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JP2014195069A - Semiconductor light-emitting element, manufacturing method of the same and optical base material - Google Patents

Semiconductor light-emitting element, manufacturing method of the same and optical base material Download PDF

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JP2014195069A JP2014039224A JP2014039224A JP2014195069A JP 2014195069 A JP2014195069 A JP 2014195069A JP 2014039224 A JP2014039224 A JP 2014039224A JP 2014039224 A JP2014039224 A JP 2014039224A JP 2014195069 A JP2014195069 A JP 2014195069A
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Japan
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semiconductor layer
light
convex structure
semiconductor
fine concavo
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JP2014039224A
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Japanese (ja)
Inventor
Hiroyuki Muroo
洋行 室尾
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Asahi Kasei Corp
Original Assignee
Asahi Kasei E Materials Corp
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Publication date
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Abstract

【課題】内部量子効率及び光取り出し効率の両方を向上させた半導体発光素子及びそれを製造するための光学基材を提供する。
【解決手段】半導体発光素子(100)は、表面の一部又は全面に微細凹凸構造(20)が形成された光学基材(10)の上に第1半導体層(30)、発光半導体層(40)及び第2半導体層(50)と、を積層した構造であり、微細凹凸構造(20)の平均ピッチPavと、光学基材(10)の微細凹凸構造(20)が形成された表面上に設けられた第1半導体層(30)中での発光半導体層(40)が放出した発光光の波長λとの比(Pav/λ)が2.5以上8以下であり、微細凹凸構造(20)の面内平均高さHavと発光光の波長λ(Hav/λ)との比が0.1以上1以下であり、且つ、微細凹凸構造(20)のアスペクト比が0.2以上1以下である。
【選択図】図1
A semiconductor light emitting device with improved internal quantum efficiency and light extraction efficiency and an optical substrate for manufacturing the same are provided.
A semiconductor light emitting device (100) includes a first semiconductor layer (30) and a light emitting semiconductor layer (30) on an optical substrate (10) having a fine concavo-convex structure (20) formed on a part or the entire surface thereof. 40) and the second semiconductor layer (50) on the surface on which the average pitch Pav of the fine relief structure (20) and the fine relief structure (20) of the optical substrate (10) are formed. The ratio (Pav / λ) of the emitted light emitted from the light emitting semiconductor layer (40) in the first semiconductor layer (30) to the wavelength λ is 2.5 or more and 8 or less. 20) The ratio of the in-plane average height Hav to the wavelength λ (Hav / λ) of the emitted light is 0.1 or more and 1 or less, and the aspect ratio of the fine concavo-convex structure (20) is 0.2 or more and 1 It is as follows.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、半導体発光素子及びその製造方法並びに光学基材に関する。   The present invention relates to a semiconductor light emitting device, a manufacturing method thereof, and an optical substrate.

近年、有機エレクトロルミネッセンス(OLED)、蛍光体、発光ダイオード(LED)等の半導体発光素子における発光効率を向上させるために、種々の検討がされている。このような半導体発光素子は、発光部を内部に含む高屈折率領域が低屈折率領域によって挟まれる構成を有する。このため、半導体発光素子の発光部において発光した発光光は高屈折率領域内部を導波する導波モードとなり、高屈折率領域内部に閉じ込められ、導波過程において吸収されて熱となり減衰する。このように、半導体発光素子においては、発光光を半導体発光素子の外部に取り出すことができず、発光効率は大きく減少する問題がある。   In recent years, various studies have been made in order to improve the light emission efficiency of semiconductor light emitting devices such as organic electroluminescence (OLED), phosphor, and light emitting diode (LED). Such a semiconductor light emitting element has a configuration in which a high refractive index region including a light emitting portion is sandwiched between low refractive index regions. For this reason, the emitted light emitted from the light emitting portion of the semiconductor light emitting element becomes a waveguide mode that guides the inside of the high refractive index region, is confined inside the high refractive index region, is absorbed in the waveguide process, and is attenuated as heat. As described above, in the semiconductor light emitting device, the emitted light cannot be extracted outside the semiconductor light emitting device, and there is a problem that the light emission efficiency is greatly reduced.

LED素子の場合、以下に説明するように、光取り出し効率LEEと内部量子効率IQE、或いは、光取り出し効率LEEと電子注入効率EIEを同時に改善することで、高効率なLED素子を製造できる。   In the case of the LED element, as described below, a highly efficient LED element can be manufactured by improving the light extraction efficiency LEE and the internal quantum efficiency IQE or the light extraction efficiency LEE and the electron injection efficiency EIE at the same time.

青色LEDに代表されるGaN系半導体素子は、単結晶基板上にエピタキシャル成長によりn層、発光層、p層を積層して製造される。単結晶基板としては一般的にサファイア単結晶基板やSiC単結晶基板が用いられる。しかしながら、サファイア結晶とGaN系半導体結晶との間には格子不整合が存在するため、GaN系半導体結晶内部に転位が発生する(例えば、非特許文献1参照)。この転位密度は、1×10個/cmに達する。この転位により、LEDの内部量子効率、即ち半導体の発光する効率が下がり、結果として外部量子効率が低下する。 A GaN-based semiconductor element typified by a blue LED is manufactured by laminating an n layer, a light emitting layer, and a p layer on a single crystal substrate by epitaxial growth. As the single crystal substrate, a sapphire single crystal substrate or a SiC single crystal substrate is generally used. However, since there is a lattice mismatch between the sapphire crystal and the GaN-based semiconductor crystal, dislocations are generated inside the GaN-based semiconductor crystal (see, for example, Non-Patent Document 1). This dislocation density reaches 1 × 10 9 pieces / cm 2 . By this dislocation, the internal quantum efficiency of the LED, that is, the efficiency of light emission of the semiconductor decreases, and as a result, the external quantum efficiency decreases.

また、GaN系半導体層の屈折率はサファイア基板よりも大きい。このため、半導体発光層内で発生した光は、サファイア基板とGaN系半導体層との界面から臨界角以上の角度では出射しない。即ち、導波モードを形成し、導波過程において熱となり減衰する。このため、光取り出し効率が下がり、結果として外部量子効率が下がる。また、単結晶基板として屈折率の非常に大きなSiC基板を使用した場合、SiC基板と空気層と、の界面から臨界角以上の角度での出光は生じないため、サファイア基板を使用した場合と同様に、導波モードを生成し、光取り出し効率LEEが低下する。   The refractive index of the GaN-based semiconductor layer is larger than that of the sapphire substrate. For this reason, the light generated in the semiconductor light emitting layer is not emitted at an angle greater than the critical angle from the interface between the sapphire substrate and the GaN-based semiconductor layer. That is, a waveguide mode is formed, and heat is attenuated in the waveguide process. For this reason, the light extraction efficiency is lowered, and as a result, the external quantum efficiency is lowered. In addition, when a SiC substrate having a very large refractive index is used as the single crystal substrate, light emission at an angle greater than the critical angle from the interface between the SiC substrate and the air layer does not occur. In addition, a waveguide mode is generated, and the light extraction efficiency LEE decreases.

即ち、半導体結晶内部の転位欠陥により内部量子効率が低下し、且つ導波モード形成により光取り出し効率が低下するため、LEDの外部量子効率が大きく低下する。   That is, the internal quantum efficiency is reduced due to dislocation defects inside the semiconductor crystal, and the light extraction efficiency is reduced due to the formation of the waveguide mode, so that the external quantum efficiency of the LED is greatly reduced.

そこで、単結晶基板上に凹凸構造を設け、半導体結晶層での光の導波方向を変えて、光取り出し効率を上げる技術が提案されている(例えば、特許文献1参照)。   In view of this, a technique has been proposed in which a concavo-convex structure is provided on a single crystal substrate and the light guide direction of the semiconductor crystal layer is changed to increase the light extraction efficiency (see, for example, Patent Document 1).

また、単結晶基板に設ける凹凸構造の大きさをナノサイズとし、凹凸構造のパターンをランダム配置とした技術が提案されている(例えば、特許文献2参照)。なお、単結晶基板に設けるパターンサイズがナノサイズであると、マイクロサイズのパターン基材に比べ、LEDの発光効率が向上することが報告されている(例えば、非特許文献2参照)。   In addition, a technique has been proposed in which the size of the concavo-convex structure provided on the single crystal substrate is nano-sized, and the pattern of the concavo-convex structure is randomly arranged (see, for example, Patent Document 2). Note that it has been reported that when the pattern size provided on the single crystal substrate is nano-sized, the light emission efficiency of the LED is improved as compared to a micro-sized pattern base material (for example, see Non-Patent Document 2).

特開2003−318441号公報JP 2003-318441 A 特開2007−294972号公報JP 2007-294972 A

IEEE photo. Tech. Lett.,20,13, 1193(2008)IEEE photo. Tech. Lett. , 20, 13, 1193 (2008) J. Appl. Phys.,103,014314(2008)J. et al. Appl. Phys. , 103, 014314 (2008)

一般に、LEDの発光効率を示す外部量子効率EQE(External Quantum Efficiency)を決定する要因としては、電子注入効率EIE(Electron Injection Efficiency)、内部量子効率IQE(Internal Quantum Efficiency)及び光取り出し効率LEE(Light Extraction Efficiency)が挙げられる。このうち、内部量子効率IQEは、GaN系半導体結晶の結晶不整合に起因する転位密度に依存する。光取り出し効率LEEは、単結晶基板に設けられた凹凸構造による光散乱或いは光回折により、GaN系半導体結晶層内部の導波モードを崩すことで改善される。   In general, factors that determine external quantum efficiency EQE (External Quantum Efficiency) indicating the light emission efficiency of an LED include electron injection efficiency EIE (Electron Injection Efficiency), internal quantum efficiency IQE (Internal Quantum Efficiency E light efficiency) Extraction Efficiency). Among these, the internal quantum efficiency IQE depends on the dislocation density caused by the crystal mismatch of the GaN-based semiconductor crystal. The light extraction efficiency LEE is improved by breaking the waveguide mode inside the GaN-based semiconductor crystal layer by light scattering or light diffraction by the concavo-convex structure provided on the single crystal substrate.

従来の技術では、半導体発光素子の発光効率は極大化されない。特許文献1に記載の技術では、(2)の効果による光取り出し効率LEEの改善はなされるが、(1)の効果による内部量子効率IQE改善の効果は少ない。これは、単結晶基板上の凹凸により転位欠陥が減少する理由は、凹凸によりGaN系半導体層の化学蒸着(CVD)の成長モードが乱され、層成長に伴う転位欠陥が衝突して消滅するためである。そのため、凹凸のサイズをナノオーダーのピッチとすることが、転位密度の低減に大きな効果があるため、内部量子効率IQEの改善に有効である。   In the prior art, the light emission efficiency of the semiconductor light emitting element is not maximized. In the technique described in Patent Document 1, the light extraction efficiency LEE is improved by the effect (2), but the effect of improving the internal quantum efficiency IQE by the effect (1) is small. This is because dislocation defects are reduced by unevenness on the single crystal substrate because the chemical vapor deposition (CVD) growth mode of the GaN-based semiconductor layer is disturbed by the unevenness, and dislocation defects accompanying layer growth collide and disappear. It is. For this reason, it is effective to improve the internal quantum efficiency IQE because the size of the unevenness has a nano-order pitch, which has a great effect on the reduction of the dislocation density.

しかし、従来の技術においては、LEDの発光効率を極大化するために必要な内部量子効率IQEと光取り出し効率LEEに対して、凹凸構造は最適な構造ではなかった。   However, in the conventional technology, the concavo-convex structure is not an optimal structure for the internal quantum efficiency IQE and the light extraction efficiency LEE necessary for maximizing the light emission efficiency of the LED.

本発明は、上記説明した問題点に鑑みてなされたものであり、内部量子効率及び光取り出し効率の両方を向上させた半導体発光素子及びその製造方法、並びに、半導体発光素子を製造するための光学基材を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above-described problems. A semiconductor light-emitting device having improved both internal quantum efficiency and light extraction efficiency, a method for manufacturing the same, and an optical for manufacturing the semiconductor light-emitting device An object is to provide a substrate.

本発明者は、上記課題を解決するために鋭意研究を重ねた結果、光学基材に設けるナノパターンの微細凹凸構造が、特定の条件を満たす場合、内部量子効率IQE及び光取り出し効率LEEの両方が向上され、半導体発光素子の発光効率が極大化されることを見出した。即ち、本発明は以下の通りである。   As a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventor has found that both the internal quantum efficiency IQE and the light extraction efficiency LEE are obtained when the fine uneven structure of the nanopattern provided on the optical substrate satisfies a specific condition. It has been found that the luminous efficiency of the semiconductor light emitting device is maximized. That is, the present invention is as follows.

本発明の半導体発光素子は、表面の一部又は全面に微細凹凸構造が形成された光学基材の上に第1半導体層、発光半導体層及び第2半導体層を積層した構造である半導体発光素子であって、前記微細凹凸構造の平均ピッチPavと、前記光学基材の前記微細凹凸構造が形成された表面上に設けられた光媒質層中での前記発光半導体層が放出した発光光の波長λとの比(Pav/λ)が2.5以上8以下であり、前記微細凹凸構造の面内平均高さHavと前記発光光の波長λとの比(Hav/λ)が0.1以上1以下であり、且つ、前記微細凹凸構造のアスペクト比が0.2以上1以下であることを特徴とする。   The semiconductor light-emitting device of the present invention has a structure in which a first semiconductor layer, a light-emitting semiconductor layer, and a second semiconductor layer are stacked on an optical substrate having a fine relief structure formed on a part or the entire surface. The average pitch Pav of the fine concavo-convex structure and the wavelength of the emitted light emitted by the light-emitting semiconductor layer in the optical medium layer provided on the surface of the optical substrate on which the fine concavo-convex structure is formed The ratio (Pav / λ) to λ is 2.5 or more and 8 or less, and the ratio (Hav / λ) of the in-plane average height Hav of the fine concavo-convex structure to the wavelength λ of the emitted light is 0.1 or more. The aspect ratio of the fine concavo-convex structure is 0.2 or more and 1 or less.

この構成により、内部量子効率IQE及び光取り出し効率LEEの両方が向上され、半導体発光素子の発光効率が極大化される。また、光の波動性が強調され、出射光が指向性を有する。これによって、電極部の面積、材質などの設計の自由度が増す。   With this configuration, both the internal quantum efficiency IQE and the light extraction efficiency LEE are improved, and the light emission efficiency of the semiconductor light emitting device is maximized. Further, the wave nature of light is emphasized, and the emitted light has directivity. This increases the degree of freedom in designing the electrode area and material.

本発明の半導体発光素子において、前記発光光の波長λが、前記発光光の真空波長λを、前記第1半導体層の屈折率nで除したものであることが好ましい。 In the semiconductor light emitting device of the present invention, it is preferable that the wavelength λ of the emitted light is obtained by dividing the vacuum wavelength λ 0 of the emitted light by the refractive index n of the first semiconductor layer.

本発明の半導体発光素子において、前記光媒質層が、前記第1半導体層であることが好ましい。   In the semiconductor light emitting device of the present invention, it is preferable that the optical medium layer is the first semiconductor layer.

本発明の半導体発光素子において、前記微細凹凸構造を構成する凹部の底部は平坦面であることが好ましい。   In the semiconductor light emitting device of the present invention, it is preferable that the bottom of the concave portion constituting the fine concavo-convex structure is a flat surface.

本発明の半導体発光素子において、前記微細凹凸構造を構成する凸部は底部よりも頂部の方が径が小さいことが好ましい。   In the semiconductor light emitting device of the present invention, it is preferable that the convex part constituting the fine concavo-convex structure has a smaller diameter at the top part than at the bottom part.

本発明の半導体発光素子において、前記光学基材が、サファイア基板、Si基板、SiC基板、GaN基板、GaAs基板又はスピネル基板であることが好ましい。   In the semiconductor light emitting device of the present invention, the optical base material is preferably a sapphire substrate, a Si substrate, a SiC substrate, a GaN substrate, a GaAs substrate, or a spinel substrate.

本発明の半導体発光素子において、前記光学基材が、c面サファイア基板であり、オフセット角度が0.05度以上、0.8度以下であることが好ましい。   In the semiconductor light emitting device of the present invention, it is preferable that the optical base material is a c-plane sapphire substrate, and an offset angle is 0.05 degree or more and 0.8 degree or less.

本発明の半導体発光素子において、前記第1半導体層、前記発光半導体層及び前記第2半導体層が、III−V族系半導体であることが好ましい。   In the semiconductor light emitting device of the present invention, it is preferable that the first semiconductor layer, the light emitting semiconductor layer, and the second semiconductor layer are III-V group semiconductors.

本発明の半導体発光素子において、前記第1半導体層、前記発光半導体層及び前記第2半導体層が、GaN系半導体であることが好ましい。   In the semiconductor light emitting device of the present invention, it is preferable that the first semiconductor layer, the light emitting semiconductor layer, and the second semiconductor layer are GaN-based semiconductors.

本発明の半導体発光素子の製造方法は、上記記載の半導体発光素子の製造方法であって、前記光学基材を準備する工程と、前記光学基材の前記微細凹凸構造が形成された表面上に少なくとも前記第1半導体層、前記発光半導体層及び前記第2半導体層を順次積層する工程と、を具備することを特徴とする。   A method for manufacturing a semiconductor light emitting device according to the present invention is a method for manufacturing a semiconductor light emitting device as described above, wherein the step of preparing the optical substrate and the surface of the optical substrate on which the fine concavo-convex structure is formed are provided. And sequentially stacking at least the first semiconductor layer, the light emitting semiconductor layer, and the second semiconductor layer.

本発明の光学基材は、第1半導体層、発光半導体層及び第2半導体層を積層した構造である半導体発光素子に用いられる、表面の一部又は全面に微細凹凸構造が形成された光学基材であって、前記微細凹凸構造の平均ピッチPavと、前記微細凹凸構造が形成された表面上に設けられた光媒質層中での前記発光半導体層が放出した発光光の波長λとの比(Pav/λ)が2.5以上8以下であり、前記微細凹凸構造の面内平均高さHavと前記発光光の波長λとの比(Hav/λ)が0.1以上1以下であり、且つ、前記微細凹凸構造のアスペクト比が0.2以上1以下であることを特徴とする。   The optical substrate of the present invention is an optical substrate having a fine concavo-convex structure formed on a part or the entire surface thereof, which is used in a semiconductor light emitting device having a structure in which a first semiconductor layer, a light emitting semiconductor layer and a second semiconductor layer are laminated. A ratio between an average pitch Pav of the fine concavo-convex structure and a wavelength λ of emitted light emitted by the light-emitting semiconductor layer in an optical medium layer provided on a surface on which the fine concavo-convex structure is formed. (Pav / λ) is 2.5 or more and 8 or less, and the ratio (Hav / λ) of the in-plane average height Hav of the fine concavo-convex structure to the wavelength λ of the emitted light is 0.1 or more and 1 or less. The aspect ratio of the fine concavo-convex structure is 0.2 or more and 1 or less.

本発明の光学基材において、前記発光光の波長λが、前記発光光の真空波長λを、前記第1半導体層の屈折率nで除したものであることが好ましい。 In the optical substrate of the present invention, the wavelength λ of the emitted light is preferably obtained by dividing the vacuum wavelength λ 0 of the emitted light by the refractive index n of the first semiconductor layer.

本発明の光学基材において、前記光媒質層が、前記第1半導体層であることが好ましい。   In the optical base material of the present invention, it is preferable that the optical medium layer is the first semiconductor layer.

本発明の光学基材において、前記微細凹凸構造を構成する凹部の底部は平坦面であることが好ましい。   In the optical base material of the present invention, it is preferable that the bottom of the concave portion constituting the fine concavo-convex structure is a flat surface.

本発明の光学基材において、前記微細凹凸構造を構成する凸部は底部よりも頂部の径が小さいことが好ましい。   In the optical base material of the present invention, it is preferable that the convex part constituting the fine concavo-convex structure has a smaller diameter at the top than at the bottom.

本発明の光学基材において、サファイア基板、Si基板、SiC基板、GaN基板、GaAs基板又はスピネル基板であることが好ましい。   In the optical base material of the present invention, a sapphire substrate, Si substrate, SiC substrate, GaN substrate, GaAs substrate or spinel substrate is preferable.

本発明の光学基材において、c面サファイア基板であり、オフセット角度が0.05度以上、0.8度以下であることが好ましい。   In the optical base material of the present invention, it is a c-plane sapphire substrate, and the offset angle is preferably 0.05 degrees or more and 0.8 degrees or less.

本発明の半導体発光素子の製造方法は、上記記載の光学基材を準備する工程と、前記光学基材の前記微細凹凸構造が形成された表面上に少なくとも前記第1半導体層、前記発光半導体層及び前記第2半導体層を順次積層する工程と、を具備することを特徴とする。   The method for producing a semiconductor light-emitting device of the present invention includes a step of preparing the above-described optical base material, and at least the first semiconductor layer and the light-emitting semiconductor layer on the surface of the optical base material on which the fine concavo-convex structure is formed. And sequentially stacking the second semiconductor layers.

本発明によれば、内部量子効率及び光取り出し効率の両方を向上させ、さらに電極部の設計自由度が高い半導体発光素子及びその製造方法、並びに、半導体発光素子を製造するための光学基材を提供することができる。   According to the present invention, there are provided a semiconductor light emitting device that improves both internal quantum efficiency and light extraction efficiency, and further has a high degree of freedom in designing an electrode portion, a method for manufacturing the same, and an optical substrate for manufacturing the semiconductor light emitting device. Can be provided.

本実施の形態に係る半導体発光素子を示す断面概略図である。1 is a schematic cross-sectional view showing a semiconductor light emitting element according to an embodiment. 本実施の形態に係る半導体発光素子における回折光の回折方位角を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the diffraction azimuth angle of the diffracted light in the semiconductor light-emitting device concerning this Embodiment. 本実施の形態に係る及び従来の半導体発光素子における回折方位角と電極部との関係を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the relationship between the diffraction azimuth angle and electrode part which concerns on this Embodiment and in the conventional semiconductor light-emitting device. 本実施の形態に係る半導体発光素子における連続した凸部の配列の例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the example of the arrangement | sequence of the continuous convex part in the semiconductor light-emitting device concerning this Embodiment. 本実施の形態に係る半導体発光素子における連続した凸部の配列の例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the example of the arrangement | sequence of the continuous convex part in the semiconductor light-emitting device concerning this Embodiment. 本実施の形態に係る半導体発光素子の第1半導体層を微細凹凸構造が形成された表面側から見た上面図である。It is the top view which looked at the 1st semiconductor layer of the semiconductor light-emitting device concerning this Embodiment from the surface side in which the fine concavo-convex structure was formed. 本実施の形態に係る半導体発光素子の第1半導体層を微細凹凸構造が形成された表面側から見た上面図である。It is the top view which looked at the 1st semiconductor layer of the semiconductor light-emitting device concerning this Embodiment from the surface side in which the fine concavo-convex structure was formed. 本実施の形態に係る半導体発光素子の微細凹凸構造がドット構造の場合を示す上面図である。It is a top view which shows the case where the fine grooving | roughness structure of the semiconductor light-emitting device concerning this Embodiment is a dot structure. 図8に示したピッチPに相当する線分位置における微細凹凸構造を示す断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram which shows the fine concavo-convex structure in the line segment position corresponded to the pitch P shown in FIG. 本実施の形態に係る半導体発光素子の微細凹凸構造がホール構造の場合を示す上面図である。It is a top view which shows the case where the fine concavo-convex structure of the semiconductor light emitting element concerning this Embodiment is a hole structure. 図10に示したピッチPに相当する線分位置における微細凹凸構造を示す断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram which shows the fine concavo-convex structure in the line segment position corresponded to the pitch P shown in FIG. 本実施の形態に係るオフセット角度を有するサファイア基板を示す断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram which shows the sapphire substrate which has an offset angle which concerns on this Embodiment. オフセット角度及び微細凹凸構造を有するサファイア基板を説明する説明図である。It is explanatory drawing explaining the sapphire substrate which has an offset angle and a fine uneven structure. オフセット角度及び微細凹凸構造を有するサファイア基板を説明する説明図である。It is explanatory drawing explaining the sapphire substrate which has an offset angle and a fine uneven structure. 本実施の形態に係る半導体発光素子の他の例を示す断面概略図である。It is a cross-sectional schematic diagram which shows the other example of the semiconductor light-emitting device concerning this Embodiment.

以下、本発明の一実施の形態(以下、「実施の形態」と略記する。)について、詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で種々変形して実施することができる。   Hereinafter, an embodiment of the present invention (hereinafter abbreviated as “embodiment”) will be described in detail. In addition, this invention is not limited to the following embodiment, It can implement by changing variously within the range of the summary.

まず、図面を参照して本実施の形態に係る半導体発光素子の構造について説明する。図1は、本実施の形態に係る半導体発光素子を示す断面概略図である。図1に示すように、半導体発光素子100において、光学基材10は、その表面に微細凹凸構造20を具備している。光学基材10の微細凹凸構造20を含む表面上に第1半導体層30、発光半導体層40及び第2半導体層50が順次積層されている。ここで、発光半導体層40にて発生した発光光は、第2半導体層50側又は光学基材10から取り出される。さらに、第1半導体層30と第2半導体層50と、は互いに異なる半導体層である。ここで、第1半導体層30は、微細凹凸構造20を平坦化すると好ましい。第1半導体層30が微細凹凸構造20を平坦化するように設けられることにより、第1半導体層30の半導体としての性能を、発光半導体層40及び第2半導体層50へ、と反映させることができるため、内部量子効率IQEが向上する。   First, the structure of the semiconductor light emitting device according to the present embodiment will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a semiconductor light emitting device according to the present embodiment. As shown in FIG. 1, in the semiconductor light emitting device 100, the optical substrate 10 has a fine concavo-convex structure 20 on the surface thereof. A first semiconductor layer 30, a light emitting semiconductor layer 40, and a second semiconductor layer 50 are sequentially stacked on the surface of the optical substrate 10 including the fine concavo-convex structure 20. Here, the emitted light generated in the light emitting semiconductor layer 40 is extracted from the second semiconductor layer 50 side or the optical substrate 10. Further, the first semiconductor layer 30 and the second semiconductor layer 50 are different semiconductor layers. Here, it is preferable that the first semiconductor layer 30 planarizes the fine concavo-convex structure 20. By providing the first semiconductor layer 30 so as to planarize the fine concavo-convex structure 20, the performance of the first semiconductor layer 30 as a semiconductor can be reflected in the light emitting semiconductor layer 40 and the second semiconductor layer 50. Therefore, the internal quantum efficiency IQE is improved.

