专利名称：用于半导体发光器件的正电极的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于半导体发光器件的正电极，更具体地，涉及一种适合用于可在低驱动电压下发射强光的氮化镓基化合物半导体发光器件的透明正电极。
背景技术：
近年来，GaN基化合物半导体材料已成为作为用于短波长发光器件的半导体材料的关注焦点。通过例如金属有机化学气相淀积(MOCVD)或分子束外延(MBE)的技术，这种GaN基化合物半导体形成在衬底(例如，氧化物单晶如蓝宝石单晶、或III-V族化合物单晶)上。
这种GaN基化合物半导体材料的一个特性特征是，沿平行于发光表面的方向，电流的扩散小。这种差的电流扩散可归因于大量的螺纹位错(threading dislocations)的存在，螺纹位错在从底面(衬底侧)至顶面的整个外延晶体内存在。然而，该原因尚未被详细解释。同时，p型GaN基化合物半导体具有比n型GaN基化合物半导体的电阻率高的电阻率。因此，当在p型GaN基化合物半导体层的表面上层叠金属层时，沿平行于p型层的方向基本上不发生电流扩散。从而，当由这种半导体的pn结来制造LED结构时，光发射被限制到仅在正电极下面的部分。
为了克服上述缺点，通常使用这样的透明正电极，通过该透明正电极，提取从正电极下面的部分发射的光。具体地，在一种已提出的用于商业透明产品的技术中，各具有几十nm厚度的多个Ni层和Au层层叠在p型层上以形成层叠的层，并且在含氧气氛中加热该层以成为合金，从而促进了p型层的电阻的降低且同时形成了具有良好透明性和欧姆特性的正电极(参看日本专利号No.2803742)。
由例如导电金属氧化物或超薄金属膜的材料来制造透明电极。用这种材料或结构很难进行直接接合。因此，通常，设置具有足够厚度的接合衬垫(bonding pad)电极，使得在衬垫电极和透明电极之间建立电接触。然而，由于其相对大的厚度，金属衬垫电极不呈现透明性，并且从衬垫电极下面的部分发射的光不能被提取到外部，这形成了问题。
在提高衬垫电极的附着性的现有技术的结构中，部分地切除透明电极，并且如此设置衬垫电极，以便桥接相邻的透明电极，从而通过与GaN半导体层直接接触的部分提高了接合强度，使得在与透明电极接触的部分中发生电流扩散(参看日本专利申请特开(kokai)No.7-94782)。
如上所述，由于从衬垫电极下面的部分发射的光不能被提取到外部，已开发了用于有效利用电流的技术，其中通过抑制电流注入到该部分中，在衬垫电极下面的部分中避免了光发射。
具体地，已公开了一些有效获得光发射的技术，其中通过在衬垫电极下面设置绝缘区域，抑制了电流注入到衬垫下面的部分中(参看日本专利申请特开(kokai)No.8-250768和No.8-250769)。还已公开了用于抑制电流注入到衬垫电极下面的部分中的技术，其中由具有相对于p型层的高接触电阻率的金属来形成衬垫电极的最底层(参看日本专利申请特开(kokai)No.10-242516)。
然而，由本发明人进行的研究已揭露出，任何上述技术的采用减小了正电极相对于p型层的欧姆接触面积，从而成问题地提高了驱动电压。
发明内容
为解决上述问题进行了本发明，且本发明的一个目的是提供一种用于面朝上型芯片中的透明正电极，即使使用低驱动电压，该芯片也可发射强光。此处所用的术语“透明性”是指对具有落入在发射波长范围内的波长的光的透明性。在氮化镓基发光器件的情况下，发射波长范围通常为300至600nm。
本发明提供如下方面。
(1)一种用于半导体发光器件的正电极，所述电极包括形成在半导体层上的透明电极，以及形成在所述透明电极上的接合衬垫电极，其中所述接合衬垫电极具有至少与所述透明电极接触的反射层。
(2)根据上述(1)的用于半导体发光器件的正电极，其中作为剥离强度的所述反射层和所述透明电极之间的附着强度不小于490mN(50gf)。
(3)根据上述(1)或(2)的用于半导体发光器件的正电极，其中对于具有落入在所述半导体发光器件的发射波长范围内的波长的光所述透明电极具有60％的透射率。
(4)根据上述(1)至(3)中任一项的用于半导体发光器件的正电极，其中所述反射层由选自Al、Ag、Pt族金属的金属以及含有Al、Ag和Pt族金属的至少一种金属的合金构成。
(5)根据上述(1)至(4)中任一项的用于半导体发光器件的正电极，其中所述半导体发光器件是氮化镓基化合物半导体发光器件。
(6)根据上述(1)至(5)中任一项的用于半导体发光器件的正电极，其中所述反射层由选自Al、Ag、Pt的金属以及含有Al、Ag和Pt的至少一种金属的合金构成。
