专利名称：第iii族氮化物半导体发光器件的制作方法
技术领域：
本发明涉及第III族氮化物半导体发光器件，该发光器件的光提取性能通过在包括在器件中的蓝宝石衬底上形成不规则结构(irregularity)而得以改进。
背景技术：
近年来，第III族氮化物半导体发光器件开始用于一般照明应用中，并被强烈要求表现出改进的光提取性能。日本公开特许公报(未审查专利公开(kokai))No. 2003-318441公开了一种用于改进半导体发光器件的光提取性能的方法，其中在蓝宝石衬底上形成不规则结构。在半导体发光器件包括不具有不规则结构的平坦的蓝宝石衬底的情况下，在器件内沿与衬底平行的方向传播的光被限制在半导体层中并通过例如重复多次反射而衰减。相反，在半导体发光器件包括具有不规则结构的蓝宝石衬底的情况下，在器件内沿与衬底平行的方向传播的光可以被沿着与衬底垂直的方向反射或散射并可以被提取 至外部，因此可以改进光提取性能。这样的不规则结构从上方观察可以具有例如条纹图案或点图案。同时，日本公开特许公报(kokai)No. 2010-171382公开了在透明衬底上形成不规则结构以输出来自于衬底的侧表面的光并抑制光的全反射，从而改进由于从发光层发射的光在蓝宝石衬底与氮化物半导体之间的界面处的全反射而引起的较差的光提取性能。此外，日本公开特许公报(kokai)No. 2010-225787公开了在蓝宝石衬底与氮化物半导体之间的边界处形成凸起(mesa)以减少由于如日本公开特许公报(kokai)No. 2010-171382中所述的在界面处的全反射而引起的将光提取到外部的困难。然而，在上面的任一引用文献中均没有关于形成于蓝宝石衬底上的凸起或凹陷生成光干涉图案的建议。进一步地，没有关于使用光干涉图案来改进光提取性能的建议。
发明内容
鉴于前述的内容，本发明的目的是通过在蓝宝石衬底的半导体生长表面上形成包括布置为具有周期的凹陷和凸起中的至少一种的、生成光干涉图案的周期性结构来对于发射出的光沿特定方向获得高强度的光输出量。在本发明的第一方面，提供一种包括蓝宝石衬底和层状结构的第III族氮化物半导体发光器件，该层状结构具有设置在蓝宝石衬底上并且由第III族氮化物半导体形成的发光层，其中在蓝宝石衬底层状结构侧的表面上具有周期性结构；该周期性结构包括布置为具有周期的二维阵列的凹陷和凸起中的至少一种，该周期性结构对于从发光层发射出的光生成光干涉图案。在本发明中，光干涉图案通过在蓝宝石衬底上以下述周期形成凹陷的和凸起中至少之一的周期性结构而生成，该周期具有从发光层发射的光的波长量级。因此，沿着相对于蓝宝石衬底的法线成预定角度的方向可以获得高强度的光输出。这能够改进发光器件的光提取性能。该周期性结构可以是在蓝宝石衬底上沿着相互成直角的两条轴线方向的二维周期性结构，或者是相对于蓝宝石衬底上的中心成点对称的周期性结构。周期性结构可以是二维周期性晶格结构如包括等边三角形或正六边形的正多边形，或者多边形。此外，二维阵列是指在表面上沿着双轴线方向都是周期性的阵列。二维周期性结构是指沿着双轴线方向都是周期性的结构。在与蓝宝石衬底的法线垂直的任何截面中，一个凹陷或凸起的形状可以是例如任何点形状(岛状)、截棱锥形状、截圆锥形状、矩形柱形状、圆柱形状、棱锥形状、圆锥形状或半球形状。周期性结构的周期优选为4 U m或更小。当周期为4 u m或更小时，生成光干涉图案。当周期超过4pm时，难以生成光干涉图案。因此，周期优选为4 或更小。光干涉图案随着周期而变化。这可以增加沿着相对于蓝宝石衬底的法线成期望的角度的方向的光发射。进一步地，周期优选为0. Iiim或更大并且4 ilm或更小。当周期小于下限值0. Iiim 时，难以生成光干涉图案并且难以形成不规则结构。因此，周期性结构的周期优选地落在该范围内。