電源を用いることができる。具体的には、例えば、Arガスを25sccmとし、RF電源の電力を材料に応じて200〜500Wとして、600nmの第1マスク層130をサファイア基板102に堆積することができる。このとき、スパッタリングの時間は適宜調節することができる。 For example, when forming the
次いで、図17(b)に示すように、サファイア基板102の第1マスク層130上にレジスト層132を形成する。レジスト層132は、例えば、日本ゼオン社製のZEP等の電子線感光材料からなり、第1マスク層130上に塗布される。レジスト層132の厚さは、任意であるが、例えば100nmから2.0μmである。 Next, as illustrated in FIG. 17B, a resist
例えば、スピンコーティングによりレジスト層132を形成する場合、スピナーの回転数を1500rpmとして均一な膜を形成した後、180℃で4分間ベーキングを行って硬化させることにより、160〜170nmの膜厚のレジスト層132を得ることができる。具体的にレジスト層132の材料として、日本ゼオン社製のZEPと、日本ゼオン社製の希釈液ZEP−Aとを、1:1.4の割合で混合したものを用いることができる。 For example, when the resist
次に、図17(c)に示すように、レジスト層132と離隔してステンシルマスク134をセットする。レジスト層132とステンシルマスク134との間は、1.0μm〜100μmの隙間があけられる。ステンシルマスク134は、例えばダイヤモンド、SiC等の材料で形成されており、厚さは任意であるが、例えば、厚みが500nm〜100μmとされる。ステンシルマスク134は、電子線を選択的に透過する開口134aを有している。 Next, as shown in FIG. 17C, a
ここで、ステンシルマスク134は、厚みが一定の薄板状に形成されているが、例えば格子状、突条の肉厚部を設けるなどして部分的に厚みを大きくして強度を付与するようにしてもよい。本実施形態においては、ウェハ状のサファイア基板102に一括して複数の発光素子100に対応する凹部102cを作成し、III族窒化物半導体のエピタキシャル成長後にダイシングすることにより、複数の発光素子100を製造する。従って、ステンシルマスク134の肉厚部を、ダイシングブレードの通過位置に対応させて形成することが可能となっている。尚、肉厚部は、サファイア基板102側に突出しても、サファイア基板102と反対側に突出しても、さらには両側に突出してもよい。サファイア基板102側に突出する場合、肉厚部の先端をレジスト層132と当接させることにより、肉厚部にレジスト層132とのスペーサの機能を付与することができる。 Here, the
この後、図17(c)に示すように、ステンシルマスク134へ電子線を照射し、レジスト層132をステンシルマスク134の各開口134aを通過した電子線に曝す。具体的には、例えば、10〜100μC/cm2の電子ビームを用いて、ステンシルマスク134のパターンをレジスト層132に転写する。尚、電子線は、ステンシルマスク134上においてスポット状に照射されるため、実際には電子線を走査させることにより、ステンシルマスク134の全面わたって電子線を照射することとなる。レジスト層132は、ポジタイプであり、感光すると現像液に対して溶解度が増大する。尚、ネガタイプのレジスト層132を用いてもよい。ここで、レジスト層132が感光する際に、レジスト層132に含まれていた溶剤が揮発することとなるが、レジスト層132とステンシルマスク134との間に隙間があることによって揮発成分が拡散しやすくなり、揮発成分によってステンシルマスク134が汚染されることが防止できる。Thereafter, as shown in FIG. 17C, the
電子線の照射が完了した後、所定の現像液を用いてレジスト層132を現像する。これにより、図17(d)に示すように、電子線が照射された部位が現像液に溶出し、電子線が照射されてない部位が残留して、開口132aが形成される。レジスト層132として日本ゼオン社製のZEPを用いた場合、現像液として例えば酢酸アミルを用いることができる。また、現像後にリンス液にて洗浄するか否かは任意であるが、レジスト層132として日本ゼオン社製のZEPを用いた場合、リンス液として例えばIPA(イソプロピルアルコール)を用いることができる。 After the electron beam irradiation is completed, the resist
次いで、図17(e)に示すように、レジスト層132がパターンニングされた第1マスク層130上に、第2マスク層136を形成する。このようにして、第1マスク層130上に第2マスク層136を電子線照射を利用してパターンニングする。第2マスク層136は、例えばNiからなり、スパッタリング法、真空蒸着法、CVD法等により形成される。第2マスク層136の厚さは、任意であるが、例えば20nmである。第2マスク層136も、第1マスク層130と同様に、例えば、マグネトロンスパッタリング装置を用いて形成することができる。 Next, as shown in FIG. 17E, a
図18はサファイア基板を加工する説明図であり、(a)はレジスト層を完全に除去した状態を示し、(b)は第2マスク層をマスクとして第1マスク層をエッチングした状態を示し、(c)は第2マスク層を除去した状態を示し、(d)第1マスク層をマスクとして回折面をエッチングした状態を示し、(e)は第1マスク層を除去した状態を示している。 FIG. 18 is an explanatory view for processing a sapphire substrate, (a) shows a state where the resist layer is completely removed, (b) shows a state where the first mask layer is etched using the second mask layer as a mask, (C) shows a state where the second mask layer is removed, (d) shows a state where the diffraction surface is etched using the first mask layer as a mask, and (e) shows a state where the first mask layer is removed. .
