半导体发光器件及其制造方法

专利名称：半导体发光器件及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种半导体发光器件例如发光二极管或半导体激光器，尤其是涉及光提取效率提高的半导体发光器件，本发明还涉及这种半导体发光器件的制造方法。
背景技术：
为了提高半导体发光器件的光提取效率，已经尝试，在发光器件的前表面上形成纳米尺寸的规则结构(凹面和凸面)(Applied PhysicsLetters，142，vol.78，2001，Jpn.J.Appl.Phys.，L735，vol139，2000)。由于凹面和凸面的周期(period)是纳米尺寸的，因此凹面和凸面区域就象一层那样来起作用，能够平滑地改变从半导体表面到空气的折射指数。这样，就没有反射发生，并且光完全透过半导体。
然而，利用这样的结构，光提取效率根据凹面和凸面区域的形状的不同而发生很大改变。因此，这种结构已经不能产生足够的效果。而且，上述规则结构必须通过基于电子束、蚀刻等进行构图来产生。这样，该结构的制造就需要较高的制造成本且生产率低。因此，这种结构是不实际的。而且，由于为了具有纳米尺寸，必须生产规则结构，因此工艺的安全系数也低。
再者，为了在光发射器件的表面上形成纳米尺寸的结构，表面用树脂组合物进行蚀刻，以形成作为掩模的微相分离结构。在有选择地除去微相分离结构的其中一个相之后，基底表面利用作为蚀刻掩模的另一个相进行蚀刻(公开号为2003-258296的日本专利申请)。在另一种公知方法中，通过用盐酸、硫酸、过氧化氢或它们的混合物处理表面，而使发光器件的前表面粗糙(公开号为2000-299494的日本专利申请)。
然而，这些方法都易受基底的晶面影响。也就是说，一些暴露面是粗糙的，而其它面不是，这取决于晶面取向。这样，光提取表面并不总是粗糙的，由此限制了光提取效率的提高。而且，凹面和凸面的形状明显影响光提取效率。迄今为止，还没有鉴定出所需的形状。
如上所述，为了提高光提取效率，已经尝试在半导体发光器件的表面上形成精细的凹面和凸面结构。然而，还没有获得足够的效果，因为凹面和凸面的最佳形状还是未知的。而且，在发光表面的表面上高度重复地形成精细的凹面和凸面结构，也是非常困难的。

发明内容
按照本发明的一个方面，提供了一种半导体发光器件，包括半导体发光部件，所述半导体发光部件包括其上形成有多个凸面结构的光提取表面；凸面结构，每个凸面结构包括构成折射指数梯度结构的锥形平台部分、构成衍射光栅结构的圆柱形部分、以及构成折射指数梯度结构的锥形部分，所述平台部分、圆柱形部分和锥形部分按此次序从光提取表面向外设置，其中凸面结构之间的周期大于发射波长的1/(外部介质的折射指数+凸面结构的折射指数)，且等于或小于发射波长，而圆柱形部分的等效圆平均直径为平台部分底部的等效圆平均直径的1/3至9/10。
按照本发明的另一方面，提供了一种半导体发光器件，包括半导体发光部件，所述半导体发光部件包括其上形成有多个凸面结构的光提取表面；凸面结构，每个凸面结构包括构成折射指数梯度结构的锥形平台部分、构成衍射光栅结构的圆柱形部分、以及构成折射指数梯度结构的锥形部分，所述平台部分、圆柱形部分和锥形部分按此次序从光提取表面向外设置，其中凸面结构之间的周期大于发射波长的1/(外部介质的折射指数+凸面结构的折射指数)，等于或小于发射波长，而圆柱形部分的平均高度，为发射波长的0.5至1.6倍，圆柱形部分的等效圆平均直径为平台部分底部的等效圆平均直径的1/3至9/10，圆柱形部分的平均高度至少为发射波长的3/10，且等于或小于发射波长，平台部分顶部的等效圆平均直径与圆柱形部分的等效圆平均直径相等，而平台部分底部的等效圆平均直径大于发射波长的1/(外部介质的折射指数+凸面结构的折射指数)，且等于或小于发射波长，平台部分的平均高度，为发射波长的1/10至1/5，以及锥形部分底部的等效圆平均直径与圆柱形部分的等效圆平均直径相等，而锥形部分的平均高度至少为发射波长的1/10，且等于或小于发射波长。
按照本发明的另一方面，提供了一种包括半导体发光部件的半导体发光器件的制造方法，所述方法包括在半导体发光部件的光提取表面上形成掩模，在掩模上周期性地设置环形图案，利用所述掩模，通过活性离子蚀刻技术，有选择地蚀刻半导体发光部件的光提取表面，以形成凸面结构，每个凸面结构包括构成折射指数梯度结构的锥形平台部分、构成衍射光栅结构的圆柱形部分、以及构成折射指数梯度结构的锥形部分，所述平台部分、圆柱形部分和锥形部分按此次序从光提取表面开始设置，并且凸面结构之间的周期大于发射波长的1/(外部介质的折射指数+凸面结构的折射指数)，且等于或小于发射波长，而圆柱形部分的等效圆平均直径为平台部分底部的等效圆平均直径的1/3至9/10。
按照本发明的另一方面，提供了一种包括半导体发光部件的半导体发光器件的制造方法，所述方法包括
在半导体发光部件的光提取表面上形成掩模，在掩模上周期性地设置环形图案，利用所述掩模，通过活性离子蚀刻技术，有选择地蚀刻光提取表面，以形成每个凸面结构的圆柱形部分，所述圆柱形部分构成衍射光栅结构，并将凸面结构之间的周期设置成大于发射波长的1/(外部介质的折射指数+凸面结构的折射指数)，且等于或小于发射波长；以及利用惰性气体，通过物理蚀刻技术，蚀刻光提取表面，以便在每个圆柱形部分的底部形成构建折射指数梯度结构的锥形平台部分，在圆柱形部分的顶部形成构建折射指数梯度结构的锥形部分，并且将圆柱形部分的等效圆平均直径设置成，平台部分底部的等效圆平均直径的1/3至9/10。


图1是表示按照本发明的半导体发光器件的基本构造的截面图；图2是表示图1中的凸面结构的放大视图；图3是表示按照本发明一个实施例的发光二极管的部件结构的截面图；图4是表示按照本发明另一个实施例的发光二极管的部件结构的截面图；图5A-5E是表示图3中的发光二极管的制造工艺的截面图(采用具有嵌段共聚物的微相分离结构)；图6A-6D是表示图3中的发光二极管的制造工艺的截面图(采用PS细球)；图7A-7D是表示图3中的发光二极管的制造工艺的截面图(采用电子束构图)；图8A-8E是表示按照第六实例的发光二极管的制造工艺的截面图；图9A-9E是表示按照第七实例的发光二极管的制造工艺的截面图；图10是表示按照第13实例的发光二极管的部件结构的截面图；图11是表示按照第15实例的发光二极管的部件结构的截面图；图12表示按照第17实例的发光二极管的部件结构的截面图；图13A-13E是表示按照第七实例的发光二极管的制造工艺的截面图；图14A-14D是表示按照第21实例的发光二极管的制造工艺的截面图；以及图15是表示凸面衍射光栅结构并图示出本发明原理的截面图。
具体实施例方式
在本发明的实施例之前先描述本发明的原理。
为了提高半导体发光器件的光提取效率，发明人将精力集中在研究和各种实验上。结果，发明人发现，通过在光提取表面上形成凸面结构并优化该凸面结构，能够显著提高光提取效率。
图1是表示按照本发明的半导体发光器件的基本构造的截面图。下述三级构造的凸面结构20，是在具有发光层13的面发光半导体发光部件基底10的光提取表面上形成的。
该光提取表面是发光部件基底10的光照射侧的最外层表面。光提取表面通常是电流扩散层，凸面结构20在其上形成。电极在一部分电流扩散层上形成。其上没有形成电极的一部分电流扩散层表面，是光提取表面；凸面结构20在该部分上形成。而且，无机光透射层在电流扩散层上形成，并具有与电流扩散层相等的折射指数。凸面结构20可以在无机光透射层上形成。凸面结构20优选地在其上不形成电极的电流扩散层的暴露表面上直接形成，因为此工艺容易且可获得较高的光提取效率。
每个凸面结构20包括三个部分，即构成折射指数梯度结构的平台部分21、构成衍射光栅结构的圆柱形部分22、和构成折射指数梯度结构的锥形部分23。
凸面结构20之间的设置周期H，大于发射波长的1/(外部介质的折射指数+基底的折射指数)，且等于或小于发射波长。在此处，外部介质的折射指数小于基底的折射指数。每个凸面结构20的圆柱形部分22的等效圆平均直径C，为凸面结构20的平台部分21底部的等效圆平均直径的1/3至9/10。再者，凸面结构20的平均高度B，为发射波长的0.6-1.5倍。
构成凸面结构20的三个部分21、22和23的尺寸和高度如下所述。
(圆柱形部分)圆柱形部分22的平均高度E至少为发射波长的3/10，至多等于发射波长。
(平台部分)平台部分21的底部的等效圆平均直径A，大于发射波长的1/(外部介质的折射指数+基底的折射指数)，且等于或小于发射波长。平台部分21的顶部的等效圆平均直径C，等于圆柱形部分22的C。平台部分21的平均高度D为发射波长的1/10至1/5。
(锥形部分)锥形部分23的底部的等效圆平均直径F，等于圆柱形部分22顶部的等效圆平均直径。锥形部分23的平均高度G至少为发射波长的1/10，至多等于发射波长。
在此处，凸面结构20之间的周期被定义为，凸面结构20的锥形部分23的内凸距离。每个圆柱形部分22和锥形部分23底面的等效圆平均直径F，被定义为2×(面积/π)0.5。对于圆柱形部分22和锥形部分23，每个圆柱和锥的底表面的圆形系数，被规定为至少0.6，至多为1。该圆形系数是由4π×面积/(周长)2来定义的。如果圆形系数小于0.6，则圆柱或锥的底表面就被认为是一个圆。在这种情况下，此图并不是圆柱形或锥形部分。这样，按照本发明，至少为0.6的圆形系数被认为是对应于一个实质圆。在这种情况下，圆柱形或锥形部分的等效圆平均直径意味着，与转变成真实圆的实质圆的面积对应的直径。