また、第1半導体層30は、図1に示すように、非ドープ第1半導体層31とドープ第1半導体層32とから構成されてもよい。ここで、非ドープ第1半導体層31が微細凹凸構造20を平坦化するように設けられることにより、非ドープ第1半導体層31の半導体としての性能を、ドープ第1半導体層32、発光半導体層40及び第2半導体層50へ、と反映させることができるため、内部量子効率IQEが向上する。   The first semiconductor layer 30 may be composed of an undoped first semiconductor layer 31 and a doped first semiconductor layer 32, as shown in FIG. Here, the undoped first semiconductor layer 31 is provided so as to planarize the fine concavo-convex structure 20, so that the performance of the undoped first semiconductor layer 31 as a semiconductor is the same as that of the doped first semiconductor layer 32 and the light emitting semiconductor layer. 40 and the second semiconductor layer 50 can be reflected, so that the internal quantum efficiency IQE is improved.

さらに、非ドープ第1半導体層31は、図1に示すように、バッファー層33を含むと好ましい。半導体発光素子100においては、微細凹凸構造20上にバッファー層33を設け、続いて、非ドープ第1半導体層31及びドープ第1半導体層32を順次積層することにより、第1半導体層30の結晶成長の初期条件である核生成及び核成長が良好となり、第1半導体層30の半導体としての性能が向上するため、内部量子効率IQE改善程度が向上する。ここでバッファー層33は、微細凹凸構造20を平坦化するように配置されてもよいが、バッファー層33の成長速度は遅いため、半導体発光素子100の製造時間を短縮する観点から、バッファー層33上に設けられる非ドープ第1半導体層31により微細凹凸構造20を平坦化することが好ましい。非ドープ第1半導体層31が微細凹凸構造20を平坦化するように設けられることにより、非ドープ第1半導体層31の半導体としての性能を、ドープ第1半導体層32、発光半導体層40及び第2半導体層50へ、と反映させることができるため、内部量子効率IQEが向上する。なお、図1において、バッファー層33は微細凹凸構造20の表面を覆うように配置されているが、微細凹凸構造20の表面に部分的に設けることもできる。特に、微細凹凸構造20の凹部底部に優先的にバッファー層33を設けることができる。   Furthermore, the undoped first semiconductor layer 31 preferably includes a buffer layer 33 as shown in FIG. In the semiconductor light emitting device 100, the buffer layer 33 is provided on the fine concavo-convex structure 20, and then the undoped first semiconductor layer 31 and the doped first semiconductor layer 32 are sequentially stacked, thereby crystallizing the first semiconductor layer 30. Nucleation and nucleus growth, which are initial conditions for growth, are improved, and the performance of the first semiconductor layer 30 as a semiconductor is improved, so that the degree of improvement in internal quantum efficiency IQE is improved. Here, the buffer layer 33 may be arranged so as to planarize the fine concavo-convex structure 20, but since the growth rate of the buffer layer 33 is slow, from the viewpoint of shortening the manufacturing time of the semiconductor light emitting device 100, the buffer layer 33. It is preferable to planarize the fine concavo-convex structure 20 with the undoped first semiconductor layer 31 provided thereon. By providing the undoped first semiconductor layer 31 so as to planarize the fine concavo-convex structure 20, the performance of the undoped first semiconductor layer 31 as a semiconductor is improved by the doped first semiconductor layer 32, the light emitting semiconductor layer 40, and the first semiconductor layer 31. 2 can be reflected in the semiconductor layer 50, so that the internal quantum efficiency IQE is improved. In FIG. 1, the buffer layer 33 is disposed so as to cover the surface of the fine concavo-convex structure 20, but may be partially provided on the surface of the fine concavo-convex structure 20. In particular, the buffer layer 33 can be preferentially provided at the bottom of the concave portion of the fine concavo-convex structure 20.

さらに、第2半導体層50上に透明導電膜60を、透明導電膜60の表面にアノード電極70を、そして第1半導体層30表面にカソード電極80を、それぞれ設けることができる。透明導電膜60、アノード電極70及びカソード電極80の配置は、半導体発光素子により適宜最適化できるため限定されないが、一般的に、図1に例示するように設けられる。   Furthermore, the transparent conductive film 60 can be provided on the second semiconductor layer 50, the anode electrode 70 can be provided on the surface of the transparent conductive film 60, and the cathode electrode 80 can be provided on the surface of the first semiconductor layer 30. The arrangement of the transparent conductive film 60, the anode electrode 70, and the cathode electrode 80 is not limited because it can be appropriately optimized by the semiconductor light emitting device, but is generally provided as illustrated in FIG. 1.

図1に示した半導体発光素子100は、ダブルヘテロ構造の半導体発光素子に適用した例であるが、第1半導体層30、発光半導体層40及び第2半導体層50の積層構造はこれに限定されるものではない。   The semiconductor light emitting device 100 shown in FIG. 1 is an example applied to a semiconductor light emitting device having a double hetero structure, but the stacked structure of the first semiconductor layer 30, the light emitting semiconductor layer 40, and the second semiconductor layer 50 is limited to this. It is not something.

本実施の形態に係る半導体発光素子100において、光学基材10の微細凹凸構造20は、以下の条件(1)〜(3)を満たす。   In the semiconductor light emitting device 100 according to the present embodiment, the fine concavo-convex structure 20 of the optical substrate 10 satisfies the following conditions (1) to (3).

(1)微細凹凸構造20の平均ピッチPavと、光学基材10の微細凹凸構造20が形成された表面(以下、微細凹凸構造面ともいう)上に設けられた第1半導体層30中での発光光の波長λとの比(Pav/λ)が2.5以上8以下である。   (1) The average pitch Pav of the fine concavo-convex structure 20 and the first semiconductor layer 30 provided on the surface of the optical substrate 10 on which the fine concavo-convex structure 20 is formed (hereinafter also referred to as the fine concavo-convex structure surface). The ratio (Pav / λ) to the wavelength λ of the emitted light is 2.5 or more and 8 or less.

(2)微細凹凸構造20の面内平均高さHavと、発光光の波長λとの比が0.1以上1以下である。   (2) The ratio between the in-plane average height Hav of the fine concavo-convex structure 20 and the wavelength λ of the emitted light is 0.1 or more and 1 or less.

(3)微細凹凸構造20のアスペクト比が0.2以上1以下である。   (3) The aspect ratio of the fine relief structure 20 is 0.2 or more and 1 or less.

本実施の形態に係る半導体発光素子100は、微細凹凸構造20が上記(1)〜(3)の条件を満たすことにより、次のような効果を奏する。   The semiconductor light emitting device 100 according to the present embodiment has the following effects when the fine concavo-convex structure 20 satisfies the above conditions (1) to (3).

まず、内部量子効率IQEの向上が可能となる。具体的には、微細凹凸構造20の平均ピッチPavが十分に小さくなることにより、光学基材10上での第1半導体層30の成膜時の成長モードを乱すことが可能となり、第1半導体層30の内部に発生する転位を低減することができる。   First, the internal quantum efficiency IQE can be improved. Specifically, when the average pitch Pav of the fine concavo-convex structure 20 is sufficiently small, it becomes possible to disturb the growth mode at the time of film formation of the first semiconductor layer 30 on the optical substrate 10, and the first semiconductor Dislocations generated in the layer 30 can be reduced.

一方、微細凹凸構造20の面内平均高さHavが、第1半導体層30中での発光光の波長λの0.1倍以上1倍以下であり、且つ、微細凹凸構造20のアスペクト比が0.2以上1以下であることにより、光から見た微細凹凸構造20の体積変化が十分大きく、またその回折角度は有利に導波モードを崩すことができ、光取り出し効率LEEが改善する。   On the other hand, the in-plane average height Hav of the fine concavo-convex structure 20 is not less than 0.1 times and not more than 1 time the wavelength λ of the emitted light in the first semiconductor layer 30, and the aspect ratio of the fine concavo-convex structure 20 is By being 0.2 or more and 1 or less, the volume change of the fine concavo-convex structure 20 viewed from light is sufficiently large, and the diffraction angle can advantageously break the waveguide mode, and the light extraction efficiency LEE is improved.

また、平均ピッチPavと発光光の波長λとの比(Pav/λ)が2.5以上8以下であることで、光の波動性が強調され、出射光が指向性を有する。これによって、電極部の面積、材質などの設計の自由度が増す。例えば、回折光が六回対称に出射する光の場合、半導体発光素子100と基板のなす回転角を適切に選ぶことで、電極部の影となる部分が小さくなる。   Further, when the ratio (Pav / λ) between the average pitch Pav and the wavelength λ of the emitted light is 2.5 or more and 8 or less, the wave nature of the light is emphasized, and the emitted light has directivity. This increases the degree of freedom in designing the electrode area and material. For example, in the case where the diffracted light is emitted six times symmetrically, a portion that is a shadow of the electrode portion is reduced by appropriately selecting the rotation angle formed by the semiconductor light emitting element 100 and the substrate.

図2は、本実施の形態に係る半導体発光素子100における回折光の回折方位角を説明するための模式図である。図2Aは、半導体発光素子100において、第1半導体層30、発光半導体層40及び第2半導体層50を順次積層した方向(以下、積層方向ともいう)をz軸とした場合に、このz軸に沿った断面を示す。図2A中、符号201は、微細凹凸構造20から出射した回折光を示す。また、図2A中、z軸に対して直交し、微細凹凸構造20が形成された微細凹凸構造面と平行な面に含まれるx軸及びy軸を示す。   FIG. 2 is a schematic diagram for explaining the diffraction azimuth angle of the diffracted light in the semiconductor light emitting device 100 according to the present embodiment. 2A shows the z-axis when the direction in which the first semiconductor layer 30, the light-emitting semiconductor layer 40, and the second semiconductor layer 50 are sequentially stacked (hereinafter also referred to as a stacking direction) is defined as the z-axis in the semiconductor light emitting device 100. The cross section along is shown. In FIG. 2A, reference numeral 201 indicates diffracted light emitted from the fine concavo-convex structure 20. 2A shows the x-axis and the y-axis included in a plane that is orthogonal to the z-axis and is parallel to the surface of the fine concavo-convex structure 20 on which the fine concavo-convex structure 20 is formed.

図2Bは、図2A中のz軸方向上側から見た回折光201を示す。この場合、回折光201は6回対称に出射している。回折光201の一つの放射部分202は、x軸に対して回転角度θをなしている。この回転角度θを「回折方位角」と呼ぶ。   FIG. 2B shows the diffracted light 201 viewed from the upper side in the z-axis direction in FIG. 2A. In this case, the diffracted light 201 is emitted six times symmetrically. One radiating portion 202 of the diffracted light 201 forms a rotation angle θ with respect to the x axis. This rotation angle θ is called a “diffraction azimuth angle”.

本実施の形態に係る半導体発光素子100において、第1半導体層30の発光光の波長λは、発光光の真空波長λを第1半導体層30の屈折率nで除したものである。 In the semiconductor light emitting device 100 according to the present embodiment, the wavelength λ of the emitted light of the first semiconductor layer 30 is obtained by dividing the vacuum wavelength λ 0 of the emitted light by the refractive index n of the first semiconductor layer 30.

ここで、発光光とは、半導体発光素子100の発光半導体層40が放出する光を言う。   Here, the emitted light refers to light emitted from the light emitting semiconductor layer 40 of the semiconductor light emitting device 100.

第1半導体層30が、上述のように、バッファー層33を有し、また、非ドープ第1半導体層31及びドープ第1半導体層32を順次積層したものである場合、発光光の波長λは、微細凹凸構造20を平担化するように設けられた非ドープ第1半導体層31中での波長である。このように、発光光の波長λは、微細凹凸構造20の上に設けられた発光光の媒質となる層に依存して決まる。この層を「光媒質層」と呼ぶ。従って、発光光の波長λは、真空波長λ及び光媒質層の屈折率nから算出可能である。 As described above, when the first semiconductor layer 30 has the buffer layer 33 and is formed by sequentially laminating the undoped first semiconductor layer 31 and the doped first semiconductor layer 32, the wavelength λ of the emitted light is The wavelength in the undoped first semiconductor layer 31 provided so as to flatten the fine concavo-convex structure 20. Thus, the wavelength λ of the emitted light is determined depending on the layer serving as the medium of the emitted light provided on the fine concavo-convex structure 20. This layer is called an “optical medium layer”. Therefore, the wavelength λ of the emitted light can be calculated from the vacuum wavelength λ 0 and the refractive index n of the optical medium layer.

なお、発光光の真空波長λは、発光半導体層が、そのバンドギャップに応じて放出する光の真空波長であり、例えば、波長計又は分光放射輝度計により求めることができる。 Note that the vacuum wavelength λ 0 of the emitted light is the vacuum wavelength of the light emitted by the light emitting semiconductor layer according to the band gap, and can be obtained by, for example, a wavelength meter or a spectral radiance meter.

本実施の形態に係る半導体発光素子100においては、微細凹凸構造20を構成する凹部の底部は平坦面であることが好ましい。ここでいう平坦とは、光学基材10を走査型電子顕微鏡(SEM)で比較的低倍率で観察した場合、例えば20000倍から100000倍で観察した際に、断面像での凹部底部が直線状に観察されること、或いは光学基材10を傾けた(tiltをかけた)場合、例えば10度傾けた際、断面像で凹部底部が平坦に観察されることである。即ち、これらの場合、後述のオフセット角度によって定まるテラスとステップは観察されず、平坦であるので、凹部の底部にテラス及びステップが含まれる場合も、平坦面である。   In the semiconductor light emitting device 100 according to the present embodiment, it is preferable that the bottom of the concave portion constituting the fine concavo-convex structure 20 is a flat surface. The term “flat” as used herein means that when the optical substrate 10 is observed with a scanning electron microscope (SEM) at a relatively low magnification, for example, when observed at 20000 to 100000 times, the bottom of the recess in the cross-sectional image is linear. Or when the optical substrate 10 is tilted (tilted), for example, when the optical substrate 10 is tilted by 10 degrees, the bottom of the recess is observed flat in the cross-sectional image. That is, in these cases, a terrace and a step determined by an offset angle, which will be described later, are not observed, and are flat. Even when the terrace and the step are included at the bottom of the concave portion, the flat surface is obtained.

この構成によれば、内部量子効率IQEを向上させることができる。半導体発光素子100において内部量子効率IQEを向上させるためには、半導体結晶層の化学蒸着(CVD)の成長モードを乱し、半導体結晶層内部の転位を分散化し、局所的及び巨視的な転位密度を減少させる必要がある。ここで、これらの物理現象の初期条件は、半導体結晶層を化学蒸着(CVD)により成膜する際の核生成及び核成長である。微細凹凸構造20の凹部底部に平坦面を有すことで、核生成を好適に生じさせることが可能となるため、微細凹凸構造20の密度による半導体結晶層内の転位低減効果をより発現させることが可能となる。この結果、内部量子効率IQEをより大きくすることができる。   According to this configuration, the internal quantum efficiency IQE can be improved. In order to improve the internal quantum efficiency IQE in the semiconductor light emitting device 100, the chemical vapor deposition (CVD) growth mode of the semiconductor crystal layer is disturbed, the dislocations inside the semiconductor crystal layer are dispersed, and the local and macroscopic dislocation density. Need to be reduced. Here, initial conditions of these physical phenomena are nucleation and growth when the semiconductor crystal layer is formed by chemical vapor deposition (CVD). Since a flat surface is provided at the bottom of the concave portion of the fine concavo-convex structure 20, nucleation can be suitably generated, and therefore, the effect of reducing dislocations in the semiconductor crystal layer due to the density of the fine concavo-convex structure 20 can be expressed more. Is possible. As a result, the internal quantum efficiency IQE can be further increased.

また、本実施の形態に係る半導体発光素子100においては、微細凹凸構造20を構成する凸部は底部よりも頂部の方が径が小さい、即ち、凸部の断面は、頂部から底部にかけて傾斜する側辺部を有することが好ましい。   Further, in the semiconductor light emitting device 100 according to the present embodiment, the convex portion constituting the fine concavo-convex structure 20 has a smaller diameter at the top than at the bottom, that is, the cross section of the convex is inclined from the top to the bottom. It is preferable to have a side part.

この構成によれば、第1半導体層30の内部に発生する転位を減少させると共に、微細凹凸構造20に応じ転位を分散化することが可能となる。即ち、巨視的にも微視的にも転位密度の低い第1半導体層30を作製することが可能となる、内部量子効率IQEの向上が良好となる。   According to this configuration, it is possible to reduce dislocations generated in the first semiconductor layer 30 and to disperse dislocations according to the fine concavo-convex structure 20. That is, it is possible to produce the first semiconductor layer 30 having a low dislocation density both macroscopically and microscopically, and the internal quantum efficiency IQE is improved.

また、本実施の形態に係る光学基材10は、上記(1)〜(3)の条件を満たすことにより、本実施の形態に係る半導体発光素子100を製造するために有益である。   Moreover, the optical substrate 10 according to the present embodiment is beneficial for manufacturing the semiconductor light emitting device 100 according to the present embodiment by satisfying the conditions (1) to (3).

微細凹凸構造20は、光学基材10の表面上の少なくとも一部に設けられていれば良い。好ましい領域の面積は、半導体発光素子100の1個に相当する領域、最も好ましくは、光学基材10の全面である。なお、光学基材10とは、その表面に半導体層を積層し、半導体発光素子を形成するために用いる基板を指す。   The fine concavo-convex structure 20 should just be provided in at least one part on the surface of the optical base material 10. FIG. The area of the preferred region is a region corresponding to one of the semiconductor light emitting elements 100, most preferably the entire surface of the optical substrate 10. In addition, the optical base material 10 refers to the board | substrate used in order to laminate | stack a semiconductor layer on the surface and to form a semiconductor light-emitting device.

以下、本実施の形態に係る半導体発光素子100が効果を発揮する原理について説明する。   Hereinafter, the principle that the semiconductor light emitting device 100 according to the present embodiment exerts an effect will be described.

一般に、半導体発光素子の発光効率は、内部量子効率IQEと光取り出し効率LEEによって決定される。この両者の向上のためには、ナノスケールの凹凸構造による結晶欠陥の低減と、導波モードを崩すこと、そして実効的な光取り出し面積の増加の両立が必要となる。特に、導波モードを崩すために、従来はマイクロオーダーの凹凸構造によって散乱させて光取り出し効率の向上を行っていたが、我々はナノオーダーで生じる光回折、中でも回折のモード数と回折角度に注目した。これによって、結晶欠陥の低減と、回折による導波モードを効果的に崩す作用及び実効的な光取り出し面積の増加から、光取り出し効率の向上の両立が可能となった。   In general, the light emission efficiency of a semiconductor light emitting device is determined by the internal quantum efficiency IQE and the light extraction efficiency LEE. In order to improve both, it is necessary to achieve both reduction of crystal defects by the nanoscale uneven structure, collapse of the waveguide mode, and increase of the effective light extraction area. In particular, in order to break down the waveguide mode, the light extraction efficiency has been improved by scattering with a micro-order uneven structure, but we are now considering the light diffraction that occurs in the nano order, especially the number of diffraction modes and the diffraction angle. noticed. This makes it possible to improve both the light extraction efficiency due to the reduction of crystal defects, the action of effectively breaking the waveguide mode due to diffraction, and the increase of the effective light extraction area.

また、半導体発光素子の発光層で生じた発光光と凹凸構造との相互作用は、半導体発光素子中での発光光の波長λと凹凸構造が有する大きさとの関係で決まる。   Further, the interaction between the emitted light generated in the light emitting layer of the semiconductor light emitting element and the uneven structure is determined by the relationship between the wavelength λ of the emitted light in the semiconductor light emitting element and the size of the uneven structure.

従来用いられていたマイクロオーダーの凹凸構造は、半導体発光素子中の発光光の波長λの10倍程度の大きさであり、光と凹凸構造の相互作用は散乱的である。しかしながら、内部量子効率IQEの向上のために凹凸構造の大きさがナノスケールとなると、半導体発光素子中の発光光の波長λと同程度から数倍程度の大きさとなり、光の波動性が強調され相互作用としては光回折が生じるようになる。   The micro-order concavo-convex structure conventionally used is about 10 times as large as the wavelength λ of the emitted light in the semiconductor light emitting device, and the interaction between the light and the concavo-convex structure is scattering. However, when the size of the concavo-convex structure becomes nanoscale in order to improve the internal quantum efficiency IQE, it becomes the same size as the wavelength λ of the emitted light in the semiconductor light emitting device to several times, and the light wave nature is emphasized. As an interaction, light diffraction occurs.

光回折を特徴づける量としては、回折後の出射光線の数であるモード、各モードの出光角度、各モードの強度である。光回折ではその波動性ゆえに、屈折率差を有する界面と入射光の相互作用は、光線として見たときに反射光、透過光が分裂し、モードを生成する。   The quantities that characterize light diffraction are the mode, which is the number of outgoing light rays after diffraction, the outgoing angle of each mode, and the intensity of each mode. In light diffraction, due to its wave nature, the interaction between the interface having the refractive index difference and the incident light splits the reflected light and transmitted light when viewed as a light beam, generating a mode.

光回折のモード数は、平均ピッチが小さいと少なく、平均ピッチが大きい程多くなる。つまり、平均ピッチが小さい条件下ではモード数が限定される。これは、回折光が指向性を有していると観察される。   The number of modes of light diffraction is small when the average pitch is small, and increases as the average pitch is large. That is, the number of modes is limited under conditions where the average pitch is small. This is observed when the diffracted light has directivity.

一方、光回折のモード数は、平均ピッチが大きい程多くなる。この時、モード数の増加によって個々のモードが持つ強度は小さくなる。また、出光角度の分布は徐々に幅広くなる。その振る舞いは散乱的と観察される。   On the other hand, the number of modes of light diffraction increases as the average pitch increases. At this time, the strength of each mode decreases as the number of modes increases. In addition, the distribution of the light emission angle gradually becomes wider. Its behavior is observed as scattered.

ゆえに、半導体発光素子の発光効率を極大化するためには、ナノスケールの微細凹凸構造を設けて結晶成長のモードを乱して内部量子効率を向上させると共に、ナノスケールの凹凸構造によって生じる光回折の回折角度、回折強度を、導波モードを効果的に崩すように設けることが必要である。   Therefore, in order to maximize the luminous efficiency of the semiconductor light emitting device, a nanoscale fine concavo-convex structure is provided to disturb the crystal growth mode and improve the internal quantum efficiency, and the optical diffraction generated by the nanoscale concavo-convex structure. It is necessary to provide the diffraction angle and diffraction intensity so as to effectively destroy the waveguide mode.

次に、ナノスケールの微細凹凸構造で導波モードを崩すに当たり、上記(1)〜(3)の条件が好ましい理由を説明する。   Next, the reason why the above conditions (1) to (3) are preferable in breaking the waveguide mode in the nanoscale fine uneven structure will be described.

光回折のモード数は、微細凹凸構造20の平均ピッチPavが小さいと少なく、平均ピッチPavが大きい程多くなる。微細凹凸構造のピッチが大きすぎると、光が散乱的に振る舞う。このとき、以下で挙げるようなロスを生じさせる。   The number of modes of light diffraction is small when the average pitch Pav of the fine concavo-convex structure 20 is small, and increases as the average pitch Pav is large. If the pitch of the fine concavo-convex structure is too large, light behaves in a scattering manner. At this time, the following loss is generated.

まず、本来散乱されて欲しくない成分、例えば、微細凹凸構造20がなければ取り出せた筈の臨界角以下の入射角を持つ光に対しても散乱的に作用することにより、出射光を新たな導波モード(臨界角よりも入射角が大きい光)としてしまう。   First, the emitted light is newly introduced by acting in a scattering manner on components that are not originally desired to be scattered, for example, light having an incident angle equal to or less than the critical angle of the soot that can be extracted without the fine relief structure 20. Wave mode (light with an incident angle larger than the critical angle).

加えて、導波モードとして入射する光に対しても散乱的に作用する。つまり、光取り出しに寄与しない角度に出光するために効果的に導波モードを崩すことができない。   In addition, it acts on the incident light as a waveguide mode in a scattering manner. That is, since the light is emitted at an angle that does not contribute to light extraction, the waveguide mode cannot be effectively broken.

この新たな導波モードは、発光半導体層40、第2半導体層50に達した後、第2半導体層50と透明導電膜60との界面、或いは透明導電膜60と封止材など外部との界面における全反射によって再び第2半導体層50、発光半導体層40を通過した後再度微細凹凸構造20に入射して再び散乱され、光取り出し寄与する成分が生じる。しかしながら、発光半導体層40は発光光に対応したバンドギャップを有しているゆえに、発光光の波長λに対して非常に大きい吸収を持つことが知られている。つまり、新たな導波モードとなって発光半導体層40を通過する際に吸収されてしまい、ロスとなってしまう。   This new waveguide mode reaches the light emitting semiconductor layer 40 and the second semiconductor layer 50, and then is connected to the interface between the second semiconductor layer 50 and the transparent conductive film 60, or to the outside such as the transparent conductive film 60 and the sealing material. Due to total reflection at the interface, the light again passes through the second semiconductor layer 50 and the light emitting semiconductor layer 40, and then enters the fine concavo-convex structure 20 again and is scattered again, resulting in a component that contributes to light extraction. However, it is known that the light emitting semiconductor layer 40 has a very large absorption with respect to the wavelength λ of the emitted light because it has a band gap corresponding to the emitted light. That is, it is absorbed when passing through the light emitting semiconductor layer 40 in a new waveguide mode, resulting in a loss.

光回折ではその指向性ゆえに、入射角に対して取出しに寄与する回折角を持つようなパターンとすることによって、新たな導波モードの生成を回避できる。これによって、光取り出し効率LEEを向上させることができる。   Due to the directivity of light diffraction, generation of a new guided mode can be avoided by using a pattern having a diffraction angle that contributes to extraction with respect to the incident angle. Thereby, the light extraction efficiency LEE can be improved.

そして、前述のように、マイクロオーダーの凹凸構造では、内部量子効率の向上は困難である。凹凸構造の密度が結晶成長のモードを乱すには圧倒的に足りないためである。結晶欠陥の低減のためには、ナノスケールの微細凹凸構造が好ましい。   As described above, it is difficult to improve the internal quantum efficiency with a micro-order uneven structure. This is because the density of the uneven structure is overwhelmingly insufficient to disturb the mode of crystal growth. In order to reduce crystal defects, a nanoscale fine uneven structure is preferable.

