Led元件及其制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种LED元件及其制造方法。
【背景技术】
[0002]公知有一种LED元件，其具备:ΙΠ族氮化物半导体，其形成于蓝宝石衬底的表面上并包含发光层；衍射面，其形成于蓝宝石衬底的表面侧，入射从发光层发出的光，以比该光的光学波长大且比该光的相干长度小的周期形成有凹部或凸部；A1反射膜，其形成于衬底的背面侧，反射由衍射面衍射的光，再使其向衍射面入射(参照专利文献1)。在该LED元件中，使通过衍射作用透射的光再入射到衍射面，通过利用衍射面再利用衍射作用使其透射，可以以多种模式向元件外部取出光。
[0003]现有技术文献
[0004]专利文献
[0005]专利文献1:国际公开第2011/027679号
【发明内容】
[0006]发明所要解决的课题
[0007]本申请发明人调查研究光取出效率的进一步提高。
[0008]本发明是鉴于上述情况而创立的，其目的在于，提供可以进一步提高光取出效率的LED元件及其制造方法。
[0009]用于解决课题的技术方案
[0010]为实现所述目的，本发明提供一种LED元件，其具备:包含发光层的半导体层叠部；衍射面，其被从所述发光层发出的光入射，并以比该光的光学波长大且比该光的相干长度小的周期形成凸部，按照布拉格衍射条件以多种模式反射入射光，并且按照布拉格衍射条件以多种模式透射入射光；反射面，其将由所述衍射面衍射的光进行反射并向所述衍射面再次入射。所述半导体层叠部在所述凸部的周围无间隙地形成在所述衍射面上，在所述衍射面，俯视时所述平坦部的比例为40%以上。
[0011]另外，本发明提供一种LED元件的制造方法，在制造上述LED元件时，包含:在蓝宝石衬底的表面上形成掩模层的掩模层形成工序；在所述掩模层上形成抗蚀剂膜的抗蚀剂膜形成工序；在所述抗蚀剂膜形成规定的图案的图案形成工序；以所述抗蚀剂膜作为掩膜进行所述掩膜层的蚀刻的掩膜层的蚀刻工序；以被蚀刻的所述掩模层作为掩模，进行所述蓝宝石衬底的蚀刻而形成所述凸部的衬底的蚀刻工序；在被蚀刻的所述蓝宝石衬底的表面上形成所述半导体层叠部的半导体形成工序。
[0012]进而，提供一种LED元件，其具备:蓝宝石衬底；形成于所述蓝宝石衬底的表面上并包含发出蓝色光的发光层的半导体层叠部，所述蓝宝石衬底的表面具有俯视时配置在假想的三角格子或者四角格子的交点的多个凹部或者凸部，构成所述假想的三角格子或者四角格子的三角形或者四边形不是正多边形，其各边的长度比所述蓝色光的光学波长的2倍大且比相干长度小。
[0013]进而，提供一种LED元件，其具备:衬底；形成于所述衬底的表面上的包含发光层的半导体层叠部；形成于所述衬底的背面上的反射部；形成于所述半导体层叠部上的电极。所述电极具有:形成于所述半导体层叠部上的扩散电极层；蛾眼层，该蛾眼层形成在所述扩散电极层上，表面形成具有比从所述发光层发出的光的光学波长的2倍小的周期的凹部或凸部的透射蛾眼面，所述蛾眼层由对于从所述发光层发出的光，消光系数比构成所述扩散电极层的材料小且折射率与构成所述扩散电极层的材料大体相同的材料构成。
[0014]发明效果
[0015]根据本发明的LED元件，可以进一步提高光取出效率。
【附图说明】
[0016]图1是表示本发明第一实施方式的LED元件的示意剖面图；
[0017]图2是表示不同的折射率的界面的光的衍射作用的说明图，(a)表示在界面反射的状态，(b)表示透过界面的状态；
[0018]图3是表示凹部或凸部的周期为500nm的情况下的III属氮化物半导体层和蓝宝石衬底的界面的从半导体层侧向界面入射的光的入射角、和在界面的衍射作用下的透射角的关系的曲线图；
[0019]图4是表示凹部或凸部的周期为500nm的情况下的III属氮化物半导体层和蓝宝石衬底的界面的从半导体层侧向界面入射的光的入射角、和在界面的衍射作用下的反射角的关系的曲线图；
