CN102187480A - 氮化物基半导体发光元件、制造氮化物基半导体发光元件的方法和发光装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供具有优良的光提取效率的氮化物基半导体发光元件。发光元件(11)包括支撑基体(13)和半导体层叠体(15)。半导体层叠体(15)包含n型GaN基半导体区域(17)、有源层(19)和p型GaN基半导体区域(21)。n型GaN基半导体区域(17)、有源层(19)和p型GaN基半导体区域(21)搭载在主面(13a)上，且沿着与主面(13a)正交的规定轴Ax的方向配置。支撑基体(13)的背面(13b)相对于与沿着支撑基体(13)的六方晶系氮化镓半导体的c轴方向延伸的基准轴正交的平面而倾斜。向量VC表示c轴方向。背面(13b)的表面形态M具有朝<000-1>轴的方向突出的多个突起(23)。规定轴Ax的方向与基准轴的方向(向量VC的方向)不同。

Description

氮化物基半导体发光元件、制造氮化物基半导体发光元件的方法和发光装置
技术领域
本发明涉及氮化物基半导体发光元件、制造氮化物基半导体发光元件的方法和发光装置。
背景技术
在专利文献1中，记载了一种发光装置和发光元件的安装方法。该发光装置的安装方法是将衬底(发光透光面)端部与引线框的芯片焊盘进行局部固定，或者将衬底周围端部与引线框的芯片焊盘进行固定。安装有发光元件的发光装置中，发出的光从芯片焊盘的背面侧出射。元件中，在发光层的与衬底相反的一侧设置有包含氮化物半导体的多层反射层。在元件的上面和侧面设置有绝缘体多层膜或绝缘体层和金属反射层，由此使自发光层朝向上面和侧面发出的光向衬底侧反射。
在专利文献2中，记载了一种氮化镓基化合物半导体发光元件。在蓝宝石衬底上生长氮化镓基化合物半导体后，研磨或剥离除去蓝宝石衬底。在该氮化镓基化合物半导体发光元件中，氮化镓基化合物半导体的背面因蚀刻而成为非镜面。通过除去蓝宝石衬底，使蓝宝石与氮化镓的折射率差异所引起的界面处的干涉消失。另外，非镜面的表面会使光发生漫反射。
在专利文献3中，记载了一种自立式氮化镓单晶衬底的制造方法。通过改善与衬底固持器的密合度且减少GaN自立衬底的翘曲，使氮化物半导体元件的合格品成品率提高。将衬底的表面(Ga面)研磨成镜面，且对背面(N面)进行抛光，然后实施蚀刻处理，以加工为1μm以上、10μm以下的算术平均粗糙度Ra。背面(N面)与气相生长装置的衬底固持器进行面接触。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2000-164938号公报
专利文献2：日本特开2003-69075号公报
专利文献3：日本特开2007-153712号公报
发明内容
在专利文献1中，交替配置的GaN层和AlGaN层构成多层反射膜，有源层位于该多层反射膜与衬底之间。因此，来自有源层的光会自衬底的背面出射。在专利文献2中，为了避免在氮化镓基外延层叠体与蓝宝石衬底的界面处因折射率差而引起光反射，将蓝宝石衬底除去，使氮化镓基化合物半导体的背面露出。所露出的外延膜的氮化镓基化合物半导体面因蚀刻而成为非镜面。在专利文献3中，通过提高与衬底固持器的密合度且减少GaN自立衬底的翘曲，使氮化物半导体元件的合格品成品率提高。为此，对背面(N面)进行抛光后实施蚀刻处理，加工为1μm以上、10μm以下的算术平均粗糙度Ra。
上述技术涉及使用蓝宝石衬底的发光元件或使用c面GaN衬底的发光元件。这些发光元件与使用自c面倾斜的GaN衬底的发光元件不同。对于该半极性面上的面发光型氮化物基半导体发光元件，也要求优良的光提取效率。
本发明的目的在于提供具有优良的光提取效率的氮化物基半导体发光元件，另外，本发明的目的还在于提供制造该氮化物基半导体发光元件的方法，并且提供包含该氮化物基半导体发光元件的发光装置。
本发明的一个方面是一种氮化物基半导体发光元件。该氮化物基半导体发光元件包括：(a)支撑基体，其包含六方晶系氮化镓半导体，且具有主面和背面；和(b)半导体层叠体，其包含p型氮化镓基半导体区域、有源层和n型氮化镓基半导体区域；所述支撑基体的所述背面相对于与沿着该六方晶系氮化镓半导体的c轴方向延伸的基准轴正交的平面而倾斜，所述背面的表面形态具有朝所述基准轴的方向突出的多个突起，所述有源层设置在所述p型氮化镓基半导体区域与所述n型氮化镓基半导体区域之间，所述p型氮化镓基半导体区域、所述有源层和所述n型氮化镓基半导体区域在所述支撑基体的所述主面上沿着规定轴的方向配置，所述规定轴的方向与所述基准轴的方向不同。
根据该氮化物基半导体发光元件，在支撑基体的主面上搭载有p型氮化镓基半导体区域、n型氮化镓基半导体区域和有源层。另外，支撑基体的背面相对于与沿着六方晶系氮化镓半导体的c轴方向延伸的基准轴正交的平面而倾斜。并且，规定轴的方向与基准轴的方向不同。因此，自有源层朝向衬底的光成分会因背面而发生漫反射从而改变其行进方向。由于背面的表面形态具有朝基准轴的方向突出的多个突起，因而在背面处会发生效率良好的漫反射，使光不会被封闭在衬底支撑体和半导体层叠体中而消失。因此，氮化物基半导体发光元件具有优良的光提取效率。
在本发明的氮化物基半导体发光元件中，所述支撑基体的所述主面以相对于所述六方晶系氮化镓半导体的<0001>轴为10度以上、80度以下，相对于所述六方晶系氮化镓半导体的<000-1>轴为10度以上、80度以下的范围的角度倾斜，所述支撑基体的所述背面以相对于所述六方晶系氮化镓半导体的<000-1>轴为10度以上、80度以下，相对于所述六方晶系氮化镓半导体的<0001>轴为10度以上、80度以下的范围的角度倾斜。根据该氮化物基半导体发光元件，可对应上述倾斜角来规定突起的倾斜方向。
在本发明的氮化物基半导体发光元件中，可使所述支撑基体的所述主面以相对于所述六方晶系氮化镓半导体的<0001>轴为10度以上、80度以下的范围的角度倾斜，且使所述支撑基体的所述背面以相对于所述六方晶系氮化镓半导体的<000-1>轴为10度以上、80度以下的范围的角度倾斜。根据该氮化物基半导体发光元件，可对应上述倾斜角来规定突起的倾斜方向。
在本发明的氮化物基半导体发光元件中，可使所述支撑基体的所述主面以相对于所述六方晶系氮化镓半导体的<0001>轴为55度以上、80度以下的范围的角度倾斜，且使所述支撑基体的所述背面以相对于所述六方晶系氮化镓半导体的<000-1>轴为55度以上、80度以下的范围的角度倾斜。根据该氮化物基半导体发光元件，可对应上述倾斜角来规定突起的倾斜方向。
在本发明的氮化物基半导体发光元件中，可使所述支撑基体的所述主面以相对于所述六方晶系氮化镓半导体的<000-1>轴为10度以上、80度以下的范围的角度倾斜，且使所述支撑基体的所述背面以相对于所述六方晶系氮化镓半导体的<0001>轴为10度以上、80度以下的范围的角度倾斜。根据该氮化物基半导体发光元件，可对应上述倾斜角来规定突起的倾斜方向。
在本发明的氮化物基半导体发光元件中，可使所述支撑基体的所述主面以相对于所述六方晶系氮化镓半导体的<000-1>轴为55度以上、80度以下的范围的角度倾斜，且使所述支撑基体的所述背面以相对于所述六方晶系氮化镓半导体的<0001>轴为55度以上、80度以下的范围的角度倾斜。根据该氮化物基半导体发光元件，可对应上述倾斜角来规定突起的倾斜方向。