(7)根据上述(1)至(6)中任一项的用于半导体发光器件的正电极，其中所述反射层具有20至3,000nm的厚度。
(8)根据上述(1)至(7)中任一项的用于半导体发光器件的正电极，其中所述接合衬垫电极具有层结构，并且除了所述反射层以外，还包括由Ti、Cr或Al构成的阻挡层和/或由Au或Al构成的最上层。
(9)根据上述(1)至(8)中任一项的用于半导体发光器件的正电极，其中所述透明电极在所述接合衬垫电极侧包括由金属构成的层。
(10)根据上述(1)至(8)中任一项的用于半导体发光器件的正电极，其中所述透明电极在所述接合衬垫电极侧包括由透明材料构成的层。
(11)根据上述(10)的用于半导体发光器件的正电极，其中所述透明电极仅由除了金属以外的导电透明材料构成。
(12)根据上述(1)至(11)中任一项的用于半导体发光器件的正电极，其中对所述透明电极的最上表面进行提取发射光的工序。
(13)根据上述(12)的用于半导体发光器件的正电极，其中所述透明电极的最上表面由透明材料形成。
(14)根据上述(1)至(13)中任一项的用于半导体发光器件的正电极，其中所述透明电极具有与p型半导体层接触的接触层，以及设置在所述接触层上的电流扩散层。
(15)根据上述(14)的用于半导体发光器件的正电极，其中所述接触层由铂族金属或其合金构成。
(16)根据上述(15)的用于半导体发光器件的正电极，其中所述接触层由铂构成。
(17)根据上述(14)至(16)中任一项的用于半导体发光器件的正电极，其中所述接触层具有0.1至7.5nm的厚度。
(18)根据上述(17)的用于半导体发光器件的正电极，其中所述接触层具有0.5至2.5nm的厚度。
(19)根据上述(14)至(18)中任一项的用于半导体发光器件的正电极，其中所述电流扩散层由选自金、银和铜的金属构成、或由含有金、银和铜的至少一种金属的合金构成。
(20)根据上述(19)的用于半导体发光器件的正电极，其中所述电流扩散层由金或金合金构成。
(21)根据上述(14)至(20)中任一项的用于半导体发光器件的正电极，其中所述电流扩散层具有1至20nm的厚度。
(22)根据上述(21)的用于半导体发光器件的正电极，其中所述电流扩散层具有3至6nm的厚度。
(23)根据上述(14)至(18)中任一项的用于半导体发光器件的正电极，其中所述电流扩散层由导电透明材料构成。
(24)根据上述(10)、(11)、(13)和(23)中任一项的用于半导体发光器件的正电极，其中所述透明材料是选自ITO、氧化锌、氧化锌铝、掺F的氧化锡、氧化钛、硫化锌、氧化铋和氧化镁的至少一种物质。
(25)根据上述(24)的用于半导体发光器件的正电极，其中所述透明材料是选自ITO、氧化锌、氧化锌铝和掺F的氧化锡的至少一种物质。
(26)根据上述(10)、(11)、(13)和(23)至(25)中任一项的用于半导体发光器件的正电极，其中所述透明材料具有10至5,000nm的厚度。
(27)根据上述(26)的用于半导体发光器件的正电极，其中所述透明材料具有100至1,000nm的厚度。
(28)一种半导体发光器件，其采用根据上述(1)至(27)中任一项的正电极。
(29)一种氮化镓基化合物半导体发光器件，包括衬底；n型半导体层、发光层和p型半导体层，这些层以该顺序层叠在所述衬底上并且由氮化镓基化合物半导体层形成；设置在所述p型半导体层上的正电极；以及设置在所述n型半导体层上的负电极，其中所述正电极是根据上述(1)至(27)中任一项的正电极。
(30)一种灯，其采用根据上述(28)或(29)的发光器件。
根据本发明，使电流流到透明电极的接合衬垫电极具有与至少透明电极接触的反射层，从而可降低由在接合衬垫电极和透明电极之间的界面处的光吸收所引起的发射光的衰减。因而，可提高发射光的提取效率和强度。
图1是采用本发明的正电极的发光器件的示意性截面图；图2是采用本发明的正电极且在实例中所制造的氮化镓基化合物半导体发光器件的示意性截面图；以及图3是采用本发明的正电极且在实例中所制造的氮化镓基化合物半导体发光器件的示意性平面图。
具体实施例方式
图1是采用本发明正电极的发光器件的示意性截面图。参考标号10表示本发明的正电极，其由透明电极(11)和接合衬垫电极(13)构成。透明电极(11)例如由接触层(111)和电流扩散层(112)构成。接合衬垫电极(13)例如由反射层(131)、阻挡层(132)和最上层(133)构成；即，具有三层结构。参考标号1表示衬底，2表示GaN基化合物半导体层、其由n型半导体层(3)、发光层(4)和p型半导体层(5)构成，6表示缓冲层，以及20表示负电极。
