TW201530810A - 發光元件 - Google Patents

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Tsukasa Kitano
Koichi Naniwae
Masaki Ohya
Satoshi Kamiyama
Hiroaki Ito
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Abstract

提供一種不損及半導體的結晶品質，可抑制半導體中的空隙的產生之發光元件。一種發光元件，包含：在表面形成有以1μm以下的週期散佈的凹部或凸部之藍寶石基板；形成於前述藍寶石基板的表面上包含發光層由三族氮化物半導體構成的半導體積層部，在前述藍寶石基板與前述半導體積層部的界面得到由前述發光層發出的光的繞射作用，其中在前述半導體積層部的前述藍寶石基板近旁中的比前述凹部或凸部的週期小的尺寸的空隙的密度以1.0×102/cm2以上2.3×107/cm2以下。 【代表圖】

Description

發光元件
本發明是關於發光元件(light emitting device)。
已知有具備如下構件之LED元件：形成於藍寶石基板(sapphire substrate)的表面上包含發光層之三族氮化物半導體(group III nitride semiconductor)，與形成於藍寶石基板的表面側由發光層發出的光入射，以比該光的光波長(optical wavelength)大比該光的相干長度(coherence length)小的週期形成有凹部或凸部之繞射面，與使形成於基板的背面側在繞射面繞射的光反射並使其再入射到繞射面之Al反射膜(參照專利文獻1)。在該LED元件中，可藉由使藉由繞射作用透過的光再入射到繞射面，在繞射面再度利用繞射作用使其透過而以複數個模式(mode)將光取出到元件外部。
[專利文獻1]國際公開第2011/027679號公報
但是，藉由在半導體積層部中的藍寶石基板近旁形成規定密度的空隙(void)提高半導體的結晶品質被發明者們檢討。可是，擔心形成空隙所造成的給予繞射作用不良的影響。
本發明是鑑於前述情況所進行的創作，其目的為提供一種可使因空隙造成的提高半導體的結晶品質與抑制給予繞射作用不良的影響並存之發光元件。
為了達成前述目的，在本發明中提供一種發光元件，包含：在表面形成有以1μm以下的週期散佈的凹部或凸部之藍寶石基板；形成於前述藍寶石基板的表面上包含發光層由三族氮化物半導體構成的半導體積層部，在前述藍寶石基板與前述半導體積層部的界面得到由前述發光層發出的光的繞射作用，其中在前述半導體積層部的前述藍寶石基板近旁包含以比前述凹部或凸部的週期小的尺寸形成，密度為2.6×102 /cm2 以上2.3×107 /cm2 以下的空隙。
在上述發光元件中，前述空隙的密度為1.0×107 /cm2 以下也可以。
在上述發光元件中，前述半導體積層部具有形成於前述藍寶石基板側的緩衝層(buffer layer)，前述緩衝層藉由濺鍍法(sputtering method)形成也可以。
在上述發光元件中，前述半導體積層部具有形成於前述藍寶石基板側的緩衝層，前述緩衝層由AlN構成也可以。
在上述發光元件中，以前述凹部或凸部的週期為P，以由前述發光層發出的光的峰值波長(peak wavelength)為λ時，滿足1/2×λ≦P≦16/9×λ的關係也可以。
依照本發明的發光元件，可使因空隙造成的提高半導體的結晶品質與抑制給予繞射作用不良的影響並存。
圖1是顯示本發明的第一實施形態的LED元件之模式剖面圖。 如圖1所示，LED元件1是在藍寶石基板2的表面上形成有由三族氮化物半導體層構成的半導體積層部19。此處，藍寶石的折射率為1.78，三族氮化物半導體層的折射率為2.52。該LED元件1為倒裝晶片(flip chip)型，光主要被由藍寶石基板2的背面側取出。半導體積層部19由藍寶石基板2側起依如下的順序具有：緩衝層10、n型GaN層12、發光層14、電子阻隔層(e​l​e​c​t​r​o​n​ ​b​l​o​c​k​i​n​g​ ​l​a​y​e​r​)16、p型GaN層18。在p型GaN層18上形成有p側電極27，並且在n型GaN層12上形成有n側電極28。
如圖1所示，緩衝層10由AlN構成，形成於藍寶石基板2的表面上。緩衝層10藉由濺鍍法形成。當作第一導電型層的n型GaN層12形成於緩衝層10上，藉由n-GaN構成。發光層14形成於n型GaN層12上，藉由GalnN/GaN構成，藉由電子及電洞的注入而發出藍色光。在本實施形態中，發光層14的發光的峰值波長為450nm。
電子阻隔層16形成於發光層14上，藉由p-AlGaN構成。當作第二導電型層的p型GaN層18形成於電子阻隔層16上，藉由p-GaN構成。n型GaN層12到p型GaN層18藉由MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition：金屬有機化學氣相沈積)法形成。此外，至少包含第一導電型層、主動層(active layer)及第二導電型層，若為電壓一被施加於第一導電型層及第二導電型層，就藉由電子及電洞的再結合(recombination)而在主動層發出光的話，則半導體層的層構成是任意的。
