TWI635624B - Semiconductor light emitting element and method of manufacturing same - Google Patents

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Abstract

本發明提供即使發光波長短亦可獲得光取出效率高、均一的光輸出的半導體發光元件、以及可以高再現性、高產量製造此半導體發光元件的半導體發光元件的製造方法。半導體發光元件，是具有含發光層的半導體層之半導體發光元件，半導體發光元件的表面包含光取出面。在光取出面及半導體發光元件內折射率互異的二層的界面的至少任一個，形成有：週期凹凸構造，具有比從發光層發射的光的波長的0.5倍還大的週期；以及微細凹凸構造，位於週期凹凸構造的表面上，具有光的波長的0.5倍以下的平均直徑。

Description

半導體發光元件及其製造方法
本發明是關於發光二極體(LED)等的半導體發光元件，特別是關於為了針對以元件內發出的光通向外部之光取出作改善的半導體發光元件及其製造方法。
半導體發光元件是由發光層、n型半導體層、p型半導體層、電極層、支持基板等數層而形成。因此，以半導體元件內部的發光層發出的光，是通過這些數層之後被取出至外部。然而，關於光，在通過折射率不同的介質的交界也就是層界面、表面等之時，必定會發生既定比例的反射。另外，光通過對上述光的波長(發光波長)具有吸收係數的介質層或反射之時，會發生既定比例的光吸收。因此，要有效率地將以發光層發出的光取出至半導體發光元件的外部，一般而言是困難的。
特別是光從折射率大的介質進到折射率小的介質時，會引起光的全反射，臨界角以上的光無法取出至外部。在半導體發光元件的表面、也就是空氣(或密封材料)與半導體元件的界面，由於兩介質間的折射率大，引起全反射的臨界角小，結果在界面被全反射的光的比例增大。
例如藍寶石基板的折射率n為1.8，對空氣的臨界角為33.7度。亦即，使用藍寶石作為構成半導體發光元件的基板 時、通過藍寶石基板向空氣側取出光線時，入射角大於33.7度的光會被全反射而無法被取出到外界。甚至折射率大的氮化鋁(AlN)基板(折射率n=2.29)的情況，臨界角成為25.9度，僅有更少的光能夠取出至外部。
使用利用三次元時域有限差分法(Finite-Difference Time-Domain method；FDTD法)的光放射傳播特性的理論計算，計算例如在AlN基板上層積AlGaN層的半導體發光元件中的光的取出效率。其結果，若亦考慮從AlGaN層內的發光部放射的波長265nm的光之內、位於從發光部所見與AlN基板為相反側的p型GaN層的吸收等，從AlN基板的表面(光取出面)側可以取出的光的取出效率極低，為約4%。
對於這樣的問題，以提升光取出效率為目的，有人提出在基板表面(光取出面)設置奈米尺度的凹凸構造的半導體發光元件。例如在專利文獻1中，揭露將具有藉由發光層發出的光的平均光學波長的2倍以下的平均週期的凹凸構造設於光取出面。藉由形成這樣的凹凸構成，提出減低在光取出面被全反射的光的部分的比例(亦即抑制在元件表面的光的反射)的方法。然而，在半導體發光元件的表面形成奈米尺度的凹凸構造，並不容易。另外，根據凹凸構造的形狀、發光波長等，光取出效率亦會大幅變動，無法獲得充分的效果。
由於發光波長變得愈短，所要求的凹凸構造的週期(例如凸構造的情況，凸構造的頂點部與鄰接的凸構造的頂點部為止的距離)就變得愈短，此凹凸構造的製作就變得困難。特別是發出紫外．深紫外波長區域的光的半導體發光元件 中，此凹凸構造的尺寸會成為以光微影法製作困難的領域。其結果，因為發生製作成本的增加、良率、產量變低等的問題，而無實用性。
在專利文獻1(特開2005-354020號公報)中，揭露為了形成奈米尺度的週期凹凸構造，在光取出面上形成將已蒸鍍的金屬加熱而使其凝集的奈米尺度的微細金屬罩幕、蝕刻此光取出面的表面的方法。然而利用這樣的凝集效果的週期罩幕，凹凸構造的配置為無序，其形狀的不均一性大。因此，從半導體發光元件輸出至外部的光的功率的變異度大，難以提供發射穩定、均質的光的半導體發光元件。
在非專利文獻1(ISDRS 2011,December 7-9,2011,College Park,MD,USA,WP2-04)中，揭露為了形成奈米尺度的凹凸構造，藉由溼蝕刻將基板表面粗面化的方法。然而，藉由使用溼蝕刻的手法而形成的凹凸構造亦由於成為形狀不均一的無序構造，光取出效率大幅變動，且光取出效率提升的效果亦不充分。
在非專利文獻2(Appl.Phys.Express 3(2010)061004)中，在發射深紫外的光的半導體發光元件中，藉由微影、乾蝕刻設置表面週期凹凸構造，但此凹凸構造的週期為500nm，是發光波長2倍程度大，無法得到光取出效率提升的充分效果。另外，光輸出的變異度亦極大。
【先行技術文獻】
【專利文獻】
【專利文獻1】特開2005-354020號公報
【非專利文獻】
【非專利文獻1】ISDRS 2011, December 7-9, 2011, College Park, MD, USA, WP2-04
【非專利文獻2】Appl. Phys. Express 3(2010)061004
如上所述，在基板表面(光取出面)設置奈米尺度的凹凸構造的半導體發光元件，是以提升光取出效率為目的而被提出，但在這樣的習知的發光元件中，凹凸構造的週期、構成凹凸構造的凸部的高度、形狀等的最佳值並不明確且會根據發光波長、基板的折射率等而變動，無法發揮充分的效果是為現狀。還有，隨著發光波長變為短波長，由於有必要在基板表面(光取出面)形成更小尺度的凹凸構造，此凹凸構造的製作便更加困難。因此，即使發光波長為短波長，仍以良好再現性、均一地形成使光取出效率充分提升的凹凸構造，而進一步使從半導體發光元件輸出至外部的光的功率均一化、安定化為很大的課題。
因此，本發明的目的是為了解決如上述的習知課題，而提供即使發光波長短亦可獲得光取出效率高、均一的光輸出的半導體發光元件、以及可以高再現性、高產量製造此半導體發光元件的半導體發光元件的製造方法。
根據本發明的半導體發光元件，是具有含發光層的半導體層之半導體發光元件，半導體發光元件的表面包含光取出面。在光取出面及半導體發光元件內折射率互異的二層的界面的至少任一個，形成有：週期凹凸構造，具有比從發光層發射的光的波長的0.5倍還大的週期；以及微細凹凸構造，位於週期凹凸構造的表面上，具有光的波長的0.5倍以下的平均直徑。
藉由本發明，可以得到獲得高的光取出效率的半導體發光元件。
11‧‧‧正電極
12‧‧‧p型半導體層
13‧‧‧活性層
14‧‧‧負電極
15‧‧‧n型半導體層
16‧‧‧基板
16A‧‧‧背面
21‧‧‧週期凹凸構造
22‧‧‧微細凹凸構造
D1、D2‧‧‧直徑
H1‧‧‧高度
L1‧‧‧週期
S10、S100‧‧‧基板準備步驟
S20、S200‧‧‧半導體層形成步驟
S30、S300‧‧‧電極形成步驟
S40、S400‧‧‧凹凸構造形成步驟
S41‧‧‧罩幕形成步驟
S42、S420‧‧‧蝕刻步驟
S43‧‧‧罩幕移除步驟
S410‧‧‧蝕刻罩幕製作步驟
S430‧‧‧蝕刻罩幕移除步驟
第1圖是本發明相關的半導體發光元件的實施的形態1的剖面模式圖。
第2圖是示於第1圖的半導體發光元件的光取出面的平面模式圖。
第3圖是在第2圖的線段III-III的部分剖面模式圖。
第4圖是用以說明示於第1圖的半導體發光元件的變形例之平面模式圖。
第5圖是用以說明示於第1圖的半導體發光元件的製造方法之流程圖。
第6圖是用以說明本發明相關的半導體發光元件的實施的形態2的平面模式圖。
第7圖是在第6圖的線段VII-VII的部分剖面模式圖。
第8圖是用以說明示於第6圖的半導體發光元件的變形例之平面模式圖。
第9圖是用以說明示於第6圖的半導體發光元件的製造方法之流程圖。
第10圖是用作實施例1的試樣的半導體發光元件之平面模式圖。
第11圖是在第10圖的線段XI-XI的剖面模式圖。
第12圖是示於第10圖的半導體發光元件的光取出面的掃描式電子顯微鏡照片。
第13圖是示於第10圖的半導體發光元件的光取出面的掃描式電子顯微鏡照片。
第14圖是顯示實施例1的實驗結果的圖表。
第15圖是用作實施例2的試樣的半導體發光元件的光取出面之掃描式電子顯微鏡照片。
第16圖是用作實施例2的試樣的半導體發光元件的光取出面之掃描式電子顯微鏡照片。
第17圖是用作實施例2的試樣的半導體發光元件的光取出面之掃描式電子顯微鏡照片。
第18圖是顯示實施例1的實驗結果的圖表。
第19圖是顯示實施例3的模擬計算結果的圖表。
第20圖是顯示實施例3的模擬計算結果的圖表。
第21圖是顯示實施例4的模擬計算結果的圖表。
第22圖是顯示實施例4的模擬計算結果的圖表。
第23圖是顯示實施例5的實驗結果的圖表。
第24圖是顯示實施例6的實驗結果的圖表。
第25圖是顯示實施例7的實驗結果的圖表。
第26圖是顯示實施例8及實施例9的實驗結果的圖表。
第27圖是顯示實施例中的實驗值與模擬計算結果的圖表。
【用以實施發明的形態】
首先，針對實施的形態的概要作說明。
(1)根據本實施形態之半導體發光元件，是具有含發光層(活性層13)的半導體層之半導體發光元件，半導體發光元件的表面包含光取出面。在光取出面及半導體發光元件內折射率互異的二層的界面的至少任一個，形成有：週期凹凸構造21，具有比從發光層發射的光的波長的0.5倍還大的週期；以及微細凹凸構造22，位於週期凹凸構造21的表面上，具有光的波長的0.5倍以下的平均直徑。
