半导体发光元件、其制造方法和光源装置制造方法
半导体发光元件、其制造方法和光源装置制造方法
【专利摘要】半导体发光元件（101）具备以非极性面或半极性面为主面的、由包含发出偏振光的活性层（22）的氮化物类半导体构成的半导体层叠结构（20）。半导体发光元件（101）具有设置在横切偏振光的出射路径的位置、包含多个凹部的条纹结构（50），凹部（50b）的延伸方向与偏振光的偏振方向所成角度为0°以上45°以下。多个凹部（50b），该多个凹部（50b）的表面的至少一部分具有比凹部50b的深度浅的微细的凹凸结构（纹理）（51）。
【专利说明】半导体发光元件、其制造方法和光源装置
【技术领域】
[0001] 本发明设置具备以非极性面或半极性面为主面的、包括发出偏振光的活性层的氮 化物类半导体层叠结构的半导体发光元件及其制造方法、以及使用半导体发光元件的光源 装直。
【背景技术】
[0002] 含氮（Ν)的VA族元素的氮化物半导体，由于其带隙的大小，有望作为短波长发光 元件的材料。其中，氮化镓类化合物半导体（GaN类半导体)的研究正在盛行，使用氮化镓类 化合物半导体的蓝色发光二极管（LED)、绿色LED元件以及蓝色LED半导体激光元件也正实 用化。
[0003] 氮化镓类化合物半导体包含用铝（A1)和铟（In)的至少一者取代镓（Ga)的一部 分而得到的化合物半导体。这种氮化物半导体由通式Al xGayInzN (其中，0< X，z < 1，0 < y彡1，x+y+z = 1。）表示。以下，将氮化镓类化合物半导体称为GaN类半导体。
[0004] GaN类半导体通过用Al、In的至少一者取代Ga，能够使其带隙比GaN的带隙大或 小。由此，不仅能够发出蓝色或绿色等的短波长的光，也能够发出橙色或红色等的长波长的 光。根据这种特征，氮化物半导体发光元件能够被期待应用于图像显示装置和照明装置等。
[0005] 氮化物半导体具有纤锌矿型晶体结构。图1 (a)、图1 (b)和图1 (c)用4指数标 记(六方晶指数)表示表纤锌矿型晶体结构的面方位。在4指数标记中，使用由al、a2、a3和 c表示的基本矢量表示结晶面及其面方位。基本矢量c在[0001]方向延伸，该方向的轴被 称为"c轴"。与c轴垂直的面（plane)被称为"c面"或"（0001)面"。在图1 (a)中，除了 c面之外，表示a面" =(11-20)面"和m面"=(1-100)面"。另外，图1 (b)表示r面"= (1-102)面"，图1 (c)表示（11-22)面。其中，本说明书中，表示密勒指数的括号内的数字 的左侧被标注符号为了方便表示该指数的反转，与图中的"横线（bar)"对应。
[0006] 在图2 (a)中用球管模型表示GaN类半导体的晶体结构。图2 (b)是从a轴方向 观看m面表面附近的原子排列而得的球管模型。m面与图2 (b)的纸面垂直。图2 (c)是 从m轴方向观看+c面表面的原子排列而得的球管模型。c面与图2 (c)的纸面垂直。从 图2 (a)和图2 (b)可知，N原子和Ga原子位于与m面平行的平面上。对此，在c面中，从 图2 (a)和图2 (c)可知，形成有仅配置有Ga原子的层和仅配置有N原子的层。
[0007] 在现有技术中，在使用GaN类半导体制作半导体元件的情况下，作为使氮化物半 导体晶体生长的衬底(基板)，能够使用以c面衬底即（0001)面为主面的衬底。在该情况下， 由于Ga原子和N原子的配置导致在氮化物半导体形成在c轴方向自发的极化（Electrical Polarization)。因此，"c面"被称为"极性面"。极化的结果，由构成氮化物半导体发光元 件的发光层的InGaN构成的量子讲层沿c轴方向产生压电电场。因产生的压电电场而在发 光层内的电子和空穴的分布产生位置偏差，因载流子的量子限制斯塔克效应，具有发光层 的内部量子效率降低的问题。为了抑制该发光层的内部量子效率的降低，形成于（0001)面 的发光层的厚度设计为3nm以下。
[0008] 进而，近年来讨论使用以被称为非极性面的m面或a面、或被称为半极性面的-r 面或（11-22)面为主面的衬底制作发光元件。如图1所示，纤锌矿型晶体结构的m面与c轴 平行，是与c面正交的六个等价的面。例如，在图1中，与[1-100]方向垂直的（1-100)面与 m面相当。与（1-100)面等价的其它的m面有（-1010)面、（10-10)面、（-1100)面、（01-10) 面和（0-110)面。
[0009] 如图2 (a)和图2 (b)所示，在m面中，Ga原子和N原子存在于相同原子面上，所 以在与m面垂直的方向不产生极化。因此，使用以m面为生长面的半导体层叠结构制作发 光元件时，在发光层不产生压电电场，能够解决载流子的量子限制斯塔克效应导致的内部 量子效率的降低的问题。m面以外的作为非极性面的a面也与此相同，另外，被称为半极性 面的-r面或（11-22)面、（20-21)面和（20-2-1)面也能够获得类似的效果。
[0010] 具有以非极性面或半极性面为生长面(主面）的活性层的氮化物类半导体发光元 件，具有由其价电子带的结构导致的偏振特性。
[0011] 专利文献1记载的发光二极管装置，为了降低芯片配置面的面内的方位角的不同 的导致的强度的差，具备：包含具有主面的发光层的发光二极管芯片；和具有配置发光二 极管芯片的芯片配置面的壳（package)。从发光层的主面出射的光，依赖于发光层的主面的 面内的方位角而具有多个不同的发光强度，发光二极管芯片和壳的至少一者具有降低因从 壳出射的光的芯片配置面的面内的方位角的不同导致的强度的差的结构。
[0012] 专利文献2中记载的半导体发光元件，为了提高从光取出侧的表面的光取出效率 且使配光性良好，在η型半导体层与p型半导体层之间具有发光层的半导体层叠体的衬底 上安装的一侧的面相反侧的光取出面设置有多个凹部。凹部具有在从凹部的开口部向底部 去直径缩小的方向上倾斜角不同的2层倾斜面，倾斜角缓和的倾斜面为具有凹凸的面，倾 斜角陡峭的倾斜面是平坦的面。
[0013] 专利文献3中记载的发光元件，为了实现抑制在活性层中产生的偏振光的输出效 率的降低，包括：由以非极性面或半极性面为主面的ΙΙΙΑ族氮化物半导体构成，依次层叠 第1导电型的第1半导体层、活性层和第2导电型的第2半导体层，从活性层发出偏振光 的发光部；和在偏振方向上排列多个在与偏振光的偏振方向垂直的方向上延伸的条纹状的 槽，形成锅波形状的输出面的输出部。从发光部透过输出部，从输出面输出偏振光。
[0014] 专利文献4中记载的氮化物半导体元件，为了实现保持氮化物半导体衬底的背面 的平坦性，并且具有欧姆接触性、紧贴性、耐热性优秀的衬底背面电极、长寿命且可靠性高 的氮化物半导体元件，其包括：具有相互相对第1面和第2面的氮化物半导体衬底；设置在 第1面的元件结构；和设置在第2面的电极，在第2面设置有在底部具有凹凸的槽部和氮极 性的平坦部，电极覆盖槽部地设置。
[0015] 现有技术文献 [0016] 专利文献
[0017] 专利文献1 :日本特开2008-109098号公报
[0018] 专利文献2 :日本特开2010-074008号公报
[0019] 专利文献3 :日本特开2008-305971号公报
[0020] 专利文献4 :日本特开2010-177455号公报
【发明内容】
[0021] 发明要解决的课题
[0022] 然而，在上述专利文献1和专利文献3中记载那样的、现有的具有以非极性面或半 极性面为主面的氮化物半导体的发光元件中，寻求发光动作的性能的提高。
[0023] 本发明鉴于上述的技术问题，目的在于提高发光动作的性能。
[0024] 用于解决课题的方法
[0025] 为了解决上述课题，本发明的一个方式为一种半导体发光元件，其具备以非极性 面或半极性面为主面的、包括发出偏振光的活性层的氮化物类半导体层叠结构，所述半导 体发光元件具有条纹结构，该条纹结构设置在横切偏振光的出射路径的位置，包括相互平 行地延伸的多个凹部，凹部的延伸方向与偏振光的偏振方向所成角度为0°以上45°以 下，多个凹部在该多个凹部的表面的至少一部分具有比凹部的深度浅的纹理。
[0026] 根据本发明，能够进一步适当控制发光强度的各向异性。
【专利附图】
【附图说明】
[0027] 图1 (a)是表示纤锌矿型晶体结构的基本矢量al、a2、a3和c、以及a面、c面和 m面的的立体图。图1 (b)是表示纤锌矿型晶体结构的r面的立体图。图1 (c)是表示纤 锌矿型晶体结构的（11-22)面的立体图。
[0028] 图2 (a)?图2 (c)是用球管模型表示GaN类半导体的晶体结构的图。
[0029] 图3 (a)是表示设置在第1实施方式的半导体发光元件的条纹结构的凸部和凹部 的示意平面图。图3 (b)是图3 (a)的Illb-IIIb线的示意截面图。图3 (c)和图3 (d) 是表示图3 (b)所示的凸部和凹部的局部放大截面图。
[0030] 图4 (a)?图4 (h)是表示设置在第1实施方式的半导体发光元件的条纹结构的 延伸方向的示意平面图和条纹结构的X-X线的示意截面图。
[0031] 图5(a)是表示第1实施方式的半导体发光元件的、模拟计算所使用的条纹结构的 延伸方向的示意平面图。图5 (b)?图5 (d)是图5 (a)所示的条纹结构的X-X线和Y-Y 线的示意截面图。
[0032] 图6是表示第1实施方式的设置在半导体发光元件的条纹结构的凸部相对于凹部 的宽度的比率和入射到凸部的上表面的光的比例的关系的图表。
[0033] 图7是表示第1实施方式的设置在半导体发光元件的条纹结构的凹部相对于从凸 部的上表面至活性层的距离的宽度的比例和入射到凸部的上表面的光的比例的关系的图 表。
[0034] 图8(a)是表示比较用的、在半导体发光元件的光的出射面的条纹结构的凹部不设 置微细的凹凸结构的现有的凹部的表面所入射的光的光路的一例的示意截面图。图8 (b) 是表不入射到第1实施方式的半导体发光兀件的条纹结构的凹部的表面的光的光路的一 例的示意截面图。
[0035] 图9 (a)是表示比较用的、在光的出射面不具有条纹结构的半导体发光元件的配 光特性分布的计算结果的图表。图9 (b)是表示比较用的、在条纹结构的凹部不设置微细 的凹凸结构的半导体发光元件的配光特性分布的计算结果的图表。图9 (c)是表示第1实 施方式的半导体发光元件的配光特性分布的计算结果的图表。
[0036] 图10是表示第1实施方式的半导体发光元件的条纹结构的凸部的上表面的面积 相对于凹部的表面的面积的比的值、和光取出比率的关系的图表。
