CN101375419A - 氮化物半导体发光元件 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种氮化物半导体发光元件，其与电极所使用的金属的反射率无关，可提高光的取出效率，并具有宽广的发射光的照射角度。该氮化物半导体发光元件以夹持作为发光区域的MQW有源层(3)的方式形成n侧反射防止层(2)和p侧布拉格反射层(4)，且具有双异质结构。在n侧反射防止层(2)上形成n电极(1)，在p侧布拉格反射层(4)的下侧形成p电极(5)、反射膜(7)、焊盘电极(8)，经由导电性接合层(9)与支承基板(10)接合。n侧反射防止层(2)及p侧布拉格反射层(4)也可兼用作接触层而起作用。由于在光的取出方向配置有n侧反射防止层，在光的取出方向的相反侧配置有p侧布拉格反射层，故可提高光的取出效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种提高光的取出效率的氮化物半导体发光元件。
背景技术
作为照明、背光等用的光源而使用的蓝色LED、被多色化处理而使用的LED、LD等所使用的氮化物半导体，由于大容量单晶体的制造困难，故在蓝宝石、SiC等生长用基板上利用MOCVD(有机金属气相生长法)而使GaN生长。
由于蓝宝石基板在外延生长工序的高温氨气环境中的良好稳定性，故尤其作为生长用基板而使用。但是，蓝宝石基板为绝缘性基板，不能导通，不能以夹持蓝宝石基板的方式设置电极。因此，蓝宝石基板上的氮化物半导体一般构成为在外延生长后进行蚀刻直到露出n型氮化镓层，在蚀刻面形成n型接触，在同一面侧设置p型和n型这两种电极。
但是，若如上所述构成为在同一面侧设置p型和n型这两种电极，则由于接近n电极的台面部分容易产生电流集中，故难以提高ESD(静电破坏)电压。另外，在有源层难以均匀地进行电流注入，导致难以使有源层均匀地发光。并且，由于在同一面侧p电极和n电极双方都需要导线接合用电极，故相比设置任一个导线接合用电极即可的导电性基板上的氮化物半导体，导致有效发光面积变窄。
因此，为了解决上述技术问题，可使用如下方法，即，剥离蓝宝石基板，使n型氮化镓层露出，在该部分形成n电极。存在如下的激光发射(LaserLift Off:以下简称LLO)法，例如，经由GaN缓冲层在蓝宝石基板形成作为氮化物半导体的化合物晶体层后，一般以数百mJ/cm2从蓝宝石基板侧照射300nm以下程度的受激准分子激光，使GaN缓冲层分解，并剥离蓝宝石基板(例如，参照专利文献1)。该方法虽使用GaN基板但可得到相同的芯片，故可相对地设置电极。
专利文献1:(日本)特开2003-168820号公报
专利文献2:(日本)特开2004-153271号公报
但是，已知存在如下情况，即在上述现有技术中，相对地设置p电极和n电极，想要从n电极侧取出光时，在n侧的GaN层和空气的界面，临界角小，光取出效率降低。另一方面，即便想要利用由金属构成的p侧电极的反射来提高取出效率，但由于需要使p侧电极与p侧的GaN层欧姆接触，故电极所使用的金属被限制，导致存在不能使用反射率高的金属的问题。
另外，作为提高光的强度的结构，存在如下结构，即在p侧和n侧形成布拉格反射层(高反射层)而构成谐振器结构，从而将光从p侧电极方向取出(例如，参照专利文献2)。其结构如图5所示。其表示，为了构成谐振腔结构，在形成于蓝宝石基板上的氮化物半导体层中，在p侧和n侧设置由多层膜构成的布拉格反射层(DBR)。
在蓝宝石基板31上，形成GaN层32、n-AlGaN/GaN DBR33、InGaN/GaN第二有源层34、n-GaN层35、InGaN/GaN第一有源层36、p-AlGaN/GaN DBR37、p-GaN层38，由n侧的布拉格反射层33和p侧的布拉格反射层37构成谐振腔结构。通过使来自两个布拉格反射层33、37的界面的光的相位相互加强，从而增强反射光强度，因此可将从有源层发出的大部分光封入空腔谐振器中。
