專利名稱：半導(dǎo)體發(fā)光元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種使用半導(dǎo)體的發(fā)光元件，并且涉及一種制造該元 件的方法。
背景技術(shù)：
由鋁銦鎵氮(AlInGaN)代表的基于氮化物的化合物半導(dǎo)體的使 用使得發(fā)光元件的商業(yè)化成為可能，這些發(fā)光元件在紫外、藍、和 綠波長下輸出光，至今難以從這些波長得到足夠的發(fā)射強度，如發(fā) 光二極管(LED)和半導(dǎo)體激光器，從而其研究和開發(fā)進行得很活躍。 在發(fā)光元件中，LED比半導(dǎo)體激光器較容易制造和控制，并且壽命比 熒光燈長，從而LED，特別是使用基于氮化物的化合物半導(dǎo)體的LED， 被認為是一種有前途的照明光源。圖34是立體圖，示出了一種常規(guī)的基于氮化物的化合物半導(dǎo)體 LED。該常規(guī)LED具有這樣一種結(jié)構(gòu)，其中通過在藍寶石基片1001 上的晶體生長依次形成n型鎵氮(GaN)層1 002、銦鎵氮(InGaN) 活性層(active layer) 1 003、及p型GaN層1004。 InGaN活性層1003 和p型GaN層1004的每一個已經(jīng)通過蝕刻被除去部分，從而暴露n型GaN層1002。 n側(cè)電極1006形成在n型GaN層1 002的暴露部分 上。p側(cè)鍵合電極1 007提供在p型GaN層1004上。 如下是LED的工作情況。首先，從p側(cè)鍵合電極1007注射的空穴在p側(cè)透明電極1005 中橫向擴散，以從p型GaN層1004注射到InGaN活性層1 003中。另一方面，從n側(cè)電極1006注射的電子穿過n型GaN層1002 進一步注射到InGaN活性層1003中。在InGaN活性層1003中空穴 和電子的重新結(jié)合導(dǎo)致光發(fā)射。光穿過p側(cè)透明電極1 0 05發(fā)射到LED 外。然而，不能說這樣一種常規(guī)結(jié)構(gòu)具有足夠高的光引出效率。光引 出效率是在活性層中產(chǎn)生的并且從LED發(fā)射到空氣中的光與在活性 層中產(chǎn)生的所有光的比值。常規(guī)LED的光引出效率低的原因是半導(dǎo) 體的折射率高于空氣的折射率，從而來自活性層的光由在半導(dǎo)體與 空氣之間的界面全反射，并且約束在LED內(nèi)。例如，GaN的折射率在 480 nm波長下大約為2.45,從而發(fā)生全反射的臨界角小到約23度。 就是說，就在半導(dǎo)體與空氣之間的界面的法線而言，以比臨界折射 角大的角度從活性層發(fā)射的光，由在半導(dǎo)體與空氣之間的界面全反 射，從而從活性層發(fā)射的并且可引出到LED外部的光大約僅占從活 性層發(fā)射的全部光的4%。因而，遇到的問題是外部量子效率(能從 LED引出的光與供給到LED的電流的比值)較低，并且功率轉(zhuǎn)換效率 (能產(chǎn)生的光輸出與全部供給功率的比值)比焚光燈的低。作為對該問題的解決方案，已經(jīng)提出了一種在LED的表面處形成 光子晶體的技術(shù)，如在日本特許公開專利出版物No. 2000-196152中 所公開的那樣。圖35是立體圖，示出了一種上表面形成有光子晶體的常規(guī)LED。 如圖中所示，根據(jù)該常規(guī)實施方式，二維周期性突起/凹陷形成在p 型GaN層10(M中。在該結(jié)構(gòu)中，即使就在半導(dǎo)體與空氣之間的界面 的法線而言，以比臨界折射角大的角度從活性層發(fā)射的光，由于通 過周期性突起/凹陷的衍射，也能具有在比臨界折射角小的角度下的發(fā)射方向。這增大了發(fā)射到LED外部而不會全反射的光的比率，并 且改進了光引出效率。在本說明書中，措詞"二維周期性"表示形 成一種結(jié)構(gòu)以沿一個平面中的第一方向具有給定空隙(給定周期)， 同時也形成它以沿與第一方向正交的第二方向具有給定空隙(給定 周期)。發(fā)明內(nèi)容然而，當突起/凹陷形成在靠近活性層的LED表面中，如在p型 GaN層中時，有出現(xiàn)如下問題的情形。由于p型GaN層1004具有高電阻率，所以其膜厚度希望薄到約 0.2 iam,以便減小LED的串聯(lián)電阻，以及實現(xiàn)高效率的光發(fā)射。然 而，為了在p型GaN層1004的上表面中形成突起/凹陷，必須增大p 型GaN層1004的膜厚度。結(jié)果，有在圖35中所示的常規(guī)LED的串 聯(lián)電阻增大和其功率轉(zhuǎn)換效率降低的情形。另外，用來在p型GaN 層1004中形成突起/凹陷的干式蝕刻導(dǎo)致在p型GaN層1004的表面 中的晶體缺陷。由于這樣一種晶體缺陷起電子施主的作用，所以在n 型GaN層1002的表面中的電子密度增大，并且其接觸電阻降低。然 而，在p型GaN層1004中，由蝕刻損傷生成的晶體缺陷補償空穴， 從而歐姆電極的形成變得困難。這導(dǎo)致接觸電阻率增大和功率轉(zhuǎn)換 效率降低的問題。由于突起/凹陷靠近活性層，所以在突起/凹陷的 形成期間，蝕刻引起的損傷出現(xiàn)在活性層中。因此，在活性層中的 內(nèi)部量子效率(在活性層中重新結(jié)合的并且轉(zhuǎn)換成光子的電子-空穴 對與在活性層中重新結(jié)合的所有電子-空穴對的比值)減小和LED的 光發(fā)射效率減小的問題，也可能發(fā)生。其中可想象形成二維光子晶體的LED的表面是其主表面或后表 面。在這種情況下，基片的后表面和在基片與半導(dǎo)體之間的界面能 認為是在任一個處要形成光子晶體的兩個位置。然而，在任一種情 況下，當通過使用常規(guī)技術(shù)形成光子晶體時，遇到如下-問題。在基 片的后表面處形成光子晶體的情況下，全反射發(fā)生在半導(dǎo)體與基片之間的界面處，從而由在基片的后表面中形成的光子晶體實現(xiàn)的光 引出效率的改進效果，比當在半導(dǎo)體中形成光子晶體時低。另一方 面，在半導(dǎo)體與基片之間的界面處形成光子晶體的情況下，通過周 期性突起/凹陷的衍射的效率由于在半導(dǎo)體與基片之間的較小折射率差而降低，從而光引出效率的改進效果比當在LED的最上表面處 形成光子晶體時低。因此本發(fā)明的 一個目的在于，提供一種具有比常規(guī)情況下高的光 引出效率的半導(dǎo)體發(fā)光元件。根據(jù)本發(fā)明的第一半導(dǎo)體發(fā)光元件包括活性層，由半導(dǎo)體制成 并且產(chǎn)生光；第一傳導(dǎo)型的第一半導(dǎo)體層，通過晶體生長形成在活 性層的主表面上；以及第二傳導(dǎo)型的第二半導(dǎo)體層，提供在活性層 的后表面上，并且具有形成有二維周期性結(jié)構(gòu)的后表面，該半導(dǎo)體 發(fā)光元件從該第二半導(dǎo)體層的后表面輸出在活性層中產(chǎn)生的光。在該布置中，在第二半導(dǎo)體層的后表面中形成的二維周期性結(jié)構(gòu) 減小了由元件在其制造期間受到的損傷，并因此把功率轉(zhuǎn)換效率提 高到 一個比常規(guī)情況下高的水平。該第一半導(dǎo)體發(fā)光元件還包括第一電極，提供在第一半導(dǎo)體層光具有80%或更大的反射率；和第二電極，提供在第二半導(dǎo)體層的后 表面的一個區(qū)域上，其中在該區(qū)域中不形成二維周期性結(jié)構(gòu)。該布 置允許從活性層向第 一 電極發(fā)射的光高效地反射到在半導(dǎo)體多層膜 的表面中的二維周期性結(jié)構(gòu)，并由此允許由二維周期性結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的 光引出效率近似加倍。具體地說，第 一 電極在實際使用中優(yōu)選地是一種包含金(Au )膜、 鉑(Pt)膜、銅(Cu)膜、銀(Ag)膜、鋁(Al)膜、及銠(Rh) 膜的至少一個的金屬膜。進一步提供與第一電極具有接觸關(guān)系的、具有10 pm或更大厚 度的金屬層。該布置允許在活性層中產(chǎn)生的熱量的有效傳導(dǎo)，從而 抑制故障操作的發(fā)生。具體地說，金屬層包括從由Au、 Cu、及Ag組成的組中選擇的一 種金屬。該布置是優(yōu)選的，因為它允許有效地傳遞熱量到外部，并 且它能通過使用電鍍技術(shù)容易地形成。當二維周期性結(jié)構(gòu)的周期是A,在活性層中產(chǎn)生的光的峰值波長 是X,并且第二半導(dǎo)體層的折射率是N時，優(yōu)選地滿足 0, 5入/N〈A〈20入/N。在其中滿足0. 5入/N〉A(chǔ)的情況下，由衍射引起的角 度變化較大，并且衍射光的角度超過全反射臨界角，從而它不會發(fā) 射到半導(dǎo)體發(fā)光元件的外部。在這種情況下，二維周期的衍射不能 改進光引出效率。在其中滿足A〉20入/N的情況下，周期變得遠大于 從活性層發(fā)射的光的波長，從而很難期望衍射的效果。當二維周期性結(jié)構(gòu)的高度是h,在活性層中產(chǎn)生的光的峰值波長 是入，圍繞半導(dǎo)體發(fā)光元件的部分的折射率是n:,以及第二半導(dǎo)體層 的折射率是ri2時，h是X/(2 (n2-ni))的整數(shù)倍。這導(dǎo)致相位差，該 相位差使穿過二維周期性結(jié)構(gòu)的突出/凹陷的上部的光分量與穿過 突出/凹陷的下部的光分量互相傳導(dǎo)率干涉。因此，能使由二維周期 性結(jié)構(gòu)引起的衍射效率最大化，并且能提高光引出效率。依據(jù)組成二維周期性結(jié)構(gòu)的一種材料，二維周期性結(jié)構(gòu)的豎向橫 截面能配置成四邊形或三角波。根據(jù)本發(fā)明的第二半導(dǎo)體發(fā)光元件包括基片，它發(fā)射光；第一 半導(dǎo)體層，通過晶體生長形成在基片的主表面上，并且具有形成有 二維周期性結(jié)構(gòu)的主表面；第一傳導(dǎo)型的第二半導(dǎo)體層，提供在第 一半導(dǎo)體層的主表面上；活性層，提供在第二半導(dǎo)體層的主表面上， 由半導(dǎo)體制成，并且產(chǎn)生光；以及第二傳導(dǎo)型的第三半導(dǎo)體層，提 供在活性層的主表面上，該半導(dǎo)體發(fā)光元件從基片的后表面輸出在 活性層中產(chǎn)生的光。該布置允許衍射效率的提高而不用除去基片，并由此允許比在其 中除去基片的情況下容易制造。