CN101410992A - GaN系半导体发光元件和灯 - Google Patents

GaN系半导体发光元件和灯 Download PDF

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Abstract

本发明提供发光特性、和出光效率优异的氮化镓系化合物半导体发光元件的制造方法以及灯。这样的氮化镓系化合物半导体发光元件的制造方法，是被赋予了凹凸形状的透光性基板上至少具有缓冲层、n型半导体层、发光层、p型半导体层的GaN系半导体发光元件的制造方法，通过使用具有摆动式磁控管磁路的溅射装置的溅射法成膜，得到所述缓冲层。另外，以AlN、ZnO、Mg、Hf形成所述缓冲层。

Description

GaN系半导体发光元件和灯
技术领域
本发明涉及发光元件，特别是，涉及具有高可靠性和优异的出光效率的发光元件，以及具备通过使用该制造方法制造出的发光元件的灯。
本申请主张基于2006年3月31日在日本的专利申请特愿2006-096340号的优先权，在这里援引其内容。
背景技术
近年来，作为短波长光发光元件用的半导体材料，氮化物系半导体中的GaN系化合物半导体材料受到关注。GaN系化合物半导体，是将以蓝宝石单晶为代表的多种氧化物、第III-V主族化合物制成基板，利用有机金属化学气相沉积法(MOCVD法)、分子束外延法(MBE法)等在该基板上形成的。
作为一般的GaN系化合物半导体发光元件的结构，在使用了蓝宝石单晶基板的情况下，依次叠层n型半导体层、发光层、p型半导体层。因为蓝宝石基板是绝缘体，所以该元件结构一般地说，形成如图1所示的结构，所述结构为在p型半导体层上形成的正极、与在n型半导体层上形成的负极存在于同一面上。这样的GaN系化合物半导体发光元件有2种：正极使用透明电极，从p型半导体侧出光的正装(face up)方式；在正极使用Ag等的高反射膜，从蓝宝石基板侧出光的倒装方式。
在p型半导体上设置透明电极的情况下，历来使用Ni/Au等形成的金属透明电极，但是为了提高发光元件的出光效率，近年来ITO等透光性导电氧化薄膜在工业水平上被实用化，并已被积极地使用。
使用外部量子效率作为用于提高这样的发光元件的输出功率的指标。可以说发光元件的该外部量子效率越高，输出功率就越高。
外部量子效率，以内部量子效率与出光效率的乘积来表示。所谓内部量子效率，是流入元件的电流的能量中被转变为光的比例。另一方面，所谓出光效率，是在半导体晶体内部产生的光中能够射出至外部的比例。
为了提高出光效率，主要有2类方法。一类可以列举降低在出光面形成的电极、保护膜等吸收的发射波长的方法。另一类可以列举降低在化合物半导体、电极、保护薄膜等折射率不同的材料的彼此界面上产生的反射损失的方法。
在这里，作为将Ni/Au等金属透明电极替换成ITO等透光性导电氧化膜的原因之一，可以列举通过使用透光性导电氧化膜可以降低发光波长的吸收。
作为降低在折射率不同的材料的彼此界面上产生的反射损失的方法，可以列举对出光面实施凹凸加工的技术。作为实施凹凸加工的方法，有人提出了在对化合物半导体本身实施凹凸加工的发光元件(例如参考专利文献1。)。
但是，专利文献1记载的发光元件，为了对半导体材料实施加工而给半导体层增加负荷，遗留损伤。因此，虽然出光效率提高，但是有内部量子效率降低、不能增加发光强度等的问题。
有人提出了如下方法：通过不对化合物半导体本身进行凹凸加工，而是在蓝宝石基板上形成凹凸，使化合物半导体在其上生长，其结果是在化合物半导体上形成凹凸，使出光效率提高(例如参考专利文献2。)。
但是，在专利文献2记载的发光元件中，因为为了在蓝宝石基板上留下凹凸而造成其后形成的缓冲层的生长不均匀，所以有难以使化合物半导体稳定地生长等的问题。
专利文献1：特许第2836687号公报
专利文献2：特开2005-64492号公报
发明内容
本发明鉴于上述问题，目的是通过在被赋予了凹凸形状的蓝宝石基板上稳定地形成缓冲层，提高在其上生长的GaN系半导体层的结晶性，提供发光特性、和出光效率优异的发光元件的制造方法，以及灯。
本发明人为了解决上述问题进行了深入研究，结果完成了本发明。
即，本发明涉及以下内容。
(1)一种GaN系半导体半导体发光元件的制造方法，所述GaN系半导体发光元件在被赋予了凹凸形状的透光性基板上至少具有缓冲层、n型半导体层、发光层、和p型半导体层，其特征在于，通过溅射法来成膜，而得到所述缓冲层。
