ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子
【課題】ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の光出力を特定の方向において強く、光の取り出し効率を向上させる。
【解決手段】サファイア基板上に発光層を有するＩＩＩ族窒化物半導体からなる積層構造が形成されたＩＩＩ族窒化物半導体発光素子において、サファイア基板の積層構造側の表面に、発光層から出力された光に対して光強度の干渉パターンを生じる周期で２次元配列された凸部の周期構造を設けた。これにより、この２次元周期構造で反射された光、又は、透過した光は干渉パターンを有する。この干渉パターンにおける光強度の強い領域に光が集光されているので、この領域の光を外部に効果的に出力させることで、所望の指向性を得ることができると共に、取り出し効率を向上させることができる。
【解決手段】サファイア基板上に発光層を有するＩＩＩ族窒化物半導体からなる積層構造が形成されたＩＩＩ族窒化物半導体発光素子において、サファイア基板の積層構造側の表面に、発光層から出力された光に対して光強度の干渉パターンを生じる周期で２次元配列された凸部の周期構造を設けた。これにより、この２次元周期構造で反射された光、又は、透過した光は干渉パターンを有する。この干渉パターンにおける光強度の強い領域に光が集光されているので、この領域の光を外部に効果的に出力させることで、所望の指向性を得ることができると共に、取り出し効率を向上させることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、サファイア基板に凹凸加工を施すことにより光取り出し効率が向上されたIII 族窒化物半導体発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、III 族窒化物半導体発光素子は一般照明用途に利用され始めており、光取り出し効率の改善が強く求められている。光取り出し効率を向上させる方法の１つとして、サファイア基板に凹凸加工を施す方法が知られている（特許文献１）。凹凸を設けずに平坦とした場合、素子内部においてサファイア基板に水平な方向へ伝搬する光は、半導体層内に閉じ込められ、多重反射を繰り返すなどして減衰していたが、サファイア基板に凹凸を設けることでこの水平方向に伝搬する光を垂直な方向に反射・散乱させて外部に取り出すことができ、光取り出し効率を向上させることができる。凹凸の形状としては、ストライプ状やドット状などが用いられている。
【０００３】
また、特許文献２には、発光層から発光した光がサファイア基板と窒化物半導体との界面で全反射するため光の取り出し効率が低いことを改善するために、全反射を抑制すると共に基板の側面からも光が出力されることを目的に、透光性基板に凹凸加工を施すことが開示されている。
また、特許文献３には、特許文献２と同様に、発光層から発光した光がサファイア基板と窒化物半導体との界面で全反射して、外部に光が取り出され難いことを改善するために、その界面に凸部を形成することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−３１８４４１
【特許文献２】特開２０１０−１７１３８２
【特許文献３】特開２０１０−２２５７８７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上記の何れの文献においても、サファイア基板上に形成された凸部、又は、凹部により、光の干渉パターンを生じさせることは、何ら示唆されていない。また、その干渉パターンを利用して、光の取り出し効率を向上させることも、何ら示唆されていない。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、干渉パターンを生じさせる構造の凸部又は凹部から成る周期構造をサファイア基板の半導体を成長させる面に形成して、出力光に対して特定の方向に出力強度の高い光出力を得るようにすることである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
第１の発明は、サファイア基板上に発光層を有するIII 族窒化物半導体からなる積層構造が形成されたIII 族窒化物半導体発光素子において、サファイア基板の積層構造側の表面に、発光層から出力された光に対して光強度の干渉パターンを生じる周期で２次元配列された凸部又は凹部の周期構造を設けたことを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子である。
【０００８】
本発明は、サファイア基板上の凸部又は凹部の周期構造の周期を発光層で発光した光の波長オーダとすることで、光の干渉パターンを得るものである。これにより、サファイア基板の法線に対して、所定角度を成す方向に強い光出力を得ることができる。これにより、発光素子の外部取り出し効率を向上させることができる。この周期構造は、サファイア基板上の直交する２軸方向に対して周期構造をした２次元周期構造であっても、サファイア基板上の中心に対して点対称な周期構造であっても良い。その他、正三角形、正六角形などの正多角形、多角形などの格子状から成る２次元周期構造であっても良い。また、２次元配列は、面上の２軸方向に周期性を有した配列であり、２次元周期構造は、２軸方向に周期性を有した構造を意味する。
【０００９】
一つの凸部又は凹部のサファイア基板の法線に垂直な断面における形状は、任意形状のドット（島状）、角錐台、円錐台、角柱、円柱、角錐、円錐、半球状、などの形状であっても良い。
【００１０】
周期構造の周期は４μｍ以下であることが望ましい。この周期以下の場合に、干渉パターンが得られることが確認されている。周期が４μｍを越えると、干渉パターンが得難いので、周期はこの値以下が望ましい。周期の値を変化させると干渉パターンが変化する。これによりサファイア基板の法線に対する所望角度での放射を大きくすることができる。
また、周期は０．１μｍ以上、４μｍ以下であることが望ましい。下限の０．１μｍより小さいと、加工が困難であると共に干渉パターンが得難くなる。このため、周期構造の周期は、この範囲が望ましい。
また、周期は、３．５μｍ以下、０．３μｍ以上が望ましい。さらに、望ましくは、周期は、３．２５μｍ以下、０．７μｍ以上が望ましい。最も望ましくは、周期は、３．２５μｍ以下、２．２５μｍ以上である。この範囲で、短周期で極致を有する細かな干渉パターンが得られることを確認している。
【００１１】
また、III 族窒化物半導体発光素子の光出力面に、その光出力面上に表れる干渉パターンにおける光強度が大きい位置において光透過率が大きくなる透過率分布を有した光透過膜を設けても良い。干渉パターンは、光強度が強くなる部分に、光エネルギーが集束されていると見做すことができる。したがって、光強度が大きくなる方向の光をより透過する光透過膜を形成することで、その方向の光の取り出し効率を向上させることができる。光が集束した状態で、その方向の光をより効率良く外部に出力させることができることから、全方位の総合出力も大きくなる。
【００１２】
また、III 族窒化物半導体発光素子の光出力面とは反対側の光反射面に、その光反射面上に表れる干渉パターンにおける光強度が大きくなる位置において光反射率が大きくなる反射率分布を有した光反射膜を設けることが望ましい。この場合も上記と同様に、干渉パターンにおいて光強度が強くなる方位に光が集束されることから、その方位の光を効率良く、光取り出し面側に反射する反射膜を形成することで、外部への光出力効率を向上させることができる。
【００１３】
上記発明において、III 族窒化物半導体とは、一般式Ａｌx Ｇａy Ｉｎz Ｎ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０≦ｘ、ｙ、ｚ≦１）で表される半導体であり、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎの一部を他の第１３族元素であるＢやＴｌで置換したもの、Ｎの一部を他の第１５族元素であるＰ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉで置換したものをも含むものとする。より一般的には、Ｇａを少なくとも含むＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＮを示す。ｎ型不純物としてはＳｉ、ｐ型不純物としてはＭｇが通常用いられる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、サファイア基板の積層構造が形成される側の表面に、発光層から出力された光に対して光強度の干渉パターンを生じさせる周期で２次元配列された凸部又は凹部の周期構造を形成することにより、サファイア基板の法線に対して所望の角度に強い出力を得ることができる。干渉パターンの干渉強度が大きい領域に、光は集束されているので、特定の方向に光を出力させることができる他、全方位の全出力も向上する。この結果として、発光素子の外部量子効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施例１に係るIII 族窒化物半導体発光素子の構成を示した断面図。
