半导体发光元件.pdf

一种半导体发光元件包括支撑结构体和发光结构体。所述支撑结构体包括支撑基板和设置在所述支撑基板的一个表面上的支撑基板侧接合层。所述发光结构体包括与所述支撑基板侧接合层接合的发光结构侧接合层；在所述发光结构侧接合层的所述支撑基板侧的相反侧上设置的反射区域；以及半导体多层结构，其包括设置在所述反射区域的所述发光结构侧接合层侧的相反侧上用于发射具有预定波长的光的发光层和设置在所述发光层的所述反射区域侧的相反侧用于漫反射光的光提取表面。所述反射区域包括由具有比所述半导体多层结构低的折射率的材料构成的透明层和由金属材料构成的反射层。所述透明层具有使得可以抑制由入射到所述透明层的光的多次反射所引起的干涉的厚度。

1.  一种半导体发光元件，包括：
支撑结构体；和
发光结构体，
其中，所述支撑结构体包括：
支撑基板；和
设置在所述支撑基板的一个表面上的支撑基板侧接合层，以及
所述发光结构体包括：
与所述支撑基板侧接合层接合的发光结构侧接合层；
在所述发光结构侧接合层的所述支撑基板侧的相反侧上设置的反射区域；和
半导体多层结构，其包括设置在所述反射区域的所述发光结构侧接合层侧的相反侧上用于发射具有预定波长的光的发光层和设置在所述发光层的所述反射区域侧的相反侧上用于漫反射光的光提取表面，
其中，所述反射区域包括由具有比所述半导体多层结构低的折射率的材料构成的透明层和由金属材料构成的反射层，以及
所述透明层具有使得可以抑制由入射到所述透明层的光的多次反射所引起的干涉的厚度。

2.  根据权利要求1所述的半导体发光元件，其中：
所述透明层具有的厚度不小于通过由所述发光层发出的光的中心波长除以所述透明层的折射率所获得的值的大约一半。

3.  根据权利要求2所述的半导体发光元件，其中：
所述透明层具有的折射率为约1.3～约3.0，并且厚度不小于通过所述中心波长除以所述折射率所获得的值的大约3/4。

4.  根据权利要求2所述的半导体发光元件，其中：
所述透明层具有的折射率为约1.2～约3.0，并且厚度不小于通过所述中心波长除以所述折射率所获得的值的大约5/4。

5.  根据权利要求1所述的半导体发光元件，其中：
所述发光结构体还包括在所述反射层和所述半导体多层结构之间的界面电极，该界面电极将所述半导体多层结构的所述光提取表面侧的相反侧的表面和所述反射层电连接；
所述半导体多层结构还包括在形成所述光提取表面的表面的部分表面上的表面电极；以及
所述支撑基板包括在所述支撑基板的所述支撑基板侧接合层侧的相反侧的表面上的背面电极。

6.  根据权利要求1所述的半导体发光元件，其中：
所述半导体多层结构还包括第一导电型的半导体层和与所述第一导电型不同的第二导电型的半电导体层，所述发光层被设置在所述第一导电型的半导体层和所述第二导电型的半导体层之间；以及
所述半导体多层结构还包括在所述光提取表面侧的所述第一导电型半导体层的部分表面上的第一电极和在所述第二导电型半导体层的部分表面上的第二电极。

7.  根据权利要求5所述的半导体发光元件，其中：
所述界面电极形成在所述反射层侧的所述半导体多层结构表面的不多于30％的面积上。

8.  根据权利要求1所述的半导体发光元件，其中：
所述光提取表面包括不光滑的表面，其算术平均粗糙度不小于通过光波长除以构成所述光提取表面的半导体层的折射率所获得值的大约1/4，并且由所述光提取表面的平均表面的法线和所述光提取表面的表面的法线限定至少一个角，且所述至少一个角不为零。

9.  根据权利要求1所述的半导体发光元件，其中：
所述光提取表面包括含有基本上为半球形状的凸面或凹面的多个三维结构。

10.  根据权利要求1所述的半导体发光元件，其中：
所述反射层包含金(Au)、银(Ag)、铜(Cu)或铝(Al)、或者包含选自金、银、铜和铝中的至少一种的合金。

