CN1263170C - 氮化物基化合物半导体发光元件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种根据本发明的氮化物基化合物半导体发光元件及其制造方法。该元件包括：一P型电极；一设置在该P型电极上的P型氮化物基化合物半导体层；一设置在该P型氮化物基化合物半导体层上且发光的发光层；一设置在该发光层上且透射发光层发出的光的氮化物基化合物半导体层；一设置在该氮化物基化合物半导体层上且透光的缓冲层，其中该缓冲层由氮化物基化合物半导体材料形成，并且在该缓冲层中形成一沟槽以暴露部分该氮化物基化合物半导体层；以及一覆盖该沟槽并电连接到该氮化物基化合物半导体层的N型电极。

Description

氮化物基化合物半导体发光元件及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种半导体发光元件，特别涉及一种能够发射波长范围从蓝光区到紫外光区的光的氮化物基化合物半导体发光元件。本发明还涉及制造这种半导体发光元件的方法。
背景技术
已知氮化物基化合物可以被用于能够发射波长范围从蓝光区到紫外光区的光的半导体发光元件。例如，日本专利公开No.11-177142公开了一种采用氮化物基化合物的常规氮化物基化合物半导体发光元件的结构。
图9是常规氮化物基化合物半导体发光元件90的前视截面图。此氮化物基化合物半导体发光元件90包括：一在其底表面形成有一N型电极98的硅(Si)衬底95；一在Si衬底95上的缓冲层94；一在缓冲层94上的下覆盖层93；一在下覆盖层93上的发光层92；以及一在发光层92上的上覆盖层91。上覆盖层91包括一P型焊点电极96，焊点电极96在上覆盖层91上的大致中心部分，并被用于向发光层92注入电流。一金(Au)导线97接合到P型焊点电极96的顶表面，用于从外部向P型焊点电极96供给电流。
在具有上述结构的氮化物基化合物半导体发光元件90中，由于P型焊点电极96直接形成在上覆盖层91上，在形成P型焊点电极96时，在上覆盖层91中产生的应力可能会在上覆盖层91中引起裂纹。
此外，在将Au导线97接合到P型焊点电极96的顶表面时，对上覆盖层91造成的机械损伤可能引起上覆盖层91的裂纹。
当上覆盖层91产生裂纹时，电流通过裂纹流入上覆盖层91，因此氮化物基化合物半导体发光元件90电短路。结果，引发了一个问题就是光发层92不能发光或者即使发光层92能发光也不能稳定地发光。
而且，发光层92发射的光中，大约50％被Si衬底95吸收，因此引发了一个问题就是可能减小氮化物基化合物半导体发光元件90的发光效率。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供一种氮化物基化合物半导体发光元件，包括：一P型电极；一设置在该P型电极上的P型氮化物基化合物半导体层；一设置在该P型氮化物基化合物半导体层上且发光的发光层；一设置在该发光层上且透射该发光层发射的光的第一氮化物基化合物半导体层；一设置在该第一氮化物基化合物半导体层上且透光的缓冲层，其中该缓冲层由AlN或氮化物基化合物半导体材料构成，并且一沟槽形成在该缓冲层中以暴露部分该第一氮化物基化合物半导体层；以及一覆盖该沟槽并电连接到该第一氮化物基化合物半导体层的N型电极。
在本发明的一个实施例中，该缓冲层是一AlN层。
在本发明的一个实施例中，该第一氮化物基化合物半导体层由选自GaN和InGaN组成组中的至少一种材料构成。
在本发明的一个实施例中，沉积该缓冲层以覆盖该第一氮化物基化合物半导体层的整个表面。
在本发明的一个实施例中，该缓冲层具有由该沟槽限定的一电极形成部分，并且形成该N型电极以覆盖该沟槽和该电极形成部分。
在本发明的一个实施例中，该氮化物基化合物半导体发光元件还包括一设置在该N型电极上并且电连接到该N型电极的焊点电极，该N型电极形成在该电极形成部分上，该焊点电极向该第一氮化物基化合物半导体层和该发光层注入电流。
在本发明的一个实施例中，该缓冲层包括由该沟槽限定的一电极形成部分，并且元件还包括一设置在该电极形成部分上并电连接到该N型电极的焊点电极。
在本发明的一个实施例中，该氮化物基化合物半导体发光元件还包括一焊点电极，其位于不阻挡由该发光层发射的光的位置上，并电连接到该N型电极。
在本发明的一个实施例中，该N型电极是一包含金属的透明薄膜。
在本发明的一个实施例中，该N型电极是透明导电的氧化物半导体。
在本发明的一个实施例中，该氮化物基化合物半导体发光元件还包括一在P型电极下面的导电层，该导电层支撑一叠层体，该叠层体包括：该P型电极，该P型氮化物基化合物半导体层，该发光层，该第一氮化物基化合物半导体层，该缓冲层，以及该N型电极。
在本发明的一个实施例中，该导电层是一由电镀形成的金属层。
在本发明的一个实施例中，该导电层是由接合到该P型电极上的金属板或半导体衬底形成。
根据本发明的另一个方面，提供一种制造氮化物基化合物半导体发光元件的方法，包括步骤：在一衬底上依次形成一由AlN或氮化物基化合物半导体材料构成的缓冲层，一层第一氮化物基化合物半导体层，一发光层，以及一P型氮化物基化合物半导体层；在该P型氮化物基化合物半导体层上形成一P型电极；在该P型电极上形成一导电层；在该导电层形成之后除去该衬底；在除去该衬底后在该缓冲层中形成一沟槽，以暴露部分该第一氮化物基化合物半导体层；以及形成一N型电极，以覆盖为暴露部分该第一氮化物基化合物半导体层而形成的该沟槽，并电连接到该第一氮化物基化合物半导体层。
在本发明的一个实施例中，该衬底是一硅衬底。
在本发明的一个实施例中，除去该衬底的步骤包括采用至少由氢氟酸、硝酸、乙酸混合在一起形成的混合液通过蚀刻除去该衬底。
