CN1716655A - 半导体发光元件和器件、及制造半导体发光元件的方法 - Google Patents

半导体发光元件和器件、及制造半导体发光元件的方法 Download PDF

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Abstract

在半导体多层膜的与其主表面相对的表面中形成突起/凹陷，该突起/凹陷形成二维周期性结构，而在另一表面上形成具有高反射率的金属电极。通过使用二维周期性结构的衍射效应，能改进从形成有突起/凹陷的表面的光引出效率。通过利用具有高反射率的金属电极把向金属电极发射的光反射到形成有突起/凹陷的表面，能倍增由二维周期性结构实现的以上效果。

Description

半导体发光元件和器件、及 制造半导体发光元件的方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2004年6月28日提交的日本专利申请JP2004-189892的优先权，该申请的全部内容通过参考在此引入。
技术领域
本发明涉及一种使用半导体的发光元件，并且涉及一种制造该元件的方法。
背景技术
由铝铟镓氮(AlInGaN)代表的基于氮化物的化合物半导体的使用使得发光元件的商业化成为可能，这些发光元件在紫外、蓝、和绿波长下输出光，至今难以从这些波长得到足够的发射强度，如发光二极管(LED)和半导体激光器，从而其研究和开发进行得很活跃。在发光元件中，LED比半导体激光器较容易制造和控制，并且寿命比荧光灯长，从而LED，特别是使用基于氮化物的化合物半导体的LED，被认为是一种有前途的照明光源。
图34是立体图，示出了一种常规的基于氮化物的化合物半导体LED。该常规LED具有这样一种结构，其中通过在蓝宝石基片1001上的晶体生长依次形成n型镓氮(GaN)层1002、铟镓氮(InGaN)活性层(active layer)1003、及p型GaN层1004。InGaN活性层1003和p型GaN层1004的每一个已经通过蚀刻被除去部分，从而暴露n型GaN层1002。n侧电极1006形成在n型GaN层1002的暴露部分上。p侧键合电极1007提供在p型GaN层1004上。
如下是LED的工作情况。
首先，从p侧键合电极1007注射的空穴在p侧透明电极1005中横向扩散，以从p型GaN层1004注射到InGaN活性层1003中。
另一方面，从n侧电极1006注射的电子穿过n型GaN层1002进一步注射到InGaN活性层1003中。在InGaN活性层1003中空穴和电子的重新结合导致光发射。光穿过p侧透明电极1005发射到LED外。
然而，不能说这样一种常规结构具有足够高的光引出效率。光引出效率是在活性层中产生的并且从LED发射到空气中的光与在活性层中产生的所有光的比值。常规LED的光引出效率低的原因是半导体的折射率高于空气的折射率，从而来自活性层的光由在半导体与空气之间的界面全反射，并且约束在LED内。例如，GaN的折射率在480nm波长下大约为2.45，从而发生全反射的临界角小到约23度。就是说，就在半导体与空气之间的界面的法线而言，以比临界折射角大的角度从活性层发射的光，由在半导体与空气之间的界面全反射，从而从活性层发射的并且可引出到LED外部的光大约仅占从活性层发射的全部光的4％。因而，遇到的问题是外部量子效率(能从LED引出的光与供给到LED的电流的比值)较低，并且功率转换效率(能产生的光输出与全部供给功率的比值)比荧光灯的低。
作为对该问题的解决方案，已经提出了一种在LED的表面处形成光子晶体的技术，如在日本特许公开专利出版物No.2000-196152中所公开的那样。
图35是立体图，示出了一种上表面形成有光子晶体的常规LED。如图中所示，根据该常规实施方式，二维周期性突起/凹陷形成在p型GaN层1004中。在该结构中，即使就在半导体与空气之间的界面的法线而言，以比临界折射角大的角度从活性层发射的光，由于通过周期性突起/凹陷的衍射，也能具有在比临界折射角小的角度下的发射方向。这增大了发射到LED外部而不会全反射的光的比率，并且改进了光引出效率。在本说明书中，措词“二维周期性”表示形成一种结构以沿一个平面中的第一方向具有给定空隙(给定周期)，同时也形成它以沿与第一方向正交的第二方向具有给定空隙(给定周期)。
发明内容
然而，当突起/凹陷形成在靠近活性层的LED表面中，如在p型GaN层中时，有出现如下问题的情形。
由于p型GaN层1004具有高电阻率，所以其膜厚度希望薄到约0.2μm，以便减小LED的串联电阻，以及实现高效率的光发射。然而，为了在p型GaN层1004的上表面中形成突起/凹陷，必须增大p型GaN层1004的膜厚度。结果，有在图35中所示的常规LED的串联电阻增大和其功率转换效率降低的情形。另外，用来在p型GaN层1004中形成突起/凹陷的干式蚀刻导致在p型GaN层1004的表面中的晶体缺陷。由于这样一种晶体缺陷起电子施主的作用，所以在n型GaN层1002的表面中的电子密度增大，并且其接触电阻降低。然而，在p型GaN层1004中，由蚀刻损伤生成的晶体缺陷补偿空穴，从而欧姆电极的形成变得困难。这导致接触电阻率增大和功率转换效率降低的问题。由于突起/凹陷靠近活性层，所以在突起/凹陷的形成期间，蚀刻引起的损伤出现在活性层中。因此，在活性层中的内部量子效率(在活性层中重新结合的并且转换成光子的电子-空穴对与在活性层中重新结合的所有电子-空穴对的比值)减小和LED的光发射效率减小的问题，也可能发生。
其中可想象形成二维光子晶体的LED的表面是其主表面或后表面。在这种情况下，基片的后表面和在基片与半导体之间的界面能认为是在任一个处要形成光子晶体的两个位置。然而，在任一种情况下，当通过使用常规技术形成光子晶体时，遇到如下问题。在基片的后表面处形成光子晶体的情况下，全反射发生在半导体与基片之间的界面处，从而由在基片的后表面中形成的光子晶体实现的光引出效率的改进效果，比当在半导体中形成光子晶体时低。另一方面，在半导体与基片之间的界面处形成光子晶体的情况下，通过周期性突起/凹陷的衍射的效率由于在半导体与基片之间的较小折射率差而降低，从而光引出效率的改进效果比当在LED的最上表面处形成光子晶体时低。
因此本发明的一个目的在于，提供一种具有比常规情况下高的光引出效率的半导体发光元件。
根据本发明的第一半导体发光元件包括：活性层，由半导体制成并且产生光；第一传导型的第一半导体层，通过晶体生长形成在活性层的主表面上；以及第二传导型的第二半导体层，提供在活性层的后表面上，并且具有形成有二维周期性结构的后表面，该半导体发光元件从该第二半导体层的后表面输出在活性层中产生的光。
在该布置中，在第二半导体层的后表面中形成的二维周期性结构减小了由元件在其制造期间受到的损伤，并因此把功率转换效率提高到一个比常规情况下高的水平。
该第一半导体发光元件还包括：第一电极，提供在第一半导体层的主表面上，并且相对于在活性层中产生的所有光的峰值波长下的光具有80％或更大的反射率；和第二电极，提供在第二半导体层的后表面的一个区域上，其中在该区域中不形成二维周期性结构。该布置允许从活性层向第一电极发射的光高效地反射到在半导体多层膜的表面中的二维周期性结构，并由此允许由二维周期性结构实现的光引出效率近似加倍。
具体地说，第一电极在实际使用中优选地是一种包含金(Au)膜、铂(Pt)膜、铜(Cu)膜、银(Ag)膜、铝(Al)膜、及铑(Rh)膜的至少一个的金属膜。
进一步提供与第一电极具有接触关系的、具有10μm或更大厚度的金属层。该布置允许在活性层中产生的热量的有效传导，从而抑制故障操作的发生。
具体地说，金属层包括从由Au、Cu、及Ag组成的组中选择的一种金属。该布置是优选的，因为它允许有效地传递热量到外部，并且它能通过使用电镀技术容易地形成。
当二维周期性结构的周期是Λ，在活性层中产生的光的峰值波长是λ，并且第二半导体层的折射率是N时，优选地满足0.5λ/N＜Λ＜20λ/N。在其中满足0.5λ/N＞Λ的情况下，由衍射引起的角度变化较大，并且衍射光的角度超过全反射临界角，从而它不会发射到半导体发光元件的外部。在这种情况下，二维周期的衍射不能改进光引出效率。在其中满足Λ＞20λ/N的情况下，周期变得远大于从活性层发射的光的波长，从而很难期望衍射的效果。
当二维周期性结构的高度是h，在活性层中产生的光的峰值波长是λ，围绕半导体发光元件的部分的折射率是n1，以及第二半导体层的折射率是n2时，h是λ/{2(n2-n1)}的整数倍。这导致相位差，该相位差使穿过二维周期性结构的突出/凹陷的上部的光分量与穿过突出/凹陷的下部的光分量互相传导率干涉。因此，能使由二维周期性结构引起的衍射效率最大化，并且能提高光引出效率。
