[发明专利]光学用基材以及半导体发光元件

说明书

技术领域

本发明涉及光学用基材以及半导体发光元件。更详细地来说，涉及在表面形成有微细结构的光学用基材以及使用了该光学用基材的半导体发光元件、和能够适用于它们的纳米压印模具以及用于制作它们的曝光装置。

背景技术

以蓝色LED为代表的GaN系半导体元件是在单晶基板上通过外延生长层压n层、发光层和p层而被制造的，一般使用蓝宝石单晶基板、SiC单晶基板作为基板。但是，例如由于在蓝宝石晶体和GaN系半导体晶体之间存在晶格失配，则由于该晶格失配会产生错位（例如，参照非专利文献1）。该错位密度达到1×10⁹个/cm²。由于该错位，在LED内部的内量子效率下降，其结果是，LED的发光效率会下降。

又，由于GaN系半导体层的折射率比蓝宝石基材要大，因此在半导体发光层内产生的光不会以临界角以上的角度从半导体发光层与蓝宝石基材的界面出射，而是变成导光模式并衰减，结果具有外量子效率降低的问题。又，作为单晶基板，在使用折射率远大于空气层的SiC基板的情况下，不会以临界角以上的角度从SiC基板与空气层的界面出光。因此，与使用蓝宝石基板的情况一样，在半导体发光层内产生的发出光变成导波模式并衰减，存在外量子效率降低的问题。

因此，提出了在基板上设置使半导体不产生缺陷的凹凸，改变在半导体层中的光的导波方向从而提高外量子效率的技术（例如，参照专利文献1）。

又，提出有将设置在基板上的凹凸结构的大小设定为纳米尺寸，随机配置凹凸结构的图案的蓝宝石基材的技术（例如，参照专利文献2）。另外，报道称，如果设置在基板上的图案尺寸是纳米尺寸的话，则相比于微小尺寸的图案基板，LED的发光效率就得到提高（例如，参照非专利文献2）。还提出有在p型半导体层的上表面设置凹凸结构，减少其与透明导电膜的接触电阻的GaN系半导体元件（例如，参照专利文献3）。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2003-318441号公报

专利文献2：日本特开2007-294972号公报

专利文献3：日本特开2005-259970号公报

非专利文献

非专利文献1：IEEE photo.Tech.Lett.,20,13（2008）

非专利文献2：J.Appl.Phys.,103,014314（2008）

发明内容

发明要解决的课题

作为决定表示LED发光效率的外量子效率EQE（External Quantum Efficiency）的主要因素，列举有电子注入效率EIE（Electron Injection Efficiency）、内量子效率IQE（Internal Quantum Efficiency）以及光提取效率LEE（Light Extraction Efficiency）。其中，内量子效率IQE仰赖于以GaN系半导体晶体的晶体失配为原因的错位密度。利用由设置在基板上的凹凸结构导致的光散射，GaN系半导体晶体层内部的导波模式被消除，由此，光提取效率LEE得到改善。进一步地，通过降低p型半导体层与由ITO、ZnO、In₂O₃、SnO₂等氧化物构成的透明导电膜的界面电阻，改善电子注入效率EIE。特别是，由于ITO等透明导电材料是n型导电体，因此很容易在该透明导电材料与p型半导体层的界面形成肖特基势垒，由此欧姆性降低，接触电阻容易增加。因此，通过在透明导电材料与p型半导体层的界面上形成凹凸结构，增加接触面积，提高欧姆接触来进行改善。

也就是说，作为半导体发光元件中的凹凸结构的作用（效果），列举有：（1）通过减少半导体晶体内的错位改善内量子效率IQE，（2）通过消除导波模式改善光提取效率LEE，（3）通过提高欧姆接触改善电子注入效率EIE。