組成第二半導(dǎo)體層的材料不埋在二維周期性結(jié)構(gòu)中。由于該布置 允許在二維周期性結(jié)構(gòu)與圍繞二維周期性結(jié)構(gòu)的部分之間折射率差的增大，所以變得可以增大衍射效率和提高光引出效率。優(yōu)選地，基片的材料是從包括砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)、 硅(Si )、碳化硅(SiC)、氮化鋁(A1N)、及藍寶石的組中選擇 的一種。如果基片由GaAs、 InP、或Si制成，則它能通過濕式蝕刻 容易地除去。即使基片由A1N、藍寶石、或SiC制成，它也能通過干 式蝕刻除去。如果基片由諸如A1N或藍寶石之類的透明材料制成， 則它能通過激光剝離過程除去?；暮蟊砻媸谴植诘?，并且當在活性層中產(chǎn)生的光的峰值波長 是入時，在基片的后表面中的自相關(guān)距離T滿足0. 5入/N〈T〈2(a/N， 并且在垂直方向上的高度分布D滿足0. 5X/N<D<2(a/N。這散射光， 并且允許在活性層中產(chǎn)生的光高效地發(fā)射到基片外。根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體發(fā)光器件包括半導(dǎo)體發(fā)光元件，具有第一 傳導(dǎo)型的第一半導(dǎo)體層，提供在第一半導(dǎo)體層的后表面上、由半導(dǎo) 體制成的、且產(chǎn)生光的活性層，以及提供在活性層的后表面上并且 具有形成有二維周期性結(jié)構(gòu)的后表面的第二傳導(dǎo)型的第二半導(dǎo)體 層，該半導(dǎo)體發(fā)光元件從第二半導(dǎo)體層的后表面輸出在活性層中產(chǎn) 生的光； 一個安裝基片，其上安裝有該半導(dǎo)體發(fā)光元件；及模塑樹 脂，形成半球形結(jié)構(gòu)，以模塑該半導(dǎo)體發(fā)光元件。該布置允許光引出效率的顯著提高。這是因為由二維周期性結(jié)構(gòu) 從半導(dǎo)體發(fā)光元件引出到樹脂中的光，由于半球形的樹脂，易于垂 直地入射在樹脂與空氣之間的界面上，并且以近似100%的效率發(fā)射 到空氣中。根據(jù)本發(fā)明的一種用來制造半導(dǎo)體發(fā)光元件的方法包括步驟 (a )在基片的主表面中或在基片上提供的半導(dǎo)體層的主表面中形成第一二維周期性結(jié)構(gòu)；和(b)在第一二維周期性結(jié)構(gòu)上方依次形成第一半導(dǎo)體層、活性層、以及第二半導(dǎo)體層。該方法使得可以形成二維周期性結(jié)構(gòu)而不損傷第 一半導(dǎo)體。 步驟(b)可以還包括步驟通過以第一二維周期性結(jié)構(gòu)隨其一起填充的方式形成第一半導(dǎo)體層，而在第一半導(dǎo)體層的后表面中形成與第一二維周期性結(jié)構(gòu)互補的第二二維周期性結(jié)構(gòu)。該方法還包括步驟在步驟(b)之后的(c),除去基片，或基 片和半導(dǎo)體層，以暴露第二二維周期性結(jié)構(gòu)。該布置允許在組成第 二二維周期性結(jié)構(gòu)的材料與圍繞第二二維周期性結(jié)構(gòu)的部分之間的 折射率差的增大，并由此允許半導(dǎo)體發(fā)光元件的衍射效率的提高。 步驟(c)也可以通過拋光基片和通過濕式蝕刻完成。 步驟(c)通過激光剝離過程完成。這允許在相當短的時間段內(nèi) 除去基片。在步驟(c)中除去的基片是可重新使用的。這實現(xiàn)了制造成本 的降低。該方法還包括步驟在步驟(b)之后，在第二半導(dǎo)體層的主表 面上形成由金屬膜組成的高反射膜，該金屬膜包含Au膜、Pt膜、Cu 膜、Ag膜、Al膜、以及Rh膜的至少一個。該布置允許具有較高光 引出效率的半導(dǎo)體發(fā)光元件的制造。該方法還包括步驟在步驟(c)之后，在依據(jù)晶面蝕刻速度不 同的情況下進行濕式蝕刻，以形成包括每個配置成多邊形棱錐的突 起或凹陷的第二二維周期性結(jié)構(gòu)。該布置允許具有較高光引出效率 的半導(dǎo)體發(fā)光元件的制造。借助于通過濕式蝕刻如此適當?shù)卣{(diào)節(jié)突起或凹陷的每一個的配置，能增大設(shè)計靈活性。步驟(b)也可以包括步驟以這樣一種方式形成第一半導(dǎo)體層， 以便在第一二維周期性結(jié)構(gòu)中形成腔。第一二維周期性結(jié)構(gòu)也可以包括由氧化物、氮化物、以及金屬的 至少任一種制成的結(jié)構(gòu)。第二二維周期性結(jié)構(gòu)包括凹陷，并且該方法還包括步驟在步驟 (b)和(c)之后，通過在電解液中允許電荷在半導(dǎo)體發(fā)光元件中 流動，增加凹陷每 一 個的深度或者改變凹陷每 一 個的橫截面結(jié)構(gòu)。 該布置因此允許在凹陷每一個的內(nèi)側(cè)表面與基片的表面之間的角度 接近90度，并由此通過使用第二二維周期性結(jié)構(gòu)允許光引出效率的 改進。步驟(a)包括步驟(al)把第 一抗蝕劑涂敷在基片的或半導(dǎo) 體層的主表面上；(a2)貼著第一抗蝕劑擠壓形成有二維周期性結(jié) 構(gòu)的模具，該二維周期性結(jié)構(gòu)與第一二維周期性結(jié)構(gòu)互補，以把與 第一二維周期性結(jié)構(gòu)對應(yīng)的圖案轉(zhuǎn)移到其上；以及(a3)通過把對其已經(jīng)轉(zhuǎn)移與第一二維周期性結(jié)構(gòu)對應(yīng)的圖案的第 一抗蝕劑用作掩 模，形成第一二維周期性結(jié)構(gòu)。由于該布置允許在模具中預(yù)先形成 的極精細圖案的轉(zhuǎn)移，所以有利于相對于薄膜進行的微加工。第一 二維周期性結(jié)構(gòu)包括提供在基片上的樹脂，并且該方法還包括步驟在步驟(b)之后的(d),除去基片；(e)把第二抗蝕劑 涂敷在第一半導(dǎo)體層的后表面上；(f )把形成有第一二維周期性結(jié) 構(gòu)的基片放置在第二抗蝕劑上，以把與第一二維周期性結(jié)構(gòu)互補的 圖案轉(zhuǎn)移到第二抗蝕劑上；以及(g)通過把對其已經(jīng)轉(zhuǎn)移與第一二 維周期性結(jié)構(gòu)互補的圖案的第二抗蝕劑用作掩模，在第一半導(dǎo)體層的后表面中形成與第一二維周期性結(jié)構(gòu)互補的第二二維周期性結(jié) 構(gòu)。由于該布置允許在模具中預(yù)先形成的極精細圖案的轉(zhuǎn)移，所以 有利于相對于薄膜進行的微加工。該方法還包括步驟把半導(dǎo)體發(fā)光元件安裝在安裝基片上；以及 通過使用形成有半球形腔的模具用半球形樹脂模塑半導(dǎo)體發(fā)光元 件。該布置允許具有較高光引出效率的半導(dǎo)體發(fā)光元件的制造。通 過利用模具模塑樹脂，變得可以穩(wěn)定地制造具有均勻結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體 發(fā)光元件。


圖l是立體圖，示出了根據(jù)本發(fā)明第一實施方式的一種半導(dǎo)體發(fā) 光元件；圖2表示發(fā)射到半導(dǎo)體發(fā)光元件外部的光量的入射角依賴性的 理論計算結(jié)果；圖3A表示在真實空間中LED的結(jié)構(gòu)，并且圖3B和3C每個表示 在波數(shù)空間中發(fā)光元件的結(jié)構(gòu)；圖4A和々B每個表示當在n型GaN層的表面中已經(jīng)形成具有0. 1 Hm周期的二維周期性結(jié)構(gòu)時波數(shù)空間的結(jié)構(gòu)；圖5表示在具有形成有周期性結(jié)構(gòu)的表面的半導(dǎo)體層的每一部 分處的折射率；圖6A至6C每個表示當在n型GaN層的表面上已經(jīng)形成具有0. 2 ,周期的二維周期性結(jié)構(gòu)時波數(shù)空間的結(jié)構(gòu)；圖7表示當在n型GaN層的表面上已經(jīng)形成具有0. 4 pm周期的 二維周期性結(jié)構(gòu)時波數(shù)空間的結(jié)構(gòu)；圖8是用來表明計算光引出效率使用的立體角的視圖；圖9表示通過使通過使用數(shù)值計算得到的光引出效率標準化到 當n型GaN層的表面是平的時的光引出效率得到的值；圖IOA和10B是平面視圖，每個表示在n型GaN層的表面中形成 的二維周期性結(jié)構(gòu)的布置；圖IIA至IIF是立體圖，示出了一種用來制造根據(jù)第一實施方式 的半導(dǎo)體發(fā)光元件的方法；圖12A表示常規(guī)半導(dǎo)體發(fā)光元件和根據(jù)第一實施方式的半導(dǎo)體 發(fā)光元件的各自的電流-電壓特性，而圖12B表示常規(guī)半導(dǎo)體發(fā)光元 件和根據(jù)第 一 實施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件的各自的電流-光輸出特性；圖13A和13B是立體圖，每個示出了根據(jù)第一實施方式的半導(dǎo)體 發(fā)光元件的變化；圖14是立體圖，示出了根據(jù)第一實施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件的 變化；圖15A和15B是立體圖，每個示出了根據(jù)第一實施方式的半導(dǎo)體 發(fā)光元件的變化；圖16A和16B是立體圖，每個示出了根據(jù)第一實施方式的半導(dǎo)體 發(fā)光元件的變化；圖17表示光引出效率對凹陷傾斜角的依賴性的理論計算結(jié)果；圖18A是立體圖，示出了根據(jù)本發(fā)明第二實施方式的一種半導(dǎo)體發(fā)光元件，而圖18B是當從上方觀看根據(jù)第二實施方式的半導(dǎo)體發(fā) 光元件時的平面圖；圖19A示出了當n型GaN層的表面(后表面)形成有配置成六棱 錐時入射在n型GaN層的表面上的光的透射率的理論計算結(jié)果，并 且圖19B示出了二維周期性結(jié)構(gòu)的周期與光引出效率之間的關(guān)系；圖20A至20F是立體圖，示出了一種用來制造根據(jù)第二實施方式 的半導(dǎo)體發(fā)光元件的方法；圖21A至21C示出了用來制造根據(jù)第二實施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元 