此时，定向性很高，光束变得尖锐，虽适合于进行高速动作，但作为向宽广区域照射的照明用发光元件不合适。另外，因有源层被高反射层夹持，故光的取出效率变差。
发明内容
本发明是鉴于上述课题而作出的，其目的在于提供一种氮化物半导体发光元件，其与电极所使用的金属的反射率无关，可提高光的取出效率，并具有宽广的发射光的照射角度。
为了实现上述目的，第一方面发明的氮化物半导体发光元件至少依次具有n侧电极、n型氮化物半导体层、发光区域、p型氮化物半导体层、p侧电极，其特征在于，所述n型氮化物半导体层由反射防止层构成，所述p型氮化物半导体层由布拉格反射层构成。
第二方面发明的氮化物半导体发光元件至少依次具有n侧电极、n型氮化物半导体层、发光区域、p型氮化物半导体层、p侧电极，其特征在于，所述n型氮化物半导体层由布拉格反射层构成，所述p型氮化物半导体层由反射防止层构成。
第三方面发明的氮化物半导体发光元件在第一方面发明的基础上，其特征在于，所述反射防止层由从发光区域侧InGaN半导体层和GaN半导体层依次交互层积的层积膜形成，所述布拉格反射层由从发光区域侧AlGaN半导体层和GaN半导体层依次交互层积的层积膜形成。
第四方面发明的氮化物半导体发光元件在第二方面发明的基础上，其特征在于，所述反射防止层由从发光区域侧AlGaN半导体层和GaN半导体层依次交互层积的层积膜形成，所述布拉格反射层由从发光区域侧InGaN半导体层和GaN半导体层依次交互层积的层积膜形成。
第五方面发明的氮化物半导体发光元件在第三方面发明的基础上，其特征在于，所述InGaN半导体层和GaN半导体层的膜厚形成为发光波长λ的1/4的整数倍，所述AlGaN半导体层和GaN半导体层的膜厚形成为发光波长λ的1/2的整数倍。
第六方面发明的氮化物半导体发光元件在第四方面发明的基础上，其特征在于，所述AlGaN半导体层和GaN半导体层的膜厚形成为所述发光区域的发光波长λ的1/4的整数倍，所述InGaN半导体层和GaN半导体层的膜厚形成为发光波长λ的1/2的整数倍。
根据本发明，在将n型氮化物半导体层作为反射防止层时，将p型氮化物半导体层作为布拉格反射层，在将n型氮化物半导体层作为布拉格反射层时，将p型氮化物半导体层作为反射防止层，故与电极所使用的金属种类无关，无论是从p侧还是n侧，都可提高光的取出效率。另外，具有宽广的发射光的照射角度。
附图说明
图1是表示本发明的氮化物半导体发光元件的剖面结构的图；
图2是表示n侧反射防止层及p侧布拉格反射层的层结构的图；
图3是表示本发明的氮化物半导体发光元件的其它剖面结构的图；
图4是表示n侧布拉格反射层及p侧反射防止层的层结构的图；
图5是表示已有的氮化物半导体发光元件的构成例的图。
附图标记说明
1 n电极 2 n侧反射防止层
3 MQW有源层 4 p侧布拉格反射层
5 p电极 6 绝缘膜
6a 接触孔 7 反射膜
8 焊盘电极 9 导电性接合层
10 支承基板 21 GaN基板
22 n侧布拉格反射层 23 MQW有源层
24 p侧反射防止层 25 p电极
26 n电极
具体实施方式
以下，参照附图说明本发明的一实施方式。图1表示本发明的氮化物半导体发光元件的结构。
以夹持作为发光区域的MQW有源层3的方式形成n侧反射防止层2和p侧布拉格反射层4，且具有双异质结构。MQW有源层3具有由InGaN/GaN等构成的多重量子阱结构，例如，交互地在八个周期内层积作为阱层的厚度30
的In0.17GaN和作为势垒层(阻挡层)的厚度100的非掺杂GaN。另外，势垒层也可使用由0.5～2％的In成分而构成的InGaN。
