CN109863610B - 半导体发光元件及半导体发光元件的制造方法 - Google Patents

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Abstract

半导体发光元件(10)包括具有光取出面(主表面(22b))的光取出层(衬底(22))。光取出层具有：多个锥形状部(52)，其被阵列状地形成在光取出面上；以及多个粒状部(56)，其被形成在锥形状部(52)的侧面部及位于相邻的锥形状部(52)间的谷部的平坦部这两者上。半导体发光元件(10)的制造方法包括在光取出层上形成具有阵列状的图案的掩膜的工序、以及从掩膜上对掩膜及光取出层进行刻蚀的工序。进行刻蚀的工序包含进行干法刻蚀直到整个掩膜被除去为止的第1干法刻蚀工序、以及从掩膜被除去起进一步对光取出层进行干法刻蚀的第2干法刻蚀工序。

Description

半导体发光元件及半导体发光元件的制造方法
技术领域
本发明涉及半导体发光元件。
背景技术
近年来，输出蓝色光的发光二极管及激光二极管等半导体发光元件得到了实用化，进而输出波长较短的深紫外光的发光元件的开发被不断进行。因为深紫外光具有较高的杀菌能力，所以能够输出深紫外光的半导体发光元件作为医疗或食品加工的现场中的无汞杀菌用光源而备受瞩目。这种深紫外光用的发光元件具有被依次层叠在衬底上的氮化镓铝(AlGaN)系的n型包覆层、活性层、以及p型包覆层等，活性层所发出的深紫外光从衬底的光取出面输出(例如，参照专利文献1)。
[现有技术文献]
[专利文献]
专利文献1:日本特许第5594530号公报
非专利文献1:Applied physics express(应用物理快报)3(2010)061004
发明内容
[发明要解决的课题]
已知，在深紫外光发光元件中，通过衬底的光取出面输出的深紫外光的外量子效率会低几个百分比的程度，随着将发光波长短波长化，外量子效率会变得更低(例如，参照非专利文献1)。
本发明鉴于这样的问题而完成，其示例性的目的之一在于提供一种提高半导体发光元件的光取出效率的技术。
[用于解决技术课题的技术方案]
为了解决上述问题，本发明的一个方案的半导体发光元件为包括具有光取出面的光取出层的半导体发光元件，光取出层具有多个锥形状部、以及多个粒状部，该多个锥形状部被阵列状地形成在光取出面上，该多个粒状部被形成在锥形状部的侧面部及位于相邻的锥形状部间的谷部的平坦部这两者上。
根据该方案，能够通过将阵列状的多个锥形状部形成在光取出面上来设置凹凸构造，从而抑制在光取出面的内侧发生的光的全反射，并提高来自光取出面的光输出效率。此外，能够通过在多个锥形状部的侧面部及位于相邻的锥形状部间的谷部的平坦部这两者上形成微细的粒状部，从而进一步提高全反射的抑制效果。根据本方案，能够通过将组合了锥形状部与粒状部的凹凸构造形成在光取出面上，从而进一步提高光取出效率。
也可以是，锥形状部的侧面部的倾斜角在锥形状部的顶部附近比在锥形状部的底部附近小。
也可以是，在俯视光取出面时，多个锥形状部所占的面积的比例为70％以上85％以下。
也可以是，锥形状部的底部的直径为100nm以上1000nm以下，粒状部的直径为10nm以上90nm以下。
也可以是，半导体发光元件包括：基底构造体，其包含蓝宝石(Al2O3)层及氮化铝(AlN)层中的至少一者；以及发光构造体，其被形成在基底构造体上，包含发出深紫外光的氮化镓铝(AlGaN)系半导体层。也可以是，光取出层为基底构造体的蓝宝石层、AlN 层或二氧化硅(SiO2)层。
本发明的另一方案为半导体发光元件的制造方法。该方法为包括具有光取出面的光取出层的半导体发光元件的制造方法，包括在光取出层上形成具有阵列状的图案的掩膜的工序、以及从掩膜上对掩膜及光取出层进行干法刻蚀的工序。进行干法刻蚀的工序包含：第 1干法刻蚀工序，其进行干法刻蚀，直到整个掩膜被除去为止；以及第2干法刻蚀工序，其从掩膜被除去起，进一步对光取出层进行干法刻蚀。
根据该方案，能够通过第1干法刻蚀工序来形成阵列状的多个锥形状部，并通过第2 干法刻蚀工序来在锥形状部的侧面部及位于相邻的锥形状部间的谷部的平坦部这两者上形成微细的粒状部。即，能够通过针对一个掩膜的干法刻蚀工序来形成组合了锥形状部与粒状部的凹凸构造。根据本方案，能够无需为了分别形成锥形状部和粒状部而准备不同的掩膜或刻蚀工序，从而更为简便地制造光取出效率得到提高的光取出面。
也可以是，光取出层被第2干法刻蚀工序刻蚀出的深度方向上的第2刻蚀量为光取出层被第1干法刻蚀工序刻蚀出的深度方向上的第1刻蚀量的10％以上20％以下。
