半導体発光素子及び半導体発光素子の製造方法
【課題】 光の取り出し効率を向上させるとともに、容易かつ再現性良く製造可能な半導体発光素子やその製造方法を提供する。
【解決手段】 半導体発光素子１は、電力を供給することで発光する発光層１２を有した半導体積層構造１１〜１３と、半導体積層構造１１〜１３の上面に形成されて発光層１２が出射する光に対して透明であり導電性を有する透明電極１４と、透明電極１４の上面に形成されて発光層１２が出射する光に対して透明であり透明電極１４よりも屈折率が高い透明高屈折率膜１５と、を備える。透明高屈折率膜１５は、透明電極１４から離れるに従い連続的または段階的に屈折率が低くなり、かつ、透明電極１４からの距離にかかわらず組成が一様である。
【解決手段】 半導体発光素子１は、電力を供給することで発光する発光層１２を有した半導体積層構造１１〜１３と、半導体積層構造１１〜１３の上面に形成されて発光層１２が出射する光に対して透明であり導電性を有する透明電極１４と、透明電極１４の上面に形成されて発光層１２が出射する光に対して透明であり透明電極１４よりも屈折率が高い透明高屈折率膜１５と、を備える。透明高屈折率膜１５は、透明電極１４から離れるに従い連続的または段階的に屈折率が低くなり、かつ、透明電極１４からの距離にかかわらず組成が一様である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光ダイオード（Light Emitting Diode：ＬＥＤ）などに代表される半導体発光素子や、その製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＬＥＤなどに代表される半導体発光素子は、低消費電力や、小型、高輝度、長寿命などの利点があるため、近年様々な用途で利用されている。例えば、消費電力の大きい白熱灯の代替として、照明装置に利用されるようになってきている。
【０００３】
半導体発光素子は、光を出射する発光層など、複数の層が積層されて成る。そのため、例えばＬＥＤなどでは、発光層から出射される光を、いくつかの層を通過させて外部に取り出す必要がある。しかしながら、光がこれらの層の界面を通過する際に減衰し、最終的な光の取り出し効率が低下し得るため、問題となる。この問題について、図面を参照して説明する。図７は、透明電極及び保護膜と光の進行状態とを示す断面図である。なお、図示の都合上、断面を示すハッチングは省略している。
【０００４】
図７は、絶対屈折率（以下、単に屈折率と称する）が１．９の酸化インジウムスズ（Indium Tin Oxide：ＩＴＯ）から成る透明電極１０１から、屈折率が１．５の酸化シリコン（ＳｉＯ２）から成る保護膜１０２に光が入射する場合を例示したものである。図７に示す例では、光の入射先である保護膜１０２の屈折率が、光の入射元である透明電極１０１の屈折率よりも、小さくなっている。そのため、透明電極１０１から保護膜１０２に光が入射する界面において、全反射が生じ得る。
【０００５】
全反射は、入射角が臨界角θｃよりも大きい光において生じる。例えば、図７のＸのように、入射角が臨界角θｃ以下の光は、界面で屈折するものの、保護膜１０２内に入射する。一方、図７のＹのように、入射角が臨界角θｃよりも大きい光は、界面で全反射するため、保護膜１０２内には入射しない。
【０００６】
また、臨界角θｃは、入射元の屈折率ｎ１と入射先の屈折率ｎ２との比に応じて、下記式（１）のように決まる。例えば、図７に示した透明電極１０１から保護膜１０２に光が入射する界面の臨界角は、５２．１°となる。
【０００７】
θｃ＝ａｒｃｓｉｎ（ｎ２／ｎ１） ・・・（１）
【０００８】
上記式（１）に示したように、入射先の屈折率ｎ２が入射元の屈折率ｎ１よりも相対的に小さくなるほど、臨界角θｃが小さくなる。そして、臨界角θｃが小さくなると、界面で全反射する光の割合が増大するため、光の取り出し効率が低下する。
【０００９】
そこで、例えば特許文献１では、透明電極上に、当該透明電極よりも屈折率が小さい突起を設けた半導体発光素子が、提案されている。この半導体発光素子では、突起の構成元素および組成比を透明電極からの距離に応じて変動させて、透明電極から離れるほど当該突起の屈折率が小さくなるようにすることで、突起内に入射した光が先端に向かうほど屈折するようにして、突起の側壁から光を取り出している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】米国特許２０１０／０１４８１９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、上記の半導体発光素子では、透明電極の屈折率よりも、突起の屈折率の方が小さいため、透明電極から突起に光が入射する際に全反射が生じる。そのため、光の取り出し効率を十分に向上させることができないため、問題となる。さらに、この半導体発光素子では、突起の構成元素および組成比を透明電極からの距離に応じて変動させる必要がある。そのため、突起の作製に必要な材料の種類が増えるとともに成膜条件の制御が困難になることで、突起を再現性良く作製することが困難になるとともにコストが高くなるため、問題となる。
【００１２】
本発明は、上記の問題点に鑑み、光の取り出し効率を向上させるとともに、容易かつ再現性良く製造可能な半導体発光素子やその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するため、本発明は、電力を供給することで発光する発光層を有した半導体積層構造と、
前記半導体積層構造の上面に形成され、前記発光層が出射する光に対して透明であり導電性を有する透明電極と、
前記透明電極の上面に形成され、前記発光層が出射する光に対して透明であり前記透明電極よりも屈折率が高い透明高屈折率膜と、を備え、
前記透明高屈折率膜は、前記透明電極から離れるに従い連続的または段階的に屈折率が低くなり、かつ、前記透明電極からの距離にかかわらず構成元素が同一であることを特徴とする半導体発光素子を提供する。
【００１４】
この場合、透明電極の屈折率よりも、透明高屈折率膜の屈折率が高くなる。そのため、透明電極から透明高屈折率膜に光が入射する界面において、全反射を抑制することが可能になる。また、透明高屈折率膜の屈折率は、前記透明電極から離れるに従い低くなる。そのため、透明高屈折率膜から外部、例えば空気中に光を出射する界面の臨界角を大きくして、当該界面における全反射を抑制することが可能になる。
【００１５】
さらにこの場合、透明高屈折率膜は、同一の構成元素から成る。そのため、透明高屈折率膜の成膜条件の制御が容易になり、再現性良く透明高屈折率膜を作製することが可能になる。また、透明高屈折率膜の作製にかかるコストを、低くすることができる。
【００１６】
さらに、上記特徴の半導体発光素子は、前記透明高屈折率膜の成膜条件が、前記透明電極からの距離に応じて異なっていると、好ましい。
【００１７】
この場合、透明高屈折率膜の成膜条件を制御することで、透明高屈折率膜の屈折率を制御することになる。そのため、透明高屈折率膜を容易かつ再現性良く作製することが可能になる。
【００１８】
さらに、上記特徴の半導体発光素子は、前記透明高屈折率膜を成膜する際の下地の温度が、前記透明電極から離れるほど低くなっていると、好ましい。
【００１９】
この場合、透明高屈折率膜の透過率の低下を抑制しながら、透明高屈折率膜の屈折率を低くすることができる。したがって、透過率の低下に伴う光取り出し効率の低下を、抑制することが可能になる。
【００２０】
さらに、上記特徴の半導体発光素子は、前記透明高屈折率膜の上面が、凹凸状であると、好ましい。
【００２１】
この場合、凹部の底や凸部の先端だけでなく、凸部の側壁からも光を取り出すことが可能になる。そのため、光の取り出し効率を、向上することが可能になる。
【００２２】
さらに、上記特徴の半導体発光素子は、少なくとも前記透明高屈折率膜の上面に形成され、前記透明高屈折率膜よりも屈折率が低い保護膜を、さらに備えてもよい。
【００２３】
この場合においても、透明高屈折率膜の屈折率は、前記透明電極から離れるに従い低くなるため、透明高屈折率膜から保護膜に光が入射する界面の臨界角を大きくして、当該界面における全反射を抑制することが可能になる。
【００２４】
さらに、上記特徴の半導体発光素子は、前記透明電極が酸化インジウムスズから成り、前記透明高屈折率膜が酸化チタンから成り、前記保護膜が酸化シリコンから成ってもよい。
