CN104300066A - 半导体发光元件和半导体发光装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种可靠性优异并能够被低电压驱动的半导体发光元件以及包括所述半导体发光元件的半导体发光装置。所述半导体发光元件按顺序包括：半导体层、电极层、含有储氢金属的金属层和镀层。
Description
相关申请的交叉参考
本申请要求享有于2013年7月19日提交的日本在先专利申请JP2013-150641的权益，其全部内容以引用的方式并入本文。
技术领域
本公开涉及一种半导体发光元件和包括所述半导体发光元件的半导体发光装置。
背景技术
通常，半导体激光器不耐热，因此随着元件温度的上升，半导体激光器的特性有时会明显地劣化。由于随着半导体激光器的高功率的推进半导体激光器的发热量也增大，所以将从半导体激光器产生的热放出到外部变得很重要。
在将半导体层中产生的热放出到外部时，有效的是半导体层的发光点突出条纹部用由热导率高的诸如Au(金)等金属等制成的放热层覆盖。由于可以通过增大放热层的厚度来增大放热层的热容量以增大其放热效率，所以从制造效率的角度考虑，放热层通过镀敷法形成(例如，参照日本未审查专利申请公开No.2007-27181)。
尽管由例如Au制成的镀层的镀敷法可以使用电镀法和无电镀法，但是在两种情况下，都通过将样品浸入含有金属离子(Au离子)的溶液中使Au沉淀在样品的表面上。然而，在沉淀Au的过程中，产生作为反应副产物的氢，并且许多氢被带到通过沉淀形成的Au镀膜内部。
对于氮化物半导体层，诸如Ni(镍)和Pd(钯)等储氢金属经常用于p侧接触电极，因此有时发生使已被带入Au镀膜中的氢堵塞在p侧接触电极中并且使如此堵塞的氢再放出到半导体层中。
然而，氢堵塞在p侧接触电极中很可能导致电极的晶体结构的劣化以及电极的接触电阻的增大。此外，例如，已被再放出到半导体层内的氢可以与作为p型杂质的Mg结合而阻碍载流子的生成并很可能导致半导体层的电阻的增大。因此，上述情况的出现可能导致半导体发光元件的驱动电压的上升。
尽管用于排出已被带入金镀膜中的氢而进行的热处理等是已知的，但是很难完全除去氢。另外，在后续的制造过程中很可能发生二次氢吸附。此外，由加热导致的对半导体发光元件本身的热损坏令人担忧。
发明内容
希望提供一种可靠性优异并能够被低电压驱动的半导体发光元件以及包括所述半导体发光元件的半导体发光装置。
根据本公开的实施方案，提供了一种半导体发光元件，按顺序包括半导体层、电极层、含有储氢金属的金属层和镀层。
根据本公开的实施方案，提供了一种半导体发光装置，包括基体；和半导体发光元件，所述半导体发光元件经由接合层与所述基体接合，并通过从所述基体侧按顺序层叠镀层、含有储氢金属的金属层、电极层和半导体层构成。
在根据本公开各实施方案的半导体发光元件和半导体发光装置中，由于在镀层和电极层之间设置含有储氢金属的金属层，所以在形成镀层时产生的氢被堵塞在金属层中所含的储氢金属中。因此，抑制氢侵入电极层中。
根据本公开各实施方案的半导体发光元件和半导体发光装置，通过含有储氢金属的金属层可以有效地防止镀层所含的氢侵入电极层中。因此，可以避免电极的晶体结构的劣化和电极的接触电阻的增大，因而提高了可靠性。另外，可以降低驱动半导体发光元件的电压。
应当理解不论上述概括说明还是以下详细说明都是示例性的，并且其目的是用来提供对所请求保护的技术的进一步解释。
附图说明
所包含的附图是为了提供对本公开的进一步理解，其包含在本说明书中并构成本说明书的一部分。附图与说明书一起示出实施方案并用来解释本技术的原理。
