專利名稱：半導(dǎo)體發(fā)光元件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是涉及半導(dǎo)體發(fā)光元件，尤其是涉及由GaN、InGaN、AlGaN等氮化物半導(dǎo)體形成的半導(dǎo)體發(fā)光元件。
背景技術(shù)：
近年來，通過使用以GaN為代表的氮化物系化合物半導(dǎo)體，能從到目前難以實現(xiàn)的紫外光，以極強的發(fā)光強度，發(fā)光藍色、綠色波長帶的光，所以使用這些氮化物系化合物半導(dǎo)體的發(fā)光二極管(LED)或半導(dǎo)體激光器等發(fā)光元件的研制開發(fā)廣為盛行。尤其是LED，與半導(dǎo)體激光器相比，易于制造和控制，與熒光燈相比，壽命長，所以期待一種使用氮化物系化合物半導(dǎo)體的LED，作為照明用光源。
以下對一例以往的氮化物系化合物半導(dǎo)體進行說明。圖16是表示在現(xiàn)有技術(shù)文獻1(特開2000-196152號公報)的圖10中，公開的以往的氮化物系化合物半導(dǎo)體LED的結(jié)構(gòu)立體圖。
如圖16所示，以往的LED中，包括藍寶石基板101、依次結(jié)晶生長的GaN緩沖層(未圖示)、n型GaN層102、InGaN活性層103、和p型GaN層104、并通過蝕刻除去一部分InGaN活性層103和p型GaN層104，在底部設(shè)有露出n型GaN層102的溝108。在溝108的底面露出的n型GaN層102上，設(shè)有n側(cè)電極106，在p型GaN層104上，設(shè)置P側(cè)透明電極105，在其部分上，設(shè)有P側(cè)()連接電極107。
該LED如下工作。通過P側(cè)連接電極107注入的空穴，在P側(cè)透明電極105上橫向擴展，從p型GaN層104注入InGaN活性層103中。另一方面，通過幾側(cè)電極106注入的電子，從n型GaN層102注入InGaN活性層103中。這樣，在InGaN活性層103中，空穴和電子進行再結(jié)合而產(chǎn)生發(fā)光。該光通過P側(cè)透明電極105由LED釋放出。
然而，在這種以往的結(jié)構(gòu)中，存在所謂光取出效率低的問題。所謂光取出效率是活性層產(chǎn)生的光中，從LED釋放到空氣中的比率。光取出效率低的原因，是由于半導(dǎo)體的折射率大于空氣，所以來自活性層的光在半導(dǎo)體和空氣的界面處形成全反射，而關(guān)閉在LED內(nèi)部的原故。例如，在波長450nm的光時，GaN的折射率為2.45，所以產(chǎn)生全反射的臨界折射角小于23度。即，從相對于半導(dǎo)體和空氣界面的法線看，以大于該臨界角的角度，從活性層輻射出的光，在半導(dǎo)體和空氣的界面處形成全反射，最終，從活性層放出的光，只有約4％射出到LED外部。如此，在使用以往的氮化物系化合物半導(dǎo)體的LED中，存在的問題是外部量子效率(投入到LED的電流中，從LED射出光的效率)低，結(jié)果，與熒光燈相比，電力轉(zhuǎn)換效率(投入的電力中，取出的光輸出效率)也低。
作為對此問題的解決對策，如現(xiàn)有技術(shù)文獻1的圖5中所公開的，提出在LED表面上形成凹凸的技術(shù)。圖17是表示現(xiàn)有技術(shù)文獻1的圖5中公開的以往氮化物系化合物半導(dǎo)體LED的結(jié)構(gòu)立體圖。
圖17所示的結(jié)構(gòu)中，在p型GaN層104上形成有凹凸的半球透鏡結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)中，從相對于p型透明電極105的平面部與空氣界面的法線看，角度大于臨界折射角的光，射入設(shè)有凹凸部分上時，可形成比臨界折射角小的入射角度。因此，活性層中產(chǎn)生的光不會全反射，提高了向LED外部的釋放準確率，并提高外部量子效率。
然而，在根據(jù)如現(xiàn)有技術(shù)文獻1中提出的原理，提高光取出效率的技術(shù)中，由凹凸面的形狀而敏感地變動光的入射角，所以存在凹凸面的設(shè)計卻非常難，并在制造元件時，因尺寸變動而導(dǎo)致特性不穩(wěn)定的問題。進而，為了提高光取出效率，需要形成數(shù)μm左右深的凹凸，而氮化物系化合物半導(dǎo)體的耐蝕刻性又很高，所以存在加工難的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種具有外部量子效率高的，同時具有特性穩(wěn)定，設(shè)計加工簡易的氮化物系化合物半導(dǎo)體的發(fā)光二極管。