在本发明的氮化物基半导体发光元件中，可使所述突起的顶部形成六棱锥状的形状。根据该氮化物基半导体发光元件，由于突起的顶部为六棱锥状，因而会因六棱锥的构成面而使光发生反射。
在本发明的氮化物基半导体发光元件中，可使所述背面的算术平均粗糙度为0.5微米以上、10微米以下。在该氮化物基半导体发光元件中，过小的表面粗糙度对于通过光漫反射而提取光的提取效率的帮助较小。过大的表面粗糙度对于通过光漫反射而提取光的提取效率的帮助较小。
本发明的氮化物基半导体发光元件可进一步包括：设置在所述半导体层叠体上的第一电极和设置在所述支撑基体的所述背面上的第二电极。根据该氮化物基半导体发光元件，可通过第一电极与半导体层叠体形成一个电连接，并且通过第二电极与衬底的背面形成另一个电连接。或者，在本发明的氮化物基半导体发光元件中，所述半导体层叠体包含将所述p型氮化镓基半导体区域和所述n型氮化镓基半导体区域中任意一个区域的一部分露出而形成的露出区域。该氮化物基半导体发光元件可进一步包括：设置在所述露出区域上的第一电极，和设置在所述半导体层叠体中所述p型氮化镓基半导体区域和所述n型氮化镓基半导体区域中的任意另一个区域上的第二电极。
在本发明的氮化物基半导体发光元件中，所述有源层可以在350nm以上、650nm以下的波长范围内具有峰值波长的方式设置。根据该氮化物基半导体发光元件，可使上述波长范围的光发生漫反射。
在本发明的氮化物基半导体发光元件中，来自所述有源层的光会自所述半导体层叠体的上表面出射。根据该氮化物基半导体发光元件，背面的漫反射率的提高与自上表面提取光的提取效率的提高有关。另外，在本发明的氮化物基半导体发光元件中，来自所述有源层的光会自所述半导体层叠体的背面出射。根据该氮化物基半导体发光元件，背面的漫反射率的提高与自背面提取光的提取效率的提高有关。
本发明的另一方面是一种制造面发光型氮化物基半导体发光元件的方法。该方法包括：(a)准备衬底产品的步骤，该衬底产品包括具有主面和背面的衬底、和设置在该衬底的所述主面上的半导体层叠体；和(b)形成被处理面的步骤，对所述衬底产品中的所述衬底的所述背面进行蚀刻而形成具有包含多个突起的表面形态的被处理面。所述衬底包含六方晶系氮化镓半导体，所述衬底的所述背面相对于与沿着该六方晶系氮化镓半导体的c轴方向延伸的基准轴正交的平面而倾斜，所述突起朝所述基准轴的方向突出，所述半导体层叠体包含p型氮化镓基半导体区域、n型氮化镓基半导体区域和有源层，所述有源层设置在所述p型氮化镓基半导体区域与所述n型氮化镓基半导体区域之间，所述p型氮化镓基半导体区域、所述n型氮化镓基半导体区域和所述有源层在所述衬底的所述主面上沿着规定轴的方向配置，所述规定轴的方向与所述基准轴的方向不同。
根据该方法，通过对衬底的背面实施蚀刻处理，可在衬底的背面形成被处理面。该被处理面具有包含多个突起的表面形态。p型氮化镓基半导体区域、n型氮化镓基半导体区域和有源层在支撑基体的主面上沿着规定轴的方向搭载。另外，支撑基体的背面相对于与沿着六方晶系氮化镓半导体的c轴方向延伸的基准轴正交的平面而倾斜。并且，规定轴的方向与基准轴的方向不同。因此，自有源层朝向衬底的光成分会因背面而发生漫反射从而改变其行进方向。背面的表面形态具有朝基准轴的方向突出的多个突起，因而背面会使入射光发生漫反射。因此，可提供制造具有优良的光提取效率的氮化物基半导体发光元件的方法。
在本发明的方法中，可使所述衬底的所述背面以相对于所述六方晶系氮化镓半导体的<000-1>轴为10度以上、80度以下的范围的角度倾斜。根据该方法，可对应所述倾斜角来规定突起的倾斜方向。
本发明的方法可以进一步包括：对所述氮化镓半导体晶片的所述背面进行磨削而形成所述衬底产品的所述衬底的步骤。根据该方法，可通过磨削而获得具有所需厚度的衬底。另外，通过对磨削完毕的背面实施蚀刻处理，可形成被处理面。
在本发明的方法中，所述被处理面的形成可通过湿式蚀刻进行。根据该方法，可使用湿式蚀刻以形成多个突起。
在本发明的方法中，所述被处理面的形成可利用碱溶液进行。根据该方法，可使用碱溶液而形成多个突起。
在本发明的方法中，所述突起的顶部形成六棱锥状的形状。根据该方法，由于突起的顶部为六棱锥状，因而会因六棱锥的构成面而使光发生反射。
在本发明的方法中，可使所述背面的算术平均粗糙度为0.5微米以上、10微米以下。该方法中，过小的表面粗糙度对于通过光漫反射而提取光的提取效率的帮助较小。过大的表面粗糙度对于通过光漫反射而提取光的提取效率的帮助较小。
在本发明的方法中，所述有源层可以在350nm以上、650nm以下的波长范围内具有峰值波长的方式设置。根据该方法，对于上述波长范围的光，可实现优良的光提取效率。
在本发明的方法中，所述有源层可以在450nm以上、650nm以下的波长范围内具有峰值波长的方式设置。根据该方法，对于上述波长范围的光，可实现优良的光提取效率。
在本发明的方法中，所述半导体层叠体包含将所述p型氮化镓基半导体区域和所述n型氮化镓基半导体区域中任意一个区域的一部分露出而形成的露出区域。该方法可进一步包括以下步骤：在所述露出区域上形成第一电极，并且在所述半导体层叠体中所述p型氮化镓基半导体区域和所述n型氮化镓基半导体区域中的任意另一个区域上形成第二电极。或者，本发明的方法可进一步包括：在所述衬底的所述被处理面上形成第一电极的步骤；和在所述半导体层叠体上形成第二电极的步骤。根据该方法，可通过第二电极形成一个电连接，并且通过被处理面上的电极形成另一个电连接。
本发明的方法可进一步包括：在所述氮化镓半导体晶片的所述主面上，生长一个或多个p型氮化镓基半导体层、一个或多个n型氮化镓基半导体层和有源层而形成外延晶片的步骤；和对所述外延晶片进行蚀刻而形成半导体层叠体的步骤。所述p型氮化镓基半导体层、n型氮化镓基半导体层和有源层在所述氮化镓半导体晶片的所述主面上沿着规定轴的方向配置，所述氮化镓半导体晶片的所述主面以相对于所述六方晶系氮化镓半导体的<0001>轴为10度以上、80度以下的范围的角度倾斜。
根据该方法，氮化镓半导体晶片的主面具有所谓的半极性。在该半极性面上生长的多个氮化镓基半导体沿着规定轴的方向配置。
在本发明的方法中，可使所述晶片的边缘上两点间距离的最大值为45毫米以上。该方法可应用于大口径的晶片。
本发明的又一方面的发光装置包括：上述任一方式的氮化物基半导体发光元件；支撑体，包含用于支撑所述氮化物基半导体发光元件的所述背面的支撑面；和树脂体，设置在所述氮化物基半导体发光元件和所述支撑体上，对述氮化物基半导体发光元件进行密封。来自所述氮化物基半导体发光元件的光会穿透所述树脂体。根据该发光装置，可增大正上方亮度。
另外，在本发明的发光装置中，可使所述树脂体的表面包含与所述支撑体接触的第一部分和不与所述支撑体接触而露出的第二部分。根据该发光装置，第一部分与支撑体接触，并且第二部分不与支撑体接触而露出。因此，树脂体不包含支撑体之外的反射器。
本发明的上述目的及其它目的、特征和优点，根据参考附图而进行的本发明的优选实施方式的以下详细描述，可以更容易地明白。
发明的效果
