(57)【要約】【課題】半導体発光素子の光取り出し効率を向上させる。【解決手段】半導体発光素子１００は、ｎ型半導体基板及び半導体層１１、発光層１２、ｐ型半導体層１３を有するダブルヘテロ構造の発光素子であり、ｎ型半導体基板及び半導体層１１の裏面全体にｎ電極１４、ｐ型半導体層１３表面の一部にｐ電極１５が形成されている。また、ｐ型半導体層１３表面の残余には、球状物から成る共振構造２０が形成されている。共振構造２０の球状物は、２層の六方最密充填様に球状物を配置させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極と少なくとも発光に関与する半導体層を有する半導体発光素子において、
個々の球状物が前記発光波長に対して共振する、複数個の球状物により形成された共振構造を有することを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
前記共振構造は、隣り合う球状物が六方最密充填様、体心正方格子様、又は体心立方格子様に接していることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記共振構造は、半導体面と平行に球状物の中心が配置する球状物層の２層構造であることを特徴とする請求項２に記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記共振構造の最上層について、最上部表面側から前記球状物層の１／２の深さまで、前記球状物を構成する材料と屈折率の異なる材料から成る被覆層を有することを特徴とする請求項３に記載の半導体発光素子。
【請求項５】
前記球状物とその下に位置する半導体面との間に、それらを構成するいずれの材料とも屈折率の異なる材料から成る層を有することを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光取り出し効率を向上させた半導体発光素子の構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体発光素子は、その多くが、半導体基板上に半導体層をエピタキシャル成長により複数層積層させることで形成されている。このため、基板表面に平行に各層が形成されており、半導体層の最上層についても同様である。発光層又は発光に関与するｐｎ接合面で発生した光は、任意方向に向かって進むが、「外部」との境界面である、例えば半導体層と空気又は封止樹脂との界面では、屈折率の違いにより臨界角を越える光は半導体素子の内部方向に反射され、光取り出し効率を低くしていることは良く知られた事実である。
【０００３】
そこで、半導体素子の表面積の大部分を占める、例えば最上層の半導体層の表面や、透光性電極を形成した場合のその表面に、微細な構造を形成して光取り出し効率を向上させる技術が様々提案されている。
【特許文献１】特表２００４−５１１０８０
【特許文献２】米国特許第５７７９９２４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記２件の技術は、屈折率の異なる境界面を矩形、三角形などの形状を周期的に配置する構造を提案するものである。光は、凹凸部分で散乱、屈折、反射することにより、光の取出し効率を向上させることが可能になる。しかし、これらの技術をもってしても、基板面の法線に対する角度（本来の境界面への入射角θ）が６０度以上になると、その取出し効率は、数％までに低下してしまい、必ずしも高い光の取出し効率は得られていない。特に光量を上げるためＬＥＤの面積を大きくすると、入射角θが大きくなる範囲が増えるため、光の取出し効率は低下する。その結果、ダイオードの発光効率が２０％程度に低下してしまう問題がある。
【０００５】
本発明は、入射角が大きくなっても光の取出し効率が低下しない構造体を考案し、半導体発光素子の発光効率を高くすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１に記載の発明は、電極と少なくとも発光に関与する半導体層を有する半導体発光素子において、個々の球状物が前記発光波長に対して共振する、複数個の球状物により形成された共振構造を有することを特徴とする半導体発光素子である。
【０００７】
また、請求項２に記載の発明は、前記共振構造は、隣り合う球状物が六方最密充填様、体心正方格子様、又は体心立方格子様に接していることを特徴とする。また、請求項３に記載の発明は、前記共振構造は、半導体面と平行に球状物の中心が配置する球状物層の２層構造であることを特徴とする。
【０００８】
また、請求項４に記載の発明は、前記共振構造の最上層について、最上部表面側から前記球状物層の１／２の深さまで、前記球状物を構成する材料と屈折率の異なる材料から成る被覆層を有することを特徴とする。また、請求項５に記載の発明は、前記球状物とその下に位置する半導体面との間に、それらを構成するいずれの材料とも屈折率の異なる材料から成る層を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
半導体発光素子の表面に、当該発光素子の発する光と共振する大きさの球状物から成る共振構造を形成する。これにより、光が当該球状物にいかなる方向から到達しても、光は半導体発光素子内部に反射されることが無く、光取り出し効率を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下は、シミュレーションにより探索された最適な構成例について述べるものである。尚、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【実施例１】
【００１１】
図１は本発明の具体的な一実施例に係る半導体発光素子１００の構成を示す断面図である。図１においては、本発明の特徴である共振構造を主として説明するため、半導体発光素子の構成は大幅に間略している。半導体発光素子１００は、ｎ型半導体基板及び半導体層１１、発光層１２、ｐ型半導体層１３を有するダブルヘテロ構造の発光素子であり、ｎ型半導体基板及び半導体層１１の裏面全体にｎ電極１４、ｐ型半導体層１３表面の一部にｐ電極１５が形成されている。また、ｐ型半導体層１３表面の残余には、球状物から成る共振構造２０が形成されている。