半导体发光元件
本申请基于2008年2月20日提交的日本专利申请2008-039271，该申请的全部内容引入本文作为参考。
发明背景
1.技术领域
本发明涉及具有提高的光提取效率的半导体发光元件。
2.背景技术
具有改善光提取效率的常规半导体发光元件(例如参见JP-A-2005-513787)是已知的，该半导体发光元件由：导电支架；具有多层半导体层的半导体多层结构，其包括发光层、金属反射层和多个界面电极，并且通过厚度d＝λ/(4n)的透明层形成在导电支架上；以及在半导体多层结构上形成的表面电极构成，其中所述界面电极形成在除了表面电极之下的区域上。同时，λ表示由发光层所发出的光的波长，n是透明层的折射率。
构成半导体光发光元件的半导体层的折射率大于介质材料透明层的折射率，使得在入射到半导体层与透明层之间界面的光中，入射角大于全反射临界角的光不能从该器件向外发射。
在此，仅考虑垂直入射到半导体层与透明层之间界面的光，当透明层的厚度d为d＝λ/(4n)时，反射区域的反射率变成最大，其中，通过将具有比构成半导体多层结构的半导体层低的折射率的透明层夹在发射层和半导体多层结构之间形成所述反射区域，如在JP-A-2005-513787的半导体发光元件一样。
JP-A-2005-513787的半导体发光元件起到这样的作用，使得由发光层发出的光可以通过反射层被反射到该元件之外，由于透明层的厚度限定为d＝λ/(4n)，对于垂直入射到由透明层和金属层构成的反射区域的光，可以提高它的反射性能，因此能够提高光的提取效率。此外，由于具有粗糙的半导体多层结构表面，能够提高半导体发光元件的光提取效率。
然而，在JP-A-2005-513787的半导体发光元件中，仅相对于垂直入射到反射区域的光，使透明层的厚度最优化。换言之，对于倾斜入射到反射区域的光组分，没有考虑最优化。因此，在JP-A-2005-513787的半导体发光元件中，倾斜入射到反射区域的光可以在反射区域进行反复反射，从而减小其强度。因此，在由发光层发出的光中，倾斜入射到反射区域的光难以从半导体发光元件中有效地提取。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有提高的光提取效率的半导体发光元件，垂直和倾斜入射到反射区域的光可以有效地从半导体发光元件中提取。
(I)根据本发明的一个实施方式，半导体发光元件包括：
支撑结构体；和
发光结构体，
其中，所述支撑结构体包括：
支撑基板；和
设置在所述支撑基板的一个表面上的支撑基板侧接合层，以及
所述发光结构体包括：
与所述支撑基板侧接合层接合的发光结构侧接合层；
在所述发光结构侧接合层的所述支撑基板侧的相反侧上设置的反射区域；和
半导体多层结构，其包括设置在所述反射区域的所述发光结构侧接合层侧的相反侧上用于发射具有预定波长的光的发光层和设置在所述发光层的所述反射区域侧的相反侧上用于漫反射光的光提取表面，
其中，所述反射区域包括由具有比所述半导体多层结构低的折射率的材料构成的透明层和由金属材料构成的反射层，以及
所述透明层具有使得可以抑制由入射到所述透明层的光的多次反射所引起的干涉的厚度。
在上述实施方式(1)中，可以进行下面的修改和变化。
(i)所述透明层具有的厚度不小于通过由从所述发光层发出的光的中心波长除以所述透明层的折射率所获得的值的大约一半。
(ii)所述透明层具有的折射率为约1.3～约3.0，并且厚度不小于通过由中心波长除以折射率所获得的值的约3/4。
(iii)所述透明层具有的折射率为约1.2～约3.0，并且厚度不小于通过由中心波长除以折射率所获得的值的约5/4。
(iv)所述发光结构体还包括在所述反射层和所述半导体多层结构之间的界面电极，该界面电极将所述半导体多层结构的所述光提取表面侧的相反侧的表面和所述反射层电连接；
所述半导体多层结构还包括在形成所述光提取表面的表面的部分表面上的表面电极；以及
所述支撑基板包括在所述支撑基板的所述支撑基板侧接合层侧的相反侧的表面上的背面电极。
(v)所述半导体多层结构还包括第一导电型半导体层和不同于所述第一导电型的第二导电型半电导体层，所述发光层设置在所述第一导电型半导体层和所述第二导电型半导体层之间；以及
所述半导体多层结构还包括在所述光提取表面侧的所述第一导电型半导体层的部分表面上的第一电极和在所述第二导电型半导体层的部分表面上的第二电极。
(vi)所述界面电极形成在所述反射层侧的所述半导体多层结构表面的不多于30％的面积上。
(vii)所述光提取表面包括不光滑的表面，其算术平均粗糙度不小于由光波长除以构成所述光提取表面的半导体层的折射率所获得值的约1/4，并且由所述光提取表面的平均表面的法线和所述光提取表面的表面的法线限定至少一个角，且所述至少一个角不为零。
(viii)所述光提取表面包括含有基本上为半球形状的凸面或凹面的多个三维结构。
(ix)所述反射层包括金(Au)、银(Ag)、铜(Cu)或铝(Al)、或包含选自金、银、铜和铝中的至少一种的合金。
附图说明
参考附图，将更为详细的解释本发明，其中：
图1A是显示本发明第一优选实施方式中的半导体发光元件的示意性截面图；
图1B是显示第一实施方式中的半导体发光元件的俯视图；
图1C是显示第一实施方式中的半导体发光元件在透明层处切开的半导体发光元件顶部剖面图；
图2A是显示第一实施方式中光输出与界面电极的面积占有率的关系图；
图2B是显示第一实施方式中构成反射层的每种材料的反射率的图；
图3A是显示反射区域的平均反射率的计算结果的图，其中透明层的折射率是1.45；
图3B是显示反射区域的平均反射率的计算结果的图，其中透明层的折射率是2.0；
图4A-4K是显示制造第一实施方式半导体发光元件的方法的示意性截面图；
图5是显示本发明第二优选实施方式的半导体发光元件的示意性截面图；
图6是显示本发明实施例2中的表面电极和界面电极的布置的俯视图；和
图7是显示本发明实施例3中的表面电极和界面电极的布置的俯视图。
具体实施方式
通过参考附图在下文中描述本发明的优选实施方式。
第一实施方式
图1A是显示本发明第一优选实施方式的半导体发光元件的示意性截面图。图1B是显示第一实施方式的半导体发光元件的俯视图。图1C是显示第一实施方式的半导体发光元件在透明层处切开的半导体发光元件的顶部剖面图。
半导体发光元件1的结构
第一实施方式的半导体发光元件1包括：半导体多层结构130，其包括作为用于发射预定波长光的活性层的发光层135；与半导体多层结构130一侧的部分表面电连接的表面电极110；以及设置在表面电极110上且用于引线接合的盘电极(pad electrode)100。
半导体发光元件1还包括与半导体多层结构130另一侧的部分表面电连接的界面电极120、覆盖半导体多层结构130另一侧表面除了形成界面电极120的区域之外的透明层140以及在不与半导体多层结构130接触的界面电极120和透明层140上形成的反射层150。反射区域由透明层140和反射层150构成。
半导体发光元件1还包括在不与界面电极120和透明层140接触的反射层150的表面上形成的阻挡层160以及在不与反射层150接触的阻挡层160的表面上形成的发光结构侧接合层170。
此外，半导体发光元件1包括与发光结构侧接合层170电连接和机械连接的支撑基板侧接合层200、设置在不与发光结构侧接合层170接触的支撑基板侧接合层200的表面上的接触电极210、设置在不与支撑基板侧接合层200接触的接触电极210的表面上的导电支撑基板20和在不与接触电极210接触支撑基板20的表面上形成的用于芯片焊接的背面电极220。
如图1B所示(俯视图)，第一实施方式的半导体发光元件1形成为基本上正方形。例如，半导体发光元件1的平面尺寸为：垂直方向尺寸L1和水平方向尺寸L1分别为约300μm。半导体发光元件1的厚度为约300μm。
第一实施方式的半导体多层结构130包括与透明层140接触形成的p型接触层139、设置在不与透明层140接触的p型接触层139的表面上的p型包覆层137、形成于不与p型接触层139接触的p型包覆层137的表面上的发光层135、形成于不与p型包覆层137接触的发光层135的表面上的n型包覆层133以及形成于不与发光层135接触的n型包覆层133表面的基本上中间部分上的n型接触层131。
n型包覆层133在其不与发光层135接触的表面上具有光提取表面，所述光提取表面包括用于漫反射由发光层135发出的部分光的漫反射产生部180。通过对n型包覆层133的表面进行粗糙处理来形成漫反射产生部180。在所述光提取表面中所包含的漫反射产生部180包括不规则结构或预定的规则结构。此外，形成漫反射产生部180以具有光滑的表面和粗糙的表面。通过粗糙形式的漫反射产生部180，当由发光层135发出的光到达光提取表面时，光的反射角发生变化，使得光被漫反射。由于漫反射，增加了传播方向朝着半导体发光元件1之外改变的光。
例如，半导体多层结构130具有作为III-V族化合物半导体的AlGalnP基化合物半导体的双异质结构。具体地，半导体多层结构130包括多层结构，该多层结构通过将作为未掺杂的ALGalnP基化合物半导体层的发光层135夹在作为第一导电型化合物半导体的n型AlGalnP的n型包覆层133和作为不同于第一导电型的第二导电型的p型AlGalnP的p型包覆层137之间获得。当从外部提供电流时，发光层135发出具有预定波长的光。例如，发光层135发出波长为630nm的红光。
在此，术语“未掺杂”是指没有有意地向包括发光层135等的化合物半导体层中添加杂质。因此，并不排除在制造半导体多层结构130过程中不可避免混合的杂质组分。例如，不可避免混入构成半导体多层结构130的化合物半导体层中的杂质组分的浓度为约10¹³/cm³～10¹⁶/cm³。
半导体多层结构130包括在不与发光层135接触的n型包覆层133一侧上形成的n型GaAs的n型接触层131和在不与发光层135接触的p型包覆层137一侧上形成的p型GaP的p型接触层139。n型接触层131和n型包覆层133均包括预定浓度的预定n型杂质。例如，该n型杂质包括Si、Se、Te等，该p型杂质包括Mg、Zn、C等。
通过例如金属有机气相处延(MOVPE)、金属有机化学气相淀积(MOCVD)、分子束外延(MBE)、液相外延(LPE)等来形成所述半导体多层结构130。在使用MOVPE法或MOCVD法中，用于半导体多层结构130的源材料的实例包括有机金属化合物，例如，三甲基镓(TMGa)、三乙基镓(TEGa)、三甲基铝(TMAl)和三乙基铟(TMIn)、氢化物气体如砷化氢(AsH₃)和磷化氢(PH₃)。
作为n型杂质的添加材料，使用甲硅烷(SiH₄)、硒化氢(H₂Se)、二乙基碲(DETe)、二甲基碲(DMTe)等。作为p型杂质的添加材料，使用双环戊二烯基镁(Cp₂Mg)、二甲基锌(DMZn)、二乙基锌(DEZn)等。
在半导体多层结构130上以预定形状形成表面电极110。例如，在n型接触层131上将表面电极110形成为具有十字交叉(cross)的圆形。例如，表面电极110被形成为具有预定直径的圆形部和多个具有长度L2和宽度W1的支脚(leg)。例如，表面电极110被形成为在圆形部上添加四个彼此之间纵向成90度的支脚。例如，圆形部的直径是100μm，支脚的长度L2是100μm，宽度W1是15μm。四个支脚被形成为所述支脚的各自纵向方向分别朝向基本上正方型表面(从半导体发光元件1的顶面观察)的四个角。
由导电材料形成表面电极110以与n型接触层131欧姆接触。例如，由作为n型电极材料的金属材料如Au、Ge和Ni形成表面电极110，例如，通过从n型接触层131一侧以AuGe(厚度50nm)/Ni(厚度10nm)顺序层叠，形成表面电极110。从其顶面观察具有直径形成为基本上圆形或基本上多边形的盘电极100。盘电极100的中心基本上与表面电极110的圆形部的中心重合以在表面电极110上提供盘电极100，盘电极100与表面电极110电连接。
作为实施例，在盘电极100被形成为基本上圆形的情况下，盘电极100的直径是100μm。盘电极100的直径可以形成为比表面电极110的圆形部的直径小，相应于在将要进行超声接合的Au引线端的球形部的直径。盘电极100由金属材料如Ti、Pt和Au形成。作为实施例，通过从表面电极110一侧以Ti(50mn)/Au(1000nm)的顺序层叠，形成盘电极100。盘电极100的中心和表面电极110圆形部的中心基本上相应于n型包覆层133的中心部，在除了直接位于盘电极100、表面电极110的圆形部和表面电极110支脚之下的区域上形成界面电极120。
在半导体多层结构130和反射层150之间提供作为部分反射区域的透明层140。具体地，透明层140形成于在不与p型包覆层137接触的p型接触层139的基本上整个表面，在不与p型接触层139接触的透明层140表面上，透明层140与反射层150接触。透明层140的区域具有预定形状并穿透透明层140的开孔120a。可以形成在透明层140中设置的开孔120a，例如，一个或多个基本上圆形或多角形，或者一个或多个凹槽。作为实施例，在透明层140中以预定的间距形成多个开孔120a以具有如图1C所示的六方密堆集结构。在这种情况下，开孔120a形成在除了图1C中的表面电极110的布置区111以外的区域上，即在除了直接位于表面电极110之下的区域。在这种情况下，值得注意的是，开孔120a的布置可以规则排列如矩阵排列，或者随机排列，只要在除了直接位于表面电极110下的区域中设置开孔120a。
由具有比构成半导体多层结构130的各个半导体层的折射率低的材料形成透明层140。此外，透明层140由基本上相对于从发光层135发出的光透明的材料和/或电绝缘的材料形成。即，透明层140由相对于发光层135发出的光的波长光学透明的材料形成。透明层140由以下材料形成，例如，二氧化硅、氮化硅、五氧化二钽、氟化镁、二氧化铪、氧化铟、氧化锡和氧化锌或者包含浓度为80wt％或更多的这些氧化物的任何金属氧化物材料。
形成第一实施方式的透明层140，使得其厚度可以抑制由于入射到透明层140的光的多次反射而导致的干涉。具体地，形成透明层140，其厚度基本上为通过由发光层135发出光的中心波长除以构成透明层140的材料的折射率所获得的值的一半或更大。即，形成厚度为λ/(2n)或更大的透明层140，其中由发光层135发出的光的中心波长是λ，构成透明层140的材料的折射率是n。
作为实施例，由折射率为约1.3～约3.0的材料形成透明层140，形成透明层140，其厚度基本上为通过由发光层135发出的光的中心波长除以反射率所获得的值的3/4或更大。作为实施例，由折射率为约1.2～约3.0的材料形成透明层140，可以形成透明层140，其厚度基本上为通过由发光层135发出的光的中心波长除以反射率所获得的值的5/4或更大。
因为容易形成，并且由相对于发光层135发出的光的波长具有好的透射性能(在光的波长范围内具有低的吸收损失)的材料形成，可以由二氧化硅(折射率n为1.45)形成第一实施方式的透明层140。此外，在用以改善透明层140和与其接触的反射层150的粘附力以及抑制在透明层140和反射层150的界面中产生空隙等的情况下，作为实施例，由二氧化硅形成透明层140。
界面电极120将半导体多层结构130与反射层150电连接。具体地，通过用预定的金属材料填充在透明层140中所限定的开孔120a，形成界面电极120。例如，用金属材料填充一个或多个基本上圆形或多边形的开孔120a或者一个或多个凹槽的开孔120a，以形成界面电极120。如图1C所示，作为实施例，形成为基本上圆形点状的界面电极120，每个点的直径(例如15μm)。在多个界面电极120的中心之间的间距Pl为例如40μm。由导电材料形成界面电极120，其与p型接触层139欧姆接触，例如，界面电极120由作为p型电极材料的金属材料如Au、Zn和Be形成。作为实施例，界面电极120由Au-Zn合金组成的金属材料形成。
由相应于发光层135发出的光具有预定值或更大的反射率的导电金属材料形成反射层150。作为实施例，反射层150是主要由Au形成的金属层。反射层150与界面电极120电连接。为了改善半导体发光元件1的光提取效率，也可由金属材料如Al、Au、Cu和Ag，或者包括这些金属材料中的至少一种的合金材料形成反射层150，只要所述金属或合金材料相应于发光层135发出的光具有预定或更大的反射率。
由与反射层150电连接的导电材料形成阻挡层160。作为实施例，阻挡层150是主要由Pt形成的金属层。阻挡层160抑制构成支撑基板侧接合层200的材料扩散到反射层150中，从而抑制反射层150的反射性能的恶化。由导电材料形成具有预定厚度的发光结构侧接合层170。发光结构侧接合层170与阻挡层160电连接。发光结构侧接合层170可以抑制发光结构侧接合层170和支撑基板侧接合层200之间的界面上的氧化；为了发光结构侧接合层170和支撑基板侧接合层200之间的牢固连接，作为实施例，主要由Au形成发光结构侧接合层170。
此外，为了获得与发光结构侧接合层170相同的目的，由与发光结构侧接合层170相同的材料形成支撑基板侧接合层200。支撑基板侧接合层200与发光结构侧接合层170电连接和机械连接。具体地，通过热压方法将发光结构侧接合层170接合到支撑基板200上的接合层，从而使它们相互之间电连接和机械连接。也可以分别由以下金属材料形成发光结构侧接合层170和支撑基板侧接合层200，该金属材料有例如Au、Ag和Al，或者包含80wt％或更多的这些金属材料中的至少一种金属材料的合金材料。发光结构侧接合层170和支撑基板侧接合层200的厚度分别为0.5～2μm。
由导电材料形成接触电极210以使其与支撑基板20欧姆接触，并且还能够抑制构成支撑基板20的材料和构成支撑基板侧接合层200的材料之间的相互扩散。作为实施例，接触电极210主要由Ti形成，并且与支撑基板侧接合层200电连接。
由具有预定的导热率和机械强度以及导电率的材料形成支撑基板20。作为实施例，由半导体材料例如具有大约300μm厚度的Si形成支撑基板20。在支撑基板20由半导体材料形成的情况中，形成支撑基板20使得具有至少0.1Ω·cm或更小的电阻率，以降低在接触电极210和形成于支撑基板20上的背面电极220以及支撑基板20之间的接触电阻值，并且进一步降低半导体发光元件1的驱动电压。支撑基板20可以具有n型或p型导电率，只要支撑基板20显示出导电率。
背面电极220在与接触电极210接触的支撑表面20的表面相反表面上与支撑基板20电连接。具体地，背面电极220是与支撑基板20欧姆接触的金属电极。作为实施例，背面电极由Ti和Au形成。
半导体发光元件1可以安装在晶体管管座上，该晶体管管座在预定的位置上设置有半导体发光元件装载部、用于通过绝缘部分使半导体发光元件装载部分电绝缘的第一引线和用于与半导体发光元件装载部电连接的第二引线。该晶体管管座由包括金属材料例如具有良好导电率、传热性和机械性能的Cu、Al和Fe的材料形成。例如，可以使用TO-18晶体管管座、TO-46等作为晶体管管座，但该实施方式并不限制于此。例如，第一实施方式的半导体发光元件1也可以加载在预定的引线框架上。
通过导电材料例如Ag浆或焊剂材料如AuSn，将半导体发光元件1装载在晶体管管座的半导体发光元件装载部上。考虑到改善机械强度，可以使用低共熔温度高于导电粘结剂如Ag浆的固化温度的材料，例如AuSn。然后，半导体发光元件1的盘电极100通过Au线与第一引线电连接，从而通过第一引线和第二引线将预定的电源供应到半导体发光元件1，使得半导体发光元件1发出光。
具有上述组成的第一实施方式的半导体发光元件1是发射红波长光的LED。例如，在正向电压为约2V，正向电流为20mA的情况下，半导体发光元件1是发出具有在630nm附近的峰值波长的光的红光LED。
图2A是显示第一实施方式中光输出与界面电极的面积占有率关系的图。
在该实施方式中，术语“界面电极120的面积占有率”是指与界面电极(例如，p型接触层139的表面)接触的半导体多层结构130的表面积相对于与半导体多层结构130的表面接触的界面电极120的表面积的比例。在由发光层135发出的光中，部分辐射到反射层150(反射区域)侧的光到达界面电极120。界面电极120的表面与半导体多层结构130的表面通过合金化相连；连接界面的反射率低于反射层150的反射率。因此，到达连接界面的部分光被吸收，而没有向半导体发光元件之外反射。因此，形成界面电极120使得界面电极120的占有率保持在预定值或更小，以抑制半导体发光元件1的光输出的恶化。
图2A表明在具有与第一实施方式的半导体发光元件1相同组成的半导体发光元件中，在界面电极占有率发生变化时的光输出变化。在界面电极的占有率超过30％的情况下(例如在占有率为50％的情况下)，半导体发光元件的光输出小于2mW，而在界面电极120占有率是30％或更少时，半导体发光元件的任何光输出均是2mW或更多。特别地，在界面电极120的占有率是10％或更少的情况下，光输出是4mW或更多。因此，例如在第一实施方式中，选择界面电极120的占有率为30％或更少，以改善光输出和降低驱动电压在实际的范围内。在这种情况下，也可以选择界面电极120的占有率为10％或更小，以进一步改善半导体发光元件的光输出。
图2B是显示构成第一实施方式反射层的每种材料的反射率的图。
反射层150由导电金属材料形成，该导电金属材料相对于由发光层135发出的光具有预定值或更大的反射率。在反射层150由Au形成的情况下，相对于波长为600nm～700nm的光，反射层150具有大约90％或更大的反射率。此外，在反射层150由Al形成的情况下，相对于400nm～700nm的波长，反射层150具有约85％或更大的反射率。此外，在反射层150由Ag形成的情况下，相对于400nm～700nm的波长，反射层150具有基本上100％的反射率。
透明层140的厚度的细节
因为在光提取表面上包括漫反射产生部180，形成第一实施方式的透明层140，使得其厚度能够抑制由于光的多次反射而导致的干涉，以使倾斜入射到反射区域的光由于在漫反射产生部180中传播方向发生变化从而能向半导体发光元件1之外有效辐射。在这种情况下，优选形成透明层140使得其厚度基本上为通过由发光层135发出的光的中心波长除以透明层140的折射率所获得的值的一半或更多。具体限定所述厚度的理由如下。
首先，在金属薄膜(根据本实施方式的反射层150)和半导体层(根据本实施方式的半导体多层结构130)之间间界面提供折射率低于半导体的透明层(根据本实施方式的透明层140)；在光入射到由金属薄膜和半导体层侧透明层构成的反射区域上的情况下，反射率R由下式1表示：
R=|r1+r2eiδ1+r1r2eiδ|2]]>
其中δ由下式2表示：
δ=4π·dnt2-ns2sin2θiλ]]>
其中，n_t是形成透明层的透明材料的折射率，n_s是半导体层的折射率，d是透明层的厚度，θ_i是光的入射角，λ是光的波长。此外r1和r2分别是透明材料边界处和金属层边界处的振幅反射率，其值由下式3(S偏振光)和式4(P偏振光)表示。
r1,2=Ns,t2-Ns2sin2θi-Nt,m2-Ns2sin2θiNs,t2-Ns2sin2θi+Nt,m2-Ns2sin2θi]]>
r1,2=Nt,m2Ns,t2-Ns2sin2θi-Ns,t2Nt,m2-Ns2sin2θiNt,m2Ns,t2-Ns2sin2θi+Ns,t2Nt,m2-Ns2sin2θi]]>
其中，N_s、N_t和N_m分别是半导体、透明材料和金属的复数折射率。式1～式4考虑到光的干涉；这些式在光程短于相干长度的情况下是有效的。
此外，当在入射角为θ的情况下由Rs(θ)和Rp(θ)表示在S偏振光和P偏振光的反射区域中的反射率时，在入射角从0°(垂直入射)到θc的情况下光的平均反射率由下式5表示：
Rovr=∫0θcsinθ·Rs(θ)dθ·+∫0θesinθ·Rp(θ)dθ2(1-cosθc)]]>
因为以等于或大于构成半导体多层结构130的半导体相对于半导体发光元件1外的介质(空气、构成树脂模具的树脂等)临界角度的入射角入射到半导体多层结构130的光完全被反射，所以光并不会辐射到半导体发光元件1之外。在半导体多层结构130的表面是平滑的情况下，即使入射到平滑表面的光进行多次反射，角度几乎不变化。因此，以等于或大于临界角的入射角入射到半导体多层结构130的光在重复多次反射过程中半导体和/或反射区域中被吸收，从而光以热的形式向外辐射。因此，在半导体多层结构130的表面是平滑的情况下，当选择半导体相对于半导体和半导体发光元件1之外的介质的临界角为例如式5中的θc值时，可计算这种有助于改善光提取效率的反射区域中的反射率平均值。因为半导体多层结构130的表面是平滑的，所以入射到表面的光的入射角基本上与入射到反射区域的光的入射角相同。
另一方面，在半导体多层结构130的表面上具有产生漫反射的结构的情况下，入射到具有产生漫反射结构的表面(下文中可选择地称为“漫反射表面”)上的光以不同于入射到平面表面上的光的角度进行反射。在这种情况下，部分入射到漫反射表面的光包括入射角度等于或小于半导体多层结构130和半导体发光元件1相对于外部介质的临界角的光。因此，从半导体多层结构130辐射到半导体发光元件1之外的光的量随着从发光层135向各个方向反射的光在半导体多层结构130漫反射表面和反射区域之间的多次反射的次数而增加。在这种情况下，需要考虑式5中的θc值允许最高至90°，从而使反射区域的反射率平均值有助于改善光提取效率。
在这种情况下，计算在半导体多层结构130表面是平滑状态(θc：树脂模具相对于半导体多层结构130的临界角)和半导体多层结构130表面是漫反射表面(θc：90°)的情况下的反射区域的平均反射率，在这种条件下，构成半导体多层结构130的半导体层的折射率是3.2，光的波长是630nm，形成作为半导体发光元件1之外的介质的树脂模具的树脂折射率是1.45，构成反射区域中的反射层150的金属是Au、Ag、Cu或Al。
图3A是显示透明层的折射率为1.45的情况下反射区域的平均反射率的计算结果的图。图3B是显示透明层的折射率为2.0的情况下反射区域的平均反射率的计算结果的图。
首先，参考图3A，其中应当理解的是，当透明层140的厚度d是λ/(4n)时，并且当半导体多层结构130表面是平滑时，反射率最高，如果由Au形成反射层150，其中n是构成透明层140的材料相对于发光层135的发射波长(λ)的折射率。另一方面，在透明层140的厚度d为λ/(2n)或更大情况下，当半导体多层结构130的表面具有漫反射表面时，透明层140的厚度d大于平均反射率λ/(4n)。特别地，当透明层140的厚度d是3λ/(4n)或更多时，平均反射率具有饱和的趋势。
因此，应理解的是，优选形成第一实施方式的透明层140，其厚度基本上为通过由发光层135发出的光的中心波长除以透明层140的折射率所获得值的一半或更大。更具体地，在透明层140具有约1.3～约3.0的折射率的情况下，优选形成透明层140，其厚度基本上为通过由发光层135发出的光的中心波长除以透明层140的折射率所获得的值的3/4或更大。
此外，计算半导体多层结构130的表面是平滑状态(θc：树脂模具相对于半导体多层结构130的临界角)和半导体多层结构130的表面是漫反射表面(θc：90°)情况下的反射区域的平均反射率，在这种条件下，构成半导体多层结构130的半导体层的折射率是3.2，光的波长是630mn，形成作为半导体发光元件1之外的介质的树脂模具的树脂的折射率是1.45，构成反射区域中的反射层150的金属是Au、Ag、Cu或Al。
参考图3B，其中应当理解的是，在任何金属用来计算的情况下，在透明层140的厚度d是λ/(4n)时并且当半导体多层结构130的表面是平滑时，反射率最高。另一方面，在透明层140的厚度d是λ/(2n)或更大的情况下，当半导体多层结构130的表面具有漫反射表面时，透明层140的厚度d大于平均反射率λ/(4n)。特别地，当透明层140的厚度d是3λ/(4n)或更大时，平均反射率具有饱和趋势。
当概括上述结果时，下面的观点更为清楚。即，发现反射区域的平均反射率随着透明层140的厚度增加逐渐接近于在不相干光学系统(认为在透明层140内的多次光反射并不导致干涉)中所获得的平均反射率值。该结果也可以定性理解为由于透明层140的厚度增加，透明层140中的干涉作用降低。在半导体多层结构130的表面(光提取侧的表面和反射区域侧的表面)均处于平滑状态下，当选择透明层140的厚度为λ/(4n)时，与不相干的光学系统相比，由于干涉作用导致平均反射率增加。另一方面，发现在透明层140是相干光学系统的情况下，当半导体多层结构130的表面具有漫反射表面时，平均反射率基本上是最高的。
即，在半导体多层结构130的表面为平滑的情况下，当在透明层140中允许在这种垂直入射到反射区域的光的入射角附近出现干涉作用时，可以改善反射区域的平均反射率值。另一方面，尽可能不允许透在明层140中出现干涉作用的情况下，当半导体多层结构130的表面不是平滑时，也改善平均反射率。因此，在第一实施方式半导体发光元件1中，透明层140被限定为其厚度为λ/(2n)或更多，即由于该厚度，透明层140中的干涉作用基本上降低或消失。
半导体发光元件1的变体
虽然第一实施方式的半导体发光元件1发射出波长为红波长630nm的光，半导体光发射装置1的发射波长不局限于该波长。就此，当控制半导体多层结构130的发光层135的结构时，也可以形成发射预定波长范围的光的(例如发射波长约560nm～约660nm)半导体发光元件1。此外，第一实施方式的发光层135的结构可以不形成为层结构，而且也可以形成为单量子阱、多量子阱或变形量子阱结构。此外，第一实施方式的半导体多层结构130也可以构成为使得在上述化合物半导体层中添加另一层(中间层)、分布布拉格反射器(DBR)层等。构成第一实施方式半导体多层结构130的各种半导体层不局限于由AlGalnP基的化合物半导体形成，而且也可以由其它的化合物半导体如GaAs基、GaP基、InP基、ALGaAs基、InGaP基和GaN基的化合物半导体形成。
此外，尽管n型化合物半导体层被布置在盘电极100的第一实施方式半导体多层结构130侧，但是n型和p型的导电率类型可以转化。即，在一种变体中，从盘电极100侧向反射层150侧，可以以p型接触层139、p型包覆层137、发光层135、n型包覆层133和n型接触层131的顺序形成化合物半导体层。在这种情况下，由与n型半导体形成欧姆接触的材料形成表面电极110，而界面电极120由与p型半导体形成欧姆接触的材料来形成。
尽管形成第一实施方式的半导体发光元件1具有从上表面到下表面的电极结构，其中从盘电极100侧到背面电极220侧提供电源，但是化合物半导体层130中的部分p型接触层139被暴露，并且在暴露的部分提供p型电极，从而在变体中可以形成所谓的上表面两电极结构。即，在变体中，可以形成半导体多层结构130使得具有至少第一导电型半导体层和不同于所述第一半导体层的第二导电型的另一层半导体层的半导体层，并且使得包括在所述第一导电型的半导体层(例如n型包覆层133)和所述第二导电型的半导体层(例如p型包覆层137)之间的发光层135，其中在其上提供有光提取表面的半导体多层结构130一侧上的第一导电型半导体层的部分表面具有作为第一电极的表面电极110，而第二导电型半导体层的部分表面具有第二电极。
半导体发光元件1的平面尺寸不局限于上述实施方式。例如，可以设计半导体发光元件1的二维尺寸，使得分别具有基本上350nm的垂直和水平尺寸。此外，也可以适当改变垂直和水平尺寸，以形成相应于其应用的半导体发光元件1。此外，半导体发光元件1的形状不局限于四角形，而且也可以形成为多角形(例如三角形、五边形、N边形：N是正整数)。
支撑基板20也可以由以下物质形成：由Ge、GaP、GaAs、InP、GaN、SiC等材料形成的半导体基板；由例如Cu、Fe和Al导电材料的金属材料所形成的金属板；或者由合金材料例如Cu-W、Cu-Mo所形成的合金板。此外，支撑基板20也可以由金属材料如Cu、Al、W、Mo、C和Ag，或者包含50wt％或更多的这些金属材料中的至少一种金属材料的合金材料来形成。此外，也可以由通过将多层导电材料层叠所获得的多层结构的基板形成支撑基板20，以改善支撑基板的抗腐蚀性、或者减少接触电极210和背面电极220以及支撑基板20之间的接触电阻。
制备半导体发光元件1的方法
图4A-4K是显示制造第一实施方式的半导体发光元件的方法的示意性截面图。
首先，如图4A所示，根据例如MOVPE方法，在生长基板10(例如，使用直径为3英寸的n型GaAs基板)上外延生长形成包括多层半导体层的半导体多层结构130a。根据MOVPE方法，该实施方式的半导体多层结构130a可以进行外延生长，例如，用于加热生长基板10的生长温度是650℃，生长压力是50托，多层半导体层的各自外延生长速度为0.3nm～1.0nm/sec，V/III的比例为约200。V/III比例是指如下比例：其中选择III族原材料如TMGa和TMAl的摩尔数作为分母，而选择V族原材料如AsH₃和PH₃的摩尔数作为分子所获得的比例(商数)。
具体地，以如下顺序在生长基板10上外延生长：腐蚀停止层190、n型接触层131、n型包覆层133、发光层135、p型包覆层137和p型接触层139。因此，获得其中在生长基板10上形成包括多层外延生长层的半导体多层结构130a的外延晶片3。
在根据MOVPE方法形成半导体多层结构130a之后，从MOVPE装置中取出外延晶片3。通过使用化学气相淀积(CVD)法，等离子体CVD法、真空淀积法、溅射法等方法，在与p型包覆层137接触的p型接触层139侧的相反表面上，具有预定厚度的透明层140形成于外延晶片3的p型接触层139的基本上整个表面上。特别地，透明层140被形成为使得当构成透明层140的材料的折射率是n时，透明层140的厚度d为λ/(2n)或更多。形成透明层140的材料例如是二氧化硅。
然后，通过使用光刻法和刻蚀法在透明层140上形成预定的光刻胶图案，因此，在透明层140上形成开孔120a，正如图4B所示。在形成开孔120a的情况下，由SiO₂形成透明层140，通过使用由用纯水稀释的具有预定浓度的氢氟酸制备的刻蚀剂进行刻蚀。因此，通过开孔120a暴露p型接触层139表面。
接着，通过应用真空蒸发法、溅射法等方法，在透明层140的光刻胶图案和开孔120a上蒸发包括AuZn(例如，由95wt％Au和5wt％Zn构成的AuZn合金)金属合金材料。接连地，通过应用剥离技术，仅允许保留蒸发在开孔120a中的金属合金材料。因此，用金属合金材料填充在透明层140中所形成的开孔120a以形成界面电极120，如图4C所示。为了与在后续过程中于透明层140和界面电极120上所形成的反射层150进行正向电连接，形成界面电极120使得具有大约与透明层140厚度相等的厚度或者比透明层140的厚度大10％-20％的厚度。
接连地，通过应用真空蒸发法或溅射法在界面电极120和透明层140上顺序地形成反射层150(例如400nm厚的Au)、阻挡层160(例如50nm的Pt)、发光结构侧接合层170(例如500nm厚的Au)，如图4D所示。可以在真空蒸发装置或溅射装置中同时连续形成反射层150、阻挡层160和发光结构侧接合层170。另一方面，也可以在真空蒸发装置或溅射装置中分别形成反射层150、阻挡层160和发光结构侧接合层170。因此，可以获得由主要为化合物半导体构成的多层结构形成的发光结构5。
然后，在为根据真空蒸发法或溅射法所制备的支撑基板20的Si基板的表面上形成主要由导电的Ti所形成的接触层210(例如50nm厚的Ti)、主要由Au形成的支撑基板侧接合层200(例如500nm厚的Au)，从而获得主要由支撑基板20形成的支撑结构6。当Si基板被作为支撑基板20时，作为实施例，可以使用直径为3英寸和p型导电性的Si基板。
接着，发光结构侧接合层170的接合面170a与支撑结构6的支撑基板侧接合层200的接合面200a面对面进行叠加，如图4E所示，通过使用预定的夹具来维持这种条件。然后，将保持发光结构5和支撑结构6叠加条件的夹具引入晶片接合装置中。晶片接合装置的内部保持预定的压力(例如0.01托)。此后，对通过夹具叠加的发光结构5和支撑结构6均匀施加预定的压力(15kgf/cm²)。然后，以预定的升温速率加热该夹具至预定的温度(例如350℃)。
在夹具的温度达到约350℃之后，将该夹具保持在所述的温度下预定的时间(例如30分钟)。此后，逐渐冷却夹具，夹具的温度降低到足够低例如室温。在夹具的温度降低之后，释放施加到夹具上的压力，使晶片接合装置中的压力与大气压力相一致，以取出该夹具。因此，通过热压将发光结构5与支撑结构6接合。
即，在发光结构侧接合层170和支撑基板侧接合层200的厚度为预定的值或更大时，即使在将它们接合时在发光结构侧接合层170表面和支撑基板侧接合层200表面的边界面中存在杂质，该夹质会被嵌入到发光结构侧接合层170和/或支撑基板侧接合层200中，使得发光结构侧接合层170和/或支撑基板接合层200起到作为用于维持在发光结构侧接合层170和支撑支撑侧接合层200之间的边界面接合的缓冲层的作用。因此，可以抑制由于在发光结构侧接合层170和支撑基板侧接合层200之间的界面中存在杂质而产生空隙(即部分差的连接)。
因此，发光结构侧接合层170和支撑基板侧接合层200的厚度被形成为预定的值或更大，即在本实施方式例如0.5μm或更大，从而以优良产率生产出可以抑止产生空隙的半导体发光元件1。另一方面，为了阻止发光结构侧接合层170和支撑基板侧接合层200的原料成本增加，发光结构侧接合层170和支撑基板侧接合层200的厚度被形成为预定值或更小。即，尽管发光结构侧接合层170和支撑基板侧接合层200的较厚厚度更能改善抑制空隙产生的效果，但是原料成本随着厚度增加而提高。因此，形成发光结构侧接合层170和支撑基板侧接合层200，而保持发光结构侧接合层170和支撑基板侧接合层200的厚度在可以以优良产率获得半导体发光元件1的范围(例如2.0μm或更少)内。
因此，如图4F所示，形成接合的晶片7，其中发光结构5和支撑结构6在发光结构侧接合层170和支撑基板侧接合层200之间进行机械连接和电连接。在该实施方式中，发光结构5包括阻挡层160，使得可以抑制在反射层接合时由于压力等而导致的反射层150的变形，即使当发光结构5与支撑结构6连接时。此外，阻挡层160抑制了将形成发光结构侧接合层170和支撑基板侧接合层200的材料由于在将它们接合时的压力/热而扩散到反射层150中，从而抑制了反射层150的反射性能的恶化。
接着，通过预定的接合蜡(bonding wax)，将接合的晶片7接合到由陶瓷等形成并且具有预定的机械强度的抛光支撑板上。抛光生长基板10直到获得预定的厚度，例如约30μm。接连地，将被抛光后的接合晶片7从抛光支撑板上取出；清洗并除去粘附在接合晶片7的支撑基板20表面上的蜡。
通过使用预定的刻蚀剂对抛光后的接合晶片7进行刻蚀，如图4G所示。在生长基板10为GaAs基板的情况下，作为实施例，可以将氨水和过氧化氢溶液以预定的比例混合所制备的混合刻蚀剂作为预定的刻蚀剂。从接合晶片7上选择性地和完全地除去生长基板10，以形成将其腐蚀停止层190暴露的接合晶片7a。或者，可以通过仅应用刻蚀步骤而不应用抛光步骤来除去生长基板10。
之后，通过湿刻蚀法除去腐蚀停止层190，从而暴露n型接触层131，如图4H所示。当例如由n型(Al_0.7Ga_0.3)_0.5In_0.3P形成腐蚀停止层190时，可以使用盐酸作为除去腐蚀停止层190的刻蚀剂。
之后，通过使用光刻法，在暴露的n型接触层131的表面上形成表面电极110。例如，通过从n型接触层131侧顺序地蒸发5nm厚的金-锗合金(AuGe)、10nm厚的Ni和300mn厚的Au形成表面电极110。所形成的表面电极110被用作为选择性刻蚀掉除了直接位于表面电极110下的区域之外的n型接触层131的掩膜。因此，获得其中n型包覆层133的表面(n型包覆层表面133a)被暴露的接合晶片7c，如图4I所示。在n型接触层131是GaAs基半导体层，并且n型包覆层133是AlGalnP基半导体层的情况下，通过使用将硫酸、过氧化氢溶液和水以预定比例混合所制得的混合刻蚀剂，可以对n型接触层131进行选择性刻蚀。
之后，通过应用光刻法，在n型(Al_0.7Ga_0.3)_0.5In_0.5P包覆层(n型包覆层133)的表面上，形成由光刻胶制得的、直径为1μm的周期性点图案。各点的间距被设定为2μm，此外各点以正方形栅格形状设置。之后，包括n型包覆层133的接合晶片7c被浸渍在通过将盐酸和纯水由以预定比例混合所制得的刻蚀剂中(例如浸入约30秒)，其中，在n型包覆层133上形成具有点状开孔的光刻胶图案。
浸渍的结果是，对于具有点状开孔的n型包覆层133进行粗糙处理。作为粗糙处理的结果，在最深位置处的刻蚀深度为约1μm。由于粗糙化处理，
在半导体多层结构130的光提取表面上形成产生漫反射的不光滑表面，即形成漫反射产生部180，如图4J所示。在漫反射产生部180中，算数平均粗糙度基本上为由发光层135发出光的波长的1/4或更大；漫反射产生部180具有不光滑的表面，其中由光提取表面的平均表面的法线和光提取表面的表面法线之间限定至少一个角，所述至少一个角不为0。即，当n型包覆层133和发光层135之间的边界面作为参考面时，漫反射产生部180具有其法线方向不与参考面法线方向平行的区域。换言之，光提取表面包括多个区域；所述多个区域中的至少一部分与参考平面的法线倾斜。
接连地，通过使用有机溶剂清洗，除去光刻胶。从而，获得具有漫反射产生部180的接合晶片7d，如图4J所示。
接下来，在其上形成接触层210的支撑基板20的表面的相反表面上形成背电极220。通过例如在其上形成接触层210的支撑基板20表面的相反表面的基本上整个表面上顺序蒸发Ti(例如100nm厚)和Au(例如400nm厚)来形成背电极220。例如通过真空蒸发法、溅射法等来形成背电极220。
在形成表面电极110和背电极220之后，在其上形成表面电极110和背电极220的接合晶片7d被送入合金化装置(alloy aparatus)中。该合金化装置是用于实施合金化处理的装置，其中在预定的气氛下和在预定的温度下，进行合金处理预定的一段时间。根据该实施方式的合金化装置例如在沿重力方向的垂直方向上设置有多个独立的加热器(上部加热器和下部加热器)，由石墨制得的用于装载晶片的托盘，其中下部加热器具有用于安装托盘的下板。
在该实施方式中，例如在为惰性气氛的氮气气氛下和在预定的温度下加热在其上形成表面电极110和背面电极220的接合晶片7d，并且在该温度下进一步热处理预定的一段时间。在此情况下，为了分别在表面电极110和n型接触层131之间、在界面电极120和p型接触层139之间、在接触电极210和支撑基板20之间间以及在背面电极220和支撑基板20之间形成欧姆接触，设定用于热处理的温度和时间。例如，通过升高温度至400℃，在氮气氛中进行合金化处理，并且将在其上形成表面电极110和背面电极220的接合晶片7d在400℃下保持5分钟。
然后，在相应于接合晶片7d的表面电极110的基本上中心部分的区域上形成盘电极100。例如，盘电极具有直径为100μm的圆形形状；其形状基本上与表面电极110的中心部分的圆形部分重合。通过从表面电极110侧例如以Ti(例如50厚)、Au(例如1000nm厚)的顺序形成，获得盘电极100。
接着，将表面电极110的圆形部分置于当从上表面观察时基本上为中间的位置上，将设置有盘电极100的接合晶片7d切割成芯片元件，从而形成多个半导体发光元件1。因此，获得设置有漫反射产生部180的半导体发光元件1，该漫反射产生部180通过将暴露于外面的n型包覆层133表面进行粗糙化而形成的(如图4K所示)。在形成盘电极100之后，不再对接合晶片7d和半导体发光元件1应用合金化处理。
在接合晶片7d被分成多个半导体发光元件1的情况下，该多个元件结构可以通过台面分离法(mesa-separation process)进行分离，其中使用刻蚀处理或半切片(half-diced)。已经应用台面分离法的接合晶片7d可以进行切片处理，以形成多个半导体发光元件1。
第一实施方式的效果
根据该实施方式的半导体发光元件1，光提取表面被粗糙处理，此外控制在发光结构6和支撑结构5之间的透明层140的厚度，从而可以减少由于入射到透明层140的光的多次反射而导致的干涉。因此，被粗糙的光提取表面所反射的光；甚至倾斜入射到由透明层140和反射层150构成的反射区域的光显示出这样改善的可证性，即它们沿向发光装置1外辐射的方向进行反射，使得可以改善半导体发光元件1的光提取效率。
第二实施方式
图5是显示本发明第二实施方式的半导体发光元件的示意性截面图。
形成第一实施方式的半导体发光元件1以使其具有顶部和底部的表面电极结构，其中从盘电极100侧到背面电极220提供电源。另一方面，第二实施方式的半导体发光元件1a具有基本上与第一实施方式半导体发光元件1相同的组成，除了化合物半导体层130的部分p型包覆层137被暴露之外，在暴露部分设置p型电极以具有所谓的上表面二电极结构。因此，除了不同点之外，省略其它的详细说明。
半导体发光元件1a的结构
第二实施方式的半导体发光元件1a设置有半导体多层结构130，其包括发光层135、与半导体多层结构130一侧的部分表面电连接的作为n型电极的第一电极112以及设置在第一电极112上的盘电极。此外，半导体发光元件1a设置有覆盖相对于上述半导体多层结构130一侧表面的另一侧表面的透明层140以及设置在与半导体多层结构130的另一表面相接触的透明层140表面的相反侧上的反射层150，其中反射区域由透明层140和反射层150构成。半导体发光元件1a具有设在与透明层140接触的反射层140表面的相反侧上的连接层230和通过连接层230与反射层140连接的支撑基板20。
第二实施方式半导体多层结构130具有设置在与透明层140接触的位置上的p型接触层139、设置在与透明层140接触的p型接触层139的表面相反侧的表面上的p型包覆层137、设置在与p型接触层139接触的p型包覆层137表面侧相反侧的表面上的发光层135、设置在与p型包覆层137接触的发光层135表面侧相反侧的表面上的n型包覆层133以及设置在与发光层135接触的n型包覆层133表面侧相反侧的表面上的n型接触层。在第二实施方式变体的半导体发光元件中，也可以形成不具有p型接触层139的半导体多层结构130。
部分p型包覆层137被暴露在外面；并且在暴露的p型包覆层137上，提供与p型包覆层137欧姆连接的作为p型电极的第二电极。此外，n型包覆层133具有光提取表面，该光提取表面包括对由发光层135发出的部分光在与发光层135接触的表面侧相反的表面上进行漫反射的漫反射产生部180。因为漫反射产生部180具有与第一实施方式漫反射产生部180基本上相同的功能和操作，省略其详细解释。例如由预定厚度的金形成连接层230。可以分别在反射层150和在支撑基板20上提供连接层230。在这种情况下，通过支撑基板20上的部分连接层230和反射层150上的部分连接层230之间的热压，将连接层230结合。
在第二实施方式中，不需要由导电材料形成支撑基板20。即，可由电阻率为例如10Ω·cm或更高的高电阻材料；或者绝缘基板例如玻璃基板和蓝宝石基板来形成第二实施方式的支撑基板20。高电阻材料的实例包括具有10Ω·cm或更高电阻率的GaAs、Si、Ge、GaP、InP、SiC、GaN、SiO₂、Al₂O₃、AlN、MgO或ZnO。
第二实施方式的半导体发光元件1a基本上具有支撑基板20、设置在上述支撑基板20的一个表面上的连接层230、与连接层230连接的反射区域、设置在相对于连接层230的反射区域相反侧上并且发射出具有预定波长的光的发光层135、以及设置在相对于反射区域的发光层135相反侧上且包括漫反射由发光层135发出的光的光提取表面的半导体多层结构130；反射区域包括由具有比半导体多层结构130低的折射率的材料所制得的透明层140和由金属材料制得的反射层150；透明层140具有抑制由于入射到透明层140的光的多次反射而导致的干涉的厚度；此外，半导体多层结构130包括在作为第一导电型半导体层的n型包覆层133和作为不同于所述第一导电型的第二导电型半导体层的p型包覆层137之间的发光层135；半导体多层结构130在其上提供光提取表面侧的第一导电型半导体层的部分表面上具有第一电极112，并且在所述第二导电型半导体层的部分表面上具有第二电极222。
第二实施方式的效果
第二实施方式的半导体发光元件1a与第一实施方式的区别在于，没有提供界面电极120，使得界面电极120在反射区域中的占有率可为0。因此，可以改善第二实施方式的半导体发光元件1a的光提取效率。
实施例
实施例1
根据在本发明第一实施方式中所描述的制备半导体发光元件1的方法，生产本发明实施例1的半导体发光元件。具体地，生产具有以下结构的半导体发光元件作为实施例1的半导体发光元件。
即，根据MOVPE法，从作为生长基板10的n型GaAs基板(直径为3英寸)按以下顺序生产根据实施例1的半导体发光元件的半导体多层结构130a：即n型(Al_0.7Ga_0.3)_0.5In_0.5P腐蚀停止层(掺杂Si，200nm厚，载流子浓度为1×10¹⁸/cm³)、n型GaAs接触层(掺杂Si，100nm厚，载流子浓度为1×10¹⁸/cm³)、n型(Al_0.7Ga_0.3)_0.5ln_0.5P包覆层(掺杂硅，2000nm厚，载流子浓度为1×10¹⁸/cm³)、未掺杂的(Al_0.1Ga_0.9)_0.5In_0.5P发光层(300nm厚)、p型(Al_0.7Ga_0.3)_0.5In_0.5P包覆层(掺杂Mg，400nm厚，载流子浓度为1.2×10¹⁸/cm³)以及p型GaP接触层(掺杂Mg，100nm厚，载流子浓度为1×10¹⁸/cm³)。由所获得的半导体多层结构130a，生产根据实施例1的多个外延晶片3。
作为要在外延晶片中形成的部分反射区域的透明层140是由SiO₂形成的。在实施例1中，总共生产六种类型的半导体发光元件，每种类型具有不同厚度的透明层140(SiO₂薄膜)。即，生产六种类型的包括具有220mn、330nm、440nm、550nm、660nm和770nm六种厚度的透明层140的半导体发光元件。这些透明层140的各自薄膜厚度分别设定为相应于参考d＝λ/(4×n)值的倍数，即d＝2λ/(4×n)、d＝3λ/(4×n)、d＝4λ/(4×n)、d＝5λ/(4×n)、d＝6λ/(4×n)以及d＝7λ/(4×n)，其中d是SiO₂薄膜的厚度，λ是半导体发光元件的发射光的峰值波长(实施例1中为630nm)，n是透明层140相对于半导体发光元件的光发射波长的折射率(即SiO₂的折射率)(当是SiO₂时为1.45)。
界面电极120具有与六种类型半导体发光元件中各自透明层140相同的厚度。使用AuZn合金(Au：95wt％、Zn：5wt％)作为构成界面电极120的材料。在实施例1中对界面电极120(15nm直径)应用如图1B(a)和图1B(b)所描述的结构。此外，通过形成400nm厚Au作为反射层140(作为部分反射区域)、50nm厚Pt作为阻挡层160以及500nm厚Au作为发光结构侧接合层170，来获得发光结构5。另一方面，使用p型基板(直径3英寸)作为支撑基板20，在Si基板上形成50nm厚Ti和500nm厚Au以获得支撑结构6。
通过如第一实施方式中所述的热压接合，将发光结构5与支撑结构6接合，对该接合结构应用实施方式中所述的生产方法，从而生产出实施例1的具有漫反射产生部180的半导体发光元件。由100nm厚Ti和400nm厚金形成背面电极220。由50nm厚Ti和1000nm厚Au形成盘电极100。
比较例
根据与实施例1相同的方式，生产比较例的半导体发光元件，除了透明层140的厚度为110nm，因此省略其详细解释。比较例的半导体发光元件的透明层140的厚度设定为由实施例1中的参考值d＝λ/(4×n)来计算的。
通过由芯片焊接和引线接合将半导体发光元件安装在TO-18晶体管管座上并且以20mA通电，对实施例1和比较例中的半导体发光元件的发光性能进行评价。即，在所谓的支撑芯片(bear chip)条件下，对实施例1和比较例中的半导体发光元件的初始性能进行评价。关于实施例1和比较例中的半导体发光元件，术语“未粗糙处理的”是指在通过粗糙处理形成漫反射产生部180之前的状况下的特征，而术语“粗糙处理的”是指在通过粗糙处理形成漫反射产生部180之后的状况下的特征。
表1表明实施例1和比较例的半导体发光元件的性能评价的结果。
表1

