CN101431141B

CN101431141B - 氮化物半导体发光器件

Info

Publication number: CN101431141B
Application number: CN2008101842162A
Authority: CN
Inventors: 笔田麻佑子
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2007-09-14
Filing date: 2008-09-16
Publication date: 2011-02-23
Anticipated expiration: 2028-09-16
Also published as: JP2009088481A; JP5178360B2; TWI472053B; JP2012156555A; CN101431141A; TW200937678A

Abstract

本发明提供了一种氮化物半导体发光器件，该氮化物半导体发光器件依次序包括第一n型氮化物半导体层，发光层，p型氮化物半导体层，以及第二n型氮化物半导体层，并且还包括在第二n型氮化物半导体层上的由透明导电膜形成的电极。该氮化物半导体发光器件具有改善了的光取出效率。由透明导电膜形成的电极优选地形成在第二n型氮化物半导体层的一部分表面上。

Description

氮化物半导体发光器件

技术领域

本发明涉及氮化物半导体发光器件，更具体地，涉及具有改善的光取出效率(light extraction efficiency)的氮化物半导体发光器件。

背景技术

氮化物半导体发光器件受到了人们的关注，例如，作为照明光源和白光发光二极管的激发光源。氮化物半导体发光器件一般具有发光层夹于n型氮化物半导体层和p型氮化物半导体层之间的结构，并且由于电子与空穴复合而导致发光。

图9是在日本专利申请公开No.2006-135311中描述的传统的氮化物半导体发光器件的示意性的截面图。在如图9所示的氮化物半导体发光器件中，包括多个氮化物半导体层的叠层形成在衬底901上。叠层从衬底901一侧开始依次包括：第一n型氮化物半导体层902、有源层903、p型氮化物半导体层904以及第二n型氮化物半导体层905。第二n型氮化物半导体层905随将空穴注入p型氮化物半导体层904的p侧电极906形成，并且第一n型氮化物半导体层902随n侧电极907形成。

在此，例如，诸如Al的金属用作p侧电极906，但是当金属用作p侧电极材料时，所得到的不透明电极将吸收光，从而导致光取出效率变差的问题。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种具有改善的光取出效率的氮化物半导体发光器件。

本发明提供了一种氮化物半导体发光器件，依次包括：第一n型氮化物半导体层、发光层、p型氮化物半导体层和第二n型氮化物半导体层，并且还包括在第二n型氮化物半导体层上的由透明导电膜形成的电极。

优选地，由透明导电膜形成的电极形成在第二n型氮化物半导体层的一部分表面上。

优选地，由透明导电膜形成的电极具有单条或多条的线状形状，或网状形状。优选地，通过溅射形成由透明导电膜形成的电极。

优选地，在本发明的氮化物半导体发光器件中，在第二n型氮化物半导体层中形成有由透明导电膜形成的电极的一侧上的至少一部分表面具有凸起。

优选地，氮化物半导体发光器件具有电流阻挡部分。优选地，电流阻挡部分由凹部组成，该凹部形成在第二n型氮化物半导体层的表面上并且具有至少到达p型氮化物半导体层的第二n型氮化物半导体层侧的表面的深度。可供选择地，电流阻挡部分优选地是由形成在第二n型氮化物半导体层表面上的凹部和形成以覆盖凹部的底面和侧面的绝缘层构成，该凹部具有至少到达第一n型氮化物半导体层的发光层侧的表面的深度。该绝缘层形成以覆盖所述凹部的底面和侧面。

