半导体发光元件制造技术

一种半导体发光元件，在衬底上形成包括发光层的半导体多层膜，从衬底相反侧的面取出光，在半导体多层膜的光取出面侧表面设置多个锥体状突起物，该突起物的侧面与光取出面的交叉角度α设定为３０度以上、７０度以下。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
(本申请基于2001年7月25日提出的在先的日本专利申请No.2001-191724，和于2001年8月27日提出的No.2001-297042，并要求其为优先权，在此其全部内容引入作为参考。)在这样的构造中，电流扩散层(折射率3.1～3.5)与透明树脂(折射率1.5左右)之间的临界角为25～29度。从发光部分向透明树脂一侧入射的光中，对电流扩散层与透明树脂界面的入射角比上述临界角要大的光进行全反射。在其影响下，LED内部发生的光向外部释放的概率显著下降。而且，在LED的内部发生的光向外部释放的概率(光取出效率)现在是大约20％。另外，还有一种通过在电流扩散层上部形成高折射率膜增加临界角而提高光取出效率的办法。然而，即使采用该方法，提高效率部分也低于20％左右。这样，现有用透明树脂封装的LED中，在包含发光层的半导体多层膜的最上层与透明树脂的界面，由于从倾斜方向入射界面的光的大部分全反射，所以存在光取出效率低下的问题。并且，该问题不限于LED，可以说对面发光型的LD也是同样。并且，本专利技术另一个实施例的面发光型半导体发光元件，包括有主面的衬底，以及在上述衬底主面上形成的包括发光层的半导体多层膜；进行粗糙面加工，使上述半导体多层膜的与上述衬底相反侧的光取出面侧上具有多个凹凸形状，该粗糙面加工后面上的各凹凸的顶部与底部的距离(凹凸高度)设定为200nm以上而且在上述发光层的发光波长以下。图2是放大表示在附图说明图1的LED光取出面侧形成的突起物形状的剖面图。图3是表示图1的LED上电极图形一例的平面图。图4是表示图1的LED上的突起部侧面与衬底表面相交角度α和光取出效果的关系图。图5是表示第2实施例的绿色LED元件构造的剖面图。图6A、B是表示第3实施例的绿色LED元件构造和制造工序的剖面图。图7是放大表示第3实施例的光取出面附近构造的剖面图。图8是表示第4实施例的绿色LED元件构造的剖面图。图9是表示第5实施例的绿色LED元件构造和制造工序的剖面图。图10是表示图5的LED上的凹凸高度与光取出效率关系的特性图。图11是表示处于发光波长前后的，凹凸高度与光取出效率关系的特性图。图12是表示使防止反射膜的表面粗糙化时的折射率与光取出效率的关系图。图13是表示防止反射膜的表面平坦时的折射率与光取出效率的关系图。图14A～E是表示防止反射膜的粗糙面形状例子的剖面图。图15是表示第6实施例的绿色LED元件构造的剖面图。图16是表示第7实施例的绿色LED元件构造的剖面图。(第1实施例)图1是表示本专利技术第1实施例的绿色LED元件构造和制造工序的剖面图。首先，如图1A所示，在厚度250μm的n型GaAs衬底10上，通过使用AsH3作为V族元素的原料气体的MOCVD法，生长0.5μm厚的N型GaAs缓冲层11。之后，采用使用PH3作PH3为V族元素的原料气体的MOCVD法，在PH3分压为200Pa、总压力为5×103Pa的条件下，顺序生长0.6μm厚的n型In0.5Al0.5P包层12和1.0μm厚的非搀杂In0.5(Ga0.55Al0.45)0.5P活性层13。接着，把PH3分压降低到10Pa，使总压力一直在5×103Pa不变，用MOCVD法，生长1.0μm厚的p型In0.5Al0.5P包层14。之后，采用使用AsH3作为V族元素的原料气体的MOCVD法，生长0.1μm厚的P型GaAs接触层16。在这里，从缓冲层11到接触层16为止的各外延层都在同一反应室内连续生长。如上述那样生长p型InAlP包层14之际，如果把用MOCVD法的PH3分压降到充分地低(20Pa以下)的话，外延生长膜就变成表面粗糙状态。具体地说，如图2所示，InAlP包层14的生长表面上产生锥体状的突起部20。而且，该突起部20对衬底表面的角度，即突起部20的底面与侧面的相交角度α大于30度。在这里，InAlP包层14生长时的PH3分压超过20Pa时，该包层14的表面粗糙度减少，不能实现位于突起部的相交角度30度以上的可能性增加。另一方面，PH3分压如果低于1Pa，包层14的表面粗糙度会过大，而且包层14的结晶性也恶化。所以，InAlP包层14生长时PH3分压理想的范围是1～20Pa。然后，如图1B所示，在GaAs接触层16的一部分上，用溅射法形成作为透明电极的ITO膜17。接着，在ITO膜17的上形成p侧电极(含Zn的Au)23。更具体地说，在ITO膜17的上生长电流阻挡层21和GaAs层22后，进行选择性蚀刻使其留在芯片中心部分。而且，在整个面上形成AuZn电极23后，对该电极23进行退火，使其留在GaAs层22上和ITO膜17的一部分上。图3是表示p侧电极23图形一例的平面图。为了粘接键合引线等，该电极图形由设于元件中央部分的圆形焊盘23a、设于周边部分的周边区23b、连接焊盘23a和周边区23b的连接部分23c构成。然后，如图1C所示，研磨GaAs衬底10的背面，减薄到100μm后，在衬底背面上形成n侧电极25(含有Ge的Au)。之后，在Ar气氛中施加450℃，15分钟的热处理工序。接着，通过划片，把形成了各层11～22和电极23、25的衬底10分成芯片。而且，以对每个芯片用未图示的透明树脂涂覆光取出面一侧的方式进行树脂封装。另外，图1中只是表示一个芯片部分，但实际上由于同时形成多个芯片，所以在一个衬底10上形成多个图1的构成部分。而且，在最后阶段，往往通过对衬底10进行划片，把衬底10分成多个芯片。这样，倘若采用本实施例，在p型InAlP包层14生长时，采用设定PH3分压低于常规的办法，能够在包层14的表面上形成锥体状的突起部20。由于形成该突起部20，所以能够减少入射光在包含发光层的半导体多层膜最上层与透明树脂边界上全反射的概率。尤其，采用在InAlP包层14生长时设定PH3分压为1～20Pa的办法，会使表面圆锥角度α为30度以上。在这里，图4示出突起部20与衬底表面的相交角度α和向树脂入射概率(光取出效率)的关系。图4中，横轴表示角度，纵轴表示光取出效率。光取出效率是把无突起部20的表面是平坦的场合设定为1。假如角度α为30度以上，可以认为提高10％以上。并且，角度α如果过大，相反可以认为效率下降，超过70度的话，就成为10％以下。所以，角度α的理想范围是30度以上且在70度以下。由于采用本实施例这样的突起部构造，如图5所示，光取出效率提高到现有的1.15倍以上。这样，就能够不改变基本的器件构造而使光取出效率上升，用于LED有极大的效果。另外，突起部20对衬底表面的相交角度α为30度以上时，不一定需要全部突起部都满足，只要大部分(例如90％以上)满足这个角度就行。顺便说，即使全部突起部以角度α为30度以上且70度以下的方式制作，有时也出现一部分角度α小于30度的部分或超过70度的部分，只要这个部分的比率足够低，就没有什么问题。这样，本实施例中，通过不是简单地使光取出面粗糙化，而是把突起部20的底面对侧面的交叉角度α设为30度以上且70度以下，就可以实现光取出效率的大幅度提高。另外，如果光取出面一侧形成的突起部20的周期极小，光取出效率的提高效果也减少。根据本专利技术人的实验，突起部的突起部20的周期只更在0.5μm以上，可以认为本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种面发光型半导体发光元件，包括：有主面的衬底，在上述衬底主面上形成的包括发光层的半导体多层膜，以及在上述半导体多层膜的与上述衬底相反侧的光取出面侧上设置的多个锥体状突起物，上述多个突起物的底面与侧面的交叉角度设定为３０度以上、７０度以下。