在本发明的一个实施例中，该N型电极具有透明性。
在本发明的一个实施例中，制造氮化物基化合物半导体发光元件的方法还包括步骤形成一用于向该发光层和该第一氮化物基化合物半导体层注入电流并电连接到N型电极上的焊点电极。
在本发明的一个实施例中，形成该N型电极的步骤包括形成该N型电极以覆盖该沟槽和由该沟槽限定的位于缓冲层表面上的一电极形成部分，形成该焊点电极的步骤包括在该电极形成部分上形成的该N型电极上形成该焊点电极。
在本发明的一个实施例中，形成该焊点电极包括在位于不阻挡该发光层发射的光位置处形成该焊点电极。
在本发明的一个实施例中，该缓冲层是一AlN层。
根据本发明的又一个方面，提供一种制造氮化物基化合物半导体发光元件的方法，包括步骤：在一衬底上依次形成一由AlN或氮化物基化合物半导体材料构成的缓冲层，一层第一氮化物基化合物半导体层，一发光层，以及一P型氮化物基化合物半导体层；除去该衬底；在除去该衬底后在该P型氮化物基化合物半导体层上形成一P型电极；在该P型电极上形成一导电层；在该缓冲层中形成一沟槽，以暴露部分该第一氮化物基化合物半导体层；以及形成一N型电极，以覆盖为暴露部分该第一氮化物基化合物半导体层而形成的该沟槽。
因此，这里描述的发明具有的优点是：(1)提供具有高发光可靠性的氮化物基化合物半导体发光元件及其制造方法；(2)提供基本上不可能产生裂纹的氮化物基化合物半导体发光元件及其制造方法；和(3)提供具有高发光效率的氮化物基化合物半导体发光元件及其制造方法。
本发明的这些及其它优点对于本领域技术人员，将参照附图通过阅读并理解以下的详细说明而变得明显。
附图说明
图1是根据本发明实施例1的氮化物基化合物半导体发光元件10的前视截面图；
图2示出了图1的氮化物基化合物半导体发光元件10的制造步骤；
图3是根据本发明实施例2的氮化物基化合物半导体发光元件20的前视截面图；
图4示出了图3的氮化物基化合物半导体发光元件20的制造步骤；
图5是根据本发明实施例3的氮化物基化合物半导体发光元件30的前视截面图；
图6示出了图5的氮化物基化合物半导体发光元件30的制造步骤；
图7是根据本发明实施例4的氮化物基化合物半导体元件40的平面图；
图8是根据本发明实施例5的氮化物基化合物半导体发光元件50的前视截面图；以及
图9是常规氮化物基化合物半导体发光元件90的前视截面图。
具体实施方式
在下文，参照附图将详细描述本发明的实施例。图中，相同的元件用相同的附图标记表示。在本说明中，“氮化物基化合物半导体”包括，例如，InXAlYGa1-X-YN(0≤X，0≤Y，X+Y≤1)。
(实施例1)
图1是根据本发明实施例1的氮化物基化合物半导体发光元件10的前视截面图。氮化物基化合物半导体发光元件10包括一大致呈直角平行六面体形状的叠层体9。
叠层体9包括：一大致呈直角平行六面体形状的P型基底电极(导电层)13；一设置在P型基底电极13上的P型电极12；一设置在P型电极12上的P型氮化物基化合物半导体接触层6；一设置在P型氮化物基化合物半导体接触层6上的P型氮化物基化合物半导体层5；一设置在P型氮化物基化合物半导体层5上的MQW(多量子阱)发光层4；一设置在MQW发光层4上的N型氮化物基化合物半导体层3；以及一设置在N型氮化物基化合物半导体层3上的氮化铝(AlN)缓冲层2。每一层具有预设的厚度。
AlN缓冲层2具有绝缘性和透光性且覆盖N型氮化物基化合物半导体层3的整个顶表面。N型氮化物基化合物半导体层3由例如N型氮化镓(GaN)层形成。
AlN缓冲层2包括一围绕在其大致中心部分的沟槽11。从图1中箭头A所示的方向观察沟槽11时，沟槽11可以被看作大致是方框形状。沟槽11具有到达N型氮化物基化合物半导体层3的深度，以沿沟槽11暴露部分N型氮化物基化合物半导体层3。AlN缓冲层2包括一位于其大致中心部分并且具有被沟槽11所限定的大致正方形形状的电极形成部分16。
形成一N型透明电极7以覆盖形成在AlN缓冲层2中的沟槽11和形成在AlN缓冲层2一表面区域中的电极形成部分16，使得N型氮化物基化合物半导体层3和N型透明电极7电连接在一起。一N型焊点电极8形成在电极形成部分16上的N型透明电极7上，使得N型氮化物基化合物半导体层3和N型焊点电极8通过N型透明电极7电连接到一起，以通过N型透明电极7和N型氮化物基化合物半导体层3向MQW发光层4中注入电流。一Au导线14接合到N型焊点电极8上以从外部供给电流至N型焊点电极8。
P型电极12和P型基底电极13由金属薄膜形成。P型基底电极13可以通过电镀或非电镀形成以具有较大的面积和大约10微米(μm)的较大的厚度。P型基底电极13也可以通过将金属板、半导体衬底等接合在一起形成。
由金属薄膜形成的P型电极12和P型基底电极13阻挡了MQW发光层4发射的光。具有透明性的AlN缓冲层2透射MQW发光层4发射的光。因此，AlN缓冲层2的顶表面被用作氮化物基化合物半导体发光元件10的主发光表面。
下面，将逐步描述图1的氮化物基化合物半导体发光元件10的制造方法。
图2示出了氮化物基化合物半导体发光元件10的制造步骤。
步骤S1：采用MOCVD设备在Si衬底1上依次沉积AlN缓冲层2，N型氮化物基化合物半导体层3，MQW发光层4，P型氮化物基化合物半导体层5，和P型氮化物基化合物半导体接触层6，每一层具有预设的厚度。
