专利名称：半导体发光器件的制作方法
技术领域：
本发明涉及具有包含由m面氮化物半导体形成的活性层的层叠结构的氮化物半导体发光元件。另外，本发明涉及包括覆盖氮化物半导体发光元件的密封部的半导体发光器件。
背景技术：
具有氮(N)作为V族元素的氮化物半导体，由于其能带隙(bandgap)大，所以作为短波长发光元件的材料备受期待。尤其是氮化镓类化合物半导体的研究正在广泛展开，蓝色发光二极管(LED)、绿色LED以及以氮化镓类半导体为材料的半导体激光器也已经得到实际应用。
以下，以氮化镓类化合物半导体为中心进行说明。氮化物半导体中包含用铝(Al) 和铟(In)的至少一个将镓(Ga)的一部分分或整体置换而得的化合物半导体，这样的化合物半导体用组分式AlxGayInzN (O ^ x> y> z ^ I, x+y+z=l)表示。
通过用Al、In置换Ga，既能够使能带隙变得比GaN大也能够使能带隙变得比GaN 小。由此，不仅能够发出蓝色、绿色等短波长的光，而且还能够发出橙色、红色的光。由于具有这样的特征，氮化物半导体发光元件也被期待应用到图像显示装置和照明装置中。
氮化物半导体具有纤锌矿型晶体结构。图1 (a)、(b)和(C)分别利用4指数标注法(六方晶指数)表示纤锌矿型晶体结构的m面、r面和(11-2-2)面。在4指数标注法中，使用由al、a2、a3和c表示的基本向量来表示晶面和方位。基本向量c沿
方向延伸， 该方向被称为“c轴”。与c轴垂直的面(plane)被称为“c面”或“(0001)面”。
图2 Ca)用球管模型表示氮化物半导体的晶体结构，图2 (b)是从a轴方向观察 m面表面的原子排列的图 。图2 (c)是从m轴方向观察+c面表面的原子排列的图。
以往，在使用氮化物半导体制造半导体元件的情况下，作为使氮化物半导体结晶生长的基板，使用c面基板即在主面具有(0001)面的基板。在此情况下，由图2 (C)可知， 在c轴方向形成仅配置有Ga原子的层和仅配置有N原子的层。由于这种Ga原子和N原子的配置，引起在氮化物半导体形成自发性的极化(Electrical Polarization)。因此，“c面” 被称为“极性面”。
其结果是，在氮化物半导体发光元件的活性层的InGaN的量子阱中，沿着c轴方向产生压电电场，活性层内的电子和空穴的分布上产生位置偏移，所以通过载流子的量子限制斯塔克效应，活性层的内部量子效率下降。
于是，正在研究使用在表面具有被称为非极性面的m面、a面或被称为半极性面的-r面、(11-2-2)面的基板来制造发光元件。如图1 (a)所示，纤锌矿型晶体结构中的m 面与c轴平行，是与c面正交的6个等价的面。例如，在图1中，与[1-100]垂直的(1-100) 面相当于m面。与(1-100)面等价的其它m面有:(-1010)面、(10-10)面、(-1100)面、 (01-10)面和(0-110)面。此处，表示密勒指数的括号内数字的左边所标注的表示“横杠(bar ) ”，简便地表示该指数的反转。
图2 (b)示出了与m面垂直的面上的氮化物半导体结晶的Ga和N的位置。如图 2 (b)所示，在m面上，Ga原子和N原子存在于同一原子面上，所以在与m面垂直的方向上不会发生极化。因此，如果使用在m面上形成的半导体层叠结构来制造发光元件，则在活性层不会产生压电电场，能够解决由载流子的量子限制斯塔克效应引起的内部量子效率的降低这一问题。
进一步，在被称为非极性面的m面、a面或被称为半极性面的-r面、(11-2-2)面上形成的氮化物半导体发光元件，具有由其价电子带的结构引起的偏振特性。例如，在m面上形成的氮化物半导体活性层主要出射电场强度向与a轴平行的方向偏移的光。这种偏振特性被期待应用于液晶的背光源等。作为为了提高偏振特性所费的功夫，例如在专利文献 I的图4中公开了 以主面为m面的氮化物半导体发光元件中，以较高地维持活性层中产生的偏振光的偏振比为目的，以与主面正交的2组相对的面中与c面平行的面为长边面的半导体发光兀件。
另一方面，在发光元件具有偏振特性的情况下，理论上可预测到在与偏振方向垂直的方向上具有发光强度变大的配光分布。因此，在专利文献2中，提供了一种能够减少由氮化物半导体发光元件的面内的方位角的不同引起的强度之差的发光二极管装置。具体而言，在专利文献2的第五实施方式中公开了以使光的方向向发光强度小的方位角变化的方式，配置壳体的光的出射面的技术方案。
先行技术文献
专利文献
专利文献1:日本特开2009-43832号公报
专利文献2 :日本特开2008-109098号公报 发明内容
发明要解决的课题
但是，在上述现有技术中，进一步的配光分布特性的改善成为课题。
本发明是为了解决上述课题而完成的，其主要目的在于，提供改善了配光分布特性的半导体发光器件。
用于解决课题的方法
某实施方式的氮化物半导体发光元件是具有包含由m面氮化物半导体形成的活性层的层叠结构的氮化物半导体发光元件，上述层叠结构具有与上述活性层的m面平行的第一取光面和与上述活性层的c面平行的多个第二取光面，上述第二取光面的面积相对于上述第一取光面的面积的比例为46%以下。
发明效果
根据本发明，能够提高a轴方向与c轴方向的配光分布特性的对称性。
图1 (a)至图1 (C)是表示纤锌矿型晶体结构的图。
图2 Ca)至图2 (C)是用球管模型表示氮化物半导体的晶体结构的图。
图3 Ca)至图3 (c)是表示实施方式I的半导体发光器件的结构的图。
图4 Ca)至图4 (C)是表示取光面311a、311b的俯视图。
图5 Ca)至图5 (c3)是表示实施方式I的半导体发光器件的变形例I的图。
图6 (a)至图6 (d)是表示将图5 (c_l)所示的氮化物半导体发光元件300从晶片分割成各芯片的工序的截面图。
图7 (a)至图7 (C)是表示实施方式I的变形例2的图。
图8 (a)至图8 (C)是表示实施方式I的变形例3的图。
图9 Ca)至图9 (c)是表示实施方式2的半导体发光器件的结构的图。
