CN100350636C - 半导体发光器件及其制造方法、以及电极层连接结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及半导体发光器件及其制造方法、以及电极层连接结构。在一构造成经过其衬底引出光的半导体发光器件中，电极层形成在有源层上形成的p型半导体层(例如p型GaN层)上，且镍层形成为电极层和p型半导体层之间的且在厚度上被调整为不超出有源层中产生的光的穿透深度的接触金属层。由于镍层充分薄，所以反射效率可以提高。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用氮化物半导体等制造的半导体发光器件，其制造方法和电极层连接结构。更具体地，本发明涉及一种类型的半导体发光器件、其制造方法和电极层的连接结构，该类型的器件用沉积在有源层上的电极层反射有源层中产生的光。
背景技术
氮化镓系化合物半导体越来越多地用作可见光发射器件的半导体材料，其发展尤其在蓝光和绿光发光二极管方面得以进行。通常，发光二极管在蓝宝石衬底等上面具有通过氮化镓系化合物半导体层的晶体生长所获得的n型半导体层、有源层和p型半导体层的顺序沉积的结构。在发光二极管具有这种多层结构的情形下，电流被引入有源层，有源层中产生的光向外发出。
对于这种类型的半导体发光器件，已经有了构造成通过透明衬底引出自有源层向上行进的光的结构，以及构造成通过透明衬底引出自有源层向下行进的光的结构。在构造成通过透明衬底引出光的这些结构中，有一种具有一种结构的器件，该结构将连接到p型半导体层上的电极用作反射层。例如，已有了日本专利申请公报平成11-191641公开的发光二极管器件、日本专利申请公报平成11-220170公开的发光二极管器件、以及日本专利申请公报2000-91638公开的半导体发光器件。
在构造成在p侧电极界面上反射半导体发光器件中发射的光的这些器件中，由于被p侧电极界面反射的光添加到穿过衬底的光中作为经过衬底的输出光，所以发光器件的发射效率可以提高。对于日本专利申请公报平成11-191641中所公开的器件和日本专利申请公报2000-91638中所公开的半导体发光器件，具有公知的结构，即形成接触金属层以用于p型半导体层和用作反射层的电极层之间的欧姆接触。
然而，即使在为了确保与p侧半导体层的可靠接触的目的而形成接触层的情形下，如果接触层的厚度厚至例如约50nm，则难以提高反射率，且需要提高其自身的反射结构，包括对越来越高的发光效率需求的接触金属层。
因此，本发明的目的是提供一种能实现更高发射效率的半导体发光器件及其制造方法，并提供一种能实现更高效率的电极层的连接结构。
发明内容
根据本发明的一种半导体发光器件，该器件包括顺序沉积在光学透明衬底上的第一导电类型的半导体层、有源层和第二导电类型的半导体层，该器件包括：形成在有源层上的第二导电类型的半导体层上的电极层；以及一种由Ni、Pd、Co或Sb制造的接触金属层，其间插在电极层和第二导电类型的半导体层之间，并且在厚度上得以调节以不超出有源层中产生的光的穿透深度(intrusion length)。
对于以上概述的半导体发光器件，由于第一导电类型的半导体层、有源层和第二导电类型的半导体层顺序叠置，所以有源层可通过注入其中的电流产生光。因为衬底是光学透明的，所以有源层中产生的光通过衬底辐射，但有源层中产生的光的一部分向第二导电类型的半导体层行进。因为，电极层重叠第二导电类型的半导体层，所以其界面可反射向此半导体层行进的光。于是，向第二导电类型的半导体层行进的光反射向衬底。因为接触金属层间插在电极层和第二导电类型的半导体层之间，且其厚度被调节成不超过所产生的光的穿透深度，所以电极层导致的反射率可提高，同时确保欧姆接触，相应地可提高整个器件的发射效率。
一种制造根据本发明的半导体发光器件的方法，其包括步骤：在光学透明衬底上顺序沉积第一导电类型的半导体层、有源层和第二导电类型的半导体层；在第二导电类型的半导体层上形成由Ni、Pd、Co或Sb制造的接触金属层，该接触金属层在厚度上被调节得不超过有源层中产生的光的穿透深度；以及在接触金属层上形成电极层。
