JP2005354020A - Semiconductor light emitting device manufacturing method and semiconductor light emitting device - Google Patents
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Abstract
【課題】 光の取り出し効率が極めて高い半導体発光素子製造方法および半導体発光素子の提供を課題とする。
【解決手段】 本発明においては、光の平均光学波長の2倍以下の周期で形成された周期構造A1を半導体発光素子10の光の取り出し面に形成することにより、光の取り出し面における屈折率の差を緩和することができる。従って、光の取り出し面における反射を防止することができ、高い光の取り出し効率を実現することができる。さらに、Au薄膜を加熱することにより微細な周期マスクを形成することができるため、周期構造A1を簡易かつ安価に形成することができる。
【選択図】 図7PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor light emitting device manufacturing method and a semiconductor light emitting device with extremely high light extraction efficiency.
In the present invention, a refractive index on a light extraction surface is formed by forming a periodic structure A1 formed on a light extraction surface of a semiconductor light-emitting element 10 with a period equal to or less than twice the average optical wavelength of light. The difference can be eased. Therefore, reflection on the light extraction surface can be prevented, and high light extraction efficiency can be realized. Furthermore, since the fine periodic mask can be formed by heating the Au thin film, the periodic structure A1 can be formed easily and inexpensively.
[Selection] Figure 7
Description
本発明は、半導体発光素子製造方法および半導体発光素子に関し、特に基板上に少なくともn型半導体層とp型半導体層とからなる発光部を積層してなる半導体発光素子製造方法および半導体発光素子に関する。 The present invention relates to a semiconductor light emitting device manufacturing method and a semiconductor light emitting device, and more particularly, to a semiconductor light emitting device manufacturing method and a semiconductor light emitting device in which a light emitting portion composed of at least an n-type semiconductor layer and a p-type semiconductor layer is stacked on a substrate.
従来、この種の半導体発光素子として、低温堆積緩衝層(1986年 H. Amano, N. Sawaki, I. Akasaki and Y. Toyoda: Appl. Phys. Lett.,48 (1986) 353)を形成したものが提案されている。また、p型伝導性制御 (1989年 H. Amano, M. Kito, K. Hiramatsu and I. Akasaki: Jpn. J. Appl. Phys. 28 (1989) L2112) やn型伝導性制御(1991年 H. Amano and I. Akasaki: Mat. Res. Soc. Ext, Abst., EA-21 (1991) 165)を適用した半導体発光素子も提案されている。さらに、高効率発光層の作製法 (1991年 N. Yoshimoto, T. Matsuoka, T. Sasaki and A. Katsui, Appl. Phys. Lett., 59(1991)2251)を適用して作成された半導体発光素子も提案されている。 Conventionally, a low-temperature deposition buffer layer (1986 H. Amano, N. Sawaki, I. Akasaki and Y. Toyoda: Appl. Phys. Lett., 48 (1986) 353) was formed as this type of semiconductor light emitting device. Has been proposed. In addition, p-type conductivity control (1989 H. Amano, M. Kito, K. Hiramatsu and I. Akasaki: Jpn. J. Appl. Phys. 28 (1989) L2112) and n-type conductivity control (1991 H Amano and I. Akasaki: Mat. Res. Soc. Ext, Abst., EA-21 (1991) 165) has also been proposed. Furthermore, a semiconductor light emitting device created by applying a method for producing a highly efficient light emitting layer (1991 N. Yoshimoto, T. Matsuoka, T. Sasaki and A. Katsui, Appl. Phys. Lett., 59 (1991) 2251). Devices have also been proposed.
上記の技術を適用した半導体発光素子の一例として3族窒化物半導体発光素子の構成を図13に示す。同図において、3族窒化物半導体発光素子1はサファイア基板2を備えており、同サファイア基板2上に低温堆積緩衝層3が積層されている。そして、低温堆積緩衝層3上にn−GaNクラッド層4とGaInN発光層5とp−AlGaN障壁層6とp−GaNコンタクト層7とが順に積層されている。さらに、最上層のp−GaNコンタクト層7上にp−電極8を積層し、n−GaN層上にn−電極9を積層することにより、3族窒化物半導体発光素子1が形成されている。
FIG. 13 shows a configuration of a group III nitride semiconductor light emitting device as an example of a semiconductor light emitting device to which the above technique is applied. In FIG. 1, a
以上のような構造の半導体発光素子に代表される3族窒化物半導体発光素子においては、青色、緑色および白色の発光を高輝度で実現することが可能であった。また、例えばAlGaInPやAlGaAsなど他の種類の半導体発光素子についても、適合した格子定数を有する基板を使用することにより、ほぼ同じような層構造を構成することが可能であり、高い発光効率を実現することが可能である。 In the group III nitride semiconductor light emitting device represented by the semiconductor light emitting device having the above structure, it is possible to realize blue, green and white light emission with high luminance. In addition, for other types of semiconductor light-emitting devices such as AlGaInP and AlGaAs, it is possible to construct almost the same layer structure by using a substrate having a suitable lattice constant, realizing high luminous efficiency. Is possible.
このように高い発光効率を有する半導体発光素子であっても、半導体発光素子外への光の取り出し効率が低ければ、半導体発光素子全体としてのエネルギー変換効率も低いものとなる。従って、光の取り出し効率の向上が重要な課題となっていた。光の取り出し効率が低い要因の一つとして、半導体の屈折率が空気の屈折率より大きいことが挙げられる。半導体の屈折率が空気の屈折率より大きいことにより、発光層で発光した光の大多数が全反射し、半導体発光素子の内部に閉じこめられてしまうからである。 Even in such a semiconductor light emitting device having high light emission efficiency, if the light extraction efficiency to the outside of the semiconductor light emitting device is low, the energy conversion efficiency of the semiconductor light emitting device as a whole is low. Therefore, improvement of light extraction efficiency has been an important issue. One factor of low light extraction efficiency is that the refractive index of the semiconductor is larger than the refractive index of air. This is because when the refractive index of the semiconductor is larger than the refractive index of air, the majority of the light emitted from the light emitting layer is totally reflected and confined inside the semiconductor light emitting element.
これに対して、半導体発光素子の屈折率と空気の屈折率との中間の屈折率を有するエポキシ樹脂等によって半導体発光素子をモールドする手法が一般的に知られている(例えば 、非特許文献1、参照。)。また、半導体発光素子の表層にピーク周期500nm以上の突起を多数形成することにより、光の取り出し効率の向上させたものが知られている(例えば、特許文献1、参照。)。 前者の構成によれば、半導体発光素子と空気との極端な屈折率の差を緩和することができるため、全反射を低減し、光の取り出し効率を向上させることが可能であった。一方、後者の構成においては、発光した光を凹凸により拡散反射させ、取り出すことができるため、光の取り出し効率を向上させることが可能であった。
しかしながら、前者の構成においては、界面における屈折率の格差が完全には解消されないため、界面における全反射を完全に防止することができなかった。また、後者の半導体発光素子においては、光の入射角によっては光を外部に拡散させることができなかったり、拡散反射によりエネルギーが減衰したりするため、飛躍的な取り出し効率の向上が実現されるには至っていなかった。また、後者において多数の突起の形成周期を正確に制御することは困難であり、コストも増大するという課題があった。
本発明は、上記課題にかんがみてなされたもので、光の取り出し効率が極めて高い半導体発光素子製造方法および半導体発光素子の提供を目的とする。
However, in the former configuration, since the difference in refractive index at the interface is not completely eliminated, total reflection at the interface cannot be completely prevented. Further, in the latter semiconductor light emitting device, light cannot be diffused to the outside depending on the incident angle of light, or energy is attenuated by diffuse reflection, so that a drastic improvement in extraction efficiency is realized. It was not reached. Further, in the latter, it is difficult to accurately control the formation period of a large number of protrusions, and there is a problem that the cost increases.
The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a method for manufacturing a semiconductor light emitting device and a semiconductor light emitting device with extremely high light extraction efficiency.
上記目的を達成するため、請求項1にかかる発明では、基板上に少なくともn型半導体層とp型半導体層とからなる発光部を積層してなる半導体発光素子を作成する半導体発光素子製造方法において、 In order to achieve the above object, according to a first aspect of the present invention, there is provided a semiconductor light emitting device manufacturing method for producing a semiconductor light emitting device in which a light emitting portion composed of at least an n type semiconductor layer and a p type semiconductor layer is laminated on a substrate. ,
平均周期が上記発光部にて発光される光の平均光学波長の2倍以下となる周期状のパターンを有する周期マスクを形成するマスク形成工程と、同周期マスクを用いて平均周期が上記平均光学波長の2倍以下となる周期状の周期構造を形成する周期構造形成工程とを具備する構成としてある。 A mask forming step of forming a periodic mask having a periodic pattern in which an average period is equal to or less than twice an average optical wavelength of light emitted from the light-emitting unit; And a periodic structure forming step for forming a periodic structure having a periodicity that is twice or less the wavelength.
