CN100376042C - 半导体发光元件 - Google Patents
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Abstract
一种半导体发光元件，其可得到均匀的发光的同时，可实现半导体发光元件的小型化。其具有：n型GaAs衬底(3)；由n型AlInP下涂敷层(4a)、AlGaInP活性层(5)以及p型AlInP上涂敷层(4b)构成的发光区域层(6)；p型AlGaInP电流扩散层(9)；由AuZn构成的p型电极(10)；还具有用于将发光限制在电流扩散层(9)的发光区域层(6)侧而部分形成的n型GaP电流阻止层(8)；由AuGe构成的n型电极(2)。其中，通过由中央区域部分(8a)和从该中央区域部分(8a)介由电流扩散层(9)的区域部分包围的外侧区域部分(8b)形成电流阻止层(8)，从而将在光取出侧面得到的发光部分(7)形成为环状，并且使电极(10)朝向所述中央区域部分(8a)。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体发光元件，具体地，涉及一种在光取出侧的面得到的发光部分形成为环状的半导体发光元件。
背景技术
图8～图10是现有的半导体发光元件的图，其中，图8是平面图，图9是剖面图，图10是发光状态说明图(例如参照专利文献1)
在图8～图10中，半导体发光元件21在背面具备电极22的衬底23上顺次具有由下涂敷层24a、活性层25以及上涂敷层24b构成的发光区域层(发光层)26、电流扩散层29、电极30，在电流扩散层29内发光区域层26侧的中央部分还具有电流阻止层28。该电流阻止层28形成在与电流扩散层29上的电极30相对的位置。
从电极30注入电流扩散层29的电流扩展到电流阻止层28的周边部，注入发光区域层26，发光部27发光。由此，在电极30正下方以外可以发光，产生的光不会被电极30遮蔽，效率提高。
图11～图13是现有其它的半导体发光元件的图，其中，图11是平面图，图12是剖面图，图13是发光状态说明图(例如参照专利文献2)。
在图11～图13中，半导体发光元件41在背面具备电极42的衬底43上顺次具有由下涂敷层44a、活性层45以及上涂敷层44b构成的发光区域层(发光层)46、电流扩散层49、电极50，在电流扩散层49内发光区域层46侧的外周部分还具有电流阻止层(电流狭窄层)48。电极50的中央部分具有开口，形成在与电流阻止层48相对的位置。
从电极50注入电流扩散层49的电流集中到元件中心部，注入发光区域层46，发光部47发光。因为电流集中至元件中心部，因此元件中心部的电流密度增大。因为电流密度一旦增大，不发光而再耦合的电流的比例变小，所以光度提高。
专利文献1：特开平4-229665号公报
专利文献2：特开平11-26810号公报
但是图8～图10的结构中，因为电流自由扩展到电流阻止层28以外的部分，故电流密度变小。
另外，在图11～图13的结构中，必须在元件周边部设置引线接合区域51。引线接合区域51直径通常必须约为90μm，在元件周边部形成引线接合区域51影响元件尺寸的小型化。
发明内容
本发明提供一种可通过增大注入发光层的电流的密度来提高光度的同时得到均匀的发光，而且不必在元件周边部设置引线接合区域而实现小型化的半导体发光元件。
本发明提供的半导体发光元件，具有：半导体衬底；在该半导体衬底上形成的发光层；用于将发光限制在该发光层的一部分上而形成的电流阻止层；在该电流阻止层上以及发光层的其他部分上形成的电流扩散层；在该电流扩散层上形成的半导体衬底的表面侧电极；半导体衬底的背面侧电极，其中，通过由中央区域部分和从外侧介由电流扩散层的一部分包围该中央区域部分的外侧区域部分构成电流阻止层，从半导体衬底的表面侧取出的发光部分形成环状，并且使半导体衬底的表面侧电极和电流阻止层的中央区域部分相对。
根据本发明，通过由中央区域部分和外侧区域部分构成电流阻止层，从而将在半导体发光元件的表面得到的发光部分形成为中央区域部分和外侧区域部分之间的环状，与电流阻止层不具有外侧区域部分的情况比较，可提高光度，得到均匀的发光。
