(57)【要約】  さらに光取り出し効率を向上させることのできるＬＥＤ素子及びその製造方法を提供する。  ＬＥＤ素子において、サファイア基板の表面は発光層から発せられる光の光学波長の２倍より大きくコヒーレント長より小さい周期の複数の凹部又は凸部を有する垂直化モスアイ面をなし、垂直化モスアイ面における反射及び透過により、サファイア基板と半導体層の界面に対して垂直な方向に偏るよう強度分布が調整された光は、透過モスアイ面にてフレネル反射が抑制された状態で素子外部へ放出されるようにした。
2014126016.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
サファイア基板と、
前記サファイア基板の表面上に形成された発光層を含む半導体積層部と、
前記半導体積層部上に形成された反射部と、を備え、
前記サファイア基板の表面は、前記発光層から発せられる光の光学波長の２倍より大きくコヒーレント長より小さい周期の複数の凹部又は凸部を有する垂直化モスアイ面をなし、
前記サファイア基板の裏面は、前記発光層から発せられる光の光学波長の２倍より小さい周期の凹部又は凸部を有する透過モスアイ面をなし、
前記垂直化モスアイ面は、前記半導体積層部側から当該垂直化モスアイ面へ入射する光を反射及び透過し、臨界角を超えた角度域において、前記半導体積層部側にて当該垂直化モスアイ面へ入射する光の強度分布と比べて、前記半導体積層部側にて当該垂直化モスアイ面から反射により出射する光の強度分布が、前記半導体積層部と前記サファイア基板の界面に対して垂直な方向に偏るとともに、臨界角を超えた角度域において、前記半導体積層部側にて当該垂直化モスアイ面へ入射する光の強度分布と比べて、前記サファイア基板側にて当該垂直化モスアイ面から透過により出射する光の強度分布が、前記界面に対して垂直な方向に偏るよう構成され、
前記垂直化モスアイ面における反射及び透過により、前記界面に対して垂直な方向に偏るよう強度分布が調整された光は、前記透過モスアイ面にてフレネル反射が抑制された状態で素子外部へ放出されるフリップチップ型のＬＥＤ素子。
【請求項２】
前記反射部は、前記界面に対して垂直に近い角度ほど反射率が高い請求項１に記載のフリップチップ型のＬＥＤ素子。
【請求項３】
請求項２に記載のＬＥＤ素子を製造するにあたり、
サファイア基板の表面上にマスク層を形成するマスク層形成工程と、
前記マスク層上にレジスト膜を形成するレジスト膜形成工程と、
前記レジスト膜に所定のパターンを形成するパターン形成工程と、
Ａｒガスのプラズマを所定のバイアス出力を加えて前記サファイア基板側に誘導して、前記Ａｒガスの前記プラズマにより前記レジスト膜を変質させてエッチング選択比を高くするレジスト変質工程と、
Ａｒガスのプラズマを前記レジスト変質工程のバイアス出力よりも高いバイアス出力を加えて前記サファイア基板側に誘導して、エッチング選択比が高くなった前記レジスト膜をマスクとして前記マスク層のエッチングを行うマスク層のエッチング工程と、
エッチングされた前記マスク層をマスクとして、前記サファイア基板のエッチングを行って前記凹部又は前記凸部を形成する基板のエッチング工程と、
エッチングされた前記サファイア基板の表面上に、前記半導体積層部を形成する半導体形成工程と、
前記サファイア基板の裏面上に、前記誘電体多層膜を形成する多層膜形成工程と、を含むＬＥＤ素子の製造方法。
【請求項４】
前記基板のエッチング工程にて、前記マスク層上に前記レジスト膜が残った状態で、前記サファイア基板のエッチングを行う請求項３に記載のＬＥＤ素子の製造方法。
【請求項５】
前記マスク層は、前記サファイア基板上のＳｉＯ２層と、前記ＳｉＯ２層上のＮｉ層と、を有し、
前記基板のエッチング工程にて、前記ＳｉＯ２層と、前記Ｎｉ層と、前記レジスト膜と、が積層した状態で、前記サファイア基板のエッチングを行う請求項４に記載のＬＥＤ素子の製造方法。
【請求項６】
サファイア基板と、
前記サファイア基板の表面上に形成された発光層を含む半導体積層部と、
前記サファイア基板の裏面上に形成された反射部と、
前記半導体積層部上に形成された電極と、を備え、
前記サファイア基板の表面は、前記発光層から発せられる光の光学波長の２倍より大きくコヒーレント長より小さい周期の複数の凹部又は凸部を有する垂直化モスアイ面をなし、
前記電極の表面は、前記発光層から発せられる光の光学波長の２倍より小さい周期の凹部又は凸部を有する透過モスアイ面をなし、
前記垂直化モスアイ面は、前記半導体積層部側から当該垂直化モスアイ面へ入射する光を反射及び透過し、臨界角を超えた角度域において、前記半導体積層部側にて当該垂直化モスアイ面へ入射する光の強度分布と比べて、前記半導体積層部側にて当該垂直化モスアイ面から反射により出射する光の強度分布が、前記半導体積層部と前記サファイア基板の界面に対して垂直な方向に偏るとともに、臨界角を超えた角度域において、前記半導体積層部側にて当該垂直化モスアイ面へ入射する光の強度分布と比べて、前記サファイア基板側にて当該垂直化モスアイ面から透過により出射する光の強度分布が、前記界面に対して垂直な方向に偏るよう構成され、
前記垂直化モスアイ面における反射及び透過により、前記界面に対して垂直な方向に偏るよう強度分布が調整された光は、前記透過モスアイ面を通じてフレネル反射が抑制された状態で素子外部へ放出されるフェイスアップ型のＬＥＤ素子。
【請求項７】
サファイア基板と、
前記サファイア基板の表面上に形成された発光層を含む半導体積層部と、を備え、
前記サファイア基板の表面は、前記発光層から発せられる光の光学波長の２倍より大きくコヒーレント長より小さい周期の複数の凹部又は凸部を有する垂直化モスアイ面をなし、
前記垂直化モスアイ面は、前記半導体積層部側から当該垂直化モスアイ面へ入射する光を反射及び透過し、臨界角を超えた角度域において、前記半導体積層部側にて当該垂直化モスアイ面へ入射する光の強度分布と比べて、前記半導体積層部側にて当該垂直化モスアイ面から反射により出射する光の強度分布が、前記半導体積層部と前記サファイア基板の界面に対して垂直な方向に偏るとともに、臨界角を超えた角度域において、前記半導体積層部側にて当該垂直化モスアイ面へ入射する光の強度分布と比べて、前記サファイア基板側にて当該垂直化モスアイ面から透過により出射する光の強度分布が、前記界面に対して垂直な方向に偏るよう構成され、
前記垂直化モスアイ面を透過した光を反射する反射部を有し、
前記発光層から発せられる光の光学波長の２倍より小さい周期の凹部又は凸部を有する透過モスアイ面を有し、
前記垂直化モスアイ面における反射及び透過により、前記界面に対して垂直な方向に偏るよう強度分布が調整された光は、前記透過モスアイ面にてフレネル反射が抑制された状態で素子外部へ放出されるＬＥＤ素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＬＥＤ素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
サファイア基板の表面上に形成され発光層を含むIII族窒化物半導体と、サファイア基板の表面側に形成され発光層から発せられる光が入射し当該光の光学波長より大きく当該光のコヒーレント長より小さい周期で凹部又は凸部が形成された回折面と、基板の裏面側に形成され回折面にて回折した光を反射して回折面へ再入射させるＡｌ反射膜と、を備えるＬＥＤ素子が知られている（特許文献１参照）。このＬＥＤ素子では、回折作用により透過した光を回折面に再入射させて、回折面にて再び回折作用を利用して透過させることにより、複数のモードで光を素子外部へ取り出すことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開第２０１１／０２７６７９号1