依据组成二维周期性结构的一种材料，二维周期性结构的竖向横截面能配置成四边形或三角波。
根据本发明的第二半导体发光元件包括：基片，它发射光；第一半导体层，通过晶体生长形成在基片的主表面上，并且具有形成有二维周期性结构的主表面；第一传导型的第二半导体层，提供在第一半导体层的主表面上；活性层，提供在第二半导体层的主表面上，由半导体制成，并且产生光；以及第二传导型的第三半导体层，提供在活性层的主表面上，该半导体发光元件从基片的后表面输出在活性层中产生的光。
该布置允许衍射效率的提高而不用除去基片，并由此允许比在其中除去基片的情况下容易制造。
组成第二半导体层的材料不埋在二维周期性结构中。由于该布置允许在二维周期性结构与围绕二维周期性结构的部分之间折射率差的增大，所以变得可以增大衍射效率和提高光引出效率。
优选地，基片的材料是从包括砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)、硅(Si)、碳化硅(SiC)、氮化铝(AlN)、及蓝宝石的组中选择的一种。如果基片由GaAs、InP、或Si制成，则它能通过湿式蚀刻容易地除去。即使基片由AlN、蓝宝石、或SiC制成，它也能通过干式蚀刻除去。如果基片由诸如AlN或蓝宝石之类的透明材料制成，则它能通过激光剥离过程除去。
基片的后表面是粗糙的，并且当在活性层中产生的光的峰值波长是λ时，在基片的后表面中的自相关距离T满足0.5λ/N＜T＜20λ/N，并且在垂直方向上的高度分布D满足0.5λ/N＜D＜20λ/N。这散射光，并且允许在活性层中产生的光高效地发射到基片外。
根据本发明的半导体发光器件包括：半导体发光元件，具有第一传导型的第一半导体层，提供在第一半导体层的后表面上、由半导体制成的、且产生光的活性层，以及提供在活性层的后表面上并且具有形成有二维周期性结构的后表面的第二传导型的第二半导体层，该半导体发光元件从第二半导体层的后表面输出在活性层中产生的光；一个安装基片，其上安装有该半导体发光元件；及模塑树脂，形成半球形结构，以模塑该半导体发光元件。
该布置允许光引出效率的显著提高。这是因为由二维周期性结构从半导体发光元件引出到树脂中的光，由于半球形的树脂，易于垂直地入射在树脂与空气之间的界面上，并且以近似100％的效率发射到空气中。
根据本发明的一种用来制造半导体发光元件的方法包括步骤：(a)在基片的主表面中或在基片上提供的半导体层的主表面中形成第一二维周期性结构；和(b)在第一二维周期性结构上方依次形成第一半导体层、活性层、以及第二半导体层。
该方法使得可以形成二维周期性结构而不损伤第一半导体。
步骤(b)可以还包括步骤：通过以第一二维周期性结构随其一起填充的方式形成第一半导体层，而在第一半导体层的后表面中形成与第一二维周期性结构互补的第二二维周期性结构。
该方法还包括步骤：在步骤(b)之后的(c)，除去基片，或基片和半导体层，以暴露第二二维周期性结构。该布置允许在组成第二二维周期性结构的材料与围绕第二二维周期性结构的部分之间的折射率差的增大，并由此允许半导体发光元件的衍射效率的提高。
步骤(c)也可以通过抛光基片和通过湿式蚀刻完成。
步骤(c)通过激光剥离过程完成。这允许在相当短的时间段内除去基片。
在步骤(c)中除去的基片是可重新使用的。这实现了制造成本的降低。
该方法还包括步骤：在步骤(b)之后，在第二半导体层的主表面上形成由金属膜组成的高反射膜，该金属膜包含Au膜、Pt膜、Cu膜、Ag膜、Al膜、以及Rh膜的至少一个。该布置允许具有较高光引出效率的半导体发光元件的制造。
该方法还包括步骤：在步骤(c)之后，在依据晶面蚀刻速度不同的情况下进行湿式蚀刻，以形成包括每个配置成多边形棱锥的突起或凹陷的第二二维周期性结构。该布置允许具有较高光引出效率的半导体发光元件的制造。借助于通过湿式蚀刻如此适当地调节突起或凹陷的每一个的配置，能增大设计灵活性。
步骤(b)也可以包括步骤：以这样一种方式形成第一半导体层，以便在第一二维周期性结构中形成腔。
第一二维周期性结构也可以包括由氧化物、氮化物、以及金属的至少任一种制成的结构。
第二二维周期性结构包括凹陷，并且该方法还包括步骤：在步骤(b)和(c)之后，通过在电解液中允许电荷在半导体发光元件中流动，增加凹陷每一个的深度或者改变凹陷每一个的横截面结构。该布置因此允许在凹陷每一个的内侧表面与基片的表面之间的角度接近90度，并由此通过使用第二二维周期性结构允许光引出效率的改进。
步骤(a)包括步骤：(a1)把第一抗蚀剂涂敷在基片的或半导体层的主表面上；(a2)贴着第一抗蚀剂挤压形成有二维周期性结构的模具，该二维周期性结构与第一二维周期性结构互补，以把与第一二维周期性结构对应的图案转移到其上；以及(a3)通过把对其已经转移与第一二维周期性结构对应的图案的第一抗蚀剂用作掩模，形成第一二维周期性结构。由于该布置允许在模具中预先形成的极精细图案的转移，所以有利于相对于薄膜进行的微加工。
第一二维周期性结构包括提供在基片上的树脂，并且该方法还包括步骤：在步骤(b)之后的(d)，除去基片；(e)把第二抗蚀剂涂敷在第一半导体层的后表面上；(f)把形成有第一二维周期性结构的基片放置在第二抗蚀剂上，以把与第一二维周期性结构互补的图案转移到第二抗蚀剂上；以及(g)通过把对其已经转移与第一二维周期性结构互补的图案的第二抗蚀剂用作掩模，在第一半导体层的后表面中形成与第一二维周期性结构互补的第二二维周期性结构。由于该布置允许在模具中预先形成的极精细图案的转移，所以有利于相对于薄膜进行的微加工。
该方法还包括步骤：把半导体发光元件安装在安装基片上；以及通过使用形成有半球形腔的模具用半球形树脂模塑半导体发光元件。该布置允许具有较高光引出效率的半导体发光元件的制造。通过利用模具模塑树脂，变得可以稳定地制造具有均匀结构的半导体发光元件。
附图说明
图1是立体图，示出了根据本发明第一实施方式的一种半导体发光元件；
图2表示发射到半导体发光元件外部的光量的入射角依赖性的理论计算结果；
图3A表示在真实空间中LED的结构，并且图3B和3C每个表示在波数空间中发光元件的结构；
图4A和4B每个表示当在n型GaN层的表面中已经形成具有0.1μm周期的二维周期性结构时波数空间的结构；
图5表示在具有形成有周期性结构的表面的半导体层的每一部分处的折射率；
图6A至6C每个表示当在n型GaN层的表面上已经形成具有0.2μm周期的二维周期性结构时波数空间的结构；
图7表示当在n型GaN层的表面上已经形成具有0.4μm周期的二维周期性结构时波数空间的结构；
图8是用来表明计算光引出效率使用的立体角的视图；
图9表示通过使通过使用数值计算得到的光引出效率标准化到当n型GaN层的表面是平的时的光引出效率得到的值；
图10A和10B是平面视图，每个表示在n型GaN层的表面中形成的二维周期性结构的布置；
图11A至11F是立体图，示出了一种用来制造根据第一实施方式的半导体发光元件的方法；
图12A表示常规半导体发光元件和根据第一实施方式的半导体发光元件的各自的电流-电压特性，而图12B表示常规半导体发光元件和根据第一实施方式的半导体发光元件的各自的电流-光输出特性；
图13A和13B是立体图，每个示出了根据第一实施方式的半导体发光元件的变化；
图14是立体图，示出了根据第一实施方式的半导体发光元件的变化；
图15A和15B是立体图，每个示出了根据第一实施方式的半导体发光元件的变化；
图16A和16B是立体图，每个示出了根据第一实施方式的半导体发光元件的变化；
图17表示光引出效率对凹陷倾斜角的依赖性的理论计算结果；
图18A是立体图，示出了根据本发明第二实施方式的一种半导体发光元件，而图18B是当从上方观看根据第二实施方式的半导体发光元件时的平面图；
图19A示出了当n型GaN层的表面(后表面)形成有配置成六棱锥时入射在n型GaN层的表面上的光的透射率的理论计算结果，并且图19B示出了二维周期性结构的周期与光引出效率之间的关系；
图20A至20F是立体图，示出了一种用来制造根据第二实施方式的半导体发光元件的方法；
图21A至21C示出了用来制造根据第二实施方式的半导体发光元件的方法的变化；
图22A和22B示出了用来制造根据第二实施方式的半导体发光元件的方法的变化；
图23A和23B示出了用来制造根据第二实施方式的半导体发光元件的方法的变化；
图24A和24B示出了用来制造根据第二实施方式的半导体发光元件的方法的变化；
图25A至25C示出了用来制造根据第二实施方式的半导体发光元件的方法的变化；
