半导体发光元件及其制造方法
【专利摘要】本发明涉及半导体发光元件及其制造方法。制造半导体发光元件的方法包括如下步骤：在衬底的主表面上形成由第III族氮化物基化合物半导体构成的半导体层；在半导体层上形成透明导电金属氧化物膜；在透明导电金属氧化物膜上方形成电极；形成用于覆盖透明导电金属氧化物膜的一部分的掩模层；以及在含氧气氛中对其上形成有掩模层的透明导电金属氧化物膜进行热处理；其中，在热处理步骤中，使透明导电金属氧化物膜的未被掩模层覆盖的剩余部分的氧浓度高于透明导电金属氧化物膜的被掩模层覆盖的部分的氧浓度。
【专利说明】半导体发光元件及其制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体发光元件及其制造方法。更详细地，本发明涉及设法使电流能够在透明电极膜中扩散的半导体发光元件及其制造方法。
【背景技术】
[0002]通常，半导体发光元件包括发光层、η型层和P型层。在η型层和ρ型层中的每一层中形成有电极。当从电极注入的电流更充分地在发光层的发光表面内扩散时，半导体发光元件的发光效率也变高。
[0003]因此，已开发出设法使电流能够在发光表面内扩散的技术。例如，JP-A-2012-69860公开了包括第一透明电极膜和第二透明电极膜的半导体发光元件。在第二透明电极膜上形成有焊垫电极(参见JP-A-2012-69860的图1等)。与第二透明电极膜相t匕，第一透明电极膜在接触电阻方面较低而在薄层电阻方面较高(参见JP-A-2012-69860的段[0040]中的表I)。
[0004]换言之，在焊垫电极之下的第二透明电极膜具有使电流能够容易扩散到横向方向即半导体发光元件的衬底的主表面方向上的特性。此外，第一透明电极膜具有使电流能够容易流动到纵向方向即第一透明电极膜的膜厚方向上的特性。据此，使电流能够在发光表面内扩散。
[0005]然而，在JP-A-2012-69860中所公开的半导体发光元件中，第一透明电极膜和第二透明电极膜是彼此分离的主体。因此，在第一透明电极膜和第二透明电极膜之间存在接触电阻。因此，存在电流不充分流动的问题。
【发明内容】
[0006]为了解决相关领域所附随的上述问题，已经做出本发明。具体地，本发明的一个目的是提供一种设法使电流能够在半导体层的发光表面内充分扩散的半导体发光元件及其制造方法。
[0007]根据本发明的第一方面的用于制造半导体发光兀件的方法包括:在衬底的主表面上形成由第III族氮化物基化合物半导体构成的半导体层的半导体层形成步骤；在半导体层上形成透明导电金属氧化物膜的透明导电金属氧化物膜形成步骤；以及在透明导电金属氧化物膜上形成电极的电极形成步骤。此外，该方法包括:形成用于覆盖透明导电金属氧化物膜的一部分的掩模层的掩模层形成步骤；以及在含氧气氛中对其上形成有掩模层的透明导电金属氧化物膜进行热处理的热处理步骤。在热处理步骤中，使透明导电金属氧化物膜的未被掩模层覆盖的剩余部分的氧浓度较高。
[0008]根据用于制造半导体发光元件的该方法，在透明导电金属氧化物膜中形成低氧浓度区域和高氧浓度区域。在该半导体发光元件中，电流在发光表面内充分地扩散。在透明导电金属氧化物膜的低氧浓度区域中，电流容易流动到发光表面内的横向方向。在透明导电金属氧化物膜的高氧浓度区域中，电流容易朝向半导体层流动。以此方式，电流在发光表面内充分地扩散，因此，半导体发光元件的发光效率良好。
[0009]在根据本发明的第二方面的用于制造半导体发光元件的方法中，掩模层是绝缘层。使绝缘层的至少一部分保留在透明导电金属氧化物膜上。换言之，透明导电金属氧化物膜的未被绝缘层覆盖的露出区域被氧化，而透明导电金属氧化物膜的被绝缘层覆盖的区域未被氧化。