在n型氮化物半导体层通常形成有n型氮化物接触层，但n侧反射防止层2也可兼用作该n型氮化物接触层而起作用。另外，在p型氮化物半导体层通常形成有p型氮化物接触层，但p侧布拉格反射层4也兼用作该p型氮化物接触层而起作用。
图2是详细表示n侧反射防止层2和p侧布拉格反射层4的层结构的图。n型反射防止层2由n型杂质Si掺杂的InGaN层2a和n型杂质Si掺杂的GaN层2b的层积结构构成。
另外，也可不在InGaN层2a和GaN层2b两者掺杂n型杂质，而仅在任一个进行掺杂的调制掺杂处理。上述层积结构也成为超晶格层，并具有缓和晶格常数差大的InGaN和GaN的应力、使有源层的InGaN容易生长的效果。
作为层结构的顺序，构成为最初在MQW有源层3上形成n-InGaN层2a，接着形成n-GaN层2b，在交互地形成之后，n电极1与n-GaN层2b接触。在AlGaInN混晶类中，若In的成分比率增加，则折射率也增大，故InGaN晶体的折射率比GaN晶体的折射率大。因此，若将n-InGaN层2a的折射率设为n1，n-GaN层2b的折射率设为n2，则n1>n2。
另外，n侧反射防止层2也称为AR涂层(Anti-Reflective Coating:反射防止涂层)，主要利用来自多个界面的反射光彼此间的干涉现象。即，使从不同界面反射来的光的相位偏移180度，相互抵消，从而减弱反射光的强度。因此，若将在MQW有源层3发出的光的波长设为λ，则n-InGaN层2a及n-GaN层2b的膜厚H1形成为(1/4)×λ×N(N为正整数)。
并且，关于从n-InGaN层2a向n-GaN层2b入射的光中的、与边界面垂直地入射的光，其反射率R为R＝{(n1-n2)/(n1+n2)}2，穿透率T表示为T＝2×n1×n2/(n1+n2)2。n1越大则穿透率T也越大。
另一方面，关于p型氮化物半导体层，形成有p侧布拉格反射层4，p侧布拉格反射层4由p型杂质Mg掺杂的AlGaN层4a和p型杂质Mg掺杂的GaN层4b的层积结构形成，并构成超晶格层。
作为层结构的顺序，构成为最初在MQW有源层3下方形成p-AlGaN层4a，接着在p-AlGaN层4a下方形成p-GaN层4b，在交互地形成之后，p电极5与p-GaN层4b接触。在AlGaInN混晶类中，若Al的成分比率增加，则折射率减小，故AlGaN晶体的折射率比GaN晶体的折射率小。因此，若将p-AlGaN层4a的折射率设为ml，p-GaN层4b的折射率设为m2，则m2>m1。
该p侧布拉格反射层4与上述n侧反射防止层2同样地，主要利用来自多个界面的反射光彼此间的干涉现象，使从不同界面反射来的光的相位偏移360度，相互增强，从而提高反射光的强度。因此，若将在MQW有源层3发出的光的波长设为λ，则p-AlGaN层4a及p-GaN层4b的膜厚L1形成为(1/2)×λ×M(M为正整数)。
在n侧反射防止层2上面形成有n电极1。n电极1例如由Ti和Al的层积体或Al等构成，与n侧反射防止层2欧姆接触。另外，p电极5可以是Pd/Au的金属多层膜，也可以是透明电极，此时，由使用Ga掺杂ZnO且欧姆接触的电极等构成。在将p电极5设为Ga掺杂的ZnO时，GaN和晶格常数近似，不需要进行事后的退火处理，即可与p侧布拉格反射层4中的p-GaN层4b之间形成良好的欧姆接触。
反射膜7设置成用于使向p电极5侧射出的光反射而向n电极1的方向取出。由于在p侧设有p侧布拉格反射层4，故来自MQW有源层3的光几乎全部被反射到n电极1侧，但因不是被100％完全反射，故使用反射膜7反射少量穿透的光而使其被有效地利用。反射膜7使用Al或Ag等银白系的、作为反射镜起作用的金属。
绝缘膜6呈环状地形成于芯片的周边部，在半导体激光的情况下，为了得到谐振器结构而在芯片的两侧面形成。绝缘膜6使用SiN或SOG(SpinOn Glass:旋涂玻璃)等。
