CN101165931A - 半导体发光元件 - Google Patents
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Abstract
本发明提供光取出层的层厚没有变薄而被粗糙面化的半导体发光元件。对于这种半导体发光元件，具有包括活性层6和光取出层4的多个半导体层，具有反射金属膜层11，上述光取出层4包括组成比例不同的多个层23、24，这些多个层23、24均形成有用于使主表面S粗糙面化的凹凸22。
Description
技术领域
本发明涉及光取出层的层厚没有变薄而被粗糙面化的半导体发光元件。
背景技术
关于作为半导体发光元件的发光二极管(LED)，近年来由于可以利用MOVPE法生长GaN系和AlGaInP系的高品质结晶，因而能够制造蓝色、绿色、橙色、黄色、红色等高辉度LED。伴随着LED的高辉度化，用途扩展到汽车的刹车灯和液晶显示器的背光等，需求正在逐年增加。
通过MOVPE法可以生长高品质结晶以来，发光元件内部的发光效率正在接近理论值的极限值。但是，从发光元件向外部的光取出效率仍旧较低，期待着提高光取出效率。
例如高辉度红色LED由AlGaInP系材料形成，成为具有如下各层的双异质结构：由在导电性的GaAs衬底上具有晶格匹配的组成的AlGaInP系材料构成的n型AlGaInP层、p型AlGaInP层以及夹在它们之间的由AlGaInP或GaInP构成的作为发光部的一部分的活性层。在此，所谓AlGaInP系材料为以AlGaInP为主成分、组成比例或添加物不同的各种材料的总称。在使用了AlGaInP系材料的半导体发光元件中还可以并用GaInP、GaP等材料。
这种半导体发光元件由于GaAs衬底的带隙窄于活性层的带隙，因此，来自活性层的光多数被GaAs衬底吸收，光取出效率降低。
作为其对策，有如下方法：在活性层和GaAs衬底之间形成由折射率不同的半导体构成的多层反射膜结构层来反射朝向GaAs衬底的光，从而减少光在GaAs衬底的光吸收，提高光取出效率。但是，对于该方法，仅仅反射对多层反射膜结构层具有限定的入射角的光。也就是说，仅仅可以反射朝向GaAs衬底的一部分光，难以充分提高取出效率。
由此，在日本特开2002-217450号公报中公开了如下方法：在制作由AlGaInP系材料构成的双异质结构部分通过在生长用GaAs衬底上生长形成的半导体发光元件后，隔着反射率高的金属层在Si、GaAs等支持衬底上粘贴上述双异质结构部分，随后除去生长中所用的GaAs衬底。根据该方法，由于使用金属作为反射层，不用选择相对于反射层的入射角而可以进行高反射率的反射。因此，与上述的形成多层反射膜结构层相比可以高辉度化。也就是说，通过更有效地取出在活性层产生的光可以高辉度化。
图5为现有的半导体发光元件的截面结构示意图。如图5所示，现有的半导体发光元件101从图示上方依次包括：部分覆盖光取出层的第一电极102，仅形成在第一电极102的正下方而覆盖与第一电极102相同的部分、带隙能量小于活性层且对来自活性层的光不透明的第一电极侧接触层103，形成第一包层侧的主表面、向外部射出从活性层进入第一包层侧的光的光取出层104，作为夹着活性层的2个包层之一的第一包层105，夹在第一、第二包层之间的产生光的活性层106，作为另一个包层的第二包层107，存在于第二包层和反射金属膜层侧接触层之间的夹层108，反射金属膜层侧接触层109，氧化物层110，在第二包层107和第二电极之间反射从活性层106朝向第二电极侧的光的反射金属膜层111，金属密合层112，用于粘贴双异质结构部分的支持衬底113，覆盖主表面的相反面的第二电极114。
光取出层104也称为窗口层。
氧化物层110具有适宜地分散在与反射金属膜层111相接的面内而形成的欧姆接触的接合部115，将不是欧姆接触的接合部115的部分称为非欧姆接触的接合部116。
反射金属膜层侧接触层109具有对材料的添加物不同的3个层117、118和119，这3个层中与夹层108相接的夹层侧接触层117的材料的添加物为Mg，与氧化物层110相接的氧化物层侧接触层119的材料的添加物为Zn，设置于夹层侧接触层117和氧化物层侧接触层119之间的中间接触层18的材料没有积极的添加物。
从第一电极侧接触层103至反射金属膜层侧接触层109称为双异质结构部分120。另外，有时也将第一包层105、活性层106、第二包层107合称为发光层121。
图5的半导体发光元件101通过设置反射金属膜层111，从而不从有支持衬底113的一侧的主表面(相反面)取出光，仅从形成光取出层104的一侧的主表面取出光。
在双异质结构部分120和支持衬底113之间配置的反射金属膜层111当然对来自活性层106的光具有高反射率，同时必须与主要由AlGaInP系材料构成的双异质结构部分120取得欧姆接触。但是，对于在来自由AlGaInP系材料构成的活性层106的光的发光波长下具有高反射率的Ag、Al、Au等金属，难以直接与AlGaInP系材料取得欧姆接触。因此，需要在金属反射膜层111和双异质结构部分120之间部分地配置欧姆接触的接合部115。所谓部分地配置是指并非全面地覆盖反射金属膜层111，在其面内适宜地分散配置。