上記のように構成した請求項1の発明において、基板上に少なくともn型半導体層とp型半導体層とからなる発光部を積層することにより、発光可能な半導体発光素子を製造することができる。マスク形成工程においては上記発光部にて発光される光の平均光学波長の2倍以下の平均周期となる周期状のパターンを有する周期マスクが形成される。周期構造形成工程においては、上記周期マスクを用いて上記平均光学波長の2倍の平均周期を有する周期構造を形成する。ここで、周期構造形成工程においては上記周期マスクを使用して上記周期構造を形成すればよく、上記周期マスク以外の部分を選択的に積層する手法や、上記周期マスク以外の部分を選択的に除去する手法等を適用することができる。
In the invention of
また、上記周期構造形成工程の具体例として、請求項2にかかる発明では、上記周期構造形成工程は、上記周期マスクをエッチングレジストとしてエッチングを行うエッチング工程を具備する構成としてある。
上記のように構成した請求項2の発明において、上記周期構造形成工程は、上記周期マスクをエッチングレジストとしてエッチングを行う。すなわち、上記周期構造形成工程においては、上記周期マスクをエッチングレジストとしてエッチングすることにより、上記周期構造を形成するようにしてもよい。エッチングの具体的手法としては、湿式および乾式のいずれの手法を採用してもよい。
As a specific example of the periodic structure forming step, in the invention according to
In the invention of
さらに、上記周期構造形成工程の別の具体例として、請求項3にかかる発明では、上記周期構造形成工程は、上記周期マスク上に高反射性金属を蒸着する高反射性金属層形成工程を具備する構成としてある。
上記のように構成した請求項3の発明において、上記周期構造形成工程は、上記周期マスク上に高反射性金属を蒸着することにより、高反射性金属層を形成する。すなわち、上記上記周期マスクによれば、上記高反射性金属を選択的に積層させることができるため、上記高反射性金属層を周期的な形状とすることができる。
Furthermore, as another specific example of the periodic structure forming step, in the invention according to
In the invention of
一方、上記マスク形成工程の具体例として、請求項4にかかる発明では、上記マスク形成工程は、被覆材を蒸着することにより被覆層を形成する蒸着工程と、同被覆層に運動エネルギーを付与する運動エネルギー付与工程とを具備する構成としてある。
上記のように構成した請求項4の発明において、上記マスク形成工程は、蒸着工程と運動エネルギー付与工程とを具備する。上記蒸着工程においては、被覆材を蒸着することにより被覆層が形成される。一方、上記運動エネルギー付与工程では、上記蒸着工程において形成された上記被覆層に運動エネルギーが付与される。運動エネルギーが付与された上記被覆層は多数の粒に凝集することが可能となるため、同凝集した粒を周期的に配列させ上記周期マスクを形成することができる。
On the other hand, as a specific example of the mask forming step, in the invention according to
In the invention of
さらに、上記運動エネルギー付与工程の好適な一例として、請求項5にかかる発明では、上記運動エネルギー付与工程は、上記被覆層を加熱することにより上記被覆層に運動エネルギーを付与する構成としてある。
上記のように構成した請求項5の発明おいて、上記被覆層を加熱することにより上記被覆層に運動エネルギーを付与することができる。上記被覆層を加熱するにあたっては、ある程度均一に運動エネルギーを付与することが出来ればよく、種々の加熱器具を利用することができる。
Furthermore, as a suitable example of the kinetic energy application step, in the invention according to claim 5, the kinetic energy application step is configured to apply kinetic energy to the coating layer by heating the coating layer.
In the invention of claim 5 configured as described above, kinetic energy can be imparted to the coating layer by heating the coating layer. In heating the coating layer, it is only necessary to apply kinetic energy uniformly to some extent, and various heating devices can be used.
また、上記被覆材の具体例として、請求項6にかかる発明では、上記被覆材は金属である構成としてある。
上記のように構成した請求項6の発明において、上記被覆材として金属素材を適用することができる。
As a specific example of the covering material, in the invention according to claim 6, the covering material is a metal.
In the invention of claim 6 configured as described above, a metal material can be applied as the covering material.
さらに、上記被覆材の具体例として、請求項7にかかる発明では、上記被覆材はAuである構成としてある。
上記のように構成した請求項7の発明において、上記被覆材としてAuを適用することができる。
Furthermore, as a specific example of the covering material, in the invention according to
In the invention of
ところで、請求項8にかかる発明では、基板上に少なくともn型半導体層とp型半導体層とからなる発光部を積層してなる半導体発光素子において、
平均周期が上記発光部にて発光される光の平均光学波長の2倍以下となる周期状のパターンを有する周期マスクを形成し、同周期マスクを用いて平均周期が上記平均光学波長の2倍以下となる周期状の周期構造が形成される構成としてある。
By the way, in the invention according to
A periodic mask having a periodic pattern having an average period that is equal to or less than twice the average optical wavelength of the light emitted from the light emitting section is formed, and the average period is twice the average optical wavelength by using the same period mask. The following periodic structure is formed.
上記のように構成した請求項8の発明において、請求項1に記載した半導体発光素子製造方法によって作成された半導体発光素子では、上記発光部にて発光される光の平均光学波長の2倍以下の平均周期となる周期状の周期構造が形成される。異なる屈折率を有する複数層が接する界面に上記周期構造を形成することにより、同複数層の平均的な屈折率を有する層における光の挙動を同界面おいて実現することができる。すなわち、上記半導体発光素子において、上記界面における急激な屈折率の差が上記発光部にて発光した光の取り出しに悪影響を与えることを防止することができる。むろん、請求項8に記載した半導体発光素子の製造において請求項2から請求項7の半導体製造方法を適用してもよい。
In the invention of
さらに、請求項9にかかる発明では、基板上に少なくともn型半導体層とp型半導体層とからなる発光部を積層してなる半導体発光素子において、
異なる屈折率を有する複数層が接する界面において形成されるとともに、上記発光部にて発光される光の平均光学波長以下の平均周期で形成された多数の凸部で構成される周期構造を具備する構成としてある。
Furthermore, in the invention according to
It is formed at an interface where a plurality of layers having different refractive indexes are in contact with each other, and has a periodic structure composed of a number of convex portions formed with an average period equal to or less than the average optical wavelength of light emitted from the light emitting unit As a configuration.
上記のように構成した請求項9の発明において、異なる屈折率を有する複数層が接する界面において、上記発光部にて発光される光の平均光学波長以下の平均周期で形成された多数の凸部で構成される周期構造が形成される。異なる屈折率を有する複数層が接する界面に上記周期構造を形成することにより、同複数層の平均的な屈折率を有する層における光の挙動を同界面おいて実現することができる。すなわち、上記半導体発光素子において、上記界面における急激な屈折率の差が上記発光部にて発光した光の取り出しに悪影響を与えることを防止することができる。
In the invention of
また、上記周期構造の好適な構成の一例として、請求項10にかかる発明では、上記周期構造を構成する多数の上記凸部の平均高さは上記平均光学波長以上となる構成としてある。
上記のように構成した請求項10の発明において、上記周期構造を構成する多数の上記凸部の平均高さを上記平均光学波長以上とすることにより、少なくとも同凸部の形成周期よりも同凸部の高さを高く形成することができる。このように、上記凸部を高く形成することにより、同凸部の高さ方向に対してほぼ直交するように入射する光に対しても、上記複数層の平均的な屈折率を有する層における光の挙動を実現することができる。
As an example of a preferred configuration of the periodic structure, the invention according to
In the invention of
さらに、上記周期構造の好適な一例として、請求項11にかかる発明では、上記多数の凸部が形成される周期の標準偏差は、上記平均周期の20%以下である構成としてある。
上記のように構成した請求項11の発明において、上記多数の凸部が形成される周期の標準偏差を上記平均周期の20%以下とすることにより、上記周期が上記平均光学波長を上回る可能性を低減することができ、安定して光の取り出し効率を向上させることができる。
Furthermore, as a preferred example of the periodic structure, in the invention according to
In the invention of
同様に、上記周期構造の好適な一例として、請求項12にかかる発明では、上記多数の凸部の高さ標準偏差は、上記平均高さの20%以下である構成としてある。
上記のように構成した請求項12の発明において、上記多数の凸部の高さ標準偏差を上記平均高さの20%以下とすることにより、上記高さが上記平均光学波長を下回る可能性を低減することができ、安定して光の取り出し効率を向上させることができる。
Similarly, as a preferred example of the periodic structure, in the invention according to
In the invention of
さらに、上記周期構造の形成する箇所の一例として、請求項13に記載した発明では、上記周期構造は、上記基板における上記発光部が積層された側と反対側の面に形成される構成としてある。
上記のように構成した請求項13の発明において、上記基板における上記発光部が積層された側と反対側の面に上記周期構造が形成される。これにより、上記基板における上記発光部が積層された側と反対側の面と他の層との界面における屈折率の急激な変動を緩和することができる。例えば、上記基板における上記発光部が積層された側と反対側の面を外部の空気層と接するように形成した場合に、同空気層と上記基板との屈折率の差による弊害を抑制することができ、良好な光の取り出し効率を実現することができる。
Furthermore, as an example of the location where the periodic structure is formed, in the invention described in
In the invention of
また、上記周期構造の形成する箇所の一例として、請求項14に記載した発明では、上記基板と上記発光部との間には3族窒化物半導体層が積層されるとともに、
上記周期構造は、上記基板と上記3族窒化物半導体層との界面に形成される構成としてある。
上記のように構成した請求項14の発明において、上記基板と上記発光部との中間に形成される3族窒化物半導体層と、同基板との界面において上記周期構造を形成するようにしてもよい。上記3族窒化物半導体層と上記基板とでは屈折率が異なるため、本発明の効果を発揮することができる。
Further, as an example of a place where the periodic structure is formed, in the invention described in
The periodic structure is configured to be formed at the interface between the substrate and the
In the invention of
さらに、上記周期構造の形成する箇所の一例として、請求項15に記載した発明では、上記周期構造は、上記p型半導体層に形成される構成としてある。
上記のように構成した請求項15の発明において、上記p型半導体層において上記周期構造を形成するようにしてもよい。上記p型半導体層も屈折率が異なるいずれかの層と界面を接するため、上記周期構造を形成しておくことにより、光の取り出し効率を向上させることができる。
Furthermore, as an example of a location where the periodic structure is formed, in the invention described in
In the invention of
さらに、上記周期構造の形成する箇所の一例として、請求項16に記載した発明では、上記半導体発光素子の一部または全体を被覆する封止部が形成されるとともに、
上記周期構造は上記封止部の表面に形成される構成としてある。
上記のように構成した請求項16の発明において、上記半導体発光素子の一部または全体を被覆する封止部の表面に上記周期構造を形成してもよい。このようにすることにより、上記封止部と、上記封止部と界面を接する層との屈折率の差異による弊害を緩和することができる。
Furthermore, as an example of the location where the periodic structure is formed, in the invention described in
The periodic structure is configured to be formed on the surface of the sealing portion.