在半导体发光器件的以上概述制造方法中，在第二导电类型的半导体层形成后，接触金属层在厚度上被调节得不超过有源层中产生的光的穿透深度，并且在形成具有该厚度的接触金属层后，形成电极层。因此，具有不超过有源层中产生的光的穿透深度的厚度的接触金属层可通过电极层提高反射率，同时确保欧姆接触，且向光学透明衬底反射的强度可相应提高。
一种根据本发明的电极层连接结构，其包括：光学透明半导体层；形成在该半导体层上、且在厚度上被调节成不超过穿过该半导体层的光的穿透深度的由Ni、Pd、Co或Sb制造的接触金属层；以及形成在该接触金属层上的电极层。通过电极层的这种连接结构，与半导体发光器件相似，因为接触金属层间插在电极层和半导体层之间，且在厚度上调节为不超过所产生的光的穿透深度，所以电极层导致的反射率可以提高，同时确保欧姆接触。
附图说明
图1是根据本发明第一实施例的半导体发光器件的横截面视图；
图2是根据本发明第一实施例的半导体发光器件的主体部分的横截面视图；
图3是一特性曲线图，示出了计算所得的GaN/Ni/Ag结构的反射率与Ni膜厚度的相关性；
图4是一特性曲线图，示出了计算所得的GaN/Ni/Al结构的反射率与Ni膜厚度的相关性；
图5是一特性曲线图，示出了计算所得的GaN/Ni/Au结构的反射率与Ni膜厚度的相关性；以及
图6是根据本发明第二实施例由选择性生长形成的半导体发光器件的横截面视图。
具体实施方式
以下将参照附图说明本发明的具体实施例。
第一实施例
图1是根据本发明当前实施例的半导体发光器件的横截面视图。根据第一实施例的半导体发光器件包括堆叠GaN化合物半导体形成的发光部分。即，在借助于GaN缓冲层的绝缘透明蓝宝石衬底11上，层叠掺杂硅的n型GaN层12、发射光的InGaN有源层13、以及掺杂有镁的p型GaN层14。硅掺杂的n型GaN层12用作第一导电类型的包层，掺杂有镁的p型GaN层14用作第二导电类型的包层。于是该器件具有双异质结构。
在作为第二导电类型的包层的p型GaN层14上，形成作为用于欧姆接触的接触金属层的镍层15。镍层15的厚度被调节为不超过以下所述的有源层中产生的光的穿透深度。在此实施例中，厚度例如约为10nm。p侧电极层16形成在镍层15上。p侧电极层16是铝或银的薄膜，使得穿过作为接触金属层的镍层15的光被与p侧电极层16的界面反射。虽然此实施例中使用的p侧电极层16为铝或银的薄膜，但是其可以是铝或银薄膜上的金或铂金属层。
通过首先在整个表面上堆叠n型GaN层12、InGaN有源层13和p型GaN层14，然后形成n侧电极引出区(extracting region)17，n侧电极18得以形成，从而位于n侧电极引出区17上以与n型GaN层12电连接，n型GaN层12在n侧电极引出区17处通过形成开口而露出。n侧电极层18具有Ti/Al/Pt/Au电极结构。
图2是本发明第一实施例的主要部分的横截面视图。如图2所示，当前实施例的半导体发光器件具有将InGaN有源层13间插在作为包层的n型GaN层12和p型GaN层14之间的双异质结构(double-hetero structure)。作为用于形成欧姆接触的接触金属层的镍层15形成在p型GaN层14上，且铝或银的p侧电极层16形成在镍层15上。镍层15的厚度t被调整为不超过有源层13中产生的光的穿透深度λ。此实施例中，厚度约为10nm，但可以根据所产生的光改变，或可以根据通过例如气相沉积或电镀形成的膜的质量来改变。当光被金属表面反射时，作为具有能量的电磁波的光自金属表面进入金属至离开金属表面的所谓的穿透深度的深度。在全反射的情形中，光发生反射，同时通过声子相互作用获得同样的能量。另一方面，即使具有极薄的膜，欧姆接触可以获得。通过发明人的试验发现，即使镍层15极薄至1nm，也存在发光操作。因此，当镍层15的厚度t调整到不超过有源层13中产生的光的穿透深度λ时，可以提高重叠的p型GaN层14的反射效率。
鉴于此，镍层15的厚度t优选地不厚过20nm，更优选地不厚过10nm，再优选地不厚过5nm。厚度t的这种范围还可由图3至图5的曲线图说明，图3至图5显示了镍层厚度与反射率之间的关系。
