專利名稱：半導(dǎo)體發(fā)光元件和器件、及制造半導(dǎo)體發(fā)光元件的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種使用半導(dǎo)體的發(fā)光元件，并且涉及一種制造該元件的方法。
背景技術(shù)：
由鋁銦鎵氮(AlInGaN)代表的基于氮化物的化合物半導(dǎo)體的使用使得發(fā)光元件的商業(yè)化成為可能，這些發(fā)光元件在紫外、藍(lán)、和綠波長(zhǎng)下輸出光，至今難以從這些波長(zhǎng)得到足夠的發(fā)射強(qiáng)度，如發(fā)光二極管(LED)和半導(dǎo)體激光器，從而其研究和開發(fā)進(jìn)行得很活躍。在發(fā)光元件中，LED比半導(dǎo)體激光器較容易制造和控制，并且壽命比熒光燈長(zhǎng)，從而LED，特別是使用基于氮化物的化合物半導(dǎo)體的LED，被認(rèn)為是一種有前途的照明光源。
圖34是立體圖，示出了一種常規(guī)的基于氮化物的化合物半導(dǎo)體LED。該常規(guī)LED具有這樣一種結(jié)構(gòu)，其中通過在藍(lán)寶石基片1001上的晶體生長(zhǎng)依次形成n型鎵氮(GaN)層1002、銦鎵氮(InGaN)活性層(active layer)1003、及p型GaN層1004。InGaN活性層1003和p型GaN層1004的每一個(gè)已經(jīng)通過蝕刻被除去部分，從而暴露n型GaN層1002。n側(cè)電極1006形成在n型GaN層1002的暴露部分上。p側(cè)鍵合電極1007提供在p型GaN層1004上。
如下是LED的工作情況。
首先，從p側(cè)鍵合電極1007注射的空穴在p側(cè)透明電極1005中橫向擴(kuò)散，以從p型GaN層1004注射到InGaN活性層1003中。
另一方面，從n側(cè)電極1006注射的電子穿過n型GaN層1002進(jìn)一步注射到InGaN活性層1003中。在InGaN活性層1003中空穴和電子的重新結(jié)合導(dǎo)致光發(fā)射。光穿過p側(cè)透明電極1005發(fā)射到LED外。
然而，不能說這樣一種常規(guī)結(jié)構(gòu)具有足夠高的光引出效率。光引出效率是在活性層中產(chǎn)生的并且從LED發(fā)射到空氣中的光與在活性層中產(chǎn)生的所有光的比值。常規(guī)LED的光引出效率低的原因是半導(dǎo)體的折射率高于空氣的折射率，從而來自活性層的光由在半導(dǎo)體與空氣之間的界面全反射，并且約束在LED內(nèi)。例如，GaN的折射率在480nm波長(zhǎng)下大約為2.45，從而發(fā)生全反射的臨界角小到約23度。就是說，就在半導(dǎo)體與空氣之間的界面的法線而言，以比臨界折射角大的角度從活性層發(fā)射的光，由在半導(dǎo)體與空氣之間的界面全反射，從而從活性層發(fā)射的并且可引出到LED外部的光大約僅占從活性層發(fā)射的全部光的4％。因而，遇到的問題是外部量子效率(能從LED引出的光與供給到LED的電流的比值)較低，并且功率轉(zhuǎn)換效率(能產(chǎn)生的光輸出與全部供給功率的比值)比熒光燈的低。
作為對(duì)該問題的解決方案，已經(jīng)提出了一種在LED的表面處形成光子晶體的技術(shù)，如在日本特許公開專利出版物No.2000-196152中所公開的那樣。
圖35是立體圖，示出了一種上表面形成有光子晶體的常規(guī)LED。如圖中所示，根據(jù)該常規(guī)實(shí)施方式，二維周期性突起/凹陷形成在p型GaN層1004中。在該結(jié)構(gòu)中，即使就在半導(dǎo)體與空氣之間的界面的法線而言，以比臨界折射角大的角度從活性層發(fā)射的光，由于通過周期性突起/凹陷的衍射，也能具有在比臨界折射角小的角度下的發(fā)射方向。這增大了發(fā)射到LED外部而不會(huì)全反射的光的比率，并且改進(jìn)了光引出效率。在本說明書中，措詞“二維周期性”表示形成一種結(jié)構(gòu)以沿一個(gè)平面中的第一方向具有給定空隙(給定周期)，同時(shí)也形成它以沿與第一方向正交的第二方向具有給定空隙(給定周期)。

發(fā)明內(nèi)容
然而，當(dāng)突起/凹陷形成在靠近活性層的LED表面中，如在p型GaN層中時(shí)，有出現(xiàn)如下問題的情形。
由于p型GaN層1004具有高電阻率，所以其膜厚度希望薄到約0.2μm，以便減小LED的串聯(lián)電阻，以及實(shí)現(xiàn)高效率的光發(fā)射。然而，為了在p型GaN層1004的上表面中形成突起/凹陷，必須增大p型GaN層1004的膜厚度。結(jié)果，有在圖35中所示的常規(guī)LED的串聯(lián)電阻增大和其功率轉(zhuǎn)換效率降低的情形。另外，用來在p型GaN層1004中形成突起/凹陷的干式蝕刻導(dǎo)致在p型GaN層1004的表面中的晶體缺陷。由于這樣一種晶體缺陷起電子施主的作用，所以在n型GaN層1002的表面中的電子密度增大，并且其接觸電阻降低。然而，在p型GaN層1004中，由蝕刻損傷生成的晶體缺陷補(bǔ)償空穴，從而歐姆電極的形成變得困難。這導(dǎo)致接觸電阻率增大和功率轉(zhuǎn)換效率降低的問題。由于突起/凹陷靠近活性層，所以在突起/凹陷的形成期間，蝕刻引起的損傷出現(xiàn)在活性層中。因此，在活性層中的內(nèi)部量子效率(在活性層中重新結(jié)合的并且轉(zhuǎn)換成光子的電子-空穴對(duì)與在活性層中重新結(jié)合的所有電子-空穴對(duì)的比值)減小和LED的光發(fā)射效率減小的問題，也可能發(fā)生。
其中可想象形成二維光子晶體的LED的表面是其主表面或后表面。在這種情況下，基片的后表面和在基片與半導(dǎo)體之間的界面能認(rèn)為是在任一個(gè)處要形成光子晶體的兩個(gè)位置。然而，在任一種情況下，當(dāng)通過使用常規(guī)技術(shù)形成光子晶體時(shí)，遇到如下問題。在基片的后表面處形成光子晶體的情況下，全反射發(fā)生在半導(dǎo)體與基片之間的界面處，從而由在基片的后表面中形成的光子晶體實(shí)現(xiàn)的光引出效率的改進(jìn)效果，比當(dāng)在半導(dǎo)體中形成光子晶體時(shí)低。另一方面，在半導(dǎo)體與基片之間的界面處形成光子晶體的情況下，通過周期性突起/凹陷的衍射的效率由于在半導(dǎo)體與基片之間的較小折射率差而降低，從而光引出效率的改進(jìn)效果比當(dāng)在LED的最上表面處形成光子晶體時(shí)低。
因此本發(fā)明的一個(gè)目的在于，提供一種具有比常規(guī)情況下高的光引出效率的半導(dǎo)體發(fā)光元件。
根據(jù)本發(fā)明的第一半導(dǎo)體發(fā)光元件包括活性層，由半導(dǎo)體制成并且產(chǎn)生光；第一傳導(dǎo)型的第一半導(dǎo)體層，通過晶體生長(zhǎng)形成在活性層的主表面上；以及第二傳導(dǎo)型的第二半導(dǎo)體層，提供在活性層的后表面上，并且具有形成有二維周期性結(jié)構(gòu)的后表面，該半導(dǎo)體發(fā)光元件從該第二半導(dǎo)體層的后表面輸出在活性層中產(chǎn)生的光。
在該布置中，在第二半導(dǎo)體層的后表面中形成的二維周期性結(jié)構(gòu)減小了由元件在其制造期間受到的損傷，并因此把功率轉(zhuǎn)換效率提高到一個(gè)比常規(guī)情況下高的水平。
該第一半導(dǎo)體發(fā)光元件還包括第一電極，提供在第一半導(dǎo)體層的主表面上，并且相對(duì)于在活性層中產(chǎn)生的所有光的峰值波長(zhǎng)下的光具有80％或更大的反射率；和第二電極，提供在第二半導(dǎo)體層的后表面的一個(gè)區(qū)域上，其中在該區(qū)域中不形成二維周期性結(jié)構(gòu)。該布置允許從活性層向第一電極發(fā)射的光高效地反射到在半導(dǎo)體多層膜的表面中的二維周期性結(jié)構(gòu)，并由此允許由二維周期性結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的光引出效率近似加倍。
具體地說，第一電極在實(shí)際使用中優(yōu)選地是一種包含金(Au)膜、鉑(Pt)膜、銅(Cu)膜、銀(Ag)膜、鋁(Al)膜、及銠(Rh)膜的至少一個(gè)的金屬膜。
進(jìn)一步提供與第一電極具有接觸關(guān)系的、具有10μm或更大厚度的金屬層。該布置允許在活性層中產(chǎn)生的熱量的有效傳導(dǎo)，從而抑制故障操作的發(fā)生。
具體地說，金屬層包括從由Au、Cu、及Ag組成的組中選擇的一種金屬。該布置是優(yōu)選的，因?yàn)樗试S有效地傳遞熱量到外部，并且它能通過使用電鍍技術(shù)容易地形成。
當(dāng)二維周期性結(jié)構(gòu)的周期是Λ，在活性層中產(chǎn)生的光的峰值波長(zhǎng)是λ，并且第二半導(dǎo)體層的折射率是N時(shí)，優(yōu)選地滿足0.5λ/N＜Λ＜20λ/N。在其中滿足0.5λ/N＞Λ的情況下，由衍射引起的角度變化較大，并且衍射光的角度超過全反射臨界角，從而它不會(huì)發(fā)射到半導(dǎo)體發(fā)光元件的外部。在這種情況下，二維周期的衍射不能改進(jìn)光引出效率。在其中滿足Λ＞20λ/N的情況下，周期變得遠(yuǎn)大于從活性層發(fā)射的光的波長(zhǎng)，從而很難期望衍射的效果。
當(dāng)二維周期性結(jié)構(gòu)的高度是h，在活性層中產(chǎn)生的光的峰值波長(zhǎng)是λ，圍繞半導(dǎo)體發(fā)光元件的部分的折射率是n1，以及第二半導(dǎo)體層的折射率是n2時(shí)，h是λ/{2(n2-n1)}的整數(shù)倍。這導(dǎo)致相位差，該相位差使穿過二維周期性結(jié)構(gòu)的突出/凹陷的上部的光分量與穿過突出/凹陷的下部的光分量互相傳導(dǎo)率干涉。因此，能使由二維周期性結(jié)構(gòu)引起的衍射效率最大化，并且能提高光引出效率。
依據(jù)組成二維周期性結(jié)構(gòu)的一種材料，二維周期性結(jié)構(gòu)的豎向橫截面能配置成四邊形或三角波。
根據(jù)本發(fā)明的第二半導(dǎo)體發(fā)光元件包括基片，它發(fā)射光；第一半導(dǎo)體層，通過晶體生長(zhǎng)形成在基片的主表面上，并且具有形成有二維周期性結(jié)構(gòu)的主表面；第一傳導(dǎo)型的第二半導(dǎo)體層，提供在第一半導(dǎo)體層的主表面上；活性層，提供在第二半導(dǎo)體層的主表面上，由半導(dǎo)體制成，并且產(chǎn)生光；以及第二傳導(dǎo)型的第三半導(dǎo)體層，提供在活性層的主表面上，該半導(dǎo)體發(fā)光元件從基片的后表面輸出在活性層中產(chǎn)生的光。
該布置允許衍射效率的提高而不用除去基片，并由此允許比在其中除去基片的情況下容易制造。
組成第二半導(dǎo)體層的材料不埋在二維周期性結(jié)構(gòu)中。由于該布置允許在二維周期性結(jié)構(gòu)與圍繞二維周期性結(jié)構(gòu)的部分之間折射率差的增大，所以變得可以增大衍射效率和提高光引出效率。
優(yōu)選地，基片的材料是從包括砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)、硅(Si)、碳化硅(SiC)、氮化鋁(AlN)、及藍(lán)寶石的組中選擇的一種。如果基片由GaAs、InP、或Si制成，則它能通過濕式蝕刻容易地除去。即使基片由AlN、藍(lán)寶石、或SiC制成，它也能通過干式蝕刻除去。如果基片由諸如AlN或藍(lán)寶石之類的透明材料制成，則它能通過激光剝離過程除去。
基片的后表面是粗糙的，并且當(dāng)在活性層中產(chǎn)生的光的峰值波長(zhǎng)是λ時(shí)，在基片的后表面中的自相關(guān)距離T滿足0.5λ/N＜T＜20λ/N，并且在垂直方向上的高度分布D滿足0.5λ/N＜D＜20λ/N。這散射光，并且允許在活性層中產(chǎn)生的光高效地發(fā)射到基片外。
根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體發(fā)光器件包括半導(dǎo)體發(fā)光元件，具有第一傳導(dǎo)型的第一半導(dǎo)體層，提供在第一半導(dǎo)體層的后表面上、由半導(dǎo)體制成的、且產(chǎn)生光的活性層，以及提供在活性層的后表面上并且具有形成有二維周期性結(jié)構(gòu)的后表面的第二傳導(dǎo)型的第二半導(dǎo)體層，該半導(dǎo)體發(fā)光元件從第二半導(dǎo)體層的后表面輸出在活性層中產(chǎn)生的光；一個(gè)安裝基片，其上安裝有該半導(dǎo)體發(fā)光元件；及模塑樹脂，形成半球形結(jié)構(gòu)，以模塑該半導(dǎo)體發(fā)光元件。
