专利名称：半导体发光元件及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种半导体发光元件，例如发光二极管、半导体激光器等及其制造方法。
背景技术：
要改善半导体发光元件，例如发光二极管、半导体激光器等的亮度，极为重要的是有效地将发光元件的活性层中所发出的光提取(extract)到元件的外部。也就是说，必须尽可能多地限制发光元件表面的光线反射，使所发出的光泄漏到元件的外部，而增加所谓的光提取效率。
一种限制发光元件表面全反射的方法，可以作为限制发光元件表面的光线反射而增加光提取效率的措施。更为具体地说，透过元件表面所发出的光，或者在发光元件表面全反射的光的比率取决于发光元件表层的折射指数(refraction index)及外界(包括透明保护层或者类似物)的折射指数。随着表层与外界之间的折射指数之差变小，临界角就会增大。临界角是表面层与外界之间界面的入射光角度。假设表层的折射指数为n11，且外界的折射指数为n12。在这种情况下，临界角θ可以通过下面的数学表达式1表示(数学表达式1)θ＝sin-1(n11/n12)由数学表达式1显而易见，随着表层的折射指数n11和外界的折射指数n12之差变小，也就是说，随着n11/n12的比率越接近于1，临界角θ就会获得越大的值(越接近于90°的值)。入射角大于临界角θ的光线在界面完全被反射，因而不会泄漏到外部。相应地，随着折射指数之间的差变小，会被完全反射的光线的比值变小，因而更多的光发出到外界，结果获得较高的光线提取效率。
然而，通常发光元件形成有一表层，该表层由砷化镓或具有折射指数为2～4的类似物制成，由具有折射指数大约为1.5的树脂模制而成。由于表层和外界之间的折射指数的差比较大，光线提取效率会比较低。因此，产生了各种提高光线提取效率的方法。
作为这类方法中的一种，有种技术在光学窗上形成表面具有凹部和凸部的光线散射层，光线从光学窗提取，如未审查的日本专利申请KOKAI公开号H10-163525(专利文献1)和未审查的日本专利申请KOKAI公开号H11-46005(专利文献2)。通过形成表面具有凹部和凸部的光线散射层，期望在光散射层表面的光线全反射得到限制，而光线有效地发出到元件的外部。
然而，形成这样的散射层，在可加工性和可重复性上，会有困难。例如，根据专利文献1中所揭示的光线散射层形成方法，散射粒子需要一致地分散。根据专利文献2中所揭示的光线散射层形成方法，气泡必须一致地分散在液状薄层中。然而，很难以高产量实现有优良的重复性的散布，和制造具有高一致性和所需亮度的发光元件。
或许可以考虑一种方法直接在光学窗的表面形成凹部和凸部。然而，这种方法也具有可加工性的问题，并且凹部和凸部的形成会对发光元件的电属性产生不良影响。
这样，常规地需要一种半导体发光元件及其制造方法，通过适当限制元件表面的光线反射，而具有较高的从元件表面提取光线的效率，且可以以较好的可加工性和可重复性制造。
由此可见，上述现有的半导体发光元件及其制造方法在结构、方法与使用上，显然仍存在有不便与缺陷，而亟待加以进一步改进。为了解决半导体发光元件及其制造方法存在的问题，相关厂商莫不费尽心思来谋求解决之道，但长久以来一直未见适用的设计被发展完成，而一般产品又没有适切的结构能够解决上述问题，此显然是相关业者急欲解决的问题。
有鉴于上述现有的半导体发光元件及其制造方法存在的缺陷，本发明人基于从事此类产品设计制造多年丰富的实务经验及专业知识，并配合学理的运用，积极加以研究创新，以期创设一种新型结构的半导体发光元件及其制造方法，能够改进一般现有的半导体发光元件及其制造方法，使其更具有实用性。经过不断的研究、设计，并经反复试作样品及改进后，终于创设出确具实用价值的本发明。
发明内容
本发明的目的在于，克服现有的半导体发光元件及其制造方法存在的缺陷，而提供一种新的半导体发光元件及其制造方法，所要解决的技术问题是使该发光元件具有较高的光提取效率，并可以以很好的可加工性和重复性进行制造，从而更加适于实用，且具有产业上的利用价值。
本发明的另一目的在于，提供一种半导体发光元件及其制造方法，所要解决的技术问题是使在该元件表面上适当限制发出的光的反射，从而更加适于实用。
本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的一种半导体发光元件，包括半导体层16，形成光学窗；第一光线透射层19，形成于上述的半导体层16之上；及第二光线透射层20，形成于上述的第一光线透射层19之上，其中上述的第一光线透射层19的折射指数n2在不小于{(n1×n3)1/2×0.8}且不大于{(n1×n3)1/2×1.2}的范围之内，其中，n1表示上述的半导体层16的折射指数，n3表示上述的第二光线透射层20的折射指数，且上述的第一光线透射层19的厚度在不小于{λ/4n2)×(2m+1)-(λ/8n2)}且不大于{(λ/4n2)×(2m+1)+(λ/8n2)}的范围之内，其中，λ表示所发出的光的波长，m表示不小于0的正整数。
