專利名稱：半導(dǎo)體發(fā)光元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體發(fā)光元件。
背景技術(shù)：
根據(jù)低溫堆積緩沖層技術(shù)、ρ型傳導(dǎo)性控制、η型傳導(dǎo)性控制、高效率發(fā)光層的制作方法等基礎(chǔ)技術(shù)的疊加，高亮度的藍(lán)色、綠色、白色等發(fā)光二極管已被實(shí)用化。目前，發(fā)光二極管中，半導(dǎo)體的折射率比基板、空氣等的折射率大，從發(fā)光層發(fā)出的光的大部分通過全反射或菲涅耳反射不能被取出到發(fā)光二極管的外部，因此，光取出效率的提高成為課題。為解決該課題，提案有對(duì)半導(dǎo)體表面實(shí)施數(shù)微米周期的凹凸加工的構(gòu)造(例如參照非專利文獻(xiàn)1)。如果在半導(dǎo)體表面的光取出側(cè)設(shè)置凹凸構(gòu)造，則全反射因光散射的效果而消失，遍及較寬的放射角能夠得到50%左右的透射率，能夠?qū)⒐馊〕鲂侍岣?0%左右ο而且，還提案有將凹凸構(gòu)造的周期減小至發(fā)光二極管的光學(xué)波長(zhǎng)的2倍以下來提高光取出效率(例如參照專利文獻(xiàn)1)。該情況下，數(shù)微米周期的凹凸構(gòu)造是指光取出的機(jī)制不同，光的波動(dòng)性顯著，折射率的邊界消失，菲涅耳反射被抑制。這種構(gòu)造被稱作光子結(jié)晶、或蛾眼構(gòu)造，能夠?qū)⒐馊〕鲂侍岣?0 %左右。專利文獻(xiàn)1 (日本)特開2005-3Μ020號(hào)公報(bào)非專利文獻(xiàn) 1 Japanese Journal of Applied Physics Vol. 41,2004, L1431但是，專利文獻(xiàn)1及非專利文獻(xiàn)1中提高的光取出效率有限，期望效率的進(jìn)一步提
尚ο

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是鑒于所述情況而提出的，其目的在于，提供一種可以提高光取出效率的半導(dǎo)體發(fā)光元件。為實(shí)現(xiàn)所述目的，本發(fā)明提供一種半導(dǎo)體發(fā)光元件，其具備半導(dǎo)體層疊部，其形成于基板的表面上，并含有發(fā)光層；衍射面，其形成于所述基板的表面?zhèn)?，入射從所述發(fā)光層發(fā)出的光，并以比該光的光學(xué)波長(zhǎng)長(zhǎng)且比該光的相干長(zhǎng)度小的周期形成有凹部或凸部； 反射面，其形成于所述基板的背面?zhèn)?，反射由所述衍射面衍射的光并使其向所述衍射面再入射。上述半?dǎo)體發(fā)光元件中，所述凹部或所述凸部的周期也可以大于所述光學(xué)波長(zhǎng)的 2倍。上述半導(dǎo)體發(fā)光元件中，所述凹部或所述凸部的周期也可以為所述相干長(zhǎng)度的一半以下。上述半導(dǎo)體發(fā)光元件中，所述發(fā)光層可以發(fā)出藍(lán)色光，且所述周期可以為300nm 以上且1500nm以下。上述半導(dǎo)體發(fā)光元件中，所述衍射面可以形成于折射率之差為0. 5以上的不同的材料彼此之間的界面。根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體發(fā)光元件，能夠提高光取出效率。


圖1是表示本發(fā)明第一實(shí)施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件的示意性剖面圖；圖2表示藍(lán)寶石基板，(a)是示意性立體圖，(b)是表示A-A剖面的示意性說明圖， (c)是示意性放大說明圖；圖3是對(duì)藍(lán)寶石基板進(jìn)行加工的說明圖，(a)表示在衍射面形成有第一掩模層的狀態(tài)，(b)表示在第一掩模層上形成有抗蝕層的狀態(tài)，(c)表示對(duì)抗蝕層選擇性地照射電子線的狀態(tài)，(d)表示將抗蝕層顯影并除去的狀態(tài)，(e)表示形成有第二掩模層的狀態(tài)；圖4是對(duì)藍(lán)寶石基板進(jìn)行加工的說明圖，(a)表示完全除去了抗蝕層的狀態(tài)，(b) 表示以第二掩模層為掩模蝕刻第一掩模層的狀態(tài)，(c)表示除去了第二掩模層的狀態(tài)，(d) 表示以第一掩模層為掩模蝕刻衍射面的狀態(tài)，(e)表示除去了第一掩模層的狀態(tài)，(f)表示透過濕式蝕刻在凸部形成彎曲部的狀態(tài)；圖5是表示變形例的半導(dǎo)體發(fā)光元件的示意性剖面圖；圖6是表示變形例的半導(dǎo)體發(fā)光元件的示意性剖面圖；圖7是表示本發(fā)明第二實(shí)施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件的示意性剖面圖；圖8表示藍(lán)寶石基板，(a)是示意性立體圖，(b)是表示B-B剖面的示意性縱向剖面圖；圖9是表示不同的折射率的界面下的光的衍射作用的說明圖，(a)表示由界面進(jìn)行反射的狀態(tài)，(b)表示透過界面的狀態(tài)；圖10是表示從III屬氮化物半導(dǎo)體層向藍(lán)寶石基板入射的光的衍射作用的說明圖；圖11是表示將凹部或凸部的周期設(shè)為500nm的情況下的、III屬氮化物半導(dǎo)體層與藍(lán)寶石基板的界面的、從半導(dǎo)體層側(cè)向界面入射的光的入射角和在界面的衍射作用的反射角的關(guān)系的圖表；圖12是表示將凹部或凸部的周期設(shè)為500nm的情況下的、III屬氮化物半導(dǎo)體層與藍(lán)寶石基板的界面的、從半導(dǎo)體層側(cè)向界面入射的光的入射角和在界面的衍射作用的透射角的關(guān)系的圖表；圖13是表示將凹部或凸部的周期設(shè)為500nm的情況下的、III屬氮化物半導(dǎo)體層與藍(lán)寶石基板的界面的、從半導(dǎo)體層側(cè)向界面第一次入射的光的入射角和通過在界面的衍射作用反射后第二次入射的光的界面的衍射作用的透射角的關(guān)系的圖表；圖14是表示將光學(xué)波長(zhǎng)設(shè)為258nm、且在藍(lán)寶石基板與III屬氮化物半導(dǎo)體層的界面形成有衍射面的情況下的衍射面的周期和相對(duì)光輸出的關(guān)系的圖表；圖15是對(duì)藍(lán)寶石基板進(jìn)行加工的說明圖，(a)表示在衍射面形成有第一掩模層的狀態(tài)，(b)表示在第一掩模層上形成有抗蝕層的狀態(tài)，(c)表示對(duì)抗蝕層選擇性地照射電子線的狀態(tài)，(d)表示將抗蝕層顯影并除去的狀態(tài)，(e)表示形成有第二掩模層的狀態(tài)；圖16是對(duì)藍(lán)寶石基板進(jìn)行加工的說明圖，(a)表示完全除去了抗蝕層的狀態(tài)，(b) 表示以第二掩模層為掩模蝕刻第一掩模層的狀態(tài)，(c)表示除去了第二掩模層的狀態(tài)，(d)
