发光元件、其制造方法以及LED灯技术

一种发光元件，该发光元件具有基板（１）、半导体层（３）、发光层（５），其特征在于，基板和层积在其上的半导体层的折射率不同，在该基板的层积半导体层的面上形成具有倾斜侧面的凹凸（２），将该倾斜侧面的相对于基板面的角度设为３０°＜θ＜６０°。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及提高了光取出效率的发光二极管(LED)及其制造方法、以及使用了上述发光元件的LED灯。
技术介绍
提高了能源消耗效率(外部量子效率)的发光元件在推进节省能源上是被人们所期望。在层积在蓝宝石基板上的GaN系发光二极管中，以往的382nm附近的发光二极管(LED)的外部量子效率，在日本特开2002-164296号公报中是24％。外部量子效率，作为“内部量子效率×电压效率×光取出效率”的积被分解为3要素，但可实测的电压效率(约90～95％)以外的2要素是不可实测的，不判断它们的水平而主要探讨由结晶品质或结构最适合化带来的内部量子效率的提高。另一方面，作为光取出效率提高的例子，一直以来都在进行着如下的方法用折射率接近半导体的树脂覆盖LED芯片，使发出的光有效地透过树脂，进而通过将树脂表面加工成球面来抑制树脂与空气界面的全反射。另外，作为通过将基板磨削成倒台面型而实现2倍左右的光取出效率增加的例子，美国Cree公司以X-Bright系列在市场上销售。另一方面，作为实施半导体结晶的低位错化的方法，已知的有在半导体结晶基板表面制造凹凸，并使其生长的方法。例如，在III族氮化物半导体中，展现出了通过在蓝宝石基板表面形成条纹状的槽，低温生长GaN缓冲层，并在其上以高温使III族氮化物半导体结晶外延生长，从而可降低位错密度的情况。为了该位错密度的降低，槽的倾斜角度最好是被设在60°或其以上(例如上述特开2002-164296号公报，K.Tadatomo、et al.，Japanese Journal of Applide Physics、2001年、第40卷、p.L583-L585)。但是，在这些文献中，没有提及到光的取出效率。一般来说由于发光元件(LED)的发光层的折射率大于其外部的介质的折射率，因此大于全反射角的入射角的光线不能从发光层取出到外部。本专利技术的目的在于提供一种通过在折射率不同的2层的界面上导入具有倾斜的侧面的凹凸，从而可将被发光层全反射的光线取出到外部，可提高光的取出效率的发光元件、其制造方法以及采用了上述发光元件的LED灯。首先，对最初得到本专利技术的经过的模拟进行说明。为了估计上述不可实测的光取出效率和内部量子效率，本专利技术者通过光学模拟估计来自LED的光取出效率。作为单纯化的LED的模型，采用了在300μm方、厚度100μm的蓝宝石基板上层积300μm方、厚度6.1μm的GaN层的结构。在300μm方的中心，在从GaN表面进入到GaN层内0.1μm的点上配置有各向同性地发光的点光源。折射率分别是蓝宝石为n＝1.8，GaN为n＝2.7(发光波长是380nm时)或者n＝2.4(发光波长是400nm时)，其外部用n＝1.4的有机硅树脂填满。GaN的每个波长的折射率通过实测市场销售的GaN散装基板而求得。从点光源向任意的方向发出多条光线(蒙特-卡罗法)，光线在折射率不同的各界面按照所计算出的比率被分路成遵循菲涅耳式折射的光线和反射的光线。假设光线产生数是50万条，分路限度是10次。将聚光面假想设定在从树脂与基板背面、半导体层表面、侧面的各个界面稍微偏离的树脂侧，并算出来自各面的光取出效率。表1，展示了分别对在基板上没有设置凹凸结构的情况(①、②)和在基板的表面设置有如图1所示的凹凸结构的情况(③)，通过模拟来计算来自于基板面、半导体层面、侧面的光取出效率的结果。(表1) 根据该结果，在基板上没有设置凹凸结构的情况下，当发光波长是400nm时，光的取出效率的合计是大约55％，发光波长是382nm时，合计是大约40％。试着将该结果使用于前述的Japanese Journal of Applied Physics所记载的LED。在该文献中对于采用了蓝宝石基板的III族氮化物半导体的LED，记载为在发光波长382nm下，外部量子效率是24％，在发光波长是400nm下，外部量子效率是30％。如果该外部量子效率的24％假设为24％＝内部量子效率60％×电压效率95％×光取出效率40％，30％假设为30％＝内部量子效率60％×电压效率90％×光取出效率55％，则可以将与发光波长无关的内部量子效率都设为60％并统一地说明，并认为模拟的结果基本合理。