若是如此，由於在光取出面中形成因應從發光層發射的光的波長(發光波長)的週期的週期凹凸構造21及具有因應此波長的平均直徑的微細凹凸構造22，與在光取出面無這些凹凸構造的情況比較，可確實地提高光取出效率。亦即，即使是形成週期大於波長的週期凹凸構造的情況，藉由與微細凹凸構造組合，可以充分地提升光取出效率。進一步，發光波長為短波長(例如450nm以下、或是350nm以下)時，在根據本實施形態之半導體發光元件中，抑制週期凹凸構造的製造相關的成本的增加之效果變得顯著。另外，由於可以以比週期凹凸構造的發光波長還大的週期形成，均一的凹凸構造的形成則變得容 易。
(2)在上述半導體發光元件中，週期凹凸構造21的排列圖形可為三角格子狀。此時，週期凹凸構造21的凸形狀部的每單位面積的數量可容易變多。
(3)在上述半導體發光元件中，週期凹凸構造21可包含由折射率高於空氣的高折射率材料部構成的凸部(凸形狀部)。在對於從發光層(活性層13)向上述光取出面(基板16的背面16A)的方向垂直的面的凸部的截面積，可隨著遠離發光層(活性層13)而變小。若是如此，光取出面的外部介質為空氣時，可確實地提高從光取出面的光取出效率。
(4)在上述半導體發光元件中，凸部的形狀可為錐體形狀或半橢圓球形狀。此時，使用蝕刻等比較一般性的製程可容易地形成凸部。
(5)在上述半導體發光元件中，發光層可含III族氮化物半導體。半導體層可含：導電型為n型的n型III族氮化物半導體層(n型半導體層15)；以及導電型為p型的p型III族氮化物半導體層(p型半導體層12)，位於從發光層所見與n型III族氮化物半導體層的相反側。若使用這樣的III族氮化物半導體，可以獲得發射發光波長為450nm以下之所謂的短波長的光的半導體發光元件。
(6)上述半導體發光元件，可具有一透明性基板，配置於從發光層到光取出面側，對從發光層發射的光具有透明性。此時，可以將透明基板的背面(與形成有半導體層的主表面為相反側的背面)作為光取出面來使用。
(7)在上述半導體發光元件中，透明性基板可為氮化鋁基板。此時，可以大幅減低含由III族氮化物半導體構成的發光層的半導體層的缺陷密度。
(8)在上述半導體發光元件中，從發光層發射的光的波長可為450nm以下。這樣的發光波長為短波長時，可以顯著地獲得如上述的效果。
(9)在上述半導體發光元件中，週期凹凸構造21的高度H1相對於週期凹凸構造21的週期L1可為1/3倍以上、5倍以下；微細凹凸構造22的平均高度相對於微細凹凸構造22的平均直徑可為0.1倍以上、10倍以下。此時，可以確實地提升光取出效率。
(10)根據本實施形態之半導體發光元件，包含：氮化鋁構成的基板16；以及形成於基板16的主表面上的半導體層。半導體層包含：含III族氮化物半導體的發光層(活性層13)、配置為夾置發光層之導電型為n型的n型III族氮化物半導體層(n型半導體層15)及導電型為p型的p型III族氮化物半導體層(p型半導體層12)。從發光層發射的光的波長為350nm以下。在基板16位於與主表面為相反側的背面，形成有一週期凹凸構造21，週期凹凸構造21具有一週期，上述週期為從發光層發射的光的波長除以構成基板的氮化鋁的折射率與位於基板的外部的外部介質的折射率的差之值(評量值)的1/3倍以上、5倍以下。
此時，由於按照從發光層發射的光的波長(發光波長)、由AlN構成的基板16的折射率、與外部介質的折射率決定 週期凹凸構造21的週期，可以確實地提升從基板16的背面(光取出面)的光取出效率。
另外，上述週期較好為評量值的0.5倍以上、4倍以下，更好為1倍以上、3倍以下。
(11)在上述半導體發光元件中，週期凹凸構造21的排列圖形可為三角格子狀。此時，週期凹凸構造21的凸形狀部的每單位面積的數量可容易變多。
(12)在上述半導體發光元件中，週期凹凸構造包含凸部，凸部的形狀可為錐體形狀或半橢圓球形狀。此時，使用蝕刻等比較一般性的製程可容易地形成凸部。
(13)在上述半導體發光元件中，週期凹凸構造的高度相對於週期凹凸構造的週期可為1/3倍以上、5倍以下。此時，可以確實地提升光取出效率。
另外，上述高度較好為評量值的0.5倍以上、2倍以下，更好為0.6倍以上、1.8倍以下。
(14)根據本實施形態之半導體發光元件的製造方法，包含下列步驟：準備即將成為包含具有發光層的半導體層的半導體發光元件的元件構件；在上述元件構件，在即將成為上述半導體發光元件的光取出面的區域上，形成具有圖形的罩幕層；以及以上述罩幕層為罩幕，藉由蝕刻部分性地移除上述即將成為光取出面的區域，藉此形成週期凹凸構造。罩幕層為金屬罩幕層。在形成週期凹凸構造的步驟中，是藉由進行使用氟系氣體作為蝕刻氣體的乾蝕刻，形成週期凹凸構造，並在移除前述罩幕層的殘渣的步驟中，在週期凹凸構造的表面形成微 細凹凸構造。週期凹凸構造，具有超過從發光層發射的光的波長的0.5倍的週期。微細凹凸構造具有光的波長的0.5倍以下的平均直徑。另外，以週期凹凸構造與微細凹凸構造為由相同材質構成為特徵。若是如此，可以容易獲得根據本實施形態之半導體發光元件。
(15)根據本實施形態之半導體發光元件的製造方法，包含下列步驟：準備即將成為半導體發光元件的元件構件，上述半導體發光元件包含氮化鋁構成的基板、與形成於此基板的主表面上且具有發光層的半導體層；在元件構件，在即將成為半導體發光元件的光取出面的區域上，形成具有圖形的罩幕層；以及以罩幕層為罩幕，藉由蝕刻部分性地移除上述即將成為光取出面的區域，藉此形成週期凹凸構造。週期凹凸構造具有一週期，上述週期為從發光層發射的光的波長除以構成基板的氮化鋁的折射率與位於基板的外部的外部介質的折射率的差之值的1/3倍以上、5倍以下。若是如此，可以容易獲得根據本實施形態之半導體發光元件。
(16)在上述半導體發光元件中，週期凹凸構造21的週期，可為光的波長的1倍以上。此時，可容易製造週期凹凸構造21。
(17)在上述半導體發光元件中，週期凹凸構造21的週期，可為光的波長的2倍以上。另外，微細凹凸構造22的平均直徑，可為光的波長的0.4倍以下。此時，可避免半導體發光元件的製造成本的增加，還可確實地提高光取出效率。
(18)在上述半導體發光元件中，透明性基板可為藍 寶石基板。即使為這樣的構成，仍可獲得已提高光取出效率的半導體發光元件。
(19)在上述半導體發光元件中，從發光層發射的光的波長(發光波長)可為350nm以下。此時，在發射如上述的短波長的光的半導體發光元件，根據本實施形態之效果是顯著的。
接下來，針對發明的實施的形態的具體例，參照適當圖式作說明。不過，以下說明的發光元件，是為了將本發明的技術思想具體化者，而非將本發明限定在以下的元件。特別是以下揭露的構成構件的尺寸、材質、形狀、其相對性配置等只要無特定的記載，其宗旨並非將本發明的範圍限定在僅是上述情況，而僅為單純的說明例。另外，各圖式所示的零件的大小、位置關係等，會有為了明確地作說明而誇大的情況。另外，構成本發明的各元件，可以是以同一零件構成複數個元件而作為以一個零件兼用複數個元件的樣態，亦可以是相反地以複數個零件分擔實現一個零件的功能。還有，針對以下揭露的各實施例，亦同樣地只要無特別排除的記載，可以適當組合各構成等而應用。
(實施的形態1)
第1~3圖，是概念性地顯示本發明第一實施形態相關的半導體發光元件的構造。請參考第1~3圖，半導體發光元件主要具有由AlN(氮化鋁)構成的基板16、n型半導體層15、活性層13、p型半導體層12、正電極11與負電極14。在基板16的主表面上，形成有n型半導體層15。在n型半導體層15的局部表 面先形成有凸部，在此凸部上形成有活性層13。在活性層13上，形成有p型半導體層12。在p型半導體層12上，形成有正電極11。另外，在n型半導體層15的表面，在未形成上述凸部的區域則形成有負電極14。
從作為發光層的活性層13發射的光的波長為350nm以下。在基板16，在位於與主表面為相反側的背面，形成有一週期凹凸構造21，週期凹凸構造21具有一週期L1，週期L1為從活性層13發射的光的波長除以構成基板16的氮化鋁的折射率與位於基板16的外部的外部介質的折射率的差之值(基準值)的1/3倍以上、5倍以下。
以下，針對各元件作個別說明。
<基板>
作為基板16，可選用可在表面磊晶成長氮化物半導體結晶的基板、且滿足對半導體發光元件所發的光的波長區透光率高(例如此光的透光率50%以上)的基板。例如，作為基板16的材料，可列舉上述的AlN、甚至藍寶石、GaN等。
基板16，如上所述在光取出面(背面)形成有週期凹凸構造21。具體而言，週期凹凸構造21含凸形狀部，此凸形狀部為如第2圖及第3圖所示的錐體形狀(例如具有底面的直徑D1、從底面到頂點的高度H1、側面與底面所成的角度θ的錐體形狀)。另外，凸部形狀亦可是如第4圖所示的半橢圓球形狀。
另外，週期凹凸構造的排列(凸形狀部的排列)，只要是三角格子排列、正方格子排列、六方格子排列等週期排列方法即可，較好為填充因子(filling factor)為最大的三角格子排 列。還有，週期凹凸構造21，可具有其值為從半導體發光元件的發光波長除以構成基板16的氮化鋁的折射率與位於基板16的外部的外部介質的空氣的折射率的差之值(基準值)的1/3倍以上、5倍以下的週期L1。另外，週期凹凸構造21的高度H1，較好為相對於此週期L1的1/3倍以上、5倍以下的範圍。
另外，上述週期凹凸構造21的週期L1，更好為上述基準值的0.5倍以上、4倍以下，再更好為1倍以上、3倍以下。若是如此，可以更確實地提升光取出效率。另外，週期凹凸構造21的高度H1，相對於此週期L1較好為0.5倍以上、2倍以下，更好為0.6倍以上、1.8倍以下。若是如此，亦可以更確實地提升光取出效率。