件的方法的變化；圖22A和22B示出了用來制造根據(jù)第二實施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元 件的方法的變化；圖23A和23B示出了用來制造根據(jù)第二實施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元 件的方法的變化；圖24A和24B示出了用來制造根據(jù)第二實施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元 件的方法的變化；圖25A至25C示出了用來制造根據(jù)第二實施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元 件的方法的變化；圖26是立體圖，示出了根據(jù)本發(fā)明第三實施方式的一種半導(dǎo)體 發(fā)光器件；圖27A示出了當半導(dǎo)體發(fā)光元件用樹脂模塑時光的透射率的理 論計算結(jié)果，并且圖27B示出了在根據(jù)第三實施方式的半導(dǎo)體發(fā)光 元件中光引出效率對二維周期性結(jié)構(gòu)的周期的依賴性的理論計算結(jié) 果；圖28A至28D是立體圖，示出了一種用來制造根據(jù)第三實施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件的方法；圖29是截面圖，示出了根據(jù)本發(fā)明第四實施方式的一種半導(dǎo)體發(fā)光元件的一部分；圖30A至30E是截面圖，示出了一種用來制造根據(jù)第四實施方式 的半導(dǎo)體發(fā)光元件的方法；圖31A至31E是立體圖，示出了一種根據(jù)本發(fā)明第五實施方式用來制造半導(dǎo)體發(fā)光元件的方法；圖32A至32G是立體圖，示出了一種根據(jù)本發(fā)明第六實施方式用來制造半導(dǎo)體發(fā)光元件的方法；圖33是立體圖，示出了根據(jù)本發(fā)明第七實施方式的一種半導(dǎo)體 發(fā)光元件；圖34是立體圖，示出了一種常規(guī)半導(dǎo)體發(fā)光元件；以及 圖35是立體圖，示出了具有形成有光子晶體的上表面的一種常 規(guī)半導(dǎo)體發(fā)光元件。
具體實施方式
下面將按照本發(fā)明的各個實施方式具體地描述本發(fā)明。在本說明 書中，通過是在晶體生長的方向的外延生長而形成的半導(dǎo)體層的表 面將稱作主表面，并且與主表面相對的表面將稱作后表面。實施方式1-發(fā)光元件的結(jié)構(gòu)-圖l是立體圖，示出了根據(jù)本發(fā)明第一實施方式的一種半導(dǎo)體發(fā) 光元件。如圖中所示，根據(jù)本實施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件包括P 型GaN層(第一半導(dǎo)體層)3,由外延生長形成，并且具有200 nm 的厚度；高反射p電極(第一電極)2,形成在p型GaN層3的晶體 生長表面(主表面)上，由層疊的鉑(Pt)和金(Au)制成，并且 具有1 jLim的厚度；Au鍍層l，形成在高反射p電極2的下表面上， 并且具有10 pm的厚度；非摻雜InGaN活性層4，形成在p型GaN 層3的后表面上，并且具有3 nm的厚度；n型GaN層(第二半導(dǎo)體 層)5,形成在非摻雜InGaN活性層4的后表面上，具有形成有突起 二維周期性結(jié)構(gòu)6的后表面，并且具有4 jLim的厚度；及n電極(第 二電極)7，形成在n型GaN層5的后表面上，由層疊的鈦(Ti)和Al制成，并且具有1 ium的厚度。在這里使用的下表面指位于圖1 下部中的表面。在圖l中所示的例子中，高反射p電極2提供在p 型GaN層3的整個主表面上，并且n電極7提供在n型GaN層5的 后表面的一部分上。措詞"非摻雜"指相對于有關(guān)的層沒有進行故 意摻雜。根據(jù)本實施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件起LED的作用，穿過n型GaN 層5的后表面從該LED引出光。非摻雜InGaN活性層4的PL峰值波 長是405 nm。如以后將描述的那樣，M0CVD (金屬-有機化學(xué)氣相淀 積)、MBE (分子束外延)等將用作用于組成半導(dǎo)體發(fā)光元件的基于 氮化物的化合物半導(dǎo)體的晶體生長的方法。在n型GaN層5的后表面中形成的二維周期性結(jié)構(gòu)6的周期，即 在二維平面中相鄰?fù)黄鸬母髯缘闹行闹g的間距是0. 4 jam,并且突 起的每一個的高度是150 nm。-在n型GaN層的表面處的衍射的描述-的n型GaN層的表面(后表面)處的衍射的描述。圖2表示理論計算的，從非摻雜InGaN活性層發(fā)射的并且入射在 n型GaN層的后表面(在圖中的上表面)上的光的透射率，即發(fā)射到 LED外的光量，的入射角依賴性的結(jié)果。對于理論計算，使用按照 FDTD (時域有限差分)方法的數(shù)值分析。假定當光垂直地入射在n 型GaN層的后表面上時的入射角度是零度。如圖2中所示，當n型GaN層的表面是光滑和平的時，透射率是 常數(shù)，此時入射角在零度到全反射臨界角e。的范圍內(nèi)(因為GaN的 折射率是約2.5,滿足e,sln-l (1/2.5)=約23度)，并且其值是 約90%。產(chǎn)生的光的10%的反射和反射光返回LED內(nèi)的原因，是由在 GaN與空氣之間的折射率差產(chǎn)生的菲涅耳(Fresnel)反射。當入射 角超過全反射臨界角時透射率變得近似為零的原因是，在GaN與空 氣之間的界面處發(fā)生了全反射。全反射發(fā)生的原因?qū)⒄請D3描述。圖M表示在實際空間(1)中LED的結(jié)構(gòu)，并且圖3B和3C每個 表示在波數(shù)空間中發(fā)光元件的結(jié)構(gòu)。圖3B表示其中光的入射角較小 的情形，并且圖3C表示其中光的入射角較大的情形。在圖3B和3C 的每一個中的半圓是等頻率面，該面表示在LED中和在空氣中由入 射波、反射波、及發(fā)射波滿足的波向量的幅度(波數(shù)k-27rn/人，其中 n是折射率，并且X是在真空中的波長)。半圓表示光子能量守恒定 律(hco/271， h是普朗克(Planck)常數(shù))。這是因為建立由k-con/c 給出的關(guān)系(c是光在真空中的速度)。當在實際空間中的結(jié)構(gòu)，如 在圖3A中表示的情形(1)中那樣，相對于水平方向具有平移對稱 時，有在水平方向上波數(shù)分量的守恒定律，該定律應(yīng)該由入射波、 反射波、及發(fā)射波的每一個遵守(與電磁波的相位連續(xù)性有關(guān))。 確定入射角和發(fā)射角，以滿足以上兩個定律。當如圖3B中所示的那樣光的入射角較小時，光能發(fā)射到空氣中， 因為滿足以上兩個定律的發(fā)射角存在。然而，當如圖3C中所示的那 樣光的入射角較大時，沒有滿足水平方向上波數(shù)分量的發(fā)射角，從 而光不能發(fā)射到空氣中。在這種情況下，透射率T滿足T-O，從而當 在LED與空氣之間的界面處沒有吸收時，反射比R滿足R-1，因為應(yīng) 該滿足T+R-l的光能量守恒定律。因此，光由在LED與空氣之間的 界面全反射。即使把減小菲涅耳反射的結(jié)構(gòu)，如無反射膜，引入到 在LED與空氣之間的界面中，在滿足透射率T-0的條件下也不可避 免地滿足R-1，從而全反射是不可避免的。圖4A和4B表示當在n型GaN層的表面中形成具有0. 1 iam周期 的二維周期性結(jié)構(gòu)時波數(shù)空間的結(jié)構(gòu)。在表面中形成的周期性結(jié)構(gòu) 引起衍射，從而在入射波的水平方向上的波數(shù)kv,和在發(fā)射波的水平 方向上的波數(shù)kw必須滿足基于衍射向量G-2兀/A( A是周期)的如下 條件k2,尸k!〃土mG (m是衍射的階，并且m-O, ±1， ±2,…)。 當滿足以上表達式和上述等頻率面的條件的波數(shù)kw存在時，發(fā)射波 發(fā)生。如圖4A中所示，當結(jié)構(gòu)的周期是O. 1 jam并且入射角是零度時， 如果假定發(fā)射波被衍射，衍射向量的幅度過大，因為k2〃大于在空氣 中的等頻率面，從而發(fā)生了全反射。在這種情況下，因此，沒有衍 射發(fā)生。當入射角是，在該角度下G階發(fā)射波被全反射，70度時， 如圖4B中所示，即使光被衍射，也滿足用于全反射的條件。在具有 該周期的情況下，因此，以與當表面是平的相同的方式，在不小于 全反射臨界角的入射角下發(fā)生全反射。圖5表示在具有形成有周期性結(jié)構(gòu)的表面的半導(dǎo)體層的每一部 分處的折射率。如圖5中所示，當周期性結(jié)構(gòu)的周期小于光的波長 時，在半導(dǎo)體層的表面中的二維周期性結(jié)構(gòu)的有效折射率由于其突 出/凹陷而降低，從而二維周期性結(jié)構(gòu)起一個層的作用，該層具有在 空氣和LED的折射率的中部中的折射率。在這種情況下，在空氣與 LED之間的折射率差被減小，從而變得可以抑制當入射角小于全反射 臨界角時發(fā)生的菲涅耳反射，以及改進當入射角小于全反射臨界角 時光的透射率，如圖2中所示。下面將給出其中n型GaN層的表面(后表面)具有有0. 2 jim周 期的二維周期性結(jié)構(gòu)的情形的描述。圖6A至6C表示當在n型GaN 層的表面中已經(jīng)形成具有0.2 pm周期的二維周期性結(jié)構(gòu)時波數(shù)空間 的結(jié)構(gòu)。在這種條件下，全反射發(fā)生，因為當光被衍射時的kw大于在空 氣中的等頻率面，條件是光的入射角是零度，從而沒有衍射發(fā)生。 在這種情況下，0階傳輸波通過在n型GaN層與空氣之間的界面。70度時的相比較，kw小于在空氣中的等頻率面，從而衍射的發(fā)射波 (衍射的階-l)允許穿過界面，如圖6B和6C中所示。結(jié)果，即 使在不小于全反射臨界角的角度下透射率也不會成為零，如圖2中 所示。由于衍射效率也影響實際的透射率，所以透射率呈現(xiàn)為一條 相當復(fù)雜的曲線。在這種情況下，衍射向量相當大，從而不低于第 二階的衍射不會影響透射率。圖7表示當在n型GaN層的表面中已經(jīng)形成具有0.4 iam周期的 二維周期性結(jié)構(gòu)時波數(shù)空間的結(jié)構(gòu)。