圖17是表示變形例的半導(dǎo)體發(fā)光元件的示意性剖面圖；圖18是表示變形例的半導(dǎo)體發(fā)光元件的示意性剖面圖；圖19是表示變形例的半導(dǎo)體發(fā)光元件的示意性剖面圖。符號(hào)說明1發(fā)光元件2 藍(lán)寶石基板2a 衍射面2b 平坦部2c 凸部2d 側(cè)面2e 彎曲部2f 上表面10 緩沖層12 η 型 GaN 層14多量子阱活性層16 電子塊層18 ρ 型 GaN 層20 ρ側(cè)電極20 a衍射面22 反射面24 η側(cè)電極26反射膜28 反射面30第一掩模層30a 開口32抗蝕層32a 開口34模板掩模34a 開口36第二掩模層100發(fā)光元件102藍(lán)寶石基板102a 衍射面102b 平坦部102c 凹部110 緩沖層112 η 型 GaN 層114多量子阱活性層
116 電子塊層118 ρ 型 GaN 層119半導(dǎo)體層疊部120 ρ 側(cè)電極122 反射面124 η 側(cè)電極130第一掩模層130a 開口132抗蝕層132a 開口134 模板掩模134a 開口136第二掩模層200 發(fā)光元件202 藍(lán)寶石基板202a 衍射面210 緩沖層212 η 型 GaN 層214多量子阱活性層216 電子塊層218 ρ 型 GaN 層220 ρ側(cè)透明電極224 η 側(cè)電極226反射膜228 反射面300 發(fā)光元件302 導(dǎo)電性基板310 緩沖層312 η 型 GaN 層312a 衍射面314多量子阱活性層316 電子塊層318 ρ 型 GaN 層320 ρ 側(cè)電極322 反射面400 發(fā)光元件402a 行射面402c 凸部
具體實(shí)施例方式圖1 圖4表示本發(fā)明的第一實(shí)施方式，圖1是發(fā)光元件的示意剖面圖。如圖1所示，發(fā)光元件1在具有衍射面加的藍(lán)寶石基板2的表面上形成有由III 族氮化物半導(dǎo)體層構(gòu)成的半導(dǎo)體層疊部19。該發(fā)光元件1為面朝上型，主要從藍(lán)寶石基板 2的相反側(cè)取出光。III族氮化物半導(dǎo)體層從藍(lán)寶石基板2側(cè)按順序具有緩沖層10、η型 GaN層12、多量子阱活性層14、電子塊層16、ρ型GaN層18。在ρ型GaN層18上形成有ρ 側(cè)電極20，并且在η型GaN層12上形成有η側(cè)電極24。藍(lán)寶石基板2在表面?zhèn)染哂惺沟锇雽?dǎo)體成長(zhǎng)的c面({0001})即衍射面加。 在衍射面加形成有平坦部2b (參照?qǐng)D2 (a))和周期性形成于平坦部2b的多個(gè)凸部2c (參照?qǐng)D2(a))。各凸部2c的形狀除圓錐、多角錘等錘狀外，也可以設(shè)為切下了錘的上部的圓錘臺(tái)、多角錘臺(tái)等錘臺(tái)狀。本實(shí)施方式中，通過周期性配置的各凸部2c可以得到光的衍射作用。在藍(lán)寶石基板2的背面?zhèn)刃纬捎欣缬葾l構(gòu)成的反射膜26。在該發(fā)光元件1中， 反射膜沈的藍(lán)寶石基板2側(cè)的面成為反射面觀，從活性層14發(fā)出的光通過衍射作用透過衍射面加，且由反射面觀反射透過的光。由此，使透過衍射作用透過的光向衍射面加再入射，由衍射面加再次利用衍射作用使其透過，由此可以以多個(gè)模式將光向元件外部取出。緩沖層10形成于藍(lán)寶石基板2的衍射面加上，由AlN構(gòu)成。在本實(shí)施方式中，緩沖層10通過MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor D印osition)法形成，但也可以使用濺射法。另外，緩沖層10在衍射面加側(cè)具有沿各凸部2c周期性形成的多個(gè)錘臺(tái)狀的凹部。 作為第一導(dǎo)電型層的η型GaN層12形成于緩沖層10上，由n-GaN構(gòu)成。作為發(fā)光層的多量子阱活性層14形成于η型GaN層12上，由(ialnN/GaN構(gòu)成，通過電子及空穴的注入而發(fā)藍(lán)色光。在此，藍(lán)色光是指例如峰值波長(zhǎng)為430nm以上且480nm以下的光。本實(shí)施方式中， 多量子阱活性層14的發(fā)光的峰值波長(zhǎng)為450nm。電子塊層16形成于多量子阱活性層14上，由p-AIGaN構(gòu)成。作為第二導(dǎo)電型層的ρ型GaN層18形成于電子塊層16上，由p-GaN構(gòu)成。從η型GaN層12至ρ型GaN層18 通過III族氮化物半導(dǎo)體的外延成長(zhǎng)而形成，在藍(lán)寶石基板2的衍射面加上周期性形成有凸部2c，III族氮化物半導(dǎo)體的成長(zhǎng)預(yù)期實(shí)現(xiàn)橫方向成長(zhǎng)帶來的平坦化。此外，至少包含第一導(dǎo)電型層、活性層及第二導(dǎo)電型層，對(duì)第一導(dǎo)電型層及第二導(dǎo)電型層施加電壓時(shí)，如果通過電子及空穴的再結(jié)合在活性層發(fā)出光，則半導(dǎo)體層的層構(gòu)成是任意的。ρ側(cè)電極20形成于ρ型GaN層18上，例如由ITO(Indium Tin Oxide)等透明的材料構(gòu)成。本實(shí)施方式中，P側(cè)電極120通過真空蒸渡法、濺射法、CVD (Chemical Vapor Deposition)法等形成。從ρ型GaN層18蝕刻η型GaN層12，在露出的η型GaN層12上形成η側(cè)電極Μ。 η側(cè)電極M例如由Ti/Al/Ti/Au構(gòu)成，并通過真空蒸渡法、濺射法、CVD (Chemical Vapor Deposition)法等形成。其次，參照?qǐng)D2詳細(xì)說明藍(lán)寶石基板2。圖2表示藍(lán)寶石基板，(a)是示意性立體圖，(b)是表示A-A剖面的示意性說明圖，(c)是示意性放大說明圖。如圖2(a)所示，衍射面加以俯視各凸部2c的中心成為等邊三角形的頂點(diǎn)的位置的方式以規(guī)定的周期在假想的三角格子的交點(diǎn)整齊排列地形成。各凸部2c的周期比從多量子阱活性層14發(fā)出的光的光學(xué)波長(zhǎng)長(zhǎng)且比該光的相干長(zhǎng)度小。此外，在此所說的周期是指相鄰的凸部2c的高度的峰值位置的距離。另外，光學(xué)波長(zhǎng)是指實(shí)際的波長(zhǎng)除以折射率得到的值。而且，相干長(zhǎng)度是指相當(dāng)于根據(jù)規(guī)定的光譜寬度的光子組的各波長(zhǎng)的不同相互抵消波的周期性振動(dòng)，直至可干涉性消失的距離。