【図２．Ａ】実施例１に係る周期５μｍの凸部の周期構造を有した発光素子の出力する光の強度の放射角度分布を示した特性図。
【図２．Ｂ】実施例１に係る発光素子のサファイア基板上に形成された周期５μｍの凸部の周期構造を示す平面写真。
【図３．Ａ】実施例１に係る周期４μｍの凸部の周期構造を有した発光素子の出力する光の強度の放射角度分布を示した特性図。
【図３．Ｂ】実施例１に係る発光素子のサファイア基板上に形成された周期４μｍの凸部の周期構造を示す平面写真。
【図４．Ａ】実施例１に係る周期３．２５μｍの凸部の周期構造を有した発光素子の出力する光の強度の放射角度分布を示した特性図。
【図４．Ｂ】実施例１に係る発光素子のサファイア基板上に形成された周期３．２５μｍの凸部の周期構造を示す平面写真。
【図５．Ａ】実施例１に係る周期２．７５μｍの凸部の周期構造を有した発光素子の出力する光の強度の放射角度分布を示した特性図。
【図５．Ｂ】実施例１に係る発光素子のサファイア基板上に形成された周期２．７５μｍの凸部の周期構造を示す平面写真。
【図６．Ａ】実施例１に係る周期２．２５μｍの凸部の周期構造を有した発光素子の出力する光の強度の放射角度分布を示した特性図。
【図６．Ｂ】実施例１に係る発光素子のサファイア基板上に形成された周期２．２５μｍの凸部の周期構造を示す平面写真。
【図７．Ａ】実施例１に係る周期４μｍの凸部の周期構造を有した発光素子の出力する半球面上での光の強度分布を立体グラフで示した特性図。
【図７．Ｂ】実施例１に係る周期４μｍの凸部の周期構造を有した発光素子の出力する半球面上での光の強度分布を等強度線で示した特性図。
【図８．Ａ】実施例１に係る周期２．７５μｍの凸部の周期構造を有した発光素子の出力する半球面上での光の強度分布を立体グラフで示した特性図。
【図８．Ｂ】実施例１に係る周期２．７５μｍの凸部の周期構造を有した発光素子の出力する半球面上での光の強度分布を等強度線で示した特性図。
【図９．Ａ】実施例１に係る周期２．２５μｍの凸部の周期構造を有した発光素子の出力する半球面上での光の強度分布を立体グラフで示した特性図。
【図９．Ｂ】実施例１に係る周期２．２５μｍの凸部の周期構造を有した発光素子の出力する半球面上での光の強度分布を等強度線で示した特性図。
【図１０】本発明の実施例２に係るIII 族窒化物半導体発光素子の構成を示した断面図。
【図１１】本発明の実施例３に係るIII 族窒化物半導体発光素子の構成を示した断面図。
【図１２】本発明の実施例３に係るIII 族窒化物半導体発光素子の構成を示した断面図。
【図１３】本発明の実施例４に係るIII 族窒化物半導体発光素子の構成を示した断面図。
【図１４】本発明の実施例４に係るIII 族窒化物半導体発光素子の構成を示した断面図。
【図１５】本発明の実施例５に係るIII 族窒化物半導体発光素子の構成を示した断面図。
【図１６】本発明の実施例５に係るIII 族窒化物半導体発光素子の発光層からサファイア基板へ入射する光の入射角と、ＤＢＲ膜の反射率との関係を示す特性図。
【図１７】本発明の実施例６に係るIII 族窒化物半導体発光素子の構成を示した断面図。
【図１８】本発明の実施例６に係るIII 族窒化物半導体発光素子の光透過膜の厚さと光透過率との関係を示した特性図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の具体的な実施例について図を参照に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。
【実施例１】
【００１７】
図１は、実施例１のIII 族窒化物半導体発光素子の構成について示した図である。実施例１のIII 族窒化物半導体発光素子は、凸部２０の２次元周期構造が形成されたサファイア基板１０と、サファイア基板１０のその面及び２次元周期構造表面上に、バッファ層（図示略）を介して順に積層された、III 族窒化物半導体からなるｎ型層１１、発光層１２、ｐ型層１３とを有している。これらｎ型層１１、発光層１２、ｐ型層１３は、本発明における積層構造に相当する。発光層１２、ｐ型層１３は、その一部の領域がエッチングされて除去され、ｎ型層１１の表面が露出している。その露出したｎ型層１１の表面上に、ｎ電極１４が形成されている。ｐ型層１３の上には、一様な厚さの反射膜３４が形成されている。反射膜３４上にはｐ電極１６が形成されている。反射膜３４はＲｈ又はＡｇから成る。この発光素子の発光波長は、４３０ｎｍ〜４８０ｎｍである。本発明に用いることができる発光素子の発光波長としては、３８０ｎｍ〜７５０ｎｍを用いることができる。この実施例１のIII 族窒化物半導体発光素子は、フェースダウン型（フリップチップ型）の素子である。
【００１８】
ｎ型層１１、発光層１２、ｐ型層１３は、従来より知られる任意の構造で良い。たとえばｎ型層１１は、サファイア基板１０側から順に、ＧａＮからなる高濃度にＳｉがドープされたｎ型コンタクト層、ＧａＮからなるｎクラッド層が順に積層された構造である。また、ｎ型層１１は、組成比の異なる材料の多重層で静電耐圧を向上させるための層を有していても良い。また、たとえば発光層１２は、ＧａＮからなる障壁層とＩｎＧａＮからなる井戸層が繰り返し積層されたＭＱＷ構造である。また、たとえばｐ型層１３は、発光層１２側から順に、ＡｌＧａＮからなるＭｇがドープされたｐクラッド層、ＧａＮからなるＭｇがドープされたｐコンタクト層が積層された構造である。ｎクラッド層及びｐクラッド層は超格子層であっても良い。
【００１９】
実施例１のIII 族窒化物半導体発光素子は、次のようにして製造された。
まず、サファイア基板１０の表面１０ａに、フォトレジストを一様に塗布して、凸部の２次元周期構造に対応するパターンに、フォトレジストを露光、現像した。次に、残された２次元周期構造のパターンをマスクとして、ドライエッチングによって、サファイア基板１０をエッチングした。これにより、たとえば、図２．Ｂのような凸部２０の２次元周期構造が得られた。
【００２０】
次に、上記２次元周期構造の加工によって生じたダメージの回復やサファイア基板１０表面の不純物除去のために、サーマルクリーニングを行った。サーマルクリーニングは、たとえば水素雰囲気中１０００〜１２００℃での熱処理である。
【００２１】
次に、上記のようにして２次元周期構造を形成したサファイア基板１０上に、ＭＯＣＶＤ法によって、ＡｌＮからなるバッファ層（図示しない）を介してｎ型層１１、発光層１２、ｐ型層１３を順に形成した。ＭＯＣＶＤ法において用いる原料ガスは、窒素源として、アンモニア（ＮＨ3 ）、Ｇａ源として、トリメチルガリウム（Ｇａ（ＣＨ3 ）3 ）、Ｉｎ源として、トリメチルインジウム（Ｉｎ（ＣＨ3 ）3 ）、Ａｌ源として、トリメチルアルミニウム（Ａｌ（ＣＨ3 ）3 ）、ｎ型ドーピングガスとして、シラン（ＳｉＨ4 ）、ｐ型ドーピングガスとしてシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｍｇ（Ｃ5 Ｈ5 ）2 ）、キャリアガスとしてＨ2 またはＮ2 である。
【００２２】
次に、ドライエッチングによってｐ型層１３、発光層１２の一部領域を除去してｎ型層１１表面を露出させた。そして、ｐ型層１３の表面上に反射膜３４を形成し、露出させたｎ型層１１の表面上にｎ電極１４、反射膜３４上にｐ電極１６を形成した。以上によって実施例１のIII 族窒化物半導体発光素子が製造された。
【００２３】
サファイア基板１０上の半導体の成長面１０ａに凸部２０の２次元周期構造を、その構造の周期を幾つか変化させて形成した発光素子を、上記の製法により製造した。そして、これらの各発光素子の外部での発光強度を測定した。２次元周期構造の凸部２０は、図１、図２．Ｂに示されているように、円錐台形状をしており、サファイア基板１０の成長面１０ａに垂直な断面においては、台形である。円錐台の上底の直径がｔ、下底の直径がｂ、高さがｈ、側壁と底面との成す側面角がθである。２次元周期構造の成長面１０ａに平行な断面において、凸部２０は正六角形の角及び中心に配置されている。すなわち、２次元周期構造は、ハニカム形状の稠密構造になっている。周期は、隣接する２つの凸部２０の中心間の距離である。一つの凸部２０に隣接する凸部２０は６つ存在する。一つの凸部２０からこの６つの隣接する凸部２０に対する距離は全て等しい。
【００２４】
発光層１３において発光した光のうちサファイア基板１０側に向かう光は、凸部２０の２次元周期構造で一部反射され、一部透過する。透過光はサファイア基板１０の半導体成長面１０ａとは反対側にある光出力面１０ｂから、外部に出力される。また、発光層１３から反射膜３４に向けて放射された光は反射膜３４で光出力面１０ｂ側に反射される。その反射光は、凸部２０の２次元周期構造を透過して、光出力面１０ｂから外部に出力される。また、凸部２０の２次元周期構造により反射された光は反射膜３４で光出力面１０ｂ側に反射されて、凸部２０の２次元周期構造を透過して、光出力面１０ｂから外部に出力される。このような凸部２０の２次元周期構造による透過及び反射、反射膜３４での反射による機構により、発光層１３から放射された光は、光出力面１０ｂから外部に出力される。これにより、光出力面１０ｂから出力される光は、２次元周期構造の存在により、干渉パターンを有することになる。