由于衍射向量對于該周期相當 小，所以即使當光的入射角如圖7A中所示是零度時第一階衍射也與 發(fā)射有關(guān)。當入射角如圖7B中所示是35度時，第一和第二階衍射 影響發(fā)射，而當入射角如圖7C中所示是70度時，第二和第三階衍 射影響發(fā)射。結(jié)果，即使在不小于全反射臨界角的角度下透射率也 變得相當高，如圖2中所示。因而，當在n型GaN層的表面中形成的結(jié)構(gòu)的周期變得較大時， 涉及較高階衍射，并且光的行為變得更復(fù)雜?；谝陨戏治龅慕Y(jié)果，假定在根據(jù)本實施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件 中，當形成有二維周期性結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體層的折射率是N,并且二維周 期性結(jié)構(gòu)的周期是A時，滿足0. 5X/N〈A〈2(a/N。如果滿足0. 5人/N〉A(chǔ), 由衍射引起的角度變化較大，并且衍射光處于超過全反射臨界角的 角度下，從而衍射光不會發(fā)射到半導(dǎo)體發(fā)光元件的外部。在這種情 況下，具有二維周期的衍射不能改進光引出效率。如果滿足A>2 OX/N, 周期變得遠大于從活性層發(fā)射的光的波長，從而很難期望衍射的效 果。鑒于上文，優(yōu)選地滿足由0. 5A7N〈A〈20人/N限定的條件，以使二 維周期性結(jié)構(gòu)的效果生效。圖8是用于計算光引出效率的立體角的視圖。如圖中所示，必須 考慮到在每個入射角下立體角對透射率T (e)的影響，通過用入射 角積分，得到實際的光引出效率ri。更具體地說，ri能從如下數(shù)值表 達式導(dǎo)出n-)2兀T (e) .e.de。圖9表示通過使由以上數(shù)值表達式得到的光引出效率標準化到 當n型GaN層的表面是平的時的光引出效率得到的值。作為計算的 參數(shù)，考慮了突出/凹陷的每一個的周期A和高度h。根據(jù)結(jié)果，當 在GaN層的表面中突起每一個的高度是15 0 nm時，光引出效率最大。 這是因為，當突出/凹陷的每一個的高度h是AV(2 (n2-ni) }(其中X 是在空氣中或在真空中的光發(fā)射波長，n,是空氣的折射率，并且ri2是半導(dǎo)體的折射率)時，穿過突出/凹陷的穿過突起的每一個的光的 光分量的相位和其穿過凹陷的每一個的光的光分量的相位通過干涉 相互加強，從而由突出/凹陷實現(xiàn)的衍射效果變得最大。在這種情況下，滿足h-約130 nm,這幾乎與按照FDTD方法的數(shù)值計算的結(jié)果 相一致。因而，在根據(jù)本實施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件中，h最優(yōu)選 地是在X/(2 (n2-m) }的整數(shù)倍附近。這里假定，通過考慮由制造過 程導(dǎo)致的整體性能變化，h接近人/(2 (n廣n)}。由圖9能看到，當突出/凹陷的每一個的高度h是150nm時，如 果周期A是0. 4至0. 5 pm,則與其中n型GaN層的表面是平的情形 相比，在最大值處光引出效率提高了 2. 6倍。為了阻止全反射，當 周期A較長時必須使用更高階的衍射。然而，由于當衍射的階較高時 衍射效率變低，所以當周期A在不小于0. 4 jum的范圍中時，隨著周 期變長光引出效率變低。例如，當在圖2中表示的結(jié)構(gòu)的周期是2. 0 ILim時，在不小于全反射臨界角的入射角下，光的透射率低于具有0.4 ,周期的透射率。圖IOA和10B是平面視圖，示出了在n型GaN層的表面中形成的 二維周期性結(jié)構(gòu)的布置。如圖中所示，在根據(jù)本實施方式的半導(dǎo)體 發(fā)光元件中形成的二維周期性結(jié)構(gòu)可以是四邊形晶格或三角形晶 格。-用來制造發(fā)光元件的方法-圖1U至IIF是立體圖，示出了一種用來制造表示在圖1中的根 據(jù)本實施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件的方法。首先，如圖IIA中所示，準備藍寶石基片8，并且在藍寶石基片 8的主表面上借助于MOCVD (金屬有機化學(xué)氣相淀積)通過晶體生長 形成具有1 iam厚度的AlGaN層9。如果AIGaN層9的厚度是1 |am， 則減小在其中發(fā)生的晶體缺陷。在AlGaN層9中的Al成分這里假定 是100%,盡管AlGaN層9可以具有任何Al成分，條件是它對于以后 進行的激光剝離過程所使用的光的波長是透明的。其次，如圖11B中所示，在AlGaN層的主表面中通過構(gòu)圖形成凹 陷型二維周期性結(jié)構(gòu)IO。在當前步驟中，通過使用電子束曝光、步 進機等構(gòu)圖用于蝕刻掩模的抗蝕劑。然后，通過使用諸如RIE(活性 離子蝕刻)或離子碾磨之類的千式蝕刻技術(shù)，通過在紫外光的照射 下的光電化學(xué)蝕刻，或通過使用諸如使用用于基于氮化物的化合物 半導(dǎo)體的蝕刻的加熱酸/堿溶液的蝕刻之類的濕式蝕刻技術(shù)，能完成 AlGaN層的蝕刻。在這個例子中，通過電子束曝光和RIE形成二維周 期性結(jié)構(gòu)IO。假定二維周期性結(jié)構(gòu)10的周期是0. 4 ^m，并且凹陷 的每一個的深度是150 nm。盡管二維周期性結(jié)構(gòu)10的結(jié)構(gòu)沒有特別 限制，但凹陷在圖11B所示的例子中具有圓柱形孔。接下來，如圖11C中所示， 一個n型GaN層11 (對應(yīng)于圖1中 的n型GaN層5)、一個非摻雜InGaN活性層12(對應(yīng)于非摻雜InGaN 活性層4)、 一個p型GaN層13 (對應(yīng)于p型GaN層3)以這種順序 通過固CVD形成在形成有二維周期性結(jié)構(gòu)10的AlGaN層9的主表面 上。這里假定，n型GaN層ll、非摻雜InGaN活性層12、以及p型 GaN層13的厚度分別為4 jum、 3 nm、以及200 nm。在本步驟中，n 型GaN層11的晶體生長通過這樣設(shè)置用于生長的條件而進行，從而 二維周期性結(jié)構(gòu)IO被一起填充。此后，Pt/Au高反射p電極2 (包括Pt和Au的多層膜)通過 例如電子束氣相沉積形成在p型GaN層13的主表面上。而且，通過 把高反射p電極2的Au層用作下層電極，形成具有約50 nm厚度 的Au電鍍層15。接下來，如圖11D中所示，把KrF激元激光(在248 nm的波長 下)施加到藍寶石基片8的后表面上以這樣一種方式對其照射，以 便掃描晶片的表面。用于照射的激光束不會由藍寶石基片8和AlGaN 層9吸收，而是僅由n型GaN層11吸收，從而GaN由在與AlGaN層 9的界面附近的局部熱量產(chǎn)生而被釋放。結(jié)果，可以從n型GaN層 11上分離AlGaN層9和藍寶石基片8,并且可得到由基于GaN的半 導(dǎo)體制成的器件結(jié)構(gòu)。這里使用的光源可以是任何光源，條件是它供給的光的波長由GaN層吸收，并且對于AlGaN層和藍寶石層是透 明的。也可以使用YAG激光的第三諧波(在355 nm的波長下)或水 銀燈的發(fā)射線(在365 nm的波長下)。接下來，如圖11E中所示，從圖11D中表示的狀態(tài)除去藍寶石 基片8和AlGaN層9。結(jié)果，通過在n型GaN層的后表面中的自對準 形成突起型二維周期性結(jié)構(gòu)6。由于由除去基片生成的這樣一種半導(dǎo) 體多層膜(即，包括n型GaN層ll、非摻雜InGaN活性層12、以及 p型GaN層13的多層膜)是具有約5 ium厚度的極薄的膜，所以通過 使用常規(guī)光刻技術(shù)形成諸如光子晶體之類的極精細結(jié)構(gòu)是困難的。 然而，根據(jù)本發(fā)明的方法允許通過僅在基片中預(yù)先形成的凹陷二維 周期性結(jié)構(gòu)10上沉積半導(dǎo)體多層膜并且此后除去基片，而容易地把 極精細的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到半導(dǎo)體多層膜的表面(后表面)上。然后，如圖11F中所示，在n型GaN層11的后表面中不形成二 維周期性結(jié)構(gòu)6的區(qū)域上通過氣相淀積和平板印刷等形成具有1 pm 厚度的Ti/Al n電極7,由此制造了根據(jù)本實施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元 件。-半導(dǎo)體發(fā)光元件和其制造方法的效果-圖12示出了如此得到的半導(dǎo)體發(fā)光元件的特性，其中圖12A示 出了根據(jù)常規(guī)和本實施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件的各自的電流-電壓 特性，而圖12B示出了根據(jù)常規(guī)和本施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件的各 自的電流-光輸出特性。在圖中，虛線曲線代表具有常規(guī)結(jié)構(gòu)的半導(dǎo) 體元件的特性，其中LED的表面是平的并且還沒有從其除去藍寶石 基片，而實線曲線代表根據(jù)本實施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件的特性。由圖12A中表示的電流-電壓特性，可以理解，根據(jù)當前和常規(guī) 實施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件具有基本相等的電流-電壓特性，包括基 本相同的上升電壓。由與其中在n型GaN層的表面中不形成突起/凹 陷的常規(guī)實施方式的比較，可以理解，在通過根據(jù)本實施方式的方 法制造的半導(dǎo)體發(fā)光元件中，半導(dǎo)體多層膜沒有接收由二維周期性結(jié)構(gòu)的形成導(dǎo)致的加工誘導(dǎo)的損傷。盡管在圖IID和11E中表示的 基片分離步驟中可以通過拋光除去藍寶石基片8并且通過蝕刻除去 AlGaN層9，但使用激光的方法是更優(yōu)選的，因為它在較短時間段中 完成。