专利名称：一种发光元件及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种具有反射层的发光元件(其在这里用于与发光二极管 (light-emitting diode)芯片具有相同的含义)及其制造方法。
背景技术：
已知的一种传统发光元件，其包括η型GaAs衬底，在η型GaAs衬底上提供的光 反射层，在光反射层上提供的η型Ala45Gaa55As包覆层，在η型Ala45Gaa55As包覆层上提供 的ρ型GaAs有源层，在ρ型GaAs有源层上提供的ρ型Ala45Gaa55As包覆层，以及在ρ型 Ala45Gaa55As包覆层上提供的ρ型GaAs保护层，并且其中，光反射层具有η型AlAs/n型 AlxGai_xAs的叠层结构，该叠层结构以具有不断变化的膜厚度的脉冲形状(chirp shape)形 成，并定义了可变的厚度比率、叠层数和混晶比率之间的关系，该关系允许获得预定的反射 波长带和反射系数。(例如，参见JP-A5-37017)由于在JP-A5-37017中描述的发光元件中的光反射层反射通过光干涉反射在半 导体衬底侧上行进的光，因此能够提高光输出。然而，在JP-A5-37017中描述的发光元件中，尽管能够通过单一光反射层扩大反 射波长范围，但难于在不增加光反射层的膜厚度的情况下提高发光元件的光输出。另外，为 了提高发光元件的光输出，可能需要增加光反射层的膜厚度，然而在这种情况下，由于生长 的外延层的总数的增加，生产成本可能会显著增加，也就是，原材料或生长时间的增加等。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有增强的光吸收效率的高光输出发光元件和一种 不会显著增加生产成本的制造高光输出发光元件的方法。(1)根据本发明的一个实施例，一种发光元件，包括半导体衬底；发光部，包括夹在第一传导类型的第一包覆层与不同于第一传导类型的第二传导 类型的第二包覆层之间的活性层；反射部，提供在半导体衬底与用于反射从活性层发射的光的发光部之间；以及电流扩散层，与反射部相对地提供在发光部上并且表面上包括凹凸部，其中，反射部包括多个成对的层，每个成对的层包括第一半导体层和不同于第一 半导体层的第二半导体层，且第一半导体层具有由公式(1)和(3)定义的厚度Tai，且第二半导体层具有由公式 ⑵和⑷定义的厚度Tbi，
其中，λ ρ为从活性层发射的光的峰值波长，ηΑ为第一半导体层的折射率，ηΒ为第 二半导体层的折射率，ηΙη为第一包覆层的折射率，且θ为从第一包覆层到第一半导体层的 入射角，该入射角被定义为相对于入射平面的法线的角度。在上述实施例(1)中，可以进行以下变形和改变。(i)反射部包括至少三个成对的层，由于公式(1)和(2)中的θ值在多个成对的层的每个成对的层中都不同，因此多 个成对的层的厚度彼此不同，且多个成对的层中的至少一个成对的层包括具有θ值不小 于50°的第一和第二半导体层。(ii)发光元件还包括中间层，提供第二包覆层与电流扩散层之间，其中，中间层包括具有带隙能在构成 第二包覆层的半导体的带隙能和构成电流扩散层的半导体的带隙能之间的半导体。(iii)多个成对的层包括包括具有厚度Tai不小于λ Ρ/(4ΧηΑ)的1. 5倍的第一 半导体层和具有厚度Tbi不小于λρ/(4ΧηΒ)的1.5倍的第二半导体层的成对的层。(iv)反射部包括具有带隙能大于构成活性层的半导体的带隙能的半导体材料，该 半导体材料对从活性层发射的光是透明的。(ν)第一半导体层包括AlxGai_xAs(0彡X彡1)或Ala5Ina 5P，且，第二半导体层由 AlyGa1^As (0 ^ Y ^ 1)形成并具有与第一半导体的折射率不同的折射率。(vi)在从半导体衬底侧计算的反射部的第一成对的层、或第一和第二成对的层 中，第一半导体层包括AlAs或Ala5Ina5P,且第二半导体层包括具有带隙能小于构成活性层 的半导体的带隙能的半导体、或者对从活性层发射的光是不透明的GaAs。(vii)凹凸部具有不小于0.04 μ m且不大于0.25 μ m的算术平均粗糙度Ra。(viii)凹凸部具有不小于0. 05 μ m且不大于0. 35 μ m的均方根粗糙度RMS。(ix)反射部包括至少六对或更多的成对的层。(χ)半导体衬底包括GaAs。
(xi)中间层包括GazIrvzP(C). 6彡Z彡0. 9)，且电流扩散层包括GaP。(xii)发光元件还包括前表面电极，提供在电流扩散层中的除提供了凹凸部的区域之外的区域的预定位 置；以及光取出层，形成在除前表面电极之外的部分，并且包括对从活性层发射的光是透 明的且具有折射率比构成电流扩散层的半导体的折射率小并比空气的折射率大的材料。(xiii)光取出层具有由Α+λρ/(4Χη)定义的值的士 30%的范围内的厚度d，其 中，λ ρ为从活性层发射的光的波长，n为构成光取出层的材料的折射率，并且A(为奇数) 为常数。(2)根据本发明的另一个实施例，一种制造发光元件的方法，包括在半导体衬底形成反射部、发光部、以及在发光部上形成的电流扩散层，其中，反 射部包括多个成对的层，每个成对的层包括第一半导体层和不同于第一半导体层的第二半 导体层，发光部包括夹在第一传导类型的第一包覆层与不同于第一传导类型的第二传导类 型的第二包覆层之间的活性层；在电流扩散层的预定位置形成前表面电极；以及在除形成前表面电极的区域之外的部分形成凹凸部，其中，第一半导体层具有由公式(1)和(3)定义的厚度Tai，且第二半导体层具有 由公式(2)和⑷定义的厚度Tbi，公式(1) 公式(3) 公式(4) /tp 其中，λ ρ为从活性层发射的光的峰值波长，ηΑ为第一半导体层的折射率，ηΒ为第 二半导体层的折射率，ηΙη为第一包覆层的折射率，且θ为从第一包覆层到第一半导体层的 入射角，该入射角被定义为相对于入射平面的法线的角度。在上述实施例(2)中，可以进行以下变形和改变。(xiv)在形成前表面电极之后实施凹凸部的形成。本发明的要点 公式⑵
根据本发明的一个实施例，提供具有反射部的发光元件，其中，反射部具有由具有 对应于多个入射角控制的厚度的第一半导体层和第二半导体层构成的多个成对的层。即使 在发射的光从多个入射角入射到反射部时，反射部也能将光反射到光取出表面侧。另外，由 于发光元件提供了在光吸收表面上的凹凸部，因此可以有效地将反射部反射的光取出到发 光元件的外部。因此，发光元件可以表现出提高的光取出效率。
下面，将结合附图更加详细地描述本发明，其中图IA是表示本发明第一优选实施例中的发光元件的剖面图；图IB是表示本发明第一实施例中的发光元件的反射部的剖面图；图IC是表示本发明第一实施例中的发光元件的平面图；图2是表示本发明第二实施例中的发光元件的剖面图；图3是表示本发明第三实施例中的发光元件的剖面图；图4示出了用于对具有电极的外延晶片使用粗化处理的时间与表面粗糙度之间 的关系的视图；图5A是表示在例1的发光元件中提供的反射部的简化结构的视图；图5B是表示在例1的发光元件中提供的反射部的简化结构中的反射光谱的视 图；图6A是表示在比较例的发光元件中提供的反射部的简化结构的视图；图6B是表示在比较例的发光元件中提供的反射部的简化结构中的反射光谱的视 图；图7是表示例4以及其变形例的发光元件的反射部的整体视图；图8是表示例5的发光元件的反射部的整体视图；图9是表示比较例1的发光元件的剖面图；以及图10是表示根据反射部中的对数比较例1中发光元件的光输出的视图。