【００２５】
また、上記特徴の半導体発光素子は、前記透明高屈折率膜の屈折率が、２．１以上であると、好ましい。
【００２６】
この場合、透明電極から透明高屈折率膜に光が入射する際に全反射が生じることを、効果的に抑制することが可能になる。
【００２７】
また、上記特徴の半導体発光素子は、前記透明高屈折率膜の膜厚は、５０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下であると、好ましい。
【００２８】
この場合、透明電極から透明高屈折率膜に光を効果的に取り出すとともに、透明高屈折率膜による光の減衰を効果的に抑制することが可能になる。
【００２９】
また、本発明は、電力を供給することで発光する発光層を有した半導体積層構造を形成する半導体積層構造形成ステップと、
前記半導体積層構造の上面に、前記発光層が出射する光に対して透明であり導電性を有する透明電極を形成する透明電極形成ステップと、
前記透明電極の上面に、前記発光層が出射する光に対して透明であり前記透明電極よりも屈折率が高い透明高屈折率膜を形成する透明高屈折率膜形成ステップと、を備え、
前記透明高屈折率膜形成ステップが、前記透明電極からの距離に応じて成膜条件を異ならせることで、前記透明電極から離れるに従い連続的または段階的に屈折率が低くなり、かつ、前記透明電極からの距離にかかわらず構成元素が同一である前記透明高屈折率膜を形成するものであることを特徴とする半導体発光素子の製造方法を提供する。
【００３０】
この場合、透明電極の屈折率よりも、透明高屈折率膜の屈折率が高くなる。そのため、透明電極から透明高屈折率膜に光が入射する界面において、全反射を抑制することが可能になる。また、透明高屈折率膜の屈折率は、光の進行方向に沿って低くなる。そのため、透明高屈折率膜の屈折率を無用に低下させることなく、透明高屈折率膜から外部に光を出射する界面の臨界角を大きくして、当該界面における全反射を抑制することが可能になる。
【００３１】
さらにこの場合、透明高屈折率膜が同一の構成元素から成り、その成膜条件を制御することで、透明高屈折率膜の屈折率を制御することになる。そのため、成膜条件の制御が容易であるとともに、透明高屈折率膜を容易かつ再現性良く作製することが可能になる。また、透明高屈折率膜の作製にかかるコストを、低くすることができる。
【００３２】
さらに、上記特徴の半導体発光素子の製造方法は、前記透明高屈折率膜形成ステップが、前記透明高屈折率膜を成膜する際の下地の温度を、前記透明電極から離れるほど低くするものであると、好ましい。
【００３３】
この場合、透明高屈折率膜の透過率の低下を抑制しながら、透明高屈折率膜の屈折率を低くすることができる。したがって、透過率の低下に伴う光取り出し効率の低下を、抑制することが可能になる。
【発明の効果】
【００３４】
上記特徴の半導体発光素子やその製造方法によれば、光が入射する界面の全反射を抑制することで、半導体発光素子の光の取り出し効率を向上させることが可能になる。さらに、上記特徴の半導体発光素子やその製造方法によれば、透明高屈折率膜ひいては半導体発光素子を容易かつ再現性良く作製することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法の一例を示す断面図。
【図２】本発明の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法の一例を示す断面図。
【図３】本発明の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法の一例を示す断面図。
【図４】透明高屈折率膜の屈折率と成膜時の基板温度との関係を示すグラフ。
【図５】透明高屈折率膜の透過率と成膜時の基板温度との関係を示すグラフ。
【図６】透明電極、透明高屈折率膜及び保護膜と光の進行状態とを示す断面図。
【図７】透明電極及び保護膜と光の進行状態とを示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
以下、本発明の実施形態として、窒化ガリウム（ＧａＮ）系のＬＥＤを例示する。ただし、本発明を適用可能な半導体発光素子は、当該ＬＥＤに限られるものではない。
【００３７】
＜半導体発光素子の製造方法＞
最初に、本発明の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法の一例について、図面を参照して説明する。図１〜図３は、本発明の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法の一例を示す断面図である。また、図１（ａ）、図１（ｂ）、図１（ｃ）、図１（ｄ）、図１（ｅ）、図２（ａ）、図２（ｂ）、図２（ｃ）、図２（ｄ）、図３の順番で、半導体発光素子の製造工程の進行を示している。
【００３８】
最初に、図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すように、サファイアなどから成る基板１０の上面を、凹凸状に加工する。例えば、このような凹凸は、凹部（溝）を形成すべき部分を除いて基板１０の表面上にレジストを形成し、ＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma）等のエッチングを行うことで、形成することができる。なお、エッチングで使用したレジストは、当該エッチングの後に除去する。
【００３９】
次に、図１（ｃ）に示すように、凹凸状とした基板１０の上面に、半導体積層構造１１〜１３を形成する。具体的に例えば、凹凸状とした基板１０の上面に、ｎ型のＧａＮから成るｎクラッド層１１、ＧａＮから成る障壁層とＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）から成る井戸層とが交互に積層されるとともに最初及び最後の層が障壁層となる多重量子井戸構造を備えた発光層（活性層）１２、ｐ型のＧａＮから成るｐクラッド層１３を、この順番で積層する。
【００４０】
ｎクラッド層１１、発光層１２及びｐクラッド層１３は、例えばＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）などによって積層することができる。また、ｎ型のＧａＮのドーパントとして、例えばＳｉを用いることができる。また、ｐ型のＧａＮのドーパントとして、例えばＭｇを用いることができる。また、このｐクラッド層１３の積層後、ｐ型ドーパンドを活性化するべくアニールを行ってもよい。また、ｎクラッド層１１、発光層１２及びｐクラッド層１３を構成するＧａＮやＩｎｘＧａ１−ｘＮに、Ａｌなどの他の元素が含まれていてもよい。
【００４１】
次に、図１（ｄ）に示すように、半導体積層構造１１〜１３の上面（ｐクラッド層１３の上面）に、発光層１２が出射する光に対して透明であるとともに導電性を有する透明電極１４を形成する。この透明電極１４は、例えば酸化インジウムスズ（Indium Tin Oxide：ＩＴＯ）から成り、例えばスパッタなどによって形成される。
【００４２】
次に、図１（ｅ）に示すように、透明電極１４の上面に、発光層１２が出射する光に対して透明であり透明電極１４よりも屈折率が高い透明高屈折率膜１５を形成する。この透明高屈折率膜１５は、例えば酸化チタン（ＴｉＯ２）から成り、例えばスパッタなどによって形成される。
【００４３】
透明高屈折率膜１５は、透明電極１４から離れるに従い、連続的または段階的に屈折率が低くなるように形成する。ただし、透明高屈折率膜１５は、透明電極１４からの距離にかかわらず構成元素が同一になるようにする。
【００４４】
このような透明高屈折率膜１５の形成方法の一例について、図４及び図５を参照して説明する。図４は、透明高屈折率膜の屈折率と成膜時の基板温度との関係を示すグラフであり、図５は、透明高屈折率膜の透過率と成膜時の基板温度との関係を示すグラフである。
【００４５】
図４に示すように、透明高屈折率膜１５を成す酸化チタンは、成膜時の基板温度（下地の温度）を低くするほど、屈折率が低くなる。そのため、透明高屈折率膜１５の成膜の進行に応じて基板温度を徐々に下げることで、上述の特性を有する透明高屈折率膜１５を形成することができる。具体的に例えば、成膜の開始時の基板温度を３００℃、終了時の基板温度を１００℃にすると、透明電極１４側の屈折率が略２．４であり、その反対側の屈折率が略２．２となる透明高屈折率膜１５を形成することができる。