[0010]在根据本发明的第三方面的用于制造半导体发光元件的方法中，掩模层是绝缘层和电极。使绝缘层和电极中的每一个的至少一部分保留在透明导电金属氧化物膜上。换言之，透明导电金属氧化物膜的未被绝缘层和电极覆盖的露出区域被氧化，而透明导电金属氧化物膜的被绝缘层和电极覆盖的区域未被氧化。
[0011 ] 在根据本发明的第四方面的用于制造半导体发光元件的方法中，在热处理步骤之后，包括从透明导电金属氧化物膜上移除掩模层的掩模层移除步骤。在掩模层移除步骤之后，执行电极形成步骤。
[0012]在根据本发明的第五方面的用于制造半导体发光元件的方法中，在掩模层形成步骤之前，包括在无氧气氛中执行热处理的热处理步骤，在无氧气氛中的热处理步骤的热处理温度高于在含氧气氛中的热处理步骤的热处理温度。
[0013]根据本发明的第六方面的半导体发光元件，包括:衬底；形成在衬底的主表面上的由第III族氮化物基化合物半导体构成的半导体层；形成在半导体层上的单个透明导电金属氧化物膜；以及导向透明导电金属氧化物膜的布线电极。此外，透明导电金属氧化物膜包括具有低氧浓度的低氧浓度区域，以及与低氧浓度区域相比具有较高氧浓度的高氧浓度区域。布线电极在低氧浓度区域的区域宽度内形成。
[0014]根据本发明的第七方面的半导体发光元件包括在透明导电金属氧化物膜上的覆盖低氧浓度区域的绝缘层。布线电极包括接触透明导电金属氧化物膜的多个接触部以及将接触部彼此电连接的并且形成在绝缘层上的布线部。布线部沿着绝缘层形成。接触部接触低氧浓度区域。因此，从接触部注入的电流在低氧浓度区域中扩散到发光表面内的方向上。
[0015]在根据本发明的第八方面的半导体发光元件中，透明导电金属氧化物膜的材料是通过向In2O3添加其它金属所获得的化合物。
[0016]在根据本发明的第九方面的半导体发光元件中，透明导电金属氧化物膜的材料是ITO(铟锡氧化物)或IZO(铟锌氧化物)。在该透明导电金属氧化物膜中，在低氧浓度区域中，接触电阻相对较高，薄层电阻相对较低。另一方面，在高氧浓度区域中，接触电阻相对较低，薄层电阻相对较高。
[0017]根据本发明，提供了一种设法使电流能够在半导体层的发光表面内充分扩散的半导体发光元件及其制造方法。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1为示出根据实施方案I的半导体发光元件的俯视图。
[0019]图2为示出根据实施方案I的半导体发光元件的示意性构造的横截面图。
[0020]图3为用于说明电流在根据本实施方案的半导体发光元件的透明导电金属氧化物膜中流动的容易性的视图。
[0021]图4为说明用于制造根据本实施方案的半导体发光元件的方法的视图(部分I)。[0022]图5为说明用于制造根据本实施方案的半导体发光元件的方法的视图(部分2)。
[0023]图6为说明用于制造根据本实施方案的半导体发光元件的方法的视图(部分3)。
[0024]图7为说明用于制造根据本实施方案的半导体发光元件的方法的视图(部分4)。
[0025]图8为说明用于制造根据本实施方案的半导体发光元件的方法的视图(部分5)。
[0026]图9为说明用于制造根据本实施方案的半导体发光元件的方法的视图(部分6)。
[0027]图10为示出根据实施方案I的另一半导体发光元件的示意性构造的横截面图。
[0028]图11为对根据实施方案2的半导体发光元件的布线电极附近进行放大的横截面图。
[0029]图12为对根据实施方案4的半导体发光元件的布线电极附近进行放大的横截面图。
[0030]图13为说明用于制造根据实施方案4的半导体发光元件的方法的视图。
【具体实施方式】
