专利名称：半导体发光元件及其制造方法
技术领域：
本发明涉及以用作例如各种显示器、液晶显示器用的背光以及固体照明用光源等的发光二极管(以下称为LED)为代表的半导体发光元件及其制造方法。
背景技术：
近年来，随着LED的高性能化，其应用领域也迅速扩大。尤其是随着开始应用以氮化镓(以下称为GaN)为代表的氮化物系化合物半导体，实现了覆盖从紫外区域到可视区域整体的LED，从而LED不仅作为单纯的显示灯，还作为替代荧光灯或者白炽灯的照明用光源为人们所关注。
目前的LED的一大课题是提高光取出效率。其理由是，通过对由表面上形成有多层结构的半导体晶圆构成的基板进行切割而切出大致长方体的芯片形状，并由此制作的单纯的LED芯片中，从活性层发出的光的大部分，在半导体和空气或者树脂之间的界面上发生全反射而被封闭在LED芯片内，因此只能取出极少一部分光。通常，在这样的单纯LED结构中，其光取出效率、即活性层发出的光中的能向LED芯片外部取出的光的比例是20％左右。
因此，为了通过加工LED的光取出面而提高LED光取出效率，人们提出了各种组装方法。关于光取出面的加工，已有例如专利文献1或者非专利文献1记载的加工方法。
图14表示了通过加工光取出面而提高光取出效率的以往LED的剖面结构。如图14所示，在蓝宝石基板101上依次形成n型GaN层102、InGaN多量子阱活性层103、p型AlGaN势垒层104以及p型n接触层105。在这里，在p型n接触层105的表面，通过光刻技术和干式蚀刻技术，设置规则的凹凸形状。另外，在p型n接触层105上，经由透明电极107，设置有p侧欧姆电极106。其中，在所述各半导体层的叠层结构中，n侧欧姆电极形成区域以露出n型GaN层102的方式通过蚀刻除去，并在该n型GaN层102的露出面上，形成n侧欧姆电极108。
根据图14所示的以往LED，可以抑制从活性层103发出的光在作为光取出面的GaN接触层105表面进行全反射，并由此将光取出效率提高约两倍。
专利文献1特开2000-196152号公报非专利文献1折田等、基于长周期光晶提高蓝色GaN LED光取出效率、2003年(平成15年)秋季第64回应用物理学学术演讲会预备稿集、日本、(社)应用物理学会、2003年8月30日、第三分册、p938[非专利文献2]Diaz等、根据使用铂的无电极蚀刻而形成的多孔化GaN的形态和发光(Morphology and luminescence of porous GaN generated via Pt-assistedelectroless etching)、真空科学和技术杂志(J.Vac.Sci.Technol)、2002年11月、第B20卷第6号、p2375-2383然而，在所述的以往技术中，由于在光取出面形成有规则的凹凸形状，因此从LED芯片放射出的光的放射图案由于衍射光彼此间的干涉而在特定方位变强，从而在实用上存在问题。另外，由于为了在成为光取出面的p型GaN层上形成凹凸形状而采用了干式蚀刻，因此该p型GaN层就会受损伤，其结果很难在该p型GaN层上形成欧姆电极，而且还会导致光被在该p型GaN层生成的深的能级吸收的问题。
另外，如果从活性层发出的光是短波长的光，则由于不能忽视p型GaN层的光吸收，因此必要使用与GaN相比带隙能更大的AlGaN等材料，形成该层。但是，如果此时使用所述的以往技术，则带隙能大的材料一边结合强且硬，因此很难进行用于形成凹凸形状的蚀刻。另外还存在在由带隙能大的材料构成的层上更难形成欧姆电极的问题。
另外，在所述的以往技术中，由于为了在光取出面形成短间距的凹凸形状而必须使用微细光刻技术，因此存在成品率下降的问题。
发明内容
本发明鉴于以上的现状，其目的在于提供一种无需使用微细光刻技术或者干式蚀刻技术，而光取出效率高且放射图案良好的半导体发光元件及其制造方法。
为了实现所述目的，本发明提供一种半导体发光元件，是由包含活性层的多个半导体层经叠层而构成的半导体发光元件，其中对多个半导体层中的具备成为用于从活性层取出光的光取出面的表面的半导体层的至少一部分进行多孔化处理。
其中，这里的“多孔化处理”是指形成多孔、即是指不规则地存在具备各种形状的多个微孔(空隙)。
根据本发明的半导体发光元件，由于在具备成为光取出面的表面的半导体层上不规则地形成多个空隙，因此可以抑制从活性层发出的光被成为光取出面的半导体层表面全反射，由此提高光取出效率。另外，由于通过多孔化而不规则地形成多个空隙，因此还可以避免在从元件放射出的光的放射图案中由于折射光彼此间的干涉而生成特异的放射图案。
另外，根据本发明的半导体发光元件，由于对具备成为光取出面的表面的半导体层进行多孔化处理时采用了湿式蚀刻，因此能够避免由于干式蚀刻而损伤该半导体层。
另外，根据本发明的半导体发光元件，由于与被多孔化之前相比，被多孔化的半导体层的光吸收端波长(光吸收系数急剧减小的波长)移向短波长侧，因此降低了来自活性层的光的吸收，其结果提高了光取出效率。
另外，由于在本发明的半导体发光元件的制造中，不需要采用高度的光刻技术，因此可提高成品率。
在本发明的半导体发光元件中，优选半导体层的多孔化区域中的各空隙的底部形成为凹凸形状。而且，更优选凹凸的高低差为10nm左右以上。
由此，由于可以在半导体层的多孔化区域更有效地对来自活性层的光进行散射，因此不仅能实现没有特异干涉峰的良好的放射图案，还可以提高光输出。
