CN101180743A - 氮化物半导体发光元件 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种通过使用SiC基板，作为垂直型的发光元件，同时能够防止由与基板和氮化物半导体层的晶格不匹配相伴的氮化物半导体层的膜质降低所引起的发光输出降低，并且也能够有效地利用行进到基板侧的光的氮化物半导体发光元件。在SiC基板(1)上，直接设置有折射率相互不同的低折射率层(21)与高折射率层(22)交替叠层而形成的光反射层(2)，在该光反射层(2)上，设置有以至少具有发光层形成部(3)的方式叠层氮化物半导体层而形成的半导体叠层部(5)。分别在半导体叠层部(5)的上面侧设置有上部电极(7)、在SiC基板(1)的背面上设置有下部电极(8)。

Description

氮化物半导体发光元件

技术领域

本发明涉及使用氮化物半导体的半导体发光元件。更详细地说，涉及基板使用由SiC构成的半导体基板，在基板的背面上设置有一个电极，同时能够有效地取出由发光层形成部发出的光，从而能够提高外部量子效率的氮化物半导体发光元件。

背景技术

现有的使用氮化物半导体的半导体发光元件，例如通过在蓝宝石基板上生长包含缓冲层和发光层形成部的氮化物半导体叠层部，对该半导体叠层部的一部分进行蚀刻使半导体叠层部的下层侧的导电型层露出，分别在该露出的下层侧导电型层表面设置下部电极、在半导体叠层部的上面侧设置上部电极而形成。当使用这样的蓝宝石作为基板时，因为蓝宝石基板是绝缘体，所以不能在基板的背面上形成与半导体叠层部的下层侧的导电型层连接的电极，必须如上述那样通过蚀刻将半导体叠层部的一部分除去而使下层的导电型层露出。因此，制造工序变得非常复杂，并且由蚀刻产生的污染物会附着在发光面、电极形成面等上，从而也会产生发光输出降低、电极连接部的电阻增大等电特性的问题。

为了解决这样的问题，也已考虑使用由SiC构成的半导体基板作为基板，在其上使用氮化物半导体，隔着缓冲层生长双异质结的发光层形成部的结构的半导体发光元件。即，如图3示，在SiC基板101上设置有缓冲层102，在其上叠层有由利用下层半导体层103和上层半导体层105使活性层104形成为夹层结构的双异质结构成的发光层形成部106，在它的表面上形成上部电极107，在SiC基板101的背面上形成下部电极108，由此，不对发光层形成部106等半导体叠层部的一部分进行蚀刻，在半导体基板101的背面上形成与半导体叠层部的下层导电型层连接的下部电极108(例如参照专利文献1)。

专利文献1：美国专利说明书第5523589号

发明内容

如上所述，通过使用SiC作为基板，即使不对半导体叠层部进行蚀刻也能够在基板的背面上形成一方的电极，因此优选。但是，即使使用SiC基板，也有不能完全地进行与氮化物半导体层的晶格匹配，在其上叠层的氮化物半导体层的结晶性差和发光效率降低的问题。在该情况下，如上所述，提出了在SiC基板101与发光层形成部106之间设置缓冲层102，但是，在氮化物半导体中，AlN与SiC晶格常数最接近，优选尽可能设置Al的混晶比率大的AlGaN系化合物(这意味着Al与Ga的混晶比率不是唯一的，是各种能得到的化合物，以下的“系”也以相同的意思使用)作为缓冲层，但是AlN是绝缘层，无法具有半导电性，即使形成AlGaN系化合物，越增大Al的混晶比率，越无法提高载流子浓度，当要在SiC基板背面上形成一方的电极时，需要充分提高缓冲层的载流子浓度，从载流子浓度的观点来看，提高Al的混晶比率的极限为0.2左右。因此，不能使SiC基板与氮化物半导体层的晶格不匹配充分缓和。