藍寶石基板2的表面構成繞射面2a。藍寶石基板2的表面形成平坦部2b，與週期地形成於平坦部2b的複數個凸部2c。各凸部2c的形狀除了圓錐、多角錐等的錐狀之外，也能以將錐的上部切掉的圓錐台、多角錐台等的錐台狀。各凸部2c被設計以使由發光層14發出的光繞射。在本實施形態中，可藉由週期地配置的各凸部2c得到光的垂直化作用。此處，光的垂直化作用是指光的強度分布為由繞射面反射及透過之後比入射到繞射面之前還偏向對藍寶石基板2與半導體積層部19的界面垂直的方向。
圖2是顯示不同的折射率的界面中的光的繞射作用之說明圖，(a)是顯示在界面反射的狀態，(b)是顯示透過界面的狀態。 此處由布拉格的繞射條件(Bragg's condition of diffraction)，於光在界面反射的情形下，對入射角θin 反射角θref 應滿足的條件為     P・n1・(sinθin -sinθref )＝ｍ・λ・・・(1) 此處，P為凹部或凸部的週期，n1為入射側的介質的折射率，λ為入射的光的波長，m為整數。當光由半導體積層部19入射到藍寶石基板2時，n1成為三族氮化物半導體的折射率。如圖2(a)所示，以滿足上述(1)式的反射角θref 入射到界面的光被反射。   
另一方面，由布拉格的繞射條件，於光在界面透過的情形下，對入射角θin 透射角θout 應滿足的條件為     P・(n1・(sinθin -n2・sinθout )＝ｍ’・λ・・・(2) 此處，n2為射出側的介質的折射率， m’為整數。例如當光由半導體積層部19入射到藍寶石基板2時，n2成為藍寶石的折射率。如圖2(b)所示，以滿足上述(2)式的透射角θout 入射到界面的光被透過。
圖3是顯示凹部或凸部的週期以500nm的情形的三族氮化物半導體層與藍寶石基板的界面中之由半導體層側入射到界面的光的入射角，與藉由在界面的繞射作用產生的透射角的關係之圖表。而且，圖4是顯示凹部或凸部的週期以500nm的情形的三族氮化物半導體層與藍寶石基板的界面中之由半導體層側入射到界面的光的入射角，與藉由在界面的繞射作用產生的反射角的關係之圖表。
在入射到繞射面2a的光存在與一般的平坦面一樣的全反射的臨界角。在GaN系半導體層與藍寶石基板2的界面中臨界角為45.9∘。如圖3所示，在超過臨界角的區域中，在滿足上述(2)式的繞射條件之m’=1、2、3、4的繞射模式下的透射為可能。而且如圖4所示，在超過臨界角的區域中，在滿足上述(1)式的繞射條件之m=1、2、3、4的繞射模式下的反射為可能。當臨界角為45.9∘時，超過臨界角的光輸出(optical output)為約70%，不超過臨界角的光輸出成為約30%。也就是說，取出超過臨界角的區域的光大大地有助於LED元件1的光取出效率的提高。
此處在透射角θout 比入射角θin 小的區域中，透過繞射面2a的光角度變化成對藍寶石基板2與三族氮化物半導體層的界面接近垂直。圖3中以影線(hatching)表示該區域。如圖3所示，針對透過繞射面2a的光，在超過臨界角的區域中，m’=1、2、3的繞射模式的光在所有的角度域角度變化成接近垂直。m’=4的繞射模式的光在一部分的角度域不成為接近垂直，惟因繞射次數大的光的強度較小故影響小，在該一部分的角度域中也實質上會角度變化成接近垂直。也就是說，與在半導體積層部19側入射到繞射面2a的光的強度分布比較，在藍寶石基板2側透過繞射面2a射出的光的強度分布偏向對半導體積層部19與藍寶石基板2的界面垂直的方向。
而且，在反射角θref 比入射角θin 小的區域中，在繞射面2a反射的光角度變化成對藍寶石基板2與三族氮化物半導體層的界面接近垂直。圖4中以影線表示該區域。如圖4所示，針對在繞射面2a反射的光，在超過臨界角的區域中，m=1、2、3的繞射模式的光在所有的角度域角度變化成接近垂直。m=4的繞射模式的光在一部分的角度域不成為接近垂直，惟因繞射次數大的光的強度較小故影響小，在該一部分的角度域中也實質上會角度變化成接近垂直。也就是說，與在半導體積層部19側入射到繞射面2a的光的強度分布比較，在半導體積層部19側由繞射面2a藉由反射而射出的光的強度分布偏向對半導體積層部19與藍寶石基板2的界面垂直的方向。
圖5是顯示元件內部中的光的行進方向之說明圖。 如圖5所示，由發光層14發出的光之中超過臨界角入射到藍寶石基板2的光在繞射面2a透過及反射比入射到繞射面2a時還接近對藍寶石基板2垂直的方向。也就是說，透過繞射面2a的光在朝接近垂直角度變化的狀態下入射到藍寶石基板2的背面。而且，在繞射面2a反射的光在朝接近垂直角度變化的狀態下藉由p側電極27及n側電極28反射後，再度入射到繞射面2a。此時的入射角成為比先前的入射角還接近垂直。其結果，能以入射到藍寶石基板2的背面的光當作接近垂直。
