TWI544656B - Semiconductor light emitting element and manufacturing method thereof - Google Patents

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Description

半導體發光元件及其製造方法
本發明係關於一種半導體發光元件及其製造方法，尤其是關於可在不太使順向電壓(forward voltage)上升下提高發光輸出之半導體發光元件及其製造方法。
近年來，作為可用於殺菌、淨水、醫療、照明、高密度光記錄等領域中之發光二極體(LED)，於紫外光區域中發光之LED、尤其是發光波長為350 nm以下之紫外LED、進而是發光波長為300 nm以下之深紫外LED受到關注。
此處，作為此種發出紫外光之LED，已知有使用第III族氮化物半導體即AlGaN系薄膜、鑽石薄膜等作為元件材料而形成元件構造者。即，具有發光層、由挾著該發光層而形成之p型半導體層及n型半導體層所構成之半導體積層體、與p型半導體層側之p側電極及n型半導體層側之n側電極之半導體發光元件。
作為此種半導體發光元件，於專利文獻1中記載有如下半導體發光元件：於p型接觸層之表面設置凹凸，且於包含凹凸之大致整面上形成ITO膜之正電極，藉此提高p型接觸層與正電極之密合性，並且增加接觸面積，降低動作電壓。
[先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本特開2005-259970號公報
作為半導體發光元件之特性，例如可列舉發光輸出或順向電壓，重要的是平衡良好地提高該等特性。
於半導體發光元件中，若例如於p型半導體層上直接形成p側電極，則兩者之接觸電阻較高，無法獲得良好之歐姆接觸。因此，通常於p型半導體層與p側電極之間，設置與p側電極之接觸電阻較小且低電阻即p型接觸層。作為發出紫外光區域或藍色區域之波長之光之LED之例，於將第III族氮化物半導體即AlGaN系薄膜製成半導體積層體之情形時，AlGaN薄膜之Al組成比例越高，則p型傳導電阻越高。如上所述，現狀為由於難以獲得較實用之高Al組成之p型接觸層，故為了降低順向電壓，必須使用Al組成比例較小之AlGaN層或不含Al之GaN層作為p型接觸層。
然而，本發明者們於開發高Al組成且具有帶隙(band gap)較廣之發光層之發光元件時，相較發光層之AlGaN層，p型接觸層之Al組成越低，則p型接觸層之帶隙越小，藉此判斷p型接觸層容易吸收發光層發出之光。因此可知，於在p型半導體層之整面上設置如GaN之p型接觸層之情形時，可使p型半導體層與p側電極之歐姆接觸良好而獲得較低之順向電壓，但p型接觸層吸收光之結果為無法獲 得較高之發光輸出。因此，存在非常難於發光元件中兼顧較低之順向電壓與較高之發光輸出且提高發光效率之問題。
進而，可對p型接觸層形成良好之歐姆接觸之歐姆電極層、例如Ni/Au等之金屬電極及ITO等之電極對紫外光之透射率較低，且吸收紫外光。由於該等電極對藍色等可見光具有某種程度上較高透射率，故可如專利文獻1於發出藍色之發光元件中用作整面電極。然而，未有關於對發出紫外光之半導體發光元件與可見光發光元件相同之形態使用該等歐姆電極層之見解，根據本發明者們之探討判明，於發出紫外光之半導體發光元件中，紫外光被吸收之結果為發光輸出大幅度地下降。
上述問題亦存在於n型半導體層與n側電極之間。
因此，鑑於上述課題，本發明之目的在於提供一種兼顧由接觸層及歐姆電極層所構成之接觸部中之光吸收之抑制、及電極與半導體層之良好之歐姆接觸，並在不太使順向電壓上升下提高發光輸出之半導體元件及其製造方法。
鑑於上述課題，本發明之要旨構成如下所述。
(1)一種半導體發光元件，其特徵在於，具有：半導體積層體，依序包含第1傳導型半導體層、發光層、以及與上述第1傳導型不同之第2傳導型半導體層；接觸部，於上述第1傳導型半導體層上積層接觸層及歐姆電極層而形成； 複數個島狀之開口部，形成於上述接觸部且露出上述第1傳導型半導體層；第1電極，與上述歐姆電極層接觸，且與上述第1傳導型半導體層電性連接；以及第2電極，電性連接於上述第2傳導型半導體層。
(2)如上述(1)之半導體發光元件，其中，從元件上表面觀察之複數個上述開口部之形狀不均一。
(3)如上述(1)或(2)之半導體元件，其中，上述接觸層之帶隙較上述發光層之帶隙窄。
(4)如上述(3)之半導體發光元件，其中，上述半導體積層體係由第III族氮化物半導體所構成，且上述接觸層為AlxGa1-xN(0≦x<0.5)。