为了取得欧姆接触，欧姆接触的接合部115被配置在反射金属膜层111和双异质结构部分120之间，与金属反射膜层111相比反射率低。另外，与双异质结构部分120相接而设置欧姆接触的接合部115的材料后，为了取得欧姆接触，需要进行热处理。在该热处理时，在双异质结构部分120和欧姆接触的接合部115的材料之间会发生合金化反应，在与欧姆接触的接合部115相接的双异质结构部分120处光吸收率增加。因此，来自活性层106的光通过氧化物层110时，与非欧姆接触的接合部116相比，在欧姆接触的接合部115处光吸收变大。其结果是，发光元件整体的光取出效率会降低。
[专利文献1]日本特开2004-356279号公报
[专利文献2]日本特开2002-217450号公报
发明内容
然而，反射金属膜层111即使对来自活性层106的光具有高反射率，如果不能从作为主表面的光取出层104的表面取出多量的光，光取出效率也会降低，发光功率输出的提高少。因此，作为有效地取出光的方法，如专利文献1所示已知有使主表面粗糙面化的方法。所谓粗糙面化是指形成凹凸。
即，为了从物质中向外输出光，存在临界角的制约。光的角度如果相对于表面为垂直，则可以取出光，但存在倾斜时不能取出。该临界角取决于光的波长和物质的折射率。例如从发光层121射出的光中，垂直于光取出层104的方向的光从半导体发光元件101向外射出，但相对于光取出层104具有一定角度的光由于相对于主表面的角度而不会从半导体发光元件101向外射出。但是，如果使主表面粗糙面化，则由于相对于光取出层104具有一定角度的光相对主表面的角度发生变化，因而会从半导体发光元件101向外射出。因此，通过对主表面进行粗糙面化可以提高光取出效率。
为了进一步提高粗糙面化的效果，有作为公知技术的采用平版印刷法形成凹凸图案的方法，但是该方法由于必须形成微细图案，因而需要昂贵的装置，结果是半导体发光元件的制造成本会增加。另外，即使存在平版印刷法的工序，制造成本也会增加。对此，作为降低制造成本的方法，有不形成图案而进行粗糙面化的方法。但是，该方法存在以下问题。
不形成图案而通过蚀刻对作为主表面的光取出层的表面进行粗糙面化时，在形成凹凸的同时会对整个面进行蚀刻，光取出层的层厚整个面会变薄。如果层厚整个面变薄，则电流的扩展变差，顺向电压增高，同时发光功率输出也会降低，其结果是发光效率降低。
发光效率降低是由于半导体发光元件中的放热量因顺向电压增高而变大，发光功率输出受到该热量的影响而降低。总之，光取出层的层厚变薄时，串联电阻会变大，同时电流的扩展变差，由此顺向电压增高，发光功率输出降低。
因此，本发明的目的在于解决上述课题，提供光取出层的层厚没有变薄而被粗糙面化的半导体发光元件。
为了实现上述目的，本发明提供一种半导体发光元件，该发光元件具有包括夹在第一、第二包层之间的产生光的活性层和形成第一包层侧的主表面的光取出层的多个半导体层，具有部分地覆盖上述光取出层的第一电极、覆盖上述主表面的相反面的第二电极、在第二包层和第二电极之间反射光的反射金属膜层、与该反射金属膜层的活性层侧相接的氧化物层、在该氧化物层中部分地形成的欧姆接触的接合部，上述光取出层包括组成比例不同的多个层，这些多个层均形成有用于使上述主表面粗糙面化的凹凸。
形成上述光取出层的多个层中最外侧层凹凸表面的倾斜可以小于第二外侧层。
形成上述光取出层的多个层中最外侧层的材料的Al组成比例可以小于第二外侧层的材料。
形成上述光取出层的多个层中最外侧层的带隙能量可以小于第二外侧层。
形成上述光取出层的多个层的材料分别可以由(AlxGa1-x)YIn1-YP表示，其中0.3≤X≤1，0.4≤Y≤0.6。
上述光取出层和第一包层的层厚之和可以为800～5300nm。
上述光取出层的材料的折射率可以大于第一包层的材料。
在上述光取出层和第一电极之间可以具有覆盖与第一电极相同的部分、带隙能量小于上述活性层且对来自活性层的光不透明的第一电极侧接触层。
上述第一电极侧接触层的层厚可以为5～200nm。
形成上述光取出层的多个层的材料的Al组成比例可以大于上述活性层的材料。
形成上述光取出层的多个层的材料分别可以由(AlxGa1-x)YIn1-YP表示，其中，0.3≤X≤1，0.4≤Y≤0.6。且上述活性层的材料可以由(AlxGa1-x)YIn1-YP表示，其中0≤X≤0.5，0.4≤Y≤0.6。
上述活性层可以具有由20～160层的阱层构成的多重量子阱结构或者变形多重量子阱结构。
在上述活性层和第二包层之间可以具有第二包层侧未掺杂层。
上述第二包层侧未掺杂层的材料的Al组成比例可以大于上述活性层的材料。
上述第二包层侧未掺杂层的材料的带隙能量可以大于上述活性层的材料。
上述第二包层侧未掺杂层的材料可以由(AlXGa1-x)YIn1-YP表示，其中，0.3≤X≤1，0.4≤Y≤0.6)，且上述活性层的材料可以由(AlxGa1-x)YIn1-YP表示其中0≤X≤0.5，0.4≤Y≤0.6。
形成上述光取出层的多个层中最外侧层的层厚可以为50～1000nm。
上述多个半导体层和第二电极之间具有支持衬底，该支持衬底的材料可以为Si、GaAs、Ge、Cu、Mo、W、CuW中的任意一种。
欧姆接触的接合部的面积相对于上述氧化物层的总面积的比例可以为20％以下。