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本願発明者らは、さらなる光取り出し効率の向上を追及していた。【０００５】
本発明は、前記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、さらに光取り出し効率を向上させることのできるＬＥＤ素子及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記目的を達成するため、本発明では、サファイア基板と、前記サファイア基板の表面上に形成された発光層を含む半導体積層部と、前記半導体積層部上に形成された反射部と、を備え、前記サファイア基板の表面は、前記発光層から発せられる光の光学波長の２倍より大きくコヒーレント長より小さい周期の複数の凹部又は凸部を有する垂直化モスアイ面をなし、前記サファイア基板の裏面は、前記発光層から発せられる光の光学波長の２倍より小さい周期の凹部又は凸部を有する透過モスアイ面をなし、前記垂直化モスアイ面は、前記半導体積層部側から当該垂直化モスアイ面へ入射する光を反射及び透過し、臨界角を超えた角度域において、前記半導体積層部側にて当該垂直化モスアイ面へ入射する光の強度分布と比べて、前記半導体積層部側にて当該垂直化モスアイ面から反射により出射する光の強度分布が、前記半導体積層部と前記サファイア基板の界面に対して垂直な方向に偏るとともに、臨界角を超えた角度域において、前記半導体積層部側にて当該垂直化モスアイ面へ入射する光の強度分布と比べて、前記サファイア基板側にて当該垂直化モスアイ面から透過により出射する光の強度分布が、前記界面に対して垂直な方向に偏るよう構成され、前記垂直化モスアイ面における反射及び透過により、前記界面に対して垂直な方向に偏るよう強度分布が調整された光は、前記透過モスアイ面にてフレネル反射が抑制された状態で素子外部へ放出されるフリップチップ型のＬＥＤ素子が提供される。【０００７】
上記フリップチップ型のＬＥＤ素子において、前記反射部は、前記界面に対して垂直に近い角度ほど反射率が高くともよい。【０００８】
また、前記目的を達成するため、上記ＬＥＤ素子を製造するにあたり、サファイア基板の表面上にマスク層を形成するマスク層形成工程と、前記マスク層上にレジスト膜を形成するレジスト膜形成工程と、前記レジスト膜に所定のパターンを形成するパターン形成工程と、Ａｒガスのプラズマを所定のバイアス出力を加えて前記サファイア基板側に誘導して、前記Ａｒガスの前記プラズマにより前記レジスト膜を変質させてエッチング選択比を高くするレジスト変質工程と、Ａｒガスのプラズマを前記レジスト変質工程のバイアス出力よりも高いバイアス出力を加えて前記サファイア基板側に誘導して、エッチング選択比が高くなった前記レジスト膜をマスクとして前記マスク層のエッチングを行うマスク層のエッチング工程と、エッチングされた前記マスク層をマスクとして、前記サファイア基板のエッチングを行って前記凹部又は前記凸部を形成する基板のエッチング工程と、エッチングされた前記サファイア基板の表面上に、前記半導体積層部を形成する半導体形成工程と、前記サファイア基板の裏面上に、前記誘電体多層膜を形成する多層膜形成工程と、を含むＬＥＤ素子の製造方法が提供される。【０００９】
上記ＬＥＤ素子の製造方法において、前記基板のエッチング工程にて、前記マスク層上に前記レジスト膜が残った状態で、前記サファイア基板のエッチングを行ってもよい。【００１０】
上記ＬＥＤ素子の製造方法において、前記マスク層は、前記サファイア基板上のＳｉＯ２層と、前記ＳｉＯ２層上のＮｉ層と、を有し、前記基板のエッチング工程にて、前記ＳｉＯ２層と、前記Ｎｉ層と、前記レジスト膜と、が積層した状態で、前記サファイア基板のエッチングを行ってもよい。【００１１】
さらに、前記目的を達成するため、サファイア基板と、前記サファイア基板の表面上に形成された発光層を含む半導体積層部と、前記サファイア基板の裏面上に形成された反射部と、前記半導体積層部上に形成された電極と、を備え、前記サファイア基板の表面は、前記発光層から発せられる光の光学波長の２倍より大きくコヒーレント長より小さい周期の複数の凹部又は凸部を有する垂直化モスアイ面をなし、前記電極の表面は、前記発光層から発せられる光の光学波長の２倍より小さい周期の凹部又は凸部を有する透過モスアイ面をなし、前記垂直化モスアイ面は、前記半導体積層部側から当該垂直化モスアイ面へ入射する光を反射及び透過し、臨界角を超えた角度域において、前記半導体積層部側にて当該垂直化モスアイ面へ入射する光の強度分布と比べて、前記半導体積層部側にて当該垂直化モスアイ面から反射により出射する光の強度分布が、前記半導体積層部と前記サファイア基板の界面に対して垂直な方向に偏るとともに、臨界角を超えた角度域において、前記半導体積層部側にて当該垂直化モスアイ面へ入射する光の強度分布と比べて、前記サファイア基板側にて当該垂直化モスアイ面から透過により出射する光の強度分布が、前記界面に対して垂直な方向に偏るよう構成され、前記垂直化モスアイ面における反射及び透過により、前記界面に対して垂直な方向に偏るよう強度分布が調整された光は、前記透過モスアイ面を通じてフレネル反射が抑制された状態で素子外部へ放出されるフェイスアップ型のＬＥＤ素子が提供される。【００１２】
さらにまた、前記目的を達成するため、サファイア基板と、前記サファイア基板の表面上に形成された発光層を含む半導体積層部と、を備え、前記サファイア基板の表面は、前記発光層から発せられる光の光学波長の２倍より大きくコヒーレント長より小さい周期の複数の凹部又は凸部を有する垂直化モスアイ面をなし、前記垂直化モスアイ面は、前記半導体積層部側から当該垂直化モスアイ面へ入射する光を反射及び透過し、臨界角を超えた角度域において、前記半導体積層部側にて当該垂直化モスアイ面へ入射する光の強度分布と比べて、前記半導体積層部側にて当該垂直化モスアイ面から反射により出射する光の強度分布が、前記半導体積層部と前記サファイア基板の界面に対して垂直な方向に偏るとともに、臨界角を超えた角度域において、前記半導体積層部側にて当該垂直化モスアイ面へ入射する光の強度分布と比べて、前記サファイア基板側にて当該垂直化モスアイ面から透過により出射する光の強度分布が、前記界面に対して垂直な方向に偏るよう構成され、前記垂直化モスアイ面を透過した光を反射する反射部を有し、前記発光層から発せられる光の光学波長の２倍より小さい周期の凹部又は凸部を有する透過モスアイ面を有し、前記垂直化モスアイ面における反射及び透過により、前記界面に対して垂直な方向に偏るよう強度分布が調整された光は、前記透過モスアイ面にてフレネル反射が抑制された状態で素子外部へ放出されるＬＥＤ素子が提供される。
【発明の効果】
【００１３】
本発明のＬＥＤ素子によれば、さらに光取り出し効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、本発明の第１の実施形態を示すＬＥＤ素子の模式断面図である。
【図２】図２は、異なる屈折率の界面における光の回折作用を示す説明図であり、（ａ）は界面にて反射する状態を示し、（ｂ）は界面を透過する状態を示す。
【図３】図３は、凹部又は凸部の周期を５００ｎｍとした場合の、III属窒化物半導体層とサファイア基板の界面における、半導体層側から界面へ入射する光の入射角と、界面での回折作用による透過角の関係を示すグラフである。