具体实施例方式第一实施例图IA示出了本发明第一实施例中的发光元件的示意性剖面，图IB示出了在本发 明第一实施例的发光元件中提供的反射部的示意性剖面，图IC是示出了本发明第一实施 例的发光元件的顶部表面的示意图。发光元件1的总体结构作为示例，第一实施例中的发光元件1是发出红色光的发光二极管(LED)。详细 地，发光元件1包括作为第一传导类型的η型半导体衬底10，在半导体衬底10上提供的η 型缓冲层200，提供在η型缓冲层200上从而具有η型复合半导体的多层结构的反射部210， 在反射部210上提供的η型第一包覆层220，在第一包覆层220上提供的活性层222，在活 性层222上提供的作为与第一传导类型不同的第二传导类型的ρ型第二包覆层224，在第二 包覆层224上的提供ρ型中间层230，以及在中间层230上提供的并且表面(即光取出表 面)上具有凹凸部250的电流扩散层240。
另外，发光元件1进一步包括在电流扩散层240中除提供了凹凸部250的区域之 外的区域中的预定位置提供的前表面电极30，和在半导体衬底10上与提供了缓冲层200的 表面相对的表面(半导体衬底10的后表面)上提供的后表面电极35。在本实施例中，提供 活性层222，以使活性层222被第一包覆层220和第二包覆层224夹在中间，且在下述说明 中，第一包覆层220、活性层222和第二包覆层224可以整体地称作发光部20。可替代地， 发光元件1可以进一步包括作为在前表面电极20上的线连接焊盘的焊盘电极。半导体衬底10和缓冲层200作为半导体衬底10，可以使用例如包含预定传导类型的载流子并具有预定载流子 浓度的GaAs衬底。另外，具有预定斜角(off-angle)的反向(missoriented)衬底或无斜 角的纯衬底也可用作半导体衬底10。可替代地，根据形成在半导体衬底10上的多个复合半 导体层的类型，可以适当地改变构成半导体衬底10的复合半导体材料。反射部210在半导体衬底10和发光部20之间提供反射部210，反射部210反射从活性层222 发射出的光。详细地，如图IB所示，反射部210具有多个复合半导体层的叠层结构。形成 反射部210由半导体材料形成，该半导体材料具有比构成活性层222的半导体材料的能带 隙更大的能带隙并且对于从活性层222发射的光是透明的。另外，反射部210形成有多个成对的层(pair layer)，该成对的层由第一半导体 层210a和折射率与第一半导体层210a的折射率不同的第二半导体层210b构成。反射部 210形成有至少6对成对的层。第一半导体层210a可以由例如AlxGai_xAs(0彡X彡1)或 Ala5Ina5PB成，且第二半导体层210b可以由例如AlYGai_YAs(0< YS 1)形成。形成第一 半导体层210a和第二半导体层210b以使二者具有互为不同的折射率。当第一半导体层 210a由AlGaAs形成时，控制第一半导体层210a的Al的成分“X”的值使其与第二半导体 层210b的Al的成分“Y”的值不同。另外，第一半导体层210a和第二半导体层210b可以 形成有取决于如下所述的光的入射角的厚度，然而，为了便于说明，在附图IB中示出了实 质上相同的厚度。这里，反射部210的多对成对的层中的每对层反射具有比从活性层222发射的光 的发射峰值波长更大的波长的光，并且反射不同入射角的光。详细地，当将从活性层222发 射的光的发射峰值波长定义为λ p，将第一半导体层的折射率定义为ηΑ，将第二半导体层的 折射率定义为ηΒ，将第一包覆层220的折射率定义为ηΙη，且从第一包覆层到第一半导体层 的入射角为θ (定义为与入射平面的法线的形成的角度)时，第一半导体层210a形成有由 以下公式⑴和(3)定义的厚度TA1。同时，第二半导体层210b形成有由以下公式⑵和 ⑷定义的厚度TB1。公式(1)
Tai = -^^—— 公式(2) 包括在多对成对的层中的第一半导体层210a和第二半导体层210b中的每一者都 形成有比由公式(3)和(4)定义的厚度大的厚度，以反射具有比从活性层222发射的光的 发射峰值波长更大的波长的光。另外，包括在多个成对的层中的一对成对的层的第一半导 体层210a形成有由与入射到该对成对的层的光的入射角对应的公式(1)计算出的厚度。以 相同方式，包括在该对成对的层中的第二半导体层210b形成有由与入射到该对成对的层 的光的入射角对应的公式(2)计算出的厚度。以相同方式，包括在多个成对的层中的其它 成对的层也都形成有与入射到该其它成对的层的光的入射角对应的厚度的第一半导体层 210a和第二半导体层210b。优选地，成对的层包括具有厚度Tai是λρ/(4ΧηΑ)的1.5倍的 第一半导体层210a和具有厚度Tbi是λρ/(4ΧηΒ)的1. 5倍的第二半导体层210b。这里，在本实施例中，反射部210形成有至少3对成对的层。由于对于每对成对的 层，公式(1)和(2)中的θ值都不同，因此，多个成对的层的厚度也彼此不同。例如，一对 成对的层与另一对成对的层的厚度形成为彼此不同。当将第一对成对的层的θ值定义为
θ a并且将另一对成对的层的θ值定义为θ b时，使用值ea由公式(1)和(2)计算得到包 括在该一对成对的层中的第一半导体层210a和第二半导体层210b的厚度，且使用与 同的值9b由公式(1)和(2)计算得到包括在该另一对成对的层中的第一半导体层210a和 第二半导体层210b的厚度。另外，通过形成至少一对成对的层以包括具有由50°或更大的 θ值定义的厚度的第一半导体层210a和第二半导体层210b，能够将除了从发光部20入射 到反射部210的入射光之外的光反射到反射部210的取出表面上。通过将反射部210包含 在本实施例中发光元件1中，即使从活性层222发出的光以多个入射角入射，从活性层222 发射的光都将反射到反射部210的光取出表面的方向。另外，当半导体衬底10侧的反射部210的第一，或第一和二成对的层中的第一半 导体层210a由AlAs或Ala5Ina5P形成时，优选地，第二半导体层210b由具有能带隙小于构 成活性层222的半导体的能带隙的半导体或对从活性层222发射的光不透明的GaAs形成。发光部20发光部20具有第一包覆层220、活性层222和第二包覆层224。首先，将缓冲层200 提供成与半导体衬底10接触。例如，当半导体衬底10由η型GaAs衬底形成时，缓冲层200 由η型GaAs形成。另外，第一包覆层220、活性层222和第二包覆层224中的每一个都由例 如由(AlxGaH)γΙηι_γΡ(0彡X彡1，0彡Y彡1)代表的三元或四元III主族元素复合半导体 材料形成。可替代地，第一实施例中的活性层222可以由例如非掺杂GaxIni_xP(0<X< 1) 单层形成。