【００２５】
図２．Ｂは、周期が５μｍ、上底直径ｔ＝１．０μｍ、下底直径ｂ＝２．８μｍ、高さｈ＝１．５μｍ、側面角θ＝５９°の２次元周期構造の平面図であり、図２．Ａは、その発光素子の光出力面１０ｂの法線方向（光軸）の前方から見た法線と成す角に対する光強度分布である。すなわち、半円球面上における光強度分布を、サファイア基板１０の法線を含む面で切断した時のその切断面での発光の指向特性を示している。２本の線は、直交する２つの切断面での指向特性を示している。すなわち、光出力面１０ｂ上に、直交する２軸（ｘ軸、ｙ軸）をとる。一つの曲線は、法線方向からｘ軸に向けて測定した角度に対する特性、他の曲線は法線方向からｙ軸に向けて測定した角度に対する特性を示している。法線に対して−９０度から９０度の範囲で測定している。横軸の中央が法線方向（０度）であり、右端が法線に対して９０度の方向（水平方向）、左端が法線に対して−９０度の方向であり、１目盛りは１０度である。縦軸は、相対強度であり、１目盛りが０．１である。以下、発光の指向特性を示す光強度分布図における定義は、図２．Ａと同一である。
【００２６】
図３．Ｂは、周期が４μｍ、上底直径ｔ＝１．０μｍ、下底直径ｂ＝２．８μｍ、高さｈ＝１．５μｍ、側面角θ＝５９°の２次元周期構造の平面図であり、図３．Ａは、その構造を有した発光素子の光強度分布図である。図７．Ａは、その素子の半円球面上における光強度分布図、図７．Ｂは半円球面上における光強度分布図を平面に展開した光強度分布である。
【００２７】
図４．Ｂは、周期が３．２５μｍ、上底直径ｔ＝２．４４μｍ、下底直径ｂ＝２．７３μｍ、高さｈ＝０．８７μｍ、側面角θ＝８１°の２次元周期構造の平面図であり、図４．Ａは、その構造を有した発光素子の光強度分布図である。
【００２８】
図５．Ｂは、周期が２．７５μｍ、上底直径ｔ＝１．２４μｍ、下底直径ｂ＝２．１６μｍ、高さｈ＝１．１４μｍ、側面角θ＝７０°の２次元周期構造の平面図であり、図５．Ａは、その構造を有した発光素子の光強度分布図である。図８．Ａは、その素子の半円球面上における光強度分布図、図８．Ｂは半円球面上における光強度分布図を平面に展開した光強度分布である。
【００２９】
図６．Ｂは、周期が２．２５μｍ、上底直径ｔ＝０．９８μｍ、下底直径ｂ＝１．８９μｍ、高さｈ＝１．２２μｍ、側面角θ＝６９°の２次元周期構造の平面図であり、図６．Ａは、その構造を有した発光素子の光強度分布図である。図９．Ａは、その素子の半円球面上における光強度分布図、図９．Ｂは半円球面上における光強度分布図を平面に展開した光強度分布である。
【００３０】
図２．Ａから分かるように、周期が５μｍの２次元周期構造を用いた場合には、０度（法線方向）よりも、２０〜５０度の範囲と、−２０〜−５０度の範囲が、法線方向に比べて１．２５倍大きいことが分かる。
また、図３．Ａから分かるように、周期が４μｍの２次元周期構造を用いた場合には、法線方向に比べ２０−４０度、−１５〜−３５度の範囲で、１．３３倍大きいことが分かる。また、図７．Ａを見れば、光強度のピークが幾つか表れていることが分かる。
【００３１】
また、図４．Ａから分かるように、周期が３．２５μｍの２次元周期構造を用いた場合には、−５０度〜＋５０度の範囲において、強度は、１〜０．９の範囲に存在することが分かる。しかし、明らかに、−１０、＋１０、−３５、＋３５度において、強度の４つのピークが表れていることが分かる。
また、図５．Ａから分かるように、周期が２．７５μｍの２次元周期構造を用いた場合には、−４５度〜＋４５度の範囲において、強度は、１〜０．９の範囲に存在することが分かる。しかし、明らかに、−４０、−２０、０、＋２０、４０又は３５度において、強度の５つのピークが表れていることが分かる。そのことは、図８．Ａを参照すればより理解される。
【００３２】
また、図６．Ａから分かるように、周期が２．２５μｍの２次元周期構造を用いた場合には、−５０度〜＋５０度の範囲において、強度は、１〜０．９の範囲に存在することが分かる。しかし、明らかに、およそ１０度間隔で、小さなピークが表れていることが分かる。このことは、図９．Ａ、図９．Ｂを参照すればより理解される。また、図７．Ｂ、図８．Ｂ、図９．Ｂから、指向性は６回対称を有していることが分かる。そてし、周期が短くなるに連れて、６回対称性はより顕著に表れていることが理解される。図７．Ｂ、図８．Ｂ、図９．Ｂに示されている６回対称性は、２次元周期構造の逆格子を表している。
【００３３】
以上のことから、周期を短くする程、法線を含む広い角度範囲において、大きな変動のない光強度分布が得られることが分かる。また、周期を短くする程、短い角度周期で、小さいなピークが表れることが分かる。上記の実験では、３．２５μｍ以下、２．２５μｍ以上において、細かな干渉パターンを有することが理解される。
【実施例２】
【００３４】
光強度に干渉パターンがあることを利用して、図１０に示すように、実施例１の発光素子において、サファイア基板１０の光出力面１０ｂに、屈折率の異なる複数の層から成る多層透過膜３３を形成した。この多層透過膜３３では、凸部２０の２次元周期構造を透過した光の強度分布（干渉パターン）において、強度が大きくなる角度の光を大きく透過するように、多層構造の厚さが設定されている。この厚さの設計により、透過光の干渉パターンを、発光の干渉パターンと同一にすることができる。このようにすれば、発光の強度分布において、強度の大きくなる方向の光を光出力面１０ｂから外部に、大きく出力させることができ、効果的に光出力面１０ｂから光を外部に出力することができる。すなわち、特定の方向に強い強度を有した光を外部に出力することができる。また、発光層１３で発光した光は、その干渉パターンの強度が強い領域に集束していると考えられるので、全体としの光出力効率が向上する。
【実施例３】
【００３５】
本実施例は、図１１に示すように、実施例１の発光素子において、反射膜３４（電極でもある）とｐ型層１３との間に多層反射膜（ＤＢＲ）３５を形成した。多層反射膜３５も、実施例２の多層透過膜３３と同様に、屈折率の異なる複数の誘電体層を積層したものである。この多層反射膜３５には、発光層１２から多層反射膜３５に向けて放射された光、発光層１２から凸部２０の周期構造に向けて放射された光がその周期構造で反射された光が入射し、多層反射膜３５により光出力面１０ｂ側に反射される。凸部２０の周期構造により反射した光の強度分布において、強度が大きくなる角度の光を大きく反射するように、多層反射膜３５の各層の厚さを設定する。この厚さの設計により、多層反射膜３５での反射光の干渉パターンを、凸部２０の周期構造による光の干渉パターンと同一にすることができる。このようにすれば、発光の強度分布において、光強度の大きくなる方向の光を光出力面１０ｂから、大きく取り出すことができ、効果的に光を外部に出力することができる。すなわち、特定の方向に強い強度を有した光を外部に出力することができる。また、発光層１３で発光した光は、その干渉パターンの強度が強い領域に集束していると考えられるので、全体としの光出力効率が向上する。
【００３６】
また、この場合において、図１２に示すように、サファイア基板１０の光出力面１０ｂには、実施例２のように透過特性に干渉パターンを有する多層透過膜３３を形成しても良い。この場合も、光出力面１０ｂから出力される光は、凸部２０の周期構造による光の干渉パターンと同一の強度分布が得られる。
【実施例４】
【００３７】
実施例１〜３は、サファイア基板１０の裏面である光出力面１０ｂの側から光を出力するフェースダウン型（フリップチップ型）の発光素子である。実施例４は、本発明を、フェースアップ型（ワイヤボンディング型）の発光素子に用いた例である。図１３に示すように、サファイア基板１０の裏面１０ｃには、一様な厚さの反射膜３６が形成されている。反射膜３６はＲｈ、Ａｇ等から成る。また、ｐ型層１３の表面のほぼ全面にはＩＴＯから成る透明電極１５が形成されており、その透明電極１５の上にはｐ電極１６が形成されている。このように構成しても、実施例１〜３と同様に、凸部２０の２次元周期構造を透過又は反射することにより得られた光の強度分布（干渉パターン）において、強度の大きい方位に集束された光を、効率良く、透明電極１５の光出力面２５から外部に出力することができる。
【００３８】