优选地，本发明的氮化物半导体发光器件还包括用于引线键合的垫电极，连接到由透明导电膜形成的电极。优选地，垫电极形成在电流阻挡部分上。

根据本发明，相对于传统情形，提供了具有改善的光取出效率的氮化物半导体发光器件。

结合附图，从随后的本发明详细描述中，本发明的前述的和其它的目的、特征、方面和优点将变得更加直观。

附图说明

图1A和1B是本发明的氮化物半导体发光器件的一个优选示例的示意图；

图2是用于形成凹部的抗蚀剂掩膜的俯视图；

图3是氮化物半导体发光器件在制造过程中形成凹部以后的截面示意图；

图4是用于SiO₂蚀刻的抗蚀剂掩膜的俯视图；

图5是氮化物半导体发光器件在制造过程中形成绝缘层以后的截面示意图；

图6是用于形成由透明导电膜形成的电极的抗蚀剂掩膜俯视图；

图7是氮化物半导体发光器件在制造过程中形成由透明导电膜形成的电极以后的截面示意图；

图8是本发明氮化物半导体发光器件另一个优选示例的截面示意图；并且

图9是传统氮化物半导体发光器件的截面示意图。

具体实施方式

图1A和1B是本发明氮化物半导体发光器件的一个优选示例的示意图，其中图1A是俯视图，图1B是截面图。图1A和1B中所示的氮化物半导体发光器件具有依次在衬底101上的第一n型氮化物半导体层102、发光层103、p型氮化物半导体层104和第二n型氮化物半导体层105。此外，它具有在第二n型氮化物半导体层105的一部分上由透明导电膜形成的电极106。此外，第二n型氮化物半导体层105形成为具有凹部，该凹部具有到达第一n型氮化物半导体层102的深度；绝缘层109形成以覆盖该凹部的底面和侧面。氮化物半导体发光器件具有与由透明导电膜形成的电极106连接的在凹部上的垫电极(pad electrode)107，并且具有在第一n型氮化物半导体层102上的垫电极108。

在本发明中，在第二n型氮化物半导体层105上形成的电极是由透明导电膜形成电极而不是金属厚膜电极。当以不透明金属作为电极时，光将被吸收，但是通过采用透明导电膜，可以抑制电极的光吸收，并且因此改善光取出效率。

在此，由透明导电膜形成的电极的厚度优选为10到1000nm，并且更优选为50到500nm。当厚度小于10nm，电流扩散趋于不足，并且当厚度超过1000nm时，透明导电膜的透光度趋于变差。作为电极的材料，例如，ITO(氧化铟锡)，氧化锡，氧化铟，氧化锌，氧化镓，IZO(氧化铟-氧化锌)，AZO(氧化锌-氧化铝)，以及GZO(氧化锌-氧化镓)可以被列举。

在本发明中，优选地，由透明导电膜形成的电极106形成在第二n型氮化物半导体层105的一部分表面上。这是由于优选地要使得电极形成区域较小，因为即使当采用透明导电膜时，透明导电膜也不是完全透明的，并且吸收例如5-10％的光。结果，可以抑制电极的光吸收。优选地，如图1A所示，由透明导电膜形成的电极106具有由多条线组成的形状。同样该结构有利于减小电极形成区域。由透明导电膜形成的电极106的形状不限于图1A所示，并且例如可以是由单条线构成的形状，或网状形状。当电极的形状是由多条线组成的形状或网状形状时，对线间的间隔以及网中的间距不作具体限制，但是它们优选为允许电流在第二n型氮化物半导体层105中充分扩散的距离。随后将会描述，尽管第二n型氮化物半导体层105具有电流扩散层的功能，但是电流扩散距离是有限的，因为它不具备如同金属那样高的电流扩散能力。因此，当线间的间隔以及网格中的间距大时，可能不能充分地获得电流扩散。例如，在如图1A所示的线状形状的情形下，线间距离可以为大约5到100μm。通过形成线状或网状电极，可以从没有电极的间隔直接取出光，避免了电极的干扰。

优选地，通过溅射形成由透明导电膜形成的电极106。溅射形成可以改善电极的透光性。此外，由于第二n型氮化物半导体层和透明导电膜之间的接触电阻可以减小，所以电压可以减小。