図18(a)に示すように、レジスト層132を剥離液を用いて除去する。例えば、レジスト層132を剥離液中に浸し、所定時間だけ超音波を照射することにより除去することができる。具体的に、剥離液としては例えばジエチルケトンを用いることができる。また、レジスト層132除去後にリンス液にて洗浄するか否かは任意であるが、リンス液として例えばアセトン、メタノール等を用いて洗浄を行うことができる。これにより、第1マスク層130上に、ステンシルマスク134の開口134aのパターンを反転させた第2マスク層136のパターンが形成される。 As shown in FIG. 18A, the resist
次いで、図18(b)に示すように、第2マスク層136をマスクとして、第1マスク層130のドライエッチングを行う。これにより、第1マスク層130に開口130aが形成され、第1マスク層130のパターンが形成される。このとき、エッチングガスとして、第2マスク層136に比してサファイア基板102及び第1マスク層130が耐性を有するものが用いられる。例えば、第1マスク層130がSiO2で第2マスク層136がNiである場合、SF6等のフッ素系ガスを用いると、NiはSiO2に対してエッチングの選択比が100程度であることから、第1マスク層130のパターンニングを的確に行うことができる。Next, as shown in FIG. 18B, the
この後、図18(c)に示すように、第1マスク層130上の第2マスク層136を除去する。第1マスク層130がSiO2であり、第2マスク層136がNiである場合、水で希釈して1:1程度で混合した塩酸及び硝酸に浸漬したり、アルゴンガスによるドライエッチングによりNiを除去することができる。Thereafter, as shown in FIG. 18C, the
そして、図18(d)に示すように、第1マスク層130をマスクとして、サファイア基板102のドライエッチングを行う。このとき、サファイア基板102のうち第1マスク層130が除去された部位のみがエッチングガスに曝されることになるため、サファイア基板102にステンシルマスク134の各開口134aの反転パターンを転写することができる。このとき、第1マスク層130は、サファイア基板102よりも、エッチングガスへの耐性が大きいため、第1マスク層130に被覆されていない箇所を選択的にエッチングすることができる。そして、サファイア基板102のエッチング深さが所期の深さとなるところでエッチングを終了させる。本実施形態においては、エッチング初期の段階では第1マスク層130に転写された開口130aは、直径50nmであるが、エッチングが深さ方向に進行するにつれて、サイドエッチングも進行するため、最終的には基端部の直径が150nmの円錐状の凹部102cが形成されるようになっている。本実施形態においては、エッチングの進行に伴って、第1マスク層130とサファイア基板102との接点が失われて、第1マスク層130が外縁から除去されていく。ここで、エッチングガスとしては、例えば、BCl3等の塩素系ガスが用いられる。尚、サイドエッチングが進行しない第1マスク層130とエッチングガスの組合せを選択する場合は、ステンシルマスク134の開口134aの反転パターンが、各凹部102cの基端部と同一形状となるよう設計すればよい。Then, as shown in FIG. 18D, the
この後、図18(e)に示すように、所定の剥離液を用いてサファイア基板102上に残った第1マスク層130を除去する。剥離液としては、例えば、第1マスク層130にSiO2が用いられている場合は希弗酸を用いることができる。Thereafter, as shown in FIG. 18E, the
以上のように作製されたサファイア基板102の回折面102aに、横方向成長を利用してIII族窒化物半導体をエピタキシャル成長させ、各電極を形成した後に、ダイシングにより複数の発光素子100に分割することにより、発光素子100が製造される。 A group III nitride semiconductor is epitaxially grown on the
以上のように発光素子100を製造すると、サファイア基板102の回折面102aに凹部102cが形成されているものの、III族窒化物半導体層の横方向成長による平坦化の際に転位の終端が生じるので、III族窒化物半導体層にて転位の密度が比較的低い結晶が得られている。この結果、多重量子井戸活性層114においても、転位の密度が比較的低い結晶となっており、回折面102aに凹部102cが形成されることにより、発光効率が損なわれることはない。 When the
ここで、本願発明者らは、サファイア基板102の裏面に誘電体多層膜124を含む反射部を設けることにより、発光素子100の光取り出し効率が顕著に増大することを見いだした。反射部をAl層単体とした場合と比較して、反射率が90%以上の反射部とすることにより、光出力が20%以上向上する。サファイア基板102の裏面に誘電体多層膜124を含む反射部を設けた場合、反射部の反射率が仮に90%だとしても、Al層の反射率が約80%であるから、反射率だけを見ればたかだか約10%の向上である。そして、サファイア基板102の表面が平坦である場合は、サファイア基板102の裏面の反射率が10%程度向上したとしても、素子全体の光出力は10%程度しか向上しない。しかしながら、サファイア基板102の表面に回折面102aが形成され、回折面102a上に活性層114を含む半導体層が形成されている場合は、光出力が20%以上向上し、これは当業者の予測の範囲を超えたサファイア基板102の表面にモスアイ構造が形成された素子特有の作用効果ということができる。 Here, the inventors of the present application have found that the light extraction efficiency of the