图26是立体图，示出了根据本发明第三实施方式的一种半导体发光器件；
图27A示出了当半导体发光元件用树脂模塑时光的透射率的理论计算结果，并且图27B示出了在根据第三实施方式的半导体发光元件中光引出效率对二维周期性结构的周期的依赖性的理论计算结果；
图28A至28D是立体图，示出了一种用来制造根据第三实施方式的半导体发光元件的方法；
图29是截面图，示出了根据本发明第四实施方式的一种半导体发光元件的一部分；
图30A至30E是截面图，示出了一种用来制造根据第四实施方式的半导体发光元件的方法；
图31A至31E是立体图，示出了一种根据本发明第五实施方式用来制造半导体发光元件的方法；
图32A至32G是立体图，示出了一种根据本发明第六实施方式用来制造半导体发光元件的方法；
图33是立体图，示出了根据本发明第七实施方式的一种半导体发光元件；
图34是立体图，示出了一种常规半导体发光元件；以及
图35是立体图，示出了具有形成有光子晶体的上表面的一种常规半导体发光元件。
具体实施方式
下面将按照本发明的各个实施方式具体地描述本发明。在本说明书中，通过是在晶体生长的方向的外延生长而形成的半导体层的表面将称作主表面，并且与主表面相对的表面将称作后表面。
实施方式1
-发光元件的结构-
图1是立体图，示出了根据本发明第一实施方式的一种半导体发光元件。如图中所示，根据本实施方式的半导体发光元件包括：p型GaN层(第一半导体层)3，由外延生长形成，并且具有200nm的厚度；高反射p电极(第一电极)2，形成在p型GaN层3的晶体生长表面(主表面)上，由层叠的铂(Pt)和金Au)制成，并且具有1μm的厚度；Au镀层1，形成在高反射p电极2的下表面上，并且具有10μm的厚度；非掺杂InGaN活性层4，形成在p型GaN层3的后表面上，并且具有3nm的厚度；n型GaN层(第二半导体层)5，形成在非掺杂InGaN活性层4的后表面上，具有形成有突起二维周期性结构6的后表面，并且具有4μm的厚度；及n电极(第二电极)7，形成在n型GaN层5的后表面上，由层叠的钛(Ti)和Al制成，并且具有1μm的厚度。在这里使用的下表面指位于图1下部中的表面。在图1中所示的例子中，高反射p电极2提供在p型GaN层3的整个主表面上，并且n电极7提供在n型GaN层5的后表面的一部分上。措词“非掺杂”指相对于有关的层没有进行故意掺杂。
根据本实施方式的半导体发光元件起LED的作用，穿过n型GaN层5的后表面从该LED引出光。非掺杂InGaN活性层4的PL峰值波长是405nm。如以后将描述的那样，MOCVD(金属-有机化学气相淀积)、MBE(分子束外延)等将用作用于组成半导体发光元件的基于氮化物的化合物半导体的晶体生长的方法。
在n型GaN层5的后表面中形成的二维周期性结构6的周期，即在二维平面中相邻突起的各自的中心之间的间距是0.4μm，并且突起的每一个的高度是150nm。
-在n型GaN层的表面处的衍射的描述-
下面基于模拟结果将给出在根据本实施方式的半导体发光元件的n型GaN层的表面(后表面)处的衍射的描述。
图2表示理论计算的，从非掺杂InGaN活性层发射的并且入射在n型GaN层的后表面(在图中的上表面)上的光的透射率，即发射到LED外的光量，的入射角依赖性的结果。对于理论计算，使用按照FDTD(时域有限差分)方法的数值分析。假定当光垂直地入射在n型GaN层的后表面上时的入射角度是零度。
如图2中所示，当n型GaN层的表面是光滑和平的时，透射率是常数，此时入射角在零度到全反射临界角θc的范围内(因为GaN的折射率是约2.5，满足θc＝sIn-1(1/2.5)＝约23度)，并且其值是约90％。产生的光的10％的反射和反射光返回LED内的原因，是由在GaN与空气之间的折射率差产生的菲涅耳(Fresnel)反射。当入射角超过全反射临界角时透射率变得近似为零的原因是，在GaN与空气之间的界面处发生了全反射。全反射发生的原因将参照图3描述。
图3A表示在实际空间(1)中LED的结构，并且图3B和3C每个表示在波数空间中发光元件的结构。图3B表示其中光的入射角较小的情形，并且图3C表示其中光的入射角较大的情形。在图3B和3C的每一个中的半圆是等频率面，该面表示在LED中和在空气中由入射波、反射波、及发射波满足的波向量的幅度(波数k＝2πn/λ，其中n是折射率，并且λ是在真空中的波长)。半圆表示光子能量守恒定律(hω/2π，h是普朗克(Planck)常数)。这是因为建立由k＝ωn/c给出的关系(c是光在真空中的速度)。当在实际空间中的结构，如在图3A中表示的情形(1)中那样，相对于水平方向具有平移对称时，有在水平方向上波数分量的守恒定律，该定律应该由入射波、反射波、及发射波的每一个遵守(与电磁波的相位连续性有关)。确定入射角和发射角，以满足以上两个定律。
当如图3B中所示的那样光的入射角较小时，光能发射到空气中，因为满足以上两个定律的发射角存在。然而，当如图3C中所示的那样光的入射角较大时，没有满足水平方向上波数分量的发射角，从而光不能发射到空气中。在这种情况下，透射率T满足T＝0，从而当在LED与空气之间的界面处没有吸收时，反射比R满足R＝1，因为应该满足T+R＝1的光能量守恒定律。因此，光由在LED与空气之间的界面全反射。即使把减小菲涅耳反射的结构，如无反射膜，引入到在LED与空气之间的界面中，在满足透射率T＝0的条件下也不可避免地满足R＝1，从而全反射是不可避免的。
图4A和4B表示当在n型GaN层的表面中形成具有0.1μm周期的二维周期性结构时波数空间的结构。在表面中形成的周期性结构引起衍射，从而在入射波的水平方向上的波数k1//和在发射波的水平方向上的波数k2//必须满足基于衍射向量G＝2π/Λ(Λ是周期)的如下条件：
k2//＝k1//±mG(m是衍射的阶，并且m＝0，±1，±2，…)。当满足以上表达式和上述等频率面的条件的波数k2//存在时，发射波发生。
如图4A中所示，当结构的周期是0.1μm并且入射角是零度时，如果假定发射波被衍射，衍射向量的幅度过大，因为k2//大于在空气中的等频率面，从而发生了全反射。在这种情况下，因此，没有衍射发生。当入射角是，在该角度下0阶发射波被全反射，70度时，如图4B中所示，即使光被衍射，也满足用于全反射的条件。在具有该周期的情况下，因此，以与当表面是平的相同的方式，在不小于全反射临界角的入射角下发生全反射。
图5表示在具有形成有周期性结构的表面的半导体层的每一部分处的折射率。如图5中所示，当周期性结构的周期小于光的波长时，在半导体层的表面中的二维周期性结构的有效折射率由于其突出/凹陷而降低，从而二维周期性结构起一个层的作用，该层具有在空气和LED的折射率的中部中的折射率。在这种情况下，在空气与LED之间的折射率差被减小，从而变得可以抑制当入射角小于全反射临界角时发生的菲涅耳反射，以及改进当入射角小于全反射临界角时光的透射率，如图2中所示。
下面将给出其中n型GaN层的表面(后表面)具有有0.2μm周期的二维周期性结构的情形的描述。图6A至6C表示当在n型GaN层的表面中已经形成具有0.2μm周期的二维周期性结构时波数空间的结构。
在这种条件下，全反射发生，因为当光被衍射时的k2//大于在空气中的等频率面，条件是光的入射角是零度，从而没有衍射发生。在这种情况下，0阶传输波通过在n型GaN层与空气之间的界面。
与当表面是平的并且在该角度下发生全反射的入射角是30度或70度时的相比较，k2//小于在空气中的等频率面，从而衍射的发射波(衍射的阶：-1)允许穿过界面，如图6B和6C中所示。结果，即使在不小于全反射临界角的角度下透射率也不会成为零，如图2中所示。由于衍射效率也影响实际的透射率，所以透射率呈现为一条相当复杂的曲线。在这种情况下，衍射向量相当大，从而不低于第二阶的衍射不会影响透射率。
图7表示当在n型GaN层的表面中已经形成具有0.4μm周期的二维周期性结构时波数空间的结构。由于衍射向量对于该周期相当小，所以即使当光的入射角如图7A中所示是零度时第一阶衍射也与发射有关。当入射角如图7B中所示是35度时，第一和第二阶衍射影响发射，而当入射角如图7C中所示是70度时，第二和第三阶衍射影响发射。结果，即使在不小于全反射临界角的角度下透射率也变得相当高，如图2中所示。
因而，当在n型GaN层的表面中形成的结构的周期变得较大时，涉及较高阶衍射，并且光的行为变得更复杂。