【図４】図４は、凹部又は凸部の周期を５００ｎｍとした場合の、III属窒化物半導体層とサファイア基板の界面における、半導体層側から界面へ入射する光の入射角と、界面での回折作用による反射角の関係を示すグラフである。
【図５】図５は、素子内部における光の進行方向を示す説明図である。
【図６】図６は、ＬＥＤ素子の一部拡大模式断面図である。
【図７】図７はサファイア基板を示し、（ａ）が模式斜視図、（ｂ）がＡ−Ａ断面を示す模式説明図、（ｃ）が模式拡大説明図である。
【図８】図８は、プラズマエッチング装置の概略説明図である。
【図９】図９は、サファイア基板のエッチング方法を示すフローチャートである。
【図１０Ａ】図１０Ａはサファイア基板及びマスク層のエッチング方法の過程を示し、（ａ）は加工前のサファイア基板を示し、（ｂ）はサファイア上にマスク層を形成した状態を示し、（ｃ）はマスク層上にレジスト膜を形成した状態を示し、（ｄ）はレジスト膜にモールドを接触させた状態を示し、（ｅ）はレジスト膜にパターンが形成された状態を示す。
【図１０Ｂ】図１０Ｂはサファイア基板及びマスク層のエッチング方法の過程を示し、（ｆ）はレジスト膜の残膜を除去した状態を示し、（ｇ）はレジスト膜を変質させた状態を示し、（ｈ）はレジスト膜をマスクとしてマスク層をエッチングした状態を示し、（ｉ）はマスク層をマスクとしてサファイア基板をエッチングした状態を示す。
【図１０Ｃ】図１０Ｃはサファイア基板及びマスク層のエッチング方法の過程を示し、（ｊ）はマスク層をマスクとしてサファイア基板をさらにエッチングした状態を示し、（ｋ）はサファイア基板から残ったマスク層を除去した状態を示し、（ｌ）はサファイア基板にウェットエッチングを施した状態を示す。
【図１１】図１１は、実施例１の反射部の反射率を示すグラフである。
【図１２】図１２は、実施例２の反射部の反射率を示すグラフである。
【図１３】図１３は、本発明の第２の実施形態を示すＬＥＤ素子の模式断面図である。
【図１４】図１４は、ＬＥＤ素子の一部拡大模式断面図である。
【図１５】図１５は、実施例３の反射部の反射率を示すグラフである。
【図１６】図１６は、実施例４の反射部の反射率を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図１は、本発明の第１の実施形態を示すＬＥＤ素子の模式断面図である。
【００１６】
図１に示すように、ＬＥＤ素子１は、サファイア基板２の表面上に、III族窒化物半導体層からなる半導体積層部１９が形成されたものである。このＬＥＤ素子１は、フリップチップ型であり、サファイア基板２の裏面側から主として光が取り出される。半導体積層部１９は、バッファ層１０、ｎ型ＧａＮ層１２、発光層１４、電子ブロック層１６、ｐ型ＧａＮ層１８をサファイア基板２側からこの順に有している。ｐ型ＧａＮ層１８上にはｐ側電極２７が形成されるとともに、ｎ型ＧａＮ層１２上にはｎ側電極２８が形成されている。
【００１７】
図１に示すように、バッファ層１０は、サファイア基板２の表面上に形成され、ＡｌＮで構成されている。本実施形態においては、バッファ層１０は、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法により形成されるが、スパッタリング法を用いることもできる。第１導電型層としてのｎ型ＧａＮ層１２は、バッファ層１０上に形成され、ｎ−ＧａＮで構成されている。発光層１４は、ｎ型ＧａＮ層１２上に形成され、ＧａｌｎＮ／ＧａＮで構成され、電子及び正孔の注入により青色光を発する。ここで、青色光とは、例えば、ピーク波長が４３０ｎｍ以上４８０ｎｍ以下の光をいうものとする。本実施形態においては、発光層１４の発光のピーク波長は４５０ｎｍである。
【００１８】
電子ブロック層１６は、発光層１４上に形成され、ｐ―ＡＩＧａＮで構成されている。第２導電型層としてのｐ型ＧａＮ層１８は、電子ブロック層１６上に形成され、ｐ−ＧａＮで構成されている。ｎ型ＧａＮ層１２からｐ型ＧａＮ層１８までは、III族窒化物半導体のエピタキシャル成長により形成され、サファイア基板２の表面には周期的に凸部２ｃが形成されているが、III族窒化物半導体の成長初期に横方向成長による平坦化が図られる。尚、第１導電型層、活性層及び第２導電型層を少なくとも含み、第１導電型層及び第２導電型層に電圧が印加されると、電子及び正孔の再結合により活性層にて光が発せられるものであれば、半導体層の層構成は任意である。
【００１９】
サファイア基板２の表面は垂直化モスアイ面２ａをなし、サファイア基板２の裏面は透過モスアイ面２ｇをなす。サファイア基板２の表面は、平坦部２ｂと、平坦部２ｂに周期的に形成された複数の凸部２ｃと、が形成されている。各凸部２ｃの形状は、円錐、多角錐等の錐状の他、錐の上部を切り落とした円錐台、多角錐台等の錐台状とすることができる。各凸部２ｃは、発光層１４から発せられる光を回折するよう設計される。本実施形態においては、周期的に配置される各凸部２ｃにより、光の垂直化作用を得ることができる。ここで、光の垂直化作用とは、光の強度分布が、垂直化モスアイ面へ入射する前よりも、反射及び透過した後の方が、サファイア基板２と半導体積層部１９の界面に対して垂直な方向に偏ることをいう。
【００２０】
また、サファイア基板２の裏面は、平坦部２ｈと、平坦部２ｈに周期的に形成された複数の凸部２ｉと、が形成されている。各凸部２ｉの形状は、円錐、多角錐等の錐状の他、錐の上部を切り落とした円錐台、多角錐台等の錐台状とすることができる。透過モスアイ面の凸部２ｉの周期は、垂直化モスアイ面の凸部２ｃの周期より短い。本実施形態においては、周期的に配置される各凸部２ｉにより、外部との界面におけるフレネル反射が抑制される。
【００２１】
図２は、異なる屈折率の界面における光の回折作用を示す説明図であり、（ａ）は界面にて反射する状態を示し、（ｂ）は界面を透過する状態を示す。
【００２２】
ここで、ブラッグの回折条件から、界面にて光が反射する場合において、入射角θｉｎに対して反射角θｒｅｆが満たすべき条件は、
ｄ・ｎ１・（ｓｉｎθｉｎ−ｓｉｎθｒｅｆ）＝ｍ・λ・・・（１）
である。ここで、ｎ１は入射側の媒質の屈折率、λは入射する光の波長、ｍは整数である。半導体積層部１９からサファイア基板２へ光が入射する場合、ｎ１はIII族窒化物半導体の屈折率となる。図２（ａ）に示すように、上記（１）式を満たす反射角θｒｅｆで、界面へ入射する光は反射される。
【００２３】
一方、ブラッグの回折条件から、界面にて光が透過する場合において、入射角θｉｎに対して透過角θｏｕｔが満たすべき条件は、
ｄ・（ｎ１・ｓｉｎθｉｎ−ｎ２・ｓｉｎθｏｕｔ）＝ｍ’・λ・・・（２）
である。ここで、ｎ２は出射側の媒質の屈折率であり、ｍ’は整数である。例えば半導体積層部１９からサファイア基板２へ光が入射する場合、ｎ２はサファイアの屈折率となる。図２（ｂ）に示すように、上記（２）式を満たす透過角θｏｕｔで、界面へ入射する光は透過される。
【００２４】
上記（１）式及び（２）式の回折条件を満たす反射角θｒｅｆ及び透過角θｏｕｔが存在するためには、サファイア基板２の表面の周期は、素子内部の光学波長である（λ／ｎ１）や（λ／ｎ２）よりも大きくなければならない。従って、サファイア基板２の表面は、回折光が存在するように周期が（λ／ｎ１）や（λ／ｎ２）よりも大きく設定されている。
【００２５】