(5)如上述(1)或(2)之半導體發光元件，其中，上述發光層係發出紫外光。
(6)如上述(1)或(2)之半導體發光元件，其中，上述第1傳導型半導體層為p型半導體層。
(7)一種半導體發光元件之製造方法，其特徵在於，具有如下步驟：於基板上形成半導體積層體，該半導體積層體依序包含第2傳導型半導體層、發光層、以及與上述第2傳導型不同之第1傳導型半導體層；於上述第1傳導型半導體層上，形成積層接觸層及歐姆電極層而成之接觸部；於上述接觸部上之一部分形成遮罩； 藉由蝕刻去除未形成有該遮罩而露出之上述接觸部之部分，而於上述接觸部上形成露出上述第1傳導型半導體層之複數個島狀之開口部；形成與上述歐姆電極層接觸、且與上述第1傳導型半導體層電性連接之第1電極；以及形成電性連接於上述第2傳導型半導體層之第2電極。
(8)如上述(7)之半導體發光元件之製造方法，其中，從元件上表面觀察之複數個上述開口部之形狀不均一。
(9)如上述(7)或(8)之半導體發光元件之製造方法，其中，上述遮罩形成步驟具有如下步驟：藉由氧環境下之鋁蒸鍍，於上述接觸部上形成鋁氧化膜；以及對該鋁氧化膜進行部分蝕刻。
(10)如上述(7)或(8)之半導體發光元件之製造方法，其中，上述發光層係發出紫外光。
根據本發明，藉由在積層半導體發光元件之接觸層與歐姆電極層而成之接觸部上設置開口部，可兼顧接觸部中之光吸收之抑制、及電極與半導體層之良好之歐姆接觸。其結果，可在不太使順向電壓上升下提高發光輸出。
以下，一邊參照圖式一邊更詳細地說明本發明。再者， 於發光元件之剖面示意圖中，為了方便說明，使各層相對於基板以與實際情況不同之比率而誇張地顯示。再者，圖1係圖2之I-I剖面。
如圖1所示，本發明之一實施形態即半導體發光元件100係於基板101上依序具有緩衝層102、半導體積層體106、以及積層接觸層107與歐姆電極層108而成之接觸部109。
半導體積層體106係由作為第1傳導型半導體層之p型半導體層105、發光層104、以及作為與第1傳導型不同之第2傳導型半導體層之n型半導體層103所構成。於本實施形態中，從緩衝層102側依序形成有n型半導體層103、發光層104、p型半導體層105。
如圖1及圖2所示，作為第1電極之p型電極113係位於接觸部109上，更嚴格而言係位於歐姆電極層108之一部分上，且與歐姆電極層108接觸，透過接觸部109與p型半導體層105電性連接。作為第2電極之n側電極112係形成於半導體積層體106之n型半導體層103側。n側電極112與n型半導體層103電性連接。於圖1中，作為其一例，示意性地顯示典型式「側向(lateral)型」發光元件，於半導體發光元件100之一部分區域中，去除接觸部109及半導體積層體106之一部分，使n型半導體層103之表面露出，並於露出之n型半導體層103上設置n型電極112。
作為基板101，較佳為使用對半導體積層體106之磊晶成長之溫度具有耐性(tolerant)之基板，例如可使用藍寶石 基板、或於藍寶石等基板上形成有AlN單晶層之AlN模板(template)。
緩衝層102係使用MOCVD(Metal-organic Chemical Vapor Deposition，金屬有機化學氣相沈積)法、MOVPE(Metal-organic Vapor-phase Epitaxy，金屬有機氣相磊晶)法、HVPE(Hydride Vapor-phase Epitaxy，氫化物氣相磊晶)法、MBE(Molecular Beam Epitaxy，分子束磊晶)法等已知方法，於基板101上進行磊晶成長。例如可使用厚度為20~1500 nm、較佳為500~1500 nm、更佳為800~1000 nm之AlN層或由複數個AlGaN層所形成之積層體。緩衝層102係作為基板101與n型半導體層103之應變緩衝層而發揮作用。又，緩衝層102亦可包含組成傾斜層或超晶格應變緩衝層。
n型半導體層103及p型半導體層105可藉由使用MOCVD法等已知方法使AlxGa1-xN材料(0<x≦1)磊晶成長而形成。再者，只要於所欲之發光波長下之吸收不成問題，則作為第III族元素亦可包含B、In，作為V族元素亦可包含As。作為p型雜質可例示Be、Mg，作為n型雜質可例示Si、Ge。