この場合に、反射膜３６に代えて、実施例３で用いた多層反射膜３５と同一構成の多層反射膜３５をサファイア基板１０の裏面１０ｃに設けても良い。多層反射膜３５は屈折率の異なる複数の誘電体層を積層したものである。発光層１２から裏面１０ｃ側に放射された光は、凸部２０の周期構造を透過し、多層反射膜３５で反射され、再度、凸部２０の周期構造を透過する。多層反射膜３５は、入射した光の強度分布において、強度が大きくなる角度の光を大きく反射するように、多層構造の各層の厚さを設定する。この厚さの設計により、反射光の干渉パターンを、凸部２０の周期構造の干渉パターンと同一にすることができる。このようにすれば、発光の強度分布において、光強度の大きくなる方向の光を透明電極１５の出力面２５から、大きく取り出すことができ、効果的に光を外部に出力することができる。
【００３９】
また、図１４に示すように、ｐ型層１３と透明電極１５との間に、多層透過膜３７を設けても良い。多層透過膜３７の透過の方位特性は、凸部２０の２次元周期構造の干渉パターンと同一とする。これにより、凸部２０の２次元周期構造を透過し反射膜３６又は多層反射膜３５で反射されて、２次元周期構造を、再度、透明電極１５側に透過した光、又は、２次元周期構造により反射された光の強度分布（干渉パターン）において、強度の大きい方位に集束された光を、透明電極１５の光出力面２５から、効率良く、外部に出力することができる。
【実施例５】
【００４０】
実施例５は、本発明を、フェースアップ型（ワイヤボンディング型）の発光素子に用いた例である。図１５に示すように、サファイア基板１０の裏面１０ｃには、裏面１０ｃに接合して多層反射膜（ＤＢＲ）４０が設けられ、そのＤＢＲ膜４０に接合して銀からなる反射膜３６が形成されている。素子ＡのＤＢＲ膜４０は、比屈折率が２、厚さが５６．３ｎｍのＺｎＯ膜と、比屈折率が１．４６、厚さが７７．１ｎｍのＳｉＯ2 膜を１組として、５組積層させたものである。ＺｎＯ膜をサファイア基板１０に接合させている。また、ｐ型層１３の表面のほぼ全面にはＩＴＯから成る透明電極１５が形成されており、その透明電極１５の上にはｐ電極１６が形成されている。凸部２０の２次元周期構造には、図６．Ｂに示す、周期が２．２５μｍ、上底直径ｔ＝０．９８μｍ、下底直径ｂ＝１．８９μｍ、高さｈ＝１．２２μｍ、側面角θ＝６９°の周期構造を用いた。その他の構成は、実施例４と同一である。
【００４１】
波長４５０ｎｍの発光に対して、ＤＢＲ膜４０の屈折率、厚さは、サファイア基板１０の主面に垂直な法線と成す角である極角が０°で透明電極１５を通過する光が最大強度となる設計である。このＤＢＲ膜４０を設けることにより、凸部２０の２次元周期構造による図９．Ｂに示す光の強度分布のうち、サファイア基板１０の主面の法線と成す角である極角が０°付近の出力光を強調させることができる。このようにして、極角が０°で出力光が最大となり、主面上の方位角方向に一様で、比較的広い範囲の極角範囲において、均一指向性の放射光を得ることができる。
【００４２】
また、素子ＢのＤＢＲ膜４０として、比屈折率が２、厚さが５７．１ｎｍのＺｎＯ膜と、比屈折率が１．４６、厚さが７９．３ｎｍのＳｉＯ2 膜を１組として、５組積層させた発光素子について検討した。ＤＢＲ膜４０の屈折率と厚さは、サファイア基板１０の主面に垂直な法線と成す角である極角が２０°で、最大強度が得られるように設計されている。その他の構成は、素子Ａと同一である。このＤＢＲ膜４０を設けることにより、サファイア基板１０の主面に垂直な法線と成す角である極角が２０°〜４０°の範囲に最大強度を有する放射指向性を得ることができる。すなわち、凸部２０の２次元周期構造による出力光強度分布において、極角が２０°〜４０°の範囲の光の強度を他の角度範囲に比べて増加させることができる。
【００４３】
図１６は、素子Ａと素子ＢとにおけるＤＢＲ膜４０の反射率と、光が発光層１２からサファイア基板１０へ入射する時の入射角との関係を示している。素子Ａのように極角が０°で出力光が最大となるように設計した場合には、極角が２０°で出力光が最大となるようにＤＢＲ膜４０が設計された素子Ｂに比べて、１６°以下の範囲において、ｐ波、ｓ波共に、ＤＢＲ膜４０からの反射率を大きくできることが分かる。特に、素子Ａと素子Ｂとにおいて、極角０°付近における反射率の差は、最も大きくなる。しかし、発光層１２から出力される広い角度範囲の光を有効に光出力面２５の側に反射させることができない。極角が２０°で出力光が最大となるようにＤＢＲ膜４０が設計された素子Ｂの場合には、極角が０°で出力光が最大となるように設計した素子Ａの場合に比べて、ｓ波、ｐ波共に、サファイア基板１０への入射角が０°〜１６°の範囲で反射率は小さいが、入射角が１６°を越えると、ＤＢＲ膜４０での反射率が大きくなることが分かる。したがって、素子Ｂの場合は、素子Ａの場合に比べて、発光層１２から出力される広角度範囲１６°以上（顕著には、２０°以上）の光を有効に光出力面２５側に反射させることができる。すなわち、設計通りの特性が得られることが分かる。
【実施例６】
【００４４】
本実施例の発光素子では、図１７に示すように、実施例１の発光素子において、ｐ型層１３の上に、厚さ１００ｎｍのＩＴＯから成る透明電極４１を形成し、その透明電極４１の上に、ＳｉＯ2 とＺｎＯ2 とが繰返し積層された膜から成る厚さ６８２ｎｍのＤＢＲ膜４２を形成し、そのＤＢＲ膜４２の上に厚さ１００μｍの銀から成る反射膜４３を形成し、その反射膜４３の上にｐ電極１６を形成している。ｐ電極１６は、ＤＢＲ膜４２に形成された孔４６を介して、透明電極４１に電気的に接触している。そして、サファイア基板１０の裏面である光出力面１０ｂには、ＳｉＯ2 から成る光透過膜４４が形成されている。この発光素子において、波長４５０ｎｍの光に対して、光透過膜４４の厚さと光透過膜４４を透過する光の透過率との関係は図１８に示すようになる。ｐ波の透過光、ｓ波の透過光、共に、光透過膜４４の厚さが８０ｎｍの時に、透過率は最大となることが分かる。また、透過率が０．９８以上となるのは、ｐ波の透過光では、光透過膜４４の厚さは５０ｎｍ以上１１０ｎｍ以下であることが分かる。ｓ波の透過光では、光透過膜４４の厚さは、７０ｎｍ以上、９５ｎｍ以下であることが分かる。
【００４５】
以上の構成により、効果的に光を外部に出力することができ、発光素子の外部量子効率を向上させることができる。
凸部２０の側面は、サファイア基板１０の主面である成長面１０ａに垂直に形成しても、傾斜させても良い。成長面１０ａに対する側面角θは、４０〜９０°とすることが望ましい。同じく光取り出し効率をより向上させることができるためである。より望ましくは４５〜７５°凸部２０の高さｈは、０．１〜３μｍとすることが望ましい。同じく光取り出し効率をより向上させることができるためである。より望ましくは、高さｈは０．５〜２μｍである。
【００４６】
上記において、２次元周期構造は、サファイア基板の主面に対して突出した凸部で構成したが、これを主面に対して窪んだ凹部で構成しても良い。その望ましい周期、深さ、凹部の側面の傾斜角は、凸部で２次元周期構造を形成した場合の範囲が適用できる。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明のIII 族窒化物半導体発光素子は、表示装置や照明装置などに利用することができる。
【符号の説明】
【００４８】
１０：サファイア基板
１１：ｎ型層
１２：発光層
１３：ｐ型層
１４：ｎ電極
１５，４１：透明電極
１６：ｐ電極
２０：凸部
１０ａ：成長面
１０ｂ：光出力面
１０ｃ：裏面
３３，３７：多層透過膜
３４，３６，４３：反射膜
３５：多層反射膜
４０：ＤＢＲ膜
４２，４４：光透過膜
【技術分野】
【０００１】
本発明は、サファイア基板に凹凸加工を施すことにより光取り出し効率が向上されたIII 族窒化物半導体発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、III 族窒化物半導体発光素子は一般照明用途に利用され始めており、光取り出し効率の改善が強く求められている。光取り出し効率を向上させる方法の１つとして、サファイア基板に凹凸加工を施す方法が知られている（特許文献１）。凹凸を設けずに平坦とした場合、素子内部においてサファイア基板に水平な方向へ伝搬する光は、半導体層内に閉じ込められ、多重反射を繰り返すなどして減衰していたが、サファイア基板に凹凸を設けることでこの水平方向に伝搬する光を垂直な方向に反射・散乱させて外部に取り出すことができ、光取り出し効率を向上させることができる。凹凸の形状としては、ストライプ状やドット状などが用いられている。
【０００３】
また、特許文献２には、発光層から発光した光がサファイア基板と窒化物半導体との界面で全反射するため光の取り出し効率が低いことを改善するために、全反射を抑制すると共に基板の側面からも光が出力されることを目的に、透光性基板に凹凸加工を施すことが開示されている。
また、特許文献３には、特許文献２と同様に、発光層から発光した光がサファイア基板と窒化物半導体との界面で全反射して、外部に光が取り出され難いことを改善するために、その界面に凸部を形成することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−３１８４４１
【特許文献２】特開２０１０−１７１３８２
