発光素子
【課題】光抽出構造が形成されることで、発光効率及び信頼性を向上できる発光素子を提供する。
【解決手段】本発明の発光素子は、金属又は半導体からなる支持層；支持層上に位置する第１の電極；第１の電極上に位置し、発光層を含む多層構造の半導体層；及び半導体層上に配置され、少なくとも一つのホール又は柱形状の単位構造で形成される光抽出構造；を含む。光抽出構造はランダムに配置され、光抽出構造の高さは、ｎを光抽出構造が形成された物質の屈折率とし、λを発光層の中心波長とした場合にλ／２ｎ〜３０００ナノメートルであり、光抽出構造の周期又は隣接する単位構造の各中心間の平均距離は４００〜３０００ナノメートルであり、光抽出構造の単位構造はホール又は柱形状であり、単位構造の内側表面の半径と外側表面の半径とが互いに異なる。
【解決手段】本発明の発光素子は、金属又は半導体からなる支持層；支持層上に位置する第１の電極；第１の電極上に位置し、発光層を含む多層構造の半導体層；及び半導体層上に配置され、少なくとも一つのホール又は柱形状の単位構造で形成される光抽出構造；を含む。光抽出構造はランダムに配置され、光抽出構造の高さは、ｎを光抽出構造が形成された物質の屈折率とし、λを発光層の中心波長とした場合にλ／２ｎ〜３０００ナノメートルであり、光抽出構造の周期又は隣接する単位構造の各中心間の平均距離は４００〜３０００ナノメートルであり、光抽出構造の単位構造はホール又は柱形状であり、単位構造の内側表面の半径と外側表面の半径とが互いに異なる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光素子に関するもので、特に、光抽出構造が形成されることで、発光素子の発光効率及び信頼性を向上できる発光素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
発光ダイオード（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ：ＬＥＤ）は、電流を光に変換させるものとして知られた半導体発光素子であり、１９６２年にＧａＡｓＰ化合物半導体を用いた赤色ＬＥＤが商品化されて以来、ＧａＰ：Ｎ系列の緑色ＬＥＤと一緒に、情報通信機器を初めとする電子装置の表示画像用光源として用いられてきた。
【０００３】
上記のようなＬＥＤによって放出される光の波長は、ＬＥＤを製造するのに用いられる半導体材料によっている。これは、放出された光の波長が、価電子帯の電子と伝導帯の電子との間のエネルギー差を示す半導体材料のバンドギャップ（ｂａｎｄ-ｇａｐ）によるためである。
【０００４】
窒化ガリウム化合物半導体（Ｇａｌｌｉｕｍ Ｎｉｔｒｉｄｅ：以下、ＧａＮという。）は、高い熱的安定性及び幅広いバンドギャップ（０．８〜６．２ｅＶ）を有しており、ＬＥＤを含む高出力電子部品素子の開発分野で大いに注目を浴びてきた。
【０００５】
これに対する理由の一つは、ＧａＮが他の元素（インジウム（Ｉｎ）、アルミニウム（Ａｌ）など）と組み合わされ、緑色、青色及び白色の光を放出する半導体層を製造できるためである。
【０００６】
上記のように放出波長を調節できるため、特定の装置特性に合わせて材料を用いることができる。例えば、ＧａＮを用いて、光記録に有益な青色ＬＥＤ及び白熱灯に取って代わる白色ＬＥＤを作ることができる。
【０００７】
上記のようなＧａＮ系列物質の利点のため、ＧａＮ系列のＬＥＤ市場が急速に成長している。したがって、１９９４年に商業的に導入されて以来、ＧａＮ系列の光電子装置技術も急激に発達した。
【０００８】
上述したようなＧａＮ系列物質を用いたＬＥＤの輝度または出力は、活性層の構造、光を外部に抽出できる光抽出効率、ＬＥＤチップの大きさ、ランプパッケージ組み立て時のモールドの種類及び角度、蛍光物質などによって左右される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、上記のような従来の問題点を解決するためのもので、その技術的課題は、光抽出効率を向上できる光抽出構造を有する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】
【００１０】
上記の技術的課題を解決するため、本発明の発光素子は、金属又は半導体からなる支持層；前記支持層上に位置する第１の電極；前記第１の電極上に位置し、発光層を含む多層構造の半導体層；及び前記半導体層上に配置され、少なくとも一つのホール又は柱形状の単位構造で形成される光抽出構造；を含む。前記光抽出構造はランダムに配置され、前記光抽出構造の高さは、ｎを光抽出構造が形成された物質の屈折率とし、λを前記発光層の中心波長とした場合にλ／２ｎ〜３０００ナノメートルであり、前記光抽出構造の周期又は隣接する単位構造の各中心間の平均距離は４００〜３０００ナノメートルであり、前記光抽出構造の単位構造はホール又は柱形状であり、前記単位構造の内側表面の半径と外側表面の半径とが互いに異なる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明は、光抽出構造が形成されることで、発光素子の発光効率及び信頼性を向上できるという効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】無反射コーティングを有する発光素子の光抽出を示す概略図である。
【図２】無反射コーティングの有無による入射角度に対する透過率の変化を示すグラフである。
【図３】光結晶を有する発光素子の一例を示す概略図である。
【図４】光結晶の原理を示すダイヤグラムである。
【図５】光結晶有無による抽出効率の変化を示すグラフである。
【図６】光結晶周期に対する抽出効率の変化を示すグラフである。
【図７Ａ】光結晶構造の様々な因子を示す概略図である。
【図７Ｂ】光結晶構造の様々な因子を示す概略図である。
【図８Ａ】光結晶構造の様々な因子を示す概略図である。
【図８Ｂ】光結晶構造の様々な因子を示す概略図である。
【図８Ｃ】光結晶構造の様々な因子を示す概略図である。
【図９】光結晶を形成する段階を示す断面図である。
【図１０】光結晶を形成する段階を示す断面図である。
【図１１】光結晶を形成する段階を示す断面図である。
【図１２】光結晶を形成する段階を示す断面図である。
【図１３Ａ】光結晶壁面の傾き変化を示す写真である。
【図１３Ｂ】光結晶壁面の傾き変化を示す写真である。
【図１４Ａ】光結晶壁面の傾き変化を示す写真である。
【図１４Ｂ】光結晶壁面の傾き変化を示す写真である。
【図１５Ａ】光結晶壁面の傾き変化を示す写真である。
【図１５Ｂ】光結晶壁面の傾き変化を示す写真である。
【図１６Ａ】光結晶の周期によるフォトレジストパターンを示す断面図である。
【図１６Ｂ】光結晶の周期によるフォトレジストパターンを示す断面図である。
【図１６Ｃ】光結晶の周期によるフォトレジストパターンを示す断面図である。
【図１７Ａ】壁面傾きを変化した光結晶を示す断面図である。
【図１７Ｂ】壁面傾きを変化した光結晶を示す断面図である。
【図１７Ｃ】壁面傾きを変化した光結晶を示す断面図である。
【図１８】光結晶壁面の傾きによる光抽出増大比を示すグラフである。
【図１９Ａ】フィリングファクターに対する相対的な光抽出増大比を示すグラフである。
【図１９Ｂ】単位構造の半径による光抽出効率の向上程度を示す図である。
【図１９Ｃ】四角格子及び三角格子を模式的に表す図である。
【図１９Ｄ】四角格子及び三角格子の各々について、単位構造の大きさとフィリングファクターとの関係を示す図である。
【図２０Ａ】光結晶壁面の傾き構造を示す概略図である。
【図２０Ｂ】光結晶壁面の傾き構造を示す概略図である。
【図２０Ｃ】光結晶壁面の傾き構造を示す概略図である。
【図２１】特定の壁面傾きを有する光結晶を適用した発光素子の例を示す断面図である。
【図２２】特定の壁面傾きを有する光結晶を適用した発光素子の例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の好適な実施例を添付の図面に基づいて詳細に説明する。
