半導體發光元件、其制造方法和光源裝置制造方法
半導體發光元件、其制造方法和光源裝置制造方法
【專利摘要】半導體發光元件（101）具備以非極性面或半極性面為主面的、由包含發出偏振光的活性層（22）的氮化物類半導體構成的半導體層疊結構（20）。半導體發光元件（101）具有設置在橫切偏振光的出射路徑的位置、包含多個凹部的條紋結構（50），凹部（50b）的延伸方向與偏振光的偏振方向所成角度為0°以上45°以下。多個凹部（50b），該多個凹部（50b）的表面的至少一部分具有比凹部50b的深度淺的微細的凹凸結構（紋理）（51）。
【專利說明】半導體發光元件、其制造方法和光源裝置
【技術領域】
[0001] 本發明設置具備以非極性面或半極性面為主面的、包括發出偏振光的活性層的氮 化物類半導體層疊結構的半導體發光元件及其制造方法、以及使用半導體發光元件的光源 裝直。
【背景技術】
[0002] 含氮（Ν)的VA族元素的氮化物半導體，由于其帶隙的大小，有望作為短波長發光 元件的材料。其中，氮化鎵類化合物半導體（GaN類半導體)的研究正在盛行，使用氮化鎵類 化合物半導體的藍色發光二極管（LED)、綠色LED元件以及藍色LED半導體激光元件也正實 用化。
[0003] 氮化鎵類化合物半導體包含用鋁（A1)和銦（In)的至少一者取代鎵（Ga)的一部 分而得到的化合物半導體。這種氮化物半導體由通式Al xGayInzN (其中，0< X，z < 1，0 < y彡1，x+y+z = 1。）表示。以下，將氮化鎵類化合物半導體稱為GaN類半導體。
[0004] GaN類半導體通過用Al、In的至少一者取代Ga，能夠使其帶隙比GaN的帶隙大或 小。由此，不僅能夠發出藍色或綠色等的短波長的光，也能夠發出橙色或紅色等的長波長的 光。根據這種特征，氮化物半導體發光元件能夠被期待應用于圖像顯示裝置和照明裝置等。
[0005] 氮化物半導體具有纖鋅礦型晶體結構。圖1 (a)、圖1 (b)和圖1 (c)用4指數標 記(六方晶指數)表示表纖鋅礦型晶體結構的面方位。在4指數標記中，使用由al、a2、a3和 c表示的基本矢量表示結晶面及其面方位。基本矢量c在[0001]方向延伸，該方向的軸被 稱為"c軸"。與c軸垂直的面（plane)被稱為"c面"或"（0001)面"。在圖1 (a)中，除了 c面之外，表示a面" =(11-20)面"和m面"=(1-100)面"。另外，圖1 (b)表示r面"= (1-102)面"，圖1 (c)表示（11-22)面。其中，本說明書中，表示密勒指數的括號內的數字 的左側被標注符號為了方便表示該指數的反轉，與圖中的"橫線（bar)"對應。
[0006] 在圖2 (a)中用球管模型表示GaN類半導體的晶體結構。圖2 (b)是從a軸方向 觀看m面表面附近的原子排列而得的球管模型。m面與圖2 (b)的紙面垂直。圖2 (c)是 從m軸方向觀看+c面表面的原子排列而得的球管模型。c面與圖2 (c)的紙面垂直。從 圖2 (a)和圖2 (b)可知，N原子和Ga原子位于與m面平行的平面上。對此，在c面中，從 圖2 (a)和圖2 (c)可知，形成有僅配置有Ga原子的層和僅配置有N原子的層。
[0007] 在現有技術中，在使用GaN類半導體制作半導體元件的情況下，作為使氮化物半 導體晶體生長的襯底(基板)，能夠使用以c面襯底即（0001)面為主面的襯底。在該情況下， 由于Ga原子和N原子的配置導致在氮化物半導體形成在c軸方向自發的極化（Electrical Polarization)。因此，"c面"被稱為"極性面"。極化的結果，由構成氮化物半導體發光元 件的發光層的InGaN構成的量子講層沿c軸方向產生壓電電場。因產生的壓電電場而在發 光層內的電子和空穴的分布產生位置偏差，因載流子的量子限制斯塔克效應，具有發光層 的內部量子效率降低的問題。為了抑制該發光層的內部量子效率的降低，形成于（0001)面 的發光層的厚度設計為3nm以下。
[0008] 進而，近年來討論使用以被稱為非極性面的m面或a面、或被稱為半極性面的-r 面或（11-22)面為主面的襯底制作發光元件。如圖1所示，纖鋅礦型晶體結構的m面與c軸 平行，是與c面正交的六個等價的面。例如，在圖1中，與[1-100]方向垂直的（1-100)面與 m面相當。與（1-100)面等價的其它的m面有（-1010)面、（10-10)面、（-1100)面、（01-10) 面和（0-110)面。
[0009] 如圖2 (a)和圖2 (b)所示，在m面中，Ga原子和N原子存在于相同原子面上，所 以在與m面垂直的方向不產生極化。因此，使用以m面為生長面的半導體層疊結構制作發 光元件時，在發光層不產生壓電電場，能夠解決載流子的量子限制斯塔克效應導致的內部 量子效率的降低的問題。m面以外的作為非極性面的a面也與此相同，另外，被稱為半極性 面的-r面或（11-22)面、（20-21)面和（20-2-1)面也能夠獲得類似的效果。
[0010] 具有以非極性面或半極性面為生長面(主面）的活性層的氮化物類半導體發光元 件，具有由其價電子帶的結構導致的偏振特性。
[0011] 專利文獻1記載的發光二極管裝置，為了降低芯片配置面的面內的方位角的不同 的導致的強度的差，具備：包含具有主面的發光層的發光二極管芯片；和具有配置發光二 極管芯片的芯片配置面的殼（package)。從發光層的主面出射的光，依賴于發光層的主面的 面內的方位角而具有多個不同的發光強度，發光二極管芯片和殼的至少一者具有降低因從 殼出射的光的芯片配置面的面內的方位角的不同導致的強度的差的結構。
[0012] 專利文獻2中記載的半導體發光元件，為了提高從光取出側的表面的光取出效率 且使配光性良好，在η型半導體層與p型半導體層之間具有發光層的半導體層疊體的襯底 上安裝的一側的面相反側的光取出面設置有多個凹部。凹部具有在從凹部的開口部向底部 去直徑縮小的方向上傾斜角不同的2層傾斜面，傾斜角緩和的傾斜面為具有凹凸的面，傾 斜角陡峭的傾斜面是平坦的面。
[0013] 專利文獻3中記載的發光元件，為了實現抑制在活性層中產生的偏振光的輸出效 率的降低，包括：由以非極性面或半極性面為主面的ΙΙΙΑ族氮化物半導體構成，依次層疊 第1導電型的第1半導體層、活性層和第2導電型的第2半導體層，從活性層發出偏振光 的發光部；和在偏振方向上排列多個在與偏振光的偏振方向垂直的方向上延伸的條紋狀的 槽，形成鍋波形狀的輸出面的輸出部。從發光部透過輸出部，從輸出面輸出偏振光。
[0014] 專利文獻4中記載的氮化物半導體元件，為了實現保持氮化物半導體襯底的背面 的平坦性，并且具有歐姆接觸性、緊貼性、耐熱性優秀的襯底背面電極、長壽命且可靠性高 的氮化物半導體元件，其包括：具有相互相對第1面和第2面的氮化物半導體襯底；設置在 第1面的元件結構；和設置在第2面的電極，在第2面設置有在底部具有凹凸的槽部和氮極 性的平坦部，電極覆蓋槽部地設置。
[0015] 現有技術文獻 [0016] 專利文獻
[0017] 專利文獻1 :日本特開2008-109098號公報
[0018] 專利文獻2 :日本特開2010-074008號公報
[0019] 專利文獻3 :日本特開2008-305971號公報
[0020] 專利文獻4 :日本特開2010-177455號公報
【發明內容】
[0021] 發明要解決的課題
[0022] 然而，在上述專利文獻1和專利文獻3中記載那樣的、現有的具有以非極性面或半 極性面為主面的氮化物半導體的發光元件中，尋求發光動作的性能的提高。
[0023] 本發明鑒于上述的技術問題，目的在于提高發光動作的性能。
[0024] 用于解決課題的方法
[0025] 為了解決上述課題，本發明的一個方式為一種半導體發光元件，其具備以非極性 面或半極性面為主面的、包括發出偏振光的活性層的氮化物類半導體層疊結構，所述半導 體發光元件具有條紋結構，該條紋結構設置在橫切偏振光的出射路徑的位置，包括相互平 行地延伸的多個凹部，凹部的延伸方向與偏振光的偏振方向所成角度為0°以上45°以 下，多個凹部在該多個凹部的表面的至少一部分具有比凹部的深度淺的紋理。
[0026] 根據本發明，能夠進一步適當控制發光強度的各向異性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0027] 圖1 (a)是表示纖鋅礦型晶體結構的基本矢量al、a2、a3和c、以及a面、c面和 m面的的立體圖。圖1 (b)是表示纖鋅礦型晶體結構的r面的立體圖。圖1 (c)是表示纖 鋅礦型晶體結構的（11-22)面的立體圖。
[0028] 圖2 (a)?圖2 (c)是用球管模型表示GaN類半導體的晶體結構的圖。
[0029] 圖3 (a)是表示設置在第1實施方式的半導體發光元件的條紋結構的凸部和凹部 的示意平面圖。圖3 (b)是圖3 (a)的Illb-IIIb線的示意截面圖。圖3 (c)和圖3 (d) 是表示圖3 (b)所示的凸部和凹部的局部放大截面圖。
[0030] 圖4 (a)?圖4 (h)是表示設置在第1實施方式的半導體發光元件的條紋結構的 延伸方向的示意平面圖和條紋結構的X-X線的示意截面圖。
[0031] 圖5(a)是表示第1實施方式的半導體發光元件的、模擬計算所使用的條紋結構的 延伸方向的示意平面圖。圖5 (b)?圖5 (d)是圖5 (a)所示的條紋結構的X-X線和Y-Y 線的示意截面圖。
[0032] 圖6是表示第1實施方式的設置在半導體發光元件的條紋結構的凸部相對于凹部 的寬度的比率和入射到凸部的上表面的光的比例的關系的圖表。
[0033] 圖7是表示第1實施方式的設置在半導體發光元件的條紋結構的凹部相對于從凸 部的上表面至活性層的距離的寬度的比例和入射到凸部的上表面的光的比例的關系的圖 表。
[0034] 圖8(a)是表示比較用的、在半導體發光元件的光的出射面的條紋結構的凹部不設 置微細的凹凸結構的現有的凹部的表面所入射的光的光路的一例的示意截面圖。圖8 (b) 是表不入射到第1實施方式的半導體發光兀件的條紋結構的凹部的表面的光的光路的一 例的示意截面圖。
[0035] 圖9 (a)是表示比較用的、在光的出射面不具有條紋結構的半導體發光元件的配 光特性分布的計算結果的圖表。圖9 (b)是表示比較用的、在條紋結構的凹部不設置微細 的凹凸結構的半導體發光元件的配光特性分布的計算結果的圖表。圖9 (c)是表示第1實 施方式的半導體發光元件的配光特性分布的計算結果的圖表。
[0036] 圖10是表示第1實施方式的半導體發光元件的條紋結構的凸部的上表面的面積 相對于凹部的表面的面積的比的值、和光取出比率的關系的圖表。
