CN1226792C - 氮化物系半导体发光元件及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种氮化物系半导体发光元件及其制造方法,所述氮化物系半导体发光元件含有,在支撑基板上形成的反射层,和在反射层上方依次叠层的p型氮化物系半导体层、发光层及n型氮化物系半导体层,其特征是,在所述n型氮化物系半导体层上形成由选自氮化硅、氧化铟、氧化钕、氧化锆、氧化钛、氧化铈及氧化铋中的任何1种构成的高折射率膜,所述高折射率膜的上表面为取光面,在该取光面上形成凹凸。
Description
技术领域
本发明涉及采用以通式InxAlyGazN(x+y+z=1,0≤x≤1,0≤y≤1以及0≤z≤1)表示的氮化物系半导体的氮化物系半导体发光元件及其制造方法。
背景技术
原来的氮化物系半导体发光元件,几乎都是在蓝宝石衬底上叠层氮化物系半导体层制造的。然而,近几年来,比蓝宝石衬底便宜并且大面积的硅(Si)衬底,从降低发光元件的制造成本的观点考虑,其使用在增加。
图12为用Si衬底的原有的氮化物系半导体发光元件的概要立体图。该氮化物系半导体发光元件是在Si衬底100上依次叠层AlN缓冲层101、n型GaN层102、InGaN发光层103、p型AlGaN载体片(キャリァブロツク)层104以及p型GaN接触层105,在p型GaN接触层105上形成透光性电极106,在n型GaN层102上形成n型电极107。而且,在透光性电极106上形成p型焊盘电极108,在n型电极107上形成n型焊盘电极109。
然而,从该氮化物系半导体发光元件的InGaN发光层103发出的光中向着Si衬底100方向的光由于被Si衬底100吸收,所以,从InGaN发光层103发出的光发射至外部的效率降低,这是个问题。
另外,在Si衬底100上形成金属等反射膜,借此可以防止向Si衬底100入射光,有人提出像采用蓝宝石衬底那样,从半导体发光元件的侧面取光的方法。然而,由于氮化物系半导体层之间的热膨胀系数差所产生的氮化物系半导体层的裂缝,所以,不能形成厚的氮化物系半导体层,从作为发光层出来的光的透过、取出部位的氮化物系半导体层侧面取光,不能提高光取出外部的效率,这是个问题。
为了解决这些问题,特开2000-196152公报公开的发光元件,是通过在p型GaN半导体层上制成凹凸的发光元件以及插入p型GaN半导体层上形成的透明电极,在表面上设置有凹凸的取光层。然而,由于设置凹凸而使p型GaN半导体层的膜厚大时,在p型GaN半导体层上产生许多裂缝,故有元件的驱动电压加大之类的问题。对此可以推测是,在高温使p型GaN半导体层成长,成长后在温度返回至室温时,由于对p型GaN半导体层施加的拉伸应力而产生裂缝,而且,由于p型GaN半导体层的膜厚大,更易产生裂缝。另外,p型GaN半导体层本质上难以达到低电阻,而且由于膜厚度厚,更难以达到低电阻,所以存在元件的驱动电压更加增大的问题。另外,即使在p型GaN半导体层上形成透明电极时,p型GaN半导体层和透明电极之间的电阻特性恶化,接触电阻增高,所以存在元件的驱动电压增大之类的问题。
发明内容
为了达到上述目的,一种氮化物系半导体发光元件,该氮化物系半导体发光元件含有,在支撑基板上形成的反射层,和在反射层上方依次叠层的p型氮化物系半导体层、发光层及n型氮化物系半导体层,其特征是,在所述n型氮化物系半导体层上形成由选自氮化硅、氧化铟、氧化钕、氧化锆、氧化钛、氧化铈及氧化铋中的任何1种构成的高折射率膜,所述高折射率膜的上表面为取光面,在该取光面上形成凹凸。在本申请中,所谓“位于n型氮化物系半导体层上方的取光面”不仅意指位于n型氮化物系半导体层上面,还包括位于在n型氮化物系半导体层上侧的层的上面。
本发明还涉及上述氮化物系半导体发光元件的制备方法,该方法包括,准备硅衬底,在该硅衬底上方依次叠层n型氮化物系半导体层、发光层及p型氮化物系半导体层的工序;和在p型氮化物系半导体层上形成反射层,在该反射层上形成支撑基板的工序;和采用上述支撑基板使晶片翻转的工序;和除去所述硅衬底的工序;和在所述n型氮化物系半导体层上方形成具有凹凸的取光面的工序。
