CN1742381A - 发光元件、其制造方法以及led灯 - Google Patents

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Abstract

一种发光元件，在具有基板(1)、半导体层(3)、发光层(5)的半导体发光元件中，在上述基板的层积半导体层的面上具备具有以30°～ 60°倾斜的侧面的凹凸结构(2)，提高了光的取出效率。

Description

发光元件、其制造方法以及LED灯
技术领域
本发明涉及提高了光取出效率的发光二极管(LED)及其制造方法、以及使用了上述发光元件的LED灯。
背景技术
提高了能源消耗效率(外部量子效率)的发光元件在推进节省能源上是被人们所期望。在层积在蓝宝石基板上的GaN系发光二极管中，以往的382nm附近的发光二极管(LED)的外部量子效率，在日本特开2002-164296号公报中是24％。外部量子效率，作为“内部量子效率×电压效率×光取出效率”的积被分解为3要素，但可实测的电压效率(约90～95％)以外的2要素是不可实测的，不判断它们的水平而主要探讨由结晶品质或结构最适合化带来的内部量子效率的提高。另一方面，作为光取出效率提高的例子，一直以来都在进行着如下的方法：用折射率接近半导体的树脂覆盖LED芯片，使发出的光有效地透过树脂，进而通过将树脂表面加工成球面来抑制树脂与空气界面的全反射。另外，作为通过将基板磨削成倒台面型而实现2倍左右的光取出效率增加的例子，美国Cree公司以X-Bright系列在市场上销售。
另一方面，作为实施半导体结晶的低位错化的方法，已知的有在半导体结晶基板表面制造凹凸，并使其生长的方法。例如，在III族氮化物半导体中，展现出了通过在蓝宝石基板表面形成条纹状的槽，低温生长GaN缓冲层，并在其上以高温使III族氮化物半导体结晶外延生长，从而可降低位错密度的情况。为了该位错密度的降低，槽的倾斜角度最好是被设在60°或其以上(例如上述特开2002-164296号公报，K.Tadatomo、et al.，Japanese Journal of Applide Physics、2001年、第40卷、p.L583-L585)。但是，在这些文献中，没有提及到光的取出效率。
一般来说由于发光元件(LED)的发光层的折射率大于其外部的介质的折射率，因此大于全反射角的入射角的光线不能从发光层取出到外部。
本发明的目的在于提供一种通过在折射率不同的2层的界面上导入具有倾斜的侧面的凹凸，从而可将被发光层全反射的光线取出到外部，可提高光的取出效率的发光元件、其制造方法以及采用了上述发光元件的LED灯。
首先，对最初得到本发明的经过的模拟进行说明。
为了估计上述不可实测的光取出效率和内部量子效率，本发明者通过光学模拟估计来自LED的光取出效率。作为单纯化的LED的模型，采用了在300μm方、厚度100μm的蓝宝石基板上层积300μm方、厚度6.1μm的GaN层的结构。在300μm方的中心，在从GaN表面进入到GaN层内0.1μm的点上配置有各向同性地发光的点光源。折射率分别是蓝宝石为n＝1.8，GaN为n＝2.7(发光波长是380nm时)或者n＝2.4(发光波长是400nm时)，其外部用n＝1.4的有机硅树脂填满。GaN的每个波长的折射率通过实测市场销售的GaN散装基板而求得。从点光源向任意的方向发出多条光线(蒙特-卡罗法)，光线在折射率不同的各界面按照所计算出的比率被分路成遵循菲涅耳式折射的光线和反射的光线。假设光线产生数是50万条，分路限度是10次。将聚光面假想设定在从树脂与基板背面、半导体层表面、侧面的各个界面稍微偏离的树脂侧，并算出来自各面的光取出效率。
表1，展示了分别对在基板上没有设置凹凸结构的情况(①、②)和在基板的表面设置有如图1所示的凹凸结构的情况(③)，通过模拟来计算来自于基板面、半导体层面、侧面的光取出效率的结果。
                                      (表1)
