CN104600167A - 半导体发光元件 - Google Patents

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Abstract

一种半导体发光元件，抑制半导体层与透光性基板之间的反射，使光的取出效率提高。该半导体发光元件具备：半导体层叠部，其形成于基板的表面上，并含有发光层；衍射面，其形成于所述基板的表面侧，入射从发光层发出的光，且以比该光的光学波长长且比该光的相干长度小的周期形成有凹部或凸部；反射面，其形成于基板的背面侧，反射由衍射面衍射的光并使其向衍射面再入射。

Description

半导体发光元件
本申请是申请日为2010年8月23日、发明名称为“半导体发光元件”、申请号为201080039456.9的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及半导体发光元件。
背景技术
根据低温堆积缓冲层技术、p型传导性控制、n型传导性控制、高效率发光层的制作方法等基础技术的叠加，高亮度的蓝色、绿色、白色等发光二极管已被实用化。目前，发光二极管中，半导体的折射率比基板、空气等的折射率大，从发光层发出的光的大部分通过全反射或菲涅耳反射不能被取出到发光二极管的外部，因此，光取出效率的提高成为课题。
为解决该课题，提案有对半导体表面实施数微米周期的凹凸加工的构造(例如参照非专利文献1)。如果在半导体表面的光取出侧设置凹凸构造，则全反射因光散射的效果而消失，遍及较宽的放射角能够得到50％左右的透射率，能够将光取出效率提高50％左右。
而且，还提案有将凹凸构造的周期减小至发光二极管的光学波长的2倍以下来提高光取出效率(例如参照专利文献1)。该情况下，数微米周期的凹凸构造是指光取出的机制不同，光的波动性显著，折射率的边界消失，菲涅耳反射被抑制。这种构造被称作光子结晶、或蛾眼构造，能够将光取出效率提高50％左右。
专利文献1：(日本)特开2005－354020号公报
非专利文献1:Japanese Journal of Applied Physics Vol.41,2004,L1431
但是，专利文献1及非专利文献1中提高的光取出效率有限，期望效率的进一步提高。
发明内容
本发明是鉴于所述情况而提出的，其目的在于，提供一种可以提高光取出效率的半导体发光元件。
为实现所述目的，本发明提供一种半导体发光元件，其具备：半导体层叠部，其形成于基板的表面上，并含有发光层；衍射面，其形成于所述基板的表面侧，入射从所述发光层发出的光，并以比该光的光学波长长且比该光的相干长度小的周期形成有凹部或凸部；反射面，其形成于所述基板的背面侧，反射由所述衍射面衍射的光并使其向所述衍射面再入射。
上述半导体发光元件中，所述凹部或所述凸部的周期也可以大于所述光学波长的2倍。
上述半导体发光元件中，所述凹部或所述凸部的周期也可以为所述相干长度的一半以下。
上述半导体发光元件中，所述发光层可以发出蓝色光，且所述周期可以为300nm以上且1500nm以下。
上述半导体发光元件中，所述衍射面可以形成于折射率之差为0.5以上的不同的材料彼此之间的界面。
根据本发明的半导体发光元件，能够提高光取出效率。
附图说明
图1是表示本发明第一实施方式的半导体发光元件的示意性剖面图；
图2表示蓝宝石基板，(a)是示意性立体图，(b)是表示A－A剖面的示意性说明图，(c)是示意性放大说明图；
图3是对蓝宝石基板进行加工的说明图，(a)表示在衍射面形成有第一掩模层的状态，(b)表示在第一掩模层上形成有抗蚀层的状态，(c)表示对抗蚀层选择性地照射电子线的状态，(d)表示将抗蚀层显影并除去的状态，(e)表示形成有第二掩模层的状态；
图4是对蓝宝石基板进行加工的说明图，(a)表示完全除去了抗蚀层的状态，(b)表示以第二掩模层为掩模蚀刻第一掩模层的状态，(c)表示除去了第二掩模层的状态，(d)表示以第一掩模层为掩模蚀刻衍射面的状态，(e)表示除去了第一掩模层的状态，(f)表示透过湿式蚀刻在凸部形成弯曲部的状态；
图5是表示变形例的半导体发光元件的示意性剖面图；
图6是表示变形例的半导体发光元件的示意性剖面图；
图7是表示本发明第二实施方式的半导体发光元件的示意性剖面图；
图8表示蓝宝石基板，(a)是示意性立体图，(b)是表示B－B剖面的示意性纵向剖面图；
图9是表示不同的折射率的界面下的光的衍射作用的说明图，(a)表示由界面进行反射的状态，(b)表示透过界面的状态；
图10是表示从III属氮化物半导体层向蓝宝石基板入射的光的衍射作用的说明图；
图11是表示将凹部或凸部的周期设为500nm的情况下的、III属氮化物半导体层与蓝宝石基板的界面的、从半导体层侧向界面入射的光的入射角和在界面的衍射作用的反射角的关系的图表；
图12是表示将凹部或凸部的周期设为500nm的情况下的、III属氮化物半导体层与蓝宝石基板的界面的、从半导体层侧向界面入射的光的入射角和在界面的衍射作用的透射角的关系的图表；
图13是表示将凹部或凸部的周期设为500nm的情况下的、III属氮化物半导体层与蓝宝石基板的界面的、从半导体层侧向界面第一次入射的光的入射角和通过在界面的衍射作用反射后第二次入射的光的界面的衍射作用的透射角的关系的图表；
图14是表示将光学波长设为258nm、且在蓝宝石基板与III属氮化物半导体层的界面形成有衍射面的情况下的衍射面的周期和相对光输出的关系的图表；
