基板、及び発光素子
【課題】発光素子の光取り出し効率を改善することができる基板、及び発光素子を提供する。
【解決手段】本発明に係る基板１は、入射又は出射する光の進行方向を変化させる凹凸を有する面を備える基板１であって、凹凸が、１次元若しくは２次元の一定方向に沿って周期的に面に設けられ、凹凸の頂上及び底部が、平坦な部分を有さない。
【解決手段】本発明に係る基板１は、入射又は出射する光の進行方向を変化させる凹凸を有する面を備える基板１であって、凹凸が、１次元若しくは２次元の一定方向に沿って周期的に面に設けられ、凹凸の頂上及び底部が、平坦な部分を有さない。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板、及び発光素子に関する。特に、本発明は、凹凸を有する基板、及び凹凸を有する発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、基板上に、基板とは材質の異なる複数のＧａＮ系半導体層と、ＧａＮ系半導体層の最上層に形成されたオーミック電極とを積層し、ＧａＮ系半導体層で発生した光をオーミック電極側又は基板側から取り出すようにした半導体発光素子において、基板の表面部分にはＧａＮ系半導体層で発生した光を散乱又は回折させる凸部が、λ／４（λは半導体発光素子の発光波長）以上の間隔、１０μｍ以下のピッチで繰り返しパターンに形成されており、その凸部の平面形状が大略三角形又は六角形であり、ＧａＮ系半導体層のＡ軸を構成辺とする正六角形を想定したときに凸部平面形状の構成辺がＡ軸を構成辺とする正六角形の中心と頂点を結ぶ線分に直交するように形成され、凸部の側面が傾斜しており、その側面のテーパ角が９０°より大きく、１５０°以下であり、基板表面の凸部は、凸部上面、凸部の形成されていない平坦面、及び凸部側面が連続したＧａＮ系半導体層によって埋められた半導体発光素子が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
特許文献１に記載の半導体発光素子は、高い外部量子効率を安定に確保することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４０５５５０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１に係る半導体発光素子においては、最良の場合で８０％程度の光取り出し効率であり、半導体発光素子の内部で発生した光のうち約２０％は外部に取り出されずに熱として失われる。この過程における２０％のロスは単なる発光効率の低下以上の影響を半導体発光素子に及ぼし得る。例えば、この過程で発生する熱により半導体発光素子の温度が上昇することにより内部量子効率が低下し、半導体発光素子の発光効率が２０％以上の割合で低下する場合がある。また、半導体発光素子自体の発熱は、半導体発光素子の周囲の樹脂からなる実装部材の特性を劣化させ得る。例えば、発光ダイオードを封止する封止材の光の透過率が熱の影響で徐々に低下し、発光効率が次第に低下し得る。
【０００６】
したがって、本発明の目的は、発光素子の光取り出し効率を改善することができる基板、及び発光素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上記目的を達成するため、入射又は出射する光の進行方向を変化させる凹凸を有する面を備える基板であって、凹凸の頂上及び底部が、平坦な部分を有さない基板が提供される。凹凸は、１次元若しくは２次元の一定方向に沿って周期的に面に設けられることが好ましい。
【０００８】
また、凸部の頂上と凹部の底部とは様々な形態にすることができるが、従来技術よりも高い光取出し効率を実現するためには、その形態に次の制限を加える必要がある。すなわち、表面の凹凸形状のうち、水平面から１０度以内の角度を有する領域を水平面に射影した面積が、水平面全体の３５％を超えないのが好ましく、２０％以下であるのが更に好ましい。ここで言う水平面とは、基板に凹凸を形成する前の基板表面に一致し、凸部頂上を結ぶ直線、あるいは全ての凹部の最低点を通る直線により表される面のことである。
【０００９】
また、本発明は、上記目的を達成するため、基板と、基板上に設けられ、発光層を有する化合物半導体積層構造とを備える発光素子であって、基板が、発光層が発する光に対して透明であり、基板と化合物半導体積層構造との界面に、上記の凹凸を有する発光素子が提供される。
【００１０】
また、本発明は、上記目的を達成するため、基板と、基板上に設けられ、発光層を有する化合物半導体積層構造とを備える発光素子であって、化合物半導体積層構造の表面に、上記の凹凸を有する発光素子が提供される。
【００１１】
また、本発明は、上記目的を達成するため、基板と、基板上に設けられ、発光層を有する化合物半導体積層構造とを備える発光素子であって、基板が、発光層が発する光に対して透明であり、基板の化合物半導体積層構造が設けられている側の反対側の面に、上記の凹凸を有する発光素子が提供される。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る基板、及び発光素子によれば、発光素子の光取り出し効率を改善することができる基板、及び発光素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る基板の断面図である。
【図２】実施例１において作製した青色発光ダイオードの断面構造を示す図である。
【図３】（ａ）及び（ｂ）は、比較例に係る発光ダイオードに用いた基板の断面の概要図である。
【図４】実施例１における、水平面からの傾きが１０度以内の領域の水平面への射影の面積が、水平面に占める割合と発光出力の関係を示す図である。
【図５】実施例１における、水平面からの傾きが１０度以内の領域の水平面への射影の面積が、水平面に占める割合と素子寿命の関係を示す図である。
【図６】実施例５において作製した青色発光ダイオードの断面構造を示す図である。
【図７】実施例６において作製した青色発光ダイオードの断面構造を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
［第１の実施の形態］
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る基板の断面の概要を示す。
【００１５】
本発明の第１の実施の形態に係る基板１は、入射又は出射する光の進行方向を変化させる凹凸を有する面を備える。ここで、凹凸は、１次元若しくは２次元の一定方向に沿って周期的に面に設けられており、凹凸の頂上と底部が、平坦な部分を実質的に有さない。例えば、図１に示すように、基板１は、断面視にて円弧上の凹部１０と、平坦な部分を有さない凸部１２とを備えて構成される。
【００１６】
ここで、第１の実施の形態における凹凸の繰り返し周期及び高さに応じ、発光層が発する光の進行方向は影響を受ける。本実施の形態では、凹凸の繰り返し周期を１００ｎｍ以上１０μｍ以下程度に制御することが好ましく、凹凸の頂上と底部の最低部との差を１００ｎｍ以上５μｍ以下程度に制御することが好ましい。
【００１７】
本実施の形態においては、凹部１０の底部は、断面視にて円弧上の断面を有する底面であるが、底面が平坦面でない限り、Ｖ字、△字、Ｗ字、Ｍ字状の曲面、又はこれらの曲面が合成された面にすることもできる。
【００１８】
また、本実施の形態においては、凸部１２の頂上は、断面視にて鋭角に尖った形状を有しているが、上記の底面の場合と同様に、平坦面でない限り、Ｖ字、△字、Ｗ字、Ｍ字状の曲面、又はこれらの曲面が合成された面にすることもできる。
【００１９】
上述の様に、本実施の形態においては凸部１２の頂上と凹部１０の底部とは様々な形態にすることができるが、従来技術よりも高い光取出し効率を実現することを目的として、これらの形態に次の制限を加えることを要する。すなわち、表面の凹凸形状のうち、水平面１００から１０度以内の角度を有する領域を水平面１００に射影した面積が、水平面全体の３５％を超えないように形成する。なお、本実施の形態において水平面１００とは、基板に凹凸を形成する前の基板表面に一致し、図１においては、全ての凸部１２の頂上を結ぶ直線、あるいは全ての凹部１０の最低点を通る直線により表される面のことである。
【００２０】
凹部１０及び凸部１２は、基板１表面において一方向に周期的に配列する構造であることが好ましい。また、凹部１０及び凸部１２は、２次元的に周期的に配列した島、又は穴であることがより好ましい。更に、当該２次元的な配列は、正三角格子、正方格子、正六角格子であることが好ましい。
【００２１】