但是，反射膜7不直接与p电极5的整个面接合，而是形成为经由小的接触孔6a、反射膜7的一部分与p电极5直接接触，在其它区域，以将绝缘膜6夹在其间的方式形成反射膜7。之所以这样是因为，在将p电极5设为透明电极时，若p电极5与反射膜7几乎整个面都接触，则在p电极5和反射膜7之间产生光的吸收而导致反射率降低。因此，如图1所示，若仅通过接触孔6a使它们接触，则仅在接触孔6a产生光的吸收，从而可维持高反射率。
p侧焊盘电极8由Au等构成，p电极5、反射膜7、焊盘电极8电连接。另外，导电性接合层9将焊盘电极8和支承基板10接合，因此，其可以是锡焊等焊料，在热压接时，可使用Ti和Au的多层金属膜，或仅使用Au，或使用Au及Sn的合金和Ti的多层金属膜等。利用导电性接合层9电连接焊盘电极8和支承基板10。
支承基板10使用散热性好的导电性基板。作为导电性基板，可使用GaN、硅、SiC等材料，另外，作为高热传导辅助件(サブマウント)也可使用Cu等。
图1所示的氮化物半导体发光元件如下形成。作为制造工序大的流程，首先，在生长用基板上形成氮化物半导体层积体，将半导体层积体与支承基板接合后，利用LLO或研磨除去生长用基板，形成n电极等，完成氮化物半导体发光元件。
最初，作为生长用基板而使用蓝宝石基板，将该蓝宝石基板放入MOCVD装置中，使氢气流过并升温到1050℃左右，对基板进行热清洗(サ—マルクリ—ニング)处理。将温度降低到600℃左右，在低温下使GaN缓冲层(未图示)生长。再次升温到1000℃左右，层积n侧反射防止层2、MQW有源层3。此后，进行升温，层积p侧布拉格反射层4。
在将p电极5设为透明电极时，使用分子束外延法，以2e-4Ωcm左右的较低效率层积Ga掺杂ZnO电极。接着，利用SiO2这样的电介质膜或抗蚀剂形成掩模，使用ICP等进行台面蚀刻而蚀刻成芯片形状。台面蚀刻一直进行到通过MQW有源层3使GaN缓冲层露出，暂时停止。
此后，利用P-CVD或溅射暂时形成绝缘膜6，并利用CF4类干式蚀刻形成朝向ZnO的接触孔6a。在CF4类干式蚀刻中，由于ZnO的蚀刻速率慢，故上述ZnO电极本身作为蚀刻停止层而起作用。一旦形成接触孔6a，先附着反射膜7，接着形成焊盘电极8、导电性接合层9。
此后，与上述最初的蚀刻同样地，重新进行蚀刻，直到露出蓝宝石基板。准备支承基板10，通过导电性接合层9并利用热压接等，在支承基板10上粘贴晶片。
此后，从蓝宝石基板侧向GaN缓冲层照射以248nm振荡的KrF激光。在KrF时，需要照射的能量为300～400mJ/cm2。由于248nm的光在蓝宝石中几乎完全穿透，在GaN几乎100％被吸收，故在蓝宝石/GaN界面温度急剧上升，GaN分解，作为生长用基板的蓝宝石基板剥离。蓝宝石剥离后，利用酸蚀刻等使多余的Ga流走，形成n电极1。这样，完成图1所示的氮化物半导体发光元件。
图3表示向p侧方向取出光的氮化物半导体发光元件的结构。图3的氮化物半导体发光元件使用已有的MOCVD法，在导电性GaN基板21上依次形成n侧布拉格反射层22、MQW有源层23、p侧反射防止层24、p电极25。最后，利用蒸镀或溅射形成p电极25、n电极26。
通常，以夹持MQW有源层23的方式形成n型氮化物接触层和p型氮化物接触层，与图1同样地，n侧布拉格反射层22兼用作n型氮化物接触层而起作用，p侧反射防止层24兼用作p型氮化物接触层而起作用。
图4详细地表示p侧反射防止层24和n侧布拉格反射层22的层结构。n侧布拉格反射层22由n型杂质Si掺杂的InGaN层22a和n型杂质Si掺杂的GaN层22b的层积结构构成。另外，也可不在InGaN层22a和GaN层22b两者掺杂n型杂质，而仅在任一个进行掺杂的调制掺杂处理。如图2所示，n侧布拉格反射层22也成为超晶格层，并具有缓和晶格常数差大的InGaN和GaN的应力、使有源层的InGaN容易生长的效果。