本发明的氮化物半导体发光器件具有在p型氮化物半导体层104之上的第二n型氮化物半导体层105。第二n型氮化物半导体层105用作电流扩散层。当电极直接提供在p型氮化物半导体层上时，在p型氮化物半导体层中不发生电流扩散，因此需要在要求发光的区域的整个表面上形成电极。在这种情况下，即使当透明电极用作电极时，由于电极形成在整个表面上，所以光取出效率趋于减小。通过提供n型氮化物半导体层，在n型氮化物半导体层中发生电流扩散，因此不再需要在整个表面上提供电极。结果，可以从没有形成电极的区域直接取出光。

作为第二n型氮化物半导体层105，例如，可以采用n型GaN层、n型InGaN层、n型AlGaN层或者多个这些层组合的叠层结构，而不作具体限制。此外，第二n型氮化物半导体层105的厚度可以是例如10到3000nm，并且优选为10到1000nm。

优选地，在第二n型氮化物半导体层105中，形成有由透明导电膜形成的电极106的一侧上的至少一部分表面具有凸起。由于氮化物半导体层具有高的折射率，在发光层中产生的光可能返回到器件内部，因为它在与空气或封装中使用的树脂的界面上由于光折射而被反射。当光返回到器件内部时，光被发光层再次吸收，因此发生光损失。通过在第二n型氮化物半导体层105表面形成凸起，可以阻止光由于折射而返回到器件内部，并且因此改善了光取出效率。

在本发明中，如图1A和1B所示的氮化物半导体发光器件，优选具有电流阻挡部分。通过提供电流阻挡部分，可以改善发光效率。例如，电流阻挡部分可以通过去除一部分第二n型氮化物半导体层105，并且在第二n型氮化物半导体层105的表面上形成凹部而形成，该凹部具有至少到达p型氮化物半导体层104的第二n型氮化物半导体层105一侧的表面的深度。如上所述，由于第二n型氮化物半导体层105用作电流扩散层，所以电流不能在去除了第二n型氮化物半导体层105的区域中扩散，并且不能发光。同样通过去除部分第二n型氮化物半导体层105和p型氮化物半导体层104来形成暴露p型层的凹部，并且在凹部中形成例如透明导电膜的n型电极，因为p型氮化物半导体层104和透明导电膜之间的接触电阻非常高，所以可以实现电流阻挡部分的功能。在这种情况下，当透明导电膜通过溅射形成时，透明导电膜与第二n型氮化物半导体层接触的部分具有低接触电阻，而与p型氮化物半导体层接触的部分由于等离子溅射而具有高电阻。因此，它成了更为理想的电流阻挡部分。

可选择地，电流阻挡部分可以通过向第二n型氮化物半导体层105的表面提供凹部并且形成绝缘层109以覆盖凹部的底面和侧面而形成，该凹部具有至少到达第一n型氮化物半导体层102的发光层103一侧的表面的深度，如图1A和1B所示。依照该结构的电流阻挡部分，由于即使可以吸收光的发光层都被去除了，所以可以进一步改善光取出效率。作为绝缘层109，例如，氧化硅、氧化铝、氧化钛、氮化硅以及氮化铝可以被列举。绝缘层109的厚度可以例如是10到1000nm。

在本发明的氮化物半导体发光器件中，如图1A和1B所示，优选形成用于引线键合的垫电极107和108以保持引线键合性能。垫电极107与由透明导电膜形成的电极106连接，并且优选垫电极107与由透明导电膜形成的电极106相互连接。结果，电流被有效地从垫电极107引入由透明导电膜形成的电极106。作为垫电极，可以采用传统公知的材料，例如，Ti和Al的叠层或合金、Hf和Al的叠层或合金等可以被采用。

优选地，垫电极107形成在电流阻挡部分上。由于垫电极一般是不透明的，所以当发光直接发生在垫电极之下时，光被垫电极吸收，并产生光损失，这可能导致光取出效率的降低。通过将垫电极提供在电流阻挡部分上，可以在提高光取出效率的同时避免垫电极的光吸收。