【００１４】
本発明は、多様な修正及び変形が可能であり、以下、その特定の実施例が添付の図面に基づいて詳細に説明される。しかし、本発明は、開示された特別な形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって定義された本発明の思想と合致する全ての修正、均等及び代用を含んでいる。
【００１５】
層、領域または基板などの要素が他の構成要素“上（ｏｎ）”に存在すると表現される場合、層、領域または基板などの要素が直接的に他の要素上に存在したり、または、その間に中間要素が存在するものとして理解できる。また、表面などの構成要素の一部が‘内部（ｉｎｎｅｒ）'と表現される場合、表面などの構成要素の一部が、その要素の他の部分よりも素子の外側から一層遠くにあることを意味するものと理解できる。
【００１６】
さらに、‘下（ｂｅｎｅａｔｈ）'または‘重畳（ｏｖｅｒｌｉｅｓ）’などの相対的な用語は、図面に示すように、基板または基準層と関連した一つの層または領域と、他の層または領域に対する一つの層または領域の関係を説明するために用いられる。
【００１７】
上記のような用語は、図面によって描写された方向に加えて、素子の他の方向も含む意図を持つものとして理解できる。最後に、‘直接（ｄｉｒｅｃｔｌｙ）'という用語は、中間に介入する要素が全くないことを意味する。ここで用いられる‘及び／または'という用語は、記録された関連項目の一つまたはそれ以上の何れかの組み合わせ、及び全ての組み合わせを含んでいる。
【００１８】
第１及び第２などの用語は、多様な要素、成分、領域、層及び／または地域を説明するために用いられるが、これら要素、成分、領域、層及び／または地域は、これら用語によって限定されてはならない。
【００１９】
本発明の実施例は、例えば、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）系基板などの非導電性基板上に形成された窒化ガリウム（ＧａＮ）系発光素子を参照して説明される。しかし、本発明は、このような構造に限定されるものでない。
【００２０】
本発明の各実施例においては、導電性基板を含む他の基板が使用される。したがって、本発明の各実施例は、ＧａＰ基板上のＡｌＧａＩｎＰダイオード、ＳｉＣ基板上のＧａＮダイオード、ＳｉＣ基板上のＳｉＣダイオード、サファイア基板上のＳｉＣダイオード、及び／またはＧａＮ、ＳｉＣ、ＡｌＮ、ＺｎＯ及び／または他の基板上の窒化物系ダイオードなどの組み合わせが含まれる。さらに、本発明において、活性領域の使用は、ダイオード領域に限定されるものでない。また、活性領域の他の形態が、本発明の一部の実施例にしたがって使用されることもある。
【００２１】
半導体発光素子の抽出効率は、光が発生する発光層を含む半導体層と、最終的に光を観測する媒質（空気またはエポキシ（Ｅｐｏｘｙ））との間の屈折率差で決定される。半導体媒質は、通常、高い屈折率（ｎ＞２）を有するので、抽出効率がほぼ数％に過ぎない。
【００２２】
例えば、図１のような反射膜２０を有する窒化ガリウム（ｎ＝２．４６）基盤の発光素子の場合、半導体層１０上に位置する外部物質が、通常のパッケージで充填剤として用いられるエポキシ（ｎ＝１．４；３０）であると仮定したとき、発光素子の上層部を通した抽出効率は約９％程度に過ぎない。これを除いた残りの光は、素子内部に全反射過程によって閉じ込められながら、量子井戸構造を有する発光層などの吸収層によって消失される。
【００２３】
半導体発光素子の抽出効率を増加させるための一つ方案は、半導体層１０の最上端部に無反射コーティング（Ａｎｔｉ−ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ｃｏａｔｉｎｇ）４０を導入することである。図１に示すように、屈折率が外部背景物質（エポキシ）３０と半導体層１０の幾何平均程度に該当する物質を、１／４波長差を有する厚さで積み重ねると、垂直方向に入射する光に対する透過率を増大することができる。
【００２４】
このような無反射コーティング４０の屈折率ｎと厚さｄは、次のように表現される。
【００２５】
【００２６】
（ここで、ｍは、０を含む自然数である。）
【００２７】
図２は、無反射コーティング４０の有無による光の入射角度に対する透過率の変化を描写している。入射角度を臨界角を基準にして二つの領域に分けると、入射角度が臨界角より小さい場合、無反射コーティング４０による透過率が増加する傾向を示す。
【００２８】
その反面、入射角度が臨界角より大きい、すなわち、全反射領域に該当する光は、薄膜の有無と関係なしに、依然として０の透過率を示している。結論的に、無反射コーティング４０は、臨界角より小さい入射角度に該当する光に対する抽出効率向上には寄与するが、依然として全反射現象を撹乱することはできない。
【００２９】
入射角度に対する光の放出比率を察したとき、全反射角度に該当する光が全体光量の８０％まで占めるという点を勘案すると、この領域に属している光を抽出できない場合、事実上、光抽出向上効果を期待することはできない。
【００３０】
したがって、発光素子の光抽出効率を向上させるためには、必然的に全反射角度に該当する光を抽出できる構造的装置が必要であるとの結論に達する。このような役割を行える構造の一例として、光結晶などの光抽出構造がある。
【００３１】
光の透過現象は、運動の観点で察すると、光が屈折率の互いに異なる物質を移動することである。力学での物体移動と同様に、光の移動も常に運動量保存法則に従っている。
【００３２】
光の場合、運動量は波数ベクトル（ｋ＝２πｎ／λ）に該当する。すなわち、光が互いに異なる媒質を移動するときは、境界面の平面方向運動量成分が保存されるべきである。これを全反射現象に適用すると、一層明確に理解することができる。
【００３３】
全反射現象は、光が屈折率の高い媒質から低い媒質に移動するときに発生する。屈折率の高い媒質内に属する光は、既に大きな運動量を有しているので、特定の入射角度以上では、屈折率の低い媒質内で如何なる角度であっても得られない（平面成分の）運動量を有するようになる。
【００３４】
光の透過のためには、平面成分の運動量が保存されるべきであるので、光は反射過程を経るしかない。ここで、運動量を保存できない最小の入射角度が臨界角に該当する。
【００３５】
このとき、図３及び図４に示すように、光結晶などの光抽出構造５０（以下、光結晶を例に挙げて説明する。）は、運動量を保存できない全反射角度の光に対して自身の周期性（ｐｅｒｉｏｄｉｃｉｔｙ）が生成する運動量成分を加減し、光が外部に抽出するように助ける。これは、分光器における光の回折原理と同一である。すなわち、光結晶の周期によって運動量の大きさが変わり、これによって、全反射角度に該当する光の回折効率が変わる。
【００３６】
図５は、一般的な垂直型ＧａＮ発光素子に光結晶を導入するとき、光の進行距離による抽出効率の変化を示すグラフである。このグラフによると、光結晶を導入しない平面構造の場合、臨界角より小さい入射角度を有する光が抽出された後、それ以上抽出効率が向上していない反面、光結晶構造がある場合は、光が光結晶構造と接する時ごとに抽出効率が継続的に上昇していることが分かる。
【００３７】
すなわち、光結晶は、全反射角度に該当する光を抽出することができ、これは、光が散乱過程ごとに所定の確率を有して抽出されることを意味する。図６は、上述したように、光結晶周期によって抽出効率が変わる様相を示している。
【００３８】
抽出効率を極大化する最適の周期が存在するという事実は、光結晶を通した抽出効率向上効果が光の回折過程によって生じることを反証する。
【００３９】
光結晶による光の抽出効率は、光結晶の周期の他にも、光結晶をなすパターンの深さ、パターンが占める面積（フィリングファクター（Ｆｉｌｌｉｎｇ ｆａｃｔｏｒ）；パターンをなす単位構造が占める面積；図７Ａ及び図７Ｂを参照）、光結晶格子構造（図８Ａ乃至図８Ｃを参照）などの構造変数とも密接な相関関係を有する。
【００４０】