[0037] 圖11是表示第1實施方式的第1變形例的半導體發光元件的示意截面圖。
[0038] 圖12是表示第1實施方式的第2變形例的半導體發光元件的示意截面圖。
[0039] 圖13是表示第2實施方式的半導體發光元件的示意截面圖。
[0040] 圖14是表示第2實施方式的第1變形例的半導體發光元件的示意截面圖。
[0041] 圖15是表示第2實施方式的第2變形例的半導體發光元件的示意截面圖。
[0042] 圖16是表示第2實施方式的第3變形例的半導體發光元件的示意截面圖。
[0043] 圖17是表示第2實施方式的第4變形例的半導體發光元件的示意截面圖。
[0044] 圖18是表示第2實施方式的第5變形例的半導體發光元件的示意截面圖。
[0045] 圖19是表示第2實施方式的第6變形例的半導體發光元件的示意截面圖。
[0046] 圖20是表示第2實施方式的第7變形例的半導體發光元件的示意截面圖。
[0047] 圖21是表示第3實施方式的半導體發光元件的示意截面圖。
[0048] 圖22是表示實施例1的半導體發光元件的制造方法的高密度脈沖激光的掃描速 度和角度α的關系的圖表。
[0049] 圖23是表示實施例1的半導體發光元件的制造方法的高密度脈沖激光的掃描速 度和表面粗糙度Ra的關系的圖表。
[0050] 圖24是實施例1的半導體發光元件的制造方法的利用高密度脈沖激光實施了加 工后的顯微鏡照片圖像。
[0051] 圖25是表示實施例2的半導體發光元件的從光的偏振方向起的條紋結構的延伸 方向的角度和不對稱度的關系的圖表。
[0052] 圖26是表示實施例2的半導體發光元件的從光的偏振方向起的條紋結構的延伸 方向的角度和m軸方向的輻射強度的提高度的關系的圖表。
[0053] 圖27是表示實施例2的半導體發光元件的從m軸起的角度的、a軸方向和c軸方 向的發光波長差的關系的圖表。
[0054] 圖28是表不第4實施方式的白色光源的不意截面圖。
【具體實施方式】
[0055] 本發明的一實施方式是一種半導體發光元件，其特征在于：具備以非極性面或半 極性面為主面的、包括發出偏振光的活性層的氮化物類半導體層疊結構，所述半導體發光 元件具有條紋結構，該條紋結構設置在橫切偏振光的出射路徑的位置，包括相互平行地延 伸的多個凹部，凹部的延伸方向與偏振光的偏振方向所成角度為〇°以上45°以下，多個 凹部在該多個凹部的表面的至少一部分具有比凹部的深度淺的紋理。
[0056] 半導體發光元件可以還具備保持氮化物類半導體層疊結構的襯底，條紋結構可以 形成于襯底。
[0057] 另外，凹部的深度可以為襯底的厚度的二分之一以下。
[0058] 半導體發光元件可以還具備透光性部件，條紋結構形成于透光性部件。
[0059] 半導體發光元件可以還包括使氮化物類半導體層疊結構生長的襯底，透光性部件 可以設置在襯底的與氮化物類半導體層疊結構相反側的面上。
[0060] 襯底可以由氮化鎵、藍寶石或碳化硅構成。
[0061] 相互相鄰的凹部彼此之間的區域可以是平坦的。
[0062] 凹部的延伸方向與偏振光的偏振方向所成角度可以為0°以上25°以下。
[0063] 偏振光的波長為λ時，凹部的深度可以為λ/0.628以上。
[0064] 設相互相鄰的凹部彼此的間隔為L2、凹部的寬度為L1的時，L2/L1的值可以為1. 7 以下。
[0065] 設偏振光的波長為λ時，紋理的凹部的延伸方向的線截面粗糙度Ra可以為λ/30 以上λ Χ5以下。
[0066] 氮化物類半導體層疊結構的主面可以為m面，偏振方向可以為a軸方向。
[0067] 另外，本發明的另一實施方式為半導體發光元件的制造方法，凹部和該凹部的表 面的紋理可以通過熱熔形成。
[0068] 熱熔可以通過激光照射發生。
[0069] 激光照射使用的激光的掃描速度可以為200mm/s以上。
[0070] 另外，本發明的另一實施方式一種光源裝置，其包括：半導體發光元件；包含對從 半導體發光元件輻射出的光的波長進行轉換的熒光物質的波長轉換部。
[0071] 但是，以m面為主面(生長面）的氮化物半導體活性層主要出射電場強度偏到a軸 方向的光。理論上預測當發光元件具有偏振特性時，顯示發光強度相對于與偏振方向垂直 的方向的變大的配光分布。即，發光元件的輻射(配光分布)圖案變得不均勻。另外，理論上 預測-r面、（20-21)面、（20-2-1)面、（10-1-3)面和（11-22)面等的半極性面、以及a面等 的其它的非極性面中，也出射電場強度偏到氮化物半導體的特定的結晶方向的光，顯示發 光強度相對于與偏振方向垂直的方向變大的配光分布。
[0072] 已知來自以a面為主面的氮化物半導體活性層的光的偏振方向為m軸。因此，可 以預測為顯不發光強度相對于與m軸垂直的方向變大的配光分布。
[0073] 已知有來自以作為半極性面的（20-2-1)面和（20-21)面為主面的氮化物半導 體活性層的光的偏振方向為[-12-10]方向。因此，可以預測為顯示發光強度相對于與 (-12-10)方向垂直的方向變大的配光分布。
[0074] 已知有來自以作為半極性面的（10-1-3)面為主面的氮化物半導體活性層的光的 偏振方向，在氮化物半導體活性層的In的組成大的情況下為（-12-10)方向，在氮化物半導 體活性層的In的組成小的情況下為（-1-123)方向。因此，可以預測為在活性層的In的組 成大的情況下，顯不發光強度相對于與（-12-10)垂直的方向變大的配光分布，在活性層的 In的組成小的情況下，顯不發光強度相對于與（-12-10)方向垂直的方向變大的配光分布。
[0075] 已知有來自以作為半極性面的（11-22)面為主面的氮化物半導體活性層的光的偏 振方向，在氮化物半導體活性層的In的組成大的情況下為m軸方向，氮化物半導體活性層 的In的組成小的情況下為（-1-123)方向。因此，可以預測為在活性層的In的組成大的情 況下，顯不發光強度相對于與m軸垂直的方向變大的配光分布，在活性層的In的組成小的 情況下，顯不發光強度相對于與（-1-123)方向垂直的方向變大的配光分布。
[0076] 本說明書中，將電場強度偏到特定的方向的光稱為"偏振光（Polarized Light)"。 例如將電場強度偏到V軸方向的光稱為"V軸方向的偏振光"，將此時的V軸方向稱為"偏振 方向"。其中，"V軸方向的偏振光"不僅指偏振到V軸方向的直線偏振光，而也包含偏振到 其它的軸方向的直線偏振光。更詳細來講，"V軸方向的偏振光"指透過"在V軸方向具有偏 振透過軸的偏振子"的光的強度（電場強度）比透過"在其它的軸方向具有偏振透過軸的偏 振子"的光的電場強度高的光。從而，"V軸方向的偏振光"不僅為偏振到V軸方向的直線偏 振光和橢圓偏振光，而廣泛包含偏振到各種方向的直線偏振光和橢圓偏振光混合存在的不 相干光。
[0077] 此外，認為如上述專利文獻1記載的方式，氮化物半導體發光元件具有由偏振特 性引起在主面的面內的方位角導致發光強度具有各向異性。因此，作為發光元件的特性，除 了光輸出高之外，優選偏振特性的適當的控制和發光強度的各向異性的適當的控制。
[0078] 專利文獻1記載的發光二極管裝置，為了降低從芯片配置面的面內的方位角不同 的導致的強度的差，絲毫未考慮偏振度。
[0079] 記載有專利文獻2記載的半導體發光元件，為了提高光輸出，在光取出面通過干 式蝕刻形成傾斜面，通過利用了結晶各向異性的濕式蝕刻，具有微細的凹凸的結構。然而， 上述濕式蝕刻法對-c面是有效的，但是難以使用到非極性面和半極性面。
[0080] 專利文獻3記載的發光元件，為了在維持偏振度的狀態下提高光取出，具有在與 來自活性層的光的偏振方向垂直的方向上延伸的條紋狀的槽。然后，本
【發明者】詳細進行研 究時，以布儒斯特角（偏振角）入射到出射面的光的密度非常小，對于偏振光的透過率的提 高的效果是非常有限的。
[0081] 專利文獻4記載的氮化物半導體元件，為了提高形成在-C面的η電極的緊貼性和 耐熱性的提高，使用脈沖激光在-C面形成深度為2 μ m至10 μ m左右的槽后，形成η電極。 在槽的內部形成有臺階差為〇. 1 μ m至〇. 3 μ m、周期為3 μ m至5 μ m的凹凸，但由電極覆蓋 槽的整體的結構，形成在槽的內部的凹凸對光輸出帶來的影響并未被考慮。
[0082] 本
【發明者】發現通過使包含偏振光的氮化物半導體發光元件的出射面的面形狀(截 面形狀）最優化，能夠同時實現出射的光的偏振特性和配光特性的改善和光取出效率的提 商。
[0083] 以下，參照【專利附圖】
【附圖說明】本發明的實施方式。在以下的附圖中，為了說明的簡單化，有 時用相同的參照附圖標記表示實質上具有相同的功能的構成要素。其中，本發明不限于以 下的實施方式。
[0084] (第1實施方式）
[0085] 以下參照【專利附圖】
【附圖說明】第1實施方式。
[0086] 圖3 (a)?圖3 (d)不意性地表不第1實施方式的半導體發光兀件。圖3 (a)表 示平面結構，圖3 (b)表示圖3 (a)的Illb-IIIb線的截面結構，圖3 (c)和圖3 (d)放大 表示條紋結構50。
[0087] 如圖3 (a)和圖3 (b)所示，本實施方式的半導體發光元件101包括：襯底10 ;和 形成在該襯底10之上的包含活性層22的半導體層疊結構20。
[0088] 以下，說明第1實施方式的半導體發光元件101的詳細結構。
[0089] 第1實施方式的半導體發光元件101具有以氮化物類半導體的非極性面或半極性 面為主面的、包含活性層22的半導體層疊結構20。如上所述，從活性層22出射偏振光。
[0090] 半導體層疊結構20由氮化物半導體更具體而言AlxInyGazN (其中，X + y + z = l，x > 0，y > 0，z > 0)半導體形成。另外，半導體層疊結構20包含夾著活性層22的η型 氮化物半導體層21和p型氮化物半導體層23。此外，活性層22和η型氮化物半導體層21 之間以及活性層22和ρ型氮化物半導體層23之間的至少一方可以設置有不摻雜的GaN層。
[0091] 半導體發光元件101包括與η型氮化物半導體層21電連接的η側電極30和與ρ 型氮化物半導體層23電連接的ρ側電極40。本實施方式中，以η型氮化物半導體層21的 一部分從半導體層疊結構20露出的方式設置凹部31。η側電極30設置在露出的η型氮化 物半導體層21之上。η側電極30例如由包括鈦（Ti)層和鉬（Pt)層的層疊結構（Ti/Pt)等 形成。替代其，η側電極30能夠使用由鈦（Ti)層和鋁（A1)層形成的層疊結構（Ti/Al)。