更进一步地,周期优选为3. 5 ii m或更小并且0. 3 ii m或更大。更加优选地,周期是3. 25 um或更小并且0. 7 ii m或更大。最优选地，周期是3. 25 y m或更小并且2. 25 y m或更大。当周期落在该范围内时，以短周期获得具有极值的良好的光干涉图案。可以在第III族氮化物半导体发光器件的光输出表面上形成有透明膜；该膜具有如下的透射率分布在光输出表面上出现的光干涉图案中光强度高的位置处光透射率增力口。在干涉图案中，可以认为光能量会聚在光强度增加的部分。因此，可以通过形成下述透明膜来改进沿着光强度增加的方向的光提取性能，所述透明膜沿着所述方向透射更多的光。沿所有方向的总的光输出量也增加，这是因为沿所述方向会聚的光可以被更加高效地输出到外面。优选地,可以在与第III族氮化物半导体发光器件的光输出表面相反的光反射表面上形成光反射膜；该膜具有如下的反射率分布在光反射表面上出现的光干涉图案中光强度高的位置处光反射率增加。在这种情况下，与上述情况一样，光沿着光强度增加的方向会聚。因此，通过形成下述光反射膜可以改进光提取性能，该反射膜沿着光提取表面侧上的所述方向高效地反射更多的光。在上述的发明中，“第III族氮化物半导体”包括由式AlxGayInzN(x+y+z = 1,0 ^ x>y、z彡I)表示的半导体；在这样的半导体中，组分Al、Ga或In被另一种第13族元素(即B或Ti)所代替，或者组分N被另一种第15族元素(即P、As、Sb或Bi)所代替。第III族氮化物半导体的具体示例包括至少含有Ga的第III族氮化物半导体，例如为GaN、InGaN,AlGaN以及AlGalnN。一般，Si被作为n型杂质使用，Mg被作为p型杂质使用。根据本发明，通过下述方式沿着相对于蓝宝石衬底的法线成期望的角度的方向可以获得高强度光输出在设置有层状结构的蓝宝石衬底表面的表面上形成布置为具有周期的二维阵列的凹陷或凸起的、对于从发光层发射出的光生成光强度干涉图案的周期性结构。由于光会聚在干涉图案中干涉强度高的区域，所以沿所有方向的总光输出量也增加，并且光可以沿特定的方向输出。这会导致发光器件的外量子效率的增加。
结合附图参考下面关于优选的实施方案的详细描述，本发明的各个其它目的、特征以及多个所产生的优点将变得被更好地理解而容易接受，在附图中图I是示出根据实施方案I的第III族氮化物半导体发光器件的构造的截面图；图2A是示出从根据实施方案I的具有凸起的周期性结构(周期为5i!m)的发光器件发射出的光的光强度分布相对于发射角的特性曲线图；图2B是示出形成于根据实施方案I的发光器件的蓝宝石衬底上的凸起的周期性结构(周期为5 pm)的平面图；图3A是示出从根据实施方案I的具有凸起的周期性结构(周期为4 pm)的发光器件发射出的光的光强度分布相对于发射角的特性曲线图；图3B是示出形成于根据实施方案I的发光器件的蓝宝石衬底上的凸起的周期性结构(周期为4iim)的平面图；图4A是示出从根据实施方案I的具有凸起的周期性结构(周期为3. 25 U m)的发光器件发射出的光的光强度分布相对于发射角的特性曲线图；图4B是示出形成于根据实施方案I的发光器件的蓝宝石衬底上的凸起的周期性结构(周期为3. 25 u m)的平面图；图5A是示出从根据实施方案I的具有凸起的周期性结构(周期为2. 75 U m)的发光器件发射出的光的光强度分布相对于发射角的特性曲线图；图5B是示出形成于根据实施方案I的发光器件的蓝宝石衬底上的凸起的周期性结构(周期为2. 75 u m)的平面图；图6A是示出从根据实施方案I的具有凸起的周期性结构(周期为2. 25 U m)的发光器件发射出的光的光强度分布相对于发射角的特性曲线图；图6B是示出形成于根据实施方案I的发光器件的蓝宝石衬底上的凸起的周期性结构(周期为2. 