如上所述，根据本发明的一个方面，可以提供具有优良的光提取效率的氮化物基半导体发光元件。另外，根据本发明的另一方面，可以提供制造该氮化物基半导体发光元件的方法。另外，根据本发明的又一方面，可以提供包含该氮化物基半导体发光元件的发光装置。
附图说明
图1是概略地表示本实施方式的氮化物基半导体发光元件的图；
图2是表示制造本实施方式的氮化物基半导体发光元件的方法的主要步骤的图；
图3是表示制造本实施方式的氮化物基半导体发光元件的方法的主要步骤的图；
图4是表示制造本实施方式的氮化物基半导体发光元件的方法的主要步骤的图；
图5是表示用于测定EL特性的连接的图；
图6是表示使用带偏角的GaN晶片所制造的LED结构的EL特性和使用c面GaN晶片所制造的LED结构的EL特性的图；
图7是表示带偏角的GaN衬底的背面(碱蚀刻完毕)的SEM图像的图；
图8是表示通过碱蚀刻对具有自c+轴向m轴方向以75度的角度倾斜的主面的GaN衬底实施背面粗糙化后的GaN衬底背面的SEM图像的图；
图9是表示通过碱蚀刻对具有自c+轴向a轴方向以58度的角度倾斜的主面的GaN衬底实施背面粗糙化后的GaN衬底背面的SEM图像的图；
图10是表示通过碱蚀刻对具有自c+轴以68度的角度朝向从a轴方向向m轴方向以一定角度旋转后的方向倾斜的主面的GaN衬底实施背面粗糙化后的GaN衬底背面的SEM图像的图；
图11是表示m面GaN衬底的背面(碱蚀刻完毕)的SEM图像的图；
图12是表示c面GaN衬底的背面(碱蚀刻完毕)的SEM图像的图；
图13是表示本实施方式的氮化物基半导体发光元件的另一结构的图；
图14是表示本实施方式的氮化物基半导体发光元件的又一结构的图；
图15是表示GaN衬底的主面的法线与c轴所成的角度、与同一生长条件下的InGaN生长中的In含量的关系的图；
图16是示意性表示电极形成步骤和背面粗糙化步骤的图；
图17是表示在外延面上形成有阳极电极和阴极电极的LED结构、和在外延面上形成有阳极电极且在背面的一部分上形成有阴极电极的LED结构的图；
图18是表示包含本实施方式的氮化物基半导体发光元件的发光装置的构成的图。
标号说明
11 氮化物基半导体发光元件
13 支撑基体
13a 支撑基体的主面
13b 支撑基体的背面
15 半导体层叠体
15a 半导体层叠体的上表面
15b 平台区域
15c 露出区域
17 n型氮化镓基半导体区域
19 有源层
21 p型氮化镓基半导体区域
23 突起
M 表面形态
VC c轴的向量
LB、LF、LR 光
Sc c面
27、29 电极
31、33 氮化镓基半导体层
35、37 氮化镓基半导体层
具体实施方式
本发明的见解通过参考作为例示给出的附图来考虑以下的详细描述可以容易地理解。接下来，参考附图对本发明的氮化物基半导体发光元件和制造该氮化物基半导体发光元件的方法的实施方式进行说明。可能的情况下，对同一部分标注同一符号。在后续说明中，对于例如相对于<0001>轴为反向的晶轴，以<000-1>表示。
图1是概略地表示本实施方式的氮化物基半导体发光元件的图。该氮化物基半导体发光元件11，包括支撑基体13和半导体层叠体15。支撑基体13包含六方晶系氮化镓半导体，且具有主面13a和背面13b。半导体层叠体15包含n型氮化镓基半导体区域17、有源层19和p型氮化镓基半导体区域21。有源层19设置在p型氮化镓基半导体区域21与n型氮化镓基半导体区域17之间。n型氮化镓基半导体区域17、有源层19和p型氮化镓基半导体区域21搭载在支撑基体13的主面13a上，且沿着与主面13a正交的规定轴Ax的方向配置。支撑基体13的背面13b相对于与沿着该六方晶系氮化镓半导体的c轴方向延伸的基准轴正交的平面而倾斜。c轴方向在图1中以向量VC表示。背面13b的表面形态M具有朝<000-1>轴的方向突出的多个突起23。规定轴Ax的方向与基准轴的方向(向量VC的方向)不同。
根据该氮化物基半导体发光元件11，p型氮化镓基半导体区域21、n型氮化镓基半导体区域17和有源层19在支撑基体13的主面13a上沿着规定轴Ax的方向配置。另外，支撑基体13的背面13b相对于与向量VC所示的基准轴正交的平面而倾斜。并且，规定轴Ax的方向与向量VC的方向不同。因此，自有源层19朝向衬底13的光成分LB会因背面13b而发生漫反射从而改变其行进方向。该反射光LR与自有源层19直接朝向出射面的光成分LF一起自出射面提供。图1中显示了出射光L。由于背面13b的表面形态M具有与向量VC反向地突出的多个突起23，因而背面13b显示优良的漫反射率。因此，氮化物基半导体发光元件11具有优良的光提取效率。
氮化物基半导体发光元件11为面发光元件，来自有源层19的光LB、LF自半导体层叠体15的上表面15a出射。背面13b的漫反射性能的提高与自上表面15a提取光的提取效率的提高有关。另外，可以使来自有源层19的光LB、LF自衬底的背面13b出射。背面13b的漫反射性能的提高与自衬底背面13b提取光的提取效率的提高有关。
在氮化物基半导体发光元件11中，可使衬底13的背面13b相对于六方晶系氮化镓半导体的<000-1>轴以10度以上、80度以下的范围的角度α而倾斜。对应该倾斜角来规定突起23的倾斜方向。因此，衬底背面13b与经镜面研磨后的背面相比，具有较高的漫反射能力。另外，衬底13的主面13a相对于六方晶系氮化镓半导体的<0001>轴以10度以上、80度以下的范围的角度倾斜。有源层19形成在显示半极性的衬底主面13a上，因此，与c面上的有源层相比，压电场对该有源层19的影响较小。另外，规定轴Ax与向量VC所成的角度为10度以上、80度以下。
对上述角度进行说明。在氮化物基半导体发光元件11中，衬底13的主面13a以相对于六方晶系氮化镓半导体的<0001>轴为10度以上、80度以下，相对于六方晶系氮化镓半导体的<000-1>轴为10度以上、80度以下的范围的角度倾斜。另外，衬底13的背面13b以相对于六方晶系氮化镓半导体的<000-1>轴为10度以上、80度以下，相对于六方晶系氮化镓半导体的<0001>轴为10度以上、80度以下的范围的角度倾斜。根据该氮化物基半导体发光元件11，可对应上述倾斜角来规定突起的倾斜方向。
在氮化物基半导体发光元件11中，可使衬底13的主面13a相对于六方晶系氮化镓半导体的<0001>轴以10度以上、80度以下的范围的角度倾斜，且使衬底13的背面13b相对于六方晶系氮化镓半导体的<000-1>轴以10度以上、80度以下的范围的角度倾斜。根据该氮化物基半导体发光元件11，可对应上述倾斜角来规定突起的倾斜方向。
在氮化物基半导体发光元件11中，可使衬底13的主面13a相对于六方晶系氮化镓半导体的<0001>轴以55度以上、80度以下的范围的角度倾斜，且使衬底13的背面13b相对于六方晶系氮化镓半导体的<000-1>以55度以上、80度以下的范围的角度倾斜。根据该氮化物基半导体发光元件11，可对应上述倾斜角来规定突起的倾斜方向。
在氮化物基半导体发光元件11中，可使衬底13的主面13a相对于六方晶系氮化镓半导体的<000-1>轴以10度以上、80度以下的范围的角度倾斜，且使衬底13的背面13b相对于六方晶系氮化镓半导体的<0001>轴以10度以上、80度以下的范围的角度倾斜。根据该氮化物基半导体发光元件11，可对应上述倾斜角来规定突起的倾斜方向。