更具体地，首先清洗Si衬底1的顶表面。然后，把Si衬底1放置在MOCVD设备内。在MOCVD设备内在Si衬底1上沉积AlN缓冲层2，使其具有大约200nm的厚度。在AlN缓冲层2上形成作为N型氮化物基化合物半导体层3的N型GaN层，使其具有大约500nm的厚度。N型GaN层的厚度优选为从500nm或以上到1000nm或以下。当N型GaN层的厚度小于500nm时，采用干刻蚀在AlN缓冲层2中形成沟槽11时所引起的损伤就会严重地影响N型GaN层。当N型GaN层的厚度大于1000nm时，N型GaN层的结晶度就会降低。结果，被形成以与N型氮化物基化合物半导体层3接触的MQW发光层4的结晶度也将降低。这是因为N型氮化物基化合物半导体层3减少了由刻蚀引起的损伤的影响并保持/提高了MQW发光层4的结晶度。
接着，MQW发光层4，P型氮化物基化合物半导体层5，和P型氮化物基化合物半导体接触层6依次沉积在N型氮化物基化合物半导体层3上。MQW发光层4、P型氮化物基化合物半导体层5、和P型氮化物基化合物半导体接触层6的厚度分别是大约50nm、大约20nm、和大约250nm。以这种方式得到了晶片60。
步骤S2：把晶片60从MOCVD设备中移出并在P型氮化物基化合物半导体接触层6上形成作为P型电极12的Pd(钯)，使其具有大约50nm的厚度。然后，在P型电极12上形成作为P型基底电极13Ni(镍)，使其具有大约100μm的厚度。
步骤S3：采用氢氟酸基蚀刻剂除去Si衬底1，该氢氟酸基蚀刻剂是一种氢氟酸∶硝酸∶乙酸的配比为10∶5∶1的混合液。应当注意该蚀刻剂不限于上述的混合液。
步骤S4：采用氯基气体通过干法刻蚀，例如RIE(反应离子刻蚀)，刻蚀AlN缓冲层2以暴露部分N型氮化物基化合物半导体层3。结果，围绕AlN缓冲层2的大致中心部分形成沟槽11，使其具有正方形形状，其中正方形的每一边长是大约100μm。沟槽11的宽度是大约20μm。在AlN缓冲层2顶表面的大致中心部分中形成由沟槽11限定的电极形成部分16。
步骤S5：形成7nm厚的作为N型透明电极7的金属，例如钛(Ti)，使其覆盖沟槽11和电极形成部分16，使得N型透明电极7电连接N型氮化物基化合物半导体层3。
步骤S6：在N型透明电极7上形成作为N型焊点电极8的Au，使其具有0.5μm的厚度，其中该N型透明电极7形成在电极形成部分16上。以这种方式得到了如图1所示的叠层体9。
步骤S7：接着，当由图2中箭头A所示的方向观察叠层体9被分成正方形小块，每块具有350μm×350μm的面积。把每一正方形小块安装在引线框(lead frame)上，使得P型基底电极13接触引线框盘(cup)的底部。P型基底电极13被用作氮化物基化合物半导体发光元件10的基底。接着，把Au导线14接合到N型焊点电极8上。以这种方式，得到了图1的氮化物基化合物半导体发光元件10。因为N型焊点电极8不具有透明性，所以AlN缓冲层2的顶表面除了形成N型焊点电极8区域以外的区域被用作氮化物基化合物发光元件10的主发光表面。应当注意，上文描述的每一层的厚度仅作为例子示出。
下面，将参照图1描述按照上述步骤S1-S7得到的氮化物基化合物发光元件10的工作方式。通过Au导线14供给到N型焊点电极8的电流，通过N型透明电极7和N型氮化物基化合物半导体层3被注入到MQW发光层4中。电流注入其中的MQW发光层4发光。由MQW发光层4发射的光穿过N型氮化物基化合物半导体层3并通过主发光表面向上射出，即如图1所示箭头A的反方向，主发光表面对应于AlN缓冲层2顶表面除了设置了N型焊点电极8的区域以外的区域。
虽然在P型电极12和P型基底电极13形成之后除去Si衬底1的例子在上面的实施例中(按照步骤S2和S3的顺序)已经描述，本发明并不限于此。P型电极12和P型基底电极13也可以在除去Si衬底1之后形成(例如，按照步骤S3和S2的顺序)。
此外，虽然在例子中当沿图1所示箭头A的方向观察时，沟槽11形成在AlN缓冲层2中具有大致正方形的形状，但本发明并不限于此。沟槽11可以形成圆形或条形。
此外，AlN缓冲层2可以是高电阻型。
根据上文的描述，根据本发明的实施例1，AlN缓冲层2设置在N型氮化物基化合物半导体层3上。N型氮化物基化合物半导体层3和N型焊点电极8通过覆盖沟槽11且形成在AlN缓冲层2的电极形成部分16上的N型透明电极7电连接到一起，沟槽11形成在AlN缓冲层2中并具有到达N型氮化物基化合物半导体层3那样的深度。也就是说，N型焊点电极8不是直接形成在N型氮化物基化合物半导体层3上。因此，在形成N型焊点电极8时在N型氮化物基化合物半导体层3内产生的应力减小了。结果，基本上不可能对N型氮化物基化合物半导体层3和与N型氮化物基化合物半导体层3接触的MQW发光层4造成裂纹。
此外，因为N型焊点电极8不是直接形成在N型氮化物基化合物半导体层3上，在将Au导线14接合到N型焊点电极8时，对N型氮化物基化合物半导体层3造成的机械损伤减小了。因此，基本上不可能对N型氮化物基化合物半导体层3和与N型氮化物基化合物半导体层3接触的MQW发光层4造成裂纹。
以这种方式，基本上没有对N型氮化物基化合物半导体层3和MQW发光层4造成裂纹，因此氮化物基化合物半导体发光元件10就不会电短路。结果，就能防止不均匀的发光，因而提高了氮化物基化合物半导体发光元件10的发光可靠性。
此外，AlN缓冲层2是坚固的晶体，因此当实施干法刻蚀在AlN缓冲层2中形成沟槽11以暴露N型氮化物基化合物半导体层3时，AlN缓冲层2可以用来防止产生损伤，由此就能减小对N型氮化物基化合物半导体层3和与N型氮化物基化合物半导体层3接触的MQW发光层4造成的损伤。结果，就有可能减小MQW发光层4中的漏电流，因此提高了氮化物基化合物半导体发光元件10的发光可靠性。
此外，在氮化物基化合物半导体发光元件10中，当P型层被用作氮化物基化合物半导体层以取代N型氮化物基化合物半导体层3时，P型氮化物基化合物半导体层的厚度可以比N型氮化物基化合物半导体层3的厚度更薄。但是，为了在AlN缓冲层2中形成沟槽11，必须实施干法刻蚀。采用N型氮化物基化合物半导体层3的情况，相对于采用比N型氮化物基化合物半导体层3薄的P型氮化物基化合物半导体层的情况，刻蚀可能更加较容易被控制。
