專利名稱：半導體發(fā)光元件的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及光取出層的層厚沒有變薄而被粗糙面化的半導體發(fā)光元件。
技術背景關于作為半導體發(fā)光元件的發(fā)光二極管(LED)，近年來由于可以利用 MOVPE法生長GaN系和AlGalnP系的高品質(zhì)結晶，因而能夠制造藍色、綠 色、橙色、黃色、紅色等高輝度LED。伴隨著LED的高輝度化，用途擴展到 汽車的剎車燈和液晶顯示器的背光等，需求正在逐年增加。通過MOVPE法可以生長高品質(zhì)結晶以來，發(fā)光元件內(nèi)部的發(fā)光效率正在 接近理論值的極限值。但是，從發(fā)光元件向外部的光取出效率仍舊較低，期待 著提高光取出效率。例如高輝度紅色LED由AlGalnP系材料形成，成為具有如下各層的雙異 質(zhì)結構由在導電性的GaAs襯底上具有晶格匹配的組成的AlGalnP系材料構 成的n型AlGalnP層、p型AlGalnP層以及夾在它們之間的由AlGalnP或GalnP 構成的作為發(fā)光部的一部分的活性層。在此，所謂AlGalnP系材料為以AlGalnP 為主成分、組成比例或添加物不同的各種材料的總稱。在使用了 AlGalnP系材 料的半導體發(fā)光元件中還可以并用GalnP、 GaP等材料。自活性層的光多數(shù)被GaAs襯底吸收，光取出效率降低。作為其對策，有如下方法在活性層和GaAs襯底之間形成由折射率不同 的半導體構成的多層反射膜結構層來反射朝向GaAs襯底的光，從而減少光在 GaAs襯底的光吸收，提高光取出效率。但是，對于該方法，僅僅反射對多層 反射膜結構層具有限定的入射角的光。也就是說，僅僅可以反射朝向GaAs襯 底的一部分光，難以充分提高取出效率。由此，在日本特開2002-217450號公報中公開了如下方法在制作由 AlGalnP系材料構成的雙異質(zhì)結構部分通過在生長用GaAs襯底上生長形成的
半導體發(fā)光元件后，隔著反射率高的金屬層在Si、 GaAs等支持襯底上粘貼上 述雙異質(zhì)結構部分，隨后除去生長中所用的GaAs襯底。根據(jù)該方法，由于使 用金屬作為反射層，不用選擇相對于反射層的入射角而可以進行高反射率的反 射。因此，與上述的形成多層反射膜結構層相比可以高輝度化。也就是說，通 過更有效地取出在活性層產(chǎn)生的光可以高輝度化。圖5為現(xiàn)有的半導體發(fā)光元件的截面結構示意圖。如圖5所示，現(xiàn)有的半 導體發(fā)光元件101從圖示上方依次包括部分覆蓋光取出層的第一電極102, 僅形成在第一電極102的正下方而覆蓋與第一電極102相同的部分、帶隙能量 小于活性層且對來自活性層的光不透明的第一電^l側接觸層103，形成第一包 層側的主表面、向外部射出從活性層進入第一包層側的光的光取出層104,作 為夾著活性層的2個包層之一的第一包層105,夾在第一、第二包層之間的產(chǎn) 生光的活性層106,作為另一個包層的第二包層107，存在于第二包層和反射 金屬膜層側接觸層之間的夾層108,反射金屬膜層側接觸層109，氧化物層110， 在第二包層107和第二電極之間反射從活性層106朝向第二電極側的光的反射 金屬膜層111，金屬密合層112，用于粘貼雙異質(zhì)結構部分的支持襯底113，覆 蓋主表面的相反面的第二電極114。光取出層104也稱為窗口層。氧化物層IIO具有適宜地分狀在與反射金屬膜層lll相接的面內(nèi)而形成的 歐姆接觸的接合部115,將不是歐姆接觸的接合部115的部分稱為非歐姆接觸 的接合部116。反射金屬膜層側接觸層109具有對材料的添加物不同的3個層117、 118 和119,這3個層中與夾層108相接的夾層側接觸層117的材料的添加物為 Mg，與氧化物層IIO相接的氧化物層側接觸層119的材料的添加物為Zn，設 置于夾層側接觸層117和氧化物層側接觸層119之間的中間接觸層18的材料 沒有積極的添加物。從笫一電極側接觸層103至反射金屬膜層側接觸層109稱為雙異質(zhì)結構部 分120。另外，有時也將第一包層105、活性層106、第二包層107合稱為發(fā) 光層121。圖5的半導體發(fā)光元件101通過設置反射金屬膜層111,從而不從有支持
襯底113的一側的主表面(相反面)取出光，僅從形成光耳又出層104的一側的 主表面取出光。在雙異質(zhì)結構部分120和支持村底113之間配置的反射金屬膜層111當然 對來自活性層106的光具有高反射率，同時必須與主要由AlGalnP系材料構成 的雙異質(zhì)結構部分120取得歐姆接觸。但是，對于在來自由AlGalnP系材料構 成的活性層106的光的發(fā)光波長下具有高反射率的Ag、 Al、 Au等金屬，難以 直接與AlGalnP系材料取得歐姆接觸。因此，需要在金屬反射膜層111和雙異 質(zhì)結構部分120之間部分地配置歐姆接觸的接合部115。所謂部分地配置是指 并非全面地覆蓋反射金屬膜層111，在其面內(nèi)適宜地分散配置。為了取得歐姆接觸，歐姆接觸的接合部115被配置在反射金屬膜層111和 雙異質(zhì)結構部分120之間，與金屬反射膜層111相比反射率低。另外，與雙異 質(zhì)結構部分120相接而設置歐姆接觸的接合部115的材料后，為了取得歐姆接 觸，需要進行熱處理。在該熱處理時，在雙異質(zhì)結構部分120和歐姆接觸的接 合部115的材料之間會發(fā)生合金化反應，在與歐姆接觸的接合部115相接的雙 異質(zhì)結構部分120處光吸收率增加。