光取出效率的计算 折射率 基板背面 半导体层表面 侧面(GaN侧面、蓝宝石侧面) 合计
①用有机硅树脂将GaN/蓝宝石密封而成的LED发光波长400nm 树脂n＝1.4、GaN n＝2.4、蓝宝石基板n＝1.8 7.1％ 7.4％ 10.1％×4＝40.4％(7.4％、2.7％) 54.9％
②同上发光波长382nm 树脂n＝1.4、GaN n＝2.7、蓝宝石基板n＝1.8 5.1％ 5.4％ 7.2％×4＝28.8％(5.4％、1.8％) 39.3％
③在GaN/蓝宝石界面上设有侧面倾斜角45°的凹凸结构(图1)的LED发光波长382nm 树脂n＝1.4、GaN n＝2.7、蓝宝石基板n＝1.8 25.7％ 5.3％ 垂直于条纹状槽的侧面15.3％(0.5％、14.8％)×2平行于条纹状槽的侧面15.4％(0.5％、14.9％)×2 92.4％
根据该结果，在基板上没有设置凹凸结构的情况下，当发光波长是400nm时，光的取出效率的合计是大约55％，发光波长是382nm时，合计是大约40％。
试着将该结果使用于前述的Japanese Journal of Applied Physics所记载的LED。在该文献中对于采用了蓝宝石基板的III族氮化物半导体的LED，记载为在发光波长382nm下，外部量子效率是24％，在发光波长是400nm下，外部量子效率是30％。如果该外部量子效率的24％假设为
24％＝内部量子效率60％×电压效率95％×光取出效率40％，30％假设为
30％＝内部量子效率60％×电压效率90％×光取出效率55％，则可以将与发光波长无关的内部量子效率都设为60％并统一地说明，并认为模拟的结果基本合理。
根据该模拟，由于光的取出效率在波长为400nm下大约是55％，在波长是382nm下大约是40％，所以表现出了分别具有1.8倍、2.5倍的提高的余地。另外，内部量子效率具有大约1.6倍的提高的余地。本发明涉及其中的光的取出效率。
根据模拟结果的详细的解析可知，如何能够在用折射率n＝1.4的树脂密封时，使从GaN层向蓝宝石基板透过的光线100％通过树脂而被取出到外部，如何能够将被GaN层封闭在内的光线组向蓝宝石基板或树脂取出，在提高光的取出效率上是非常重要的。
要想有效地使光线从GaN层透过蓝宝石基板或树脂，只要使GaN层和基板的界面倾斜，并使得光线入射到界面上的角度不超过全反射角即可。其最合适的倾斜角是45°。表1的③中展示了在GaN层3和蓝宝石基板1的界面上引入了图1所示的倾斜角45°的条纹状的凹凸结构2时的计算结果。可知虽然从半导体层面透过树脂而取出到外部的光取出效率基本没有变，但提高了从蓝宝石背面和侧面向外部取出的光取出效率。其结果，总体来说，可以预计到在发光波长382nm(GaN的折射率是2.7)时，与②相比较，会有2倍或其以上的光取出效率的提高。再者，对于凹凸结构的上面、底面、倾斜面的比率而言，没有上面、底面而只有倾斜面的结构，是光取出效率提高的效果最好的，因此是理想的。
本发明是根据上述的模拟而研制成的。
发明内容
该发明以如下特征构成，在具有基板、半导体层、发光层的发光元件中，基板和层积在该基板上的半导体层的折射率不同，在该基板的层积半导体层的面上形成具有倾斜侧面的凹凸，将该倾斜侧面的相对于基板面的角度设为30°＜θ＜60°。
另外，该发明以如下特征构成，在具有基板、半导体层、发光层的发光元件中，所层积的半导体层彼此间的折射率不同，在该半导体层的层积界面上形成具有倾斜侧面的凹凸。
在上述发光元件中，包括如下特征，凹凸的倾斜侧面的相对于基板的角度θ是30°＜θ＜60°。
在上述发光元件中，包括如下特征，凹凸是条纹状的V字状槽、条纹状的侧面倾斜突起、侧面倾斜凹坑的任意一种。
在上述发光元件中，包括如下特征，基板是蓝宝石(Al2O3)，半导体层是AlxGayIn1-x-yN(0≤x≤1、0≤y≤1)的情况。