本发明可应用于不仅包括可见光而且包括紫外光的光。因此，发射波长适合至少为300nm，至多为800nm。平台部分21的底部的等效圆平均直径，至少为300/(外部介质的折射指数+基底的折射指数)nm，至多为800nm。
在本发明中，具有精细凹面和凸面的表面位于构成光发射部件的半导体层的光照射侧的最外层表面。这能够有效地使提取光从光发射部件照射出来。也就是说，在构成透光路径的多H种物质之间的界面上，光的透射损失在具有明显不同的折射指数(例如，至少有1.5的差)的界面上较大。据此，精细凹面和凸面按需配置在构成此界面的表面上。该界面可以是构成发光部件的半导体层与空气层之间的界面，或者如果为了保护发光器件而形成防护膜(例如塑料)，则其可以是半导体层与防护膜之间的界面。
现在，对按照本发明的凸面结构之间的周期、专用于三个部分21、22和23的尺寸以及发光器件的制造方法进行描述。
关于凸面结构之间的周期，当假定如图5所示的衍射光栅时，基于标量理论的衍射光栅公式如下所示。
n0sinθm-nsubsinθi=mλd(m=0,±1,±2,~)...(1)]]>在此公式中，n0、nsub、θi、θm、λ和d表示外部介质的折射指数(设定在3.2)、入射角、出口角、波长和衍射光栅的周期。为了显示至少-1级衍射，需要n0小于nsub(外部介质的折射指数＜基底的折射指数)。m是衍射级数，m-1与光提取的改善有关。在此处，为了简便起见，n0＝1(空气)和λ＝600nm用于计算。下面所示的表1表示出，用公式(1)确定的、-1级光能够被衍射的入射角的计算结果。
表1

表1显示，当凸面结构之间的周期(光栅周期)为100nm时，没有出现衍射。这样，仅有折射指数梯度效应对应于光提取效率的提高。对于150或200nm的光栅周期，在宽角入射时出现衍射。对于200nm的光栅周期，衍射出现的范围宽，即，出现在至少39°的入射角处。这样，利用浅角入射，折射指数梯度效应提高了光提取效率。利用宽角入射，衍射效应提高了光提取效率。这样，光提取效率得以大大提高。公式(1)显示，如果外部介质是空气，则出现衍射，假如光栅周期大于发射波长的1/(1+折射指数)的话。衍射光栅的进一步增大减小了-1级衍射角。在600nm处(等于波长)，衍射角更小，至多为38°。这样，甚至在衍射周期为600nm且等于波长时，光线在大于总反射角度(19°)的角度处发生衍射。据此，光提取效率得以提高。
如果光栅周期大于波长，那么-1级衍射角甚至更小。结果，由于光散射效应，光提取效率不会提高很多。鉴于此，期望凸面结构之间的周期等于或小于波长。
圆柱形部分22的等效圆平均直径为平台部分21底部的等效圆平均直径的1/3至4/5，与平台部分21顶部的等效圆平均直径C相等。其次，在平台部分21与圆柱形部分22之间没有出现反射。
关于同凹面及凸面的尺寸和周期有关的衍射，如果折射指数在空间内有差异(n1和n0)，则如下所示给出散射(衍射)强度Is。
Is=Ie|F(h~)|2=∫vn~2exp[-i(h~·r~kj)]dvkj...(2)]]>n~2=V{n02+⟨η2⟩av-r(r~)}...(3)]]>在这些公式中，Ie是入射光的强度，F是Thomson因子，V是每个单位池的体积。 和 分别是波数和位置向量，<η2>av是空间折射指数中的波动。
公式(3)中的n02仅与非常小的角度相关，并且可以认为是零。据此，将公式(3)替代到公式(2)中导致如下结果。
Is=IeV⟨η2⟩av∫vr(r~)exp[-i(h~·r~kj)]dv...(4)]]>积分中的内容包含凹面和凸面的形状和尺寸因数。解求积分显示，什么角度导致什么出射光。<η2>av是凹面和凸面的密度因数。当该值最大时，散射(衍射)Is就最显著。当GaP的体积分数为ΨA，空间的体积分数为ΨB时，就如下给出<η2>av。
<η2>av＝φAηA2+φBηB2＝φAφB(n1-n0)2…(5)这样，当ΨA＝ΨB＝0.5时，Is就最大。
这表明，ΨA和ΨB的乘积决定衍射效率。等效圆平均直径的最大值为平台部分21底部的等效圆平均直径的约0.7倍。衍射效应在等效圆平均直径偏离此值时更弱。
而且，平台部分21顶部的等效圆平均直径C大于其底部的9/10，或小于底部的1/3，衍射效应减小到用最佳周期产生的衍射效应的1/5或更小。这样，顶部的等效圆平均直径期望为底部的1/3至9/10。这是由以下所述的理论确定的。
正如在文件(Journal of Optical Society of America，1385，vol.72，no.10，October，1982)中所看到的，圆柱形部分22的优选平均高度E据估计为光波长的至少3/10。如果平均高度E更小，就几乎没有衍射效应产生。而且，平均高度E期望等于或小于光的波长。如果平均高度E大于光的波长，则相反，衍射效应就降级。
在导致光散射的表面结构中，更大的表面结构对光线有更显著的影响。该效应与尺寸的平方成正比。这样，平台部分21底部的等效圆平均直径A优选为发光部件所发射的光波长的至少1/20。更小的等效圆平均直径A导致从瑞利(Rayleigh)散射区域发射漂移，由此快速减小凹面和凸面效应。更优选的范围是光波长的至少约1/10。平台部分底部的等效圆平均直径A被设置成大于1/(外部折射指数+基底折射指数)，但是如果外部折射指数为1.5，基底折射指数为3.5，则1/(1.5+3.5)＝1/5，该值在散射区域内。而且，当等效圆平均直径A等于或大于光的波长时，光就识别凹面和凸面本身的形状，由此减小折射指数梯度效应。这不是优选的。而且，等效圆平均直径A期望等于或小于这样的光波长在该光波长处光线不识别凹面和凸面的形状。
平台部分21的平均高度D优选为光波长的至少1/10。更小的平均高度D导致折射指数在非常短的距离内发射改变，由此减小折射指数梯度效应。另一方面，大的平均高度D防碍宽角的光入射到达圆柱形部分22。光学由此反射并回到基底的内部。结果，在圆柱形部分22不产生衍射效应。这样，平均高度D期望至多大约为光波长的1/5。
当平台部分21顶部的等效圆平均直径C大于其底部的9/10时，几乎没有折射指数梯度效应产生，但有反射发生。另一方面，如果平台部分21顶部的等效圆平均直径C小于其底部的1/3，则圆柱形部分22的周期就变得过大。这削弱了衍射效应。因此，顶部的等效圆平均直径C期望为底部的1/3至9/10。
锥形部分23底表面的等效圆平均直径F与圆柱形部分22相等。这避免反射发生在圆柱形部分22与锥形部分23之间的界面。
锥形部分23的平均高度G优选为光波长的至少1/10。更小的平均高度G导致折射指数在非常短的距离内改变，由此减小折射指数梯度效应。另一方面，过度大的平均高度G减小了折射指数梯度效应。这样，平均高度G期望等于或小于光的波长。
(制造方法)正常的光刻曝光装置或电子束构图装置可用作以上所需图案尺寸的生产方法。发明人已经开发出一种利用具有嵌段共聚物的微相分离结构的方法(公开号为2001-151834的日本专利申请)。另一种方法产生聚合物珠、硅珠等作为掩模(Applied Physics Letter，2174，vol63，1993)。
以上掩模是在构成发光器件的半导体层的光照射侧的最上层形成的，或者是在最外层上的无机透光层上形成的。圆柱形图案是通过活性离子蚀刻(RIE)形成的。其后，利用气体例如对材料是化学惰性的Ar、The、Ne、Xe、O2、N2、CF4、CHF3或SF4，来物理蚀刻圆柱形图案。当物理蚀刻圆柱形图案时，就蚀刻圆柱体的顶表面和基底表面而不是圆柱体。平台部分和锥形部分将自形成。以上三个结构部分通过采用这样的二级蚀刻法来产生。
以下描述本发明的细节。
按照本发明的发光部件是半导体发光部件，例如发光二极管(LED)或半导体激光器(LD)。
图3表示出按照本发明一个实施例的发光二极管的部件结构。
在该图中，附图标记11表示n-型GaP基底。异质结构部分在基底11上形成；异质结构部分包括n-型InAlP包层12、InGaP活性层13和p-型InAlP包层14。p-型GaP电流扩散层15在异质结构部分上形成。p-侧电极16在一部分电流扩散部分15上形成。n-侧电极17在基底11的后表面上形成。从其上不形成电极16的电流扩散层15的表面上拾取由活性层13发出的束流。
以上所述的基本构造基本上与常规部件一样。此外，在本实施例中，精细凹面和凸面在其上没有电极形成的电流扩散层15的暴露表面上形成。此表面上的凹面和凸面构成具有凸面结构20的表面。此外，如图4所示，无机透光层18在其上没有电极形成的电流扩散层15的暴露表面上形成；无机透光层18具有与层15相等的折射指数。精细凹面和凸面然后在无机透光层18的前表面上形成。精细凹面和凸面优选在其上没有电极形成的电流扩散层15的暴露表面上直接形成，因为此工艺容易且可获得较高的光提取效率。
现在，对这样的发光部件的制造方法进行描述。
首先，对采用具有嵌段共聚物的微相分离结构进行描述，该方法已经由发明人开发出来(公开号为2001-151834的日本专利申请)。
首先，如图5(a)所示，双异质结构部分在n-GaP基底11上形成；双异质结构部分具有夹在包层12与14之间的活性层13。其次，电流扩散层15在双异质结构部分上外延生长。p-侧电极16在部分电流扩散层15上形成。n-侧电极17在基底11的后表面上形成。以上工艺与按照常规技术的工艺相同。
然后，如图5(b)所示，将溶液涂布在如图5(a)所示构成的发光部件的基底10上；该溶液包括作为微相分离结构组合物并溶解在溶剂内的嵌段共聚物。然后预先烘焙基底，以便蒸发溶剂，从而形成掩模材料层31其后，嵌段共聚物膜在氮气中退火，以便将嵌段共聚物分离成各个相。