图15是对蓝宝石基板进行加工的说明图，(a)表示在衍射面形成有第一掩模层的状态，(b)表示在第一掩模层上形成有抗蚀层的状态，(c)表示对抗蚀层选择性地照射电子线的状态，(d)表示将抗蚀层显影并除去的状态，(e)表示形成有第二掩模层的状态；
图16是对蓝宝石基板进行加工的说明图，(a)表示完全除去了抗蚀层的状态，(b)表示以第二掩模层为掩模蚀刻第一掩模层的状态，(c)表示除去了第二掩模层的状态，(d)表示以第一掩模层为掩模蚀刻衍射面的状态，(e)表示除去了第一掩模层的状态；
图17是表示变形例的半导体发光元件的示意性剖面图；
图18是表示变形例的半导体发光元件的示意性剖面图；
图19是表示变形例的半导体发光元件的示意性剖面图。
符号说明
1 发光元件
2 蓝宝石基板
2a 衍射面
2b 平坦部
2c 凸部
2d 侧面
2e 弯曲部
2f 上表面
10 缓冲层
12 n型GaN层
14 多量子阱活性层
16 电子块层
18 p型GaN层
20 p侧电极
20a 衍射面
22 反射面
24 n侧电极
26 反射膜
28 反射面
30 第一掩模层
30a 开口
32 抗蚀层
32a 开口
34 模板掩模
34a 开口
36 第二掩模层
100 发光元件
102 蓝宝石基板
102a 衍射面
102b 平坦部
102c 凹部
110 缓冲层
112 n型GaN层
114 多量子阱活性层
116 电子块层
118 p型GaN层
119 半导体层叠部
120 p侧电极
122 反射面
124 n侧电极
130 第一掩模层
130a 开口
132 抗蚀层
132a 开口
134 模板掩模
134a 开口
136 第二掩模层
200 发光元件
202 蓝宝石基板
202a 衍射面
210 缓冲层
212 n型GaN层
214 多量子阱活性层
216 电子块层
218 p型GaN层
220 p侧透明电极
224 n侧电极
226 反射膜
228 反射面
300 发光元件
302 导电性基板
310 缓冲层
312 n型GaN层
312a 衍射面
314 多量子阱活性层
316 电子块层
318 p型GaN层
320 p侧电极
322 反射面
400 发光元件
402a 衍射面
402c 凸部
具体实施方式
图1～图4表示本发明的第一实施方式，图1是发光元件的示意剖面图。
如图1所示，发光元件1在具有衍射面2a的蓝宝石基板2的表面上形成有由III族氮化物半导体层构成的半导体层叠部19。该发光元件1为面朝上型，主要从蓝宝石基板2的相反侧取出光。III族氮化物半导体层从蓝宝石基板2侧按顺序具有缓冲层10、n型GaN层12、多量子阱活性层14、电子块层16、p型GaN层18。在p型GaN层18上形成有p侧电极20，并且在n型GaN层12上形成有n侧电极24。
蓝宝石基板2在表面侧具有使氮化物半导体成长的c面({0001})即衍射面2a。在衍射面2a形成有平坦部2b(参照图2(a))和周期性形成于平坦部2b的多个凸部2c(参照图2(a))。各凸部2c的形状除圆锥、多角锤等锤状外，也可以设为切下了锤的上部的圆锤台、多角锤台等锤台状。本实施方式中，通过周期性配置的各凸部2c可以得到光的衍射作用。
在蓝宝石基板2的背面侧形成有例如由Al构成的反射膜26。在该发光元件1中，反射膜26的蓝宝石基板2侧的面成为反射面28，从活性层14发出的光通过衍射作用透过衍射面2a，且由反射面28反射透过的光。由此，使透过衍射作用透过的光向衍射面2a再入射，由衍射面2a再次利用衍射作用使其透过，由此可以以多个模式将光向元件外部取出。
缓冲层10形成于蓝宝石基板2的衍射面2a上，由AlN构成。在本实施方式中，缓冲层10通过MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法形成，但也可以使用溅射法。另外，缓冲层10在衍射面2a侧具有沿各凸部2c周期性形成的多个锤台状的凹部。作为第一导电型层的n型GaN层12形成于缓冲层10上，由n－GaN构成。作为发光层的多量子阱活性层14形成于n型GaN层12上，由GalnN/GaN构成，通过电子及空穴的注入而发蓝色光。在此，蓝色光是指例如峰值波长为430nm以上且480nm以下的光。本实施方式中，多量子阱活性层14的发光的峰值波长为450nm。
电子块层16形成于多量子阱活性层14上，由p－AIGaN构成。作为第二导电型层的p型GaN层18形成于电子块层16上，由p－GaN构成。从n型GaN层12至p型GaN层18通过III族氮化物半导体的外延成长而形成，在蓝宝石基板2的衍射面2a上周期性形成有凸部2c，III族氮化物半导体的成长预期实现横方向成长带来的平坦化。此外，至少包含第一导电型层、活性层及第二导电型层，对第一导电型层及第二导电型层施加电压时，如果通过电子及空穴的再结合在活性层发出光，则半导体层的层构成是任意的。
p侧电极20形成于p型GaN层18上，例如由ITO(Indium Tin Oxide)等透明的材料构成。本实施方式中，p侧电极120通过真空蒸渡法、溅射法、CVD(Chemical Vapor Deposition)法等形成。
从p型GaN层18蚀刻n型GaN层12，在露出的n型GaN层12上形成n侧电极24。n侧电极24例如由Ti/Al/Ti/Au构成，并通过真空蒸渡法、溅射法、CVD(Chemical Vapor Deposition)法等形成。
其次，参照图2详细说明蓝宝石基板2。图2表示蓝宝石基板，(a)是示意性立体图，(b)是表示A－A剖面的示意性说明图，(c)是示意性放大说明图。