另外，本发明包括制造上述的半导体元件的制造方法，在具有基板、半导体层、发光层的发光元件的制造方法中，包括如下特征，通过高温处理、选择性蚀刻、磨削中的任意一种方法，在基板的层积半导体层的一侧的表面上设置凹凸。
另外，本发明包括制造上述的发光元件的制造方法，在具有基板、半导体层、发光层的发光元件的制造方法中，包括如下特征，通过在基板的表面形成选择生长用的掩模，在该基板上设置侧面倾斜的半导体的突起，从而在半导体层的层积界面上形成具有倾斜侧面的凹凸。
另外，本发明包括制造上述的半导体元件的制造方法，在具有基板、半导体层、发光层的发光元件的制造方法中，包括如下特征，通过利用高温处理、选择性蚀刻、磨削中的任意一种方法，在半导体层的表面上设置具有倾斜侧面的凹凸，在半导体层的层积界面上形成具有倾斜侧面的凹凸。
进而，本发明包括制造上述的发光元件的制造方法，在具有基板、半导体层、发光层的发光元件的制造方法中，包括如下特征，在半导体层的表面上形成选择生长用的掩模，并在该半导体层上设置侧面倾斜的半导体的突起。
进而，本发明包括LED灯，其采用了上述的发光元件。
本发明，如上所述，通过在半导体发光元件的基板的表面或半导体彼此间的层积界面上形成侧面倾斜的凹凸结构，可提高光的取出效果。
附图说明
图1是在层积了使用于光学模拟的GaN层的蓝宝石基板上，在基板表面上将具有倾斜角45°的侧面的凹凸结构设成条纹状的状态的模式图。
图2是展示本发明的半导体发光元件的结构的一例的模式图。
图3(a)是作为设在本发明的基板等上的凹凸结构，设成V字形槽的模式图。
图3(b)是作为设在本发明的基板等上的凹凸结构，以六棱锥型设有剖面台形状的凹坑的模式图。
图3(c)是作为设在本发明的基板等上的凹凸结构，呈条纹状地设有三角形状的突起的模式图。
图4是用本发明的发光元件制成LED灯的模式图。
具体实施方式
本发明的发光元件，是在基板的表面或半导体层彼此的层积界面上形成有使侧面倾斜的凹凸的元件。基板和层积在其上的半导体层的界面、或半导体层彼此的层积界面处的光的反射，在层积界面上两者的折射率不同的情况下发生。本发明，是要在这两者的折射率不同时使尽可能多的光取出到LED的外部的发明。
虽然省略了通过设置上述那样的凹凸提高光的取出效率的机构的详细的说明，但定性地说可以认为，如果层积界面是平坦的，则在界面反射的光，即便反复反射也是同样状态的反复，因此射出到外部的情况较少；但如果在界面上有凹凸，则有时即便一度被反射而下一次入射到界面上的光会达到全反射角以下，只要反复这样，最终射出到外部的光就会变多。
本发明的发光元件，其一是在基板的表面(层积半导体层的一侧，以下相同)上设有侧面倾斜的凹凸的发光元件，其二是在层积的半导体层彼此间的界面上设有前述凹凸的发光元件。LED如图2所示，在基板1上形成多层缓冲层等的半导体层3、n型半导体层4、发光层5、p型半导体层6等，在图示的实施例中，在基板1的表面上设有凹凸2，但设置凹凸的面不限于基板表面，只要是折射率不同的两个半导体层的界面，在任意一个上都可以，最好选择效果较大的任意一个界面。在半导体层的层积界面中也包括半导体层和发光层的界面。
在本发明中，在图3(a)～(c)中示意性地展示了形成在基板等上的凹凸结构的代表性的结构。图3(a)是在基板表面呈条纹状地形成V字型槽的例子，图3(b)是在基板表面以六棱锥型形成剖面台形的凹坑的例子，图3(c)是在基板表面呈条纹状地形成有由半导体构成的三角形状的突起的例子。在图中所示的角度θ，是相对于基板面的凹凸的倾斜侧面的角度。形成在基板上的凹凸的倾斜侧面的角度θ最好是45°，但只要在30°＜θ＜60°的范围，就有充分的效果。
对于形成在半导体彼此间的界面上的凹凸的倾斜侧面的角度没有特别地限制，但最好和基板是相同的30°＜θ＜60°的范围。
可以使形成在基板等上的凹凸，与基板或半导体层的面方位一致，或故意使其偏移。凹凸尺寸、深度任意选择。但是，如果考虑使在具有凹凸的界面的上面生长的III族氮化物半导体结晶的表面平坦化的情况，最好将凹部的直径设为3μm或其以下，将凹部的深度设为2μm或其以下。平坦化只要如非专利文献1所示那样适当地选择半导体层的生长条件，就可以很容易地实现。