加えて、従来のマイクロオーダーの凹凸構造では、光との相互作用が散乱的であるために、光取り出し面に設けられる電極部がどのように配置しても影となり、実効的な光取り出し面の面積が減少してしまう。つまり、電流注入効率の向上のために電極面積を大きくすることができず、電極部の形状や大きさは著しく制限されていた。しかしながら、ナノオーダーの微細凹凸構造であることで光の波動性が強調され、出射光が指向性を有する。これによって、微細凹凸構造の配列に由来する回折光の回折方位角θを適切に選ぶことで、電極部の面積、材質などの設計の自由度が増す。例えば、回折光が六回対称に出射する光の場合、半導体発光素子と基板のなす回転角を適切に選ぶことで、電極部が影となる領域が小さくなる。   In addition, in the conventional micro-order concavo-convex structure, since the interaction with light is scattering, it becomes a shadow regardless of the arrangement of the electrodes provided on the light extraction surface, and the effective light extraction surface The area of will decrease. That is, the electrode area cannot be increased in order to improve the current injection efficiency, and the shape and size of the electrode portion are significantly limited. However, the nano-order fine concavo-convex structure enhances the wave nature of light, and the emitted light has directivity. Thus, by appropriately selecting the diffraction azimuth angle θ of the diffracted light derived from the arrangement of the fine concavo-convex structure, the degree of freedom in designing the area and material of the electrode portion is increased. For example, in the case where the diffracted light is emitted six times symmetrically, a region where the electrode portion is shaded is reduced by appropriately selecting the rotation angle between the semiconductor light emitting element and the substrate.

図3は、本実施の形態に係る半導体発光素子における回折方位角と、電極部との関係を説明するための模式図である。   FIG. 3 is a schematic diagram for explaining the relationship between the diffraction azimuth angle and the electrode portion in the semiconductor light emitting device according to the present embodiment.

回折方位角とは、微細凹凸構造20より上方に出射する回折光が、第1半導体層30において、半導体層の積層方向(図2中、z軸)と直交する面(図2中、x軸及びy軸を含む面)内において、回折光の放射部分が有する回転角度をいう。ここで、回折光とは、第1半導体層30側から微細凹凸構造20に入射し、反射回折する光、及び、光学基材10の裏面で反射した後、光学基材10側から微細凹凸構造20に再入射し、透過する光をいう。この角度は、微細凹凸構造20の配列、平均ピッチ、或いは高さなどによって変わる。   The diffraction azimuth angle is a plane (x-axis in FIG. 2) in which the diffracted light emitted upward from the fine concavo-convex structure 20 is orthogonal to the stacking direction of the semiconductor layers (z-axis in FIG. 2) in the first semiconductor layer 30. And the rotation angle of the radiation part of the diffracted light within the plane including the y-axis). Here, the diffracted light is incident on the fine concavo-convex structure 20 from the first semiconductor layer 30 side, reflected and diffracted light, and reflected from the back surface of the optical substrate 10, and then the fine concavo-convex structure from the optical substrate 10 side. Light that re-enters 20 and passes through. This angle varies depending on the arrangement of the fine concavo-convex structure 20, the average pitch, or the height.

光学基材10上の一部分に注目し、その部分と相互作用する回折光の回折方位角を図示したものが、図3A〜図3Cである。これは、半導体発光素子100を電極側から見たときの、その出光パターンを観察していることとなる。図3Aは、回折光201が六回対称である場合である。図3Bは、図3Aと同様に回折光が6回対称であって、光学基材10を90度回転させることで、回折光201の放射部分202を90度回転させた場合である。図3Cは、微細凹凸構造20がマイクロスケールである場合である。この場合、微細凹凸構造20と入射光線の相互作用は散乱的となり、回折光201は、あらゆる方向へ出光するために異方性がないように観測される。   FIGS. 3A to 3C illustrate a diffraction azimuth angle of diffracted light that interacts with a part of the optical base material 10 by paying attention to the part. This means that the light emission pattern is observed when the semiconductor light emitting device 100 is viewed from the electrode side. FIG. 3A shows a case where the diffracted light 201 is six-fold symmetric. FIG. 3B shows a case where the diffracted light is 6-fold symmetric as in FIG. 3A and the radiating portion 202 of the diffracted light 201 is rotated 90 degrees by rotating the optical substrate 10 by 90 degrees. FIG. 3C shows a case where the fine relief structure 20 is microscale. In this case, the interaction between the fine concavo-convex structure 20 and the incident light becomes scattering, and the diffracted light 201 is observed so as not to be anisotropic because it emits light in all directions.

ここで、微細凹凸構造20で回折された回折光を、電極側からの取り出すことを考える。回折光201は、その波動性ゆえに、ある回折方位角を有している。一方、極角、即ち、第1半導体層30、発光半導体層40及び第2半導体層50の積層方向であるz軸と出射方向がなす角、に対しては分布を有している。つまり、光学基材10の一部分と相互作用した回折光201は、その出光方向が、回折方位角及び極角によって囲まれる領域(以下、見込み角度領域と言う)を見込むこととなる。この見込み角度領域に、アノード電極70又はカソード電極80があった場合、光取り出し効率は効果的には向上しない。何故なら、これらの電極部は金属よりなっており、光を透過しないために、実質的には影となってしまうからである。   Here, it is considered that the diffracted light diffracted by the fine concavo-convex structure 20 is extracted from the electrode side. The diffracted light 201 has a certain diffraction azimuth because of its wave nature. On the other hand, there is a distribution with respect to the polar angle, that is, the angle formed by the z-axis, which is the stacking direction of the first semiconductor layer 30, the light emitting semiconductor layer 40, and the second semiconductor layer 50, and the emission direction. That is, the diffracted light 201 interacting with a part of the optical substrate 10 expects a region (hereinafter referred to as a prospective angle region) whose light output direction is surrounded by a diffraction azimuth angle and a polar angle. When the anode electrode 70 or the cathode electrode 80 is in this expected angle region, the light extraction efficiency is not effectively improved. This is because these electrode portions are made of metal and do not transmit light, so that they are substantially shaded.

このように、微細凹凸構造20の各領域について、見込み角度領域内に電極部が入ってしまう部分を図示したものが、図3D〜図3Fである。   3D to FIG. 3F illustrate portions in which the electrode portion enters the expected angle region in each region of the fine concavo-convex structure 20 as described above.

図3Dは、回折光201が図3Aのように六回対称の場合である。光学基材10上のある点において、回折光201の放射部分202の延長線(図中一点破線で示す)204上に電極部203が来る場合、影となってしまうことから、見込み角度領域205は図3Dのようになる。また、半導体発光素子100の長手方向に影となりうる領域ができることもわかる。   FIG. 3D shows a case where the diffracted light 201 is symmetric six times as shown in FIG. 3A. When the electrode part 203 comes on an extension line 204 (indicated by a one-dot broken line in the figure) 204 of the radiating portion 202 of the diffracted light 201 at a certain point on the optical base material 10, it becomes a shadow. Is as shown in FIG. 3D. It can also be seen that a region that can be shaded in the longitudinal direction of the semiconductor light emitting device 100 is formed.

図3Eは、図3Dの光学基材10を90度回転させて電極部203を設けた場合である。電極部203を見込み角度領域205が図3Dよりも少なくなっていることがわかる。即ち、光学基材10の配置としては、回折光201の放射部分202の延長線204上に電極部203が来る見込み角度領域205が少ない方が好ましい。   FIG. 3E shows a case where the electrode part 203 is provided by rotating the optical substrate 10 of FIG. 3D by 90 degrees. It can be seen that the expected angle region 205 of the electrode part 203 is smaller than that in FIG. 3D. That is, as the arrangement of the optical base material 10, it is preferable that the expected angle region 205 where the electrode portion 203 comes on the extended line 204 of the radiation portion 202 of the diffracted light 201 is smaller.

図3Fは、従来の凹凸構造がマイクロスケールの場合である。この場合、振る舞いが散乱的であるために、陰となりうる領域が多くなってしまっている。このために、従来の半導体発光素子200では電極部203の面積を小さくし、透明導電膜を設けて電流注入できる面積を稼ぐと共に、光取り出しに寄与する面積を大きくしている。   FIG. 3F shows a case where the conventional uneven structure is a microscale. In this case, since the behavior is scattering, there are many areas that can be shaded. For this reason, in the conventional semiconductor light emitting device 200, the area of the electrode portion 203 is reduced, a transparent conductive film is provided to increase the area where current can be injected, and the area contributing to light extraction is increased.

しかしながら、図3Eのように、見込み角度領域205が回折方位角を避ける形であれば、電極面積を大きくする、或いは非透光性の電極材料を用いることができる。これによって、電極部203の位置や材質或いは形状の設計自由度が増す。また、効果的に半導体発光素子100より光を取り出すことができる。加えて、効率的な電極部203の配置によって電流拡散性が向上し、より大面積な素子とすることができる。この効果は、図3Dと図3Eの比較にもあるように、半導体発光素子100の断面が長方形であれば顕著であり、断面形状のアスペクト比(長手方向長さ/短手方向長さ)が1より大きい程より顕著になる。   However, as shown in FIG. 3E, if the expected angle region 205 is a shape that avoids the diffraction azimuth angle, the electrode area can be increased, or a non-transparent electrode material can be used. This increases the degree of freedom in designing the position, material, or shape of the electrode portion 203. In addition, light can be effectively extracted from the semiconductor light emitting device 100. In addition, the current dispersibility is improved by the efficient arrangement of the electrode portion 203, and an element having a larger area can be obtained. This effect is remarkable when the cross section of the semiconductor light emitting device 100 is rectangular, as shown in the comparison between FIG. 3D and FIG. 3E, and the aspect ratio of the cross sectional shape (length in the longitudinal direction / length in the short direction). Greater than 1, the more prominent.

以上により、本実施の形態に係る半導体発光素子100において、ナノスケールの微細凹凸構造20によって、半導体発光素子100の発光効率を決定づける内部量子効率IQEと光取り出し効率LEEの両者を向上させ、発光効率の極大化を図ることができる。   As described above, in the semiconductor light emitting device 100 according to the present embodiment, the nanoscale fine concavo-convex structure 20 improves both the internal quantum efficiency IQE that determines the light emission efficiency of the semiconductor light emitting device 100 and the light extraction efficiency LEE. Can be maximized.

Pav/λは、2.5以上8以下であることで、内部量子効率IQEの向上が可能となる。具体的には、微細凹凸構造20のピッチが十分に小さくなることにより、光学基材10上での第1半導体層30の成膜時の成長モードを乱すことが可能となり、第1半導体層30の内部に発生する転位を低減することができる。これにより、半導体層へのクラックが入り難くなる。また、光の波動性が強調され、出射光が指向性を有する。これによって、電極の面積、材質などの設計の自由度が増す。   When Pav / λ is 2.5 or more and 8 or less, the internal quantum efficiency IQE can be improved. Specifically, by making the pitch of the fine concavo-convex structure 20 sufficiently small, it becomes possible to disturb the growth mode during the film formation of the first semiconductor layer 30 on the optical substrate 10, and the first semiconductor layer 30. Can be reduced. This makes it difficult for cracks to enter the semiconductor layer. Further, the wave nature of light is emphasized, and the emitted light has directivity. This increases the degree of freedom in designing the electrode area and material.

上記の観点から、平均ピッチPavと第1半導体層30中の波長λとの比率Pav/λは、2.7以上がより好ましく、3以上がさらに好ましい。また、散乱性を抑制するために、比率は7以下がより好ましく、6.5以下がさらに好ましい。   From the above viewpoint, the ratio Pav / λ between the average pitch Pav and the wavelength λ in the first semiconductor layer 30 is preferably 2.7 or more, and more preferably 3 or more. Moreover, in order to suppress scattering, the ratio is more preferably 7 or less, and further preferably 6.5 or less.

なお、平均ピッチPavと第1半導体層30中での発光光の波長λとの比(Pav/λ)は、発光光の真空波長λ及び第1半導体層30の屈折率nを用いて、Pav*n/λで表すこともできる。 The ratio (Pav / λ) between the average pitch Pav and the wavelength λ of the emitted light in the first semiconductor layer 30 is determined using the vacuum wavelength λ 0 of the emitted light and the refractive index n of the first semiconductor layer 30. It can also be expressed as Pav * n / λ 0 .

一方、微細凹凸構造20の面内平均高さ(Hav)が、第1半導体層30中での発光光の波長λの0.1倍以上1倍以下であり、微細凹凸構造20のアスペクト比が0.2以上1以下であることにより、光から見た微細凹凸構造20の体積変化が十分大きく、またその回折角度は有利に導波モードを崩すことができ、光取り出し効率LEEが改善する。   On the other hand, the in-plane average height (Hav) of the fine uneven structure 20 is not less than 0.1 times and not more than 1 time the wavelength λ of the emitted light in the first semiconductor layer 30, and the aspect ratio of the fine uneven structure 20 is By being 0.2 or more and 1 or less, the volume change of the fine concavo-convex structure 20 viewed from light is sufficiently large, and the diffraction angle can advantageously break the waveguide mode, and the light extraction efficiency LEE is improved.

面内平均高さHavは、微細凹凸構造がドット構造の場合、単位面積当たりの凸部体積である。特に、規則的な配列の場合、単位格子中に含まれる凸部の体積の比で表される。例えば、凸部体積Vの凸部がピッチPで六方配列しているとき、面内平均高さHavは下式(1)の通りとなる。また、凸部体積Vの凸部がピッチPで正四方配列しているとき、面内平均高さHavは下式(2)の通りとなる。一方、微細凹凸構造がホール構造の場合、面内平均高さHavは、単位面積当たりの凹部体積、つまり面内平均深さとなる。 The in-plane average height Hav is the convex volume per unit area when the fine concavo-convex structure is a dot structure. In particular, in the case of a regular arrangement, it is represented by the ratio of the volume of convex portions contained in the unit cell. For example, when the convex portions of the convex volume V 0 are arranged in a hexagonal manner with a pitch P, the in-plane average height Hav is expressed by the following formula (1). In addition, when the convex portions of the convex volume V 0 are arranged in a regular tetragon with a pitch P, the in-plane average height Hav is expressed by the following equation (2). On the other hand, when the fine concavo-convex structure is a hole structure, the in-plane average height Hav is a recess volume per unit area, that is, an in-plane average depth.

Figure 2014195069
Figure 2014195069

面内平均高さHavが大きいことは、凸部体積が大きいことを意味する。また、アスペクト比はドット構造の場合、凸部高さHと凸部底部幅の比、凸部高さH/凸部底部幅の比である。一方、ホール構造の場合、凹部深さと凹部底部幅の比、凹部深さ/凹部底部幅である。アスペクト比が1以下ということは、凸部高さは凸部底部幅よりも大きくないということである。   A large in-plane average height Hav means that the convex part volume is large. In the case of a dot structure, the aspect ratio is a ratio of the convex height H to the convex bottom width, and a convex height H / convex bottom width ratio. On the other hand, in the case of the hole structure, the ratio between the recess depth and the recess bottom width, the recess depth / the recess bottom width. An aspect ratio of 1 or less means that the height of the convex portion is not larger than the width of the bottom portion of the convex portion.

これらのパラメータ、面内平均高さHavと発光光の波長λとの比及びアスペクト比が上記範囲にあることが好ましい理由を説明する。そのために、これらのパラメータを構成する高さHと、デューティが導波モードを崩す際の効果について説明する。なお、以下ではドット構造の場合について説明するが、ホール構造でも、上記の定義によって読み替えることができる。   The reason why it is preferable that the ratio of these parameters, the in-plane average height Hav and the wavelength λ of the emitted light, and the aspect ratio are in the above ranges will be described. Therefore, the effect when the height H constituting these parameters and the duty break the waveguide mode will be described. In addition, although the case of a dot structure is demonstrated below, it can be read by the above definition also in a hole structure.

高さHが大きい程、平均ピッチPavによって定まる回折モードの群の中から、より多くのモードと入射光は相互作用する。つまり、高さHが低い場合には、平均ピッチPavによって定まる回折モードの群の中から限られたモードの回折光とのみ微細凹凸構造20を介して入射光が作用するが、高さHが高い場合には、平均ピッチPavによって定まる回折モードの群の中の、より多くの回折モードと入射光は相互作用をする。つまり、高さHが高い程、入射光と微細凹凸構造20の相互作用は、振る舞いとしてはより散乱的になる。高さHが大きい程、多くのモードと相互作用するが、この中には、取出しに寄与しないモードも含まれている。ゆえに散乱的であればロスが生じる。一方、高さHが低いと微細凹凸構造20の体積変化が小さいために、回折効率が低下する。平均ピッチPavによって定まる回折モードの群の中から限られたモードの回折光とのみ微細凹凸構造20を介して入射光が作用するので、導波モードを崩しにくくなる。   The larger the height H, the more modes interact with the incident light from the group of diffraction modes determined by the average pitch Pav. That is, when the height H is low, incident light acts through only the diffracted light of a limited mode from the group of diffraction modes determined by the average pitch Pav through the fine concavo-convex structure 20, but the height H is If it is high, more diffraction modes in the group of diffraction modes determined by the average pitch Pav interact with the incident light. That is, as the height H is higher, the interaction between the incident light and the fine concavo-convex structure 20 becomes more scattering in behavior. The higher the height H, the more modes interact, but some of these modes do not contribute to extraction. Therefore, if it is scattering, a loss occurs. On the other hand, when the height H is low, the volumetric change of the fine concavo-convex structure 20 is small, so that the diffraction efficiency is lowered. Since incident light acts through only the diffracted light of a limited mode from the group of diffraction modes determined by the average pitch Pav through the fine concavo-convex structure 20, it is difficult to break the waveguide mode.

続いて、デューティが内部量子効率IQEと光取り出し効率LEEの向上に寄与する理由を説明する。   Next, the reason why the duty contributes to the improvement of the internal quantum efficiency IQE and the light extraction efficiency LEE will be described.

デューティが大きいと凸部の体積は大きくなる。このため、微細凹凸構造20に入射する光に対して、回折せずに反射、あるいは透過する0次光の強度を下げ、0次光以外の強度、回折光にまわる強度を上げる。これによって、平均ピッチPavで定まる回折モード群の中から光取り出しに寄与するモードが強度を持つように高さHを設定した上で、その強度を、デューティを調整することで、より効果的に回折で導波モードを崩すことが可能となる。   When the duty is large, the volume of the convex portion becomes large. For this reason, the intensity of the 0th-order light that is reflected or transmitted without being diffracted with respect to the light incident on the fine concavo-convex structure 20 is lowered, and the intensity other than the 0th-order light and the intensity around the diffracted light is increased. Thus, after setting the height H so that the mode contributing to light extraction from the diffraction mode group determined by the average pitch Pav has an intensity, the intensity can be adjusted more effectively by adjusting the duty. It becomes possible to break the waveguide mode by diffraction.

上述の2つのパラメータ、凸部の高さ及び凸部のデューティにより、面内平均高さHavと発光光の波長λとの比及び凸部アスペクト比に好ましい範囲があることがわかる。これを整理したものが上記(2)及び(3)の範囲となる。   It can be seen that there are preferable ranges for the ratio between the in-plane average height Hav and the wavelength λ of the emitted light and the aspect ratio of the convex portion, depending on the above two parameters, the height of the convex portion and the duty of the convex portion. What arranged this becomes the range of said (2) and (3).

微細凹凸構造20の面内平均高さHavは、第1半導体層30中での発光光の波長λの0.12倍以上がより好ましく、0.15倍以上がさらに好ましい。また、0.9倍以下がより好ましく、0.8倍以下がさらに好ましい。   The in-plane average height Hav of the fine concavo-convex structure 20 is more preferably 0.12 times or more, and further preferably 0.15 times or more the wavelength λ of the emitted light in the first semiconductor layer 30. Moreover, 0.9 times or less are more preferable and 0.8 times or less are still more preferable.

なお、面内平均高さHavと第1半導体層30中での発光光の波長λとの比(Hav/λ)は、発光光の真空波長λ及び第1半導体層30の屈折率nを用いて、Hav*n/λで表すこともできる。 The ratio (Hav / λ) between the in-plane average height Hav and the wavelength λ of the emitted light in the first semiconductor layer 30 is determined by the vacuum wavelength λ 0 of the emitted light and the refractive index n of the first semiconductor layer 30. It can also be expressed as Hav * n / λ 0 .

また、アスペクト比が大きいことは高さHが大きい、つまり多くの回折モードが立ち、結果として光取り出しに寄与するモードが立ち易くなる。このためアスペクト比は0.25以上がより好ましく、0.3以上がさらに好ましい。しかしながら、アスペクト比が大きすぎる、つまり凸部が高すぎる場合、過剰に散乱されて好ましくない。この点から、アスペクト比は0.9以下がより好ましく、0.85以下がさらに好ましい。   In addition, when the aspect ratio is large, the height H is large, that is, many diffraction modes are established, and as a result, a mode contributing to light extraction is likely to be established. For this reason, the aspect ratio is more preferably 0.25 or more, and further preferably 0.3 or more. However, if the aspect ratio is too large, that is, the convex portion is too high, it is not preferable because it is excessively scattered. In this respect, the aspect ratio is more preferably 0.9 or less, and further preferably 0.85 or less.

光学基材10に設けられる微細凹凸構造20は、複数の凸部或いは凹部から構成される。微細凹凸構造20は、凸部或いは凹部を有していれば、その形状や配列は限定されず、光取り出し効率LEEを、内部量子効率IQEの向上を維持した状態で大きくすることができる。このため、例えば、複数の柵状体が配列したラインアンドスペース構造、複数のドット(凸部、突起)状構造が配列したドット構造、複数のホール(凹部)状構造が配列したホール構造等を採用できる。ドット構造やホール構造は、例えば、円錐、円柱、四角錐、四角柱、六角錐、六角柱、多角錐、多角柱、二重リング状、多重リング状等の構造が挙げられる。なお、これらの形状は底面の外径が歪んだ形状や、側面が湾曲した形状を含む。なお、ドット構造とは、複数の凸部が互いに独立して配置された構造である。即ち、各凸部は連続した凹部により隔てられる。なお、各凸部は連続した凹部により滑らかに接続されてもよい。一方、ホール構造とは、複数の凹部が互いに独立して配置された構造である。即ち、各凹部は連続した凸部により隔てられる。なお、各凹部は連続した凸部により滑らかに接続されてもよい。ホール構造は、基材を剥離して薄膜半導体発光素子とする場合、高屈折率である半導体層が凸となり、薄膜半導体発光素子の発光効率を向上させるために、より好ましい。   The fine concavo-convex structure 20 provided on the optical substrate 10 is composed of a plurality of convex portions or concave portions. If the fine concavo-convex structure 20 has a convex part or a concave part, the shape and arrangement thereof are not limited, and the light extraction efficiency LEE can be increased while maintaining the improvement of the internal quantum efficiency IQE. For this reason, for example, a line-and-space structure in which a plurality of fence-like bodies are arranged, a dot structure in which a plurality of dot (convex portions, protrusions) -like structures are arranged, a hole structure in which a plurality of hole (concave) -like structures are arranged, etc. Can be adopted. Examples of the dot structure and the hole structure include a cone, a cylinder, a quadrangular pyramid, a quadrangular prism, a hexagonal pyramid, a hexagonal pyramid, a polygonal pyramid, a double ring shape, and a multiple ring shape. These shapes include a shape in which the outer diameter of the bottom surface is distorted and a shape in which the side surface is curved. The dot structure is a structure in which a plurality of convex portions are arranged independently of each other. That is, each convex part is separated by a continuous concave part. In addition, each convex part may be smoothly connected by the continuous recessed part. On the other hand, the hole structure is a structure in which a plurality of recesses are arranged independently of each other. That is, each recessed part is separated by the continuous convex part. In addition, each recessed part may be smoothly connected by the continuous convex part. The hole structure is more preferable when the base material is peeled to form a thin film semiconductor light emitting device because the semiconductor layer having a high refractive index becomes convex and the light emission efficiency of the thin film semiconductor light emitting device is improved.

微細凹凸構造20の配列は、正六方配列、正四方配列、準六方配列、準四方配列等を採用できる。さらに、これらの配列を組み合わせた配列を採用することもできる。例えば、正六方配列と正四方配列が交互に並んだ配列や、正六方配列から正四方配列にむけて徐々に変化し、正四方配列から正六方配列へと徐々に戻る配列等が挙げられる。内部量子効率IQEを向上させる観点からは、正六方配列又は準六方配列を含む配列を採用すると好ましい。ここで準六方配列とは、正六方配列の隣接する凸部間距離(ピッチ)が±25%以下のずれを生じている配列として定義する。このずれ量は、配列内に渡り均等なずれ量でもよく、ずれ量に分布が設けられていてもよい。   As the arrangement of the fine concavo-convex structure 20, a regular hexagonal arrangement, a regular tetragonal arrangement, a quasi-hexagonal arrangement, a quasi-tetragonal arrangement, or the like can be adopted. Furthermore, a combination of these sequences can also be employed. For example, an array in which a regular hexagonal array and a regular tetragonal array are alternately arranged, an array that gradually changes from a regular hexagonal array to a regular tetragonal array, and gradually returns from the regular tetragonal array to the regular hexagonal array, and the like. From the viewpoint of improving the internal quantum efficiency IQE, it is preferable to employ an array including a regular hexagonal array or a quasi-hexagonal array. Here, the quasi-hexagonal array is defined as an array in which the distance (pitch) between adjacent convex portions of the regular hexagonal array has a deviation of ± 25% or less. This deviation amount may be a uniform deviation amount in the array, or a distribution may be provided for the deviation amount.

また、ラインアンドスペース構造、或いはラインアンドスペースを並べたような、連続した凸部が1次元、或いは、2次元配列したものが、配列に加えて、凸部の体積が大きいことから、より効率的に導波モードを崩す回折光を生成させることができ、好ましい。   In addition, a line-and-space structure or a line-and-space arrangement of continuous protrusions in a one-dimensional or two-dimensional array is more efficient because the volume of the protrusions is large in addition to the arrangement. Therefore, it is possible to generate diffracted light that disrupts the waveguide mode.

図4A〜図4G及び図5は、本実施の形態に係る半導体発光素子における連続した凸部の配列の例を示す模式図である。図中の実線は、凸部頂部を示している。図4Aは、ラインアンドスペース構造を示している。また、図4Bは、畳配列を示している。図4Cは、連続した凸部頂部が直交した構造を示している。図4Dは、連続した凸部が、平行四辺形を構成する構造を示している。図4Eは、連続した凸部が、三角形を構成する構造を示している。図4Fは、ラインアンドスペース構造が、平行からずれた場合を示している。図4Gは、異なる長さの連続した凸部が直交する構造を示している。図5は、連続した凸部がカゴメ格子を構成する場合を示している。   FIG. 4A to FIG. 4G and FIG. 5 are schematic views showing an example of an array of continuous convex portions in the semiconductor light emitting device according to the present embodiment. The solid line in the figure indicates the top of the convex portion. FIG. 4A shows a line and space structure. FIG. 4B shows a tatami arrangement. FIG. 4C shows a structure in which the tops of continuous convex portions are orthogonal. FIG. 4D shows a structure in which continuous convex portions form a parallelogram. FIG. 4E shows a structure in which continuous convex portions constitute a triangle. FIG. 4F shows a case where the line and space structure is deviated from parallel. FIG. 4G shows a structure in which consecutive convex portions having different lengths are orthogonal to each other. FIG. 5 shows a case where continuous convex portions constitute a kagome lattice.

