CN101120452A - 半导体发光元件 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种在使用氮化物半导体的发光元件中，防止半导体层的劣化，即使施加逆方向电压或长时间动作，半导体层也难以损坏，并且可靠性优异的氮化物半导体发光元件。在基板(1)的表面上形成有由氮化物半导体构成的包含第一导电型层(p型层(5))和第二导电型层(n型层(3))的半导体叠层部(6)，在其上与透光性导电层(7)和p型层(5)电连接而设置有p侧电极(8)，与半导体叠层部(6)的下层侧的n型层(3)电连接而设置有n侧电极(9)。利用蚀刻将该芯片周围的半导体叠层部(6)除去，由此形成台面状半导体叠层部(6a)，对该台面状半导体叠层部(6a)进行蚀刻，使得在平面形状内没有90°以下的角部、其拐角部成为曲线。
Description
技术领域
本发明涉及使用适合于发出青色系(从紫外线到黄色)的光的氮化物半导体的半导体发光元件。更详细地说，涉及实现芯片面内的发光的均匀性、并且在静电或长时间动作等情况下难以损坏的结构的半导体发光元件。
背景技术
例如，青色系的半导体发光元件，如图4(a)中的该发光元件芯片(以下，称为LED芯片)的一个例子的概略截面图所示，在由蓝宝石构成的绝缘性基板上叠层氮化物半导体层而形成。即，在蓝宝石基板21上，外延生长有例如n型GaN的n型层(包覆层)23、由比包覆层的带隙能小的材料例如InGaN系(是指In与Ga的比率能够进行多种变化，以下相同)化合物半导体构成的活性层24、由p型GaN构成的p型层(包覆层)25，形成半导体叠层部26，在其表面上，隔着由ZnO构成的透光性导电层27而设置有p侧(上部)电极28，在对叠层形成的半导体层的一部分进行蚀刻而露出的n型层23的表面上设置有n侧(下部)电极29，由此形成LED芯片。
另一方面，使用该种氮化物半导体那样的半导体材料的发光元件，在半导体发光元件中，特别不耐逆方向电压，当有静电等电涌时，容易损坏。可以认为，因为活性层部分的电阻最大而容易吸收高电压，所以在活性层部分尤其容易损坏，该损坏会从高电场容易集中的部分向活性层整体扩展。作为电场特别容易集中的部分，如图4(b)的平面说明图中的A所示，在平面形状中，在与n侧电极29相对的部分的角部，电场最容易集中，已知对活性层的损伤从该角部开始，已公开为了使在与n侧电极29相对的部分的拐角部不形成角部而将其形成为曲线形状(例如参照专利文献1)。
专利文献1：日本特开平11-177133号公报
发明内容
如上所述，为了防止在施加静电或电压时等，尤其是由于施加逆方向电压而导致发光元件容易被损坏，使作为电流流动方向的p型层与n侧电极的相对部的半导体叠层部的形状不形成尖的部分而使其圆滑，由此防止电场的集中。但是，即使实施这样的对策，使用氮化物半导体的发光元件，因为电涌等的输入也容易损坏，并且发光特性的劣化会随着使用而加剧，存在亮度降低、容易损坏的问题。
本发明为了解决上述问题而做出，其目的是提供一种在使用氮化物半导体的发光元件中，防止半导体层的劣化，即使施加逆方向电压或长时间动作，半导体层也难以损坏，并且可靠性优异的氮化物半导体发光元件。
本发明人对于使用氮化物半导体的发光元件因静电等的施加而容易损坏、以及亮度由于比较短时间的使用而降低等特性容易劣化的原因，进行了专心研究，结果发现，尤其当活性层等半导体层的一部分中有受到损伤的部分时，该损伤会扩展到活性层等受到该损伤的半导体层的整体，该半导体层的结晶性会大幅降低。并且发现，对该半导体层的损伤，在像上述那样为了形成n侧电极和形成芯片周围的槽而对半导体叠层部的一部分进行干蚀刻时，当存在90°以下的拐角部时，该拐角部在干蚀刻时会受到损伤，该损伤会向半导体层的整体扩展，从而引起特性降低。
即，发现：如后述的图2(a)所示，在该拐角部，干蚀刻时的等离子体P从夹着拐角部的两边集中，该拐角部的半导体层受到损伤，该损伤由于LED的动作等而向半导体层的整体扩展，以至半导体层整体劣化，从而引起亮度降低或破损等。并发现，通过将90°以下的角部消除，能够避免蚀刻时等离子体P向一部分半导体层集中，可以得到防止对半导体层的损伤、寿命长以及耐静电等电涌的半导体发光元件。
