(57)【要約】【課題】  透光性を有する基板上に、少なくともｎ型半導体層、発光層、ｐ型半導体層を順次積層して成る半導体発光素子において、光取出し効率を一層向上する。【解決手段】  透光性の基板７２内に、該基板７２をレーザ照射で改質して、共に柱状で、長周期Ａの第１の異屈折率層７８ａと、短周期Ｂの第２の異屈折率層７８ｂとを重畳して埋込み形成する。そして、その周期Ａ，Ｂを、出射面への入射角θが比較的深い領域での透過率が高くなる波長λの５倍よりも大きな長周期Ａと、前記入射角θが比較的深い領域での透過率が高くなる前記波長λの５倍以下の短周期Ｂとの組合わせとする。これによって、あらゆる入射角θに対しても、回折による光取出し効率が向上し、一般的なλ／４の凹凸構造に比べて、光取出し効率を向上することができる。【選択図】      図１
2007088276.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
透光性を有する基板上に、半導体層が積層されて成る半導体発光素子において、
前記基板の発光層が形成される面とは反対側の全面あるいは一部に、前記発光層に垂直な同一断面内で、前記発光層で発生された光の空気中における波長の５倍の周期よりも大きい周期で、前記基板の表面から予め定める第１の深さまで埋込まれ、前記基板より小さい屈折率に改質された柱状の第１の異屈折率領域と、前記５倍以下で、かつ１倍以上の周期で、前記基板の表面から前記第１の深さよりも小さい予め定める第２の深さまで埋込まれ、前記基板より小さい屈折率に改質された柱状の第２の異屈折率領域とを含むことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
前記第１の異屈折率領域および第２の異屈折率領域の平面的な配列周期には、ペンローズのタイリングまたはアルキメデス配列を用いることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記請求項１または２記載の半導体発光素子の製造方法において、前記基板上に少なくともｎ型半導体層、発光層、ｐ型半導体層の各層を積層した後、
超短パルスレーザによるレーザ光を基板の内部に集光し、内部の極小領域にのみ多光子吸収を発生させて改質し、前記異屈折率層を形成する工程を含むことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体内で電子と正孔とを結合させて光を発生する半導体発光素子およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、III−Ｎ化合物（以下、ナイトライドと呼ぶ）またはII−VI化合物を用いて、その中に量子井戸を形成し、外部から電流を流して、この量子井戸で電子と正孔とを結合させて光を発生する半導体固体発光素子の発展が目覚しい。
【０００３】
III−Ｖ化合物として最もよく用いられているのが前記ナイトライドのＧａＮであるが、このＧａＮを始めとして、ナイトライドの屈折率は１より大きく、大気中への光の取出しに課題がある。ＧａＮの場合を例にとると、屈折率が約２．５であり、ＧａＮと大気との境界の法線に対して、２３．６度（以下、この法線に対して２３．６度より小さい領域で形成された円錐領域をエスケープコーンと呼ぶ）より大きい角度で境界に入射された光は、大気中に放射されず、境界面で全反射され、ＧａＮの中へ閉込められてしまう。
【０００４】
その閉込められた光の一部は発光層に再吸収され、電子―正孔対発生と再結合とによって再発光に寄与するが、その再発光した光も一部のエスケープコーン内で発光されれば大気中へ放射されるが、大部分のエスケープコーン外で発光された光は再びＧａＮ中に閉込められる。そして、閉込められた光は、結晶や電極材料に再吸収されて熱に変化してしまう。このため、平坦なＧａＮ層では、この屈折率による全反射のために発光効率を向上することは難しいという問題がある。