作为衬底101、第一n型氮化物半导体层102、发光层103以及p型氮化物半导体层104，可以采用传统公知的合适材料。

如上所述，本发明的氮化物半导体发光器件的特征在于，在由氮化物半导体层构成的叠层中最上层是第二n型氮化物半导体层，并且由透明导电膜形成的电极形成在第二n型氮化物半导体层上。通过使第二n型氮化物半导体层作为叠层的最上层，电流将会在第二n型氮化物半导体层扩散，即使当电极形成在第二n型氮化物半导体层的一部分表面上。因此，在整个表面实现了发光，发光效率因此被改善。

同样，根据本发明，由于由透明导电膜形成的电极可以仅形成在第二n型氮化物半导体层的一部分表面上，所以可以减少电极的光吸收，并且因此抑制发光效率降低。与此相比，在传统的发光器件中，由氮化物半导体层组成的叠层的最上层是p型氮化物半导体层，电极应该形成在p型氮化物半导体层的整个表面上，这是因为电流不能在p型氮化物半导体层扩散。这导致由于电极的光吸收而使发光效率显著下降。

垫电极形成在p型氮化物半导体层的一部分表面上的结构是传统公知的，但是在这种结构中，电流不能在p型氮化物半导体层中扩散，并且光被不透明的垫电极吸收，导致发光效率降低。与此相比，按照本发明的氮化物半导体发光器件，由于由透明导电膜形成的电极可以形成为线状形状或网状形状，所以来自发光层的光可以在没有形成透明导电膜的区域直接取出，并且电极的光吸收被抑制。因此，光取出效率优良。

此外，如前所述，在本发明的氮化物半导体发光器件中，优选地，凸起被提供到第二n型氮化物半导体层中电极形成侧的表面上。通过在第二n型氮化物半导体层的表面提供这样的凸起，在半导体层内部的光的多次反射可以被抑制或阻止，所以可以进一步提高光取出效率。在本发明中，第二n型氮化物半导体层的厚度可以是例如10到3000nm，并且优选从10到1000nm。当凸起被提供到第二n型氮化物半导体层表面上时，期望第二n型氮化物半导体层的厚度为等于或大于300nm。即使当第二n型氮化物半导体层形成为具有等于或大于300nm的厚度时，电压上升难以发生，因为第二n型氮化物半导体层的电阻较低。另一方面，在传统的发光器件中，由氮化物半导体层构成的叠层的最上层是p型氮化物半导体层，p型氮化物半导体层由于它的高电阻一般具有大约200nm或更小的厚度，并且大的膜厚度将导致电压上升。当使得p型氮化物半导体层的厚度薄达大约200nm或更小时，难以在p型氮化物半导体层表面提供凸起。

在此，日本专利提前公开No.2006-13500公开了一种发光器件，在该器件中凸起被提供到p型氮化物半导体层表面。但是，对于这种结构，出现了凹部底面到达发光层的区域，并且漏电缺陷可能发生。此外，在该发光器件中，由于由氮化物半导体层构成的叠层的最上层是p型氮化物半导体层，电极应该形成在p型氮化物半导体层的整个表面上，如上所述。但是，当电极形成在具有凸起的p型氮化物半导体层上时，所形成的电极的面积大于p型氮化物半导体层具有平坦表面的情形的面积，并且电极吸收的光总量进一步增加。

作为改善光取出效率的器件的结构，凸起被提供在蓝宝石衬底表面上并且在其上形成氮化物半导体层的结构是传统公知的。该结构引起光在蓝宝石衬底和氮化物半导体层间的界面上的不规则反射以允许在蓝宝石衬底侧取出更多的光，从而从蓝宝石衬底的侧面取出光。在具有该结构的发光器件中，当芯片键合(die-bonding)蓝宝石衬底时采用的粘结材料是光吸收材料，则在蓝宝石衬底侧出射的光被衬底背面的粘结材料吸收，导致发光效率降低的问题。另一方面，在本发明的氮化物半导体发光器件中，由于在器件的表面侧(与衬底相反的一侧)的光取出效率非常高，所以不必在衬底表面提供凸起以从衬底侧面取出光。按照本发明的氮化物半导体发光器件，其中器件的表面侧是光取出面，并且凸起被提供到第二n型氮化物半导体层的表面，由于在衬底和氮化物半导体层间的界面被反射而返回的光期望地通过具有形成在第二n型氮化物半导体层表面上的凸起的表面提取出，所以可以获得非常高的光取出效率。此外，在本发明的氮化物半导体发光器件中，该器件的表面侧是光取出面，用于芯片键合衬底的粘结材料不具体限定，因此可以从具有优良热传导性的材料中适当地选择。