【技术特征摘要】
JP 2001-6-25 191724/2001;JP 2001-9-27 297042/20011.一种面发光型半导体发光元件，包括有主面的衬底，在上述衬底主面上形成的包括发光层的半导体多层膜，以及在上述半导体多层膜的与上述衬底相反侧的光取出面侧上设置的多个锥体状突起物，上述多个突起物的底面与侧面的交叉角度设定为30度以上70度以下。2.根据权利要求1所述的面发光型半导体发光元件，其特征是上述半导体多层膜具有以包层夹住活性层的双异质结结构部分，并在该双异质结结构部分的与上述衬底相反侧的包层上形成透明电极，上述突起物形成于上述透明电极正下的包层的表面上。3.根据权利要求1所述的面发光型半导体发光元件，其特征是上述半导体多层膜具有以包层夹住活性层的双异质结结构部分，并在该双异质结结构部分的与上述衬底相反侧的包层上形成电流扩散层，上述突起物形成于上述电流扩散层的表面上。4.根据权利要求1所述的面发光型半导体发光元件，其特征是上述突起物是圆锥或角锥。5.根据权利要求1所述的面发光型半导体发光元件，其特征是上述光取出面侧的上述突起物占有面积的比率是50％以上。6.根据权利要求1所述的面发光型半导体发光元件，其特征是上述突起物是周期性设置的，周期是0.5μm以上。7.根据权利要求1所述的面发光型半导体发光元件，其特征是上述活性层是InGaAlP，上述包层是InAlP。8.根据权利要求1所述的面发光型半导体发光元件，其特征是上述突起物的90％以上满足上述30度以上、70度以下的交叉角度。9.一种面发光型半导体发光元件，其特征是具有有主面的衬底，在上述衬底主面上形成的包括发光层的半导体多层膜，以及进行粗糙面加工，使上述半导体多层膜的与上述衬底相反侧的光取出面侧具有多个凹凸形状，该粗糙面加工后的面上的各凹凸的顶部与底部的距离(凹凸高度)设定为200nm以上、且在上述发光层的发光波长以下。10.根据权利要求9所述的面发光型半导体发光元件，其特征是上述半导体多层膜具有以包层夹住活性层的双异质结结构部分，并在该双异质结结构部分的与上述衬底相反侧的包层上形成透明电极，上述透明电极正下方的包层表面加工为粗糙面。11.根据权利要求9所述的面发光型半导体发光元件，其特征是上述半导体多层膜具有以包层夹住活性层的双异质结结构部分，并在该双异质结结构部分的与上述衬底相反侧的包层上形成电流扩散层，上述电流扩散层的表面加工为粗糙面。12.根据权利要求9所述的面发光型半导体发元件，其特征是上述活性层是InGaAlP，上述包层是InAlP。13.根据权利要求9所述的面发光型半导体发光元件，其特征是上述粗糙化加工的凹凸是周期性形成的，当发光波长为λ时，凹凸的周期是0.5λ以下。14.一种面发光型半导体发光元件，其特征是具有有主面的衬底，在上述衬底主面上形成的包括发光层的半导体多层膜，以及...

【专利技术属性】
技术研发人员：吉武春二，关口秀树，山下敦子，滝本一浩，高桥幸一，
申请(专利权)人：株式会社东芝，
类型：发明
国别省市：JP[日本]