(2)如(1)所述的GaN系半导体半导体发光元件的制造方法，其特征在于，使用具有摆动式磁控管磁路的装置进行所述溅射法。
(3)如(1)或(2)所述的GaN系半导体半导体发光元件的制造方法，其特征在于，所述缓冲层是AlN、ZnO、Mg、Hf。
(4)如(1)或(2)所述的GaN系半导体半导体发光元件的制造方法，其特征在于，所述缓冲层是AlN。
(5)如(1)～(4)的任一项所述的GaN系半导体半导体发光元件的制造法，其特征在于，所述透光性基板是蓝宝石单晶。
(6)如(1)～(5)的任一项所述的GaN系半导体半导体发光元件的制造方法，其特征在于，所述凸形状是圆锥台，圆锥台的高度大于圆锥台的下端直径。
(7)如(1)～(5)的任一项所述的GaN系半导体半导体发光元件的制造方法，其特征在于，所述凸形状是三角锥台、四角锥台、五角锥台、六角锥台等多角锥台，多角锥台的高度大于多角锥台的下端对角线。
(8)如(1)～(5)的任一项所述的GaN系半导体半导体发光元件的制造方法，其特征在于，所述凸形状是圆锥，圆锥的高度大于圆锥的下端直径。
(9)如(1)～(5)的任一项所述的GaN系半导体半导体发光元件的制造方法，其特征在于，所述凸形状是三角锥、四角锥、五角锥、六角锥等多角锥，多角锥的高度大于多角锥的下端对角线。
(10)如(1)～(5)的任一项所述的GaN系半导体半导体发光元件的制造方法，其特征在于，所述凸形状是圆柱，圆柱的高度大于圆柱的直径。
(11)如(1)～(5)的任一项所述的GaN系半导体半导体发光元件的制造方法，其特征在于，所述凸形状是三角柱、四角柱、五角柱、六角柱等多角柱，多角柱的高度大于多角柱的对角线。
(12)如(1)～(5)的任一项所述的GaN系半导体半导体发光元件的制造方法，其特征在于，所述凹形状是圆锥台，圆锥台的深度大于圆锥台的上端直径和上面直径。
(13)如(1)～(5)的任一项所述的GaN系半导体半导体发光元件的制造方法，其特征在于，所述凹形状是三角锥台、四角锥台、五角锥台、六角锥台等多角锥台，多角锥台的深度大于多角锥台的上端对角线。
(14)如(1)～(5)的任一项所述的GaN系半导体半导体发光元件的制造方法，其特征在于，所述凹形状是圆锥，圆锥的深度大于圆锥的上端直径。
(15)如(1)～(5)的任一项所述的GaN系半导体半导体发光元件的制造方法，其特征在于，所述凹形状是三角锥、四角锥、五角锥、六角锥等多角锥，多角锥的深度大于多角锥的上端对角线。
(16)如(1)～(5)的任一项所述的GaN系半导体半导体发光元件的制造方法，其特征在于，所述凹形状是圆柱，圆柱的深度大于圆柱的直径。
(17)如(1)～(5)的任一项所述的GaN系半导体半导体发光元件的制造方法，其特征在于，所述凹形状是三角柱、四角柱、五角柱、六角柱等多角柱，多角柱的深度大于多角柱的对角线。
(18)如(1)～(5)的任一项所述的GaN系半导体半导体发光元件的制造方法，其特征在于，所述凹形状是条纹状的沟，沟的深度大于沟的宽度。
(19)一种灯，具备通过使用(1)～(18)的任一项所述的GaN系半导体半导体发光元件的制造方法而制造出的发光元件。
根据本发明的发光元件，因为利用溅射法在被赋予了凹凸形状的蓝宝石基板上成膜出缓冲层，所以可以形成稳定的缓冲层。进而，如果在溅射法中使用的装置具有摆动式磁控管磁路，就可能形成更稳定的缓冲层。
通过形成稳定的缓冲层，可以使结晶性高的GaN系半导体层生长，可以形成发光层的发光特性优异的GaN系半导体层。
所以，可以得到发光层的发光特性、和出光效率优异的发光元件。
另外，根据本发明的发光元件的制造方法，利用上述的构成，可以制造发光层的发光特性、和出光效率优异的发光元件。
另外，本发明的灯因为使用了本发明的发光元件，所以成为了具有优异的发光特性的灯。
附图说明
图1是表示本发明的发光元件的剖面的示意图。
图2是使用纳米压印法在基板形成凸部的例子。
图3是使用纳米压印法在基板形成凹部的例子。
图4是在使用固定式磁控管磁路的溅射装置时溅射粒子的活动的例子。
图5是在使用摆动式磁控管磁路的溅射装置时溅射粒子的活动的例子。
图6是使用本发明的发光元件制作出的炮弹型灯的例子。
符号说明
101基板
102缓冲层
103n型半导体层
104发光层
105p型半导体层
106透明电极
107正极
108负极
201磁控管磁路
202磁力线
203靶
204等离子体
205溅射粒子
206凹凸形状
30氮化镓系化合物半导体发光元件
31框架
