半导体发光元件的制作方法

专利名称：半导体发光元件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种氮化物系半导体发光元件。特别涉及一种以m面为主面的半导体发光元件。
背景技术：
包含氮(N)作为V族元素的氮化物半导体，由于其带隙大小的缘故而有望作为短波长发光元件的材料。其中，氮化镓系化合物半导体的研究尤为盛行，蓝色发光二极管 (LED)、绿色LED以及以氮化镓系半导体为材料的半导体激光器也正在被实用化(例如，参照专利文献I和2)。
以下，将氮化镓系化合物半导体称为氮化物系半导体。在氮化物系半导体中包含用铝(Al)以及铟(In)的至少一种来置换Ga的一部分或全部的化合物半导体，氮化物系半导体用化学式 AlxGayInzN(O < x、y、z < 1> x+y+z = I)表示。
通过用Al或In置换Ga，既能够使带隙大于GaN，也能够使带隙小于GaN。由此，不仅蓝色或绿色等的短波长的光，也能够使橙色或红色的光发光。因此，通过使用氮化物系半导体，理论上能够实现射出从整个可见光区任意选择的波长的光的发光元件，氮化物系半导体发光元件在图像显示装置或照明装置中的应用也值得期待。
氮化物系半导体具有纤锌矿型结晶结构。图1以4指数标记(六方晶指数)来表示纤锌矿型结晶结构的面。在4指数标记中，使用由al、a2、a3和c表示的基本矢量来表示结晶面或方位。基本矢量c在“0001”方向上延伸，该方向被称为“c轴”。与c轴垂直的面(plane)被称为“c面”或“(0001)面”。此外，“c轴”以及“c面”有时也分别标记为“C 轴”以及“C面”。图2 (a)以棒球模型表示氮化物系半导体的结晶结构；图2(b)表示与c轴垂直的平面上的氮化物系半导体结晶的Ga以及N的位置。
以往，在使用氮化物系半导体制作半导体元件的情况下，作为使氮化物系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。在这种情况下，由图2(a) 以及(b)可知，在c轴方向上形成只配置了 Ga原子的层和只配置了 N原子的层。由于配置了这样的Ga原子以及N原子，因此，在氮化物系半导体中形成自发的极化(Electrical Polarization)。因此,“c面”也称为“极性面”。
其结果是，在氮化物系半导体发光元件的活性层中的InGaN的量子阱中，沿着c轴方向产生压电电场，活性层内的电子以及空穴的分布产生位置偏移，因此，由于载流子的量子限制斯塔克效应，活性层的内部量子效率降低。在半导体激光器的情况下，产生阈值电流的增大；在LED的情况下，产生耗电增大或发光效率降低。另外，随着注入载流子密度的上升会引起压电电场的屏蔽(screening),还会产生发光波长的变化。
另外，如果为了使绿色、橙色、还有红色等长波长区域的光发光而增加活性层的In 成分，则压电电场的强度与In成分一起越来越增加，内部量子效率急剧降低。因此，一般来讲，在使用c面的活性层的LED中，能够射出的光的波长为550nm左右。
为了解决这一课题，正在研究使用在主面具有作为非极性面的m面的基板(m面GaN系基板)来制造发光元件。如图1所示，纤锌矿型结晶结构中的m面是与c轴平行且与 c面正交的六个等效的面。例如，在图1中，是用阴影表示的与“10-10”方向垂直的(10-10) 面。在与(10-10)面等效的其他的m面上有(-1010)面、(1-100)面、(-1100)面、(01-10) 面和(0-110)面。在此，表示密勒指数的括号内的数字左侧标注的表示“横杠”。
图2(c)表示与m轴垂直的面上的氮化物系半导体结晶的Ga以及N的位置。如图 2(c)所示，在m面中，Ga原子以及N原子存在于同一原子面上，因此，在与m面垂直的方向上不发生极化。因此，如果使用在m面上形成的半导体层叠结构来制作发光元件，则能够以在活性层上不产生压电电场的方式解决上述课题。
另外，由于能够大幅度增加活性层的In成分，因此，能够使用相同的材料系来实现不仅能射出蓝色，还能射出绿色或橙色、红色等波长更长的光的LED或激光二极管。