本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。
前述的半导体发光元件，其中，上述的第一光线透射层19通过将具有不同折射指数的多个层堆叠而形成；且上述的第一光线透射层19每层的折射指数n2j在折射指数n2i与折射指数n2k之间限定的范围之内，折射指数n2i为在上述半导体层16之侧与上述的每层邻接的层的折射指数，折射指数n2k为在上述第二光线透射层20之侧与上述的每层邻接的层的折射指数。
前述的半导体发光元件，其中所述的第一光线透射层19每一层的折射指数n2j在不小于{(n2i×n2k)1/2×0.8}且不大于{(n2i×n2k)1/2×1.2}的范围之内。
前述的半导体发光元件，其中所述的第一光线透射层19每一层的厚度在不小于{(λ/4n2j)×(2l+1)-(λ/8n2j)}且不大于{(λ/4n2j)×(2l+1)-(λ/8n2j)}的范围之内，其中λ表示所发出的光的波长，l表示不小于0的正整数。
前述的半导体发光元件，其中所述的第二光线透射层20由保护薄层形成。
前述的半导体发光元件，其中所述的第一光线透射层19由无机绝缘材料制成。在这种情况下，防止上述的第一光线透射层19与上述的半导体层16分离，且长时间具有较高的可靠性。
本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的一种半导体发光元件，其包括半导体层16，形成光学窗；及第一光线透射层19，形成于上述的半导体层16之上，其中构造上述的发光元件，使从上述的半导体层16所发出的光穿透上述的第一光线透射层19发出到外部大气中，上述的第一光线透射层19的折射指数n2在不小于{(n1×n3)1/2×0.8}且不大于{(n1×n3)1/2×1.2}的范围之内，其中，n1表示所述的半导体层16的折射指数，n3表示大气折射指数，且上述的第一光线透射层19的厚度在不小于{(λ/4n2)×(2m+1)-(λ/8n2)}且不大于{(λ/4n2)×(2m+1)+(λ/8n2}}的范围之内，其中，λ表示所发出的光的波长，m表示不小于0的正整数。
根据本发明的半导体发光元件，从半导体层16发出的光透过第一光线透射层19发出到大气中。光线提取效率表示光发出到大气中的程度，其可以基于半导体层16的折射指数n1、第一光线透射层19的折射指数n2和第二光线透射层20的折射指数n3之间的关系进行改善。
本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的一种半导体发光元件，其包括半导体层16，通过使电洞和电子复合，发出具有波长λ的光，及第一发光层19，堆叠于上述的半导体层16之上，其中第二光线透射层20堆叠于上述的光线透射层19的一侧，该侧与放置上述的半导体层16的一侧相对，构造上述的发光元件，使从上述的半导体层16所发出的光，经由上述的第一光线透射层19被导引到上述的第二光线透射层20，并且因而引导到外部，至少上述的半导体层16的一部分具有折射指数n1，光线由该部分发出到上述的第一光线透射层19，上述的第一光线透射层19具有折射指数n2，且上述的第二光线透射层20具有折射指数n3，上述的第一光线透射层19的折射指数n2在不小于{(n1×n3)1/2×0.8}且不大于{(n1×n3)1/2×1.2}的范围之内，上述的第一光线透射层19的厚度在不小于{(λ/4n2)×(2m+1)-(λ/8n2)}且不大于{(λ/4n2)×(2m+1)+(λ/8n2)}的范围之内，其中，m表示不小于0的正整数。
根据本发明，光线提取效率表示光线从半导体发光元件发出到大气中的程度，其可以基于半导体层16的折射指数n1、第一光线透射层19的折射指数n2和第二光线透射层20的折射指数n3之间的关系进行改善。
另外，根据本发明半导体发光元件，不需要任何特殊的制程来改善光提取效率，使元件制造中的可行性和可重复性成为可能。
本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。
前述的半导体发光元件，其中所述的半导体层16包括，产生电子的N型载流子注入层11、12，产生电洞的P型载流子注入层14、15，以及通过将上述的N型载流子注入层11、12注入的电子和上述的P型载流子注入层14、15注入的空穴复合而发光的活性层13，上述的N型载流子注入层11、12、活性层13、P型载流子注入层14、15和第一光线透射层19依次顺序堆叠，且反射薄层形成于，从上述的活性层13开始，朝向上述的N型载流子注入层11、12的区域所包括的任意部分之上，使由上述的活性层13向N型载流子注入层11、12所发出的光在上述的反射薄层上被反射，从而被导向上述的第一光线透射层19。
根据本发明的半导体发光元件，活性层13向N型载流子注入层11、12发出的光在反射薄层的表面反射向第一光线透射层19。因为如此，所以可以增加导向第一光线透射层19的光线量。这样导致半导体发光元件的光提取效率的改善。
