CN101322255B - 半导体发光元件和半导体发光元件的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种可以提高光取出效率的半导体发光元件以及半导体发光元件的制造方法。半导体发光元件(1)包括支撑基板(2)、和包括发光的MQW活性层(12)以及最上层的n-GaN层(14)的半导体层叠结构(6)，在半导体层叠结构(6)的n-GaN层(14)的上表面形成有多个圆锥形的凸部(14a)。若设从MQW活性层射出的光的波长为λ，n-GaN层(14)的折射率为n，则凸部(14a)按照凸部(14)的底部的宽度(W)的平均值WA满足式WA≥λ/n的方式形成。
Description
技术领域
本发明涉及在氮化物系的半导体层叠结构的最上层形成多个凸部的半导体发光元件以及半导体发光元件的制造方法。
背景技术
过去，包括GaN等在内的氮化物系的半导体发光元件为人们所知。例如，含有GaN的蓝色系LED(发光二极管)和黄色发光体组合形成的白色LED，普遍用于移动电话的液晶屏(LCD)的背光灯。另外白色LED由于具有耗电量低寿命长的特点，今后，被期待进一步代替荧光灯或白炽灯的光源，相关研究以及开发也在积极进行。
但是，问题在于由于LED的输出只有数瓦的程度，所以期望提高亮度。作为提高上述亮度的手段，考虑或提高LED内部的量子的效率，提高把在活性层发出的光向外部取出的取出效率。特别是存在下述课题：由于GaN的折射率(约2.5)与空气的折射率(约1.0)相比相当高，所以在LED和空气的界面的全反射角变小，光的取出效率非常小(例如约10％)。
于是，为提高由半导体发光元件发出的光的取出效率，各种各样的技术被公开。
例如专利文献1公开了半导体层叠结构的最上层被粗糙化的半导体发光元件。
这种半导体发光元件具备由设于基板上的p-GaN层、活性层、n-GaN层组成的半导体层叠结构。形成于半导体层叠结构的最上层的n-GaN的上表面被粗糙化，形成圆锥形的凸部。通过这样使n-GaN的上表面粗糙化，从而抑制在活性层反射的光根据斯涅耳定律在n-GaN层和空气的界面的反射，提高射向外部的光量。
这种半导体发光元件的制造方法中，首先使用MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法在成长基板(蓝宝石基板)上顺序层叠n-GaN层、活性层、p-GaN层，以形成半导体层叠结构。接着，在p-GaN 层形成p侧电极后，按照使p侧电极在支撑基板(硅基板)一侧的方式，把半导体层叠结构贴到支撑基板上。
接着，在被贴于支撑基板上半导体层叠结构的最上层n-GaN层的上表面形成n侧电极。之后，通过使用KOH以及氙/水银灯的PEC(Photo-Enhanced Chemical)蚀刻技术，将n-GaN层的上表面形成为具有圆锥形状凸部14a的粗糙面。
专利文献1：国际公开第2005/044666号pamphlet
但是，根据n-GaN层的折射率以及从活性层射出的光的波长，圆锥形的凸部的形状较小的情况下，尽管形成了圆锥形的凸部，但对光起的作用和在n-GaN层的上表面为平坦的面的情况时相同。因此，在n-GaN的上表面，由于和平坦的面一样反射光，所以被反射的光量增加。由此，存在向外部取出光的效率降低的问题。
发明内容
本发明就是为解决上述发明创造出来的，本发明的目的在于提供一种能够使光的取出效率提高的半导体发光元件以及半导体发光元件的制造方法。
为达到上述目的，技术方案1的发明是一种半导体发光元件，包括：基板；设于基板上的P侧电极；与所述P侧电极连接，并层叠了金属层的反射层；形成在所述反射层上的掩模层；和半导体层叠结构，其包括ZnO电极以及发光的活性层，设于所述掩模层上；在所述半导体层叠结构的最上层的将光放出的半导体层的上表面，形成有1个或多个凸部；在设从所述活性层发出的光的波长为λ，所述最上层的半导体层的折射率为n的情况下，所述凸部按照所述多个凸部的底面的宽度的平均值WA为WA≥λ/n的方式形成，所述反射层和所述ZnO电极经形成于所述掩模层的接触孔连接，所述ZnO电极在所述半导体层叠结构的最下层配置在p-GaN半导体层的下部。
另外，技术方案2的发明是技术方案1中记载的半导体发光元件，其特征在于，所述最上层的半导体层为n-GaN层。
另外，技术方案3的发明是技术方案1或2中记载的半导体发光元件，其特征在于，所述凸部为锥体形状。
