CN101213678A

CN101213678A - 氮化镓基化合物半导体发光器件

Info

Publication number: CN101213678A
Application number: CNA2006800241764A
Authority: CN
Inventors: 三木久幸; 篠原裕直; 龟井宏二
Original assignee: Showa Denko KK
Current assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Priority date: 2005-07-04
Filing date: 2006-06-30
Publication date: 2008-07-02
Anticipated expiration: 2026-06-30
Also published as: KR20100020532A; KR20080015922A; TW200717863A; KR100967841B1; JP2007013045A; CN100568561C; JP5030398B2; TWI334650B

Abstract

本发明的一个目的是提供一种氮化镓基化合物半导体发光器件，其具有为获得优良的光提取效率而配置的反射性正电极。本发明的氮化镓基化合物半导体发光器件在衬底上具有氮化镓基化合物半导体层结构，所述氮化镓基化合物半导体层结构包括n型半导体层、发光层和p型半导体层，其中设置在所述p型半导体层上的正电极是反射性正电极，所述反射性正电极包括透明材料层和形成在所述透明材料层上的反射性金属层。

Description

氮化镓基化合物半导体发光器件

相关申请的交叉引用

本申请是基于35U.S.C.§111(a)提交的申请，根据35U.S.C.§119(e)(1)，要求根据35U.S.C.§111(b)于2005年7月12日提交的临时申请No.60/698,006的优先权。

技术领域

本发明涉及一种氮化镓基化合物半导体发光器件，更具体地说，涉及一种倒装芯片(flip-chip)型氮化镓基化合物半导体发光器件，其具有配置为获得优良光提取效率的反射性正电极。

背景技术

近年来，GaN基化合物半导体材料作为用于短波长发光器件的半导体材料吸引了人们的注意力。通过使用例如金属有机化学气相沉积(MOCVD)或分子束外延(MBE)的方法，在包括单晶蓝宝石的各种氧化物和III-V族化合物衬底上制造GaN基化合物半导体。

GaN基化合物半导体材料的一个特性特征是，在横向方向上几乎不发生电流扩散。结果，电流被仅仅注入到电极正下方的半导体中，并且从发光层发射的光被电极阻隔，不能被提取到外面。一个解决办法是由透明电极形成这种类型器件的正电极，以使光可以通过正电极提取出来。另一个解决办法是采用倒装芯片(flip-chip)设计，该设计使用反射性正电极，并且允许发射的光通过衬底被提取出来。

通过使接触金属例如Pt或Ni与反射性金属例如Rh或Ag结合，常规倒装芯片器件的正电极形成为多层结构(例如参见日本未审查的专利公开No.2000-183400)。

另一方面，发光器件的外部量子效率被定义为光提取效率与内部量子效率的乘积。内部量子效率表示注入到器件中的电流能量的百分之多少转化成光。光提取效率表示在半导体晶体内产生的光的百分之多少可以被提取到外面。

在使用透明电极的解决方法中，为提高从半导体晶体向空气中提取光的效率所采用的一种技术是在半导体的光提取表面上形成凹陷/凸起。可以使用例如干法蚀刻、湿法蚀刻、切割、使用金刚石刻针划刻以及激光划刻的方法，以在半导体表面上形成凹陷/凸起。然而，当对半导体材料进行这样的处理时，由于处理引起的应变，半导体层受到损伤；结果，即使通过这样的处理提高了光提取效率，内部量子效率也降低，最终不能提高光发射强度。此外，还存在发光器件由于漏电流等而击穿的情况，导致低的成品率。

鉴于上述情况，提出了一种提高光提取效率的技术，其中为了提高光提取效率而形成有凹陷/凸起的层形成在半导体层上(例如参见日本未审查的专利公开No.2000-196152)。根据该技术，由于凹陷/凸起不是形成在半导体层本身上，而是形成在形成于半导体层上的透明材料层上，因此可以提高光提取效率而不引起对半导体的损伤。然而，在该日本未审查的专利公开No.2000-196152中描述的是特别关于使用光透射性电极的类型的器件的发明。该日本未审查的专利公开No.2000-196152还公开了聚碳酸酯、氮化硅、氧化铟、氧化铌、氧化锑、氧化锆、氧化铈、氧化钛、硫化锌、氧化铋等作为用于形成在其上将要形成凹陷/凸起的层的透明材料的实例。

在薄膜多层结构例如常规半导体器件的情况下，多次反射是引起光提取效率降低的因素之一。也就是说，多次反射发生在表面例如衬底的前表面和后表面处、具有不同介电常数的层之间的界面处以及形成反射膜的表面处，在所发射的光通过透明材料时，由于在这些材料中的吸收等，所发射的光衰减。

在倒装芯片的情况下，多次反射发生在反射性电极以及半导体与衬底之间的界面处，这些多次反射降低了光提取效率。因此存在构造这样的结构的需要，该结构通过在反射表面的任一上形成凹陷/凸起而避免这种多次反射。

一种方法是通过在其上将要生长晶体的衬底上形成凹陷/凸起，在衬底与半导体之间的界面上形成凹陷/凸起(例如参见日本未审查的专利公开No.2002-164296)。然而，在这种方法的情况下，由于其上将要生长晶体的衬底不得不形成为具有凹陷/凸起，要在晶片内均匀且稳定地形成光亮的镜面状晶体膜变得很难。另一种方法是在反射性电极表面上形成凹陷/凸起(例如参见美国专利No.6,563,142)。然而，在现有技术的倒装芯片电极中，由于使得接触金属也用作反射金属或者接触金属极薄，必须对半导体表面进行处理，以在反射性电极表面上形成凹陷/凸起。如前所述，如果对半导体表面进行这样的处理，则内部量子效率降低，并且不能如所期望的提高光发射输出。