<微細凹凸構造の形状>
微細凹凸構造20の形状は、特に限定されない。単一の凸部側面傾斜角である場合、例えばドット構造であれば円錐形状、より凸部の体積を増加させるために、凸部側面傾斜角は凸部頂部から凸部底部にかけて多段階に変化すると好ましい。例えば、凸部側面が上に膨らんだ変曲点が1つの曲線を描く場合、傾斜角度は2つとなる。このような多段階の傾斜角度を有すことで、微細凹凸構造20の光回折性による角度、強度の制御が行いやすくなり、光取り出し効率LEEを向上させることができる。また、成長基材と半導体結晶層の材質により、凸部側面の傾斜角度を、凸部側面に出る結晶面より選定することもできる。
<Shape of fine uneven structure>
The shape of the fine relief structure 20 is not particularly limited. In case of a single convex side slope angle, for example, in the case of a dot structure, a conical shape, and in order to increase the volume of the convex part, the convex side slope angle changes in multiple steps from the convex top to the convex bottom. It is preferable. For example, when the inflection point where the convex side surface bulges up draws one curve, the inclination angle becomes two. By having such a multi-step inclination angle, it becomes easy to control the angle and intensity by the light diffraction property of the fine concavo-convex structure 20, and the light extraction efficiency LEE can be improved. Further, the inclination angle of the side surface of the convex portion can be selected from the crystal plane appearing on the side surface of the convex portion depending on the material of the growth base and the semiconductor crystal layer.

次に、微細凹凸構造20の説明に使用する用語について定義する。また、以下の説明では、微細凹凸構造20が凸部の場合について説明するが、凹部の場合について説明においても、凹部形状は凸部形状が反転したものであるので、特段区別して説明する他は、以下の用語を同様に用いて説明することができる。   Next, terms used to describe the fine concavo-convex structure 20 are defined. Further, in the following description, the case where the fine concavo-convex structure 20 is a convex portion will be described. However, in the description of the case of a concave portion, the concave portion shape is an inversion of the convex portion shape. The following terms can be used in the same way.

<ピッチP及び平均ピッチPav>
図6は、本実施の形態に係る半導体発光素子の第1半導体層を微細凹凸構造が形成された表面側から見た上面図である。微細凹凸構造20が、複数の凸部20aが凹部20bの中に配置されたドット構造である場合、ある凸部A1の中心とこの凸部A1に隣接する凸部B1−1〜凸部B1−6の中心との間の距離PA1B1−1〜距離PA1B1−6を、ピッチPと定義する。しかし、この図6に示すように、隣接する凸部によりピッチPが異なる場合は次の手順に従い、平均ピッチPavを決定する。(1)任意の複数の凸部A1,A2…ANを選択する。(2)凸部AMと凸部AM(1≦M≦N)に隣接する凸部(BM−1〜BM−k)と、のピッチPAMBM−1〜PAMBM−kを測定する。(3)凸部A1〜凸部ANについても、(2)と同様にピッチPを測定する。(4)ピッチPA1B1−1〜PANBN−kの相加平均値を平均ピッチPavとして定義する。但し、Nは5以上10以下、kは4以上6以下とする。なお、ホール構造の場合、上記ドット構造にて説明した凸部20aを凹部開口部と読み替えることで、平均ピッチPavを定義することができる。
<Pitch P and average pitch Pav>
FIG. 6 is a top view of the first semiconductor layer of the semiconductor light emitting device according to the present embodiment as viewed from the surface side where the fine concavo-convex structure is formed. When the fine concavo-convex structure 20 is a dot structure in which a plurality of convex portions 20a are arranged in the concave portions 20b, the center of a certain convex portion A1 and the convex portions B1-1 to B1- adjacent to the convex portion A1. the distance P A1B1-1 ~ distance P A1B1-6 between the center of 6, is defined as a pitch P. However, as shown in FIG. 6, when the pitch P differs depending on the adjacent convex portions, the average pitch Pav is determined according to the following procedure. (1) A plurality of arbitrary convex portions A1, A2,... AN are selected. (2) The pitches P AMBM-1 to P AMBM-k between the convex portions AM and the convex portions (BM-1 to BM-k) adjacent to the convex portions AM (1 ≦ M ≦ N) are measured. (3) For the convex portions A1 to AN, the pitch P is measured as in (2). (4) An arithmetic average value of the pitches P A1B1-1 to P ANBN-k is defined as an average pitch Pav. However, N is 5 or more and 10 or less, and k is 4 or more and 6 or less. In the case of the hole structure, the average pitch Pav can be defined by replacing the convex portion 20a described in the dot structure with a concave opening.

また、図7に示すように、微細凹凸構造20がラインアンドスペース構造の場合、ある凸ラインA1の中心線と、この凸ラインA1に隣接する凸ラインB1−1及び凸ラインB1−2の中心線との間の最短距離PA1B1−1及び最短距離PA1B1−2の相加平均を、ピッチPと定義する。しかし、この図7に示すように、選択する凸ラインによりピッチPが異なる場合には、次の手順に従い、平均ピッチPavを決定する。(1)任意の複数の凸ラインA1,A2…ANを選択する。(2)凸ラインAMと凸ラインAM(1≦M≦N)に隣接する凸ライン(BM−1、BM−2)と、のピッチPAMBM−1、PAMBM−2を測定する。(3)凸ラインA1〜凸ラインANについても、(2)と同様にピッチPを測定する。(4)ピッチPA1B1−1−1〜PANBN−2の相加平均値を平均ピッチPavとして定義する。但し、Nは5以上10以下とする。 As shown in FIG. 7, when the fine concavo-convex structure 20 is a line and space structure, the center line of a certain convex line A1, and the centers of the convex line B1-1 and the convex line B1-2 adjacent to the convex line A1. the arithmetic mean of the shortest distance P A1B1-1 and the shortest distance P A1B1-2 between lines is defined as the pitch P. However, as shown in FIG. 7, when the pitch P differs depending on the selected convex line, the average pitch Pav is determined according to the following procedure. (1) An arbitrary plurality of convex lines A1, A2,... AN are selected. (2) The pitches P AMBM-1 and P AMBM-2 between the convex line AM and the convex line (BM-1, BM-2) adjacent to the convex line AM (1 ≦ M ≦ N) are measured. (3) For the convex lines A1 to AN, the pitch P is measured as in (2). (4) An arithmetic average value of the pitches P A1B1-1-1 to P ANBN -2 is defined as an average pitch Pav. However, N is 5 or more and 10 or less.

<凸部頂部幅lcvt、凹部開口幅lcct、凸部底部幅lcvb、凹部底部幅lccb>
図8は、微細凹凸構造20がドット構造の場合の上面図を示している。図8中に示す破線で示す線分は、ある凸部20aの中心と該凸部20aに最近接する凸部20aの中心との距離であり、上記説明したピッチPを意味する。図8中に示したピッチPに相当する線分位置における微細凹凸構造20の断面模式図を示したのが図9A及び図9Bである。
<Convex top width lcvt, concave opening width lcct, convex bottom width lcvb, concave bottom width lccb>
FIG. 8 shows a top view when the fine uneven structure 20 has a dot structure. A line segment indicated by a broken line in FIG. 8 is a distance between the center of a certain convex portion 20a and the center of the convex portion 20a closest to the convex portion 20a, and means the pitch P described above. FIGS. 9A and 9B show schematic cross-sectional views of the fine concavo-convex structure 20 at the line segment position corresponding to the pitch P shown in FIG.

図9Aに示すように、凸部頂部幅lcvtは凸部20aの頂面の幅として定義され、凹部開口幅lcctは、ピッチPと凸部頂部幅lcvtと、の差分値(P−lcvt)として定義される。   As shown in FIG. 9A, the convex portion top width lcvt is defined as the width of the top surface of the convex portion 20a, and the concave portion opening width lcct is a difference value (P−lcvt) between the pitch P and the convex portion top width lcvt. Defined.

図9Bに示すように、凸部底部幅lcvbは凸部20aの底部の幅として定義され、凹部底部幅lccbは、ピッチPと凸部底部幅lcvbと、の差分値(P−lcvb)として定義される。   As shown in FIG. 9B, the convex bottom width lcvb is defined as the width of the convex portion 20a, and the concave bottom width lccb is defined as a difference value (P-lcvb) between the pitch P and the convex bottom width lcvb. Is done.

図10は、微細凹凸構造20がホール構造の場合の上面図を示している。図10中に破線で示す線分は、ある凹部20bの中心と該凹部20bに最近接する凹部20bの中心との距離であり、上記説明したピッチPを意味する。図10中に示したピッチPに相当する線分位置における微細凹凸構造20の断面模式図を示したのが図11A及び図11Bである。   FIG. 10 shows a top view when the fine uneven structure 20 has a hole structure. A line segment indicated by a broken line in FIG. 10 is a distance between the center of a certain recess 20b and the center of the recess 20b closest to the recess 20b, and means the pitch P described above. 11A and 11B show schematic cross-sectional views of the fine concavo-convex structure 20 at the position of the line segment corresponding to the pitch P shown in FIG.

図11Aに示すように、凹部開口幅lcctは凹部20bの開口幅として定義され、凸部頂部幅lcvtは、ピッチPと凹部開口幅lcctと、の差分値(P−lcct)として定義される。   As shown in FIG. 11A, the recess opening width lcct is defined as the opening width of the recess 20b, and the protrusion top width lcvt is defined as a difference value (P-lcct) between the pitch P and the recess opening width lcct.

図11Bに示すように、凸部底部幅lcvbは凸部20aの底部の幅として定義され、凹部底部幅lccbは、ピッチPと凸部底部幅lcvbと、の差分値(P−lcvb)として定義される。   As shown in FIG. 11B, the convex bottom width lcvb is defined as the width of the convex portion 20a bottom, and the concave bottom width lccb is defined as a difference value (P-lcvb) between the pitch P and the convex bottom width lcvb. Is done.

<デューティ>
デューティは、ドット構造の場合、凸部底部幅lcvbとピッチPと、の比率(lcvb/P)で定義される。一方、ホール構造の場合、凹部底部幅とピッチPの比率(lccb/P)で定義される。
<Duty>
In the case of the dot structure, the duty is defined by a ratio (lcvb / P) between the convex bottom width lcvb and the pitch P. On the other hand, in the case of a hole structure, it is defined by the ratio between the bottom width of the recess and the pitch P (lccb / P).

デューティが小さいことは、凹凸構造の平坦部、即ち凹部底部の平坦面が多いことを示している。これは、結晶成長の点では、核形成が生じやすく有利であるが、光取り出しの面からは、回折が生じず、ただ全反射するだけの平坦部は少ない方が好ましい。この点から、デューティは0.2以上が好ましく、0.3以上がより好ましく、0.5以上が最も好ましい。   A small duty indicates that there are many flat portions of the concavo-convex structure, that is, flat surfaces at the bottom of the recesses. This is advantageous in terms of crystal growth because nucleation is likely to occur, but from the light extraction surface, it is preferable that diffraction does not occur and there are only a few flat portions that are totally reflected. In this respect, the duty is preferably 0.2 or more, more preferably 0.3 or more, and most preferably 0.5 or more.

一方、デューティの上限は半導体層の結晶成長から定まる。平坦部の面積が小さすぎると、結晶成長する際の核形成が阻害され、結果として結晶品質が低下してしまう。この点から、デューティは0.9以下が好ましく、0.83以下がより好ましく、0.73以下が最も好ましい。   On the other hand, the upper limit of the duty is determined from the crystal growth of the semiconductor layer. If the area of the flat portion is too small, nucleation during crystal growth is hindered, resulting in a decrease in crystal quality. In this respect, the duty is preferably 0.9 or less, more preferably 0.83 or less, and most preferably 0.73 or less.

また、デューティは回折を特徴づける面内平均高さHavにも作用する。独立した凸部、或いは凹部の配列であるドット構造、ホール構造では、デューティは凸部の体積に対して2乗で効くため、ドット状の凸部の配列に対しては、デューティは0.3以上がより好ましく、0.5以上が最も好ましい。上限は、0.9以下が好ましく、0.8以下がより好ましい。   The duty also affects the in-plane average height Hav that characterizes diffraction. In the dot structure or hole structure, which is an array of independent protrusions or recesses, the duty works as a square with respect to the volume of the protrusions, so the duty is 0.3 for the array of dot-shaped protrusions. The above is more preferable, and 0.5 or more is most preferable. The upper limit is preferably 0.9 or less, and more preferably 0.8 or less.

更に、ラインアンドスペース構造のような連続した凸部を持つ微細凹凸構造では、凸部の体積はデューティに対して線形である。従って、デューティは0.3以上がより好ましく、0.5以上が最も好ましい。上限は、0.8以下が好ましく、0.6以下がより好ましい。   Furthermore, in a fine concavo-convex structure having continuous convex portions such as a line and space structure, the volume of the convex portions is linear with respect to the duty. Therefore, the duty is more preferably 0.3 or more, and most preferably 0.5 or more. The upper limit is preferably 0.8 or less, and more preferably 0.6 or less.

<高さH>
微細凹凸構造の高さHは、凹凸構造の凹部底部の平均位置と凹凸構造の凸部頂点の平均位置と、の最短距離として定義する。平均位置を算出する際のサンプル点数は10点以上であることが好ましい。
<Height H>
The height H of the fine concavo-convex structure is defined as the shortest distance between the average position of the concave bottom of the concavo-convex structure and the average position of the convex vertices of the concavo-convex structure. The number of sample points for calculating the average position is preferably 10 or more.

微細凹凸構造20の凸部20aの高さHは、好ましいアスペクト比の上限が1であることから、凸部20aの高さHは平均ピッチPav以下となる。平均ピッチPav以下の場合、微細凹凸構造20の屈折率分布が、発光光からみて適切になるため、光取り出し効率LEEをより向上させることができる。また、凸部20aの平坦化に要する半導体層の厚みを薄くできる。ゆえに、半導体発光素子100の反りを抑制できる。この観点から、微細凹凸構造20の高さHは、平均ピッチPavの1倍以下が好ましく、0.7倍以下がより好ましい。   Since the upper limit of the preferred aspect ratio of the height H of the convex portion 20a of the fine concavo-convex structure 20 is 1, the height H of the convex portion 20a is equal to or less than the average pitch Pav. When the average pitch is Pav or less, the refractive index distribution of the fine concavo-convex structure 20 is appropriate in view of the emitted light, so that the light extraction efficiency LEE can be further improved. Further, the thickness of the semiconductor layer required for flattening the convex portion 20a can be reduced. Therefore, warpage of the semiconductor light emitting device 100 can be suppressed. From this viewpoint, the height H of the fine concavo-convex structure 20 is preferably 1 time or less, more preferably 0.7 times or less of the average pitch Pav.

<凸部側面傾斜角Θ>
凸部側面の傾斜角度Θは、上記説明した微細凹凸構造20の形状パラメータより決定される。特に、凸部頂部から凸部底部に向けて多段階に傾斜角度が変化すると好ましい。例えば、凸部側面が上に膨らんだ変曲点が1つの曲線を描く場合、傾斜角度は2つとなる。このような多段階の傾斜角度を有すことで、微細凹凸構造20の光回折性による角度、強度の制御が行いやすくなり、光取り出し効率LEEを向上させることができる。また、成長基材と半導体結晶層の材質により、凸部側面の傾斜角度を、凸部側面に出る結晶面より選定することもできる。
<Convex side inclination angle Θ>
The inclination angle Θ of the side surface of the convex portion is determined by the shape parameter of the fine concavo-convex structure 20 described above. In particular, it is preferable that the inclination angle changes in multiple steps from the top of the convex portion toward the bottom of the convex portion. For example, when the inflection point where the convex side surface bulges up draws one curve, the inclination angle becomes two. By having such a multi-step inclination angle, it becomes easy to control the angle and intensity by the light diffraction property of the fine concavo-convex structure 20, and the light extraction efficiency LEE can be improved. Further, the inclination angle of the side surface of the convex portion can be selected from the crystal plane appearing on the side surface of the convex portion depending on the material of the growth base and the semiconductor crystal layer.

(相加平均)
ある要素(変量)の分布のN個の測定値をx1、x2…、xnとした場合に、相加平均値は、次式(3)にて定義される。
(Arithmetic mean)
When N measured values of the distribution of a certain element (variable) are x1, x2,..., Xn, the arithmetic mean value is defined by the following equation (3).

Figure 2014195069
Figure 2014195069

相加平均を算出する際のサンプル点数Nは、10以上として定義する。また、標準偏差算出時のサンプル点数は、相加平均算出時のサンプル点数Nと同様とする。   The number N of sample points when calculating the arithmetic mean is defined as 10 or more. The number of sample points when calculating the standard deviation is the same as the number N of sample points when calculating the arithmetic mean.

ここで、観察に使用する局所的範囲とは、微細凹凸構造20の平均ピッチの5倍〜50倍程度の範囲として定義する。例えば、平均ピッチが700nmであれば、3500nm〜35000nmの観察範囲の中で観察を行う。そのため、例えば7500nmの視野像を撮像し、該撮像を使用して相加平均を求める。   Here, the local range used for observation is defined as a range of about 5 to 50 times the average pitch of the fine relief structure 20. For example, if the average pitch is 700 nm, the observation is performed within the observation range of 3500 nm to 35000 nm. Therefore, for example, a field image of 7500 nm is captured, and an arithmetic average is obtained using the captured image.

光学基材10上に設けられる微細凹凸構造20の形状について説明する。
微細凹凸構造20の凸部頂部幅lcvtと凹部開口幅lcctと、の比率(lcvt/lcct)は、小さい程好ましく、実質的に0であると最も好ましい。なお、lcvt/lcct=0とは、lcvt=0nmであることを意味する。しかしながら、例えば、走査型電子顕微鏡によりlcvtを測定した場合であっても、0nmは正確には計測できない。よって、ここでのlcvtは測定分解能以下の場合全てを含むものとする。比率(lcvt/lcct)が3以下であると、内部量子効率IQEを効果的に向上させることができる。これは、凸部頂部上から発生する転位が抑制され、転位の分散性が向上し、微視的及び巨視的な転位密度が低下するためである。さらに、(lcvt/lcct)が1以下であることにより、光取り出し効率LEEを向上させることができる。これは光学基材10と半導体結晶層により作られる微細凹凸構造20の屈折率分布が、発光光からみて適切になるためである。上記説明した内部量子効率IQE及び光取り出し効率LEEを共に大きく向上させる観点から、(lcvt/lcct)は、0.4以下が好ましく、0.2以下がより好ましく、0.15以下がさらに好ましい。
The shape of the fine concavo-convex structure 20 provided on the optical substrate 10 will be described.
The ratio (lcvt / lcct) between the convex top width lcvt and the concave opening width lcct of the fine concavo-convex structure 20 is preferably as small as possible, and is most preferably substantially zero. Here, “lcvt / lcct = 0” means that lcvt = 0 nm. However, for example, even when lcvt is measured by a scanning electron microscope, 0 nm cannot be measured accurately. Therefore, lcvt here includes all cases where the resolution is less than the measurement resolution. When the ratio (lcvt / lcct) is 3 or less, the internal quantum efficiency IQE can be effectively improved. This is because the dislocation generated from the top of the convex portion is suppressed, the dispersibility of the dislocation is improved, and the microscopic and macroscopic dislocation density is decreased. Furthermore, when (lcvt / lcct) is 1 or less, the light extraction efficiency LEE can be improved. This is because the refractive index distribution of the fine concavo-convex structure 20 formed by the optical base material 10 and the semiconductor crystal layer is appropriate in view of the emitted light. From the viewpoint of greatly improving both the internal quantum efficiency IQE and the light extraction efficiency LEE described above, (lcvt / lcct) is preferably 0.4 or less, more preferably 0.2 or less, and further preferably 0.15 or less.

また、微細凹凸構造20の凹部20bの底部が平坦面を有すると、内部量子効率IQEを向上させると共に、半導体結晶成膜装置間の差を小さくできるため好ましい。LED素子において内部量子効率IQEを向上させるためには、半導体結晶層内部の転位を分散化し、局所的及び巨視的な転位密度を減少させる必要がある。ここで、これらの物理現象の初期条件は、半導体結晶層を化学蒸着(CVD)により成膜する際の核生成及び核成長である。微細凹凸構造20の凹部20bの底部に平坦面を有すことで、核生成を好適に生じさせることが可能となるため、微細凹凸構造20の密度による半導体結晶層内の転位低減効果をより発現させることが可能となる。結果、内部量子効率IQEをより大きくすることができる。加えて、転位が低減されることから、半導体結晶中にクラックが入り難くなる。   Further, it is preferable that the bottom of the concave portion 20b of the fine concavo-convex structure 20 has a flat surface because the internal quantum efficiency IQE can be improved and the difference between the semiconductor crystal film forming apparatuses can be reduced. In order to improve the internal quantum efficiency IQE in the LED element, it is necessary to disperse dislocations inside the semiconductor crystal layer and reduce the local and macroscopic dislocation density. Here, initial conditions of these physical phenomena are nucleation and growth when the semiconductor crystal layer is formed by chemical vapor deposition (CVD). Since a flat surface is provided at the bottom of the concave portion 20b of the fine concavo-convex structure 20, nucleation can be suitably generated, so that the dislocation reduction effect in the semiconductor crystal layer due to the density of the fine concavo-convex structure 20 is more manifested. It becomes possible to make it. As a result, the internal quantum efficiency IQE can be further increased. In addition, since dislocations are reduced, cracks are less likely to occur in the semiconductor crystal.

以上の観点から、微細凹凸構造20の凸部底部幅lcvbと凹部底部幅lccbと、の比率(lcvb/lccb)は、5以下であると好ましい。特に、微細凹凸構造20の凹部底部を基準面とした半導体結晶層の成長をより促進する観点から、(lcvb/lccb)は2以下がより好ましく、1以下が最も好ましい。   From the above viewpoint, it is preferable that the ratio (lcvb / lccb) between the convex bottom width lcvb and the concave bottom width lccb of the fine concavo-convex structure 20 is 5 or less. In particular, (lcvb / lccb) is more preferably 2 or less, and most preferably 1 or less, from the viewpoint of further promoting the growth of the semiconductor crystal layer using the bottom of the recess of the fine relief structure 20 as a reference plane.

一方、電子注入効率EIEの向上と光取り出し効率LEEの向上を同時に満たすために、微細凹凸構造20の凹部底部の平坦面は0に漸近すると好ましい。LED素子において電子注入効率EIEを向上させるためには、比表面積を効果的に増大させ、コンタクト抵抗を減少させる必要がある。一方で、光取り出し効率LEEを向上させるためには、導波モードを効果的に乱す必要がある。以上の観点から、微細凹凸構造20の凸部底部幅lcvbと凹部底部幅lccbと、の比率(lcvb/lccb)は、0.33以上であると好ましい。特に、比表面積を増大させると共に、散乱性を向上させる観点から、(lcvb/lccb)は0.6以上がより好ましく、3以上が最も好ましい。   On the other hand, in order to satisfy the improvement of the electron injection efficiency EIE and the improvement of the light extraction efficiency LEE at the same time, it is preferable that the flat surface at the bottom of the concave portion of the fine concavo-convex structure 20 is asymptotic to zero. In order to improve the electron injection efficiency EIE in the LED element, it is necessary to effectively increase the specific surface area and decrease the contact resistance. On the other hand, in order to improve the light extraction efficiency LEE, it is necessary to effectively disturb the waveguide mode. From the above viewpoint, the ratio (lcvb / lccb) between the convex bottom width lcvb and the concave bottom width lccb of the fine concavo-convex structure 20 is preferably 0.33 or more. In particular, from the viewpoint of increasing the specific surface area and improving the scattering property, (lcvb / lccb) is more preferably 0.6 or more, and most preferably 3 or more.

さらに、凸部頂部幅lcvtは凸部底部幅lcvbよりも小さい形状であると、上記説明した比率(lcvt/lcct)及び比率(lcvb/lccb)を同時に満たすことが容易となり、このため、既に説明したメカニズムにより、内部量子効率IQE或いは電子注入効率EIEと、光取り出し効率LEEと、を同時に大きくすることができる。   Further, if the convex top width lcvt is smaller than the convex bottom width lcvb, it becomes easy to satisfy the ratio (lcvt / lcct) and the ratio (lcvb / lcccb) described above. With this mechanism, the internal quantum efficiency IQE or electron injection efficiency EIE and the light extraction efficiency LEE can be increased simultaneously.

また、微細凹凸構造20は、ドット構造であると凸部頂部幅lcvt及び凸部底部幅lcvbの制御が容易となり、比率(lcvt/lcct)及び比率(lcvb/lccb)同時に満たすことが容易となり、このため、既に説明したメカニズムにより、内部量子効率IQE或いは電子注入効率EIEと、光取り出し効率LEEと、を同時に大きくすることができる。   Further, if the fine concavo-convex structure 20 is a dot structure, it is easy to control the convex top width lcvt and the convex bottom width lcvb, and it is easy to satisfy the ratio (lcvt / lcct) and the ratio (lcvb / lccc) at the same time. For this reason, the internal quantum efficiency IQE or electron injection efficiency EIE and the light extraction efficiency LEE can be simultaneously increased by the mechanism described above.

次に、半導体発光素子100を構成する各層の材質等について説明する。本実施の形態に係る半導体発光素子100は、光学基材10の表面に設けられた微細凹凸構造20が前記範囲を満たす形状であることで、内部量子効率IQE及び光取り出し効率LEEの両者を向上させた半導体発光素子となるため、この効果を発揮する限り、各半導体層の材料、状態、層数又は厚み、電極の材料、層数、配置又は厚み、発光半導体層の材料、層数、又は厚み、成長基材の材料、面方位又は厚み等は適宜選択することができ、特に限定されない。   Next, materials and the like of each layer constituting the semiconductor light emitting element 100 will be described. The semiconductor light emitting device 100 according to the present embodiment improves both the internal quantum efficiency IQE and the light extraction efficiency LEE because the fine concavo-convex structure 20 provided on the surface of the optical substrate 10 has a shape that satisfies the above range. As long as this effect is exhibited, the material, state, number of layers or thickness of each semiconductor layer, electrode material, number of layers, arrangement or thickness, material of the light emitting semiconductor layer, number of layers, or The thickness, the material of the growth substrate, the plane orientation, the thickness, etc. can be selected as appropriate and are not particularly limited.