本发明的半导体发光元件，包括：基板；设置在该基板上，由氮化物半导体构成的包含第一导电型层和第二导电型层的半导体叠层部；设置在该半导体叠层部上的透光性导电层；设置在该透光性导电层上、并与在上述半导体叠层部的表面侧设置的第一导电型层电连接而设置的第一电极；和与上述半导体叠层部的下层侧的第二导电型层电连接而设置的第二电极，通过对上述半导体叠层部的至少芯片周围进行蚀刻，形成台面状半导体叠层部，对该台面状半导体叠层部进行蚀刻，使得在平面形状内没有90°以下的角部、其拐角部成为曲线。
在此，氮化物半导体是指由III族元素Ga与V族元素N的化合物、或者III族元素Ga的一部分置换为Al、In等其它III族元素后的化合物以及/或者V族元素N的一部分置换为P、As等其它V族元素后的化合物构成的半导体。另外，第一导电型和第二导电型是指，当以半导体的极性的n型和p型中的任何一方作为第一导电型时，另一方的p型或n型就是第二导电型。另外，角部是指直线或曲线以形成尖的部分的方式相交的部分，拐角部是指无论有无尖的部分，直线或者曲线的方向改变的部位，“没有90°以下的角部、其拐角部成为曲线”的意思是：在2条边的交点的内角为90°以下的情况下，使该交点的部分成为曲线、消除角部，当如图2(c)所示的α那样，2条边的交点的内角大于90°时，不一定需要使拐角部成为曲线。
通过以外周部没有角部、其拐角部成为曲线的方式形成上述透光性导电层，在透光性导电层的拐角部，电场不集中，因此，也能够防止对半导体层的损伤。另外，优选上述透光性导电层的外形被形成为比上述台面状半导体叠层部的外形小、并且与上述台面状半导体叠层部的外形基本相似的形状。
而且，优选：上述基板由绝缘性基板构成，上述第二电极设置在上述半导体叠层部的通过蚀刻而露出的上述第二导电型层的表面上，对上述半导体叠层部进行蚀刻，使得在平面形状内，上述台面状半导体叠层部的与上述第二电极相对的部分，在大于90°的拐角部也不形成角部而成为曲线，以在整个周围没有角部且拐角部成为曲线的方式形成。
另外，在上述基板为半导体基板的情况下，优选：上述台面状半导体叠层部的平面形状为四角形的角部被形成为圆弧形状的形状，在上述基板的背面形成有上述第二电极。
通过形成本发明的结构，在对半导体叠层部的一部分进行蚀刻、使下层的导电型层露出以形成台面状半导体叠层部时，在半导体层的外形中没有90°以下的角部，因此，即使在干蚀刻时被暴露于等离子体，也不会从在拐角部相邻的2边受到等离子体的损伤从而只有角部受到大致2倍的损伤，不会对半导体层施加局部的强损伤。结果，损伤不会集中在半导体层、尤其是活性层的拐角部，半导体层不会在局部劣化。于是，因为没有局部弱的地方，所以也不会有劣化从该部分向半导体层整体扩展的情况，即使长时间动作也不会劣化，因此，可得到能够高度地维持发光特性、即使进一步施加静电等也能够充分地耐受、并且可靠性优异的氮化物半导体发光元件。
附图说明
图1是本发明的半导体发光元件的一个实施方式的平面和截面的说明图。
图2是对本发明的半导体发光元件不容易受到损伤的情况进行说明的说明图。
图3是表示本发明的半导体发光元件的另一个实施方式的平面和截面的说明图。
图4是以往的氮化物半导体发光元件的1个例子的截面和平面的说明图。
符号说明
1 基板
2 低温缓冲层
3 n型层
4 活性层
5 p型层
6 半导体叠层部
6a 台面状半导体叠层部
7 透光性导电层
8 p侧电极
9 n侧电极
具体实施方式
接着，一边参照附图一边对本发明的半导体发光元件进行说明。图1表示叠层有适合于例如青色系的发光的氮化物半导体的、本发明的半导体发光元件的芯片的平面和截面的说明图。