因此，來自活性層106的光通過氧化物層 110時，與非歐姆接觸的接合部116相比，在歐姆接觸的接合部115處光吸收 變大。其結果是，發(fā)光元件整體的光取出效率會降低。[專利文獻l]日本特開2004-356279號公報[專利文獻2]日本特開2002-217450號公報 發(fā)明內(nèi)容然而，反射金屬膜層111即使對來自活性層106的光具有高反射率，如果 不能從作為主表面的光取出層104的表面取出多量的光，光取出效率也會降 低，發(fā)光功率輸出的提高少。因此，作為有效地取出光的方法,如專利文獻l 所示已知有使主表面粗糙面化的方法。所謂粗糙面化是指形成凹凸。即，為了從物質(zhì)中向外輸出光，存在臨界角的制約。光的角度如果相對于 表面為垂直，則可以取出光，但存在傾斜時不能取出。該臨界角取決于光的波 長和物質(zhì)的折射率。例如乂人發(fā)光層121射出的光中，垂直于光取出層104的方 向的光從半導體發(fā)光元件101向外射出，但相對于光取出層104具有一定角度 的光由于相對于主表面的角度而不會從半導體發(fā)光元件101向外射出。但是，如果使主表面粗糙面化，則由于相對于光取出層104具有一定角度的光相對主 表面的角度發(fā)生變化，因而會從半導體發(fā)光元件101向外射出。因此，通過對 主表面進行粗糙面化可以提高光取出效率。為了進一步提高粗糙面化的效果，有作為公知技術的采用平版印刷法形成 凹凸圖案的方法，但是該方法由于必須形成微細圖案，因而需要昂貴的裝置， 結果是半導體發(fā)光元件的制造成本會增加。另外，即使存在平版印刷法的工序， 制造成本也會增加。對此，作為降低制造成本的方法，有不形成圖案而進行粗 糙面化的方法。但是，該方法存在以下問題。不形成圖案而通過蝕刻對作為主表面的光取出層的表面進行粗糙面化時， 在形成凹凸的同時會對整個面進行蝕刻，光取出層的層厚整個面會變薄。如果 層厚整個面變薄，則電流的擴展變差，順向電壓增高，同時發(fā)光功率輸出也會 降低，其結果是發(fā)光效率降低。發(fā)光效率降低是由于半導體發(fā)光元件中的放熱量因順向電壓增高而變大， 發(fā)光功率輸出受到該熱量的影響而降低?？傊馊〕鰧拥膶雍褡儽r，串聯(lián) 電阻會變大，同時電流的擴展變差，由此順向電壓增高，發(fā)光功率輸出降低。因此，本發(fā)明的目的在于解決上述課題，提供光取出層的層厚沒有變薄而 被粗糙面化的半導體發(fā)光元件。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種半導體發(fā)光元件，該發(fā)光元件具有包括夾在第一、第二包層之間的產(chǎn)生光的活性層和形成第一包層側的主表面的光 取出層的多個半導體層，具有部分地覆蓋上述光取出層的第一電極、覆蓋上述 主表面的相反面的第二電極、在第二包層和第二電極之間反射光的反射金屬膜 層、與該反射金屬膜層的活性層側相接的氧化物層、在該氧化物層中部分地形 成的歐姆接觸的接合部，上述光取出層包括組成比例不同的多個層，這些多個層均形成有用于使上述主表面粗糙面化的凹凸。形成上述光取出層的多個層中最外側層凹凸表面的傾斜可以小于第二外 側層。形成上述光if又出層的多個層中最外側層的材料的Al組成比例可以小于第 二外側層的材料。形成上述光取出層的多個層中最外側層的帶隙能量可以小于第二外側層。 形成上述光耳又出層的多個層的材料分別可以由(AlxGa,-x) yIivyP表示,其中0.3<X< 1， 0.4《Y<0.6。上述光取出層和第一包層的層厚之和可以為800 5300nm。 上述光取出層的材料的折射率可以大于第 一 包層的材料。 在上述光取出層和第一電極之間可以具有覆蓋與第一電極相同的部分、帶隙能量小于上述活性層且對來自活性層的光不透明的第一電極側接觸層。 上述第一電極側接觸層的層厚可以為5 200nm。形成上述光耳又出層的多個層的材料的Al組成比例可以大于上述活性層的 材料。形成上述光取出層的多個層的材料分別可以由(AlxGa卜x) Ylni—yP表示， 其中，0.3《X《1, 0.4《Y《0.6。且上述活性層的材料可以由(AlxGa"x) Ylni -yP表示，其中(KX《0.5， 0.4<Y<0.6。上述活性層可以具有由20-160層的阱層構成的多重量子阱結構或者變形多重量子阱結構。在上述活性層和第二包層之間可以具有第二包層側未摻雜層。 上述第二包層側未摻雜層的材料的Al組成比例可以大于上述活性層的材料。上述笫二包層側未摻雜層的材料的帶隙能量可以大于上述活性層的材料。 上述第二包層側未摻雜層的材料可以由(AlxGa卜x) yIii卜yP表示，其中，0.3《X<1, 0.4<Y<0.6)，且上述活性層的材料可以由(AlxGa,—x)yIim.yP表示其中(KX<0.5, 0."Y《0.6。形成上述光:f又出層的多個層中最外側層的層厚可以為50 1000nm。 上述多個半導體層和第二電極之間具有支持襯底，該支持襯底的材料可以為Si、 GaAs、 Ge、 Cu、 Mo、 W、 CuW中的任意一種。歐姆接觸的接合部的面積相對于上述氧化物層的總面積的比例可以為20%以下。在上述氧化物層和第二包層之間具有反射金屬膜層側接觸層，該反射金屬 膜層側接觸層的材料可以以GaP為主。在上述反射金屬膜層側接觸層和第二包層之間具有夾層，該夾層的材料可 以由GaxIn卜xP表示，其中，0.6《X<1。上述反射金屬膜層側接觸層具有材料的添加物不同的3個層，這3個層中 與上述夾層相接的層的材料的添加物為Mg，與上述氧化物層相接的層的材料 的添加物為Zn，這2個層的中間層的材料沒有積極的添加物。