TWI472053B - 氮化物半導體發光元件 - Google Patents

Description

氮化物半導體發光元件

本發明係關於氮化物半導體發光元件，更詳而言之係關於光取出效率提高之氮化物半導體發光元件。

氮化物半導體發光元件，例如作為照明光源、白色發光二極體之激發用光源等而受到注目。氮化物半導體發光元件一般具有藉由n型氮化物半導體層與p型氮化物半導體層挾持發光層之構造，電子與電洞於發光層再結合而發光。

圖9係日本特開2006-135311號公報記載之先前之氮化物半導體發光元件的概略剖面圖。圖9所示之氮化物半導體發光元件係於基板901上形成有由氮化物半導體層構成之積層體。該積層體由基板901側起，依序包括第一n型氮化物半導體層902、活性層903、p型氮化物半導體層904、及第二n型氮化物半導體層905。於第二n型氮化物半導體層905形成有p側電極906，其係用以朝p型氮化物半導體層904注入電洞，且於第一n型氮化物半導體層902形成有n側電極907。

此處，p側電極906例如使用Al等金屬，但若p側電極材料使用金屬時由於係不透明，故有電極吸收光、光取出效率降低之問題。

本發明係為解決上述問題而完成者，其目的在於提供一種光取出效率提高之氮化物半導體發光元件。

本發明提供之氮化物半導體發光元件，其依序包括第一n型氮化物半導體層、發光層、p型氮化物半導體層、及第二n型氮化物半導體層，且於該第二n型氮化物半導體層上進一步具有透明導電膜構成之電極。

此處，較好的是，透明導電膜構成之電極形成於上述第二n型氮化物半導體層之一部分的表面上。

較好的是，透明導電膜構成之電極具有單一或複數之線形狀，或具有網狀。且，較好的是，透明導電膜構成之電極係藉由濺鍍法形成。

又，較好的是，本發明之氮化物半導體發光元件中，上述第二n型氮化物半導體層之形成有透明導電膜構成之電極之側的表面之至少一部分，具有凹凸形狀。

較好的是，本發明之氮化物半導體發光元件具備電流阻止部。較好的是，該電流阻止部係由形成於第二n型氮化物半導體層表面之、至少具有到達p型氮化物半導體層之第二n型氮化物半導體層側表面之深度的凹部構成。或，該電流阻止部係由形成於第二n型氮化物半導體層表面之、至少具有到達第一n型氮化物半導體層之發光層側表面之深度的凹部、與以覆蓋該凹部底面及側面之方式形成之絕緣層構成。

較好的是，本發明之氮化物半導體發光元件進一步具有連接於透明導電膜構成之電極之引線接合用墊電極。且較好的是，該墊電極形成於上述電流阻止部上。

根據本發明，可提供一種比先前之光取出效率提高之氮化物半導體發光元件。

本發明之前述及其他目的、特徵、態樣及優點，由以下發明詳細說明一面參照附圖當可更明白。

圖1A及1B係顯示本發明之氮化物半導體發光元件之較佳例的概略圖，圖1A為上視圖，圖1B為剖面圖。圖1A及1B所示之氮化物半導體發光元件係於基板101上依序具有第一n型氮化物半導體層102、發光層103、p型氮化物半導體層104、及第二n型氮化物半導體層105。且，第二n型氮化物半導體層105上之一部分具有透明導電膜構成之電極106。再者，於第二n型氮化物半導體層105形成有具有到達第一n型氮化物半導體層102之深度的凹部，且以覆蓋該凹部之底面及側面之方式形成絕緣層109。又，該氮化物半導體發光元件，係於該凹部上具有連接於透明導電膜構成之電極106的墊電極107，且於第一n型氮化物半導體層102上具有墊電極108。

本發明中，使形成於第二n型氮化物半導體層105上之電極為透明導電膜構成之電極，而非金屬之厚膜電極。若電極使用不透明之金屬時將會吸收光，而藉由成為透明導電膜則可抑制電極對光之吸收，藉此可提高光取出效率。

此處，透明導電膜構成之電極之厚度較好為10~1000nm，而50~500nm為更好。小於10nm時電流擴散有不充分之傾向，大於1000nm時透明導電膜之穿透率有惡化之傾向。作為電極材料，可舉例有ITO(銦-錫氧化物)、氧化錫、氧化銦、氧化鋅、氧化鎵、IZO(氧化銦-氧化鋅)、AZO(氧化鋅-氧化鋁)、GZO(氧化鋅-氧化鎵)等。