然后，被分离成各个相的嵌段共聚物基底，在蚀刻气体的存在下通过RIE进行干蚀刻，从而在被分离成各个相的膜中来蚀刻嵌段共聚物。在这种情况下，由于蚀刻速率在多个构成嵌段共聚物的聚合物片断中存在差异，因此有选择地蚀刻嵌段共聚物片断的任何相。结果，如图5(c)所示，剩下精细图案32。
然后，如图5(d)所示，利用所需的蚀刻气体、而且还利用没有被蚀刻掉而保留下来的聚合物片断图案32作为掩模，通过RIE来蚀刻基底。这样在电流扩散层15的前表面上形成精细的凹面和凸面结构。所用的气体不局限于Cl2，但蚀刻也可通过将BCL3或N2加入到该气体中来实现。其后，利用O2灰化器(asher)除去剩余的聚合物片断，以形成圆柱形凹面和凸面图案。
然后，利用惰性气体诸如Ar或He气体来溅射圆柱形凹面和凸面图案，以便喷射蚀刻圆柱体的上部和底部(如图5(e)所示)。结果，获得凸面结构20，每个凸面结构具有锥形部分、圆柱形部分和平台部分(如图1和2所示)。
另外，对利用PS细球作为聚合物珠制造发光部件的方法进行描述。
如图6(a)所示，发光部件的基底1与图5(a)所示的相同。如图6(a)所示构成的发光部件基底10，浸渍在其内分散有直径为200nm的PS球的水溶液中。其后，逐渐提起基底10。在提起过程中，由于基底表面和水溶液表面以及空气之间存在界面(即，称作液面线)，因此PS球沿液面线被吸引到基底表面。因此，PS球是在基底表面上作为单层构成的。结果，形成PS球的图案33(如图6(b)所示)。
然后，如图6(c)所示，利用PS球图案33，在所需的蚀刻气体处通过RIE，对基底进行干蚀刻。然后在电流扩散层15的前表面上形成精细的凹面和凸面图案。其次，利用O2灰化器除去剩余的PS细球，以形成圆柱形凹面和凸面图案。然后，如图6(d)所示，利用惰性气体来溅射圆柱形凹面和凸面图案，以便喷射蚀刻圆柱体的顶部和底部。结果，获得凸面结构20，每个凸面结构具有锥形部分、圆柱形部分和平台部分(如图1和2所示)。
另外，对利用电子束构图的发光部件的制造方法进行描述。
如图7(a)所示，发光基底10与图5(a)所示的相同。利用这种方法，首先，如图7(b)所示，在发光部件基底10上形成电子束光刻胶(resist)。然后，利用配有图案发生器并具有50kV的加速电压的电子束曝光装置，产生光刻胶图案35；直径为150nm的圆形图案设置在光刻胶图案35上。其次，如图7(c)所示，利用光刻胶图案，在所需的蚀刻气体处通过ICP对基底进行干蚀刻。然后在电流扩散层15的前表面上形成精细的凹面和凸面图案。其次，利用O2灰化器除去剩余的PS细球，以形成圆柱形凹面和凸面图案。然后，如图7(d)所示，利用惰性气体来溅射圆柱形凹面和凸面图案，以便喷射蚀刻圆柱体的顶部和底部。结果，获得凸面结构20，每个凸面结构具有锥形部分、圆柱形部分和平台部分(如图1和2所示)。
利用本发明的方法，通过用准分子激光器(例如F2、ArF或KrF)或来自汞灯的发射谱线(例如i线或g线)代替电子束作为光源而用光刻法获得恰恰相同的结果。
本发明并不局限于上述方法，但对采用嵌段共聚物的微相分离结构的蚀刻方法将给出详细的描述。
形成嵌段共聚物或接枝共聚物薄膜，然后接受微相分离(嵌段共聚物分子中的相分离)。随后，有选择地除去一个共聚物相，从而形成具有纳米尺寸图案的多孔膜。所获得的多孔膜可用作通过蚀刻膜的基底而进行图案转移的掩模。通过利用干蚀刻速率在两个聚合物相之间的差异、可分解性相对能量线的差异、或热解差异，而有选择地将一个聚合物相从微相分离结构中除去。这些方法都无需使用光刻技术。这具有高产量和低成本。
为了形成微相结构成型树脂组合物的薄膜，优选的是，将树脂组合物的均一溶液施加到发光部件的表面上。均一溶液的使用避免膜形成的历程残留下来。如果诸如，相当大球尺寸的胶束在溶液中生成，从而使得涂布液体不均匀，那么不规则的相分离结构就混合，从而造成规则图案的形成困难。这样，就需要较长时间来形成规则图案。这是不优选的。
溶解嵌段共聚物即微相结构成型树脂成分的溶剂，期望对构成嵌段共聚物的两种类型的聚合物显现出高的溶解度。聚合物链之间的排斥力与两种类型的聚合物链之间的溶解度差的平方成正比。这样，使用对两种类型的聚合物显现出高溶解度的溶剂，可减小两种类型聚合物之间的溶解性参数的差，由此减小系统的自由能。这对于相分离是有益的。
为了产生嵌段共聚物薄膜，优选的是，使用具有等于或高于150℃的高沸点的溶剂，例如乙基溶纤剂乙酸酯(ECA)、丙二醇单甲基乙酸酯(PGMEA)或乳酸乙酯(EL)。
所形成的微相分离结构成型组合物薄膜的膜厚度，优选等于或者是靶表面凹面和凸面的等效圆平均直径的三倍。
下述方法用来产生嵌段或接枝共聚物的微相分离结构。例如，嵌段或接枝共聚物溶解到合适的溶剂中，以便制备涂布溶液。将涂布溶液涂到基底上，然后干燥形成膜。随后，通过在等于或高于聚合物的玻璃化转变温度的温度下使此膜退火，可形成良好的相分离结构。下述方法是可能的。使共聚物熔融，然后在等于或高于玻璃化转变温度且等于或低于微相分离的相变温度的温度下，进行退火。随后在室温下使微相分离结构固定。也可通过缓慢地浇铸共聚物溶液，来形成微相分离结构。通过使共聚物熔融、利用热压法、注射法、传递成型法等将其模制成所需的形状、然后使共聚物退火，也可形成微相分离结构。
公开号为2001-151834的日本专利申请，详细描述了利用如此形成的微相分离结构形成纳米尺寸的结构的方式。本发明采用这种方式。
图案转移法也是有效的。此方式在公开号为2001-151834的日本专利申请中有详细的描述，本发明可采用这种方式。具体地说，在化合物半导体的基底上，涂布具有不同蚀刻抵抗性的层(图案转移层)。再将按照本发明的嵌段共聚物层涂布到图案转移层上。在这种情况下，图案转移层可包括旋涂玻璃SOG(Spin On Glass)或公开号为2001-151834的日本专利申请中所示的任何材料。
干或湿蚀刻嵌段共聚物层，以便有选择地仅除去嵌段共聚物的一个相。由此形成凹面和凸面图案。然后，利用有机物质聚合物图案作为掩模，来蚀刻图案转移层。氟-、氯-或溴-基气体使图案转移层例如SOG能够利用有机物质作为掩模进行蚀刻。
以这种方式，嵌段共聚物的微相分离图案被转移到图案转移层上。然后，利用图案转移层(图案已经转移到其上)作为掩模来蚀刻基底。
此方法对蚀刻诸如含有不能为碳基聚合物材料提供蚀刻选择比的金属的化合物是有效的。或者是，多个图案转移层的使用，使得堆叠具有不同蚀刻抵抗性的材料以便获得具有高长宽比图案成为可能。
(实例)现在，参照以下实例来描述本发明。例1-17描述一种利用嵌段共聚物微相分离结构产生凹面和凸面的方法。例18-21描述一种利用PS或硅球产生凹面和凸面的方法。例22描述一种利用电子束构图产生凹面和凸面的方法。
(例1)图3是表示按照本发明第一实例的发光二极管的部件结构的截面图。
在n-GaP基底11上形成双异质结构；该双异质结构具有夹在n-InAlP包层12与p-InAlP包层14之间的InGaAlP活性层13。在双异质结构上形成GaP电流扩散层15。在一部分p-GaP电流扩散层15上形成p-侧电极16。在一部分n-GaP基底11的一部分底表面上形成n-侧电极17。由此，形成发射波长为650nm的发光二极管。
在这种情况下，GaAs可取代GaP用作基底11。InAlP或InGaAlP可取代GaP用作电流扩散层15。当然，基底可以是p型的，且整个导电类型是可逆的。
作为本发明特征的凸面结构20，是在没有电极16形成的那部分电流扩散层15的表面上形成的。如图1和2所示，凸面结构20具有三个部分，即，构成折射指数梯度结构的平台部分21、构成衍射光栅结构的圆柱形部分22、和构成折射指数梯度结构的锥形部分23。凹面和凸面底侧的等效圆平均直径为160nm；该底侧对应于平台部分21的底部。平台部分21顶部等效圆平均直径为100nm。平台部分21的平均高度为80nm。圆柱形部分22的底部和顶部等效圆平均直径为80nm，且与平台部分21底部的相同。圆柱形部分22的平均高度为250nm。锥形部分23底部等效圆平均直径为80nm，且与平台部分21底部的相同。锥形部分23的平均高度为80nm。凸面结构之间的周期为180nm。
现在，对按照本发明的发光二极管的制造方法进行描述。
首先，如图5(a)所示，利用有机金属化学汽相生长法(MOCVD法)，n-InAlP包层12、InGaAlP活性层13、p-InAlP包层14和p-GaP电流扩散层15在n-GaP基底11上连线生长和形成。其后，在电流扩散层15上形成p-侧电极16。在基底11的后表面上形成n-侧电极17。将电极16和17加工成所需的图案。由此，产生发光部件的基底10。
然后，如图5(b)所示，通过以2,500rpm的旋转速度旋涂，而将溶液涂布在发光部件基底10上；溶液含有溶解在溶剂中的嵌段共聚物。然后将发光部件基底10在110℃下预先烘焙90秒，以便使溶剂蒸发。这样在不形成电极16的一部分电流扩散层15的表面上形成嵌段共聚物层31。嵌段共聚物31包括聚苯乙烯(PS)和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。PS具有154,800的分子量，PMMA具有382,300的分子量和1.08的Mw/Mn。随后，在氮气中于210℃下使嵌段共聚物膜31退火4小时，以便将PS从PMMA中分离出来。然后，通过以30sccm的CF4流速、1.33Pa(10mTorr)的压力和100W的功率，进行RIE而对具有嵌段共聚物的相分离基底进行干蚀刻，以便蚀刻PS和PMMA，使其在膜中彼此分离。在这种情况下，由于PS与PMMA之间的蚀刻速率差异，而有选择地蚀刻PMMA，从而剩下PS图案32(如图5(c)所示)。