尚、前記実施形態においては、回折面102aに複数の凹部102cが形成されたものを示したが、例えば図19に示すように、サファイア基板102の回折面102aに複数の角柱状の凸部202cを形成してもよい。図19の発光素子200は、図15の発光素子200の回折面202aを変更したものであり、角柱状の凸部202cが所定の周期で仮想の正方格子の交点に整列して形成される。さらに、凹部又は凸部を三角錐状、四角錐状のような多角錘状としてもよく、具体的な細部構造等についても適宜に変更可能であることは勿論である。 In the above embodiment, the
図20及び図21は本発明の第3の実施形態を示し、図20は発光素子の模式断面図である。 20 and 21 show a third embodiment of the present invention, and FIG. 20 is a schematic cross-sectional view of a light emitting device.
図20に示すように、発光素子301は、サファイア基板2の表面上に、III族窒化物半導体層からなる半導体積層部19が形成されたものである。この発光素子201は、フリップチップ型であり、サファイア基板2の裏面側から主として光が取り出される。半導体積層部19は、バッファ層10、n型GaN層12、活性層14、電子ブロック層16、p型GaN層18をサファイア基板2側からこの順に有している。p型GaN層18上にはp側電極327が形成されるとともに、n型GaN層12上にはn側電極328が形成されている。尚、サファイア基板2及び半導体積層部19の構成及び作製方法は、第1の実施形態のLED素子1と同様であるのでここでは詳述しない。 As shown in FIG. 20, the
図21は、発光素子の一部拡大模式断面図である。
この発光素子301においては、p側電極327及びn側電極328が反射部をなしている。FIG. 21 is a partially enlarged schematic cross-sectional view of the light emitting element.
In the
図21に示すように、p側電極327は、p型GaN層18上に形成される拡散電極321と、拡散電極321上の所定領域に形成される誘電体多層膜322と、誘電体多層膜322上に形成される金属層としての金属電極323とを有している。拡散電極321は、導電性酸化物からなり、p型GaN層18に全面的に形成され、例えばITO(Indium Tin Oxide)等の透明材料からなる。尚、拡散電極321は、透明であればよく、例えばIZO(Indium Zinc Oxide)、ZnO、MgO等の他の導電性酸化物を用いることができる。また、誘電体多層膜322は、屈折率の異なる第1材料322aと第2材料322bのペアを複数繰り返して構成される。誘電体多層膜322は、例えば、第1材料322aをZrO2(屈折率:2.18)、第2材料322bをSiO2(屈折率:1.46)とし、ペア数を5とすることができる。尚、ZrO2とSiO2と異なる材料を用いて誘電体多層膜322を構成してもよく、例えば、AlN(屈折率:2.18)、Nb2O3(屈折率:2.4)、Ta2O3(屈折率:2.35)等を用いてもよい。金属電極323は、誘電体多層膜322を被覆し、例えばAg−Pd−Cu系等の複数の金属元素からなる合金材料や、例えばAl、Ag等の単一元素からなる純金属材料からなる。金属電極323は、誘電体多層膜325に形成されたビアホール322cを通じて拡散電極321と電気的に接続されている。As shown in FIG. 21, the p-
図21に示すように、n側電極328は、p型GaN層18からn型GaN層12をエッチングして、露出したn型GaN層12上に形成される。n側電極328は、n型GaN層12上に形成される拡散電極324と、拡散電極324上の所定領域に形成される誘電体多層膜325と、誘電体多層膜325上に形成される金属層としての金属電極326とを有している。拡散電極324は、導電性酸化物からなり、n型GaN層12に全面的に形成され、例えばITO(Indium Tin Oxide)等の透明材料からなる。尚、拡散電極321は、透明であればよく、例えばIZO(Indium Zinc Oxide)、ZnO、MgO等の他の導電性酸化物を用いることができる。また、誘電体多層膜325は、屈折率の異なる第1材料325aと第2材料325bのペアを複数繰り返して構成される。誘電体多層膜325は、例えば、第1材料325aをZrO2(屈折率:2.18)、第2材料325bをSiO2(屈折率:1.46)とし、ペア数を5とすることができる。尚、ZrO2とSiO2と異なる材料を用いて誘電体多層膜325を構成してもよく、例えば、AlN(屈折率:2.18)、Nb2O3(屈折率:2.4)、Ta2O3(屈折率:2.35)等を用いてもよい。金属電極326は、誘電体多層膜325を被覆し、例えばAg−Pd−Cu系等の複数の金属元素からなる合金材料や、例えばAl、Ag等の単一元素からなる純金属材料からなる。金属電極326は、誘電体多層膜325に形成されたビアホール325cを通じて拡散電極324と電気的に接続されている。As shown in FIG. 21, the n-
各ビアホール322c,325cは、平面視にて、各ビアホール322c,325cの中心が正三角形の頂点の位置となるように、所定の周期で仮想の三角格子の交点に整列して形成される。尚、各ビアホール322c,325cの配列は任意であり、例えば、所定の周期で仮想の正方格子の交点に整列して形成してもよい。また、各ビアホール322c,325cの平面視形状も任意であるが、例えば円形である。 Each via