也可以是，第2干法刻蚀工序与第1干法刻蚀工序的刻蚀速率相同，执行第2干法刻蚀工序的第2刻蚀时间为执行第1干法刻蚀工序的第1刻蚀时间的10％以上20％以下。
也可以是，半导体发光元件包括：基底构造体，其包含蓝宝石(Al2O3)层及氮化铝(AlN)层中的至少一者；以及发光构造体，其被形成在基底构造体上，包含发出深紫外光的氮化镓铝(AlGaN)系半导体层。也可以是，光取出层为基底构造体的蓝宝石层、AlN 层或二氧化硅(SiO2)层。
也可以是，在进行干法刻蚀的工序中，作为刻蚀气体，使用氯气(Cl2)或三氯化硼(BCl3)。
也可以是，掩膜为树脂。
[发明效果]
根据本发明，能够提高半导体发光元件的光取出效率。
附图说明
图1是概略地表示实施方式的半导体发光元件的构成的剖视图。
图2是概略地表示凹凸构造的构成的俯视图。
图3是概略地表示凹凸构造的构成的剖视图。
图4是概略地表示凹凸构造的构成的剖视图。
图5是表示半导体发光元件的制造方法的流程图。
图6是示意性地表示凹凸构造的制造工序的图。
图7是示意性地表示凹凸构造的制造工序的图。
图8是示意性地表示凹凸构造的制造工序的图。
图9是示意性地表示凹凸构造的制造工序的图。
图10的(a)及图10的(b)是表示通过第1干法刻蚀工序形成的凹凸构造的电子显微镜图像。
图11的(a)及图11的(b)是表示通过第2干法刻蚀工序形成的凹凸构造的电子显微镜图像。
图12是概略地表示变形例的半导体发光元件的构成的剖视图。
具体实施方式
以下，参照附图，详细说明用于实施本发明的方式。另外，在说明中，对于相同的要素标注相同的附图标记，并适当省略重复的说明。此外，为了帮助理解说明，各附图中的各构成要素的尺寸比未必与实际的发光元件的尺寸比一致。
图1是概略地表示实施方式的半导体发光元件10的构成的剖视图。半导体发光元件 10包括基底构造体20、以及发光构造体30。基底构造体20包含衬底22、第1基层24、以及第2基层26。发光构造体30包含n型包覆层32、活性层34、电子阻挡层36、p型包覆层38、p型接触层40、p侧电极42、n型接触层44、以及n侧电极46。
半导体发光元件10是被构成为发出中心波长约为365nm以下的“深紫外光”的半导体发光元件。为了输出这种波长的深紫外光，活性层34由带隙约为3.4eV以上的氮化镓铝(AlGaN)系半导体材料构成。在本实施方式中，特别示出发出中心波长约为280nm的深紫外光的情况。
在本说明书中，所谓“AlGaN系半导体材料”，主要是指包含氮化铝(AlN)和氮化镓(GaN)的半导体材料，也包括含有氮化铟(InN)等其它材料的半导体材料。因此，本说明书中所说的“AlGaN系半导体材料”例如能够以In1－x－yAlxGayN(0≤x+y≤1，0 ≤x≤1，0≤y≤1)的组份来表示，包含AlN、GaN、AlGaN、氮化铝铟(InAlN)、氮化镓铟(InGaN)、以及氮化镓铝铟(InAlGaN)。
此外，有时为了区别出“AlGaN系半导体材料”中实质上不包含AlN的材料，有时将其称为“GaN系半导体材料”。在“GaN系半导体材料”中，主要包含GaN及InGaN，其中也包括含有微量的AlN的材料。同样，有时为了区别出“AlGaN系半导体材料”中实质上不包含GaN的材料，有时将其称为“AlN系半导体材料”。在“AlN系半导体材料”中，主要包含AlN及InAlN，其中也包括含有微量的GaN的材料。
衬底22为蓝宝石(Al2O3)衬底。在变形例中，衬底22也可以是氮化铝(AlN)衬底。衬底22具有第1主表面22a、以及第1主表面22a的相反侧的第2主表面22b。第1主表面22a是作为晶体生长面的一个主表面，例如为蓝宝石衬底的(0001)面。第2主表面22b 是作为光取出面的一个主表面，形成有亚微米级的微小的凹凸构造(纹理构造)50。在后面会另行叙述凹凸构造50的详细构造。在衬底22的第1主表面22a上，层叠有第1基层 24及第2基层26。第1基层24为由AlN系半导体材料形成的层，例如是使其进行了高温生长的AlN(HT－AlN)层。第2基层26为由AlGaN系半导体材料形成的层，例如为未掺杂AlGaN(u－AlGaN)层。