如图2(a)所示，衍射面2a以俯视各凸部2c的中心成为等边三角形的顶点的位置的方式以规定的周期在假想的三角格子的交点整齐排列地形成。各凸部2c的周期比从多量子阱活性层14发出的光的光学波长长且比该光的相干长度小。此外，在此所说的周期是指相邻的凸部2c的高度的峰值位置的距离。另外，光学波长是指实际的波长除以折射率得到的值。而且，相干长度是指相当于根据规定的光谱宽度的光子组的各波长的不同相互抵消波的周期性振动，直至可干涉性消失的距离。相干长度lc在设光的波长为λ、且该光的半幅值为Δλ时，大致处于lc＝(λ2/Δλ)的关系。在此，各凸部2c的周期优选比从多量子阱活性层14发出的光的光学波长的2倍大。另外，各凸部2c的周期优选为从多量子阱活性层14发出的光的相干长度的一半以下。
本实施方式中，各凸部2c的周期为500nm。从活性层14发出的光的波长为450nm，III族氮化物半导体层的折射率为2.4，因此，其光学波长为187.5nm。另外，从活性层14发出的光的半幅值为63nm，因此，该光的相干长度为3214nm。即，衍射面2a的周期比活性层14的光学波长的2倍大且为相干长度的一半以下。
本实施方式中，如图2(c)所示，衍射面2a的各凸部2c具有从平坦部2b向上方延伸的侧面2d、从侧面2d的上端向凸部2c的中心侧弯曲并延伸的弯曲部2e、与弯曲部2e连续形成的平坦的上表面2f。如后述，利用由侧面2d和上表面2f的会合部形成角的弯曲部2e形成前的凸部2c(参照图4(e))的湿式蚀刻消除角，由此形成弯曲部2e。此外，也可以实施湿式蚀刻直至平坦的上表面2f消失而凸部2c的上侧整体成为弯曲部2e。在本实施方式中，具体而言，就各凸部2c而言，基端部的直径为200nm，高度为250nm。就蓝宝石基板2的衍射面2a而言，除各凸部2c之外为平坦部2b，有助于半导体层的横方向成长。
在此，参照图3及图4对发光元件1用的蓝宝石基板2的制作方法进行说明。图3是对蓝宝石基板进行加工的说明图，(a)表示在衍射面形成有第一掩模层的状态，(b)表示在第一掩模层上形成有抗蚀层的状态，(c)表示对抗蚀层选择性地照射电子线的状态，(d)表示将抗蚀层显影后除去的状态，(e)表示形成有第二掩模层的状态。
首先，如图3(a)所示，准备平板状的蓝宝石基板2，且在蓝宝石基板2的表面形成第一掩模层30。第一掩模层30由例如由SiO2构成，且通过溅射法、真空蒸渡法、CVD法等形成。第一掩模层30的厚度是任意的，但例如为1.0μm。
其次，如图3(b)所示，在蓝宝石基板2的第一掩模层30上形成抗蚀层32。抗蚀层32例如由日本ゼオン社制的ZEP等电子线感光材料构成，涂布于第一掩模层30上。抗蚀层32的厚度是任意的，但例如为100nm～2.0μm。
其次，如图3(c)所示，与抗蚀层32隔开设置模板掩模34。抗蚀层32和模板掩模34之间隔开1.0μm～100μm的间隙。模板掩模34例如由金刚石、SiC等材料形成，厚度是任意的，但例如将厚度设为500nm～100μm。模板掩模34具有选择性地透过电子线的开口34a。
之后，如图3(c)所示，对模板掩模34照射电子线，将抗蚀层32暴露于通过了模板掩模34的各开口34a的电子线中。具体而言，使用例如10～100μC/cm2的电子束将模板掩模34的图案转印于抗蚀层32。
在电子线的照射结束后，使用规定的显影液将抗蚀层32显影。由此，如图3(d)所示，照射了电子线的部位在显影液溶解，未照射电子线的部位残留，形成开口32a。作为抗蚀层32在使用日本ゼオン社制的ZEP的情况下，作为显影液可以使用例如醋酸戊酯。
其次，如图3(e)所示，在对抗蚀层32进行了构图的第一掩模层30上形成第二掩模层36。这样，在第一掩模层30上利用电子线照射对第二掩模层36进行构图。第二掩模层36由例如Ni构成，通过溅射法、真空蒸渡法、CVD法等形成。第二掩模层36的厚度是任意的，但例如为20nm。
图4是对蓝宝石基板进行加工的说明图，(a)表示完全除去了抗蚀层的状态，(b)表示以第二掩模层为掩模对第一掩模层进行蚀刻的状态，(c)表示除去了第二掩模层的状态，(d)表示以第一掩模层为掩模对衍射面进行蚀刻的状态，(e)表示除去了第一掩模层的状态，(f)表示通过湿式蚀刻在凸部形成弯曲部的状态。
如图4(a)所示，使用剥离液除去抗蚀层32。例如将抗蚀层32浸渍于剥离液中，可通过照射规定时间的超声波而将其除去。具体而言，作为剥离液可使用例如二乙酮。由此，在第一掩模层30上形成使模板掩模34的开口34a的图案反转了的第二掩模层36的图案。
其次，如图4(b)所示，以第二掩模层36为掩模进行第一掩模层30的干式蚀刻。由此，在第一掩模层30形成开口30a，形成第一掩模层30的图案。此时，作为蚀刻气体，使用蓝宝石基板2及第一掩模层30与第二掩模层36相比更具有耐性的气体。例如在第一掩模层30为SiO2且第二掩模层36为Ni的情况下，如果使用SF6等氟系气体，则Ni相对于SiO2的蚀刻的选择比在100左右，因此，能够可靠地进行第一掩模层30的构图。
之后，如图4(c)所示，除去第一掩模层30上的第二掩模层36。在第一掩模层30为SiO2，第二掩模层36为Ni的情况下，可将其浸渍于用水进行稀释且按1：1程度混合后的盐酸及硝酸中、或通过氩气的干式蚀刻除去Ni。