而且，如非专利文献I等所公开的那样，使用在m面上形成的活性层的LED具有由于其价带的结构导致的偏振特性。具体而言，在m面上形成的活性层在与a轴平行的方向上主要射出电场强度偏移的光。另外，在本说明书中，将电场强度向特定方向偏移的光称为 “偏振光”。例如，将在与X轴平行的方向上具有大的电场强度的偏振光称为“X轴方向的偏振光”;将与上述X轴平行的方向称为“偏振方向”。另外，当偏振光入射到某一界面时，在相对于上述偏振光的透过光成为具有与上述偏振光相同程度的电场强度的偏移的偏振光的情况下，表述为“偏振特性得以维持”。另外，在成为电场强度的偏移小于入射的偏振光的偏振光的情况下，表述为“偏振特性得到抑制”;在成为没有电场强度的偏移的偏振光的情况下，表述为“偏振特性消失”。
使用了在m面上形成的活性层的LED (以下，表述为“m面发光元件”)，如上所述， 主要射出a轴方向的偏振光。此时，c轴方向的偏振光或m轴方向的偏振光也射出。但是, c轴方向的偏振光和m轴方向的偏振光与a轴方向的偏振光相比强度弱。因此,在本说明书中，着眼于a轴方向的偏振光进行讨论。
m面发光元件具有如上所述的偏振特性。但是，在以具有偏振特性的发光元件作为光源的情况下，存在以下的课 题，即，根据偏振的方向、即LED的设置方向的不同，物体表面上的反射量也不同，因此，物体在视觉上改变。这是因为P偏振光和S偏振光的反射率不同(S偏振光的反射率高)。在此，P偏振光是指具有相对于入射面平行的电场分量的光。 另外，S偏振光是指具有相对于入射面垂直的电场分量的光。因此，在使用偏振特性的用途中，提高从LED射出的光的偏振度虽然很重要，但在一般的照明用途中，存在需要尽可能地抑制偏振特性的这一课题。
现有技术文献
专利文献
专利文献I JP特开2001-308462号公报
专利文献2 JP特开2003-332697号公报
专利文献3 JP特开2008-305971号公报
专利文献4 JP特开2008-109098号公报
非专利文献
非专利文献 I APPLIED PHYSICS LETTERS 92(2008)091105
非专利文献 2:Thin Solid Films 515(2008)768-770发明概要
发明要解决的技术课题
另外，在照明用途中要求实现高亮度LED，在m面发光元件的制作中，以高的光提取效率向外部提取从活性层射出的光是很重要的。
非专利文献2公开了通过在发光元件的射出面上设置随机的细微结构来提高光提取效率。在射出面上以小于全反射角的角度入射的来自活性层的光不能从射出面向外部射出，因此，通过设置随机的细微结构，能够提高以比全反射角大的角度入射到射出面的光的比例，由此提闻光提取效率。随机的细微结构，除了提闻光提取效率之外，还具有使偏振方向随机变化的效果。因此可以认为，通过在m面发光元件的射出面上形成同样的结构，能够实现不具有偏振特性的m面发光元件。
非专利文献2公开了使用利用自组织化金纳米掩模的方法(以下，表述为 “SA-Au”)形成随机的细微结构的内容。根据SA-Au法，在射出面上成膜金属薄膜，然后，通过加热将金属薄膜凝集成亚微米大小的岛状。通过将凝集的金属形成硬质掩模并进行干式蚀刻，能够形成细微结构。但是，根据SA-Au法，由于在金属薄膜的加热·凝集工序中会产生面内偏差，因此，很难再现性良好地形成随机的细微结构。因此，很难使用非专利文献2 中所公开的方法以高成品率制造具有高的光提取效率的发光元件。
另外，也有人提出了根据使用了结晶各向异性的湿式蚀刻法，在以c面为主面的半导体发光元件(以下，表述为“c面发光元件”)的射出面上形成这种随机的细微结构的方法。但是，通过上述湿式蚀刻法很难在m面发光元件的射出面上形成随机的细微结构。这是因为m面发光元件的射出面与以c面为主面的半导体发光元件的射出面的结晶面不同， 不能利用上述结晶 方位的各向异性的方案。
专利文献3公开了通过在具有以非极性面或半极性面作为主面的半导体的发光元件中形成相对于射出的光的偏振方向向垂直方向延伸的条状的沟槽从而抑制射出效率降低的内容。另外，专利文献4为了改善射出的光的配光特性，与专利文件3相同地公开了 一种在射出面上设置了相对于发光兀件的偏振方向垂直延伸的凹凸形状的发光二极管装置。专利文献3中记载了 以布鲁斯特角向射出面入射的光中的P波分量能够不反射地 (反射率为零)从射出面透过，因此，如果以构成相对于射出的光的偏振方向向垂直方向延伸的条状沟槽的面作为射出面，则光的偏振方向与P波分量的方向一致，能够提高偏振光的透过率。但是，本申请的发明人通过详细的研究发现以布鲁斯特角向射出面入射的光非常少，提高偏振光的透过率的效果极其有限。发明内容