在本发明的半导体发光元件中，优选半导体层的多孔化区域具备各自前端形成凹凸形状的多个半导体残留部。其中，更优选凹凸的高低差为10nm左右以上。
由此，由于可以在半导体层的多孔化区域更有效地对来自活性层的光进行散射，因此不仅能实现没有特异干涉峰的良好的放射图案，还可以提高光输出。
在本发明的半导体发光元件中，优选多个半导体层还具备设置于活性层和半导体层之间且成为电流扩散层的未被多孔化的其他的半导体层，且在半导体层的非多孔化区域上设置有电极，其中，更优选该电流扩散层具备至少一个异质界面。
这样，由于对于因多孔结构的存在而在半导体层内很难横方向扩散的载流子，通过其他的半导体层即电流扩散层，可以容易地向横方向扩散，因此可以在发光面的整个面均匀发光。
在本发明的半导体发光元件中，若半导体层的多孔化区域的各空隙中相邻的空隙彼此间的距离为20nm以下，则由于量子效应，半导体层的多孔化区域的光吸收端波长就会变得比半导体层的非多孔化区域的光吸收端波长短。这里，如果活性层的发光波长(中心波长)是半导体层的禁带波长左右或者其以下，则半导体层的多孔化区域的光吸收端波长就会变得比从活性层发出的光的中心波长短，从而能在不被半导体层吸收的情况下取出从活性层放出的光，因此能提高光取出效率。
在本发明的半导体发光元件中，优选半导体层的多孔化区域的有效折射率，随着远离活性层，而变小。
这样，可以进一步提高光取出效率。其中，所谓“半导体层的多孔化区域的有效折射率”是指对半导体部分的折射率和空隙部分的折射率考虑到各部分体积比而平均化了的折射率。
在本发明的半导体发光元件中，优选在半导体层的多孔化区域的每单位体积的空隙占有比例，随着远离活性层，而变大。
这样，由于半导体层的多孔化区域的有效折射率，随着远离活性层(即从基板侧到表面侧)，渐渐减小，因此可提高光取出效率。
在本发明的半导体发光元件中，优选半导体层的带隙能，随着远离活性层，阶梯性或者连续性地变小。
这样，由于半导体层的多孔化区域的每单位体积的空隙占有比例可随着远离活性层而变大，因此其结果能够使半导体层的多孔化区域的有效折射率从基板侧向表面侧而减小，从而能提高光取出效率。
在本发明的半导体发光元件中，优选半导体层的多孔化区域的与各空隙接触的半导体表面被氧化。
这样，由于不需要将多孔化区域的半导体表面直接暴露在大气中，因此能大幅提高元件可靠性。
在本发明的半导体发光元件中，优选半导体层的多孔化区域的表面侧被保护膜覆盖。
这样，由于不会将多孔化区域的半导体表面直接暴露在多孔化区域表面侧，因此可大幅提高元件可靠性。此时作为保护膜，可以使用由例如SiO2、Al2O3、SiN、TiO2、ZrO2、Nb2O5、Ta2O5或者Ga2O3构成的膜。
在本发明的半导体发光元件中，优选半导体层的多孔化区域的表面侧被透明电极覆盖。
这样，由于不会将多孔化区域的半导体表面直接暴露在多孔化区域表面侧，因此可大幅提高元件可靠性。另外，由于能均匀地注入载流子，因此可以进一步提高发光效率。
在本发明的半导体发光元件中，优选半导体层是n型半导体层。
这样，由于在多个半导体层的成为与光取出面相反的相反面的p型半导体表面上，以遍布全面的方式形成接触电阻一般比n侧电极大的p侧电极，因此能够降低工作电压。
在本发明的半导体发光元件中，优选将多个半导体层形成于基板上，且在基板的未形成多个半导体层的侧的主面上，形成由金属或者电介体多层结构构成的反射膜。
这样，从活性层向基板方向放射出的光被所述反射膜有效反射，从而能进一步提高从光取出面的光取出效率。
在本发明的半导体发光元件中，优选在多个半导体层中的、具有成为与光取出面相反的面的表面的其他的半导体层的该表面上，形成由金属或者电介体多层结构构成的反射膜。
这样，从活性层朝其他半导体层方向放射出的光被所述反射膜有效反射，从而能进一步提高从光取出面的光取出效率。
在本发明的半导体发光元件中，优选作为所述多个半导体层使用由例如通式BxAlyInzGa1-x-y-zN(0≤x≤1、0≤y≤1、0≤z≤1、0≤x+y+z≤1)表示的氮化物系化合物半导体。
在本发明的半导体发光元件中，从活性层发出的光的波长如果小于430nm，则可以实现白色LED。
在本发明的半导体发光元件中，优选作为所述多个半导体层使用由例如通式AlxGa1-xN(0≤x≤1)表示的氮化物系化合物半导体。
另外，本发明的半导体发光元件的制造方法包括在基板上依次形成n型半导体层、成为活性层的半导体层以及p型半导体层的工序；分离各半导体层的多层结构和基板的工序；对多层结构中的具备成为用于从活性层取出光的光取出面的表面的n型半导体层的至少一部分进行多孔化处理的工序。
根据本发明的半导体发光元件的制造方法，由于对具备成为光取出面的表面的半导体层进行多孔化，因此可以抑制从活性层发出的光被成为光取出面的半导体层表面全反射，由此提高光取出效率。另外，由于通过多孔化而不规则地形成多个空隙，因此还可以避免在从元件放射出的光的放射图案中由于折射光彼此间的干涉而生成特异的放射图案。从而能实现光取出效率高且放射图案良好的半导体发光元件。
另外，根据本发明的半导体发光元件的制造方法，由于对具备成为光取出面的表面的半导体层进行多孔化处理时采用了湿式蚀刻，因此能够避免由于干式蚀刻而损伤该半导体层。
另外，根据本发明的半导体发光元件的制造方法，由于与被多孔化之前相比，被多孔化的半导体层的光吸收端波长移向短波长侧，因此降低了来自活性层的光的吸收，其结果提高了光取出效率。