相干長(zhǎng)度Ic在設(shè)光的波長(zhǎng)為λ、且該光的半幅值為Δ λ時(shí)，大致處于Ic= (λ2/Δ λ)的關(guān)系。在此，各凸部2c的周期優(yōu)選比從多量子阱活性層14發(fā)出的光的光學(xué)波長(zhǎng)的2倍大。另外，各凸部2c的周期優(yōu)選為從多量子阱活性層14發(fā)出的光的相干長(zhǎng)度的一半以下。本實(shí)施方式中，各凸部2c的周期為500nm。從活性層14發(fā)出的光的波長(zhǎng)為450nm， III族氮化物半導(dǎo)體層的折射率為2. 4，因此，其光學(xué)波長(zhǎng)為187. 5nm。另外，從活性層14發(fā)出的光的半幅值為63nm，因此，該光的相干長(zhǎng)度為3214nm。即，衍射面加的周期比活性層 14的光學(xué)波長(zhǎng)的2倍大且為相干長(zhǎng)度的一半以下。本實(shí)施方式中，如圖2(c)所示，衍射面加的各凸部2c具有從平坦部2b向上方延伸的側(cè)面2d、從側(cè)面2d的上端向凸部2c的中心側(cè)彎曲并延伸的彎曲部加、與彎曲部加連續(xù)形成的平坦的上表面2f。如后述，利用由側(cè)面2d和上表面2f的會(huì)合部形成角的彎曲部加形成前的凸部2c(參照?qǐng)D4(e))的濕式蝕刻消除角，由此形成彎曲部加。此外，也可以實(shí)施濕式蝕刻直至平坦的上表面2f消失而凸部2c的上側(cè)整體成為彎曲部2e。在本實(shí)施方式中，具體而言，就各凸部2c而言，基端部的直徑為200nm，高度為250nm。就藍(lán)寶石基板2 的衍射面加而言，除各凸部2c之外為平坦部2b，有助于半導(dǎo)體層的橫方向成長(zhǎng)。在此，參照?qǐng)D3及圖4對(duì)發(fā)光元件1用的藍(lán)寶石基板2的制作方法進(jìn)行說明。圖3 是對(duì)藍(lán)寶石基板進(jìn)行加工的說明圖，(a)表示在衍射面形成有第一掩模層的狀態(tài)，(b)表示在第一掩模層上形成有抗蝕層的狀態(tài)，(c)表示對(duì)抗蝕層選擇性地照射電子線的狀態(tài)，(d) 表示將抗蝕層顯影后除去的狀態(tài)，(e)表示形成有第二掩模層的狀態(tài)。首先，如圖3 (a)所示，準(zhǔn)備平板狀的藍(lán)寶石基板2，且在藍(lán)寶石基板2的表面形成第一掩模層30。第一掩模層30由例如由SW2構(gòu)成，且通過濺射法、真空蒸渡法、CVD法等形成。第一掩模層30的厚度是任意的，但例如為Ι.Ομπι。其次，如圖3(b)所示，在藍(lán)寶石基板2的第一掩模層30上形成抗蝕層32?？刮g層32例如由日本七、才 >社制的ZEP等電子線感光材料構(gòu)成，涂布于第一掩模層30上?？刮g層32的厚度是任意的，但例如為IOOnm 2. 0 μ m。其次，如圖3 (c)所示，與抗蝕層32隔開設(shè)置模板掩模34?？刮g層32和模板掩模 34之間隔開1. 0 μ m 100 μ m的間隙。模板掩模34例如由金剛石、SiC等材料形成，厚度是任意的，但例如將厚度設(shè)為500nm 100 μ m。模板掩模34具有選擇性地透過電子線的開 Π 34a0之后，如圖3 (c)所示，對(duì)模板掩模34照射電子線，將抗蝕層32暴露于通過了模板掩模；34的各開口 3 的電子線中。具體而言，使用例如10 100μ C/cm2的電子束將模板掩模34的圖案轉(zhuǎn)印于抗蝕層32。在電子線的照射結(jié)束后，使用規(guī)定的顯影液將抗蝕層32顯影。由此，如圖3(d)所示，照射了電子線的部位在顯影液溶解，未照射電子線的部位殘留，形成開口 32a。作為抗蝕層32在使用日本才 >社制的^P的情況下，作為顯影液可以使用例如醋酸戊酯。其次，如圖3(e)所示，在對(duì)抗蝕層32進(jìn)行了構(gòu)圖的第一掩模層30上形成第二掩模層36。這樣，在第一掩模層30上利用電子線照射對(duì)第二掩模層36進(jìn)行構(gòu)圖。第二掩模層36由例如M構(gòu)成，通過濺射法、真空蒸渡法、CVD法等形成。第二掩模層36的厚度是任意的，但例如為20nm。圖4是對(duì)藍(lán)寶石基板進(jìn)行加工的說明圖，(a)表示完全除去了抗蝕層的狀態(tài)，(b) 表示以第二掩模層為掩模對(duì)第一掩模層進(jìn)行蝕刻的狀態(tài)，(c)表示除去了第二掩模層的狀態(tài)，(d)表示以第一掩模層為掩模對(duì)衍射面進(jìn)行蝕刻的狀態(tài)，(e)表示除去了第一掩模層的狀態(tài)，(f)表示通過濕式蝕刻在凸部形成彎曲部的狀態(tài)。如圖4(a)所示，使用剝離液除去抗蝕層32。例如將抗蝕層32浸漬于剝離液中，可通過照射規(guī)定時(shí)間的超聲波而將其除去。具體而言，作為剝離液可使用例如二乙酮。由此， 在第一掩模層30上形成使模板掩模34的開口 3 的圖案反轉(zhuǎn)了的第二掩模層36的圖案。其次，如圖4 (b)所示，以第二掩模層36為掩模進(jìn)行第一掩模層30的干式蝕刻。由此，在第一掩模層30形成開口 30a，形成第一掩模層30的圖案。此時(shí)，作為蝕刻氣體，使用藍(lán)寶石基板2及第一掩模層30與第二掩模層36相比更具有耐性的氣體。例如在第一掩模層30為SW2且第二掩模層36為Ni的情況下，如果使用SF6等氟系氣體，則Ni相對(duì)于SW2 的蝕刻的選擇比在100左右，因此，能夠可靠地進(jìn)行第一掩模層30的構(gòu)圖。之后，如圖4(c)所示，除去第一掩模層30上的第二掩模層36。在第一掩模層30 為SiO2，第二掩模層36為Ni的情況下，可將其浸漬于用水進(jìn)行稀釋且按1 1程度混合后的鹽酸及硝酸中、或通過氬氣的干式蝕刻除去Ni。然后，如圖4(d)所示，以第一掩模層30為掩模進(jìn)行藍(lán)寶石基板2的干式蝕刻。此時(shí)，由于藍(lán)寶石基板2中僅除去第一掩模層30的部位暴露于蝕刻氣體中，所以可以在藍(lán)寶石基板2上轉(zhuǎn)印模板掩模34的各開口 3 的反轉(zhuǎn)圖案。此時(shí)，第一掩模層30由于相比藍(lán)寶石基板2對(duì)蝕刻氣體的耐性大，所以可以選擇性地蝕刻未覆蓋于第一掩模層30的部位。 而且，在藍(lán)寶石基板2的蝕刻深度達(dá)到所希望深度的部位結(jié)束蝕刻。在此，作為蝕刻氣體使用例如BCl3等氯系氣體。之后，如圖4(e)所示，使用規(guī)定的剝離液除去殘留于藍(lán)寶石基板2上的第一掩模層30。由此，形成通過側(cè)面2d和上表面2f的會(huì)合部形成角的彎曲部2e形成前的凸部2c。 作為剝離液，在例如第一掩模層30使用SiO2的情況下，可使用稀氟酸。然后，如圖4(f)所示，通過濕式蝕刻除去凸部2c的角，形成彎曲部2e。在此，蝕刻液是任意的，但例如使用加熱至160°C左右的磷酸水溶液、所謂的“熱磷酸”。