JP4778745B2 - 半導体発光装置及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、発光ダイオード装置又は半導体レーザ装置等の半導体発光装置に関する。

近年、III-Ｖ族窒化物半導体を用いることにより、青色から紫外領域の発光光を得られるようになり、ＲＧＢの三原色をそれぞれ発光可能な発光ダイオード素子が揃うこととなった。これにより、人間の可視域の光をすべて発光ダイオード素子で生成できるようになったことから、表示用光源又は照明用光源としての市場が拡大している。

以下、第１の従来例に係るIII-Ｖ族窒化物半導体を用いた青色発光ダイオード素子について図１５を参照しながら説明する。図１５に示すように、青色発光ダイオード素子は、サファイアからなる基板１０１の主面上に、エピタキシャル成長により、ｎ型ＧａＮ層１０２、アンドープＩｎＧａＮからなる活性層１０３及びｐ型ＧａＮ層１０４が順次形成されている。活性層１０３には、ｎ型ＧａＮ層１０２から電子が注入され、ｐ型ＧａＮ層１０４から正孔がそれぞれ注入され、注入された電子及び正孔が活性層１０４で再結合することにより、発光光１１０、１１２が得られる。

活性層１０３において電子及び正孔の再結合により生成された発光光のうち、光の出射面１０５に対して臨界角θ₁ 未満の発光光１１０は出射光１１１として外部に出力され、また、臨界角θ ₁ 以上の入射角を持つ発光光１１２は全反射して、内部光１１３として閉じこもってしまい、外部には出射されない。ここで、臨界角θ₁ は、以下の式（１）で決まる値である。

θ₁ ＝ｓｉｎ^-1（Ｎ₁／Ｎ₂）………（１）
ここで、Ｎ₁は半導体の外部（空気）の発光光に対する屈折率を表わし、Ｎ₂は半導体の発光光に対する屈折率を表わす。

例えば、ＧａＮ系半導体の屈折率Ｎ₂ は約２．４であり、空気の屈折率はＮ₁ は１であるため、式（１）からθ₁ は約２５°となる。活性層１０３で生じた発光光は、ほぼ等方向に放射されることから、θ₁ の値が２５°程度では多くの発光光を素子の外部に取り出すことができないことになる。

そこで、図１６に第２の従来例に係る青色発光ダイオード素子（例えば、特許文献１を参照。）のように、半導体層の上に２次元周期凹凸構造を有する樹脂膜を形成して、全反射による光取り出し効率の低下を防ぐ構成が提案されている。すなわち、ｐ型ＧａＮ層１０４の上にはポリカーボネード樹脂材からなる樹脂膜１０６が形成されており、該樹脂膜１０６の表面には２次元周期凹凸構造１０６ａが形成されている。

この２次元周期構造１０６ａによる回折ベクトルにより、発光光の多くが臨界角θ ₁ よりも小さい入射角となるため、光取り出し効率が向上する。とりわけ、窒化物半導体のように、耐エッチング性が高い半導体材料を用いる場合には、半導体表面に樹脂膜を形成した後、形成した樹脂膜に、押圧面に凹凸形状を有するスタンパを押圧することにより、２次元周期凹凸構造１０６ａを転写して形成する方法が記載されている。
特開２００５−００５６７９号公報 特開昭５９−０５０４０１号公報 特開平０８−１１０４０１号公報

ところで、一般に樹脂材の屈折率と半導体の屈折率とは異なるため、ｐ型ＧａＮ層１０４と樹脂膜１０６の界面１０７においても全反射が生じる。すなわちこの場合の臨界角θ₂ は以下の式（２）で表わされる。

θ₂ ＝ｓｉｎ^-1（Ｎ₃／Ｎ₂）………（２）
ここで、Ｎ₃は樹脂材の発光光に対する屈折率を表わし、Ｎ₂は半導体の発光光に対する屈折率を表わす。

樹脂材の屈折率Ｎ₃は１．６程度であり、ＧａＮ系半導体の屈折率Ｎ₂ は約２．４であるため、式（２）からθ₂ は約４２°となる。このように、ｐ型ＧａＮ層１０４の上にそれよりも屈折率が小さい樹脂膜１０６を設けても、光取り出し効率は不十分である。

本発明は、前記従来の問題を解決し、半導体発光装置からの光取り出し効率を向上させられるようにすることを目的とする。

前記従来の目的を達成するため、本発明は、半導体発光装置を半導体層上に形成する誘電体からなる光取り出し層に、該誘電体の屈折率よりも大きい屈折率を持ち且つ径が発光波長よりも小さい粒子を含ませる構成とする。

具体的に、本発明に係る第１の半導体発光装置は、発光層と、該発光層の上に形成され、粒子を含む光取り出し層とを備え、粒子の最大寸法は、光取り出し層内部における発光光の波長よりも小さいことを特徴とする。

第１の半導体発光装置によると、光取り出し層に含まれる粒子の最大寸法を光取り出し層の内部での発光光の波長より小さくしている。その上、添加される粒子の径は光取り出し層内部における光の波長よりも小さいため、発光光を散乱させることがなく、光取り出し層の内部を透過する発光光にとっては均質な材料のようにみえる。そのため、光取り出し層を入射角が臨界角にまで達しないようにすることができ、光取り出し効率を向上させることができる。

第１の半導体発光装置において、粒子の発光光に対する屈折率は、光取り出し層の発光光に対する屈折率よりも大きいことが好ましい。

本発明に係る第２の半導体発光装置は、発光層を含む複数の半導体が積層されてなる半導体積層体と、半導体積層体の少なくとも一部の表面上に形成された樹脂材からなる光取り出し層とを備え、樹脂材は粒子を含み、該粒子の発光光に対する屈折率は樹脂材の発光光に対する屈折率よりも大きく、且つ、該粒子の径は樹脂材内部における発光光の波長よりも小さいことを特徴とする。

