JP2012033521A - 基板、及び発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】発光素子の発光効率を向上させることができる基板、及び発光素子を提供する。
【解決手段】本発明に係る基板１は、入射又は出射する光の進行方向を変化させる凹凸を有する面を備える基板１であって、凹凸が、１次元若しくは２次元の一定方向に沿って周期的に面に設けられる第１の凹凸１０と、第１の凹凸１０の配置とは異なる配置で面に設けられる第２の凹凸１２とを含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、基板、及び発光素子に関する。特に、本発明は、凹凸を有する基板、及び凹凸を有する発光素子に関する。

従来、基板上に、基板とは材質の異なる複数のＧａＮ系半導体層と、ＧａＮ系半導体層の最上層に形成されたオーミック電極とを積層し、ＧａＮ系半導体層で発生した光をオーミック電極側又は基板側から取り出すようにした半導体発光素子において、基板の表面部分にはＧａＮ系半導体層で発生した光を散乱又は回折させる凸部が、λ／４（λは半導体発光素子の発光波長）以上の間隔、１０μｍ以下のピッチで繰り返しパターンに形成されており、その凸部の平面形状が略三角形又は六角形であり、ＧａＮ系半導体層のＡ軸を構成辺とする正六角形を想定したときに凸部平面形状の構成辺がＡ軸を構成辺とする正六角形の中心と頂点を結ぶ線分に直交するように形成され、凸部の側面が傾斜しており、その側面のテーパ角が９０°より大きく、１５０°以下であり、基板表面の凸部は、凸部上面、凸部の形成されていない平坦面、及び凸部側面が連続したＧａＮ系半導体層によって埋められた半導体発光素子が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に記載の半導体発光素子は、高い外部量子効率を安定に確保することができる。

特許第４０５５５０３号公報

しかし、特許文献１に係る半導体発光素子においては、最良の場合で８０％程度の光取り出し効率であり、半導体発光素子の内部で発生した光のうち約２０％は外部に取り出されずに熱として失われる。この過程における２０％のロスは単なる発光効率の低下以上の影響を半導体発光素子に及ぼし得る。例えば、この過程で発生する熱により半導体発光素子の温度が上昇することで内部量子効率が低下し、半導体発光素子の発光効率が２０％以上の割合で低下する場合がある。また、半導体発光素子自体の発熱は、半導体発光素子の周囲の樹脂からなる実装部材の特性を劣化させ得る。例えば、発光ダイオードを封止する封止材の光の透過率が熱の影響で徐々に低下し、発光効率が次第に低下し得る。

したがって、本発明の目的は、発光素子の発光効率を向上させることができる基板、及び発光素子を提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するため、入射又は出射する光の進行方向を変化させる凹凸を有する面を備える基板であって、凹凸が、１次元若しくは２次元の一定方向に沿って周期的に面に設けられる第１の凹凸と、第１の凹凸の配置とは異なる配置で面に設けられる第２の凹凸とを含む基板が提供される。

また、上記基板において、第１の凹凸の繰り返し周期が、１００ｎｍ以上であり、第１の凹凸の頂上と底部の最低部との差が、１００ｎｍ以上であることが好ましい。

また、上記基板において、第２の凹凸の頂上と底部の最低部との差が、１００ｎｍ以上であることが好ましい。

また、本発明は、上記目的を達成するため、基板と、基板上に設けられ、発光層を有する化合物半導体積層構造とを備える発光素子であって、基板と化合物半導体積層構造との界面に、入射又は出射する光の進行方向を変化させる凹凸が設けられ、凹凸が、１次元若しくは２次元の一定方向に沿って周期的に面に設けられる第１の凹凸と、第１の凹凸の配置とは異なる配置で面に設けられる第２の凹凸とを含む発光素子が提供される。

また、本発明は、上記目的を達成するため、基板と、基板上に設けられ、発光層を有する化合物半導体積層構造とを備える発光素子であって、化合物半導体積層構造の表面に、入射又は出射する光の進行方向を変化させる凹凸が設けられ、凹凸が、１次元若しくは２次元の一定方向に沿って周期的に面に設けられる第１の凹凸と、第１の凹凸の配置とは異なる配置で面に設けられる第２の凹凸とを含む発光素子が提供される。