另外，根据本发明的半导体发光元件的制造方法，由于不需要采用高度的光刻技术，因此可提高成品率。
另外，根据本发明的半导体发光元件的制造方法，由于在半导体层的多层结构的成为与光取出面相反的相反面的p型半导体表面上，以遍布全面的方式形成接触电阻一般比n侧电极大的p侧电极，因此能够降低工作电压。
综上所述，根据本发明的半导体发光元件，由于在具备成为光取出面的表面的半导体层上不规则地形成多个空隙，因此不会由于折射光彼此间的干涉而生成特异的放射图案而可提高光取出效率。另外，由于对半导体层进行多孔化处理时采用了湿式蚀刻，因此能够避免由干式蚀刻而损伤该半导体层。另外，由于与被多孔化之前相比，被多孔化的半导体层的光吸收端波长移向短波长侧，因此降低了来自活性层的光的吸收，能够提高光取出效率。另外，由于在制造中，不需要采用高度的光刻技术，因此可提高成品率。
图1中，(a)是本发明的第一实施方式的半导体发光元件的俯视图、(b)是图1(a)的I-I线剖面图。
图2是表示本发明的第一实施方式的半导体发光元件的电流—光输出特性的图。
图3是表示从本发明的第一实施方式的半导体发光元件放射出的光的放射图案的图。
图4是示意性地表示本发明的第一实施方式的半导体发光元件的接触层的多孔区域的剖面结构的图。
图5中，(a)是表示本发明的第一实施方式的半导体发光元件p型GaN接触层的多孔区域的光吸收光谱的图；(b)是表示该p型GaN接触层的非多孔区域的光吸收光谱的图。
图6是示意性地表示本发明的第一实施方式的变形例的半导体发光元件的接触层的多孔区域的剖面结构的图。
图7是本发明的第二实施方式的半导体发光元件的剖面图。
图8是示意性地表示本发明的第二实施方式的半导体发光元件的接触层的多孔区域的剖面结构的图。
图9是示意性地表示本发明的第三实施方式的半导体发光元件的接触层的多孔区域的剖面结构的图。
图10是示意性地表示本发明的第四实施方式的半导体发光元件的接触层的多孔区域的剖面结构的图。
图11是示意性地表示本发明的第五实施方式的半导体发光元件的接触层的多孔区域的剖面结构的图。
图12是本发明的第六实施方式的半导体发光元件的剖面图。
图13是本发明的第七实施方式的半导体发光元件的剖面图。
图14是以往半导体发光元件的剖面图。
图中1-蓝宝石基板，2-n型GaN层，3-InGaN多量子阱活性层，4-p型AlGaN电子势垒层，5-p型AlGaN/GaN应变超晶格，6-p型GaN接触层，7-p侧欧姆电极，8-n侧欧姆电极，9-多孔化区域，10-p型AlGaN倾斜组成接触层，11-氧化膜，12-保护膜，13-透明导电膜，14-透明电极，15-电介体多层结构。
具体实施例方式
(第一实施方式)下面，参照附图详细说明本发明第一实施方式的半导体发光元件及其制造方法。图1中，(a)是本发明的第一实施方式的半导体发光元件的俯视图、(b)是图1(a)的I-I线剖面图。
本发明的第一实施方式的半导体发光元件的制造方法如下。如图(1)和(b)所示，首先采用例如有机金属气相生长法(以下称为MOCVD法)，在由晶圆构成的蓝宝石基板1上依次形成n型GaN层2(厚度3.0μm左右)、InGaN多量子阱活性层3、p型Al0.15Ga0.85N电子势垒层4(厚度10nm左右)、p型AlGaN/GaN应变超晶格层5以及p型GaN接触层6(厚度50nm)。这里，InGaN多量子阱活性层3是形成三个周期的In0.1Ga0.9N量子阱层(厚度2.5nm)与In0.02Ga0.98N势垒层(厚度5nm)的叠层结构而构成的。另外，p型AlGaN/GaN应变超晶格层5是形成五十个周期的p型Al0.1Ga0.9N层(厚度1.5nm)与p型GaN层(厚度1.5nm)的叠层结构而构成的。
接着，通过以在p型GaN接触层6的光取出部上具备开口的方式形成p侧欧姆电极7之后，将叠层有所述各半导体层的晶圆浸在例如甲醇、氟酸、以及过氧水(过氧化氢水溶液)的混合溶液中，在p型GaN接触层6的光取出部形成多孔结构(多孔区域)9。接着，使用干式蚀刻方法，对所述各半导体层的叠层结构中的n侧欧姆电极形成区域进行蚀刻，直至露出n型GaN层2。这里，为了与本实施方式的半导体发光元件进行比较，制作了除未形成所述多孔结构9之外其他均与本实施方式的半导体发光元件相同的半导体发光元件(比较例)。
图2中的线(a)是表示本发明的第一实施方式的半导体发光元件的电流(流过p侧欧姆电极7的驱动电流)—光输出特性的图，而图2中的线(b)是为了进行比较而表示的不含有多孔质结构的半导体发光元件的电流—光输出特性。由图2可知，通过采用本发明的多孔结构9，光输出约提高为三倍。
图3是表示从本发明的第一实施方式的半导体发光元件放射出的光的放射图案的图。在图3中，将元件的正上方(晶圆主面的法线方向)作为表示光放射方向的角度的基准(0°)。如图3所示，根据本实施方式的半导体发光元件，可以获得没有特异干涉峰值的良好的放射图案。