In the invention of
さらに、上記周期構造を構成する上記凸部の具体的形状の一例として、請求項17に記載した発明では、上記凸部は、錐体状に形成される構成としてある。
上記のように構成した請求項17の発明において、上記凸部の形状を錐体状に形成するようにしてもよい。上記凸部の形状を錐体状に形成することにより、上記周期構造における有効屈折率を徐々に変動させることができる。
Furthermore, as an example of the specific shape of the convex portion constituting the periodic structure, in the invention described in
In the invention of
さらに、上記周期構造の具体的態様の一例として、請求項18に記載した発明では、上記周期構造と界面を接して高反射性金属層が形成される構成としてある。
すなわち、上記周期構造と界面を接するように高反射性金属層が形成される。高反射性金属層によれば、高い反射率を実現することができる。この場合でも、上記周期構造によって反射率の急激な変動を緩和することができ、高反射率を実現することができる。
Furthermore, as an example of a specific aspect of the periodic structure, the invention described in
That is, a highly reflective metal layer is formed so as to contact the periodic structure and the interface. According to the highly reflective metal layer, a high reflectance can be realized. Even in this case, the above-described periodic structure can alleviate a rapid change in reflectance, and a high reflectance can be realized.
さらに、上記高反射性金属層の具体的例として、請求項19に記載した発明では、上記高反射性金属層は電極を構成する構成としてある。
上記のように構成した請求項19の発明において、上記高反射性金属層として電極を利用することができる。
Furthermore, as a specific example of the highly reflective metal layer, in the invention described in claim 19, the highly reflective metal layer constitutes an electrode.
In the invention of claim 19 configured as described above, an electrode can be used as the highly reflective metal layer.
以上説明したように、請求項1にかかる発明によれば、光の取り出し効率が極めて高い半導体発光素子の製造方法を提供することができる。
請求項2にかかる発明によれば、光の取り出し効率が極めて高い半導体発光素子を安価に製造することができる。
請求項3にかかる発明によれば、周期構造を有する高反射性金属層により高い反射率を有する半導体発光素子を製造することができる。
請求項4にかかる発明によれば、周期マスクを安価に製造することができる。
請求項5にかかる発明によれば、周期マスクを簡単に製造することができる。
As described above, according to the first aspect of the present invention, it is possible to provide a method for manufacturing a semiconductor light emitting device with extremely high light extraction efficiency.
According to the second aspect of the present invention, a semiconductor light emitting device with extremely high light extraction efficiency can be manufactured at low cost.
According to the third aspect of the invention, a semiconductor light emitting device having a high reflectance can be manufactured by the highly reflective metal layer having a periodic structure.
According to the invention of
According to the invention of claim 5, the periodic mask can be easily manufactured.
請求項6にかかる発明によれば、被覆材を金属で形成することができる。
請求項7にかかる発明によれば、被覆材をAuで形成することができる。
請求項8にかかる発明によれば、光の取り出し効率が極めて高い半導体発光素子を提供することできる。
請求項9にかかる発明によれば、光の取り出し効率が極めて高い半導体発光素子を提供することできる。
請求項10にかかる発明によれば、光の取り出し効率をより向上させることができる。
According to the invention of claim 6, the covering material can be formed of metal.
According to the invention of
According to the eighth aspect of the present invention, it is possible to provide a semiconductor light emitting device with extremely high light extraction efficiency.
According to the invention of
According to the invention of
請求項11にかかる発明によれば、光の取り出し効率を安定させることができる。
請求項12にかかる発明によれば、光の取り出し効率を安定させることができる。
請求項13にかかる発明によれば、基板から効率よく光を取り出すことができる。
請求項14にかかる発明によれば、基板と3族窒化物半導体層との界面において光が損失することを防止できる。
請求項15にかかる発明によれば、p型半導体層の界面において光が損失することを防止できる。
According to the invention of
According to the twelfth aspect of the present invention, the light extraction efficiency can be stabilized.
According to the invention of
According to the fourteenth aspect of the present invention, it is possible to prevent light from being lost at the interface between the substrate and the
According to the fifteenth aspect of the present invention, it is possible to prevent light from being lost at the interface of the p-type semiconductor layer.
請求項16にかかる発明によれば、封止部と外部との界面において光が損失することを防止できる。
請求項17にかかる発明によれば、屈折率の急激な変動を抑制することができる。
請求項18にかかる発明によれば、周期構造にて高反射率を実現することができる。
請求項19にかかる発明によれば、製造コストを低減することができる。
According to the sixteenth aspect of the present invention, it is possible to prevent light from being lost at the interface between the sealing portion and the outside.
According to the seventeenth aspect of the present invention, a rapid change in refractive index can be suppressed.
According to the eighteenth aspect of the present invention, a high reflectance can be realized with a periodic structure.
According to the nineteenth aspect of the present invention, the manufacturing cost can be reduced.
ここでは、下記の順序に従って本発明の実施形態について説明する。
(1)第一の実施形態:
(2)第二の実施形態:
(3)第三の実施形態:
(4)第四の実施形態:
(5)第五の実施形態:
(6)第六の実施形態:
(7)まとめ:
Here, embodiments of the present invention will be described in the following order.