【０００５】
そこで、このような課題に対して、たとえば特許文献１では、光取出し面にピッチ２〜４μｍ、深さλ（２ｎ＋１）／４（ｎ＝１，２，・・・）の矩形の凹凸を形成しておくことで、前記光取り出し面で光が反射する際に、凹部と凸部とでそれぞれ反射される光が互いの位相のλ／２だけ異なって打消し合い、反射が低減して、結果的に光取り出し効率を向上するように工夫されている。
【特許文献１】特開平７−２０２２５７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、その従来技術では、全反射角以上の浅い角度で入射した光の取出し効率は向上されないので、前記ＧａＮ層側から光を取出すフェイスアップタイプに比べて、高屈折率の透明基板側から光を取出すフェイスダウン（フリップチップ）タイプの場合には、取出し効率の向上効果がほとんど得られないという問題がある。これを図９を用いて詳しく説明する。図９は、平坦な基板の出射面への発光層からの入射角θの変化に対する透過率（光取出し効率）の変化を模式的に示すグラフである。この図９において、入射角θ０は、前記エスケープコーンの角度であり、該入射角θは、基板と大気との境界の法線に対する角度で、基板表面に対しては、該入射角θが、小さい程深い入射角で、大きい程浅い入射角となる。
【０００７】
ここで、出射面が平滑面の場合、透過率（光取出し効率）は、一般に下式で表すことができると考えられる。
【０００８】
光取出し効率η＝∫（透過率（θ）×入射配光分布（θ））ｄθ
これを、図９に示すと、透過率のグラフは参照符号α０で示され、入射配光分布のグラフは参照符号β０で示され、したがって実際に外部に取出される光の量は、α０，β０の重なった領域であり、図９において梨地で示す参照符号γ０で示される領域となる。
【０００９】
これに対して、上述の従来技術によるλ／４の凹凸構造を採用し、フレネルロスを低減することで、透過率のグラフは、参照符号α０’で示すように上昇させることができる。しかしながら、その透過率の上昇分は入射配光分布に交わらず、光取出し効率はほとんど向上しない。これは、参照符号β０で示すように、入射配光分布は、通常、発光層から出射面に対して、入射角が非常に深い成分は少なく、入射角が浅くなる程、成分が多くなるからである。
【００１０】
本発明の目的は、光取出し効率を向上することができる半導体発光素子およびその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の半導体発光素子は、透光性を有する基板上に、半導体層が積層されて成る半導体発光素子において、前記基板の発光層が形成される面とは反対側の全面あるいは一部に、前記発光層に垂直な同一断面内で、前記発光層で発生された光の空気中における波長の５倍の周期よりも大きい周期で、前記基板の表面から予め定める第１の深さまで埋込まれ、前記基板より小さい屈折率に改質された柱状の第１の異屈折率領域と、前記５倍以下で、かつ１倍以上の周期で、前記基板の表面から前記第１の深さよりも小さい予め定める第２の深さまで埋込まれ、前記基板より小さい屈折率に改質された柱状の第２の異屈折率領域とを含むことを特徴とする。
【００１２】
上記の構成によれば、透光性を有する基板上に、少なくともｎ型半導体層、発光層、ｐ型半導体層を順次積層して成る半導体発光素子において、サファイアなどから成る前記透光性を有する基板に凹凸を形成することで光取出し効率を向上するにあたって、本発明では、そのような凹凸構造を、長周期Ａ毎に基板の表面から第１の深さまで埋込まれ、前記基板より小さい屈折率に改質された柱状の第１の異屈折率領域と、短周期Ｂ毎に前記基板の表面から前記第１の深さよりも小さい第２の深さまで埋込まれ、前記基板より小さい屈折率に改質された柱状の第２の異屈折率領域との組合わせとする。そして、重畳される第１の異屈折率領域の長周期Ａは、前記発光層で発生された光の空気中における波長の５倍の周期よりも大きな前記波長より充分大きい周期とし、第２の異屈折率領域の短周期Ｂは、前記５倍以下で、かつ１倍以上の前記波長より大きい周期とする。前記第１の透明材料および第２の透明材料は、円柱状でも角柱状でもよい。