前述的半导体发光元件，其中所述的具有折射指数n3的保护薄层形成为上述的第二光线透射层20。
前述的半导体发光元件，其中所述的第二光线透射层20为外部大气，且上述的半导体层16所发出的光穿透上述的第一光线透射层19发出到外部大气。
本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的一种半导体发光元件的制造方法，该半导体发光元件包括，形成光学窗的半导体层16、形成于上述的半导体层16之上的第一光线透射层19、以及形成于上述的第一光线透射层19之上的第二光线透射层20，其包括以下步骤通过使用具有折射指数n2的材料且给定一厚度形成上述的第一光线透射层19，折射指数n2在不小于{(n1×n3)1/2×0.8}且不大于{(n1×n3)1/2×1.2}的范围之内，(其中，n1表示上述的半导体层16的折射指数，n3表示上述的第二光线透射层20的折射指数)，给定的厚度在不小于{(λ/4n2)×(2m+1)-(λ/8n2)}且不大于{(λ/4n2)×(2m+1)+(λ/8n2)}的范围之内，(其中，λ表示所发出的光的波长，m表示不小于零的正整数)。
本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。
前述的半导体发光元件的制造方法，其中所述的第一光线透射层19通过堆叠具有不同折射指数的多个层形成，且上述的第一光线透射层19的每一层使用具有折射指数n2j且给定一厚度的材料形成，折射指数n2j在不小于{(n2i×n2k)1/2×0.8}且不大于{(n2i×n2k)1/2×1.2}的范围之内，(其中n2i表示在上述的半导体层16之侧与上述的每一层邻接的层的折射指数，n2k表示在上述的第二光线透射层20之侧与上述的每一层邻接的折射指数)，给定的厚度在不小于{(λ/4n2j)×(2l+1)-(λ/8n2j)}且不大于{(λ/4n2j)×(2l+1)+(λ/8n2j)}的范围之内，(其中λ表示发出的光的波长，l表示不小于0的正整数)。
本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。由以上技术方案可知，本发明是关于一种半导体发光元件及其制造方法，在窗层15和保护层20之间提供有光线透射层19，光线透射层19具有在窗层15和保护层20的折射指数之间的一折射指数。光线透射层19的折射指数n2，例如在窗层15和保护层20的折射指数的几何平均值的±20％范围之内。光线透射层19的厚度满足{(λ/4n2)×(2m+1)-(λ/8n2)}≤T≤{(λ/4n2)×(2m+1)+(λ/8n2)}，其中λ表示所发出的光的波长，m表示不小于0的正整数。
借由上述技术方案，本发明半导体发光元件及其制造方法提供一种半导体发光元件及其制造方法，该发光元件具有较高的光提取效率，并可以以很好的可加工性和重复性进行制造。另外，本发明提供一种半导体发光元件及其制造方法，在该元件表面上适当限制发出的光的反射。其具有上述诸多的优点及实用价值，并在同类产品及制造方法中未见有类似的结构设计及方法公开发表或使用而确属创新，其不论在产品结构、制造方法或功能上皆有较大的改进，在技术上有较大的进步，并产生了好用及实用的效果，且较现有的半导体发光元件及其制造方法具有增进的多项功效，从而更加适于实用，而具有产业的广泛利用价值，诚为一新颖、进步、实用的新设计。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，以下特举多个较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
图1所示为根据本发明实施例的半导体发光元件的结构图。
图2A所示为半导体基底的制程图。
图2B所示为光线透射层的制程图。
图2C所示为阳极的制程图。
图3所示为根据本发明实施例的半导体发光元件的修改例。
图4所示为根据本发明实施例的半导体发光元件的光线输出的测量结果。
图5所示为应用本发明实施例半导体发光元件的灯的光线输出的测量结果。
具体实施例方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的半导体发光元件及其制造方法其具体实施方式
、结构、方法、步骤、特征及其功效，详细说明如后。
以下参阅附图详细说明本发明实施例半导体发光元件。作为例子，以下说明的是半导体发光元件形成发光二极管的情况。
请参阅图1所示，为根据本发明实施例的半导体发光元件10的剖面图。如图1中所示，本发明实施例半导体发光元件10由半导体基板16构成，该半导体基板16包括N型基底11，N型辅助层12、活性层13、P型辅助层14，及窗层15。半导体发光元件10由形成于半导体基板16的一个表面上的阴极17、形成于半导体基板16的另一表面上的阳极18、光线透射层19、保护层20形成。