本發明中，較好的是，透明導電膜構成之電極106形成於第二n型氮化物半導體層105之一部分的表面上。其原因為，即使使用透明導電膜之情形，透明導電膜並非完全透明，亦吸收如5~10%左右之光，故更縮小電極形成區域較好。藉此，可更抑制電極之光吸收。又，較好的是，透明導電膜構成之電極106，如圖1A所示，具有複數之線構成之形狀。藉由該構成亦可縮小電極形成區域。透明導電膜構成之電極106之形狀並非限於圖1A所示之形狀，例如亦可為單一之線構成之形狀、或網狀。將電極之形狀作為複數之線構成之形狀或網狀時，線間之距離及網孔之間隙距離並無特別限定，但宜成為於第二n型氮化物半導體層105內電流可充分擴散之距離。如後述，第二n型氮化物半導體層105具有作為電流擴散層之功能，但由於不具有金屬等高電流擴散能力，故電流擴散距離有限。故，當上述線間之距離及網孔之間隙距離較大時，有電流擴散不能充分達成之可能。例如，圖1A所示之線形狀之情形，線間之距離可為5~100μm左右。藉由成為線狀或網狀之電極，可由不具有電極之間隙不經由電極便直接取出光。

透明導電膜構成之電極106較好係藉由濺鍍法形成。藉由使用濺鍍法形成，可更提高電極之透明度。又，由於第二n型氮化物半導體層與透明導電膜之接觸電阻降低，故可降低電壓。

本發明之氮化物半導體發光元件，係於p型氮化物半導體層104上具有第二n型氮化物半導體層105。該第二n型氮化物半導體層105作為電流擴散層而發揮功能。於p型氮化物半導體層上直接設置電極之情形，由於p型氮化物半導體層中不產生電流擴散，故有必要於發光之區域全面形成電極。該情形下，即使使用透明電極作為電極，亦由於全面形成電極，故有光取出效率降低之傾向。藉由設置n型氮化物半導體層，由於於n型氮化物半導體層中產生電流擴散，故不須於全面設置電極。藉此，可由未形成電極之區域直接取出光。

作為第二n型氮化物半導體層105並無特別限定，可使用例如n型GaN層、n型InGaN層、n型AlGaN層、或將該等複數組合之積層構造等。又，第二n型氮化物半導體層105之厚度例如可為10~3000nm，更好為10~1000nm。

較好的是，第二n型氮化物半導體層105之形成有透明導電膜構成之電極106之側的表面之至少一部分具有凹凸形狀。由於氮化物半導體層之折射率高，故有時因光之折射將會於與空氣或封裝體所用之樹脂之界面反射，使發光層產生之光返回元件內部。一旦光返回元件內部，於發光層將再度吸收光，產生光之損失。藉由於第二n型氮化物半導體層105表面形成凹凸，可抑制因折射而使光返回元件內部，藉此，可提高光取出效率。

本發明中，較好的是，如圖1A及1B所示之氮化物半導體發光元件般具有電流阻止部。藉由設置電流阻止部，可提高發光效率。電流阻止部，例如可藉由去除第二n型氮化物半導體層105之一部分、於第二n型氮化物半導體層105表面設置至少具有到達p型氮化物半導體層104之第二n型氮化物半導體層105側表面之深度的凹部而形成。如上所述，由於第二n型氮化物半導體層105係作為電流擴散層而起作用，故於將第二n型氮化物半導體層105去除之區域無電流擴散，不產生發光。又，即使藉由將第二n型氮化物半導體層105及p型氮化物半導體層104之一部分去除、設置p型層露出之凹部，於該凹部形成透明導電膜等之n型電極，亦由於p型氮化物半導體層104與透明導電膜之接觸電阻非常高，故可作為電流阻止部而發揮功能。該情形下，若藉由濺鍍形成透明導電膜，由於透明導電膜接於第二n型氮化物半導體層之部分之接觸電阻低，接於p型氮化物半導體層之部分藉由濺鍍之電漿被高電阻化，故作為更良好之電流阻止部而起作用。

或者，電流阻止部如圖1A及1B所示，亦可如此形成：於第二n型氮化物半導體層105表面設置至少具有到達第一_n 型氮化物半導體層102之發光層103側表面之深度的凹部，且以覆蓋該凹部底面及側面之方式形成絕緣層109。根據該構成之電流阻止部，由於去除至可吸收光之發光層為止，故可更加提高光取出效率。作為絕緣層109，例如可舉例有氧化矽、氧化鋁、氧化鈦、氮化矽、氮化鋁等。且，絕緣層109之厚度例如可為10~1000nm。