另外，通过使半导体衬底的表面侧电极朝向电流阻止层的中央区域部分，从而不必在电流阻止层的外侧区域部分设置引线接合区域，可实现半导体发光元件的小型化。
附图说明
图1是表示本发明实施例1的半导体发光元件的示意结构的平面图；
图2是图1的剖面图；
图3是图1的半导体发光元件上面的发光状态说明图；
图4是表示本发明另一实施例的半导体发光元件的示意结构的平面图；
图5是图4的半导体发光元件上面的发光状态说明图；
图6是表示本发明的半导体发光元件的发光部分(环状开口)的宽度和相对现有的半导体发光元件的光度相对值的关系的图；
图7是表示本发明的半导体发光元件的发光部分(环状开口)的宽度的最大值与最小值的比和相对现有的半导体发光元件的光度相对值的关系的图；
图8是表示现有半导体发光元件的示意结构的平面图；
图9是图8的剖面图；
图10是图8的半导体发光元件上面的发光状态说明图；
图11是表示现有另一半导体发光元件的示意结构的平面图；
图12是图11的剖面图；
图13是图11的半导体发光元件上面的发光状态说明图。
具体实施方式
本发明的半导体发光元件具有：半导体衬底；在该半导体衬底上形成的发光层；用于将发光限制在该发光层的一部分上而形成的电流阻止层；在该电流阻止层上和发光层的其它部分上形成的电流扩散层；在该电流扩散层上形成的半导体衬底的表面侧电极；半导体衬底的背面侧电极。
本发明的半导体衬底只要在其上可形成发光层(以下也称发光区域层)即可，最好发光层和点阵匹配。半导体衬底可使用例如GaAs、GaN、GaP、InP、ZnO、ZnSe等的化合物半导体衬底和Si、Ge等的元素半导体衬底。另外，其导电型可以是n型，也可以是p型。
半导体衬底的背面侧电极(也称衬底侧电极)可由导电性材料形成，最好与衬底欧姆接触。背面侧电极可利用例如Au、Pt、Al、Ni、Ti等金属、AlGe、AlZn等合金形成。例如，AlGe电极可适用于n型半导体衬底。
背面侧电极可通过例如由蒸镀法、溅射法等形成金属或合金膜后进行热处理而形成。另外，也可形成在半导体衬底的侧面或背面。
在背面侧电极和半导体衬底之间可设置例如用于实现欧姆接触的接触层。
在半导体衬底上形成的发光层只要是由电流通过而发光的即可。最好形成由下涂敷层、活性层和上涂敷层构成的双异质结结构，但也可是单异质结结构、同质结结构。
形成发光层的各半导体层可利用例如GaAs、GaP、GaN等的二元化合物半导体、AlInP、AlGaAs、GaAsP、InGaN等的三元化合物半导体、InGaAsP、AlGaInP等的四元化合物半导体等的化合物半导体来形成。化合物半导体的组成能够设定得可得到所望波长的光。
例如双异质结结构，用于活性层的化合物半导体的组成设定得可得到所望的波长的光，下涂敷层和上涂敷层的组成设定得其带隙大于活性层的带隙。
双异质结结构、单异质结结构和同质结结构中的任意一个都由两层以上半导体层构成，最下层形成为与半导体衬底同样的导电型，最上层形成为不同的导电型。双异质结结构的活性层可以是未掺杂层，也可以掺杂n型、p型不纯物。
形成发光层的各半导体层可利用LPE、MOCVD、MBE、MOMBE法形成。另外，n型半导体层可掺杂Si、S、Se、Te等的同时形成，p型半导体层可掺杂Zn、Mg、C、Be等的同时形成。
另外，后述的接触层、缓冲层、间隔层、电流阻止层、电流扩散层等其它半导体层也可利用同样的方法形成。
在背面侧电极和发光层之间可设置用于例如吸收点阵常数的差的缓冲层。
电流阻止层用于将发光限制在发光层的一部分上，电流扩散层形成在电流阻止层和发光层的其它部分上。
首先，电流阻止层只要电流不或者难以从电流扩散层向发光层流过即可。电流阻止层可使用例如掺杂与发光层的最上层的导电型不同的不纯物的或载流子浓度小的半导体，例如GaP、AlGaP、AlGaAs、AlGaInP等来形成。
另外，在与发光层的最上层导电型相同的半导体中，也可使用电流阻止层和发光层的最上层之间的异质势垒(ヘテロバリア)大于电流扩散层和发光层的最上层之间的异质势垒的元件，形成电流阻止层。例如，可将发光层的最上层可作成p型AlGaInP、可将电流阻止层作成p型GaAs、可将电流扩散层作成GaAlAs。