衬底22、第1基层24及第2基层26作为基底层(模板)来发挥功能，该基底层用于形成n型包覆层32以上的层。此外，这些层作为用于将活性层34所发出的深紫外光取出到外部的光取出层来发挥功能，使活性层34所发出的深紫外光通过。第1基层24及第 2基层26优选由AlN比例高于活性层34的AlGaN系或AlN系材料来构成，且优选由折射率低于活性层34的材料来构成，以使来自活性层34的深紫外光的透射率升高。此外，第1基层24及第2基层26优选由折射率高于衬底22的材料来构成。例如，在衬底22为蓝宝石衬底(折射率n1＝1.8左右)，活性层34为AlGaN系半导体材料(折射率n3＝2.4～ 2.6左右)的情况下，第1基层24及第2基层26优选由AlN层(折射率n2＝2.1左右) 或是AlN组分比相对较高的AlGaN系半导体材料(折射率n2＝2.2～2.3左右)构成。
n型包覆层32为被设置在第2基层26上的n型半导体层。n型包覆层32由n型AlGaN系半导体材料形成，例如为掺杂有硅(Si)作为n型杂质的AlGaN层。n型包覆层32被形成为：选择使活性层34所发出的深紫外光透过的组分比，例如AlN的摩尔分数为40％以上，优选的是，50％以上。n型包覆层32被形成为：具有比活性层34所发出的深紫外光的波长更大的带隙，例如带隙为4.3eV以上。n型包覆层32具有100nm～300nm左右的厚度，例如具有200nm左右的厚度。
活性层34被形成在n型包覆层32的一部分区域上。活性层34由AlGaN系半导体材料形成，被n型包覆层32与电子阻挡层36夹着而构成双异质结构造。也可以是，活性层 34构成单层或多层的量子阱构造。这种量子阱构造例如通过使由n型AlGaN系半导体材料形成的阻挡层、以及由未掺杂AlGaN系半导体材料形成的阱层层叠来形成。为了输出波长355nm以下的深紫外光，活性层34被构成为带隙为3.4eV以上，例如选择使其能够输出波长310nm以下的深紫外光的AlN组分比。
电子阻挡层36被形成在活性层34上。电子阻挡层36为由p型AlGaN系半导体材料形成的层，例如为掺杂有镁(Mg)作为p型杂质的AlGaN层。电子阻挡层36例如被形成为：AlN的摩尔分数为40％以上，优选的是，50％以上。电子阻挡层36也可以被形成为AlN的摩尔分数为80％以上，还可以是，由实质上不含GaN的AlN系半导体材料形成。电子阻挡层36具有1nm～10nm左右的厚度，例如具有2nm～5nm左右的厚度。
p型包覆层38被形成在电子阻挡层36上。p型包覆层38为由p型AlGaN系半导体材料形成的层，例如为掺杂Mg的AlGaN层。关于p型包覆层38，选择使AlN的摩尔分数低于电子阻挡层36的组分比。p型包覆层38具有300nm～700nm左右的厚度，例如具有400nm～600nm左右的厚度。
p型接触层40被形成在p型包覆层38上。p型接触层40由p型AlGaN系半导体材料形成，并选择使Al含有率低于电子阻挡层36及p型包覆层38的组分比。p型接触层 40优选AlN的摩尔分数为20％以下，更优选的是，AlN的摩尔分数为10％以下。也可以是，p型接触层40由实质上不含AlN的p型GaN系半导体材料形成。通过使p型接触层40的AlN的摩尔分数变小，从而能够得到与p侧电极42的良好的欧姆接触。此外，能够降低p型接触层40的体电阻，并能够提高向活性层34的载流子注入效率。
p侧电极42被设置在p型接触层40上。p侧电极42由能够在与p型接触层40之间实现欧姆接触的材料形成，例如通过镍(Ni)/金(Au)的层叠结构来形成。关于各金属层的厚度，例如，Ni层为60nm左右，Au层为50nm左右。
n型接触层44被设置在n型包覆层32上的未设置活性层34的露出区域中。n型接触层44由n型AlGaN系半导体材料或GaN系半导体材料构成，关于该材料，选择使n型接触层44的Al含有率低于n型包覆层32的组分比。关于n型接触层，优选的是，AlN 的摩尔分数为20％以下，更优选的是，AlN的摩尔分数为10％以下。
n侧电极46被设置在n型接触层44上。n侧电极46例如由钛(Ti)/Al/Ti/Au的层叠结构形成。关于各金属层的厚度，例如，第1Ti层为20nm左右，Al层为100nm左右，第2Ti层为50nm左右，Au层为100nm左右。
凹凸构造50被形成于作为光取出层的衬底22的第2主表面(也称光取出面)22b。凹凸构造50抑制第2主表面22b上的反射或全反射，并提高从第2主表面22b输出的深紫外光的外部取出效率。凹凸构造50具有：多个锥形状部52，其被阵列状地形成在光取出面上；以及多个粒状部56，其被形成在锥形状部52的侧面部。在本实施方式中，形成有组合了相对较大的突起部即锥形状部52、以及相对较小的突起部即粒状部56的凹凸构造50。凹凸构造50被遍及第2主表面22b的大致整个表面地形成。也可以是，在变形例中，仅在第2主表面22b的一部分区域中形成有凹凸构造50。