凹部１０及び凸部１２は、基板１と半導体との界面、半導体の表面、及び／又は基板１の裏面に形成することができる。発光層が発する光に対して基板が透明である場合には、凹凸面を基板１と半導体との界面、半導体の表面、及び／又は基板１の裏面に形成すると、いずれの場合にも発光効率を増大することができる。
【００２２】
一方、発光層が発する光に対して基板が不透明な場合には、基板１の裏面に凹凸を形成しても、界面に凹凸を形成しても、基板により光が吸収されるため、光取出し効率の増大は期待できない。この場合には、半導体表面に凹凸を設けた場合にのみ、光取出し効率の増大が見込まれる。
【００２３】
なお、発光素子としては、ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｌＡｓ、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＡｌＧａＡｓＰ、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ、ＺｎＯ、ＺｎＳｅ、ＺｎＳ等の化合物半導体からなる半導体層を積層した化合物半導体積層構造を基板１上に形成することにより構成される。また、有機物半導体を用いた有機ＥＬ素子に基板１を用いることもできる。
【００２４】
基板１を構成する材料としては、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＳｎ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＺｎＯ、Ｓｉ、ＳｉＣ、Ｇｅ、サファイア、ガラス等を用いることができる。用いる基板１の面方位は、基板１を構成する材料が立方晶である場合、（００１）、（１１１）、（１１１）Ａ、（１１１）Ｂ、（１１０）等の低指数面を用いることが好ましい。なお、基板１を構成する材料が立方晶出る場合、面方位として、（２１１）、（３１１）、（４１１）、（７７５）等の高指数面を用いることもできる。
【００２５】
ここで、凹凸基板での面方位とは、上述した水平面と同意であり、図１においては、凸部１２の頂上を結ぶ直線、あるいは、凹部１０の最低部を結ぶ直線で表される面であり、凹凸を加工により形成する前の、元の基板表面のことを言う。
【００２６】
また、基板１を構成する材料が六方晶である場合、Ｃ面、Ｍ面、Ａ面、Ｒ面等を用いることができ、これらの面を組み合わせた高指数面を用いることもできる。
【００２７】
また、これらの立方晶及び六方晶基板の表面には、そこに凹凸が形成されている場合も、そうでない場合も、結晶成長により平坦な表面が形成された後に、その上に発光層が形成される。この結晶成長により形成される平坦な面は、元の基板の面方位とおおよそ同じ結晶方位を有する。一般的に、完全な指数面では表面のステップ密度が少なく平坦かつ均一な結晶が成長しにくいが、微傾斜面では高密度のステップが存在するため、平坦かつ均一な結晶が成長しやすい。このため、上記の立方晶及び六方晶の基板の面方位は、完全な指数面であっても良いが、指数面から０．１〜１０度程度傾いた微傾斜面であるのが更に好ましい。なお、微傾斜面である場合、微傾斜の方向は特定の結晶方位であってもよく、特定の結晶方位でなくてもよい。
【００２８】
基板１上に化合物半導体積層構造を形成する場合、化合物半導体積層構造は、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ法）、液相成長法（ＬＰＥ法）等のエピタキシー法、プラズマＣＶＤ、蒸着法等の堆積法、又はエピタキシー法と堆積法とを組み合わせた手法により形成することができる。
【００２９】
また、凹部１０及び凸部１２が形成される面が基板１の表面である場合、基板１上に形成される化合物半導体の積層構造は、凸部１２の最上部から横方向成長により成長させることができる。この場合において、凹部１０の底部と成長した半導体との間に空洞を形成することができる。なお、凹部１０及び凸部１２の間隔又は積層条件を調整して空洞を形成させないこともできる。更に、積層条件を適宜調整し、凹部１０及び凸部１２の表面に沿って半導体を形成することもできる。また、凸部１２の斜面部分のみから半導体層を成長させることもできる。なお、半導体の成長過程により、凸部１２の最上部や斜面に空洞が形成される場合もあるが、当該空洞はあってもなくてもよい。
【００３０】
基板１の表面、基板１の裏面、又は基板１上に設けられる半導体積層構造の表面に凹部１０及び凸部１２を有する凹凸面を形成する場合、以下の手法を用いることもできる。すなわち、露出している面に酸又はアルカリ溶液を用いたウェットエッチングを施す手法、露出している面にＥＣＲプラズマ等を用いたドライエッチングを施す手法、露出している面にスクライビング若しくは研削、サンドブラスト等を施す機械的な手法等を用いることができる。
【００３１】
（本実施の形態の効果）
本実施の形態に係る基板１は、その表面に実質的に平坦面を有さない凹部１０及び凸部１２を備えており、凹部１０及び凸部１２が１次元又は２次元の一定方向に周期的に繰り返されているので、基板１上に発光層を有する化合物半導体積層構造２６を形成して得られる発光素子の光取り出し効率を、従来技術以上に増大させることができる。本実施の形態においては、凹凸面の底部が曲面になっているので、一度、基板１と外部との界面で全反射した光も次回以降の反射において全反射を免れる可能性があり、光取り出し効率を向上させることができる。このような基板１を備える発光素子は、高い発光効率、長期の発光効率安定性を実現することができ、高い光出力及び長寿命が要求される液晶のバックライト光源、発光ダイオード照明器具、自動車のヘッドランプ、プロジェクタの光源等に用いることができる。
【実施例１】
【００３２】
実施例１においては、表面がＣ面からＡ軸方向に０．３度傾いた３〜８インチ径のサファイア基板の表面に、上記実施の形態で説明した凹凸を形成した。そして、凹凸の上にＧａＮ系の化合物半導体層からなる発光ダイオード構造を積層した。
【００３３】
図２は、実施例１において作製した青色発光ダイオードの断面構造の概要を示す。
【００３４】
本実施例においては、上記のサファイア表面の微傾斜方向と直交する方向に周期的に、凸部の頂上が鋭角を持ち、凹部の底が略円弧状の溝構造を２μｍの周期にて形成した。溝の深さは５００ｎｍとした。
【００３５】
まず、ＧａＮ系の化合物半導体層を成長する前に、サファイア基板の表面に２００ｎｍ厚のＮｉ膜を蒸着した。次に、フォトリソグラフィー法及びエッチング法を用い、部分的にＮｉ膜を除去することにより、形成すべき凹凸面に対応する位置に開口を有するＮｉパターンをサファイア基板の表面に形成した。続いて、Ｎｉパターンを有するサファイア基板をＥＣＲプラズマエッチング装置に導入し、Ｎｉパターンをマスクとして、開口から外部に露出しているサファイア基板の表面にエッチング処理を施した。これにより、Ｎｉパターンがサファイア基板の表面に転写された基板１が得られた。なお、Ｎｉパターンの幅及びエッチング条件を適切に調整したエッチングを実施することで、凹部の底の水平面からの傾きが１０度以内の領域の水平面への射影の面積が水平面に占める割合を１０〜５０％の範囲で変えた溝構造を形成した。エッチング処理後、基板１の表面に残留したＮｉ層を塩酸で除去した。更に、Ｎｉ層を除去した後の基板１を、有機溶媒により洗浄した後、水洗した。そして、水洗後の基板１を半導体結晶成長装置（ＭＯＶＰＥ装置）に導入した。
【００３６】
次に、基板１上に化合物半導体積層構造２６を形成した。具体的に、ＭＯＶＰＥ装置を用いたＧａＮ系の化合物半導体層の成長は以下のようにして実施した。まず、１００〜８００Ｔｏｒｒの圧力下、１０００〜１２００℃の温度で１０〜１００％の濃度の水素を含む雰囲気下で基板１を加熱することにより、基板１の表面を清浄化した。その後、基板１の温度を４００〜７００℃に設定し、水素、窒素、アンモニアを流しつつ、Ｇａの原料としてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）をＭＯＶＰＥ装置内に導入することにより、基板１上に１０〜４０ｎｍ厚の低温成長ＧａＮ層２０を成長した。なお、低温成長ＧａＮ層２０の成長速度は０．１〜１０μｍ／時に設定した。
【００３７】
