CN101401223A - 侧面发光半导体元件和侧面发光半导体元件的制造方法 - Google Patents

侧面发光半导体元件和侧面发光半导体元件的制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明的侧面发光半导体元件，包括：掺杂的Mg的浓度为5×1019cm－3以下的AlGaN层，在包含AlGaN层和活性层的层叠结构的上部形成的条纹状的脊部，和在露出AlGaN层的脊部以外的层叠结构的上表面形成的肖特基势垒。

Description

侧面发光半导体元件和侧面发光半导体元件的制造方法
技术领域
本发明涉及侧面发光半导体元件和侧面发光半导体元件的制造方法。
背景技术
现有技术中，作为显示图像的显示器装置等中使用的发光半导体元件，可以代表性地列举出点矩阵·显示器装置中使用的半导体发光元件、携带电话的液晶显示器装置用的背灯中使用的半导体发光元件、电视的液晶显示器装置用的背灯中使用的半导体发光元件等。
例如，点矩阵·显示器装置排列设置有红色LED(发光二极管)、绿色LED、和蓝色LED的半导体发光元件。
而且，携带电话的液晶显示器装置是将蓝色LED和黄色LED的半导体发光元件作为背灯配置。携带电话的液晶显示器装置能够通过蓝色LED和黄色LED的半导体发光元件形成白色光。
而且，电视的液晶显示器装置是将红色LED、绿色LED和蓝色LED的半导体发光元件作为背灯排列配置。电视的液晶显示器装置，相比红色LED和蓝色LED，更多使用绿色LED。
这里，在上述显示器装置等中，为了提高能量效率，要求从局部区域放出光的半导体发光元件。
作为该半导体发光元件，一般公知的是具备在包括活性层的层叠结构的上部形成的条纹状脊部的侧面发光半导体元件。
具体地，如图8所示，侧面发光半导体元件包括：n型氮化物半导体层(n型接触层502至n型光引导层504)、MQW活性层506、和p型氮化物半导体层(p型第一光引导层507至p型接触层510)，在p型氮化物半导体层上形成有条纹状的脊部。
侧面发光半导体元件构成为，除了与p电极513电连接的p型接触层510的上表面，由绝缘膜515覆盖该脊部的露出面的结构(例如，参照日本特开2001-15851号公报)。
上述侧面发光半导体元件的制造方法，第一，在p型氮化物半导体层上形成条纹状的脊部，接着，在该脊部上形成绝缘膜。
第二，将形成于该脊部的上部的p型接触层510上的绝缘膜515去除，至少在露出的p型接触层510上形成p电极513，由此，能够制造侧面发光半导体元件。
根据该侧面发光半导体元件，当在p电极513与n电极514之间流过电流时，从p电极513流动的空穴集中于脊部，进而集中于相当于脊部的下方的MQW活性层506的区域。其结果是，在相当于该脊部的下方的MQW活性层506的区域，通过空穴与电子的再结合能够放出光。即，侧面发光半导体元件能够从局部区域发出光。
该侧面发光半导体元件，能够实现较高的电流狭窄效果、电流关闭效果、光关闭效果，一般地被评价为能量效率高的结构。
但是，在如上所述那样的现有的侧面发光半导体元件的制造方法中，由于难以仅将形成在脊部的上部的p型接触层510上的绝缘膜515去除，所以存在有不能提高成品率的问题。
发明内容
本发明的侧面发光半导体元件的第一特征的主要内容在于，具备：掺杂的Mg的浓度为5×1019cm-3以下的AlGaN层；在包括上述AlGaN层和活性层的层叠结构的上部形成的条纹状的脊部；和在露出上述AlGaN层的上述脊部以外的层叠结构的上表面形成的肖特基势垒。
