专利名称：氮化镓系化合物半导体发光二极管的制作方法
技术领域：
本发明涉及氮化镓系化合物半导体发光二极管，特别涉及非极性面发光二极管。
背景技术：
作为V族元素而具有氮(N)的氮化物半导体，由于其带隙大小的缘故而被认为作为短波长发光元件的材料非常具有发展前景。其中，氮化镓系化合物半导体(GaN系半导体)的研究正广泛地进行，蓝色发光二极管(LED)、绿色LED以及以GaN系半导体为材料的半导体激光也已经得到了实际应用(例如，参照专利文献I和2)。氮化镓系半导体具有纤锌矿型晶体结构。图I示意性地表示GaN的单位晶格。在AlaGabIncN(0彡a、b、c彡1，a+b+c = I)半导体的结晶中，图I所示的Ga的一部分被置换成Al以及/或者In。图2表示为了用四指数表示法(六方晶体指数)表示纤锌矿型晶体结构的面而一般使用的四个基本矢量31、&2、&3和(3。基本矢量c在
方向上延伸，该方向被称为[c轴]。与c轴垂直的面(plane)被称为“c面”或“(0001)面”。另外，“c轴”以及“c面”有时被分别表示为“C轴”以及“C面”。如图3所示，在纤锌矿型晶体结构中，除了 c面以外，还存在有代表性的结晶面方位。图3(a)表示(0001)面；图3(b)表示(10-10)面；图3 (c)表示(11-20)面；图3 (d)表示(10-12)面。在此，在表示米勒指数的括号内的数字左边的是指“bar (横线)”。(0001)面、(10-10)面、(11-20)面以及(10-12)面分别是C面、m面、a面以及r面。m面以及a面是与c轴(基本矢量c)平行的“非极性面”，r面是“半极性面”。多年以来，使用氮化镓系化合物半导体的发光元件是根据“c面生长(c-planegrowth) ”制造的。在本说明书中，“X面生长”是指在与六方晶体纤锌矿结构的X面(X =c、m、a和r等)垂直的方向上外延生长。在X面生长中，有时会将X面称为“生长面”。另夕卜，有时将通过X面生长所形成的半导体的层称为“X面半导体层”。如果使用通过c面生长所形成的半导体层叠结构来制造发光元件，则由于c面是极性面，因此，在与c面垂直的方向(c轴方向)上会产生强的内部极化。产生极化的理由是因为在c面上Ga原子与N原子的位置在c轴方向上错位了。如果在发光部产生这种极化，则会发生载流子的量子限制斯塔克(Stark)效应。由于该效应，发光部内的的载流子的发光再结合概率降低，因此，发光效率也降低。因此，近年来，在m面或a面等非极性面或r面等半极性面上生长氮化镓系化合物半导体的研究非常活跃。如果能选择非极性面作为生长面，则由于在发光部的层厚度方向(结晶生长方向)上不发生极化，因此，不会发生量子限制斯塔克效应，能够有潜力地制造高效率的发光元件。在选择半极性面作为生长面的情况下，也能够大幅度地降低量子限制斯塔克效应的影响。当前，作为产品出售的发光二极管是通过将在c面基板上外延生长GaN、InGaN和AlGaN等的GaN系半导体层而制造的发光二极管元件(LED芯片)安装在基底(sub-mount)上而制造的。发光二极管元件的平面尺寸(基板主面的平面尺寸以下仅称为“芯片尺寸”)，根据发光二极管元件的用途的不同而不同，但是典型的芯片尺寸例如为300 u mX 300 u m 或 ImmX 1mm。发光二极管元件的电极配置分为两大类。一种是在发光二极管元件的表面以及背面上分别形成阳极电极层以及阴极电极层的“两面电极型”。另一种是将阳极电极层以及阴极电极层这两层都形成在发光二极管元件的表面侧上的“表面电极型”。以下，对具有这些电极配置的以往的发光二极管元件的构成进行说明。图4A是表示两面电极型的发光二极管元件的剖面图；图4B是其立体图。图5A是表不表面电极型的发光二极管兀件的剖面图；图5B是其上表面图；图6A是表不表面电极型的其他发光二极管元件的剖面图；图6B是其上表面图。在图4A以及图4B所示的例子中，在由GaN形成的n型基板I上层叠有由GaN形
成的n型导电层2、活性层3以及由GaN形成的p型导电层4。该例子中的活性层3具有将阱层(发光层)和阻挡层进行了层叠的量子阱结构。阱层由InGaN或AlInGaN形成，阻挡层由GaN形成。在p型导电层4上形成阳极电极层5，在n型基板I的背面上形成阴极电极层6。在该例子中，由于从活性层3发出的光被从n型基板I的背面取出，因此，阴极电极层6由透明电极材料形成。在由不透明的导电材料形成阴极电极层6的情况下，阴极电极层6以不遮住光的形式形成在n型基板I的背面的一部分区域上。在将阴极电极层6为透明的两面电极型的发光二极管元件安装在基底(sub-mount)上的情况下，将阳极电极层5安装在位于基底侧。在图5A以及图5B所示的例子中，在将p型导电层4、活性层3以及n型导电层2的一部分除去而露出的n型导电层2上形成了阴极电极层6。阳极电极层5形成在p型导电层4上。在将这种类型的发光二极管元件安装在基底上的情况下，阳极电极层5以及阴极电极层6安装在位于基底侧的位置上。在图6A以及图6B所示的例子中，为了扩大每芯片面积的活性层面积的比例，将阴极电极层6的面积设计成小于图5B所示的阴极电极层6的面积。在两面电极型的情况下，阳极电极层5和阴极电极层6之间的电阻，由于GaN基板I的电阻成分的原因而受到很大影响，因此，GaN基板I的电阻优选尽可能抑制得很低。由于GaN半导体是以n型杂质相对高于p型杂质的浓度进行掺杂的，因此，一般来讲，n型容易实现低电阻。所以，通常GaN基板I的导电型被设定为n型。另外，即使在表面电极型的情况下，阳极电极层5与阴极电极层6之间的电阻，也由于GaN基板I的电阻成分的原因而受到影响，因此，通常GaN基板I的导电型被设定为n型。上述的电极配置，虽然一直应用于c面的发光二极管元件，但也适用于m面的发光二极管元件。(现有技术文献)(专利文献)专利文献I :特开2001-308462号公报专利文献2 :特开2003-332697号公报(发明要解决的问题)