以上のように構成された発光素子301では、活性層14から発せられる光の光学波長より大きく、当該光のコヒーレント長より小さい周期で凸部2cが形成された回折面2aと、回折面2aにて回折した光を反射して回折面2aへ再入射させる反射部と、を備えることにより、サファイア基板2とIII族窒化物半導体層の界面にて、全反射臨界角を超える角度で入射する光についても回折作用を利用して素子外部へ光を取り出すことができる。具体的には、回折作用により反射した光を回折面2aに再入射させて、回折面2aにて再び回折作用を利用して透過させることにより、複数のモードで光を素子外部へ取り出すことができる。本実施形態については、回折作用により光を取り出していることから、散乱作用により光を取り出すものとは異質な作用効果を奏し、発光素子301の光取り出し効率を飛躍的に向上させることができる。 In the
また、本実施形態の発光素子301では、凸部2cが短い周期で形成されているので、単位面積あたりの凸部2cの数が多くなる。凸部2cがコヒーレント長の2倍を超える場合は、この凸部2cに転位の起点となる角部が存在したとしても、転位密度が小さいために発光効率には殆ど影響を与えない。しかしながら、凸部2cの周期がコヒーレント長より小さくなると、半導体積層部19のバッファ層10中の転位密度が大きくなり、発光効率の低下が顕著となる。この傾向は、周期が1μm以下となるとさらに顕著になる。尚、発光効率の低下は、バッファ層10の製法によらず発生し、MOCVD法で形成されていても、スパッタリング法で形成されていても生じる。本実施形態においては、各凸部2cの上側に転位の起点となる角部がないので、バッファ層10の形成時に当該角部を起点として転位が生じることはない。この結果、多重量子井戸活性層14においても、転位の密度が比較的小さい結晶となっており、回折面2aに凸部2cが形成されることにより、発光効率が損なわれることはない。 Moreover, in the
ここで、本願発明者らは、半導体積層部19上に誘電体多層膜322,325を含む反射部を設けることにより、発光素子301の光取り出し効率が顕著に増大することを見いだした。反射部を金属層単体とした場合と比較して、反射率が90%以上の反射部とすることにより、光出力が30%以上向上する。半導体積層部19上に誘電体多層膜322,325を含む反射部を設けた場合、反射部の反射率が仮に90%だとしても、金属層の反射率が約80%であるから、反射率だけを見ればたかだか約10%の向上である。そして、サファイア基板2の表面が平坦である場合は、半導体積層部19上の反射率が10%程度向上したとしても、素子全体の光出力は20%程度しか向上しない。しかしながら、サファイア基板2の表面に回折面2aが形成され、回折面2a上に活性層14を含む半導体層が形成されている場合は、光出力が30%以上向上し、これは当業者の予測の範囲を超えたサファイア基板2の表面にモスアイ構造が形成された素子特有の作用効果ということができる。 Here, the inventors of the present application have found that the light extraction efficiency of the
また、誘電体多層膜322,325は導電性を有していないため、誘電体多層膜322,325にビアホール322c,325cを形成して金属電極323,326を半導体積層部19側と接触させた。このとき、金属電極323,326を半導体積層部19に直接的に接触させると、当該接触部分に電流が集中してしまい、活性層14の発光面積が小さくなるおそれがある。しかし、半導体積層部19上に電流拡散用の拡散電極321,324を形成し、拡散電極321,324に金属電極323,326を接触させたので、電流が接触部分に集中するようなことはない。 In addition, since the
一方、拡散電極321,324を設けたので、拡散電極321,324により光が吸収されてしまうという新たな課題を生ずる。この課題は、拡散電極321,324として透明の導電性酸化物を用いることで解決される。すなわち、拡散電極321,324を透明とすることにより、拡散電極321,324による光の吸収を最小限とすることができる。これにより、拡散電極321,324の吸収を考慮しても、各電極327,328の反射率を90%以上とすることができる。 On the other hand, since the
ここで、拡散電極321,324の半導体積層部19との接触抵抗を、金属電極323,326との接触部分の直下よりも、誘電体多層膜322,325の形成領域の直下の方が相対的に高くなるようにすることができる。これにより、誘電体多層膜322,325の形成領域の直下に優先的に電流が流れるようにし、誘電体多層膜322,325の形成領域の直下にて活性層14の発光量を相対的に増大させることができる。この結果、活性層14が一様に発光する場合と比べて、誘電体多層膜322,325の形成領域に入射する光量を増大させることができ、効率的に光を取り出すことができる。 Here, the contact resistance of the
ここで、拡散電極321,324の半導体積層部19との接触抵抗を、金属電極323,326との接触部分の直下よりも、誘電体多層膜322,325の形成領域の直下の方が相対的に高くなるようにする方法としては、各ビアホール322c,325cを有する誘電体多層膜322,325を拡散電極321,324上に形成し、誘電体多層膜322,325をマスクとして、拡散電極321,324の露出部分を変質させることが考えられる。具体的には、金属電極323,326の形成にスパッタリング法が用いられる場合、金属電極323,326を誘電体多層膜322,325上にスパッタリング法により成膜しつつ、スパッタリング時にプラズマ化したAg等の金属電極323,326の材料をビアホール322c,325cを通じて拡散電極321,324に作用させて高抵抗化させることができる。 Here, the contact resistance of the