图2是示意性地表示凹凸构造50的构成的俯视图，且示意性地表示多个锥形状部52 的配置。在图2中，为了容易理解说明，省略了粒状部56的记载。多个锥形状部52被如图所示地并排配置为三角形栅格状。也可以是，锥形状部52被配置为四边形栅格状。锥形状部52由与衬底22相同的材料构成，例如由蓝宝石(Al2O3)或氮化铝(AlN)构成。当俯视光取出面时，锥形状部52具有轮廓为圆形的圆锥形状。关于锥形状部52，无需轮廓为完全的圆形，也可以具有接近六边形等多边形的形状的轮廓。因此，锥形状部52也可以具有接近六棱锥等多棱锥的形状，还可以具有圆锥与棱锥的中间状态那样的形状。
关于锥形状部52，相邻的锥形状部52之间的间距p被形成为100nm以上1000nm，优选的是，被形成为250nm以上600nm以下。在此，所谓锥形状部52的间距p，是指相邻的锥形状部52(例如52b及52c)的顶点间的距离。另外，锥形状部52的间距p也可以以输出波长λ为基准来确定，例如也可以是，被形成为输出波长λ的0.5倍以上3倍以下，优选的是，被形成为输出波长λ的0.8倍以上2倍以下。例如，当输出波长λ＝280nm 时，锥形状部52的直径
Figure GDA0002010294580000071
可以为140nm以上840nm以下，也可以是，被形成为230nm 以上560nm以下。锥形状部52的直径
Figure GDA0002010294580000072
例如也可以是250nm、300nm、350nm、400nm、 450nm、以及500nm左右。
锥形状部52被以锥形状部52的底部的直径
Figure GDA0002010294580000073
略小于间距p的方式形成，并被以在相邻的两个锥形状部52之间设置有间隙d的方式形成。锥形状部52的直径
Figure GDA0002010294580000074
被形成为间距p的0.7倍以上0.95倍以下，优选的是，被形成为间距p的0.8倍以上0.9倍以下。例如，当锥形状部52的间距p为300nm时，锥形状部52的直径
Figure GDA0002010294580000075
被形成为210nm以上280nm 以下，优选的是，被形成为240nm以上270nm以下。因此，相邻的两个锥形状部52的间隙d被形成为20nm以上90nm以下，优选的是，被形成为30nm以上60nm以下。
在光取出面，设置有作为未形成锥形状部52的区域的平坦部58。平坦部58位于被构成三角形栅格的三个锥形状部52(例如52a、52b及52d)包围的谷部。即，当俯视光取出面时，平坦部58为被相邻的三个锥形状部52包围的大致三角形状的区域。在此，所谓平坦部58，是指大致平行于与基底构造体20及发光构造体30的层叠方向正交的平面 (衬底22的c面)的位置，且表示被与像锥形状部52的侧面部那样倾斜的部分形成对比的位置。在平坦部58，如后述的图4所示，设置有粒状部56。因此，平坦部58并不意味着完全平坦的平面，而是意味着与锥形状部52那样的相对较大的凸起形状相比而相对平坦。
当俯视光取出面时，多个锥形状部52被形成为占有某确定比例的面积。多个锥形状部52被形成为：在光取出面的每单位面积中，占70％以上85％以下的面积。在假设多个锥形状部52被配置为六方最密堆积的情况下，其所占面积的比例约为90％。然而，多个锥形状部52被形成为占小于六方最密堆积的比例的面积。结果，在相邻的两个锥形状部 52之间，设置有间隙d，并且设置有与六方最密堆积的情况相比，面积比例相对较大的平坦部58。
图3为概略地表示凹凸构造50的构成的剖视图，并表示图2的A－A线截面。如图所示，多个锥形状部52(52a、52b、52c)以预定的间距p并排排列。多个锥形状部52 被形成为具有大致均一的高度h。锥形状部52的高度h为锥形状部52的间距p的0.5倍以上2倍以下，优选的是，为间距p的0.8888倍以上1.5倍以下。例如，当锥形状部52 的间距p为300nm时，锥形状部52的高度h为150nm以上600nm以下，优选的是，为 240nm以上400nm以下。
在图示的剖视下，锥形状部52具有侧面部53的倾斜度在顶部55处比在底部54处更小的形状。锥形状部52具有当将侧面部53的底部54附近的倾斜角θ1与顶部55附近的倾斜角θ2进行比较时，θ1＞θ2的形状。即，锥形状部52具有侧面部53的倾斜在顶部55附近变得平缓的形状，与严格的锥形状相比，顶部55附近具有带有圆度的形状。结果，锥形状部52的侧面部53具有向锥形状部52的外侧凸起的曲面形状。