【００４６】
また、図５に示すように、透明高屈折率膜１５を成す酸化チタンは、成膜時の基板温度の変動に応じて透過率が変動するが、その変動量は小さくなる。そのため、透明高屈折率膜１５の成膜時の基板温度を変動させると、透過率の変動を抑制しながら屈折率を変動させることができる。したがって、透過率の低下に伴う光取り出し効率の低下を、抑制することが可能になる。ただし、当然ながら、透明高屈折率膜１５の透過率が高いほど、光の取り出し効率を高めることができる。そのため、詳細については後述するが、透明高屈折率膜１５の透過率を無用に低下させないようにすると、好ましい。
【００４７】
次に、図２（ａ）に示すように、透明高屈折率膜１５の上面を、凹凸状に加工する。例えば、基板１０の上面を凹凸状に加工した場合と同様に、凹部を形成すべき部分を除いて透明高屈折率膜１５の表面上にレジストを形成し、ＩＣＰ等のエッチングを行うことで、凹凸を形成する。なお、エッチングで使用したレジストは、当該エッチングの後に除去する。
【００４８】
本例の半導体発光素子の製造方法では、後の工程で、透明電極１４上にｐ電極１６を形成し、ｎクラッド層１１上にｎ電極１７を形成する。そのため、ｐ電極１６を形成する領域Ｐについては透明電極１４を露出させ、ｎ電極１７を形成する領域Ｎについてはｎクラッド層１１を露出させる必要がある。即ち、ｐ電極１６を形成する領域Ｐについては、透明高屈折率膜１５を除去し、ｎ電極１７を形成する領域Ｎについては、透明高屈折率膜１５と、透明電極１４と、ｐクラッド層１３と、発光層１２と、ｎクラッド層１１の一部と、を除去する必要がある。
【００４９】
そこで、まず図２（ｂ）に示すように、透明高屈折率膜１５について、ｐ電極１６を形成する領域Ｐに該当する部分と、ｎ電極１７を形成する領域Ｎに該当する部分と、のそれぞれを除去する。次に、図２（ｃ）に示すように、透明電極１４と、ｐクラッド層１３と、発光層１２と、ｎクラッド層１１とのそれぞれについて、ｎ電極１７を形成する領域Ｎに該当する部分を除去する。ただし、ｎクラッド層１１については、ｎ電極１７を形成する領域Ｎに該当する部分を完全には除去せず、一部を残す。
【００５０】
例えば、透明電極１４は、王水等によるエッチングによって除去することができる。さらに例えば、透明高屈折率膜１５やｐクラッド層１３、発光層１２及びｎクラッド層１１は、ＩＣＰ等のエッチングによって除去することができる。ただし、これらのエッチングを行う場合、除去すべき部分を除いてレジストを形成する必要がある。なお、それぞれのエッチングで使用したそれぞれのレジストは、それぞれのエッチングの終了後に除去する。
【００５１】
次に、図２（ｄ）に示すように、透明電極１４を露出させた部分（領域Ｐ）にｐ電極１６を形成し、ｎクラッド層１１を露出させた部分（領域Ｎ）にｎ電極１７を形成する。ｐ電極１６及びｎ電極１７は、単一の金属の層としてもよいし、複数の金属の層を組み合わせたものとしてもよい。後者の場合、例えば、透明電極１４上またはｎクラッド層１１上に形成されＮｉから成る第１Ｎｉ膜と、第１Ｎｉ膜上に形成されＡｌから成るＡｌ膜と、Ａｌ膜上に形成されＮｉから成る第２Ｎｉ膜と、第２Ｎｉ膜上に形成されＰｔから成るＰｔ膜と、Ｐｔ膜上に形成されＡｕから成るＡｕ膜と、Ａｕ膜上に形成されＮｉから成る第３Ｎｉ膜と、から成るものとしてもよい。
【００５２】
この場合、第１Ｎｉ膜は、透明電極１４及びｎクラッド層１１のそれぞれとオーミック接触し得る。また、Ａｌ膜やＰｔ膜は、発光層１２が出射する光の少なくとも一部を反射し得る。また、第２Ｎｉ膜は、Ａｌ膜及びＰｔ膜を強固に結びつけ得る。また、Ａｕ膜及び第３Ｎｉ膜は、電力を供給する外部の電源装置と電気的に接続するためのワイヤ等と、電気的及び物理的に接続し得る。
【００５３】
ｐ電極１６及びｎ電極１７は、例えば、ｐ電極１６を形成する領域Ｐ及びｎ電極１７を形成する領域Ｎのそれぞれを除いてレジストを形成し、蒸着等によって電極１６，１７を成す膜を形成した後に当該レジストをリフトオフすることで、同時に形成することができる。
【００５４】
そして、図３に示すように、透明高屈折率膜１５の上面と、ｎ電極１７を形成するために露出させた部分の側面及び底面に、酸化シリコン（ＳｉＯ２）から成る保護膜１８を形成する。また、図３に示すように、ｐ電極１６及びｎ電極１７の上面の一部（端部）や側面にも、保護膜１８が形成され得る。また、後述する分割工程において、分割溝を形成する位置には、保護膜１８が形成されないようにすると、好ましい。
【００５５】
保護膜１８は、例えばプラズマＣＶＤ等により酸化シリコンを全面的に形成した後、除去すべき部分を除いてレジストを形成し、フッ酸等のエッチャントを用いて当該部分の酸化シリコンを除去することで、形成することができる。なお、エッチングで使用したレジストは、エッチングの終了後に除去する。
【００５６】
以上の工程によって、半導体発光素子１が形成される。ただし、この段階ではウエハの状態（基板１０及びｎクラッド層１１が共通となり、複数の半導体発光素子１が一体となっている状態）であるため、必要に応じてチップへの分割を行う。この分割は、半導体発光素子１を単位として行われ、１つのチップには少なくとも１つの半導体発光素子１が含まれる。
【００５７】
具体的に例えば、まずｎクラッド層１１に分割溝を形成する。この分割溝は、分割溝を形成すべき部分を除いてレジストを形成し、ＩＣＰ等のエッチングを行うことで、形成することができる。なお、エッチングで使用したレジストは、エッチングの終了後に除去する。次に、基板１０の凹凸が形成されていない方の面（以下、裏面とする）を、研磨等によって薄くする。そして、当該基板１０の裏面に対して、レーザスクライブ等によってスクライブ溝を形成する。このとき、基板１０におけるスクライブ溝を、ｎクラッド層１１における分割溝と対向する位置に形成する。そして、例えば基板１０の裏面側に形成されたスクライブ溝に刃を押し当てることで、スクライブ溝と分割溝との間が割れ、ウエハがチップに分割される。チップ化された半導体発光素子１は、例えばワイヤボンディングにより実装され、外部の電源装置と電気的に接続される。
【００５８】
＜半導体発光素子の動作＞
上述の半導体発光素子１に対して、ｐ電極１６及びｎ電極１７から電力を供給すると、発光層１２が光を出射する。発光層１２が出射する光は、基板１０側と、透明高屈折率膜１５側と、にそれぞれ向かう。ただし、基板１０側に向かう光の少なくとも一部は、凹凸状の基板１０の表面で反射されて、透明高屈折率膜１５側に向かう。
【００５９】
透明高屈折率膜１５側に向かう光は、透明電極１４、透明高屈折率膜１５及び保護膜１８を通過して外部に出射される。本例の半導体発光素子１では、透明電極１４、透明高屈折率膜１５及び保護膜１８を光が通過する際の全反射を抑制することで、光の取り出し効率を向上させる。これについて、以下図面を参照して具体的に説明する。図６は、透明電極、透明高屈折率膜及び保護膜と光の進行状態とを示す断面図である。なお、図示の都合上、断面を示すハッチングは省略している。
【００６０】
図６に示すように、本例の半導体発光素子１では、透明電極１４の屈折率が１．９、保護膜１８の屈折率が１．５となっている。また、透明高屈折率膜１５の屈折率は、透明電極１４側が２．４、凹部の底１５ｂが２．２、凸部の先端１５ｔが２．２となっており、透明電極１４から離れるに従い連続的または段階的に低くなるように変動しているものとする。また、以下では説明の具体化のため、凹部の底１５ｂと凸部の先端１５ｔとが平行であり、凸部の側壁１５ｓが凹部の底１５ｂ及び凸部の先端１５ｔに対して垂直である場合について例示する。
【００６１】
透明電極１４から透明高屈折率膜１５に光が入射する界面では、光の入射先の屈折率が光の入射元の屈折率よりも高くなるため、全反射は生じない。一方、透明高屈折率膜１５から保護膜１８に光が入射する界面では、光の入射先の屈折率が光の入射元の屈折率よりも低くなるため、全反射が生じ得る。具体的には、透明高屈折率膜１５から保護膜１８に光が入射する界面の臨界角θ１よりも入射角が大きい光が、当該界面で全反射する。なお、本例の半導体発光素子１では、臨界角θ１が４３°になる（上記式（１）参照）。
【００６２】