在具有透明正电极的面朝上型芯片中，从发光层(4)发射的光仅通过芯片的侧面以及通过没有被接合衬垫电极覆盖的透明电极提取出来。
通过采用本发明的正电极，朝向接合衬垫电极(13)发射的光被用作接合衬垫电极的底部表面(即，与透明电极接触的表面)的反射层(131)反射。一些反射光线沿横向方向或倾斜方向被散射，而其它的光线被反射到接合衬垫电极下面的部分。沿横向方向或倾斜方向被散射的光线通过芯片的侧面被提取到外部，而被反射到接合衬垫电极下面的部分的光线通过芯片的底部表面被进一步散射或反射，并通过芯片的侧面以及通过透明电极的(没有被衬垫电极覆盖的)一部分提取出来。
用作接合衬垫电极的最底层的这样设置的反射层使在接合衬垫电极下面发射的光被提取到外部，从而获得高发射强度。比较而言，当接合衬垫电极的最底层吸收光时，在接合衬垫电极下面发射的光实际上被衬垫电极的最底层吸收，而没有被提取到外部。
为了确实获得本发明的效果，必须使反射层直接接触透明电极。结果，必须使反射层牢固地附着到透明电极上，以使接合衬垫电极具有足够的强度。在常规的方法中，在将金丝连接到接合衬垫电极的步骤中，接合衬垫电极必须不从透明电极剥离。从而，优选作为剥离强度的反射层和透明电极的附着强度不小于490mN(50gf)。更优选不小于784mN(80gf)的剥离强度，最优选不小于980mN(100gf)的剥离强度。为了提高反射层和透明电极的附着强度，例如，存在这样的方法，其中在形成反射层之后预先处理透明电极的表面或者进行热处理。
根据形成反射层的材料而改变的反射层的反射率优选为60％或更高，更优选为80％或更高，进一步更优选为90％或更高。
利用例如分光光度计的设备可以容易地确定反射率。然而，很难确定接合衬垫电极的反射率，这是因为电极本身具有非常小的表面积。由此，在一种可选方法中，在形成接合衬垫电极期间，在反应室中提供例如由玻璃形成的宽的、透明的虚衬底。确定虚衬底上的接合衬垫电极的反射率。
接合衬垫电极的反射层优选由具有高反射率的金属形成。具体地，反射层优选由例如Pt、Rh、Ru或Ir的铂族金属；Al；Ag；或含有选自这些金属的至少一种金属元素的合金形成。在这些金属中，Al、Ag、Pt和含有选自这些金属的至少一种金属元素的合金通常用作电极材料，从而从可用性、易操作等的观点来看是优选的。
在其中不形成开口或窗口的情况下，在透明电极上直接形成接合衬垫电极。当在透明电极上设置接合衬垫电极时，欧姆接触面积不减小，且即使在接合衬垫电极下面的部分中，电极的接触电阻也不增大。从而，可防止驱动电压的增加。另外，由于通过用作接合衬垫电极的最底部表面的反射层来反射已通过透明电极的光，可以抑制过多的光吸收。
在透明电极上的任何位置处可以形成接合衬垫电极。例如，可以在离负电极最远的位置处或在芯片的中心处形成接合衬垫电极。然而，在过度靠近负电极的位置处形成的接合衬垫电极是不优选的，这是由于在接合期间，金属丝(wire)或球(ball)之间可能发生短路。
接合衬垫电极优选具有尽可能大的表面积，以便于接合操作。然而，由于表面积变大，发射光的提取受到抑制。结果，芯片的输出显著下降。例如，当超过一半的芯片表面区域覆盖有衬垫电极时，发射光的提取受到抑制，导致输出显著下降，而当衬垫电极的表面积过小时，接合操作变得困难，导致产量降低。由此，优选衬垫电极的表面积稍大于接合球(bondingball)的直径。通常，衬垫电极具有其直径约为100μm的圆形的平面图。
在接合衬垫电极的反射层由高反射率金属形成的情况下，反射层的厚度优选为20至3,000nm。当反射层过薄时，不能获得充分的反射，而当厚度过大时，形成反射层所需的周期延长了，并且材料成本增加；即，没有提供优点。更优选地，厚度为50至1,000nm，其中最优选100至500nm。
接合衬垫电极可以仅由上述高反射率金属形成。换句话说，接合衬垫电极可以仅由反射层构成。同时，各种材料和结构的接合衬垫电极已公知。从而，可以在任何公知的接合衬垫电极的半导体层侧(即，在透明电极侧)设置上述反射层。可选地，可以用上述反射层替代任何公知的接合衬垫电极的最底层(在半导体层侧)。
在接合衬垫电极的这种层叠结构的情况下，对反射层上的层叠部分没有特定的限制，可以采用任何结构的层叠部分。在层叠结构的接合衬垫电极中，在反射层上设置的层起着提高整个接合衬垫电极的强度的重要作用。从而，该层必须由具有相对高强度的金属材料形成或必须足够厚。从该观点来看，Ti、Cr和Al是理想的材料。在它们之中，从材料强度的观点来看优选Ti。在该层加强了接合衬垫电极的情况下，该层称为“阻挡层”。