发明内容

本发明的一个目的是解决上述问题，并提供一种氮化镓基化合物半导体发光器件，其具有配置为获得优良光提取效率的反射性正电极。

在本发明中，词组“透明的或透光的”意味着对在300nm至600nm的波长范围内的光是可透过的。

本发明提供如下方面。

(1)一种在衬底上具有氮化镓基化合物半导体层结构的氮化镓基化合物半导体发光器件，所述氮化镓基化合物半导体层结构包括n型半导体层、发光层和p型半导体层，其中设置在所述p型半导体层上的正电极是反射性正电极，所述反射性正电极包括透明材料层和形成在所述透明材料层上的反射性金属层。

(2)根据第(1)项的氮化镓基化合物半导体发光器件，其中所述透明材料层包含导电材料。

(3)根据第(1)或第(2)项的氮化镓基化合物半导体发光器件，其中所述透明材料层包含不导电的材料。

(4)根据第(2)项的氮化镓基化合物半导体发光器件，其中所述透明材料层与所述p型半导体层接触，并用作正电极接触层。

(5)根据第(1)至第(3)项中任何一项的氮化镓基化合物半导体发光器件，其中正电极接触层位于所述透明材料层与所述p型半导体层之间。

(6)根据第(2)至第(5)项中任何一项的氮化镓基化合物半导体发光器件，其中所述透明材料层由选自ITO、TiO₂、ZnO、ZnS、Bi₂O₃、MgO、ZnAlO以及SnO₂的至少一种材料形成。

(7)根据第(6)项的氮化镓基化合物半导体发光器件，其中所述透明材料层由选自ITO、ZnO、MgO、ZnAlO以及SnO₂的至少一种材料形成。

(8)根据第(1)至第(7)项中任何一项的氮化镓基化合物半导体发光器件，其中所述反射性金属层由选自Ag、Al、Fe、Cr、Ti、Co、Ni、Pd、Os、Ru、Pt、Rh以及Ir的至少一种金属形成，或者由包含这些金属中的至少一种的合金形成。

(9)根据第(8)项的氮化镓基化合物半导体发光器件，其中所述反射性金属层由选自Ag、Al、Fe、Pt、Rh以及Ir的至少一种金属形成，或者由包含这些金属中的至少一种的合金形成。

(10)根据第(9)项的氮化镓基化合物半导体发光器件，其中所述反射性金属层由选自Ag和Al的至少一种金属形成，或者由包含这些金属中的至少任何一种的合金形成。

(11)根据第(1)至第(10)项中任何一项的氮化镓基化合物半导体发光器件，其中所述反射性金属层形成为在其面对所述透明材料层的表面上具有凹陷/凸起。

(12)根据第(11)项的氮化镓基化合物半导体发光器件，其中所述透明材料层形成为在其面对所述反射性金属层的表面上具有凹陷/凸起。

(13)根据第(11)或第(12)项的氮化镓基化合物半导体发光器件，其中所述凹陷/凸起形成为条形图形。

(14)根据第(11)或第(12)项的氮化镓基化合物半导体发光器件，其中所述凹陷/凸起形成为点状或格子状(lattice-like)图形。

(15)根据第(11)或第(12)项的氮化镓基化合物半导体发光器件，其中所述凹陷/凸起形成为任意形状。

(16)根据第(11)至第(15)项中任何一项的氮化镓基化合物半导体发光器件，其中所述凹陷/凸起由曲面形成。

(17)根据第(11)至第(15)项中任何一项的氮化镓基化合物半导体发光器件，其中所述凹陷/凸起由相对于衬底表面倾斜的平面形成。

(18)根据第(17)项的氮化镓基化合物半导体发光器件，其中所述倾斜平面相对于所述衬底表面成5至85度的角。

(19)根据第(11)至第(18)项中任何一项的氮化镓基化合物半导体发光器件，其中所述凹陷/凸起具有0.01μm至10μm的高度差。

(20)一种灯，包括根据第(1)至第(19)项中任何一项的氮化镓基化合物半导体发光器件。

本发明的氮化镓基化合物半导体发光器件实现了非常大的光发射输出，这是因为半导体层具有良好的结晶性并且器件具有优良的光提取效率，允许从发光层发射的光有效地提取到外面而不经历在器件内的多次反射。

附图说明

图1是示意图，示出了在实例1中制造的本发明的氮化镓基化合物半导体发光器件的截面；

图2是示意图，示出了在实例1和2中制造的本发明的氮化镓基化合物半导体发光器件的平面图；

图3是示意图，示出了在实例1和2中制造的本发明的氮化镓基化合物半导体发光器件中的透明材料层的平面图；

图4是平面图，示出了在透明材料层的表面上形成的凹陷/凸起的图形的一个实例；

图5是沿图4中的X-Y线截取的截面图；

图6是平面图，示出了在透明材料层的表面上形成的凹陷/凸起的图形的另一个实例；

图7是沿图6中的X-Y线截取的截面图；

图8是平面图，示出了在透明材料层的表面上形成的凹陷/凸起的图形的又一个实例；

图9是沿图8中的X-Y线截取的截面图；

图10是示意图，示出了使用锥形(tapered)抗蚀剂干法蚀刻的工艺顺序；以及

图11是示意图，示出了在实例2中制造的本发明的氮化镓基化合物半导体发光器件的截面。

具体实施方式

根据本发明的氮化镓基化合物半导体发光器件具有倒装芯片型器件结构，并且其正电极包括透明材料层和反射性金属层。导电透明氧化物例如ITO或ZnO可以被用于透明材料层。可选地，不导电的透明材料例如SiO₂或SiN也可以被用于透明材料层。在后一情况下，电接触半导体的正电极接触层形成为与半导体接触是必需的。

反射性金属层形成在透明材料层的与半导体相反的表面上，并且由于在透明材料层的匹配表面上形成的凹陷/凸起，反射性金属层的光反射表面具有凹陷/凸起。也就是说，凹陷/凸起不是直接形成在半导体层上，而是形成在沉积于半导体层或正电极接触层上的透明材料层上，并且反射性金属层形成在这样处理的透明材料层上；利用该结构，可以提高光提取效率而不降低内部量子效率。