尚、前記実施形態においては、p側電極327とn側電極328の両方に誘電体多層膜を形成したものを示したが、少なくとも一方に誘電体多層膜が形成されていればよい。いずれか一方に誘電体多層膜を形成するのであれば、平面視の面積が比較的大きいp側電極327に誘電体多層膜を形成することが好ましい。 In the above-described embodiment, the dielectric multilayer film is formed on both the p-
図22は、表面に凹凸によるモスアイ加工が施されたサファイア基板(MPSS基板)を使用したフリップチップタイプの発光素子と、表面が平面状のサファイア基板(FLAT基板)を使用したフリップチップタイプの発光素子の、半導体積層部上に誘電体多層膜及び金属層を形成した場合の光出力が、半導体積層部上に金属層のみ形成した場合と比較してどれだけ増加したかを示す表である。MPSS基板の凸部と、誘電多層膜は前述のフェイスアップタイプのものと同様とした。また、金属層をAg−Pd−Cu系の合金材料とした。 FIG. 22 shows a flip-chip type light emitting element using a sapphire substrate (MPSS substrate) whose surface has been subjected to moth-eye processing by unevenness, and a flip-chip type light emission using a flat sapphire substrate (FLAT substrate). It is a table | surface which shows how much the optical output at the time of forming a dielectric multilayer film and a metal layer on a semiconductor laminated part of an element increased compared with the case where only a metal layer is formed on a semiconductor laminated part. The convex portion of the MPSS substrate and the dielectric multilayer film were the same as those of the face-up type described above. The metal layer was made of an Ag—Pd—Cu alloy material.
図22に示すように、MPSS基板では光出力が31%増加しているのに対し、FLAT基板では21%の増加にとどまっている。また、回折作用でなく散乱作用を利用して光を取り出すPSS基板においては、増加率は10%以下となると予想される。 As shown in FIG. 22, the optical output of the MPSS substrate is increased by 31%, while the increase of the FLAT substrate is only 21%. In addition, the increase rate is expected to be 10% or less in the PSS substrate that extracts light by utilizing the scattering action instead of the diffraction action.
図23は、誘電体多層膜に重ねて金属層を形成した場合の反射率を示すグラフである。実線が拡散電極の光の吸収を考慮しないグラフ、破線が拡散電極の光の吸収を考慮したグラフである。ここでは、誘電体多層膜をZrO2とSiO2の組み合わせでペア数を5とし、誘電体多層膜に重ねる金属層をAgとし、拡散電極をITOとした。図23に示すように、拡散電極の光の吸収を考慮しなければ、420nmから530nmにわたってほぼ100%の反射率が実現されている。拡散電極の光の吸収を考慮したとしても、400nmから570nmにわたって90%以上の反射率が実現されている。FIG. 23 is a graph showing the reflectance when a metal layer is formed over a dielectric multilayer film. The solid line is a graph that does not consider the light absorption of the diffusion electrode, and the broken line is a graph that considers the light absorption of the diffusion electrode. Here, the dielectric multilayer film is a combination of ZrO 2 and SiO 2 , the number of pairs is 5, the metal layer overlapping the dielectric multilayer film is Ag, and the diffusion electrode is ITO. As shown in FIG. 23, if the light absorption of the diffusion electrode is not taken into consideration, a reflectance of almost 100% is realized from 420 nm to 530 nm. Even considering light absorption of the diffusion electrode, a reflectance of 90% or more is realized from 400 nm to 570 nm.
