专利名称：半导体发光元件和半导体发光元件的制造方法
技术领域：
本发明涉及在氮化物系的半导体层叠结构的最上层形成多个凸部的 半导体发光元件以及半导体发光元件的制造方法。
背景技术：
过去，包括GaN等在内的氮化物系的半导体发光元件为人们所知。 例如，含有GaN的蓝色系LED (发光二极管)和黄色发光体组合形成的 白色LED，普遍用于移动电话的液晶屛(LCD)的背光灯。另外白色LED 由于具有耗电量低寿命长的特点，今后，被期待进一步代替荧光灯或白炽 灯的光源，相关研究以及开发也在积极进行。
但是，问题在于由于LED的输出只有数瓦的程度，所以期望提高亮 度。作为提高上述亮度的手段，考虑或提高LED内部的量子的效率，提 高把在活性层发出的光向外部取出的取出效率。特别是存在下述课题由 于GaN的折射率(约2.5)与空气的折射率(约1.0)相比相当高，所以 在LED和空气的界面的全反射角变小，光的取出效率非常小(例如约 10%)。
于是，为提高由半导体发光元件发出的光的取出效率，各种各样的技 术被公开。
例如专利文献1公开了半导体层叠结构的最上层被粗糙化的半导体发 光元件。
这种半导体发光元件具备由设于基板上的P—GaN层、活性层、n— GaN层组成的半导体层叠结构。形成于半导体层叠结构的最上层的n— GaN的上表面被粗糙化，形成圆锥形的凸部。通过这样使n — GaN的上表 面粗糙化，从而抑制在活性层反射的光根据斯涅耳定律在n—GaN层和空 气的界面的反射，提高射向外部的光量。这种半导体发光元件的制造方法中，首先使用MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法在成长基板(蓝宝石基板)上顺序层叠n— GaN层、活性层、p—GaN层，以形成半导体层叠结构。接着，在p — GaN 层形成p侧电极后，按照使p侧电极在支撑基板(硅基板) 一侧的方式， 把半导体层叠结构贴到支撑基板上。
接着，在被贴于支撑基板上半导体层叠结构的最上层n—GaN层的上 表面形成n侧电极。之后，通过使用KOH以及氙/水银灯的PEC (Photo —Enhanced Chemical)蚀刻技术，将n—GaN层的上表面形成为具有圆锥 形状凸部14a的粗糙面。
专利文献1:国际公开第2005/044666号pamphlet
但是，根据n—GaN层的折射率以及从活性层射出的光的波长，圆锥 形的凸部的形状较小的情况下，尽管形成了圆锥形的凸部，但对光起的作 用和在n—GaN层的上表面为平坦的面的情况时相同。因此，在n—GaN 的上表面，由于和平坦的面一样反射光，所以被反射的光量增加。由此， 存在向外部取出光的效率降低的问题。
发明内容
本发明就是为解决上述发明创造出来的，本发明的目的在于提供一种 能够使光的取出效率提高的半导体发光元件以及半导体发光元件的制造 方法。
为达到上述目的，技术方案1的发明是一种半导体发光元件，包括基 板和半导体层叠结构，该半导体层叠结构包括发光的活性层，并设于所述 基板上，在所述半导体层叠结构的最上层的将光放出的半导体层的上表面 形成l个或多个凸部，设从所述活性层发出的光的波长为入，所述最上层 的半导体层的折射率为n的情况下，所述凸部按照所述多个凸部的底面的 宽度的平均值Wa为Wa> A /n的方式形成。
另外，技术方案2的发明是技术方案1中记载的半导体发光元件，其 特征在于，所述最上层的半导体层为n—GaN层。
另外，技术方案3的发明是技术方案1或2中记载的半导体发光元件，其特征在于，所述凸部为锥体形状。
另外，技术方案4的发明是一种半导体发光元件的制造方法，包括 在成长基板形成含活性层的半导体层叠构造的层叠工序；把所述半导体层
叠结构粘贴到支撑基板上的粘贴工序；通过在浸在KOH (氢氧化钾)溶 液中的状态下向所述半导体层叠结构的最上层的半导体层照射UV (紫外 线)光，以形成l个或多个凸部，由此使所述最上层的半导体层的表面粗 糙化的粗糙化工序，在所述粗糙化工序，在设从所述活性层发出的光的波 长为入，所述最上层的半导体层的折射率为n的情况下，所述凸部按照所 述多个凸部的底面的宽度的平均值Wa为Wa^ A /n的方式形成。