另一方面，由在圖12B中表示的電流-光輸出特性，可以理解， 在相同的電流下，根據(jù)本實施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件的光輸出已經(jīng) 增大到一個基本上是根據(jù)常規(guī)實施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件的光輸出 的五倍的值。該值約是在圖2中表示的理論計算值的兩倍。這是因 為，由于在LED的表面中的二維周期性結(jié)構(gòu)，來自該表面的光引出 效率已經(jīng)增大到來自常規(guī)LED的平表面的光引出效率的2.5倍，并 且另外，形成在LED的下表面(p型GaN層13的后表面)上的高反 射p電極14允許從非摻雜InGaN活性層12向高反射p電極14發(fā)射 的光高效地被反射到二維周期性結(jié)構(gòu)6上。由圖12B,也可以理解，常規(guī)結(jié)構(gòu)的光輸出在大電流下飽和，而 根據(jù)本實施方式的元件的光輸出即使在超過100 mA的大電流下也不 飽和。這是因為在常規(guī)結(jié)構(gòu)的活性層中產(chǎn)生的熱量通過厚到幾微米 的n型半導(dǎo)體層和通過具有不良熱傳導(dǎo)性能的藍寶石基片耗散。這活性層的熱量能從薄到亞微米的p型半導(dǎo)體通過具有高導(dǎo)熱率的Au 電鍍層耗散。因而，即使在大電流下，Au電鍍層15也允許由二維周期性結(jié)構(gòu) 6實現(xiàn)的改進的光引出效率的保持。圖13A和13B、圖14、及圖15A和15B是立體圖，示出了根據(jù)本 實施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件的變化。圖16A和16B是立體圖，每個片8上的AlGaN層9的表面中形成的凹陷型二維周期性結(jié)構(gòu)10用作"模具"，形成了突起型二維周期性結(jié)構(gòu)6，但通過在AlGaN層9 的表面中形成突起型二維周期性結(jié)構(gòu)16并由此在LED的表面中形成凹陷型二維周期性結(jié)構(gòu)17也可實現(xiàn)相同的效果，如圖13A和13B中 所示。就是說，只要形成二維周期性結(jié)構(gòu)就能衍射入射光，而不管 在LED的表面中的結(jié)構(gòu)是突起型的還是凹陷型的。除在AlGaN層9中形成突起/凹陷的方法之外，在圖14中表示的、 在藍寶石基片8的主表面中形成突起或凹陷二維周期性結(jié)構(gòu)16的方 法，也允許半導(dǎo)體發(fā)光元件的實現(xiàn)，在該半導(dǎo)體發(fā)光元件中，通過 把突起或凹陷二維周期性結(jié)構(gòu)16用作模具，在AlGaN層9的表面中 形成突起型或凹陷型二維周期性結(jié)構(gòu)?？晒┻x擇地，如圖15A中所示，也可以通過在藍寶石基片8上形 成諸如SiOJ莫之類的氧化物膜、諸如SiN膜之類的氮化物膜、或諸 如鴒(W)膜之類的金屬膜并且然后構(gòu)圖形成的膜，形成突起型二維 周期性結(jié)構(gòu)16。如圖15B中所示，通過在AlGaN層9的主表面中形 成包括氧化物膜、氮化物膜、或金屬膜的突起二維周期性結(jié)構(gòu)16，光:件。— 宍、^ 、、5 、、如果使用SiC基片來代替藍寶石基片，則通過相對于SiC和GaN進行的選擇性干式蝕刻能除去基片。如果使用Si基片，則通過濕式蝕刻能容易地除去基片。在其中通過除去基片在n型GaN層11的后表面(上表面)中形成的凹陷二維周期性結(jié)構(gòu)17具有較小深度，或者凹陷的每一個的內(nèi) 傾斜表面的傾斜不垂直的情況下，通過在基片除去之后進行在圖16A 和16B中表示的過程，能調(diào)節(jié)凹陷的結(jié)構(gòu)。具體地說，如圖16A中所示，把LED結(jié)構(gòu)和由Pt等制成的對電 極(counter electrode )浸在諸如K0H水溶液之類的電解液中，并 且通過4巴LED的p側(cè)用作正電才及在LED與對電才及之間施加一個電壓。 因此，陽極氧化引起GaN的蝕刻，如圖16B中所示，但由于電場的 定位僅蝕刻凹陷，從而成功地增大凹陷的深度。電場對凹陷的定位 也使由陽極氧化導(dǎo)致的蝕刻垂直地進行。結(jié)果，即使當在基片除去 之后的凹陷的內(nèi)傾斜表面不是豎直的時，通過由陽極氧化導(dǎo)致的蝕刻也能形成具有垂直傾斜表面的凹陷。圖n表示理論計算出的光引出效率對凹陷傾斜角的依賴性的結(jié)果。這里假定，通過從180度減去在豎直橫截面中在凹陷的側(cè)表面 與n型GaN層ll之間形成的角得到傾斜角，如圖的左部所示。由在 圖17中表示的結(jié)果，可以理解，當傾斜角成為50度或更小時，光 引出效率急劇下降。就是說，當在基片除去之后能形成的二維周期 性結(jié)構(gòu)的傾斜角較小時，通過上述的陽極氧化蝕刻能增大傾斜角， 并且能實現(xiàn)高的光引出效率。因而，在根據(jù)本實施方式的半導(dǎo)體發(fā) 光元件中，二維周期性結(jié)構(gòu)的傾斜角優(yōu)選地調(diào)節(jié)到50度或更大。即 使當二維周期性結(jié)構(gòu)具有突起結(jié)構(gòu)，就改進光引出效率而言，傾斜 角也優(yōu)選地是50度或更大。實施方式2圖18是立體圖，示出了根據(jù)本發(fā)明第二實施方式的一種半導(dǎo)體 發(fā)光元件。圖18B是當從上方觀看根據(jù)第二實施方式的半導(dǎo)體發(fā)光 元件時的平面圖。根據(jù)本實施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件與根據(jù)第一實 施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件的不同之處在于，在n型GaN層5的上表 面(后表面)中形成的突起二維周期性結(jié)構(gòu)18配置為多邊形棱錐。如圖18A和18B中所示，根據(jù)本實施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件包括 p型GaN層3，由外延生長形成，并且具有200 nm的厚度；高反射p 電極2,形成在p型GaN層3的晶體生長表面上，由層疊的鉑(Pt) 和金(Au)制成，并且具有l(wèi)nm的厚度；Au鍍層l,形成在高反射 p電極2的下表面上，并且具有10 )im的厚度；非摻雜InGaN活性層 4,形成在p型GaN層3的后表面上，并且具有3nm的厚度；n型 GaN層5，形成在非摻雜InGaN活性層4的后表面上，具有形成有包 括每個配置成六棱錐的突起的二維周期性結(jié)構(gòu)18的后表面，并且具 有4 iam的厚度；及n電極7，形成在n型GaN層5的后表面上，由 層疊的鈦(Ti )和Al制成，并且具有l(wèi)iam的厚度。以與在第一實 施方式中的相同方式，非摻雜InGaN活性層4的PL峰值波長是405nm。在n型GaN層5的后表面中的突起結(jié)構(gòu)的側(cè)表面包括GaN的 {10-1-1}平面。二維周期性結(jié)構(gòu)18的周期，即在二維平面中的相鄰 突起的各自的中心之間的空隙，是l ,,并且突起的每一個的高度 是950 nm。圖19A示出了當在n型GaN層的表面(后表面)中形成每個配置 成六棱錐的突起時，理論計算的、從活性層發(fā)射的并且入射在n型 GaN層的表面上的光的透射率T的結(jié)果。圖19B表示二維周期性結(jié)構(gòu) 的周期與光引出效率之間的關(guān)系。圖19B中，當n型GaN層的表面 是平的時假定l，并且為了比較，示出了其中二維周期性結(jié)構(gòu)具有突 起結(jié)構(gòu)和突起/凹陷結(jié)構(gòu)(與在第一實施方式中表示的相同的結(jié)構(gòu)) 的情形。由圖19A中表示的結(jié)果，可以理解，即使當二維周期性結(jié)構(gòu)的周 期長達l.O ,時，突起結(jié)構(gòu)也表現(xiàn)出在45度附近的入射角下的高 透射率。因而，在根據(jù)本實施方式的、其中二維周期性結(jié)構(gòu)的橫截 面配置為三角波形的半導(dǎo)體發(fā)光元件中，當從活性層發(fā)射的并且入 射在半導(dǎo)體發(fā)光元件的表面中的二維周期性結(jié)構(gòu)上的光的角度較大 時，在二維周期性結(jié)構(gòu)的傾斜表面與入射光之間的角度接近90度，從而增大衍射效率。由于在較大入射角下的光占從活性層發(fā)射的光 的較大比例，所以實現(xiàn)高的光引出效率。由圖19B中表示的結(jié)果，可以理解，突起結(jié)構(gòu)顯示了由突起/凹 陷結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的同樣高的光發(fā)射效率，并且特別地即使對于較長周期 也保持增大光引出效率的效果。要注意，對于1.0,的周期，從形 成有二維周期性結(jié)構(gòu)的表面得到的光引出效率增大到原始光引出效 率的2. 7倍。的方法的描述。圖20A至20F是立體圖，示出了用來制造根據(jù)本實施方式的半導(dǎo) 體發(fā)光元件的方法。在根據(jù)本實施方式的制造方法中，在圖20A至 20E中表示的步驟基本上與在圖11中表示的根據(jù)第一實施方式的制造方法中的那些步驟相同，從而將省略其描述。然而，假定在AlGaN 層9的主表面中形成的凹陷型二維周期性結(jié)構(gòu)10的周期是1. 0 并且凹陷的深度是150 nm。就是說，在根據(jù)本實施方式的制造方法中，在圖20E中表示的步 驟之前的并且包括該步驟的步驟中從發(fā)光元件的主體除去藍寶石基 片8，從而通過在n型GaN層11的后表面上的自對準形成包括例如 圓柱形突起的二維周期性結(jié)構(gòu)6。接下來，在圖20F中表示的步驟中，對于形成有突起型二維周期 性結(jié)構(gòu)6的n型GaN層11進行使用KOH水溶液的濕式蝕刻。眾所周 知，在使用KOH的蝕刻過程中，蝕刻速度依據(jù)晶面具有不同的情況。 在這樣的情況下，通過蝕刻，上述的突起型二維周期性結(jié)構(gòu)6變?yōu)?圖20F中表示的六棱錐型的二維周期性結(jié)構(gòu)18。在這里示出的實施 方式中，通過使用0.1 M濃度的KOH水溶液進行蝕刻，以形成包括 六棱錐的二維周期性結(jié)構(gòu)18,每個六棱錐使用晶面{10-1-1}作為傾 斜表面。