CN101331617A - 氮化镓系化合物半导体发光元件 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的是提供光取出效率优异的、具备具有开口部的正极的氮化镓系化合物半导体发光元件。本发明的氮化镓系化合物半导体发光元件，是在基板上顺序地层叠有由氮化镓系化合物半导体构成的、n型半导体层和发光层以及p型半导体层，并且分别与p型半导体层和n型半导体层接触地设有正极和负极的发光元件，其特征在于，正极是具有开口部的正极，在该开口部的p型半导体层表面的至少一部分是来源于球状的粒状物的凹凸面。

Description

氮化镓系化合物半导体发光元件
技术领域
本发明涉及氮化镓系化合物半导体发光元件，特别是涉及具有优异的发光输出功率的氮化镓系化合物半导体发光元件及其制造方法。
背景技术
近年，作为短波长发光元件用的半导体材料，GaN系化合物半导体材料引人注目。GaN系化合物半导体，将以蓝宝石单晶为首的种种的氧化物基板或III-V族化合物作为基板，在其上通过有机金属气相生长法(MOCVD法)或分子束外延法(MBE法)等来形成。
然而，发光元件的外部量子效率，作为光取出效率和内部量子效率相乘所得到的值来表现。所谓内部量子效率，是注入到元件中的电流的能量之中转换成光的比例。所谓作为一方的光取出效率，是在半导体晶体内部发生的光之中能够向外部取出的比例。
在发光元件的内部量子效率上，据说通过结晶状态的改善和结构的研讨，已提高到70～80％左右，相对于注入电流量得到了充分的效果。
然而，不仅GaN系化合物半导体，对于发光二极管(LED)而言，一般来说相对于注入电流的光取出效率也低，很难说将相对于注入电流的内部发光充分地取出到外部。
发光取出效率低，其原因是：在发光层中发出的光根据LED结构内的结晶材质而反复进行反射和吸收，在斯内尔(Snell)定律的临界角以上的反射中，光未取出到外部的几率高。
为了使该光取出效率提高，曾经提出了将发光取出面进行凹凸加工，在光的取出面上设置各种各样的角度，使光的取出效率提高的技术方案(例如，参照日本特开2003-218383号公报和日本特开2005-64113号公报)。
然而，在采用该提案的技术制作的表面的凹凸加工中，凹凸的形状由平面或棱锥结构所形成，形成为LED封装件时的树脂材料由于粘度而未渗入凹凸加工了的整个区域，不能够充分得到所期待的由凹凸加工带来的光取出效果、或与树脂折射率相应的光取出效果，存在为了使树脂与凹凸加工面完全地粘附而在树脂注入后使压力变化等工序上变得烦杂的问题。
另外，在用于实施凹凸加工的方法中，由于要求凹凸的掩模图形化方法等，因此在工序上必须遵循烦杂的步骤，也是制造上的问题。
另一方面，作为GaN系化合物半导体材料的特性，有时在横向上的电流扩散小。为此，电流只注入到电极正下方的半导体中，由发光层发出的光被电极遮蔽，不能取出到外部。因此，该体系的发光元件，通常使用透光性电极作为正极，光通过透光性正极被取出。
以往的透光性正极，是将Ni或Co的氧化物和作为接触金属的Au等组合的层结构。近年，通过使用ITO等导电性更高的氧化物，极力减薄接触金属的膜厚、提高了透光性的层结构作为正极被采用，将来自发光层的光高效率地取出到外部。
另外，还曾提出了使正极的形状为具有开口部的形状，例如格栅状，从该开口部取出所发的光的结构方案(例如，参照日本特开2004-179491号公报)。然而，现状是在该方法中，可取出所发的光的部分限于正极周边部分，发出的光不能从开口部的中央部分取出，不能够得到良好的光取出效率。
发明内容
本发明的目的是解决现有技术的所述问题，提供光取出效率优异的、具备具有开口部的正极的氮化镓系化合物半导体发光元件及其制造方法。
本发明提供以下的发明。
1.一种氮化镓系化合物半导体发光元件，是在基板上顺序地层叠有包含氮化镓系化合物半导体的、n型半导体层和发光层以及p型半导体层，并分别与p型半导体层和n型半导体层接触地设有正极和负极的发光元件，其特征在于，正极是具有开口部的正极，在该开口部的p型半导体层表面的至少一部分是来源于球状的粒状物的凹凸面。
2.一种氮化镓系化合物半导体发光元件，是在基板上顺序地层叠有包含氮化镓系化合物半导体的、n型半导体层和发光层以及p型半导体层，并分别与p型半导体层和n型半导体层接触地设有正极和负极的发光元件，其特征在于，正极是具有开口部的正极，在该开口部的p型半导体层表面的至少一部分是尖端部为半球状的凹凸面。
3.一种氮化镓系化合物半导体发光元件，是在基板上顺序地层叠有包含氮化镓系化合物半导体的、n型半导体层和发光层以及p型半导体层，并分别与p型半导体层和n型半导体层接触地设有正极和负极的发光元件，其特征在于，正极是具有开口部的正极，在该开口部的p型半导体层表面的至少一部分是由曲面构成尖端部的凹凸面。
