CN101312228B - 半导体发光元件及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种半导体发光元件100及其形成方法，所述半导体发光元件100包括在蓝宝石衬底上依次层叠的缓冲层102、n-型GaN层103、发光层104和p-型层105，并且具有由ITO针状晶体制成的透光电极106。

Description

半导体发光元件及其制造方法

技术领域

本发明涉及通过层叠第III族氮化物化合物半导体形成的半导体发光元件。本发明具体地涉及在其表面上形成有由氧化铟锡(ITO)针状晶体制成的薄膜的半导体发光元件。

背景技术

目前，在具有非导电性蓝宝石衬底的第III族氮化物化合物半导体元件中，通常在半导体元件层的侧面上形成n-电极和p-电极。此处，在所谓的面向上型第III族氮化物化合物半导体元件中，通过在p-型层表面上使用由例如合金化的金(Au)和钴(Co)制成的薄膜透光电极，从形成电极的侧面提取光。然而，Au/Co薄膜透光电极具有基本为60％的透光率；因此，光提取效率并不足。

另一方面，提出使用氧化铟锡(ITO)作为第III族氮化物化合物半导体发光元件的透光电极(专利文献1)。然而，即使使用ITO作为透光电极，但是由于在ITO表面上的总反射，光提取效率仍不足。而且，从第III族氮化物化合物半导体发光元件的p-电极以外的部分例如n-电极的周边、没有形成第III族氮化物化合物半导体的侧表面和衬底侧的光提取由于总反射也是不够的。

此外，在专利文献2中，公开了涂敷ITO微细针状颗粒并加热以形成ITO膜的方法。

专利文献1：日本专利No.3394488

专利文献2：JP-A No.2006-212584

关于ITO膜，还没有发现改善光提取效率的方法。因此，为了改善光提取效率，本发明意图提供第III族氮化物化合物半导体发光元件，在该第III族氮化物化合物半导体发光元件的表面上形成有薄膜，该薄膜由在膜形成过程中形成为针状的氧化铟锡(ITO)针状晶体制成。

发明内容

为了克服所述问题，根据本发明的第一方面，在通过在衬底上层叠第III族氮化物化合物半导体形成半导体发光元件中，在所述半导体发光元件的表面上形成薄膜，该薄膜由在膜形成过程中形成的ITO针状晶体制成。

而且，根据本发明的第二方面，所述薄膜是半导体发光元件的电极。根据本发明的第三方面，所述薄膜在半导体发光元件的侧表面上形成。而且，根据本发明的第四方面，所述薄膜在没有层叠第III族氮化物化合物半导体的衬底侧上形成。

根据本发明的第五方面，在通过层叠第III族氮化物化合物半导体形成半导体发光元件的制造方法中，利用真空沉积法、离子注入法或者溅射法，在1.0×10^-1Pa或者更低的真空下，在半导体发光元件的表面上形成由氧化铟锡针状晶体制成的薄膜。

如下所述，本发明人发现，在半导体发光元件的表面上形成由ITO针状晶体制成的薄膜时，可改善光提取效率。

附图说明

图1表示本发明实施例1涉及的ITO膜的表面SEM照片。

图2是本发明对比例1涉及的ITO膜的表面SEM照片。

图3是本发明实施例2涉及的半导体发光元件100的结构的截面图。

图4是本发明实施例3涉及的半导体发光元件200的结构的截面图。

图5是本发明实施例4涉及的半导体发光元件300的结构的截面图。

图6是本发明实施例5涉及的半导体发光元件400的结构的截面图。

具体实施方式

ITO针状晶体优选具有200nm或更小的尺寸。当尺寸大于200nm时，光提取效率改善得较小。

ITO膜可形成为半导体发光元件的透光电极。当在衬底上层叠第III族氮化物化合物半导体的n-型层、发光层和p-型层，并且在p-型层上形成由ITO针状晶体制成的薄膜以形成电极时，获得了具有优异光提取效率的半导体发光元件。此外，当在半导体发光元件的侧表面上或者在其中没有层叠第III族氮化物化合物半导体的衬底侧上形成由ITO针状晶体制成的薄膜时，获得了具有优异光提取效率的半导体发光元件。

通过使用真空沉积法、离子注入法或溅射法形成该ITO膜。此时，真空优选设定为1.0×10^-1Pa或更低。当在所述范围外形成ITO膜时，不能获得由针状晶体制得的且具有优异光提取效率的ITO膜。而且，ITO膜形成后，优选在600℃或更高的温度下在惰性气体气氛中加热ITO膜。