此外，作為蝕刻方式也可以使用干式蝕刻這種其它方式，只要在凸部2c的角形成彎曲部2e即可。在如上制作的藍(lán)寶石基板2的衍射面加上利用橫方向成長(zhǎng)使III族氮化物半導(dǎo)體外延成長(zhǎng)，在形成各電極后，通過切割分割成多個(gè)發(fā)光元件1，由此制造發(fā)光元件1。在如上構(gòu)成的發(fā)光元件1中，具備以比從活性層14發(fā)出的光的光學(xué)波長(zhǎng)長(zhǎng)且比該光的相干長(zhǎng)度小的周期形成凸部2c的衍射面加和將由衍射面加衍射的光反射并再次向衍射面加入射的反射面28，由此，對(duì)于在藍(lán)寶石基板2和III族氮化物半導(dǎo)體層的界面以超過全反射臨界角的角度入射的光也能夠利用衍射作用將光取出到元件外部。具體而言， 使通過衍射作用透過的光向衍射面加再入射，由衍射面加再次利用衍射作用使其透過，由此，可以以多個(gè)模式將光取出到元件外部。本實(shí)施方式中，由于透過衍射作用取出光，所以實(shí)現(xiàn)與通過散射作用取出光的情況不同的作用效果，能夠飛躍式地提高發(fā)光元件1的光取出效率。在此，由于凸部2c以短的周期形成，所以每單位面積的凸部2c的數(shù)量增多。在凸部2c超過相干長(zhǎng)度的2倍的情況下，即使在該凸部2c存在成為位錯(cuò)的起點(diǎn)的角部，由于位錯(cuò)密度小，所以對(duì)發(fā)光效率也幾乎沒有影響。但是，當(dāng)凸部2c的周期比相干長(zhǎng)度小時(shí)，半導(dǎo)體層疊部19的緩沖層10中的位錯(cuò)密度增大，發(fā)光效率的降低變得顯著。該趨勢(shì)在周期為 1 μ m以下時(shí)更為顯著。這是將凸部2c的周期減小至相干以下時(shí)的新的課題，在現(xiàn)有公知的文獻(xiàn)中，公開有僅著眼于發(fā)出的光的取出效率縮短周期這一點(diǎn)，但是對(duì)于發(fā)光效率的降低完全沒有考慮。另外，發(fā)光效率的降低不因緩沖層10的制造方法而產(chǎn)生，即使通過MOCVD 法形成，且通過濺射法形成也會(huì)發(fā)生。本實(shí)施方式中，由于在各凸部2c的上側(cè)沒有成為位錯(cuò)的起點(diǎn)的角部，所以在形成緩沖層10時(shí)不會(huì)以該角部為起點(diǎn)產(chǎn)生位錯(cuò)。其結(jié)果是，即使在多量子阱活性層14中，也能夠成為位錯(cuò)的密度較小的結(jié)晶，通過在衍射面加上形成凸部 2c，并不損害發(fā)光效率，可以說是解決上述新課題的發(fā)明。另外，根據(jù)本實(shí)施方式的發(fā)光元件1，雖然在藍(lán)寶石基板2的衍射面加上形成有凸部2c，但由于III族氮化物半導(dǎo)體層的橫方向成長(zhǎng)下的平坦化時(shí)產(chǎn)生位錯(cuò)的終端，所以由此得到在III族氮化物半導(dǎo)體層中位錯(cuò)的密度較小的結(jié)晶。其結(jié)果是，即使在多量子阱活性層14中，也成為位錯(cuò)的密度較小的結(jié)晶，通過在衍射面加上形成凸部2c，不會(huì)損害發(fā)光效率。此外，在上述實(shí)施方式中，表示了發(fā)光元件1為面朝上型，但例如圖5所示，也可以將發(fā)光元件1設(shè)為倒裝片型。圖5的發(fā)光元件1在藍(lán)寶石基板2上按順序形成有緩沖層 10、η型GaN層12、多量子阱活性層14、電子塊層16、ρ型GaN層18，在ρ型GaN層18上形成有由例如Ag系、Rh系等反射性材料構(gòu)成的ρ側(cè)電極20，并且在η型GaN層12上形成有 η側(cè)電極24。該情況下，ρ側(cè)電極20的ρ型GaN層18側(cè)的面成為反射面22。另外，例如圖6所示，也可以在ρ側(cè)電極20的表面形成第二衍射面20a。期望該第二衍射面20a的凹凸周期比從多量子阱活性層14發(fā)出的光的相干長(zhǎng)度小。由此，能夠得到藍(lán)寶石基板2的衍射面加和ρ側(cè)電極20的衍射面20a這兩者的衍射作用。圖7 圖16表示本發(fā)明的第二實(shí)施方式，圖7是發(fā)光元件的示意剖面圖。如圖7所示，發(fā)光元件100在具有衍射面10 的藍(lán)寶石基板102上形成有由III 族氮化物半導(dǎo)體層構(gòu)成的半導(dǎo)體層疊部119。該發(fā)光元件100為倒裝片型，主要從藍(lán)寶石基板102的背面(圖1中為上面)取出光。III族氮化物半導(dǎo)體層從藍(lán)寶石基板102側(cè)依次具有緩沖層110、η型GaN層112、多量子阱活性層114、電子塊層116、ρ型GaN層118。在 P型GaN層118上形成ρ側(cè)電極120，并且在η型GaN層112上形成有η側(cè)電極124。藍(lán)寶石基板102具有使氮化物半導(dǎo)體成長(zhǎng)的c面({0001})即衍射面10加。在衍射面10 上形成有平坦部102b和周期性形成于平坦部102b上的多個(gè)錐狀的凹部102c。 各凹部102c的形狀可以為圓錐、多角錘等形狀。本實(shí)施方式中，通過周期性配置的各凹部 102c能夠得到光的衍射作用。緩沖層110形成于藍(lán)寶石基板102的衍射面10 上，由GaN構(gòu)成。本實(shí)施方式中， 緩沖層Iio以比后述的η型GaN層112等低溫而成長(zhǎng)。另外，緩沖層110在衍射面10 側(cè)具有沿各凹部102c周期性形成的多個(gè)錘狀的凸部。作為第一導(dǎo)電型層的η型GaN層112 形成于緩沖層110上，由n-GaN構(gòu)成。作為發(fā)光層的多量子阱活性層114形成于η型GaN層112上，由feilnN/GaN構(gòu)成，通過電子及空穴的注入而發(fā)出藍(lán)色光。在此，藍(lán)色光是指例如峰值波長(zhǎng)為430nm以上且480nm以下的光。本實(shí)施方式中，多量子阱活性層114的發(fā)光的峰值波長(zhǎng)為450nm。電子塊層116形成于多量子阱活性層114上，由p-AIGaN構(gòu)成。作為第二導(dǎo)電型層的ρ型GaN層118形成于電子塊層116上，由ρ-GaN構(gòu)成。從緩沖層110至ρ型GaN層118 通過III族氮化物半導(dǎo)體的外延成長(zhǎng)形成，在藍(lán)寶石基板102的衍射面10 上周期性形成有凹部102c，但是III族氮化物半導(dǎo)體的成長(zhǎng)預(yù)期實(shí)現(xiàn)橫方向成長(zhǎng)帶來的平坦化。此外，至少包含第一導(dǎo)電型層、活性層及第二導(dǎo)電型層，并對(duì)第一導(dǎo)電型層及第二導(dǎo)電型層施加電壓時(shí)，通過電子及空穴的再結(jié)合，如果在活性層發(fā)出光，則半導(dǎo)體層的層構(gòu)成是任意的。