半導(dǎo)體發(fā)光元件及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及發(fā)光二極管(LED)等半導(dǎo)體發(fā)光元件，特別涉及謀求對(duì)將在元件內(nèi)發(fā)出的光提取到外部的光提取進(jìn)行改善的半導(dǎo)體發(fā)光元件及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]半導(dǎo)體發(fā)光元件由發(fā)光層、η型半導(dǎo)體層、P型半導(dǎo)體層、電極層、支承基板等幾個(gè)層形成。因此，由半導(dǎo)體元件內(nèi)部的發(fā)光層發(fā)出的光在通過了這幾個(gè)層之后被提取到外部。然而，光在通過折射率不同的介質(zhì)的邊界、即層界面、表面等時(shí)必定會(huì)引起一定比例的反射。另外，光在對(duì)于上述的光的波長(發(fā)光波長)具有吸收系數(shù)的介質(zhì)層中通過或進(jìn)行反射時(shí)，會(huì)發(fā)生一定比例的光吸收。因此，通常難以高效地將由發(fā)光層發(fā)出的光提取到半導(dǎo)體發(fā)光元件的外部。
[0003]特別是在光自折射率較大的介質(zhì)進(jìn)入到折射率較小的介質(zhì)的情況下，引起光的全反射，而使臨界角以上的光無法提取到外部。在半導(dǎo)體發(fā)光元件的表面、也就是空氣(或密封材料)與半導(dǎo)體元件之間的界面上，由于兩介質(zhì)之間的折射率之差增大，因此，引起全反射的臨界角減小，其結(jié)果導(dǎo)致在界面上被全反射的光的比例增大。
[0004]例如，藍(lán)寶石基板的折射率η為1.8，且相對(duì)于空氣的臨界角為33.7度。即，在使用藍(lán)寶石基板作為構(gòu)成半導(dǎo)體發(fā)光元件的基板的情況下、且在通過藍(lán)寶石基板將光提取到空氣側(cè)的情況下，入射角大于33.7度的光被全反射而無法提取到外部。而且，在折射率較大的氮化鋁(AlN)基板(折射率η = 2.29)的情況下，臨界角成為25.9度，而僅能夠?qū)⒏俚墓馓崛〉酵獠俊?br>[0005]使用應(yīng)用了三維時(shí)域有限差分法(Finite-differencetime-domain method:H)TD法)的光輻射傳播特性的理論計(jì)算，計(jì)算了例如在AlN基板上層疊AlGaN層而得到的半導(dǎo)體發(fā)光元件中的光的提取效率。其結(jié)果，當(dāng)還考慮到從發(fā)光部觀察位于與AlN基板所在側(cè)相反的一側(cè)的P型GaN層的吸收等時(shí)，在自AlGaN層內(nèi)的發(fā)光部射出的波長為265nm的光中，能夠自AlN基板的表面(光提取面)側(cè)提取的光的提取效率極低，約為4%。
[0006]對(duì)于這樣的問題，出于提高光提取效率的目的，提出有一種在基板表面(光提取面)上設(shè)有納米量級(jí)的凹凸結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體發(fā)光元件。例如在專利文獻(xiàn)I中，公開了在光提取面上設(shè)置具有由發(fā)光層發(fā)出的光的平均光學(xué)波長的2倍以下的平均周期的凹凸結(jié)構(gòu)。提出了一種通過形成這樣的凹凸結(jié)構(gòu)從而降低光提取面中的被全反射的光的比例(即抑制光在元件表面的反射)的方法。然而，在半導(dǎo)體發(fā)光元件的表面上形成納米量級(jí)的凹凸結(jié)構(gòu)并不容易。而且，光提取效率還會(huì)因凹凸結(jié)構(gòu)的形狀、發(fā)光波長而較大程度地變動(dòng)，而無法獲得充分的效果。
[0007]發(fā)光波長越短，則所要求的凹凸結(jié)構(gòu)的周期(例如凸結(jié)構(gòu)的情況下，凸結(jié)構(gòu)的頂點(diǎn)部與相鄰的凸結(jié)構(gòu)的頂點(diǎn)部之間的距離)越短，因此，該凹凸結(jié)構(gòu)的制作變得困難。特別是對(duì)于發(fā)出紫外.深紫外波長范圍的光的半導(dǎo)體發(fā)光元件，該凹凸結(jié)構(gòu)的尺寸在光刻過程中成為難以制作的區(qū)域。其結(jié)果導(dǎo)致產(chǎn)生制作成本增加、成品率、生產(chǎn)率下降等問題，因而并不實(shí)用。
