CN102194955B - 半导体发光元件 - Google Patents
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Abstract
根据实施方式,提供在透明导电体中使用了ITON层的低驱动电压、高发光效率且发光强度分布均匀化了的半导体发光元件。半导体发光元件具有:基板,在基板上形成的n型半导体层,在n型半导体层上形成的有源层,在有源层上形成的、最上部是p型GaN层的p型半导体层,在p型GaN层上形成的ITON(氧氮化铟锡)层,在ITON层上形成的ITO(氧化铟锡)层,在ITO层上的一部分形成的第1金属电极,以及与n型半导体层连接而形成的第2金属电极。
Description
相关申请的交叉引用
本申请基于2010年3月8日提交的日本专利申请No.2010-050673并要求其优先权的权益,该日本专利申请的全部内容通过引用的方式结合在此。
技术领域
在此描述的实施例总体涉及半导体发光元件。
背景技术
近年来,包括GaN类半导体的蓝色和/或绿色的发光二极管(LED)的研究开发在进展。在FU(Face Up,面朝上)型的LED中,一般使用ITO(Indium Tin Oxide:氧化铟锡)等氧化物透明导电体作为p型GaN层上的透明导电体。
为了降低LED的驱动电压,ITO与p型GaN层间的接触电阻的减小不可或缺。但是,现状是,ITO与p型GaN层之间的肖特基势垒高度高为3.2eV,使接触电阻减小是困难的。
以下技术被提出:通过使用在ITO中添加了氮的ITON(Indium TinOxynitride:氧氮化铟锡)来降低肖特基势垒高度,形成欧姆接触。此外,提出有在p型GaN层上层叠氧化物透明导电体和氧氮化物透明导电体的技术。
发明内容
本发明提供在透明导电体中使用了ITON层的低驱动电压、高发光效率且发光强度分布均匀化了的半导体发光元件。半导体发光元件具有:基板,在基板上形成的n型半导体层,在n型半导体层上形成的有源层,在有源层上形成的、最上部是p型GaN层的p型半导体层,在p型GaN层上形成的ITON(氧氮化铟锡)层,在ITON层上形成的ITO(氧化铟锡)层,在ITO层上的一部分形成的第1金属电极,以及与n型半导体层连接而形成的第2金属电极。
附图说明
图1是第1实施方式的半导体发光元件的示意剖面图。
图2是表示第1实施方式的半导体发光元件的反射率的ITON层膜厚依赖性的图。
图3是在图2的模拟中使用的元件结构的示意剖面图。
图4是表示第1实施方式的ITON层的最适合膜厚的ITO层膜厚依赖性的图。
图5是表示第2实施方式的电极的图案的俯视图。
具体实施方式
根据实施方式,提供在透明导电体中使用了ITON层的低驱动电压、高发光效率且发光强度分布均匀化了的半导体发光元件。半导体发光元件具有:基板,在基板上形成的n型半导体层,在n型半导体层上形成的有源层,在有源层上形成的、最上部是p型GaN层的p型半导体层,在p型GaN层上形成的ITON(氧氮化铟锡)层,在ITON层上形成的ITO(氧化铟锡)层,在ITO层上的一部分形成的第1金属电极,以及与n型半导体层连接而形成的第2金属电极。以下,使用附图说明实施方式。在以下的附图的记载中,对于相同或类似的部分赋予相同或类似的符号。
(第1实施方式)
本实施方式的半导体发光元件,具有基板、在基板上形成的n型半导体层、在n型半导体层上形成的有源层、在有源层上形成的最上部是p型GaN层的p型半导体层、在p型GaN层上形成的ITON(氧氮化铟锡)层、在ITON层上形成的ITO(氧化铟锡)层、在ITO层上的一部分形成的第1金属电极以及与n型半导体层连接而形成的第2金属电极。
本实施方式的半导体发光元件,通过使p型GaN层上的透明导电体成为ITON层与ITO层的层叠结构,使p型GaN层与透明导电体的界面电阻减小,并且也使透明导电体的薄层电阻减小。因此,可以实现低驱动电压、高发光效率且发光强度分布被均匀化了的半导体发光元件。
图1是第1实施方式的半导体发光元件的示意剖面图。图1(a)示出了整体的结构,图1(b)示出了有源层的结构。本实施方式的半导体发光元件是FU型的发光二极管。