ただし、上述のように本例の半導体発光素子１では、透明高屈折率膜１５の上面を凹凸状にしている。そのため、Ａ１及びＡ２の光のように、凹部の底１５ｂや凸部の先端１５ｔに対しては入射角が臨界角θ１よりも大きくなる（即ち、全反射する）が、凸部の側壁１５ｓに対しては入射角が臨界角θ１よりも小さくなる（即ち、全反射しない）ものが生じ得る。
【００６３】
これについて、凹部の底１５ｂ及び凸部の先端１５ｔに対して垂直な方向（図中の上下方向）を基準（０°）として光の角度を規定し、具体的に説明する。まず、上述のように、角度が臨界角θ１（４３°）以下となる光は、凹部の底１５ｂや凸部の先端１５ｔで全反射せず、これらを通過する。一方、Ａ１のように、臨界角θ１よりも大きい角度となる光は、凹部の底１５ｂや凸部の先端１５ｔで全反射する。ただし、Ａ２のように、当該光の角度が９０°−θ１（＝４７°）以上である場合、凸部の側壁１５ｓにおいては光の入射角が臨界角θ１以下となるため、凸部の側壁１５ｓで全反射せず、これを通過する。
【００６４】
即ち、本例の半導体発光素子１では、θ１以下または９０°−θ１以上の角度となる光について、全反射を抑制して界面を通過させることが可能になる。したがって、本例の半導体発光素子１では、光の取り出し効率を向上させることができる。なお、凹部の底１５ｂ及び凸部の先端１５ｔと凸部の側壁１５ｓとは、垂直以外の角度であってもよい。
【００６５】
また、本例の半導体発光素子１に対する比較例として、透明高屈折率膜１５の上面が凹凸状であるが、透明高屈折率膜１５の屈折率が上述した例のように変動せず、２．４の一定値である場合について想定する。この比較例では、透明高屈折率膜１５から保護膜１８に光が入射する界面の臨界角が、３８．７°になる（上記式（１）参照）。即ち、比較例において全反射が抑制される光の角度は、３８．７°以下または５１．３°以上となる。したがって、本例の半導体発光素子１の方が、比較例よりも、全反射が抑制される光の角度を８．６°も広げることができる。
【００６６】
以上のように、本例の半導体発光素子１では、透明電極１４の屈折率よりも、透明高屈折率膜１５の屈折率が高くなる。そのため、透明電極１４から透明高屈折率膜１５に光が入射する界面において、全反射を抑制することが可能になる。また、透明高屈折率膜１５の屈折率は、前記透明電極から離れるに従い低くなる。そのため、透明高屈折率膜から外部、例えば空気中に光を出射する界面の臨界角を大きくして、当該界面における全反射を抑制することが可能になる。
【００６７】
さらに、透明高屈折率膜１５は、同一の構成元素から成る。そのため、透明高屈折率膜１５の成膜条件の制御が容易になり、再現性良く透明高屈折率膜１５を作製することが可能になる。また、透明高屈折率膜１５の作製にかかるコストを、低くすることができる。
【００６８】
したがって、本例の半導体発光素子１では、光が入射する界面の全反射を抑制することで、半導体発光素子の光の取り出し効率を向上させることが可能になる。さらに、本例の半導体発光素子１では、透明高屈折率膜１５ひいては半導体発光素子１を容易かつ再現性良く作製することが可能になる。
【００６９】
また、ｐ電極１６及びｎ電極１７にも光は入射するが、ｐ電極１６及びｎ電極１７が上述したＡｌ膜等を備えていれば、ｐ電極１６及びｎ電極１７に入射する光が反射されるため、ｐ電極１６及びｎ電極１７による光の吸収を抑制することができる。そのため、半導体発光素子１の光の取り出し効率を、向上させることができる。
【００７０】
＜変形等＞
なお、透明高屈折率膜１５の膜厚を、５０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下にすると、透明電極１４から透明高屈折率膜１５に光を効果的に取り出すとともに、透明高屈折率膜１５による光の減衰を効果的に抑制することが可能になるため、好ましい。また、透明高屈折率膜１５の屈折率を２．１以上にすると、透明電極１４から透明高屈折率膜１５に光が入射する際に全反射が生じることを、効果的に抑制することが可能になるため、好ましい。
【００７１】
また、透明高屈折率膜１５の成膜時の基板温度を制御することで、透明高屈折率膜１５の屈折率を制御する方法について例示したが、基板温度以外の成膜条件を制御してもよい。ただし、基板温度を制御する場合、上述のように透明高屈折率膜１５の透過率の低下を抑制することができるため、好ましい。
【００７２】
また、透明高屈折率膜１５を設けず、透明電極１４を凹凸状に加工する態様も想定され得る。しかしながら、透明電極１４の加工が難しいことや、透明電極１４の膜厚を変動させることによる半導体発光素子の動作の不具合等を考慮すると、上述の半導体発光素子１のように、透明高屈折率膜１５を設ける構成とした方が好ましい。そして、透明高屈折率膜１５を設けることで、透明高屈折率膜１５から保護膜１８に光が入射する界面の臨界角が大きくなり得るが、上述のように透明高屈折率膜１５の屈折率を制御し、透明高屈折率膜１５の上面を凹凸状に加工することで、当該界面を通過する光を増大させ、光の取り出し効率を向上することが可能になる。
【産業上の利用可能性】
【００７３】
本発明に係る半導体発光素子やその製造方法は、照明装置等に搭載されるＬＥＤ等に、好適に利用され得る。
【符号の説明】
【００７４】
１ ： 半導体発光素子
１０ ： 基板
１１ ： ｎクラッド層
１２ ： 発光層
１３ ： ｐクラッド層
１４ ： 透明電極
１５ ： 透明高屈折率膜
１６ ： ｐ電極
１７ ： ｎ電極
１８ ： 保護膜
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光ダイオード（Light Emitting Diode：ＬＥＤ）などに代表される半導体発光素子や、その製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＬＥＤなどに代表される半導体発光素子は、低消費電力や、小型、高輝度、長寿命などの利点があるため、近年様々な用途で利用されている。例えば、消費電力の大きい白熱灯の代替として、照明装置に利用されるようになってきている。
【０００３】
半導体発光素子は、光を出射する発光層など、複数の層が積層されて成る。そのため、例えばＬＥＤなどでは、発光層から出射される光を、いくつかの層を通過させて外部に取り出す必要がある。しかしながら、光がこれらの層の界面を通過する際に減衰し、最終的な光の取り出し効率が低下し得るため、問題となる。この問題について、図面を参照して説明する。図７は、透明電極及び保護膜と光の進行状態とを示す断面図である。なお、図示の都合上、断面を示すハッチングは省略している。
【０００４】
図７は、絶対屈折率（以下、単に屈折率と称する）が１．９の酸化インジウムスズ（Indium Tin Oxide：ＩＴＯ）から成る透明電極１０１から、屈折率が１．５の酸化シリコン（ＳｉＯ２）から成る保護膜１０２に光が入射する場合を例示したものである。図７に示す例では、光の入射先である保護膜１０２の屈折率が、光の入射元である透明電極１０１の屈折率よりも、小さくなっている。そのため、透明電極１０１から保護膜１０２に光が入射する界面において、全反射が生じ得る。
【０００５】
全反射は、入射角が臨界角θｃよりも大きい光において生じる。例えば、図７のＸのように、入射角が臨界角θｃ以下の光は、界面で屈折するものの、保護膜１０２内に入射する。一方、図７のＹのように、入射角が臨界角θｃよりも大きい光は、界面で全反射するため、保護膜１０２内には入射しない。
【０００６】
また、臨界角θｃは、入射元の屈折率ｎ１と入射先の屈折率ｎ２との比に応じて、下記式（１）のように決まる。例えば、図７に示した透明電極１０１から保護膜１０２に光が入射する界面の臨界角は、５２．１°となる。
【０００７】
θｃ＝ａｒｃｓｉｎ（ｎ２／ｎ１） ・・・（１）
【０００８】
上記式（１）に示したように、入射先の屈折率ｎ２が入射元の屈折率ｎ１よりも相対的に小さくなるほど、臨界角θｃが小さくなる。そして、臨界角θｃが小さくなると、界面で全反射する光の割合が増大するため、光の取り出し効率が低下する。
【０００９】