25 u m)的平面图；图7A是描绘出从根据实施方案I的具有凸起的周期性结构(周期为4i!m)的发光器件发射出的光在半球形表面上的光强度分布的三维立体图；图7B是描绘出从根据实施方案I的具有凸起的周期性结构(周期为4 Pm)的发光器件发射出的光在半球形表面上的光强度分布的等强度线图；图8A是描绘出从根据实施方案I的具有凸起的周期性结构(周期为2.75 pm)的发光器件发射出的光在半球形表面上的光强度分布的三维立体图；图SB是描绘出从根据实施方案I的具有凸起的周期性结构(周期为2. 75 U m)的发光器件发射出的光在半球形表面上的光强度分布的等强度线图；图9A是描绘出从根据实施方案I的具有凸起的周期性结构(周期为2. 25 U m)的发光器件发射出的光在半球形表面上的光强度分布的三维立体图；图9B是描绘出从根据实施方案I的具有凸起的周期性结构(周期为2. 25 U m)的发光器件发射出的光在半球形表面上的光强度分布的等强度线图；图10是示出根据实施方案2的第III族氮化物半导体发光器件的构造的截面图；图11是示出根据实施方案3的第III族氮化物半导体发光器件的构造的截面图；图12是示出根据实施方案3的第III族氮化物半导体发光器件的构造的截面图；、
图13是示出根据实施方案4的第III族氮化物半导体发光器件的构造的截面图；图14是示出根据实施方案4的第III族氮化物半导体发光器件的构造的截面图；图15是示出根据实施方案5的第III族氮化物半导体发光器件的构造的截面图；图16是示出光从发光层进入到蓝宝石衬底的入射角与分布式布拉格反射(DBR)膜的反射率之间的关系的特性曲线图；图17是示出根据实施方案6的第III族氮化物半导体发光器件的构造的截面图；和图18是示出根据实施方案6的第III族氮化物半导体发光器件的透明膜的厚度与光透射率之间的关系的特性曲线图。
具体实施方式
下面将参照附图描述本发明的具体实施方案。然而，本发明并不限制于这些实施方案。实施方案I图I是示出根据实施方案I的第III族氮化物半导体发光器件的构造的截面图。根据实施方案I的第III族氮化物半导体发光器件包括其表面上具有凸起20的二维周期性结构的蓝宝石衬底10。并且该器件包括n型层11、发光层12以及p型层13，这三个层经由缓冲层(未示出)依次沉积在蓝宝石衬底10的表面上和二维周期性结构的表面上，并且它们中的每一个层都由第III族氮化物半导体形成。本发明的层状结构对应于包括n型层11、发光层12以及p型层13的结构。通过蚀刻移除发光层12的一部分和p型层13的一部分，n型层11的表面的对应部分被暴露。n型电极14形成于n型层11的表面的暴露部分上。具有均匀厚度的反射膜34形成于p型层13上。p型电极16形成于反射膜34上。反射膜34包括Rh和Ag中的至少一种。发光器件的发射波长是430nm至480nm。可用于本发明中的发光器件的发射波长是380nm至750nm。根据实施方案I的第III族氮化物半导体发光器件属于面朝下类型(倒装芯片类型)。n型层11、发光层12以及p型层13中的每一个层都可以具有任意的常规已知的结构。例如，n型层11具有如下的结构在该结构中以高浓度掺杂有Si的GaN n型接触层和GaN n型覆层依次沉积在蓝宝石衬底10上。此外，n型层11可以具有多层，每一层均包括具有不同组分比例的材料以提高静电击穿电压。例如，发光层12具有MQW结构，在该结构中GaN阻挡层和InGaN阱层是交替沉积的。例如，p型层13具有如下的结构在该结构中掺杂有Mg的AlGaN p型覆层和掺杂有Mg的GaNp型接触层依次沉积在发光层12上。n型覆层和P型覆层可以是超晶格层。根据实施方案I的第III族氮化物半导体发光器件按照如下的方式生产。首先，在蓝宝石衬底10的整个表面IOa上施加光刻胶。