CN100573940C - 氮化镓基化合物半导体发光器件及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有优良的光提取效率的氮化镓基化合物半导体发光器件及其制造方法。由氮化镓基化合物半导体获得的发光器件包括：衬底；顺序层叠在衬底11上的n型半导体层13、发光层14和p型半导体层15；层叠在p型半导体15层上的可透光正电极16；设置在可透光正电极16上的正电极接合衬垫17；以及设置在n型半导体层13上的负电极接合衬垫18，其中在p型半导体层15的表面15a的至少一部分上形成无序不平坦表面。

Description

氮化镓基化合物半导体发光器件及其制造方法

相关申请的交叉引用

要求2005年9月6日提交的日本专利申请号为2005-258135和2005年12月14日提交的日本专利申请号为2005-360291的优先权。该申请为基于35U.S.C.§111(a)的申请，根据35U.S.C.§119(e)，要求依据35U.S.C.§111(b)于2005年9月15提交的临时申请60/716,963和于2005年12月23日提交的临时申请60/752,962的优先权。

技术领域

本发明涉及具有特别高输出功率的氮化镓基化合物半导体发光器件及其制造方法。

背景技术

近年来，氮化镓(GaN)基化合物半导体发光器件作为短波长发光器件吸引了人们的注意。使用例如金属有机物化学气相淀积方法(MOCVD方法)或分子束外延方法(MBE方法)的方法在以蓝宝石单晶开始由各种氧化物或IH族至V族化合物构成的衬底上形成该氮化镓基化合物半导体发光器件。

横向方向上的小电流扩散是氮化镓基化合物半导体发光器件的特征之一。由于该原因，仅在电极正下方的半导体中注入电流，通过电极阻挡从电极正下方的发光层发出的光，且很难从发光器件中提取光。这就是为什么通常通过利用透明电极作为正电极来构造这种发光器件以便于可通过正电极提取光的原因。

由透明电极制成的常规可透光正电极为通过将Ni、Co等的氧化物与例如Au的接触金属结合而制成的层叠结构。然而，近些年来，使用例如ITO(In₂O₃-SnO₂)的较高导电性的氧化物，接触金属的膜厚度相当程度地减少，已经采用具有可透光层叠结构的正电极，且提出以高效率从发光层提取光的技术。

然而，这种发光器件的外部量子效率表示为光提取效率和内部量子效率的乘积来表达。内部量子效率为注入到发光器件的电流能量的已经被转化为光的部分。另一方面，光提取效率为在半导体晶体内产生的可以提取到其外部的光的部分。

近些年来，据说通过对结晶状态的改善和对结构的研究，发光器件的内部量子效率已经提高了70％至80％之多，以便于现在获得与注入的电流量对应的适当的结果。

然而，与注入电流对应的光提取效率通常不仅在氮化镓基化合物半导体发光器件中低而且在发光二极管(LED)中也低，且与注入的电流相比较，没有充分地将内部发射的光提取到外部。

氮化镓基化合物半导体发光器件中的所发射的光提取效率低，因为发光层中发射的光被发光器件结构中的晶体材料重复反射和吸收。当反射超出根据Snell法则的临界角度时，不从发光器件中将光提取到外部的可能性增加。

为了进一步提高光提取效率，已经提出一种通过粗糙化发射光提取表面且通过对光提取表面设定各种角度而获得的具有提高的光提取效率的氮化镓基化合物半导体发光器件。

然而，通过在专利文献1中所述的方法制造的氮化镓基化合物半导体发光器件具有在通过掩模构图方法形成于半导体表面上的不平坦图形中发生干涉效应以及仅加强特定波长的光的问题。

此外，由于在粗糙化半导体层表面的方法中需要精细的掩模构图方法，在工艺中必须采用复杂且麻烦的工序，且生产效率下降。

专利文献1：日本专利申请公开(kokai)No.H6-291368。

发明内容

根据上述问题，本发明的目的是提供一种具有优良的光提取效率且具有非常小的波长不均匀性的氮化镓基化合物半导体发光器件以及其制造方法。

发明人在认真研究解决上述问题的方法之后完成了本发明。

即，本发明涉及下述内容：

[1]一种由氮化镓基化合物半导体获得的氮化镓基化合物半导体发光器件，包括：衬底；顺序层叠在所述衬底上的n型半导体层、发光层和p型半导体层；层叠在所述p型半导体层上的可透光正电极；设置在所述可透光正电极上的正电极接合衬垫；以及设置在所述n型半导体层上的负电极接合衬垫，其中在所述p型半导体层的表面的至少一部分上形成无序不平坦表面。

[2]如[1]中所述的氮化镓基化合物半导体发光器件，其中在形成在所述p型半导体层的表面上的所述无序不平坦表面中的凸部之间的平均距离为凸部的中心之间的距离且处于0.01μm至3μm的范围内。

[3]如[1]中所述的氮化镓基化合物半导体发光器件，其中在形成在所述p型半导体层表面上的无序不平坦表面中的凸部之间的平均距离为凸部的中心之间的距离且处于0.05μm至1.5μm的范围内。

[4]如[2]或[3]中所述的氮化镓基化合物半导体发光器件，其中与所述凸部之间的平均距离对应的凸部之间的每个距离的标准偏差处于10％至80％的范围内。

[5]如[1]至[4]中任何一项中所述的氮化镓基化合物半导体发光器件，其中所述可透光正电极由导电氧化物制成。

[6]如[1]至[5]中任何一项中所述的氮化镓基化合物半导体发光器件，其中所述可透光正电极通过选自ITO(In₂O₃-SnO₂)、AZO(ZnO-Al₂O₃)、IZO(In₂O₃-ZnO)和GZO(ZnO-GeO₂)的材料中的至少一种形成。