另外，技术方案5所述的发明是技术方案3中记载的半导体发光元件 的制造方法，其特征在于，在所述粗糙化工序，根据所述KOH溶液的浓 度决定所述凸部的形状。
通过本发明，为使活性层射出的光能较容易地通过，而在最上层的半 导体层的上表面形成满足上公式的凸部，从而在活性层发出的大部分光， 不在最上层的半导体层与空气的界面即最上层半导体层的上表面被反射， 而向外部放出。由此，由于可以提高光的取出效率，所以可以提高半导体 发光元件的亮度。
图1表示本发明的半导体发光元件的截面构造；
图2是在n—GaN层上形成的多个凸部的电子显微镜照片；
图3是从上方拍摄半导体发光元件的明视场影像的光学显微镜照片；
图4是表示本发明的半导体发光元件的制造方法所涉及的各制造工序
中的半导体发光元件的截面构造的图5是表示本发明的半导体发光元件的制造方法所涉及的各制造工序
中的半导体发光元件的截面构造的图6是表示本发明的半导体发光元件的制造方法所涉及的各制造工序
中的半导体发光元件的截面构造的图7是表示本发明的半导体发光元件的制造方法所涉及的各制造工序
中的半导体发光元件的截面构造的图；图8是表示本发明的半导体发光元件的制造方法所涉及的各制造工序 中的半导体发光元件的截面构造的图。
图中l一半导体发光元件，2 —支撑基板，3—p侧极电极，4一反射
层，4a—金属层，5 —掩模层，5a—接触孔，6 —半导体层叠结构，7—n侧 电极，ll一ZnO电极，12—p —GaN层，13 — MQW活性层，14—n—GaN 层，Ma—凸部，20—成长基板。
具体实施例方式
以下，参照附图来说明本发明的一个实施例。图l表示本发明的半导 体发光元件的截面构造，图2是在n—GaN层上形成的多个凸部的电子显 微镜照片，图3是从上方拍摄半导体发光元件的明视场影像的光学显微镜 照片。
如图1所示，半导体发光元件(发光二极管)1具备支撑基板2、 p 侧电极3、反射层4、掩模层5、半导体层叠结构6和n侧电极7。
支撑基板2由Cu基板或AIN基板等散热性好的基板构成。P侧电极 3形成在基板2上的整个面。P侧电极3由Au—Sn或Au构成。
反射层4从支撑基板2侧顺序层叠Au层、Pt层、Ti层、Al层而成。 另外，作为Al层的代替也可以使用Ag层等的银白色系的其他金属层。另 外，反射层4，通过形成于掩模层5的接触孔5a，与半导体层叠结构6的 ZnO电极11连结。
掩模层5在后述的制造工序中，在蚀刻半导体层叠结构6时，具有作 为蚀刻掩模的功能。掩模层5由Si02等的电介质膜或者抗蚀膜构成。
半导体层叠结构6隔着p侧电极3、反射层4以及掩模层5被支撑基 板2支撑。半导体层叠结构6具有ZnO电极11、 p — GaN层12、 MQW活 性层13和n—GaN层14。
ZnO电极11具有约2X 10_4Q cm的低电阻率以及约IOOOA到约20000 A的厚度。另外，ZnO电极ll的厚度希望是约8000A的程度。
在p — GaN12中，掺杂着作为p型的掺杂剂的Mg。在p — GaN层12 和MQW活性层13之间，形成有无掺杂的GaN层或含1 %In的InGaN层。
MQW活性层13由厚度约30A的InxGa,-xN井层(图示略)和厚度约IOOA的无掺杂的InYGa,YN的障壁层(图示略)交替8个周期排列而成。 这里X以及Y满足以下各式0《X《0.3 (希望是0.1《X《0.2) 、 0《Y 《0.1、 Y《X。在MQW活性层13和n—GaN层14之间，形成有惨杂了 Si的InGaN/GaN超点阵层(图示略)。在N—GaN层14，掺杂有作为n 型掺杂剂的Si。如图1以及图2所示，在n—GaN层14的上表面，形成有多个圆锥 形(锥体形状)的凸部14a。这里，在设从MQW层13射出的光的波长为 入，n—GaN层14的折射率为n的情况下，该圆锥形凸部14a的底面的宽度W的平均值WA满足式W八》入/n' (1)。例如，在发出峰值波长为460nm的光的InGaN层作为井层的蓝色系 的半导体发光元件l的情况下，由于n—GaN层14的折射率约为2.5，故 所述平均值WA约为184nm以上。在发出峰值波长为365nm以上的光的 GaN层作为井层的半导体发光元件的情况下，所述平均值WA约为146nm 以上。