根据该特征，由于具备：在包括上述AlGaN层和活性层的层叠结构的上部形成的条纹状的脊部；和在露出上述AlGaN层的脊部以外的层叠结构的上表面形成的肖特基势垒，所以在该脊部中，没有必要仅去除应该与p电极欧姆接触部分的绝缘膜，能够提高成品率。
而且，对于带隙能量高的AlGaN，通过设置有掺杂的Mg的浓度为5×1019cm-3以下的AlGaN层，由于能够使AlGaN层的空穴(hole)浓度降低，所以空穴就难以从肖特基势垒流向AlGaN层，能够使肖特基势垒与AlGaN层之间的电阻提高。由此，该侧面发光半导体元件，能够容易使空穴仅流到脊部，在该脊部易于实现电流狭窄效果、电流关闭效果、光关闭效果，能够从活性层的狭窄区域发出光。
所以，能够得到高成品率，从局部区域放出光的侧面发光半导体元件。
在本发明的第一特征中，脊部的上部也可以是掺杂的Mg的浓度为1×1019cm-3以上的GaN层。
根据该特征，由于脊部的上部为掺杂的Mg的浓度为1×1019cm-3以上的GaN层，所以脊部的上部的空穴浓度升高，能够进一步提高脊部的电流狭窄效果。
在本发明的第一特征中，在肖特基势垒上的至少一部分与脊部上，也能够还具备由Pd或Ni构成的金属层。
根据该特征，通过在肖特基势垒上的至少一部分与脊部上，具备由Pd或Ni构成的金属层，从而对于AlGaN层和GaN层，能够得到易于获得欧姆特性的电极，因此在脊部的上部使空穴更加易于流动，所以能够进一步提高该脊部的电流狭窄效果。
本发明的第二特征是侧面发光半导体元件的制造方法，其主要内容为。包括：在包括掺杂的Mg的浓度为5×1019cm-3以下的AlGaN层和活性层的层叠结构的上部，通过利用离子冲击的干式蚀刻形成条纹状的脊部的工序；和在露出AlGaN层的脊部以外的层叠结构的上表面，通过利用离子冲击的干式蚀刻形成肖特基势垒的工序。
根据本发明，在包括掺杂的Mg的浓度为5×1019cm-3以下的AlGaN层和活性层的层叠结构的上部形成脊部，在AlGaN层露出的脊部以外的层叠结构的上表面，给予由利用离子冲击的干式蚀刻引起的适度地损害，由此形成空穴难以流动的n型反转层(即肖特基势垒)。由于肖特基势垒与AlGaN层之间的电阻变高，使空穴易于仅流动到脊部，所以在该脊部容易实现电流狭窄效果、电流关闭效果、光关闭效果，能够从活性层的窄区域发出光。
所以，能够制造成品率高，从局部区域放出光的侧面发光半导体元件。
附图说明
图1是表示本发明的一个实施方式涉及的侧面发光半导体元件的截面结构的图。
图2是表示本发明的一个实施方式涉及的侧面发光半导体元件的制造方法的流程图。
图3是表示已进行本发明的一个实施方式涉及的侧面发光半导体元件的制造方法的层叠工序后的侧面发光半导体元件的截面图。
图4是表示本发明的一个实施方式涉及的侧面发光半导体元件的制造方法的条纹图案形成工序中的侧面发光半导体元件的截面图。
图5是表示本发明的一个实施方式涉及的侧面发光半导体元件的制造方法的脊部形成工序中的侧面发光半导体元件的截面图。
图6是表示本发明的一个实施方式涉及的侧面发光半导体元件的制造方法的脊部形成工序和肖特基势垒生成工序中使用的ICP蚀刻机的截面结构图。
图7是表示已进行本发明的一个实施方式涉及的侧面发光半导体元件的制造方法的电极形成工序后的侧面发光半导体元件的截面图。
图8是表示现有技术的半导体发光元件的截面结构的图。
具体实施方式
下面参照附图详细说明本发明的实施方式。此外，在以下的附图的记载中，对于相同或类似的部分，都标注相同或类似的符号。但是，必须注意的是，图面为示意性的表示，各尺寸的比例与现实是有所不同的。
所以，具体地尺寸等应该参照以下的说明进行判断。而且，当然附图相互之间相互尺寸关系及比例也会包含不同的部分。
(本发明的实施方式中侧面发光半导体元件的结构)