这里,在本发明的氮化物系半导体发光元件中,从氮化硅(Si3N4)、氧化铟(In2O3)、氧化钕(Nd2O2)、氧化锆(ZrO2)、氧化钛(TiO2)、氧化铈(CeO2)及氧化铋(BiO3)中选择任何1种构成的高折射率膜,在上述n型氮化物系半导体层上形成,优选上述高折射率膜的上面是所述取光面。
另外,在本发明的氮化物系半导体发光元件中,以InaGa1-aN(0<a≤1)表示的氮化物系半导体层,在上述n型氮化物系半导体层上形成,上述以InaGa1-aN(0<a≤1)表示的氮化物系半导体层的上面为上述取光面是优选的。
另外,在本发明的氮化物系半导体发光元件中,所述氮化物系半导体层的最大厚度在200~800nm范围内是优选的。
另外,在本发明的氮化物系半导体发光元件中,掺杂Si的以InaGa1-aN(0<a≤1)表示的氮化物系半导体层,在所述n型氮化物系半导体层上形成,该掺杂Si的氮化物系半导体层上面为所述取光面,在该掺杂Si的氮化物系半导体层中所含的Si浓度在5×1020~5×1021cm-3的范围内是优选的。
另外,在本发明的氮化物系半导体发光元件中,所述支撑基板由电镀镍(Ni)形成,所述反射层为p型电极是优选的。
另外,本发明涉及上述氮化物系半导体发光元件的制造方法,其特征是,该氮化物系半导体发光元件的制造方法包括,准备Si衬底,在该Si衬底上方依次叠层n型氮化物系半导体层、发光层及p型氮化物系半导体层的工序;在p型氮化物系半导体层上形成反射层,在该反射层上形成支撑基板的工序;采用上述支撑基板使晶片翻转的工序;除去上述Si衬底的工序;在所述n型氮化物系半导体层上方形成具有凹凸的取光面的工序。
在本发明的氮化物系半导体发光元件制造方法中,优选的是上述取光面的凹凸是通过使上述n型氮化物系半导体层再成长而形成的。
另外,在本发明的氮化物系半导体发光元件制造方法中,优选的是上述取光面的凹凸是通过研磨形成的。
另外,在本发明的氮化物系半导体发光元件制造方法中,优选的是上述取光面的凹凸是通过部分蚀刻形成的。
附图的简单说明
图1是实施例1的氮化物系半导体发光元件的概要立体图。
图2是p型金属包层形成后的含有实施例1的氮化物系半导体发光元件的晶片概要立体图。
图3是Si衬底除去后的含有实施例1的氮化物系半导体发光元件的晶片概要立体图。
图4是实施例2的氮化物系半导体发光元件的概要立体图。
图5是实施例3的氮化物系半导体发光元件的概要立体图。
图6是实施例4的氮化物系半导体发光元件的概要立体图。
图7是实施例5的氮化物系半导体发光元件的概要立体图。
图8A~8C是表示Si衬底和晶面关系的概略图。
图9A~9D是表示氮化物系半导体膜结晶成长进行的概略图。
图10A~10C是表示除去Si衬底的一部分、形成晶面的过程之一例的概略图。
图11A~11D是实施例5的氮化物系半导体发光元件制造过程之一例的概略图。
图12是原来的氮化物系半导体发光元件的概要立体图。
优选实施方案的说明
下面对本发明实施方案加以说明。
(取光面)
本发明的氮化物系半导体发光元件,其特征是,在n型氮化物系半导体层上方设置表面具有凹凸的取光面。即,当取光面为平面时,在从发光层放射出的光中,对着取光面以比临界折射角大的法线角度入射的光,在取光面中被全反射,然而,通过在取光面上设置凹凸,由于这些光都可以取出到外部,所以,可以使光的外部取出效率提高。
另外,像现有技术那样,在p型氮化物系半导体层上面设置凹凸时,由于形成厚度大的高电阻p型氮化物系半导体层的膜,所以,串联电阻升高,驱动电压上升。然而,按照本发明的上述取光面设置在低电阻的n型氮化物系半导体层上面时,即使形成厚的n型氮化物系半导体层膜,由于n型氮化物系半导体层的导电性,可使元件的驱动电压下降。另外,即使在n型氮化物系半导体层上设置透明电极层,由于电阻几乎不增大,所以与未设置透明电极层的场合相比,元件的驱动电压也几乎不发生改变。
另外,取光面也可以是n型氮化物系半导体层的上面,但是,也可以将从Si3N4、In2O3、Nd2O2、ZrO2、TiO2、CeO2及BiO3中选择的任何1种构成的高折射率膜在所述n型氮化物系半导体层上形成,以该高折射率膜的上面作为取光面。由于与n型氮化物系半导体层相比,该高折射率膜的临界折射率小,故更多的光可以射至外部,所以,可以谋求光向外部的取出效率提高。另外,由于n型氮化物系半导体层不必进行直接加工,与以取光面作为n型氮化物系半导体层的上面时相比,可以得到同等或更高程度的元件驱动电压的降低。