32框架
33导线
34导线
35透明树脂铸型
具体实施方式
以下，适当参考图1～5，对本发明的发光元件和使用了该发光元件的灯的一种实施方案进行说明。
但是，本发明并不受以下各实施方案限制，例如，可以将这些方案的构成要素彼此适当组合。
[发光元件的整体构成]
图1是表示本发明的发光元件的剖面的示意图。
在图1中，符号101是基板，符号102是缓冲层，符号103是n型半导体层，符号104是发光层，符号105是p型半导体层，符号106是透明电极，符号107是正极，符号108是负极。
(基板)
作为基板101，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、和ZrB2等硼化物单晶等基板材料是周知的。在本发明中，包括这些周知的基板材料，可以没有任何限制地使用具有透光性的任意基板材料。其中优选蓝宝石单晶。此外，对于基板101的面方位并不特别限制。另外，既可以是已调好的基板也可以是赋予了离角的基板。
另外，在本发明中，所谓透光性是在GaN系半导体发光元件的发光区域内有透光性的意思，只要对400nm～600nm的波长具有70％以上的透过率即可。
(蓝宝石基板的加工方法)
作为在蓝宝石基板上形成周期性的凹凸图案的方法，可以使用历来公知的光刻法。进而，也可能使用纳米压印法。
在使用纳米压印法的情况下，使用镍等的掩模，在该掩模上涂布抗蚀剂，将抗蚀剂面按压在氧化钛系导电膜的表面进行转印。后续工序与历来公知的光刻一样。
此外，在使用上述纳米压印法的情况下，因为将带有抗蚀剂的掩模直接按压在蓝宝石基板上，所以有时会存在掩模损伤的问题。为了避免该问题，用PVA等水溶性树脂制成掩模复制品，在该复制品上涂布抗蚀剂，将复制品按压在氧化钛系导电膜上来进行转印的方法是有效的。因为该方法是不从掩模直接转印的方法，所以不会损伤掩模。另外，PVA是树脂，所以制成复制品时基本不损伤掩模。另外，尽管复制品只能使用1次，但因为PVA价格便宜，所以批量生产不成问题。另外，由于复制品是水溶性的，所以还有在抗蚀剂转印后可以用水容易地除去的优点。
凹凸形状主要有图2所示的凸型、和图3所示的凹型，可以使用任一种。
对凸部形状不特别限制，可以列举圆柱，三角柱、四角柱、五角柱、六角柱等多角柱，圆锥，三角锥、四角锥、五角锥、六角锥等多角锥，圆锥台，三角锥台、四角锥台、五角锥台、六角锥台等多角锥台等形状，可以适当选择。另外，对于图1所示的发光元件1的剖面形状而言，优选制成基板凸部的下端宽度尺寸与上端宽度尺寸相同，或者逐渐变大那样的形状。
另外，对凸部大小不特别限制，但优选凸部底面的直径或对角线的长度为0.1μm～10μm的范围。
如果使用光刻法，则可使形成的凸部底面的直径或对角线的长度不足0.1μm，但是会使成本变高。另外，因为发光元件的大小一般是100μm～2000μm，所以如果凸部底面的直径或对角线的长度超过10μm，就过大而不能得到充分的出光效率。更优选为0.1μm～2μm的范围。
凸部的间隔只要是周期性的即可，不特别限制，但优选为0.1μm～10μm的范围。
如果使用光刻法，则可使形成的凸部间隔不足0.1μm，但是会使成本变高。另外，因为发光元件的大小一般是100μm～2000μm，所以如果凸部间隔超过10μm，就过大而不能得到充分的出光效率。更优选为0.1μm～2μm的范围。
对凸部的高度不特别限制，优选为0.1μm～2.0μm的范围。
因为如果凸部的高度不足0.1μm，高度就不充分，所以不利于提高出光效率。另外，在凸部的高度超过2.0μm的情况下，虽然有助于提高出光效率，但是因为生产率大幅降低，所以不理想。
另外，更优选凸部的大小满足(凸部底面的直径或对角线的长度)＜(凸部高度)的关系。通过满足该关系，可以更有效地提高出光效率。
更具体地说，在凸形状是圆锥台的情况下，优选圆锥台的高度比圆锥台的下端直径大。
在凸形状是三角锥台、四角锥台、五角锥台、六角锥台等多角锥台的情况下，优选多角锥台的高度比多角锥台的下端的对角线大。
在凸形状是圆锥的情况下，优选圆锥的高度比圆锥的下端直径大。
在凸形状是三角锥、四角锥、五角锥、六角锥等多角锥的情况下，优选多角锥的高度比多角锥的下端的对角线大。
在凸形状是圆柱的情况下，优选圆柱的高度比圆柱的直径大。
在凸形状是三角柱、四角柱、五角柱、六角柱等多角柱的情况下，优选多角柱的高度比多角柱的对角线大。
在凸形状是条纹状的沟的情况下，优选沟的深度比沟的宽度大。