图10 Ca)至图10 (c3)是表示实施方式2的半导体发光器件的变形例I的图。
图11 (a)至图11 (c)是表示实施方式3的半导体发光器件的结构的图。
图12 (a)至图12 (c3)是表示实施方式3的变形例I的图。
图13 Ca)至图13 (c)是表示另一实施方式的半导体发光器件的结构的图。
图14 Ca)至图14 (c)是表示另一实施方式的半导体发光器件的变化例的图。
图15 (a)和图15 (b)是表不实施例1的半导体发光器件的配光分布特性的图。
图16是关于实施例1表不取光面311b的面积相对于取光面311a的面积的比·例和非对称度的关系的图。
图17 Ca)和图17 (b)是表不实施例2的半导体发光器件的配光分布特性的图。
图18是关于实施例2表不取光面311b的面积相对于取光面311a的面积的比例和非对称度的关系的图。
图19 Ca)和图19 (b)是表不实施例3的半导体发光器件的配光分布特性的图。
图20是关于实施例3表不取光面311b的面积相对于取光面311a的面积的比例和非对称度的关系的图。
图21是表不实施例4的半导体发光器件的配光分布特性的图。
图22是关于实施例4表不取光面311b的面积相对于取光面311a的面积的比例和非对称度的关系的图。
图23 (a)至图23 (C)是表示通过激光切割而成为小片的氮化物类半导体发光元件的光学显微镜照片的图。
图24 (a)至图 24件的光学显微镜照片的图。
图25Ca)至图25图26Ca)和图26图27Ca)至图27图28Ca)和图28图29Ca)和图29(C)是表示通过机械切割而成为小片的氮化物类半导体发光元(c)是表示比较例I的半导体发光器件的结构的图。(b)是表示比较例I的半导体发光器件的配光分布特性的图。(c)是表示比较例2的半导体发光器件的结构的图。(b)是表示比较例2的半导体发光器件的配光分布特性的图。 (b)是用于说明配光分布特性的测定方法的图。
具体实施方式
本实施方式的氮化物半导体发光元件是具有包含由m面氮化物半导体形成的活性层的层叠结构的氮化物半导体发光元件，上述层叠结构具有与上述活性层的m面平行的第一取光面和与上述活性层的c面平行的多个第二取光面，上述第二取光面的面积相对于上述第一取光面的面积的比例为46%以下。
通过该结构，能够提高a轴方向与c轴方向的配光分布特性的对称性。
也可以为上述层叠结构具有一个或多个第三取光面，上述一个或多个第三取光面从上述第一取光面的法线方向倾斜。
也可以为上述一个或多个第三取光面从上述第一取光面的法线方向倾斜30度。
也可以为上述层叠结构具有具有第一面和位于上述第一面的相反侧的第二面的基板；和层叠于上述基板的上述第一面、且包含上述活性层的多个氮化物类半导体层。
也可以为上述第一取光面是上述基板的上述第二面。
也可以为上述层叠结构是包含上述活性层的多个氮化物类半导体层。
也可以为上述第一取光面的c轴方向的长度大于上述第一取光面的a轴方向的长度。
也可以为上述第二取光面的面积相对于上述第一取光面的面积的比例为24% 以上。
也可以为上述第一取光面和上述多个第二取光面中的至少任一个具有纹理结构。
某实施方式的半导体发光器件也可以为包括本实施方式的氮化物半导体发光元件；支承上述氮化物半导体发光元件的安装基板；和覆盖氮化物半导体发光元件的密封部。
某实施方式的半导体发光器件也可以为还包括将从上述氮化物半导体发光元件发出的光反射的反射器。
本发明的实施方式涉及例如从紫外线到蓝色、绿色、橙色和白色等整个可见区域的波段的发光二 极管、激光二极管等氮化物半导体发光元件。
本发明的发明人将包括具有主面为m面的氮化物类半导体层叠结构的氮化物半导体发光元件的半导体发光器件以各种方式实施，对其特性进行了详细地研究。
图29 (a)是表示用于测定a轴方向的配光分布特性的氮化物半导体发光元件300 与受光部318的位置关系的图。设将氮化物半导体发光元件300的中心与受光部318的受光部的中心之间连接的线为测定线319。
a轴方向的配光分布特性是以氮化物半导体发光元件300的m面的法线方向 [1-100]与测定线319所成的角度为测定角，一边以氮化物半导体发光元件300的C轴为中心轴使氮化物半导体发光元件300旋转，一边测定光度得到的值。在图29 (a)中，上侧的图表示测定角为O度时的位置关系，下侧的图表示测定角为45度时的位置关系。
图29 (b)是表示用于测定c轴方向的配光分布特性的氮化物半导体发光元件300 与受光部318的位置关系的图。
c轴方向的配光分布特性是以氮化物半导体发光元件300的m面的法线方向 [1-100]与测定线319所成的角度为测定角，一边以氮化物半导体发光元件300的a轴为中心使氮化物半导体发光元件300旋转，一边测定光度而得的值。在图29 (b)中，上侧的图是表示测定角为O度时的位置关系，下侧的图是表示测定角为45度时的位置关系。
本说明书中的a轴方向与c轴方向的配光分布特性的非对称度是指将从作为主面的m面的法线方向[1-100](即O度)向a轴方向旋转了规定角度的方向上的光度与从m 面的法线方向向c轴方向旋转了同一角度的方向上的光度之差，以m面的法线方向上的光度标准化而得的值。该非对称度是以-90度 +90度的各角度定义的。另外，最大非对称度是指-90度 +90度的范围内的非对称度的最大值。另外，平均非对称度是指-90度 +90度的范围内的非对称度的平均值。
该测定的结果，本发明的发明人发现了 a轴方向的配光分布特性和c轴方向的配光分布特性很大程度依赖于作为m面的取光面与作为c面的取光面的面积比率。根据这一发现，想出了对a轴方向与c轴方向的配光分布特性的非对称性进行改善的方法。
以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。在以下的附图中，为了简化说明， 用同一参照附图标记表示实质上具有同一功能的构成要素。此外，本发明并不限于以下的实施方式。