[0092] 在ρ型氮化物半導體層23之上設置有ρ側電極40。ρ側電極40可以覆蓋ρ型氮 化物半導體層23的表面的大致整體。ρ側電極40例如由包括鈀（Pd)層和鉬（Pt)層的層 疊結構（Pd/Pt)等形成。替代其，ρ側電極40可以使用銀(Ag)層。
[0093] 襯底10能夠選擇適合形成以非極性面或半極性面為主面的半導體層疊結構20的 材料。具體而言，能夠使用氮化鎵（GaN)。替代GaN，能夠使用氧化鎵（Ga 203)、碳化硅（SiC)、 硅（Si)或藍寶石等。例如，在襯底10的主面上外延生長以m面為主面的包含活性層22的 半導體層疊結構20的情況下，能夠使用m面GaN襯底。另外，在外延生長以（20-2-1)面為 主面的包含活性層22的半導體層疊結構20的情況下，使用（20-2-1)面GaN襯底即可。另 夕卜，也能夠使用m面SiC襯底或m面藍寶石襯底。但是，如報告的在r面藍寶石襯底上生長 a面GaN的那樣，為了使以m面為主面的活性層22生長，襯底10的表面必須為m面。另外， 在襯底10以外的其它的襯底之上形成半導體層疊結構20,之后將半導體層疊結構20從其 它的襯底剝離，進而將半導體層疊結構20貼在襯底10。
[0094] η型氮化物半導體層21例如由η型的AluGavInwN (其中，u + v + w= l、u彡0、 v > 0、w > 0)半導體形成。作為η型摻雜劑能夠使用例如娃（Si)。η型摻雜劑中例如可以 使用氧（〇)等替代Si。
[0095] ρ型氮化物半導體層23例如由ρ型的AlsGatN (其中，s十t = 1，s > 0，t彡0) 半導體形成。作為P型摻雜劑例如能夠使用鎂(Mg)。替代ρ型摻雜劑除了 Mg，例如也可以 使用鋅（Zn)或鈹（Be)等。ρ型氮化物半導體層23中，A1的組成比s可以在厚度方向一樣， A1的組成比s也可以在厚度方向連續地或階段地變化。具體而言，ρ型氮化物半導體層23 的厚度例如為〇. 1 μ m?2 μ m程度。
[0096] 另外，ρ型氮化物半導體層23中，也可以在與ρ側電極40的界面的附近的A1的 組成s為〇,即可以為GaN。另外，在該情況下，GaN中高濃度地包含ρ型的雜質，也可以作 為P型接觸層發揮作用。因此，雖然為圖示，但是在P型氮化物半導體層23和ρ側電極40 之間可以設置由P+_GaN形成的接觸層。
[0097] 活性層22具有例如由厚度為3nm?20nm程度的Gai_xInxN阱層(其中，0 < X < 1) 和厚度為5nm?30nm程度的GaN勢壘層交替層疊而形成的GalnN/GaN構成的多量子阱 (MQW)結構。從半導體發光元件101出射的光的波長，由構成活性層22的氮化物半導體的 帶隙的大小、具體而言作為作為阱層的半導體組成的G ai_xInxN半導體的In的組成X決定。
[0098] 襯底10具有彼此相對的第1主面和第2主面，第1主面與半導體層疊結構20的 η型氮化物半導體層21接觸。第2主面成為取出由活性層22發出的偏振光的出射面。本 實施方式中，在作為光的出射面的第2主面形成有多個凸部和多個凹部相互平行地呈條紋 狀延伸的條紋結構50。
[0099] 如圖3 (a)所示，條紋結構中，俯視時的延伸方向相對于來自活性層22的光的偏 振方向具有角度Θ。另外，如圖3 (b)所示，條紋結構50包括凸部50a的凹部50b。并且， 本實施方式的特征在于，如圖3 (c)和圖3 (d)所不，在凹部50b的表面設置有微細的凹凸 結構51。該微細的凹凸結構51具有與形成在襯底10的第2主面的凹部50b相比充分小 的截面形狀。此外，本說明書中，將在凹部50b的至少表面形成的微細的凹凸結構50稱為 "紋理（texture)"。
[0100] 凸部50a具有與作為出射面的第2主面大致平行的上表面50d。凹部50b包含與 上表面50d不平行的至少1個斜面50c和底面50e。以下、本說明書中，有時將凹部50b的 斜面50c的底面50e -并稱為內表面。另外，如圖3(d)所示，斜面50c可以包括多個斜面。 另外，條紋結構50可以為不具有上表面50d或底面50e的結構。另外，斜面50c和底面50e 可以由曲線構成。另外，條紋結構50不需要形成在第2主面的整個面，可以形成在其一部 分。
[0101] 如圖4 (a)?圖4 (h)所示，條紋結構50的凸部50a和凹部50b能夠獲得各種方 式。圖4 (a)?圖4 (h)是條紋結構50的平面形狀和截面形狀的例示。在此，僅關注條紋 結構50,設置于凹部50b的微細的凹凸結構(紋理）51省略。
[0102] 例如，圖4 (a)是凸部50a的截面形狀為梯形，凹部50b的截面形狀為三角形的例 子。在該情況下，為不具有底面50e的結構。
[0103] 圖4(b)是凸部50a的截面形狀為三角形，凹部50b的截面形狀為梯形的例子。在 該情況下，為不具有上表面50d的結構。
[0104] 圖4 (c)是凸部50a的截面形狀和凹部50b的截面形狀均為方形的例子。
[0105] 圖4 (d)是凹部50b的截面形狀為曲面狀，凸部50a具有上表面50d的情況下的 例子。
[0106] 圖4 (e)是凹部50b的截面形狀為曲面狀，在凸部50a不具有上表面50d的情況 下的例子。
[0107] 圖4 (f)是凹部50b形成在第2主面的一部分的例子。
[0108] 圖4 (g)是凸部50a形成在第2主面的一部分的例子。
[0109] 圖4 (h)是條紋狀的凹部50b不連續地形成的情況下的例子。
[0110] 以上是條紋結構50的截面形狀和平面形狀的例示。本發明中，在襯底10的第2 主面設置的條紋結構50為在俯視時在規定的方向上延伸地配置的凹凸結構體，在凹部包 含微細的凹凸結構(紋理）51即可。
[0111] 以下詳細說明條紋結構50的特征。
[0112] 當關注于光在與偏振方向垂直的方向上傳播的性質時，條紋結構50的延伸方向 與來自活性層22的光的偏振方向所成角度Θ具有重要的意義。在此，使用圖5和圖6對 其進行說明。
[0113] 圖5表示評價配光特性的模擬計算所用的條紋結構50的結構。圖5 (a)表示條 紋結構50的平面結構。圖5 (b)表示角度Θ為〇°的情況下的X-X方向上的截面結構。 圖5 (c)表示角度Θ為〇°的情況下的Y-Y方向上的截面結構。圖5 (d)表示角度Θ為 90°的情況下的X-X方向上的截面結構。圖5 (e)表示角度Θ為90°的情況下的Y-Y方 向上的截面結構。圖中中虛線所示的箭頭表示來自某發光點的光的放出的樣子。
[0114] 在此，為了使凹凸狀的條紋結構50簡化，凹部50b采用深度為L1、寬度為L1的截 面方形。凸部50a的上表面的寬度為L2,從凸部50a的上表面50d至活性層22的距離為 T。在此，當設L1與T的比的值為A (A = Ll/T)、L2與L1的比的值為B (B = L2/L1)時， 條紋結構50能夠由θ、A和B這三個參數表示。在A的值小的情況下，與相對于半導體發 光元件的大小形成小的凹部50b的情況相當。另外，A為不到1的值。在B的值小的情況 下，與上表面50d的面積減少的情況相當。在B的值為0的情況下，與不具有凸部50a的上 表面50d的結構相當。另外，在B的值小的情況下，可以認為是以高密度形成有凹部50b情 況。
[0115] 如圖5 (b)所示，在角度Θ = 〇°的情況下的X-X方向上，從活性層22放出的光 從某發光點呈扇狀的擴展。在該情況下，光進入位于著眼的發光點的上部的凸部50a的上 表面50d，但是在其以外的上表面50d被凹部50b遮擋。對此，如圖5 (d)所示，在角度Θ =90°的情況下的X-X方向上，從活性層22放出的光入射到與條紋結構50垂直的方向。 圖6表示固定為六=〇.1、使角度0以〇°、25°、45°和9〇°變化、通過計算算出8的值與 入射到凸部50a的上表面50d的光的比例的關系的結果。虛線表示凸部50a的上表面50d 的面積與凹部50b的表面的面積之比的值。即，虛線相當于單純根據表面積算出凹部50b 的影響的情況。在此，入射到作為縱軸的凸部50a的上表面50d的光的比例以1為最大值 進行標準化。另外，將該值從1減去之后的值表示入射到凹部50b表面的比例。可知在從 進行了計算的B = 0. 1至3. 0的寬的范圍中，越增大角度Θ，能夠越增大入射到凸部的上表 面50d的光的比例。換言之，在包含具有偏振特性的活性層22的氮化物半導體發光元件的 光出射面形成條紋結構50的情況下，通過減小角度Θ即設定為〇°以上45°以下，能夠使 更多的光入射到凹部50b的表面。B的值在1. 7以下的范圍中，Θ = 〇°的值是比虛線表 示的值充分小的值。即，在具有這種偏振特性的活性層22的情況下，凹部50b的表面的影 響不能夠單純根據表面積推定，需要考慮角度Θ。尤其是可以說在角度Θ為〇°以上25° 以下的范圍中，能夠充分抑制入射到凸部50a的上表面的光，具有不能夠單純根據表面積 推定的特性。
[0116] 圖7是固定為0=〇°、使8的值以〇.2、〇.5、〇.7、1.〇、1.5和2.〇變化，通過計算 來算出A的值與入射到凸部50a的上表面50d的光的比例的關系的結果。A的值是表示凹 部50b的大小的參數，A = 0. 5意味著凹部50b相當于襯底的厚度的二分之一，A = 0. 1意 味著凹部50b相當于襯底的厚度的10%。
[0117] 如圖7所示，入射到凸部50a的上表面50d的光的比例對A的值的依賴性小，在 0. 4左右比較穩定。另外，表示當B的值大于1. 0時，A的值在0. 4至0. 5的范圍具有極小 值的特性。因此，在B的值大的情況下，通過適當設定A的值，能夠一定程度控制入射到凸 部50a的上表面50d的光的比例。
[0118] 當光入射到某個面時，某個面的法線方向與入射方向所成角度為入射角Θ i的情 況下，具有該入射角θ?變大時，難以受到入射面的凹凸的影響的特性。這被稱為瑞利判 據，在入射光的發光波長為λ、某個面的表面的凹凸的標準偏差為h的情況下，
[0119] h < λ /8cos ( Θ i)
[0120] 的條件下，入射光難以受到面的凹凸的影響。認為h與LI大致相等時，為了使入 射到條紋結構50的光之中95%受到凹部50b和凸部50a的影響，使L1 > λ/0.628。在波 長為450nm的情況下，凹部50b的深度L1需要為717nm以上。
[0121] 為了使入射到條紋結構50的光之中99%受到凹部50b的凸部50a的影響，使 L1彡λ /〇· 126。在波長為450nm的情況下，凹部50b的深度L1需要為3581nm以上。