そこで、例えば特許文献１では、透明電極上に、当該透明電極よりも屈折率が小さい突起を設けた半導体発光素子が、提案されている。この半導体発光素子では、突起の構成元素および組成比を透明電極からの距離に応じて変動させて、透明電極から離れるほど当該突起の屈折率が小さくなるようにすることで、突起内に入射した光が先端に向かうほど屈折するようにして、突起の側壁から光を取り出している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】米国特許２０１０／０１４８１９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、上記の半導体発光素子では、透明電極の屈折率よりも、突起の屈折率の方が小さいため、透明電極から突起に光が入射する際に全反射が生じる。そのため、光の取り出し効率を十分に向上させることができないため、問題となる。さらに、この半導体発光素子では、突起の構成元素および組成比を透明電極からの距離に応じて変動させる必要がある。そのため、突起の作製に必要な材料の種類が増えるとともに成膜条件の制御が困難になることで、突起を再現性良く作製することが困難になるとともにコストが高くなるため、問題となる。
【００１２】
本発明は、上記の問題点に鑑み、光の取り出し効率を向上させるとともに、容易かつ再現性良く製造可能な半導体発光素子やその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するため、本発明は、電力を供給することで発光する発光層を有した半導体積層構造と、
前記半導体積層構造の上面に形成され、前記発光層が出射する光に対して透明であり導電性を有する透明電極と、
前記透明電極の上面に形成され、前記発光層が出射する光に対して透明であり前記透明電極よりも屈折率が高い透明高屈折率膜と、を備え、
前記透明高屈折率膜は、前記透明電極から離れるに従い連続的または段階的に屈折率が低くなり、かつ、前記透明電極からの距離にかかわらず構成元素が同一であることを特徴とする半導体発光素子を提供する。
【００１４】
この場合、透明電極の屈折率よりも、透明高屈折率膜の屈折率が高くなる。そのため、透明電極から透明高屈折率膜に光が入射する界面において、全反射を抑制することが可能になる。また、透明高屈折率膜の屈折率は、前記透明電極から離れるに従い低くなる。そのため、透明高屈折率膜から外部、例えば空気中に光を出射する界面の臨界角を大きくして、当該界面における全反射を抑制することが可能になる。
【００１５】
さらにこの場合、透明高屈折率膜は、同一の構成元素から成る。そのため、透明高屈折率膜の成膜条件の制御が容易になり、再現性良く透明高屈折率膜を作製することが可能になる。また、透明高屈折率膜の作製にかかるコストを、低くすることができる。
【００１６】
さらに、上記特徴の半導体発光素子は、前記透明高屈折率膜の成膜条件が、前記透明電極からの距離に応じて異なっていると、好ましい。
【００１７】
この場合、透明高屈折率膜の成膜条件を制御することで、透明高屈折率膜の屈折率を制御することになる。そのため、透明高屈折率膜を容易かつ再現性良く作製することが可能になる。
【００１８】
さらに、上記特徴の半導体発光素子は、前記透明高屈折率膜を成膜する際の下地の温度が、前記透明電極から離れるほど低くなっていると、好ましい。
【００１９】
この場合、透明高屈折率膜の透過率の低下を抑制しながら、透明高屈折率膜の屈折率を低くすることができる。したがって、透過率の低下に伴う光取り出し効率の低下を、抑制することが可能になる。
【００２０】
さらに、上記特徴の半導体発光素子は、前記透明高屈折率膜の上面が、凹凸状であると、好ましい。
【００２１】
この場合、凹部の底や凸部の先端だけでなく、凸部の側壁からも光を取り出すことが可能になる。そのため、光の取り出し効率を、向上することが可能になる。
【００２２】
さらに、上記特徴の半導体発光素子は、少なくとも前記透明高屈折率膜の上面に形成され、前記透明高屈折率膜よりも屈折率が低い保護膜を、さらに備えてもよい。
【００２３】
この場合においても、透明高屈折率膜の屈折率は、前記透明電極から離れるに従い低くなるため、透明高屈折率膜から保護膜に光が入射する界面の臨界角を大きくして、当該界面における全反射を抑制することが可能になる。
【００２４】
さらに、上記特徴の半導体発光素子は、前記透明電極が酸化インジウムスズから成り、前記透明高屈折率膜が酸化チタンから成り、前記保護膜が酸化シリコンから成ってもよい。
【００２５】
また、上記特徴の半導体発光素子は、前記透明高屈折率膜の屈折率が、２．１以上であると、好ましい。
【００２６】
この場合、透明電極から透明高屈折率膜に光が入射する際に全反射が生じることを、効果的に抑制することが可能になる。
【００２７】
また、上記特徴の半導体発光素子は、前記透明高屈折率膜の膜厚は、５０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下であると、好ましい。
【００２８】
この場合、透明電極から透明高屈折率膜に光を効果的に取り出すとともに、透明高屈折率膜による光の減衰を効果的に抑制することが可能になる。
【００２９】
また、本発明は、電力を供給することで発光する発光層を有した半導体積層構造を形成する半導体積層構造形成ステップと、
前記半導体積層構造の上面に、前記発光層が出射する光に対して透明であり導電性を有する透明電極を形成する透明電極形成ステップと、
前記透明電極の上面に、前記発光層が出射する光に対して透明であり前記透明電極よりも屈折率が高い透明高屈折率膜を形成する透明高屈折率膜形成ステップと、を備え、
前記透明高屈折率膜形成ステップが、前記透明電極からの距離に応じて成膜条件を異ならせることで、前記透明電極から離れるに従い連続的または段階的に屈折率が低くなり、かつ、前記透明電極からの距離にかかわらず構成元素が同一である前記透明高屈折率膜を形成するものであることを特徴とする半導体発光素子の製造方法を提供する。
【００３０】
この場合、透明電極の屈折率よりも、透明高屈折率膜の屈折率が高くなる。そのため、透明電極から透明高屈折率膜に光が入射する界面において、全反射を抑制することが可能になる。また、透明高屈折率膜の屈折率は、光の進行方向に沿って低くなる。そのため、透明高屈折率膜の屈折率を無用に低下させることなく、透明高屈折率膜から外部に光を出射する界面の臨界角を大きくして、当該界面における全反射を抑制することが可能になる。
【００３１】
さらにこの場合、透明高屈折率膜が同一の構成元素から成り、その成膜条件を制御することで、透明高屈折率膜の屈折率を制御することになる。そのため、成膜条件の制御が容易であるとともに、透明高屈折率膜を容易かつ再現性良く作製することが可能になる。また、透明高屈折率膜の作製にかかるコストを、低くすることができる。
【００３２】
さらに、上記特徴の半導体発光素子の製造方法は、前記透明高屈折率膜形成ステップが、前記透明高屈折率膜を成膜する際の下地の温度を、前記透明電極から離れるほど低くするものであると、好ましい。
【００３３】
この場合、透明高屈折率膜の透過率の低下を抑制しながら、透明高屈折率膜の屈折率を低くすることができる。したがって、透過率の低下に伴う光取り出し効率の低下を、抑制することが可能になる。
【発明の効果】
【００３４】
上記特徴の半導体発光素子やその製造方法によれば、光が入射する界面の全反射を抑制することで、半導体発光素子の光の取り出し効率を向上させることが可能になる。さらに、上記特徴の半導体発光素子やその製造方法によれば、透明高屈折率膜ひいては半導体発光素子を容易かつ再現性良く作製することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法の一例を示す断面図。
【図２】本発明の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法の一例を示す断面図。
【図３】本発明の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法の一例を示す断面図。
【図４】透明高屈折率膜の屈折率と成膜時の基板温度との関係を示すグラフ。
【図５】透明高屈折率膜の透過率と成膜時の基板温度との関係を示すグラフ。
【図６】透明電極、透明高屈折率膜及び保護膜と光の進行状態とを示す断面図。
【図７】透明電極及び保護膜と光の進行状態とを示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
以下、本発明の実施形態として、窒化ガリウム（ＧａＮ）系のＬＥＤを例示する。ただし、本発明を適用可能な半導体発光素子は、当該ＬＥＤに限られるものではない。
【００３７】
＜半導体発光素子の製造方法＞