另外,以INaGa1-aN(0<a≤1)表示的氮化物系半导体层,在所述n型氮化物系半导体层上形成,该氮化物系半导体层的上面也可以作为取光面。与GaN层相比,InaGa1-aN层的折射率小,所以,光向外部的发射效率更加提高。另外,与GaN层相比,InaGa1-aN层的结晶性低,所以,凹凸的制造更加容易。
以上述InaGa1-aN(0<a≤1)表示的氮化物系半导体层的最大厚度在200~800nm范围内是优选的。为了提高光的外部取出效率,膜的厚度必须与从发光层发出的光的波长相当,当考虑凹凸必须是在用上述氮化物系半导体层内部的折射率除发光波长所得的值以上时,上述层的最大厚度达到200~800nm范围内是优选的。还有,当上述层的最大厚度比200nm薄时,由于光易于全反射,所以光的外部取出效率有下降的倾向,当厚度比800nm厚时,由于上述层的再成长而发生变形,从而产生裂缝,在n、p之间产生漏电流,发光效率有下降的倾向。
另外,掺杂Si的以InaGa1-aN(0<a≤1)表示的氮化物系半导体层,在上述n型氮化物系半导体层上形成,该氮化物系半导体层的上面为取光面,该氮化物系半导体层中所含的Si浓度在5×1020~5×1021cm-3的范围内是优选的。在这种情况下,光的外部取出效率也更加提高。另外,当上述Si浓度在5×1020~5×1021cm-3的范围内时,取光面更容易被形成为金字塔状。另外,当上述Si浓度未满5×1020cm-3时,难以形成金字塔状的凹凸,而当上述Si浓度比5×1021cm-3大时,结晶难以成长,有时不能成膜。
另外,在形成凹凸的取光面上,可以设置从Al、Ti、Zr、Hf、V、Nb及ITO中选择的任何1种金属构成的透光性电极。在这种情况下,注入元件的电流在元件中更加扩展。
(凹凸)
在取光面上形成的凹凸形状及个数未作特别限定,然而,作为凹凸的形态,例如,可以举出在取光面上形成环形等无数孔的形态;取光面突出成半圆锥体状的形态;在取光面上产生间隔,三角柱突起成所形成的金字塔状的形态;或在取光面上不产生间隔的加以连续,三角柱突起形成三棱状的形态等。
作为这些凹凸的制造方法,例如,可以举出在n型氮化物系半导体层成长后,适当调节成长温度、气体导入量及成长速率,使n型氮化物系半导体层再成长的方法;在n型氮化物系半导体层上形成SiO2、Si3N4等掩模,选择性地使n型氮化物系半导体层再成长的方法;采用金刚石粒子或氧化铝粒子研磨n型氮化物系半导体层的方法等。
作为其他的制造方法,例如,通过涂布金刚石粒子或氧化铝粒子等颗粒体,用RIE(反应离子腐蚀)法使n型氮化物系半导体层部分地进行蚀刻的方法;或者,在n型氮化物系半导体层上形成掩模图案后进行热处理,采用RIE法垂直进行蚀刻该掩模的方法等。另外,把未形成掩模的部分制成1μm左右宽的条状时,通过控制蚀刻条件也可以制成由圆锥形凹凸结构。通过控制这些热处理及蚀刻条件,也可能制成半圆锥体状取光面和圆锥形凹凸结构。还有,所谓圆锥形,系指V字状沟。
(支撑基板)
对本发明所用的支撑基板材质未作特别限定,例如,可以使用以Ni为代表的金属电镀基板、Au、Au及Sn构成的合金、具有导电性的Si、GaAs、GaP,InP等半导体基板用Pd及In构成的粘接金属加以热粘合也可作为支撑基板,其中,支撑基板采用镀镍形成的是优选的。此时,支撑基板可以廉价地制造。
(反射层)
本发明所用的反射层,从由取光面有效地取光的观点考虑,在反射层采用反射率最高的材料Ag是优选的。
另外,从降低元件的驱动电压的观点考虑,反射层采用p型氮化物系半导体层和进行电阻性接触的p型电极是优选的。这里,作为构成p型电极的反射层材质,例如,可以采用Pd、Ni、Ag等,其中,采用Pd是优选的。这些材质在通常所用的驱动电流20mA下的相关驱动电压无大的差别,然而,在采用Pd的场合有点差别,但元件的驱动电压可以更加降低。
因此,反射层为Pd上蒸镀Au的p型电极,或在Ag上蒸镀Au的p型电极是更优选的,依次在Pd上形成Ag和Au,兼作光反射的p型电极是最优选的。