如图1所示，半导体发光元件10具有一种结构，在此结构中，阳极18、光线透射层19和保护层20堆叠在半导体基板16的一侧。保护层20堆叠在光线透射层19的一侧。形成阳极18，使其渗透在光线透射层19的中央部分，其一端部表面在保护层20中，且另一端部表面与在其一边的半导体基板16的一端部表面接触(即，与窗层15的端部表面接触)。
阴极17堆叠在半导体基板16的另一侧，与上述的一侧相对。提供阳极18和阴极17，使其经过半导体基板16彼此相对。
如图1所示，半导体基板16具有一种结构，在此结构中，N型辅助层12堆叠在N型基底11的一侧，活性层13堆叠在N型辅助层12的一侧，P型辅助层堆叠在活性层13的一侧而窗层15堆叠在P型辅助层14的一侧。
在半导体基板16中，N型基底11和N型辅助层12为产生N型载流子(电子)的半导体层，并作为N型载流子注入层将N型载流子注入到活性层13中。另外，在半导体基板16中，P型辅助层14和窗层15为产生P型载流子(空穴)的半导体层，并作为P型载流子注入层将P型载流子注入到活性层13中。
N型基底11由砷化镓(GaAs)或者类似物制成的N型半导体基底形成。N型基底11具有，例如大约1×1018cm-3的杂质浓度和大约250μm的厚度。
N型辅助层12形成于N型基底11的一个表面上，由铝-镓-铟-磷(AlGaInP)或类似物制成的半导体层形成。N型辅助层12，例如是通过外延增长方法形成。N型辅助层12具有，例如大约5×1017cm-3的杂质浓度和大约2μm的厚度。
活性层13形成于N型辅助层12之上，由AlGaInP或类似物制成的半导体层形成。活性层13，例如是通过外延增长方法形成。所形成的活性层13具有0.5μm的厚度。活性层13为发光层，其通过电致发光而发光。当来自活性层13两个表面并注入其中的载流子(空穴和电子)复合时，活性层13就会引起发光。当半导体发光元件10通过阳极18和阴极17由外部电源供电，使在阳极18和阴极17之间有电流流过时，载流子注入到活性层13中。
P型辅助层14形成于活性层13之上，由AlGaInP或类似物制成的半导体层形成。P型辅助层14通过，例如外延增长方法形成，并且形成具有，例如大约5×1017cm-3的杂质浓度和大约2μm的厚度。
构成N型辅助层12或P型辅助层14的AlGaInP中Al的相对比例设为，高于构成活性层13的AlGaInP中Al的相对比例。通过这样的设置，可能有效地将活性层13中发生的载流子复合生成的光发出到活性层13的外部。
N型辅助层12和P型辅助层14可以分别称为N型覆层和P型覆层。
窗层15形成于P型辅助层14之上，是由磷化镓(GaP)掺入P型杂质或类似物制成的半导体层形成。窗层15也称作电流扩散层。窗层15通过，例如外延增长方法形成，且形成具有大约5×1017cm-3的杂质浓度和大约2μm的厚度。窗层15形成半导体基板16的一个表面，且如下文中详细叙述，形成光学窗，活性层13所发出的光从其提取到外部。
在P型辅助层14和窗层15之间，可以提供N型AlGaInP或类似物制成的电流阻挡层。
阴极17由金-锗合金(Au-Ge)薄层，金-锗合金、镍(Ni)和金(Au)制成的金属性多层薄层或类似物形成，其形成于N型基底11上，该N型基底11形成具有上述设置的半导体基板16的一个表面。
由金-锌合金(Au-Zn)、金-铍-铬合金(Au-Be-Cr)、金(Au)以及类似物制成的金属性多层薄层形成的阳极18，通常是形成于窗层15的中间部分，窗层15形成半导体基板16的另一表面。阳极18通常是以圆形提供在窗层15之上，窗层15上没有被阳极18覆盖的区域是为发出的光线形成窗区域。
在窗层15上不被阳极18覆盖的区域提供光线透射层19。光线透射层19由无机绝缘材料，例如氧化钛(TiOx)、氧化锌(ZnO)、氮化硅(SiN)、氧化锆(ZrO)、硫化锌(ZnS)或者类似物制成，其为由活性层13发出的光的透射(transmissive)，如下文中所述，其具有预定的折射指数和厚度。
保护层20形成于光线透射层19之上。保护层20由高透射性材料，例如环氧树脂或类似物制成，并且具有保护半导体基板16不受到湿气或类似的功能。
在具有上述设置的半导体发光元件10中，光线透射层19具有适当限制窗层15和保护层20之间光线反射的功能，具有光线透射层19的该功能从活性层13射入到窗层15的发出光有效地泄漏到元件的外部，实现高光提取效率。下面详细说明光线透射层19。
介入在窗层15和保护层20之间的光线透射层19由具有折射指数n2的材料制成，折射指数n2在窗层15的折射指数n1和保护层20的折射指数n3之间。在本例中，光线透射层19的折射指数n2设置在窗层15的折射指数n1和保护层20的折射指数n3的几何平均值的±20％范围之内，即，在下面的数学表达式2所表示的范围之内。
(数学表达式2)(n1×n3)1/2×0.8≤n2≤(n1×n3)1/2×1.2例如，在一种情况下，其中窗层15用GaP(折射指数n1＝3.4)形成、保护层20用环氧树脂(折射指数n3＝1.5)形成，可以选择具有不小于1.81(＝(n1×n3)1/2×0.8)且不大于2.71(＝(n1×n3)1/2×1.2)的折射指数的材料，例如氧化钛(折射指数为2.26)。设置光线透射层19的厚度T，以满足下列数学表达式3，数学表达式3用到光线透射层19的折射指数n2和活性层13所发出的光的波长λ。