[0037] 图11是表示第1实施方式的第1变形例的半导体发光元件的示意截面图。
[0038] 图12是表示第1实施方式的第2变形例的半导体发光元件的示意截面图。
[0039] 图13是表示第2实施方式的半导体发光元件的示意截面图。
[0040] 图14是表示第2实施方式的第1变形例的半导体发光元件的示意截面图。
[0041] 图15是表示第2实施方式的第2变形例的半导体发光元件的示意截面图。
[0042] 图16是表示第2实施方式的第3变形例的半导体发光元件的示意截面图。
[0043] 图17是表示第2实施方式的第4变形例的半导体发光元件的示意截面图。
[0044] 图18是表示第2实施方式的第5变形例的半导体发光元件的示意截面图。
[0045] 图19是表示第2实施方式的第6变形例的半导体发光元件的示意截面图。
[0046] 图20是表示第2实施方式的第7变形例的半导体发光元件的示意截面图。
[0047] 图21是表示第3实施方式的半导体发光元件的示意截面图。
[0048] 图22是表示实施例1的半导体发光元件的制造方法的高密度脉冲激光的扫描速 度和角度α的关系的图表。
[0049] 图23是表示实施例1的半导体发光元件的制造方法的高密度脉冲激光的扫描速 度和表面粗糙度Ra的关系的图表。
[0050] 图24是实施例1的半导体发光元件的制造方法的利用高密度脉冲激光实施了加 工后的显微镜照片图像。
[0051] 图25是表示实施例2的半导体发光元件的从光的偏振方向起的条纹结构的延伸 方向的角度和不对称度的关系的图表。
[0052] 图26是表示实施例2的半导体发光元件的从光的偏振方向起的条纹结构的延伸 方向的角度和m轴方向的辐射强度的提高度的关系的图表。
[0053] 图27是表示实施例2的半导体发光元件的从m轴起的角度的、a轴方向和c轴方 向的发光波长差的关系的图表。
[0054] 图28是表不第4实施方式的白色光源的不意截面图。
【具体实施方式】
[0055] 本发明的一实施方式是一种半导体发光元件，其特征在于：具备以非极性面或半 极性面为主面的、包括发出偏振光的活性层的氮化物类半导体层叠结构，所述半导体发光 元件具有条纹结构，该条纹结构设置在横切偏振光的出射路径的位置，包括相互平行地延 伸的多个凹部，凹部的延伸方向与偏振光的偏振方向所成角度为〇°以上45°以下，多个 凹部在该多个凹部的表面的至少一部分具有比凹部的深度浅的纹理。
[0056] 半导体发光元件可以还具备保持氮化物类半导体层叠结构的衬底，条纹结构可以 形成于衬底。
[0057] 另外，凹部的深度可以为衬底的厚度的二分之一以下。
[0058] 半导体发光元件可以还具备透光性部件，条纹结构形成于透光性部件。
[0059] 半导体发光元件可以还包括使氮化物类半导体层叠结构生长的衬底，透光性部件 可以设置在衬底的与氮化物类半导体层叠结构相反侧的面上。
[0060] 衬底可以由氮化镓、蓝宝石或碳化硅构成。
[0061] 相互相邻的凹部彼此之间的区域可以是平坦的。
[0062] 凹部的延伸方向与偏振光的偏振方向所成角度可以为0°以上25°以下。
[0063] 偏振光的波长为λ时，凹部的深度可以为λ/0.628以上。
[0064] 设相互相邻的凹部彼此的间隔为L2、凹部的宽度为L1的时，L2/L1的值可以为1. 7 以下。
[0065] 设偏振光的波长为λ时，纹理的凹部的延伸方向的线截面粗糙度Ra可以为λ/30 以上λ Χ5以下。
[0066] 氮化物类半导体层叠结构的主面可以为m面，偏振方向可以为a轴方向。
[0067] 另外，本发明的另一实施方式为半导体发光元件的制造方法，凹部和该凹部的表 面的纹理可以通过热熔形成。
[0068] 热熔可以通过激光照射发生。
[0069] 激光照射使用的激光的扫描速度可以为200mm/s以上。
[0070] 另外，本发明的另一实施方式一种光源装置，其包括：半导体发光元件；包含对从 半导体发光元件辐射出的光的波长进行转换的荧光物质的波长转换部。
[0071] 但是，以m面为主面(生长面）的氮化物半导体活性层主要出射电场强度偏到a轴 方向的光。理论上预测当发光元件具有偏振特性时，显示发光强度相对于与偏振方向垂直 的方向的变大的配光分布。即，发光元件的辐射(配光分布)图案变得不均匀。另外，理论上 预测-r面、（20-21)面、（20-2-1)面、（10-1-3)面和（11-22)面等的半极性面、以及a面等 的其它的非极性面中，也出射电场强度偏到氮化物半导体的特定的结晶方向的光，显示发 光强度相对于与偏振方向垂直的方向变大的配光分布。
[0072] 已知来自以a面为主面的氮化物半导体活性层的光的偏振方向为m轴。因此，可 以预测为显不发光强度相对于与m轴垂直的方向变大的配光分布。
[0073] 已知有来自以作为半极性面的（20-2-1)面和（20-21)面为主面的氮化物半导 体活性层的光的偏振方向为[-12-10]方向。因此，可以预测为显示发光强度相对于与 (-12-10)方向垂直的方向变大的配光分布。
[0074] 已知有来自以作为半极性面的（10-1-3)面为主面的氮化物半导体活性层的光的 偏振方向，在氮化物半导体活性层的In的组成大的情况下为（-12-10)方向，在氮化物半导 体活性层的In的组成小的情况下为（-1-123)方向。因此，可以预测为在活性层的In的组 成大的情况下，显不发光强度相对于与（-12-10)垂直的方向变大的配光分布，在活性层的 In的组成小的情况下，显不发光强度相对于与（-12-10)方向垂直的方向变大的配光分布。
[0075] 已知有来自以作为半极性面的（11-22)面为主面的氮化物半导体活性层的光的偏 振方向，在氮化物半导体活性层的In的组成大的情况下为m轴方向，氮化物半导体活性层 的In的组成小的情况下为（-1-123)方向。因此，可以预测为在活性层的In的组成大的情 况下，显不发光强度相对于与m轴垂直的方向变大的配光分布，在活性层的In的组成小的 情况下，显不发光强度相对于与（-1-123)方向垂直的方向变大的配光分布。
[0076] 本说明书中，将电场强度偏到特定的方向的光称为"偏振光（Polarized Light)"。 例如将电场强度偏到V轴方向的光称为"V轴方向的偏振光"，将此时的V轴方向称为"偏振 方向"。其中，"V轴方向的偏振光"不仅指偏振到V轴方向的直线偏振光，而也包含偏振到 其它的轴方向的直线偏振光。更详细来讲，"V轴方向的偏振光"指透过"在V轴方向具有偏 振透过轴的偏振子"的光的强度（电场强度）比透过"在其它的轴方向具有偏振透过轴的偏 振子"的光的电场强度高的光。从而，"V轴方向的偏振光"不仅为偏振到V轴方向的直线偏 振光和椭圆偏振光，而广泛包含偏振到各种方向的直线偏振光和椭圆偏振光混合存在的不 相干光。
[0077] 此外，认为如上述专利文献1记载的方式，氮化物半导体发光元件具有由偏振特 性引起在主面的面内的方位角导致发光强度具有各向异性。因此，作为发光元件的特性，除 了光输出高之外，优选偏振特性的适当的控制和发光强度的各向异性的适当的控制。
[0078] 专利文献1记载的发光二极管装置，为了降低从芯片配置面的面内的方位角不同 的导致的强度的差，丝毫未考虑偏振度。
[0079] 记载有专利文献2记载的半导体发光元件，为了提高光输出，在光取出面通过干 式蚀刻形成倾斜面，通过利用了结晶各向异性的湿式蚀刻，具有微细的凹凸的结构。然而， 上述湿式蚀刻法对-c面是有效的，但是难以使用到非极性面和半极性面。
[0080] 专利文献3记载的发光元件，为了在维持偏振度的状态下提高光取出，具有在与 来自活性层的光的偏振方向垂直的方向上延伸的条纹状的槽。然后，本
【发明者】详细进行研 究时，以布儒斯特角（偏振角）入射到出射面的光的密度非常小，对于偏振光的透过率的提 高的效果是非常有限的。
[0081] 专利文献4记载的氮化物半导体元件，为了提高形成在-C面的η电极的紧贴性和 耐热性的提高，使用脉冲激光在-C面形成深度为2 μ m至10 μ m左右的槽后，形成η电极。 在槽的内部形成有台阶差为〇. 1 μ m至〇. 3 μ m、周期为3 μ m至5 μ m的凹凸，但由电极覆盖 槽的整体的结构，形成在槽的内部的凹凸对光输出带来的影响并未被考虑。
[0082] 本
【发明者】发现通过使包含偏振光的氮化物半导体发光元件的出射面的面形状(截 面形状）最优化，能够同时实现出射的光的偏振特性和配光特性的改善和光取出效率的提 商。
[0083] 以下，参照【专利附图】
【附图说明】本发明的实施方式。在以下的附图中，为了说明的简单化，有 时用相同的参照附图标记表示实质上具有相同的功能的构成要素。其中，本发明不限于以 下的实施方式。
[0084] (第1实施方式）
[0085] 以下参照【专利附图】
【附图说明】第1实施方式。
[0086] 图3 (a)?图3 (d)不意性地表不第1实施方式的半导体发光兀件。图3 (a)表 示平面结构，图3 (b)表示图3 (a)的Illb-IIIb线的截面结构，图3 (c)和图3 (d)放大 表示条纹结构50。
[0087] 如图3 (a)和图3 (b)所示，本实施方式的半导体发光元件101包括：衬底10 ;和 形成在该衬底10之上的包含活性层22的半导体层叠结构20。
[0088] 以下，说明第1实施方式的半导体发光元件101的详细结构。
[0089] 第1实施方式的半导体发光元件101具有以氮化物类半导体的非极性面或半极性 面为主面的、包含活性层22的半导体层叠结构20。如上所述，从活性层22出射偏振光。
[0090] 半导体层叠结构20由氮化物半导体更具体而言AlxInyGazN (其中，X + y + z = l，x > 0，y > 0，z > 0)半导体形成。另外，半导体层叠结构20包含夹着活性层22的η型 氮化物半导体层21和p型氮化物半导体层23。此外，活性层22和η型氮化物半导体层21 之间以及活性层22和ρ型氮化物半导体层23之间的至少一方可以设置有不掺杂的GaN层。
[0091] 半导体发光元件101包括与η型氮化物半导体层21电连接的η侧电极30和与ρ 型氮化物半导体层23电连接的ρ侧电极40。本实施方式中，以η型氮化物半导体层21的 一部分从半导体层叠结构20露出的方式设置凹部31。η侧电极30设置在露出的η型氮化 物半导体层21之上。η侧电极30例如由包括钛（Ti)层和钼（Pt)层的层叠结构（Ti/Pt)等 形成。替代其，η侧电极30能够使用由钛（Ti)层和铝（A1)层形成的层叠结构（Ti/Al)。
