CN101310392A - 氮化镓基化合物半导体发光器件 - Google Patents

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Abstract

本发明的一个目的是提供一种具有低驱动电压和高发光输出的氮化镓基化合物半导体发光器件，其具有正电极，所述正电极包括与p型半导体层形成直接接触的透明导电层。本发明的氮化镓基化合物半导体发光器件包括依次形成在衬底上的n型半导体层、发光层和p型半导体层，其中每一层包括氮化镓基化合物半导体，所述发光器件具有分别设置在所述n型半导体层上和所述p型半导体层上的负电极和正电极，所述正电极至少部分地由透明导电膜形成，所述透明导电膜至少部分地与所述p型半导体层接触，在所述透明导电膜的半导体侧表面上存在包含III族金属成分的半导体金属混合层，并且所述半导体金属混合层的厚度为0.1至10nm。

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11月23日提交的临时申请No.60/739,003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，本发明涉及一种面朝上(face-up)型氮化镓基化合物半导体发光器件，其配置有具有优良透光性和欧姆特性的正电极。
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。通过金属有机化学气相沉积方法(MOCVD方法)、分子束外延(MBE方法)等，在各种氧化物衬底例如蓝宝石晶体或者III-V族化合物衬底上形成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，在横向方向上的电流扩散很小。这导致许多位错存在于外延晶体中，并且从衬底透到表面上，但尚不知道其详细原因。此外，在p型GaN基化合物半导体中，电阻率比n型GaN基化合物半导体的电阻率高，因此，除非使与p型GaN基化合物半导体形成欧姆接触的材料作为正电极，否则驱动电压会大大地增加。
与p型GaN基化合物半导体形成欧姆接触的材料主要是金属，特别地，具有大的功函数的金属易于建立欧姆接触。并且，从透光的观点，正电极优选对光透明。因此，迄今为止，已将容易与p型GaN基化合物半导体形成欧姆接触的金属材料形成为薄膜，以由此同时获得低电阻和透光性。
当金属形成为薄膜时，产生在扩散方向上电阻变高的问题。为解决该问题，已提出了一种具有两层结构的正电极，该两层结构由欧姆接触层和电流扩散层构成，其中欧姆接触层包括薄膜金属，电流扩散层包括具有高透光率的透明导电膜(参见例如日本专利No.294173)。
为了制造更亮的发光器件(LED)，反射或吸收光的金属层的存在必须被消除。为此，已研究了一种使得透明导电膜本身与p型GaN基化合物半导体形成欧姆接触的方法(参见例如日本待审的专利公开No.2001-210867)。在日本待审的专利公开No.2001-210867中，提出了通过除了溅射方法以外的方法制造与p型GaN基化合物半导体形成直接接触的透明导电膜。在溅射方法中，由于p型GaN基化合物半导体层受到损伤，接触电阻高，并且不能获得低的工作电压。然而，当通过除了溅射以外的方法形成透明导电膜，然后通过溅射方法增加透明导电膜的厚度时，由于在构造层叠结构的方式上改变了膜形成方法，因此在方法改变的界面处，电阻增加。并且，生产率很差。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种具有低驱动电压和高发光输出的氮化镓基化合物半导体发光器件，其具有正电极，所述正电极包括与p型半导体层形成直接接触的透明导电层。本发明的另一个目的是提供一种具有正电极的氮化镓基化合物半导体发光器件，所述正电极具有低接触电阻和优良的电流扩散性，其中通过相容的(consistent)膜形成技术形成具有不同目的的多个透明导电膜层，而在形成透明导电膜层时不损伤p型半导体层。
本发明人发现，例如：当在构成正电极的透明导电膜层的半导体侧表面上和在p型半导体的正电极侧表面上分别适当地形成半导体金属混合层和正电极金属混合层时，可以获得低的接触电阻；当将透明导电膜层形成为具有包括与p型GaN基化合物半导体形成直接接触的透明导电膜接触层和透明导电膜电流扩散层的至少两层的层叠结构并且通过RF溅射方法形成所述透明导电膜接触层时，可以形成透明导电膜层而不损伤p型氮化镓基化合物半导体；当通过DC溅射方法在透明导电膜接触层上连续地层叠导电透明膜电流扩散层时，可以抑制在这两层之间的界面处的电阻的增加；当透明导电膜电流扩散层形成为具有大厚度时，在维持高透光率的同时可以提高电流的扩散；以及当在膜形成之后热处理透明导电膜层时，在半导体金属混合层中产生半导体金属的大的浓度梯度。