4.根据上述第1～3项的任一项所述的氮化镓系化合物半导体发光元件，具有开口部的正极为格栅状或梳子形状。
5.根据上述第4项所述的氮化镓系化合物半导体发光元件，格栅的棂条或梳子的齿的宽度为1μm～50μm。
6.根据上述第4项或第5项所述的氮化镓系化合物半导体发光元件，格栅的棂条或梳子的齿的距离是1μm～50μm。
7.根据上述第1～6项的任一项所述的氮化镓系化合物半导体发光元件，凹凸面的凸部(粒状物)的直径为0.01～3μm。
8.根据上述第1～7项的任一项所述的氮化镓系化合物半导体发光元件，凹凸面的上端的高度从负极形成面起为0.1～2μm。
9.根据上述第8项所述的氮化镓系化合物半导体发光元件，凹凸面的上端的高度是与p型半导体层表面同等的高度。
10.根据上述第1～9项的任一项所述的氮化镓系化合物半导体发光元件，凹凸面的凸部的高度为0.01～1μm。
11.根据上述第1～10项的任一项所述的氮化镓系化合物半导体发光元件，凹凸面的凸部(粒状物)的密度为1×105个/mm2～1×108个/mm2。
12.根据上述第1～11项的任一项所述的氮化镓系化合物半导体发光元件，凹凸面也存在于发光元件的四周。
13.根据上述第1～12项的任一项所述的氮化镓系化合物半导体发光元件，凹凸面也存在于正极与负极之间。
14.一种氮化镓系化合物半导体发光元件的制造方法，包括下述(1)～(4)的工序：
(1)在基板上顺序地层叠包含氮化镓系化合物半导体的、n型半导体层和发光层以及p型半导体层的工序；
(2)在该p型半导体层上形成具有开口部的正极的工序；
(3)在该开口部的p型半导体层上形成包含金属微粒子的掩模的工序；
(4)从该掩模上干蚀刻氮化镓系化合物半导体的工序。
15.根据上述第14项所述的制造方法，工序(3)包含在p型半导体层上形成金属薄膜的工序以及其后的热处理工序。
16.根据上述第14或15项所述的制造方法，金属微粒子是选自Ni、Au、Sn和Ge之中的金属或至少含有这些金属的一种的低熔点合金。
17.一种氮化镓系化合物半导体发光元件，是采用上述第14～16项的任一项所述的制造方法制造的。
18.一种灯，包括上述第1～13项和第17项的任一项所述的氮化镓系化合物半导体发光元件。
19.一种电子设备，装有上述第18项所述的灯。
20.一种机械装置，装有上述第19项所述的电子设备。
根据在具备具有开口部的正极的氮化镓系化合物半导体发光元件中，对在该开口部的p型半导体层的表面实施特定形状的凹凸加工为要点的本发明，能够得到由该开口部整体取出所发的光，具有良好的光取出效率的氮化镓系化合物半导体发光元件。此外，将发光元件加工成灯时，树脂渗入不良减少，能够形成与树脂折射率相应的聚光性高的灯。
另外，本发明的凹凸加工方法不需要高度的掩模图形化工序等，能够简便廉价地形成凹凸加工区域。此外，使用包含低熔点的金属微粒子的掩模的凹凸加工，通过金属膜厚以及热处理温度的调节能够使凹凸形状任意地变化，能够形成与LED的发光波长(本发明的氮化镓系化合物半导体发光元件的场合，为350nm～600nm)相应的最佳的光取出形状。
附图说明
图1是模式地表示本发明的氮化镓系化合物半导体发光元件的一例的截面的图。
图2是表示具有开口部的正极的一例的图。
图3是表示具有开口部的正极的另一例的图。
图4是表示具有开口部的正极的又一例的图。
图5是在实施例1中制作的本发明的氮化镓系化合物半导体发光元件的凹凸加工区域的表面SEM照片(倍率：1万5千倍)。
图6是在实施例1中制作的本发明的氮化镓系化合物半导体发光元件的凹凸加工区域的截面SEM照片(倍率：2万倍)。
图7是以往的氮化镓系化合物半导体发光元件的发光元件四周部的截面SEM照片。
图8是模式地表示在实施例1中制作的本发明的氮化镓系化合物半导体发光元件的截面的图。
图9是模式地表示在实施例1中制作的本发明的氮化镓系化合物半导体发光元件的平面的图。
具体实施方式
发光元件的发光效率，作为光取出效率和内部量子效率相乘所得到的值来表现。所谓内部量子效率，是注入到元件中的电流的能量之中转换成光的比例。所谓作为一方的光取出效率，是在半导体晶体内部发生的光之中能够向外部取出的比例。
本发明是通过对在p型半导体层上具备具有开口部的正极的氮化镓系化合物半导体发光元件的在该开口部的p型半导体层的表面实施特定形状的凹凸加工，使光取出效率提高的发明。