図24から図26は、反射部を誘電体多層膜のみとした場合の反射率を示すグラフである。実線が拡散電極の光の吸収を考慮しないグラフ、破線が拡散電極の光の吸収を考慮したグラフである。図24は、誘電体多層膜を51.6nmのZrO2と76.76nmSiO2の組み合わせでペア数を20とした場合の反射率を示している。図25は、誘電体多層膜を51.6nmのZrO2と76.76nmSiO2の組み合わせでペア数を10とした場合の反射率を示している。図26は、誘電体多層膜を51.6nmのZrO2と76.76nmSiO2の組み合わせでペア数を5とした場合の反射率を示している。FIG. 24 to FIG. 26 are graphs showing the reflectance when the reflecting portion is only a dielectric multilayer film. The solid line is a graph that does not consider the light absorption of the diffusion electrode, and the broken line is a graph that considers the light absorption of the diffusion electrode. FIG. 24 shows the reflectance when the dielectric multilayer film is a combination of 51.6 nm ZrO 2 and 76.76 nm SiO 2 and the number of pairs is 20. FIG. 25 shows the reflectance when the dielectric multilayer film is a combination of 51.6 nm ZrO 2 and 76.76 nm SiO 2 and the number of pairs is 10. FIG. 26 shows the reflectance when the dielectric multilayer film is a combination of 51.6 nm ZrO 2 and 76.76 nm SiO 2 and the number of pairs is 5.
図24に示すように、ペア数を20とすると、拡散電極の光の吸収を考慮しなければ、400nmから530nmにわたって反射率をほぼ100%とすることができる。拡散電極の光の吸収を考慮したとしても、400nmから530nmにわたって90%以上の反射率が実現されている。 As shown in FIG. 24, when the number of pairs is 20, the reflectance can be almost 100% from 400 nm to 530 nm without considering the light absorption of the diffusion electrode. Even considering light absorption of the diffusion electrode, a reflectance of 90% or more is realized from 400 nm to 530 nm.
また、図25に示すように、ペア数を10とすると、拡散電極の光の吸収を考慮しなければ、420nmから510nmにわたって反射率をほぼ100%とすることができる。拡散電極の光の吸収を考慮したとしても、400nmから530nmにわたって90%以上の反射率が実現されている。すなわち、ペア数が10以上であれば、金属層なしであっても、前記実施形態と同様の作用効果を得ることができる。 As shown in FIG. 25, when the number of pairs is 10, the reflectance can be almost 100% from 420 nm to 510 nm without considering the light absorption of the diffusion electrode. Even considering light absorption of the diffusion electrode, a reflectance of 90% or more is realized from 400 nm to 530 nm. That is, if the number of pairs is 10 or more, the same effects as those of the embodiment can be obtained even without a metal layer.
図24から図26に示すように、誘電体多層膜のペア数を多くすれば誘電体多層膜が狙っている波長の反射率を向上させることができる反面、高反射率の波長域の外側で反射率が急激に低下するという不都合が生ずる。図26に示すように、ペア数を5とすると、拡散電極の有無にかかわらず、反射率が90%に満たなくなる。この場合は、金属層を重ねて設けることにより、図23のグラフのように、反射率が急激に低下するという不都合を回避しつつ高い反射率を実現することができる。 As shown in FIGS. 24 to 26, if the number of pairs of dielectric multilayer films is increased, the reflectance of the wavelength targeted by the dielectric multilayer films can be improved, but on the outside of the high reflectance wavelength range. There arises an inconvenience that the reflectivity rapidly decreases. As shown in FIG. 26, when the number of pairs is 5, the reflectance is less than 90% regardless of the presence or absence of the diffusion electrode. In this case, by providing the metal layer in an overlapping manner, it is possible to achieve a high reflectance while avoiding the disadvantage that the reflectance rapidly decreases as shown in the graph of FIG.
図27は、反射部を金属層のみとした場合の反射率を示すグラフである。図27は、金属層をAg−Pd−Cu系の合金材料とした場合の反射率を示している。図27に示すように、反射部を金属層のみとすると、全域にわたって反射率が90%に満たなくなる。 FIG. 27 is a graph showing the reflectance when the reflective part is made of only a metal layer. FIG. 27 shows the reflectance when the metal layer is made of an Ag—Pd—Cu alloy material. As shown in FIG. 27, when the reflection portion is only a metal layer, the reflectance is less than 90% over the entire area.