另外，技术方案4的发明是一种半导体发光元件的制造方法，包括：
在成长基板形成包括ZnO电极以及活性层的半导体层叠结构的层叠工序；在ZnO电极上形成掩模层的工序；在所述掩模层上形成接触孔的工序；将经所述接触孔与所述ZnO电极连接的反射层形成在所述掩模层上的工序；把所述半导体层叠结构粘贴于支撑基板上的粘贴工序；和通过在浸在KOH溶液中的状态下向所述半导体层叠结构的最上层的半导体层照射UV光，以形成一个或多个凸部，由此使所述最上层的半导体层的表面粗糙化的粗糙化工序，其中KOH是氢氧化钾，UV是紫外线；在所述粗糙化工序中，在设从所述活性层发出的光的波长为λ，所述最上层的半导体层的折射率为n的情况下，所述凸部按照所述多个凸部的底面的宽度的平均值WA为WA≥λ/n的方式形成，在所述层叠工序中，所述ZnO电极在所述半导体层叠结构的最下层配置在p-GaN半导体层的下部。
另外，技术方案5所述的发明是技术方案4中记载的半导体发光元件的制造方法，其特征在于，在所述粗糙化工序，根据所述KOH溶液的浓度决定所述凸部的形状。
通过本发明，为使活性层射出的光能较容易地通过，而在最上层的半导体层的上表面形成满足上公式的凸部，从而在活性层发出的大部分光，不在最上层的半导体层与空气的界面即最上层半导体层的上表面被反射，而向外部放出。由此，由于可以提高光的取出效率，所以可以提高半导体发光元件的亮度。
附图说明
图1表示本发明的半导体发光元件的截面构造；
图2是在n-GaN层上形成的多个凸部的电子显微镜照片；
图3是从上方拍摄半导体发光元件的明视场影像的光学显微镜照片；
图4是表示本发明的半导体发光元件的制造方法所涉及的各制造工序中的半导体发光元件的截面构造的图；
图5是表示本发明的半导体发光元件的制造方法所涉及的各制造工序中的半导体发光元件的截面构造的图；
图6是表示本发明的半导体发光元件的制造方法所涉及的各制造工序中的半导体发光元件的截面构造的图；
图7是表示本发明的半导体发光元件的制造方法所涉及的各制造工序中的半导体发光元件的截面构造的图；
图8是表示本发明的半导体发光元件的制造方法所涉及的各制造工序中的半导体发光元件的截面构造的图。
图中：1-半导体发光元件，2-支撑基板，3-p侧极电极，4-反射层，4a-金属层，5-掩模层，5a-接触孔，6-半导体层叠结构，7-n侧电极，11-ZnO电极，12-p-GaN层，13-MQW活性层，14-n-GaN层，14a-凸部，20-成长基板。
具体实施方式
以下，参照附图来说明本发明的一个实施例。图1表示本发明的半导体发光元件的截面构造，图2是在n-GaN层上形成的多个凸部的电子显微镜照片，图3是从上方拍摄半导体发光元件的明视场影像的光学显微镜照片。
如图1所示，半导体发光元件(发光二极管)1具备支撑基板2、p侧电极3、反射层4、掩模层5、半导体层叠结构6和n侧电极7。
支撑基板2由Cu基板或AIN基板等散热性好的基板构成。P侧电极3形成在基板2上的整个面。P侧电极3由Au-Sn或Au构成。
反射层4从支撑基板2侧顺序层叠Au层、Pt层、Ti层、Al层而成。另外，作为Al层的代替也可以使用Ag层等的银白色系的其他金属层。另外，反射层4，通过形成于掩模层5的接触孔5a，与半导体层叠结构6的ZnO电极11连结。
掩模层5在后述的制造工序中，在蚀刻半导体层叠结构6时，具有作为蚀刻掩模的功能。掩模层5由SiO2等的电介质膜或者抗蚀膜构成。
半导体层叠结构6隔着p侧电极3、反射层4以及掩模层5被支撑基板2支撑。半导体层叠结构6具有ZnO电极11、p-GaN层12、MQW活性层13和n-GaN层14。
ZnO电极11具有约2×10-4Ωcm的低电阻率以及约 到约 
的厚度。另外，ZnO电极11的厚度希望是约 的程度。
在p-GaN12中，掺杂着作为p型的掺杂剂的Mg。在p-GaN层12和MQW活性层13之间，形成有无掺杂的GaN层或含1％In的InGaN层。
MQW活性层13由厚度约 
的InXGa1-XN井层(图示略)和厚度约 
的无掺杂的InYGa1-YN的障壁层(图示略)交替8个周期排列而成。这里X以及Y满足以下各式：0≤X≤0.3(希望是0.1≤X≤0.2)、0≤Y≤0.1、Y≤X。在MQW活性层13和n-GaN层14之间，形成有掺杂了Si的InGaN/GaN超点阵层(图示略)。在N-GaN层14，掺杂有作为n型掺杂剂的Si。