图3示出了通过反射发射的光，同时改变包括GaN、Ni和Ag层的叠层结构中Ni层厚度获得的反射率计算值。如图3所示，当Ni层薄时，反射率较高，并且随着Ni层变厚倾向于降低。如图3所示，在厚度超过20nm的情形中，对应的反射率在绝对值上为0.4或更低。因此，为了获得不低于0.4的反射率，Ni层厚度必须限制为不超过20nm，且优选地其被限制为不超过10nm。如果需要0.6或以上的反射率，Ni层厚度优选地限制为不超过5nm。
图4示出了通过反射发射的光，同时改变包括GaN、Ni和Al层的叠层结构中Ni层厚度获得的反射率计算值。如图3所示，当Ni层薄时，反射率较高，并且随着Ni层变厚倾向于降低。如图4所示，类似于包括Ag层的结构，在厚度超过20nm的情形中，对应的反射率在绝对值上为0.5或更低。因此，为了获得不低于0.5的反射率，Ni层厚度必须限制为不超过20nm，且优选地其被限制为不超过10nm。当厚度为10nm或更小时，反射率变为0.6或更高。因此，更优选地，Ni层厚度优选地调整为不超过5nm。
图5是一曲线图，示出了包括GaN、Ni和Au层的叠层结构反射率的计算值。此将Au用作电极层的结构即使在Ni层变薄时也未体现出增加反射率的趋势。通过与图5相比，显然，p侧电极的优选金属材料为Ag或Al。
如上所述，在构造成通过透明蓝宝石衬底11引出光的半导体发光器件中，由于从InGaN有源层13输出的光为直接经过n型GaN层12和蓝宝石衬底11的光与由p侧电极层16反射回的光的总和，且光从p侧电极层16反射的效率通过减薄和优化作为接触金属层的镍层15而提高，所以总体上器件的发射效率可实现。
虽然前述实施例已经以蓝宝石衬底作为其衬底而得以阐述，但是其它光学透明衬底也可使用，例如氮化镓衬底、玻璃衬底、透明树脂衬底等等。还可以使用一衬底以通过例如转印而独立于通过晶体生长获得的衬底而安装。已经被说明为Ni的接触金属层可以由Pd、Co、Sb等，或任何合金形成。
第二实施例
此实施例针对具有通过选择性生长获得的六面金字塔形晶体部分的半导体发光器件。如图6所示，该半导体发光器件具有一结构，该结构具有形成在基础生长层22上的例如呈氧化硅膜形式的生长抑制膜23、和通过选择性生长自部分开口生长抑制膜23形成的窗口24形成的n型GaN层25。该基础生长层22为这样一个层，该层生长而叠置于借助缓冲层的具有c取向主表面的蓝宝石衬底上，且通过蓝宝石衬底和基础生长层22之间利用激光辐射的激光烧蚀从蓝宝石衬底上分离，该激光辐射来自蓝宝石衬底底面之外。
选择性生长将自基础生长层22生长的n型GaN层25成形为六边金字塔或四边金字塔，且S取向的斜面环绕其周界。在n型GaN层25上形成InGaN有源层26，且进一步在其上叠置镁掺杂的p型GaN层27。n型GaN层25用作第一导电类型的包层，p型GaN层27用作第二导电类型的包层。于是，根据当前实施例的半导体发光器件具有双异质结构。
在半导体多层结构上，镍层28形成为接触金属层，以覆盖斜面，且p侧电极层29由诸如Ag或Al的金属材料形成在镍层28上。图6中用直线表示的镍层是用于欧姆接触的薄膜。镍层28的厚度被调节成不超过有源层中产生的光的穿透深度。在此实施例中，其例如约为10nm。重叠镍层28的p侧电极层29用于在p侧电极层29的界面处反射经过镍层28的光。尤其在此实施例中，p侧电极层29以自对准方式包围InGaN有源层26，以形成一类似反射器的结构，该结构的中心在六边金字塔的顶点处，使得光可以在多次反射的同时得以高效地引出。因此，通过调节镍层28的厚度以不超过InGaN有源层26中产生的光的穿透深度，可以提高反射表面的反射率，并提高光通量(throughout)。本发明人的试验获得了数据，即具有其厚度受控以不超过光的穿透深度的镍层28的此结构具有高至约1.7倍于镍层28厚度不受控的结构的发射效率。
基础生长层22的一部分水平延伸而超出n型GaN层25的底部。在与层22水平的延伸部分上，部分去除生长抑制膜23以形成开口30，在开口30内形成n侧电极层31。n侧电极层31例如具有Ti/Al/Pt/Au电极结构。