然后，如图4(d)所示，以第一掩模层30为掩模进行蓝宝石基板2的干式蚀刻。此时，由于蓝宝石基板2中仅除去第一掩模层30的部位暴露于蚀刻气体中，所以可以在蓝宝石基板2上转印模板掩模34的各开口34a的反转图案。此时，第一掩模层30由于相比蓝宝石基板2对蚀刻气体的耐性大，所以可以选择性地蚀刻未覆盖于第一掩模层30的部位。而且，在蓝宝石基板2的蚀刻深度达到所希望深度的部位结束蚀刻。在此，作为蚀刻气体使用例如BCl3等氯系气体。
之后，如图4(e)所示，使用规定的剥离液除去残留于蓝宝石基板2上的第一掩模层30。由此，形成通过侧面2d和上表面2f的会合部形成角的弯曲部2e形成前的凸部2c。作为剥离液，在例如第一掩模层30使用SiO2的情况下，可使用稀氟酸。
然后，如图4(f)所示，通过湿式蚀刻除去凸部2c的角，形成弯曲部2e。在此，蚀刻液是任意的，但例如使用加热至160℃左右的磷酸水溶液、所谓的“热磷酸”。此外，作为蚀刻方式也可以使用干式蚀刻这种其它方式，只要在凸部2c的角形成弯曲部2e即可。
在如上制作的蓝宝石基板2的衍射面2a上利用横方向成长使III族氮化物半导体外延成长，在形成各电极后，通过切割分割成多个发光元件1，由此制造发光元件1。
在如上构成的发光元件1中，具备以比从活性层14发出的光的光学波长长且比该光的相干长度小的周期形成凸部2c的衍射面2a和将由衍射面2a衍射的光反射并再次向衍射面2a入射的反射面28，由此，对于在蓝宝石基板2和III族氮化物半导体层的界面以超过全反射临界角的角度入射的光也能够利用衍射作用将光取出到元件外部。具体而言，使通过衍射作用透过的光向衍射面2a再入射，由衍射面2a再次利用衍射作用使其透过，由此，可以以多个模式将光取出到元件外部。本实施方式中，由于透过衍射作用取出光，所以实现与通过散射作用取出光的情况不同的作用效果，能够飞跃式地提高发光元件1的光取出效率。
在此，由于凸部2c以短的周期形成，所以每单位面积的凸部2c的数量增多。在凸部2c超过相干长度的2倍的情况下，即使在该凸部2c存在成为位错的起点的角部，由于位错密度小，所以对发光效率也几乎没有影响。但是，当凸部2c的周期比相干长度小时，半导体层叠部19的缓冲层10中的位错密度增大，发光效率的降低变得显著。该趋势在周期为1μm以下时更为显著。这是将凸部2c的周期减小至相干以下时的新的课题，在现有公知的文献中，公开有仅着眼于发出的光的取出效率缩短周期这一点，但是对于发光效率的降低完全没有考虑。另外，发光效率的降低不因缓冲层10的制造方法而产生，即使通过MOCVD法形成，且通过溅射法形成也会发生。本实施方式中，由于在各凸部2c的上侧没有成为位错的起点的角部，所以在形成缓冲层10时不会以该角部为起点产生位错。其结果是，即使在多量子阱活性层14中，也能够成为位错的密度较小的结晶，通过在衍射面2a上形成凸部2c，并不损害发光效率，可以说是解决上述新课题的发明。
另外，根据本实施方式的发光元件1，虽然在蓝宝石基板2的衍射面2a上形成有凸部2c，但由于III族氮化物半导体层的横方向成长下的平坦化时产生位错的终端，所以由此得到在III族氮化物半导体层中位错的密度较小的结晶。其结果是，即使在多量子阱活性层14中，也成为位错的密度较小的结晶，通过在衍射面2a上形成凸部2c，不会损害发光效率。
此外，在上述实施方式中，表示了发光元件1为面朝上型，但例如图5所示，也可以将发光元件1设为倒装片型。图5的发光元件1在蓝宝石基板2上按顺序形成有缓冲层10、n型GaN层12、多量子阱活性层14、电子块层16、p型GaN层18，在p型GaN层18上形成有由例如Ag系、Rh系等反射性材料构成的p侧电极20，并且在n型GaN层12上形成有n侧电极24。该情况下，p侧电极20的p型GaN层18侧的面成为反射面22。
另外，例如图6所示，也可以在p侧电极20的表面形成第二衍射面20a。期望该第二衍射面20a的凹凸周期比从多量子阱活性层14发出的光的相干长度小。由此，能够得到蓝宝石基板2的衍射面2a和p侧电极20的衍射面20a这两者的衍射作用。
图7～图16表示本发明的第二实施方式，图7是发光元件的示意剖面图。
如图7所示，发光元件100在具有衍射面102a的蓝宝石基板102上形成有由III族氮化物半导体层构成的半导体层叠部119。该发光元件100为倒装片型，主要从蓝宝石基板102的背面(图1中为上面)取出光。III族氮化物半导体层从蓝宝石基板102侧依次具有缓冲层110、n型GaN层112、多量子阱活性层114、电子块层116、p型GaN层118。在p型GaN层118上形成p侧电极120，并且在n型GaN层112上形成有n侧电极124。
蓝宝石基板102具有使氮化物半导体成长的c面({0001})即衍射面102a。在衍射面102a上形成有平坦部102b和周期性形成于平坦部102b上的多个锥状的凹部102c。各凹部102c的形状可以为圆锥、多角锤等形状。本实施方式中，通过周期性配置的各凹部102c能够得到光的衍射作用。
缓冲层110形成于蓝宝石基板102的衍射面102a上，由GaN构成。本实施方式中，缓冲层110以比后述的n型GaN层112等低温而成长。另外，缓冲层110在衍射面102a侧具有沿各凹部102c周期性形成的多个锤状的凸部。作为第一导电型层的n型GaN层112形成于缓冲层110上，由n－GaN构成。作为发光层的多量子阱活性层114形成于n型GaN层112上，由GalnN/GaN构成，通过电子及空穴的注入而发出蓝色光。在此，蓝色光是指例如峰值波长为430nm以上且480nm以下的光。本实施方式中，多量子阱活性层114的发光的峰值波长为450nm。