本發(fā)明半導(dǎo)體發(fā)光元件，包括具有含氮化物活性層的半導(dǎo)體多層膜；在該半導(dǎo)體多層膜上設(shè)置的，上面具有二維周期結(jié)構(gòu)的凹凸(二維周期結(jié)構(gòu)的凹部或凸部)，并具有將來自上述活性層產(chǎn)生的光，在上述凹凸結(jié)構(gòu)中衍射，并導(dǎo)向半導(dǎo)體層膜外部的透明層的元件。
由此，對于透明層和空氣的界面，以比臨界折射角大的輻射角度從活性層發(fā)出的光，即使輻射角度比臨界射角小，在以往形成全反射的光也能取出到外部。因此，提高了光取出效率。
這里，為了產(chǎn)生衍射，凹凸部分具有二維周期結(jié)構(gòu)就可以。二維周期結(jié)構(gòu)與一維周期結(jié)構(gòu)的衍射光柵不同，對于任何方向輻射角度的光都能產(chǎn)生衍射的作用，從而提高光取出效率的效果很高。在縱向及橫向上以一定間隔設(shè)置成凹凸就能產(chǎn)生衍射，所以與以往的利用透鏡折射光來提高光取出效率的方法相比較，因凹凸形狀或尺寸變動，對光取出效率的影響少。因此，即使是制造過程中，凹凸部分的形狀和尺寸發(fā)生變動，也能確保高的光取出效率，而且設(shè)計加工簡便，因此能提高制造成品的合格率。
將上述凹凸的凹部與上述活性層的距離取為D，將來自上述活性層的光在上述元件中的波長取為λ時，在D≤5λ時，由于凹凸與活性層接近，即使凹凸的高度沒有那樣大，也能實現(xiàn)由衍射作用提高光取出效率，所以易于加工。
另外，將上述凹凸的周期(間隔)取為L，將來自上述活性層的光在上述元件中的波長取為λ時，在λ≤L≤20λ時，可產(chǎn)生有效的衍射，從而實現(xiàn)了光取出效率的提高。在λ＜1時，因衍射，角度變化過大，不能提高光取出效率。在λ＞20時，會降低光取出效果。這是因為周期過長，衍射效率降低，所以由衍射改變輻射角度光的比率會減少。
另外，將上述凹凸的高度取為h，將來自上述活性層的光在上述元件中的波長取為λ時，在h≤5λ時，由于形成的凹凸的高度淺，所以易于加工。
上述透明層為第1氮化物半導(dǎo)體層時，也可以在該第1氮化物半導(dǎo)體層上設(shè)置電極層。這種情況下，由于在折射率高的氮化物半導(dǎo)體層上直接形成凹凸，所以衍射的效率高，并且提高光取出效率的效果高。
這種情況下，在上述電極層的上面，也可以設(shè)置反映上述第1氮化物半導(dǎo)體層上面的上述凹凸的凹凸。
另外，上述電極層可以是膜厚50nm以下(“以下”含義為“小于或等于”，下同)的金屬或金屬氧化物。
上述電極層也可以是銦錫氧化物。
上述半導(dǎo)體多層膜，還具有設(shè)在上述活性層上的第1導(dǎo)電型氮化物半導(dǎo)體層，和設(shè)在上述活性層下的第2導(dǎo)電型氮化物半導(dǎo)體層，上述透明層也可以具有設(shè)在上述第1導(dǎo)電型氮化物半導(dǎo)體層上的電極層。
這種情況下，在上述電極層的上面，也可以設(shè)置上述二維周期結(jié)構(gòu)的凹凸。這種情況下，與第1導(dǎo)電型氮化物半導(dǎo)體層的凹凸部分無關(guān)，可容易均勻地注入電流，并能防止因電流注入不均勻性而導(dǎo)致電力轉(zhuǎn)換效率降低。
或者，上述透明層還可以具有設(shè)在上述電極層上的，具有二維周期凹凸結(jié)構(gòu)的層。這種結(jié)構(gòu)，由于不必加工電極層本身，所以與在透明電極上形成凹凸的情況比較，對電流注入不會產(chǎn)生不均勻性等惡烈影響。其結(jié)果，不會產(chǎn)生電力轉(zhuǎn)換效率降低，并能提高光取出效率。而且，由于該透明層不需要導(dǎo)電性，所以與在氮化物半導(dǎo)體層或透明電極上形成凹凸的情況相比，選擇材料的自由度高。為此，通過將加工容易的材料用作透明層，再通過采用廉價的制造方法，實現(xiàn)了低成本的元件。
上述電極層為膜厚50nm以下的金屬或金屬氧化物時，由于能同時形成導(dǎo)電性和透過率，所以能實現(xiàn)高的電力轉(zhuǎn)換效率。
上述電極層也可以是銦錫氧化物。
上述具有二維周期結(jié)構(gòu)的凹凸的層，也可以由樹脂形成。在由樹脂形成這種具有二維周期結(jié)構(gòu)的凹凸層時，通過壓力加工就能形成上述凹凸。這種情況下，不必使用石印或蝕刻等的半導(dǎo)體加工法，就能很容易地形成細微的凹凸。結(jié)果，可以降低制造的吞吐量或成本，實現(xiàn)了廉價、高效的半導(dǎo)體發(fā)光元件。
上述透明層中，上述凹凸的凸部上面為平坦面時，可以更容易加工成形。
本發(fā)明半導(dǎo)體發(fā)光元件的制造方法，是具有含氮化物活性層的半導(dǎo)體多層膜，和在上述半導(dǎo)體多層膜上設(shè)置的透明層的半導(dǎo)體發(fā)光元件的制造方法，包括在上述半導(dǎo)體多層膜上形成上述透明層的工序(a)；和上述工序(a)之后，在表面設(shè)有二維周期結(jié)構(gòu)凹凸的模具中，通過擠壓上述透明的上面，以在上述透明層的上面，形成與模具中凹凸反向的凹凸的工序(b)。
