CN101395726A - 半导体发光元件 - Google Patents

Abstract

本发明提供半导体发光元件。一种在基板上依次层叠有p型半导体层(220)、活性层(230)、n型半导体层(240)的半导体发光元件，在上述n型半导体层(240)上形成有一侧的宽度与上述n型半导体层(240)的一侧的宽度相同的矩形状的n侧电极(241)，上述n型半导体层(240)的厚度t满足公式1的关系，在上述半导体发光元件的沿层叠方向延伸的侧面(270)上，形成有多个凸部(271)，当从上述活性层(230)发出的光的波长为λ，上述n型半导体层(240)和上述p型半导体层(240)的任一方的折射率都为n时，上述凸部的底部宽度的平均宽度W_A为W_A≥λ/n。[公式1]为右式，其中，L：与上述n型半导体层的一侧的宽度不同的另一侧的宽度；T：绝对温度；W：与上述n侧电极的一侧的宽度不同的另一侧的宽度；J₀：上述n侧电极和上述n型半导体层的接触部分中的电流密度；e：元电荷；γ：二极管的理想系数；κ_B：玻耳兹曼常数；ρ：上述n型半导体层的电阻率。

Description

半导体发光元件

技术领域

本发明涉及具有半导体层的半导体发光元件。

背景技术

至今，已经提出了具有在蓝宝石基板上层叠包括GaN的多个半导体层的结构的半导体发光元件(例如专利文献1)。

另外，作为半导体发光元件的制造方法的一种，公知的是在蓝宝石基板上将半导体层成膜后，使支撑基板与上述半导体层中与上述蓝宝石基板相反侧部分接合，利用通过激光进行的加热剥离上述蓝宝石基板的方法(例如请参照专利文献2)。图20表示用这种制造方法制造的半导体发光元件的一个例子。该图所示的半导体发光元件X构成为在形成有p侧电极91a的支撑基板91上，层叠有作为半导体层的p-GaN层92、活性层93和n-GaN层94的结构。在n-GaN层94的上表面形成有n侧电极94a。活性层93是用于放大通过从n-GaN层94注入的电子和从p-GaN层92注入的空穴再结合发出的光的层，例如构成为多重量子阱(Multiple Quantum Well：以下简略为MQW)构造。半导体发光元件X构成为能够从n-GaN层94的上表面和n-GaN层94、活性层93和p-GaN层92的侧面97射出光的构成。

专利文献1：日本特开平10-012916号公报

专利文献2：日本特开2003-168820号公报

但是，从n侧电极94a注入的电子，由于在n-GaN层94的厚度方向的电位差而容易贯通n-GaN层94。因此，在n-GaN层94的端部附近，不能够流通充分的电流。这样一来，在活性层93的整个区域中使电子和空穴再结合比较困难。所以，在半导体发光元件X中，相对于投入电力使其高效率地进行发光是困难的，阻碍了高亮度化。

另外，形成n-GaN层94、活性层93和p-GaN层92的GaN的折射率约为2.5比较高。因此，与空气的临界角约为23°比较小。相对侧面97的入射角比该临界角大的光被全发射，不射出到半导体发光元件X外。所以，半导体发光元件X，在通过活性层93发出的光中能够适当地射出的光的比例很小，阻碍了高亮度化。

发明内容

本发明鉴于上述问题而提出，本发明的目的是提供通过增加发光量，并且增加射出的光的比例，能够实现高亮度化的半导体发光元件。

根据本发明的第一方面提供的半导体发光元件，包括：基板；由上述基板支撑的p型半导体层；配置在比上述p型半导体层更加离开上述基板的位置上的n型半导体层；和配置在上述p型半导体层和上述n型半导体层之间的活性层，其特征在于：在上述n型半导体层上形成一侧的宽度与上述n型半导体层的一侧的宽度相同的矩形状的n侧电极；上述n型半导体层的厚度t满足公式1的关系；在上述半导体发光元件的沿层叠方向延伸的侧面上，形成多个凸部；当从上述活性层发出的光的波长为λ，上述n型半导体层和上述p型半导体层的任一个的折射率都为n时，上述凸部的底部宽度的平均宽度W_A为W_A≥λ/n，

[公式1]为

$t\≥\frac{\mathrm{\ρ}{J}_{0}e}{4\mathrm{\γ}{\mathrm{\κ}}_{B}T}\·W(L-W),$

其中，

L：与上述n型半导体层的一侧的宽度不同的另一侧的宽度

T：绝对温度

W：与上述n侧电极的一侧的宽度不同的另一侧的宽度

J₀：上述n侧电极和上述n型半导体层的接触部分中的电流密度

e：元电荷

γ：二极管的理想系数

κ_B：玻耳兹曼常数

ρ：上述n型半导体层的电阻率

根据本发明的第二方面提供的半导体发光元件，其包括：基板；和层叠在上述基板上的n型半导体层、活性层和p型半导体层，其特征在于：在上述半导体发光元件的沿层叠方向延伸的侧面中，形成有多个凸部；当从上述活性层发出的光的波长为λ，上述n型半导体层和上述p型半导体层的任一方的折射率都为n时，上述凸部的底部宽度的平均宽度W_A为W_A≥λ/n。

在本发明的优选的实施方式中，上述n型半导体层和上述p型半导体层的至少任一方由GaN构成。根据这种结构，通过将上述n型半导体层和上述p型半导体层作为n-GaN层和p-GaN层构成，能够使相对投入电力的发光量增大。另外，GaN为折射率比较高的材料，但是通过具有平均宽度W_A满足上述公式的多个凸部，能够避免不当地全反射来自上述活性层的光。