(p型氮化物系半导体层)
作为本发明所用的p型氮化物系半导体层的材质,可以采用在以通式InxAlyGazN(x+y+z=1,0≤x≤1,0≤y≤1以及0≤z≤1)表示的氮化物系半导体中注入p型掺杂剂的材料。这里,作为p型掺杂剂,可以采用原来已知的材料,例如,可以采用Mg、Zn、Cd或Be等1种以上。
另外,在本申请中,“p型氮化物系半导体层”既指多层叠层的p型层中的1层,也指多层叠层的p型层全体。
(发光层)
作为本发明所用的发光层的材质,例如,可以用以通式InxAlyGazN(x+y+z=1,0≤x≤1,0≤y≤1以及0≤z≤1)表示的氮化物系半导体。另外,本发明所用的发光层可以是MQW(多量子阱)发光层或SQW(单量子阱)发光层的任1种。还有,即使将发光层作为InGaAlN、GaAsN、GaInAsN、GaPN、GaInPN等含有作为V族元素主要为N的III-V族氮化物系半导体,同样可以得到本发明的效果。
(n型氮化物系半导体层)
作为本发明所用的n型氮化物系半导体层的材质,可以采用往以通式InxAlyGazN(x+y+z=1,0≤x≤1,0≤y≤1以及0≤z≤1)表示的氮化物系半导体中注入n型掺杂剂的。这里的n型掺杂剂可以采用现在已知的材料,例如,可以采用Si、O、Cl、S、C或Ge等1种以上。
另外,在本申请中,“n型氮化物系半导体层”既指多层叠层的n型层中的1层,也指多层叠层的n型层全体。
(制造方法)
本发明的氮化物系半导体发光原件的制造方法包括:准备Si衬底、在该Si衬底上方依次叠层n型氮化物系半导体层、发光层及p型氮化物系半导体层的工序;在p型氮化物系半导体层上形成反射层,在该反射层上形成支撑基板的工序;采用上述支撑基板使晶片翻转的工序;除去上述Si衬底的工序;在所述n型氮化物系半导体层上方表面形成具有凹凸的取光面的工序。
在现有技术中,在p型氮化物系半导体层上方设置凹凸。然而,本发明的特征是,在Si衬底上依次叠层n型氮化物系半导体层、发光层及p型氮化物系半导体层后,在p型氮化物系半导体层上设置支撑基板,并用它使晶片翻转,然后,除去Si衬底,借此,在n型氮化物系半导体层上方形成具有凹凸的取光面。
因此,在采用本发明的制造方法制造氮化物系半导体发光元件时,如上所述,用于形成n型氮化物系半导体层凹凸面的膜厚即使很厚,元件的驱动电压也比现有技术大幅降低,另外,由于支撑基板起到代替电极的作用,所以,可以容易地制造发光元件的上下电极结构,更容易谋求发光元件的小型化。
还有,上述氮化物系半导体层的叠层可采用现在已知的方法,例如可以采用LPE法(液相外延成长法)、VPE法(气相外延成长法)、MOCVD法(有机金属气相外延成长法)、MBE法(分子束外延成长法)、气体信号源MBE法或这些方法的组合方法等。另外,作为反射层、支撑基板或电极的形成方法,例如,可以采用真空蒸镀法、溅射法、电解电镀法、非电解电镀法、或这些方法的组合方法等。
实施例
下面采用实施例更详细地说明本发明,但本发明又不受其局限。
实施例1
图1示出本发明实施例1的氮化物系半导体发光元件的概要立体图。本实施例的氮化物系半导体发光元件,先是在兼作电极的电镀镍构成的支撑基板11上形成p型电极12,然后依次在p型电极12上叠层p型GaN金属包层13、p型AlGaInN载体片层14、由InxGa1-xN构成的发光层15、Si掺杂n型In0.03GaN0.97金属包层16、Si掺杂n型In0.1Ga0.9N层17及Si掺杂n型GaN层金属包层18。另外,在n型GaN金属包层18的上面形成通过进行再成长制造的具有凹凸的n型GaN取光层19,在一部分n型GaN取光层19上形成n型电极110、n型连接电极111。
下面采用图2及图3,对本实施例的氮化物系半导体发光元件制造方法加以说明。首先,把仅断开约1°左右的Si(111)衬底10,用有机溶剂洗涤再用5%HF水溶液洗1分钟后,放入MOCVD装置内,在氢气(H2)气氛中,于约900℃的高温进行表面清理。
然后,把作为载气的H2,以10L/min的速率一边流入装置内一边于1200℃往装置内以5L/min的速率导入NH3、以20μmol/min的速率导入三甲基铝(TMA),如图2所示,在Si衬底10上使200nm厚的AlN缓冲层112成长。