然后，如图5(d)所示，利用PS图案32作为掩模，通过以50sccm的Cl2流速、0.266Pa(2mTorr)的压力和300W的功率，进行RIE约60秒而对电流扩散层15进行干蚀刻，从而形成精细的圆柱形图案。蚀刻气体不仅仅局限于Cl2，而且还通过将BCl3加入到该气体中，来进行蚀刻。其后，用O2灰化器除去剩余的PS。
然后，如图5(e)所示，以50sccm的Ar流速、0.65Pa(5mTorr)的压力和300W的功率，用Ar气溅射圆柱形图案60秒。由此，溅射圆柱体的底侧和顶部，从而形成平台部分和锥形部分。
结果，在不形成电极和布线图的一部分化合物半导体基底的表面上，形成具有锥形、圆柱形和平台部分的精细凹面和凸面图案。在这种情况下，平台部分底部的平均直径为160nm。平台部分顶部的平均直径为100nm。平台部分的平均高度为70nm。圆柱形部分的平均直径为100nm。圆柱形部分的平均高度为250nm。锥形部分的平均直径为100nm。锥形部分的平均高度为80nm。凸面结构之间的周期为180nm。
具有其凹面和凸面表面的发光二极管被做成尖状。与没有凹面和凸面表面的发光二极管尖相比，具有凹面和凸面表面的发光二极管尖(尖状发光二极管)的发光度增大30％。
这样，按照本实例，在发光部件的光提取表面上就形成合适的凹面和凸面结构。这使得有效提取在器件内部生成的光以提高发光效率成为可能。而且，能够以较低的制造成本和较高的产率来生产发光部件。
(例2)通过以30sccm的O2流速、13.3Pa(100mTorr)的压力和100W的功率，进行RIE而对如例1所述产生的具有嵌段共聚物的相分离基底干蚀刻，以便蚀刻PS和PMMA，使其彼此分离。与CF4蚀刻相反，O2蚀刻不能蚀刻基底，但能够有选择地蚀刻PMMA。随后，利用与例1相似的工艺，形成具有锥形、圆柱形和平台部分的精细凹面和凸面。
在这种情况下，平台部分21底部的平均直径为160nm。平台部分21顶部的平均直径为100nm。平台部分21的平均高度为70nm。圆柱形部分22的平均直径为100nm。圆柱形部分22的平均高度为250nm。锥形部分23的平均直径为100nm。锥形部分23的平均高度为80nm。凸面结构之间的周期为180nm。
具有凹面和凸面表面的发光二极管被做成尖状。与没有凹面和凸面表面的发光二极管尖相比，具有凹面和凸面表面的发光二极管尖的发光度增大30％。
(例3)以3,000rpm的速度，利用旋涂法将溶液涂布在电流扩散层15即例1中所用的发光部件形成基底10的最上层上；通过溶解含有315,000分子量的PS和785,000分子量的PMMA的嵌段共聚物，而获得该溶液。随后，将发光部件基底10在110℃下预先烘焙90秒，以便使溶剂蒸发。由此获得150nm的厚度。然后，在氮气中，于210℃下使嵌段共聚物膜退火4小时，从而将PS与PMMA分开。形成直径约为110NM的PS点图。
通过以30sccm的O2流速、13.3Pa(100mTorr)的压力和100W的功率，进行RIE而对具有嵌段共聚物的相分离GaP基底进行干蚀刻，以便蚀刻PS和PMMA，使其彼此分离。O2蚀刻不能蚀刻基底，但能够有选择地蚀刻PMMA。由于PS和PMMA的蚀刻速率比为1∶4，因此有选择地蚀刻PMMA，从而剩下PS图案。PS图案具有约130NM的厚度。
然后，利用PS图案作为掩模，通过在BCl3/Cl2＝5/20sccm、0.266Pa(2mTorr)和入射功率/偏置功率＝100/100W时，利用电感耦合等离子ICP，而对GaP基底进行干蚀刻150秒。由此，形成直径为100nm、高度为450nm的精细圆柱形图案。随后，用O2灰化器除去剩余的PS。然后，以与例1相同的方式，用Ar气溅射圆柱形图案，从而形成具有锥形、圆柱形和平台部分的精细凹面和凸面。
结果，在GaP发射层的前表面上，形成具有锥形、圆柱形和平台部分的精细凹面和凸面；这些锥形、圆柱形和平台部分具有以下形状。平台部分21底部的平均直径为170nm。平台部分21顶部的平均直径为110nm。平台部分21的平均高度为80nm。圆柱形部分22的平均直径为110nm。圆柱形部分22的平均高度为350nm。锥形部分23的平均直径为110nm。锥形部分23的平均高度为120nm。凸面结构之间的周期为180nm。
具有凹面和凸面表面的发光二极管被做成尖状。与没有凹面和凸面表面的发光二极管尖相比，具有凹面和凸面表面的发光二极管尖的发光度增大60％。
(例4)通过在BCl3/Cl2＝5/20sccm、0.266Pa(2mTorr)和入射功率/偏置功率＝100/100W时，进行RIE而对如例3所述产生的具有嵌段共聚物的相分离基底进行干蚀刻，以便蚀刻PS和PMMA，使其彼此分离。由于PS和PMMA的蚀刻速率比为1∶4，因此有选择地蚀刻PMMA，从而剩下PS图案。然后，以与例1相同的方式，用Ar气溅射圆柱形图案，从而形成具有锥形、圆柱形和平台部分的精细凹面和凸面。
结果，在化合物半导体发光层的前表面上，形成具有锥形、圆柱形和平台部分的精细凹面和凸面；这些锥形、圆柱形和平台部分具有以下形状。平台部分21底部的平均直径为160nm。平台部分21顶部的平均直径为100nm。平台部分的平均高度为100nm。圆柱形部分22的平均直径为100nm。圆柱形部分22的平均高度为300nm。锥形部分23的平均直径为100nm。锥形部分23的平均高度为120nm。凸面结构之间的周期为180nm。利用此工艺，通过BCl3/Cl2的RIE，能够使PMMA一次除去，从而在化合物半导体发光层的前表面上形成凹面和凸面。
具有凹面和凸面表面的发光二极管被做成尖状。与没有凹面和凸面表面的发光二极管尖相比，具有凹面和凸面表面的发光二极管尖的发光度增大55％。
(例5)聚苯乙烯(PS)-聚异戊二稀(PI)用作嵌段共聚物。PS的分子量为450,000，PI的分子量为1,230,000，Mw/Mn为1.07。如例3所述产生具有嵌段共聚物的相分离基底。利用臭氧有选择地氧化和除去PI，对PS-PI嵌段共聚物进行相分离。
用PS图案作为掩模，通过在BCl3/Cl2＝5/20sccm、0.266Pa(2mTorr)和入射功率/偏置功率＝100/100W时，进行RIE而对GaP基底进行干蚀刻160秒。圆柱形图案形成。其后，用O2灰化器除去剩余的PS。然后，以与例1相同的方式，用Ar气溅射圆柱形图案，从而形成具有锥形、圆柱形和平台部分的精细凹面和凸面。
结果，在GaP发射层的前表面上，形成具有锥形、圆柱形和平台部分的精细凹面和凸面；这些锥形、圆柱形和平台部分具有以下形状。平台部分21底部的平均直径为170nm。平台部分21顶部的平均直径为100nm。平台部分21的平均高度为100nm。圆柱形部分22的平均直径为100nm。圆柱形部分22的平均高度为400nm。锥形部分23的平均直径为100nm。锥形部分23的平均高度为120nm。凸面结构之间的周期为180nm。
具有凹面和凸面表面的发光二极管被做成尖状。与没有凹面和凸面表面的发光二极管尖相比，具有凹面和凸面表面的发光二极管尖的发光度增大80％。
与按照本发明的方法有关，由于PI单体不容易吸收水，因此在聚合过程中具有高分子量的物质比PMMA更容易聚合。这易于增大图案的尺寸。本发明的方法要求膜具有与嵌段共聚物产生的图案相等的厚度。由此，较大的图案能够增加转移到化合物半导体上的图案的高度。此外，通过用聚丁二烯(PB)代替PI，可获得几乎相同的结构。
(例6)图8表示出按照本发明第六实施例的发光二极管的制造工艺。在该图中，与图5所示相同的部件具有相同的附图标记。对这些部件的详细描述省略。
如图8(a)所示，制备具有与例1类似结构的发光基底10。最上面的电流扩散层15是InGaAlP。
然后，如图8(b)所示，旋涂抗蚀剂36(由NISSAN CHEMICALINDUSTRIES，LTD制造的ARCXHRiC-11)，以形成厚度为500nm的膜。然后在炉内于300℃下将基底烘焙1分钟。随后，将旋涂玻璃(spin-on-glass)(SOG)37(由TOKYO OHKA KOGYO CO.，LTD制造的OCD T-7)旋涂到厚度为110nm的抗蚀剂36上。然后于200℃下将基底在热板上烘焙60秒，再于300℃下烘焙60秒。另外，通过以2,500rpm的速度旋涂而将溶液38涂布到基底上；溶液38是通过将与例3中所用的相同嵌段共聚物溶解到溶剂中而获得的。然后，于110℃下将基底预先烘焙90秒，以便使溶剂蒸发。随后，在氮气中于210℃下使嵌段共聚物膜退火4小时，从而将嵌段共聚物中的PS与PMMA分离开。
通过以30sccm的O2流速、13.3Pa(100mTorr)的压力和100W的功率，进行RIE而对具有嵌段共聚物的相分离基底进行干蚀刻，以便蚀刻PS和PMMA，使其彼此分离。在这种情况下，由于PS与PMMA之间的蚀刻速度的差异，而有选择地蚀刻PMMA，从而剩下PS图案。利用PS图案作为掩模，通过以30sccm的CF4流速、1.33Pa(10mTorr)的压力和100W的功率，进行CF4RIE而对SOG进行干蚀刻。另外，通过以30sccm的O2流速、1.33Pa(10mTorr)的压力和100W的功率，进行O2RIE而对下部抗蚀剂层进行干蚀刻。由此，获得高度为500nm的柱形图。形成这样的掩模图案39(如图8(c)所示)。