[7]一种氮化镓基化合物半导体发光器件的制造方法，其用于在氮化镓基化合物半导体器件的p型半导体层的至少一部分上形成不平坦表面，包括以下步骤(1)至(3)：

(1)用于在衬底上顺序层叠n型半导体层、发光层和p型半导体层以形成氮化镓基化合物半导体的步骤；

(2)用于在所述p型半导体层上形成由金属精细颗粒制成的掩模的步骤；以及

(3)用于从所述掩模上方干法蚀刻所述p型半导体层的步骤。

[8]如[7]中所述的氮化镓基化合物半导体发光器件的制造方法，其中步骤(2)包括在所述p型半导体层上形成金属薄膜的步骤和在所述金属薄膜形成之后的热处理步骤。

[9]如[7]或[8]中所述的氮化镓基化合物半导体发光器件的制造方法，其中形成所述掩模的所述金属精细颗粒由Ni或Ni合金制成。

[10]如[7]至[9]中任何一项中所述的氮化镓基化合物半导体发光器件的制造方法，其中形成所述掩模的所述金属精细颗粒由具有范围在100℃至450℃内的熔点的低熔点金属或低熔点合金制成。

[11]如[7]至[10]中任何一项中所述的氮化镓基化合物半导体发光器件的制造方法，其中形成所述掩模的所述金属精细颗粒由选自Ni、Au、Sn、Ge、Pb、Sb、Bi、Cd和In的低熔点金属或包含这些金属中的至少一种的低熔点合金制成。

[12]一种由如[1]至[6]中任何一项中所述的氮化镓基化合物半导体发光器件制成的灯。

[13]一种由通过如[7]至[11]中任何一项中所述的制造方法获得的由氮化镓基化合物半导体发光器件制成的灯。

根据本发明的氮化镓基化合物半导体发光器件，当将可透光正电极表面的至少一部分形成为无序不平坦表面时，可获得具有优良的光提取效率以及非常小的波长不均匀性的氮化镓基化合物半导体发光器件。

当利用本发明的氮化镓基化合物半导体发光器件加工灯形状时，根据灯中所使用的树脂特性，可以提高光聚焦。因此，可以获得具有高输出功率的灯。

在本发明的氮化镓基化合物半导体发光器件的制造方法中形成不平坦表面的粗糙化处理特别实现了在下述(1)至(2)中给出的效果。

(1)通过形成具有处于范围中的特定变化的不平坦表面，干涉效应被抑制且可以制造具有非常小的波长不均匀性的氮化镓基化合物半导体发光器件。

(2)不需要复杂的掩模构图工艺，这是因为利用能够使粗糙化的微处理区域容易地且经济地形成的金属精细颗粒掩模来形成不平坦表面。

附图说明

图1是说明本发明的氮化镓基化合物半导体发光器件的示意图，且其示出该结构的截面图。

图2是说明本发明的氮化镓基化合物半导体发光器件的示意图，且其示出该结构的平面视图。

图3是说明本发明的氮化镓基化合物半导体发光器件的示意图，且其示出氮化镓基化合物半导体的层叠结构的截面图。

图4是说明利用本发明的氮化镓基化合物半导体发光器件的灯的示意图。

<附图中参考标号的说明>

1：氮化镓基化合物半导体发光器件；11：衬底；12：缓冲层；13：n型半导体层；14：发光层；15：p型半导体层；16：可透光正电极；16a：表面；17：正电极接合衬垫；18：负电极接合衬垫；21：衬底；22：缓冲层；23：n型半导体层；24：发光层；25：p型半导体层；26：可透光正电极；27：负电极接合衬垫；30：灯；31：框架；32：框架；33：金属丝；34：金属丝；35：塑模

具体实施方式

这里适当地参考附图1至4来描述本发明的氮化镓基化合物半导体发光器件的实例。

[氮化镓基化合物半导体发光器件的整体结构]

图1中示出的本实例的氮化镓基化合物半导体发光器件1包括：通过在衬底11上顺序层叠n型半导体层13、发光层14和p型半导体层15形成的氮化镓基化合物半导体、层叠在p型半导体层15上的可透光正电极16、设置在可透光正电极16上的正电极接合衬垫17、以及设置在n型半导体层13上的负接合衬垫18。在p型半导体层15的表面15a的至少一部分上形成无序不平坦表面。在图1示出的实例中，将缓冲层12设置在衬底11与n型半导体层13之间。

通过在作为光提取表面的可透光正电极15的表面16a上提供特别形式的不平坦处理，来提高本发明的氮化镓基化合物半导体发光器件的光提取效率。

可以使用包括例如蓝宝石单晶(Al₂O₃；A面，C面，M面，R面)、尖晶石单晶(MgAl₂O₄)、ZnO单晶、LiAlO₂单晶、LiGaO₂单晶、MgO单晶的氧化物晶体、由例如Si单晶、SiC单晶、GaAs单晶、AlN单晶、GaN单晶和ZrB₂的硼化物单晶构成的公知衬底材料的各种衬底材料，而没有任何限制。甚至在这些之中，优选使用由蓝宝石单晶和SiC单晶制成的衬底材料。

对衬底的取向没有限制。可以使用具有零斜角或具有斜切角的衬底。

通常，由氮化镓基化合物半导体构成的n型半导体层13、发光层14和p型半导体层15通过缓冲层12层叠在衬底11上。有时，根据外延层的生长条件或所使用的衬底而不需要缓冲层12。