また、本発明は、上記目的を達成するため、基板と、基板上に設けられ、発光層を有する化合物半導体積層構造とを備える発光素子であって、基板の化合物半導体積層構造が設けられている側の反対側の面に、入射又は出射する光の進行方向を変化させる凹凸が設けられ、凹凸が、１次元若しくは２次元の一定方向に沿って周期的に面に設けられる第１の凹凸と、第１の凹凸の配置とは異なる配置で面に設けられる第２の凹凸とを含む発光素子が提供される。

本発明に係る基板、及び発光素子によれば、発光素子の発光効率を向上させることができる基板、及び発光素子を提供することができる。

本発明の第１の実施の形態に係る基板の断面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る基板の断面図である。 実施例１において作製した青色発光ダイオードの断面構造の概要図である。 （ａ）及び（ｂ）は、比較例に係る発光ダイオードに用いた基板の断面図である。 （ａ）が比較例に係る発光ダイオードの凹凸の配置を示す図であり、（ｂ）から（ｄ）が本実施の形態に係る発光ダイオードの凹凸の配置を示す図である。 （ａ）が比較例に係る発光ダイオードの凹凸の配置を示す図であり、（ｂ）から（ｄ）が本実施の形態に係る発光ダイオードの凹凸の配置を示す図である。 実施例２において作製した青色発光ダイオードの断面構造の概要図である。 実施例３において作製した青色発光ダイオードの断面構造の概要図である。

［第１の実施の形態］
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る基板の断面の概要を示す。

本発明の第１の実施の形態に係る基板１は、入射又は出射する光の進行方向を変化させる凹凸を有する面を備える。ここで、凹凸は、１次元若しくは２次元の一定方向に沿って周期的に当該面に設けられる第１の凹凸１０と、第１の凹凸１０の配置とは異なる配置で当該面上に設けられる第２の凹凸１２とを有する。

第１の実施の形態において第１の凹凸１０は、凸部１０ａと、凸部１０ａに隣接し、当該凸部１０ａの隣の凸部１０ａとに挟まれた位置の凹部１０ｂとを含む。凹部１０ｂは略平坦な面を底部に有することができる。そして、第２の凹凸１２は、一例として、凹部１０ｂの底部の一部の領域に凹状を有して形成される。

ここで、第１の凹凸１０の繰り返し周期は、１００ｎｍ以上であることが好ましく、５００ｎｍ以上の周期にすることがより好ましく、１μｍ以上の周期にすることが更に好ましい。また、第１の凹凸１０の頂上（例えば、凸部１０ａの頂上）と底部の最低部（例えば、凹部１０ｂの底部）との差が、光の進行方向を変化させることを目的として、１００ｎｍ以上であることが好ましく、５００ｎｍ以上の高低差にすることがより好ましい。なお、第１の凹凸１０及び第２の凹凸１２上にアンドープバッファ層をエピタキシャル成長させ、アンドープバッファ層の表面を平坦にする場合の製造コスト及び光の進行方向を変化させる機能の飽和を考慮しない場合、当該高低差を１μｍ以上にすることもできる。第１の凹凸１０の側面（例えば、凸部１０ａの側面）は、水平面に対して２０度以上の角度を有する斜面であることが好ましい。なお、第１の凹凸１０の側面を、水平面に対して垂直又は９０度を超えるオーバーハング状の側面にすることもできる。

第１の凹凸１０は、基板１の表面において一方向に周期的に配列する溝構造であることが好ましい。また、第１の凹凸１０は、２次元的に周期的に配列した島、又は穴であることがより好ましい。更に、当該２次元的な配列を、正三角格子、正方格子、正六角格子にすることもできる。

第２の凹凸１２は、第１の実施の形態では窪み状に形成される。そして、第２の凹凸１２は、基板１の厚さ方向において、第２の凹凸１２の最も高い部分（例えば、凹部１０ｂの底部に対応する部分）と最低部（例えば、窪みの底部）との差が、１００ｎｍ以上であることが好ましく、５００ｎｍ以上の高低差にすることがより好ましい。当該高低差を１μｍ以上にすることもできる。第２の凹凸１２の側面（例えば、窪みの側面）は、水平面に対して２０度以上の角度を有する斜面であることが好ましい。なお、第２の凹凸１２の側面を、水平面に対して垂直又は９０度を超えるオーバーハング状の側面にすることもできる。

第２の凹凸１２は、基板１の表面において一方向に周期的に配列する溝構造であることが好ましい。また、第２の凹凸１２は、２次元的に周期的に配列した島、又は穴であることがより好ましい。更に、当該２次元的な配列は、正三角格子、正方格子、正六角格子であることが好ましい。また、第２の凹凸１２を、基板１の表面にランダムに配置することもできる。