本发明的目的是提供一种解决该现有技术中的至少一个课题，抑制偏振光特性， 并能够实现光提取效率提高的m面氮化物半导体发光元件。另外，本发明的目的还在于提供一种射出配光特性得到改善的光的m面氮化物半导体发光元件。
解决课题的技术手段
本发明的半导体发光元件包括n型氮化物半导体层；p型氮化物半导体层；具有 m面氮化物半导体层，且被夹在上述η型氮化物半导体层和上述P型氮化物半导体层之间的活性层区域；与上述η型氮化物半导体层电连接的η型电极；与上述P型氮化物半导体层电连接的P型电极；将在上述活性层区域产生的偏振光提取到外部的射出面；以及在上述射出面设置的条状结构，该条状结构具有向与上述m面氮化物半导体层的a轴方向成5°以上 80°以下、或-80°以上-5°以下的角度的方向延伸的多个凸部。
本发明的半导体发光元件包括n型氮化物半导体层；p型氮化物半导体层；具有 m面氮化物半导体层，且被夹在上述η型氮化物半导体层和上述P型氮化物半导体层之间的活性层区域；与上述η型氮化物半导体层电连接的η型电极；与上述P型氮化物半导体层电连接的P型电极；将在上述活性层区域产生的偏振光提取到外部的射出面；以及在上述射出面设置的条状结构，该条状结构具有向与上述m面氮化物半导体层的a轴方向成30°以上60°以下、或-60°以上-30°以下的角度的方向延伸的多个凸部。
在某一优选的实施方式中，上述多个凸部具有与上述射出面非平行的至少一个斜面。
在某一优选的实施方式中，上述偏振光以相比于上述a轴方向在c轴方向具有更宽的辐射角度的配光特性而产生于上述活性层区域。
在某一优选的实施方式中，半导体发光元件还包括具有第一以及第二主面的η型氮化物半导体基板，上述第一主面与上述η型氮化物半导体层相接，上述射出面为上述第二主面。
在某一优选的实施方式中，上述P型氮化物半导体层具有第一以及第二主面，上述第二主面位于上述活性层区域一侧，上述射出面为上述第一主面。
在某一优选的实施方式中，半导体发光元件还包括与上述η型氮化物半导体层相接设置的η型氮化物半导体基板和具有第一以及第二主面的光输出部件，上述第一主面与上述η型氮化物半导体基板的、与相接于上述η型氮化物半导体层的面相反的面相接，上述射出面为上 述第二主面。
在某一优选的实施方式中，上述光输出部件的折射率大于I。
在某一实施方式中，上述多个凸部的周期为300nm以上。
在某一优选的实施方式中，上述多个凸部的周期为8μπι以下。
本发明的半导体发光元件的制造方法包括以下工序在基板上形成半导体层叠结构的工序，该半导体层叠结构具有η型氮化物半导体层、P型氮化物半导体层、以及被夹在上述η型氮化物半导体层和上述P型氮化物半导体层之间且包括m面氮化物半导体层的活性层区域；形成与上述η型氮化物半导体层电连接的η型电极以及与上述P型氮化物半导体层电连接的P型电极的工序；以及形成条状结构的工序，该条状结构在上述基板的未设置上述半导体层叠结构的面上具有向与上述m面氮化物半导体层的a轴方向成5°以上 80°以下、或-80°以上-5°以下的角度的方向延伸的多个凸部。
本发明的半导体发光元件的制造方法包括以下工序在基板上形成半导体层叠结构的工序，该半导体层叠结构具有η型氮化物半导体层、P型氮化物半导体层、以及被夹在上述η型氮化物半导体层和上述P型氮化物半导体层之间且包括m面氮化物半导体层的活性层区域；形成与上述η型氮化物半导体层电连接的η型电极以及与上述P型氮化物半导体层电连接的P型电极的工序；以及形成条状结构的工序，该条状结构在上述基板的未设置上述半导体层叠结构的面上具有向与上述m面氮化物半导体层的a轴方向成30°以上60°以下、或-60°以上-30°以下的角度的方向延伸的多个凸部。
发明的效果
根据本发明的半导体发光元件，由于在提取在活性层区域发出的光的射出面上设置了向与a轴成5°以上、或-5°以下的角度的方向延伸的条状结构，因此，能够使偏振光作为P波和s波的合成波入射到构成条状的凸部的斜面上。以P波和s波的合成波入射的光在偏振方向上被弯曲而透过。另外，入射到斜面的光的P波和s波的比例能够在条状结构中宽范围地变化。因此，偏振方向也被弯曲向各个不同方向，从半导体发光元件射出的光的偏振特性得到抑制。
另外，条状结构设在与a轴成80°以下、或_80°以上的角度的方向上，因此，能够使在活性层区域所发出的光的大部分入射到条状结构的斜面上。因此，也能提高光提取效率。而且，入射的光以接近m轴的方式在凸部的斜面与外部的边界折射，因此，配光特性的非对称性得到改善。