如图1以及图2所示，在n-GaN层14的上表面，形成有多个圆锥形(锥体形状)的凸部14a。这里，在设从MQW层13射出的光的波长为λ，n-GaN层14的折射率为n的情况下，该圆锥形凸部14a的底面的宽度W的平均值WA满足式
WA≥λ/n…(1)。
例如，在发出峰值波长为460nm的光的InGaN层作为井层的蓝色系的半导体发光元件1的情况下，由于n-GaN层14的折射率约为2.5，故所述平均值WA约为184nm以上。在发出峰值波长为365nm以上的光的GaN层作为井层的半导体发光元件的情况下，所述平均值WA约为146nm以上。
这里，如由图3所示的照片可知，形成满足所述式(1)的圆锥形凸部14a的外周部，由于形成黑色的像，所以得知光通过。另一方面，没有形成满足式(1)的凸部的中心部，由于形成白色的像，所以得知光被反射。
n侧电极7覆盖n-GaN层14的一部分而形成。n侧电极7从n-GaN层14侧开始，层叠Al/Ti/Au或Al/Mo/Au而成。
如所述，本发明所涉及的半导体发光元件1，在n-GaN层14的上表面形成有满足式(1)的圆锥形凸部14a，以使MQW活性层13发出的光可以容易地通过。从而，MQW活性层13发出的大部分光在n-GaN层14和空气的界面即n-GaN层14的上表面不被反射，向外部放出。由此，由于可以提高光取出的效率，所以可以使半导体发光元件1的亮度提高。
下面参照附图说明所述半导体发光元件的制造方法。另外，图4～图8为表示在各制造工序中半导体发光元件的截面结构的图。
首先，把由蓝宝石基板作成的成长基板20搬送到成长室中。接着，向成长室提供氢气的同时，把成长室内的温度提高到约1050℃以热清洗成 长基板20。
接着，如图4所示，利用MOCVD法，把成长室的温度降低到约600℃，在成长基板20上使GaN缓冲层(图示略)形成后，再把成长室的温度提高到约1000℃，把以Si作为掺杂剂的n-GaN层14、以Si作为掺杂剂的InGaN/GaN超点阵层、MQW活性层13和无掺杂的GaN层或含约1％的In的InGaN层顺序层叠。
之后，提高成长室的温度，使p-GaN层12成长。接着，为了使p-GaN层12p型化而进行退火，使p-GaN层12中的Mg活性化。接着，利用MBE(Molecular Beam Epitaxy：分子束取向附生)法形成ZnO电极11(层叠工序)。之后，形成由SiO2作成的掩模层5。
接着，如图5所示，通过光刻技术形成抗蚀膜21。之后把抗蚀膜21作为掩模、在利用蚀刻技术使掩模层5形成图案(Patterning)后，除去抗蚀膜21。
接着，把掩模层5作为掩模，利用ICP(感应耦合型等离子体)蚀刻技术，从ZnO电极11到n-GaN为止进行台面蚀刻，到达成长基板20为止。还有，也可以在ZnO电极11形成图案后，在形成由SiO2构成的掩模层5后，进行台面蚀刻。
接着，如图6所示，通过利用根据CF4的干式蚀刻技术，蚀刻掩模层5，在掩模层5形成用于连接反射层4和ZnO电极11的接触孔5a。
这里，ZnO电极11由于几乎不被CF4蚀刻，所以作为阻止蚀刻元件发挥作用。接着，形成抗蚀膜22后，蒸镀Al或Au，之后顺序层叠Ti/Pt/Au。接着通过除去抗蚀膜22和抗蚀膜22上的金属层4a，形成反射层4。
接着，如图7所示，在支撑基板2上形成由Au-Sn或Au作成的p侧电极3，并使p侧电极3和反射层4接合，通过热压接半导体层叠结构6，将其贴在支撑基板2上。
之后，将以约248nm振荡的KrF激光器从成长基板20一侧向n-GaN层14照射。该KrF激光器的光几乎完全通过蓝宝石基板即成长基板20，被n-GaN层14几乎完全吸收。从而，成长基板20和n-GaN层14之间的界面(GaN缓冲层)的温度急速上升，界面附近的n-GaN层14以及GaN缓冲层融解。由此，可以使成长基板20剥离(LLO(Laser Lift Off) 工序：粘贴工序)。
这里，使成长基板20剥离的必要的KrF激光器的能量约为300mJ/cm2～约700mJ/cm2。并且，n-GaN层14融解时产生的N2，由于逃入相邻的半导体层叠结构6之间，所以压力不对半导体层叠结构6产生作用，所以可以抑制半导体层叠结构6的裂纹。成长基板20剥离后，通过基于酸或碱等的蚀刻，除去残留在n-GaN层14上表面的多余的Ga小滴。