すなわち、図７Ａに示したフィリングファクターに比べて、図７Ｂに示したフィリングファクターが大きいことが分かる。また、図８Ａは四角格子を、図８Ｂは三角格子を、図８Ｃはアルキメディアン（Ａｒｃｈｉｍｅｄｅａｎ）格子をそれぞれ示している。その他に、ランダム、準クリスタル（Ｑｕａｓｉｃｒｙｓｔａｌ）、準ランダム（Ｑｕａｓｉｒａｎｄｏｍ）などの多様な光結晶格子構造が適用される。
【００４１】
上記のように、半導体発光素子内で高い抽出効率向上効果を得るためには、最適の光結晶構造を考案して適用することが非常に重要である。
【００４２】
この光結晶構造は、多様なリソグラフィ道具として適用可能である。以下、フォトリソグラフィ方法を例に挙げて説明する。
【００４３】
まず、図９に示すように、反射膜２０上に半導体層１０が形成された発光素子の最上層部に、フォトレジスト６０を所定厚さだけ塗布し、図１０に示すように、フォトリソグラフィを実施することで、フォトレジストパターン６１を形成する。
【００４４】
その後、図１１に示すように、フォトレジストパターン６１をエッチングマスクとして用いてＧａＮ半導体層１０をエッチングすることで光抽出構造（光結晶）５０を形成し、最後に、最上層部に残留しているフォトレジストパターン６１を除去する（図１２を参照）。
【００４５】
フォトレジストパターン６１とＧａＮ半導体層５０との間のエッチング選択比問題によって所望のエッチング深さを得られない場合、追加的なエッチングマスク（図示せず）をフォトレジストパターン６１とＧａＮ半導体層５０との間に導入することができる。このとき、中間マスクとしては、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、ＩＴＯなどの酸化物系列、Ｓｉ３Ｎ４などの窒化物系列、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ａｕなどの金属系列などが使用される。
【００４６】
特に、フォトリソグラフィ過程を通して光源波長の数倍内の周期を有する光結晶をパターニングするときは、フォトマスクと、光結晶を形成しようとする半導体層１０との間の間隙を最小化する方法（ｖａｃｕｕｍ ｃｏｎｔａｃｔ、ｈａｒｄ ｃｏｎｔａｃｔ）が要求される。
【００４７】
間隙が遠くなるほど、回折効果によって微細なパターンを具現することが難しい。間隙を最小化するための方法（Ｖａｃｕｕｍ ｃｏｎｔａｃｔまたはｈａｒｄ ｃｏｎｔａｃｔ）を導入するとしても、パターンの大きさが小さくなるほど回折効果が大きくなり、露出光量によってフォトマスクと異なる大きさのパターンが半導体層１０に転写される。これを、近接場効果（ｐｒｏｘｉｍｉｔｙ ｅｆｆｅｃｔ）という。
【００４８】
この近接場効果をよく利用すると、与えられたフォトマスクを用いて多様な大きさのパターンを製作することができる。また、図１３Ａ乃至図１５Ｂに示すように、パターンをなすホール（または柱）の壁面傾きを調節することもできる。
【００４９】
図１３Ａ及び図１３Ｂは、エッチング傾きが６０゜であるときの平面と側面写真をそれぞれ示し、図１４Ａ及び図１４Ｂは、エッチング傾きが７０゜であるときの平面と側面写真をそれぞれ示し、図１５Ａ及び図１５Ｂは、エッチング傾きが８０゜であるときの平面と側面写真をそれぞれ示している。
【００５０】
図１６Ａ乃至図１６Ｃは、光結晶の周期ａによって表れる近接場効果を説明している。図１６Ａ乃至図１６Ｃは、光結晶周期が３０００ｎｍより大きい場合、光結晶周期が７００〜３０００ｎｍである場合、光結晶周期が７００ｎｍより小さい場合の露出光量回折効果によって、光結晶のホールの大きさ及びホールの内壁面の傾きを調節できることをそれぞれ示している。
【００５１】
光結晶の周期がフォトリソグラフィ光源の波長より非常に大きい場合、単位パターンをなす個別的なホール（または柱）間の近接場効果は無視することができ、図１７Ａに示すように、フォトマスク７０の形状がそのまま半導体層に転写される。
【００５２】
しかし、光結晶の周期が漸次減少して光源波長の数倍内に位置すると、近接場効果が発生する。このとき、露出光量を適切に調節すると、図１７Ｂ及び図１７Ｃに示すように、フォトマスク７０の形状より大きい（または小さい）光結晶５０パターンを得ることができ、結果として、単位パターンをなすホール（または柱）５１の壁面傾きを調節することができる。
【００５３】
一般的に、露出光量は、前方散乱と後方散乱過程を通してフォトレジストパターン６１の上層表面に多く分布するので、上辺が大きい等辺台形の形態を有するようになる。ここで、光結晶５０の周期が光源の波長より小さくなると、個別的なホール（または柱）５１が互いに重なる現象が発生し、露出光量がフォトレジストの底面まで到達できなくなる。
【００５４】
結論的に、フォトマスク７０内の光結晶５０の周期が光源の波長より大きく、波長の数倍（約１０倍）より小さいとき、個別的なホール（または柱）５１の大きさと壁面の傾きを調節できるという可能性が生じる。
【００５５】
以下、光結晶をなす個別的なホール（または柱）の壁面傾きによる抽出効率の相関関係を説明する。
【００５６】
本発明で提案する光結晶構造は、発光素子の種類と関係なしに適用可能であるが、議論の便宜上、垂直型ＧａＮ発光素子構造における光結晶の壁面傾き効果を計算した結果を説明する。
【００５７】
電算摸写（３Ｄ−ＦＤＴＤ）上に入力された構造の形状は、図８Ａ乃至図８Ｃに示されている。一般的な発光素子の大きさは、コンピュータメモリの限界のために計算構造内に完全に含まれない。
【００５８】
上記のような問題点を解決するために、有限大きさ（１２mm）の構造両端に完全鏡を設置した。構造の下端部には、解析の便宜性上、吸収率が存在する実際の金属鏡の代わりに、１００％の反射率を有する完全鏡を設置した。量子井戸層（発光層）の内部には、実際の吸収率を付与し、光の進行距離が増加するほどその強さが弱くなるようにした。
【００５９】
量子井戸層内には、無作為方向を有する電気双極子を配置し、実際と類似した球面波の放射パターンを発生させた。
【００６０】
図１８は、同一の周期及びエッチング深さを有する光結晶構造において、単位構造の壁面傾きによる抽出効率の変化を示したグラフである。すなわち、ホールまたは柱形状の単位構造の壁面傾きによる抽出効率の変化を示している。この結果によると、壁面の傾きが垂直（０゜）〜６０゜であると、抽出効率がほとんど変わらない。しかし、壁面の傾きがこれより急に変わると、抽出効率が減少する傾向を示す。
【００６１】
図１９Ａは、垂直壁面を有する光結晶構造において、フィリングファクターと抽出効率との相関関係を示したグラフである。垂直壁面光結晶構造においては、フィリングファクターが０．４〜０．６の値を有するとき、抽出効率が最大になることが分かる。
【００６２】
グラフに示すように、上記のような傾向性から、全体の主発光面（本実施例の場合は発光素子の上側面）で光抽出パターンが占める面積の比率であるフィリングファクターは、５〜６５％程度であるときに光抽出効率の向上をもたらすと判断される。
【００６３】
上記のようなフィリングファクターは、ホールまたは柱などの単位構造の大きさ及び格子構造で決定される。
【００６４】
すなわち、単位構造の半径による光抽出効率の向上程度は、図１９Ｂに示している。図１９Ｂは、四角格子で、周期がそれぞれ７５０ｎｍ及び１１００ｎｍである場合の光抽出効率を示している。
【００６５】
一方、図１９Ｃに示した四角格子及び三角格子の場合、フィリングファクターは、周期をａとし、単位構造の半径をｒとしたとき、下記のような式で表現される。
【００６６】
【００６７】
【００６８】
そして、図１９Ｄは、それぞれ四角格子及び三角格子の場合、単位構造の大きさとフィリングファクターとの関係を示している。図示したように、光抽出効率が向上する単位構造の大きさに対するフィリングファクターの範囲を示している。
【００６９】
この結果を示したグラフと、上述した壁面傾きによる抽出効率の変化を示したグラフを同時に示したとき、図２０Ａ及び図２０Ｂに示すように、壁面が傾いている光結晶も平均的なフィリングファクターを示すことができる。