当ITO膜形成为透光电极时，优选垫(pad)电极用于引线键合(WireBonding)。垫电极优选由金(Au)的厚膜形成。其厚度可在0.5～3lμm的范围内任意设定。在垫电极主要由Au形成的情况下，当在由ITO制成的透光电极与垫电极之间形成镍(Ni)、钛(Ti)、铬(Cr)或铝(Al)时，垫电极和由ITO制成的透光电极之间的粘附得到增强。特别是，当使用镍(Ni)时，所述粘附得到了更大的增强。

本发明涉及的第III族氮化物化合物半导体发光元件除了涉及本发明的主要构造的限制之外，可具有任意的构造。而且，可使用任意的制造方法作为本发明涉及的第III族氮化物化合物半导体发光元件的制造方法。

具体地，可使用蓝宝石、尖晶石、Si、SiC、ZnO、MgO或第III族氮化物化合物单晶作为在其上生长晶体的衬底。分子束外延(MBE)法、金属-有机气相外延法(MOVPE)、氢化物气相外延法(HVPE)和液相生长法可以有效地作为第III族氮化物化合物半导体层的晶体生长方法。

当发光层形成为多量子阱结构时，优选包含由含有至少铟(In)的第III族氮化物化合物半导体Al_xGa_yIn_1-x-yN(0≤x＜1，0＜y＜1)制成的阱层。发光层由例如阱层和势垒层构成，其中阱层由掺杂或未掺杂的Ga_yIn_1-yN(0＜y≤1)制成，势垒层由第III族氮化物化合物半导体AlGaInN制成，该势垒层的带隙大于阱层的带隙并且具有任意的组成。引用由未掺杂的Ga_yIn_1-yN(0＜y≤1)制成的阱层和由未掺杂的GaN制成的势垒层作为一个优选的实例。

第III族氮化物半导体层例如电极形成层可以由第III族氮化物化合物半导体形成，该第III族氮化物化合物半导体由至少由Al_xGa_yIn_1-x-yN(0≤x≤1，0≤y≤1，0≤x+y≤1)表示的二元、三元和四元半导体制成。此外，第III族元素可以由硼(B)或铊(Tl)部分替代，氮(N)可以由磷(P)、砷(As)、锑(Sb)或泌(Bi)部分替代。

而且，当半导体用于形成n-或p-型第III族氮化物化合物半导体层时，加入的n-型杂质的例子包括Si、Ge、Se、Te和C，p-型杂质的例子包括Zn、Mg、Be、Ca、Sr和Ba。

n-型第III族氮化物化合物半导体层形成为诸如n-型接触层和GaN/GaInN的超晶格应力缓解层的多层结构，并且p-型第III族氮化物化合物半导体层形成为诸如p-型接触层和AlGaN/GaInN的超晶格覆层的多层结构。

根据本发明上面所述的方法，有效或合理地克服了所述问题。

(实施例1)

在图1中，显示了本发明第一实施例涉及的ITO膜的表面SEM照片。初始时，为了显示本发明半导体发光元件中的ITO针状晶体的形成状态，实施了如下所示的试验。采用氧化锡和氧化铟的混合物(氧化锡：5％)作为靶，利用真空沉积方法在p-型GaN上形成厚度为300nm的ITO膜。此时，当沉积ITO膜时的真空设定为2.5×10^-3Pa时，形成图1中所示的ITO膜。发现形成了由长度为500nm、尺寸为100nm的针状晶体制成的并且具有优异的光提取效率的薄膜。在此，为了在沉积时使真空保持稳定，在一旦达到高真空(1×10^-4Pa或更低)之后，将预定量的氧引入以控制预定的真空。在此情况下，在沉积时的真空为氧的压力。

(对比实施例1)

另一方面，在图2中显示了沉积ITO膜时真空设定为5.0×10^-1Pa时形成的ITO膜的表面SEM照片。在此情况下，没有获得优异的针状晶体并且光提取效率没有得到改善。

(实施例2)

在图3中，显示了本发明第二实施例涉及的半导体发光元件100的截面示意图。在如图3所示的半导体发光元件100中，在厚度基本为400μm的蓝宝石衬底101上沉积由氮化铝(AlN)制成并且厚度基本为15nm的缓冲层102，并且在其上进一步形成由第III族氮化物化合物半导体制成的n-型层103、发光层104和p-型层105。

而且，在p-型层105上形成由ITO针状晶体制成的透光p-电极106，在n-型层103上形成n-电极108。

通过在透光p-电极110上顺序地层叠由Ni制成的膜厚度基本为30nm的第一层121、由Au制成的膜厚度基本为1.5μm的第二层122、由Al制成的膜厚度基本为10nm的第三层123来构造p垫电极107。