最初に、本発明の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法の一例について、図面を参照して説明する。図１〜図３は、本発明の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法の一例を示す断面図である。また、図１（ａ）、図１（ｂ）、図１（ｃ）、図１（ｄ）、図１（ｅ）、図２（ａ）、図２（ｂ）、図２（ｃ）、図２（ｄ）、図３の順番で、半導体発光素子の製造工程の進行を示している。
【００３８】
最初に、図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すように、サファイアなどから成る基板１０の上面を、凹凸状に加工する。例えば、このような凹凸は、凹部（溝）を形成すべき部分を除いて基板１０の表面上にレジストを形成し、ＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma）等のエッチングを行うことで、形成することができる。なお、エッチングで使用したレジストは、当該エッチングの後に除去する。
【００３９】
次に、図１（ｃ）に示すように、凹凸状とした基板１０の上面に、半導体積層構造１１〜１３を形成する。具体的に例えば、凹凸状とした基板１０の上面に、ｎ型のＧａＮから成るｎクラッド層１１、ＧａＮから成る障壁層とＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）から成る井戸層とが交互に積層されるとともに最初及び最後の層が障壁層となる多重量子井戸構造を備えた発光層（活性層）１２、ｐ型のＧａＮから成るｐクラッド層１３を、この順番で積層する。
【００４０】
ｎクラッド層１１、発光層１２及びｐクラッド層１３は、例えばＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）などによって積層することができる。また、ｎ型のＧａＮのドーパントとして、例えばＳｉを用いることができる。また、ｐ型のＧａＮのドーパントとして、例えばＭｇを用いることができる。また、このｐクラッド層１３の積層後、ｐ型ドーパンドを活性化するべくアニールを行ってもよい。また、ｎクラッド層１１、発光層１２及びｐクラッド層１３を構成するＧａＮやＩｎｘＧａ１−ｘＮに、Ａｌなどの他の元素が含まれていてもよい。
【００４１】
次に、図１（ｄ）に示すように、半導体積層構造１１〜１３の上面（ｐクラッド層１３の上面）に、発光層１２が出射する光に対して透明であるとともに導電性を有する透明電極１４を形成する。この透明電極１４は、例えば酸化インジウムスズ（Indium Tin Oxide：ＩＴＯ）から成り、例えばスパッタなどによって形成される。
【００４２】
次に、図１（ｅ）に示すように、透明電極１４の上面に、発光層１２が出射する光に対して透明であり透明電極１４よりも屈折率が高い透明高屈折率膜１５を形成する。この透明高屈折率膜１５は、例えば酸化チタン（ＴｉＯ２）から成り、例えばスパッタなどによって形成される。
【００４３】
透明高屈折率膜１５は、透明電極１４から離れるに従い、連続的または段階的に屈折率が低くなるように形成する。ただし、透明高屈折率膜１５は、透明電極１４からの距離にかかわらず構成元素が同一になるようにする。
【００４４】
このような透明高屈折率膜１５の形成方法の一例について、図４及び図５を参照して説明する。図４は、透明高屈折率膜の屈折率と成膜時の基板温度との関係を示すグラフであり、図５は、透明高屈折率膜の透過率と成膜時の基板温度との関係を示すグラフである。
【００４５】
図４に示すように、透明高屈折率膜１５を成す酸化チタンは、成膜時の基板温度（下地の温度）を低くするほど、屈折率が低くなる。そのため、透明高屈折率膜１５の成膜の進行に応じて基板温度を徐々に下げることで、上述の特性を有する透明高屈折率膜１５を形成することができる。具体的に例えば、成膜の開始時の基板温度を３００℃、終了時の基板温度を１００℃にすると、透明電極１４側の屈折率が略２．４であり、その反対側の屈折率が略２．２となる透明高屈折率膜１５を形成することができる。
【００４６】
また、図５に示すように、透明高屈折率膜１５を成す酸化チタンは、成膜時の基板温度の変動に応じて透過率が変動するが、その変動量は小さくなる。そのため、透明高屈折率膜１５の成膜時の基板温度を変動させると、透過率の変動を抑制しながら屈折率を変動させることができる。したがって、透過率の低下に伴う光取り出し効率の低下を、抑制することが可能になる。ただし、当然ながら、透明高屈折率膜１５の透過率が高いほど、光の取り出し効率を高めることができる。そのため、詳細については後述するが、透明高屈折率膜１５の透過率を無用に低下させないようにすると、好ましい。
【００４７】
次に、図２（ａ）に示すように、透明高屈折率膜１５の上面を、凹凸状に加工する。例えば、基板１０の上面を凹凸状に加工した場合と同様に、凹部を形成すべき部分を除いて透明高屈折率膜１５の表面上にレジストを形成し、ＩＣＰ等のエッチングを行うことで、凹凸を形成する。なお、エッチングで使用したレジストは、当該エッチングの後に除去する。
【００４８】
本例の半導体発光素子の製造方法では、後の工程で、透明電極１４上にｐ電極１６を形成し、ｎクラッド層１１上にｎ電極１７を形成する。そのため、ｐ電極１６を形成する領域Ｐについては透明電極１４を露出させ、ｎ電極１７を形成する領域Ｎについてはｎクラッド層１１を露出させる必要がある。即ち、ｐ電極１６を形成する領域Ｐについては、透明高屈折率膜１５を除去し、ｎ電極１７を形成する領域Ｎについては、透明高屈折率膜１５と、透明電極１４と、ｐクラッド層１３と、発光層１２と、ｎクラッド層１１の一部と、を除去する必要がある。
【００４９】
そこで、まず図２（ｂ）に示すように、透明高屈折率膜１５について、ｐ電極１６を形成する領域Ｐに該当する部分と、ｎ電極１７を形成する領域Ｎに該当する部分と、のそれぞれを除去する。次に、図２（ｃ）に示すように、透明電極１４と、ｐクラッド層１３と、発光層１２と、ｎクラッド層１１とのそれぞれについて、ｎ電極１７を形成する領域Ｎに該当する部分を除去する。ただし、ｎクラッド層１１については、ｎ電極１７を形成する領域Ｎに該当する部分を完全には除去せず、一部を残す。
【００５０】
例えば、透明電極１４は、王水等によるエッチングによって除去することができる。さらに例えば、透明高屈折率膜１５やｐクラッド層１３、発光層１２及びｎクラッド層１１は、ＩＣＰ等のエッチングによって除去することができる。ただし、これらのエッチングを行う場合、除去すべき部分を除いてレジストを形成する必要がある。なお、それぞれのエッチングで使用したそれぞれのレジストは、それぞれのエッチングの終了後に除去する。
【００５１】
次に、図２（ｄ）に示すように、透明電極１４を露出させた部分（領域Ｐ）にｐ電極１６を形成し、ｎクラッド層１１を露出させた部分（領域Ｎ）にｎ電極１７を形成する。ｐ電極１６及びｎ電極１７は、単一の金属の層としてもよいし、複数の金属の層を組み合わせたものとしてもよい。後者の場合、例えば、透明電極１４上またはｎクラッド層１１上に形成されＮｉから成る第１Ｎｉ膜と、第１Ｎｉ膜上に形成されＡｌから成るＡｌ膜と、Ａｌ膜上に形成されＮｉから成る第２Ｎｉ膜と、第２Ｎｉ膜上に形成されＰｔから成るＰｔ膜と、Ｐｔ膜上に形成されＡｕから成るＡｕ膜と、Ａｕ膜上に形成されＮｉから成る第３Ｎｉ膜と、から成るものとしてもよい。
【００５２】
この場合、第１Ｎｉ膜は、透明電極１４及びｎクラッド層１１のそれぞれとオーミック接触し得る。また、Ａｌ膜やＰｔ膜は、発光層１２が出射する光の少なくとも一部を反射し得る。また、第２Ｎｉ膜は、Ａｌ膜及びＰｔ膜を強固に結びつけ得る。また、Ａｕ膜及び第３Ｎｉ膜は、電力を供給する外部の電源装置と電気的に接続するためのワイヤ等と、電気的及び物理的に接続し得る。
【００５３】
ｐ電極１６及びｎ電極１７は、例えば、ｐ電極１６を形成する領域Ｐ及びｎ電極１７を形成する領域Ｎのそれぞれを除いてレジストを形成し、蒸着等によって電極１６，１７を成す膜を形成した後に当該レジストをリフトオフすることで、同時に形成することができる。
【００５４】
そして、図３に示すように、透明高屈折率膜１５の上面と、ｎ電極１７を形成するために露出させた部分の側面及び底面に、酸化シリコン（ＳｉＯ２）から成る保護膜１８を形成する。また、図３に示すように、ｐ電極１６及びｎ電極１７の上面の一部（端部）や側面にも、保護膜１８が形成され得る。また、後述する分割工程において、分割溝を形成する位置には、保護膜１８が形成されないようにすると、好ましい。