【００７０】
図１９Ａから、重要な結論を導き出せるが、それは、同一のフィリングファクターを有する二つの光結晶構造のうち、壁面が傾いている光結晶構造が、垂直壁面の光結晶より優れた光抽出特性を示すという点である。また、壁面の傾きが急であるほど、その光抽出特性の優位は漸次大きくなる。
【００７１】
また、この光抽出構造の周期または各単位構造の各中心間の平均距離は、４００〜３０００ｎｍであることが有利である。
【００７２】
上記のように形成される単位構造の高さ（深さ）は、λ／２ｎ〜３０００ｎｍであることが好ましく、ここで、ｎは、光抽出構造が形成された物質の屈折率で、λは、前記発光層の中心波長である。
【００７３】
一方、上記のような光抽出構造は、半導体層の外側面に形成されるが、場合によっては、半導体層と異なる屈折率を有し、半導体層上に位置する光抽出層にも形成される。また、この光抽出層は、場合によって２層以上からなる。
【００７４】
上記のように光抽出構造が半導体層に形成された場合、上述した単位構造の高さの下限で、ｎは、半導体層の屈折率になり、光抽出層が半導体層に形成された場合、ｎは、光抽出層の屈折率になる。また、２層以上の光抽出層が適用された場合であれば、ｎは、最も高い屈折率を有する層の屈折率になる。
【００７５】
上記のような光抽出構造が形成される半導体層または光抽出層は、誘電率が特定のパターンによって空間的に変わる形態を有している。
【００７６】
図２０Ａは、光結晶５０の単位構造がホール５１である場合を、図２０Ｂは、光結晶５０の単位構造が柱５２である場合をそれぞれ示している。図２０Ｃは、単位構造の平面を示している。
【００７７】
上述した過程で形成された単位構造は、外側表面の半径をｒｏとし、単位構造の内側面の半径をｒｉとしたとき、ｒｏ≠ｒｉであることが分かる。
【００７８】
図２０Ａ及び図２０Ｂに示すように、単位構造がホール５１及び柱５２である場合の全てにおいて、外側表面の半径が内側面の半径より大きく形成されることが分かる（ｒｏ＞ｒｉ）。また、このホール５１または柱５２の壁面の角度θは、仮想の垂直線からの角度、すなわち、単位構造の外側縁部から延長された仮想の垂直線と前記壁面との間の角度を示しており、この壁面の角度θが±４５゜であることを示している。
【００７９】
すなわち、このような仮想の垂直線は、発光素子の主発光方向と平行な線で、このような単位構造の壁面の角度θは、発光素子の主発光方向と平行な仮想の垂直線と±４５゜をなすようになる。
【００８０】
このとき、発光面で光結晶パターンが占める平均面積（Ｆｉｌｌｉｎｇ Ｆａｃｔｏｒ）は、次の通りである。すなわち、図２０Ａのように単位構造がホール５１である場合、この発光面上に位置する空気またはエポキシに対する平均フィリングファクターは、π［（ｒｏ＋ｒｉ）／２］２で表現され、図２０Ｂのように単位構造が柱５２である場合、平均フィリングファクターは、π［（ｒｏ＋ｒｉ）／２］２で表現される。
【００８１】
しかし、本発明で提案する傾いた壁面を有する光結晶構造を導入すると、光抽出効果を低下させずにエッチングによる半導体層の量の低下を最小化することができる。
【００８２】
上記のような光結晶構造は、半導体物質と関係なしに適用可能である。
【００８３】
図２１及び図２２は、上述した光抽出構造５０が適用された垂直型発光素子の例を示している。
【００８４】
すなわち、下側から順にｐ−型半導体層１１、発光層１２及びｎ−型半導体層１３からなる半導体層１０上に光抽出構造５０が形成され、この半導体層１０は、金属または半導体からなる支持層８０上に位置する。
【００８５】
これら半導体層１０と支持層８０との間に第１電極２１，２０が位置するが、この第１電極２１，２０は、オーミック電極２１及び反射型電極（反射膜）２０からなるか、または、反射型オーミック電極２３として一つの層からなる。場合によっては、この第１電極は、支持層８０との結合のための結合金属層、拡散防止層などを含む多層構造からなる。
【００８６】
また、光抽出構造が形成されたｎ−型半導体層１３の上側面には、ｎ−型電極２２が形成される。
【００８７】
このとき、上述したように、光抽出構造５０は、ｎ−型半導体層１３上の光抽出層９０に位置することもある。この光抽出層９０は、ｎ−型半導体層１３と同一または異なる屈折率を有する誘電体を用いて形成することができる。
【００８８】
上記の実施例は、本発明の技術的思想を具体的に説明するための一例に過ぎなく、本発明は、上記の実施例によって限定されるものでなく、多様な形態に変形可能である。このような技術的思想の多様な実施形態は、全て本発明の保護範囲に属して当然である。
【符号の説明】
【００８９】
１０ 半導体層
２０ 反射膜
３０ エポキシ
４０ 無反射コーティング
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光素子に関するもので、特に、光抽出構造が形成されることで、発光素子の発光効率及び信頼性を向上できる発光素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
発光ダイオード（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ：ＬＥＤ）は、電流を光に変換させるものとして知られた半導体発光素子であり、１９６２年にＧａＡｓＰ化合物半導体を用いた赤色ＬＥＤが商品化されて以来、ＧａＰ：Ｎ系列の緑色ＬＥＤと一緒に、情報通信機器を初めとする電子装置の表示画像用光源として用いられてきた。
【０００３】
上記のようなＬＥＤによって放出される光の波長は、ＬＥＤを製造するのに用いられる半導体材料によっている。これは、放出された光の波長が、価電子帯の電子と伝導帯の電子との間のエネルギー差を示す半導体材料のバンドギャップ（ｂａｎｄ-ｇａｐ）によるためである。
【０００４】
窒化ガリウム化合物半導体（Ｇａｌｌｉｕｍ Ｎｉｔｒｉｄｅ：以下、ＧａＮという。）は、高い熱的安定性及び幅広いバンドギャップ（０．８〜６．２ｅＶ）を有しており、ＬＥＤを含む高出力電子部品素子の開発分野で大いに注目を浴びてきた。
【０００５】
これに対する理由の一つは、ＧａＮが他の元素（インジウム（Ｉｎ）、アルミニウム（Ａｌ）など）と組み合わされ、緑色、青色及び白色の光を放出する半導体層を製造できるためである。
【０００６】
上記のように放出波長を調節できるため、特定の装置特性に合わせて材料を用いることができる。例えば、ＧａＮを用いて、光記録に有益な青色ＬＥＤ及び白熱灯に取って代わる白色ＬＥＤを作ることができる。
【０００７】
上記のようなＧａＮ系列物質の利点のため、ＧａＮ系列のＬＥＤ市場が急速に成長している。したがって、１９９４年に商業的に導入されて以来、ＧａＮ系列の光電子装置技術も急激に発達した。
【０００８】
上述したようなＧａＮ系列物質を用いたＬＥＤの輝度または出力は、活性層の構造、光を外部に抽出できる光抽出効率、ＬＥＤチップの大きさ、ランプパッケージ組み立て時のモールドの種類及び角度、蛍光物質などによって左右される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、上記のような従来の問題点を解決するためのもので、その技術的課題は、光抽出効率を向上できる光抽出構造を有する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】
【００１０】