(数学表达式3)(λ/4n2)×(2m+1)-(λ/8n2)≤T≤(λ/4n2)×(2m+1)+(λ/8n2)(其中，m表示不小于0的正整数)
通过形成具有满足上述数学表达式2的折射指数n2和满足上述数学表达式3的厚度T的光线透射层19，在界面反射的光线彼此削弱或者通过干涉彼此抵消，限制了在界面的反射。
较佳地，在上述数学表达式3中，m＝0，1，或2。这是因为，如果m不小于3，厚度T会变大，导致透过光线透射层19的光线显著变少。
特别地，由氧化钛制成的光线透射层19的厚度T，例如为70.5nm(705)。由AlGaInP制成的活性层13所发出的光的波长λ为560到650nm在λ＝620nm的情况下，当氧化钛的折射指数(光线透射层19的折射指数n2)为大约2.2时，光线透射层19的厚度T(70nm)为105.67nm(＝(λ/4n2)×(2m+1)+(λ/8n2)，m＝0)和35.23nm(＝(λ/4n2)×(2m+1)-(λ/8n2)，m＝0)之间的值。
如上所述，通过形成由具有预定的折射指数n2的材料制成的光线透射层19，以具有预定的厚度T，可能适度地限制光线从保护层20发出之前遇到的界面上的反射。结果，可能有效地提取活性层13向窗层15所发出的光线，经由光线透射层19到外部，而增加所谓的光提取效率。
光线透射层19的折射指数n2设置为窗层15和保护层20的折射指数n1和n3之间的值，窗层15和保护层20将光线透射层19夹在中间，n2的值，例如设为折射指数n1和n3的几何平均值的±20％范围之内。通过使用具有在此范围之内的折射指数n2的材料，通过形成光线透射层19，具有足够的厚度进行所需的干涉效应，可能会适当地限制层间的界面反射。
根据以上的设置，其中提供具有上述的特性的光线透射层19，在光线透射层19的表面不需要形成具有可加工性、可重复性、一致性问题的凹凸表面，为了通过这种凹凸表面的漫射的反射效应获得亮度的改善。相反，较佳的是，为了高精度控制光线干涉，光线透射层19的表面实质上为镜面加工的表面。光线透射层19表面较佳的凹部和凸部深度为不大于从活性层13所发出的光的波长λ的1/10(不大于λ/10)。
以下阐述本发明实施例的显示元件的制造方法。以下所述只是一例，如果有能够获得相同结果的其他方法，制造方法并不局限于此例。
首先，通过外延增长方法，N型辅助层12、活性层13、P型辅助层14和窗层15以此顺序堆叠在由掺有N型杂质的砷化镓(GaAs)制成的N型基底11上。作为外延增长方法，可以使用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)、分子束外延(MBE)、化学束外延(CBE)、分子层外延(MLE)等方法。
在一种情况下，其中应用降压的MOCVD，各层可以以下述的方式形成。将通过把N型杂质掺入到砷化镓(GaAs)中形成的N型基底11准备好。通过运用MOCVD方法，将N型辅助层12、活性层13、P型辅助层14和窗层15通过外延气相增长方法依序形成于N型基底11上。
特别地，首先，通过用作材料气体，TMAl(三甲基铝)、TEG(三乙二醇醚)、TMIn(三甲基铟)和PH3(磷化氢)，形成具有例如(AlxGa1-x)yIn1-yP(0.2≤x≤1)成份的N型辅助层12。作为N型掺杂气体，例如可以用SiH4、(甲硅烷)，Si2H6(乙硅烷)，DESe(二乙基硒)，DETe(二乙基碲)或类似物。
通过使用相同的气体材料，依序形成活性层13，其具有例如(AlxGa1-x)yIn1-yP(0.2≤x≤1)的成份，其中，铝的相对比例比N型辅助层12中的低。形成活性层13不需要掺杂气体。
然后，通过使用相同的材料气体，依序形成P型辅助层14，其具有(AlxGa1-x)yIn1-yP(0.3≤x≤1)的成份，其中的铝的相对比例高于活性层13中的铝的相对比例。例如DEZn(二乙基锌)CP2Mg(二茂镁)或类似物的杂质气体，或者固态铍，可以用于掺杂P型杂质。
在此之后，依序停止供应TMA和TMIn，而引入TEG和PH3，形成由Gap掺入P型杂质制成的窗层15。可以用TBP(特丁基三氢化磷)代替PH3。以这种方式获得图2A所示的半导体基板16。
接着，在窗层15上，通过气相沉积、溅镀，等离子(plasma)CVD、溶胶-凝胶制程、或者类似方法，形成由氧化钛或类似物制成的具有前述预定厚度的光线透射层19。在一种用到氧化钛(折射指数n2＝2.2)的情况下，假设发出的光的波长λ为620nm，根据数学表达式3，光线透射层19的厚度T大约为70.45nm。在此之后，光线透射层19通过光刻或者类似方法形成图案，以形成图2B所示的开口19a。