第２の半導体発光装置によると、光取り出し層を構成する樹脂材に該樹脂材の屈折率よりも大きい屈折率を有する粒子を含ませているため、該樹脂材の実効的な屈折率を増大させることができる。従って、式（２）からＮ₃／Ｎ₂のうちのＮ₃ の値が大きくなるので、臨界角θ₂ の値が大きくなり、その結果、光取り出し効率が向上する。その上、添加される粒子の径は樹脂材内部における光の波長よりも小さいため、発光光を散乱させることがなく、樹脂材の内部を透過する発光光にとっては均質な材料のようにみえる。

ところで、上記の特許文献２及び特許文献３には、レンズ又は表示装置の表面に設ける樹脂材からなる反射防止膜において、樹脂材の屈折率よりも大きい屈折率を持つ微粒子を含ませることにより、樹脂材の実効屈折率が向上することが記載されている。しかし、このような反射防止膜を発光素子の発光面に設けることにより、発光光の光取り出し効率が向上すること、及び発光光における全反射を抑制する効果に関しての記載はなされていない。

第１又は第２の半導体発光装置において、光取り出し層の表面には凹凸形状が形成されていることが好ましい。このように、光取り出し層の表面を凹凸状とすることにより、発光光の光取り出し層への入射角が多様となって、より多くの発光光を取り出すことができようになる。

第１又は第２の半導体発光装置において、光取り出し層の表面には凹凸形状が形成されていることが好ましい。本発明においても、樹脂材からなる光取り出し層の表面は、空気と樹脂材との屈折率差による全反射が生じる。そこで、光取り出し層の表面を凹凸状とすることにより、発光光の光取り出し層への入射角が多様となって、より多くの発光光を取り出すことができようになる。

この場合に、光取り出し層の表面の凹凸形状は周期構造を有していることが好ましい。このようにすると、周期構造を持たせることにより、凹凸形状に回折ベクトルの効果が現れるため、より多くの発光光の入射角が臨界角にまで達しなくなるため、光取り出し効率をより一層向上させることができる。

第１又は第２の半導体発光装置において、粒子はその密度が出射光の出射方向に沿って小さくなるように添加されていることが好ましい。このようにすると、発光光の出射方向に向かって、屈折率が徐々に小さくなるため、光取り出し層（樹脂材）と空気の界面付近における樹脂材の屈折率は空気の屈折率と近くなる。その結果、樹脂材と空気との界面での臨界角が大きくなるので、より多くの発光光を外部に取り出すことができる。

この場合に、光取り出し層は、半導体積層体側から順次形成された第１層及び第２層からなり、第２層に添加される粒子の量は第１層に添加される粒子の量よりも少ないことが好ましい。このようにしても、粒子の添加量が第１層よりも少ない第２層と空気との界面での臨界角が大きくなるので、より多くの発光光を外部に取り出すことができる。

第１又は第２の半導体発光装置は、半導体積層体に形成され、発光層にキャリアを注入する電極と、電極と接続された配線とをさらに備え、光取り出し層の端面は、電極及び配線と間隔をおいて形成されていることが好ましい。このようにすると、樹脂材中に存在するわずかな不純物がイオン性伝導を示して光取り出し層が導電性を示すような場合であっても、光取り出し層と電極及び配線とが電気的に絶縁されているため、光取り出し層には電圧が印加されない。このため、光取り出し層を介したリーク電流が発生しないので、無効電流を防止することができる。

第１又は第２の半導体発光装置において、光取り出し層は発光層の上面及び側面を覆うように形成されていることが好ましい。

本発明に係る半導体発光装置の製造方法は、ウエハ状態の基板上に、第１の半導体層、発光層及び第２の半導体層を順次積層することにより、半導体積層体を形成する工程（ａ）と、半導体積層体の上に、粒子を含む樹脂材からなる光取り出し層を形成する工程（ｂ）と、光取り出し層における第２の半導体層の第１の電極形成領域の上側部分を選択的に除去することにより、第１の電極形成領域を露出する工程（ｃ）と、露出した第１の電極形成領域の上に第１の電極を形成する工程（ｄ）と、光取り出し層、第２の半導体層及び発光層における第１の半導体層の第２の電極形成領域の上側部分を選択的に除去することにより、第２の電極形成領域を露出する工程（ｅ）と、露出した第２の電極形成領域の上に第２の電極を形成する工程（ｆ）と、光取り出し層、第１の電極及び第２の電極が形成された半導体積層体を有するウエハ状態の基板をチップ状に分割する工程（ｇ）とを備え、樹脂材は、半導体積層体の発光層からの出射光に対する第１の屈折率よりも小さい第２の屈折率を有し、粒子は、出射光に対して透明であって第２の屈折率よりも大きい第３の屈折率を有し且つ出射光の樹脂材内部における波長よりも小さい径を有することを特徴とする。

本発明の半導体発光装置の製造方法によると、本発明の半導体発光装置を得られると共に、工程（ｂ）においては、樹脂材をウエハ状態の基板上にスピンコート法で塗布でき、また、工程（ｃ）及び（ｅ）においては、リソグラフィ法等の半導体製造プロセスを用いることができる。従って、ウエハ状態の基板上の全面に樹脂材を一括して形成することができるので、高い生産性を維持できる。