(在20mA条件下进行评价)
参考表1，比较例的半导体发光元件在20mA时的光输出是3.95mW，在所谓的未粗糙处理条件下，正向电压是2.02V；而在粗糙处理的条件下，光输出是6.68mW，正向电压是2.04V。即，当在具有光提取表面的n型包覆层133(n型(Al_0.7Ga_0.3)_0.5In_0.5P包覆层)的表面上没有形成漫反射产生部180的情况与通过粗糙处理形成漫反射产生部180的情况比较时，证实了光输出被改善大约1.7倍。
此外参考表1，当由透明材料SiO₂形成的透明层140的薄膜厚度变厚时，在对半导体发光元件粗糙处理后，根据实施例1的半导体发光元件的光输出的输出放大倍数(实施例1的半导体发光元件的光输出与透明层厚度为110nm的情况下的光输出的比例)逐渐增加。也显示出当透明层140的薄膜厚度为220nm或更厚时，光输出的绝对值高于比较例(透明层薄膜厚度：110nm)。
如上所述，在实施例1中随着透明层140的薄膜厚度增加，光输出得到改善。该结果被认为证实了如图3A所解释的事实，即当透明层140的薄膜厚度变厚时，反射区域中的平均反射率得到改善，从而由于改善了平均反射率，因此改善了半导体发光元件的光输出。
实施例2
根据实施例2的半导体发光元件具有与实施例1基本上相同的结构，除了实施例1的表面电极110和界面电极120的形状和布置不同于实施例2，使得除了其不同处之外，省略详细解释。
图6是显示本发明实施例2的表面电极和界面电极的布置的顶视图；
如图6所示，根据实施例2的表面电极110包括位于从上表面观察(下文表示为“上表面”)基本上半导体发光元件表面中间的圆形部分(直径为100nm)、从圆形部分的中心在沿上表面一侧的方向延伸出的线型的细引线110a(从圆形部分端的长度L3是70μm)，通过与细引线110a纵向成90度相交并以均匀间隔设置细引线110b、110c和110d。细引线110b、110c和110d的形状为使得从基本上中间部分的一端延伸出，并且细引线110a的另一端在沿上表面另一侧的方向延伸出。
根据实施例2的界面电极120的直径是5μm。如实施例1，在除了直接位于表面电极110下方的其它区域上提供界面电极120。然而，不同于实施例1，当从上表面观察时，分别在从表面电极110中的多个细引线(细引线110b、110c和110d)的距离沿细引线纵向保持为常熟的位置处设置多个界面电极120。即，分别在当从上表面观察时从细引线110b一侧到界面电极120间的距离、当从上表面观察时从细引线110c一侧到界面电极120间距离、当从上表面观察时从细引线110d一侧到界面电极120间距离保持不变的位置处提供多个界面电极120。每个界面电极120之间的间距P2基本上为20μm。根据实施例2的一个半导体发光元件具有几十个界面电极120。
同样在实施例2中，如实施例1通过改变透明层140的薄膜厚度生产出六种类型的半导体发光元件。此外，如实施例1的比较例，也生产其中透明层140的薄膜厚度为110nm、表面电极110和界面电极120的布置与实施例2相同的实施例2的比较例的半导体发光元件。如实施例1，进行半导体发光元件的性能评价。
表2表明根据实施例2和比较例的半导体发光元件的性能评价结果。
表2