(1) First embodiment:
(2) Second embodiment:
(3) Third embodiment:
(4) Fourth embodiment:
(5) Fifth embodiment:
(6) Sixth embodiment:
(7) Summary:
(1)第一の実施形態:
図1は、本発明の第一の実施形態にかかる3族窒化物半導体発光素子の構造を概念的に示している。同図において、半導体発光素子10はそれぞれが略板状に形成された基板11と低温堆積緩衝層 12とクラッド層13と発光層14と障壁層15とコンタクト層16とp−電極17とn−電極18とから構成されている。図において最下層を構成する板状の基板11はSiCで構成されており、その表側の面上にAlGaN(3族窒化物半導体)で構成された低温堆積緩衝層12と、n−GaNで構成されたクラッド層13と、GaInNで構成された発光層14と、p−AlGaNで構成された障壁層15と、p−GaNで構成されたコンタクト層16とが順に積層された構造となっている。さらに、最上層のコンタクト層16上に板状のp−電極17が積層されており、クラッド層13上にn−電極18が積層されている。基板11の裏側には周期的な凹凸が形成されている。なお、n−GaNで構成されたクラッド層13からp−GaNで構成されたコンタクト層16までが本発明にいう発光部を構成する。
(1) First embodiment:
FIG. 1 conceptually shows the structure of a group III nitride semiconductor light-emitting device according to the first embodiment of the present invention. In the figure, a semiconductor
図2は、基板11の裏側(発光部が積層された面と反対側の面)を斜めから見て示している。同図において、基板11の裏側から下方に向かって多数の略円錐状の凸部11a,11a,11a・・・が突出することにより、基板11の裏面が起伏形状となっている。なお、凸部11a,11a,11a・・は基板11の裏面上の二次元方向において周期的に分布しており、凸部11a,11a,11a・・・を総じて周期構造A1というものとする。凸部11a,11a,11a・・・の高さの平均は約300nmとなっており、その標準偏差は約20nmとなっている。なお、凸部11a,11a,11a・・・の高さは、凸部11a,11a,11a・・・の頂点と高さと裾の高さとの差であるものとする。凸部11a,11a,11a・・・の形成周期の平均は約200nmとなっており、同形成周期の標準偏差は約15nmとなっている。なお、隣接し合う凸部11a,11a,11a・・・の頂点の間隔を凸部11a,11a,11a・・・の形成周期あるいは周期構造A1の平均周期というものとする。
FIG. 2 shows the back side of the substrate 11 (the surface opposite to the surface on which the light emitting portions are stacked) as viewed obliquely. In the figure, a large number of substantially conical
かかる構成において、半導体発光素子10のp−電極17とn−電極18との間に順バイアス方向に電圧を付与することにより、発光層14にて発光させることができる。発光層14においては、そのバンドギャップに相応する波長光が発光される。本実施形態の発光部においては、その平均光学波長が約220nmとなる。なお、光学波長は実際の波長を屈折率で除した値を意味する。また、発光層14にて発光される光の波長は数十nmの幅の波長帯域内に分布しており、その平均値が約220nmとなっている。基板11と低温堆積緩衝層 12とクラッド層13と障壁層15とコンタクト層16は、それぞれ透光性を有しており、発光層14にて発光された光を基板11の裏側から取り出すことが可能となっている。すなわち、基板11の裏面は半導体発光素子10における光の取り出し面を構成し、この取り出し面から取り出した光を照明等に利用することが可能となっている。
In this configuration, the
発光層14にて発光された光は基板11の裏面に形成された周期構造A1を貫通し、半導体発光素子10の外部の空気中に放出される。半導体発光素子10の外部の空気と基板11を構成するSiCとでは光の屈折率が異なるため、周期構造A1と空気との界面が反射面を構成する。従って、臨界角を上回る入射角で周期構造A1と空気との界面に入射した光は、同界面にて反射し半導体発光素子10の内部に閉じこめられる場合がある。しかし、本発明においては、周期構造A1の平均周期(約200nm)が、発光した光の光学波長(約220nm)よりも小さいため、周期構造A1に到達した光の大半は空気と基板11の間の屈折率を感じることとなる。
The light emitted from the
この周期構造A1における屈折率は、周期構造A1を基板11の裏面に平行な方向にスライスしたときのスライス面に分布する空気層の面積比に応じて変化すると考えることができる。実際にはスライス面において空気と基板11のSiCとが偏って分布しているが、この偏りが平均光学波長よりも短い周期で存在しているため、大半の光は面積比に依存する平均的な屈折率を感じることとなる。周期構造A1の裾付近のスライス面においては空気層の占有面積比が小さいため、周期構造A1の裾付近の高さでは基板11の屈折率の寄与が大きい。これに対して、周期構造A1の頂点付近のスライス面においては空気層の占有面積比が大きいため、周期構造A1の頂点の高さでは空気の屈折率の寄与が大きくなる。すなわち、光が周期構造A1の高さ方向に深く進行するにしたがって、基板11の屈折率から次第に空気の屈折率に収束するような屈折率(有効屈折率)を周期構造A1が有していると考えることができる。
It can be considered that the refractive index in the periodic structure A1 changes according to the area ratio of the air layer distributed on the slice surface when the periodic structure A1 is sliced in a direction parallel to the back surface of the
周期構造A1の高さに応じた屈折率の推移は、凸部11a,11a,11a・・・の形状に依存し、例えば本実施形態のように凸部11a,11a,11a・・・の斜面が直線的であれば、屈折率が連続的な放物線状に変動すると考えることができる。従って、基板11と空気との界面を構成する周期構造A1における急激な屈折率の変化を防止することができ、周期構造A1において光が反射しないようにすることができる。ただし、凸部11a,11a,11a・・・の形状は円錐状に限られるものではなく、他の形状であっても本発明の効果を発揮することができる。すなわち、高さに応じて断面積が次第に変動する形状であればよく、例えば三角錐状や四角錐状や半球状や台形状の突起を設けるようにしてもよい。
The transition of the refractive index according to the height of the periodic structure A1 depends on the shape of the
また、本実施形態において周期構造A1の高さ(約400nm)は、光の平均光学波長(約220nm)、および、平均周期(約200nm)よりも大きいため、凸部11a,11a,11a・・・の斜面が基板11に交差する角度を比較的高い(90度に近い)角度とすることができる。従って、周期構造A1の高さを高く形成することにより、周期構造A1の形成面に対して浅い角度に入射する光に対しても、屈折率の急激な変動を感じさせないようにすることができる。また、周期構造A1の高さを高く形成することにより、周期構造A1の高さに応じた面積比の変動がゆるやかとなり、屈折率が線形的に変動する傾きも小さくすることができる。すなわち、屈折率の急激な変化をより抑制することができ、高い反射防止性を実現することができる。
In the present embodiment, the height (about 400 nm) of the periodic structure A1 is larger than the average optical wavelength (about 220 nm) of light and the average period (about 200 nm), so that the
図3は、本発明の効果をヒストグラムによって示している。同図において、図13のように形成した従来品の光出力に対する図1のように形成した本発明品の光出力の比を横軸に示し、各光出力の比に該当するサンプル数を縦軸に示している。なお、30個の本発明品について光出力を調査した。その結果として、本発明を適用したサンプルは従来品と比較して3.4〜4.6倍(最頻値3.8倍)の光出力が得られることが分かった。また、半導体発光素子10に入力した電気エネルギーのほとんどを損失することなく、光エネルギーとして取り出していることが分かった。
FIG. 3 shows the effect of the present invention with a histogram. In the figure, the horizontal axis indicates the ratio of the light output of the product of the present invention formed as shown in FIG. 1 to the light output of the conventional product formed as shown in FIG. 13, and the number of samples corresponding to the ratio of each light output is shown vertically. Shown on the axis. The light output of 30 products of the present invention was investigated. As a result, it was found that the sample to which the present invention is applied can obtain a light output of 3.4 to 4.6 times (mode value 3.8 times) compared to the conventional product. It was also found that most of the electric energy input to the semiconductor
なお、上述したとおり本発明の効果は、光の平均光学波長よりも周期構造A1の平均周期が小さい場合に発揮されるが、凸部11a,11a,11a・・・の形成周期の標準偏差を周期構造A1の平均周期の20%以内(より好ましくは10%以内)とすることにより、確実に本発明の効果を発揮させることができる。また、凸部11a,11a,11a・・・の形成周期の標準偏差は小さい方が望ましいが、凸部11a,11a,11a・・・が例えば格子状等のように秩序正しく形成されている必要はない。ただし、凸部11a,11a,11a・・・の分布に異方性を生じさせないために、基板11の裏面上の二次元方向に分布していることが望ましい。むろん、効果に異方性は生じるが、周期構造A1をストライプ状に形成するようにしてもよい。また、凸部11a,11a,11a・・・高さのばらつきも平均に対して20%以内(より好ましくは10%以内)とすることが望ましい。
As described above, the effect of the present invention is exhibited when the average period of the periodic structure A1 is smaller than the average optical wavelength of light. However, the standard deviation of the formation period of the