本発明の半導体発光装置の製造方法において、工程（ｂ）は、樹脂材を半導体積層体の上に成膜した後、成膜された樹脂材が硬化するよりも前に、樹脂材の表面に凹凸形状を有する金型を押圧して凹凸形状を樹脂材の表面に転写することにより、光取り出し層の表面に凹凸形状を形成する工程を含むことが好ましい。本発明の製造方法においては、設計により凹凸形状の周期構造を１μｍ以下とする必要が生じる場合がある。このような微細加工を行なう場合には、リソグラフィ技術が適するが、リソグラフィ技術を用いると高コストとなり、また生産性も低くなる。そこで、凹凸形状を有する金型を押圧して樹脂材の表面に凹凸形状を形成すると、低コストで且つ生産性をも高くできる。

本発明に係る半導体発光装置及びその製造方法によると、半導体発光装置の光取り出し効率を簡便に且つ確実に向上させることができる。

（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態について図面を参照しながら説明する。

図１（ａ）及び図１（ｂ）は本発明の第１の実施形態に係る半導体発光装置であって、図１（ａ）は斜視図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＩｂ−Ｉｂ線における断面構成を示している。

図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、第１の実施形態に係る半導体発光装置は発光ダイオード素子であって、例えば、厚さが５００μｍのサファイア（単結晶Ａｌ₂Ｏ₃）からなる基板１の主面上に順次エピタキシャル成長により形成された、厚さが１μｍのｎ型窒化ガリウム（ＧａＮ）からなる第１の半導体層２と、厚さが０．０５μｍのアンドープの窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）からなる活性層３と、厚さが０．５μｍのｐ型ＧａＮからなる第２の半導体層４とにより構成された半導体積層体５を有している。

ここで、活性層３は、発光色が波長が約４６０ｎｍの青色となるようにＩｎＧａＮにおけるＩｎ組成が調整されている。

半導体積層体５の上すなわち第２の半導体層４の上には、厚さが０．２μｍのシリコーン樹脂材からなり、該シリコーン樹脂材よりも屈折率が大きい微粒子が添加された光取り出し層１０が形成されている。

図１（ａ）に示すように、第２の半導体層４における光取り出し層１０から露出された部分には、ニッケル（Ｎｉ）と金（Ａｕ）との積層膜からなるｐ側電極２１が形成され、該ｐ側電極２１には、金からなるｐ側配線２３が接続されている。また、第１の半導体層４における光取り出し層１０、第２の半導体層４及び活性層３から露出された部分には、チタン（Ｔｉ）とアルミニウム（Ａｌ）との積層膜からなるｎ側電極２２が形成され、該ｎ側電極２２には、金からなるｎ側配線２４が接続されている。ここで、ｐ側電極２１、ｎ側電極２２、ｐ側配線２３及びｎ側配線２４は、そのいずれもが光取り出し層１０の端面と接触しないように設けられている。

光取り出し層１０を構成するシリコーン樹脂材の青色光に対する屈折率は約１．６であり、該シリコーン樹脂材中には、平均の直径が５０ｎｍで青色光に対して透明で且つその屈折率が２．４の酸化チタン（ＴｉＯ₂ ）からなる微粒子が添加されている。酸化チタンからなる微粒子は以下の特徴を有する。

第１に、粒子径が５０ｎｍであり、シリコーン樹脂中の青色光の波長である３００ｎｍと比べて十分に小さいため、発光光を散乱することがない。第２に、粒子径が５０ｎｍ程度の微粒子はシリコーン樹脂を構成するポリマー分子の分子間に十分に入り込むため、酸化チタンの含有量を極めて高くすることができる。

第１の実施形態においては、シリコーン樹脂材中に、体積比で約７０％の酸化チタンを含ませている。これにより、酸化チタンを含有した光取り出し層１０の実効屈折率は、約２．１６となる。従って、屈折率が２．４の第２の半導体層４と樹脂１０の界面である光取り出し面６における臨界角は上述した式（２）から約６４°となる。

このように、第１の実施形態によると、第２の半導体層４と光取り出し層１０との間の臨界角を、微粒子を含有しない場合の樹脂膜の臨界角である４２°と比べて大きくすることができ、光取り出し効率は約１．２倍に向上する。

以下、前記のような構成を持つ半導体発光装置の製造方法について図面を参照しながら説明する。

図２（ａ）〜図２（ｆ）及び図３（ａ）〜図３（ｃ）は本発明の第１の実施形態に係る半導体発光装置の製造方法の工程順の断面構成を示している。ここでは、ダイオード素子を一素子分しか描いていないが、実際にはエピタキシャル成長用基板として、径が５．１ｃｍ（２インチ）のウエハを用いており、１枚のウエハで約２０００個の素子が同時に処理される。

まず、図２（ａ）に示すように、有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）法により、サファイアからなるウエハ１Ａの主面上に、ｎ型ＧａＮからなる第１の半導体層２、アンドープのＩｎＧａＮからなる活性層３及びｐ型ＧａＮからなる第２の半導体層４を順次成長させて半導体積層体５を得る。ここで、ウエハ１Ａと第１の半導体層２との間には、ＧａＮ又はＡｌＧａＮからなるバッファ層を適宜設けてもよい。

次に、図２（ｂ）に示すように、スピンコート法により、酸化チタンからなる微粒子を体積比で７０％含有するシリコーン樹脂材を塗布し、その後、オーブンで加熱してシリコーン樹脂材を硬化させることにより光取り出し層１０を形成する。

次に、図２（ｃ）に示すように、リソグラフィ法により、光取り出し層１０の上に、ｐ側電極形成領域に開口部３１ａを持つ第１のレジストパターン３１を形成する。

次に、図２（ｄ）に示すように、第１のレジストパターン３１をマスクとして、光取り出し層１０に対して、硫酸（Ｈ₂ＳＯ₄）と過酸化水素水（Ｈ₂Ｏ₂）と水（Ｈ₂Ｏ ）との混合溶液をエッチャントとするウェットエッチングを行なって、光取り出し層１０におけるｐ側電極形成領域４ａの上側部分を除去することにより、第２の半導体層４のｐ側電極形成領域４ａを露出する。ウェットエッチングは等方性であるため、ｐ側電極形成領域４ａは、第１のレジストパターン３１の開口部３１ａの開口幅よりも大きくなる。