通过在n-型接触层104的部分暴露的部分上层叠由钒(V)制成的膜厚度基本为18nm的第一层141、由Al制成的膜厚度基本为100nm的第二层142来构造具有多层结构的n-电极108。

在半导体发光元件中，在蓝宝石衬底上顺序地外延生长缓冲层102、n-型层103、发光层104和p-型层105，随后通过蚀刻形成n-电极108，然后形成电极，如下所示。

采用氧化锡和氧化铟的混合物(氧化锡：5％)作为靶，利用真空沉积方法在2.5×10^-3Pa的真空下在p-型层105上形成由ITO针状晶体制成的膜厚度为300nm的p电极106。此后，通过使用普通光刻技术形成光刻胶，然后通过湿蚀刻ITO膜以图案化该ITO膜。

接下来，由光刻胶形成掩模，在该掩模中将形成厚膜p-电极107的区域是窗口，随后在透光p-电极106上，顺序地形成由Ni制成的膜厚度基本为30nm的第一层、由Au制成的膜厚度基本为1.5μm的第二层、由Al制成的膜厚度基本为10nm的第三层，并随后除去光刻胶。

完全类似地，由光刻胶形成掩模，在该掩模中将形成n-电极108的区域是窗口，接着在n-型层103的暴露的部分上形成由V制成的膜厚度基本为18nm的第一层、由Al制成的膜厚度基本为100nm的第二层，随后除去光刻胶。

然后，加热透光p-电极(ITO)106、厚膜p-电极107和n-电极108。最后，形成由SiO₂制成的保护膜。可由SiN_x替代SiO₂形成保护膜130。

(对比实施例2)

在该实施例中，当在沉积透光p-电极(ITO)106时，真空设定(氧压力)为5×10^-1Pa，并且制造类似的半导体发光元件，ITO不形成针状晶体并且发光特性以总辐射通量计为14.5mW。另一方面，本发明的半导体发光元件的总辐射通量为15.5mW，即，总辐射通量得到改善。

(实施例3)

在图4中，显示了本发明第三实施例的半导体发光元件200的截面示意图。在如图4所示的半导体发光元件200中，在p-型层205上布置由ITO针状晶体制成的透光p-电极206，并且在n-型层203上布置由V/Al制成的n垫电极208。而且，在n-型层203的没有被n-垫电极208覆盖的暴露部分上布置由ITO针状晶体制成的薄膜209。由于在n-型层上沉积了由ITO针状晶体制成的透光薄膜，进一步改善了光提取效率。

作为实施例3的改进实施例，可在n-型层上布置由ITO针状晶体制成的透光n-电极，随后在其上进一步布置n垫电极。

(实施例4)

在图5中，显示了本发明第四实施例的半导体发光元件300的截面示意图。在如图5所示的半导体发光元件300中，由于在p半导体发光元件的侧表面上布置了由ITO针状晶体制成的透光薄膜309，因此改善了半导体发光元件的侧表面的光提取效率。

在实施例3和4中，可使用由金属诸如Co/Au和Ni/Au制成的现有的透光电极作为透光p-电极。

(实施例5)

在图6中，显示了本发明第五实施例的半导体发光元件400的截面示意图。如图6所示，将半导体发光元件400布置成所谓的倒装型，其中光从没有层叠第III族氮化物化合物半导体的半导体发光元件的侧面被提取。在此，当在p-型层405上布置由Rh/Au制成的p电极406，和在没有层叠第III族氮化物化合物半导体的衬底侧面上沉积由ITO针状晶体制成的透光薄膜409时，半导体发光元件的光提取效率得到增强。

在实施例3、4和5中，半导体发光元件的n-电极的周边、其侧表面以及其中没有层叠第III族氮化物化合物半导体的衬底侧的表面上的光提取效率得到改善。

Claims (5)

1.一种通过在衬底上层叠第III族氮化物化合物半导体形成的半导体发光元件，其中在所述半导体发光元件的表面上形成薄膜，所述薄膜由在膜形成过程中形成的氧化铟锡针状晶体制成。

2.根据权利要求1所述的半导体发光元件，其中所述薄膜是所述半导体发光元件的电极。

3.根据权利要求1所述的半导体发光元件，其中所述薄膜形成在所述半导体发光元件的侧表面上。

4.根据权利要求1所述的半导体发光元件，其中所述薄膜形成在没有层叠第III族氮化物化合物半导体的所述衬底的侧面上。

5.一种通过层叠第III族氮化物化合物半导体形成半导体发光元件的制造方法，其中在1.0×10^-1Pa或者更低的真空下，通过使用真空沉积法、离子注入法或者溅射法在所述半导体发光元件的表面上形成由氧化铟锡针状晶体制成的薄膜。

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