ここで、発光層が発する光に対して基板１が透明である場合には、凹凸面を基板１と半導体との界面、半導体の表面、及び／又は基板１の裏面に形成すると、いずれの場合にも発光効率を増大することができる。一方、発光層が発する光に対して基板１が不透明な場合には、基板１の裏面に凹凸を形成しても、界面に凹凸を形成しても、基板１により光が吸収されるので、光取出し効率の増大は期待できない。この場合には、半導体表面に凹凸を設けた場合にのみ、光取出し効率の増大が見込まれる。

基板１の第１の凹凸１０及び第２の凹凸１２が設けられている面に半導体を積層した発光素子（例えば、発光ダイオード）を形成する場合、第１の凹凸１０及び第２の凹凸１２は、基板１と半導体との界面、半導体の表面、及び／又は基板１の裏面に形成することができる。なお、発光素子としては、ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｌＡｓ、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＡｌＧａＡｓＰ、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ、ＺｎＯ、ＺｎＳｅ、ＺｎＳ等の化合物半導体からなる半導体層を積層した化合物半導体積層構造を基板１上に形成することにより構成される。また、有機物半導体を用いた有機ＥＬ素子に基板１を用いることもできる。

基板１を構成する材料としては、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＳｎ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＺｎＯ、Ｓｉ、ＳｉＣ、Ｇｅ、サファイア、ガラス等を用いることができる。用いる基板１の面方位は、基板１を構成する材料が立方晶である場合、（００１）、（１１１）、（１１１）Ａ、（１１１）Ｂ、（１１０）等の低指数面を用いることが好ましい。なお、基板１を構成する材料が立方晶である場合、面方位として、（２１１）、（３１１）、（４１１）、（７７５）等の高指数面を用いることもできる。

また、基板１を構成する材料が六方晶である場合、Ｃ面、Ｍ面、Ａ面、Ｒ面等を用いることができ、これらの面を組み合わせた高指数面を用いることもできる。更に、これらの面は、完全な指数面であっても良く、指数面から０．１〜１０度程度傾いた微傾斜面であってもよい。なお、微傾斜面である場合、微傾斜の方向は特定の結晶方位であってもよく、特定の結晶方位でなくてもよい。

基板１上に化合物半導体積層構造を形成する場合、化合物半導体積層構造は、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ法）、液相成長法（ＬＰＥ法）等のエピタキシー法、プラズマＣＶＤ、蒸着法等の堆積法、又はエピタキシー法と堆積法とを組み合わせた手法により形成することができる。

また、第１の凹凸１０及び第２の凹凸１２が形成される面が基板１の表面である場合、基板１上に形成される化合物半導体の積層構造は、凸部１０ａの最上部から横方向成長により成長させることができる。この場合において、凹部１０ｂの底部と成長した半導体との間に空洞を形成することができる。なお、第１の凹凸１０及び第２の凹凸１２の間隔又は積層条件を調整して空洞を形成させないこともできる。更に、積層条件を適宜調整し、第１の凹凸１０及び第２の凹凸１２の表面に沿って半導体を形成することもできる。また、凸部１０ａの斜面部分のみから半導体層を成長させることもできる。なお、半導体の成長過程により、凸部１０ａの最上部や斜面に空洞が形成される場合もあるが、当該空洞はあってもなくてもよい。

基板１の表面、基板１の裏面、又は基板１上に設けられる半導体積層構造の表面に第１の凹凸１０及び第２の凹凸１２を有する凹凸面を形成する場合、以下の手法を用いることもできる。すなわち、露出している面に酸又はアルカリ溶液を用いたウェットエッチングを施す手法、露出している面にＥＣＲプラズマ等を用いたドライエッチングを施す手法、露出している面にスクライビング若しくは研削等を施す機械的な手法等を用いることができる。

（第１の実施の形態の効果）
本実施の形態に係る基板１は、その表面に第１の凹凸１０及び第２の凹凸１２を備えている。そして、第１の凹凸１０が１次元又は２次元の一定方向に周期的に繰り返されると共に、第２の凹凸１２は、第１の凹凸１０とは異なる周期（若しくはランダム）で基板１上に配置されるので、基板１上に発光層を有する化合物半導体積層構造２６を形成して得られる発光素子の光取り出し効率を８０％以上にすることができる。