在氮化物基半导体发光元件11中，可使衬底13的主面13a相对于六方晶系氮化镓半导体的<000-1>轴以55度以上、80度以下的范围的角度倾斜，且使衬底13的背面13b相对于六方晶系氮化镓半导体的<0001>轴以55度以上、80度以下的范围的角度倾斜。根据该氮化物基半导体发光元件11，可对应上述倾斜角来规定突起的倾斜方向。
根据发明人在实验中的详细观察，突起23的顶部形成六棱锥状的形状。由于突起23的顶部为六棱锥状，因而会因六棱锥的构成面而使光发生反射。
背面13b的算术平均粗糙度可为1微米以上。过小的表面粗糙度对于通过光漫反射而提取光的提取效率的帮助较小。另外，背面13b的算术平均粗糙度可为10微米以下。过大的表面粗糙度对于通过光反射而提取光的提取效率的帮助较小。
图1中，显示了作为代表的c面Sc。六方晶系的晶轴由结晶坐标系CR表示。结晶坐标系CR的c轴的朝向表示c面的朝向。a轴或m轴朝向与c轴正交的方向。图1中，为表示氮化物基半导体发光元件11的结构，显示了正交坐标系S。n型氮化镓基半导体区域17、有源层19和p型氮化镓基半导体区域21在支撑基体13的主面13a上沿着Z轴的方向配置。衬底13的主面13a和背面13b与由X轴和Y轴所规定的平面实质上平行地延伸。在优选的实施例中，主面13a以平行于背面13b的方式形成。
在包含支撑基体13和半导体层叠体15的半导体结构物25中，设置有第一电极27和第二电极29。另外，这些电极27、29为阳极和阴极。氮化物基半导体发光元件11的半导体层叠体15包含平台区域15b和露出区域15c。在露出区域15c中，露出有p型氮化镓基半导体区域21和n型氮化镓基半导体区域17中任意一个区域的一部分。第二电极29设置在露出区域15c上，第一电极27设置在半导体层叠体15中p型氮化镓基半导体区域21和n型氮化镓基半导体区域17中的任意另一个区域上。在本实施例中，n型氮化镓基半导体区域17、有源层19和p型氮化镓基半导体区域21依次搭载在支撑基体13上，因而第二电极29与n型氮化镓基半导体区域17形成连接，第一电极27与p型氮化镓基半导体区域21形成连接。根据该氮化物基半导体发光元件11，当进行了p下型(pダウン型)安装时，半导体区域的整个面相对于光提取方向而露出，光不会被衬垫电极所遮挡，从而能够提供良好的光提取效率。另外，本实施方式中，无需实施接线，因而可以实现安装成本的降低和成品率的提高。
有源层19例如可为块状结构、单量子阱结构、多量子阱结构。有源层19可以在350nm以上、650nm以下的波长范围内具有峰值波长的方式设置。衬底13的背面13b可使上述波长范围的光发生漫反射。有源层19可包含GaN、InGaN、InAlGaN等。当有源层19具有量子阱结构时，有源层19包含阱层和势垒层。另外，有源层19可以在450nm以上、650nm以下的波长范围内具有峰值波长的方式设置。对于上述波长范围的光，可实现优良的光提取效率。
n型氮化镓基半导体区域17包含一个或多个氮化镓基半导体层(本实施例中，为氮化镓基半导体层31、33)。氮化镓基半导体层31例如可为n型GaN或n型AlGaN、AlN等，其提供n型载流子(电子)，并且作为与阴极的接触层而发挥作用。氮化镓基半导体层33例如可为n型InGaN、InAlGaN等，作为用于有源层的缓冲层而发挥作用。
p型氮化镓基半导体区域21包含一个或多个氮化镓基半导体层(本实施例中，为氮化镓基半导体层35、37)。氮化镓基半导体层35例如可为p型AlGaN、InAlGaN等，其提供对于n型载流子(电子)的势垒。氮化镓基半导体层37例如可为p型AlGaN或p型GaN、InGaN等，其提供p型载流子(空穴)，并且作为与阳极的接触层而发挥作用。
衬底13可具有导电性。在需要的情况下，在氮化物基半导体发光元件11中，第一电极27可设置在半导体层叠体15上，第二电极29可设置在衬底13的背面13b上。根据该结构，无需平台区域15b和露出区域15c。可通过半导体层叠体15上的第一电极27与p型氮化镓基半导体区域21形成电连接，并且通过衬底13的背面13b上的第二电极29与n型氮化镓基半导体区域17形成电连接。
图2、图3、图4是表示制造本实施方式的氮化物基半导体发光元件的方法的主要步骤的图。
如图2(a)所示，在步骤S101中，准备六方晶系氮化镓半导体的氮化镓半导体晶片(以下，记作“GaN晶片”)41。氮化镓半导体晶片41具有主面41a和背面41b。GaN晶片41的主面41a以相对于六方晶系氮化镓半导体的<0001>轴为10度以上、80度以下的范围的角度β而倾斜。GaN晶片41的主面41a具有所谓的半极性。参见图2(a)，其中显示了代表性的c面Sc、沿着c轴方向延伸的基准轴Cx和主面41a的法线向量VN。c面Sc与基准轴Cx正交。基准轴Cx相对于法线向量VN以角度β倾斜。晶片41的边缘上两点间距离的最大值例如可为45毫米以上。可应用于大口径的晶片。如已说明过的那样，衬底晶片41的主面41a以相对于六方晶系氮化镓半导体的<0001>轴为10度以上、80度以下和/或相对于所述六方晶系氮化镓半导体的<000-1>轴为10度以上、80度以下的范围的角度倾斜。另外，衬底晶片41的背面41b以相对于六方晶系氮化镓半导体的<000-1>轴为10度以上、80度以下，相对于所述六方晶系氮化镓半导体的<0001>轴为10度以上、80度以下的范围的角度倾斜。
在生长炉10a中配置GaN晶片41后，如图2(b)所示，在步骤S102中，在GaN晶片41的主面41a上生长多片外延膜而形成外延晶片E。该生长例如利用金属有机化学气相沉积生长法进行。进行热清洗后，首先在主面41a上形成n型氮化镓基半导体区域43。在主面41a上生长n型氮化镓基半导体层45。在n型氮化镓基半导体层45上生长n型氮化镓基半导体层47。n型氮化镓基半导体层45例如包含GaN、AlGaN、AlN等，n型氮化镓基半导体层47例如包含InGaN、GaN、AlGaN等。
继而，在n型氮化镓基半导体层47上形成有源层49。为了形成有源层49，使势垒层49a和阱层49b交替生长。势垒层49a例如可为GaN、InGaN、InAlGaN等，阱层49b例如可为InGaN、InAlGaN等。有源层49可以在350nm以上、650nm以下的波长范围内具有峰值波长的方式设置。对于该波长范围的光，可实现优良的光提取效率。另外，有源层49可以在450nm以上、650nm以下的波长范围内具有峰值波长的方式设置。对于上述波长范围的光，可实现优良的光提取效率。
然后，在有源层49上形成p型氮化镓基半导体区域51。在有源层49的势垒层49a上生长p型氮化镓基半导体层53。在p型氮化镓基半导体层53上生长p型氮化镓基半导体层55。p型氮化镓基半导体层53例如包含AlGaN等，p型氮化镓基半导体层55例如包含AlGaN、GaN等。
通过上述生长，获得外延晶片E。多个氮化镓基半导体区域43、49、51在半极性的主面41a上生长，且沿着与主面41a垂直的方向配置。