次に、成長温度を１０００℃〜１２００℃に昇温した後、水素、窒素、アンモニア、ＴＭＧをＭＯＶＰＥ装置に供給し、０．１〜４０μｍ／時の成長速度で３〜１０μｍ厚のアンドープＧａＮ層２１を形成した。低温成長ＧａＮ層２０及びアンドープＧａＮ層２１を形成することで、基板１の凹部１０及び凸部１２は化合物半導体層中に埋め込まれ、アンドープＧａＮ層２１の表面（すなわち、アンドープＧａＮ層２１と後述するｎ−ＧａＮ層２２との界面）は平坦になった。なお、ＭＯＶＰＥ装置における結晶成長条件を調整することにより、凸部１２の頂上のみからＧａＮ系の化合物半導体を成長させることができる。この場合、基板１の凸部１２の頂上から成長させた化合物半導体と、基板１の凸部１２の隣の他の凸部１２の頂上から成長させた化合物半導体とを融合させて平坦面を形成することもできる。また、結晶成長条件を調整することにより、ＧａＮ系の化合物半導体を凹部１０の表面、及び凸部１２の表面に沿って成長させ、最終的に平坦面を有する化合物半導体層を形成することもできる。更には、凹部１０の底部、及び斜面上、若しくは凸部１２の上等に空洞を形成すること、又は空洞を形成しないこともできる。
【００３８】
続いて、アンドープＧａＮ層２１上にｎ−ＧａＮ層２２を形成した。具体的に、１０００〜１２００℃の成長温度下において、水素、窒素、アンモニア、ＴＭＧ、及びシランガスをＭＯＶＰＥ装置内に供給し、０．１〜４０μｍ／時の成長速度で１〜５μｍ厚のｎ−ＧａＮ層２２を形成した。なお、ｎ−ＧａＮ層２２のキャリア濃度は、１×１０１７〜５×１０１９／ｃｍ３であり、シート抵抗は１〜２００Ω□であった。
【００３９】
次に、ｎ−ＧａＮ層２２上に発光層としてのＩｎＧａＮ／ＧａＮ多重量子井戸層２３を形成した。具体的に、６００〜８００℃の成長温度下において、窒素、アンモニアガスをＭＯＶＰＥ装置内に供給し、３〜３０ペアのＩｎＧａＮ／ＧａＮ多重量子井戸層２３（ただし、ＩｎＧａＮの厚さは１〜３ｎｍ、ＧａＮの厚さは３〜２０ｎｍ）を形成した。そして、９００〜１２００℃の成長温度下において、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ多重量子井戸層２３上に１０〜６０ｎｍ厚のｐ−ＡｌＧａＮ層２４（ただし、Ａｌ組成は０．０５〜０．２である）を形成し、ｐ−ＡｌＧａＮ層２４上に０．１〜０．５μｍ厚のｐ−ＧａＮコンタクト層２５（ただし、キャリア濃度は５×１０１７〜５×１０１８／ｃｍ３である）を形成した。これにより、基板１上に化合物半導体積層構造２６が形成された。
【００４０】
化合物半導体積層構造２６を形成した後、基板１の温度を室温付近に降下させた。そして、化合物半導体積層構造２６を備える基板１をＭＯＶＰＥ装置から取り出した。その後、取り出したウエハの表面をＲＩＥにより部分的に除去し、ｎ−ＧａＮ層２２の一部を露出させ、露出させた部分にＴｉ１００ｎｍ／Ａｌ３００ｎｍからなるｎ電極３０を形成した。更に、ｐ−ＧａＮコンタクト層２５上にＮｉ２ｎｍ／Ａｕ６ｎｍからなる半透明電極としてのｐ電極３５と、ｐ電極３５の端部の所定領域にパッド電極４０を形成した。これにより、実施例１に係る青色発光ダイオードを作製した。
【００４１】
図３の（ａ）及び（ｂ）は、比較例に係る発光ダイオードに用いた基板の断面の概要を示す。
【００４２】
また、実施例１に係る発光ダイオードの比較例として、表面に凹凸を有さないサファイア基板と、表面に従来型の一定周期の凹凸を有するサファイア基板４（ただし、平坦な底部を有する凹部１３と断面視にて略三角形状の断面を有する凸部１４とを備える）及びサファイア基板５（ただし、平坦な底部を有する凹部１５と断面視にて略矩形状の断面を有する凸部１６とを備える）とを準備し、実施例１と同様に青色発光ダイオードを作製した。従来型の一定周期の凹凸の周期と深さとは、実施例１の場合と同一にした。また、水平面との成す角度が１０度以内の領域（ここでは平坦部）の水平面の射影の面積の割合は、サファイア基板４では６０％であり、サファイア基板５では１００％であった。
【００４３】
実施例１及び比較例に係る青色発光ダイオードは全て、発光ピーク波長が４４０〜４７０ｎｍであった。また、２０ｍＡ通電時における駆動電圧はいずれも３．２〜３．５Ｖの範囲で略同等であった。
【００４４】
凹凸面を有さない平坦なサファイア基板を用いた青色発光ダイオード（比較例１）の２０ｍＡ通電時の発光出力が平均して７．５ｍＷであり、従来の凹凸面を有するサファイア基板上に形成した青色発光ダイオード（比較例２及び比較例３）の発光出力が平均して２２ｍＷであった。内部量子効率を青色発光ダイオードで典型的な７０％に仮定した場合、比較例１の青色発光ダイオードの光取り出し効率は２０％であり、比較例２及び比較例３の青色発光ダイオードの光取り出し効率は６０％である。
【００４５】
一方、実施例１に係る青色発光ダイオードの場合、凹部の底の水平面からの傾きが１０度以内の領域の水平面への射影の面積が、水平面に占める割合により、発光出力が２２〜３１ｍＷで変化した。図４に示すように、上記割合が３８％以上の場合、発光出力は従来例とほぼ同じ２１〜２３ｍＷ（光取出し効率〜６０％、以下括弧内の数値は同様）の範囲であったが、上記割合が３５％以下になると、発光出力は従来以上の２４ｍＷ以上（≧６５％）となった。更に、上記割合が３３％では２６ｍＷ（７０％）、３０％では２８ｍＷ（７５％）、２０％では約３０ｍＷ（〜８０％）と、上記割合が２０％までは光出力の増大が見られた。上記割合が２０％以下では、光出力はほぼ一定となり約３０ｍＷであった。
【００４６】
また、先に述べた結晶成長時に形成される空洞の有無は、発光出力に顕著な影響は与えなかった。
【００４７】
なお、実施例１および従来例において、凹凸の周期や深さを変える青色発光ダイオードの光出力は変化した。しかしながら、凹凸の周期と深さが同じ場合に、実施例１と従来例を比較した場合に、上記の割合が３５％以下であれば、常に実施例１の方が高い発光出力、すなわち高い光取出し効率を示した。
【００４８】
更に、実施例１に係る青色発光ダイオードの素子寿命を評価した結果を図５に示す。ここで、素子寿命の定義は、２０ｍＡの電流を連続通電した場合に、発光強度が半分になるまでの時間である。従来の青色発光ダイオードの素子寿命は、２００００時間程度であった。実施例１においても、上記の割合が３５％を超える場合には素子寿命は同程度であったが、上記割合が３５％以下の場合には、素子寿命は従来例よりも長くなった。上記の割合が３５％では素子寿命が３５４００時間であったのが、上記割合が３０％では５９３００時間となり、更に上記割合が２０％で以下では素子寿命は６００００時間程度となった。すなわち、基板１上に実施例１に係る凹部１０及び凸部１２を設けることで、青色発光ダイオードの素子寿命を延ばすことができることが示された。
【実施例２】
【００４９】
実施例１において、凹凸溝の周期を１００ｎｍ〜１０μｍ、凹凸の頂上と底部の最低部との差を１００ｎｍ〜５μｍと様々に変えて、あるいは、溝の方向を様々に変えて、同様の実験を行った。いずれの場合においても、発光出力の絶対値は実施例１の場合と若干異なったが、凹部の底の水平面からの傾きが１０度以内の領域の水平面への射影の面積の水平面に占める割合が３５％以下の場合に、実施例２の構造は従来例よりも高い発光出力（すなわち光取出し効率）と、長い素子寿命とを実現することが確認された。
【実施例３】
【００５０】
実施例１及び実施例２と同様の実験を、使用するサファイア基板の面方位をＣ面から、Ａ軸方向、Ｍ軸方向、あるいはその中間の方向に、０．１〜１０度オフしたサファイア基板に変えて実験した。その結果、発光出力の絶対値は実施例１及び実施例２の場合と異なる場合もあったが、いずれの場合においても、凹部の底の水平面からの傾きが１０度以内の領域の水平面への射影の面積が、水平面に占める割合が３５％以下の場合に、実施例３の構造は従来例よりも高い発光出力（すなわち光取出し効率）と、長い素子寿命とを実現することが確認された。
【実施例４】
【００５１】
また、実施例１−３と同様の実験を、凸部１２が１次元的に基板１上に配列される溝構造ではなく、２次元的な正方格子、正三角格子、正六角格子、長方形格子等に配列する場合に対して行った。この場合にも、発光出力の絶対値は実施例１−３の場合と異なる場合もあったが、いずれの場合においても、凹部の底の水平面からの傾きが１０度以内の領域の水平面への射影の面積の水平面に占める割合が３５％以下の場合に、実施例４の構造は従来例よりも高い発光出力（すなわち光取出し効率）と、長い素子寿命とを実現することが確認された。
【実施例５】
【００５２】
図６は、実施例５において作製した青色発光ダイオードの断面構造の概要を示す。
【００５３】
実施例５に係る青色発光ダイオード２ｂにおいては、サファイア基板の表面（すなわち、低温成長バッファ層２０が形成される面）を平坦にしたまま、サファイア基板の裏面に凹凸加工を施した基板１を用いた。そして、実施例１−４と同様の実験を実施した。その結果、発光出力の絶対値は実施例１−４の場合と異なる場合もあったが、いずれの場合においても、凹部の底の水平面からの傾きが１０度以内の領域の水平面への射影の面積の水平面に占める割合が３５％以下の場合に、実施例５の構造は従来例よりも高い発光出力（すなわち光取出し効率）と、長い素子寿命とを実現することが確認された。