[0092] 在ρ型氮化物半导体层23之上设置有ρ侧电极40。ρ侧电极40可以覆盖ρ型氮 化物半导体层23的表面的大致整体。ρ侧电极40例如由包括钯（Pd)层和钼（Pt)层的层 叠结构（Pd/Pt)等形成。替代其，ρ侧电极40可以使用银(Ag)层。
[0093] 衬底10能够选择适合形成以非极性面或半极性面为主面的半导体层叠结构20的 材料。具体而言，能够使用氮化镓（GaN)。替代GaN，能够使用氧化镓（Ga 203)、碳化硅（SiC)、 硅（Si)或蓝宝石等。例如，在衬底10的主面上外延生长以m面为主面的包含活性层22的 半导体层叠结构20的情况下，能够使用m面GaN衬底。另外，在外延生长以（20-2-1)面为 主面的包含活性层22的半导体层叠结构20的情况下，使用（20-2-1)面GaN衬底即可。另 夕卜，也能够使用m面SiC衬底或m面蓝宝石衬底。但是，如报告的在r面蓝宝石衬底上生长 a面GaN的那样，为了使以m面为主面的活性层22生长，衬底10的表面必须为m面。另外， 在衬底10以外的其它的衬底之上形成半导体层叠结构20,之后将半导体层叠结构20从其 它的衬底剥离，进而将半导体层叠结构20贴在衬底10。
[0094] η型氮化物半导体层21例如由η型的AluGavInwN (其中，u + v + w= l、u彡0、 v > 0、w > 0)半导体形成。作为η型掺杂剂能够使用例如娃（Si)。η型掺杂剂中例如可以 使用氧（〇)等替代Si。
[0095] ρ型氮化物半导体层23例如由ρ型的AlsGatN (其中，s十t = 1，s > 0，t彡0) 半导体形成。作为P型掺杂剂例如能够使用镁(Mg)。替代ρ型掺杂剂除了 Mg，例如也可以 使用锌（Zn)或铍（Be)等。ρ型氮化物半导体层23中，A1的组成比s可以在厚度方向一样， A1的组成比s也可以在厚度方向连续地或阶段地变化。具体而言，ρ型氮化物半导体层23 的厚度例如为〇. 1 μ m?2 μ m程度。
[0096] 另外，ρ型氮化物半导体层23中，也可以在与ρ侧电极40的界面的附近的A1的 组成s为〇,即可以为GaN。另外，在该情况下，GaN中高浓度地包含ρ型的杂质，也可以作 为P型接触层发挥作用。因此，虽然为图示，但是在P型氮化物半导体层23和ρ侧电极40 之间可以设置由P+_GaN形成的接触层。
[0097] 活性层22具有例如由厚度为3nm?20nm程度的Gai_xInxN阱层(其中，0 < X < 1) 和厚度为5nm?30nm程度的GaN势垒层交替层叠而形成的GalnN/GaN构成的多量子阱 (MQW)结构。从半导体发光元件101出射的光的波长，由构成活性层22的氮化物半导体的 带隙的大小、具体而言作为作为阱层的半导体组成的G ai_xInxN半导体的In的组成X决定。
[0098] 衬底10具有彼此相对的第1主面和第2主面，第1主面与半导体层叠结构20的 η型氮化物半导体层21接触。第2主面成为取出由活性层22发出的偏振光的出射面。本 实施方式中，在作为光的出射面的第2主面形成有多个凸部和多个凹部相互平行地呈条纹 状延伸的条纹结构50。
[0099] 如图3 (a)所示，条纹结构中，俯视时的延伸方向相对于来自活性层22的光的偏 振方向具有角度Θ。另外，如图3 (b)所示，条纹结构50包括凸部50a的凹部50b。并且， 本实施方式的特征在于，如图3 (c)和图3 (d)所不，在凹部50b的表面设置有微细的凹凸 结构51。该微细的凹凸结构51具有与形成在衬底10的第2主面的凹部50b相比充分小 的截面形状。此外，本说明书中，将在凹部50b的至少表面形成的微细的凹凸结构50称为 "纹理（texture)"。
[0100] 凸部50a具有与作为出射面的第2主面大致平行的上表面50d。凹部50b包含与 上表面50d不平行的至少1个斜面50c和底面50e。以下、本说明书中，有时将凹部50b的 斜面50c的底面50e -并称为内表面。另外，如图3(d)所示，斜面50c可以包括多个斜面。 另外，条纹结构50可以为不具有上表面50d或底面50e的结构。另外，斜面50c和底面50e 可以由曲线构成。另外，条纹结构50不需要形成在第2主面的整个面，可以形成在其一部 分。
[0101] 如图4 (a)?图4 (h)所示，条纹结构50的凸部50a和凹部50b能够获得各种方 式。图4 (a)?图4 (h)是条纹结构50的平面形状和截面形状的例示。在此，仅关注条纹 结构50,设置于凹部50b的微细的凹凸结构(纹理）51省略。
[0102] 例如，图4 (a)是凸部50a的截面形状为梯形，凹部50b的截面形状为三角形的例 子。在该情况下，为不具有底面50e的结构。
[0103] 图4(b)是凸部50a的截面形状为三角形，凹部50b的截面形状为梯形的例子。在 该情况下，为不具有上表面50d的结构。
[0104] 图4 (c)是凸部50a的截面形状和凹部50b的截面形状均为方形的例子。
[0105] 图4 (d)是凹部50b的截面形状为曲面状，凸部50a具有上表面50d的情况下的 例子。
[0106] 图4 (e)是凹部50b的截面形状为曲面状，在凸部50a不具有上表面50d的情况 下的例子。
[0107] 图4 (f)是凹部50b形成在第2主面的一部分的例子。
[0108] 图4 (g)是凸部50a形成在第2主面的一部分的例子。
[0109] 图4 (h)是条纹状的凹部50b不连续地形成的情况下的例子。
[0110] 以上是条纹结构50的截面形状和平面形状的例示。本发明中，在衬底10的第2 主面设置的条纹结构50为在俯视时在规定的方向上延伸地配置的凹凸结构体，在凹部包 含微细的凹凸结构(纹理）51即可。
[0111] 以下详细说明条纹结构50的特征。
[0112] 当关注于光在与偏振方向垂直的方向上传播的性质时，条纹结构50的延伸方向 与来自活性层22的光的偏振方向所成角度Θ具有重要的意义。在此，使用图5和图6对 其进行说明。
[0113] 图5表示评价配光特性的模拟计算所用的条纹结构50的结构。图5 (a)表示条 纹结构50的平面结构。图5 (b)表示角度Θ为〇°的情况下的X-X方向上的截面结构。 图5 (c)表示角度Θ为〇°的情况下的Y-Y方向上的截面结构。图5 (d)表示角度Θ为 90°的情况下的X-X方向上的截面结构。图5 (e)表示角度Θ为90°的情况下的Y-Y方 向上的截面结构。图中中虚线所示的箭头表示来自某发光点的光的放出的样子。
[0114] 在此，为了使凹凸状的条纹结构50简化，凹部50b采用深度为L1、宽度为L1的截 面方形。凸部50a的上表面的宽度为L2,从凸部50a的上表面50d至活性层22的距离为 T。在此，当设L1与T的比的值为A (A = Ll/T)、L2与L1的比的值为B (B = L2/L1)时， 条纹结构50能够由θ、A和B这三个参数表示。在A的值小的情况下，与相对于半导体发 光元件的大小形成小的凹部50b的情况相当。另外，A为不到1的值。在B的值小的情况 下，与上表面50d的面积减少的情况相当。在B的值为0的情况下，与不具有凸部50a的上 表面50d的结构相当。另外，在B的值小的情况下，可以认为是以高密度形成有凹部50b情 况。
[0115] 如图5 (b)所示，在角度Θ = 〇°的情况下的X-X方向上，从活性层22放出的光 从某发光点呈扇状的扩展。在该情况下，光进入位于着眼的发光点的上部的凸部50a的上 表面50d，但是在其以外的上表面50d被凹部50b遮挡。对此，如图5 (d)所示，在角度Θ =90°的情况下的X-X方向上，从活性层22放出的光入射到与条纹结构50垂直的方向。 图6表示固定为六=〇.1、使角度0以〇°、25°、45°和9〇°变化、通过计算算出8的值与 入射到凸部50a的上表面50d的光的比例的关系的结果。虚线表示凸部50a的上表面50d 的面积与凹部50b的表面的面积之比的值。即，虚线相当于单纯根据表面积算出凹部50b 的影响的情况。在此，入射到作为纵轴的凸部50a的上表面50d的光的比例以1为最大值 进行标准化。另外，将该值从1减去之后的值表示入射到凹部50b表面的比例。可知在从 进行了计算的B = 0. 1至3. 0的宽的范围中，越增大角度Θ，能够越增大入射到凸部的上表 面50d的光的比例。换言之，在包含具有偏振特性的活性层22的氮化物半导体发光元件的 光出射面形成条纹结构50的情况下，通过减小角度Θ即设定为〇°以上45°以下，能够使 更多的光入射到凹部50b的表面。B的值在1. 7以下的范围中，Θ = 〇°的值是比虚线表 示的值充分小的值。即，在具有这种偏振特性的活性层22的情况下，凹部50b的表面的影 响不能够单纯根据表面积推定，需要考虑角度Θ。尤其是可以说在角度Θ为〇°以上25° 以下的范围中，能够充分抑制入射到凸部50a的上表面的光，具有不能够单纯根据表面积 推定的特性。
[0116] 图7是固定为0=〇°、使8的值以〇.2、〇.5、〇.7、1.〇、1.5和2.〇变化，通过计算 来算出A的值与入射到凸部50a的上表面50d的光的比例的关系的结果。A的值是表示凹 部50b的大小的参数，A = 0. 5意味着凹部50b相当于衬底的厚度的二分之一，A = 0. 1意 味着凹部50b相当于衬底的厚度的10%。
[0117] 如图7所示，入射到凸部50a的上表面50d的光的比例对A的值的依赖性小，在 0. 4左右比较稳定。另外，表示当B的值大于1. 0时，A的值在0. 4至0. 5的范围具有极小 值的特性。因此，在B的值大的情况下，通过适当设定A的值，能够一定程度控制入射到凸 部50a的上表面50d的光的比例。
[0118] 当光入射到某个面时，某个面的法线方向与入射方向所成角度为入射角Θ i的情 况下，具有该入射角θ?变大时，难以受到入射面的凹凸的影响的特性。这被称为瑞利判 据，在入射光的发光波长为λ、某个面的表面的凹凸的标准偏差为h的情况下，
[0119] h < λ /8cos ( Θ i)
[0120] 的条件下，入射光难以受到面的凹凸的影响。认为h与LI大致相等时，为了使入 射到条纹结构50的光之中95%受到凹部50b和凸部50a的影响，使L1 > λ/0.628。在波 长为450nm的情况下，凹部50b的深度L1需要为717nm以上。
[0121] 为了使入射到条纹结构50的光之中99%受到凹部50b的凸部50a的影响，使 L1彡λ /〇· 126。在波长为450nm的情况下，凹部50b的深度L1需要为3581nm以上。