可以使形成有凹陷/凸起的透明材料层也用作正电极接触层。重要的是该透明材料层具有足够的透光率，具有特定量的厚度，并且形成为具有这样的几何图形，以便能够避免多次反射。希望该透明材料层具有范围在50nm至10μm的厚度。

在该说明书中使用的术语“透明的”或“透光的”不必意味着材料在整个波长范围内具有100％的透光率，而是意味着该材料具有将在半导体内产生的光透射到外界的能力。因此，上述术语用于这样的膜，其通过控制材料和厚度而制造，以使该膜的透光率对于发射波长为50％或更高。

图1是示意图，示出了在第一实例中制造的本发明的倒装芯片型氮化镓基化合物半导体发光器件的截面。参考标号10是倒装芯片的正电极，包括也用作正电极接触层的透明材料层12、反射性金属层13、覆盖层(overcoat layer)14以及接合层15。凹陷/凸起形成在透明材料层12的最上表面上，该透明材料层12由导电透明材料(在第一实例中为ITO)形成，并且也用作正电极接触层。参考标号1是衬底。参考标号2是GaN基化合物半导体层，其包括n型半导体层3、发光层4以及p型半导体层5。参考标号6是缓冲层，以及参考标号20是负电极。

可以将任何种类的导电透明材料用于透明材料层12。例如，可以使用在先前引用的日本未审查的专利公开No.2000-196152中列出的材料(日本未审查的专利公开No.2000-196152公开了聚碳酸酯、氮化硅、氧化铟、氧化铌、氧化锑、氧化锆、氧化铈、氧化钛、硫化锌、氧化铋等作为用于形成在其上将要形成凹陷/凸起的层的透明材料的实例)。在这些材料中，具有高电导率的透明材料例如ITO、TiO₂、ZnO、ZnS、Bi₂O₃、MgO、ZnAlO以及SnO₂是所希望的。其中，ITO、ZnO、MgO、ZnAlO以及SnO₂是更优选的。具体地说，ITO和ZnO是具有优良透明度和电导率且便宜的材料，因此适用于本发明中。

优选地，透明材料层的厚度在50nm至10μm的范围内。如果厚度小于50nm，不能形成对提高光提取效率有效的凹陷/凸起。如果厚度大于10μm，透光率显著降低，导致光发射输出的降低。更优选范围在100nm至5μm的厚度。

图11是示意图，示出了在第二实例中制造的氮化镓基化合物半导体发光器件的截面，在第二实例中透明材料层由不导电的材料形成。与在图1的情况中一样，参考标号10是正电极，其包括正电极接触层11、透明材料层12、反射性金属层13、覆盖层14以及接合层15。参考标号1是衬底。参考标号2是GaN基化合物半导体层，其包括n型半导体层3、发光层4以及p型半导体层5。参考标号6是缓冲层，以及参考标号20是负电极。凹陷/凸起形成在透明材料层12的最上表面上。

如图11所示，当透明材料层12由不导电材料形成时，由导电透明材料形成的正电极接触层11的提供是必需的。从降低驱动电压的观点看，希望透明材料层不形成为连续层，而是形成为其部分被去除，以暴露出下伏(underlying)的正电极接触层11，由此使该正电极接触层11接触上覆的反射性金属层13。也就是说，为了使从结合层15注入电极的电流能够均匀地流过正电极接触层11，希望由绝缘材料制成的透明材料层12不形成在正电极接触层11的整个表面的上方，而是形成为允许反射性金属层13处处接触正电极接触层11。

可以将任何种类的不导电透明材料用于透明材料层。例如，可以使用在先前引用的日本未审查的专利公开No.2000-196152中列出的材料。其中，优选具有低电导率的透明材料，例如SiO₂、Si₃N₄以及CaF₂。

一般地说，高透明度的材料往往是不导电的，并且当希望使用这样的材料时，可以通过提供正电极接触层来提高光发射输出。

与导电透明材料层的情况一样，不导电透明材料层的厚度优选在10nm至10μm的范围内。如果厚度小于10nm，不能形成对提高光提取效率有效的凹陷/凸起。如果厚度大于10μm，透光率显著降低，导致光发射输出的降低。更优选范围在100nm至5μm的厚度。

可以以多种方式在透明材料层的表面上形成凹陷/凸起：在一种方法中，在形成具有平面表面的透明材料层后，通过去除透明材料层的选定部分形成凹陷；而在另一种方法中，通过在透明材料层的选定部分上形成透光膜来形成凸起。可选地，也可以通过在形成透明材料层时控制形成条件来形成凹陷/凸起。在这些方法中，优选通过去除平面透明材料层的选定部分形成凹陷的方法，这是因为，利用该方法，容易控制表面几何形状。

在本发明中，凹陷/凸起可以仅由与衬底表面垂直的表面形成，或者可以由相对于衬底表面倾斜的平面形成。当表面包含由相对于衬底表面倾斜的平面形成的凹陷/凸起时，避免多次反射的效果更大。词语“由相对于衬底表面倾斜的平面形成的凹陷/凸起”意味着透明材料层的形成凹陷或凸起的表面部分中的至少一些被形成为相对于衬底表面倾斜的平面。

例如，考虑在透明材料层上的凹陷/凸起形成为如图4(平面图)和图5(沿图4中的X-Y线截取的截面图)所示的条形凸起的情况；在该透明材料层的情况下，在形成各凸起的表面部分A、B和C中，A和C部分被形成为相对于衬底表面倾斜的平面。当然，通过消除平行于衬底表面的B面，各凸起可以仅由A面和C面形成，并且A面和C面中的一者或另一者可以形成为垂直于衬底表面。从有效地避免多次反射和提高光提取效率的观点看，希望仅由相对于衬底表面倾斜的平面形成每一个凸起。

优选地，相对于衬底表面倾斜的每个平面的角度在相对于衬底表面成5至85度的范围内。如果倾斜角小于5度或大于85度，则难以提高光提取效率。优选地，倾斜角在15至75度的范围内，更优选在30至60度的范围内。