图1是模式地表示本发明的氮化镓系化合物半导体发光元件的截面的图。在图中，1为基板；2为缓冲层；3为n型半导体层；4为发光层；5为p型半导体层。发光层4和p型半导体层5的一部分被蚀刻除去，露出了n型半导体层3的一部分，在所残留的p型半导体层5上形成有正极10，在所露出的n型半导体层3上形成有负极9。11是正极焊盘(bonding pad)。正极10具有开口部12，p型半导体层的在该开口部12的部分是对其表面实施了特定形状的凹凸加工的凹凸加工区域。
本发明中，正极具有开口部，正极的形状只要具有开口部就没有特别限制，例如可举出如图2所示的格栅状、如图3所示的梳子形状以及如图4所示的交错状地开有圆形孔的形状等。
在为格栅状和梳子形状的场合，格栅的棂条以及梳子的齿(图2和图3中的A)的宽度(图2及图3中的a)优选为1～50μm，进一步优选为2～30μm，特别优选为3～15μm。当小于1μm时，正极内的电流的横向扩展受到损害，并且从光取出量来看也不优选，当超过50μm时，光的取出面积减少，因而不优选。格栅的棂条以及梳子的齿的间距(图2及图3中的b)优选为1～50μm，进一步优选为2～30μm，特别优选为3～20μm。。当小于1μm时，光的取出面积减少，因而不优选；当超过50μm时，在开口部中央的发光减少，因此不优选。另外，格栅的棂条以及梳子的齿的宽度优选为格栅的棂条以及梳子的齿的间距的1.1～1.3倍左右。
作为正极材料，可以使用Au、Ni、Co、Cu、Pd、Pt、Rh、Os、Ir和Ru等金属。另外，也可以使用ITO、NiO和CoO等的透光性的导电性金属氧化物。作为使用透光性的导电性金属氧化物的形态，既可以作为块含在上述金属膜中，也可以作为层状与上述金属膜重合地形成。不用说，也可以单独地使用透光性的导电性金属氧化物。其中，ITO的透光性优异且导电性也高，因此优选。
正极的厚度根据所使用的材料不同而不同，但一般优选为10～1000nm。例如，在为ITO的场合，优选为作为使发光波长良好地透过的厚度的100～800nm，进一步优选为200～500nm。
正极的成膜可以采用真空蒸镀法和溅射法等在该技术领域中人们熟知的惯用手段来进行。另外，为了以设有开口部的形状成膜，可以采用在该技术领域中人们熟知的光刻技术和剥离(lift-off)技术来进行。在形成正极后，有时实施以合金化、透明化为目的的热退火，但也可以不实施该热退火。
在正极上通常设有连接用于流通电流的导线的焊盘部。关于焊盘部，众所周知有使用Au、Al、Ni、Ti和Cu等材料的各种结构，可以没有任何限制地使用这些众所周知的材料以及结构的焊盘。另外，焊盘的厚度优选为100～1000nm。从焊盘的特性上看，厚一些会使接合性增高，因此优选为300nm以上。此外，从制造成本的观点来看，优选为500nm以下。
在正极的开口部12处的p型半导体层的凹凸加工区域的表面，其上端的高度具有与p型半导体层表面大致同等的高度，表面形成了大小不同的凸状曲面形状。另外，通过使凹凸加工部分的表面形成独立的球面透镜形状，能够使光取出效率进一步提高。
图5是凹凸加工区域的表面SEM照片(倍率：1万5千倍)。由该图明确地看出，凹凸加工区域的凹凸来源于球状的粒状物(在图5中由30表示)。本发明中，所谓球状并不只意味着圆球，还包括椭圆球。总之，是粒状物的外表面由实质上不包含平面的曲面构成的意思。本发明者们发现，如果在面对正极的开口部的p型半导体露出部分上设置这样的形状的凹凸，则光取出效率提高。
各粒状物的直径优选为0.01～3μm的范围。只要为该范围，则光取出效率有效地提高。更优选为0.1～1μm的范围。另外，粒状物的密度优选为1×105个/mm2～1×108个/mm2的范围。只要为该范围，则光取出效率有效地提高，优选为1×106个/mm2～1×107个/mm2的范围。
另外，图6是树脂封装后的凹凸加工区域的截面SEM照片(倍率：2万倍)。图6中41为p型半导体部，42为树脂部。由截面SEM照片观察凹凸加工区域时，上述粒状物半埋于p型半导体层中，尖端部形成了半球状的凸部。在此所说的半球，并不只意味着圆球，还包括椭圆球。总之是凹凸面的凸部由实质上不包含平面的曲面构成的意思。
由截面SEM照片所观察到的凹凸加工区域的各凸部(图6中由31表示)的最大部的直径优选为0.01～3μm的范围。如果在该范围，则光取出效率有效地提高。更优选为0.1～1μm的范围。另外，凸部的高度优选为0.01～3μm的范围。只要在该范围，则光取出效率有效地提高。更优选为0.1～1μm的范围。另外，凸部的密度优选为1×105个/mm2～1×108个/mm2的范围。只要是该范围，则光取出效率有效地提高。更优选为1×106个/mm2～1×107个/mm2的范围。