次に、図２（ｅ）に示すように、例えばスパッタ法又は真空蒸着法により、第１のレジストパターン３１の上に、ＮｉとＡｕとの積層体からなる電極形成膜２１Ａを堆積する。前述したように、第１のレジストパターン３１の開口部３１ａの開口幅は、ｐ側電極形成領域４ａよりも小さいため、電極形成膜２１Ａの端部が光取り出し層１０の端面と接触することがない。

次に、図２（ｆ）に示すように、有機溶液により、第１のレジストパターン３１を除去する、いわゆるリフトオフ法により、第１のレジストパターン３１とその上の電極形成膜２１Ａとが選択的に除去されて、第２の半導体層４のｐ側電極形成領域４ａ上にｐ側電極２１が形成される。続いて、再度リソグラフィ法により、ｎ側電極形成領域の上方に開口部３２ａを持つ第２のレジストパターン３２を光取り出し層１０の上に形成する。

次に、図３（ａ）に示すように、第２のレジストパターン３２をマスクとして、まず、光取り出し層１０に対してＨ₂ＳＯ₄とＨ₂Ｏ₂とＨ₂Ｏ との混合溶液をエッチャントとするウェットエッチングを行なって、光取り出し層１０におけるｎ側電極形成領域２ａの上側部分を除去する。続いて、第２のレジストパターン３２をマスクとして、塩素（Ｃｌ₂ ）を主成分とする反応性イオンエッチングにより、第２の半導体層４、活性層３及び第１の半導体層２の上部に対してドライエッチングを行なう。このとき、ウェットエッチングは等方性であり、反応性イオンエッチングのサイドエッチにより、ｎ側電極形成領域２ａは、第２のレジストパターン３２の開口部３２ａの開口幅よりも大きくなる。

次に、図３（ｂ）に示すように、例えばスパッタ法又は真空蒸着法により、第２のレジストパターン３２の上に、ＴｉとＡｌとの積層体からなる電極形成膜２２Ａを堆積する。前述したように、第２のレジストパターン３２の開口部３２ａの開口幅は、ｎ側電極形成領域２ａよりも小さいため、電極形成膜２２Ａの端部が光取り出し層１０の端面と接触することがない。

次に、図３（ｃ）に示すように、有機溶液により、第２のレジストパターン３２を除去することにより、第２のレジストパターン３２とその上の電極形成膜２２Ａとが選択的に除去されて、第１の半導体層２のｎ側電極形成領域２ａ上にｎ側電極２２が形成される。

なお、第１の実施形態においては、ｐ側電極２１をｎ側電極２２よりも先に形成したが、ｐ側電極２１とｎ側電極２２との形成順序は問われない。但し、ｎ側電極２２をｐ側電極２１よりも先に形成すると、後からｐ側電極２１を形成する際の第１のレジストパターン３１がｎ側電極２２の上側にも入り込むため、第１のレジストパターン３１の除去時に該第１のレジストパターン３１が残渣となるおそれがある。このため、ｐ側電極２１をｎ側電極２２よりも先に形成するのが好ましい。

その後は、図示はしていないが、ダイシング装置を用いて、ウエハ１Ａから、平面寸法が３００μｍ×３００μｍのチップ状に各素子を切り出し、パッケージに実装する。その後、ｐ側配線２３及びｎ側配線２４を形成して図１（ａ）に示す半導体発光装置を得る。

（第１の実施形態の一変形例）
以下、本発明の第１の実施形態の一変形例に係る半導体発光装置について図４を参照しながら説明する。図４（ａ）及び図４（ｂ）において、図１（ａ）及び図１（ｂ）に示す構成部材と同一の構成部材には同一の符号を付すことにより説明を省略する。

図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、本変形例に係る半導体発光装置は、酸化チタンからなる微粒子を７０％の体積比で含むシリコーン樹脂材からなる光取り出し層１０Ａが、半導体発光装置の上面及び側面の全面にわたって形成されている。すなわち、図４（ｂ）の断面図に示すように、放熱板７と接する底面を除くすべての露出面上に光取り出し層１０Ａが形成されている。

活性層３から出射される発光光は、様々な方向に出射されるため、半導体積層体５の側方や下方（基板１方向）にも出射される。従って、活性層３からの発光光は半導体積層体５の側面においても全反射が生じないことが望ましい。

本変形例においては、半導体積層体５の側面上及び基板１の側面上にも微粒子を含むシリコーン樹脂材からなる光取り出し層１０Ａを設けているため、発光光の取り出し効率をさらに高めることができる。

本変形例に係る半導体発光装置は、光取り出し層１０Ａを設けない構成と比べ、光取り出し効率が約２倍に向上する。

本変形例に係る半導体発光装置の製造方法の概略は以下の通りである。まず、ウエハ状態の半導体積層体５に、光取り出し層１０Ａを設けずにｐ側電極２１及びｎ側電極２２を形成し、この状態でチップ状に分割する。その後、図４（ｂ）に示すように、チップ状に分割された半導体発光装置を放熱板７の上に実装する。続いて、ｐ側電極２１及びｎ側電極２２にそれぞれｐ側配線２３及びｎ側配線２４を形成した後、チップ状の半導体発光装置の上に微粒子を含む硬化前のシリコーン樹脂材を滴下して、図４（ａ）の状態を得る。

（第２の実施形態）
以下、本発明の第２の実施形態に係る半導体発光装置について図５を参照しながら説明する。図５において、図１（ｂ）に示す構成部材と同一の構成部材には同一の符号を付すことにより説明を省略する。