电子块层116形成于多量子阱活性层114上，由p－AIGaN构成。作为第二导电型层的p型GaN层118形成于电子块层116上，由p－GaN构成。从缓冲层110至p型GaN层118通过III族氮化物半导体的外延成长形成，在蓝宝石基板102的衍射面102a上周期性形成有凹部102c，但是III族氮化物半导体的成长预期实现横方向成长带来的平坦化。此外，至少包含第一导电型层、活性层及第二导电型层，并对第一导电型层及第二导电型层施加电压时，通过电子及空穴的再结合，如果在活性层发出光，则半导体层的层构成是任意的。
p侧电极120形成于p型GaN层118上，p侧GaN层118侧的面成为反射面122。p侧电极120相对于从多量子阱活性层114发出的光具有高的反射率。p侧电极120相对于从活性层114发出的光优选具有为80％以上的反射率。本实施方式中，p侧电极120由例如Ag系、Rh系的材料构成，且通过真空蒸渡法、溅射法、CVD(Chemical Vapor Deposition)法等形成。
从p型GaN层118蚀刻n型GaN层112，在露出的n型GaN层112上形成n侧电极124。n侧电极124例如由Ti/Al/Ti/Au构成，通过真空蒸渡法、溅射法、CVD(Chemical Vapor Deposition)法等形成。
其次，参照图8对蓝宝石基板102进行详述。图8表示蓝宝石基板，(a)是示意性立体图，(b)是表示B－B剖面的示意纵剖面图。
如图8(a)所示，衍射面102a以俯视各凹部102c的中心为等边三角形的顶点的位置的方式以规定的周期在假想的三角格子的交点整齐排列地形成。各凹部102c的周期比从多量子阱活性层114发出的光的光学波长长且比该光的相干长度小。此外，在此所说的周期是指相邻的凹部102c的深度的峰值位置的距离。另外，光学波长是指实际的波长除以折射率得到的值。而且，相干长度是指相当于根据规定的光谱宽度的光子组各自的波长的不同而彼此消除波的周期性振动，直至可干涉性消失的距离。相干长度lc在设光的波长为λ、该光的半幅值为Δλ时，大致处于lc＝(λ2/Δλ)的关系。在此，各凹部102c的周期优选比从多量子阱活性层114发出的光的光学波长的2倍大。另外，各凹部102c的周期优选为从多量子阱活性层114发出的光的相干长度的一半以下。
本实施方式中，各凹部102c的周期为500nm。从活性层114发出的光的波长为450nm，III族氮化物半导体层的折射率为2.4，因此，其光学波长为187.5nm。另外，从活性层114发出的光的半幅值为63nm，因此，该光的相干长度为3214nm。即，衍射面102a的周期比活性层114的光学波长的2倍大，且为相干长度的一半以下。
本实施方式中，如图8(b)所示，衍射面102a的各凹部102c形成为圆锥状。具体而言，各凹部102c的基端部的直径为200nm，深度为250nm。蓝宝石基板102的衍射面102a的除各凹部102c之外的部分成为平坦部102b，有助于半导体层的横方向成长。
图9是表示不同折射率的界面的光的衍射作用的说明图，(a)表示由界面反射的状态，(b)表示透过界面的状态。
在此，在根据布拉格的衍射条件由界面反射光的情况下，相对于入射角θin，反射角θref应满足的条件为：
d·n1·(sinθin－sinθref)＝m·λ   (1)。
在此，n1为入射侧的介质的折射率，λ为入射的光的波长，m为整数。本实施方式中，n1为III族氮化物半导体的折射率。如图9(a)所示，以满足上述(1)式的反射角θref反射向界面入射的光。
另一方面，根据布拉格的衍射条件由界面透过光的情况下，相对于入射角θin，透射角θout应满足的条件为：
d·(n1·sinθin－n2·sinθout)＝m’·λ   (2)。
在此，n2为射出侧的介质的折射率，m’为整数。本实施方式中，n2为蓝宝石的折射率。如图9(b)所示，以满足上述(2)式的透射角θout透过向界面入射的光。
由于存在满足上述(1)式及(2)式的衍射条件的反射角θref及透射角θout，所以衍射面102a的周期必须要比元件内部的光学波长即(λ/n1)及(λ/n2)大。通常已知的蛾眼构造被设定为周期小于(λ/n1)及(λ/n2)，不存在衍射光。而且，衍射面102a的周期必须小于能够维持光作为波的性质的相干长度，优选为相干长度的一半以下。通过设为相干长度的一半以下，能够确保衍射实现的反射光及透射光的强度。
图10是表示从III属氮化物半导体层向蓝宝石基板入射的光的衍射作用的说明图。
如图10所示，在发光元件100从活性层114各向同性放出的光中向蓝宝石基板102以入射角θin入射的光以满足上述(1)式的反射角θref反射，同时以满足上述(2)式的透射角θout透过。在此，在全反射临界角以上的入射角θin中成为强的反射光强度。反射光由p侧电极120的反射面122反射，再次向凹凸面102a入射，但由于以与先入射时的入射角θin不同的入射角θin入射，所以成为与之前的入射条件不同的透过特性。
图11是表示将凹部或凸部的周期设为500nm的情况下的III属氮化物半导体层与蓝宝石基板的界面的、从半导体层侧向界面入射的光的入射角和在界面下的衍射作用的反射角的关系的图表。