在本发明的基板等上形成凹凸的方法，有通过高温处理实现的凹坑形成、通过选择性蚀刻实现的条纹状的凹槽或凹坑的形成、或者使用了磨削材料的V字状槽的形成等。在此设定对于V字状槽还包括底部是平坦的形状的槽、和侧面多少带点圆度的槽。这些是凹部的形状，但也可以进一步在基板等上设置掩模，并有选择性地使半导体生长，呈条纹状地形成例如截面三角形的突起。
用上述的方法形成的凹凸的倾斜面的角度θ，在磨削法中很多情况下是在30°～60°的范围内，通过高温处理实现的凹坑，基本由结晶面决定而为58°和43°。另外若用SiN设定规定的掩模，在其上使AlN或GaN生长，则所形成的三角形状的突起的倾斜角为58°或43°。
在本发明中，作为基板首要选择蓝宝石、GaN、AlN、SiC，可以使用玻璃、Si、GaAs、GaP等。其中特别优选前述基板是蓝宝石(Al2O3)，半导体层是III族氮化物半导体。
作为蓝宝石基板的面方位，可使用m面、a面、c面等，但其中最好是c面((0001)面)，进而基板表面的垂直轴最好从<0001>方向向特定的方向倾斜。另外使用于本发明的基板，若在使用于第1工序之前进行有机清洗或蚀刻那样的前处理，则可将基板表面的状态保持为一定的状态，因此比较优选。
在本发明的发光元件的制造中，n型层、p型层、发光层的生长和电极的形成、树脂封入等，可使用以往众所周知的方法。半导体的生长方法，作为气相生长法可使用有机金属化学气相生长法(MOCVD法)和气相外延法(VPE法)。其中MOCVD法可使不必要的凹凸结构平坦化，因此很理想。
本发明的发光元件，如图4所示，在辅助架(サブマウント)34的上面进行焊接(ボンンデイング)，并在连线在引线架(リ一ドフレ一ム)上之后，用树脂密封而制成炮弹型的LED灯，从而可很好地使用。
以下，根据实施例具体地说明本发明，但本发明不限于下述的实施例。
实施例1
在本实施例1中，使用了将表面设为(0001)面的蓝宝石基板。通过在涂布了金刚石类磨削材料的砂纸上涂布纯水，并一边在蓝宝石基板的<1-100>方向上移动一面进行摩擦，大致沿着<1-100>方向呈线状地形成了凹凸结构。用SEM观察的凹部的截面形状，呈宽为1μm、深度为0.5μm的三角形状(V字状槽形状)。V字状槽的上坡斜面和基板平面所成的角度θ，以45°为中心大概在30°～60°的范围内。用600倍的光学显微镜观察时，平坦部分的面积和划伤部分的面积的比率平均是2∶1。
将以这种方式制作的带有V字状槽的蓝宝石基板充分清洗，并投入到MOCVD装置内。然后，作为第1工序，在该蓝宝石基板上实施以下处理，该处理是流通包含以摩尔比1∶2混合有三甲基铝(TMAl)的蒸汽和三甲基镓(TMGa)的蒸汽的混合气体的气体，和包含氨(NH3)的气体的处理。在第1工序所采用的条件下的V/III比大约是85。接着作为第2工序，流通TMGa和氨而使氮化镓生长，在加工成凹凸状的蓝宝石基板上制作由氮化镓结晶构成的GaN层。
制作包含上述的GaN层的试料的第1工序以及第2工序，采用MOCVD法按以下的步骤进行。
首先，在导入表面被加工成凹凸状的蓝宝石基板之前，将因用同一装置进行的前次的生长而附着在反应炉内部的附着物，在包含氨和氢气的气体中加热而进行氮化(渗氮)，从而使其很难进一步分解。等到反应炉降温到室温，在被进行了氮气置换的球形箱中，将载置在加热用的、碳制的基座上的蓝宝石基板，导入设置在感应加热式加热器的RF线圈中的石英制的反应炉中。导入试料后，通入氮气对反应炉内进行净化。在通入氮气经过10分钟后，使感应加热式加热器工作，经过10分钟将基板温度升温至1170℃。将基板温度保持在1170℃不变，使氢气和氮气流通并放置9分钟，进行基板表面的热净化。