在上述氧化物层和第二包层之间具有反射金属膜层侧接触层，该反射金属膜层侧接触层的材料可以以GaP为主。
在上述反射金属膜层侧接触层和第二包层之间具有夹层，该夹层的材料可以由GaXIn1-xP表示，其中，0.6≤X＜1。
上述反射金属膜层侧接触层具有材料的添加物不同的3个层，这3个层中与上述夹层相接的层的材料的添加物为Mg，与上述氧化物层相接的层的材料的添加物为Zn，这2个层的中间层的材料没有积极的添加物。
上述氧化物层在非欧姆接触的接合部的层厚d相对于基准层厚dst在±30％的范围内，所述基准层厚dst由如下关系式表示：
基准层厚dst＝奇数的常数α×来自上述活性层的光的波长λp/(4×在非欧姆接触的接合部的上述光的折射率n)。
并且，上述氧化物层在欧姆接触的接合部的层厚可以与在非欧姆接触的接合部的层厚相等。
在上述光取出层和第一包层之间可以***与上述光取出层相比Al组成比例高且带隙能量大的***层。
上述***层的材料可以由(AlxGa1-x)YIn1-YP表示，其中，0.4＜X≤1，0.4≤Y≤0.6)。
本发明可以发挥如下优异的效果。
(1)光取出层的层厚没有变薄。
附图说明
图1为表示本发明的第一优选实施方式的半导体发光元件的截面结构图。
图2A和图2B为表示本发明的第二优选实施方式的半导体发光元件的图；图2A为表示第二优选实施方式的半导体发光元件的截面结构图；图2B为光取出层的截面放大图。
图3为表示本发明的第三优选实施方式的半导体发光元件的截面结构图。
图4为在半导体发光元件的制造过程中制作的外延晶片的截面结构图。
图5为现有的半导体发光元件的截面结构图。
符号说明
1半导体发光元件
2第一电极
3第一电极侧接触层
4光取出层
5第一包层
6活性层
7第二包层
8夹层
9反射金属膜层侧接触层
10氧化物层
11反射金属膜层
12金属密合层
13支持衬底
14第二电极
15欧姆接触的接合部
23第一光取出层
24第二光取出层
具体实施方式
以下基于附图详细说明本发明的优选实施方式。
图1为表示本发明的第一优选实施方式的半导体发光元件的截面结构图。
如图1所示，本发明涉及的半导体发光元件1包括：部分地覆盖光取出层的第一电极2，仅形成于第一电极2的正下方并覆盖与第一电极2相同的部分、带隙能量小于活性层且对来自活性层的光不透明的第一电极侧接触层3，形成第一包层侧的主表面、向外部射出从活性层进入第一包层侧的光的光取出层4，作为夹着活性层的2个包层之一的第一包层5，夹在第一、第二包层之间产生光的活性层6，作为另一个包层的第二包层7，存在于第二包层7和反射金属膜层侧接触层之间的夹层8，反射金属膜层侧接触层9，氧化物层10，在第二包层7和第二电极之间反射从活性层6朝向第二电极侧的光的反射金属膜层11，用于粘贴双异质结构部分的支持衬底13，金属密合层12，覆盖主表面的相反面的第二电极14。
光取出层4也称为窗口层。
氧化物层10具有适宜分散在与反射金属膜层11相接的面内而形成的欧姆接触的接合部15，将不是欧姆接触的接合部15的部分称为非欧姆接触的接合部16。
优选欧姆接触的接合部的面积相对于氧化物层的总面积的比例为20％以下。
上述氧化物层在非欧姆接触的接合部的层厚d1相对于基准层厚dst在±30％的范围内，所述基准层厚dst由如下关系式表示：
dst＝α×λp/4×n)
(其中，dst为基准层厚；α为奇数的常数；λp为来自上述活性层的光的波长；n为在非欧姆接触的接合部的上述活性层的光的折射率)，并且，
上述氧化物层在欧姆接触的接合部的层厚d2与在该层厚d1相等。
反射金属膜层侧接触层9具有对材料的添加物不同的3个层17、18和19，这3个层中与夹层8相接的夹层侧接触层17的材料的添加物为Mg，与氧化物层10相接的氧化物层侧接触层19的材料的添加物为Zn，设置于夹层侧接触层17和氧化物层侧接触层19之间的中间接触层18的材料没有积极的添加物。
从第一电极侧接触层3至反射金属膜层侧接触层9称为双异质结构部分20。另外，有时也将第一包层5、活性层6、第二包层7合称为发光层21。
本发明涉及的半导体发光元件1的特征在于光取出层4。即，光取出层4包括组成比例不同的多个层，这些多个层均形成用于使主表面S粗糙面化的凹凸22。该实施方式中，光取出层4包括2层，最外侧层为第一光取出层23，第二外侧层为第二光取出层24。
如图所示，从第一光取出层23至第二光取出层24均形成有凹凸22。并且，与第二光取出层24相比第一光取出层23的凹凸22的表面倾斜小。
与第二光取出层24相比第一光取出层23的凹凸22的表面倾斜小是由于第一光取出层23的蚀刻速度比第二光取出层24快。
凹凸22的表面的倾斜形成各种角度时，光取出层4可以将各种角度入射的光取出。因此，在第一光取出层23和第二光取出层24上凹凸22的表面的倾斜不同，由此可以提高光取出效率。
进而，图中没有显示，第一光取出层23的材料与第二光取出层24的材料相比Al组成比例小，并且第一光取出层23的带隙能量小于第二光取出层24。