該布置允許光引出效率的顯著提高。這是因?yàn)橛啥S周期性結(jié)構(gòu)從半導(dǎo)體發(fā)光元件引出到樹脂中的光，由于半球形的樹脂，易于垂直地入射在樹脂與空氣之間的界面上，并且以近似100％的效率發(fā)射到空氣中。
根據(jù)本發(fā)明的一種用來制造半導(dǎo)體發(fā)光元件的方法包括步驟(a)在基片的主表面中或在基片上提供的半導(dǎo)體層的主表面中形成第一二維周期性結(jié)構(gòu)；和(b)在第一二維周期性結(jié)構(gòu)上方依次形成第一半導(dǎo)體層、活性層、以及第二半導(dǎo)體層。
該方法使得可以形成二維周期性結(jié)構(gòu)而不損傷第一半導(dǎo)體。
步驟(b)可以還包括步驟通過以第一二維周期性結(jié)構(gòu)隨其一起填充的方式形成第一半導(dǎo)體層，而在第一半導(dǎo)體層的后表面中形成與第一二維周期性結(jié)構(gòu)互補(bǔ)的第二二維周期性結(jié)構(gòu)。
該方法還包括步驟在步驟(b)之后的(c)，除去基片，或基片和半導(dǎo)體層，以暴露第二二維周期性結(jié)構(gòu)。該布置允許在組成第二二維周期性結(jié)構(gòu)的材料與圍繞第二二維周期性結(jié)構(gòu)的部分之間的折射率差的增大，并由此允許半導(dǎo)體發(fā)光元件的衍射效率的提高。
步驟(c)也可以通過拋光基片和通過濕式蝕刻完成。
步驟(c)通過激光剝離過程完成。這允許在相當(dāng)短的時(shí)間段內(nèi)除去基片。
在步驟(c)中除去的基片是可重新使用的。這實(shí)現(xiàn)了制造成本的降低。
該方法還包括步驟在步驟(b)之后，在第二半導(dǎo)體層的主表面上形成由金屬膜組成的高反射膜，該金屬膜包含Au膜、Pt膜、Cu膜、Ag膜、Al膜、以及Rh膜的至少一個(gè)。該布置允許具有較高光引出效率的半導(dǎo)體發(fā)光元件的制造。
該方法還包括步驟在步驟(c)之后，在依據(jù)晶面蝕刻速度不同的情況下進(jìn)行濕式蝕刻，以形成包括每個(gè)配置成多邊形棱錐的突起或凹陷的第二二維周期性結(jié)構(gòu)。該布置允許具有較高光引出效率的半導(dǎo)體發(fā)光元件的制造。借助于通過濕式蝕刻如此適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)突起或凹陷的每一個(gè)的配置，能增大設(shè)計(jì)靈活性。
步驟(b)也可以包括步驟以這樣一種方式形成第一半導(dǎo)體層，以便在第一二維周期性結(jié)構(gòu)中形成腔。
第一二維周期性結(jié)構(gòu)也可以包括由氧化物、氮化物、以及金屬的至少任一種制成的結(jié)構(gòu)。
第二二維周期性結(jié)構(gòu)包括凹陷，并且該方法還包括步驟在步驟(b)和(c)之后，通過在電解液中允許電荷在半導(dǎo)體發(fā)光元件中流動(dòng)，增加凹陷每一個(gè)的深度或者改變凹陷每一個(gè)的橫截面結(jié)構(gòu)。該布置因此允許在凹陷每一個(gè)的內(nèi)側(cè)表面與基片的表面之間的角度接近90度，并由此通過使用第二二維周期性結(jié)構(gòu)允許光引出效率的改進(jìn)。
步驟(a)包括步驟(a1)把第一抗蝕劑涂敷在基片的或半導(dǎo)體層的主表面上；(a2)貼著第一抗蝕劑擠壓形成有二維周期性結(jié)構(gòu)的模具，該二維周期性結(jié)構(gòu)與第一二維周期性結(jié)構(gòu)互補(bǔ)，以把與第一二維周期性結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的圖案轉(zhuǎn)移到其上；以及(a3)通過把對(duì)其已經(jīng)轉(zhuǎn)移與第一二維周期性結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的圖案的第一抗蝕劑用作掩模，形成第一二維周期性結(jié)構(gòu)。由于該布置允許在模具中預(yù)先形成的極精細(xì)圖案的轉(zhuǎn)移，所以有利于相對(duì)于薄膜進(jìn)行的微加工。
第一二維周期性結(jié)構(gòu)包括提供在基片上的樹脂，并且該方法還包括步驟在步驟(b)之后的(d)，除去基片；(e)把第二抗蝕劑涂敷在第一半導(dǎo)體層的后表面上；(f)把形成有第一二維周期性結(jié)構(gòu)的基片放置在第二抗蝕劑上，以把與第一二維周期性結(jié)構(gòu)互補(bǔ)的圖案轉(zhuǎn)移到第二抗蝕劑上；以及(g)通過把對(duì)其已經(jīng)轉(zhuǎn)移與第一二維周期性結(jié)構(gòu)互補(bǔ)的圖案的第二抗蝕劑用作掩模，在第一半導(dǎo)體層的后表面中形成與第一二維周期性結(jié)構(gòu)互補(bǔ)的第二二維周期性結(jié)構(gòu)。由于該布置允許在模具中預(yù)先形成的極精細(xì)圖案的轉(zhuǎn)移，所以有利于相對(duì)于薄膜進(jìn)行的微加工。
該方法還包括步驟把半導(dǎo)體發(fā)光元件安裝在安裝基片上；以及通過使用形成有半球形腔的模具用半球形樹脂模塑半導(dǎo)體發(fā)光元件。該布置允許具有較高光引出效率的半導(dǎo)體發(fā)光元件的制造。通過利用模具模塑樹脂，變得可以穩(wěn)定地制造具有均勻結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體發(fā)光元件。


圖1是立體圖，示出了根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施方式的一種半導(dǎo)體發(fā)光元件；圖2表示發(fā)射到半導(dǎo)體發(fā)光元件外部的光量的入射角依賴性的理論計(jì)算結(jié)果；圖3A表示在真實(shí)空間中LED的結(jié)構(gòu)，并且圖3B和3C每個(gè)表示在波數(shù)空間中發(fā)光元件的結(jié)構(gòu)；圖4A和4B每個(gè)表示當(dāng)在n型GaN層的表面中已經(jīng)形成具有0.1μm周期的二維周期性結(jié)構(gòu)時(shí)波數(shù)空間的結(jié)構(gòu)；圖5表示在具有形成有周期性結(jié)構(gòu)的表面的半導(dǎo)體層的每一部分處的折射率；圖6A至6C每個(gè)表示當(dāng)在n型GaN層的表面上已經(jīng)形成具有0.2μm周期的二維周期性結(jié)構(gòu)時(shí)波數(shù)空間的結(jié)構(gòu)；圖7表示當(dāng)在n型GaN層的表面上已經(jīng)形成具有0.4μm周期的二維周期性結(jié)構(gòu)時(shí)波數(shù)空間的結(jié)構(gòu)；圖8是用來表明計(jì)算光引出效率使用的立體角的視圖；圖9表示通過使通過使用數(shù)值計(jì)算得到的光引出效率標(biāo)準(zhǔn)化到當(dāng)n型GaN層的表面是平的時(shí)的光引出效率得到的值；圖10A和10B是平面視圖，每個(gè)表示在n型GaN層的表面中形成的二維周期性結(jié)構(gòu)的布置；圖11A至11F是立體圖，示出了一種用來制造根據(jù)第一實(shí)施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件的方法；圖12A表示常規(guī)半導(dǎo)體發(fā)光元件和根據(jù)第一實(shí)施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件的各自的電流-電壓特性，而圖12B表示常規(guī)半導(dǎo)體發(fā)光元件和根據(jù)第一實(shí)施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件的各自的電流-光輸出特性；圖13A和13B是立體圖，每個(gè)示出了根據(jù)第一實(shí)施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件的變化；圖14是立體圖，示出了根據(jù)第一實(shí)施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件的變化；圖15A和15B是立體圖，每個(gè)示出了根據(jù)第一實(shí)施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件的變化；圖16A和16B是立體圖，每個(gè)示出了根據(jù)第一實(shí)施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件的變化；圖17表示光引出效率對(duì)凹陷傾斜角的依賴性的理論計(jì)算結(jié)果；圖18A是立體圖，示出了根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施方式的一種半導(dǎo)體發(fā)光元件，而圖18B是當(dāng)從上方觀看根據(jù)第二實(shí)施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件時(shí)的平面圖；圖19A示出了當(dāng)n型GaN層的表面(后表面)形成有配置成六棱錐時(shí)入射在n型GaN層的表面上的光的透射率的理論計(jì)算結(jié)果，并且圖19B示出了二維周期性結(jié)構(gòu)的周期與光引出效率之間的關(guān)系；圖20A至20F是立體圖，示出了一種用來制造根據(jù)第二實(shí)施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件的方法；圖21A至21C示出了用來制造根據(jù)第二實(shí)施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件的方法的變化；圖22A和22B示出了用來制造根據(jù)第二實(shí)施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件的方法的變化；圖23A和23B示出了用來制造根據(jù)第二實(shí)施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件的方法的變化；圖24A和24B示出了用來制造根據(jù)第二實(shí)施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件的方法的變化；圖25A至25C示出了用來制造根據(jù)第二實(shí)施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件的方法的變化；圖26是立體圖，示出了根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施方式的一種半導(dǎo)體發(fā)光器件；圖27A示出了當(dāng)半導(dǎo)體發(fā)光元件用樹脂模塑時(shí)光的透射率的理論計(jì)算結(jié)果，并且圖27B示出了在根據(jù)第三實(shí)施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件中光引出效率對(duì)二維周期性結(jié)構(gòu)的周期的依賴性的理論計(jì)算結(jié)果；圖28A至28D是立體圖，示出了一種用來制造根據(jù)第三實(shí)施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件的方法；圖29是截面圖，示出了根據(jù)本發(fā)明第四實(shí)施方式的一種半導(dǎo)體發(fā)光元件的一部分；圖30A至30E是截面圖，示出了一種用來制造根據(jù)第四實(shí)施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件的方法；圖31A至31E是立體圖，示出了一種根據(jù)本發(fā)明第五實(shí)施方式用來制造半導(dǎo)體發(fā)光元件的方法；圖32A至32G是立體圖，示出了一種根據(jù)本發(fā)明第六實(shí)施方式用來制造半導(dǎo)體發(fā)光元件的方法；圖33是立體圖，示出了根據(jù)本發(fā)明第七實(shí)施方式的一種半導(dǎo)體發(fā)光元件；圖34是立體圖，示出了一種常規(guī)半導(dǎo)體發(fā)光元件；以及圖35是立體圖，示出了具有形成有光子晶體的上表面的一種常規(guī)半導(dǎo)體發(fā)光元件。
