专利名称：半导体发光元件及其制造方法
技术领域：
本发明是涉及半导体发光元件，尤其是涉及由GaN、InGaN、AlGaN等氮化物半导体形成的半导体发光元件。
背景技术：
近年来，通过使用以GaN为代表的氮化物系化合物半导体，能从到目前难以实现的紫外光，以极强的发光强度，发光蓝色、绿色波长带的光，所以使用这些氮化物系化合物半导体的发光二极管(LED)或半导体激光器等发光元件的研制开发广为盛行。尤其是LED，与半导体激光器相比，易于制造和控制，与荧光灯相比，寿命长，所以期待一种使用氮化物系化合物半导体的LED，作为照明用光源。
以下对一例以往的氮化物系化合物半导体进行说明。图16是表示在现有技术文献1(特开2000-196152号公报)的图10中，公开的以往的氮化物系化合物半导体LED的结构立体图。
如图16所示，以往的LED中，包括蓝宝石基板101、依次结晶生长的GaN缓冲层(未图示)、n型GaN层102、InGaN活性层103、和p型GaN层104、并通过蚀刻除去一部分InGaN活性层103和p型GaN层104，在底部设有露出n型GaN层102的沟108。在沟108的底面露出的n型GaN层102上，设有n侧电极106，在p型GaN层104上，设置P侧透明电极105，在其部分上，设有P侧()连接电极107。
该LED如下工作。通过P侧连接电极107注入的空穴，在P侧透明电极105上横向扩展，从p型GaN层104注入InGaN活性层103中。另一方面，通过几侧电极106注入的电子，从n型GaN层102注入InGaN活性层103中。这样，在InGaN活性层103中，空穴和电子进行再结合而产生发光。该光通过P侧透明电极105由LED释放出。
然而，在这种以往的结构中，存在所谓光取出效率低的问题。所谓光取出效率是活性层产生的光中，从LED释放到空气中的比率。光取出效率低的原因，是由于半导体的折射率大于空气，所以来自活性层的光在半导体和空气的界面处形成全反射，而关闭在LED内部的原故。例如，在波长450nm的光时，GaN的折射率为2.45，所以产生全反射的临界折射角小于23度。即，从相对于半导体和空气界面的法线看，以大于该临界角的角度，从活性层辐射出的光，在半导体和空气的界面处形成全反射，最终，从活性层放出的光，只有约4％射出到LED外部。如此，在使用以往的氮化物系化合物半导体的LED中，存在的问题是外部量子效率(投入到LED的电流中，从LED射出光的效率)低，结果，与荧光灯相比，电力转换效率(投入的电力中，取出的光输出效率)也低。
作为对此问题的解决对策，如现有技术文献1的图5中所公开的，提出在LED表面上形成凹凸的技术。图17是表示现有技术文献1的图5中公开的以往氮化物系化合物半导体LED的结构立体图。
图17所示的结构中，在p型GaN层104上形成有凹凸的半球透镜结构。该结构中，从相对于p型透明电极105的平面部与空气界面的法线看，角度大于临界折射角的光，射入设有凹凸部分上时，可形成比临界折射角小的入射角度。因此，活性层中产生的光不会全反射，提高了向LED外部的释放准确率，并提高外部量子效率。
然而，在根据如现有技术文献1中提出的原理，提高光取出效率的技术中，由凹凸面的形状而敏感地变动光的入射角，所以存在凹凸面的设计却非常难，并在制造元件时，因尺寸变动而导致特性不稳定的问题。进而，为了提高光取出效率，需要形成数μm左右深的凹凸，而氮化物系化合物半导体的耐蚀刻性又很高，所以存在加工难的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有外部量子效率高的，同时具有特性稳定，设计加工简易的氮化物系化合物半导体的发光二极管。