图4是示意性地表示本发明的第一实施方式的半导体发光元件的p型GaN接触层6的多孔结构9的剖面结构的图。如图4所示，从p型GaN接触层6表面侧向GaN结晶内部，形成有多个细长空隙。在本实施方式中，关于能够实现无干涉峰的良好的放射图案的同时还能提高光输出的理由考虑是光被形成有不规则空隙的多孔结构9有效地散射的缘故。另外，由于GaN层的多孔化是以不规则的方式进行的，因此连接多孔结构9中的各空隙的底部(即最深的部分)的面不平坦，而是高低差为10nm左右以上的凹凸形状。由此，可以进一步提高光的散射效果，因此认为这一现象的结果也进一步提高了光取出效率。另外，为了更加提高光的散射效果，优选在多孔结构的表面侧也形成为凹凸形状。具体地说，在具有多个柱状半导体残留部的多孔结构9中，连接各半导体残留部的前端的面优选是高低差为10nm左右以上的凹凸形状。这样的多孔结构9的表面侧或者底部侧的凹凸形状，可通过对多孔处理条件[混合液(湿式蚀刻液)的组成比，处理温度以及处理时间等]进行优化、或者对光刻工序以及蚀刻工序进行再组合而形成。
但是，在本实施方式中，在InGaN多量子阱活性层3和p型GaN接触层6之间，设置有p型AlGaN/GaN应变超晶格层5和p型AlGaN电子势垒层4。这样，优选通过在活性层和接触层之间设置作为电流扩散层的未被多孔化的半导体层，而形成一个以上的异质界面。其理由如下。从在p型GaN接触层6的光取出部上具有开口的p侧欧姆电极7、即形成于p型GaN接触层6的非多孔化区域上的p侧欧姆电极7注入的载流子(carrier)，由于存在多孔结构9，载流子很难在p型GaN接触层内横方向(平行于基板主面的方向)扩散，因此也很容易出现难于从光取出面的全面获得均匀发光的情形。与此相对，通过如本实施方式那样在活性层和接触层之间设置多个异质界面，可以促进载流子在横方向上的扩散，其结果可以获得更均匀的发光。
图5是表示p型GaN的光吸收光谱的图，其中，(a)是表示形成有多孔结构的p型GaN的光吸收光谱的图，(b)是表示形成多孔结构之前的p型GaN的光吸收光谱的图。从图5中可知，通过在p型GaN形成多孔结构，光吸收端波长(光吸收系数急剧减小的波长)移向短波长侧。换言之，p型GaN的多孔化区域的光吸收端波长短于p型GaN的非多孔化区域的光吸收端波长。关于该原因，认为这是由于残留在多孔结构中的p型GaN的尺寸非常小而产生量子效应而引起的。具体地说，在图4中用记号t表示的多孔结构9中的p型GaN的平均尺寸大致20nm以下时，发现这样的量子效应。换言之，优选在多孔结构9的各空隙中的相邻的空隙彼此间的间距是20nm左右以下。另外，该距离不小于多孔结构9中的p型GaN的最小宽度(1原子层的厚度是0.5nm左右)。
另外，如图5所示的光吸收端波长的短波长化，在活性层的发光波长(中心波长)是接触层禁带波长(p型GaN的情况下约为365nm)左右或者其以下时特别有用。即，通过在所述多孔结构中形成接触层，可以使接触层的多孔结构的光吸收端波长成为比活性层的发光波长短的短波长。因此，从活性层放出的光不会被接触层吸收，从而能提高光取出效率。
如以上说明，根据第一实施方式，由于在具备成为光取出面的表面的p型GaN接触层6中形成多孔结构9，因此可以抑制从InGaN多量子阱活性层3发出的光在p型GaN接触层6的表面全反射，进而提高光取出效率。另外，由于通过多孔化而不规则地形成多个空隙，因此还可以避免在从元件放射出的光中产生由彼此的折射光的干涉而引起的特异的放射图案。从而可实现光取出效率高且放射图案良好的半导体发光元件。
另外，根据第一实施方式，由于可采用了湿式蚀刻对p型GaN接触层6进行多孔化处理，因此能够避免由干式蚀刻而损伤p型GaN接触层6的问题。
另外，根据第一实施方式，由于与被多孔化之前相比，被多孔化的p型GaN接触层6的光吸收端波长移向短波长侧，因此降低了来自InGaN多量子阱活性层3的光的吸收，其结果提高了光取出效率。
另外，由于在第一实施方式的元件的制造中，不需要采用高度的光刻技术，因此可提高成品率。
另外，在第一实施方式中，为进行p型GaN接触层6的多孔化处理，使用了甲醇、氟酸、以及过氧水的混合溶液，但作为替代也可以只用氟酸和过氧水的混合溶液。另外，在作为接触层，用SiC层替代p型GaN层的情况下，为了对该SiC层进行多孔化处理，还可以使用含有HF(氟酸)以及S2O84-的湿式蚀刻液。
另外，根据第一实施方式，优选在蓝宝石基板1的背面(形成有n型GaN层2等的面的相反面)上形成由金属或者电介体多层结构构成的反射膜。由此，从InGaN多量子阱活性层3朝蓝宝石基板1方向放射出的光被所述反射膜有效反射，从而能进一步提高从光取出面的光取出效率。
另外，在第一实施方式中，在p型GaN接触层6中形成了多孔结构9，但也可以在设于p型GaN接触层6上的其他半导体层上形成多孔结构9。这样也能获得相同效果。
(第一实施方式的变形例)下面，参照
本发明第一实施方式的变形例的半导体发光元件及其制造方法。本变形例不同于第一实施方式之处在于p型GaN接触层6的多孔结构9的剖面结构。即，除本变形例的半导体发光元件的多孔结构9之外的基本结构，均与图1(a)和(b)所示的第一实施方式相同。
图6是示意性显示本变形例的半导体发光元件的p型GaN接触层6的多孔结构9的剖面结构的图。
本变形例的半导体发光元件的制造方法如下。首先，采用例如MOCVD法，在由晶圆构成的蓝宝石(0001)基板1上依次形成n型GaN层2(厚度3.0μm左右)、InGaN多量子阱活性层3、p型Al0.15Ga0.85N电子势垒层4(厚度10nm左右)、p型AlGaN/GaN应变超晶格层5以及p型GaN接触层6(厚度50nm左右)。这里，InGaN多量子阱活性层3是形成三个周期的In0.1Ga0.9N量子阱层(厚度2.5nm)与In0.02Ga0.98N势垒层(厚度5nm)的叠层结构的层。另外，p型AlGaN/GaN应变超晶格层5是形成五十个周期的p型Al0.1Ga0.9N层(厚度1.5nm)与p型GaN层(厚度1.5nm)的叠层结构的层。