由此，不使用石印或蝕刻等半導(dǎo)體加工法，就能很容易地形成細微的二維周期凹凸。其結(jié)果，可降低制造吞吐量或成本，并實現(xiàn)了廉價高效的半導(dǎo)體發(fā)光元件。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明，可以高產(chǎn)量，低價格制造高效率的半導(dǎo)體發(fā)光元件，尤其是能制造使用氮化物系化合物半導(dǎo)體的高效率半導(dǎo)體發(fā)光元件。


圖1是表示本發(fā)明第1種實施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件結(jié)構(gòu)的立體圖。
圖2(a)～(d)是表示二維周期結(jié)構(gòu)的具體配置的立體圖和平面圖。
圖3(a)、(b)是表示二維周期結(jié)構(gòu)的具體配置中，按方向配置的間隔不同的結(jié)構(gòu)立體圖。
圖4(a)、(b)是表示二維周期結(jié)構(gòu)的具體配置中，按方向配置的間隔不同的結(jié)構(gòu)的立體圖。
圖5(a)、(b)是表示只在部分電極上設(shè)有二維周期結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)立體圖。
圖6(a)、(b)是表示以二維周期結(jié)構(gòu)配置的凸部形狀的具體種類的立體圖和平面圖。
圖7(a)～(d)是表示以二維周期結(jié)構(gòu)配置凹部結(jié)構(gòu)立體圖和平面圖。
圖8是表示在第1種實施方式中，對凹凸周期和光取出效率的關(guān)系，進行理論計算的結(jié)果的曲線圖。
圖9是表示第1種實施方式中，改變凹凸的高度，對凹凸周期和光取出效率的關(guān)系，進行理論計算的結(jié)果的曲線圖。
圖10是表示第1種實施方式中，發(fā)光波長為450m的LED中，凹凸高度和光取出效率之關(guān)系的曲線圖。
圖11是表示光取出效率，和活性層到凹凸距離之間關(guān)系的曲線圖。
圖12是表示第1種實施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件的特性曲線圖，(a)表示電流-電壓特性，(b)表示電流-光輸出特性。
圖13是表示本發(fā)明第2種實施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件結(jié)構(gòu)的立體圖。
圖14是表示本發(fā)明第3種實施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件結(jié)構(gòu)的立體圖。
圖15(a)～(c)是表示利用壓力形成透明層的工序的立體圖。
圖16是表示現(xiàn)有技術(shù)文獻1中圖10公開的以前氮化物系化合物半導(dǎo)體LED的結(jié)構(gòu)立體圖。
圖17是表示現(xiàn)有技術(shù)文獻1中圖5公開的以往的氮化物系化合物半導(dǎo)體LED的結(jié)構(gòu)的立體圖。
圖中，1-藍寶石基板，2-n型GAN層，3-InGAN活性層，4-p型GAN層，5-ITO透明電極，6-n側(cè)電極，7-p側(cè)連接電極，8-溝，9-透明層，11-凸部，12-凹部，20-發(fā)光二極管，21-模具，22-透明層，23-凹部。
具體實施例方式
下面對本發(fā)明的實施方式，一邊參照附圖一邊進行更詳細說明。
(第1種實施方式)圖1是表示本發(fā)明的第1種實施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件結(jié)構(gòu)的立體圖。如圖1所示，本實施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件是包括如下部分的LED，即，包括藍寶石基板1；設(shè)在藍寶石基板1上的30nm厚非摻雜的GaN緩沖層(未圖示)；設(shè)在GaN緩沖層上的，摻雜了濃度為2×1018cm-3的n型雜質(zhì)的2μm厚的n型GaN層2；由設(shè)在n型GaN層2上的，PL(光致發(fā)光)峰值波長為450nm的，非摻雜In0.45Ga0.55N組成的，厚度為3nm的InGaN活性層3；在InGaN活性層3上設(shè)置的，摻雜濃度為7×1017cm-3的p型雜質(zhì)的，厚度為400nm的p型GaN層4。這些氮化物系化合物半導(dǎo)體，可利用MOCVD法(有機金屬化學(xué)氣相成長Metal-Organical VahorDeposition)或MBE法(分子線外延生長Molecular Beam Epitaxial)等結(jié)晶生長方法形成。本說明書中所說的“非摻雜”，表示不進行有意識的摻雜。