図1に示すように、表面に微細凹凸構造20を具備した光学基材10の、微細凹凸構造20上に第1半導体層30、発光半導体層40及び第2半導体層50が順次積層され、半導体発光素子100を構成する。ここで、発光半導体層40にて発生した発光光を第2半導体層50側又は光学基材10から取り出すことを特徴とする。さらに、第1半導体層30と第2半導体層50と、は互いに異なる半導体層である。ここで、第1半導体層30は、微細凹凸構造20を平坦化すると好ましい。第1半導体層30が微細凹凸構造20を平坦化するように設けられることにより、第1半導体層30の半導体としての性能を、発光半導体層40及び第2半導体層50へ、と反映させることができるため、内部量子効率IQEが向上する。また、第1半導体層30は非ドープ第1半導体層31とドープ第1半導体層32とから構成されてもよい。   As shown in FIG. 1, a first semiconductor layer 30, a light emitting semiconductor layer 40, and a second semiconductor layer 50 are sequentially stacked on a fine concavo-convex structure 20 of an optical substrate 10 having a fine concavo-convex structure 20 on a surface, and a semiconductor. The light emitting element 100 is configured. Here, the emitted light generated in the light emitting semiconductor layer 40 is extracted from the second semiconductor layer 50 side or the optical substrate 10. Further, the first semiconductor layer 30 and the second semiconductor layer 50 are different semiconductor layers. Here, it is preferable that the first semiconductor layer 30 planarizes the fine concavo-convex structure 20. By providing the first semiconductor layer 30 so as to planarize the fine concavo-convex structure 20, the performance of the first semiconductor layer 30 as a semiconductor can be reflected in the light emitting semiconductor layer 40 and the second semiconductor layer 50. Therefore, the internal quantum efficiency IQE is improved. The first semiconductor layer 30 may be composed of an undoped first semiconductor layer 31 and a doped first semiconductor layer 32.

さらに、第1半導体層30に続いて、発光半導体層40及び第2半導体層50を積層する。その後に、半導体発光素子100の第2半導体層50上に透明導電膜60を、透明導電膜60の表面にアノード電極70を、そして第1半導体層30表面にカソード電極80を、それぞれ設けることができる。透明導電膜60、アノード電極70及びカソード電極80の配置は、半導体発光素子により適宜最適化できるため限定されないが、一般的に図1に例示するように設けられる。   Further, the light emitting semiconductor layer 40 and the second semiconductor layer 50 are stacked following the first semiconductor layer 30. Thereafter, the transparent conductive film 60 may be provided on the second semiconductor layer 50 of the semiconductor light emitting device 100, the anode electrode 70 may be provided on the surface of the transparent conductive film 60, and the cathode electrode 80 may be provided on the surface of the first semiconductor layer 30. it can. The arrangement of the transparent conductive film 60, the anode electrode 70, and the cathode electrode 80 is not limited because it can be optimized as appropriate by the semiconductor light emitting device, but is generally provided as illustrated in FIG.

・第1半導体層30
第1半導体層30としては、半導体発光素子(LED)に適したn型半導体層として使用できるものであれば、特に制限はない。例えば、シリコン、ゲルマニウム等の元素半導体、及び、III−V族、II−VI族、VI−VI族等の化合物半導体に適宜、種々の元素をドープしたものを適用できる。
First semiconductor layer 30
The first semiconductor layer 30 is not particularly limited as long as it can be used as an n-type semiconductor layer suitable for a semiconductor light emitting device (LED). For example, elemental semiconductors such as silicon and germanium, and compound semiconductors such as III-V, II-VI, and VI-VI can be appropriately doped with various elements.

第1半導体層30と微細凹凸構造20とは、第1半導体層30内部の転位低減の観点から適宜組み合わせることができる。微細凹凸構造20の凹部20bの底部の有す平坦面と、第1半導体層30の安定成長面に対してほぼ平行な面と、が平行である場合、微細凹凸構造20の凹部20bの近傍における第1半導体層30の成長モードの乱れが大きくなり、第1半導体層30内の転位を効果的に微細凹凸構造20に応じ分散化することができるため、内部量子効率IQEが向上する。安定成長面とは、成長させる材料において成長速度の最も遅い面のことをさす。   The first semiconductor layer 30 and the fine relief structure 20 can be appropriately combined from the viewpoint of reducing dislocations in the first semiconductor layer 30. When the flat surface of the bottom of the concave portion 20b of the fine concavo-convex structure 20 and the surface substantially parallel to the stable growth surface of the first semiconductor layer 30 are parallel to each other, in the vicinity of the concave portion 20b of the fine concavo-convex structure 20 Since the disorder of the growth mode of the first semiconductor layer 30 is increased and the dislocations in the first semiconductor layer 30 can be effectively dispersed according to the fine concavo-convex structure 20, the internal quantum efficiency IQE is improved. The stable growth surface is the surface with the slowest growth rate in the material to be grown.

また、微細凹凸構造20がナノスケールであることより、第1半導体層30で微細凹凸構造20を平坦化するために必要な厚みが薄くなる。このため、発光半導体層40からの光を吸収する半導体層が薄くなることで、光取り出し効率LEEのさらなる向上が見込まれると共に、第1半導体層30並びにその上に順次積層される発光半導体層40及び第2半導体層50の反りを抑制することが可能となり、従来よりも大面積の半導体発光素子とすることができる。このため、第1半導体層30の厚みは、5μm以下が好ましく、4μm以下がより好ましく、3.5μm以下がさらに好ましく、2.5μm以下がいっそう好ましく、1.5μm以下が最も好ましい。   Further, since the fine concavo-convex structure 20 is nanoscale, the thickness necessary for planarizing the fine concavo-convex structure 20 in the first semiconductor layer 30 is reduced. For this reason, since the semiconductor layer that absorbs light from the light emitting semiconductor layer 40 is thinned, the light extraction efficiency LEE is expected to be further improved, and the first semiconductor layer 30 and the light emitting semiconductor layer 40 sequentially stacked thereon are also provided. And it becomes possible to suppress the curvature of the 2nd semiconductor layer 50, and it can be set as a semiconductor light emitting element of a larger area than before. For this reason, the thickness of the first semiconductor layer 30 is preferably 5 μm or less, more preferably 4 μm or less, further preferably 3.5 μm or less, still more preferably 2.5 μm or less, and most preferably 1.5 μm or less.

・発光半導体層40
発光半導体層40としては、半導体発光素子(LED)として発光特性を有するものであれば、特に限定されない。例えば、発光半導体層40として、AsP、GaP、AlGaAs、InGaN、GaN、AlGaN、ZnSe、AlHaInP、ZnO等の半導体層を適用できる。また、発光半導体層40には、適宜、特性に応じて種々の元素をドープしてもよい。
-Light emitting semiconductor layer 40
The light emitting semiconductor layer 40 is not particularly limited as long as it has a light emitting characteristic as a semiconductor light emitting element (LED). For example, as the light emitting semiconductor layer 40, a semiconductor layer such as AsP, GaP, AlGaAs, InGaN, GaN, AlGaN, ZnSe, AlHaInP, or ZnO can be applied. Further, the light emitting semiconductor layer 40 may be appropriately doped with various elements according to characteristics.

・第2半導体層50
第2半導体層50としては、半導体発光素子(LED)に適したp型半導体層として使用できるものであれば、特に制限はない。例えば、シリコン、ゲルマニウム等の元素半導体、及び、III−V族、II−VI族、VI−VI族等の化合物半導体に適宜、種々の元素をドープしたものを適用できる。
Second semiconductor layer 50
The second semiconductor layer 50 is not particularly limited as long as it can be used as a p-type semiconductor layer suitable for a semiconductor light emitting device (LED). For example, elemental semiconductors such as silicon and germanium, and compound semiconductors such as III-V, II-VI, and VI-VI can be appropriately doped with various elements.

なお、本実施の形態に係る半導体発光素子100において、第1半導体層30、発光半導体層40及び第2半導体層50には、例えば、III−V族系半導体を用いることが好ましい。   In the semiconductor light emitting device 100 according to the present embodiment, for example, a III-V group semiconductor is preferably used for the first semiconductor layer 30, the light emitting semiconductor layer 40, and the second semiconductor layer 50.

また、第1半導体層30、発光半導体層40及び第2半導体層50には、GaN系半導体を用いることが好ましい。GaN系は、In等の不純物ドープによってバンドギャップを比較的容易に変えることができ、好ましい。また、バンドギャップが大きく、青から紫外まで発光波長領域が広いために、より幅広い蛍光体を励起できるため、好ましい。   Moreover, it is preferable to use a GaN-based semiconductor for the first semiconductor layer 30, the light emitting semiconductor layer 40, and the second semiconductor layer 50. The GaN system is preferable because the band gap can be changed relatively easily by doping impurities such as In. In addition, since the band gap is large and the emission wavelength region is wide from blue to ultraviolet, a wider range of phosphors can be excited, which is preferable.

・光学基材10
光学基材10の材質は、半導体発光素子用基板として使用できるものであれば特に制限はない。サファイア、SiC、SiN、GaN、W−Cu、シリコン、酸化亜鉛、酸化マグネシウム、酸化マンガン、酸化ジルコニウム、酸化マンガン亜鉛鉄、酸化マグネシウムアルミニウム、ホウ化ジルコニウム、酸化ガリウム、酸化インジウム、酸化リチウムガリウム、酸化リチウムアルミニウム、酸化ネオジウムガリウム、酸化ランタンストロンチウムアルミニウムタンタル、酸化ストロンチウムチタン、酸化チタン、ハフニウム、タングステン、モリブデン、GaP、GaAs等の基板を用いることができる。なかでも半導体層との格子マッチングの観点から、サファイア、GaN、GaP、GaAs、SiC基板、Si基板、スピネル基板等を適用することが好ましい。さらに、単体で用いてもよく、これらを用いた基板本体上に別の基板を設けたヘテロ構造の基板としてもよい。例えば、光学基材10に、C面(0001)を主面とするサファイア基板を用いることができる。
Optical substrate 10
The material of the optical substrate 10 is not particularly limited as long as it can be used as a substrate for a semiconductor light emitting device. Sapphire, SiC, SiN, GaN, W-Cu, silicon, zinc oxide, magnesium oxide, manganese oxide, zirconium oxide, manganese zinc iron oxide, magnesium aluminum oxide, zirconium boride, gallium oxide, indium oxide, lithium gallium oxide, oxidation Substrates such as lithium aluminum, neodymium gallium oxide, lanthanum strontium aluminum tantalum, strontium titanium oxide, titanium oxide, hafnium, tungsten, molybdenum, GaP, and GaAs can be used. Of these, sapphire, GaN, GaP, GaAs, SiC substrate, Si substrate, spinel substrate and the like are preferably used from the viewpoint of lattice matching with the semiconductor layer. Furthermore, it may be used alone, or may be a heterostructure substrate in which another substrate is provided on the substrate body using these. For example, a sapphire substrate having a C plane (0001) as the main surface can be used as the optical base material 10.

特にサファイア基板を用いる場合、c面に対して0度超α度以下の傾斜、即ちオフセット角度を有する基板であることが好ましい。   In particular, when a sapphire substrate is used, a substrate having an inclination of more than 0 ° and not more than α °, that is, an offset angle with respect to the c-plane is preferable.

サファイア基板が上述の(1)〜(3)の条件を満たす微細凹凸構造20を有し、且つ前記範囲のオフセット角度を有することによって、第1半導体層成膜時の欠陥発生が抑制され、内部量子効率IQEの更なる向上が可能となる。これは以下の理由と推測される。   Since the sapphire substrate has the fine concavo-convex structure 20 that satisfies the above conditions (1) to (3) and has the offset angle in the above range, the occurrence of defects during the formation of the first semiconductor layer is suppressed, and the internal The quantum efficiency IQE can be further improved. This is presumed to be the following reason.

一般に、エピタキシャル成長に用いられるサファイア基板は研磨され、原子数個レベルでの平滑性を有している。c面の基板においては、基板の法線からのc軸の傾きがオフセット角度αである。オフセット角度αを有する基板は、テラスとステップを有している。   In general, a sapphire substrate used for epitaxial growth is polished and has smoothness at the level of several atoms. In the c-plane substrate, the inclination of the c-axis from the normal of the substrate is the offset angle α. The substrate having the offset angle α has a terrace and a step.

サファイア基板がオフセット角度αを有す場合、基板を所定の条件(ガス流量、ガス圧力、プラズマ出力)でエッチングすることにより、エピタキシャル成長に適した平坦性を有する基板を得ることができる。このとき、凹凸構造の平坦部、つまり凹部底部の平坦面には、オフセット角度によって定まるテラスとステップが形成されているものと推察される。   When the sapphire substrate has an offset angle α, a substrate having flatness suitable for epitaxial growth can be obtained by etching the substrate under predetermined conditions (gas flow rate, gas pressure, plasma output). At this time, it is assumed that a terrace and a step determined by the offset angle are formed in the flat portion of the concavo-convex structure, that is, the flat surface of the bottom of the concave portion.

図12は、本実施の形態に係るオフセット角度を有するサファイア基板を示す断面模式図である。オフセット角度αを有するサファイア基板10は、通常原子一層分の高さのシングルステップを形成し、オフセット角度αにより所定のステップ高さSとテラス幅Wをもつ。サファイア基板の場合、シングルステップの高さはおよそ0.2nmである。ステップ高さSはサファイア基板10の平坦度から上限があり、シングルステップの高さの数倍程度と推察される。テラス幅W、オフセット角度α、ステップ高さSは、次式(4)で表される。   FIG. 12 is a schematic cross-sectional view showing a sapphire substrate having an offset angle according to the present embodiment. The sapphire substrate 10 having the offset angle α normally forms a single step having a height corresponding to one atomic layer, and has a predetermined step height S and terrace width W depending on the offset angle α. In the case of a sapphire substrate, the single step height is approximately 0.2 nm. The step height S has an upper limit from the flatness of the sapphire substrate 10 and is estimated to be several times the height of the single step. The terrace width W, the offset angle α, and the step height S are expressed by the following equation (4).

Figure 2014195069
Figure 2014195069

図13及び図14は、オフセット角度及び微細凹凸構造を有するサファイア基板を説明する説明図である。なお、P、lcvb、lccbの記号は、図9Bを参照して説明した通りである。サファイア基板10上にドット構造の微細凹凸構造20を設けた場合、ステップ高さSは原子数層分であることから、オフセット角度αが非常に小さいと、テラス幅Wが凹部底部幅lccbより大きくなることがある(図13)。このとき、凹部底部幅lccbの範囲にステップが無いため、あたかもオフセット角度αが0度の基板と同じように振る舞ってしまうことが推測される。従って、テラス幅Wが凹部底部幅lccbよりも小さくなるようなオフセット角度αであれば(図14)、凹部底部におけるステップによって欠陥発生が好適に抑制され、内部量子効率IQEがさらに向上する。なお、図13及び図14は、オフセット角度αを有するサファイア基板10にドット構造の微細凹凸構造20を適用した例であるが、本発明はこれに限定されるものではない。   13 and 14 are explanatory views for explaining a sapphire substrate having an offset angle and a fine concavo-convex structure. The symbols P, lcvb, and lccb are as described with reference to FIG. 9B. When the fine concavo-convex structure 20 having a dot structure is provided on the sapphire substrate 10, since the step height S is the number of atomic layers, if the offset angle α is very small, the terrace width W is larger than the concave bottom width lccb. (FIG. 13). At this time, since there is no step in the range of the recess bottom width lccb, it is presumed that it behaves as if the substrate had an offset angle α of 0 degrees. Therefore, if the offset angle α is such that the terrace width W is smaller than the recess bottom width lccb (FIG. 14), the occurrence of defects is suitably suppressed by the steps at the recess bottom, and the internal quantum efficiency IQE is further improved. 13 and 14 are examples in which the fine concavo-convex structure 20 having the dot structure is applied to the sapphire substrate 10 having the offset angle α, but the present invention is not limited to this.

微細凹凸構造20を設ける際、光取り出し効率LEEの観点からデューティを大きくすると、微細凹凸構造20において、平坦部が少なく、即ち凹部底部幅lccbが小さくなったり、基板のエッチング精度がよくないと、ステップ高さSが大きくなったりする。これらの場合、テラス幅Wが凹部底部幅lccbを超えないようにするため、オフセット角度αは0.05度以上が好ましく、0.1度以上がより好ましい。   When providing the fine concavo-convex structure 20, if the duty is increased from the viewpoint of light extraction efficiency LEE, in the fine concavo-convex structure 20, there are few flat portions, that is, the concave bottom width lccb is small, or the etching accuracy of the substrate is not good. The step height S increases. In these cases, in order to prevent the terrace width W from exceeding the recess bottom width lccb, the offset angle α is preferably 0.05 degrees or more, and more preferably 0.1 degrees or more.

また、平均ピッチPavが小さくなるほど、テラス幅Wが凹部底部幅lccbを超えないようにしつつ、面内平均高さHavと発光光の波長λとの比、アスペクト比、を所望の範囲にすることは難しい。これは、平均面内高さHav及びアスペクト比の上限を定める高さH、凸部底部幅lcvbが平均ピッチPavと凹部底部幅lccbにより制限されるためである。このため、テラス幅Wと凹部底部幅lccbの大小関係を保ちつつ、面内平均高さHavと発光光の波長λとの比、アスペクト比、を好ましい範囲にするために、特に平均ピッチPav500nmの場合、オフセット角度αは0.2度以上が好ましい。   Further, as the average pitch Pav decreases, the ratio of the in-plane average height Hav to the wavelength λ of the emitted light and the aspect ratio are set in a desired range while preventing the terrace width W from exceeding the recess bottom width lccb. Is difficult. This is because the average in-plane height Hav, the height H that defines the upper limit of the aspect ratio, and the convex bottom width lcvb are limited by the average pitch Pav and the concave bottom width lccb. For this reason, in order to make the ratio of the in-plane average height Hav and the wavelength λ of the emitted light, the aspect ratio, within a preferable range while maintaining the size relationship between the terrace width W and the recess bottom width lccb, the average pitch Pav is particularly 500 nm. In this case, the offset angle α is preferably 0.2 degrees or more.

一方、オフセット角度αが大きすぎ、同じステップ高さSでもテラス幅Wが小さくなり、微細凹凸構造20において、平坦部にテラスとステップが多く存在するようになると、結晶成長が阻害され、逆に欠陥を発生させてしまう。そこで、微細凹凸構造20を設けることによる内部量子効率IQEの向上が十分に発揮される観点から、オフセット角度αは0.8度以下が好ましく、0.5度以下がより好ましい。   On the other hand, if the offset angle α is too large and the terrace width W becomes small even at the same step height S, and there are many terraces and steps in the flat portion in the fine concavo-convex structure 20, crystal growth is hindered. It will cause defects. Therefore, from the viewpoint of sufficiently improving the internal quantum efficiency IQE by providing the fine concavo-convex structure 20, the offset angle α is preferably 0.8 degrees or less, and more preferably 0.5 degrees or less.

また、光学基材10は、少なくとも第1半導体層30を積層した後の工程において除去してもよい。光学基材10を除去することにより、導波モードの乱し効果が大きくなるため、光取り出し効率LEEが大きく向上する。この場合、半導体発光素子100の発光光の出光面は、発光半導体層40からみて第1半導体層30側であると好ましい。   Further, the optical substrate 10 may be removed at least after the first semiconductor layer 30 is stacked. By removing the optical base material 10, the effect of disturbing the waveguide mode is increased, so that the light extraction efficiency LEE is greatly improved. In this case, the light emission surface of the emitted light of the semiconductor light emitting device 100 is preferably on the first semiconductor layer 30 side when viewed from the light emitting semiconductor layer 40.

このとき、光学基材10上のナノスケールの凹凸構造が反転した微細パターンが、第1半導体層30の剥離面に形成されるが、半導体層の微細パターンと、光学基材10が有する凹凸構造とは完全に同一となる必要はない。即ち、光学基材10を半導体層から剥離した際に、凹凸構造の一部が微細パターン内に部分的に残留していても、微細パターンの一部が凹凸構造内に部分的に残留していてもよい。このような場合であっても、内部量子効率IQE及び光取り出し効率LEEの両立という本発明の効果は問題なく発揮される。   At this time, a fine pattern in which the nanoscale concavo-convex structure on the optical base material 10 is reversed is formed on the peeled surface of the first semiconductor layer 30, but the fine pattern of the semiconductor layer and the concavo-convex structure of the optical base material 10 are included. Need not be exactly the same. That is, when the optical substrate 10 is peeled from the semiconductor layer, even if a part of the concavo-convex structure partially remains in the fine pattern, a part of the fine pattern remains partially in the concavo-convex structure. May be. Even in such a case, the effect of the present invention that the internal quantum efficiency IQE and the light extraction efficiency LEE are compatible is exhibited without problems.

なお、上述の光学基材10の剥離には、レーザー光を利用したリフトオフや、光学基材の全溶解或いは部分溶解を用いることができる。特に、溶解による除去が剥離面に形成されるパターンの精度の点から、好ましい。   In addition, the peeling of the above-mentioned optical base material 10 can use the lift-off using a laser beam, and the total dissolution or partial dissolution of an optical base material. In particular, removal by dissolution is preferable in terms of the accuracy of the pattern formed on the release surface.

本実施の形態に係る光学基材においては、透明導電膜の材質は、LEDに適した透明導電膜として使用できるものであれば、特に制限はない。例えば、Ni/Au電極等の金属薄膜や、ITO、ZnO、In、SnO、IZO、IGZO等の導電性酸化物膜等を適用できる。特に、透明性、導電性の観点からITOが好ましい。 In the optical substrate according to the present embodiment, the material of the transparent conductive film is not particularly limited as long as it can be used as a transparent conductive film suitable for LEDs. For example, a metal thin film such as a Ni / Au electrode or a conductive oxide film such as ITO, ZnO, In 2 O 3 , SnO 2 , IZO, or IGZO can be applied. In particular, ITO is preferable from the viewpoints of transparency and conductivity.

・その他の凹凸構造
図1に示すように、半導体発光素子100においては、光学基材10と第1半導体層30との間に微細凹凸構造20が設けられているが、図15に示すように、別の凹凸構造をさらに設けることができる。図15は、本実施の形態に係る半導体発光素子の他の例を示す断面概略図である。図15に示すように、半導体発光素子800に、別に設けられる凹凸構造としては、以下のものが挙げられる。
・アノード電極70の表面とカソード電極80の表面に設けられる凹凸構造801
・アノード電極70と透明導電膜60との間、或いはカソード電極80と第1半導体層30の間に設けられる凹凸構造802
・透明導電膜60の表面に設けられる凹凸構造803
・第2半導体層50と透明導電膜60との間に設けられる凹凸構造804
・第1半導体層30、発光半導体層40、第2半導体層50、及び透明導電膜60の側面に設けられる凹凸構造805
・光学基材10の半導体積層体面と対向した面に設けられる凹凸構造806
-Other uneven structure As shown in FIG. 1, in the semiconductor light-emitting device 100, although the fine uneven structure 20 is provided between the optical base material 10 and the 1st semiconductor layer 30, as shown in FIG. Further, another uneven structure can be provided. FIG. 15 is a schematic cross-sectional view showing another example of the semiconductor light emitting device according to the present embodiment. As shown in FIG. 15, the uneven structure provided separately in the semiconductor light emitting device 800 includes the following.
The uneven structure 801 provided on the surface of the anode electrode 70 and the surface of the cathode electrode 80
An uneven structure 802 provided between the anode electrode 70 and the transparent conductive film 60 or between the cathode electrode 80 and the first semiconductor layer 30.
Uneven structure 803 provided on the surface of the transparent conductive film 60
The concavo-convex structure 804 provided between the second semiconductor layer 50 and the transparent conductive film 60
The uneven structure 805 provided on the side surfaces of the first semiconductor layer 30, the light emitting semiconductor layer 40, the second semiconductor layer 50, and the transparent conductive film 60.
The concavo-convex structure 806 provided on the surface facing the semiconductor laminate surface of the optical substrate 10

上述のように、微細凹凸構造20の他に、さらに凹凸構造801〜806の少なくともいずれか1つを設けることにより、以下に説明する各凹凸構造801〜806に応じた効果を発現することができる。   As described above, in addition to the fine concavo-convex structure 20, by providing at least one of the concavo-convex structures 801 to 806, the effects corresponding to the concavo-convex structures 801 to 806 described below can be exhibited. .

凹凸構造801を設けることにより、配線時の接触面積が大きくなり、剥離が抑制される。さらに、電子注入効率EIEを大きくすることができる。   By providing the concavo-convex structure 801, a contact area at the time of wiring increases, and peeling is suppressed. Furthermore, the electron injection efficiency EIE can be increased.

凹凸構造802を設けることにより、アノード電極70と透明導電膜60の接触面積、或いはカソード電極80と第1半導体層30の接触面積が増加するため、電子注入効率EIEを改善することができ、外部量子効率EQEを向上させることができる。   By providing the concavo-convex structure 802, the contact area between the anode electrode 70 and the transparent conductive film 60 or the contact area between the cathode electrode 80 and the first semiconductor layer 30 increases, so that the electron injection efficiency EIE can be improved. The quantum efficiency EQE can be improved.

凹凸構造803を設けることにより、高屈折率である透明導電膜60と空気の界面においても導波モードが崩され易くなるために、光取り出し効率LEEを向上させることができる。   By providing the concavo-convex structure 803, the waveguide mode is easily destroyed even at the interface between the transparent conductive film 60 having a high refractive index and the air, so that the light extraction efficiency LEE can be improved.

凹凸構造804を設けることにより、第2半導体層50中の導波モードが乱され易くなり、光取り出し効率LEEを向上させることができる。さらに、第2半導体層50と透明導電膜60との接触面積を大きくすることができるため電子注入効率EIEを大きくすることができる。   By providing the concavo-convex structure 804, the waveguide mode in the second semiconductor layer 50 is easily disturbed, and the light extraction efficiency LEE can be improved. Furthermore, since the contact area between the second semiconductor layer 50 and the transparent conductive film 60 can be increased, the electron injection efficiency EIE can be increased.

凹凸構造805を設けることにより、第1半導体層30、発光半導体層40及び第2半導体層50の側面より出光する発光光量を増加させることができるため、導波モードにて減衰消失する発光光割合を低減できる。このため、光取り出し効率LEEが向上し、外部量子効率EQEを大きくすることができる。   By providing the concavo-convex structure 805, the amount of emitted light emitted from the side surfaces of the first semiconductor layer 30, the light emitting semiconductor layer 40, and the second semiconductor layer 50 can be increased. Can be reduced. For this reason, the light extraction efficiency LEE is improved, and the external quantum efficiency EQE can be increased.

凹凸構造806を設けることにより、光学基材10の裏面においても、空気に対して高屈折率である光学基材10中の導波モードを乱すことができ、光取り出し効率LEEを向上させることができる。これは、特にフリップチップ型で有利である。   By providing the concavo-convex structure 806, the waveguide mode in the optical substrate 10 having a high refractive index with respect to air can be disturbed on the back surface of the optical substrate 10 and the light extraction efficiency LEE can be improved. it can. This is particularly advantageous in the flip chip type.

上記凹凸構造801〜806としては、上記説明した微細凹凸構造20の形状、配列、大きさ等を採用することができ、これにより微細凹凸構造20に応じた効果(電子注入効率EIEの向上、光取り出し効率LEEの向上、半導体発光素子800の大面積化、電極剥離の抑制)を発現することができる。   As the concavo-convex structure 801 to 806, the shape, arrangement, size, etc. of the fine concavo-convex structure 20 described above can be adopted, and thereby the effect according to the fine concavo-convex structure 20 (improvement of electron injection efficiency EIE, light The improvement of the extraction efficiency LEE, the increase in the area of the semiconductor light emitting device 800, and the suppression of electrode peeling) can be exhibited.