圖6是LED元件之局部放大模式剖面圖。 如圖6所示，p側電極27具有：形成於p型GaN層18上之擴散電極(diffusion electrode)21，與形成於擴散電極21上的規定區域之介電質多層膜22，與形成於介電質多層膜22上之金屬電極23。擴散電極21全面地形成於p型GaN層18，由例如ITO(Indium Tin Oxide：銦錫氧化物)等的透明材料構成。而且，介電質多層膜22是重複複數個折射率不同的第一材料22a與第二材料22b的對(pair)而構成。介電質多層膜22例如第一材料22a能以ZrO2 (折射率：2.18)，第二材料22b能以SiO2 (折射率：1.46)，對數能以5。此外，使用與ZrO2 與SiO2 不同的材料構成介電質多層膜22也可以，例如使用AlN(折射率：2.18)、Nb2 O3 (折射率：2.4)、Ta2 O3 (折射率：2.35)等也可以。金屬電極23被覆介電質多層膜22，由例如Al等的金屬材料構成。金屬電極23經由形成於介電質多層膜22的介層孔(via hole)22c與擴散電極21電連接。
如圖6所示，n側電極28係對p型GaN層18至n型GaN層12蝕刻，形成於露出的n型GaN層12上。n側電極28具有：形成於n型GaN層12上之擴散電極24，與形成於擴散電極24上的規定區域之介電質多層膜25，與形成於介電質多層膜25上之金屬電極26。擴散電極24全面地形成於n型GaN層12，由例如ITO(Indium Tin Oxide：銦錫氧化物)等的透明材料構成。而且，介電質多層膜25是重複複數個折射率不同的第一材料25a與第二材料25b的對而構成。介電質多層膜25例如第一材料25a能以ZrO2 (折射率：2.18)，第二材料25b能以SiO2 (折射率：1.46)，對數能以5。此外，使用與ZrO2 與SiO2 不同的材料構成介電質多層膜25也可以，例如使用AlN(折射率：2.18)、Nb2 O3 (折射率：2.4)、Ta2 O3 (折射率：2.35)等也可以。金屬電極26被覆介電質多層膜25，由例如Al等的金屬材料構成。金屬電極26經由形成於介電質多層膜25的介層孔25c與擴散電極24電連接。
在該LED元件1中，p側電極27及n側電極28構成反射部。p側電極27及n側電極28分別為越接近垂直的角度反射率越高。至反射部除了由發光層14發出直接入射的光之外，在藍寶石基板2的繞射面2a反射，角度變化成對界面接近垂直的光也入射到反射部。也就是說，入射到反射部的光的強度分布與藍寶石基板2的表面為平坦面的情形比較的話，成為偏向接近垂直的狀態。
圖7是顯示反射部的反射率的一例之圖表。在圖7的例子中，藉由ZrO2 與SiO2 的組合構成形成於ITO上的介電質多層膜的對數以5，重疊於介電質多層膜形成了Al層。如圖7所示，在入射角為0度到45度的角度域中實現98%以上的反射率。而且，在入射角為0度到75度的角度域中實現90%以上的反射率。如此，介電質多層膜與金屬層的組合對於成為對界面接近垂直的光成為有利的反射條件。此外，確認了在ITO上僅形成Al層的情形不取決於入射角，成為約84%的一定的反射率。
其次，參照圖8就藍寶石基板2詳細敘述。圖8是顯示藍寶石基板，(a)是模式斜視圖，(b)是顯示A-A剖面之模式說明圖。
如圖8(a)所示，繞射面2a以平面視各凸部2c的中心成為正三角形的頂點的位置而以規定的週期排列於假想的三角格子的交點而形成。此外，此處所謂的週期是指鄰接的凸部2c中的高度的尖峰位置(peak position)的距離。在本實施形態中，以凸部2c的週期為P，以由發光層14發出的光的峰值波長為λ時，滿足如下的關係： 1/2×λ≦P≦16/9×λ 而設定凸部2c的週期。關於該關係以 23/45×λ≦P≦14/9×λ 較佳。而且，凸部2c的週期被設定，以使透射繞射光包含至少2次的繞射光，不包含5次的繞射光。而且，凸部2c的週期被設定，以使反射繞射光包含至少3次的繞射光。
但是，藉由在半導體積層部19中的藍寶石基板2近旁形成規定密度的空隙提高半導體的結晶品質被發明者們檢討。當在藍寶石基板2上形成以1μm以下的週期散佈的凹部或凸部2c時，藉由形成空隙提高半導體的結晶品質被預想。但是，因擔心形成空隙所造成的給予繞射作用不良的影響，因此調查了空隙造成的給予繞射作用的影響。此外，此處所謂的空隙是有光學的影響的大小者，數奈米(nano)到數十奈米左右的大小者因可忽視光學的影響故不考慮。
圖9是顯示凸部的週期與空隙密度的關係之表。空隙密度的測定是在緩衝層以藉由MOCVD法在低溫使其成長的GaN的情形，與在緩衝層以藉由濺鍍法形成的AlN的情形下進行。此外，緩衝層的厚度以80nm。 如圖9所示，與緩衝層10以GnN的情形比較，在緩衝層10以AlN的情形下空隙的密度減少。而且，確認了凸部2c的週期越小空隙密度越大。也就是說，半導體中的空隙考慮為起因於週期地形成的凸部2c。當緩衝層10以藉由MOCVD法使其成長的GaN時，不管凸部2c的週期，空隙密度超過了1.0×107 /cm2 。另一方面，當緩衝層10以藉由濺鍍法形成的AlN時，空隙密度成為1.0×107 /cm2 以下。此外，進行該測定的光學顯微鏡的精度的關係上，空隙密度為1.0×107 /cm2 以下的情形因無法掌握正確的值，因此在圖9以1.0×107 /cm2 以下而顯示。