図28は、誘電体多層膜に形成されるビアホールのピッチと光出力の関係を示すグラフである。ここで、データ取得に用いた試料体では、各ビアホールの径は10μmとし、各ビアホールを三角格子状に整列して形成した。図28に示すように、ピッチを20μm,30μm,40μmとしたところ、誘電体多層膜(DBR)を形成しない素子と比較して光出力が大きくなった。尚、図28においては、誘電体多層膜を形成しない素子の光出力を、「DBR無」の破線で示している。すなわち、ビアホールのピッチが20μm以上40μm以下であれば、光出力の向上を図ることができる。 FIG. 28 is a graph showing the relationship between the pitch of via holes formed in the dielectric multilayer film and the light output. Here, in the sample body used for data acquisition, the diameter of each via hole was 10 μm, and each via hole was formed in a triangular lattice pattern. As shown in FIG. 28, when the pitch was set to 20 μm, 30 μm, and 40 μm, the light output was larger than that of an element that did not form a dielectric multilayer film (DBR). In FIG. 28, the light output of the element not forming the dielectric multilayer film is indicated by a broken line “without DBR”. That is, if the via hole pitch is 20 μm or more and 40 μm or less, the light output can be improved.
図29は、誘電体多層膜を設けた発光素子と設けない発光素子の、電流と電圧の関係を示すグラフである。尚、誘電体多層膜を設けた発光素子は、半導体積層部上にITOからなる拡散電極を形成し、拡散電極上にZrO2とSiO2の組み合わせの誘電体多層膜を形成し、誘電体多層膜上にAg−Pd−Cu系の金属電極を形成し、金属電極が誘電体多層膜に形成されたビアホールを通じて拡散電極と接触するようにした。ここで、ビアホールの径は10μm、ビアホールのピッチは20μmとした。また、誘電体多層膜を設けない発光素子は、半導体積層部上にITOからなる拡散電極を形成し、拡散電極上にAg−Pd−Cu系の金属電極を形成した。図29に示すように、誘電体多層膜を設けたとしても、駆動電圧はほとんど上がらない。すなわち、このフリップチップタイプの発光素子は、駆動電圧を上昇させることなく、反射部を誘電体多層膜と金属層の組み合わせとして、光取り出し効率が飛躍的に増大している。FIG. 29 is a graph showing the relationship between current and voltage for light emitting elements with and without a dielectric multilayer film. In the light emitting device provided with the dielectric multilayer film, a diffusion electrode made of ITO is formed on the semiconductor laminated portion, and a dielectric multilayer film of a combination of ZrO 2 and SiO 2 is formed on the diffusion electrode. An Ag—Pd—Cu-based metal electrode was formed on the film, and the metal electrode was brought into contact with the diffusion electrode through a via hole formed in the dielectric multilayer film. Here, the diameter of the via holes was 10 μm, and the pitch of the via holes was 20 μm. Further, in the light emitting element not provided with the dielectric multilayer film, a diffusion electrode made of ITO was formed on the semiconductor laminated portion, and an Ag—Pd—Cu based metal electrode was formed on the diffusion electrode. As shown in FIG. 29, even if a dielectric multilayer film is provided, the drive voltage hardly increases. That is, in this flip-chip type light emitting element, the light extraction efficiency is dramatically increased by using the reflection portion as a combination of the dielectric multilayer film and the metal layer without increasing the driving voltage.
本発明の半導体発光素子及びその製造方法は、光取り出し効率を向上させることができるので、産業上有用である。 Since the semiconductor light emitting device and the method for manufacturing the same according to the present invention can improve the light extraction efficiency, they are industrially useful.