[0122] 但是，实际上，L1的值不能够实现衬底的厚度以上的高度。通过使L1的值为衬底 的厚度的二分之一左右以下，在形成条纹结构50后，能够保持衬底的刚性，所以不产生使 用上的问题。另外，通过使L1的值为衬底的厚度的三分之一程度以下，当使发光元件小片 化时，能够避免在所期望的部位以外的区域被分割的问题。
[0123] 根据以上的结果，关于条纹结构50的凸部50a和凹部50b，为了增大凹部50b的影 响，条纹结构50的延伸方向与来自活性层22的光的偏振方向所成角度Θ可以为〇°以上 45°以下。另外，角度Θ可以为在〇°以上25°以下的范围内。
[0124] 凸部50a的上表面50d的宽度L2的凹部50b的宽度L1的比B (B = L2/L1)的值 可以为1. 7以下。L1的值可以为717nm以上。另外，L1的值可以为3581nm以上。另外，L1 的值可以为衬底的厚度的二分之一左右以下。另外，L1的值可以为五分之二左右以下，也 可以为三分之一左右以下。
[0125] 接着，详细说明形成在凹部50b的表面的微细的凹凸结构(纹理）51。
[0126] 虽然如上所述设置有凹部50b，但光的取出效率的提高为主导的（主要的)，所以对 凹部50b的表面的状态被放出至外部的光的特性具有较大的影响。
[0127] 图8 (a)表示比较用的、在凹部50b的表面不设置微细的凹凸结构51的现有的结 构的情况下、入射到凹部50b的表面的光的光路。图8 (b)表示在凹部50b的表面设置有 微细的凹凸结构51的本实施方式的的情况下、入射到凹部50b的表面的光的光路。
[0128] 如图8 (a)所示，在不设置微细的凹凸结构51的现有的结构的情况下，透过光中， 正透过光为主导。S卩，透过光在由凸部50a的折射率、存在于凹部50b的内部的物质的折射 率和入射光的入射角决定的方向上出射。具有凸部50a和凹部50b的结构反复而形成的周 期结构的情况下，有时光在特定的方向上光被增强，显示配光分布特性具有振幅地扭曲的 特性。
[0129] 对此，如图8 (b)所示，在凹部的表面（内表面）设置微细的凹凸结构51的本实施 方式的情况下，透过光具有正透过光的成分和扩散透过光的成分，所以光在向各个的方向 扩散的状态下被取出至外部。其结果为，能够使配光分布特性接近无指向性的、所谓的朗伯 形状。并且，能够抑制凹部50b的表面的全反射成分。因此，光取出的效率提高，能够进行 高输出化。为了确认该效果，进行了使用光线跟踪法的计算。
[0130] 图9 (a)?图9 (c)表示配光分布特性的计算结果。图9 (a)表示比较用的、对具 有镜面状的光取出面的发光元件进行的、使用光线跟踪法的配光分布特性的计算结果。在 此，发光元件的芯片尺寸为450 μ m见方，衬底10的厚度为100 μ m。如图9 (a)所示，受到 从芯片的侧面出射的光的影响，形成在与芯片的主面的方向成±70°附近具有峰值的辐射 形状。
[0131] 图9(b)表不比较用的、对条纹状的凹部50b的表面（内表面)为镜面的发光兀件进 行的、使用光线跟踪法的配光分布特性的计算结果。在此，凸部50a的上表面的宽度为大致 0 μ m，凹部50b的宽度为20 μ m，凹部50b的深度为25 μ m。发光元件的芯片尺寸为450 μ m 见方，衬底10的厚度为100 μ m。在该情况下，如图9 (b)所示，由于截面凹凸状的条纹结构 50的影响，形成具有多个峰值的辐射形状。
[0132] 图9(c)是表示对与本实施方式相当的发光元件进行的、使用光线跟踪法的配光分 布特性的计算结果。在此，凸部50a的上表面的宽度为大致0 μ m，凹部50b的宽度为20 μ m， 凹部50b的深度为25 μ m。并且，仅在凹部50b的表面（内表面)定义理想的朗伯扩散面，凸 部50a的上表面定义为镜面进行了计算。发光元件的芯片尺寸为450 μ m见方，衬底10的 厚度为lOOym。在该情况下，如图9 (c)所示可知，通过由凹部50b的表面进行的扩散，辐 射形状接近朗伯形状。这样，在凹部50b的表面、即内表面设置扩散面（纹理)，能够使辐射 形状接近朗伯形状。
[0133] 图10表示本实施方式的半导体发光元件的光取出的计算评价结果。纵轴是以光 取出面为镜面的情况为1进行了标准化。图中的虚线表示在不设置由凸部50a和凹部50b 形成的条纹结构50的比较用的结构中、在光取出面定义朗伯扩散面的情况下的计算结果。 比较用的光取出的比率的值为1. 25。
[0134] 图中的标记□表示在光取出面设置有条纹结构50的情况下的计算结果，凹部50b 的表面为镜面。横轴表示凸部50a的上表面的面积对凹部50b的表面的面积之比的值。凹 部50b的截面形状呈宽度和深度均为20 μ m的V字状。该情况下的光取出比率的值为1. 5 左右。
[0135] 图中的标记?表示凹部50b的截面形状是宽度和深度均为20μπι的V字状，表示 在凹部50b的表面定义有朗伯扩散面的情况下的计算结果。即，与本实施方式相当。在该 情况下，光取出比率的值表示为2. 0以上。此外，根据标记□和虚线能够设想的光取出比率 (标记□的结果和虚线的结果的积）的值为1. 9左右。因此可知，本实施方式的光取出比率 的值比根据标记□和虚线能够设想的光取出比率的值大。另外，凸部50a的上表面50d的 面积对凹部50b的表面的面积之比的值越小，表示越高的光取出比率。
[0136] 本实施方式中，可知通过由凸部50a和凹部50b形成的条纹结构50以及形成在凹 部50b的表面的微细的凹凸结构（纹理）51的协同效应，能够实现不能够容易设想的、光取 出效率的提高。
[0137] 微细的凹凸结构51的表面粗糙度Ra可以为λ/30以上λ X5以下。另外，可以 为λ/30以上λ Χ3以下。另外，可以为λ/4以上λ Χ3以下。在此，λ为从活性层22出 射的光的波长。Ra位于λ /30彡Ra彡λ Χ3的范围时，从凹部50b的表面透过的光受到被 称为瑞利散射、米氏散射的效果。表面粗糙度在λ/2以上时，扩散成分增加。
[0138] 具体而言，使在活性层22中产生的偏振光的波长为450nm时，表面粗糙度Ra可以 为15nm以上2. 25μπι以下。另外，表面粗糙度Ra可以为15nm以上1.35μπι以下。另外， 表面粗糙度Ra可以为113nm以上1.35μπι以下。其中，表面粗糙度Ra需要比L1的值小。 在此，表面粗糙度Ra能够通过激光显微镜（Keyence公司制造 VK-X200)等测定。在以截面 观看测定的面时，能够通过"JIS B0601"规定的算术平均粗糙度求出。按照"JIS B0601" 测定测定面的截面曲线，根据截面曲线求出波浪曲线，从截面曲线减去波浪曲线。即，通过 进行从截面曲线仅提取粗糙度的操作，能够获得粗糙度曲线。按照"JIS B0601"定义的坐 标系，使测定面方向为X轴、测定截面方向为Z轴。
[0139] 波浪& >9 )是指以比粗糙度大的间隔形成的表面的周期的起伏，在本发明中， 凹部50b与波浪相当。在此，为了简化说明，通过在凹部50b延伸的方向上采用测定截面进 行说明。
[0140] 在如上所述使用测定截面的情况下，不需要考虑条纹结构50的较大的凹凸形状 形成的波浪。其结果，波浪曲线为直线，所以测定误差降低，能够求出准确的表面粗糙度Ra。 能够在X轴方向上仅提取基准长度1，在该提取部分中应用最小二乘法，通过以下的公式 (1)进行表示。
[0141]
【权利要求】
1. 一种半导体发光元件，其特征在于： 具备以非极性面或半极性面为主面的、包括发出偏振光的活性层的氮化物类半导体层 叠结构， 所述半导体发光元件具有条纹结构，该条纹结构设置在横切所述偏振光的出射路径的 位置，包括相互平行地延伸的多个凹部， 所述凹部的延伸方向与所述偏振光的偏振方向所成角度为0°以上45°以下， 所述多个凹部在该多个凹部的表面的至少一部分具有比所述凹部的深度浅的纹理。
2. 如权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于： 还具备保持所述氮化物类半导体层叠结构的衬底， 所述条纹结构形成于所述衬底。
3. 如权利要求2所述的半导体发光元件，其特征在于： 所述凹部的深度为所述衬底的厚度的二分之一以下。
4. 如权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于： 还具备透光性部件， 所述条纹结构形成于所述透光性部件。
5. 如权利要求4所述的半导体发光元件，其特征在于： 还包括使所述氮化物类半导体层叠结构生长的衬底， 所述透光性部件设置在所述衬底的与所述氮化物类半导体层叠结构相反侧的面上。
6. 如权利要求2?3和5中任一项所述的半导体发光兀件，其特征在于： 所述衬底由氮化镓、蓝宝石或碳化硅构成。
7. 如权利要求1?6中任一项所述的半导体发光兀件，其特征在于： 相互相邻的所述凹部彼此之间的区域是平坦的。
8. 如权利要求1?7中任一项所述的半导体发光兀件，其特征在于： 所述凹部的延伸方向与所述偏振光的偏振方向所成角度为0°以上25°以下。
9. 如权利要求1?8中任一项所述的半导体发光兀件，其特征在于： 设所述偏振光的波长为λ时，所述凹部的深度为λ/0.628以上。
10. 如权利要求1?9中任一项所述的半导体发光兀件，其特征在于： 设相互相邻的所述凹部彼此的间隔为L2,所述凹部的宽度为L1时，L2/L1的值为1. 7 以下。
11. 如权利要求1?9中任一项所述的半导体发光兀件，其特征在于： 设所述偏振光的波长为λ时，所述纹理的凹部的延伸方向的线截面粗糙度Ra为λ/30 以上λ Χ5以下。
12. 如权利要求1?10中任一项所述的半导体发光兀件，其特征在于： 所述氮化物类半导体层叠结构的所述主面为m面，所述偏振方向为a轴方向。
13. 如权利要求1?12中任一项所述的半导体发光元件的制造方法，其特征在于： 所述凹部和该凹部的表面的纹理通过热熔形成。
14. 如权利要求13所述的半导体发光元件的制造方法，其特征在于： 所述热熔通过激光照射发生。
15. 如权利要求14所述的半导体发光元件的制造方法，其特征在于： 所述激光照射使用的激光的扫描速度为200mm/s以上。
16. -种光源装置，其特征在于，包括： 权利要求1?12中任一项所述的半导体发光兀件；和 波长转换部，其包含对从所述半导体发光元件辐射的光的波长进行转换的荧光物质。
【文档编号】H01L33/32GK104160520SQ201280049611
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2012年9月20日 优先权日:2012年2月1日
【发明者】藤田稔之, 井上彰, 横川俊哉 申请人:松下电器产业株式会社