図３は、凹部又は凸部の周期を５００ｎｍとした場合の、III属窒化物半導体層とサファイア基板の界面における、半導体層側から界面へ入射する光の入射角と、界面での回折作用による透過角の関係を示すグラフである。また、図４は、凹部又は凸部の周期を５００ｎｍとした場合の、III属窒化物半導体層とサファイア基板の界面における、半導体層側から界面へ入射する光の入射角と、界面での回折作用による反射角の関係を示すグラフである。
【００２６】
垂直化モスアイ面２ａに入射する光には、一般的な平坦面と同様に全反射の臨界角が存在する。ＧａＮ系半導体層とサファイア基板２との界面では、臨界角は４５．９°である。図３に示すように、臨界角を超えた領域では、上記（２）式の回折条件を満たすｍ’＝１，２，３，４での回折モードでの透過が可能である。また、図４に示すように、臨界角を超えた領域では、上記（１）式の回折条件を満たすｍ＝１，２，３，４での回折モードでの反射が可能である。臨界角が４５．９°の場合、臨界角を超える光出力が約７０％、臨界角を超えない光出力が約３０％となる。すなわち、臨界角を超えた領域の光を取り出すことは、ＬＥＤ素子１の光取り出し効率の向上に大きく寄与する。
【００２７】
ここで、入射角θｉｎよりも透過角θｏｕｔが小さくなる領域では、垂直化モスアイ面２ａを透過する光は、サファイア基板２とIII族窒化物半導体層の界面に対して垂直寄りに角度変化する。図３中、この領域をハッチングで示す。図３に示すように、垂直化モスアイ面２ａを透過する光については、臨界角を超えた領域では、ｍ’＝１，２，３の回折モードの光は全ての角度域で垂直寄りに角度変化する。ｍ’＝４の回折モードの光は一部の角度域で垂直寄りとならないが、回折次数が大きい光の強度は比較的小さいため影響が小さく、この一部の角度域においても実質的に垂直寄りに角度変化することとなる。すなわち、半導体積層部１９側にて垂直化モスアイ面２ａへ入射する光の強度分布と比べて、サファイア基板２側にて垂直化モスアイ面２ａを透過して出射する光の強度分布が、半導体積層部１９とサファイア基板２の界面に対して垂直な方向に偏る。
【００２８】
また、入射角θｉｎよりも反射角θｒｅｆが小さくなる領域では、垂直化モスアイ面２ａで反射する光は、サファイア基板２とIII族窒化物半導体層の界面に対して垂直寄りに角度変化する。図４中、この領域をハッチングで示す。図４に示すように、垂直化モスアイ面２ａにて反射する光については、臨界角を超えた領域では、ｍ＝１，２，３の回折モードの光は全ての角度域で垂直寄りに角度変化する。ｍ＝４の回折モードの光は一部の角度域で垂直寄りとならないが、回折次数が大きい光の強度は比較的小さいため影響が小さく、この一部の角度域においても実質的に垂直寄りに角度変化することとなる。すなわち、半導体積層部１９側にて垂直化モスアイ面２ａへ入射する光の強度分布と比べて、半導体積層部１９側にて垂直化モスアイ面２ａから反射により出射する光の強度分布が、半導体積層部１９とサファイア基板２の界面に対して垂直な方向に偏る。
【００２９】
図５は、素子内部における光の進行方向を示す説明図である。
【００３０】
図５に示すように、発光層１４から発せられた光のうち、サファイア基板２へ臨界角を超えて入射する光は、垂直化モスアイ面２ａで入射時よりも垂直寄りの方向へ透過及び反射する。すなわち、垂直化モスアイ面２ａを透過した光は、垂直寄りへ角度変化した状態で透過モスアイ面２ｇへ入射する。また、垂直化モスアイ面２ａで反射した光は、垂直寄りへ角度変化した状態でｐ側電極２７及びｎ側電極２８で反射された後、垂直化モスアイ面２ａに再度入射する。このときの入射角は、先の入射角よりも垂直寄りとなる。この結果、透過モスアイ面２ｇへ入射する光を垂直寄りとすることができる。
【００３１】
図６は、ＬＥＤ素子の一部拡大模式断面図である。
【００３２】
図６に示すように、ｐ側電極２７は、ｐ型ＧａＮ層１８上に形成される拡散電極２１と、拡散電極２１上の所定領域に形成される誘電体多層膜２２と、誘電体多層膜２２上に形成される金属電極２３とを有している。拡散電極２１は、ｐ型ＧａＮ層１８に全面的に形成され、例えばＩＴＯ(Indium Tin Oxide)等の透明材料からなる。また、誘電体多層膜２２は、屈折率の異なる第１材料２２ａと第２材料２２ｂのペアを複数繰り返して構成される。誘電体多層膜２２は、例えば、第１材料２２ａをＺｒＯ２（屈折率：２．１８）、第２材料２２ｂをＳｉＯ２（屈折率：１．４６）とし、ペア数を５とすることができる。尚、ＺｒＯ２とＳｉＯ２と異なる材料を用いて誘電体多層膜２２を構成してもよく、例えば、ＡｌＮ（屈折率：２．１８）、Ｎｂ２Ｏ３（屈折率：２．４）、Ｔａ２Ｏ３（屈折率：２．３５）等を用いてもよい。金属電極２３は、誘電体多層膜２２を被覆し、例えばＡｌ等の金属材料からなる。金属電極２３は、誘電体多層膜２２に形成されたビアホール２２ａを通じて拡散電極２１と電気的に接続されている。
【００３３】
図６に示すように、ｎ側電極２８は、ｐ型ＧａＮ層１８からｎ型ＧａＮ層１２をエッチングして、露出したｎ型ＧａＮ層１２上に形成される。ｎ側電極２８は、ｎ型ＧａＮ層１２上に形成される拡散電極２４と、拡散電極２４上の所定領域に形成される誘電体多層膜２５と、誘電体多層膜２５上に形成される金属電極２６とを有している。拡散電極２４は、ｎ型ＧａＮ層１２に全面的に形成され、例えばＩＴＯ(Indium Tin Oxide)等の透明材料からなる。また、誘電体多層膜２５は、屈折率の異なる第１材料２５ａと第２材料２５ｂのペアを複数繰り返して構成される。誘電体多層膜２５は、例えば、第１材料２５ａをＺｒＯ２（屈折率：２．１８）、第２材料２５ｂをＳｉＯ２（屈折率：１．４６）とし、ペア数を５とすることができる。尚、ＺｒＯ２とＳｉＯ２と異なる材料を用いて誘電体多層膜２５を構成してもよく、例えば、ＡｌＮ（屈折率：２．１８）、Ｎｂ２Ｏ３（屈折率：２．４）、Ｔａ２Ｏ３（屈折率：２．３５）等を用いてもよい。金属電極２６は、誘電体多層膜２５を被覆し、例えばＡｌ等の金属材料からなる。金属電極２６は、誘電体多層膜２５に形成されたビアホール２５ａを通じて拡散電極２４と電気的に接続されている。
【００３４】
このＬＥＤ素子１においては、ｐ側電極２７及びｎ側電極２８が反射部をなしている。ｐ側電極２７及びｎ側電極２８は、それぞれ垂直に近い角度ほど反射率が高くなっている。反射部へは、発光層１４から発せられて直接的に入射する光の他、サファイア基板２の垂直化モスアイ面２ａにて反射して、界面に対して垂直寄りに角度変化した光が入射する。すなわち、反射部へ入射する光の強度分布は、サファイア基板２の表面が平坦面だった場合と比較すると、垂直寄りに偏った状態となっている。
【００３５】
次いで、図７を参照してサファイア基板２について詳述する。図７はサファイア基板を示し、（ａ）が模式斜視図、（ｂ）がＡ−Ａ断面を示す模式説明図、（ｃ）が模式拡大説明図である。
【００３６】
図７（ａ）に示すように、垂直化モスアイ面２ａは、平面視にて、各凸部２ｃの中心が正三角形の頂点の位置となるように、所定の周期で仮想の三角格子の交点に整列して形成される。各凸部２ｃの周期は、発光層１４から発せられる光の光学波長より大きく、当該光のコヒーレント長より小さくなっている。尚、ここでいう周期とは、隣接する凸部２ｃにおける高さのピーク位置の距離をいう。また、光学波長とは、実際の波長を屈折率で除した値を意味する。さらに、コヒーレント長とは、所定のスペクトル幅のフォトン群の個々の波長の違いによって、波の周期的振動が互いに打ち消され、可干渉性が消失するまでの距離に相当する。コヒーレント長ｌｃは、光の波長をλ、当該光の半値幅をΔλとすると、おおよそｌｃ＝（λ２／Δλ）の関係にある。ここで、各凸部２ｃの周期は光学波長の１倍以上で臨界角以上の角度の入射光に対して徐々に回折作用が有効に働き出し、発光層１４から発せられる光の光学波長の２倍より大きいと、透過モード及び反射モードの数が十分に増えるので好ましい。また、各凸部２ｃの周期は、発光層１４から発せられる光のコヒーレント長の半分以下であることが好ましい。