m面GaN与c面GaN相比难以进入杂质，因此具有难以提高载流子浓度这一问题。这不仅是GaN基板的问题，也是外延生长的GaN层所存在的问题。虽然在m面GaN中能够实现从5 X IO17Cm-3到I X IO18CnT3程度的n型杂质浓度，但是如果要将n型杂质浓度提高到高于该程度，则n型GaN的结晶质量显著变差，表面状态也变差。其结果是，PL半幅值增大，PL峰值强度降低。在这种质量差的结晶中，由于变得容易发生非发光电流或光的再吸收，因此，这成为发光二极管的效率降低的原因，从而不能用作产品。因此，为了避免结晶质量的降低，必须将由n型GaN形成的层以及基板的n型杂质浓度设定成IXlO18cnT3以下的低值。但是，如果杂质浓度成为IXlO18cnT3以下，则由于高电阻的缘故电压降低，因此，在活性层3中，位于远离阴极电极层5的位置上的部分变得不
能被施加足够的电压。其结果是，被注入整个活性层3的电流的总量大幅降低，会导致发光量降低。图7的曲线图表示的是:m面两面电极型以及m面表面电极型的发光二极管的电流密度与n型GaN的杂质浓度的关系。在曲线图中，▲的数据表示的是在图5A以及图5B所示的表面电极型的发光二极管中，根据给出的n型杂质浓度(载流子浓度)所计算出的电流密度。在此，将阳极电极层5与阴极电极层6的间隔固定为10 V- m,并使阳极电极层的长度在20 ii m到400 u m之间变化。另一方面，■的数据表示的是在图4A以及图4B所示的两面电极型的发光二极管中，根据给出的n型杂质浓度所计算出的电流密度。GaN基板的厚度在任何情况下都设定为大约 100 u m。由曲线图可知，杂质浓度(载流子浓度)变得越低，在两面电极型以及表面电极型的任意一种的情况下，电流密度也越低。在杂质浓度相等的情况下，通过两面电极型实现比表面电极型高的电流密度。这是因为，在两面电极型中，由于对活性层均匀地施加电场，因此，与表面电极型相比，更多的电流很容易流通。另外，在表面电极型中，阳极电极层的面积变得越大，活性层的面积越增加，因此，在施加电压相等的情况下，位于远离阴极电极的位置上的活性层不会被施加足够大的电压，流通于活性层中的电流的密度会减少。根据上述计算结果，在通过m面生长所制造的发光二极管中，由于n型GaN的杂质浓度低，因此，电流密度减少，会引起发光量的降低或不均匀。因此，存在以下问题不能充分发挥期待通过使用非极性面获得的优点。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而实现的，本发明的目的是提供一种虽然使用杂质浓度低的非极性GaN系半导体，也能够实现对活性层进行平均的、足够大的电流注入，并且能够展现出良好的发光特性的表面电极型的发光二极管(解决问题的技术手段)本发明的氮化镓系化合物半导体发光二极管元件具有第一导电型半导体基板，其由氮化镓系化合物形成，并包括主面以及背面，且上述主面是非极性面；第一导电型半导体层，其由氮化镓系化合物形成，并形成在上述第一导电型半导体基板的上述主面上；半导体层叠结构，其是设置在上述第一导电型半导体层的第一区域上的半导体层叠结构，且由氮化镓系化合物构成的第二导电型半导体层、和包括位于上述第一导电型半导体层和上述第二导电型半导体层之间的活性层；第一电极层，其设置在上述第一导电型半导体层的第二区域上；以及第二电极层，其设置在上述第二导电型半导体层上，上述第一导电型半导体基板以及上述第一导电型半导体层中的第一导电型杂质的浓度为IXlO18cnT3以下，当从与上述主面垂直的方向观察时，上述第一电极层与上述第二电极层的间隔为4 以下，并且，在从上述第一电极层的边缘中的与上述第二电极层相对置的部分起相距的距离为45um以下的区域内配置上述第二电极层。在优选的实施方式中，上述第一电极层具有在第一方向上延伸的多个延长部，上述第二电极层具有位于由上述第一电极层所具有的上述多个延长部中的相邻的两个延长部所夹持的区域的部分。在优选的实施方式中，上述第一电极层具有将上述多个延长部相互电连接的至少一个相互连接部，上述相互连接部在与上述第一方向不同的第二方向上延伸。在优选的实施方式中，上述第二电极层具有在第一方向上延伸的多个延长部，上述第一电极层具有位于由上述第二电极层所具有的上述多个延长部中的相邻的两个延长部所夹持的区域的部分。在优选的实施方式中，上述第一电极层以及上述第二电极层分别具有在第一方向上延伸的多个延长部，上述第一电极层的多个延长部与上述第二电极层的多个延长部沿着与上述第一方向不同的第二方向交替配置。在优选的实施方式中，上述第一电极层具有将上述多个延长部相互电连接的至少一个第一相互连接部，上述第二电极层具有将上述多个延长部相互电连接的至少一个第二相互连接部，上述第一相互连接部以及上述第二相互连接部在与上述第一方向不同的第二方向上延伸。在优选的实施方式中，上述第二电极层具有多个开口部，上述第一电极层包括配置在上述第二电极层所具有的上述多个开口部的内部的电极。在优选的实施方式中，当从与上述主面垂直的方向观察时，在上述第二电极层所具有的上述多个开口部的内部配置的上述电极的外周边缘为曲线。在优选的实施方式中，上述第一电极层具有多个开口部，上述第二电极层包括配置在上述第一电极层所具有的上述多个开口部的内部的电极。在优选的实施方式中，上述半导体层叠结构被分离成与上述第一电极层中的上述多个开口部对应的多个部分。在优选的实施方式中，上述第一电极层具有对上述多个开口部进行规定的格子形状的导电部分。在优选的实施方式中，上述多个开口部的个数为8以上。在优选的实施方式中，上述第一导电型半导体基板的上述主面小于一个边长为500 u m的正方形。在优选的实施方式中，当工作时，在上述第一电极层与上述第二电极层之间流通的电流的密度为150A/cm2以上。在优选的实施方式中，上述活性层具有层叠了发光层和阻挡层的量子阱结构，上述发光层的厚度在6nm以上且20nm以下的范围内。(发明的效果)
