(57)【要約】【課題】半導体発光素子における光取出し効率を有効に向上させる。【解決手段】半導体発光素子における半導体層を成長させる基板１０の、半導体層を成長させる側の表面が、基準面Ｓに対して傾斜した平斜面を持つ角錐状の微小突起１００を、一様な密度で、多数配列して有し、半導体層１１側からの光が、微小突起１００の平斜面と基準面Ｓとで順次全反射された後、他の微小突起の平斜面で光取出し面側へ反射されるようにした。【選択図】　　　　　　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体発光素子における半導体層を成長させる基板であって、
半導体層を成長させる側の表面が、基準面に対して傾斜した平斜面を持つ角錐状の微小突起を、一様な密度で多数配列して有し、
微小突起の平斜面は、その傾斜角が、基準面に直交的に入射する光を全反射する角に設定され、
上記半導体層側からの光が、上記微小突起の平斜面と上記基準面とで順次反射された後、上記微小突起に隣接する他の微小突起の平斜面で光取出し面側へ反射されるようにしたことを特徴とする半導体発光素子用の基板。
【請求項２】
請求項１記載の基板において、
微小突起の配列が規則的であり、
微小突起の高さをｈ、互いに平斜面を対向させて隣接する２個の微小突起の、上記対向する平斜面間の間隔をｄ、上記平斜面の傾きをθとするとき、
ｄ０＝ｈ・ｔａｎ（１８０−２θ）−ｈ／ｔａｎθ
で定義される距離：ｄ０に対し、上記間隔：ｄが、条件
０．５ｄ０≦ｄ≦１．５ｄ０
を満足することを特徴とする半導体発光素子用の基板。
【請求項３】
請求項２記載の基板において、
微小突起が４角錐形状であることを特徴とする半導体発光素子用の基板。
【請求項４】
請求項３記載の基板において、
微小突起の配列が、格子状であることを特徴とする半導体発光素子用の基板。
【請求項５】
請求項３記載の基板において、
微小突起の配列が、千鳥格子状であることを特徴とする半導体発光素子用の基板。
【請求項６】
請求項４または５記載の基板において、
材質がサファイアであり、基板上に直接成長される半導体の屈折率が波長：３８０ｎｍの光に対して２．２８であり、
４角錐状の微小突起の１辺が１．６７μｍ、平斜面の傾きが５１．７度であることを特徴とする半導体発光素子用の基板。
【請求項７】
基板上に半導体層を成長させてなり、上記基板と反対側の光取出し面から光を取出す半導体発光素子において、
半導体層を成長させる基板として、請求項１〜６の任意の１に記載の半導体発光素子用の基板を用いたことを特徴とする半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は半導体発光素子、特に発光ダイオード（ＬＥＤ）および半導体発光素子用の基板に関する。
【０００２】
【従来の技術】
発光ダイオードは一般に、基板上に半導体層を成長させてなり、半導体層中に含まれる活性層で発生する光を、基板とは反対側の面である「光取出し面」から取出すようになっている。活性層で生ずる光は、活性層の両面に向って放射されるので、単純に「光取出し面に向う光」だけを取出したのでは、光の取出し効率は、活性層において発生する光の５０％を越えず、光の取出し効率が低い。
【０００３】
このような光の取出し効率を向上させるための工夫が従来から種々なされてきている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は、光取出し効率を有効に向上させ得る新規な半導体発光素子およびその基板の実現を課題とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この発明の半導体発光素子用の基板は「半導体発光素子における半導体層を成長させる基板」であって、以下の点を特徴とする。
即ち、基板における「半導体層を成長させる側の表面」が、基準面に対して傾斜した平斜面を持つ角錐状の微小突起を、一様な密度で多数配列して有する。
【０００６】
「微小突起の平斜面の傾斜角」は、基準面に直交的に入射する光を全反射する角に設定され、半導体層側からの光（活性層から基板側へ放射される光）が、微小突起の平斜面と基準面とで順次反射された後、上記微小突起に隣接する他の微小突起の平斜面で、光取出し面側へ反射されるようになっている。
【０００７】
微小突起の配列は一様な密度であるので、上記反射を基板全体として均一に行うことができる。