[0122] 但是，實際上，L1的值不能夠實現襯底的厚度以上的高度。通過使L1的值為襯底 的厚度的二分之一左右以下，在形成條紋結構50后，能夠保持襯底的剛性，所以不產生使 用上的問題。另外，通過使L1的值為襯底的厚度的三分之一程度以下，當使發光元件小片 化時，能夠避免在所期望的部位以外的區域被分割的問題。
[0123] 根據以上的結果，關于條紋結構50的凸部50a和凹部50b，為了增大凹部50b的影 響，條紋結構50的延伸方向與來自活性層22的光的偏振方向所成角度Θ可以為〇°以上 45°以下。另外，角度Θ可以為在〇°以上25°以下的范圍內。
[0124] 凸部50a的上表面50d的寬度L2的凹部50b的寬度L1的比B (B = L2/L1)的值 可以為1. 7以下。L1的值可以為717nm以上。另外，L1的值可以為3581nm以上。另外，L1 的值可以為襯底的厚度的二分之一左右以下。另外，L1的值可以為五分之二左右以下，也 可以為三分之一左右以下。
[0125] 接著，詳細說明形成在凹部50b的表面的微細的凹凸結構(紋理）51。
[0126] 雖然如上所述設置有凹部50b，但光的取出效率的提高為主導的（主要的)，所以對 凹部50b的表面的狀態被放出至外部的光的特性具有較大的影響。
[0127] 圖8 (a)表示比較用的、在凹部50b的表面不設置微細的凹凸結構51的現有的結 構的情況下、入射到凹部50b的表面的光的光路。圖8 (b)表示在凹部50b的表面設置有 微細的凹凸結構51的本實施方式的的情況下、入射到凹部50b的表面的光的光路。
[0128] 如圖8 (a)所示，在不設置微細的凹凸結構51的現有的結構的情況下，透過光中， 正透過光為主導。S卩，透過光在由凸部50a的折射率、存在于凹部50b的內部的物質的折射 率和入射光的入射角決定的方向上出射。具有凸部50a和凹部50b的結構反復而形成的周 期結構的情況下，有時光在特定的方向上光被增強，顯示配光分布特性具有振幅地扭曲的 特性。
[0129] 對此，如圖8 (b)所示，在凹部的表面（內表面）設置微細的凹凸結構51的本實施 方式的情況下，透過光具有正透過光的成分和擴散透過光的成分，所以光在向各個的方向 擴散的狀態下被取出至外部。其結果為，能夠使配光分布特性接近無指向性的、所謂的朗伯 形狀。并且，能夠抑制凹部50b的表面的全反射成分。因此，光取出的效率提高，能夠進行 高輸出化。為了確認該效果，進行了使用光線跟蹤法的計算。
[0130] 圖9 (a)?圖9 (c)表示配光分布特性的計算結果。圖9 (a)表示比較用的、對具 有鏡面狀的光取出面的發光元件進行的、使用光線跟蹤法的配光分布特性的計算結果。在 此，發光元件的芯片尺寸為450 μ m見方，襯底10的厚度為100 μ m。如圖9 (a)所示，受到 從芯片的側面出射的光的影響，形成在與芯片的主面的方向成±70°附近具有峰值的輻射 形狀。
[0131] 圖9(b)表不比較用的、對條紋狀的凹部50b的表面（內表面)為鏡面的發光兀件進 行的、使用光線跟蹤法的配光分布特性的計算結果。在此，凸部50a的上表面的寬度為大致 0 μ m，凹部50b的寬度為20 μ m，凹部50b的深度為25 μ m。發光元件的芯片尺寸為450 μ m 見方，襯底10的厚度為100 μ m。在該情況下，如圖9 (b)所示，由于截面凹凸狀的條紋結構 50的影響，形成具有多個峰值的輻射形狀。
[0132] 圖9(c)是表示對與本實施方式相當的發光元件進行的、使用光線跟蹤法的配光分 布特性的計算結果。在此，凸部50a的上表面的寬度為大致0 μ m，凹部50b的寬度為20 μ m， 凹部50b的深度為25 μ m。并且，僅在凹部50b的表面（內表面)定義理想的朗伯擴散面，凸 部50a的上表面定義為鏡面進行了計算。發光元件的芯片尺寸為450 μ m見方，襯底10的 厚度為lOOym。在該情況下，如圖9 (c)所示可知，通過由凹部50b的表面進行的擴散，輻 射形狀接近朗伯形狀。這樣，在凹部50b的表面、即內表面設置擴散面（紋理)，能夠使輻射 形狀接近朗伯形狀。
[0133] 圖10表示本實施方式的半導體發光元件的光取出的計算評價結果。縱軸是以光 取出面為鏡面的情況為1進行了標準化。圖中的虛線表示在不設置由凸部50a和凹部50b 形成的條紋結構50的比較用的結構中、在光取出面定義朗伯擴散面的情況下的計算結果。 比較用的光取出的比率的值為1. 25。
[0134] 圖中的標記□表示在光取出面設置有條紋結構50的情況下的計算結果，凹部50b 的表面為鏡面。橫軸表示凸部50a的上表面的面積對凹部50b的表面的面積之比的值。凹 部50b的截面形狀呈寬度和深度均為20 μ m的V字狀。該情況下的光取出比率的值為1. 5 左右。
[0135] 圖中的標記?表示凹部50b的截面形狀是寬度和深度均為20μπι的V字狀，表示 在凹部50b的表面定義有朗伯擴散面的情況下的計算結果。即，與本實施方式相當。在該 情況下，光取出比率的值表示為2. 0以上。此外，根據標記□和虛線能夠設想的光取出比率 (標記□的結果和虛線的結果的積）的值為1. 9左右。因此可知，本實施方式的光取出比率 的值比根據標記□和虛線能夠設想的光取出比率的值大。另外，凸部50a的上表面50d的 面積對凹部50b的表面的面積之比的值越小，表示越高的光取出比率。
[0136] 本實施方式中，可知通過由凸部50a和凹部50b形成的條紋結構50以及形成在凹 部50b的表面的微細的凹凸結構（紋理）51的協同效應，能夠實現不能夠容易設想的、光取 出效率的提高。
[0137] 微細的凹凸結構51的表面粗糙度Ra可以為λ/30以上λ X5以下。另外，可以 為λ/30以上λ Χ3以下。另外，可以為λ/4以上λ Χ3以下。在此，λ為從活性層22出 射的光的波長。Ra位于λ /30彡Ra彡λ Χ3的范圍時，從凹部50b的表面透過的光受到被 稱為瑞利散射、米氏散射的效果。表面粗糙度在λ/2以上時，擴散成分增加。
[0138] 具體而言，使在活性層22中產生的偏振光的波長為450nm時，表面粗糙度Ra可以 為15nm以上2. 25μπι以下。另外，表面粗糙度Ra可以為15nm以上1.35μπι以下。另外， 表面粗糙度Ra可以為113nm以上1.35μπι以下。其中，表面粗糙度Ra需要比L1的值小。 在此，表面粗糙度Ra能夠通過激光顯微鏡（Keyence公司制造 VK-X200)等測定。在以截面 觀看測定的面時，能夠通過"JIS B0601"規定的算術平均粗糙度求出。按照"JIS B0601" 測定測定面的截面曲線，根據截面曲線求出波浪曲線，從截面曲線減去波浪曲線。即，通過 進行從截面曲線僅提取粗糙度的操作，能夠獲得粗糙度曲線。按照"JIS B0601"定義的坐 標系，使測定面方向為X軸、測定截面方向為Z軸。
[0139] 波浪& >9 )是指以比粗糙度大的間隔形成的表面的周期的起伏，在本發明中， 凹部50b與波浪相當。在此，為了簡化說明，通過在凹部50b延伸的方向上采用測定截面進 行說明。
[0140] 在如上所述使用測定截面的情況下，不需要考慮條紋結構50的較大的凹凸形狀 形成的波浪。其結果，波浪曲線為直線，所以測定誤差降低，能夠求出準確的表面粗糙度Ra。 能夠在X軸方向上僅提取基準長度1，在該提取部分中應用最小二乘法，通過以下的公式 (1)進行表示。
[0141]
【權利要求】
1. 一種半導體發光元件，其特征在于： 具備以非極性面或半極性面為主面的、包括發出偏振光的活性層的氮化物類半導體層 疊結構， 所述半導體發光元件具有條紋結構，該條紋結構設置在橫切所述偏振光的出射路徑的 位置，包括相互平行地延伸的多個凹部， 所述凹部的延伸方向與所述偏振光的偏振方向所成角度為0°以上45°以下， 所述多個凹部在該多個凹部的表面的至少一部分具有比所述凹部的深度淺的紋理。
2. 如權利要求1所述的半導體發光元件，其特征在于： 還具備保持所述氮化物類半導體層疊結構的襯底， 所述條紋結構形成于所述襯底。
3. 如權利要求2所述的半導體發光元件，其特征在于： 所述凹部的深度為所述襯底的厚度的二分之一以下。
4. 如權利要求1所述的半導體發光元件，其特征在于： 還具備透光性部件， 所述條紋結構形成于所述透光性部件。
5. 如權利要求4所述的半導體發光元件，其特征在于： 還包括使所述氮化物類半導體層疊結構生長的襯底， 所述透光性部件設置在所述襯底的與所述氮化物類半導體層疊結構相反側的面上。
6. 如權利要求2?3和5中任一項所述的半導體發光兀件，其特征在于： 所述襯底由氮化鎵、藍寶石或碳化硅構成。
7. 如權利要求1?6中任一項所述的半導體發光兀件，其特征在于： 相互相鄰的所述凹部彼此之間的區域是平坦的。
8. 如權利要求1?7中任一項所述的半導體發光兀件，其特征在于： 所述凹部的延伸方向與所述偏振光的偏振方向所成角度為0°以上25°以下。
9. 如權利要求1?8中任一項所述的半導體發光兀件，其特征在于： 設所述偏振光的波長為λ時，所述凹部的深度為λ/0.628以上。
10. 如權利要求1?9中任一項所述的半導體發光兀件，其特征在于： 設相互相鄰的所述凹部彼此的間隔為L2,所述凹部的寬度為L1時，L2/L1的值為1. 7 以下。
11. 如權利要求1?9中任一項所述的半導體發光兀件，其特征在于： 設所述偏振光的波長為λ時，所述紋理的凹部的延伸方向的線截面粗糙度Ra為λ/30 以上λ Χ5以下。
12. 如權利要求1?10中任一項所述的半導體發光兀件，其特征在于： 所述氮化物類半導體層疊結構的所述主面為m面，所述偏振方向為a軸方向。
13. 如權利要求1?12中任一項所述的半導體發光元件的制造方法，其特征在于： 所述凹部和該凹部的表面的紋理通過熱熔形成。
14. 如權利要求13所述的半導體發光元件的制造方法，其特征在于： 所述熱熔通過激光照射發生。
15. 如權利要求14所述的半導體發光元件的制造方法，其特征在于： 所述激光照射使用的激光的掃描速度為200mm/s以上。
16. -種光源裝置，其特征在于，包括： 權利要求1?12中任一項所述的半導體發光兀件；和 波長轉換部，其包含對從所述半導體發光元件輻射的光的波長進行轉換的熒光物質。
【文檔編號】H01L33/32GK104160520SQ201280049611
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2012年9月20日 優先權日:2012年2月1日
【發明者】藤田稔之, 井上彰, 橫川俊哉 申請人:松下電器產業株式會社