然后，使蓝宝石衬底曝光并显影以形成对应于凸起的二维周期性结构的图案。接着，使用剩余的二维周期性结构图案作为掩模对蓝宝石衬底10进行干法蚀刻。因此，例如获得如图2B所示的凸起20的二维周期性结构。接着，为了从由于形成前述的二维周期性结构而对蓝宝石衬底10造成的损伤中恢复并且将杂质从蓝宝石衬底10的表面移除掉，实施热清理。热清理对应于例如在iooo°c至1200°C的氢气气氛中的热处理。接着，在其上已经如上所述地形成了二维周期性结构的蓝宝石衬底10上，经由AlN缓冲层(未不出)通过有机金属化学气相沉积(MOCVD)依次形成n型层11、发光层12以及P型层13。用于MOCVD的原料气体等如下氨(NH3)作为氮源、三甲基镓(Ga(CH3)3)作为Ga源、三甲基铟(In(CH3)3)作为In源、三甲基铝(Al(CH3)3)作为Al源、硅烷(SiH4)作为n型掺杂气体、环戊二烯基镁(Mg(C5H5)2)作为p型掺杂气体、氢气或氮气作为载气。之后，通过干法蚀刻移除掉p型层13的一部分和发光层12的一部分，由此暴露出n型层11的表面的对应部分。然后，在p型层13的整个顶面上形成反射膜34 ;在11型层11的表面的由此暴露出的部分上形成n型电极14 ;并且在反射膜34上形成p型电极16。由此，产生根据实施方案I的第III族氮化物半导体发光器件。通过上述生产方法通过改变形成于蓝宝石衬底10的半导体生长表面IOa上的凸、起20的二维周期性结构的周期而生产出发光器件。测量每种发光器件的外部的发射强度。如图I和图2B所示，二维周期性结构的凸起20具有截圆锥形状，并且在与蓝宝石衬底10的半导体生长表面IOa垂直的任何截面中都具有梯形形状。上底直径、下底直径以及每个截圆锥的高度分别是t、b以及h。侧壁和底面之间的侧面角是9。在与具有二维周期性结构的半导体生长表面IOa平行的任何截面中凸起20都布置在正六边形的顶点和中心处。也就是说二维周期性结构具有密集的蜂窝状结构。周期是相邻的两个凸起20的中心之间的距离。六个凸起20与一个凸起20相邻。从任何一个凸起20至相邻的六个凸起20中的每一个凸起的距离总是相等的。从发光层12发射至蓝宝石衬底10的光部分被凸起20的二维周期性结构反射、部分通过凸起20的二维周期性结构被透射。透射的光从与蓝宝石衬底10的半导体生长表面IOa相反的光输出表面IOb输出到外部。从发光层12发射至反射膜34的光被反射膜34反射至光输出表面10b。反射光通过凸起20的二维周期性结构被透射且从光输出表面IOb输出到外部。同时，被凸起20的二维周期性结构反射至反射膜34的光被反射膜34反射至光输出表面10b、通过凸起20的二维周期性结构被透射且从光输出表面IOb输出到外部。由于上述的凸起20的二维周期性结构的这种透射和反射机制以及由于反射膜34的反射机制，从发光层12发射的光从光输出表面IOb输出至外部。因此，由于二维周期性结构的存在，从光输出表面IOb输出的光具有干涉图案。图2B是示出下述凸起的二维周期性结构的平面图，其中，周期是5 ym、上底直径七是1.011111、下底直径13是2.811111、高度11是1.511111、侧面角0是59°。图2A示出发光器件相对于任何方向与光输出表面IOb的法线方向(即光轴)之间的角度的光强度分布。也就是图2A示出半球形表面上的光强度分布，即发射光在由包括蓝宝石衬底10的法线的平面所截的任何截面上的方向特性。两条曲线示出在两个垂直的截面中的方向特性。换言之，在光输出表面IOb上设置彼此成直角的两条轴(X轴和y轴)。一条曲线示出相对于所测量出的自法线方向偏向X轴的角度的特性，另一条曲线示出相对于所测量出的自法线方向偏向y轴的角度的特性。在与法线所成的角为-90°至90°的范围内测量光强度。水平轴线的中心点、右端点和左端点分别是法线方向(0° )、与法线(水平方向)成90°和与法线成-90°。一个标度是10度。垂直轴线是相对光强度，一个标度是0. I。以下，对示出发射光的方向特性的光强度分布图的定义与图2A中的定义相同。