通過蝕刻，除去一部分InGaN活性層3和p型GaN層4，在底面上設(shè)有露出n型GaN層的溝8。該溝8，例如，通過光刻法，在p型GaN層4上形成具有開口的抗蝕劑掩膜(未圖示)后，再通過RIE(反應(yīng)性離子蝕刻Reactive Ion Etching)法、離子研磨(Ion Milling)等干蝕刻技術(shù)、邊照射紫外線的光化學(xué)蝕刻、或使用加熱的酸、堿液進行的濕式蝕刻技術(shù)，除去p型GaN層4和InGaN活性層3而形成。
在p型GaN層4的上面，形成有二維周期結(jié)構(gòu)的凹凸。凹凸的周期，即在二維的面內(nèi)，縱向或橫向上相鄰的凹部或凸部的中心間的間隔為1μm，凹凸的高度為200nm。該凹凸的形成，是在p型GaN層4上形成抗蝕劑層(未圖示)，通過干涉曝光和電子束曝光、步進法(step-and-repeatphotolithographic system with demagnification)等方法，按照二維周期結(jié)構(gòu)的配置上形成抗蝕劑層圖案后，將抗蝕劑層作為掩膜，進行干蝕刻或濕蝕刻而形成的。
在形成了凹凸的p型GaN層4上，例如沉積上100nm厚的ITO(IndiumTin Oxide)，作為透明電極5。ITO可以通過濺射法等形成。作為透明電極5，不僅僅是ITO一類的導(dǎo)電性金屬氧化物，只要是對LED發(fā)光波長，透過率高的，導(dǎo)電性高的，接觸電阻低的金屬薄膜，都可以使用。這種情況下，為了確保透過率，最好是金屬膜厚在50nm以下。作為透明電極，例如可以使用膜厚10nm的Ni和其上設(shè)置的膜厚40nm的Au的層疊膜。
在溝8底面露出的n型GaN層2上，設(shè)有Ti/Al的n側(cè)電極6。進而，在設(shè)在未設(shè)凹凸區(qū)域的p型GaN層4上的ITO透明電極5上，設(shè)置Au的P側(cè)連接(bonding)電極7。
在本實施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件中，由于在p型GaN層4的表面上形成二維周期結(jié)構(gòu)的凹凸，所以從活性層3發(fā)出的光被衍射，由于衍射，相對于半導(dǎo)體與空氣的界面，以大于臨界折射角的輻射角度，由活性層發(fā)出的光的輻射角度小于臨界折射角。即，以往，從相對于半導(dǎo)體發(fā)光元件和空氣界面的法線看的角度，大于臨界折射角的光被全反射，但在本實施方式中，這樣的光也衍射，并被取出到LED的外部，從而提高了光取出效率。因此，本發(fā)明的特征，與只在一個方向上具有周期結(jié)構(gòu)凹凸的衍射光柵不同，是二維周期結(jié)構(gòu)。這種二維周期結(jié)構(gòu)的凹凸，對在任何方向上發(fā)射的光也能發(fā)揮衍射的作用，所以提高光取出效率的效果高。
涉及二維周期結(jié)構(gòu)的具體種類，邊參照附圖邊進行說明。圖2～圖7是表示二維周期結(jié)構(gòu)的具體種類的立體圖和平面圖。首先，圖2(a)表示了以三角柵格配置凸部11的情況，圖2(c)表示了以正方柵格配置凸部11的情況。實際上這些凸部11在透明電極5上面形成時，分別成圖2(b)、(d)所示結(jié)構(gòu)。另外，凸部11的周期也可按方向而不同，具體如圖3(a)、(b)所示，相鄰的凸部11間隔，按其方向以不同的三角柵格或正方柵格配置。凸部11的周期也可按區(qū)域不同，具體如圖4所示，在透明電極5的中央部分，以密集狀態(tài)設(shè)置凸部11，也可以在透明電極5的上下，以比中央部分稀疏的狀態(tài)設(shè)置有凸部11等的狀態(tài)。也可以只在透明電極5的一部分上設(shè)有凹凸部分，具體如圖5(a)所示，也可以相對于透明電極5的中心，以旋轉(zhuǎn)對稱地配置凸部11，如圖5(b)所示，只在透明電極5中的中央部分設(shè)置凸部11，在其中央部分的周圍形成平坦面。而且，凹凸的形狀除圓柱狀外，也可以是其他形狀的，具體如圖6(a)、(b)所示，凸部11可以是四方柱或六棱柱形。在以上所述各種結(jié)構(gòu)中，可以不是凸部，也可以二維周期配列凹部。具體如圖7(a)所示，可以以三角柵格配置凹部12，如圖7(c)所示，也可以正方柵格配置凹部12。實際上這些凹部12，在透明電極5上面形成對，分別形成如圖7(b)、(d)所示狀態(tài)。
