CN102169942B - 半导体发光元件 - Google Patents
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Abstract
一种半导体发光元件，包括：半导体层积体，该半导体层积体按顺序包括第一导电型层、发光层和第二导电型层；形成在第一导电型层上且包括氧化物的透明电极；以及形成在第一导电型层与透明电极之间的辅助电极，该辅助电极与该透明电极相比具有更高的针对从发光层发射的光的反射率、更大的与第一导电型层之间的接触电阻、以及更小的薄层电阻。
Description
本申请基于2010年2月26日提交的日本专利申请2010-042519，其全部内容通过引用合并于此。
技术领域
本发明涉及具有半导体层积体的半导体发光元件，该半导体层积体按顺序具有第一导电型层、发光层和第二导电型层。
背景技术
已知传统的该类型的半导体发光元件，其设置有半导体层积体，该半导体层积体按顺序具有第一导电型层、发光层和第二导电型层(例如参见JP-T 2003-524295)。在该发光元件中，在第一导电型层上形成由ITO(indium tin oxide，氧化铟锡)制成的透明电极，并在该透明电极上进一步形成用于扩散电流的辅助电极。
然而，JP-T 2003-524295中描述的半导体发光元件具有如下问题：尽管从发光层入射在透明电极上的光在辅助电极处被反射，该光还是在透明电极中被大量吸收。
发明内容
本发明的目的是提供一种半导体发光元件，其允许改进元件的光取出效率，而不损失半导体层积体中的电流扩散性。
(1)根据本发明的一个实施例，一种半导体发光元件，包括：
半导体层积体，该半导体层积体按顺序包括第一导电型层、发光层和第二导电型层；
透明电极，该透明电极形成在第一导电型层上且包括氧化物；以及
辅助电极，该辅助电极形成在第一导电型层与透明电极之间，该辅助电极与该透明电极相比具有更高的针对从发光层发射的光的反射率、更大的与第一导电型层之间的接触电阻、以及更小的薄层电阻。
在本发明的以上实施例(1)中，可进行以下变型和变化。
(i)辅助电极包括线状延伸部分。
(ii)半导体发光元件还包括：
表面电极，该表面电极形成在辅助电极或透明电极上，以在顶视图中与至少部分的辅助电极相重叠。
(iii)半导体发光元件还包括：
第二导电型层电极，该第二导电型层电极形成在第二导电型层上，且包括与表面电极相同的材料。
(iv)半导体发光元件包括面朝上型半导体发光元件，以及
与透明电极和辅助电极相比，表面电极具有更高的与接合线之间的接合强度。
(v)半导体发光元件包括倒装芯片型半导体发光元件，以及
与透明电极和辅助电极相比，表面电极具有更高的与凸出部之间的接合强度。
(vi)在顶视图中，透明电极从辅助电极的外周向外延伸，同时覆盖部分的辅助电极。
本发明的优点
根据本发明的一个实施例，可以提供一种允许改进元件的光取出效率而不损失半导体层积体中的电流扩散性的半导体发光元件。
附图说明
接着结合附图更详细地说明本发明，在附图中：
图1是示出本发明第一实施例中的半导体发光元件的示意性横截面视图；
图2是示出半导体发光元件的示意性顶视图；
图3是示出半导体发光元件的电流流动和光路径的示意性说明性部分视图；
图4是示出变型的半导体发光元件的示意性横截面视图；
图5是示出本发明第二实施例中的半导体发光元件的示意性横截面视图；
图6A和6B是示出半导体发光元件的电流流动和光路径的示意性说明性部分视图，其中图6A示出了第二实施例，图6B示出了变型；以及
图6C和6D是示出半导体发光元件的电流流动和光路径的示意性说明性部分视图，这二者均示出了变型。
具体实施方式
图1-3示出了本发明的第一实施例。图1是半导体发光元件的示意性横截面视图。