本发明中，没有形成图案而通过蚀刻对光取出层4进行粗糙面化，但此时通过使光取出层4的结构为组成比例不同的多层结构，可以在各层产生蚀刻速度差。即，材料的Al组成比例大于第一光取出层23的第二光取出层24的蚀刻速度快于第一光取出层23的蚀刻速度。因此，首先第一光取出层23被蚀刻，在第一光取出层23形成的凹部达到第二光取出层24时，露出部分的第二光取出层24快速被蚀刻，凹部变深。另一方面，第一光取出层23残存的凸部依然被缓慢地蚀刻，从而第一光取出层23没有消失，相对地凸部变高。这样，通过在各层存在蚀刻速度差，在比较短时间内形成具有期望的梯度差(段差)的凹凸22的同时，光取出层4整体的层厚没有变薄。
本发明涉及的半导体发光元件1由于光取出层4没有变薄，因而可以防止顺向电压的上升，同时防止在发光层21的电流集中，其结果是抑制了发光效率的降低，可实现低成本、发光效率高的半导体发光元件1。
本发明涉及的半导体发光元件1由于第一光取出层23与第二光取出层24相比凹凸22的表面倾斜小，使得凹凸22的表面角度不同，从而可以提高光取出效率。
关于本发明涉及的半导体发光元件1，第一光取出层23的带隙能量小于第二光取出层24。对于相同材料为了减小带隙能量，改变Al组成是有效的。通过改变Al组成，可以改变相同的蚀刻液引起的蚀刻速度。通过改变蚀刻速度，可以使凹凸22的表面角度不同。也就是说，为了利用相同蚀刻液的蚀刻使凹凸22的表面角度不同，第一光取出层23的带隙能量小于第二光取出层24。
接着，说明其他的实施方式。
图2A和图2B为表示本发明的第二优选实施方式的半导体发光元件的图；图2A为表示第二优选实施方式的半导体发光元件的截面结构图；图2B为光取出层的截面放大图。
图2A所示的半导体发光元件1a，除了光取出层4a的结构不同以外，与图1的半导体发光元件1相同。如图2B清楚地示出，光取出层4a包括第一光取出层25、第二光取出层26、第三光取出层27。这3个层25～27的组成比例、凹凸22的表面倾斜和带隙能量各自不同。即，关于Al组成比例，第一光取出层25和第三光取出层27相等，第二光取出层26大。关于凹凸22的表面倾斜，第二光取出层26的倾斜大于第一光取出层25和第三光取出层27的倾斜。关于带隙能量，第二光取出层26的带隙能量大于第一光取出层25和第三光取出层27的带隙能量。
这样，作为光取出层4a设置了第一光取出层25、第二光取出层26、第三光取出层27这三个层，形成半导体发光元件时作为光取出层4a的最外侧层的第一光取出层25与作为光取出层4a的最内侧层的第三光取出层27的Al组成比例相等，夹在中间的第二光取出层26的Al组成比例比第一光取出层25和第三光取出层27的Al组成比例大。这相当于在现有的半导体发光元件101的光取出层104中***材料的Al组成比例较其大的层。该***层的材料以(AlxGa1-x)YIn1-YP表示，其中，0.4＜X≤1，0.4≤Y≤0.6)。
对于该半导体发光元件1a，材料的Al组成比例大于第一光取出层25的第二光取出层26的蚀刻速度快于第一光取出层25的蚀刻速度。因此，与图1的半导体发光元件1的情况相同，通过在各层存在蚀刻速度差，可以在比较短时间内形成具有期望的梯度差的凹凸22的同时，光取出层4整体的层厚没有变薄。
图3为表示本发明的第三优选实施方式的半导体发光元件的截面结构图。图3所示的半导体发光元件1b对图1的半导体发光元件1追加了第二包层侧未掺杂层28。第二包层侧未掺杂层28形成于活性层6和第二包层7之间。第二包层侧未掺杂层28的材料的Al组成比例大于活性层6的材料。并且，第二包层侧未掺杂层28的材料的带隙能量大于活性层6的材料。
第二包层侧未掺杂层28的材料由(AlxGa1-x)YIn1-YP表示，其中，0.3≤X≤1，0.4≤Y≤0.6，且活性层6的材料由(AlxGa1-x)YIn1-YP表示，其中0≤X≤0.5，0.4≤Y≤0.6。
本发明可以在比较短时间内形成具有期望的梯度差的凹凸22。因此，对于图3的半导体发光元件1b，在构成光取出层4的第一光取出层23b和第二光取出层24b中，虽然没有图示，但是第二光取出层24b经受有若干蚀刻。
针对与以上第一至第三优选实施方式相关的适宜数值范围和其他优选实施方式进行如下说明。
半导体发光元件1的第一光取出层23和半导体发光元件1a的第一光取出层25的层厚例如为400nm。这是由于，第一光取出层23、25的层厚过薄时，蚀刻中第一光取出层23、25会完全消失。并且，层厚过厚时，蚀刻时间变长，同时采用了大量的材料，外延生长的时间也变长，从而成本会增加。另外，层厚过厚对于高输出化也没有明显效果。因此，第一光取出层23、25的层厚优选为50～1000nm，更优选为100～800nm。
使光取出层4和光取出层4a的层厚变厚时，电流的扩展(扩散)良好，从而LED的特性提高。但是，即使过度地增厚层厚，扩展电流的效果的增加会饱和。因此，层厚过厚在特性方面没有害处，但是成本会增加。层厚过薄时，发光功率输出低，顺向电压高。从而，光取出层4、4a的层厚优选为500～5000nm，更优选为1000～4000nm。
半导体发光元件1a的第二光取出层26的层厚优选为50～1000nm。因为材料的Al组成比例大于第一、第三光取出层25、27的第二光取出层26的蚀刻速度快于第一、第三光取出层25、27的蚀刻速度。在第一光取出层25和第三光取出层27之间***第二光取出层26时，具有抑制蚀刻偏差的效果。但是，第二光取出层26的层厚太薄时，第二光取出层26由于蚀刻会立刻消失，从而抑制蚀刻偏差的效果变差，同时第二光取出层26的斜面面积变窄，由此从斜面取出的光少。另一方面，层厚太厚时，不具有抑制蚀刻偏差的效果。