参照图1，对本发明的实施方式中侧面发光半导体元件的结构进行说明。图1是表示本发明的一个实施方式涉及的侧面发光半导体元件的截面结构。作为本实施方式涉及的侧面发光半导体元件的一例，对发射蓝色光的侧面发光型的LED(Light Emitting Diode)进行说明。
如图1所示，本实施方式的侧面发光半导体元件，具有由n型接触层102、n型覆盖层103、n型光引导层104、n型超晶格层105、MQW活性层106、p型第一光引导层107、p型第二光引导层108、p型覆盖层109和p型接触层110构成的层叠结构。在上述层叠结构的上部，即p型覆盖层109的一部分和p型接触层110，形成条纹状的脊部。
n电极114是在n型接触层102的主面上由Al/Ti/Au的多层金属膜形成。而且，n电极114也可以由Al/Ni/Au的多层金属膜、Al/Pd/Au的多层金属膜形成。
p电极113是在肖特基势垒1091上的至少一部分和脊部上顺序层叠Pd层、Au层，并与p型接触层110欧姆接触。此外，p电极113也可以层叠Ni层以取代Pd层，由Ni层、Au层构成。
n型接触层102是由掺杂有Si的GaN形成。
n型覆盖层103，是由掺杂Si的Al0.05GaN形成。n型光引导层104是由非掺杂GaN形成。n型超晶格层105是交互层叠InGaN层与GaN层的超晶格结构，InGaN层与GaN层的每层厚度为30nm以下。
MQW活性层106是由含In的氮化物半导体形成的多重量子阱结构(MQW结构：Multi Quantum Well)。
具体地，MQW活性层106是由厚度为3nm的In0.17GaN形成的阱层、与厚度为10nm的非掺杂GaN形成的壁垒层分别交互层叠8次的MQW结构。
p型第一光引导层107是由非掺杂GaN或含有1％左右的In的In0.01GaN形成。
p型第二光引导层108是由非掺杂GaN形成。
p型覆盖层109是由掺杂的Mg的浓度为5×1019cm-3以下的AlxGa1-xN(0≤x<0.5)形成。此外，优选p型覆盖层109的Mg的浓度为1×1018cm-3以上。通过使p型覆盖层109的Mg的浓度为1×1018cm-3以上，p型覆盖层109能够进一步促进来自p型接触层110的空穴的流动。
p型接触层110是由掺杂的Mg的浓度为1×1019cm-3以上的GaN形成。此外，优选p型接触层110的Mg的浓度为5×1019cm-3以上5×1020cm-3以下。在p型接触层110的Mg的浓度比5×1020cm-3高的情况下，存在掺杂的Mg破坏GaN结晶的情况。
而且，在p型覆盖层109的上表面不形成p型接触层110的部分，形成肖特基势垒1091。所以，在p型覆盖层109的上表面不形成p型接触层110的部分，与p电极113肖特基接触。
p型接触层110与p型覆盖层109的一部分一起构成条纹状的脊部，p型接触层110的上表面与p电极113欧姆接触。
(本发明的实施方式涉及的侧面发光半导体元件的制造方法)
以下参照图2～图7，对本实施方式涉及的侧面发光半导体元件的制造方法中进行的工序加以说明。
如图2和图3所示，在步骤S101中，进行在由蓝宝石构成的基板(以下表示为基板100)上，顺次结晶生长(外延生长)n型缓冲层101、n型接触层102、n型覆盖层103、n型光引导层104、n型超晶格层105、MQW活性层106、p型第一光引导层107、p型第二光引导层108、p型覆盖层109和p型接触层110的层叠工序。
具体地，在本实施方式中，第一，将基板100放入MOCVD(金属有机化学气相沉积)装置，流通氢气的同时将温度上升到1050℃左右，对基板100进行热清洗(thermal cleaning)。