将外延晶片E自生长炉10a中取出后，在需要的情况下，在步骤S103中，如图2(c)所示，对外延晶片E进行蚀刻而形成半导体层叠体57。在外延晶片E上形成具有图案的掩膜59后，将外延晶片E配置在蚀刻装置10b上。使用蚀刻装置10b进行干式蚀刻(例如反应性离子蚀刻法)，形成衬底产品P1。衬底产品P1包含在外延晶片E上形成有平台部57a和露出区域57b的半导体层叠体57。在平台部57a中，n型氮化镓基半导体层43c、有源层49c和p型氮化镓基半导体层51c沿着与GaN晶片41的主面41a垂直的方向依次配置。将衬底产品P1自蚀刻装置10b中取出后，除去掩膜59。
如图3(a)所示，半导体层叠体57含有将氮化镓基半导体区域51c和43c中任意一个区域(本实施例中为n型区域43c)的一部分露出而形成的露出区域57b。在步骤S104中，在露出区域57b上形成第一电极59，并且在半导体层叠体57的氮化镓基半导体区域51c和43c中的任意另一个区域(本实施例中为p型区域51c)上形成第二电极61。电极61包含在半导体层叠体57的表面上形成的透明电极61a和在透明电极61a的一部分上形成的衬垫电极61b。用于电极的金属膜的沉积使用实施溅镀法或蒸镀法的成膜装置而进行。通过上述步骤，获得衬底产品P2。
电极形成后，如图3(b)所示，在步骤S105中，使用退火装置10c进行衬底产品P2的电极退火。
电极退火后，本发明的方法中，如图3(c)所示，在步骤S106中，对GaN晶片41的背面41b进行磨削，形成磨削后的GaN晶片41d。以下说明中，将磨削后的GaN晶片41d称为“衬底41c”。衬底41c具有主面41a和背面41d。通过该步骤，形成用于衬底产品P3的衬底41d。衬底产品P3包含衬底41c和设置在主面41a上的半导体层叠体57。通过磨削可获得具有所需厚度的衬底。另外，磨削以使衬底41c的背面41d相对于与沿着六方晶系氮化镓半导体的c轴方向延伸的基准轴Cx正交的平面而倾斜的方式进行。另外，背面41d实质上平行于主面41a。磨削后的算术平均粗糙度Ra例如为0.1μm以上、0.5μm以下。
如图4(a)所示，例如在衬底产品P3的半导体层叠体57上形成保护膜63。由此，在步骤S107中准备好衬底产品P4。保护膜63例如可为抗蚀膜等。衬底产品P4的衬底41c的背面41d露出。
如图4(a)所示，将衬底产品P4配置在蚀刻装置10d中后，对衬底41c的背面41d进行蚀刻而形成被处理面41e。被处理面41e具有包含多个突起65的表面形态Mw。通过对磨削完毕的背面41d实施蚀刻处理，可形成被处理面41e。
p型氮化镓基半导体区域51c、n型氮化镓基半导体区域43c和有源层49c搭载在衬底41c的主面41a上，且沿着与主面41a垂直的配置方向配置。另一方面，该配置方向与基准轴的方向不同。突起65朝该基准轴Cx的方向突出。
根据该步骤S108，通过对衬底41c的背面41d实施蚀刻处理，可在衬底41c上形成被处理面41e。该被处理面41e具有包含多个突起65的表面形态Mw。p型氮化镓基半导体区域51c、有源层49c和n型氮化镓基半导体区域43c的排列方向与基准轴Cx的方向不同。突起65朝着与该排列方向不同的方向而突出。因此，自有源层49c朝向衬底41c的光成分会因被处理面41e而发生漫反射从而改变其行进方向。被处理面41e的表面形态Mw具有朝基准轴Cx的方向突出的多个突起65，因而被处理面41e表现出优良的漫反射特性。因此，可提供制造具有优良的光提取效率的氮化物基半导体发光元件的方法。
突起65的顶部形成六棱锥状的形状，因而通过六棱锥的构成面会使光有效地发生反射。另外，被处理面41e的算术平均粗糙度可为0.5微米以上。过小的表面粗糙度对于通过光反射而提取光的提取效率的帮助较小。被处理面41e的算术平均粗糙度可为10微米以下。过大的表面粗糙度对于通过光反射而提取光的提取效率的帮助较小。
衬底41c的背面41d相对于六方晶系氮化镓半导体的<000-1>轴以10度以上、80度以下的范围的角度倾斜，因此可对应上述倾斜角来规定突起的倾斜方向。
在被处理面41e的形成中，为了形成多个突起65，可使用湿式蚀刻。另外，被处理面41e的形成也可利用碱溶液来进行。作为碱溶液，例如可使用氢氧化钾(KOH)、氢氧化钠(NaOH)等。
除去保护膜63后，对衬底产品进行切割而制造氮化物基半导体发光元件67a。氮化物基半导体发光元件67a包含支撑基体41f和半导体层叠体57f。支撑基体41f包含六方晶系氮化镓半导体，且具有主面41g和背面41h。半导体层叠体57f包含平台部57g和露出区域57h。半导体层叠体57f包含n型氮化镓基半导体区域43f、有源层49f和p型氮化镓基半导体区域51f。有源层49f设置在p型氮化镓基半导体区域51f与n型氮化镓基半导体区域43f之间。n型氮化镓基半导体区域43f、有源层49f和p型氮化镓基半导体区域51f搭载在支撑基体41f的主面41g上，且沿着与主面41g正交的轴的方向配置。支撑基体41f的背面41h相对于与沿着该六方晶系氮化镓半导体的c轴方向延伸的基准轴Cx正交的平面而倾斜。c轴方向在图4(c)中以向量VC表示。背面41g的表面形态具有朝<000-1>轴的方向突出的多个突起65。
需要说明的是，参考图2～图4进行的制造方法的说明只是一个示例。例如，在本实施方式的方法中，可以在形成晶片41的被处理面而形成衬底后，在衬底的被处理面上形成第一电极并且在半导体层叠体上形成第二电极。或者，可以在半导体层叠体上形成第二电极后，形成晶片41的被处理面而形成衬底，然后在该衬底的被处理面上形成第一电极。根据这些方法，可以通过第二电极形成一个电连接，并且通过被处理面上的电极形成另一个电连接。
(实施例)
通过金属有机化学气相沉积生长法，制造蓝色发光二极管结构。使用三甲基镓(TMG)、三甲基铝(TMA)、三甲基铟(TMI)、氨气(NH3)作为原料，并且分别使用硅烷(SiH4)和双环戊二烯镁(CP2Mg)作为n型和p型掺杂剂。
准备2英寸大小的c面氮化镓晶片S1和带偏角的氮化镓晶片S2。晶片S2的主面自(0001)面(Ga面)向a轴方向偏离18度，晶片S2的背面自(000-1)面(N面)同样以18度的角度倾斜。对晶片S1、S2的主面实施镜面研磨处理。
在反应炉内设置晶片S1。在摄氏1100度的衬底温度、27kPa的炉内压力下，在通入NH3和H2的同时使用反应炉进行10分钟的热处理，然后将衬底温度变更为摄氏1150度，生长Si掺杂的GaN层。该GaN层的厚度例如为2微米。使衬底温度下降至摄氏850度后，向反应炉内供给TMG、TMI、SiH4，在Si掺杂的GaN层上生长Si掺杂的InGaN缓冲层。该InGaN缓冲层的厚度为100nm。
然后，使衬底温度升高至摄氏870度后，生长GaN势垒层。GaN势垒层的厚度为15nm。接着，使衬底温度下降至摄氏800度，生长InGaN阱层。InGaN阱层的厚度为3nm。再次使衬底温度升高至摄氏870度后，生长GaN势垒层。该GaN势垒层为15nm。反复进行阱层和势垒层的生长，制造出包含总计3个周期的阱层和势垒层的多量子阱结构。
然后，停止对反应炉供给TMG和TMI，并使衬底温度上升至摄氏1100度。在该温度下，向反应炉内供给TMG、TMA、NH3、CP2Mg，生长Mg掺杂的p型AlGaN层。p型AlGaN层的厚度为20nm。保持衬底温度，并停止TMA的供给，从而生长p型GaN层。p型GaN层的厚度为50nm。在上述成膜完成后，将温度降低至室温，自反应炉中取出外延晶片。