[0031]在下文中，通过在参照附图的同时以半导体发光元件为例来描述具体实施方案。但是，不应当将本发明解释为受限于这些实施方案。此外，如稍后所描述的各个半导体发光元件的层中的每一层的层叠结构和电极结构仅是举例说明。当然，可以采用与下面的实施方案中的层叠结构不同的层叠结构。以概念性方式示出各幅附图中的横截面结构。例如，应当将每层的厚度解释为未示出实际厚度。
[0032](实施方案I)
[0033]1.半导体发光元件
[0034]图1为示出根据本实施方案的发光元件100的俯视图。图2为示意性示出图1中的A-A横截面的横截面图。发光元件100是正装型半导体发光元件。布线电极170沿着绝缘层160的上部形成。发光元件100包括衬底110、η型层120、发光层130、ρ型层140、透明导电金属氧化物膜150、绝缘层160、布线层170、绝缘膜180以及布线电极190。
[0035]如图1所示，在发光元件100中，在ρ侧上的布线电极170与在η侧上的布线电极190以梳状状态彼此接合。布线电极170在接触部171中与透明导电金属氧化物膜150接触。布线电极190在接触部191中与η型层120的η型接触层接触。布线电极170和190被绝缘膜180覆盖。但是，布线电极170和190分别在露出部Pl和NI的区域中露出。露出部Pl和NI各自分别是布线电极170和190的一部分。
[0036]衬底110是用于支承η型层120等的半导体层的支承衬底。此外，衬底110还是用于使η型层120等能够生长的生长衬底。可以使用的衬底110的材料实例包括蓝宝石、Si和SiC。此外，还可以使用其主表面上形成有不规则形状的材料。
[0037]η型层120、发光层130和ρ型层140各自为由第III族氮化物基化合物半导体构成的半导体层。在衬底110的主表面上形成η型层120。η型层120由从衬底110侧起的η型接触层、N型ESD(静电放电)层以及η型SL(超晶格)层顺序形成。此外，虽然在图2中省略了图示，但可以在衬底110与η型层120之间设置缓冲层。在η型层120上形成发光层130。发光层130是MQW(多量子阱)层。替代地，发光层130还可以是SQW(单量子阱)层。在发光层130上形成ρ型层140。ρ型层140为从发光层130侧起的ρ型覆层和P型接触层顺序形成的层。这些始终只是实例，还可以采用其它构造。[0038]在ρ型层140的ρ型接触层的整个上表面上形成透明导电金属氧化物膜150。透明导电金属氧化物膜150的材料可以是例如ITO或ΙΖ0。可替代地，透明导电金属氧化物膜150的材料还可以是通过向In2O3添加其它金属所得到的化合物。透明导电金属氧化物膜150是由单个层制成的膜，并且还包括低氧浓度区域LI和高氧浓度区域H1。低氧浓度区域LI设置在绝缘层160和接触部171之下。高氧浓度区域Hl是除低氧浓度区域LI以外的区域。稍后描述其细节。
[0039]绝缘层160是用于覆盖透明导电金属氧化物膜150的一部分的层。通过设置绝缘层160，光容易在透明导电金属氧化物膜150与绝缘层160之间反射。换言之，绝缘层160抑制了由布线电极170引起的光吸收，并且起提高发光效率的作用。因此，绝缘膜160沿着布线电极170形成。此外，为了使接触部171接触透明导电金属氧化物膜150，设置有孔161。换言之，接触部171中的每个接触部均被设置在孔161中的每个孔内。此外，绝缘层160还起作为用于形成低氧浓度区域LI和高氧浓度区域Hl的掩模的作用。绝缘层160的材料的实例包括SiO2和TiO2。