如图1(a)所示,在本实施方式的半导体发光元件中,在例如包括蓝宝石的基板10的主面形成缓冲层11,在该缓冲层11上,形成n型GaN层21和n型GaN引导层22。n型GaN层21以及n型GaN引导层22包含于n型半导体层20中。
并且,在n型GaN引导层22之上,形成成为发光部的有源层40,在该有源层40上,按顺序形成p型GaN第1引导层51、作为电子溢流防止层的p型AlGaN层52、p型GaN第2引导层53以及p型GaN接触层54。p型GaN第1引导层51、p型AlGaN层52、p型GaN第2引导层53以及p型GaN接触层54包含于p型半导体层50中。
进而,在p型半导体层50的最上部的p型GaN层上,按顺序形成ITON(氧氮化铟锡)层60和ITO(氧化铟锡)层70。并且,在ITO(氧化铟锡)层70上的一部分形成p型电极80作为第1金属电极。p型电极80是例如钯-铂-金(Pd/Pt/Au)的复合膜。
此外,作为n型半导体层20的n型GaN层21的一部分以及与该一部分对应的有源层40、p型半导体层50、ITON(氧氮化铟锡)层60和ITO(氧化铟锡)层70被除去,形成n型电极90作为第2金属电极。即,n型电极90与n型半导体层20连接。n型电极90是例如镍-金(Ni/Au)的复合膜。
作为发光部的有源层40,例如如图1(b)所示,是以势垒层41、中间层42、量子阱层43、中间层44以及势垒层45的层叠结构为一周期的结构。该层叠结构例如多次重复。也可以不设置中间层42、44,而是势垒层41(45)与量子阱层43的层叠重复结构。
势垒层41由InAlGaN(一般地,表示为InxAlyGa1-x-yN(0<x<1,0<y<1)))形成,例如由厚度12.5nm的In0.02Al0.33Ga0.65N形成。中间层42由InGaN(一般地,表示为InxGa1-xN(0<x<1))形成,例如由厚度0.5nm的In0.02Ga0.98N形成。量子阱层43由InGaN(一般地,表示为InxGa1-xN(0<x<1))形成,例如由厚度2.5nm的In0.15Ga0.85N形成。中间层44由InGaN(一般地,表示为InxGa1-xN(0<x<1))形成,例如由厚度0.5nm的In0.02Ga0.98N形成。势垒层45由InAlGaN(一般地,表示为InxAlyGa1-x-yN(0<x<1,0<y<1))形成,例如由厚度11.5nm的In0.02Al0.33Ga0.65N形成。
本实施方式的半导体发光元件,直至p型半导体层50为止使用公知的制造方法制造。并且,在p型半导体层50的最上部的p型GaN层54的形成后,例如通过在氮气氛围中的反应性溅射法形成ITON层60。接着,通过氧气氛围中的反应性溅射法形成ITO层70。
此后,用公知的方法,形成p型电极80以及n型电极90,形成图1所示的半导体发光元件。图1所示的半导体发光元件,通过在p型电极80与n型电极90间施加电压而使电流在元件内流动,由有源层40进行发光。
而且,关于ITON层60的形成,也可以代替氮气氛围中的反应性溅射法,而通过暂时在氧气氛围中利用反应性溅射法沉积ITO之后,通过在氨气(NH3)氛围中进行退火而将ITO氮化来形成。在此情况下,只要在退火之后形成ITO层70即可。
根据本发明人的研究,判明了:若仅由一层的ITON层形成p型GaN层54与p型电极80之间的透明导电体,则在ITON层内、在水平方向(图1中从左侧朝向右侧的方向)上流动的电流分量会减少,结果,电流仅集中在p型电极80附近。因此,会产生发光将偏向于p型电极正下方附近的问题。这起因于ITON的体积电阻率与ITO相比高2个数量级。
根据本实施方式的半导体发光元件,利用ITON层60使p型GaN层54与透明导电体的接触电阻减小。由此,使半导体发光元件的驱动电压(Vf)降低,实现低驱动电压化以及高发光效率化。
并且,通过层叠ITO层70,使透明导电体的薄层电阻减小,使电流在透明导电体内、在水平的方向上流动的电流分量的比例增加。由此,实现发光部中的均匀的发光,实现发光强度分布的均匀化。
在此,在例如半导体发光元件是蓝色发光二极管的情况下,为了维持高的发光效率,p型GaN层54与p型电极80之间的透明导电体,需要使从有源层40发出的波长450nm的蓝色的光透射。
ITON的价电子带上端,由氮的非键合状态构成。随着ITON的氮含有量增加,价电子带上端的能级上升,ITON的带隙变窄。