在本发明的优选的实施方式中，上述凸部沿上述层叠方向延伸，并且其剖面形状为三角形或半圆形。根据这种结构，则能够使上述多个凸部形成为使来自内部的光适当地射出的形状。

根据本发明的第三方面提供的半导体发光元件，其包括：基板；由上述基板支撑的p型半导体层；配置在比上述p型半导体层更加离开上述基板的位置上的n型半导体层；和配置在上述p型半导体层和上述n型半导体层之间的活性层，其特征在于：在上述n型半导体层上形成有圆形状的n侧电极，上述n型半导体层的厚度t满足公式2的关系，

[公式2]为

$t\≥\frac{\mathrm{\ρ}{J}_{0}e{W}^2}{8\mathrm{\γ}{\mathrm{\κ}}_{B}T}\·\log \left(\frac{L}{W}\right),$

其中，

L：上述半导体发光元件的代表长度

T：绝对温度

W：上述n侧电极的直径

J₀：上述n侧电极和上述n型半导体层的接触部分中的电流密度

e：元电荷

γ：二极管的理想系数

κ_B：玻耳兹曼常数

ρ：上述n型半导体层的电阻率

此外，在本发明中所说的上述半导体发光元件的代表长度指的是例如圆形状中的直径、矩形状中的1边的长度。

在本发明的优选的实施方式中，在上述n型半导体层上形成有多个凸部；上述n型半导体层的厚度t，代替上述公式2的关系而满足公式3的关系，

[公式3]为

$t\≥\frac{\mathrm{\ρ}{J}_{0}e{W}^2}{8\mathrm{\γ}{\mathrm{\κ}}_{B}T}\·\log \left(\frac{L}{W}\right)+x,$

其中，0.1μm≤x≤3.0μm。

在本发明的优选的实施方式中，上述n型半导体层由n-GaN构成。根据这种结构，上述半导体发光元件构成为能够发出蓝色光或绿色光的结构。

根据本发明的第四方面提供的半导体发光元件，其包括：基板；由上述基板支撑的p型半导体层；配置在比上述p型半导体层更加离开上述基板的位置上的n型半导体层；和配置在上述p型半导体层和上述n型半导体层之间的活性层，其特征在于：在上述n型半导体层上形成有一侧的宽度与上述n型半导体层的一侧的宽度相同的矩形状的n侧电极，上述n型半导体层的厚度t满足公式4的关系，

[公式4]为

$t\≥\frac{\mathrm{\ρ}{J}_{0}e}{4\mathrm{\γ}{\mathrm{\κ}}_{B}T}\·W(L-W),$

其中，

L：与上述n型半导体层的一侧的宽度不同的另一侧的宽度

T：绝对温度

W：与上述n侧电极的一侧的宽度不同的另一侧的宽度

J₀：上述n侧电极和上述n型半导体层的接触部分中的电流密度

e：元电荷

γ：二极管的理想系数

κ_B：玻耳兹曼常数

ρ：上述n型半导体层的电阻率

在本发明的优选的实施方式中，在上述n型半导体层上形成有多个凸部，上述n型半导体层的厚度t，代替上述公式4的关系而满足公式5的关系，

[公式5]为

$t\≥\frac{\mathrm{\ρ}{J}_{0}e}{4\mathrm{\γ}{\mathrm{\κ}}_{B}T}\·W(L-W)+x,$

其中，0.1μm≤x≤3.0μm。

在本发明的优选的实施方式中，上述n型半导体层由n-GaN构成。根据这种结构，上述半导体发光元件构成为能够发出蓝色光或绿色光的结构。

附图说明

图1是表示本发明的半导体发光元件的第一实施方式的整体斜视图。

图2是图1所示的半导体发光元件的平面图。

图3是沿图1的III-III线的剖面图。

图4是沿图3的IV-IV线的主要部分放大剖面图。

图5是表示凸部的一个变形例的主要部分放大剖面图。

图6是表示凸部的其它变形例的主要部分放大剖面图。

图7是表示本发明的半导体发光元件的第二实施方式的整体斜视图。

图8是表示本发明的半导体发光元件的第三实施方式的整体斜视图。

图9是沿图8的IX-IX线的剖面图。

图10是表示本发明的半导体发光元件的第四实施方式的剖面图。

图11是图10所示的半导体发光元件的主要部分放大斜视剖面图。

图12是表示在图10所示的半导体发光元件的制造工序中，在蓝宝石基板上层叠半导体层的工序的剖面图。

图13是表示在图10所示的半导体发光元件的制造工序中，半导体层的蚀刻工序的剖面图。

图14是表示在图10所示的半导体发光元件的制造工序中，形成反射层的工序的剖面图。

图15是表示在图10所示的半导体发光元件的制造工序中，剥离蓝宝石基板的工序的剖面图。

图16是表示本发明的半导体发光元件的第五实施方式的剖面图。

图17是表示在图16所示的半导体发光元件的制造工序中，形成多个凸部的工序的剖面图。

图18是表示本发明的半导体发光元件的第六实施方式的主要部分放大斜视剖面图。

图19是表示本发明的半导体发光元件的第七实施方式的剖面图。

图20是表示现有的半导体发光元件的一个例子的剖面图。

具体实施方式

下面，参照附图具体地说明本发明的优选的实施方式。

图1～图3是表示本发明的半导体发光元件的第一实施方式。本实施方式的半导体发光元件A101包括基板110、n-GaN层120、活性层130、p-GaN层140和ZnO电极150。半导体发光元件A101作为尤其适合于发出蓝色光或绿色光的半导体发光元件构成。