图1是表示纤锌矿型结晶结构的基本矢量al、a2、a3和c的立体图。
图2 (a)是表示GaN的单位晶格的立体图；(b)以及(C)分别是表示c面的结晶结构以及m面的结晶结构的示意图。
图3是表示本发明的半导体发光元件的第一实施方式的示意剖面图。
图4(a)是表示第一实施方式中的条状结构的立体 图；(b)是条状结构的凸部的示意剖面图。(C)以及(d)是表示条状的延伸方向的示意性俯视图。
图5(a)到(C)是表示条状结构的凸部的例子的示意性剖面图。
图6(a)以及(b)是表示条状结构的其他例子的示意性俯视图。
图7是表示P波以及s波的入射角与反射率以及透过率之间的关系的图。
图8 (a)是表示a轴方向的偏振光的传播矢量的示意图，(b)是表示从m轴看的情况下的a轴方向以及c轴方向的配光特性的图。
图9是表示将角β设为0°时的入射到条状结构的凸部上的偏振光的一个例子的示意图。
图10是表示入射到在偏振方向和垂直方向上形成的条状结构的射出面上的偏振光的一个例子的不意图。
图11 (a)是表示条状结构的俯视图；(b)是表示条状结构的外观上的间距Pr的图。
图12是表示条状的延伸方向和a轴所成的角β与外观上的间距Pr之间的关系的图，插入图是角β在85°以下的范围进行了放大的图。
图13(a)以及(b)分别是从a轴方向以及从c轴方向表不相对于具有平坦射出面的半导体发光元件的射出面的入射光和透过光的一个例子的示意图；(C)是表示相对于第一实施方式中的氮化物系半导体发光元件的射出面的入射光和透过光的一个例子的示意图。
图14是表示第一实施方式的制造中的结构的示意性剖面图。
图15是表示本发明的半导体发光元件的第二实施方式的示意性剖面图。
图16是表示本发明的半导体发光元件的第三实施方式的示意性剖面图。
图17是表示本发明的半导体发光元件的第四实施方式的示意性剖面图。
图18是表示本发明的半导体发光元件的第五实施方式的示意性剖面图。
图19是表示本发明的半导体发光元件的第六实施方式的示意性剖面图。
图20是表示本发明的半导体发光元件的第七实施方式的示意性剖面图。
图21 (a)是表示实施例1和2、参考例I和2以及比较例I和2中的条状结构的剖面形状的示意图；(b)是表示实施例3和参考例3中的条状结构的剖面形状的示意图。
图22 (a)是表示具有平坦射出面的半导体发光元件的配光特性的图；(b)以及(C) 分别是表示(a)所示结果的示意图。
图23是表示在配光特性的测定中使用的测定系统的构成的图。
图24是表示条状结构的朝向与配光特性之间的关系的图；(a)表示a轴方向的配光特性；(b)表不c轴方向的配光特性。
图25是表示实施例1、实施例2、参考例1、参考例2、比较例I和比较例2中的半导体发光元件的条状结构的间距与偏振度的维持率之间的关系的图。
图26是表示在偏振度的测定中所使用的测定系统的构成的图。
图27是表示实施例3、参考例3和比较例3中的半导体发光元件的条状结构的角 β与相对偏振度之间的关系。
图28是表示实施例1、参考例I和比较例I中的半导体发光元件的条状结构和a 轴所成的角与光提取效率之间的关系的图。
具体实施方式
本申请发明人详细地研究了在m面氮化物系半导体发光元件中从活性层发出的光的偏振特性以及配光特性与射 出面之间的关系。结果发现，所射出的光的偏振特性取决于在氮化物系半导体发光元件的活性层产生的偏振光所具有的主要的电场矢量的方向与射出面的形状之间的关系。另外还发现，所射出的光的配光特性取决于偏振光所具有的主要的传播矢量的方向与射出面的形状之间的关系。根据这些发现，本申请发明人想到了一种能够通过在m面发光元件中最优化射出面的形状，从而实现射出的光的偏振特性的抑制、光提取效率的提高以及配光特性的改善的氮化物系半导体发光元件。以下，参照附图对本发明的发光元件的实施方式进行说明。在以下的附图中，为了简化说明，有时用相同的符号表示实质上具有相同功能的构成要素。另外，本发明不局限于以下的实施方式。
(第一实施方式)
图3是表示本发明的半导体发光元件的第一实施方式的剖面结构的示意图。如图 3所示，半导体发光元件101具有基板10、以及在基板10上形成且包括活性层区域22的半导体层叠结构20。如以下要详细说明的那样，针对在以氮化物系半导体的m面为主面的活性层进行高效率发出的偏振光，半导体发光元件101在射出面抑制其偏振特性并射出。 半导体层叠结构20包括以m面为主面的活性层区域22，且由氮化物半导体、更具体而言由 AlxInyGazN(x+y+z = I, x ^ 0> y ^ 0> z ^ O)半导体形成。