【実施例６】
【００５４】
図７は、実施例６において作製した青色発光ダイオードの断面構造の概要を示す。
【００５５】
実施例６に係る青色発光ダイオード２ｂにおいては、サファイア基板３には凹凸を設けず、ｐ−ＧａＮコンタクト層２５の表面に凹凸加工を施し、実施例１−４と同様の実験を実施した。ｐ−ＧａＮコンタクト層２５表面の加工は、当該表面にフォトリソグラフィー法を用いてレジストパターンを形成し、ｐ−ＧａＮコンタクト層２５の表面にＲＩＥ法を用いてガスエッチングを施すことで実施した。なお、エッチング深さがｐ−ＧａＮコンタクト層２５の全厚を超えないように注意しつつ、エッチングを実施した。その結果、発光出力の絶対値は実施例１〜４の場合と異なる場合もあったが、いずれの場合においても、凹部の底の水平面からの傾きが１０度以内の領域の水平面への射影の面積の水平面に占める割合が３５％以下の場合に、実施例６の構造は従来例よりも高い発光出力（すなわち光取出し効率）と、長い素子寿命とを実現することが確認された。
【実施例７】
【００５６】
実施例７に係る青色発光ダイオードにおいては、サファイア基板の表面、サファイア基板の裏面、及び化合物半導体積層構造の表面のうち２つの面に凹凸面を形成した場合、及びこれらの面のすべてに凹凸面を形成した場合のそれぞれについて、実施例１−４と同様の実験を実施した。従来例のパターンを用いた場合には、２０ｍＡ通電時の光出力が２９ｍＷ程度になり、実施例１〜４での従来例の場合より改善し、略８０％程度の光取り出し効率が実現された。一方、実施例７に係る青色発光ダイオードにおいては、凹部の底の水平面からの傾きが１０度以内の領域の水平面への射影の面積の水平面に占める割合が３５％以下の場合に、光出力が３４〜３６ｍＷとなり、従来例よりも高い９０〜９５％の光取出し効率を実現することができた。
【実施例８】
【００５７】
実施例８に係る青色発光ダイオードにおいては、ＧａＮからなる低温成長バッファ層２０を、ＡｌＮからなる低温成長バッファ層、ＡｌＧａＮからなる低温成長バッファ層、ＩｎＧａＮからなる低温成長バッファ層、１０００〜１３００℃の温度で成長した２〜４０００ｎｍ厚の高温ＡｌＮバッファ層に代え、実施例１〜７と同様の実験を実施した。その結果、実施例１〜７と略同様の結果が得られた。これらのバッファ層は、実施例１の低温ＧａＮバッファ層以外で、これまで報告されているバッファ層であり、その製法も既知である。この結果より、各実施例は低温ＧａＮバッファ層を持つ青色発光ダイオードにのみ適用が限定されるものではなく、それ以外のバッファ層を用いた場合にも有効であることが示された。
【実施例９】
【００５８】
実施例９に係る青色発光ダイオードにおいては、サファイア基板のＣ面を、Ａ面、Ｍ面、Ｒ面、及びこれらの面の中間の面等に様々に面方位を変更すると共に、これらの面のオフ角度、オフ方向を様々に変えた複数のサファイア基板のそれぞれについて実施例１〜８と同様の実験を実施した。その結果、実施例１〜８と略同様の結果が得られた。
【実施例１０】
【００５９】
実施例１０に係る発光ダイオードにおいては、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ多重量子井戸層の変更、又はＩｎＧａＮ／ＧａＮ多重量子井戸層に代えてＡｌＧａＮ／ＧａＮ量子井戸層を用いたり、ｐ層やｎ層であるＧａＮ層をＡｌＧａＮ層に変更するなどし、発光ピーク波長が２７０〜６００ｎｍの範囲の様々な発光ダイオードを作成し、実施例１〜９と同様の実験を実施した。その結果、実施例１〜９の場合と同様に、凹部の底の水平面からの傾きが１０度以内の領域の水平面への射影の面積の水平面に占める割合が３５％以下の場合に、実施例１０の構造は従来例よりも高い発光出力（すなわち光取出し効率）と、長い素子寿命とを実現することが確認された。
【実施例１１】
【００６０】
実施例１１に係る発光ダイオードにおいては、サファイア基板をＧａＮ基板、ＡｌＮ基板、ＳｉＣ基板、ＺｎＯ基板にそれぞれ変更して実施例１〜１０と同様の実験を実施した。その結果、実施例１〜１０と略同様の結果が得られた。
【実施例１２】
【００６１】
実施例１２に係る発光ダイオードにおいては、化合物半導体の成長法をＭＯＶＰＥ法から、ＭＢＥ法、ＨＶＰＥ法、ＬＰＥ法にそれぞれ変更して実施例１〜１１と同様の実験を実施した。その結果、実施例１〜１１と略同様の結果が得られた。
【００６２】
（変形例）
ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＳｎ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＺｎＯ、Ｓｉ、ＳｉＣ、Ｇｅ、サファイア等からなる基板上に、ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｌＡｓ、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＡｌＧａＡｓＰ、ＺｎＯ、ＺｎＳｅ、ＺｎＳ等の材料からなる半導体積層構造を形成したピーク波長が３５０〜１５００ｎｍの範囲の発光ダイオードに、実施例１〜７において説明した凹凸面を採用し、光出力の向上、長寿命化を図ることもできる。
【００６３】
ただし、発光層が発する光に対して基板が不透明である場合には、基板裏面の凹凸及び基板と半導体層との界面の凹凸を用いても、実施例における効果は得られない。この場合、実施例の適用範囲は、半導体層の表面側の凹凸に限定される。
【００６４】
また、サファイア基板やガラス基板上に、プラズマＣＶＤや蒸着により形成される有機ＥＬ素子の光出力の向上、長寿命化にも、実施例１〜７において説明した凹凸面を採用することができる。
【００６５】
以上、本発明に係る実施の形態及び実施例を説明したが、上記に記載した実施の形態及び実施例は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態及び実施例の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。
【符号の説明】
【００６６】
１ 基板
２、２ａ、２ｂ 発光素子
３ サファイア基板
４ サファイア基板
５ サファイア基板
１０ 凹部
１２ 凸部
１３ 凹部
１４ 凸部
１５ 凹部
１６ 凸部
２０ 低温成長バッファ層
２１ アンドープＧａＮ層
２２ ｎ−ＧａＮ層
２３ ＩｎＧａＮ／ＧａＮ多重量子井戸層
２４ ｐ−ＡｌＧａＮ層
２５ ｐ−ＧａＮコンタクト層
２６ 化合物半導体積層構造
３０ ｎ電極
３５ ｐ電極
４０ パッド電極
１００ 水平面
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板、及び発光素子に関する。特に、本発明は、凹凸を有する基板、及び凹凸を有する発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、基板上に、基板とは材質の異なる複数のＧａＮ系半導体層と、ＧａＮ系半導体層の最上層に形成されたオーミック電極とを積層し、ＧａＮ系半導体層で発生した光をオーミック電極側又は基板側から取り出すようにした半導体発光素子において、基板の表面部分にはＧａＮ系半導体層で発生した光を散乱又は回折させる凸部が、λ／４（λは半導体発光素子の発光波長）以上の間隔、１０μｍ以下のピッチで繰り返しパターンに形成されており、その凸部の平面形状が大略三角形又は六角形であり、ＧａＮ系半導体層のＡ軸を構成辺とする正六角形を想定したときに凸部平面形状の構成辺がＡ軸を構成辺とする正六角形の中心と頂点を結ぶ線分に直交するように形成され、凸部の側面が傾斜しており、その側面のテーパ角が９０°より大きく、１５０°以下であり、基板表面の凸部は、凸部上面、凸部の形成されていない平坦面、及び凸部側面が連続したＧａＮ系半導体層によって埋められた半導体発光素子が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
特許文献１に記載の半導体発光素子は、高い外部量子効率を安定に確保することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４０５５５０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１に係る半導体発光素子においては、最良の場合で８０％程度の光取り出し効率であり、半導体発光素子の内部で発生した光のうち約２０％は外部に取り出されずに熱として失われる。この過程における２０％のロスは単なる発光効率の低下以上の影響を半導体発光素子に及ぼし得る。例えば、この過程で発生する熱により半導体発光素子の温度が上昇することにより内部量子効率が低下し、半導体発光素子の発光効率が２０％以上の割合で低下する場合がある。また、半導体発光素子自体の発熱は、半導体発光素子の周囲の樹脂からなる実装部材の特性を劣化させ得る。例えば、発光ダイオードを封止する封止材の光の透過率が熱の影響で徐々に低下し、発光効率が次第に低下し得る。