[0020]图5是表示元件内部的光的行进方向的说明图；
[0021]图6是LED元件的局部放大示意剖面图；
[0022]图7表示蓝宝石衬底，(a)是示意立体图，(b)是表示A — A剖面的示意说明图，(c)是示意放大说明图；
[0023]图8是表示凸部的配置状态的平面示意图，(a)是假想的三角格子为正三角形时的状态，(b)是假想的三角格子为等腰三角形时的状态；
[0024]图9是表示假想的三角格子或者四角格子为正多边形时的一个边的长度和光取出效率的关系的曲线图；
[0025]图10是表示假想的三角格子为等腰三角形时的等边的长度和光取出效率的关系的曲线图；
[0026]图11是等离子体蚀刻装置的概略说明图；
[0027]图12是表示蓝宝石衬底的蚀刻方法的流程图；
[0028]图13A表示蓝宝石衬底及掩模层的蚀刻方法的过程，(a)表示加工前的蓝宝石衬底，(b)表示在蓝宝石上形成掩模层的状态，(c)表示在掩模层上形成抗蚀剂膜的状态，(d)表示模型与抗蚀剂膜接触的状态，(e)表示在抗蚀剂膜上形成图案的状态；
[0029]图13B表示蓝宝石衬底及掩模层的蚀刻方法的过程，(f)表示除去了抗蚀剂膜的残膜的状态，(g)表示使抗蚀剂膜改质的状态，(h)表示以抗蚀剂膜为掩模蚀刻掩模层的状态，(i)表示以掩模层为掩模蚀刻蓝宝石衬底的状态；
[0030]图13C表示蓝宝石衬底及掩模层的蚀刻方法的过程，(j)表示以掩模层为掩模进一步蚀刻蓝宝石衬底的状态，(k)表示从蓝宝石衬底除去残留的掩模层的状态，(1)表示对蓝宝石衬底实施湿式蚀刻的状态；
[0031]图14是表示改变Ni层的厚度时的凸部的基端部的直径和凸部的高度的关系的曲线图；
[0032]图15是表示凸部的周期以及C面区域的比例和位错密度是否达到规定值以下的表格图；
[0033]图16是表示实施例1的反射部的反射率的曲线图；
[0034]图17是表示实施例2的反射部的反射率的曲线图；
[0035]图18是表示本发明的第二实施方式的LED元件的示意剖面图；
[0036]图19是LED元件的局部放大示意剖面图；
[0037]图20是表示实施例3的反射部的反射率的曲线图；
[0038]图21是表示实施例4的反射部的反射率的曲线图；
[0039]图22是表示本发明第二实施方式的LED元件的示意剖面图；
[0040]图23是表示元件内部的光的行进方向的说明图；
[0041]图24是加工蛾眼层的说明图，(a)表示在透射蛾眼面形成有第一掩膜层的状态，(b)表示在第一掩膜层上形成有抗蚀剂层的状态，(c)表示对抗蚀剂层有选择性地照射电子射线的状态，(d)表示将抗蚀剂层显影并除去的状态，(e)表示形成有第二掩膜层的状态；
[0042]图25是加工蛾眼层的说明图，(a)表示完全除去抗蚀剂层的状态，(b)表示以第二掩膜层为掩膜蚀刻第一掩膜层的状态，(c)表示除去第二掩膜层的状态，(d)表示以第一掩膜层为掩膜蚀刻透射蛾眼面的状态，(e)表示除去第一掩膜层的状态。
[0043]符号说明
[0044]1 LED 元件
[0045]2 蓝宝石衬底
[0046]2a 垂直化蛾眼面
[0047]2b 平坦部
[0048]2c 凸部
[0049]2d 侧面
[0050]2e 弯曲部
[0051]2f 上面
[0052]2g 透射蛾眼面
[0053]2h 平坦部
[0054]2i 凸部
[0055]10 缓冲层
[0056]12 η 型 GaN 层
[0057]14 发光层
[0058]16 电子阻挡层
[0059]18 p 型 GaN 层
[0060]19 半导体层叠部
[0061]21扩散电极
[0062]22电介体多层膜
[0063]22a第一材料
[0064]22b第二材料
[0065]22c通孔
[0066]23金属电极
[0067]24扩散电极