すなわち、単に周期的な凹凸を有する基板の場合、凹凸面の特定の位置にある角度で入射して全反射した光は常に同一の角度で反射されるので、発光素子の外部に出射されない。しかしながら、本実施の形態では、第１の凹凸１０と、第１の凹凸１０とは異なる周期で設けられる第２の凹凸１２とを設けたので、全反射により発光素子の内部に閉じ込められた光に、ある段階で全反射を免れる機会を与えることができる。これにより、発光素子の光取り出し効率を向上させることができる。

このような基板１を備える発光素子は、高い発光効率、長期の発光効率安定性を実現することができ、高い光出力及び長寿命が要求される液晶のバックライト光源、発光ダイオード照明器具、自動車のヘッドランプ、プロジェクタの光源等に用いることができる。

［第２の実施の形態］
図２は、本発明の第２の実施の形態に係る基板の断面の概要を示す。

第２の実施の形態に係る基板１ａは、第１の実施の形態に係る基板１とは第２の凹凸１２ａの形状が異なる点を除き、基板１と略同一の構成及び機能を備える。したがって、相違点を除き詳細な説明は省略する。

第２の実施の形態に係る基板１ａの第２の凹凸１２ａは突起状に形成される。第２の凹凸１２ａは、基板１の厚さ方向において、第２の凹凸１２ａの頂上と最低部（例えば、凹部１０ｂの底部に対応する位置）との差が、１００ｎｍ以上であることが好ましく、５００ｎｍ以上の高低差にすることがより好ましい。当該高低差を１μｍ以上にすることもできる。

実施例１においては、表面がＣ面からＡ軸方向に０．３度傾いた３〜８インチ径のサファイア基板の表面に、上記実施の形態で説明した凹凸を形成した。そして、凹凸の上にＧａＮ系の化合物半導体層からなる発光ダイオード構造を積層した。

図３は、実施例１において作製した青色発光ダイオードの断面構造の概要を示す。

まず、ＧａＮ系の化合物半導体層を成長する前に、サファイア基板の表面に２００ｎｍ厚のＮｉ膜を蒸着した。次に、フォトリソグラフィー法及びエッチング法を用い、部分的にＮｉ膜を除去することにより、形成すべき凹凸面に対応する位置に開口を有するＮｉパターンをサファイア基板の表面に形成した。続いて、Ｎｉパターンを有するサファイア基板をＥＣＲプラズマエッチング装置に導入し、Ｎｉパターンをマスクとして、開口から外部に露出しているサファイア基板の表面にエッチング処理を施した。これにより、Ｎｉパターンがサファイア基板の表面に転写された基板１が得られた。なお、エッチング処理を実施する場合に、エッチング条件を適切に調整したエッチングを実施することで、エッチング深さ、斜面の傾き角度、凸部頂上の平坦面の大きさを様々に変えた凹凸面を形成した。エッチング処理後、基板１の表面に残留したＮｉ層を塩酸で除去した。更に、Ｎｉ層を除去した後の基板１を、有機溶媒により洗浄した後、水洗した。そして、水洗後の基板１を半導体結晶成長装置（ＭＯＶＰＥ装置）に導入した。

次に、基板１上に化合物半導体積層構造２６を形成した。具体的に、ＭＯＶＰＥ装置を用いたＧａＮ系の化合物半導体層の成長は以下のようにして実施した。まず、１００〜８００Ｔｏｒｒの圧力下、１０００〜１２００℃の温度で１０〜１００％の濃度の水素を含む雰囲気下で基板１を加熱することにより、基板１の表面を清浄化した。その後、基板１の温度を４００〜７００℃に設定し、水素、窒素、アンモニアを流しつつ、Ｇａの原料としてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）をＭＯＶＰＥ装置内に導入することにより、基板１上に１０〜４０ｎｍ厚の低温成長ＧａＮ層２０を成長した。なお、低温成長ＧａＮ層２０の成長速度は０．１〜１０μｍ／時に設定した。