【０００６】
したがって、本発明の目的は、発光素子の光取り出し効率を改善することができる基板、及び発光素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上記目的を達成するため、入射又は出射する光の進行方向を変化させる凹凸を有する面を備える基板であって、凹凸の頂上及び底部が、平坦な部分を有さない基板が提供される。凹凸は、１次元若しくは２次元の一定方向に沿って周期的に面に設けられることが好ましい。
【０００８】
また、凸部の頂上と凹部の底部とは様々な形態にすることができるが、従来技術よりも高い光取出し効率を実現するためには、その形態に次の制限を加える必要がある。すなわち、表面の凹凸形状のうち、水平面から１０度以内の角度を有する領域を水平面に射影した面積が、水平面全体の３５％を超えないのが好ましく、２０％以下であるのが更に好ましい。ここで言う水平面とは、基板に凹凸を形成する前の基板表面に一致し、凸部頂上を結ぶ直線、あるいは全ての凹部の最低点を通る直線により表される面のことである。
【０００９】
また、本発明は、上記目的を達成するため、基板と、基板上に設けられ、発光層を有する化合物半導体積層構造とを備える発光素子であって、基板が、発光層が発する光に対して透明であり、基板と化合物半導体積層構造との界面に、上記の凹凸を有する発光素子が提供される。
【００１０】
また、本発明は、上記目的を達成するため、基板と、基板上に設けられ、発光層を有する化合物半導体積層構造とを備える発光素子であって、化合物半導体積層構造の表面に、上記の凹凸を有する発光素子が提供される。
【００１１】
また、本発明は、上記目的を達成するため、基板と、基板上に設けられ、発光層を有する化合物半導体積層構造とを備える発光素子であって、基板が、発光層が発する光に対して透明であり、基板の化合物半導体積層構造が設けられている側の反対側の面に、上記の凹凸を有する発光素子が提供される。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る基板、及び発光素子によれば、発光素子の光取り出し効率を改善することができる基板、及び発光素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る基板の断面図である。
【図２】実施例１において作製した青色発光ダイオードの断面構造を示す図である。
【図３】（ａ）及び（ｂ）は、比較例に係る発光ダイオードに用いた基板の断面の概要図である。
【図４】実施例１における、水平面からの傾きが１０度以内の領域の水平面への射影の面積が、水平面に占める割合と発光出力の関係を示す図である。
【図５】実施例１における、水平面からの傾きが１０度以内の領域の水平面への射影の面積が、水平面に占める割合と素子寿命の関係を示す図である。
【図６】実施例５において作製した青色発光ダイオードの断面構造を示す図である。
【図７】実施例６において作製した青色発光ダイオードの断面構造を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
［第１の実施の形態］
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る基板の断面の概要を示す。
【００１５】
本発明の第１の実施の形態に係る基板１は、入射又は出射する光の進行方向を変化させる凹凸を有する面を備える。ここで、凹凸は、１次元若しくは２次元の一定方向に沿って周期的に面に設けられており、凹凸の頂上と底部が、平坦な部分を実質的に有さない。例えば、図１に示すように、基板１は、断面視にて円弧上の凹部１０と、平坦な部分を有さない凸部１２とを備えて構成される。
【００１６】
ここで、第１の実施の形態における凹凸の繰り返し周期及び高さに応じ、発光層が発する光の進行方向は影響を受ける。本実施の形態では、凹凸の繰り返し周期を１００ｎｍ以上１０μｍ以下程度に制御することが好ましく、凹凸の頂上と底部の最低部との差を１００ｎｍ以上５μｍ以下程度に制御することが好ましい。
【００１７】
本実施の形態においては、凹部１０の底部は、断面視にて円弧上の断面を有する底面であるが、底面が平坦面でない限り、Ｖ字、△字、Ｗ字、Ｍ字状の曲面、又はこれらの曲面が合成された面にすることもできる。
【００１８】
また、本実施の形態においては、凸部１２の頂上は、断面視にて鋭角に尖った形状を有しているが、上記の底面の場合と同様に、平坦面でない限り、Ｖ字、△字、Ｗ字、Ｍ字状の曲面、又はこれらの曲面が合成された面にすることもできる。
【００１９】
上述の様に、本実施の形態においては凸部１２の頂上と凹部１０の底部とは様々な形態にすることができるが、従来技術よりも高い光取出し効率を実現することを目的として、これらの形態に次の制限を加えることを要する。すなわち、表面の凹凸形状のうち、水平面１００から１０度以内の角度を有する領域を水平面１００に射影した面積が、水平面全体の３５％を超えないように形成する。なお、本実施の形態において水平面１００とは、基板に凹凸を形成する前の基板表面に一致し、図１においては、全ての凸部１２の頂上を結ぶ直線、あるいは全ての凹部１０の最低点を通る直線により表される面のことである。
【００２０】
凹部１０及び凸部１２は、基板１表面において一方向に周期的に配列する構造であることが好ましい。また、凹部１０及び凸部１２は、２次元的に周期的に配列した島、又は穴であることがより好ましい。更に、当該２次元的な配列は、正三角格子、正方格子、正六角格子であることが好ましい。
【００２１】
凹部１０及び凸部１２は、基板１と半導体との界面、半導体の表面、及び／又は基板１の裏面に形成することができる。発光層が発する光に対して基板が透明である場合には、凹凸面を基板１と半導体との界面、半導体の表面、及び／又は基板１の裏面に形成すると、いずれの場合にも発光効率を増大することができる。
【００２２】
一方、発光層が発する光に対して基板が不透明な場合には、基板１の裏面に凹凸を形成しても、界面に凹凸を形成しても、基板により光が吸収されるため、光取出し効率の増大は期待できない。この場合には、半導体表面に凹凸を設けた場合にのみ、光取出し効率の増大が見込まれる。
【００２３】
なお、発光素子としては、ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｌＡｓ、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＡｌＧａＡｓＰ、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ、ＺｎＯ、ＺｎＳｅ、ＺｎＳ等の化合物半導体からなる半導体層を積層した化合物半導体積層構造を基板１上に形成することにより構成される。また、有機物半導体を用いた有機ＥＬ素子に基板１を用いることもできる。
【００２４】
基板１を構成する材料としては、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＳｎ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＺｎＯ、Ｓｉ、ＳｉＣ、Ｇｅ、サファイア、ガラス等を用いることができる。用いる基板１の面方位は、基板１を構成する材料が立方晶である場合、（００１）、（１１１）、（１１１）Ａ、（１１１）Ｂ、（１１０）等の低指数面を用いることが好ましい。なお、基板１を構成する材料が立方晶出る場合、面方位として、（２１１）、（３１１）、（４１１）、（７７５）等の高指数面を用いることもできる。
【００２５】
ここで、凹凸基板での面方位とは、上述した水平面と同意であり、図１においては、凸部１２の頂上を結ぶ直線、あるいは、凹部１０の最低部を結ぶ直線で表される面であり、凹凸を加工により形成する前の、元の基板表面のことを言う。
【００２６】
また、基板１を構成する材料が六方晶である場合、Ｃ面、Ｍ面、Ａ面、Ｒ面等を用いることができ、これらの面を組み合わせた高指数面を用いることもできる。
【００２７】