【专利摘要】半导体发光元件（101）具备以非极性面或半极性面为主面的、由包含发出偏振光的活性层（22）的氮化物类半导体构成的半导体层叠结构（20）。半导体发光元件（101）具有设置在横切偏振光的出射路径的位置、包含多个凹部的条纹结构（50），凹部（50b）的延伸方向与偏振光的偏振方向所成角度为0°以上45°以下。多个凹部（50b），该多个凹部（50b）的表面的至少一部分具有比凹部50b的深度浅的微细的凹凸结构（纹理）（51）。
【专利说明】半导体发光元件、其制造方法和光源装置
【技术领域】
[0001] 本发明设置具备以非极性面或半极性面为主面的、包括发出偏振光的活性层的氮 化物类半导体层叠结构的半导体发光元件及其制造方法、以及使用半导体发光元件的光源 装直。
【背景技术】
[0002] 含氮（Ν)的VA族元素的氮化物半导体，由于其带隙的大小，有望作为短波长发光 元件的材料。其中，氮化镓类化合物半导体（GaN类半导体)的研究正在盛行，使用氮化镓类 化合物半导体的蓝色发光二极管（LED)、绿色LED元件以及蓝色LED半导体激光元件也正实 用化。
[0003] 氮化镓类化合物半导体包含用铝（A1)和铟（In)的至少一者取代镓（Ga)的一部 分而得到的化合物半导体。这种氮化物半导体由通式Al xGayInzN (其中，0< X，z < 1，0 < y彡1，x+y+z = 1。）表示。以下，将氮化镓类化合物半导体称为GaN类半导体。
[0004] GaN类半导体通过用Al、In的至少一者取代Ga，能够使其带隙比GaN的带隙大或 小。由此，不仅能够发出蓝色或绿色等的短波长的光，也能够发出橙色或红色等的长波长的 光。根据这种特征，氮化物半导体发光元件能够被期待应用于图像显示装置和照明装置等。
[0005] 氮化物半导体具有纤锌矿型晶体结构。图1 (a)、图1 (b)和图1 (c)用4指数标 记(六方晶指数)表示表纤锌矿型晶体结构的面方位。在4指数标记中，使用由al、a2、a3和 c表示的基本矢量表示结晶面及其面方位。基本矢量c在[0001]方向延伸，该方向的轴被 称为"c轴"。与c轴垂直的面（plane)被称为"c面"或"（0001)面"。在图1 (a)中，除了 c面之外，表示a面" =(11-20)面"和m面"=(1-100)面"。另外，图1 (b)表示r面"= (1-102)面"，图1 (c)表示（11-22)面。其中，本说明书中，表示密勒指数的括号内的数字 的左侧被标注符号为了方便表示该指数的反转，与图中的"横线（bar)"对应。
[0006] 在图2 (a)中用球管模型表示GaN类半导体的晶体结构。图2 (b)是从a轴方向 观看m面表面附近的原子排列而得的球管模型。m面与图2 (b)的纸面垂直。图2 (c)是 从m轴方向观看+c面表面的原子排列而得的球管模型。c面与图2 (c)的纸面垂直。从 图2 (a)和图2 (b)可知，N原子和Ga原子位于与m面平行的平面上。对此，在c面中，从 图2 (a)和图2 (c)可知，形成有仅配置有Ga原子的层和仅配置有N原子的层。
[0007] 在现有技术中，在使用GaN类半导体制作半导体元件的情况下，作为使氮化物半 导体晶体生长的衬底(基板)，能够使用以c面衬底即（0001)面为主面的衬底。在该情况下， 由于Ga原子和N原子的配置导致在氮化物半导体形成在c轴方向自发的极化（Electrical Polarization)。因此，"c面"被称为"极性面"。极化的结果，由构成氮化物半导体发光元 件的发光层的InGaN构成的量子讲层沿c轴方向产生压电电场。因产生的压电电场而在发 光层内的电子和空穴的分布产生位置偏差，因载流子的量子限制斯塔克效应，具有发光层 的内部量子效率降低的问题。为了抑制该发光层的内部量子效率的降低，形成于（0001)面 的发光层的厚度设计为3nm以下。
[0008] 进而，近年来讨论使用以被称为非极性面的m面或a面、或被称为半极性面的-r 面或（11-22)面为主面的衬底制作发光元件。如图1所示，纤锌矿型晶体结构的m面与c轴 平行，是与c面正交的六个等价的面。例如，在图1中，与[1-100]方向垂直的（1-100)面与 m面相当。与（1-100)面等价的其它的m面有（-1010)面、（10-10)面、（-1100)面、（01-10) 面和（0-110)面。
[0009] 如图2 (a)和图2 (b)所示，在m面中，Ga原子和N原子存在于相同原子面上，所 以在与m面垂直的方向不产生极化。因此，使用以m面为生长面的半导体层叠结构制作发 光元件时，在发光层不产生压电电场，能够解决载流子的量子限制斯塔克效应导致的内部 量子效率的降低的问题。m面以外的作为非极性面的a面也与此相同，另外，被称为半极性 面的-r面或（11-22)面、（20-21)面和（20-2-1)面也能够获得类似的效果。
[0010] 具有以非极性面或半极性面为生长面(主面）的活性层的氮化物类半导体发光元 件，具有由其价电子带的结构导致的偏振特性。
[0011] 专利文献1记载的发光二极管装置，为了降低芯片配置面的面内的方位角的不同 的导致的强度的差，具备：包含具有主面的发光层的发光二极管芯片；和具有配置发光二 极管芯片的芯片配置面的壳（package)。从发光层的主面出射的光，依赖于发光层的主面的 面内的方位角而具有多个不同的发光强度，发光二极管芯片和壳的至少一者具有降低因从 壳出射的光的芯片配置面的面内的方位角的不同导致的强度的差的结构。
[0012] 专利文献2中记载的半导体发光元件，为了提高从光取出侧的表面的光取出效率 且使配光性良好，在η型半导体层与p型半导体层之间具有发光层的半导体层叠体的衬底 上安装的一侧的面相反侧的光取出面设置有多个凹部。凹部具有在从凹部的开口部向底部 去直径缩小的方向上倾斜角不同的2层倾斜面，倾斜角缓和的倾斜面为具有凹凸的面，倾 斜角陡峭的倾斜面是平坦的面。
[0013] 专利文献3中记载的发光元件，为了实现抑制在活性层中产生的偏振光的输出效 率的降低，包括：由以非极性面或半极性面为主面的ΙΙΙΑ族氮化物半导体构成，依次层叠 第1导电型的第1半导体层、活性层和第2导电型的第2半导体层，从活性层发出偏振光 的发光部；和在偏振方向上排列多个在与偏振光的偏振方向垂直的方向上延伸的条纹状的 槽，形成锅波形状的输出面的输出部。从发光部透过输出部，从输出面输出偏振光。
[0014] 专利文献4中记载的氮化物半导体元件，为了实现保持氮化物半导体衬底的背面 的平坦性，并且具有欧姆接触性、紧贴性、耐热性优秀的衬底背面电极、长寿命且可靠性高 的氮化物半导体元件，其包括：具有相互相对第1面和第2面的氮化物半导体衬底；设置在 第1面的元件结构；和设置在第2面的电极，在第2面设置有在底部具有凹凸的槽部和氮极 性的平坦部，电极覆盖槽部地设置。
[0015] 现有技术文献 [0016] 专利文献
[0017] 专利文献1 :日本特开2008-109098号公报
[0018] 专利文献2 :日本特开2010-074008号公报
[0019] 专利文献3 :日本特开2008-305971号公报
[0020] 专利文献4 :日本特开2010-177455号公报
【发明内容】
[0021] 发明要解决的课题
[0022] 然而，在上述专利文献1和专利文献3中记载那样的、现有的具有以非极性面或半 极性面为主面的氮化物半导体的发光元件中，寻求发光动作的性能的提高。
[0023] 本发明鉴于上述的技术问题，目的在于提高发光动作的性能。
[0024] 用于解决课题的方法
[0025] 为了解决上述课题，本发明的一个方式为一种半导体发光元件，其具备以非极性 面或半极性面为主面的、包括发出偏振光的活性层的氮化物类半导体层叠结构，所述半导 体发光元件具有条纹结构，该条纹结构设置在横切偏振光的出射路径的位置，包括相互平 行地延伸的多个凹部，凹部的延伸方向与偏振光的偏振方向所成角度为0°以上45°以 下，多个凹部在该多个凹部的表面的至少一部分具有比凹部的深度浅的纹理。
[0026] 根据本发明，能够进一步适当控制发光强度的各向异性。
【专利附图】
【附图说明】
[0027] 图1 (a)是表示纤锌矿型晶体结构的基本矢量al、a2、a3和c、以及a面、c面和 m面的的立体图。图1 (b)是表示纤锌矿型晶体结构的r面的立体图。图1 (c)是表示纤 锌矿型晶体结构的（11-22)面的立体图。
[0028] 图2 (a)?图2 (c)是用球管模型表示GaN类半导体的晶体结构的图。
[0029] 图3 (a)是表示设置在第1实施方式的半导体发光元件的条纹结构的凸部和凹部 的示意平面图。图3 (b)是图3 (a)的Illb-IIIb线的示意截面图。图3 (c)和图3 (d) 是表示图3 (b)所示的凸部和凹部的局部放大截面图。
[0030] 图4 (a)?图4 (h)是表示设置在第1实施方式的半导体发光元件的条纹结构的 延伸方向的示意平面图和条纹结构的X-X线的示意截面图。
[0031] 图5(a)是表示第1实施方式的半导体发光元件的、模拟计算所使用的条纹结构的 延伸方向的示意平面图。图5 (b)?图5 (d)是图5 (a)所示的条纹结构的X-X线和Y-Y 线的示意截面图。
[0032] 图6是表示第1实施方式的设置在半导体发光元件的条纹结构的凸部相对于凹部 的宽度的比率和入射到凸部的上表面的光的比例的关系的图表。
[0033] 图7是表示第1实施方式的设置在半导体发光元件的条纹结构的凹部相对于从凸 部的上表面至活性层的距离的宽度的比例和入射到凸部的上表面的光的比例的关系的图 表。
[0034] 图8(a)是表示比较用的、在半导体发光元件的光的出射面的条纹结构的凹部不设 置微细的凹凸结构的现有的凹部的表面所入射的光的光路的一例的示意截面图。图8 (b) 是表不入射到第1实施方式的半导体发光兀件的条纹结构的凹部的表面的光的光路的一 例的示意截面图。
[0035] 图9 (a)是表示比较用的、在光的出射面不具有条纹结构的半导体发光元件的配 光特性分布的计算结果的图表。图9 (b)是表示比较用的、在条纹结构的凹部不设置微细 的凹凸结构的半导体发光元件的配光特性分布的计算结果的图表。图9 (c)是表示第1实 施方式的半导体发光元件的配光特性分布的计算结果的图表。
[0036] 图10是表示第1实施方式的半导体发光元件的条纹结构的凸部的上表面的面积 相对于凹部的表面的面积的比的值、和光取出比率的关系的图表。
[0037] 图11是表示第1实施方式的第1变形例的半导体发光元件的示意截面图。
[0038] 图12是表示第1实施方式的第2变形例的半导体发光元件的示意截面图。