図５に示すように、第２の実施形態に係る半導体発光装置は、酸化チタンからなる微粒子を７０％の体積比で含むシリコーン樹脂材からなる光取り出し層１０Ｂの表面に凹凸形状１０ｂが形成されている。この凹凸形状１０ｂは周期性を持たない。

表面に凹凸形状１０ｂを有する光取り出し層１０Ｂの場合は、その内部において同一方向から入射される発光光であっても、光取り出し層１０Ｂに対する入射位置によって入射角が異なる。すなわち、光取り出し層１０Ｂの表面が平坦である場合はその表面で全反射を起こすような方向から入射された発光光であっても、表面に凹凸形状１０ｂが形成されることによって、臨界角以上の角度で入射された発光光でもその一部は臨界角未満となる。その結果、より多くの発光光を外部に取り出すことができるので、光取り出し効率が向上する。

第２の実施形態に係る半導体発光装置は、光取り出し層１０Ｂを設けない構成と比べ、光取り出し効率が約２〜２．５倍に向上する。

第２の実施形態に係る半導体発光装置における光取り出し層１０Ｂの製造方法は以下の通りである。まず、半導体積層体５の上面に酸化チタンからなる微粒子を含むシリコーン樹脂材を塗布した後、塗布されたシリコーン樹脂材を熱により硬化する。その後、硬化したシリコーン樹脂材の表面をＨ₂ＳＯ₄とＨ₂Ｏ₂とＨ₂Ｏ との混合溶液に３０秒間程度さらす。但し、混合溶液の組成及び温度によってはさらす時間を適宜変更する必要がある。この溶液処理により、シリコーン樹脂材の表面に荒れが生じ、凹凸形状１０ｂが形成される。なお、この溶液処理はウエハのダイシングの直前に行なうのが好ましい。

（第３の実施形態）
以下、本発明の第３の実施形態に係る半導体発光装置について図６を参照しながら説明する。図６（ａ）及び図６（ｂ）において、図１（ａ）及び図１（ｂ）に示す構成部材と同一の構成部材には同一の符号を付すことにより説明を省略する。

図６（ａ）及び図６（ｂ）に示すように、第３の実施形態に係る半導体発光装置は、酸化チタンからなる微粒子を７０％の体積比で含むシリコーン樹脂材からなる光取り出し層１０Ｃの表面に２次元周期を持つ凹凸形状１０ｃが形成されている。ここでは、凹凸形状１０ｃにおける周期は０．４μｍとし、凹凸形状１０ｃにおける高低差は０．１５μｍとしている。

前述したように、光取り出し層１０Ｃの表面に２次元周期構造を持つ凹凸形状１０ｃを形成することにより、透過光に回折ベクトルの効果が現われるため、臨界角以上の方向から入射される発光光であっても臨界角未満に収まるようになるので、光取り出し効率をより一層向上させることができる。

また、第３の実施形態においては、凹凸形状１０ｂを溶液にさらして形成する第２の実施形態と比べて、凹凸形状１０ｃにおける凹凸パターンを正確に制御できるため、素子ごとの光学特性が均一化する。

第３の実施形態に係る半導体発光装置は、光取り出し層１０Ｃを設けない構成と比べ、光取り出し効率が約３倍に向上する。

第３の実施形態に係る半導体発光装置における光取り出し層１０Ｃの製造方法を図７を用いて説明する。

まず、半導体積層体５の上面に酸化チタンからなる微粒子を含むシリコーン樹脂材を塗布した後、塗布した樹脂材を硬化する前に、押圧面に凹凸パターン３３ａを有する炭化ケイ素（ＳｉＣ）からなる金型３３を樹脂材の表面に押圧する。これにより、硬化前のシリコーン樹脂材の表面には、凹凸パターン３３ａが反転された凹凸形状１０ｃが転写される。その後、凹凸形状１０ｃが転写されたシリコーン樹脂材を熱硬化することにより、光取り出し層１０Ｃを形成する。

このようなプレス加工によって凹凸形状１０ｃを形成する方法は、コンパクトディスク等の光ディスクの製造分野で用いられていることから分かるように、生産性が高く且つ低コストである。

（第４の実施形態）
以下、本発明の第４の実施形態に係る半導体発光装置について図８を参照しながら説明する。図８において、図１（ｂ）に示す構成部材と同一の構成部材には同一の符号を付すことにより説明を省略する。

図８に示すように、第４の実施形態に係る半導体発光装置に設ける光取り出し層１０Ｄは、半導体積層体５側から順次形成された、酸化チタンからなる微粒子を含むシリコーン樹脂材である第１樹脂層４１及び該第１樹脂層４１よりも微粒子の添加量が少ない第２樹脂層４２により構成されている。

第１樹脂層４１は、厚さが０．０７μｍで且つ酸化チタンの含有量は７０％であり、その実効屈折率は２．１６である。これに対し、第２樹脂層４２は、厚さが０．０７μｍで且つ酸化チタンの含有量は３０％であり、その実効屈折率は１．８４である。

第４の実施形態においては、光取り出し層１０Ｄを出射方向に向かって屈折率が小さくなる積層構造を採ることにより、第２樹脂層４２と空気の界面付近における樹脂の屈折率は、空気の屈折率と近くなる。

例えば、樹脂材に酸化チタンを添加しない従来の光取り出し層の場合には、第２の半導体層４と光取り出し層との臨界角は４２°となり、光取り出し層と空気との臨界角は２８°となり、活性層３からの発光光の取り出し効率は十分ではない。