本發明之氮化物半導體發光元件中，如圖1A及1B所示，為保持引線接合性能，宜形成有引線接合用之墊電極107及108。且，較好的是，一方之墊電極107連接於透明導電膜構成之電極106，使墊電極107與透明導電膜構成之電極106相連接。藉此，可高效率使電流由墊電極107投入透明導電膜構成之電極106。作為墊電極可使用先前公知之材料，例如可使用Ti與Al之積層體或合金、Hf與Al之積層體或合金等。

又，較好的是，墊電極107形成於上述電流阻止部上。由於墊電極通常為非透明，當其正下方產生發光，光將被墊電極吸收，產生光之損失，成為降低光取出效率之主要原因。藉由將墊電極設於電流阻止部上，則無墊電極對光之吸收，可提高光取出效率。

另，作為基板101、第一n型氮化物半導體層102、發光層103、p型氮化物半導體層104，可使用先前公知之適宜材料。

如上所述，本發明之氮化物半導體發光元件之特徵在於：將氮化物半導體層構成之積層體之最上層作為第二n型氮化物半導體層，且於該第二n型氮化物半導體層上形成由透明導電膜構成之電極。藉由將該積層體之最上層作為第二n型氮化物半導體層，即使於該第二n型氮化物半導體層表面之一部分形成電極之情形，電流亦可於第二n型氮化物半導體層內擴散，故可於整個面發光，可提高發光效率。

又，根據本發明，由於可僅於第二n型氮化物半導體層表面之一部分形成透明導電膜構成之電極，故可降低該電極之光吸收，藉此可抑制發光效率之降低。相對於此，由氮化物半導體層構成之積層體之最上層為p型氮化物半導體層之先前之發光元件，由於電流不擴散於p型氮化物半導體層內，故必須於p型氮化物半導體層表面全體形成電極，因電極之光吸收而使發光效率大幅降低。

於p型氮化物半導體層表面之一部分形成墊電極之構造，先前已為公知，然而該構造，除p型氮化物半導體層內無電流擴散以外，亦因不透明之墊電極而吸收光，故光取出效率降低。相對於此，根據本發明之氮化物半導體發光元件，由於可將透明導電膜構成之電極以例如線狀、網狀形成，故可由未形成透明導電膜之區域直接取出發光層之光，且電極之光吸收亦被抑制，光取出效率優異。

又，如上所述，本發明之氮化物半導體發光元件中，第二n型氮化物半導體層之電極形成側表面宜被賦與凹凸形狀。藉由於第二n型氮化物半導體層表面賦與如此凹凸形狀，可抑制或防止半導體層內部之光的多重反射，故可更加提高光取出效率。本發明中第二n型氮化物半導體層之厚度可設為例如10~3000nm，較好為10~1000nm。於第二n型氮化物半導體層表面賦與凹凸之情形，第二n型氮化物半導體層之厚度最好為300nm以上。即使以300nm以上之膜厚形成第二n型氮化物半導體層之情形，亦由於第二n型氮化物半導體層之電阻較低，故不易產生電壓上升。另一方面，氮化物半導體層構成之積層體之最上層為p型氮化物半導體層之先前之發光元件，由於該p型氮化物半導體層為高電阻，且其膜厚增大時電壓上升，故通常使其為200nm左右以下之膜厚。將p型氮化物半導體層之厚度減薄至200nm左右以下之情形，將難以於p型氮化物半導體層表面賦與凹凸形狀。

此處，日本特開2006-13500號公報揭示有於p型氮化物半導體層表面賦與凹凸形狀之發光元件。但，如此構造中，有產生該凹部之底面到達發光層之區域，而產生洩漏不良之情形。且，該發光元件中，由於氮化物半導體層構成之積層體之最上層為p型氮化物半導體層，故如上所述須於p型氮化物半導體層表面全體形成電極，然而，當於具有凹凸形狀之p型氮化物半導體層形成電極時，與p型氮化物半導體層具有平坦表面之情形比較，所形成之電極面積變更大，故該電極之光之吸收量進一步增加。

