説明

基板、及び発光素子

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

【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で内部量子効率が低下し、半導体発光素子の発光効率が20%以上の割合で低下する場合がある。また、半導体発光素子自体の発熱は、半導体発光素子の周囲の樹脂からなる実装部材の特性を劣化させ得る。例えば、発光ダイオードを封止する封止材の光の透過率が熱の影響で徐々に低下し、発光効率が次第に低下し得る。
【0006】
したがって、本発明の目的は、発光素子の発光効率を向上させることができる基板、及び発光素子を提供することにある。
【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、凹凸が、1次元若しくは2次元の一定方向に沿って周期的に面に設けられる第1の凹凸と、第1の凹凸の配置とは異なる配置で面に設けられる第2の凹凸とを含む基板が提供される。
【0008】
また、上記基板において、第1の凹凸の繰り返し周期が、100nm以上であり、第1の凹凸の頂上と底部の最低部との差が、100nm以上であることが好ましい。
【0009】
また、上記基板において、第2の凹凸の頂上と底部の最低部との差が、100nm以上であることが好ましい。
【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、基板と化合物半導体積層構造との界面に、入射又は出射する光の進行方向を変化させる凹凸が設けられ、凹凸が、1次元若しくは2次元の一定方向に沿って周期的に面に設けられる第1の凹凸と、第1の凹凸の配置とは異なる配置で面に設けられる第2の凹凸とを含む発光素子が提供される。
【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、化合物半導体積層構造の表面に、入射又は出射する光の進行方向を変化させる凹凸が設けられ、凹凸が、1次元若しくは2次元の一定方向に沿って周期的に面に設けられる第1の凹凸と、第1の凹凸の配置とは異なる配置で面に設けられる第2の凹凸とを含む発光素子が提供される。
【0012】
また、本発明は、上記目的を達成するため、基板と、基板上に設けられ、発光層を有する化合物半導体積層構造とを備える発光素子であって、基板の化合物半導体積層構造が設けられている側の反対側の面に、入射又は出射する光の進行方向を変化させる凹凸が設けられ、凹凸が、1次元若しくは2次元の一定方向に沿って周期的に面に設けられる第1の凹凸と、第1の凹凸の配置とは異なる配置で面に設けられる第2の凹凸とを含む発光素子が提供される。
【発明の効果】
【0013】
本発明に係る基板、及び発光素子によれば、発光素子の発光効率を向上させることができる基板、及び発光素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0014】
【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】本発明の第2の実施の形態に係る基板の断面図である。
【図3】実施例1において作製した青色発光ダイオードの断面構造の概要図である。
【図4】(a)及び(b)は、比較例に係る発光ダイオードに用いた基板の断面図である。
【図5】(a)が比較例に係る発光ダイオードの凹凸の配置を示す図であり、(b)から(d)が本実施の形態に係る発光ダイオードの凹凸の配置を示す図である。
【図6】(a)が比較例に係る発光ダイオードの凹凸の配置を示す図であり、(b)から(d)が本実施の形態に係る発光ダイオードの凹凸の配置を示す図である。
【図7】実施例2において作製した青色発光ダイオードの断面構造の概要図である。
【図8】実施例3において作製した青色発光ダイオードの断面構造の概要図である。
【発明を実施するための形態】
【0015】
[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。
【0016】
本発明の第1の実施の形態に係る基板1は、入射又は出射する光の進行方向を変化させる凹凸を有する面を備える。ここで、凹凸は、1次元若しくは2次元の一定方向に沿って周期的に当該面に設けられる第1の凹凸10と、第1の凹凸10の配置とは異なる配置で当該面上に設けられる第2の凹凸12とを有する。
【0017】
第1の実施の形態において第1の凹凸10は、凸部10aと、凸部10aに隣接し、当該凸部10aの隣の凸部10aとに挟まれた位置の凹部10bとを含む。凹部10bは略平坦な面を底部に有することができる。そして、第2の凹凸12は、一例として、凹部10bの底部の一部の領域に凹状を有して形成される。