图1是示出根据本公开第一实施方案的半导体发光元件的示意性结构的断面图。
图2A是示出图1所示的半导体发光元件的制造过程的断面图。
图2B是示出图2A的后续过程的断面图。
图2C是示出图2B的后续过程的断面图。
图3A是示出根据本公开第二实施方案的半导体发光装置的示意性结构的断面图。
图3B是示出根据图3A所示的本公开第二实施方案的半导体发光装置的变形例的断面图。
具体实施方式
在下文中，将参照附图详细说明本公开的实施方案。需要指出的是，将按以下顺序进行说明。
1.第一实施方案
包括设置有突出条纹部的半导体层的半导体发光元件
2.第二实施方案
根据第一实施方案的半导体发光元件与基体接合的半导体发光装置
<第一实施方案>
[半导体发光元件10的结构]
图1是示出根据本公开第一实施方案的半导体发光元件(半导体激光器元件)10的断面结构的图。
例如，半导体发光元件10可以通过在由GaN制成的基板11(氮化物半导体基板)上生长III-V族氮化物半导体层(以下，被简单称作半导体层)20构成。这里，III-V族半导体氮化物指的是含有Ga(镓)和氮(N)的氮化镓系化合物。氮化镓系化合物的例子可以包括GaN、AlGaN(氮化铝镓)和AlGaInN(氮化铝镓铟)等。上述化合物必要时含有包括诸如Si(硅)、Ge(锗)、O(氧)和Se(硒)等IV族和VI族元素的n型杂质或者包括诸如Mg(镁)、Zn(锌)和C(碳)等的II族和IV族元素的p型杂质。
半导体层20具有通过在基板11上按顺序层叠n型包覆层12、n型引导层13、活性层14、p型引导层15、p型包覆层16和p型接触层17构成的激光器结构(发光元件结构)。需要指出的是，在下文中，半导体层20的层叠方向(Z-轴向)被称作纵向，激光发射的方向被称作轴向(Y-轴向)，与轴向和纵向垂直的方向被称作横向(X-轴向)。
例如，n型包覆层12可以由n型AlGaN制成，n型引导层13可以由n型GaN制成。例如，活性层14可以具有掺杂的GaInN多重量子阱结构。p型引导层15可以由p型GaN制成，p型包覆层16可以由AlGaN制成，p型接触层17可以由p型GaN制成。
另外，p型包覆层16的一部分和p型接触层17构成在轴向上延伸的带状脊部(突出条纹部)18。在活性层14中，与脊部18对应的区域用作电流注入区域(发光区域)。需要指出的是，脊部18具有限制活性层14的电流注入区域的大小并将横向上的光学模式稳定地控制为基本(零阶)模式以将光引导到轴向的功能。
脊部18的两个侧面用绝缘层23覆盖。在脊部18的p型接触层17上形成与p型接触层17欧姆连接的p侧接触电极层21。另外，p侧焊盘电极层22以覆盖p侧接触电极层21和绝缘层23的方式设置。此外，在与垂直于脊部18的延伸方向(轴向)的面(XZ平面)平行的端面(共振器端面)上形成一对反射镜膜(未示出)。一对反射镜膜的反射率互不相同。因此，活性层14中产生的光在一对反射镜膜之间往复的同时被放大并从其中一个反射镜膜作为激光束射出。
绝缘层23可以由诸如SiO2(二氧化硅)和SiN(氮化硅)等绝缘材料制成。
p侧接触电极层21可以优选与半导体层20的p型接触层17接触，并可以优选含有功函数比较大的金属元素。另外，尽管p侧接触电极层21可以具有单层结构，但是p侧接触电极层21可以优选具有多层结构。具体地，例如，p侧接触电极层21可以具有其中在p型接触层17上按顺序层叠Pd(钯)层和Pt(铂)层的结构。