又，作為使光取出效率提高之元件構造，先前已知有於藍寶石基板表面設置凹凸形狀，再於其上形成氮化物半導體層之構造。該構造為於藍寶石基板與氮化物半導體層之界面產生光之散射，於藍寶石基板側取出較多之光，由該藍寶石基板側面取出光之構造。然而，該構造之發光元件，當用以黏晶藍寶石基板之漿料為易吸收光之材料之情形，出射於藍寶石基板側之光將被基板內面之上述漿料吸收，有降低發光效率之問題。另一方面，本發明之氮化物半導體發光元件，由於元件表面側(與基板相反之側)之光取出效率極高，故無需於基板表面設置凹凸、由基板側面取出光。且，根據將元件表面側作為光取出面，且於第二n型氮化物半導體層表面賦與凹凸形狀之本發明之氮化物半導體發光元件，由於在基板與氮化物半導體層之界面反射、返回之光經由第二n型氮化物半導體層表面形成之凹凸表面良好地被取出於外部，故可獲得極高之光取出效率。再者，將元件表面側作為光取出面之本發明之氮化物半導體發光元件，對於用以黏晶基板之漿料並無特別限制，故可由熱導電性良好之材料中適當選擇。

如上所述，本發明之由透明導電膜構成之電極較好係藉由濺鍍形成。藉由以濺鍍於第二n型氮化物半導體層上形成透明導電膜，可形成更低電阻之電極。其原因為，i)n型氮化物半導體層不受電漿之不良影響；ii)根據濺鍍之電極形成法，電極材料原子以高能量到達半導體層，故密著性更高，更降低接觸電阻；iii)由於濺鍍可形成緻密且結晶性高於蒸鍍之膜，故可降低透明導電膜之膜電阻。

相對於此，氮化物半導體層構成之積層體之最上層為p型氮化物半導體層之先前的發光元件，當欲於該p型氮化物半導體層上形成透明導電膜時，根據其形成方法而導致高電阻。例如，若藉由濺鍍形成透明導電膜，則p型氮化物半導體層表面因於濺鍍裝置內暴露於電漿等之影響，將產生表面高電阻化、電壓上升之問題。

以下列舉實施例更詳細說明本發明，但本發明並非限定於此等。

例

<實施例1>

以如下之順序製作圖1A及1B所示之氮化物半導體發光元件。首先，於藍寶石基板之基板101上依序成長：Al_r Ga_1-r N(0≦r≦1)構成之緩衝層(50nm厚)、為n型GaN層之第一n型氮化物半導體層102(5μm厚)、包含GaN構成之阻障層及In_q Ga_1-q N(0<q<1)構成之阱層的發光層103(100nm厚)、p型AlGaN層(30nm厚)及P型GaN層(200nm厚)構成之p型氮化物半導體層104、及為n型GaN層之第二n型氮化物半導體層105(0.2μm厚)。

其次，形成如圖2所示之形狀之抗蝕劑掩膜201後，用該抗蝕劑掩膜經由乾蝕刻形成具有第一n型氮化物半導體層102露出之程度之深度的凹部(高原蝕刻)。凹部形成後之製造中途之氮化物半導體發光元件的概略剖面圖顯示於圖3。其後，於表面全體以1μm厚形成SiO₂ 層後，形成如圖4所示之形狀之抗蝕劑掩膜301，且藉由蝕刻去除未形成抗蝕劑掩膜301之部分的SiO₂ 層。藉此，形成絕緣層109。絕緣層形成後之製造中途之氮化物半導體發光元件的概略剖面圖顯示於圖5。其後去除抗蝕劑掩膜301。

其後，藉由濺鍍法於表面全體形成200nm厚之ITO層後，形成如圖6所示之形狀之抗蝕劑掩膜601，且藉由蝕刻去除未形成抗蝕劑掩膜601之部分的ITO。藉此形成透明導電膜構成之電極106。透明導電膜構成之電極形成後之製造中途之氮化物半導體發光元件的概略剖面圖顯示於圖7。其後去除抗蝕劑掩膜601。最後，形成墊電極形成用之抗蝕劑掩膜後，藉由蒸鍍Ti/Al/Ti/Al、進行剝離，形成墊電極107及108，獲得圖1A及1B所示之氮化物半導體發光元件。

測定所得之發光元件之發光效率，其結果與取代ITO膜而使用0.5μm厚之Al作為電極且無電流阻止部之發光元件相比較，約提高20%之光取出效率。

<實施例2>

以如下之順序製作圖8所示之氮化物半導體發光元件。首先，與實施例1相同，於藍寶石基板之基板801上依序成長：Al_r Ga_1-r N(0≦r≦1)構成之緩衝層(50nm厚)、為n型GaN層之第一n型氮化物半導體層802(5μm厚)、包含GaN構成之阻障層及In_q Ga_1-q N(0<q<1)構成之阱層的發光層803(100nm厚)、由p型AlGaN層(30nm厚)及p型GaN層(200nm厚)構成之p型氮化物半導體層804、及為n型GaN層之第二n型氮化物半導體層805(0.2μm厚)。