其次，电流扩散层只要可将来自半导体衬底的表面侧电极的电流扩散即可。另外，最好利用带隙比在发光层发生的光的能量大的材料形成，以减少在发光层发生的光的吸收。另外，最好利用电阻率小的材料形成，以使电流容易扩散。
电流扩散层可利用例如GaP等的二元化合物半导体、GaAlAs、InGaN等的三元化合物半导体、AlGaInP、AlGaInN等的四元化合物半导体等的化合物半导体来形成。电流扩散层的导电型最好与发光层的最上层的导电型相同。
本发明中，电流阻止层通过由中间区域部分和将该中央区域部分介由电流扩散层的一部分从外侧包围的外侧区域部分构成，从而使从半导体衬底的表面侧取出的发光部分形成环状。
通常，在发光层的上面在形成电流扩散层之前形成电流阻止层。当形成该电流阻止层时，形成在中央区域部分和外侧区域部分之间具有环状开口的电流阻止层，但其环状开口可通过利用光刻以及蚀刻技术局部地除去在发光层整个面上形成的电流阻止层而形成。“环状”包含圆形的环状、多边形的环状、或者圆角多边形回环状(リンゲ)或圈状(ル—プ)的环状等。“开口”最好是通孔，也可以是非通孔。另外这时，环状开口，即中央区域部分和外侧区域部分之间填充有形成电流扩散层的半导体。
这样代替电流阻止层形成环状开口，也可形成环状电流通过区域。例如使用掺杂与发光层的最上层导电型不同的不纯物的或载流子浓度小的半导体，例如GaP、AlGaAs、AlGaInP等形成电流阻止层，可将作为与发光层的最上层导电型相同的不纯物扩散成环状，形成环状电流通过区域。
另外，形成电流容易通过的半导体层，在环状电流通过区域以外的部分可掺杂与发光层的最上层导电型不同的不纯物。
在电流阻止层和发光层之间可形成间隔层。例如发光层的最上层由易氧化材料形成时，由难氧化材料形成间隔层。间隔层可由例如GaInP等不含Al的材料形成。另外，可由Al的含有率小的材料形成。
本发明中，电流阻止层的中央区域部分和半导体衬底的表面侧电极(也称光取出侧电极)相互对向。
半导体衬底的表面侧电极可由导电性材料形成，最好可与电流扩散层欧姆接触。表面侧电极可利用例如Au、Pt、Al、Ni、Ti等的金属、AlGe、AlZn等合金来形成。例如，AlZn电极适用于p型半导体衬底。
表面侧电极可利用例如蒸镀法、溅射法等形成金属或合金膜，利用光刻及蚀刻技术加工成所望的形状后进行热处理而形成。
表面侧电极可形成为任意形状、大小，但最好形成可确保引线接合区域的形状和大小。其形状最好是圆形。另外，其大小，为确保用于引线接合的区域，最好是半径45μm以上。另外，为确保余量，最好是半径50μm以上。
在半导体衬底和其表面侧电极之间可设置用于实现欧姆接触的由GaAs等形成的接触层。
在本发明中，如上所述，通过由中央区域部分和将该中央区域部分介由电流扩散层的一部分从外侧包围的外侧区域部分构成电流阻止层，将从半导体衬底的表面侧取出的发光部分形成环状，但最好将半导体衬底的表面侧电极的外侧轮廓(外周)设定成与发光部分的内侧轮廓(内周)实际上相同的大小，或设定得收容于发光部分内侧轮廓内(小于内侧轮廓)。这是因为表面侧电极大于发光部分的内侧轮廓时，表面侧电极的下方发光层也发光，产生的光被表面侧电极遮蔽，不能向外部放出。
另外，表面侧电极的外侧轮廓最好设定得使与发光部分的内侧轮廓间的宽度实际上一定。这是因为驱动电流均匀地注入发光层。
另外，最好发光部分形成圆环状，表面侧电极形成圆形。并且，发光部分的外周的半径和表面侧电极的外周的半径之差最好设定为电流扩散层的层厚的7.1～10.7倍，另外，最好发光部分的内周和外周间的距离，即发光部分的宽度设为25μm以上，并且上述距离最大值和最小值的比设定为1.4倍以上。
圆环状的发光部分最好其内周半径设成表面侧电极的外周半径的1.3～1.7倍。不到1.3倍时，形成表面侧电极时必须利用高度校准技术，使生产效率下降。大于1.7时，无助于发光的面积增大，结果，由于元件面积增大使晶片单位面积的元件数减少。
环状发光部分的宽度最好实际上是一定的。这样，驱动电流会更加均匀地注入发光层。
环状的发光部分的宽度最好如上述在25μm以上，但进而在25μm以上40μm以下更为理想。不到25μm时，有可能发生蚀刻不均，造成不便。大于40μm时，有可能在发光部分内电流密度产生偏差，光度降低。