由通用化学式Al_XGa_YIn_ZN_1-AM_A(0≤X≤1，0≤Y≤1，0≤Z≤1，且X+Y+Z＝1)来表示氮化镓基化合物半导体。注意，M表示V族元素且不同于氮(N)；此外，作为氮化镓基化合物半导体，0≤A＜1是公知的。本发明中也包括公知的氮化镓基化合物半导体，且由通用化学式Al_XGa_YIn_ZN_1-AM_A(0≤X≤1，0≤Y≤1，0≤Z≤1，且X+Y+Z＝1)表示氮化镓基化合物半导体。注意，M表示不同于氮(N)的V族元素，且可以使用0≤A＜1，而没有任何限制。

除了Al、Ga和In之外，氮化镓基化合物半导体还可以包含其它HI族元素。如果需要，还可以包含例如Ge、Si、Mg、Ca、Zn、Be、P、As和B的元素。此外，元素不限于故意添加的那些。还可以包含根据膜形成条件所必须包含的杂质以及包含在原料中和反应管材料的非常少量的杂质。

对于这些氮化镓基化合物半导体的生长方法没有特别的限制，且可以使用例如金属有机物化学气相淀积方法(MOCVD)、氢化物气相外延方法(HVPE)和分子束外延方法(MBE方法)的用于生长氮化物半导体的所有已知办法。考虑到膜厚度的可控制性和生产率，优选的生长方法为MOCVD方法。在MOCVD方法中，可以将氢气(H₂)或氮气(N₂)用作载气，可以将三甲基镓(TMG)或三乙基镓(TEG)用作HI族原材料的Ga源，可以将三甲基铝(TMA)或三乙基铝(TEA)用作Al源，可以将三甲基铟(TMI)或三乙基铟(TEI)用作In源，以及可以将氨(NH₃)或联氨(N₂H₄)用作V族原材料的N源。对于掺杂剂，在n型中，可以将甲硅烷(SiH₄)或乙硅烷(Si₂H₆)用作Si原材料，且可以将例如锗烷气(GeH₄)或四甲基锗((CH₃)₄Ge)、四乙基锗((C₂H₅)₄Ge)的有机锗化合物用作Ge源。在MBE方法中，单质锗可以用作掺杂源。在p型中，可以将双环戊二烯基镁(Cp₂Mg)或双乙基环戊二烯基镁(EtCp₂Mg)用作Mg原材料。

n型半导体层13通常包括下层(under layer)、n接触层和n覆层(cladding layer)。n接触层可以包括下层和/或n覆层。

下层应优选包括Al_xGa_1-xN层(0≤x≤1，优选0≤x≤0.5，且更为优选地0≤x≤0.1)。下层的膜厚应优选大于0.1μm，更为优选地大于0.5μm，大于1μm的值为最佳可能值。如果这样增加膜厚，则可以容易地获得具有良好结晶性的Al_xGa_1-xN层。

如果下层中的n型杂质处于1×10¹⁷至1×10¹⁹/cm³的范围内，则可以进行掺杂。然而，未掺杂(＜1×10¹⁷/cm³)是优选的，这是因为可以保持良好的结晶性。对于n型杂质没有特别的限制，且可以使用Si、Ge或Sn，其中Si和Ge为优选的杂质。

生长下层时的生长温度应优选为800至1200℃，且应优选调节在1000至1200℃的范围内。如果在该温度范围内生长，可以获得良好结晶性的下层。此外，优选地将MOCVD生长炉中的压力调节在15至40kPa的范围内。

与下层相似地，n接触层应优选包括Al_xGa_1-xN层(0≤x≤1，优选0≤x≤0.5，且更为优选地0≤x≤0.1)。此外，应优选掺杂n型杂质。如果n型杂质的浓度为1×10¹⁷至1×10¹⁹/cm³，优选为1×10¹⁸至1×10¹⁹/cm³，则令人满意地保持与负电极的欧姆接触，抑制裂缝发生，且可以保持良好的结晶性。对n型杂质没有特别的限制，且可以使用Si、Ge或Sn，其中Si和Ge为优选的杂质。生长温度与下层相同。

通过下层和n接触层形成的氮化镓基化合物半导体优选具有相同的成分，其中膜厚被设定在1至20μm的范围内，优选设定在2至15μm的范围内，且更为优选地设定在3至12μm的范围内。如果膜厚在该范围内，则可以令人满意地保持半导体的结晶性。

应优选将n覆层设置在n接触层与发光层之间。通过提供n覆层，可以补偿在n接触层的最上表面中出现的平坦性恶化。n覆层可以由AlGaN、GaN、GaInN等形成。这些结构为通过异质结或通过层叠多层形成的超晶格结构。当使用GaInN时，优选使带隙大于发光层的GaInN的带隙。

虽然对n覆层的膜厚没有限制，但是其应该在0.005至0.5μm的范围内，且优选地在0.005至0.1μm的范围内。n覆层的n型掺杂剂浓度优选在1×10¹⁷至1×10²⁰/cm³的范围内，且更为优选地在1×10¹⁸至1×10¹⁹/cm³的范围内。如果掺杂剂的浓度在该范围内，可以保持令人满意的结晶性且可以减小发光器件的工作电压。

将发光层14层叠在n型半导体层13上。发光层通常使用氮化镓基化合物半导体，优选为由Ga_1-sIn_sN(0＜s＜0.4)制成的氮化镓基化合物半导体。

虽然对发光层14的膜厚没有限制，但是膜厚应该便于可以获得量子效应。即，优选临界膜厚度，且其应该在1至10nm的范围内，更为优选地在2至6nm的范围内。当膜厚处于上述范围内时，输出功率是有利的。