另外，SiC会吸收由氮化物半导体发出的光。因此，例如如果是蓝宝石基板，则即使是行进到基板侧的光也能够利用从基板侧面出来的光和在基板背面侧反射的光，但是当使用SiC基板时，存在几乎不能利用行进到基板侧的光的问题。另一方面，存在以下问题：由发光层发出的光，向四周均匀地放射，与取出光的半导体叠层部的上面侧相同程度的强度的光也行进到SiC基板侧，理论上发出的光的一半被浪费。

本发明鉴于上述状况而做出，其目的是提供一种以下结构的氮化物半导体发光元件：通过使用SiC基板，在基板的背面上形成一方的电极，作为垂直型的发光元件，同时能够防止由与基板和氮化物半导体层的晶格不匹配相伴的氮化物半导体层的膜质降低所引起的发光输出降低，并且也能够有效地利用行进到基板侧的光，由此能够提高外部量子效率。

本发明的另一个目的是提供一种即使在具有多层的半导体叠层膜作为光反射层的情况下，通过极力避免形成该叠层膜时的温度变化，也能够在短时间内进行叠层的结构的使用氮化物的半导体发光元件。

本发明的氮化物半导体发光元件，其特征在于，包括：SiC基板；直接设置在该SiC基板上，折射率相互不同的低折射率层和高折射率层交替叠层而形成的光反射层；设置在该光反射层上，以至少具有发光层形成部的方式叠层氮化物半导体层而形成的半导体叠层部；和在该半导体叠层部的上面侧和上述SiC基板的背面上分别设置的电极。

在此，氮化物半导体是指III族元素Ga与V族元素N的化合物或者III族元素Ga的一部分或全部置换成Al、In等其它III族元素的化合物，和/或V族元素N的一部分置换成P、As等其它V族元素的氮化物。另外，低折射率和高折射率是指两层间的相对的折射率关系，而不管折射率的绝对值。另外，利用超晶格等多层结构形成层时的折射率是指它的平均折射率。

上述光反射层由Al_xGa_1-xN(0＜x＜1)与Al_yGa_1-yN(0≤y＜1，y＜x)的叠层结构形成，由此，能够在短时间内进行多层膜的生长工序，并且能够叠层膜质优异的氮化物半导体层。即，当要叠层AlGaN系化合物彼此的折射率变化的半导体层时，无法使两层间的折射率差太大，但是当使用InGaN系化合物作为高折射率层时，不能像低折射率层Al_xGa_1-xN那样在约700℃以上的高温下生长。另一方面，氮化物半导体层在高温下容易形成结晶性好的层，因此，当要形成结晶性优异的多层膜时，优选尽可能在高温下进行生长。因此，当要使用InGaN系化合物作为高折射率层时，在低折射率层和高折射率层中，必须逐一改变生长温度，非常花费时间，并且整体的结晶性也降低，但是通过形成Al_xGa_1-xN(0＜x＜1)与Al_yGa_1-yN(0≤y＜1，y＜x)的叠层结构，能够在高温下改变组成而进行生长，因此，能够在非常短的时间内形成膜质优异的光反射层。因为膜质优异，所以光的反射特性也大大提高。

上述光反射层的低折射率层和高折射率层中的至少一方可以进一步形成为折射率不同的调整层与缓和层的超晶格结构。例如，上述调整层由In_vGa_1-vN(0≤v＜1)构成，上述缓和层由Al_wGa_1-wN(0＜w＜1)构成。

另外，可以在上述发光层形成部上，形成由低折射率层与高折射率层的叠层结构形成的第二光反射层。在该情况下，形成为上述发光层形成部成为垂直方向的共振器、并且从上述第二光反射层的一部分取出光，成为面发光激光器。

上述发光层形成部由Al_aGa_bIn_1-a-bN(0≤a≤1，0≤b≤1，0≤a+b≤1)构成，并且形成为利用n型层和p型层使活性层成为夹层结构的双异质结构，由此，能够充分地关闭载流子，可得到发光效率优异的半导体发光元件。