[0008]在專利文獻(xiàn)I(日本特開2005-354020號(hào)公報(bào))中，公開有一種如下方法:為了形成納米量級(jí)的周期凹凸結(jié)構(gòu)，在光提取面上形成通過對(duì)所蒸鍍的金屬進(jìn)行加熱并使其聚集而成的納米尺寸的微細(xì)金屬掩模，并對(duì)該光提取面的表面進(jìn)行蝕刻。但是，利用了這樣的聚集效果而得到的周期掩模的凹凸結(jié)構(gòu)的配置是隨機(jī)的，其形狀的不均勻性較大。因此，自半導(dǎo)體發(fā)光元件輸出到外部的光的能量波動(dòng)較大，而難以提供射出穩(wěn)定且均勻的光的半導(dǎo)體發(fā)光元件。
[0009]在非專利文獻(xiàn)UlSDRS2011,December 7-9,2011 ,College Park，MD，USA，WP2_04)中，公開一種為了形成納米量級(jí)的凹凸結(jié)構(gòu)而利用濕蝕刻使基板表面粗糙化的方法。但是，由于利用應(yīng)用濕蝕刻的方法形成的凹凸結(jié)構(gòu)也成為形狀不均勻的隨機(jī)結(jié)構(gòu)，因此，光提取效率較大程度地變動(dòng)，另外，提高光提取效率的效果也不充分。
[0010]在非專利文獻(xiàn)2(Appl.Phys.Express 3(2010)061004)中，在射出深紫外的光的半導(dǎo)體發(fā)光元件上利用光刻、干蝕刻設(shè)置表面周期凹凸結(jié)構(gòu)，但該凹凸結(jié)構(gòu)的周期為500nm，而大于發(fā)光波長的2倍左右，未能夠獲得提高光提取效率的充分的效果。另外，光輸出的波動(dòng)也極大。
[0011]現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)
[0012]專利文獻(xiàn)
[0013]專利文獻(xiàn)1:日本特開2005-354020號(hào)公報(bào)
[0014]非專利文獻(xiàn)
[0015]非專利文獻(xiàn)1:1SDRS 2011,December 7-9,2011 ,College Park，MD，USA，WP2_04
[0016]非專利文獻(xiàn)2:Appl.Phys.Express 3(2010)061004

【發(fā)明內(nèi)容】

[0017]發(fā)明要解決的問題
[0018]如上所述，出于提高光提取效率的目的提出了在基板表面(光提取面)上設(shè)置納米量級(jí)的凹凸結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體發(fā)光元件，但這樣的以往的發(fā)光元件的現(xiàn)狀為，凹凸結(jié)構(gòu)的周期、構(gòu)成凹凸結(jié)構(gòu)的凸部的高度、形狀等的最佳值尚不明確，因發(fā)光波長、基板的折射率等而變動(dòng)，因此，無法發(fā)揮充分的效果。而且，隨著發(fā)光波長成為短波長，需要在基板表面(光提取面)上形成更小量級(jí)的凹凸結(jié)構(gòu)，因此，該凹凸結(jié)構(gòu)的制作變得更加困難。因此，較大的課題在于，再現(xiàn)性良好且均勻地形成即使發(fā)光波長為短波長也能夠充分提高光提取效率的凹凸結(jié)構(gòu)，而且使自半導(dǎo)體發(fā)光元件輸出到外部的光的能量均勻化、穩(wěn)定化。
[0019]因而，本發(fā)明的目的在于謀求解決上述這樣的以往課題，提供即使發(fā)光波長為短波長也能夠獲得較高的光提取效率、均勻的光輸出的半導(dǎo)體發(fā)光元件、以及能夠以高再現(xiàn)性、高生產(chǎn)率制造該半導(dǎo)體發(fā)光元件的半導(dǎo)體發(fā)光元件的制造方法。
[0020]用于解決問題的方案