本发明半导体发光元件，包括具有含氮化物活性层的半导体多层膜；在该半导体多层膜上设置的，上面具有二维周期结构的凹凸(二维周期结构的凹部或凸部)，并具有将来自上述活性层产生的光，在上述凹凸结构中衍射，并导向半导体层膜外部的透明层的元件。
由此，对于透明层和空气的界面，以比临界折射角大的辐射角度从活性层发出的光，即使辐射角度比临界射角小，在以往形成全反射的光也能取出到外部。因此，提高了光取出效率。
这里，为了产生衍射，凹凸部分具有二维周期结构就可以。二维周期结构与一维周期结构的衍射光栅不同，对于任何方向辐射角度的光都能产生衍射的作用，从而提高光取出效率的效果很高。在纵向及横向上以一定间隔设置成凹凸就能产生衍射，所以与以往的利用透镜折射光来提高光取出效率的方法相比较，因凹凸形状或尺寸变动，对光取出效率的影响少。因此，即使是制造过程中，凹凸部分的形状和尺寸发生变动，也能确保高的光取出效率，而且设计加工简便，因此能提高制造成品的合格率。
将上述凹凸的凹部与上述活性层的距离取为D，将来自上述活性层的光在上述元件中的波长取为λ时，在D≤5λ时，由于凹凸与活性层接近，即使凹凸的高度没有那样大，也能实现由衍射作用提高光取出效率，所以易于加工。
另外，将上述凹凸的周期(间隔)取为L，将来自上述活性层的光在上述元件中的波长取为λ时，在λ≤L≤20λ时，可产生有效的衍射，从而实现了光取出效率的提高。在λ＜1时，因衍射，角度变化过大，不能提高光取出效率。在λ＞20时，会降低光取出效果。这是因为周期过长，衍射效率降低，所以由衍射改变辐射角度光的比率会减少。
另外，将上述凹凸的高度取为h，将来自上述活性层的光在上述元件中的波长取为λ时，在h≤5λ时，由于形成的凹凸的高度浅，所以易于加工。
上述透明层为第1氮化物半导体层时，也可以在该第1氮化物半导体层上设置电极层。这种情况下，由于在折射率高的氮化物半导体层上直接形成凹凸，所以衍射的效率高，并且提高光取出效率的效果高。
这种情况下，在上述电极层的上面，也可以设置反映上述第1氮化物半导体层上面的上述凹凸的凹凸。
另外，上述电极层可以是膜厚50nm以下(“以下”含义为“小于或等于”，下同)的金属或金属氧化物。
上述电极层也可以是铟锡氧化物。
上述半导体多层膜，还具有设在上述活性层上的第1导电型氮化物半导体层，和设在上述活性层下的第2导电型氮化物半导体层，上述透明层也可以具有设在上述第1导电型氮化物半导体层上的电极层。
这种情况下，在上述电极层的上面，也可以设置上述二维周期结构的凹凸。这种情况下，与第1导电型氮化物半导体层的凹凸部分无关，可容易均匀地注入电流，并能防止因电流注入不均匀性而导致电力转换效率降低。
或者，上述透明层还可以具有设在上述电极层上的，具有二维周期凹凸结构的层。这种结构，由于不必加工电极层本身，所以与在透明电极上形成凹凸的情况比较，对电流注入不会产生不均匀性等恶烈影响。其结果，不会产生电力转换效率降低，并能提高光取出效率。而且，由于该透明层不需要导电性，所以与在氮化物半导体层或透明电极上形成凹凸的情况相比，选择材料的自由度高。为此，通过将加工容易的材料用作透明层，再通过采用廉价的制造方法，实现了低成本的元件。
上述电极层为膜厚50nm以下的金属或金属氧化物时，由于能同时形成导电性和透过率，所以能实现高的电力转换效率。
上述电极层也可以是铟锡氧化物。
上述具有二维周期结构的凹凸的层，也可以由树脂形成。在由树脂形成这种具有二维周期结构的凹凸层时，通过压力加工就能形成上述凹凸。这种情况下，不必使用石印或蚀刻等的半导体加工法，就能很容易地形成细微的凹凸。结果，可以降低制造的吞吐量或成本，实现了廉价、高效的半导体发光元件。
上述透明层中，上述凹凸的凸部上面为平坦面时，可以更容易加工成形。
本发明半导体发光元件的制造方法，是具有含氮化物活性层的半导体多层膜，和在上述半导体多层膜上设置的透明层的半导体发光元件的制造方法，包括在上述半导体多层膜上形成上述透明层的工序(a)；和上述工序(a)之后，在表面设有二维周期结构凹凸的模具中，通过挤压上述透明的上面，以在上述透明层的上面，形成与模具中凹凸反向的凹凸的工序(b)。