[0068]25电介体多层膜
[0069]25a通孔
[0070]26金属电极
[0071]27p侧电极
[0072]28η侧电极
[0073]30掩模层
[0074]31S1jl
[0075]32Ni 层
[0076]40抗蚀剂膜
[0077]41凹凸构造
[0078]42残膜
[0079]43凸部
[0080]50模型
[0081]51凹凸构造
[0082]91等离子体蚀刻装置
[0083]92衬底保持台
[0084]93容器
[0085]94线圈
[0086]95电源
[0087]96石英板
[0088]97冷却控制部
[0089]98等离子体
[0090]101LED 元件
[0091]102蓝宝石衬底
[0092]102a垂直化蛾眼面
[0093]110缓冲层
[0094]112η 型 GaN 层
[0095]114发光层
[0096]116电子阻挡层
[0097]118p 型 GaN 层
[0098]119半导体层叠部
[0099]122焊盘电极
[0100]124电介体多层膜
[0101]124a第一材料
[0102]124b第二材料
[0103]126A1 层
[0104]127p 侧电极
[0105]127g透射蛾眼面
[0106]128η 侧电极
[0107]201LED 元件
[0108]202蓝宝石衬底
[0109]202a垂直化蛾眼面
[0110]202b平坦部
[0111]202c凸部
[0112]210缓冲层
[0113]212η 型 GaN 层
[0114]214发光层
[0115]216电子阻挡层
[0116]218p 型 GaN 层
[0117]219半导体层叠部
[0118]221扩散电极层
[0119]222蛾眼层
[0120]223焊盘电极
[0121]224电介体多层膜
[0122]226A1 层
[0123]227p 侧电极
[0124]227g透射蛾眼面
[0125]227h平坦部
[0126]227?凸部
[0127]228η 侧电极
[0128]330第一掩膜层
[0129]330a开口
[0130]332抗蚀剂层
[0131]332a开口
[0132]334型版掩模
[0133]334a开口
[0134]336第二掩膜层
【具体实施方式】
[0135]图1是表示本发明第一实施方式的LED元件的示意剖面图。
[0136]如图1所示，LED元件1是在蓝宝石衬底2的表面上形成有由III族氮化物半导体层构成的半导体层叠部19的元件。该LED元件1是倒装片型，主要从蓝宝石衬底2的背面侧取出光。半导体层叠部19从蓝宝石衬底2侧按顺序具有缓冲层10、n型GaN层12、发光层14、电子阻挡层16、p型GaN层18。在p型GaN层18上形成有p侧电极27，并且在η型GaN层12上形成有η侧电极28。
[0137]如图1所示，缓冲层10形成于蓝宝石衬底2的表面上，由Α1Ν构成。本实施方式中，缓冲层 10 通过MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposit1n)法形成，但也可以使用溅射法。作为第一导电型层的η型GaN层12形成于缓冲层10上，由η — GaN构成。发光层14形成于η型GaN层12上，由GalnN/GaN构成，通过电子及空穴的注入而发出蓝色光。在此，蓝色光是指例如峰值波长为430nm以上480nm以下的光。本实施方式中，发光层14的发光的峰值波长为450nm。
[0138]电子阻挡层16形成于发光层14上，由p — AlGaN构成。作为第二导电型层的p型GaN层18形成于电子阻挡层16上，由p — GaN构成。从η型GaN层12至p型GaN层18通过III族氮化物半导体的外延成长而形成，在蓝宝石衬底2的表面周期性地形成有凸部2c，但在III族氮化物半导体的成长初期实现横方向成长的平坦化