如图1所示，发光装置1是面朝上型，其中作为p电极的透明电极30以及n电极40被形成在上部表面侧。发光装置1具有半导体层积结构，该半导体层积结构包括由蓝宝石形成的基板10、设置在基板10上的缓冲层20、设置在缓冲层20上的n型接触层22、设置在n型接触层22上的n型ESD(静电释放)层23、形成在n型ESD层23上的n型包覆层24、设置在n型包覆层24上的发光层25、设置在发光层25上的p型包覆层26、以及设置在p型包覆层26上的p型接触层27。另外，通过蚀刻而移除从p型接触层27至n型接触层22的部分，从而部分地暴露n型接触层22。
在此，缓冲层20、n型接触层22、n型ESD层23、n型包覆层24、发光层25、p型包覆层26和p型接触层27均由III族氮化物化合物半导体形成。对于III族氮化物化合物半导体，可以使用例如AlxGayIn1-x-yN(0≤x≤1，0≤y≤1，且0≤x+y≤1)表示的四元系III族氮化物化合物半导体。
在本实施例中，缓冲层20由AlN形成。同时，n型接触层22、n型ESD层23和n型包覆层24均由掺杂有相应的预定量的n型掺杂剂(例如Si)的n-GaN形成。进而，发光层25具有多重量子阱结构，该多重量子阱结构包括多个阱层和多个障壁层。该阱层由例如GaN形成，该障壁层由例如InGaN或AlGaN等形成。另外，p型包覆层26和p型接触层27均由掺杂有预定量的p型掺杂剂(例如Mg)的p-GaN形成。
设置在蓝宝石基板10上的从缓冲层20到p型接触层27的各个层可通过例如金属有机化学气相沉积(MOCVD)法、分子束外延(MBE)法或卤化物气相外延(HVPE)法等形成。在此作为例子示出了由AlN形成的缓冲层20，然而缓冲层20可由GaN形成。或者，作为对多重量子阱结构的替代，发光层25的量子阱结构可以是单量子阱结构或应变量子阱结构。
另外，发光元件1包括：设置在p型接触层27上的透明电极30；设置在n型接触层22上的n电极40；以及形成在透明电极30、n电极40和半导体层积结构上的绝缘层50。另外，发光元件1包括形成在透明电极30与p型接触层27之间的辅助电极60。
透明电极30由导电性氧化物形成，在本实施例中该导电性氧化物是ITO(氧化铟锡)。或者，透明电极30可由例如氧化铟镓(IGO)、氧化铟锌(IZO)或氧化铟铈(ICO)等形成。可通过使用例如真空沉积法等形成透明电极30。或者，可通过溅射法、CVD法或溶胶-凝胶法等形成透明电极30。
在辅助电极60中，与p型接触层27相接触的层由具有相对高的针对从发光层25发射的光的反射率的金属形成。另外，选择如下的材料用于与p型接触层27相接触的辅助电极60中的层：该材料与p型接触层27之间的接触电阻大于透明电极30与p型接触层27之间的接触电阻。在本实施例中，尽管与p型接触层27相接触的辅助电极60中的层由Al形成，但是可以使用除了Al之外的材料，并且可以由例如Ag或Rh等形成，或者可以由主要包括Al或Ag的合金形成。
在本实施例中，通过层积与p型接触层27相接触的层以及形成在该层上的正面侧层来形成辅助电极60。正面侧层优选地由易于接合到线70且可防止下部层侧受腐蚀的材料形成。这种材料包括例如Au。另外，正面侧层优选地由与下部层侧相比具有更小的薄层电阻的材料形成。而且，辅助电极60可以与完全反射从发光层25发射的光的、由具有不同的折射率的两种材料的多个层形成的分布布拉格反射器(DBR)相组合。辅助电极60通过例如真空沉积法或溅射法等形成。
n电极40由与n型接触层22欧姆接触的金属(例如Ni、Cr、Al、Rh、Ti、V和Pt)形成。n电极40可以由例如由Ni形成的第一层和由Au形成的第二层构成。n电极40通过例如真空沉积法或溅射法等形成。