如此，緩衝層10的空隙密度藉由變更緩衝層10的材質而變化。而且，藉由使緩衝層10的膜厚變化，也能使空隙密度變化。圖10是顯示緩衝層的膜厚與空隙密度的關係之圖表。在此處是緩衝層10以藉由濺鍍法形成的AlN而進行了測定。此外，後述的退火時間(annealing time)以5分。如圖10所示，若加大緩衝層10的膜厚，則空隙密度變低，若減小緩衝層10的膜厚，則空隙密度變高。
而且，當以濺鍍法形成緩衝層10時，可藉由濺鍍後的退火的有無而使空隙密度變化。在本實施形態中，以例如400℃到700℃藉由濺鍍形成緩衝層10，例如3分鐘到10分鐘，以例如900℃到1100℃進行退火，照那樣連續地形成半導體積層部19製作了LED元件1。
圖11是顯示LED元件中的波長與透射率的關係之圖表。透射率的測定是對LED元件1的藍寶石基板2照射規定波長的光於垂直的方向而進行。此處，試樣體1為以藉由濺鍍法形成緩衝層10退火時間以5分的AlN，緩衝層10的厚度以80nm而製作。而且，試樣體2為緩衝層10以藉由MOCVD法在低溫使其成長的GaN，緩衝層的厚度以25nm而製作。各試樣體都是凸部2c的週期以460nm。此外，在藉由MOCVD法在低溫使其成長的GaN中，即使使緩衝層的厚度變化，空隙密度也大致一定。
如圖11所示，若緩衝層10以藉由濺鍍法形成的AlN，則與藉由MOCVD法在低溫使其成長的GaN的情形比較，可理解透射率提高。具體上，在450nm的波長的光中，透射率提高了3.2%。此點被認為是起因於半導體積層部19中的空隙的產生被抑制。而且，使用各試樣體實際製作了LED元件的結果，光取出效率提高了9.4%。
若緩衝層10以藉由濺鍍法形成的AlN，則空隙的產生被抑制的理由考慮如下。首先，若利用濺鍍法形成緩衝層，則因原料由靶(target)朝藍寶石基板2直進，因此在藍寶石基板2的各凸部2c之間也均勻地形成有緩衝層10。此外，藉由緩衝層10以AlN，與GaN比較因遷移(migration)被抑制，故空隙的產生被抑制。
而且，製作複數個使空隙密度變化的LED元件1，進行了光取出效率如何變化的實驗。圖12是顯示LED元件中的空隙密度與光取出效率的關係之圖表。各LED元件1是緩衝層10以藉由濺鍍法形成的AlN，凸部2c的週期以460nm。空隙的密度藉由使緩衝層10的膜厚變化而使其變化。具體上，空隙密度以1.0×10/cm2 、2.6×102 /cm2 、1.3×104 /cm2 、2.3×107 /cm2 、5.0×108 /cm2 。此外，空隙密度的測定是藉由乾式蝕刻裝置(dry etching apparatus)對半導體積層部蝕刻使空隙露出，使用電子顯微鏡進行。據此，可得到比圖9所示的數據還高的精度的數據。
如圖12所示，空隙密度到2.3×107 /cm2 為止光取出效率比較良好，一成為5.0×108 /cm2 ，光取出效率就降低。也就是說，可理解為空隙密度一變高，光取出效率就降低。
圖13是顯示空隙密度與半導體積層部的貫通差排密度的關係之圖表。如圖13所示，貫通差排密度在空隙密度為1.0×10/cm2 時為1.0×109 /cm2 ，在2.6×102 /cm2 時為4.0×108 /cm2 ，在1.3×104 /cm2 時為3.2×108 /cm2 ，在2.3×107 /cm2 時為2.2×108 /cm2 ，在5.0×108 /cm2 時為1.6×108 /cm2 。如圖13所示，空隙密度為2.6×102 /cm2 以上貫通差排密度比較低，一成為1.0×10/cm2 ，貫通差排密度就變高。也就是說，可理解為空隙密度一變低，貫通差排密度就變高。
由以上，藉由在半導體積層部19的藍寶石基板2近旁包含以比凸部2c的週期小的尺寸形成，密度為2.6×102 /cm2 以上2.3×107 /cm2 以下的空隙，可使因空隙造成的提高半導體的結晶品質與抑制給予繞射作用不良的影響並存。
圖14是顯示緩衝層的厚度與透射率的關係之表。圖14中[FSS]是表示使用未形成有凹凸的藍寶石基板2之LED元件1， [MPSS]是表示使用如本實施形態形成有散佈的凸部的藍寶石基板2之LED元件1。各試樣體都是凸部2c的週期以460nm，緩衝層10以藉由濺鍍法形成的AlN，使厚度變化成20nm、40nm、60nm及80nm。 如圖14所示，在[FSS]中透射率大致一定，但在[MPSS]中緩衝層10的厚度一成為20nm，透射率就降低。此點可考慮為乃因半導體積層部19中的各半導體層表面的平坦性失去。如此，各半導體層表面的平坦性一失去，半導體的結晶品質就變差。