光取出层4、4a和第一包层5的层厚之和优选为800～5500nm。其理由是，第一包层5为载流子供给层，还为阻止空穴的阻挡层，除此以外还具有光取出层(窗口层)的功能。通过增加该层厚之和，LED的特性会提高，但是层厚之和超过5500nm时成本会增加。另外，由于具有阻挡层的功能，第一包层5的层厚必须为300nm以上。由于光取出层4、4a的层厚为500nm以上，因此，光取出层4、4a和第一包层5的层厚之和优选为800～5500nm。
第一电极侧接触层3的层厚优选为5～200nm。这是由于，该层厚过薄时，作为接触层的功能不充分；相反过厚时，电流难以流动，直流电阻增加，顺向电压增加。因此，优选的层厚为5～200nm，更优选为10～100nm。
夹层8的材料的组成可以为GaxIn1-XP，其中0.6≤X＜1。这是由于X小于0.6时会吸收发出的光。
反射金属膜层侧接触层9中与氧化物层10相接的氧化物层侧接触层19的材料中添加的添加物优选为Zn。这是由于Zn比Mg容易添加，可以低电阻化。通过增加添加量，可以降低接触电阻，并且可以降低顺向电压。
反射金属膜层侧接触层9中与夹层8相接的夹层侧接触层17的材料中添加的添加物优选为Mg。这是由于，Mg比Zn更难扩散，从而可以抑制由扩散引起的初期发光功率输出的降低，同时由于难以扩散，可靠性(相对功率输出)提高。所谓可靠性(相对功率输出)是指通电后的光功率输出/初期光功率输出。
在反射金属膜层侧接触层9的夹层侧接触层17和氧化物层侧接触层19的中间设置的中间接触层18可以做成材料中没有积极的添加物的未掺杂层。这是由于掺杂了Mg的层和掺杂了Zn的层相邻存在时会产生相互扩散。通过夹入中间接触层18，可以防止相互扩散。
活性层6可以具有多重量子阱结构，也可以具有变形多重量子阱结构，或者可以为未掺杂的本体层(单一层)。
活性层6优选以20～160层即10对～80对构成多重量子阱结构。这是由于，对数过少时，会产生电子和空穴的溢出，内部量子效率降低；对数过多时，在活性层6由光吸收引起的发光功率输出会降低。优选对数为10对～80对，更优选为20对～60对。另外，对于活性层6为单一层的情况，由于同样的理由优选层厚为20～200nm。
活性层6为变形多重量子阱结构时，优选阱层为未掺杂Ga0.4In0.6P(厚度4nm)，阻挡层为(Al0.5Ga0.5)0.5InP(厚度10nm)。
对于图3的半导体发光元件1b，虽然是在活性层6和p型第二包层7之间***了第二包层侧未掺杂层28，但是也可以在活性层6和n型第一包层5之间***第一包层侧未掺杂层(未图示)。另外，这些未掺杂层也可以为低载流子浓度层。
实施方式中在反射金属膜层11和双异质结构部分20之间设置了SiO2层(氧化物层)10，但即使对于没有氧化物层10的半导体发光元件，本发明也具有效果。
半导体发光元件1、1a和1b例如为发光波长630nm的红色LED元件。对于使用了相同的以AlGaInP为主成分的材料的其他的LED元件(发光波长560～660nm)，关于各层的材料、载流子浓度等没有变更，光取出层4、4a、4b也没有变更，本发明也具有效果。
第一电极2的表观形状可以为圆形、四边形、菱形、多边形、其他不同形状。
支持衬底的材料有Si、GaAs、Ge、Cu、Mo、W、CuW等。
[实施例]
实施例#1
制作具有图1所示的结构、发光波长在630nm附近的红色LED用的LED用外延晶片，并制作LED元件。外延生长方法、各外延层的层厚、各外延层的结构和材料、反射金属膜层的构成、欧姆接触的接合部的构成和尺寸、向支持衬底的再粘贴方法、电极形成方法、蚀刻方法等制作的详细情况如下所述。
如图4所示，在n型GaAs衬底(生长用衬底)41上通过MOVPE法依次层积：n型(Se掺杂)(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P蚀刻终止层(层厚200nm、载流子浓度1×1018/cm3)(蚀刻终止层)42、n型(Se掺杂)GaAs接触层(层厚50nm、载流子浓度1×1018/cm3)(第一电极侧接触层)3、n型(Se掺杂)(Al0.4Ga0.6)0.5In0.5P窗口层(层厚400nm、载流子浓度1×1018/cm3)(第一光取出层)23、n型(Se掺杂)(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P窗口层(层厚2600nm、载流子浓度1×1018/cm3)(第二光取出层)24、n型(Se掺杂)(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P包层(层厚500nm、载流子浓度5×1017/cm3)(第一包层)5、未掺杂多重量子阱活性层(20对阱层未掺杂Ga0.5In0.5P(层厚4nm)/阻挡层(Al0.5Ga0.5)0.5InP(层厚10nm))(活性层)6、p型(Mg掺杂)(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P包层(层厚400nm、载流子浓度1.2×1018/cm3)(第二包层)7、p型(Mg掺杂)GaxIn1-XP(0.6≤X＜1)夹层(层厚10nm、载流子浓度5×1018/cm3)8、p型(Mg掺杂)GaP层(层厚200nm、载流子浓度1×1018/cm3)(夹层侧接触层)1 7、未掺杂GaP层(层厚100nm)(中间接触层)18、p型(Zn掺杂)GaP层(层厚50nm、载流子浓度1×1019/cm3)(氧化物层侧接触层)19，得到LED用外延晶片。活性层3形成为1对GaInP层和AlGaInP层。
