CN1820378A - 半导体发光元件 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种半导体发光元件，其特征是，包括：半导体发光部，具有第1导电型的第1接触层、第2导电型的第2接触层及由它们夹持的活性层；透明电极，与所述第2接触层的表面进行欧姆接触，将该第2接触层的表面的大致全部区域覆盖，并且对于所述半导体发光部的发光波长来说透明；金属反射膜，该金属反射膜被与所述透明电极的大致全部区域相面对地配置，与所述透明电极电连接，并且将从所述半导体发光部透过所述透明电极的光朝向所述半导体发光部反射。
Description
技术领域
本发明涉及氮化镓类发光二极管等半导体发光元件。
背景技术
蓝色发光二极管元件例如被如下构成，即，在蓝宝石基板的表面形成InGaN半导体发光部，另外在该InGaN半导体发光部的P侧及N侧分别形成电极(参照下述专利文献1)。但是，由于蓝宝石基板为绝缘性，因此必须在InGaN半导体发光部侧形成P侧及N侧的两电极，并且必须从它们中引出电线。由此，来自InGaN半导体发光部的光就被电极等遮挡，光的取出效率差。
该问题可以通过采用如下的构成来改善，即，将InGaN半导体发光部与安装基板相面对地接合，并且从蓝宝石基板侧输出光的倒装晶片型的构成(参照特开2003-224297号公报)。
倒装晶片型发光二极管元件形成如下的构成，即，将蓝宝石基板的一方表面作为光取出面，将另一方表面作为元件形成面，在该元件形成面上形成了InGaN半导体发光部。InGaN半导体发光部具有利用N型GaN接触层及P型GaN接触层夹持了InGaN活性层的构造。例如，N型GaN接触层被配置于蓝宝石基板侧，P型GaN接触层被配置于安装基板侧。此时，在P型GaN接触层的表面形成P侧电极膜。N侧电极膜被粘附形成于将P型GaN接触层及InGaN活性层的一部分除去而露出的N型GaN接触层上。
此外，设有与P侧电极膜及N侧电极膜分别接合的P侧垫块电极及N侧垫块电极。通过将这些垫块电极与安装基板相面对地接合，进行发光二极管的倒装晶片焊接。
InGaN半导体发光部中产生的光不是全部都被向蓝宝石基板侧输出，一部分的光射向P型GaN接触层。所以，为了提高光取出效率，对于P侧电极膜的材料，不仅要求可以与P型GaN接触层电阻接合，而且还要求具有良好的反射率。由此，在元件制作上的制约很大，此外，难以形成接触电阻小并且具有高反射率的P侧电极膜。
专利文献1：专利第3009095号公报
专利文献2：特开2003-224297号公报
发明内容
本发明的目的在于，提供一种将半导体发光部与安装基板相面对地接合的倒装晶片型的半导体发光元件，是可以缓解对配置于安装基板侧的电极的限制，有助于光取出效率的提高的半导体发光元件。
本发明的半导体发光元件包括：半导体发光部、透明电极、金属反射膜，其中，半导体发光部具有第1导电型(P型及N型的一方)的第1接触层、第2导电型(P型及N型的另一方)的第2接触层及由它们夹持的活性层；透明电极与所述第2接触层的表面欧姆接触，将该第2接触层的表面的大致全部区域覆盖，并且对于所述半导体发光部的发光波长来说透明；金属反射膜被与该透明电极的大致全部区域相面对地配置，与所述透明电极电连接，并且将从所述半导体发光部透过所述透明电极的光朝向所述半导体发光部反射。
根据该构成，在半导体发光部中，在第2接触层的表面形成有透明电极，另外，从半导体发光部处观察，金属反射膜被配置于透明电极的背后。利用该构成，由于可以将从半导体发光部透过透明电极的光在金属反射膜上向半导体发光部侧反射，因此就可以获得良好的光取出效率。