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中间层230当构成第二包覆层224的半导体材料和构成电流扩散层240的半导体材料彼此不 同时，中间层230由降低在第二包覆层224和电流扩散层240之间的表面的势垒的半导体 材料形成。详细地，中间层230提供在第二包覆层224和电流扩散层240之间。更详细地， 中间层230与活性层222相对地提供在第二包覆层224上，并且由具有带隙能量在构成第 二包覆层224的半导体材料的带隙能量与构成电流扩散层240的半导体材料的带隙能量之 间的半导体材料形成。中间层230由如ρ型GazIrvzP(例如，0. 6彡Z彡0. 9)形成。通过 在发光元件1中提供中间层230，能够降低发光元件1的正向电压。电流扩散层240电流扩散层240与反射部210相对地提供在发光部20上，并分散供应到发光元件 1的电流，从而使电流实质上均勻地供应到活性层222。另外，电流扩散层240由对从活性 层222发射的光透明的半导体材料形成。电流扩散层240可以由ρ型GaP、p型GaAsP或ρ 型AlGaAs形成。凹凸部250凹凸部250通过对电流扩散层240的与发光部20相对的表面进行粗化而形成。凹 凸部250通过使用预定蚀刻剂蚀刻其表面形成有随机形状。可替代地，凹凸部250可以在 表面上形成有的预定图案。另外，为了提高发光元件1的光取出效率，优选地，凹凸部250 具有不小于0. 04 μ m也不大于0. 25 μ m的算术平均粗糙度Ra和不小于0. 05 μ m也不大于 0. 35 μ m的均方根粗糙度RMS。前表面电极30和后表面电极35前表面电极30由与电流扩散层240欧姆接触的材料形成。详细地，前表面电极30 由包括从金属材料如Be、Zn、Ni、Ti、Pt、Al和Au等中选择的用于ρ型电极的至少一种金属 材料形成。例如，前表面电极30可以形成有从电流扩散层240侧以AuBe、Ni和Au顺序堆 叠的叠层结构。前表面电极30提供在电流扩散层240的与中间层230相对的表面上，即发 光元件1的光吸收表面的一部分。另外，如图IC所示，当从顶部看发光元件1时，前表面电 极30形成有实质上为圆形的圆形部和4条延伸到发光元件1的四个角的腿部。后表面电极35由与半导体衬底10欧姆接触的材料形成。具体的，后表面电极35 由包括从金属材料如Ge、Ni、Ti、Pt、Al和Au等中选择的用于η型电极的至少一种金属材 料形成。例如，后表面电极35可以形成有从半导体衬底10侧以AuGe、Ni和Au顺序堆叠的 叠层结构。后表面电极35形成在半导体衬底10的实质整个后表面上。修改例尽管第一实施例中的发光元件1包括在半导体衬底10上的缓冲层200，在第一实 施例的修改例中的发光元件也可以形成为不包括缓冲层200。另外，尽管第一实施例中的发光元件1发射包括红色光(即，具有发射波长为 630nm频带的光)的光，但从发光元件1发射的光并不限于此。也可以通过控制活性层222 的结构形成发射具有预定波长范围的光的发光元件1。从活性层222发射的光包括，例如， 如在橙色光、黄色光或绿色光等的波长范围内的光。另外，在发光元件1中提供的发光部20 也可以由包括发射在紫外线区、紫色区或蓝色区的光的基于InAlGaN的复合半导体形成。另外，对于复合半导体层，即包括在发光元件1中的半导体衬底10、缓冲层200、反射部210、第一包覆层220、第二包覆层224、中间层230以及电流扩散层240，根据本实施 例，构成这些复合半导体层的复合半导体的传导类型可以相反。例如，半导体衬底10、缓冲 层200、反射部210和第一包覆层220的传导类型可以替换为ρ型，且第二包覆层224、中间 层230和电流扩散层240的传导类型可以替换为η型。另外，活性层222可以形成有量子阱结构。量子阱结构可以从任何单一量子阱结 构、多量子阱结构或应变多量子阱结构形成。发光部20可以形成有除第一包覆层220、活性 层222和第二包覆层224以外的半导体层。另外，前表面电极20可以以方形、菱形或多边形形成。发光元件1的制造方法如下制造第一实施例中的发光元件1。首先，准备半导体衬底10。然后，通过例如 金属有机气相外延法(M0VPE法)(生长过程)在半导体衬底10上形成由包括多个复合半 导体层(即，缓冲层200、反射部210、第一包覆层220、活性层222、第二包覆层224、中间层 230和电流扩散层240)的III-V族复合半导体构成的半导体叠层结构。结果，制造出外延
曰t±" 曰曰/T °这里，通过将生长温度设置为650°C、将生长气压设置为6666. IPa(50Torr)，将半 导体叠层结构的多个复合半导体层的每个生长速度设置为0. 3-1. 5纳米/秒，以及将V/III 比率设置为大约150，来实施使用MOVPE法形成半导体叠层结构。V/III比率是V族材料如 砷化三氢(AsH3)或三氢化磷(PH3)等的摩尔比关于III族材料如三甲基镓(TMGa)或三甲 基铝(TMAl)等的摩尔比的比率。1.另外，作为在MOVPE方法中使用的原料，可以使用有机金属复合物如三甲基镓 (TMGa)或三乙基镓(TEGa)作为Ga原料，使用三甲基铝(TMAl)作为Al原料，以及使用三甲 基铟作为In原料，等等。另外，可以使用氢化物气体如砷化三氢(AsH3)作为As源，使用三 氢化磷(PH3)作为P源，等等。另外，氢硒化物(H2Se)或乙硅烷(Si2H6)可以用作η型掺杂 物的原料。同时，二茂镁(Cp2Mg)可以用作ρ型掺杂物的原料。可替代地，甲硅烷(Si H4)、二乙基碲(DETe)或二甲基碲(DMTe)也可以用作η型 掺杂物的原料。另外，二甲基锌(DMZn)或二乙基锌(DEZn)也可以用作ρ型掺杂物的原料。通过在半导体衬底10上形成缓冲层200，可以消除在MOVPE装置中残留的用于先 前晶体生长的掺杂物的影响。结果，可以稳定地制造外延晶片。另外，通过在半导体衬底10 上外延地生长缓冲层200，可以提高在缓冲层200上外延地生长的复合半导体层的结晶质 量。下面，通过使用照相平版印刷法和成膜法(例如，真空沉积法或溅射法等)在外延 晶片的表面上，即在电流扩散层240的表面的一部分上形成前表面电极30(前表面电极形 成过程)。可以使用剥离(lift-off)法来形成前表面电极30。随后，在半导体衬底10的 实质整个背面上形成后表面电极35。另外，为了在前表面电极30与电流扩散层240之间以 及在后表面电极35与半导体衬底10的后表面之间制造欧姆接触，在预定大气压(例如，在 惰性气压如氮气气压等之下)、预定温度下实施熔合过程预定时间。随后，通过对电流扩散层240的表面应用凹凸处理(即粗化处理)形成凹凸部 250(凹凸部形成过程)。在本实施例中，在形成前表面电极30之后实施粗化处理。另外， 通过使用预定蚀刻剂对电流扩散层240的除形成前表面电极30区域之外的表面应用蚀刻处理来实施粗化。可替代地，在使用照相平版印刷法在电流扩散层240的表面形成预定掩 膜图案后，可以使用形成的掩膜图案作为掩膜对电流扩散层240的表面应用蚀刻处理。然后，根据将要制造的发光元件1的尺寸，将提供有前表面电极30和后表面电极 35并具有在其上形成的凹凸部250的外延晶片切成小块，从而制造多个发光元件1。在切 割处理后，通过对多个发光元件1的边缘表面应用蚀刻处理，将可以去除因切割引起的机 械损害。由此制造的发光元件1是，例如，发射在红色区的发射波长约631nm的光的发光 二极管。另外，当俯视时，发光元件1的形状实质上为长方形，并且，当俯视时，尺寸为例如 275 μ m2。第一实施例的效果由于第一实施例中的发光元件1提供了具有由第一半导体层210a和第二半导 体层210b构成的多个成对的层的反射部210，其中，对应于多个入射角控制第一半导体层 210a和第二半导体层210b的厚度，因此，即使光以不同入射角入射到反射部210，反射部 210也能将光反射到光取出表面侧。