在进行热净化期间，在与反应炉连接的、进入了作为原料的三甲基镓(TMGa)的容器(起泡器(バブラ))以及进入了三甲基铝(TMAl)的容器(起泡器)的配管内通入氢运载气体，然后开始起泡。各起泡器的温度，预先利用用于调整温度的恒温槽调整为一定。因起泡而产生的TMGa以及TMAl的蒸汽，和运载气体一起流向通往除害装置的配管，通过除害装置向系统外放出，直到生长工序开始为止。在热净化结束后，关闭氮运载气体的起泡器，将向反应炉内的气体的供给只设为氢。
在运载气体的切换后，使基板的温度降低到1150℃。在确认了在1150℃温度稳定后，打开氨配管的起泡器，开始氨的向炉内的流通。接着同时切换TMGa和TMAl的配管的起泡器，将包含TMGa和TMAl的蒸汽的气体提供给反应炉内，然后开始使III族氮化物半导体附着在蓝宝石基板上的第1工序。提供的TMGa和TMAl的混合比，用设置在进行起泡的配管上的流量调节器调节为摩尔比率是2∶1，氨的量调节为V/III比是85。
经过6分钟的处理后，同时切换TMGa和TMAl的配管的起泡器，停止包含TMGa和TMAl的蒸汽的气体的向反应炉内的提供。接着氨的提供也停止，就那样保持3分钟。
经过3分钟的退火后，切换氨气的配管的起泡器，再次开始向炉内提供氨气。就那样使氨流通4分钟。在这期间，调节TMGa的配管的流量调节器的流量。4分钟后，切换TMGa的起泡器开始TMGa的向炉内的提供，开始GaN的生长。进行上述的GaN层的生长经过大约3小时。
然后，接着在以下的工序中按照n型层、发光层、p型层的顺序进行层积，制作LED用外延晶片。
首先，继续TMGa的提供并保持该状态而开始SiH4的提供，进行大约1小时15分钟的低Si渗杂的n型GaN层的生长。SiH4的提供量，以低Si渗杂GaN层的电子浓度成为1×1017cm-3的方式调整。低Si渗杂GaN层的膜厚是2μm。
进而，在该低Si渗杂GaN层上生长高Si渗杂的n型GaN层。在生长低Si渗杂的GaN层后，停止TMGa和SiH4的向炉内的提供1分钟。在这期间，改变SiH4的流通量。流通的量在事前探讨过，以高Si渗杂GaN层的电子浓度成为1×1019cm-3的方式调整。氨以其原来的的流量继续向炉内提供。
在1分钟的停止后，再次开始TMGa和SiH4的提供，进行生长经过1个小时。通过该操作，形成成为1.8μm的膜厚的高Si渗杂的n型CaN层。
在生长了高Si渗杂GaN层之后，切换TMGa和SiH4的起泡器，停止这些原料的向炉内的提供。氨一边保持不变地流通，一面切换起泡器将运载气体从氢切换到氮。之后，使基板的温度从1160℃降低到830℃。
在等待炉内的温度改变的时间内，改变SiH4的提供量。流通的量在事前探讨过，以Si渗杂InGaN金属包层的电子浓度成为1×1017cm-3的方式调整。氨以不变的流量继续向炉内提供。另外，预先开始向三甲基铟(TMIn)和三乙基镓(TEGa)的起泡器的运载气体的流通。SiH4气体、以及由起泡而产生的TMIn以及TEGa的蒸汽，与运载气体一起向通往除害装置的配管流通，通过除害装置向系统外放出，直到金属包层的生长工序开始为止。
之后，等待炉内的状态稳定，同时切换TMIn和TEGa和SiH4的排气，开始这些原料的向炉内的提供。继续提供大约10分钟，形成由成为100的膜厚的Si渗杂的In0.03Ga0.97N构成的n型金属包层。
之后，切换TMIn、TEGa以及SiH4的起泡器，停止这些原料的提供。
其次，制作以由GaN构成的阻挡层和由In0.06Ga0.94N构成的势阱层构成的多重量子势阱构造的发光层。在多重量子势阱构造的制作时，在由Si渗杂In0.03Ga0.97N构成的n型金属包层上，首先形成GaN阻挡层，在该GaN阻挡层上形成In0.06Ga0.94N势阱层。在将该结构反复层积5次之后，在第5个In0.06Ga0.94N势阱层上，形成第6层的GaN阻挡层，制成由GaN阻挡层构成多重量子势阱构造的两侧的结构。
即，在n型金属包层的生长结束后，在停止30秒后，使基板温度和炉内的压力、运载气体的流量和种类保持不变，切换TEGa的起泡器进行TEGa的向炉内的提供。在进行7分钟的TEGa的提供后，再次切换起泡器，停止TEGa的提供，然后结束GaN阻挡层的生长。由此，形成70膜厚的GaN阻挡层。
