[发明专利]半导体发光元件

说明书

本申请是申请号为“200510079663.8”，申请日为“2005年6月24日”，发明名称为“半导体发光元件和器件、及制造半导体发光元件的方法”的发明专利申请的分案申请。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2004年6月28日提交的日本专利申请JP2004-189892的优先权，该申请的全部内容通过参考在此引入。

技术领域

本发明涉及一种使用半导体的发光元件，并且涉及一种制造该元件的方法。

背景技术

由铝铟镓氮(AlInGaN)代表的基于氮化物的化合物半导体的使用使得发光元件的商业化成为可能，这些发光元件在紫外、蓝、和绿波长下输出光，至今难以从这些波长得到足够的发射强度，如发光二极管(LED)和半导体激光器，从而其研究和开发进行得很活跃。在发光元件中，LED比半导体激光器较容易制造和控制，并且寿命比荧光灯长，从而LED，特别是使用基于氮化物的化合物半导体的LED，被认为是一种有前途的照明光源。

图34是立体图，示出了一种常规的基于氮化物的化合物半导体LED。该常规LED具有这样一种结构，其中通过在蓝宝石基片1001上的晶体生长依次形成n型镓氮(GaN)层1002、铟镓氮(InGaN)活性层(active layer)1003、及p型GaN层1004。InGaN活性层1003和p型GaN层1004的每一个已经通过蚀刻被除去部分，从而暴露n型Ga N层1002。n侧电极1006形成在n型GaN层1002的暴露部分上。p侧键合电极1007提供在p型GaN层1004上。

如下是LED的工作情况。

首先，从p侧键合电极1007注射的空穴在p侧透明电极1005中横向扩散，以从p型GaN层1004注射到InGaN活性层1003中。

另一方面，从n侧电极1006注射的电子穿过n型GaN层1002进一步注射到InGaN活性层1003中。在InGaN活性层1003中空穴和电子的重新结合导致光发射。光穿过p侧透明电极1005发射到LED外。

然而，不能说这样一种常规结构具有足够高的光引出效率。光引出效率是在活性层中产生的并且从LED发射到空气中的光与在活性层中产生的所有光的比值。常规LED的光引出效率低的原因是半导体的折射率高于空气的折射率，从而来自活性层的光由在半导体与空气之间的界面全反射，并且约束在LED内。例如，GaN的折射率在480nm波长下大约为2.45，从而发生全反射的临界角小到约23度。就是说，就在半导体与空气之间的界面的法线而言，以比临界折射角大的角度从活性层发射的光，由在半导体与空气之间的界面全反射，从而从活性层发射的并且可引出到LED外部的光大约仅占从活性层发射的全部光的4％。因而，遇到的问题是外部量子效率(能从LED引出的光与供给到LED的电流的比值)较低，并且功率转换效率(能产生的光输出与全部供给功率的比值)比荧光灯的低。

作为对该问题的解决方案，已经提出了一种在LED的表面处形成光子晶体的技术，如在日本特许公开专利出版物No.2000-196152中所公开的那样。

图35是立体图，示出了一种上表面形成有光子晶体的常规LED。如图中所示，根据该常规实施方式，二维周期性突起/凹陷形成在p型GaN层1004中。在该结构中，即使就在半导体与空气之间的界面的法线而言，以比临界折射角大的角度从活性层发射的光，由于通过周期性突起/凹陷的衍射，也能具有在比临界折射角小的角度下的发射方向。这增大了发射到LED外部而不会全反射的光的比率，并且改进了光引出效率。在本说明书中，措词“二维周期性”表示形成一种结构以沿一个平面中的第一方向具有给定空隙(给定周期)，同时也形成它以沿与第一方向正交的第二方向具有给定空隙(给定周期)。

发明内容

然而，当突起/凹陷形成在靠近活性层的LED表面中，如在p型GaN层中时，有出现如下问题的情形。