基板110，例如是蓝宝石制成，用于支撑n-GaN层120、活性层130、p-GaN层140和ZnO电极150。在本实施方式中，基板110的厚度约为80μm。在基板110上，例如形成有用于缓和晶格畸变的AlN、GaN、AlGaN等构成的缓冲层(省略图示)。

n-GaN层120，由在GaN中掺杂有Si的n型半导体构成，是本发明中所说的n型半导体层的一个例子。在本实施方式中，n-GaN层120的厚度约为3～6μm。如图3所示n-GaN层120，由厚度约为6μm其平面视尺寸与基板110相同的第一层120a、和厚度约为0.2μm其平面视尺寸比基板110尺寸小的第二层120b构成。在第一层120a的图中上表面上，形成有n侧电极121。n侧电极121例如为层叠有厚度

的Ti和厚度

的Al的电极。

活性层130，例如为包括InGaN的MQW构造的层，是用于使通过电子和空穴再结合发出的光放大的层。活性层130，交互地层叠有多个InGaN层和多个GaN层。上述InGaN层，通过使In的组成比约为17％，形成为比n-GaN层120带隙小，构成活性层130的势阱层。上述GaN层形成活性层130的阻挡层。在本实施方式中，活性层130为厚度为

的InGaN层和厚度为

的GaN层各层叠8层，其厚度约为0.1μm。此外，在n-GaN层120和活性层130之间，为了缓和晶格畸变，形成InGaN和GaN每一原子地交互层叠的超晶格层(省略了图示)。

p-GaN层140，由在GaN中掺杂有Mg的p型半导体构成，是本发明中所说的p型半导体层的一个例子。在本实施方式中，p-GaN层140的厚度约为0.2μm。此外，在活性层130和p-GaN层140之间，形成有GaN层(省略图示)或In的组成约为0.1％的InGaN层(省略图示)。

ZnO电极150，由作为透明导电氧化物的一种的ZnO构成，透过来自活性层130的光。ZnO电极150，通过在ZnO中掺杂Ga使其电阻率约为2×10⁴Ωcm的比较低的电阻，其厚度约为0.1～2μm。

在层叠有n-GaN层120的第二层120b、活性层130和p-GaN层140的部分的侧面170上，形成有多个凸部171。如图1所示，凸部171沿n-GaN层120的第二层120b、活性层130和p-GaN层140的层叠方向延伸，剖面形成为三角形状。如图2所示，多个凸部171，形成在侧面170中除了在各角部上形成的曲面部以外的平面部。

图4是凸部171的放大剖面图。例如，当从活性层130发出的光的波长为λ，n-GaN层120和p-GaN层140的折射率为n时，凸部171的底部的宽度W的平均宽度W_A满足W_A≥λ/n。例如，当从将InGaN层作为势阱层的活性层130发出的光的峰值波长为460nm(蓝色系)，n-GaN层120和p-GaN层140的折射率n约为2.5时，平均宽度W_A约为184nm以上。另一方面，当活性层130的势阱层，由发出峰值波长约为365nm以上的光的GaN层构成时，平均宽度W_A约为146nm以上。在本实施方式中，凸部171的高度H为2.5μm，宽度W为2.1μm，顶角为46°。

半导体发光元件A101例如能够通过下面所述的制造方法制造。

首先，将基板110导入到MOCVD法用的成膜室内，使作为成膜室内的温度的成膜温度为1100℃。下面使H₂气和N₂气流通到上述成膜室内，洗净基板110。

其次，在使成膜温度为1060℃的状态中，将NH₃气、H₂气、N₂气和三甲基镓(以下，称为TMG)气供给到上述成膜室内。这时，为了进行作为n型掺杂的Si掺杂同时供给SiH₄气。由此，在基板110上形成n-GaN层120。

下面，在使成膜温度为700～800℃，例如约为760℃的状态中，将NH₃气、H₂气、N₂气、三乙基镓(以下，称为TEG)气和三甲基铟(以下，称为TMIn)气供给到上述成膜室内。由此，形成In的组成比约为17％的作为势阱层的InGaN层。在形成上述势阱层后，在使成膜温度为760℃的状态下，供给NH₃气、H₂气、N₂气和TMG气。由此，形成作为阻挡层的GaN层。此后，交互地形成上述作为势阱层的InGaN层和作为阻挡层的GaN层。通过将各个层形成8层，得到具有MQW结构的活性层130。

接下来，在使成膜温度为1010℃的状态下，供给NH₃气、H₂气、N₂气和TMG气。这时，为了掺杂作为p型掺杂剂的Mg，同时供给Cp₂Mg气。由此，形成p-GaN层140。

接下来，在p-GaN层140上用光刻法形成抗蚀剂膜。该抗蚀剂膜形成为能够形成图2所示的多个凸部171的形状。而且，通过以上述抗蚀剂膜作为掩模对p-GaN层140、活性层130和n-GaN层120的第二层120b实施蚀刻，形成具有多个凸部171的侧面170。

此后，在p-GaN层140上形成ZnO电极150。另外，在n-GaN层120的第一层120a上形成n侧电极121。通过以上的工序，完成半导体发光元件A101的制造。

接下来，说明半导体发光元件A101的作用。

根据本实施方式，从活性层130发出的光中，直接或经由n-GaN层120的第二层120b和p-GaN层140向图1和图3中的侧方前进的光到达多个凸部171。根据发明者的研究，已判明通过使多个凸部171的平均宽度W_A满足上述W_A≥λ/n的关系，能够使射出的光的比例增加。具体地说，在使侧面170为平滑的半导体发光元件的情况下，作为光变换的能量中作为光射出的能量比例约为19.4％，相对于此，在设置有多个凸部171的半导体发光元件A101的情况下，能够使射出的能量比例为23.9％。即，在半导体发光元件A101中，通过在侧面170设置多个凸部171，能够使从活性层130射出的光比在现有技术中多。因此，能够实现半导体发光元件A101的高亮度化。