然后，如图8(d)所示，以BCl3/N2＝23/7sccm、0.200Pa(1.5mTorr)和500W的功率，对电流扩散层15进行干蚀刻。最后，用O2灰化器除去剩余的聚合物。通过先前的BCl3/N2蚀刻已经除去SOG。
然后，以与例1相同的方式，用Ar气溅射圆柱形图案，从而形成具有锥形、圆柱形和平台部分的精细凹面和凸面(如图8(e)所示)。
结果，实现了用于普通蚀刻方法难以蚀刻的InGaAlP蚀刻。蚀刻的结果是，形成具有锥形、圆柱形和平台部分的精细凹面和凸面；这些锥形、圆柱形和平台部分具有以下形状。平台部分21底部的平均直径为170nm。平台部分21顶部的平均直径为110nm。平台部分21的平均高度为150nm。圆柱形部分22的平均直径为110nm。圆柱形部分22的平均高度为350nm。锥形部分23的平均直径为110nm。锥形部分23的平均高度为100nm。凸面结构之间的周期为200nm。
(例7)图9表示出按照本发明第七实施例的发光二极管的制造工艺。在该图中，与图5所示相同的部件具有相同的附图标记。对这些部件的详细描述省略。
如图9(a)所示，制备具有与例1类似结构的发光基底10。然后，如图9(b)所示，嵌段共聚物41和41’分别在p-GaP电流扩散层15的前表面上和n-GaP基底11的后表面上形成，这两个表面都是光提取面。
然后，如图9(c)所示，在氮气中于210℃下使嵌段共聚物膜退火4小时，从而将PS与PMMA分离开。形成直径大约为110nm的PS点图。随后，通过以30sccm的O2流速、13.3Pa(100mTorr)的压力和100W的功率，进行RIE而对具有嵌段共聚物的相分离基底进行干蚀刻，以便蚀刻PS和PMMA，使其彼此分离。有选择地蚀刻PMMA，从而剩下PS图案。这两个相反表面都具有约130nm的厚度。
然后，如图9(d)所示，利用PS图案作为掩模，通过在BCl3/Cl2＝5/20sccm、0.266Pa(2mTorr)和入射功率/偏置功率＝100/100W时，进行ICP而对p-GaP和n-GaP表面进行干蚀刻150秒。结果，在p-GaP和n-GaP表面上形成直径为100nm、高度为450nm的精细圆柱形图案。随后，用O2灰化器除去剩余的PS。
然后，如图9(e)所示，如在例1中那样，用Ar气溅射这两个相反表面，从而在这两个相反表面上形成具有锥形、圆柱形和平台部分的精细凹面和凸面。
结果，在每个p-GaP和n-GaP光提取表面上，形成具有锥形、圆柱形和平台部分的精细凹面和凸面。平台部分21底部的平均直径为180nm。平台部分21顶部的平均直径为100nm。平台部分21的平均高度为80nm。圆柱形部分22的平均直径为100nm。圆柱形部分22的平均高度为350nm。锥形部分23的平均直径为100nm。锥形部分23的平均高度为120nm。凸面结构之间的周期为180nm。
具有凹面和凸面表面的发光二极管被做成尖状。与没有凹面和凸面表面的发光二极管尖相比，具有凹面和凸面表面的发光二极管尖的发光度增大100％。另外，按照本发明的发光二极管不仅从前表面发光，而且还从后表面发光。据此，通过在后表面上形成凹面和凸面，明显提高了发光度。
(例8)将旋涂玻璃(SOG)37(由TOKYO OHKA KOGYO CO.，LTD制造的OCD T-7)旋涂到发光部件基底10上，厚度达到110nm；发光部件基底10具有淀积在光提取表面上的InGaAlP，且具有与例6类似的结构。然后于200℃下将基底在热板上烘焙60秒，再于300℃下烘焙60秒。另外，通过以2,500rpm的速度旋涂而将溶液涂布到基底上；此溶液是通过将与例3所用的相同的嵌段共聚物溶解到溶剂中而获得的。然后，于110℃下将基底预先烘焙90秒，以便使溶剂蒸发。随后，在氮气中于210℃下使嵌段共聚物膜退火4小时，从而将嵌段共聚物中的PS与PMMA分离开。
通过以30sccm的O2流速、13.3Pa(100mTorr)的压力和100W的功率，进行RIE而对具有嵌段共聚物的相分离基底进行干蚀刻，以便蚀刻PS和PMMA，使其彼此分离。在这种情况下，由于PS与PMMA之间的蚀刻速度的差异，而有选择地蚀刻PMMA，从而剩下PS图案。利用PS图案作为掩模，通过以30sccm的CF4流速、1.33Pa(10mTorr)的压力和100W的功率，进行CF4RIE而对SOG进行干蚀刻。由此，形成SOG掩模图案39(如图8(c)所示)。
然后，通过在BCl3/Cl2＝5/20sccm、0.266Pa(2mTorr)和入射功率/偏置功率＝100/100W时，进行ICP而对基底进行干蚀刻3分钟。由此形成圆柱形图案(如图8(d)所示)。随后，以与例1相同的方式，用Ar气溅射圆柱形图案，从而形成具有锥形、圆柱形和平台部分的精细凹面和凸面(如图8(e)所示)。
蚀刻的结果是，形成具有锥形、圆柱形和平台部分的精细凹面和凸面；这些锥形、圆柱形和平台部分具有如下形状。平台部分21底部的平均直径为170nm。平台部分21顶部的平均直径为100nm。平台部分21的平均高度为120nm。圆柱形部分22的平均直径为100nm。圆柱形部分22的平均高度为450nm。锥形部分23的平均直径为100nm。锥形部分23的平均高度为150nm。凸面结构之间的周期为180nm。
与没有凹面和凸面表面的发光二极管尖相比，具有凹面和凸面表面的发光二极管尖的发光度增大120％。
(例9)以与例7相同的方式，在GaP电流扩散层15的前表面上形成SOG；GaP电流扩散层15对应于例1中所用的发光二极管。另外，通过以2,500rpm的速度旋涂而将溶液涂布到基底上；此溶液是通过将与例3所用的相同的嵌段共聚物溶解到溶剂中而获得的。然后，于110℃下将基底预先烘焙90秒，以便使溶剂蒸发。随后，在氮气中于210℃下使嵌段共聚物膜退火4小时，从而将嵌段共聚物中的PS与PMMA分离开。
通过以30sccm的O2流速、13.3Pa(100mTorr)的压力和100W的功率，进行RIE而对具有嵌段共聚物的相分离基底进行干蚀刻，以便蚀刻已经相分离的膜中的PS和PMMA。由此形成PS图案。利用PS图案作为掩模，通过以30sccm的CF4流速、1.33Pa(10mTorr)的压力和100W的功率，进行CF4RIE而对SOG进行干蚀刻。
然后，通过在BCl3/Cl2/CF4＝5/20/5sccm、0.266Pa(2mTorr)和入射功率/偏置功率＝100/100W时，进行ICP而对基底进行干蚀刻3分钟。由此形成圆柱形图案。随后，以与例1相同的方式，用Ar气溅射圆柱形图案，从而形成具有锥形、圆柱形和平台部分的精细凹面和凸面。
蚀刻的结果是，形成具有锥形、圆柱形和平台部分的精细凹面和凸面；这些锥形、圆柱形和平台部分具有如下形状。平台部分21底部的平均直径为180nm。平台部分21顶部的平均直径为110nm。平台部分21的平均高度为150nm。圆柱形部分22的平均直径为110nm。圆柱形部分22的平均高度为500nm。锥形部分23的平均直径为110nm。锥形部分23的平均高度为180nm。凸面结构之间的周期为190nm。
与没有凹面和凸面表面的发光二极管尖相比，具有凹面和凸面表面的发光二极管尖的发光度增大150％。
(例10)嵌段共聚物与PMMA均聚物混合，以使它们的重量比为6∶4；嵌段共聚物含有分子量为300,000的PS和分子量为420,000的PMMA，且具有Mw/Mn＝1.07，而PMMA均聚物具有15,000的分子量。然后，将PGMEA溶液调节到含有3wt％的嵌段共聚物和3wt％的PMMA均聚物。通过以2,500rpm的速度旋涂而将溶液涂布到GaP发光层15的前表面上；GaP发光层15对应于例1中所用的发光二极管。然后，于110℃下将基底预先烘焙90秒，以便使溶剂蒸发。随后，在氮气中于210℃下使嵌段共聚物膜退火4小时，从而将嵌段共聚物中的PS与PMMA分离开。
通过以30sccm的O2流速、13.3Pa(100mTorr)的压力和100W的功率，进行RIE而对具有嵌段共聚物的相分离基底进行干蚀刻，以便蚀刻PS和PMMA，使其彼此分离。O2蚀刻不能蚀刻GaP，但能有选择地蚀刻PMMA。由于PS与PMMA的蚀刻速率比为1∶4，因此有选择地蚀刻PMMA，而将PS图案剩下。PS图案具有约130nm的厚度。
用PS图案作为掩模，通过在BCl3/Cl2＝5/20sccm、0.266Pa(2mTorr)和入射功率/偏置功率＝100/100W时，进行ICP而对基底进行干蚀刻150秒。结果，形成直径为100nm、高度为450nm的精细圆柱形图案。随后，用O2灰化器除去剩余的PS。如同例1中的情形，用Ar气溅射圆柱形图案，从而形成具有锥形、圆柱形和平台部分的精细凹面和凸面。
结果，在GaP发光层的前表面上形成具有锥形、圆柱形和平台部分的精细凹面和凸面。平台部分21底部的平均直径为160nm。平台部分21顶部的平均直径为90nm。平台部分21的平均高度为100nm。圆柱形部分22的平均直径为90nm。圆柱形部分22的平均高度为350nm。锥形部分23的平均直径为90nm。锥形部分23的平均高度为110nm。凸面结构之间的周期为180nm。
具有凹面和凸面表面的发光二极管被做成尖状。与没有凹面和凸面表面的发光二极管尖相比，具有凹面和凸面表面的发光二极管尖的发光度增大70％。
发光度比例3高的原因可能如下。将PMMA均聚物加入到嵌段共聚物中，增大了相分离结构的规则性，由此使衍射效率提高。