[0039] 图13是表示第2实施方式的半导体发光元件的示意截面图。
[0040] 图14是表示第2实施方式的第1变形例的半导体发光元件的示意截面图。
[0041] 图15是表示第2实施方式的第2变形例的半导体发光元件的示意截面图。
[0042] 图16是表示第2实施方式的第3变形例的半导体发光元件的示意截面图。
[0043] 图17是表示第2实施方式的第4变形例的半导体发光元件的示意截面图。
[0044] 图18是表示第2实施方式的第5变形例的半导体发光元件的示意截面图。
[0045] 图19是表示第2实施方式的第6变形例的半导体发光元件的示意截面图。
[0046] 图20是表示第2实施方式的第7变形例的半导体发光元件的示意截面图。
[0047] 图21是表示第3实施方式的半导体发光元件的示意截面图。
[0048] 图22是表示实施例1的半导体发光元件的制造方法的高密度脉冲激光的扫描速 度和角度α的关系的图表。
[0049] 图23是表示实施例1的半导体发光元件的制造方法的高密度脉冲激光的扫描速 度和表面粗糙度Ra的关系的图表。
[0050] 图24是实施例1的半导体发光元件的制造方法的利用高密度脉冲激光实施了加 工后的显微镜照片图像。
[0051] 图25是表示实施例2的半导体发光元件的从光的偏振方向起的条纹结构的延伸 方向的角度和不对称度的关系的图表。
[0052] 图26是表示实施例2的半导体发光元件的从光的偏振方向起的条纹结构的延伸 方向的角度和m轴方向的辐射强度的提高度的关系的图表。
[0053] 图27是表示实施例2的半导体发光元件的从m轴起的角度的、a轴方向和c轴方 向的发光波长差的关系的图表。
[0054] 图28是表不第4实施方式的白色光源的不意截面图。
【具体实施方式】
[0055] 本发明的一实施方式是一种半导体发光元件，其特征在于：具备以非极性面或半 极性面为主面的、包括发出偏振光的活性层的氮化物类半导体层叠结构，所述半导体发光 元件具有条纹结构，该条纹结构设置在横切偏振光的出射路径的位置，包括相互平行地延 伸的多个凹部，凹部的延伸方向与偏振光的偏振方向所成角度为〇°以上45°以下，多个 凹部在该多个凹部的表面的至少一部分具有比凹部的深度浅的纹理。
[0056] 半导体发光元件可以还具备保持氮化物类半导体层叠结构的衬底，条纹结构可以 形成于衬底。
[0057] 另外，凹部的深度可以为衬底的厚度的二分之一以下。
[0058] 半导体发光元件可以还具备透光性部件，条纹结构形成于透光性部件。
[0059] 半导体发光元件可以还包括使氮化物类半导体层叠结构生长的衬底，透光性部件 可以设置在衬底的与氮化物类半导体层叠结构相反侧的面上。
[0060] 衬底可以由氮化镓、蓝宝石或碳化硅构成。
[0061] 相互相邻的凹部彼此之间的区域可以是平坦的。
[0062] 凹部的延伸方向与偏振光的偏振方向所成角度可以为0°以上25°以下。
[0063] 偏振光的波长为λ时，凹部的深度可以为λ/0.628以上。
[0064] 设相互相邻的凹部彼此的间隔为L2、凹部的宽度为L1的时，L2/L1的值可以为1. 7 以下。
[0065] 设偏振光的波长为λ时，纹理的凹部的延伸方向的线截面粗糙度Ra可以为λ/30 以上λ Χ5以下。
[0066] 氮化物类半导体层叠结构的主面可以为m面，偏振方向可以为a轴方向。
[0067] 另外，本发明的另一实施方式为半导体发光元件的制造方法，凹部和该凹部的表 面的纹理可以通过热熔形成。
[0068] 热熔可以通过激光照射发生。
[0069] 激光照射使用的激光的扫描速度可以为200mm/s以上。
[0070] 另外，本发明的另一实施方式一种光源装置，其包括：半导体发光元件；包含对从 半导体发光元件辐射出的光的波长进行转换的荧光物质的波长转换部。
[0071] 但是，以m面为主面(生长面）的氮化物半导体活性层主要出射电场强度偏到a轴 方向的光。理论上预测当发光元件具有偏振特性时，显示发光强度相对于与偏振方向垂直 的方向的变大的配光分布。即，发光元件的辐射(配光分布)图案变得不均匀。另外，理论上 预测-r面、（20-21)面、（20-2-1)面、（10-1-3)面和（11-22)面等的半极性面、以及a面等 的其它的非极性面中，也出射电场强度偏到氮化物半导体的特定的结晶方向的光，显示发 光强度相对于与偏振方向垂直的方向变大的配光分布。
[0072] 已知来自以a面为主面的氮化物半导体活性层的光的偏振方向为m轴。因此，可 以预测为显不发光强度相对于与m轴垂直的方向变大的配光分布。
[0073] 已知有来自以作为半极性面的（20-2-1)面和（20-21)面为主面的氮化物半导 体活性层的光的偏振方向为[-12-10]方向。因此，可以预测为显示发光强度相对于与 (-12-10)方向垂直的方向变大的配光分布。
[0074] 已知有来自以作为半极性面的（10-1-3)面为主面的氮化物半导体活性层的光的 偏振方向，在氮化物半导体活性层的In的组成大的情况下为（-12-10)方向，在氮化物半导 体活性层的In的组成小的情况下为（-1-123)方向。因此，可以预测为在活性层的In的组 成大的情况下，显不发光强度相对于与（-12-10)垂直的方向变大的配光分布，在活性层的 In的组成小的情况下，显不发光强度相对于与（-12-10)方向垂直的方向变大的配光分布。
[0075] 已知有来自以作为半极性面的（11-22)面为主面的氮化物半导体活性层的光的偏 振方向，在氮化物半导体活性层的In的组成大的情况下为m轴方向，氮化物半导体活性层 的In的组成小的情况下为（-1-123)方向。因此，可以预测为在活性层的In的组成大的情 况下，显不发光强度相对于与m轴垂直的方向变大的配光分布，在活性层的In的组成小的 情况下，显不发光强度相对于与（-1-123)方向垂直的方向变大的配光分布。
[0076] 本说明书中，将电场强度偏到特定的方向的光称为"偏振光（Polarized Light)"。 例如将电场强度偏到V轴方向的光称为"V轴方向的偏振光"，将此时的V轴方向称为"偏振 方向"。其中，"V轴方向的偏振光"不仅指偏振到V轴方向的直线偏振光，而也包含偏振到 其它的轴方向的直线偏振光。更详细来讲，"V轴方向的偏振光"指透过"在V轴方向具有偏 振透过轴的偏振子"的光的强度（电场强度）比透过"在其它的轴方向具有偏振透过轴的偏 振子"的光的电场强度高的光。从而，"V轴方向的偏振光"不仅为偏振到V轴方向的直线偏 振光和椭圆偏振光，而广泛包含偏振到各种方向的直线偏振光和椭圆偏振光混合存在的不 相干光。
[0077] 此外，认为如上述专利文献1记载的方式，氮化物半导体发光元件具有由偏振特 性引起在主面的面内的方位角导致发光强度具有各向异性。因此，作为发光元件的特性，除 了光输出高之外，优选偏振特性的适当的控制和发光强度的各向异性的适当的控制。
[0078] 专利文献1记载的发光二极管装置，为了降低从芯片配置面的面内的方位角不同 的导致的强度的差，丝毫未考虑偏振度。
[0079] 记载有专利文献2记载的半导体发光元件，为了提高光输出，在光取出面通过干 式蚀刻形成倾斜面，通过利用了结晶各向异性的湿式蚀刻，具有微细的凹凸的结构。然而， 上述湿式蚀刻法对-c面是有效的，但是难以使用到非极性面和半极性面。
[0080] 专利文献3记载的发光元件，为了在维持偏振度的状态下提高光取出，具有在与 来自活性层的光的偏振方向垂直的方向上延伸的条纹状的槽。然后，本
【发明者】详细进行研 究时，以布儒斯特角（偏振角）入射到出射面的光的密度非常小，对于偏振光的透过率的提 高的效果是非常有限的。
[0081] 专利文献4记载的氮化物半导体元件，为了提高形成在-C面的η电极的紧贴性和 耐热性的提高，使用脉冲激光在-C面形成深度为2 μ m至10 μ m左右的槽后，形成η电极。 在槽的内部形成有台阶差为〇. 1 μ m至〇. 3 μ m、周期为3 μ m至5 μ m的凹凸，但由电极覆盖 槽的整体的结构，形成在槽的内部的凹凸对光输出带来的影响并未被考虑。
[0082] 本
【发明者】发现通过使包含偏振光的氮化物半导体发光元件的出射面的面形状(截 面形状）最优化，能够同时实现出射的光的偏振特性和配光特性的改善和光取出效率的提 商。
[0083] 以下，参照【专利附图】
【附图说明】本发明的实施方式。在以下的附图中，为了说明的简单化，有 时用相同的参照附图标记表示实质上具有相同的功能的构成要素。其中，本发明不限于以 下的实施方式。
[0084] (第1实施方式）
[0085] 以下参照【专利附图】
【附图说明】第1实施方式。
[0086] 图3 (a)?图3 (d)不意性地表不第1实施方式的半导体发光兀件。图3 (a)表 示平面结构，图3 (b)表示图3 (a)的Illb-IIIb线的截面结构，图3 (c)和图3 (d)放大 表示条纹结构50。
[0087] 如图3 (a)和图3 (b)所示，本实施方式的半导体发光元件101包括：衬底10 ;和 形成在该衬底10之上的包含活性层22的半导体层叠结构20。
[0088] 以下，说明第1实施方式的半导体发光元件101的详细结构。
[0089] 第1实施方式的半导体发光元件101具有以氮化物类半导体的非极性面或半极性 面为主面的、包含活性层22的半导体层叠结构20。如上所述，从活性层22出射偏振光。
[0090] 半导体层叠结构20由氮化物半导体更具体而言AlxInyGazN (其中，X + y + z = l，x > 0，y > 0，z > 0)半导体形成。另外，半导体层叠结构20包含夹着活性层22的η型 氮化物半导体层21和p型氮化物半导体层23。此外，活性层22和η型氮化物半导体层21 之间以及活性层22和ρ型氮化物半导体层23之间的至少一方可以设置有不掺杂的GaN层。
[0091] 半导体发光元件101包括与η型氮化物半导体层21电连接的η侧电极30和与ρ 型氮化物半导体层23电连接的ρ侧电极40。本实施方式中，以η型氮化物半导体层21的 一部分从半导体层叠结构20露出的方式设置凹部31。η侧电极30设置在露出的η型氮化 物半导体层21之上。η侧电极30例如由包括钛（Ti)层和钼（Pt)层的层叠结构（Ti/Pt)等 形成。替代其，η侧电极30能够使用由钛（Ti)层和铝（A1)层形成的层叠结构（Ti/Al)。
[0092] 在ρ型氮化物半导体层23之上设置有ρ侧电极40。ρ侧电极40可以覆盖ρ型氮 化物半导体层23的表面的大致整体。ρ侧电极40例如由包括钯（Pd)层和钼（Pt)层的层 叠结构（Pd/Pt)等形成。替代其，ρ侧电极40可以使用银(Ag)层。