上述氧化物層在非歐姆接觸的接合部的層厚d相對于基準層厚dst在士30。/0 的范圍內(nèi)，所述基準層厚dst由如下關系式表示基準層厚dst-奇數(shù)的常數(shù)a x來自上述活性層的光的波長Xp/ (4x在非歐姆接觸的接合部的上述光的折射率n)。 并且，上述氧化物層在歐姆接觸的接合部的層厚可以與在非歐姆接觸的接合部 的層厚相等。在上述光取出層和第一包層之間可以插入與上述光取出層相比Al組成比 例高且?guī)赌芰看蟮牟迦雽?。上述插入層的材料可以?AlxGa卜x) yIi^-yP表示，其中，0.4<X<1, 0.4《Y《0.6 )。本發(fā)明可以發(fā)揮如下優(yōu)異的效果。 (1)光取出層的層厚沒有變薄。


圖1為表示本發(fā)明的第一優(yōu)選實施方式的半導體發(fā)光元件的截面結構圖。 圖2A和圖2B為表示本發(fā)明的第二優(yōu)選實施方式的半導體發(fā)光元件的圖；圖2A為表示第二優(yōu)選實施方式的半導體發(fā)光元件的截面結構圖；圖2B為光取出層的截面放大圖。圖3為表示本發(fā)明的第三優(yōu)選實施方式的半導體發(fā)光元件的截面結構圖。 圖4為在半導體發(fā)光元件的制造過程中制作的外延晶片的截面結構圖。 圖5為現(xiàn)有的半導體發(fā)光元件的截面結構圖。 符號說明1半導體發(fā)光元件 2第一電極3 第一電極側接觸層4 光 取出層 5第一包層6活性層7第二包層8夾層9反射金屬膜層側接觸層10氧化物層11反射金屬膜層12金屬密合層13支持村底14第二電極15歐姆接觸的接合部23第一光取出層24第二光取出層具體實施方式
以下基于附圖詳細說明本發(fā)明的優(yōu)選實施方式。圖1為表示本發(fā)明的第一優(yōu)選實施方式的半導體發(fā)光元件的截面結構圖。如圖1所示，本發(fā)明涉及的半導體發(fā)光元件1包括部分地覆蓋光取出層 的第一電極2，僅形成于第一電極2的正下方并覆蓋與第一電極2相同的部分、 帶隙能量小于活性層且對來自活性層的光不透明的第 一電極側接觸層3，形成 第一包層側的主表面、向外部射出從活性層進入第 一 包層側的光的光取出層 4,作為夾著活性層的2個包層之一的第一包層5,夾在第一、第二包層之間 產(chǎn)生光的活性層6，作為另一個包層的第二包層7，存在于第二包層7和反射 金屬膜層側接觸層之間的夾層8，反射金屬膜層側接觸層9，氧化物層IO，在 第二包層7和第二電極之間反射從活性層6朝向第二電極側的光的反射金屬膜 層ll,用于粘貼雙異質(zhì)結構部分的支持襯底13,金屬密合層12,覆蓋主表面 的相反面的第二電極14。光取出層4也稱為窗口層。氧化物層IO具有適宜分散在與反射金屬膜層11相接的面內(nèi)而形成的歐姆 接觸的接合部15，將不是歐姆接觸的接合部15的部分稱為非歐姆接觸的接合
部16。優(yōu)選歐姆接觸的接合部的面積相對于氧化物層的總面積的比例為20%以下。上述氧化物層在非歐姆接觸的接合部的層厚d,相對于基準層厚dst在 ±30%的范圍內(nèi)，所述基準層厚dst由如下關系式表示 dst=a x Ap/4 x n)(其中，dst為基準層厚；a為奇數(shù)的常數(shù)；人p為來自上述活性層的光的 波長；n為在非歐姆接觸的接合部的上述活性層的光的折射率)，并且， 上述氧化物層在歐姆接觸的接合部的層厚d2與在該層厚山相等。 反射金屬膜層側接觸層9具有對材料的添加物不同的3個層17、18和19, 這3個層中與夾層8相接的夾層側接觸層17的材料的添加物為Mg,與氧化 物層IO相接的氧化物層側接觸層19的材料的添加物為Zn，設置于夾層側接 觸層17和氧化物層側接觸層19之間的中間接觸層18的材料淡有積極的添加 物。從第一電極側接觸層3至反射金屬膜層側接觸層9稱為雙異質(zhì)結構部分 20。另外，有時也將第一包層5、活性層6、第二包層7合稱為發(fā)光層21。本發(fā)明涉及的半導體發(fā)光元件1的特征在于光取出層4。即，光取出層4 包括組成比例不同的多個層，這些多個層均形成用于使主表面S粗糙面化的凹 凸22。該實施方式中，光取出層4包括2層，最外側層為第一光取出層23， 第二外側層為第二光取出層24。如圖所示，從第一光取出層23至第二光取出層24均形成有凹凸22。并 且，與第二光取出層24相比第 一光取出層23的凹凸22的表面傾斜d、。與第二光取出層24相比第一光取出層23的凹凸22的表面傾斜小是由于 第一光取出層23的蝕刻速度比第二光取出層24快。凹凸22的表面的傾斜形成各種角度時，光取出層4可以將各種角度入射 的光取出。因此，在第一光取出層23和第二光取出層24上凹凸22的表面的 傾斜不同，由此可以提高光取出效率。進而，圖中沒有顯示，第一光取出層23的材料與第二光取出層24的材料 相比Al組成比例小，并且第一光取出層23的帶隙能量小于第二光取出層24。