圖15是以極座標顯示LED元件的光分布特性之圖。此處，試樣體3為[MPSS]，緩衝層10以藉由MOCVD法在低溫使其成長的GaN，緩衝層10的厚度以25nm而製作。試樣體3的空隙密度為5.0×107 /cm2 。而且，試樣體4為[FSS]，緩衝層10以藉由MOCVD法在低溫使其成長的GaN，緩衝層10的厚度以25nm而製作。而且，試樣體5為緩衝層10以藉由濺鍍法形成的AlN，緩衝層10的厚度以60nm而製作。試樣體5的空隙密度為1.0×104 /cm2 。此外，在圖15的各圖中，以垂直於藍寶石基板2的方向為0度(光軸)而顯示。而且，各試樣體的發光層14的發光波長以450nm。
如試樣體4所示，當在藍寶石基板2的表面未形成有凸部2c時，光由LED元件1等向地(isotropically)射出。相對於此，如試樣體3及試樣體5所示，藉由形成可得到繞射作用的凸部2c而使光分布特性變化。具體上，如試樣體5所示，在光分布特性中在特定的角度域存在強度比其他高之處。判明了該處是由在反射部反射後透過繞射面的±1次的光造成的。
此處，試樣體3的光分布特性與試樣體5不同可考慮為是因形成於半導體積層部19中的空隙造成的光的散射的影響。也就是說，空隙密度一超過1.0×107 /cm2 ，散射的影響就變大，成為像試樣體3的光分布特性。如此散射的影響一變大，就變成對利用繞射作用取出光的LED元件1不利。
進而參照圖16至圖21根據模擬(simulation)就由LED元件1取出的光的光分布特性進行說明。圖16是以極座標顯示LED元件的光分布特性，(a)是顯示在藍寶石基板未形成有凸部的狀態之圖，(b)~(h)是顯示在藍寶石基板形成有凸部的狀態之圖。此處(b)是顯示週期為200nm之圖，(c)是顯示週期為225nm之圖，(d)是顯示週期為320nm之圖，(e)是顯示週期為450nm之圖，(f)是顯示週期為600nm之圖，(g)是顯示週期為700nm之圖，(h)是顯示週期為800nm之圖。此外，在圖16的各圖中，以垂直於藍寶石基板的方向為0度(光軸)而顯示。
此處為了確認模擬的計算值等是否妥當，比較由模擬得到的計算值與試樣體的實測值而進行了檢討。該檢討藉由比較由模擬計算的積分強度與使試樣體發光而得到的實測值而進行。圖17是顯示各基板的計算值與實測值之表。圖17中[FSS]是表示未形成有凹凸的基板，[PSS]是表示形成有線狀的凹凸的基板，[MPSS]是表示如本實施形態形成有散佈的凹部或凸部的基板。如圖17所示，任何基板計算值與實測值都大致一致，可理解為模擬的計算值等妥當。
針對圖16的光分布特性進行檢討。如圖16(a)所示，在藍寶石基板2的表面未形成有凸部2c的情形光由LED元件1等向地射出。相對於此，如圖16(b)~(h)所示，藉由形成可得到繞射作用的凸部2c而使光分布特性變化。具體上如圖16(b)、(c)等所示，在光分布特性中在特定的角度域存在強度比其他高之處A。判明了該處A是由在反射部反射後透過繞射面的±1次的光造成的。再者如圖16(b)~(h)所示，藉由使凸部2c的週期變化而使該處A的角度域變化。
圖18是就對光軸的規定角度範圍內的光顯示積分強度的變化之圖表。在圖18中，以橫軸為凸部的週期，以縱軸為對光軸±30度以內的積分強度。此處虛線是表示線狀凸部的週期為3μm的PSS基板的積分強度。而且，一點鏈線是表示FSS基板的積分強度。
如圖18所示，凸部2c的週期為225nm以上800nm以下，積分強度比PSS基板大。也就是說，以凸部2c的週期為P，以由發光層14發出的光的峰值波長為λ時，使其滿足如下的關係： 1/2×λ≦P≦16/9×λ 的話，可比PSS基板還加大光軸上的光強度。而且，在該式成立的條件下，由於是得到繞射作用的狀態，因此半導體積層部19的空隙的影響變大。
而且如圖18所示，凸部2c的週期為230nm以上700nm以下，積分強度比FSS基板大。也就是說，以凸部2c的週期為P，以由發光層14發出的光的峰值波長為λ時，使其滿足如下的關係： 23/45×λ≦P≦14/9×λ 的話，可比FSS基板還加大光軸上的光強度。而且，在該式成立的條件下，由於是得到繞射作用的狀態，因此半導體積層部19的空隙的影響變大。
圖19是顯示透射繞射光的容許次數與積分強度的關係之圖表。此處容許次數是指透射繞射光包含到幾次的成分呢(被容許呢)。此外，圖19中的一點鏈線是表示FSS基板的積分強度。
如圖19所示，關於透射繞射光若被容許到2次、3次或4次，則始終會超過FSS基板的積分強度，另一方面，當透射繞射光只被容許1次時，或被容許5次以上時，則低於FSS基板的積分強度。也就是說關於透射繞射光，設計以使包含至少2次的繞射光，不包含5次的繞射光較佳。
圖20是顯示反射繞射光的容許次數與積分強度的關係之圖表。此處容許次數是指反射繞射光包含到幾次的成分呢(被容許呢)。此外，圖20中的一點鏈線是表示FSS基板的積分強度。
如圖20所示，關於反射繞射光，若被容許3次以上，則始終會超過FSS基板的積分強度，另一方面，當反射繞射光只被容許2次以下時，則低於FSS基板的積分強度。也就是說關於反射繞射光，設計以使包含至少3次的繞射光較佳。