基于以上分析的结果，假定在根据本实施方式的半导体发光元件中，当形成有二维周期性结构的半导体层的折射率是N，并且二维周期性结构的周期是Λ时，满足0.5λ/N＜Λ＜20λ/N。如果满足0.5λ/N＞Λ，由衍射引起的角度变化较大，并且衍射光处于超过全反射临界角的角度下，从而衍射光不会发射到半导体发光元件的外部。在这种情况下，具有二维周期的衍射不能改进光引出效率。如果满足Λ＞20λ/N，周期变得远大于从活性层发射的光的波长，从而很难期望衍射的效果。鉴于上文，优选地满足由0.5λ/N＜Λ＜20λ/N限定的条件，以使二维周期性结构的效果生效。
图8是用于计算光引出效率的立体角的视图。如图中所示，必须考虑到在每个入射角下立体角对透射率T(θ)的影响，通过用入射角积分，得到实际的光引出效率η。更具体地说，η能从如下数值表达式导出：
η＝∫2πT(θ)·θ·dθ。
图9表示通过使由以上数值表达式得到的光引出效率标准化到当n型GaN层的表面是平的时的光引出效率得到的值。作为计算的参数，考虑了突出/凹陷的每一个的周期Λ和高度h。根据结果，当在GaN层的表面中突起每一个的高度是150nm时，光引出效率最大。这是因为，当突出/凹陷的每一个的高度h是λ/{2(n2-n1)}(其中λ是在空气中或在真空中的光发射波长，n1是空气的折射率，并且n2是半导体的折射率)时，穿过突出/凹陷的穿过突起的每一个的光的光分量的相位和其穿过凹陷的每一个的光的光分量的相位通过干涉相互加强，从而由突出/凹陷实现的衍射效果变得最大。在这种情况下，满足h＝约130nm，这几乎与按照FDTD方法的数值计算的结果相一致。因而，在根据本实施方式的半导体发光元件中，h最优选地是在λ/{2(n2-n1)}的整数倍附近。这里假定，通过考虑由制造过程导致的整体性能变化，h接近λ/{2(n2-n1)}。
由图9能看到，当突出/凹陷的每一个的高度h是150nm时，如果周期Λ是0.4至0.5μm，则与其中n型GaN层的表面是平的情形相比，在最大值处光引出效率提高了2.6倍。为了阻止全反射，当周期Λ较长时必须使用更高阶的衍射。然而，由于当衍射的阶较高时衍射效率变低，所以当周期Λ在不小于0.4μm的范围中时，随着周期变长光引出效率变低。例如，当在图2中表示的结构的周期是2.0μm时，在不小于全反射临界角的入射角下，光的透射率低于具有0.4μm周期的透射率。
图10A和10B是平面视图，示出了在n型GaN层的表面中形成的二维周期性结构的布置。如图中所示，在根据本实施方式的半导体发光元件中形成的二维周期性结构可以是四边形晶格或三角形晶格。
-用来制造发光元件的方法-
图11A至11F是立体图，示出了一种用来制造表示在图1中的根据本实施方式的半导体发光元件的方法。
首先，如图11A中所示，准备蓝宝石基片8，并且在蓝宝石基片8的主表面上借助于MOCVD(金属有机化学气相淀积)通过晶体生长形成具有1μm厚度的AlGaN层9。如果AlGaN层9的厚度是1μm，则减小在其中发生的晶体缺陷。在AlGaN层9中的Al成分这里假定是100％，尽管AlGaN层9可以具有任何Al成分，条件是它对于以后进行的激光剥离过程所使用的光的波长是透明的。
其次，如图11B中所示，在AlGaN层的主表面中通过构图形成凹陷型二维周期性结构10。在当前步骤中，通过使用电子束曝光、步进机等构图用于蚀刻掩模的抗蚀剂。然后，通过使用诸如RIE(活性离子蚀刻)或离子碾磨之类的干式蚀刻技术，通过在紫外光的照射下的光电化学蚀刻，或通过使用诸如使用用于基于氮化物的化合物半导体的蚀刻的加热酸/碱溶液的蚀刻之类的湿式蚀刻技术，能完成AlGaN层的蚀刻。在这个例子中，通过电子束曝光和RIE形成二维周期性结构10。假定二维周期性结构10的周期是0.4μm，并且凹陷的每一个的深度是150nm。尽管二维周期性结构10的结构没有特别限制，但凹陷在图11B所示的例子中具有圆柱形孔。
接下来，如图11C中所示，一个n型GaN层11(对应于图1中的n型GaN层5)、一个非掺杂InGaN活性层12(对应于非掺杂InGaN活性层4)、一个p型GaN层13(对应于p型GaN层3)以这种顺序通过MOCVD形成在形成有二维周期性结构10的AlGaN层9的主表面上。这里假定，n型GaN层11、非掺杂InGaN活性层12、以及p型GaN层13的厚度分别为4μm、3nm、以及200nm。在本步骤中，n型GaN层11的晶体生长通过这样设置用于生长的条件而进行，从而二维周期性结构10被一起填充。
此后，Pt/Au高反射p电极2(包括Pt和Au的多层膜)通过例如电子束气相沉积形成在p型GaN层13的主表面上。而且，通过把高反射p电极2的Au层用作下层电极，形成具有约50μm厚度的Au电镀层15。
接下来，如图11D中所示，把KrF激元激光(在248nm的波长下)施加到蓝宝石基片8的后表面上以这样一种方式对其照射，以便扫描晶片的表面。用于照射的激光束不会由蓝宝石基片8和AlGaN层9吸收，而是仅由n型GaN层11吸收，从而GaN由在与AlGaN层9的界面附近的局部热量产生而被释放。结果，可以从n型GaN层11上分离AlGaN层9和蓝宝石基片8，并且可得到由基于GaN的半导体制成的器件结构。这里使用的光源可以是任何光源，条件是它供给的光的波长由GaN层吸收，并且对于AlGaN层和蓝宝石层是透明的。也可以使用YAG激光的第三谐波(在355nm的波长下)或水银灯的发射线(在365nm的波长下)。
接下来，如图11E中所示，从图11D中表示的状态除去蓝宝石基片8和AlGaN层9。结果，通过在n型GaN层的后表面中的自对准形成突起型二维周期性结构6。由于由除去基片生成的这样一种半导体多层膜(即，包括n型GaN层11、非掺杂InGaN活性层12、以及p型GaN层13的多层膜)是具有约5μm厚度的极薄的膜，所以通过使用常规光刻技术形成诸如光子晶体之类的极精细结构是困难的。然而，根据本发明的方法允许通过仅在基片中预先形成的凹陷二维周期性结构10上沉积半导体多层膜并且此后除去基片，而容易地把极精细的结构转移到半导体多层膜的表面(后表面)上。
然后，如图11F中所示，在n型GaN层11的后表面中不形成二维周期性结构6的区域上通过气相淀积和平板印刷等形成具有1μm厚度的Ti/Aln电极7，由此制造了根据本实施方式的半导体发光元件。
-半导体发光元件和其制造方法的效果-
图12示出了如此得到的半导体发光元件的特性，其中图12A示出了根据常规和本实施方式的半导体发光元件的各自的电流-电压特性，而图12B示出了根据常规和本施方式的半导体发光元件的各自的电流-光输出特性。在图中，虚线曲线代表具有常规结构的半导体元件的特性，其中LED的表面是平的并且还没有从其除去蓝宝石基片，而实线曲线代表根据本实施方式的半导体发光元件的特性。
由图12A中表示的电流-电压特性，可以理解，根据当前和常规实施方式的半导体发光元件具有基本相等的电流-电压特性，包括基本相同的上升电压。由与其中在n型GaN层的表面中不形成突起/凹陷的常规实施方式的比较，可以理解，在通过根据本实施方式的方法制造的半导体发光元件中，半导体多层膜没有接收由二维周期性结构的形成导致的加工诱导的损伤。尽管在图11D和11E中表示的基片分离步骤中可以通过抛光除去蓝宝石基片8并且通过蚀刻除去AlGaN层9，但使用激光的方法是更优选的，因为它在较短时间段中完成。
另一方面，由在图12B中表示的电流-光输出特性，可以理解，在相同的电流下，根据本实施方式的半导体发光元件的光输出已经增大到一个基本上是根据常规实施方式的半导体发光元件的光输出的五倍的值。该值约是在图2中表示的理论计算值的两倍。这是因为，由于在LED的表面中的二维周期性结构，来自该表面的光引出效率已经增大到来自常规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层13的后表面)上的高反射p电极14允许从非掺杂InGaN活性层12向高反射p电极14发射的光高效地被反射到二维周期性结构6上。
由图12B，也可以理解，常规结构的光输出在大电流下饱和，而根据本实施方式的元件的光输出即使在超过100mA的大电流下也不饱和。这是因为在常规结构的活性层中产生的热量通过厚到几微米的n型半导体层和通过具有不良热传导性能的蓝宝石基片耗散。这也因为根据本实施方式的发光元件具有优良的散热性能，因为来自活性层的热量能从薄到亚微米的p型半导体通过具有高导热率的Au电镀层耗散。
因而，即使在大电流下，Au电镀层15也允许由二维周期性结构6实现的改进的光引出效率的保持。
图13A和13B、图14、及图15A和15B是立体图，示出了根据本实施方式的半导体发光元件的变化。图16A和16B是立体图，每个示出了用来制造根据本实施方式的半导体发光元件的方法的变化。