在透明材料层的表面上的凹陷/凸起可以形成为任何适合的图形。其中，从易于形成的观点，希望形成为上述条形图形。在这种情况下，条形凹陷或凸起的最大宽度优选在1μm至500μm的范围内。如果其小于1μm，则图形变得很难形成，而如果其大于500μm，则在每个芯片表面内不能形成足够数量的条形。更优选地，宽度在10μm至100μm的范围内。优选地，以1μm至500μm的间距形成条形。如果间距小于1μm，则图形变得很难形成，而如果间距大于500μm，则在每个芯片表面内不能形成足够数量的条形。更优选地，间距在10μm至100μm的范围内。

另一方面，从均匀光分布的观点，优选将凹陷/凸起形成为如图6(平面图)和图7(沿图6中的X-Y线截取的截面图)所示的点状凸起，这是因为这种图形不仅可以有效地避免多次反射，还使得能够从发光器件周围的任何方向均等地提取光。上述条形图形在均匀的光分布方面次于点图形，这是因为，在条形图形中，在平行于条形的方向上被提取的光的强度与在垂至于其的方向上被提取的光的强度不同。

各点状凸起的最大宽度/长度优选在1μm至500μm的范围内。如果其小于1μm，则点图形变得很难形成，而如果其大于500μm，则在每个芯片表面内不能形成足够数量的点。更优选地，宽度/长度在10μm至100μm的范围内。优选地，以1μm至500μm的间距形成点。如果间距小于1μm，则图形变得很难形成，而如果间距大于500μm，则在每个芯片表面内不能形成足够数量的点。更优选地，间距在10μm至100μm的范围内。

此外，最希望将凹陷/凸起形成为以如图8(平面图)和图9(沿图8中的X-Y线截取的截面图)所示的格子状图形的凸起，这是因为可以有效地避免多次反射，并且易于形成凹陷/凸起图形，同时可以获得均匀的光分布。在这种情况下，每个凸起的最大宽度优选在1μm至500μm的范围内。如果其小于1μm，则图形变得很难形成，而如果其大于500μm，则在每个芯片表面内不能形成足够数量的凸起。更优选地，宽度在10μm至100μm的范围内。优选地，以1μm至500μm的间距形成凸起。如果间距小于1μm，则图形变得很难形成，而如果间距大于500μm，则在每个芯片表面内不能形成足够数量的凸起。更优选地，间距在10μm至100μm的范围内。

在透明材料层上的凹陷/凸起可以形成为任意形状。在这种情况下，形成大小、宽度、深度、倾斜角等不同的凹陷/凸起。当从顶部观察时，这样的凹陷/凸起具有不同的形状。

可以通过如在先前所述的方法中一样来控制膜形成条件，或者通过例如干法蚀刻或湿法蚀刻的手段来任意地处理最上表面，形成这样的任意形状。

在透明材料层上的凹陷/凸起均可以形成为具有任何适合的截面形状。由具有单一角度的边形成的三角形或V形是最常采用的形状，但是可选地，也可以采用由具有两种角度的边形成的五角形或者由具有三种角度的边形成的七角形。然而，其截面形成有多种角度的形状很难形成，因此往往导致成品率降低的问题。最有效的形状是三角形或V形。可以通过切除三角形或字母V的上部，采用其一个边与衬底表面平行的梯形。

在透明材料层上的凹陷/凸起均可以形成为具有包含曲面的截面形状。在这种情况下，只要截面形状包含曲面，可以形成大小、宽度、深度、倾斜角等不同的凹陷/凸起。其中，从防止多次反射的观点，最希望仅由曲面形成的形状例如透镜状形状和球面形状。

此外，凹陷/凸起之间的高度差应任意地确定为在透明材料层的厚度范围内；优选地，高度差在10nm至10μm的范围内，更优选在100nm至5μm的范围内，甚至更优选在200nm至1μm的范围内。如果小于10nm，则不能充分提高光提取效率。另一方面，如果高度差太大，则处理成本增加。

用于在透明材料层的表面上形成凹陷/凸起的处理不限于任何特定的方法，而是可以使用任何适合的方法。在一种方法中，例如，使用公知的光刻技术构图层，此后，通过干法蚀刻或湿法蚀刻形成凹陷，同时将剩余的部分形成为凸起。也可以采用划刻的技术或激光划片的技术，所述划刻技术通过在表面上对金刚石刻针施压来划线，而所述激光划线技术利用通过施加激光而产生的热来进行处理。

下面将描述形成具有倾斜表面的格子状凹陷/凸起的方法的一个实例。可以将上述的公知技术中的任何一种用于凹陷/凸起的形成方法，并且该方法不限于下述实例中的任何一者。

首先，在氮化镓基化合物半导体层结构中的p型半导体层上形成均匀厚度的导电透明材料，例如ITO膜。然后，在整个表面上施加抗蚀剂，并以希望的图形曝光抗蚀剂。这里，将非相干光用作曝光光。在非相干光的情况下，少量的光可以从图形的边缘进入内部，并且，利用该现象，可以将抗蚀剂膜的图形边缘形成为锥形。非相干光可以通过使曝光设备的光源位置或者样品位置偏移而引起“离焦(out of focus)”条件来产生。

在可选方法中，将抗蚀剂施加至大于常规的厚度，其结果是，落在抗蚀剂上的光量在图形边缘减少，图形边缘由此形成为锥形。通过减少曝光的量或者通过缩短曝光时间，也可以获得同样的结果。

当通过将其图形边缘为锥形的抗蚀剂膜用作保护膜来应用干法蚀刻时，由于通过蚀刻抗蚀剂膜的厚度也减小，所产生的凹陷的边缘也形成为锥形。在图10中以时间顺序示出了处理步骤。利用该方法，可以形成具有相对于衬底表面倾斜的平面表面的凹陷(或者当就保留的未去除部分而论观察时的凸起)。