図4は、基板11と空気との界面における透過率をグラフにより示している。同図において、縦軸に光の透過率を示し、横軸に周期構造A1の平均周期を示している。なお、横軸の周期構造A1の平均周期は、発光される光の平均光学波長(約220nm)の何倍かで表現されている。同図において、周期構造A1の平均周期が平均光学波長(約220nm)の3倍の約500nm以下となる領域において透過率が向上することが分かる。特に、周期構造A1の平均周期が平均光学波長の2倍以下となる領域において、半導体発光素子10として良好な光の取り出し効率を実現することができる。また、本実施形態のように、周期構造A1の平均周期が平均光学波長以下となるようにすれば、100%に近い光の透過率を実現することができる。すなわち、周期構造A1の平均周期は小さければ小さい方が望ましい。
FIG. 4 is a graph showing the transmittance at the interface between the
発光層14において発光される光は平均光学波長が約220nmとなるが、数十nmの波長帯域幅を有しているため、周期構造A1の平均周期が小さくなるほど、発光された光のうち周期構造A1の周期よりも光学波長が小さいものの割合が高くなる。従って、光の透過率を、周期構造A1の平均周期が発光された光の平均光学波長の2〜3倍となる領域から徐々に向上させ、周期構造A1の平均周期が発光された光の平均光学波長以下の領域では100%の近くまで到達させることができる。
The light emitted from the
次に、半導体発光素子10の製造方法について説明する。まず、略板状の基板11を用意する。なお、この時点で基板11の裏側には周期構造A1は形成されていない。有機金属化合物気相成長法を用い基板11の表側にAlGaNを均一に成長させることにより、所定の厚みを有する低温堆積緩衝層 12を形成する。同様にして、低温堆積緩衝層 12上にはクラッド層13を形成し、さらにクラッド層13上には発光層14を形成する。さらに、発光層14上に障壁層15を形成し、障壁層15上にp−GaNを成長させることにより、コンタクト層16を形成する。
Next, a method for manufacturing the semiconductor
以上のようにして各層を積層した後に、図5のように基板11の裏側に被覆材としてのAuを均一に蒸着することにより被覆層20を形成する(蒸着工程)。Auを蒸着するにあたっては、種々の蒸着手法を適用することができる。例えば、真空化でAuを加熱蒸散させることにより蒸着を行うEB蒸着装置等を利用してもよい。さらに、ある程度基板11の裏側にAuを均一に分布させることが出来ればよく、例えば湿式の手法によってAuを付着させてもよい。なお、本実施形態においては被覆層20の膜厚が約50Åとなるように蒸着が行われる。
After the layers are laminated as described above, the
被覆層20を形成した後に、半導体発光素子10をオーブン等によって加熱する(運動エネルギー付与工程)。その際、基板11の裏側に形成された被覆層20が全面にわたり均一に例えば約180℃に加熱されるようにする。このようにすることにより、被覆層20を構成する各Au原子に運動エネルギーを付与することができ、それによりAu原子を基板11の裏側面上にて凝集させることができる。そして、半導体発光素子10を冷却することにより、図6のように基板11の裏側面上に多数のAu粒30,30,30・・・を分布させることができる。上述のとおり、被覆層20は均一の膜厚となるように形成されるとともに、運動エネルギーは全面にわたって均一に付与されるため、Au原子の凝集エネルギーは基板11の裏側全体において均一と考えることができる。従って、図6に示すようにAu粒30,30,30・・・を基板11の裏側面にて均一な周期状に分布させることができる。
After forming the
なお、Au粒30,30,30・・・の分布周期は、加熱温度や被覆層20の膜厚等によって制御することができる。本実施形態においては、膜厚が約50Åの被覆層20を約180℃で加熱することにより、Au粒30,30,30・・・を平均周期が約200nmとなるように分布させることができる。例えば、Au粒30,30,30・・・の分布周期を大きくしたい場合には、加熱温度を高くしたり、被覆層20の膜厚を厚くしたりすればよい。逆に、Au粒30,30,30・・・の分布周期を小さくしたい場合には、加熱温度を低くしたり、被覆層20の膜厚を薄くしたりすればよい。また、被覆層20の凝集が可能な程度に運動エネルギーを付与することができればよく、加熱以外の手法によって周期状のAu粒30,30,30・・・を形成するようにしてもよい。例えば、イオン照射や電子線照射などによっても、被覆層に運動エネルギーを付与することができる。なお、Au粒30,30,30・・・は平均周期が平均光学波長以下となる周期状のパターンとなるため、Au粒30,30,30・・・は全体として本発明にいう周期マスクを構成する(マスク形成工程)。
The distribution period of the
以上のようにして基板11の裏側面上に周期的に分布するAu粒30,30,30・・・を形成した後に、反応性イオンエッチング装置によって基板11の裏側をエッチングする(エッチング工程)。本実施形態においては、エッチング媒体としてCF4ガスを使用するものとする。むろん、他のエッチングガスを使用してもよいし、エッチング液を用いてエッチングを行ってもよい。AuのCF4ガスに対するエッチング耐性は、SiCのCF4ガスに対するエッチング耐性よりも高いため、SiCを選択的にエッチングすることができる。エッチング方向は基板11の裏面に対して垂直方向であり、基板11の裏側面におけるAu粒30,30,30・・・が付着していない部位のみをエッチングすることができる。
After forming the
すなわち、多数のAu粒30,30,30・・・で構成される周期マスクをエッチングレジストとして利用して、エッチングを行うことができる。これにより、図8に示すような周期構造A1を形成することができる(周期構造形成工程)。なお、一般にエッチング速度が早くなる条件にすると、エッチングが基板11の裏面に対して垂直に進行するため、凸部11a,11a,11a・・・の斜面の基板11の裏面に対する傾斜角度は垂直に近くなる。反対に、エッチング速度が遅くなる条件にすると、サイドエッチングが進行し、凸部11a,11a,11a・・・の斜面の基板11の裏面に対する傾斜角度は鋭角となる。
That is, etching can be performed using a periodic mask composed of a large number of
このように周期マスクを利用してエッチングを行うことにより、周期構造A1の形状を所望の形状に制御することができる。また、過度にエッチングを行わない限り、凸部11a,11a,11a・・・の頂点の高さを揃えることができる。従って、凸部11a,11a,11a・・・の高さのばらつきを小さく形成することができる。ただし、意図的にサイドエッチング量を増加させ、図7の左から3個目の凸部11aのようにAu粒30を除去してもよい。また、Au粒30がエッチングによって消滅するようなエッチング条件を設定するようにしてもよい。なお、本実施形態においてAu粒30,30,30・・・が半導体発光素子10の内部に残留していても半導体発光素子10の性能を大きく劣化させることはない。しかし、被覆材の素材によっては性能を劣化させることもあるため、その場合は周期マスクを除去しておくことが望ましい。
By performing etching using the periodic mask in this way, the shape of the periodic structure A1 can be controlled to a desired shape. Moreover, as long as it does not etch excessively, the height of the vertex of
周期マスクの素材は、エッチング媒体に対するエッチング耐性が基板よりも高ければよく、Auに限られるものではない。具体的には、周期マスクと基板とのエッチング選択比が0.1以上であればよく、1以上であることがより望ましい。例えば、CF4ガスに対して有効な周期マスクの素材として、Ga、In、Al、Cu、Ag、Ni、Pt、Pd、SiN、SiO2あるいは絶縁体等を挙げることができる。むろん、エッチング媒体に応じて適切な周期マスク素材が選択されるため、上記以外の周期マスク素材が適用され得ることはいうまでもない。ただし、本実施形態のように周期マスクを形成する過程において、原子あるいは分子の凝集を利用する場合には、Auのように凝集可能な被覆材を選択しておく必要がある。 The material of the periodic mask is not limited to Au as long as the etching resistance to the etching medium is higher than that of the substrate. Specifically, the etching selectivity between the periodic mask and the substrate may be 0.1 or more, and more preferably 1 or more. For example, as a material of the periodic mask effective for CF 4 gas, Ga, In, Al, Cu, Ag, Ni, Pt, Pd, SiN, SiO 2, an insulator, or the like can be given. Of course, since an appropriate periodic mask material is selected according to the etching medium, it goes without saying that a periodic mask material other than the above can be applied. However, in the process of forming the periodic mask as in the present embodiment, when using atomic or molecular aggregation, it is necessary to select an aggregating coating material such as Au.
また、本実施形態においては、被覆層の凝集を利用して周期マスクを形成したが、他の手法によって周期状のマスクを形成するようにしてもよい。例えば、エキシマレーザを用いたステッパーを利用して周期状のマスクパターンを形成してもよいし、感光性を有するマスク材料に対して電子ビーム露光等や2光速干渉露光を行うことにより周期状のマスクパターンを形成してもよい。 In this embodiment, the periodic mask is formed by utilizing the aggregation of the coating layer. However, the periodic mask may be formed by another method. For example, a periodic mask pattern may be formed by using a stepper using an excimer laser, or a periodic mask pattern may be formed by performing electron beam exposure or the like or two-speed interference exposure on a photosensitive mask material. A mask pattern may be formed.