根据本发明，在SiC基板表面直接由多层膜形成光反射层，因此，在其上叠层的氮化物半导体层的膜质提高，并且，在由发光层发出的光中，即使行进到基板侧的光也容易由光反射层反射而从表面侧射出。即，如上所述，SiC基板与氮化物半导体的晶格常数等不一致，即使插入缓冲层，缓冲层为了确保它的导电性而不能那么高地提高Al的混晶比率，不一定能够充分发挥缓冲层的作用，从而不能生长膜质良好的氮化物半导体层。但是，通过形成多层膜，容易提高载流子浓度，并且晶格常数等不同的层也容易叠层，因此，能够提高Al的混晶比率而生长与SiC基板的晶格常数接近的层，也能够提高在其上生长的氮化物半导体层的膜质。另外，该多层膜以成为由发光层发出的光的反射膜的厚度来叠层，由此能够使行进到基板侧的光反射，能够在表面侧取出几乎全部发出的光。结果，能够大大提高外部量子效率，形成发光效率优异的氮化物半导体发光元件。

另外，如上所述，通过使光反射层成为Al_xGa_1-xN(0＜x＜1)与Al_yGa_1-yN(0≤y＜1，y＜x)的叠层结构，能够只在约700℃以上的高温下生长，因此，能够叠层结晶性特别优异的氮化物半导体层，并且，当夹着InGaN系化合物时，该层必须在约600℃以下的低温下生长，因此，为了形成多层膜必须反复升高降低温度，但是能够也不需要而非常简单地生长多层膜。而且，氮化物半导体层在高温下生长能够生长出膜质好的半导体层，因此能够得到膜质更好的氮化物半导体层。

附图说明

图1是本发明的氮化物半导体发光元件的截面和能带图的说明图。

图2是表示图1的光反射层的另一个例子的能带图。

图3是表示现有的氮化物半导体发光元件的一个例子的截面说明图。

符号说明

1SiC基板

2光反射层

3发光层形成部

4接触层

5半导体叠层部

7上部电极

8下部电极

21低折射率层

22高折射率层

31n型层

32活性层

33p型层

具体实施方式

下面，参照附图，对本发明的氮化物半导体发光元件进行说明。本发明的氮化物半导体发光元件，它的一个实施方式的截面说明图和光反射层的能带图如图1所示，在SiC基板1上，直接设置有折射率相互不同的低折射率层21与高折射率层22交替叠层的光反射层2，在该光反射层2上，设置有以至少具有发光层形成部3的方式叠层氮化物半导体层的半导体叠层部5。通过分别在半导体叠层部5的上面侧设置上部电极7、在SiC基板1的背面上设置下部电极8而形成。

SiC基板1使用单晶碳化硅基板，在图1所示的例子中形成为n型。在该基板1上直接叠层有光反射层2。光反射层2，为与基板1相同的导电型，例如由n型的Al_xGa_1-xN(0＜x＜1，例如x＝0.3)构成的低折射率层21与由n型的Al_yGa_1-yN(0≤y＜1，y＜x，例如y＝0)构成的高折射率层22分别以λ/(4n₁)、λ/(4n₂)  (λ为发出的光的波长，n₁、n₂分别为低折射率层和高折射率层的折射率)的厚度交替叠层而形成。通过这样交替地叠层折射率不同的2个层，形成分布型布拉格反射层(DBR：distributed Bragg reflection)，特别是通过使各层形成为λ/(4n)的厚度，能够最好地进行反射。