这里，如由图3所示的照片可知，形成满足所述式(1)的圆锥形凸 部14a的外周部，由于形成黑色的像，所以得知光通过。另一方面，没有 形成满足式O)的凸部的中心部，由于形成白色的像，所以得知光被反 射。n侧电极7覆盖n—GaN层14的一部分而形成。n侧电极7从n—GaN 层14侧开始，层叠Al/Ti/Au或Al/Mo/Au而成。如所述，本发明所涉及的半导体发光元件1，在n—GaN层14的上表 面形成有满足式(1)的圆锥形凸部14a，以使MQW活性层13发出的光 可以容易地通过。从而，MQW活性层13发出的大部分光在n—GaN层 14和空气的界面即n—GaN层14的上表面不被反射，向外部放出。由此， 由于可以提高光取出的效率，所以可以使半导体发光元件1的亮度提高。下面参照
所述半导体发光元件的制造方法。另外，图4 图 8为表示在各制造工序中半导体发光元件的截面结构的图。首先，把由蓝宝石基板作成的成长基板20搬送到成长室中。接着， 向成长室提供氢气的同时，把成长室内的温度提高到约105(TC以热清洗成长基板20。
接着，如图4所示，利用MOCVD法，把成长室的温度降低到约600 °C，在成长基板20上使GaN缓冲层(图示略)形成后，再把成长室的温 度提高到约100(TC，把以Si作为掺杂剂的n—GaN层14、以Si作为掺杂 剂的InGaN/GaN超点阵层、MQW活性层13和无掺杂的GaN层或含约1 %的In的InGaN层顺序层叠。
之后，提高成长室的温度，使p—GaN层12成长。接着，为了使p 一GaN层12p型化而进行退火，使p—GaN层12中的Mg活性化。接着， 利用MBE (Molecular Beam Epitaxy:分子束取向附生)法形成ZnO电极 11 (层叠工序)。之后，形成由Si02作成的掩模层5。
接着，如图5所示，通过光刻技术形成抗蚀膜21。之后把抗蚀膜21 作为掩模、在利用蚀刻技术使掩模层5形成图案(Patterning)后，除去抗 蚀膜21。
接着，把掩模层5作为掩模，利用ICP (感应耦合型等离子体)蚀刻 技术，从ZnO电极11到n—GaN为止进行台面蚀刻，到达成长基板20为 止。还有，也可以在ZnO电极ll形成图案后，在形成由Si02构成的掩模 层5后，进行台面蚀刻。
接着，如图6所示，通过利用根据CF4的干式蚀刻技术，蚀刻掩模层 5，在掩模层5形成用于连接反射层4和ZnO电极11的接触孔5a。
这里，ZnO电极ll由于几乎不被CF4蚀刻，所以作为阻止蚀刻元件 发挥作用。接着，形成抗蚀膜22后，蒸镀Al或Au，之后顺序层叠Ti/Pt/Au。 接着通过除去抗蚀膜22和抗蚀膜22上的金属层4a，形成反射层4。
接着，如图7所示，在支撑基板2上形成由Au—Sn或Au作成的p 侧电极3，并使p侧电极3和反射层4接合，通过热压接半导体层叠结构 6，将其贴在支撑基板2上。
之后，将以约248nm振荡的KrF激光器从成长基板20 —侧向n—GaN 层14照射。该KrF激光器的光几乎完全通过蓝宝石基板即成长基板20， 被n—GaN层14几乎完全吸收。从而，成长基板20和n—GaN层14之间 的界面(GaN缓冲层)的温度急速上升，界面附近的n—GaN层14以及 GaN缓冲层融解。由此，可以使成长基板20剥离(LLO (Laser Lift Off)工序粘贴工序)。这里，使成长基板20剥离的必要的KrF激光器的能量约为300mJ/cm2 约700 mJ/cm2。并且，n—GaN层14融解时产生的N2，由于逃入相邻 的半导体层叠结构6之间，所以压力不对半导体层叠结构6产生作用，所 以可以抑制半导体层叠结构6的裂纹。成长基板20剥离后，通过基于酸 或碱等的蚀刻，除去残留在n—GaN层14上表面的多余的Ga小滴。接着，形成抗蚀膜(图示略)后，层叠由Al/Ti/Au或Al/Mo/Au作成 的金属层(图示略)。之后，如图8所示，通过使用浮脱(lift-off)法使 金属层形成图案，在n—GaN层14上表面的一部分形成可以引线接合的n 侧电极7。这里，成长基板20剥离后的n—GaN层14的上表面，不是Ga极性 面，而是因蚀刻而容易出现各向异性的N极性面。