(实施方式I)
以下，利用图3对本发明的发光器件的实施方式I进行说明。
图3是示意性地表示实施方式I的半导体器件的图，图3 Ca)是顶视图，图3 (b) 是x-x’的截面图，图3 (C)是Y-Y’的截面图。
本实施方式的发光器件具有氮化物半导体发光元件300，氮化物半导体发光元件 300经凸起(bump) 303与安装基板301上的配线302电连接。
本实施方式的氮化物半导体发光元件300具有包含由m面氮化物半导体形成的氮化物半导体活性层306的层叠结构310。层叠结构310具有与氮化物半导体活性层306的 m面平行的取光面311a和与氮化物半导体活性层306的c面平行的取光面311b，第二取光面311b的面积相对于取光面311a的面积的比例为46%以下。
m面氮化物半导体是指以m面为生长面或主面的氮化物半导体，氮化物半导体活性层306形成在m面上。形成在m面上的氮化物半导体活性层主要出射电场强度向与a轴平行的方向偏移的光。因此，在m面氮化物半导体发光元件300，如果与偏振方向(a轴方向)垂直的方向(c轴方向)的发光强度变高，取光面311a、311b的面积相同,贝U光的强度产生不均。根据本实施方式，通过使第二取光面311b的面积相对于取光面311a 的面积的比例为46%以下,能够减少从第二取光面311b出射的光的量相对于从第一取光面311a出射的光的量的比例，所以能够减小c轴方向的发光强度。由此，能够提高a轴方向与c轴方向的配光特性分布的对称性。其理由将在后文详述。
层叠结构310具体而言包括包含m面GaN层的基板304 ;在上述m面GaN层上形成的η型氮化物半导体层305 ;氮化物半导体活性层306 ;和ρ型氮化物半导体层307。
ρ型电极308与层叠结构310中的ρ型氮化物半导体层307接触。在层叠结构310 的一部分形成有凹部312，该凹部312贯通ρ型氮化物半导体层307、氮化物半导体活性层 306且使η型氮化物半导体层305露出于底面。η型电极309与凹部312的底面的η型氮化物半导体层305接触。层叠结构310、ρ型电极308和η型电极309构成氮化物半导体发光元件300。
氮化物半导体既可以是例如由GaN类构成的半导体，也可以是AlxInyGazN (x+y+z=l, X ^ O, y ^ O, z ^ O)半导体。
在本发明中，“m面” “c面” “a面”不仅指与m面、c面或a面完全平行的面，也包含从m面、c面或a面倾斜的绝对值为5°以下的面。
如果是从m面、c面或a面稍微倾斜的程度，对自发性极化的变化的影响非常小。另一方面，在结晶生长技术中，有时与结晶方位严密地一致的基板相比稍微倾斜的基板上更容易使半导体层外延生长。因此，为了充分抑制自发性极化的影响，并且提高外延生长的半导体层的质量或提高结晶生长速度，使晶面倾斜有时是有用的。
基板304既可以是m面GaN基板,也可以是在异种基板上形成有m面GaN层的基板(例如，在m面SiC基板上形成有m面GaN层的基板、在r面蓝宝石基板上形成有m面GaN 层的基板等)。另外，基板304的表面不限于m面，只要以从活性层发出的光具有偏振特性的方式选择面方位(例如，a面等非极性面，r面、{11-22}面等半极性面)即可。在氮化物半导体活性层306与ρ型氮化物半导体层307之间也可以设置未掺杂的GaN层。
η型氮化物半导体层305由例如η型的AluGavInwNCu+v+w=l, u彡0，v彡0，w彡O) 形成。作为η型掺杂剂能够使用例如硅(Si)。
ρ型氮化物半导体层307由例如P型的AlsGatN (s+t=l、s彡O、t彡O)半导体形成。作为P型掺杂剂添加例如Mg。作为Mg以外的P型掺杂剂，可以使用例如Zn、Be等。在 P型氮化物半导体层307，Al的组分比率s可以在厚度方向上一样，Al的组分比率s也可以在厚度方向上连续或阶段性地变化。具体而言，P型氮化物半导体层307的厚度为例如0.05 μ m以上2 μ m以下程度。
ρ型氮化物半导体层307的上表面附近，即ρ型氮化物半导体层307与ρ型电极 308的界面附近，可以由Al的组分比率s为零的半导体即GaN形成。另外，在此情况下，GaN 也可以高浓度地包含P型杂质，作为接触层发挥作用。
氮化物半导体活性层306具有例如厚度为3 20nm程度的Ga1-JnxN阱层与厚度为 5 30nm程度的Ga^yInyN讲层(O ^ y < x < I)阻碍(barrier)层交替层叠而得的GaInN/ GaInN多重量子阱(MQW)结构。从氮化物半导体发光元件300出射的光的波长由作为上述阱层的半导体组分的Ga1-JnxN半导体中的In的组分x决定。m面上形成的氮化物半导体活性层306中不会产生压电电场。因此，即使使In组分增加，也能抑制发光效率的降低。
η型电极309由例如Ti层和Pt层的层叠结构(Ti/Pt)等形成。另外，为了提高反射率，η型电极309也可以使用Al等。ρ型电极308也可以覆盖大致ρ型氮化物半导体层 307的整个主面。ρ型电极308由Pd层和Pt层的层叠结构(Pd/Pt)等形成。另外，为了提高反射率P型电极308也可以使用Ag等。
氮化物半导体发光元件300使ρ型电极308侧为下侧地配置在形成有配线302的安装基板301上。作为安装基板301的主材料，能够使用氧化铝、AlN等绝缘物、Al、Cu等金属、S1、Ge等半导体或者它们的复合材料。作为安装基板301的主材料使用金属或半导体时，也可以用绝缘膜覆盖表面。配线302只要与氮化物半导体发光元件300的电极形状匹配地配置即可。配线302能够使用Cu、Au、Ag、Al等。氮化物半导体发光元件300和配线302使用凸起303电连接。凸起使用Au即可。此处,针对倒装芯片(flip chip)结构进行了说明，但并不限于该结构，也可以使用接合线(wire bonding),将安装基板301与配线 302连接。