本發(fā)明中，沒有形成圖案而通過蝕刻對光取出層4進行粗糙面化，但此時 通過使光取出層4的結構為組成比例不同的多層結構，可以在各層產(chǎn)生蝕刻速度差。即，材料的Al組成比例大于第一光取出層23的第二光取出層24的蝕 刻速度快于第一光取出層23的蝕刻速度。因此，首先第一光取出層23被蝕刻， 在第一光取出層23形成的凹部達到第二光取出層24時，露出部分的第二光耳又 出層24快速被蝕刻，凹部變深。另一方面，第一光取出層23殘存的凸部依然 被緩慢地蝕刻，從而第一光取出層23沒有消失，相對地凸部變高。這樣，通 過在各層存在蝕刻速度差，在比較短時間內(nèi)形成具有期望的梯度差(段差)的 凹凸22的同時，光取出層4整體的層厚沒有變薄。本發(fā)明涉及的半導體發(fā)光元件1由于光取出層4沒有變薄，因而可以防止 順向電壓的上升，同時防止在發(fā)光層21的電流集中，其結果是抑制了發(fā)光效 率的降低，可實現(xiàn)低成本、發(fā)光效率高的半導體發(fā)光元件1。本發(fā)明涉及的半導體發(fā)光元件1由于第 一光取出層23與第二光取出層24 相比凹凸22的表面傾斜小，使得凹凸22的表面角度不同，從而可以提高光取 出效率。關于本發(fā)明涉及的半導體發(fā)光元件1,第一光取出層23的帶隙能量小于 第二光取出層24。對于相同材料為了減小帶隙能量，改變A1組成是有效的。 通過改變A1組成，可以改變相同的蝕刻液引起的蝕刻速度。通過改變蝕刻速 度，可以使凹凸22的表面角度不同。也就是說，為了利用相同蝕刻液的蝕刻 使凹凸22的表面角度不同，第一光取出層23的帶隙能量小于第二光取出層 24。接著，說明其他的實施方式。圖2A和圖2B為表示本發(fā)明的第二優(yōu)選實施方式的半導體發(fā)光元件的圖； 圖2A為表示第二優(yōu)選實施方式的半導體發(fā)光元件的截面結構圖；圖2B為光 取出層的截面放大圖。圖2A所示的半導體發(fā)光元件la，除了光取出層4a的結構不同以外，與 圖1的半導體發(fā)光元件1相同。如圖2B清楚地示出，光取出層4a包括第一 光取出層25、第二光取出層26、第三光取出層27。這3個層25 27的組成比 例、凹凸22的表面傾斜和帶隙能量各自不同。即，關于A1組成比例，第一光
取出層25和第三光取出層27相等，第二光取出層26大。關于凹凸22的表面 傾斜，第二光取出層26的傾斜大于第一光取出層25和第三光取出層27的傾 斜。關于帶隙能量，第二光取出層26的帶隙能量大于第一光取出層25和第三 光取出層27的帶隙能量。這樣，作為光取出層4a設置了第一光取出層25、第二光取出層26、第三 光取出層27這三個層，形成半導體發(fā)光元件時作為光取出層4a的最外側層的 第一光取出層25與作為光取出層4a的最內(nèi)側層的第三光取出層27的Al組成 比例相等，夾在中間的第二光取出層26的Al組成比例比第一光取出層25和 第三光取出層27的Al組成比例大。這相當于在現(xiàn)有的半導體發(fā)光元件101 的光取出層104中插入材料的Al組成比例較其大的層。該插入層的材料以 (AlxGa卜x) Yln卜yP表示，其中，0.4<X《1， 0.4《Y《0.6)。對于該半導體發(fā)光元件la，材料的Al組成比例大于第一光取出層25的 第二光取出層26的蝕刻速度快于第一光取出層25的蝕刻速度。因此，與圖l 的半導體發(fā)光元件1的情況相同，通過在各層存在蝕刻速度差，可以在比較短 時間內(nèi)形成具有期望的梯度差的凹凸22的同時，光取出層4整體的層厚沒有 變薄。圖3為表示本發(fā)明的第三優(yōu)選實施方式的半導體發(fā)光元件的截面結構圖。 圖3所示的半導體發(fā)光元件lb對圖1的半導體發(fā)光元件1追加了第二包層側 未摻雜層28。第二包層側未摻雜層28形成于活性層6和第二包層7之間。第 二包層側未摻雜層28的材料的Al組成比例大于活性層6的材料。并且，第二 包層側未摻雜層28的材料的帶隙能量大于活性層6的材料。第二包層側未#^雜層28的材料由(AlxGa卜x) YIn，—YP表示，其中，0,3 <X《1， 0.4<Y<0.6，且活性層6的材料由(AlxGa卜x) yln,-YP表示,其中 (KX<0.5， 0.4<Y《0.6。本發(fā)明可以在比較短時間內(nèi)形成具有期望的梯度差的凹凸22。因此，對 于圖3的半導體發(fā)光元件lb，在構成光取出層4的第一光取出層23b和第二 光取出層24b中，雖然沒有圖示，但是第二光取出層24b經(jīng)受有若干蝕刻。針對與以上第一至第三優(yōu)選實施^式相關的適宜數(shù)值范圍和其他優(yōu)選實 施方式進行如下說明。 半導體發(fā)光元件1的第一光取出層23和半導體發(fā)光元件la的第一光取出 層25的層厚例如為400nm。這是由于，第一光取出層23、 25的層厚過薄時， 蝕刻中第一光取出層23、 25會完全消失。并且，層厚過厚時，蝕刻時間變長， 同時釆用了大量的材料，外延生長的時間也變長，從而成本會增加。另外，層 厚過厚對于高輸出化也沒有明顯效果。因此，第一光取出層23、 25的層厚優(yōu) 選為50~1000nm,更優(yōu)選為100~800nm。使光取出層4和光取出層4a的層厚變厚時，電流的擴展(擴散)良好， 從而LED的特性提高。但是，即使過度地增厚層厚，擴展電流的效果的增加 會飽和。因此，層厚過厚在特性方面沒有害處，但是成本會增加。層厚過薄時， 發(fā)光功率輸出低，順向電壓高。從而，光取出層4、 4a的層厚優(yōu)選為500~ 5000nm，更優(yōu)選為1000 4000nrn。半導體發(fā)光元件la的第二光取出層26的層厚優(yōu)選為50~1000nm。因為材 料的Al組成比例大于第一、第三光取出層25、 27的第二光取出層26的蝕刻 速度快于第一、第三光取出層25、 27的蝕刻速度。在第一光取出層25和第三 光取出層27之間插入第二光取出層26時，具有抑制蝕刻偏差的效果。但是， 第二光取出層26的層厚太薄時，第二光取出層26由于蝕刻會立刻消失，從而 抑制蝕刻偏差的效果變差，同時第二光取出層26的斜面面積變窄，由此從斜 面取出的光少。