以下對凹凸周期與光取出效率的關(guān)系，參照圖8進行說明。圖8是第1實施方式中，對凹凸周期與光取出效率的關(guān)系，進行理論計算的結(jié)果示意曲線圖。所謂凹凸的周期是指在圖1所示的半導(dǎo)體發(fā)光元件中，在縱橫向上以等間隔配列的凹凸，在2維面內(nèi)，在縱或橫方向上相鄰凹的中心或凸的中心間的間隔。曲線圖的橫軸表示以發(fā)光波長為450nm的LED中的波長(折射率為2.5時180nm)規(guī)格化的凹凸周期，即，相對于LED中的波長的凹凸周期相對值，縱軸表示以沒有形成凹凸時的值規(guī)格化的光取出效率。另外，此處所說的LED中的波長是用半導(dǎo)體的折射率除真空或大氣中的發(fā)光波長得到的值。發(fā)光波長為450nm，半導(dǎo)體的折射率為2.5時，LED內(nèi)的波長為180nm。
從圖8可知，凹凸的周期在LED中波長的1倍以上20倍以下的范圍內(nèi)時，可增加光取出效率。在呈現(xiàn)折射率高達2.5值的氮化物系化合物半導(dǎo)體層上，直接形成凹凸，所以衍射效率高，提高光取出效率，最大約達到4倍。
凹凸的周期在LED中的波長1倍以下時，衍射形成的角度變化過大，結(jié)果，衍射后的輻射角度會大于臨界折射角度，所以不可能提高光取出效率。另外，即使在凹凸的周期在LED內(nèi)波長的20倍以上的情況下，諾周期過長，會降低衍射效率，由于減小了由衍射改變輻射角度的光的比率，所以也就降低了提高光取出效率的效果。
為了產(chǎn)生這樣的衍射，只要凹凸具有二維周期的結(jié)構(gòu)就可以。即，設(shè)置凹凸最好在縱向和橫向上具有一定的間隔，與以往利用設(shè)置透鏡料折射光，以提高光取出效率的方法比較，因凹凸形狀和尺寸變動而對光取出效率的影響少。因此，在本實施方式中，即使在制造過程中，凹凸的形狀和尺寸發(fā)生變動，由于能確保高的光取出效率，所以易于設(shè)計和加工，并能提高制造品的合格率。
接著，對于凹凸高度和光取出效率的關(guān)系進行理論計算的結(jié)果，參照圖9～圖11進行說明。圖9是第1實施方式中，表示凹凸周期和光取出效率的關(guān)系，及改變凹凸高度，進行理論計算結(jié)果的曲線圖。曲線圖的橫軸表示凹凸周期對LED中波長的相對值，曲線圖的縱軸表示在未形成凹凸時規(guī)格化的光取出效率。這樣進行4種不同凹凸高度的理論計算，各自的值以分布圖示出。而且，圖9中的凹凸高度的相對值是凹凸高度相對于LED內(nèi)波長的值。另一方面，圖10和圖9一樣，是發(fā)光波長為450nm的LED中，凹凸高度與光取出效率的關(guān)系曲線圖，在圖9中，凹凸的周期和高度以相對值示出，而圖10中，凹凸的周期和高度以具體的值表示的。另外，圖11是表示光取出效率與從活性層到凹凸的距離之間關(guān)系的曲線圖。在圖11中橫軸表示從凹凸的凹部到活性層為止的距離，縱軸示出光取出效率。
正如從圖11所知道的那樣，當凹凸和活性層相接近時，提高光取出效率。在圖11中，活性層到凹凸的距離在約0.9μm以下時，光取出效率會增高，因此，活性層到凹凸的距離，最好是LED內(nèi)波長(180nm)的5倍以下。而且，活性層到凹凸的距離短時，如圖9所示，凹凸的高度小于從活性層發(fā)出的光在LED內(nèi)波長的1倍(約180nm)時，光取出效率達到以往的2倍以上。這是因為活性層與凹凸接近，凹凸的高度不像那樣高的原故。這樣，本實施方式中，為衍射光所必需的凹凸深度，但與以往設(shè)置透鏡來折射光，以提高光取出效率的凹凸深度比較，很淺。因此，在本實施方式中，由于能在加工困難的氮化物系化合物半導(dǎo)體上形成深度淺的凹凸結(jié)構(gòu)，所以比以前容易加工，結(jié)果，制造成本低廉。
接著，對本實施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件特性，參照圖12(a)、(b)進行說明。圖12(a)、(b)是表示第1實施方式半導(dǎo)體發(fā)光元件的特性曲線圖，(a)表示電流—電壓的的特性，(b)表示電流—光輸出的特性。為了比較，各曲線圖中，還示出了以往的未在p型GaN層4表面上形成凹凸結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體元件特性(其中，p型GaN層4的膜厚為200nm)。
觀察圖12(a)的電流—電壓特性時，可知升高本實施方式半導(dǎo)體發(fā)光元件的電壓，顯示出和以往大致相同的曲線。即，在本實施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件中，雖然在p型GaN層4的表面上設(shè)置了200nm的淺的凹凸結(jié)構(gòu)，但與以往未形成凹凸的實例比較，對電流—電壓特性沒有產(chǎn)生惡烈影響。
觀察圖12(b)的電流—光輸出特性時，可知與以往的實例相比，本實施方式的元件，在同一電流下的光輸出，與圖8中的理論計算大致相同，增加了3.5倍。認為這是由于本實施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件中，通過形成凹凸，避免了內(nèi)部量子效率的降低和電轉(zhuǎn)換效率的降低。