具體實(shí)施例方式
下面將按照本發(fā)明的各個(gè)實(shí)施方式具體地描述本發(fā)明。在本說明書中，通過是在晶體生長(zhǎng)的方向的外延生長(zhǎng)而形成的半導(dǎo)體層的表面將稱作主表面，并且與主表面相對(duì)的表面將稱作后表面。
實(shí)施方式1-發(fā)光元件的結(jié)構(gòu)-圖1是立體圖，示出了根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施方式的一種半導(dǎo)體發(fā)光元件。如圖中所示，根據(jù)本實(shí)施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件包括p型GaN層(第一半導(dǎo)體層)3，由外延生長(zhǎng)形成，并且具有200nm的厚度；高反射p電極(第一電極)2，形成在p型GaN層3的晶體生長(zhǎng)表面(主表面)上，由層疊的鉑(Pt)和金Au)制成，并且具有1μm的厚度；Au鍍層1，形成在高反射p電極2的下表面上，并且具有10μm的厚度；非摻雜InGaN活性層4，形成在p型GaN層3的后表面上，并且具有3nm的厚度；n型GaN層(第二半導(dǎo)體層)5，形成在非摻雜InGaN活性層4的后表面上，具有形成有突起二維周期性結(jié)構(gòu)6的后表面，并且具有4μm的厚度；及n電極(第二電極)7，形成在n型GaN層5的后表面上，由層疊的鈦(Ti)和Al制成，并且具有1μm的厚度。在這里使用的下表面指位于圖1下部中的表面。在圖1中所示的例子中，高反射p電極2提供在p型GaN層3的整個(gè)主表面上，并且n電極7提供在n型GaN層5的后表面的一部分上。措詞“非摻雜”指相對(duì)于有關(guān)的層沒有進(jìn)行故意摻雜。
根據(jù)本實(shí)施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件起LED的作用，穿過n型GaN層5的后表面從該LED引出光。非摻雜InGaN活性層4的PL峰值波長(zhǎng)是405nm。如以后將描述的那樣，MOCVD(金屬-有機(jī)化學(xué)氣相淀積)、MBE(分子束外延)等將用作用于組成半導(dǎo)體發(fā)光元件的基于氮化物的化合物半導(dǎo)體的晶體生長(zhǎng)的方法。
在n型GaN層5的后表面中形成的二維周期性結(jié)構(gòu)6的周期，即在二維平面中相鄰?fù)黄鸬母髯缘闹行闹g的間距是0.4μm，并且突起的每一個(gè)的高度是150nm。
-在n型GaN層的表面處的衍射的描述-下面基于模擬結(jié)果將給出在根據(jù)本實(shí)施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件的n型GaN層的表面(后表面)處的衍射的描述。
圖2表示理論計(jì)算的，從非摻雜InGaN活性層發(fā)射的并且入射在n型GaN層的后表面(在圖中的上表面)上的光的透射率，即發(fā)射到LED外的光量，的入射角依賴性的結(jié)果。對(duì)于理論計(jì)算，使用按照FDTD(時(shí)域有限差分)方法的數(shù)值分析。假定當(dāng)光垂直地入射在n型GaN層的后表面上時(shí)的入射角度是零度。
如圖2中所示，當(dāng)n型GaN層的表面是光滑和平的時(shí)，透射率是常數(shù)，此時(shí)入射角在零度到全反射臨界角θc的范圍內(nèi)(因?yàn)镚aN的折射率是約2.5，滿足θc＝sIn-1(1/2.5)＝約23度)，并且其值是約90％。產(chǎn)生的光的10％的反射和反射光返回LED內(nèi)的原因，是由在GaN與空氣之間的折射率差產(chǎn)生的菲涅耳(Fresnel)反射。當(dāng)入射角超過全反射臨界角時(shí)透射率變得近似為零的原因是，在GaN與空氣之間的界面處發(fā)生了全反射。全反射發(fā)生的原因?qū)⒄請(qǐng)D3描述。
圖3A表示在實(shí)際空間(1)中LED的結(jié)構(gòu)，并且圖3B和3C每個(gè)表示在波數(shù)空間中發(fā)光元件的結(jié)構(gòu)。圖3B表示其中光的入射角較小的情形，并且圖3C表示其中光的入射角較大的情形。在圖3B和3C的每一個(gè)中的半圓是等頻率面，該面表示在LED中和在空氣中由入射波、反射波、及發(fā)射波滿足的波向量的幅度(波數(shù)k＝2πn/λ，其中n是折射率，并且λ是在真空中的波長(zhǎng))。半圓表示光子能量守恒定律(hω/2π，h是普朗克(Planck)常數(shù))。這是因?yàn)榻⒂蒶＝ωn/c給出的關(guān)系(c是光在真空中的速度)。當(dāng)在實(shí)際空間中的結(jié)構(gòu)，如在圖3A中表示的情形(1)中那樣，相對(duì)于水平方向具有平移對(duì)稱時(shí)，有在水平方向上波數(shù)分量的守恒定律，該定律應(yīng)該由入射波、反射波、及發(fā)射波的每一個(gè)遵守(與電磁波的相位連續(xù)性有關(guān))。確定入射角和發(fā)射角，以滿足以上兩個(gè)定律。
當(dāng)如圖3B中所示的那樣光的入射角較小時(shí)，光能發(fā)射到空氣中，因?yàn)闈M足以上兩個(gè)定律的發(fā)射角存在。然而，當(dāng)如圖3C中所示的那樣光的入射角較大時(shí)，沒有滿足水平方向上波數(shù)分量的發(fā)射角，從而光不能發(fā)射到空氣中。在這種情況下，透射率T滿足T＝0，從而當(dāng)在LED與空氣之間的界面處沒有吸收時(shí)，反射比R滿足R＝1，因?yàn)閼?yīng)該滿足T+R＝1的光能量守恒定律。因此，光由在LED與空氣之間的界面全反射。即使把減小菲涅耳反射的結(jié)構(gòu)，如無反射膜，引入到在LED與空氣之間的界面中，在滿足透射率T＝0的條件下也不可避免地滿足R＝1，從而全反射是不可避免的。
圖4A和4B表示當(dāng)在n型GaN層的表面中形成具有0.1μm周期的二維周期性結(jié)構(gòu)時(shí)波數(shù)空間的結(jié)構(gòu)。在表面中形成的周期性結(jié)構(gòu)引起衍射，從而在入射波的水平方向上的波數(shù)k1//和在發(fā)射波的水平方向上的波數(shù)k2//必須滿足基于衍射向量G＝2π/Λ(Λ是周期)的如下條件k2//＝k1//±m(xù)G(m是衍射的階，并且m＝0，±1，±2，…)。當(dāng)滿足以上表達(dá)式和上述等頻率面的條件的波數(shù)k2//存在時(shí)，發(fā)射波發(fā)生。
如圖4A中所示，當(dāng)結(jié)構(gòu)的周期是0.1μm并且入射角是零度時(shí)，如果假定發(fā)射波被衍射，衍射向量的幅度過大，因?yàn)閗2//大于在空氣中的等頻率面，從而發(fā)生了全反射。在這種情況下，因此，沒有衍射發(fā)生。當(dāng)入射角是，在該角度下0階發(fā)射波被全反射，70度時(shí)，如圖4B中所示，即使光被衍射，也滿足用于全反射的條件。在具有該周期的情況下，因此，以與當(dāng)表面是平的相同的方式，在不小于全反射臨界角的入射角下發(fā)生全反射。
圖5表示在具有形成有周期性結(jié)構(gòu)的表面的半導(dǎo)體層的每一部分處的折射率。如圖5中所示，當(dāng)周期性結(jié)構(gòu)的周期小于光的波長(zhǎng)時(shí)，在半導(dǎo)體層的表面中的二維周期性結(jié)構(gòu)的有效折射率由于其突出/凹陷而降低，從而二維周期性結(jié)構(gòu)起一個(gè)層的作用，該層具有在空氣和LED的折射率的中部中的折射率。在這種情況下，在空氣與LED之間的折射率差被減小，從而變得可以抑制當(dāng)入射角小于全反射臨界角時(shí)發(fā)生的菲涅耳反射，以及改進(jìn)當(dāng)入射角小于全反射臨界角時(shí)光的透射率，如圖2中所示。
下面將給出其中n型GaN層的表面(后表面)具有有0.2μm周期的二維周期性結(jié)構(gòu)的情形的描述。圖6A至6C表示當(dāng)在n型GaN層的表面中已經(jīng)形成具有0.2μm周期的二維周期性結(jié)構(gòu)時(shí)波數(shù)空間的結(jié)構(gòu)。
在這種條件下，全反射發(fā)生，因?yàn)楫?dāng)光被衍射時(shí)的k2//大于在空氣中的等頻率面，條件是光的入射角是零度，從而沒有衍射發(fā)生。在這種情況下，0階傳輸波通過在n型GaN層與空氣之間的界面。
與當(dāng)表面是平的并且在該角度下發(fā)生全反射的入射角是30度或70度時(shí)的相比較，k2//小于在空氣中的等頻率面，從而衍射的發(fā)射波(衍射的階-1)允許穿過界面，如圖6B和6C中所示。結(jié)果，即使在不小于全反射臨界角的角度下透射率也不會(huì)成為零，如圖2中所示。由于衍射效率也影響實(shí)際的透射率，所以透射率呈現(xiàn)為一條相當(dāng)復(fù)雜的曲線。在這種情況下，衍射向量相當(dāng)大，從而不低于第二階的衍射不會(huì)影響透射率。
圖7表示當(dāng)在n型GaN層的表面中已經(jīng)形成具有0.4μm周期的二維周期性結(jié)構(gòu)時(shí)波數(shù)空間的結(jié)構(gòu)。由于衍射向量對(duì)于該周期相當(dāng)小，所以即使當(dāng)光的入射角如圖7A中所示是零度時(shí)第一階衍射也與發(fā)射有關(guān)。當(dāng)入射角如圖7B中所示是35度時(shí)，第一和第二階衍射影響發(fā)射，而當(dāng)入射角如圖7C中所示是70度時(shí)，第二和第三階衍射影響發(fā)射。結(jié)果，即使在不小于全反射臨界角的角度下透射率也變得相當(dāng)高，如圖2中所示。
因而，當(dāng)在n型GaN層的表面中形成的結(jié)構(gòu)的周期變得較大時(shí)，涉及較高階衍射，并且光的行為變得更復(fù)雜。
基于以上分析的結(jié)果，假定在根據(jù)本實(shí)施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件中，當(dāng)形成有二維周期性結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體層的折射率是N，并且二維周期性結(jié)構(gòu)的周期是Λ時(shí)，滿足0.5λ/N＜Λ＜20λ/N。如果滿足0.5λ/N＞Λ，由衍射引起的角度變化較大，并且衍射光處于超過全反射臨界角的角度下，從而衍射光不會(huì)發(fā)射到半導(dǎo)體發(fā)光元件的外部。在這種情況下，具有二維周期的衍射不能改進(jìn)光引出效率。如果滿足Λ＞20λ/N，周期變得遠(yuǎn)大于從活性層發(fā)射的光的波長(zhǎng)，從而很難期望衍射的效果。鑒于上文，優(yōu)選地滿足由0.5λ/N＜Λ＜20λ/N限定的條件，以使二維周期性結(jié)構(gòu)的效果生效。
圖8是用于計(jì)算光引出效率的立體角的視圖。如圖中所示，必須考慮到在每個(gè)入射角下立體角對(duì)透射率T(θ)的影響，通過用入射角積分，得到實(shí)際的光引出效率η。更具體地說，η能從如下數(shù)值表達(dá)式導(dǎo)出η＝∫2πT(θ)·θ·dθ。
圖9表示通過使由以上數(shù)值表達(dá)式得到的光引出效率標(biāo)準(zhǔn)化到當(dāng)n型GaN層的表面是平的時(shí)的光引出效率得到的值。作為計(jì)算的參數(shù)，考慮了突出/凹陷的每一個(gè)的周期Λ和高度h。根據(jù)結(jié)果，當(dāng)在GaN層的表面中突起每一個(gè)的高度是150nm時(shí)，光引出效率最大。這是因?yàn)?，?dāng)突出/凹陷的每一個(gè)的高度h是λ/{2(n2-n1)}(其中λ是在空氣中或在真空中的光發(fā)射波長(zhǎng)，n1是空氣的折射率，并且n2是半導(dǎo)體的折射率)時(shí)，穿過突出/凹陷的穿過突起的每一個(gè)的光的光分量的相位和其穿過凹陷的每一個(gè)的光的光分量的相位通過干涉相互加強(qiáng)，從而由突出/凹陷實(shí)現(xiàn)的衍射效果變得最大。在這種情況下，滿足h＝約130nm，這幾乎與按照FDTD方法的數(shù)值計(jì)算的結(jié)果相一致。因而，在根據(jù)本實(shí)施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件中，h最優(yōu)選地是在λ/{2(n2-n1)}的整數(shù)倍附近。這里假定，通過考慮由制造過程導(dǎo)致的整體性能變化，h接近λ/{2(n2-n1)}。