对凹部的形状不特别限制，可以列举圆柱，三角柱、四角柱、五角柱、六角柱等多角柱，圆锥，三角锥、四角锥、五角锥、六角锥等多角锥，圆锥台，三角锥台、四角锥台、五角锥台、六角锥台等多角锥台等形状，可以适当选择。另外，在图1所示的发光元件1的剖面形状中，优选制成基板的凹部的上端宽度尺寸与下端宽度尺寸相同，或者逐渐变大那样的形状。
另外，对凹部的大小不特别限制，但优选凹部上端的直径或对角线的长度为0.1μm～10μm的范围。
如果使用光刻法，则可使形成的凹部底面的直径或对角线的长度不足0.1μm，但是会使成本变高。另外，因为发光元件的大小一般是100μm～2000μm，所以如果凹部上端的直径或对角线的长度超过10μm，就过大而不能得到充分的出光效率。更优选为0.1μm～2μm的范围。
凹部的间隔只要是周期性的即可，不特别限制，但优选为0.1μm～10μm的范围。
如果使用光刻法，形成的凹部间隔可能不足0.1μm，但是会使成本变高。另外，因为发光元件的大小一般是100μm～2000μm，所以如果凹部的间隔超过10μm，就过大而不能得到充分的出光效率。更优选为0.1μm～2μm的范围。
凹部的深度不特别限制，更优选为0.1μm～2.0μm的范围。
因为如果凹部的深度不足0.1μm，高度就不充分，所以不利于提高出光效率。另外，在凹部的深度超过2.0μm的情况下，虽然有助于提高出光效率，但是因为生产率大幅降低，所以不合适。
另外，更优选凹部的大小满足(凹部上端的直径或对角线的长度)＜(凸部高度)的关系。通过满足该关系，可以更有效地提高出光效率。
更具体地说，在凹形状是圆锥台的情况下，优选圆锥台的深度比圆锥台上端的直径和上面的直径大。
在凹形状是三角锥台、四角锥台、五角锥台、六角锥台等多角锥台的情况下，优选多角锥台的深度比多角锥台的上端对角线大。
在凹形状是圆锥的情况下，优选圆锥的深度比圆锥的上端直径大。
在凹形状是三角锥、四角锥、五角锥、六角锥等多角锥的情况下，优选多角锥的深度比多角锥的上端对角线大。
在凹形状是圆柱的情况下，优选圆柱的深度比圆柱的直径大。
在凹形状是三角柱、四角柱、五角柱、六角柱等多角柱的情况下，优选多角柱的深度比多角柱的对角线大。
在凹形状是条纹状的沟的情况下，优选沟的深度比沟的宽度大。
(溅射方法)
缓冲层一般通过MOCVD法叠层，但由于在基板被施予了凹凸形状的情况下，在基板表面上的MO气体的流速混乱，所以叠层稳定的缓冲层是困难的。特别如果是(凸部底面的直径或对角线的长度)＜(凸部高度)的关系，形成直到凸部底面的稳定缓冲层就变得更难。
因为溅射粒子的直进性高，所以溅射法可能在不特别受到凹凸形状影响的状态下成膜。进而，更优选具有摆动式磁控管磁路的溅射法。
使用图4、5对其原理进行说明。在本说明中凹凸形状极小，作为点206处理。如图4所示，如果磁控管磁路是固定式的，那么向凹凸形状206入射的溅射粒子的方向就被限制于一个方向。另一方面，如图5所示，如果磁控管磁路是摆动的方式，那么向凹凸形状206入射的溅射粒子的方向就可以取各种方向。因为如果溅射粒子只从一个方向进入，那么在凹凸形状的情况下，无论如何都会造成阴影出现，所以就会造成不能成膜的部分出现。另一方面，在溅射粒子从多个方向进入的情况下，不易出现阴影，在凹凸形状整个面上成膜就变为可能。
摆动的方式可能是任何样的活动，优选相对于靶面平行移动。为了保持均匀的膜厚度，优选移动是来回运动。移动速度可以是固定的移动速度，进而，具有简谐振动摆动机构、使得在来回运动的端部较慢、在来回运动的中部最快的情况，可以获得更均匀厚度的膜。
成膜方式可能是DC、RF的任一种。在将AlN成膜的情况下，既可以使用AlN靶以RF成膜，也可以使用Al靶在N2中进行反应性溅射来成膜。反应性溅射可能是RF、DC的任一种，但因为有时绝缘性的沉积物附着在靶上而产生异常放电，所以优选RF。
(GaN层)
通常，介由作为缓冲层的GaN层102，在基板101上叠层由GaN系半导体形成的n型半导体层、发光层和p型半导体层。在本发明中缓冲层是通过溅射来成膜的。
作为GaN  系半导体，已知有大量的用例如通式AlXGaYInZN1-AMA(0≤X≤1、0≤Y≤1、0≤Z≤1，且X+Y+Z＝1。符号M表示与氮不同的第V A族元素，0≤A＜1。)表示的GaN系半导体，即使在本发明中，也可以没有任何限制地使用包括这些周知的GaN系半导体的用通式AlXGaYInZN1-AMA(0≤X≤1、0≤Y≤1、0≤Z≤1，且X+Y+Z＝1。符号M表示与氮不同的第V A族元素，0≤A＜1。)表示的GaN系半导体。GaN系半导体还可以含有除了Al、Ga、和In之外的其它第III A族元素，根据需要也可以含有Ge、Si、Mg、Ca、Zn、Be、P、As、和B等元素。进而，也不限于有意添加的元素，有时还含有成膜条件等决定的必然含有的杂质，以及原料、反应管材质中所含有的微量杂质。