本发明的氮化镓系化合物半导体发光二极管元件具有由氮化镓系化合物构成的非极性面的半导体基板，n型杂质浓度为IXlO18cnT3以下，因此结晶性良好。另外，是表面电极型，并且采用了特殊的电极配置，因此，能够对整个活性层施加足够大的电压，因而，能够获得较高的光输出，并且发光的面内分布也容易均匀化。
图I是示意性地表示GaN的单位晶格的立体图。图2是表示纤锌矿型晶体结构的基本矢量ai、a2、a3和c的立体图。图3(a)到(d)是表示六方晶体纤锌矿结构的代表性结晶面方位的示意图。图4A是表示两面电极型的发光二极管元件的剖面图。图4B是图4A所示的发光二极管元件的立体图。图5A是表不表面电极型的发光二极管兀件的剖面图。图5B是图5A所示的发光二极管元件的上表面图。图6A是表不表面电极型的其他发光二极管兀件的剖面图。图6B是图6A所示的发光二极管元件的上表面图。图7是表示两面电极型以及表面电极型的发光二极管的电流密度与n型GaN的杂质浓度的关系的曲线图。图8是本发明的发光二极管元件的第一实施方式的剖面图，相当于图9的B-B’线剖面图。图9是图8所示的发光二极管元件的上表面图。图IOA是具有阳极电极层5被阴极电极层6的两个部分夹住的结构的发光二极管元件的剖面图。图IOB是示意性地表示图IOA的电极层5、6的配置关系的平面图。图IlA是具有只在阳极电极层5的单侧配置阴极电极层6的结构的发光二极管元件的剖面图。图IlB是表示图IlA的电极层5、6中的主要部分的配置关系的俯视图。图12A是表示通过模拟所获得的光输出比率与距离L的关系的曲线图。图12B是表示通过模拟所获得的光输出比率与距离L的关系的其他的曲线图。图13是表示图8的A-A’线剖面上的发光分布的曲线图。图14A是表示图8所示的表面电极型的发光二极管的A-A’线剖面上的重组率Rsp的分布的曲线图。图14B是根据图14A的曲线图所示的数据所制成的曲线图，是表示自发辐射光的重组率Rsp的最小值与阳极 阴极电极间隔Lac的关系的曲线图。图15A是本发明的发光二极管的第二实施方式的剖面图，相当于图15B的C-C’线剖面图。图15B是本发明的发光二极管的第二实施方式的上表面图。图16A是本发明的发光二极管的第三实施方式的剖面图，相当于图16B的D-D’线剖面图。图16B是本发明的发光二极管的第三实施方式的上表面图。
图17是本发明的发光二极管的第四实施方式的剖面图，相当于图18的E-E’线剖面图。图18是本发明的发光二极管的第四实施方式的上表面图。图19是本发明的发光二极管的第五实施方式的剖面图，相当于图20的H-H’线剖面图。图20是本发明的发光二极管的第五实施方式的上表面图。图21A是试制的发光二极管(比较例距离L的最大值为175 U m)的上表面图。图2IB是试制的发光二极管(实施例距离L的最大值为45 U m)的上表面图。图2IC是试制的发光二极管(实施例距离L的最大值为18 u m)的上表面图。图22A是表示由实验获得的光输出比率与距离L的关系的曲线图。图22B是表示由实验获得的外部量子效率的最大值与距离L的关系的曲线图。
具体实施例方式(实施方式I)首先，参照图8以及图9对本发明的发光二极管的第一实施方式进行说明。图8是本实施方式的发光二极管的剖面图，图9是图8的发光二极管的上表面图。图8相当于图9的B-B’线剖面图。在附图中，将XYZ坐标系的YZ面设定为与基板主面平行，将X轴设定为与基板主面垂直的方向。如图8所示，本实施方式中的发光二极管具有主面7a为m面的n型GaN基板7和在n型GaN基板7的主面7a上设置的层叠结构。另外，m面是(10-10)面、(-1010)面、(1-100)面、(-1100)面、(01-10)面以及(0-110)面的总称。本实施方式的发光二极管为表面电极型，在n型GaN基板7的背面7b上没有形成电极。n型GaN基板7上的层叠结构具有覆盖n型GaN基板7的主面的n型半导体层2 ;位于n型半导体层2的上表面的第一区域2a上的活性层3 ;在活性层3上形成的p型半导体层4 ;设置在p型半导体层4上的阳极电极层5 ;和在n型半导体层2的上表面的第二区域2b上形成的阴极电极层6。n型半导体层2、活性层3以及p型半导体层4都是通过m面生长所形成的外延生长层。如上所述，在通过m面生长所形成的GaN系半导体层中难以进入n型杂质，如果使n型杂质的浓度高于I X IO18Cm-3,则结晶质量显著下降。因此，在本实施方式中，将n型GaN基板7以及n型半导体层2中的n型杂质的浓度设定为IX IO18CnT3以下，以便它们获得良好的结晶性。n型GaN基板7的n型杂质浓度为例如I X 1017cm_3至I X 1018cm_3，典型的为例如5 X IO17CnT3左右。在外延生长或电极形成的工序完成之后，有时会从n型GaN基板7的背面7b通过研磨或蚀刻减小厚度。n型GaN基板7的最终厚度在例如5 y m至250 y m的范围内。在安装了倒装芯片的情况下，由活性层3所发出的光会透过n型GaN基板7而从背面7b射出到外部。在该情况下，为了提高光的射出，优选将n型GaN基板7设定成尽可能地薄，以降低由于n型GaN基板7所导致的吸收损耗。不过，如果n型GaN基板7过薄，则其机械强度变得过小，因此，安装工序中的发光二极管元件的操作变得困难。综合考虑这些情况，n型GaN基板7的标准厚度最终设定为例如100 y m左右。