[0040]在绝缘层160上形成布线电极170。此外，布线电极170包括接触部171和布线部172。接触部171是接触透明金属氧化物膜150中的低氧浓度区域LI的布线电极。接触部171填充绝缘层160中彼此隔开的多个孔161。接触部171中的每个接触部均在在孔161中的每个孔的底部中与透明导电金属氧化物膜150接触。布线部172是用于将接触部171电连接至ρ焊垫电极Pl的部分。布线电极170的实例包括从ρ型层140侧起顺序层叠有Cr、Ti和Au的电极。当然，还可以采用其它电极构造。然而，最下层的金属优选地是对SiO2或TiC具有良好粘附力的材料。相同情况也适用于布线电极190。
[0041]接触部171和布线部172可以由彼此不同的材料制成。在该情况下，接触部171的最下层的金属优选地是能够与透明导电金属氧化物膜150欧姆接触的材料。布线部172的最下层的金属优选地是对SiO2具有良好粘附力的材料。此外，接触部191的最下层的金属优选地是能够与η型层120欧姆接触的材料。布线部192的最下层的金属优选地是对SiO2具有良好粘附力的材料。
[0042]绝缘膜180是用于保护半导体等的膜。因此，绝缘膜180覆盖半导体等的上表面，即覆盖透明导电金属氧化物膜150、绝缘层160以及布线电极170和190。绝缘膜180的材料的实例包括SiO2和TiO2。
[0043]2.低氧浓度区域和高氧浓度区域
[0044]如图2所示，发光元件100的透明导电金属氧化物膜150包括低氧浓度区域LI和高氧浓度区域Η1。换言之，透明导电金属氧化物膜150包括在单个膜内具有高氧浓度的区域和具有低氧浓度的区域。
[0045]低氧浓度区域LI是未在如稍后描述的氧气氛中经受热处理的区域。高氧浓度区域Hl是已在如稍后描述的氧气氛中经受热处理的区域。因此，高氧浓度区域Hl中的氧浓度高于低氧浓度区域LI中的氧浓度。
[0046]如图2所示，低氧浓度区域LI位于绝缘层160和接触部171之下。接触部171与低氧浓度区域LI接触。绝缘层160和布线电极170在低氧浓度区域LI的区域宽度WO内形成。另一方面，高氧浓度区域Hl是占据除低氧浓度区域LI以外的其它区域的区域。换言之，在高氧浓度区域Hl上方既未形成绝缘层160也未形成布线层170。[0047]表1示出低氧浓度区域LI和高氧浓度区域Hl的特性。表1示出通过使用ITO所得到的结果。当相互比较低氧浓度区域LI和高氧浓度区域Hl时，可以描述下面的内容。
[0048]与高氧浓度区域Hl相比，低氧浓度区域LI在对P型接触层的接触电阻方面相对较高而在薄层电阻方面相对较低。换言之，如图3所示(图1中的B-B横截面)，在低氧浓度区域LI中，电流几乎未沿着与衬底110的主表面垂直的方向(箭头Dl的方向)流动，而容易沿着与衬底110的主表面平行的方向(箭头D2的方向)流动。
[0049]另一方面，与低氧浓度区域LI相比，高氧浓度区域Hl在对P型接触层的接触电阻方面相对较低而在薄层电阻方面相对较高。因此，如图3所示，在高氧浓度区域Hl中，电流容易沿着与衬底110的主表面垂直的方向(箭头D3的方向)流动，而几乎未沿着与衬底110的主表面平行的方向(箭头D4的方向)流动。
[0050]如前所述，尽管高氧浓度区域Hl的薄层电阻相对较高，但与P型接触层的薄层电阻相比，高氧浓度区域Hl的薄层电阻足够低。因此，如图3中由箭头DX所示的，电流在透明导电金属氧化物膜150内扩散时朝向ρ型层140流动。以此方式，在透明导电金属氧化物膜150中，在电极形成区域中，朝向ρ型接触层的电流分量密度为小，并且电流沿着平面表面内的方向流动。在除电极形成区域以外的区域中，电流扩散到平面表面内的方向上并且还在P型接触层的方向上分支，并且与在电极形成区域中的情况相比，朝向发光层的电流密度增加。换言之，在发光元件100中，电流容易在发光表面内扩散，并且其发光效率良好。如本文中所提及的电极形成区域指的是电极(如焊垫电极和布线电极)以平面方式在半导体发光元件中占据的区域。换言之，电极形成区域是指在衬底的主表面方向上投影电极的平面形状的区域。