[0093] 衬底10能够选择适合形成以非极性面或半极性面为主面的半导体层叠结构20的 材料。具体而言，能够使用氮化镓（GaN)。替代GaN，能够使用氧化镓（Ga 203)、碳化硅（SiC)、 硅（Si)或蓝宝石等。例如，在衬底10的主面上外延生长以m面为主面的包含活性层22的 半导体层叠结构20的情况下，能够使用m面GaN衬底。另外，在外延生长以（20-2-1)面为 主面的包含活性层22的半导体层叠结构20的情况下，使用（20-2-1)面GaN衬底即可。另 夕卜，也能够使用m面SiC衬底或m面蓝宝石衬底。但是，如报告的在r面蓝宝石衬底上生长 a面GaN的那样，为了使以m面为主面的活性层22生长，衬底10的表面必须为m面。另外， 在衬底10以外的其它的衬底之上形成半导体层叠结构20,之后将半导体层叠结构20从其 它的衬底剥离，进而将半导体层叠结构20贴在衬底10。
[0094] η型氮化物半导体层21例如由η型的AluGavInwN (其中，u + v + w= l、u彡0、 v > 0、w > 0)半导体形成。作为η型掺杂剂能够使用例如娃（Si)。η型掺杂剂中例如可以 使用氧（〇)等替代Si。
[0095] ρ型氮化物半导体层23例如由ρ型的AlsGatN (其中，s十t = 1，s > 0，t彡0) 半导体形成。作为P型掺杂剂例如能够使用镁(Mg)。替代ρ型掺杂剂除了 Mg，例如也可以 使用锌（Zn)或铍（Be)等。ρ型氮化物半导体层23中，A1的组成比s可以在厚度方向一样， A1的组成比s也可以在厚度方向连续地或阶段地变化。具体而言，ρ型氮化物半导体层23 的厚度例如为〇. 1 μ m?2 μ m程度。
[0096] 另外，ρ型氮化物半导体层23中，也可以在与ρ侧电极40的界面的附近的A1的 组成s为〇,即可以为GaN。另外，在该情况下，GaN中高浓度地包含ρ型的杂质，也可以作 为P型接触层发挥作用。因此，虽然为图示，但是在P型氮化物半导体层23和ρ侧电极40 之间可以设置由P+_GaN形成的接触层。
[0097] 活性层22具有例如由厚度为3nm?20nm程度的Gai_xInxN阱层(其中，0 < X < 1) 和厚度为5nm?30nm程度的GaN势垒层交替层叠而形成的GalnN/GaN构成的多量子阱 (MQW)结构。从半导体发光元件101出射的光的波长，由构成活性层22的氮化物半导体的 带隙的大小、具体而言作为作为阱层的半导体组成的G ai_xInxN半导体的In的组成X决定。
[0098] 衬底10具有彼此相对的第1主面和第2主面，第1主面与半导体层叠结构20的 η型氮化物半导体层21接触。第2主面成为取出由活性层22发出的偏振光的出射面。本 实施方式中，在作为光的出射面的第2主面形成有多个凸部和多个凹部相互平行地呈条纹 状延伸的条纹结构50。
[0099] 如图3 (a)所示，条纹结构中，俯视时的延伸方向相对于来自活性层22的光的偏 振方向具有角度Θ。另外，如图3 (b)所示，条纹结构50包括凸部50a的凹部50b。并且， 本实施方式的特征在于，如图3 (c)和图3 (d)所不，在凹部50b的表面设置有微细的凹凸 结构51。该微细的凹凸结构51具有与形成在衬底10的第2主面的凹部50b相比充分小 的截面形状。此外，本说明书中，将在凹部50b的至少表面形成的微细的凹凸结构50称为 "纹理（texture)"。
[0100] 凸部50a具有与作为出射面的第2主面大致平行的上表面50d。凹部50b包含与 上表面50d不平行的至少1个斜面50c和底面50e。以下、本说明书中，有时将凹部50b的 斜面50c的底面50e -并称为内表面。另外，如图3(d)所示，斜面50c可以包括多个斜面。 另外，条纹结构50可以为不具有上表面50d或底面50e的结构。另外，斜面50c和底面50e 可以由曲线构成。另外，条纹结构50不需要形成在第2主面的整个面，可以形成在其一部 分。
[0101] 如图4 (a)?图4 (h)所示，条纹结构50的凸部50a和凹部50b能够获得各种方 式。图4 (a)?图4 (h)是条纹结构50的平面形状和截面形状的例示。在此，仅关注条纹 结构50,设置于凹部50b的微细的凹凸结构(纹理）51省略。
[0102] 例如，图4 (a)是凸部50a的截面形状为梯形，凹部50b的截面形状为三角形的例 子。在该情况下，为不具有底面50e的结构。
[0103] 图4(b)是凸部50a的截面形状为三角形，凹部50b的截面形状为梯形的例子。在 该情况下，为不具有上表面50d的结构。
[0104] 图4 (c)是凸部50a的截面形状和凹部50b的截面形状均为方形的例子。
[0105] 图4 (d)是凹部50b的截面形状为曲面状，凸部50a具有上表面50d的情况下的 例子。
[0106] 图4 (e)是凹部50b的截面形状为曲面状，在凸部50a不具有上表面50d的情况 下的例子。
[0107] 图4 (f)是凹部50b形成在第2主面的一部分的例子。
[0108] 图4 (g)是凸部50a形成在第2主面的一部分的例子。
[0109] 图4 (h)是条纹状的凹部50b不连续地形成的情况下的例子。
[0110] 以上是条纹结构50的截面形状和平面形状的例示。本发明中，在衬底10的第2 主面设置的条纹结构50为在俯视时在规定的方向上延伸地配置的凹凸结构体，在凹部包 含微细的凹凸结构(纹理）51即可。
[0111] 以下详细说明条纹结构50的特征。
[0112] 当关注于光在与偏振方向垂直的方向上传播的性质时，条纹结构50的延伸方向 与来自活性层22的光的偏振方向所成角度Θ具有重要的意义。在此，使用图5和图6对 其进行说明。
[0113] 图5表示评价配光特性的模拟计算所用的条纹结构50的结构。图5 (a)表示条 纹结构50的平面结构。图5 (b)表示角度Θ为〇°的情况下的X-X方向上的截面结构。 图5 (c)表示角度Θ为〇°的情况下的Y-Y方向上的截面结构。图5 (d)表示角度Θ为 90°的情况下的X-X方向上的截面结构。图5 (e)表示角度Θ为90°的情况下的Y-Y方 向上的截面结构。图中中虚线所示的箭头表示来自某发光点的光的放出的样子。
[0114] 在此，为了使凹凸状的条纹结构50简化，凹部50b采用深度为L1、宽度为L1的截 面方形。凸部50a的上表面的宽度为L2,从凸部50a的上表面50d至活性层22的距离为 T。在此，当设L1与T的比的值为A (A = Ll/T)、L2与L1的比的值为B (B = L2/L1)时， 条纹结构50能够由θ、A和B这三个参数表示。在A的值小的情况下，与相对于半导体发 光元件的大小形成小的凹部50b的情况相当。另外，A为不到1的值。在B的值小的情况 下，与上表面50d的面积减少的情况相当。在B的值为0的情况下，与不具有凸部50a的上 表面50d的结构相当。另外，在B的值小的情况下，可以认为是以高密度形成有凹部50b情 况。
[0115] 如图5 (b)所示，在角度Θ = 〇°的情况下的X-X方向上，从活性层22放出的光 从某发光点呈扇状的扩展。在该情况下，光进入位于着眼的发光点的上部的凸部50a的上 表面50d，但是在其以外的上表面50d被凹部50b遮挡。对此，如图5 (d)所示，在角度Θ =90°的情况下的X-X方向上，从活性层22放出的光入射到与条纹结构50垂直的方向。 图6表示固定为六=〇.1、使角度0以〇°、25°、45°和9〇°变化、通过计算算出8的值与 入射到凸部50a的上表面50d的光的比例的关系的结果。虚线表示凸部50a的上表面50d 的面积与凹部50b的表面的面积之比的值。即，虚线相当于单纯根据表面积算出凹部50b 的影响的情况。在此，入射到作为纵轴的凸部50a的上表面50d的光的比例以1为最大值 进行标准化。另外，将该值从1减去之后的值表示入射到凹部50b表面的比例。可知在从 进行了计算的B = 0. 1至3. 0的宽的范围中，越增大角度Θ，能够越增大入射到凸部的上表 面50d的光的比例。换言之，在包含具有偏振特性的活性层22的氮化物半导体发光元件的 光出射面形成条纹结构50的情况下，通过减小角度Θ即设定为〇°以上45°以下，能够使 更多的光入射到凹部50b的表面。B的值在1. 7以下的范围中，Θ = 〇°的值是比虚线表 示的值充分小的值。即，在具有这种偏振特性的活性层22的情况下，凹部50b的表面的影 响不能够单纯根据表面积推定，需要考虑角度Θ。尤其是可以说在角度Θ为〇°以上25° 以下的范围中，能够充分抑制入射到凸部50a的上表面的光，具有不能够单纯根据表面积 推定的特性。
[0116] 图7是固定为0=〇°、使8的值以〇.2、〇.5、〇.7、1.〇、1.5和2.〇变化，通过计算 来算出A的值与入射到凸部50a的上表面50d的光的比例的关系的结果。A的值是表示凹 部50b的大小的参数，A = 0. 5意味着凹部50b相当于衬底的厚度的二分之一，A = 0. 1意 味着凹部50b相当于衬底的厚度的10%。
[0117] 如图7所示，入射到凸部50a的上表面50d的光的比例对A的值的依赖性小，在 0. 4左右比较稳定。另外，表示当B的值大于1. 0时，A的值在0. 4至0. 5的范围具有极小 值的特性。因此，在B的值大的情况下，通过适当设定A的值，能够一定程度控制入射到凸 部50a的上表面50d的光的比例。
[0118] 当光入射到某个面时，某个面的法线方向与入射方向所成角度为入射角Θ i的情 况下，具有该入射角θ?变大时，难以受到入射面的凹凸的影响的特性。这被称为瑞利判 据，在入射光的发光波长为λ、某个面的表面的凹凸的标准偏差为h的情况下，
[0119] h < λ /8cos ( Θ i)
[0120] 的条件下，入射光难以受到面的凹凸的影响。认为h与LI大致相等时，为了使入 射到条纹结构50的光之中95%受到凹部50b和凸部50a的影响，使L1 > λ/0.628。在波 长为450nm的情况下，凹部50b的深度L1需要为717nm以上。
[0121] 为了使入射到条纹结构50的光之中99%受到凹部50b的凸部50a的影响，使 L1彡λ /〇· 126。在波长为450nm的情况下，凹部50b的深度L1需要为3581nm以上。
[0122] 但是，实际上，L1的值不能够实现衬底的厚度以上的高度。通过使L1的值为衬底 的厚度的二分之一左右以下，在形成条纹结构50后，能够保持衬底的刚性，所以不产生使 用上的问题。另外，通过使L1的值为衬底的厚度的三分之一程度以下，当使发光元件小片 化时，能够避免在所期望的部位以外的区域被分割的问题。