当在n型GaN基板7上开始外延生长时，n型半导体层2发挥缓冲层的功能。n型导电层2的厚度为在最厚的部分是例如5 y m左右。在活性层3和p型半导体层4之间也可以插入AlGaN层作为防止载流子渗出的溢出阻挡层。在使用通过m面生长所形成的GaN系半导体层的情况下，与使用通过c面生长所形成的GaN系半导体层的情况相比，能够形成较厚的活性层，因此，无需降低发光效率，就能够在工作时提高在活性层中流通的电流的密度(电流密度)。因此，在本发明的优选实施方式中，能够将电流密度设置为150A/cm2以上而进行工作。在需要更高的光输出的用途中，优选将电流密度设置为300A/cm2以上而进行工作。另外，电流密度的上限取决于元件的散热性，如果超过800A/cm2，随之而来的是发热，所以效率会降低。因此，优选将电流密度设定在800A/cm2以下。以下，参照附图8对制造本实施方式的发光二极管的方法的一个优选例进行说
明。首先，准备主面7a为m面的n型GaN基板7。该n型GaN基板能通过使用HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy)法制作而成。例如，首先，在c面蓝宝石基板上生长厚度为要求数mm的厚膜GaN。然后，以与c面垂直的m面来切取厚膜GaN，由此获得m面GaN基板。GaN基板的制作方法不局限于上述方法，例如，也可以使用钠溶剂(flux)法等的液相生长或氨热法等的熔融液生长法来制作体(bulk)GaN的锭，将其以m面进行切取。在本实施方式中，利用MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法在基板7上按顺序形成结晶层。首先，在n型GaN基板7上形成AluGavInwN层作为n型半导体层2。作为AluGavInwN层，能够形成例如厚度为3 y m的GaN层。在形成GaN层作为AluGavInwN层的情况下，在n型GaN基板7上，例如通过在1100下提供TMG(Ga(CH3)3)、TMA(Al (CH3)3)以及NH3来沉积GaN层。接下来，在n型半导体层2上形成活性层3。活性层3具有例如将厚度为9nm的Gaa9Ina :N阱层和厚度为9nm的GaN阻挡层交替层叠后得到的厚度为8Inm的GalnN/GaN多层量子阱(MQW)结构。在形成Gaa9InaiN阱层时，为了进行In的获取，优选将生长温度降低为800°C。另外，在阱层中可以使用AlInGaN来代替GalnN。在活性层3上提供例如Cp2Mg (溴化环戊二烯基镁)作为TMG、NH3> TMA, TMI以及p型杂质，由此，形成由厚度为70nm的P-Alai4Gaa86N构成的p型半导体层4。p型半导体层4优选在表面上具有图中未表示的P-GaN接触层。在上述利用MOCVD法进行的外延生长工序结束之后，通过进行氯系干蚀刻来除去P型半导体层4以及活性层3的一部分而形成凹部，使n型半导体层2的n型电极形成区域露出。接下来，在该部分上形成由例如Ti/Pt层构成的阴极电极层6。在p型半导体区域4上形成由例如Pd/Pt层构成的阳极电极层5。上述各半导体层以及电极层的形成能够利用公知的制造技术进行。上述记载只不过是说明优选的实施方式的一个例子。本实施方式中的阳极电极层5以及阴极电极层6的平面布局如图9所示，具有梳齿形状或手指形状。在图8的剖面图中，虽然阳极电极层5以及阴极电极层6各自看上去分离为多个电极部分，但是在现实中，由图9可以看出，阳极电极层5以及阴极电极层6分别由同一导电层形成。不过，阳极电极层5以及阴极电极层6的至少一方可以由被物理性分离的多个电极形成。在后面参照图17要说明的实施方式中，阴极电极层6由多个圆形电极构成。这些圆形电极通过图中未表示的导电层或导电线相互电连接，实质上表示相同电位(阴极电位)，因此构成阴极电极层的层。在本说明书中，将由相互电连接并且实质上成为相同电位的至少一个电极构成的导电部件称为“电极层”。这种电极层能够通过对导电膜(单层膜或层叠膜)进行构图而形成。如图8所示，本实施方式中的阴极电极层6形成在除去了 p型半导体层4以及活性层3的区域(n型半导体层2的第二区域2b)上，因此，阴极电极层6的面积变得越大，活性层3的面积越减少。因此，在本实施方式中，出于使活性层3的面积更大的目的，将阴极电极层6的面积设定成小于阳极电极层5的面积。如图9所不,本实施方式中的阳极电极层5具有在Z轴方向上延伸的多个延长部50。同样，阴极电极层6也具有在Z轴方向上延伸的多个延长部60。在图中所不的例子中，阳极电极层5的各延长部50配置在阴极电极层6的两个延长部60之间。在本说明书中，在从与n型GaN基板7的主面7a垂直的方向观察发光二极管的情况下，将阳极电极层5与
阴极电极层6的间隔称为“阳极 阴极电极间隔Lac”，将阳极电极层5的各延长部50的电流路径方向的尺寸称为“阳极电极长度La”。在附图中，为了方便，将阳极*阴极电极间隔Lac仅表示为“Lac”，将阳极电极长度La仅表示为“La”。由于后面要提到的理由，在本实施方式中，以满足Lac ^ 4um,2 *Lac+La彡90 ii m的关系的方式设计电极配置。在此，通过图9可以看出，2 *Lac+La相当于将阳极电极层5的一个延长部50夹在中间的阴极电极层6的两个延长部60的间隔。通过将该间隔设定在90 以下，使从阳极电极层5上的任意的位置到阴极电极层6的距离(最短距离)成为45 u m以下。阳极电极层5的各延长部50通过在Y方向上延伸的相互连接部而电连接。该相互连接部由与阳极电极层5相同的导电层形成，且构成阳极电极层5的一部分。同样，阴极电极层6的各延长部60也通过在Y方向上延伸的另外的相互连接部而电连接。该相互连接部由与阴极电极层6相同的导电层形成，且构成阴极电极层6的一部分。但是，相互连接部也可以由与阳极电极层5或阴极电极层6不同的导电层或导电线形成。例如，相互延长部可以在多个延长部的上方配置为与各延长部50、60立体交叉。接下来，参照图IOA以及图10B。图IOA是具有阳极电极层5在阴极电极层6的两个部分中间的结构的发光二极管元件的剖面图，图IOB是示意性地表示这种电极层5、6的配置关系的俯视图。在图示的配置例中，构成阴极电极层6的两个部分被配置在阳极电极层5的两侧且与阳极电极层5的间隔为Lac。