由此，不使用石印或蚀刻等半导体加工法，就能很容易地形成细微的二维周期凹凸。其结果，可降低制造吞吐量或成本，并实现了廉价高效的半导体发光元件。
如上所述，根据本发明，可以高产量，低价格制造高效率的半导体发光元件，尤其是能制造使用氮化物系化合物半导体的高效率半导体发光元件。
图1是表示本发明第1种实施方式的半导体发光元件结构的立体图。
图2(a)～(d)是表示二维周期结构的具体配置的立体图和平面图。
图3(a)、(b)是表示二维周期结构的具体配置中，按方向配置的间隔不同的结构立体图。
图4(a)、(b)是表示二维周期结构的具体配置中，按方向配置的间隔不同的结构的立体图。
图5(a)、(b)是表示只在部分电极上设有二维周期结构的结构立体图。
图6(a)、(b)是表示以二维周期结构配置的凸部形状的具体种类的立体图和平面图。
图7(a)～(d)是表示以二维周期结构配置凹部结构立体图和平面图。
图8是表示在第1种实施方式中，对凹凸周期和光取出效率的关系，进行理论计算的结果的曲线图。
图9是表示第1种实施方式中，改变凹凸的高度，对凹凸周期和光取出效率的关系，进行理论计算的结果的曲线图。
图10是表示第1种实施方式中，发光波长为450m的LED中，凹凸高度和光取出效率之关系的曲线图。
图11是表示光取出效率，和活性层到凹凸距离之间关系的曲线图。
图12是表示第1种实施方式的半导体发光元件的特性曲线图，(a)表示电流-电压特性，(b)表示电流-光输出特性。
图13是表示本发明第2种实施方式的半导体发光元件结构的立体图。
图14是表示本发明第3种实施方式的半导体发光元件结构的立体图。
图15(a)～(c)是表示利用压力形成透明层的工序的立体图。
图16是表示现有技术文献1中图10公开的以前氮化物系化合物半导体LED的结构立体图。
图17是表示现有技术文献1中图5公开的以往的氮化物系化合物半导体LED的结构的立体图。
图中，1-蓝宝石基板，2-n型GAN层，3-InGAN活性层，4-p型GAN层，5-ITO透明电极，6-n侧电极，7-p侧连接电极，8-沟，9-透明层，11-凸部，12-凹部，20-发光二极管，21-模具，22-透明层，23-凹部。
具体实施例方式
下面对本发明的实施方式，一边参照附图一边进行更详细说明。
(第1种实施方式)图1是表示本发明的第1种实施方式的半导体发光元件结构的立体图。如图1所示，本实施方式的半导体发光元件是包括如下部分的LED，即，包括蓝宝石基板1；设在蓝宝石基板1上的30nm厚非掺杂的GaN缓冲层(未图示)；设在GaN缓冲层上的，掺杂了浓度为2×1018cm-3的n型杂质的2μm厚的n型GaN层2；由设在n型GaN层2上的，PL(光致发光)峰值波长为450nm的，非掺杂In0.45Ga0.55N组成的，厚度为3nm的InGaN活性层3；在InGaN活性层3上设置的，掺杂浓度为7×1017cm-3的p型杂质的，厚度为400nm的p型GaN层4。这些氮化物系化合物半导体，可利用MOCVD法(有机金属化学气相成长Metal-Organical VahorDeposition)或MBE法(分子线外延生长Molecular Beam Epitaxial)等结晶生长方法形成。本说明书中所说的“非掺杂”，表示不进行有意识的掺杂。
通过蚀刻，除去一部分InGaN活性层3和p型GaN层4，在底面上设有露出n型GaN层的沟8。该沟8，例如，通过光刻法，在p型GaN层4上形成具有开口的抗蚀剂掩膜(未图示)后，再通过RIE(反应性离子蚀刻Reactive Ion Etching)法、离子研磨(Ion Milling)等干蚀刻技术、边照射紫外线的光化学蚀刻、或使用加热的酸、碱液进行的湿式蚀刻技术，除去p型GaN层4和InGaN活性层3而形成。