同样地，也可以通过采用抗蚀剂膜作为保护膜的湿法蚀刻来形成图形。可以选择与将要被构图的材料匹配的一种公知的蚀刻溶液用于湿法蚀刻。

还可以使用公知为划刻的技术来形成凹陷/凸起。也就是说，通过使用具有希望锥形尖的金刚石刻针在水平和/或垂直方向上划刻透明材料层例如ITO或SiO₂膜的表面，可以在透明材料层的表面上将V形凹陷形成为例如条形或格子状的图形(或者当就保留的未去除的部分而论观察时的条形或点状凸起)。

还可以通过利用公知为激光划刻的技术来形成这些图形的凹陷/凸起，该激光划刻技术通过借助激光辐照使透明材料层的表面熔化而切割沟槽。

反射性金属层形成在透明材料层上方。结果，反射性金属层的至少面对透明材料层的表面形成有与形成于透明材料层上的凹陷/凸起相似的凹陷/凸起。由于来自发光层的光被形成有这样的凹陷/凸起的表面反射，因此可以防止多次反射。

可以将具有高反射率的任何种类的金属用于反射性金属层。还要求该金属具有良好的与以上述方式形成的透明材料的附着力。这里，具有良好反射性的金属是指其反射率为80％或更高的金属。优选地，反射性金属层由选自Ag、Al、Fe、Cr、Ti、Co、Ni、Pd、Os、Ru、Pt、Rh以及Ir的至少一种金属形成，或者由包含这些金属中的至少一种的合金形成。其中，优选选自Ag、Al、Fe、Pt、Rh以及Ir的至少一种金属，或者包含这些金属中的至少一种的合金。其中，特别优选Ag或Al，或者由包含它们中的至少任何一种的合金。

希望反射性金属层如此形成，以覆盖以上述方式形成的透明材料层的整个表面，为此，希望反射性金属层具有特定量的厚度。更具体地说，希望厚度为10nm或更大，更希望厚度为50nm或更大。然而，如果层形成得太厚，则处理时间不必要地增加；因此，优选使厚度不大于100μm。更优选地，厚度不大于10μm。

当将易于电迁移的金属例如Ag用于反射性金属层时，优选在该反射性金属层上形成覆盖层。希望覆盖层比反射性金属层尺寸大一倍，并且以这样的方式形成，以完全遮蔽反射性金属层。覆盖层可以由任何适合的材料形成，只要该材料可以防止电迁移。优选使用导电材料例如Rh或Pt。也可以采用不导电材料例如SiO₂，但在这种情况下，要求覆盖层部分地由金属形成以提供在上覆的接合层与下伏的反射性金属层之间的电接触，或者要求使接合层和金属反射层以不影响电迁移的方式相互接触。

在根据本发明的正电极中，由导电材料制成的透明正电极接触层可以形成为与半导体(p型半导体层)表面接触，以提供在透明材料层与半导体之间的电接触。如先前所述，当透明材料层由不导电的材料形成时，正电机接触层的提供是必需的。正电极接触层所需的特征是良好的透光率和与p型半导体层之间的低接触电阻。

可以将先前提到的用于形成导电透明材料层的任何导电透明材料用作正电极接触层的材料。然而，从与p型半导体层之间的接触电阻的观点，优选金属例如镍(Ni)、金(Au)、铂(Pt)、钌(Ru)、锇(Os)、铑(Rh)、铱(Ir)、钯(Pd)、钴(Co)以及铬(Cr)，或者它们的合金。其中，特别优选Pt，因为其功函数很高，并且可以获得与p型GaN基化合物半导体层之间的良好欧姆接触而不需应用高温热处理。

当将上述金属中的任何一者用于正电极接触层时，膜厚度优选保持在0.1nm至7.5nm的范围内。如果厚度小于0.1nm，则很难形成稳定的薄膜。如果厚度超过7.5nm，则透光率降低。更优选范围在0.1nm至5nm的厚度。当考虑膜形成的稳定性和由于后续的透明材料层的形成引起的透过率的降低时，特别优选范围在0.5nm至2.5nm的厚度。

此外，正电极接触层可以形成为格子状图形或者被球形(ball-up)分散的岛的形状。通过在正电极接触层中由此形成薄区域和厚区域，可以形成具有较高透光率的薄区域。

可以在反射性金属层或者覆盖层的顶上形成用于连接到电流电路例如导线、引线框或者下基座(submount)的接合层。

对于接合层的构造，可以采用各种公知的材料和结构而没有限制。然而，希望使用具有与反射性金属层或覆盖层之间的良好附着力的材料，且厚度必须足够大，以便不会通过在接合时产生的应力引起对电极或半导体层的损伤。还希望由具有与将连接至其的材料之间的良好附着力的材料形成最上层。一个实例是Au。

希望形成在透明材料层上的凹陷/凸起不呈现在接合层的最上表面。由于可以通过增大接合层的厚度使凹陷/凸起较不明显，希望接合层形成为具有例如大于等于400nm的厚度。

然而，如果在接合层的表面上稍微出现了凹陷/凸起，根据所使用的条件和方法，仍可以形成连接；因此，在表面上这样的凹陷/凸起的发生不一定代表缺陷。

用于形成正电极接触层、透明材料层、反射性金属层、覆盖层以及接合层的膜形成方法不限于任何具体的方法，但可以采用公知的真空蒸发方法和溅射方法。真空蒸发包括利用加热方法例如电阻加热方法或电子加热方法，其中电子加热方法适于除了金属以外的材料的蒸发。可选地，可以将作为源材料的化合物制备成液体的形式，并且该液体材料可以被施加在表面上，然后通过适合的方法处理以形成氧化物膜。也可以首先形成金属膜，然后使其氧化以形成氧化物材料膜。