(在20mA条件下进行评价)
参考表2，在如实施例1应用粗糙处理之后，光输出的输出放大倍数随着透明层140的SiO₂薄膜的薄膜厚度的增加而逐渐增加。在这种情况下，在未进行粗糙处理和进行粗糙处理的情况下与实施例1相比光输出的绝对值更为改善的理由是由于表面电极110和界面电极120的图案和布置上的差异。
显著影响光输出增加的因素是界面电极120的总面积和每个电极的尺寸。即，在根据本发明实施例2的半导体发光元件中，界面电极120的直径是5μm，使得与界面电极直径是15μm的实施例1相比，减少了具有低反射率的区域。考虑到抑制半导体发光元件的驱动电压增加和改善光输出，限定实施例2的界面电极120的直径在3～5μm范围内。
此外，当表面电极110和所有的界面电极120之间的位置关系为在从上表面观察时表面电极110的细引线侧到界面电极120的距离恒定(相等)时，半导体发光元件平面内的光发射是均匀的。因此，可以抑制将电流密度集中到任何界面电极120上，从而可以改善半导体发光元件的可靠性，在应用大电流时可以抑制半导体发光元件的局部发热。因此，可以改善实施例2的半导体发光元件的电流-光输出性能。
如上所述，在实施例2也观察到与实施例1的图3A中计算结果相同的趋势。因此，被认为证实了：根据实施例2的半导体发光元件的性能结果是，由于透明层140薄膜厚度增厚而改善了反射区域的平均反射率，从而改善了实施例2的半导体发光元件的光输出。
实施例3
根据实施例3的半导体发光元件具有与实施例2基本相同的结构，除了界面电极120的形状和布置不同于实施例2之外，使得除了其差异之外，省略其详细解释。
图7是显示根据本发明实施例3的表面电极和界面电极的布置的顶视图；
根据实施例3的界面电极被形成为具有单一形状。实施例3的界面电极被形成为具有梳状，使得当从上表面观察时与梳状表面电极110衔接。实施例3的界面电极120具有5μm的线宽。当从上表面观察时，界面电极120和细引线110b、110c和110d的位置关系与实施例2相同。
同样在实施例3中，如实施例1通过改变透明层140的薄膜厚度生产出六种类型的半导体发光元件。此外，如实施例1的比较例，也生产其中透明层140的薄膜厚度为110nm、表面电极110和界面电极120的布置与实施例3相同的实施例3的比较例的半导体发光元件。如实施例1，进行半导体发光元件的性能评价。
表3表明根据实施例3和比较例的半导体发光元件的性能评价结果。
表3