反射层也可以用作阻挡层。当反射层由具有高反射率和高强度的金属材料形成并且具有大厚度时，不需要形成额外的阻挡层。例如，当反射层由Al形成时，不需要阻挡层。
阻挡层优选具有20至3,000nm的厚度。当阻挡层过薄时，提高强度的效果是不够的，而当该层过厚时，没有获得特别的优点，仅仅发生成本的增加。更优选地，厚度为50至1,000nm，最优选为100至500nm。
接合衬垫电极的最上层(在反射层的相反侧)优选由牢固地接合到接合球的材料形成。接合球通常由金构成，且Au和Al已公知具有对金接合球的优良的接合性能。在它们之中，特别优选金。最上层优选具有50至1,000nm的厚度，更优选100至500nm。当最上层过薄时，对接合球的接合性能是不够的，而当该层过厚时，没有获得特别的优点，仅仅是增加了成本。
在p型半导体层上形成的透明电极满足性能上的需要。优选的性能的实例包括与p型层的低接触电阻、优良的光学透射性(在发光器件是其中从发光器层发射的光通过电极侧被提取出来的面朝上安装型的情况下)、以及用于在整个p型层内均匀地扩散电流的优良的导电性。
各种材料和结构的透明电极已经是公知的，在本发明中可以采用任何公知的透明电极而没有任何限制。然而，为了满足在性能上的上述需求，透明电极优选具有包含至少两层的结构；即，与p型层接触的接触层和设置在接触层上的并且促进电流扩散的电流扩散层。如果满足上述性能上的需求，当然，可以采用兼具接触层和电流扩散层的性能的一层。当采用一层结构时，优势是制造工艺的复杂性较小。
要求接触层呈现对p型层的低接触电阻。从该观点来看，接触层优选由铂族金属如铂(Pt)、钌(Ru)、锇(Os)、铑(Rh)、铱(Ir)或钯(Pd)形成、或由其合金形成。在它们之中，Pt和Pt合金是特别优选的，这是由于相对于未经历高温热处理的具有相对高电阻的p型GaN基化合物半导体层，Pt和Pt合金在没有任何热处理的情况下具有高功函数并且可实现优良的欧姆接触。
在接触层由铂族金属或其合金形成的情况下，从光学透明度的观点来看，必须显著减小该层的厚度，优选为0.1至7.5nm。当厚度小于0.1nm时，不能可靠地形成这种薄膜，而当厚度超过7.5nm时，透明度降低。更优选地，厚度为5nm或更小。考虑到由于随后层叠电流扩散层以及所形成膜的稳定性所引起的透明度的降低，该厚度特别优选为0.5至2.5nm。
然而，当减小接触层的厚度时，接触层沿平面方向的电阻增加，由于p型层的比较高的电阻，电流扩散被限制到用作电流注入部分的接合衬垫电极的周围。结果，发射图形的均匀性降低，由此降低了发射输出。
当在接触层上设置具有高光透射率和高电导率的电流扩散层用作用于促进接触层的电流扩散性能的方法时，可以实现电流的均匀扩散，而不极大地削弱低接触电阻和铂族金属的光透射率，由此可以制造具有高输出的发光器件。
电流扩散层优选由具有高电导率的金属材料例如选自金、银和铜的金属；或含有这些金属中的至少一种的合金形成。在它们之中，金是最优选的，这是由于其薄膜呈现高光透射率。
可选地，电流扩散层还可以由具有高电导率的透明材料如硫化锌和金属氧化物例如ITO、氧化锌、氧化锌铝、掺F的氧化锡、氧化钛、氧化铋和氧化镁形成。从高光透射率的观点来看，优选这种透明材料。在它们之中，已知ITO、氧化锌、氧化锌铝和掺F的氧化锡具有导电性，从而是最优选的。
在电流扩散层由金属形成的情况下，该层的厚度优选为1至20nm。当厚度小于1nm时，电流扩散效果差，而当厚度超过20nm时，电流扩散层的光学透明性显著下降，可能降低发射输出。更优选地，厚度为10nm或更小。此外，当厚度被控制为3至6nm时，电流扩散层具有均衡的光学透明性和电流扩散效果。通过结合这种电流扩散层和上述接触层，可以以高发射输出在正电极的整个表面上方获得均匀的发射。
在电流扩散层由透明材料形成的情况下，该层的厚度优选为10至5,000nm。当厚度小于10nm时，电流扩散效果差，而当厚度超过5,000nm时，电流扩散层的光学透明性显著下降，可能降低发射输出。更优选地，厚度为50至2,000nm。此外，当厚度被控制为100至1,000nm时，电流扩散层具有均衡的光学透明性和电流扩散效果。通过结合这种电流扩散层和上述接触层，可以以高输出在正电极的整个表面上方获得均匀的发射。
在透明电极上形成接合衬垫电极的情况下，透明电极的最上层可以覆盖有金属或金属氧化物。
透明电极的最上层可以是电流扩散层，并且电流扩散层可以覆盖有用于接合接合衬垫电极的层。由于用于接合的层的形成削弱了透明性，最上层优选为电流扩散层。