【００３７】
本実施形態においては、各凸部２ｃの周期は、４６０ｎｍである。発光層１４から発せられる光の波長は４５０ｎｍであり、III族窒化物半導体層の屈折率が２．４であることから、その光学波長は１８７．５ｎｍである。また、発光層１４から発せられる光の半値幅は２７ｎｍであることから、当該光のコヒーレント長は、７８３７ｎｍである。すなわち、垂直化モスアイ面２ａの周期は、発光層１４の光学波長の２倍より大きく、かつ、コヒーレント長の半分以下となっている。
【００３８】
本実施形態においては、図７（ｃ）に示すように、垂直化モスアイ面２ａの各凸部２ｃは、平坦部２ｂから上方へ伸びる側面２ｄと、側面２ｄの上端から凸部２ｃの中心側へ湾曲して伸びる湾曲部２ｅと、湾曲部２ｅと連続的に形成される平坦な上面２ｆとを有する。後述するように、側面２ｄと上面２ｆの会合部により角が形成された湾曲部２ｅ形成前の凸部２ｃのウエットエッチングにより、角を落とすことで湾曲部２ｅが形成される。尚、平坦な上面２ｆが消失して凸部２ｃの上側全体が湾曲部２ｅとなるまでウェットエッチングを施すようにしても差し支えない。本実施形態においては、具体的に、各凸部２ｃは、基端部の直径が３８０ｎｍであり、高さは３５０ｎｍとなっている。サファイア基板２の垂直化モスアイ面２ａは、各凸部２ｃの他は平坦部２ｂとなっており、半導体の横方向成長が助長されるようになっている。
【００３９】
また、サファイア基板２の裏面の透過モスアイ面２ｇは、平面視にて、各凸部２ｉの中心が正三角形の頂点の位置となるように、所定の周期で仮想の三角格子の交点に整列して形成される。各凸部２ｉの周期は、発光層１４から発せられる光の光学波長より小さくなっている。すなわち、透過モスアイ面２ｇにおいては、フレネル反射が抑制されることとなる。本実施形態においては、各凸部２ｉの周期は、３００ｎｍである。発光層１４から発せられる光の波長は４５０ｎｍであり、サファイアの屈折率が１．７８であることから、その光学波長は２５２．８ｎｍである。すなわち、透過モスアイ面２ｇの周期は、発光層１４の光学波長の２倍より小さくなっている。尚、モスアイ面の周期は、光学波長の２倍以下であれば界面におけるフレネル反射を抑制することができる。透過モスアイ面２ｇの周期が光学波長が２倍から１倍に近づくにつれ、フレネル反射の抑制作用が大きくなる。サファイア基板２の外部が樹脂や空気であれば、透過モスアイ面２ｇの周期が光学波長の１．２５倍以下であれば、１倍以下とほぼ同じフレネル反射の抑制作用を得ることができる。
【００４０】
ここで、図８から図１０Ｃを参照してＬＥＤ素子１用のサファイア基板２の作製方法について説明する。図８は、サファイア基板を加工するためのプラズマエッチング装置の概略説明図である。
【００４１】
図８に示すように、プラズマエッチング装置９１は、誘導結合型（ＩＣＰ）であり、サファイア基板２を保持する平板状の基板保持台９２と、基板保持台９２を収容する容器９３と、容器９３の上方に石英板９６を介して設けられたコイル９４と、基板保持台９２に接続された電源９５と、を有している。コイル９４は立体渦巻形のコイルであり、コイル中央から高周波電力を供給し、コイル外周の末端が接地されている。エッチング対象のサファイア基板２は直接或いは搬送用トレーを介して基板保持台９２に載置される。基板保持台９２にはサファイア基板２を冷却するための冷却機構が内蔵されており、冷却制御部９７によって制御される。容器９３は供給ポートを有し、Ｏ２ガス、Ａｒガス等の各種ガスが供給可能となっている。
【００４２】
このプラズマエッチング装置１でエッチングを行うにあたっては、基板保持台９２にサファイア基板２を載置した後、容器９３内の空気を排出して減圧状態とする。そして、容器９３内に所定の処理ガスを供給し、容器９３内のガス圧力を調整する。その後、コイル９４及び基板保持台９２に高出力の高周波電力を所定時間供給して、反応ガスのプラズマ９８を生成させる。このプラズマ９８によってサファイア基板２のエッチングを行う。
【００４３】
次いで、図９、図１０Ａ、図１０Ｂ及び図１０Ｃを参照して、プラズマエッチング装置１を用いたエッチング方法について説明する。
図９は、エッチング方法を示すフローチャートである。図９に示すように、本実施形態のエッチング方法は、マスク層形成工程Ｓ１と、レジスト膜形成工程Ｓ２と、パターン形成工程Ｓ３と、残膜除去工程Ｓ４と、レジスト変質工程Ｓ５と、マスク層のエッチング工程Ｓ６と、サファイア基板のエッチング工程Ｓ７と、マスク層除去工程Ｓ８と、湾曲部形成工程Ｓ９と、を含んでいる。
【００４４】
図１０Ａはサファイア基板及びマスク層のエッチング方法の過程を示し、（ａ）は加工前のサファイア基板を示し、（ｂ）はサファイア基板上にマスク層を形成した状態を示し、（ｃ）はマスク層上にレジスト膜を形成した状態を示し、（ｄ）はレジスト膜にモールドを接触させた状態を示し、（ｅ）はレジスト膜にパターンが形成された状態を示す。
図１０Ｂはサファイア基板及びマスク層のエッチング方法の過程を示し、（ｆ）はレジスト膜の残膜を除去した状態を示し、（ｇ）はレジスト膜を変質させた状態を示し、（ｈ）はレジスト膜をマスクとしてマスク層をエッチングした状態を示し、（ｉ）はマスク層をマスクとしてサファイア基板をエッチングした状態を示す。尚、変質後のレジスト膜は、図中、塗りつぶすことで表現している。
図１０Ｃはサファイア基板及びマスク層のエッチング方法の過程を示し、（ｊ）はマスク層をマスクとしてサファイア基板をさらにエッチングした状態を示し、（ｋ）はサファイア基板から残ったマスク層を除去した状態を示し、（ｌ）はサファイア基板にウェットエッチングを施した状態を示す。
【００４５】
まず、図１０Ａ（ａ）に示すように、加工前のサファイア基板２を準備する。エッチングに先立って、サファイア基板２を所定の洗浄液で洗浄しておく。本実施形態においては、サファイア基板２はサファイア基板である。
【００４６】
次いで、図１０Ａ（ｂ）に示すように、サファイア基板２にマスク層３０を形成する（マスク層形成工程：Ｓ１）。本実施形態においては、マスク層３０は、サファイア基板２上のＳｉＯ２層３１と、ＳｉＯ２層３１上のＮｉ層３２と、を有している。各層３１，１１２の厚さは任意であるが、例えばＳｉＯ２層を１ｎｍ以上１００ｎｍ以下、Ｎｉ層３２を１ｎｍ以上１００ｎｍ以下とすることができる。尚、マスク層３０は、単層とすることもできる。マスク層３０は、スパッタリング法、真空蒸着法、ＣＶＤ法等により形成される。
【００４７】
次に、図１０Ａ（ｃ）に示すように、マスク層３０上にレジスト膜４０を形成する（レジスト膜形成工程：Ｓ２）。本実施形態においては、レジスト膜４０として熱可塑性樹脂が用いられ、スピンコート法により均一な厚さに形成される。レジスト膜４０は、例えばエポキシ系樹脂からなり、厚さが例えば１００ｎｍ以上３００ｎｍ以下である。尚、レジスト膜４０として、光硬化性樹脂を用いることもできる。
【００４８】
そして、レジスト膜４０をサファイア基板２ごと加熱して軟化させ、図１０Ａ（ｄ）に示すように、モールド５０でレジスト膜４０をプレスする。モールド５０の接触面には凹凸構造５１が形成されており、レジスト膜４０が凹凸構造５１に沿って変形する。