ρ側(cè)電極120形成于ρ型GaN層118上，ρ側(cè)GaN層118側(cè)的面成為反射面122。ρ 側(cè)電極120相對(duì)于從多量子阱活性層114發(fā)出的光具有高的反射率。ρ側(cè)電極120相對(duì)于從活性層114發(fā)出的光優(yōu)選具有為80%以上的反射率。本實(shí)施方式中，ρ側(cè)電極120由例如Ag系、1 系的材料構(gòu)成，且通過真空蒸渡法、濺射法、CVD (Chemical Vapor Deposition) 法等形成。從ρ型GaN層118蝕刻η型GaN層112，在露出的η型GaN層112上形成η側(cè)電極124。η側(cè)電極124例如由Ti/Al/Ti/Au構(gòu)成，通過真空蒸渡法、濺射法、CVD (Chemical Vapor Deposition)法等形成。其次，參照?qǐng)D8對(duì)藍(lán)寶石基板102進(jìn)行詳述。圖8表示藍(lán)寶石基板，(a)是示意性立體圖，(b)是表示B-B剖面的示意縱剖面圖。如圖8(a)所示，衍射面10 以俯視各凹部102c的中心為等邊三角形的頂點(diǎn)的位置的方式以規(guī)定的周期在假想的三角格子的交點(diǎn)整齊排列地形成。各凹部102c的周期比從多量子阱活性層114發(fā)出的光的光學(xué)波長(zhǎng)長(zhǎng)且比該光的相干長(zhǎng)度小。此外，在此所說的周期是指相鄰的凹部102c的深度的峰值位置的距離。另外，光學(xué)波長(zhǎng)是指實(shí)際的波長(zhǎng)除以折射率得到的值。而且，相干長(zhǎng)度是指相當(dāng)于根據(jù)規(guī)定的光譜寬度的光子組各自的波長(zhǎng)的不同而彼此消除波的周期性振動(dòng)，直至可干涉性消失的距離。相干長(zhǎng)度Ic在設(shè)光的波長(zhǎng)為 λ、該光的半幅值為Δ λ時(shí)，大致處于Ic= ( λ 2/ Δ λ )的關(guān)系。在此，各凹部102c的周期優(yōu)選比從多量子阱活性層114發(fā)出的光的光學(xué)波長(zhǎng)的2倍大。另外，各凹部102c的周期優(yōu)選為從多量子阱活性層114發(fā)出的光的相干長(zhǎng)度的一半以下。本實(shí)施方式中，各凹部102c的周期為500nm。從活性層114發(fā)出的光的波長(zhǎng)為 450nm，III族氮化物半導(dǎo)體層的折射率為2. 4，因此，其光學(xué)波長(zhǎng)為187. 5nm。另外，從活性層114發(fā)出的光的半幅值為63nm，因此，該光的相干長(zhǎng)度為3214nm。即，衍射面10 的周期比活性層114的光學(xué)波長(zhǎng)的2倍大，且為相干長(zhǎng)度的一半以下。本實(shí)施方式中，如圖8(b)所示，衍射面10 的各凹部102c形成為圓錐狀。具體而言，各凹部102c的基端部的直徑為200nm，深度為250nm。藍(lán)寶石基板102的衍射面10 的除各凹部102c之外的部分成為平坦部102b，有助于半導(dǎo)體層的橫方向成長(zhǎng)。圖9是表示不同折射率的界面的光的衍射作用的說明圖，(a)表示由界面反射的狀態(tài)，(b)表示透過界面的狀態(tài)。在此，在根據(jù)布拉格的衍射條件由界面反射光的情況下，相對(duì)于入射角θ in，反射角θ&應(yīng)滿足的條件為
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d · nl · (sin θ in-sin θ ref) = m · λ (1)。在此，nl為入射側(cè)的介質(zhì)的折射率，λ為入射的光的波長(zhǎng)，m為整數(shù)。本實(shí)施方式中，nl為III族氮化物半導(dǎo)體的折射率。如圖9(a)所示，以滿足上述(1)式的反射角θ ref 反射向界面入射的光。另一方面，根據(jù)布拉格的衍射條件由界面透過光的情況下，相對(duì)于入射角θ in，透射角θ。ut應(yīng)滿足的條件為d · (nl · sin θ in-n2 · sin θ。ut) = m，· λ (2)。在此，n2為射出側(cè)的介質(zhì)的折射率，m’為整數(shù)。本實(shí)施方式中，n2為藍(lán)寶石的折射率。如圖9(b)所示，以滿足上述( 式的透射角θ _透過向界面入射的光。由于存在滿足上述(1)式及(2)式的衍射條件的反射角θ ,ef及透射角θ。ut，所以衍射面10 的周期必須要比元件內(nèi)部的光學(xué)波長(zhǎng)即(λ/η )及(λ/η2)大。通常已知的蛾眼構(gòu)造被設(shè)定為周期小于(λ/η )及(λ/η2)，不存在衍射光。而且，衍射面10 的周期必須小于能夠維持光作為波的性質(zhì)的相干長(zhǎng)度，優(yōu)選為相干長(zhǎng)度的一半以下。通過設(shè)為相干長(zhǎng)度的一半以下，能夠確保衍射實(shí)現(xiàn)的反射光及透射光的強(qiáng)度。圖10是表示從III屬氮化物半導(dǎo)體層向藍(lán)寶石基板入射的光的衍射作用的說明圖。如圖10所示，在發(fā)光元件100從活性層114各向同性放出的光中向藍(lán)寶石基板 102以入射角θ in入射的光以滿足上述⑴式的反射角θ &反射，同時(shí)以滿足上述⑵式的透射角9。ut透過。在此，在全反射臨界角以上的入射角θ in中成為強(qiáng)的反射光強(qiáng)度。反射光由P側(cè)電極120的反射面122反射，再次向凹凸面10 入射，但由于以與先入射時(shí)的入射角θ in不同的入射角θ in入射，所以成為與之前的入射條件不同的透過特性。圖11是表示將凹部或凸部的周期設(shè)為500nm的情況下的III屬氮化物半導(dǎo)體層與藍(lán)寶石基板的界面的、從半導(dǎo)體層側(cè)向界面入射的光的入射角和在界面下的衍射作用的反射角的關(guān)系的圖表。在向衍射面10 入射的光中，與通常的平坦面同樣存在全反射的臨界角。在GaN 系半導(dǎo)體層與藍(lán)寶石基板102的界面，臨界角約為45°。如圖5所示，在入射角9in超過 45°的區(qū)域，可以實(shí)現(xiàn)滿足上述(2)式的衍射條件的m= 1、2、3、4的衍射模式下的透射。但是，當(dāng)形成發(fā)光元件100的光射出面的藍(lán)寶石基板102的背面為平坦面時(shí)，由于存在藍(lán)寶石基板102和元件外部的全反射臨界角，所以當(dāng)透射角θ。ut不在該臨界角以內(nèi)時(shí)，不能將透射光取出到發(fā)光元件100的外部。假如外部是空氣的情況下，藍(lán)寶石基板102與空氣的界面的臨界角約為士34°，該情況下的有效的衍射模式為m = 2. 3。