【００１３】
すなわち、前記の凹凸構造は、前記発光層で発生された光の空気中における波長の５倍の周期を境界として、それよりも短い方の周期に形成すると出射面への入射角θが比較的深い領域での透過率が高くなり、それよりも長い方の周期に形成すると出射面への入射角θが比較的浅い領域での透過率が高くなるという本件発明者の知見によるものであり、これらの周期の凹凸構造を組合わせる。一方、前記波長と等倍以下の周期構造となると、通常よく用いられるλ／４の凹凸構造などと同様に、フレネルロスの低減による光取出し効率は向上するが、本発明による回折による光取出し効率の向上効果は小さくなる。ここで、通常、発光層から出射面に対して、入射角θが非常に深い成分は少なく、入射角θが浅くなる程、成分が多くなる。
【００１４】
したがって、λ／４の凹凸構造を採用しないことで、前記フレネルロスの低減による光取出し効率は低下するが、それ以上に回折による光取出し効率が向上するので、前記λ／４の凹凸構造に比べて、光取出し効率を向上することができる。
【００１５】
また、本発明の半導体発光素子は、前記第１の異屈折率領域および第２の異屈折率領域の平面的な配列周期には、ペンローズのタイリングまたはアルキメデス配列を用いることを特徴とする。
【００１６】
上記の構成によれば、ペンローズのタイリングやアルキメデス配列等の準周期構造を用いることで、配列周期が異なる第１の異屈折率領域および第２の異屈折率領域を平面上に再現することが可能になり、所望とする光取出し効率の向上効果を、精度よく得ることが可能になる。
【００１７】
さらにまた、本発明の半導体発光素子の製造方法は、前記の半導体発光素子の製造方法において、前記基板上に少なくともｎ型半導体層、発光層、ｐ型半導体層の各層を積層した後、超短パルスレーザによるレーザ光を基板の内部に集光し、内部の極小領域にのみ多光子吸収を発生させて改質し、前記異屈折率層を形成する工程を含むことを特徴とする。
【００１８】
上記の構成によれば、基板内に異屈折率層を埋込む前記の半導体発光素子を作成することができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の半導体発光素子は、以上のように、透光性を有する基板上に、少なくともｎ型半導体層、発光層、ｐ型半導体層を順次積層して成る半導体発光素子において、サファイアなどから成る前記透光性を有する基板に凹凸を形成することで光取出し効率を向上するにあたって、本発明では、そのような凹凸構造を、長周期Ａ毎に基板の表面から第１の深さまで埋込まれ、前記基板より小さい屈折率に改質された柱状の第１の異屈折率領域と、短周期Ｂ毎に前記基板の表面から前記第１の深さよりも小さい第２の深さまで埋込まれ、前記基板より小さい屈折率に改質された柱状の第２の異屈折率領域との組合わせとし、重畳される第１の異屈折率領域の長周期Ａは、前記発光層で発生された光の空気中における波長の５倍の周期よりも大きな前記波長より充分大きい周期とし、第２の異屈折率領域の短周期Ｂは、前記５倍以下で、かつ１倍以上の前記波長より大きい周期とする。
【００２０】
それゆえ、λ／４の凹凸構造を採用しないことで、前記フレネルロスの低減による光取出し効率は低下するが、それ以上に回折による光取出し効率が向上するので、前記λ／４の凹凸構造に比べて、光取出し効率を向上することができる。
【００２１】