【0018】
ここで、第1の凹凸10の繰り返し周期は、100nm以上であることが好ましく、500nm以上の周期にすることがより好ましく、1μm以上の周期にすることが更に好ましい。また、第1の凹凸10の頂上(例えば、凸部10aの頂上)と底部の最低部(例えば、凹部10bの底部)との差が、光の進行方向を変化させることを目的として、100nm以上であることが好ましく、500nm以上の高低差にすることがより好ましい。なお、第1の凹凸10及び第2の凹凸12上にアンドープバッファ層をエピタキシャル成長させ、アンドープバッファ層の表面を平坦にする場合の製造コスト及び光の進行方向を変化させる機能の飽和を考慮しない場合、当該高低差を1μm以上にすることもできる。第1の凹凸10の側面(例えば、凸部10aの側面)は、水平面に対して20度以上の角度を有する斜面であることが好ましい。なお、第1の凹凸10の側面を、水平面に対して垂直又は90度を超えるオーバーハング状の側面にすることもできる。
【0019】
第1の凹凸10は、基板1の表面において一方向に周期的に配列する溝構造であることが好ましい。また、第1の凹凸10は、2次元的に周期的に配列した島、又は穴であることがより好ましい。更に、当該2次元的な配列を、正三角格子、正方格子、正六角格子にすることもできる。
【0020】
第2の凹凸12は、第1の実施の形態では窪み状に形成される。そして、第2の凹凸12は、基板1の厚さ方向において、第2の凹凸12の最も高い部分(例えば、凹部10bの底部に対応する部分)と最低部(例えば、窪みの底部)との差が、100nm以上であることが好ましく、500nm以上の高低差にすることがより好ましい。当該高低差を1μm以上にすることもできる。第2の凹凸12の側面(例えば、窪みの側面)は、水平面に対して20度以上の角度を有する斜面であることが好ましい。なお、第2の凹凸12の側面を、水平面に対して垂直又は90度を超えるオーバーハング状の側面にすることもできる。
【0021】
第2の凹凸12は、基板1の表面において一方向に周期的に配列する溝構造であることが好ましい。また、第2の凹凸12は、2次元的に周期的に配列した島、又は穴であることがより好ましい。更に、当該2次元的な配列は、正三角格子、正方格子、正六角格子であることが好ましい。また、第2の凹凸12を、基板1の表面にランダムに配置することもできる。
【0022】
ここで、発光層が発する光に対して基板1が透明である場合には、凹凸面を基板1と半導体との界面、半導体の表面、及び/又は基板1の裏面に形成すると、いずれの場合にも発光効率を増大することができる。一方、発光層が発する光に対して基板1が不透明な場合には、基板1の裏面に凹凸を形成しても、界面に凹凸を形成しても、基板1により光が吸収されるので、光取出し効率の増大は期待できない。この場合には、半導体表面に凹凸を設けた場合にのみ、光取出し効率の増大が見込まれる。
【0023】
基板1の第1の凹凸10及び第2の凹凸12が設けられている面に半導体を積層した発光素子(例えば、発光ダイオード)を形成する場合、第1の凹凸10及び第2の凹凸12は、基板1と半導体との界面、半導体の表面、及び/又は基板1の裏面に形成することができる。なお、発光素子としては、InP、InGaAs、InAlAs、GaAs、AlGaAs、InGaAsP、InAlGaAsP、GaN、InGaN、AlGaN、InAlGaN、ZnO、ZnSe、ZnS等の化合物半導体からなる半導体層を積層した化合物半導体積層構造を基板1上に形成することにより構成される。また、有機物半導体を用いた有機EL素子に基板1を用いることもできる。
【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である場合、面方位として、(211)、(311)、(411)、(775)等の高指数面を用いることもできる。
【0025】
また、基板1を構成する材料が六方晶である場合、C面、M面、A面、R面等を用いることができ、これらの面を組み合わせた高指数面を用いることもできる。更に、これらの面は、完全な指数面であっても良く、指数面から0.1〜10度程度傾いた微傾斜面であってもよい。なお、微傾斜面である場合、微傾斜の方向は特定の結晶方位であってもよく、特定の結晶方位でなくてもよい。
【0026】
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。
【0027】