所形成的凹凸加工面的上端的从负极形成面起的高度，优选为0.1μm～2.0μm，优选为与p型半导体表面大致相同的高度。
另外，如果为在发光元件的四周以及负极与正极之间也具备上述特定形状的凹凸面的凹凸加工区域，则发出的光也高效地从发光元件的四周以及负极与正极之间取出，光取出效率进一步提高。
再者，图7是以往的氮化镓系化合物半导体发光元件的发光元件四周部的截面TEM照片。发光元件四周部进行了凹凸加工，但凸部的外周面基本由平面构成，形状以及大小与本发明中的凹凸加工完全不同。
接着，对具备上述特定形状的凹凸面的凹凸加工区域的形成方法进行说明。
本发明中，凹凸加工区域的形成，可以通过在该区域的p型半导体层表面上形成包含金属微粒子的掩模，从其上面对p型半导体层进行干蚀刻来进行。关于金属的选定，优选能够得到在低温下的凝集性良好且为球面形状的微粒子的金属。作为这样的金属，例如可举出选自Ni、Au、Sn和Ge之中的金属或至少含有这些金属的一种的低熔点合金。其中，优选AuSn合金、AuGe合金、AuSnNi合金以及AuGeNi合金。其中，最优选使用AuSn合金。关于AuSn合金，已知当Sn组成比为10％～35％左右时，在190℃～420℃左右发生共晶化，另外还知道，当大于该温度时，一般地合金层呈凝集形态。
为了制作包含金属微粒子的掩模，采用一般人们所知的真空蒸镀装置首先形成金属的薄膜。金属薄膜的厚度优选为50
Figure A20068004691900121
～1000
Figure A20068004691900122
另外，金属薄膜的厚度只要能够在上述范围内均匀地控制，则即使使用溅射装置等也没有任何问题。
为了得到包含金属微粒子的掩模，将形成的金属薄膜在含氧气氛或无氧气氛的任一种气氛中进行1分钟以上的热处理，虽然根据使用的金属的不同而不同但一般在250℃～600℃的范围进行上述热处理。
热处理后的金属的形状，根据含氧气氛或不含氧的气氛的不同，形状大大不同，为了高效地取得发光输出功率，更优选在不含氧的气氛中的热处理。可以通过热处理温度来调整处理后的微粒子形状，相应于取出的光的发光波长进行调节以使得可形成适宜的形状以及密度的金属微粒子。
凹凸加工区域的加工后的球状粒状物的形状，为了取得与金属微粒子掩模的形状大致同等的形状，可以通过控制金属微粒子掩模的形状来控制加工后的球状粒状物的形状。因此，构成掩模的金属微粒子的形状，优选是直径为0.01～3μm、优选为0.1～1μm的球状。
形成金属微粒子掩模后，通过从该掩模上对包含氮化镓系化合物半导体的p型半导体层进行干蚀刻，能够形成上述特定形状的凹凸面。在干蚀刻方面，使用一般的反应性离子蚀刻(RIE)型的干蚀刻，在含有氯的气体中进行蚀刻。再者，为了防止由热所引起的金属凝集形状(金属微粒子形状)的变化，优选基板温度保持在100℃以下。
上述方法与采用金属的耐干蚀刻性的现有方法不同，其特征在于：利用了由于金属微粒子掩模的致密化而产生的、在干蚀刻方面作为一般的负效应的微型加载(microloading)效应。该方法由于不使用硬度高、熔点高的金属，而是可以使用形状更容易控制的低熔点金属形成球面的凹凸形状，因此即使考虑生产率也非常有益。
由于干蚀刻，使得金属微粒子掩模也慢慢被蚀刻，在p型半导体层被蚀刻成所期望的凹凸形状的同时，金属微粒子掩模消失。再者，在蚀刻终了时也可以残留金属微粒子掩模的一部分。另外，在残留有金属微粒子掩模的一部分的场合，也可以使用例如王水或硝酸等的酸进行处理、除去。
凹凸加工既可以在形成具有开口部的正极后进行，也可以在将与开口部相应的区域预先进行凹凸加工后，形成具有开口部的正极。在形成正极后进行凹凸加工的场合，也可以利用正极本身作为蚀刻时的保护掩模。该场合下的正极的厚度必须是足以耐受干蚀刻的厚度。例如，作为正极材料使用ITO的场合，所述厚度优选为蚀刻的深度的1/2以上。
作为本发明的氮化镓系化合物半导体发光元件的基板，众所用知有蓝宝石单晶(Al2O3；A面、C面、M面、R面)、尖晶石单晶(MgAl2O4)、ZnO单晶、LiAlO2单晶、LiGaO2单晶、MgO单晶等氧化物单晶、Si单晶、SiC单晶、GaAs单晶、AlN单晶、GaN单晶以及ZrB2等的硼化物单晶等的基板材料。在本发明中，包括这些众所周知的基板材料在内的任何基板材料都可以没有任何限制地使用。其中，优选蓝宝石单晶以及SiC单晶。再者，基板的面取向没有特别限定。另外，既可以是正直的基板(justsubstrates)也可以是赋予了偏角(angle off)的基板。
在基板上通常介有缓冲层地层叠有由氧化镓系化合物半导体构成的、n型半导体层和发光层以及p型半导体层。根据使用的基板和外延层的生长条件，有时不需要缓冲层。