【特許文献３】特開２０１０−２２５７８７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上記の何れの文献においても、サファイア基板上に形成された凸部、又は、凹部により、光の干渉パターンを生じさせることは、何ら示唆されていない。また、その干渉パターンを利用して、光の取り出し効率を向上させることも、何ら示唆されていない。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、干渉パターンを生じさせる構造の凸部又は凹部から成る周期構造をサファイア基板の半導体を成長させる面に形成して、出力光に対して特定の方向に出力強度の高い光出力を得るようにすることである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
第１の発明は、サファイア基板上に発光層を有するIII 族窒化物半導体からなる積層構造が形成されたIII 族窒化物半導体発光素子において、サファイア基板の積層構造側の表面に、発光層から出力された光に対して光強度の干渉パターンを生じる周期で２次元配列された凸部又は凹部の周期構造を設けたことを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子である。
【０００８】
本発明は、サファイア基板上の凸部又は凹部の周期構造の周期を発光層で発光した光の波長オーダとすることで、光の干渉パターンを得るものである。これにより、サファイア基板の法線に対して、所定角度を成す方向に強い光出力を得ることができる。これにより、発光素子の外部取り出し効率を向上させることができる。この周期構造は、サファイア基板上の直交する２軸方向に対して周期構造をした２次元周期構造であっても、サファイア基板上の中心に対して点対称な周期構造であっても良い。その他、正三角形、正六角形などの正多角形、多角形などの格子状から成る２次元周期構造であっても良い。また、２次元配列は、面上の２軸方向に周期性を有した配列であり、２次元周期構造は、２軸方向に周期性を有した構造を意味する。
【０００９】
一つの凸部又は凹部のサファイア基板の法線に垂直な断面における形状は、任意形状のドット（島状）、角錐台、円錐台、角柱、円柱、角錐、円錐、半球状、などの形状であっても良い。
【００１０】
周期構造の周期は４μｍ以下であることが望ましい。この周期以下の場合に、干渉パターンが得られることが確認されている。周期が４μｍを越えると、干渉パターンが得難いので、周期はこの値以下が望ましい。周期の値を変化させると干渉パターンが変化する。これによりサファイア基板の法線に対する所望角度での放射を大きくすることができる。
また、周期は０．１μｍ以上、４μｍ以下であることが望ましい。下限の０．１μｍより小さいと、加工が困難であると共に干渉パターンが得難くなる。このため、周期構造の周期は、この範囲が望ましい。
また、周期は、３．５μｍ以下、０．３μｍ以上が望ましい。さらに、望ましくは、周期は、３．２５μｍ以下、０．７μｍ以上が望ましい。最も望ましくは、周期は、３．２５μｍ以下、２．２５μｍ以上である。この範囲で、短周期で極致を有する細かな干渉パターンが得られることを確認している。
【００１１】
また、III 族窒化物半導体発光素子の光出力面に、その光出力面上に表れる干渉パターンにおける光強度が大きい位置において光透過率が大きくなる透過率分布を有した光透過膜を設けても良い。干渉パターンは、光強度が強くなる部分に、光エネルギーが集束されていると見做すことができる。したがって、光強度が大きくなる方向の光をより透過する光透過膜を形成することで、その方向の光の取り出し効率を向上させることができる。光が集束した状態で、その方向の光をより効率良く外部に出力させることができることから、全方位の総合出力も大きくなる。
【００１２】
また、III 族窒化物半導体発光素子の光出力面とは反対側の光反射面に、その光反射面上に表れる干渉パターンにおける光強度が大きくなる位置において光反射率が大きくなる反射率分布を有した光反射膜を設けることが望ましい。この場合も上記と同様に、干渉パターンにおいて光強度が強くなる方位に光が集束されることから、その方位の光を効率良く、光取り出し面側に反射する反射膜を形成することで、外部への光出力効率を向上させることができる。
【００１３】
上記発明において、III 族窒化物半導体とは、一般式Ａｌx Ｇａy Ｉｎz Ｎ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０≦ｘ、ｙ、ｚ≦１）で表される半導体であり、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎの一部を他の第１３族元素であるＢやＴｌで置換したもの、Ｎの一部を他の第１５族元素であるＰ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉで置換したものをも含むものとする。より一般的には、Ｇａを少なくとも含むＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＮを示す。ｎ型不純物としてはＳｉ、ｐ型不純物としてはＭｇが通常用いられる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、サファイア基板の積層構造が形成される側の表面に、発光層から出力された光に対して光強度の干渉パターンを生じさせる周期で２次元配列された凸部又は凹部の周期構造を形成することにより、サファイア基板の法線に対して所望の角度に強い出力を得ることができる。干渉パターンの干渉強度が大きい領域に、光は集束されているので、特定の方向に光を出力させることができる他、全方位の全出力も向上する。この結果として、発光素子の外部量子効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施例１に係るIII 族窒化物半導体発光素子の構成を示した断面図。
【図２．Ａ】実施例１に係る周期５μｍの凸部の周期構造を有した発光素子の出力する光の強度の放射角度分布を示した特性図。
【図２．Ｂ】実施例１に係る発光素子のサファイア基板上に形成された周期５μｍの凸部の周期構造を示す平面写真。
【図３．Ａ】実施例１に係る周期４μｍの凸部の周期構造を有した発光素子の出力する光の強度の放射角度分布を示した特性図。
【図３．Ｂ】実施例１に係る発光素子のサファイア基板上に形成された周期４μｍの凸部の周期構造を示す平面写真。
【図４．Ａ】実施例１に係る周期３．２５μｍの凸部の周期構造を有した発光素子の出力する光の強度の放射角度分布を示した特性図。
【図４．Ｂ】実施例１に係る発光素子のサファイア基板上に形成された周期３．２５μｍの凸部の周期構造を示す平面写真。
【図５．Ａ】実施例１に係る周期２．７５μｍの凸部の周期構造を有した発光素子の出力する光の強度の放射角度分布を示した特性図。
【図５．Ｂ】実施例１に係る発光素子のサファイア基板上に形成された周期２．７５μｍの凸部の周期構造を示す平面写真。
【図６．Ａ】実施例１に係る周期２．２５μｍの凸部の周期構造を有した発光素子の出力する光の強度の放射角度分布を示した特性図。
【図６．Ｂ】実施例１に係る発光素子のサファイア基板上に形成された周期２．２５μｍの凸部の周期構造を示す平面写真。
【図７．Ａ】実施例１に係る周期４μｍの凸部の周期構造を有した発光素子の出力する半球面上での光の強度分布を立体グラフで示した特性図。
【図７．Ｂ】実施例１に係る周期４μｍの凸部の周期構造を有した発光素子の出力する半球面上での光の強度分布を等強度線で示した特性図。
【図８．Ａ】実施例１に係る周期２．７５μｍの凸部の周期構造を有した発光素子の出力する半球面上での光の強度分布を立体グラフで示した特性図。
【図８．Ｂ】実施例１に係る周期２．７５μｍの凸部の周期構造を有した発光素子の出力する半球面上での光の強度分布を等強度線で示した特性図。
【図９．Ａ】実施例１に係る周期２．２５μｍの凸部の周期構造を有した発光素子の出力する半球面上での光の強度分布を立体グラフで示した特性図。
【図９．Ｂ】実施例１に係る周期２．２５μｍの凸部の周期構造を有した発光素子の出力する半球面上での光の強度分布を等強度線で示した特性図。
【図１０】本発明の実施例２に係るIII 族窒化物半導体発光素子の構成を示した断面図。
【図１１】本発明の実施例３に係るIII 族窒化物半導体発光素子の構成を示した断面図。
【図１２】本発明の実施例３に係るIII 族窒化物半導体発光素子の構成を示した断面図。
【図１３】本発明の実施例４に係るIII 族窒化物半導体発光素子の構成を示した断面図。
【図１４】本発明の実施例４に係るIII 族窒化物半導体発光素子の構成を示した断面図。
【図１５】本発明の実施例５に係るIII 族窒化物半導体発光素子の構成を示した断面図。
【図１６】本発明の実施例５に係るIII 族窒化物半導体発光素子の発光層からサファイア基板へ入射する光の入射角と、ＤＢＲ膜の反射率との関係を示す特性図。
【図１７】本発明の実施例６に係るIII 族窒化物半導体発光素子の構成を示した断面図。