本发明的半导体发光元件，例如如图1所示，在由蓝宝石(Al2O3单结晶)等构成的基板1的表面上形成有由氮化物半导体构成的包含第一导电型层和第二导电型层的半导体叠层部6，在该半导体叠层部6上设置有透光性导电层7，在该透光性导电层7上，与在半导体叠层部6的表面侧设置的第一导电型层(例如p型层5)电连接而设置有第一电极(例如p侧电极8)，与半导体叠层部6的下层侧的第二导电型层(例如n型层3)电连接而设置有第二电极(例如n侧电极9)。在图1所示的例子中，基板1使用蓝宝石基板那样的绝缘性基板，n侧电极9形成于半导体叠层部6的一部分被蚀刻而露出的n型层3的露出面上。在本发明中，如图1(a)的平面说明图所示，具有如下特征：通过利用蚀刻将芯片周围的半导体叠层部6除去，形成台面状半导体叠层部6a，对该台面状半导体叠层部6a进行蚀刻，使得在平面形状内不具有90°以下的角部、其拐角部成为曲线。
即，在由半导体晶片制作芯片时，氮化物半导体非常硬，即使要通过切割(dicing)或划线(scribe)制作芯片，不仅分离的部分、甚至内部也容易产生裂纹，容易导致内部量子效率降低。因此，在为了形成n侧电极9而将n型层露出时，对与芯片分离的部分、即芯片周围的半导体叠层部6也同时进行干蚀刻以形成槽部。因为进行该干蚀刻直至超过活性层4，所以n型层3露出，形成台面状半导体叠层部6a。在该干蚀刻中，芯片为大致正方形状，因此，在以往，如图2(a)所示，沿着芯片形状、呈大致四角形状形成分离槽，仅在形成n侧电极9的部分，与该分离槽相连而使n型层3露出。在图2(a)中，用斜线E表示蚀刻部。
如上所述，本发明人对氮化物半导体因为电涌、逆方向电压、以及长时间的动作而容易损坏的原因进行了专心研究，研究的结果发现：像四角形的角部那样，当在平面形状中相邻的边具有以90°以下的角度相交的角部时，如图2(a)所示，该角部从相邻的2边接受等离子体的能量P，由此，该角部的半导体层受到损伤，该损伤会逐渐传递到半导体层内，半导体层整体成为受到损伤的状态，由于极少的逆方向电压或基于长时间动作的严酷的动作，尤其在电阻大的活性层中会产生损坏，出现发生破损、发光特性大幅降低的现象。
而且发现：如图2(b)所示，通过使90°以下的角部变得圆滑、使其成为圆弧那样的曲线形状，不会在局部被照射2重的等离子体P，而从周围全体照射均匀的等离子体P，不会产生上述的局部的损伤，结果，能够消除因损伤传递到半导体层的全体而导致发光元件容易损坏、发光特性容易降低的问题。即，当在半导体层的一部分中有受到损伤的部分时，该损伤会传递到半导体层全体而对特性等带来不良影响，但通过预先将那样受到损伤的部分除去，因为不存在受到损伤的部分，所以可以认为不会扩展到半导体层的全体并使其电气特性劣化。
由该角部的2重的等离子体照射引起的劣化，当2边交叉的拐角的角度为90°以下时，产生完全来自两边的2重照射，容易引起劣化，但是，例如如图2(c)所示，如果角度α大于90°，则完全来自两边的2重照射难以发生，因此比较能够抑制劣化。因此，大于90°的角部不一定要形成为曲线，但是对于这样的角部，将角部全部除去，台面状半导体叠层部6的平面形状由没有角部的曲线形成，这样能够难以受到损伤，因此优选。特别地，如图2(c)所示，在与未图示的n侧电极相对的台面状半导体叠层部6a的部分，电场容易集中，因此，优选将角部除去而利用曲线形成拐角部。
在图1(a)所示的例子中，透光性导电层7的平面形状与半导体叠层部6同样，拐角部也由曲线形成。使该透光性导电层7的角部圆滑的理由与上述的等离子体的2重照射对策没有直接关系，透光性导电层7中，电容易流动，尤其在角部，电场容易集中，因此，通过使电场在容易受到损伤的台面状半导体叠层部6a的角部不集中，能够进一步防止由电涌或长时间动作引起的损坏或特性劣化。此外，该透光性导电层7可以设置在台面状半导体叠层部6a的整个表面上并与台面状半导体叠层部6a为完全相同的平面形状，也可以如图1(a)所示，以位于台面状半导体叠层部6a的内侧的方式形成透光性导电层7。在该情况下，优选：将透光性导电层7的平面形状形成为与台面状半导体叠层部6a的平面形状平行(相似形状)。因为这样容易使流向半导体层的电流均匀。