此外，在其中通过干法刻蚀暴露N型氮化物基化合物半导体层3的沟槽11的宽度最窄是20μm，因此实施干法刻蚀的区域只是N型氮化物基化合物半导体层3的一个狭窄区域。因此，可能进一步减小由干法刻蚀对N型氮化物基化合物半导体层3和MQW发光层4造成的损伤。
此外，因为在制造步骤中(图2中所示的步骤S3)除去了可吸收50％MQW发光层4发射的光的Si衬底1，氮化物基化合物半导体发光元件10不包括Si衬底1。因此，有可能提高氮化物基化合物半导体发光元件10的发光效率。
此外，因为N型氮化物基化合物半导体层3是N型导电类型的，所以可以增加杂质浓度。因此，N型氮化物基化合物半导体层3受到干法刻蚀的部分不会产生高电阻。
(实施例2)
图3是根据本发明实施例2的氮化物基化合物半导体发光元件20的前视截面图。在图3中，与参照图1描述的实施例1的氮化物基化合物半导体发光元件10相同的元件表示为相同的附图标记，并将省略对它们的说明。根据实施例2的氮化物基化合物半导体发光元件20与根据实施例1的氮化物基化合物半导体发光元件10的区别在于一包含N型铟(In)氮化物基化合物半导体层3A被进一步设置在N型氮化物基化合物半导体层3上。
氮化物基化合物半导体发光元件20包括一大致呈直角平行六面体形状的叠层体9A。
叠层体9A包括：一大致呈直角平行六面体形状的P型基底电极(导电层)13；一设置在P型基底电极13上的P型电极12；一设置在P型电极12上的P型氮化物基化合物半导体接触层6；一设置在P型氮化物基化合物半导体接触层6上的P型氮化物基化合物半导体层5；一设置在P型氮化物基化合物半导体层5上的MQW发光层4；一设置在MQW发光层4上的N型氮化物基化合物半导体层3；一设置在N型氮化物基化合物半导体层3上的包含N型In的氮化物基化合物半导体层3A；以及一设置在包含N型In的氮化物基化合物半导体层3A上的AlN缓冲层2。
包含的N型In的氮化物基化合物半导体层3A由例如N型InGaN层形成。与实施例1相似，N型氮化物基化合物半导体层3由例如N型GaN层形成。
AlN缓冲层2包括一围绕在其大致中心部分的沟槽11。沟槽11具有到达包含N型In的N型氮化物基化合物半导体层3A的深度，以沿沟槽11暴露部分包含N型In的N型氮化物基化合物半导体层3A。AlN缓冲层2在其大致中心部分包括一具有沟槽11限定的大致正方形形状的电极形成部分16，电极形成部分16大致在AlN缓冲层2的中心。
形成一N型透明电极37以覆盖形成在AlN缓冲层2中的沟槽11和形成在AlN缓冲层2一表面区域中的电极形成部分16，使得包含N型In的N型氮化物基化合物半导体层3A和N型透明电极37电连接在一起。一N型焊点电极8形成在N型透明电极37上，其中N型透明电极37形成在电极形成部分16上，使得N型氮化物基化合物半导体层3和N型焊点电极8通过N型透明电极37电连接到一起，以通过包含N型In的N型氮化物基化合物半导体层3A和N型氮化物基化合物半导体层3向MQW发光层4中注入电流。将一Au导线14接合到N型焊点电极8以从外部向N型焊点电极8供给电流。
由金属薄膜形成的P型电极12和P型基底电极13阻挡了MQW发光层4发射的光。具有透明性的AlN缓冲层2透射MQW发光层4发射的光。因此，AlN缓冲层2的顶表面用作氮化物基化合物半导体发光元件20的主要发光表面。
下面，将逐步描述图3的氮化物基化合物半导体发光元件20的制造方法。
图4示出了氮化物基化合物半导体发光元件20的制造步骤。
步骤S41：采用MOCVD设备在Si衬底1上依次沉积AlN缓冲层2，包含N型In的N型氮化物基化合物半导体层3A，MQW发光层4，P型氮化物基化合物半导体层5，以及P型氮化物基化合物半导体接触层6，每一层具有预设的厚度。
更具体地，首先清洗Si衬底1的顶表面。然后，把Si衬底1放置在MOCVD设备内。在MOCVD设备内，在Si衬底1上沉积AlN缓冲层2使其具有大约150nm的厚度。在AlN缓冲层2上形成作为包含N型In的N型氮化物基化合物半导体层3A的N型InGaN层，使其具有大约100nm的厚度。N型InGaN层的厚度优选为从100nm或以上到500nm或以下。当N型InGaN层的厚度小于100nm时，为了形成AlN缓冲层2而采用干刻蚀所引起的损伤就会严重地影响N型InGaN层。当N型InGaN层的厚度大于500nm时，N型InGaN层的结晶度就会降低。结果，与包含N型In的N型氮化物基化合物半导体层3A接触的N型氮化物基化合物半导体层3的结晶度和MQW发光层4的结晶度也将降低。这是因为包含N型In的N型氮化物基化合物半导体层3A减小了由刻蚀引起的损伤的影响并保持/提高了MQW发光层4的结晶度。适当设定N型InGaN层的组成比以避免吸收MQW发光层4发射的光。
接着，在包含N型In的N型氮化物基化合物半导体层3A上形成N型氮化物基化合物半导体层3使其具有大约600nm的厚度。然后，MQW发光层4，P型氮化物基化合物半导体层5，和P型氮化物基化合物半导体接触层6依次沉积在N型氮化物基化合物半导体层3上。MQW发光层4、P型氮化物基化合物半导体层5、和P型氮化物基化合物半导体接触层6的厚度分别是大约40nm、大约10nm、和大约150nm。以这种方式得到了晶片70。
步骤S42：把晶片70从MOCVD设备中移出并在P型氮化物基化合物半导体接触层6上形成作为P型电极12的Pd(钯)，使其具有大约30nm的厚度。然后，在P型电极12上形成作为P型基底电极13的Ni(镍)，使其具有大约80μm的厚度。
步骤S43：采用氢氟酸基蚀刻剂除去Si衬底1，该氢氟酸基蚀刻剂是一种氢氟酸∶硝酸∶乙酸的配比为10∶5∶2的混合液。应当注意该蚀刻剂不限于上述的混合液。