圖12是表示將凹部或凸部的周期設(shè)為500nm的情況下的、III屬氮化物半導(dǎo)體層與藍(lán)寶石基板的界面的、從半導(dǎo)體層側(cè)向界面入射的光的入射角和在界面的衍射作用下的透射角的關(guān)系的圖表。如圖12所示，在入射角超過了 45°的區(qū)域，可以實(shí)現(xiàn)滿足上述(1)式的衍射條件的m’ = 1、2、3、4的衍射模式下的反射。以這些衍射模式反射的反射光由ρ側(cè)電極120的反射面122反射，再次向衍射面10 入射。此時(shí)的入射角θ in維持之前由衍射面10 反射的角度，通過第二次的入射再次衍射。圖13是表示將凹部或凸部的周期設(shè)為500nm的情況下的、III屬氮化物半導(dǎo)體層與藍(lán)寶石基板的界面的、從半導(dǎo)體層側(cè)向界面第一次入射的光的入射角和通過界面的衍射作用反射后第二次入射的光的界面的衍射作用下的透射角的關(guān)系的圖表。圖13中，將有關(guān)第二次入射的光的透射的模式指數(shù)1定義為有關(guān)第一次入射時(shí)的反射的模式指數(shù)m和有關(guān)第二次入射時(shí)的透射的模式指數(shù)m’之和，設(shè)1 = m+m’。就有關(guān)第二次入射的光的透射的模式指數(shù)1而言，即使第一次的反射的模式指數(shù)m和第二次的透射的模式指數(shù)m’取任意值，只要模式指數(shù)1相同則也可以具有同樣的透射特性。在第一次入射的光的透射特性中，不容許m’ = 0，在第二次入射的光的透射特性中，容許1 = 0。例如在1 = 1 的情況下，存在(m、m，) = (2、-1)、(3、-2)、(4、-3)、(_1、2)、(_2、3)這五個(gè)模式。即，以1 = 1透射的角度的光強(qiáng)度較強(qiáng)。如果假設(shè)在衍射面10 的周期比相干長(zhǎng)度無限小，則通過附加高反射率的P側(cè)電極120，利用衍射作用取出的光的增加量約為5倍。這樣，具備以比從活性層114發(fā)出的光的光學(xué)波長(zhǎng)長(zhǎng)且比該光的相干長(zhǎng)度小的周期形成有凹部102c的衍射面10 和反射由衍射面10 衍射的光并將其再次向衍射面 10 入射的反射面120，由此，對(duì)于在藍(lán)寶石基板102與III族氮化物半導(dǎo)體層的界面以超過全反射臨界角的角度入射的光，也能夠利用衍射作用將光取出到元件外部。本實(shí)施方式中，由于利用衍射作用取出光，所以實(shí)現(xiàn)與通過散射作用取出光不同的作用效果，可以飛躍式地提高發(fā)光元件100的光取出效率。特別是在本實(shí)施方式中，由于由衍射面10 和反射面120夾持作為發(fā)光層的活性層114，所以可以使在衍射面10 以與入射角θ in不同的反射角θ in反射的光以與之前的入射角θ in不同的角度再次入射。這樣，由于第一次和第二次以不同的條件將光向衍射面 102a入射，所以存在大量透射模式，對(duì)于光取出極其有利。進(jìn)而，本實(shí)施方式中，III族氮化物半導(dǎo)體層的折射率為2. 4，藍(lán)寶石的折射率為 1. 8，因此，衍射面10 在折射率之差為0. 5以上的不同的材料彼此的界面形成。材料彼此的折射率之差為0.5以上時(shí)，對(duì)于光取出比較不利，但在本實(shí)施方式的發(fā)光元件100中能夠可靠地取出光，在實(shí)用時(shí)極其有利。再次，參照?qǐng)D14說明衍射面的周期與元件的發(fā)光輸出的關(guān)系。圖14是表示將光學(xué)波長(zhǎng)設(shè)為258nm、且在藍(lán)寶石基板與III屬氮化物半導(dǎo)體層的界面形成有衍射面的情況下的、衍射面的周期與相對(duì)光輸出的關(guān)系的圖表。相對(duì)光輸出將藍(lán)寶石基板與III屬氮化物半導(dǎo)體層的界面為平坦面的光輸出設(shè)為1. 0。此外，在圖14中，將從活性層至衍射面的距離設(shè)為3. 0 μ m，將從衍射面至藍(lán)寶石基板的背面的距離設(shè)為100 μ m,在室溫下在1. Omm見方的芯片中流過IOOmA的直流電流并取得數(shù)據(jù)。另外，相對(duì)光輸出為1.0倍，相當(dāng)于40mW。如圖14所示，在衍射面的周期為光學(xué)波長(zhǎng)的1倍以下的區(qū)域，因全反射臨界角以下的菲涅耳反射抑制的作用而光取出效率提高。而且，在超過光學(xué)波長(zhǎng)的1倍且2倍以下的區(qū)域，能夠得到衍射作用和菲涅耳反射抑制的作用這兩者，從而光取出效率提高。在超過光學(xué)波長(zhǎng)的2倍且2. 5倍以下的區(qū)域，菲涅耳反射抑制的作用消失，因此，光取出效率降低一點(diǎn)。當(dāng)超過光學(xué)波長(zhǎng)的2. 5倍時(shí)滿足衍射條件的入射角增加，因此，光取出效率再次提高。 而且，在光學(xué)波長(zhǎng)的3倍以上5倍以下的區(qū)域，光取出效率為平坦面的3倍以上。在此，圖 14中，有關(guān)周期僅圖示了至光學(xué)波長(zhǎng)的6倍左右，但當(dāng)周期成為相干長(zhǎng)度的一半時(shí)，發(fā)光輸出成為平坦面的2. 0倍左右，當(dāng)成為相干長(zhǎng)度時(shí)，發(fā)光輸出成為平坦面的1. 8倍左右。在相干長(zhǎng)度上輸出比平坦面大是因?yàn)槟軌蛱岣甙疾炕蛲共康玫缴⑸湫Ч?。這樣，界面的衍射作用在周期超過光學(xué)波長(zhǎng)的ι. O倍時(shí)得到，但理解為超過光學(xué)波長(zhǎng)的2. 5倍時(shí)，發(fā)光元件1的光輸出顯著增大。在此，參照?qǐng)D15及圖16對(duì)發(fā)光元件100用的藍(lán)寶石基板102的制作方法進(jìn)行說明。圖15是對(duì)藍(lán)寶石基板進(jìn)行加工的說明圖，(a)表示在衍射面形成有第一掩模層的狀態(tài)， (b)表示在第一掩模層上形成有抗蝕層的狀態(tài)，(c)表示在抗蝕層上選擇性地照射電子線的狀態(tài)，(d)表示將抗蝕層顯影并除去的狀態(tài)，(e)表示形成有第二掩模層的狀態(tài)。首先，如圖15 (a)所示，準(zhǔn)備平板狀的藍(lán)寶石基板102，在藍(lán)寶石基板102的表面形成第一掩模層130。第一掩模層130例如由SiO2構(gòu)成，且通過濺射法、真空蒸渡法、CVD法等形成。第一掩模層130的厚度是任意的，但例如為Ι.Ομπι。例如在使用磁控管濺射裝置形成第一掩模層130的情況下，可以使用Ar氣體并使用高頻(RF)電源。具體而言，例如將Ar氣體設(shè)為2kccm，對(duì)應(yīng)材料將RF電源的功率設(shè)為 200 500W，可以將600nm的第一掩模層130堆積于藍(lán)寶石基板102。此時(shí)，濺射的時(shí)間可以適當(dāng)調(diào)節(jié)。