这种状态下，如图8所 示，通过将n—GaN层14浸泡在约62。C的约4mo1/1的KOH溶液中，用 3.5W/cn^的UV (紫外线)照射约10分钟，可以在n—GaN层14的上表 面形成底面的宽度W的平均值Wa満足式(1)的多个圆锥形的凸部 (PEC(Photo Enhanced Chemical Ethcing)法)(粗糙化工序)。而且，在上述条件下形成的圆锥形的凸部14a的高宽比(aspectratio) (高度/底边的宽度)的平均值约为1.5。这里，把KOH溶液的摩尔浓度 变成2.0mol/l的情况下，上述的高宽比变成约1.0。这样，通过改变KOH 溶液的摩尔浓度，可以决定凸部14a的形状。 由此，完成半导体发光元件l。以上，虽然利用上述实施方式对本发明进行了详细说明，但对本领域 技术人员而言，明显本发明并不限定于本说明书中所述的实施方式。本发 明可以在不脱离由权利要求书的记载所确定的本发明的宗旨以及范围的 的情况下进行修正以及以变更的形态实施。并且，本说明书的记载，只起 到例示说明的目的，不对本发明有任何的限制的意义。下面，对将上述实 施方式变更一部分的变更的方式进行说明。例如，在上述的实施方式中将凸部14a形成为圆锥形，但也可以形成 为截面为梯形，在任意一个方向长的形状。另外，在上述的实施方式中，将多个凸部14a形成于n—GaN层14的上表面，但也可以只将一个凸部形成于n—GaN层上。另外，在上述实施方式中，在LLO工序中使用的是KrF激光器，也可以使用其他受激准分子激光器(ArF:波长约193nm、 XeCl:波长约308nm、 YAG3倍波波长约355nm、钛蓝宝石3倍波波长约360nm、He—Cd:波长约325nm)等进行LLO工序。另外，构成上述半导体层叠结构6、两电极3以及7的材料等可以适当变更。另外，在上述半导体发光元件1的制造工序中，各参数可以适当变更。
权利要求
1.一种半导体发光元件，包括基板；和半导体层叠结构，其包括发光的活性层，设于所述基板上；在所述半导体层叠结构的最上层的将光放出的半导体层的上表面，形成有1个或多个凸部；在设从所述活性层发出的光的波长为λ，所述最上层的半导体层的折射率为n的情况下，所述凸部按照所述多个凸部的底面的宽度的平均值WA为WA≥λ/n的方式形成。
2. 根据权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于， 所述最上层的半导体层为n—GaN层。
3. 根据权利要求1或2所述的半导体发光元件，其特征在于， 所述凸部为锥体形状。
4. 一种半导体发光元件的制造方法，包括 在成长基板形成包括活性层的半导体层叠结构的层叠工序； 把所述半导体层叠结构粘贴于支撑基板上的粘贴工序； 通过在浸在KOH (氢氧化钾)溶液中的状态下向所述半导体层叠结构的最上层的半导体层照射UV (紫外线)光，以形成一个或多个凸部， 由此使所述最上层的半导体层的表面粗糙化的粗糙化工序； 在所述粗糙化工序中，在设从所述活性层发出的光的波长为A ，所述最上层的半导体层的折 射率为n的情况下，所述凸部按照所述多个凸部的底面的宽度的平均值WA为WA》入/n 的方式形成。
5. 根据权利要求4所述的半导体发光元件的制造方法，其特征在于， 在所述粗糙化工序中，根据所述KOH溶液的浓度决定所述凸部的形
全文摘要
本发明提供一种可以提高光取出效率的半导体发光元件以及半导体发光元件的制造方法。半导体发光元件(1)包括支撑基板(2)、和包括发光的MQW活性层(12)以及最上层的n-GaN层(14)的半导体层叠结构(6)，在半导体层叠结构(6)的n-GaN层(14)的上表面形成有多个圆锥形的凸部(14a)。若设从MQW活性层射出的光的波长为λ，n-GaN层(14)的折射率为n，则凸部(14a)按照凸部(14)的底部的宽度(W)的平均值W<sub>A</sub>满足式W<sub>A</sub>≥λ/n的方式形成。
文档编号H01L21/02GK101322255SQ20068004547
公开日2008年12月10日 申请日期2006年12月7日 优先权日2005年12月9日
发明者酒井光彦 申请人:罗姆股份有限公司