可以在透明电极的最上表面上进行提取发射光的工序。在该工序中，例如，在透明电极的最上表面上设置凹入部分和/或凸出部分。可以通过利用构图或通过湿法处理来提供凹入部分和/或凸出部分。对凹入部分和/或凸出部分的形状没有特定限制，可以采用任何公知的形状如条形、网格和点。
并且，当在具有凹入部分和/或凸出部分的这种表面上形成接合衬垫电极时，可以提高反射层和透明电极的附着强度。
对形成接触层、电流扩散层和接合衬垫电极的方法没有特定的限制，可以采用任何公知的方法例如真空气相淀积或溅射。
本发明的正电极可应用于任何常规公知的半导体发光器件，包括氮化镓基化合物半导体发光器件，例如图1中所示的器件，其包括衬底；通过缓冲层的媒介在衬底上层叠的氮化镓基化合物半导体层(即，n型半导体层、发光层和p型半导体层)。
对衬底的材料没有特定的限制，衬底可以由任何公知的材料形成。公知的材料的实例包括氧化物单晶如蓝宝石单晶(Al2O3；A平面、C平面、M平面或R平面)、尖晶石单晶(MgAl2O4)、ZnO单晶、LiAlO2单晶、LiGaO2单晶和MgO单晶；Si单晶；SiC单晶；GaAs单晶；AIN单晶；GaN单晶；以及硼化物单晶如ZrB2单晶。对衬底的晶向没有特定的限制。衬底的晶面可以对特定晶面倾斜或不倾斜。
对n型半导体层、发光层和p型半导体层的结构没有特定的限制，这些层可以具有各种已知的结构。P型半导体层可以具有常规的载流子浓度。值得注意的是，本发明的透明电极还可以应用于具有低载流子浓度(例如，大约1×1017cm-3)的p型半导体层。
在本发明中，对用于形成n型半导体层、发光层和p型半导体层的氮化镓基化合物半导体的类型没有特定的限制，可以采用由分子式AlxInyGa1-x-yN(0≤x＜1，0≤y＜1，0≤x+y＜1)表示的常规公知的半导体。
对用于生长这些氮化镓半导体的方法没有特定的限制，可以采用任何公知的方法来生长III族氮化物半导体、例如MOCVD(金属有机化学气相淀积)、HVPE(氢化物气相外延)或MBE(分子束外延)。从层厚度可控性和批量生产率的观点来看，优选采用MOCVD。在MOCVD的情况下，采用氢气(H2)或氮气(N2)作为载气，采用三甲基镓(TMG)或三乙基镓(TEG)作为Ga(III族元素)源，采用三甲基铝(TMA)或三乙基铝(TEA)作为Al(III族元素)源，采用三甲基铟(TMI)或三乙基铟(TEI)作为In(III族元素)源，以及采用氨(NH3)、肼(N2H4)等作为N(V族元素)源。另外，采用用作Si源的甲硅烷(SiH4)或乙硅烷(Si2H6)、或者用作Ge源的锗烷(GeH4)或有机锗化合物作为n型掺杂剂，而采用用作Mg源的双(环戊二烯基)镁(Cp2Mg)或双(乙基环戊二烯基)镁((EtCp)2Mg)作为p型掺杂剂。
为了使负电极附着到包括衬底以及连续设置在衬底的顶部上的n型半导体层、发光层和p型半导体层的氮化镓基化合物半导体结构，以使负电极与n型半导体层接触，去除一部分发光层和一部分p型半导体层，以便露出n型半导体层。此后，在剩余的p型半导体层上形成本发明的正电极，并在露出的n型半导体层上形成负电极。对负电极的组成和结构没有特定的限制，可以采用任何公知的负电极。
当采用对具有落入在发射波长范围内的波长的光透明的衬底如蓝宝石和SiC时，可以在衬底的背面上设置反射膜。当设置反射膜时，可以减少在衬底的底部处的发射光的损耗。从而，可以进一步提高对发射光的提取效率。
并且，可以进行这样的工序，通过其在半导体或透明电极的表面上、或衬底的背面上设置凹入部分和/或凸出部分。结果，可进一步提高对发射光的提取效率。通过该工序可以形成相对于衬底倾斜的表面以及垂直表面。为了防止多次反射，优选形成倾斜表面。可以通过研磨半导体或透明电极的表面或衬底的背面来进行该工序。可选地，可以通过采用透明材料的结构来进行该工序。
通过将本发明的正电极用于半导体发光器件，可以制造呈现高发射强度的氮化镓基化合物半导体发光器件。换句话说，基于该技术可以制造高亮度LED。从而，可以在低电功率下驱动均采用了基于该技术制造的芯片的电子设备如移动式电话和显示面板；均采用了任何该电子设备的机器和装置如汽车、计算机和游戏机，并实现了优良的特性。特别地，在由电池驱动的移动式电话、游戏机、玩具和汽车部件中显著地获得了电功率节省效果。
实例下面将通过实例将更详细地介绍本发明，其不应被解释为将本发明限制于此。
<实例1>