上記の技術的課題を解決するため、本発明の発光素子は、金属又は半導体からなる支持層；前記支持層上に位置する第１の電極；前記第１の電極上に位置し、発光層を含む多層構造の半導体層；及び前記半導体層上に配置され、少なくとも一つのホール又は柱形状の単位構造で形成される光抽出構造；を含む。前記光抽出構造はランダムに配置され、前記光抽出構造の高さは、ｎを光抽出構造が形成された物質の屈折率とし、λを前記発光層の中心波長とした場合にλ／２ｎ〜３０００ナノメートルであり、前記光抽出構造の周期又は隣接する単位構造の各中心間の平均距離は４００〜３０００ナノメートルであり、前記光抽出構造の単位構造はホール又は柱形状であり、前記単位構造の内側表面の半径と外側表面の半径とが互いに異なる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明は、光抽出構造が形成されることで、発光素子の発光効率及び信頼性を向上できるという効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】無反射コーティングを有する発光素子の光抽出を示す概略図である。
【図２】無反射コーティングの有無による入射角度に対する透過率の変化を示すグラフである。
【図３】光結晶を有する発光素子の一例を示す概略図である。
【図４】光結晶の原理を示すダイヤグラムである。
【図５】光結晶有無による抽出効率の変化を示すグラフである。
【図６】光結晶周期に対する抽出効率の変化を示すグラフである。
【図７Ａ】光結晶構造の様々な因子を示す概略図である。
【図７Ｂ】光結晶構造の様々な因子を示す概略図である。
【図８Ａ】光結晶構造の様々な因子を示す概略図である。
【図８Ｂ】光結晶構造の様々な因子を示す概略図である。
【図８Ｃ】光結晶構造の様々な因子を示す概略図である。
【図９】光結晶を形成する段階を示す断面図である。
【図１０】光結晶を形成する段階を示す断面図である。
【図１１】光結晶を形成する段階を示す断面図である。
【図１２】光結晶を形成する段階を示す断面図である。
【図１３Ａ】光結晶壁面の傾き変化を示す写真である。
【図１３Ｂ】光結晶壁面の傾き変化を示す写真である。
【図１４Ａ】光結晶壁面の傾き変化を示す写真である。
【図１４Ｂ】光結晶壁面の傾き変化を示す写真である。
【図１５Ａ】光結晶壁面の傾き変化を示す写真である。
【図１５Ｂ】光結晶壁面の傾き変化を示す写真である。
【図１６Ａ】光結晶の周期によるフォトレジストパターンを示す断面図である。
【図１６Ｂ】光結晶の周期によるフォトレジストパターンを示す断面図である。
【図１６Ｃ】光結晶の周期によるフォトレジストパターンを示す断面図である。
【図１７Ａ】壁面傾きを変化した光結晶を示す断面図である。
【図１７Ｂ】壁面傾きを変化した光結晶を示す断面図である。
【図１７Ｃ】壁面傾きを変化した光結晶を示す断面図である。
【図１８】光結晶壁面の傾きによる光抽出増大比を示すグラフである。
【図１９Ａ】フィリングファクターに対する相対的な光抽出増大比を示すグラフである。
【図１９Ｂ】単位構造の半径による光抽出効率の向上程度を示す図である。
【図１９Ｃ】四角格子及び三角格子を模式的に表す図である。
【図１９Ｄ】四角格子及び三角格子の各々について、単位構造の大きさとフィリングファクターとの関係を示す図である。
【図２０Ａ】光結晶壁面の傾き構造を示す概略図である。
【図２０Ｂ】光結晶壁面の傾き構造を示す概略図である。
【図２０Ｃ】光結晶壁面の傾き構造を示す概略図である。
【図２１】特定の壁面傾きを有する光結晶を適用した発光素子の例を示す断面図である。
【図２２】特定の壁面傾きを有する光結晶を適用した発光素子の例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の好適な実施例を添付の図面に基づいて詳細に説明する。
【００１４】
本発明は、多様な修正及び変形が可能であり、以下、その特定の実施例が添付の図面に基づいて詳細に説明される。しかし、本発明は、開示された特別な形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって定義された本発明の思想と合致する全ての修正、均等及び代用を含んでいる。
【００１５】
層、領域または基板などの要素が他の構成要素“上（ｏｎ）”に存在すると表現される場合、層、領域または基板などの要素が直接的に他の要素上に存在したり、または、その間に中間要素が存在するものとして理解できる。また、表面などの構成要素の一部が‘内部（ｉｎｎｅｒ）'と表現される場合、表面などの構成要素の一部が、その要素の他の部分よりも素子の外側から一層遠くにあることを意味するものと理解できる。
【００１６】
さらに、‘下（ｂｅｎｅａｔｈ）'または‘重畳（ｏｖｅｒｌｉｅｓ）’などの相対的な用語は、図面に示すように、基板または基準層と関連した一つの層または領域と、他の層または領域に対する一つの層または領域の関係を説明するために用いられる。
【００１７】
上記のような用語は、図面によって描写された方向に加えて、素子の他の方向も含む意図を持つものとして理解できる。最後に、‘直接（ｄｉｒｅｃｔｌｙ）'という用語は、中間に介入する要素が全くないことを意味する。ここで用いられる‘及び／または'という用語は、記録された関連項目の一つまたはそれ以上の何れかの組み合わせ、及び全ての組み合わせを含んでいる。
【００１８】
第１及び第２などの用語は、多様な要素、成分、領域、層及び／または地域を説明するために用いられるが、これら要素、成分、領域、層及び／または地域は、これら用語によって限定されてはならない。
【００１９】
本発明の実施例は、例えば、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）系基板などの非導電性基板上に形成された窒化ガリウム（ＧａＮ）系発光素子を参照して説明される。しかし、本発明は、このような構造に限定されるものでない。
【００２０】
本発明の各実施例においては、導電性基板を含む他の基板が使用される。したがって、本発明の各実施例は、ＧａＰ基板上のＡｌＧａＩｎＰダイオード、ＳｉＣ基板上のＧａＮダイオード、ＳｉＣ基板上のＳｉＣダイオード、サファイア基板上のＳｉＣダイオード、及び／またはＧａＮ、ＳｉＣ、ＡｌＮ、ＺｎＯ及び／または他の基板上の窒化物系ダイオードなどの組み合わせが含まれる。さらに、本発明において、活性領域の使用は、ダイオード領域に限定されるものでない。また、活性領域の他の形態が、本発明の一部の実施例にしたがって使用されることもある。
【００２１】
半導体発光素子の抽出効率は、光が発生する発光層を含む半導体層と、最終的に光を観測する媒質（空気またはエポキシ（Ｅｐｏｘｙ））との間の屈折率差で決定される。半導体媒質は、通常、高い屈折率（ｎ＞２）を有するので、抽出効率がほぼ数％に過ぎない。
【００２２】
例えば、図１のような反射膜２０を有する窒化ガリウム（ｎ＝２．４６）基盤の発光素子の場合、半導体層１０上に位置する外部物質が、通常のパッケージで充填剤として用いられるエポキシ（ｎ＝１．４；３０）であると仮定したとき、発光素子の上層部を通した抽出効率は約９％程度に過ぎない。これを除いた残りの光は、素子内部に全反射過程によって閉じ込められながら、量子井戸構造を有する発光層などの吸収層によって消失される。
【００２３】
半導体発光素子の抽出効率を増加させるための一つ方案は、半導体層１０の最上端部に無反射コーティング（Ａｎｔｉ−ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ｃｏａｔｉｎｇ）４０を導入することである。図１に示すように、屈折率が外部背景物質（エポキシ）３０と半導体層１０の幾何平均程度に該当する物質を、１／４波長差を有する厚さで積み重ねると、垂直方向に入射する光に対する透過率を増大することができる。
【００２４】
このような無反射コーティング４０の屈折率ｎと厚さｄは、次のように表現される。
【００２５】
【００２６】
（ここで、ｍは、０を含む自然数である。）
【００２７】
図２は、無反射コーティング４０の有無による光の入射角度に対する透過率の変化を描写している。入射角度を臨界角を基準にして二つの領域に分けると、入射角度が臨界角より小さい場合、無反射コーティング４０による透過率が増加する傾向を示す。
【００２８】
その反面、入射角度が臨界角より大きい、すなわち、全反射領域に該当する光は、薄膜の有無と関係なしに、依然として０の透過率を示している。結論的に、無反射コーティング４０は、臨界角より小さい入射角度に該当する光に対する抽出効率向上には寄与するが、依然として全反射現象を撹乱することはできない。