由圖9能看到，當(dāng)突出/凹陷的每一個(gè)的高度h是150nm時(shí)，如果周期Λ是0.4至0.5μm，則與其中n型GaN層的表面是平的情形相比，在最大值處光引出效率提高了2.6倍。為了阻止全反射，當(dāng)周期Λ較長(zhǎng)時(shí)必須使用更高階的衍射。然而，由于當(dāng)衍射的階較高時(shí)衍射效率變低，所以當(dāng)周期Λ在不小于0.4μm的范圍中時(shí)，隨著周期變長(zhǎng)光引出效率變低。例如，當(dāng)在圖2中表示的結(jié)構(gòu)的周期是2.0μm時(shí)，在不小于全反射臨界角的入射角下，光的透射率低于具有0.4μm周期的透射率。
圖10A和10B是平面視圖，示出了在n型GaN層的表面中形成的二維周期性結(jié)構(gòu)的布置。如圖中所示，在根據(jù)本實(shí)施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件中形成的二維周期性結(jié)構(gòu)可以是四邊形晶格或三角形晶格。
-用來制造發(fā)光元件的方法-圖11A至11F是立體圖，示出了一種用來制造表示在圖1中的根據(jù)本實(shí)施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件的方法。
首先，如圖11A中所示，準(zhǔn)備藍(lán)寶石基片8，并且在藍(lán)寶石基片8的主表面上借助于MOCVD(金屬有機(jī)化學(xué)氣相淀積)通過晶體生長(zhǎng)形成具有1μm厚度的AlGaN層9。如果AlGaN層9的厚度是1μm，則減小在其中發(fā)生的晶體缺陷。在AlGaN層9中的Al成分這里假定是100％，盡管AlGaN層9可以具有任何Al成分，條件是它對(duì)于以后進(jìn)行的激光剝離過程所使用的光的波長(zhǎng)是透明的。
其次，如圖11B中所示，在AlGaN層的主表面中通過構(gòu)圖形成凹陷型二維周期性結(jié)構(gòu)10。在當(dāng)前步驟中，通過使用電子束曝光、步進(jìn)機(jī)等構(gòu)圖用于蝕刻掩模的抗蝕劑。然后，通過使用諸如RIE(活性離子蝕刻)或離子碾磨之類的干式蝕刻技術(shù)，通過在紫外光的照射下的光電化學(xué)蝕刻，或通過使用諸如使用用于基于氮化物的化合物半導(dǎo)體的蝕刻的加熱酸/堿溶液的蝕刻之類的濕式蝕刻技術(shù)，能完成AlGaN層的蝕刻。在這個(gè)例子中，通過電子束曝光和RIE形成二維周期性結(jié)構(gòu)10。假定二維周期性結(jié)構(gòu)10的周期是0.4μm，并且凹陷的每一個(gè)的深度是150nm。盡管二維周期性結(jié)構(gòu)10的結(jié)構(gòu)沒有特別限制，但凹陷在圖11B所示的例子中具有圓柱形孔。
接下來，如圖11C中所示，一個(gè)n型GaN層11(對(duì)應(yīng)于圖1中的n型GaN層5)、一個(gè)非摻雜InGaN活性層12(對(duì)應(yīng)于非摻雜InGaN活性層4)、一個(gè)p型GaN層13(對(duì)應(yīng)于p型GaN層3)以這種順序通過MOCVD形成在形成有二維周期性結(jié)構(gòu)10的AlGaN層9的主表面上。這里假定，n型GaN層11、非摻雜InGaN活性層12、以及p型GaN層13的厚度分別為4μm、3nm、以及200nm。在本步驟中，n型GaN層11的晶體生長(zhǎng)通過這樣設(shè)置用于生長(zhǎng)的條件而進(jìn)行，從而二維周期性結(jié)構(gòu)10被一起填充。
此后，Pt/Au高反射p電極2(包括Pt和Au的多層膜)通過例如電子束氣相沉積形成在p型GaN層13的主表面上。而且，通過把高反射p電極2的Au層用作下層電極，形成具有約50μm厚度的Au電鍍層15。
接下來，如圖11D中所示，把KrF激元激光(在248nm的波長(zhǎng)下)施加到藍(lán)寶石基片8的后表面上以這樣一種方式對(duì)其照射，以便掃描晶片的表面。用于照射的激光束不會(huì)由藍(lán)寶石基片8和AlGaN層9吸收，而是僅由n型GaN層11吸收，從而GaN由在與AlGaN層9的界面附近的局部熱量產(chǎn)生而被釋放。結(jié)果，可以從n型GaN層11上分離AlGaN層9和藍(lán)寶石基片8，并且可得到由基于GaN的半導(dǎo)體制成的器件結(jié)構(gòu)。這里使用的光源可以是任何光源，條件是它供給的光的波長(zhǎng)由GaN層吸收，并且對(duì)于AlGaN層和藍(lán)寶石層是透明的。也可以使用YAG激光的第三諧波(在355nm的波長(zhǎng)下)或水銀燈的發(fā)射線(在365nm的波長(zhǎng)下)。
接下來，如圖11E中所示，從圖11D中表示的狀態(tài)除去藍(lán)寶石基片8和AlGaN層9。結(jié)果，通過在n型GaN層的后表面中的自對(duì)準(zhǔn)形成突起型二維周期性結(jié)構(gòu)6。由于由除去基片生成的這樣一種半導(dǎo)體多層膜(即，包括n型GaN層11、非摻雜InGaN活性層12、以及p型GaN層13的多層膜)是具有約5μm厚度的極薄的膜，所以通過使用常規(guī)光刻技術(shù)形成諸如光子晶體之類的極精細(xì)結(jié)構(gòu)是困難的。然而，根據(jù)本發(fā)明的方法允許通過僅在基片中預(yù)先形成的凹陷二維周期性結(jié)構(gòu)10上沉積半導(dǎo)體多層膜并且此后除去基片，而容易地把極精細(xì)的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到半導(dǎo)體多層膜的表面(后表面)上。
然后，如圖11F中所示，在n型GaN層11的后表面中不形成二維周期性結(jié)構(gòu)6的區(qū)域上通過氣相淀積和平板印刷等形成具有1μm厚度的Ti/Aln電極7，由此制造了根據(jù)本實(shí)施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件。
-半導(dǎo)體發(fā)光元件和其制造方法的效果-圖12示出了如此得到的半導(dǎo)體發(fā)光元件的特性，其中圖12A示出了根據(jù)常規(guī)和本實(shí)施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件的各自的電流-電壓特性，而圖12B示出了根據(jù)常規(guī)和本施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件的各自的電流-光輸出特性。在圖中，虛線曲線代表具有常規(guī)結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體元件的特性，其中LED的表面是平的并且還沒有從其除去藍(lán)寶石基片，而實(shí)線曲線代表根據(jù)本實(shí)施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件的特性。
由圖12A中表示的電流-電壓特性，可以理解，根據(jù)當(dāng)前和常規(guī)實(shí)施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件具有基本相等的電流-電壓特性，包括基本相同的上升電壓。由與其中在n型GaN層的表面中不形成突起/凹陷的常規(guī)實(shí)施方式的比較，可以理解，在通過根據(jù)本實(shí)施方式的方法制造的半導(dǎo)體發(fā)光元件中，半導(dǎo)體多層膜沒有接收由二維周期性結(jié)構(gòu)的形成導(dǎo)致的加工誘導(dǎo)的損傷。盡管在圖11D和11E中表示的基片分離步驟中可以通過拋光除去藍(lán)寶石基片8并且通過蝕刻除去AlGaN層9，但使用激光的方法是更優(yōu)選的，因?yàn)樗谳^短時(shí)間段中完成。
另一方面，由在圖12B中表示的電流-光輸出特性，可以理解，在相同的電流下，根據(jù)本實(shí)施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件的光輸出已經(jīng)增大到一個(gè)基本上是根據(jù)常規(guī)實(shí)施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件的光輸出的五倍的值。該值約是在圖2中表示的理論計(jì)算值的兩倍。這是因?yàn)椋捎谠贚ED的表面中的二維周期性結(jié)構(gòu)，來自該表面的光引出效率已經(jīng)增大到來自常規(guī)LED的平表面的光引出效率的2.5倍，并且另外，形成在LED的下表面(p型GaN層13的后表面)上的高反射p電極14允許從非摻雜InGaN活性層12向高反射p電極14發(fā)射的光高效地被反射到二維周期性結(jié)構(gòu)6上。
由圖12B，也可以理解，常規(guī)結(jié)構(gòu)的光輸出在大電流下飽和，而根據(jù)本實(shí)施方式的元件的光輸出即使在超過100mA的大電流下也不飽和。這是因?yàn)樵诔Ｒ?guī)結(jié)構(gòu)的活性層中產(chǎn)生的熱量通過厚到幾微米的n型半導(dǎo)體層和通過具有不良熱傳導(dǎo)性能的藍(lán)寶石基片耗散。這也因?yàn)楦鶕?jù)本實(shí)施方式的發(fā)光元件具有優(yōu)良的散熱性能，因?yàn)閬碜曰钚詫拥臒崃磕軓谋〉絹單⒚椎膒型半導(dǎo)體通過具有高導(dǎo)熱率的Au電鍍層耗散。
因而，即使在大電流下，Au電鍍層15也允許由二維周期性結(jié)構(gòu)6實(shí)現(xiàn)的改進(jìn)的光引出效率的保持。
圖13A和13B、圖14、及圖15A和15B是立體圖，示出了根據(jù)本實(shí)施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件的變化。圖16A和16B是立體圖，每個(gè)示出了用來制造根據(jù)本實(shí)施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件的方法的變化。
盡管在根據(jù)本實(shí)施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件中通過把在藍(lán)寶石基片8上的AlGaN層9的表面中形成的凹陷型二維周期性結(jié)構(gòu)10用作“模具”，形成了突起型二維周期性結(jié)構(gòu)6，但通過在AlGaN層9的表面中形成突起型二維周期性結(jié)構(gòu)16并由此在LED的表面中形成凹陷型二維周期性結(jié)構(gòu)17也可實(shí)現(xiàn)相同的效果，如圖13A和13B中所示。就是說，只要形成二維周期性結(jié)構(gòu)就能衍射入射光，而不管在LED的表面中的結(jié)構(gòu)是突起型的還是凹陷型的。
除在AlGaN層9中形成突起/凹陷的方法之外，在圖14中表示的、在藍(lán)寶石基片8的主表面中形成突起或凹陷二維周期性結(jié)構(gòu)16的方法，也允許半導(dǎo)體發(fā)光元件的實(shí)現(xiàn)，在該半導(dǎo)體發(fā)光元件中，通過把突起或凹陷二維周期性結(jié)構(gòu)16用作模具，在AlGaN層9的表面中形成突起型或凹陷型二維周期性結(jié)構(gòu)。
可供選擇地，如圖15A中所示，也可以通過在藍(lán)寶石基片8上形成諸如SiO2膜之類的氧化物膜、諸如SiN膜之類的氮化物膜、或諸如鎢(W)膜之類的金屬膜并且然后構(gòu)圖形成的膜，形成突起型二維周期性結(jié)構(gòu)16。如圖15B中所示，通過在AlGaN層9的主表面中形成包括氧化物膜、氮化物膜、或金屬膜的突起二維周期性結(jié)構(gòu)16，也可以制造與根據(jù)本實(shí)施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件具有相同特性的發(fā)光元件。
如果使用SiC基片來代替藍(lán)寶石基片，則通過相對(duì)于SiC和GaN進(jìn)行的選擇性干式蝕刻能除去基片。如果使用Si基片，則通過濕式蝕刻能容易地除去基片。
在其中通過除去基片在n型GaN層11的后表面(上表面)中形成的凹陷二維周期性結(jié)構(gòu)17具有較小深度，或者凹陷的每一個(gè)的內(nèi)傾斜表面的傾斜不垂直的情況下，通過在基片除去之后進(jìn)行在圖16A和16B中表示的過程，能調(diào)節(jié)凹陷的結(jié)構(gòu)。