在进行GaN阻挡层的生长期间，预先调节流向除害设备的配管的TMIn的流量，使得与金属包层的生长的时候相比较按摩尔流量成为2倍。
GaN阻挡层的生长结束后，在停止III族原料的提供30秒，然后保持基板温度和炉内的压力、运载气体的流量和种类不变，切换TEGa和TMIn的起泡器，进行TEGa和TMIn的向炉内的提供。在进行了2分钟的TEGa和TMIn的提供之后，再次切换起泡器停止TEGa和TMIn的提供，结束In0.06Ga0.94N势阱层的生长。由此，形成膜厚20的In0.06Ga0.94N势阱层。
In0.06Ga0.94N势阱层的生长结束后，在停止III族原料的提供30秒之后，保持基板温度和炉内压力、运载气体的流量和种类不变，开始TEGa的向炉内的提供，再次进行GaN阻挡层的生长。
将这样的步骤反复5次，制作5层GaN阻挡层和5层In0.06Ga0.94N势阱层。进而，在最后的In0.06Ga0.94N势阱层上形成GaN阻挡层。
在以该GaN阻挡层结束的多重量子势阱构造上，制作不渗杂的Al0.2Ga0.8N扩散防止层。
预先开始向三甲基铝(TMAl)的起泡器的运载气体的流通。使通过起泡而产生的TMAl的蒸汽，和运载气体一起向通往除害装置的配管流通，通过除害装置向系统外放出，直到扩散防止层的生长工序开始为止。
等到炉内的压力稳定，切换TEGa和TMAl的起泡器，开始这些原料的向炉内的提供。之后，在进行了大约3分钟的生长后，停止TEGa和TMAl的提供，并停止不渗杂的Al0.2Ga0.8N扩散防止层的生长。由此，形成了膜厚30的不渗杂的Al0.2Ga0.8N扩散防止层。
在该不渗杂的Al0.2Ga0.8N扩散防止层上，制作由Mg渗杂的GaN构成的p型的金属包层。
停止TEGa和TMAl的提供，在不渗杂的Al0.2Ga0.8N扩散防止层的生长结束后，用2分钟将基板的温度上升到1100℃。进而，将运载气体变更为氢。另外，预先开始向环戊二茂镁(Cp2Mg)的起泡器的运载气体的流通。通过起泡而产生的Cp2Mg的蒸汽，与运载气体一起向通往除害装置的配管流通，通过除害装置向系统外放出，直到Mg渗杂GaN层的生长工序开始为止。
变更温度和压力，等到炉内的压力稳定，然后切换TMGa和Cp2Mg的起泡器，开始这些原料的向炉内的提供。通入Cp2Mg的量在事前探讨过，以由Mg渗杂的GaN构成的p型金属包层的空穴浓度达到8×1017cm-3的方式调整。之后，在进行了大约6分钟的生长之后，停止TMGa和Cp2Mg的提供，并停止Mg渗杂的GaN层的生长。由此，形成了膜厚0.15μm的Mg渗杂GaN层。
在结束了Mg渗杂GaN层的生长后，停止向感应加热式加热器的通电，用20分钟将基板的温度降低到室温。在从生长温度降低到300℃的过程中，只由氮构成反应炉内的运载气体，按容量通入1％的NH3。之后，在确认了基板温度达到300℃的时刻停止NH3的流通，并将氛围气体只设为氮。确认基板温度降低到室温，然后将晶片取出到大气中。
通过以上的步骤，制作了半导体发光元件用的具有外延层结构的外延晶片。在此，Mg渗杂GaN层即便不进行用于使p型载体活性化的退火处理，也显示p型。
接着，用在上述的蓝宝石基板上层积了外延层结构的外延晶片制作作为半导体发光元件的一种的发光二极管。对所制作的晶片，通过众所周知的光刻法在Mg渗杂GaN层的表面上，形成仅由具有从表面侧依次层积有钛、铝、金的构造的p电极焊盘和与之接合的Au构成的透光性p电极，制作p侧电极。
进而，然后在晶片上进行干刻，使形成高Si渗杂GaN层的n侧电极的部分露出，并在露出的部分上制作由Ni、Al、Ti、Au这4层构成的n电极。
这样一来，对于形成了p侧以及n侧的电极的晶片，用以下的步骤制作图4所示的结构的LED灯。将蓝宝石基板32的背面研磨到100μm厚而制成镜状的面。之后，将上述晶片切断成350μm见方的正方形的芯片，并以半导体层33以及电极位于下方的方式，接合在支架罩35内的辅助架34上，并从辅助架34上的电极端子向引线架连线，从而制成倒装片型的发光元件。进而，以用有机硅橡胶形成大体半球形状的方式用树脂31密封发光元件，制作图4所示的炮弹型的LED灯。