在向衍射面102a入射的光中，与通常的平坦面同样存在全反射的临界角。在GaN系半导体层与蓝宝石基板102的界面，临界角约为45°。如图5所示，在入射角θin超过45°的区域，可以实现满足上述(2)式的衍射条件的m＝1、2、3、4的衍射模式下的透射。但是，当形成发光元件100的光射出面的蓝宝石基板102的背面为平坦面时，由于存在蓝宝石基板102和元件外部的全反射临界角，所以当透射角θout不在该临界角以内时，不能将透射光取出到发光元件100的外部。假如外部是空气的情况下，蓝宝石基板102与空气的界面的临界角约为±34°，该情况下的有效的衍射模式为m＝2.3。
图12是表示将凹部或凸部的周期设为500nm的情况下的、III属氮化物半导体层与蓝宝石基板的界面的、从半导体层侧向界面入射的光的入射角和在界面的衍射作用下的透射角的关系的图表。
如图12所示，在入射角超过了45°的区域，可以实现满足上述(1)式的衍射条件的m’＝1、2、3、4的衍射模式下的反射。以这些衍射模式反射的反射光由p侧电极120的反射面122反射，再次向衍射面102a入射。此时的入射角θin维持之前由衍射面102a反射的角度，通过第二次的入射再次衍射。
图13是表示将凹部或凸部的周期设为500nm的情况下的、III属氮化物半导体层与蓝宝石基板的界面的、从半导体层侧向界面第一次入射的光的入射角和通过界面的衍射作用反射后第二次入射的光的界面的衍射作用下的透射角的关系的图表。
图13中，将有关第二次入射的光的透射的模式指数l定义为有关第一次入射时的反射的模式指数m和有关第二次入射时的透射的模式指数m’之和，设l＝m+m’。就有关第二次入射的光的透射的模式指数l而言，即使第一次的反射的模式指数m和第二次的透射的模式指数m’取任意值，只要模式指数l相同则也可以具有同样的透射特性。在第一次入射的光的透射特性中，不容许m’＝0，在第二次入射的光的透射特性中，容许l＝0。例如在l＝1的情况下，存在(m、m’)＝(2、－1)、(3、－2)、(4、－3)、(－1、2)、(－2、3)这五个模式。即，以l＝1透射的角度的光强度较强。如果假设在衍射面102a的周期比相干长度无限小，则通过附加高反射率的p侧电极120，利用衍射作用取出的光的增加量约为5倍。
这样，具备以比从活性层114发出的光的光学波长长且比该光的相干长度小的周期形成有凹部102c的衍射面102a和反射由衍射面102a衍射的光并将其再次向衍射面102a入射的反射面120，由此，对于在蓝宝石基板102与III族氮化物半导体层的界面以超过全反射临界角的角度入射的光，也能够利用衍射作用将光取出到元件外部。本实施方式中，由于利用衍射作用取出光，所以实现与通过散射作用取出光不同的作用效果，可以飞跃式地提高发光元件100的光取出效率。
特别是在本实施方式中，由于由衍射面102a和反射面120夹持作为发光层的活性层114，所以可以使在衍射面102a以与入射角θin不同的反射角θin反射的光以与之前的入射角θin不同的角度再次入射。这样，由于第一次和第二次以不同的条件将光向衍射面102a入射，所以存在大量透射模式，对于光取出极其有利。
进而，本实施方式中，III族氮化物半导体层的折射率为2.4，蓝宝石的折射率为1.8，因此，衍射面102a在折射率之差为0.5以上的不同的材料彼此的界面形成。材料彼此的折射率之差为0.5以上时，对于光取出比较不利，但在本实施方式的发光元件100中能够可靠地取出光，在实用时极其有利。
再次，参照图14说明衍射面的周期与元件的发光输出的关系。图14是表示将光学波长设为258nm、且在蓝宝石基板与III属氮化物半导体层的界面形成有衍射面的情况下的、衍射面的周期与相对光输出的关系的图表。相对光输出将蓝宝石基板与III属氮化物半导体层的界面为平坦面的光输出设为1.0。此外，在图14中，将从活性层至衍射面的距离设为3.0μm，将从衍射面至蓝宝石基板的背面的距离设为100μm，在室温下在1.0mm见方的芯片中流过100mA的直流电流并取得数据。另外，相对光输出为1.0倍，相当于40mW。
如图14所示，在衍射面的周期为光学波长的1倍以下的区域，因全反射临界角以下的菲涅耳反射抑制的作用而光取出效率提高。而且，在超过光学波长的1倍且2倍以下的区域，能够得到衍射作用和菲涅耳反射抑制的作用这两者，从而光取出效率提高。在超过光学波长的2倍且2.5倍以下的区域，菲涅耳反射抑制的作用消失，因此，光取出效率降低一点。当超过光学波长的2.5倍时满足衍射条件的入射角增加，因此，光取出效率再次提高。而且，在光学波长的3倍以上5倍以下的区域，光取出效率为平坦面的3倍以上。在此，图14中，有关周期仅图示了至光学波长的6倍左右，但当周期成为相干长度的一半时，发光输出成为平坦面的2.0倍左右，当成为相干长度时，发光输出成为平坦面的1.8倍左右。在相干长度上输出比平坦面大是因为能够提高凹部或凸部得到散射效果。这样，界面的衍射作用在周期超过光学波长的1.0倍时得到，但理解为超过光学波长的2.5倍时，发光元件1的光输出显著增大。
在此，参照图15及图16对发光元件100用的蓝宝石基板102的制作方法进行说明。图15是对蓝宝石基板进行加工的说明图，(a)表示在衍射面形成有第一掩模层的状态，(b)表示在第一掩模层上形成有抗蚀层的状态，(c)表示在抗蚀层上选择性地照射电子线的状态，(d)表示将抗蚀层显影并除去的状态，(e)表示形成有第二掩模层的状态。
首先，如图15(a)所示，准备平板状的蓝宝石基板102，在蓝宝石基板102的表面形成第一掩模层130。第一掩模层130例如由SiO2构成，且通过溅射法、真空蒸渡法、CVD法等形成。第一掩模层130的厚度是任意的，但例如为1.0μm。