另外，使用GaN晶片S2，同样利用金属有机化学气相沉积生长法，制造蓝色发光二极管结构的外延晶片。对于晶片S1、S2，具体的温度或原料的流量等条件不同。
进而，使用GaN晶片S1、S2，制造发出若干种发光波长的光的发光二极管结构的外延晶片。
接着，在以上述方式制造的外延晶片上形成电极。该步骤中，通过反应性离子蚀刻(RIE)，形成500nm的平台区域和露出区域。在露出区域中露出有Si掺杂的GaN层。在平台区域的p型GaN层上形成p透明电极(Ni/Au)和p衬垫电极(Au)，并且在露出区域上形成n电极(Ti/Al)。形成这些电极后，进行电极退火从而制造衬底产品。电极退火的温度和退火时间分别为摄氏550度和1分钟。在各步骤之间，实施光刻和超声波清洗等。
接着，将衬底产品对半分割，对于一半的晶片，对其背面实施镜面研磨，对于另一半的晶片，利用碱溶液实施蚀刻处理。通过该步骤，获得处理完毕的衬底产品。通过该蚀刻处理，在衬底产品的背面上形成了0.5～10微米左右的微细的凹凸。芯片尺寸为400μm×400μm。
在以上述方式制造的衬底产品的LED芯片中通入电流，评价电流注入发光(电致发光，EL)。图5表示用于测定EL特性的连接。将用于测定EL特性的处理完毕的衬底产品71配置在支撑台上。在距衬底产品71的距离为D处，将透镜单元73配置于衬底产品71的正上方。透镜单元73通过光纤75连接于分光器77上。在衬底产品71的LED的电极上连接有电源79。自电源79对要测定的LED施加120mA的电流。图6(a)表示使用带偏角的GaN晶片所制造的LED结构的EL特性。图6(b)表示使用c面GaN晶片所制造的LED结构的EL特性。
带偏角的GaN衬底
参见图6(a)，第1组测定点G1具有镜面研磨的背面，且呈现波长约480nm的发光。第2组测定点G2具有蚀刻处理的背面，且呈现波长约480nm的发光。第3组测定点G3具有镜面研磨的背面，且呈现波长约510nm的发光。第4组测定点G4具有蚀刻处理的背面，且呈现波长约510nm的发光。
在波长为480nm和510nm的任何一种波长的发光下，具有蚀刻处理的背面的LED的光输出均大于具有镜面研磨的背面的LED。更具体而言，以发光波长为480nm和510nm的LED的平均值计，具有蚀刻处理的背面的LED的光输出较大，为具有镜面研磨的背面的LED的3.70倍。
c面GaN衬底
参见图6(b)，第1组测定点H1具有镜面研磨的背面，且呈现波长约445nm的发光。第2组测定点H2具有蚀刻处理的背面，且呈现波长约445nm的发光。在发光波长约445nm的LED中，具有蚀刻处理的背面的LED的光输出较大，为具有镜面研磨的背面的LED的1.39倍。
在通过蚀刻处理在衬底背面形成粗糙时，使用带偏角的GaN衬底的LED的光输出的提高率大于使用c面GaN衬底的LED的光输出的提高率。
由此可知，对于c面GaN衬底和带偏角的GaN衬底，在意图利用碱蚀刻所致的背面粗糙来提高LED的光提取效率、特别是正上方亮度时，其效果有较大的差异。该效果在带偏角的GaN衬底中非常显著。
为了探究如上所述由碱蚀刻所形成的背面粗糙的效果在c面GaN衬底上与带偏角的GaN衬底之间存在较大差异的原因，使用扫描型电子显微镜(SEM)观察了碱蚀刻后的衬底的背面状态。图7表示带偏角的GaN衬底的背面(碱蚀刻完毕)的SEM图像。图7(a)表示自倾斜方向拍摄的SEM图像，图7(b)表示自上方拍摄的SEM图像。
进而，拍摄了具有若干种偏角的GaN衬底的背面的SEM图像。图8中，通过碱蚀刻对具有自c+轴向m轴方向以75度的角度倾斜的主面的GaN衬底实施背面粗糙化并显示GaN面的SEM图像。参见图8，背面粗糙的突起朝向相对于背面的法线轴倾斜大致75度的方向(c-轴的方向)。即使在具有75度这样的较大偏角的GaN衬底中，背面粗糙的突起也与c轴的偏离方向和偏角相关。
图9中，通过碱蚀刻对具有自c+轴向a轴方向以58度的角度倾斜的主面的GaN衬底实施背面粗糙化并显示GaN面的SEM图像。参见图9，背面粗糙的突起朝向相对于背面的法线轴以约58度的角度倾斜的方向(c-轴的方向)。即使在具有58度这样的较大偏角的GaN衬底中，背面粗糙的突起也与c轴的偏离方向和偏角相关。
图10中，通过碱蚀刻对具有自c+轴以68度的角度朝向从a轴方向向m轴方向以一定角度(例如15度)旋转后的方向倾斜的主面的GaN衬底实施背面粗糙化并显示GaN面的SEM图像。参见图10，背面粗糙的突起朝向相对于背面的法线轴以约68度的角度倾斜的方向(c-轴的方向)。即使在具有68度这样的较大偏角的GaN衬底中，背面粗糙的突起也与c轴的偏离方向和偏角相关。
图11表示m面GaN衬底的背面(碱蚀刻完毕)的SEM图像。图11的SEM图像显示，即使对m面GaN衬底的背面实施过碱蚀刻，也未形成在半极性面中可见的朝向c轴方向的突起群。
图12表示c面GaN衬底的背面(碱蚀刻完毕)的SEM图像。图12(a)表示自倾斜方向拍摄的SEM图像，图12(b)表示自上方拍摄的SEM图像。
在c面GaN衬底中，通过碱蚀刻形成了沿c轴方向延伸的六角锥状的多个突起，与此相对，在带偏角的GaN衬底中，形成了沿大致表现c轴的倾斜的方向延伸的六角锥状的突起。即，可认为该突起的倾斜体现于由背面粗糙形成所致的发光二极管的正上方亮度的差异上。
图13是表示本实施方式的氮化物基半导体发光元件的另一结构的图。氮化物基半导体发光元件67b包含支撑基体41f和半导体层叠体57i。支撑基体41f包含六方晶系氮化镓半导体，且具有主面41f和背面41h。半导体层叠体57i包含：与n型氮化镓基半导体区域43f实质上相同的n型氮化镓基半导体区域43i、与有源层49f实质上相同的有源层49i、和与p型氮化镓基半导体区域51f实质上相同的p型氮化镓基半导体区域51i。n型氮化镓基半导体区域43i、有源层49i和p型氮化镓基半导体区域51i搭载在支撑基体41f的主面41g的整个面上，且沿着与主面41g正交的轴的方向配置。支撑基体41f的背面41h沿着与基准轴Cx正交的平面延伸，所述基准轴Cx沿着该六方晶系氮化镓半导体的c轴方向延伸。c轴方向在图13中以向量VC表示。背面41h的表面形态具有朝<000-1>轴的方向突出的多个突起(与突起65相同的形状)。在支撑基体41f的背面41h上形成有电极59c，在半导体层叠体57i的上表面上形成有电极61c(透明电极61d和衬垫电极61e)。
图14是表示本实施方式的氮化物基半导体发光元件的又一结构的图。准备以自c轴向m轴方向以75度的偏角(法线向量NV与c轴向量VC所成的角)倾斜的面作为主面的GaN衬底90。在该GaN衬底90上生长用于发光二极管的外延层结构91。外延层结构91通过金属有机化学气相沉积生长法制造。原料使用三甲基镓(TMG)、三甲基铝(TMA)、三甲基铟(TMI)、氨气(NH3)、硅烷(SiH4)、双环戊二烯镁(CP2Mg)。
在生长炉内设置衬底后，在摄氏1050度的温度和27kPa的炉内压力下，在通入氨气和氢气的同时对GaN衬底进行10分钟的热处理。