发光部分(环状开口)的外侧轮廓(外侧边界线或外周)最好从半导体衬底的外侧轮廓离开20μm以上，离开15μm以上40μm以下更为理想。不到15μm时，芯片分割时经过环状开口切断的可能性增大，生产效率降低。大于40μm时，有可能因为无助于发光的面积增大，结果由于元件面积增大使晶片电位面积的元件数减少。
还可具备连接在表面侧电极上的接合引线。因为表面侧电极与电流阻止层的中央区域相向而形成，所以在电流阻止层的外侧区域等的半导体发光元件周边部不必设置引线接合区域，可使元件尺寸减小。
实施例1
图1表示本发明的实施例1。实施例1的半导体发光元件1顺次具有：包括由AuGe形成的n型电极2的n型GaAs衬底3；作为由在n型GaAs衬底3上顺次形成的n型AlInP下涂敷层4a、AlGaInP活性层5以及p型AlInP上涂敷层4b构成的发光层的发光区域层6；p型AlGaInP电流扩散层9；作为光取出侧电极(半导体衬底的表面侧电极)的由AuZn构成的p型电极10，其中，在电流扩散层9内具备为将发光限制在发光区域层6侧而局部形成的n型GaP电流阻止层8。该电流阻止层8由中央区域部分8a和从该中央区域部分8a介由电流扩散层9的区域部分包围的外侧区域部分9b构成，在光取出部分得到的发光部分7形成环状。
P型电极10设计成朝向n型GaP电流阻止层8的中央区域部分8a，接合引线11连接p型电极10。
各层的厚度、组成、以及载流子浓度设定如下。n型GaAs衬底3∶130μm、3×1018cm-3；n型AllnP下涂敷层4a∶1μm、Al0.5In0.5P、5.0×1017cm-3；AlGaInP活性层5∶0.5μm、(Al0.05Ga0.95)0.5In0.5P，未掺杂；p型AlInP上涂敷层4b∶1μm、Al0.5In0.5P、5.0×1017cm-3；n型GaP电流阻止层8∶0.3μm、GaP、1.0×1018cm-3；p型AlGaInP电流扩散层9∶7μm、Al0.01Ga0.98In0.01P、1.0×1018cm-3。n型不纯物中使用Si，p型不纯物中使用Zn。
另外，n型GaAs衬底3的外形是280μm×280μm，n型电极2形成在n型GaAs衬底3的整个背面，p型电极10在p型AlGaInP电流扩散层9上的大致中央位置形成为半径50μm的圆形。
接着参照图1说明实施例1的半导体发光元件的制造方法。各层的厚度、组成以及载流子浓度与上述所述相同。
首先，n型GaAs衬底3上利用MOCVD装置通过气相外延成长顺次形成由n型AlInP涂敷层4a、p型AlGaInP活性层(发光层)5以及p型AlInP涂敷层4b构成的发光区域层6、n型GaP电流阻止层8。该成长完成后，暂且从MOCDV装置取出形成多层膜的n型GaAs衬底3。
然后，利用光刻及蚀刻技术，在n型GaP电流阻止层8上形成用于形成上述发光部分7的环状开口。即，电流阻止层8由其中央区域部分8a和从该中央区域部分介由环状开口包围的外侧区域部分8b构成。蚀刻中使用硫酸系蚀刻液。然后，除去抗蚀层，对形成该多层膜的n型GaAs衬底3利用MOCVD装置通过气相外延成长包含环状开口内在电流阻止层8上形成p型AlGaInP电流扩散层9。
然后，p型AlGaInP电流扩散层9的上面形成半径50μm的圆形的由AuZn形成的p型电极10，n型GaAs衬底3加工成130μm的厚度，然后在n型GaAs衬底3的背面形成由AuGe形成的n型电极2，进行热处理，制造半导体发光元件。并且然后，还在p型电极10上连接接合引线11。
在此，研究当发光部分7的外周半径和电极10的外周半径之差作为电流扩散层9的层厚的倍数变化时的光度变化。
首先，通过在发光部分7中，即，以半径80μm使环状开口的内侧轮廓(内周或内侧边界线)7a所构成的圆固定不变而变化外侧轮廓(外周或外侧边界线)7b所构成的圆的大小，来分别形成具有宽度不同的四种类型的发光部分(环状开口)以及形状不同的一种类型的发光部分(环状开口)的半导体发光元件。具体地，形成发光部分7的外周半径和电极10的外周半径之差是电流扩散层9的层厚的7.1倍、9.3倍、10.7倍和12.1倍的四种类型的发光部分。