次に、成長温度を１０００℃〜１２００℃に昇温した後、水素、窒素、アンモニア、ＴＭＧをＭＯＶＰＥ装置に供給し、０．１〜４０μｍ／時の成長速度で３〜１０μｍ厚のアンドープＧａＮ層２１を形成した。低温成長ＧａＮ層２０及びアンドープＧａＮ層２１を形成することで、基板１の第１の凹凸１０及び第２の凹凸１２は化合物半導体層中に埋め込まれ、アンドープＧａＮ層２１の表面（すなわち、アンドープＧａＮ層２１と後述するｎ−ＧａＮ層２２との界面）は平坦になった。なお、ＭＯＶＰＥ装置における結晶成長条件を調整することにより、凸部１０ａの頂上のみからＧａＮ系の化合物半導体を成長させることができる。この場合、基板１の凸部１０ａの頂上から成長させた化合物半導体と、基板１の凸部１０ａの隣の他の凸部１０ａから成長させた化合物半導体とを融合させて平坦面を形成することもできる。また、凸部１０ａの頂上と凹部１０ｂの底部の双方から化合物半導体を成長させ、双方から成長する化合物半導体を融合させることにより平坦面を形成することもできる。また、結晶成長条件を調整することにより、ＧａＮ系の化合物半導体を凹部１０ｂの表面、及び凸部１０ａの表面に沿って成長させ、最終的に平坦面を有する化合物半導体層を形成することもできる。更には、凹部１０ｂの底部、及び斜面上、若しくは凸部１０ａの上等に空洞を形成すること、又は空洞を形成しないこともできる。

続いて、アンドープＧａＮ層２１上にｎ−ＧａＮ層２２を形成した。具体的に、１０００〜１２００℃の成長温度下において、水素、窒素、アンモニア、ＴＭＧ、及びシランガスをＭＯＶＰＥ装置内に供給し、０．１〜４０μｍ／時の成長速度で１〜５μｍ厚のｎ−ＧａＮ層２２を形成した。なお、ｎ−ＧａＮ層２２のキャリア濃度は、１×１０^１７〜５×１０^１９／ｃｍ^３であり、シート抵抗は１〜２００Ω□であった。

次に、ｎ−ＧａＮ層２２上に発光層としてのＩｎＧａＮ／ＧａＮ多重量子井戸層２３を形成した。具体的に、６００〜８００℃の成長温度下において、窒素、アンモニアガスをＭＯＶＰＥ装置内に供給し、３〜３０ペアのＩｎＧａＮ／ＧａＮ多重量子井戸層２３（ただし、ＩｎＧａＮの厚さは１〜３ｎｍ、ＧａＮの厚さは３〜２０ｎｍ）を形成した。そして、９００〜１２００℃の成長温度下において、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ多重量子井戸層２３上に１０〜６０ｎｍ厚のｐ−ＡｌＧａＮ層２４（ただし、Ａｌ組成は０．０５〜０．２である）を形成し、ｐ−ＡｌＧａＮ層２４上に０．１〜０．５μｍ厚のｐ−ＧａＮコンタクト層２５（ただし、キャリア濃度は５×１０^１７〜５×１０^１８／ｃｍ^３である）を形成した。これにより、基板１上に化合物半導体積層構造２６が形成された。

化合物半導体積層構造２６を形成した後、基板１の温度を室温付近に降下させた。そして、化合物半導体積層構造２６を備える基板１をＭＯＶＰＥ装置から取り出した。その後、取り出したウエハの表面をＲＩＥにより部分的に除去し、ｎ−ＧａＮ層２２の一部を露出させ、露出させた部分にＴｉ／Ａｌからなるｎ電極３０を形成した。更に、ｐ−ＧａＮコンタクト層２５上にＮｉ２ｎｍ／Ａｕ６ｎｍからなる半透明電極としてのｐ電極３５と、ｐ電極３５の端部の所定領域にパッド電極４０を形成した。これにより、実施例１に係る青色発光ダイオードを作製した。

図４の（ａ）及び（ｂ）は、比較例に係る発光ダイオードに用いた基板の断面の概要を示す。また、図５は、（ａ）が比較例に係る発光ダイオードの凹凸の平面視における配置を示し、（ｂ）〜（ｄ）が本実施の形態に係る発光ダイオードの凹凸の平面視における配置を示す。更に、図６は、（ａ）が比較例に係る発光ダイオードの凹凸の平面視における配置を示し、（ｂ）〜（ｄ）が本実施の形態に係る発光ダイオードの凹凸の平面視における配置を示す。

実施例１に係る発光ダイオードの比較例として、表面に凹凸を有さないサファイア基板と、表面に従来型の一定周期の凹凸を有するサファイア基板４（ただし、平坦な底部を有する凹部１３と断面視にて略三角形状の断面を有する凸部１４とを備える）及びサファイア基板５（ただし、平坦な底部を有する凹部１５と断面視にて略矩形状の断面を有する凸部１６とを備える）とを準備し、実施例１と同様に青色発光ダイオードを作製した。