而且，由于透明电极将第2接触层的大致全部区域覆盖，因此金属反射膜就不需要与半导体发光部欧姆接触，所以其材料的选择的自由度大。这样，就可以选择高反射率的材料以进一步提高光取出效率，或选择廉价的材料以削减成本。
所谓「对于发光波长来说透明」具体来说是指例如发光波长的透过率在60％以上的情况。
所述半导体装置也可以还具有如下的透明基板，即，对于所述半导体发光部的发光波长来说透明，将一方表面作为用于将从所述半导体发光部中发出的光向外部取出的光取出面，将另一方表面作为用于形成所述半导体发光部的元件形成面，该元件形成面与所述第1接触层相面对。
作为透明基板，虽然优选蓝宝石基板，但是除此以外，也可以使用SiC、GaN、ZnO等透明基板。
半导体发光部最好具有使用了III-V族氮化物化合物半导体的LED(发光二极管)构造。更具体来说，半导体发光部也可以是将InGaN活性层用P型GaN接触层及N型GaN接触层夹持的构造。另外，也可以是将AlGaN活性层用P型AlGaN接触层及N型AlGaN接触层夹持的构造。另外，活性层也可以具有多重量子阱(MQW)构造。
所述半导体发光元件也可以还具有夹隔于所述透明电极和所述金属反射膜之间的透明绝缘膜。该情况下，所述金属反射膜最好穿过形成于所述透明绝缘膜上的开口与所述透明电极连接。
根据该构成，由于在透明电极和金属反射膜之间夹隔有透明绝缘膜，因此来自半导体发光层的光的反射的大部分是在透明绝缘膜和金属反射膜的界面上产生的。由于在绝缘体/金属的界面上实质上不产生光的吸收，因此就可以将光取出效率进一步提高。
另外，由于金属反射膜和透明电极被穿过形成于透明绝缘膜上的开口而电连接，因此金属反射膜可以起到作为用于与安装基板的连接的电极的作用。
形成于透明绝缘膜上的开口最好被以能够确保金属反射膜和透明电极之间的电连接的限度制成尽可能小的面积。更具体来说，所述开口的总面积相对于透明电极膜的总面积的比例优选1～30％的范围(例如7％左右)。
作为相对于发光波长透明的绝缘膜的材料，可以例示出SiOy(0＜y)、SiON、Al2O3、ZrO2及SiNz(0＜z)。
所述半导体发光元件最好还包括从所述第1接触层向所述金属反射膜侧引出的电极部。根据该构成，就可以借助所述金属反射膜将所述第2接触层与安装基板接合，借助所述电极部将所述第1接触层与安装基板接合。这样，就可以进行倒装晶片接合。
所述透明电极最好包括Zn1-xMgxO(其中，0≤x＜1)的膜。Zn1-xMgxO(0≤x＜1。x＝0时为ZnO)与GaN半导体层形成良好的欧姆接触，并且相对于370nm～1000nm的波长区域的光显示出80％以上的透过率。这样，就可以降低接触电阻，可以进一步提高向表面电极侧的光取出效率。
本发明的所述的或者其他的目的、特征及效果将参照附图，由如下所述的实施方式的说明阐明。
附图说明
图1是图解性地表示本发明的一个实施方式的发光二极管元件的构造的剖面图。
图2表示对堆积于蓝宝石基板上的ZnO膜的透过率测定后的结果。
图3表示对于在蓝宝石基板上堆积了ZnO膜，继而在该ZnO膜上形成了反射金属层的构造，从蓝宝石基板侧测定了反射率的结果。
图4表示对于在蓝宝石基板上依次层叠了ZnO膜、SiO2膜及反射金属层的构造，从蓝宝石基板侧测定了反射率的结果。
图5是图解性地表示本发明的其他的实施方式的发光二极管元件的构造的剖面图。
图6是表示图5的构成的变形例的图解性的剖面图。
图7是表示图5的构成的其他的变形例的图解性的剖面图。
具体实施方式