在本实施例中，SiO2用作绝缘层50。或者，其他材料可用作绝缘层50，且绝缘层50可由例如除了SiO2以外的金属氧化物(例如TiO2、Al2O3或Ta2O5)或具有电气绝缘特性的树脂材料(例如聚酰亚胺)形成。绝缘层50通过例如真空沉积法形成，或者可通过化学气相沉积(CVD)法形成。通过使用光刻技术和蚀刻技术移除在辅助电极60的中央上方和在n电极40的中央上方的绝缘层50，以形成开口52和54。在本实施例中，透明电极30具有在绝缘层50的开口52的正下方形成的开口32。接合线70和72通过开口32、52和54连接到辅助电极60和n电极40。
图2是示出了该半导体发光元件的示意性顶视图。
如图2所示，发光元件1在该顶视图中以基本上为四角形的形状形成，且在本实施例中为矩形形状。n电极40在长度方向上的一侧在宽度方向上的中央处形成，且透明电极30被形成为具有在除了该n电极之外的区域中的相对大的区域，以与n电极40相隔离。绝缘层50的开口52和54在宽度方向上的中央处形成，以在长度方向上相互隔离。在顶视图中，透明电极30从辅助电极60的外周向外延伸，同时覆盖部分的辅助电极60。
辅助电极60形成在开口52的正下方，且具有基本上为圆形的线连接部分62和从线连接部分62延伸的线状延伸部分64。在本实施例中，延伸部分64具有半包围n电极40的半包围部分64a、以及用于将半包围部分64a耦合到线连接部分62的耦合部分64b，其中半包围部分64a比线连接部分62更靠近n电极40。
在如上述地配置的发光元件1中，当正向电压被施加到辅助电极60和n电极40时，从发光层25发射具有蓝色区域中的波长的光。当正向电压约为3V且正向电流为20mA时，发光元件1发射例如峰值波长为约455nm的光。
此时，由于透明电极30与p型接触层27之间的接触电阻低于辅助电极60与p型接触层27之间的接触电阻，因此，如图3中的箭头A所示地，电流从辅助电极60经由透明电极30流动到p型接触层27。另外，由于辅助电极60具有比透明电极30的薄层电阻更小的薄层电阻，因此，电流优先地流动到辅助电极60，然后在在辅助电极60中扩散之后流动到透明电极30。因此，有可能充分地扩散电流，并增大顶视图中的发光层25的实质的发光区域。
另外，如图3中的箭头B所示，从发光层25发射的光中的入射在辅助电极60上的光被反射而不进入透明电极30。因此，有可能抑制透明电极30对光的吸收并改进光取出效率。因此，在不损失半导体层积体中的电流扩散性的情况下，实现了该元件的光取出效率的改进。
而且，当连续地形成由导电性氧化物形成的透明电极以及具有相对高反射率的金属时，由于在该透明电极与该金属之间的界面处的反应，该反射率可能下降。目前认识到：ITO和Al的组合以及ITO和Rh的组合导致了在该透明电极与该金属之间的界面处的反射率下降的现象(尽管这取决于制造条件)。由于在本实施例中在透明电极30和p型接触层27之间形成辅助电极60，因此，即使在辅助电极60与透明电极30之间的界面处的反射率下降，从发光层25发射的光也在辅助电极60处被反射，因此该光不进入该界面且不被吸收。因此，可以在不考虑制造条件或材料组合的情况下获得具有高的光取出效率的发光元件1。
另外，由于绝缘层50和透明电极30这两个层覆盖辅助电极60，因此有可能充分地防止辅助电极60被腐蚀等，从而导致辅助电极60的耐久性等的显著改进。
在上述实施例中，示出了直接接合到辅助电极60的接合线70。或者，例如如图4所示，可在辅助电极60和/或透明电极30上形成p衰减电极80，该p衰减电极80与接合线70之间的接合强度高于透明电极30和辅助电极60与接合线70之间的接合强度。由于作为表面电极的p衰减电极80被形成为在顶视图中在辅助电极60内重叠，并且光在辅助电极60处被反射，因此对于选择材料而言不需要考虑反射率。或者，当辅助电极60全部被透明电极30覆盖而不形成开口32时，在透明电极30上形成p衰减电极80，在该情况下，同样地，p衰减电极80优选地在顶视图中与辅助电极60相重叠。注意，p衰减电极80只需要在顶视图中与至少部分的辅助电极60相重叠。