在上述实施例中，p侧电极层16是例如铝或银的薄膜，但是其可以具有一结构，该结构包括一叠置于铝或银层上的金、铂等金属层。
在根据此实施例的具有该结构的半导体发光器件中，因为自InGaN有源层26输出的光是直接经过n型GaN层25和基础生长层22的光与由p侧电极层29背反射的光的总和，且来自p侧电极层29的光反射效率通过减薄和优化作为接触金属层的镍层28而提高，所以可以实现器件整体的发射效率。此外，在根据本实施例的半导体发光器件中，由于六边金字塔形晶体结构通过选择性生长获得，且例如GaN层的S取向面的倾斜表面上自对准形成的p侧电极层29作为导致多重反射的反射膜，所以还可实现更高的反射率。
虽然已经结合根据本发明的半导体发光器件的电极层结构在发光二极管中的应用阐述了前述实施例，但是本发明还可用于半导体激光器和其它光学半导体器件。虽然根据本发明的半导体发光器件不限于发射波长，但是在用于发射蓝光的器件的情形中，p侧电极层优选地由Ag或Al制成。此外，已阐述为由Ni制造的接触金属层可以取而代之地由Pd、Co或Sb，或其任意合金制造。
如上所述，根据本发明的半导体发光器件，由于通过透明衬底引出的光是从有源层直接穿过n型GaN层的光与从p侧电极层反射回的光的总和，且来自p侧电极层的光的反射效率通过减薄和优化接触金属层而提高，所以可以轻易地实现器件的整体发光效率。
此外，在半导体层由选择生长形成时，因为可以获得例如呈六边金字塔形式的金字塔形晶体结构，且以自对准方式形成在GaN层的例如S取向面的倾斜表面上的p侧电极层用作导致多重反射的反射膜，所以还可实现更高的反射率。
Claims (13)
1.一种半导体发光器件，该器件包括顺序沉积在光学透明衬底上的第一导电类型的半导体层、有源层和第二导电类型的半导体层，该器件包括：形成在所述有源层上的所述第二导电类型的半导体层上的电极层；以及一种由Ni、Pd、Co或Sb制造的接触金属层，其间插在所述电极层和所述第二导电类型的半导体层之间，并且在厚度上调节得不超出所述有源层中产生的所发射的光的穿透深度。
2.如权利要求1所述的半导体发光器件，其中，所述第一导电类型的半导体层、所述有源层和所述第二导电类型的半导体层为氮化物系化合物半导体层。
3.如权利要求1所述的半导体发光器件，其中，所述第一导电类型的半导体层、所述有源层和所述第二导电类型的半导体层分别是通过选择性生长形成的选择性生长层。
4.如权利要求3所述的半导体发光器件，其中，所述选择性生长层生长成六边金字塔形式，且所述接触金属层和所述电极层形成在该六边金字塔的倾斜周面上。
5.如权利要求1所述的半导体发光器件，其中，所述光学透明衬底是蓝宝石衬底、氮化镓衬底、玻璃衬底和透明树脂衬底中的一种。
6.如权利要求1所述的半导体发光器件，其中，所述接触金属层由能与所述第二导电类型的半导体层欧姆接触的材料制造。
7.如权利要求1所述的半导体发光器件，其中，所述接触金属层在厚度上被调节得不超过20nm。
8.如权利要求1所述的半导体发光器件，其中，所述接触金属层在厚度上被调节得不超过10nm。
9.如权利要求1所述的半导体发光器件，其中，所述接触金属层在厚度上被调节得不超过5nm。
10.如权利要求1所述的半导体发光器件，其中，所述电极层用于反射所述有源层中产生的光。
11.如权利要求1所述的半导体发光器件，其中，所述电极层由Ag、Al形成，或者由Ag或Al层与另一种金属层结合形成。
12.一种制造半导体发光器件的方法，包括步骤：
在光学透明衬底上顺序沉积第一导电类型的半导体层、有源层和第二导电类型的半导体层；
在所述第二导电类型的半导体层上形成由Ni、Pd、Co或Sb制造的接触金属层，该接触金属层在厚度上被调节得不超过所述有源层中产生的光的穿透深度；以及
在所述接触金属层上形成电极层。
13.一种电极层连接结构，包括：
光学透明半导体层；
由Ni、Pd、Co或Sb制造的接触金属层，其形成在所述半导体层上，且在厚度上被调节成不超过穿过所述半导体层的光的穿透深度；以及
形成在所述接触金属层上的电极层。
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