在p型GaN层4的上面，形成有二维周期结构的凹凸。凹凸的周期，即在二维的面内，纵向或横向上相邻的凹部或凸部的中心间的间隔为1μm，凹凸的高度为200nm。该凹凸的形成，是在p型GaN层4上形成抗蚀剂层(未图示)，通过干涉曝光和电子束曝光、步进法(step-and-repeatphotolithographic system with demagnification)等方法，按照二维周期结构的配置上形成抗蚀剂层图案后，将抗蚀剂层作为掩膜，进行干蚀刻或湿蚀刻而形成的。
在形成了凹凸的p型GaN层4上，例如沉积上100nm厚的ITO(IndiumTin Oxide)，作为透明电极5。ITO可以通过溅射法等形成。作为透明电极5，不仅仅是ITO一类的导电性金属氧化物，只要是对LED发光波长，透过率高的，导电性高的，接触电阻低的金属薄膜，都可以使用。这种情况下，为了确保透过率，最好是金属膜厚在50nm以下。作为透明电极，例如可以使用膜厚10nm的Ni和其上设置的膜厚40nm的Au的层叠膜。
在沟8底面露出的n型GaN层2上，设有Ti/Al的n侧电极6。进而，在设在未设凹凸区域的p型GaN层4上的ITO透明电极5上，设置Au的P侧连接(bonding)电极7。
在本实施方式的半导体发光元件中，由于在p型GaN层4的表面上形成二维周期结构的凹凸，所以从活性层3发出的光被衍射，由于衍射，相对于半导体与空气的界面，以大于临界折射角的辐射角度，由活性层发出的光的辐射角度小于临界折射角。即，以往，从相对于半导体发光元件和空气界面的法线看的角度，大于临界折射角的光被全反射，但在本实施方式中，这样的光也衍射，并被取出到LED的外部，从而提高了光取出效率。因此，本发明的特征，与只在一个方向上具有周期结构凹凸的衍射光栅不同，是二维周期结构。这种二维周期结构的凹凸，对在任何方向上发射的光也能发挥衍射的作用，所以提高光取出效率的效果高。
涉及二维周期结构的具体种类，边参照附图边进行说明。图2～图7是表示二维周期结构的具体种类的立体图和平面图。首先，图2(a)表示了以三角栅格配置凸部11的情况，图2(c)表示了以正方栅格配置凸部11的情况。实际上这些凸部11在透明电极5上面形成时，分别成图2(b)、(d)所示结构。另外，凸部11的周期也可按方向而不同，具体如图3(a)、(b)所示，相邻的凸部11间隔，按其方向以不同的三角栅格或正方栅格配置。凸部11的周期也可按区域不同，具体如图4所示，在透明电极5的中央部分，以密集状态设置凸部11，也可以在透明电极5的上下，以比中央部分稀疏的状态设置有凸部11等的状态。也可以只在透明电极5的一部分上设有凹凸部分，具体如图5(a)所示，也可以相对于透明电极5的中心，以旋转对称地配置凸部11，如图5(b)所示，只在透明电极5中的中央部分设置凸部11，在其中央部分的周围形成平坦面。而且，凹凸的形状除圆柱状外，也可以是其他形状的，具体如图6(a)、(b)所示，凸部11可以是四方柱或六棱柱形。在以上所述各种结构中，可以不是凸部，也可以二维周期配列凹部。具体如图7(a)所示，可以以三角栅格配置凹部12，如图7(c)所示，也可以正方栅格配置凹部12。实际上这些凹部12，在透明电极5上面形成对，分别形成如图7(b)、(d)所示状态。
以下对凹凸周期与光取出效率的关系，参照图8进行说明。图8是第1实施方式中，对凹凸周期与光取出效率的关系，进行理论计算的结果示意曲线图。所谓凹凸的周期是指在图1所示的半导体发光元件中，在纵横向上以等间隔配列的凹凸，在2维面内，在纵或横方向上相邻凹的中心或凸的中心间的间隔。曲线图的横轴表示以发光波长为450nm的LED中的波长(折射率为2.5时180nm)规格化的凹凸周期，即，相对于LED中的波长的凹凸周期相对值，纵轴表示以没有形成凹凸时的值规格化的光取出效率。另外，此处所说的LED中的波长是用半导体的折射率除真空或大气中的发光波长得到的值。发光波长为450nm，半导体的折射率为2.5时，LED内的波长为180nm。