接下來，針對週期凹凸構造21的製作方法，在以下敘述。週期凹凸構造21可藉由以下製程製作：第一、蝕刻罩幕製作步驟(第5圖的步驟(S41))；第二、蝕刻步驟(第5圖的步驟(S42))；第三、罩幕移除步驟(第5圖的步驟(S43))。蝕刻罩幕製作步驟是在基板16的背面上製作蝕刻罩幕圖形的步驟，可應用電子束微影法、光微影法、奈米壓印微影法等任意的方法。另外，為了提升在蝕刻步驟的蝕刻選擇比，藉由上述任意的方法形成具有圖形的罩幕圖形(例如為阻劑罩幕)後，沉積金屬而覆蓋此罩幕圖形，之後藉由舉離法與罩幕圖形一起移除此金屬的一部分，製作金屬的罩幕圖形亦可。
以罩幕圖形作為蝕刻罩幕，蝕刻基板16的背面，在基板16的背面形成所欲的圖形。蝕刻的手法可以應用感應耦合電漿(ICP)蝕刻、反應性離子蝕刻(RIE)等的乾蝕刻、或是使 用酸性溶液或鹼性溶液作為蝕刻液的溼蝕刻等。在此處，為了形成週期性高的圖形，較好為應用乾蝕刻。在使用乾蝕刻的蝕刻步驟中，可使用阻劑等的樹脂材料、金屬等作為蝕刻罩幕，另外作為蝕刻氣體者，可應用氯系氣體、氟系氣體、溴系氣體等。還有，亦可使用在上述的蝕刻氣體混合氫、氧等的氣體。
上述蝕刻步驟後，實施罩幕移除步驟。亦即，移除蝕刻罩幕的殘渣。蝕刻罩幕的殘渣的移除方法，藉由此蝕刻罩幕的材質作適當決定即可。例如，若蝕刻罩幕的材質是金屬，使用對此金屬具有溶解性的酸性溶液、鹼性溶液而除去殘渣即可。
另外，在週期凹凸構造21之上，可形成樹脂或玻璃、石英等的密封材。進一步在密封材的表面，可形成凹凸構造。此凹凸構造的構成，可以與上述週期凹凸構造21為同樣的構成。
<層積半導體層>
層積半導體層是由III族氮化物半導體構成，如第1圖所示，是在基板16上依序層積n型半導體層15、活性層13及p型半導體層12而成。層積半導體層是以有機金屬化學氣相沉積法(MOCVD法)、有機金屬氣相磊晶法(MOVPE法)、分子束磊晶法(MBE法)、氫化物氣相磊晶法(HVPE法)等層積。
n型半導體層：
n型半導體層15較好是由AlxInyGaNz(x、y、z是滿足0<x≦1.0、0≦y≦0.1、0≦z<1.0的有理數且x+y+z=1.0)構成的半導體層，含n型不純物。作為不純物者，並未特別限定， 可列舉矽(Si)、鍺(Ge)、錫(Sn)等，較好可列舉Si、Ge。n型不純物的濃度可為1.0×1017/cm3以上、1.0×1020/cm3以下。另外，從n型半導體層15的結晶性及接觸特性的兩觀點，較好為：n型不純物的濃度為1.0×1018/cm3以上、1.0×1019/cm3以下。
另外，n型半導體層15的膜厚為100nm以上、10000nm以下。另外，從n型半導體層15的結晶性及接觸特性的兩觀點，較好為：n型半導體層15的膜厚為500nm以上、3000nm以下。
活性層：
活性層13具有多重量子井構造。活性層13是由以下二層交互層積的層積構造構成：由AlxInyGaNz(x、y、z是滿足0<x≦1.0、0≦y≦0.1、0≦z<1.0的有理數且x+y+z=1.0)構成的井層；以及能隙能量較此井層的能隙能量大的由AlxInyGaNz(x、y、z是滿足0<x≦1.0、0≦y≦0.1、0≦z<1.0的有理數且x+y+z=1.0)構成的阻障層。井層的膜厚為1nm以上，較好為2nm以上。阻障層的膜厚為1nm以上，較好為2nm以上。
p型半導體層：
p型半導體層12是由例如p型披覆層及p型接觸層構成。p型披覆層是由AlxInyGaNz(x、y、z是滿足0<x≦1.0、0≦y≦0.1、0≦z<1.0的有理數且x+y+z=1.0)構成。由於有必要將電子封入活性層13，較好為p型披覆層的能隙能量大於構成活性層13的半導體層的能隙能量。因此，p型披覆層的Al成分，較好為大於構成活性層13的半導體層的Al成分。
作為p型披覆層的不純物者，可列舉適用的為鎂(Mg)。Mg的濃度(摻雜濃度)為1.0×1017/cm3以上，較好為1.0×1017/cm3以上。p型披覆層的膜厚為5nm以上、1000nm以下，較好為10nm以上、50nm以下。
p型接觸層是由AlxInyGaNz(x、y、z是滿足0<x≦1.0、0≦y≦0.1、0≦z<1.0的有理數且x+y+z=1.0)構成。p型接觸層的Al成分較好為小於p型披覆層的Al成分。其理由是p型接觸層的能隙能量小於p型披覆層的能隙能量的情況，容易獲得良好的接觸特性。作為p型接觸層的不純物者，與p型披覆層同樣可列舉適用的為鎂(Mg)。Mg的摻雜濃度可為1.0×1017/cm3以上。p型接觸層的膜厚，從紫外光的穿透性與在p型接觸層的接觸特性的觀點，為1nm以上、50nm以下，較好為5nm以上、30nm以下。
<負電極層>
負電極14是形成於n型半導體層15的曝露面(圍繞n型半導體層15的凸部的上表面)。n型半導體層15的曝露面是藉由局部移除(例如藉由蝕刻等移除)n型半導體層15的一部分及活性層13、p型半導體層12等而形成。作為蝕刻的手法者，可適用反應性離子蝕刻、感應耦合電漿蝕刻等的乾蝕刻。形成n型半導體層15的曝露面後，為了移除n型半導體層15中在被蝕刻面(曝露面)受到蝕刻造成的損傷的部分，較好為以酸性或鹼性溶液施以表面處理。其後，在上述n型半導體層15的曝露面形成具有歐姆特性的負電極14。
負電極14、正電極11等的電極的圖形化，可使用 舉離法來實施。具體而言，在電極形成面塗佈光阻之後，藉由具備光罩的UV曝光機對光阻局部性地照射紫外線。其後，使光阻浸漬於顯影液，藉由使感光的光阻溶解而形成所需圖形的阻劑膜。使即將成為電極的金屬膜沉積於已被圖形化的阻劑膜上。然後，以剝離液溶解阻劑膜，並移除位於阻劑膜上的金屬膜，藉此使位於未形成阻劑膜的區域的金屬膜殘留，形成具有既定的圖形的金屬膜(電極)。
作為電極的圖形化的手法者，還可列舉以下的手法。亦即，在電極形成面(例如n型半導體層15的曝露面)形成即將成為電極的金屬膜。然後，在金屬膜上塗佈光阻後，經曝光、顯影步驟而將光阻圖形化。其後，以上述被圖形化的光阻(阻劑膜)為罩幕，以乾蝕刻或溼蝕刻局部地移除金屬膜。其後，以剝離液溶解光阻。如此，亦可形成電極。另外，上述舉離法與在金屬膜上形成阻劑圖形的圖形化手法比較，由於步驟簡略而較適用。
沉積構成負電極14的金屬膜的手法，可使用真空蒸鍍法、濺鍍法、化學氣相沉積法等任意的方法，但從排除金屬膜中的不純物的觀點，較好為使用真空蒸鍍法。用於負電極14的材料，可列舉各種材料而可從已知的材料選擇。沉積即將成為負電極14的金屬膜後，為了提升n型半導體層15與負電極14的接觸性，較好為以300℃以上、1100℃以下的溫度並以30秒以上、3分鐘以下的加熱時間的條件施以熱處理。針對熱處理的溫度及加熱時間，按照構成負電極14的金屬的種類以及金屬膜的膜厚以適當最佳的條件實施即可。
<正電極層>
正電極11，是形成於p型半導體層12中的p型接觸層上。正電極11的圖形化，較好為與負電極14的圖形化同樣使用舉離法。用於正電極11的材料，可列舉各種材料而可從已知的材料選擇。另外，由於正電極11較好為具有透光性，正電極11的厚度愈薄愈好。具體而言，正電極11的厚度為10nm以下、更適用為5nm以下。
作為沉積即將成為正電極11的金屬膜的手法者，與負電極14的形成同樣可使用真空蒸鍍法、濺鍍法、化學氣相沉積法等任意的方法，但為了極力排除金屬膜中的不純物，較好為使用真空蒸鍍法。沉積即將成為正電極11的金屬膜後，為了提升與p型接觸層的接觸性，較好為以200℃以上、800℃以下的溫度並以30秒以上、3分鐘以下的時間施以熱處理。針對熱處理的溫度及時間，按照構成正電極11的金屬的種類以及正電極11的厚度選擇適當最佳的條件實施即可。
上述的半導體發光元件，是藉由如第5圖所示的製造步驟製造。亦即，請參考第5圖，首先實施基板準備步驟(S10)。在此步驟(S10)中，準備由AlN構成的基板。另外，在此階段尚未在基板的背面形成週期凹凸構造21。其次，實施半導體層形成步驟(S20)。在此步驟(S20)中，在基板16的主表面上，形成由p型半導體層12、活性層13、n型半導體層15構成的層積半導體層。這些p型半導體層12、活性層13、n型半導體層15分別如上述可藉由MOCVD法、MOVPE法等任意的方法形成。
接下來，實施電極形成步驟(S30)。在此步驟中， 藉由蝕刻移除p型半導體層12、活性層13n型半導體層15的一部分，藉此如第1圖所示形成n型半導體層15的曝露面。另外，使用舉離法等，在p型半導體層12上形成正電極11、在n型半導體層15的曝露面上形成負電極14。
之後，實施凹凸構造形成步驟(S40)。在此步驟(S40)中，首先實施罩幕形成步驟(S41)。在此步驟(S41)中，如上述使用微影法等在基板16的背面上形成蝕刻罩幕圖形。其次，實施蝕刻步驟(S42)。在此步驟(S42)中，對基板16的背面以上述蝕刻罩幕圖形為罩幕進行蝕刻。其結果，形成週期凹凸構造21。然後，下一步實施罩幕移除步驟(S43)。在此步驟(S43)中，藉由任意的方法移除蝕刻罩幕的殘渣。如此一來，可獲得示於第1圖的半導體發光元件。
(實施的形態2)
本發明的實施的形態2相關的半導體發光元件，基板上具有與第1~3圖所示的半導體發光元件同樣的構造，但基板16的背面的構成則與第1~3圖所示的半導體發光元件不同。第6圖是概念性地顯示本發明的實施的形態2相關的半導體發光元件的基板16中的背面的平面構造。請參考第6圖，在本發明的實施的形態2中的半導體發光元件中，使用基板16的背面作為光取出面的一例，在此基板16的背面形成有週期凹凸構造21。然後，進一步在此週期凹凸構造21的表面形成有微細凹凸構造22。