图1是图解性地表示本发明的一个实施方式的发光二极管元件的构造的剖面图。该发光二极管元件为倒装晶片型的元件，具备：作为透明基板的蓝宝石基板1、形成于该蓝宝石基板1上的InGaN半导体发光部2、将InGaN半导体发光部2的与蓝宝石基板1相反一侧的表面覆盖而形成的P侧透明电极3。蓝宝石基板1被将其一方设为光取出面1a，将其另一方表面设为所述元件形成面1b。在该元件形成面1b上形成有InGaN半导体发光部2。
蓝宝石基板1是相对于InGaN半导体发光部2的发光波长(例如460nm)透明的绝缘性的基板。InGaN半导体发光部2例如在蓝宝石基板1侧具有掺杂了Si的N型GaN接触层23，在与蓝宝石基板1相反一侧具有掺杂了Mg的P型GaN接触层27，在它们之间具有InGaN活性层24、25。该InGaN活性层例如具有单一量子阱构造的InGaN层24和多重量子阱(MQW)构造的InGaN层25的叠层构造。更具体来说，InGaN半导体发光部2在蓝宝石基板1上，可以从蓝宝石基板1开始以如下顺序层叠形成缓冲层21、未掺杂GaN层22、所述N型GaN接触层23、所述InGaN活性层24、25、掺杂了Mg的P型AlGaN包覆层26、所述P型GaN接触层27。P侧透明电极3与P型GaN接触层27的大致全面欧姆接触。
InGaN半导体发光部2将从InGaN活性层24到P型GaN接触层27的各层的一部分以相同图案蚀刻除去，这样就使N型GaN接触层23露出。在该N型GaN接触层23的露出的表面上粘附形成于N侧电极6。
另一方面，在将P型GaN接触层27的大致全面覆盖的P侧透明电极3上，粘附形成有将其全面覆盖的透明绝缘膜5。该透明绝缘膜5还将InGaN半导体发光部2整体覆盖，作为钝化膜发挥作用。在该透明绝缘膜5上，形成有使P侧透明电极3的表面的一部分(微小区域)露出的多个开口5a、使N侧电极6的表面的一部分露出的开口5b。这样，在透明绝缘膜5的表面(与InGaN半导体发光部2相反一侧的表面)上，按照将与P型GaN接触层27相面对的区域的大致全部区域覆盖的方式，形成有由金属材料制成的反射电极7，另外该反射电极7例如被由Au制成的P侧垫块电极8覆盖。反射电极7穿过开口5a与P侧透明电极3接合，这样，P侧透明电极3、反射电极7及P侧垫块电极8就被电连接。
另一方面，从N侧电极6中竖起柱状的N侧垫块电极9。该N侧垫块电极9被穿过透明绝缘膜5的开口5b与N侧电极6接合。
利用此种构造，就可以使P侧垫块电极8及N侧垫块电极9都与安装基板10相面对，与该安装基板10接合。11表示焊锡等焊料。
P侧透明电极3例如由Zn1-xMgxO(0≤x＜1。x＝0时为ZnO)制成，形成相对于InGaN半导体发光部2的发光波长透明的导电体层。Zn1-xMgxO(特别是掺杂了Ga的ZnO)晶格常数与GaN近似，不需要事后的退火，在与InGaN半导体发光部2的所述P型GaN接触层27之间形成良好的欧姆接触(参照Ken Nakahara等著，「Improved External EfficiencyInGaN-Based Light-Emitting Diodes with Transparent Conductive Ga-DopedZnO as p-Electrodes」，Japanese Journal of Applied Physics，Vol.43，No.2A，2004年，pp.L180-L182)。此外，例如相对于370nm～1000nm的波长的光显示出80％以上的透过率。所以，通过使用Zn1-xMgxO，就可以实现与P型GaN接触层27的接触电阻低并且透过率高的P侧透明电极3。
此种P侧透明电极3例如可以利用分子束外延法(MBE)形成。该P侧透明电极3的膜厚例如被设为1000～100000(例如5000左右)。
