半导体发光元件制造技术

本发明专利技术提供以高批量、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，如本发明专利技术，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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术半导体发光元件，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。结果本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：折田贤儿，
申请(专利权)人：松下电器产业株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]