即，本實施方式中，只在遠離活性層的p型GaN層(接觸層)上形成凹凸，與直到活性層為止形成凹凸的情況比較，可以避免由凹凸引起的空穴—電子的表面再結(jié)合的增加。由此能防止內(nèi)部量子效率(注入LED的電流中，在LED內(nèi)部轉(zhuǎn)換成光的比率)的降低。通過在整個的凹凸面上形成透明電極5，盡管p型GaN層上存在凹凸，仍能向p型GaN層中均勻注入電流。因此，能防止電流注入不均勻而導(dǎo)致電力轉(zhuǎn)換效率降低。如上所述，本實施方式中，可以批量提供不降低電流特性，光取出效率高的半導(dǎo)體發(fā)光元件。
(第2種實施方式)圖13是表示本發(fā)明的第2種實施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件結(jié)構(gòu)立體圖。如圖13所示，本實施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件是具有如下部分的LED，即，藍寶石基板1；設(shè)在藍寶石基板1上的30nm厚的，未摻雜的GaN緩沖層(未圖示)；設(shè)在GaN緩沖層上的，摻雜了濃度為2×1018cm-3n型雜質(zhì)的2μm厚的n型GaN層2；設(shè)在n型GaN層2上的，PL峰值波長為450nm的，由非摻雜In0.45Ga0.55N構(gòu)成的3nm厚的InGaN活性層3；和設(shè)在InGaN活性層3上的，摻雜了濃度為7×1017cm-3的p型雜質(zhì)的，厚度為200nm的p型GaN層4。
通過蝕刻，除去部分的InGaN活性層3和p型GaN層4，在底面上設(shè)置露出n型GaN層的溝8。
作為透明電極5，在p型GaN層4上，設(shè)有300nm厚的，呈現(xiàn)導(dǎo)電性的、透明的ITO等金屬氧化物?？衫脼R射法和CVD(Chemical VaporDeposition)法等，在p型GaN層4上形成這種透明電極5。在透明電極5的上面，以二維周期結(jié)構(gòu)進行排列，形成周期為0.5μm，高度為200nm的凹凸。這種凹凸可以通過如下方法形成。首先，在p型GaN層4上沉積成上面為平坦狀的金屬氧化膜(未圖示)，在金屬氧化膜上形成抗蝕層(未圖示)后，利用干涉曝光、電子束曝光或步進法形成圖案后，再在該金屬氧化物上，以二維周期結(jié)構(gòu)排列形成抗蝕層圖案。在此狀態(tài)下，通過RIE法和離子研磨法等干蝕刻或使用HCl等酸的濕蝕刻，除去金屬氧化膜中未覆蓋抗蝕層圖案的部分，在上面形成具有凹凸的透明電極5。
在溝8底面露出的n型GaN層2上，設(shè)置由Ti/Al形成的n側(cè)電極6。進而在未設(shè)置凹凸的區(qū)域的透明電極5上形成有Au的P側(cè)連接電極7。
本實施方式的特征是，p型GaN層4上呈平坦狀，在透明電極5的表面上形成二維周期結(jié)構(gòu)的凹凸。因此，凹凸的周期在LED中波長的1倍以上20倍以下的范圍內(nèi)時，和上述第1種實施方式一樣，通過衍射的作用，可以提高光的取出效率。
在此構(gòu)成中，由于在折射率比氮化物系化合物半導(dǎo)體低的ITO(折射率2.0)透明電極5上形成凹凸，所以提高的光取出效率是以往的2.5倍，比第1種實施方式低。然而，在ITO等金屬化合物上形成凹凸，比在耐蝕刻性高的氮化物系化合物半導(dǎo)體層上形成凹凸更容易，所以能夠削減制造成本。在氮化物系化合物半導(dǎo)體上形成凹凸時，就元件設(shè)計而言，必須注意，使凹凸的底部與活性層保持0.1μm左右的距離等。但在本實施方式中，由于半導(dǎo)體多層膜的結(jié)構(gòu)，本身就和以往的元件相同，所以不必變更以往的元件設(shè)計，就可以利用。
(第3種實施方式)圖14是本發(fā)明第3種實施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件的結(jié)構(gòu)的立體圖。如圖14所示，本實施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件是具有如下部分的LED，即，具有藍寶石基板1；設(shè)在藍寶石基板1上的，厚度為30nm的未摻雜的GaN緩沖層(未圖示)；設(shè)在GaN緩沖層上的，摻雜了濃度為2×1018cm-3n型雜質(zhì)的2μm厚n型GaN層的2μm厚GaN層2；設(shè)在n型GaN層2上的，PL峰波長為450nm的，由非摻雜In0.45Ga0.55N形成的3nm厚的InGaN活性層3；和設(shè)在InGaN活性層3上的，摻雜了濃度為7×1017cm-3p型雜質(zhì)的，厚度為200nm的p型GaN層4。這些氮化物系化合物半導(dǎo)體，可以通過MOCVD法和MBE法等結(jié)晶生長法形成。