【００４９】
この後、プレス状態を保ったまま、レジスト膜４０をサファイア基板２ごと冷却して硬化させる。そして、モールド５０をレジスト膜４０から離隔することにより、図１０Ａ（ｅ）に示すように、レジスト膜４０に凹凸構造４１が転写される（パターン形成工程：Ｓ３）。ここで、凹凸構造４１の周期は１μｍ以下となっている。本実施形態においては、凹凸構造４１の周期は４６０ｎｍである。また、本実施形態においては、凹凸構造４１の凸部４３の直径は１００ｎｍ以上３００ｎｍ以下となっており、例えば２３０ｎｍである。また、凸部４３の高さは１００ｎｍ以上３００ｎｍ以下となっており、例えば２５０ｎｍである。この状態で、レジスト膜４０の凹部には残膜４２が形成されている。
【００５０】
以上のようにレジスト膜４０が形成されたサファイア基板２を、プラズマエッチング装置１の基板保持台９２に取り付ける。そして、例えばプラズマアッシングにより残膜４２を取り除いて、図１０Ｂ（ｆ）に示すように被加工材であるマスク層３０を露出させる（残膜除去工程：Ｓ４）。本実施形態においては、プラズマアッシングの処理ガスとしてＯ２ガスが用いられる。このとき、レジスト膜４０の凸部４３もアッシングの影響を受け、凸部４３の側面４４は、マスク層３０の表面に対して垂直でなく、所定の角度だけ傾斜する。
【００５１】
そして、図１０Ｂ（ｇ）に示すようにレジスト膜４０を変質用条件にてプラズマに曝して、レジスト膜４０を変質させてエッチング選択比を高くする（レジスト変質工程：Ｓ５）。本実施形態においては、レジスト膜４０の変質用の処理ガスとして、Ａｒガスが用いられる。また、本実施形態においては、変質用条件として、プラズマをサファイア基板２側に誘導するための電源９５のバイアス出力が、後述のエッチング用条件よりも低くなるよう設定される。
【００５２】
この後、エッチング用条件にてプラズマに曝し、エッチング選択比が高くなったレジスト膜４０をマスクとして被加工材としてのマスク層３０のエッチングを行う（マスク層のエッチング工程：Ｓ６）。本実施形態においては、レジスト膜４０のエッチング用の処理ガスとして、Ａｒガスが用いられる。これにより、図１０Ｂ（ｈ）に示すように、マスク層３０にパターン３３が形成される。
【００５３】
ここで、変質用条件とエッチング用条件について、処理ガス、アンテナ出力、バイアス出力等を適宜に変更できるが、本実施形態のように同一の処理ガスを用いてバイアス出力を変えることが好ましい。具体的に、変質用条件について、処理ガスをＡｒガスとし、コイル９４のアンテナ出力を３５０Ｗ、電源９５のバイアス出力５０Ｗとすると、レジスト膜４０の硬化が観察された。そして、エッチング用条件について、処理ガスをＡｒガスとし、コイル９４のアンテナ出力を３５０Ｗ、電源９５のバイアス出力を１００Ｗとすると、マスク層３０のエッチングが観察された。尚、エッチング用条件に対してバイアス出力を低くする他、アンテナ出力を低くしたり、ガス流量を少なくしても、レジストの硬化が可能である。
【００５４】
次に、図１０Ｂ（ｉ）に示すように、マスク層３０をマスクとして、サファイア基板２のエッチングを行う（サファイア基板のエッチング工程：Ｓ７）。本実施形態においては、マスク層３０上にレジスト膜４０が残った状態でエッチングが行われる。また、処理ガスとしてＢＣｌ３ガス等の塩素系ガスを用いたプラズマエッチングが行われる。
【００５５】
そして、図１０Ｃ（ｊ）に示すように、エッチングが進行していくと、サファイア基板２に垂直化モスアイ面２ａが形成される。本実施形態においては、垂直化モスアイ面２ａの凹凸構造の高さは、３５０ｎｍである。尚、凹凸構造の高さを３５０ｎｍより大きくすることもできる。ここで、凹凸構造の高さが、例えば３００ｎｍのように比較的浅くするのならば、図１０Ｂ（ｉ）に示すように、レジスト膜４０が残留した状態でエッチングを終了しても差し支えない。
【００５６】
本実施形態においては、マスク層３０のＳｉＯ２層３１により、サイドエッチングが助長されて、垂直化モスアイ面２ａの凸部２ｃの側面２ｄが傾斜している。また、レジスト膜４０の側面４３の傾斜角によっても、サイドエッチングの状態を制御することができる。尚、マスク層３０をＮｉ層３２の単層とすれば、凸部２ｃの側面２ｄを主面に対してほぼ垂直にすることができる。
【００５７】
この後、図１０Ｂ（ｋ）に示すように、所定の剥離液を用いてサファイア基板２上に残ったマスク層３０を除去する（マスク層除去工程：Ｓ８）。本実施形態においては、高温の硝酸を用いることでＮｉ層３２を除去した後、フッ化水素酸を用いてＳｉＯ２層３１を除去する。尚、レジスト膜４０がマスク層３０上に残留していても、高温の硝酸でＮｉ層３２とともに除去することができるが、レジスト膜４０の残留量が多い場合はＯ２アッシングにより予めレジスト膜４０を除去しておくことが好ましい。
【００５８】
そして、図１０Ｂ（ｌ）に示すように、ウェットエッチングにより凸部２ｃの角を除去して湾曲部を形成する（湾曲部形成工程：Ｓ９）。ここで、エッチング液は任意であるが、例えば１７０℃程度に加温したリン酸水溶液、いわゆる“熱リン酸”を用いることができる。尚、この湾曲部形成工程は、適宜省略することができる。以上の工程を経て、表面に凹凸構造を有するサファイア基板２が作製される。
【００５９】
このサファイア基板２のエッチング方法によれば、レジスト膜４０をプラズマに曝して変質させたので、マスク層３０とレジスト膜４０のエッチングの選択比を高くすることができる。これにより、マスク層３０に対して微細で深い形状の加工を施しやすくなり、微細な形状のマスク層３０を十分に厚く形成することができる。
【００６０】
また、プラズマエッチング装置１により、レジスト膜４０の変質と、マスク層３０のエッチングとを連続的に行うことができ、工数が著しく増大することもない。本実施形態においては、電源９５のバイアス出力を変化させることにより、レジスト膜４０の変質とマスク層３０のエッチングとを行っており、簡単容易にレジスト膜４０の選択比を高くすることができる。
【００６１】
さらに、十分に厚いマスク層３０をマスクとして、サファイア基板２のエッチングを行うようにしたので、サファイア基板２に対して微細で深い形状の加工を施しやすくなる。特に、サファイア基板において、周期が１μｍ以下で深さが３００ｎｍ以上の凹凸構造を形成することは、マスク層が形成された基板上にレジスト膜を形成し、レジスト膜を利用してマスク層のエッチングを行うエッチング方法では従来は不可能であったが、本実施形態のエッチング方法では可能となる。特に、本実施形態のエッチング方法では、周期が１μｍ以下で深さが５００ｎｍ以上の凹凸構造を形成するのに好適である。
【００６２】
ナノスケールの周期的な凹凸構造はモスアイと称されるが、このモスアイの加工をサファイアに行う場合、サファイアは難削材であることから、２００ｎｍ程度の深さまでしか加工ができなかった。しかしながら、２００ｎｍ程度の段差では、モスアイとして不十分な場合があった。本実施形態のエッチング方法は、サファイア基板にモスアイ加工を施す場合の新規な課題を解決したものといえる。
【００６３】
尚、被加工材として、ＳｉＯ２／Ｎｉからなるマスク層３０を示したが、マスク層３０がＮｉの単層であったり他の材料であってもよいことは勿論である。要は、レジストを変質させて、マスク層３０とレジスト膜４０のエッチング選択比を高くすればよいのである。
【００６４】