发光层可以为如上所述的单量子阱(SQW)结构。另外，它还可以为通过带隙能量大于上述作为阱层的Ga_1-sIn_sN层的带隙能量的Al_cGa_1-cN(0≤c≤0.3)势垒层形成的多量子阱(MQW)结构。阱层和势垒层可以掺杂有杂质。

Al_cGa_1-cN势垒层的生长温度应优选大于700℃，但更为优选地在800至1100℃的范围内生长，这是因为结晶性良好。同样，GaInN阱层应该在600至900℃的范围内生长，优选在700至900℃的范围内生长。即，应优选改变层之间的生长温度以获得MQW的良好结晶性。

通常，p型半导体层15包括p覆层和p接触层。然而，p接触层可以用作p覆层。

p覆层具有使带隙能量大于发光层的带隙能量的成分。如果可以将载流子限制到发光层，则没有限制。具有Al_dGa_1-dN(0≤d≤0.4，优选为0.1≤d≤0.3)的p覆层是优选的。考虑到将载流子限制到发光层，这样由AlGaN制成的p覆层是有利的。对p覆层的膜厚没有限制。其应优选在1至400nm的范围内，且更为优选地在5至100nm的范围内。p覆层的p型掺杂剂浓度优选为1×10¹⁸至1×10²¹/cm³，且更为优选地为1×10¹⁹至1×10²⁰/cm³。如果p型掺杂剂浓度在上述范围内，则可以获得令人满意的p型晶体，而不会损失结晶性。

p接触层优选为至少包含Al_eGa_1-eN(0≤e≤0.5，优选为0≤e≤0.2，且更为优选地为0≤e≤0.1)的氮化镓基化合物半导体层。如果Al的构造处于上述范围内，则可以获得良好的结晶性，且与p欧姆电极的欧姆接触变得令人满意。

如果p型掺杂剂的浓度在1×10¹⁸至1×10²¹/cm³的范围内，且更为优选地，在5×10¹⁹至5×10²⁰/cm³的范围内，则保持良好的欧姆接触，防止裂缝发生，且保持良好的结晶性。

对p型杂质没有特别的限制。例如，Mg可以优选作为这种杂质。

对p接触层的膜厚没有特别的限制。其应该在0.01至0.5μm的范围内，且更为优选地在0.1至0.2μm的范围内。当膜厚在上述范围内时，输出功率是有利的。

如图1中所示，在p型半导体层15的表面15a的至少一部分上形成不平坦图形，且该表面为不平坦的。在图1中示出的实例中，在接近氮化镓基化合物半导体发光器件1的左右方向上的中心的p型半导体层的表面15a上，形成由多个无序的凸部15b形成的凸起图形。

可以使用常规公知的光刻方法作为在p型半导体层15的表面15a上形成不平坦图形的方法。

在图1中示出的实例中，形成于表面15a上的不平坦图形是无序的不平坦图形，但是也可以使用其中凸部的尺寸和它们之间的距离具有周期性的图形。

对凸部14b的形状没有限制，可以适当地从例如圆柱体、三角棱柱或四角棱柱的多角柱体、或者例如圆锥体、三角棱锥或四角棱锥的多角棱锥等等中选择该形状。此外，在图1中示出的截面形状中，凸部14b的下端宽度W可以与上端宽度相同，或优选大于上端宽度。在附图中的实例中示出的凸部14b具有随着从下端侧移动到上端侧尺寸减小的形状。

虽然对凸部15b的尺寸没有限制，但是下端宽度W优选处于0.01至3μm的范围内。当下端宽度W在该范围内时，光提取效率有效提高。

可以利用光刻使凸部15b的下端宽度W小于0.01μm；然而，成本变高，凸部变得太小，且不能获得足够的光提取效率。

此外，由于氮化镓基化合物半导体发光器件的尺寸通常在100μm至2000μm的范围内，如果凸部15b的下端宽度W超出3μm，则每单位面积的凸部15b的表面积太小，且不能获得足够的光提取效率。

下端宽度更为优选地在0.02μm至2μm的范围内。

如果图形为周期性的，则对凸部15b之间的间距P没有特别的限制；但是凸部的顶点之间的距离优选在0.01μm至3μm的范围内。当凸部之间的间距P的平均距离在该范围内时，光提取效率有效提高。

可以利用光刻使凸部15b之间的间距小于0.01μm，然而，成本变高，图形变得太密集，且不能获得足够的光提取效率。

此外，如上所述，发光器件的尺寸通常在100μm至2000μm的范围内；因此，如果凸部15b的间距超过3μm，则每单位面积的凸部15b的表面积变得太小，且不能获得足够的光提取效率。0.1μm至2μm的范围更为优选。

对凸部15b的高度T没有特别的限制，但是处于0.1μm至2.0μm的范围内的T为优选的。

如果凸部15b的高度T小于0.1μm，则该高度是不足够的，且其无助于提高光提取效率。如果凸部15b的高度超过2.0μm，虽然该高度有助于光提取效率，但生产率显著下降，这是不期望的。

凸部15的更为优选的尺寸是把下端宽度W与高度T的关系取为W＜T。如果保持上述关系，则可以有效地提高氮化镓基化合物半导体发光器件的光提取效率。

凸部15b之间的平均距离的标准偏差优选在10％至80％的范围内。更为优选的范围在20％至60％之间。

如果上述标准偏差小于10％，干涉效应增加，且波长不均匀性发生的几率增加。此外，如果上述标准偏差大于80％，则不平坦图形的密度下降，且光提取效率的提高效果降低。

可透光正电极应该至少包括与p型半导体层15接触的可透光导电氧化物膜层。用于与电路板或引线框架等电接触的正电极接合衬垫17被部分设置在可透光导电氧化物膜层上。

同样，如图1中所示，可透光正电极16的表面16a为不平坦表面，在其上形成与p型半导体层15的表面的凸部对应的凸部16b。

可以采用本技术领域公知的常规手段，使可透光正电极16具有包括下述ITO(In₂O₃-SnO₂)、AZnO(ZnO-Al₂O₃)、IZnO(In₂O₃-ZnO)和GZO(ZnO-GeO₂)中的至少一种的材料。同样，可以使用包括常规且公知结构的任何种类的结构，而没有任何限制。