該制造方法的特征在于，由于使用特定的晶面作為傾斜表 面，所以能容易地以高再現(xiàn)性形成具三角形橫截面的二維周期性結(jié) 構(gòu)。在根據(jù)本實施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件中，光引出效率提高到是在 圖19B中表示的理論計算結(jié)果的約兩倍(約是在常規(guī)實施方式中達 到的光引出效率的5. 3倍)，因為與其中n型GaN層的表面是平的 情形相比，也能使用來自高反射P電極2的反射。另外，在活性層 中產(chǎn)生的熱量能通過薄到亞微米的p型GaN層13和通過具有高導(dǎo)熱 率的Au電鍍層15耗散。因而即使當100 mA的大電流在根據(jù)本實施 方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件中流動時，也保持由二維周期性結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的 提高光引出效率的效果。盡管高反射P電極2也可以包括除包括Pt 和Au膜的多層膜之外的材料，但就高反射p電極2的實際使用而言， 優(yōu)選地是相對于在活性層中產(chǎn)生光的峰值波長具有8 0%或更大的反 射率。具體地說，高反射p電極2優(yōu)選地是一種包含Au膜、Pt膜、 Cu膜、Ag膜、以及Rh膜的至少一個的金屬膜。為了保持優(yōu)良的熱量耗散性能，Au電鍍層15優(yōu)選地具有10 jam 或更大的厚度。作為Au電鍍層15的材料，Au是最優(yōu)選的，但也能 使用諸如Cu或Ag之類的金屬，因為其導(dǎo)熱率相當高。上述制造方法與直接通過蝕刻形成二維周期性結(jié)構(gòu)的方法相比， 能減小對n型GaN層的損傷，從而電流-電壓特性基本上與當不形成 二維周期性結(jié)構(gòu)時的相同。圖21A至21C、圖22A和22B、圖23A和23B、圖24A和24B、以 及圖25A至25C示出了用來制造根據(jù)本實施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件 的方法的變化。盡管根據(jù)本實施方式的制造方法通過使用形成有凹陷二維周期 性結(jié)構(gòu)的AlGaN層9或藍寶石基片8已經(jīng)在半導(dǎo)體(n型GaN層11 ) 的表面中形成具有三角形豎直橫截面的二維周期性結(jié)構(gòu)，但通過使 用如圖21A至21C中所示的形成有突起二維周期性結(jié)構(gòu)16的AlGaN 層9或藍寶石基片8也可以把凹陷二維周期性結(jié)構(gòu)17轉(zhuǎn)移到半導(dǎo)體 表面上。該方法允許通過使用上述的濕式蝕刻過程在半導(dǎo)體表面中形成具有三角形豎直橫截面的凹陷型二維周期性結(jié)構(gòu)19。即使在其 中二維周期性結(jié)構(gòu)19的凹陷的每一個具有通過挖空六棱錐得到的結(jié) 構(gòu)的情況下，也可實現(xiàn)由根據(jù)本實施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件實現(xiàn)的 同樣高的光引出效率。如果二維周期性結(jié)構(gòu)20預(yù)先形成在AlGaN層9的表面中，以具有在圖22A和22B及圖2 3A和2 3B中表示的三角形豎直橫截面結(jié)構(gòu)， 則當除去藍寶石基片8和AlGaN層9時，通過在半導(dǎo)體的表面中的 自對準能形成這樣的二維周期性結(jié)構(gòu)18和19，該二維周期性結(jié)構(gòu) 18和19包括每個具有三角形豎直橫截面的突起或凹陷。如果其中形成二維周期性結(jié)構(gòu)的層的材料是諸如A1 GaN之類的 六角晶系半導(dǎo)體，則通過與上述相同的方法能形成每個具有包括特 定晶面的傾斜表面的六棱錐。例如，當具有與要加工成凹陷結(jié)構(gòu)的 一部分相對應(yīng)的開口的Ti膜形成為在AlGaN表面上的蝕刻掩模21， 如圖24A中所示，并且然后使用100°C的KOH水溶液進行蝕刻時，在AlGaN層9的表面中形成二維周期性結(jié)構(gòu)20。在這種情況下，也 能以較高的再現(xiàn)性形成二維周期性結(jié)構(gòu)，因為傾斜表面包括諸如 U0-1-1)之類的特定晶面。在其中要形成有二維周期性結(jié)構(gòu)的基片由四方晶系半導(dǎo)體，如把 (001 )平面用于主表面的Si基片，制成時，將由Ti制成的蝕刻掩 模21形成具有二維周期的四方晶格結(jié)構(gòu)，如圖25A中所示，并且然 后在70°C的K0H水溶液中進行蝕刻。這允許以高的再現(xiàn)性容易地在 基片中形成配置成正方錐的二維周期性結(jié)構(gòu)20，如圖25B中所示， 并且也允許包括配置成正方錐的孔的二維周期性結(jié)構(gòu)18從基片轉(zhuǎn)移 到半導(dǎo)體表面，如圖25C中所示。實施方式3圖26是立體圖，示出了根據(jù)本發(fā)明第三實施方式的一種半導(dǎo)體 發(fā)光器件。根據(jù)本實施方式的半導(dǎo)體發(fā)光器件是通過把根據(jù)第一或 第二實施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件安裝到一個安裝基片22上，并且然 后用半球形圓頂形狀的樹脂2 3模塑發(fā)光元件的外圍得到的樹脂模塑 的半導(dǎo)體發(fā)光器件。在圖26中，與圖1中表示的相同的半導(dǎo)體發(fā)光 元件的那些部件用相同的標號表示。通過用圓頂形狀的樹脂如此模塑發(fā)光元件，能提高半導(dǎo)體發(fā)光元 件的光引出效率，如此后將描述的那樣。圖27A示出了當半導(dǎo)體發(fā)光元件用樹脂模塑時光的透射率的理 論計算結(jié)果。圖27B示出了在根據(jù)本實施方式的半導(dǎo)體發(fā)光器件中， 光引出效率對二維周期性結(jié)構(gòu)的周期的依賴性的理論計算結(jié)果。為 了比較，圖27A也示出了其中半導(dǎo)體發(fā)光元件不用樹脂模塑的情形 和其中半導(dǎo)體發(fā)光元件的表面是平的情形。在其結(jié)果表示在圖中的計算中，假定樹脂的折射率是1. 5。在其結(jié)果表示在圖中的計算 中，假定排列每個具有垂直傾斜表面的突起/凹陷以形成二維周期性 結(jié)構(gòu)，并且突起的每一個的高度是150 nm。由在圖27A中表示的結(jié)果，可以理解，當提供具有O. 4 iLim周期的二維周期性結(jié)構(gòu)時，基本上在每個角度下，在用樹脂模塑的半導(dǎo) 體發(fā)光元件中的入射光的透射率都比在不用樹脂模塑的半導(dǎo)體發(fā)光 元件中的高。由于甚至在不提供二維周期性結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體發(fā)光元件 中，樹脂模塑也能增大光的透射率，所以可以理解，通過樹脂模塑 能顯著改進光的透射率，而與二維周期性結(jié)構(gòu)的周期無關(guān)。提高了光的透射率的原因在于，即使當半導(dǎo)體發(fā)光元件的表面是 平的時，通過樹脂模塑，擴大了全反射臨界角，并由此甚至在不大 于全反射臨界角的入射角下，菲涅耳反射也被減小。換句話說，由于在半導(dǎo)體發(fā)光元件內(nèi)部的折射率(是2. 5)與其外部的折射率(是 1.5)之間的差的減小，提高了光的透射率。由在圖27B中表示的結(jié)果，可以理解，樹脂模塑能進一步增強由 二維周期性結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的光引出效率提高的效果，并且在最大值處， 光引出效率已經(jīng)成為在常規(guī)實施方式中達到的光引出效率的3. 8倍。 這是因為模塑樹脂的形狀像半球形圓頂，從而從半導(dǎo)體發(fā)光元件引 出的、到樹脂中的光，由于在半導(dǎo)體發(fā)光元件的表面中的二維周期 性結(jié)構(gòu)，垂直地入射在樹脂與空氣之間的界面上，并且以近似100% 的效率發(fā)射到空氣中。通過用圓頂形狀的樹脂如此模塑形成有二維 周期性結(jié)構(gòu)的發(fā)光元件，大大地改進了根據(jù)本實施方式的半導(dǎo)體發(fā) 光器件的光引出效率。在根據(jù)本實施方式的半導(dǎo)體發(fā)光器件中，光引出效率的實際測量 值已經(jīng)提高到在圖27B中表示的理論計算的結(jié)果的約兩倍(在常規(guī) 實施方式中實現(xiàn)的光引出效率的7. 5倍)，因為與具有平表面的情 形相比，也能使用歸因于高反射p電極2的、來自形成有二維周期 性結(jié)構(gòu)的后表面的反射。另外，由于從薄到亞微米的p型半導(dǎo)體通 過具有高導(dǎo)熱率的Au電鍍層的優(yōu)良熱耗散，即使當100 mA的大電 流在電極中流動時，也允許保持由二維周期性結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的光引出效 率的改進。接下來將給出對一種用來制造根據(jù)本實施方式的半導(dǎo)體發(fā)光器 件的方法的描述。圖28A至28D是立體圖，各自示出了用來制造根據(jù)本實施方式的 半導(dǎo)體發(fā)光器件的方法。首先，如圖28A中所示，通過使用在圖11中表示的用來制造根 據(jù)第一實施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件的方法，或在圖20中表示的用來 制造根據(jù)第二實施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件的方法，制造根據(jù)第 一或 第二實施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件。接下來，如圖28B中所示，將半導(dǎo)體發(fā)光元件安裝在安裝基片 22上。此后，將樹脂23—滴一滴地應(yīng)用到半導(dǎo)體發(fā)光元件上。然后，如圖28C中所示，在半導(dǎo)體發(fā)光元件覆蓋有樹脂23之后 并且在樹脂23凝固之前的時間段期間，利用設(shè)有半球形腔的模具24 按壓樹脂23。結(jié)果，樹脂23被模塑成半球形圓頂形狀的結(jié)構(gòu)，如圖 28D中所示。此后，在紫外光下使樹脂凝固。