接着，形成抗蚀膜(图示略)后，层叠由Al/Ti/Au或Al/Mo/Au作成的金属层(图示略)。之后，如图8所示，通过使用浮脱(lift-off)法使金属层形成图案，在n-GaN层14上表面的一部分形成可以引线接合的n侧电极7。
这里，成长基板20剥离后的n-GaN层14的上表面，不是Ga极性面，而是因蚀刻而容易出现各向异性的N极性面。这种状态下，如图8所示，通过将n-GaN层14浸泡在约62℃的约4mol/l的KOH溶液中，用3.5W/cm2的UV(紫外线)照射约10分钟，可以在n-GaN层14的上表面形成底面的宽度W的平均值WA满足式(1)的多个圆锥形的凸部(PEC(Photo Enhanced Chemical Ethcing)法)(粗糙化工序)。
而且，在上述条件下形成的圆锥形的凸部14a的高宽比(aspect ratio)(高度/底边的宽度)的平均值约为1.5。这里，把KOH溶液的摩尔浓度变成2.0mol/l的情况下，上述的高宽比变成约1.0。这样，通过改变KOH溶液的摩尔浓度，可以决定凸部14a的形状。
由此，完成半导体发光元件1。
以上，虽然利用上述实施方式对本发明进行了详细说明，但对本领域技术人员而言，明显本发明并不限定于本说明书中所述的实施方式。本发明可以在不脱离由权利要求书的记载所确定的本发明的宗旨以及范围的的情况下进行修正以及以变更的形态实施。并且，本说明书的记载，只起到例示说明的目的，不对本发明有任何的限制的意义。下面，对将上述实施方式变更一部分的变更的方式进行说明。
例如，在上述的实施方式中将凸部14a形成为圆锥形，但也可以形成为截面为梯形，在任意一个方向长的形状。
另外，在上述的实施方式中，将多个凸部14a形成于n-GaN层14 的上表面，但也可以只将一个凸部形成于n-GaN层上。
另外，在上述实施方式中，在LLO工序中使用的是KrF激光器，也可以使用其他受激准分子激光器(ArF：波长约193nm、XeCl：波长约308nm、YAG3倍波：波长约355nm、钛蓝宝石3倍波：波长约360nm、He-Cd：波长约325nm)等进行LLO工序。
另外，构成上述半导体层叠结构6、两电极3以及7的材料等可以适当变更。
另外，在上述半导体发光元件1的制造工序中，各参数可以适当变更。
Claims (5)
1.一种半导体发光元件，包括：
基板；
设于基板上的P侧电极；
与所述P侧电极连接，并层叠了金属层的反射层；
形成在所述反射层上的掩模层；和
半导体层叠结构，其包括ZnO电极以及发光的活性层，设于所述掩模层上；
在所述半导体层叠结构的最上层的将光放出的半导体层的上表面，形成有1个或多个凸部；
在设从所述活性层发出的光的波长为λ，所述最上层的半导体层的折射率为n的情况下，
所述凸部按照所述多个凸部的底面的宽度的平均值WA为WA≥λ/n的方式形成，
所述反射层和所述ZnO电极经形成于所述掩模层的接触孔连接，
所述ZnO电极在所述半导体层叠结构的最下层配置在p-GaN半导体层的下部。
2.根据权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于，
所述最上层的半导体层为n-GaN层。
3.根据权利要求1或2所述的半导体发光元件，其特征在于，
所述凸部为锥体形状。
4.一种半导体发光元件的制造方法，包括：
在成长基板形成包括ZnO电极以及活性层的半导体层叠结构的层叠工序；
在ZnO电极上形成掩模层的工序；
在所述掩模层上形成接触孔的工序；
将经所述接触孔与所述ZnO电极连接的反射层形成在所述掩模层上的工序；
把所述半导体层叠结构粘贴于支撑基板上的粘贴工序；和
通过在浸在KOH溶液中的状态下向所述半导体层叠结构的最上层的半导体层照射UV光，以形成一个或多个凸部，由此使所述最上层的半导体层的表面粗糙化的粗糙化工序，其中KOH是氢氧化钾，UV是紫外线；
在所述粗糙化工序中，
在设从所述活性层发出的光的波长为λ，所述最上层的半导体层的折射率为n的情况下，
所述凸部按照所述多个凸部的底面的宽度的平均值WA为WA≥λ/n的方式形成，
在所述层叠工序中，所述ZnO电极在所述半导体层叠结构的最下层配置在p-GaN半导体层的下部。
5.根据权利要求4所述的半导体发光元件的制造方法，其特征在于，
在所述粗糙化工序中，根据所述KOH溶液的浓度决定所述凸部的形状。
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