【專利摘要】半導體發光元件（101）具備以非極性面或半極性面為主面的、由包含發出偏振光的活性層（22）的氮化物類半導體構成的半導體層疊結構（20）。半導體發光元件（101）具有設置在橫切偏振光的出射路徑的位置、包含多個凹部的條紋結構（50），凹部（50b）的延伸方向與偏振光的偏振方向所成角度為0°以上45°以下。多個凹部（50b），該多個凹部（50b）的表面的至少一部分具有比凹部50b的深度淺的微細的凹凸結構（紋理）（51）。
【專利說明】半導體發光元件、其制造方法和光源裝置
【技術領域】
[0001] 本發明設置具備以非極性面或半極性面為主面的、包括發出偏振光的活性層的氮 化物類半導體層疊結構的半導體發光元件及其制造方法、以及使用半導體發光元件的光源 裝直。
【背景技術】
[0002] 含氮（Ν)的VA族元素的氮化物半導體，由于其帶隙的大小，有望作為短波長發光 元件的材料。其中，氮化鎵類化合物半導體（GaN類半導體)的研究正在盛行，使用氮化鎵類 化合物半導體的藍色發光二極管（LED)、綠色LED元件以及藍色LED半導體激光元件也正實 用化。
[0003] 氮化鎵類化合物半導體包含用鋁（A1)和銦（In)的至少一者取代鎵（Ga)的一部 分而得到的化合物半導體。這種氮化物半導體由通式Al xGayInzN (其中，0< X，z < 1，0 < y彡1，x+y+z = 1。）表示。以下，將氮化鎵類化合物半導體稱為GaN類半導體。
[0004] GaN類半導體通過用Al、In的至少一者取代Ga，能夠使其帶隙比GaN的帶隙大或 小。由此，不僅能夠發出藍色或綠色等的短波長的光，也能夠發出橙色或紅色等的長波長的 光。根據這種特征，氮化物半導體發光元件能夠被期待應用于圖像顯示裝置和照明裝置等。
[0005] 氮化物半導體具有纖鋅礦型晶體結構。圖1 (a)、圖1 (b)和圖1 (c)用4指數標 記(六方晶指數)表示表纖鋅礦型晶體結構的面方位。在4指數標記中，使用由al、a2、a3和 c表示的基本矢量表示結晶面及其面方位。基本矢量c在[0001]方向延伸，該方向的軸被 稱為"c軸"。與c軸垂直的面（plane)被稱為"c面"或"（0001)面"。在圖1 (a)中，除了 c面之外，表示a面" =(11-20)面"和m面"=(1-100)面"。另外，圖1 (b)表示r面"= (1-102)面"，圖1 (c)表示（11-22)面。其中，本說明書中，表示密勒指數的括號內的數字 的左側被標注符號為了方便表示該指數的反轉，與圖中的"橫線（bar)"對應。
[0006] 在圖2 (a)中用球管模型表示GaN類半導體的晶體結構。圖2 (b)是從a軸方向 觀看m面表面附近的原子排列而得的球管模型。m面與圖2 (b)的紙面垂直。圖2 (c)是 從m軸方向觀看+c面表面的原子排列而得的球管模型。c面與圖2 (c)的紙面垂直。從 圖2 (a)和圖2 (b)可知，N原子和Ga原子位于與m面平行的平面上。對此，在c面中，從 圖2 (a)和圖2 (c)可知，形成有僅配置有Ga原子的層和僅配置有N原子的層。
[0007] 在現有技術中，在使用GaN類半導體制作半導體元件的情況下，作為使氮化物半 導體晶體生長的襯底(基板)，能夠使用以c面襯底即（0001)面為主面的襯底。在該情況下， 由于Ga原子和N原子的配置導致在氮化物半導體形成在c軸方向自發的極化（Electrical Polarization)。因此，"c面"被稱為"極性面"。極化的結果，由構成氮化物半導體發光元 件的發光層的InGaN構成的量子講層沿c軸方向產生壓電電場。因產生的壓電電場而在發 光層內的電子和空穴的分布產生位置偏差，因載流子的量子限制斯塔克效應，具有發光層 的內部量子效率降低的問題。為了抑制該發光層的內部量子效率的降低，形成于（0001)面 的發光層的厚度設計為3nm以下。
[0008] 進而，近年來討論使用以被稱為非極性面的m面或a面、或被稱為半極性面的-r 面或（11-22)面為主面的襯底制作發光元件。如圖1所示，纖鋅礦型晶體結構的m面與c軸 平行，是與c面正交的六個等價的面。例如，在圖1中，與[1-100]方向垂直的（1-100)面與 m面相當。與（1-100)面等價的其它的m面有（-1010)面、（10-10)面、（-1100)面、（01-10) 面和（0-110)面。
[0009] 如圖2 (a)和圖2 (b)所示，在m面中，Ga原子和N原子存在于相同原子面上，所 以在與m面垂直的方向不產生極化。因此，使用以m面為生長面的半導體層疊結構制作發 光元件時，在發光層不產生壓電電場，能夠解決載流子的量子限制斯塔克效應導致的內部 量子效率的降低的問題。m面以外的作為非極性面的a面也與此相同，另外，被稱為半極性 面的-r面或（11-22)面、（20-21)面和（20-2-1)面也能夠獲得類似的效果。
[0010] 具有以非極性面或半極性面為生長面(主面）的活性層的氮化物類半導體發光元 件，具有由其價電子帶的結構導致的偏振特性。
[0011] 專利文獻1記載的發光二極管裝置，為了降低芯片配置面的面內的方位角的不同 的導致的強度的差，具備：包含具有主面的發光層的發光二極管芯片；和具有配置發光二 極管芯片的芯片配置面的殼（package)。從發光層的主面出射的光，依賴于發光層的主面的 面內的方位角而具有多個不同的發光強度，發光二極管芯片和殼的至少一者具有降低因從 殼出射的光的芯片配置面的面內的方位角的不同導致的強度的差的結構。
[0012] 專利文獻2中記載的半導體發光元件，為了提高從光取出側的表面的光取出效率 且使配光性良好，在η型半導體層與p型半導體層之間具有發光層的半導體層疊體的襯底 上安裝的一側的面相反側的光取出面設置有多個凹部。凹部具有在從凹部的開口部向底部 去直徑縮小的方向上傾斜角不同的2層傾斜面，傾斜角緩和的傾斜面為具有凹凸的面，傾 斜角陡峭的傾斜面是平坦的面。
[0013] 專利文獻3中記載的發光元件，為了實現抑制在活性層中產生的偏振光的輸出效 率的降低，包括：由以非極性面或半極性面為主面的ΙΙΙΑ族氮化物半導體構成，依次層疊 第1導電型的第1半導體層、活性層和第2導電型的第2半導體層，從活性層發出偏振光 的發光部；和在偏振方向上排列多個在與偏振光的偏振方向垂直的方向上延伸的條紋狀的 槽，形成鍋波形狀的輸出面的輸出部。從發光部透過輸出部，從輸出面輸出偏振光。
[0014] 專利文獻4中記載的氮化物半導體元件，為了實現保持氮化物半導體襯底的背面 的平坦性，并且具有歐姆接觸性、緊貼性、耐熱性優秀的襯底背面電極、長壽命且可靠性高 的氮化物半導體元件，其包括：具有相互相對第1面和第2面的氮化物半導體襯底；設置在 第1面的元件結構；和設置在第2面的電極，在第2面設置有在底部具有凹凸的槽部和氮極 性的平坦部，電極覆蓋槽部地設置。
[0015] 現有技術文獻 [0016] 專利文獻
[0017] 專利文獻1 :日本特開2008-109098號公報
[0018] 專利文獻2 :日本特開2010-074008號公報
[0019] 專利文獻3 :日本特開2008-305971號公報
[0020] 專利文獻4 :日本特開2010-177455號公報
【發明內容】
[0021] 發明要解決的課題
[0022] 然而，在上述專利文獻1和專利文獻3中記載那樣的、現有的具有以非極性面或半 極性面為主面的氮化物半導體的發光元件中，尋求發光動作的性能的提高。
[0023] 本發明鑒于上述的技術問題，目的在于提高發光動作的性能。
[0024] 用于解決課題的方法
[0025] 為了解決上述課題，本發明的一個方式為一種半導體發光元件，其具備以非極性 面或半極性面為主面的、包括發出偏振光的活性層的氮化物類半導體層疊結構，所述半導 體發光元件具有條紋結構，該條紋結構設置在橫切偏振光的出射路徑的位置，包括相互平 行地延伸的多個凹部，凹部的延伸方向與偏振光的偏振方向所成角度為0°以上45°以 下，多個凹部在該多個凹部的表面的至少一部分具有比凹部的深度淺的紋理。
[0026] 根據本發明，能夠進一步適當控制發光強度的各向異性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0027] 圖1 (a)是表示纖鋅礦型晶體結構的基本矢量al、a2、a3和c、以及a面、c面和 m面的的立體圖。圖1 (b)是表示纖鋅礦型晶體結構的r面的立體圖。圖1 (c)是表示纖 鋅礦型晶體結構的（11-22)面的立體圖。
[0028] 圖2 (a)?圖2 (c)是用球管模型表示GaN類半導體的晶體結構的圖。
[0029] 圖3 (a)是表示設置在第1實施方式的半導體發光元件的條紋結構的凸部和凹部 的示意平面圖。圖3 (b)是圖3 (a)的Illb-IIIb線的示意截面圖。圖3 (c)和圖3 (d) 是表示圖3 (b)所示的凸部和凹部的局部放大截面圖。
[0030] 圖4 (a)?圖4 (h)是表示設置在第1實施方式的半導體發光元件的條紋結構的 延伸方向的示意平面圖和條紋結構的X-X線的示意截面圖。
[0031] 圖5(a)是表示第1實施方式的半導體發光元件的、模擬計算所使用的條紋結構的 延伸方向的示意平面圖。圖5 (b)?圖5 (d)是圖5 (a)所示的條紋結構的X-X線和Y-Y 線的示意截面圖。
[0032] 圖6是表示第1實施方式的設置在半導體發光元件的條紋結構的凸部相對于凹部 的寬度的比率和入射到凸部的上表面的光的比例的關系的圖表。
[0033] 圖7是表示第1實施方式的設置在半導體發光元件的條紋結構的凹部相對于從凸 部的上表面至活性層的距離的寬度的比例和入射到凸部的上表面的光的比例的關系的圖 表。
[0034] 圖8(a)是表示比較用的、在半導體發光元件的光的出射面的條紋結構的凹部不設 置微細的凹凸結構的現有的凹部的表面所入射的光的光路的一例的示意截面圖。圖8 (b) 是表不入射到第1實施方式的半導體發光兀件的條紋結構的凹部的表面的光的光路的一 例的示意截面圖。
[0035] 圖9 (a)是表示比較用的、在光的出射面不具有條紋結構的半導體發光元件的配 光特性分布的計算結果的圖表。圖9 (b)是表示比較用的、在條紋結構的凹部不設置微細 的凹凸結構的半導體發光元件的配光特性分布的計算結果的圖表。圖9 (c)是表示第1實 施方式的半導體發光元件的配光特性分布的計算結果的圖表。
[0036] 圖10是表示第1實施方式的半導體發光元件的條紋結構的凸部的上表面的面積 相對于凹部的表面的面積的比的值、和光取出比率的關系的圖表。
[0037] 圖11是表示第1實施方式的第1變形例的半導體發光元件的示意截面圖。