图2示出了在该实例中制造的氮化镓基化合物半导体发光器件的截面图，以及图3示出了其平面图。通过下列工序制造氮化镓化合物半导体层叠结构。在蓝宝石衬底(1)上形成AIN缓冲层(6)，并在缓冲层上，依序形成下列层未掺杂的GaN底衬层(undercoat layer)(厚度8μm)(3a)；Si掺杂的n型GaN接触层(厚度2μm)(3b)；n型In0.1Ga0.9N覆层(厚度250nm)(3c)；包括Si掺杂的GaN势垒层(5层和一个最终层，每层厚度16nm)和In0.2Ga0.8N阱层(5层，每层厚度2.5nm)的多量子阱结构的发光层(4)；Mg掺杂的p型Al0.07Ga0.93N覆层(厚度0.01μm)(5a)；以及Mg掺杂的p型GaN接触层(厚度0.15μm)(5b)。在氮化镓基化合物半导体层叠结构的p型GaN接触层上，形成本发明的正电极(10)，正电极由下列层构成包括Pt接触层(厚度1.5nm)(111)和Au电流扩散层(厚度5nm)(112)的透明电极(11)；以及具有由Pt层(厚度50nm)(13a)、Ti层(厚度20nm)(13b)、Al层(厚度10nm)(13c)、Ti层(厚度100nm)(13d)和Au层(厚度200nm)(13e)构成的五层结构的接合衬垫电极(13)。在形成接合衬垫电极的五层之中，具有高反射率的Pt层(厚度50nm)(13a)用作反射层。在n型GaN接触层上，形成具有Ti/Au双层结构的负电极(20)。由此制造的发光器件的半导体侧用作光提取侧。图3示出了正电极和负电极的结构。
在上述层叠结构中，n型GaN接触层具有1×1019cm-3的载流子浓度，GaN势垒层具有1×1018cm-3的Si掺杂剂浓度，p型GaN接触层具有5×1018cm-3的载流子浓度，以及p型AIGaN覆层具有5×1019cm-3的Mg掺杂剂浓度。
在众所周知的典型条件下通过MOCVD层叠这些氮化镓化合物半导体层。通过下列工序形成正电极和负电极。
通过下列工序利用反应离子蚀刻来露出将要在其上设置负电极的一部分n型GaN接触层。
首先，通过下列工序在p型半导体层上形成蚀刻掩模。将光致抗蚀剂施加在半导体层叠结构的整个表面上，通过公知的光刻技术除去一部分抗蚀剂，该部分比正电极稍大。将由此处理过的层叠结构置于真空气相淀积装置中，并在4×10-4pa或更低的压力下通过电子束方法层叠Ni(厚度约50nm)和Ti(厚度约300nm)。随后，通过剥离(lift-off)从正电极区域以外的区域去除层叠的金属膜以及光致抗蚀剂。
在反应离子蚀刻装置的蚀刻反应室中设置的一个电极上，放置半导体层叠结构。将蚀刻反应室抽真空到10-4pa，并将蚀刻气体(Cl2)供给至已被抽真空的反应室内。进行蚀刻，直到露出n型GaN接触层。在完成蚀刻之后，从反应离子蚀刻装置中移走该结构，并用硝酸和氢氟酸去除蚀刻掩模。
随后，通过公知的光刻和剥离技术，仅在用于形成正电极的区域中在p型GaN接触层上形成由Pt构成的接触层和由Au构成的电流扩散层。在形成接触层和电流扩散层时，将氮化镓基化合物半导体层的层叠结构置于真空气相淀积装置中，并在p型GaN接触层上依序层叠Pt(1.5nm)和Au(5nm)。在从真空反应室中移开层叠结构之后，用广泛公知的剥离工序处理层叠结构。以类似的方式，在电流扩散层的一部分上，依序形成Pt反射层(13a)、Ti阻挡层(13b)、Al阻挡层(13c)、Ti阻挡层(13d)和Au最上层(13e)，以由此形成接合衬垫电极(13)。从而，在p型GaN接触层上形成本发明的正电极。
在由此露出的n型GaN接触层上，通过下列工序形成负电极。首先，将抗蚀剂施加到结构的整个表面上，并通过公知的光刻技术去除在露出的n型GaN接触层上用于形成负电极的一部分抗蚀剂。通过常规采用的真空气相淀积，在半导体层上依序淀积Ti(100nm)和Au(200nm)，以由此形成负电极。此后，通过常规的方法去除抗蚀剂。
研磨和抛光具有正电极和负电极的由此形成的晶片的衬底的背面，以由此将衬底厚度调整到80μm，接着通过利用激光划片器在半导体层叠的层侧刻划晶片并通过芯片分割线切割，以由此制造正方形芯片(350μm×350μm)。通过利用探针的测量，发现在20mA的施加电流下各个芯片的正向电压为2.9V。
在TO-18封装管壳内安装芯片。通过利用测试器的测量，发现在20mA的施加电流下芯片的发射输出为4.5mW。来自发光表面的发射的分布表明，光发射出现在与表面上方的正电极对应的发光表面的整个区域内。
发现在实例1中制造的反射层在470nm的波长区域中具有92％的反射率。借助于分光光度计利用由玻璃制成的虚衬底来确定反射率，在形成接合衬垫电极期间玻璃制成的虚衬底已被置于同一反应室内。
并且，通过常规的剪力测试器(shear tester)来确定接合衬垫电极的剥离强度。发现剥离强度平均不小于980mN(100gf)，没有什么可从透明电极脱落的。
<比较实例1>