また、第1の凹凸10及び第2の凹凸12が形成される面が基板1の表面である場合、基板1上に形成される化合物半導体の積層構造は、凸部10aの最上部から横方向成長により成長させることができる。この場合において、凹部10bの底部と成長した半導体との間に空洞を形成することができる。なお、第1の凹凸10及び第2の凹凸12の間隔又は積層条件を調整して空洞を形成させないこともできる。更に、積層条件を適宜調整し、第1の凹凸10及び第2の凹凸12の表面に沿って半導体を形成することもできる。また、凸部10aの斜面部分のみから半導体層を成長させることもできる。なお、半導体の成長過程により、凸部10aの最上部や斜面に空洞が形成される場合もあるが、当該空洞はあってもなくてもよい。
【0028】
基板1の表面、基板1の裏面、又は基板1上に設けられる半導体積層構造の表面に第1の凹凸10及び第2の凹凸12を有する凹凸面を形成する場合、以下の手法を用いることもできる。すなわち、露出している面に酸又はアルカリ溶液を用いたウェットエッチングを施す手法、露出している面にECRプラズマ等を用いたドライエッチングを施す手法、露出している面にスクライビング若しくは研削等を施す機械的な手法等を用いることができる。
【0029】
(第1の実施の形態の効果)
本実施の形態に係る基板1は、その表面に第1の凹凸10及び第2の凹凸12を備えている。そして、第1の凹凸10が1次元又は2次元の一定方向に周期的に繰り返されると共に、第2の凹凸12は、第1の凹凸10とは異なる周期(若しくはランダム)で基板1上に配置されるので、基板1上に発光層を有する化合物半導体積層構造26を形成して得られる発光素子の光取り出し効率を80%以上にすることができる。
【0030】
すなわち、単に周期的な凹凸を有する基板の場合、凹凸面の特定の位置にある角度で入射して全反射した光は常に同一の角度で反射されるので、発光素子の外部に出射されない。しかしながら、本実施の形態では、第1の凹凸10と、第1の凹凸10とは異なる周期で設けられる第2の凹凸12とを設けたので、全反射により発光素子の内部に閉じ込められた光に、ある段階で全反射を免れる機会を与えることができる。これにより、発光素子の光取り出し効率を向上させることができる。
【0031】
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。
【0032】
[第2の実施の形態]
図2は、本発明の第2の実施の形態に係る基板の断面の概要を示す。
【0033】
第2の実施の形態に係る基板1aは、第1の実施の形態に係る基板1とは第2の凹凸12aの形状が異なる点を除き、基板1と略同一の構成及び機能を備える。したがって、相違点を除き詳細な説明は省略する。
【0034】
第2の実施の形態に係る基板1aの第2の凹凸12aは突起状に形成される。第2の凹凸12aは、基板1の厚さ方向において、第2の凹凸12aの頂上と最低部(例えば、凹部10bの底部に対応する位置)との差が、100nm以上であることが好ましく、500nm以上の高低差にすることがより好ましい。当該高低差を1μm以上にすることもできる。
【実施例1】
【0035】
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。
【0036】
図3は、実施例1において作製した青色発光ダイオードの断面構造の概要を示す。
【0037】
まず、GaN系の化合物半導体層を成長する前に、サファイア基板の表面に200nm厚のNi膜を蒸着した。次に、フォトリソグラフィー法及びエッチング法を用い、部分的にNi膜を除去することにより、形成すべき凹凸面に対応する位置に開口を有するNiパターンをサファイア基板の表面に形成した。続いて、Niパターンを有するサファイア基板をECRプラズマエッチング装置に導入し、Niパターンをマスクとして、開口から外部に露出しているサファイア基板の表面にエッチング処理を施した。これにより、Niパターンがサファイア基板の表面に転写された基板1が得られた。なお、エッチング処理を実施する場合に、エッチング条件を適切に調整したエッチングを実施することで、エッチング深さ、斜面の傾き角度、凸部頂上の平坦面の大きさを様々に変えた凹凸面を形成した。エッチング処理後、基板1の表面に残留したNi層を塩酸で除去した。更に、Ni層を除去した後の基板1を、有機溶媒により洗浄した後、水洗した。そして、水洗後の基板1を半導体結晶成長装置(MOVPE装置)に導入した。
【0038】
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。
【0039】