なお、図５の（ａ）は比較例に係る凹凸の平面視における配置を示す。すなわち、比較例においては、凹部１３と凸部１４とをストライプ状に周期的に設けた。また、図６の（ａ）は、他の比較例に係る凹凸の平面視における配置を示す。すなわち、他の比較例においては、平面視にて矩形状の複数の凸部１４をマトリクス状に設け、基板１の凸部１４と他の凸部１４との間が凹部１３である。比較例及び他の比較例においては、凹部１３及び凸部１４からなる凹凸が、実施例１に係る第１の凹凸１０に対応する。

一方、本実施の形態に係る凹凸の平面視における配置を、図５の（ｂ）〜（ｄ）、及び図６の（ｂ）〜（ｄ）にそれぞれ示す。例えば、図５の（ｂ）においては、ストライプ状の第１の凹凸１０とは別の位置に、第１の凹凸１０に略平行にストライプ状の第２の凹凸１２が設けられる。図５の（ｃ）においては、ストライプ状の第１の凹凸１０とは別に、矩形状の第２の凹凸１２が第１の凹凸１０を挟む位置に設けられる。また、図５の（ｄ）においては、ストライプ状の第１の凹凸１０とは別に、図５の（ｃ）の形態より多い数の矩形状の第２の凹凸１２が設けられる。

また、図６の（ｂ）においては、矩形状の第１の凹凸１０とは別の位置に、矩形状の第２の凹凸１２が設けられる。図６の（ｃ）においては、矩形状の第１の凹凸１０とは別の位置に、円形の第２の凹凸１２が設けられる。更に、図６の（ｄ）においては、第１の凹凸１０の基板１の厚さ方向における凹凸の向きと第２の凹凸１２の基板１の厚さ方向における向きとが、図６の（ｃ）の場合の逆の形態の凹凸が基板１に設けられる。

実施例１及び比較例に係る青色発光ダイオードはすべて、発光ピーク波長が４４０〜４７０ｎｍであった。また、２０ｍＡ通電時における駆動電圧はいずれも３．２〜３．５Ｖの範囲で略同等であった。

しかしながら、凹凸面を有さない平坦なサファイア基板を用いた青色発光ダイオード（比較例及び他の比較例）の２０ｍＡ通電時の発光出力が平均して７．５ｍＷであり、従来の凹凸面を有するサファイア基板上に形成した青色発光ダイオード（図４（ａ）及び図４（ｂ））の発光出力が平均して２２ｍＷであったところ、実施例１に係る青色発光ダイオードの場合、２９〜３１ｍＷであった。内部量子効率を青色発光ダイオードで典型的な７０％に仮定した場合、比較例の青色発光ダイオード（ただし、平坦なサファイア基板を用いた青色発光ダイオード）の光取り出し効率は２０％であり、比較例の青色発光ダイオード（ただし、図４（ａ）及び図４（ｂ）に図示した基板を用いた青色発光ダイオード）の光取り出し効率は６０％であるところ、実施例１に係る青色発光ダイオードそれぞれの光取り出し効率は約８０％と極めて大きな値であることが示された。

なお、実施例１において、基板１の第１の凹凸１０及び第２の凹凸１２のパターンを変化させることで実施例１に係る青色発光ダイオードの光出力は変化した。具体的に、第１の凹凸１０の周期と高低差とをそれぞれ１００ｎｍ以上にすることで、２９ｍＷ以上の光出力、５００ｎｍ以上の場合にすることで３０ｍＷ以上の光出力、１μｍ以上にすることで３１ｍＷの光出力が得られることを確認した。実施例１においては、凹凸の周期及び第１の凹凸１０の深さ共に増加するほど光出力が増大することが示された。また、第１の凹凸１０の斜面の角度等は、光出力の値に顕著な影響を与えなかった。

また、第１の凹凸１０及び第２の凹凸１２について、図５の（ｂ）から（ｄ）に示す溝構造だけでなく、正三角格子、正六角格子、長方形格子等の溝構造を採用した場合にも同様の結果が得られた。

更に、実施例１に係る青色発光ダイオードの素子寿命を評価した。その結果、従来の青色発光ダイオードの素子寿命が２００００時間程度である一方で、実施例１に係る青色発光ダイオードの素子寿命は６００００時間であることが示された。すなわち、基板１上に実施例１に係る第１の凹凸１０及び第２の凹凸１２を設けることで、青色発光ダイオードの素子寿命を延ばすことができることが示された。