亦即，示於第6圖的半導體發光元件，是具有含活性層13的半導體層，此活性層13是發光層，半導體發光元件的 表面包含作為光取出面的基板16的背面。在光取出面及半導體發光元件內折射率互異的二層的界面的至少任一個，形成有：週期凹凸構造21，具有比從活性層13發射的光的波長的0.5倍還大的週期L1；以及微細凹凸構造22，位於週期凹凸構造21的表面上，具有光的波長的0.5倍以下的平均直徑(直徑D2的平均值)。另外，平均直徑是分別測量以週期凹凸構造21的一週期為一邊的長度的正方形區域所含的微細凹凸構造22的直徑，而可藉由那些直徑的平均值決定。
另外，在此處使用基板16的背面作為光取出面的一例，而以在此基板16的背面16A形成週期凹凸構造21等為例來作說明，但形成上述週期凹凸構造21及微細凹凸構造22的場所不限於光取出面。亦即，形成週期凹凸構造21及微細凹凸構造22的場所只要在半導體發光元件內的折射率不同的層彼此的界面即可。例如在基板16的背面16A上形成密封材等的其他構件時的此背面16A與密封材(其他構件)的界面、或是亦可在半導體發光元件內的半導體層等折射率不同的層彼此的界面等，形成上述週期凹凸構造21及微細凹凸構造22。
另外，如果如上述在基板16的背面上形成密封材等的其他構件，此密封材表面(其他構件表面)就成為對於外部的光取出面。而且此時，除了折射率差最大的界面(例如此背面16A與密封材(其他構件)的界面)外，在密封材表面之成為光取出面的部分，亦可形成上述週期凹凸構造21與微細凹凸構造22。
本實施形態相關的半導體發光元件，p型半導體層 12、活性層13、n型半導體層15、正電極11、負電極14的構成基本上與第1~3圖所示的半導體發光元件同樣，另一方面，如上述，基板16的構成則與第1~3圖所示的半導體發光元件不同。因此，針對基板16的構成作說明。
<基板>
基板16的材質、特性等，基本上與第1~3圖所示的半導體發光元件中的基板16同樣，例如可使用藍寶石、AlN、GaN等。基板16，如上所述在光取出面(背面)具有週期凹凸構造21。具體而言，週期凹凸構造21含凸形狀部，此凸形狀部為如第6圖及第7圖所示的錐體形狀。另外，凸部形狀亦可是如第8圖所示的半橢圓球形狀。
另外，週期凹凸構造21的排列，只要是三角格子排列、正方格子排列、六方格子排列等週期排列方法即可，較好為填充因子為最大的三角格子排列。還有，週期凹凸構造21，可具有相對於半導體發光元件的發光波長超過0.5倍的範圍的週期L1。另外，週期凹凸構造21的高度H1(凸形狀部的高度H1)，較好為相對於週期L1的1/3倍以上、5倍的範圍。
作為上述週期凹凸構造21的週期L1的數值範圍之例者，可例如為上述發光波長的2/3倍以上、1000倍以下，或是2倍以上、100倍以下。若是如此，可以更確實地提升光取出效率，同時可以抑制製造成本、可以獲得更均一的元件形狀與光輸出。另外，週期凹凸構造21的高度H1，相對於此週期L1較好為1/2倍以上、3倍以下，更好為3/4倍以上、2倍以下。若是如此，可以更確實地提升光取出效率，同時可以抑制製造成 本、可以獲得更均一的元件形狀與光輸出。
進一步，在形成有週期凹凸構造21的基板16的背面，在週期凹凸構造21的表面，形成比週期凹凸構造21小的微細凹凸構造22。微細凹凸構造22是配置在週期凹凸構造21的凸形狀部的表面與週期凹凸構造21的凹部(位於凸形狀部之間的平坦部)。微細凹凸構造22的平均直徑為半導體發光元件的發光波長的1/2以下，微細凹凸構造22的高度較好為平均直徑的0.1倍以上、10倍以下的範圍。另外，微細凹凸構造22的高度，更好為0.2倍以上、5倍以下，更好為0.5倍以上、2倍以下。微細凹凸構造22的微細凸形狀部，較好為具有錐體形狀或半橢圓球形狀。
上述的微細凹凸構造22的平均直徑，更好為上述發光波長的1/30倍以上、2/5倍以下，再更好為1/10倍以上、3/10倍以下。若是如此，可以更確實地提升光取出效率。另外，微細凹凸構造22的平均高度，相對於此平均直徑較好為0.2倍以上、5倍以下，更好為0.5倍以上、2倍以下。若是如此，可以更確實地提升光取出效率。
另外，微細凹凸構造22平均高度，是分別測量以週期凹凸構造的一週期為一邊的長度的正方形區域所含的微細凹凸構造的高度，而可藉由那些高度的平均值決定。
其次，針對凹凸構造的製作方法在以下敘述。上述週期凹凸構造21與微細凹凸構造22，可藉由以下製程製作：第一、蝕刻罩幕製作步驟(第9圖的步驟(S410))；第二、蝕刻步驟(第9圖的步驟(S420))；第三、蝕刻罩幕移除步驟(第9圖的步 驟(S430))。蝕刻罩幕製作步驟是在基板製作蝕刻罩幕圖形的步驟，可應用電子束微影法、光微影法、奈米壓印微影法等。另外，為了提升在蝕刻步驟的蝕刻選擇比，亦可在藉由上述任意的方法形成具有圖形的罩幕圖形(例如阻劑罩幕)後，沉積金屬而覆蓋此罩幕圖形，其後藉由舉離法隨著罩幕圖形一併移除此金屬的一部分，藉此製作金屬的罩幕圖形。
在此處，在微細凹凸構造22的形成，較好為以舉離法形成金屬的罩幕，更好為藉由鎳膜構成金屬的罩幕。其理由是，在蝕刻步驟(S420)被蝕刻的鎳粒子或鎳與蝕刻氣體的反應物再附著於基板16的背面，作用為奈米尺寸的蝕刻罩幕而可以確實地形成微細凹凸構造22。
以罩幕圖形為蝕刻罩幕，蝕刻基板16的背面而在基板16的背面形成所欲的圖形。蝕刻的手法可以應用感應耦合電漿(ICP)蝕刻、反應性離子蝕刻(RIE)等的乾蝕刻、或是使用酸性溶液或鹼性溶液作為蝕刻液的溼蝕刻等。在此處，為了形成週期性高的圖形，較好為應用乾蝕刻。
在使用乾蝕刻的蝕刻步驟中，可使用阻劑等的樹脂材料、金屬等作為蝕刻罩幕。進一步，作為蝕刻氣體之反應氣體者，較好可應用氯系氣體、氟系氣體、溴系氣體等，另外亦可使用在的蝕刻氣體混合氫、氧、氬等的氣體。另外，為了形成微細凹凸構造22，較好為使用氟系氣體作為乾蝕刻氣體，特別是含碳的氟系氣體。
或者，在上述罩幕製作步驟前，亦可藉由對基板16的背面作乾蝕刻、濕蝕刻等而預先予以粗面化。此時，在此 粗面上藉由上述製程形成週期凹凸構造21，可製作週期凹凸構造21與微細凹凸構造22的組合。
另外，亦可在形成週期凹凸構造21後，將金屬、陶瓷等的微粒子配置於基板16的背面(已形成有週期凹凸構造21的表面)，以微粒子為蝕刻罩幕而施以乾蝕刻。這麼作亦可製作週期凹凸構造21與微細凹凸構造22的組合。上述微粒子的配置方法，可列舉將已溶解微粒子的溶劑塗佈於基板16的背面而予以乾燥的方法、在基板16的背面上形成金屬薄膜後再加熱而使金屬薄膜的金屬凝集的方法等，可使用任何的方法。
如上所述，使週期凹凸構造21與微細凹凸構造22共存的製作方法有各式各樣，但考慮到製程的簡便性，最好是以含碳的氟系氣體蝕刻金屬罩幕的手法。
蝕刻步驟後，移除蝕刻罩幕的殘渣作為罩幕移除步驟。針對蝕刻罩幕的殘渣的移除方法，可使用在實施的形態1所示的方法。
另外，在週期凹凸構造21與微細凹凸構造22的組合之上，可形成樹脂、玻璃、石英等的密封部。進一步在密封部的表面，可形成週期凹凸構造21與微細凹凸構造22的組合、或是週期凹凸構造21或微細凹凸構造22。
上述本實施形態相關的半導體發光元件，是藉由如第9圖所述的製程來製造。亦即，請參考第9圖，實施基板準備步驟(S100)~電極形成步驟(S300)。這些步驟(S100)~(S300)，基本上是可以與示於第5圖的步驟(S10)~(S30)同樣地實施。
之後，實施凹凸構造形成步驟(S400)。在此步驟 (S400)中，首先實施罩幕形成步驟(S410)。在此步驟(S410)中，如上述使用微影法等在基板16的背面上形成由金屬構成的蝕刻罩幕圖形。其次，實施蝕刻步驟(S420)。在此步驟(S420)中，對基板16的背面以上述蝕刻罩幕圖形為罩幕，藉由含碳的氟系氣體進行蝕刻。其結果，形成週期凹凸構造21及微細凹凸構造22。然後，下一步實施罩幕移除步驟(S430)。在此步驟(S430)中，藉由任意的方法移除蝕刻罩幕的殘渣。如此一來，可獲得示於第6圖的半導體發光元件。
另外，上述週期凹凸構造21及微細凹凸構造22，亦可不形成於基板16的背面，而形成在半導體發光元件內折射率不同的二層的界面。此時，亦會減低從發光層發射的光在此界面被反射．全反射的比例，結果可以提高半導體發光元件的光的取出效率。
在此處，列舉本發明的特徵性的構成，會有與上述的實施形態一部分重複的部分。
亦即，本發明的一樣態，其特徵在於在半導體發光元件的表面(基板16的背面16A、或是在基板16的背面16A上配置密封材等的其他構件時則為此其他構件的表面等為光取出面的一例)、或半導體發光元件內的折射率不同的層彼此的界面(例如在基板16的背面16A上配置樹脂等的情況的背面16A與樹脂的界面、或是半導體發光元件內的半導體層等中折射率不同的層彼此的界面等)，將具有超過發光波長的0.5倍的週期的週期凹凸構造21與具有相對於發光波長的1/2以下的平均直徑的微細凹凸構造22，一併形成在同一表面(或界面)上。
此時，由於在週期凹凸構造21彼此的間隙的平坦面部、週期凹凸構造21表面上等，形成有比週期凹凸構造小尺度的微細凹凸構造22，與週期凹凸構造21以單體存在的情況比較，可更緩和在表面．界面的折射率差而抑制反射、全反射等。
另外，在週期凹凸構造21單體的情況，通常為了提高光取出效率，有必要形成在波長以下程度的小尺度的週期凹凸構造21；而在本實施樣態的構造中，即使是尺寸大於波長的週期凹凸構造21，藉由與微細凹凸構造22組合，仍可充分地提高光取出效率。也就是，即使發光波長為短波長，仍藉由降低花費於光取出構造的製作的成本、加上擴大製程範圍(process window)，而容易製作均一的構造。
還有，週期凹凸構造21的排列圖形較好為三角格子狀。