また、これらの立方晶及び六方晶基板の表面には、そこに凹凸が形成されている場合も、そうでない場合も、結晶成長により平坦な表面が形成された後に、その上に発光層が形成される。この結晶成長により形成される平坦な面は、元の基板の面方位とおおよそ同じ結晶方位を有する。一般的に、完全な指数面では表面のステップ密度が少なく平坦かつ均一な結晶が成長しにくいが、微傾斜面では高密度のステップが存在するため、平坦かつ均一な結晶が成長しやすい。このため、上記の立方晶及び六方晶の基板の面方位は、完全な指数面であっても良いが、指数面から０．１〜１０度程度傾いた微傾斜面であるのが更に好ましい。なお、微傾斜面である場合、微傾斜の方向は特定の結晶方位であってもよく、特定の結晶方位でなくてもよい。
【００２８】
基板１上に化合物半導体積層構造を形成する場合、化合物半導体積層構造は、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ法）、液相成長法（ＬＰＥ法）等のエピタキシー法、プラズマＣＶＤ、蒸着法等の堆積法、又はエピタキシー法と堆積法とを組み合わせた手法により形成することができる。
【００２９】
また、凹部１０及び凸部１２が形成される面が基板１の表面である場合、基板１上に形成される化合物半導体の積層構造は、凸部１２の最上部から横方向成長により成長させることができる。この場合において、凹部１０の底部と成長した半導体との間に空洞を形成することができる。なお、凹部１０及び凸部１２の間隔又は積層条件を調整して空洞を形成させないこともできる。更に、積層条件を適宜調整し、凹部１０及び凸部１２の表面に沿って半導体を形成することもできる。また、凸部１２の斜面部分のみから半導体層を成長させることもできる。なお、半導体の成長過程により、凸部１２の最上部や斜面に空洞が形成される場合もあるが、当該空洞はあってもなくてもよい。
【００３０】
基板１の表面、基板１の裏面、又は基板１上に設けられる半導体積層構造の表面に凹部１０及び凸部１２を有する凹凸面を形成する場合、以下の手法を用いることもできる。すなわち、露出している面に酸又はアルカリ溶液を用いたウェットエッチングを施す手法、露出している面にＥＣＲプラズマ等を用いたドライエッチングを施す手法、露出している面にスクライビング若しくは研削、サンドブラスト等を施す機械的な手法等を用いることができる。
【００３１】
（本実施の形態の効果）
本実施の形態に係る基板１は、その表面に実質的に平坦面を有さない凹部１０及び凸部１２を備えており、凹部１０及び凸部１２が１次元又は２次元の一定方向に周期的に繰り返されているので、基板１上に発光層を有する化合物半導体積層構造２６を形成して得られる発光素子の光取り出し効率を、従来技術以上に増大させることができる。本実施の形態においては、凹凸面の底部が曲面になっているので、一度、基板１と外部との界面で全反射した光も次回以降の反射において全反射を免れる可能性があり、光取り出し効率を向上させることができる。このような基板１を備える発光素子は、高い発光効率、長期の発光効率安定性を実現することができ、高い光出力及び長寿命が要求される液晶のバックライト光源、発光ダイオード照明器具、自動車のヘッドランプ、プロジェクタの光源等に用いることができる。
【実施例１】
【００３２】
実施例１においては、表面がＣ面からＡ軸方向に０．３度傾いた３〜８インチ径のサファイア基板の表面に、上記実施の形態で説明した凹凸を形成した。そして、凹凸の上にＧａＮ系の化合物半導体層からなる発光ダイオード構造を積層した。
【００３３】
図２は、実施例１において作製した青色発光ダイオードの断面構造の概要を示す。
【００３４】
本実施例においては、上記のサファイア表面の微傾斜方向と直交する方向に周期的に、凸部の頂上が鋭角を持ち、凹部の底が略円弧状の溝構造を２μｍの周期にて形成した。溝の深さは５００ｎｍとした。
【００３５】
まず、ＧａＮ系の化合物半導体層を成長する前に、サファイア基板の表面に２００ｎｍ厚のＮｉ膜を蒸着した。次に、フォトリソグラフィー法及びエッチング法を用い、部分的にＮｉ膜を除去することにより、形成すべき凹凸面に対応する位置に開口を有するＮｉパターンをサファイア基板の表面に形成した。続いて、Ｎｉパターンを有するサファイア基板をＥＣＲプラズマエッチング装置に導入し、Ｎｉパターンをマスクとして、開口から外部に露出しているサファイア基板の表面にエッチング処理を施した。これにより、Ｎｉパターンがサファイア基板の表面に転写された基板１が得られた。なお、Ｎｉパターンの幅及びエッチング条件を適切に調整したエッチングを実施することで、凹部の底の水平面からの傾きが１０度以内の領域の水平面への射影の面積が水平面に占める割合を１０〜５０％の範囲で変えた溝構造を形成した。エッチング処理後、基板１の表面に残留したＮｉ層を塩酸で除去した。更に、Ｎｉ層を除去した後の基板１を、有機溶媒により洗浄した後、水洗した。そして、水洗後の基板１を半導体結晶成長装置（ＭＯＶＰＥ装置）に導入した。
【００３６】
次に、基板１上に化合物半導体積層構造２６を形成した。具体的に、ＭＯＶＰＥ装置を用いたＧａＮ系の化合物半導体層の成長は以下のようにして実施した。まず、１００〜８００Ｔｏｒｒの圧力下、１０００〜１２００℃の温度で１０〜１００％の濃度の水素を含む雰囲気下で基板１を加熱することにより、基板１の表面を清浄化した。その後、基板１の温度を４００〜７００℃に設定し、水素、窒素、アンモニアを流しつつ、Ｇａの原料としてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）をＭＯＶＰＥ装置内に導入することにより、基板１上に１０〜４０ｎｍ厚の低温成長ＧａＮ層２０を成長した。なお、低温成長ＧａＮ層２０の成長速度は０．１〜１０μｍ／時に設定した。
【００３７】
次に、成長温度を１０００℃〜１２００℃に昇温した後、水素、窒素、アンモニア、ＴＭＧをＭＯＶＰＥ装置に供給し、０．１〜４０μｍ／時の成長速度で３〜１０μｍ厚のアンドープＧａＮ層２１を形成した。低温成長ＧａＮ層２０及びアンドープＧａＮ層２１を形成することで、基板１の凹部１０及び凸部１２は化合物半導体層中に埋め込まれ、アンドープＧａＮ層２１の表面（すなわち、アンドープＧａＮ層２１と後述するｎ−ＧａＮ層２２との界面）は平坦になった。なお、ＭＯＶＰＥ装置における結晶成長条件を調整することにより、凸部１２の頂上のみからＧａＮ系の化合物半導体を成長させることができる。この場合、基板１の凸部１２の頂上から成長させた化合物半導体と、基板１の凸部１２の隣の他の凸部１２の頂上から成長させた化合物半導体とを融合させて平坦面を形成することもできる。また、結晶成長条件を調整することにより、ＧａＮ系の化合物半導体を凹部１０の表面、及び凸部１２の表面に沿って成長させ、最終的に平坦面を有する化合物半導体層を形成することもできる。更には、凹部１０の底部、及び斜面上、若しくは凸部１２の上等に空洞を形成すること、又は空洞を形成しないこともできる。
【００３８】
続いて、アンドープＧａＮ層２１上にｎ−ＧａＮ層２２を形成した。具体的に、１０００〜１２００℃の成長温度下において、水素、窒素、アンモニア、ＴＭＧ、及びシランガスをＭＯＶＰＥ装置内に供給し、０．１〜４０μｍ／時の成長速度で１〜５μｍ厚のｎ−ＧａＮ層２２を形成した。なお、ｎ−ＧａＮ層２２のキャリア濃度は、１×１０１７〜５×１０１９／ｃｍ３であり、シート抵抗は１〜２００Ω□であった。
【００３９】
次に、ｎ−ＧａＮ層２２上に発光層としてのＩｎＧａＮ／ＧａＮ多重量子井戸層２３を形成した。具体的に、６００〜８００℃の成長温度下において、窒素、アンモニアガスをＭＯＶＰＥ装置内に供給し、３〜３０ペアのＩｎＧａＮ／ＧａＮ多重量子井戸層２３（ただし、ＩｎＧａＮの厚さは１〜３ｎｍ、ＧａＮの厚さは３〜２０ｎｍ）を形成した。そして、９００〜１２００℃の成長温度下において、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ多重量子井戸層２３上に１０〜６０ｎｍ厚のｐ−ＡｌＧａＮ層２４（ただし、Ａｌ組成は０．０５〜０．２である）を形成し、ｐ−ＡｌＧａＮ層２４上に０．１〜０．５μｍ厚のｐ−ＧａＮコンタクト層２５（ただし、キャリア濃度は５×１０１７〜５×１０１８／ｃｍ３である）を形成した。これにより、基板１上に化合物半導体積層構造２６が形成された。
【００４０】
化合物半導体積層構造２６を形成した後、基板１の温度を室温付近に降下させた。そして、化合物半導体積層構造２６を備える基板１をＭＯＶＰＥ装置から取り出した。その後、取り出したウエハの表面をＲＩＥにより部分的に除去し、ｎ−ＧａＮ層２２の一部を露出させ、露出させた部分にＴｉ１００ｎｍ／Ａｌ３００ｎｍからなるｎ電極３０を形成した。更に、ｐ−ＧａＮコンタクト層２５上にＮｉ２ｎｍ／Ａｕ６ｎｍからなる半透明電極としてのｐ電極３５と、ｐ電極３５の端部の所定領域にパッド電極４０を形成した。これにより、実施例１に係る青色発光ダイオードを作製した。