如上所述，各种层结构是在现有技术中公知的，这些层结构均通过在衬底上形成其上形成有正电极的氮化镓基化合物半导体层而构成，包括在图1中示出的层结构，在图1中，通过在其间插入缓冲层，在衬底上形成氮化镓基化合物半导体层，该氮化镓基化合物半导体层包括n型半导体层、发光层和p型半导体层，并且可以没有限制地使用任何适于发光器件的氮化镓基化合物半导体层结构，包括公知的氮化镓基化合物半导体层结构。

对于衬底，可以采用公知的衬底材料而没有任何限制，实例包括：氧化物单晶例如蓝宝石单晶(Al₂O₃；A平面、C平面、M平面、R平面)、尖晶石单晶(MgAl₂O₄)、ZnO单晶、LiAlO₂单晶、LiGaO₂单晶、MgO单晶以及Ga₂O₃单晶；Si单晶；SiC单晶；GaAs单晶；AlN单晶；GaN单晶；以及硼化物单晶如ZrB₂单晶。如果希望通过衬底提取光，则衬底必须由透明材料形成，但是由于可以通过分离衬底而将器件构造为倒装芯片器件，因此衬底不必为透明的。衬底的平面取向不限于任何特定方向。此外，衬底可以为正取向的(just-oriented)衬底或者倾斜的(off-angled)衬底。

也可以在衬底上形成用于提高光提取效率的凹陷/凸起。

在一种方法中，在其上将要生长晶体的表面上提前形成凹陷/凸起，并且在该表面上制造半导体晶体。在这种情况下，很难获得光亮的镜面状晶面，但是如果可以获得良好的晶面，则可以通过与形成在反射性电极的反射面上的凹陷/凸起配合，实现光提取效率的进一步提高。

凹陷/凸起还可以形成在衬底的背面上(当器件被构造为倒装芯片时该背面是光提取面)。在这种情况下，处理也是很困难的，并且制造成品率会降低，但是可以通过与形成在反射性电极的反射面上的凹陷/凸起配合，实现光提取效率的进一步提高。

对于n型半导体层、发光层以及p型半导体层的构造，可以采用各种公知的结构而没有任何限制。

对于用于形成这些层的氮化镓基化合物半导体，公知由通用分子式Al_xIn_yGa_1-x-yN(0≤x＜1，0≤y＜1，0≤x+y＜1)表示的各种组分的半导体，可以没有任何限制地使用任何由通用分子式Al_xIn_yGa_1-x-yN(0≤x＜1，0≤y＜1，0≤x+y＜1)表示的各种组分的半导体，包括公知的一些半导体，作为用于形成本发明中的n型半导体层、发光层以及p型半导体层的氮化镓基化合物半导体。

不特别限定用于生长这样的氮化镓基化合物半导体的方法，可以采用任何公知的方法例如MOCVD(金属有机化学气相沉积)、HVPE(氢化物气相外延)和MBE(分子束外延)，来生长III族氮化物半导体。从膜厚度可控性和批量生产率的观点来看，MOCVD是优选的生长方法。在MOCVD方法中，采用氢气(H₂)或氮气(N₂)作为载气，分别采用三甲基镓(TMG)或三乙基镓(TEG)、三甲基铝(TMA)或三乙基铝(TEA)、三甲基铟(TMI)或三乙基铟(TEI)作为来自III族的源材料的Ga源、Al源和In源，同时采用氨(NH₃)、肼(N₂H₄)等作为N源，即来自V族的源材料。关于掺杂剂，将用作Si源材料的甲硅烷(SiH₄)或乙硅烷(Si₂H₆)和用作Ge源材料的锗烷(GeH₄)或有机锗化合物用于n型，而将例如双(环戊二烯基)镁(Cp₂Mg)或双(乙基环戊二烯基)镁((EtCp)₂Mg)用作用于p型的Mg源。

为了形成与氮化镓基化合物半导体中的n型半导体层接触的负电极，其中该氮化镓基化合物半导体通过在衬底上依次形成n型半导体层、发光层以及p型半导体层而制成，部分地去除发光层和p型半导体层，以便露出下面的n型半导体层。此后，在p型半导体层的未去除区域上形成反射性正电极，并在露出的n型半导体层上形成负电极。公知各种组成和结构的负电极，可以没有任何限制地将各种组成和结构的任何负电极，包括公知的一些负电极，用作负电极。

实例

下面将参考实例更详细地描述本发明，但是应理解，本发明限制于在此描述的实例。

(实例1)

图1是示意图，示出了在该实例中制造的氮化镓基化合物半导体发光器件的截面，以及图2是示出了其平面图的示意图。通过在其间插入AlN缓冲层(6)，在蓝宝石衬底(1)上形成氮化镓基化合物半导体层(2)。氮化镓基化合物半导体层(2)包括：通过依次形成8μm厚的未掺杂的GaN基底层(base layer)、2μm厚的Ge掺杂的n型GaN接触层、以及0.02μm厚的Si掺杂的n型In_0.1Ga_0.9N覆层而形成的n型半导体层(3)；通过以交替的方式层叠五层16nm厚的Si掺杂的GaN势垒层和五层2.5nm厚的In_0.06Ga_0.94N阱层并最后在最上面的阱层的顶上形成势垒层而构造的多量子阱结构的发光层(4)；以及通过依次形成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(5)。通过在p型AlGaN接触层上形成由500nm厚的ITO形成的透明材料层(12)、由100nm厚的Ag形成的反射性金属层(13)、由500nm厚的Rh形成的覆盖层(14)、以及Au、Ti、Al、Ti和Au(厚度分别为50nm、20nm、10nm、100nm和200nm)的五层结构的接合层(15)，在p型AlGaN接触层上形成正电极(1)。在透明材料层(12)的表面上以点状图形形成具有倾斜表面的凸起(16)，如图3的平面图所示。在n型GaN接触层上形成Ti和Au的两层结构的负电极(20)。光提取面位于衬底侧。