从图8可知，凹凸的周期在LED中波长的1倍以上20倍以下的范围内时，可增加光取出效率。在呈现折射率高达2.5值的氮化物系化合物半导体层上，直接形成凹凸，所以衍射效率高，提高光取出效率，最大约达到4倍。
凹凸的周期在LED中的波长1倍以下时，衍射形成的角度变化过大，结果，衍射后的辐射角度会大于临界折射角度，所以不可能提高光取出效率。另外，即使在凹凸的周期在LED内波长的20倍以上的情况下，诺周期过长，会降低衍射效率，由于减小了由衍射改变辐射角度的光的比率，所以也就降低了提高光取出效率的效果。
为了产生这样的衍射，只要凹凸具有二维周期的结构就可以。即，设置凹凸最好在纵向和横向上具有一定的间隔，与以往利用设置透镜料折射光，以提高光取出效率的方法比较，因凹凸形状和尺寸变动而对光取出效率的影响少。因此，在本实施方式中，即使在制造过程中，凹凸的形状和尺寸发生变动，由于能确保高的光取出效率，所以易于设计和加工，并能提高制造品的合格率。
接着，对于凹凸高度和光取出效率的关系进行理论计算的结果，参照图9～图11进行说明。图9是第1实施方式中，表示凹凸周期和光取出效率的关系，及改变凹凸高度，进行理论计算结果的曲线图。曲线图的横轴表示凹凸周期对LED中波长的相对值，曲线图的纵轴表示在未形成凹凸时规格化的光取出效率。这样进行4种不同凹凸高度的理论计算，各自的值以分布图示出。而且，图9中的凹凸高度的相对值是凹凸高度相对于LED内波长的值。另一方面，图10和图9一样，是发光波长为450nm的LED中，凹凸高度与光取出效率的关系曲线图，在图9中，凹凸的周期和高度以相对值示出，而图10中，凹凸的周期和高度以具体的值表示的。另外，图11是表示光取出效率与从活性层到凹凸的距离之间关系的曲线图。在图11中横轴表示从凹凸的凹部到活性层为止的距离，纵轴示出光取出效率。
正如从图11所知道的那样，当凹凸和活性层相接近时，提高光取出效率。在图11中，活性层到凹凸的距离在约0.9μm以下时，光取出效率会增高，因此，活性层到凹凸的距离，最好是LED内波长(180nm)的5倍以下。而且，活性层到凹凸的距离短时，如图9所示，凹凸的高度小于从活性层发出的光在LED内波长的1倍(约180nm)时，光取出效率达到以往的2倍以上。这是因为活性层与凹凸接近，凹凸的高度不像那样高的原故。这样，本实施方式中，为衍射光所必需的凹凸深度，但与以往设置透镜来折射光，以提高光取出效率的凹凸深度比较，很浅。因此，在本实施方式中，由于能在加工困难的氮化物系化合物半导体上形成深度浅的凹凸结构，所以比以前容易加工，结果，制造成本低廉。
接着，对本实施方式的半导体发光元件特性，参照图12(a)、(b)进行说明。图12(a)、(b)是表示第1实施方式半导体发光元件的特性曲线图，(a)表示电流—电压的的特性，(b)表示电流—光输出的特性。为了比较，各曲线图中，还示出了以往的未在p型GaN层4表面上形成凹凸结构的半导体元件特性(其中，p型GaN层4的膜厚为200nm)。
观察图12(a)的电流—电压特性时，可知升高本实施方式半导体发光元件的电压，显示出和以往大致相同的曲线。即，在本实施方式的半导体发光元件中，虽然在p型GaN层4的表面上设置了200nm的浅的凹凸结构，但与以往未形成凹凸的实例比较，对电流—电压特性没有产生恶烈影响。
观察图12(b)的电流—光输出特性时，可知与以往的实例相比，本实施方式的元件，在同一电流下的光输出，与图8中的理论计算大致相同，增加了3.5倍。认为这是由于本实施方式的半导体发光元件中，通过形成凹凸，避免了内部量子效率的降低和电转换效率的降低。