圖21是顯示凸部的週期與透射繞射光及反射繞射光的容許次數的關係之圖表。在圖21中也是發光層14的發光波長以450nm。 如圖21所示，關於透射繞射光，若被容許到2次、3次或4次的凸部2c的週期為260nm到620nm。也就是說，以凸部2c的週期為P，以由發光層14發出的光的峰值波長為λ時，使其滿足如下的關係： 26/45×λ≦P≦62/45×λ 的話，關於透射繞射光，容許次數成為2次到4次。
另一方面，關於反射繞射光，被容許3次以上的凸部2c的週期為280nm。也就是說，以凸部2c的週期為P，以由發光層14發出的光的峰值波長為λ時，使其滿足如下的關係： 28/45×λ≦P 的話，關於反射繞射光，容許次數成為3次以上。也就是說，為了使透射繞射光的容許次數成為2次到4次之間，反射繞射光的容許次數成為3次以上，使其滿足如下的關係： 26/45×λ≦P≦62/45×λ 的話即可。   
在如以上構成的LED元件1中，因半導體積層部19中的空隙密度成為1.0×107 /cm2 以下，故可使散射的影響成最小限度，不會損及由繞射作用產生的光分布特性。而且，因藉由濺鍍法形成緩衝層10，故可抑制半導體積層部19中的空隙的產生。進而藉由緩衝層10以AlN，可有效地抑制半導體積層部19中的空隙的產生。再者，藉由緩衝層10的厚度以60nm以下，與以往的[FSS]比較可提高半導體的結晶品質。進而藉由使緩衝層10的厚度超過20nm，可抑制半導體積層部19的結晶表面的平坦性惡化。
而且，在本實施形態的LED元件1中，因配設繞射面2a及反射部，故可使由元件射出的光的光分布特性變化成接近垂直。再者，以凸部2c的週期為P，以由發光層14發出的光的峰值波長為λ時，因使其滿足如下的關係： 1/2×λ≦P≦16/9×λ 故可加大由元件取出的光軸周圍的光量。因此，可利用繞射作用提高光的取出效率，同時利用起因於繞射的光分布特性實現適切的光分布。
而且在繞射面2a中，因關於透射繞射光使其被容許到2次、3次或4次，關於反射繞射光使其被容許3次以上，故可加大由元件取出的光軸周圍的光量。
而且，可藉由繞射面2a中的光的垂直化格外地縮短由發光層14發出的光到達藍寶石基板2的背面的距離，可抑制元件內部中的光的吸收。在LED元件中，因超過界面的臨界角的角度區域的光傳播於橫向，故有在元件內部光被吸收的問題，惟因在繞射面2a使超過臨界角的角度區域的光成接近垂直，故可飛躍地減少在元件內部被吸收的光。再者在本實施形態中，因反射部以介電質多層膜22、25與金屬層23、26的組合，對界面越接近垂直的角度反射率越高，故對於成為對界面接近垂直的光成為有利的反射條件。
圖22及圖23是顯示本發明的第二實施形態，圖22是LED元件之模式剖面圖。 如圖22所示，該LED元件101為面朝上(face-up)型，是在藍寶石基板102的表面上形成有由三族氮化物半導體層構成的半導體積層部119。該LED元件101為面朝上型，光主要被由與藍寶石基板102相反側取出。半導體積層部119由藍寶石基板102側起依如下的順序具有：緩衝層110、n型GaN層112、發光層114、電子阻隔層116、p型GaN層118。在p型GaN層118上形成有p側電極127，並且在n型GaN層112上形成有n側電極128。而且，p側電極127具有：形成於p型GaN層118上之擴散電極121，與形成於擴散電極121上的一部分之墊電極(pad electrode)122。
緩衝層110由AlN構成，形成於藍寶石基板102的表面上。緩衝層110為厚度40nm以下，藉由濺鍍法形成。而且，半導體積層部119中的空隙密度成為1.0×107 /cm2 以下。
在該LED元件101中，藍寶石基板102的表面構成繞射面102a。藍寶石基板102的表面形成平坦部102b，與週期地形成於平坦部102b的複數個凸部102c。各凸部102c的形狀除了圓錐、多角錐等的錐狀之外，也能以將錐的上部切掉的圓錐台、多角錐台等的錐台狀。各凸部102c被設計以使由發光層114發出的光繞射。在本實施形態中，可藉由週期地配置的各凸部102c得到光的垂直化作用。
本實施形態的繞射面102a是以凸部102c的週期為P，以由發光層114發出的光的峰值波長為λ時，滿足如下的關係： 1/2×λ≦P≦16/9×λ 而設定凸部102c的週期。而且，凸部102c的週期被設定以使透射繞射光包含至少2次的繞射光，不包含5次的繞射光。而且，凸部102c的週期被設定以使反射繞射光包含至少3次的繞射光。
此外，在緩衝層110與n型GaN層112之間配設藉由GaN的刻面形成(faceting)被促進的成長條件而不是n型GaN層112的成長條件成長的追加的GaN層也可以。作為對刻面形成有利的成長條件可考慮降低反應器(reactor)內的溫度，增加反應器內的壓力，減少NH3 的供給量，減少(CH3 )3 Ga的供給量等。藉由配設該GaN層，可不受到凸部102c的週期的影響而使半導體積層部119成良好的結晶品質。追加的GaN層例如可藉由一邊保持規定時間反應器內的溫度於950℃，壓力於930hPa，一邊供給2200sccm的NH3 、20sccm的(CH3 )3 Ga而形成。而且，n型GaN層112例如可藉由反應器內的溫度以1040℃，壓力以500hPa，供給8000sccm的NH3 、45sccm的(CH3 )3 Ga而形成。