上記凹凸構造801〜806を形成するために、公知のエッチング法を用いることができる。このような形式のエッチング法は、例えば湿式化学的なエッチング又は乾式エッチングである。このようなエッチング法として、反応性のイオンエッチング、イオンビームエッチング又は化学的に補助されたイオンビームエッチングが挙げられる。   In order to form the uneven structures 801 to 806, a known etching method can be used. This type of etching method is, for example, wet chemical etching or dry etching. Such etching methods include reactive ion etching, ion beam etching or chemically assisted ion beam etching.

次に、本実施の形態に係る半導体発光素子100の製造方法の各工程について説明する。   Next, each process of the manufacturing method of the semiconductor light emitting device 100 according to the present embodiment will be described.

・光学基材準備工程
光学基材10は、上記説明した微細凹凸構造20を形成することができれば、その作製方法は限定されず、転写法、フォトリソグラフィ法、熱リソグラフィ法、電子線描画法、干渉露光法、ナノ粒子をマスクとしたリソグラフィ法、自己組織化構造をマスクとしたリソグラフィ法等により作製することができる。特に、光学基材10の微細凹凸構造20の加工精度や加工速度の観点から、転写法を採用すると好ましい。
-Optical base material preparatory process The optical base material 10 will not be limited if the fine concavo-convex structure 20 demonstrated above can be formed, its production method is not limited, transfer method, photolithography method, thermal lithography method, electron beam drawing method, It can be produced by an interference exposure method, a lithography method using nanoparticles as a mask, a lithography method using a self-organized structure as a mask, or the like. In particular, it is preferable to employ a transfer method from the viewpoint of processing accuracy and processing speed of the fine concavo-convex structure 20 of the optical substrate 10.

本明細書における転写法とは、表面にテクスチャーを具備したモールドの、テクスチャーを被処理体(凹凸構造を作製する前の光学基材)に転写する工程を含む方法として定義する。即ち、モールドのテクスチャーと被処理体と、を転写材を介し貼合する工程と、モールドを剥離する工程と、を少なくとも含む方法である。より具体的に、転写法は2つに分類することができる。第1に、被処理体に転写付与された転写材を永久剤として使用する場合である。この場合、光学基材本体と微細凹凸構造とを構成する材料は異なることとなる。また、微細凹凸構造は永久剤として残り、半導体発光素子として使用されることを特徴とする。半導体発光素子は、数万時間と長期に渡り使用することから、転写材を永久剤として使用する場合、転写材を構成する材料は、金属元素を含むと好ましい。特に、加水分解・重縮合反応を生じる金属アルコキシドや、金属アルコキシドの縮合体を原料に含むことにより、永久剤としての性能が向上するため好ましい。第2に、ナノインプリントリソグラフィ法が挙げられる。ナノインプリントリソグラフィ法は、モールドのテクスチャーを被処理体上に転写する工程と、エッチングにより被処理体を加工するためのマスクを設ける工程と、被処理体をエッチングする工程と、を含む方法である。例えば、転写材を1種類用いる場合、まず被処理体とモールドとを、転写材を介し貼合する。続いて、熱や光(UV)により転写材を硬化させ、モールドを剥離する。転写材から構成される凹凸構造に対して酸素アッシングに代表されるエッチングを行い、被処理体を部分的に露出させる。その後、転写材をマスクとして、エッチングにより被処理体を加工する。この際の加工方法としては、ドライエッチングとウェットエッチングを採用できる。凹凸構造の高さを高くしたい場合はドライエッチングが有用である。また、例えば転写材を2種類用いる場合、まず被処理体上に第1転写材層を成膜する。続いて、第1転写材層とモールドとを、第2転写材を介して貼合する。その後、熱や光(UV)により転写材を硬化させ、モールドを剥離する。第2転写材から構成される凹凸構造に対して酸素アッシングに代表されるエッチングを行い、第1転写材を部分的に露出させる。続いて、第2転写材層をマスクとして、第1転写材層をドライエッチングによりエッチングする。その後、転写材をマスクとして、エッチングにより被処理体を加工する。この際の加工方法としては、ドライエッチングとウェットエッチングを採用できる。微細凹凸構造の高さを高くしたい場合はドライエッチングが有用である。   The transfer method in this specification is defined as a method including a step of transferring a texture of a mold having a texture on the surface to an object to be processed (an optical base material before producing a concavo-convex structure). That is, it is a method including at least a step of bonding a texture of a mold and an object to be processed through a transfer material and a step of peeling the mold. More specifically, the transfer method can be classified into two. First, the transfer material transferred to the object to be processed is used as a permanent agent. In this case, the materials constituting the optical base body and the fine concavo-convex structure are different. The fine uneven structure remains as a permanent agent and is used as a semiconductor light emitting device. Since the semiconductor light emitting element is used for a long period of tens of thousands of hours, when the transfer material is used as a permanent agent, the material constituting the transfer material preferably contains a metal element. In particular, it is preferable to include a metal alkoxide that generates a hydrolysis / polycondensation reaction or a metal alkoxide condensate as a raw material because the performance as a permanent agent is improved. Secondly, there is a nanoimprint lithography method. The nanoimprint lithography method includes a step of transferring a texture of a mold onto a target object, a step of providing a mask for processing the target object by etching, and a step of etching the target object. For example, when one type of transfer material is used, first, the object to be processed and the mold are bonded via the transfer material. Subsequently, the transfer material is cured by heat or light (UV), and the mold is peeled off. Etching typified by oxygen ashing is performed on the concavo-convex structure made of a transfer material to partially expose the object to be processed. Thereafter, the object to be processed is processed by etching using the transfer material as a mask. As a processing method at this time, dry etching and wet etching can be employed. Dry etching is useful for increasing the height of the concavo-convex structure. For example, when two types of transfer materials are used, a first transfer material layer is first formed on the object to be processed. Subsequently, the first transfer material layer and the mold are bonded via the second transfer material. Thereafter, the transfer material is cured by heat or light (UV), and the mold is peeled off. Etching typified by oxygen ashing is performed on the concavo-convex structure formed of the second transfer material to partially expose the first transfer material. Subsequently, the first transfer material layer is etched by dry etching using the second transfer material layer as a mask. Thereafter, the object to be processed is processed by etching using the transfer material as a mask. As a processing method at this time, dry etching and wet etching can be employed. Dry etching is useful for increasing the height of the fine relief structure.

以上説明したように、転写法を採用することで、モールドのテクスチャーを被処理体に反映させることができるため、良好な光学基材10を得ることができる。   As described above, by adopting the transfer method, the texture of the mold can be reflected on the object to be processed, so that a good optical substrate 10 can be obtained.

インプリントモールドの材質は特に限定されず、非フレキシブルなガラス、石英、サファイア、ニッケルや、フレキシブルな樹脂を使用することができる。中でも、フレキシブルなモールドを使用することで、モールドのテクスチャーの転写精度が向上し、且つ、光学基材10が有する微細凹凸構造20の精度が向上するため、好ましい。   The material of the imprint mold is not particularly limited, and non-flexible glass, quartz, sapphire, nickel, or flexible resin can be used. Among them, it is preferable to use a flexible mold because the transfer accuracy of the texture of the mold is improved and the accuracy of the fine concavo-convex structure 20 of the optical substrate 10 is improved.

・半導体層及び透明導電膜積層工程
光学基材10の微細凹凸構造20上に、第1半導体層30、発光半導体層40、第2半導体層50及び透明導電膜60を順次成膜する。各半導体層の形成方法は、特に限定されないが、周知の有機金属気相成長法(MOCVD法)、分子線結晶成長法(MBE法)、ハライド系気相成長法(HVPE法)、スパッタ法、イオンプレーティング法、電子シャワー法等によって形成することができる。
-Semiconductor layer and transparent conductive film lamination process On the fine uneven structure 20 of the optical base material 10, the 1st semiconductor layer 30, the light emitting semiconductor layer 40, the 2nd semiconductor layer 50, and the transparent conductive film 60 are formed into a film in order. The method for forming each semiconductor layer is not particularly limited, but the well-known metal organic chemical vapor deposition method (MOCVD method), molecular beam crystal growth method (MBE method), halide vapor phase epitaxy method (HVPE method), sputtering method, It can be formed by an ion plating method, an electron shower method, or the like.

微細凹凸構造20がナノスケールの構造であるために、第1半導体層30を平坦化するために有する膜厚を薄くすることができる。これは、従来手法よりも製造時間及びコストが低減されることを意味している。LED製造においては、半導体結晶層成膜工程である(MO)CVD工程が律速であり、スループットを低下させ、且つ材料コストを押し上げている。半導体結晶量を低減できることは、(MO)CVD工程のスループット性を向上させると共に、使用材料を低減させることを意味するため、製造上重要な要件となる。   Since the fine concavo-convex structure 20 is a nanoscale structure, the thickness of the first semiconductor layer 30 can be reduced. This means that the manufacturing time and cost are reduced as compared with the conventional method. In LED manufacturing, the (MO) CVD process, which is a semiconductor crystal layer deposition process, is rate-limiting, lowering throughput and raising material costs. The ability to reduce the amount of semiconductor crystals means an improvement in throughput of the (MO) CVD process and a reduction in materials used, which is an important requirement for manufacturing.

・電極形成工程
露出した第1半導体層30の表面(剥離面)に第2電極層90を形成する。第2電極層90の材料は、第1半導体層30に対して低抵抗にコンタクトをとることができる材料であればよい。第2電極層90はパッド部のみからなる構造であってもよいが、パッド部に連続する格子状、放射状等の配線状パターンの配線電極を設け、素子面方向の電流拡散性を向上させるようにしてもよい。また、第1半導体層30と第2電極層90との間にITO等の透明電極を設けた場合、接触面積の増大により大面積のLEDが作成可能となると共に、電流拡散性を向上させることで電子注入効率EIEの改善が見込まれる。
-Electrode formation process The 2nd electrode layer 90 is formed in the surface (peeling surface) of the exposed 1st semiconductor layer 30. As shown in FIG. The material of the second electrode layer 90 may be any material that can contact the first semiconductor layer 30 with low resistance. The second electrode layer 90 may have a structure including only the pad portion. However, a wiring electrode having a wiring pattern such as a lattice shape or a radial shape is provided on the pad portion so as to improve current diffusion in the element surface direction. It may be. In addition, when a transparent electrode such as ITO is provided between the first semiconductor layer 30 and the second electrode layer 90, it is possible to create a large-area LED by increasing the contact area, and to improve current diffusibility. Therefore, improvement of the electron injection efficiency EIE is expected.

・裁断工程
レーザースクライプやレーザーダイサ等を用いて、発光素子単位に分断する個変化処理を行う。
-Cutting process Using a laser scrip or a laser dicer, individual change processing is performed to divide into light emitting elements.

以下、本発明の効果を確認するために行った実施例について説明する。以下の説明において使用する記号は、以下の意味を示す。
・DACHP…フッ素含有ウレタン(メタ)アクリレート(OPTOOL DAC HP(ダイキン工業社製))
・M350…トリメチロールプロパン(EO変性)トリアクリレート(東亞合成社製 M350)
・I.184…1−ヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトン(BASF社製 Irgacure(登録商標) 184)
・I.369…2−ベンジル−2−ジメチルアミノ−1−(4−モルフォリノフェニル)−ブタノン−1(BASF社製 Irgacure(登録商標) 369)
・TTB…チタニウム(IV)テトラブトキシドモノマー(和光純薬工業社製)
・SH710…フェニル変性シリコーン(東レ・ダウコーニング社製)
・3APTMS…3−アクリロキシプロピルトリメトキシシラン(KBM5103(信越シリコーン社製))
・DIBK…ジイソブチルケトン
・MEK…メチルエチルケトン
・MIBK…メチルイソブチルケトン
・DR833…トリシクロデカンジメタノールジアクリレート(SR833(SARTOMER社製))
・SR368…トリス(2−ヒドロキシエチル)イソシアヌレートトリアクリレート(SR833(SARTOMER社製)
Examples performed to confirm the effects of the present invention will be described below. The symbols used in the following description have the following meanings.
・ DACHP: Fluorine-containing urethane (meth) acrylate (OPTOOL DAC HP (manufactured by Daikin Industries))
M350: trimethylolpropane (EO-modified) triacrylate (M350, manufactured by Toagosei Co., Ltd.)
・ I. 184 ... 1-hydroxycyclohexyl phenyl ketone (Irgacure (registered trademark) 184, manufactured by BASF)
・ I. 369 ... 2-benzyl-2-dimethylamino-1- (4-morpholinophenyl) -butanone-1 (Irgacure (registered trademark) 369, manufactured by BASF)
-TTB: Titanium (IV) tetrabutoxide monomer (Wako Pure Chemical Industries, Ltd.)
SH710: Phenyl-modified silicone (Toray Dow Corning)
・ 3APTMS ... 3-acryloxypropyltrimethoxysilane (KBM5103 (manufactured by Shin-Etsu Silicone))
DIBK: diisobutyl ketone MEK: methyl ethyl ketone MIBK: methyl isobutyl ketone DR833: tricyclodecane dimethanol diacrylate (SR833 (manufactured by SARTOMER))
SR368 ... Tris (2-hydroxyethyl) isocyanurate triacrylate (SR833 (manufactured by SARTOMER)

(実施例)
表面に微細凹凸構造を具備する光学基材を作製し、光学基材上に第1半導体層、発光半導体層及び第2半導体層を順次積層し、半導体発光素子(LED)を作製し、LEDの効率を比較した。この時、微細凹凸構造の配列や形状を変化させた。
(Example)
An optical base material having a fine concavo-convex structure on the surface is manufactured, a first semiconductor layer, a light emitting semiconductor layer, and a second semiconductor layer are sequentially stacked on the optical base material to manufacture a semiconductor light emitting device (LED). The efficiency was compared. At this time, the arrangement and shape of the fine concavo-convex structure were changed.

以下の検討においては、表面に微細凹凸構造を具備する光学基材を作製するために、まず(1)円筒状マスターモールドを作製し、(2)円筒状マスターモールドに対して光転写法を適用して、リール状樹脂モールドを作製した。(3)その後、リール状樹脂モールドを光学基材のナノ加工用部材(ナノ加工用フィルム)へと加工した。続いて、(4)ナノ加工用フィルムを使用し、光学基材上にマスクを形成し、得られたマスクを介してドライエッチングを行うことで、表面に微細凹凸構造を具備した光学基材を作製した。(5)光学基材上に各半導体層を積層し、透明導電膜を蒸着した。最後に、(6)電極を取り付けて性能を評価した。   In the following examination, in order to produce an optical substrate having a fine concavo-convex structure on the surface, first, (1) a cylindrical master mold is produced, and (2) the optical transfer method is applied to the cylindrical master mold. Thus, a reel-shaped resin mold was produced. (3) Thereafter, the reel-shaped resin mold was processed into a nano-processing member (nano-processing film) of an optical substrate. Subsequently, (4) using a film for nano-processing, forming a mask on the optical substrate, and performing dry etching through the obtained mask, an optical substrate having a fine concavo-convex structure on the surface Produced. (5) Each semiconductor layer was laminated | stacked on the optical base material, and the transparent conductive film was vapor-deposited. Finally, (6) electrodes were attached and performance was evaluated.

(1)円筒状マスターモールドの作製
半導体レーザーを用いた直接描画リソグラフィ法により円筒状石英ガラスの表面に、テクスチャーを形成した。まず円筒状石英ガラス表面上に、スパッタリング法によりレジスト層を成膜した。スパッタリング法は、ターゲット(レジスト層)として、φ3インチのCuO(8atm%Si含有)を用いて、RF100Wの電力で実施し、20nmのレジスト層を成膜した。その後、一度円筒状石英ガラスの全面を露光した。続いて、円筒状石英ガラスを回転させながら、波長405nm半導体レーザーを用い露光を行った。次に、露光後のレジスト層を現像した。レジスト層の現像は、0.03wt%のグリシン水溶液を用いて、240秒間処理とした。次に、現像したレジスト層をマスクとし、ドライエッチングによるエッチング層(石英ガラス)のエッチングを行った。ドライエッチングは、エッチングガスとしてSFを用い、処理ガス圧1Pa、処理電力300W、処理時間5分の条件で実施した。最後に、表面にテクスチャーが付与された円筒状石英ガラスから、レジスト層残渣のみを、pH1の塩酸を用い剥離した。剥離時間は6分間とした。
(1) Production of cylindrical master mold A texture was formed on the surface of cylindrical quartz glass by a direct drawing lithography method using a semiconductor laser. First, a resist layer was formed on the surface of the cylindrical quartz glass by a sputtering method. The sputtering method was carried out using φ3 inch CuO (containing 8 atm% Si) as a target (resist layer) with a power of RF 100 W to form a 20 nm resist layer. Thereafter, the entire surface of the cylindrical quartz glass was exposed once. Subsequently, exposure was performed using a semiconductor laser having a wavelength of 405 nm while rotating the cylindrical quartz glass. Next, the resist layer after exposure was developed. The development of the resist layer was performed for 240 seconds using a 0.03 wt% glycine aqueous solution. Next, using the developed resist layer as a mask, the etching layer (quartz glass) was etched by dry etching. Dry etching was performed using SF 6 as an etching gas under the conditions of a processing gas pressure of 1 Pa, a processing power of 300 W, and a processing time of 5 minutes. Finally, only the resist layer residue was peeled off from the cylindrical quartz glass having a texture on the surface using hydrochloric acid having a pH of 1. The peeling time was 6 minutes.

得られた円筒状石英ガラスのテクスチャーに対し、フッ素系離型剤であるデュラサーフHD−1101Z(ダイキン化学工業社製)を塗布し、60℃で1時間加熱後、室温で24時間静置し固定化した。その後、デュラサーフHD−ZV(ダイキン化学工業社製)で3回洗浄し、円筒状マスターモールドを得た。   Durasurf HD-1101Z (made by Daikin Chemical Industries), which is a fluorine-based mold release agent, is applied to the texture of the obtained cylindrical quartz glass, heated at 60 ° C. for 1 hour, and then allowed to stand at room temperature for 24 hours. Immobilized. Then, it wash | cleaned 3 times by Durasurf HD-ZV (made by Daikin Chemical Industries), and the cylindrical master mold was obtained.

(2)リール状樹脂モールドの作製
作製した円筒状マスターモールドを鋳型とし、光ナノインプリント法を適用し、連続的にリール状樹脂モールドG1を作製した。続いて、リール状樹脂モールドG1をテンプレートとして、光ナノインプリント法により、連続的にリール状樹脂モールドG2を得た。
(2) Production of reel-shaped resin mold Using the produced cylindrical master mold as a mold, the optical nanoimprint method was applied to continuously produce a reel-shaped resin mold G1. Subsequently, a reel-shaped resin mold G2 was continuously obtained by an optical nanoimprint method using the reel-shaped resin mold G1 as a template.

PETフィルムA−4100(東洋紡社製:幅300mm、厚さ100μm)の易接着面にマイクログラビアコーティング(廉井精機社製)により、塗布膜厚5μmになるように以下に示す材料1を塗布した。次いで、円筒状マスターモールドに対し、材料1が塗布されたPETフィルムをニップロールで押し付け、大気下、温度25℃、湿度60%で、ランプ中心下での積算露光量が1500mJ/cmとなるように、フュージョンUVシステムズ・ジャパン株式会社製UV露光装置(Hバルブ)を用いて紫外線を照射し、連続的に光硬化を実施し、表面にテクスチャーが転写されたリール状樹脂モールドG1(長さ200m、幅300mm)を得た。 The material 1 shown below was apply | coated to the easily bonding surface of PET film A-4100 (Toyobo Co., Ltd .: width 300mm, thickness 100micrometer) by the micro gravure coating (manufactured by Yurai Seiki Co., Ltd.) so that it might become a coating film thickness of 5 micrometers. . Next, the PET film coated with the material 1 is pressed against the cylindrical master mold with a nip roll so that the integrated exposure amount under the center of the lamp is 1500 mJ / cm 2 at 25 ° C. and 60% humidity in the air. In addition, a UV-irradiated UV exposure apparatus (H bulb) manufactured by Fusion UV Systems Japan Co., Ltd. was used to irradiate ultraviolet rays, and continuous photo-curing was performed. , Width 300 mm).

次に、リール状樹脂モールドG1をテンプレートとして見立て、光ナノインプリント法を適用し連続的に、リール状樹脂モールドG2を作製した。   Next, the reel-shaped resin mold G1 was regarded as a template, and the optical nanoimprint method was applied to continuously produce the reel-shaped resin mold G2.

PETフィルムA−4100(東洋紡社製:幅300mm、厚さ100μm)の易接着面にマイクログラビアコーティング(廉井精機社製)により、材料1を塗布膜厚3μmになるように塗布した。次いで、リール状樹脂モールドG1のテクスチャー面に対し、材料1が塗布されたPETフィルムをニップロール(0.1MPa)で押し付け、大気下、温度25℃、湿度60%で、ランプ中心下での積算露光量が1200mJ/cmとなるように、フュージョンUVシステムズ・ジャパン株式会社製UV露光装置(Hバルブ)を用いて紫外線を照射し、連続的に光硬化を実施し、表面にテクスチャーが転写されたリール状樹脂モールドG2(長さ200m、幅300mm)を複数得た。
材料1… DACHP:M350:I.184:I.369=17.5g:100g:5.5g:2.0g
Material 1 was applied to an easily adhesive surface of PET film A-4100 (manufactured by Toyobo Co., Ltd .: width 300 mm, thickness 100 μm) by microgravure coating (manufactured by Yurai Seiki Co., Ltd.) so as to have a coating thickness of 3 μm. Next, the PET film coated with the material 1 is pressed against the textured surface of the reel-shaped resin mold G1 with a nip roll (0.1 MPa), and integrated exposure under the center of the lamp at 25 ° C. and 60% humidity in the air. Ultraviolet rays were irradiated using a UV exposure apparatus (H bulb) manufactured by Fusion UV Systems Japan Co., Ltd. so that the amount was 1200 mJ / cm 2, and photocuring was continuously performed, and the texture was transferred to the surface. A plurality of reel-shaped resin molds G2 (length 200 m, width 300 mm) were obtained.
Material 1 ... DACHP: M350: I. 184: I.D. 369 = 17.5 g: 100 g: 5.5 g: 2.0 g

(3)ナノ加工用フィルムの作製
リール状樹脂モールドG2のテクスチャー面に対して、下記材料2の希釈液を塗工した。続いて、材料2をテクスチャー内部に内包するリール状樹脂モールドG2のテクスチャー面上に、下記材料3の希釈液を塗工し、ナノ加工用フィルムを得た。
材料2…TTB:3APTMS:SH710:I.184:I.369=65.2g:34.8g:5.0g:1.9g:0.7g
材料3…Bindingpolymer:SR833:SR368:I.184:I.369=77.1g:11.5g:11.5g:1.47g:0.53g
Bindingpolymer…ベンジルメタクリレート80質量%、メタクリル酸20質量%の2元共重合体のメチルエチルケトン溶液(固形分50%、重量平均分子量56000、酸当量430、分散度2.7)
(3) Production of Nano-Processing Film A diluent of the following material 2 was applied to the textured surface of the reel-shaped resin mold G2. Subsequently, a diluted solution of the following material 3 was applied on the textured surface of the reel-shaped resin mold G2 enclosing the material 2 inside the texture to obtain a nano-processing film.
Material 2 ... TTB: 3APTMS: SH710: I. 184: I.D. 369 = 65.2 g: 34.8 g: 5.0 g: 1.9 g: 0.7 g
Material 3 ... Binding polymer: SR833: SR368: I.I. 184: I.D. 369 = 77.1 g: 11.5 g: 11.5 g: 1.47 g: 0.53 g
Binding polymer: Methyl ethyl ketone solution of binary copolymer of 80% by mass of benzyl methacrylate and 20% by mass of methacrylic acid (solid content 50%, weight average molecular weight 56000, acid equivalent 430, dispersity 2.7)

(2)リール状樹脂モールドの作製と同様の装置を使用し、PGMEにて希釈した材料2を、リール状樹脂モールドG2のテクスチャー面上に直接塗工した。ここで、希釈濃度は、単位面積当たりの塗工原料(PGMEにて希釈した材料2)中に含まれる固形分量が、単位面積当たりのテクスチャーの体積よりも20%以上小さくなるように設定した。塗工後、80℃の送風乾燥炉内を5分間かけて通過させ、材料2をテクスチャー内部に内包するリール状樹脂モールドG2を巻き取り回収した。   (2) Using a device similar to the production of the reel-shaped resin mold, the material 2 diluted with PGME was directly applied onto the texture surface of the reel-shaped resin mold G2. Here, the dilution concentration was set such that the solid content contained in the coating raw material per unit area (material 2 diluted with PGME) was 20% or more smaller than the texture volume per unit area. After coating, the material was passed through an air-drying oven at 80 ° C. for 5 minutes, and the reel-shaped resin mold G2 containing the material 2 inside the texture was wound up and collected.

続いて、材料2をテクスチャー内部に内包するリール状樹脂モールドG2を巻き出すと共に、(2)リール状樹脂モールドの作製と同様の装置を使用し、PGME及びMEKにて希釈した材料3を、テクスチャー面上に直接塗工した。ここで、希釈濃度は、テクスチャー内部に配置された材料2と塗工された材料3の界面と、材料3の表面と、の距離が400nm〜800nmになるように設定した。塗工後、80℃の送風乾燥炉内を5分間かけて通過させ、材料3の表面にポリプロピレンから成るカバーフィルムを合わせ、巻き取り回収した。   Subsequently, the reel-shaped resin mold G2 that encloses the material 2 in the texture is unwound, and (2) the material 3 diluted with PGME and MEK is used for the texture using the same device as the production of the reel-shaped resin mold. Direct coating on the surface. Here, the dilution concentration was set such that the distance between the interface between the material 2 disposed inside the texture and the coated material 3 and the surface of the material 3 was 400 nm to 800 nm. After coating, the material was passed through an air-drying oven at 80 ° C. for 5 minutes, and a cover film made of polypropylene was put on the surface of the material 3 and wound up and collected.

(4)成長基材のナノ加工
作製したナノ加工用フィルムを使用し、成長基材の加工を試みた。成長基材としてはc面サファイア基板を使用した。なお、サファイア基板のオフセット角度は0度、0.05度、0.1度、0.2度、0.5度、0.8度、1度の7種類を用意した。
(4) Nano-processing of growth base material Using the prepared nano-processing film, processing of the growth base material was attempted. A c-plane sapphire substrate was used as the growth substrate. In addition, seven types of offset angles of the sapphire substrate were prepared: 0 degree, 0.05 degree, 0.1 degree, 0.2 degree, 0.5 degree, 0.8 degree, and 1 degree.