【０００８】
上記「基準面」は、半導体層の成長する方向に平行な法線を持つ面である。
【０００９】
請求項１記載の基板は、微小突起の配列を「規則的な配列」とし、微小突起の高さ：ｈ、互いに平斜面を対向させて隣接する２個の微小突起の、対向する平斜面間の間隔：ｄ、平斜面の傾き：θ（度）に対して、
ｄ０＝ｈ・ｔａｎ（１８０−２θ）−ｈ／ｔａｎθ
で定義される「距離：ｄ０」に対し、間隔：ｄが、条件
０．５ｄ０≦ｄ≦１．５ｄ０
を満足することが好ましい。
【００１０】
微小突起の形状は、一般に「角錐状」であることが好適であるが、中でも「４角錐形状」は好適である（請求項３）。他に好適な形状として、たとえば、６角錐形状や８角錐形状を挙げることができる。
【００１１】
請求項３記載の基板のように、微小突起の形状を４角錐形状とする場合、微小突起の好適な配置として「格子状」もしくは「千鳥格子状」を挙げることができる（請求項４、５）。
【００１２】
請求項４または５記載の基板における「好適な形態」として、材質をサファイアとし、基板上に直接成長される半導体の屈折率が波長：３８０ｎｍに対して２．２８であり、４角錐状の微小突起の１辺が１．６７μｍ、平斜面の傾きが５１．７度であるものを挙げることができる（請求項６）。
【００１３】
この発明の半導体発光素子は、基板上に半導体層を成長させてなり、基板と反対側の光取出し面から光を取出す半導体発光素子において、半導体層を成長させる基板として、請求項１〜６の任意の１に記載の半導体発光素子用の基板を用いたことを特徴とする（請求項７）。
【００１４】
上記の如く、この発明の半導体発光素子においては、活性層において基板側へ放射される光を「微小突起の平斜面と基準面とで順次反射させたのち、上記微小突起に隣接する他の微小突起の平斜面で光取出し面側へ反射する」ことにより、光取出し効率を有効に高めることができる。
【００１５】
なお、上記の如き微小突起を持つ基盤は「フォトリソグラフィにより微小突起の配列に応じたレジストパターンを形成し、この形態をエッチングにより基板に転写することにより」により容易に製造できる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、発明の実施の形態を説明する。
【００１７】
図１（ａ）は、半導体発光素子の実施の１形態としての発光ダイオード（ＬＥＤ）を示している。このＬＥＤは基板１０の上に半導体層を成長させ、図の如く基板１０上にＮ層１１と活性層１２とＰ層１３とを積層した構造となっている。
【００１８】
図１（ｂ）は、図１（ａ）において符号Ａで示す「破線で囲った部分」を、模式的に示している。図１（ｂ）に示すように、基板１０は、半導体層を成長させる側の表面が、基準面Ｓに対して傾斜した平斜面を持つ角錐状の微小突起１００を、一様な密度で多数配列して有している。各微小突起１００の形態は実質的に同一である。
【００１９】
図２は、基板１０上に形成されている多数の微小突起のうち、互いに隣接する２個の微小突起１００１、１００２を示している。
【００２０】
図２に示すように、微小突起１００１、１００２の平斜面ＰＳ１、ＰＳ２の基準面Ｓに対する傾斜角をθとする。基板１０の表面から成長させられたＮ層の屈折率をｎ１とし、基盤１０の屈折率をｎ２とする。一般に、ｎ１＞ｎ２である。
【００２１】
基板１０に形成された微小突起の役割は、図２に示すように、半導体層側（図２において上方）からの光Ｌを、微小突起１００１の平斜面ＰＳ１と基準面Ｓとで順次反射させた後、微小突起１００１に隣接する他の微小突起１００２の平斜面ＰＳ２で光取出し面側（図２の上方）へ反射させることであるが、平斜面ＰＳ１、ＰＳ２等の傾斜角：θは、半導体層側から基準面に直交するように入射する光Ｌを全反射する角に設定されている。
【００２２】
即ち、図１に示す実施の形態において、基板１０は、半導体発光素子における半導体層１１、１２、１３を成長させる基板であって、半導体層を成長させる側の表面が、基準面Ｓに対して傾斜した平斜面を持つ角錐状の微小突起１００を、一様な密度で多数配列して有し、微小突起１００の平斜面の傾斜角が、基準面Ｓに直交するように入射する光を全反射する角に設定され、半導体層側からの光Ｌが、微小突起の平斜面と基準面とで順次反射された後、上記微小突起に隣接する他の微小突起の平斜面で光取出し面側へ反射されるように構成したもの（請求項１）である。
【００２３】