另外，在本变形例中，为了提高p型GaN接触层6的结晶缺陷密度，采用了与通常使用的条件稍偏离的形成p型GaN接触层6时的结晶生长条件。具体地说，将p型GaN接触层6的结晶生长温度设定为比通常的GaN结晶生长温度低约100℃的900℃。
接着，通过以在p型GaN接触层6的光取出部上具备开口的方式形成p侧欧姆电极7之后，将叠层有所述各半导体层的晶圆浸在例如甲醇、氟酸、以及过氧水的混合溶液中，如图6所示，在p型GaN接触层6的光取出部形成多孔结构(多孔化区域)9。接着，使用干式蚀刻方法，对所述各半导体层的叠层结构中的n侧欧姆电极形成区域进行蚀刻，直至露出n型GaN层2。接着，在该n型GaN层2的露出面上形成n侧欧姆电极8。
如所述那样，在本变形例中为了提高p型GaN接触层6的结晶缺陷密度，在形成多孔化区域9的时候，将该结晶缺陷作为中心而产生GaN蚀刻的各向异性，其结果，p型GaN接触层6会被在与基板主面[(0001)面]垂直方向上蚀刻。从而，如图6所示，被蚀刻而形成的多孔化区域9的各柱状结构的侧面相互平行。在本变形例中，在所述各柱状结构的沿(0001)面方向的直径t的平均值是约40nm。
另外，如图6所示，在本变形例中，由于从p型GaN接触层6的表面侧向GaN结晶内部形成有多个细长空隙，因此光能被有效散射，进而能实现没有干涉峰的良好放射图案的同时，提高光输出。另外，由于GaN层的多孔化是以不规则的方式进行的，因此连接多孔结构9中的各空隙的底部(即最深的部分)的面不平坦，而是高低差为10nm左右以上的凹凸形状。由此，可以进一步提高光的散射效果，其结果进一步提高了光取出效率。另外，为了更加提高光的散射效果，优选在多孔结构的表面侧也形成凹凸形状。具体地说，在具有多个柱状半导体残留部的多孔结构9中，连接各半导体残留部的前端的面优选是高低差为10nm左右以上的凹凸形状。这样的多孔结构9的表面侧或者底部侧的凹凸，可通过对多孔处理条件[混合液(湿式蚀刻液)的组成比，处理温度以及处理时间等]进行优化、或者对光刻工序以及蚀刻工序进行再组合而形成。
但是，在本实施方式中，在InGaN多量子阱活性层3和p型GaN接触层6之间，设置有p型AlGaN/GaN应变超晶格层5和p型Al0.15Ga0.85N电子势垒层4。这样，优选通过在活性层和接触层之间设置作为电流扩散层的未被多孔化的半导体层，而形成一个以上的异质界面。其理由如下。从在p型GaN接触层6的光取出部上具有开口的p侧欧姆电极7、即从形成于p型GaN接触层6的非多孔化区域上的p侧欧姆电极7注入的载流子，由于存在多孔结构9，而很难在p型GaN接触层内横方向(平行于基板主面的方向)扩散，因此也很容易出现难于从光取出面的全面获得均匀发光。与此相对，通过如本变形例那样在活性层和接触层之间设置多个异质界面，可以促进载流子在横方向上的扩散，其结果可以获得更均匀的发光。
如以上说明，根据本变形例，由于在具备成为光取出面的表面的p型GaN接触层6中形成多孔结构9，因此可以抑制从InGaN多量子阱活性层3发出的光在p型GaN接触层6的表面全反射，进而提高光取出效率。另外，由于通过多孔化而不规则地形成多个空隙，因此还可以避免在从元件放射出的光中产生由彼此的折射光的干涉而引起的特异的放射图案。从而可实现光取出效率高且放射图案良好的半导体发光元件。
另外，根据本变形例，由于采用了湿式蚀刻对p型GaN接触层6进行多孔化处理，因此能够避免由于干式蚀刻而损伤p型GaN接触层6。
另外，根据本变形例，由于与被多孔化之前相比，被多孔化的p型GaN接触层6的光吸收端波长移向短波长侧，因此降低了来自InGaN多量子阱活性层3的光的吸收，其结果提高了光取出效率。
另外，由于在本变形例的元件的制造中，不需要采用高度的光刻技术，因此，可提高成品率。
另外，在本变形例中，为了进行p型GaN接触层6的多孔化处理，使用了甲醇、氟酸、以及过氧水的混合溶液，但取代其也可以只用氟酸和过氧水的混合溶液。另外，在作为接触层，用SiC层替代p型GaN层的情况下，为了对该SiC层进行多孔化处理，还可以使用含有HF(氟酸)以及S2O84-的湿式蚀刻液。
另外，根据本变形例，优选在蓝宝石基板1的背面(形成有n型GaN层2等的面的相反面)上形成由金属或者电介体多层结构构成的反射膜。由此，从InGaN多量子阱活性层3朝蓝宝石基板1方向放射出的光被所述反射膜有效反射，从而能进一步提高从光取出面的光取出效率。
另外，在本变形例中，在p型GaN接触层6中形成了多孔结构9，但取代之也可以在设于p型GaN接触层6上的其他半导体层上形成多孔结构9。这样也能获得相同效果。
(第二实施方式)下面，参照附图详细说明本发明的第二实施方式的半导体发光元件及其制造方法。
图7表示了第二实施方式的半导体发光元件的剖面结构。第二实施方式的半导体发光元件与第一实施方式(参照图1(a)和(b))不同之处在于如图7所示，形成从基板侧向表面侧将Al组成从例如10％左右连续减小到0％的p型AlGaN倾斜组成接触层10，以替代p型GaN接触层6。其他构成要件以及制造方法与第一实施方式相同。