具體地說，如圖16A中所示，把LED結(jié)構(gòu)和由Pt等制成的對(duì)電極(counter electrode)浸在諸如KOH水溶液之類的電解液中，并且通過把LED的p側(cè)用作正電極在LED與對(duì)電極之間施加一個(gè)電壓。因此，陽極氧化引起GaN的蝕刻，如圖16B中所示，但由于電場(chǎng)的定位僅蝕刻凹陷，從而成功地增大凹陷的深度。電場(chǎng)對(duì)凹陷的定位也使由陽極氧化導(dǎo)致的蝕刻垂直地進(jìn)行。結(jié)果，即使當(dāng)在基片除去之后的凹陷的內(nèi)傾斜表面不是豎直的時(shí)，通過由陽極氧化導(dǎo)致的蝕刻也能形成具有垂直傾斜表面的凹陷。
圖17表示理論計(jì)算出的光引出效率對(duì)凹陷傾斜角的依賴性的結(jié)果。這里假定，通過從180度減去在豎直橫截面中在凹陷的側(cè)表面與n型GaN層11之間形成的角得到傾斜角，如圖的左部所示。由在圖17中表示的結(jié)果，可以理解，當(dāng)傾斜角成為50度或更小時(shí)，光引出效率急劇下降。就是說，當(dāng)在基片除去之后能形成的二維周期性結(jié)構(gòu)的傾斜角較小時(shí)，通過上述的陽極氧化蝕刻能增大傾斜角，并且能實(shí)現(xiàn)高的光引出效率。因而，在根據(jù)本實(shí)施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件中，二維周期性結(jié)構(gòu)的傾斜角優(yōu)選地調(diào)節(jié)到50度或更大。即使當(dāng)二維周期性結(jié)構(gòu)具有突起結(jié)構(gòu)，就改進(jìn)光引出效率而言，傾斜角也優(yōu)選地是50度或更大。
實(shí)施方式2圖18是立體圖，示出了根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施方式的一種半導(dǎo)體發(fā)光元件。圖18B是當(dāng)從上方觀看根據(jù)第二實(shí)施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件時(shí)的平面圖。根據(jù)本實(shí)施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件與根據(jù)第一實(shí)施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件的不同之處在于，在n型GaN層5的上表面(后表面)中形成的突起二維周期性結(jié)構(gòu)18配置為多邊形棱錐。
如圖18A和18B中所示，根據(jù)本實(shí)施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件包括p型GaN層3，由外延生長(zhǎng)形成，并且具有200nm的厚度；高反射p電極2，形成在p型GaN層3的晶體生長(zhǎng)表面上，由層疊的鉑(Pt)和金(Au)制成，并且具有1μm的厚度；Au鍍層1，形成在高反射p電極2的下表面上，并且具有10μm的厚度；非摻雜InGaN活性層4，形成在p型GaN層3的后表面上，并且具有3nm的厚度；n型GaN層5，形成在非摻雜InGaN活性層4的后表面上，具有形成有包括每個(gè)配置成六棱錐的突起的二維周期性結(jié)構(gòu)18的后表面，并且具有4μm的厚度；及n電極7，形成在n型GaN層5的后表面上，由層疊的鈦(Ti)和Al制成，并且具有1μm的厚度。以與在第一實(shí)施方式中的相同方式，非摻雜InGaN活性層4的PL峰值波長(zhǎng)是405nm。在n型GaN層5的后表面中的突起結(jié)構(gòu)的側(cè)表面包括GaN的{10-1-1}平面。二維周期性結(jié)構(gòu)18的周期，即在二維平面中的相鄰?fù)黄鸬母髯缘闹行闹g的空隙，是1μm，并且突起的每一個(gè)的高度是950nm。
圖19A示出了當(dāng)在n型GaN層的表面(后表面)中形成每個(gè)配置成六棱錐的突起時(shí)，理論計(jì)算的、從活性層發(fā)射的并且入射在n型GaN層的表面上的光的透射率T的結(jié)果。圖19B表示二維周期性結(jié)構(gòu)的周期與光引出效率之間的關(guān)系。圖19B中，當(dāng)n型GaN層的表面是平的時(shí)假定1，并且為了比較，示出了其中二維周期性結(jié)構(gòu)具有突起結(jié)構(gòu)和突起/凹陷結(jié)構(gòu)(與在第一實(shí)施方式中表示的相同的結(jié)構(gòu))的情形。
由圖19A中表示的結(jié)果，可以理解，即使當(dāng)二維周期性結(jié)構(gòu)的周期長(zhǎng)達(dá)1.0μm時(shí)，突起結(jié)構(gòu)也表現(xiàn)出在45度附近的入射角下的高透射率。因而，在根據(jù)本實(shí)施方式的、其中二維周期性結(jié)構(gòu)的橫截面配置為三角波形的半導(dǎo)體發(fā)光元件中，當(dāng)從活性層發(fā)射的并且入射在半導(dǎo)體發(fā)光元件的表面中的二維周期性結(jié)構(gòu)上的光的角度較大時(shí)，在二維周期性結(jié)構(gòu)的傾斜表面與入射光之間的角度接近90度，從而增大衍射效率。由于在較大入射角下的光占從活性層發(fā)射的光的較大比例，所以實(shí)現(xiàn)高的光引出效率。
由圖19B中表示的結(jié)果，可以理解，突起結(jié)構(gòu)顯示了由突起/凹陷結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的同樣高的光發(fā)射效率，并且特別地即使對(duì)于較長(zhǎng)周期也保持增大光引出效率的效果。要注意，對(duì)于1.0μm的周期，從形成有二維周期性結(jié)構(gòu)的表面得到的光引出效率增大到原始光引出效率的2.7倍。
接下來將給出對(duì)于用來制造根據(jù)本實(shí)施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件的方法的描述。
圖20A至20F是立體圖，示出了用來制造根據(jù)本實(shí)施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件的方法。在根據(jù)本實(shí)施方式的制造方法中，在圖20A至20E中表示的步驟基本上與在圖11中表示的根據(jù)第一實(shí)施方式的制造方法中的那些步驟相同，從而將省略其描述。然而，假定在AlGaN層9的主表面中形成的凹陷型二維周期性結(jié)構(gòu)10的周期是1.0μm，并且凹陷的深度是150nm。
就是說，在根據(jù)本實(shí)施方式的制造方法中，在圖20E中表示的步驟之前的并且包括該步驟的步驟中從發(fā)光元件的主體除去藍(lán)寶石基片8，從而通過在n型GaN層11的后表面上的自對(duì)準(zhǔn)形成包括例如圓柱形突起的二維周期性結(jié)構(gòu)6。
接下來，在圖20F中表示的步驟中，對(duì)于形成有突起型二維周期性結(jié)構(gòu)6的n型GaN層11進(jìn)行使用KOH水溶液的濕式蝕刻。眾所周知，在使用KOH的蝕刻過程中，蝕刻速度依據(jù)晶面具有不同的情況。在這樣的情況下，通過蝕刻，上述的突起型二維周期性結(jié)構(gòu)6變?yōu)閳D20F中表示的六棱錐型的二維周期性結(jié)構(gòu)18。在這里示出的實(shí)施方式中，通過使用0.1M濃度的KOH水溶液進(jìn)行蝕刻，以形成包括六棱錐的二維周期性結(jié)構(gòu)18，每個(gè)六棱錐使用晶面{10-1-1}作為傾斜表面。該制造方法的特征在于，由于使用特定的晶面作為傾斜表面，所以能容易地以高再現(xiàn)性形成具三角形橫截面的二維周期性結(jié)構(gòu)。
在根據(jù)本實(shí)施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件中，光引出效率提高到是在圖19B中表示的理論計(jì)算結(jié)果的約兩倍(約是在常規(guī)實(shí)施方式中達(dá)到的光引出效率的5.3倍)，因?yàn)榕c其中n型GaN層的表面是平的情形相比，也能使用來自高反射p電極2的反射。另外，在活性層中產(chǎn)生的熱量能通過薄到亞微米的p型GaN層13和通過具有高導(dǎo)熱率的Au電鍍層15耗散。因而即使當(dāng)100mA的大電流在根據(jù)本實(shí)施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件中流動(dòng)時(shí)，也保持由二維周期性結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的提高光引出效率的效果。盡管高反射p電極2也可以包括除包括Pt和Au膜的多層膜之外的材料，但就高反射p電極2的實(shí)際使用而言，優(yōu)選地是相對(duì)于在活性層中產(chǎn)生光的峰值波長(zhǎng)具有80％或更大的反射率。具體地說，高反射p電極2優(yōu)選地是一種包含Au膜、Pt膜、Cu膜、Ag膜、以及Rh膜的至少一個(gè)的金屬膜。
為了保持優(yōu)良的熱量耗散性能，Au電鍍層15優(yōu)選地具有10μm或更大的厚度。作為Au電鍍層15的材料，Au是最優(yōu)選的，但也能使用諸如Cu或Ag之類的金屬，因?yàn)槠鋵?dǎo)熱率相當(dāng)高。
上述制造方法與直接通過蝕刻形成二維周期性結(jié)構(gòu)的方法相比，能減小對(duì)n型GaN層的損傷，從而電流-電壓特性基本上與當(dāng)不形成二維周期性結(jié)構(gòu)時(shí)的相同。
圖21A至21C、圖22A和22B、圖23A和23B、圖24A和24B、以及圖25A至25C示出了用來制造根據(jù)本實(shí)施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件的方法的變化。
盡管根據(jù)本實(shí)施方式的制造方法通過使用形成有凹陷二維周期性結(jié)構(gòu)的AlGaN層9或藍(lán)寶石基片8已經(jīng)在半導(dǎo)體(n型GaN層11)的表面中形成具有三角形豎直橫截面的二維周期性結(jié)構(gòu)，但通過使用如圖21A至21C中所示的形成有突起二維周期性結(jié)構(gòu)16的AlGaN層9或藍(lán)寶石基片8也可以把凹陷二維周期性結(jié)構(gòu)17轉(zhuǎn)移到半導(dǎo)體表面上。該方法允許通過使用上述的濕式蝕刻過程在半導(dǎo)體表面中形成具有三角形豎直橫截面的凹陷型二維周期性結(jié)構(gòu)19。即使在其中二維周期性結(jié)構(gòu)19的凹陷的每一個(gè)具有通過挖空六棱錐得到的結(jié)構(gòu)的情況下，也可實(shí)現(xiàn)由根據(jù)本實(shí)施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件實(shí)現(xiàn)的同樣高的光引出效率。
如果二維周期性結(jié)構(gòu)20預(yù)先形成在AlGaN層9的表面中，以具有在圖22A和22B及圖23A和23B中表示的三角形豎直橫截面結(jié)構(gòu)，則當(dāng)除去藍(lán)寶石基片8和AlGaN層9時(shí)，通過在半導(dǎo)體的表面中的自對(duì)準(zhǔn)能形成這樣的二維周期性結(jié)構(gòu)18和19，該二維周期性結(jié)構(gòu)18和19包括每個(gè)具有三角形豎直橫截面的突起或凹陷。
如果其中形成二維周期性結(jié)構(gòu)的層的材料是諸如AlGaN之類的六角晶系半導(dǎo)體，則通過與上述相同的方法能形成每個(gè)具有包括特定晶面的傾斜表面的六棱錐。例如，當(dāng)具有與要加工成凹陷結(jié)構(gòu)的一部分相對(duì)應(yīng)的開口的Ti膜形成為在AlGaN表面上的蝕刻掩模21，如圖24A中所示，并且然后使用100℃的KOH水溶液進(jìn)行蝕刻時(shí)，在AlGaN層9的表面中形成二維周期性結(jié)構(gòu)20。在這種情況下，也能以較高的再現(xiàn)性形成二維周期性結(jié)構(gòu)，因?yàn)閮A斜表面包括諸如{10-1-1}之類的特定晶面。