還有，週期凹凸構造21的形狀，較好為高折射率介質的剖面面積隨著從底部往頂點方向(光取出方向)前進而遞減。
還有，週期凹凸構造21的形狀為凸形狀，此凸形狀較好為錐體形狀或半橢圓球形狀。
本發明的一樣態具有以下的特徵，但並非將本發明限定為以下的樣態。
以具備具有n型III族氮化物半導體層(n型半導體層15)、III族氮化物半導體發光層(活性層13)及p型III族氮化物半導體層(p型半導體層12)的半導體層積構造為特徵。
以具備具有覆晶構造、在從III族氮化物半導體發 光層到光取出面側對發光波長具有透明性的透明性基板(基板16)為特徵。
以透明性基板為氮化鋁(AlN)基板或藍寶石基板為特徵。
以發光波長為450nm以下或350nm以下為特徵。
以週期凹凸構造21的高度為相對於週期的1/3~5倍的範圍、微細凹凸構造22的平均高度為相對於平均直徑的1/10~5倍的範圍為特徵。
另外本發明的另一樣態的特徵在於：具備具有AlN基板(基板16)、n型III族氮化物半導體層(n型半導體層15)、III族氮化物半導體發光層(活性層13)及p型III族氮化物半導體層(p型半導體層12)的半導體層積構造，發光波長為350nm以下，在AlN基板表面上形成有具有相對於發光波長/(AlN基板的折射率與外部介質的折射率的差)的1/3~5倍的範圍的週期之週期凹凸構造21。
還有，週期凹凸構造21的排列圖形較好為三角格子狀。
還有，週期凹凸構造21的形狀為凸形狀，此凸形狀較好為錐體形狀或半橢圓球形狀。
還有，週期凹凸構造21的高度，較好為相對於週期的1/3~5倍的範圍。
另外，本發明的另一樣態的特徵在於其為上述半導體發光元件的製造方法，包含下列步驟：週期性地加工有機系薄膜；使用有機膜(有機系薄膜)形成金屬罩幕；使用罩幕藉 由乾蝕刻法，形成週期凹凸構造21。
還有，以包含下列步驟為特徵：藉由使用金屬罩幕與氟系氣體的乾蝕刻法，同時形成週期凹凸構造21與微細凹凸構造22。
此時，藉由使用金屬罩幕與氟系氣體的乾蝕刻法，由於可人工式地均一．高純度地製作週期凹凸構造，加上藉由乾蝕刻後的以剝離金屬罩幕為目的的酸處理，在週期凹凸構造彼此的間隙的平坦面部、週期凹凸構造21表面等之上自發性第形成尺度遠小於波長的微細凹凸構造22，可以在一道製程同時形成週期凹凸構造21與微細凹凸構造22。藉此，可以均一．高精度地製作尺寸與波長同程度或大於波長、形狀的變化對特性賦予重大影響的週期凹凸構造21；且可以自發性地、綿密地形成尺度遠小於波長、形狀變化未對特性賦予太大影響的微細凹凸構造22。另外，以週期凹凸構造21與微細凹凸構造22是由相同材質構成為特徵。結果，提高加工形狀的均一性、製程的再現性，而可以在提高光取出效率與其均一性的同時，抑制製造成本在低水平。
根據本發明，藉由組合尺度不同的週期凹凸構造21與微細凹凸構造22，有效地抑制在基板表面(光取出面)、界面等的反射、全反射等。另外在可擴展製程範圍之下，發光波長即使是短波長，仍可以以高度的再現性、產量來製作可獲得高光取出效率與均一的光輸出的半導體發光元件。更進一步，在本岸明中，藉由同時製作週期凹凸構造21與微細凹凸構造22的製造方法，可以在提高加工形狀的均一性、製程的再現性且 提高光取出效率及其均一性的同時，抑制製造成本在低水平。
【實施例1】
基於本發明的上述實施形態相關的半導體發光元件的構造，如第10圖及第11圖所示，製作實施例1相關的半導體發光元件。具體而言，在由單晶AlN構成的基板16上，藉由MOCVD法依序成長n型半導體層15、活性層13(發光層)、p型半導體層12而得到發光元件基板，在此發光元件基板，將正電極11及負電極14配置在既定的位置。含半導體發光元件的發光層的磊晶層，是以與上述實施的形態同樣的AlGaN系半導體構成，元件的發光波長為265nm。
在與已製作的半導體發光元件基板的磊晶層為相反側的基板面(光取出面)，塗佈電子束阻劑，藉由以覆蓋半導體發光元件的發光部的方式作對準而作電子束描繪，製作蝕刻罩幕圖形。發光部是直徑100μm的圓形的區域，以發光部的中心為描繪中心，將描繪區域設為900μm×900μm。描繪圖形設為直徑220nm、圖形週期300nm，圖形排列設為三角格子排列。其次，在蝕刻罩幕圖形之上，藉由真空蒸鍍法沉積100nm~500nm的鎳。沉積鎳的理由如同在上述的實施的形態所說明，是為了提高基板16與蝕刻罩幕圖形的蝕刻選擇比。鎳的沉積後，將半導體發光元件基板浸漬於電子束阻劑的剝離液而移除阻劑及位於此阻劑上的鎳(舉離法)。這麼作，在基板16的背面上形成由鎳構成的罩幕圖形。
接下來，將上述半導體發光元件基板導入ICP蝕刻裝置，使用三氟甲烷(CHF3)氣體施以10分鐘~30分鐘的蝕刻處 理。其後，為了移除鎳的罩幕圖形，將半導體發光元件基板在20℃~30℃的鹽酸浸漬15分鐘。此時，為了防止半導體發光元件基板的電極金屬因鹽酸而腐蝕，在半導體發光元件基板的電極形成面預先塗佈光阻再使其硬化而作為保護膜使用。浸漬於鹽酸後，以超純水清洗半導體發光元件基板，再以剝離液溶解作為保護膜的光阻。
藉此，製作具有圓錐底部的直徑250nm、週期L1為300nm、高度H1為250nm的錐體構造的基板16構成之實施例1的紫外發光的半導體發光元件。已製作的凹凸構造的掃描式電子顯微鏡照片示於第12圖及第13圖。
準備在基板16形成凹凸構造前的紫外發光的半導體發光元件(比較例1)作為相對於實施例1的比較例。然後，針對這些實施例及比較例1的試樣，測定光輸出。將其結果示於第14圖。
請參考第14圖，橫軸是顯示以比較例1為基準的情況之實施例的光輸出比，縱軸是顯示試樣個數。以比較例1的光輸出為1.00時，實施例的光輸出比的平均值為1.31。第14圖是表示實施例1的試樣之紫外發光的半導體發光元件的光輸出比的直方圖。另外，實施例1的光輸出比的標準差為0.031，相當於光輸出比平均值的2.3%。亦即，實施例1的試樣，顯示其為發光輸出的變異程度極小的半導體發光元件。
【實施例2】
基於本發明的上述實施形態相關的半導體發光元件的構造，製作實施例2相關的半導體發光元件。另外，實施 例2相關的半導體發光元件的構成，基本上是與實施例1中的半導體發光元件同樣。亦即，在由單晶AlN構成的基板16上，藉由MOCVD法依序成長n型半導體層15、活性層13(發光層)、p型半導體層12而得到發光元件基板，在此發光元件基板，將正電極11及負電極14配置在既定的位置。含半導體發光元件的發光層的磊晶層，是以與上述實施的形態同樣的AlGaN系半導體構成，元件的發光波長為265nm。
在與已製作的半導體發光元件晶圓的發光元件層為相反側的基板面(光取出面)，塗佈電子束阻劑，藉由以覆蓋半導體發光元件的發光部的方式作對準而作電子束描繪，製作蝕刻罩幕圖形。發光部是直徑100μm的圓區域，以發光部的中心為描繪中心，將描繪區域設為900μm×900μm。描繪圖形設為直徑300nm、圖形週期600nm，圖形排列設為正三角格子排列。其次，在罩幕圖形之上，藉由真空蒸鍍法沉積100nm~500nm的鎳。沉積鎳的理由與記載於實施例1的理由同樣。鎳的沉積後，將半導體發光元件基板浸漬於電子束阻劑的剝離液而移除阻劑及位於此阻劑上的鎳(舉離法)。這麼作，在基板16的背面上形成由鎳構成的罩幕圖形。
接下來，將上述半導體發光元件基板導入ICp蝕刻裝置，使用三氟甲烷(CHF3)氣體施以30分鐘~80分鐘的蝕刻處理。藉由調整鎳膜厚與蝕刻時間，控制是否出現微細凹凸構造與形狀。最後，為了移除鎳的罩幕圖形，將半導體發光元件基板在已加熱至60℃~90℃的鹽酸浸漬15分鐘。此時，為了防止半導體發光元件基板的電極金屬因鹽酸而腐蝕，在半導體發光 元件基板的電極形成面預先塗佈光阻再使其硬化而作為保護膜使用。浸漬於鹽酸後，以超純水清洗，再以剝離液溶解作為保護膜的光阻。
藉此，製作具有圓錐底部的直徑600nm、週期600nm、高度550nm的週期凹凸構造與平均直徑52nm、平均高度52nm的微細凹凸構造的基板構成之實施例2的紫外發光的半導體發光元件。已製作的凹凸構造的掃描式電子顯微鏡照片示於第15~17圖。如第17圖所示，上述微細凹凸構造在上述週期凹凸構造的凹部上分布得比在上述週期凹凸構造的凸部上還要密集。
準備在基板形成凹凸構造前的紫外發光的半導體發光元件(比較例2)作為相對於實施例2的比較例。然後，針對這些實施例2及比較例2的試樣，測定光輸出。將其結果示於第18圖。
請參考第18圖，橫軸是顯示以比較例2為基準的情況之實施例2的光輸出比，縱軸是顯示試樣個數。以比較例2的光輸出為1.00時，實施例2的光輸出比的平均值為1.70。另外，若將僅具有微細凹凸構造的紫外發光的半導體發光元件作為比較例3，比較例3相對於比較例2的光輸出比的平均值為1.25。其結果，可顯示以實施例2製作的具有週期凹凸構造與微細凹凸構造二者的構造的優位性。第18圖是表示實施例2的試樣之紫外發光的半導體發光元件的光輸出比的直方圖。另外，實施例2的光輸出比的標準差為0.029，相當於實施例2的光輸出比平均值的1.7%。亦即，實施例2的試樣，亦顯示其為 發光輸出的變異程度極小的半導體發光元件。
【實施例3】
為了確認形成於根據本發明的半導體發光元件的週期凹凸構造21的功效，進行如以下的模擬計算。亦即，計算以作為發光層的AlGaN層發出的光(波長265nm)經由AlN基板與在AlN基板表面加工而得的週期凹凸構造(由AlN構成的圓錐的二次元週期排列(三角格子))而取出到外界(空氣)的光取出效率。另外，亦計算在同樣的系統在無週期凹凸構造的情況的光取出效率。