也就是说，本发明提供以下发明内容。
(1)一种氮化镓基化合物半导体发光器件，包括依次形成在衬底上的n型半导体层、发光层和p型半导体层，其中每一层包括氮化镓基化合物半导体，所述发光器件具有分别设置在所述n型半导体层上和所述p型半导体层上的负电极和正电极，所述正电极至少部分地由透明导电膜形成，所述透明导电膜至少部分地与所述p型半导体层接触，在所述透明导电膜的半导体侧表面上存在包含III族金属成分的半导体金属混合层，并且所述半导体金属混合层的厚度为0.1至10nm。
(2)根据上述第1项的氮化镓基化合物半导体发光器件，其中在所述半导体金属混合层中存在这样的区域，其半导体金属浓度为基于所有金属的20原子％或更高。
(3)根据上述第1或第2项的氮化镓基化合物半导体发光器件，其中在距离所述半导体金属混合层的半导体/透明导电膜界面小于3nm的范围内存在这样的区域，其半导体金属浓度为基于所有金属的40原子％或更高。
(4)根据上述第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，其中在距离所述半导体金属混合层的半导体/透明导电膜界面大于等于3nm的范围内的所述半导体金属浓度为基于所有金属的15原子％或更低。
(5)根据上述第1至第4项中任何一项的氮化镓基化合物半导体发光器件，其中所述透明导电膜在室温下形成，并且在所述膜形成之后，在300至700℃下被热处理。
(6)根据上述第1至第5项中任何一项的氮化镓基化合物半导体发光器件，其中所述透明导电膜包括透明导电膜接触层和透明导电膜电流扩散层，并且所述透明导电膜接触层与所述p型半导体层接触。
(7)根据上述第6项的氮化镓基化合物半导体发光器件，其中通过RF溅射方法形成所述透明导电膜接触层。
(8)根据上述第6或第7项的氮化镓基化合物半导体发光器件，其中通过DC溅射方法形成所述透明导电膜电流扩散层。
(9)根据上述第6至第8项中任何一项的氮化镓基化合物半导体发光器件，其中所述透明导电膜接触层的厚度为1至5nm。
(10)根据上述第6至第9项中任何一项的氮化镓基化合物半导体发光器件，其中所述透明导电膜电流扩散层的厚度为150至500nm。
(11)根据上述第6至第10项中任何一项的氮化镓基化合物半导体发光器件，其中所述透明导电膜电流扩散层在接近和远离所述p型半导体的两侧采用不同的结构，并且在远离所述半导体的一侧的所述层的结构是柱状结构。
(12)根据上述第11项的氮化镓基化合物半导体发光器件，其中在更接近所述半导体的一侧的结构层的膜厚度为30至100nm。
(13)根据上述第1至第12项中任何一项的氮化镓基化合物半导体发光器件，其中在所述p型半导体层中存在包含所述透明导电膜的金属成分的正电极金属混合层。
(14)根据上述第13项的氮化镓基化合物半导体发光器件，其中所述正电极金属混合层的厚度为0.1至5nm。
(15)根据上述第13或第14项的氮化镓基化合物半导体发光器件，其中所述正电极金属混合层中的所述透明导电膜金属成分的浓度为基于在所述正电极金属混合层中的所有金属的0.1至20原子％。
(16)根据上述第1至第15项中任何一项的氮化镓基化合物半导体发光器件，其中所述透明导电膜包括选自In、Sn、Zn、Al、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Ga、Ge、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、Sb、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir和Pt的至少一种金属的氧化物。
(17)根据上述第16项的氮化镓基化合物半导体发光器件，其中所述透明导电膜包括选自In、Sn、Zn、Al、Cu、Ag、Ga、Ge、W、Mo和Cr的至少一种金属的氧化物。
(18)一种灯，包括根据上述第1至第17项中任何一项的氮化镓基化合物半导体发光器件。
(19)一种电子装置，包括根据上述第18项的灯。
(20)一种机器，包括根据上述第19项的电子装置。