然后,把作为载气的H2,以10L/min的速率一边流入装置内一边于1150℃分别往装置内以5L/min的速率导入NH3、以20μmol/min的速率导入TMA,以20μmol/min的速率导入三甲基镓(TMG),使之进行150nm厚的Si掺杂的Al0.5Ga0.5N层113成长。
然后,把作为载气的H2,以10L/min的速率一边流入装置内一边于1150℃往装置内以5L/min的流量导入NH3、以20μmol/min的速率导入TMG,再导入SiH4气体,使之进行1μm厚的Si掺杂的n型GaN层18成长。
然后,把成长温度降至910℃,以20μmol/min的速率把TMG,以20μmol/min的速率把三甲基铟(TMI)导入装置内,使300nm厚的Si掺杂In0.1Ga0.9N层17成长。
然后,把TMI向装置内的导入量减少至约5μmol/min,借此,使20nm厚的Si掺杂In0.03Ga0.97N金属包层16成长。
然后,把基板温度降至760℃,以6.5μmol/min的速率把TMI,以2.8μmol/min的速率把TMG导入装置内,使由In0.18Ga0.82N构成的3nm厚的阱层成长。然后,再升温至850℃,以14μmol/min的速率把TMG导入装置内,使由GaN构成的阻挡层成长。阱层、阻挡层同样反复成长,使由4对阱层和阻挡层的对构成的多量子阱层(MQW)的InGaN构成的发光层15成长。这里,InxGa1-xN发光层通过改变InxGa1-xN的组成x,使带间发光的波长从紫外至红色发光,但本实施例中发出蓝光。
上述发光层15的成长终止后,在与最后的阻挡层同样的温度,把TMG以11μmol/min、TMA以1.1μmol/min、TMI以40μmol/min、作为p型掺杂原料气的双环戊二烯基镁(Cp2Mg)以10nmol/min的比例导入装置内,使由掺杂了50nm厚Mg的Al0.20Ga0.75In0.05N层构成的p型载体片层14成长。当该p型载体片层14成长终止时,升温至1000℃后,停止TMA向装置内导入,使掺杂了100nm厚Mg的GaN层构成的p型金属包层13进行成长。
如上所述,当氮化物系半导体层成长终止时,TMG及Cp2Mg停止供给后,把该晶片冷却至室温,从MOCVD装置取出。
接着,用电子束(EB)蒸镀装置,在p型金属包层13上把Pd蒸镀5nm膜厚作为p型电极12后,蒸镀500nmAu金属。然后,用电解电镀法在p型电极12上形成100μm电镀镍,形成支撑基板11。
接着,如图3所示,采用支撑基板11使晶片翻转,Si衬底10用HF和HNO3构成的蚀刻剂进行蚀刻除去,采用RIE法(反应性离子蚀刻法)除去AIN缓冲层112及Al0.5Ga0.5N层113。
然后,把除去Si衬底等的晶片在MOCVD装置内加以定型后,在H2气氛中,于约1000℃的高温,1次除去表面损伤层及氧化层,进行晶片表面的清理。
然后,把作为载气的H2一边以10L/min的流速流过装置,一边于900℃使NH3以5L/min的速率、TMG以50μmol/min的速率、还有作为n型Si掺杂气的SiH4分别导入装置内,使最大厚度400nm的n型GaN构成的具有凹凸结构的取光层19成长。在900℃,通过提高取光层19的成长速度,或降低NH3气体导入量,可以制成具有无数孔的凹凸结构的取光层19。
采用上述这些方法,在形成凹凸的一部分氮化物系半导体发光元件上,形成n电极110、连接电极111,最后,采用切割装置把晶片分割成一边300μm的方形,完成本实施例的氮化物系半导体发光元件。
如上所述,在加工性高的Si衬底上使氮化物系半导体发光元件外延成长,在p型GaN侧设置反射率高的电极后,采用支撑基板11进行翻转,在n型GaN层侧设置由同样的氮化物结晶构成的凹凸,借此,可以制成光的外部取出效率高、并且无导电障碍、高亮度的氮化物系半导体发光元件。
实施例2
图4中示出本发明的实施例2的氮化物系半导体发光元件的概要立体图。本实施例的氮化物系半导体发光元件,其特征是,在具有凹凸的n型GaN取光层29的上面,通过蒸镀法形成由Al构成的透光性电极层213。