特别是，n-GaN层120和p-GaN层140，因为作为其材料的GaN的折射率n约为2.5较高，所以与空气之间的临界角很小。因此，当侧面170为平滑面时，被全反射的光的比例增大，阻碍了高亮度化。根据本实施方式，作为在W_A≥λ/n中使用的折射率n通过采用GaN的折射率，能够提高来自n-GaN层120和p-GaN层140的射出效率，是适当的。

因为多个凸部171在层叠方向上具有一样的剖面形状，所以能够通过上述蚀刻等容易地形成。另外，剖面三角形状的凸部171由以规定的角度倾斜的1对面构成。因此，能够使侧面170的部分的倾斜角度全体统一。这在使来自半导体发光元件A101内部的光均匀地射出方面是适当的。

图5～图9表示本发明的其它实施方式。此外，在这些图中，与上述实施方式相同或类似的要素被标注与上述实施方式相同的标号。

图5是表示凸部171的其它例子的图。图示的凸部171形成为除去上述剖面三角形状的凸部171的顶部后的形状，形成具有顶面171a的剖面梯形形状。在本实施方式中，凸部171的宽度W为2.1μm，高度H为2μm。即使根据本实施方式，也能够提高来自n-GaN层120的第二层120b、活性层130和p-GaN层140的光的射出效率。

图6表示凸部171的其它例子。图示的凸部171的剖面为半圆形状这一点与上述例子不同。凸部171的宽度W为5.0μm，高度为2.5μm。通过形成这样的凸部171，例如能够使作为来自n-GaN层120的第二层120b的光射出的能量的比例为23.8％。

如根据这些实施方式所理解的那样，在本发明中所说的凸部是除了剖面为三角形状以外还包括剖面为梯形形状、剖面为半圆形状等的概念。进一步，凸部并不限于这些形状，能够形成为满足上述平均宽度的条件的各种形状。

图7表示与本发明有关的半导体发光元件的第二实施方式。本实施方式的半导体发光元件A102在基板110和n-GaN层120的第一层120a上也形成有多个凸部171，这一点与上述实施方式不同。本实施方式中的凸部171具有与图4所示的凸部171相同的剖面形状。能够通过对基板110和n-GaN层120实施蚀刻、或使用形成有三角沟的切割刀进行切割等形成这样的多个凸部171。

根据这种实施方式，能够利用多个凸部171使从活性层130透过n-GaN层120的第二层120b，到达n-GaN层120的第一层120a、基板110的光适当地射出。所以，能够进一步增加来自半导体发光元件A102的射出光量，适合于半导体发光元件A102的高亮度化。

图8和图9表示本发明的半导体发光元件的第三实施方式。本实施方式的半导体发光元件A103形成有圆锥状的多个凸部172，这一点与上述实施方式不同。另外，半导体发光元件A103的层叠结构与上述实施方式不同。

半导体发光元件A103具备基板110、层叠在基板110的单面侧的n-GaN层120、活性层130和p-GaN层140。基板110，由SiC构成，形成为具有图中上侧的角柱状部分和图中下侧的锥状(taper)部分的形状。在基板110中在与n-GaN层120形成的面相反侧的面上，形成n侧电极121。另外，在p-GaN层140的图中下表面，形成反射层160。反射层160例如构成为层叠有Al、Ti、Pt、Au等的金属层的结构，在本实施方式中，在图9中的反射层160的最上层上配置有Al层。因为该Al层反射率比较高，所以发挥将从活性层130发出的光向图中上方反射的功能。另外，能够将反射层160作为p侧电极使用。

在半导体发光元件A103的侧面170上，形成有多个凸部172。但是，在侧面170中由活性层130形成的部分上，不形成多个凸部172。凸部172形成为圆锥状，其高度约为2.5μm，宽度约为2.1μm。这样的多个凸部172，例如，是通过在基板110上层叠n-GaN层120、活性层130和p-GaN层140后，利用掩模覆盖基板110的上表面、p-GaN层140的下表面和活性层130的状态下，浸渍在约62℃的约4mol/l的KOH溶液中，同时照射约3.5W/cm²的紫外线(UV)光约10分钟而形成。

根据这种实施方式，也能够实现半导体发光元件A103的高亮度化。通过采用使多个凸部172形成圆锥形状，并且利用KOH溶液和紫外线形成多个凸部的制造方法，即使如本实施方式的基板110那样具有相对于层叠方向倾斜的面，也能够适当地设置本发明中所说的多个凸部。为了半导体发光元件A103的高亮度化，优选在侧面170中至少在基板110的部分中形成多个凸部172。另外，在侧面170中活性层130的部分是平滑的，在能够增大来自活性层130的发光量方面是优选的。

如上所述，当在半导体发光元件的侧面上形成满足上述的平均宽度的条件的多个凸部时，能够使从活性层射出的光比在现有技术中射出的光多。由此，能够增加半导体发光元件的发光量，实现高亮度化。

但是，在上述第一和第二实施方式中，虽然能够提高射出效率，但是因为n侧电极121设置在n-GaN层120的第一层120a的上表面，所以在n-GaN层120的与n侧电极121分开的端部附近不能够流通充分的电流，在活性层130的整个区域中难以使电子和空穴再结合，对于投入电力难以使其高效率地进行发光。另外，即使在上述第三实施方式中，也因为在n-GaN层120的与n侧电极121分开的端部附近不能够流通充分的电流，所以对于投入电力难以使其高效率地进行发光。