(在20mA条件下评价)
参考表3，在如实施例1和2应用粗糙处理之后，光输出的输出放大倍数随着透明层140的SiO₂薄膜厚度的增加而逐渐增加。在这种情况下，在未进行粗糙处理和进行粗糙处理的情况下与实施例1相比光输出绝对值更为改善的理由是，由于表面电极110和界面电极120的图案和布置上的差异。
与实施例2的半导体发光元件相比，尽管实施例3的半导体发光元件的光输出减少，但并不随考虑界面电极120的面积的增加而显著减少。这是因为界面电极120的线宽是5μm，具有低反射率的界面电极120与半导体多层结构130的接触区域的面积相对较小。考虑到抑制半导体发光元件的驱动电压增加和光输出的改善，将实施例3的界面电极120的线宽限定在3～5μm范围内。
如上所述，在实施例3中也观察到与实施例1和2的图3A中的计算结果相同的趋势。因此，被认为证实了：根据实施例3的半导体发光元件的性能结果是，由于透明层140的薄膜厚度增厚而改善了反射区域的平均反射率，从而改善了实施例3的半导体发光元件的光输出。
实施例4
根据实施例4的半导体发光元件具有与实施例3基本上相同的结构，除了反射层140的材料是Ag之外，使得除了其差异，省略详细解释。
同样在实施例4中，如实施例1一样，通过改变透明层140的薄膜厚度生产出六种类型的半导体发光元件。此外，如实施例1的比较例，也生产其中透明层140的薄膜厚度为110nm，表面电极110和界面电极120的布置与实施例4相同，并且反射层140的材料与实施例4相同的实施例4的比较例的半导体发光元件。如实施例1一样，进行半导体发光元件的性能评价。
表4表明根据实施例4和比较例的半导体发光元件的性能评价结果。
表4