图8是示意性地表示第二实施方式的半导体发光元件的p型AlGaN倾斜组成接触层10的多孔结构9的剖面结构的图。在图8中，还与所述剖面结构相配合，表示了p型AlGaN倾斜组成接触层10的Al组成变化曲线图。
如图8所示，在第二实施方式的多孔结构9中，从基板侧朝表面侧，p型AlGaN的尺寸(宽度)逐渐变小。这是由于随着Al组成的降低，AlGaN的蚀刻速度(在进行与第一实施方式相同的多孔化处理时的蚀刻速度)变大。由此，多孔结构9中的p型AlGaN的填充率从基板侧朝表面侧渐渐减小。换言之，多孔结构9中每单位体积的空隙所占的比例，随着远离InGaN多量子阱活性层3而变大。因此，p型AlGaN倾斜组成接触层10的多孔结构9的有效折射率从基板侧向表面侧渐渐减小，进而与第一实施方式相比，其光取出效率变得更高。
在第二实施方式中，采用了使p型AlGaN倾斜组成接触层10的Al组成连续变化的方式，但也可以用Al组成阶梯性变化的方式将其取代。另外，还可以用随着远离InGaN多量子阱活性层3，而阶梯性或者连续性地减小带隙能的其他的倾斜组成层，来替代p型AlGaN倾斜组成接触层10。在这种情况下，该其他的倾斜组成层的多孔化区域的有效折射率也从基板侧向表面侧渐渐减小，从而也能进一步提高光取出效率。
(第三实施方式)下面，参照附图详细说明本发明的第三实施方式的半导体发光元件及其制造方法。第三实施方式的半导体发光元件与第二实施方式(参照图7和图8)不同之处在于p型AlGaN倾斜组成接触层10的多孔结构9的详细结构。即除该详细结构以外的第三实施方式的元件结构均与第二实施方式相同。
图9是示意性地表示第三实施方式的半导体发光元件的p型AlGaN倾斜组成接触层10的多孔结构9的剖面结构的图。
如图9所示，在本实施方式中，在p型AlGaN倾斜组成接触层10的多孔结构9的与各空隙接触的半导体表面上，通过热氧化形成氧化膜11[具体是Ga2Ox(0＜x≤3)]。由此，多孔结构9的AlGaN表面就不会直接暴露在大气中，从而与第二实施方式相比，可大幅提高元件的可靠性。
另外，在第三实施方式中，例示了对形成有多孔结构9的p型AlGaN倾斜组成接触层10的AlGaN表面进行氧化的情况，但并不限定于此，在接触层材料为GaN、AlGaInN或者InGaN等的情况下对多孔结构中的半导体表面进行氧化，也能获得相同效果。
(第四实施方式)下面，参照附图详细说明本发明的第四实施方式的半导体发光元件及其制造方法。第四实施方式的半导体发光元件与第一实施方式(参照图1(a)、(b)以及图4)不同之处在于p型GaN接触层6的多孔结构9的详细结构。即除该详细结构以外的第四实施方式的元件结构均与第一实施方式相同。
图10是示意性地表示第四实施方式的半导体发光元件的p型GaN接触层6的多孔结构9的剖面结构的图。
如图10所示，在本实施方式中，在p型GaN接触层6的多孔结构9上，覆盖由例如CVD(Chemical Vapor Deposition)法或者溅射法形成的保护膜12。此时如图10所示，保护膜12不形成到多孔结构9的内部。即保护膜12仅形成于多孔结构9的表面附近。但是，由于多孔结构9内的GaN表面不直接暴露在大气中，因此与第一实施方式相比，可大幅提高元件可靠性。
另外，在第四实施方式中，保护膜12的种类没有特别限定，即可以使用从例如SiO2、Al2O3、SiN、TiO2、ZrO2、Nb2O5、Ta2O5或者Ga2O3等中选择的单层结构或者多层结构。
(第五实施方式)下面，参照附图详细说明本发明的第五实施方式的半导体发光元件及其制造方法。第五实施方式的半导体发光元件与第一实施方式(参照图1(a)、(b)以及图4)不同之处在于p型GaN接触层6的多孔结构9的详细结构。即除该详细结构以外的第五实施方式的元件结构均与第一实施方式相同。
图11是示意性地表示第五实施方式的半导体发光元件的p型GaN接触层6的多孔结构9的剖面结构的图。
如图11所示，在本实施方式中，p型GaN接触层6的多孔结构9被透明导电膜(透明电极)13所覆盖。由于多孔结构9内的GaN表面不直接暴露在大气中，因此与第一实施方式相比，可大幅提高元件可靠性。另外，可进一步均匀地从p侧欧姆电极7(参照图1(a)、(b))注入载流子，因此能进一步提高元件的发光效率。
另外，在第五实施方式中，透明导电膜13的材料没有特别限定，例如可使用ITO(In2SnO3)或者β-GaO3等。另外，作为透明导电膜，还可以使用薄膜化到厚度数nm以下的Ni膜和Au膜的叠层膜。
(第六实施方式)下面，参照附图详细说明本发明第六实施方式的半导体发光元件及其制造方法。
图12表示了第六实施方式的半导体发光元件的剖面结构。
本发明的第六实施方式的半导体发光元件的制造方法如下。与第一实施方式一样，首先采用例如MOCVD法，在由晶圆构成的蓝宝石基板(省略图示)上依次形成n型GaN层2(厚度3.0μm左右)、InGaN多量子阱活性层3、p型Al0.15Ga0.85N电子势垒层4(厚度10nm左右)以及p型GaN接触层6(厚度50nm)。这里，InGaN多量子阱活性层3是形成三个周期的In0.1Ga0.9N量子阱层(厚度2.5nm)与In0.02Ga0.98N势垒层(厚度5nm)的叠层结构而的层。