另一方面，層厚太厚時，不具有抑制蝕刻偏差的效果。光取出層4、 4a和第一包層5的層厚之和優(yōu)選為800 5500nm。其理由是， 第一包層5為載流子供給層，還為阻止空穴的阻擋層，除此以外還具有光取出 層(窗口層)的功能。通過增加該層厚之和，LED的特性會提高，但是層厚 之和超過5500nm時成本會增加。另外，由于具有阻擋層的功能，第一包層5 的層厚必須為300nm以上。由于光取出層4、 4a的層厚為500nm以上，因此， 光取出層4、 4a和第一包層5的層厚之和優(yōu)選為800 5500nm。第一電極側接觸層3的層厚優(yōu)選為5 200nm。這是由于，該層厚過薄時， 作為接觸層的功能不充分；相反過厚時，電流難以流動，直流電阻增加，順向 電壓增加。因此，優(yōu)選的層厚為5 200nm，更優(yōu)選為10 100nm。夾層8的材料的組成可以為GaxIn!-xP,其中0.6《X〈1。這是由于X小 于0.6時會吸收發(fā)出的光。
反射金屬膜層側接觸層9中與氧化物層IO相接的氧化物層側接觸層19的 材料中添力。的添加物優(yōu)選為Zn。這是由于Zn比Mg容易添加，可以低電阻化。 通過增加添加量，可以降<氐4妄觸電阻，并且可以降^f氐順向電壓。反射金屬膜層側接觸層9中與夾層8相接的夾層側接觸層17的材料中添 加的添加物優(yōu)選為Mg。這是由于，Mg比Zn更難擴散，從而可以抑制由擴散 引起的初期發(fā)光功率輸出的降低，同時由于難以擴散，可靠性(相對功率輸出) 提高。所謂可靠性(相對功率輸出)是指通電后的光功率輸出/初期光功率輸 出。在反射金屬膜層側接觸層9的夾層側接觸層17和氧化物層側接觸層19的 中間設置的中間接觸層18可以做成材料中沒有積極的添加物的未摻雜層。這 是由于摻雜了 Mg的層和摻雜了 Zn的層相鄰存在時會產(chǎn)生相互擴散。通過夾 入中間接觸層18,可以防止相互擴散?；钚詫?可以具有多重量子阱結構，也可以具有變形多重量子阱結構，或 者可以為未摻雜的本體層(單一層)?；钚詫?優(yōu)選以20~160層即10對~80對構成多重量子阱結構。這是由于， 對數(shù)過少時，會產(chǎn)生電子和空穴的溢出，內(nèi)部量子效率降低；對數(shù)過多時，在 活性層6由光吸收引起的發(fā)光功率輸出會降低。優(yōu)選對數(shù)為10對~80對，更 優(yōu)選為20對~60對。另外，對于活性層6為單一層的情況，由于同樣的理由 優(yōu)選層厚為2(K200nm?；钚詫?為變形多重量子阱結構時，優(yōu)選阱層為未摻雜Gao.4lno.6P (厚度 4nm)，阻擋層為(Al0.5Gao.5) 0.5InP (厚度10nm)。對于圖3的半導體發(fā)光元件lb,雖然是在活性層6和p型第二包層7之 間插入了第二包層側未摻雜層28，但是也可以在活性層6和n型第一包層5 之間插入第一包層側未摻雜層(未圖示)。另外，這些未摻雜層也可以為低載 流子濃度層。實施方式中在反射金屬膜層11和雙異質(zhì)結構部分20之間設置了 Si02層 (氧化物層)10，但即使對于沒有氧化物層10的半導體發(fā)光元件，本發(fā)明也 具有效果。半導體發(fā)光元件1、 la和lb例如為發(fā)光波長630nm的紅色LED元件。
560 660nrn)，關于各層的材料、載流子濃度等沒有變更，光取出層4、 4a、 4b 也沒有變更，本發(fā)明也具有效果。第一電才及2的表觀形狀可以為圓形、四邊形、菱形、多邊形、其他不同形狀。支持襯底的材料有Si、 GaAs、 Ge、 Cu、 Mo、 W、 CuW等。[實施例] 實施例#1制作具有圖1所示的結構、發(fā)光波長在630nm附近的紅色LED用的LED 用外延晶片，并制作LED元件。外延生長方法、各外延層的層厚、各外延層 的結構和材料、反射金屬膜層的構成、歐姆接觸的接合部的構成和尺寸、向支 持襯底的再粘貼方法、電極形成方法、蝕刻方法等制作的詳細情況如下所述。如圖4所示，在n型GaAs村底(生長用襯底)41上通過MOVPE法依次 層積n型(Se摻雜)(Al0.7Ga0.3) a5In。.5P蝕刻終止層(層厚200nm、載流子 濃度1 x 1018/cm3)(蝕刻終止層)42、 n型(Se摻雜)GaAs接觸層(層厚50nm、 載流子濃度1 x lo18/cm3 )(第一電極側接觸層)3、 n型(Se摻雜) (Al0.4Gaa6)o.5Ina5P窗口層(層厚400nm、載流子濃度1 x 1018/cm3)(第一光取 出層)23 、 n型(Se摻雜)(Al0.7Gao.3) o.5In0.5P窗口層(層厚2600nm、載流子 濃度1 x 1018/cm3)(第二光取出層)24、 n型(Se摻雜)(Alo.7Ga。.3) 。.5In0.5P 包層(層厚500nm、載流子濃度5 x 1017/cm3)(第一包層)5、未摻雜多重量 子阱活性層(20對阱層未摻雜Gao.5InQ.5P(層厚4nm)/阻擋層(Ala5Gaa5) a5InP (層厚IO腿))(活性層)6、 p型(Mg摻雜)(Ala7Gao.3) o.5In。.5P包層(層厚 權nm、載流子濃度1.2 x 1018/cm3)(第二包層)7、 p型(Mg摻雜)GaxIni-XP (0.6《X<1)夾層(層厚10nm、載流子濃度5>< 1018/cm3) 8、 p型(Mg 摻雜)GaP層(層厚200nm、載流子濃度1 x 1018/cm3)(夾層側接觸層)17、 未摻雜GaP層(層厚lOOnm)(中間接觸層)18、 p型(Zn摻雜)GaP層(層 厚50nm、載流子濃度1 x 1019/cm3)(氧化物層側接觸層)19，得到LED用夕卜 延晶片。活性層3形成為1對GalnP層和AlGalnP層。