步骤S44：采用氯基气体通过干法刻蚀例如RIE刻蚀AlN缓冲层2以暴露部分包含N型In的N型氮化物基化合物半导体层3A。结果，围绕AlN缓冲层2的大致中心部分形成具有正方形形状的沟槽11，其中该正方形的每一边长是大约120μm。沟槽11的宽度是大约15μm。由沟槽11限定的电极形成部分16形成在AlN缓冲层2的大致中心部分中。
步骤S45：形成8nm厚的作为N型透明电极37的金属(例如Hf//Ti)，使其覆盖沟槽11和电极形成部分16。在这种情况下，形成Hf和Ti的厚度分别为3nm和5nm。这样的形成使得N型透明电极37与包含N型In的N型氮化物基化合物半导体层3A彼此电连接。
步骤S46：在N型透明电极37上形成作为N型焊点电极8的Au，使其具有0.5μm的厚度，其中N型透明电极37形成在电极形成部分16上。以这种方式得到了如图3所示的叠层体9A。
步骤S47：接着，由图3中箭头A所示的方向观察，叠层体9被分成正方形小块，每块具有350μm×350μm的面积。把每一正方形小块安装在引线框上，使得P型基底电极13接触引线框盘(cup)的底部。P型基底电极13被用作氮化物基化合物半导体发光元件20的基底。接着，把Au导线14接合到N型焊点电极8上。以这种方式，得到了图3的氮化物基化合物半导体发光元件20。因为N型焊点电极8不具有透明性，AlN缓冲层2顶表面除了形成N型焊点电极8的区域以外的区域被用作氮化物基化合物发光元件20的主发光表面。应当注意，上文描述的每一层的厚度仅作为例子示出。
下面，将参照图3描述按照上述步骤S41-S47得到的氮化物基化合物发光元件20的工作方式。通过Au导线14供给到N型焊点电极8的电流，通过N型透光电极37、包含N型In的N型氮化物基化合物半导体层3A和N型氮化物基化合物半导体层3被注入到MQW发光层4。电流注入其中的MQW发光层4发光。MQW发光层4发射的光穿过N型氮化物基化合物半导体层3和包含N型In的N型氮化物基化合物半导体层3A，并通过主发光表面向上射出，即如图3所示箭头A的反方向，发光区表面对应于AlN缓冲层2顶表面除了形成N型焊点电极8的区域以外的区域。
虽然上面实施例中描述的例子是在N型GaN层上沉积N型InGaN层，其中该N型InGaN层即包括N型In的N型氮化物基化合物半导体层3A，该N型GaN层是N型氮化物基化合物半导体层3，但本发明不限于此。可以采用N型GaN层和N型InGaN层交替沉积的多层结构。此外，在N型GaN层上沉积N型InGaN层，并在N型InGaN层上沉积附加的N型GaN层，从而可以使N型InGaN层被N型GaN层夹在中间。
根据上面的描述，根据本发明的实施例2，在N型氮化物基化合物半导体层3上沉积包含N型In的N型氮化物基化合物半导体层3A和AlN缓冲层2。包含N型In的N型氮化物基化合物半导体层3A和N型焊点电极8通过覆盖沟槽11而形成的并形成在AlN缓冲层2的电极形成部分16上的N型透明电极37电连接到一起，沟槽11形成在AlN缓冲层2中深达包括N型In的N型氮化物基化合物半导体层3A。也就是说，N型焊点电极8不是直接形成在N型氮化物基化合物半导体层3上。因此，实施例2会得到与实施例1相似的效果。
此外，作为包含N型In的N型氮化物基化合物半导体层3A的N型InGaN层包含软晶体的In。因为上面描述的In的特性，当为了在AlN缓冲层2中形成沟槽11以暴露部分包含N型In的N型氮化物基化合物半导体层3A而实施干法刻蚀时，就有可能进一步减小对MQW发光层4造成的损伤。结果，就有可能减小MQW发光层4中的漏电流，因此提高了氮化物基化合物半导体发光元件20的发光可靠性。
(实施例3)
图5是根据本发明实施例3的氮化物基化合物半导体发光元件30的前视截面图。在图5中，与参照图1描述的根据实施例1的氮化物基化合物半导体发光元件10相同的元件表示为相同的附图标记，并将省略对它们的说明。根据实施例3的氮化物基化合物半导体发光元件30中，设置一AlGaN缓冲层2B以取代设置AlN缓冲层2，在AlGaN缓冲层2B中形成沟槽11A和11B以取代形成沟槽11，以及形成N型氧化物半导体7A以取代形成N型透明电极7。氮化物基化合物半导体发光元件30包括一大致呈直角平行六面体形状的叠层体9B。
叠层体9B包括：一大致呈直角平行六面体形状的P型基底电极13；一设置在P型基底电极13上的P型电极12；一设置在P型电极12上的P型氮化物基化合物半导体接触层6；一设置在P型氮化物基化合物半导体接触层6上的P型氮化物基化合物半导体层5；一设置在P型氮化物基化合物半导体层5上的MQW发光层4；一设置在MQW发光层4上的N型氮化物基化合物半导体层3；以及一设置在N型氮化物基化合物半导体层3上的AlGaN缓冲层2B。每一层具有预设的厚度。
氮化物基化合物半导体层3由例如一N型GaN层形成。
沟槽11A围绕AlGaN缓冲层2B的大致中心部分形成，从图5中箭头A所示的方向观察，沟槽11A具有大致正方形的形状。沟槽11A具有到达N型氮化物基化合物半导体层3的深度，使得沿沟槽11A暴露部分N型氮化物基化合物半导体层3。AlGaN缓冲层2B在其大致中心部分具有由沟槽11A限定的大致正方形形状的电极形成部分16。
在相对于沟槽11A的外部周边侧形成沟槽11B，因而从图5中箭头A所示的方向观察，沟槽11B具有大致正方形的形状。沟槽11B具有到达N型氮化物基化合物半导体层3的深度，使得沿沟槽11B暴露部分N型氮化物基化合物半导体层3。从图5中箭头A所示的方向观察，沟槽11A和沟槽11B限定的正方形的中心位于相同的位置。沟槽11A具有正方形形状，正方形的每边长大约80μm。沟槽11A的宽度大约10μm。沟槽11B具有正方形形状，正方形的每边长大约150μm。沟槽11B的宽度大约15μm。