さらにまた、本発明の半導体発光素子の製造方法は、以上のように、前記の半導体発光素子の製造方法において、前記基板上に少なくともｎ型半導体層、発光層、ｐ型半導体層の各層を積層した後、超短パルスレーザによるレーザ光を基板の内部に集光し、内部の極小領域にのみ多光子吸収を発生させて改質し、前記異屈折率層を形成する工程を含む。
【００２２】
それゆえ、基板内に異屈折率層を埋込む前記の半導体発光素子を作成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
［実施の形態１］
図１は本発明の実施の第１の形態に係る発光ダイオード７１の構造を示す断面図であり、図２はその正面図であり、図２において図１の切断面を参照符号Ｉ−Ｉで示す。図１は１チップ分の断面であり、１チップのサイズは、たとえば０．３〜１ｍｍ角である。図２は、図１の一部分の正面図を示している。
【００２４】
この発光ダイオード７１は、大略的に、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）基板７２上に、ｎ型半導体層３、発光層４、ｐ型半導体層５が形成され、発光層４で発生した光をサファイア基板７２側から取出すフリップチップ（フェイスダウン）タイプの発光ダイオードである。前記ｎ型半導体層３上で、一部分の発光層４およびｐ型半導体層５が除去されてｎ電極領域となり、前記ｐ型半導体層５上の一部分がｐ電極領域となり、それぞれｎ電極６およびｐ電極７が形成され、それらはバンプ電極などを介して、図示しない配線基板に接続される。
【００２５】
前記基板７２は、前記サファイアに限定されず、発光波長に対して透光性を持つものであればよいことは言うまでもない。またこの種の発光ダイオードの製造方法については、当業者には公知のＭＯＣＶＤ法を用いて実現することができ、ここでの詳しい説明は省略する。
【００２６】
注目すべきは、本発明では、基板７２の発光層４が形成される面とは反対側の面が、面方向に周期的に異なる誘電率に形成され、さらにその誘電率の異なる周期は、波長λ以上で、かつ５λを境界として、５λより充分大きい長周期Ａと、５λ以下の短周期Ｂとの周期成分が重畳されたものであることである。ここで多重反射する界面に、凹凸７８によって周期的に誘電率（＝屈折率２）を変化させた形状を形成すると、光の回折効果などの波動光学現象により外部への光取出し効率を向上させることが可能となる。さらに本発明では、その凹凸７８の周期は、前記長周期Ａと短周期Ｂとの成分が重畳されたものである。
【００２７】
前記凹凸７８は、長周期Ａ毎に基板７２の表面から波長λ以下の深さＨの領域より内部に予め定める第１の深さまで埋込まれ、前記基板７２より小さい誘電率（屈折率）に改質された柱状の第１の異屈折率層７８ａと、短周期Ｂ毎に前記基板７２の表面から波長λ以下の深さＨの領域より内部に、前記第１の深さよりも小さい予め定める第２の深さまで埋込まれ、前記第１の異屈折率層７８ａと等しい誘電率（屈折率）に改質された柱状の第２の異屈折率層７８ｂとを備えて構成される。
【００２８】
そして、重畳される第１の異屈折率層７８ａの長周期Ａは、前記発光層４で発生された光の空気中における波長λの５倍の周期よりも大きな前記波長λより充分大きい周期とし、第２の異屈折率層７８ｂの短周期Ｂは、前記５倍以下で、かつ１倍以上の前記波長λより大きい周期とする。前記第１の異屈折率層７８ａおよび第２の異屈折率層７８ｂは、角柱状でもよい。
【００２９】
この図１の例では、周期Ａと周期Ｂとの比は、３：１であり、かつ異屈折率層７８ａ，７８ｂの位相は一致しており、したがって第２の異屈折率層７８ｂの３つに１つが第１の異屈折率層７８ａに重なるようになっている。また、第１の異屈折率層７８ａと第２の異屈折率層７８ｂとの高さ（深さ）の比は、たとえば３：１である。前記発光層４の発光波長λは、たとえば４６０ｎｍであり、上述のように周期Ａ，Ｂ共、前記発光層４で発生された光の空気中における前記波長λよりも大きく、長周期Ａは、５λより大きい周期に選ばれ、短周期Ｂは、前記５λ以下に選ばれる。基板２内の波長λ’は、λ／ｎとなり、サファイアの場合、ｎ＝１．７６８であるから、λ’＝２５８ｎｍである。