次に、成長温度を1000℃〜1200℃に昇温した後、水素、窒素、アンモニア、TMGをMOVPE装置に供給し、0.1〜40μm/時の成長速度で3〜10μm厚のアンドープGaN層21を形成した。低温成長GaN層20及びアンドープGaN層21を形成することで、基板1の第1の凹凸10及び第2の凹凸12は化合物半導体層中に埋め込まれ、アンドープGaN層21の表面(すなわち、アンドープGaN層21と後述するn−GaN層22との界面)は平坦になった。なお、MOVPE装置における結晶成長条件を調整することにより、凸部10aの頂上のみからGaN系の化合物半導体を成長させることができる。この場合、基板1の凸部10aの頂上から成長させた化合物半導体と、基板1の凸部10aの隣の他の凸部10aから成長させた化合物半導体とを融合させて平坦面を形成することもできる。また、凸部10aの頂上と凹部10bの底部の双方から化合物半導体を成長させ、双方から成長する化合物半導体を融合させることにより平坦面を形成することもできる。また、結晶成長条件を調整することにより、GaN系の化合物半導体を凹部10bの表面、及び凸部10aの表面に沿って成長させ、最終的に平坦面を有する化合物半導体層を形成することもできる。更には、凹部10bの底部、及び斜面上、若しくは凸部10aの上等に空洞を形成すること、又は空洞を形成しないこともできる。
【0040】
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/cmであり、シート抵抗は1〜200Ω□であった。
【0041】
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/cm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。
【0042】
化合物半導体積層構造26を形成した後、基板1の温度を室温付近に降下させた。そして、化合物半導体積層構造26を備える基板1をMOVPE装置から取り出した。その後、取り出したウエハの表面をRIEにより部分的に除去し、n−GaN層22の一部を露出させ、露出させた部分にTi/Alからなるn電極30を形成した。更に、p−GaNコンタクト層25上にNi2nm/Au6nmからなる半透明電極としてのp電極35と、p電極35の端部の所定領域にパッド電極40を形成した。これにより、実施例1に係る青色発光ダイオードを作製した。
【0043】
図4の(a)及び(b)は、比較例に係る発光ダイオードに用いた基板の断面の概要を示す。また、図5は、(a)が比較例に係る発光ダイオードの凹凸の平面視における配置を示し、(b)〜(d)が本実施の形態に係る発光ダイオードの凹凸の平面視における配置を示す。更に、図6は、(a)が比較例に係る発光ダイオードの凹凸の平面視における配置を示し、(b)〜(d)が本実施の形態に係る発光ダイオードの凹凸の平面視における配置を示す。
【0044】
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。
【0045】
なお、図5の(a)は比較例に係る凹凸の平面視における配置を示す。すなわち、比較例においては、凹部13と凸部14とをストライプ状に周期的に設けた。また、図6の(a)は、他の比較例に係る凹凸の平面視における配置を示す。すなわち、他の比較例においては、平面視にて矩形状の複数の凸部14をマトリクス状に設け、基板1の凸部14と他の凸部14との間が凹部13である。比較例及び他の比較例においては、凹部13及び凸部14からなる凹凸が、実施例1に係る第1の凹凸10に対応する。
【0046】
一方、本実施の形態に係る凹凸の平面視における配置を、図5の(b)〜(d)、及び図6の(b)〜(d)にそれぞれ示す。例えば、図5の(b)においては、ストライプ状の第1の凹凸10とは別の位置に、第1の凹凸10に略平行にストライプ状の第2の凹凸12が設けられる。図5の(c)においては、ストライプ状の第1の凹凸10とは別に、矩形状の第2の凹凸12が第1の凹凸10を挟む位置に設けられる。また、図5の(d)においては、ストライプ状の第1の凹凸10とは別に、図5の(c)の形態より多い数の矩形状の第2の凹凸12が設けられる。
【0047】
また、図6の(b)においては、矩形状の第1の凹凸10とは別の位置に、矩形状の第2の凹凸12が設けられる。図6の(c)においては、矩形状の第1の凹凸10とは別の位置に、円形の第2の凹凸12が設けられる。更に、図6の(d)においては、第1の凹凸10の基板1の厚さ方向における凹凸の向きと第2の凹凸12の基板1の厚さ方向における向きとが、図6の(c)の場合の逆の形態の凹凸が基板1に設けられる。
【0048】
実施例1及び比較例に係る青色発光ダイオードはすべて、発光ピーク波長が440〜470nmであった。また、20mA通電時における駆動電圧はいずれも3.2〜3.5Vの範囲で略同等であった。