在上述结构中，n型GaN接触层中的载流子浓度为1×10¹⁹cm^-3，n型In_0.1Ga_0.9N覆层中的Si掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3，GaN势垒层中的Si掺杂浓度为1×10¹⁷cm^-3，p型AlGaN接触层中的载流子浓度为5×10¹⁸cm^-3，以及p型AlGaN覆层中的Mg掺杂浓度为5×10¹⁹cm^-3。

在相关技术领域中公知的常规条件下通过MOCVD形成形成氮化镓基化合物半导体层的这些层(图2中的3至6)。根据下面的工序制造正电极和负电极。

首先，以如下方式通过反应离子蚀刻来露出将要在其上形成负电极的部分n型GaN接触层。

接下来，在p型半导体层上形成蚀刻掩膜。处理的顺序如下。将抗蚀剂均匀地施加在整个表面上之后，通过利用公知的平版印刷技术从正电极区域去除抗蚀剂。然后，将该结构置于真空蒸发室中，并利用电子束方法，在4×10^-4pa或更低的压力下沉积厚度分别为约50nm和300nm的Ni和Ti。此后，利用剥离(lift-off)技术，从正电极区域以外的所有区域去除金属层和抗蚀剂。

接下来，在反应离子蚀刻装置的蚀刻室中的一个电极上，放置其上制造有半导体层的衬底，并将蚀刻室抽真空到10^-4pa，之后供给作为蚀刻气体的Cl₂，进行蚀刻，直到露出n型GaN接触层。在蚀刻之后，从反应离子蚀刻装置中移走该衬底，并用硝酸和氢氟酸去除蚀刻掩膜。

接下来，利用公知的光刻和剥离技术，仅仅在p型AlGaN接触层的其上将形成正电极的区域上形成ITO透明材料层(12)。在形成透明材料层时，将衬底置于真空溅射室中，将ITO膜沉积至500nm的厚度。

在从真空室中取回衬底之后，在透明材料层的表面上形成凹陷/凸起。

首先，利用公知的平版印刷技术，在透明材料层上将抗蚀剂膜形成为点状图形。将其中当显影时曝光区域溶解的正性抗蚀剂用作抗蚀剂，通过使抗蚀剂曝光时间短于常规曝光时间，在掩膜图形的边缘部分中产生曝光不足的区域。通过曝光该结构，产生具有斜边表面的抗蚀剂图形。

通过对其上形成有上述抗蚀剂图形的透明材料层进行干法蚀刻，形成具有相对于衬底倾斜的表面的点状凸起。每个点状凸起具有类似于其顶部被切除的正方棱锥的形状，截面为梯形，并具有2μm见方的上表面和3μm见方的下表面。高度为约290nm，且这些凸起在与芯片的边平行的方向上以5μm的间隔形成。每个点状凸起的倾斜表面与衬底之间的角度为约30度。

此后，根据公知的剥离工序进行处理；然后，利用类似的技术，以这样的方式形成Ag反射性金属层(13)，以便完全覆盖透明材料层。通过使用蒸发设备，将反射性金属层形成为100nm的厚度。

此后，根据公知的剥离工序进行处理；并以这样的方式形成Rh覆盖层(14)，以便完全遮蔽反射性金属层。通过使用蒸发设备，将覆盖层形成为500nm的厚度。

随后，根据公知的剥离工序进行处理；然后，利用类似的技术，通过在覆盖层的顶上依次形成由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构成的第四层以及由Au构成的第五层，形成接合层(15)。以这样的方式，在p型AlGaN接触层上形成正电极。通过使用蒸发设备形成接合层。

接下来，根据以下工序在露出的n型GaN接触层上形成负电极。在整个表面上均匀地施加抗蚀剂之后，通过使用公知的平版印刷技术，从露出的n型GaN接触层上的负电极区域去除抗蚀剂；然后，使用常规的真空蒸发方法，通过在半导体上依次沉积厚度分别为100nm和200nm的Ti和Au，形成负电极。此后，使用公知的技术去除抗蚀剂。

在通过研磨和抛光衬底的背面使衬底的厚度减小到80μm之后，通过使用激光划片器从半导体层侧划刻其上形成有正电极和负电极的晶片，然后对其施加应力并使其断开，从而分离出独立的每片均为350μm见方的芯片。当通过使用针尖探针流过20mA的电流测量每个芯片时，正向电压为3.3V。

然后，以蓝宝石衬底侧面朝上的方式将芯片安装在被称为下基座的衬底上，并将其上安装有芯片的下基座安装在TO-18壳封装(can package)中；当通过测试仪测量光发射输出时，在20mA的施加电流下输出为18mW。

(比较实例1)

除了没有在透明材料层上形成凹陷/凸起之外，以与实例1中的相同的方式，制造氮化镓基化合物半导体发光器件。当以与实例1中的相同的方式评价所制造的发光器件时，正向电压相同，为3.3V，但光发射输出为8mW。

(实例2)

图11是示意图，示出了在该实例中制造的氮化镓基化合物半导体发光器件的截面，并且其平面图与在实例1中的图2的示意图中所示的相同。与实例1中一样，通过在其间插入AlN缓冲层(6)，在蓝宝石衬底(1)上形成氮化镓基化合物半导体层(2)。

在该实例中的正电极的结构如下。通过在上形成由20nm厚的ITO形成的正电极接触层(11)、由180nm厚的SiO₂形成的透明材料层(12)、由100nm厚的Ag形成的反射性金属层(13)、由500nm厚的Rh形成的覆盖层(14)、以及Au、Ti、Al、Ti和Au(厚度分别为50nm、20nm、10nm、100nm和200nm)的五层结构的接合层(15)，在p型AlGaN接触层上形成正电极(10)。与实例1中一样，在SiO₂透明材料层(12)上形成点状图形的具有倾斜表面的凸起，如图3所示；各凸起的高度均为180nm，在除了点状凸起之外的部分中露出下伏的正电极接触层(11)，由此使其接触反射性金属层(13)。