【００５５】
保護膜１８は、例えばプラズマＣＶＤ等により酸化シリコンを全面的に形成した後、除去すべき部分を除いてレジストを形成し、フッ酸等のエッチャントを用いて当該部分の酸化シリコンを除去することで、形成することができる。なお、エッチングで使用したレジストは、エッチングの終了後に除去する。
【００５６】
以上の工程によって、半導体発光素子１が形成される。ただし、この段階ではウエハの状態（基板１０及びｎクラッド層１１が共通となり、複数の半導体発光素子１が一体となっている状態）であるため、必要に応じてチップへの分割を行う。この分割は、半導体発光素子１を単位として行われ、１つのチップには少なくとも１つの半導体発光素子１が含まれる。
【００５７】
具体的に例えば、まずｎクラッド層１１に分割溝を形成する。この分割溝は、分割溝を形成すべき部分を除いてレジストを形成し、ＩＣＰ等のエッチングを行うことで、形成することができる。なお、エッチングで使用したレジストは、エッチングの終了後に除去する。次に、基板１０の凹凸が形成されていない方の面（以下、裏面とする）を、研磨等によって薄くする。そして、当該基板１０の裏面に対して、レーザスクライブ等によってスクライブ溝を形成する。このとき、基板１０におけるスクライブ溝を、ｎクラッド層１１における分割溝と対向する位置に形成する。そして、例えば基板１０の裏面側に形成されたスクライブ溝に刃を押し当てることで、スクライブ溝と分割溝との間が割れ、ウエハがチップに分割される。チップ化された半導体発光素子１は、例えばワイヤボンディングにより実装され、外部の電源装置と電気的に接続される。
【００５８】
＜半導体発光素子の動作＞
上述の半導体発光素子１に対して、ｐ電極１６及びｎ電極１７から電力を供給すると、発光層１２が光を出射する。発光層１２が出射する光は、基板１０側と、透明高屈折率膜１５側と、にそれぞれ向かう。ただし、基板１０側に向かう光の少なくとも一部は、凹凸状の基板１０の表面で反射されて、透明高屈折率膜１５側に向かう。
【００５９】
透明高屈折率膜１５側に向かう光は、透明電極１４、透明高屈折率膜１５及び保護膜１８を通過して外部に出射される。本例の半導体発光素子１では、透明電極１４、透明高屈折率膜１５及び保護膜１８を光が通過する際の全反射を抑制することで、光の取り出し効率を向上させる。これについて、以下図面を参照して具体的に説明する。図６は、透明電極、透明高屈折率膜及び保護膜と光の進行状態とを示す断面図である。なお、図示の都合上、断面を示すハッチングは省略している。
【００６０】
図６に示すように、本例の半導体発光素子１では、透明電極１４の屈折率が１．９、保護膜１８の屈折率が１．５となっている。また、透明高屈折率膜１５の屈折率は、透明電極１４側が２．４、凹部の底１５ｂが２．２、凸部の先端１５ｔが２．２となっており、透明電極１４から離れるに従い連続的または段階的に低くなるように変動しているものとする。また、以下では説明の具体化のため、凹部の底１５ｂと凸部の先端１５ｔとが平行であり、凸部の側壁１５ｓが凹部の底１５ｂ及び凸部の先端１５ｔに対して垂直である場合について例示する。
【００６１】
透明電極１４から透明高屈折率膜１５に光が入射する界面では、光の入射先の屈折率が光の入射元の屈折率よりも高くなるため、全反射は生じない。一方、透明高屈折率膜１５から保護膜１８に光が入射する界面では、光の入射先の屈折率が光の入射元の屈折率よりも低くなるため、全反射が生じ得る。具体的には、透明高屈折率膜１５から保護膜１８に光が入射する界面の臨界角θ１よりも入射角が大きい光が、当該界面で全反射する。なお、本例の半導体発光素子１では、臨界角θ１が４３°になる（上記式（１）参照）。
【００６２】
ただし、上述のように本例の半導体発光素子１では、透明高屈折率膜１５の上面を凹凸状にしている。そのため、Ａ１及びＡ２の光のように、凹部の底１５ｂや凸部の先端１５ｔに対しては入射角が臨界角θ１よりも大きくなる（即ち、全反射する）が、凸部の側壁１５ｓに対しては入射角が臨界角θ１よりも小さくなる（即ち、全反射しない）ものが生じ得る。
【００６３】
これについて、凹部の底１５ｂ及び凸部の先端１５ｔに対して垂直な方向（図中の上下方向）を基準（０°）として光の角度を規定し、具体的に説明する。まず、上述のように、角度が臨界角θ１（４３°）以下となる光は、凹部の底１５ｂや凸部の先端１５ｔで全反射せず、これらを通過する。一方、Ａ１のように、臨界角θ１よりも大きい角度となる光は、凹部の底１５ｂや凸部の先端１５ｔで全反射する。ただし、Ａ２のように、当該光の角度が９０°−θ１（＝４７°）以上である場合、凸部の側壁１５ｓにおいては光の入射角が臨界角θ１以下となるため、凸部の側壁１５ｓで全反射せず、これを通過する。
【００６４】
即ち、本例の半導体発光素子１では、θ１以下または９０°−θ１以上の角度となる光について、全反射を抑制して界面を通過させることが可能になる。したがって、本例の半導体発光素子１では、光の取り出し効率を向上させることができる。なお、凹部の底１５ｂ及び凸部の先端１５ｔと凸部の側壁１５ｓとは、垂直以外の角度であってもよい。
【００６５】
また、本例の半導体発光素子１に対する比較例として、透明高屈折率膜１５の上面が凹凸状であるが、透明高屈折率膜１５の屈折率が上述した例のように変動せず、２．４の一定値である場合について想定する。この比較例では、透明高屈折率膜１５から保護膜１８に光が入射する界面の臨界角が、３８．７°になる（上記式（１）参照）。即ち、比較例において全反射が抑制される光の角度は、３８．７°以下または５１．３°以上となる。したがって、本例の半導体発光素子１の方が、比較例よりも、全反射が抑制される光の角度を８．６°も広げることができる。
【００６６】
以上のように、本例の半導体発光素子１では、透明電極１４の屈折率よりも、透明高屈折率膜１５の屈折率が高くなる。そのため、透明電極１４から透明高屈折率膜１５に光が入射する界面において、全反射を抑制することが可能になる。また、透明高屈折率膜１５の屈折率は、前記透明電極から離れるに従い低くなる。そのため、透明高屈折率膜から外部、例えば空気中に光を出射する界面の臨界角を大きくして、当該界面における全反射を抑制することが可能になる。
【００６７】
さらに、透明高屈折率膜１５は、同一の構成元素から成る。そのため、透明高屈折率膜１５の成膜条件の制御が容易になり、再現性良く透明高屈折率膜１５を作製することが可能になる。また、透明高屈折率膜１５の作製にかかるコストを、低くすることができる。
【００６８】
したがって、本例の半導体発光素子１では、光が入射する界面の全反射を抑制することで、半導体発光素子の光の取り出し効率を向上させることが可能になる。さらに、本例の半導体発光素子１では、透明高屈折率膜１５ひいては半導体発光素子１を容易かつ再現性良く作製することが可能になる。
【００６９】
また、ｐ電極１６及びｎ電極１７にも光は入射するが、ｐ電極１６及びｎ電極１７が上述したＡｌ膜等を備えていれば、ｐ電極１６及びｎ電極１７に入射する光が反射されるため、ｐ電極１６及びｎ電極１７による光の吸収を抑制することができる。そのため、半導体発光素子１の光の取り出し効率を、向上させることができる。
【００７０】
＜変形等＞
なお、透明高屈折率膜１５の膜厚を、５０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下にすると、透明電極１４から透明高屈折率膜１５に光を効果的に取り出すとともに、透明高屈折率膜１５による光の減衰を効果的に抑制することが可能になるため、好ましい。また、透明高屈折率膜１５の屈折率を２．１以上にすると、透明電極１４から透明高屈折率膜１５に光が入射する際に全反射が生じることを、効果的に抑制することが可能になるため、好ましい。
【００７１】
また、透明高屈折率膜１５の成膜時の基板温度を制御することで、透明高屈折率膜１５の屈折率を制御する方法について例示したが、基板温度以外の成膜条件を制御してもよい。ただし、基板温度を制御する場合、上述のように透明高屈折率膜１５の透過率の低下を抑制することができるため、好ましい。
【００７２】