本发明的氮化镓基化合物半导体发光器件在构成正电极的透明导电膜层的半导体侧表面上适当地具有包含构成所述半导体的III族金属的半导体金属混合层，因此在正电极与p型半导体层之间的接触电阻可以很小。并且，在半导体金属混合层中，产生半导体金属的大浓度梯度，从而在半导体/透明导电膜层界面附近具有高的半导体金属比例且在远离界面的位置处具有低的半导体金属比例，因此在界面附近可以减小半导体与透明导电膜层之间的接触电阻，在远离界面的位置处可以维持半导体的良好结晶性，并且发光器件可以具有低电阻。
此外，使得正电极金属混合层适当地存在于p型半导体层的正电极侧表面上，其中该正电极金属混合层包含构成正电极的透明导电膜层的金属，因此可以进一步减小半导体与透明导电膜层之间的接触电阻。
附图说明
图1是示意图，示例了本发明的氮化镓基化合物半导体发光器件的一般结构；
图2是示意图，示例了本发明的氮化镓基化合物半导体发光器件的一个实施例；
图3是示意图，示出了在实例1中制造的氮化镓基化合物半导体发光器件的截面图；
图4是示意图，示出了在实例1中制造的氮化镓基化合物半导体发光器件的平面图；
图5是示出透明导电膜接触层的截面TEM图像的EDS分析结果的示例性图表；
图6是示出p型接触层的截面TEM图像的EDS分析结果的示例性图表；以及
图7是在实例1中制造的氮化镓基化合物半导体发光器件的透明导电膜电流扩散层的截面TEM照片。
具体实施方式
如图1所示，本发明的氮化镓基化合物半导体发光器件是通过以下工序制造的半导体发光器件：需要时通过缓冲层(2)，在衬底(1)上层叠氮化镓基化合物半导体，形成n型半导体层(3)、发光层(4)和p型半导体层(5)，部分地去除发光层和p型半导体层，在暴露的n型半导体层上形成负电极(20)，并且在剩余的p型半导体层上形成正电极(10)。
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面、C面、M面、R面)、尖晶石单晶(MgAl2O4)、ZnO单晶、LiAlO2单晶、LiGaO2单晶和MgO单晶；Si单晶；SiC单晶；GaAs单晶；AlN单晶；GaN单晶；以及硼化物单晶例如ZrB2。衬底的平面取向不限于任何特定方向。衬底的晶面可以倾斜到特定的晶面或者不倾斜。
对于n型半导体层、发光层和p型半导体层的结构，存在可以采用的各种公知的结构而没有任何限制。p型半导体层可以具有常规的载流子浓度。值得注意的是，本发明的透明电极还可应用于具有低载流子浓度(例如约1×1017cm-3)的p型半导体层。
对于用于形成这些层的氮化镓基化合物半导体，已知由通用化学式AlxInyGa1-x-yN(0≤x＜1，0≤y＜1，0≤x+y＜1)表示的各种组分的半导体，且可以没有任何限制地使用包括已知的一些的由通用化学式AlxInyGa1-x-yN(0≤x＜1，0≤y＜1，0≤x+y＜1)表示的各种组分的半导体中的任何一种作为用于形成本发明中的n型半导体层、发光层和p型半导体层的氮化镓基化合物半导体。
不特别限制用于生长这种氮化镓基化合物半导体的方法，可以采用任何已知的用于生长氮化镓基化合物半导体的方法，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)。从膜厚度可控性和批量生产率的观点，MOCVD是优选的生长方法。在MOCVD方法中，将氢气(H2)或氮气(N2)用作载气，并且将三甲基镓(TMG)或三乙基镓(TEG)、三甲基铝(TMA)或三乙基铝(TEA)和三甲基铟(TMI)或三乙基铟(TEI)分别用作作为来自III族的原材料的Ga源、Al源和In源，同时将氨(NH3)、肼(N2H4)等用作作为来自V族的原材料的N源。关于掺杂剂，可以将作为Si源材料的甲硅烷(SiH4)或乙硅烷(Si2H6)和作为Ge源材料的锗烷(GeH4)或有机锗化合物用于n型，并且对于p型，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Mg源材料。
为了形成在通过在衬底上依次形成n型半导体层、发光层和p型半导体层而制造的氮化镓基化合物半导体中的n型半导体层接触的负电极，部分地去除发光层和p型半导体层，以暴露下面的n型半导体层。此后，在p型半导体层的未被去除区域上形成本发明的透明正电极，并且在暴露的n型半导体层上形成负电极。公知各种组分和结构的负电极，可以将包括已知的一些的各种组分和结构的负电极中的任何一种用作负电极而没有任何限制。