以上のようにして周期構造A1を形成した後にn−電極17およびn−電極18を形成し、半導体発光素子10をパッケージングする。なお、一様に積層された発光層14と障壁層15とコンタクト層16を選択エッチングすることによってn−電極18が形成されるクラッド層13を露出させてもよいし、予め選択的に発光層14と障壁層15とコンタクト層16を成長させることによりn−電極18が形成されるクラッド層13を露出させてもよい。また、予めn−電極17およびn−電極18を形成した後に、周期構造A1を形成するようにしてもよい。
After forming the periodic structure A1 as described above, the n-
さらに、予め基板11の裏側に周期構造A1を形成しておいてから、基板11の表側に各層を形成するようにしてもよい。また、基板11は透光性を有していればよく、SiC以外の素材により基板を形成するようにしてもよい。例えば、サファイア基板やGaN基板やGa2O3基板やGaN基板等を適用することができる。また、例えばAlGaInPやAlGaAsなどの他の種類の半導体発光素子に対しても本発明が適用可能であることはいうまでもない。なお、発光層の種類によって発光される光の平均光学波長が異なってくるが、それぞれの平均光学波長の2倍以下(平均光学波長以下が好ましい。)の周期を有する周期構造A1を形成することにより、高い光の取り出し効率が実現できることに相違ない。
Further, the periodic structure A1 may be formed in advance on the back side of the
(2)第二の実施形態:
図8は、本発明の第二の実施形態にかかる3族窒化物半導体発光素子の構造を概念的に示している。同図において、半導体発光素子110はそれぞれが略板状に形成された基板111と低温堆積緩衝層 112とクラッド層113と発光層114と障壁層115とコンタクト層116とp−電極117とn−電極118とから構成されている。最下層を構成する板状の基板111はSiCで構成されており、その表側の面上にAlGaNで構成された低温堆積緩衝層 112と、n−GaNで構成されたクラッド層113と、GaInNで構成された発光層114と、p−AlGaNで構成された障壁層115と、p−GaNで構成されたコンタクト層116とが順に積層された構造となっている。さらに、最上層のコンタクト層116上に周期的に配列するAu粒130,130,130・・・によって構成される周期構造A2を有しており、同周期構造A2が形成されたコンタクト層116上にCuで構成された高反射性金属層としてのp−電極117が積層されている。基板111の裏側はフラットな面となっており、n−電極118が積層されている。
(2) Second embodiment:
FIG. 8 conceptually shows the structure of the group III nitride semiconductor light emitting device according to the second embodiment of the present invention. In the figure, a semiconductor light emitting device 110 includes a
かかる構成によれば、半導体発光素子110に対して順バイアス方向に電圧を付与することにより、発光層114にて発光することができる。発光層114においては、そのバンドギャップに相応する光が発光され、その平均光学波長は約220nmとなる。基板111と低温堆積緩衝層 112とクラッド層113と障壁層115とコンタクト層116は、それぞれ透光性を有しており、発光層114にて発光された光を基板111の裏側から取り出すことが可能となっている。すなわち、基板111の裏側は半導体発光素子110における光の取り出し面を構成し、この取り出し面から取り出した光を照明等に利用することが可能となっている。
According to this configuration, the
一方、コンタクト層116の上面は反射率の高いCuで形成されたp−電極117によって覆われているため、発光した光を反射させることにより、p−電極117側から漏出することを防止している。反射した光は光の取り出し面から取り出され照明等に利用することができる。周期構造A2が形成されることにより、拡散反射を促進させることができるため、よりコンタクト層116とp−電極117との界面における反射率を向上させることができる。従って、最終的に半導体発光素子110における光の取り出し面から取り出される光量を増加させ、光の取り出し効率を通常の1.3倍程度に向上させることができる。
On the other hand, since the upper surface of the
次に、半導体発光素子110の製造方法について説明する。まず、略板状の基板111を用意する。有機金属化合物気相成長法を用い基板111の表側にAlGaNを均一に成長させることにより、所定の厚みを有する低温堆積緩衝層 112を形成する。同様にして、低温堆積緩衝層 112上にはクラッド層113を形成し、さらにクラッド層113上には発光層114を形成し、さらには障壁層115を発光層114上に形成する。そして、障壁層115上にp−GaNを成長させることにより、コンタクト層116を形成する。
Next, a method for manufacturing the semiconductor light emitting device 110 will be described. First, a substantially plate-
以上のようにして各層を積層した後に、コンタクト層116の表面に被覆材としてのAuを均一に蒸着し、図5と同様の被覆層を形成する。Auを蒸着するにあたっては、種々の蒸着手法を適用することができる。例えば、真空化でAuを加熱蒸散させることにより蒸着を行うEB蒸着装置等を利用してもよい。また、ある程度基板111の裏側にAuを均一に分布させることが出来ればよく、例えば湿式の手法によってAuを付着させてもよい。なお、本実施形態においては被覆層の膜厚が約50Åとなるように蒸着が行われる。
After the layers are stacked as described above, Au as a coating material is uniformly deposited on the surface of the
被覆層を形成した後に、半導体発光素子110をオーブン等によって加熱する。その際、コンタクト層116の表面に形成された被覆層が例えば約180℃に加熱されるようにする。このようにすることにより、被覆層を構成する各Au原子に運動エネルギーを付与することができ、Au原子をコンタクト層116の表面上にて凝集させることができる。そして、半導体発光素子110を冷却することにより、コンタクト層116の表面に多数のAu粒130,130,130・・・を分布させることができる。上述のとおり、被覆層は均一の膜厚となるように形成されるとともに、加熱時に凝集するAu原子の凝集エネルギーはコンタクト層116の表面において均一と考えることができるため、図6と同様にAu粒130,130,130・・・をコンタクト層116の表面にて均一な周期状に分布させることができる。
After forming the coating layer, the semiconductor light emitting device 110 is heated by an oven or the like. At that time, the coating layer formed on the surface of the
以上のようにしてコンタクト層116の表面上に周期的に分布するAu粒130,130,130・・・を形成した後に、コンタクト層116およびAu粒130,130,130・・・上に、さらにCuを蒸着する(高反射性金属層形成工程)。ここでCuを蒸着するにあたってもEB蒸着装置等を用いることができるし、蒸着以外の手法によってCuをコンタクト層116の表面に付着させるようにしてもよい。蒸着における初期段階においては、コンタクト層116の表面がAu粒130,130,130・・・によって凹凸をなしているが、蒸着が進行するに伴ってAu粒130,130,130・・・の隙間がCuによって埋められ、最終的に平坦な表面が形成され、p−電極117が形成される。すなわち、Au粒130,130,130・・・で構成される周期構造に界面を接する高反射性金属層がp−電極117として形成されたこととなる。
After the
本実施形態における基板は透光性を有していればよく、SiC以外の素材により基板を形成するようにしてもよい。例えば、サファイア基板やGaN基板やGa2O3基板やGaN基板等を適用することができる。また、例えばAlGaInPやAlGaAsなどの他の種類の半導体発光素子に対しても本発明が適用可能であることはいうまでもない。なお、発光層の種類によって発光される光の平均光学波長が異なってくるが、それぞれの平均光学波長以下の周期を有する周期構造A2を形成することにより、高い光の取り出し効率が実現できることには相違ない。また、本実施形態において、高反射性金属層の一例としてCuを素材としたものを例示したが、Rh、Ag、Al、Ni、Pt、Cuおよびこれらを含む合金などを高反射性金属層として形成してもよい。また、高反射性金属層を電極として利用することにより、工程の数の削減を実現することが可能であるが、高反射性金属層と電極とを個別に形成するようにしてもよい。 The substrate in the present embodiment only needs to have translucency, and the substrate may be formed of a material other than SiC. For example, a sapphire substrate, a GaN substrate, a Ga 2 O 3 substrate, a GaN substrate, or the like can be applied. Needless to say, the present invention is applicable to other types of semiconductor light emitting devices such as AlGaInP and AlGaAs. In addition, although the average optical wavelength of the emitted light differs depending on the type of the light emitting layer, a high light extraction efficiency can be realized by forming the periodic structure A2 having a period equal to or less than the respective average optical wavelength. No difference. Moreover, in this embodiment, although what used Cu as a raw material was illustrated as an example of a highly reflective metal layer, Rh, Ag, Al, Ni, Pt, Cu, an alloy containing these, etc. are used as a highly reflective metal layer. It may be formed. In addition, although the number of processes can be reduced by using the highly reflective metal layer as an electrode, the highly reflective metal layer and the electrode may be formed separately.