其次，如圖15(b)所示，在藍(lán)寶石基板102的第一掩模層130上形成抗蝕層132。 抗蝕層132例如由日本才 >社制的ZEP等電子線感光材料構(gòu)成，涂布于第一掩模層130 上?？刮g層132的厚度是任意的，例如為IOOnm 2.0 μ m。例如在通過旋涂形成抗蝕層132的情況下，在將旋涂器的轉(zhuǎn)速設(shè)為1500rpm形成均勻的膜后，以180°C進(jìn)行4分鐘烘焙使之固化，由此可以得到160 170nm的膜厚的抗蝕層132。具體而言，作為抗蝕層132的材料可以使用將日本七、才 > 社制的ZEP和日本七、才> 社制的稀釋液ZEP-A按1 1.4的比例混合而成的溶液。其次，如圖15(c)所示，與抗蝕層132隔開設(shè)置模板掩模134?？刮g層132與模板掩模134之間隔開1. 0 μ m 100 μ m的間隙。模板掩模134例如由金剛石、SiC等材料形成，厚度是任意的，但例如將厚度設(shè)為500nm 100 μ m。模板掩模134具有選擇性地透過電子線的開口 13乜。在此，模板掩模134形成為厚度一定的薄板狀，例如也可以設(shè)置格子狀、突條的厚壁部等并局部增大其厚度而增加強(qiáng)度。在本實(shí)施方式中，在晶片狀的藍(lán)寶石基板102上一并制作與多個(gè)發(fā)光元件100相對(duì)應(yīng)的凹部102c，通過在III族氮化物半導(dǎo)體的外延成長(zhǎng)后進(jìn)行切割，制造多個(gè)發(fā)光元件100。因此，可以對(duì)應(yīng)切割片的通過位置而形成模板掩模134 的厚壁部。此外，厚壁部可以向藍(lán)寶石基板102側(cè)，也可以向藍(lán)寶石基板102的相反側(cè)突出， 進(jìn)而可以向兩側(cè)突出。在向藍(lán)寶石基板102側(cè)突出的情況下，通過使厚壁部的前端與抗蝕層132抵接，能夠賦予厚壁部與抗蝕層132的襯墊的功能。之后，如圖15(c)所示，對(duì)模板掩模134照射電子線，將抗蝕層132暴露于通過了模板掩模134的各開口 13 的電子線。具體而言，使用例如10 100μ C/cm2的電子束在抗蝕層132上轉(zhuǎn)印模板掩模134的圖案。此外，電子線由于在模板掩模134上點(diǎn)狀地照射， 所以實(shí)際上通過使電子線掃描，遍及模板掩模134的整個(gè)面照射電子線?？刮g層132為正型，當(dāng)感光時(shí)相對(duì)于顯影液的溶解度增大。此外，也可以使用負(fù)型的抗蝕層132。在此，在抗蝕層132感光時(shí)，含于抗蝕層132中的溶劑會(huì)揮發(fā)，但由于抗蝕層132和模板掩模134之間存在間隙，從而揮發(fā)成分容易擴(kuò)散，能夠防止因揮發(fā)成分而使模板掩模134受到污染。在電子線的照射結(jié)束后，使用規(guī)定的顯影液對(duì)抗蝕層132顯影。由此，如圖15(d)
14所示，使照射了電子線的部位在顯影液溶解，殘留未照射電子線的部位，形成開口 132a。作為抗蝕層132使用日本七、才 >社制的^P的情況下，作為顯影液可使用例如醋酸戊酯。另夕卜，在顯影后用清洗液進(jìn)行清洗與否是任意的，但在作為抗蝕層132使用日本S才 >社制的ZEP的情況下，作為清洗液可使用例如IPA (異丙醇)。其次，如圖15(e)所示，在對(duì)抗蝕層132進(jìn)行了構(gòu)圖的第一掩模層130上形成第二掩模層136。這樣，在第一掩模層130上利用電子線照射來構(gòu)圖第二掩模層136。第二掩模層136例如由Ni構(gòu)成，且通過濺射法、真空蒸渡法、CVD法等形成。第二掩模層136的厚度是任意的，但例如為20nm。第二掩模層136也可以與第一掩模層130相同地使用例如磁控管濺射裝置形成。圖16是對(duì)藍(lán)寶石基板進(jìn)行加工的說明圖，(a)表示完全除去了抗蝕層的狀態(tài)，(b) 表示以第二掩模層為掩模蝕刻第一掩模層的狀態(tài)，(c)表示除去了第二掩模層的狀態(tài)，(d) 表示以第一掩模層為掩模蝕刻衍射面的狀態(tài)，(e)表示除去了第一掩模層的狀態(tài)。如圖16(a)所示，使用剝離液除去抗蝕層132。例如，將抗蝕層132浸漬于剝離液中，通過照射規(guī)定時(shí)間的超聲波而可以除去。具體而言，作為剝離液可使用例如二乙酮。另夕卜，在除去抗蝕層132后通過清洗液清洗與否是任意的，但作為清洗液客戶使用例如丙酮醇、甲醇等進(jìn)行清洗。由此，在第一掩模層130上形成反轉(zhuǎn)了模板掩模134的開口 13 的圖案的第二掩模層136的圖案。其次，如圖16(b)所示，以第二掩模層136為掩模進(jìn)行第一掩模層130的干式蝕亥IJ。由此，在第一掩模層130形成開口 130a，形成第一掩模層130的圖案。此時(shí)，作為蝕刻氣體，使用藍(lán)寶石基板102及第一掩模層130與第二掩模層136相比具有耐性的氣體。例如在第一掩模層130為SiO2且第二掩模層136為Ni的情況下，如果使用SF6等氟系氣體， 則Ni相對(duì)于SW2的蝕刻的選擇比為100左右，因此，能夠可靠地進(jìn)行第一掩模層130的構(gòu)圖。之后，如圖16(c)所示，除去第一掩模層130上的第二掩模層136。在第一掩模層 130為SiO2且第二掩模層136為Ni的情況下，可以將其浸漬于用水稀釋并按1 1左右混合而成的鹽酸及硝酸中，或通過氬氣的干式蝕刻除去Ni。然后，如圖16(d)所示，以第一掩模層130為掩模進(jìn)行藍(lán)寶石基板102的干式蝕亥|J。此時(shí)，由于藍(lán)寶石基板102中僅除去第一掩模層130的部位暴露于蝕刻氣體中，所以可以在藍(lán)寶石基板102上轉(zhuǎn)印模板掩模134的各開口 13 的反轉(zhuǎn)圖案。此時(shí)，第一掩模層130 由于相比藍(lán)寶石基板102對(duì)蝕刻氣體的耐性大，所以能夠選擇性地蝕刻未覆蓋于第一掩模層130上的部位。而且，在藍(lán)寶石基板102的蝕刻深度達(dá)到所希望的深度的部位結(jié)束蝕刻。 在本實(shí)施方式中，在蝕刻初期的階段轉(zhuǎn)印于第一掩模層130的開口 130a的直徑為50nm，隨著蝕刻向深度方向進(jìn)行，側(cè)向蝕刻也隨之進(jìn)行，因此，最終形成基端部的直徑為150nm的圓錐狀的凹部102c。在本實(shí)施方式中，隨著蝕刻的進(jìn)行，第一掩模層130和藍(lán)寶石基板102的觸點(diǎn)消失，第一掩模層130被從外緣除去。在此，作為蝕刻氣體，例如使用BCl3等氯系氣體。 此外，在選擇側(cè)向蝕刻未進(jìn)行的第一掩模層130和蝕刻氣體的組合的情況下，模板掩模134 的開口 13 的反轉(zhuǎn)圖案只要設(shè)計(jì)為與各凹部102c的基端部相同形狀即可。之后，如圖16(e)所示，使用規(guī)定的剝離液除去殘留于藍(lán)寶石基板102上的第一掩模層130。作為剝離液，例如在第一掩模層130使用S^2的情況下，可以使用稀氟酸。