例如，可以使用图2中所示的层叠结构，其是通过在蓝宝石衬底(1)上依次层叠由AlN构成的缓冲层(2)、包括由n型GaN构成的n型接触层(3a)和由n型GaN层构成的n型覆层(3b)的n型半导体层(3)、由InGaN构成的发光层(4)以及包括由p型GaN构成的p型接触层(5a)和由p型AlGaN层构成的p型覆层(5b)的p型半导体层(5)而获得的。
通过蚀刻部分去除氮化镓基化合物半导体层叠结构的p型接触层(5a)、p型覆层(5b)、发光层(4)和n型覆层(3b)，并且在暴露的n型接触层(3a)上形成由例如Ti/Au构成的常规负电极(20)，在剩余的p型接触层(5a)上形成正电极(10)。
在本发明中，正电极(10)至少具有与p型半导体层形成接触的透明导电膜(11)。在透明导电膜(11)的一部分上，设置接合衬垫层(15)，用于与电路板、引线框架等建立电连接。
透明导电膜对发射波长区域内的光透明，并且由具有导电性的材料构成。例如，透明导电膜由选自In、Sn、Zn、Al、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Ga、Ge、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、Sb、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir和Pt的至少一种金属的氧化物构成。其中，由于其良好的透光性和高导电性，优选选自In、Sn、Zn、Al、Cu、Ag、Ga、Ge、W、Mo和Cr的至少一种金属的氧化物。特别地，优选各种组分的ITO。
透明导电膜的厚度优选为50nm至1,000nm。如果厚度小于50nm，则表面电阻值不利地很低，而如果厚度超过1,000nm，则生产率降低。厚度更优选为100至500nm，进一步更优选150至300nm。
优选将透明导电膜构造为具有两层结构，该两层结构由透明导电膜接触层和透明导电膜电流扩散层构成。形成设置为与p型半导体层接触的透明导电膜接触层而在膜形成时不损伤p型半导体层。为此，需要使进入p型半导体层的能量尽可能低。用弱入射能量形成透明导电膜接触层，因此，膜的密度变低。透明导电膜接触层的厚度优选为1至5nm。如果膜厚度小于1nm，则在形成透明导电膜扩散层时p型半导体层受到损伤，而如果厚度超过5nm，则在透明导电膜接触层中电流扩散效果差，且整个透明导电膜的电流扩散效果减弱。膜厚度更优选为1.5至3.5nm。
随后形成的透明导电膜电流扩散层同时满足高透光率和低表面电阻。透明导电膜电流扩散层优选为高密度膜，以提高电流扩散效果。透明导电膜电流扩散层的厚度优选为50nm至1,000nm。如果膜厚度小于50nm，则不能获得低表面电阻，而如果厚度超过1,000nm，则不能获得高透光率。膜厚度更优选为150至700nm。优选连续而没有间断地形成这两层。如果插入时间空隙或者将系统转移到另一设备，则可能在两层之间附着污染物，或者金属氧化物膜可能进一步被氧化，从而形成高电阻层。
当使得包含构成半导体的金属的半导体金属混合层存在于透明导电膜的半导体侧表面上时，透明导电膜与半导体之间的接触电阻降低。即，在本发明中，将“半导体金属混合层”定义为透明导电膜中的半导体金属包含层，并且将存在于透明导电层中的包含其量为基于所有金属成分的3原子％或更高的半导体金属成分的层称为“半导体金属混合层”。
半导体金属混合层的厚度优选为0.1至10nm。如果厚度小于0.1nm或超过10nm，则很难获得低接触电阻。为了获得更低的接触电阻，厚度更优选为1至8nm。
关于包含在半导体金属混合层中的半导体金属的比例，优选存在以基于所有金属成分的20原子％或更高的比例包含半导体金属的区域。该比例具有分布，并且越接近于半导体/透明导电膜界面，半导体形成金属的比例越高。特别地，在距离半导体/透明导电膜界面小于3nm的范围内，优选存在其中半导体金属比例为基于半导体金属混合层中的所有金属的40原子％或更高的区域。这意味着在半导体/透明导电膜界面附近，即在距离界面小于3nm的范围内，半导体金属向透明导电膜的扩散正在进行，从而接触电阻降低。
该机理的详细情况尚不明了，但是，鉴于在p型GaN/透明导电膜的接触界面处的能级图，与不发生扩散的情况相比，当扩散进行时，空穴和电子位于彼此更靠近的距离内，并且认为产生更大数量的复合中心。还可假定当存在复合中心时，空穴或电子流入该区域中，从而提供电中性和低势垒状态。