また、プラズマエッチング装置１のバイアス出力を変化させて変質用条件とエッチング用条件とするものを示したが、アンテナ出力、ガス流量を変化させる他、例えば処理ガスを変更することで設定してもよい。要は、変質用条件は、レジストがプラズマに曝された際に変質してエッチング選択比が高くなる条件であればよい。
【００６５】
また、マスク層３０としてＮｉ層３２が含まれるものを示したが、他の材料のエッチングであっても本発明を適用可能なことはいうまでもない。尚、本実施形態のサファイア基板のエッチング方法は、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＧａＮ、ＩｎＰ、ＺｎＯ等の基板にも適用可能である。
【００６６】
以上のように作製されたサファイア基板２の垂直化モスアイ面２ａに、横方向成長を利用してIII族窒化物半導体からなる半導体積層部１９をエピタキシャル成長させ（半導体形成工程）、ｐ側電極２７及びｎ側電極２８を形成する（電極形成工程）。この後、サファイア基板２の裏面に、表面の垂直化モスアイ面２ａと同様の工程で凸部２ｉを形成した後、ダイシングにより複数のＬＥＤ素子１に分割することにより、ＬＥＤ素子１が製造される。
【００６７】
以上のように構成されたＬＥＤ素子１では、垂直化モスアイ面２ａを備えたので、サファイア基板２とIII族窒化物半導体層の界面において、全反射臨界角を超える角度で入射する光を界面に対して垂直寄りとすることができる。さらに、フレネル反射を抑制する透過モスアイ面２ｇを備えたので、サファイア基板２と素子外部との界面において、垂直寄りとされた光をスムースに素子外部へ取り出すことができる。このように、サファイア基板２の表面と裏面はともに凹凸加工されるものの、垂直化機能とフレネル反射抑制機能という異なる機能が付与されており、これらの機能の相乗効果によって光取り出し効率を飛躍的に向上することができる。
【００６８】
また、発光層１４から発せられた光が、サファイア基板２の裏面に到達するまでの距離を格段に短くすることができ、素子内部における光の吸収を抑制することができる。ＬＥＤ素子においては、界面の臨界角を超える角度領域の光が横方向に伝搬してしまうので素子内部で光が吸収されてしまう問題があったが、臨界角を超える角度領域の光を垂直化モスアイ面２ａで垂直寄りとし、垂直寄りとされた光の透過モスアイ面２ｇにおけるフレネル反射が抑制されることから、素子内部にて吸収される光を飛躍的に減じることができる。
【００６９】
また、本実施形態のＬＥＤ素子１では、凸部２ｃが短い周期で形成されているので、単位面積あたりの凸部２ｃの数が多くなる。凸部２ｃがコヒーレント長の２倍を超える場合は、この凸部２ｃに転位の起点となる角部が存在したとしても、転位密度が小さいために発光効率には殆ど影響を与えない。しかしながら、凸部２ｃの周期がコヒーレント長より小さくなると、半導体積層部１９のバッファ層１０中の転位密度が大きくなり、発光効率の低下が顕著となる。この傾向は、周期が１μｍ以下となるとさらに顕著になる。尚、発光効率の低下は、バッファ層１０の製法によらず発生し、ＭＯＣＶＤ法で形成されていても、スパッタリング法で形成されていても生じる。本実施形態においては、各凸部２ｃの上側に転位の起点となる角部がないので、バッファ層１０の形成時に当該角部を起点として転位が生じることはない。この結果、発光層１４においても、転位の密度が比較的小さい結晶となっており、垂直化モスアイ面２ａに凸部２ｃが形成されることにより、発光効率が損なわれることはない。
【００７０】
ここで、本願発明者らは、ｐ側電極２７及びｎ側電極２８として誘電体多層膜２２，２５及び金属層２３，２６の組み合わせを用いることにより、ＬＥＤ素子１の光取り出し効率が顕著に増大することを見いだした。すなわち、誘電体多層膜２２，２５と金属層２３，２６の組み合わせとすると、界面に対して垂直に近い角度ほど反射率が高くなり、界面に対して垂直寄りとなった光に対して有利な反射条件となる。
【００７１】
図１１は、実施例１の反射部の反射率を示すグラフである。実施例１では、ＩＴＯ上に形成される誘電体多層膜をＺｒＯ２とＳｉＯ２の組み合わせでペア数を５とし、誘電体多層膜に重ねてＡｌ層を形成した。図１１に示すように、入射角が０度から４５度の角度域で、９８％以上の反射率を実現している。また、入射角が０度から７５度の角度域で、９０％以上の反射率を実現している。このように、誘電体多層膜と金属層の組み合わせは、界面に対して垂直寄りとなった光に対して有利な反射条件となる。
【００７２】
図１２は、実施例２の反射部の反射率を示すグラフである。実施例２では、ＩＴＯ上にＡｌ層のみを形成した。図１２に示すように、入射角によらず、ほぼ８４％の一定の反射率となっている。このように、反射部をＡｌ層のみような金属の単層としてもよい。
【００７３】
図１３は、本発明の第２の実施形態を示すＬＥＤ素子の模式断面図である。
【００７４】
図１３に示すように、このＬＥＤ素子１０１は、サファイア基板１０２の表面上に、III族窒化物半導体層からなる半導体積層部１１９が形成されたものである。このＬＥＤ素子１０１は、フェイスアップ型であり、サファイア基板１０２と反対側から主として光が取り出される。半導体積層部１１９は、バッファ層１１０、ｎ型ＧａＮ層１１２、発光層１１４、電子ブロック層１１６、ｐ型ＧａＮ層１１８をサファイア基板１０２側からこの順に有している。ｐ型ＧａＮ層１１８上にはｐ側電極１２７が形成されるとともに、ｎ型ＧａＮ層１１２上にはｎ側電極１２８が形成されている。
【００７５】
図１３に示すように、バッファ層１１０は、サファイア基板１０２の表面上に形成され、ＡｌＮで構成されている。ｎ型ＧａＮ層１１２はバッファ層１１０上に形成され、ｎ−ＧａＮで構成されている。発光層１１４はｎ型ＧａＮ層１１２上に形成され、ＧａｌｎＮ／ＧａＮで構成されている。本実施形態においては、発光層１１４の発光のピーク波長は４５０ｎｍである。
【００７６】
電子ブロック層１１６は、発光層１１４上に形成され、ｐ―ＡＩＧａＮで構成されている。ｐ型ＧａＮ層１１８は、電子ブロック層１１６上に形成され、ｐ−ＧａＮで構成されている。ｎ型ＧａＮ層１１２からｐ型ＧａＮ層１１８までは、III族窒化物半導体のエピタキシャル成長により形成され、サファイア基板１０２の表面には周期的に凸部１０２ｃが形成されているが、III族窒化物半導体の成長初期に横方向成長による平坦化が図られる。尚、第１導電型層、活性層及び第２導電型層を少なくとも含み、第１導電型層及び第２導電型層に電圧が印加されると、電子及び正孔の再結合により活性層にて光が発せられるものであれば、半導体層の層構成は任意である。
【００７７】
本実施形態においては、サファイア基板１０２の表面は垂直化モスアイ面１０２ａをなし、ｐ側電極１２７は透過モスアイ面１２７ｇをなす。サファイア基板１０２の表面は、平坦部１０２ｂと、平坦部１０２ｂに周期的に形成された複数の凸部１０２ｃと、が形成されている。各凸部１０２ｃの形状は、円錐、多角錐等の錐状の他、錐の上部を切り落とした円錐台、多角錐台等の錐台状とすることができる。各凸部１０２ｃは、発光層１１４から発せられる光を回折するよう設計される。本実施形態においては、周期的に配置される各凸部１０２ｃにより、光の垂直化作用を得ることができる。
【００７８】