另外，由于发光元件1在光吸收表面上提供了凹凸部 250，因此，可以有效地取出通过反射部210反射到发光元件1的外部的光。结果，可以为本 实施例的发光元件1提供提高的光取出效率。另外，在第一实施例的发光元件1中，由于在光取出表面上形成凹凸部250，因此， 甚至连通过由具有由公式(1)和(2)中的角度θ的最大值定义的厚度的第一半导体层 210a和第二半导体层210b构成的成对的层反射的光也能有效地从光吸收表面取出。结果， 在第一实施例的发光元件1中，例如，与仅由与从活性层222发射的光的发射峰值波长对应 的半导体层构成的反射部210相比，可以提高光输出。因此，根据本实施例，可以提供高光 输出发光元件1，而不会因为由于在半导体衬底10上生长的复合半导体层的总数的增加导 致的原料增加和生长时间的增加而增加生产成本。考虑公式(3)和(4)，当反射部210仅由与从活性层222发射的光的发射峰值波 长对应的半导体层构成时，通常仅能够反射具有波长大约为士200nm的光，然而，关于从活 性层222发射的光的发射峰值波长λ ρ，本实施例中的反射部210能够反射波长范围大约为 士 300nm或更大波长范围的光。第二实施例图2示出了本发明第二实施例中的发光元件的示意性剖面的整体视图。除了在凹凸部250上进一步提供了光取出层40之外，第二实施例中的发光元件Ia 具有与第一实施例中的发光元件1的结构相同的结构。因此，省略除不同之处之外的详细 说明。发光元件Ia进一步提供了与发光部20相对的、在电流扩散层240的除前表面电 极30之外的一部分上的光取出层40。光取出层40对从活性层222发射的光透明，并由具 有折射率比构成电流扩散层240的半导体的折射率小且比空气的折射率大的材料形成。当 将从活性层222发射的光的波长定义为λ ρ，将构成光吸收层40的材料的折射率定义为η， 并且常数为Α(Α为奇数)时，光取出层40形成有由Α+λρ/(4Χη)定义的值的士 30%的范 围内的厚度。光取出层40能够由如SiN、Si02、IT0、Sn203、Ti02、或ZnO等氧化物或氮化物形成。另外，构成光取出层40的材料不需要具有传导类型。另外，构成光取出层40的材料的传导 类型可以是P型或η型。由于在发光元件Ia中，具有在构成电流扩散层240的材料的折射率与空气的折射 率之间的折射率的光取出层提供在电流扩散层240与外部空气之间，因此，可以进一步提 高发光元件Ia的光取出效率。第三实施例图3示出了本发明第三实施例中的发光元件的示意性剖面的整体视图。除了活性层222夹在第一未掺杂层221和第二未掺杂层223之间之外，第二实施 例中的发光元件Ib具有与第一实施例中的发光元件1的结构相同的结构。因此，省略除了 不同之处之外的详细说明。详细地，第三实施例中的发光元件Ib提供有半导体衬底10，在半导体衬底10上 形成的缓冲层200，在缓冲层200上形成的反射部210，在反射部210上形成的第一包覆层 220，在第一包覆层220上形成的第一非掺杂层221，在第一非掺杂层221上形成的活性层 222，在活性层222上形成的第二非掺杂层223，在第二非掺杂层223上形成的第二包覆层 224，在第二包覆层224上形成的中间层230，以及在中间层230上形成的电流扩散层240。第一非掺杂层221抑制包含在第一包覆层220中的η型掺杂物向活性层222的扩 散。同时，第二非掺杂层223抑制包含在第二包覆层224中的ρ型掺杂物向活性层222的 扩散。第一非掺杂层221和第二非掺杂层223由如未包含掺杂物的(AlxGai_x)YIrvYP形成。 由于通过将活性层222夹在第一非掺杂层221和第二非掺杂层223之间来抑制掺杂物从第 一包覆层220和第二包覆层224向活性层222的扩散，因此，可以提高发光部20a的发光率 并提高发光元件Ib的可靠性。尽管第三实施例中的发光元件Ib配置成将活性层222夹在第一非掺杂层221和 第二非掺杂层223之间，但在第三实施例变形例中，也可以形成不需要形成第一非掺杂层 221和第二非掺杂层223中的任何一个的发光元件。M 1与第一实施例中的发光元件1对应并发射具有发射峰值波长约为631nm的红色光 的发光元件被制造作为例1的发光元件。详细地，首先，通过MOVPE法在作为具有15°斜 角的半导体衬底10的η型GaAs衬底上外延地生长由η型GaAs (以硒掺杂、1 X 1018/cm3的 载流子浓度和200nm的膜厚)形成的缓冲层200和包括15对由作为第一半导体层210a的 AlAs层和作为第二半导体层210b的Ala5Gaa5As层构成的成对的层的反射部210 ( S卩，15层 第一半导体层210a和15层第二半导体层210b，总共30层)。构成反射部210的每一半导 体层的载流子浓度控制在约lX1018/cm3。另外，在反射部210上顺序地外延地生长作为第一包覆层220 (以硒掺杂、4X IO17/ cm3的载流子浓度和400nm膜厚度)的η型(Al0.7Ga0.3) 0.51% 5P包覆层、作为活性层 222(600nm的膜厚度)的非掺杂(AlaiGaa9)a5Ina5P活性层、作为第二包覆层224(以镁掺 杂、2 X IO1Vcm3的载流子浓度和500nm的膜厚度)的ρ型(Ala7Gaa3)a5Ina5P包覆层、作为 中间层230 (以镁掺杂、6Χ 1018/cm3的载流子浓度和20nm的膜厚度)的ρ型Gaa7Ina3P中 间层、以及作为电流扩散层240 (以镁掺杂、2 X IO1Vcm3的载流子浓度和SOOOnm的膜度厚) 的P型GaP电流扩散层。因此，制造出例1的发光元件的外延晶片。
从η型GaAs生成的缓冲层的生长到ρ型Gaa7Ina3P中间层的生长，将MOVPE生长 的生长温度设置650°C，且对于ρ型GaP电流扩散层的生长，将MOVPE生长的生长温度设置 为675°C。另外，对于其它生长条件、将生长气压设置为6666. lPa(50Torr)并将多个复合半 导体层中的每个生长速度设置为0.3-1. 5纳米/秒。另外，将V/III比率设置为大约150。 然而，在这一点上，对于生长P型GaP电流扩散层可以将V/III比率设置为25。由于用于 MOVPE生长的原料等已经在第一实施例中说明，因此，省略详细说明。这里，将对反射部210进行详细说明。将在反射部210的多个成对的层的作为第一 半导体层210a的AlAs层和作为第二半导体层210b的Ala5Gaa5As层中的每一者的厚度控 制为由公式(1)和(2)计算的厚度。换句话说，将从非掺杂(AlaiGaa9)a5Ina5P活性层释放 的光的发射峰值波长“631nm”用作λ p，将AlAs层的折射率“3. 114”用作nA，将Ala5Gaa5As 层的折射率“3. 507”用作nB，将η型(Ala7Gaa3)a5Ina5P包覆层的折射率“3. 127”用作πΙη。 另外，将0°、20°、30°、40°、50°、60°和70°用作公式(1)和(2)中的角θ。详细地，以下为在用于例1中的发光元件的外延晶片上形成的反射部210的结构。 也就是，首先，在η型GaAs缓冲层上形成两对由AlAs层和Ala5Gaa5As层构成的成对的层， 其中，AlAs层和Ala5Gaa5As层具有将θ设置为70°由公式(1)和(2)计算的厚度(在下 文中称作“70° DBR层”)。