作为氮化镓系化合物半导体，已知多种的例如由通式AlXGaYInZN1-AMA(0≤X≤1，0≤Y≤1，0≤Z≤1，且X+Y+Z＝1。记号M表示与氮(N)不同的第V族元素，0≤A＜1)所表示的氮化镓系化合物半导体，在本发明中，能够没有任何限制地使用包括这些众所周知的氮化镓系化合物半导体在内的、由通式AlXGaYInZN1-AMA(0≤X≤1，0≤Y≤1，0≤Z≤1，且X+Y+Z＝1。记号M表示与氮(N)不同的第V族元素，0≤A＜1)所表示的氮化镓系化合物半导体。
氮化镓系化合物半导体，除了Al、Ga以及In以外还可以含有其他的III族元素，也可以根据需要含有Ge、Si、Mg、Ca、Zn、Be、P、As以及B等的元素。此外，不限于有意地添加的元素，也有时含有依赖于成膜条件等而必然地含有的杂质以及在原料、反应管材质中含有的微量杂质。
氮化镓系化合物半导体的生长方法没有特别限定，可以采用MOCVD(金属有机化学气相淀积法)、HVPE(氢化物气相外延法)、MBE(分子束外延法)等已知可使氮化镓系化合物半导体生长的所有的方法。作为优选的生长方法，从膜厚控制性、大量生产性的观点来看，为MOCVD法。在MOCVD法中，作为载气可以使用氢(H2)或氮(N2)，作为III族原料的Ga源可以使用三甲基镓(TMG)或三乙基镓(TEG)，作为Al源可以使用三甲基铝(TMA)或三乙基铝(TEA)，作为In源可以使用三甲基铟(TMI)或三乙基铟(TEI)，作为V族原料的N源可以使用氨(NH3)、肼(N2H4)等。另外，作为掺杂物，在n型中，作为Si原料可使用单硅烷(SiH4)或二硅烷(Si2H6)，作为Ge原料可使用锗气(GeH4)、四甲基锗((CH3)4Ge)、四乙基锗((C2H5)4Ge)等有机锗化合物。在MBE法中，元素态的锗也能够作为掺杂源使用。在p型中，作为Mg原料使用例如双环戊二烯基镁(Cp2Mg)或双乙基环戊二烯基镁(EtCp2Mg)。
n型半导体层，通常由基底层、n接触层以及n覆盖层构成。n接触层能够兼作为基底层和/或n覆盖层。基底层优选由AlxGa1-xN层(0≤x≤1，优选为0≤x≤0.5，进一步优选为0≤x≤0.1)构成。基底层的膜厚为0.1μm以上，优选为0.5μm以上，进一步优选为1μm以上。达到该膜厚以上的场合容易得到结晶性良好的AlxGa1-xN层。
在基底层中，可以掺杂1×1017～1×1019/cm3的范围内的n型杂质，但从维持良好的结晶性的观点来看，优选不掺杂(＜1×1017/cm3)。作为n型杂质，没有特别限定，例如可举出Si、Ge以及Sn等，优选是Si以及Ge。
使基底层生长时的生长温度优选为800～1200℃，进一步优选调节成1000～1200℃的范围。只要使之在该生长温度范围内生长，则能够得到结晶性良好的基底层。另外，MOCVD生长炉内的压力调节成15～40kPa。
作为n接触层，与基底层同样地优选由AlxGa1-xN层(0≤x≤1，优选为0≤x≤0.5，进一步优选为0≤x≤0.1)构成。优选掺杂有n型杂质，当以1×1017～1×1019/cm3的浓度、优选以1×1018～1×1019/cm3的浓度含有n型杂质时，从维持与负极的良好的欧姆接触、抑制裂纹发生、维持良好的结晶性的观点来看是优选的。作为n型杂质，没有特别限定，例如可举出Si、Ge以及Sn等，优选是Si以及Ge。生长温度与基底层同样。
构成基底层和n接触层的氮化镓系化合物半导体优选为同一组成，将其合计的膜厚设定在1～20μm，优选设定在2～15μm，进一步优选设定在3～12μm的范围。当膜厚在该范围内时，可良好地维持半导体的结晶性。
优选在n接触层与发光层之间设置n覆盖层。原因是能够弥补在n接触层的最表面产生的平坦性的恶化。n覆盖层可由AlGaN、GaN、GaInN等形成。可以形成为这些结构的杂接合、多次层叠的超晶格结构。在为GaInN的场合，当然优选比发光层的GaInN的带隙(band gap)大。
n覆盖层的膜厚没有特别限定，优选为0.005～0.5μm，更优选为0.005～0.1μm。n覆盖层的n型掺杂浓度优选为1×1017～1×1020/cm3，更优选为1×1018～1×1019/cm3。当掺杂浓度为该范围时，从维持良好的结晶性以及降低元件的工作电压的观点来看是优选的。
作为层叠在n型半导体层上的发光层，在本发明中通常可以使用由氮化镓系化合物半导体、优选由Ga1-sInsN(0＜s＜0.4)的氮化镓系化合物半导体构成的发光层。作为发光层的膜厚没有特别限定，但可举出可得到量子效应的程度的膜厚，即临界膜厚，例如优选为1～10nm，更优选为2～6nm。当膜厚为上述范围时，从发光输出功率的方面来看是优选的。另外，发光层除了如上所述的单一量子阱(SQW)结构以外，还可以形成为：以上述Ga1-sInsN为势阱层，由该势阱层和带隙能量比该势阱层的大的AlcGa1-cN(0≤c＜0.3，且b＞c)势垒层(barrier layer)构成的多量子阱(MQW)结构。另外，势阱层和势垒层中也可以掺杂杂质。