半导体层叠结构20除了活性层区域22，还包括η型氮化物半导体层21以及ρ型氮化物半导体层23，活性层区域22夹在η型氮化物半导体层21和ρ型氮化物半导体层23之间。虽然图中没有表示，但在活性层区域22和ρ型氮化物半导体层23之间也可以设置未掺杂的GaN层。
另外，半导体发光元件101还具有分别与η型氮化物半导体层21以及ρ型氮化物半导体层23电连接的η型电极30以及ρ型电极40。在本实施方式中，通过在半导体层叠结构20中设置凹部31，而使η型氮化物半导体层21的一部分露出，在露出的η型氮化物半导体层21上设置有η型电极30。η型电极30以例如Ti层以及Pt层的层叠结构(Ti/Pt) 等形成。另外，在P型氮化物半导体层23上设置有ρ型电极40。ρ型电极40优选大体上覆盖了 P型氮化物半导体层23的整个表面。ρ型电极40由例如Pd层以及Pt层的层叠结构(Pd/Pt)等形成。
基板10选用适合形成半导体层叠结构20的材料。具体而言，除了 GaN基板以外， 还能够使用氧化镓、SiC基板、Si基板、蓝宝石基板等。为了在基板10上外延生长包括以m 面为主面的活性层区域的半导体层叠结构20，SiC基板或蓝宝石基板的面方位也优选是m 面。不过，正如曾报告了 a面GaN在r面蓝宝石基板上生长那样，为了生长以m为主面的活性层区域22，基板10的表面不无需是m面。另外，当在基板10以外的其他基板上形成半导体层叠结构20之后，也可以将半导体层叠结构20从其他的基板剥离，并将半导体层叠结构 20粘贴在基板10上。
η型氮化物半导体层21由例如η型的AluGavInwN(u+v+w = l，u彡0、v彡0、w彡O) 形成。也能够使用例如硅(Si)作为η型掺杂剂。
ρ型氮化物半导体层23由例如ρ型的AlsGatN(s+t = 1，s彡0，t彡O)半导体形成。作为P型掺杂剂能够使用例如镁(Mg)。作为Mg以外的P型掺杂剂，也可以使用例如锌(Zn)和铍(Be)等。在ρ型氮化物半导体层23中，Al的成分比率s既可以在厚度方向均一，也可以在厚度方向上连续或阶段地变化。具体而言，P型氮化物半导体层23的厚度例如是O. 2μ 以上2μ 以下左右。
在ρ型氮化物半导体层23中，优选第一主面23a附近、即与ρ型电极40的界面附近的Al成分比率s为零，也就是GaN。另外，在这种情况下，GaN中优选以高浓度包含ρ型的杂质，且发挥接触层的功能。虽然图中没有特别表示，但可以在P型氮化物半导体层23 和P型电极40之间设置由P+-GaN形成的接触层。
活性层区域22是半导体发光元件101中的发光区域，以高的发光效率发光，因此， 包括在m面上形成的氮化物半导体层。在活性层区域22发出的光成为a轴方向的偏振光。 活性层区域22的生长方向与m面垂直，活性层区域的第一主面22a以及第二主面22b是m 面。不过，第一主面22a以及第二主面22b无需是与m面完全平行的面，可以以规定的角度倾斜于m面。倾斜角度通过第一主面22a或第二主面22b的法线与m面的法线所形成的角度来规定。倾斜角度Θ的绝对值在c轴方向上可以是5°以下，优选1°以下的范围。另外，在a轴方向上，可以是5°以下，优选1°以下的范围。如果是这样的倾斜角度，则能够认为活性层区域的第一主面22a或第二主面22b在整体上从m面倾斜，但从微观上来看，从 I到数原子层量级的高度的阶段(step)构成，包括多个m面区域。因此，能够认为从m面以绝对值5°以下的角度倾斜的面与m面具有相同的性质。因此，本实施方式的m面氮化物半导体层包括在从m面以绝对值5°以下的角度倾斜的面上形成的氮化物半导体层。另外，如果倾斜角度Θ的绝对值变得大于5°，则由于压电电场的缘故，内部量子效率会降低。因此，将倾斜角度Θ的绝对值设定为5°以下。
活性层区域22具有例如，作为m面氮化物半导体层的厚度为3nm以上20nm以下左右的Ga1-JnxN讲层(O < x < I)和厚度为5nm以上30nm以下左右的GaN鱼层交替层叠的GalnN/GaN多重量子阱(MQW)结构。从半导体发光元件101射出的光的波长由构成活性层区域22的半导体的带隙的大小、更具体而言由作为阱层的半导体成分的Ga1-JnxN半导体中的In的成分X决定。在形成于m面上的活性层区域22中不产生压电电场。因此，即使增加In的成分，发光效率的降低也得到抑制。其结果是，即使是使用了氮化物系半导体的半导体发光元件，也能够通过大幅度增加In成分来实现红色的发光二极管。