作为发光区域的MQW有源层23，使用交互地层积InGaN阱层和GaN或InGaN势垒层的多重量子阱结构，其组成和层积周期的例子等与图1相同。n电极1也具有使穿透n侧布拉格反射层22的光反射的作用，例如，由Ti和Al的层积体或Al等构成，与n侧布拉格反射层22欧姆接触。另外，为了从p电极5侧取出光，p电极5成为透明电极，可使用Ga掺杂ZnO电极或ITO电极等。
n侧布拉格反射层22的层结构的顺序与图2的n侧反射防止层2同样地，若将n-InGaN层22a的折射率设为M1，n-GaN层22b的折射率设为M2，则M1>M2。但是，与n侧反射防止层2的不同之处在于，使从不同界面反射来的光的相位偏移360度，相互增强，从而提高反射光的强度。因此，若将在MQW有源层23发出的光的波长设为λ，则n-InGaN层22a及n-GaN层22b的膜厚L2形成为(1/2)×λ×K(K为正整数)。
另外，p侧反射防止层24也称为AR涂层(Anti-Reflective Coating:反射防止涂层)，作为层结构的顺序，与图2的p侧布拉格反射层4相同，若将p-AlGaN层24a的折射率设为N1，p-GaN层24b的折射率设为N2，则N2>N1。但是，与p侧布拉格反射层4的不同之处在于，使从不同界面反射来的光的相位偏移180度，相互抵消，从而减弱反射光的强度。因此，若将在MQW有源层23发出的光的波长设为λ，则p-AlGaN层24a及p-GaN层24b的膜厚H2形成为(1/4)×λ×K(K为正整数)。
如上所述，以发光区域为中心，在光的取出方向侧配置由多层膜构成的反射防止层(AR涂层)，在光的取出方向的相反侧配置由多层膜构成的布拉格反射层，故从发光区域发出的光中、向光的取出方向行进的光的反射影响降低，另外，向光的取出方向的相反侧行进的光被布拉格反射层反射而朝向光的取出方向入射，故可提高光的取出效率。
Claims (6)
1.一种氮化物半导体发光元件，其至少依次具有n侧电极、n型氮化物半导体层、发光区域、p型氮化物半导体层、p侧电极，
其特征在于，所述n型氮化物半导体层由反射防止层构成，所述p型氮化物半导体层由布拉格反射层构成。
2.一种氮化物半导体发光元件，其至少依次具有n侧电极、n型氮化物半导体层、发光区域、p型氮化物半导体层、p侧电极，
其特征在于，所述n型氮化物半导体层由布拉格反射层构成，所述p型氮化物半导体层由反射防止层构成。
3.如权利要求1所述的氮化物半导体发光元件，其特征在于，所述反射防止层由从发光区域侧InGaN半导体层和GaN半导体层依次交互层积的层积膜形成，所述布拉格反射层由从发光区域侧AlGaN半导体层和GaN半导体层依次交互层积的层积膜形成。
4.如权利要求2所述的氮化物半导体发光元件，其特征在于，所述反射防止层由从发光区域侧AlGaN半导体层和GaN半导体层依次交互层积的层积膜形成，所述布拉格反射层由从发光区域侧InGaN半导体层和GaN半导体层依次交互层积的层积膜形成。
5.如权利要求3所述的氮化物半导体发光元件，其特征在于，所述InGaN半导体层和GaN半导体层的膜厚形成为发光波长λ的1/4的整数倍，所述AlGaN半导体层和GaN半导体层的膜厚形成为发光波长λ的1/2的整数倍。
6.如权利要求4所述的氮化物半导体发光元件，其特征在于，所述AlGaN半导体层和GaN半导体层的膜厚形成为所述发光区域的发光波长λ的1/4的整数倍，所述InGaN半导体层和GaN半导体层的膜厚形成为发光波长λ的1/2的整数倍。
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