AlcGa1-cN势垒层的生长温度优选为700℃以上的温度，当使其在800～1100℃生长时结晶性变得良好，因此是进一步优选的，使GaInN势阱层在600～900℃、优选在700～900℃生长。即，为了使MQW的结晶性良好，优选在层间使生长温度变化。
p型半导体层，通常由p覆盖层和p接触层构成。然而，p接触层也可以兼作为p覆盖层，作为p覆盖层，为比发光层的带隙能量大的组成，只要是能够将载流子封闭在发光层中的p覆盖层，就没有特别限定，可优选举出AldGa1-dN(0＜d≤0.4，优选为0.1≤d≤0.3)的p覆盖层。p覆盖层由这样的AlGaN构成时，可将载流于封闭在发光层中，从该点来看是优选的。p覆盖层的膜厚没有特别限定，优选为1～400nm，更优选为5～100nm。p覆盖层的p型掺杂浓度，优选为1×1018～1×1021/cm3，更优选为1×1019～1×1020/cm3。p型掺杂浓度为上述范围时，不使结晶性降低而能够得到良好的p型晶体。
作为p接触层，是至少含有AleGa1-eN(0≤e＜0.5，优选为0≤e≤0.2，更优选为0≤e≤0.1)的氮化镓系化合物半导体层。当Al组成为上述范围时，从维持良好的结晶性以及与p欧姆电极的良好的欧姆接触的方面来看是优选的。当以1×1018～1×1021/cm3的浓度、优选以5×1019～5×1020/cm3的浓度含有p型掺杂物时，可维持良好的欧姆接触，防止裂纹发生，维持良好的结晶性，从该观点来看是优选的。作为p型杂质没有特别限定，例如可优选举出Mg。膜厚没有特别限定，优选为0.01～0.5μm，更优选为0.05～0.2μm。膜厚为该范围时，从发光输出功率的方面来看是优选的。
采用在该技术领域中人们熟知的惯用手段使n接触层露出，在所露出的n接触层上设置负极。关于负极，已知有多种的使用各种材料的各种结构的负极，可以没有任何限制地使用包括这些公知的负极在内的任何材料以及结构的负极。另外，其制造方法也能够没有任何限制地采用真空蒸镀法以及溅射法等众所周知的制造方法。
作为发光元件的形态，通常作为从设有开口部的正极侧取出所发出的光的、所谓的正面(FV；face-up)型使用。
本发明的氮化镓系化合物半导体发光元件，例如能够采用该行业众所周知的手段设置透明罩制作成灯。另外，也能够将本发明的氮化镓系化合物半导体发光元件和具有荧光体的罩组合来制作白炽灯。
另外，由本发明的氮化镓系化合物半导体发光元件制作的灯，光取出效率优异，发光输出功率高，因此装有采用该技术制作的灯的便携式电话、显示器、面板类等的电子设备、和装有该电子设备的汽车、计算机、游戏机等的机械装置类，能够以低电力驱动，能够实现高的特性。特别是在便携式电话、游戏机、玩具、汽车部件等的进行电池驱动的设备类中发挥省电的效果。
实施例
以下通过实施例和比较例详细地说明本发明，但本发明并不只限于该实施例。
(实施例)
在本实施例中制作的氮化镓系化合物半导体发光元件的截面模式图示于图8。另外，图9示出其平面模式图。
氮化镓系化合物半导体的叠层结构体，是在由蓝宝石的c面((0001)晶面)构成的基板1上，介有包含AlN的缓冲层2地顺次层叠n型半导体3和发光层4以及p型半导体层5而构成。所述n型半导体3由包含非掺杂的GaN层(层厚＝8μm)的基底层、包含掺杂Si的n型GaN层(层厚＝2μm，载流子浓度＝1×1019cm-3)的n接触层和包含掺杂Si的n型Al0.07Ga0.93N层(层厚＝25nm，载流子浓度＝1×1018cm-3)的n覆盖层构成；所述发光层4为将6层的掺杂Si的GaN势垒层(层厚＝14.0nm，载流子浓度＝1×1018cm-3)和5层的非掺杂的In0.20Ga0.80N势阱层(层厚＝2.5nm)交替地层叠而成的多量子结构的发光层4；所述p型半导体层5由包含掺杂Mg的p型Al0.07Ga0.93N层(层厚＝10nm)的p覆盖层和包含掺杂Mg的Al0.02Ga0.98N层(层厚＝150nm)的p接触层构成。上述的叠层结构体的各构成层采用一般的减压MOCVD方法使其生长。
特别是包含掺杂Mg的AlGaN的p型接触层按照以下的顺序使其生长。
(1)完成包含掺杂Mg的Al0.07Ga0.93N层的p覆盖层的生长后，使生长反应炉内的压力为2×104帕斯卡(Pa)。载气使用氢。