【図１８】本発明の実施例６に係るIII 族窒化物半導体発光素子の光透過膜の厚さと光透過率との関係を示した特性図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の具体的な実施例について図を参照に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。
【実施例１】
【００１７】
図１は、実施例１のIII 族窒化物半導体発光素子の構成について示した図である。実施例１のIII 族窒化物半導体発光素子は、凸部２０の２次元周期構造が形成されたサファイア基板１０と、サファイア基板１０のその面及び２次元周期構造表面上に、バッファ層（図示略）を介して順に積層された、III 族窒化物半導体からなるｎ型層１１、発光層１２、ｐ型層１３とを有している。これらｎ型層１１、発光層１２、ｐ型層１３は、本発明における積層構造に相当する。発光層１２、ｐ型層１３は、その一部の領域がエッチングされて除去され、ｎ型層１１の表面が露出している。その露出したｎ型層１１の表面上に、ｎ電極１４が形成されている。ｐ型層１３の上には、一様な厚さの反射膜３４が形成されている。反射膜３４上にはｐ電極１６が形成されている。反射膜３４はＲｈ又はＡｇから成る。この発光素子の発光波長は、４３０ｎｍ〜４８０ｎｍである。本発明に用いることができる発光素子の発光波長としては、３８０ｎｍ〜７５０ｎｍを用いることができる。この実施例１のIII 族窒化物半導体発光素子は、フェースダウン型（フリップチップ型）の素子である。
【００１８】
ｎ型層１１、発光層１２、ｐ型層１３は、従来より知られる任意の構造で良い。たとえばｎ型層１１は、サファイア基板１０側から順に、ＧａＮからなる高濃度にＳｉがドープされたｎ型コンタクト層、ＧａＮからなるｎクラッド層が順に積層された構造である。また、ｎ型層１１は、組成比の異なる材料の多重層で静電耐圧を向上させるための層を有していても良い。また、たとえば発光層１２は、ＧａＮからなる障壁層とＩｎＧａＮからなる井戸層が繰り返し積層されたＭＱＷ構造である。また、たとえばｐ型層１３は、発光層１２側から順に、ＡｌＧａＮからなるＭｇがドープされたｐクラッド層、ＧａＮからなるＭｇがドープされたｐコンタクト層が積層された構造である。ｎクラッド層及びｐクラッド層は超格子層であっても良い。
【００１９】
実施例１のIII 族窒化物半導体発光素子は、次のようにして製造された。
まず、サファイア基板１０の表面１０ａに、フォトレジストを一様に塗布して、凸部の２次元周期構造に対応するパターンに、フォトレジストを露光、現像した。次に、残された２次元周期構造のパターンをマスクとして、ドライエッチングによって、サファイア基板１０をエッチングした。これにより、たとえば、図２．Ｂのような凸部２０の２次元周期構造が得られた。
【００２０】
次に、上記２次元周期構造の加工によって生じたダメージの回復やサファイア基板１０表面の不純物除去のために、サーマルクリーニングを行った。サーマルクリーニングは、たとえば水素雰囲気中１０００〜１２００℃での熱処理である。
【００２１】
次に、上記のようにして２次元周期構造を形成したサファイア基板１０上に、ＭＯＣＶＤ法によって、ＡｌＮからなるバッファ層（図示しない）を介してｎ型層１１、発光層１２、ｐ型層１３を順に形成した。ＭＯＣＶＤ法において用いる原料ガスは、窒素源として、アンモニア（ＮＨ3 ）、Ｇａ源として、トリメチルガリウム（Ｇａ（ＣＨ3 ）3 ）、Ｉｎ源として、トリメチルインジウム（Ｉｎ（ＣＨ3 ）3 ）、Ａｌ源として、トリメチルアルミニウム（Ａｌ（ＣＨ3 ）3 ）、ｎ型ドーピングガスとして、シラン（ＳｉＨ4 ）、ｐ型ドーピングガスとしてシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｍｇ（Ｃ5 Ｈ5 ）2 ）、キャリアガスとしてＨ2 またはＮ2 である。
【００２２】
次に、ドライエッチングによってｐ型層１３、発光層１２の一部領域を除去してｎ型層１１表面を露出させた。そして、ｐ型層１３の表面上に反射膜３４を形成し、露出させたｎ型層１１の表面上にｎ電極１４、反射膜３４上にｐ電極１６を形成した。以上によって実施例１のIII 族窒化物半導体発光素子が製造された。
【００２３】
サファイア基板１０上の半導体の成長面１０ａに凸部２０の２次元周期構造を、その構造の周期を幾つか変化させて形成した発光素子を、上記の製法により製造した。そして、これらの各発光素子の外部での発光強度を測定した。２次元周期構造の凸部２０は、図１、図２．Ｂに示されているように、円錐台形状をしており、サファイア基板１０の成長面１０ａに垂直な断面においては、台形である。円錐台の上底の直径がｔ、下底の直径がｂ、高さがｈ、側壁と底面との成す側面角がθである。２次元周期構造の成長面１０ａに平行な断面において、凸部２０は正六角形の角及び中心に配置されている。すなわち、２次元周期構造は、ハニカム形状の稠密構造になっている。周期は、隣接する２つの凸部２０の中心間の距離である。一つの凸部２０に隣接する凸部２０は６つ存在する。一つの凸部２０からこの６つの隣接する凸部２０に対する距離は全て等しい。
【００２４】
発光層１３において発光した光のうちサファイア基板１０側に向かう光は、凸部２０の２次元周期構造で一部反射され、一部透過する。透過光はサファイア基板１０の半導体成長面１０ａとは反対側にある光出力面１０ｂから、外部に出力される。また、発光層１３から反射膜３４に向けて放射された光は反射膜３４で光出力面１０ｂ側に反射される。その反射光は、凸部２０の２次元周期構造を透過して、光出力面１０ｂから外部に出力される。また、凸部２０の２次元周期構造により反射された光は反射膜３４で光出力面１０ｂ側に反射されて、凸部２０の２次元周期構造を透過して、光出力面１０ｂから外部に出力される。このような凸部２０の２次元周期構造による透過及び反射、反射膜３４での反射による機構により、発光層１３から放射された光は、光出力面１０ｂから外部に出力される。これにより、光出力面１０ｂから出力される光は、２次元周期構造の存在により、干渉パターンを有することになる。
【００２５】
図２．Ｂは、周期が５μｍ、上底直径ｔ＝１．０μｍ、下底直径ｂ＝２．８μｍ、高さｈ＝１．５μｍ、側面角θ＝５９°の２次元周期構造の平面図であり、図２．Ａは、その発光素子の光出力面１０ｂの法線方向（光軸）の前方から見た法線と成す角に対する光強度分布である。すなわち、半円球面上における光強度分布を、サファイア基板１０の法線を含む面で切断した時のその切断面での発光の指向特性を示している。２本の線は、直交する２つの切断面での指向特性を示している。すなわち、光出力面１０ｂ上に、直交する２軸（ｘ軸、ｙ軸）をとる。一つの曲線は、法線方向からｘ軸に向けて測定した角度に対する特性、他の曲線は法線方向からｙ軸に向けて測定した角度に対する特性を示している。法線に対して−９０度から９０度の範囲で測定している。横軸の中央が法線方向（０度）であり、右端が法線に対して９０度の方向（水平方向）、左端が法線に対して−９０度の方向であり、１目盛りは１０度である。縦軸は、相対強度であり、１目盛りが０．１である。以下、発光の指向特性を示す光強度分布図における定義は、図２．Ａと同一である。
【００２６】
図３．Ｂは、周期が４μｍ、上底直径ｔ＝１．０μｍ、下底直径ｂ＝２．８μｍ、高さｈ＝１．５μｍ、側面角θ＝５９°の２次元周期構造の平面図であり、図３．Ａは、その構造を有した発光素子の光強度分布図である。図７．Ａは、その素子の半円球面上における光強度分布図、図７．Ｂは半円球面上における光強度分布図を平面に展開した光強度分布である。
【００２７】
図４．Ｂは、周期が３．２５μｍ、上底直径ｔ＝２．４４μｍ、下底直径ｂ＝２．７３μｍ、高さｈ＝０．８７μｍ、側面角θ＝８１°の２次元周期構造の平面図であり、図４．Ａは、その構造を有した発光素子の光強度分布図である。
【００２８】
図５．Ｂは、周期が２．７５μｍ、上底直径ｔ＝１．２４μｍ、下底直径ｂ＝２．１６μｍ、高さｈ＝１．１４μｍ、側面角θ＝７０°の２次元周期構造の平面図であり、図５．Ａは、その構造を有した発光素子の光強度分布図である。図８．Ａは、その素子の半円球面上における光強度分布図、図８．Ｂは半円球面上における光強度分布図を平面に展開した光強度分布である。
【００２９】
図６．Ｂは、周期が２．２５μｍ、上底直径ｔ＝０．９８μｍ、下底直径ｂ＝１．８９μｍ、高さｈ＝１．２２μｍ、側面角θ＝６９°の２次元周期構造の平面図であり、図６．Ａは、その構造を有した発光素子の光強度分布図である。図９．Ａは、その素子の半円球面上における光強度分布図、図９．Ｂは半円球面上における光強度分布図を平面に展開した光強度分布である。
【００３０】
図２．Ａから分かるように、周期が５μｍの２次元周期構造を用いた場合には、０度（法線方向）よりも、２０〜５０度の範囲と、−２０〜−５０度の範囲が、法線方向に比べて１．２５倍大きいことが分かる。
また、図３．Ａから分かるように、周期が４μｍの２次元周期構造を用いた場合には、法線方向に比べ２０−４０度、−１５〜−３５度の範囲で、１．３３倍大きいことが分かる。また、図７．Ａを見れば、光強度のピークが幾つか表れていることが分かる。