接着，在p型GaN接触层6上的整个面上，依次形成p侧欧姆电极7和Au镀层12。此后，通过例如从蓝宝石基板侧照射短脉冲的紫外激光，而从结晶生长层(所述的各半导体层的叠层结构)剥离蓝宝石基板。接着，以使通过剥离基板而露出的n型GaN层2的表面中光取出部表面上具备开口的方式形成n侧欧姆电极8之后，最终对n型GaN层2的露出在n侧欧姆电极8的开口部的部分进行多孔化处理而形成多孔结构(多孔化区域)9。图12表示了剥离基板后将n型GaN层2侧为上且将p型GaN接触层6侧为下的元件的剖面结构。
如以上说明，根据第六实施方式，由于在具备成为光取出面的表面的n型GaN层2中形成多孔结构9，因此可以抑制从InGaN多量子阱活性层3发出的光在n型GaN层2的表面全反射，进而提高光取出效率。另外，由于通过多孔化而不规则地形成多个空隙，因此还可以避免在从元件放射出的光中产生由于彼此的折射光的干涉而引起的特异的放射图案的情形。从而可实现光取出效率高且放射图案良好的半导体发光元件。
另外，根据第六实施方式，由于对具备成为光取出面的表面的n型GaN层2进行多孔化处理时采用了湿式蚀刻，因此能够避免由于干式蚀刻而损伤n型GaN层2。
另外，根据第六实施方式，由于与被多孔化之前相比，被多孔化的n型GaN层2的光吸收端波长移向短波长侧，因此降低了来自InGaN多量子阱活性层3的光的吸收，其结果提高了光取出效率。
另外，由于在第六实施方式的元件的制造中，不需要采用高度的光刻技术，因此可提高成品率。
另外，根据第六实施方式，由于可以将接触电阻一般比n侧电极大的p侧欧姆电极7以不形成开口部的方式形成在p型GaN接触层6的整个面上，因此可降低工作电压。具体地说，例如可将在20mA下驱动时的工作电压从3.0V降低到2.8V。
另外，根据第六实施方式，通过作为p型欧姆电极7的材料使用对于InGaN多量子阱活性层3的发光波长反射率大的例如Pt、Rh或者Ag等材料，可以向n型GaN层2侧有效反射从InGaN多量子阱活性层3朝Au镀层12发出的光，因此可进一步提高光取出效率。
另外，在第六实施方式中，还可以与第一实施方式一样，在p型AlGaN电子势垒层4和p型GaN接触层6之间设置p型AlGaN/GaN应变超晶格层。这里，p型AlGaN/GaN应变超晶格层可以采用例如形成五十个周期的p型Al0.1Ga0.9N层(厚度1.5nm)与p型GaN层(厚度1.5nm)的叠层结构。
(第七实施方式)下面，参照附图详细说明本发明第七实施方式的半导体发光元件及其制造方法。
图13表示了第七实施方式的半导体发光元件的剖面结构。
本发明的第七实施方式的半导体发光元件的制造方法如下。与第六实施方式一样，首先采用例如MOCVD法，在由晶圆构成的蓝宝石基板(省略图示)上依次形成n型GaN层2(厚度3.0μm左右)、InGaN多量子阱活性层3、p型Al0.15Ga0.85N电子势垒层4(厚度10nm左右)以及p型GaN接触层6(厚度50nm)。这里，InGaN多量子阱活性层3是形成三个周期的In0.1Ga0.9N量子阱层(厚度2.5nm)与In0.02Ga0.98N势垒层(厚度5.0nm)的叠层结构的层。
接着，在p型GaN接触层6上的整个面，形成由例如ITO构成的透明电极14以及电介体多层结构15之后，采用光刻法或者蚀刻法，去除该多层结构15上的n型GaN层2的光取出部正下面区域以外的部分。在这里，电介体多层结构15具有例如交替沉积十个周期的SiO2膜(膜厚69nm)和TiO2膜(膜厚40nm)的结构。然后，在电介体多层结构15之上以及透明电极14之上形成Au镀层12后，通过例如从蓝宝石基板侧照射短脉冲的紫外激光，从结晶生长层(所述的各半导体层的叠层结构)剥离蓝宝石基板。接着，以使通过剥离基板而露出的n型GaN层2的表面中光取出部表面上具备开口的方式形成n侧欧姆电极8之后，最终对n型GaN层2的露出在n侧欧姆电极8的开口部的部分进行多孔化处理而形成多孔结构(多孔化区域)9。图13表示了剥离基板后将n型GaN层2侧为上且将p型GaN接触层6侧为下的元件的剖面结构。
根据第七实施方式，可以获得与第六实施方式相同的效果的之外，还可以获得以下效果。即由于可以用电介体多层结构15有效反射从InGaN多量子阱活性层3朝p型GaN接触层6的方向即Au镀层12的方向放射的光，因此能更有效地从光取出面(n型GaN层2的表面)取出光。
另外，在第七实施方式中，作为电介体多层结构15，使用了十个周期的SiO2/TiO2叠层结构，但并不仅限于此。即，关于电介体多层结构15的材料或者膜厚，可以为了对从InGaN多量子阱活性层3发出的光的波长获得高反射率而自由设定。
另外，在第七实施方式中，在具备成为光取出面的相反面的表面的p型GaN接触层6的该表面上，形成有由电介体多层结构15构成的反射膜，但也可以用由金属构成的反射膜将其替代。
另外，在第七实施方式中，还可以与第一实施方式一样，在p型AlGaN电子势垒层4和p型GaN接触层6之间设置p型AlGaN/GaN应变超晶格层。在这里，作为p型AlGaN/GaN应变超晶格层可以采用例如形成五十个周期的p型Al0.1Ga0.9N层(厚度1.5nm)与p型GaN层(厚度1.5nm)的叠层结构。
另外，在第七实施方式中，作为透明电极14的材料使用了ITO，但也可以用例如β-GaO3等，将其替代。另外，作为透明电极，可以使用薄膜化到厚度数nm以下的Ni膜和Au膜的叠层膜，例如可使用厚度2nm的Ni膜和厚度3nm的Au膜的叠层膜。