關於發光層104，例如可列舉AlInGaN/AlInGaN之多量子井結構(multiple quantum well structures)。該結構可藉由MOCVD法等成長而形成。發光層104可採用能發出發光中心波長為380 nm以下之紫外光、或495 nm以下之可見光(藍色、紫色)等，且具有相對較寬之帶隙之材料。於發 出紫外光之發光層104之情形時，例如可於通過GaN(x=0)層時產生吸收、相對於發光中心波長之透射率成為50%以下且發出發光中心波長為380 nm以下之紫外光之發光層，且可形成為幾乎不透射GaN層且發出發光中心波長為365 nm以下之紫外光之發光層，進而，可形成為發出發光中心波長為350 nm以下之紫外光之發光層。再者，於AlInGaN/AlInGaN之多量子井結構之情形時，發光波長可主要以井層之Al組成比例進行控制。
各層之厚度例如可設為：n型半導體層103為1000~5000 nm，發光層104為10~100 nm，p型半導體層105為50~300 nm。
此處，對接觸部109進行說明。
首先，使p型接觸層107於p型半導體層105上磊晶成長。接觸層107可獲得低電阻之p型傳導、且與p側電極113之接觸電阻低於p型半導體層105之層。進而，接觸層較佳為，與p型半導體層105晶格匹配良好，且具有可於p型半導體層105上進行磊晶成長之晶格常數。
於接觸層107之帶隙較發光層104之帶隙窄之情形時，本發明之效果非常大。於此情形時，顯著產生從發光層104發出之光由接觸層107吸收之問題。
當半導體積層體106例如由第III族氮化物半導體所構成時，於接觸層107之Al組成係帶隙變得窄於發光層之組成、或者相對於來自發光層之發光中心波長之透射率未達50%之組成之情形時，本發明之效果非常大。作為接觸層 107之Al組成，當將組成式設為AlxGa1-xN之情形時，雖亦取決於發光波長，但較佳為例如設為0≦x<0.5，更佳為0≦x≦0.05。於此情形時，由於接觸層107之Al含量較少、或者不含Al，故與p型半導體層105之晶格匹配良好，又，與p側電極113之接觸電阻充分低於p型半導體層105。即，若設為x<0.5，則不會出現載子密度(carrier density)大幅地減少之情況，故較佳；若設為x≦0.05，則可容易地與GaN同樣地獲得較低之接觸電阻，故更佳。再者，於發出發光中心波長為350 nm以下之紫外光之發光層之情形，即便為將接觸層設為x=0.05之情形時，接觸層對光之吸收亦較大。再者，接觸層亦可少量地包含In等其他同族元素。
其次，於p型接觸層107上形成p側歐姆電極層108。歐姆電極層108係形成為適於形成與p型接觸層107之歐姆接觸、且接觸電阻較低之層。較佳為，例如由Ni、Co、ITO、Pt等金屬與Au、Rh等金屬組合而成之歐姆電極層。又，p側歐姆電極層108必需能與p側電極113進行金屬接合。
構成接觸部109之接觸層107及歐姆電極層108均為吸收發光層104中產生之光者。再者，接觸部109亦可吸收該光之一部分並使另一部分透射或反射，但於相對於發光中心波長吸收50%以上之情形時，容易獲得本發明之效果。
如圖1及圖2所示，此處，本發明之特徵性構成係接觸部109具有露出p型半導體層105之島狀之開口部111。 於p型半導體層105上之開口部111，由發光層104所產生之光並未被構成接觸部109之接觸層107及歐姆電極層108所吸收。因此，可從開口部111將光有效地提取至外部。另一方面，於p型半導體層105上之形成有接觸部109之區域中，p型半導體層105與p側電極113可透過歐姆電極層108及接觸層107而獲得良好之歐姆接觸。如此，於本發明中，藉由在接觸部109設置開口部111，可兼顧接觸部之光吸收之抑制、及電極與半導體層之良好之歐姆接觸。其結果，可在不太使順向電壓上升下提高發光輸出。
又，由於本發明係於接觸部109之中存在島狀之、即孤立之開口部111之構成，故不形成孤立之接觸部，而如圖2所示實現接觸部109之整體與p側電極113電性連接之狀態。藉此，不僅p側電極113之正下方之半導體積層體上可充分地流通電流，接觸部109所處之區域及其附近之下方之半導體積層體上亦可充分地流通電流。此情況引起發光效率之提昇。
只要p側電極113與接觸部109之歐姆電極層108之一部分接觸，則p側電極113之位置並無特別限定於圖2。
如本實施形態所示，若第1傳導型半導體層即從開口部露出之半導體層為p型半導體層，則本發明較為有效。由於p型半導體層105與n型半導體層相比，電流不易於層內擴大，故較佳為接觸部109不僅於p側電極113正下方、亦於p型半導體層105上之儘可能寬廣之範圍內延伸。即，藉由於p型半導體層105上之整面上形成接觸部109， 並將其一部分設為開口部111，而可於更廣之範圍內獲得發光，且進一步提高發光效率。