尽管在根据本实施方式的半导体发光元件中通过把在蓝宝石基片8上的AlGaN层9的表面中形成的凹陷型二维周期性结构10用作“模具”，形成了突起型二维周期性结构6，但通过在AlGaN层9的表面中形成突起型二维周期性结构16并由此在LED的表面中形成凹陷型二维周期性结构17也可实现相同的效果，如图13A和13B中所示。就是说，只要形成二维周期性结构就能衍射入射光，而不管在LED的表面中的结构是突起型的还是凹陷型的。
除在AlGaN层9中形成突起/凹陷的方法之外，在图14中表示的、在蓝宝石基片8的主表面中形成突起或凹陷二维周期性结构16的方法，也允许半导体发光元件的实现，在该半导体发光元件中，通过把突起或凹陷二维周期性结构16用作模具，在AlGaN层9的表面中形成突起型或凹陷型二维周期性结构。
可供选择地，如图15A中所示，也可以通过在蓝宝石基片8上形成诸如SiO2膜之类的氧化物膜、诸如SiN膜之类的氮化物膜、或诸如钨(W)膜之类的金属膜并且然后构图形成的膜，形成突起型二维周期性结构16。如图15B中所示，通过在AlGaN层9的主表面中形成包括氧化物膜、氮化物膜、或金属膜的突起二维周期性结构16，也可以制造与根据本实施方式的半导体发光元件具有相同特性的发光元件。
如果使用SiC基片来代替蓝宝石基片，则通过相对于SiC和GaN进行的选择性干式蚀刻能除去基片。如果使用Si基片，则通过湿式蚀刻能容易地除去基片。
在其中通过除去基片在n型GaN层11的后表面(上表面)中形成的凹陷二维周期性结构17具有较小深度，或者凹陷的每一个的内倾斜表面的倾斜不垂直的情况下，通过在基片除去之后进行在图16A和16B中表示的过程，能调节凹陷的结构。
具体地说，如图16A中所示，把LED结构和由Pt等制成的对电极(counter electrode)浸在诸如KOH水溶液之类的电解液中，并且通过把LED的p侧用作正电极在LED与对电极之间施加一个电压。因此，阳极氧化引起GaN的蚀刻，如图16B中所示，但由于电场的定位仅蚀刻凹陷，从而成功地增大凹陷的深度。电场对凹陷的定位也使由阳极氧化导致的蚀刻垂直地进行。结果，即使当在基片除去之后的凹陷的内倾斜表面不是竖直的时，通过由阳极氧化导致的蚀刻也能形成具有垂直倾斜表面的凹陷。
图17表示理论计算出的光引出效率对凹陷倾斜角的依赖性的结果。这里假定，通过从180度减去在竖直横截面中在凹陷的侧表面与n型GaN层11之间形成的角得到倾斜角，如图的左部所示。由在图17中表示的结果，可以理解，当倾斜角成为50度或更小时，光引出效率急剧下降。就是说，当在基片除去之后能形成的二维周期性结构的倾斜角较小时，通过上述的阳极氧化蚀刻能增大倾斜角，并且能实现高的光引出效率。因而，在根据本实施方式的半导体发光元件中，二维周期性结构的倾斜角优选地调节到50度或更大。即使当二维周期性结构具有突起结构，就改进光引出效率而言，倾斜角也优选地是50度或更大。
实施方式2
图18是立体图，示出了根据本发明第二实施方式的一种半导体发光元件。图18B是当从上方观看根据第二实施方式的半导体发光元件时的平面图。根据本实施方式的半导体发光元件与根据第一实施方式的半导体发光元件的不同之处在于，在n型GaN层5的上表面(后表面)中形成的突起二维周期性结构18配置为多边形棱锥。
如图18A和18B中所示，根据本实施方式的半导体发光元件包括：p型GaN层3，由外延生长形成，并且具有200nm的厚度；高反射p电极2，形成在p型GaN层3的晶体生长表面上，由层叠的铂(Pt)和金(Au)制成，并且具有1μm的厚度；Au镀层1，形成在高反射p电极2的下表面上，并且具有10μm的厚度；非掺杂InGaN活性层4，形成在p型GaN层3的后表面上，并且具有3nm的厚度；n型GaN层5，形成在非掺杂InGaN活性层4的后表面上，具有形成有包括每个配置成六棱锥的突起的二维周期性结构18的后表面，并且具有4μm的厚度；及n电极7，形成在n型GaN层5的后表面上，由层叠的钛(Ti)和Al制成，并且具有1μm的厚度。以与在第一实施方式中的相同方式，非掺杂InGaN活性层4的PL峰值波长是405nm。在n型GaN层5的后表面中的突起结构的侧表面包括GaN的{10-1-1}平面。二维周期性结构18的周期，即在二维平面中的相邻突起的各自的中心之间的空隙，是1μm，并且突起的每一个的高度是950nm。
图19A示出了当在n型GaN层的表面(后表面)中形成每个配置成六棱锥的突起时，理论计算的、从活性层发射的并且入射在n型GaN层的表面上的光的透射率T的结果。图19B表示二维周期性结构的周期与光引出效率之间的关系。图19B中，当n型GaN层的表面是平的时假定1，并且为了比较，示出了其中二维周期性结构具有突起结构和突起/凹陷结构(与在第一实施方式中表示的相同的结构)的情形。
由图19A中表示的结果，可以理解，即使当二维周期性结构的周期长达1.0μm时，突起结构也表现出在45度附近的入射角下的高透射率。因而，在根据本实施方式的、其中二维周期性结构的横截面配置为三角波形的半导体发光元件中，当从活性层发射的并且入射在半导体发光元件的表面中的二维周期性结构上的光的角度较大时，在二维周期性结构的倾斜表面与入射光之间的角度接近90度，从而增大衍射效率。由于在较大入射角下的光占从活性层发射的光的较大比例，所以实现高的光引出效率。
由图19B中表示的结果，可以理解，突起结构显示了由突起/凹陷结构实现的同样高的光发射效率，并且特别地即使对于较长周期也保持增大光引出效率的效果。要注意，对于1.0μm的周期，从形成有二维周期性结构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。
接下来将给出对于用来制造根据本实施方式的半导体发光元件的方法的描述。
图20A至20F是立体图，示出了用来制造根据本实施方式的半导体发光元件的方法。在根据本实施方式的制造方法中，在图20A至20E中表示的步骤基本上与在图11中表示的根据第一实施方式的制造方法中的那些步骤相同，从而将省略其描述。然而，假定在AlGaN层9的主表面中形成的凹陷型二维周期性结构10的周期是1.0μm，并且凹陷的深度是150nm。
就是说，在根据本实施方式的制造方法中，在图20E中表示的步骤之前的并且包括该步骤的步骤中从发光元件的主体除去蓝宝石基片8，从而通过在n型GaN层11的后表面上的自对准形成包括例如圆柱形突起的二维周期性结构6。
接下来，在图20F中表示的步骤中，对于形成有突起型二维周期性结构6的n型GaN层11进行使用KOH水溶液的湿式蚀刻。众所周知，在使用KOH的蚀刻过程中，蚀刻速度依据晶面具有不同的情况。在这样的情况下，通过蚀刻，上述的突起型二维周期性结构6变为图20F中表示的六棱锥型的二维周期性结构18。在这里示出的实施方式中，通过使用0.1M浓度的KOH水溶液进行蚀刻，以形成包括六棱锥的二维周期性结构18，每个六棱锥使用晶面{10-1-1}作为倾斜表面。该制造方法的特征在于，由于使用特定的晶面作为倾斜表面，所以能容易地以高再现性形成具三角形横截面的二维周期性结构。
在根据本实施方式的半导体发光元件中，光引出效率提高到是在图19B中表示的理论计算结果的约两倍(约是在常规实施方式中达到的光引出效率的5.3倍)，因为与其中n型GaN层的表面是平的情形相比，也能使用来自高反射p电极2的反射。另外，在活性层中产生的热量能通过薄到亚微米的p型GaN层13和通过具有高导热率的Au电镀层15耗散。因而即使当100mA的大电流在根据本实施方式的半导体发光元件中流动时，也保持由二维周期性结构实现的提高光引出效率的效果。尽管高反射p电极2也可以包括除包括Pt和Au膜的多层膜之外的材料，但就高反射p电极2的实际使用而言，优选地是相对于在活性层中产生光的峰值波长具有80％或更大的反射率。具体地说，高反射p电极2优选地是一种包含Au膜、Pt膜、Cu膜、Ag膜、以及Rh膜的至少一个的金属膜。
为了保持优良的热量耗散性能，Au电镀层15优选地具有10μm或更大的厚度。作为Au电镀层15的材料，Au是最优选的，但也能使用诸如Cu或Ag之类的金属，因为其导热率相当高。
上述制造方法与直接通过蚀刻形成二维周期性结构的方法相比，能减小对n型GaN层的损伤，从而电流-电压特性基本上与当不形成二维周期性结构时的相同。
图21A至21C、图22A和22B、图23A和23B、图24A和24B、以及图25A至25C示出了用来制造根据本实施方式的半导体发光元件的方法的变化。