该LED用外延晶片的特征在于，作为光取出层4设置了第一光取出层23和第二光取出层24两个层，形成半导体发光元件时，构成最外侧层的第一光取出层23的Al组成比例小于构成其次外层的第二光取出层24。即，形成光取出层4的第一、第二光取出层23、24的材料各自由(AlxGa1-x)YIn1-YP(其中0.3≤X≤1，0.4≤Y≤0.6)表示，第一光取出层23的材料中的X值为0.4，第二光取出层24的材料中的X值为0.7。
另外，通过使第一光取出层23的层厚为400nm、第二光取出层24的层厚为2600nm，光取出层4的层厚3000nm与后述的现有例的光取出层104的层厚相同。
MOVPE法中生长温度为650℃，生长压力为6666Pa(50Torr)，各层的生长速度为0.3～1.0nm/sec，V/III比约为200。V/III比是以TMGa、TMAl等III族原料的摩尔数为分母、以AsH3、PH3等V族原料的摩尔数为分子的比率(商)。
作为MOVPE法的原料使用三甲基镓(TMGa)、三乙基镓(TEGa)、三甲基铝(TMAl)、三甲基铟(TMIn)等有机金属，胂(AsH3)、膦(PH3)等氢化物气体。作为n型半导体层的导电型决定杂质用的添加物原料使用硒化氢(H2Se)，作为p型半导体层的导电型决定杂质用的添加物原料使用二环戊二烯基镁(Cp2Mg)、二甲基锌(DMZn)。
除此以外，作为n型半导体层的导电型决定杂质用的添加物原料，还可以使用二硅烷(Si2H6)、单硅烷(SiH4)、二乙基碲(DETe)、二甲基碲(DMTe)，作为p型半导体层的导电型决定杂质用的添加物原料，还可以使用二乙基锌(DEZn)。
从MOVPE装置取出该LED用外延晶片后，在氧化物层侧接触层19的表面形成层厚约100nm的SiO2层(氧化物层)10，利用常用的平版印刷法技术，进一步进行蚀刻，从而以30μm间距在氧化物层10上形成表观约12μm直径的氧化物除去孔，通过真空蒸镀法对该氧化物除去孔形成层厚与氧化物层10大致相等的欧姆接触的接合部15。作为欧姆接触的接合部15的原料使用金锌(AuZn)合金。欧姆接触的接合部15形成为表观约12μm直径。将其称为点状电极。以表观30μm间距形成厚度100nm的该欧姆接触的接合部15。也就是说，通过真空蒸镀法对氧化物除去孔形成了层厚与氧化物层10大致相等的欧姆接触的接合部15。
随后，在氮气氛围中在350℃下对该LED用外延晶片加热，通过5分钟热处理的合金工艺进行反射金属膜层侧接触层9和欧姆接触的接合部15的合金化。
在设置了欧姆接触的接合部1 5的LED用外延晶片的氧化物层10上(也包括欧姆接触的接合部15上)，作为反射金属膜层11依次分别蒸镀200nm铝(Al)、200nm钛(Ti)、500nm金(Au)，合计900nm层厚。
在准备作为支持衬底13的Si衬底上，作为金属密合层12依次分别蒸镀100nm金.锗(AuGe)合金、200nm钛(Ti)、500nm金(Au)，合计800nm层厚。
按照使反射金属膜层11和金属密合层12相合那样将设置了反射金属膜层11的LED用外延晶片和设置了金属密合层12的支持衬底13贴合在一起。贴合通过在压力1.3Pa(0.01Torr)氛围气中，负荷3MPa(30kgf/cm2)的载荷的状态下，在温度350℃将LED用外延晶片和支持衬底13保持30分钟来进行。
将贴合到支持衬底13上的LED用外延晶片浸渍到氨水和双氧水系混合液中，从而通过蚀刻除去生长用衬底41，露出蚀刻终止层42。接着，使用盐酸系蚀刻液除去蚀刻终止层42，露出第一电极侧接触层3。
在该第一电极侧接触层3的表面，利用常用的平版印刷法技术形成图案，通过真空蒸镀法形成具有表观直径100μm的圆形部分和从该圆形部分以放射状、宽度10μm的枝状伸展分布的分布电极的第一电极2。第一电极2依次分别蒸镀100nm金·锗(AuGe)合金、100nm镍(Ni)、500nm金(Au)，合计700nm层厚。
将该第一电极2用作掩模，使用由硫酸、双氧水和水的混合液构成的蚀刻液，通过选择性蚀刻除去第一电极2的正下方以外的第一电极侧接触层3，露出光取出层4的第一光取出层23。
通过盐酸系蚀刻对该光取出层4的表面进行粗燥化。在本实施例中发现第二光取出层24的一部分露出的蚀刻条件，通过相对于该蚀刻条件延长蚀刻时间，如图1所示从第一光取出层23至第二光取出层24各层均形成凹凸22，得到第一光取出层23与第二光取出层24相比凹凸22的表面倾斜小的粗糙面。
接着，在支持衬底13的整个外侧面通过真空蒸镀法形成第二电极14。具体而言，依次蒸镀铝(Al)、钛(Ti)、金(Au)，随后在氮气氛围中在400℃加热，通过5分钟热处理的合金工艺将第二电极14合金化。