第二，将MOCVD装置内的温度下降到600℃左右，在基板100上外延生长GaN构成的n型缓冲层101，由此进行结晶生长(以下简称为“结晶生长”)。
第三，再次将MOCVD装置内的温度上升到1000℃左右，在n型缓冲层101上，顺次结晶生长n型接触层102、n型覆盖层103、n型光引导层104、n型超晶格层105、MQW活性层106、p型第一光引导层107、p型第二光引导层108、p型覆盖层109和p型接触层110。
图3是表示已进行该层叠工序后的侧面发光半导体元件的截面图。
在步骤S102中，进行通过SOG(Spin on glass：旋涂式玻璃)形成条纹图案的条纹图案形成工序。
图4是表示在该条纹图案形成工序中的侧面发光半导体元件的截面图。以下参照图4，对条纹图案形成工序进行具体的说明。
具体地，在条纹图案形成工序中，第一，在p型接触层110上涂覆SOG材料。这里，SOG材料是硅氧化合物溶解于有机溶剂后的溶液。
第二，将涂敷的SOG材料在约450℃进行烧成，由此形成以硅氧玻璃(SiO2)为主要成分的SOG层111。
第三，在SOG层111上涂覆抗蚀剂膜，通过光刻技术形成抗蚀剂图案112。
第四，将该抗蚀剂图案112作为掩模，对SOG层111进行蚀刻。该蚀刻也可以是使用缓冲氢氟酸(BHF)的湿式蚀刻，也可以是使用氟类气体(CF4、SF6等)的干式蚀刻。但是，优选使用能够将抗蚀剂图案112精细地切割的干式蚀刻。
第五，使用O2灰化(氧等离子体)、碱溶液等，将抗蚀剂图案112去除，由此形成由残留的SOG层111构成的条纹图案。
在步骤S103中，使用感应耦合型(Induced Coupled Plasma：ICP)蚀刻机，进行形成由p型接触层110构成的脊部的脊部结构形成工序。
图5是表示该脊部形成工序中的侧面发光半导体元件的截面图。以下，参照图5，对脊部形成工序进行具体的说明。
具体地，第一，使用ICP蚀刻机，将SOG层111构成的条纹图案作为掩模，对p型接触层110和p型覆盖层109的一部分，和p型接触层110至n型接触层102的一部分进行蚀刻。
关于该蚀刻中使用的ICP蚀刻机的具体例子，在图6中表示。如图6所示，ICP蚀刻机具备：腔室201、下部电极202、排气口203、石英板204、高频电源205、ICP线圈206、ICP高频电源207和气体导入口208。
该ICP蚀刻机，利用由为了将反应气体等离子体化通过ICP高频电源207对ICP线圈206施加的高频电力(PICP)、和为了将等离子体化的反应种引入蚀刻对象部件209而施加于高频电源205的高频电力(PBias)而生成的活性种(自由基或离子等)，对侵蚀对象部件209造成损伤，由此实现蚀刻。
具体地，在脊部结构形成工序中，将蚀刻对象部件209(在本实施方式中，是已进行步骤102后的侧面发光半导体元件(层叠结构))配置于ICP蚀刻机，施加第一高频电力(PICP和PBias)。
这里，主要由施加于高频电源205的高频电力，在ICP侵蚀机的腔室201内的下部电极202上配置的蚀刻对象部件209(层叠结构)上，产生DC偏置电压(V_DC)。由该V_DC，能够定义p型接触层110至n型接触层102中产生的损伤的程度。例如，V_DC≥20V，优选V_DC≥40V，能够在p型接触层110或p型覆盖层109中产生损伤，得到所希望的效果。
在本实施方式的脊部结构形成工序中，作为第一高频电力，通过施加PICP＝300W、PBias＝25W，对由GaN构成的p型接触层110进行蚀刻。此时，蚀刻对象部件209上产生的V_DC非常小，例如为10V左右。