然后，将金-锌，金-铍-铬、金或类似物制成的金属性多层薄层或类似物，沉积在光线透射层19之上和暴露在开口19a中的窗层15之上，通过真空沉积或者溅镀的方法形成金属薄层。然后，通过蚀刻或者类似方法移去光线透射层19上的金属薄层，形成如图2C中所示的开口19a中的阳极18。
然后，金-锗薄层，金-锗、镍和金制成的金属性多层薄层或者类似物，通过真空沉积或者溅镀的方法沉积在N型基底11所暴露的表面上，形成阴极17。
然后，所获得的堆叠物，特别地，光线透射层19的表面和堆叠物的侧表面覆盖着由环氧树脂或类似物制成的保护层。以这种方式获得图1中所示的半导体发光元件10。
如上所述，根据本实施例，具有预定厚度和折射指数的光线透射层19形成于窗层15和保护层20之间，光线透射层19的折射指数在窗层15和保护层20的折射指数之间取值。具备以上特征的光线透射层19限制了窗层15和保护层20之间的界面上的光线反射，实现了高的光提取效率。
如上所述，光线透射层19可以很容易地通过普通的技术形成。相应地，不需要运用方法为限制全反射而对表面进行粗加工、形成光线散射层等。因此，具有高光提取效率，同时限制了内部的光线反射的半导体发光元件10，以高度可控制的适当的可加工性、重复性和一致性实现。
另外，光线透射层19由无机绝缘材料制成。因此，防止光线透射层19由于发出的光而产生劣化，由于热压、切割、脱落等引起劣化而产生空隙。这样，长时间保持了较高度的可靠性。
以下说明的是根据本实施例制造的半导体发光元件10发出的光线的输出测量结果。图4所示为在具有光线透射层19(氧化钛层)的本实施例半导体发光元件10上进行测试的结果，以观察光线透射层19的厚度与光线输出之间的关系。
在图4中，光线输出指的是与不具有光线透射层19的元件的光线输出相比较的比率。
用于测试的半导体发光元件10包括，砷化镓(GaAs)制成的N型基底11、AlGaInP制成的N型辅助层12、AlGaInP制成的活性层13、AlGaInP制成的P型辅助层14、GaP制成的窗层15、氧化钛制成的光线透射层19、环氧树脂制成的保护层20，并且输出具有波长为620nm的光线。
由图4可知，不管层有多厚，具有光线透射层19(氧化钛层)的半导体发光元件10得到了光线输出，该光线输出改进到不具有光线透射层19的半导体元件的光线输出的大约1.2～大约1.4倍。相应地可以理解为，通过提供光线透射层19，改善了光线的输出，实现了较高的亮度。
检测到的光线输出根据光线透射层19的厚度而变化。特别地，当氧化钛层的厚度为所发出的光线的波长λ的1/4n2(n2＝2.2)，即，大约为70nm时，输出较大。而当其厚度为λ/2n2，即，大约为140nm时，输出较小。基于此事实，可以理解为，所发出的光的强度由于在光线透射层19中的光干涉而改变，当光线透射层19的厚度为(λ/4n2)×(2m+1)(m＝0，1，2，...)时，输出大部分通过干涉而加强的光线。这种形成具有上述厚度的光线透射层19的方式限制了光线反射，而获得具有较高的亮度的发光元件。
接着，测量到通过将晶体加入到半导体发光元件10的芯片中制成的灯的输出。在用于前述测试的半导体发光元件10的芯片中，使用一个具有氧化钛层的芯片作为光线透射层19，具有λ/4n的厚度(＝大约70nm)，一个不具有这样层的芯片。
图5所示为形成有光线透射层19或没有形成光线透射层19的情况下，芯片和灯的光线输出的测试结果。如图5所示，具有光线透射层19的灯获得的光线输出改善为不具有光线透射层的灯的光线输出的1.42倍。基于此事实，可以理解为通过元件获得的亮度提高的效果在芯片状态(state)下适当保持了，或者甚至在将该元件加入灯中的状态下提高了。
本发明并不局限于上述的实施例，而可以以各种方法进行应用或修改。
在根据上述的实施例的发光元件中，例如，反射薄层可以提供在N型基底11和N型辅助层12之间。具有由高导性和反射性材料，例如铝或类似的材料制成的反射性薄层，由活性层13向N型基底11发出的光可以反射向窗层15，使所发出的光的应用率的升高成为可能。
根据前述的实施例，窗层15由具有GaP或类似物制成的单层半导体层形成。然而，窗层15的构造并不局限于此，而是窗层15可以为多层结构。例如，窗层15可以具有AlGaAs半导体层和AlGaInP半导体层堆叠的结构。例如，窗层15可以具有一种结构，其中堆叠有AlGaAs半导体层和AlGaInP半导体层，且阳极18可以形成于AlGaInP半导体层之上。
在前述的实施例中，高度透明的普通树脂密封材料可以用于保护层20。在这种情况下，光线透射层19的折射指数或类似可以在用于保护层20的材料的折射指数基础上设置。另外，可以省略保护层20。在这种情况下，具有基于大气折射指数设置的适当指数的材料可以用于光线透射层19。
根据前述的实施例，光线透射层19由无机绝缘材料制成。然而，可以使用有机树脂材料，例如硅化树脂或类似，只要该材料表现的折射指数满足上述的数学表达式2。
根据上述的实施例，光线透射层19由单层形成。然而，如图3中所示，光线透射层19可以由多层叠在一起的薄层形成。在这种情况下，每层形成具有与各层不同的折射指数和厚度，使得该些值满足数学表达式2和数学表达式3。在图3中，光线透射层19形成为两层，但是，所包括的层数并不局限于两层。