尽管根据本实施方式的制造方法通过使用形成有凹陷二维周期性结构的AlGaN层9或蓝宝石基片8已经在半导体(n型GaN层11)的表面中形成具有三角形竖直横截面的二维周期性结构，但通过使用如图21A至21C中所示的形成有突起二维周期性结构16的AlGaN层9或蓝宝石基片8也可以把凹陷二维周期性结构17转移到半导体表面上。该方法允许通过使用上述的湿式蚀刻过程在半导体表面中形成具有三角形竖直横截面的凹陷型二维周期性结构19。即使在其中二维周期性结构19的凹陷的每一个具有通过挖空六棱锥得到的结构的情况下，也可实现由根据本实施方式的半导体发光元件实现的同样高的光引出效率。
如果二维周期性结构20预先形成在AlGaN层9的表面中，以具有在图22A和22B及图23A和23B中表示的三角形竖直横截面结构，则当除去蓝宝石基片8和AlGaN层9时，通过在半导体的表面中的自对准能形成这样的二维周期性结构18和19，该二维周期性结构18和19包括每个具有三角形竖直横截面的突起或凹陷。
如果其中形成二维周期性结构的层的材料是诸如AlGaN之类的六角晶系半导体，则通过与上述相同的方法能形成每个具有包括特定晶面的倾斜表面的六棱锥。例如，当具有与要加工成凹陷结构的一部分相对应的开口的Ti膜形成为在AlGaN表面上的蚀刻掩模21，如图24A中所示，并且然后使用100℃的KOH水溶液进行蚀刻时，在AlGaN层9的表面中形成二维周期性结构20。在这种情况下，也能以较高的再现性形成二维周期性结构，因为倾斜表面包括诸如{10-1-1}之类的特定晶面。
在其中要形成有二维周期性结构的基片由四方晶系半导体，如把(001)平面用于主表面的Si基片，制成时，将由Ti制成的蚀刻掩模21形成具有二维周期的四方晶格结构，如图25A中所示，并且然后在70℃的KOH水溶液中进行蚀刻。这允许以高的再现性容易地在基片中形成配置成正方锥的二维周期性结构20，如图25B中所示，并且也允许包括配置成正方锥的孔的二维周期性结构18从基片转移到半导体表面，如图25C中所示。
实施方式3
图26是立体图，示出了根据本发明第三实施方式的一种半导体发光器件。根据本实施方式的半导体发光器件是通过把根据第一或第二实施方式的半导体发光元件安装到一个安装基片22上，并且然后用半球形圆顶形状的树脂23模塑发光元件的外围得到的树脂模塑的半导体发光器件。在图26中，与图1中表示的相同的半导体发光元件的那些部件用相同的标号表示。
通过用圆顶形状的树脂如此模塑发光元件，能提高半导体发光元件的光引出效率，如此后将描述的那样。
图27A示出了当半导体发光元件用树脂模塑时光的透射率的理论计算结果。图27B示出了在根据本实施方式的半导体发光器件中，光引出效率对二维周期性结构的周期的依赖性的理论计算结果。为了比较，图27A也示出了其中半导体发光元件不用树脂模塑的情形和其中半导体发光元件的表面是平的情形。在其结果表示在图中的计算中，假定树脂的折射率是1.5。在其结果表示在图27B中的计算中，假定排列每个具有垂直倾斜表面的突起/凹陷以形成二维周期性结构，并且突起的每一个的高度是150nm。
由在图27A中表示的结果，可以理解，当提供具有0.4μm周期的二维周期性结构时，基本上在每个角度下，在用树脂模塑的半导体发光元件中的入射光的透射率都比在不用树脂模塑的半导体发光元件中的高。由于甚至在不提供二维周期性结构的半导体发光元件中，树脂模塑也能增大光的透射率，所以可以理解，通过树脂模塑能显著改进光的透射率，而与二维周期性结构的周期无关。
提高了光的透射率的原因在于，即使当半导体发光元件的表面是平的时，通过树脂模塑，扩大了全反射临界角，并由此甚至在不大于全反射临界角的入射角下，菲涅耳反射也被减小。换句话说，由于在半导体发光元件内部的折射率(是2.5)与其外部的折射率(是1.5)之间的差的减小，提高了光的透射率。
由在图27B中表示的结果，可以理解，树脂模塑能进一步增强由二维周期性结构实现的光引出效率提高的效果，并且在最大值处，光引出效率已经成为在常规实施方式中达到的光引出效率的3.8倍。这是因为模塑树脂的形状像半球形圆顶，从而从半导体发光元件引出的、到树脂中的光，由于在半导体发光元件的表面中的二维周期性结构，垂直地入射在树脂与空气之间的界面上，并且以近似100％的效率发射到空气中。通过用圆顶形状的树脂如此模塑形成有二维周期性结构的发光元件，大大地改进了根据本实施方式的半导体发光器件的光引出效率。
在根据本实施方式的半导体发光器件中，光引出效率的实际测量值已经提高到在图27B中表示的理论计算的结果的约两倍(在常规实施方式中实现的光引出效率的7.5倍)，因为与具有平表面的情形相比，也能使用归因于高反射p电极2的、来自形成有二维周期性结构的后表面的反射。另外，由于从薄到亚微米的p型半导体通过具有高导热率的Au电镀层的优良热耗散，即使当100mA的大电流在电极中流动时，也允许保持由二维周期性结构实现的光引出效率的改进。
接下来将给出对一种用来制造根据本实施方式的半导体发光器件的方法的描述。
图28A至28D是立体图，各自示出了用来制造根据本实施方式的半导体发光器件的方法。
首先，如图28A中所示，通过使用在图11中表示的用来制造根据第一实施方式的半导体发光元件的方法，或在图20中表示的用来制造根据第二实施方式的半导体发光元件的方法，制造根据第一或第二实施方式的半导体发光元件。
接下来，如图28B中所示，将半导体发光元件安装在安装基片22上。此后，将树脂23一滴一滴地应用到半导体发光元件上。
然后，如图28C中所示，在半导体发光元件覆盖有树脂23之后并且在树脂23凝固之前的时间段期间，利用设有半球形腔的模具24按压树脂23。结果，树脂23被模塑成半球形圆顶形状的结构，如图28D中所示。此后，在紫外光下使树脂凝固。通过上述方法，制造了根据本实施方式的半导体发光器件。
尽管利用简单应用和模塑树脂的常规技术难以以高再现性把树脂形成半球形结构，但根据本实施方式的制造方法能够稳定地把树脂模塑成相同结构。
要注意，如上述那样使用模具把树脂模塑成半球形结构的方法也适用于除了根据本发明的第一和第二实施方式之外的实施方式的半导体发光元件。
实施方式4
图29是截面图，示出了根据本发明第四实施方式的一种半导体发光元件的一部分。根据本实施方式的半导体发光元件与第一和第二半导体发光元件的不同之处在于，蓝宝石基片8和AlGaN层9保持安装在安装基片22上而没有除去，并且当从n型GaN层5看时，高反射p电极2和n电极7形成在同一侧。
具体地说，图29中表示的根据本实施方式的半导体发光元件包括：p型GaN层3，由外延生长形成，并且具有200nm的厚度；高反射p电极2，形成在p型GaN层3的晶体生长表面(主表面)上，由层叠的铂(Pt)和金(Au)制成，并且具有1μm的厚度；非掺杂InGaN活性层4，形成在p型GaN层3的后表面上，并且具有3nm的厚度；n型GaN层5，形成在非掺杂InGaN活性层4的后表面上，并且具有4μm的厚度；n电极7，形成在n型GaN层5的下方，由层叠的Ti和Al制成，并且具有1μm的厚度；AlGaN层9，提供在n型GaN层5的后表面上，并且具有形成有突起型二维周期性结构16的主表面(面对n型GaN层5的表面)；及蓝宝石基片8，布置在AlGaN层9的后表面上。在图29中表示的例子中，半导体发光元件已经安装在安装基片22上，并且高反射p电极2和n电极7经由Au制成的突起25特别地连接到安装基片22上。二维周期性结构16的周期，即在二维平面中的相邻突起的各自中心之间的间距是0.4μm，并且突起/凹陷的每一个的高度是150nm。在图29表示的例子中，这样形成n型GaN层5，使得不埋在二维周期性结构16中。如果这样形成n型GaN层5，使得埋在二维周期性结构16中，则光引出效率降低，从而优选地，它是这样形成的，使得不埋在其中。
通过如此安装留有由蓝宝石等制成的基片的半导体发光元件，从非掺杂InGaN活性层4发射的光在发光元件中传播，而不经受由全反射或菲涅耳反射引起的损失，因为直到到达AlGaN层9基本上没有折射率差。然而，在常规结构中，在蓝宝石基片(具有1.6的折射率)与AlGaN层(具有2.5的折射率)之间的折射率差较大，从而在较大入射角下的光在蓝宝石基片与AlGaN层之间的界面处被全反射，返回到半导体多层膜的内部，并因此不可引出到LED外部。相反，如果像在根据本实施方式的半导体发光元件中那样，在AlGaN层的后表面中形成有二维周期性结构，则通过二维周期性结构的衍射改变传播的方向。结果，如果AlGaN层的后表面是平的，则在蓝宝石基片与AlGaN层之间的界面处已经被全反射并且占据立体角的大部分的大入射角下的光，允许入射在蓝宝石基片上而不被全反射。由于蓝宝石基片是透明的，并且在其本身与空气之间的折射率差较小，所以入射在蓝宝石基片上的光的大部分发射到空气中。