本实施例的氮化物系半导体发光元件,在兼作电极的电镀镍构成的支撑基板21上形成p型电极22,在p型电极22上依次叠层p型GaN金属包层23、p型AlGaInN载体块层24、InxGa1-xN构成的发光层25、Si掺杂n型In0.03GaN0.97金属包层26、Si掺杂n型In0.1Ga0.9N层27及Si掺杂n型GaN层金属包层28。而且,在n型GaN金属包层28的上面,形成具有通过进行再成长制作的凹凸的n型GaN取光层29。
另外,在实施例2的氮化物系半导体发光元件中,在具有凹凸的n型GaN取光层29的上面通过蒸镀法形成由Al构成的透光性电极层213,在一部分透光性电极层213的上面,形成n型电极210、n型连接电极211。在上述本实施例中,可以制成光的外部取出效率高而驱动电压低、且高亮度的氮化物系半导体发光元件。其他同实施例1。
实施例3
图5中示出本发明的实施例3的氮化物系半导体发光元件的概要立体图。本实施例的氮化物系半导体发光元件,其特征是,在Si掺杂n型GaN层金属包层38的上面形成由SiO2构成的掩模314,在选择性地成长的n型GaN取光层39上,形成金字塔状取光面39a。
本实施例的氮化物系半导体发光元件,在兼作电极的电镀镍构成的支撑基板31上,形成p型电极32,在p型电极32上依次叠层p型GaN金属包层33、p型AlGaInN载体块层34、InxGa1-xN构成的发光层35、Si掺杂n型In0.03GaN0.97金属包层36、Si掺杂n型In0.1Ga0.9N层37及Si掺杂n型GaN层金属包层38。另外,在n型GaN金属包层38的上面,形成具有通过进行再成长制作的凹凸的n型GaN取光层39。在一部分n型GaN取光层39上,形成n型电极310、n型连接电极311。另外,在n型GaN层金属包层38的上面,形成由SiO2构成的掩模314,在选择性成长的n型GaN取光层39的上面,形成金字塔状取光面39a。在上述本实施例中,可以制成光的外部取出效率高而驱动电压低、且高亮度的氮化物系半导体发光元件。其他同实施例1。
实施例4
图6中示出本发明的实施例4的氮化物系半导体发光元件的概要立体图。实施例4的氮化物系半导体发光元件,其特征是,在n型GaN取光层49上,形成半圆锥体状取光面49a,取光面49a之间形成圆锥结构。
本实施例的氮化物系半导体发光元件,在兼作电极的电镀镍构成的支撑基板41上,形成p型电极42,在p型电极42上依次叠层p型GaN金属包层43、p型AlGaInN载体块层44、InxGa1-xN构成的发光层45、Si掺杂n型In0.03GaN0.97金属包层46、Si掺杂n型In0.1Ga0.9N层47及Si掺杂n型GaN层金属包层48。另外,在n型GaN金属包层48的上面形成n型GaN取光层49。在一部分n型GaN取光层49上,形成n型电极410、n型连接电极411。另外,在n型GaN取光层49上,形成半圆锥状取光面49a,取光面49a之间形成圆锥结构。
该半圆锥状取光面49a按下法制造。首先,在n型GaN取光层49上,形成由宽约1μm条构成的掩模图案后,于180℃进行30分钟热处理,借此,使掩模图案变成半圆锥状的模形。然后,用RIE垂直进行蚀刻,借此,使半圆锥状模形复印到n型GaN取光层49上而制成。在上述本实施例中,可以制成光的外部取出效率高而驱动电压低、且高亮度的氮化物系半导体发光元件。其他同实施例1。
实施例5
图7中示出本发明的实施例5的氮化物系半导体发光元件的概要立体图。本实施例的氮化物系半导体发光元件,其特征是,n型GaN取光层59形成为三棱形。
本实施例的氮化物系半导体发光元件,在兼作电极的电镀镍构成的支撑基板51上,形成p型电极52,在p型电极52上依次叠层p型GaN金属包层53、p型Al0.20Ga0.75In0.05N载体块层54、发光层55及Si掺杂n型GaN层金属包层58,在n型GaN金属包层58的上面,形成具有凹凸的三棱形n型GaN取光层59,所说的凹凸是通过进行再成长制作的。在一部分n型GaN取光层59上,形成n型电极510、n型连接电极511。