在其中要形成有二維周期性結(jié)構(gòu)的基片由四方晶系半導(dǎo)體，如把(001)平面用于主表面的Si基片，制成時(shí)，將由Ti制成的蝕刻掩模21形成具有二維周期的四方晶格結(jié)構(gòu)，如圖25A中所示，并且然后在70℃的KOH水溶液中進(jìn)行蝕刻。這允許以高的再現(xiàn)性容易地在基片中形成配置成正方錐的二維周期性結(jié)構(gòu)20，如圖25B中所示，并且也允許包括配置成正方錐的孔的二維周期性結(jié)構(gòu)18從基片轉(zhuǎn)移到半導(dǎo)體表面，如圖25C中所示。
實(shí)施方式3圖26是立體圖，示出了根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施方式的一種半導(dǎo)體發(fā)光器件。根據(jù)本實(shí)施方式的半導(dǎo)體發(fā)光器件是通過把根據(jù)第一或第二實(shí)施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件安裝到一個(gè)安裝基片22上，并且然后用半球形圓頂形狀的樹脂23模塑發(fā)光元件的外圍得到的樹脂模塑的半導(dǎo)體發(fā)光器件。在圖26中，與圖1中表示的相同的半導(dǎo)體發(fā)光元件的那些部件用相同的標(biāo)號(hào)表示。
通過用圓頂形狀的樹脂如此模塑發(fā)光元件，能提高半導(dǎo)體發(fā)光元件的光引出效率，如此后將描述的那樣。
圖27A示出了當(dāng)半導(dǎo)體發(fā)光元件用樹脂模塑時(shí)光的透射率的理論計(jì)算結(jié)果。圖27B示出了在根據(jù)本實(shí)施方式的半導(dǎo)體發(fā)光器件中，光引出效率對(duì)二維周期性結(jié)構(gòu)的周期的依賴性的理論計(jì)算結(jié)果。為了比較，圖27A也示出了其中半導(dǎo)體發(fā)光元件不用樹脂模塑的情形和其中半導(dǎo)體發(fā)光元件的表面是平的情形。在其結(jié)果表示在圖中的計(jì)算中，假定樹脂的折射率是1.5。在其結(jié)果表示在圖27B中的計(jì)算中，假定排列每個(gè)具有垂直傾斜表面的突起/凹陷以形成二維周期性結(jié)構(gòu)，并且突起的每一個(gè)的高度是150nm。
由在圖27A中表示的結(jié)果，可以理解，當(dāng)提供具有0.4μm周期的二維周期性結(jié)構(gòu)時(shí)，基本上在每個(gè)角度下，在用樹脂模塑的半導(dǎo)體發(fā)光元件中的入射光的透射率都比在不用樹脂模塑的半導(dǎo)體發(fā)光元件中的高。由于甚至在不提供二維周期性結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體發(fā)光元件中，樹脂模塑也能增大光的透射率，所以可以理解，通過樹脂模塑能顯著改進(jìn)光的透射率，而與二維周期性結(jié)構(gòu)的周期無關(guān)。
提高了光的透射率的原因在于，即使當(dāng)半導(dǎo)體發(fā)光元件的表面是平的時(shí)，通過樹脂模塑，擴(kuò)大了全反射臨界角，并由此甚至在不大于全反射臨界角的入射角下，菲涅耳反射也被減小。換句話說，由于在半導(dǎo)體發(fā)光元件內(nèi)部的折射率(是2.5)與其外部的折射率(是1.5)之間的差的減小，提高了光的透射率。
由在圖27B中表示的結(jié)果，可以理解，樹脂模塑能進(jìn)一步增強(qiáng)由二維周期性結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的光引出效率提高的效果，并且在最大值處，光引出效率已經(jīng)成為在常規(guī)實(shí)施方式中達(dá)到的光引出效率的3.8倍。這是因?yàn)槟Ｋ軜渲男螤钕癜肭蛐螆A頂，從而從半導(dǎo)體發(fā)光元件引出的、到樹脂中的光，由于在半導(dǎo)體發(fā)光元件的表面中的二維周期性結(jié)構(gòu)，垂直地入射在樹脂與空氣之間的界面上，并且以近似100％的效率發(fā)射到空氣中。通過用圓頂形狀的樹脂如此模塑形成有二維周期性結(jié)構(gòu)的發(fā)光元件，大大地改進(jìn)了根據(jù)本實(shí)施方式的半導(dǎo)體發(fā)光器件的光引出效率。
在根據(jù)本實(shí)施方式的半導(dǎo)體發(fā)光器件中，光引出效率的實(shí)際測(cè)量值已經(jīng)提高到在圖27B中表示的理論計(jì)算的結(jié)果的約兩倍(在常規(guī)實(shí)施方式中實(shí)現(xiàn)的光引出效率的7.5倍)，因?yàn)榕c具有平表面的情形相比，也能使用歸因于高反射p電極2的、來自形成有二維周期性結(jié)構(gòu)的后表面的反射。另外，由于從薄到亞微米的p型半導(dǎo)體通過具有高導(dǎo)熱率的Au電鍍層的優(yōu)良熱耗散，即使當(dāng)100mA的大電流在電極中流動(dòng)時(shí)，也允許保持由二維周期性結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的光引出效率的改進(jìn)。
接下來將給出對(duì)一種用來制造根據(jù)本實(shí)施方式的半導(dǎo)體發(fā)光器件的方法的描述。
圖28A至28D是立體圖，各自示出了用來制造根據(jù)本實(shí)施方式的半導(dǎo)體發(fā)光器件的方法。
首先，如圖28A中所示，通過使用在圖11中表示的用來制造根據(jù)第一實(shí)施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件的方法，或在圖20中表示的用來制造根據(jù)第二實(shí)施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件的方法，制造根據(jù)第一或第二實(shí)施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件。
接下來，如圖28B中所示，將半導(dǎo)體發(fā)光元件安裝在安裝基片22上。此后，將樹脂23一滴一滴地應(yīng)用到半導(dǎo)體發(fā)光元件上。
然后，如圖28C中所示，在半導(dǎo)體發(fā)光元件覆蓋有樹脂23之后并且在樹脂23凝固之前的時(shí)間段期間，利用設(shè)有半球形腔的模具24按壓樹脂23。結(jié)果，樹脂23被模塑成半球形圓頂形狀的結(jié)構(gòu)，如圖28D中所示。此后，在紫外光下使樹脂凝固。通過上述方法，制造了根據(jù)本實(shí)施方式的半導(dǎo)體發(fā)光器件。
盡管利用簡(jiǎn)單應(yīng)用和模塑樹脂的常規(guī)技術(shù)難以以高再現(xiàn)性把樹脂形成半球形結(jié)構(gòu)，但根據(jù)本實(shí)施方式的制造方法能夠穩(wěn)定地把樹脂模塑成相同結(jié)構(gòu)。
要注意，如上述那樣使用模具把樹脂模塑成半球形結(jié)構(gòu)的方法也適用于除了根據(jù)本發(fā)明的第一和第二實(shí)施方式之外的實(shí)施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件。
實(shí)施方式4圖29是截面圖，示出了根據(jù)本發(fā)明第四實(shí)施方式的一種半導(dǎo)體發(fā)光元件的一部分。根據(jù)本實(shí)施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件與第一和第二半導(dǎo)體發(fā)光元件的不同之處在于，藍(lán)寶石基片8和AlGaN層9保持安裝在安裝基片22上而沒有除去，并且當(dāng)從n型GaN層5看時(shí)，高反射p電極2和n電極7形成在同一側(cè)。
具體地說，圖29中表示的根據(jù)本實(shí)施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件包括p型GaN層3，由外延生長(zhǎng)形成，并且具有200nm的厚度；高反射p電極2，形成在p型GaN層3的晶體生長(zhǎng)表面(主表面)上，由層疊的鉑(Pt)和金(Au)制成，并且具有1μm的厚度；非摻雜InGaN活性層4，形成在p型GaN層3的后表面上，并且具有3nm的厚度；n型GaN層5，形成在非摻雜InGaN活性層4的后表面上，并且具有4μm的厚度；n電極7，形成在n型GaN層5的下方，由層疊的Ti和Al制成，并且具有1μm的厚度；AlGaN層9，提供在n型GaN層5的后表面上，并且具有形成有突起型二維周期性結(jié)構(gòu)16的主表面(面對(duì)n型GaN層5的表面)；及藍(lán)寶石基片8，布置在AlGaN層9的后表面上。在圖29中表示的例子中，半導(dǎo)體發(fā)光元件已經(jīng)安裝在安裝基片22上，并且高反射p電極2和n電極7經(jīng)由Au制成的突起25特別地連接到安裝基片22上。二維周期性結(jié)構(gòu)16的周期，即在二維平面中的相鄰?fù)黄鸬母髯灾行闹g的間距是0.4μm，并且突起/凹陷的每一個(gè)的高度是150nm。在圖29表示的例子中，這樣形成n型GaN層5，使得不埋在二維周期性結(jié)構(gòu)16中。如果這樣形成n型GaN層5，使得埋在二維周期性結(jié)構(gòu)16中，則光引出效率降低，從而優(yōu)選地，它是這樣形成的，使得不埋在其中。
通過如此安裝留有由藍(lán)寶石等制成的基片的半導(dǎo)體發(fā)光元件，從非摻雜InGaN活性層4發(fā)射的光在發(fā)光元件中傳播，而不經(jīng)受由全反射或菲涅耳反射引起的損失，因?yàn)橹钡降竭_(dá)AlGaN層9基本上沒有折射率差。然而，在常規(guī)結(jié)構(gòu)中，在藍(lán)寶石基片(具有1.6的折射率)與AlGaN層(具有2.5的折射率)之間的折射率差較大，從而在較大入射角下的光在藍(lán)寶石基片與AlGaN層之間的界面處被全反射，返回到半導(dǎo)體多層膜的內(nèi)部，并因此不可引出到LED外部。相反，如果像在根據(jù)本實(shí)施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件中那樣，在AlGaN層的后表面中形成有二維周期性結(jié)構(gòu)，則通過二維周期性結(jié)構(gòu)的衍射改變傳播的方向。結(jié)果，如果AlGaN層的后表面是平的，則在藍(lán)寶石基片與AlGaN層之間的界面處已經(jīng)被全反射并且占據(jù)立體角的大部分的大入射角下的光，允許入射在藍(lán)寶石基片上而不被全反射。由于藍(lán)寶石基片是透明的，并且在其本身與空氣之間的折射率差較小，所以入射在藍(lán)寶石基片上的光的大部分發(fā)射到空氣中。
在其中進(jìn)行樹脂模塑的情況下，在藍(lán)寶石基片與樹脂(具有約1.5的折射率)之間的折射率差被進(jìn)一步減小，并且如果樹脂被配置成半球形圓頂，則能進(jìn)一步改進(jìn)光引出效率。
接下來給出對(duì)一種用來制造根據(jù)本實(shí)施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件的方法的描述。圖30A至30E是截面圖，示出了用來制造根據(jù)本實(shí)施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件的方法。
首先，如圖30A中所示，通過晶體生長(zhǎng)，例如借助于MOCVD，在藍(lán)寶石基片8上形成AlGaN層9。AlGaN層9的厚度這里假定是1μm，以便減小晶體缺陷。在AlGaN層9中Al的成分這里假定是100％，盡管AlGaN層9可以具有任何Al成分，條件是它相對(duì)于在以后進(jìn)行的激光剝離過程中使用的光的波長(zhǎng)是透明的。隨著，通過使用步進(jìn)機(jī)和RIE的曝光把AlGaN層構(gòu)圖成凹陷或突起型二維周期性結(jié)構(gòu)16。這里假定，二維周期性結(jié)構(gòu)16的周期是0.4μm，并且凹陷的每一個(gè)的深度(或突起的每一個(gè)的高度)是150nm。
接下來，如圖30B中所示，通過MOCVD在形成有二維周期性結(jié)構(gòu)16的AlGaN層9的主表面上依次形成n型GaN層5、非摻雜InGaN活性層4、p型GaN層3。通過這樣設(shè)置用于生長(zhǎng)的條件進(jìn)行n型GaN層5的晶體生長(zhǎng)，使得于是不填充二維周期性結(jié)構(gòu)。
此后，相對(duì)于這樣一個(gè)區(qū)域進(jìn)行蝕刻，以部分暴露n型GaN層5的主表面，如圖30C中所示。然后，分別通過電子束氣相淀積，在p型GaN層3的主表面上形成Pr/Au高反射p電極2，而在n型GaN層5的主表面的暴露部分上形成Ti/Al n電極7。