在其中进行树脂模塑的情况下，在蓝宝石基片与树脂(具有约1.5的折射率)之间的折射率差被进一步减小，并且如果树脂被配置成半球形圆顶，则能进一步改进光引出效率。
接下来给出对一种用来制造根据本实施方式的半导体发光元件的方法的描述。图30A至30E是截面图，示出了用来制造根据本实施方式的半导体发光元件的方法。
首先，如图30A中所示，通过晶体生长，例如借助于MOCVD，在蓝宝石基片8上形成AlGaN层9。AlGaN层9的厚度这里假定是1μm，以便减小晶体缺陷。在AlGaN层9中Al的成分这里假定是100％，尽管AlGaN层9可以具有任何Al成分，条件是它相对于在以后进行的激光剥离过程中使用的光的波长是透明的。随着，通过使用步进机和RIE的曝光把AlGaN层构图成凹陷或突起型二维周期性结构16。这里假定，二维周期性结构16的周期是0.4μm，并且凹陷的每一个的深度(或突起的每一个的高度)是150nm。
接下来，如图30B中所示，通过MOCVD在形成有二维周期性结构16的AlGaN层9的主表面上依次形成n型GaN层5、非掺杂InGaN活性层4、p型GaN层3。通过这样设置用于生长的条件进行n型GaN层5的晶体生长，使得于是不填充二维周期性结构。
此后，相对于这样一个区域进行蚀刻，以部分暴露n型GaN层5的主表面，如图30C中所示。然后，分别通过电子束气相淀积，在p型GaN层3的主表面上形成Pr/Au高反射p电极2，而在n型GaN层5的主表面的暴露部分上形成Ti/Al n电极7。
接下来，如图30D中所示，半导体发光元件被安装在形成有用于n电极和用于高反射p电极的突起25的安装基片22上，由此得到图30E中表示的根据第四实施方式的半导体发光元件。
在如此制造的半导体发光元件中，光引出效率改进到是图27B中表示的理论计算结果的约两倍(是在常规发光元件中实现的光引出效率的四倍)，因为与其中AlGaN层9的主表面是平的情形相比，也能使用归因于高反射p电极2从LED的下表面反射的光。
另外，在活性层中产生的热量能从薄到亚微米的p型GaN层3通过每个具有高导热率的突起25耗散，从而在根据本实施方式的半导体发光元件中能防止过分的温度升高。而且，即使当100mA的大电流在电极中流动时，在输入电流较小时从半导体发光元件输出的光与向其输入的电流的增大比率也保持不变。
尽管本发明已经在蓝宝石基片8上的AlGaN层9的主表面中形成二维周期性结构，但也可以在蓝宝石基片8的主表面中形成二维周期性结构。基片可以包括除蓝宝石之外的任何材料，条件是它对于从活性层发射的光是透明的。
当蓝宝石基片8的后表面(主表面)是粗糙的时，光引出效率能提高到是在常规结构中实现的光引出效率的4.5倍。这是因为粗糙后表面的存在减小了由在蓝宝石基片与空气之间的界面处的全反射导致的损失。当蓝宝石基片8的后表面是粗糙的时，就足够地减小损失而论，在蓝宝石基片8的后表面中的自相关距离T优选地满足0.5λ/N＜T＜20λ/N，并且在垂直方向上的高度分布D优选地满足0.5λ/N＜D＜20λ/N。
当用半球形树脂模塑半导体发光元件时，光引出效率能提高到是在常规结构中实现的光引出效率的6倍。这是因为在树脂与蓝宝石之间的较小折射率差减小了由在蓝宝石基片与树脂之间的界面处的全反射导致的损失。
在根据本实施方式的半导体发光元件中，也可以使用从包括GaAs、InP、Si、SiC、以及AlN的组中选择的一种制成的基片，来代替蓝宝石基片。
实施方式5
图31A至31E是立体图，示出了一种根据本发明第五实施方式的用来制造半导体发光元件的方法。根据本实施方式的制造方法是一种利用纳米印刷(nano-printing)方法在基片的主表面中形成二维周期性结构的方法。
首先，如图31A和31B中所示，准备形成有二维周期性结构28的Si基片或SiC基片，该二维周期性结构28包括每个在400nm的高度下的突起并且具有0.4μm的周期。然后，贴着涂敷有600nm膜厚度的抗蚀剂27的蓝宝石基片8的主表面，挤压作为模具26的该基片。
当此后从蓝宝石基片8除去模具26时，就把凹陷二维周期性结构(孔的每一个的深度是400nm，并且周期是0.4μm)转移到抗蚀剂27上，如图31C中所示。
接下来，如图31D中所示，通过O2干式蚀刻除去在抗蚀剂27中的孔的每一个的底部处剩余的抗蚀剂。
接下来，如图31E中所示，通过把抗蚀剂27用作蚀刻掩模进行干式蚀刻，并且然后除去抗蚀剂27，由此在蓝宝石基片8的主表面中，形成包括每个在150nm的深度下的凹陷并且具有0.4μm的周期的二维周期性结构。
通过如此使用纳米印刷方法，通过构图能形成在亚微米量级上的极精细结构，而不用使用高成本的制造设备，如步进机或EB曝光系统。另外，通过只挤压模具就能实现根据本实施方式的制造方法，从而能进行高速构图。如果把由以上过程生产的基片用作模具，则能以低成本制造根据第一至第四实施方式的半导体发光元件。
实施方式6
图32A至32G是立体图，示出了一种根据本发明第六实施方式的用来制造半导体发光元件的方法。根据本实施方式用来制造半导体发光元件的方法是一种利用软模具方法在半导体薄膜的主表面中形成二维周期性结构的方法。
首先，如图32A所示，生产用于微加工的软模具。在本步骤中，利用光刻、EB印刷、或纳米印刷过程，在涂敷在诸如Si基片或SiC基片之类的基片29上的树脂30，如多晶硅，中形成二维周期性结构31，该二维周期性结构31包括每个为400nm深度的孔(凹陷)并且具有0.4μm的周期。如此生产的具有树脂的基片被用作以后进行的微加工步骤的软模具。
接下来，如图32B中所示，通过在第一实施方式中描述的方法形成具有Au电镀层15的薄膜半导体多层膜。然而，在根据本实施方式的方法中，用于半导体多层膜的形成的基片的表面是平的，从而半导体多层膜的表面也是平的。
接下来，如图32C中所示，将抗蚀剂27涂敷在半导体多层膜的主表面上。然而，这里不进行通过焙烧蒸发在抗蚀剂27中的溶剂。将上述软模具放置在抗蚀剂27上。在这种情况下，这样放置软模具，使得对具有几微米厚度的半导体多层膜上施加最小压力，并由此防止其损坏。
结果，作为由树脂30吸收在抗蚀剂27中的溶剂的结果，发生了毛细现象，从而抗蚀剂27以这样一种方式渗透入软模具的树脂中，以便填充二维周期性结构的孔，如图32D中所示。
此后，当从半导体多层膜除去模具时，突起的二维周期性结构(突起每一个的高度是400nm并且周期是0.4μm)被转移到抗蚀剂27上，如图32E中所示。
接下来，如图32F中所示，通过O2干式蚀刻除去在抗蚀剂中的孔的每一个底部处剩余的抗蚀剂27。
此后，如图32G中所示，通过把抗蚀剂27用作蚀刻掩模，相对于半导体多层膜的主表面进行干式蚀刻，并且然后除去抗蚀剂，由此在半导体多层膜的主表面中，形成二维周期性结构(突起每一个的高度是150nm并且周期是0.4μm)。
通过如此使用软模具方法，即使对于极难加工的薄膜，如具有在亚微米量级上的厚度的半导体多层膜，也能进行在亚微米量级上的微加工。在这种情况下，由于能满意地使用平基片用于半导体多层膜的晶体生长，所以晶体生长变得比在形成有突起/凹陷的基片上的晶体生长容易。
尽管至此描述的实施方式已经特别地公开了难以加工的基于氮化物的化合物半导体、或其中突起/凹陷的周期响应蓝或紫光的较短波长的振荡波长变得较小从而其微加工变得困难的情形，但本发明的设计也可适用于使用AlGaAs(具有3.6的折射率)或AlGaInP(具有3.5的折射率)作为半导体而发射红外光或红光的半导体发光元件。
实施方式7
图33是立体图，示出了根据本发明第七实施方式的一种半导体发光元件。如图中所示，根据本实施方式的半导体发光元件包括：p型AlGaN层(第一半导体层)43，由外延生长形成，并且具有200nm的厚度；高反射p电极(第一电极)42，形成在p型AlGaN层43的晶体生长表面(主表面)上，由Al制成，并且具有0.5μm的厚度；Au镀层41，形成在高反射p电极42的下表面上，并且具有10μm的厚度；非掺杂AlInGaN活性层44，形成在p型AlGaN层43的后表面上，并且具有3nm的厚度；n型AlGaN层(第二半导体层)45，形成在非掺杂AlInGaN活性层44的后表面上，具有形成有突起型二维周期性结构46的后表面，并且具有4μm的厚度；以及n电极(第二电极)47，形成在n型AlGaN层45的后表面上，由层叠的钛(Ti)和Al制成，并且具有1μm的厚度。在这里使用的下表面指某一层位于图33下部的表面。
根据本实施方式的半导体发光元件起紫外LED的作用，穿过n型AlGaN层45从该紫外LED引出光，并且非掺杂AlInGaN活性层44的PL峰值波长是350nm。
在n型AlGaN层45的后表面中形成的二维周期性结构46的周期，即在二维平面中相邻突起的各自中心之间的间距是0.3μm，并且突起的每一个的高度是130nm。