作为构成反射电极7的金属材料的例子，可以举出Al、Ag、Pd、In、Ti等。反射电极7是通过将这些金属材料利用溅射或蒸镀法粘附于透明绝缘膜5的表面而形成的。例如当使用Al时，其膜厚被设为500～10000(例如1000左右)。
透明绝缘膜5例如由SiOy、SiON、Al2O3、ZrO2或SiNx构成，是相对于InGaN半导体发光部2的发光波长透明的膜。该透明绝缘膜5例如被利用溅射法或CVD法(化学气相生长法)形成。绝缘膜5的厚度t虽然只要在可以确保绝缘性的范围中任意地确定即可，但是例如在透明绝缘膜5由SiO2膜构成的情况下，其膜厚t优选设为800×奇数倍。该膜厚t相对于InGaN半导体发光部2的发光波长λ(＝460nm)、SiO2的折射率n(＝1.46)，形成t＝λ/(4·n)×奇数倍的关系。该膜厚t满足用于在透明绝缘膜5和反射电极7的界面上获得最大的反射效率的条件。
利用如上所示的构成，当在P侧垫块电极8和N侧垫块电极9之间施加顺向电压时，则从InGaN半导体发光部2中产生波长460nm的蓝色的光。该光被透过蓝宝石基板1而向光取出面1a侧输出。从InGaN半导体发光部2射向P侧透明电极3的光透过该P侧透明电极3，继而透过透明绝缘膜5而向反射电极7射入，被该反射电极7反射。该反射了的光射向蓝宝石基板1，从其光取出面1a中被输出。这样，就能够以高效率输出光。透明绝缘膜5及反射电极7由于形成绝缘体/金属的界面因此在该界面上实质上不产生光的吸收。由此，就可以实现良好的光取出效率。
像这样，根据本实施方式的发光二极管元件，在P型GaN接触层27的表面接合形成P侧透明电极3，在该P侧透明电极3上夹隔透明绝缘膜5形成有反射电极7。由此，在选择反射电极7的材料时，由于不需要考虑与P型GaN接触层27的电阻接合的良好与否，因此材料选择的范围变宽。这样，就可以选择高反射率的材料以实现高光取出效率的元件，或选择廉价的金属材料以实现元件的制造成本的降低。
图2、图3及图4是用于说明透明绝缘膜5的效果的图。图2表示对堆积于蓝宝石基板上的ZnO膜的透过率测定后的结果。另外，图3表示对于在蓝宝石基板上堆积ZnO膜，继而在该ZnO膜上形成了反射金属层的构造，从蓝宝石基板侧测定了反射率的结果。另外，图4表示对于在蓝宝石基板上依次层叠了ZnO膜、SiO2膜及反射金属层的构造，从蓝宝石基板侧测定了反射率的结果。
如图2所示，层叠于蓝宝石基板上的ZnO具有非常高的透过率。由此，如果将由Ag或Al之类的高反射率的金属制成的反射金属层放置于ZnO上，从蓝宝石基板侧测定反射率，就可以期待获得近似反射金属层单体的反射率。
但是，此时当将反射金属层直接附着于ZnO上时，则如图3所示，无法获得所需的反射率。虽然详细的原理还不清楚，但是推测是因为，Ag或Al之类的银白色类金属与Ga掺杂ZnO形成欧姆接触，由此影响反射金属层单体的反射率。
所以，当在ZnO和反射金属层之间夹隔透明绝缘膜时，则如图4所示，就可以获得反射金属层本来所具有的高反射率。
图5是图解性地表示本发明的其他的实施方式的发光二极管元件的构造的剖面图。该图5中，对于与所述的图1所示的各部同等的部分，使用与图1的情况相同的参照符号表示。
该实施方式中，未设置蓝宝石基板1，N型GaN接触层23成为最上层，该N型GaN接触层23的表面23a(与安装基板10相反一侧的表面)成为光取出面。在作为该光取出面的表面23上，形成有N侧电极6A。该构成的发光二极管元件例如可以通过进行如下操作来制作，即，在形成了图1所示的构造后，将蓝宝石基板1、缓冲层21及未掺杂GaN层22研削除去，使N型GaN接触层23的表面露出。