在锥形状部52的侧面部53，形成有多个粒状部56。粒状部56具有半球形状或近似于半球的形状，并被遍及锥形状部52的整个侧面部53地分散配置。粒状部56由与锥形状部52相同的材料或至少包含构成锥形状部52的元素的一部分的材料构成。在衬底22 及锥形状部52为蓝宝石或氮化铝的情况下，粒状部56由蓝宝石(Al2O3)、氮化铝(AlN)、铝(Al)、或含铝的化合物等构成。
关于粒状部56，其粒径或直径s的平均值为10nm以上90nm以下，优选的是，20nm 以上60nm以下。粒状部56的直径s可以以输出波长λ为基准来确定，例如也可以是，被形成为输出波长λ的0.05倍以上0.3倍以下，优选的是，被形成为输出波长λ的0.1倍以上0.2倍以下。例如，当输出波长λ＝280nm时，粒状部56的直径s的平均值为15nm以上80nm以下，优选的是，30nm以上50nm以下。另外，此处例示的粒状部56的大小是标准的，并不意味着各粒状部56的直径s必须被严格地包含在预定的范围之内。
图4是概略地表示凹凸构造50的构成的剖视图，并表示图2的B－B线截面。在图4所示的截面中，包含位于相邻的锥形状部52间的谷部的平坦部58。如图所示，粒状部56 被设置在锥形状部52的侧面部53、以及平坦部58上。粒状部56在平坦部58上被分散地形成有多个。被形成在平坦部58上的粒状部56的形状、大小、材料与被形成在锥形状部52的侧面部53上的粒状部56相同。
接着，叙述半导体发光元件10的制造方法。图5是表示半导体发光元件10的制造方法的流程图。首先，准备包括光取出层的发光元件(S10)，并在光取出层上形成阵列状图案的树脂掩膜(mask)(S12)。接着，执行第1干法刻蚀工序，该第1干法刻蚀工序从掩膜上对掩膜和光取出层进行干法刻蚀，并进行刻蚀直到整个掩膜被除去为止(S14)。接着，执行第2干法刻蚀工序，该第2干法刻蚀工序从在第1干法刻蚀工序中掩膜被除去起，进一步对光取出层进行干法刻蚀(S16)。在本实施方式中，执行到掩膜被除去为止的第1干法刻蚀工序、以及从掩膜被除去起进一步进行过刻蚀的第2干法刻蚀工序。
在准备发光元件的工序中，准备出未形成凹凸构造50的衬底22，并使第1基层24、第2基层26、n型包覆层32、活性层34、电子阻挡层36、p型包覆层38、以及p型接触层40依次层叠在衬底22的第1主表面22a上。由AlGaN系或GaN系半导体材料形成的第2基层26、n型包覆层32、活性层34、电子阻挡层36、p型包覆层38及p型接触层 40能够利用有机金属化学气相沉积(MOVPE)法或分子束磊晶(MBE)法等公知的磊晶成长法来形成。
接着，除去被层叠在n型包覆层32上的活性层34、电子阻挡层36、p型包覆层38 及p型接触层40中的一部分，使n型包覆层32的一部分区域露出。例如，能够通过避开 p型接触层40上的一部分区域来形成掩膜，并进行利用了反应性离子刻蚀或等离子体化学气相沉积等的干法刻蚀，从而除去活性层34、电子阻挡层36、p型包覆层38及p型接触层40中的一部分，并使n型包覆层32的一部分区域露出。
接着，在露出的n型包覆层32的一部分区域上，形成n型接触层44。n型接触层44 能够利用有机金属化学气相沉积(MOVPE)法或分子束磊晶(MBE)法等公知的磊晶成长法来形成。接着，在p型接触层40上，形成p侧电极42，在n型接触层44上，形成n 侧电极46。构成p侧电极42及n侧电极46的各金属层例如能够通过MBE法等公知的方法来形成。
接着，在衬底22的第2主表面22b形成凹凸构造50。图6～图9是示意性地表示凹凸构造50的制造工序的图，且表示针对未形成凹凸构造50的光取出层60的被处理面60c 的处理工序。光取出层60为应形成光取出面的层，且为与图1所示的半导体发光元件10 的衬底22对应的层。
图6表示在光取出层60上形成掩膜62的工序。光取出层60的被处理面60c例如为蓝宝石衬底的(0001)面(c面)。掩膜62具有与凹凸构造50的锥形状部52对应的阵列状的图案，并具有被阵列状地配置的多个柱状部64。多个柱状部64被配置为三角形栅格状，并分别具有棱柱或圆柱形状。也可以是，柱状部64例如为六棱柱。也可以是，在柱状部64，设置有少量锥角，还可以是，为棱台或圆台形状。掩膜62例如利用纳米压印技术通过防护树脂来形成。另外，形成掩膜62的方法不被特别地限定，也可以利用基于曝光或电子束曝光等的光刻技术来形成。