半导体叠层部6例如形成为如下的结构。例如0.005～0.1μm左右的由GaN构成的低温缓冲层2、1～10μm左右的山掺杂有Si的GaN或者AlGaN系化合物构成的n型层3、例如1～3nm的由In0.13Ga0.87N构成的阱层和10～20nm的由GaN构成的势垒层叠层3～8对而形成的0.05～0.3μm左右的多量子阱(MQW)结构的活性层4、以及0.2～1μm左右的由p型的GaN或AlGaN系化合物半导体构成的p型层5，通过各自依次叠层而构成。另外，在图1所示的例子中，表示了n型层3和p型层5都由1层构成的例子，但是，例如，也能够形成在活性层侧由AlGaN系化合物构成的容易封闭载流子的阻挡层(带隙能大的层)、和在与活性层4相反的一侧容易提高载流子浓度的GaN接触层的复层，还能够在低温缓冲层上设置非掺杂或者n型等的高温缓冲层、缓和各层间的变形的超晶格层等其它层。另外，也能够用其它的氮化物半导体层来形成这些层。
另外，该例子是由n型层3和p型层5夹持活性层4的双异质结结构，但也可以是n型层与p型层直接接合的pn结结构。另外，活性层4也不限于上述的MQW结构，也能够形成为单量子阱结构(SQW)或者块状(bulk)结构。
对该半导体叠层部6的芯片周围和n侧电极的形成部分进行蚀刻，使n型层3露出。此时，如上所述，进行蚀刻，使得未被蚀刻而残留的台面状半导体叠层部6a的平面的外形形状，没有90°以下的角部、上述的拐角部成为曲线形状。具体地说，在形成进行蚀刻的图案的掩模时，预先进行掩模的图案化，使得上述的拐角部变得圆滑，由此，只是进行与以往同样的干蚀刻工序，就形成没有角部、拐角部由曲线形成的台面状半导体叠层部6a。干蚀刻例如以氯和四氯化硅的气体作为蚀刻剂，能够通过进行等离子体蚀刻而形成。
在该半导体叠层部6上，设置有0.1～10μm左右、例如0.5μm左右的由例如通过掺杂Ga而使电阻率为5×10-4Ω·cm左右的ZnO构成的透光性导电层7。然后，在利用蚀刻将已叠层的半导体叠层部6的一部分除去而露出的n型层3上，通过将0.01μm左右厚度的Ti膜和0.25μm左右厚度的Al膜叠层后在600℃左右的温度下进行烧结，将欧姆接触用的n侧电极9形成为合金层，在透光性导电层7上的一部分上，利用0.1μm左右厚度的Ti膜与0.3μm左右厚度的Au膜的叠层结构形成p侧电极8。然后，在表面上，除了p侧电极8和n侧电极9的表面以外，在整个面上设置有未图示的SiO2等钝化膜。透光性导电层7并不限定于ZnO，ITO或者Ni和Au的2～100nm左右的薄合金层，也能够一边使光透过一边将电流扩散至芯片整体。
根据本发明，在蚀刻时以不形成90°以下的角部的方式进行图案化，因此，几乎没有过度暴露于干蚀刻的等离子体的部分，不会在局部产生半导体层受到大的损伤的部分。
接着，说明图1所示的半导体发光元件的制造方法。例如，利用有机金属化学气相成长法(MOCVD法)，与载气H2一起供给三甲基镓(TMG)、氨气(NH3)、三甲基铝(TMA)、三甲基铟(TMIn)等反应气体、以及形成为n型时作为掺杂剂气体的SiH4、形成为p型时作为掺杂剂气体的二茂镁(Cp2Mg)或二甲基锌(DMZn)等需要的气体，依次成长。
首先，在例如由蓝宝石构成的绝缘基板1上，在例如400～600℃左右的低温下，形成0.005～0.1μm左右的由GaN层构成的低温缓冲层2，然后，将温度提高到600～1200℃左右的高温，形成1～10μm左右的由n型GaN构成的n型层(阻挡层)3。接着，将成长温度降低到400～600℃的低温，形成0.05～0.3μm左右的、例如1～3nm的由In0.13Ga0.87N构成的阱层和10～20nm的由GaN构成的势垒层叠层3～8对而成的多量子阱(MQW)结构的活性层4。接着，将成长装置内的温度提高到600～1200℃左右，分别叠层0.2～1μm左右的由GaN构成的p型层5。
此后，在表面设置SiN等保护膜，为了p型掺杂剂的活化，在400～800℃左右进行10～60分钟左右的退火，在整个面上涂敷光致抗蚀剂，利用光刻工序进行图案化，使半导体叠层部6的进行蚀刻的部分(芯片周围和形成n侧电极的部分)露出。此时，为了在平面形状内不形成90°以下的角部，将光致抗蚀剂图案化并形成掩膜，使得可能成为90°以下的角部的地方成为曲线形状。此后，装入感应耦合型等离子体蚀刻装置中，流入例如氯气和四氯化硅气体，导入RF功率，由此能够以期望的形状对芯片周围等期望的区域进行蚀刻。