(3)第三の実施形態:
図9は、第三の実施形態にかかる3族窒化物半導体発光素子の構造を概念的に示している。同図において、半導体発光素子210はそれぞれが略板状に形成された基板211と低温堆積緩衝層 212とクラッド層213と発光層214と障壁層215とコンタクト層216とp−電極217とn−電極218とから構成されている。最下層を構成する板状の基板211はSiCで構成されており、その表側の面上にAlGaNで構成された低温堆積緩衝層 212と、n−GaNで構成されたクラッド層213と、GaInNで構成された発光層214と、p−AlGaNで構成された障壁層215と、p−GaNで構成されたコンタクト層216とが順に積層された構造となっている。さらに、最上層のコンタクト層216から上方に向かって多数の凸部を突設することにより、周期構造A3(平均周期約200nm,平均高さ400nm)が形成されている。周期構造A3上にはCuで構成されたp−電極217が積層されており、基板211の裏側にn−電極218が積層されている。
(3) Third embodiment:
FIG. 9 conceptually shows the structure of the group III nitride semiconductor light emitting device according to the third embodiment. In the figure, a semiconductor light emitting device 210 includes a
かかる構成によれば、半導体発光素子210に対して順バイアス方向に電圧を付与することにより、発光層214にて発光することができる。発光層214においては、そのバンドギャップに相応する光が発光され、その平均光学波長は約220nmとなる。基板211と低温堆積緩衝層 212とクラッド層213と障壁層215とコンタクト層216は、それぞれ透光性を有しており、発光層214にて発光された光を基板211の裏側から取り出すことが可能となっている。すなわち、基板211の裏側は半導体発光素子210における光の取り出し面を構成し、この取り出し面から取り出した光を照明等に利用することが可能となっている。
With this configuration, the
一方、コンタクト層216の上面は反射率の高いCuで形成されたp−電極217によって覆われているため、発光した光を反射させることによりp−電極217側から光が漏出することを防止している。反射した光は光の取り出し面から取り出され照明等に利用することができる。周期構造A3が形成されることにより、拡散反射を促進させることができるため、よりコンタクト層216とp−電極217との界面における反射率を向上させることができる。従って、最終的に半導体発光素子210における光の取り出し面から取り出される光量を増加させ、光の取り出し効率を向上させることができる。
On the other hand, since the upper surface of the
次に、半導体発光素子210の製造方法について説明する。まず、略板状の基板211を用意する。有機金属化合物気相成長法を用い基板211の表側にAlGaNを均一に成長させることにより、所定の厚みを有する低温堆積緩衝層 212を形成する。同様にして、低温堆積緩衝層 212上にはクラッド層213を形成し、さらにクラッド層213上には発光層214および障壁層215を形成する。そして、障壁層215上にp−GaNを成長させることにより、コンタクト層216を形成する。
Next, a method for manufacturing the semiconductor light emitting device 210 will be described. First, a substantially plate-
以上のようにして各層を積層した後に、コンタクト層216の表面に周期構造A3を形成する。周期構造A3を形成するにあたっては、第一の実施形態と同様の手法を適用することができるため、ここでは説明を省略する。周期構造A3が形成できると、さらにコンタクト層216の表面に対してCuを蒸着する。蒸着における初期段階においては、コンタクト層216の表面が周期構造A3によって凹凸をなしているが、蒸着が進行するに伴って周期構造A3の隙間がCuによって埋められ、最終的に平坦な表面が形成され、p−電極217が形成される。前実施形態のように、Au粒を周期構造A2として利用することにより工程数を削減できる。一方、本実施形態のようにAu粒を周期マスクとして周期構造A3を形成することにより、周期構造A3の形状を制御することができる。
After laminating the layers as described above, the periodic structure A3 is formed on the surface of the
(4)第四の実施形態:
図10は、第四の実施形態にかかる3族窒化物半導体発光素子の構造を概念的に示している。同図において、半導体発光素子310はそれぞれが略板状に形成された基板311と低温堆積緩衝層 312とクラッド層313と発光層314と障壁層315とコンタクト層316とp−電極317とn−電極318とから構成されている。最下層を構成する板状の基板311はSiCで構成されており、その表側の面上にAlGaNで構成された低温堆積緩衝層 312と、n−GaNで構成されたクラッド層313と、GaInNで構成された発光層314と、p−AlGaNで構成された障壁層315と、p−GaNで構成されたコンタクト層316とが順に積層された構造となっている。さらに、最上層のコンタクト層316にp−電極317が積層されており、基板311の裏側にn−電極318が積層されている。
(4) Fourth embodiment:
FIG. 10 conceptually shows the structure of the group III nitride semiconductor light emitting device according to the fourth embodiment. In the figure, a semiconductor
基板311の表側には周期的に起伏する周期構造A4が形成されており、周期構造311a,311a,311a・・・に追従するように低温堆積緩衝層 312とクラッド層313が形成されている。一方、クラッド層313の表側は平坦化され、クラッド層313よりも上層は全て平坦に形成されている。
A periodic structure A4 that undulates periodically is formed on the front side of the
このように、基板311の表側に周期的に起伏する周期構造A4を形成することにより、基板311と低温堆積緩衝層 312との界面における反射率を低減することができる。基板311の屈折率と低温堆積緩衝層 312の屈折率は異なるが、周期構造A4により屈折率の急激な変化を抑制することができるからである。さらに、低温堆積緩衝層 312のように膜厚が薄い層を形成すれば周期構造A4の凹凸形状が維持されるため、低温堆積緩衝層 312と、その上に積層されるクラッド層313との界面も周期状に起伏させることができる。従って、低温堆積緩衝層 312とクラッド層313の界面における反射率も低減することができる。
Thus, by forming the periodic structure A4 that periodically undulates on the front side of the
このように、複数組の界面において周期構造を形成することによって、さらに光の取り出し効率を向上させることができる。また、周期構造A4上に同周期構造A4を平坦化させない程度の厚みの薄膜層(低温堆積緩衝層 312)を形成することにより、薄膜層(低温堆積緩衝層 312)表面においても凹凸形状維持することができる。従って、薄膜層(低温堆積緩衝層 312)表面に上層(クラッド層313)を積層することで、同薄膜層(低温堆積緩衝層 312)と同上層(クラッド層313)との界面に周期構造を形成することができる。すなわち、各界面において個別に周期構造を形成する工程を行わなくても済むため、少ない製造コストで高い光取り出し効率を有する半導体発光素子を製造することができる。 In this way, the light extraction efficiency can be further improved by forming the periodic structure at the plurality of sets of interfaces. Further, by forming a thin film layer (low-temperature deposition buffer layer 312) having a thickness that does not flatten the periodic structure A4 on the periodic structure A4, the surface of the thin film layer (low-temperature deposition buffer layer 312) is maintained in an uneven shape. be able to. Therefore, by laminating the upper layer (cladding layer 313) on the surface of the thin film layer (low temperature deposition buffer layer 312), a periodic structure is formed at the interface between the thin film layer (low temperature deposition buffer layer 312) and the upper layer (cladding layer 313). Can be formed. That is, since it is not necessary to perform the step of forming the periodic structure individually at each interface, a semiconductor light emitting device having high light extraction efficiency can be manufactured at a low manufacturing cost.
次に、半導体発光素子310の製造方法について説明する。まず、略板状の基板311を用意する。そして、基板311の表側に周期構造A4を形成する。周期構造A4を形成するにあたっては、第一の実施形態において基板11の裏側に周期構造A1を形成する手法と同様の手法を適用することができるため、ここでは説明を省略する。周期構造A4を形成した後に、有機金属化合物気相成長法を用い基板311の表側にAlGaNを均一に成長させることにより、周期構造A4に追従した形状の低温堆積緩衝層 312を形成する。
Next, a method for manufacturing the semiconductor
そして、低温堆積緩衝層 312の表側に有機金属化合物気相成長法を用いn−GaNを成長させることにより、クラッド層313を形成する。クラッド層313がある程度形成されたところで、周期構造A4の凹部がn−GaNによって埋められ、最終的に平坦な表面が形成される。クラッド層313の平坦表面を形成すると、クラッド層313上に発光層314を形成し、さらに発光層314上に障壁層315を成長させる。そして、障壁層315上にp−GaNを成長させることにより、コンタクト層316を形成する。さらに、最上層のコンタクト層316にp−電極317を積層し、基板311の裏側にn−電極318を積層する。
Then, the
(5)第五の実施形態:
図11は、第五の実施形態にかかる3族窒化物半導体発光素子の構造を概念的に示している。同図において、半導体発光素子410はそれぞれが略板状に形成された基板411と低温堆積緩衝層 412とクラッド層413と発光層414と障壁層415とコンタクト層416とp−電極417とn−電極418とから構成されている。最下層を構成する板状の基板411はSiCで構成されており、その表側の面上にAlGaNで構成された低温堆積緩衝層 412と、n−GaNで構成されたクラッド層413と、GaInNで構成された発光層414と、p−AlGaNで構成された障壁層415と、p−GaNで構成されたコンタクト層416とが順に積層された構造となっている。さらに、コンタクト層416にp−電極417が積層されており、基板411の裏側にn−電極318が積層されている。なお、p−電極417は、メッシュ状のNi/Au等によって半透明に形成されており、光を透過させることが可能となっている。また、p−電極417は、ある程度、光を透過させることが出ればよく、Ga2O3やZnOやITO等の透明電極を使用してもよい。
(5) Fifth embodiment:
FIG. 11 conceptually shows the structure of the group III nitride semiconductor light-emitting device according to the fifth embodiment. In the figure, a semiconductor
基板411と低温堆積緩衝層 412とクラッド層413と発光層414と障壁層415とコンタクト層416とn−電極418とは平坦な板状に積層されている。コンタクト層416の表面には周期状に起伏する周期構造A5が形成されており、同周期構造A5上にp−電極417が追従して積層されている。p−電極417の表面は、周期構造A5の凹凸が維持された形状となっている。
The
このように、コンタクト層416の表側に周期的に起伏する周期構造A5を形成することにより、コンタクト層416とp−電極417との界面における反射率を低減することができる。コンタクト層416の屈折率とp−電極417の屈折率は異なるが、周期構造A5により屈折率の急激な変化を抑制することができるからである。さらに、p−電極417のように膜厚が薄い層を形成すれば周期構造A5の凹凸形状が維持されるため、p−電極417と空気との界面も周期状に起伏させることができる。従って、p−電極417と空気の界面における反射率も低減することができる。
Thus, by forming the periodic structure A5 that periodically undulates on the front side of the
次に、半導体発光素子410の製造方法について説明する。まず、略板状の基板411を用意する。そして、有機金属化合物気相成長法を用い基板411の表側にAlGaNを均一に成長させ、低温堆積緩衝層 412を形成する。低温堆積緩衝層 412の表側に有機金属化合物気相成長法を用いn−GaNを成長させることにより、クラッド層413を形成する。さらに、クラッド層413上に発光層414を形成し、発光層414上には障壁層415を成長させる。そして、障壁層415上にp−GaNを成長させることにより、コンタクト層416を形成する。