氮化物半导体发光元件300以周围被包围的方式被密封部314覆盖。作为密封部 314的材料，能够使用环氧树脂 、有机硅树脂、玻璃等。通过将密封部314的折射率设定为1.4以上2. O以下程度，能够使从氮化物半导体发光元件300取出到密封部314的光的量增多。密封部314的表面形状也可以是半球形状。通过做成半球形状，从氮化物半导体发光元件300取出到密封部314的光难以在密封部314与空气之间全反射，结果取出到外部的光的量增多。
层叠结构310具有能够将从氮化物半导体活性层306发出的光取出到外部的取光面311a、311b、311c。取光面311a是与层叠结构310的层方向大致平行的面，以与P型电极 308和η型电极309相对的方式配置。即，取光面311a与氮化物半导体活性层306的m面大致平行。取光面311b包括相互相对的2个面，与氮化物半导体活性层306的c面大致平行。
取光面311c包括相互相对的2个面，其主面的面方位并不限定于特定的方向。在图3中，取光面311c是(11-20)面。层叠结构310在上述5个取光面之外，也可以包括其它取光面。另外，在上述5个取光面的整个区域或一部分区域也可以形成纹理(texture)结构。在本实施方式中，形成有纹理结构时的取光面的法线或倾斜是指形成纹理结构之前的取光面的法线或倾斜。针对形成有纹理的情况，将在后文叙述。
此外，层叠结构310在可见区域是透明的，所以在图3等中，在与电极相对的取光面31 Ia等出现ρ型电极308、η型电极309的形状。
图4 Ca)至图4 (C)是表示取光面311a、311b的俯视图。如图4 Ca)所示，在本实施方式中，取光面311a为正方形。
取光面311b包括相对的2个面。图4 (b)表示取光面311b中设置有用于设置η 型电极309的凹部312的一侧的面。在凹部312的内部形成有凹部312的侧面312a，在侧面312a，η型氮化物半导体层305、氮化物半导体活性层306和ρ型氮化物半导体层307的一部分露出。凹部312的侧面包含与c面平行的面，而这个与c面平行的面微小，并且由η 型电极309和将η型 电极309与配线302连接的凸起303妨碍了光的取出，所以作为取光面可以忽略。
图4 (C)是表示取光面311b中的与设置有凹部312的一侧相反的一侧的面。
通过研磨使基板304薄膜化，形成取光面311a。基板304能够薄膜化到20 μ m左右的厚度。当基板304的厚度小于20 μ m时，在安装工序中容易产生破裂。
通过研磨,取光面311a有时与m面并不完全一致。因此,取光面311a可以是从m 面倾斜10度以下的角度的面。
S卩，在本实施方式中，“与m面平行的取光面”也可以包含具有从m面倾斜10度以下的角度的取光面。
另外，在对取光面311a的表面进行了研磨等处理的情况下，难以使取光面311a完全平滑。因此，取光面311a也可以是算术平均粗糙度(Ra)为O以上IOOnm以下程度的面。
另外，芯片状的氮化物半导体发光元件300是通过解理或激光切割将晶片分离而形成的。通过解理或激光切割，取光面311b有时与c面并不完全一致。因此，取光面311b 也可以是从c面倾斜10度以下的角度的面。
S卩，在本实施方式中，“与c面平行的取光面”也可以包含具有从c面倾斜10度以下的角度的取光面。
另外，取光面311b从微观看，也可以包括相对于c面在O度以上30度以下的范围内倾斜的多个面。
与取光面31 Ib的情况相同，通过解理或激光切割，取光面31 Ic有时与a面并不完全一致。因此，取光面311c也可以是从a面以10度以下的角度倾斜的面。另外，取光面 311c从微观看，也可以包括相对于a面在O度以上30度以下的范围内倾斜的多个面。
在m面上形成的氮化物半导体活性层306出射电场强度向与a轴平行方向偏移的光。这种电场强度的偏移由价电子带的上部2个带(A带和B带)的行为决定。光具有向与电场垂直的方向行进的性质，所以，从氮化物半导体活性层306发出的光向与a轴垂直的方向偏移地行进，在氮化物半导体发光元件300内部一边反复反射一边传递，最终从取光面 311a、31 lb、311c被取出到外部。但是，由于从氮化物半导体活性层306发出的光向与a轴垂直方向偏移地行进，所以对光向外部的出射赋予较大影响的面是与a轴大致平行地形成的取光面311a、311b。从与a轴大致垂直地形成的取光面311c向外部的光出射比取光面 311a 和 311b 少。
从取光面311c出射的光的量少，所以a轴方向的配光分布特性很大程度上反映从取光面311a出射的光的配光分布特性。a轴方向的配光分布特性在测定角为O度附近时光度最强，随着测定角变大，光度单调减小。
另一方面，c轴方向的配光分布特性主要很大程度反映从取光面311a和311b取出的光的配光分布特性。
像这样,根据从取光面311a、311b、311c出射的光量的不同,在a轴方向的配光分布特性与c轴方向的配光分布特性中产生非对称性。
为了对来自取光面31 Ia和31 Ib的光出射量进行控制，在本实施方式中， 使取光面 311b的面积(相对的2个面的面积的总和)为取光面311a的面积的46%以下。
通过按该面积比例设置取光面311a和311b，在c轴方向的配光分布特性中，使m 面的法线方向[1-100]为O度时，O度附近的光度变得最强，随着角度变大，光度单调减小。 进一步，能够将a轴方向配光分布与C轴方向配光分布的平均非对称度抑制到12%以下。
当确定了氮化物半导体发光元件300的大小时，取光面311a的面积几乎被必然确定。在此情况下，取光面311b的面积能够用基板304的厚度来控制。
当取光面311b的面积与取光面311a的面积之比减小时，非对称性稳定在大致一定的值，在该值以上几乎得不到改善。这是因为不能改善从取光面311a出射的光的配光分布特性。为了减小取光面311b的面积，需要使基板304的厚度变薄。如果上述比值为 24%以上，则基板304的研磨量只要少量即可，并且能够充分降低光的非对称性，所以制造容易。