另一方面，在远离半导体/透明导电膜界面大于等于3nm的范围内，半导体金属的比例优选为15原子％或更低。如果在该范围内的半导体金属比例超过15原子％，发光器件的驱动电压有时增大。即，远离半导体/透明导电膜界面大于等于3nm的透明导电膜优选处于半导体金属的扩散不在进行的状态中。这是因为，如果连续地进行构成半导体的金属的扩散，半导体层的晶体被破坏，并且半导体层变为具有高电阻。
如本领域技术人员所公知的，可以通过对截面TEM图像的EDS分析来测量半导体金属混合层的厚度和包含在该层中的半导体形成金属的比例。由此，关于透明导电膜，在从p型半导体/透明导电膜界面开始的厚度方向上，可以在不同的点，例如五个点处进行对截面TEM图像的EDS分析，并且可以在这些点处由每个图表确定在每一点处包含的金属的类型和含量。如果五个测量点不足以确定厚度，可以在几个附加点处进行测量。
并且，优选在p型半导体层的正电极一侧的表面上存在包含构成透明导电膜(即正电极)的金属的正电极金属混合层。利用这种结构，可以进一步降低透明导电膜与p型半导体层之间的接触电阻。简言之，在此使用的“正电极金属混合层”被定义为在p型半导体层中的包含构成透明导电膜的金属的层。
正电极金属混合层的电阻高于其他p型半导体层的电阻，但是，由于半导体与正电极之间的接触电阻变低，因此通过形成适当膜厚度的正电极金属混合层，可以使得驱动电压最低。
正电极金属混合层的厚度优选为0.1nm至5nm。如果厚度小于0.1nm，则降低接触电阻的效果不足够高，而如果厚度超过5nm，则半导体层表面的结晶性被不利地破坏。厚度更优选为1至3nm。
包含在正电极金属混合层中的透明导电膜构成金属的比例优选为0.1至30原子％。如果该比例小于0.1原子％，则降低接触电阻的效果不足够高，而如果该比例超过30原子％，则半导体层表面的结晶性可能被破坏，从而增大半导体层的电阻率。该比例更优选为1至20原子％。
与半导体金属混合层类似地，可以通过对截面TEM图像的EDS分析来测量正电极金属混合层的厚度和正电极金属含量。
用于形成透明导电膜、半导体金属混合层和正电极金属混合层的方法如下所述。
优选通过基于RF放电的溅射来进行在p型半导体层上的透明导电膜的形成(即透明导电膜接触层的形成)。已经说明了可以通过RF放电溅射而不是通过气相沉积或DC放电溅射，形成呈现低接触电阻的电极。
在通过RF放电溅射的膜形成中，沉积在p型半导体层上的溅射原子通过离子辅助效应获得能量。由此，认为促进了p型半导体(例如Mg掺杂的p型GaN)的表面部分中的溅射原子的扩散。另外，在膜形成期间，形成p型半导体的顶面的原子被赋予能量。这样，认为提高了半导体材料(例如Ga)向透明导电膜接触层中的扩散。通过对透明导电膜接触层(即通过RF溅射在p型GaN层上形成的膜)的截面TEM图像的EDS分析，观测到包含来自半导体的Ga的部分(即半导体金属混合部分)(参见图5，其示出了在本发明的实例1中获得的透明导电膜接触层的分析结果的一个实例)。
另一方面，在半导体侧确认了其中通过对截面TEM图像的EDS分析检测到来自于透明导电膜的In和Sn的区域，即正电极金属混合层(参见图6，其示出了在本发明的实例1中获得的p型半导体层的分析结果的一个实例)。
在金属氧化物的溅射中，当在溅射时将GaN层表面暴露于等离子体时，等离子体粒子会破坏GaN表面的结晶性。没有观测到显示对结晶性的破坏的证据，但是发生了在半导体金属混合层中的半导体金属的高比例和混合层的膜厚度的增加。这被认为是由于这样的原因而发生的，由于等离子粒子首先破坏GaN表面的结晶性，然后形成透明导电膜，因此其晶体结构被更严重破坏的半导体金属扩散到透明导电膜中。
因此，为了防止接触电阻的增加，必须将GaN层叠衬底设计为在溅射时不被暴露于等离子体。为此的方法的实例包括增大T-S(靶-衬底)距离，增大磁体的磁力以及设计磁体形状以阻止等离子体朝向衬底方向蔓延。
此外，透明导电膜接触层的形成优选在不高于室温的温度下进行。如果p型半导体被加热，透明导电膜接触层的入射粒子被赋予来自p型半导体的扩散能量且过度扩散，从而破坏半导体的结晶性且形成高电阻层。
在形成透明导电膜之后在300至700℃下的加热产生这样的状态，其中在半导体/透明导电膜界面附近，即在距离界面小于3nm的范围内，透明导电膜形成金属和半导体形成金属的扩散在进行。在该热处理时，不进行允许向半导体层的深部扩散的长时间处理。处理时间优选为1至30分钟。
在透明导电膜接触层之后形成透明导电膜电流扩散层的情况下，通过使用DC放电的溅射方法形成电流扩散层。与通过RF放电溅射的膜形成的情况相比，通过DC放电溅射形成的电流扩散层的优点在于，透明导电膜的密度变高。