通過上述方法，制造了 根據(jù)本實施方式的半導(dǎo)體發(fā)光器件。盡管利用簡單應(yīng)用和模塑樹脂的常規(guī)技術(shù)難以以高再現(xiàn)性把樹 脂形成半球形結(jié)構(gòu)，但根據(jù)本實施方式的制造方法能夠穩(wěn)定地把樹 脂模塑成相同結(jié)構(gòu)。要注意，如上述那樣使用模具把樹脂模塑成半球形結(jié)構(gòu)的方法也 適用于除了根據(jù)本發(fā)明的第一和第二實施方式之外的實施方式的半 導(dǎo)體發(fā)光元件。實施方式4圖29是截面圖，示出了根據(jù)本發(fā)明第四實施方式的一種半導(dǎo)體 發(fā)光元件的一部分。根據(jù)本實施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件與第一和第 二半導(dǎo)體發(fā)光元件的不同之處在于，藍寶石基片8和AlGaN層9保 持安裝在安裝基片22上而沒有除去，并且當從n型GaN層5看時， 高反射p電極2和n電極7形成在同一側(cè)。具體地說，圖29中表示的根據(jù)本實施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件包 括p型GaN層3，由外延生長形成，并且具有200 nm的厚度；高 反射p電極2，形成在p型GaN層3的晶體生長表面(主表面)上，由層疊的鉑(Pt)和金(Au)制成，并且具有l(wèi)jum的厚度；非摻雜 InGaN活性層4，形成在p型GaN層3的后表面上，并且具有3rnn的 厚度；n型GaN層5，形成在非摻雜InGaN活性層4的后表面上，并 且具有4 )am的厚度；n電極7,形成在n型GaN層5的下方，由層 疊的Ti和Al制成，并且具有l(wèi)jum的厚度；AlGaN層9，提供在n型 GaN層5的后表面上，并且具有形成有突起型二維周期性結(jié)構(gòu)16的 主表面(面對n型GaN層5的表面)；及藍寶石基片8，布置在AlGaN 層9的后表面上。在圖29中表示的例子中，半導(dǎo)體發(fā)光元件已經(jīng)安 裝在安裝基片22上，并且高反射p電極2和n電極7經(jīng)由Au制成 的突起25特別地連接到安裝基片22上。二維周期性結(jié)構(gòu)16的周期， 即在二維平面中的相鄰?fù)黄鸬母髯灾行闹g的間距是0. 4 inm，并且 突起/凹陷的每一個的高度是150 nm。在圖29表示的例子中，這樣 形成n型GaN層5，使得不埋在二維周期性結(jié)構(gòu)16中。如果這樣形 成n型GaN層5，使得埋在二維周期性結(jié)構(gòu)16中，則光引出效率降 低，從而優(yōu)選地，它是這樣形成的，使得不埋在其中。通過如此安裝留有由藍寶石等制成的基片的半導(dǎo)體發(fā)光元件，從 非摻雜InGaN活性層4發(fā)射的光在發(fā)光元件中傳播，而不經(jīng)受由全 反射或菲涅耳反射引起的損失，因為直到到達AlGaN層9基本上沒 有折射率差。然而，在常規(guī)結(jié)構(gòu)中，在藍寶石基片(具有1.6的折 射率)與AlGaN層(具有2.5的折射率)之間的折射率差較大，從 而在較大入射角下的光在藍寶石基片與AlGaN層之間的界面處被全 反射，返回到半導(dǎo)體多層膜的內(nèi)部，并因此不可引出到LED外部。 相反，如果像在根據(jù)本實施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件中那樣，在AlGaN 層的后表面中形成有二維周期性結(jié)構(gòu)，則通過二維周期性結(jié)構(gòu)的衍 射改變傳播的方向。結(jié)果，如果AlGaN層的后表面是平的，則在藍 寶石基片與AlGaN層之間的界面處已經(jīng)被全反射并且占據(jù)立體角的 大部分的大入射角下的光，允許入射在藍寶石基片上而不被全反射。 由于藍寶石基片是透明的，并且在其本身與空氣之間的折射率差較 小，所以入射在藍寶石基片上的光的大部分發(fā)射到空氣中。在其中進行樹脂模塑的情況下，在藍寶石基片與樹脂(具有約 1.5的折射率)之間的折射率差被進一步減小，并且如果樹脂被配置 成半球形圓頂，則能進一步改進光引出效率。接下來給出對一種用來制造根據(jù)本實施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件的方法的描述。圖30A至30E是截面圖，示出了用來制造根據(jù)本實 施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件的方法。首先，如圖30A中所示，通過晶體生長，例如借助于MOCVD，在 藍寶石基片8上形成AlGaN層9。AlGaN層9的厚度這里假定是1 pm， 以便減小晶體缺陷。在AlGaN層9中Al的成分這里假定是100%,盡 管AlGaN層9可以具有任何Al成分，條件是它相對于在以后進行的 激光剝離過程中使用的光的波長是透明的。隨著，通過使用步進機 和RIE的曝光^巴AlGaN層構(gòu)圖成凹陷或突起型二維周期性結(jié)構(gòu)16。 這里假定，二維周期性結(jié)構(gòu)16的周期是0. 4 )am,并且凹陷的每一個 的深度(或突起的每一個的高度)是150 nm。接下來，如圖30B中所示，通過MOCVD在形成有二維周期性結(jié)構(gòu) 16的AlGaN層9的主表面上依次形成n型GaN層5、非摻雜InGaN 活性層4、 p型GaN層3。通過這樣設(shè)置用于生長的條件進行n型GaN 層5的晶體生長，使得于是不填充二維周期性結(jié)構(gòu)。此后，相對于這樣一個區(qū)域進行蝕刻，以部分暴露n型GaN層5 的主表面，如圖30C中所示。然后，分別通過電子束氣相淀積，在p 型GaN層3的主表面上形成Pr/Au高反射p電極2,而在n型GaN 層5的主表面的暴露部分上形成Ti/Al n電極7。接下來，如圖30D中所示，半導(dǎo)體發(fā)光元件被安裝在形成有用于 n電極和用于高反射p電極的突起25的安裝基片22上，由此得到圖 30E中表示的根據(jù)第四實施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件。在如此制造的半導(dǎo)體發(fā)光元件中，光引出效率改進到是圖27B 中表示的理論計算結(jié)果的約兩倍(是在常規(guī)發(fā)光元件中實現(xiàn)的光引 出效率的四倍)，因為與其中AlGaN層9的主表面是平的情形相比， 也能使用歸因于高反射p電極2從LED的下表面反射的光。另外，在活性層中產(chǎn)生的熱量能從薄到亞微米的p型GaN層3 通過每個具有高導(dǎo)熱率的突起25耗散，從而在根據(jù)本實施方式的半 導(dǎo)體發(fā)光元件中能防止過分的溫度升高。而且，即使當100mA的大電流在電極中流動時，在輸入電流較小時從半導(dǎo)體發(fā)光元件輸出的 光與向其輸入的電流的增大比率也保持不變。盡管本發(fā)明已經(jīng)在藍寶石基片8上的AlGaN層9的主表面中形成 二維周期性結(jié)構(gòu)，但也可以在藍寶石基片8的主表面中形成二維周 期性結(jié)構(gòu)?；梢园ǔ{寶石之外的任何材料，條件是它對于 從活性層發(fā)射的光是透明的。當藍寶石基片8的后表面(主表面)是粗糙的時，光引出效率能 提高到是在常規(guī)結(jié)構(gòu)中實現(xiàn)的光引出效率的4. 5倍。這是因為粗糙 后表面的存在減小了由在藍寶石基片與空氣之間的界面處的全反射 導(dǎo)致的損失。當藍寶石基片8的后表面是粗糙的時，就足夠地減小 損失而論，在藍寶石基片8的后表面中的自相關(guān)距離T優(yōu)選地滿足 0. 5X/N<T<20X/N，并且在垂直方向上的高度分布D優(yōu)選地滿足 0.5X/N〈D〈20人/N。當用半球形樹脂模塑半導(dǎo)體發(fā)光元件時，光引出效率能提高到是 在常規(guī)結(jié)構(gòu)中實現(xiàn)的光引出效率的6倍。這是因為在樹脂與藍寶石 之間的較小折射率差減小了由在藍寶石基片與樹脂之間的界面處的 全反射導(dǎo)致的損失。在根據(jù)本實施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件中，也可以使用從包括 GaAs、 InP、 Si、 SiC、以及A1N的組中選擇的一種制成的基片，來代替藍寶石基片。 實施方式5圖31A至31E是立體圖，示出了一種根據(jù)本發(fā)明第五實施方式的 用來制造半導(dǎo)體發(fā)光元件的方法。根據(jù)本實施方式的制造方法是一 種利用納米印刷(nano-printing)方法在基片的主表面中形成二維 周期性結(jié)構(gòu)的方法。首先，如圖3U和31B中所示，準備形成有二維周期性結(jié)構(gòu)28 的Si基片或SiC基片，該二維周期性結(jié)構(gòu)28包括每個在400 nm的 高度下的突起并且具有0. 4 iam的周期。然后，貼著涂敷有600 nm 膜厚度的抗蝕劑27的藍寶石基片8的主表面，擠壓作為模具26的 該基片。當此后從藍寶石基片8除去模具26時，就把凹陷二維周期性結(jié) 構(gòu)(孔的每一個的深度是400nm,并且周期是O. 4 |um )轉(zhuǎn)移到抗蝕 劑27上，如圖31C中所示。接下來，如圖31D中所示，通過02干式蝕刻除去在抗蝕劑27中 的孔的每 一 個的底部處剩余的抗蝕劑。接下來，如圖31E中所示，通過把抗蝕劑27用作蝕刻掩模進行 干式蝕刻，并且然后除去抗蝕劑27，由此在藍寶石基片8的主表面 中，形成包括每個在150 nm的深度下的凹陷并且具有0. 4 的周 期的二維周期性結(jié)構(gòu)。通過如此使用納米印刷方法，通過構(gòu)圖能形成在亞微米量級上的 極精細結(jié)構(gòu)，而不用使用高成本的制造設(shè)備，如步進機或EB曝光系 統(tǒng)。另外，通過只擠壓模具就能實現(xiàn)根據(jù)本實施方式的制造方法， 從而能進行高速構(gòu)圖。如果把由以上過程生產(chǎn)的基片用作模具，則 能以低成本制造根據(jù)第一至第四實施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件。實施方式6圖32A至32G是立體圖，示出了一種根據(jù)本發(fā)明第六實施方式的 用來制造半導(dǎo)體發(fā)光元件的方法。