又，於從開口部露出之半導體層為p型半導體層之情形時，較佳為，如圖2所示，複數個開口部111分散於p型半導體層105上，即，從元件上表面觀察時，開口部111分散地分佈於其整面。其結果，接觸部109亦鋪設於整個p型半導體層105上，可將從p側電極113所供給之電流供給至整個p型半導體層105。
從元件上表面觀察到之接觸部109中之開口部111之配置圖案並無特別限定，可以圖2之示意圖所例示之規則圖案形成，亦可以如圖5般之不規則圖案形成。
從元件上表面觀察到之開口部之形狀並無特別限定，較佳為如圖5般不均一，即，複數個開口部之形狀為無規則性且不統一。由於p型半導體層105之一部分之側面作為開口部111之側面而存在於接觸部109下，故若開口部111為不均一之形狀，則即便從上表面觀察到之p型半導體層105之露出面積相同(開口率相同)，包含開口部之側面之面積之p型半導體層105之合計露出面積亦會變大，藉此，從開口部111之取光效率(light-extraction efficiency)提昇。
此處，就充分地兼顧良好之歐姆接觸與較高取光效率之觀點而言，當將p型半導體層105上之設置有接觸部109之面積設為S1，將開口部111之總面積設為S2時，開口率(S2/(S1+S2))較佳為在0.05~0.65之範圍內，進而較 佳為0.2~0.4之範圍。若開口率為0.05以上，則可確實地獲得開口部之提昇取光之效果，若開口部之比率為0.65以下，則不易產生接觸部111不連續之位置，可獲得充分之歐姆接觸。
作為n側電極112，由於與n型半導體103之接觸電阻較低，故例如可使用藉由真空蒸鍍法依序蒸鍍含Ti之膜及含Al之膜之Ti/Al電極。作為p側電極113，由於與p型半導體層105之接觸電阻較低，故例如可使用藉由真空蒸鍍法依序蒸鍍含Ni之膜及含Au之膜之Ni/Au電極、及Ni/Pt電極。
至此，將本發明中之第1傳導型設為p型，將第2傳導型設為n型，對第III族氮化物半導體發光元件100進行了說明，但本發明並不限於此，當然，亦可將第1傳導型設為n型，將第2傳導型設為p型。於此情形時，作為歐姆電極層108之材料，較佳為採用與n型半導體層即n-AlGaN形成相較良好之歐姆接觸之Ti/Al、Mo/Al等金屬。
其次，使用圖3對半導體發光元件100之製造方法之一例進行說明。首先，如圖3(A)所示，例如使用MOCVD法於基板101上形成緩衝層102。其次，如圖3(B)所示，例如使用MOCVD法，於緩衝層102上使第2傳導型即n型半導體層103、發光層104、及與第2傳導型不同之第1傳導型即p型半導體層105、p型接觸層107依序磊晶成長，而形成半導體積層體106及p型接觸層107。其次，如圖3(C)所示，於p型接觸層107上積層p側歐姆電極層108， 形成接觸部109。p側歐姆電極層可藉由濺鍍法、真空蒸鍍法等而製膜。p側歐姆電極層形成後，較佳為進行退火(annealing)步驟。
繼而，如圖3(D)及(E)所示，於接觸部109上之一部分，嚴格地說，係於歐姆電極層108上之一部分形成遮罩110。首先，於整面形成遮罩材料之層(圖3(D))，其後，將該層圖案化(圖3(E))。為了於後續步驟中對接觸層107及歐姆電極層108進行部分蝕刻時，防止遮罩110之下部之蝕刻。藉由該遮罩110之形狀決定接觸部109及開口部111之形狀。因此，遮罩110係以俯視時為矩形或圓形等即定或無規則形狀之開口部不規則或規則地散佈之形狀之方式形成。
遮罩110之圖案形成方法並無特別限定，可藉由於歐姆電極108上之整面上形成遮罩材料層，並使用光微影法於該遮罩材料層上形成光阻圖案，僅對露出之遮罩材料層部分進行蝕刻，而形成具有與光罩相同之圖案之遮罩。
於使用上述光罩之一般方法中，使用任意之光罩可獲得所欲之圖案之遮罩110之優點。然而，開口部越細微，電越易流通於露出之p型半導體層105上，故較佳，但由於設計上之限制，難以將光罩圖案寬度設為1~2 μm以下而形成細微之開口形狀，又，步驟較繁雜。
本發明者們對不使用光微影法之有效之遮罩形成步驟進行開發。該遮罩形成步驟具有藉由氧環境下之金屬蒸鍍而於接觸部109之整面上形成金屬氧化膜110之步驟、以 及對該金屬氧化膜110進行部分蝕刻之步驟。作為該遮罩形成步驟中所使用之金屬，可用作後續之蝕刻用遮罩，進而可在不使用光罩下形成不均一之複數個開口部者，則可使用任何一種金屬，但較佳為例如鋁。本發明者們發現，藉由氧環境下之鋁蒸鍍而形成之鋁氧化膜於不使用光罩下，僅暴露於濕式蝕刻環境下進行部分蝕刻，並形成尺寸及形狀不均一之複數個細微形狀之開口部分散於歐姆電極層108上之圖案之遮罩110(圖3(E))。所謂細微開口部，係指例如寬度為2 μm以下之開口部。