[0038] 圖12是表示第1實施方式的第2變形例的半導體發光元件的示意截面圖。
[0039] 圖13是表示第2實施方式的半導體發光元件的示意截面圖。
[0040] 圖14是表示第2實施方式的第1變形例的半導體發光元件的示意截面圖。
[0041] 圖15是表示第2實施方式的第2變形例的半導體發光元件的示意截面圖。
[0042] 圖16是表示第2實施方式的第3變形例的半導體發光元件的示意截面圖。
[0043] 圖17是表示第2實施方式的第4變形例的半導體發光元件的示意截面圖。
[0044] 圖18是表示第2實施方式的第5變形例的半導體發光元件的示意截面圖。
[0045] 圖19是表示第2實施方式的第6變形例的半導體發光元件的示意截面圖。
[0046] 圖20是表示第2實施方式的第7變形例的半導體發光元件的示意截面圖。
[0047] 圖21是表示第3實施方式的半導體發光元件的示意截面圖。
[0048] 圖22是表示實施例1的半導體發光元件的制造方法的高密度脈沖激光的掃描速 度和角度α的關系的圖表。
[0049] 圖23是表示實施例1的半導體發光元件的制造方法的高密度脈沖激光的掃描速 度和表面粗糙度Ra的關系的圖表。
[0050] 圖24是實施例1的半導體發光元件的制造方法的利用高密度脈沖激光實施了加 工后的顯微鏡照片圖像。
[0051] 圖25是表示實施例2的半導體發光元件的從光的偏振方向起的條紋結構的延伸 方向的角度和不對稱度的關系的圖表。
[0052] 圖26是表示實施例2的半導體發光元件的從光的偏振方向起的條紋結構的延伸 方向的角度和m軸方向的輻射強度的提高度的關系的圖表。
[0053] 圖27是表示實施例2的半導體發光元件的從m軸起的角度的、a軸方向和c軸方 向的發光波長差的關系的圖表。
[0054] 圖28是表不第4實施方式的白色光源的不意截面圖。
【具體實施方式】
[0055] 本發明的一實施方式是一種半導體發光元件，其特征在于：具備以非極性面或半 極性面為主面的、包括發出偏振光的活性層的氮化物類半導體層疊結構，所述半導體發光 元件具有條紋結構，該條紋結構設置在橫切偏振光的出射路徑的位置，包括相互平行地延 伸的多個凹部，凹部的延伸方向與偏振光的偏振方向所成角度為〇°以上45°以下，多個 凹部在該多個凹部的表面的至少一部分具有比凹部的深度淺的紋理。
[0056] 半導體發光元件可以還具備保持氮化物類半導體層疊結構的襯底，條紋結構可以 形成于襯底。
[0057] 另外，凹部的深度可以為襯底的厚度的二分之一以下。
[0058] 半導體發光元件可以還具備透光性部件，條紋結構形成于透光性部件。
[0059] 半導體發光元件可以還包括使氮化物類半導體層疊結構生長的襯底，透光性部件 可以設置在襯底的與氮化物類半導體層疊結構相反側的面上。
[0060] 襯底可以由氮化鎵、藍寶石或碳化硅構成。
[0061] 相互相鄰的凹部彼此之間的區域可以是平坦的。
[0062] 凹部的延伸方向與偏振光的偏振方向所成角度可以為0°以上25°以下。
[0063] 偏振光的波長為λ時，凹部的深度可以為λ/0.628以上。
[0064] 設相互相鄰的凹部彼此的間隔為L2、凹部的寬度為L1的時，L2/L1的值可以為1. 7 以下。
[0065] 設偏振光的波長為λ時，紋理的凹部的延伸方向的線截面粗糙度Ra可以為λ/30 以上λ Χ5以下。
[0066] 氮化物類半導體層疊結構的主面可以為m面，偏振方向可以為a軸方向。
[0067] 另外，本發明的另一實施方式為半導體發光元件的制造方法，凹部和該凹部的表 面的紋理可以通過熱熔形成。
[0068] 熱熔可以通過激光照射發生。
[0069] 激光照射使用的激光的掃描速度可以為200mm/s以上。
[0070] 另外，本發明的另一實施方式一種光源裝置，其包括：半導體發光元件；包含對從 半導體發光元件輻射出的光的波長進行轉換的熒光物質的波長轉換部。
[0071] 但是，以m面為主面(生長面）的氮化物半導體活性層主要出射電場強度偏到a軸 方向的光。理論上預測當發光元件具有偏振特性時，顯示發光強度相對于與偏振方向垂直 的方向的變大的配光分布。即，發光元件的輻射(配光分布)圖案變得不均勻。另外，理論上 預測-r面、（20-21)面、（20-2-1)面、（10-1-3)面和（11-22)面等的半極性面、以及a面等 的其它的非極性面中，也出射電場強度偏到氮化物半導體的特定的結晶方向的光，顯示發 光強度相對于與偏振方向垂直的方向變大的配光分布。
[0072] 已知來自以a面為主面的氮化物半導體活性層的光的偏振方向為m軸。因此，可 以預測為顯不發光強度相對于與m軸垂直的方向變大的配光分布。
[0073] 已知有來自以作為半極性面的（20-2-1)面和（20-21)面為主面的氮化物半導 體活性層的光的偏振方向為[-12-10]方向。因此，可以預測為顯示發光強度相對于與 (-12-10)方向垂直的方向變大的配光分布。
[0074] 已知有來自以作為半極性面的（10-1-3)面為主面的氮化物半導體活性層的光的 偏振方向，在氮化物半導體活性層的In的組成大的情況下為（-12-10)方向，在氮化物半導 體活性層的In的組成小的情況下為（-1-123)方向。因此，可以預測為在活性層的In的組 成大的情況下，顯不發光強度相對于與（-12-10)垂直的方向變大的配光分布，在活性層的 In的組成小的情況下，顯不發光強度相對于與（-12-10)方向垂直的方向變大的配光分布。
[0075] 已知有來自以作為半極性面的（11-22)面為主面的氮化物半導體活性層的光的偏 振方向，在氮化物半導體活性層的In的組成大的情況下為m軸方向，氮化物半導體活性層 的In的組成小的情況下為（-1-123)方向。因此，可以預測為在活性層的In的組成大的情 況下，顯不發光強度相對于與m軸垂直的方向變大的配光分布，在活性層的In的組成小的 情況下，顯不發光強度相對于與（-1-123)方向垂直的方向變大的配光分布。
[0076] 本說明書中，將電場強度偏到特定的方向的光稱為"偏振光（Polarized Light)"。 例如將電場強度偏到V軸方向的光稱為"V軸方向的偏振光"，將此時的V軸方向稱為"偏振 方向"。其中，"V軸方向的偏振光"不僅指偏振到V軸方向的直線偏振光，而也包含偏振到 其它的軸方向的直線偏振光。更詳細來講，"V軸方向的偏振光"指透過"在V軸方向具有偏 振透過軸的偏振子"的光的強度（電場強度）比透過"在其它的軸方向具有偏振透過軸的偏 振子"的光的電場強度高的光。從而，"V軸方向的偏振光"不僅為偏振到V軸方向的直線偏 振光和橢圓偏振光，而廣泛包含偏振到各種方向的直線偏振光和橢圓偏振光混合存在的不 相干光。
[0077] 此外，認為如上述專利文獻1記載的方式，氮化物半導體發光元件具有由偏振特 性引起在主面的面內的方位角導致發光強度具有各向異性。因此，作為發光元件的特性，除 了光輸出高之外，優選偏振特性的適當的控制和發光強度的各向異性的適當的控制。
[0078] 專利文獻1記載的發光二極管裝置，為了降低從芯片配置面的面內的方位角不同 的導致的強度的差，絲毫未考慮偏振度。
[0079] 記載有專利文獻2記載的半導體發光元件，為了提高光輸出，在光取出面通過干 式蝕刻形成傾斜面，通過利用了結晶各向異性的濕式蝕刻，具有微細的凹凸的結構。然而， 上述濕式蝕刻法對-c面是有效的，但是難以使用到非極性面和半極性面。
[0080] 專利文獻3記載的發光元件，為了在維持偏振度的狀態下提高光取出，具有在與 來自活性層的光的偏振方向垂直的方向上延伸的條紋狀的槽。然后，本
【發明者】詳細進行研 究時，以布儒斯特角（偏振角）入射到出射面的光的密度非常小，對于偏振光的透過率的提 高的效果是非常有限的。
[0081] 專利文獻4記載的氮化物半導體元件，為了提高形成在-C面的η電極的緊貼性和 耐熱性的提高，使用脈沖激光在-C面形成深度為2 μ m至10 μ m左右的槽后，形成η電極。 在槽的內部形成有臺階差為〇. 1 μ m至〇. 3 μ m、周期為3 μ m至5 μ m的凹凸，但由電極覆蓋 槽的整體的結構，形成在槽的內部的凹凸對光輸出帶來的影響并未被考慮。
[0082] 本
【發明者】發現通過使包含偏振光的氮化物半導體發光元件的出射面的面形狀(截 面形狀）最優化，能夠同時實現出射的光的偏振特性和配光特性的改善和光取出效率的提 商。
[0083] 以下，參照【專利附圖】
【附圖說明】本發明的實施方式。在以下的附圖中，為了說明的簡單化，有 時用相同的參照附圖標記表示實質上具有相同的功能的構成要素。其中，本發明不限于以 下的實施方式。
[0084] (第1實施方式）
[0085] 以下參照【專利附圖】
【附圖說明】第1實施方式。
[0086] 圖3 (a)?圖3 (d)不意性地表不第1實施方式的半導體發光兀件。圖3 (a)表 示平面結構，圖3 (b)表示圖3 (a)的Illb-IIIb線的截面結構，圖3 (c)和圖3 (d)放大 表示條紋結構50。
[0087] 如圖3 (a)和圖3 (b)所示，本實施方式的半導體發光元件101包括：襯底10 ;和 形成在該襯底10之上的包含活性層22的半導體層疊結構20。
[0088] 以下，說明第1實施方式的半導體發光元件101的詳細結構。
[0089] 第1實施方式的半導體發光元件101具有以氮化物類半導體的非極性面或半極性 面為主面的、包含活性層22的半導體層疊結構20。如上所述，從活性層22出射偏振光。
[0090] 半導體層疊結構20由氮化物半導體更具體而言AlxInyGazN (其中，X + y + z = l，x > 0，y > 0，z > 0)半導體形成。另外，半導體層疊結構20包含夾著活性層22的η型 氮化物半導體層21和p型氮化物半導體層23。此外，活性層22和η型氮化物半導體層21 之間以及活性層22和ρ型氮化物半導體層23之間的至少一方可以設置有不摻雜的GaN層。
[0091] 半導體發光元件101包括與η型氮化物半導體層21電連接的η側電極30和與ρ 型氮化物半導體層23電連接的ρ側電極40。本實施方式中，以η型氮化物半導體層21的 一部分從半導體層疊結構20露出的方式設置凹部31。η側電極30設置在露出的η型氮化 物半導體層21之上。η側電極30例如由包括鈦（Ti)層和鉬（Pt)層的層疊結構（Ti/Pt)等 形成。替代其，η側電極30能夠使用由鈦（Ti)層和鋁（A1)層形成的層疊結構（Ti/Al)。