使用切割装置以第一电极2的圆形部分为中心对该形成了电极的LED用外延晶片进行切割，制作芯片尺寸300μm的方形LED裸芯片。在TO-18芯轴上安装(芯片焊接)该LED裸芯片，对该安装过的LED裸芯片进行引线键合，制作LED元件。
评价该实施例#1的LED元件的初期特性。关于初期特性，20mA通电时(评价时)的发光功率输出为6.64mW，顺向电压为1.98V。
实施例#1以与后述的现有例相同的方法对主表面S进行粗糙面化，但是由于光取出层4为2层结构，因而可以抑制光取出层4的层厚整个面变薄。这是由于，在第一光取出层23被蚀刻而露出第二光取出层24的一部分的时刻第二光取出层24的蚀刻开始，第二光取出层24的蚀刻速度快于第一光取出层23，从而即使缩短蚀刻时间也会形成具有期望的梯度差的凹凸22，相应地可以抑制光取出层4的层厚变薄。
这样通过防止光取出层4的层厚变薄，可以抑制顺向电压的上升，实现顺向电压达到1.98V。另外，通过抑制顺向电压的上升，可以抑制LED的放热，结果是发光功率输出提高。进而，由于光取出层4的层厚没有变薄，因而可以得到电流的扩展，使流动于活性层6的电流均一化。由此也可以抑制LED的放热。再者，由于电流分散特性良好，因此可以抑制第一电极15成为影子所引起的光取出效率降低，由此还可以提高发光功率输出。另外，由于可以抑制电流集中，可以认为载流子的溢出消失，内部量子效率也提高。这些由实施例#1改善的多个因素叠加，使得发光功率输出提高。
实施例#2
制作具有图2所示的结构、发光波长在630nm附近的红色LED用的LED用外延晶片，并制作LED元件。外延生长方法、各外延层的层厚、各外延层的结构和材料、反射金属膜层的构成、欧姆接触的接合部的构成和尺寸、向支持衬底的再粘贴方法、电极形成方法、蚀刻方法等制作的详细情况基本上与实施例#1相同。以下仅详细说明与实施例#1不同的地方。
光取出层4a包括第一光取出层25、第二光取出层26、第三光取出层27。第一光取出层25形成n型(Se掺杂)(Al0.4Ga0.6)0.5In0.5P窗口层(层厚400nm、载流子浓度1×1018/cm3)，第二光取出层26形成n型(Se掺杂)(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P窗口层(层厚100nm、载流子浓度1×1018/cm3)，第三光取出层27形成n型(Se掺杂)(Al0.4Ga0.6)0.5In0.5P窗口层(层厚2500nm、载流子浓度1×1018/cm3)。
也就是说，在实施例#2中，作为光取出层4a设置了第一光取出层25、第二光取出层26、第三光取出层27三个层，形成半导体发光元件时构成最外侧层的第一光取出层25和构成最内侧层的第三光取出层27的Al组成比例相等，夹在中间的第二光取出层26的Al组成比例比第一光取出层25和第三光取出层27的Al组成比例大。即，形成光取出层4的第一、第二、第三光取出层25、26、27的材料分别由(AlxGa1-x)YIn1-YP(其中0.3≤X≤1，0.4≤Y≤0.6)表示，第一、第三光取出层25、27的材料中的X值为0.4，第二光取出层26的材料中的X值为0.7。
另外，第二光取出层26距离光取出层4a的表面(与第一电极侧接触层3)的距离为400nm。
与后述的现有例相比时，相当于在光取出层104中***材料的Al组成比例比其大的层。
评价该实施例#2的LED元件的初期特性。关于初期特性，20mA通电时(评价时)的发光功率输出为6.72mW，顺向电压为1.99V。
现有例
制作具有图5所示的结构、发光波长在630nm附近的红色LED用的LED用外延晶片没有粗糙面化和进行了粗糙面化的2种晶片，并制作LED元件。外延生长方法、各外延层的层厚、各外延层的结构和材料、反射金属膜层的构成、欧姆接触的接合部的构成和尺寸、向支持衬底的再粘贴方法、电极形成方法、蚀刻方法等制作的详细情况基本上与实施例#1相同。以下仅详细说明与实施例#1不同的地方。
光取出层104仅为1层n型(Se掺杂)(Al0.4Ga0.6)0.5In0.5P窗口层(层厚3000nm、载流子浓度1×1018/cm3)。
关于进行了粗糙面化的现有例的LED元件的初期特性，20mA通电时(评价时)的发光功率输出为5.0mW，顺向电压为2.3V。关于没有进行粗糙面化的现有例的LED元件的初期特性，20mA通电时(评价时)的发光功率输出为4.3mW，顺向电压为1.96V。
如上所述，以初期特性比较实施例#1、2、现有例的各LED元件时，能够确认通过适用本发明实现了发光功率输出的提高和顺向电压的降低。
Claims (25)
1.一种半导体发光元件，其特征在于，具有包括夹在第一、第二包层之间的产生光的活性层和形成第一包层侧的主表面的光取出层的多个半导体层，具有部分地覆盖所述光取出层的第一电极、覆盖所述主表面的相反面的第二电极、在第二包层和第二电极之间反射光的反射金属膜层、与该反射金属膜层的活性层侧相接的氧化物层、在该氧化物层中部分地形成的欧姆接触的接合部，其中，所述光取出层包括组成比例不同的多个层，这些多个层均形成有用于使所述主表面成为粗糙面的凹凸。