藉由特定條件之氧環境下之鋁蒸鍍而形成之鋁氧化膜係面內之氧濃度不均一，認為除了利用作為乾式蝕刻用遮罩之氧化鋁(Al2O3)以外，部分地形成鋁或氧化數不同之鋁氧化物。且認為，於面內之蝕刻性之差異係因此而產生。若使用以該方法製作之遮罩，則可適度分散地形成不規則且細微且不均一之形狀之開口部。再者，於接觸部109上之一部分形成第1電極之情形時，所謂適度分散地形成開口部，係指接觸部109於p型半導體層105上以可整體地維持電性連續性之程度開口。此係為了維持電流之擴大並抑制開口引起之順向電壓之上升。於在接觸部109上之整面上形成第1電極之情形時，該接觸部109之電性連續性為較佳之形態，但並非必需。又，由於可根據鋁氧化膜之形成條件或蝕刻條件來控制開口率，且與使用光罩之方法相比，具有步驟較簡易之優點，故而更佳。
鋁氧化膜之蒸鍍條件若為可形成如上所述之開口部之 條件，則無特別限定，例如設為如下所述者即可。氧氣之流量設為5~15 sccm左右，EB(electron-beam，電子束)蒸鍍裝置之內部壓力設為5.0×10-3~5.0×10-2 Pa左右。只要以成膜速度為0.5~2.0 Å/sec，且500~5000 Å左右之厚度形成即可。
鋁氧化膜之蝕刻條件並無特別限定，但例如只要於63BHF(Buffer Hydrofluoric Acid，緩衝氫氟酸)中浸漬3~10分鐘左右即可。又，於鋁氧化膜形成尺寸及形狀不均一之複數個開口部。為了擴大該開口部，亦可繼續進行乾式蝕刻。此時，壓力設為1.0~4.0 Pa左右，蝕刻氣體設為CF4/O2，流量分別設為10~25 sccm/2~5 sccm左右，蝕刻時間設為0.5~3.0分鐘左右即可。
形成遮罩110後，如圖3(F)所示，藉由蝕刻而選擇性地去除未形成有遮罩110而露出之接觸部109之部分，而形成露出p型半導體層105之島狀之開口部111。作為該選擇蝕刻之方法，例如可使用利用氯氣或Ar氣之乾式蝕刻法，根據接觸層107及歐姆電極層108之材料而適當選擇。
如圖3(F)所示，較佳為進行蝕刻直至p型半導體層105削減例如10~200 nm左右。藉此，可確實地蝕刻去除接觸層107。又，由於在開口部111之p型半導體層105之側面形成有複雜之凹凸形狀，故侵入至接觸部109下之p型半導體層105之光係根據由p型半導體層105所構成之開口部111之側面之該凹凸而順利地射出。因此，由於在該側面進行反射，而使接觸層所吸收之光較少，而發光輸 出提高。
其後，藉由蝕刻而去除遮罩110(圖3(G))。遮罩係例如可以使用氟化氫之濕式蝕刻而去除。
其後，如圖3(H)所示，於歐姆電極層108之一部分上，形成與p型半導體層105電性連接之第1電極113，進而，形成電性連接於n型半導體層103之第2電極112。n側電極112係可例如，藉由乾式蝕刻或濕式蝕刻等而除去半導體積層體106之一部分，使n型半導體層103之表面露出，於露出之n型半導體層103上藉由濺鍍法或真空蒸鍍法等而形成。p側電極113可同樣地藉由濺鍍法或真空蒸鍍法等，直接形成於接觸部109上及p型半導體層105上之一部分上。
以上，對側向型半導體發光元件100之製造方法進行了說明，但本發明亦可應用於倒裝晶片(flip chip)型、及垂直(Vertical)型半導體發光元件。以下顯示其製造方法之一例。
於倒裝晶片型之情形時之製造方法係直至形成具有開口部111之接觸部109之步驟為止均與作為實施形態1之製造方法之至圖3(G)為止所示之步驟相同，其後，p側電極113係藉由濺鍍法或真空蒸鍍法等而直接形成於接觸部109及開口部111之p型半導體層上之整面上。此時，較佳為，於p側電極113中使用反射率較高之金屬，例如可列舉Mo、Ru、Rh、W。n側電極112係可例如藉由乾式蝕刻或濕式蝕刻等去除半導體積層體106之一部分，而使n 型半導體層103之表面露出，並於露出之n型半導體層103上藉由濺鍍法或真空蒸鍍法等而形成。而且，於安裝時，如圖4般使用凸塊114。即便於本實施形態中，到達開口部之光亦不會被接觸部109所吸收而反射於p側電極113，故可提高發光效率。
於垂直型之情形時，除了將可剝離之材料用於緩衝層以外，直至形成具有開口部111之接觸部109之步驟(圖3(G))為止均與作為實施形態1之製造方法顯示於圖3中之步驟相同，其後，於接觸部109上依序形成p側電極、接著金屬層、支撐(support)基板。