通過蝕刻除去一部分的InGaN活性層3和p型GaN層4，在底面上設(shè)有露出n型GaN層2的溝8。在p型GaN層4上，作為透明電極5，設(shè)有依次由膜厚10nm的Ni和膜厚40nm的Au進行層疊的膜。在溝8底面露出的n型GaN層2上，設(shè)有Ti/Al的n側(cè)電極6。
在透明電極5的上面，將由樹脂或金屬氧化物等透明材料形成的多個透明層9，配置成二維周期結(jié)構(gòu)。配置透明層9的周期為1.5μm，從透明電極5算起透明層9的高度為300nm，本實施方式中，作為透明層9的材質(zhì)，使用了聚碳酸樹脂。進而在一部分的透明電極5上形成Au的p側(cè)連接電極7。
通過透明層9設(shè)在半導(dǎo)體發(fā)光元件表面上的凹凸周期，在LED內(nèi)波長的1倍以上20倍以下的范圍內(nèi)時，和上述第1和第2種實施方式一樣，通過衍射作用可提高光的取出效率。
在該構(gòu)成中，通過折射率比氮化物系化合物半導(dǎo)體低的樹脂(折射率約1.5)和金屬氧化物(折射率約2.0)形成凹凸，所以提高光取出效率是以往的2.0-2.5倍，比第1種實施方式低。然而，以二維周期結(jié)構(gòu)配置樹脂和金屬氧化物，比通過蝕刻除去一部分耐蝕刻性高的氮化物系化合物半導(dǎo)體層容易，所以可削減制造成本。與在氮化物系化合物半導(dǎo)體和透明電極上形成凹凸的情況比較，不必擔心因電流注入不均勻會產(chǎn)生惡烈影響。其結(jié)果，不會產(chǎn)生電力轉(zhuǎn)換效率的降低，并能提高光取出效率。
由于透明層9形成在透明電極5上，所以透明層9不需要導(dǎo)電性，材料選擇的自由度也就更高，作為透明層9，可以使用更容易加工的材料。例如，使用樹脂作透明層9時，不必使用光刻或蝕刻等半導(dǎo)體加工技術(shù)，通過加熱預(yù)先形成凹凸的壓模，對樹脂加壓，轉(zhuǎn)印凹凸結(jié)構(gòu)，即可形成透明層9。圖15(a)～(c)是通過壓力形成透明層工序的立體圖。在該圖15中，不是像圖3的結(jié)構(gòu)那樣，將透明層9設(shè)置成凸狀，而是表示在透明層上排列凹部的情況。首先，在圖15(a)所示的工序中，準備具有凹凸狀的模具21、和上面上設(shè)有平坦狀透明層22的發(fā)光二極管20。這樣，在圖15(b)所示的工序中，在構(gòu)成透明層22樹脂軟化的溫度下，使模具21中形成凹凸的面與透明層22的上面合在一起，并從上方加壓于模具21，在透明層22上復(fù)制出與模具21凹凸反向的凹凸。這樣，在圖15(c)所示的工序中，將模具21與透明層22分離，在透明層22的表面上設(shè)置成以二維周期結(jié)構(gòu)排列的凹部23。在通過加壓形成凹凸的方法中，與上述所說的光刻和蝕刻的半導(dǎo)體技術(shù)不同，由于能非常廉價地形成細微結(jié)構(gòu)，所以能以低成本制造光取出效率高的半導(dǎo)體發(fā)光元件。
如上所述，根據(jù)本實施方式，可批量提供光取出效率高的半導(dǎo)體發(fā)光元件。
上述實施方式中，雖然記載了使用難以加工的氮化物系化合物半導(dǎo)體，對應(yīng)從LED內(nèi)發(fā)出藍色和紫色短波長光，形成凹凸周期小的難以進行細微加工的情況，對于作為半導(dǎo)體使用了AlGaAs(折射率3.6)和AlGaInP(折射率3.5)的紅外或紅色的半導(dǎo)體發(fā)光元件，本發(fā)明的設(shè)計仍可適用。在振蕩波長850nm的紅外光時，LED內(nèi)的波長為240nm，在620nm的紅色光時，LED內(nèi)的波長為180nm。因此，根據(jù)圖8，凹凸的周期，在紅外光時，為1.6μm，在紅色時，為1.2μm，光取出效率的增加，都達到了最大效果。這樣實現(xiàn)了以比亞μm加工低的成本，完成μm級的加工。
如上所述，本發(fā)明可以高批量，低價格制造出使用了氮化物系化合物半導(dǎo)體的高效率半導(dǎo)體發(fā)光元件，就此點而言，工業(yè)上的應(yīng)用價值極高。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于，包括具有含氮化物的活性層的半導(dǎo)體多層膜；設(shè)在上述半導(dǎo)體多層膜上的，上面具有二維周期結(jié)構(gòu)的凹凸，使由上述活性層發(fā)出的光，在上述凹凸中衍射后導(dǎo)出半導(dǎo)體多層膜外的透明層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于，將上述凹凸的凹部與活性層的距離取為D、將由活性層發(fā)出的光在上述元件中的波長取為λ時，D≤5λ。