図１に符号１２をもって示す「活性層」で発生する光は、活性層１２に直交する方向以外の方向に進む成分を持っているが、最大の成分は活性層１２に直交する方向の成分である。そこで活性層１２に直交する方向へ伝播する光（図２の光Ｌ）を考え、上記の如く「半導体層側からの光Ｌを、微小突起の平斜面と基準面とで順次反射させた後、上記微小突起に隣接する他の微小突起の平斜面で光取出し面側へ反射させ」て取出す場合の取出し効率を高めるために、光Ｌが微小突起の平斜面と基準面Ｓとで「全反射」するようにしている。
【００２４】
図２から明らかなように、光Ｌの、微小突起１００１の平斜面ＰＳ１への入射角：θは傾斜角：θに等しく、従って、入射角：θに等しい反射角もまた傾斜角：θに等しい。周知の如く、屈折率：ｎ１、ｎ２の境界面で全反射が起きる条件は、入射角：θが臨界角であるψ＝ｓｉｎ−１（ｎ２／ｎ１）よりも大きくなるように設定すれば良い。
【００２５】
そうすると、図２から明らかなように、平斜面ＰＳ１により反射された光Ｌの基準面Ｓに対する入射角は、必ずθより大きくなるので、光Ｌは基準面Ｓでも全反射され、さらに対称性から明らかなように基準面Ｓで全反射された光Ｌは平斜面ＳＰ２でも全反射される。
【００２６】
また、微小突起１００の配列は規則的である。
【００２７】
図２を参照して、微小突起の高さをｈ、互いに平斜面を対向させて隣接する２個の微小突起１００１、１００２の対向する平斜面ＳＰ１、ＳＰ２間の間隔を図の如くｄ、平斜面ＳＰ１、ＳＰ２の傾きをθとする。
【００２８】
これら、ｈ、θを用いて、距離：ｄ０を
ｄ０＝ｈ・ｔａｎ（１８０−２θ）−ｈ／ｔａｎθ
のように定義すると、距離：ｄ０は、活性層側から基準面Ｓに直交するように入射する光の内、微小突起１００１の頂部に入射する光Ｌ０が、微小突起１００２の基部（基準面Ｓとの境界部）に入射するときの微小突起１００１、１００２の間隔である。即ち、図２は「ｄ＝ｄ０」の状態を示している。
【００２９】
この発明の半導体発光素子のように、活性層から基板側へ放射された光を、上記の如く微小突起と基準面とで反射させて取出す場合、光の取出し効率は、上記間隔：ｄと距離：ｄ０との関係に依存する。
【００３０】
図３は、これを説明するための図である。
図３（ａ）は、間隔：ｄが距離：ｄ０よりも短い場合（ｄ＜ｄ０）を示している。このような場合、微小突起１００１の平斜面で全反射した光Ｌは、基準面Ｓで全反射され、微小突起１００２の平斜面で全反射されて活性層側へ戻るが、光Ｌ０は、微小突起１００１の平斜面で全反射されたのち「基準面Ｓに入射することなく直接に隣接の微小突起１００２の平斜面へ入射」してしまい、その際の入射角が小さくなるので、相当部分が微小突起１００２の内部へ入り込み、活性層の方へ戻らなくなる。
【００３１】
図３（ｂ）は、ｄ＝ｄ０の場合であり、この場合には、微小突起１００１の平斜面で全反射された光は全て基準面Ｓで全反射され、さらに微小突起１００２の平斜面で全反射されて活性層側へ戻る。
【００３２】
図３（ｃ）は、ｄ＞ｄ０の場合である。この場合には、光Ｌは微小突起１００１の平斜面で全反射されたのち基準面Ｓで全反射されるが、そののち、微小突起１００２の平斜面に入射することができない。従って、この場合も、一部の光は活性層の方へ戻らない。
【００３３】
従って、半導体発光素子における光取出し効率を有効に高めるには、間隔：ｄが、距離：ｄ０に対して一定の関係の範囲にあることが好ましい。
即ち、ｄとｄ０とは、条件
０．５ｄ０≦ｄ≦１．５ｄ０
を満足することが好ましい（請求項２）。
【００３４】
【実施例】
以下、シミュレーションによる具体的な実施例を説明する。
【００３５】
４角錐形状を持つ微小突起（請求項３）を、基板表面に規則的に配列させた。配列は、図４に示すように、４角錐状の微小突起１００を「格子状」に配列形成したもの（請求項４）と、これら微小突起１００の格子状配列に、微小突起１０１による格子状配列を加えて全体を「千鳥格子状」としたもの（請求項５）との２種を設定した。微小突起１００と１０１とは形状的には同一である。
【００３６】
活性層で発生する光の波長：λ＝３８０ｎｍとし、基板１０の材質をサファイア（波長：３８０ｎｍの光に対する屈折率：１．７９）とし、基板１０から成長する（基板に接触する）半導体層（Ｎ層）の波長３８０ｎｍの光に対する屈折率を２．２８とした。なお、基板から成長する半導体層のうち、基板に近い部分は不純物の混入により活性層に近い部分とは組成が異なり、屈折率もの異なる。上記半導体層の屈折率：２．２８は「基板に近い部分」での値である。