S卩，间隔Lac是指从阴极电极层6的外周边缘(edge)中的与阳极电极层5相对置的部分(以下称为阴极电极层6的“对置边缘部”)，到阳极电极层5的外周边缘(edge)中的与阴极电极层5相对置的部分(以下称为阳极电极层5的“对置边缘部”)的距离。在本实施方式中，将该间隔Lac设定为4pm以下。该间隔Lac的下限,根据制造工艺技术来决定,例如是0. 5 ii m。在图IOA以及IOB所示的例子中，在与阴极电极层6的对置边缘部相距45 iim以下的位置上不存在阳极电极层5，阳极电极层5的任何部分都位于与阴极电极层6的对置边缘相距45 iim以内的区域。参照图IOB对上述内容进行更详细的说明。阳极电极层5中的任意部分用点P表示，将从该点P到阴极电极层6的“最近的对置边缘”的距离用Lp表示。虽然距离Lp根据点P的位置而变化，但是不会超过(2 *Lac+La)/2。S卩，距离Lp的最大值为(2 *Lac+La)/2。在本实施方式中，由于2 Lac+La彡90iim，因此，(2 Lac+La)/2为45 y m以下。换句话说，阳极电极层5包括在从阴极电极层6的对置边缘起相距的距离L ( = 45um)的区域内。接下来，参照图IlA以及图11B。图IlA是具有只在阳极电极层5的单侧配置了阴极电极层6的结构的发光二极管元件的剖面图，图IlB是表示这种电极层5、6中的主要部分的配置关系的俯视图。在图中所示的配置例中，阴极电极层6配置在阳极电极层5的单侦牝且与阳极电极层5的间隔为LaC(4i!m)。在该图的例子中，在与阴极电极层6的对置边缘部相距为L( = 45 u m)的位置上不存在阳极电极层5，阳极电极层5的任何部分都位于与阴极电极层6的对置边缘相距为L( = 45iim)以内的区域内。在图IlA以及图IlB的例子中满足Lac+La ^ 45 u m的关系。结果是，在本发明中，无论是在阳极电极层5的两侧配置阴极电极层6的情况，还是在单侧配置的情况，阳极电极层5都配置在与阴极电极层6的对置边缘相距的距离为
45 以下的区域内。另外，即使阳极电极层5的一部分不在上述“区域”内，该部分如果为阴极电极层6的总面积的10%以下，则也能够获得本发明的效果。接下来，参照图12A以及图12B对将阳极电极层5配置在距离阴极电极层6的对置边缘为45 以内的区域内的理由进行说明。图12A以及图12B是表示通过模拟所获得的光输出比率与距离L的关系的曲线图。在此，光输出比率是将具有图5A以及图5B所示的结构的发光二极管的光输出除以从电极以外的结构相同的两面电极型的发光二极管所获得的光输出后进行了标准化的比率。距离L为图IOB所示的L，L= (2 Lac+La)/2。在曲线图中，将使阳极 阴极电极间隔Lac从I y m变化到IOy m的情况下的计算结果进行绘制。另外，曲线图中的“Nd = lel8cm_3”表示n型杂质浓度为I X 1018cnT3，“Nd = 5el7cnT3”表示n型杂质浓度为5 X IO17Cm'由图12A以及图12B的曲线图可知，如果距离L为45 iim以下，则与间隔Lac无关，表面电极型比两面电极型的光输出变大。以往，在通过c面生长而制作的发光二极管的情况下，与两面电极型相比，表面电极型的电流难以流通，光输出低，这属于技术常识。但是，图12A以及图12B所示的结果颠覆了该技术常识，可以认为像通过m面生长而制作的发光二极管那样，是在GaN基板以及半导体层的杂质浓度低的情况下首次产生的效果。在两面电极型的情况下，虽然电流在基板或半导体层中纵向流通，但是如果像m面半导体那样杂质浓度低，则两面电极型相对于表面电极型的优势性降低。通过采用本发明的构成，能够以表面电极型更加提高光输出。上述内容从计算活性层内的发光分布的结果也能够确认。图13是表示图8的A-A’线截面的发光分布的曲线图。曲线图的纵轴是自然放射光的重组率Rsp，横轴是从阴极电极层的对置边缘到发光点的距离I。将n型杂质浓度设定为5X 1017cm_3，将阳极 阴极电极间隔Lac设定为I y m,示出使阳极电极长度La从10 ii m到400 u m变化的结果。本申请发明人对图IOA所示的在阳极电极层5的两侧配置阴极电极层6的结构进行了计算。为了在曲线图中进行比较，用虚线表示两面电极型的发光二极管的计算结果(比较例)。在比较例中，将n型GaN基板(n型杂质浓度5X1017cm_3)的厚度设定为100 y m。根据图13的曲线图可知，两面电极型的重组率Rsp位于La = 80iim时的重组率Rsp与La = 100 V- m时的重组率Rsp之间，如果阳极电极长度La超过90 u m,则表面电极型的重组率Rsp低于两面电极型的重组率Rsp。即，如果将阳极电极层5夹在中间的阴极电极层6的两个相对置的边缘的间隔(2*Lac+La)变宽，则在活性层中会难以提供均匀的电流，导致重组率Rsp降低。例如,在La = 200 u m以及La = 400 u m的情况下的发光率降低到了 La = 20 的情况下的发光率的一半以下。另外，在图13的曲线图中，在距离y为阳极电极长度La的一半左右的位置上，重组率Rsp变得最小。这表明在活性层3中，在从阴极电极层6的对置边缘起相距最远的部分，电流密度下降得最低。将阳极电极层5夹在中间的阴极电极层6的两个对置边缘的间隔(2 *Lac+La)变窄是指阳极电极长度La变短。在阳极电极长度La极度变短的布局中，占芯片面积的阳极电极层的总面积的比例变小。因此，阳极电极长度La优选设定在3 u m以上，更优选设定在10 y m以上。当将间隔Lac的下限值设为0. 5 y m，将阳极电极长度La的下限值设为3 u m，并且设L = (2 Lac+La)时，L的下限值成为2 y m。接下来，对将阳极电极层5与阴极电极层6的间隔Lac设定在4 y m以下的理由进行说明。图14A的曲线图表示的是图8所示的表面电极型的发光二极管的A-A’线截面中的重组率Rsp的分布与Lac的关系。