サファイア基板に対しUV−O処理を5分間行い、表面のパーティクルを除去すると共に、親水化した。続いて、ナノ加工用フィルムの材料3表面を、サファイア基材に対して貼合した。この時、サファイア基板を80℃に加温した状態で貼合した。続いて、高圧水銀灯光源を使用し、積算光量が1200mJ/cmになるように、リール状樹脂モールドG2越しに光照射した。その後、リール状樹脂モールドG2を剥離した。 The sapphire substrate was subjected to UV-O 3 treatment for 5 minutes to remove surface particles and to make it hydrophilic. Then, the material 3 surface of the film for nano processing was bonded with respect to the sapphire base material. At this time, the sapphire substrate was bonded in a state heated to 80 ° C. Subsequently, using a high-pressure mercury lamp light source, light was irradiated through the reel-shaped resin mold G2 so that the integrated light amount was 1200 mJ / cm 2 . Thereafter, the reel-shaped resin mold G2 was peeled off.

得られた積層体(材料2/材料3/基板からなる積層体)の材料2面側より酸素ガスを使用したエッチングを行い、材料2をマスクとして見立て材料3をナノ加工し、サファイア基板表面を部分的に露出させた。酸素エッチンングとしては、圧力1Pa、電力300Wの条件にて行った。続いて、材料2面側からBClガスを使用した反応性イオンエッチングを行い、サファイア基板をナノ加工した。BCl3を使用したエッチングは、ICP:150W、BIAS:50W、圧力0.2Paにて実施し、反応性イオンエッチング装置(RIE−101iPH、サムコ株式会社製)を使用した。 Etching using oxygen gas is performed from the material 2 surface side of the obtained laminate (material 2 / material 3 / substrate laminate), and the material 3 is nano-processed using the material 2 as a mask. Partially exposed. Oxygen etching was performed under conditions of a pressure of 1 Pa and a power of 300 W. Subsequently, reactive ion etching using BCl 3 gas was performed from the material 2 surface side to nano-process the sapphire substrate. Etching using BCl 3 was performed at ICP: 150 W, BIAS: 50 W, and pressure 0.2 Pa, and a reactive ion etching apparatus (RIE-101iPH, manufactured by Samco Corporation) was used.

最後に、硫酸及び過酸化水素水を2:1の重量比にて混合した溶液にて洗浄し、微細凹凸構造を表面に具備するサファイア基材を得た。なお、サファイア基板上に作製される微細凹凸構造の形状は、主に、ナノ加工用フィルムの材料2の充填率と材料3の膜厚により制御した。   Finally, it was washed with a solution in which sulfuric acid and hydrogen peroxide solution were mixed at a weight ratio of 2: 1 to obtain a sapphire substrate having a fine relief structure on the surface. In addition, the shape of the fine concavo-convex structure produced on the sapphire substrate was controlled mainly by the filling rate of the material 2 of the film for nano-processing and the film thickness of the material 3.

サファイア基板の表面に作製された微細凹凸構造の形状は、円筒状マスターモールドに作製したテクスチャーの形状、樹脂モールドを製造する際のニップ圧条件、ドライエッチングの処理条件により適宜制御した。   The shape of the fine concavo-convex structure produced on the surface of the sapphire substrate was appropriately controlled according to the shape of the texture produced in the cylindrical master mold, the nip pressure conditions when producing the resin mold, and the dry etching treatment conditions.

(5)半導体発光素子の作製
得られたサファイア基板上に、バッファー層としてAlGa1−xN(0≦x≦1)の低温成長バッファー層を100Å成膜した。次に、非ドープ第1半導体層31として、アンドープのGaNを成膜し、ドープ第1半導体層として、SiドープのGaNを成膜した。続いて歪吸収層を設け、その後発光半導体層40として、多重量子井戸の活性層(井戸層、障壁層=アンドープのInGaN、SiドープのGaN)をそれぞれの膜厚を(60Å、250Å)として井戸層が6層、障壁層が7層となるように交互に積層した。発光半導体層上に、第2半導体層として、エレクトロブロッキング層を含むようにMgドープのAlGaN、アンドープのGaN、MgドープのGaNを積層した。続いて、ITOを成膜し、エッチング加工した後に電極部として電極パッドを取り付けた。この状態で、プローバを用いてp電極パッドとn電極パッドの間に20mAの電流を流し発光出力を測定した。なお、出射指向性については、電極部の位置を変えて作成し、回折方位角に電極が入らないように配置できるか、配光測定装置で測定し、評価した。回折方位角を避けるように電極を設けることができた場合を○、出光分布がやや散乱的であり、回折方位角を避けるように電極を設けても、一部が電極にかかり、電極部の影が薄く観測された場合を△、出光分布が散乱的であり、回折方位角を避けるように電極を設けることができず、電極部が影となる場合を×とした。また、発光出力比は表1の比較例3に記載の凹凸構造を具備しないサファイア基板を使用した場合の出力を1とし評価した。
(5) Fabrication of Semiconductor Light-Emitting Device On the obtained sapphire substrate, 100 × low temperature growth buffer layer of Al x Ga 1-x N (0 ≦ x ≦ 1) was formed as a buffer layer. Next, undoped GaN was formed as the undoped first semiconductor layer 31, and Si-doped GaN was formed as the doped first semiconductor layer. Subsequently, a strain absorption layer is provided, and then, as the light emitting semiconductor layer 40, a multi-quantum well active layer (well layer, barrier layer = undoped InGaN, Si-doped GaN) is formed with the respective film thicknesses (60 mm, 250 mm). The layers were alternately stacked so that there were 6 layers and 7 barrier layers. On the light emitting semiconductor layer, Mg-doped AlGaN, undoped GaN, and Mg-doped GaN were stacked as a second semiconductor layer so as to include an electroblocking layer. Subsequently, an ITO film was formed and etched, and then an electrode pad was attached as an electrode part. In this state, a 20 mA current was passed between the p electrode pad and the n electrode pad using a prober, and the light emission output was measured. In addition, about the output directivity, it measured by the light distribution measuring apparatus whether it could arrange | position so that an electrode might not enter into a diffraction azimuth angle, and evaluated. ○ When the electrode can be provided so as to avoid the diffraction azimuth, the light emission distribution is somewhat scattering, and even if the electrode is provided so as to avoid the diffraction azimuth, a part of the electrode is applied to the electrode, The case where the shadow was thinly observed was indicated by Δ, and the case where the output light distribution was scattering, the electrode could not be provided so as to avoid the diffraction azimuth angle, and the electrode portion became a shadow was indicated by ×. The light emission output ratio was evaluated assuming that the output when a sapphire substrate having no uneven structure described in Comparative Example 3 in Table 1 was used was 1.

なお、表1に記載の比較例3は、微細凹凸構造を具備しない平坦なサファイア基板を使用し半導体発光素子を製造した場合である。   In addition, the comparative example 3 of Table 1 is a case where the semiconductor light-emitting device is manufactured using the flat sapphire substrate which does not comprise a fine uneven structure.

実施例においては、内部量子効率IQEを向上させるために、ドット状の凸部を有する、或いはラインアンドスペース構造、からなる微細凹凸構造を具備するサファイア基板を用いた。ゆえに、走査型電子顕微鏡で、微細凹凸構造を観察すると、複数の凸部を有していた。一つの凸部の形状は、凸部頂部から凸部底部にかけての側面が膨らむように湾曲した形状であり、側面の傾斜角度は多段階に変化していた。また、発光の中心波長は450nm、半導体層の屈折率nは2.39であった。   In the examples, in order to improve the internal quantum efficiency IQE, a sapphire substrate having a fine concavo-convex structure having a dot-like convex portion or a line-and-space structure was used. Therefore, when the fine concavo-convex structure was observed with a scanning electron microscope, it had a plurality of convex portions. The shape of one convex portion is a shape that is curved so that the side surface from the top of the convex portion to the bottom of the convex portion swells, and the inclination angle of the side surface changes in multiple steps. The central wavelength of light emission was 450 nm, and the refractive index n of the semiconductor layer was 2.39.

内部量子効率IQEはPL強度より決定した。内部量子効率IQEは、(単位時間に発光半導体層40より発せられるフォトンの数/単位時間に半導体発光素子100に注入される電子の数)により定義される。本実施例においては、上記内部量子効率IQEを評価する指標として、(300Kにて測定したPL強度/10Kにて測定したPL強度)を採用した。   The internal quantum efficiency IQE was determined from the PL intensity. The internal quantum efficiency IQE is defined by (number of photons emitted from the light emitting semiconductor layer 40 per unit time / number of electrons injected into the semiconductor light emitting device 100 per unit time). In this example, (PL intensity measured at 300K / 10 PL intensity measured at 10K) was adopted as an index for evaluating the internal quantum efficiency IQE.

Figure 2014195069
Figure 2014195069

表1中、Hは凸部高さ、Dはデューティ、αはオフセット角度、Aはアスペクト比、を示す。表1からわかるように、種々の配列、ピッチに対して、微細凹凸構造を具備しない場合(比較例3)に比べ、微細凹凸構造を具備する場合(比較例1、比較例2、比較例4〜比較例13、実施例1〜実施例22)の発光出力が向上していることがわかる。   In Table 1, H represents the height of the convex portion, D represents the duty, α represents the offset angle, and A represents the aspect ratio. As can be seen from Table 1, with respect to various arrangements and pitches, compared with the case where the fine uneven structure is not provided (Comparative Example 3), the case where the fine uneven structure is provided (Comparative Example 1, Comparative Example 2, Comparative Example 4). It can be seen that the light emission output of Comparative Example 13 and Examples 1 to 22 is improved.

比較例1は、正六方配列されたドット配列であり、平均ピッチが300nmであり、デューティが0.48、高さが89nm、オフセット角度が0.2度の場合である。この場合、発光出力はほとんど増加していないことがわかる。これは、平均ピッチが300nmと微小であることから、転位密度は減少し内部量子効率IQEが向上し、また光の波動性が強調されるために回折方位角を避けるように電極を設けることができたが、凸部高さが低く凸部体積が大きくないために、光回折が効果的に生じず、光取り出し効率LEEが殆ど向上しないためと考えられる。   Comparative Example 1 is a dot array arranged in a regular hexagon, in which the average pitch is 300 nm, the duty is 0.48, the height is 89 nm, and the offset angle is 0.2 degrees. In this case, it can be seen that the light emission output hardly increases. This is because the average pitch is as small as 300 nm, the dislocation density is reduced, the internal quantum efficiency IQE is improved, and the wave nature of light is emphasized, so that an electrode is provided so as to avoid the diffraction azimuth. However, it can be considered that light projection is not effectively generated and the light extraction efficiency LEE is hardly improved because the height of the convex portion is low and the convex portion volume is not large.

比較例2は、正六方配列されたドット配列であり、平均ピッチが3000nm、高さが1403nmとマイクロオーダーで、オフセット角度が0.2度の場合である。この場合、導波モードが崩されることで、凹凸構造が無い場合に比べて発光出力は向上しているが、平均ピッチが大きいために、内部量子効率IQEの向上は小さく、光と凹凸構造との相互作用は散乱的であり、回折方位角を避けるように電極を設けることができず、電極部が影となっていた。   Comparative Example 2 is a dot arrangement arranged in a regular hexagon, where the average pitch is 3000 nm, the height is 1403 nm, in the micro order, and the offset angle is 0.2 degrees. In this case, since the waveguide mode is broken, the light emission output is improved as compared with the case where there is no concavo-convex structure. However, since the average pitch is large, the improvement of the internal quantum efficiency IQE is small, and the light and the concavo-convex structure. The interaction was scattering, and the electrode could not be provided so as to avoid the diffraction azimuth angle, and the electrode portion was shaded.

比較例4は、正六方配列されたドット配列であり、平均ピッチが700nmであり、デューティが0.63、高さが53nm、オフセット角度が0.2度の場合である。この場合、発光出力はほとんど増加していないことがわかる。これは、平均ピッチが700nmと微小であることから、転位密度は減少し内部量子効率IQEが向上するが、凸部高さが低く凸部体積が大きくないために、光回折が効果的に生じず、光取り出し効率LEEが殆ど向上しないためと考えられる。   Comparative Example 4 is a dot array arranged in a regular hexagon, in which the average pitch is 700 nm, the duty is 0.63, the height is 53 nm, and the offset angle is 0.2 degrees. In this case, it can be seen that the light emission output hardly increases. This is because the average pitch is as small as 700 nm, so the dislocation density is reduced and the internal quantum efficiency IQE is improved. However, since the convex height is low and the convex volume is not large, optical diffraction is effectively generated. This is probably because the light extraction efficiency LEE is hardly improved.

比較例5は、実施例1とほぼ同じ寸法、同じ配列でオフセット角度が0度の場合である。この場合、面内平均高さHavと発光光の波長λとの比、及びアスペクト比は所定の範囲内あるが、オフセット角度が0度のため、微細凹凸構造による内部量子効率IQEの向上が効果的に生じていないため、発光出力比の向上が小さいと考えられる。   Comparative Example 5 is a case where the offset angle is 0 degrees with substantially the same dimensions and the same arrangement as in Example 1. In this case, the ratio between the in-plane average height Hav and the wavelength λ of the emitted light and the aspect ratio are within a predetermined range, but the offset angle is 0 degree, so that the improvement of the internal quantum efficiency IQE by the fine uneven structure is effective. Therefore, it is considered that the improvement of the light emission output ratio is small.

比較例6は、実施例1とほぼ同じ寸法、同じ配列でオフセット角度が1度の場合である。この場合、面内平均高さHavと発光光の波長λとの比、及びアスペクト比は所定の範囲内あるが、オフセット角度が1度のため、微細凹凸構造による内部量子効率IQEの向上が効果的に生じていないため、発光出力比の向上が小さいと考えられる。   Comparative Example 6 is a case where the offset angle is 1 degree with substantially the same dimensions and the same arrangement as in Example 1. In this case, the ratio between the in-plane average height Hav and the wavelength λ of the emitted light and the aspect ratio are within a predetermined range, but since the offset angle is 1 degree, the improvement of the internal quantum efficiency IQE by the fine concavo-convex structure is effective. Therefore, it is considered that the improvement of the light emission output ratio is small.

比較例7は、実施例3とほぼ同じ寸法、同じ配列であり、オフセット角度が1度の場合である。この場合、面内平均高さHavと発光光の波長λとの比、及びアスペクト比は所定の範囲内あるが、オフセット角度が1度のため、微細凹凸構造による内部量子効率IQEの向上が効果的に生じていないため、発光出力比の向上が小さいと考えられる。   Comparative Example 7 is a case where the dimensions and arrangement are substantially the same as in Example 3, and the offset angle is 1 degree. In this case, the ratio between the in-plane average height Hav and the wavelength λ of the emitted light and the aspect ratio are within a predetermined range, but since the offset angle is 1 degree, the improvement of the internal quantum efficiency IQE by the fine concavo-convex structure is effective. Therefore, it is considered that the improvement of the light emission output ratio is small.

比較例8は、実施例4とほぼ同じ寸法、同じ配列であり、オフセット角度が0度の場合である。この場合、面内平均高さHavと発光光の波長λとの比、及びアスペクト比は所定の範囲内あるが、オフセット角度が0度のため、微細凹凸構造による内部量子効率IQEの向上が効果的に生じていないため、発光出力比の向上が小さいと考えられる。   Comparative Example 8 is a case where the dimensions and arrangement are substantially the same as those of Example 4, and the offset angle is 0 degree. In this case, the ratio between the in-plane average height Hav and the wavelength λ of the emitted light and the aspect ratio are within a predetermined range, but the offset angle is 0 degree, so that the improvement of the internal quantum efficiency IQE by the fine uneven structure is effective. Therefore, it is considered that the improvement of the light emission output ratio is small.

比較例9は、実施例4とほぼ同じ寸法、同じ配列で、オフセット角度が1度の場合である。この場合、面内平均高さHavと発光光の波長λとの比、及びアスペクト比は所定の範囲内あるが、オフセット角度が1度のため、微細凹凸構造による内部量子効率IQEの向上が効果的に生じていないため、発光出力比の向上が小さいと考えられる。   The comparative example 9 is a case where it has substantially the same dimensions and the same arrangement as the fourth embodiment and the offset angle is 1 degree. In this case, the ratio between the in-plane average height Hav and the wavelength λ of the emitted light and the aspect ratio are within a predetermined range, but since the offset angle is 1 degree, the improvement of the internal quantum efficiency IQE by the fine concavo-convex structure is effective. Therefore, it is considered that the improvement of the light emission output ratio is small.

比較例10は、実施例8とほぼ同じ寸法、同じ配列で、オフセット角度が0度の場合である。この場合、面内平均高さHavと発光光の波長λとの比、及びアスペクト比は所定の範囲内あるが、オフセット角度が0度のため、微細凹凸構造による内部量子効率IQEの向上が効果的に生じていないため、発光出力比の向上が小さいと考えられる。   Comparative Example 10 is the case where the dimensions and arrangement are substantially the same as in Example 8, and the offset angle is 0 degrees. In this case, the ratio between the in-plane average height Hav and the wavelength λ of the emitted light and the aspect ratio are within a predetermined range, but the offset angle is 0 degree, so that the improvement of the internal quantum efficiency IQE by the fine uneven structure is effective. Therefore, it is considered that the improvement of the light emission output ratio is small.

比較例11は、実施例8とほぼ同じ寸法、同じ配列で、オフセット角度が1度の場合である。この場合、面内平均高さHavと発光光の波長λとの比、及びアスペクト比は所定の範囲内あるが、オフセット角度が1度のため、微細凹凸構造による内部量子効率IQEの向上が効果的に生じていないため、発光出力比の向上が小さいと考えられる。   Comparative Example 11 is a case where the dimensions and arrangement are almost the same as those of Example 8, and the offset angle is 1 degree. In this case, the ratio between the in-plane average height Hav and the wavelength λ of the emitted light and the aspect ratio are within a predetermined range, but since the offset angle is 1 degree, the improvement of the internal quantum efficiency IQE by the fine concavo-convex structure is effective. Therefore, it is considered that the improvement of the light emission output ratio is small.

比較例12は、実施例5とほぼ同じ寸法、同じ配列で、オフセット角度が0度の場合である。この場合、面内平均高さHavと発光光の波長λとの比、及びアスペクト比は所定の範囲内あるが、オフセット角度が0度のため、微細凹凸構造による内部量子効率IQEの向上が効果的に生じていないため、発光出力比の向上が小さいと考えられる。   Comparative example 12 is a case where the dimensions and arrangement are substantially the same as in example 5, and the offset angle is 0 degrees. In this case, the ratio between the in-plane average height Hav and the wavelength λ of the emitted light and the aspect ratio are within a predetermined range, but the offset angle is 0 degree, so that the improvement of the internal quantum efficiency IQE by the fine uneven structure is effective. Therefore, it is considered that the improvement of the light emission output ratio is small.

比較例13は、実施例5とほぼ同じ寸法、同じ配列で、オフセット角度が1度の場合である。この場合、面内平均高さHavと発光光の波長λとの比、及びアスペクト比は所定の範囲内あるが、オフセット角度が1度のため、微細凹凸構造による内部量子効率IQEの向上が効果的に生じていないため、発光出力比の向上が小さいと考えられる。   The comparative example 13 is a case where it has substantially the same dimensions and the same arrangement as the fifth embodiment and the offset angle is 1 degree. In this case, the ratio between the in-plane average height Hav and the wavelength λ of the emitted light and the aspect ratio are within a predetermined range, but since the offset angle is 1 degree, the improvement of the internal quantum efficiency IQE by the fine concavo-convex structure is effective. Therefore, it is considered that the improvement of the light emission output ratio is small.

続いて、実施例1は、正六方配列されたドット配列であり、平均ピッチ700nm、高さ286nm、デューティ0.79、オフセット角度が0.2度の場合である。正六方配列であることから、面内平均高さHavは、式(1)で表される。実施例1の場合、比較例に比べ発光出力が増加していることがわかる。これは、平均ピッチがナノオーダーであるために内部量子効率が向上し、面内平均高さHavと発光光の波長λとの比、アスペクト比が好適に作用し、より光取り出しに寄与するモードの回折が生じているためと推察される。回折光の放射部分は六回対称に観測された。電極部は、回折方位角を避けるように設けることができた。   Subsequently, Example 1 is a dot arrangement arranged in a regular hexagon, in which the average pitch is 700 nm, the height is 286 nm, the duty is 0.79, and the offset angle is 0.2 degrees. Since it is a regular hexagonal arrangement, the in-plane average height Hav is expressed by the formula (1). In the case of Example 1, it turns out that the light emission output is increasing compared with the comparative example. This is because the average pitch is nano-order, the internal quantum efficiency is improved, the ratio between the in-plane average height Hav and the wavelength λ of the emitted light, the aspect ratio suitably acts, and the mode that contributes to light extraction more This is presumed to be due to the occurrence of diffraction. The radiated part of the diffracted light was observed symmetrically six times. The electrode part could be provided so as to avoid the diffraction azimuth angle.

実施例2では、実施例1と同じ平均ピッチ、同じオフセット角度で、正四方配列した場合である。面内平均高さHavは、式(2)で表される。この場合も実施例1と同様に、内部量子効率、及び発光効率の向上が得られた。   In the second embodiment, the same average pitch and the same offset angle as in the first embodiment are arranged in a square. The in-plane average height Hav is expressed by the formula (2). Also in this case, as in Example 1, improvements in internal quantum efficiency and light emission efficiency were obtained.

実施例3では、実施例1と同じ平均ピッチで、配列をラインアンドスペース構造としたものである。面内平均高さHavと発光光の波長λとの比、アスペクト比、オフセット角度が所望の範囲内にあることで、発光効率が向上していることがわかる。   In Example 3, the arrangement is a line and space structure with the same average pitch as in Example 1. It can be seen that the luminous efficiency is improved when the ratio of the in-plane average height Hav to the wavelength λ of the emitted light, the aspect ratio, and the offset angle are within the desired ranges.

実施例4は、実施例1〜実施例3よりも平均ピッチが大きく、ピッチ900nmの正六方配列の場合である。面内平均高さHavと発光光の波長λとの比、アスペクト比、オフセット角度が所望の範囲内にあることで、発光効率が向上していることがわかる。   Example 4 is a case of a regular hexagonal array having an average pitch larger than those of Examples 1 to 3 and a pitch of 900 nm. It can be seen that the luminous efficiency is improved when the ratio of the in-plane average height Hav to the wavelength λ of the emitted light, the aspect ratio, and the offset angle are within the desired ranges.

実施例5は、平均ピッチ1200nmで、配列を正六方配列のドット構造としたものである。面内平均高さHavと発光光の波長λとの比、アスペクト比、オフセット角度が所望の範囲内にあることで、発光効率が向上していることがわかる。   In Example 5, an average pitch is 1200 nm and the arrangement is a regular hexagonal dot structure. It can be seen that the luminous efficiency is improved when the ratio of the in-plane average height Hav to the wavelength λ of the emitted light, the aspect ratio, and the offset angle are within the desired ranges.

実施例6は、平均ピッチ700nmで、ラインアンドスペースを領域ごとに直交して配列させた、図4Bに示す畳配列の場合である。なお、各領域は14μm角の正方形とし、凸部が20本含まれるようにした。面内平均高さHavと発光光の波長λとの比、アスペクト比、オフセット角度が所望の範囲内にあることで、発光効率が向上していることがわかる。   Example 6 is a case of the tatami arrangement shown in FIG. 4B in which line and space are arranged orthogonally for each region with an average pitch of 700 nm. In addition, each area | region was made into the square of 14 micrometers square, and it was made for 20 convex parts to be included. It can be seen that the luminous efficiency is improved when the ratio of the in-plane average height Hav to the wavelength λ of the emitted light, the aspect ratio, and the offset angle are within the desired ranges.

実施例7は、平均ピッチ700nmでラインアンドスペースを直交するように重ね合わせた図4Cに示す配列の場合である。面内平均高さHavと発光光の波長λとの比、アスペクト比、オフセット角度が所望の範囲内にあることで、発光効率が向上していることがわかる。   Example 7 is the case of the arrangement shown in FIG. 4C in which the lines and spaces are superimposed so as to be orthogonal at an average pitch of 700 nm. It can be seen that the luminous efficiency is improved when the ratio of the in-plane average height Hav to the wavelength λ of the emitted light, the aspect ratio, and the offset angle are within the desired ranges.

実施例8は、実施例1〜実施例3よりも平均ピッチが小さく、ピッチ500nmの正六方配列の場合である。面内平均高さHavと発光光の波長λとの比、アスペクト比、オフセット角度が所望の範囲内にあることで、発光効率が向上していることがわかる。   Example 8 is a case of a regular hexagonal array having an average pitch smaller than those of Examples 1 to 3 and a pitch of 500 nm. It can be seen that the luminous efficiency is improved when the ratio of the in-plane average height Hav to the wavelength λ of the emitted light, the aspect ratio, and the offset angle are within the desired ranges.

実施例9は、正六方配列されたドット配列であり、平均ピッチ700nm、高さ321nm、デューティ0.56、オフセット角度を0.05度としたものである。面内平均高さHavと発光光の波長λとの比、アスペクト比、オフセット角度が所望の範囲内にあることで、発光効率が向上していることがわかる。   Example 9 is a dot arrangement arranged in a regular hexagon, with an average pitch of 700 nm, a height of 321 nm, a duty of 0.56, and an offset angle of 0.05 degrees. It can be seen that the luminous efficiency is improved when the ratio of the in-plane average height Hav to the wavelength λ of the emitted light, the aspect ratio, and the offset angle are within the desired ranges.

実施例10は、正六方配列されたドット配列であり、平均ピッチ700nm、高さ312nm、デューティ0.60、オフセット角度を0.1度としたものである。面内平均高さHavと発光光の波長λとの比、アスペクト比、オフセット角度が所望の範囲内にあることで、発光効率が向上していることがわかる。   Example 10 is a dot arrangement arranged in a regular hexagon, with an average pitch of 700 nm, a height of 312 nm, a duty of 0.60, and an offset angle of 0.1 degree. It can be seen that the luminous efficiency is improved when the ratio of the in-plane average height Hav to the wavelength λ of the emitted light, the aspect ratio, and the offset angle are within the desired ranges.

実施例11は、実施例3とほぼ同じ寸法、配列でオフセット角度を0.5度としたものである。面内平均高さHavと発光光の波長λとの比、アスペクト比、オフセット角度が所望の範囲内にあることで、発光効率が向上していることがわかる。   The eleventh embodiment has substantially the same dimensions and arrangement as the third embodiment, and an offset angle of 0.5 degrees. It can be seen that the luminous efficiency is improved when the ratio of the in-plane average height Hav to the wavelength λ of the emitted light, the aspect ratio, and the offset angle are within the desired ranges.