【００２９】
入射角度に対する光の放出比率を察したとき、全反射角度に該当する光が全体光量の８０％まで占めるという点を勘案すると、この領域に属している光を抽出できない場合、事実上、光抽出向上効果を期待することはできない。
【００３０】
したがって、発光素子の光抽出効率を向上させるためには、必然的に全反射角度に該当する光を抽出できる構造的装置が必要であるとの結論に達する。このような役割を行える構造の一例として、光結晶などの光抽出構造がある。
【００３１】
光の透過現象は、運動の観点で察すると、光が屈折率の互いに異なる物質を移動することである。力学での物体移動と同様に、光の移動も常に運動量保存法則に従っている。
【００３２】
光の場合、運動量は波数ベクトル（ｋ＝２πｎ／λ）に該当する。すなわち、光が互いに異なる媒質を移動するときは、境界面の平面方向運動量成分が保存されるべきである。これを全反射現象に適用すると、一層明確に理解することができる。
【００３３】
全反射現象は、光が屈折率の高い媒質から低い媒質に移動するときに発生する。屈折率の高い媒質内に属する光は、既に大きな運動量を有しているので、特定の入射角度以上では、屈折率の低い媒質内で如何なる角度であっても得られない（平面成分の）運動量を有するようになる。
【００３４】
光の透過のためには、平面成分の運動量が保存されるべきであるので、光は反射過程を経るしかない。ここで、運動量を保存できない最小の入射角度が臨界角に該当する。
【００３５】
このとき、図３及び図４に示すように、光結晶などの光抽出構造５０（以下、光結晶を例に挙げて説明する。）は、運動量を保存できない全反射角度の光に対して自身の周期性（ｐｅｒｉｏｄｉｃｉｔｙ）が生成する運動量成分を加減し、光が外部に抽出するように助ける。これは、分光器における光の回折原理と同一である。すなわち、光結晶の周期によって運動量の大きさが変わり、これによって、全反射角度に該当する光の回折効率が変わる。
【００３６】
図５は、一般的な垂直型ＧａＮ発光素子に光結晶を導入するとき、光の進行距離による抽出効率の変化を示すグラフである。このグラフによると、光結晶を導入しない平面構造の場合、臨界角より小さい入射角度を有する光が抽出された後、それ以上抽出効率が向上していない反面、光結晶構造がある場合は、光が光結晶構造と接する時ごとに抽出効率が継続的に上昇していることが分かる。
【００３７】
すなわち、光結晶は、全反射角度に該当する光を抽出することができ、これは、光が散乱過程ごとに所定の確率を有して抽出されることを意味する。図６は、上述したように、光結晶周期によって抽出効率が変わる様相を示している。
【００３８】
抽出効率を極大化する最適の周期が存在するという事実は、光結晶を通した抽出効率向上効果が光の回折過程によって生じることを反証する。
【００３９】
光結晶による光の抽出効率は、光結晶の周期の他にも、光結晶をなすパターンの深さ、パターンが占める面積（フィリングファクター（Ｆｉｌｌｉｎｇ ｆａｃｔｏｒ）；パターンをなす単位構造が占める面積；図７Ａ及び図７Ｂを参照）、光結晶格子構造（図８Ａ乃至図８Ｃを参照）などの構造変数とも密接な相関関係を有する。
【００４０】
すなわち、図７Ａに示したフィリングファクターに比べて、図７Ｂに示したフィリングファクターが大きいことが分かる。また、図８Ａは四角格子を、図８Ｂは三角格子を、図８Ｃはアルキメディアン（Ａｒｃｈｉｍｅｄｅａｎ）格子をそれぞれ示している。その他に、ランダム、準クリスタル（Ｑｕａｓｉｃｒｙｓｔａｌ）、準ランダム（Ｑｕａｓｉｒａｎｄｏｍ）などの多様な光結晶格子構造が適用される。
【００４１】
上記のように、半導体発光素子内で高い抽出効率向上効果を得るためには、最適の光結晶構造を考案して適用することが非常に重要である。
【００４２】
この光結晶構造は、多様なリソグラフィ道具として適用可能である。以下、フォトリソグラフィ方法を例に挙げて説明する。
【００４３】
まず、図９に示すように、反射膜２０上に半導体層１０が形成された発光素子の最上層部に、フォトレジスト６０を所定厚さだけ塗布し、図１０に示すように、フォトリソグラフィを実施することで、フォトレジストパターン６１を形成する。
【００４４】
その後、図１１に示すように、フォトレジストパターン６１をエッチングマスクとして用いてＧａＮ半導体層１０をエッチングすることで光抽出構造（光結晶）５０を形成し、最後に、最上層部に残留しているフォトレジストパターン６１を除去する（図１２を参照）。
【００４５】
フォトレジストパターン６１とＧａＮ半導体層５０との間のエッチング選択比問題によって所望のエッチング深さを得られない場合、追加的なエッチングマスク（図示せず）をフォトレジストパターン６１とＧａＮ半導体層５０との間に導入することができる。このとき、中間マスクとしては、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、ＩＴＯなどの酸化物系列、Ｓｉ３Ｎ４などの窒化物系列、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ａｕなどの金属系列などが使用される。
【００４６】
特に、フォトリソグラフィ過程を通して光源波長の数倍内の周期を有する光結晶をパターニングするときは、フォトマスクと、光結晶を形成しようとする半導体層１０との間の間隙を最小化する方法（ｖａｃｕｕｍ ｃｏｎｔａｃｔ、ｈａｒｄ ｃｏｎｔａｃｔ）が要求される。
【００４７】
間隙が遠くなるほど、回折効果によって微細なパターンを具現することが難しい。間隙を最小化するための方法（Ｖａｃｕｕｍ ｃｏｎｔａｃｔまたはｈａｒｄ ｃｏｎｔａｃｔ）を導入するとしても、パターンの大きさが小さくなるほど回折効果が大きくなり、露出光量によってフォトマスクと異なる大きさのパターンが半導体層１０に転写される。これを、近接場効果（ｐｒｏｘｉｍｉｔｙ ｅｆｆｅｃｔ）という。
【００４８】
この近接場効果をよく利用すると、与えられたフォトマスクを用いて多様な大きさのパターンを製作することができる。また、図１３Ａ乃至図１５Ｂに示すように、パターンをなすホール（または柱）の壁面傾きを調節することもできる。
【００４９】
図１３Ａ及び図１３Ｂは、エッチング傾きが６０゜であるときの平面と側面写真をそれぞれ示し、図１４Ａ及び図１４Ｂは、エッチング傾きが７０゜であるときの平面と側面写真をそれぞれ示し、図１５Ａ及び図１５Ｂは、エッチング傾きが８０゜であるときの平面と側面写真をそれぞれ示している。
【００５０】
図１６Ａ乃至図１６Ｃは、光結晶の周期ａによって表れる近接場効果を説明している。図１６Ａ乃至図１６Ｃは、光結晶周期が３０００ｎｍより大きい場合、光結晶周期が７００〜３０００ｎｍである場合、光結晶周期が７００ｎｍより小さい場合の露出光量回折効果によって、光結晶のホールの大きさ及びホールの内壁面の傾きを調節できることをそれぞれ示している。
【００５１】
光結晶の周期がフォトリソグラフィ光源の波長より非常に大きい場合、単位パターンをなす個別的なホール（または柱）間の近接場効果は無視することができ、図１７Ａに示すように、フォトマスク７０の形状がそのまま半導体層に転写される。
【００５２】
しかし、光結晶の周期が漸次減少して光源波長の数倍内に位置すると、近接場効果が発生する。このとき、露出光量を適切に調節すると、図１７Ｂ及び図１７Ｃに示すように、フォトマスク７０の形状より大きい（または小さい）光結晶５０パターンを得ることができ、結果として、単位パターンをなすホール（または柱）５１の壁面傾きを調節することができる。
【００５３】
一般的に、露出光量は、前方散乱と後方散乱過程を通してフォトレジストパターン６１の上層表面に多く分布するので、上辺が大きい等辺台形の形態を有するようになる。ここで、光結晶５０の周期が光源の波長より小さくなると、個別的なホール（または柱）５１が互いに重なる現象が発生し、露出光量がフォトレジストの底面まで到達できなくなる。
【００５４】