(在20mA条件下评价)
参考表4，在应用粗糙处理之后，在作为透明层140的SiO₂薄膜的薄膜厚度是220nm或更厚的情况下，光输出随着透明层140的薄膜厚度在220～400nm范围内增加而逐渐增加。当透明层140的薄膜厚度是330nm或更厚的情况下，与比较例(薄膜厚度：110nm)相比，改善了光输出。同样在实施例4的半导体发光器件中，在透明层140的薄膜厚度是220nm或更厚的情况下，进行粗糙处理之后，光输出的输出放大倍数随着透明层140的薄膜厚度增加而增加。当透明层140的薄膜厚度是330nm或更厚的情况下，观察到饱和的趋势。此外，当检测应用粗糙处理后的半导体发光元件的光输出时，在透明层140的薄膜厚度是330～770nm的情况下光输出的增加显示出饱和的趋势。根据实施例4的发光元件具有比实施例3更高的总光输出的原因是，由Ag制得的实施例4的反射层140显示出比由Au制得的实施例3的反射层150更高的反射率。
在半导体多层结构130的表面是光滑的且如图3A所示d＝λ/(4n)有效时，由Ag制得的实施例4的反射层150的平均反射率变成最高。另一方面，当半导体多层结构130的表面具有漫反射表面且厚度为d＝3λ/(4n)或更厚时，发现平均反射率比d＝λ/(4n)时的情况更高。因为在厚度d＝3λ/(4n)或更厚时平均反射率显示出饱和的趋势，应当理解的是，透明层140的厚度优选d＝3λ/(4n)或更厚。
参考表4，发现具有与图3A中所示的计算结果相同的趋势。因此，应当理解的是，实施例4证实了反射区域的平均反射率随着透明层140的薄膜厚度的增加而增加，从而改善了实施例4的半导体发光元件的光输出。
实施例5
根据实施例5的半导体发光元件具有与实施例3和4基本上相同的结构，除了反射层140的材料是Cu之外，使得除了其差异，省略详细解释。
同样在实施例5中，如实施例1一样，通过改变透明层140的薄膜厚度生产出六种类型的半导体发光元件。此外，如实施例1的比较例，也生产其中透明层140薄膜厚度为110nm，表面电极110和界面电极120的布置与实施例5相同，并且反射层140的材料与实施例5相同的实施例5的比较例的半导体发光元件。如实施例1一样，进行半导体发光元件的性能评价。
表5表明根据实施例5和比较例的半导体发光元件的性能评价结果。
表5