接下来，在70° DBR层上形成两对由AlAs层和Ala5Gaa5As层 构成的成对的层，其中，AlAs层和Ala5Gaa5As层具有将θ设置为60°由公式(1)和(2) 计算的厚度(在下文中称作“60° DBR层”)。然后，在60° DBR层上形成一对由AlAs层和 Ala5Gaa5As层构成的成对的层，其中，AlAs层和Ala5Gaa5As层具有将θ设置为50°由公 式⑴和⑵计算的厚度(在下文中称作“50° DBR层”)。另外，在50° DBR层上形成一对由AlAs层和Ala5Gaa5As层构成的成对的层，其 中，AlAs层和Ala5Gaa5As层具有将θ设置为40°由公式(1)和(2)计算的厚度(在下文 中称作“40° DBR层”)。然后，在40° DBR层上形成两对由AlAs层和Ala5Gaa5As层构成 的成对的层，其中，AlAs层和Ala5Gaa5As层具有将θ设置为30°由公式(1)和(2)计算 的厚度(在下文中称作“30° DBR层”)。另外，在30° DBR层上形成六对由AlAs层和Ala5Gaa5As层构成的成对的层，其中， AlAs层和Ala5Gaa5As层具有将θ设置为20°由公式(1)和(2)计算的厚度(在下文中称 作“20° DBR层”)。然后，在20° DBR层上形成一对由AlAs层和Ala5Gaa5As层构成的成 对的层作为最顶层，其中，AlAs层和Ala5Gaa5As层具有将θ设置为0°由公式(1)和(2) 计算的厚度(在下文中称为“0° DBR层”)。需要注意的是，对于0° DBR层，当将发射峰值 波长定义为λ ρ，将第一半导体层210a的折射率定义为nA，并将第二半导体层210b的折射 率定义为 时，可以从λρ/4ηΑ* λ ρ/4ηΒ计算第一半导体层210a和第二半导体层210b的 厚度。在η型GaAs缓冲层上形成具有15对这样的成对的层的反射部210。由于在比较例中的发光元件的下述反射部212形成有21对成对的层(注意反射 部212的厚度稍微地大于约2000nm)，因此，将例1中的发光元件的反射部210中的多个成 对的层的数目确定为15(注意反射部210的厚度稍微地小于约2000nm)，以通过将反射部 210形成具有与比较例1中的发光元件等同的厚度来对例1中的发光元件和比较例1中的 发光元件进行比较。在从MOVPE装置中取出用于例1中的发光元件的如此制造的外延晶片之后，在外
15延晶片的表面(即，晶片的上表面和电流扩散层的表面)上形成具有直径100 μ m的圆形部 212和从圆形部的外边缘向外延伸的四条腿部的前表面电极，以排列成矩阵形状。照相平版 印刷法用于形成前表面电极30。换句话说，在外延晶片的表面上应用光阻后，使用掩膜对 准器(mask aligner)通过照相平版印刷法在外延晶片的表面上形成在每个区域中具有用 于形成多个前表面电极30的开口的掩膜图案。此后，使用真空沉积法在开口中顺序地沉积 400nm厚的AuBe，IOnm厚的Ni和IOOOnm厚的Au。沉积之后，通过剥离法去除在外延晶片 上形成的掩膜图案，从而在外延晶片表面上形成前表面电极30。接下来，使用真空沉积法，在外延晶片的后表面上，即与形成前表面电极30的表 面相对的整个表面上形成后表面电极35。通过顺序沉积60nm厚的AuGe，IOnm厚的Ni和 IOOOnm厚的Au形成后表面电极35。在形成前表面电极30和后表面电极35之后，实施熔 合电极的熔合过程。详细地，将具有在其上形成的前表面电极30和后表面电极35的外延 晶片在氮气中以400°C加热5分钟。结果，制造出用于例1中发光元件的具有电极的外延晶 片。Ml将提供了与例1中的反射部不同的反射部210的发光元件制造为例2中的发光元 件。由于除了反射部210之外，例2中发光元件的结构与例1中发光元件的结构相同，因此 省略除不同之处之外的详细说明。以下为在例2的发光元件中提供的反射部210的结构。也就是，通过从η型GaAs 缓冲层侧顺序地生长两对70° DBR层、两对60° DBR层、一对50° DBR层、一对40° DBR 层、三对30° DBR层、四对20° DBR层、一对10° DBR层和一对0° DBR层形成例2的反射 部210。需要注意的是，0° DBR层表示由具有将0代入θ值通过公式(1)和(2)计算的厚 度的第一半导体层210a和第二半导体层210b构成的成对的层。包括在反射部210的多个 成对的层的数目为15，且反射部210的厚度稍微地小于约2000nm。其它结构与例1相同。如上所述，制造出用于例1和2中发光元件的具有电极的外延晶片。凹凸部250的粗化下面，将用于例1和2中发光元件的具有电极的外延晶片劈开分为4份用于制造 1/4尺寸芯片。为了比较的目的，将由用于例1中发光元件的具有电极的外延晶片制成的 一个1/4尺寸芯片和由用于例2中发光元件的具有电极的外延晶片制成的一个1/4尺寸芯 片各自按它们的原样进行存储。另一方面，对于由用于例1中发光元件的具有电极的外延 晶片制成的三个1/4尺寸芯片和由用于例2中发光元件的具有电极的外延晶片制成的三个 1/4尺寸芯片，对除了形成了前表面电极30的区域之外的扩散电流层的表面应用凹凸处理 (粗化处理)。使用醋酸蚀刻溶液实施粗化处理。通过改变蚀刻时间(粗化处理时间)实施三种 模式的凹凸处理(粗化)。换句话说，通过改变蚀刻时间(粗化处理时间)以不同的形状在 电流扩散层的表面形成凹度和凸度。对从由用于例1和2中发光元件的具有电极的外延晶 片制造出的每个1/4尺寸芯片实施三种模式的蚀刻时间(粗化处理时间)，即15秒、30秒 和60秒。作为通过改变蚀刻时间(粗化处理时间)蚀刻电流扩散层的表面上的凹面和凸 面的估测结果，算术平均粗糙度Ra不小于0. 01 μ m且不大于0. 25 μ m,均方根粗糙度RMS不 小于0. 05 μ m且不大于0. 35 μ m。
图4示出了用于对具有电极的外延晶片使用粗化处理的时间与表面粗糙度之间 关系的视图。图4也示出了在当实施的粗化处理的蚀刻时间(粗化处理时间)改变为90秒的 情况下的表面粗糙度。如图4可知，示出了通过设置蚀刻时间(粗化处理时间)为15秒或 更长，Ra和RMS 二者变成0. 04 μ m或更大。反射部210的结构图5A示出了在例1发光元件中提供的反射部的简化结构，且图5B示出了在例1 发光元件中提供的反射部的简化结构的发射光谱。另外，图6A示出了在比较例发光元件中 提供的反射部的简化结构，且图6B示出了在比较例发光元件中提供的反射部的简化结构 的发射光谱。如图5A可知，例1发光元件中提供的反射部210的简化结构包括一种结构，在该 结构中在作为半导体衬底10的η型GaAs衬底上顺序形成70° DBR层、40° DBR层和0° DBR 层。当测量在该结构中的反射部210的光谱时，示出了如图5Β所示反射的具有各种波长的光。另一方面，如图6Α所示，比较例发光元件中提供的反射部的简化结构包括一种结 构，在该结构中在作为半导体衬底10的η型GaAs衬底上形成三个0° DBR层。当测量在该 结构中的反射部的光谱时，示出了如图6Β所示的主要反射的仅是具有峰值波长约640nm的 波长的光。