結論的に、フォトマスク７０内の光結晶５０の周期が光源の波長より大きく、波長の数倍（約１０倍）より小さいとき、個別的なホール（または柱）５１の大きさと壁面の傾きを調節できるという可能性が生じる。
【００５５】
以下、光結晶をなす個別的なホール（または柱）の壁面傾きによる抽出効率の相関関係を説明する。
【００５６】
本発明で提案する光結晶構造は、発光素子の種類と関係なしに適用可能であるが、議論の便宜上、垂直型ＧａＮ発光素子構造における光結晶の壁面傾き効果を計算した結果を説明する。
【００５７】
電算摸写（３Ｄ−ＦＤＴＤ）上に入力された構造の形状は、図８Ａ乃至図８Ｃに示されている。一般的な発光素子の大きさは、コンピュータメモリの限界のために計算構造内に完全に含まれない。
【００５８】
上記のような問題点を解決するために、有限大きさ（１２mm）の構造両端に完全鏡を設置した。構造の下端部には、解析の便宜性上、吸収率が存在する実際の金属鏡の代わりに、１００％の反射率を有する完全鏡を設置した。量子井戸層（発光層）の内部には、実際の吸収率を付与し、光の進行距離が増加するほどその強さが弱くなるようにした。
【００５９】
量子井戸層内には、無作為方向を有する電気双極子を配置し、実際と類似した球面波の放射パターンを発生させた。
【００６０】
図１８は、同一の周期及びエッチング深さを有する光結晶構造において、単位構造の壁面傾きによる抽出効率の変化を示したグラフである。すなわち、ホールまたは柱形状の単位構造の壁面傾きによる抽出効率の変化を示している。この結果によると、壁面の傾きが垂直（０゜）〜６０゜であると、抽出効率がほとんど変わらない。しかし、壁面の傾きがこれより急に変わると、抽出効率が減少する傾向を示す。
【００６１】
図１９Ａは、垂直壁面を有する光結晶構造において、フィリングファクターと抽出効率との相関関係を示したグラフである。垂直壁面光結晶構造においては、フィリングファクターが０．４〜０．６の値を有するとき、抽出効率が最大になることが分かる。
【００６２】
グラフに示すように、上記のような傾向性から、全体の主発光面（本実施例の場合は発光素子の上側面）で光抽出パターンが占める面積の比率であるフィリングファクターは、５〜６５％程度であるときに光抽出効率の向上をもたらすと判断される。
【００６３】
上記のようなフィリングファクターは、ホールまたは柱などの単位構造の大きさ及び格子構造で決定される。
【００６４】
すなわち、単位構造の半径による光抽出効率の向上程度は、図１９Ｂに示している。図１９Ｂは、四角格子で、周期がそれぞれ７５０ｎｍ及び１１００ｎｍである場合の光抽出効率を示している。
【００６５】
一方、図１９Ｃに示した四角格子及び三角格子の場合、フィリングファクターは、周期をａとし、単位構造の半径をｒとしたとき、下記のような式で表現される。
【００６６】
【００６７】
【００６８】
そして、図１９Ｄは、それぞれ四角格子及び三角格子の場合、単位構造の大きさとフィリングファクターとの関係を示している。図示したように、光抽出効率が向上する単位構造の大きさに対するフィリングファクターの範囲を示している。
【００６９】
この結果を示したグラフと、上述した壁面傾きによる抽出効率の変化を示したグラフを同時に示したとき、図２０Ａ及び図２０Ｂに示すように、壁面が傾いている光結晶も平均的なフィリングファクターを示すことができる。
【００７０】
図１９Ａから、重要な結論を導き出せるが、それは、同一のフィリングファクターを有する二つの光結晶構造のうち、壁面が傾いている光結晶構造が、垂直壁面の光結晶より優れた光抽出特性を示すという点である。また、壁面の傾きが急であるほど、その光抽出特性の優位は漸次大きくなる。
【００７１】
また、この光抽出構造の周期または各単位構造の各中心間の平均距離は、４００〜３０００ｎｍであることが有利である。
【００７２】
上記のように形成される単位構造の高さ（深さ）は、λ／２ｎ〜３０００ｎｍであることが好ましく、ここで、ｎは、光抽出構造が形成された物質の屈折率で、λは、前記発光層の中心波長である。
【００７３】
一方、上記のような光抽出構造は、半導体層の外側面に形成されるが、場合によっては、半導体層と異なる屈折率を有し、半導体層上に位置する光抽出層にも形成される。また、この光抽出層は、場合によって２層以上からなる。
【００７４】
上記のように光抽出構造が半導体層に形成された場合、上述した単位構造の高さの下限で、ｎは、半導体層の屈折率になり、光抽出層が半導体層に形成された場合、ｎは、光抽出層の屈折率になる。また、２層以上の光抽出層が適用された場合であれば、ｎは、最も高い屈折率を有する層の屈折率になる。
【００７５】
上記のような光抽出構造が形成される半導体層または光抽出層は、誘電率が特定のパターンによって空間的に変わる形態を有している。
【００７６】
図２０Ａは、光結晶５０の単位構造がホール５１である場合を、図２０Ｂは、光結晶５０の単位構造が柱５２である場合をそれぞれ示している。図２０Ｃは、単位構造の平面を示している。
【００７７】
上述した過程で形成された単位構造は、外側表面の半径をｒｏとし、単位構造の内側面の半径をｒｉとしたとき、ｒｏ≠ｒｉであることが分かる。
【００７８】
図２０Ａ及び図２０Ｂに示すように、単位構造がホール５１及び柱５２である場合の全てにおいて、外側表面の半径が内側面の半径より大きく形成されることが分かる（ｒｏ＞ｒｉ）。また、このホール５１または柱５２の壁面の角度θは、仮想の垂直線からの角度、すなわち、単位構造の外側縁部から延長された仮想の垂直線と前記壁面との間の角度を示しており、この壁面の角度θが±４５゜であることを示している。
【００７９】
すなわち、このような仮想の垂直線は、発光素子の主発光方向と平行な線で、このような単位構造の壁面の角度θは、発光素子の主発光方向と平行な仮想の垂直線と±４５゜をなすようになる。
【００８０】
このとき、発光面で光結晶パターンが占める平均面積（Ｆｉｌｌｉｎｇ Ｆａｃｔｏｒ）は、次の通りである。すなわち、図２０Ａのように単位構造がホール５１である場合、この発光面上に位置する空気またはエポキシに対する平均フィリングファクターは、π［（ｒｏ＋ｒｉ）／２］２で表現され、図２０Ｂのように単位構造が柱５２である場合、平均フィリングファクターは、π［（ｒｏ＋ｒｉ）／２］２で表現される。
【００８１】
しかし、本発明で提案する傾いた壁面を有する光結晶構造を導入すると、光抽出効果を低下させずにエッチングによる半導体層の量の低下を最小化することができる。
【００８２】
上記のような光結晶構造は、半導体物質と関係なしに適用可能である。
【００８３】
図２１及び図２２は、上述した光抽出構造５０が適用された垂直型発光素子の例を示している。
【００８４】
すなわち、下側から順にｐ−型半導体層１１、発光層１２及びｎ−型半導体層１３からなる半導体層１０上に光抽出構造５０が形成され、この半導体層１０は、金属または半導体からなる支持層８０上に位置する。
【００８５】
これら半導体層１０と支持層８０との間に第１電極２１，２０が位置するが、この第１電極２１，２０は、オーミック電極２１及び反射型電極（反射膜）２０からなるか、または、反射型オーミック電極２３として一つの層からなる。場合によっては、この第１電極は、支持層８０との結合のための結合金属層、拡散防止層などを含む多層構造からなる。
【００８６】
また、光抽出構造が形成されたｎ−型半導体層１３の上側面には、ｎ−型電極２２が形成される。
【００８７】
このとき、上述したように、光抽出構造５０は、ｎ−型半導体層１３上の光抽出層９０に位置することもある。この光抽出層９０は、ｎ−型半導体層１３と同一または異なる屈折率を有する誘電体を用いて形成することができる。
【００８８】
上記の実施例は、本発明の技術的思想を具体的に説明するための一例に過ぎなく、本発明は、上記の実施例によって限定されるものでなく、多様な形態に変形可能である。このような技術的思想の多様な実施形態は、全て本発明の保護範囲に属して当然である。
【符号の説明】
【００８９】
１０ 半導体層
２０ 反射膜
３０ エポキシ