(例11)在此例中，PS(聚苯乙烯)-PI(聚异戊二稀)二嵌段共聚物(分子量(Mw)为230,000的PS和分子量为400,000的PI，Mw/Mn＝1.06)用作相分离聚合物，还有低分子量的均聚物(分子量Mw2,000，和Mw/Mn1.45)。也就是说，以与例9中所用的相同的方式，将低分子量的PI均聚物加入到PS-PI二嵌段中并溶解到PGEMEA中，从而获得溶液。
采用与例9类似的工艺。即，PS-PI二嵌段共聚物和PI均聚物的混合物在发光部件基底10的GaP电流扩散层15上，形成薄膜。使基底退火，以产生微相分离结构。然后，利用臭氧化物除去PI，从而在基底上产生PS掩模。随后，以与例9中所用相同的方式产生发光部件。
结果，与没有凹面和凸面表面的发光二极管尖相比，具有凹面和凸面表面的发光二极管尖的发光度增大100％。
(例12)通过将分子量为15,000的PMMA和分子量为9,000的PS均聚物加入到含有分子量为240,000的PS和分子量为730,000的PMMA且Mw/Mn为1.08的嵌段共聚物中，而得到混合聚合物。混合聚合物在发光部件基底的电流扩散层上形成薄膜。下表(表2)显示出，PS-PMMA嵌段共聚物、PMMA均聚物和PS均聚物的混合比例，以及由此获得的微相分离图案中的PS的直径。
表2

这表明，通过加入PS，PS的PS球形图案的尺寸增大。本发明所用的构图法要求将膜厚设置成与PS球的直径相等。由此，将聚合物薄膜涂在已有电极产生的GaP电流扩散层15上，同时调节聚合物的浓度和旋涂的旋转速度，以使膜的厚度几乎与所获得的直径相同。然后，以与上述相同的方式对基底进行退火，从而在膜上生成相分离结构。通过以O2＝30sccm、1.33Pa(10mTorr)的压力和100W的功率，进行RIE而对具有嵌段共聚物的相分离基底进行干蚀刻，以便从相分离聚合物膜中除去PMMA。然后，用剩余的PS图案作为掩模，通过以Cl2＝50sccm、0.266Pa(2mTorr)和300W的功率，进行RIE而对基底进行干蚀刻，从而在电流扩散层上形成精细图案。随后，用O2灰化器除去剩余的PS。
其后，以Ar＝50sccm、0.65Pa(5mTorr)和300W的功率，用Ar气溅射圆柱形图案。由此，溅射圆柱体的底侧和顶部，从而形成平台部分和锥形部分。
结果，在没有电极和布线图形成的一部分电流扩散层表面上，形成具有锥形、圆柱形和平台部分的精细凹面和凸面；电流扩散层形成光提取表面。
具有凹面和凸面表面的发光二极管被做成尖状。下表(表3)表示所获得的发光度增大。
表3

如上所述，通过将对应于嵌段共聚物多数相和少数相均聚物加入到嵌段共聚物中，可增大嵌段共聚物的相分离图案的尺寸。例外，由于可增大构成蚀刻化合物半导体所用的掩模的PS高度，因此可将化合物半导体蚀刻更深。此方法在难以增大分子量或减小彼此之差的时候是有效的。
(例13)
图10是按照本发明第13实施例的发光二极管的部件结构的截面图。按照本发明的发光二极管发射紫外光(UV光)。
首先，如下所述，在结晶Al2O3基底51上形成作为蚀刻掩模的SiNx图案。即，利用等离子CVD法在结晶Al2O3基底51上淀积200nm厚的SiNx。通过以3,000rpm的速度旋涂而将溶液涂布到SiNx上；该溶液是通过将含有分子量为315,000的PS和分子量为785,000的PMMA且Mw/Mn为1.06的嵌段共聚物溶解到PGMEA中获得的。然后，于110℃下将基底预先烘焙90秒，以便使溶剂蒸发。由此获得150nm的膜厚。
随后，在氮气中于180℃下使嵌段共聚物膜退火4小时，从而将PS与PMMA分离开。形成直径约为110nm的聚苯乙烯点图。通过以O2＝30sccm、13.3Pa(100mTorr)的压力和100W的功率，进行RIE而对具有嵌段共聚物的相分离结晶Al2O3基底进行干蚀刻，以便有选择地蚀刻PMMA，从而将其与PS分离开。结果，大小约为0.1μm的聚集的聚苯乙烯以约0.1μm的周期保留；聚苯乙烯构成用来形成SiNx图案的掩模。
然后，以Ar/CHF3＝185/15sccm、40mTorr的压力和100W的功率，对SiNx进行蚀刻6.5分钟，从而形成SiNx图案作为蚀刻掩模。随后，用SiNx图案作为蚀刻掩模，通过以BCl3/Cl2＝5/20sccm、5mTorr的压力和100W的功率，进行RIE而对结晶Al2O3基底进行干蚀刻20分钟。其后，以Ar＝50sccm、0.65Pa(5mTorr)的压力和300W的功率，用Ar气溅射Al2O3圆柱形图案5分钟。由此，溅射圆柱体的底侧和顶部，从而形成平台部分和锥形部分。
由此，在结晶Al2O3基底的前表面上形成具有锥形、圆柱形和平台部分的精细凹面和凸面(凸面结构60)。平台部分底部的平均直径为120nm。平台部分顶部的平均直径为80nm。平台部分的平均高度为90nm。圆柱形部分的平均直径为80nm。圆柱形部分的平均高度为250nm。锥形部分的平均直径为80nm。锥形部分的平均高度为100nm。凸面结构之间的周期为170nm。
然后，利用CVD工艺在已经形成凹面和凸面的结晶Al2O3基底表面上依次生长和形成以下层n-Al0.4Ga0.6N(接触层)52、n-Al0.35Ga0.65N(包层)53、n-Al0.28Ga0.72N/n-Al0.24Ga0.76N(SL活性层)54、p-Al0.4Ga0.6N/p-Al0.3Ga0.7N(SL包层)55和p-GaN(接触层)56。随后，有选择地除去从接触层56到包层53的若干层，以便暴露一部分接触层52。然后，在接触层56上形成p-侧电极57，而在接触层52上形成n-侧电极58。随后，切割基底，以获得构成发光部件的芯片。
所产生的器件的构造如图10所示。由活性层54发出的光通过基底51从基底后表面提取。就紫外光(λ＝300nm)的发射强度而言，使按照本发明的发光部件与没有任何凸面结构的发光部件相比较。与没有凹面或凸面的器件相比，具有凸面结构的器件的发光度增大约40％。由此证实，按照本实例获得的结构对紫外光也是有效的。
(例14)与按照例13的具有在结晶Al2O3基底51的前表面上产生的凸面结构60的发光二极管(UV-LED)相反，将发射紫外光的发光二极管即荧光物质(phosphor)置于基底51的后表面上，从而发出白光。荧光物质如表4所示。
表4

这些每个荧光物质都在LED发光表面(图10中的基底51的后表面)上形成薄膜，并用环氧树脂进行密封。就白光的发光度而言，使这种LED与具有类似荧光物质但没有任何凸面结构的LED相比较。与没有任何凹面结构的LED相比，具有凹面和凸面的LED的发光度增大30％。结果，证实，按照本实例获得的结构对具有荧光物质的白色LED也是有效的。
(例15)图11是按照本发明第15实施例的发光二极管的部件结构的截面图。在该图中，与图10所示相同的部件具有相同的附图标记。对这些部件的详细描述省略。按照本实例的发光二极管与例13中的情形一样也发射紫外光(UV光)。
利用CVD工艺在结晶Al2O3基底表面上依次生长和形成以下层n-Al0.4Ga0.6N(接触层)52、n-Al0.35Ga0.65N(包层)53、n-Al0.28Ga0.72N/n-Al0.24Ga0.76N(SL活性层)54、p-Al0.4Ga0.6N/p-Al0.3Ga0.7N(SL包层)55和p-GaN(接触层)56。随后，有选择地除去从接触层56到包层53的若干层，以便暴露一部分接触层52。然后，在接触层56上形成p-侧电极57，而在接触层52上形成n-侧电极58。由此产生发光二极管(UV-LED)。
在基底的相反表面上形成SiNx图案，上述层已经通过CVD工艺堆叠在该表面上。利用等离子CVD法在结晶Al2O3基底51上淀积200nm厚的SiNx。通过以3,000rpm的速度旋涂而将溶液涂布到SiNx上；该溶液是通过将含有分子量为315,000的PS和分子量为785,000的PMMA且Mw/Mn为1.06的嵌段共聚物溶解到PGMEA中获得的。然后，于110℃下将基底预先烘焙90秒，以便使溶剂蒸发。由此获得150nm的膜厚。
随后，在氮气中于180℃下使嵌段共聚物膜退火4小时，从而将PS与PMMA分离开。形成直径约为110nm的聚苯乙烯点图。通过以O2＝30sccm、13.3Pa(100mTorr)的压力和100W的功率，进行RIE而对具有嵌段共聚物的相分离结晶Al2O3基底51进行干蚀刻，以便有选择地蚀刻PMMA，从而将其与PS分离开。结果，大小约为0.1μm的聚集的聚苯乙烯以约0.1μm的周期保留；聚苯乙烯构成用来形成SiNx图案的掩模。
然后，以Ar/CHF3＝185/15sccm、40mTorr和100W的功率，对SiNx进行蚀刻6.5分钟，从而形成SiNx图案作为蚀刻掩模。随后，用SiNx图案作为蚀刻掩模，通过以BCl3/Cl2＝5/20sccm、5mTorr的压力和100W的功率，进行RIE而对结晶Al2O3基底51进行干蚀刻20分钟。其后，以Ar＝50sccm、0.65Pa(5mTorr)的压力和300W的功率，用Ar气溅射Al2O3圆柱形图案5分钟。由此，溅射圆柱体的底侧和顶部，从而形成平台部分和锥形部分。
由此，在结晶Al2O3基底51的前表面上形成具有锥形、圆柱形和平台部分的精细凹面和凸面(凸面结构60)。平台部分底部的平均直径为110nm。平台部分顶部的平均直径为80nm。平台部分的平均高度为90nm。圆柱形部分的平均直径为80nm。圆柱形部分的平均高度为250nm。锥形部分的平均直径为80nm。锥形部分的平均高度为100nm。凸面结构之间的周期为170nm。
所产生的器件的构造如图11所示。就紫外光(λ＝300nm)的发射强度而言，使按照本实例的发光部件与没有任何凸面结构的发光部件相比较。与没有凹面或凸面的器件相比，具有凸面结构的器件的发光度增大约50％。由此证实，按照本实例获得的结构对紫外光也是有效的。