下面，说明用于解决该问题的其它的实施方式。

图10是表示本发明的半导体发光元件的第四实施方式。本实施方式的半导体发光元件A201包括支撑基板210、p侧电极221、反射层222、掩模层223、ZnO电极224、p-GaN层220、活性层230、n-GaN层240和n侧电极241，构成为例如能够发出蓝色光或绿色光等的结构。在本实施方式中，n侧电极241形成圆形状。

支撑基板210支撑p侧电极221、反射层222、掩模层223、ZnO电极224、p-GaN层220、活性层230、n-GaN层240和n侧电极241。支撑基板210，例如由Cu或AlN等热传导率高的材料形成。由此，支撑基板210发挥将由于半导体发光元件A201被通电而产生的热散发到外部的功能。

p侧电极221，在支撑基板210的图中上表面的整个面上形成。p侧电极221，例如由Au-Sn或Au构成。

反射层222形成为从图中上方依次地层叠有例如Al、Ti、Pt、Au的构造。由于具有由反射率比较高的Al构成的层，反射层222能够将从活性层230发出的光向图中上方反射。另外，反射层222使p侧电极221和ZnO电极224导通。也能够用Ag代替上述Al。

掩模层223，在后述的半导体发光元件A201的制造工序中，当对ZnO电极224、p-GaN层220、活性层230和n-GaN层240进行蚀刻时，作为蚀刻掩模使用。掩模层223，例如由SiO₂等的电介体构成。在掩模层223中形成有多个贯通孔223a。多个贯通孔223a用于通过使反射层222和ZnO电极224接触而使它们相互导通。在本实施方式中，多个贯通孔223a配置成以位于n侧电极241正下方的点为中心的同心圆状。

ZnO电极224，由作为透明导电氧化物的一种的ZnO构成，透过来自活性层230的光，同时使n-GaN层240和反射层222导通。ZnO电极224的电阻率约为2×10^-4Ωcm，是比较低的电阻，其厚度约为1000～20000

p-GaN层220是由掺杂有作为p型掺杂剂的Mg的GaN构成的层，是在本发明中所说的p型半导体层的一个例子。在p-GaN层220和活性层230之间，形成有无掺杂的GaN层(省略图示)或包含约1％的In的InGaN层(省略图示)。

活性层230是包含InGaN的MQW结构的层，是用于放大通过电子和空穴再结合发出的光的层。活性层230形成为层叠多个InGaN层的构造。这些InGaN层，分成其组成为InXGa_1-XN(0≤X≤0.3)和InYGa_1-YN(0≤Y≤0.1，并且Y≤X)的两种。由InXGa_1-XN构成的层是势阱层，由InYGa_1-YN构成的层是阻挡层。这些势阱层和阻挡层交互地层叠。在活性层230和n-GaN层204之间，形成有由掺杂有Si的InGaN和GaN构成的超晶格层(省略图示)。

n-GaN层240是由掺杂有作为n型掺杂剂的Si的GaN构成的层，是在本发明中所说的n型半导体层的一个例子。在n-GaN层240中，形成有n侧电极241。n侧电极241例如构成为从n-GaN层240侧依次地层叠有Al、Ti、Au或者Al、Mo、Au的结构。

这里，参照图11如下所述说明n-GaN层240的厚度t的决定方法。图11是放大n-GaN层240和n侧电极241的各一部分的斜视剖面图。在本图中，n-GaN层240和n侧电极241形成为大致圆形状。首先，当电流向r→r+dr流动时的电阻dR由公式6提供。

[公式6]

$\mathrm{dR}=\frac{\mathrm{\ρdr}}{2\mathrm{\πr}\·t}$

其中，ρ是n-GaN层240的电阻率。

由于电流从n侧电极241的端部前进到n-GaN层240的端部，当电流密度成为1/e的n-GaN层240的直径为L时，这时的从n侧电极241的端部到n-GaN层240的端部的电阻R能够从公式7得到。

[公式7]

$R={\∫}_{W/2}^{L/2}\frac{\mathrm{\ρdr}}{2\mathrm{\πr}\·t}=\frac{\mathrm{\ρ}}{2\mathrm{\πt}}\log \left(\frac{L}{W}\right)$

这里，W是n侧电极241的直径。

另一方面，当n侧电极241正下方的电流密度为J₀时，从n侧电极241流通n-GaN层240的电流I由公式8表示。

[公式8]

$I=J_0\mathrm{\π}{\left(\frac{W}{2}\right)}^2$

另外，当依据pn结合的半导体的顺方向电流电压特性时，电流I由公式9表示。

[公式9]

$I=J_0\exp (-\frac{\mathrm{eV}}{\mathrm{\γ}{\mathrm{\κ}}_{B}T})$

这里，V是电压，γ是半导体发光元件的理想系数，κ_B是玻耳兹曼常数，T是绝对温度。例如，GaN的理想系数γ一般约为2～3，但是是依据GaN的结晶生长状态等个别地变化的值。

根据公式9，电流I成为1/e的电压V为公式10所示。

[公式10]

$V=\frac{\mathrm{\γ}{\mathrm{\κ}}_{B}T}{e}$

当将公式7、公式8和公式10代入到欧姆公式IR＝V中时，得到公式11。因此，使电流为1/e所需的厚度t由公式12表示。

[公式11]

$\frac{\mathrm{\ρ}}{2\mathrm{\πt}}\log \left(\frac{L}{W}\right)\·J_0\mathrm{\π}{\left(\frac{W}{2}\right)}^2=\frac{{\mathrm{\γ\κ}}_{B}T}{e}$