該LED用外延晶片的特征在于，作為光取出層4設置了第 一光取出層23 和第二光取出層24兩個層，形成半導體發(fā)光元件時，構成最外側層的第一光 取出層23的Al組成比例小于構成其次外層的第二光取出層24。即，形成光 取出層4的第一、第二光取出層23、 24的材料各自由(AlxGa"x)Yln-YP(其 中0.3《X《1， 0.4<Y《0.6)表示，第一光取出層23的材料中的X值為0.4, 第二光取出層24的材料中的X值為0.7。另外，通過使第一光取出層23的層厚為400nm、第二光取出層24的層厚 為2600nm,光取出層4的層厚3000nm與后述的現(xiàn)有例的光取出層104的層 厚相同。MOVPE法中生長溫度為650°C,生長壓力為6666Pa (50Torr),各層的生 長速度為0.3~1.0nm/sec， V/III比約為200。 V/III比是以TMGa、 TMA1等III 族原料的摩爾數(shù)為分母、以AsH3、PH3等V族原料的摩爾數(shù)為分子的比率(商)。作為MOVPE法的原料使用三曱基鎵(TMGa )、三乙基鎵(TEGa )、三曱 基鋁(TMA1)、三曱基銦(TMIn)等有機金屬，胂(AsH3 )、膦(PH3)等氫 化物氣體。作為n型半導體層的導電型決定雜質(zhì)用的添加物原料使用硒化氫 (H2Se),作為p型半導體層的導電型決定雜質(zhì)用的添加物原料使用二環(huán)戊二 烯基鎂(Cp2Mg )、 二曱基鋅(DMZn )。除此以外，作為n型半導體層的導電型決定雜質(zhì)用的添加物原料，還可以 使用二硅烷(Si2H6)、單硅烷(SiH4)、 二乙基碲(DETe)、 二曱基碲(DMTe)， 作為p型半導體層的導電型決定雜質(zhì)用的添加物原料，還可以使用二乙基鋅 (DEZn)。從MOVPE裝置取出該LED用外延晶片后，在氧化物層側接觸層19的表 面形成層厚約lOOnm的Si02層(氧化物層)10,利用常用的平版印刷法技術， 進一步進行蝕刻，從而以30miti間距在氧化物層10上形成表觀約l^m直徑 的氧化物除去孔，通過真空蒸鍍法對該氧化物除去孔形成層厚與氧化物層10 大致相等的歐姆接觸的接合部15。作為歐姆接觸的接合部15的原料使用金鋅 (AuZn)合金。歐姆接觸的接合部15形成為表觀約12^im直徑。將其稱為點 狀電極。以表觀30pm間距形成厚度lOOnm的該歐姆接觸的接合部15。也就 是說，通過真空蒸鍍法對氧化物除去孔形成了層厚與氧化物層10大致相等的
歐姆接觸的接合部15。隨后，在氮氣氛圍中在350。C下對該LED用外延晶片加熱，通過5分鐘 熱處理的合金工藝進行反射金屬膜層側接觸層9和歐姆接觸的接合部15的合 金化。在設置了歐姆接觸的接合部15的LED用外延晶片的氧化物層10上(也 包括歐姆接觸的接合部15上)，作為反射金屬膜層11依次分別蒸鍍200nm鋁 (Al)、 200訓4太(Ti)、 500nm金(Au),合計900nm層厚。在準備作為支持襯底13的Si襯底上，作為金屬密合層12依次分別蒸鍍 100nm金.鍺(AuGe )合金、200nm鈦(Ti )、 500nm金(Au )，合計800nm 層厚。按照使反射金屬膜層11和金屬密合層12相合那樣將設置了反射金屬膜層 11的LED用外延晶片和設置了金屬密合層12的支持村底13貼合在一起。貼 合通過在壓力1.3Pa (O.OlTorr)氛圍氣中，負荷3MPa (30kgf/cm2)的載荷的 狀態(tài)下，在溫度350。C將LED用外延晶片和支持襯底13保持30分鐘來進行。將貼合到支持村底13上的LED用外延晶片浸漬到氨水和雙氧水系混合液 中，從而通過蝕刻除去生長用村底41,露出蝕刻終止層42。接著，使用鹽酸 系蝕刻液除去蝕刻終止層42，露出第一電極側接觸層3。在該第一電極側接觸層3的表面，利用常用的平版印刷法技術形成圖案， 通過真空蒸鍍法形成具有表觀直徑100pm的圓形部分和從該圓形部分以放射 狀、寬度10nm的枝狀伸展分布的分布電極的第一電極2。第一電極2依次分 別蒸鍍100nm金 鍺(AuGe )合金、100nm鎳(Ni )、 500nm金(Au )，合計 700nm層厚。將該第一電極2用作掩模，使用由硫酸、雙氧水和水的混合液構成的蝕刻 液，通過選擇性蝕刻除去第一電極2的正下方以外的第一電極側接觸層3，露 出光取出層4的第一光取出層23。通過鹽酸系蝕刻對該光取出層4的表面進行粗燥化。在本實施例中發(fā)現(xiàn)第 二光取出層24的一部分露出的蝕刻條件，通過相對于該蝕刻條件延長蝕刻時 間，如圖1所示從第一光取出層23至第二光取出層24各層均形成凹凸22, 得到第一光取出層23與第二光取出層24相比凹凸22的表面傾斜小的粗糙面。