下面对本实施例的氮化物系半导体发光元件制造方法加以说明。首先,图8A是表示Si衬底20的(001)主面60和(111)晶面61的关系图,图8B及图8C是表示具有将Si衬底20偏离7.3°的(001)面、(111)晶面61及(1-101)晶面70的氮化物半导体膜关系的断面图及概念图。
如图8A~8C所示,从(001)主面60围绕[01-1]轴旋转7.3°的Si衬底20,或对于从该面向任意方向在3°以内倾斜的面,部分地施以由SiO2514构成的掩模,对没有该SiO2514构成的掩模的开口部分进行蚀刻,借此,形成具有与该(001)主面60的夹角达到62°的(111)晶面61的沟,在该面上使氮化物系半导体膜外延成长,借此,可以得到以(1-101)晶面70作为成长面的GaN系半导体膜。
这里所用的Si衬底20是从(001)主面60在[0-1-1]方向倾斜7.3°,即具有从(001)主面60围绕[01-1]轴旋转7.3°的主面60,借此,(1-101)晶面70具有与Si衬底20的主面60几乎同样的面方位。还有,从该面在任意方向,即使在3°以内的范围倾斜时,仍可以得到具有(1-101)面的极平坦的面。
这里,依图9A、图9B、图9C及图9D的顺序,依次只在沟上进行氮化物系半导体膜的结晶成长,在得到的连续膜上使形成氮化物系半导体发光元件,而且,在其上制造p型电极52及电镀镍51作为支撑基板后,除去Si衬底20,借此,采用通过该Si衬底20的(111)晶面61,形成具有棱形凹凸的光取出面,完成本实施例的氮化物系半导体发光元件。
下面,具体地加以说明。首先,把上述Si衬底20洗净,采用溅射或CVD技术,如图10A所示,在其上堆集100nm的SiO2掩模514。然后,采用光刻技术,部分地除去条状SiO2掩模514。然后,把该晶片,通过缓冲剂含氟酸等进行酸蚀刻等,如图10B所示,形成具有(111)晶面61的沟。该沟是在Si衬底20的[01-1]方向延伸的条状沟。这里,Si衬底20的主面60和(111)晶面61的夹角为约62°。其次,如图10C所示,在(111)晶面61的对面形成SiO2掩模514a。
其次,在Si衬底20的晶面61上,用MOCVD(有机金属化学气相成长)法,在下列成长条件下使氮化物半导体膜成长。下面具体地加以说明。
首先,把采用上述方法形成沟的硅衬底20导入MOCVD装置内,在H2气氛中,于约1100℃的高温进行表面清理。
其次,把作为载气的H2,以10L/min的速率一边流入装置内一边于800℃分别往装置内以5L/min的速率导入NH3、以10μmol/min的速率导入TMA,如图11A所示,使约50nm厚的AlN缓冲层120成长,然后,在同样温度,停止供给TMA,TMG以约20μmol/min的速率、SiH4气以0.05μmol/min的速率分别导入装置内,使约3μm厚的Si掺杂n型GaN金属包层58成长。
然后,停止TMA、TMI、TMG的供给,把基板温度降低至760℃,把TMI以6.5μmol/min的速率、TMG以2.8μmol/min的速率分别导入装置内,成长为由In0.18Ga0.82N构成的3nm厚的阱层。然后,再升温至850℃,把TMG以14μmol/min的速率导入装置内,使由GaN构成的阻挡层成长,阱层、阻挡层成长同样地反复进行,如图11B所示,使由阱层和阻挡层构成的对4对所构成的多量子阱(MQW)构成的发光层55成长。
上述发光层的成长终止后,在与最后的阻挡层同样的温度,把TMG以11μmol/min的比例、TMA以1.1μmol/min的比例、TMI以40μmol/min的比例、Cp2Mg以10nmol/min的比例流入装置内,使50nm厚的p型Al0.20Ga0.75In0.05N载体片层54成长。然后,当该p型Al0.20Ga0.75In0.05N载体片层54的成长终止时,在同样的成长温度,停止TMA的供给,进行80nm厚的p型In0.1Ga0.9N金属包层53的成长,在图11C所示的阶段,发光元件结构的成长终止。其后,停止TMG、TMI及Cp2Mg的供给后,冷却至室温,从MOCVD装置中取出。
采用上述成长条件,在Si衬底20上制成的氮化物半导体发光元件上,采用电子束(EB)蒸镀装置,蒸镀100nm膜厚的p型电极52。在该p型电极52上,施以100μm的电镀镍,制成如图11D所示的半导体发光元件的支撑基板51。