根据该实施方式的发光二极管元件，由于可以消除穿过蓝宝石基板1、缓冲层21及未掺杂GaN层22时的损失、由在这些层间的界面上的反射造成的损失，因此可以有助于光取出效率的提高。此外，由于形成P侧电极及N侧电极被相面对地配置的构造，因此可以将电流分布均一化，从而还可以获得抑制元件的发热的效果。
作为N型GaN接触层23的光取出面的表面23a虽然也可以被精加工为镜面，但是为了提高光取出效率，最好如图6所示制成进行了粗糙面加工的表面，或制成形成了如图7所示的规则的凹部(例如将微凹规则排列而成的构造)的表面。特别是，在图7的构成的情况下，最好将N型GaN接触层23整体制成光子学晶体，实现光取出效率的进一步的提高。
以上虽然对本发明的2个实施方式进行了说明，但是本发明也可以用其他的方式来实施。例如，在所述的实施方式中，虽然在P侧透明电极3和反射电极7之间夹隔有透明绝缘膜5，但是也可以取消该透明绝缘膜5，使P侧透明电极3和反射电极7相互以大致全面接触。但是，为了尽可能减少P侧透明电极3和反射电极7的界面上的光的吸收，最好设置透明绝缘膜5。
另外，在透明绝缘膜5和反射电极7之间，最好设置用于提高密接性的粘接层。粘接层例如也可以通过利用溅射设置0.1μm左右的氧化铝(Al2O3)来形成。
另外，所述的实施方式中，虽然以氮化镓类半导体发光元件为例，但是本发明也可以适用于ZnSe、ZnO、GaAs、GaP、SiC、InAlGaP等其他的材料类的半导体发光元件。
虽然对于本发明的实施方式详细地进行了说明，但是它们只不过是用于阐明本发明的技术内容的具体例，本发明应当被理解为不受这些具体例限定，本发明的精神及范围仅由附加的技术方案的范围限定。
本申请与2004年7月12日向日本国专利局提出的专利2004-205094号对应，该申请的全部公布内容在这里通过引用而被组入。
Claims (9)
1.一种半导体发光元件，其特征是，包括：
半导体发光部，具有第1导电型的第1接触层、第2导电型的第2接触层及由它们夹持的活性层；
透明电极，与所述第2接触层的表面进行欧姆接触，将该第2接触层的表面的大致全部区域覆盖，并且对于所述半导体发光部的发光波长来说透明；
金属反射膜，该金属反射膜被与所述透明电极的大致全部区域相面对地配置，与所述透明电极电连接，并且将从所述半导体发光部透过所述透明电极的光朝向所述半导体发光部反射。
2.根据权利要求1所述的半导体发光元件，其特征是，还包括如下的透明基板，即，对于所述半导体发光部的发光波长来说透明，将一方表面作为用于将从所述半导体发光部发出的光向外部取出的光取出面，将另一方表面作为用于形成所述半导体发光部的元件形成面，该元件形成面与所述第1接触层相面对。
3.根据权利要求1所述的半导体发光元件，其特征是，
还包括夹隔于所述透明电极和所述金属反射膜之间的透明绝缘膜，
所述金属反射膜经由形成于所述透明绝缘膜上的开口，与所述透明电极连接。
4.根据权利要求1所述的半导体发光元件，其特征是，还包括从所述第1接触层向所述金属反射膜侧引出的电极部。
5.根据权利要求1所述的半导体发光元件，其特征是，所述透明电极包括Zn1-xMgxO膜，其中0≤x＜1。
6.根据权利要求1所述的半导体发光元件，其特征是，
所述第1接触层的表面成为光取出面，
在该光取出面上，还包括以与所述透明电极相面对的方式配置的电极。
7.根据权利要求6所述的半导体发光元件，其特征是，所述光取出面是已进行粗糙面加工的表面。
8.根据权利要求6所述的半导体发光元件，其特征是，所述光取出面是规则的凹凸面。
9.根据权利要求6所述的半导体发光元件，其特征是，所述第1接触层由光子学晶体构成。
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