【００３１】
また、図４．Ａから分かるように、周期が３．２５μｍの２次元周期構造を用いた場合には、−５０度〜＋５０度の範囲において、強度は、１〜０．９の範囲に存在することが分かる。しかし、明らかに、−１０、＋１０、−３５、＋３５度において、強度の４つのピークが表れていることが分かる。
また、図５．Ａから分かるように、周期が２．７５μｍの２次元周期構造を用いた場合には、−４５度〜＋４５度の範囲において、強度は、１〜０．９の範囲に存在することが分かる。しかし、明らかに、−４０、−２０、０、＋２０、４０又は３５度において、強度の５つのピークが表れていることが分かる。そのことは、図８．Ａを参照すればより理解される。
【００３２】
また、図６．Ａから分かるように、周期が２．２５μｍの２次元周期構造を用いた場合には、−５０度〜＋５０度の範囲において、強度は、１〜０．９の範囲に存在することが分かる。しかし、明らかに、およそ１０度間隔で、小さなピークが表れていることが分かる。このことは、図９．Ａ、図９．Ｂを参照すればより理解される。また、図７．Ｂ、図８．Ｂ、図９．Ｂから、指向性は６回対称を有していることが分かる。そてし、周期が短くなるに連れて、６回対称性はより顕著に表れていることが理解される。図７．Ｂ、図８．Ｂ、図９．Ｂに示されている６回対称性は、２次元周期構造の逆格子を表している。
【００３３】
以上のことから、周期を短くする程、法線を含む広い角度範囲において、大きな変動のない光強度分布が得られることが分かる。また、周期を短くする程、短い角度周期で、小さいなピークが表れることが分かる。上記の実験では、３．２５μｍ以下、２．２５μｍ以上において、細かな干渉パターンを有することが理解される。
【実施例２】
【００３４】
光強度に干渉パターンがあることを利用して、図１０に示すように、実施例１の発光素子において、サファイア基板１０の光出力面１０ｂに、屈折率の異なる複数の層から成る多層透過膜３３を形成した。この多層透過膜３３では、凸部２０の２次元周期構造を透過した光の強度分布（干渉パターン）において、強度が大きくなる角度の光を大きく透過するように、多層構造の厚さが設定されている。この厚さの設計により、透過光の干渉パターンを、発光の干渉パターンと同一にすることができる。このようにすれば、発光の強度分布において、強度の大きくなる方向の光を光出力面１０ｂから外部に、大きく出力させることができ、効果的に光出力面１０ｂから光を外部に出力することができる。すなわち、特定の方向に強い強度を有した光を外部に出力することができる。また、発光層１３で発光した光は、その干渉パターンの強度が強い領域に集束していると考えられるので、全体としの光出力効率が向上する。
【実施例３】
【００３５】
本実施例は、図１１に示すように、実施例１の発光素子において、反射膜３４（電極でもある）とｐ型層１３との間に多層反射膜（ＤＢＲ）３５を形成した。多層反射膜３５も、実施例２の多層透過膜３３と同様に、屈折率の異なる複数の誘電体層を積層したものである。この多層反射膜３５には、発光層１２から多層反射膜３５に向けて放射された光、発光層１２から凸部２０の周期構造に向けて放射された光がその周期構造で反射された光が入射し、多層反射膜３５により光出力面１０ｂ側に反射される。凸部２０の周期構造により反射した光の強度分布において、強度が大きくなる角度の光を大きく反射するように、多層反射膜３５の各層の厚さを設定する。この厚さの設計により、多層反射膜３５での反射光の干渉パターンを、凸部２０の周期構造による光の干渉パターンと同一にすることができる。このようにすれば、発光の強度分布において、光強度の大きくなる方向の光を光出力面１０ｂから、大きく取り出すことができ、効果的に光を外部に出力することができる。すなわち、特定の方向に強い強度を有した光を外部に出力することができる。また、発光層１３で発光した光は、その干渉パターンの強度が強い領域に集束していると考えられるので、全体としの光出力効率が向上する。
【００３６】
また、この場合において、図１２に示すように、サファイア基板１０の光出力面１０ｂには、実施例２のように透過特性に干渉パターンを有する多層透過膜３３を形成しても良い。この場合も、光出力面１０ｂから出力される光は、凸部２０の周期構造による光の干渉パターンと同一の強度分布が得られる。
【実施例４】
【００３７】
実施例１〜３は、サファイア基板１０の裏面である光出力面１０ｂの側から光を出力するフェースダウン型（フリップチップ型）の発光素子である。実施例４は、本発明を、フェースアップ型（ワイヤボンディング型）の発光素子に用いた例である。図１３に示すように、サファイア基板１０の裏面１０ｃには、一様な厚さの反射膜３６が形成されている。反射膜３６はＲｈ、Ａｇ等から成る。また、ｐ型層１３の表面のほぼ全面にはＩＴＯから成る透明電極１５が形成されており、その透明電極１５の上にはｐ電極１６が形成されている。このように構成しても、実施例１〜３と同様に、凸部２０の２次元周期構造を透過又は反射することにより得られた光の強度分布（干渉パターン）において、強度の大きい方位に集束された光を、効率良く、透明電極１５の光出力面２５から外部に出力することができる。
【００３８】
この場合に、反射膜３６に代えて、実施例３で用いた多層反射膜３５と同一構成の多層反射膜３５をサファイア基板１０の裏面１０ｃに設けても良い。多層反射膜３５は屈折率の異なる複数の誘電体層を積層したものである。発光層１２から裏面１０ｃ側に放射された光は、凸部２０の周期構造を透過し、多層反射膜３５で反射され、再度、凸部２０の周期構造を透過する。多層反射膜３５は、入射した光の強度分布において、強度が大きくなる角度の光を大きく反射するように、多層構造の各層の厚さを設定する。この厚さの設計により、反射光の干渉パターンを、凸部２０の周期構造の干渉パターンと同一にすることができる。このようにすれば、発光の強度分布において、光強度の大きくなる方向の光を透明電極１５の出力面２５から、大きく取り出すことができ、効果的に光を外部に出力することができる。
【００３９】
また、図１４に示すように、ｐ型層１３と透明電極１５との間に、多層透過膜３７を設けても良い。多層透過膜３７の透過の方位特性は、凸部２０の２次元周期構造の干渉パターンと同一とする。これにより、凸部２０の２次元周期構造を透過し反射膜３６又は多層反射膜３５で反射されて、２次元周期構造を、再度、透明電極１５側に透過した光、又は、２次元周期構造により反射された光の強度分布（干渉パターン）において、強度の大きい方位に集束された光を、透明電極１５の光出力面２５から、効率良く、外部に出力することができる。
【実施例５】
【００４０】
実施例５は、本発明を、フェースアップ型（ワイヤボンディング型）の発光素子に用いた例である。図１５に示すように、サファイア基板１０の裏面１０ｃには、裏面１０ｃに接合して多層反射膜（ＤＢＲ）４０が設けられ、そのＤＢＲ膜４０に接合して銀からなる反射膜３６が形成されている。素子ＡのＤＢＲ膜４０は、比屈折率が２、厚さが５６．３ｎｍのＺｎＯ膜と、比屈折率が１．４６、厚さが７７．１ｎｍのＳｉＯ2 膜を１組として、５組積層させたものである。ＺｎＯ膜をサファイア基板１０に接合させている。また、ｐ型層１３の表面のほぼ全面にはＩＴＯから成る透明電極１５が形成されており、その透明電極１５の上にはｐ電極１６が形成されている。凸部２０の２次元周期構造には、図６．Ｂに示す、周期が２．２５μｍ、上底直径ｔ＝０．９８μｍ、下底直径ｂ＝１．８９μｍ、高さｈ＝１．２２μｍ、側面角θ＝６９°の周期構造を用いた。その他の構成は、実施例４と同一である。
【００４１】
波長４５０ｎｍの発光に対して、ＤＢＲ膜４０の屈折率、厚さは、サファイア基板１０の主面に垂直な法線と成す角である極角が０°で透明電極１５を通過する光が最大強度となる設計である。このＤＢＲ膜４０を設けることにより、凸部２０の２次元周期構造による図９．Ｂに示す光の強度分布のうち、サファイア基板１０の主面の法線と成す角である極角が０°付近の出力光を強調させることができる。このようにして、極角が０°で出力光が最大となり、主面上の方位角方向に一様で、比較的広い範囲の極角範囲において、均一指向性の放射光を得ることができる。
【００４２】
また、素子ＢのＤＢＲ膜４０として、比屈折率が２、厚さが５７．１ｎｍのＺｎＯ膜と、比屈折率が１．４６、厚さが７９．３ｎｍのＳｉＯ2 膜を１組として、５組積層させた発光素子について検討した。ＤＢＲ膜４０の屈折率と厚さは、サファイア基板１０の主面に垂直な法線と成す角である極角が２０°で、最大強度が得られるように設計されている。その他の構成は、素子Ａと同一である。このＤＢＲ膜４０を設けることにより、サファイア基板１０の主面に垂直な法線と成す角である極角が２０°〜４０°の範囲に最大強度を有する放射指向性を得ることができる。すなわち、凸部２０の２次元周期構造による出力光強度分布において、極角が２０°〜４０°の範囲の光の強度を他の角度範囲に比べて増加させることができる。