组成根据本实施方式的半导体发光元件的基于氮化物的化合物半导体也能由MOCVD或MBE形成，类似于组成根据第一实施方式的半导体发光元件的基于氮化物的化合物半导体。
根据本实施方式的半导体发光元件也实现与由根据第一实施方式的半导体发光元件所实现的同样高的光引出效率和优良散热性能。由于高反射p电极42由Al制成，所以在非掺杂AlInGaN活性层44中产生的光能以特别高的效率被反射。
因而，根据本实施方式的半导体发光元件的结构也能有效地适用于以在紫外区域中具有峰值的发射波长发射光的发光元件。
在根据本实施方式起紫外LED作用的半导体发光元件中，高反射p电极(第一电极)42也可以由Al制成。
因而，根据本实施方式的半导体发光元件作为具有高发射效率的光源是有用的。

Claims (34)

1.一种半导体发光元件，包括：
活性层，由半导体制成并且产生光；
第一传导型的第一半导体层，通过晶体生长形成在该活性层的主表面上；以及
第二传导型的第二半导体层，提供在该活性层的后表面上，并且具有形成有二维周期性结构的后表面，该半导体发光元件从该第二半导体层的后表面输出在该活性层中产生的光。
2.根据权利要求1所述的半导体发光元件，还包括：
第一电极，提供在该第一半导体层的主表面上，并且相对于在该活性层中产生的所有光的峰值波长下的光具有80％或更大的反射率；以及
第二电极，提供在该第二半导体层的后表面的一个区域上，在该区域中不形成该二维周期性结构。
3.根据权利要求2所述的半导体发光元件，其中该第一电极是包含Au膜、Pt膜、Cu膜、Ag膜、Al膜、以及Rh膜的至少一个的金属膜。
4.根据权利要求2所述的半导体发光元件，其中还提供与该第一电极具有接触关系的、具有10μm或更大厚度的金属层。
5.根据权利要求4所述的半导体发光元件，其中该金属层由从包括Au、Cu、以及Ag的组中选择的一种金属组成。
6.根据权利要求1所述的半导体发光元件，其中，当该二维周期性结构的周期是Λ，在该活性层中产生的光的峰值波长是λ，并且该第二半导体层的折射率是N时，满足0.5λ/N＜Λ＜20λ/N。
7.根据权利要求1所述的半导体发光元件，其中，当该二维周期性结构的高度是h，在该活性层中产生的光的波峰波长是λ，围绕该半导体发光元件的部分的折射率是n1，以及该第二半导体层的折射率是n2时，h是λ/{2(n2-n1)}的整数倍。
8.根据权利要求1所述的半导体发光元件，其中该二维周期性结构的竖向横截面被配置成四边形。
9.根据权利要求1所述的半导体发光元件，其中该二维周期性结构的竖向横截面被配置成三角波。
10.一种半导体发光元件，包括：
基片，它发射光；
第一半导体层，通过晶体生长形成在该基片的主表面上，并且具有形成有二维周期性结构的主表面；
第一传导型的第二半导体层，提供在该第一半导体层的主表面上；
活性层，提供在该第二半导体层的主表面上，由半导体制成，并且产生光；以及
第二传导型的第三半导体层，提供在该活性层的主表面上，该半导体发光元件从该基片的后表面输出在该活性层中产生的光。
11.根据权利要求10所述的半导体发光元件，其中组成该第二半导体层的材料不埋在该二维周期性结构中。
12.根据权利要求10所述的半导体发光元件，还包括：
第一电极，提供在该第三半导体层的主表面上，并且相对于在该活性层中产生的所有光的峰值波长下的光具有80％或更大的反射率；以及
第二电极，提供在该第三半导体层的主表面上。
13.根据权利要求12所述的半导体发光元件，其中该第一电极是包含Au膜、Pt膜、Cu膜、Ag膜、Al膜、以及Rh膜的至少一个的金属膜。
14.根据权利要求10所述的半导体发光元件，其中，当该二维周期性结构的周期是Λ，在该活性层中产生的光的峰值波长是λ，并且该第一半导体层的折射率是N时，满足0.5λ/N＜Λ＜20λ/N。
15.根据权利要求10所述的半导体发光元件，其中，当该二维周期性结构的高度是h，在该活性层中产生的光的波峰波长是λ，围绕该半导体发光元件的部分的折射率是n1，以及该第一半导体层的折射率是n2时，h是λ/{2(n2-n1)}的整数倍。
16.根据权利要求10所述的半导体发光元件，其中该二维周期性结构的竖向横截面被配置成四边形。
17.根据权利要求10所述的半导体发光元件，其中该二维周期性结构的竖向横截面被配置成三角波。
18.根据权利要求10所述的半导体发光元件，其中该基片的材料是从包括GaAs、InP、Si、SiC、AlN、以及蓝宝石的组中选择的一种。
19.根据权利要求10所述的半导体发光元件，其中该基片的后表面是粗糙的，并且当在该活性层中产生的光的峰值波长是λ时，在该基片的后表面中的自相关距离T满足0.5λ/N＜T＜20λ/N，并且在垂直方向上的高度分布D满足0.5λ/N＜D＜20λ/N。
20.一种半导体发光器件，包括：
半导体发光元件，具有第一传导型的第一半导体层，提供在该第一半导体层的后表面上、由半导体制成的、且产生光的活性层，以及提供在该活性层的后表面上、并且具有形成有二维周期性结构的后表面的第二传导型的第二半导体层，该半导体发光元件从该第二半导体层的后表面输出在该活性层中产生的光；
安装基片，其上安装有该半导体发光元件；以及
模塑树脂，形成半球形结构，以模塑该半导体发光元件。
21.一种用来制造半导体发光元件的方法，该方法包括步骤：
(a)在基片的主表面中，或在该基片上提供的半导体层的主表面中，形成第一二维周期性结构；以及
(b)在该第一二维周期性结构上方依次形成第一半导体层、活性层、以及第二半导体层。
22.根据权利要求21所述的方法，其中步骤(b)包括步骤：通过以该第一二维周期性结构随其一起填充的方式形成该第一半导体层，而在该第一半导体层的后表面中形成与该第一二维周期性结构互补的第二二维周期性结构。
23.根据权利要求22所述的方法，还包括步骤：
在步骤(b)之后的(c)，除去该基片，或除去该基片和该半导体层，以暴露该第二二维周期性结构。
24.根据权利要求23所述的方法，其中步骤(c)通过抛光该基片和通过湿式蚀刻进行。
25.根据权利要求23所述的方法，其中步骤(c)通过激光剥离过程进行。
26.根据权利要求23所述的方法，其中在步骤(c)中除去的该基片是可重新使用的。
27.根据权利要求21所述的方法，还包括步骤：
在步骤(b)之后，在该第二半导体层的主表面上形成包括金属膜的高反射膜，该金属膜包含Au膜、Pt膜、Cu膜、Ag膜、Al膜、以及Rh膜的至少一个。
28.根据权利要求23所述的方法，还包括步骤：
在步骤(c)之后，在蚀刻速度依据晶面不同的情况下进行湿式蚀刻，以形成包括每个配置成多边形棱锥的突起或凹陷的该第二二维周期性结构。
29.根据权利要求21所述的方法，其中步骤(b)包括步骤：以这样一种方式形成该第一半导体层，以便在该第一二维周期性结构中形成腔。
30.根据权利要求21所述的方法，其中该第一二维周期性结构包括由氧化物、氮化物、以及金属的至少任一种制成的结构。
31.根据权利要求23所述的方法，其中该第二二维周期性结构包括凹陷，该方法还包括步骤：
在步骤(b)和(c)之后，通过在电解液中允许电在该半导体发光元件中流动，增加该凹陷的每一个的深度，或者改变该凹陷的每一个的横截面结构。
32.根据权利要求21所述的方法，其中步骤(a)包括步骤：
(a1)在该基片的或该半导体层的主表面上涂敷第一抗蚀剂；
(a2)贴着该第一抗蚀剂，按压形成有二维周期性结构的模具，该二维周期性结构与该第一二维周期性结构互补，以把与该第一二维周期性结构对应的图案转移到其上；以及
(a3)通过把对其已经转移了与该第一二维周期性结构对应的图案的该第一抗蚀剂用作掩模，形成该第一二维周期性结构。
33.根据权利要求21所述的方法，其中该第一二维周期性结构包括提供在该基片上的树脂，并且该方法还包括步骤：
在步骤(b)之后的(d)，除去该基片；
(e)在该第一半导体层的后表面上涂敷第二抗蚀剂；
(f)把形成有该第一二维周期性结构的基片放置在该第二抗蚀剂上，以把与该第一二维周期性结构互补的图案转移到该第二抗蚀剂上；以及
(g)通过把对其已经转移了与该第一二维周期性结构互补的图案的该第二抗蚀剂用作掩模，在该第一半导体层的后表面中形成与该第一二维周期性结构互补的第二二维周期性结构。
34.根据权利要求21所述的方法，还包括步骤：
把该半导体发光元件安装在安装基片上；以及
通过使用形成有半球形腔的模具用半球形树脂模塑该半导体发光元件。
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