計算是使用時域有限差分法(FDTD法)，設定偶極點光源作為初期光源，但藉由複數次改變偶極的震動方向、位置等而作計算、平均化(擬無序化)，以人工方式再現非同調的光源。折射率則針對AlGaN部假定為2.43、AlN部假定為2.29、空氣部假定為1.0。針對從發光層觀察而為與光取出面的相反側(背面側)，由於通常光藉由p-GaN層而被吸收，作為吸收邊界。將其結果示於第19圖及第20圖。
第19圖及第20圖，是計算以作為發光層的AlGaN層發出的光(波長265nm)經由AlN基板與在AlN基板表面加工而得的週期凹凸構造(由AlN構成的圓錐的二次元週期排列(三角格子))而取出到外界(空氣)的光取出效率，將其以無週期凹凸構造的情況(平面)的結果歸一化後的數值(光輸出比)作顯示。週期凹凸構造的凸形狀部(圓錐形狀部)的底部的寬度與週期設為一致。第19圖的橫軸顯示週期凹凸構造的週期(單位：nm)，縱軸顯示光輸出比。在第19圖中，顯示高寬比不同的每 個情況的數據。另外，第20圖的橫軸顯示高寬比(週期凹凸構造的凸形狀部(圓錐形狀部)的底部的高度對比於凸形狀部的寬度的比值)，縱軸顯示光輸出比。在第20圖中，顯示週期凹凸構造的每個週期(a)的數據。
請參考第19圖，在週期為200nm~450nm的範圍中，高寬比1.0的情況光輸出比成為最大。另外，請參考第20圖，高寬比1.0的情況光輸出比成為最大。
另外第19圖及第20圖是以二次元的計算的結果，但是確認是得到與以三次元的計算幾乎同樣的傾向的結果。
【實施例4】
為了確認形成於根據本發明的半導體發光元件的週期凹凸構造21的功效，進行如以下的模擬計算。亦即，計算以作為發光層的AlGaN層發出的光(波長265nm)經由AlN基板與在AlN基板表面加工而得的週期凹凸構造(由AlN構成的圓錐的二次元週期排列(三角格子))而取出到外界(密封材層)的光取出效率。另外，亦計算在同樣的系統在無週期凹凸構造的情況的光取出效率。另外，計算方法與實施例3同樣。折射率則針對AlGaN部假定為2.43、AlN部假定為2.29、密封材部假定為1.45。作為密封材部者，是設定SiO2、樹脂等。而其他的條件設為與實施例3同樣。
第21圖及第22圖，是計算以AlGaN層發出的光(波長265nm)經由AlN基板與在AlN基板表面加工而得的週期凹凸構造(由AlN構成的圓錐的二次元週期排列(三角格子))而取出到外界(密封材層)的光取出效率，將其以在AlN基板表面無週 期凹凸構造的情況的平面取出到外界(空氣層)的情況的光取出率的計算結果歸一化後的數值(光輸出比)作顯示。
第21圖的橫軸顯示週期凹凸構造的週期(單位：nm)，縱軸顯示光輸出比。在第21圖中，顯示高寬比不同的每個情況的數據。另外，第22圖的橫軸顯示高寬比，縱軸顯示光輸出比。在第22圖中，顯示週期凹凸構造的每個週期(a)的數據。
根據實施例3及實施例4的結果，瞭解到即使是例如相同基板、波長、週期凹凸構造，根據密封構件等的外部介質的折射率，最佳的光取出構造則不同。不過，從AlN基板與在AlN基板表面加工而得的週期凹凸構造的光的取出，無論是取出到空氣或密封材層的情況，均對生產步驟有益，根據這些結果，可確認週期凹凸構造21的功效。
【實施例5】
基於本發明的上述實施形態相關的半導體發光元件的構造，製作實施例5相關的半導體發光元件。另外，實施例5相關的半導體發光元件的構成，基本上與實施例1中的半導體發光元件同樣。含半導體發光元件的發光層的磊晶層，是以與上述實施的形態同樣的AlGaN系半導體構成，元件的發光波長為265nm。
在與已製作的半導體發光元件晶圓的發光元件層為相反的基板面(光取出面)，塗佈電子束阻劑，藉由以覆蓋半導體發光元件的發光部的方式作對準而作電子束描繪，製作蝕刻罩幕圖形。發光部是直徑100μm的圓區域，以發光部的中心為描繪中心，將描繪區域設為900μm×900μm。描繪圖形設為直 徑180nm、圖形週期300nm，圖形排列設正為三角格子排列。其次，在罩幕圖形之上，藉由真空蒸鍍法沉積100nm~500nm的鎳。沉積鎳的理由與記載於實施例1的理由同樣。鎳的沉積後，將半導體發光元件基板浸漬於電子束阻劑的剝離液而移除阻劑及位於此阻劑上的鎳(舉離法)。這麼作，在基板16的背面上形成由鎳構成的罩幕圖形。
接下來，與實施例2同樣，將上述半導體發光元件基板導入ICP蝕刻裝置，使用三氟甲烷(CHF3)氣體施以10分鐘~80分鐘的蝕刻處理。如實施例5與實施例2比較，圖形尺寸較小的構造則蝕刻處理時間相對變短。最後，為了移除鎳的罩幕圖形，將半導體發光元件基板在已加熱至60℃~90℃的鹽酸浸漬15分鐘。另外，藉由調整鹽酸的溫度，可控制是否出現微細凹凸構造與形狀。另外，與實施例2的情況同樣，為了防止半導體發光元件基板的電極金屬因鹽酸而腐蝕，在半導體發光元件基板的電極形成面預先塗佈光阻再使其硬化而作為保護膜使用。浸漬於鹽酸後，以超純水清洗，再以剝離液溶解作為保護膜的光阻。
藉此，製作具有圓錐底部的直徑300nm、週期300nm、高寬比為1的週期凹凸構造與平均直徑33nm、平均高度33nm的微細凹凸構造的基板構成之實施例5的紫外發光的半導體發光元件。
準備在基板形成凹凸構造前的紫外發光的半導體發光元件，作為相對於實施例5的比較例，而為比較例4。然後，針對這些實施例5及比較例4的試樣，測定光輸出。將其結果示 於第23圖。
請參考第23圖，橫軸是顯示以比較例4為基準的情況之實施例5的光輸出比，縱軸是顯示試樣個數。以比較例4的光輸出為1.00時，實施例5的光輸出比的平均值為1.96。如從第23圖所瞭解，在實施例5獲得高光輸出比，可顯示具有週期凹凸構造與微細凹凸構造二者的構造的優位性。另外，實施例5的光輸出比的標準差為0.07，相當於光輸出比平均值的3.6%。如此，實施例5的試樣亦顯示其為發光輸出的變異程度相對較小的半導體發光元件。
【實施例6】
基於本發明的上述實施形態相關的半導體發光元件的構造，製作實施例6相關的半導體發光元件。另外，實施例6相關的半導體發光元件的構成，基本上與實施例1中的半導體發光元件同樣。另外，含半導體發光元件的發光層的磊晶層的材料與元件的發光波長是與上述的實施例5同樣。
在與已製作的半導體發光元件晶圓的發光元件層為相反的基板面(光取出面)，與實施例5同樣藉由電子束描繪，製作蝕刻罩幕圖形。發光部是直徑100μm的圓區域，以發光部的中心為描繪中心，將描繪區域設為900μm×900μm。描繪圖形設為直徑200nm、圖形週期400nm，圖形排列設為正三角格子排列。其次，與實施例5同樣，在罩幕圖形之上，藉由真空蒸鍍法沉積100nm~500nm的鎳。鎳的沉積後，將半導體發光元件基板浸漬於電子束阻劑的剝離液而移除阻劑及位於此阻劑上的鎳(舉離法)。這麼作，在基板16的背面上形成由鎳構成的罩 幕圖形。
接下來，與實施例2同樣，將上述半導體發光元件基板導入ICP蝕刻裝置，使用三氟甲烷(CHF3)氣體施以10分鐘~80分鐘的蝕刻處理。最後，為了移除鎳的罩幕圖形，將半導體發光元件基板在已加熱至60℃~90℃的鹽酸浸漬15分鐘。另外，與實施例2的情況同樣，為了防止半導體發光元件基板的電極金屬因鹽酸而腐蝕，在半導體發光元件基板的電極形成面預先塗佈光阻再使其硬化而作為保護膜使用。浸漬於鹽酸後，以超純水清洗，再以剝離液溶解作為保護膜的光阻。
藉此，製作具有圓錐底部的直徑400nm、週期400nm、高寬比為1的週期凹凸構造與平均直徑33nm、平均高度33nm的微細凹凸構造的基板構成之實施例6的紫外發光的半導體發光元件。
準備在基板形成凹凸構造前的紫外發光的半導體發光元件，作為相對於實施例6的比較例，而為比較例5。然後，針對這些實施例6及比較例5的試樣，測定光輸出。將其結果示於第24圖。
請參考第24圖，橫軸是顯示以比較例5為基準的情況之實施例6的光輸出比，縱軸是顯示試樣個數。以比較例5的光輸出為1.00時，實施例6的光輸出比的平均值為1.79。如從第24圖所瞭解，與實施例5同樣在實施例6亦獲得高光輸出比，可顯示具有週期凹凸構造與微細凹凸構造二者的構造的優位性。另外，如從第24圖所瞭解，實施例6的試樣亦與實施例5的試樣同樣顯示其為發光輸出的變異程度相對較小的半導體發 光元件。
【實施例7】
基於本發明的上述實施形態相關的半導體發光元件的構造，製作實施例7相關的半導體發光元件。另外，實施例7相關的半導體發光元件的構成，基本上與實施例1中的半導體發光元件同樣。另外，含半導體發光元件的發光層的磊晶層的材料與元件的發光波長是與上述的實施例5同樣。
在與已製作的半導體發光元件晶圓的發光元件層為相反的基板面(光取出面)，與實施例5同樣藉由電子束描繪，製作蝕刻罩幕圖形。發光部是直徑100μm的圓區域，以發光部的中心為描繪中心，將描繪區域設為900μm×900μm。描繪圖形設為直徑400nm、圖形週期1000nm，圖形排列設正為三角格子排列。其次，與實施例5同樣，在罩幕圖形之上，藉由真空蒸鍍法沉積100nm~500nm的鎳。鎳的沉積後，將半導體發光元件基板浸漬於電子束阻劑的剝離液而移除阻劑及位於此阻劑上的鎳(舉離法)。這麼作，在基板16的背面上形成由鎳構成的罩幕圖形。
接下來，與實施例2同樣，將上述半導體發光元件基板導入ICP蝕刻裝置，使用三氟甲烷(CHF3)氣體施以10分鐘~80分鐘的蝕刻處理。另外，如以實施例5的圖形尺寸較小的構造，則蝕刻處理時間短；相反地如以實施例7的圖形尺寸相對較大的構造，則上述蝕刻處理時間則變長。
最後，為了移除鎳的罩幕圖形，將半導體發光元件基板在已加熱至60℃~90℃的鹽酸浸漬15分鐘。另外，與實 施例2的情況同樣，為了防止半導體發光元件基板的電極金屬因鹽酸而腐蝕，在半導體發光元件基板的電極形成面預先塗佈光阻再使其硬化而作為保護膜使用。浸漬於鹽酸後，以超純水清洗，再以剝離液溶解作為保護膜的光阻。