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于，將上述凹凸的周期取為L，將從上述活性層發(fā)出的光在上述元件中的波長取為λ時，λ≤L≤20λ。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于，將上述凹凸的高度取為L，將從上述活性層發(fā)出的光在上述元件中的波長取為λ時，h≤5λ。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于，上述透明層為第1氮化物半導(dǎo)體層，在上述第1氮化物半導(dǎo)體層上進一步設(shè)有電極層。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于，在上述電極層上面，設(shè)有反映上述第1氮化物半導(dǎo)體層上面的上述凹凸的凹凸。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于，上述電極層是膜厚50nm以下的金屬或金屬氧化物。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于，上述電極層是銦錫氧化物。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于，上述半導(dǎo)體多層膜具有設(shè)在上述活性層上的第1導(dǎo)電型氮化物半導(dǎo)體層，和設(shè)在上述活性層下的第2導(dǎo)電型氮化物半導(dǎo)體層；上述透明層，具有設(shè)在上述第1導(dǎo)電型氮化物半導(dǎo)體層上的電極層。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于，在上述電極層的上面，設(shè)有上述二維周期結(jié)構(gòu)的凹凸。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于，上述透明層進而具有設(shè)在上述電極層上的，具有上述二維周期結(jié)構(gòu)的凹凸。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于，上述電極層是膜厚50nm以下的金屬或金屬氧化物。
13.根據(jù)權(quán)利要求9所述的半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于，上述電極層是銦錫氧化物。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于，上述具有二維周期結(jié)構(gòu)的凹凸的層，是由樹脂形成。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于，通過壓力加工形成上述凹凸。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于，上述透明層中的上述凹凸的凸部上面的平坦面。
17.一種半導(dǎo)體發(fā)光元件的制造方法，是具有含氮化物，活性層的半導(dǎo)體多層膜，和設(shè)在該半導(dǎo)體多層膜上的透明層的半導(dǎo)體發(fā)光元件的制造方法，其特征在于，包括在上述半導(dǎo)體多層膜上，形成上述透明層的工序(a)，在上述工序(a)之后，將上述透明層的上面，通過在表面設(shè)有二維周期凹凸結(jié)構(gòu)的模具中擠壓，以在上述透明層的上面上，形成與上述模具中的凹凸成反向的凹凸的工序(b)。
全文摘要
本發(fā)明提供以高批量、低價格提供了一種使用氮化物系化合物半導(dǎo)體的高效率半導(dǎo)體發(fā)光元件。在p－GaN層4上形成二維周期凹凸結(jié)構(gòu)，上述凹凸的周期為在由活性層(3)發(fā)射光的半導(dǎo)體中波長的1～20倍。結(jié)果，通過二元周期結(jié)構(gòu)的凹凸而衍射的效果，改變由活性層(3)發(fā)射光的行進方向。在沒有凹凸的情況下，滿足在半導(dǎo)體元件和空氣界面處的全反射條件的輻射角度光，不可能取出到半導(dǎo)體元件外，元件的發(fā)光效率低。另一方面，如本發(fā)明，以周期形成二維凹凸時，由于以不能形成全反射的角度來衍射光，所以能極大地提高向半導(dǎo)體元件外的取出效率，結(jié)果，可提高元件的發(fā)光效率。
文檔編號H01L33/42GK1538537SQ200410035309
公開日2004年10月20日 申請日期2004年4月15日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月15日
發(fā)明者折田賢兒 申請人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社