图3B是示出下述凸起的二维周期性结构的平面图，其中周期是4 u m、上底直径t是1.011111、下底直径13是2.811111、高度11是1.511111、侧面角0是59°。图3A示出具有上述结构的发光器件的光强度分布。图7A不出发光器件的在半球形表面上的光强度分布。图7B示出由半球形表面上的光强度分布图发展得到的二维光强度分布图。图4B是示出下述凸起的二维周期性结构的平面图，其中周期是3. 25 U m、上底直径t是2. 44iim、下底直径b是2. 73iim、高度h是0. 87iim、侧面角0是81°。图4A示出具有上述结构的发光器件的光强度分布。图5B是示出下述凸起的二维周期性结构的平面图，其中周期是2. 75 U m、上底直径t是1.24iim、下底直径b是2. 16iim、高度h是I. 14iim、侧面角0是70°。图5A示出具有上述结构的发光器件的光强度分布。图8A不出发光器件的在半球形表面上的光强度分布。图SB示出由半球形表面上的光强度分布图发展得到的二维光强度分布图。
图6B是示出下述凸起的二维周期性结构的平面图，其中周期是2. 25 U m、上底直径t是0. 98 ii m、下底直径b是I. 89 y m、闻度h是I. 22 y m、侧面角Q是69°。图6A不出具有上述结构的发光器件的光强度分布。图9A不出发光器件的在半球形表面上的光强度分布。图9B示出由半球形表面上的光强度分布图发展得到的二维光强度分布图。从图2A清楚地示出，当使用周期为5 iim的二维周期性结构时，在20°至50°的范围内和-20°至-50°的范围内的强度是0° (法线方向)处的光强度的I. 25倍。从图3A还清楚地示出，当使用周期为4 iim的二维周期性结构时，在20°至40°的范围内和-15°至-35°的范围内的光强度是0° (法线方向)处的光强度的I. 33倍。在图7A中可以看到若干个光强度峰。从图4A清楚地示出，当使用周期为3. 25iim的二维周期性结构时，在-50°至+50°的范围内光强度介于I至0.9之间。然而，在-10° ,+10°、-35°和+35°处可以看到四个光强度峰。还从图5A清楚地示出，当使用周期为2.75 iim的二维周期性结构时，在-45°至+45°的范围内光强度介于I至0.9之间。然而，在-40°、-20°、0°、+20°和+40°或35°处可以看到五个光强度峰。参照图8A将可以更好地理解。从图6A清楚地示出，当使用周期为2. 25iim的二维周期性结构时，在-50°至+50°的范围内光强度介于I至0.9之间。然而，大约每隔10°都可以看见一个小峰。参照图9A和图9B将可以更好地理解。从图7B、图8B以及图9B可以发现方向特性具有六重旋转对称性(six-fold rotational symmetry)。随着周期更小，出现更加显著的六重旋转对称性。图7B、图SB以及图9B中示出的六重旋转对称性表现出了二维周期性结构的倒易晶格。从上面的描述清楚地发现周期越短，在包括法线的宽角度范围内光强度分布变化就越小。同样清楚的是周期越短，出现小峰的角度间隔就越小。在上述的实验中，发现当周期为3. 25 y m或更小并且2. 25 y m或更大时形成了良好的干涉图案。实施方案2图10示出根据实施方案2的使用光强度干涉图案的发光器件的构造。包括多个具有不同折射率的层的多层透明膜33形成于根据实施方案I的发光器件中的蓝宝石衬底10的光输出表面IOb上。