藉此，製作具有圓錐底部的直徑1000nm、週期1000nm、高寬比為1的週期凹凸構造與平均直徑33nm、平均高度33nm的微細凹凸構造的基板構成之實施例7的紫外發光的半導體發光元件。
準備在基板形成凹凸構造前的紫外發光的半導體發光元件，作為相對於實施例7的比較例，而為比較例6。然後，針對這些實施例7及比較例6的試樣，測定光輸出。將其結果示於第25圖。
請參考第25圖，橫軸是顯示以比較例6為基準的情況之實施例7的光輸出比，縱軸是顯示試樣個數。以比較例6的光輸出為1.00時，實施例7的光輸出比的平均值為1.69。如從第25圖所瞭解，與實施例5同樣地在實施例7亦獲得高光輸出比，可顯示具有週期凹凸構造與微細凹凸構造二者的構造的優位性。另外，如從第25圖所瞭解，實施例7的試樣亦與實施例5的試樣同樣地顯示其為發光輸出的變異程度相對較小的半導體發光元件。
【實施例8】
製作將在上述實施例1的半導體發光元件晶圓的光取出面製作的週期凹凸構造(圖形的週期為300nm)的週期設為600nm者，作為實施例8相關的半導體發光元件。另外，為了 將高寬比固定為1，使直徑及高度符合上述圖形週期。另外，上述實施例8相關的半導體發光元件，除了上述圖形週期、直徑及高度以外，全部與實施例1相關的半導體發光元件同樣。另外，製作條件亦是將蝕刻的處理的處理時間設為30分鐘~80分鐘以外，與實施例1同樣。
如此，製作具有圓錐底部的直徑600nm、週期600nm、高度600nm的週期凹凸構造的基板構成之紫外發光的半導體發光元件，作為實施例8相關的半導體發光元件。
準備在基板形成凹凸構造前的紫外發光的半導體發光元件，作為相對於實施例8的比較例，而為比較例7。然後，針對此實施例8及比較例7的試樣，測定光輸出。將其結果示於第26圖。
請參考第26圖，橫軸是顯示以比較例7為基準的情況之實施例8的光輸出比，縱軸是顯示試樣個數。以比較例7的光輸出為1.00時，實施例8的光輸出比的平均值為1.44。在此處，比較具有同一週期凹凸構造(週期600nm)的實施例2、實施例8、再加上不具週期凹凸構造的比較例7，光輸出比是依實施例2>實施例8>比較例7的順序遞減，可顯示具有週期凹凸構造與微細凹凸構造二者的構造的優位性。
【實施例9】
製作將在上述實施例1的半導體發光元件晶圓的光取出面製作的週期凹凸構造(圖形的週期為300nm)的週期設為1000nm者，作為實施例9相關的半導體發光元件。另外，為了將高寬比固定為1，使直徑及高度符合上述圖形週期。另外， 上述實施例9相關的半導體發光元件，除了上述圖形週期、直徑及高度以外，全部與實施例1相關的半導體發光元件同樣。另外，製作條件亦是將蝕刻的處理的處理時間設為30分鐘~80分鐘以外，與實施例1同樣。
如此，製作具有圓錐底部的直徑1000nm、週期1000nm、高度1000nm的週期凹凸構造的基板構成之紫外發光的半導體發光元件，作為實施例9相關的半導體發光元件。
準備在基板形成凹凸構造前的紫外發光的半導體發光元件，作為相對於實施例9的比較例，而為比較例8。然後，針對此實施例9及比較例8的試樣，測定光輸出。將其結果示於第26圖。
請參考第26圖，橫軸是顯示以比較例8為基準的情況之實施例9的光輸出比，縱軸是顯示試樣個數。以比較例8的光輸出為1.00時，實施例9的光輸出比的平均值為1.26。在此處，比較具有同一週期凹凸構造(週期1000nm)的實施例7、實施例9、再加上不具週期凹凸構造的比較例8，光輸出比是依實施例7>實施例9>比較例8的順序遞減，可顯示具有週期凹凸構造與微細凹凸構造二者的構造的優位性。
另外，針對上述實施例1、實施例8及實施例9所得的光輸出比，如第27圖所示，與在實施例3所示的計算結果有良好的一致性。這是印證了關於由模擬計算而得的光取出構造的最佳化的方針的妥當性。另外，在第27圖中，是亦組合針對實施例2、實施例5~7所得的光輸出比而描繪。另外，第27圖的橫軸顯示凹凸構造的排列週期(單位：nm)、縱軸顯示光輸出比。
如同從第27圖亦可瞭解，光輸出比對比於週期凹凸構造的排列週期的傾向，與模擬計算結果幾乎一致。亦即，根據第27圖，印證了光輸出比的絕對值的增加部分，是藉由因微細凹凸構造的附加造成的光取出效率的提升效果的結果。
本次揭露的實施形態及實施例的全部內容是作為例示，不應認定為限制條件。本發明的範圍並非藉由上述的說明而是藉由申請專利範圍表示，且應包含與申請專利範圍均等的意義及在範圍內的所有變更。
【產業上的可利用性】
本發明特別有利於應用在發射短波長的光的半導體發光元件。

Claims (14)

  1. 一種半導體發光元件，具有含發光層的半導體層，其中上述半導體發光元件的表面包含光取出面；上述光取出面及上述半導體發光元件內折射率互異的二層的界面的至少任一個，包括：週期凹凸構造，具有比從上述發光層發射的光的波長的0.5倍還大的週期；以及微細凹凸構造，位於上述週期凹凸構造的表面上且在上述週期凹凸構造的凹部上分布得比在上述週期凹凸構造的凸部上還要密集，上述微細凹凸構造具有上述光的波長的0.5倍以下的平均直徑。
  2. 一種半導體發光元件，具有含發光層的半導體層，其中上述半導體發光元件的表面包含光取出面；上述光取出面及上述半導體發光元件內折射率互異的二層的界面的至少任一個，包括：週期凹凸構造，具有比從上述發光層發射的光的波長還大的週期；以及微細凹凸構造，位於上述週期凹凸構造的表面上且具有上述光的波長的0.5倍以下的平均直徑；以及從上述發光層發射的光的波長為350nm以下。
  3. 如申請專利範圍第1或2項所述的半導體發光元件，其中上述週期凹凸構造的排列圖形為三角格子狀。
  4. 如申請專利範圍第1或2項所述的半導體發光元件，其中上述週期凹凸構造包含折射率高於空氣的高折射率材料部；在對於從上述發光層向上述光取出面的方向垂直的面的上 述高折射率材料部的截面積，是隨著遠離上述發光層而變小。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的半導體發光元件，其中上述高折射率材料部包含由折射率高於空氣的高折射率材料構成的凸部；上述凸部的形狀為錐體形狀或半橢圓球形狀。
  6. 如申請專利範圍第1或2項所述的半導體發光元件，其中上述發光層含III族氮化物半導體；上述半導體層含：導電型為n型的n型III族氮化物半導體層；以及導電型為p型的p型III族氮化物半導體層，位於從上述發光層所見與上述n型III族氮化物半導體層的相反側。
  7. 如申請專利範圍第1或2項所述的半導體發光元件，其具有一透明性基板，配置於從上述發光層到上述光取出面側，對從上述發光層發射的光具有透明性。
  8. 如申請專利範圍第7項所述的半導體發光元件，其中上述透明性基板為氮化鋁基板。
  9. 如申請專利範圍第1項所述的半導體發光元件，其中從上述發光層發射的光的波長為450nm以下。
  10. 如申請專利範圍第1或2項所述的半導體發光元件，其中上述週期凹凸構造的高度相對於上述週期凹凸構造的週期為1/3倍以上、5倍以下；上述微細凹凸構造的平均高度相對於上述微細凹凸構造的上述平均直徑為0.1倍以上、10倍以下。
  11. 如申請專利範圍第1項所述的半導體發光元件，其中從上述發光層發射的光的波長為350nm以下；以及上述週期凹凸構造的週期大於從上述發光層發射的光的波長。
  12. 一種半導體發光元件的製造方法，包含：準備即將成為包含具有發光層的半導體層的半導體發光元件的元件構件；在上述元件構件之形成上述半導體發光元件的光取出面的區域上，形成具有圖形的罩幕層；以及以上述罩幕層為罩幕，藉由蝕刻部分性地移除形成上述光取出面的上述區域，藉此形成週期凹凸構造；其中上述罩幕層為金屬罩幕層；在上述週期凹凸構造的形成中，是藉由進行使用氟系氣體作為蝕刻氣體的乾蝕刻，形成上述週期凹凸構造，並在上述週期凹凸構造的表面形成微細凹凸構造；上述週期凹凸構造，具有超過從上述發光層發射的光的波長的0.5倍的週期；上述微細凹凸構造具有上述光的波長的0.5倍以下的平均直徑；上述週期凹凸構造的形成，包含：進行上述乾蝕刻及移除上述金屬罩幕層；上述週期凹凸構造的週期與上述金屬罩幕層的週期相同；在進行上述乾蝕刻中，上述金屬罩幕層與上述蝕刻氣體的反應物附著於形成上述光取出面的上述區域；以及 在移除上述金屬罩幕層中，是藉由酸處理移除上述金屬罩幕層。
  13. 如申請專利範圍第12項所述的半導體發光元件的製造方法，其中上述金屬罩幕層包含一鎳膜。
  14. 如申請專利範圍第12或13項所述的半導體發光元件的製造方法，其中上述蝕刻氣體包含含碳的氟系氣體。
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Families Citing this family (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
BR112014024516A2 (pt) * 2012-04-02 2017-07-25 Asahi Kasei E Mat Corporation substrato óptico, elemento emissor de luz semicondutor, e, método de fabricação de um elemento emissor de luz semicondutor.
CN105706237B (zh) * 2013-09-13 2019-10-18 亮锐控股有限公司 用于倒装芯片led的基于框架的封装