在如上制作的藍(lán)寶石基板102的衍射面10 上利用橫方向成長(zhǎng)外延成長(zhǎng)III族氮化物半導(dǎo)體，在形成了各電極后，通過切割分割成多個(gè)發(fā)光元件100，由此制造發(fā)光元件 100。當(dāng)如上制造發(fā)光元件100時(shí)，雖然在藍(lán)寶石基板102的衍射面10 形成有凹部 102c，但由于III族氮化物半導(dǎo)體層的橫方向成長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)的平坦化時(shí)產(chǎn)生位錯(cuò)的終端，所以在III族氮化物半導(dǎo)體層得到位錯(cuò)的密度較低的結(jié)晶。其結(jié)果是，即使在多量子阱活性層 114中，也成為位錯(cuò)的密度較低的結(jié)晶，通過在衍射面10 上形成凹部102c，并不會(huì)損害發(fā)光效率。此外，上述實(shí)施方式的活性層114的發(fā)光波長(zhǎng)、及衍射面10 的周期是任意的，但在活性層114發(fā)藍(lán)色光的情況下，如果將衍射面10 的周期設(shè)為300nm以上且1500nm以下，則能夠得到良好的光取出特性。另外、在上述實(shí)施方式中，表示了發(fā)光元件100為倒裝片型，但例如圖17所示，也可以將發(fā)光元件200設(shè)為面朝上型。圖17的發(fā)光元件200中，在藍(lán)寶石基板202上，III 族氮化物半導(dǎo)體層依次形成有緩沖層210、η型GaN層212、多量子阱活性層214、電子塊層 216、ρ型GaN層218，在ρ型GaN層218上形成有例如由ITOandium Tin Oxide)構(gòu)成的 P側(cè)透明電極220，并且在η型GaN層212上形成有η側(cè)電極224。在藍(lán)寶石基板202的背面?zhèn)刃纬捎欣缬葾l構(gòu)成的反射膜226。在該發(fā)光元件200中，反射膜226的藍(lán)寶石基板 202側(cè)的面形成反射面228，從活性層214發(fā)出的光通過衍射作用透過衍射面20 ,透過的光由反射面2 進(jìn)行反射。由此，利用衍射作用使透過的光再次向衍射面20 入射，在衍射面20 再次利用衍射作用使其透射，由此可以以多個(gè)模式將光取出到元件外部。另外，上述實(shí)施方式中，表示了在藍(lán)寶石基板102與III族氮化物半導(dǎo)體的界面形成衍射面10 的結(jié)構(gòu)，但例如圖18所示，也可以在發(fā)光元件300的表面形成衍射面31加。 圖18的發(fā)光元件300是所謂的薄膜型發(fā)光二極管，在導(dǎo)電性基板302上依次形成由高反射材料構(gòu)成的P側(cè)電極320、ρ型GaN層318、電子塊層316、多量子阱活性層314、η型GaN層 312。在η型GaN層312的表面的中央形成有η側(cè)電極324，η型GaN層312的η側(cè)電極324 以外的部分成為元件表面，在該部分形成有衍射面312a。該發(fā)光元件300中，與上述實(shí)施方式相同，衍射面31 和ρ側(cè)電極320的反射面322夾持著活性層314彼此配置于相反側(cè)。 該發(fā)光元件300中，衍射面31 成為η型GaN層312與元件外部的介質(zhì)的界面，且在該界面能夠得到衍射作用。另外，上述實(shí)施方式中，表示了在衍射面10 形成有多個(gè)凹部102c的結(jié)構(gòu)，但例如圖19所示，也可以在藍(lán)寶石基板402的衍射面40 形成多個(gè)凸部402c。圖19的發(fā)光元件400變更了圖17的發(fā)光元件200的衍射面40 ，將角柱狀的凸部402c以規(guī)定的周期在假想的正方格子的交點(diǎn)整齊排列地形成。而且，也可以將凹部或凸部設(shè)為三角錐狀、四角錐狀這種多角錘狀，當(dāng)然，具體的詳細(xì)構(gòu)造等可以適當(dāng)變更。產(chǎn)業(yè)上的可利用性本發(fā)明的半導(dǎo)體發(fā)光元件可以提高光取出效率，所以產(chǎn)業(yè)上有用。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體發(fā)光元件，具備半導(dǎo)體層疊部，其形成于基板的表面上，并含有發(fā)光層；衍射面，其形成于所述基板的表面?zhèn)?，入射從所述發(fā)光層發(fā)出的光，并以比該光的光學(xué)波長(zhǎng)長(zhǎng)且比該光的相干長(zhǎng)度小的周期形成有凹部或凸部；反射面，其形成于所述基板的背面?zhèn)?，反射由所述衍射面衍射的光并使其向所述衍射面再入射?br> 2.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體發(fā)光元件，其中，所述凹部或所述凸部的周期大于所述光學(xué)波長(zhǎng)的2倍。
3.如權(quán)利要求1或2所述的半導(dǎo)體發(fā)光元件，其中，所述凹部或所述凸部的周期為所述相干長(zhǎng)度的一半以下。
4.如權(quán)利要求1 3中任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體發(fā)光元件，其中， 所述發(fā)光層發(fā)出藍(lán)色光，所述周期為300nm以上且1500nm以下。
5.如權(quán)利要求1 4中任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體發(fā)光元件，其中，所述衍射面形成于折射率之差為0. 5以上的不同的材料彼此之間的界面。
全文摘要
一種半導(dǎo)體發(fā)光元件，抑制半導(dǎo)體層與透光性基板之間的反射，使光的取出效率提高。該半導(dǎo)體發(fā)光元件具備半導(dǎo)體層疊部，其形成于基板的表面上，并含有發(fā)光層；衍射面，其形成于所述基板的表面?zhèn)?，入射從發(fā)光層發(fā)出的光，且以比該光的光學(xué)波長(zhǎng)長(zhǎng)且比該光的相干長(zhǎng)度小的周期形成有凹部或凸部；反射面，其形成于基板的背面?zhèn)龋瓷溆裳苌涿嫜苌涞墓獠⑹蛊湎蜓苌涿嬖偃肷洹?br> 文檔編號(hào)H01L33/22GK102484183SQ20108003945
公開日2012年5月30日 申請(qǐng)日期2010年8月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月7日
發(fā)明者上山智, 北野司, 天野浩, 寺前文晴, 巖谷素顯, 赤崎勇, 近藤俊行, 鈴木敦志 申請(qǐng)人:崇高種子公司