また、透明高屈折率膜１５を設けず、透明電極１４を凹凸状に加工する態様も想定され得る。しかしながら、透明電極１４の加工が難しいことや、透明電極１４の膜厚を変動させることによる半導体発光素子の動作の不具合等を考慮すると、上述の半導体発光素子１のように、透明高屈折率膜１５を設ける構成とした方が好ましい。そして、透明高屈折率膜１５を設けることで、透明高屈折率膜１５から保護膜１８に光が入射する界面の臨界角が大きくなり得るが、上述のように透明高屈折率膜１５の屈折率を制御し、透明高屈折率膜１５の上面を凹凸状に加工することで、当該界面を通過する光を増大させ、光の取り出し効率を向上することが可能になる。
【産業上の利用可能性】
【００７３】
本発明に係る半導体発光素子やその製造方法は、照明装置等に搭載されるＬＥＤ等に、好適に利用され得る。
【符号の説明】
【００７４】
１ ： 半導体発光素子
１０ ： 基板
１１ ： ｎクラッド層
１２ ： 発光層
１３ ： ｐクラッド層
１４ ： 透明電極
１５ ： 透明高屈折率膜
１６ ： ｐ電極
１７ ： ｎ電極
１８ ： 保護膜
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力を供給することで発光する発光層を有した半導体積層構造と、
前記半導体積層構造の上面に形成され、前記発光層が出射する光に対して透明であり導電性を有する透明電極と、
前記透明電極の上面に形成され、前記発光層が出射する光に対して透明であり前記透明電極よりも屈折率が高い透明高屈折率膜と、を備え、
前記透明高屈折率膜は、前記透明電極から離れるに従い連続的または段階的に屈折率が低くなり、かつ、前記透明電極からの距離にかかわらず構成元素が同一であることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
前記透明高屈折率膜の成膜条件が、前記透明電極からの距離に応じて異なっていることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記透明高屈折率膜を成膜する際の下地の温度が、前記透明電極から離れるほど低くなっていることを特徴とする請求項２に記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記透明高屈折率膜の上面が、凹凸状であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
【請求項５】
少なくとも前記透明高屈折率膜の上面に形成され、前記透明高屈折率膜よりも屈折率が低い保護膜を、さらに備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
【請求項６】
前記透明電極が酸化インジウムスズから成り、前記透明高屈折率膜が酸化チタンから成り、前記保護膜が酸化シリコンから成ることを特徴とする請求項５に記載の半導体発光素子。
【請求項７】
前記透明高屈折率膜の屈折率が、２．１以上であることを特徴とする請求項６に記載の半導体発光素子。
【請求項８】
前記透明高屈折率膜の膜厚は、５０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
【請求項９】
電力を供給することで発光する発光層を有した半導体積層構造を形成する半導体積層構造形成ステップと、
前記半導体積層構造の上面に、前記発光層が出射する光に対して透明であり導電性を有する透明電極を形成する透明電極形成ステップと、
前記透明電極の上面に、前記発光層が出射する光に対して透明であり前記透明電極よりも屈折率が高い透明高屈折率膜を形成する透明高屈折率膜形成ステップと、を備え、
前記透明高屈折率膜形成ステップが、前記透明電極からの距離に応じて成膜条件を異ならせることで、前記透明電極から離れるに従い連続的または段階的に屈折率が低くなり、かつ、前記透明電極からの距離にかかわらず構成元素が同一である前記透明高屈折率膜を形成するものであることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
【請求項１０】
前記透明高屈折率膜形成ステップが、前記透明高屈折率膜を成膜する際の下地の温度を、前記透明電極から離れるほど低くするものであることを特徴とする請求項９に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項１】
電力を供給することで発光する発光層を有した半導体積層構造と、
前記半導体積層構造の上面に形成され、前記発光層が出射する光に対して透明であり導電性を有する透明電極と、
前記透明電極の上面に形成され、前記発光層が出射する光に対して透明であり前記透明電極よりも屈折率が高い透明高屈折率膜と、を備え、
前記透明高屈折率膜は、前記透明電極から離れるに従い連続的または段階的に屈折率が低くなり、かつ、前記透明電極からの距離にかかわらず構成元素が同一であることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
前記透明高屈折率膜の成膜条件が、前記透明電極からの距離に応じて異なっていることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記透明高屈折率膜を成膜する際の下地の温度が、前記透明電極から離れるほど低くなっていることを特徴とする請求項２に記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記透明高屈折率膜の上面が、凹凸状であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
【請求項５】
少なくとも前記透明高屈折率膜の上面に形成され、前記透明高屈折率膜よりも屈折率が低い保護膜を、さらに備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
【請求項６】
前記透明電極が酸化インジウムスズから成り、前記透明高屈折率膜が酸化チタンから成り、前記保護膜が酸化シリコンから成ることを特徴とする請求項５に記載の半導体発光素子。
【請求項７】
前記透明高屈折率膜の屈折率が、２．１以上であることを特徴とする請求項６に記載の半導体発光素子。
【請求項８】
前記透明高屈折率膜の膜厚は、５０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
【請求項９】
電力を供給することで発光する発光層を有した半導体積層構造を形成する半導体積層構造形成ステップと、
前記半導体積層構造の上面に、前記発光層が出射する光に対して透明であり導電性を有する透明電極を形成する透明電極形成ステップと、
前記透明電極の上面に、前記発光層が出射する光に対して透明であり前記透明電極よりも屈折率が高い透明高屈折率膜を形成する透明高屈折率膜形成ステップと、を備え、
前記透明高屈折率膜形成ステップが、前記透明電極からの距離に応じて成膜条件を異ならせることで、前記透明電極から離れるに従い連続的または段階的に屈折率が低くなり、かつ、前記透明電極からの距離にかかわらず構成元素が同一である前記透明高屈折率膜を形成するものであることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
【請求項１０】
前記透明高屈折率膜形成ステップが、前記透明高屈折率膜を成膜する際の下地の温度を、前記透明電極から離れるほど低くするものであることを特徴とする請求項９に記載の半導体発光素子の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１３−８４７３９（Ｐ２０１３−８４７３９Ａ）
【公開日】平成２５年５月９日（２０１３．５．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２２３２６９（Ｐ２０１１−２２３２６９）
【出願日】平成２３年１０月７日（２０１１．１０．７）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月９日（２０１３．５．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月７日（２０１１．１０．７）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
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