该光反射层2例如形成为由Al_xGa_1-xN(0＜x＜1，例如x＝0.3)构成的低折射率层21与由Al_yGa_1-yN(0≤y＜1，y＜x，例如y＝0)构成的高折射率层22的叠层结构，由此，都能够在700～1200℃左右的高温下生长，能够叠层在高温下结晶性好的氮化物半导体层，并且，即使在将两层交替地叠层的情况下也能够不使温度变化而进行生长，因此优选。在该情况下，难以使两层间的折射率差增大，因此，为了提高反射率，需要增加层数或者增大低折射率层21的Al的混晶比率。即使增大Al的混晶比率，也不像缓冲层那样以块状(bulk)形成厚的层，而形成与GaN层的叠层结构，因此，能够提高载流子浓度，容易形成与SiC基板的晶格常数也接近的优质的膜。

但是，当不过多地提高Al的混晶比率，或一边增大低折射率层的Al混晶比，一边继续增大折射率差的情况下，作为高折射率层22，也能够使用由In_zGa_1-zN(0＜z＜1)构成的高折射率层22。在该情况下，AlGaN系化合物在上述的高温下生长，InGaN系化合物在400～600℃左右的低温下生长。

另外，上述的低折射率层21和高折射率层22，其中的任一层或两层都不是上述的块状层，例如如图2中的能带图所示，即使进一步形成为折射率不同的层、例如由In_vGa_1-vN(0≤v＜1，例如v＝0)构成的调整层222与例如由Al_wGa_1-wN(0＜w＜1，例如w＝0.1)构成的缓和层221的超晶格结构，如果各个超晶格结构的平均折射率低的层和高的层交替地叠层，则同样作为光反射层而做出贡献，同时能够利用超晶格结构抑制由晶格常数等的不同而引起的晶体缺陷的产生。此外，低折射率层21和高折射率层22都不限定于上述的例子，只要以容易利用折射率不同的层反射光的方式叠层即可。

发光层形成部3在光反射层2上直接形成或者隔着其它的半导体层形成，在图1所示的例子中，由双异质结构构成，该双异质结构利用由Al_aGa_bIn_1-a-bN(0≤a≤1，0≤b≤1，0≤a+b≤1)的通式表示的氮化物材料，以夹着活性层32的方式，设置有例如0.5μm左右的由n型GaN等形成的n型层31和0.5μm左右的由p型GaN等形成的p型层33。活性层32选择具有与发出的光的波长相应的带隙能的材料，例如当发出波长为440～470nm的蓝色光时，形成为0.01～0.1μm左右的由In_0.15Ga_0.85N构成的块状结构或1～10nm左右的In_0.1Ga_0.9N阱层与1～10nm左右的GaN阻挡层的单量子阱结构或多量子阱结构，整体形成为0.01～0.1μm左右。该发光层形成部3即使不是双异质结结构，也可以是单异质结构或利用同质结形成pn结的结构，只要以形成利用电子与空穴的再结合的发光部的方式叠层半导体层即可。

活性层32通常非掺杂地形成，可以是p型层或n型层。n型层31和p型层33，从将载流子封闭在活性层中的意义出发，也优选带隙能比活性层32大的材料，可以代替上述的GaN而使用AlGaN系化合物，也可以分别设置与其它组成的层的复层，进一步，n型层31和p型层33也可以用不同的组成形成，并不一定限定于这些。

当例如像面发光激光器那样将该发光层形成部3用作垂直方向的共振器的情况下，以整体厚度成为λ/n的方式进行调整容易形成共振器，因此优选。在该情况下，利用n型层31和p型层33的厚度进行调整。另外，当作为垂直方向的共振器的情况下，虽然没有图示，但是在该发光层形成部3上形成有由低折射率层与高折射率层的叠层结构形成的第二光反射层。从该意义出发，也可适当地调整它们的组成和膜厚，使得n型层31和p型层32作为隔离层起作用，或者作为电子阻挡层或空穴阻挡层等起作用。

通过在发光层形成部3上设置例如由p型GaN构成的接触层4，与上述的光反射层2、发光层形成部3一起构成半导体叠层部5。接触层4为了使与在其上部设置的电极的欧姆接触良好、并且使来自上部电极7的电流扩散到发光元件芯片的整体而设置，但是也可以在发光层形成部3的表面上直接设置透光性导电层。在设置有接触层4的情况下，从上述目的出发，也优选尽可能增大载流子浓度，因此通常使用GaN，但是也可以用AlGaN系化合物层或InGaN系化合物层形成。