多层透明膜33被设计成每层具有一定的厚度从而使得在下述角度处有更多的光被透射，在该角度处在通过凸起20的二维周期性结构所透射的光的光强度分布(干涉图案)中光强度增加。通过这样的厚度设计，通过多层透明膜33透射的光的干涉图案可以与从凸起20的二维周期性结构发射出的光的干涉图案相同。因此，沿着在从凸起20的二维周期性结构发射出的光的光强度分布中光强度增加的方向的光可以从光输出表面IOb被更多地提取，并且光可以从光输出表面IOb高效地输出。也就是说，沿着特定方向具有高强度的光可以被输出到外部。同时，从发光层12发射的光被认为会聚于干涉图案中光强度高的区域，从而导致总的光输出效率提高。实施方案3如图11所示，本实施方案包括多层反射膜(DBR) 35，所述多层反射膜35位于还用作电极的反射膜34与根据实施方案I的发光器件的介电层p型层13之间。多层反射膜35也包括多个具有不同折射率的介电层，这些介电层以与实施方案2中的多层透明膜33相同 的方式沉积。从发光层12发射至多层反射膜35的光由多层反射膜35反射至光输出表面IOb0从发光层12发射至凸起20的周期性结构的光由周期性结构反射至多层反射膜35。入射到多层反射膜35的光被多层反射膜35反射至凸起20的周期性结构。多层反射膜35被设计成每层具有一定的厚度从而使得在下述角度处有更多的光被反射，在该角度处在由凸起20的周期性结构所反射的光的强度分布中光强度增加。通过这样的厚度设计，由多层反射膜35反射的光的干涉图案可以与由凸起20的周期性结构生成的干涉图案相同。因此，沿着在由凸起20的周期性结构生成的强度分布中光强度增加的方向的光可以从光输出表面IOb被更多地提取，并且光可以高效地输出至外部。也就是说，沿着特定方向具有高强度的光可以被输出到外部。同时，从发光层12发射的光被认为会聚于干涉图案中光强度高的区域，从而导致总的光输出效率提高。在这种情况下，如图12所示，在透射特性方面具有干涉图案的多层透明膜33可以如实施方案2那样形成于蓝宝石衬底10的光输出表面IOb上。从光输出表面IOb输出的光可以具有与由凸起20的周期性结构所生成的干涉图案相同的强度分布。实施方案4根据实施方案I至实施方案3的发光器件属于面朝下类型(倒装芯片类型)，在该类型中光从作为蓝宝石衬底10的背面的光输出表面IOb输出。实施方案4是本发明被应用于正装类型(引线接合类型)的发光器件的一个示例。如图13所示，具有均匀厚度的反射膜36形成于蓝宝石衬底10的背面IOc上。反射膜36包括Rh和Ag中的至少一种。包括氧化铟锡(ITO)的透明电极15形成于p型层13的几乎整个顶面上。P型电极16形成于透明电极15之上。甚至该构造也能够使得光沿着在通过凸起20的二维周期性结构被透射或反射的光的强度分布(干涉图案)中光强度高的方向会聚，从而以与实施方案I至实施方案3相同的方式从透明电极15的光输出表面25被高效地输出。在这种情况下，作为反射膜36的替代物，具有与在实施方案3中使用的多层反射膜35相同组分的多层反射膜35可以形成于蓝宝石衬底10的背面IOc上。多层反射膜35包括多个具有不同折射率的沉积的介电层。从发光层12发射至背面IOc的光通过凸起20的周期性结构被透射、被多层反射膜35反射并再次通过凸起20的周期性结构被透射。多层反射膜35的每一层被设计成具有一个厚度，从而使得在下述角度处有更多的光被反射，在该角度处在入射到多层反射膜35的光的强度分布中光强度增加了。通过这样的厚度设计，反射光的干涉图案可以与由凸起20的周期性结构生成的干涉图案相同。因此，沿着在由凸起20的周期性结构生成的强度分布中光强度增加的方向的光可以从透明电极15的光输出表面25被更多地提取，并且光可以高效地输出至外部。如图14所示，多层透明膜37可以形成在p型层13和透明电极15之间。多层透明膜37的透射方向特性与由凸起20的二维周期性结构生成的干涉图案相同。