[公式12]

$t=\frac{e}{{\mathrm{\γ\κ}}_{B}T}\·\frac{\mathrm{\ρ}}{2\mathrm{\π}}\log \left(\frac{L}{W}\right)\·J_0\mathrm{\π}{\left(\frac{W}{2}\right)}^2$

根据以上所述，在n-GaN层240中为了使电流在其面内方向充分地扩展，只要使厚度t满足公式13的关系即可。

[公式13]

$t\≥\frac{\mathrm{\ρ}{J}_{0}e{W}^2}{8\mathrm{\γ}{\mathrm{\κ}}_{B}T}\·\log \left(\frac{L}{W}\right)$

在本发明中所说的n型半导体层的代表长度指的是当它们为圆形状时其直径，当它们为矩形状时，指的是其一边的长度。在本实施方式中，由于n侧电极241的直径W约为100μm，n-GaN层240的直径或一边的长度L约为250μm，当令电阻率ρ约为7.8×10^-5Ωcm，电流密度J₀为2.5×10⁶A/m²，理想系数γ为2，玻耳兹曼常数κ_B为1.38×10^-23J/Kmol时，只要n-GaN层240的厚度t为1.1μm以上即可。

接下来，参照图12～图15如下所述说明半导体发光元件A201的制造方法。

首先，将蓝宝石基板250载置在MOCVD法用的生长室内。通过向该生长室内供给H₂气同时使该生长室内的温度上升到约1050℃，洗净蓝宝石基板250。

其次，利用MOCVD法，在使作为上述生长室内的温度的成膜温度约为600℃的状态下，在蓝宝石基板250上形成GaN缓冲层(省略图示)，此后在使成膜温度约为1000℃的状态下依次地层叠以Si作为掺杂剂的n-GaN层240、以Si作为掺杂剂的InGaN-GaN的超晶格层(省略图示)、MQW活性层230和无掺杂的GaN层或包含约1％的In的InGaN层(省略图示)。接着，在使生长温度上升若干的状态下，形成以Mg作为掺杂剂的p-GaN层220。对p-GaN层220实施用于使Mg活性化的退火。并且，利用MBE(Molecular Beam Epitaxy：分子束外延)法形成ZnO电极224。此后，形成由SiO₂构成的掩模层223。

接着，如图13所示，利用光刻技术形成抗蚀剂膜251。此后，将抗蚀剂膜251作为掩模，通过蚀刻在掩模层223上形成图案。然后，除去抗蚀剂膜251。通过使用掩模层223的ICO(感应耦合型等离子体)蚀刻对从ZnO电极224到n-GaN层240进行台面蚀刻。

接着，如图14所示，通过使用CF₄气的干蚀刻，使掩模层223形成图案。由此，在掩模层223上，形成多个用于使反射层222和ZnO电极224接触的配置成同心圆状的贯通孔223a。这时，ZnO电极224作为蚀刻停止器(stoper)起作用。在形成多个贯通孔223a后，形成抗蚀剂膜252。另外，通过蒸镀Al或Ag，进一步依次地层叠Ti、Pt、Au形成金属层222A。然后，通过除去抗蚀剂膜252和金属层222A的一部分，形成反射层222。

接着，如图15所示，准备好支撑基板210，在该支撑基板210上形成由Au-Sn或Au构成的p侧电极221。通过热压接合将该p侧电极221和反射层222接合起来。此后，使以约248nm振荡的KrF激光透过蓝宝石基板250照射在n-GaN层240上。由此，使蓝宝石基板250和n-GaN层240的界面(上述的GaN缓冲层(省略图示))急剧地升温。然后，该界面附近的n-GaN层240和上述GaN缓冲层溶解，能够将蓝宝石基板250剥离。该工序一般被称为LLO(Laser Lift Off(激光剥离))工序。

接着，在n-GaN层240上形成由Al、Ti、Au或Al、Mo、Au构成的金属层(省略图示)。通过使该金属层形成图案，形成图10所示的n侧电极241。经过以上的工序，得到半导体发光元件A201。

接着，说明半导体发光元件A201的作用。

根据本实施方式，通过使n-GaN层240的厚度t满足公式13的关系，在来自n侧电极241的电流沿厚度方向通过n-GaN层240之前，能够使该电流在n-GaN层240的面内方向充分地扩展。由此，能够在n-GaN层240、活性层230和p-GaN层220各自的全部区域中流通电流。因此，能够利用整个活性层230合理地进行发光，能够增加半导体发光元件A201的光量。

另外，流过半导体发光元件A201的电流流过n侧电极241和多个贯通孔223a。通过将多个贯通孔223a配置成关于位于n侧电极241的正下方的中心的同心圆状，形成为流过半导体发光元件A201的电流易于在半导体发光元件A201的宽度方向上扩展的结构。根据这种结构，能够进一步促进来自整个活性层230的发光。

图16和图17表示本发明的半导体发光元件的第五实施方式及其制造方法。此外，在这些图中，对与上述实施方式相同或类似的要素标注与上述实施方式相同的标号。

图16所示的半导体发光元件A202，在n-GaN层240的图中上表面形成有多个凸部240a。凸部240a形成为圆锥状，在本实施方式中，当从活性层230发出的光的峰值波长为λ，n-GaN层240的折射率为n时，凸部240a的底部的宽度Wc的平均值Wc′满足Wc′＝λ/n的关系。例如，当来自活性层230的光的峰值波长λ为460nm，n-GaN层240的折射率n约为2.5时，Wc′约为184nm以上。另外，在本实施方式中，凸部240a的高度约为2μm。