図７は、実施例２において作製した青色発光ダイオードの断面構造の概要を示す。

実施例２に係る青色発光ダイオード２ｂにおいては、サファイア基板の表面（すなわち、低温成長バッファ層２０が形成される面）を平坦にしたまま、サファイア基板の裏面に凹凸加工を施した基板１を用いた。そして、実施例１と同様の実験を実施した。その結果、実施例１と略同様の結果が得られた。

図８は、実施例３において作製した青色発光ダイオードの断面構造の概要を示す。

実施例３に係る青色発光ダイオード２ｂにおいては、サファイア基板３には凹凸を設けず、ｐ−ＧａＮコンタクト層２５の表面に凹凸加工を施し、実施例１と同様の実験を実施した。ｐ−ＧａＮコンタクト層２５表面の加工は、当該表面にフォトリソグラフィー法を用いてレジストパターンを形成し、ｐ−ＧａＮコンタクト層２５の表面にＲＩＥ法を用いてガスエッチングを施すことで実施した。なお、エッチング深さがｐ−ＧａＮコンタクト層２５の全厚を超えないように注意しつつ、エッチングを実施した。また、この場合、ｐ−ＧａＮ層表面に凹凸があるので、薄いＮｉ／Ａｕ電極をその上に連続的に形成することは困難である。したがって、２００ｎｍ厚のＩＴＯを透明電極３５として用いた。その結果、実施例３においても実施例１と略同様の結果が得られた。

実施例４に係る青色発光ダイオードにおいては、サファイア基板の表面、サファイア基板の裏面、及び化合物半導体積層構造の表面のうち２つの面に凹凸面を形成した場合、及びこれらの面のすべてに凹凸面を形成した場合のそれぞれについて、実施例１と同様の実験を実施した。従来例のパターンを用いた場合には、２０ｍＡ通電時の光出力が２９ｍＷになり、実施例１〜３の場合より改善し、略８０％程度の光取り出し効率が実現された。一方、実施例４に係る青色発光ダイオードにおいては、光出力が３４〜３６ｍＷに向上し、光取り出し効率も９０〜９５％に向上した。

実施例５に係る青色発光ダイオードにおいては、ＧａＮからなる低温成長バッファ層２０を、ＡｌＮからなる低温成長バッファ層、ＡｌＧａＮからなる低温成長バッファ層、ＩｎＧａＮからなる低温成長バッファ層、１０００〜１３００℃の温度で成長した２〜４０００ｎｍ厚の高温ＡｌＮバッファ層に代え、実施例１〜４と同様の実験を実施した。その結果、実施例１〜４と略同様の結果が得られた。

実施例６に係る青色発光ダイオードにおいては、サファイア基板のオフ角を０．１〜２度の範囲で変更すると共に、オフ方向をＡ軸からＭ軸の間で様々に変更した複数のサファイア基板のそれぞれについて実施例１〜５と略同様の実験を実施した。その結果、実施例１〜５と略同様の結果が得られた。

実施例７に係る青色発光ダイオードにおいては、サファイア基板のＣ面を、Ａ面、Ｍ面、Ｒ面、及びこれらの面の中間の面等に様々に面方位を変更すると共に、これらの面のオフ角度、オフ方向を様々に変えた複数のサファイア基板のそれぞれについて実施例１〜６と同様の実験を実施した。その結果、実施例１〜６と略同様の結果が得られた。

実施例８に係る発光ダイオードにおいては、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ多重量子井戸層の変更、又はＩｎＧａＮ／ＧａＮ多重量子井戸層に代えてＡｌＧａＮ／ＧａＮ量子井戸層を用いたり、ｐ層やｎ層であるＧａＮ層をＡｌＧａＮ層に変更するなどし、発光ピーク波長が２７０〜６００ｎｍの範囲の様々な発光ダイオードを作成し、実施例１〜７と同様の実験を実施した。その結果、実施例１〜７と略同様の結果が得られた。

実施例７に係る発光ダイオードにおいては、サファイア基板をＡｌＮ基板、ＳｉＣ基板、ＺｎＯ基板にそれぞれ変更して実施例１〜８と同様の実験を実施した。その結果、実施例１〜８と略同様の結果が得られた。

実施例１０に係る発光ダイオードにおいては、化合物半導体の成長法をＭＯＶＰＥ法から、ＭＢＥ法、ＨＶＰＥ法、ＬＰＥ法にそれぞれ変更して実施例１〜９と同様の実験を実施した。その結果、実施例１〜９と略同様の結果が得られた。