另外，在这种情况下，p衰减电极80的材料优选地是与n电极40相同的材料。这允许同时形成p衰减电极80和n电极40。当n电极40是例如Ni/Au时，p衰减电极80也是Ni/Au。
图5是示出本发明第二实施例中的半导体发光元件的示意性横截面视图。
如图5所示，发光装置201是倒装芯片型，其中在下部表面侧上形成作为p电极的透明电极30和n电极40。发光装置201具有半导体层积结构，该半导体层积结构包括基板10、缓冲层20、n型接触层22、n型ESD层23、n型包覆层24、发光层25、p型包覆层26和p型接触层27，并且通过蚀刻而移除从p型接触层27至n型接触层22的部分，从而部分地曝光n型接触层22。
另外，发光装置201包括：设置在p型接触层27上的透明电极30；设置在n型接触层22上的n电极40；以及形成在透明电极30、n电极40和半导体层积结构上的绝缘层50。
在本实施例中，绝缘层50被形成为包括反射从发光层25发射的光的反射层90。反射层90由反射从发光层25发射的光的金属材料(例如Al)形成。反射层90可由Ag或主要包括Al或Ag的合金形成。或者，反射层90可以是由具有不同折射率的两种材料的多个层形成的分布布拉格反射器。
另外，发光装置201包括介于透明电极30和p型接触层27之间的辅助电极260。辅助电极260由具有相对高的针对从发光层25发射的光的反射率的金属形成。另外，选择如下的材料用于辅助电极260：该材料与p型接触层27之间的接触电阻大于透明电极30与p型接触层27之间的接触电阻。
而且，通过光刻技术和蚀刻技术而移除在辅助电极260的中央下方和在n电极40的中央下方的绝缘层50，以形成开口252和254。在本实施例中，辅助电极260全部被透明电极30覆盖。在顶视图中，透明电极30从辅助电极260的外周向外延伸。凸出电极270和272通过开口232、252和254连接到辅助电极260和n电极40。
在如上述地配置的发光元件201中，由于透明电极30与p型接触层27之间的接触电阻低于辅助电极260与p型接触层27之间的接触电阻，因此，如图6A中的箭头A所示地，电流从辅助电极260经由透明电极30流动到p型接触层27。另外，由于辅助电极260具有比透明电极30的薄层电阻更小的薄层电阻，因此，电流优先地流动到辅助电极260，然后在在辅助电极260中扩散之后流动到透明电极30。因此，有可能充分地扩散电流并增大顶视图中的发光层25的实质的发光区域。
另外，如图6A中的箭头B所示地，从发光层25发射的光中的入射在辅助电极260上的光被反射而不进入透明电极30。因此有可能抑制透明电极30对光的吸收并改进光取出效率。
另外，由于在透明电极30和p型接触层27之间形成辅助电极260，因此，即使在辅助电极260与透明电极30之间的界面处的反射率下降，从发光层25发射的光也在辅助电极260处被反射，因此该光不进入该界面且不被吸收。因此，可以在不考虑制造条件或材料组合的情况下获得具有高的光取出效率的发光元件201。
另外，由于绝缘层50和透明电极30这两个层覆盖辅助电极260，因此有可能充分地防止辅助电极260受腐蚀等，从而导致了辅助电极260的耐久性等的显著改进。
应当注意，尽管在上述实施例中示出了全部被透明电极30覆盖的辅助电极260，但是，例如如图6B所示地，可以在绝缘层50的开口252的正上方在透明电极30中形成开口232。