N型焊点电极8形成在电极形成部分16上。在AlGaN缓冲层2B顶表面除了电极形成部分16形成的区域以外的区域中形成N型氧化物半导体层7A，使其覆盖沟槽11A和11B以及N型焊点电极8的侧表面和部分顶表面。这使得N型氮化物基化合物半导体层3和N型焊点电极8通过N型氧化物半导体层7A电连接到一起。把Au导线14接合到N型焊点电极8上以从外部向N型焊点电极8供给电流。
由金属薄膜形成的P型电极12和P型基底电极13阻挡了MQW发光层4发射的光。AlGaN缓冲层2B由透明材料构成，因此透射MQW发光层4发射的光。因此，AlGaN缓冲层2B的顶表面被用作氮化物基化合物半导体发光元件30的主发光表面。
下面，将逐步描述图5的氮化物基化合物半导体发光元件30的制造方法。
图6示出了氮化物基化合物半导体发光元件30的制造步骤。
步骤S61：采用MOCVD设备在Si衬底1上依次沉积AlGaN缓冲层2B，N型氮化物基化合物半导体层3，MQW发光层4，P型氮化物基化合物半导体层5，和P型氮化物基化合物半导体接触层6，每一层具有预设的厚度。
更具体地，首先清洗Si衬底1的顶表面。然后，把Si衬底1放置在MOCVD设备内。在MOCVD设备内在Si衬底1上沉积AlGaN缓冲层2B使其具有大约200nm的厚度。N型氮化物基化合物半导体层3，MQW发光层4，P型氮化物基化合物半导体层5和P型氮化物基化合物半导体接触层6依次沉积在AlGaN缓冲层2B上，使其厚度分别是大约650nm、45nm、25nm和250nm，由此得到了晶片80。
步骤S62：把晶片80从MOCVD设备中移出并在P型氮化物基化合物半导体接触层6上形成作为P型电极12的Pd(钯)，使其具有大约60nm的厚度。然后，在P型电极12上形成作为P型基底电极13的Ni(镍)，使其具有大约100μm的厚度。
步骤S63：采用氢氟酸基蚀刻剂除去Si衬底1，该氢氟酸基蚀刻剂是一种氢氟酸∶硝酸∶乙酸的配比为10∶5∶3的混合液。应当注意蚀刻剂不限于上述的混合液。
步骤S64：采用氯基气体通过干法刻蚀，例如RIE，刻蚀AlGaN缓冲层2B以暴露部分N型氮化物基化合物半导体层3。结果，围绕AlGaN缓冲层2B的大致中心部分形成具有正方形形状的沟槽11A，其中正方形的每一边长是大约80μm，并且在相对于沟槽11A的外部周边侧形成具有正方形形状的沟槽11B，其中正方形的每一边长是大约150μm。沟槽11A和11B的宽度分别是大约10μm和大约15μm。在AlGaN缓冲层2B的大致中心部分中形成由沟槽11A限定的电极形成部分16。
步骤S65：在电极形成部分16上形成作为N型焊点电极8的Au，使其具有大约1.0μm的厚度，其中电极形成部分16形成在AlGaN缓冲层2B上。
步骤S66：在AlGaN缓冲层2B顶表面除了电极形成部分16形成的区域以外的区域中沉积透明导体的N型氧化物半导体层7A，使其覆盖沟槽11A和11B以及N型焊点电极8的侧表面和部分顶表面。N型氧化物半导体层7A的厚度大约是250nm。N型氧化物半导体层7A是例如，掺杂Sn的In2O3的ITO。这使得N型氮化物基化合物半导体层3和N型焊点电极8通过N型氧化物半导体层7A电连接到一起。以这种方式，得到了如图5所示的叠层体9B。
步骤S67：接着，由图5中箭头A所示的方向观察，叠层体9B被分成正方形小块，每块具有400μm×400μm的面积。把每一正方形小块安装在引线框上，使得P型基底电极13接触引线框盘(cup)的底部。接着，把Au导线14接合到N型焊点电极8。以这种方式，得到了图5的氮化物基化合物半导体发光元件30。除了形成N型焊点电极8的区域以外的AlGaN缓冲层2B顶表面的区域被用作氮化物基化合物发光元件30的主发光表面。应当注意，上面描述的每一层的厚度仅作为例子示出。
下面，将参照图5描述按照上述步骤S61-S67得到的氮化物基化合物发光元件30的工作方式。通过Au导线14供给到N型焊点电极8的电流，通过N型氧化物半导体层7A和N型氮化物基化合物半导体层3被注入到MQW发光层4。电流注入其中的MQW发光层4发光。MQW发光层4发射的光穿过N型氮化物基化合物半导体层3并通过主发光表面向上射出，即如图5所示箭头A的反方向，该主发光表面对应于AlGaN缓冲层2B顶表面除了形成N型焊点电极8区域以外的区域。
在本发明实施例3中，氮化物基化合物发光元件30被构造成利用N型氧化物半导体层7A把N型氮化物基化合物半导体层3和N型焊点电极8连接到一起。但是本发明并不限于此。还可以采用一种多层结构，在沟槽11A和11B中形成由超薄金属薄膜构成的透光电极，并形成N型氧化物半导体层7A以覆盖该透光电极。
此外，实施例3中示出了采用ITO作为N型氧化物半导体层7A的举例，还可以采用掺杂锑或镓的SnO2(锡氧化物)或掺杂铝或镓的ZnO(锌氧化物)作为N型氧化物半导体层7A。
根据上面的描述，根据本发明的实施例3，AlGaN缓冲层2B设置在N型氮化物基化合物半导体层3上。通过N型氧化物半导体层7A将沟槽11A和11B电连接到一起，其中沟槽11A和11B形成在AlGaN缓冲层2B中具有到达N型氮化物基化合物半导体层3和N型焊点电极8的深度，N型焊点电极8形成在AlGaN缓冲层2B的电极形成部分16上。也就是说，N型焊点电极8不是直接形成在N型氮化物基化合物半导体层3上。因此，实施例3得到了与实施例1相似的效果。
此外，N型氧化物半导体层7A具有比实施例1中N型透明电极薄膜厚的厚度，由此与实施例1比较就有可能均匀地向MQW发光层4注入电流。因此，就能得到一种发光更为均匀的氮化物基化合物半导体发光元件。