当在以上述方式制作的LED灯的p侧以及n的电极之间通入顺方向电流时，电流20mA的发光波长是380nm，输出值是14.0mW，顺方向电压是3.4V。
另外，当用光学显微镜观察在树脂密封前的LED芯片上通电之际的芯片表面时，在一面上观测到被认为是GaN的深能级间的发光的黄色发光，但观测到了其中在沿着蓝宝石<1-100>方向上存在线状的发光强度较强的部分的情况。
比较例
在本比较例中，用与实施例1大致相同的工序，制作只是在蓝宝石表面平坦的方面不同的LED。
利用表面平坦的蓝宝石基板，以与实施例1相同的方法进行生长，形成LED用外延晶片，利用该LED用外延晶片，与实施例1同样地制作炮弹型的LED灯。该LED灯，在20mA的通电下，发光波长是380nm，输出值是7.8mW。可确认实施例1的LED灯相对于该比较例的LED灯，是1.8倍的输出。
实施例2
在实施例2中，使用了带有将表面设为(0001)面的1μm厚的oAlN膜的蓝宝石基板。通过将该基板在还原气氛下进行1400℃的高温处理而在AlN表面形成六棱锥的凹坑和不规则形状的凹凸。凹坑的径是0.5～2μm左右，较大的其底面到达蓝宝石基板，也有形成六棱锥台形的。凹坑和不规则形状的凹凸所占的面积和平坦部分的面积的比率大概是1∶0.2～1∶4左右。六棱锥的斜面由AlN的(11-22)面和(1-102)面这2种构成，六棱锥斜面和基板平面所成的角度θ分别是58°、43°。
将这样制作的形成凹坑带有AlN膜的蓝宝石基板充分清洗，并投入到MOCVD装置内，与实施例1同样地制作LED用外延晶片。
采用以上述的方法进行了生长的LED用外延晶片，与实施例1同样地制作炮弹型的LED灯。该LED灯，在20mA通电下，发光波长是380nm，输出值是12.6mW。与比较例相比，成为1.6倍的输出值。
另外，当用光学显微镜观察上述通电时的LED表面时，在一面上观测到了被认为是GaN的深能级间的发光的黄色发光，观测到了其中在六角形状上存在发光强度较强的亮点部分的情况。
实施例3
在本实施例3中，使用了将表面设为(0001)面的蓝宝石基板。在该基板上沿着蓝宝石的<1-100>方向平行地形成由线宽2μm、空间宽2μm的条纹状的SiN膜得到的选择生长用掩模，并在充分清洗后投入到MOCVD装置内。然后作为第1工序，在高温下流通包含三甲基铝(TMAl)的蒸汽的气体，作为第2工序，流通TMAl和氨，使截面为三角形形状的条纹状的氮化铝生长。进而，之后在用氮化镓使其平坦化之后制作LED结构。
上述包含AlN层的试料的制作，用MOCVD法按以下的步骤进行。首先，将蓝宝石基板导入设置在感应加热式加热器的RF线圈内的石英制的反应炉内。蓝宝石基板，在被氮气置换的球形箱的内部，载置在加热用的、碳制的基座上。导入试料后，流通氮气将反应炉内净化。
在流通了10分钟的氮气后，使感应加热式加热器工作，用10分钟将基板温度升高到600℃。将基板温度保持在600℃不变，一面使氢气流通一面放置9分钟。在此期间，向连接在反应炉上的、进入了作为原料的三甲基镓(TMGa)的容器(起泡器)以及进入了三甲基铝(TMAl)的容器(起泡器)的配管内流通氢运载气体，开始起泡。各起泡器的温度，预先用用于调整温度的恒温槽调整为一定。通过起泡而产生的TMGa以及TMAl的蒸汽，与运载气体一体向通往除害装置的配管流通，通过除害装置向系统外部放出，直到生长工序开始为止。之后，闭合氮运载气体的起泡器，开始向反应炉内的氢气的提供。
在运载气体的切换后，将基板的温度升高到1150℃。在1150℃下确认了温度稳定的情况后，切换TMAl的配管的起泡器，向反应炉内提供包含TMAl的蒸汽的气体。这时，由于附着在反应炉的壁面和顶板上的附着物的分解，可以考虑与TMAl同时向基板提供少量的氮。在经过9分钟的处理后，同时切换TMAl的配管的起泡器，停止向反应炉内提供包含TMAl的蒸汽的气体，就那样保持3分钟。