另外，尽管在上述实施例中透明电极30的开口232与凸出部(焊接凸出部)270相接触，但是例如如图6C所示地，开口232可被绝缘层50覆盖以使透明电极30不与凸出部270直接接触。而且，如图6D所示，可在透明电极30上形成作为表面电极的中间电极280。中间电极280由金属形成，该金属与凸出部270之间的接合强度高于透明电极30和/或辅助电极260与凸出部270之间的接合强度。
另外，尽管在上述实施例中示出了用作半导体层积体的GaN基半导体，但是有可能使用AlGaAs基半导体材料、GaAsP基半导体材料、GaP基半导体材料、ZnSe基半导体材料或AlGaInP基半导体材料等。另外，尽管示出了包括被形成作为第一导电型层的n型层以及被形成作为第二导电型层的p型层的半导体层积体，但是该半导体层积体可包括作为第一导电型层的p型层和作为第二导电型层的n型层，或者可以使用除了n型和p型之外的导电型的层。
另外，尽管在上述实施例中蓝宝石被用于基板，但是基板可由GaN等形成，并且n电极和辅助电极等的材料可被任意地改变，当然其它具体的详细结构等可被适当地改变。
尽管为了完整和清楚地公开起见而参考具体实施例描述了本发明，但是所附的权利要求并不由此受到限定，而是被解释为包括本领域技术人员可想到的、完全落入在此阐述的基本教导的范围之内的所有变型和替代性构造。
Claims (8)
1.一种半导体发光元件，包括：
半导体层积体，所述半导体层积体按顺序包括第一导电型层、发光层和第二导电型层；
透明电极，所述透明电极形成在所述第一导电型层上，且包括氧化物；
辅助电极，所述辅助电极形成在所述第一导电型层与所述透明电极之间，所述辅助电极与所述透明电极相比具有更高的针对从所述发光层发射的光的反射率，并且所述辅助电极与所述透明电极相比具有更大的与所述第一导电型层之间的接触电阻以及更小的薄层电阻，以及
形成于所述透明电极和所述半导体层积体上的绝缘层，使其具有开口，接合线、凸出部或衰减电极通过所述开口连接至所述辅助电极，
其中，所述透明电极包括紧接在所述绝缘层的开口下面形成的开口，以及
其中，在顶视图中，所述透明电极从所述辅助电极的外周向外延伸，同时覆盖部分的所述辅助电极，
其中，所述辅助电极包括对应于所述绝缘层的开口的线连接部分以及从所述线连接部向外延伸的线状延伸部分，以及
其中，所述透明电极的开口被所述绝缘层覆盖，从而使得所述透明电极通过所述辅助电极连接所述接合线、所述凸出部或所述衰减电极。
2.根据权利要求1所述的半导体发光元件，还包括：
表面电极，所述表面电极形成在所述辅助电极或所述透明电极上，以在顶视图中与至少部分的所述辅助电极相重叠。
3.根据权利要求2所述的半导体发光元件，还包括：
第二导电型层电极，所述第二导电型层电极形成在所述第二导电型层上，且包括与所述表面电极相同的材料。
4.根据权利要求2所述的半导体发光元件，其中所述半导体发光元件包括面朝上型半导体发光元件，以及
与所述透明电极和所述辅助电极相比，所述表面电极具有更高的与接合线之间的接合强度。
5.根据权利要求3所述的半导体发光元件，其中所述半导体发光元件包括面朝上型半导体发光元件，以及
与所述透明电极和所述辅助电极相比，所述表面电极具有更高的与接合线之间的接合强度。
6.根据权利要求2所述的半导体发光元件，其中所述半导体发光元件包括倒装芯片型半导体发光元件，以及
与所述透明电极和所述辅助电极相比，所述表面电极具有更高的与凸出部之间的接合强度。
7.根据权利要求3所述的半导体发光元件，其中所述半导体发光元件包括倒装芯片型半导体发光元件，以及
与所述透明电极和所述辅助电极相比，所述表面电极具有更高的与凸出部之间的接合强度。
8.根据权利要求1所述的半导体发光元件，其中，所述辅助电极包括分布布拉格反射器DBR，所述分布布拉格反射器DBR包含具有不同折射率的两种材料的多个层。
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