除了在形成了接合衬垫电极的区域中没有设置透明电极、以及接合衬垫电极不具有反射层(13a)以外，重复例1的工序，以由此制造发光器件。从而，在比较例1中，接合衬垫电极的最底层(在半导体侧)是Ti层(13b)，其与p型接触层(5b)直接接触。
为了建立电接触，使接合衬垫电极的周围与透明电极接触，其中接触面积约为接合衬垫电极的面积的5％。电流通过接触部分从接合衬垫电极流向透明电极。
以与实例1的方式相同的方式来评估由此制造的发光器件，发现正向电压和发射输出分别为3.1V和4.2mW。来自发光表面的发射的分布表明，在对应于区域上方的接合衬垫电极的区域中没有发生光发射。这些结果表面，与Pt相比，Ti具有相对于p型接触层(5b)更高的接触电阻和更低的反射率。
<实例2>
除了将透明电极(11)的Pt接触层(111)的厚度调整为1nm；除了采用通过溅射形成的具有100nm厚度的ITO膜作为电流扩散层(112)；以及除了由AI形成接合衬垫电极的反射层(13a)以外，重复实例1的工序，以由此制造发光器件。
以与实例1的方式相同的方式来评估由此制造的发光器件，发现正向电压和发射输出分别为2.9V和5.0mW。
并且，通过常规的剪力测试器来确定接合衬垫电极的剥离强度。在多个样品中发现剥离强度平均不小于980mN(100gf)，但在接合衬垫电极和透明电极之间的界面处发生脱落。
<比较实例2>
除了接合衬垫电极(13)不具有反射层(13a)以外，重复实例1的工序，由此制造发光器件。以与实例1的方式相同的方式来评估由此制造的发光器件。结果，发现正向电压为2.9V，这与实例2的低值相同，但发射输出降低到4.7mW。
<实例3>
在该实例中，以与例1相似的方式通过下列工序来制造氮化镓化合物半导体层叠结构。在蓝宝石衬底(1)上形成AiN缓冲层(6)，并在缓冲层上，依序形成下列层未掺杂的GaN底衬层(厚度6μm)(3a)；Ge掺杂的n型GaN接触层(厚度4μm)(3b)；Si掺杂的n型In0.1Ga0.9N覆层(厚度180nm)(3c)；包括Si掺杂的GaN势垒层(5层和一个最终层，每层厚度16nm)和In0.2Ga0.8N阱层(5层，每层厚度2.5nm)的多量子阱结构的发光层(4)；Mg掺杂的p型Al0.07Ga0.93N覆层(厚度0.01μm)(5a)；Mg掺杂的p型Al0.02Ga0.98N接触层(厚度0.175μm)(5b)；以及Ge掺杂的n型GaN隧穿层(厚度20nm)(未示出)。在氮化镓基化合物半导体层叠结构的Ge掺杂的n型GaN隧穿层上，形成本发明的正电极(10)，正电极由下列层构成仅由ITO电流扩散层(厚度250nm)(112)构成的透明电极(11)；以及具有由Al层(厚度50nm)(13a)、Ti层(厚度20nm)(13b)、Al层(厚度10nm)(13c)、Ti层(厚度100nm)(13d)和Au层(厚度200nm)(13e)构成的五层结构的接合衬垫电极(13)。在形成接合衬垫电极的五层之中，具有高反射率的Al层(厚度50nm)(13a)用作反射层。在n型GaN接触层上，形成具有Ti/Au双层结构的负电极(20)。由此制造的发光器件的半导体侧用作光提取侧。图3示出了正电极和负电极的结构。
在上述层叠结构中，n型GaN接触层具有8×1018cm-3的载流子浓度，n型InGaN覆层具有7×1018cm-3的Si掺杂剂浓度，GaN势垒层具有1×1017cm-3的Si掺杂剂浓度，p型AIGaN接触层具有5×1017cm-3的载流子浓度，p型AIGaN覆层具有2×1020cm-3的Mg掺杂剂浓度，以及n型GaN隧穿层具有2×1019cm-3的Ge掺杂剂浓度。
以与实例1的方式相同的方式来评估由此制造的发光器件，发现正向电压和发射输出分别为3.2V和8.5mW。
并且，通过常规的剪力测试器来确定接合衬垫电极的剥离强度。在多个样品中发现剥离强度平均不小于980mN(100gf)，但在接合衬垫电极和透明电极之间的界面处发生脱落。
工业适用性采用本发明正电极的半导体发光器件呈现低驱动电压和高发射强度。从而，该发光器件可显著有效地用于制造灯或类似的装置。
权利要求
1.一种用于半导体发光器件的正电极，所述电极包括形成在半导体层上的透明电极，以及形成在所述透明电极上的接合衬垫电极，其中所述接合衬垫电极具有至少与所述透明电极接触的反射层。
2.根据权利要求1的用于半导体发光器件的正电极，其中作为剥离强度的所述反射层和所述透明电极之间的附着强度不小于490mN(50gf)。
3.根据权利要求1或2的用于半导体发光器件的正电极，其中对于具有落入在所述半导体发光器件的发射波长范围内的波长的光所述透明电极具有60％的透射率。