[0021]基于該發(fā)明的半導(dǎo)體發(fā)光元件為一種具備包含發(fā)光層的半導(dǎo)體層的半導(dǎo)體發(fā)光元件，其中，半導(dǎo)體發(fā)光元件的表面包含光提取面。在半導(dǎo)體發(fā)光元件內(nèi)折射率互不相同的兩個(gè)層之間的界面以及光提取面中的至少任一者形成有周期凹凸結(jié)構(gòu)和微細(xì)凹凸結(jié)構(gòu)，該周期凹凸結(jié)構(gòu)具有超過自發(fā)光層射出的光的波長的0.5倍的周期，該微細(xì)凹凸結(jié)構(gòu)位于周期凹凸結(jié)構(gòu)的表面上，具有光的波長的0.5倍以下的平均直徑。
[0022]發(fā)明的效果
[0023]采用本發(fā)明，能夠得到可獲得較高的光提取效率的半導(dǎo)體發(fā)光元件。
【附圖說明】
[0024]圖1是本發(fā)明的半導(dǎo)體發(fā)光元件的實(shí)施方式I的剖視示意圖。
[0025]圖2是圖1所示的半導(dǎo)體發(fā)光元件的光提取面的俯視示意圖。
[0026]圖3是圖2的線段II1-1II處的局部剖視示意圖。
[0027]圖4是用于說明圖1所示的半導(dǎo)體發(fā)光元件的變形例的俯視示意圖。
[0028]圖5是用于說明圖1所示的半導(dǎo)體發(fā)光元件的制造方法的流程圖。
[0029]圖6是用于說明本發(fā)明的半導(dǎo)體發(fā)光元件的實(shí)施方式2的俯視示意圖。
[0030]圖7是圖6的線段VI1-VII處的局部剖視示意圖。
[0031]圖8是用于說明圖6所示的半導(dǎo)體發(fā)光元件的變形例的俯視示意圖。
[0032]圖9是用于說明圖6所示的半導(dǎo)體發(fā)光元件的制造方法的流程圖。
[0033]圖10是作為實(shí)施例1的試樣而使用的半導(dǎo)體發(fā)光元件的俯視示意圖。
[0034]圖11是圖10的線段X1-XI處的剖視示意圖。
[0035]圖12是圖10所示的半導(dǎo)體發(fā)光元件的光提取面的掃描電子顯微鏡照片。
[0036]圖13是圖10所示的半導(dǎo)體發(fā)光元件的光提取面的掃描電子顯微鏡照片。
[0037]圖14是表示實(shí)施例1的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的圖表。
[0038]圖15是作為實(shí)施例2的試樣而使用的半導(dǎo)體發(fā)光元件的光提取面的掃描電子顯微鏡照片。
[0039]圖16是作為實(shí)施例2的試樣而使用的半導(dǎo)體發(fā)光元件的光提取面的掃描電子顯微鏡照片。
[0040]圖17是作為實(shí)施例2的試樣而使用的半導(dǎo)體發(fā)光元件的光提取面的掃描電子顯微鏡照片。
[0041 ]圖18是表示實(shí)施例2的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的圖表。
[0042]圖19是表示實(shí)施例3的模擬計(jì)算結(jié)果的圖表。
[0043]圖20是表示實(shí)施例3的模擬計(jì)算結(jié)果的圖表。
[0044]圖21是表示實(shí)施例4的模擬計(jì)算結(jié)果的圖表。
[0045]圖22是表示實(shí)施例4的模擬計(jì)算結(jié)果的圖表。
[0046]圖23是表示實(shí)施例5的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的圖表。
[0047]圖24是表不實(shí)施例6的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的圖表。
[0048]圖25是表示實(shí)施例7的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的圖表。
[0049]圖26是表示實(shí)施例8和實(shí)施例9的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的圖表。
[0050]圖27是表示實(shí)施例中的實(shí)驗(yàn)值和模擬計(jì)算結(jié)果的圖表。
【具體實(shí)施方式】
[0051 ]首先，說明實(shí)施方式的概要。