此外，N型氧化物半导体层7A具有透明性，因此不会阻挡MQW发光层4发射的光。
(实施例4)
图7是根据本发明实施例4的氮化物基化合物半导体发光元件40的平面图。在图7中，与参照图1描述的实施例1的氮化物基化合物半导体发光元件10相同的元件被表示为相同的附图标记，并将省略对它们的说明。根据实施例4的氮化物基化合物半导体发光元件40与根据实施例1的氮化物基化合物半导体发光元件10的区别在于叠层体9被设置为使边缘部分15覆盖叠层体9并围绕叠层体9的侧表面，并且N型焊点电极8和Au导线14被置在边缘部分15上。
氮化物基化合物半导体发光元件40包括大致呈直角平行六面体形状的叠层体9和呈中空(hollowed)直角平行六面体形状的边缘部分15，边缘部分15在叠层体9的侧表面四周围绕叠层体9。注意到在边缘部分15上没有设置发光区域。
与参照图1描述的实施例1的氮化物基化合物半导体发光元件10相似，叠层体9包括：一大致呈直角平行六面体形状的P型基底电极13；一设置在P型基底电极13上的P型电极12；一设置在P型电极12上的P型氮化物基化合物半导体接触层6；一设置在P型氮化物基化合物半导体接触层6上的P型氮化物基化合物半导体层5；一设置在P型氮化物基化合物半导体层5上的MQW发光层4；一设置在MQW发光层4上的N型氮化物基化合物半导体层3；以及一设置在N型氮化物基化合物半导体层3上的AlN缓冲层2。每层具有预设的厚度。围绕AlN缓冲层2的大致中心部分形成沟槽11使其具有到达N型氮化物基化合物半导体层3的深度。沟槽11具有大致方框形状。
形成一N型透明电极7使其覆盖沟槽11。这使得N型氮化物基化合物半导体层3和N型透明电极7电连接在一起。在边缘部分15的一角上形成一绝缘层18使其邻近AlN缓冲层2。绝缘层18由SiO2或类似物构成。绝缘层18可以是高阻层。
在绝缘层18上形成一N型焊点电极8。形成一连接层28把N型透明电极7和N型焊点电极8电连接到一起。这使得N型氮化物基化合物半导体层3和N型焊点电极8通过N型透明电极7和连接层28电连接在一起。
把一Au导线14接合到N型焊点电极8上以从外部向N型焊点电极8供给电流。
在具有上述结构的氮化物基化合物半导体发光元件40中，当电流由Au导线14供给到N型焊点电极8时，电流通过连接层28、N型透明电极7和N型氮化物基化合物半导体层3被注入到MQW发光层4。电流注入其中的MQW发光层4发光。MQW发光层4发射的光穿过N型氮化物基化合物半导体层3并由形成在AlN缓冲层2上的主发光表面射出。
根据上述描述，根据本发明的实施例4，N型焊点电极8形成在边缘部分15的一角上，边缘部分15在叠层体9的侧表面四周围绕叠层体9。也就是说，焊点电极8不是形成在光发射的区域，也没有直接形成在N型氮化物基化合物半导体层3上。在形成N型焊点电极8时，在N型氮化物基化合物半导体层3和MQW发光层4中产生的应力进一步减小。因此，基本上不可能对N型氮化物基化合物半导体层3和MQW发光层4造成任何裂纹。
此外，因为N型焊点电极8形成在边缘部分15的一角上，在将Au导线接合到N型焊点电极8上时，对N型氮化物基化合物半导体层3和MQW发光层4造成的机械损伤进一步减小。因此，基本上不可能对N型氮化物基化合物半导体层3和MQW发光层4造成任何裂纹。
此外，因为N型焊点电极8形成在边缘部分15的一角上，边缘部分15在叠层体9的侧表面四周围绕叠层体9，所以N型焊点电极8不会阻挡由MQW发光层4发射的光。因此，就能进一步提高氮化物基化合物半导体元件的发光效率。
(实施例5)
图8是根据本发明实施例5的氮化物基化合物半导体发光元件50的前视截面图。在图8中，与参照图1描述的实施例1的氮化物基化合物半导体发光元件10相同的元件被表示为相同的附图标记，并将省略对它们的说明。根据实施例5的氮化物基化合物半导体发光元件50中，通过形成N型薄膜金属电极7B以取代形成N型透明电极7。与根据本发明实施例1的N型透光电极7不同的是，N型薄膜金属电极7B不是形成在AlN缓冲层2的电极形成部分16上。
与根据实施例1的氮化物基化合物半导体发光元件10相似，氮化物基化合物半导体发光元件50包括一大致呈直角平行六面体形状的叠层体9C。在电极形成部分形成部分16上形成一N型焊点电极8。在沟槽11中形成一N型薄膜金属电极7B使其覆盖N型焊点电极8的侧表面及部分顶表面。把一Au导线14接合到N型焊点电极8上以从外部向N型焊点电极8供给电流。
具有上述结构的氮化物基化合物半导体发光元件50通过下述的方法制造。与本发明实施例1相似，实施如图2所示的步骤S1-S4形成P型电极12和P型基底电极13，并在除去Si衬底1之后，在AlN缓冲层2中形成沟槽11。
步骤S5′：在电极形成部分16上形成作为N型焊点电极8的Au，使其具有大约0.5μm的厚度。
步骤S6′：形成大约15nm厚的作为N型薄膜金属电极7B的Ti，使其覆盖沟槽11和N型焊点电极8的侧表面及部分顶表面。形成大约150μm厚的Al。这使得N型氮化物基化合物半导体层3和N型焊点电极8通过N型薄膜金属电极7B电连接在一起。
下面，将描述按照上述步骤得到的氮化物基化合物发光元件50的工作方式。通过Au导线供给到N型焊点电极8的电流，通过N型薄膜金属电极7B和N型氮化物基化合物半导体层3被注入到MQW发光层4。电流注入其中的MQW发光层4发光。由MQW发光层4发射的光穿过N型氮化物基化合物半导体层3并由主发光表面向上射出，主发光表面对应于AlN缓冲层2顶表面除了形成N型焊点电极8区域以外的区域。
以这种方式，根据本发明的实施例5，AlN缓冲层2设置在N型氮化物基化合物半导体层3上。根据上文描述，N型氮化物基化合物半导体层3和N型焊点电极8通过N型薄膜金属电极7B电连接到一起。也就是说，N型焊点电极8不是直接形成在N型氮化物基化合物半导体层3上。因此，实施例5可以得到与实施例1相似的效果。