在半导体发光元件A202中，n-GaN层240的厚度t满足下面所示的公式14的关系。

[公式14]

$t\≥\frac{\mathrm{\ρ}{J}_{0}e{W}^2}{8\mathrm{\γ}{\mathrm{\κ}}_{B}T}\·\log \left(\frac{L}{W}\right)+x$

其中，0.1μm≤x≤3.0μm

公式14是在公式13的右边附加(+x)项。该x的增加与上述的凸部240a的高度相当。

在制造半导体发光元件A202中，从上述图15的状态如图17所示地形成n侧电极241。在图15中剥离了蓝宝石基板250后的n-GaN层240的表面，不是Ga极性面，成为通过蚀刻容易发生各向异性的N极性面。在该状态中，如图17所示将n-GaN层240浸渍在约62℃的约4mol/l的KOH溶液中，同时照射约3.5W/cm²的紫外线(UV)光约10分钟。由此，能够在n-GaN层240的表面上形成底面宽度Wc的平均值Wc′满足上述关系的多个凸部240a。另外，其结果是，能够使n-GaN层240的厚度t满足公式14的关系。

根据这种实施方式，也能够使来自活性层230的发光量增加。并且，通过在n-GaN层240的表面上形成多个凸部240a，能够抑制来自活性层230的光在n-GaN层240的表面上被全反射返回到n-GaN层240内。所以，适合于增加半导体发光元件A202的光量。

接下来，说明n侧电极241的形状和大小与上述实施方式不同的情形。第六实施方式，剖面形状如图10所示，n侧电极241为矩形状，并且其一侧的宽度(图10中的纸面表里方向的宽度)与n-GaN层240的一侧宽度(图10中的纸面表里方向的宽度)相同。图18是第六实施方式中的n侧电极241和n-GaN层240的各一部分的放大斜视剖面图。以下，说明在本实施方式中的n-GaN层240的厚度(图10中的上下方向的长度)t的决定方法。

首先，由于电流从n侧电极241的端部前进到n-GaN层240的端部，当与电流密度成为1/e的n-GaN层240的一侧的宽度不同的另一侧宽度(图10中的左右方向的宽度)为L，n-GaN层240和n侧电极241的一侧的宽度为y，与n侧电极241的一侧的宽度不同的另一侧的宽度(图10中的左右方向的宽度)为W时，从这时的n侧电极241的端部到n-GaN层240的端部的电阻R能够从公式15得到。

[公式15]

$R=\frac{\mathrm{\ρ}}{\mathrm{ty}}\·\frac{L-W}{2}$

另一方面，当n侧电极241正下方的电流密度为J₀时，从n侧电极241流通n-GaN层240的电流I由公式16表示。

[公式16]

$I=J_{0}y\·\frac{W}{2}$

另外，当依据pn结合的半导体的顺方向电流电压特性时，电流I由上述公式9表示。另外，电流I成为1/e的电压V为上述公式10。当将公式15、公式16和公式10代入到欧姆公式IR＝V中时，得到公式17。由此，使电流为1/e所需的厚度t由公式18表示。

[公式17]

$\frac{\mathrm{\ρ}}{\mathrm{ty}}\·\frac{L-W}{2}\·J_{0}y\·\frac{W}{2}=\frac{{\mathrm{\γ\κ}}_{B}T}{e}$

[公式18]

$t=J_0\·\frac{W}{2}\·\frac{L-W}{2}\·\frac{\mathrm{e\ρ}}{{\mathrm{\γ\κ}}_{B}T}$

根据以上所述，在n-GaN层240中为了使电流在其面内方向充分地扩展，只要使厚度t满足公式19的关系即可。

[公式19]

$t\≥\frac{\mathrm{\ρ}{J}_{0}e}{4\mathrm{\γ}{\mathrm{\κ}}_{B}T}\·W(L-W)$

另外，在n侧电极241为矩形状具有与n-GaN层240相同宽度的结构中，也可以构成为与图16所示的结构同样地在n-GaN层240的上表面形成多个凸部240a的结构。这时，n-GaN层240的厚度t由公式20决定。

[公式20]

$t\≥\frac{\mathrm{\ρ}{J}_{0}e}{4\mathrm{\γ}{\mathrm{\κ}}_{B}T}\·W(L-W)+x$

其中，0.1μm≤x≤3.0μm

根据这些实施方式，也能够使流过n-GaN层240的电流扩展到n-GaN层240的周边部，能够增加发光量。另外，当形成多个凸部240a时，能够期待如上述那样使发光量进一步增加。

如上所述，n型半导体层的厚度，只要使用作为其材料的半导体的物理参数值满足由公式2到5所示的关系即可。

此外，在第六实施方式中，为了减少在半导体发光元件侧面被全反射的光的比例，也可以在该侧面上形成第一到第三实施方式的多个凸部。

图19表示本发明的半导体发光元件的第七实施方式，是表示n侧电极241、n-GaN层240、活性层230和p-GaN层220的各一部分的放大斜视剖面图。该半导体发光元件，在第六实施方式的半导体发光元件的n-GaN层240、活性层230和p-GaN层220的侧面270上形成与第一实施方式同样的多个凸部271。

根据该实施方式，既能够增加半导体发光元件的光量，又能够增加从侧面270射出的光的比例，能够实现半导体发光元件的高亮度化。

此外，多个凸部271的形状能够为满足第一实施方式中所示的平均宽度的条件的各种形状。另外，多个凸部271，如第二实施方式中所示的那样，也可以形成在其它层上。另外，如在第三实施方式中所示的那样，半导体发光元件的层叠结构也可以不同。另外，也可以构成为在n-GaN层240的上表面形成有多个凸部240a的结构。