4.根据权利要求1至3中任一项的用于半导体发光器件的正电极，其中所述反射层由选自Al、Ag、Pt族金属的金属以及含有Al、Ag和Pt族金属的至少一种金属的合金构成。
5.根据权利要求1至4中任一项的用于半导体发光器件的正电极，其中所述半导体发光器件是氮化镓基化合物半导体发光器件。
6.根据权利要求1至5中任一项的用于半导体发光器件的正电极，其中所述反射层由选自Al、Ag、Pt的金属以及含有Al、Ag和Pt的至少一种金属的合金构成。
7.根据权利要求1至6中任一项的用于半导体发光器件的正电极，其中所述反射层具有20至3,000nm的厚度。
8.根据权利要求1至7中任一项的用于半导体发光器件的正电极，其中所述接合衬垫电极具有层结构，并且除了所述反射层以外，还包括由Ti、Cr或Al构成的阻挡层和/或由Au或Al构成的最上层。
9.根据权利要求1至8中任一项的用于半导体发光器件的正电极，其中所述透明电极在所述接合衬垫电极侧包括由金属构成的层。
10.根据权利要求1至8中任一项的用于半导体发光器件的正电极，其中所述透明电极在所述接合衬垫电极侧包括由透明材料构成的层。
11.根据权利要求10的用于半导体发光器件的正电极，其中所述透明电极仅由金属以外的导电透明材料构成。
12.根据权利要求1至11中任一项的用于半导体发光器件的正电极，其中对所述透明电极的最上表面进行提取发射光的工序。
13.根据权利要求12的用于半导体发光器件的正电极，其中所述透明电极的最上表面由透明材料形成。
14.根据权利要求1至13中任一项的用于半导体发光器件的正电极，其中所述透明电极具有与p型半导体层接触的接触层，以及设置在所述接触层上的电流扩散层。
15.根据权利要求14的用于半导体发光器件的正电极，其中所述接触层由铂族金属或其合金构成。
16.根据权利要求15的用于半导体发光器件的正电极，其中所述接触层由铂构成。
17.根据权利要求14至16中任一项的用于半导体发光器件的正电极，其中所述接触层具有0.1至7.5nm的厚度。
18.根据权利要求17的用于半导体发光器件的正电极，其中所述接触层具有0.5至2.5nm的厚度。
19.根据权利要求14至18中任一项的用于半导体发光器件的正电极，其中所述电流扩散层由选自金、银和铜的金属构成、或由含有金、银和铜的至少一种金属的合金构成。
20.根据权利要求19的用于半导体发光器件的正电极，其中所述电流扩散层由金或金合金构成。
21.根据上权利要求14至20中任一项的用于半导体发光器件的正电极，其中所述电流扩散层具有1至20nm的厚度。
22.根据权利要求21的用于半导体发光器件的正电极，其中所述电流扩散层具有3至6nm的厚度。
23.根据权利要求14至18中任一项的用于半导体发光器件的正电极，其中所述电流扩散层由导电透明材料构成。
24.根据权利要求10、11、13和23中任一项的用于半导体发光器件的正电极，其中所述透明材料是选自ITO、氧化锌、氧化锌铝、掺F的氧化锡、氧化钛、硫化锌、氧化铋和氧化镁的至少一种物质。
25.根据权利要求24的用于半导体发光器件的正电极，其中所述透明材料是选自ITO、氧化锌、氧化锌铝和掺F的氧化锡的至少一种物质。
26.根据权利要求10、11、13和23至25中任一项的用于半导体发光器件的正电极，其中所述透明材料具有10至5，000nm的厚度。
27.根据权利要求26的用于半导体发光器件的正电极，其中所述透明材料具有100至1，000nm的厚度。
28.一种半导体发光器件，其采用根据权利要求1至27中任一项的正电极。
29.一种氮化镓基化合物半导体发光器件，包括衬底；n型半导体层、发光层和p型半导体层，这些层以该顺序层叠在所述衬底上并且由氮化镓基化合物半导体层形成；设置在所述p型半导体层上的正电极；以及设置在所述n型半导体层上的负电极，其中所述正电极是根据权利要求1至27中任一项的正电极。
30.一种灯，其采用根据权利要求28或29的发光器件。
全文摘要
本发明的一个目的是提供一种用于面朝上型芯片中的透明正电极，该芯片即使用低驱动电压也可发射强光。本发明的用于半导体发光器件的正电极包括形成在半导体层上的透明电极和形成在所述透明电极上的接合衬垫电极，其中所述接合衬垫电极具有至少与所述透明电极接触的反射层。
文档编号H01L33/40GK1993837SQ200580025689
公开日2007年7月4日 申请日期2005年7月28日 优先权日2004年7月29日
发明者三木久幸, 村木典孝, 渡边宗隆 申请人:昭和电工株式会社