其次，形成如圖2所示之形狀之抗蝕劑掩膜201後，用該抗蝕劑掩膜以乾蝕刻進行蝕刻直至p型氮化物半導體層804之中途，形成具有p型氮化物半導體層804露出之程度之深度的凹部(參照圖8)。露出之p型氮化物半導體層804表面因乾蝕刻時之電漿之影響使其表面高電阻化。故，即使於其上形成由透明導電膜構成之電極或墊電極，亦無電流從露出之p型氮化物半導體層804注入，因此無須如實施例1之情形於該凹部內形成SiO₂ 層。故，凹部形成後，除省略形成SiO₂ 層之步驟外，進行與上述實施例1相同之步驟，製作成圖8所示之氮化物半導體發光元件。

測定所得之發光元件之發光效率，其結果與取代ITO膜而使用0.5μm厚之Al作為電極且無電流阻止部之發光元件相比較，約提高20%之光取出效率。且，本實施例之氮化物半導體發光元件中，由於電流阻止部由凹部構成，該凹部具有到達第二n型氮化物半導體層805表面所形成之p型氮化物半導體層804之深度，且無絕緣層，故生產率提高。

雖然就本發明之實施形態進行詳細說明，但當可明白此僅為一例，並非用於限定本發明，本發明之範圍如申請專利範圍所述。

101．．．基板

102．．．第一n型氮化物半導體層

103．．．發光層

104．．．p型氮化物半導體層

105．．．第二n型氮化物半導體層

106．．．電極

107．．．墊電極

108．．．墊電極

109．．．絕緣層

201．．．抗蝕劑掩膜

301．．．抗蝕劑掩膜

601．．．抗蝕劑掩膜

801．．．基板

802．．．第一n型氮化物半導體層

803．．．發光層

804．．．p型氮化物半導體層

805．．．第二n型氮化物半導體層

901．．．基板

902．．．第一n型氮化物半導體層

903．．．活性層

904．．．p型氮化物半導體層

905．．．第二n型氮化物半導體層

906．．．p側電極

907．．．n側電極

圖1A及1B係顯示本發明之氮化物半導體發光元件之較佳例的概略圖。

圖2係顯示凹部形成用抗蝕劑掩膜之上視圖。

圖3係凹部形成後之製造中途之氮化物半導體發光元件的概略剖面圖。

圖4係顯示SiO₂ 蝕刻用抗蝕劑掩膜之上視圖。

圖5係絕緣層形成後之製造中途之氮化物半導體發光元件的概略剖面圖。

圖6係顯示透明導電膜構成之電極形成用抗蝕劑掩膜的上視圖。

圖7係透明導電膜構成之電極形成後之製造中途之氮化物半導體發光元件的概略剖面圖。

圖8係顯示本發明之氮化物半導體發光元件之另一較佳例的概略剖面圖。

圖9係先前之氮化物半導體發光元件之概略剖面圖。

101．．．基板

102．．．第一n型氮化物半導體層

103．．．發光層

104．．．p型氮化物半導體層

105．．．第二n型氮化物半導體層

106．．．電極

107．．．墊電極

108．．．墊電極

109．．．絕緣層

Claims (5)

1. 一種氮化物半導體發光元件，其係依序包括第一n型氮化物半導體層、發光層、p型氮化物半導體層、及第二n型氮化物半導體層，並含有於上述第二n型氮化物半導體層之一部分表面上形成之透明導電膜構成之電極，於上述第二n型氮化物半導體層表面形成至少具有到達上述第二n型氮化物半導體層側表面之深度的凹部而成之電流阻止部，及與上述透明導電膜之電極連接之引線接合用墊電極；上述透明導電膜構成之電極係以其一部分接於構成上述電流阻止部之凹部之底面的方式形成，上述墊電極形成於構成上述電流阻止部之凹部之底面上，並與上述透明導電膜構成之電極之上述一部分相接，且上述第二n型氮化物半導體層具有作為電流擴散層之功能。
2. 如請求項1之氮化物半導體發光元件，其中上述透明導電膜構成之電極係形成於上述第二n型氮化物半導體層之一部分的表面上。
3. 如請求項2之氮化物半導體發光元件，其中上述透明導電膜構成之電極係具有單一或複數之線形狀，或具有網狀。
4. 如請求項1之氮化物半導體發光元件，其中上述透明導 電膜構成之電極係藉由濺鍍法形成。
5. 如請求項1之氮化物半導體發光元件，其中上述第二n型氮化物半導體層之形成有上述透明導電膜構成之電極之側的表面之至少一部分，具有凹凸形狀。