发光元件紧接着，使用切割装置切割所存储的由用于例1中发光元件的具有电极的外延晶 片制成的一个1/4尺寸芯片、由用于例2中发光元件的具有电极的外延晶片制成的一个1/4 尺寸芯片，三个例1中的应用了粗化处理的1/4尺寸芯片(即，表面分别通过应用15秒、30 秒、60秒的蚀刻而粗化的芯片)以及三个例2中的应用了粗化处理的1/4尺寸芯片(S卩，表 面分别通过应用15秒、30秒、60秒的蚀刻而粗化的芯片)的每一者，以使前表面电极30居 中。结果，制造出作为比较目的的两种类型的非粗化LED裸片(即作为比较目的的由 用于例1发光元件的外延晶片制成的LED裸片和作为比较目的的由用于例2发光元件的外 延晶片制成的LED裸片)、例1中三种类型的LED裸片(即应用了 15秒、30秒、60秒的粗化 处理的三个LED裸片)、以及例2中三种类型的LED裸片(即应用了 15秒、30秒、60秒的粗 化处理的三个LED裸片)。对于每个芯片，芯片尺寸为275 μ m。接下来，使用银浆(Ag paste)将每个制成的LED裸片连接到T0-18封装 (TO-ISstem)上。然后，使用由铜形成的线对安装在T0-18封装上的LED裸片的前表面电 极30进行线连接，因此，制造出用于例1和2中的发光元件和用于与例1和2比较的发光 元件中的每一个。M 3将提供了与例2的反射部不同的反射部210的发光元件制造作为例3的发光元 件。由于除了反射部210之外，例3中发光元件的结构与例2中发光元件的结构相同，因此 省略除不同之处之外的详细说明。以下为在例3的发光元件中提供的反射部210的结构，该结构是例2的反射部210的相反结构。也就是，通过从η型GaAs缓冲层侧顺序地生长一对0° DBR层、一对10° DBR 层、四对20° DBR层、三对30° DBR层、一对40° DBR层、一对50° DBR层、两对60° DBR 层和两对70° DBR层形成例3的反射部210。其它结构与例2相同。然后，以例1和2相 同的方式制造例3的发光元件。#ll 4图7是示出了例4以及其变形例中发光元件的反射部的整体视图的示意图。将提供了与例1和2的反射部不同的反射部210的发光元件制造作为例4以及例 4的变形例的发光元件。由于除反射部210之外，例4以及例4的变形例中的发光元件与例 1和2的发光元件相同，因此，省略除不同之处之外的详细说明。在例4的发光元件中，例1中的反射部210的两对70° DBR层中的一对由作为第 一半导体层210a的AlAs层和作为第二半导体层210c的GaAs层构成。其它成对的层与例 1中反射部210的成对的层相同。同时，在例4的变形例中，例3中的反射部的一对0° DBR 层由作为第一半导体层210a的AlAs层和作为第二半导体层210b的GaAs层构成。其它成 对的层与例3中反射部210的成对的层相同。然后，以例1和2的相同方式制造例4以及 例4的变形例中的发光元件。图8是示出了例5中发光元件的反射部的整体视图的示意图。将提供了与例1中的反射部不同的反射部210的发光元件制造作为例5的发光元 件。由于除了反射部210之外，例5中发光元件的结构与例1中发光元件的结构相同，因此 省略除不同之处之外的详细说明。在例5的发光元件中，将作为第一半导体层210d的Ala5Ina5P层替代例1中反射 部210的所有作为第一半导体层210a的AlAs层。其它结构与例1相同。然后，以例1和 2相同的方式制造例5的发光元件。比较例1图9示出了比较例1中发光元件的剖面图的总体视图，且图10示出了根据反射部 中的不同对数，比较例1中发光元件的光输出。除反射部212等的结构不同之外，比较例1中的发光元件与例1具有相同的结构。 因此，省略除与例1的发光元件的不同之处之外的详细说明。首先，比较例1中发光元件的反射部212具有多个由作为第一半导体层的AlAs层 和作为第二半导体层的Ala5Gaa5As层构成的成对的层。在比较例1中，将第一和第二半导 体层的厚度控制为由λρ/4η计算的厚度。这里，λ ρ是从活性层222发射的光的发射峰值 波长，且η是第一或第二半导体层的折射率。详细地，由于发射峰值波长为631nm，因此，作为比较例1中第一半导体层的AlAs 层的厚度Ta是Ta = 631/4X 3. 114 (注意3. 114是AlAs层的折射率)，即50. 7nm。另外，作 为比较例1中第二半导体层的Ala5Gaa5As层的厚度Tb是Tb = 631/4X3. 507 (注意3. 507 是Ala5Gaa5As层的折射率)，即45nm。因此，比较例1中发光元件被制造为包括具有由具有 上述厚度的第一和第二半导体层构成的成对的层的反射部212。另外，当包括在反射部212的成对的层的对数不同地变化时，如图10可知，图10 表明当包括在反射部212的成对的层的对数为20或更多时，比较例1中发光元件的光输出 是饱和的。因此，将包括在反射部212的成对的层的对数确定为20或更多。然而，在这一点上，控制对数以使反射部212的厚度变为约2000nm。详细地，将比较例1中反射部212的 成对的层的对数确定为21。反射部212的厚度为2010nm。另外，不但将未提供凹凸部250的发光元件而且将提供了凹凸部250的发光元件 制造作为比较例1的发光元件。详细地，以例1和2相同的方式，将用于发光元件的具有电 极的外延晶片分割成四份，以制造没有应用粗化处理的芯片和通过改变蚀刻时间应用粗化 处理(粗化处理时间)的三种类型的芯片。以例1和2相同的方式，蚀刻时间(粗化处理 时间)呈三种模式变化，即15秒、30秒和60秒。确认的是，通过粗化处理形成的电流扩散 层的表面具有与例1和2相同级别的Ra和RMS。表1表示比较例1中发光元件的发射特 性。表 1 如表1所示，对于没有应用粗化处理的元件，即没有提供凹凸部的元件，比较例1 中的发光元件的光输出是2. 25mW。同时，确认的是，应用了粗化处理的元件的光输出比没有 提供凹凸部的元件的光输出要低约10%。换句话说，这表示，在比较例1的发光元件中，当 在电流扩散层的表面应用了粗化处理时，光输出降低。比较例2将例1中制造的用于发光元件的外延晶片用作比较例2中的发光元件，并在电流 扩散层240表面形成前表面电极30前对电流扩散层240的表面应用粗化处理。换句话说， 与例1的区别在于在形成前表面电极30前实施粗化处理。由于发光元件的其它结构等与 例1相同，因此省略详细说明。评测了比较例2的发光元件的初始特性。结果，比较例2中发光元件的正向电压 (Vf)为2. 5V或更大。换句话说，这表示，当通过在形成前表面电极30前在电流扩散层240 的表面形成凹凸部250时，正向电压(Vf)增大。例1、2和比较例1的特性评测表2示出了如上所述做出的例1和2中发光元件的初始特性的评测结果。每个用 于评测的发光元件是从外延晶片的中心的附近取出的元件。另外，表2也示出了比较例1 中发光元件的评测结果。表2中的光输出是在电流为20mA时测量的。表2 参考表2，从作为比较目的由用于例1中发光元件的具有电极的外延晶片制成的 LED裸片(即没有提供凹凸部250的芯片)制成的发光元件的光输出为2. 163mW，且从作为 比较目的由用于例2中发光元件的具有电极的外延晶片制成的LED裸片(即没有提供凹凸 部250的芯片)制成的发光元件的光输出为2. 102mW。这表示，光输出相比比较例1中的发 光元件降低约4%到7%。然而，对于由具有通过应用粗化处理形成的凹凸部的例1中三种类型的LED裸片 (即分别应用了 15秒、30秒和60秒的粗化处理的三种类型的LED裸片)制成的发光元件 和由例2中三种类型的LED裸片(即分别应用了 15秒、30秒和60秒的粗化处理的三种类 型的LED裸片)制成的发光元件，光输出不小于2. 643mff且不大于2. 794mff,这表示，光输出 相比比较例1提高了约18%到24%。结果，这表示，可以提供光输出是例1中发光元件的 光输出的1.2倍的发光元件，而不增加生产成本。表3 另外，如表4所示，例1和2的发光元件的正向电压(Vf)约为1.88V，并确认的是，