在n型半导体层的生长步骤中，变更衬底温度后，在摄氏950度的衬底温度下，在GaN衬底90上生长Si掺杂的GaN层92。该GaN层92的厚度例如为2μm。变更衬底温度后，在摄氏850度的衬底温度下，向生长炉内供给TMG、TMI、氨气和单硅烷，在GaN衬底90上生长Si掺杂的InGaN层93。InGaN缓冲层93的厚度例如为100nm。
在有源层94的生长步骤中，变更衬底温度后，在摄氏870度的衬底温度下生长GaN势垒层94a。该势垒层94a的厚度例如为15nm。接着，使衬底温度下降至摄氏720度后，生长InGaN阱层94b。阱层94b的厚度为3nm。然后，反复进行摄氏870度的衬底温度下的GaN势垒层(厚度为15nm)94a的生长和摄氏720度的衬底温度下的阱层(厚度为3nm)94b的生长，从而生长出3个周期的多量子阱结构。
在p型半导体层的生长步骤中，停止TMG和TMI的供给并且使衬底温度上升至摄氏900度后，向生长炉内供给TMG、TMA、氨气和CP2Mg，在有源层94上生长Mg掺杂的p型AlGaN层95。AlGaN层95的厚度例如为20nm。停止TMA的供给后，在AlGaN层95上生长p型GaN层96。GaN层96的厚度例如为50nm。通过上述步骤，完成外延生长。使外延衬底EP的温度下降至室温后，取出外延衬底EP。
图15是表示GaN衬底的主面的法线与c轴所成的角度、与相同生长条件下的InGaN生长中的In含量的关系的图。在55度以上、进而58度以上且80度以下的角度范围内，In结合良好。在制造长波长的发光二极管时，该特性可提高发光层的品质。另外，在该发光二极管中，可提高背面的反射率。
图16是示意性表示电极形成步骤和背面粗糙化步骤的图。在外延衬底EP上进行电极形成。该步骤中，通过反应性离子蚀刻(RIE)在外延衬底EP上形成平台97。平台的高度例如为500nm。在该平台形成后，进行p透明电极(Ni/Au)98a的形成、p衬垫电极(Au)98b的形成和n电极(Ti/Al)形成。在电极形成后，进行电极退火(摄氏550度下进行1分钟)。在各步骤之间实施光刻和超声波清洗等。通过这些步骤，形成图16(a)所示的衬底产品SP。
继而，将衬底产品SP对半分割，制造出衬底产品SP1和衬底产品SP2。用抗蚀剂覆盖衬底产品SP1表面的整个面后，对衬底产品SP1实施蚀刻处理(例如碱蚀刻)，在衬底产品SP1的背面形成粗糙99。用抗蚀剂覆盖衬底产品SP2表面的整个面后，对衬底产品SP2的背面实施镜面研磨，在衬底产品SP的半个背面上形成镜面。
进行图5所示的测定配置以考察背面反射的差异。来自发光二极管的光通过光纤引入至检测器中。会聚到光纤中的光是向LED的正上方行进的光。其结果是，在具有以75度的角度向m轴方向倾斜的主面的GaN衬底上的LED中，利用碱蚀刻所形成的背面粗糙，LED的发光输出与背面镜面研磨的LED的发光输出相比达到其3.12倍。该实验结果表示，即使在偏角较大的衬底上，利用碱蚀刻所形成的背面粗糙，发光二极管的光提取效率、特别是正上方亮度的提高也非常显著。
图17(a)表示在外延面上形成有阳极电极和阴极电极的LED结构。在该LED结构中，可将背面的整个面用于反射。另一方面，图17(b)表示在外延面上形成有阳极电极并且在背面的一部分上形成有阴极电极的LED结构。该LED结构中未形成平台。虽然无法将背面的整个面用于反射，但是能扩大有源层的发光区域。该LED结构中，将背面的一部分遮盖使其不被蚀刻，从而在一部分区域上不形成粗糙，并且在未形成粗糙的区域上形成电极98c。根据该结构，可通过粗糙99b而提高背面反射，并且可在外延衬底的上表面和下表面上分别制作两种电极。利用GaN衬底，电流会充分扩散。
图18是表示包含本实施方式的氮化物基半导体发光元件的发光装置的构成的图。参见图18，其中显示了发光装置79a、79b、79c、79d。使用蓝宝石衬底的LED元件81a、使用c面GaN衬底的LED元件81b、和使用带偏角的GaN衬底的LED元件67a、67b搭载在支撑台83上。为使LED元件81a、81b的侧面出射光朝向上面，在支撑台83上搭载有反射器85。以覆盖LED元件81a、81b的方式设置有填充在LED元件81a、81b与反射器85之间的密封树脂体87。来自LED元件81a、81b的光会穿透树脂体87。另一方面，使用带偏角的GaN衬底的LED元件67a、67b的正上方亮度较大。以覆盖LED元件67a、67b的方式设置有密封树脂体89。来自LED元件67a、67b的光会穿透树脂体89。根据该发光装置79c、79d，即使不使用反射器85，也可增大正上方亮度。
另外，关于图18的配光模式的扩散，在未使用反射器的情况下，发光装置79c、79d的扩散小于发光装置79a、79b的扩散。
另外，在发光装置79c、79d中，树脂体89的表面包含与支撑体83接触的第一部分89b和不与支撑体83接触而露出的第二部分89a。根据该发光装置79c、79d，第一部分89b与支撑体83接触，并且第二部分89a不与支撑体接触而露出，因而树脂体89不包含支撑体83之外的反射器。
在具体实施方式中对本发明的原理进行了图示说明，但本领域技术人员应当认识到，本发明可在不脱离其原理的范围内对配置及细节加以变更。本发明并不限定于本实施方式中所公开的特定构成。因此，请求保护权利要求书请求的范围及根据其精神范围而得到的所有修正及变更。
产业实用性
对于发光二极管的光提取的提高，在c面GaN衬底中仅利用碱蚀刻所形成的背面粗糙是不充分的，因而正在进行各种涂布或形成反射膜等多种努力。然而，通过如本实施方式所述这样使用带偏角的GaN衬底作为基底的GaN衬底，并通过非常简便的碱蚀刻所形成的背面粗糙，便可实现光提取效率的大幅提高。即，可期待发光二极管元件制造工艺的简化和成本的大幅削减。特别是在本实施方式中，可大幅提高LED元件的正上方亮度，因而当用于侧蚀型的液晶显示器时，可获得光利用效率非常高这样的显著优点。

Claims (29)

1.一种氮化物基半导体发光元件，其特征在于，
包括：
支撑基体，其包含六方晶系氮化镓半导体，且具有主面和背面，和
半导体层叠体，其包含p型氮化镓基半导体区域、n型氮化镓基半导体区域和有源层；
所述支撑基体的所述背面相对于与沿着该六方晶系氮化镓半导体的c轴方向延伸的基准轴正交的平面而倾斜，
所述背面的表面形态具有朝所述基准轴的方向突出的多个突起，
所述有源层设置在所述p型氮化镓基半导体区域与所述n型氮化镓基半导体区域之间，
所述p型氮化镓基半导体区域、所述有源层和所述n型氮化镓基半导体区域在所述支撑基体的所述主面上沿着规定轴的方向配置而构成半导体层叠体，
所述规定轴的方向与所述基准轴的方向不同。
2.如权利要求1所述的氮化物基半导体发光元件，其特征在于，
所述支撑基体的所述主面以相对于所述六方晶系氮化镓半导体的<0001>轴为10度以上、80度以下，相对于所述六方晶系氮化镓半导体的<000-1>轴为10度以上、80度以下的范围的角度倾斜，
所述支撑基体的所述背面以相对于所述六方晶系氮化镓半导体的<000-1>轴为10度以上、80度以下，相对于所述六方晶系氮化镓半导体的<0001>轴为10度以上、80度以下的范围的角度倾斜。
3.如权利要求1或2所述的氮化物基半导体发光元件，其特征在于，
所述支撑基体的所述主面以相对于所述六方晶系氮化镓半导体的<0001>轴为10度以上、80度以下的范围的角度倾斜，