2.根据权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于，形成所述光取出层的多个层中最外侧层的凹凸表面的倾斜小于第二外侧层。
3.根据权利要求1或2所述的半导体发光元件，其特征在于，形成所述光取出层的多个层中最外侧层的材料的Al组成比例小于第二外侧层的材料。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的半导体发光元件，其特征在于，形成所述光取出层的多个层中最外侧层的带隙能量小于第二外侧层。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的半导体发光元件，其特征在于，形成所述光取出层的多个层的材料分别由(AlxGa1-x)YIn1-YP表示，其中0.3≤X≤1，0.4≤Y≤0.6。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的半导体发光元件，其特征在于，所述光取出层和第一包层的层厚之和为800～5300nm。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的半导体发光元件，其特征在于，所述光取出层的材料的折射率大于第一包层的材料。
8.根据权利要求1～7中任一项所述的半导体发光元件，其特征在于，在所述光取出层和第一电极之间具有覆盖与第一电极相同的部分，带隙能量小于所述活性层，且对来自活性层的光不透明的第一电极侧接触层。
9.根据权利要求8所述的半导体发光元件，其特征在于，所述第一电极侧接触层的层厚为5～200nm。
10.根据权利要求1～8中任一项所述的半导体发光元件，其特征在于，形成所述光取出层的多个层的材料的Al组成比例大于所述活性层的材料。
11.根据权利要求1～10中任一项所述的半导体发光元件，其特征在于，形成所述光取出层的多个层的材料分别由(AlxGa1-x)YIn1-YP表示，其中0.3≤X≤1，0.4≤Y≤0.6，且所述活性层的材料由(AlxGa1-x)YIn1-YP表示，其中0≤X≤0.5，0.4≤Y≤0.6。
12.根据权利要求1～11中任一项所述的半导体发光元件，其特征在于，所述活性层具有由20～160层的阱层构成的多重量子阱结构或者变形多重量子阱结构。
13.根据权利要求1～12中任一项所述的半导体发光元件，其特征在于，在所述活性层和第二包层之间具有第二包层侧未掺杂层。
14.根据权利要求13所述的半导体发光元件，其特征在于，所述第二包层侧未掺杂层的材料的Al组成比例大于所述活性层的材料。
15.根据权利要求13或14所述的半导体发光元件，其特征在于，所述第二包层侧未掺杂层的材料的带隙能量大于所述活性层的材料。
16.根据权利要求13～15中任一项所述的半导体发光元件，其特征在于，所述第二包层侧未掺杂层的材料由(AlxGa1-x)YIn1-YP表示，其中0.3≤X≤1，0.4≤Y≤0.6，且所述活性层的材料由(AlxGa1-x)YIn1-YP表示，其中0≤X≤0.5，0.4≤Y≤0.6。
17.根据权利要求1～16中任一项所述的半导体发光元件，其特征在于，形成所述光取出层的多个层中最外侧层的层厚为50～1000nm。
18.根据权利要求1～17中任一项所述的半导体发光元件，其特征在于，所述多个半导体层和第二电极之间具有支持衬底，该支持衬底的材料为Si、GaAs、Ge、Cu、Mo、W、CuW中的任意一种。
19.根据权利要求1～18中任一项所述的半导体发光元件，其特征在于，欧姆接触的接合部的面积相对于所述氧化物层的总面积的比例为20％以下。
20.根据权利要求1～19中任一项所述的半导体发光元件，其特征在于，在所述氧化物层和第二包层之间具有反射金属膜层侧接触层，该反射金属膜层侧接触层的材料以GaP为主。
21.根据权利要求20所述的半导体发光元件，其特征在于，在所述反射金属膜层侧接触层和第二包层之间具有夹层，该夹层的材料由GaxIn1-xP表示，其中0.6≤X＜1。
22.根据权利要求20或21所述的半导体发光元件，其特征在于，所述反射金属膜层侧接触层具有材料的添加物不同的3个层，这3个层中与所述夹层相接的层的材料的添加物为Mg，与所述氧化物层相接的层的材料的添加物为Zn，这2个层的中间层的材料没有积极的添加物。
23.根据权利要求1～22中任一项所述的半导体发光元件，其特征在于，所述氧化物层在非欧姆接触的接合部的层厚d相对于基准层厚dst在±30％的范围内，所述基准层厚dst由如下关系式表示：
基准层厚dst＝奇数的常数α×来自所述活性层的光的波长λp/(4×在非欧姆接触的接合部的所述光的折射率n)，
并且，所述氧化物层在欧姆接触的接合部的层厚与在非欧姆接触的接合部的层厚相等。
24.根据权利要求1～23中任一项所述的半导体发光元件，其特征在于，在所述光取出层和第一包层之间***与所述光取出层相比Al组成比例高且带隙能量大的***层。
25.根据权利要求24所述的半导体发光元件，其特征在于，所述***层的材料由(AlxGa1-x)YIn1-YP表示，其中0.4＜X≤1，0.4≤Y≤0.6。
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