本发明的半导体发光元件，不限定于上述实施方式。本发明的半导体发光元件的各部的具体结构可以自由地进行各种设计变更。

在本发明中所说的n型半导体层和p型半导体层不限定于n-GaN层和p-GaN层，只要是能够将电子和空穴注入到活性层的半导体层即可。另外，在本发明中所说的活性层不限定于MQW结构。本发明的半导体发光元件能够构成为除了蓝色和绿色光以外还发出白色光等各种波长的光的结构。

Claims (10)

1.一种半导体发光元件，包括：

基板；

由所述基板支撑的p型半导体层；

配置在比所述p型半导体层更加离开所述基板的位置上的n型半导体层；和

配置在所述p型半导体层和所述n型半导体层之间的活性层，其特征在于：

在所述n型半导体层上形成一侧的宽度与所述n型半导体层的一侧的宽度相同的矩形状的n侧电极；

所述n型半导体层的厚度t满足公式1的关系；

在所述半导体发光元件的沿层叠方向延伸的侧面上，形成多个凸部；

当从所述活性层发出的光的波长为λ，所述n型半导体层和所述p型半导体层的任一个的折射率都为n时，所述凸部的底部宽度的平均宽度W_A为

W_A≥λ/n，

[公式1]为

$t\≥\frac{\mathrm{\ρ}{J}_{0}e}{4{\mathrm{\γ\κ}}_{B}T}\·W(L-W),$

其中，

L：与所述n型半导体层的一侧的宽度不同的另一侧的宽度

T：绝对温度

W：与所述n侧电极的一侧的宽度不同的另一侧的宽度

J₀：所述n侧电极和所述n型半导体层的接触部分中的电流密度

e：元电荷

γ：二极管的理想系数

κ_B：玻耳兹曼常数

ρ：所述n型半导体层的电阻率。

2.一种半导体发光元件，包括：

基板；和

层叠在所述基板上的n型半导体层、活性层和p型半导体层，其特征在于：

在所述半导体发光元件的沿层叠方向延伸的侧面中，形成有多个凸部；

当从所述活性层发出的光的波长为λ，所述n型半导体层和所述p型半导体层的任一方的折射率都为n时，所述凸部的底部宽度的平均宽度W_A为

W_A≥λ/n。

3.根据权利要求2所述的半导体发光元件，其特征在于：

所述n型半导体层和所述p型半导体层的至少任一方由GaN构成。

4.根据权利要求2所述的半导体发光元件，其特征在于：

所述凸部沿所述叠层方向延伸，并且其剖面形状为三角形或半圆形。

5.一种半导体发光元件，包括：

基板；

由所述基板支撑的p型半导体层；

配置在比所述p型半导体层更加离开所述基板的位置上的n型半导体层；和

配置在所述p型半导体层和所述n型半导体层之间的活性层，其特征在于：

在所述n型半导体层上形成有圆形状的n侧电极，

所述n型半导体层的厚度t满足公式2的关系，

[公式2]为

$t\≥\frac{\mathrm{\ρ}{J}_{0}e{W}^2}{8{\mathrm{\γ\κ}}_{B}T}\·\log \left(\frac{L}{W}\right),$

其中，

L：所述半导体发光元件的代表长度

T：绝对温度

W：所述n侧电极的直径

J₀：所述n侧电极和所述n型半导体层的接触部分中的电流密度

e：元电荷

γ：二极管的理想系数

κ_B：玻耳兹曼常数

ρ：所述n型半导体层的电阻率。

6.根据权利要求5所述的半导体发光元件，其特征在于：

在所述n型半导体层上形成有多个凸部；

所述n型半导体层的厚度t，代替所述公式2的关系而满足公式3的关系，

[公式3]为

$t\≥\frac{\mathrm{\ρ}{J}_{0}e{W}^2}{8{\mathrm{\γ\κ}}_{B}T}\·\log \left(\frac{L}{W}\right)+x,$

其中，0.1μm≤x≤3.0μm。

7.根据权利要求5所述的半导体发光元件，其特征在于：

所述n型半导体层由n-GaN构成。

8.一种半导体发光元件，包括：

基板；

由所述基板支撑的p型半导体层；

配置在比所述p型半导体层更加离开所述基板的位置上的n型半导体层；和

配置在所述p型半导体层和所述n型半导体层之间的活性层，其特征在于：

在所述n型半导体层上形成有一侧的宽度与所述n型半导体层的一侧的宽度相同的矩形状的n侧电极，

所述n型半导体层的厚度t满足公式4的关系，

[公式4]为

$t\≥\frac{\mathrm{\ρ}{J}_{0}e}{4{\mathrm{\γ\κ}}_{B}T}\·W(L-W),$

其中，

L：与所述n型半导体层的一侧的宽度不同的另一侧的宽度

T：绝对温度

W：与所述n侧电极的一侧的宽度不同的另一侧的宽度

J₀：所述n侧电极和所述n型半导体层的接触部分中的电流密度

e：元电荷

γ：二极管的理想系数

κ_B：玻耳兹曼常数

ρ：所述n型半导体层的电阻率。

9.根据权利要求8所述的半导体发光元件，其特征在于：

在所述n型半导体层上形成有多个凸部，

所述n型半导体层的厚度t，代替所述公式4的关系而满足公式5的关系，

[公式5]为

$t\≥\frac{\mathrm{\ρ}{J}_{0}e}{4{\mathrm{\γ\κ}}_{B}T}\·W(L-W)+x,$

其中，0.1μm≤x≤3.0μm。

10.根据权利要求8所述的半导体发光元件，其特征在于：

所述n型半导体层由n-GaN构成。

Images