例如在使用磁控管溅射装置形成第一掩模层130的情况下，可以使用Ar气体并使用高频(RF)电源。具体而言，例如将Ar气体设为25sccm，对应材料将RF电源的功率设为200～500W，可以将600nm的第一掩模层130堆积于蓝宝石基板102。此时，溅射的时间可以适当调节。
其次，如图15(b)所示，在蓝宝石基板102的第一掩模层130上形成抗蚀层132。抗蚀层132例如由日本ゼオン社制的ZEP等电子线感光材料构成，涂布于第一掩模层130上。抗蚀层132的厚度是任意的，例如为100nm～2.0μm。
例如在通过旋涂形成抗蚀层132的情况下，在将旋涂器的转速设为1500rpm形成均匀的膜后，以180℃进行4分钟烘焙使之固化，由此可以得到160～170nm的膜厚的抗蚀层132。具体而言，作为抗蚀层132的材料可以使用将日本ゼオン社制的ZEP和日本ゼオン社制的稀释液ZEP－A按1：1.4的比例混合而成的溶液。
其次，如图15(c)所示，与抗蚀层132隔开设置模板掩模134。抗蚀层132与模板掩模134之间隔开1.0μm～100μm的间隙。模板掩模134例如由金刚石、SiC等材料形成，厚度是任意的，但例如将厚度设为500nm～100μm。模板掩模134具有选择性地透过电子线的开口134a。
在此，模板掩模134形成为厚度一定的薄板状，例如也可以设置格子状、突条的厚壁部等并局部增大其厚度而增加强度。在本实施方式中，在晶片状的蓝宝石基板102上一并制作与多个发光元件100相对应的凹部102c，通过在III族氮化物半导体的外延成长后进行切割，制造多个发光元件100。因此，可以对应切割片的通过位置而形成模板掩模134的厚壁部。此外，厚壁部可以向蓝宝石基板102侧，也可以向蓝宝石基板102的相反侧突出，进而可以向两侧突出。在向蓝宝石基板102侧突出的情况下，通过使厚壁部的前端与抗蚀层132抵接，能够赋予厚壁部与抗蚀层132的衬垫的功能。
之后，如图15(c)所示，对模板掩模134照射电子线，将抗蚀层132暴露于通过了模板掩模134的各开口134a的电子线。具体而言，使用例如10～100μC/cm2的电子束在抗蚀层132上转印模板掩模134的图案。此外，电子线由于在模板掩模134上点状地照射，所以实际上通过使电子线扫描，遍及模板掩模134的整个面照射电子线。抗蚀层132为正型，当感光时相对于显影液的溶解度增大。此外，也可以使用负型的抗蚀层132。在此，在抗蚀层132感光时，含于抗蚀层132中的溶剂会挥发，但由于抗蚀层132和模板掩模134之间存在间隙，从而挥发成分容易扩散，能够防止因挥发成分而使模板掩模134受到污染。
在电子线的照射结束后，使用规定的显影液对抗蚀层132显影。由此，如图15(d)所示，使照射了电子线的部位在显影液溶解，残留未照射电子线的部位，形成开口132a。作为抗蚀层132使用日本ゼオン社制的ZEP的情况下，作为显影液可使用例如醋酸戊酯。另外，在显影后用清洗液进行清洗与否是任意的，但在作为抗蚀层132使用日本ゼオン社制的ZEP的情况下，作为清洗液可使用例如IPA(异丙醇)。
其次，如图15(e)所示，在对抗蚀层132进行了构图的第一掩模层130上形成第二掩模层136。这样，在第一掩模层130上利用电子线照射来构图第二掩模层136。第二掩模层136例如由Ni构成，且通过溅射法、真空蒸渡法、CVD法等形成。第二掩模层136的厚度是任意的，但例如为20nm。第二掩模层136也可以与第一掩模层130相同地使用例如磁控管溅射装置形成。
图16是对蓝宝石基板进行加工的说明图，(a)表示完全除去了抗蚀层的状态，(b)表示以第二掩模层为掩模蚀刻第一掩模层的状态，(c)表示除去了第二掩模层的状态，(d)表示以第一掩模层为掩模蚀刻衍射面的状态，(e)表示除去了第一掩模层的状态。
如图16(a)所示，使用剥离液除去抗蚀层132。例如，将抗蚀层132浸渍于剥离液中，通过照射规定时间的超声波而可以除去。具体而言，作为剥离液可使用例如二乙酮。另外，在除去抗蚀层132后通过清洗液清洗与否是任意的，但作为清洗液客户使用例如丙酮醇、甲醇等进行清洗。由此，在第一掩模层130上形成反转了模板掩模134的开口134a的图案的第二掩模层136的图案。
其次，如图16(b)所示，以第二掩模层136为掩模进行第一掩模层130的干式蚀刻。由此，在第一掩模层130形成开口130a，形成第一掩模层130的图案。此时，作为蚀刻气体，使用蓝宝石基板102及第一掩模层130与第二掩模层136相比具有耐性的气体。例如在第一掩模层130为SiO2且第二掩模层136为Ni的情况下，如果使用SF6等氟系气体，则Ni相对于SiO2的蚀刻的选择比为100左右，因此，能够可靠地进行第一掩模层130的构图。
之后，如图16(c)所示，除去第一掩模层130上的第二掩模层136。在第一掩模层130为SiO2且第二掩模层136为Ni的情况下，可以将其浸渍于用水稀释并按1：1左右混合而成的盐酸及硝酸中，或通过氩气的干式蚀刻除去Ni。