掩膜62被形成为：相邻的柱状部64的间距p0与锥形状部52的间距p相同。柱状部64的高度h0基于锥形状部52的高度h与光取出层60及掩膜62的刻蚀速率比来确定。当将光取出层60的刻蚀速率记为e，将掩膜62的刻蚀速率记为e0时，柱状部64的高度能够根据h0≈h×e0/e一式来求得。另外，柱状部64的高度h0也可以略大于通过上式算出的值，还可以比h×e0/e的值大5％～15％左右。柱状部64的直径
Figure GDA0002010294580000091
略小于柱状部64的间距p0，例如为间距p0的80％～95％左右。
接着，从掩膜62上方开始，执行干法刻蚀处理。作为光取出层60及掩膜62的干法刻蚀方法，能够采用反应性离子刻蚀(RIE；Reactive Ion Etching)，更具体而言，能够采用基于电感耦合等离子体(ICP；Inductive Coupling Plasma)的等离子体刻蚀。虽然用于等离子体刻蚀的气体种类不被特别地限定，但是作为刻蚀气体，优选采用氯气(Cl2)或三氯化硼(BCl3)等含氯气体。通过利用这些刻蚀气体，能够良好地对构成光取出层60 的蓝宝石或氮化铝、以及构成掩膜62的防护树脂进行刻蚀。
图7示意性地表示被进行干法刻蚀的光取出层60及掩膜62，并表示上述的第1干法刻蚀工序的中途的状态。在第1干法刻蚀工序中，柱状部64被从上方及侧方各向同性地进行刻蚀，随着刻蚀工序的进行，柱状部64的高度h0及直径
Figure GDA0002010294580000101
趋小。另一方面，位于掩膜62之下的光取出层60的未被掩膜62覆盖的位置逐渐被刻蚀。因为柱状部64的覆盖区域随着时间经过而逐渐向柱状部64的中心缩小，所以光取出层60被刻蚀的区域随着时间经过而逐渐増大。结果，光取出层60的深度方向上的刻蚀量根据距柱状部64的中心的距离而不同，在掩膜62的下方，形成有近似于具有倾斜面67的圆台或棱台的形状的凸部 66。凸部66被形成在与掩膜62的阵列状图案对应的位置，且被形成在与多个柱状部64 分别对应的位置。
图8示意性地表示被进行干法刻蚀的光取出层60及掩膜62，并表示第1干法刻蚀工序即将结束前的状态。当从图7所示的状态起，进一步进行干法刻蚀工序时，柱状部64 会进一步变小，最终整个掩膜62会被从光取出层60上除去。光取出层60被以使凸部66 的顶部68的宽度(直径)变得更小的方式刻蚀。结果，形成顶部68近似于尖的圆锥或棱锥的形状的凸部66。此时的凸部66的高度h1相当于光取出层60被第1干法刻蚀工序刻蚀出的深度方向上的刻蚀量(也称第1刻蚀量)，能够以h1＝h0×e/e0一式来表示。在此， h0为掩膜62的初始高度，e为光取出层60的刻蚀速率，e0为掩膜62的刻蚀速率。
在本实施方式中，执行第2干法刻蚀工序，该第2干法刻蚀工序在第1干法刻蚀工序除去了整个掩膜62之后，进一步对光取出层60进行干法刻蚀。第2干法刻蚀工序为刻蚀条件与第1干法刻蚀工序实质上相同的刻蚀工序，被与第1干法刻蚀工序连续地执行。即，第2干法刻蚀工序是在刻蚀处理室中置入发光元件的状态下，在第1干法刻蚀工序之后被执行的。另外，在变形例中，也可以是，第2干法刻蚀工序被与第1干法刻蚀工序分开执行，还可以是，在第1干法刻蚀工序与第2干法刻蚀工序之间，执行某种追加处理。此外，也可以是，使第1干法刻蚀工序与第2干法刻蚀工序的处理条件不同。例如也可以是，使刻蚀气体、刻蚀速率等处理条件不同。
图9示意性地表示被进行干法刻蚀的光取出层60，并表示通过执行第2干法刻蚀工序而形成有锥形状部52及粒状部56的状态。第2干法刻蚀工序在不存在掩膜62的状态下被执行，为所谓的无掩膜下的自由进行(free running)的干法刻蚀处理。在第2干法刻蚀工序中，或是通过干法刻蚀生成的反应生成物会随机附着在光取出层60的表面，或是因光取出层60的微观组成的不均一性导致刻蚀量根据位置而不同。结果，在锥形状部52 的侧面部53形成粒状部56，并有微细的凹凸生成在侧面部53上。这与图8所示的粗糙度较低的倾斜面67形成对照。
在第2干法刻蚀工序中，无掩膜下的刻蚀处理被执行，在相邻的锥形状部52之间，形成有间隙d。此外，位于相邻的三个锥形状部52间的谷部的平坦部58(参照图2)被形成，在平坦部58，也形成有粒状部56(参照图4)。此外，因为在第2干法刻蚀工序开始时，凸部66的顶部68是尖的，所以被施加在等离子体刻蚀中的电场容易集中于顶部 68，顶部68附近的刻蚀速率会相对变高。结果，顶部68的附近会被更多地刻蚀，其结果是，被形成的锥形状部52的顶部55成为带有圆度那样的形状。