接著，在支持襯底13的整個外側面通過真空蒸鍍法形成第二電極14。具 體而言，依次蒸鍍鋁(Al)、鈦(Ti)、金(Au)，隨后在氮氣氛圍中在400°C 加熱，通過5分鐘熱處理的合金工藝將第二電極14合金化。使用切割裝置以第一電極2的圓形部分為中心對該形成了電極的LED用 外延晶片進行切割，制作芯片尺寸300iam的方形LED^^果芯片。在TO-18芯軸 上安裝(芯片焊接)該LED棵芯片，對該安裝過的LED棵芯片進行引線4定合， 制作LED元件。評價該實施例#1的LED元件的初期特性。關于初期特性，20mA通電時 (評價時)的發(fā)光功率輸出為6.64mW,順向電壓為1.98V。實施例#1以與后述的現(xiàn)有例相同的方法對主表面S進行粗糙面化，但是 由于光取出層4為2層結構，因而可以抑制光取出層4的層厚整個面變薄。這 是由于，在第 一光取出層23被蝕刻而露出第二光取出層24的一部分的時刻第 二光取出層24的蝕刻開始，第二光取出層24的蝕刻速度快于第一光取出層 23,從而即使縮短蝕刻時間也會形成具有期望的梯度差的凹凸22，相應地可 以抑制光取出層4的層厚變薄。這樣通過防止光取出層4的層厚變薄，可以抑制順向電壓的上升，實現(xiàn)順 向電壓達到1.98V。另夕卜，通過抑制順向電壓的上升，可以抑制LED的放熱， 結果是發(fā)光功率輸出ll:高。進而，由于光取出層4的層厚沒有變薄，因而可以 得到電流的擴展，使流動于活性層6的電流均一化。由此也可以抑制LED的 放熱。再者，由于電流分散特性良好，因此可以抑制第一電極15成為影子所 引起的光取出效率降低，由此還可以提高發(fā)光功率輸出。另外，由于可以抑制 電流集中，可以認為載流子的溢出消失，內(nèi)部量子效率也提高。這些由實施例 #1改善的多個因素疊加，使得發(fā)光功率輸出提高。實施例#2制作具有圖2所示的結構、發(fā)光波長在630nm附近的紅色LED用的LED 用外延晶片，并制作LED元件。外延生長方法、各外延層的層厚、各外延層 的結構和材料、反射金屬膜層的構成、歐姆接觸的接合部的構成和尺寸、向支 持襯底的再粘貼方法、電極形成方法、蝕刻方法等制作的詳細情況基本上與實
施例#1相同。以下<又詳細說明與實施例#1不同的地方。光取出層4a包括第一光取出層25、第二光取出層26、第三光取出層27。 第 一光取出層25形成n型(Se摻雜)(Al0.4Ga0.6 )0.5In0.5P窗口層(層厚400nm、 載流子濃度lxlo18/cm3)，第二光取出層26形成n型(Se摻雜) (Ala7Ga。.3)a5Ino.5P窗口層(層厚100nm、載流子濃度1 x 1018/cm3)，第三光取 出層27形成n型(Se摻雜)(Al0.4Gao.6) 0.51110.5 窗口層(層厚2500nm、載流 子濃度1 x I018/cm3)。也就是說，在實施例#2中，作為光取出層4a設置了第一光取出層25、第 二光取出層26、第三光取出層27三個層，形成半導體發(fā)光元件時構成最外側 層的第一光取出層25和構成最內(nèi)側層的第三光取出層27的Al組成比例相等， 夾在中間的第二光取出層26的Al組成比例比第一光取出層25和第三光取出 層27的A1組成比例大。即，形成光取出層4的第一、第二、第三光取出層 25、 26、 27的材料分別由(AlxGa"x) yIii卜yP(其中0.3<X<1, 0.4《Y<0.6) 表示，第一、第三光取出層25、 27的材料中的X值為0.4,第二光取出層26 的材料中的X值為0.7。另夕卜，第二光取出層26距離光取出層4a的表面(與第一電極側接觸層3 ) 的i 巨離為400nm。與后述的現(xiàn)有例相比時，相當于在光取出層104中插入材料的Al組成比 例比其大的層。評價該實施例#2的LED元件的初期特性。關于初期特性，20mA通電時 (評價時)的發(fā)光功率輸出為6.72mW，順向電壓為1.99V。現(xiàn)有例制作具有圖5所示的結構、發(fā)光波長在630nm附近的紅色LED用的LED 用外延晶片沒有粗糙面化和進行了粗糙面化的2種晶片，并制作LED元件。 外延生長方法、各外延層的層厚、各外延層的結構和材料、反射金屬膜層的構 成、歐姆接觸的接合部的構成和尺寸、向支持村底的再粘貼方法、電極形成方 法、蝕刻方法等制作的詳細情況基本上與實施例#1相同。以下僅詳細說明與 實施例#1不同的地方。
光取出層104僅為1層n型(Se摻雜)(Al0.4Ga0.6) 0.5In0.5P窗口層(層厚 3000nm、載流子濃度1 x 1018/cm3 )。關于進行了粗糙面化的現(xiàn)有例的LED元件的初期特性，20mA通電時(評 價時)的發(fā)光功率輸出為5.0mW,順向電壓為2.3V。關于沒有進行粗糙面化 的現(xiàn)有例的LED元件的初期特性，20mA通電時(評價時)的發(fā)光功率輸出 為4.3mW，順向電壓為1.96V。如上所述，以初期特性比較實施例#1、 2、現(xiàn)有例的各LED元件時，能夠 確認通過適用本發(fā)明實現(xiàn)了發(fā)光功率輸出的提高和順向電壓的降低。
權利要求
1.一種半導體發(fā)光元件，其特征在于，具有包括夾在第一、第二包層之間的產(chǎn)生光的活性層和形成第一包層側的主表面的光取出層的多個半導體層，具有部分地覆蓋所述光取出層的第一電極、覆蓋所述主表面的相反面的第二電極、在第二包層和第二電極之間反射光的反射金屬膜層、與該反射金屬膜層的活性層側相接的氧化物層、在該氧化物層中部分地形成的歐姆接觸的接合部，其中，所述光取出層包括組成比例不同的多個層，這些多個層均形成有用于使所述主表面成為粗糙面的凹凸。
2. 根據(jù)權利要求1所述的半導體發(fā)光元件，其特征在于，形成所述光取出層的多個層中最外側層的凹凸表面的傾斜小于第二外側層。
3. 根據(jù)權利要求1或2所述的半導體發(fā)光元件，其特征在于，形成所述 光取出層的多個層中最外側層的材料的Al組成比例小于第二外側層的材料。
4. 根據(jù)權利要求1 3中任一項所述的半導體發(fā)光元件，其特征在于，形 成所述光取出層的多個層中最外側層的帶隙能量小于第二外側層。