而且，在本实施方式的脊部结构形成工序中，通过作为第一高频电力，施加PICP＝300W、PBias＝25W，对p型接触层110至n型接触层102进行蚀刻。
在步骤S104中，使用ICP蚀刻机，利用离子冲击，在脊部结构以外的层叠结构的上表面(即在p型覆盖层109的上表面p型接触层110被蚀刻的部分)，进行生成肖特基势垒1091的肖特基势垒生成工序。
具体地，在肖特基势垒生成工序中，将蚀刻对象部件209(在本实施方式中，是以进行步骤103后的侧面发光半导体元件(层叠结构))配置于ICP蚀刻机中，施加比第一高频电力(PICP和PBias)更高电力的第一高频电力(PICP和PBias)。
在本实施方式的肖特基势垒生成工序中，作为第二高频电力，施加PICP＝300W、PBias＝120W，由此对p型覆盖层109进行蚀刻。此时，由于蚀刻对象部件209上生成的V_DC变大为50V左右，所以由ICP高频电源27的电力所产生的离子被V_DC加速，在蚀刻对象部件209上冲击，能够造成损伤。
这里，在步骤S104及S105中，蚀刻残留厚度能够由利用激光的干涉仪进行测定。该干涉仪根据来自在上表面的界面的反射波与来自在下表面的界面的反射波的干涉所产生的干涉条纹的间隔而得知蚀刻深度。这里，如果使用的激光波长为λ，则λ/n(n＝蚀刻对象部件的折射率)为干涉的一个周期。
在步骤S105中，进行形成n电极114和p电极113的电极形成工序。
具体地，第一，由盐酸对步骤S103中形成的n型接触层102的露出面进行清洗，通过在该露出面上顺次层叠Al层、Ti层、Au层，形成n电极114。n电极114也可以使用Ni层、Pd层以取代Ti层，由Al/Ni/Au的多层金属膜、Al/Pd/Au的多层金属膜形成。
而且，由盐酸对肖特基势垒1091上的至少一部分和脊部上进行清洗，顺次层叠Pd层、Au层，形成p电极113。p电极113也可以使用Ni层取代Pd层，由Ni层、Au层形成。
图7是表示形成有n电极114和p电极113后的侧面发光半导体元件的截面图。
第二，对基板100和n型缓冲层101进行研削，对n型接触层102的背面进行研磨。
第三，通过在侧面发光半导体元件的宽度上劈理(cleavage)，得到图1所示的侧面发光半导体元件。由于该劈理不是形成为了得到半导体激光元件的镜面，而是用于侧面发光型LED的劈理，所以不需要高精度，即使是有若干的误差，也能够充分满足。
(本发明的实施方式的侧面发光半导体元件的作用·效果)
根据本实施方式的侧面发光半导体元件，由于具备在包括p型覆盖层109和MQW活性层106的层叠结构的上部形成的条纹状脊部、以及在露出p型覆盖层109的脊部以外的层叠结构的上表面形成的肖特基势垒1091，所以在该脊部，没有必要仅去除应该与p电极113欧姆接触的部分的绝缘膜，能够提高成品率。
而且，对于带隙能量高的AlxGa1-xN(0≤x<0.5)，具备掺杂的Mg的浓度为5×1019cm-3以下的p型覆盖层109，由此能够使p型覆盖层109的空穴(hole)浓度减小。也就是说，由于空穴变得难以从肖特基势垒1091流向p型覆盖层109，所以使肖特基势垒1091与p型覆盖层109之间的电阻增大。
由此，该侧面发光半导体元件，由于空穴仅易于流向脊部，所以在该脊部能够实现电流狭窄效果、电流关闭效果、光关闭效果，能够从活性层的狭窄区域放出光。
所以，能够由简单的结构，得到成品率高，从局部区域发光的侧面发光半导体元件。
而且，脊部的上部是由掺杂的Mg的浓度为1×1019cm-3以上的GaN构成的p型接触层110，由此，使脊部上部的电子浓度增大，能够进一步提高脊部的电流狭窄效果。