圖23是LED元件之局部放大模式剖面圖。 如圖23所示，在藍寶石基板102的背面側形成有介電質多層膜124。介電質多層膜124藉由金屬層之Al層126被覆。在該發光元件101中，介電質多層膜124及Al層126構成反射部，在該反射部使由發光層114發出藉由繞射作用透過繞射面102a的光反射。然後，可藉由使藉由繞射作用透過的光再入射到繞射面102a，在繞射面102a再度利用繞射作用使其透過，以複數個模式將光取出到元件外部。
圖24是顯示反射部的反射率的一例之圖表。在圖24中，藉由ZrO2 與SiO2 的組合構成形成於藍寶石基板上的介電質多層膜的對數以5，重疊於介電質多層膜形成了Al層。如圖24所示，在入射角為0度到55度的角度域中實現99%以上的反射率。而且，在入射角為0度到60度的角度域中實現98%以上的反射率。而且，在入射角為0度到75度的角度域中實現92%以上的反射率。如此，介電質多層膜與金屬層的組合對於成為對界面接近垂直的光成為有利的反射條件。此外，確認了在藍寶石基板上僅形成Al層的情形不取決於入射角，成為約88%的一定的反射率。
在如以上構成的LED元件101中，因半導體積層部119中的空隙密度成為1.0×107 /cm2 以下，故可使散射的影響成最小限度，不會損及由繞射作用產生的光分布特性。而且，因藉由濺鍍法形成緩衝層110，故可抑制半導體積層部119中的空隙的產生。進而藉由緩衝層110以AlN，可有效地抑制半導體積層部119中的空隙的產生。再者，藉由緩衝層110的厚度以60nm以下，與以往的[FSS]比較可提高半導體的結晶品質。進而藉由使緩衝層110的厚度超過20nm，可抑制半導體積層部119的結晶表面的平坦性惡化。
而且，因配設繞射面102a及反射部，故可使由元件射出的光的光分布特性變化成接近垂直。再者，以凸部102c的週期為P，以由發光層114發出的光的峰值波長為λ時，因使其滿足如下的關係： 1/2×λ≦P≦16/9×λ 故可加大由元件取出的光軸周圍的光量。
而且在繞射面102a中，因關於透射繞射光使其被容許到2次、3次或4次，關於反射繞射光使其被容許3次以上，故可加大由元件取出的光軸周圍的光量。
而且，可格外地縮短由發光層114發出的光到達p側電極127的表面的距離，可抑制元件內部中的光的吸收。在LED元件中，因超過界面的臨界角的角度區域的光傳播於橫向，故有在元件內部光被吸收的問題，惟因在繞射面102a使超過臨界角的角度區域的光成接近垂直，故可飛躍地減少在元件內部被吸收的光。再者在本實施形態中，因反射部以介電質多層膜124與金屬層126的組合，對界面越接近垂直的角度反射率越高，故對於成為對界面接近垂直的光成為有利的反射條件。
此外，在第一及第二實施形態中雖然顯示了以週期地形成的凸部構成繞射面，但當然以週期地形成的凹部構成繞射面也可以。而且，除了將凸部或凹部排列於三角格子的交點而形成之外，例如也能排列於假想的正方格子的交點而形成。
而且，在第一及第二實施形態中雖然顯示了元件中的光的射出面為平坦的面，但例如如圖25及圖26所示，對光的射出面施以凹凸加工也可以。圖25的LED元件1是在倒裝晶片型的第一實施形態的LED元件中，對藍寶石基板2的背面施以凹凸加工。該藍寶石基板2的背面2g形成平坦部2h，與週期地形成於平坦部2h的複數個凸部2i。各凸部2i的形狀除了圓錐、多角錐等的錐狀之外，也能以將錐的上部切掉的圓錐台、多角錐台等的錐台狀。使藍寶石基板2的背面2g中的各凸部2i的週期比繞射面2a的週期短較佳。據此，藍寶石基板2的背面2g中的菲涅耳反射(Fresnel reflection)被抑制。
而且，圖26的LED元件101是在倒裝晶片型的第二實施形態的LED元件中，對p側電極127的表面施以凹凸加工。該p側電極127的表面127g形成平坦部127h，與週期地形成於平坦部127h的複數個凸部127i。各凸部127i的形狀除了圓錐、多角錐等的錐狀之外，也能以將錐的上部切掉的圓錐台、多角錐台等的錐台狀。使p側電極127的表面127g中的各凸部127i的週期比繞射面102a的週期短較佳。據此，p側電極127的表面127g中的菲涅耳反射被抑制。
而且，在第一及第二實施形態中雖然顯示了緩衝層以藉由濺鍍法形成的單層，但例如如圖27所示，緩衝層為藉由濺鍍法形成的第一層10a，與藉由MOCVD法在低溫成長的第二層10b構成者也可以。據此，與緩衝層以藉由濺鍍法形成的單層的情形比較，可使空隙密度同等同時更降低貫通差排密度。具體上，第一層10a以藉由濺鍍法形成的20nm的AlN，第二層10b以藉由MOCVD法在低溫成長的20nm的GaN的結果，關於空隙密度成為與緩衝層以藉由濺鍍法形成的40nm的單層的AlN的情形同等的值，關於貫通差排密度是比緩衝層以藉由濺鍍法形成的20nm的單層的AlN的情形的值還低。
而且，在第一及第二實施形態中雖然顯示了由發光層發出藍色光，但例如發出綠色、紅色等的光也可以。總之，只要凹部或凸部的週期與由發光層發出的光的峰值波長的關係滿足規定的條件的話即可。