(2)以三甲基镓、三甲基铝和氨为原料，以双环戊二烯基镁(bis-cyclopentamagnesium)作为Mg的掺杂源，在1020℃下开始掺杂Mg的AlGaN层的气相生长。
(3)向生长反应炉内连续地供给三甲基镓、三甲基铝、氨和双环戊二烯基镁4分钟，生长出层厚为0.15μm的掺杂Mg的Al0.02Ga0.98N层。
(4)停止向生长反应炉内供给三甲基镓、三甲基铝、氨和双环戊二烯基镁，使掺杂Mg的Al0.02Ga0.98N层的生长停止。
完成了包含掺杂Mg的AlGaN层的接触层的气相生长后，立即将载气由氢向氮切换，使氨的流量降低，并且相应于降低的部分来增加载气的氮流量。具体地，在生长中将总流通气体量之中按体积计占50％的氨降低到0.2％。同时停止对为了加热基板而使用的高频感应加热式加热器的通电。
此外，在该状态下保持2分钟后，停止氨的流通。此时基板的温度是850℃。
在该状态下冷却到室温后，从生长反应炉取出叠层结构体，采用一般的SIMS分析法来定量包含掺杂Mg的AlGaN层的p接触层的镁以及氢的原子浓度。Mg原子以7×1019cm-3的浓度从表面向深度方向以大致恒定的浓度分布。另一方面，氢原子以6×1019cm-3的大致恒定的浓度存在。另外，电阻率通过采用一般的TLM法的测定，估算大约为150Ωcm。
使用上述的叠层结构体制作了LED。
首先，使用公知的光刻技术以及剥离技术，只在p型AlGaN接触层上的形成正极的区域，形成由厚度450nm的ITO构成的格栅状正极10。正极10的形成使用了以往就使用着的真空蒸镀装置。然后为了将ITO金属膜透明化，在氧气氛中进行热处理。再者，格栅状电极的棂条(图9中的A)的宽度(图9中的a)为5μm。另外，各棂条的间距(图9中的b)为20μm。
接着，进行凹凸加工区域的凹凸加工。凹凸加工区域是在图9中施加了斜线的部分，为格栅状正极的开口部12和发光元件的四周以及负极与正极之间。首先，使用抗蚀剂实施凹凸加工区域的图形化，在凹凸加工区域以外涂布抗蚀剂膜。然后，使用一般的真空蒸镀装置在3×10-3托(torr)以下的压力下蒸镀150
Figure A20068004691900191
的AuSn。蒸镀后，采用一般方法将抗蚀剂膜上的AnSn薄膜与抗蚀剂膜一起分离除去，在凹凸加工区域选择性地形成AuSn的薄膜。
接着，在不存在氧的气氛中、在250℃下进行热处理，使上述AuSn的薄膜凝集成粒状，形成包含金属微粒子的掩模。金属微粒子的直径为0.2～0.5μm的范围，密度为2×106个/mm2。
接着，将露出的半导体层之中的、包括预定形成负极5的区域在内的、预定使n接触层露出的区域以外的半导体层使用抗蚀剂膜保护，形成为只在要使n接触层露出的区域露出半导体层的形状。然后实施一般的干蚀刻。
在该干蚀刻中，由于在凹凸加工区域形成上述的包含金属微粒子的掩模，因此通过干蚀刻能够按追随金属微粒子的形状的形状选择性地蚀刻，将p型半导体层凹凸加工成具有曲面的形状。另外，包含金属微粒子的掩模以及由抗蚀剂膜覆盖的部分以外的半导体层，通常由于干蚀刻而被蚀刻，因此干蚀刻后n接触层露出。所以，通过该干蚀刻，分别一次地形成有n接触层露出的区域、在p型半导体层表面凹凸加工所形成的区域以及残留有平坦的p型半导体层表面的区域，再者，在该干蚀刻中，格栅状的正极10作为保护膜发挥作用。
再者，图5是凹凸加工区域的表面SEM照片(倍率：1万5千倍)。由该图来看，存在于凹凸加工区域的球状粒状物30的直径为0.1～0.5μm的范围，其密度为约2×106个/mm2。另外，图6是后述的树脂封装后的凹凸加工区域的截面SEM照片(倍率：2万倍)，由该图来看，形成凹凸加工区域的凹凸面的凸部31的高度为0.3～0.6μm，其最大部的直径为0.1～0.5μm。
接着，为了在由ITO构成的透光性正极10上形成正极焊盘11，作为粘合层形成40nm的Cr，然后形成100nm的Ti，作为最上层形成1000nm的Au，制成为正极焊盘11。
接着，按以下的顺序在露出的n接触层上的待形成负极的区域形成负极5。
在整个面上一样地涂布抗蚀剂后，使用公知的光刻技术，从露出的n接触层上的负极形成部分除去抗蚀剂，采用通常使用的真空蒸镀法从半导体侧顺序地形成包含100nm的Ti、200nm的Au的负极。然后采用公知的方法将抗蚀剂与在其上形成的负极一起除去。
形成负极和正极后，使用金钢石微粒的磨粒研磨蓝宝石基板1的背面，最终精加工成镜面。然后剪断叠层结构体，分离成350μm见方的正方形的一个个的LED。接着，将各别地分割的LED安装到封装罐中，通过测试来测量发光输出功率和顺向电压，在施加电流20mA下的发光输出功率和顺向电压显示出11mW以及3.7V。