另外，取光面311b的面积与取光面311a的面积之比也可以小于24%。例如，在将基板304完全取出的情况(实施方式I的变形例3)下等，上述比值也可以为1%以上。
接着，使用图3对本实施方式I的制造方法进行说明。
在包含以m面为主面的η型GaN的基板304上使用MOCVD法等使η型氮化物半导体层305外延生长。例如，作为η型杂质使用硅，作为原料供给TMG (Ga(CH3)3)和NH3，在 900°C以上1100°C以下程度的生长温度下，形成由GaN构成的厚度I 3μπι程度的η型氮化物半导体层305。
接着，在η型氮化物半导体层305上形成氮化物半导体活性层306。氮化物半导体活性层306例如具有厚度15nm的Ga1-JnxN阱层和厚度30nm的GaN阻碍层交替层叠而成的 GalnN/GaN多重量子阱(MQW)结构。形成Ga1-JnxN阱层时，通过使生长温度下降到800°C，能够良好地进行In的获取。根据氮化物半导体发光元件300的用途选择发光波长，决定与波长相应的In组分X。在使波长为450nm (蓝色)的情况下，将In组分x决定为O. 18 O. 2。如果波长为520nm (绿色)则，χ=0· 29 O. 31，如果波长为630nm (红色)，则x=0. 43 O. 44。
在氮化物半导体活性层306上形成ρ型氮化物半导体层307。例如，作为P型杂质使用Cp2Mg (cyclopentadienyl magnesium :环戍二烯镁)，作为原料供给TMG和NH3,在 9000C以上1100°C以下程度的生长温度下形成厚度50 500nm程度的由ρ型GaN构成的ρ 型氮化物半导体层307。在ρ型氮化物半导体层307的内部也可以包含厚度15 30nm程度的p-AlGaN层。通过设置P-AlGaN层，动作时能够抑制电子的溢出(overflow)。
接着，为了进行p-GaN层的活性化，在800 900度程度的温度下进行20分程度的热处理。
接着，通过使用氯类气体进行干法蚀刻，除去ρ型氮化物半导体层307、氮化物半导体活性层306和η型氮化物半导体层305的一部分而形成凹部312，使η型氮化物半导体层305的一部分露出。
此处，通过控制干法蚀刻的条件，能够控制η型氮化物半导体层305的一部分、氮化物半导体活性层306和ρ型氮化物半导体层307的侧面与取光面311a所成的角度。例如，在使用了使蚀刻压力降低、提高离子的引出电压这样的物理上蚀刻性高的条件时，能够形成与取光面311a大致垂直的侧面。另一方面，在使用了等离子体密度密度高的ICP等离子体源、使离子的引出电压减小这样的化学上蚀刻性高的条件时，能够形成从取光面311a 的法线方向倾斜的侧面。
接着，以与露出的η型氮化物半导体层305的一部分接触的方式形成η型电极 309。例如，作为η型电极309 形成Ti/Pt层。进一步，以与ρ型氮化物半导体层307接触的方式形成P型电极308。例如，作为ρ型电极308形成Pd/Pt层。之后，进行热处理，使 Ti/Pt层和η型氮化物半导体层305、以及Pd/Pt层和ρ型氮化物半导体层307合金化。
然后，对基板304进行研磨使其薄膜化。此时，以取光面311b的面积(相对的2个面的总和)成为取光面311a的面积的44%以下的方式进行薄膜化。
像这样制作的晶片状态的氮化物半导体发光元件300例如通过激光切割被分割为规定的大小。在激光切割中，使用激光在基板304的c轴方向
和a轴方向[11-20] 上形成自表面深几十Pm程度的槽，然后进行切断，分割成规定的尺寸的小片。此时，取光面311b容易出现c面，取光面311c容易出现a面。另外，如果基板304的厚度为100 μ m 以下，则使用激光就能够完全地小片化，不需要切断。
像这样小片化后的氮化物半导体发光元件300安装在安装基板301上。在此，对倒装芯片结构进行说明。
在安装基板301上预先形成有配线302。作为安装基板的主材料能够使用氧化铝、 AlN等绝缘物、Al、Cu等金属、S1、Ge等半导体或它们的复合材料。作为安装基板301的主材料使用金属或半导体时，也可以用绝缘膜覆盖表面。配线302只要与氮化物半导体发光元件300的电极形状匹配地配置即可。配线302能够使用Cu、Au、Ag、Al等。配线302只要与氮化物半导体发光元件300的电极形状匹配地配置即可。配线302能够使用Cu、Au、 Ag、Al等。这些材料通过溅射、镀敷等形成在安装基板301上。
在配线302上形成凸起303。凸起303可以使用Au。Au凸起的形成中使用凸起焊接机(bump bonder)能够形成直径50 70 μ m程度的Au凸起。另外,通过Au电镀处理也能够形成Au凸起。像这样，使用超声波焊接使氮化物半导体发光元件300与形成有凸起 303的安装基板301连接。
接着，形成密封部314。密封部314能够使用环氧树脂、有机硅树脂。密封部314 的形状是通过在安装有氮化物半导体发光元件300的安装基板301上盖上模具，使树脂流入空洞部分而形成的。在此方法中，能够同时进行密封部314的形状的形成和氮化物半导体发光元件300的树脂密封。另外，也能够使用预先形成仅设置有氮化物半导体发光元件 300这么大的空间的密封部314，将该透光性密封部320盖在安装有氮化物半导体发光元件 300的安装基板301上，使树脂流入间隙的方法。
由此，本实施方式的半导体发光器件完成。
(实施方式I的变形例I)
图5表示实施方式I的变形例I。以下，对于与实施方式I相同的内容省略说明。
在变形例I中，层叠结构310具有取光面311a、311b、311d。取光面311a与氮化物类半导体层叠结构的层方向大致平行地形成，并以与P型电极308和η型电极309相对的方式形成。因此，取光面311a与m面大致平行。取光面311b包含相对的2个面，与氮化物半导体活性层306的c面大致平行。
取光面31 Id包括4个侧面，即基板304、η型氮化物半导体层305、氮化物半导体活性层306和ρ型氮化物半导体层307。取光面311d中的基板304的2个侧面中的两者或一者从取光面311a的法线方向倾斜。该倾斜为例如30度，和与形成有氮化物半导体活性层306的m面不同的m面大致平行。