[0092] 在ρ型氮化物半導體層23之上設置有ρ側電極40。ρ側電極40可以覆蓋ρ型氮 化物半導體層23的表面的大致整體。ρ側電極40例如由包括鈀（Pd)層和鉬（Pt)層的層 疊結構（Pd/Pt)等形成。替代其，ρ側電極40可以使用銀(Ag)層。
[0093] 襯底10能夠選擇適合形成以非極性面或半極性面為主面的半導體層疊結構20的 材料。具體而言，能夠使用氮化鎵（GaN)。替代GaN，能夠使用氧化鎵（Ga 203)、碳化硅（SiC)、 硅（Si)或藍寶石等。例如，在襯底10的主面上外延生長以m面為主面的包含活性層22的 半導體層疊結構20的情況下，能夠使用m面GaN襯底。另外，在外延生長以（20-2-1)面為 主面的包含活性層22的半導體層疊結構20的情況下，使用（20-2-1)面GaN襯底即可。另 夕卜，也能夠使用m面SiC襯底或m面藍寶石襯底。但是，如報告的在r面藍寶石襯底上生長 a面GaN的那樣，為了使以m面為主面的活性層22生長，襯底10的表面必須為m面。另外， 在襯底10以外的其它的襯底之上形成半導體層疊結構20,之后將半導體層疊結構20從其 它的襯底剝離，進而將半導體層疊結構20貼在襯底10。
[0094] η型氮化物半導體層21例如由η型的AluGavInwN (其中，u + v + w= l、u彡0、 v > 0、w > 0)半導體形成。作為η型摻雜劑能夠使用例如娃（Si)。η型摻雜劑中例如可以 使用氧（〇)等替代Si。
[0095] ρ型氮化物半導體層23例如由ρ型的AlsGatN (其中，s十t = 1，s > 0，t彡0) 半導體形成。作為P型摻雜劑例如能夠使用鎂(Mg)。替代ρ型摻雜劑除了 Mg，例如也可以 使用鋅（Zn)或鈹（Be)等。ρ型氮化物半導體層23中，A1的組成比s可以在厚度方向一樣， A1的組成比s也可以在厚度方向連續地或階段地變化。具體而言，ρ型氮化物半導體層23 的厚度例如為〇. 1 μ m?2 μ m程度。
[0096] 另外，ρ型氮化物半導體層23中，也可以在與ρ側電極40的界面的附近的A1的 組成s為〇,即可以為GaN。另外，在該情況下，GaN中高濃度地包含ρ型的雜質，也可以作 為P型接觸層發揮作用。因此，雖然為圖示，但是在P型氮化物半導體層23和ρ側電極40 之間可以設置由P+_GaN形成的接觸層。
[0097] 活性層22具有例如由厚度為3nm?20nm程度的Gai_xInxN阱層(其中，0 < X < 1) 和厚度為5nm?30nm程度的GaN勢壘層交替層疊而形成的GalnN/GaN構成的多量子阱 (MQW)結構。從半導體發光元件101出射的光的波長，由構成活性層22的氮化物半導體的 帶隙的大小、具體而言作為作為阱層的半導體組成的G ai_xInxN半導體的In的組成X決定。
[0098] 襯底10具有彼此相對的第1主面和第2主面，第1主面與半導體層疊結構20的 η型氮化物半導體層21接觸。第2主面成為取出由活性層22發出的偏振光的出射面。本 實施方式中，在作為光的出射面的第2主面形成有多個凸部和多個凹部相互平行地呈條紋 狀延伸的條紋結構50。
[0099] 如圖3 (a)所示，條紋結構中，俯視時的延伸方向相對于來自活性層22的光的偏 振方向具有角度Θ。另外，如圖3 (b)所示，條紋結構50包括凸部50a的凹部50b。并且， 本實施方式的特征在于，如圖3 (c)和圖3 (d)所不，在凹部50b的表面設置有微細的凹凸 結構51。該微細的凹凸結構51具有與形成在襯底10的第2主面的凹部50b相比充分小 的截面形狀。此外，本說明書中，將在凹部50b的至少表面形成的微細的凹凸結構50稱為 "紋理（texture)"。
[0100] 凸部50a具有與作為出射面的第2主面大致平行的上表面50d。凹部50b包含與 上表面50d不平行的至少1個斜面50c和底面50e。以下、本說明書中，有時將凹部50b的 斜面50c的底面50e -并稱為內表面。另外，如圖3(d)所示，斜面50c可以包括多個斜面。 另外，條紋結構50可以為不具有上表面50d或底面50e的結構。另外，斜面50c和底面50e 可以由曲線構成。另外，條紋結構50不需要形成在第2主面的整個面，可以形成在其一部 分。
[0101] 如圖4 (a)?圖4 (h)所示，條紋結構50的凸部50a和凹部50b能夠獲得各種方 式。圖4 (a)?圖4 (h)是條紋結構50的平面形狀和截面形狀的例示。在此，僅關注條紋 結構50,設置于凹部50b的微細的凹凸結構(紋理）51省略。
[0102] 例如，圖4 (a)是凸部50a的截面形狀為梯形，凹部50b的截面形狀為三角形的例 子。在該情況下，為不具有底面50e的結構。
[0103] 圖4(b)是凸部50a的截面形狀為三角形，凹部50b的截面形狀為梯形的例子。在 該情況下，為不具有上表面50d的結構。
[0104] 圖4 (c)是凸部50a的截面形狀和凹部50b的截面形狀均為方形的例子。
[0105] 圖4 (d)是凹部50b的截面形狀為曲面狀，凸部50a具有上表面50d的情況下的 例子。
[0106] 圖4 (e)是凹部50b的截面形狀為曲面狀，在凸部50a不具有上表面50d的情況 下的例子。
[0107] 圖4 (f)是凹部50b形成在第2主面的一部分的例子。
[0108] 圖4 (g)是凸部50a形成在第2主面的一部分的例子。
[0109] 圖4 (h)是條紋狀的凹部50b不連續地形成的情況下的例子。
[0110] 以上是條紋結構50的截面形狀和平面形狀的例示。本發明中，在襯底10的第2 主面設置的條紋結構50為在俯視時在規定的方向上延伸地配置的凹凸結構體，在凹部包 含微細的凹凸結構(紋理）51即可。
[0111] 以下詳細說明條紋結構50的特征。
[0112] 當關注于光在與偏振方向垂直的方向上傳播的性質時，條紋結構50的延伸方向 與來自活性層22的光的偏振方向所成角度Θ具有重要的意義。在此，使用圖5和圖6對 其進行說明。
[0113] 圖5表示評價配光特性的模擬計算所用的條紋結構50的結構。圖5 (a)表示條 紋結構50的平面結構。圖5 (b)表示角度Θ為〇°的情況下的X-X方向上的截面結構。 圖5 (c)表示角度Θ為〇°的情況下的Y-Y方向上的截面結構。圖5 (d)表示角度Θ為 90°的情況下的X-X方向上的截面結構。圖5 (e)表示角度Θ為90°的情況下的Y-Y方 向上的截面結構。圖中中虛線所示的箭頭表示來自某發光點的光的放出的樣子。
[0114] 在此，為了使凹凸狀的條紋結構50簡化，凹部50b采用深度為L1、寬度為L1的截 面方形。凸部50a的上表面的寬度為L2,從凸部50a的上表面50d至活性層22的距離為 T。在此，當設L1與T的比的值為A (A = Ll/T)、L2與L1的比的值為B (B = L2/L1)時， 條紋結構50能夠由θ、A和B這三個參數表示。在A的值小的情況下，與相對于半導體發 光元件的大小形成小的凹部50b的情況相當。另外，A為不到1的值。在B的值小的情況 下，與上表面50d的面積減少的情況相當。在B的值為0的情況下，與不具有凸部50a的上 表面50d的結構相當。另外，在B的值小的情況下，可以認為是以高密度形成有凹部50b情 況。
[0115] 如圖5 (b)所示，在角度Θ = 〇°的情況下的X-X方向上，從活性層22放出的光 從某發光點呈扇狀的擴展。在該情況下，光進入位于著眼的發光點的上部的凸部50a的上 表面50d，但是在其以外的上表面50d被凹部50b遮擋。對此，如圖5 (d)所示，在角度Θ =90°的情況下的X-X方向上，從活性層22放出的光入射到與條紋結構50垂直的方向。 圖6表示固定為六=〇.1、使角度0以〇°、25°、45°和9〇°變化、通過計算算出8的值與 入射到凸部50a的上表面50d的光的比例的關系的結果。虛線表示凸部50a的上表面50d 的面積與凹部50b的表面的面積之比的值。即，虛線相當于單純根據表面積算出凹部50b 的影響的情況。在此，入射到作為縱軸的凸部50a的上表面50d的光的比例以1為最大值 進行標準化。另外，將該值從1減去之后的值表示入射到凹部50b表面的比例。可知在從 進行了計算的B = 0. 1至3. 0的寬的范圍中，越增大角度Θ，能夠越增大入射到凸部的上表 面50d的光的比例。換言之，在包含具有偏振特性的活性層22的氮化物半導體發光元件的 光出射面形成條紋結構50的情況下，通過減小角度Θ即設定為〇°以上45°以下，能夠使 更多的光入射到凹部50b的表面。B的值在1. 7以下的范圍中，Θ = 〇°的值是比虛線表 示的值充分小的值。即，在具有這種偏振特性的活性層22的情況下，凹部50b的表面的影 響不能夠單純根據表面積推定，需要考慮角度Θ。尤其是可以說在角度Θ為〇°以上25° 以下的范圍中，能夠充分抑制入射到凸部50a的上表面的光，具有不能夠單純根據表面積 推定的特性。
[0116] 圖7是固定為0=〇°、使8的值以〇.2、〇.5、〇.7、1.〇、1.5和2.〇變化，通過計算 來算出A的值與入射到凸部50a的上表面50d的光的比例的關系的結果。A的值是表示凹 部50b的大小的參數，A = 0. 5意味著凹部50b相當于襯底的厚度的二分之一，A = 0. 1意 味著凹部50b相當于襯底的厚度的10%。
[0117] 如圖7所示，入射到凸部50a的上表面50d的光的比例對A的值的依賴性小，在 0. 4左右比較穩定。另外，表示當B的值大于1. 0時，A的值在0. 4至0. 5的范圍具有極小 值的特性。因此，在B的值大的情況下，通過適當設定A的值，能夠一定程度控制入射到凸 部50a的上表面50d的光的比例。
[0118] 當光入射到某個面時，某個面的法線方向與入射方向所成角度為入射角Θ i的情 況下，具有該入射角θ?變大時，難以受到入射面的凹凸的影響的特性。這被稱為瑞利判 據，在入射光的發光波長為λ、某個面的表面的凹凸的標準偏差為h的情況下，
[0119] h < λ /8cos ( Θ i)
[0120] 的條件下，入射光難以受到面的凹凸的影響。認為h與LI大致相等時，為了使入 射到條紋結構50的光之中95%受到凹部50b和凸部50a的影響，使L1 > λ/0.628。在波 長為450nm的情況下，凹部50b的深度L1需要為717nm以上。
[0121] 為了使入射到條紋結構50的光之中99%受到凹部50b的凸部50a的影響，使 L1彡λ /〇· 126。在波長為450nm的情況下，凹部50b的深度L1需要為3581nm以上。