可以将可透光正电极16形成为覆盖p型半导体层15的几乎整个表面，或将其形成为晶格结构或树结构。在形成可透光正电极16之后，为了合金化和改善透明度，可以进行或不进行热退火。

将正电极接合衬垫17设置在可透光正电极16上，且如图1中的实例中所示那样，将其设置在除了形成于可透光正电极16上的不平坦表面之外的位置处。

可以利用例如Au、Al、Ni、Cu等的任何公知的材料来制成正电极接合衬垫17，而对材料或结构没有任何限制。

正电极接合衬垫17的厚度优选处于100至1000nm的范围内。基于接合衬垫的特性，其厚度越大，接合能力越高；因此，优选使用具有大于300nm的厚度的正电极接合衬垫。此外，考虑到制造成本，其厚度优选低于500nm。

如此形成负电极接合衬垫18，以便于接触包括在衬底11上层叠的n型半导体层13、发光层14和p型半导体层15的氮化镓基化合物半导体的n型半导体层13。

为此，当形成负电极接合衬垫18时，去除发光层14和p型半导体层15的一部分，暴露出n型半导体层13的n接触层，且在其上形成负电极接合衬垫18。

对于负电极接合衬垫18的材料，负电极的各种成分和结构是公知的。可以使用这些类型的负电极，而没有任何限制，且可以利用本技术领域中公知的常规手段来设置它们。

作为其中如上所述设置用于在可透光正电极上形成无序不平坦图形的区域的氮化镓基化合物半导体的一个实例，图3中示出的包括被顺序结晶和生长以形成层叠结构的缓冲层22、n型半导体层23、发光层24、p型半导体层25和可透光正电极26的氮化镓基化合物半导体20是公知的。

在本发明中，可以设置如上所述的无序不平坦图形，而对具有与氮化镓基化合物半导体20一样结构的半导体发光器件的p型半导体层15的表面没有任何限制。

[氮化镓基化合物半导体发光器件的制造方法]

在本发明中，可以通过在相关区域中在p型半导体层的表面上形成由金属精细颗粒制成的掩模，并从上述掩模上方干法蚀刻p型半导体层，来形成p型半导体层上的不平坦图形的加工区域。

当在p型半导体层的表面上形成不平坦图形时，可以使用利用下述步骤(1)至(3)中的每一个所设置的氮化镓基化合物半导体发光器件的制造方法。

(1)用于顺序层叠n型半导体层、发光层和p型半导体层以在衬底上形成氮化镓基化合物半导体的步骤。

(2)用于在p型半导体层上形成由金属精细颗粒制成的掩模的步骤。

(3)用于从上述掩模上方干法蚀刻p型半导体层的步骤。

下面描述步骤(1)至(3)。

<步骤(1)>

(1)首先，顺序层叠n型半导体层、发光层和p型半导体层，以在衬底上形成氮化镓基化合物半导体。可以使用常规用于形成氮化镓基化合物半导体的层叠结构的材料和生长方法，而没有任何限制。

<步骤(2)>

接着，在由氮化镓基化合物半导体制成的层叠结构的p型半导体层上形成由金属精细颗粒制成的金属薄膜。可以通过公知的真空蒸镀器来形成金属薄膜。

在本发明中，通过金属精细颗粒掩模的形状来规定形成于p型半导体层上的不平坦图形的形状。因此，可以通过控制金属精细颗粒掩模的形状来控制不平坦图形的形状。

特别地，p型半导体层上的不平坦图形的形状大大地受到金属精细颗粒掩模的膜厚的影响。

金属精细颗粒掩模的在热处理工艺之前的膜厚优选处于0.005μm至1μm的范围内。虽然，金属精细颗粒掩模的膜厚的最佳值根据金属精细颗粒掩模材料的质量以及用于利用本发明的氮化镓基化合物半导体发光器件制造灯的密封树脂的材料而改变，但是如果该值小于0.005μm，则掩模不作为掩模工作，且不能在p型半导体层上形成可以有效提取光的不平坦图形形状。如果金属精细颗粒掩模的膜厚超过1μm，则凝聚效应变小。与上文相似，不能在p型半导体层上形成可以有效提取光的不平坦图形形状。

如果可以如此控制金属薄膜的厚度以使其在上述范围内保持均匀，则不将薄金属膜的形成限制为上述真空蒸镀器，且可以使用溅射设备等，而没有任何问题。

在金属薄膜(金属精细颗粒掩模)中使用的金属精细颗粒的材料优选为具有球形精细颗粒且具有良好凝聚特性的材料。Ni和Ni合金等是这种金属的一些实例。具有适当的加工效率以及凝聚特性的金属精细金属颗粒的材料包括Ni、Au、Sn、Ge、Pb、Sb、Bi、Cd和In。应使用具有在100℃与450℃之间的低熔点的这些金属中的至少一种或具有低熔点的合金。从这些金属材料之中，优选使用AuSn合金、AuGe合金、AuSnNi合金和AuGeNi合金，且在这些之中，使用AuSn是最为优选的。