对于GaN系半导体的生长方法并不特别限制，可以应用MOCVD(有机金属气相生长法)、HVPE(卤化物气相生长法)、MBE(分子束外延法)等为人们所知的能够使GaN系半导体生长的所有方法。作为优选的生长方法，从膜厚度控制性、批量生产性的观点出发是MOCVD法。
在MOCVD法中，作为载气可以使用氢(H2)或氮(N2)，作为第III A族原料，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)，作为第V A族原料的氮源可以使用氨(NH3)或肼(N2H4)等。另外，作为掺杂剂，n型中作为Si原料可以使用硅烷(SiH4)或乙硅烷(Si2H6)，作为Ge原料可以使用锗烷(GeH4)、四甲基锗((CH3)4Ge)、四乙基锗((C2H5)4Ge)等有机锗化合物。
在MBE法中，单质锗也可以作为掺杂源使用。在p型中作为Mg原料使用例如二环戊二烯基镁(Cp2Mg)、或二乙基环戊二烯基镁(EtCp2Mg)。
n型半导体层2通常由基底层、n接触层、和n包层构成。n接触层可以兼具基底层和/或n包层。基底层优选由AlXGa1-XN层(0≤X≤1，优选为0≤X≤0.5，更优选为0≤X≤0.1)构成。其膜厚度为0.1μm以上，优选为0.5μm以上，更优选为1μm以上。形成该厚度以上的膜的情况更容易得到结晶性良好的AlXGa1-XN层。
在基底层中只要在1×1017～1×1019/cm3的范围内掺杂n型杂质即可，从维持良好的结晶性等的方面来看，优选没掺杂(＜1×1017/cm3)。作为n型杂质不特别限制，可以列举例如Si、Ge、和Sn等，优选的是Si和Ge。
优选使基底层生长时的生长温度调节为800～1200℃，更优选在1000～1200℃的范围内。如果在该生长温度范围内生长就能得到结晶性良好的基底层。另外，将MOCVD生长炉内的压力调节在15～40kPa内。
作为n接触层，优选与基底层同样由AlXGa1-XN层(0≤X≤1，优选为0≤X≤0.5，更优选为0≤X≤0.1)构成。另外，优选在n接触层中掺杂有n型杂质，如果以1×1017～1×1019/cm3的浓度、优选为1×1018～1×1019/cm3的浓度含有n型杂质，那么在维持与负极良好的欧姆接触、抑制裂缝出现、维持良好的结晶性的方面优选。作为n型杂质不特别限制，可以列举例如Si、Ge、和Sn等，优选的是Si和Ge。生长温度与基底层相同。
构成n接触层的GaN系半导体，优选是与基底层相同组成。优选将n接触层与基底层的总计膜厚度设定为1～20μm的范围，优选为2～15μm的范围，更优选为3～12μm的范围。如果n接触层与基底层的总计膜厚度处于上述范围，就能够维持良好的半导体的结晶性。
优选在n接触层与发光层3之间设置n包层。这是因为可以填埋在n接触层的表面产生的平坦性的恶化的缘故。n包层可以AlGaN、GaN、GaInN等形成。另外，可以制成这些结构的异质接合、多次叠层的超晶格结构。不言而喻，在以GaInN形成n包层的情况下，优选使n包层比发光层3的GaInN的带隙大。
对n包层的膜厚度不特别限制，优选为0.005～0.5μm，更优选为0.005～0.1μm。n包层的n型掺杂的浓度优选为1×1017～1×1020/cm3，更优选为1×1018～1×1019/cm3。如果掺杂浓度为该范围，那么在维持良好的结晶性和降低元件的工作电压的方面优选。
作为在n型半导体层2上叠层的发光层，在本发明中通常使用由GaN系半导体、优选为Ga1-sInsN(0＜s＜0.4)的GaN系半导体形成的发光层。作为发光层3的膜厚度不特别限制，可以列举能够获得量子效果的程度的膜厚度，即临界膜厚度，例如优选为1～10nm，更优选为2～6nm。如果发光层的膜厚度为上述范围，那么在发光输出功率的方面优选。
另外，发光层除了上述那样的单量子阱(SQW)结构之外，还可以制成以上述Ga1-sInsN为阱层，阱层与禁带能比该阱层大的AlcGa1-cN(0≤c＜0.3)阻挡层形成的多量子阱(MQW)结构。另外，阱层和阻挡层中可以掺杂杂质。