即，本实施方式中，只在远离活性层的p型GaN层(接触层)上形成凹凸，与直到活性层为止形成凹凸的情况比较，可以避免由凹凸引起的空穴—电子的表面再结合的增加。由此能防止内部量子效率(注入LED的电流中，在LED内部转换成光的比率)的降低。通过在整个的凹凸面上形成透明电极5，尽管p型GaN层上存在凹凸，仍能向p型GaN层中均匀注入电流。因此，能防止电流注入不均匀而导致电力转换效率降低。如上所述，本实施方式中，可以批量提供不降低电流特性，光取出效率高的半导体发光元件。
(第2种实施方式)图13是表示本发明的第2种实施方式的半导体发光元件结构立体图。如图13所示，本实施方式的半导体发光元件是具有如下部分的LED，即，蓝宝石基板1；设在蓝宝石基板1上的30nm厚的，未掺杂的GaN缓冲层(未图示)；设在GaN缓冲层上的，掺杂了浓度为2×1018cm-3n型杂质的2μm厚的n型GaN层2；设在n型GaN层2上的，PL峰值波长为450nm的，由非掺杂In0.45Ga0.55N构成的3nm厚的InGaN活性层3；和设在InGaN活性层3上的，掺杂了浓度为7×1017cm-3的p型杂质的，厚度为200nm的p型GaN层4。
通过蚀刻，除去部分的InGaN活性层3和p型GaN层4，在底面上设置露出n型GaN层的沟8。
作为透明电极5，在p型GaN层4上，设有300nm厚的，呈现导电性的、透明的ITO等金属氧化物。可利用溅射法和CVD(Chemical VaporDeposition)法等，在p型GaN层4上形成这种透明电极5。在透明电极5的上面，以二维周期结构进行排列，形成周期为0.5μm，高度为200nm的凹凸。这种凹凸可以通过如下方法形成。首先，在p型GaN层4上沉积成上面为平坦状的金属氧化膜(未图示)，在金属氧化膜上形成抗蚀层(未图示)后，利用干涉曝光、电子束曝光或步进法形成图案后，再在该金属氧化物上，以二维周期结构排列形成抗蚀层图案。在此状态下，通过RIE法和离子研磨法等干蚀刻或使用HCl等酸的湿蚀刻，除去金属氧化膜中未覆盖抗蚀层图案的部分，在上面形成具有凹凸的透明电极5。
在沟8底面露出的n型GaN层2上，设置由Ti/Al形成的n侧电极6。进而在未设置凹凸的区域的透明电极5上形成有Au的P侧连接电极7。
本实施方式的特征是，p型GaN层4上呈平坦状，在透明电极5的表面上形成二维周期结构的凹凸。因此，凹凸的周期在LED中波长的1倍以上20倍以下的范围内时，和上述第1种实施方式一样，通过衍射的作用，可以提高光的取出效率。
在此构成中，由于在折射率比氮化物系化合物半导体低的ITO(折射率2.0)透明电极5上形成凹凸，所以提高的光取出效率是以往的2.5倍，比第1种实施方式低。然而，在ITO等金属化合物上形成凹凸，比在耐蚀刻性高的氮化物系化合物半导体层上形成凹凸更容易，所以能够削减制造成本。在氮化物系化合物半导体上形成凹凸时，就元件设计而言，必须注意，使凹凸的底部与活性层保持0.1μm左右的距离等。但在本实施方式中，由于半导体多层膜的结构，本身就和以往的元件相同，所以不必变更以往的元件设计，就可以利用。
(第3种实施方式)图14是本发明第3种实施方式的半导体发光元件的结构的立体图。如图14所示，本实施方式的半导体发光元件是具有如下部分的LED，即，具有蓝宝石基板1；设在蓝宝石基板1上的，厚度为30nm的未掺杂的GaN缓冲层(未图示)；设在GaN缓冲层上的，掺杂了浓度为2×1018cm-3n型杂质的2μm厚n型GaN层的2μm厚GaN层2；设在n型GaN层2上的，PL峰波长为450nm的，由非掺杂In0.45Ga0.55N形成的3nm厚的InGaN活性层3；和设在InGaN活性层3上的，掺杂了浓度为7×1017cm-3p型杂质的，厚度为200nm的p型GaN层4。这些氮化物系化合物半导体，可以通过MOCVD法和MBE法等结晶生长法形成。