基板10具有第一主面IOa以及第二主面IOb,第一主面IOa与半导体层叠结构20 的η型氮化物半导体层21相接。第二主面IOb成为将在活性层区域22发出的偏振光进行提取的射出面。在本实施方式中，在第二主面IOb上，为了提取抑制了偏振特性的光而设置有条状结构50。以下，对条状结构50进行详细说明。
图4(a)是表示条状结构50的示意图。另外，图4(a)的左上方表示包含在活性层区域22中的m面氮化物半导体层的结晶轴的方向和条状结构的凸部(山脊或背脊)50a的延伸方向。如图4(a)所示，条状结构50具有在与m面氮化物半导体层的a轴成5°以上 80°以下的角度的方向上延伸的多个凸部50a。设置了条状结构50的第二主面10b、即射出面与a轴及c轴平行，并与m轴垂直。另外，条状结构50也可以具有在与m面氮化物半导体层的a轴成-80°以上-5°以下的角度的方向上延伸的多个凸部50a。优选凸部50a 的延伸方向与m面氮化物半导体层的a轴成30°以上60°以下、或-60°以上-30°以下的角度。更优选凸部50a的延伸方向与m面氮化物半导体层的a轴成40°以上50°以下、 或-50°以上-40°以下的角度。
可以说，为了在多个凸部50a之间形成在与a轴 成5°以上80°以下、或-80°以上-5°以下的角度的方向上延伸的多个沟槽50b，条状结构50具有多个沟槽50b。在本申请说明书中，为了讨论由设置了条状结构50的部件射出偏振光，以条状结构50具有“凸部” 进行说明。但是，条状结构50也可以通过在射出面上设置“沟槽”来形成“凸部”。
在本实施方式中，各凸部50a包括与作为射出面的第二主面IOb平行的上表面53 和与射出面非平行的至少一个斜面52。不过，各凸部50a可以包括与第二主面IOb非平行的至少一个斜面52。另外，如以下要说明的那样，斜面52也可以是曲面。各凸部50a的高度优选为λ/(4Χη)以上，更优选λ/(4Χη)以上ΙΟμπι以下。在此，λ是活性层区域22 的发光波长，η是构成条状结构50的材料的折射率。在本实施方式中，是构成基板10的材料的折射率。例如，如果将在活性层区域22产生的偏振光的波长设为450nm，将构成条状结构50的材料的折射率η设为2. 5，则高度优选为45nm以上。
通过将高度h设为λ /(4 X η)以上，条状结构50能够获得使光提取效率提高的效果。高度h的上限取决于制造方法。例如，在使用了化学性干式蚀刻的情况下，条状结构的斜面上容易产生成为α =65°左右的结晶面，因此，条状结构的纵横比成为1. 2左右。在此，纵横比用条状结构50的底边的长度b与条状结构50的高度h之比表示，是指公式(I) 所示的值。
[公式I]
播W = 咼度h( I )邐底边长度b
在这种情况下，当底边的长度b = 10 μ m时，高度h的上限成为12 μ m。在此，化学性干式蚀刻是指在氯游离基等的相对于氮化物半导体而言化学反应性高的离子条件下的干式蚀刻。
另一方面，在使用物理性干式蚀刻的情况下，条状结构的纵横比能够提高到5左右。在这种情况下，在底边的长度b = 10 μ m时，高度h成为50 μ m。在此，物理性干式蚀刻是指氯离子等的离子条件下的物理性氮化物半导体的干式蚀刻。
不过，实际上，高度h不能实现基板的厚度以上的高度。另外，优选的是，通过使高度h成为基板的厚度的一半左右以下，能够在条状结构形成后也保持基板的刚度，在处理上不会产生问题。
图4(b) —般性表示与条状结构50的一个凸部50a的长度方向(凸部50a的延伸方向)垂直的剖面形状56。如图4(b)所示，斜面52可以具有多个斜面部分。此时，如果将m面与各自的斜面部分所成的角度设为a (1、j为整数、并满足O < i，j Sm )，则可以是α ij关a lm(i关I或j关m,并且O彡I, m彡i, j)。a 表示在与凸部50a的长度方向垂直的方向上排列的第i个斜面52中，从凸部50a的根部开始第j个斜面部分与m面(射出面或第二主面)所成的角度。另外，在一根凸部50a的长度方向上也可以具有不同的剖面形状56。在上述剖面形状56中包括图5(a)所示的三角形或图5(b)所示的左右非对称的形状。另外，j =m，即，在斜面52由多个Ciu不同的微小倾斜部分构成的情况下，如图 5(c)所示，剖面形状56成为圆形或椭圆形的一部分等包括曲线的形状。而且，构成条状结构50的凸部50a无需等间隔且规则地配置，在间距ρ被变换的情况下也能获得本申请的效果。凸部50a的高度h也无需都相同，多个凸部50a的高度也可以不同。