接下來，如圖30D中所示，半導(dǎo)體發(fā)光元件被安裝在形成有用于n電極和用于高反射p電極的突起25的安裝基片22上，由此得到圖30E中表示的根據(jù)第四實(shí)施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件。
在如此制造的半導(dǎo)體發(fā)光元件中，光引出效率改進(jìn)到是圖27B中表示的理論計(jì)算結(jié)果的約兩倍(是在常規(guī)發(fā)光元件中實(shí)現(xiàn)的光引出效率的四倍)，因?yàn)榕c其中AlGaN層9的主表面是平的情形相比，也能使用歸因于高反射p電極2從LED的下表面反射的光。
另外，在活性層中產(chǎn)生的熱量能從薄到亞微米的p型GaN層3通過每個(gè)具有高導(dǎo)熱率的突起25耗散，從而在根據(jù)本實(shí)施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件中能防止過分的溫度升高。而且，即使當(dāng)100mA的大電流在電極中流動(dòng)時(shí)，在輸入電流較小時(shí)從半導(dǎo)體發(fā)光元件輸出的光與向其輸入的電流的增大比率也保持不變。
盡管本發(fā)明已經(jīng)在藍(lán)寶石基片8上的AlGaN層9的主表面中形成二維周期性結(jié)構(gòu)，但也可以在藍(lán)寶石基片8的主表面中形成二維周期性結(jié)構(gòu)?；梢园ǔ{(lán)寶石之外的任何材料，條件是它對(duì)于從活性層發(fā)射的光是透明的。
當(dāng)藍(lán)寶石基片8的后表面(主表面)是粗糙的時(shí)，光引出效率能提高到是在常規(guī)結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)的光引出效率的4.5倍。這是因?yàn)榇植诤蟊砻娴拇嬖跍p小了由在藍(lán)寶石基片與空氣之間的界面處的全反射導(dǎo)致的損失。當(dāng)藍(lán)寶石基片8的后表面是粗糙的時(shí)，就足夠地減小損失而論，在藍(lán)寶石基片8的后表面中的自相關(guān)距離T優(yōu)選地滿足0.5λ/N＜T＜20λ/N，并且在垂直方向上的高度分布D優(yōu)選地滿足0.5λ/N＜D＜20λ/N。
當(dāng)用半球形樹脂模塑半導(dǎo)體發(fā)光元件時(shí)，光引出效率能提高到是在常規(guī)結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)的光引出效率的6倍。這是因?yàn)樵跇渲c藍(lán)寶石之間的較小折射率差減小了由在藍(lán)寶石基片與樹脂之間的界面處的全反射導(dǎo)致的損失。
在根據(jù)本實(shí)施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件中，也可以使用從包括GaAs、InP、Si、SiC、以及AlN的組中選擇的一種制成的基片，來代替藍(lán)寶石基片。
實(shí)施方式5圖31A至31E是立體圖，示出了一種根據(jù)本發(fā)明第五實(shí)施方式的用來制造半導(dǎo)體發(fā)光元件的方法。根據(jù)本實(shí)施方式的制造方法是一種利用納米印刷(nano-printing)方法在基片的主表面中形成二維周期性結(jié)構(gòu)的方法。
首先，如圖31A和31B中所示，準(zhǔn)備形成有二維周期性結(jié)構(gòu)28的Si基片或SiC基片，該二維周期性結(jié)構(gòu)28包括每個(gè)在400nm的高度下的突起并且具有0.4μm的周期。然后，貼著涂敷有600nm膜厚度的抗蝕劑27的藍(lán)寶石基片8的主表面，擠壓作為模具26的該基片。
當(dāng)此后從藍(lán)寶石基片8除去模具26時(shí)，就把凹陷二維周期性結(jié)構(gòu)(孔的每一個(gè)的深度是400nm，并且周期是0.4μm)轉(zhuǎn)移到抗蝕劑27上，如圖31C中所示。
接下來，如圖31D中所示，通過O2干式蝕刻除去在抗蝕劑27中的孔的每一個(gè)的底部處剩余的抗蝕劑。
接下來，如圖31E中所示，通過把抗蝕劑27用作蝕刻掩模進(jìn)行干式蝕刻，并且然后除去抗蝕劑27，由此在藍(lán)寶石基片8的主表面中，形成包括每個(gè)在150nm的深度下的凹陷并且具有0.4μm的周期的二維周期性結(jié)構(gòu)。
通過如此使用納米印刷方法，通過構(gòu)圖能形成在亞微米量級(jí)上的極精細(xì)結(jié)構(gòu)，而不用使用高成本的制造設(shè)備，如步進(jìn)機(jī)或EB曝光系統(tǒng)。另外，通過只擠壓模具就能實(shí)現(xiàn)根據(jù)本實(shí)施方式的制造方法，從而能進(jìn)行高速構(gòu)圖。如果把由以上過程生產(chǎn)的基片用作模具，則能以低成本制造根據(jù)第一至第四實(shí)施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件。
實(shí)施方式6圖32A至32G是立體圖，示出了一種根據(jù)本發(fā)明第六實(shí)施方式的用來制造半導(dǎo)體發(fā)光元件的方法。根據(jù)本實(shí)施方式用來制造半導(dǎo)體發(fā)光元件的方法是一種利用軟模具方法在半導(dǎo)體薄膜的主表面中形成二維周期性結(jié)構(gòu)的方法。
首先，如圖32A所示，生產(chǎn)用于微加工的軟模具。在本步驟中，利用光刻、EB印刷、或納米印刷過程，在涂敷在諸如Si基片或SiC基片之類的基片29上的樹脂30，如多晶硅，中形成二維周期性結(jié)構(gòu)31，該二維周期性結(jié)構(gòu)31包括每個(gè)為400nm深度的孔(凹陷)并且具有0.4μm的周期。如此生產(chǎn)的具有樹脂的基片被用作以后進(jìn)行的微加工步驟的軟模具。
接下來，如圖32B中所示，通過在第一實(shí)施方式中描述的方法形成具有Au電鍍層15的薄膜半導(dǎo)體多層膜。然而，在根據(jù)本實(shí)施方式的方法中，用于半導(dǎo)體多層膜的形成的基片的表面是平的，從而半導(dǎo)體多層膜的表面也是平的。
接下來，如圖32C中所示，將抗蝕劑27涂敷在半導(dǎo)體多層膜的主表面上。然而，這里不進(jìn)行通過焙燒蒸發(fā)在抗蝕劑27中的溶劑。將上述軟模具放置在抗蝕劑27上。在這種情況下，這樣放置軟模具，使得對(duì)具有幾微米厚度的半導(dǎo)體多層膜上施加最小壓力，并由此防止其損壞。
結(jié)果，作為由樹脂30吸收在抗蝕劑27中的溶劑的結(jié)果，發(fā)生了毛細(xì)現(xiàn)象，從而抗蝕劑27以這樣一種方式滲透入軟模具的樹脂中，以便填充二維周期性結(jié)構(gòu)的孔，如圖32D中所示。
此后，當(dāng)從半導(dǎo)體多層膜除去模具時(shí)，突起的二維周期性結(jié)構(gòu)(突起每一個(gè)的高度是400nm并且周期是0.4μm)被轉(zhuǎn)移到抗蝕劑27上，如圖32E中所示。
接下來，如圖32F中所示，通過O2干式蝕刻除去在抗蝕劑中的孔的每一個(gè)底部處剩余的抗蝕劑27。
此后，如圖32G中所示，通過把抗蝕劑27用作蝕刻掩模，相對(duì)于半導(dǎo)體多層膜的主表面進(jìn)行干式蝕刻，并且然后除去抗蝕劑，由此在半導(dǎo)體多層膜的主表面中，形成二維周期性結(jié)構(gòu)(突起每一個(gè)的高度是150nm并且周期是0.4μm)。
通過如此使用軟模具方法，即使對(duì)于極難加工的薄膜，如具有在亞微米量級(jí)上的厚度的半導(dǎo)體多層膜，也能進(jìn)行在亞微米量級(jí)上的微加工。在這種情況下，由于能滿意地使用平基片用于半導(dǎo)體多層膜的晶體生長(zhǎng)，所以晶體生長(zhǎng)變得比在形成有突起/凹陷的基片上的晶體生長(zhǎng)容易。
盡管至此描述的實(shí)施方式已經(jīng)特別地公開了難以加工的基于氮化物的化合物半導(dǎo)體、或其中突起/凹陷的周期響應(yīng)藍(lán)或紫光的較短波長(zhǎng)的振蕩波長(zhǎng)變得較小從而其微加工變得困難的情形，但本發(fā)明的設(shè)計(jì)也可適用于使用AlGaAs(具有3.6的折射率)或AlGaInP(具有3.5的折射率)作為半導(dǎo)體而發(fā)射紅外光或紅光的半導(dǎo)體發(fā)光元件。
實(shí)施方式7圖33是立體圖，示出了根據(jù)本發(fā)明第七實(shí)施方式的一種半導(dǎo)體發(fā)光元件。如圖中所示，根據(jù)本實(shí)施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件包括p型AlGaN層(第一半導(dǎo)體層)43，由外延生長(zhǎng)形成，并且具有200nm的厚度；高反射p電極(第一電極)42，形成在p型AlGaN層43的晶體生長(zhǎng)表面(主表面)上，由Al制成，并且具有0.5μm的厚度；Au鍍層41，形成在高反射p電極42的下表面上，并且具有10μm的厚度；非摻雜AlInGaN活性層44，形成在p型AlGaN層43的后表面上，并且具有3nm的厚度；n型AlGaN層(第二半導(dǎo)體層)45，形成在非摻雜AlInGaN活性層44的后表面上，具有形成有突起型二維周期性結(jié)構(gòu)46的后表面，并且具有4μm的厚度；以及n電極(第二電極)47，形成在n型AlGaN層45的后表面上，由層疊的鈦(Ti)和Al制成，并且具有1μm的厚度。在這里使用的下表面指某一層位于圖33下部的表面。
根據(jù)本實(shí)施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件起紫外LED的作用，穿過n型AlGaN層45從該紫外LED引出光，并且非摻雜AlInGaN活性層44的PL峰值波長(zhǎng)是350nm。
在n型AlGaN層45的后表面中形成的二維周期性結(jié)構(gòu)46的周期，即在二維平面中相鄰?fù)黄鸬母髯灾行闹g的間距是0.3μm，并且突起的每一個(gè)的高度是130nm。
組成根據(jù)本實(shí)施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件的基于氮化物的化合物半導(dǎo)體也能由MOCVD或MBE形成，類似于組成根據(jù)第一實(shí)施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件的基于氮化物的化合物半導(dǎo)體。
根據(jù)本實(shí)施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件也實(shí)現(xiàn)與由根據(jù)第一實(shí)施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件所實(shí)現(xiàn)的同樣高的光引出效率和優(yōu)良散熱性能。由于高反射p電極42由Al制成，所以在非摻雜AlInGaN活性層44中產(chǎn)生的光能以特別高的效率被反射。
因而，根據(jù)本實(shí)施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件的結(jié)構(gòu)也能有效地適用于以在紫外區(qū)域中具有峰值的發(fā)射波長(zhǎng)發(fā)射光的發(fā)光元件。
在根據(jù)本實(shí)施方式起紫外LED作用的半導(dǎo)體發(fā)光元件中，高反射p電極(第一電極)42也可以由Al制成。