（変形例）
ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＳｎ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＺｎＯ、Ｓｉ、ＳｉＣ、Ｇｅ、サファイア等からなる基板上に、ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｌＡｓ、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＡｌＧａＡｓＰ、ＺｎＯ、ＺｎＳｅ、ＺｎＳ等の材料からなる半導体積層構造を形成したピーク波長が２００〜１５００ｎｍの範囲の発光ダイオードに、実施例１〜１１において説明した凹凸面を採用し、光出力の向上、長寿命化を図ることもできる。

なお、基板が発光層が発する光に対して透明である場合には、凹凸面を基板１と半導体との界面、半導体の表面、及び／又は基板１の裏面に形成すると、いずれの場合にも発光効率を増大することが可能である。一方、基板が発光層が発する光に対して不透明な場合には、基板１の裏面に凹凸を形成しても、界面に凹凸を形成しても、基板により光が吸収されるため、光取出し効率の増大は期待できない。この場合には、半導体表面に凹凸を設けた場合にのみ、光取出し効率の増大が見込まれる。

また、サファイア基板やガラス基板上に、プラズマＣＶＤや蒸着により形成される有機ＥＬ素子の光出力の向上、長寿命化にも、実施例１〜１１において説明した凹凸面を採用することができる。

以上、本発明に係る実施の形態及び実施例を説明したが、上記に記載した実施の形態及び実施例は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態及び実施例の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。

１、１ａ 基板
２、２ａ、２ｂ 発光素子
３ サファイア基板
４ サファイア基板
５ サファイア基板
１０ 第１の凹凸
１０ａ 凸部
１０ｂ 凹部
１２、１２ａ 第２の凹凸
１３ 凹部
１４ 凸部
１５ 凹部
１６ 凸部
２０ 低温成長バッファ層
２１ アンドープＧａＮ層
２２ ｎ−ＧａＮ層
２３ ＩｎＧａＮ／ＧａＮ多重量子井戸層
２４ ｐ−ＡｌＧａＮ層
２５ ｐ−ＧａＮコンタクト層
２６ 化合物半導体積層構造
３０ ｎ電極
３５ ｐ電極
４０ パッド電極

Claims (6)

1. 入射又は出射する光の進行方向を変化させる凹凸を有する面を備える基板であって、
   前記凹凸が、１次元若しくは２次元の一定方向に沿って周期的に前記面に設けられる第１の凹凸と、前記第１の凹凸の配置とは異なる配置で前記面に設けられる第２の凹凸とを含む基板。
2. 前記第１の凹凸の繰り返し周期が、１００ｎｍ以上であり、
   前記第１の凹凸の頂上と底部の最低部との差が、１００ｎｍ以上である請求項１に記載の基板。
3. 前記第２の凹凸の頂上と底部の最低部との差が、１００ｎｍ以上である請求項３に記載の基板。
4. 基板と、前記基板上に設けられ、発光層を有する化合物半導体積層構造とを備える発光素子であって、
   前記基板と前記化合物半導体積層構造との界面に、入射又は出射する光の進行方向を変化させる凹凸が設けられ、
   前記凹凸が、１次元若しくは２次元の一定方向に沿って周期的に前記面に設けられる第１の凹凸と、前記第１の凹凸の配置とは異なる配置で前記面に設けられる第２の凹凸とを含む発光素子。
5. 基板と、前記基板上に設けられ、発光層を有する化合物半導体積層構造とを備える発光素子であって、
   前記化合物半導体積層構造の表面に、入射又は出射する光の進行方向を変化させる凹凸が設けられ、
   前記凹凸が、１次元若しくは２次元の一定方向に沿って周期的に前記面に設けられる第１の凹凸と、前記第１の凹凸の配置とは異なる配置で前記面に設けられる第２の凹凸とを含む発光素子。
6. 基板と、前記基板上に設けられ、発光層を有する化合物半導体積層構造とを備える発光素子であって、
   前記基板の前記化合物半導体積層構造が設けられている側の反対側の面に、入射又は出射する光の進行方向を変化させる凹凸が設けられ、
   前記凹凸が、１次元若しくは２次元の一定方向に沿って周期的に前記面に設けられる第１の凹凸と、前記第１の凹凸の配置とは異なる配置で前記面に設けられる第２の凹凸とを含む発光素子。

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