另外，在以上所述的第一至第七实施方式中，作为活性层使用了InGaN多量子阱活性层3，且作为形成多孔层结构的层，使用了GaN接触层6或者AlGaN倾斜组成接触层10，但本发明并不仅限于此。具体地说，在作为构成本发明的各实施方式的半导体发光元件的材料使用氮化物系化合物半导体的情况下，即使使用由例如通式BxAlyInzGa1-x-y-zN(0≤x≤1、0≤y≤1、0≤z≤1、0≤x+y+z≤1)表示的氮化物系化合物半导体，也可以获得与本发明的各实施方式相同的效果。此时，作为活性层材料，还可以使用由例如通式AlxGa1-xN(0≤x≤1)表示的氮化物系化合物半导体。
另外，在以上所述的第一至第七实施方式中，从InGaN多量子阱活性层3发出的光的波长(中心波长)如果是200nm以上且小于430nm，则可以实现白色LED。
本发明的半导体发光元件不仅能适用于显示灯，还可以利用为替代荧光灯或者白炽灯的照明用光源。
权利要求
1.一种半导体发光元件，通过对包含活性层的多个半导体层进行叠层而构成，其特征是对所述多个半导体层中的、具有成为用于从所述活性层取出光的光取出面的表面的半导体层的至少一部分进行多孔化处理。
2.如权利要求1所述的半导体发光元件，其特征是所述半导体层的多孔化区域中的各空隙的底部形成凹凸。
3.如权利要求1所述的半导体发光元件，其特征是所述半导体层的多孔化区域具备多个半导体残留部，且该多个半导体残留部的各自前端分别形成凹凸。
4.如权利要求1所述的半导体发光元件，其特征是所述多个半导体层还具备设置在所述活性层和所述半导体层之间且成为电流扩散层的未被多孔化处理的其他的半导体层，且在所述半导体层的非多孔化区域上设置有电极。
5.如权利要求4所述的半导体发光元件，其特征是所述电流扩散层具备至少一个异质界面。
6.如权利要求1所述的半导体发光元件，其特征是所述半导体层的多孔化区域的光吸收端波长比所述半导体层的非多孔化区域的光吸收端波长短。
7.如权利要求1所述的半导体发光元件，其特征是所述半导体层的多孔化区域的光吸收端波长比从所述活性层发出的光的中心波长短。
8.如权利要求1所述的半导体发光元件，其特征是所述半导体层的多孔化区域的各空隙中的、相邻的空隙彼此间的距离为20nm以下。
9.如权利要求1所述的半导体发光元件，其特征是所述半导体层的多孔化区域的有效折射率，随着远离所述活性层，而变小。
10.如权利要求1所述的半导体发光元件，其特征是在所述半导体层的多孔化区域的每单位体积的空隙占有比例，随着远离所述活性层，而变大。
11.如权利要求1所述的半导体发光元件，其特征是所述半导体层的带隙能，随着远离所述活性层，阶梯性或者连续性地变小。
12.如权利要求1所述的半导体发光元件，其特征是所述半导体层的多孔化区域的与各空隙接触的半导体表面被氧化。
13.如权利要求1所述的半导体发光元件，其特征是所述半导体层的多孔化区域的表面侧被保护膜覆盖。
14.如权利要求13所述的半导体发光元件，其特征是所述保护膜，由SiO2、Al2O3、SiN、TiO2、ZrO2、Nb2O5、Ta2O5或者Ga2O3构成。
15.如权利要求1所述的半导体发光元件，其特征是所述半导体层的多孔化区域的表面侧被透明电极覆盖。
16.如权利要求1所述的半导体发光元件，其特征是所述半导体层是n型半导体层。
17.如权利要求1所述的半导体发光元件，其特征是所述多个半导体层被形成于基板上方，在所述基板的未形成所述多个半导体层的一侧的主面上，形成由金属或者电介体多层结构构成的反射膜。
18.如权利要求1所述的半导体发光元件，其特征是在多个半导体层中的、具有成为与光取出面相反的面的表面的其他的半导体层的该表面上，形成由金属或者电介体多层结构构成的反射膜。
19.如权利要求1所述的半导体发光元件，其特征是所述多个半导体层分别由通式BxAlyInzGa1-x-y-zN表示的氮化物系化合物半导体构成，其中0≤x≤1、0≤y≤1、0≤z≤1、0≤x+y+z≤1。
20.如权利要求19所述的半导体发光元件，其特征是从所述活性层发出的光的波长比430nm短。
21.如权利要求1所述的半导体发光元件，其特征是所述多个半导体层由通式AlxGa1-xN表示的氮化物系化合物半导体构成，其中，0≤x≤1。
22.一种半导体发光元件的制造方法，其特征是，包括在基板上依次至少形成n型半导体层、成为活性层的半导体层以及p型半导体层的工序；分离所述各半导体层的多层结构和所述基板的工序；对所述多层结构中的具有成为用于从活性层取出光的光取出面的表面的所述n型半导体层的至少其一部分进行多孔化处理的工序。
全文摘要
本发明提供一种半导体发光元件及其制造方法。在蓝宝石基板(1)上依次形成n型GaN层(2)、InGaN多量子阱活性层(3)、p型AlGaN电子势垒层(4)、p型AlGaN/GaN应变超晶格层(5)以及p型GaN接触层(6)。通过以在p型GaN接触层(6)的光取出部上具备开口的方式形成p侧欧姆电极(7)。在p型GaN接触层(6)的光取出部，通过使用甲醇、氟酸、以及过氧水的混合溶液的湿式蚀刻，而形成多孔结构(9)。因此，这种半导体发光元件，无需使用微细光刻技术或者干式蚀刻技术，而光取出效率高且放射图案良好。
文档编号H01L21/00GK1649180SQ200510004500
公开日2005年8月3日 申请日期2005年1月24日 优先权日2004年1月28日
发明者油利正昭 申请人:松下电器产业株式会社