【００３０】
図３に、本件発明者のシミュレーション結果のグラフを示す。このグラフは、前記図９と同様に、基板の出射面への発光層からの入射角θの変化に対する透過率（光取出し効率）の変化を示すグラフである。この図３は、基板２がサファイアの場合を示しており、前記図９と同様に、参照符号α０は基板２の表面が平坦な状態での透過率を示し、参照符号β０は、入射配光分布のグラフである。一方、参照符号α１，α２，α３，α４は、基板２の表面に凹凸を形成した状態での透過率を示し、それぞれ周期が１，２，３，４μｍである。
【００３１】
したがって、５λ＝２．３μｍ程度を境界に、図４の参照符号αａで模式的に示すように、それよりも短い方の周期に形成すると出射面への入射角θが比較的深い領域での透過率が高くなり、図５の参照符号αｂで模式的に示すように、それよりも長い方の周期に形成すると前記入射角θが比較的浅い領域での透過率が高くなることが理解される。本件発明者は、このような知見に基づき、前述のように周期Ａ，Ｂ共、波長λよりも大きく、かつ長周期Ａは５λより大きく、短周期Ｂは前記５λ以下に設定する。前記第１の異屈折率層７８ａの高さは、たとえば１μｍに設定され、前記第２の異屈折率層７８ｂの高さは、０．３μｍに設定される。
【００３２】
たとえば、長周期Ａを前記参照符号α３の３μｍに設定し、短周期Ｂを前記参照符号α１の１μｍに設定すると、図３において、前述の図９と同様に梨地で示す参照符号γ０で示される領域に加えて、斜線で示す参照符号γ１で示される領域も、前記参照符号β０で示す入射配光分布内であるので、新たに光として取出すことができる。これによって、λ／４の凹凸構造を採用しないことで、前記フレネルロスの低減による光取出し効率は低下するが、それ以上に回折による光取出し効率が向上するので、前記λ／４の凹凸構造に比べて、光取出し効率を向上することができる。
【００３３】
ここで、Ｂ＝λ以下の周期構造となると、通常よく用いられるλ／４の凹凸構造などと同様に、フレネルロスの低減による光取出し効率は向上するが、本発明による回折による光取出し効率の向上効果は小さくなる。また、加工性から、Ａ＝１５λ程度までが好ましい。
【００３４】
前記凹凸７８の具体的な作成方法の一例を、図６を用いて、以下に詳述する。サファイアから成る基板７２に対して、前記凹凸７８の形成には、透過率が８０％以上で、かつパルス幅が１ｐｓ以下の超短パルスレーザを用いる。前記超短パルスレーザ等の高いパワー密度の光を物質に照射すると、多光子吸収が発生する。これは、通常の光反応とは異なり、１つの原子ないし分子が同時に複数のフォトンと相互作用する現象である。この多光子吸収は局所的に光の密度が高くなる場合のみに発生し、熱の影響もほとんど受けないため、微小領域の加工に適している。またこの多光子吸収は、レーザ光の波長で透過する物質においても発生する。
【００３５】
そこで、このパルス幅が１ｐｓ以下の超短パルスレーザを用いて、レーザ光７３を基板７２の内部に集光し、内部の極小領域にのみ多光子吸収を発生させて改質層（前記異屈折率層７８ａ，７８ｂ）を形成する。このとき用いるレーザ光７３の波長は、基板７２に対する透過率が８０％以上であるような波長が望ましい。８０％以下の場合、多光子吸収が発生する領域以外に熱影響が発生しやすくなるためである。具体的には、光源にＴｉ−Ｓａｐｐｈｉｒｅフェムト秒レーザ（λ＝８００ｎｍ，パルス幅：１００ｆｓ，出力：０．０８Ｗ，周波数：１ｋＨｚ）を用い、ＮＡを大きくしてエネルギー密度を高めるために、対物レンズ７４（×５０）に通して基板７２に照射する。レーザ光７３の走査速度を、３０ｍｍ／ｍｉｎおよび１００ｍｍ／ｍｉｎとすることで、表層から約１．５μｍ（異屈折率層７８ａ）および０．５μｍ（異屈折率層７８ｂ）まで、改質することができる。