４０ 無反射コーティング
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属又は半導体からなる支持層；
前記支持層上に位置する第１の電極；
前記第１の電極上に位置し、発光層を含む多層構造の半導体層；及び
前記半導体層上に配置され、少なくとも一つのホール又は柱形状の単位構造で形成される光抽出構造；を含み、
前記光抽出構造はランダムに配置され、前記光抽出構造の高さは、ｎを光抽出構造が形成された物質の屈折率とし、λを前記発光層の中心波長とした場合にλ／２ｎ〜３０００ナノメートルであり、前記光抽出構造の周期又は隣接する単位構造の各中心間の平均距離は４００〜３０００ナノメートルであり、前記光抽出構造の単位構造はホール又は柱形状であり、前記単位構造の内側表面の半径と外側表面の半径とが互いに異なる発光素子。
【請求項２】
前記単位構造は柱形状で、前記単位構造の外側表面の半径が前記内側表面の半径より大きい、請求項１に記載の発光素子。
【請求項３】
前記光抽出構造は、四角格子、三角格子、アルキメディアン格子、準クリスタル構造及び準ランダム構造で構成される群から選ばれた一つの光結晶構造である、請求項１に記載の発光素子。
【請求項４】
前記単位構造は、上辺の長さが大きい等辺台形の形状である、請求項１に記載の発光素子。
【請求項５】
前記単位構造の側壁の傾斜面の傾斜と、前記単位構造の半径と、前記光抽出構造の格子構造は、前記光抽出構造の平均フィリングファクターが主光放出表面の全体面積に対して１５％〜３７％をなすように配置され、前記フィリングファクターは、前記単位構造が占める面積である、請求項１に記載の発光素子。
【請求項６】
前記光抽出構造は前記半導体層と同一の材料からなる、請求項１に記載の発光素子。
【請求項７】
前記光抽出構造の屈折率は前記半導体層の屈折率と異なる、請求項１に記載の発光素子。
【請求項８】
前記光抽出構造は前記半導体層上に配置される光抽出層で形成される、請求項１に記載の発光素子。
【請求項９】
前記光抽出構造の単位構造は前記光抽出層で形成される、請求項８に記載の発光素子。
【請求項１０】
前記光抽出層は２層以上である、請求項８に記載の発光素子。
【請求項１１】
前記ｎは前記光抽出層又は半導体層の屈折率のうち最も高い屈折率である、請求項８に記載の発光素子。
【請求項１２】
前記光抽出層は誘電物質を含む、請求項８に記載の発光素子。
【請求項１３】
前記半導体層の表面が光抽出構造をなし、前記半導体層の表面に配置された電極をさらに含む、請求項１に記載の発光素子。
【請求項１４】
前記光抽出構造は前記半導体層の表面に形成され、前記半導体層の表面に形成される電極をさらに含む、請求項１に記載の発光素子。
【請求項１】
金属又は半導体からなる支持層；
前記支持層上に位置する第１の電極；
前記第１の電極上に位置し、発光層を含む多層構造の半導体層；及び
前記半導体層上に配置され、少なくとも一つのホール又は柱形状の単位構造で形成される光抽出構造；を含み、
前記光抽出構造はランダムに配置され、前記光抽出構造の高さは、ｎを光抽出構造が形成された物質の屈折率とし、λを前記発光層の中心波長とした場合にλ／２ｎ〜３０００ナノメートルであり、前記光抽出構造の周期又は隣接する単位構造の各中心間の平均距離は４００〜３０００ナノメートルであり、前記光抽出構造の単位構造はホール又は柱形状であり、前記単位構造の内側表面の半径と外側表面の半径とが互いに異なる発光素子。
【請求項２】
前記単位構造は柱形状で、前記単位構造の外側表面の半径が前記内側表面の半径より大きい、請求項１に記載の発光素子。
【請求項３】
前記光抽出構造は、四角格子、三角格子、アルキメディアン格子、準クリスタル構造及び準ランダム構造で構成される群から選ばれた一つの光結晶構造である、請求項１に記載の発光素子。
【請求項４】
前記単位構造は、上辺の長さが大きい等辺台形の形状である、請求項１に記載の発光素子。
【請求項５】
前記単位構造の側壁の傾斜面の傾斜と、前記単位構造の半径と、前記光抽出構造の格子構造は、前記光抽出構造の平均フィリングファクターが主光放出表面の全体面積に対して１５％〜３７％をなすように配置され、前記フィリングファクターは、前記単位構造が占める面積である、請求項１に記載の発光素子。
【請求項６】
前記光抽出構造は前記半導体層と同一の材料からなる、請求項１に記載の発光素子。
【請求項７】
前記光抽出構造の屈折率は前記半導体層の屈折率と異なる、請求項１に記載の発光素子。
【請求項８】
前記光抽出構造は前記半導体層上に配置される光抽出層で形成される、請求項１に記載の発光素子。
【請求項９】
前記光抽出構造の単位構造は前記光抽出層で形成される、請求項８に記載の発光素子。
【請求項１０】
前記光抽出層は２層以上である、請求項８に記載の発光素子。
【請求項１１】
前記ｎは前記光抽出層又は半導体層の屈折率のうち最も高い屈折率である、請求項８に記載の発光素子。
【請求項１２】
前記光抽出層は誘電物質を含む、請求項８に記載の発光素子。
【請求項１３】
前記半導体層の表面が光抽出構造をなし、前記半導体層の表面に配置された電極をさらに含む、請求項１に記載の発光素子。
【請求項１４】
前記光抽出構造は前記半導体層の表面に形成され、前記半導体層の表面に形成される電極をさらに含む、請求項１に記載の発光素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【図８Ｃ】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３Ａ】
【図１３Ｂ】
【図１４Ａ】
【図１４Ｂ】
【図１５Ａ】
【図１５Ｂ】
【図１６Ａ】
【図１６Ｂ】
【図１６Ｃ】
【図１７Ａ】
【図１７Ｂ】
【図１７Ｃ】
【図１８】
【図１９Ａ】
【図１９Ｂ】
【図１９Ｃ】
【図１９Ｄ】
【図２０Ａ】
【図２０Ｂ】
【図２０Ｃ】
【図２１】
【図２２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【図８Ｃ】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３Ａ】
【図１３Ｂ】
【図１４Ａ】
【図１４Ｂ】
【図１５Ａ】
【図１５Ｂ】
【図１６Ａ】
【図１６Ｂ】
【図１６Ｃ】
【図１７Ａ】
【図１７Ｂ】
【図１７Ｃ】
【図１８】
【図１９Ａ】
【図１９Ｂ】
【図１９Ｃ】
【図１９Ｄ】
【図２０Ａ】
【図２０Ｂ】
【図２０Ｃ】
【図２１】
【図２２】
【公開番号】特開２０１３−９００４（Ｐ２０１３−９００４Ａ）
【公開日】平成２５年１月１０日（２０１３．１．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−２０９５１３（Ｐ２０１２−２０９５１３）
【出願日】平成２４年９月２４日（２０１２．９．２４）
【分割の表示】特願２００７−３１０６９３（Ｐ２００７−３１０６９３）の分割
【原出願日】平成１９年１１月３０日（２００７．１１．３０）
【出願人】（５０２０３２１０５）エルジー エレクトロニクス インコーポレイティド (2,269)
【出願人】（５１００３９４２６）エルジー イノテック カンパニー リミテッド (279)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月１０日（２０１３．１．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年９月２４日（２０１２．９．２４）
【分割の表示】特願２００７−３１０６９３（Ｐ２００７−３１０６９３）の分割
【原出願日】平成１９年１１月３０日（２００７．１１．３０）
【出願人】（５０２０３２１０５）エルジー エレクトロニクス インコーポレイティド (2,269)
【出願人】（５１００３９４２６）エルジー イノテック カンパニー リミテッド (279)
【Ｆターム（参考）】
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