如果AuSn合金中Sn组分比率在10重量％至35重量％的范围内，则已知在约190至420℃的温度下形成共晶合金。如果温度超出该范围，则公知可以获得合金层的凝聚形式。

接着，进行对金属薄膜的热处理，以从上述金属薄膜获得金属精细颗粒掩模。

金属薄膜的热处理温度根据所使用的金属材料来改变，但是通常优选在100至600℃的范围内进行热处理一分钟。在这些条件下，如果进行对金属薄膜的热处理，则可以在p型半导体层上形成金属精细颗粒掩模。

在热处理之后，金属精细颗粒掩模的形状根据热处理环境中的氧浓度来改变。为此，根据所使用的金属材料，可以以通过控制热处理环境中的氧浓度来提高光提取效率的形状，形成金属精细颗粒掩模。此外，根据所使用的金属材料，在根本不含氧的环境中进行热处理对于获得良好的掩模是有利的。

金属精细颗粒掩模的精细颗粒的密度优选在1×10⁵/mm²至1×10⁸/mm²的范围内。在该范围内光提取效率有效地提高。在1×10⁶/mm²至1×10⁷/mm²的范围内的密度是更为优选的。

<步骤(3)>

接着，如上所述可以通过从上述金属精细颗粒掩模上方干法蚀刻p型半导体层来在p型半导体层的表面上形成特定形状的不平坦图形。

可以使用普通的反应离子蚀刻成型用于干法蚀刻。虽然可以选择任何种类的气体并用于干法蚀刻而没有任何限制，但是包含氯的气体优选用于蚀刻。

为了防止金属凝聚形状(金属精细颗粒形状)的改变，衬底温度优选保持在100℃以下。

在本实例中描述了通过使用干法蚀刻来在p型半导体层上形成不平坦图形的方法，但是本发明不仅限于该方法。还可以使用利用湿法蚀刻的方法。

上述制造方法与使用金属的对干法蚀刻的抵抗力的常规方法不同。其特征包括利用微加载效应(micro-loading effect)，该效应通常是由于金属精细颗粒掩模的致密化而发生的干法蚀刻的负面效应。

微加载效应是这样的现象，该现象根据掩模开口面积(要被蚀刻的面积)占总面积的百分比、掩模开口的部分图形密度和掩模开口的图形宽度的绝对值，改变蚀刻速度和蚀刻形状的现象。通常，蚀刻速度和蚀刻形状的改变不是优选的，但是在形成于本发明的氮化镓基半导体发光器件中的凸部中，当形状为这样以便于下端宽度W与上端尺寸相同或大于上端尺寸时，可以最大化利用这种现象。

在该方法中，不需使用具有高硬度和高熔点的金属，且其形状可被容易控制的具有低熔点的金属可以用于在掩模中形成不平坦形状。结果，考虑到生产方面，该方法也是非常有益的。

可以通过本领域技术人员公知的手段来实现设置有透明覆盖物的包括如上所述的本发明的氮化镓基化合物半导体发光器件的灯。此外，可以通过将本发明的氮化镓基化合物半导体发光器件与含有磷光体的覆盖物结合来构造白色的灯。

同样，例如如图4中所示，可以使用本发明的氮化镓基化合物半导体发光器件来利用常规公知方法形成LED灯，而没有任何限制。这些灯可以用于各种应用，如通用的屋顶型灯、用于背光照明的便携式侧视灯、用于指示器的顶视灯等。例如，为了将面朝上型的氮化镓基化合物半导体发光器件安装在屋顶型灯上，如附图中所示，利用树脂等将氮化镓基化合物半导体发光器件1接合到两个框架31或32中的一个上，使用作为由金属制成的布线33和34的正电极接合衬垫和负电极接合衬垫，并将这些中的每一个分别连接到框架31和32。随后，可以通过透明树脂对器件周围的部分模塑来制造屋顶型灯30(参考图34的塑模35)。

本发明的氮化镓基化合物半导体发光器件的驱动电压(Vf)很低，且光提取效率优良；因此，可以实现高效率的灯。

[实例]

接着，将通过实例来更详细描述本发明，但是应该理解，本发明不仅限于这些实例。

实例1

图1示出作为一个实例制造的氮化镓基化合物半导体发光器件的截面的示意图，而图2示出平面示意图。

(氮化镓基化合物半导体发光器件的制造)

通过由AlN制成的缓冲层12将氮化镓基化合物半导体层层叠在由蓝宝石制成的衬底1上。该氮化镓基化合物半导体层包括：n型半导体层，其中顺序层叠8μm厚的由未掺杂GaN制成的下层、2μm厚的Ge掺杂的n型GaN接触层和0.02μm厚的n型In_0.1Ga_0.9N覆层；层叠五次16nm厚的Si掺杂的GaN势垒层和2.5nm厚的In_0.06Ga_0.94N阱层，以及最后，具有设置有势垒层的多量子阱结构的发光层14；以及通过顺序层叠0.01μm厚的Mg掺杂的p型Al_0.07Ga_0.93N覆层和0.18μm厚的Mg掺杂的p型Al_0.02Ga_0.98N接触层而形成的p型半导体层15，其中按照上述顺序层叠各层。半导体的侧面被当作光提取表面。

在该结构中，n型GaN接触层的载流子浓度为1×10¹⁹cm^-3，GaN势垒层的Si掺杂剂的量为1×10¹⁷cm^-3，p型AlGaN接触层的载流子浓度为5×10¹⁸cm^-3，而p型AlGaN覆层的Mg掺杂剂的量为5×10¹⁹cm^-3。