(例16)与按照例15的具有在结晶Al2O3基底51的后表面上产生的凸面结构60的UV-LED相反，将荧光物质(phosphor)置于基底51的后表面上，从而发出白光。如上所述，荧光物质如表4所示。
这些每个荧光物质都在LED的发光表面(图11中的基底51的后表面)上形成薄膜，并用环氧树脂进行密封。就白光束的发光度而言，使这种LED与具有类似荧光物质但没有任何凸面结构的LED相比较。与没有任何凸面结构的LED相比，具有凹面和凸面的LED的发光度增大35％。
(例17)图12是按照本发明第17实施例的发光二极管的部件结构的截面图。
在n-型GaN基底61上生长和形成以下层n-型GaN缓冲层62、n-型GaN包层63、包括InGaN/GaN的MQW活性层64、p-型AlGaN包层65和p-型GaN接触层66。在一部分接触层66上形成p-侧电极67，而在基底61的后表面上形成n-侧电极68。此发光二极管具有400nm的发射波长。作为本实例特征的凸面结构70，在没有电极67形成的一部分接触层66的表面上形成。
现在，对按照本实例的发光二极管的制造方法给予描述。
首先如图13(a)所示，利用MOCVD法，在n-GaN基底61上生长和形成n-GaN缓冲层62和n-GaN包层63。在n-GaN包层63上形成包括InGaN/GaN的MQW活性层64。利用MOCVD法，进一步在MQW活性层64上生长和形成p-AlGaN包层65和p-GaN接触层66。然后，在接触层66上形成p-侧电极67，而在基底61的后表面上形成n-侧电极68。电极67和68被加工成所需的图案。由此产生发光部件基底60。
然后，如图13(b)所示，采用与例9类似的工艺。即，在发光部件基底60上形成SOG膜71，厚度达100nm。然后，通过以2,500rpm的速度旋涂而将溶液72涂布到发光部件基底10上；溶液72含有溶解到溶剂中的嵌段共聚物。然后，于110℃下将发光部件基底60预先烘焙90秒，以便使溶剂蒸发。随后，在氮气中于210℃下使嵌段共聚物膜退火4小时，从而将嵌段共聚物中的PS与PMMA分离开。
然后，如图13(c)所示，通过以30sccm的O2流速、13.3Pa(100mTorr)的压力和100W的功率，进行RIE而对具有嵌段共聚物的相分离基底进行干蚀刻，以便蚀刻膜中的PS和PMMA，从而将它们彼此分离开。由此形成PS图案73。然后，利用PS图案73作为掩模，通过以30sccm的CF4流速、1.33Pa(10mTorr)的压力和100W的功率，进行RIE而对SOG进行干蚀刻。
然后，如图13(d)所示，用SOG作为掩模，通过在BCl3/Cl2＝5/20sccm、0.266Pa(2mTorr)和入射功率/偏置功率＝100/100W时，进行ICP而对基底进行干蚀刻150秒。结果，形成圆柱形图案。
随后，如图13(e)所示，以Ar＝50sccm、0.65Pa(5mTorr)的压力和300W的功率，用Ar气溅射圆柱形图案2分钟。由此，溅射圆柱体的底侧和顶部，从而形成平台部分和锥形部分。蚀刻的结果是，形成具有锥形、圆柱形和平台部分的精细凹面和凸面；这些锥形、圆柱形和平台部分具有如下形状。平台部分底部的平均直径为140nm。平台部分顶部的平均直径为100nm。平台部分的平均高度为100nm。圆柱形部分的平均直径为100nm。圆柱形部分的平均高度为400nm。锥形部分的平均直径为100nm。锥形部分的平均高度为100nm。凸面结构之间的周期为180nm。
就发射效率而言，使按照本实例的样品与没有图案的样品相比较。其次，据验证，与没有图案的样品相比，按照本实例的样品的发光度增大80％。
(例18)包括GaP发光层表面的发光部件基底10浸渍到水溶液中，所述水溶液中分散有直径为200nm的PS球(密度1.05)；发光部件基底10可用于例1中的发光二极管。随后，在包括25℃温度和40％湿度的条件下，以10μm/sec的速度将基底10提起。在提起的过程中，由于基底表面与水溶液表面以及空气之间存在界面(即弯月面)，因此PS球沿弯月面附着到基底表面上。据此，PS球作为单层构造在基底表面上(图6(b))。
用PS球作为掩模，通过在BCl3/Cl2＝5/20sccm、0.266Pa(2mTorr)和入射功率/偏置功率＝100/100W的条件下进行ICP，而对基底进行干蚀刻2分钟。结果，形成圆柱形图案(图6(c))。随后，如图13(e)所示，以与例1中所用相同的方式，用Ar气溅射圆柱形图案，从而形成具有锥形、圆柱形和平台部分的精细凹面和凸面(如图6(d)所示)。
蚀刻的结果是，形成具有锥形、圆柱形和平台部分的精细凹面和凸面；这些锥形、圆柱形和平台部分具有如下尺寸。平台部分底部的平均直径为200nm。平台部分顶部的平均直径为150nm。平台部分的平均高度为100nm。圆柱形部分的平均直径为150nm。圆柱形部分的平均高度为300nm。锥形部分的平均直径为150nm。锥形部分的平均高度为120nm。凸面结构之间的周期为220nm。
就发射效率而言，使按照本实例的样品与没有图案的样品相比较。其次，据验证，与没有图案的样品相比，按照本实例的样品的发光度增大60％。
(例19)包括GaP发光提取表面的发光部件基底浸渍到水溶液中，所述水溶液中分散有直径为200nm的PS球(密度1.05)；发光部件基底是例1中所用的发光二极管。随后，以与例18中所用相同的方式，将基底10提起。据此，PS球作为单层构造在基底表面上。
用PS球作为掩模，通过在BCl3/Cl2＝5/20sccm、0.266Pa(2mTorr)和入射功率/偏置功率＝100/100W的条件下进行ICP，而对基底进行干蚀刻3分钟。结果，形成圆柱形图案。随后，以与例1中所用相同的方式，用Ar气溅射圆柱形图案，从而形成具有锥形、圆柱形和平台部分的精细凹面和凸面(如图所示)。
蚀刻的结果是，形成具有锥形、圆柱形和平台部分的精细凹面和凸面；这些锥形、圆柱形和平台部分具有如下形状。平台部分底部的平均直径为500nm。平台部分顶部的平均直径为350nm。平台部分的平均高度为150nm。圆柱形部分的平均直径为350nm。圆柱形部分的平均高度为450nm。锥形部分的平均直径为350nm。锥形部分的平均高度为150nm。凸面结构之间的周期为550nm。
就发射效率而言，使按照本实例的样品与没有图案的样品相比较。其次，据验证，与没有图案的样品相比，按照本实例的样品的发光度增大30％。如在本实例中，PS球的使用，使得容易形成难以用嵌段共聚物形成的尺寸的凸面结构。
(例20)包括GaP光提取表面的发光部件基底浸渍到水溶液中，所述水溶液中分散有直径为200nm的硅球(密度2.0)；发光部件基底是例1中所用的发光二极管。随后，以与例18中所用相同的方式，将基底提起。据此，硅球作为单层构造在基底表面上(图6(b))。
用硅球作为掩模，通过在BCl3/Cl2＝5/20sccm、0.266Pa(2mTorr)和入射功率/偏置功率＝100/100W的条件下进行ICP，而对基底进行干蚀刻3分钟。结果，形成圆柱形图案(图6(c))。随后，以与例1中所用相同的方式，用Ar气溅射圆柱形图案，从而形成具有锥形、圆柱形和平台部分的精细凹面和凸面(如图6(d)所示)。
蚀刻的结果是，形成具有锥形、圆柱形和平台部分的精细凹面和凸面；这些锥形、圆柱形和平台部分具有如下形状。平台部分底部的平均直径为200nm。平台部分顶部的平均直径为150nm。平台部分的平均高度为150nm。圆柱形部分的平均直径为150nm。圆柱形部分的平均高度为450nm。锥形部分的平均直径为150nm。锥形部分的平均高度为150nm。凸面结构之间的周期为220nm。
就发射效率而言，使按照本实例的样品与没有图案的样品相比较。其次，据验证，与没有图案的样品相比，按照本实例的样品的发光度增大130％。由此，形成更高的凹面和凸面形状，因为硅球对氯基蚀刻具有高抵抗力，且比PS球提供了更高的蚀刻速率比。
(例21)图14表示出按照本发明第21实施例的发光二极管的制造工艺。在该图中，与图13所示相同的部件具有相同的附图标记。对这些部件的详细描述省略。
如图14(a)所示，制备具有与例17类似结构的器件形成基底60。然后，如图14(b)所示，将器件形成基底60的前表面(GaN接触层)浸渍到水溶液中，所述水溶液中分散有直径为300nm的硅球(密度2.0)。随后，以与例18中所用相同的方式，将基底60提起。据此，硅球75作为单层构造在基底表面上。
然后，如图14(c)所示，用硅球作为掩模，通过在BCl3/Cl2＝5/20sccm、0.266Pa(2mTorr)和入射功率/偏置功率＝100/100W的条件下进行ICP，而对基底进行干蚀刻3分钟。结果，形成圆柱形图案。随后，以与例1中所用相同的方式，用Ar气溅射圆柱形图案，从而形成具有锥形、圆柱形和平台部分的精细凹面和凸面(如图14(d)所示)。
蚀刻的结果是，形成具有锥形、圆柱形和平台部分的精细凹面和凸面；这些锥形、圆柱形和平台部分具有如下形状。平台部分底部的平均直径为300nm。平台部分顶部的平均直径为170nm。平台部分的平均高度为220nm。圆柱形部分的平均直径为170nm。圆柱形部分的平均高度为500nm。锥形部分的平均直径为170nm。锥形部分的平均高度为200nm。凸面结构之间的周期为250nm。