AlcGa1-cN阻挡层的生长温度优选为700℃以上，更优选的是，因为如果使之在800～1100℃生长，结晶性就变得良好，所以优选。在600～900℃，优选为700～900℃使GaInN阱层生长。即为了使MQW的结晶性良好，优选在层间改变生长温度。
p型半导体层通常由p包层和p接触层构成。但是，p接触层也可以兼具p包层。
作为p包层，只要是其组成的禁带能比发光层的禁带能大，可以封闭射向发光层3的载流子即可，不特别限制，可以优选列举AldGa1-dN(0＜d≤0.4，优选为0.1≤d≤0.3)的p包层。如果p包层由这样的AlGaN形成，那么在封闭射向发光层的载流子方面优选。对p包层的厚度不特别限制，优选为1～400nm，更优选为5～100nm。p包层的p型掺杂浓度优选为1×1018～1×1021/cm3，更优选为1×1019～1×1020/cm3。如果p型掺杂浓度为上述范围，就不会使结晶性下降，可以得到良好的p型晶体。
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GaN系半导体层。如果Al组成为上述范围，那么在维持良好的结晶性和与p欧姆电极的良好欧姆接触的方面优选。如果以1×1018～1×1021/cm3的浓度，优选为5×1019～5×1020/cm3的浓度含有p型杂质(掺杂剂)，那么在维持良好的欧姆接触、防止裂缝产生、维持良好的结晶性的方面优选。作为p型杂质，不特别限制，优选列举例如Mg。对于膜厚度不特别限制，优选为0.01～0.5μm，更优选为0.05～0.2μm。如果膜厚度为该范围，那么在发光输出功率的方面优选。
(电极)
透光性正极至少由与p型半导体层相连的透光性导电氧化膜层形成。在透光性导电氧化薄膜层上的一部分上设有用于与电路基板或引线框等的电接通的正极焊盘。
透光性正极可以将含有选自ITO(In2O3-SnO2)、AZnO(ZnO-Al2O3)、IZnO(In2O3-ZnO)、GZO(ZnO-Ga2O3)的至少一种物质的材料，用该技术领域内公知惯用的方法进行设置。另外，该结构可以没有任何限制地使用包括历来公知的结构的任何结构。
透光性正极既可以将p型半导体层上的几乎整个面覆盖那样地形成，又可以空有间隙形成网格状、树枝状。在形成透光性正极之后，也有时为了合金化或透明化而实施热退火，但也可以不实施。
正极焊盘被设置在透光性正极上，作为正极焊盘的材料，使用Au、Al、Ni、和Cu等的各种结构是周知的，可以没有任何限制地使用这些周知的材料、结构。
正极焊盘的厚度优选为100～1000nm的范围内。另外，在焊盘特性上，因为厚度大的可焊接性高，所以更优选使正极焊盘17的厚度大于等于300nm。进而，从制造成本的观点出发优选为小于等于500nm。
负极焊盘，以其与在基板上依次叠层有n型半导体层、发光层、p型半导体层的氮化镓系化合物半导体的所述n型半导体层连接的方式形成。
因此，在形成负极焊盘时，除去发光层和p型半导体层的一部分，从而使n型半导体层的n接触层露出，在其上形成了负极焊盘。
作为负极焊盘的材料，各种组成和结构的负极是周知的，可以没有任何限制地使用这些周知的负极，可以用该技术领域内公知惯用的方法设置。
(灯的说明)
如以上说明的本发明的氮化镓系化合物半导体发光元件，可以利用例如本领域工作人员周知的方法，设置透明罩从而构成灯。另外，通过本发明的氮化镓系化合物半导体发光元件与含有荧光体的罩组合，也可以构成白色的灯。
另外，例如，如图6所示，可以使用历来公知的方法没有任何限制地将本发明的氮化镓系化合物半导体发光元件制成LED灯。作为灯，可以在一般用途的炮弹型、携带的背光用途的端视型、在显示器中使用的顶视型等任何用途中使用。例如，将图1所示的正装型的氮化镓系化合物半导体发光元件在炮弹型中装配的情况下，如图示例那样，用树脂等将氮化镓系化合物半导体发光元件30与2个框架31、32的一个接合，使用金等材质制成的导线33、34，将正极焊盘与负极焊盘分别与框架31、32接合。然后，使用透明树脂在元件周围制成铸型35，从而制作出炮弹型的灯。
实施例
下面，通过实施例更详细地说明本发明，但本发明并不仅仅限于这些实施例。
(实施例1)
在图1中，表示在本实施例中制作的氮化镓系化合物半导体发光元件的剖面示意图。
(凹凸形状的蓝宝石基板的制作)
基板使用蓝宝石单晶，使用公知的光刻法，在蓝宝石单晶基板上形成凹形状。在蓝宝石单晶基板的蚀刻中使用了BCl3作为蚀刻气体。凹形状形成了圆锥台形状(上端尺寸4μm，下端尺寸2μm)。