p侧焊盘电极层22是含有储氢金属的金属层并以覆盖至少整个p侧接触电极层21的方式设置。换句话说，p侧焊盘电极层22与p侧接触电极层21的整个上表面接触。需要指出的是，只要两个层21和22彼此电连接，那么p侧接触电极层21和p侧焊盘电极层22就可以不必彼此直接接触。换句话说，可以在p侧接触电极层21和p侧焊盘电极层22之间设置其他的导电性材料层。p侧焊盘电极层22中所含的储氢金属的例子可以包括Pd(钯)和Ni(镍)。Pd更优选，特别地，因为Pd的膜应力比Ni小，因此当使用Pd时，更难使p侧焊盘电极层22剥离。另外，p侧焊盘电极层22可以具有单层结构或多层结构。例如，当p侧焊盘电极层22具有多层结构时，可以优选包括Pd层和Ni层的层叠结构以及除了Pd层和Ni层之外还包括Ti(钛)层、Pt(铂)层和Au(金)层的层叠结构等。例如，各层可以具有约10nm以上和约1μm以下的膜厚度。一个原因在于，在各层的膜厚度为约10nm以上时获得了充分的储氢效果。另外，另一个原因在于，在各层的膜厚度为约1μm以下时抑制了发生由内部应力导致的层间剥离。
例如，在p侧焊盘电极层22上设置可以由Au制成的镀层24。镀层24起到将当驱动半导体发光元件10时从半导体层20产生的热放出到外部的放热层的作用。镀层24的形成区域可以与p侧焊盘电极层22的形成区域一致，或者镀层24可以按仅覆盖p侧焊盘电极层22的一部分的方式形成。可选择地，镀层24可以按覆盖整个p侧焊盘电极层22和其周边区域的方式形成。需要指出的是，只要两个层24和22彼此电连接，那么镀层24和p侧焊盘电极层22就可以不必彼此直接接触。换句话说，可以在镀层24和p侧焊盘电极层22之间设置其他的导电性材料层。另外，例如，镀层24具有约100nm以上和约10μm以下的膜厚度是足够的。在镀层24的膜厚度为约100nm以上时，可获得充分的放热效果。另外，在镀层24的膜厚度为约10μm以下时，可以抑制由镀层24的内部应力导致的镀层24从p侧焊盘电极层22的剥离。
在基板11的背面上设置n侧电极层25。例如，n侧电极层25可以具有其中Ti层、Pt层和Au层从基板11侧按顺序层叠的结构。
[半导体发光元件10的制造方法]
例如，具有如此构成的半导体发光元件10可以按以下方式制造。
图2A～2C是按过程顺序示出半导体发光元件10的制造方法的断面图。例如，半导体发光元件10可以通过由MOCVD(金属有机化学气相沉积)法在基板11上形成半导体层20来制造。在这种情况下，例如，三甲基铝(TMA)、三甲基镓(TMG)、三甲基铟(TMIn)和氨(NH3)等可以用作GaN系化合物半导体的原料，甲硅烷(SiH4)等可以用作施主杂质的原料，双(环戊二烯基)镁(Cp2Mg)等可以用作受主杂质的原料。
具体地，首先，如图2A所示，在基板11上按顺序层叠n型包覆层12、n型引导层13、活性层14、p型引导层15、p型包覆层16和p型接触层17。
接着，例如，在p型接触层17上可以选择性地形成掩模层(未示出)。此后，在没有覆盖掩模层的暴露区域中的整个p型接触层17和一部分p型包覆层16通过反应离子刻蚀(RIE)法除去。此后，除去掩模层。这样，如图2B所示，在半导体层20的上部形成在轴向上延伸的带状脊部18。
接着，如图2C所示，在半导体层20的前表面沉积绝缘膜之后，在绝缘膜上进行光刻处理和蚀刻处理以形成在脊部18的p型接触层17上具有开口的绝缘层23。此后，p侧接触电极层21以填充绝缘层23的开口的方式形成。此外，进行光刻处理、蚀刻处理和剥离处理以覆盖p侧接触电极层21的方式形成p侧焊盘电极层22。此外，例如，在打磨基板11的背面侧以调节基板11的厚度之后，可以进行光刻处理、蚀刻处理和剥离处理以形成n侧电极层25。此外，使用诸如电镀法等镀敷法来以覆盖p侧焊盘电极层22的方式形成镀层24。最后，通过在轴向上的一对端面上形成反射镜膜(未示出)来完成半导体发光元件10的制造。