因此,为了不吸收蓝色光,期望ITON的吸收端能量大于等于2.8eV。在吸收端能量成为2.8eV的ITON的氮浓度下,p型GaN层54与ITON层60的肖特基势垒高度约为2.0eV。因此,在本实施方式中,期望p型GaN层54与ITON层60的肖特基势垒高度大于等于2.0eV。
附带说明,由于p型GaN与ITO的肖特基势垒高度为3.2eV,所以p型GaN层54与ITON层60的肖特基势垒高度必然成为小于等于3.2eV。
此外,期望对于波长450nm的蓝色光,ITON层60的折射率大于等于2.11小于等于2.34。p型GaN的折射率约为2.48。ITO的折射率为1.8~2.2。
由有源层40发出的光,在p型GaN层54与ITON层60的界面以及ITON层60与ITO层70的界面这2个界面上部分反射。为了使半导体发光元件的发光效率提高,需要降低在这2个界面上反射而未射出到外部的光。
若将p型GaN层54的折射率设为npGaN,将ITON层60的折射率设为nITON,则光垂直地入射到p型GaN层54与ITON层60的界面时的界面的垂直反射率R1由下式表示:
R1=(npGaN-nITON)2/(npGaN+nITON)2…(式1)
在此,由于p型GaN层54与ITON层60的消光系数之差相对于折射率差相当小,所以忽略。
同样,若将ITO层70的折射率设为nITO,则ITON层60与ITO层70的界面的反射率R2由下式表示:
R2=(nITON-nITO)2/(nITON+nITO)2…(式2)
因此,为了使R1以及R2最小化,使因由2个界面反射而损失的光最少化,期望nITON是npGaN与nITO的几何平均,即
如上所述,p型GaN对于波长450nm的蓝色光的折射率npGaN约为2.48,ITO的折射率nITO为1.8~2.2。因此,期望ITON层的折射率nITON大于等于2.11小于等于2.34。通过将氮浓度设定为适合的值,可以使ITON层的折射率成为期望的值。
此外,期望ITO层70的膜厚大于等于130nm小于等于170nm。这是因为,若比130nm薄,则有可能由于薄层电阻过大而使发光过于偏向于p型电极80附近。此外,是由于,若超过170nm,则有可能不能忽略ITO层70的光的吸收量。
此外,在ITO层70的膜厚大于等于130nm小于等于170nm的情况下,期望ITON层60与ITO层70的总膜厚大于等于240nm小于等于310nm。
图2是表示本实施方式的半导体发光元件的反射率的ITON层膜厚依赖性的图。表示通过模拟产生的结果。图3是在图2的模拟中使用的元件结构的示意剖面图。在ITO的折射率分别为1.8、1.9、2.0、2.1、2.2的情况下,计算出了反射率的ITON膜厚依赖性。
如图3所示,将元件结构设定为p型GaN层、ITON层、ITO层、SiO2层(折射率n=1.45)、树脂层(折射率n=1.4)的层叠结构。将光的波长设定为450nm。此外,将ITO层的膜厚设定为150nm。此外,将ITON层的折射率设定为p型GaN层与ITO层的折射率的几何平均。
如图2所示,可判明:在ITON膜厚为0~300nm的范围内,在所有折射率的情况下,反射率成为低谷的膜厚都存在A、B、C这3个位置。在此,在膜厚处于A位置的情况下,由于膜厚过薄而在光学上是非活性的可能性高,此外,制造上膜厚的控制困难,所以不优选。并且,在膜厚处于C位置的情况下,由于膜厚变厚、ITON层的光的吸收增大,所以不优选。因此,期望ITON层的膜厚设定为B位置的膜厚。
而且,即使使SiO2层的膜厚在100nm~500nm的范围内变化,图2所示的结果也不会有大的变化。
图4是表示ITON层的最适合膜厚的ITO层膜厚依赖性的图。是描绘使ITO层的膜厚在130nm~170nm的范围内变化的情况下的B位置的ITON层的膜厚的图。在ITO的折射率分别为1.8、1.9、2.0、2.1、2.2的情况下进行了计算。
如从图4可以看出的,在所有折射率的情况下,ITON层的相对于ITO层的最适合厚度,都处于斜率基本为1的直线上。因此,在反射率成为最低的条件下,ITO层的膜厚(图中tITO)与ITON层的膜厚(图中tITON)的总和基本固定。此外,即使ITO的折射率变化,该固定值也收敛于大于等于240nm小于等于310nm的范围。