通过蚀刻除去一部分的InGaN活性层3和p型GaN层4，在底面上设有露出n型GaN层2的沟8。在p型GaN层4上，作为透明电极5，设有依次由膜厚10nm的Ni和膜厚40nm的Au进行层叠的膜。在沟8底面露出的n型GaN层2上，设有Ti/Al的n侧电极6。
在透明电极5的上面，将由树脂或金属氧化物等透明材料形成的多个透明层9，配置成二维周期结构。配置透明层9的周期为1.5μm，从透明电极5算起透明层9的高度为300nm，本实施方式中，作为透明层9的材质，使用了聚碳酸树脂。进而在一部分的透明电极5上形成Au的p侧连接电极7。
通过透明层9设在半导体发光元件表面上的凹凸周期，在LED内波长的1倍以上20倍以下的范围内时，和上述第1和第2种实施方式一样，通过衍射作用可提高光的取出效率。
在该构成中，通过折射率比氮化物系化合物半导体低的树脂(折射率约1.5)和金属氧化物(折射率约2.0)形成凹凸，所以提高光取出效率是以往的2.0-2.5倍，比第1种实施方式低。然而，以二维周期结构配置树脂和金属氧化物，比通过蚀刻除去一部分耐蚀刻性高的氮化物系化合物半导体层容易，所以可削减制造成本。与在氮化物系化合物半导体和透明电极上形成凹凸的情况比较，不必担心因电流注入不均匀会产生恶烈影响。其结果，不会产生电力转换效率的降低，并能提高光取出效率。
由于透明层9形成在透明电极5上，所以透明层9不需要导电性，材料选择的自由度也就更高，作为透明层9，可以使用更容易加工的材料。例如，使用树脂作透明层9时，不必使用光刻或蚀刻等半导体加工技术，通过加热预先形成凹凸的压模，对树脂加压，转印凹凸结构，即可形成透明层9。图15(a)～(c)是通过压力形成透明层工序的立体图。在该图15中，不是像图3的结构那样，将透明层9设置成凸状，而是表示在透明层上排列凹部的情况。首先，在图15(a)所示的工序中，准备具有凹凸状的模具21、和上面上设有平坦状透明层22的发光二极管20。这样，在图15(b)所示的工序中，在构成透明层22树脂软化的温度下，使模具21中形成凹凸的面与透明层22的上面合在一起，并从上方加压于模具21，在透明层22上复制出与模具21凹凸反向的凹凸。这样，在图15(c)所示的工序中，将模具21与透明层22分离，在透明层22的表面上设置成以二维周期结构排列的凹部23。在通过加压形成凹凸的方法中，与上述所说的光刻和蚀刻的半导体技术不同，由于能非常廉价地形成细微结构，所以能以低成本制造光取出效率高的半导体发光元件。
如上所述，根据本实施方式，可批量提供光取出效率高的半导体发光元件。
上述实施方式中，虽然记载了使用难以加工的氮化物系化合物半导体，对应从LED内发出蓝色和紫色短波长光，形成凹凸周期小的难以进行细微加工的情况，对于作为半导体使用了AlGaAs(折射率3.6)和AlGaInP(折射率3.5)的红外或红色的半导体发光元件，本发明的设计仍可适用。在振荡波长850nm的红外光时，LED内的波长为240nm，在620nm的红色光时，LED内的波长为180nm。因此，根据图8，凹凸的周期，在红外光时，为1.6μm，在红色时，为1.2μm，光取出效率的增加，都达到了最大效果。这样实现了以比亚μm加工低的成本，完成μm级的加工。
如上所述，本发明可以高批量，低价格制造出使用了氮化物系化合物半导体的高效率半导体发光元件，就此点而言，工业上的应用价值极高。
权利要求
1.一种半导体发光元件，其特征在于，包括具有含氮化物的活性层的半导体多层膜；设在上述半导体多层膜上的，上面具有二维周期结构的凹凸，使由上述活性层发出的光，在上述凹凸中衍射后导出半导体多层膜外的透明层。