実施例12は、実施例10とほぼ同じ寸法、配列でオフセット角度を0.8度としたものである。面内平均高さHavと発光光の波長λとの比、アスペクト比、オフセット角度が所望の範囲内にあることで、発光効率が向上していることがわかる。   The twelfth embodiment has substantially the same dimensions and arrangement as the tenth embodiment and an offset angle of 0.8 degrees. It can be seen that the luminous efficiency is improved when the ratio of the in-plane average height Hav to the wavelength λ of the emitted light, the aspect ratio, and the offset angle are within the desired ranges.

実施例13は、正六方配列されたドット配列であり、平均ピッチ900nm、高さ393nm、デューティ0.53、オフセット角度を0.05度としたものである。面内平均高さHavと発光光の波長λとの比、アスペクト比、オフセット角度が所望の範囲内にあることで、発光効率が向上していることがわかる。   Example 13 is a regular hexagonal dot arrangement with an average pitch of 900 nm, a height of 393 nm, a duty of 0.53, and an offset angle of 0.05 degrees. It can be seen that the luminous efficiency is improved when the ratio of the in-plane average height Hav to the wavelength λ of the emitted light, the aspect ratio, and the offset angle are within the desired ranges.

実施例14は、実施例4とほぼ同じ寸法、配列でオフセット角度を0.1度としたものである。面内平均高さHavと発光光の波長λとの比、アスペクト比、オフセット角度が所望の範囲内にあることで、発光効率が向上していることがわかる。   The fourteenth embodiment has substantially the same dimensions and arrangement as the fourth embodiment and an offset angle of 0.1 degree. It can be seen that the luminous efficiency is improved when the ratio of the in-plane average height Hav to the wavelength λ of the emitted light, the aspect ratio, and the offset angle are within the desired ranges.

実施例15は、実施例4とほぼ同じ寸法、配列でオフセット角度を0.5度としたものである。面内平均高さHavと発光光の波長λとの比、アスペクト比、オフセット角度が所望の範囲内にあることで、発光効率が向上していることがわかる。   The fifteenth embodiment has substantially the same dimensions and arrangement as the fourth embodiment and an offset angle of 0.5 degrees. It can be seen that the luminous efficiency is improved when the ratio of the in-plane average height Hav to the wavelength λ of the emitted light, the aspect ratio, and the offset angle are within the desired ranges.

実施例16は、ラインアンドスペース配列であり、平均ピッチ900nm、高さ333nm、デューティ0.48、オフセット角度を0.8度としたものである。面内平均高さHavと発光光の波長λとの比、アスペクト比、オフセット角度が所望の範囲内にあることで、発光効率が向上していることがわかる。   Example 16 is a line-and-space arrangement in which the average pitch is 900 nm, the height is 333 nm, the duty is 0.48, and the offset angle is 0.8 degrees. It can be seen that the luminous efficiency is improved when the ratio of the in-plane average height Hav to the wavelength λ of the emitted light, the aspect ratio, and the offset angle are within the desired ranges.

実施例17は、実施例8とほぼ同じ寸法、配列でオフセット角度を0.5度としたものである。面内平均高さHavと発光光の波長λとの比、アスペクト比、オフセット角度が所望の範囲内にあることで、発光効率が向上していることがわかる。   In the seventeenth embodiment, the offset angle is 0.5 degrees with the same dimensions and arrangement as in the eighth embodiment. It can be seen that the luminous efficiency is improved when the ratio of the in-plane average height Hav to the wavelength λ of the emitted light, the aspect ratio, and the offset angle are within the desired ranges.

実施例18は、実施例8ほぼ同じ寸法、配列でオフセット角度を0.8度としたものである。面内平均高さHavと発光光の波長λとの比、アスペクト比、オフセット角度が所望の範囲内にあることで、発光効率が向上していることがわかる。   The eighteenth embodiment has substantially the same dimensions and arrangement as the eighth embodiment, and an offset angle of 0.8 degrees. It can be seen that the luminous efficiency is improved when the ratio of the in-plane average height Hav to the wavelength λ of the emitted light, the aspect ratio, and the offset angle are within the desired ranges.

実施例19は、実施例5ほぼ同じ寸法、配列でオフセット角度を0.05度としたものである。面内平均高さHavと発光光の波長λとの比、アスペクト比、オフセット角度が所望の範囲内にあることで、発光効率が向上していることがわかる。   In the nineteenth embodiment, the offset angle is 0.05 degrees with the same dimensions and arrangement as the fifth embodiment. It can be seen that the luminous efficiency is improved when the ratio of the in-plane average height Hav to the wavelength λ of the emitted light, the aspect ratio, and the offset angle are within the desired ranges.

実施例20は、ラインアンドスペース配列であり、平均ピッチ1200nm、高さ428nm、デューティ0.47、オフセット角度を0.1度としたものである。面内平均高さHavと発光光の波長λとの比、アスペクト比、オフセット角度が所望の範囲内にあることで、発光効率が向上していることがわかる。   Example 20 is a line-and-space arrangement in which the average pitch is 1200 nm, the height is 428 nm, the duty is 0.47, and the offset angle is 0.1 degree. It can be seen that the luminous efficiency is improved when the ratio of the in-plane average height Hav to the wavelength λ of the emitted light, the aspect ratio, and the offset angle are within the desired ranges.

実施例21は、実施例5ほぼ同じ寸法、配列でオフセット角度を0.5度としたものである。面内平均高さHavと発光光の波長λとの比、アスペクト比、オフセット角度が所望の範囲内にあることで、発光効率が向上していることがわかる。   In Example 21, Example 5 is substantially the same size and arrangement, and the offset angle is 0.5 degrees. It can be seen that the luminous efficiency is improved when the ratio of the in-plane average height Hav to the wavelength λ of the emitted light, the aspect ratio, and the offset angle are within the desired ranges.

実施例22は、実施例5ほぼ同じ寸法、配列でオフセット角度を0.8度としたものである。面内平均高さHavと発光光の波長λとの比、アスペクト比、オフセット角度が所望の範囲内にあることで、発光効率が向上していることがわかる。   In the twenty-second embodiment, the offset angle is set to 0.8 degrees with the same dimensions and arrangement as in the fifth embodiment. It can be seen that the luminous efficiency is improved when the ratio of the in-plane average height Hav to the wavelength λ of the emitted light, the aspect ratio, and the offset angle are within the desired ranges.

上記より、平均ピッチ、配列によらず、サファイア基板の微細凹凸構造が上記条件(1)〜(3)を満たせば効果を奏することがわかる。次に、各パラメータの範囲について検討した。   From the above, it can be seen that, regardless of the average pitch and arrangement, if the fine concavo-convex structure of the sapphire substrate satisfies the above conditions (1) to (3), an effect can be obtained. Next, the range of each parameter was examined.

表2は、正六方配列、オフセット角度0.2度の基板を用いて、平均ピッチPavを変えた結果である。比較例14は平均ピッチPavが450nmの場合である。平均ピッチPavが小さく、光の波動性が強調されるために回折方位角を避けるように電極を設けることができたが、平均ピッチPavから定まる回折角度が適切でないために、発光効率の向上の程度が小さいと推定される。   Table 2 shows the result of changing the average pitch Pav using a substrate with a regular hexagonal arrangement and an offset angle of 0.2 degrees. In Comparative Example 14, the average pitch Pav is 450 nm. Since the average pitch Pav is small and the wave nature of light is emphasized, electrodes can be provided so as to avoid the diffraction azimuth angle. However, since the diffraction angle determined from the average pitch Pav is not appropriate, the luminous efficiency is improved. It is estimated that the degree is small.

実施例23は平均ピッチPavが550nmの場合である。面内平均高さHavと発光光の波長λとの比、アスペクト比、オフセット角度が所望の範囲内にあることで、発光効率が向上していることがわかる。   In Example 23, the average pitch Pav is 550 nm. It can be seen that the luminous efficiency is improved when the ratio of the in-plane average height Hav to the wavelength λ of the emitted light, the aspect ratio, and the offset angle are within the desired ranges.

実施例24は平均ピッチPavが600nmの場合である。面内平均高さHavと発光光の波長λとの比、アスペクト比、オフセット角度が所望の範囲内にあることで、発光効率が向上していることがわかる。   In Example 24, the average pitch Pav is 600 nm. It can be seen that the luminous efficiency is improved when the ratio of the in-plane average height Hav to the wavelength λ of the emitted light, the aspect ratio, and the offset angle are within the desired ranges.

実施例25は平均ピッチPavが1300nmの場合である。面内平均高さHavと発光光の波長λとの比、アスペクト比、オフセット角度が所望の範囲内にあることで、発光効率が向上していることがわかる。   In Example 25, the average pitch Pav is 1300 nm. It can be seen that the luminous efficiency is improved when the ratio of the in-plane average height Hav to the wavelength λ of the emitted light, the aspect ratio, and the offset angle are within the desired ranges.

実施例26は平均ピッチPavが1500nmの場合である。面内平均高さHavと発光光の波長λとの比、アスペクト比、オフセット角度が所望の範囲内にあることで、発光効率が向上しているが、その出光分布はやや散乱的であり、回折方位角を避けるように電極を設けても、一部が電極にかかり、電極部の影が薄く観測された。このため、発光効率の向上は見られるが、より平均ピッチPavが小さい場合と比べて、発光効率の向上の程度が小さいと推定される。   In Example 26, the average pitch Pav is 1500 nm. The ratio of the in-plane average height Hav and the wavelength λ of the emitted light, the aspect ratio, and the offset angle are within the desired ranges, so that the light emission efficiency is improved, but the light emission distribution is somewhat scattering, Even when the electrode was provided so as to avoid the diffraction azimuth angle, a part of the electrode was applied to the electrode, and the shadow of the electrode portion was observed to be thin. For this reason, although the improvement of luminous efficiency is seen, it is estimated that the improvement degree of luminous efficiency is small compared with the case where average pitch Pav is smaller.

比較例15は平均ピッチPavが1600nmの場合である。光と凹凸構造との相互作用は散乱的であり、電極部が影となっていた。   In Comparative Example 15, the average pitch Pav is 1600 nm. The interaction between the light and the concavo-convex structure was scattering, and the electrode portion was shaded.

Figure 2014195069
Figure 2014195069

表3は、平均ピッチPav700nmの正六方配列、オフセット角度0.2度の基板を用いて、アスペクト比の影響を検討した結果である。比較例16ではアスペクト比が小さくまた面内平均高さHavと発光光の波長λとの比が小さいため、光回折が効果的に生じず、光取り出し効率LEEが殆ど向上しないと考えられる。実施例27、実施例28、実施例29及び実施例30は所望の範囲にあるため、発光効率が向上していることがわかる。実施例31は、発光効率は向上しているが、アスペクト比が1に近く、光回折の角度が光取り出しに寄与しにくくなっているために、発光出力比の向上がやや小さくなっていると推察される。実施例32は、発光効率は向上しているが、アスペクト比が1に近く、光回折の角度が光取り出しに寄与しにくくなっていることに加え、高さHが相対的に大きいため、光の振る舞いがやや散乱的であり、電極部がやや影になっているために、発光出力比の向上がやや小さくなっていると推察される。比較例17はアスペクト比が1より大きい場合で、凸部底部幅よりも凸部高さHが大きいために、光回折が効果的に生じず、また光の振る舞いも散乱的であるために光取り出し効率LEEの向上が小さいと考えられる。   Table 3 shows the results of examining the influence of the aspect ratio using a regular hexagonal array with an average pitch Pav of 700 nm and a substrate with an offset angle of 0.2 degrees. In Comparative Example 16, since the aspect ratio is small and the ratio between the in-plane average height Hav and the wavelength λ of the emitted light is small, it is considered that light diffraction does not effectively occur and the light extraction efficiency LEE is hardly improved. Since Example 27, Example 28, Example 29, and Example 30 are in a desired range, it can be seen that the luminous efficiency is improved. In Example 31, although the light emission efficiency is improved, the aspect ratio is close to 1, and the angle of light diffraction is difficult to contribute to light extraction, so that the light emission output ratio is slightly improved. Inferred. In Example 32, although the luminous efficiency is improved, the aspect ratio is close to 1, the angle of light diffraction is less likely to contribute to light extraction, and the height H is relatively large. It is presumed that the improvement of the light emission output ratio is slightly reduced because the behavior of is slightly scattered and the electrode part is slightly shaded. In Comparative Example 17, the aspect ratio is greater than 1, and the height H of the protrusion is larger than the width of the bottom of the protrusion, so that light diffraction does not occur effectively and the light behavior is also scattered. It is considered that the improvement in the extraction efficiency LEE is small.

表4は、表3と同様に、平均ピッチPav900nmでアスペクト比の影響を検討した結果である。傾向は平均ピッチ700nmの場合と類似していることがわかる。   Table 4 shows the results of examining the influence of the aspect ratio at an average pitch Pav of 900 nm, as in Table 3. It can be seen that the tendency is similar to the case of an average pitch of 700 nm.

Figure 2014195069
Figure 2014195069

Figure 2014195069
Figure 2014195069

表5は面内平均高さHavを変えた結果である。六方配列、オフセット角度0.2度の基板を用いた。実施例39は平均ピッチ900nmで、面内平均高さHavと発光光の波長λとの比が0.157の場合である。面内平均高さHavと発光光の波長λとの比、アスペクト比、オフセット角度が所望の範囲内にあることで、発光効率が向上していることがわかる。   Table 5 shows the result of changing the in-plane average height Hav. A substrate with a hexagonal array and an offset angle of 0.2 degrees was used. In Example 39, the average pitch is 900 nm, and the ratio of the in-plane average height Hav to the wavelength λ of the emitted light is 0.157. It can be seen that the luminous efficiency is improved when the ratio of the in-plane average height Hav to the wavelength λ of the emitted light, the aspect ratio, and the offset angle are within the desired ranges.

実施例40は平均ピッチ900nmで、面内平均高さHavと発光光の波長λとの比が0.598の場合である。面内平均高さHavと発光光の波長λとの比、アスペクト比、オフセット角度が所望の範囲内にあることで、発光効率が向上していることがわかる。   In Example 40, the average pitch is 900 nm, and the ratio of the in-plane average height Hav to the wavelength λ of the emitted light is 0.598. It can be seen that the luminous efficiency is improved when the ratio of the in-plane average height Hav to the wavelength λ of the emitted light, the aspect ratio, and the offset angle are within the desired ranges.

実施例41は平均ピッチ1200nmで、面内平均高さHavと発光光の波長λとの比が0.793の場合である。面内平均高さHavと発光光の波長λとの比、アスペクト比、オフセット角度が所望の範囲内にあることで、発光効率が向上していることがわかる。   In Example 41, the average pitch is 1200 nm, and the ratio of the in-plane average height Hav to the wavelength λ of the emitted light is 0.793. It can be seen that the luminous efficiency is improved when the ratio of the in-plane average height Hav to the wavelength λ of the emitted light, the aspect ratio, and the offset angle are within the desired ranges.

実施例42は平均ピッチ1300nmで、面内平均高さHavと発光光の波長λとの比が0.818の場合である。このとき、発光効率は向上しているが、前記比率が0.8未満である場合と比べてその出光分布はやや散乱的であり、回折方位角を避けるように電極を設けても、一部が電極にかかり、電極部の影が薄く観測された。これは面内平均高さHavが大きい、つまり凸部体積が大きいためと考えられ、影が生じることによって発光効率の向上の程度が小さいと推定される。   In Example 42, the average pitch is 1300 nm, and the ratio between the in-plane average height Hav and the wavelength λ of the emitted light is 0.818. At this time, although the light emission efficiency is improved, the light emission distribution is somewhat scattering compared to the case where the ratio is less than 0.8, and even if an electrode is provided so as to avoid the diffraction azimuth, a part of Was applied to the electrode, and the shadow of the electrode portion was observed to be thin. This is considered to be because the in-plane average height Hav is large, that is, the convex portion volume is large, and it is estimated that the degree of improvement in luminous efficiency is small due to the occurrence of shadows.

実施例43は平均ピッチが1200nmで、面内平均高さHavと発光光の波長λとの比が0.947の場合である。このとき実施例42と同様に、発光効率は向上しているが、その出光分布はやや散乱的であり、回折方位角を避けるように電極を設けても、一部が電極にかかり、電極部の影が薄く観測された。このため、発光効率の向上の程度が小さいと推定される。   In Example 43, the average pitch is 1200 nm, and the ratio of the in-plane average height Hav to the wavelength λ of the emitted light is 0.947. At this time, as in Example 42, the light emission efficiency is improved, but the light emission distribution is somewhat scattering, and even if an electrode is provided so as to avoid the diffraction azimuth angle, a part of the electrode is applied to the electrode portion. The shadow of was thinly observed. For this reason, it is estimated that the improvement in luminous efficiency is small.

比較例20は平均ピッチ1200nmで、面内平均高さHavと発光光の波長λとの比が1を超える場合である。このとき、同じ平均ピッチPavを有する基板と同様に、内部量子効率IQEの向上は見られたが、発光出力比の向上が小さかった。また、凸部体積が大きいことから光は散乱的に振る舞い、回折方位角を避けるように電極を設けることができず、電極部が影となっていた。   In Comparative Example 20, the average pitch is 1200 nm and the ratio between the in-plane average height Hav and the wavelength λ of the emitted light exceeds 1. At this time, as with the substrates having the same average pitch Pav, the internal quantum efficiency IQE was improved, but the improvement of the light emission output ratio was small. Further, since the volume of the convex portion is large, the light behaves in a scattering manner, and the electrode cannot be provided so as to avoid the diffraction azimuth angle, and the electrode portion becomes a shadow.

Figure 2014195069
Figure 2014195069

なお、本発明は上記実施の形態に限定されず、種々変更して実施することが可能である。上記実施の形態において、図面に図示されている大きさや形状等については、これに限定されず、本発明の効果を発揮する範囲内で適宜変更することが可能である。   In addition, this invention is not limited to the said embodiment, It can change and implement variously. In the above-described embodiment, the size, shape, and the like illustrated in the drawings are not limited to this, and can be appropriately changed within a range in which the effects of the present invention are exhibited.

本発明は、例えば、OLED、蛍光体、発光ダイオード(LED)等の半導体発光素子に好適に適用することが可能である。   The present invention can be suitably applied to semiconductor light emitting devices such as OLEDs, phosphors, and light emitting diodes (LEDs).

10 光学基材(サファイア基板)
20 微細凹凸構造
30 第1半導体層
40 発光半導体層
50 第2半導体層
60 透明導電膜
70 アノード電極
80 カソード電極
100 半導体発光素子
10 Optical base material (sapphire substrate)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 20 Fine uneven structure 30 1st semiconductor layer 40 Light emitting semiconductor layer 50 2nd semiconductor layer 60 Transparent conductive film 70 Anode electrode 80 Cathode electrode 100 Semiconductor light emitting element

Claims (18)

表面の一部又は全面に微細凹凸構造が形成された光学基材の上に少なくとも第1半導体層、発光半導体層及び第2半導体層を積層した構造である半導体発光素子であって、
前記微細凹凸構造の平均ピッチPavと、前記光学基材の前記微細凹凸構造が形成された表面上に設けられた光媒質層中での前記発光半導体層が放出した発光光の波長λとの比(Pav/λ)が2.5以上8以下であり、
前記微細凹凸構造の面内平均高さHavと前記発光光の波長λとの比(Hav/λ)が0.1以上1以下であり、且つ、
前記微細凹凸構造のアスペクト比が0.2以上1以下であることを特徴とする半導体発光素子。
A semiconductor light emitting device having a structure in which at least a first semiconductor layer, a light emitting semiconductor layer, and a second semiconductor layer are laminated on an optical substrate having a fine relief structure formed on a part or the entire surface thereof,
The ratio between the average pitch Pav of the fine concavo-convex structure and the wavelength λ of the emitted light emitted by the light-emitting semiconductor layer in the optical medium layer provided on the surface of the optical substrate on which the fine concavo-convex structure is formed (Pav / λ) is 2.5 or more and 8 or less,
A ratio (Hav / λ) of an in-plane average height Hav of the fine concavo-convex structure to a wavelength λ of the emitted light is 0.1 or more and 1 or less; and
An aspect ratio of the fine concavo-convex structure is 0.2 or more and 1 or less, a semiconductor light emitting device.
前記発光光の波長λが、前記発光光の真空波長λを、前記第1半導体層の屈折率nで除したものであることを特徴とする請求項1記載の半導体発光素子。 2. The semiconductor light emitting element according to claim 1, wherein the wavelength [lambda] of the emitted light is obtained by dividing the vacuum wavelength [lambda] 0 of the emitted light by the refractive index n of the first semiconductor layer. 前記光媒質層が、前記第1半導体層であることを特徴とする請求項1又は請求項2記載の半導体発光素子。   The semiconductor light-emitting element according to claim 1, wherein the optical medium layer is the first semiconductor layer. 前記微細凹凸構造を構成する凹部の底部は平坦面であることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれかに記載の半導体発光素子。   The semiconductor light emitting element according to any one of claims 1 to 3, wherein a bottom portion of the concave portion constituting the fine concavo-convex structure is a flat surface. 前記微細凹凸構造を構成する凸部は底部よりも頂部の方が径が小さいことを特徴とする請求項1から請求項4のいずれかに記載の半導体発光素子。   The semiconductor light emitting element according to any one of claims 1 to 4, wherein the convex portion constituting the fine concavo-convex structure has a smaller diameter at the top than at the bottom. 前記光学基材が、サファイア基板、Si基板、SiC基板、GaN基板、GaAs基板又はスピネル基板であることを特徴とする請求項1から請求項5のいずれかに記載の半導体発光素子。   6. The semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein the optical base material is a sapphire substrate, a Si substrate, a SiC substrate, a GaN substrate, a GaAs substrate, or a spinel substrate. 前記光学基材が、c面サファイア基板であり、オフセット角度が0.05度以上、0.8度以下であることを特徴とする請求項1から請求項6のいずれかに記載の半導体発光素子。   7. The semiconductor light-emitting element according to claim 1, wherein the optical base material is a c-plane sapphire substrate, and an offset angle is 0.05 degree or more and 0.8 degree or less. . 前記第1半導体層、前記発光半導体層及び前記第2半導体層が、III−V族系半導体であることを特徴とする請求項1から請求項7のいずれかに記載の半導体発光素子。   The semiconductor light-emitting element according to claim 1, wherein the first semiconductor layer, the light-emitting semiconductor layer, and the second semiconductor layer are III-V group semiconductors. 前記第1半導体層、前記発光半導体層及び前記第2半導体層が、GaN系半導体であることを特徴とする請求項1から請求項7のいずれかに記載の半導体発光素子。   The semiconductor light-emitting element according to claim 1, wherein the first semiconductor layer, the light-emitting semiconductor layer, and the second semiconductor layer are GaN-based semiconductors. 請求項1から請求項9のいずれかに記載の半導体発光素子の製造方法であって、前記光学基材を準備する工程と、前記光学基材の前記微細凹凸構造が形成された表面上に少なくとも前記第1半導体層、前記発光半導体層及び前記第2半導体層を順次積層する工程と、を具備することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。   10. The method for manufacturing a semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein the step of preparing the optical substrate and at least a surface of the optical substrate on which the fine concavo-convex structure is formed are provided. And sequentially stacking the first semiconductor layer, the light emitting semiconductor layer, and the second semiconductor layer. 第1半導体層、発光半導体層及び第2半導体層を積層した構造である半導体発光素子に用いられる、表面の一部又は全面に微細凹凸構造が形成された光学基材であって、
前記微細凹凸構造の平均ピッチPavと、前記微細凹凸構造が形成された表面上に設けられた光媒質層中での前記発光半導体層が放出した発光光の波長λとの比(Pav/λ)が2.5以上8以下であり、
前記微細凹凸構造の面内平均高さHavと前記発光光の波長λとの比(Hav/λ)が0.1以上1以下であり、且つ、
前記微細凹凸構造のアスペクト比が0.2以上1以下であることを特徴とする光学基材。
An optical substrate having a fine concavo-convex structure formed on a part of or the entire surface thereof, which is used in a semiconductor light emitting device having a structure in which a first semiconductor layer, a light emitting semiconductor layer, and a second semiconductor layer are laminated,
Ratio (Pav / λ) between the average pitch Pav of the fine concavo-convex structure and the wavelength λ of the emitted light emitted by the light-emitting semiconductor layer in the optical medium layer provided on the surface where the fine concavo-convex structure is formed Is 2.5 or more and 8 or less,
A ratio (Hav / λ) of an in-plane average height Hav of the fine concavo-convex structure to a wavelength λ of the emitted light is 0.1 or more and 1 or less; and
An optical base material, wherein the fine concavo-convex structure has an aspect ratio of 0.2 to 1.
前記発光光の波長λが、前記発光光の真空波長λを、前記第1半導体層の屈折率nで除したものであることを特徴とする請求項11記載の光学基材。 The optical substrate according to claim 11, wherein the wavelength λ of the emitted light is obtained by dividing the vacuum wavelength λ 0 of the emitted light by the refractive index n of the first semiconductor layer. 前記光媒質層が、前記第1半導体層であることを特徴とする請求項11又は請求項12記載の光学基材。   The optical substrate according to claim 11 or 12, wherein the optical medium layer is the first semiconductor layer. 前記微細凹凸構造を構成する凹部の底部は平坦面であることを特徴とする請求項11から請求項13のいずれかに記載の光学基材。   The optical substrate according to any one of claims 11 to 13, wherein a bottom of the concave portion constituting the fine concavo-convex structure is a flat surface. 前記微細凹凸構造を構成する凸部は底部よりも頂部の径が小さいことを特徴とする請求項11から請求項14のいずれかに記載の光学基材。   The optical base material according to any one of claims 11 to 14, wherein the convex portion constituting the fine concavo-convex structure has a smaller diameter at the top than at the bottom. サファイア基板、Si基板、SiC基板、GaN基板、GaAs基板又はスピネル基板であることを特徴とする請求項11から請求項15のいずれかに記載の光学基材。   The optical substrate according to any one of claims 11 to 15, wherein the optical substrate is a sapphire substrate, a Si substrate, a SiC substrate, a GaN substrate, a GaAs substrate, or a spinel substrate. c面サファイア基板であり、オフセット角度が0.05度以上、0.8度以下であることを特徴とする請求項11から請求項16のいずれかに記載の光学基材。   The optical substrate according to any one of claims 11 to 16, which is a c-plane sapphire substrate and has an offset angle of 0.05 degrees or more and 0.8 degrees or less. 請求項11から請求項17のいずれかに記載の光学基材を準備する工程と、前記光学基材の前記微細凹凸構造が形成された表面上に少なくとも前記第1半導体層、前記発光半導体層及び前記第2半導体層を順次積層する工程と、を具備することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。   A step of preparing the optical substrate according to any one of claims 11 to 17, and at least the first semiconductor layer, the light emitting semiconductor layer, and the surface of the optical substrate on which the fine concavo-convex structure is formed. And sequentially stacking the second semiconductor layers. A method for manufacturing a semiconductor light-emitting element.
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