取光面31 Id中有η型氮化物半导体层305、氮化物半导体活性层306和ρ型氮化物半导体层307构成的部 分与a面((11-20)面)平行。
也可以如图5 (c-Ι)所示，使2个取光面31 Id从取光面31 Ia的法线方向向相同方向倾斜，将2个取光面311d相互平行地配置。也可以如图5 (c-2)、(c-3)所示，使2个取光面311d从取光面311a的法线方向向不同的方向倾斜。在图5 (c_2)中，基板304的取光面31 Id以a轴方向([11-20]方向)的宽度随着远离η型氮化物半导体层305而变窄的方式倾斜。在图5 (c-3)中，基板304的取光面311d以a轴方向([11-20]方向)的宽度随着远离η型氮化物半导体层305而变宽的方式倾斜。
根据本变形例，由于取光面311d相对于取光面311a的法线方向倾斜，所以在氮化物半导体发光兀件300的内部反射的光容易被取出到外部,光的输出提高。如实施方式I 的图3 (c)所示，在取光面311a和取光面311c大致垂直的情况下，以临界角以上的角度入射到取光面311a或取光面311c的光被封闭在氮化物半导体发光元件300的内部，没有被取出到外部。另一方面，如本变形例那样，在取光面311d中的一个或多个面倾斜的情况下， 以临界角以上的角度入射到取光面311a的光在取光面311a发生全反射。另一方面，光容易以临界角以下的角度入射到取光面311d，所以从氮化物半导体发光元件300的内部被取出到外部的光量增多。由此，能够实现光输出大的半导体发光器件。取光面311d中的一个或多个面也可以从取光面311a的法线方向倾斜30度。由此，从氮化物半导体发光元件300 的内部被取出到外部的光量进一步增多。
通过解理或激光切割使一个或多个取光面31 Id从取光面311a的法线方向倾斜30 度的情况下，倾斜的角度有时产生偏差。因此，一个或多个取光面311d也可以是从取光面 311a的法线方向以20度以上40度以下的角度倾斜的面。
即，在本发明中，“从第一取光面的法线方向倾斜30度的取光面”也可以包含自第一取光面的法线方向起的倾斜角的绝对值为20度以上40度以下的取光面。
图6是将表示图5 (c-Ι)所示的氮化物半导体发光元件300从晶片分割为各芯片的工序的截面图。图6表不与c轴方向(
方向)垂直的截面。
首先，准备图6 (a)所示的晶片300A。晶片300A具有层叠结构310A，层叠结构 310A具有基板304A、n型氮化物半导体层305A、氮化物半导体活性层306A和ρ型氮化物半导体层307Α。在ρ型氮化物半导体层307Α上形成有ρ型电极308。另外，ρ型电极308通过剥离法(lift-off technology),按照各芯片区域(之后通过分割成为芯片的区域)300B设置。
接着，如图6 (b)所示，通过光刻和蚀刻，以凹部312的底面配置在η型氮化物半导体层305Α内的方式形成凹部312。此外，凹部312的底面也可以贯通η型氮化物半导体层305Α。进一步，在凹部312的底面形成η型电极309。
接着，如图6 (C)所示，通过金刚石笔等，在凹部312的底面形成几μπι程度深的槽354。槽354在相邻的芯片区域300Β的边界沿着c轴方向
和a轴方向[11-20]设置。
接着，如图6 (d)所示，通过进行切断，形成成为规定的尺寸的的芯片的氮化物半导体发光元件3 00。在进行激光切割的情况下，通过激光形成深50μπι程度的槽，而在图6 所示进行机械切割的情况下，槽354的深度为几μπι程度。像这样，在进行机械切割的情况下，与激光切割相比能够减小槽354的深度，容易出现解理性高的面。因此，作为取光面 311b容易出现c面，作为取光面31 Id容易出现从基板304A的法线倾斜30度的m面。
在本实施方式中，不仅是取光面311d中的由基板304构成的部分，由η型氮化物半导体层305、氮化物半导体活性层306和ρ型氮化物半导体层307构成的部分也可以与从基板304Α的法线倾斜30度的m面大致平行。
图5 (c-Ι)所示的氮化物半导体发光元件300具有基于解理的制造方法容易的优
(实施方式I的变形例2)
图7中表示实施方式I的变形例2。以下，对于与实施方式I相同的内容省略说明。
变形例2中，层叠结构具有取光面311a、311b、311c。
取光面31 Ib、311c分别包括基板304、η型氮化物半导体层305、氮化物半导体活性层306和ρ型氮化物半导体层307。取光面311b中的由基板304构成的部分与c面平行。 取光面311b中的由η型氮化物半导体层305、氮化物半导体活性层306和ρ型氮化物半导体层307构成的部分，从取光面311a的法线方向(和c面)倾斜。
取光面311c中的由基板304构成的部分与a面平行。取光面311c中的由η型氮化物半导体层305、氮化物半导体活性层306和ρ型氮化物半导体层307构成的部分，从取光面311a的法线方向(和a面)倾斜。在图7 (C)中，取光面311b以a轴方向的宽度从η型氮化物半导体层305向ρ型氮化物半导体层307变窄的方式倾斜，但也可以向相反方向倾斜。
图7所示的结构能够通过在在晶片状态的层叠结构310中的ρ型氮化物半导体层 307上形成有截面为锥状(越远离P型氮化物半导体层307宽度越窄的锥状)的硬掩模的状态下进行蚀刻而形成。这是因为，在此情况下，硬掩模的侧面的倾斜反映到层叠结构310的侧面。另外，通过使用反应性高的干法蚀刻条件，能够使截面为锥状。
此外，在本变形例中，在取光面311b的一部分倾斜的情况下，在“取光面311b的面积”的计算中用到的是倾斜面自身的面积，而不是将该倾斜的面投影到与c面平行的面得到的像的面积。
根据本变形例，使取光面311b、311c的一部分从取光面311a的法线方向倾斜，由此，在氮化物半导体发光元件300内部难以反复发生全反射，取光效率提高。
