CN102194955B - 半导体发光元件 - Google Patents

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

半导体发光元件

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In_xAl_yGa_1-x-yN(0＜x＜1，0＜y＜1)))形成，例如由厚度12.5nm的In_0.02Al_0.33Ga_0.65N形成。中间层42由InGaN(一般地，表示为In_xGa_1-xN(0＜x＜1))形成，例如由厚度0.5nm的In_0.02Ga_0.98N形成。量子阱层43由InGaN(一般地，表示为In_xGa_1-xN(0＜x＜1))形成，例如由厚度2.5nm的In_0.15Ga_0.85N形成。中间层44由InGaN(一般地，表示为In_xGa_1-xN(0＜x＜1))形成，例如由厚度0.5nm的In_0.02Ga_0.98N形成。势垒层45由InAlGaN(一般地，表示为In_xAl_yGa_1-x-yN(0＜x＜1，0＜y＜1))形成，例如由厚度11.5nm的In_0.02Al_0.33Ga_0.65N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n_pGaN，将ITON层60的折射率设为n_ITON，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＝(n_pGaN-n_ITON)²/(n_pGaN+n_ITON)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n_ITO，则ITON层60与ITO层70的界面的反射率R₂由下式表示：

R₂＝(n_ITON-n_ITO)²/(n_ITON+n_ITO)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n_ITON是n_pGaN与n_ITO的几何平均，即

$n_{\mathrm{ITON}}=\sqrt{n_{\mathrm{pGaN}}{n}_{\mathrm{ITO}}}$ …(式3)

如上所述，p型GaN对于波长450nm的蓝色光的折射率n_pGaN约为2.48，ITO的折射率n_ITO为1.8～2.2。因此，期望ITON层的折射率n_ITON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t_ITO)与ITON层的膜厚(图中t_ITON)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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