[发明专利]氮化物半导体发光元件

说明书

技术领域

本发明涉及氮化物半导体发光元件，更具体地，本发明涉及发光衬底具 有设置有凹部和凸部的上表面的氮化物半导体发光元件。

背景技术

通常，对于氮化物半导体发光元件，已经采用蓝宝石(Al₂O₃)衬底、 SiC衬底、GaN衬底、尖晶石(MgAl₂O₄)衬底等。这种氮化物半导体发光 元件与其它化合物半导体发光元件的不同在于：它们采用上述衬底，这些衬 底对于发射光的波长具有透光性质。由于每个衬底允许发出的光从其如此传 输经过，光不仅可以从半导体层的表面提取还可以从衬底的侧表面提取。

在普通的半导体发光元件中，半导体层形成为具有约几μm的厚度，衬 底具有约100μm的厚度。因此，如果光能够从衬底的侧表面有效地提取， 可以显著地改善半导体发光元件中的光提取效率。

氮化物半导体层具有约2.4的折射率，而例如蓝宝石衬底具有约1.7的 折射率。因此，当氮化物半导体层与蓝宝石衬底之间的界面用以大于临界角 的入射角进入的光照射时，光被全反射。由此反射的光在氮化物半导体层中 被反复地反射，也就是导致多次反射。在多次反射期间，光被形成在半导体 发光元件的表面上的电极或有源层吸收并减弱。这导致向外提取的光的强度 弱。

允许改善光提取效率的半导体发光元件在日本专利公开No. 2005-317931中公开。在日本专利公开No.2005-317931中描述的半导体发光 元件中，圆形或三角形的凸部形成在蓝宝石衬底的表面上，氮化物半导体层 形成在其上。这使到达蓝宝石衬底与氮化物半导体层之间的界面的光被散 射，并允许光进入蓝宝石衬底中。因此，光以增大的比例从蓝宝石衬底的侧 表面提取从而改善光提取效率。

同时，具有很高发光效率的发光二极管在日本专利公开No.2008-153634 中公开。在日本专利公开No.2008-153634中描述的发光二极管中，凸部形 成在衬底上，每个凸部由不同于衬底的材料形成的电介质制成，氮化物半导 体层形成在其上。每个凸部具有六边形状，当从平面图看时凸部以蜂窝结构 的形式布置。由此形成在半导体的表面上的凹部和凸部散射光以防止其多次 反射，从而改善光提取效率。

此外，具有改善的光提取效率和减小的工作电压的半导体发光元件在日 本专利公开No.2005-259970中公开。在日本专利公开No.2005-259970中描 述的半导体发光元件中，六边形的凹部和凸部形成在p型接触层的表面上而 不是衬底侧上以改善光提取效率。

通常使用的蓝宝石衬底、SiC衬底、尖晶石衬底等由不同于氮化物半导 体的材料形成。因此，当氮化物半导体层生长在每个这种衬底上时，由于衬 底与氮化物半导体之间在晶格常数上不匹配或热膨胀系数上的差异，产生大 量缺陷例如穿透位错(threading dislocation)。

使氮化物半导体膜中穿透位错减少的氮化物半导体结构在日本专利 No.4016062中公开。在日本专利No.4016062中描述的氮化物半导体结构中 的衬底的生长面上，形成由与衬底的材料相同的材料制成的凹部和凸部以促 进横向生长从而改善晶体质量。凹部由在多个方向延伸的线形凹槽构成，并 能够促进氮化物半导体膜在垂直于每个凹槽的方向上生长，从而实现达到有 源层的穿透位错密度的降低。这样，可以制造具有高发光效率的发光二极管。

此外，由限制衬底翘曲产生的具有好的结晶性的氮化物半导体衬底在日 本专利公开No.2002-208757中公开。在日本专利公开No.2002-208757中描 述的氮化物半导体衬底具有形成有多边形或圆形凹部的表面，氮化物半导体 膜生长在其上。这样，穿透位错会聚在凹部的各个中心以减小衬底的翘曲。

发明内容

尽管如在日本专利公开No.2005-317931、日本专利公开No. 2008-153634、日本专利公开No.2005-259970和日本专利No.4016062中的每 个上述半导体发光元件中，凹部和凸部形成在衬底或p型接触层上，但光不 能根据凹部和凸部的形状及布置而被有效地散射。因此，发射的光会在半导 体层中被反复地反射并减弱，导致差的光提取效率。此外，在如日本专利申 请公开No.2002-208757中描述的氮化物半导体衬底中，形成凹部以减小衬 底的翘曲，但是每个凹部的形状没有被特别地规定。