因此，在透射通过凸起20的二维周期性结构然后被反射膜36和多层反射膜35中的至少一种反射并再次通过凸起20的二维周期性结构透射至透明电极15的光中生成干涉图案。因此，沿强度分布(干涉图案)中光强度增加的方向会聚的光可以从透明电极15的光输出表面25高效地输出至外部。实施方案5实施方案5是本发明应用于正装类型(引线接合类型)的发光器件的一个示例。 反射膜36形成为与DBR膜40接触。发光器件A的DBR膜40包括五组沉积的膜，每组膜都包括比折射率为2而厚度为56. 3nm的ZnO膜以及比折射率为I. 46而厚度为TL Inm的SiO2膜。ZnO膜与蓝宝石衬底10相接触。ITO透明电极15形成于p型层13的几乎整个顶面上。P型电极16形成于透明电极15上。使用图6B所示的凸起20的二维周期性结构，在该结构中周期是2. 25 u m、上底直径t是0. 98 ii m、下底直径b是I. 89 y m、高度h是I. 22 y m以及侧面角0是69°。其它构造与根据实施方案4的发光器件的构造相同。针对波长为450nm的发射光，DBR膜40被设计成每层具有一定的折射率和厚度从而使得通过透明电极15透射的光的强度在极角是0°时是最强的，所述极角定义为与从蓝宝石衬底10的主表面垂直的法线测得的角度。借助于DBR膜40，在图9B所示的由凸起20的二维周期性结构生成的强度分布中的极角0°周围存在的光被强烈输出。因此，可以获得下述发射光该发射光的强度在极角0°处是最强的，该发射光沿着方位角方向在主平面上具有均匀分布，并且该发射光在相对宽的极角范围内具有均匀的方向特性。下面的DBR膜40是针对发光器件B进行研究的，该DBR膜40包括五组膜，每组膜都包括比折射率为2而厚度为57. Inm的ZnO膜以及比折射率为I. 46而厚度为79. 3nm的SiO2膜。DBR膜40被设计成每层都具有一定的折射率和厚度从而使得在极角20°处光强度是最强的。其它构造与发光器件A中的DBR膜40的构造相同。设置DBR膜40可以实现当极角处于20°至40°的范围内时光强度最强的光发射方向特性。也就是说，与由凸起20的二维周期性结构生成的光的强度分布中的其它极角范围相比较，在20°至40°的极角范围内光强度可以增加。图16示出发光器件A以及发光器件B中的DBR膜40的反射率与光从发光层12进入到蓝宝石衬底10的入射角之间的关系。与被设计成使得当极角为20°时光输出最强的发光器件B相比，在被设计成使得当极角为0°时光输出最强的发光器件A中，在16°或更小的极角范围内由DBR膜40对p波和s波的反射率可以更大。特别地，当极角在0°周围时，发光器件A与发光器件B之间的反射率之差最大。然而，从发光层12在宽角度范围内发射的光不能被高效地反射至光输出表面25。与DBR膜40被设计成使得当极角为0°时光输出最强的发光器件A相比，在DBR膜40被设计成使得当极角是20°时光输出最强的发光器件B中，当光进入蓝宝石衬底10的入射角超过16°时由DBR膜40对s波和p波的反射率更大，尽管当入射角落在0°至16°的范围内时反射率更小。因此，在发光器件B中，在16°或更大(显著地20°或更大)的宽范围内从发光层12发射的光可以被高效地反射至光输出表面25。也就是说，这表示获得了如设计那样的特性。实施方案6在根据实施方案6的发光器件中，如图17所75,在根据实施方案I的发光器件中，厚度为IOOnm的ITO透明电极41形成于p型层13上，厚度为682nm的其中SiO2和ZnO2是交替沉积的DBR膜42形成于透明电极41上，厚度为100 y m的Ag反射膜43形成于DBR膜42上，p型电极16形成于反射膜43上。p型电极16经由形成在DBR膜42上的孔46与透明电极41电接触。