5. 根據(jù)權利要求1 4中任一項所述的半導體發(fā)光元件，其特征在于，形 成所述光:f又出層的多個層的材料分別由(AlxGa,-x) yIii卜yP表示，其中0.3《 X《l, 0.4<Y<0.6。
6. 根據(jù)權利要求1~5中任一項所述的半導體發(fā)光元件，其特征在于，所 述光取出層和第一包層的層厚之和為800~5300nm。
7. 根據(jù)權利要求1 6中任一項所述的半導體發(fā)光元件，其特征在于，所 述光取出層的材料的折射率大于第一包層的材料。
8. 根據(jù)權利要求1~7中任一項所述的半導體發(fā)光元件，其特征在于，在 所述光取出層和第一電極之間具有覆蓋與第一電極相同的部分，帶隙能量小于 所述活性層，且對來自活性層的光不透明的第一電極側接觸層。
9. 根據(jù)權利要求8所述的半導體發(fā)光元件，其特征在于，所述第一電極 側接觸層的層厚為5 200nrn。
10. 根據(jù)權利要求1~8中任一項所述的半導體發(fā)光元件，其特征在于，形 成所述光取出層的多個層的材料的Al組成比例大于所述活性層的材料。
11. 根據(jù)權利要求1 10中任一項所述的半導體發(fā)光元件，其特征在于，形成所述光取出層的多個層的材料分別由(AlxGa卜x) Ylni—yP表示，其中0.3 《X<1, 0.4《Y《0.6,且所述活性層的材料由(AlxGa!-x) Yln卜yP表示，其 中0<X<0.5， 0.4<Y《0.6。
12. 根據(jù)權利要求1~11中任一項所述的半導體發(fā)光元件，其特征在于， 所述活性層具有由20-160層的阱層構成的多重量子阱結構或者變形多重量子 阱結構。
13. 根據(jù)權利要求1~12中任一項所述的半導體發(fā)光元件，其特征在于， 在所述活性層和第二包層之間具有第二包層側未摻雜層。
14. 根據(jù)權利要求13所述的半導體發(fā)光元件，其特征在于，所述第二包 層側未摻雜層的材料的Al組成比例大于所述活性層的材料。
15. 根據(jù)權利要求13或14所述的半導體發(fā)光元件，其特征在于，所述第 二包層側未摻雜層的材料的帶隙能量大于所述活性層的材料。
16. 根據(jù)權利要求13~15中任一項所述的半導體發(fā)光元件，其特征在于， 所述第二包層側未摻雜層的材料由(AlxGa卜x)Yln,-YP表示，其中0.3<X《1, 0.4<Y《0.6，且所述活性層的材料由(AlxGa卜x) YIni-YP表示，其中(KX <0.5, 0.4《Y<0.6。
17. 根據(jù)權利要求1~16中任一項所述的半導體發(fā)光元件，其特征在于， 形成所述光取出層的多個層中最外側層的層厚為50~1000nm。
18. 根據(jù)權利要求1~17中任一項所述的半導體發(fā)光元件，其特征在于， 所述多個半導體層和第二電極之間具有支持村底，該支持襯底的材料為Si、 GaAs、 Ge、 Cu、 Mo、 W、 CuW中的任意一種。
19. 根據(jù)權利要求1~18中任一項所述的半導體發(fā)光元件，其特征在于， 歐姆接觸的接合部的面積相對于所述氧化物層的總面積的比例為20%以下。
20. 根據(jù)權利要求1~19中任一項所述的半導體發(fā)光元件，其特征在于， 在所述氧化物層和第二包層之間具有反射金屬膜層側接觸層，該反射金屬膜層 側接觸層的材料以GaP為主。
21. 根據(jù)權利要求20所述的半導體發(fā)光元件，其特征在于，在所述反射 金屬膜層側接觸層和第二包層之間具有夾層，該夾層的材料由Gaxln， - XP表示， 其中0.6《X< 1。
22. 根據(jù)權利要求20或21所述的半導體發(fā)光元件，其特征在于，所述反 射金屬膜層側接觸層具有材料的添加物不同的3個層，這3個層中與所述夾層 相接的層的材料的添加物為Mg,與所述氧化物層相接的層的材料的添加物為 Zn,這2個層的中間層的材料沒有積極的添加物。
23. 根據(jù)權利要求1~22中任一項所述的半導體發(fā)光元件，其特征在于， 所述氧化物層在非歐姆接觸的接合部的層厚d相對于基準層厚dst在士30。/。的范 圍內(nèi)，所述基準層厚dst由如下關系式表示基準層厚dst-奇數(shù)的常數(shù)a x來自所述活性層的光的波長人p/ (4 x在非歐姆接觸的接合部的所述光的折射率n)， 并且，所述氧化物層在歐姆接觸的接合部的層厚與在非歐姆接觸的接合部 的層厚相等。
24. 根據(jù)權利要求1~23中任一項所述的半導體發(fā)光元件，其特征在于， 在所述光取出層和第一包層之間插入與所述光取出層相比Al組成比例高且?guī)?隙能量大的插入層。
25. 根據(jù)權利要求24所述的半導體發(fā)光元件，其特征在于，所述插入層 的材料由(AlxGa-x) Yln卜YP表示，其中0.4〈X《1， 0.4<Y<0.6。
全文摘要
本發(fā)明提供光取出層的層厚沒有變薄而被粗糙面化的半導體發(fā)光元件。對于這種半導體發(fā)光元件，具有包括活性層6和光取出層4的多個半導體層，具有反射金屬膜層11，上述光取出層4包括組成比例不同的多個層23、24，這些多個層23、24均形成有用于使主表面S粗糙面化的凹凸22。
文檔編號H01L33/40GK101165931SQ20071018088
公開日2008年4月23日 申請日期2007年10月19日 優(yōu)先權日2006年10月20日
發(fā)明者今野泰一郎, 新井優(yōu)洋, 飯塚和幸 申請人:日立電線株式會社