根據(jù)本實施方式用來制造半導(dǎo)體 發(fā)光元件的方法是一種利用軟模具方法在半導(dǎo)體薄膜的主表面中形 成二維周期性結(jié)構(gòu)的方法。首先，如圖32A所示，生產(chǎn)用于微加工的軟模具。在本步驟中， 利用光刻、EB印刷、或納米印刷過程，在涂敷在諸如Si基片或SiC 基片之類的基片29上的樹脂30,如多晶硅，中形成二維周期性結(jié)構(gòu) 31,該二維周期性結(jié)構(gòu)31包括每個為400 nm深度的孔(凹陷)并且具有0. 4 ,的周期。如此生產(chǎn)的具有樹脂的基片被用作以后進行 的微加工步驟的軟模具。接下來，如圖32B中所示，通過在第一實施方式中描述的方法形 成具有Au電鍍層15的薄膜半導(dǎo)體多層膜。然而，在根據(jù)本實施方 式的方法中，用于半導(dǎo)體多層膜的形成的基片的表面是平的，從而 半導(dǎo)體多層膜的表面也是平的。接下來，如圖32C中所示，將抗蝕劑27涂敷在半導(dǎo)體多層膜的 主表面上。然而，這里不進行通過焙燒蒸發(fā)在抗蝕劑27中的溶劑。 將上述軟模具放置在抗蝕劑27上。在這種情況下，這樣放置軟模具， 使得對具有幾微米厚度的半導(dǎo)體多層膜上施加最小壓力，并由此防 止其損壞。結(jié)果，作為由樹脂30吸收在抗蝕劑27中的溶劑的結(jié)果，發(fā)生了 毛細現(xiàn)象，從而抗蝕劑27以這樣一種方式滲透入軟模具的樹脂中， 以便填充二維周期性結(jié)構(gòu)的孔，如圖32D中所示。此后，當從半導(dǎo)體多層膜除去模具時，突起的二維周期性結(jié)構(gòu)(突 起每一個的高度是400 nm并且周期是0.4 pni)被轉(zhuǎn)移到抗蝕劑27 上，如圖32E中所示。接下來，如圖32F中所示，通過02干式蝕刻除去在抗蝕劑中的 孔的每一個底部處剩余的抗蝕劑27。此后，如圖32G中所示，通過把抗蝕劑27用作蝕刻掩模，相對于半導(dǎo)體多層膜的主表面進行干式蝕刻，并且然后除去抗蝕劑，由 此在半導(dǎo)體多層膜的主表面中，形成二維周期性結(jié)構(gòu)(突起每一個 的高度是150 nm并且周期是O. 4 ,)。通過如此使用軟模具方法，即使對于極難加工的薄膜，如具有在 亞微米量級上的厚度的半導(dǎo)體多層膜，也能進行在亞微米量級上的 微加工。在這種情況下，由于能滿意地使用平基片用于半導(dǎo)體多層 膜的晶體生長，所以晶體生長變得比在形成有突起/凹陷的基片上的 晶體生長容易。盡管至此描述的實施方式已經(jīng)特別地公開了難以加工的基于氮化物的化合物半導(dǎo)體、或其中突起/凹陷的周期響應(yīng)藍或紫光的較短 波長的振蕩波長變得較小從而其微加工變得困難的情形，但本發(fā)明的設(shè)計也可適用于使用AlGaAs (具有3. 6的折射率)或AlGalnP (具 有3. 5的折射率)作為半導(dǎo)體而發(fā)射紅外光或紅光的半導(dǎo)體發(fā)光元件。實施方式7圖33是立體圖，示出了根據(jù)本發(fā)明第七實施方式的一種半導(dǎo)體 發(fā)光元件。如圖中所示，根據(jù)本實施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件包括p 型AlGaN層(第一半導(dǎo)體層)43，由外延生長形成，并且具有200 nm 的厚度；高反射p電極(第一電極)42,形成在p型AlGaN層43的 晶體生長表面(主表面)上，由Al制成，并且具有0. 5 ,的厚度； Au鍍層41，形成在高反射p電極42的下表面上，并且具有10pm 的厚度；非摻雜AlInGaN活性層44，形成在p型AlGaN層43的后表 面上，并且具有3nm的厚度；n型AlGaN層(第二半導(dǎo)體層)45, 形成在非摻雜AlInGaN活性層44的后表面上，具有形成有突起型二 維周期性結(jié)構(gòu)46的后表面，并且具有4nm的厚度；以及n電極(第 二電極)47，形成在n型AlGaN層45的后表面上，由層疊的鈦(Ti ) 和A1制成，并且具有1 iLim的厚度。在這里使用的下表面指某一層 位于圖33下部的表面。根據(jù)本實施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件起紫外LED的作用，穿過n 型AlGaN層45從該紫外LED引出光，并且非摻雜AlInGaN活性層44 的PL峰值波長是35 0 nm。在n型AlGaN層45的后表面中形成的二維周期性結(jié)構(gòu)46的周期， 即在二維平面中相鄰?fù)黄鸬母髯灾行闹g的間距是0. 3 nm，并且突 起的每一個的高度是130 nm。組成根據(jù)本實施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件的基于氮化物的化合物 半導(dǎo)體也能由MOCVD或MBE形成，類似于組成^4居第一實施方式的 半導(dǎo)體發(fā)光元件的基于氮化物的化合物半導(dǎo)體。根據(jù)本實施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件也實現(xiàn)與由根據(jù)第一實施方 式的半導(dǎo)體發(fā)光元件所實現(xiàn)的同樣高的光引出效率和優(yōu)良散熱性能。由于高反射p電極42由Al制成，所以在非摻雜AlInGaN活性 層44中產(chǎn)生的光能以特別高的效率被反射。因而J艮據(jù)本實施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件的結(jié)構(gòu)也能有效地適用在根據(jù)本實施方式起紫外LED作用的半導(dǎo)體發(fā)光元件中，高反射 p電極(第一電極)42也可以由Al制成。因而j艮據(jù)本實施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件作為具有高發(fā)射效率的 光源是有用的。
權(quán)利要求
1. 一種半導(dǎo)體發(fā)光元件，包括基片，它發(fā)射光；第一半導(dǎo)體層，通過晶體生長形成在該基片的主表面上，并且具有形成有二維周期性結(jié)構(gòu)的主表面；第一傳導(dǎo)型的第二半導(dǎo)體層，提供在該第一半導(dǎo)體層的主表面上；活性層，提供在該第二半導(dǎo)體層的主表面上，由半導(dǎo)體制成，并且產(chǎn)生光；以及第二傳導(dǎo)型的第三半導(dǎo)體層，提供在該活性層的主表面上，該半導(dǎo)體發(fā)光元件從該基片的后表面輸出在該活性層中產(chǎn)生的光。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體發(fā)光元件，其中組成該第二半導(dǎo) 體層的材料不埋在該二維周期性結(jié)構(gòu)中。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體發(fā)光元件，還包括 第一電極，提供在該第三半導(dǎo)體層的主表面上，并且相對于在該活性層中產(chǎn)生的所有光的峰值波長下的光具有80%或更大的反射率； 以及第二電極，提供在該第三半導(dǎo)體層的主表面上。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的半導(dǎo)體發(fā)光元件，其中該第一電極是包 含從包括Au膜、Pt膜、Cu膜、Ag膜、Al膜、以及Rh膜的組中選 擇的至少一個的金屬膜。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體發(fā)光元件，其中，當該二維周期 性結(jié)構(gòu)的周期是A，在該活性層中產(chǎn)生的光的峰值波長是人，并且該 第一半導(dǎo)體層的折射率是N時，滿足0. 5X/N〈AO0X/N。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體發(fā)光元件，其中，當該二維周期 性結(jié)構(gòu)的高度是h，在該活性層中產(chǎn)生的光的波峰波長是人，圍繞該 半導(dǎo)體發(fā)光元件的部分的折射率是n，以及該第一半導(dǎo)體層的折射 率是n2時，h是X/(2 (n2-ni) }的整數(shù)倍。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體發(fā)光元件，其中該二維周期性結(jié) 構(gòu)的豎向橫截面被配置成四邊形。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體發(fā)光元件，其中該二維周期性結(jié) 構(gòu)的豎向橫截面被配置成三角波。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體發(fā)光元件，其中該基片的材料是 從包括GaAs、 InP、 Si、 SiC、 A1N、以及藍寶石的組中選擇的一種。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體發(fā)光元件，其中該基片的后表 面是粗糙的，并且當在該活性層中產(chǎn)生的光的峰值波長是人時，在該 基片的后表面中的自相關(guān)距離T滿足0. 5X/N<K2(a/N，并且在垂直 方向上的高度分布D滿足0. 5AVN〈D〈20人/N。
全文摘要
在半導(dǎo)體多層膜的與其主表面相對的表面中形成突起/凹陷，該突起/凹陷形成二維周期性結(jié)構(gòu)，而在另一表面上形成具有高反射率的金屬電極。通過使用二維周期性結(jié)構(gòu)的衍射效應(yīng)，能改進從形成有突起/凹陷的表面的光引出效率。通過利用具有高反射率的金屬電極把向金屬電極發(fā)射的光反射到形成有突起/凹陷的表面，能倍增由二維周期性結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的以上效果。
文檔編號H01L33/20GK101271953SQ20081009608
公開日2008年9月24日 申請日期2005年6月24日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月28日
發(fā)明者折田賢兒 申請人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社