p側電極係藉由濺鍍法或真空蒸鍍法等而直接形成於接觸部及開口部之p型半導體層上之整面上。此時，較佳為，於p側電極中使用反射率較高之金屬，針對紫外光例如可列舉Mo、Ru、Rh、W。
接著金屬層係於藉由接合而與支撐基板連接之情形時，較佳為採用含Au之材料，更佳為採用Au或AuSn。於藉由電鍍(plating)法形成支撐基板之情形時，較佳為使用包含Au、Pt、Pd等貴金屬或Ni、Cu中之任一者之材料。又，較理想為選擇對藉由化學剝離法剝離基板時所使用之蝕刻液具有耐性之金屬。亦可於接著金屬層與p側電極之間進而形成由含Pt之材料所構成之阻礙(barrier)層，作為阻止Au從接著金屬層擴散之阻礙層。
支撐基板可為由散熱性良好之材料所構成者，例如較佳為使用導電性Si基板或以Mo、W、Ni、Cu及該等之合 金作為材料之基板。亦可如上所述藉由電鍍法而直接形成，於此情形時，較佳為選擇對其後之化學剝離之蝕刻液具有耐性之材料。
其次，藉由蝕刻等去除緩衝層，並將基板從半導體積層體剝離。而且，在藉由該剝離而露出之n型半導體層上形成n側電極。藉此，可製造垂直型半導體發光元件。再者，於垂直型之情形時，由於必需如此去除緩衝層，故緩衝層較佳為由可化學剝離之金屬材料，即鉻(Cr)、鈧(Sc)、鉿(Hf)、鋯(Zr)等、或以該等之金屬氮化物而製作。
以上所述內容均為顯示代表性之實施形態之示例，本發明並不限定於該等實施形態。又，以下，使用實施例對本發明進一步詳細地進行說明，但本發明絕不限於以下之實施例。
[實施例] (實施例1)
於藍寶石基板(0001)面上，藉由MOCVD法於具有AlN磊晶層之AlN模板之上積層AlN層作為初期層後，使作為超晶格應變緩衝層之AlN/GaN超晶格層、i型AlGaN層、作為n型氮化物半導體層之AlGaN(接觸層、包覆層(cladding layer)之Al組成：0.23)、作為發光波長為340 nm之發光層之InAlGaN量子井型結構(井層之Al組成：0.15)、作為p型氮化物半導體層之AlGaN(阻隔層(block layer)之Al組成：0.47，導引層與包覆層之Al組成：0.22，包覆層之厚度：160 nm)依序磊晶成長，從而形成半導體積層體。 進而，於最上層之p型AlGaN包覆層上，使作為p型接觸層之GaN(厚度：50 nm)磊晶成長。再者，上述超晶格應變緩衝層係將第1層設為GaN、且依序積層有如下之結構：超晶格層I，由AlN層(厚度為9 nm)與GaN層(厚度為2.1 nm)交替地進行20組積層而成；超晶格層II，由AlN層(厚度為2.7 nm)與GaN層(厚度為2.1 nm)交替地進行30組積層而成；以及超晶格層III，由AlN層(厚度為0.9 nm)與GaN層(厚度為2.1 nm)交替地進行50組積層而成；並且，於GaN層(第1層)中添加有Mg。
於p型接觸層上，藉由濺鍍法形成p側歐姆電極層(Ni：厚度10 nm及Au：厚度20 nm)。其後，進行550℃之熱處理。
其後，於藉由EB蒸鍍機抽成真空後，一邊導入氧氣一邊蒸鍍Al，藉此，於p側歐姆電極膜上形成鋁氧化膜(厚度200 nm)作為遮罩材料。此時，氧氣係設為10 sccm、1×10-2 Pa，且於1 Å/sec下成膜。其後，於BHF中浸漬10分鐘後，鋁氧化膜被部分蝕刻，形成具有部分地露出p側歐姆電極層之島狀孔之遮罩。其後，於1 Pa之壓力下，利用流量為20 sccm之氯氣進行3分鐘之乾式蝕刻，藉此去除未由遮罩覆蓋之部分之p側歐姆電極層，進而，於4 Pa之壓力下，藉由暴露在流量為22.5 sccm之氯氣與7.5 sccm之四氯化矽氣體之混合氣體中1.5分鐘而去除未由遮罩覆蓋之部分之p型接觸層。作為後續處理，於1 Pa之壓力下，暴露在流量為20 sccm之氬氣中3.5分鐘。於45%之氫氟酸 (HF)中浸漬15秒鐘，而完全地去除鋁氧化膜之遮罩。將去除遮罩後之表面之SEM(Scanning Electron Microscope，掃描電子顯微鏡)照片(倍率為1萬倍)顯示於圖5(A)。如此，形成具有複數個島狀之開口部之接觸部。從元件上表面觀察到之複數個開口部之形狀為不均一之形狀。又，將該表面之放大照片(倍率為5萬倍)顯示於圖6。如此，於具有p型半導體層之開口部之側部與底部發現凹凸。根據SEM照片之面積比進行計算，開口率為30.3%。
藉由乾式蝕刻法使n型氮化物半導體層之表面之一部分露出，於n型氮化物半導體層上形成n側電極(Ti/Al)，於550℃下進行退火後，在具有上述開口部之接觸部上形成p側電極(Ti/Au)，而製作本發明之半導體發光元件。