并且，当通过DC放电溅射方法在室温下形成透明导电层时，电流扩散层在靠近和远离p型半导体的两侧采用不同的结构，并且在远离电流扩散层的半导体侧的一侧的层成为具有高密度的更清晰的柱状结构。虽然观测到晶域(domain)，但靠近半导体侧的层形成的结构不是柱状结构。图7示出在本发明的实例1中透明导电膜电流扩散层的截面TEM照片。由该图可以看出，在A部分中观测到清晰的柱状结构。在B部分中，观测到晶域，但其结构不是柱状结构。该部分的膜厚度通常为30至100nm，并且，通过将电流扩散层形成为大于该厚度的膜厚度，可以以高结晶性产生具有柱状结构的A部分。C是半导体层。另外，在该放大倍率下不能确认透明导电膜接触层的存在。
可以在常规已知的任何合适地选择的条件下使用任何已知的常规溅射设备进行溅射。将其上层叠有氮化镓基化合物半导体层的衬底置于反应室中。将反应室抽真空至范围在10-4～10-7Pa的真空度。可以将He、Ne、Ar、Kr、Xe等用作溅射气体。鉴于其可用性，优选Ar。将这些气体中的一种引入反应室中直至压力为0.1～10Pa，然后，进行放电。优选地，压力在0.2～5Pa的范围内。所施加的电功率优选在0.2～2.0kW的范围内。通过合适地调节放电时间和所施加的功率，可以调节所形成的层的厚度。
作为接合衬垫层，公知使用例如Au、Al、Ni和Cu的材料的各种结构，可以没有限制地使用这些公知的材料和结构。优选地，厚度在100～1000nm的范围内。由于接合衬垫的特性，利用厚接合衬垫可获得更高的接合能力，因此厚度更优选大于等于300nm。但是，从制造成本的角度，厚度优选小于500nm。
通过借助于本领域公知的方法整体地添加透明覆盖层(cover)，可以将根据本发明的氮化镓基化合物半导体发光器件用于构成灯。还可以通过将本发明的氮化镓基化合物半导体发光器件与包含荧光体的覆盖层组合来制造白色灯。
此外，由本发明的氮化镓基化合物半导体发光器件制造的灯呈现低驱动电压和高发射强度。因此，可以用很小的电功率来驱动均采用基于本技术制造的灯的电子装置，例如移动电话和显示面板；以及均采用该电子装置的任何一种的机器和设备，例如汽车、计算机和游戏机，并且这些电子装置以及机器和设备可实现优良的特性。特别地，在由电池驱动的移动电话、游戏机、玩具和汽车部件中可以显著地获得电功率节省效果。
实例
接下来，将通过实例更详细描述本发明，这些实例不应被解释为限制本发明。
(实例1)
图3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4是示出其平面的示意图。通过由AlN构成的缓冲层(2)，在蓝宝石衬底(1)上依次层叠以下层：n型半导体层(3)，包括由未掺杂的GaN构成的3μm厚的下伏层(underlying layer)(3c)、由Si掺杂的n型GaN构成的2μm厚的n型接触层(3a)和由n型In0.1Ga0.9N构成的0.03μm厚的n型覆层(3b)；具有多量子阱结构的发光层(4)，其中层叠五次由Si掺杂的GaN构成的0.03μm厚的势垒层和由In0.2Ga0.8N构成的2.5nm厚的阱层，并且最后设置势垒层；以及p型半导体层(5)，包括由Mg掺杂的p型Al0.07Ga0.93N构成的0.05μm厚的p型覆层(5b)和由Mg掺杂的p型GaN构成的0.15μm厚的p型接触层(5a)。在所产生的氮化镓基化合物半导体层叠结构的p型接触层上，形成透明导电膜(11)，该透明导电膜(11)包括由ITO(氧化铟锡)构成的2nm厚的透明导电膜接触层(12)和由ITO构成的400nm厚的透明导电膜电流扩散层(13)，并且在透明导电膜(11)上形成具有Cr/Ti/Au三层结构(厚度：4/10/200nm；Cr在ITO侧上)的接合衬垫层(15)，以提供正电极(10)。随后，在n型接触层上形成具有Ti/Au的两层结构的负电极(20)。以此方式，制成其中半导体侧用作光提取面的本发明的发光器件。正电极和负电极均具有如图4中所示的形状。
在上述结构中，由n型GaN构成的n型接触层中的载流子浓度为1×1019cm-3，由GaN构成的势垒层中的Si掺杂浓度为1×1018cm-3，由p型AlGaN构成的p型接触层中的载流子浓度为5×1018cm-3，并且在由p型AlGaN构成的p型覆层中Mg掺杂的浓度为5×1019cm-3。
在相关技术领域中公知的通常的条件下通过MOCVD形成形成氮化镓基化合物半导体层的各层。根据以下工序制造正电极和负电极。