图4(c)是俯视看时条状结构50的示意图。如上所述，条状结构50的凸部50a的延伸方向与a轴所成的角度β (以下表述为“角度β”)优选为5°彡|β|彡80°，更优选为30。( I β I ( 60。，还更加优选40。( I β I ( 50。。在此，角度β是指a轴与图 4(a)中的阴影部分的平面54和斜面52相交的直线55所成的角度，| β |成为角度β的绝对值。即，5° ( I β I ( 80°表示的是角度β为5°以上80°以下、或-80°以上-5°以下。另外，如在以下的实施例要说明的那样，如果在上述的范围内，则能看出本发明的显著效果。
平面54是与a轴和c轴所形成的平面(以下，表述为“ac平面”)平行的面，平面 54存在于与斜面52相交的范围内。图4(d)是图4(c)的一部分的放大图。如图4(d)所示，直线55不一定需要是一根直线，一根直线55可以由与a轴成不同角度的多根线段构成。此时，如图4(d)所示，如果将直线55的各自的线段与a轴所成的角度设为i3u(1、j为整数、并满足O彡i, j (①)，则可以是β ij关β lm(i关I或j关m,并且O彡l,m ^ i, j)。 不过，满足 5° ( I β J ( 80。，优选 30。( I β I ( 60。。
如图6(a)所示，在条状结构50中，相邻的一对凸部50a可以通过与凸部50a的延伸方向非平行地延伸的一个以上的连接部50c连接。另外，如图6(b)所示，在条状结构50 中，凸部50a可以被与凸部50a的延伸方向非平行地延伸的一个以上的沟槽部50d分割，而成为虚线状。在这些情况下，优选凸部50a的长度(用虚线表示)比连接部50c或沟槽部50d的长度(用实线表示)长。
以下，对条状结构50与由半导体发光元件101射出的光的偏振特性之间的关系、 条状结构50与光提取效率之间的关系、以及条状结构50与配光特性之间的关系进行说明。
如图3所示，在活性层区域22产生的偏振光在η型氮化物半导体层21以及基板 10中传播，入射到作为射出面的第二主面IOb上(以下，表述为“入射光”)。入射光的一部分传播到构成条状结构50的材料的外部。另外，入射光的另外的一部分在第二主面IOb 上反射，再次向构成条状结构50的材料的内部传播。以下，将向构成条状结构50的材料的外部传播的光表述为“透过光”，将向构成条状结构50的材料的内部传播的光表述为“反射光”。另外，将透过光的强度与入射光的强度之比表述为“透过率”，将反射光的强度与入射光的强度之比表述为“反射率”。而且，将入射光的传播矢量与相对于射出面(第二主面 IOb)的法线矢量所成的角度表述为“入射角度”;将透过光的传播矢量与相对于射出面的法线矢量所成的角度表述为“折射角度”;将入射光的传播矢量与相对于射出面的法线矢量所形成的面表述为“入射面”。在此，传播矢量能够认为是光前进的方向。而且，将光分解为与入射面平行的电场矢量分量和与入射面垂直的电场矢量分量这两种分量，分别表述为“P 波”和“s波”。
接下来，对入射到平面的入射光所具有的偏振特性在透过光中得到抑制的条件进行研究。图7表示将相对于入射到平面的入射光的入射角度的透过率以及反射率的关系分解成P波分量和s波分量进行计算的结果。计算使用了由以下的公式(2)到公式(5)所示的菲涅耳公式。其中，Rp设为P波的反射率，Rs设为s波的反射率，Tp设为ρ波的透过率， Ts设为s波的透过率，θ i设为入射角，Θ t设为折射角。另外，将构成条状结构50的材料的折射率η设为2. 5，将构成条状结构50的材料的外部的折射率设为1. O来进行了计算。
由图7可知，入射光的P波分量和s波分量具有各自不同的透过率以及反射率。 这表明在入射光由P波与s波的合成波形成的情况下，入射光的P波中的电场矢量的标量和s波中的电场矢量的标量的比例，如果透过平面则变化，也就是说，透过光的偏振方向从入射光的偏振方向开始变化。
但是，在入射光的ρ波分量或s波分量的任意一种为零的情况下，为零的波的分量不可能在透过光中产生。因此，以标量的比例不变化的方式电场矢量的方向得以维持。因此，为了抑制偏振特性，可以使入射到与条状结构50的外部相接的面上的光不只是成为ρ 波分量或s波分量。
