[发明专利]发光元件

说明书

技术领域

本发明涉及一种包括半导体的发光元件及其制造方法。

背景技术

近年来，利用III-V化合物(以下称为氮化物(nitride))或II-VI化合物，在其中形成量子阱(quantum well)，并从外部流入电流，在该量子阱中使电子与空穴结合来产生光的发光元件有了显著发展。

作为III-V化合物最常用的物质是所述氮化物的GaN。以该GaN为首的氮化物的折射率大于1，因此在从发光元件内向大气中取出光方面存在问题。以GaN的情况为例，由于折射率大约是2.5，因此相对于GaN与大气交界处的法线，以大于指定角度(例如23.6度)的角度射入交界处的光不被放射到大气中，而在交界面被全反射，被封闭于发光元件的GaN层中。以下，将在相对于所述法线小于指定角度的角度区域中形成的圆锥区域称为逃逸圆锥(escape cone)。

而且，被封闭于所述GaN层中的光的大部分重新被晶体、电极材料吸收并转化为热，而不能取出到外部。因此，存在在平坦的GaN层中，不能提高光取出效率的问题。

于是，对于这种问题，在日本专利公开公报特开平07-202257号(以下称作“专利文献1”)中，如图34所示，公开了在从发光元件放射光的光取出面上形成间距为2～4μm、深为λ·(2n+1)/4(n＝1、2、…)的矩形的凹凸的技术。根据该技术，由凹部和凸部分别反射的光由于相互相差λ/2相位而被抵消，由此，由光取出面反射的光减少，结果能够提高光取出效率。

另外，在日本专利公开公报特开平10-4209号(以下称作“专利文献2”)中，如图35所示的技术，公开了在LED的任意界面上形成周期性的规则界面构造(structure)，以提高光取出效率的技术。根据该技术，可提高以全反射角以上的角度入射的光的光取出效率，根据形状的不同，与没有该构造的情况相比，也能够得到2倍以上的光取出效率。

在此，在普通的没有表面形状的情况下，公知的是：如设包含发光层的部分的折射率为n1、外部的折射率为n2，考虑到逃逸圆锥的立体角，则可通过n2²/4·n1²获得从一个界面或表面取出的光取出效率。因此，在半导体层是GaN、外部是空气的情况下，由于n1＝2.5、n2＝1，所以取出效率算出为4％。此外，在可从底面以外的所有的面取出光，并仅在上表面形成所述构造、得到大约2倍的取出效率的情况下，则理论上，可得到的取出效率为：光取出效率＝4×4(侧面)+4×2(上表面是凹凸构造因此是2倍)＝24％。

另外，在Schnitzer，et al.In Applied PhysicsLetters 63，2174(1993)(以下称作“非专利文献1”)中，如图36所示，公开了在半导体LED的表面形成不规则纹理(texture)或实施粗加工的技术。根据该技术，通过在表面形成的不规则纹理，使元件内的光线的角度分布不规则化，经基于元件结构的多重路径后，光逃逸的概率得以提高，从而能够提高光取出效率。其中，图36中的阴影层是活性层。

然而，在专利文献1、2的方法中，由于以全反射角以上的角度入射的光无法从GaN中取出，因此在提高光取出效率方面存在一定的极限。另外，由于在表面形成凹凸，因此与平滑面相比，虽然从一个点光源可取出的光的入射角得以扩展，但原本的取出角度下的光取出效率降低，最高也只能得到2倍左右的光取出效率的提高。

另外，在专利文献2中还公开了采用谐振器结构，将发出的光的配光限定于逃逸圆锥内，以提高光取出效率的方法。然而，在该方法中，由于采用谐振器结构，因此对谐振器长度(半导体层的膜厚)的精度存在要求，从而难以提高生产成品率。另外，在谐振器结构中，原理上并不是能够将所有的发光都控制在逃逸圆锥内，光取出效率的提高的极限大约是50％。

另外，在非专利文献1的技术中，经过多重路径的光线在逃逸以前，因被电极等反射层吸收，而其强度大幅度地降低。并且，即使提高了反射层的反射率，也由图36可知，不仅是间距，而且在形状也是不规则的情况下，有时光取出效率反而降低，光取出效率得不到提高。本发明的发明人将通过多晶硅的湿法蚀刻(wet etching)得到的不规则的粗面形状转印再现于光取出面，从而通过实验确认了本事实。

发明内容

本发明鉴于所述情况，其目的在于提供一种能够高效率地将光取出到外部的半导体发光元件。