根据该模拟，由于光的取出效率在波长为400nm下大约是55％，在波长是382nm下大约是40％，所以表现出了分别具有1.8倍、2.5倍的提高的余地。另外，内部量子效率具有大约1.6倍的提高的余地。本专利技术涉及其中的光的取出效率。根据模拟结果的详细的解析可知，如何能够在用折射率n＝1.4的树脂密封时，使从GaN层向蓝宝石基板透过的光线100％通过树脂而被取出到外部，如何能够将被GaN层封闭在内的光线组向蓝宝石基板或树脂取出，在提高光的取出效率上是非常重要的。要想有效地使光线从GaN层透过蓝宝石基板或树脂，只要使GaN层和基板的界面倾斜，并使得光线入射到界面上的角度不超过全反射角即可。其最合适的倾斜角是45°。表1的③中展示了在GaN层3和蓝宝石基板1的界面上引入了图1所示的倾斜角45°的条纹状的凹凸结构2时的计算结果。可知虽然从半导体层面透过树脂而取出到外部的光取出效率基本没有变，但提高了从蓝宝石背面和侧面向外部取出的光取出效率。其结果，总体来说，可以预计到在发光波长382nm(GaN的折射率是2.7)时，与②相比较，会有2倍或其以上的光取出效率的提高。再者，对于凹凸结构的上面、底面、倾斜面的比率而言，没有上面、底面而只有倾斜面的结构，是光取出效率提高的效果最好的，因此是理想的。本专利技术是根据上述的模拟而研制成的。
技术实现思路
该专利技术以如下特征构成，在具有基板、半导体层、发光层的发光元件中，基板和层积在该基板上的半导体层的折射率不同，在该基板的层积半导体层的面上形成具有倾斜侧面的凹凸，将该倾斜侧面的相对于基板面的角度设为30°＜θ＜60°。另外，该专利技术以如下特征构成，在具有基板、半导体层、发光层的发光元件中，所层积的半导体层彼此间的折射率不同，在该半导体层的层积界面上形成具有倾斜侧面的凹凸。在上述发光元件中，包括如下特征，凹凸的倾斜侧面的相对于基板的角度θ是30°＜θ＜60°。在上述发光元件中，包括如下特征，凹凸是条纹状的V字状槽、条纹状的侧面倾斜突起、侧面倾斜凹坑的任意一种。在上述发光元件中，包括如下特征，基板是蓝宝石(Al2O3)，半导体层是AlxGayIn1-x-yN(0≤x≤1、0≤y≤1)的情况。另外，本专利技术包括制造上述的半导体元件的制造方法，在具有基板、半导体层、发光层的发光元件的制造方法中，包括如下特征，通过高温处理、选择性蚀刻、磨削中的任意一种方法，在基板的层积半导体层的一侧的表面上设置凹凸。另外，本专利技术包括制造上述的发光元件的制造方法，在具有基板、半导体层、发光层的发光元件的制造方法中，包括如下特征，通过在基板的表面形成选择生长用的掩模，在该基板上设置侧面倾斜的半导体的突起，从而在半导体层的层积界面上形成具有倾斜侧面的凹凸。另外，本专利技术包括制造上述的半导体元件的制造方法，在具有基板、半导体层、发光层的发光元件的制造方法中，包括如下特征，通过利用高温处理、选择性蚀刻、磨削中的任意一种方法，在半导体层的表面上设置具有倾斜侧面的凹凸，在半导体本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种发光元件，该发光元件具有基板(1)、半导体层(3)、发光层(5)，其特征在于，基板和层积在其上的半导体层的折射率不同，在该基板的层积半导体层的面上形成具有倾斜侧面的凹凸(2)，将该倾斜侧面的相对于基板面的角度设为30°＜θ＜60°。2.一种发光元件，该发光元件具有基板(1)、半导体层(3)、发光层(5)，其特征在于，所层积的半导体层彼此的折射率不同，在该半导体层的层积界面上形成有具有倾斜侧面的凹凸(2)。3.如权利要求2所述的发光元件，其特征在于，凹凸(2)的倾斜侧面的相对于基板的角度θ是30°＜θ＜60°。4.如权利要求1～3的任意一项所述的发光元件，其特征在于，凹凸(2)是条纹状的V字状槽、条纹状的侧面倾斜突起、侧面倾斜凹坑的任意一种。5.如权利要求1～4的任意一项所述的发光元件，其特征在于，基板(1)是蓝宝石(Al2O3)，半导体层(3)是AlxGayIn1-x-yN(0≤x≤1、0≤y≤1)。6.一种权利要求1所述的半导体元件的制造方法，它是具有基板(1)、半导体层(3)、发光层(5)的发光元...

【专利技术属性】
技术研发人员：安田刚规，
申请(专利权)人：昭和电工株式会社，
类型：发明
国别省市：