首先，以下面的方式通过反应离子蚀刻暴露n型GaN接触层的将要在其上形成负电极的部分并且在p型半导体层上形成蚀刻掩膜。工艺顺序如下。在将抗蚀剂均匀地施加在整个表面上之后，通过使用已知的光刻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，并且使用电子束方法，在小于等于4×10-4Pa的压力下将Ni和Ti分别沉积至约50nm和300nm的厚度。此后，使用剥离技术，从除了正电极区域以外的所有区域去除金属层和抗蚀剂。
接下来，将其上制造有半导体层的衬底置于反应离子蚀刻设备的蚀刻室中的电极上，并且将蚀刻室抽真空至10-4Pa，此后供给作为蚀刻气体的Cl2并且进行蚀刻，直至暴露出n型接触层。在蚀刻之后，从反应离子蚀刻设备中取出衬底，并且使用硝酸和氢氟酸去除蚀刻掩膜。
此后，仅仅在其中形成正电极的区域中在p型接触层上通过公知的光刻技术和剥离技术，形成由ITO构成的透明导电膜接触层和由ITO构成的透明导电膜电流扩散层。在透明导电膜接触层和透明导电膜电流扩散层的形成中，将其上层叠有氮化镓基化合物半导体层的衬底置于溅射设备中并且使其处于衬底温度为室温的状态中，在p型接触层上通过RF溅射首先使约2nm的ITO成膜，然后通过DC溅射在其上层叠约400nm的ITO。顺便提及，在通过RF溅射形成膜时，压力为约1.0Pa且供应功率为0.5kW，而在通过DC溅射形成膜时，压力为约0.8Pa且供应功率为0.5kW。将衬底从溅射设备中取出，并根据公知的通常被称为剥离的工序处理衬底。随后，在透明导电膜电流扩散层的一部分上通过气相沉积方法顺序层叠由Cr构成的第一层、由Ti构成的第二层和由Au构成的第三层，以形成接合衬垫层。这样，在p型接触层上形成正电极。
通过该方法形成的正电极呈现透光性且在460nm的波长区域中具有大于等于90％的透光率。顺便提及，使用通过在玻璃板上层叠均具有与上述厚度相同厚度的透明导电膜接触层和透明导电膜电流扩散层而制备的用于测量透光率的样品，用分光光度计测量透光率。通过考虑仅仅具有玻璃板的情况下在测量中的间隔(blank)，计算透光率的值。
在550℃下在炉中热处理在直到正电极的膜形成之后的晶片10分钟。
接下来，通过以下工序在暴露的n型接触层上形成负电极。在将抗蚀剂均匀地施加在整个表面上之后，通过使用公知的光刻技术在暴露的n型接触层上从负电极区域去除抗蚀剂；然后，使用常规真空蒸发方法，通过在半导体上依次将Ti和Au分别沉积至100nm和200nm的厚度，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将衬底厚度减薄至80μm之后，通过使用激光划片机从半导体层侧对其上形成有正电极和负电极的晶片进行划片，然后施压并使其分开，从而分离每个均为350μm见方的单独的芯片。当通过使用针尖探针使20mA的电流流动而测量每个芯片时，正向电压为3.3V。
然后，在TO-18罐式封装中安装该芯片，并且当通过试验装置测量光发射输出时，在20mA的施加电流下的输出为10mW。来自发光表面的发射的分布表明，在与正电极对应的发光表面的整个区域中发生光发射。
通过对截面TEM图像的EDS分析，估计半导体金属混合层的厚度为3nm，且在该层中的Ga比例为相对于所有金属原子(In+Sn+Ga)的3至50原子％。在远离半导体/正电极界面1nm的部分处，Ga比例为相对于所有金属原子的50原子％，而在远离半导体/正电极界面3nm的部分处，Ga比例为相对于所有金属原子的10原子％或更低。另一方面，估计正电极金属混合层的厚度为2nm。存在于该层中的正电极材料为构成透明导电膜的In和Sn。估计在该层中的这些金属的比例为相对于所有金属原子(In+Sn+Ga)的1至10原子％。图5是示出透明导电膜接触层的截面TEM图像的EDS分析结果的示例性图表，而图6是示出p型接触层的截面TEM图像的EDS分析结果的示例性图表。
(实例2和3)
除了改变正电极的膜形成条件(在形成透明导电膜接触层时溅射设备的压力)以外，以与实例1中相同的方式制造氮化镓基化合物半导体发光器件，并且评价器件特性。所得到的结果与实例1的结果一起显示在表1中。顺便提及，在这些发光器件中，正电极金属混合层的厚度为1至5nm，且正电极金属的比例为0.5至18％。关于半导体金属混合层，它们被示于表1中。
[表1]
Figure A20068004264400191
(实例4)