ｐ側電極１２７は、ｐ型ＧａＮ層１１８上に形成される拡散電極１２１と、拡散電極１２１上の一部に形成されるパッド電極１２２と、を有している。拡散電極１２１は、ｐ型ＧａＮ層１１８に全面的に形成され、例えばＩＴＯ(Indium Tin Oxide)等の透明材料からなる。また、パッド電極１２２は、例えばＡｌ等の金属材料からなる。拡散電極１２１の表面は、平坦部１２７ｈと、平坦部１２７ｈに周期的に形成された複数の凸部１２７ｉと、が形成されている。各凸部１２７ｉの形状は、円錐、多角錐等の錐状の他、錐の上部を切り落とした円錐台、多角錐台等の錐台状とすることができる。透過モスアイ面の凸部１２７ｉの周期は、発光層１１４の光学波長の２倍より小さくなっている。本実施形態においては、周期的に配置される各凸部１２７ｉにより、外部との界面におけるフレネル反射が抑制される。
【００７９】
ｎ側電極１２８は、ｐ型ＧａＮ層１１８からｎ型ＧａＮ層１１２をエッチングして、露出したｎ型ＧａＮ層１１２上に形成される。ｎ側電極１２８は、ｎ型ＧａＮ層１２上に形成され、例えばＡｌ等の金属材料からなる。
【００８０】
図１４は、ＬＥＤ素子の一部拡大模式断面図である。
【００８１】
図１４に示すように、サファイア基板１０２の裏面側には、誘電体多層膜１２４が形成されている。誘電体多層膜１２４は金属層であるＡｌ層１２６により被覆される。この発光素子１０１においては、誘電体多層膜１２４及びＡｌ層１２６が反射部をなしており、発光層１１４から発せられ垂直化モスアイ面１０２ａを回折作用によって透過した光を当該反射部で反射する。そして、回折作用により透過した光を回折面１０２ａに再入射させて、回折面１０２ａにて再び回折作用を利用して透過させることにより、複数のモードで光を素子外部へ取り出すことができる。
【００８２】
以上のように構成されたＬＥＤ素子１０１では、垂直化モスアイ面１０２ａを備えたので、サファイア基板１０２とIII族窒化物半導体層の界面において、全反射臨界角を超える角度で入射する光を垂直寄りとすることができる。さらに、透過モスアイ面１２７ｇを備えたので、サファイア基板１０２と素子外部との界面において、垂直寄りとされた光のフレネル反射を抑制することができる。これにより、光取り出し効率を飛躍的に向上することができる。
【００８３】
また、発光層１１４から発せられた光が、ｐ側電極１２７の表面に到達するまでの距離を格段に短くすることができ、素子内部における光の吸収を抑制することができる。ＬＥＤ素子においては、界面の臨界角を超える角度領域の光が横方向に伝搬してしまうので素子内部で光が吸収されてしまう問題があったが、臨界角を超える角度領域の光を垂直化モスアイ面１０２ａで垂直寄りとすることで、素子内部にて吸収される光を飛躍的に減じることができる。
【００８４】
ここで、本願発明者らは、サファイア基板１０２の裏面の反射部として誘電体多層膜１２４及び金属層１２６の組み合わせを用いることにより、ＬＥＤ素子１０１の光取り出し効率が顕著に増大することを見いだした。すなわち、誘電体多層膜１２４と金属層１２６の組み合わせとすると、界面に対して垂直に近い角度ほど反射率が高くなり、界面に対して垂直寄りとなった光に対して有利な反射条件となる。
【００８５】
図１５は、実施例３の反射部の反射率を示すグラフである。実施例３では、サファイア基板上に形成される誘電体多層膜をＺｒＯ２とＳｉＯ２の組み合わせでペア数を５とし、誘電体多層膜に重ねてＡｌ層を形成した。図１５に示すように、入射角が０度から５５度の角度域で、９９％以上の反射率を実現している。また、入射角が０度から６０度の角度域で、９８％以上の反射率を実現している。また、入射角が０度から７５度の角度域で、９２％以上の反射率を実現している。このように、誘電体多層膜と金属層の組み合わせは、界面に対して垂直寄りとなった光に対して有利な反射条件となる。
【００８６】
図１６は、実施例４の反射部の反射率を示すグラフである。実施例４では、サファイア基板上にＡｌ層のみを形成した。図１６に示すように、入射角によらず、ほぼ８８％の一定の反射率となっている。このように、反射部をＡｌ層のみような金属の単層としてもよい。
【００８７】
尚、前記各実施形態においては、垂直化モスアイ面及び透過モスアイ面を周期的に形成された凸部で構成するものを示したが、各モスアイ面を周期的に形成された凹部で構成してもよいことは勿論である。また、凸部又は凹部を、三角格子の交点に整列して形成する他、例えば、仮想の正方格子の交点に整列して形成することもできる。
【００８８】
また、ＬＥＤ素子の具体的構造も前記各実施形態のものに限定されない。すなわち、ＬＥＤ素子は、サファイア基板と、サファイア基板の表面上に形成された発光層を含む半導体積層部と、を備え、サファイア基板の表面が、発光層から発せられる光の光学波長の２倍より大きくコヒーレント長より小さい周期の複数の凹部又は凸部を有する垂直化モスアイ面をなし、垂直化モスアイ面が、半導体積層部側から当該垂直化モスアイ面へ入射する光を反射及び透過し、臨界角を超えた角度域において、半導体積層部側にて垂直化モスアイ面へ入射する光の強度分布と比べて、半導体積層部側にて垂直化モスアイ面から出射する光の強度分布が、半導体積層部とサファイア基板の界面に対して垂直な方向に偏るとともに、臨界角を超えた確度域において、半導体積層部側にて垂直化モスアイ面へ入射する光の強度分布と比べて、サファイア基板側にて垂直化モスアイ面から出射する光の強度分布が、界面に対して垂直な方向に偏るよう構成され、垂直化モスアイ面を透過した光を反射する反射部を有し、発光層から発せられる光の光学波長の２倍より小さい周期の凹部又は凸部を有する透過モスアイ面を有し、垂直化モスアイ面における反射及び透過により、界面に対して垂直な方向に偏るよう強度分布が調整された光は、透過モスアイ面にてフレネル反射が抑制された状態で素子外部へ放出されるものであればよい。
【産業上の利用可能性】
【００８９】
本発明のＬＥＤ素子は、さらに光取り出し効率を向上させることができ産業上有用である。
【符号の説明】
【００９０】
１  ＬＥＤ素子
２  サファイア基板
２ａ  垂直化モスアイ面
２ｂ  平坦部
２ｃ  凸部
２ｄ  側面
２ｅ  湾曲部
２ｆ  上面
２ｇ  透過モスアイ面
２ｈ  平坦部
２ｉ  凸部
１０  バッファ層
１２  ｎ型ＧａＮ層
１４  発光層
１６  電子ブロック層
１８  ｐ型ＧａＮ層
１９  半導体積層部
２１  拡散電極
２２  誘電体多層膜
２２ａ 第１材料
２２ｂ 第２材料
２２ｃ ビアホール
２３  金属電極
２４  拡散電極
２５  誘電体多層膜
２５ａ ビアホール
２６  金属電極
２７  ｐ側電極
２８  ｎ側電極
３０  マスク層
３１  ＳｉＯ２層
３２  Ｎｉ層
４０  レジスト膜
４１  凹凸構造
４２  残膜
４３  凸部
５０  モールド
５１  凹凸構造
９１  プラズマエッチング装置
９２  基板保持台
９３  容器
９４  コイル
９５  電源
９６  石英板
９７  冷却制御部
９８  プラズマ
１０１ ＬＥＤ素子
１０２ サファイア基板
１０２ａ 垂直化モスアイ面
１１０ バッファ層
１１２ ｎ型ＧａＮ層
１１４ 発光層
１１６ 電子ブロック層
１１８ ｐ型ＧａＮ層
１１９ 半導体積層部
１２２ パッド電極
１２４ 誘電体多層膜
１２４ａ 第１材料
１２４ｂ 第２材料
１２６ Ａｌ層
１２７ ｐ側電極
１２８ ｎ側電極
【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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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【国際調査報告】
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