此外，N型薄膜金属电极7B由比实施例1中N型透明电极7厚的薄膜金属构成，因此不必非常准确地控制N型薄膜金属电极7B的厚度。因此，就有可能提高制造氮化物基化合物半导体发光元件的生产率。
根据上文描述，根据本发明，就能提供一种具有高发光稳定性的氮化物基化合物半导体发光元件及其制造方法。
此外，根据本发明，就有可能提供一种具有基本上不可能产生裂纹的氮化物基化合物半导体发光元件及其制造方法。
此外，根据本发明，就有可能提供一种具有高发光效率的氮化物基化合物半导体发光元件及其制造方法。
对本领域的技术人员而言，在不脱离本发明的范围和精神的条件下，各种其它的改进是明显和容易做出的。因此，不应将这里所附权利要求的范围限制于此处所陈述的说明，应当宽范围地解释。

Claims (20)

1.一种氮化物基化合物半导体发光元件包括：
一P型电极；
一设置在该P型电极上的P型氮化物基化合物半导体层；
一设置在该P型氮化物基化合物半导体层上且发光的发光层；
一设置在该发光层上且透射该发光层发射的光的第一氮化物基化合物半导体层；
一设置在该第一氮化物基化合物半导体层上且透光的缓冲层，其中该缓冲层由AlN或氮化物基化合物半导体材料形成，并且在该缓冲层中形成一沟槽以暴露部分该第一氮化物基化合物半导体层；以及
一N型电极设置来覆盖该沟槽并电连接到该第一氮化物基化合物半导体层。
2.根据权利要求1的氮化物基化合物半导体发光元件，其中该第一氮化物基化合物半导体层由选自GaN和InGaN组成组中的至少一种材料构成。
3.根据权利要求1的氮化物基化合物半导体发光元件，其中该缓冲层被沉积来覆盖该第一氮化物基化合物半导体层的整个表面。
4.根据权利要求1的氮化物基化合物半导体发光元件，其中：
该缓冲层具有一由该沟槽限定的电极形成部分；以及
该N型电极被形成以覆盖该沟槽和该电极形成部分。
5.根据权利要求4的氮化物基化合物半导体发光元件，还包括一设置在形成在该电极形成部分上的该N型电极上并且电连接到该N型电极的焊点电极，其中该焊点电极向该第一氮化物基化合物半导体层和该发光层注入电流。
6.根据权利要求1的氮化物基化合物半导体发光元件，其中：
该缓冲层包括一由该沟槽限定的电极形成部分；以及
该元件还包括一设置在该电极形成部分上并电连接到该N型电极的焊点电极。
7.根据权利要求1的氮化物基化合物半导体发光元件，还包括一设置在不阻挡该发光层发射的光的位置上并电连接到该N型电极的焊点电极。
8.根据权利要求1的氮化物基化合物半导体发光元件，其中该N型电极是包含金属的透明薄膜。
9.根据权利要求1的氮化物基化合物半导体发光元件，其中该N型电极是透明导电的氧化物半导体。
10.根据权利要求1的氮化物基化合物半导体发光元件，还包括一在该P型电极下面的导电层，其中该导电层支撑一叠层体，该叠层体包括：该P型电极，该P型氮化物基化合物半导体层，该发光层，该第一氮化物基化合物半导体层，该缓冲层，以及该N型电极。
11.根据权利要求10的氮化物基化合物半导体发光元件，其中该导电层是一由电镀形成的金属层。
12.根据权利要求10的氮化物基化合物半导体发光元件，其中该导电层是由接合到该P型电极上的金属板或是半导体衬底形成。
13.一种制造氮化物基化合物半导体发光元件的方法，包括步骤：
在一衬底上依次形成一由AlN或氮化物基化合物半导体材料构成的缓冲层，一层第一氮化物基化合物半导体层，一发光层，以及一P型氮化物基化合物半导体层；
在该P型氮化物基化合物半导体层上形成一P型电极；
在该P型电极上形成一导电层；
在该导电层形成之后除去该衬底；
在除去该衬底后在该缓冲层中形成一沟槽，以暴露部分该第一氮化物基化合物半导体层；以及
形成一N型电极，使其覆盖为暴露部分该第一氮化物基化合物半导体层而形成的该沟槽，并电连接到该第一氮化物基化合物半导体层。
14.根据权利要求13的制造氮化物基化合物半导体发光元件的方法，其中该衬底是一硅衬底。
15.根据权利要求13的制造氮化物基化合物半导体发光元件的方法，其中除去该衬底的步骤包括采用至少由氢氟酸、硝酸、乙酸混合在一起形成的混合液通过刻蚀除去该衬底。
16.根据权利要求13的制造氮化物基化合物半导体发光元件的方法，其中该N型电极具有透明性。
17.根据权利要求13的制造氮化物基化合物半导体发光元件的方法，还包括步骤：设置一电连接到该N型电极上的焊点电极，用于向该发光层和该第一氮化物基化合物半导体层注入电流。
18.根据权利要求17的制造氮化物基化合物半导体发光元件的方法，其中：
形成该N型电极的步骤包括形成一N型电极，使其覆盖该沟槽和由该沟槽限定的位于该缓冲层表面上的一电极形成部分；以及
形成该焊点电极的步骤包括在该电极形成部分上形成的该N型电极上设置该焊点电极。
19.根据权利要求17的制造氮化物基化合物半导体发光元件的方法，其中设置该焊点电极包括在一位置上设置该焊点电极，以不阻挡该发光层发出的光。
20.一种制造氮化物基化合物半导体发光元件的方法，包括步骤：
在一衬底上依次形成一由AlN或氮化物基化合物半导体材料构成的缓冲层，一层第一氮化物基化合物半导体层，一发光层，以及一P型氮化物基化合物半导体层；
除去该衬底；
在除去该衬底后在该P型氮化物基化合物半导体层上形成一P型电极；
在该P型电极上形成一导电层；
在该缓冲层中形成一沟槽，以暴露部分该第一氮化物基化合物半导体层；以及
形成一N型电极，使其覆盖为暴露部分该第一氮化物基化合物半导体层而形成的该沟槽。
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