【００１２】
球状物から成る共振構造２０として、図２のような構成を想定し、シミュレーションにより光取り出し効率を算出した。まず、図２の構成について説明する。共振構造２０は、図２．Ａのように、２層の六方最密充填様に直径ａの球状物２１及び２２を配置させ、３層構造の充填物層を形成したものである。図２．Ｂのように、ｐ型半導体層１３の表面に第１の充填物層２３を形成し、その上に第１層を形成する球状物２１を敷き詰める。球状物２１の配置は、外周部を除いて、各球状物２１が６個の球状物２１と接する構造である。球状物２１から成る第１層の上に、第２層を形成する球状物２２を敷き詰める。球状物２２の配置は、共振構造２０の外周部を除いて、各球状物２２が６個の球状物２２と接し、且つ第１層を形成する３個の球状物２１と接する構造である。同様に、球状物２１は、共振構造２０の外周部を除いて、第２層を形成する３個の球状物２２と接する。この後、第１層と第２層の半分の高さ迄を第２の充填物層２４を充填する。第２の充填物層２４の厚さは、球状物２１及び２２の直径ａに対し、（１＋√３）ａ／２である。更に、球状物２２の上半面を覆うように第３の充填物層２５（被覆層）を充填する。第３の充填物層２５（被覆層）の上には封止樹脂３０を形成する。
【００１３】
ここで、各構成要素の厚さ、屈折率を次のようにしてシミュレーションを行った。
球状物２１及び２２の直径ａ：１０６ｎｍ。
第１の充填物層２３の厚さｔ１：４０ｎｍ。
第２の充填物層２４の厚さｔ２＝（１＋√３）ａ／２：１４６ｎｍ。
第３の充填物層２５（被覆層）の厚さｔ３＝ａ／２：５４ｎｍ。
ｐ型半導体層１３、球状物２１及び２２の屈折率：２．５。
第１の充填物層２３の屈折率：１．５。
第２の充填物層２４の屈折率：１。
第３の充填物層２５（被覆層）の屈折率：２．２。
封止樹脂３０の屈折率：１．５。
これらは波長３９０ｎｍのＡｌＧａＩｎＮ系発光素子を前提にしたものであり、ＡｌＧａＩｎＮ半導体内での波長１５６ｎｍで共振する球状物の直径を算出したものである。
【００１４】
シミュレーション結果を、図３に示す。図３．Ｃは本実施例によるものであり、図３．Ａ及び図３．Ｂは比較例に係るものである。各図の意味するところは、屈折率２．５の半導体層の一点（黒丸印）が発光点であって、そこから上方に位置する半導体層と封止樹脂（屈折率１．５）との界面（破線で示す）に向かって全方向に光が発せられる。各図で白い部分は光が強く、黒い部分は光が弱いことを示す。図３．Ａは表面が平面である半導体層が封止樹脂と直接接している場合、図３．Ｂは特許文献１の構造によるものを当該界面に形成した場合、図３．Ｃは本実施例の共振構造を界面に形成した場合である。界面の法線に対して６０度の角度の方向に（各図で実線で示す）入射した光及びそれよりも大きい角度で入射した光について、図３．Ｃの本実施例による場合が光出力が最も大きいことが理解できる。尚、波長３９０ｎｍのTE波が入射した場合の、Ezの電界強度を示すものである。波源（発光点）から離れて、入射角が大きい領域でも、本構造体を境界面に配置することにより、光が境界面を抜け、光の取り出し効率が高いことがわかる。入射角が６０度においても８２．９％の透過特性が得られた。尚、第１の充填物層２３を除き、ｐ型半導体層１３に接して球状物２１から成る第１層その他を形成した場合は、入射角が６０度において７５％の透過特性であった。このように、発光波長よりも薄い第１の充填物層２３を設けても、光は全反射されず、いわゆる「滲み出し」が生じることで、本願発明の効果を向上させることができる。また、特許文献１の場合として、断面が底辺、高さ共に１５９ｎｍの二等辺三角形である様な横倒し三角柱の場合は、入射角が６０度において２０．５％の透過特性であった。即ち、特許文献１のような従来例の単なる凹凸に比べ、低仰角では４倍程度の光の取出し効率が得られた。
【００１５】
〔比較例〕
上記実施例で、第１の充填物層２３、第２の充填物層２４、第３の充填物層２５（被覆層）を同一の屈折率とした場合、透過率は悪化した。
【００１６】
〔製造について〕
上記実施例の半導体発光素子は、例えば次のように形成できる。まず、共振構造２０を除いた、発光素子本体を半導体ウエハとして形成する。次に、ｐ型半導体層１３表面のうちｐ電極１５の形成されていない部分にエポキシ樹脂により第１の充填物層２３を形成する。次にコロイド結晶成長によりＡｌＧａＩｎＮ半導体の球状物２１及び２２を六方最密充填様に第１の充填物層２３の表面に付着させる。第２の充填物層２４は空気とするため、表面を乾燥させる。次に半導体ウエハを反転させて、球状物２２から成る第２の層の、図２で上から半分までをＺｎＯ又はＺｎＳ層で覆い、第３の充填物層２５（被覆層）とする。最後に、エポキシ樹脂により封止樹脂層３０を形成する。尚、第１の充填物層２３はエポキシ樹脂に替えてＩＴＯ等から成る透明電極を用いても良い。
【００１７】
本発明は、光が、共振構造の表面である球面の法線方向に入射しうることが要点であり、この意味で共振構造全体が球面のみからなる球状物の集合である必要はない。球状物から成る共振構造は、球を空間中でランダムに移動させた様な、屈曲した円柱状でも良く、或いは２つの接する球の接点付近を埋めたような、くびれのある連続体であっても良い。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明に係る半導体発光素子の一例を示す断面図。
【図２】本発明に係る共振構造２０の構成を示す断面図。
【図３】本発明と、２つの比較例における光取り出しの様子をシミュレーションしたグラフ図。
【符号の説明】
【００１９】
２０：共振構造
２１、２２：六方最密充填様に配置された、所望の波長の光と共振する球状物
２３：第１の充填物層
２４：第２の充填物層
２５：第３の充填物層（被覆層）
【図１】
2007123381.tif 000003
【図２】
2007123381.tif 000004
【図３】
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