这样，如图3所示，在半导体发光元件的光取出侧面，在由不发光的电流阻止层的中央区域部分8a和外侧区域部分8b包围的区域N(环状开口7的区域)上得到环状发光部分L。另外，10是朝向中央区域部分的光取出侧电极。
然后，如图4所示，发光部分(环状开口)的外周(外侧边界线)7b形成为圆角正方形的似回环状(リ ンゲ)该正方形的边与电极10的外周半径之差形成扩散层9的层厚的7.8倍，四角倒角成环状外侧的圆和p型电极的半径之差成为电流扩散层9的层厚的10.7倍。
在这五种类型的具有开口的半导体发光元件上分别通过20mA的电流，测定其光度。如图5所示，在半导体发光元件的光取出侧面，在由不发光的电流阻止层的中央区域部分8a和外侧区域部分8b包围的区域N(环状开口7的区域)上得到环状发光部分L。另外，10是朝向中央区域部分7a的光取出侧电极。
另外，图8所示在外周部不具有电流阻止层的现有型的半导体发光元件，除外周部不具有电流阻止层这一点以外，以相同条件制造和测定光度。
图6表示该测定结果。图6的横轴表示发光部宽度(W)相对p型电流扩散层的层厚的倍数，纵轴表示本发明半导体发光元件的光度相对现有技术半导体发光元件的光度的相对值。由图可知，发光部分7的外周半径与电极10的外周半径之差相对电流扩散层9的层厚是7.1倍时光度提高1.2倍，9.3倍时光度提高到1.3倍，10.7倍时光度提高到1.2倍，12.1倍时光度提高到1.05倍，另外，似回环状(リンゲ)时光度提高到1.25倍。结果，当是电流扩散层9的层厚的7.1～10.7倍时，电流密度十分大，光度提高(例如提高13％)得超过现有技术。
另外，似回环状(リ ンゲ)时也可确认到光度提高，在形成似回环状(リンゲ)的宽度在25μm以上，最好在25μm～35μm以下的范围内，确认到均匀地发光，光度提高。
另外，图7中，横轴表示发光部分(环状开口)的宽度的最大值(W2)和最小值(W1)的比，纵轴本发明的半导体发光元件的光度与表示现有技术的半导体发光元件的光度的相对值。发光部分的宽度的最大值(W2)和最小值(W1)的比为1.6、1.8时，光度相对值分别为1.05、1.00，但发光部分的宽度的最大值(W2)和最小值(W1)的比为1.0、1.2、1.4时，光度相对值分别为1.24、1.23、1.25。结果，确认到形成似回环状(リンゲ)部的宽度(发光部的内周和外周的距离)在25μm以上，并且其宽度的最大值和最小值之比在1.4倍以下，确认光度提高到约1.2倍。
本实施例中，使用了AlGaInP系半导体发光元件，但因为本发明涉及半导体发光元件的结构，所以使用GaAlAs系、GaN系等半导体发光元件都可以得到同样的效果。
Claims (5)
1.一种半导体发光元件，其特征在于，具有：半导体衬底；在该半导体衬底上形成的发光层；用于将发光限制在该发光层的一部分上而形成的电流阻止层；在该电流阻止层上以及发光层的其他部分上形成的电流扩散层；在该电流扩散层上形成的半导体衬底的表面侧电极；半导体衬底的背面侧电极；其中，由中央区域部分和外侧区域部分构成电流阻止层，该外侧区域部分从外侧包围该中央区域部分，电流扩散层的一部分介于二者之间，由此，使从半导体衬底的表面侧取出的发光部分形成为圆环状，并且使半导体衬底的表面侧电极和电流阻止层的中央区域部分相对，半导体衬底的表面侧电极的外侧轮廓设定得与发光部分的内侧轮廓之间的宽度实际上要一定，半导体衬底的表面侧电极是圆形，圆环状的发光部分的外周的半径和半导体衬底的圆形表面侧电极的外周的半径之差是电流扩散层的层厚的7.1～10.7倍。
2.如权利要求1所述半导体发光元件，其特征在于，圆环状的发光部分其内周的半径作成半导体衬底的圆形表面侧电极的外周的半径的1.3～1.7倍。
3.如权利要求1所述半导体发光元件，其特征在于，圆环状的发光部分其内侧轮廓和外侧轮廓之间的距离形成为25μm以上，并且所述距离的最大值和最小值之比形成为1.4倍以下。
4.如权利要求1所述半导体发光元件，其特征在于，圆环状的发光部分其外侧轮廓离开半导体发光元件的外侧轮廓15μm以上。
5.如权利要求1所述半导体发光元件，其特征在于，还具有与半导体衬底的表面侧电极连接的接合引线。
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