(實施例2)
形成具有部分地露出p側歐姆電極層之島狀孔之遮罩之後，於4 Pa之壓力下，追加暴露於流量為21 sccm之四氟甲烷氣體與4 sccm之氧氣之混合氣體中2.5分鐘之步驟，此外均以與實施例1相同之方法製作半導體發光元件。將去除遮罩後之表面之SEM照片(倍率為1萬倍)顯示於圖5(B)。從元件上表面觀察到之複數個開口部之形狀為不均一之形狀。如此，經過上述處理，遮罩之孔擴大，根據SEM照片之面積比進行計算，開口率為38.3%。又，觀察具有p型半導體層之開口部時，發現如實施例1中所觀察到之凹凸。
(實施例3)
於實施例1之步驟中，在p側歐姆電極層形成後進行熱處理之後，於p側歐姆電極膜上利用CVD法形成SiO2膜作為遮罩材料，代替鋁氧化膜，並於SiO2膜上藉由光微影法形成具有複數個直徑為5 μm、中心間間隔為10 μm之開口部之光阻之圖案。其後，將光阻圖案作為遮罩並藉由乾式蝕刻法進行SiO2膜之蝕刻，而去除光阻。將以此方式形成之SiO2膜圖案用作具有複數個島狀之開口之遮罩，並藉由與實施例1相同之乾式蝕刻法對p側歐姆電極及p-接觸層進行蝕刻，其後，浸漬於BHF中去除SiO2遮罩。將去除遮罩後之表面之SEM照片(倍率為5千倍)顯示於圖7。其後，以與實施例1相同之方式製作半導體發光元件。其結果，於接觸部形成與光罩之圖案對應之形狀之開口部，即以10 μm之間距均勻地形成直徑為5 μm之開口部。關於開口率，於光罩設計上為19%，根據SEM照片之面積比進行計算時為20%。
(實施例4)
將於p側歐姆電極膜上形成鋁氧化膜(厚度為200 nm)作為遮罩材料之後之遮罩材料於BHF中之浸漬時間從10分鐘更改為6分鐘，此外均以與實施例1相同之方式進行。將接觸部之放大照片(倍率為5萬倍)顯示於圖8。開口部之形狀為不均一之形狀。根據SEM照片之面積比進行計算，開口率為20%。再者，從元件上表面觀察到之複數個開口部之形狀與實施例1相同，與實施例3開口部之形狀不同，但開口率相等。
(實施例5)
於完全地去除鋁氧化膜之遮罩後，以覆蓋開口部及接觸部之整面之方式，藉由濺鍍法形成反射電極(Ru，厚度為50 nm)，並於上述反射電極上形成p側電極(Ti/Au)，此外均以與實施例1相同之方式進行。
(實施例6)
使用發光波長為465 nm之InGaN量子井型結構作為發光層，此外均以與實施例2相同之方式形成半導體發光元件。
(比較例1~6)
不進行遮罩形成及藉由乾式蝕刻之接觸部之開口部之形成，除此之外分別以與實施例1~6相同之方式形成半導體發光元件。
(評估方法)
使用定電流電壓電源使20 mA、50 mA或100 mA之電流流通於所獲得之發光元件時之發光輸出Po及順向電壓Vf進行測定。表1中，實施例1~6之Po比係分別將比較例1~6中之Po值設為1之情形時之相對值。表1中實施例1~6之△Vf係從各個試驗例中之Vf之實測值分別減去比較例1~6中之Vf之實測值而得之值。△Vf越小則接觸面積減少之影響越小，顯示特性優異。關於Po，相對值越大則發光輸出提昇效果越大，顯示特性優異。再者，關於Po，形成有反射電極之實施例5係藉由反射從藍寶石基板側提取之光進行測定，此外係對從具有開口部之p型氮化物半 導體層側提取之光進行測定。
(評估結果)
實施例1~5相對於比較例1~5，Po大致達到1.3倍至2倍以上，Vf稍微上升。藉此，可在不太使順向電壓上升下大幅度地提高發光輸出。又，顯示開口率越大輸出提昇效果越大之傾向。
進而，若比較開口率相等之實施例3與實施例4，則判明實施例4之Po高於實施例3。認為原因亦在於，在光微影法中，由於光罩圖案寬度之設計上之限制，難以形成1~2 μm以下之細微之開口部，故於實施例3中各個開口部較大，並非如實施例4般各個開口部係寬度為2 μm以下之細微且複雜之形狀且為不均一之開口形狀之集合。又，判明實施例3之△Vf高於實施例4。認為其原因在於，實施例3中之各個開口部之中心部遠離接觸部，故電不易 流通，Vf容易上升。進而，根據SEM照片可知，實施例3之開口部底面相對平坦，而實施例4之開口部底面與實施例3相比，具有凹凸。由於為不均一之開口形狀，故開口面內之蝕刻速度亦變得不均一，可推測開口部之p型氮化物半導體層之表面成為凹凸之情形亦有助於發光輸出之提昇。
又，於藍色發光二極體之實施例6相對於比較例6，Po可獲得14%左右之提昇效果。然而，實施例1~5更具效果。認為此係因為與紫外發光二極體之實施例2相比，係波長較長、接觸層對光之吸收較少之元件。因此，判明本發明之效果係對接觸層之帶隙比發光層之帶隙窄之發光元件、尤其是發出紫外光之發光元件非常有效。