在作为蓝宝石衬底10的背面的光输出表面IOb上，形成SiO2透明膜44。图18针对波长为450nm的光示出在上述的发光器件中透明膜44的厚度与通过透明膜44透射的光的透射率之间的关系。当透明膜44的厚度为80nm时，透射光(p波和s波二者)的透射率是最大的。当透明膜44的厚度是50nm或更厚并且IlOnm或更薄时透射光(p波) 的透射率是0. 98或更大。当透明膜44的厚度是70nm或更厚并且95nm或更薄时，透射光(s波)的透射率是0. 98或更大。上述结构使得光能够被高效输出，从而导致发光器件的外量子效率提高。凸起20的侧表面可以形成为垂直于作为蓝宝衬底10的主表面的生长表面IOa或向生长表面IOa倾斜。与生长表面IOa所成的侧面角0优选地为40°至90°，这是因为光提取性能被进一步改进。更加优选地，侧面角9为45°至75°的凸起20的高度h为0. I ii m至3 ii m,这是因为光提取性能被进一步改进。进一步优选地,所述高度为0. 5 ii m至
2u m0在上述的实施方案中，二维周期性结构包括从蓝宝石衬底的主表面突出的凸起。与之相反，二维周期性结构也可以包括形成于蓝宝石衬底的主表面上的凹陷。凹陷的周期、深度以及侧面角优选地在二维周期性结构包括凸起情况下的周期、深度以及侧面角的范围内。本发明的第III族氮化物半导体发光器件可以应用于例如显示设备或照明设备。
权利要求
1.一种第III族氮化物半导体发光器件，包括 蓝宝石衬底，和 层状结构，所述层状结构具有设置在所述蓝宝石衬底上并且由第III族氮化物半导体形成的发光层， 其中，所述蓝宝石衬底具有在所述层状结构侧的表面上的周期性结构；所述周期性结构包括布置为具有周期的二维周期性阵列的凹陷和凸起中的至少一种，所述周期性结构对于从所述发光层发射出的光生成光强度干涉图案。
2.根据权利要求I所述的第III族氮化物半导体发光器件，其中所述周期是4y m或更小。
3.根据权利要求I所述的第III族氮化物半导体发光器件，其中所述周期是0.Iym或 更大并且4 iim或更小。
4.根据权利要求I至3中任一项所述的第III族氮化物半导体发光器件，其中在光输出表面上形成有透明膜；并且所述透明膜具有如下透射率分布在所述光输出表面上出现的所述干涉图案中光强度高的位置处光透射率增加。
5.根据权利要求I至3中任一项所述的第III族半导体氮化物发光器件，其中在与所述光输出表面相反的光反射表面上形成有光反射膜；并且所述光反射膜具有如下反射率分布在所述光反射表面上出现的所述干涉图案中光强度高的位置处光反射率增加。
6.根据权利要求4所述的第III族氮化物发光器件，其中在与所述光输出表面相反的光反射表面上形成有光反射膜；并且所述光反射膜具有如下反射率分布在所述光反射表面上出现的所述干涉图案中光强度高的位置处光反射率增加。
全文摘要
本发明提供了一种第III族氮化物半导体发光器件，所述发光器件表现出沿着特定方向的高强度的光输出量以及改进的光提取性能。所述第III族氮化物半导体发光器件包括蓝宝石衬底；和层状结构，该层状结构具有设置在所述蓝宝石衬底上并且由第III族氮化物半导体形成的发光层。在所述蓝宝石衬底的层状结构侧的表面上，以一定周期形成凸起的二维周期性结构，所述周期性结构对于从所述发光层发射出的光生成光强度干涉图案。由所述二维周期性结构反射或透射的光具有干涉图案。因此，在所述干涉图案中光强度高区域会聚的光可以被高效地输出到外部，从而导致光提取性能的改进并实现了期望的方向特性。
文档编号H01L33/22GK102738338SQ20121008680
公开日2012年10月17日 申请日期2012年3月28日 优先权日2011年3月30日
发明者中条直树, 五所野尾浩一, 矢羽田孝辅, 石黑雄也 申请人:丰田合成株式会社