[0122] 但是，實際上，L1的值不能夠實現襯底的厚度以上的高度。通過使L1的值為襯底 的厚度的二分之一左右以下，在形成條紋結構50后，能夠保持襯底的剛性，所以不產生使 用上的問題。另外，通過使L1的值為襯底的厚度的三分之一程度以下，當使發光元件小片 化時，能夠避免在所期望的部位以外的區域被分割的問題。
[0123] 根據以上的結果，關于條紋結構50的凸部50a和凹部50b，為了增大凹部50b的影 響，條紋結構50的延伸方向與來自活性層22的光的偏振方向所成角度Θ可以為〇°以上 45°以下。另外，角度Θ可以為在〇°以上25°以下的范圍內。
[0124] 凸部50a的上表面50d的寬度L2的凹部50b的寬度L1的比B (B = L2/L1)的值 可以為1. 7以下。L1的值可以為717nm以上。另外，L1的值可以為3581nm以上。另外，L1 的值可以為襯底的厚度的二分之一左右以下。另外，L1的值可以為五分之二左右以下，也 可以為三分之一左右以下。
[0125] 接著，詳細說明形成在凹部50b的表面的微細的凹凸結構(紋理）51。
[0126] 雖然如上所述設置有凹部50b，但光的取出效率的提高為主導的（主要的)，所以對 凹部50b的表面的狀態被放出至外部的光的特性具有較大的影響。
[0127] 圖8 (a)表示比較用的、在凹部50b的表面不設置微細的凹凸結構51的現有的結 構的情況下、入射到凹部50b的表面的光的光路。圖8 (b)表示在凹部50b的表面設置有 微細的凹凸結構51的本實施方式的的情況下、入射到凹部50b的表面的光的光路。
[0128] 如圖8 (a)所示，在不設置微細的凹凸結構51的現有的結構的情況下，透過光中， 正透過光為主導。S卩，透過光在由凸部50a的折射率、存在于凹部50b的內部的物質的折射 率和入射光的入射角決定的方向上出射。具有凸部50a和凹部50b的結構反復而形成的周 期結構的情況下，有時光在特定的方向上光被增強，顯示配光分布特性具有振幅地扭曲的 特性。
[0129] 對此，如圖8 (b)所示，在凹部的表面（內表面）設置微細的凹凸結構51的本實施 方式的情況下，透過光具有正透過光的成分和擴散透過光的成分，所以光在向各個的方向 擴散的狀態下被取出至外部。其結果為，能夠使配光分布特性接近無指向性的、所謂的朗伯 形狀。并且，能夠抑制凹部50b的表面的全反射成分。因此，光取出的效率提高，能夠進行 高輸出化。為了確認該效果，進行了使用光線跟蹤法的計算。
[0130] 圖9 (a)?圖9 (c)表示配光分布特性的計算結果。圖9 (a)表示比較用的、對具 有鏡面狀的光取出面的發光元件進行的、使用光線跟蹤法的配光分布特性的計算結果。在 此，發光元件的芯片尺寸為450 μ m見方，襯底10的厚度為100 μ m。如圖9 (a)所示，受到 從芯片的側面出射的光的影響，形成在與芯片的主面的方向成±70°附近具有峰值的輻射 形狀。
[0131] 圖9(b)表不比較用的、對條紋狀的凹部50b的表面（內表面)為鏡面的發光兀件進 行的、使用光線跟蹤法的配光分布特性的計算結果。在此，凸部50a的上表面的寬度為大致 0 μ m，凹部50b的寬度為20 μ m，凹部50b的深度為25 μ m。發光元件的芯片尺寸為450 μ m 見方，襯底10的厚度為100 μ m。在該情況下，如圖9 (b)所示，由于截面凹凸狀的條紋結構 50的影響，形成具有多個峰值的輻射形狀。
[0132] 圖9(c)是表示對與本實施方式相當的發光元件進行的、使用光線跟蹤法的配光分 布特性的計算結果。在此，凸部50a的上表面的寬度為大致0 μ m，凹部50b的寬度為20 μ m， 凹部50b的深度為25 μ m。并且，僅在凹部50b的表面（內表面)定義理想的朗伯擴散面，凸 部50a的上表面定義為鏡面進行了計算。發光元件的芯片尺寸為450 μ m見方，襯底10的 厚度為lOOym。在該情況下，如圖9 (c)所示可知，通過由凹部50b的表面進行的擴散，輻 射形狀接近朗伯形狀。這樣，在凹部50b的表面、即內表面設置擴散面（紋理)，能夠使輻射 形狀接近朗伯形狀。
[0133] 圖10表示本實施方式的半導體發光元件的光取出的計算評價結果。縱軸是以光 取出面為鏡面的情況為1進行了標準化。圖中的虛線表示在不設置由凸部50a和凹部50b 形成的條紋結構50的比較用的結構中、在光取出面定義朗伯擴散面的情況下的計算結果。 比較用的光取出的比率的值為1. 25。
[0134] 圖中的標記□表示在光取出面設置有條紋結構50的情況下的計算結果，凹部50b 的表面為鏡面。橫軸表示凸部50a的上表面的面積對凹部50b的表面的面積之比的值。凹 部50b的截面形狀呈寬度和深度均為20 μ m的V字狀。該情況下的光取出比率的值為1. 5 左右。
[0135] 圖中的標記?表示凹部50b的截面形狀是寬度和深度均為20μπι的V字狀，表示 在凹部50b的表面定義有朗伯擴散面的情況下的計算結果。即，與本實施方式相當。在該 情況下，光取出比率的值表示為2. 0以上。此外，根據標記□和虛線能夠設想的光取出比率 (標記□的結果和虛線的結果的積）的值為1. 9左右。因此可知，本實施方式的光取出比率 的值比根據標記□和虛線能夠設想的光取出比率的值大。另外，凸部50a的上表面50d的 面積對凹部50b的表面的面積之比的值越小，表示越高的光取出比率。
[0136] 本實施方式中，可知通過由凸部50a和凹部50b形成的條紋結構50以及形成在凹 部50b的表面的微細的凹凸結構（紋理）51的協同效應，能夠實現不能夠容易設想的、光取 出效率的提高。
[0137] 微細的凹凸結構51的表面粗糙度Ra可以為λ/30以上λ X5以下。另外，可以 為λ/30以上λ Χ3以下。另外，可以為λ/4以上λ Χ3以下。在此，λ為從活性層22出 射的光的波長。Ra位于λ /30彡Ra彡λ Χ3的范圍時，從凹部50b的表面透過的光受到被 稱為瑞利散射、米氏散射的效果。表面粗糙度在λ/2以上時，擴散成分增加。
[0138] 具體而言，使在活性層22中產生的偏振光的波長為450nm時，表面粗糙度Ra可以 為15nm以上2. 25μπι以下。另外，表面粗糙度Ra可以為15nm以上1.35μπι以下。另外， 表面粗糙度Ra可以為113nm以上1.35μπι以下。其中，表面粗糙度Ra需要比L1的值小。 在此，表面粗糙度Ra能夠通過激光顯微鏡（Keyence公司制造 VK-X200)等測定。在以截面 觀看測定的面時，能夠通過"JIS B0601"規定的算術平均粗糙度求出。按照"JIS B0601" 測定測定面的截面曲線，根據截面曲線求出波浪曲線，從截面曲線減去波浪曲線。即，通過 進行從截面曲線僅提取粗糙度的操作，能夠獲得粗糙度曲線。按照"JIS B0601"定義的坐 標系，使測定面方向為X軸、測定截面方向為Z軸。
[0139] 波浪& >9 )是指以比粗糙度大的間隔形成的表面的周期的起伏，在本發明中， 凹部50b與波浪相當。在此，為了簡化說明，通過在凹部50b延伸的方向上采用測定截面進 行說明。
[0140] 在如上所述使用測定截面的情況下，不需要考慮條紋結構50的較大的凹凸形狀 形成的波浪。其結果，波浪曲線為直線，所以測定誤差降低，能夠求出準確的表面粗糙度Ra。 能夠在X軸方向上僅提取基準長度1，在該提取部分中應用最小二乘法，通過以下的公式 (1)進行表示。
[0141]
【權利要求】
1. 一種半導體發光元件，其特征在于： 具備以非極性面或半極性面為主面的、包括發出偏振光的活性層的氮化物類半導體層 疊結構， 所述半導體發光元件具有條紋結構，該條紋結構設置在橫切所述偏振光的出射路徑的 位置，包括相互平行地延伸的多個凹部， 所述凹部的延伸方向與所述偏振光的偏振方向所成角度為0°以上45°以下， 所述多個凹部在該多個凹部的表面的至少一部分具有比所述凹部的深度淺的紋理。
2. 如權利要求1所述的半導體發光元件，其特征在于： 還具備保持所述氮化物類半導體層疊結構的襯底， 所述條紋結構形成于所述襯底。
3. 如權利要求2所述的半導體發光元件，其特征在于： 所述凹部的深度為所述襯底的厚度的二分之一以下。
4. 如權利要求1所述的半導體發光元件，其特征在于： 還具備透光性部件， 所述條紋結構形成于所述透光性部件。
5. 如權利要求4所述的半導體發光元件，其特征在于： 還包括使所述氮化物類半導體層疊結構生長的襯底， 所述透光性部件設置在所述襯底的與所述氮化物類半導體層疊結構相反側的面上。
6. 如權利要求2?3和5中任一項所述的半導體發光兀件，其特征在于： 所述襯底由氮化鎵、藍寶石或碳化硅構成。
7. 如權利要求1?6中任一項所述的半導體發光兀件，其特征在于： 相互相鄰的所述凹部彼此之間的區域是平坦的。
8. 如權利要求1?7中任一項所述的半導體發光兀件，其特征在于： 所述凹部的延伸方向與所述偏振光的偏振方向所成角度為0°以上25°以下。
9. 如權利要求1?8中任一項所述的半導體發光兀件，其特征在于： 設所述偏振光的波長為λ時，所述凹部的深度為λ/0.628以上。
10. 如權利要求1?9中任一項所述的半導體發光兀件，其特征在于： 設相互相鄰的所述凹部彼此的間隔為L2,所述凹部的寬度為L1時，L2/L1的值為1. 7 以下。
11. 如權利要求1?9中任一項所述的半導體發光兀件，其特征在于： 設所述偏振光的波長為λ時，所述紋理的凹部的延伸方向的線截面粗糙度Ra為λ/30 以上λ Χ5以下。
12. 如權利要求1?10中任一項所述的半導體發光兀件，其特征在于： 所述氮化物類半導體層疊結構的所述主面為m面，所述偏振方向為a軸方向。
13. 如權利要求1?12中任一項所述的半導體發光元件的制造方法，其特征在于： 所述凹部和該凹部的表面的紋理通過熱熔形成。
14. 如權利要求13所述的半導體發光元件的制造方法，其特征在于： 所述熱熔通過激光照射發生。
15. 如權利要求14所述的半導體發光元件的制造方法，其特征在于： 所述激光照射使用的激光的掃描速度為200mm/s以上。
16. -種光源裝置，其特征在于，包括： 權利要求1?12中任一項所述的半導體發光兀件；和 波長轉換部，其包含對從所述半導體發光元件輻射的光的波長進行轉換的熒光物質。
【文檔編號】H01L33/32GK104160520SQ201280049611
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2012年9月20日 優先權日:2012年2月1日
【發明者】藤田稔之, 井上彰, 橫川俊哉 申請人:松下電器產業株式會社
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