如上所述，在本发明中，由透明导电膜形成的电极优选通过溅射形成。通过采用溅射在第二n型氮化物半导体层上形成透明导电膜，可以形成具有低电阻的电极。这时由于例如以下方面：i)n型氮化物半导体层不受等离子体的不利影响；ii)按照采用溅射的电极形成方法，附着力更高，并且接触电阻减小，这是因为到达半导体层的电极材料的原子具有高的能量；以及iii)透明导电膜的薄层电阻可以减小，这是因为采用溅射相比采用气相沉积可以形成更高精确性和结晶度的薄膜。

与此相比，在传统发光器件中，由氮化物半导体层构成的叠层的最上层为p型氮化物半导体层，当透明导电膜形成在p型氮化物半导体层上时，它将具有取决于其形成方法的高电阻。例如，当透明导电膜试图由溅射形成时，在p型氮化物半导体层表面暴露于溅射器件过程中的等离子体的影响下，表面电阻增加，并且电压上升的问题出现。

随后，将以实例的方式更详细地解释本发明，但是，本发明将不限于这些实例。

实例

<实例1>

如图1A和1B所示的氮化物半导体发光器件是以以下方式制造的。首先，在蓝宝石衬底的衬底101上，由Al_rGa_1-rN(0≤r≤1)(50nm厚)制成的缓冲层、n型GaN层的第一n型氮化物半导体层102(5μm厚)、由GaN制成的势垒层和In_qGa_1-q<q<1)制成的阱层所构成的发光层103(100nm厚)、由p型AlGaN层(30nm厚)和p型GaN层(200nm厚)构成的p型氮化物半导体层104、以及n型GaN层的第二n型氮化物层105(0.2μm厚)按顺序生长。

接下来，形成具有如图2所示形状的抗蚀剂掩膜201后，具有使第一氮化物半导体层102暴露的深度的凹部通过采用抗蚀剂掩膜的干法蚀刻(台面蚀刻)而形成。图3是氮化物半导体发光器件在制造过程中形成凹部以后的截面示意图。在整个表面形成1μm厚的SiO₂层后，如图4所示的抗蚀剂掩膜301形成，并且在没有形成抗蚀剂掩膜301的部分SiO₂层通过蚀刻被去除。结果，绝缘层109形成。图5是氮化物半导体发光器件在制造过程中形成绝缘层以后的截面示意图。其后，抗蚀剂掩膜301被去除。

接下来，通过溅射在整个表面形成200nm厚的ITO层后，如图6的抗蚀剂掩膜601形成，在没有形成抗蚀剂掩膜601的部分ITO层通过蚀刻被去除。结果，由透明导电膜形成的电极106形成。图7是氮化物半导体发光器件在制造过程中形成由透明导电膜形成的电极以后的截面示意图。抗蚀剂掩膜601之后被去除。最后，在形成用于形成垫电极的抗蚀剂掩膜后，垫电极107和108通过气相沉积Ti/Al/Ti/Al并且实施剥离而形成，从而得到了如图1A和1B所示的氮化物半导体发光器件。

测量所得发光器件的发光效率，与以0.5μm厚的Al代替ITO膜作为电极，并且不具有电流阻挡部分的发光器件相比，表明光取出效率改善了大约20％。

<实例2>

如图8所示的氮化物半导体发光器件是以以下方式制造的。首先，与实例1同样地，在蓝宝石衬底的衬底801上，由Al_rGa_1-rN(0≤r≤1)(50nm厚)制成的缓冲层、n型GaN层的第一n型氮化物半导体层802(5μm厚)、由GaN制成的势垒层和In_qGa_1-qN(0<q<1)制成的阱层所构成的发光层803(100nm厚)、由p型AlGaN层(30nm厚)和p型GaN层(200nm厚)构成的p型氮化物半导体层804、以及n型GaN层(0.2μm厚)的第二n型氮化物半导体层805按顺序生长。