接着,把n型GaN金属包层58一侧的Si衬底20,用氟酸系蚀刻剂进行蚀刻除去,而且,为了提高n型GaN侧的导电性,用RIE装置除去AlN缓冲层120及Si衬底界面附近结晶性低的层,形成棱形取光层59。最后,在取光层59上部分地形成n电极510及连接电极511,把得到的晶片用切块装置分割成300μm方形。在上述本实施例中,可以制成光的取出效率高而驱动电压低、且高亮度的氮化物系半导体发光元件。
比较例1
在实施例1的氮化物系半导体发光元件的构成中,不形成取光面19,在n型GaN层金属包层18上,直接设置n型电极110构成的元件作为比较例1的氮化物系半导体发光元件。
比较例2
在实施例1的氮化物系半导体发光元件的构成中,n型和p型交替构成的元件作为比较例2的氮化物系半导体发光元件。
测定结果
对实施例1~5及比较例1~2的氮化物系半导体发光元件的驱动电压和取光效率进行测定。实施例1~5及比较例1~2的氮化物系半导体发光元件的测定结果示于下表1。
表1
实施例 | 比较例 | ||||||
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 1 | 2 | |
驱动电压(V) | 3.5 | 3.5 | 3.5 | 3.5 | 3.5 | 3.5 | 4.5 |
取光效率(mW) | 2.0 | 2.0 | 2.0 | 2.0 | 2.0 | 1.5 | 2.0 |
如表1所示,实施例1~5的氮化物系半导体发光元件与比较例1的氮化物系半导体发光元件的驱动电压相同,均为3.5V,但实施例1-5的氮化物系半导体发光元件的取光效率为2.0mW,比较例1的氮化物系半导体发光元件的取光效率为1.5mW,所以,实施例1~5的氮化物系半导体发光元件的取光效率较比较例1的氮化物系半半导体发光元件好。
另外,实施例1~5的氮化物系半导体发光元件的驱动电压为3.5V,比较例2的氮化物系半导体发光元件的驱动电压为4.5V,所以,实施例1~5的氮化物系半导体发光元件的驱动电压较比较例2的氮化物系半导体发光元件的驱动电压低。
可以认为,这里公开的实施方案及实施例的所有各点只是例示而并不受其所限。本发明的范围不限于上述说明的而且还包括由权利要求范围加以公开的,以及在与权利要求的范围均等意义和范围内的所有变更。
如上所述,按照本发明,在加工性高的Si衬底上使氮化物系半导体发光元件进行外延成长,在p型氮化物系半导体层一侧设置反射率高的电极后,用支撑基板使晶片翻转,通过在导电性高的n型氮化物系半导体层一侧设置凹凸,可以制成驱动电压低、光的取出效率高的高亮度的氮化物系半导体发光元件。
Claims (6)
1.一种氮化物系半导体发光元件,该氮化物系半导体发光元件含有,在支撑基板上形成的反射层,和在反射层上方依次叠层的p型氮化物系半导体层、发光层及n型氮化物系半导体层,其特征是,在所述n型氮化物系半导体层上形成由选自氮化硅、氧化铟、氧化钕、氧化锆、氧化钛、氧化铈及氧化铋中的任何1种构成的高折射率膜,所述高折射率膜的上表面为取光面,在该取光面上形成凹凸。
2.按照权利要求1中记载的氮化物系半导体发光元件,其特征是,所述支撑基板是通过电镀镍而得到的,所述反射层为p型电极。
3.权利要求1中记载的氮化物系半导体发光元件的制造方法,其特征是,该方法包括,准备硅衬底,在该硅衬底上方依次叠层n型氮化物系半导体层、发光层及p型氮化物系半导体层的工序;和在p型氮化物系半导体层上形成反射层,在该反射层上形成支撑基板的工序;和采用上述支撑基板使晶片翻转的工序;和除去所述硅衬底的工序;和在所述n型氮化物系半导体层上方形成具有凹凸的取光面的工序。
4.按照权利要求3中记载的氮化物系半导体发光元件的制造方法,其特征是,上述取光面的凹凸是通过使上述n型氮化物系半导体层再成长而形成的。
5.按照权利要求3中记载的氮化物系半导体发光元件的制造方法,其特征是,上述取光面的凹凸是通过研磨形成的。
6.按照权利要求3中记载的氮化物系半导体发光元件的制造方法,其特征是,上述取光面的凹凸是通过部分地进行蚀刻形成的。
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