(溅射法)
通过RF溅射将AlN成膜。靶使用Al，通过与N2的反应性溅射形成了AlN。使用摆动式磁控管磁路，以简谐振动摆动装置使之来回运动(1来回30秒)而成膜。使基板温度为700℃，膜厚度50nm而成膜。
(氮化镓系化合物半导体发光元件的制作)
利用溅射，成膜出由AlN形成的缓冲层，然后叠层氮化镓系化合物半导体层。该氮化镓系化合物半导体层含有n型半导体层和p型半导体层，各层依次叠层而形成了该氮化镓系化合物半导体层，所述n型半导体层依次叠层有厚度6μm的由没掺杂的GaN形成的基底层、厚度2μm的Ge掺杂n型GaN接触层、和厚度0.02μm的n型In0.1Ga0.9N包层，所述p型半导体层依次叠层有发光层、厚度0.01μm的Mg掺杂p型Al0.07Ga0.93N包层、和厚度0.18μm的Mg掺杂p型Al0.02Ga0.98N接触层，所述发光层是将厚度16nm的Si掺杂GaN阻挡层、和厚度2.5nm的In0.06Ga0.94N阱层进行5次叠层，最后设置了阻挡层的多量子阱结构的发光层。出光面为半导体侧。
在该结构中，n型GaN接触层的载流子浓度为1×1019cm-3，GaN阻挡层的Si掺杂量为1×1017cm-3，p型AlGaN接触层的载流子浓度为5×1018/cm-3，p型AlGaN包层的Mg掺杂量为5×1019cm-3。
另外，氮化镓系化合物半导体层的叠层可以利用MOCVD法，在该技术领域内周知的通常条件下进行。
然后，在该氮化镓系化合物半导体层上，利用反应性离子蚀刻法使形成负极的区域的n型GaN接触层露出。这时，首先在p型半导体层的整个面上均匀涂布抗蚀剂，然后使用公知的光刻技术，从负极形成区域除去抗蚀剂。然后，放置到真空蒸镀装置内，在压力小于等于4×10-4Pa下利用电子束法叠层Ni和Ti，使得膜厚度分别为约50nm和300nm。然后利用提离(lift off)技术将负极形成区域之外的金属膜与抗蚀剂一起除去。
接着，在反应性离子蚀刻装置的蚀刻室内的电极上放置半导体叠层基板，将蚀刻室减压到10-4Pa，然后供给Cl2作为蚀刻气体，进行蚀刻直到n型GaN接触层露出。在蚀刻后，从反应性离子蚀刻装置取出，通过硝酸和氢氟酸除去上述蚀刻掩模。
(透光性正极的形成)
然后，使用公知的光刻技术和提离技术，仅在p型AlGaN接触层表面形成正极的区域，形成了由ITO构成的电流扩散层(透光性正极)。在电流扩散层的形成中，首先将叠层有氮化镓系化合物半导体层的基板放入真空溅射装置内，然后在p型AlGaN接触层上叠层了300nm的ITO。然后从真空室取出，并实施用于透明化的热处理。
(焊盘的形成)
接着，以如下的程序形成了正极焊盘和负极焊盘。
首先，遵循通常被称为提离的周知的程序进行处理，进而利用同样的叠层方法，在ITO膜的一部分上依次叠层由Au形成的第1层、由Ti形成的第2层、由Al形成的第3层、由Ti形成的第4层、和由Au形成的第5层，形成了5层结构的正极焊盘17。这里，由Au/Ti/Al/Ti/Au形成的各层的厚度分别为50/20/10/100/500nm。
接着，在上述的利用反应性离子蚀刻法露出的n型GaN接触层上，利用以下程序形成负极焊盘18。
首先，在n型GaN接触层的露出区域的整个面上均匀涂布抗蚀剂，然后使用公知的光刻技术，从露出的n型GaN接触层上的形成负极的部分除去抗蚀剂。然后，利用通常使用的真空蒸镀法，从半导体侧依次形成了Ti厚度为100nm、Au厚度为500nm的负极焊盘。然后，利用公知的方法除去抗蚀剂。
这样，通过对基板背面进行研削、研磨，使基板薄至80μm，使用激光划片器，从半导体叠层侧划线，然后压断，从而将形成正极和负极的晶片切割成350μm见方的芯片。
(驱动电压(Vf)和发光输出功率(Po)的测定)
将这些芯片用探针通电，测定在施加电流值20mA下的顺向电压(驱动电压：Vf)，结果是3.3V。
另外，将芯片装配在TO-18罐包装中，用检测器测定发光输出功率，结果在施加电流20mA下的发光输出功率显示为16mW。另外，可以确认该发光面的发光分布为在透光性正极表面的整个面发光。
(比较例1)
除了使用MOCVD法代替溅射法形成AlN缓冲层之外，与实施例1同样地操作，制作了氮化镓系化合物半导体发光元件。
将这些芯片用探针通电，测定在附加电流值20mA下的顺向电压(驱动电压：Vf)，结果是3.3V。
另外，将芯片装配在TO-18罐包装中，用检测器测定发光输出功率，结果是在施加电流20mA下的发光输出功率显示为13mW。另外，可以确认该发光面的发光分布为在透光性正极表面的整个面发光。