【００３６】
以上のように構成される発光ダイオード７１によれば、基板７２の発光層４が形成される面とは反対側の面に、２重周期Ａ，Ｂで異屈折率層７８ａ，７８ｂが埋込まれているので、基板２の天面に臨界角以上の角度で入射する光も取出すことができるようになる。しかも、その周期Ａ，Ｂは、出射面への入射角θが比較的深い領域での透過率が高くなる波長λの５倍よりも大きな長周期Ａと、前記入射角θが比較的深い領域での透過率が高くなる前記波長λの５倍以下の短周期Ｂとの組合わせであるので、あらゆる入射角θに対しても、回折による光取出し効率が向上し、前記λ／４の凹凸構造に比べて、光取出し効率を向上することができる。
【００３７】
なお、平面的には、前記周期Ａ，Ｂには、ペンローズのタイリングやアルキメデス配列等の準周期構造を適用することが好ましい。ペンローズのタイリングとは、２種類の図形で平面上を非周期的に、すき間なく敷き詰めるようなタイルのことである。図７の例では、２種類の菱形で正五角形を作成している。黒塗りで示すその正五角形の頂点に前記長周期Ａの第１の異屈折率層７８ａを埋込み、残余の２種類の菱形の中心に前記短周期Ｂの第２の異屈折率層７８ｂを埋込む。もちろん、この図７の例に限られるものではない。
【００３８】
一方、アルキメデス配列（平面充填形）も、２種類の図形で平面上をすき間なく敷き詰めるという点でペンローズのタイリングと同意であるが、正多角形を用いる。図８の例では、正方形と正八角形とによって平面を敷き詰めている。アルキメデス配列はこれを含めて全部で８種類（１種類の正多角形で充填する場合を含めると１１種類）あることが知られている。これらの図形を用いれば、本発明の凹凸７８の周期構造を平面上に再現することが可能になり、所望とする光取出し効率の向上効果を、精度よく得ることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の実施の第１の形態に係る発光ダイオードの構造を示す断面図である。
【図２】図１の正面図である。
【図３】本件発明者のシミュレーションによる凹凸を形成した基板の出射面への発光層からの入射角の変化に対する透過率（光取出し効率）の変化を示すグラフである。
【図４】前記図３で示す本件発明者のシミュレーション結果の一部を模式的に示すグラフである。
【図５】前記図３で示す本件発明者のシミュレーション結果の一部を模式的に示すグラフである。
【図６】前記発光ダイオードの基板表面への凹凸の形成工程の一例を示す図である。
【図７】ペンローズのタイリングを説明するための図である。
【図８】アルキメデス配列を説明するための図である。
【図９】平坦な基板の出射面への発光層からの入射角の変化に対する透過率（光取出し効率）の変化を模式的に示すグラフである。
【符号の説明】
【００４０】
７１    発光ダイオード
７２    基板
３    ｎ型半導体層
４    発光層
５    ｐ型半導体層
６    ｎ電極
７    ｐ電極
７３    レーザ光
７４    対物レンズ
７８    凹凸
７８ａ  第１の異屈折率層
７８ｂ  第２の異屈折率層
【図１】
2007088276.tif 000003
【図２】
2007088276.tif 000004
【図３】
2007088276.tif 000005
【図４】
2007088276.tif 000006
【図５】
2007088276.tif 000007
【図６】
2007088276.tif 000008
【図７】
2007088276.tif 000009
【図８】
2007088276.tif 000010
【図９】
2007088276.tif 000011