所述支撑基体的所述背面以相对于所述六方晶系氮化镓半导体的<000-1>轴为10度以上、80度以下的范围的角度倾斜。
4.如权利要求1至3中任一项所述的氮化物基半导体发光元件，其特征在于，
所述支撑基体的所述主面以相对于所述六方晶系氮化镓半导体的<0001>轴为55度以上、80度以下的范围的角度倾斜，
所述支撑基体的所述背面以相对于所述六方晶系氮化镓半导体的<000-1>轴为55度以上、80度以下的范围的角度倾斜。
5.如权利要求1或2所述的氮化物基半导体发光元件，其特征在于，
所述支撑基体的所述主面以相对于所述六方晶系氮化镓半导体的<000-1>轴为10度以上、80度以下的范围的角度倾斜，
所述支撑基体的所述背面以相对于所述六方晶系氮化镓半导体的<0001>轴为10度以上、80度以下的范围的角度倾斜。
6.如权利要求1至3中任一项所述的氮化物基半导体发光元件，其特征在于，
所述支撑基体的所述主面以相对于所述六方晶系氮化镓半导体的<000-1>轴为55度以上、80度以下的范围的角度倾斜，
所述支撑基体的所述背面以相对于所述六方晶系氮化镓半导体的<0001>轴为55度以上、80度以下的范围的角度倾斜。
7.如权利要求1或2所述的氮化物基半导体发光元件，其特征在于，所述背面的算术平均粗糙度为0.5微米以上、10微米以下。
8.如权利要求1至7中任一项所述的氮化物基半导体发光元件，其特征在于，所述突起的顶部形成六棱锥状的形状。
9.如权利要求1至8中任一项所述的氮化物基半导体发光元件，其特征在于，
所述半导体层叠体包含将所述p型氮化镓基半导体区域和所述n型氮化镓基半导体区域中任意一个区域的一部分露出而形成的露出区域，
该氮化物基半导体发光元件还包括：设置在所述露出区域上的第一电极，和设置在所述半导体层叠体中所述p型氮化镓基半导体区域和所述n型氮化镓基半导体区域中的任意另一个区域上的第二电极。
10.如权利要求1至8中任一项所述的氮化物基半导体发光元件，其特征在于，还包括：
设置在所述半导体层叠体上的第一电极，和
设置在所述支撑基体的所述背面上的第二电极。
11.如权利要求1至10中任一项所述的氮化物基半导体发光元件，其特征在于，所述有源层以在350nm以上、650nm以下的波长范围内具有峰值波长的方式设置。
12.如权利要求1至11中任一项所述的氮化物基半导体发光元件，其特征在于，所述有源层以在450nm以上、650nm以下的波长范围内具有峰值波长的方式设置。
13.一种制造面发光型氮化物基半导体发光元件的方法，其特征在于，
包括：
准备衬底产品的步骤，该衬底产品包括具有主面和背面的衬底、和设置在该衬底的所述主面上的半导体层叠体，和
形成被处理面的步骤，对所述衬底产品中的所述衬底的所述背面进行蚀刻而形成具有包含多个突起的表面形态的被处理面；
所述衬底包含六方晶系氮化镓半导体，
所述衬底的所述背面相对于与沿着该六方晶系氮化镓半导体的c轴方向延伸的基准轴正交的平面而倾斜，
所述突起朝所述基准轴的方向突出，
所述半导体层叠体包含p型氮化镓基半导体区域、n型氮化镓基半导体区域和有源层，
所述有源层设置在所述p型氮化镓基半导体区域与所述n型氮化镓基半导体区域之间，
所述p型氮化镓基半导体区域、所述n型氮化镓基半导体区域和所述有源层在所述衬底的所述主面上沿着规定轴的方向配置以形成半导体层叠体，
所述规定轴的方向与所述基准轴的方向不同。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述衬底的所述背面以相对于所述六方晶系氮化镓半导体的<000-1>轴为10度以上、80度以下，相对于所述六方晶系氮化镓半导体的<0001>轴为10度以上、80度以下的范围的角度倾斜。
15.如权利要求13或14所述的方法，其特征在于，所述衬底的所述背面以相对于所述六方晶系氮化镓半导体的<000-1>轴为10度以上、80度以下的范围的角度倾斜。
16.如权利要求13至15中任一项所述的方法，其特征在于，所述衬底的所述背面以相对于所述六方晶系氮化镓半导体的<000-1>轴为55度以上、80度以下的范围的角度倾斜。
17.如权利要求13或14所述的方法，其特征在于，所述支撑基体的所述背面以相对于所述六方晶系氮化镓半导体的<0001>轴为10度以上、80度以下的范围的角度倾斜。
18.如权利要求13、14或17中任一项所述的方法，其特征在于，
所述支撑基体的所述主面以相对于所述六方晶系氮化镓半导体的<000-1>轴为55度以上、80度以下的范围的角度倾斜，
所述支撑基体的所述背面以相对于所述六方晶系氮化镓半导体的<0001>轴为55度以上、80度以下的范围的角度倾斜。
19.如权利要求13或14所述的方法，其特征在于，所述被处理面的形成通过湿式蚀刻进行。
20.如权利要求13至19中任一项所述的方法，其特征在于，所述被处理面的形成利用碱溶液进行。
21.如权利要求13至20中任一项所述的方法，其特征在于，所述突起的顶部形成六棱锥状的形状。
22.如权利要求13至21中任一项所述的方法，其特征在于，所述背面的算术平均粗糙度为0.5微米以上、10微米以下。
23.如权利要求13至22中任一项所述的方法，其特征在于，还包括：
在所述衬底的所述被处理面上形成第一电极的步骤；和
在所述半导体层叠体上形成第二电极的步骤。
24.如权利要求13至22中任一项所述的方法，其特征在于，
所述半导体层叠体包含将所述p型氮化镓基半导体区域和所述n型氮化镓基半导体区域中任意一个区域的一部分露出而形成的露出区域，
该方法还包括以下步骤：
在所述露出区域上形成第一电极，并且在所述半导体层叠体中所述p型氮化镓基半导体区域和所述n型氮化镓基半导体区域中的任意另一区域上形成第二电极。
25.如权利要求24所述的方法，其特征在于，
还包括：
在氮化镓半导体晶片的所述主面上，生长一个或多个p型氮化镓基半导体层、一个或多个n型氮化镓基半导体层和有源层而形成外延晶片的步骤，和
对所述外延晶片进行蚀刻而形成所述半导体层叠体的步骤；
所述p型氮化镓基半导体层、n型氮化镓基半导体层和有源层在所述氮化镓半导体晶片的所述主面上沿着规定轴的方向配置，
所述氮化镓半导体晶片的所述主面以相对于所述六方晶系氮化镓半导体的<0001>轴为10度以上、80度以下的范围的角度倾斜。
26.如权利要求25所述的方法，其特征在于，还包括：
对所述氮化镓半导体晶片的所述背面进行磨削而形成所述衬底产品的所述衬底的步骤。
27.如权利要求13至26中任一项所述的方法，其特征在于，所述衬底的边缘上两点间距离的最大值为45毫米以上。
28.一种发光装置，其特征在于，
包括：
权利要求1至12中任一项所述的氮化物基半导体发光元件，
支撑体，具有用于支撑所述氮化物基半导体发光元件的背面的支撑面，和
树脂体，设置在所述氮化物基半导体发光元件和所述支撑体上，对所述氮化物基半导体发光元件进行密封；
并且，来自所述氮化物基半导体发光元件的光能够穿透所述树脂体。
29.如权利要求28所述的发光装置，其特征在于，所述树脂体的表面包含与所述支撑体接触的第一部分和不与所述支撑体接触而露出的第二部分。
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