DE102015102365A1 (de) * 2015-02-19 2016-08-25 Osram Opto Semiconductors Gmbh Strahlungskörper und Verfahren zur Herstellung eines Strahlungskörpers
JP2016163015A (ja) * 2015-03-05 2016-09-05 旭化成株式会社 紫外線発光素子及びその製造方法
JP6643755B2 (ja) * 2015-04-17 2020-02-12 国立研究開発法人情報通信研究機構 深紫外発光モジュール
JP6521443B2 (ja) * 2015-06-29 2019-05-29 国立研究開発法人情報通信研究機構 深紫外光を放射する半導体発光素子、該半導体発光素子を備える発光モジュール、及び該半導体発光素子の製造方法
JP6548024B2 (ja) * 2015-09-24 2019-07-24 国立研究開発法人情報通信研究機構 凹凸構造を含む基板の製造方法及び半導体発光素子の製造方法
JP6579038B2 (ja) * 2016-05-30 2019-09-25 豊田合成株式会社 半導体発光素子の製造方法
WO2018003228A1 (ja) * 2016-07-01 2018-01-04 創光科学株式会社 紫外線発光装置及びその製造方法
JP6927481B2 (ja) * 2016-07-07 2021-09-01 国立大学法人京都大学 Ｌｅｄ素子
US10727371B2 (en) 2016-08-02 2020-07-28 Stanley Electric Co., Ltd. Semiconductor light-emitting element and method for producing same
JP6871706B2 (ja) 2016-09-30 2021-05-12 日機装株式会社 半導体発光素子の製造方法
EP3528297B1 (en) 2016-11-22 2021-05-19 National Institute of Information and Communications Technology Light-emitting module provided with semiconductor light-emitting element that emits deep ultraviolet light
JP7050270B2 (ja) * 2017-03-31 2022-04-08 国立研究開発法人情報通信研究機構 半導体発光素子及び発光モジュール
JP7233859B2 (ja) * 2017-06-20 2023-03-07 旭化成エレクトロニクス株式会社 赤外線発光ダイオード
JP6863835B2 (ja) 2017-06-26 2021-04-21 日機装株式会社 半導体発光素子および半導体発光素子の製造方法
KR102390828B1 (ko) * 2017-08-14 2022-04-26 쑤저우 레킨 세미컨덕터 컴퍼니 리미티드 반도체 소자
JP7255965B2 (ja) 2017-08-24 2023-04-11 日機装株式会社 半導体発光素子の製造方法
JP2019067962A (ja) * 2017-10-02 2019-04-25 豊田合成株式会社 発光装置
US11482650B2 (en) * 2018-11-07 2022-10-25 Seoul Viosys Co., Ltd. Light emitting device including light shielding layer

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20010032985A1 (en) * 1999-12-22 2001-10-25 Bhat Jerome C. Multi-chip semiconductor LED assembly
US20010050376A1 (en) * 1999-09-29 2001-12-13 Toyoda Gosei Co., Ltd Group III nitride compound semiconductor device
US20060204865A1 (en) * 2005-03-08 2006-09-14 Luminus Devices, Inc. Patterned light-emitting devices
US20070145557A1 (en) * 2004-08-31 2007-06-28 Meijo University Method for fabricating a semiconductor device and semiconductor device
US20080232135A1 (en) * 2006-05-31 2008-09-25 3M Innovative Properties Company Light guide
CN103117347A (zh) * 2011-11-16 2013-05-22 Lg伊诺特有限公司 发光器件以及具有该发光器件的发光装置
TW201322485A (zh) * 2011-11-23 2013-06-01 Ind Tech Res Inst 發光二極體元件、其導光結構的形成方法與形成設備

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005354020A (ja) 2004-05-10 2005-12-22 Univ Meijo 半導体発光素子製造方法および半導体発光素子
KR20080014833A (ko) 2005-06-09 2008-02-14 로무 가부시키가이샤 반도체 발광 소자
JP4974270B2 (ja) * 2006-03-20 2012-07-11 日本電信電話株式会社 発光ダイオード
JP4993371B2 (ja) * 2007-11-21 2012-08-08 サンケン電気株式会社 半導体発光素子用ウエーハの粗面化方法及び半導体発光素子
KR101064016B1 (ko) 2008-11-26 2011-09-08 엘지이노텍 주식회사 발광 소자 및 그 제조방법
JP5564639B2 (ja) * 2009-05-01 2014-07-30 国立大学法人 東京大学 化合物半導体の堆積方法及び装置
JP5409210B2 (ja) * 2009-09-01 2014-02-05 学校法人金沢工業大学 半導体発光素子
CN102130285B (zh) 2010-11-03 2012-12-26 映瑞光电科技(上海)有限公司 发光二极管及其制造方法
WO2013094617A1 (ja) * 2011-12-19 2013-06-27 パナソニック株式会社 面状発光素子
JP5643920B1 (ja) * 2013-04-16 2014-12-17 エルシード株式会社 Ｌｅｄ素子及びその製造方法

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20010050376A1 (en) * 1999-09-29 2001-12-13 Toyoda Gosei Co., Ltd Group III nitride compound semiconductor device
US20010032985A1 (en) * 1999-12-22 2001-10-25 Bhat Jerome C. Multi-chip semiconductor LED assembly
US20070145557A1 (en) * 2004-08-31 2007-06-28 Meijo University Method for fabricating a semiconductor device and semiconductor device
US20060204865A1 (en) * 2005-03-08 2006-09-14 Luminus Devices, Inc. Patterned light-emitting devices
US20080232135A1 (en) * 2006-05-31 2008-09-25 3M Innovative Properties Company Light guide
CN103117347A (zh) * 2011-11-16 2013-05-22 Lg伊诺特有限公司 发光器件以及具有该发光器件的发光装置
TW201322485A (zh) * 2011-11-23 2013-06-01 Ind Tech Res Inst 發光二極體元件、其導光結構的形成方法與形成設備

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Publication number Publication date
EP3026716A1 (en) 2016-06-01
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WO2015016150A1 (ja) 2015-02-05
US10069049B2 (en) 2018-09-04

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