将阳极电极的长度La设定为80 u m,使阳极 阴极电极间隔Lac从I y m变化到40 y m。图14B是根据图14A的曲线图所示的数据而生成的曲线图，是表不重组率Rsp的最小值与阳极 阴极电极间隔Lac的关系的曲线图。在图14A及图14B的曲线图中，用虚线表示两面电极型的情况下的重组率Rsp。由图14B可知，通过将阳极 阴极电极间隔Lac设定为4 以下，能够使表面电极型的发光强度高于两面电极型的发光强度。在即使n型杂质浓度为IXlO18cnT3以上，也能够制造出结晶质量优异的GaN结晶的c面半导体中，能够充分降低n型半导体的电阻。因此，即使是c面GaN基板的厚度为100 y m以上的两面电极型的发光二极管，也能够对活性层施加足够的电场，从而获得大的光输出。另外，在c面半导体的情况下，在表面电极型中，即使阳极电极层与阴极电极层的距离Lac为10 ii m以上，阳极电极长度La为例如500 U m左右，也能够获得接近于两面电极型的光输出。但是，使用了 m面GaN基板的发光二极管，为了使基板和外延生长的n型导电层都获得良好的结晶性，需要将n型杂质浓度设定在IXlO18cnT3以下(lX1017cm_3以上lX1018cm_3以下的范围)。为此，在两面电极型中，由于厚度为IOOii左右的基板所具有的高电阻的缘故，不能对活性层施加足够的电场，从而不能获得大的光输出。另外，在将以往的使用c面半导体的表面电极型的发光二极管的电极配置原封不动地转用于m面半导体的发光二极管的情况下，不能获得优于两面电极型的发光。即，在采用了阳极电极层与阴极电极层的距离Lac超过4 y m的以往的表面电极型的设计的情况下，电极之间或阳极电极层的下部分的电阻会变大，不能在整个活性层上形成足够大的电场，导致光输出降低。另外，如果阳极电极长度成为例如lOOym以上的尺寸，则在与阴极电极层相距较远的区域不能在活性层上形成足够的电场，会产生注入到活性层中的电流密度降低的部分，而发生发光不均匀的现象。相比之下，根据本发明，由于使阴极电极层与阳极电极层的间隙缩小，并且在从阴极电极层的边缘起相距规定的范围内配置阳极电极层，所以能够减小电极之间的电位变化以及活性层的n型导电层侧的电位与阴极电极层之间的电位差，因此，能够对活性层施加足够大的电场。另外，如果阳极电极长度La变短，则直至n型半导体层内的电子被引出到n型电极层为止所经过的距离变短，因此，n型半导体层内的发热会得到抑制。另外，阳极电极层可以由反射光的导电材料形成，也可以由透明电极材料形成。在由光反射材料形成阳极电极层的情况下，优选进行倒装芯片的安装，以便从基板背面取出光。另外，在由透明材料形成了阳极电极层的情况下，也可以安装为从发光二极管元件的电极侧表面取出光。(实施方式2)图15A以及图15B分别是本发明的发光二极管的第二实施方式的剖面图以及上表面图。图15A是图15B的C-C’线剖面图。在图15A以及图15B中，对于相当于实施方式I的技术特征的技术特征标注相同的附图标记。本实施方式的发光二极管与实施方式I的发光二极管的不同之处在于电极层的布局。在本实施方式中，在-字形(或C字形)的阴极电极层6的内侧配置了阳极电极层5。电极间隔Lac为4 y m以下，阳极电极层5形成在从阴极电极层6的对置边缘起相距45 um以内的区域中。在本实施方式中，矩形的阳极电极层5的四个边的边缘中的三个边的边缘与阴极电极层6的边缘接近且相对置。因此，对于位于阳极电极层5的正下方的活性层3的整个面来说，变得很容易施加来自阴极电极层6的电场，发光量会增大。为此，即使减小芯片面积也很容易确保所需的活性层面积。另外，由于电极层的平面布局是简单的图案，因此，用于使n型半导体层2露出的光刻以及蚀刻工艺也变得简单。(实施方式3)图16A以及图16B分别是本发明的发光二极管的第三实施方式的剖面图以及上表面图。图16A是图16B的D-D’线剖面图。在图16A以及图16B中，对于相当于实施方式I的技术特征的技术特征标注相同的附图标记。本实施方式的发光二极管与实施方式I的发光二极管的不同之处在于电极层的布局。在本实施方式中，在-字形(或C字形)的阳极电极层5的内侧配置了阴极电极层6。电极间隔Lac为4 y m以下，阳极电极层5形成在从阴极电极层6的对置边缘起相距
45um以内的区域中。在本实施方式中，矩形的阴极电极层6的四个边的边缘中的三个边的边缘与阳极电极层5的边缘接近且相对置。由于阳极电极层5的平面形状为-字形(或C字形)，因此，活性层3的平面形状也是-字形(或C字形)。同样，在本实施方式中即使减小芯片面积也很容易确保所需的活性层面积。另外，由于电极层的平面布局是简单的图案，因此，用于使n型半导体层2露出的光刻以及蚀刻工艺也变得简单。(实施方式4)图17以及图18分别是本发明的发光二极管的第四实施方式的剖面图以及上表面图。图17是图18的E-E’线剖面图。另外，图17所示的构成基本上与图18的F-F’线剖面图与G-G’线剖面图所示的构成相同。在图17以及图18中，对于相当于实施方式I的技术特征的技术特征标注相同的附图标记。本实施方式的发光二极管与实施方式I的发光二极管的不同之处在于电极层的布局。在本实施方式中，以填补构成阴极电极层6的圆形电极(阴极电极)之间的区域的方式形成了阳极电极层5。虽然在一个发光二极管元件内形成有多个圆形电极，但是圆形电极是通过图中未表示的导电层或导电线而相互连接的。在本实施方式中，电极间隔Lac也是m以下，阳极电极层5形成在从阴极电极层6的对置边缘起相距45 y m以内的区域中。在本实施方式中，多个阴极电极层6 二维排列，因此，相对于阴极电极层6的面积，能够增大对置边缘的长度。即，即使减小阴极电极层6的面积，也很容易在很大程度上确保从阴极电极层6的对置边缘起相距45 以内的区域的总面积。通过这种结构，对于位于阳极电极层5的正下方的活性层3的整个面来说，很容易施加来自阴极电极层6的电场，能够获得足够的光输出。