20实际使用的正向电压足够低。参考表4，示出了正向电压相比比较例中的发光元件稍微低一 些。这归结于，在第一和第二半导体层之间的异质结面因例1和2的反射部210中的成对 的层的对数小于比较例的发光元件的反射部中的成对的层的对数而降低的事实。表 4 稳定件评测另外，对作为比较目的由用于例1中发光元件的具有电极的外延晶片制成的LED 裸片(即没有提供凹凸部250的芯片)制成的发光元件，作为比较目的由用于例2中发光 元件的具有电极的外延晶片制成的LED裸片(即没有提供凹凸部250的芯片)制成的发光 元件以及例1和2中的发光元件(即例1和2每个中应用了用于粗化处理的蚀刻时间的不 同三种类型的发光元件的每个发光元件)实施稳定性评测。详细地，在室温、50mA电流、168小时的评测条件下实施稳定性测试。作为稳定性 测试的结果，在每个发光元件中，相对输出是从100%到105%。相对输出根据168小时带 电(electrification)后的光输出/初始光输出X 100计算。因此，这表示，例1和2中的 发光元件达到了与没有对电流扩散层240的表面应用粗化处理的发光元件相同级别的稳定性。从上述可知，在例1和2的发光元件中，在低成本且保持发射特性的同时，光输出 可以提高约1. 2倍。尽管由于粗化处理期间的蚀刻导致成本的增加，但可以通过对多个具 有电极的外延晶片的批处理来减少成本增加的影响。例子的总结当将比较例1的发光元件与例1至5的发光元件进行比较时，当电流扩散层的表 面粗化时，比较例1的发光元件的光输出降低。因此，这表示为了通过粗化电流扩散层的表 面来提高光输出，发光元件需要包括例1至5的结构。在例3的情况下还确认的是，在例3的发光元件中，与例1中的发光元件的相同方式，光输出是没 有在电流扩散层的表面形成凹凸部的情况下的1.2倍。另外，其它LED特性，如发射波长、Vf以及稳定性等也与例1中的发光元件相同。因此，确认的是，即使构成反射部210的多对 成对的层与例2中的结构相反，也可以获得具有良好光输出特性的发光元件。在例4和例4的变形例的情况下还确认的是，在例4的发光元件和例4的变形例的发光元件中，可以获得与例1和 2的发光元件相同的特性。另外，确认的是，相比比较例1，获得约1.25倍的光输出。这里， 相比例1和2的发光元件能提高光输出的原因如下。也就是，在作为第一半导体层210a的 AlAs层与作为第二半导体层210c的GaAs层之间的折射率差大于在AlAs层与Ala5Gaa5As 层之间的折射率差，这导致在反射部210的反射提高。然而，在这点上，GaAs层例如对于红色光是不透明的并且吸收红色光。因此，当整 个第二半导体层为GaAs层时，将因GaAs层的光吸收而导致光输出趋于降低。因此，在例4 中，从提高光输出的观点出发，反射部210的最底层的第二半导体层，即，在离发光部20最 远的位置形成的成对的层(换句话说，在最接近半导体衬底10的位置形成的成对的层)优 选地为GaAs层。这是因为，发明者知道，当反射部210中的成对的层的对数没有增加时，优 先地考虑提高折射率，而不是考虑位于最底部的成对的层的光吸收。在例5的情况下例5中发光元件的光输出约为比较例1中发光元件的光输出的1. 1倍，因此，与例 1至4相比，光输出提高的程度小。因此，以与例5相同的方式制造比较例1的变形例中的 发光元件，其中，反射部210的第一半导体层从AlAs层改变为Ala5Ina5P层。这表示，比较 例1的变形例中的发光元件的光输出低于比例1中的发光元件的光输出。另外，确认的是， 例5中发光元件的光输出是比较例1的变形例中的发光元件的光输出的1. 2倍。换句话说，这表示，例5中的发光元件的光输出是比较例1中的发光元件的光输出 的1. 1倍的原因在于，反射部210的整个第一半导体层210d由Ala5Ina5P层形成。详细地， 这归结于，由于Ala5Ina5P层的折射率大于AlAs层的折射率，因此第一和第二半导体层之 间的折射率差变小并且例5中的反射部210的反射系数降低的事实。因此，同样，在例5的发光元件中，这表示，即使光以不同入射角入射，也可以通过 提供具有多个由第一半导体层210d和第二半导体层210b构成的成对的层的反射部210将 这样的光反射到光取出表面侧，其中对应于多个入射角控制第一半导体层210d和第二半 导体层210b的厚度，并且也可以通过在光取出表面上形成的凹凸部250有效地将由反射部 210反射的光取出到发光元件的外部来提高元件的光取出效率。与比较例2比较例1和2中发光元件的Vf约为1. 88V，而比较例2中发光元件的Vf约为2. 5V。换 句话说，确认的是，当在形成前表面电极30之前实施电流扩散层240的粗化处理时，将增加 正向电压。因此，这表示，优选地在形成前表面电极30之后实施粗化处理。虽然在比较例2中正向电压增加的详细原因并不清楚，但可以考虑以下原因。也 就是，当在形成前表面电极30之前实施电流扩散层240的粗化处理时，电流扩散层240的 表面将变得凹凸。因此，一个潜在的原因在于，当在粗化处理之后形成前表面电极时，构成 前表面电极30的电极材料没有进入凹凸部250的细部(detail portion)中。另外，前表 面电极30的表面通过粗化蚀刻变成不期望的形状的可能性，或者蚀刻剂残留在凹凸部250 的凹部中的可能性，也被考虑为原因。
尽管已经描述了本发明实施例，但是根据权利要求的发明并不限于上述实施方式 和实施例。进一步，请注意，在实施方式和实施例中所描述的特征的所有组合对于解决本发 明所要解决的问题并不是必要的。尽管本发明已经通过关于特定实施例的描述获得了完整且清楚的揭示，但是所附 权利要求并不局限于此，而应解释为包括本领域技术人员可以想到的在本发明中所提出的 基本教导之内的所有变型例和可选的构造。
权利要求
一种发光元件，包括半导体衬底；发光部，包括夹在第一传导类型的第一包覆层与不同于第一传导类型的第二传导类型的第二包覆层之间的活性层；反射部，提供在半导体衬底与用于反射从活性层发射的光的发光部之间；以及电流扩散层，与反射部相对地提供在发光部上并且表面上包括凹凸部，其中，反射部包括多个成对的层，每个成对的层包括第一半导体层和不同于第一半导体层的第二半导体层，且第一半导体层具有由公式(1)和(3)定义的厚度TA1，且第二半导体层具有由公式(2)和(4)定义的厚度TB1，公式(1) <mrow><msub> <mi>T</mi> <mrow><mi>A</mi><mn>1</mn> </mrow></msub><mo>=</mo><mfrac> <msub><mi>λ</mi><mi>P</mi> </msub> <mrow><mn>4</mn><msub> <mi>n</mi> <mi>A</mi></msub><msqrt> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <msup><mrow> <mo>(</mo> <mfrac><mrow> <msub><mi>n</mi><mi>In</mi> </msub> <mi>sin</mi> <mi>θ</mi></mrow><msub> <mi>n</mi> <mi>A</mi></msub> </mfrac> <mo>)</mo></mrow><mn>2</mn> </msup></msqrt> </mrow></mfrac> </mrow>公式(2) <mrow><msub> <mi>T</mi> <mrow><mi>B</mi><mn>1</mn> </mrow></msub><mo>=</mo><mfrac> <msub><mi>λ</mi><mi>P</mi> </msub> <mrow><mn>4</mn><msub> <mi>n</mi> <mi>B</mi></msub><msqrt> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <msup><mrow> <mo>(</mo> <mfrac><mrow> <msub><mi>n</mi><mi>In</mi> </msub> <mi>sin</mi> <mi>θ</mi></mrow><msub> <mi>n</mi> <mi>B</mi></msub> </mfrac> <mo>)</mo></mrow><mn>2</mn> </msup></msqrt> </mrow></mfrac> </mrow>公式(3) <mrow><msub> <mi>T</mi> <mrow><mi>A</mi><mn>1</mn> </mrow></msub><mo>≥</mo><mfrac> <msub><mi>λ</mi><mi>P</mi> </msub> <mrow><mn>4</mn><msub> <mi>n</mi> <mi>A</mi></msub> </mrow></mfrac> </mrow>公式(4) <mrow><msub> <mi>T</mi> <mrow><mi>B</mi><mn>1</mn> </mrow></msub><mo>≥</mo><mfrac> <msub><mi>λ</mi><mi>P</mi> </msub> <mrow><mn>4</mn><msub> <mi>n</mi> <mi>B</mi></msub> </mrow></mfrac><mo>,</mo> </mrow>其中，λP为从活性层发射的光的峰值波长，nA为第一半导体层的折射率，nB为第二半导体层的折射率，nIn为第一包覆层的折射率，且θ为从第一包覆层到第一半导体层的入射角，该入射角被定义为相对于入射平面的法线的角度。
2.根据权利要求1所述的发光元件，其中， 反射部包括至少三个成对的层，由于公式(1)和(2)中的θ值在多个成对的层的每个成对的层中都不同，因此多个成 对的层的厚度彼此不同，且多个成对的层中的至少一个成对的层包括具有θ值不小于50°的第一和第二半导体层。
3.根据权利要求2所述的发光元件，还包括 中间层，提供第二包覆层与电流扩散层之间，其中，中间层包括具有带隙能在构成第二包覆层的半导体的带隙能和构成电流扩散层 的半导体的带隙能之间的半导体。
4.根据权利要求3所述的发光元件，其中，多个成对的层包括包括具有厚度Tai不小于λ Ρ/(4ΧηΑ)的1. 5倍的第一半导体层和 具有厚度Tbi不小于λρ/(4ΧηΒ)的1.5倍的第二半导体层的成对的层。
5.根据权利要求4所述的发光元件，其中，反射部包括具有带隙能大于构成活性层的半导体的带隙能的半导体材料，该半导体材 料对从活性层发射的光是透明的。
6.根据权利要求5所述的发光元件，其中，第一半导体层包括AlxGai_xAs或Altl.5In0.5P，其中，0彡X彡1，且 第二半导体层由AlYGai_YAs形成并具有与第一半导体的折射率不同的折射率，其中， 0 ≤ Y ≤I0
7.根据权利要求6所述的发光元件，其中，在从半导体衬底侧计算的反射部的第一成对的层、或第一和第二成对的层中，第一半 导体层包括AlAs或Ala5Ina5P,且第二半导体层包括具有带隙能小于构成活性层的半导体 的带隙能的半导体、或者对从活性层发射的光是不透明的GaAs。
8.根据权利要求1所述的发光元件，其中，凹凸部具有不小于0. 04 μ m且不大于0. 25 μ m的算术平均粗糙度Ra。
9.根据权利要求1所述的发光元件，其中，凹凸部具有不小于0. 05 μ m且不大于0. 35 μ m的均方根粗糙度RMS。
10.根据权利要求1所述的发光元件，其中， 反射部包括至少六对或更多的成对的层。
11.根据权利要求1所述的发光元件，其中， 半导体衬底包括GaAs。
12.根据权利要求3所述的发光元件，其中， 中间层包括GazIrvzP,其中，0.6彡Z彡0.9，且 电流扩散层包括GaP。
13.根据权利要求1所述的发光元件，还包括前表面电极，提供在电流扩散层中的除提供了凹凸部的区域之外的区域的预定位置；以及光取出层，形成在除前表面电极之外的部分，并且包括对从活性层发射的光是透明的 且具有折射率比构成电流扩散层的半导体的折射率小并比空气的折射率大的材料。
14.根据权利要求13所述的发光元件，其中，光取出层具有由Α+λρ/(4Χη)定义的值的士30%的范围内的厚度d，其中，XpSWS 性层发射的光的波长，η为构成光取出层的材料的折射率，并且A为常数且为奇数。
15.一种制造发光元件的方法，包括在半导体衬底形成反射部、发光部、以及在发光部上形成的电流扩散层，其中，反射部 包括多个成对的层，每个成对的层包括第一半导体层和不同于第一半导体层的第二半导体 层，发光部包括夹在第一传导类型的第一包覆层与不同于第一传导类型的第二传导类型的 第二包覆层之间的活性层；在电流扩散层的预定位置形成前表面电极；以及 在除形成前表面电极的区域之外的部分形成凹凸部，其中，第一半导体层具有由公式(1)和(3)定义的厚度Tai，且第二半导体层具有由公 式⑵和⑷定义的厚度TB1， 公式⑴ 公式⑵ 公式⑶ 公式⑷ 其中，λ ρ为从活性层发射的光的峰值波长，ηΑ为第一半导体层的折射率，ηΒ为第二半 导体层的折射率，ηΙη为第一包覆层的折射率，且θ为从第一包覆层到第一半导体层的入射 角，该入射角被定义为相对于入射平面的法线的角度。
16.根据权利要求15所述的制造发光元件的方法，其中， 在形成前表面电极之后实施凹凸部的形成。
全文摘要
本发明公开了一种发光元件及其制造方法。一种发光元件，包括半导体衬底；发光部，包括夹在第一传导类型的第一包覆层与不同于第一传导类型的第二传导类型的第二包覆层之间的活性层；反射部，提供在半导体衬底与用于反射从活性层发射的光的发光部之间；以及，电流扩散层，与反射部相对地提供在发光部上并且表面上包括凹凸部。反射部包括多个成对的层，每个成对的层包括第一半导体层和不同于第一半导体层的第二半导体层，且第一半导体层具有由公式(1)和(3)定义的厚度TA1，且第二半导体层具有由公式(2)和(4)定义的厚度TB1。
文档编号H01L33/10GK101931038SQ20101014816
公开日2010年12月29日 申请日期2010年3月24日 优先权日2009年6月26日
发明者今野泰一郎, 北野延明 申请人:日立电线株式会社