【0049】
しかしながら、凹凸面を有さない平坦なサファイア基板を用いた青色発光ダイオード(比較例及び他の比較例)の20mA通電時の発光出力が平均して7.5mWであり、従来の凹凸面を有するサファイア基板上に形成した青色発光ダイオード(図4(a)及び図4(b))の発光出力が平均して22mWであったところ、実施例1に係る青色発光ダイオードの場合、29〜31mWであった。内部量子効率を青色発光ダイオードで典型的な70%に仮定した場合、比較例の青色発光ダイオード(ただし、平坦なサファイア基板を用いた青色発光ダイオード)の光取り出し効率は20%であり、比較例の青色発光ダイオード(ただし、図4(a)及び図4(b)に図示した基板を用いた青色発光ダイオード)の光取り出し効率は60%であるところ、実施例1に係る青色発光ダイオードそれぞれの光取り出し効率は約80%と極めて大きな値であることが示された。
【0050】
なお、実施例1において、基板1の第1の凹凸10及び第2の凹凸12のパターンを変化させることで実施例1に係る青色発光ダイオードの光出力は変化した。具体的に、第1の凹凸10の周期と高低差とをそれぞれ100nm以上にすることで、29mW以上の光出力、500nm以上の場合にすることで30mW以上の光出力、1μm以上にすることで31mWの光出力が得られることを確認した。実施例1においては、凹凸の周期及び第1の凹凸10の深さ共に増加するほど光出力が増大することが示された。また、第1の凹凸10の斜面の角度等は、光出力の値に顕著な影響を与えなかった。
【0051】
また、第1の凹凸10及び第2の凹凸12について、図5の(b)から(d)に示す溝構造だけでなく、正三角格子、正六角格子、長方形格子等の溝構造を採用した場合にも同様の結果が得られた。
【0052】
更に、実施例1に係る青色発光ダイオードの素子寿命を評価した。その結果、従来の青色発光ダイオードの素子寿命が20000時間程度である一方で、実施例1に係る青色発光ダイオードの素子寿命は60000時間であることが示された。すなわち、基板1上に実施例1に係る第1の凹凸10及び第2の凹凸12を設けることで、青色発光ダイオードの素子寿命を延ばすことができることが示された。
【実施例2】
【0053】
図7は、実施例2において作製した青色発光ダイオードの断面構造の概要を示す。
【0054】
実施例2に係る青色発光ダイオード2bにおいては、サファイア基板の表面(すなわち、低温成長バッファ層20が形成される面)を平坦にしたまま、サファイア基板の裏面に凹凸加工を施した基板1を用いた。そして、実施例1と同様の実験を実施した。その結果、実施例1と略同様の結果が得られた。
【実施例3】
【0055】
図8は、実施例3において作製した青色発光ダイオードの断面構造の概要を示す。
【0056】
実施例3に係る青色発光ダイオード2bにおいては、サファイア基板3には凹凸を設けず、p−GaNコンタクト層25の表面に凹凸加工を施し、実施例1と同様の実験を実施した。p−GaNコンタクト層25表面の加工は、当該表面にフォトリソグラフィー法を用いてレジストパターンを形成し、p−GaNコンタクト層25の表面にRIE法を用いてガスエッチングを施すことで実施した。なお、エッチング深さがp−GaNコンタクト層25の全厚を超えないように注意しつつ、エッチングを実施した。また、この場合、p−GaN層表面に凹凸があるので、薄いNi/Au電極をその上に連続的に形成することは困難である。したがって、200nm厚のITOを透明電極35として用いた。その結果、実施例3においても実施例1と略同様の結果が得られた。
【実施例4】
【0057】
実施例4に係る青色発光ダイオードにおいては、サファイア基板の表面、サファイア基板の裏面、及び化合物半導体積層構造の表面のうち2つの面に凹凸面を形成した場合、及びこれらの面のすべてに凹凸面を形成した場合のそれぞれについて、実施例1と同様の実験を実施した。従来例のパターンを用いた場合には、20mA通電時の光出力が29mWになり、実施例1〜3の場合より改善し、略80%程度の光取り出し効率が実現された。一方、実施例4に係る青色発光ダイオードにおいては、光出力が34〜36mWに向上し、光取り出し効率も90〜95%に向上した。
【実施例5】
【0058】
実施例5に係る青色発光ダイオードにおいては、GaNからなる低温成長バッファ層20を、AlNからなる低温成長バッファ層、AlGaNからなる低温成長バッファ層、InGaNからなる低温成長バッファ層、1000〜1300℃の温度で成長した2〜4000nm厚の高温AlNバッファ層に代え、実施例1〜4と同様の実験を実施した。その結果、実施例1〜4と略同様の結果が得られた。