此外，通过MOCVD在相关技术领域的标准公知条件下层叠氮化镓基化合物半导体层(图1的参考标号12、13、14、15)。

通过反应离子蚀刻方法暴露n型GaN接触层中的其中在该氮化镓基化合物半导体层中形成负电极的区域。在该阶段，首先，将抗蚀剂均匀地施加到p型半导体层的整个区域上，且随后通过利用公知的光刻技术从负电极形成区域中去除抗蚀剂。然后将其放置在真空蒸镀器中并在4×10^-4Pa压力下通过电子束方法来层叠以分别将Ni和Ti的膜厚增加至50nm和300nm。随后，通过剥离技术将除了负电极形成区域之外的金属膜与抗蚀剂一起去除。

接着，将半导体层叠衬底放置在反应离子蚀刻设备的蚀刻室中的电极上，蚀刻室的压力减小至10^-4Pa，供给Cl₂作为蚀刻气体，蚀刻衬底，直到暴露出n型GaN接触层为止。在蚀刻之后，从反应离子蚀刻设备中取出衬底，且通过硝酸和氟酸去除上述蚀刻掩模。

(不平坦图形的形成)

接着，利用公知的光刻技术，在除了被插入蒸镀设备中的p型半导体层的表面之外的部分上形成抗蚀剂膜，且层叠15nm厚的Au/Sn。

随后，在氮气环境中在250℃下对其进行热处理，将上述Au/Sn薄膜凝聚成颗粒状，且由金属精细颗粒形成掩模。金属精细颗粒的直径在0.2至1.5μm的范围内，且形成具有2×10⁶颗粒/mm²的高密度的金属精细颗粒层(掩模)。

接着，为了暴露p型半导体层的表面，利用抗蚀剂膜来进行构图，且进行通用目的的干法蚀刻。

在其中不平坦图形将要被加工的区域中，形成上述金属精细颗粒掩模。因此，通过干法蚀刻以与金属精细颗粒的形状相匹配的形状选择性地进行蚀刻，并将p型半导体层的表面加工成具有弯曲表面的不平坦图形形状。该凸部在平面视图中具有栅状形状，其中下端宽度的平均值约为0.7μm(直径)，且高度T的平均值约为1.0μm。此外，凸部之间的距离的平均值为0.8μm，且该值的标准偏差为50％。

(可透光正电极的形成)

接着，利用公知的光刻技术和剥离技术，仅在用于在p型AlGaN接触层的表面上形成正电极的区域中，形成1nm厚的Ni接触金属层和由ITO制成的电流扩散层(可透光正电极)。在电流扩散层的形成期间，首先将层叠有氮化镓基化合物半导体层的衬底放置在真空溅射设备中，并在p型AlGaN接触层上将ITO层叠到1μm的厚度。随后，在将其从真空室取出之后，其被热处理用于使其透明。

(接合衬垫的形成)

接着，通过下述工序形成正电极接合衬垫17和负电极接合衬垫18。

首先，根据公知的所谓剥离的工序来执行加工，并通过相同的层叠方法，将由Au构成的第一层、由Ti构成的第二层、由Al构成的第三层、由Ti构成的第四层和由Au构成的第五层顺序层叠在ITO膜的一部分上，形成五层的正电极接合衬垫17。这里，Au/Ti/Al/Ti/Au各层的厚度分别为50/20/10/100/200nm。

接着，利用上述反应离子蚀刻方法通过下述工序，在暴露的n型GaN接触层上形成负接合衬垫18。

首先，将抗蚀剂均匀地施加在n型GaN接触层的暴露区域的整个表面上。接着，利用公知的光刻工艺，从暴露的n型GaN接触层上的负电极形成部分去除抗蚀剂。随后，通过常用的真空蒸镀方法，从半导体侧顺序形成具有100nm厚的Ti和200nm厚的Au的负电极接合衬垫18。然后，通过公知方法去除抗蚀剂。

这样，通过研磨和抛光衬底11的后表面，将衬底的板厚度减小至80μm。在利用激光划片器从半导体层叠侧划线之后，将其上形成有正和负电极的晶片按压并切割成350μm见方的芯片。

(驱动电压(Vf)和输出功率(Po)的测量)

通过利用探针施加20mA的电流，来测量这些芯片的正向电压(驱动电压：Vf)，且发现其为3.3V。

并且，将芯片安装在TO-18管壳中，且利用测试仪来测量输出功率。发现对于20mA的施加电流，输出功率为12mW。确定发光表面上的所发射的光的分布以在可透光正电极的整个表面上发光。

(通量分布的测量)

利用安装在TO-18管壳中的芯片来测量上述芯片的通量分布。使用由Opto Science Ltd.制造的LED-1100来测量通量分布。

首先，将安装在芯片上部的探测器沿着与芯片的一侧面平行的轨道移动，同时保持与芯片相同的距离，并测量发射强度。接着，将探测器沿着与垂直于第一侧面的侧面平行的轨道移动，同时保持与芯片相同的距离，并测量发射强度。发射强度的分布与将探测器和芯片中心线连接的线与衬底表面构成的角度对应，衬底表面保持恒定，与沿着其进行测量的侧面无关。

实例2-10

在表1中示出了用于金属精细颗粒的材料。在其下在表1中示出的加热温度下进行加热处理的点被排除在外，且与实例1相似地来制造氮化镓基化合物半导体发光器件。

实例11

在其下没有在p型半导体层的表面上形成由凸部构成的不平坦图形的点被排除在外，且与实例1相似地来制造氮化镓基化合物半导体发光器件。

实例12至13

在其下p型半导体层的表面上的凸部的平均值和标准偏差变得与表1中所示的值相同的点被排除在外，且与实例1相似地来制造氮化镓基化合物半导体器件。

表1示出了上述实例1至13的不平坦形状、凸部距离和器件特性的条件的列表。

从表1示出的器件特性的评估结果，其中在p型半导体层的表面上形成无序不平坦表面的实例1至10的氮化镓基化合物半导体发光器件的凸部的平均距离在0.05至1.5μm的范围内，且与凸部的平均距离对应的标准偏差在10％至80％的范围内。