2.根据权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于，将上述凹凸的凹部与活性层的距离取为D、将由活性层发出的光在上述元件中的波长取为λ时，D≤5λ。
3.根据权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于，将上述凹凸的周期取为L，将从上述活性层发出的光在上述元件中的波长取为λ时，λ≤L≤20λ。
4.根据权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于，将上述凹凸的高度取为L，将从上述活性层发出的光在上述元件中的波长取为λ时，h≤5λ。
5.根据权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于，上述透明层为第1氮化物半导体层，在上述第1氮化物半导体层上进一步设有电极层。
6.根据权利要求5所述的半导体发光元件，其特征在于，在上述电极层上面，设有反映上述第1氮化物半导体层上面的上述凹凸的凹凸。
7.根据权利要求5所述的半导体发光元件，其特征在于，上述电极层是膜厚50nm以下的金属或金属氧化物。
8.根据权利要求5所述的半导体发光元件，其特征在于，上述电极层是铟锡氧化物。
9.根据权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于，上述半导体多层膜具有设在上述活性层上的第1导电型氮化物半导体层，和设在上述活性层下的第2导电型氮化物半导体层；上述透明层，具有设在上述第1导电型氮化物半导体层上的电极层。
10.根据权利要求9所述的半导体发光元件，其特征在于，在上述电极层的上面，设有上述二维周期结构的凹凸。
11.根据权利要求9所述的半导体发光元件，其特征在于，上述透明层进而具有设在上述电极层上的，具有上述二维周期结构的凹凸。
12.根据权利要求9所述的半导体发光元件，其特征在于，上述电极层是膜厚50nm以下的金属或金属氧化物。
13.根据权利要求9所述的半导体发光元件，其特征在于，上述电极层是铟锡氧化物。
14.根据权利要求11所述的半导体发光元件，其特征在于，上述具有二维周期结构的凹凸的层，是由树脂形成。
15.根据权利要求14所述的半导体发光元件，其特征在于，通过压力加工形成上述凹凸。
16.根据权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于，上述透明层中的上述凹凸的凸部上面的平坦面。
17.一种半导体发光元件的制造方法，是具有含氮化物，活性层的半导体多层膜，和设在该半导体多层膜上的透明层的半导体发光元件的制造方法，其特征在于，包括在上述半导体多层膜上，形成上述透明层的工序(a)，在上述工序(a)之后，将上述透明层的上面，通过在表面设有二维周期凹凸结构的模具中挤压，以在上述透明层的上面上，形成与上述模具中的凹凸成反向的凹凸的工序(b)。
全文摘要
本发明提供以高批量、低价格提供了一种使用氮化物系化合物半导体的高效率半导体发光元件。在p－GaN层4上形成二维周期凹凸结构，上述凹凸的周期为在由活性层(3)发射光的半导体中波长的1～20倍。结果，通过二元周期结构的凹凸而衍射的效果，改变由活性层(3)发射光的行进方向。在没有凹凸的情况下，满足在半导体元件和空气界面处的全反射条件的辐射角度光，不可能取出到半导体元件外，元件的发光效率低。另一方面，如本发明，以周期形成二维凹凸时，由于以不能形成全反射的角度来衍射光，所以能极大地提高向半导体元件外的取出效率，结果，可提高元件的发光效率。
文档编号H01L33/42GK1538537SQ200410035309
公开日2004年10月20日 申请日期2004年4月15日 优先权日2003年4月15日
发明者折田贤儿 申请人:松下电器产业株式会社