[公式2]
[公式 3]
权利要求
1.一种半导体发光元件，包括η型氮化物半导体层；P型氮化物半导体层；具有m面氮化物半导体层，且被夹在上述η型氮化物半导体层和上述P型氮化物半导体层之间的活性层区域；与上述η型氮化物半导体层电连接的η型电极；与上述P型氮化物半导体层电连接的P型电极；将在上述活性层区域产生的偏振光提取到外部的射出面；以及在上述射出面设置的条状结构，该条状结构具有向与上述m面氮化物半导体层的a轴方向成5°以上且80°以下、或-80°以上且-5°以下的角度的方向延伸的多个凸部。
2.根据权利要求1所述的半导体发光元件,其中，上述多个凸部具有与上述射出面非平行的至少一个斜面。
3.根据权利要求1或2所述的半导体发光元件，其中，上述多个凸部的周期为300nm以上。
4.根据权利要求1到3的任意一项所述的半导体发光元件，其中，上述多个凸部的周期为8 μ m以下。
5.根据权利要求1到4的任意一项所述的半导体发光元件，其中，在上述条状结构中，上述多个凸部向与上述m面氮化物半导体层的上述a轴方向成30°以上且60°以下、或-60°以上且-30°以下的角度的方向延伸。
6.根据权利要求1到5的任意一项所述的半导体发光元件，其中，上述偏振光以与上述a轴相比在c轴方向上具有更宽的辐射角度的配光特性产生在上述活性层区域。
7.根据权利要求1到6的任意一项所述的半导体发光元件，其中，所述半导体发光元件还包括具有第一以及第二主面的η型氮化物半导体基板，上述第一主面与上述η型氮化物半导体层相接，上述射出面为上述第二主面。
8.根据权利要求1到7的任意一项所述的半导体发光元件，其中，上述P型氮化物半导体层具有第一以及第二主面，上述第二主面位于上述活性层区域一侧，上述射出面为上述第一主面。
9.根据权利要求1到8的任意一项所述的半导体发光元件，其中，所述的半导体发光元件还包括与上述η型氮化物半导体层相接设置的η型氮化物半导体基板；和具有第一以及第二主面的光输出部件，上述第一主面与上述η型氮化物半导体基板的、与相接于上述η型氮化物半导体层的面相反的面相接，上述射出面为上述第二主面。
10.根据权利要求1到9的任意一项所述的半导体发光元件，其中，上述光输出部件的折射率大于I。
11.一种半导体发光元件的制造方法，包括以下工序在基板上形成半导体层叠结构的工序，该半导体层叠结构具有η型氮化物半导体层、P 型氮化物半导体层、以及被夹在上述η型氮化物半导体层和上述P型氮化物半导体层之间且包括m面氮化物半导体层的活性层区域；形成与上述η型氮化物半导体层电连接的η型电极以及与上述P型氮化物半导体层电连接的P型电极的工序；以及形成条状结构的工序，该条状结构在上述基板的未设置上述半导体层叠结构的面上具有向与上述m面氮化物半导体层的a轴方向成5°以上且80°以下、或-80°以上且-5° 以下的角度的方向延伸的多个凸部。
12.—种半导体发光元件的制造方法，包括以下工序在基板上形成半导体层叠结构的工序，该半导体层叠结构具有η型氮化物半导体层、P 型氮化物半导体层、以及被夹在上述η型氮化物半导体层和上述P型氮化物半导体层之间且包括m面氮化物半导体层的活性层区域；形成与上述η型氮化物半导体层电连接的η型电极以及与上述P型氮化物半导体层电连接的P型电极的工序；以及形成条状结构的工序，该条状结构在上述基板的未设置上述半导体层叠结构的面上具有向与上述m面氮化物半导体层的a轴方向成30°以上且60°以下、或-60°以上且-30° 以下的角度的方向延伸的多个凸部。
全文摘要
本发明的半导体发光元件包括n型氮化物半导体层(21)；p型氮化物半导体层(23)；具有m面氮化物半导体层，且被夹在n型氮化物半导体层和p型氮化物半导体层之间的活性层区域(22)；与n型氮化物半导体层电连接的n型电极(30)；与p型氮化物半导体层电连接的p型电极(40)；将在活性层区域产生的偏振光提取到外部的射出面；以及在射出面设置的条状结构(50)，该条状结构(50)具有向与m面氮化物半导体层的a轴方向成5°以上80°以下、或-80°以上-5°以下的角度的方向延伸的多个凸部。
文档编号H01L33/22GK103003963SQ201180035160
公开日2013年3月27日 申请日期2011年8月5日 优先权日2010年8月6日
发明者矶崎瑛宏, 井上彰, 山田笃志, 横川俊哉 申请人:松下电器产业株式会社