以下说明的是一种情况，其中由氧化钛层和氮化硅层形成的两层光线透射层19形成于窗层15之上，窗层15具有AlGaAs和AlGaInP的叠合结构。
AlGaInP半导体的折射指数为3.3，氧化钛的折射指数为2.2，氮化硅的折射指数为1.8，形成于氮化硅层之上的环氧树脂的折射指数为1.5。相应地，每层的折射指数满足数学表达式2。根据数学表达式2，形成光线透射层19的层的折射指数的范围在其两边相邻层的折射指数的基础上限定。
更具体地说，氧化钛的折射指数2.2下降到不小于1.8(＝(3.3×1.8)1/2×0.8)且不大于2.7(＝(3.3×1.8)1/2×1.2)的范围之内，满足数学表达式2。氮化硅的折射指数下降到不小于1.53(＝(2.2×1.5)1/2×0.8)且不大于2.3(＝(2.2×1.5)1/2×1.2)的范围之内，满足数学表达式2。因此，如上所述，限制了界面的反射。
另外，通过设定两层光线透射层19的每一层的厚度，以满足数学表达式3，通过光线透射层19中光的干涉增强的光发出到外界。特别地，以一种方式满足数学表达式3，氧化钛层的厚度设置在70.45nm(＝620nm/(4×2.2)，m＝0)±35.22nm(＝620nm/(8×2.2))的范围之内，且氮化硅层的厚度设置在84.11nm(＝620nm/(4×1.8))±43.06nm(＝620nm/(8×1.8))的范围之内。
氧化钛层和氮化硅层两者都可以通过使用普通的技术，例如气相沉积、溅镀、等离子CVD、溶胶-凝胶等，很容易地以较好的可行性和重复性形成。
如上所述，只要满足数学表达式2和数学表达式3，光线透射层19可以形成为多层，其进一步可以增加反射限制的效果。然而，如果光线透射层19包括六层或更多层，光线透射层19的整体厚度会变得很大，当光线透过光线透射层19时，使光线很明显变弱。相应地，较佳地，光线透射层19包括5层或者更少。
在前述的实施例中，说明的是本发明半导体发光元件10用于发光二极管的情形。然而，发光元件10可以无限制地应用于任意电致发光类型的半导体元件，例如，半导体激光器等。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的方法及技术内容作出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施例，但是凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
权利要求
1.一种半导体发光元件，其特征在于其包括半导体层(16)，形成光学窗；第一光线透射层(19)，形成于上述的半导体层(16)之上；及第二光线透射层(20)，形成于上述的第一光线透射层(19)之上，其中上述的第一光线透射层(19)的折射指数n2在不小于((n1×n3)1/2×0.8}且不大于{(n1×n3)1/2×1.2}的范围之内，其中，n1表示上述的半导体层(16)的折射指数，n3表示上述的第二光线透射层(20)的折射指数，且上述的第一光线透射层(19)的厚度在不小于{(λ/4n2)×(2m+1)-(λ/8n2)}且不大于{(λ/4n2)×(2m+1)+(λ/8n2)}的范围之内，其中，λ表示所发出的光的波长，m表示不小于0的正整数。
2.根据权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于其中上述的第一光线透射层(19)通过将具有不同折射指数的多个层堆叠而形成；且上述的第一光线透射层(19)每层的折射指数n2j在折射指数n2i与折射指数n2k之间限定的范围之内，折射指数n2i为在上述半导体层(16)之侧与上述的每层邻接的层的折射指数，折射指数n2k为在上述第二光线透射层(20)之侧与上述的每层邻接的层的折射指数。
3.根据权利要求2所述的半导体发光元件，其特征在于其中所述的第一光线透射层(19)每一层的折射指数n2j在不小于{(n2i×n2k)1/2×0.8}且不大于{(n2i×n2k)1/2×1.2}的范围之内。
4.根据权利要求2所述的半导体发光元件，其特征在于其中所述的第一光线透射层(19)每一层的厚度在不小于{(λ/4n2j)×(2l+1)-(λ/8n2j)}且不大于{(λ/4n2j)×(2l+1)+(λ/8n2j)}的范围之内，其中λ表示所发出的光的波长，l表示不小于0的正整数。
5.根据权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于其中所述的第二光线透射层(20)由保护薄层形成。
6.根据权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于其中所述的第一光线透射层(19)由无机绝缘材料制成。