【実施例6】
【0059】
実施例6に係る青色発光ダイオードにおいては、サファイア基板のオフ角を0.1〜2度の範囲で変更すると共に、オフ方向をA軸からM軸の間で様々に変更した複数のサファイア基板のそれぞれについて実施例1〜5と略同様の実験を実施した。その結果、実施例1〜5と略同様の結果が得られた。
【実施例7】
【0060】
実施例7に係る青色発光ダイオードにおいては、サファイア基板のC面を、A面、M面、R面、及びこれらの面の中間の面等に様々に面方位を変更すると共に、これらの面のオフ角度、オフ方向を様々に変えた複数のサファイア基板のそれぞれについて実施例1〜6と同様の実験を実施した。その結果、実施例1〜6と略同様の結果が得られた。
【実施例8】
【0061】
実施例8に係る発光ダイオードにおいては、InGaN/GaN多重量子井戸層の変更、又はInGaN/GaN多重量子井戸層に代えてAlGaN/GaN量子井戸層を用いたり、p層やn層であるGaN層をAlGaN層に変更するなどし、発光ピーク波長が270〜600nmの範囲の様々な発光ダイオードを作成し、実施例1〜7と同様の実験を実施した。その結果、実施例1〜7と略同様の結果が得られた。
【実施例9】
【0062】
実施例7に係る発光ダイオードにおいては、サファイア基板をAlN基板、SiC基板、ZnO基板にそれぞれ変更して実施例1〜8と同様の実験を実施した。その結果、実施例1〜8と略同様の結果が得られた。
【実施例10】
【0063】
実施例10に係る発光ダイオードにおいては、化合物半導体の成長法をMOVPE法から、MBE法、HVPE法、LPE法にそれぞれ変更して実施例1〜9と同様の実験を実施した。その結果、実施例1〜9と略同様の結果が得られた。
【0064】
(変形例)
GaAs、InP、InSn、GaN、AlN、ZnO、Si、SiC、Ge、サファイア等からなる基板上に、InP、InGaAs、InAlAs、GaAs、AlGaAs、InGaAsP、InAlGaAsP、ZnO、ZnSe、ZnS等の材料からなる半導体積層構造を形成したピーク波長が200〜1500nmの範囲の発光ダイオードに、実施例1〜11において説明した凹凸面を採用し、光出力の向上、長寿命化を図ることもできる。
【0065】
なお、基板が発光層が発する光に対して透明である場合には、凹凸面を基板1と半導体との界面、半導体の表面、及び/又は基板1の裏面に形成すると、いずれの場合にも発光効率を増大することが可能である。一方、基板が発光層が発する光に対して不透明な場合には、基板1の裏面に凹凸を形成しても、界面に凹凸を形成しても、基板により光が吸収されるため、光取出し効率の増大は期待できない。この場合には、半導体表面に凹凸を設けた場合にのみ、光取出し効率の増大が見込まれる。
【0066】
また、サファイア基板やガラス基板上に、プラズマCVDや蒸着により形成される有機EL素子の光出力の向上、長寿命化にも、実施例1〜11において説明した凹凸面を採用することができる。
【0067】
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】
【0068】
1、1a 基板
2、2a、2b 発光素子
3 サファイア基板
4 サファイア基板
5 サファイア基板
10 第1の凹凸
10a 凸部
10b 凹部
12、12a 第2の凹凸
13 凹部
14 凸部
15 凹部
16 凸部
20 低温成長バッファ層
21 アンドープGaN層
22 n−GaN層
23 InGaN/GaN多重量子井戸層
24 p−AlGaN層
25 p−GaNコンタクト層
26 化合物半導体積層構造
30 n電極
35 p電極
40 パッド電極

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

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【図7】
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【図8】
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【公開番号】特開2012−33521(P2012−33521A)
【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2010−169025(P2010−169025)
【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)】