(在20mA条件下评价)
参考表5，在应用粗糙处理之后，在透明层的SiO₂薄膜的薄膜厚度是220nm或更厚的情况下，具有光输出的输出放大倍数随着透明层的薄膜厚度的增加而逐渐增加的趋势。在透明层140的薄膜厚度是330nm或更厚的情况下，与比较例(薄膜厚度：110nm)相比，改善了光输出。
当半导体多层结构130的表面是光滑的且如图3A所示d＝λ/(4n)有效时，由Cu制得的实施例5的反射层150的平均反射率变成最高。另一方面，当半导体多层结构130的表面具有漫反射表面且厚度d＝3λ/(4n)或更厚时，发现平均反射率比在d＝λ/(4n)时的情况更高。因为在厚度d＝3λ/(4n)或更厚时的平均反射率具有饱和的趋势，应当理解的是，透明层140的厚度优选为d＝3λ/(4n)或更厚。
参考表5，发现具有与图3A中所示的计算结果相同的趋势。因此，应当理解的是，实施例5证实了反射区域的平均反射率随着透明层140的薄膜厚度的增加而增加，从而改善了实施例5的半导体发光元件的光输出。
实施例6
根据实施例6的半导体发光元件具有与实施例3基本上相同的结构，除了反射层140的材料是Al，使得除了其差异，省略详细解释。
同样在实施例6中，如实施例1通过改变透明层140的薄膜厚度生产六种类型的半导体发光元件。此外，如实施例1的比较例，也生产其中透明层140薄膜厚度为110nm，表面电极110和界面电极120的布置与实施例6相同，并且反射层140的材料与实施例6相同的实施例6的比较例的半导体发光元件。如实施例1，进行半导体发光元件的性能评价。
表6表明根据实施例6和比较例的半导体发光元件的性能评价结果。
表6