即便實施例5中形成有反射電極之情形時，Po亦獲得30%左右之提昇效果，可確認具有本發明之效果。再者，由於測定條件亦存在不同，故未判明相對於實施例1比率較小之原因。作為原因之一，可列舉反射電極之反射率並非100%，實質上之反射率較低。
再者，即便於形成有使用ScN作為剝離層、於整面上形成紫外光之反射率較高之Ru作為p側電極、並使用AuSn作為連接金屬而接合於導電性Si基板之垂直型半導體發光元件之情形時，亦可獲得類似之效果。
[產業上之可利用性]
根據本發明，藉由在半導體發光元件之積層接觸層與歐姆電極層而成之接觸部上設置開口部，可兼顧接觸部中 之光吸收之抑制、以及電極與半導體層之良好之歐姆接觸。其結果，可在不太使順向電壓上升下提高發光輸出。
100‧‧‧半導體發光元件
101‧‧‧基板
102‧‧‧緩衝層
103‧‧‧n型半導體層(第2傳導型半導體層)
104‧‧‧發光層
105‧‧‧p型半導體層(第1傳導型半導體層)
106‧‧‧半導體積層體
107‧‧‧接觸層
108‧‧‧歐姆電極層
109‧‧‧接觸部
110‧‧‧遮罩
111‧‧‧開口部
112‧‧‧n側電極(第2電極)
113‧‧‧p側電極(第1電極)
114‧‧‧凸塊
圖1係顯示本發明之半導體發光元件100之剖面示意圖。
圖2係圖1所示之半導體發光元件100之俯視示意圖。
圖3(A)~(H)係顯示本發明之半導體發光元件100之製造方法之一例之剖面示意圖。
圖4係顯示進行了倒裝晶片型之安裝之半導體發光元件100之剖面示意圖。
圖5(A)及(B)分別係實施例1及實施例2中之接觸部之上表面之SEM圖像。
圖6係圖5(A)之放大SEM圖像。
圖7係實施例3中之接觸部之SEM圖像。
圖8係實施例4中之接觸部之放大SEM圖像。
100‧‧‧半導體發光元件
101‧‧‧基板
102‧‧‧緩衝層
103‧‧‧n型半導體層(第2傳導型半導體層)
104‧‧‧發光層
105‧‧‧p型半導體層(第1傳導型半導體層)
106‧‧‧半導體積層體
107‧‧‧接觸層
108‧‧‧歐姆電極層
109‧‧‧接觸部
111‧‧‧開口部
112‧‧‧n側電極(第2電極)
113‧‧‧p側電極(第1電極)

Claims (7)

  1. 一種半導體發光元件，其特徵在於，具有：半導體積層體，依序包含第1傳導型半導體層、發光層、以及與上述第1傳導型不同之第2傳導型半導體層；接觸部，於上述第1傳導型半導體層上積層接觸層與歐姆電極層而成；複數個島狀之開口部，形成於上述接觸部且露出上述第1傳導型半導體層；第1電極，與上述歐姆電極層接觸，且與上述第1傳導型半導體層電性連接；以及第2電極，電性連接於上述第2傳導型半導體層，從元件上表面進行觀察時，上述複數個島狀之開口部具有無規則形狀，且不規則地散佈，上述接觸層之帶隙較上述發光層之帶隙窄。
  2. 如申請專利範圍第1項之半導體發光元件，其中，上述半導體積層體由第III族氮化物半導體所構成，且上述接觸層為AlxGa1-xN(0≦x<0.5)。
  3. 如申請專利範圍第1或2項之半導體發光元件，其中，上述發光層發出紫外光。
  4. 如申請專利範圍第1或2項之半導體發光元件，其中，上述第1傳導型半導體層為p型半導體層。
  5. 一種半導體發光元件之製造方法，其特徵在於，具有如下步驟：於基板上形成半導體積層體，該半導體積層體依序包含第2傳導型半導體層、發光層、以及與上述第2傳導型不同之第1傳導型半導體層；於上述第1傳導型半導體層上，形成積層接觸層與歐姆電極 層而成之接觸部；於上述接觸部上之一部分形成遮罩；藉由蝕刻去除未形成有該遮罩而露出之上述接觸部之部分，而於上述接觸部形成露出上述第1傳導型半導體層之複數個島狀之開口部；形成與上述歐姆電極層接觸、且與上述第1傳導型半導體層電性連接之第1電極；以及形成電性連接於上述第2傳導型半導體層之第2電極，上述接觸層之帶隙較上述發光層之帶隙窄，在形成上述複數個島狀之開口部的步驟中，以從元件上表面進行觀察時，上述複數個島狀之開口部具有無規則形狀，且不規則地散佈的方式進行。
  6. 如申請專利範圍第5項之半導體發光元件之製造方法，其中，上述遮罩形成步驟具有如下步驟：藉由氧環境下之鋁蒸鍍，於上述接觸部上形成鋁氧化膜；以及對該鋁氧化膜進行部分蝕刻。
  7. 如申請專利範圍第5或6項之半導體發光元件之製造方法，其中，上述發光層發出紫外光。
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