在实例1至10中的每一个中示出的本发明的氮化镓基化合物半导体发光器件的输出功率大于11mW。

在实例2的氮化镓基化合物半导体发光器件中，使用Ni作为金属精细颗粒掩模的材料。金属精细颗粒掩模的熔点极高，在1455℃，且在形成掩模时的热处理温度也为600℃，但是与凸部的平均距离对应的标准偏差为55％。

其中在p型半导体层的表面上没有形成不平坦图形的实例11的氮化镓基化合物半导体发光器件具有9mW的输出功率。

实例12中示出的氮化镓基化合物半导体发光器件中的凸部之间的平均距离为1.8μm。与该平均距离对应的标准偏差为50％。实例12的发光器件具有9mW的输出功率。

实例13中示出的氮化镓基化合物半导体发光器件中的凸部之间的平均距离为0.8μm。与该平均距离对应的标准偏差为85％。实例13的发光器件具有9mW的输出功率。

根据上述结果，可以清楚本发明的氮化镓基化合物半导体发光器件具有优良的光提取效率和高器件特性。

工业适用性

由本发明提供的氮化镓基化合物半导体发光器件虽然小，但是通过从常规不发光的区域中发射光而给出高发射输出功率。还可以预见到提高生产率的效果。如果使用包括氮化镓基化合物半导体发光器件的灯，则通过提高与树脂材料的物理接触特性，可以制造输出功率比常规的高的LED灯。因此，就工业适用性而言，本发明非常有用。

Claims (13)

1.一种由氮化镓基化合物半导体获得的氮化镓基化合物半导体发光器件，包括：

衬底；

顺序层叠在所述衬底上的n型半导体层、发光层和p型半导体层；

层叠在所述p型半导体层上的可透光正电极；

设置在所述可透光正电极上的正电极接合衬垫；以及

设置在所述n型半导体层上的负电极接合衬垫，

其中在所述p型半导体层的表面的至少一部分上形成无序不平坦表面，

在形成在所述p型半导体层的表面上的所述无序不平坦表面中的凸部之间的平均距离在0.01μm至3μm的范围内，所述平均距离为所述凸部的中心之间的距离，并且

所述可透光正电极的表面为不平坦表面，在其上形成与所述p型半导体层的表面的所述凸部对应的凸部。

2.根据权利要求1的氮化镓基化合物半导体发光器件，其中在形成在所述p型半导体层的表面上的所述无序不平坦表面中的凸部之间的平均距离在0.05μm至1.5μm的范围内，所述平均距离为所述凸部的中心之间的距离。

3.根据权利要求1的氮化镓基化合物半导体发光器件，其中与所述凸部之间的平均距离对应的凸部之间的距离的标准偏差在10％至80％的范围内。

4.根据权利要求2的氮化镓基化合物半导体发光器件，其中与所述凸部之间的平均距离对应的凸部之间的距离的标准偏差在10％至80％的范围内。

5.根据权利要求1的氮化镓基化合物半导体发光器件，其中所述可透光正电极由导电氧化物获得。

6.根据权利要求1的氮化镓基化合物半导体发光器件，其中所述可透光正电极由选自作为In₂O₃-SnO₂的缩写词的ITO、作为ZnO-Al₂O₃的缩写词的AZO、作为In₂O₃-ZnO的缩写词的IZO和作为ZnO-GeO₂的缩写词的GZO的材料中的至少一种获得。

7.一种氮化镓基化合物半导体发光器件的制造方法，其用于在氮化镓基化合物半导体器件的p型半导体层的至少一部分上形成不平坦表面，包括以下步骤：

步骤1，在衬底上顺序层叠n型半导体层、发光层和p型半导体层以形成氮化镓基化合物半导体；

步骤2，在所述p型半导体层上形成由金属精细颗粒制成的掩模；以及

步骤3，从所述掩模上方干法蚀刻所述p型半导体层，且形成凸部，其中所述凸部的下端宽度大于上端宽度。

8.根据权利要求7的氮化镓基化合物半导体发光器件的制造方法，其中所述步骤2包括在所述p型半导体层上形成金属薄膜的步骤和在所述金属薄膜形成之后的热处理步骤。

9.根据权利要求7的氮化镓基化合物半导体发光器件的制造方法，其中形成所述掩模的所述金属精细颗粒由Ni或Ni合金获得。

10.根据权利要求7的氮化镓基化合物半导体发光器件的制造方法，其中形成所述掩模的所述金属精细颗粒由具有在100℃至450℃的范围内的熔点的低熔点金属或低熔点合金获得。

11.根据权利要求7的氮化镓基化合物半导体发光器件的制造方法，其中形成所述掩模的所述金属精细颗粒由选自Ni、Au、Sn、Ge、Pb、Sb、Bi、Cd和In的低熔点金属获得，或者由包含选自Ni、Au、Sn、Ge、Pb、Sb、Bi、Cd和In的所述低熔点金属中的至少一种的低熔点合金获得。

12.一种由根据权利要求1至6中任何一项的氮化镓基化合物半导体发光器件获得的灯。

13.一种由通过根据权利要求7至11中任何一项的制造方法获得的氮化镓基化合物半导体发光器件获得的灯。

Images