在该接触层4上，例如通过形成厚度2～100nm左右的Ni-Au层或设置厚度0.1～2μm左右的ZnO层或ITO层而形成有透光性导电层6。ZnO层或ITO层即使增厚也具有透光性，但是Ni-Au层当变厚时透光性会消失，因此形成得较薄。在图1所示的例子中，ZnO层形成为0.3μm左右的厚度。该透光性导电层6为了改良氮化物半导体层、特别是p型氮化物半导体层难以增大载流子浓度，从而难以使电流扩散到芯片的整个面上，以及难以获得与由作为电极极板的金属膜构成的上部电极7的欧姆接触的问题而设置，因此，只要能够解决这些问题，没有也可以。

在图1所示的例子中，半导体叠层部5的上面侧是由p型构成的层，因此上部电极7作为p侧电极形成，例如以Ti/Au、Pd/Au或Ni-Au等叠层结构，作为整体形成为0.1～1μm左右的厚度。另外，在SiC基板1的背面上，下部电极(n侧电极)8，例如以Ti-Al合金或Ti/Au的叠层结构等，作为整体形成为0.1～1μm左右的厚度。

为了将上述的半导体叠层部5形成为n型，可将Se、Si、Ge、Te作为H₂Se、SiH₄、GeH₄、TeH₄等杂质原料气体混入反应气体内而得到，为了形成为p型，将Mg或Zn作为环戊二烯基镁(Cp₂Mg)或二甲基锌(DMZn)的有机金属气体混入原料气体中。但是，在n型的情况下，即使不混入杂质，在成膜时N容易蒸发，容易自然地成为n型，因此也能够利用该性质。

下面，用具体的例子简单地说明本发明的氮化物半导体发光元件的制法。首先，将SiC基板1设置在例如MOCVD(有机金属化学气相生长)装置内，将生长的半导体层的成分气体，例如三甲基镓、三甲基铝、三甲基铟、氨气、作为n型掺杂气体的H₂Se、SiH₄、GeH₄、TeH₄中的任一个、以及作为p型掺杂气体的DMZn或Cp₂Mg中的需要的气体，与载气的H₂气或N₂气一起导入，例如在700～1200℃左右的温度下，将n型的Al_0.3Ga_0.7N低折射率层21与GaN高折射率层22交替地叠层，形成光反射层2。

接着，通过将由GaN构成的0.5μm左右厚度的n型层31、量子阱活性层32、和由GaN构成的0.5μm左右厚度的p型层33依次叠层，生长发光层形成部3，该量子阱活性层32通过将由In_0.1Ga_0.9N构成的阱层和由GaN构成的阻挡层交替地叠层5个周期左右而得到。接着，分别依次外延生长由p型GaN构成的0.05～2μm左右厚度的p型接触层4，形成半导体叠层部5。

此后，在接触层4的整个表面上设置SiO₂保护膜，在400～800℃下进行20～60分钟左右的退火，进行接触层4和p型层33的活化。当退火完成时，将晶片放入溅射装置或真空蒸镀装置中，在接触层4的表面上形成0.3μm左右的由ZnO构成的透光性导电层6，进一步进行Ti、Al等的成膜，由此形成上部电极7。此后，通过对SiC基板1的背面侧进行研磨，使SiC基板1变薄，通过在基板1的背面上同样地进行Ti、Au等金属膜的成膜，形成下部电极8。最后，进行划线而进行芯片化，由此得到氮化物半导体发光元件的芯片。