除了在形成正电极之后不进行热处理以外，以与实例1中相同的方式制造氮化镓基化合物半导体发光器件。其器件特性也示于表1中。
(实例5)
除了在形成透明导电膜接触层时将衬底加热到200℃以外，以与实例1中相同的方式制造氮化镓基化合物半导体发光器件。其器件特性也示于表1中。
(比较实例1)
除了不形成透明导电膜接触层以外，以与实例1中相同的方式制造氮化镓基化合物半导体发光器件。其器件特性也示于表1中。
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具有优良的特性和生产率，其可用作用于发光二极管、灯等的材料。

Claims (20)

1.一种氮化镓基化合物半导体发光器件，包括依次形成在衬底上的n型半导体层、发光层和p型半导体层，其中每一层包括氮化镓基化合物半导体，所述发光器件具有分别设置在所述n型半导体层上和所述p型半导体层上的负电极和正电极，所述正电极至少部分地由透明导电膜形成，所述透明导电膜至少部分地与所述p型半导体层接触，在所述透明导电膜的半导体侧表面上存在包含III族金属成分的半导体金属混合层，并且所述半导体金属混合层的厚度为0.1至10nm。
2.根据权利要求1的氮化镓基化合物半导体发光器件，其中在所述半导体金属混合层中存在这样的区域，其半导体金属浓度为基于所有金属的20原子％或更高。
3.根据权利要求1的氮化镓基化合物半导体发光器件，其中在距离所述半导体金属混合层的半导体/透明导电膜界面小于3nm的范围内存在这样的区域，其半导体金属浓度为基于所有金属的40原子％或更高。
4.根据权利要求1的氮化镓基化合物半导体发光器件，其中在距离所述半导体金属混合层的半导体/透明导电膜界面大于等于3nm的范围内的所述半导体金属浓度为基于所有金属的15原子％或更低。
5.根据权利要求1的氮化镓基化合物半导体发光器件，其中所述透明导电膜在室温下形成，并且在所述膜形成之后，在300至700℃下被热处理。
6.根据权利要求1的氮化镓基化合物半导体发光器件，其中所述透明导电膜包括透明导电膜接触层和透明导电膜电流扩散层，并且所述透明导电膜接触层与所述p型半导体层接触。
7.根据权利要求6的氮化镓基化合物半导体发光器件，其中通过RF溅射方法形成所述透明导电膜接触层。
8.根据权利要求6的氮化镓基化合物半导体发光器件，其中通过DC溅射方法形成所述透明导电膜电流扩散层。
9.根据权利要求6的氮化镓基化合物半导体发光器件，其中所述透明导电膜接触层的厚度为1至5nm。
10.根据权利要求6的氮化镓基化合物半导体发光器件，其中所述透明导电膜电流扩散层的厚度为150至500nm。
11.根据权利要求6的氮化镓基化合物半导体发光器件，其中所述透明导电膜电流扩散层在接近和远离所述p型半导体的两侧采用不同的结构，并且在远离所述半导体的一侧的所述层的结构是柱状结构。
12.根据权利要求11的氮化镓基化合物半导体发光器件，其中在更接近所述半导体的一侧的结构层的膜厚度为30至100nm。
13.根据权利要求1的氮化镓基化合物半导体发光器件，其中在所述p型半导体层中存在包含所述透明导电膜的金属成分的正电极金属混合层。
14.根据权利要求13的氮化镓基化合物半导体发光器件，其中所述正电极金属混合层的厚度为0.1至5nm。
15.根据权利要求13的氮化镓基化合物半导体发光器件，其中所述正电极金属混合层中的所述透明导电膜金属成分的浓度为基于在所述正电极金属混合层中的所有金属的0.1至20原子％。
16.根据权利要求1的氮化镓基化合物半导体发光器件，其中所述透明导电膜包括选自In、Sn、Zn、Al、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Ga、Ge、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、Sb、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir和Pt的至少一种金属的氧化物。
17.根据权利要求16的氮化镓基化合物半导体发光器件，其中所述透明导电膜包括选自In、Sn、Zn、Al、Cu、Ag、Ga、Ge、W、Mo和Cr的至少一种金属的氧化物。
18.一种灯，包括根据权利要求1的氮化镓基化合物半导体发光器件。
19.一种电子装置，包括根据权利要求18的灯。
20.一种机器，包括根据权利要求19的电子装置。
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