然后，如图16(d)所示，以第一掩模层130为掩模进行蓝宝石基板102的干式蚀刻。此时，由于蓝宝石基板102中仅除去第一掩模层130的部位暴露于蚀刻气体中，所以可以在蓝宝石基板102上转印模板掩模134的各开口134a的反转图案。此时，第一掩模层130由于相比蓝宝石基板102对蚀刻气体的耐性大，所以能够选择性地蚀刻未覆盖于第一掩模层130上的部位。而且，在蓝宝石基板102的蚀刻深度达到所希望的深度的部位结束蚀刻。在本实施方式中，在蚀刻初期的阶段转印于第一掩模层130的开口130a的直径为50nm，随着蚀刻向深度方向进行，侧向蚀刻也随之进行，因此，最终形成基端部的直径为150nm的圆锥状的凹部102c。在本实施方式中，随着蚀刻的进行，第一掩模层130和蓝宝石基板102的触点消失，第一掩模层130被从外缘除去。在此，作为蚀刻气体，例如使用BCl3等氯系气体。此外，在选择侧向蚀刻未进行的第一掩模层130和蚀刻气体的组合的情况下，模板掩模134的开口134a的反转图案只要设计为与各凹部102c的基端部相同形状即可。
之后，如图16(e)所示，使用规定的剥离液除去残留于蓝宝石基板102上的第一掩模层130。作为剥离液，例如在第一掩模层130使用SiO2的情况下，可以使用稀氟酸。
在如上制作的蓝宝石基板102的衍射面102a上利用横方向成长外延成长III族氮化物半导体，在形成了各电极后，通过切割分割成多个发光元件100，由此制造发光元件100。
当如上制造发光元件100时，虽然在蓝宝石基板102的衍射面102a形成有凹部102c，但由于III族氮化物半导体层的横方向成长实现的平坦化时产生位错的终端，所以在III族氮化物半导体层得到位错的密度较低的结晶。其结果是，即使在多量子阱活性层114中，也成为位错的密度较低的结晶，通过在衍射面102a上形成凹部102c，并不会损害发光效率。
此外，上述实施方式的活性层114的发光波长、及衍射面102a的周期是任意的，但在活性层114发蓝色光的情况下，如果将衍射面102a的周期设为300nm以上且1500nm以下，则能够得到良好的光取出特性。
另外、在上述实施方式中，表示了发光元件100为倒装片型，但例如图17所示，也可以将发光元件200设为面朝上型。图17的发光元件200中，在蓝宝石基板202上，III族氮化物半导体层依次形成有缓冲层210、n型GaN层212、多量子阱活性层214、电子块层216、p型GaN层218，在p型GaN层218上形成有例如由ITO(Indium Tin Oxide)构成的p侧透明电极220，并且在n型GaN层212上形成有n侧电极224。在蓝宝石基板202的背面侧形成有例如由Al构成的反射膜226。在该发光元件200中，反射膜226的蓝宝石基板202侧的面形成反射面228，从活性层214发出的光通过衍射作用透过衍射面202a，透过的光由反射面228进行反射。由此，利用衍射作用使透过的光再次向衍射面202a入射，在衍射面202a再次利用衍射作用使其透射，由此可以以多个模式将光取出到元件外部。
另外，上述实施方式中，表示了在蓝宝石基板102与III族氮化物半导体的界面形成衍射面102a的结构，但例如图18所示，也可以在发光元件300的表面形成衍射面312a。图18的发光元件300是所谓的薄膜型发光二极管，在导电性基板302上依次形成由高反射材料构成的p侧电极320、p型GaN层318、电子块层316、多量子阱活性层314、n型GaN层312。在n型GaN层312的表面的中央形成有n侧电极324，n型GaN层312的n侧电极324以外的部分成为元件表面，在该部分形成有衍射面312a。该发光元件300中，与上述实施方式相同，衍射面312a和p侧电极320的反射面322夹持着活性层314彼此配置于相反侧。该发光元件300中，衍射面312a成为n型GaN层312与元件外部的介质的界面，且在该界面能够得到衍射作用。
另外，上述实施方式中，表示了在衍射面102a形成有多个凹部102c的结构，但例如图19所示，也可以在蓝宝石基板402的衍射面402a形成多个凸部402c。图19的发光元件400变更了图17的发光元件200的衍射面402a，将角柱状的凸部402c以规定的周期在假想的正方格子的交点整齐排列地形成。而且，也可以将凹部或凸部设为三角锥状、四角锥状这种多角锤状，当然，具体的详细构造等可以适当变更。
产业上的可利用性
本发明的半导体发光元件可以提高光取出效率，所以产业上有用。

Claims (6)

1.一种半导体发光元件，具备：
半导体层叠部，其包含发光层；
衍射面，从所述发光层发出的光入射该衍射面，且该衍射面以比该光的光学波长长且比该光的相干长度小的周期形成有凹部或凸部，根据布拉格衍射条件以多个模式反射入射光，并根据布拉格衍射条件以多个模式使入射光透过；
所述半导体层叠部形成于所述衍射面上，
所述衍射面的所述凹部或所述凸部具有侧面和从所述侧面的上端向所述凹部或所述凸部的中心侧弯曲并延伸的弯曲部。
2.如权利要求1所述的半导体发光元件，其中，所述凹部或所述凸部的周期大于所述光学波长的2倍。
3.如权利要求1或2所述的半导体发光元件，其中，所述凹部或所述凸部的周期为所述相干长度的一半以下。
4.如权利要求1～3中任一项所述的半导体发光元件，其中，
所述发光层发出蓝色光，
所述周期为300nm以上且1500nm以下。
5.如权利要求1～4中任一项所述的半导体发光元件，其中，所述衍射面形成于折射率之差为0.5以上的不同的材料彼此之间的界面。
6.一种半导体发光元件的制造方法，该半导体发光元件为权利要求1～5中任一项所述的半导体发光元件，该半导体发光元件的制造方法包括如下的工序：
在衍射面形成凹部或凸部，所述凹部或所述凸部通过侧面和上表面的会合部形成角；
通过蚀刻消除所述角而形成弯曲部。
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