1 発光素子
2 サファイア基板
2a 回折面
2b 平坦部
2c 凸部
2d 側面
2e 湾曲部
2f 上面
10 バッファ層
12 n型GaN層
14 多重量子井戸活性層
16 電子ブロック層
18 p型GaN層
20 p側電極
22 n側電極
24 誘電体多層膜
24a 第1材料
24b 第2材料
26 Al層
30 マスク層
31 SiO2層
32 Ni層
40 レジスト膜
41 凹凸構造
42 残膜
43 凸部
50 モールド
51 凹凸構造
91 プラズマエッチング装置
92 基板保持台
93 容器
94 コイル
95 電源
96 石英板
97 冷却制御部
98 プラズマ
100 発光素子
102 サファイア基板
102a 回折面
102b 平坦部
102c 凹部
110 バッファ層
112 n型GaN層
114 多重量子井戸活性層
116 電子ブロック層
118 p型GaN層
120 p側電極
122 n側電極
124 誘電体多層膜
130 第1マスク層
130a 開口
132 レジスト層
132a 開口
134 ステンシルマスク
134a 開口
136 第2マスク層
200 発光素子
202 サファイア基板
202a 回折面
202c 凸部
301 LED素子
321 拡散電極
322 誘電体多層膜
322a 第1材料
322b 第2材料
322c ビアホール
323 金属電極
324 拡散電極
325 誘電体多層膜
325a 第1材料
325b 第2材料
325c ビアホール
326 金属電極
327 p側電極
328 n側電極DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Light emitting element 2 Sapphire substrate 2a Diffraction surface 2b Flat part 2c Protrusion part 2d Side surface 2e Curved part 2f Upper surface 10 Buffer layer 12 n-type GaN layer 14 Multiple quantum well active layer 16 Electron block layer 18 p-type GaN layer 20 p side electrode 22 n-side electrode 24 dielectric multilayer film 24a first material 24b second material 26 Al layer 30 mask layer 31 SiO 2 layer 32 Ni layer 40 resist film 41 concavo-convex structure 42 remaining film 43 convex part 50 mold 51 concavo-convex structure 91 plasma etching apparatus 92 Substrate holder 93 Container 94 Coil 95 Power supply 96 Quartz plate 97 Cooling control part 98 Plasma 100 Light emitting element 102 Sapphire substrate 102a Diffractive surface 102b Flat part 102c Concave part 110 Buffer layer 112 n-type GaN layer 114 Multiple quantum well active layer 116 Electronic block Layer 118 p-type GaN layer 120 p-side electrode 122 n-side electrode 124 dielectric multilayer film 130 first mask layer 130a opening 132 resist layer 132a opening 134 stencil mask 134a opening 136 second mask layer 200 light emitting element 202 sapphire substrate 202a diffraction surface 202c convex Part 301 LED element 321 Diffusion electrode 322 Dielectric multilayer 322a First material 322b Second material 322c Via hole 323 Metal electrode 324 Diffusion electrode 325 Dielectric multilayer 325a First material 325b Second material 325c Via hole 326 Metal electrode 327 P side electrode 328 n-side electrode
Claims (9)
前記半導体積層部が表面上に形成されるサファイア基板と、を備え、
前記サファイア基板の表面には、前記発光層から発せられる光の光学波長より大きくコヒーレント長より小さい周期で凹部又は凸部が形成され、
誘電体多層膜を含み、前記発光層から発せられる光の波長域で反射率が90%以上である反射部を有する半導体発光素子。A semiconductor laminate including a light emitting layer;
A sapphire substrate on which the semiconductor laminate is formed, and
On the surface of the sapphire substrate, concave portions or convex portions are formed with a period larger than the optical wavelength of the light emitted from the light emitting layer and smaller than the coherent length,
A semiconductor light-emitting element including a reflective portion including a dielectric multilayer film and having a reflectance of 90% or more in a wavelength region of light emitted from the light-emitting layer.
前記半導体積層部上に形成された透明な拡散電極を有し、
前記反射部は、
前記拡散電極上の一部に形成された誘電体多層膜と、
前記誘電体多層膜を被覆し、前記誘電体多層膜が形成されていない部分にて前記拡散電極と接触する金属電極と、を有する請求項1に記載の半導体発光素子。The semiconductor light emitting device is a flip chip type,
Having a transparent diffusion electrode formed on the semiconductor laminate,
The reflective portion is
A dielectric multilayer formed on a part of the diffusion electrode;
The semiconductor light emitting element according to claim 1, further comprising: a metal electrode that covers the dielectric multilayer film and contacts the diffusion electrode in a portion where the dielectric multilayer film is not formed.
前記金属電極は、前記ビアホールを通じて前記拡散電極と接触する請求項2に記載の半導体発光素子。In the dielectric multilayer film, a plurality of via holes are formed at predetermined intervals,
The semiconductor light emitting device according to claim 2, wherein the metal electrode is in contact with the diffusion electrode through the via hole.
前記複数のビアホールを有する前記誘電体多層膜を前記拡散電極上に形成し、
前記誘電体多層膜をマスクとして、前記拡散電極の露出部分を変質させて、前記拡散電極の前記半導体積層部との接触抵抗を変化させる半導体発光素子の製造方法。In manufacturing the semiconductor light emitting device according to claim 5,
Forming the dielectric multilayer film having the plurality of via holes on the diffusion electrode;
A method of manufacturing a semiconductor light emitting device, wherein the exposed portion of the diffusion electrode is altered using the dielectric multilayer film as a mask to change the contact resistance of the diffusion electrode with the semiconductor laminated portion.
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