在本实施方式中，如图17所示，发光二极管元件的周边区域是被阳极电极层5覆盖，而不是阴极电极层6。另外，构成阴极电极层6的各个圆形电极在阳极电极层5上形成绝缘膜，并且通过在其上形成形成导电性的布线的两层布线结构而相互电连接。(实施方式5)图19以及图20分别是本发明的发光二极管的第五实施方式的剖面图以及上表面图。图19是图20的H-H’线剖面图。在图19以及图20中，对于相当于实施方式I的技术特征的技术特征标注相同的附图标记。本实施方式的发光二极管与实施方式I的发光二极管的不同之处在于电极层的布局。本实施方式的发光二极管兀件具有包括如树枝般的多个分支的阴极电极层6,在该分支之间的区域内配置有阳极电极层5。电极间隔Lac为m以下，阳极电极层5形成在从阴极电极层6的对置边缘起的45 以内的区域中。根据本实施方式的构成，由于阴极电极层5环绕着阳极电极层5的周边，因此，很容易对位于阳极电极层5的正下方的活性层的整个面施加来自阴极电极层6的电压，发光量会增大。根据本实施方式，能够提供一种散热性优异的高输出用途的发光二极管。在上述的各实施方式中，虽然将基板的厚度设定为IOOiim左右，但是，即使在使基板的厚度薄到5 ii m左右的情况下，也能够获得本发明的效果。与电极间隔Lac为10 y m以上的以往的表面电极型的发光二极管相比可知，光输出大约提高了将近2倍，该效果很大。本发明的效果是针对基板的厚度大于阳极 阴极电极间隔Lac的两面电极型发光二极管，能够发挥优势。另外，在本发明中，虽然将阳极电极设定成比较小的尺寸，但是，为了在安装工序中在阳极电极上安装凸块(bump)，或确保进行引线接合的区域，也可以从图中所示的阳极电极的一部分设置用于连接的延长部分(焊盘)。另外，本发明中的非极性面不局限于m面，能够应用于像I■面或a面那样，通过在与c面半导体层相比难以增加杂质浓度的非极性面基板上生长半导体而制造的各种发光
二极管，并获得效果。以下，对发光二极管的试制例进行说明。首先，参照图21A、图21B和图21C对三个发光二极管的构成进行说明。图21A是试制的发光二极管(比较例距离L的最大值为175 ym)的上表面图。另一方面，图21B是试制的发光二极管(实施例距离L的最大值为45 ym)的上表面图，图21C是试制的发光二极管(实施例距离L的最大值为18 u m)的上表面图。这些试制例，除了阳极电极层以及阴极电极层的平面布局不同这一点之外，具有与图8所示的层叠结构相同的层叠结构。具体而言，如图8所示，这些发光二极管具有主面是m面的n型GaN基板7 ;覆盖n型GaN基板7的主面的n型半导体层2 ;在n型半导体层2的上表面的第一区域2a上层叠的活性层3、p型半导体层4、阳极电极层5 ；以及在n型半导体层2的上表面的第二区域2b上形成的阴极电极层6。n型半导体层2、活性层3以及P型半导体层4都是通过m面生长而形成的外延生长层。试制例中的n型GaN基板7的主面的尺寸都是300 U mX300 U m,小于一边的长度为500ii m的正方形。另外，n型GaN基板7的杂质浓度为5X 1017cm_3。各半导体层的构成如下所述。n型+导体层2由厚度为3 U m的n_GaN层形成，其杂质浓度为5 X 10 cm。活性层3是层叠了三组的InGaN阱层(厚度15nm)/GaN阻挡层(厚度15nm)的量子阱层。p型半导体层4由厚度为0. 3 ii m的p-GaN层形成,其杂质浓度为8X 1018cm_3。在图21A所示的比较例中，阳极电极层5以环绕具有四边形(一边90pm)的上表面的阴极电极层6的三个边的方式配置。距离L的最大值为175 u m。另一方面，在图21B所不的实施例中，将分别具有四边形(一边82 ii m)的上表面的八个阳极电极层5相互隔开地以行列形状排列。当从与主面垂直的方向观察时，阴极电极6大致具有格子形状，且以环绕被分割的各阳极电极层5的周围的四个边的方式被构图。在该实施例中，距离Lac被设定为4 ii m，距离L被设定为45 u m。在图21C所示的实施例中，将分别具有四边形(一边28i!m)的上表面的四十个阳极电极层5相互隔开地以行列形状排列。当从与主面垂直的方向观察时，阴极电极6大致具有格子形状，且以环绕阳极电极层5的被分割的电极的周围的四个边的方式被构图。在该实施例中，距离Lac被设定为4 ii m，距离L被设定为18 u m。在图21B以及图21C的实施例中，虽然在一个芯片上设置有被分割为多个(八个以上)电极的阳极电极层5，但是，这些分割电极被图中未表示的导电膜(阳极电极焊盘)覆盖，且相互电连接。图22A的曲线图表示的是图21A、图21B以及图21C所示的LED元件的光输出的测定结果。该曲线图表示当把在LED元件中流通的电流设置为IOmA时的光输出与距离L的关系，纵轴是将L= 175 时的光输出作为I进行了标准化的值。图22B的曲线图表示的是图21A、图21B以及图21C所示的LED的外部量子效率(EQE External Quantum Efficiency)的测定结果。该曲线图表示外部量子效率的最大值与距离L的关系，纵轴是将L= 175 时作为I进行了标准化的值。如果将距离L的值由45iim缩小到18 ii m，则可知光输出以及外部量子效率提高。因此，阳极电极层5优选分成更多个数的电极来进行排列，并缩小所分割的各电极的尺寸。在本实施例中，虽然将阳极电极层5分成了八个以上的电极，但优选分成十个以上(例如三十个以上)。通常，如果缩小阳极电极层以及活性层的面积，则电流密度增加，LED的光输出以及外部量子效率降低。因此，在C面GaN的LED中，不采用缩小阳极电极以及活性层的面积的结构。另一方面，在m面GaN的LED中，不会发生由于压电电荷引起的载流子的量子限制斯塔克效应，因此，能够使阱层的厚度比c面GaN的LED还厚。因此，即使以大电流密度使m面GaN的LED工作，光输出以及外部量子效率也不会降低，显著地显现出通过缩小距离L而带来的本发明的效果。c面GaN的LED的阱层的厚度通常为3nm左右，但是m面GaN的LED中的阱层的厚度能够设定在6nm以上20nm以下的范围内。(产业上的可利用性)本发明的氮化镓系化合物半导体发光二极管元件具有由氮化镓系化合物形成的非极性面的半导体基板，且n型杂质浓度为I X IO18CnT3以下，因此，结晶性良好。另外，通过采用特殊的电极配置，能够对整个活性层施加足够大的电压，因此，能够获得高的光输出，
能够用作显示装置、照明装置以及LCD背光的光源。附图符号的说明In型基板2n型导电层3活性层4P型导电层5阳极电极层6阴极电极层7m面的n型GaN基板
权利要求
1.一种氮化镓系化合物半导体发光二极管元件， 具有: 第一导电型半导体基板，其由氮化镓系化合物形成，并包括主面以及背面，且上述主面是非极性面； 第一导电型半导体层，其由氮化镓系化合物形成，并形成在上述第一导电型半导体基板的上述主面上； 半导体层叠结构，其是设置在上述第一导电型半导体层的第一区域上的半导体层叠结构，且包括由氮化镓系化合物构成的第二导电型半导体层、和位于上述第一导电型半导体层与上述第二导电型半导体层之间的活性层； 第一电极层，其设置在上述第一导电型半导体层的第二区域上；以及 第二电极层，其设置在上述第二导电型半导体层上， 上述第一导电型半导体基板以及上述第一导电型半导体层中的第一导电型杂质的浓度为IXlO18cnT3以下， 当从与上述主面垂直的方向观察时，上述第一电极层与上述第二电极层的间隔为4以下，并且，在从上述第一电极层的边缘中的与上述第二电极层相对置的部分起相距的距离为45 以下的区域内配置上述第二电极层。
2.根据权利要求I所述的氮化镓系化合物半导体发光二极管元件，其中， 上述第一电极层具有在第一方向上延伸的多个延长部， 上述第二电极层具有位于由上述第一电极层所具有的上述多个延长部中的相邻的两个延长部所夹持的区域的部分。
3.根据权利要求2所述的氮化镓系化合物半导体发光二极管元件，其中， 上述第一电极层具有将上述多个延长部相互电连接的至少一个相互连接部，上述相互连接部在与上述第一方向不同的第二方向上延伸。
4.根据权利要求I所述的氮化镓系化合物半导体发光二极管元件，其中， 上述第二电极层具有在第一方向上延伸的多个延长部， 上述第一电极层具有位于由上述第二电极层所具有的上述多个延长部中的相邻的两个延长部所夹持的区域的部分。
5.根据权利要求I所述的氮化镓系化合物半导体发光二极管元件，其中， 上述第一电极层以及上述第二电极层分别具有在第一方向上延伸的多个延长部，上述第一电极层的多个延长部与上述第二电极层的多个延长部沿着与上述第一方向不同的第二方向交替配置。
6.根据权利要求5所述的氮化镓系化合物半导体发光二极管元件，其中， 上述第一电极层具有将上述多个延长部相互电连接的至少一个第一相互连接部， 上述第二电极层具有将上述多个延长部相互电连接的至少一个第二相互连接部，上述第一相互连接部以及上述第二相互连接部在与上述第一方向不同的第二方向上延伸。
7.根据权利要求I所述的氮化镓系化合物半导体发光二极管元件，其中， 上述第二电极层具有多个开口部， 上述第一电极层包括配置在上述第二电极层所具有的上述多个开口部的内部的电极。
8.根据权利要求7所述的氮化镓系化合物半导体发光二极管元件，其中， 当从与上述主面垂直的方向观察时，在上述第二电极层所具有的上述多个开口部的内部配置的上述电极的外周边缘为曲线。
9.根据权利要求I所述的氮化镓系化合物半导体发光二极管元件，其中， 上述第一电极层具有多个开口部， 上述第二电极层包括配置在上述第一电极层所具有的上述多个开口部的内部的电极。
10.根据权利要求9所述的氮化镓系化合物半导体发光二极管元件，其中， 上述半导体层叠结构被分离成与上述第一电极层中的上述多个开口部对应的多个部分。
11.根据权利要求9或10所述的氮化镓系化合物半导体发光二极管元件，其中， 上述第一电极层具有对上述多个开口部进行规定的格子形状的导电部分。
12.根据权利要求9所述的氮化镓系化合物半导体发光二极管元件，其中， 上述多个开口部的个数为8以上。
13.根据权利要求I至12中任一项所述的氮化镓系化合物半导体发光二极管元件，其中， 上述第一导电型半导体基板的上述主面小于一个边长为500 的正方形。
14.根据权利要求13所述的氮化镓系化合物半导体发光二极管元件，其中， 当工作时，在上述第一电极层与上述第二电极层之间流通的电流的密度为150A/cm2以上。
15.根据权利要求I至14中任一项所述的氮化镓系化合物半导体发光二极管元件，其中， 上述活性层具有层叠了阱层和阻挡层的量子阱结构，上述阱层的厚度在6nm以上且20nm以下的范围内。
全文摘要
本发明的发光二极管元件具有主面(7a)是m面的n型GaN基板(7)和在基板(7)的主面(7a)上设置的层叠结构。该层叠结构具有n型半导体层(2)；位于n型半导体层(2)的上表面的第一区域(2a)上的活性层(3)、p型半导体层(4)、阳极电极层(5)；以及在n型半导体层(2)的上表面的第二区域(2b)上形成的阴极电极层(6)。n型半导体层(2)、活性层(3)以及p型半导体层(4)都是通过m面生长而形成的外延生长层。基板(7)以及n型半导体层(2)中的n型杂质的浓度设定在1×1018cm-3以下。当从与主面(7a)垂直的方向观察时，阳极电极层(5)与阴极电极层(6)的间隔为4μm以下，在从阴极电极层(6)的边缘中的与阳极电极层(5)相对置的部分起相距的距离为45μm以下的区域内配置有阳极电极层(5)。
文档编号H01L33/32GK102804415SQ20108002610
公开日2012年11月28日 申请日期2010年6月9日 优先权日2009年6月18日
发明者岩永顺子, 横川俊哉, 山田笃志 申请人:松下电器产业株式会社