Next, a method for manufacturing the semiconductor
コンタクト層416上には周期的に起伏する周期構造A5を形成する。周期構造A5を形成するにあたっては、第一の実施形態において基板11の裏側に周期構造A1を形成する手法と同様の手法を適用することができるため、ここでは説明を省略する。周期構造A5を形成した後に、周期構造A5上に塗布や蒸着によりp−電極417を積層する。一方、基板411の裏側には、n−電極418を積層する。
A periodic structure A5 that periodically undulates is formed on the
(6)第六の実施形態:
図12は、第六の実施形態にかかる3族窒化物半導体発光素子の構造を概念的に示している。同図において、略半球ドーム状の封止部60が形成されており、同封止部60の内部に第一の実施形態の半導体発光素子10が光の取り出し面を紙面上方に配向させて埋め込まれている。封止部60は透明なエポキシ樹脂等の合成樹脂によって形成されており、半導体発光素子10から外部に取り出された光を透過させることが可能となっている。封止部60の表面は周期的に起伏する周期構造A6が形成されている。周期構造A6を形成するにあたっては、第一の実施形態において基板11の裏側に周期構造A1を形成する手法と同様の手法を適用することができるため、ここでは説明を省略する。
(6) Sixth embodiment:
FIG. 12 conceptually shows the structure of the group III nitride semiconductor light-emitting device according to the sixth embodiment. In the figure, a substantially hemispherical dome-shaped
このように、封止部60の表面に周期的に起伏する周期構造A6を形成することにより、封止部60と外側の空気との界面における反射率を低減することができる。封止部60の空気の屈折率は異なるが、周期構造A6により屈折率の急激な変化を抑制することができるからである。なお、封止部60によって半導体発光素子10を封止する態様は様々であり、光の取り出し面のみを封止部60によって封止するようにしてもよい。この場合も、封止部60の表面に周期構造A6を形成することにより、封止部60の外部への光の取り出し効率を向上させることができる。
Thus, by forming the periodic structure A6 that periodically undulates on the surface of the sealing
(7)まとめ:
以上説明したように本発明によれば、光の平均光学波長の2倍以下の周期で形成された周期構造A1を半導体発光素子10の光の取り出し面に形成することにより、光の取り出し面における屈折率の差を緩和することができる。従って、光の取り出し面における反射を防止することができ、高い光の取り出し効率を実現することができる。さらに、Au薄膜を加熱することにより微細な周期マスクを形成することができるため、周期構造A1を簡易かつ安価に形成することができる。
(7) Summary:
As described above, according to the present invention, the periodic structure A1 formed on the light extraction surface of the semiconductor
また、各実施形態を適宜組み合わせて半導体発光素子を形成することも可能である。例えば、第一から第五の実施形態の半導体発光素子を、第六の実施形態の封止部60に封止してもよい。また、例えば第一の実施形態の構成と第二または第3の実施形態の構成を組み合わせた半導体発光素子を形成することも可能である。かかる構成によれば、光の取り出し面にて高い透過率を実現しつつ、光の取り出し面と発光部を挟んだ反対側の面にて高い反射率を実現することができるため、光の取り出し効率を相乗的に向上させることができる。
Moreover, it is also possible to form a semiconductor light emitting element by appropriately combining the embodiments. For example, the semiconductor light emitting devices of the first to fifth embodiments may be sealed in the sealing
1,10,110,210,310,410…半導体発光素子
2,11,111,211,311,411…基板
3,12,112,212,312,412…低温堆積緩衝層
4,13,113,213,313,413…クラッド層
5,14,114,214,314,414…発光層
6,15,115,215,315,415…障壁層
7,16,116,216,316,416…コンタクト層
8,17,117,217,317,417…p−電極
9,18,118,218,318,418…n−電極
11a…凸部
20…被覆層
30…Au粒(周期マスク)
60…封止部
A1〜A6…周期構造
1, 10, 110, 210, 310, 410 ... Semiconductor
60 ... Sealing portions A1 to A6 ... Periodic structure
Claims (19)
平均周期が上記発光部にて発光される光の平均光学波長の2倍以下となる周期状のパターンを有する周期マスクを形成するマスク形成工程と、
同周期マスクを用いて平均周期が上記平均光学波長の2倍以下となる周期状の周期構造を形成する周期構造形成工程とを具備することを特徴とする半導体発光素子製造方法。 In a method for manufacturing a semiconductor light-emitting device, a semiconductor light-emitting device is formed by laminating a light-emitting portion composed of at least an n-type semiconductor layer and a p-type semiconductor layer on a substrate.
A mask forming step of forming a periodic mask having a periodic pattern in which the average period is equal to or less than twice the average optical wavelength of the light emitted from the light emitting unit;
And a periodic structure forming step of forming a periodic structure in which the average period is equal to or less than twice the average optical wavelength by using the same period mask.
上記周期マスクをエッチングレジストとしてエッチングを行うエッチング工程を具備することを特徴とする請求項1に記載の半導体発光素子製造方法。 The periodic structure forming step includes
The method of manufacturing a semiconductor light emitting element according to claim 1, further comprising an etching step of performing etching using the periodic mask as an etching resist.
上記周期マスク上に高反射性金属を蒸着する高反射性金属層形成工程を具備することを特徴とする請求項1に記載の半導体発光素子製造方法。 The periodic structure forming step includes
2. The method of manufacturing a semiconductor light emitting device according to claim 1, further comprising a highly reflective metal layer forming step of depositing a highly reflective metal on the periodic mask.
被覆材を蒸着することにより被覆層を形成する蒸着工程と、
同被覆層に運動エネルギーを付与する運動エネルギー付与工程とを具備する請求項1から請求項3のいずれかに記載の半導体発光素子製造方法。 The mask forming step includes
A deposition step of forming a coating layer by depositing a coating material;
The method for manufacturing a semiconductor light emitting element according to claim 1, further comprising a kinetic energy applying step of applying kinetic energy to the coating layer.
上記被覆層を加熱することにより上記被覆層に運動エネルギーを付与することを特徴とする請求項4に記載の半導体発光素子製造方法。 The kinetic energy application step
The method for manufacturing a semiconductor light-emitting element according to claim 4, wherein kinetic energy is imparted to the coating layer by heating the coating layer.
平均周期が上記発光部にて発光される光の平均光学波長の2倍以下となる周期状のパターンを有する周期マスクを形成し、
同周期マスクを用いて平均周期が上記平均光学波長の2倍以下となる周期状の周期構造が形成されることを特徴とする半導体発光素子。 In a semiconductor light emitting device in which a light emitting part composed of at least an n type semiconductor layer and a p type semiconductor layer is laminated on a substrate,
Forming a periodic mask having a periodic pattern in which the average period is equal to or less than twice the average optical wavelength of the light emitted from the light emitting unit;
A semiconductor light-emitting element, wherein a periodic structure having an average period of not more than twice the average optical wavelength is formed using the same period mask.
異なる屈折率を有する複数層が接する界面において形成されるとともに、上記発光部にて発光される光の平均光学波長の2倍以下の平均周期で形成された多数の凸部で構成される周期構造を具備することを特徴とする半導体発光素子。 In a semiconductor light emitting device in which a light emitting part composed of at least an n type semiconductor layer and a p type semiconductor layer is laminated on a substrate,
A periodic structure formed of a plurality of convex portions formed at an interface where a plurality of layers having different refractive indexes are in contact with each other, and formed with an average period not more than twice the average optical wavelength of light emitted from the light emitting portion. A semiconductor light emitting element comprising:
上記周期構造は、上記基板と上記3族窒化物半導体層との界面に形成されることを特徴とする請求項9から請求項12のいずれかに記載の半導体発光素子。 A group 3 nitride semiconductor layer is laminated between the substrate and the light emitting unit,
The semiconductor light emitting element according to claim 9, wherein the periodic structure is formed at an interface between the substrate and the group 3 nitride semiconductor layer.
上記周期構造は上記封止部の表面に形成されることを特徴とする請求項9から請求項12のいずれかに記載の半導体発光素子。 A sealing portion that covers a part or the whole of the semiconductor light emitting element is formed,
The semiconductor light-emitting element according to claim 9, wherein the periodic structure is formed on a surface of the sealing portion.
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