第2干法刻蚀工序的处理时间或刻蚀量比第1干法刻蚀工序更少。例如，光取出层60被第2干法刻蚀工序刻蚀出的深度方向上的刻蚀量(也称第2刻蚀量)被调整为第1 干法刻蚀工序中的第1刻蚀量的10％以上20％以下。第2干法刻蚀工序中的第2刻蚀量相当于从形成有掩膜62的被处理面60c到锥形状部52的顶部55的高度h2。当第1干法刻蚀工序与第2干法刻蚀工序的刻蚀速率相同时，执行第2干法刻蚀工序的第2干法刻蚀时间为执行第1干法刻蚀工序的第1干法刻蚀时间的10％以上20％以下。通过像这样控制第2干法刻蚀工序，从而能够使锥形状部52所占的面积比例成为70％以上85％以下，并且使得在锥形状部52的侧面部53上粒状部56被分散形成。
图10的(a)及图10的(b)是表示一个实施例的通过第1干法刻蚀工序形成的凹凸构造的电子显微镜图像。图10的(a)为剖视图，图10的(b)为俯视图。本图表示第1 干法刻蚀工序结束后的状态，与图8所示的状态对应。在本图所示的实施例中，设间距p ＝300nm。如图所示，可知：在第1干法刻蚀工序后的状态下，圆锥或者棱锥形状的凸部的倾斜面的粗糙度较低，比较平坦。
图11的(a)及图11的(b)是表示一个实施例的通过第2干法刻蚀工序形成的凹凸构造的电子显微镜图像。图11的(a)为剖视图，图11的(b)为俯视图。本图表示第2 干法刻蚀工序结束后的状态，与图9所示的状态对应。如图所示，可知：在第2干法刻蚀工序后的状态下，在锥形状部的侧面部，分散形成有粒状部。此外，可知：在位于相邻的三个锥形状部间的谷部的平坦部，也形成有粒状部。这与图10的(a)及图10的(b)所示的凹凸构造形成对照。
接着，叙述本实施方式所起到的效果。为了将本实施方式的凹凸构造50的效果定量化，制成了光取出面的结构不同的两个比较例。在比较例1中，不在衬底22的第2主表面22b形成凹凸构造，而是使其保持平坦面。在比较例2中，在衬底22的第2主表面22b，形成有仅由阵列状的锥形状部构成的凹凸构造。比较例2的光取出面与图10的(a)及图 10的(b)对应。在实施例中，在衬底22的第2主表面22b，形成有组合了锥形状部52 与粒状部56的凹凸构造50。实施例的光取出面与图11的(a)及图11的(b)对应。比较光取出面的输出强度可知：在比较例2中，相对于比较例1，输出强度会提高约22％，在实施例中，相对于比较例1，输出强度会提高约32％。因此，能够通过在光取出面上阵列状地形成锥形状部52，并且在锥形状部52的侧面部53及位于相邻的锥形状部52间的谷部的平坦部58这两者上形成粒状部56，从而进一步提高来自光取出面的光取出效率。
根据本实施方式，因为仅将1种掩膜用于形成组合了锥形状部52与粒状部56的结构即可，所以能够简化制造工序，并降低制造成本。以往，在要组合并形成大小不同的凹凸形状的情况下，需要与要形成的凹凸的大小相适地应用多种掩膜，并需要与使用的掩膜的种类数对应的工序数量。另一方面，因为根据本实施方式，仅使用1种掩膜即可，且可以将第1干法刻蚀工序和第2干法刻蚀工序连续执行，所以制造工序的数量可以较少。因此，根据本实施方式，能够抑制制造成本的増加并提高半导体发光元件10的光取出效率。
以上，基于实施例而对本发明进行了说明。本领域技术人员应理解的是，本发明不被限定于上述实施方式，可能存在多种设计变更，并可能存在各种变形例，并且那样的变形例也在本发明的范围之内。
图12是概略地表示变形例的半导体发光元件10的构成的剖视图。在本变形例中，在基底构造体20，进一步设置有第3基层28，在作为第3基层28的一个主表面的光取出面28b，形成有凹凸构造50。以下，以与上述实施方式的不同点为中心，对本变形例进行说明。
基底构造体20具有衬底22、第1基层24、第2基层26、以及第3基层28。衬底22 具有作为平坦面的第1主表面22a及第2主表面22b。第3基层28被设置在衬底22的第 2主表面22b上。因此，第3基层28被夹着衬底22地设置在发光构造体30的相反侧。第3基层28作为光取出层而发挥功能。
第3基层28由针对活性层34所发出的深紫外光的波长而言，折射率低于活性层34、高于衬底22的材料构成。在衬底22为蓝宝石(折射率n1＝1.8左右)，活性层34为AlGaN 系半导体材料(折射率n3＝2.4～2.6左右)的情况下，第3基层28优选由AlN(折射率 n4＝2.1左右)及AlN组分比相对较高的AlGaN系半导体材料(折射率n4＝2.2～2.3左右) 构成。也可以是，第3基层28为氮化硅(SiN，折射率n4＝1.9～2.1左右)、氮氧化硅(SiON)、以及二氧化硅(SiO2)。关于第3基层28，活性层34所发出的深紫外光的透射率较高是为优选，且优选的是，被构成为内部透射率为90％以上。