【００３７】
４角錐状の微小突起１００、１０１の寸法は、図５（ａ）に示すように、１辺が１．６７μｍ、高さ：ｈは、図５（ｂ）に示すように１．０６μｍで、平斜面の傾斜角：θは５１．７度である（請求項６）。
【００３８】
前述の距離：ｄ０（＝ｈ・ｔａｎ（１８０−２θ）−ｈ／ｔａｎθ）に対し、図５（ａ）に示す「隣接する２個の微小突起１００の対向する平斜面間の間隔：ｄ」を変化させ、光取出し効率の変化を調べた結果以下の如くになった。
【００３９】
光取出し効率（％）
微小突起の有無　間隔：ｄ　　配列　　全光　　３０度　　１０度
なし　　　　　　　　　　　　　　　　４２．８　　　６．９　　　０．７
あり　　　　　　２μｍ　　　格子　　５１．７　　　８．５　　　１．２
あり　　　　　　２μｍ　　　千鳥　　５６．２　　　９．９　　　１．５
あり　　　　　　４μｍ　　　格子　　６０．６　　　９．８　　　１．４
あり　　　　　　４μｍ　　　千鳥　　７０．２　　　１１．０　　　１．９
あり　　　　　　６μｍ　　　格子　　５１．２　　　９．１　　　１．１
あり　　　　　　６μｍ　　　千鳥　　５６．２　　　１０．２　　　１．４
上記において、「全光」とあるのは、半導体発光素子としての全取出し光の取出し効率である。また「格子」、「千鳥」とあるのは、微小突起の配列が「格子状」、「千鳥格子状」であることを示し、「３０度」、「１０度」とあるのは、半導体発光素子の光取出し面の法線を中心として、±１５度および±５度の円錐状領域に取出される「指向性を持った光」の取出し効率である。
【００４０】
因みに、ｄ０は、ｈ・ｔａｎ（１８０−２θ）−ｈ／ｔａｎθにおいて、ｈ＝１．０６μｍ、θ＝５１．７度であるから、ｄ０＝３．６μｍとなり、上記の結果と良く一致する。
【００４１】
また、屈折率：ｎ１＝２．２８、ｎ２＝１．７９であるから、全反射のための臨界角：ψ＝ｓｉｎ−１（ｎ２／ｎ１）＝ｓｉｎ−１（０．７８）＝５１．７であり、傾斜角：θは臨界角に設定されている。
【００４２】
図３（ｄ）〜（ｆ）は、微小突起の平斜面に入射した光が、基準面に全反射され、かつ、隣接する微小突起の平斜面で全反射されるとき、活性層側へ戻る反射光が、平斜面への入射光に対し５０％となる状態（図３（ｄ）、（ｆ））と１００％になる状態（図３（ｅ））を示している。
【００４３】
上の実施例の場合で言えば、これは、間隔：ｄが距離：ｄ０に対し、
０．５ｄ０≦ｄ≦１．５ｄ０
の範囲にある場合である。このとき、光取出し効率は「微小突起を形成しない場合」に比して１．３倍以上となる。
【００４４】
図１に示す半導体発光素子において、基板１０として上に実施の形態や実施例を説明したものを用いたものは、基板１０上に半導体層１２、１３、１４を成長させてなり、基板１０と反対側の光取出し面から光を取出す半導体発光素子であって、半導体層を成長させる基板１０として、上記請求項１〜６の任意の１に記載の半導体発光素子用の基板を用いたもの（請求項７）の実施の形態である。
【００４５】
【発明の効果】
以上に説明したように、この発明によれば新規な半導体発光素子およびその基板を実現できる。この発明の半導体発光素子用の基板は、上記の如く、微小突起の平斜面と基準面とにより、活性層側からの光を光取出し面側へ有効に反射させるので光取出し効率を有効に高めることができ、かかる基板上に半導体層を成長させて得られる半導体発光素子は、高い光取出し効率を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】半導体発光素子の実施の１形態を説明するための図である。
【図２】半導体発光素子用の基板の作用を説明するための図である。
【図３】半導体発光素子用の基板の作用を説明するための図である。
【図４】半導体発光素子用の基板における微小突起の配列の１例を説明するための図である。
【図５】実施例を説明するための図である。
【符号の説明】
１０　　　半導体発光素子用の基板
１１　　　Ｎ層
１２　　　活性層
１３　　　Ｐ層
１００　　微小突起
Ｓ　　　　基準面
【図１】
2004031405.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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