[0123] 根据以上的结果，关于条纹结构50的凸部50a和凹部50b，为了增大凹部50b的影 响，条纹结构50的延伸方向与来自活性层22的光的偏振方向所成角度Θ可以为〇°以上 45°以下。另外，角度Θ可以为在〇°以上25°以下的范围内。
[0124] 凸部50a的上表面50d的宽度L2的凹部50b的宽度L1的比B (B = L2/L1)的值 可以为1. 7以下。L1的值可以为717nm以上。另外，L1的值可以为3581nm以上。另外，L1 的值可以为衬底的厚度的二分之一左右以下。另外，L1的值可以为五分之二左右以下，也 可以为三分之一左右以下。
[0125] 接着，详细说明形成在凹部50b的表面的微细的凹凸结构(纹理）51。
[0126] 虽然如上所述设置有凹部50b，但光的取出效率的提高为主导的（主要的)，所以对 凹部50b的表面的状态被放出至外部的光的特性具有较大的影响。
[0127] 图8 (a)表示比较用的、在凹部50b的表面不设置微细的凹凸结构51的现有的结 构的情况下、入射到凹部50b的表面的光的光路。图8 (b)表示在凹部50b的表面设置有 微细的凹凸结构51的本实施方式的的情况下、入射到凹部50b的表面的光的光路。
[0128] 如图8 (a)所示，在不设置微细的凹凸结构51的现有的结构的情况下，透过光中， 正透过光为主导。S卩，透过光在由凸部50a的折射率、存在于凹部50b的内部的物质的折射 率和入射光的入射角决定的方向上出射。具有凸部50a和凹部50b的结构反复而形成的周 期结构的情况下，有时光在特定的方向上光被增强，显示配光分布特性具有振幅地扭曲的 特性。
[0129] 对此，如图8 (b)所示，在凹部的表面（内表面）设置微细的凹凸结构51的本实施 方式的情况下，透过光具有正透过光的成分和扩散透过光的成分，所以光在向各个的方向 扩散的状态下被取出至外部。其结果为，能够使配光分布特性接近无指向性的、所谓的朗伯 形状。并且，能够抑制凹部50b的表面的全反射成分。因此，光取出的效率提高，能够进行 高输出化。为了确认该效果，进行了使用光线跟踪法的计算。
[0130] 图9 (a)?图9 (c)表示配光分布特性的计算结果。图9 (a)表示比较用的、对具 有镜面状的光取出面的发光元件进行的、使用光线跟踪法的配光分布特性的计算结果。在 此，发光元件的芯片尺寸为450 μ m见方，衬底10的厚度为100 μ m。如图9 (a)所示，受到 从芯片的侧面出射的光的影响，形成在与芯片的主面的方向成±70°附近具有峰值的辐射 形状。
[0131] 图9(b)表不比较用的、对条纹状的凹部50b的表面（内表面)为镜面的发光兀件进 行的、使用光线跟踪法的配光分布特性的计算结果。在此，凸部50a的上表面的宽度为大致 0 μ m，凹部50b的宽度为20 μ m，凹部50b的深度为25 μ m。发光元件的芯片尺寸为450 μ m 见方，衬底10的厚度为100 μ m。在该情况下，如图9 (b)所示，由于截面凹凸状的条纹结构 50的影响，形成具有多个峰值的辐射形状。
[0132] 图9(c)是表示对与本实施方式相当的发光元件进行的、使用光线跟踪法的配光分 布特性的计算结果。在此，凸部50a的上表面的宽度为大致0 μ m，凹部50b的宽度为20 μ m， 凹部50b的深度为25 μ m。并且，仅在凹部50b的表面（内表面)定义理想的朗伯扩散面，凸 部50a的上表面定义为镜面进行了计算。发光元件的芯片尺寸为450 μ m见方，衬底10的 厚度为lOOym。在该情况下，如图9 (c)所示可知，通过由凹部50b的表面进行的扩散，辐 射形状接近朗伯形状。这样，在凹部50b的表面、即内表面设置扩散面（纹理)，能够使辐射 形状接近朗伯形状。
[0133] 图10表示本实施方式的半导体发光元件的光取出的计算评价结果。纵轴是以光 取出面为镜面的情况为1进行了标准化。图中的虚线表示在不设置由凸部50a和凹部50b 形成的条纹结构50的比较用的结构中、在光取出面定义朗伯扩散面的情况下的计算结果。 比较用的光取出的比率的值为1. 25。
[0134] 图中的标记□表示在光取出面设置有条纹结构50的情况下的计算结果，凹部50b 的表面为镜面。横轴表示凸部50a的上表面的面积对凹部50b的表面的面积之比的值。凹 部50b的截面形状呈宽度和深度均为20 μ m的V字状。该情况下的光取出比率的值为1. 5 左右。
[0135] 图中的标记?表示凹部50b的截面形状是宽度和深度均为20μπι的V字状，表示 在凹部50b的表面定义有朗伯扩散面的情况下的计算结果。即，与本实施方式相当。在该 情况下，光取出比率的值表示为2. 0以上。此外，根据标记□和虚线能够设想的光取出比率 (标记□的结果和虚线的结果的积）的值为1. 9左右。因此可知，本实施方式的光取出比率 的值比根据标记□和虚线能够设想的光取出比率的值大。另外，凸部50a的上表面50d的 面积对凹部50b的表面的面积之比的值越小，表示越高的光取出比率。
[0136] 本实施方式中，可知通过由凸部50a和凹部50b形成的条纹结构50以及形成在凹 部50b的表面的微细的凹凸结构（纹理）51的协同效应，能够实现不能够容易设想的、光取 出效率的提高。
[0137] 微细的凹凸结构51的表面粗糙度Ra可以为λ/30以上λ X5以下。另外，可以 为λ/30以上λ Χ3以下。另外，可以为λ/4以上λ Χ3以下。在此，λ为从活性层22出 射的光的波长。Ra位于λ /30彡Ra彡λ Χ3的范围时，从凹部50b的表面透过的光受到被 称为瑞利散射、米氏散射的效果。表面粗糙度在λ/2以上时，扩散成分增加。
[0138] 具体而言，使在活性层22中产生的偏振光的波长为450nm时，表面粗糙度Ra可以 为15nm以上2. 25μπι以下。另外，表面粗糙度Ra可以为15nm以上1.35μπι以下。另外， 表面粗糙度Ra可以为113nm以上1.35μπι以下。其中，表面粗糙度Ra需要比L1的值小。 在此，表面粗糙度Ra能够通过激光显微镜（Keyence公司制造 VK-X200)等测定。在以截面 观看测定的面时，能够通过"JIS B0601"规定的算术平均粗糙度求出。按照"JIS B0601" 测定测定面的截面曲线，根据截面曲线求出波浪曲线，从截面曲线减去波浪曲线。即，通过 进行从截面曲线仅提取粗糙度的操作，能够获得粗糙度曲线。按照"JIS B0601"定义的坐 标系，使测定面方向为X轴、测定截面方向为Z轴。
[0139] 波浪& >9 )是指以比粗糙度大的间隔形成的表面的周期的起伏，在本发明中， 凹部50b与波浪相当。在此，为了简化说明，通过在凹部50b延伸的方向上采用测定截面进 行说明。
[0140] 在如上所述使用测定截面的情况下，不需要考虑条纹结构50的较大的凹凸形状 形成的波浪。其结果，波浪曲线为直线，所以测定误差降低，能够求出准确的表面粗糙度Ra。 能够在X轴方向上仅提取基准长度1，在该提取部分中应用最小二乘法，通过以下的公式 (1)进行表示。
[0141]
【权利要求】
1. 一种半导体发光元件，其特征在于： 具备以非极性面或半极性面为主面的、包括发出偏振光的活性层的氮化物类半导体层 叠结构， 所述半导体发光元件具有条纹结构，该条纹结构设置在横切所述偏振光的出射路径的 位置，包括相互平行地延伸的多个凹部， 所述凹部的延伸方向与所述偏振光的偏振方向所成角度为0°以上45°以下， 所述多个凹部在该多个凹部的表面的至少一部分具有比所述凹部的深度浅的纹理。
2. 如权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于： 还具备保持所述氮化物类半导体层叠结构的衬底， 所述条纹结构形成于所述衬底。
3. 如权利要求2所述的半导体发光元件，其特征在于： 所述凹部的深度为所述衬底的厚度的二分之一以下。
4. 如权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于： 还具备透光性部件， 所述条纹结构形成于所述透光性部件。
5. 如权利要求4所述的半导体发光元件，其特征在于： 还包括使所述氮化物类半导体层叠结构生长的衬底， 所述透光性部件设置在所述衬底的与所述氮化物类半导体层叠结构相反侧的面上。
6. 如权利要求2?3和5中任一项所述的半导体发光兀件，其特征在于： 所述衬底由氮化镓、蓝宝石或碳化硅构成。
7. 如权利要求1?6中任一项所述的半导体发光兀件，其特征在于： 相互相邻的所述凹部彼此之间的区域是平坦的。
8. 如权利要求1?7中任一项所述的半导体发光兀件，其特征在于： 所述凹部的延伸方向与所述偏振光的偏振方向所成角度为0°以上25°以下。
9. 如权利要求1?8中任一项所述的半导体发光兀件，其特征在于： 设所述偏振光的波长为λ时，所述凹部的深度为λ/0.628以上。
10. 如权利要求1?9中任一项所述的半导体发光兀件，其特征在于： 设相互相邻的所述凹部彼此的间隔为L2,所述凹部的宽度为L1时，L2/L1的值为1. 7 以下。
11. 如权利要求1?9中任一项所述的半导体发光兀件，其特征在于： 设所述偏振光的波长为λ时，所述纹理的凹部的延伸方向的线截面粗糙度Ra为λ/30 以上λ Χ5以下。
12. 如权利要求1?10中任一项所述的半导体发光兀件，其特征在于： 所述氮化物类半导体层叠结构的所述主面为m面，所述偏振方向为a轴方向。
13. 如权利要求1?12中任一项所述的半导体发光元件的制造方法，其特征在于： 所述凹部和该凹部的表面的纹理通过热熔形成。
14. 如权利要求13所述的半导体发光元件的制造方法，其特征在于： 所述热熔通过激光照射发生。
15. 如权利要求14所述的半导体发光元件的制造方法，其特征在于： 所述激光照射使用的激光的扫描速度为200mm/s以上。
16. -种光源装置，其特征在于，包括： 权利要求1?12中任一项所述的半导体发光兀件；和 波长转换部，其包含对从所述半导体发光元件辐射的光的波长进行转换的荧光物质。
【文档编号】H01L33/32GK104160520SQ201280049611
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2012年9月20日 优先权日:2012年2月1日
【发明者】藤田稔之, 井上彰, 横川俊哉 申请人:松下电器产业株式会社
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