(实施方式I的变形例3)
图8中表不实施方式I的变形例3。以下,对于与实施方式I相同的内容省略说明。
在变形例3中，层叠结构310具有η型氮化物半导体层305、氮化物半导体活性层 306和ρ型氮化·物半导体层307，而不具有基板304。层叠结构310具有取光面311a、311b、 311c。取光面311a由η型氮化物半导体层305构成。取光面311b和取光面311c由η型氮化物半导体层305、氮化物半导体活性层306和ρ型氮化物半导体层307构成。
本实施方式的氮化物半导体发光元件300使用蓝宝石基板、SiC基板或Si基板等由与氮化物半导体不同的材料形成的基板(异种基板)来制作。在晶片状态的异种基板上形成η型氮化物半导体层305、氮化物半导体活性层306、ρ型氮化物半导体层307、ρ型电极 308和η型电极309后，将晶片分割为各芯片。对芯片进行了安装工序后，使用激光剥离法等能够除去异种基板。根据该方法，在安装工序中，能够避免芯片被割开的危险，并且能够使元件变薄与基板的厚度相当的量，所以能够实现小型化。
(实施方式2)
图9是意性地表实施方式2的半导体发光器件的图，图9 (a)是顶视图，图9 (b)是X-X’的截面图，图9 (C)是Y-Y’的截面图。
本实施方式与实施方式I的不同点在于氮化物半导体发光元件300的c轴方向的长度大于所述半导体发光元件的a轴方向的长度，氮化物半导体发光元件300的平面形状为长方形。除了该点以外的技术方案与实施方式I相同，所以省略其详细说明。
在氮化物半导体发光元件300具有正方形的平面形状的情况下，为了使取光面 311b的面积(相对的2个面的总和)为取光面311a的面积的44%以下，需要使基板304的厚度减小。但是，氮化物半导体的结晶生长所使用的基板材料，多为硬度高的材料，通过研磨等有时难以使其薄膜化。根据本实施方式，由于氮化物半导体发光元件300具有以c轴方向为长边方向的长方形的平面形状，所以在基板304较厚的情况下，通过减小半导体发光元件300的a轴方向的长度能够控制取光面311a和311b的面积。
(实施方式2的变形例)
图10表示实施方式2的变形例。
在变形例中，层叠结构310具有取光面311a、311b、311d。取光面311d包括相对的4个侧面，即基板304、η型氮化物半导体层305、氮化物半导体活性层306和ρ型氮化物半导体层307。取光面311d中的基板304的2个侧面中的两者或一者从取光面311a的法线方向倾斜。该倾斜为例如30度,和与形成有氮化物半导体活性层306的m面不同的m面大致平行。取光面311d中有η型氮化物半导体层305、氮化物半导体活性层306和ρ型氮化物半导体层307构成的部分与a面((11-20)面)平行。
在本变形例中，氮化物半导体发光元件300的平面形状为长方形这一点与实施方式2相同。另外，取光面31 Id的一部分与m面大致平行这一点与实施方式I的变形例I相同。因此，省略其详细的说明。
根据本变形例，由于取光面311d相对于取光面311a的法线方向倾斜，所以在氮化物半导体发光元件300的内部反射的光容易被取出到外部，光的输出提高。通过对利用解理使哪个m面露出进行控制，能够制作图10 (c-Ι)、图10 (c-2)、图10 (c_3)所示的形状。
此外，在实施方式I的变形例2、3中，氮化物半导体发光元件300的平面形状也可以是长方形。
(实施方式3)
图11是示意性地表示实施方式3的半导体发光器件的图，图11 (a)是顶视图，图 11 (b)是X-X’的截面图，图11 (C)是Y-Y’的截面图。
本实施方式与实施方式I的不同点在于，在安装基板301的表面形成有腔313。 腔313是形成于安装基板301的表面的凹部，在凹部的底面配置有氮化物半导体发光元件 300。通过设置腔313，能够使从氮化物半导体发光元件300出射的光反射，能够控制配光特性。
腔313由反射率高的材料形成，由此能够提高发光效率。例如，能够使用氧化铝、 含有TiO2微颗粒的有机硅树脂等。另外，也可以用Al、Ag等反射率高的材料覆盖腔313的表面。在本变形例中，通过使取光面311b的面积(相对的2个面的总和)为取光面311a的面积的44%以下，能够将a轴方向配光分布与c轴方向配光分布的平均非对称度抑制到6% 以下。
本实施方式也可以具有腔313以外的反射器。
(实施方式3的变形例I)
图12表示实施方式3的变形例I。
在变形例I中，层叠结构310具有取光面311a、311b、311d。取光面311d包括相对的4个侧面，即基板304、n型氮化物半导体层305、氮化物半导体活性层306和ρ型氮化物半导体层307。取光面311d中的基板304的2个侧面中的两者或一者从取光面311a的法线方向倾斜。该倾斜为例如30度，和与形成有氮化物半导体活性层306的m面不同的m面大致平行。取光面311d中有η型氮化物半导体层305、氮化物半导体活性层306和ρ型氮化物半导体层307构成的部分与a面((11-20)面)平行。
在本变形例中，设置有腔313这一点与实施方式3相同。另外,取光面311d的一部分与m面大致平行这一点与实施方式I的变形例I相同。因此，省略其详细的说明。
根据本变形例，由于取光面311d中的一个或多个面相对于取光面311a的法线方向倾斜，所以在氮化物半导体发光元件300的内部反射的光容易被取出到外部，光输出提高。通过对利用解理使哪个m面露出进行控制，能够制作图12 (c-Ι)、图12 (c-2)、图12(c-3)所示的形状。
此外，在实施方式I的变形例2、3中，也可以设置腔313。另外，在实施方式2或实施方式2的变形例中，也可以设置腔313。
(其它实施方式)
以下，对在取光面311a有意地设置纹理结构的情况进行说明。
图13是示意性地表示具有有意地设置有纹理结构的取光面311a’的半导体发光器件的图，图13 (a)是顶视图，图13 (b)是X-X’的截面图、图13 (c)是Y-Y’的截面图。