(在20mA条件下评价)
参考表6，在应用粗糙处理之后，在作为透明层的SiO₂薄膜的薄膜厚度是220nm或更厚的情况下，具有光输出的输出放大倍数随着透明层的薄膜厚度的增加而逐渐增加的趋势。在透明层140的薄膜厚度为330nm或更厚的情况下，与比较例(薄膜厚度：110nm)相比，改善了光输出。
在半导体多层结构130的表面是光滑的且如图3A所示d＝λ/(4n)有效的情况下，由Al制得的实施例6的反射层150的平均反射率变成最高。另一方面，当半导体多层结构130的表面具有漫反射表面且厚度d＝3λ/(4n)或更厚时，发现平均反射率比在d＝λ/(4n)时的情况更高。因为在厚度d＝3λ/(4n)或更厚的情况下平均反射率具有饱和的趋势，应当理解的是，透明层140的厚度优选d＝3λ/(4n)或更厚。
参考表6，发现具有与图3A中所示的计算结果相同的趋势。因此，应当理解的是，实施例6证实了反射区域的平均反射率随着透明层140的薄膜厚度的增加而增加，从而改善了实施例6的半导体发光元件的光输出。
实施例7
根据实施例7的半导体发光元件具有与实施例3基本上相同的结构，除了形成漫反射产生部180的刻蚀剂不同于实施例3，使得除了其差异，省略详细解释。
在实施例7中，在如图4J所述对n型包覆层133(n型(Al_0.7Ga_0.3)_0.5In_0.5P包覆层)表面进行粗糙处理时，不使用由纯水稀释的盐酸作为刻蚀剂，而是使用氢溴酸、过氧化氢溶液和纯水的混合刻蚀剂作为各向同性的刻蚀剂。具体地，通过以氢溴酸∶过氧化氢溶液∶纯水＝20∶1∶100的比例预混合氢溴酸、过氧化氢溶液和纯水来制备混合蚀刻剂。进行粗糙处理以调整刻蚀时间为2分钟。通过粗糙处理在n型包覆层133的表面上刻蚀的深度约1μm。
作为在实施例7中进行粗糙处理的结果，形成为基本上半球形凹面的三维结构的多个构造作为在n型包覆层133表面上的漫反射产生部180。在漫反射产生部180为基本上半球形凹面结构时，在包括n型包覆层133的半导体多层结构130中传播并且到达漫反射产生部180的光被漫反射。根据预定的粗糙处理，也可以形成基本上半球形凸面的三维结构作为n型包覆层133的表面上的漫反射产生部180。从而在半导体多层结构130中传播并且到达凹面构造的光也被漫反射。
根据实施例7的粗糙处理在n型包覆层133的表面上形成的基本上半球形凹面或凸面的结构进行排列。具体地，相应于在n型包覆层133的表面上形成的光刻胶图案开孔部分布置，在n型包覆层33的表面上形成具有规则圆形布置的基本上半球形凹面或凸面结构。
同样在实施例7中，如实施例1一样，通过改变透明层140的薄膜厚度生产出六种类型的半导体发光元件。此外，如实施例1的比较例，也生产其中透明层140的薄膜厚度为110nm，应用与实施例7相同的粗糙处理的实施例7的比较例的半导体发光元件。如实施例1，进行半导体发光元件的性能评价。
表7表明根据实施例7和比较例的半导体发光元件的性能评价结果。
表7

(在20mA条件下评价)
参考表7，在应用粗糙处理之后，具有光输出的输出放大倍数随着透明层140的薄膜厚度的增加而逐渐增多的趋势。在透明层140的薄膜厚度是220nm或更厚时，与比较例(薄膜厚度：110nm)相比，改善了光输出。
参考表7，发现具有与图3A中所示的计算结果相同的趋势。因此，应当理解的是，实施例7证实了反射区域的平均反射率随着透明层140的薄膜厚度的增加而增加，从而改善了实施例7的半导体发光元件的光输出。
实施例8
根据实施例8的半导体发光元件具有与实施例3基本上相同的结构，除了在形成漫反射产生部180时的刻蚀方式不同于实施例3之外，使得除了其差异，省略详细解释。
在实施例8中，暴露n型(Al_0.7Ga_0.3)_0.5In_0.5P包覆层(n型包覆层133)，然后将接合晶片7c浸入盐酸和乙酸的混合刻蚀剂中。即，如在制备第一实施方式的半导体发光元件的方法中所述的一样，形成如图4I所示的接合晶片7c，然后，在n型(Al_0.7Ga_0.3)_0.5In_0.5P包覆层的表面上用混合刻蚀剂进行粗糙处理，而没有在n型包覆层133上由光刻胶制备点图案。在粗糙处理之后，如在制备第一实施方式的半导体发光元件的方法中所述的一样，形成盘电极100和背电极220。
在混合的盐酸和乙酸中，其比例是相对于约2份乙酸有约1份盐酸。接合晶片7c在混合酸刻蚀剂中的浸渍时间是60秒。在粗糙处理之后观察n型包覆层133的表面。作为结果，形成算数平均粗糙度为310nm的不规则粗糙表面。从半导体多层结构传播到所形成的不光滑表面上的光被漫反射。即，所形成的不光滑表面具有作为漫反射光的漫反射表面的功能。在实施例8的粗糙处理中，优选算数平均粗糙度大于通过由发光层135发出的光的波长除以n型包覆层133的折射率所获得值的1/4，使得n型包覆层133的表面形状的不规则性具有光学意义。
同样在实施例8中，如实施例1一样，通过改变透明层140的薄膜厚度生产出六种类型的半导体发光元件。此外，如实施例1的比较例，也生产其中透明层140的薄膜厚度为110nm，应用与实施例8相同的粗糙处理的实施例8的比较例的半导体发光元件。如实施例1一样，进行半导体发光元件的性能评价。
表8表明根据实施例8和比较例的半导体发光元件的性能评价结果。
表8

(在20mA条件下评价)
参考表8，在应用粗糙处理之后，具有光输出的输出放大倍数随着透明层140的薄膜厚度的增加而逐渐增加的趋势。在透明层140的薄膜厚度是220nm或更厚的情况下，与比较例(薄膜厚度：110nm)相比，改善了光输出。尽管与实施例3的半导体发光元件相比，粗糙处理之后的光输出减少，这是因为在实施例8中通过应用粗糙处理所形成的不光滑表面中的漫反射具有小的漫反射角。
参考表8，发现具有与图3A中所示的计算结果相同的趋势。因此，应当理解的是，实施例8证实了反射区域的平均反射率随着透明层140的薄膜厚度的增加而增加，从而改善了实施例8的半导体发光元件的光输出。
实施例9
根据实施例9的半导体发光元件具有与实施例3基本上相同的结构，除了作为部分反射区域的透明层140的材料不同于实施例3之外，使得除了其差异，省略详细解释。
在实施例9中，作为部分反射区域的透明层140的材料被改变为Au、Ag、Cu和Al；并且分别由这些材料生产半导体发光元件。此外，根据实施例9的半导体发光元件的透明层140由氮化硅(SiN)形成。在实施例9中，生产出六种类型相互之间具有不同薄膜厚度的透明层(SiN薄膜)140的半导体发光元件。即，生产透明层薄膜厚度为160、240、320、400、480nm和560nm的六种类型半导体发光元件。作为实施例9的比较例，也生产透明层140的薄膜厚度选择为80nm的半导体发光元件。
将实施例9的透明层140的薄膜厚度限定为参考值d＝λ/(4×n)的倍数值，其中d是SiN薄膜的厚度，λ是半导体发光元件的发光峰值波长(在实施例9为630nm)，n是透明层140相对于半导体发光元件的发光波长的折射率(即SiN的折射率)(在SiN情况下为2.0)，即它们为d＝2λ/(4×n)、d＝3λ/(4×n)、d＝4λ/(4×n)、d＝5λ/(4×n)、d＝6λ/(4×n)和d＝7λ/(4×n)。通过RF溅射法形成SiN薄膜透明层140。
图9表明根据实施例9和比较例的半导体发光元件的性能评价结果。
表9

(在20mA下进行评价)
参考表9，在应用粗糙处理之后，具有光输出的输出放大倍数随着透明层140的薄膜厚度的增加而逐渐增加的趋势，而与反射层150的材料无关。即，参考表9，发现具有与图3A中所示的计算结果相同的趋势。因此，应当理解的是，实施例9证实了反射区域的平均反射率随着透明层140的薄膜厚度的增加而增加，从而改善了实施例9的半导体发光元件的光输出。
表10和11表明在构成透明层140的材料的折射率变化时，在具有漫反射表面(θc：90°)的结构的反射区域中的平均反射率。
表10

表11

基于式1-5计算表10和11中的值，其中用于计算的参数如下。用于形成半导体多层结构130的半导体的折射率为3.2，光波长是630nm，用于形成反射层150的金属材料是Au、Ag、Cu和Al。此外，也表明d＝1λ/(4n)时用1进行标准化的值。
参考表10和11，当透明层140的薄膜厚度为d＝3λ/(4n)或更厚，并且由Au或Cu形成反射层150，透明层140的折射率在1.2～3.0范围内，以及由Ag或Al形成反射层150，透明层的折射率在1.3～3.0范围内时，比在d＝λ/(4n)的情况更能改善平均反射率。
因此，当透明层140由折射率在1.3～3.0范围内的透明材料形成，使得具有3λ/(4n)或更厚的薄膜厚度时，可以改善半导体发光元件的光提取效率。作为折射率在1.3～3.0范围内的透明材料，除了二氧化硅和氮化硅之外，也可以使用五氧化二钽、氟化镁、二氧化铪、氧化铟、氧化锡、氧化锌、或者包括浓度为80wt％或更多的这些氧化物材料中任一种的金属氧化物。
尽管在上文根据实施方式和实施例已经描述了本发明，但是在所附的权利要求中所要求的本发明并不限于上述实施方式和实施例。应当注意的是，在实施方式和实施例中所描述的特征的所有组合并不是解决本发明所要解决的问题的必要方式。