在经过3分钟的退火后，切换氨气的配管的起泡器，开始向炉内提供氨气。使氨气持续流通4分钟。在此期间，调节TMAl的配管的流量调整器的流量。4分钟后，切换TMAl的起泡器，开始向炉内提供TMAl，开始AlN的生长。
进行了大约3个小时的AlN层的生长。在该阶段取出的实验中，在露出了条纹状的蓝宝石面上生长了具有顶点的、截面三角形的AlN。在该阶段，用AlN将SiN掩模埋入。该斜面是AlN的(1-102)面，与基板平面所成的角是43°。之后，切换TMAl的配管的起泡器，结束原料的向反应炉内的提供，然后停止生长。
结束了AlN层的生长后，接着进行GaN层的生长。用3个小时的生长使GaN层的生长表面平坦化，顺次层积n型层、发光层、p型层，制作了LED用外延晶片。
采用用上述的方法进行了生长的LED用外延晶片，与实施例1同样地制作炮弹型的LED灯。该LED灯，在20mA的通电下，发光波长是380nm，输出值是14.8mW。与比较例相比，是1.9倍的输出。
另外，当用光学显微镜观察上述通电时的LED表面(蓝宝石面)时，在一面上观测到了被认为是GaN的深能级间的发光的黄色发光，其中呈条纹状地观测到了发光强度强而粗的亮线部分和弱而细的暗线部分。
如果采用本发明的发光元件，光取出效率最大增加2倍左右，因此可使LED的发光输出、电光变换效率最大都提高2倍左右。这不仅有助于节能，还可抑制因再吸收而导致的元件的发热，并促进LED的稳定工作、寿命的延长。

Claims (10)

1.一种发光元件，该发光元件具有基板(1)、半导体层(3)、发光层(5)，其特征在于，基板和层积在其上的半导体层的折射率不同，在该基板的层积半导体层的面上形成具有倾斜侧面的凹凸(2)，将该倾斜侧面的相对于基板面的角度设为30°＜θ＜60°。
2.一种发光元件，该发光元件具有基板(1)、半导体层(3)、发光层(5)，其特征在于，所层积的半导体层彼此的折射率不同，在该半导体层的层积界面上形成有具有倾斜侧面的凹凸(2)。
3.如权利要求2所述的发光元件，其特征在于，凹凸(2)的倾斜侧面的相对于基板的角度θ是30°＜θ＜60°。
4.如权利要求1～3的任意一项所述的发光元件，其特征在于，凹凸(2)是条纹状的V字状槽、条纹状的侧面倾斜突起、侧面倾斜凹坑的任意一种。
5.如权利要求1～4的任意一项所述的发光元件，其特征在于，基板(1)是蓝宝石(Al2O3)，半导体层(3)是AlxGayIn1-x-yN(0≤x≤1、0≤y≤1)。
6.一种权利要求1所述的半导体元件的制造方法，它是具有基板(1)、半导体层(3)、发光层(5)的发光元件的制造方法，其特征在于，通过高温处理、选择性蚀刻、磨削中的任意一种方法，在基板的层积半导体层的一侧的表面上设置凹凸。
7.一种权利要求1所述的发光元件的制造方法，它是具有基板(1)、半导体层(3)、发光层(5)的发光元件的制造方法，其特征在于，通过在基板的表面形成选择生长用的掩模，在该基板上设置侧面倾斜的半导体的突起，从而在半导体层的层积界面上形成具有倾斜侧面的凹凸。
8.一种权利要求2所述的半导体元件的制造方法，它是具有基板(1)、半导体层(3)、发光层(5)的发光元件的制造方法，其特征在于，通过利用高温处理、选择性蚀刻、磨削中的任意一种方法，在半导体层的表面上设置具有倾斜侧面的凹凸，从而在半导体层的层积界面上形成具有倾斜侧面的凹凸。
9.一种权利要求2所述的发光元件的制造方法，它是具有基板(1)、半导体层(3)、发光层(5)的发光元件的制造方法，其特征在于，在半导体层的表面上形成选择生长用的掩模，并在该半导体层上设置侧面倾斜的半导体的突起。
10.一种LED灯，其采用了权利要求1～5中的任意一项所述的发光元件。
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