これに対し、屈折率を２段階に変えた光取り出し層１０Ｄを設けた第４の実施形態の場合には、第２の半導体層４と第１樹脂層４１との臨界角は６４°となり、第１樹脂層４１と第２樹脂層４２との臨界角は５８°となり、第２樹脂層４２と空気との臨界角は３７°となる。従って、活性層３からの発光光をより多く取り出すことができる。

第４の実施形態に係る半導体発光装置は、光取り出し層１０Ｄを設けない構成と比べ、光取り出し効率が約１．５倍に向上する。

第４の実施形態に係る光取り出し層１０Ｄの製造方法は、上記の構成の第１樹脂層４１及び第２樹脂層４１を半導体積層体５の上に順次成膜すればよい。但し、第２樹脂層４２は第１樹脂層４１を硬化させた後に成膜する。

なお、光取り出し層１０Ｄは必ずしも２層に限られず、出射方向に沿って屈折率を小さくなるように設けた３層以上で構成してもよい。

（第４の実施形態の一変形例）
また、第４の実施形態の一変形例として、図９に示すように、屈折率が出射方向で異なる光取り出し層１０Ｅを、一の樹脂層の微粒子の分布（密度）を出射方向に向かって連続的に小さくすることにより構成してもよい。

ここでは、光取り出し層１０Ｅの厚さは０．２μｍとし、光取り出し層１０Ｅにおける酸化チタンの体積比は、半導体積層体５側で７０％であり、半導体積層体５の反対側で３０％であり、酸化チタンの分布は連続的に変化している。

このような分布は、例えば、体積比が４０％の酸化チタンを含むシリコーン樹脂材を半導体積層体５に上に塗布した後、温度が約２０℃の暗所に１時間程度放置する。この温度では、シリコーン樹脂は硬化しない。このように未硬化状態で放置すると、添加された酸化チタンの一部が重力により樹脂内の下部に沈殿するため、樹脂内に酸化チタンの分布を形成することができる。

（第５の実施形態）
以下、本発明の第５の実施形態について図面を参照しながら説明する。

図１０（ａ）及び図１０（ｂ）は本発明の第５の実施形態に係る半導体発光装置であって、図１０（ａ）は断面構成を示し、図１０（ｂ）は図１０（ａ）における半導体発光装置の光取り出し層近傍を拡大して示している。なお、本実施形態に係る半導体発光装置の斜視図は、図１（ａ）に示す第１の実施形態と同様である。

第５の実施形態に係る半導体発光装置は、第１の実施形態に係る半導体発光装置と同様の発光ダイオード素子である。基板１から半導体積層体５までの構成は第１の実施形態に係る半導体発光装置と同様である。

ここで、活性層３は、発光色が波長が約４６０ｎｍの青色となるようにＩｎＧａＮにおけるＩｎ組成が調整されている。

図１０（ａ）に示すように、光半導体積層体５の上に、光取り出し層１００が形成されている。図１０（ｂ）に示すように、光取り出し層１００は、厚さ３３０ｎｍであり、屈折率が１．７７のＡｌ₂Ｏ₃層１００ｂの中に一辺が９０ｎｍの立方体で且つ青色光に対して透明で且つその屈折率が２．４の酸化チタン（ＴｉＯ₂ ）からなる微粒子１００ａが添加されている。この微粒子は、粒子の一辺の大きさが９０ｎｍであり、Ａｌ₂Ｏ₃層１００ｂ中の青色光の波長である２６０ｎｍと比べて十分に小さいため、発光光を散乱することがない。

第５の実施形態においては、Ａｌ₂Ｏ₃層１００ｂ中に、体積比で約２７％の酸化チタンを含ませている。これにより、酸化チタンを含有した光取り出し層１００の実効屈折率は、約１．９４となる。従って、屈折率が２．４の第２の半導体層４と光取り出し層１００の界面である光取り出し面６における臨界角は上述した式（２）から約５４°となる。

このように、第５の実施形態によると、第２の半導体層４と光取り出し層１００との間の臨界角を大きくすることができ、光取り出し効率は向上する。

以下、前記のような構成を持つ半導体発光装置の製造方法について図面を参照しながら説明する。

図１１（ａ）〜図１１（ｄ）は本発明の第５の実施形態に係る半導体発光装置の製造方法の工程順の断面構成を示している。ここでは、ダイオード素子を一素子分しか描いていないが、実際にはエピタキシャル成長用基板として、径が５．１ｃｍ（２インチ）のウエハを用いており、１枚のウエハで約２０００個の素子が同時に処理される。

まず、第１の実施形態と同様に有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）法により、半導体積層体５を得る。なお、ここでは、第２の半導体層４の上部のみを示している。その後、図１１（ａ）に示すように、スパッタ法を用いて、第２の半導体層４の上に厚さが５０ｎｍの第１のＡｌ₂Ｏ₃層１００ｂ₁ を形成する。

次に、図１１（ｂ）に示すように、第１のＡｌ₂Ｏ₃層１００ｂ₁ の上に厚さが９０ｎｍの酸化チタン層を積層し、積層された酸化チタン層に対してパターニング及びエッチングを行って、それぞれ１辺が９０ｎｍで且つ平面形状が正方形の複数の微粒子１００ａを形成する。

次に、図１１（ｃ）に示すように、スパッタ法により、第１のＡｌ₂Ｏ₃層１００ｂ₁ の上に微粒子１００ａを含む全面にわたって第２のＡｌ₂Ｏ₃層１００ｂ₂ を形成し、第１のＡｌ₂Ｏ₃層１００ｂ₁ 上の微粒子１００ａを第２のＡｌ₂Ｏ₃層１００ｂ₂ により埋める。