而且，在肖特基势垒1091上的至少一部分和脊部上，设置有由Pd或Ni构成的p电极113，由此能够得到对于p型覆盖层109和p型接触层110容易取得欧姆特性的电极，所以使空穴更容易流向脊部上部，能够进一步提高该脊部的电流狭窄效果。
而且，根据本实施方式的制造方法，在包括由掺杂的Mg的浓度为5×1019cm-3以下的AlGaN构成的p型覆盖层109和MQW活性层106的层叠结构的上部形成脊部，在露出p型覆盖层109的脊部以外的层叠结构的上表面，通过利用离子冲击的干式蚀刻而造成适度的损伤，由此形成空穴难以流入的n型反转层(即肖特基势垒1091)。
由于肖特基势垒1091与p型覆盖层109之间的电阻增大，空穴仅易于流向脊部，所以在该脊部能够容易地得到电流狭窄效果。
所以，能够制造成品率高，从局部区域发光的侧面发光半导体元件。
本实施方式的侧面发光型LED，例如可以适用于头盔(headmount)型的显示器装置。头盔型的显示器装置是护目镜或头盔形状的显示器装置。头盔型的显示器装置，安装于头部时，左右眼的眼前分别设置一个显示器装置的显示部。
在该头盔型的显示器装置中，发出红色光的半导体发光元件、发出绿色光的半导体发光元件和发出蓝色光的半导体发光元件作为具有窄光谱的光源而配置。头盔型的显示器装置，将半导体发光元件发出的光通过光纤传送到人的视网膜，在视网膜上形成图像。
在该头盔型的显示器装置中，必须提高光纤与半导体发光元件的耦合效率。根据本实施方式的侧面发光型LED，由于能够从局部的区域发出光，所以能够提高光纤与半导体发光元件的耦合效率。
而且，由于该侧面发光型LED，不具有复杂的结构，成品率高，所以能够作为廉价的半导体元件提供。
从该侧面发光型LED所发出的光，是自然发出光，与通过半导体激光元件重复放大所发出的光相比，能够降低对视网膜的影响。所以，该侧面发光型LED，适用于作为头盔型的显示器装置中使用的半导体发光元件。
(其他的实施方式)
虽然通过上述实施方式对本发明进行记载，但是成为该揭示的一部分的论述和附图并不能够对本发明的技术范围进行限定性的解释。根据该揭示业内人士应该明白各种各样的替代实施方式、实施例和应用技术。
例如，在本发明的实施方式中，是对侧面发光型LED进行的示例，但本发明并不限于此，也可以应用于侧面发光型的半导体激光元件。
这样，本发明当然也包括这里未记述的各种各样的实施方式。所以，本发明的技术范围应该仅根据上述的说明适当的权利要求范围中的发明的特定事项所决定。
根据本发明，能够提供成品率高，从局部区域发光的侧面发光半导体元件和侧面发光半导体元件的制造方法。

Claims (4)

1.一种侧面发光半导体元件，其特征在于，具备：
掺杂的Mg的浓度为5×1019cm-3以下的AlGaN层；
在包括所述AlGaN层和活性层的层叠结构的上部形成的条纹状的脊部；和
在露出所述AlGaN层的所述脊部以外的所述层叠结构的上表而形成的肖特基势垒。
2.根据权利要求1所述的侧面发光半导体元件，其特征在于：
所述脊部的上部为掺杂的Mg的浓度为1×1019cm-3以上的GaN层。
3.根据权利要求1或2所述的侧面发光半导体元件，其特征在于：
在所述肖特基势垒上的至少一部分与所述脊部上，还具备由所述Pd或Ni构成的金属层。
4.一种侧面发光半导体元件的制造方法，其特征在于，包括：
在包括掺杂的Mg的浓度为5×1019cm-3以下的AlGaN层和活性层的层叠结构的上部，通过利用离子冲击的干式蚀刻形成条纹状的脊部的工序；和
在露出所述AlGaN层的所述脊部以外的所述层叠结构的上表面，通过利用离子冲击的干式蚀刻形成肖特基势垒的工序。
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