在发光面的观察中，格栅状正极的开口部12遍及整个面地呈现发光。另外，发光元件的四周以及负极与正极之间的凹凸加工区域也呈现发光，可以认为凹凸加工扩大了发光面积，使发光输出功率提高。
另外，将在本实施例中制作的发光元件以及实质上由平面构成凹凸加工区域的发光元件，使用一般在LED灯中所使用的树脂进行封装，确认封装前后的输出功率，由使用树脂所引起的光取出效果系数，前者为1.30倍，后者为1.15倍，对于本发明的发光元件而言，可以确认被认为是对树脂的绕入改善的、输出功率的提高效果。
(比较例)
除了不实施凹凸加工以外，与实施例1同样地制作氮化镓系化合物半导体发光元件，并进行了评价。该发光元件的顺向电压以及发光输出功率分别为3.5V以及8mW。
产业上的利用可能性
由本发明所提供的具备具有开口部的正极的氮化镓系化合物半导体发光元件，遍及开口部整个面地呈现发光，光取出效率得到改善，显示出高发光输出功率。因此，在产业上非常有用。
本发明中表示数值范围的“以上”和“以下”均包括本数。

Claims (20)

1.一种氮化镓系化合物半导体发光元件，是在基板上顺序地层叠有包含氮化镓系化合物半导体的、n型半导体层和发光层以及p型半导体层，并且分别与p型半导体层和n型半导体层接触地设有正极和负极的发光元件，其特征在于，正极是具有开口部的正极，在该开口部的p型半导体层表面的至少一部分是来源于球状的粒状物的凹凸面。
2.一种氮化镓系化合物半导体发光元件，是在基板上顺序地层叠有包含氮化镓系化合物半导体的、n型半导体层和发光层以及p型半导体层，并且分别与p型半导体层和n型半导体层接触地设有正极和负极的发光元件，其特征在于，正极是具有开口部的正极，在该开口部的p型半导体层表面的至少一部分是尖端部为半球状的凹凸面。
3.一种氮化镓系化合物半导体发光元件，是在基板上顺序地层叠有包含氮化镓系化合物半导体的、n型半导体层和发光层以及p型半导体层，并且分别与p型半导体层和n型半导体层接触地设有正极和负极的发光元件，其特征在于，正极是具有开口部的正极，在该开口部的p型半导体层表面的至少一部分是由曲面构成尖端部的凹凸面。
4.根据权利要求1～3的任一项所述的氮化镓系化合物半导体发光元件，具有开口部的所述正极为格栅状或梳子形状。
5.根据权利要求4所述的氮化镓系化合物半导体发光元件，所述格栅的棂条或所述梳子的齿的宽度为1μm～50μm。
6.根据权利要求4所述的氮化镓系化合物半导体发光元件，所述格栅的棂条或所述梳子的齿的距离为1μm～50μm。
7.根据权利要求1～3的任一项所述的氮化镓系化合物半导体发光元件，所述凹凸面的凸部即粒状物的直径为0.01～3μm。
8.根据权利要求1～3的任一项所述的氮化镓系化合物半导体发光元件，所述凹凸面的上端的高度从负极形成面起为0.1～2μm。
9.根据权利要求8所述的氮化镓系化合物半导体发光元件，所述凹凸面的上端的高度为与p型半导体层表面同等的高度。
10.根据权利要求1～3的任一项所述的氮化镓系化合物半导体发光元件，所述凹凸面的凸部的高度为0.01～1μm。
11.根据权利要求1～3的任一项所述的氮化镓系化合物半导体发光元件，所述凹凸面的凸部即粒状物的密度为1×105个/mm2～1×108个/mm2。
12.根据权利要求1～3的任一项所述的氮化镓系化合物半导体发光元件，所述凹凸面也存在于发光元件的四周。
13.根据权利要求1～3的任一项所述的氮化镓系化合物半导体发光元件，所述凹凸面也存在于正极与负极之间。
14.一种氮化镓系化合物半导体发光元件的制造方法，包括下述(1)～(4)的工序：
(1)在基板上顺序地层叠包含氮化镓系化合物半导体的、n型半导体层和发光层以及p型半导体层的工序；
(2)在该p型半导体层上形成具有开口部的正极的工序；
(3)在该开口部的p型半导体层上形成包含金属微粒子的掩模的工序；以及
(4)从该掩模上干蚀刻氮化镓系化合物半导体的工序。
15.根据权利要求14所述的制造方法，所述工序(3)包括：在p型半导体层上形成金属薄膜的工序以及其后的热处理工序。
16.根据权利要求14所述的制造方法，所述金属微粒子是选自Ni、Au、Sn和Ge之中的金属或至少含有这些金属的一种的低熔点合金。
17.一种氮化镓系化合物半导体发光元件，是采用权利要求14所述的制造方法制造的。
18.一种灯，包括权利要求1～3和权利要求17的任一项所述的氮化镓系化合物半导体发光元件。
19.一种电子设备，装有权利要求18所述的灯。
20.一种机械装置，装有权利要求19所述的电子设备。
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