因而，根據(jù)本實(shí)施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件作為具有高發(fā)射效率的光源是有用的。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體發(fā)光元件，包括活性層，由半導(dǎo)體制成并且產(chǎn)生光；第一傳導(dǎo)型的第一半導(dǎo)體層，通過晶體生長(zhǎng)形成在該活性層的主表面上；以及第二傳導(dǎo)型的第二半導(dǎo)體層，提供在該活性層的后表面上，并且具有形成有二維周期性結(jié)構(gòu)的后表面，該半導(dǎo)體發(fā)光元件從該第二半導(dǎo)體層的后表面輸出在該活性層中產(chǎn)生的光。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體發(fā)光元件，還包括第一電極，提供在該第一半導(dǎo)體層的主表面上，并且相對(duì)于在該活性層中產(chǎn)生的所有光的峰值波長(zhǎng)下的光具有80％或更大的反射率；以及第二電極，提供在該第二半導(dǎo)體層的后表面的一個(gè)區(qū)域上，在該區(qū)域中不形成該二維周期性結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體發(fā)光元件，其中該第一電極是包含Au膜、Pt膜、Cu膜、Ag膜、Al膜、以及Rh膜的至少一個(gè)的金屬膜。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體發(fā)光元件，其中還提供與該第一電極具有接觸關(guān)系的、具有10μm或更大厚度的金屬層。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的半導(dǎo)體發(fā)光元件，其中該金屬層由從包括Au、Cu、以及Ag的組中選擇的一種金屬組成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體發(fā)光元件，其中，當(dāng)該二維周期性結(jié)構(gòu)的周期是Λ，在該活性層中產(chǎn)生的光的峰值波長(zhǎng)是λ，并且該第二半導(dǎo)體層的折射率是N時(shí)，滿足0.5λ/N＜Λ＜20λ/N。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體發(fā)光元件，其中，當(dāng)該二維周期性結(jié)構(gòu)的高度是h，在該活性層中產(chǎn)生的光的波峰波長(zhǎng)是λ，圍繞該半導(dǎo)體發(fā)光元件的部分的折射率是n1，以及該第二半導(dǎo)體層的折射率是n2時(shí)，h是λ/{2(n2-n1)}的整數(shù)倍。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體發(fā)光元件，其中該二維周期性結(jié)構(gòu)的豎向橫截面被配置成四邊形。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體發(fā)光元件，其中該二維周期性結(jié)構(gòu)的豎向橫截面被配置成三角波。
10.一種半導(dǎo)體發(fā)光元件，包括基片，它發(fā)射光；第一半導(dǎo)體層，通過晶體生長(zhǎng)形成在該基片的主表面上，并且具有形成有二維周期性結(jié)構(gòu)的主表面；第一傳導(dǎo)型的第二半導(dǎo)體層，提供在該第一半導(dǎo)體層的主表面上；活性層，提供在該第二半導(dǎo)體層的主表面上，由半導(dǎo)體制成，并且產(chǎn)生光；以及第二傳導(dǎo)型的第三半導(dǎo)體層，提供在該活性層的主表面上，該半導(dǎo)體發(fā)光元件從該基片的后表面輸出在該活性層中產(chǎn)生的光。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的半導(dǎo)體發(fā)光元件，其中組成該第二半導(dǎo)體層的材料不埋在該二維周期性結(jié)構(gòu)中。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的半導(dǎo)體發(fā)光元件，還包括第一電極，提供在該第三半導(dǎo)體層的主表面上，并且相對(duì)于在該活性層中產(chǎn)生的所有光的峰值波長(zhǎng)下的光具有80％或更大的反射率；以及第二電極，提供在該第三半導(dǎo)體層的主表面上。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的半導(dǎo)體發(fā)光元件，其中該第一電極是包含Au膜、Pt膜、Cu膜、Ag膜、Al膜、以及Rh膜的至少一個(gè)的金屬膜。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的半導(dǎo)體發(fā)光元件，其中，當(dāng)該二維周期性結(jié)構(gòu)的周期是Λ，在該活性層中產(chǎn)生的光的峰值波長(zhǎng)是λ，并且該第一半導(dǎo)體層的折射率是N時(shí)，滿足0.5λ/N＜Λ＜20λ/N。
15.根據(jù)權(quán)利要求10所述的半導(dǎo)體發(fā)光元件，其中，當(dāng)該二維周期性結(jié)構(gòu)的高度是h，在該活性層中產(chǎn)生的光的波峰波長(zhǎng)是λ，圍繞該半導(dǎo)體發(fā)光元件的部分的折射率是n1，以及該第一半導(dǎo)體層的折射率是n2時(shí)，h是λ/{2(n2-n1)}的整數(shù)倍。
16.根據(jù)權(quán)利要求10所述的半導(dǎo)體發(fā)光元件，其中該二維周期性結(jié)構(gòu)的豎向橫截面被配置成四邊形。
17.根據(jù)權(quán)利要求10所述的半導(dǎo)體發(fā)光元件，其中該二維周期性結(jié)構(gòu)的豎向橫截面被配置成三角波。
18.根據(jù)權(quán)利要求10所述的半導(dǎo)體發(fā)光元件，其中該基片的材料是從包括GaAs、InP、Si、SiC、AlN、以及藍(lán)寶石的組中選擇的一種。
19.根據(jù)權(quán)利要求10所述的半導(dǎo)體發(fā)光元件，其中該基片的后表面是粗糙的，并且當(dāng)在該活性層中產(chǎn)生的光的峰值波長(zhǎng)是λ時(shí)，在該基片的后表面中的自相關(guān)距離T滿足0.5λ/N＜T＜20λ/N，并且在垂直方向上的高度分布D滿足0.5λ/N＜D＜20λ/N。
20.一種半導(dǎo)體發(fā)光器件，包括半導(dǎo)體發(fā)光元件，具有第一傳導(dǎo)型的第一半導(dǎo)體層，提供在該第一半導(dǎo)體層的后表面上、由半導(dǎo)體制成的、且產(chǎn)生光的活性層，以及提供在該活性層的后表面上、并且具有形成有二維周期性結(jié)構(gòu)的后表面的第二傳導(dǎo)型的第二半導(dǎo)體層，該半導(dǎo)體發(fā)光元件從該第二半導(dǎo)體層的后表面輸出在該活性層中產(chǎn)生的光；安裝基片，其上安裝有該半導(dǎo)體發(fā)光元件；以及模塑樹脂，形成半球形結(jié)構(gòu)，以模塑該半導(dǎo)體發(fā)光元件。
21.一種用來制造半導(dǎo)體發(fā)光元件的方法，該方法包括步驟(a)在基片的主表面中，或在該基片上提供的半導(dǎo)體層的主表面中，形成第一二維周期性結(jié)構(gòu)；以及(b)在該第一二維周期性結(jié)構(gòu)上方依次形成第一半導(dǎo)體層、活性層、以及第二半導(dǎo)體層。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中步驟(b)包括步驟通過以該第一二維周期性結(jié)構(gòu)隨其一起填充的方式形成該第一半導(dǎo)體層，而在該第一半導(dǎo)體層的后表面中形成與該第一二維周期性結(jié)構(gòu)互補(bǔ)的第二二維周期性結(jié)構(gòu)。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，還包括步驟在步驟(b)之后的(c)，除去該基片，或除去該基片和該半導(dǎo)體層，以暴露該第二二維周期性結(jié)構(gòu)。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其中步驟(c)通過拋光該基片和通過濕式蝕刻進(jìn)行。
25.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其中步驟(c)通過激光剝離過程進(jìn)行。
26.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其中在步驟(c)中除去的該基片是可重新使用的。
27.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，還包括步驟在步驟(b)之后，在該第二半導(dǎo)體層的主表面上形成包括金屬膜的高反射膜，該金屬膜包含Au膜、Pt膜、Cu膜、Ag膜、Al膜、以及Rh膜的至少一個(gè)。
28.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，還包括步驟在步驟(c)之后，在蝕刻速度依據(jù)晶面不同的情況下進(jìn)行濕式蝕刻，以形成包括每個(gè)配置成多邊形棱錐的突起或凹陷的該第二二維周期性結(jié)構(gòu)。
29.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中步驟(b)包括步驟以這樣一種方式形成該第一半導(dǎo)體層，以便在該第一二維周期性結(jié)構(gòu)中形成腔。
30.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中該第一二維周期性結(jié)構(gòu)包括由氧化物、氮化物、以及金屬的至少任一種制成的結(jié)構(gòu)。
31.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其中該第二二維周期性結(jié)構(gòu)包括凹陷，該方法還包括步驟在步驟(b)和(c)之后，通過在電解液中允許電在該半導(dǎo)體發(fā)光元件中流動(dòng)，增加該凹陷的每一個(gè)的深度，或者改變?cè)摪枷莸拿恳粋€(gè)的橫截面結(jié)構(gòu)。
32.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中步驟(a)包括步驟(a1)在該基片的或該半導(dǎo)體層的主表面上涂敷第一抗蝕劑；(a2)貼著該第一抗蝕劑，按壓形成有二維周期性結(jié)構(gòu)的模具，該二維周期性結(jié)構(gòu)與該第一二維周期性結(jié)構(gòu)互補(bǔ)，以把與該第一二維周期性結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的圖案轉(zhuǎn)移到其上；以及(a3)通過把對(duì)其已經(jīng)轉(zhuǎn)移了與該第一二維周期性結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的圖案的該第一抗蝕劑用作掩模，形成該第一二維周期性結(jié)構(gòu)。
33.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中該第一二維周期性結(jié)構(gòu)包括提供在該基片上的樹脂，并且該方法還包括步驟在步驟(b)之后的(d)，除去該基片；(e)在該第一半導(dǎo)體層的后表面上涂敷第二抗蝕劑；(f)把形成有該第一二維周期性結(jié)構(gòu)的基片放置在該第二抗蝕劑上，以把與該第一二維周期性結(jié)構(gòu)互補(bǔ)的圖案轉(zhuǎn)移到該第二抗蝕劑上；以及(g)通過把對(duì)其已經(jīng)轉(zhuǎn)移了與該第一二維周期性結(jié)構(gòu)互補(bǔ)的圖案的該第二抗蝕劑用作掩模，在該第一半導(dǎo)體層的后表面中形成與該第一二維周期性結(jié)構(gòu)互補(bǔ)的第二二維周期性結(jié)構(gòu)。
34.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，還包括步驟把該半導(dǎo)體發(fā)光元件安裝在安裝基片上；以及通過使用形成有半球形腔的模具用半球形樹脂模塑該半導(dǎo)體發(fā)光元件。
全文摘要
在半導(dǎo)體多層膜的與其主表面相對(duì)的表面中形成突起/凹陷，該突起/凹陷形成二維周期性結(jié)構(gòu)，而在另一表面上形成具有高反射率的金屬電極。通過使用二維周期性結(jié)構(gòu)的衍射效應(yīng)，能改進(jìn)從形成有突起/凹陷的表面的光引出效率。通過利用具有高反射率的金屬電極把向金屬電極發(fā)射的光反射到形成有突起/凹陷的表面，能倍增由二維周期性結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的以上效果。
文檔編號(hào)H01L33/20GK1716655SQ20051007966
公開日2006年1月4日 申請(qǐng)日期2005年6月24日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月28日
發(fā)明者折田賢兒 申請(qǐng)人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社