第3基层28例如能够由未掺杂的AlGaN系半导体材料及AlN等构成，并利用有机金属化学气相沉积(MOVPE)法或分子束磊晶(MBE)法等公知的磊晶成长法来形成。第 3基层28既可以在于衬底22的第1主表面22a上形成第1基层24、第2基层26及发光构造体30之后被形成，也可以在于衬底22的第1主表面22a上形成各层之前被形成。也可以是，第3基层28被与形成第1基层24及第2基层26的工序同时地形成。根据本变形例，能够通过在衬底22的第2主表面22b上设置折射率高于衬底22的第3基层28，从而进一步缓和在光取出面28b上发生的全反射的影响。
在上述的实施方式及变形例中，示出了在形成发光构造体30之后，在光取出层上形成凹凸构造50的情况。在进一步的变形例中，也可以是，在于光取出层上形成凹凸构造50之后才形成发光构造体30。例如也可以是，准备出预先形成有凹凸构造50的衬底22，并在该衬底上形成发光构造体30。
在上述实施方式及变形例中，示出了在输出深紫外光的半导体发光元件10上形成凹凸构造50的情况。在进一步的变形例中，也可以是，将上述凹凸构造50应用于输出深紫外光以外的光的半导体发光元件。例如也可以是，将凹凸构造50应用于输出360nm～ 400nm的紫外光的发光元件、以及输出400nm～450nm的蓝色光的发光元件。此外，凹凸构造50既可以被应用于输出绿色、黄色、红色等可见光的发光元件，也可以被应用于输出红外光的发光元件。
[附图标记说明]
10…半导体发光元件、20…基底构造体、22…衬底、22a…第1主表面、22b…第2主表面、28b…光取出面、30…发光构造体、50…凹凸构造、52…锥形状部、53…侧面部、 54…底部、55…顶部、56…粒状部、58…平坦部、60…光取出层、62…掩膜。 [工业可利用性]
根据本发明，能够提高半导体发光元件的光取出效率。

Claims (6)

1.一种半导体发光元件的制造方法，该半导体发光元件包括具有光取出面的光取出层；
该制造方法的特征在于，包括：
在上述光取出层上形成具有阵列状的图案的掩膜的工序，以及
从上述掩膜上对上述掩膜及上述光取出层进行刻蚀的工序；
上述进行刻蚀的工序包含：第1干法刻蚀工序，其进行干法刻蚀，直到整个上述掩膜被除去为止；以及第2干法刻蚀工序，其从上述掩膜被除去起，在不存在掩膜的状态下进一步对上述光取出层进行干法刻蚀；
通过上述第1干法刻蚀工序，多个锥形状部被形成在上述光取出面上，该多个锥形状部被与上述掩膜的图案对应地阵列状地配置；
通过上述第2干法刻蚀工序，多个粒状部被形成在上述多个锥形状部的侧面部及位于相邻的锥形状部之间的谷部的平坦部这两者上；
上述第2干法刻蚀工序中使用的刻蚀气体与上述第1干法刻蚀工序中使用的刻蚀气体相同；
上述第2干法刻蚀工序被与上述第1干法刻蚀工序连续地执行。
2.如权利要求1所述的半导体发光元件的制造方法，其特征在于，
上述光取出层被上述第2干法刻蚀工序刻蚀出的深度方向上的第2刻蚀量为上述光取出层被上述第1干法刻蚀工序刻蚀出的深度方向上的第1刻蚀量的10％以上20％以下。
3.如权利要求1或2所述的半导体发光元件的制造方法，其特征在于，
上述第2干法刻蚀工序的刻蚀速率与上述第1干法刻蚀工序相同；
执行上述第2干法刻蚀工序的第2干法刻蚀时间为执行上述第1干法刻蚀工序的第1干法刻蚀时间的10％以上20％以下。
4.如权利要求1或2所述的半导体发光元件的制造方法，其特征在于，
上述半导体发光元件包括：基底构造体，其包含蓝宝石(Al2O3)层、氮化铝(AlN)层以及二氧化硅(SiO2)层中的至少一者；以及发光构造体，其被形成在上述基底构造体上，包含发出深紫外光的氮化镓铝(AlGaN)系半导体层；
上述光取出层为上述基底构造体的蓝宝石层、氮化铝层或二氧化硅层。
5.如权利要求1或2所述的半导体发光元件的制造方法，其特征在于，
在上述第1干法刻蚀工序和上述第2干法刻蚀工序中，使用不含碳(C)的氯气(Cl2)或三氯化硼(BCl3)作为上述刻蚀气体。
6.如权利要求1或2所述的半导体发光元件的制造方法，其特征在于，
上述掩膜具有被阵列状地配置的多个柱状部，关于上述多个柱状部中的每一个，其与高度方向正交的方向上的宽度是固定的，且由树脂构成。
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