【００４１】
図３の（ａ）及び（ｂ）は、比較例に係る発光ダイオードに用いた基板の断面の概要を示す。
【００４２】
また、実施例１に係る発光ダイオードの比較例として、表面に凹凸を有さないサファイア基板と、表面に従来型の一定周期の凹凸を有するサファイア基板４（ただし、平坦な底部を有する凹部１３と断面視にて略三角形状の断面を有する凸部１４とを備える）及びサファイア基板５（ただし、平坦な底部を有する凹部１５と断面視にて略矩形状の断面を有する凸部１６とを備える）とを準備し、実施例１と同様に青色発光ダイオードを作製した。従来型の一定周期の凹凸の周期と深さとは、実施例１の場合と同一にした。また、水平面との成す角度が１０度以内の領域（ここでは平坦部）の水平面の射影の面積の割合は、サファイア基板４では６０％であり、サファイア基板５では１００％であった。
【００４３】
実施例１及び比較例に係る青色発光ダイオードは全て、発光ピーク波長が４４０〜４７０ｎｍであった。また、２０ｍＡ通電時における駆動電圧はいずれも３．２〜３．５Ｖの範囲で略同等であった。
【００４４】
凹凸面を有さない平坦なサファイア基板を用いた青色発光ダイオード（比較例１）の２０ｍＡ通電時の発光出力が平均して７．５ｍＷであり、従来の凹凸面を有するサファイア基板上に形成した青色発光ダイオード（比較例２及び比較例３）の発光出力が平均して２２ｍＷであった。内部量子効率を青色発光ダイオードで典型的な７０％に仮定した場合、比較例１の青色発光ダイオードの光取り出し効率は２０％であり、比較例２及び比較例３の青色発光ダイオードの光取り出し効率は６０％である。
【００４５】
一方、実施例１に係る青色発光ダイオードの場合、凹部の底の水平面からの傾きが１０度以内の領域の水平面への射影の面積が、水平面に占める割合により、発光出力が２２〜３１ｍＷで変化した。図４に示すように、上記割合が３８％以上の場合、発光出力は従来例とほぼ同じ２１〜２３ｍＷ（光取出し効率〜６０％、以下括弧内の数値は同様）の範囲であったが、上記割合が３５％以下になると、発光出力は従来以上の２４ｍＷ以上（≧６５％）となった。更に、上記割合が３３％では２６ｍＷ（７０％）、３０％では２８ｍＷ（７５％）、２０％では約３０ｍＷ（〜８０％）と、上記割合が２０％までは光出力の増大が見られた。上記割合が２０％以下では、光出力はほぼ一定となり約３０ｍＷであった。
【００４６】
また、先に述べた結晶成長時に形成される空洞の有無は、発光出力に顕著な影響は与えなかった。
【００４７】
なお、実施例１および従来例において、凹凸の周期や深さを変える青色発光ダイオードの光出力は変化した。しかしながら、凹凸の周期と深さが同じ場合に、実施例１と従来例を比較した場合に、上記の割合が３５％以下であれば、常に実施例１の方が高い発光出力、すなわち高い光取出し効率を示した。
【００４８】
更に、実施例１に係る青色発光ダイオードの素子寿命を評価した結果を図５に示す。ここで、素子寿命の定義は、２０ｍＡの電流を連続通電した場合に、発光強度が半分になるまでの時間である。従来の青色発光ダイオードの素子寿命は、２００００時間程度であった。実施例１においても、上記の割合が３５％を超える場合には素子寿命は同程度であったが、上記割合が３５％以下の場合には、素子寿命は従来例よりも長くなった。上記の割合が３５％では素子寿命が３５４００時間であったのが、上記割合が３０％では５９３００時間となり、更に上記割合が２０％で以下では素子寿命は６００００時間程度となった。すなわち、基板１上に実施例１に係る凹部１０及び凸部１２を設けることで、青色発光ダイオードの素子寿命を延ばすことができることが示された。
【実施例２】
【００４９】
実施例１において、凹凸溝の周期を１００ｎｍ〜１０μｍ、凹凸の頂上と底部の最低部との差を１００ｎｍ〜５μｍと様々に変えて、あるいは、溝の方向を様々に変えて、同様の実験を行った。いずれの場合においても、発光出力の絶対値は実施例１の場合と若干異なったが、凹部の底の水平面からの傾きが１０度以内の領域の水平面への射影の面積の水平面に占める割合が３５％以下の場合に、実施例２の構造は従来例よりも高い発光出力（すなわち光取出し効率）と、長い素子寿命とを実現することが確認された。
【実施例３】
【００５０】
実施例１及び実施例２と同様の実験を、使用するサファイア基板の面方位をＣ面から、Ａ軸方向、Ｍ軸方向、あるいはその中間の方向に、０．１〜１０度オフしたサファイア基板に変えて実験した。その結果、発光出力の絶対値は実施例１及び実施例２の場合と異なる場合もあったが、いずれの場合においても、凹部の底の水平面からの傾きが１０度以内の領域の水平面への射影の面積が、水平面に占める割合が３５％以下の場合に、実施例３の構造は従来例よりも高い発光出力（すなわち光取出し効率）と、長い素子寿命とを実現することが確認された。
【実施例４】
【００５１】
また、実施例１−３と同様の実験を、凸部１２が１次元的に基板１上に配列される溝構造ではなく、２次元的な正方格子、正三角格子、正六角格子、長方形格子等に配列する場合に対して行った。この場合にも、発光出力の絶対値は実施例１−３の場合と異なる場合もあったが、いずれの場合においても、凹部の底の水平面からの傾きが１０度以内の領域の水平面への射影の面積の水平面に占める割合が３５％以下の場合に、実施例４の構造は従来例よりも高い発光出力（すなわち光取出し効率）と、長い素子寿命とを実現することが確認された。
【実施例５】
【００５２】
図６は、実施例５において作製した青色発光ダイオードの断面構造の概要を示す。
【００５３】
実施例５に係る青色発光ダイオード２ｂにおいては、サファイア基板の表面（すなわち、低温成長バッファ層２０が形成される面）を平坦にしたまま、サファイア基板の裏面に凹凸加工を施した基板１を用いた。そして、実施例１−４と同様の実験を実施した。その結果、発光出力の絶対値は実施例１−４の場合と異なる場合もあったが、いずれの場合においても、凹部の底の水平面からの傾きが１０度以内の領域の水平面への射影の面積の水平面に占める割合が３５％以下の場合に、実施例５の構造は従来例よりも高い発光出力（すなわち光取出し効率）と、長い素子寿命とを実現することが確認された。
【実施例６】
【００５４】
図７は、実施例６において作製した青色発光ダイオードの断面構造の概要を示す。
【００５５】
実施例６に係る青色発光ダイオード２ｂにおいては、サファイア基板３には凹凸を設けず、ｐ−ＧａＮコンタクト層２５の表面に凹凸加工を施し、実施例１−４と同様の実験を実施した。ｐ−ＧａＮコンタクト層２５表面の加工は、当該表面にフォトリソグラフィー法を用いてレジストパターンを形成し、ｐ−ＧａＮコンタクト層２５の表面にＲＩＥ法を用いてガスエッチングを施すことで実施した。なお、エッチング深さがｐ−ＧａＮコンタクト層２５の全厚を超えないように注意しつつ、エッチングを実施した。その結果、発光出力の絶対値は実施例１〜４の場合と異なる場合もあったが、いずれの場合においても、凹部の底の水平面からの傾きが１０度以内の領域の水平面への射影の面積の水平面に占める割合が３５％以下の場合に、実施例６の構造は従来例よりも高い発光出力（すなわち光取出し効率）と、長い素子寿命とを実現することが確認された。
【実施例７】
【００５６】
実施例７に係る青色発光ダイオードにおいては、サファイア基板の表面、サファイア基板の裏面、及び化合物半導体積層構造の表面のうち２つの面に凹凸面を形成した場合、及びこれらの面のすべてに凹凸面を形成した場合のそれぞれについて、実施例１−４と同様の実験を実施した。従来例のパターンを用いた場合には、２０ｍＡ通電時の光出力が２９ｍＷ程度になり、実施例１〜４での従来例の場合より改善し、略８０％程度の光取り出し効率が実現された。一方、実施例７に係る青色発光ダイオードにおいては、凹部の底の水平面からの傾きが１０度以内の領域の水平面への射影の面積の水平面に占める割合が３５％以下の場合に、光出力が３４〜３６ｍＷとなり、従来例よりも高い９０〜９５％の光取出し効率を実現することができた。
【実施例８】
【００５７】
実施例８に係る青色発光ダイオードにおいては、ＧａＮからなる低温成長バッファ層２０を、ＡｌＮからなる低温成長バッファ層、ＡｌＧａＮからなる低温成長バッファ層、ＩｎＧａＮからなる低温成長バッファ層、１０００〜１３００℃の温度で成長した２〜４０００ｎｍ厚の高温ＡｌＮバッファ層に代え、実施例１〜７と同様の実験を実施した。その結果、実施例１〜７と略同様の結果が得られた。これらのバッファ層は、実施例１の低温ＧａＮバッファ層以外で、これまで報告されているバッファ層であり、その製法も既知である。この結果より、各実施例は低温ＧａＮバッファ層を持つ青色発光ダイオードにのみ適用が限定されるものではなく、それ以外のバッファ層を用いた場合にも有効であることが示された。