[0051]在表1中，低氧浓度区域LI的载流子浓度为6.3 X IO20 (I / cm3)。此外，在表1中，高氧浓度区域Hl的载流子浓度为3.0 X IO20 (I / cm3)。以此方式，低氧浓度区域LI的载流子浓度高于高氧浓度区域Hl的载流子浓度。这是因为氧缺乏地越多，载流子浓度就越高。换言之，通过对透明导电金属氧化物膜150进行氧化，其载流子浓度变低。此外，在低氧浓度区域LI与高氧浓度区域Hl之间的迁移率方面基本不存在差别。
[0052]表1
[0053]
【权利要求】
1.一种用于制造半导体发光元件的方法，所述方法包括: 在衬底的主表面上形成由第III族氮化物基化合物半导体构成的半导体层的半导体层形成步骤； 在所述半导体层上形成透明导电金属氧化物膜的透明导电金属氧化物膜形成步骤； 在所述透明导电金属氧化物膜上方形成电极的电极形成步骤； 形成用于覆盖所述透明导电金属氧化物膜的一部分的掩模层的掩模层形成步骤；以及在含氧气氛中对其上形成有所述掩模层的所述透明导电金属氧化物膜进行热处理的热处理步骤； 其中，在所述热处理步骤中，使所述透明导电金属氧化物膜的未被所述掩模层覆盖的剩余部分的氧浓度高于所述透明导电金属氧化物膜的被所述掩模层覆盖的部分的氧浓度。
2.根据权利要求1所述的用于制造半导体发光元件的方法，其中所述掩模层是绝缘层，并且所述绝缘层的至少一部分保留在所述透明导电金属氧化物膜上。
3.根据权利要求1所述的用于制造半导体发光元件的方法，其中所述掩模层是绝缘层和电极；所述绝缘层和 所述电极中的每一个的至少一部分保留在所述透明导电金属氧化物膜上。
4.根据权利要求1所述的用于制造半导体发光元件的方法，还包括: 在所述热处理步骤之后，从所述透明导电金属氧化物膜移除所述掩模层的掩模层移除步骤； 其中在所述掩模层移除步骤之后，执行电极形成步骤。
5.根据权利要求1所述的用于制造半导体发光元件的方法，还包括: 在所述掩模层形成步骤之前，在无氧气氛中执行热处理的热处理步骤； 其中在无氧气氛中的所述热处理步骤中的热处理温度高于在含氧气氛中的热处理步骤的热处理温度。
6.一种半导体发光元件，包括: 衬底； 形成在衬底的主表面上的由第III族氮化物基化合物半导体构成的半导体层； 形成在所述半导体层上的单个透明导电金属氧化物膜；以及 电连通至所述透明导电金属氧化物膜的布线电极； 其中所述透明导电金属氧化物膜包括具有低氧浓度的低氧浓度区域和与所述低氧浓度区域相比具有更高氧浓度的高氧浓度区域；以及 其中所述布线电极形成在所述低氧浓度区域的区域宽度内。
7.根据权利要求6所述的半导体发光元件，其包括在所述透明导电金属氧化物膜上的覆盖所述低氧浓度区域的绝缘层； 其中所述布线电极包括接触所述透明导电金属氧化物膜的多个接触部以及将所述接触部彼此电连接的并且形成在所述绝缘层上的布线部； 其中所述布线部沿着所述绝缘层形成； 所述接触部接触所述低氧浓度区域。
8.根据权利要求6所述的半导体发光元件，其中所述透明导电金属氧化物膜的材料为通过向In2O3添加其它金属所获得的化合物。
9.根据权利要求8所述的半导体发光元件，其中所述透明导电金属氧化物膜的材料为ITO 或 IZOo
【文档编号】H01L33/42GK103682026SQ201310359009
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年8月16日 优先权日:2012年9月13日
【发明者】户谷真悟, 出口将士 申请人:丰田合成株式会社