与实例1中一样，在n型GaN接触层上形成Ti和Au的两层结构的负电极(20)。光提取面位于衬底侧。

根据如下工序制造正电极。首先，通过以与实例1中相同的方式的反应离子蚀刻，露出n型GaN接触层的其上将要形成负电极的部分。

接下来，利用公知的光刻和剥离技术，仅仅在p型AlGaN接触层的其上将要形成正电极的区域上形成ITO正电极接触层(11)和SiO₂透明材料层(12)。在形成正电极接触层和透明材料层时，将衬底置于真空溅射室中，并将ITO膜形成为20nm的厚度，随后将Si0₂膜形成为180nm的厚度。

在从真空室中取回衬底之后，在透明材料层上形成凹陷/凸起。

首先，利用公知的平版印刷技术，将抗蚀剂膜形成为点状图形。将其中当显影时曝光区域溶解的正性抗蚀剂用作抗蚀剂，通过使抗蚀剂曝光时间短于常规曝光时间，在掩膜图形的边缘部分中产生曝光不足的区域。通过曝光该结构，产生具有斜边表面的抗蚀剂图形。

通过对其上形成有上述抗蚀剂图形的透明材料层进行干法蚀刻，形成具有相对于衬底倾斜的表面的点状凸起。每个点状凸起具有类似于其顶部被切除的正方棱锥的形状，截面为梯形，并具有2μm见方的上表面和3μm见方的下表面。高度为约180nm，且除了形成凸起的部分外，SiO₂透明材料层的部分被去除，以露出ITO正电极接触层。这些凸起在与芯片的边平行的方向上以5μm的间隔形成。每个点状凸起的倾斜表面与衬底之间的角度为约60度。

此后，根据公知的剥离工序进行处理；然后，利用类似的技术，以这样的方式形成Ag反射性金属层(13)，以便完全覆盖透明材料层和露出的正电极接触层。通过使用蒸发设备，将反射性金属层形成为50nm的厚度。

随后，以与实例1中相同的方式形成覆盖层和接合衬垫(bonding pad)层。以这样的方式，在p型AlGaN接触层上形成正电极(10)。

接下来，以与实例1中相同的方式在露出的n型GaN接触层上形成负电极。在通过研磨和抛光衬底的背面使衬底的厚度减小到85μm之后，通过使用激光划片器从半导体层侧划刻其上形成有正电极和负电极的晶片，然后对其施加应力并使其断开，从而分离出独立的每片均为350μm见方的芯片。

当以与实例1中相同的方式评价每个芯片时，在20mA的施加电流下正向电压为3.4V，光发射输出为19.5mW。

工业适用性

由于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，可以由该发光器件构造高量度的LED灯，其可用于照明、显示以及背光应用。

Claims

1.一种在衬底上具有氮化镓基化合物半导体层结构的氮化镓基化合物半导体发光器件，所述氮化镓基化合物半导体层结构包括n型半导体层、发光层和p型半导体层，其中设置在所述p型半导体层上的正电极是反射性正电极，所述反射性正电极包括透明材料层和形成在所述透明材料层上的反射性金属层。

2.根据权利要求1的氮化镓基化合物半导体发光器件，其中所述透明材料层包含导电材料。

3.根据权利要求1的氮化镓基化合物半导体发光器件，其中所述透明材料层包含不导电材料。

4.根据权利要求2的氮化镓基化合物半导体发光器件，其中所述透明材料层与所述p型半导体层接触，并用作正电极接触层。

5.根据权利要求1的氮化镓基化合物半导体发光器件，其中所述正电极接触层设置在所述透明材料层与所述p型半导体层之间。

6.根据权利要求2的氮化镓基化合物半导体发光器件，其中所述透明材料层由选自ITO、TiO₂、ZnO、ZnS、Bi₂O₃、MgO、ZnAlO以及SnO₂的至少一种材料形成。

7.根据权利要求6的氮化镓基化合物半导体发光器件，其中所述透明材料层由选自ITO、ZnO、MgO、ZnAlO以及SnO₂的至少一种材料形成。

8.根据权利要求1的氮化镓基化合物半导体发光器件，其中所述反射性金属层由选自Ag、Al、Fe、Cr、Ti、Co、Ni、Pd、Os、Ru、Pt、Rh以及Ir的至少一种金属形成，或者由包含这些金属中的至少一种的合金形成。

9.根据权利要求8的氮化镓基化合物半导体发光器件，其中所述反射性金属层由选自Ag、Al、Fe、Pt、Rh以及Ir的至少一种金属形成，或者由包含这些金属中的至少一种的合金形成。

10.根据权利要求9的氮化镓基化合物半导体发光器件，其中所述反射性金属层由选自Ag和Al的至少一种金属形成，或者由包含这些金属中的至少任何一种的合金形成。

11.根据权利要求1的氮化镓基化合物半导体发光器件，其中所述反射性金属层形成为在其面对所述透明材料层的表面上具有凹陷/凸起。

12.根据权利要求11的氮化镓基化合物半导体发光器件，其中所述透明材料层形成为在其面对所述反射性金属层的表面上具有凹陷/凸起。

13.根据权利要求11的氮化镓基化合物半导体发光器件，其中所述凹陷/凸起形成为条形图形。

14.根据权利要求11的氮化镓基化合物半导体发光器件，其中所述凹陷/凸起形成为点状或格子状图形。

15.根据权利要求11的氮化镓基化合物半导体发光器件，其中所述凹陷/凸起形成为任意形状。

16.根据权利要求11的氮化镓基化合物半导体发光器件，其中所述凹陷/凸起由曲面形成。

17.根据权利要求11的氮化镓基化合物半导体发光器件，其中所述凹陷/凸起由相对于衬底表面倾斜的平面形成。

18.根据权利要求17的氮化镓基化合物半导体发光器件，其中所述倾斜平面相对于所述衬底表面成5至85度的角。

19.根据权利要求11的氮化镓基化合物半导体发光器件，其中所述凹陷/凸起具有0.01μm至10μm的高度差。

20.一种灯，包括根据权利要求1至19中任何一项的氮化镓基化合物半导体发光器件。