次に、図１１（ｄ）に示すように、第２のＡｌ₂Ｏ₃層１００ｂ₂ の上に厚さが９０ｎｍの酸化チタン層を積層し、積層された酸化チタン層に対してパターニング及びエッチングを行って、それぞれ１辺が９０ｎｍで且つ平面形状が正方形の複数の微粒子１００ａを形成する。続いて、スパッタ法により、第２のＡｌ₂Ｏ₃層１００ｂ₂ の上に微粒子１００を埋めるように、第３のＡｌ₂Ｏ₃層１００ｂ₃ を形成する。このように、第５の実施形態においては、Ａｌ₂Ｏ₃層１００ｂは、第１第１のＡｌ₂Ｏ₃層１００ｂ₁ 、第２のＡｌ₂Ｏ₃層１００ｂ₂ 及び第３のＡｌ₂Ｏ₃層１００ｂ₃ により構成される。

その後、第１の実施形態と同様な工程により、図１０（ａ）に示す半導体発光装置を得る。

なお、第５の実施形態においては、微粒子１００ａの形状を立方体としたが、Ａｌ₂Ｏ₃層１００ｂ中の青色光の波長である２６０ｎｍと比べて十分に小さい粒子であればどのような形状でもよい。例えば、表面形状が長方形、円型、楕円形、三角形、五角形又は六角形等の多角形状を有する立体であってもよい。また、立体として例えば、錐体、錘台、円柱又は半球であってもよい。

また、第５の実施形態においては、微粒子１００ａの材料に酸化チタン（ＴｉＯ₂ ）を用いたが、これに限られず、酸化ハフニウム、酸化セリウム、酸化ニオブ、酸化タンタル、窒化ガリウム、窒化アルミニウム又は酸化亜鉛を用いることができる。

また、第５の実施形態において、光取り出し層１００に含める微粒子１００ａを、第２のＡｌ₂Ｏ₃層１００ｂ₂ と第３のＡｌ₂Ｏ₃層１００ｂ₃ とに形成して、微粒子１００ａが２層構造となるようにしたが、光取り出し層１００を透過する発光光にとって光取り出し層１００が均質な材料のようにみえる限りにおいては、微粒子１００ａが１層であっても、また３層以上の多層構造であってもよい。

また、第４の実施形態の一変形例のように、微粒子１００ａ形成密度を出射方向に向かって連続的に小さくする構成としてもよい。

また、Ａｌ₂Ｏ₃層１００ｂに代えて、ＳｉＯ₂又はＭｇＯを用いることができる。

（第６の実施形態）
以下、本発明の第６の実施形態について図面を参照しながら説明する。

図１２は本発明の第６の実施形態に係る半導体発光装置の断面構成を示している。なお、第６の実施形態に係る半導体発光装置の斜視図は、図１（ａ）に示す第１の実施形態と同様である。

第６の実施形態に係る半導体発光素子は、第１の実施形態に示す半導体発光装置１２０における光取り出し層１０の上にＹＡＧ蛍光体を含む樹脂材１３０が塗布されている。

このような構成とすることにより、半導体発光装置１２０から出射される青色発光光と、該青色発光光がＹＡＧ蛍光体を励起して生じる発光光とにより、白色光を得ることができる。青色発光光の取り出し効率が高い分、従来よりも光取り出し効率が高い白色発光ダイオードを得ることができる。

（第６の実施形態の第１変形例）
図１３は本発明の第６の実施形態の第１変形例に係る半導体発光装置の断面構成を示している。

第１変形例に係る半導体発光装置は、マウント１３１の上に固着された第１の実施形態に係る半導体発光装置１２０がＹＡＧ蛍光体を含む樹脂材１３０により覆われて形成されている。

このような構成とすることにより、半導体発光装置１２０から出射される青色発光光と、該青色発光光がＹＡＧ蛍光体を励起して生じる発光光とにより、白色光を得ることができる。青色発光光の取り出し効率が高い分、従来よりも光取り出し効率が高い白色発光ダイオードを得ることができる。

（第６の実施形態の第２変形例）
図１４は本発明の第６の実施形態の第２変形例に係る半導体発光装置の断面構成を示している。

第２変形例に係る半導体発光装置は、マウント１３１の上に固着された第１の実施形態の一変形例に係る半導体発光装置１２０ＡがＹＡＧ蛍光体を含む樹脂材１３０により覆われて形成されている。

このような構成とすることにより、半導体発光装置１１０Ａから出射される青色発光光と、該青色発光光がＹＡＧ蛍光体を励起して生じる発光光とにより、白色光を得ることができる。第２変形例においては、青色発光光が半導体発光装置１２０Ａの上面からだけでなく、側面からも効率良く青色発光光を取り出すことができるため、光取り出し効率が一層向上した白色発光ダイオードを得ることができる。

なお、第１〜第６の各実施形態において、樹脂材に添加する微粒子は、酸化チタンに限られず、発光光に対して透明で且つその屈折率が樹脂材よりも大きい材料であり、さらに粒子径が発光波長よりも小さければ、本発明に適用することができる。

例えば、酸化チタン（ＴｉＯ₂ ）にニオブ（Ｎｂ）を添加したＮｂ−ＴｉＯ₂ は屈折率が２．７と十分に高い。このＮｂ−ＴｉＯ₂ からなる微粒子を樹脂材に添加すれば、さらに光取り出し効率を向上させることができる。

さらには、樹脂材に添加する微粒子として、屈折率が１．９５の酸化ハフニウム（ＨｆＯ₂ ）、屈折率が２．２の酸化セリウム（ＣｅＯ₂ ）、屈折率が２．３３の酸化ニオブ（Ｎｂ₂Ｏ₅）、屈折率が２．１６の酸化タンタル（Ｔａ₂Ｏ₅）、屈折率が２．４の窒化ガリウム（ＧａＮ）、屈折率が２．１〜２．２の窒化アルミニウム（ＡｌＮ）又は屈折率が２．１の酸化亜鉛（ＺｎＯ）を用いることができる。