就发射效率而言，使按照本实例的样品与没有图案的样品相比较。其次，据验证，与没有图案的样品相比，按照本实例的样品的发光度增大90％。这样，在本实例中，GaN能够蚀刻得更深，由此使发光度增大。
(例22)(EB构图)在包括GaP发光层表面并作为例1中的发光二极管的发光部件基底10上，形成电子束抗蚀剂(由FUJI PHOTO FILM CO.，LTD.制造的FEP-301)。利用配有图案发生器并具有50kV加速电压的电子束曝光装置生成尺寸为150nm的环形图案(图7(b))。
利用抗蚀剂图案，通过在BCl3/Cl2＝5/20sccm、0.266Pa(2mTorr)和入射功率/偏置功率＝100/100W的条件下进行ICP，而对基底进行干蚀刻3分钟。结果，形成圆柱形图案(图7(c))。
随后，以Ar＝50sccm、0.65Pa(5mTorr)的压力和300W的功率，用Ar气溅射圆柱形图案2分钟。由此，溅射圆柱体的底侧和顶部，从而形成平台部分和锥形部分。
蚀刻的结果是，形成具有锥形、圆柱形和平台部分的精细凹面和凸面；这些锥形、圆柱形和平台部分具有如下形状。平台部分底部的平均直径为200nm。平台部分顶部的平均直径为150nm。平台部分的平均高度为100nm。圆柱形部分的平均直径为150nm。圆柱形部分的平均高度为400nm。锥形部分的平均直径为150nm。锥形部分的平均高度为100nm。凸面结构之间的周期为220nm。
就发射效率而言，使按照本实例的样品与没有图案的样品相比较。其次，据验证，与没有图案的样品相比，按照本实例的样品的发光度增大100％。
本发明并不局限于上述实施例。在不脱离本发明概念的前题下，可以对这些实施例作出许多变型。任何实例都能够适当组合到一起。
对于本领域的技术人员来说，容易出现其它优点和修正。因此，本发明在其泛泛方面不局限于本文所示和所述的具体细节和代表性实施例。据此，在不脱离如所附权利要求书及其等同物限定的总的发明概念的精髓或范围的情况下，可以作出多种修改。
权利要求
1.一种半导体发光器件，包括半导体发光部件，所述半导体发光部件包括其上形成有多个凸面结构的光提取表面；凸面结构，每个凸面结构包括锥形平台部分、圆柱形部分和锥形部分，所述平台部分、圆柱形部分和锥形部分按此次序从光提取表面向外设置，凸面结构之间的周期大于发射波长的1/(外部介质的折射指数+凸面结构的折射指数)，且等于或小于发射波长，而圆柱形部分的等效圆平均直径为平台部分底部的等效圆平均直径的1/3至9/10。
2.根据权利要求1所述的半导体发光器件，其特征在于，平台部分顶部的等效圆平均直径与圆柱形部分的等效圆平均直径相等，而平台部分底部的等效圆平均直径大于发射波长的1/(外部介质的折射指数+凸面结构的折射指数)，且等于或小于发射波长，平台部分的平均高度为发射波长的1/10至1/5。
3.根据权利要求1所述的半导体发光器件，其特征在于，锥形部分底部的等效圆平均直径与圆柱形部分的等效圆平均直径相等，而锥形部分的平均高度至少为发射波长的1/10，且等于或小于发射波长。
4.根据权利要求1所述的半导体发光器件，其特征在于，每个凸面结构的平均高度为发射波长的0.6至1.5倍。
5.根据权利要求1所述的半导体发光器件，其特征在于，圆柱形部分的平均高度至少为发射波长的3/10，且等于或小于发射波长。
6.根据权利要求1所述的半导体发光器件，其特征在于，发光部件包括发光二极管或由发光二极管形成，在一部分光提取表面上形成电极，而凸面结构形成在没有电极形成的一部分光提取表面上。
7.根据权利要求6所述的半导体发光器件，其特征在于，发光二极管是通过堆叠多个半导体层而形成的，所述半导体层在基底的顶部表面上构成异质结构，基底的底部表面形成光提取表面。
8.一种半导体发光器件，包括半导体发光部件，所述半导体发光部件包括其上形成有多个凸面结构的光提取表面；凸面结构，每个凸面结构包括锥形平台部分、圆柱形部分和锥形部分，所述平台部分、圆柱形部分和锥形部分按此次序从光提取表面向外设置，凸面结构之间的周期大于发射波长的1/(外部介质的折射指数+凸面结构的折射指数)，且等于或小于发射波长，而凸面结构的平均高度为发射波长的0.6至1.5倍，圆柱形部分的等效圆平均直径为平台部分底部的等效圆平均直径的1/3至9/10，圆柱形部分的平均高度至少为发射波长的3/10，且等于或小于发射波长，平台部分顶部的等效圆平均直径与圆柱形部分的等效圆平均直径相等，而平台部分底部的等效圆平均直径大于发射波长的1/(外部介质的折射指数+凸面结构的折射指数)，且等于或小于发射波长，平台部分的平均高度为发射波长的1/10至1/5，锥形部分底部的等效圆平均直径与圆柱形部分的等效圆平均直径相等，而锥形部分的平均高度至少为发射波长的1/10，且等于或小于发射波长。
9.根据权利要求8所述的半导体发光器件，其特征在于，发光部件由发光二极管形成，在一部分光提取表面上形成电极，而凸面结构形成在没有电极形成的一部分光提取表面上。
10.根据权利要求9所述的半导体发光器件，其特征在于，发光二极管是通过堆叠多个半导体层而形成的，所述半导体层在基底的顶部表面上构成异质结构，基底的底部表面形成光提取表面。
11.一种制造包括半导体发光部件的半导体发光器件的方法，所述方法包括在半导体发光部件的光提取表面上形成掩模，在所述掩模上周期性地设置环形图案，利用所述掩模，通过活性离子蚀刻技术，有选择地蚀刻半导体发光部件的光提取表面，以形成凸面结构，每个凸面结构包括锥形平台部分、圆柱形部分和锥形部分，所述平台部分、圆柱形部分和锥形部分按此次序从光提取表面开始设置，并且凸面结构之间的周期大于发射波长的1/(外部介质的折射指数+凸面结构的折射指数)，且等于或小于发射波长，而圆柱形部分的等效圆平均直径为平台部分底部的等效圆平均直径的1/3至9/10。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，光提取表面是由半导体发光部件的光照射侧的最外层或无机透光层形成的。
13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，为了形成掩模，在光提取表面上形成光刻胶，并且利用电子束或光线，通过光刻技术在光刻胶上绘制环形图案。
14.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，为了形成掩模，在光提取表面上形成由树脂组合物构成的薄膜，所述树脂组合物含有嵌段共聚物或接枝共聚物并以自组织的方式形成微相分离结构，且有选择地除去薄膜的微相分离结构的至少一个相。
15.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，为了形成掩模，在光提取表面上形成构成单层的聚合物珠或硅珠。
16.一种制造包括半导体发光部件的半导体发光器件的方法，所述方法包括在半导体发光部件的光提取表面上形成掩模，在掩模上周期性地设置环形图案，利用所述掩模，通过活性离子蚀刻技术，有选择地蚀刻光提取表面，以形成每个凸面结构的圆柱形部分，所述圆柱形部分构成衍射光栅结构，并将凸面结构之间的周期设置成大于发射波长的1/(外部介质的折射指数+凸面结构的折射指数)，且等于或小于发射波长；以及利用惰性气体，通过物理蚀刻技术，蚀刻光提取表面，以便在每个圆柱形部分的底部形成锥形平台部分，在圆柱形部分的顶部形成锥形部分，并且将圆柱形部分的等效圆平均直径设置成平台部分底部的等效圆平均直径的1/3至9/10。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，光提取表面是由半导体发光部件的光照射侧的最外层或无机透光层形成的。
18.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，为了形成掩模，在光提取表面上形成光刻胶，并且利用电子束或光线，通过光刻技术在光刻胶上绘制环形图案。
19.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，为了形成掩模，在光提取表面上形成由树脂组合物构成的薄膜，所述树脂组合物含有嵌段共聚物或接枝共聚物并以自组织的方式形成微相分离结构，且有选择地除去薄膜的微相分离结构的至少一个相。
20.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，为了形成掩模，在光提取表面上形成构成单层的聚合物珠或硅珠。
21.根据权利要求1所述的半导体发光器件，其特征在于，一组平台部分形成折射指数梯度结构，一组圆柱形部分形成衍射光栅结构，一组锥形部分形成折射指数梯度结构。
22.根据权利要求8所述的半导体发光器件，其特征在于，一组平台部分形成折射指数梯度结构，一组圆柱形部分形成衍射光栅结构，一组锥形部分形成折射指数梯度结构。
全文摘要
在一种半导体发光器件中，半导体发光部件具有其上形成有多个凸面结构的光提取表面。每个凸面结构具有构成折射指数梯度结构的锥形平台部分、构成衍射光栅结构的圆柱形部分、以及构成折射指数梯度结构的锥形部分。所述平台部分、圆柱形部分和锥形部分按此次序从光提取表面开始设置。凸面结构之间的周期大于发射波长的1/(外部介质的折射指数+凸面结构的折射指数)，且等于或小于发射波长。圆柱形部分的等效圆平均直径为平台部分底部的等效圆平均直径的1/3至9/10。
文档编号H01L33/22GK1747191SQ200510098858
公开日2006年3月15日 申请日期2005年9月9日 优先权日2004年9月10日
发明者藤本明, 浅川钢儿, 大桥健一 申请人:株式会社东芝