【実施例９】
【００５８】
実施例９に係る青色発光ダイオードにおいては、サファイア基板のＣ面を、Ａ面、Ｍ面、Ｒ面、及びこれらの面の中間の面等に様々に面方位を変更すると共に、これらの面のオフ角度、オフ方向を様々に変えた複数のサファイア基板のそれぞれについて実施例１〜８と同様の実験を実施した。その結果、実施例１〜８と略同様の結果が得られた。
【実施例１０】
【００５９】
実施例１０に係る発光ダイオードにおいては、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ多重量子井戸層の変更、又はＩｎＧａＮ／ＧａＮ多重量子井戸層に代えてＡｌＧａＮ／ＧａＮ量子井戸層を用いたり、ｐ層やｎ層であるＧａＮ層をＡｌＧａＮ層に変更するなどし、発光ピーク波長が２７０〜６００ｎｍの範囲の様々な発光ダイオードを作成し、実施例１〜９と同様の実験を実施した。その結果、実施例１〜９の場合と同様に、凹部の底の水平面からの傾きが１０度以内の領域の水平面への射影の面積の水平面に占める割合が３５％以下の場合に、実施例１０の構造は従来例よりも高い発光出力（すなわち光取出し効率）と、長い素子寿命とを実現することが確認された。
【実施例１１】
【００６０】
実施例１１に係る発光ダイオードにおいては、サファイア基板をＧａＮ基板、ＡｌＮ基板、ＳｉＣ基板、ＺｎＯ基板にそれぞれ変更して実施例１〜１０と同様の実験を実施した。その結果、実施例１〜１０と略同様の結果が得られた。
【実施例１２】
【００６１】
実施例１２に係る発光ダイオードにおいては、化合物半導体の成長法をＭＯＶＰＥ法から、ＭＢＥ法、ＨＶＰＥ法、ＬＰＥ法にそれぞれ変更して実施例１〜１１と同様の実験を実施した。その結果、実施例１〜１１と略同様の結果が得られた。
【００６２】
（変形例）
ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＳｎ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＺｎＯ、Ｓｉ、ＳｉＣ、Ｇｅ、サファイア等からなる基板上に、ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｌＡｓ、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＡｌＧａＡｓＰ、ＺｎＯ、ＺｎＳｅ、ＺｎＳ等の材料からなる半導体積層構造を形成したピーク波長が３５０〜１５００ｎｍの範囲の発光ダイオードに、実施例１〜７において説明した凹凸面を採用し、光出力の向上、長寿命化を図ることもできる。
【００６３】
ただし、発光層が発する光に対して基板が不透明である場合には、基板裏面の凹凸及び基板と半導体層との界面の凹凸を用いても、実施例における効果は得られない。この場合、実施例の適用範囲は、半導体層の表面側の凹凸に限定される。
【００６４】
また、サファイア基板やガラス基板上に、プラズマＣＶＤや蒸着により形成される有機ＥＬ素子の光出力の向上、長寿命化にも、実施例１〜７において説明した凹凸面を採用することができる。
【００６５】
以上、本発明に係る実施の形態及び実施例を説明したが、上記に記載した実施の形態及び実施例は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態及び実施例の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。
【符号の説明】
【００６６】
１ 基板
２、２ａ、２ｂ 発光素子
３ サファイア基板
４ サファイア基板
５ サファイア基板
１０ 凹部
１２ 凸部
１３ 凹部
１４ 凸部
１５ 凹部
１６ 凸部
２０ 低温成長バッファ層
２１ アンドープＧａＮ層
２２ ｎ−ＧａＮ層
２３ ＩｎＧａＮ／ＧａＮ多重量子井戸層
２４ ｐ−ＡｌＧａＮ層
２５ ｐ−ＧａＮコンタクト層
２６ 化合物半導体積層構造
３０ ｎ電極
３５ ｐ電極
４０ パッド電極
１００ 水平面
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射又は出射する光の進行方向を変化させる凹凸を有する面を備える基板であって、
前記凹凸が、１次元若しくは２次元の一定方向に沿って周期的に前記面に設けられ、
前記凹凸の頂上及び底部が、平坦な部分を有さない基板。
【請求項２】
前記凹凸のうち、水平面から１０度以内の角度を有する領域を水平面に射影した面積が、水平面全体の３５％を超えない請求項１に記載の基板。
【請求項３】
基板と、前記基板上に設けられ、発光層を有する化合物半導体積層構造とを備える発光素子であって、
前記基板と前記化合物半導体積層構造との界面に、入射又は出射する光の進行方向を変化させる凹凸が設けられ、
前記凹凸が、１次元若しくは２次元の一定方向に沿って周期的に前記界面に配列されると共に、前記凹凸の頂上及び底部が平坦な部分を有さない発光素子。
【請求項４】
基板と、前記基板上に設けられ、発光層を有する化合物半導体積層構造とを備える発光素子であって、
前記化合物半導体積層構造の表面に、入射又は出射する光の進行方向を変化させる凹凸が設けられ、
前記凹凸が、１次元若しくは２次元の一定方向に沿って周期的に前記化合物半導体積層構造の表面に配列されると共に、前記凹凸の頂上及び底部が平坦な部分を有さない発光素子。
【請求項５】
基板と、前記基板上に設けられ、発光層を有する化合物半導体積層構造とを備える発光素子であって、
前記基板が前記発光層が発する光に対して透明であり、
前記基板の前記化合物半導体積層構造が設けられている側の反対側の面に、入射又は出射する光の進行方向を変化させる凹凸が設けられ、
前記凹凸が、１次元若しくは２次元の一定方向に沿って周期的に前記反対側の面に配列されると共に、前記凹凸の頂上及び底部が平坦な部分を有さない発光素子。
【請求項１】
入射又は出射する光の進行方向を変化させる凹凸を有する面を備える基板であって、
前記凹凸が、１次元若しくは２次元の一定方向に沿って周期的に前記面に設けられ、
前記凹凸の頂上及び底部が、平坦な部分を有さない基板。
【請求項２】
前記凹凸のうち、水平面から１０度以内の角度を有する領域を水平面に射影した面積が、水平面全体の３５％を超えない請求項１に記載の基板。
【請求項３】
基板と、前記基板上に設けられ、発光層を有する化合物半導体積層構造とを備える発光素子であって、
前記基板と前記化合物半導体積層構造との界面に、入射又は出射する光の進行方向を変化させる凹凸が設けられ、
前記凹凸が、１次元若しくは２次元の一定方向に沿って周期的に前記界面に配列されると共に、前記凹凸の頂上及び底部が平坦な部分を有さない発光素子。
【請求項４】
基板と、前記基板上に設けられ、発光層を有する化合物半導体積層構造とを備える発光素子であって、
前記化合物半導体積層構造の表面に、入射又は出射する光の進行方向を変化させる凹凸が設けられ、
前記凹凸が、１次元若しくは２次元の一定方向に沿って周期的に前記化合物半導体積層構造の表面に配列されると共に、前記凹凸の頂上及び底部が平坦な部分を有さない発光素子。
【請求項５】
基板と、前記基板上に設けられ、発光層を有する化合物半導体積層構造とを備える発光素子であって、
前記基板が前記発光層が発する光に対して透明であり、
前記基板の前記化合物半導体積層構造が設けられている側の反対側の面に、入射又は出射する光の進行方向を変化させる凹凸が設けられ、
前記凹凸が、１次元若しくは２次元の一定方向に沿って周期的に前記反対側の面に配列されると共に、前記凹凸の頂上及び底部が平坦な部分を有さない発光素子。
【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２０１２−３３５２０（Ｐ２０１２−３３５２０Ａ）
【公開日】平成２４年２月１６日（２０１２．２．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１６９０２４（Ｐ２０１０−１６９０２４）
【出願日】平成２２年７月２８日（２０１０．７．２８）
【出願人】（０００００５１２０）日立電線株式会社 (3,358)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年２月１６日（２０１２．２．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年７月２８日（２０１０．７．２８）
【出願人】（０００００５１２０）日立電線株式会社 (3,358)
【Ｆターム（参考）】
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