在图13所示的氮化物半导体发光元件300的取光面311a’设置有多个条纹状的槽352。槽352延伸的方向是从c面倾斜角度Θ的方向。
槽352的周期也可以是300nm以上8μπι以下。这是因为，如果槽352的周期小于 300nm,则光不容易受到槽352的周期结构的影响，如果槽352的周期大于8 μ m，则形成于取光面311a’的槽352的数量变少。另外，在取光面311a’，在设条纹延伸的方向与偏振方向 (a轴方向)所成的角度的绝对值为Θ的情况下，Θ (modlSO度)也可以为5度以上175度以下。由此，能够有效地降低偏振度。进一步，Θ (modl80度)也可以为30度以上150度以下。由此，能够进一步有效地降低偏振。
在取光面311a’设置有纹理结构的情况下，“取光面311a’的面积”可以认为是将取光面311a’投影到与m面平行的面时的面积。
纹理结构不限于图13 (a)所示的形状。例如，如图14 (a)所示，具有三角形状的截面，也可以说位置越深宽度越窄的槽。如图14(b)所示，截面也可以具有曲面的形状。也可以如图14 (c)所示，多个凸部在取光面311a’的表面沿着行列方向配置。该凸部的形状也可以为圆锥形或半圆形。另外，凸部也可以不是等间隔排列。
本实施方式的纹理结构，能够通过在取光面311a’的表面利用光刻形成掩模后进行干法蚀刻来形成。通过调整干法蚀刻的条件，能够控制纹理结构的截面形状。例如，在使用降低蚀刻压力、提高离子的引出电压的物理上蚀刻性高的条件时，能够形成接近取光面 311a’的法线方向的侧面。另一方面，再使用利用等离子体密度高的ICP等离子体源、减小离子的引出电压的化学上蚀刻性高的条件时，能够形成从取光面311a’的法线方向倾斜的侧面。
(实施例1)
以下，对作为取光面311d，主要m面露出的实施例1进行说明。
在晶片状态的m面η型GaN基板上形成有由厚度2 μ m的η型GaN层构成的η型氮化物半导体层；具有由厚度15nm的InGaN量子阱层和厚度30nm的GaN障壁层构成的3周期的量子阱结构的氮化物半导体活性层；和由厚度O. 5 μ m的ρ型GaN层构成的ρ型氮化物半导体层。作为η型电极使用Ti/Pt层,作为ρ型电极使用Pd/Pt层。m面η型GaN基板通过研磨变薄到规定的厚度。使用金刚石笔，在晶片的c轴方向
和a 轴方向[11-20] 上形成了自表面几Pm程度深的槽后，进行晶片的切断，分割成规定的大小的小片(氮化物半导体发光元件300)。当进行c轴方向
的切断时，沿着标注线，c面几乎露出。另一方面，当进行a轴方向[11-20]的切断时，多出现m面露出的情况。
将这些芯片状态的氮化物半导体发光元件300装载于在氧化铝上形成有配线的安装基板301上进行倒装芯片安装，制成半导体发光器件。由于关注的是从氮化物半导体发光元件300出射的光的配光分布特性，所以在氮化物半导体发光元件300的表面没有形成密封部314。
表I是半导体发光器件中使用的氮化物半导体发光元件300的大小和基板(GaN 基板)304的厚度的一览。准备了 5种取光面311b的面积相对于取光面311a的面积的比例不同的样品。在电流值为IOmA时，这些半导体发光器件的发光峰值波长为405nm至410nm。
[表 I]
权利要求
1.一种氮化物半导体发光元件，其特征在于 所述氮化物半导体发光元件具有包含由m面氮化物半导体形成的活性层的层叠结构，所述层叠结构具有与所述活性层的m面平行的第一取光面；和与所述活性层的c面平行的多个第二取光面，所述第二取光面的面积相对于所述第一取光面的面积的比例为46 %以下。
2.如权利要求1所述的氮化物半导体发光元件，其特征在于 所述层叠结构具有一个或多个第三取光面， 所述一个或多个第三取光面从所述第一取光面的法线方向倾斜。
3.如权利要求2所述的氮化物半导体发光元件，其特征在于 所述一个或多个第三取光面从所述第一取光面的法线方向倾斜30度。
4.如权利要求1至3中任一项所述的氮化物半导体发光元件，其特征在于 所述层叠结构具有 具有第一面和位于所述第一面的相反侧的第二面的基板；和 层叠于所述基板的所述第一面、且包含所述活性层的多个氮化物类半导体层。
5.如权利要求4所述的氮化物半导体发光元件，其特征在于 所述第一取光面是所述基板的所述第二面。
6.如权利要求1至3中任一项所述的氮化物半导体发光元件，其特征在于 所述层叠结构是包含所述活性层的多个氮化物类半导体层。
7.如权利要求1至6中任一项所述的氮化物半导体发光元件，其特征在于 所述第一取光面的c轴方向的长度大于所述第一取光面的a轴方向的长度。
8.如权利要求1至7中任一项所述的氮化物半导体发光元件，其特征在于 所述第二取光面的面积相对于所述第一取光面的面积的比例为24%以上。
9.如权利要求1至8中任一项所述的氮化物半导体发光元件，其特征在于 所述第一取光面和所述多个第二取光面中的至少一个具有纹理结构。
10.一种半导体发光器件，其特征在于，包括 权利要求1至9中任一项所述的氮化物半导体发光元件； 支承所述氮化物半导体发光元件的安装基板；和 覆盖氮化物半导体发光元件的密封部。
11.如权利要求10所述的半导体发光器件，其特征在于 还具有反射从所述氮化物半导体发光元件发出的光的反射器。
全文摘要
氮化物半导体发光元件(300)是具有包含由m面氮化物半导体形成的活性层的层叠结构(310)的氮化物半导体发光元件，层叠结构(310)具有与氮化物半导体活性层(306)的m面平行的取光面(311a)和与氮化物半导体活性层(306)的c面平行的取光面(311b)，取光面(311b)的面积相对于取光面(311a)的面积的比例为46％以下。
文档编号H01L33/20GK103003962SQ20128000207
公开日2013年3月27日 申请日期2012年3月5日 优先权日2011年4月6日
发明者井上彰, 横川俊哉, 山田笃志, 藤金正树 申请人:松下电器产业株式会社