[半导体发光元件10的功能和效果]
在上述半导体发光元件10中，当在脊部18的p侧接触电极层21和n侧电极层25之间施加预定的电压时，将被脊部18电流阻断的电流注入电流注入区域(发光区域)中。因此，通过电子与空穴的再结合发生光的发射。如此发射的光被一对反射镜膜反射，当产生一次往复时，在相位变化2π的整数倍的波长处诱导激光振荡，并作为光束发射到外部。
半导体发光元件10按顺序包括半导体层20、p侧接触电极层21、含有储氢金属的p侧焊盘电极层22和镀层24。由于镀层24可以由诸如Au等热导率高的材料制成，所以可以立即将伴随着由半导体发光元件10进行的发光操作产生的热放出到外部。因此，可以避免半导体发光元件10的发光性能的热诱导降低。另外，在p侧接触电极层21和镀层24之间设置含有储氢金属的p侧焊盘电极层22。因此，伴随着电镀处理而含在镀层24中的氢堵塞在p侧焊盘电极层22中所含的储氢金属中，并且抑制氢侵入p侧接触电极层21中。因此，可以避免p侧接触电极层21的晶体结构的劣化和接触电阻的增大，因而提高可靠性。另外，由于可以通过使用功函数较大的金属元素构成p侧接触电极层21，所以可以提高发光效率并可以减小驱动半导体发光元件10的电压。另外，由于为了将镀层24中所含的氢排放到外部而进行的热处理不是必须的，所以可以简化制造工序并且也可以避免对半导体发光元件10的热损坏。
<第二实施方案>
[半导体发光装置的结构]
图3A是示出根据本公开实施方案的半导体发光装置的示意性结构的断面图。
半导体发光装置包括在上述第一实施方案中所述的半导体发光元件10。具体地，如图3A所示，半导体发光装置具有半导体发光元件10经由接合层40与作为基体的支撑件(子安装件)30接合的结构。然而，半导体发光元件10在突出条纹部(脊部)18面向支撑件30的向下接合的状态下与支撑件30接合。因此，镀层24、p侧焊盘电极层22、p侧接触电极层21、半导体层20、基板11和n侧电极层25从支撑件30侧按顺序层叠。半导体层20具有p型接触层17、p型包覆层16、p型引导层15、活性层14、n型引导层13和n型包覆层12在p侧接触电极层21上按顺序层叠的结构。例如，接合层40可以是由AuSn制成的焊层。
支撑件30与半导体发光元件10经由接合层40的接合按以下方式进行。具体地，例如，在半导体发光元件10的镀层24面向设置在支撑件30上的接合层40的状态下，构成镀层24的Au和在构成接合层40的AuSn中所含的Sn可能经历共晶结晶。
在这种情况下，取决于共晶结晶条件，有时可能发生在接合层40的AuSn中所含的Sn扩散到镀层24的整个区域或者向上扩散到p侧焊盘电极层22和p侧接触电极层21上，因此半导体发光元件10的发光性能很可能劣化。
因此，如图3B所示，例如，可以在接合层40和镀层24之间形成阻隔层50以抑制Sn扩散到镀层24中。作为阻隔层50的构成材料，优选Ti(钛)和Pt(铂)等，因为这些材料有效地阻止Sn的迁移。另外，例如，阻隔层50可以具有约10nm以上以及约1μm以下的膜厚度。需要指出的是，阻隔层50的位置不限于图3B中所示的那样，例如，可以在镀层24和p侧焊盘电极层22之间或者在p侧焊盘电极层22和p侧接触电极层21之间形成阻隔层50。
[半导体发光装置的功能和效果]