7.一种半导体发光元件，其特征在于其包括半导体层(16)，形成光学窗；及第一光线透射层(19)，形成于上述的半导体层(16)之上，其中构造上述的发光元件，使从上述的半导体层(16)所发出的光穿透上述的第一光线透射层(19)发出到外部大气中，上述的第一光线透射层(19)的折射指数n2在不小于{(n1×n3)1/2×0.8}且不大于{(n1×n3)1/2×1.2}的范围之内，其中，n1表示所述的半导体层(16)的折射指数，n3表示大气折射指数，且上述的第一光线透射层(19)的厚度在不小于{(λ/4n2)×(2m+1)-(λ/8n2)}且不大于{(λ/4n2)×(2m+1)+(λ/8n2)}的范围之内，其中，λ表示所发出的光的波长，m表示不小于0的正整数。
8.一种半导体发光元件，其特征在于其包括半导体层(16)，通过使电洞和电子复合，发出具有波长λ的光，及第一光线透射层(19)，堆叠于上述的半导体层(16)之上，其中第二光线透射层(20)堆叠于上述的第一光线透射层(19)的一侧，该侧与放置上述的半导体层(16)的一侧相对，构造上述的发光元件，使从上述的半导体层(16)所发出的光，经由上述的第一光线透射层(19)被导引到上述的第二光线透射层(20)，并且因而引导到外部，至少上述的半导体层(16)的一部分具有折射指数n1，光线由该部分发出到上述的第一光线透射层(19)，上述的第一光线透射层(19)具有折射指数n2，且上述的第二光线透射层(20)具有折射指数n3，上述的第一光线透射层(19)的折射指数n2在不小于{(n1×n3)1/2×0.8}且不大于{(n1×n3)1/2×1.2}的范围之内，上述的第一光线透射层(19)的厚度在不小于{(λ/4n2)×(2m+1)-(λ/8n2)}且不大于{(λ/4n2)×(2m+1)+(λ/8n2)}的范围之内，其中，m表示不小于0的正整数。
9.根据权利要求8所述的半导体发光元件，其特征在于其中所述的半导体层(16)包括，产生电子的N型载流子注入层(11、12)，产生电洞的P型载流子注入层(14、15)，以及通过将上述的N型载流子注入层(11、12)注入的电子和上述的P型载流子注入层(14、15)注入的空穴复合而发光的活性层(13)，上述的N型载流子注入层(11、12)、活性层(13)、P型载流子注入层(14、15)和第一光线透射层(19)依次顺序堆叠，且反射薄层形成于，从上述的活性层(13)开始，朝向上述的N型载流子注入层(11、12)的区域所包括的任意部分之上，使由上述的活性层(13)向N型载流子注入层(11、12)所发出的光在上述的反射薄层上被反射，从而被导向上述的第一光线透射层(19)。
10.根据权利要求8所述的半导体发光元件，其特征在于其中所述的具有折射指数n3的保护薄层形成为上述的第二光线透射层(20)。
11.根据权利要求8所述的半导体发光元件，其特征在于其中所述的第二光线透射层(20)为外部大气，且上述的半导体层(16)所发出的光穿透上述的第一光线透射层(19)发出到外部大气。
12.一种半导体发光元件的制造方法，该半导体发光元件包括，形成光学窗的半导体层(16)、形成于上述的半导体层(16)之上的第一光线透射层(19)、以及形成于上述的第一光线透射层(19)之上的第二光线透射层(20)，其特征在于其包括以下步骤通过使用具有折射指数n2的材料且给定一厚度形成上述的第一光线透射层(19)，折射指数n2在不小于{(n1×n3)1/2×0.8}且不大于{(n1×n3)1/2×1.2}的范围之内，(其中，n1表示上述的半导体层(16)的折射指数，n3表示上述的第二光线透射层(20)的折射指数)，给定的厚度在不小于{(λ/4n2)×(2m+1)-(λ/8n2)}且不大于{(λ/4n2)×(2m+1)+(λ/8n2)}的范围之内，(其中，λ表示所发出的光的波长，m表示不小于零的正整数)。
13.根据权利要求12所述的半导体发光元件的制造方法，其特征在于上述的第一光线透射层(19)通过堆叠具有不同折射指数的多个层形成，且上述的第一光线透射层(19)的每一层使用具有折射指数n2j且给定一厚度的材料形成，折射指数n2j在不小于{(n2i×n2k)1/2×0.8}且不大于{(n2i×n2k)1/2×1.2}的范围之内，(其中n2i表示在上述的半导体层(16)之侧与上述的每一层邻接的层的折射指数，n2k表示在上述的第二光线透射层(20)之侧与上述的每一层邻接的折射指数)，给定的厚度在不小于{(λ/4n2j)×(2l+1)-(λ/8n2j)}且不大于{(λ/4n2j)×(2l+1)+(λ/8n2j)}的范围之内，(其中λ表示发出的光的波长，l表示不小于0的正整数)。
全文摘要
本发明是关于一种半导体发光元件及其制造方法，在窗层(15)和保护层(20)之间提供有光线透射层(19)，光线透射层(19)具有在窗层(15)和保护层(20)的折射指数之间的一折射指数。光线透射层(19)的折射指数n
文档编号H01S5/00GK1638156SQ20041006158
公开日2005年7月13日 申请日期2004年12月27日 优先权日2003年12月25日
发明者室伏仁, 武田四郎 申请人:三垦电气株式会社