根据本发明，在氮化物半导体层的叠层中，因为使用SiC基板，所以能够形成为与叠层的半导体层的下层的导电型层相同的导电型层。结果，能够在基板的背面上形成与叠层的半导体叠层部的下层的导电型层连接的下部电极，不需要通过蚀刻将叠层的半导体叠层部的一部分除去而使下层的导电型层露出。因此，能够简单地形成电极，而没有由对半导体叠层部的一部分进行蚀刻而产生的污染物的不良影响。

另外，因为在SiC基板表面上直接形成光反射层，所以由发光层形成部发出并行进到基板侧的光也不会被SiC基板吸收，而在表面侧反射并与向表面侧的光一起从表面侧放射。结果，外部量子效率大幅提高，可得到亮度非常高的氮化物半导体发光元件。另外，光反射层中，折射率不同的层分别以例如λ/(4n)左右的厚度交替地叠层，因此，即使是例如AlGaN系化合物的Al的混晶比率高的层也能够将载流子浓度提高到比较高，能够生长晶格常数与SiC基板接近的AlGaN系化合物。结果，能够使SiC基板与GaN层等的晶格不匹配缓和，从而能够生长结晶性更优异的氮化物半导体层。

如以上所述，根据本发明，能够得到在基板的背面上形成有一方的电极的垂直型的氮化物半导体发光元件，制造工序容易，而且能够得到使用方便的发光元件，并且氮化物半导体层的结晶性优异，发光效率提高，进一步，行进到基板侧的光也能够在表面侧被反射而利用，因此，外部量子效率大幅提高，能够得到亮度非常高的氮化物半导体发光元件。

在上述的例子中，使基板为n型并使下层的半导体层为n型，但是也可以使基板为p型并使下层为p型层。另外，将发光层形成部形成为由n型层和p型层夹持活性层的夹层结构的双异质结构，但是也可以进一步在某个层间插入其它的半导体层，或形成为单异质结构，或形成为同质pn结。

产业上的可利用性

根据本发明，能够得到使用氮化物半导体的蓝色系或紫外光的半导体发光元件，通过进行发光色转换用荧光体的涂敷等，也能够形成白色光发光元件，能够用于白色光源、照明等广泛的电子设备的光源和指示灯、照明器具、消毒用器具等。

Claims (7)

1.一种氮化物半导体发光元件，其特征在于，包括：

SiC基板；直接设置在该SiC基板上，折射率相互不同的低折射率层和高折射率层交替叠层而形成的光反射层；设置在该光反射层上，以至少具有发光层形成部的方式叠层氮化物半导体层而形成的半导体叠层部；和在该半导体叠层部的上面侧和所述SiC基板的背面上分别设置的电极。

2.根据权利要求1所述的氮化物半导体发光元件，其特征在于：

所述光反射层由Al_xGa_1-xN(0＜x＜1)与Al_yGa_1-yN(0≤y＜1，y＜x)的叠层结构形成。

3.根据权利要求1所述的氮化物半导体发光元件，其特征在于：

所述光反射层的低折射率层和高折射率层中的至少一方进一步形成为折射率不同的调整层与缓和层的超晶格结构。

4.根据权利要求3所述的氮化物半导体发光元件，其特征在于：

所述调整层由In_vGa_1-vN(0≤v＜1)构成，所述缓和层由Al_wGa_1-wN(0＜w＜1)构成。

5.根据权利要求1所述的氮化物半导体发光元件，其特征在于：

在所述发光层形成部上，形成有由低折射率层与高折射率层的叠层结构形成的第二光反射层。

6.根据权利要求5所述的氮化物半导体发光元件，其特征在于：

形成为所述发光层形成部成为垂直方向的共振器、并且从所述第二光反射层的一部分取出光，成为面发光激光器。

7.根据权利要求1所述的氮化物半导体发光元件，其特征在于：

所述发光层形成部由Al_aGa_bIn_1-a-bN(0≤a≤1，0≤b≤1，0≤a+b≤1)构成，并且形成为利用n型层和p型层使活性层成为夹层结构的双异质结构。

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