在根据本公开第二实施方案的半导体发光装置中，在半导体层20和支撑件30之间设置由诸如金等硬度较低并且热导率优异的金属制成的镀层24。因此，镀层24起到缓冲器的作用，从而可以缓和后处理等中施加到半导体层20上的机械震动。因此，可以确保半导体发光元件10的可靠性。另外，镀层24兼用作放热层，因此可以立即将随着由半导体发光装置10进行的发光操作产生的热放出到外部。因此，可以避免半导体发光元件10的发光性能的热诱导降低。此外，由于在p侧接触电极层21和镀层24之间设置含有储氢金属的p侧焊盘电极层22，所以获得了与在上述第一实施方案中所述的操作效果相同的操作效果。
尽管通过给出上述实施方案说明了本公开，但是本公开不限于上述实施方案并可以按各种方式修改。例如，各层的材料和厚度可以不限于在上述实施方案中所述的材料和厚度，并且可以采用其他材料和厚度。
另外，尽管在上述实施方案中，通过将具有III-V族氮化物半导体的半导体发光元件作为例子进行了说明，但是也可以使用具有其他半导体的半导体激光器。
需要指出的是，本技术可以具有如下构成。
(1).一种半导体发光元件，按顺序包括：
半导体层；
电极层；
含有储氢金属的金属层；和
镀层。
(2).根据(1)所述的半导体发光元件，其中
所述半导体层是氮化物半导体层，
所述电极层是p侧电极层，
所述金属层含有作为储氢金属的钯(Pd)或镍(Ni)中的至少一种，以及
所述镀层含有金。
(3).根据(1)或(2)所述的半导体发光元件，其中
所述电极层具有包括与所述半导体层接触并含有钯(Pd)的层的多层结构。
(4).根据(1)～(3)中任一项所述的半导体发光元件，其中
所述金属层具有包括钯(Pd)层和镍(Ni)层的多层结构。
(5).一种半导体发光装置，包括：
基体；和
半导体发光元件，所述半导体发光元件经由接合层与所述基体接合，并通过从所述基体侧按顺序层叠镀层、含有储氢金属的金属层、电极层和半导体层构成。
(6).根据(5)所述的半导体发光装置，其中
所述半导体层是氮化物半导体层，
所述电极层是p侧电极层，
所述金属层含有作为储氢金属的钯(Pd)或镍(Ni)中的至少一种，以及
所述镀层含有金。
(7).根据(5)或(6)所述的半导体发光装置，还包括
在所述接合层和所述电极层之间的阻隔层，其中
所述接合层是含有Sn(锡)的焊层，以及
所述阻隔层防止Sn的扩散。
本领域技术人员应当理解，依据设计要求和其他因素，可以在本发明所附的权利要求书或其等同物的范围内进行各种修改、组合、次组合以及改变。
Claims (7)
1.一种半导体发光元件，按顺序包括：
半导体层；
电极层；
含有储氢金属的金属层；和
镀层。
2.根据权利要求1所述的半导体发光元件，其中
所述半导体层是氮化物半导体层，
所述电极层是p侧电极层，
所述金属层含有作为储氢金属的钯或镍中的至少一种，以及
所述镀层含有金。
3.根据权利要求1所述的半导体发光元件，其中
所述电极层具有包括与所述半导体层接触并含有钯的层的多层结构。
4.根据权利要求1所述的半导体发光元件，其中
所述金属层具有包括钯层和镍层的多层结构。
5.一种半导体发光装置，包括：
基体；和
半导体发光元件，所述半导体发光元件经由接合层与所述基体接合，并通过从所述基体侧按顺序层叠镀层、含有储氢金属的金属层、电极层和半导体层构成。
6.根据权利要求5所述的半导体发光装置，其中
所述半导体层是氮化物半导体层，
所述电极层是p侧电极层，
所述金属层含有作为储氢金属的钯或镍中的至少一种，以及
所述镀层含有金。
7.根据权利要求5所述的半导体发光装置，还包括
在所述接合层和所述电极层之间的阻隔层，其中
所述接合层是含有锡的焊层，以及
所述阻隔层防止锡的扩散。
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