(比较例2)
除了没有在蓝宝石基板上形成凹凸形状之外，与实施例1同样地操作，制作了氮化镓系化合物半导体发光元件。
将这些芯片用探针通电，测定在附加电流值20mA下的顺向电压(驱动电压：Vf)，结果是3.3V。
另外，将芯片装配在TO-18罐包装中，用检测器测定发光输出功率，结果是在施加电流20mA下的发光输出功率显示为12mW。另外，可以确认该发光面的发光分布为在透光性正极表面的整个面发光。
从比较例1、2得知，在蓝宝石基板上形成凹凸可以提高输出功率，但从实施例1和比较例1得知，在蓝宝石基板上形成凹凸，进而利用溅射法形成缓冲层，可以进一步提高输出功率。
工业可利用性
本发明可以在发光元件中应用，特别是可以在具有高可靠性和优异的出光效率的发光元件的制造方法，以及具备通过使用该制造方法制造出的发光元件的灯中应用。

Claims (19)

1.一种GaN系半导体半导体发光元件的制造方法，所述GaN系半导体发光元件在被赋予了凹凸形状的透光性基板上至少具有缓冲层、n型半导体层、发光层、和p型半导体层，其特征在于，通过溅射法来成膜所述缓冲层。
2.如权利要求1所述的GaN系半导体半导体发光元件的制造方法，其特征在于，使用具有摆动式磁控管磁路的装置实施所述溅射法。
3.如权利要求1或2所述的GaN系半导体半导体发光元件的制造方法，其特征在于，所述缓冲层是AlN、ZnO、Mg、Hf。
4.如权利要求1或2所述的GaN系半导体半导体发光元件的制造方法，其特征在于，所述缓冲层是AlN。
5.如权利要求1～4的任一项所述的GaN系半导体半导体发光元件的制造法，其特征在于，所述透光性基板是蓝宝石单晶。
6.如权利要求1～5的任一项所述的GaN系半导体半导体发光元件的制造方法，其特征在于，所述凸形状是圆锥台，圆锥台的高度大于圆锥台下端的直径。
7.如权利要求1～5的任一项所述的GaN系半导体半导体发光元件的制造方法，其特征在于，所述凸形状是三角锥台、四角锥台、五角锥台、六角锥台等多角锥台，多角锥台的高度大于多角锥台下端的对角线。
8.如权利要求1～5的任一项所述的GaN系半导体半导体发光元件的制造方法，其特征在于，所述凸形状是圆锥，圆锥的高度大于圆锥下端的直径。
9.如权利要求1～5的任一项所述的GaN系半导体半导体发光元件的制造方法，其特征在于，所述凸形状是三角锥、四角锥、五角锥、六角锥等多角锥，多角锥的高度大于多角锥下端的对角线。
10.如权利要求1～5的任一项所述的GaN系半导体半导体发光元件的制造方法，其特征在于，所述凸形状是圆柱时，圆柱的高度大于圆柱的直径。
11.如权利要求1～5的任一项所述的GaN系半导体半导体发光元件的制造方法，其特征在于，所述凸形状是三角柱、四角柱、五角柱、六角柱等多角柱，多角柱的高度大于多角柱的对角线。
12.如权利要求1～5的任一项所述的GaN系半导体半导体发光元件的制造方法，其特征在于，所述凹形状是圆锥台，圆锥台的深度大于圆锥台的上端直径和上面直径。
13.如权利要求1～5的任一项所述的GaN系半导体半导体发光元件的制造方法，其特征在于，所述凹形状是三角锥台、四角锥台、五角锥台、六角锥台等多角锥台，多角锥台的深度大于多角锥台上端的对角线。
14.如权利要求1～5的任一项所述的GaN系半导体半导体发光元件的制造方法，其特征在于，所述凹形状是圆锥，圆锥的深度大于圆锥上端的直径。
15.如权利要求1～5的任一项所述的GaN系半导体半导体发光元件的制造方法，其特征在于，所述凹形状是三角锥、四角锥、五角锥、六角锥等多角锥，多角锥的深度大于多角锥上端的对角线。
16.如权利要求1～5的任一项所述的GaN系半导体半导体发光元件的制造方法，其特征在于，所述凹形状是圆柱，圆柱的深度大于圆柱的直径。
17.如权利要求1～5的任一项所述的GaN系半导体半导体发光元件的制造方法，其特征在于，所述凹形状是三角柱、四角柱、五角柱、六角柱等多角柱，多角柱的深度大于多角柱的对角线。
18.如权利要求1～5的任一项所述的GaN系半导体半导体发光元件的制造方法，其特征在于，所述凹形状是条纹状的沟，沟的深度大于沟的宽度。
19.一种灯，具备通过使用权利要求1～18的任一项所述的GaN系半导体半导体发光元件的制造方法而制造出的发光元件。
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