また、各実施形態においては、半導体積層体５にIII-Ｖ族窒化物化合物半導体すなわちＧａＮ系半導体を用いたが、これに代えて、ＡｌＧａＡｓ系半導体、ＩｎＧａＡｌＰ系半導体又はＩｎＧａＡｓＰ系半導体等を用いた化合物半導体に対しても同様な効果を得ることができる。

また、第１〜第６の各実施形態において、光取り出し層１０として屈折率が小さい材料（樹脂材又はＡｌ₂Ｏ₃）からなる層と、それより屈折率が大きい粒子（ＴｉＯ₂ ）とを用いて光取り出し層を構成し、光取り出し層の屈折率を空気と半導体積層体との間の値にしたが、これに限られない。例えば、これとは逆に、屈折率が大きい材料（例：ＴｉＯ₂ ）からなる層と、それより屈折率が小さい粒子(例：ＳｉＯ₂ ）とを用いて光取り出し層を形成してもよい。

また、第１〜第４及び第６の実施形態において、樹脂層の材料としてはシリコーン樹脂材を用いたがこれに限られず、例えば、アクリル樹脂材を用いることができる。

本発明に係る半導体発光装置及びその製造方法は、光取り出し効率を簡便に且つ確実に向上させることができ、ディスプレイ装置又は照明装置等の光源に用いる発光ダイオード装置又は半導体レーザ装置等に有用である。

（ａ）及び（ｂ）は本発明の第１の実施形態に係る半導体発光装置を示し、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は（ａ）のＩｂ−Ｉｂ線における断面図である。 （ａ）〜（ｆ）は本発明の第１の実施形態に係る半導体発光装置の製造方法を示す工程順の断面図である。 （ａ）〜（ｃ）は本発明の第１の実施形態に係る半導体発光装置の製造方法を示す工程順の断面図である。 （ａ）及び（ｂ）は本発明の第１の実施形態の一変形例に係る半導体発光装置を示し、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は（ａ）のIVｂ−IVｂ線における断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る半導体発光装置を示す断面図である。 （ａ）及び（ｂ）は本発明の第３の実施形態に係る半導体発光装置を示し、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は（ａ）のVIｂ−VIｂ線における断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る半導体発光装置における光取り出し層の製造方法を示す断面図である。 本発明の第４の実施形態に係る半導体発光装置を示す断面図である。 本発明の第４の実施形態の一変形例に係る半導体発光装置を示す断面図である。 （ａ）及び（ｂ）は本発明の第５の実施形態に係る半導体発光装置を示し、（ａ）は断面図であり、（ｂ）は光取り出し層近傍の部分拡大断面図である。 （ａ）〜（ｄ）は本発明の第５の実施形態に係る半導体発光装置の製造方法を示す工程順の断面図である。 本発明の第６の実施形態に係る半導体発光装置の断面図である。 本発明の第６の実施形態の第１変形例に係る半導体発光装置の断面図である。 本発明の第６の実施形態の第２変形例に係る半導体発光装置の断面図である。 第１の従来例に係る発光ダイオード装置と光の出射方向とを示す断面図である。 第２の従来例に係る発光ダイオード装置を示す断面図である。

符号の説明

１ 基板
１Ａ ウエハ
２ 第１の半導体層
２ａ ｎ側電極形成領域
３ 活性層
４ 第２の半導体層
４ａ ｐ側電極形成領域
５ 半導体積層体
６ 光取り出し面
７ 放熱板
１０ 光取り出し層
１０Ａ 光取り出し層
１０Ｂ 光取り出し層
１０ｂ 凹凸形状
１０Ｃ 光取り出し層
１０ｃ 凹凸形状
１０Ｄ 光取り出し層
１０Ｅ 光取り出し層
２１ ｐ側電極
２１Ａ 電極形成膜
２２ ｎ側電極
２２Ａ 電極形成膜
２３ ｐ側配線
２４ ｎ側配線
３１ 第１のレジストパターン
３１ａ 開口部
３２ 第２のレジストパターン
３２ａ 開口部
３３ 金型
３３ａ 凹凸パターン
４１ 第１樹脂層
４２ 第２樹脂層
１００ 光取り出し層
１００ａ 微粒子
１００ｂ Ａｌ₂Ｏ₃層
１００ｂ₁ 第１のＡｌ₂Ｏ₃層
１００ｂ₂ 第２のＡｌ₂Ｏ₃層
１００ｂ₃ 第３のＡｌ₂Ｏ₃層
１２０ 半導体発光装置
１２０Ａ 半導体発光装置
１３０ 樹脂材
１３１ マウント

Claims (4)

1. 発光層を含む複数の半導体層が積層されてなる半導体積層体と、
   前記半導体積層体の少なくとも一部の表面上に形成された樹脂材からなる光取り出し層とを備え、
   前記樹脂材は粒子を含み、
   前記粒子の発光光に対する屈折率は前記樹脂材の前記発光光に対する屈折率よりも大きく、且つ、前記粒子の径は前記樹脂材内部における前記発光光の波長よりも小さく、
   前記粒子の密度は前記出射光の出射方向に沿って小さくなり、
   前記光取り出し層は、表面に周期構造を有する凹凸形状が形成されていることを特徴とする半導体発光装置。
2. 前記粒子の密度は、連続的に変化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装置。
3. 前記光取り出し層は前記発光層の上面及び側面を覆うように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光装置。
4. 請求項１又は２に記載の半導体発光装置の製造方法であって、
   酸化チタンを含む樹脂材を未硬化の状態で、重力により樹脂内の下部に沈殿するまで放置することにより、前記粒子の密度を連続的に変化させることを特徴とする半導体発光装置の製造方法。

Images