此后，例如通过利用MBE、溅射、真空蒸镀、PLD、离子镀敷(ionplating)等方法形成0.5μm左右的掺杂有Ga的ZnO层，形成透光性导电层7。然后，利用剥离(lift-off)法，在通过上述的蚀刻而露出的n型层3的表面形成0.01μm厚的Ti膜和0.25μm厚的Al膜，并进行600℃左右的热处理，由此进行烧结而形成合金，形成n侧电极9。另外，同样利用剥离法，在透光性导电层7的一部分上形成0.1μm厚的Ti膜和0.3μm厚的Au膜，形成p侧电极8。结果，形成图1所示的结构的LED芯片。
上述的例子是使用作为绝缘性基板的蓝宝石基板作为基板的例子，因此，为了形成n侧电极9，对半导体叠层部6的一部分进行蚀刻，使n型层3露出，与此同时，进行芯片周围的蚀刻。但是，在基板是例如SiC那样的半导体基板的情况下，在像上述那样分割为芯片时，因为在氮化物半导体中容易产生裂纹，所以优选利用干蚀刻预先对分割部进行蚀刻。在该情况下，也需要进行干蚀刻，使得在通过该蚀刻而残留的台面状半导体叠层部6a的平面形状中不形成角部。该例子如图3所示。在该例子中，因为基板1不是绝缘性基板而是半导体，所以不是在利用蚀刻将半导体叠层部6的一部分除去后露出的n型层3上形成电极，而是在半导体基板1的背面形成n侧电极9，只是在台面状半导体叠层部6a的平面形状中，四角形状的角部以圆弧那样的曲线形成，之后与上述的例子相同。
即，在SiC基板1上，与上述同样地形成由低温缓冲层2、n型层3、活性层4、p型层5构成的半导体叠层部6，对该芯片的周围进行蚀刻。在该情况下，利用上述材料在芯片的大致中央部的透光性导电层7的表面上形成p侧电极8，在SiC基板1背面的整个面上，通过形成例如Ni膜来形成n侧电极9。
产业上的可利用性
根据本发明，能够形成在静电或者长时间动作的情况下也难以损坏的结构的青色或者紫外光等的发光元件，能够利用于白色的光源、照明等广泛的电子设备的光源或者信号灯、照明器具、消毒用器具等。
Claims (5)
1.一种半导体发光元件，其特征在于，包括：
基板；设置在该基板上，由氮化物半导体构成的包含第一导电型层和第二导电型层的半导体叠层部；设置在该半导体叠层部上的透光性导电层；设置在该透光性导电层上、并与在所述半导体叠层部的表面侧设置的第一导电型层电连接而设置的第一电极；和与所述半导体叠层部的下层侧的第二导电型层电连接而设置的第二电极，
通过对所述半导体叠层部的至少芯片周围进行蚀刻，形成台面状半导体叠层部，对该台面状半导体叠层部进行蚀刻，使得在平面形状内没有90°以下的角部、其拐角部成为曲线。
2.如权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于：
所述透光性导电层以外周部没有角部、其拐角部成为曲线的方式形成。
3.如权利要求2所述的半导体发光元件，其特征在于：
所述透光性导电层的外形被形成为比所述台面状半导体叠层部的外形小、并且与所述台面状半导体叠层部的外形基本相似的形状。
4.如权利要求1、2或3所述的半导体发光元件，其特征在于：
所述基板由绝缘性基板构成，所述第二电极设置在所述半导体叠层部的通过蚀刻而露出的所述第二导电型层的表面上，对所述半导体叠层部进行蚀刻，使得在平面形状内，所述台面状半导体叠层部的与所述第二电极相对的部分，在大于90°的拐角部也不形成角部而成为曲线，以在整个周围没有角部且拐角部成为曲线的方式形成。
5.如权利要求1、2或3所述的半导体发光元件，其特征在于：
所述基板由半导体基板构成，所述台面状半导体叠层部的平面形状为四角形的角部被形成为圆弧形状的形状，在所述基板的背面形成有所述第二电极。
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