因此,从控制反射率、实现高的发光效率的观点来看,期望ITO层的膜厚大于等于130nm小于等于170nm,ITON层与ITO层的总膜厚大于等于240nm小于等于310nm。而且,在此虽然基于波长为450nm的情况下的模拟结果进行了说明,但是只要波长处于大于等于420nm小于等于480nm的范围,就由于伴随着波长变化的折射率的变化小,所以ITON层与ITO层的总膜厚的期望范围为同样的范围。
此外,期望ITON层60内的氮浓度从与p型GaN 54的界面朝向与ITO层70的界面降低。这是因为,由于ITON层60内的氮浓度高的一方其p型GaN层54与ITON层60之间的肖特基势垒下降,另一方面,如果ITON层60内的氮浓度降低则折射率降低,所以通过在与ITO层70的界面以氮浓度成为0的方式控制浓度分布,可以使与ITO层70的界面处的光的反射率成为0。
(第2实施方式)
本实施方式的半导体发光元件,除了p型电极与n型电极的图形不同之外,其余与第1实施方式相同。因此,关于与第1实施方式重复的内容,省略记载。
图5是表示第2实施方式的电极的图形的俯视图。图5(a)是第1实施方式的电极图形,图5(b)是本实施方式的电极图形。
如图5(b)所示,在p型电极80以及n型电极90的各个中设置细线部80a以及90a。这样,通过设置细线部80a、90a,可以使p型电极80与n型电极90间的电流向有源层40的流动进一步均匀化,使发光强度分布进一步均匀化。
因此,与第1实施方式的半导体发光元件相比,可实现发光效率更高且发光强度分布均匀化了的半导体发光元件。
虽然对几个实施例进行了说明,但这些实施例仅是作为例子而呈现的,而并非要限定本发明的范围。在此描述的半导体发光元件能够以其他的各种方式进行实施,在不脱离发明的主旨的范围内,能够在此处描述的装置和方法的方式中进行各种省略、置换、变形。这些方式或变形包含于发明的范围和主旨内,并且包含于所附权利要求及其均等的范围内。
Claims (9)
1.一种发光元件,其特征在于,具有:
n型半导体层;
在前述n型半导体层上形成的有源层;
在前述有源层上形成的、最上部是p型GaN层的p型半导体层;
在前述p型GaN层上形成的ITON(氧氮化铟锡)层;
在前述ITON层上形成的ITO(氧化铟锡)层;
在前述ITO层上的一部分形成的第1金属电极;以及
与前述n型半导体层连接而形成的第2金属电极;
前述ITO层的膜厚大于等于130nm小于等于170nm;
前述ITON层与前述ITO层的总膜厚大于等于240nm小于等于310nm。
2.一种发光元件,其特征在于,具有:
基板;
在前述基板上形成的n型半导体层;
在前述n型半导体层上形成的有源层;
在前述有源层上形成的、最上部是p型GaN层的p型半导体层;
在前述p型GaN层上形成的ITON(氧氮化铟锡)层;
在前述ITON层上形成的ITO(氧化铟锡)层;
在前述ITO层上的一部分形成的第1金属电极;以及
与前述n型半导体层连接而形成的第2金属电极;
前述ITO层的膜厚大于等于130nm小于等于170nm;
前述ITON层与前述ITO层的总膜厚大于等于240nm小于等于310nm。
3.根据权利要求1或2所述的发光元件,其特征在于:
前述p型GaN层与前述ITON层的肖特基势垒高度大于等于2.0eV小于等于3.2eV。
4.根据权利要求1或2所述的发光元件,其特征在于:
前述ITON层的折射率大于等于2.11小于等于2.34。
5.根据权利要求1或2所述的发光元件,其特征在于:
前述ITON层内的氮浓度,从与前述p型GaN层的界面朝向与前述ITO层的界面降低。
6.根据权利要求2所述的发光元件,其特征在于:
前述基板是蓝宝石基板。
7.根据权利要求1所述的发光元件,其特征在于:
前述n型半导体层形成于蓝宝石基板上。
8.根据权利要求1或2所述的发光元件,其特征在于:
前述n型半导体层具有n型GaN层。
9.根据权利要求1或2所述的发光元件,其特征在于:
前述有源层是InAIGaN的势垒层与InGaN的量子阱层的层叠结构。
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