1、101‧‧‧LED元件
2、102‧‧‧藍寶石基板
2a、102a‧‧‧繞射面
2b、102b‧‧‧平坦部
2c、2i、102c‧‧‧凸部
2g‧‧‧背面
2h‧‧‧平坦面
10、110‧‧‧緩衝層
10a‧‧‧第一層
10b‧‧‧第二層
12、112‧‧‧n型GaN層
14、114‧‧‧發光層
16、116‧‧‧電子阻隔層
18、118‧‧‧p型GaN層
19、119‧‧‧半導體積層部
21、24、121‧‧‧擴散電極
22、25、124‧‧‧介電質多層膜
22a‧‧‧第一材料
22b‧‧‧第二材料
22c、25c‧‧‧介層孔
23、26‧‧‧金屬電極
27、127‧‧‧p側電極
28、128‧‧‧n側電極
122‧‧‧墊電極
124‧‧‧介電質多層膜
126‧‧‧Al層
127g‧‧‧p側電極的表面
127h‧‧‧平坦部
127i‧‧‧凸部
圖1是顯示本發明的第一實施形態的LED元件之模式剖面圖。 圖2(a)、(b)是顯示不同的折射率的界面中的光的繞射作用之說明圖，(a)是顯示在界面反射的狀態，(b)是顯示透過界面的狀態。 圖3是顯示凹部或凸部的週期以500nm的情形的三族氮化物半導體層與藍寶石基板的界面中之由半導體層側入射到界面的光的入射角，與藉由在界面的繞射作用產生的透射角的關係之圖表。 圖4是顯示凹部或凸部的週期以500nm的情形的三族氮化物半導體層與藍寶石基板的界面中之由半導體層側入射到界面的光的入射角，與藉由在界面的繞射作用產生的反射角的關係之圖表。 圖5是顯示元件內部中的光的行進方向之說明圖。 圖6是LED元件之局部放大模式剖面圖。 圖7是顯示反射部的反射率的一例之圖表。 圖8(a)、(b)是顯示藍寶石基板，(a)是模式斜視圖，(b)是顯示A-A剖面之模式說明圖。 圖9是顯示凸部的週期與空隙密度的關係之表。 圖10是顯示緩衝層的膜厚與空隙密度的關係之圖表。 圖11是顯示LED元件中的波長與透射率(transmissivity)的關係之圖表。 圖12是顯示LED元件中的空隙密度與光取出效率的關係之圖表。 圖13是顯示空隙密度與半導體積層部的貫通差排密度(threading dislocation density)的關係之圖表。 圖14是顯示緩衝層的厚度與透射率的關係之表。 圖15是以極座標顯示LED元件的光分布特性(light distribution characteristics)之圖。 圖16是顯示LED元件的光分布特性，(a)是顯示在藍寶石基板未形成有凸部的狀態之圖，(b)~(h)是顯示在藍寶石基板形成有凸部的狀態之圖 圖17是顯示各基板的計算值與實測值之表。 圖18是就對光軸的規定角度範圍內的光顯示積分強度(integrated intensity)的變化之圖表。 圖19是顯示透射繞射光的容許次數與積分強度的關係之圖表。 圖20是顯示反射繞射光的容許次數與積分強度的關係之圖表。 圖21是顯示凸部的週期與透射繞射光及反射繞射光的容許次數的關係之圖表。 圖22是顯示本發明的第二實施形態的LED元件之模式剖面圖。 圖23是LED元件之局部放大模式剖面圖。 圖24是顯示反射部的反射率的一例之圖表。 圖25是顯示變形例的LED元件之模式剖面圖。 圖26是顯示變形例的LED元件之模式剖面圖。 圖27是顯示變形例的LED元件之模式剖面圖。
1‧‧‧LED元件
2‧‧‧藍寶石基板
2a‧‧‧繞射面
2b‧‧‧平坦部
2c‧‧‧凸部
10‧‧‧緩衝層
12‧‧‧n型GaN層
14‧‧‧發光層
16‧‧‧電子阻隔層
18‧‧‧p型GaN層
19‧‧‧半導體積層部
21、24‧‧‧擴散電極
22、25‧‧‧介電質多層膜
22c、25c‧‧‧介層孔
23、26‧‧‧金屬電極
27‧‧‧p側電極
28‧‧‧n側電極

Claims (5)

  1. 一種發光元件，包含： 在表面形成有以1μm以下的週期散佈的凹部或凸部之藍寶石基板；以及 形成於該藍寶石基板的表面上包含發光層由三族氮化物半導體構成的半導體積層部， 在該藍寶石基板與該半導體積層部的界面得到由該發光層發出的光的繞射作用，其中 在該半導體積層部的該藍寶石基板近旁包含以比該凹部或凸部的週期小的尺寸形成，密度為2.6×102 /cm2 以上2.3×107 /cm2 以下的空隙。
  2. 如申請專利範圍第1項之發光元件，其中該空隙的密度為1.0×107 /cm2 以下。
  3. 如申請專利範圍第2項之發光元件，其中該半導體積層部具有形成於該藍寶石基板側的緩衝層， 該緩衝層藉由濺鍍法形成。
  4. 如申請專利範圍第3項之發光元件，其中該半導體積層部具有形成於該藍寶石基板側的緩衝層， 該緩衝層由AlN構成。
  5. 如申請專利範圍第4項之發光元件，其中以該凹部或凸部的週期為P，以由該發光層發出的光的峰值波長為λ時，滿足如下的關係： 1/2×λ≦P≦16/9×λ。
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