【００４３】
図１６は、素子Ａと素子ＢとにおけるＤＢＲ膜４０の反射率と、光が発光層１２からサファイア基板１０へ入射する時の入射角との関係を示している。素子Ａのように極角が０°で出力光が最大となるように設計した場合には、極角が２０°で出力光が最大となるようにＤＢＲ膜４０が設計された素子Ｂに比べて、１６°以下の範囲において、ｐ波、ｓ波共に、ＤＢＲ膜４０からの反射率を大きくできることが分かる。特に、素子Ａと素子Ｂとにおいて、極角０°付近における反射率の差は、最も大きくなる。しかし、発光層１２から出力される広い角度範囲の光を有効に光出力面２５の側に反射させることができない。極角が２０°で出力光が最大となるようにＤＢＲ膜４０が設計された素子Ｂの場合には、極角が０°で出力光が最大となるように設計した素子Ａの場合に比べて、ｓ波、ｐ波共に、サファイア基板１０への入射角が０°〜１６°の範囲で反射率は小さいが、入射角が１６°を越えると、ＤＢＲ膜４０での反射率が大きくなることが分かる。したがって、素子Ｂの場合は、素子Ａの場合に比べて、発光層１２から出力される広角度範囲１６°以上（顕著には、２０°以上）の光を有効に光出力面２５側に反射させることができる。すなわち、設計通りの特性が得られることが分かる。
【実施例６】
【００４４】
本実施例の発光素子では、図１７に示すように、実施例１の発光素子において、ｐ型層１３の上に、厚さ１００ｎｍのＩＴＯから成る透明電極４１を形成し、その透明電極４１の上に、ＳｉＯ2 とＺｎＯ2 とが繰返し積層された膜から成る厚さ６８２ｎｍのＤＢＲ膜４２を形成し、そのＤＢＲ膜４２の上に厚さ１００μｍの銀から成る反射膜４３を形成し、その反射膜４３の上にｐ電極１６を形成している。ｐ電極１６は、ＤＢＲ膜４２に形成された孔４６を介して、透明電極４１に電気的に接触している。そして、サファイア基板１０の裏面である光出力面１０ｂには、ＳｉＯ2 から成る光透過膜４４が形成されている。この発光素子において、波長４５０ｎｍの光に対して、光透過膜４４の厚さと光透過膜４４を透過する光の透過率との関係は図１８に示すようになる。ｐ波の透過光、ｓ波の透過光、共に、光透過膜４４の厚さが８０ｎｍの時に、透過率は最大となることが分かる。また、透過率が０．９８以上となるのは、ｐ波の透過光では、光透過膜４４の厚さは５０ｎｍ以上１１０ｎｍ以下であることが分かる。ｓ波の透過光では、光透過膜４４の厚さは、７０ｎｍ以上、９５ｎｍ以下であることが分かる。
【００４５】
以上の構成により、効果的に光を外部に出力することができ、発光素子の外部量子効率を向上させることができる。
凸部２０の側面は、サファイア基板１０の主面である成長面１０ａに垂直に形成しても、傾斜させても良い。成長面１０ａに対する側面角θは、４０〜９０°とすることが望ましい。同じく光取り出し効率をより向上させることができるためである。より望ましくは４５〜７５°凸部２０の高さｈは、０．１〜３μｍとすることが望ましい。同じく光取り出し効率をより向上させることができるためである。より望ましくは、高さｈは０．５〜２μｍである。
【００４６】
上記において、２次元周期構造は、サファイア基板の主面に対して突出した凸部で構成したが、これを主面に対して窪んだ凹部で構成しても良い。その望ましい周期、深さ、凹部の側面の傾斜角は、凸部で２次元周期構造を形成した場合の範囲が適用できる。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明のIII 族窒化物半導体発光素子は、表示装置や照明装置などに利用することができる。
【符号の説明】
【００４８】
１０：サファイア基板
１１：ｎ型層
１２：発光層
１３：ｐ型層
１４：ｎ電極
１５，４１：透明電極
１６：ｐ電極
２０：凸部
１０ａ：成長面
１０ｂ：光出力面
１０ｃ：裏面
３３，３７：多層透過膜
３４，３６，４３：反射膜
３５：多層反射膜
４０：ＤＢＲ膜
４２，４４：光透過膜
【特許請求の範囲】
【請求項１】
サファイア基板上に発光層を有するIII 族窒化物半導体からなる積層構造が形成されたIII 族窒化物半導体発光素子において、
前記サファイア基板の前記積層構造側の表面に、前記発光層から出力された光に対して光強度の干渉パターンを生じる周期で２次元配列された凸部又は凹部の周期構造を設けたことを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子。
【請求項２】
前記周期は４μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のIII 族窒化物半導体発光素子。
【請求項３】
前記周期は０．１μｍ以上、４μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のIII 族窒化物半導体発光素子。
【請求項４】
III 族窒化物半導体発光素子の光出力面に、その光出力面上に表れる前記干渉パターンにおける光強度が大きい位置において光透過率が大きくなる透過率分布を有した光透過膜を設けたことを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載のIII 族窒化物半導体発光素子。
【請求項５】
III 族窒化物半導体発光素子の光出力面とは反対側の光反射面に、その光反射面上に表れる前記干渉パターンにおける光強度が大きくなる位置において光反射率が大きくなる反射率分布を有した光反射膜を設けたことを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載のIII 族窒化物半導体発光素子。
【請求項１】
サファイア基板上に発光層を有するIII 族窒化物半導体からなる積層構造が形成されたIII 族窒化物半導体発光素子において、
前記サファイア基板の前記積層構造側の表面に、前記発光層から出力された光に対して光強度の干渉パターンを生じる周期で２次元配列された凸部又は凹部の周期構造を設けたことを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子。
【請求項２】
前記周期は４μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のIII 族窒化物半導体発光素子。
【請求項３】
前記周期は０．１μｍ以上、４μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のIII 族窒化物半導体発光素子。
【請求項４】
III 族窒化物半導体発光素子の光出力面に、その光出力面上に表れる前記干渉パターンにおける光強度が大きい位置において光透過率が大きくなる透過率分布を有した光透過膜を設けたことを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載のIII 族窒化物半導体発光素子。
【請求項５】
III 族窒化物半導体発光素子の光出力面とは反対側の光反射面に、その光反射面上に表れる前記干渉パターンにおける光強度が大きくなる位置において光反射率が大きくなる反射率分布を有した光反射膜を設けたことを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載のIII 族窒化物半導体発光素子。
【図１】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１７】
【図２．Ａ】
【図２．Ｂ】
【図３．Ａ】
【図３．Ｂ】
【図４．Ａ】
【図４．Ｂ】
【図５．Ａ】
【図５．Ｂ】
【図６．Ａ】
【図６．Ｂ】
【図７．Ａ】
【図７．Ｂ】
【図８．Ａ】
【図８．Ｂ】
【図９．Ａ】
【図９．Ｂ】
【図１６】
【図１８】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１７】
【図２．Ａ】
【図２．Ｂ】
【図３．Ａ】
【図３．Ｂ】
【図４．Ａ】
【図４．Ｂ】
【図５．Ａ】
【図５．Ｂ】
【図６．Ａ】
【図６．Ｂ】
【図７．Ａ】
【図７．Ｂ】
【図８．Ａ】
【図８．Ｂ】
【図９．Ａ】
【図９．Ｂ】
【図１６】
【図１８】
【公開番号】特開２０１２−２１６７５３（Ｐ２０１２−２１６７５３Ａ）
【公開日】平成２４年１１月８日（２０１２．１１．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２１３２３５（Ｐ２０１１−２１３２３５）
【出願日】平成２３年９月２８日（２０１１．９．２８）
【出願人】（０００２４１４６３）豊田合成株式会社 (3,467)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月８日（２０１２．１１．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月２８日（２０１１．９．２８）
【出願人】（０００２４１４６３）豊田合成株式会社 (3,467)
【Ｆターム（参考）】
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