接下来，形成如图2所示形状的抗蚀剂掩膜201后，通过采用抗蚀剂掩膜的干法蚀刻，执行蚀刻至p型氮化物半导体层804中部，以形成具有暴露p型氮化物半导体层804的深度的凹部(见图8)。由于干法蚀刻过程中的等离子体的影响，p型氮化物半导体层804的暴露表面的电阻增大。因此，即使当由透明导电膜形成的电极和垫电极在其上形成时，电流也不会从暴露的p型氮化物半导体层804注入，所以没有必要如实例1在凹部中形成SiO₂层。因此，在形成凹部以后，除了形成SiO₂层的步骤被省去之外，相似于实例1的步骤被实施，从而制造了如图8所示的氮化物半导体发光器件。在图8中，806是ITO形成的电极并且807是垫电极。

测量所得发光器件的发光效率，与以0.5μm厚的Al代替ITO膜作为电极，并且不具有电流阻挡部分的发光器件相比，表明光取出效率改善了大约20％。此外，在实例2的氮化物半导体发光器件中，由于电流阻挡部分是由具有到达形成在第二n型氮化物半导体层805表面上的p型氮化物半导体层804的深度的凹部构成的，并且由于没提供绝缘层，所以产率被提高。

虽然已经详细地描述和例证了本发明，但要清楚地知道，这仅仅是例证和实例而不应该成为限制，本发明的范围由权利要求的条款说明。

此申请基于2007年9月14日和2008年7月8日向日本专利局提交的日本专利申请No.2007-239141和No.2008-177954，它们的内容全部引用结合于此。

Claims

1.一种氮化物半导体发光器件，依次序包括：

第一n型氮化物半导体层；

发光层；

p型氮化物半导体层；以及

第二n型氮化物半导体层，还包括：

在所述第二n型氮化物半导体层上的由透明导电膜形成的电极；以及电流阻挡部分，

其中所述由透明导电膜形成的电极形成在所述第二n型氮化物半导体层的一部分表面上，

其中所述由透明导电膜形成的电极具有单条或多条的线状形状，或网状形状，以及

其中所述电流阻挡部分由凹部构成，所述凹部形成在所述第二n型氮化物半导体层的表面上并且具有至少到达所述p型氮化物半导体层的所述第二n型氮化物半导体层的一侧上的表面的深度。

2.如权利要求1所述的氮化物半导体发光器件，其中所述由透明导电膜形成的电极通过溅射形成。

3.如权利要求1所述的氮化物半导体发光器件，其中所述第二n型氮化物半导体层中形成有所述由透明导电膜形成的电极的一侧上的至少一部分表面具有凸起。

4.如权利要求1所述的氮化物半导体发光器件，还包括：用于引线键合的垫电极，与所述由透明导电膜形成的电极连接。

5.一种氮化物半导体发光器件，依次序包括：

第一n型氮化物半导体层；

发光层；

p型氮化物半导体层；以及

第二n型氮化物半导体层，还包括：

在所述第二n型氮化物半导体层上的由透明导电膜形成的电极；以及

电流阻挡部分，

其中所述电流阻挡部分由凹部和绝缘层构成，所述凹部形成在所述第二n型氮化物半导体层的表面上并且具有至少到达所述第一n型氮化物半导体层的所述发光层的一侧上的表面的深度，所述绝缘层形成以覆盖所述凹部的底面和侧面。

6.如权利要求5所述的氮化物半导体发光器件，还包括用于引线键合的垫电极，与所述由透明导电膜形成的电极连接。

7.如权利要求6所述的氮化物半导体发光器件，其中所述垫电极形成在所述电流阻挡部分上。