[0052](I)本實(shí)施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件為具備包括包含發(fā)光層(活性層13)的半導(dǎo)體層的半導(dǎo)體發(fā)光元件，其中，半導(dǎo)體發(fā)光元件的表面包含光提取面，在半導(dǎo)體發(fā)光元件內(nèi)折射率互不相同的兩個(gè)層之間的界面以及光提取面中的至少任一者形成有周期凹凸結(jié)構(gòu)21和微細(xì)凹凸結(jié)構(gòu)22，該周期凹凸結(jié)構(gòu)21具有超過自發(fā)光層射出的光的波長的0.5倍的周期，該微細(xì)凹凸結(jié)構(gòu)22位于周期凹凸結(jié)構(gòu)21的表面上，具有光的波長的0.5倍以下的平均直徑。
[0053]由此，由于在光提取面上形成有周期與自發(fā)光層射出的光的波長(發(fā)光波長)相對(duì)應(yīng)的周期凹凸結(jié)構(gòu)21以及具有與該波長相對(duì)應(yīng)的平均直徑的微細(xì)凹凸結(jié)構(gòu)22，因此，相比于在光提取面上不存在這些凹凸結(jié)構(gòu)的情況，能夠可靠地提高光提取效率。即，即使在形成周期大于波長的周期凹凸結(jié)構(gòu)的情況下，通過與微細(xì)凹凸結(jié)構(gòu)進(jìn)行組合，也能夠充分地提高光提取效率。而且，在發(fā)光波長為短波長(例如在450nm以下，或在350nm以下)的情況下，根據(jù)本實(shí)施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件，抑制制造周期凹凸結(jié)構(gòu)的成本增大這樣的效果較為顯著。另外，由于能夠以大于發(fā)光波長的周期形成周期凹凸結(jié)構(gòu)，因此，容易形成均勻的凹凸結(jié)構(gòu)。
[0054](2)在上述半導(dǎo)體發(fā)光元件中，周期凹凸結(jié)構(gòu)21的排列圖案可以是三角形格子狀。該情況下，能夠容易增多周期凹凸結(jié)構(gòu)21的凸?fàn)畈吭诿繂挝幻娣e上的數(shù)量。
[0055](3)在上述半導(dǎo)體發(fā)光元件中，周期凹凸結(jié)構(gòu)21可以包含凸部(凸?fàn)畈?，該凸部(凸?fàn)畈?由折射率高于空氣的折射率的高折射率材料形成。凸部在與自發(fā)光層(活性層13)朝向光提取面(基板16的背面16A)的方向垂直的面上的截面積可以隨著遠(yuǎn)離發(fā)光層(活性層13)而減小。由此，在光提取面的外部介質(zhì)為空氣的情況下，能夠可靠地提高來自光提取面的光提取效率。
[0056](4)在上述半導(dǎo)體發(fā)光元件中，凸部的形狀可以是錐體形狀或半橢圓球形狀。該情況下，能夠使用蝕刻等相對(duì)普通的工藝容易地形成凸部。
[0057](5)在上述半導(dǎo)體發(fā)光元件中，發(fā)光層可以含有III族氮化物半導(dǎo)體。半導(dǎo)體層可以包含:n型III族氮化物半導(dǎo)體層(η型半導(dǎo)體層15)，其導(dǎo)電類型為η型；以及P型III族氮化物半導(dǎo)體層(P型半導(dǎo)體層12)，從發(fā)光層觀察其位于與η型III族氮化物半導(dǎo)體層所在側(cè)相反的一側(cè)，導(dǎo)電類型為P型。若使用這樣的III族氮化物半導(dǎo)體，則能夠獲得用于射出發(fā)光波長在450nm以下這樣的短波長的光的半導(dǎo)體發(fā)光元件。
[0058](6)上述半導(dǎo)體發(fā)光元件可以包括透明性基板，該透明性基板從發(fā)光層來看配置于光提取面?zhèn)?，?duì)于自發(fā)光層射出的光具有透明性。該情況下，能夠?qū)⑼该餍曰宓谋趁?與形成有半導(dǎo)體層的主表面相反的一側(cè)的背面)用作光提取面。
[0059](7)在上述半導(dǎo)體發(fā)光元件中，透明性基板可以是氮化鋁基板。該情況下，能夠大幅降低包含由III族氮化物半導(dǎo)體形成的發(fā)光層的半導(dǎo)體層的缺陷密度。
[0000](8)在上述半導(dǎo)體發(fā)光元件中，自發(fā)光層射出的光的波長可以在450nm以下。在這樣的發(fā)光波長為短波長的情況下，能夠明顯地獲得上述這樣的效果。
[0061](9)在上述半導(dǎo)體發(fā)光元件中，周期凹凸結(jié)構(gòu)21的高度Hl相對(duì)于周期凹凸結(jié)構(gòu)21的周期LI可以在1/3