半导体发光元件

摘要

根据实施方式，提供在透明导电体中使用了ITON层的低驱动电压、高发光效率且发光强度分布均匀化了的半导体发光元件。半导体发光元件具有：基板，在基板上形成的n型半导体层，在n型半导体层上形成的有源层，在有源层上形成的、最上部是p型GaN层的p型半导体层，在p型GaN层上形成的ITON(氧氮化铟锡)层，在ITON层上形成的ITO(氧化铟锡)层，在ITO层上的一部分形成的第1金属电极，以及与n型半导体层连接而形成的第2金属电极。

权利要求

1.一种发光元件，其特征在于，具有：n型半导体层；

在前述n型半导体层上形成的有源层；

在前述有源层上形成的、最上部是p型GaN层的p型半导体层；

在前述p型GaN层上形成的ITON(氧氮化铟锡)层；

在前述ITON层上形成的ITO(氧化铟锡)层；

在前述ITO层上的一部分形成的第1金属电极；以及与前述n型半导体层连接而形成的第2金属电极；

前述ITO层的膜厚大于等于130nm小于等于170nm；

前述ITON层与前述ITO层的总膜厚大于等于240nm小于等于310nm。

2.一种发光元件，其特征在于，具有：基板；

在前述基板上形成的n型半导体层；

在前述n型半导体层上形成的有源层；

在前述有源层上形成的、最上部是p型GaN层的p型半导体层；

在前述p型GaN层上形成的ITON(氧氮化铟锡)层；

在前述ITON层上形成的ITO(氧化铟锡)层；

在前述ITO层上的一部分形成的第1金属电极；以及与前述n型半导体层连接而形成的第2金属电极；

前述ITO层的膜厚大于等于130nm小于等于170nm；

前述ITON层与前述ITO层的总膜厚大于等于240nm小于等于310nm。

3.根据权利要求1或2所述的发光元件，其特征在于：前述p型GaN层与前述ITON层的肖特基势垒高度大于等于2.0eV小于等于3.2eV。

4.根据权利要求1或2所述的发光元件，其特征在于：前述ITON层的折射率大于等于2.11小于等于2.34。

5.根据权利要求1或2所述的发光元件，其特征在于：前述ITON层内的氮浓度，从与前述p型GaN层的界面朝向与前述ITO层的界面降低。

6.根据权利要求2所述的发光元件，其特征在于：前述基板是蓝宝石基板。

7.根据权利要求1所述的发光元件，其特征在于：前述n型半导体层形成于蓝宝石基板上。

8.根据权利要求1或2所述的发光元件，其特征在于：前述n型半导体层具有n型GaN层。

9.根据权利要求1或2所述的发光元件，其特征在于：前述有源层是InAIGaN的势垒层与InGaN的量子阱层的层叠结构。

说明书

半导体发光元件

[0001] 相关申请的交叉引用

[0002] 本申请基于2010年3月8日提交的日本专利申请No.2010-050673并要求其优先权的权益，该日本专利申请的全部内容通过引用的方式结合在此。

技术领域

[0003] 在此描述的实施例总体涉及半导体发光元件。

背景技术

[0004] 近年来，包括GaN类半导体的蓝色和/或绿色的发光二极管(LED)的研究开发在进展。在FU(Face Up，面朝上)型的LED中，一般使用ITO(Indium Tin Oxide：氧化铟锡)等氧化物透明导电体作为p型GaN层上的透明导电体。

[0005] 为了降低LED的驱动电压，ITO与p型GaN层间的接触电阻的减小不可或缺。但是，现状是，ITO与p型GaN层之间的肖特基势垒高度高为3.2eV，使接触电阻减小是困难的。

[0006] 以下技术被提出：通过使用在ITO中添加了氮的ITON(Indium TinOxynitride：氧氮化铟锡)来降低肖特基势垒高度，形成欧姆接触。此外，提出有在p型GaN层上层叠氧化物透明导电体和氧氮化物透明导电体的技术。

发明内容

[0007] 本发明提供在透明导电体中使用了ITON层的低驱动电压、高发光效率且发光强度分布均匀化了的半导体发光元件。半导体发光元件具有：基板，在基板上形成的n型半导体层，在n型半导体层上形成的有源层，在有源层上形成的、最上部是p型GaN层的p型半导体层，在p型GaN层上形成的ITON(氧氮化铟锡)层，在ITON层上形成的ITO(氧化铟锡)层，在ITO层上的一部分形成的第1金属电极，以及与n型半导体层连接而形成的第2金属电极。

附图说明

[0008] 图1是第1实施方式的半导体发光元件的示意剖面图。

[0009] 图2是表示第1实施方式的半导体发光元件的反射率的ITON层膜厚依赖性的图。

[0010] 图3是在图2的模拟中使用的元件结构的示意剖面图。

[0011] 图4是表示第1实施方式的ITON层的最适合膜厚的ITO层膜厚依赖性的图。

[0012] 图5是表示第2实施方式的电极的图案的俯视图。

具体实施方式

[0013] 根据实施方式，提供在透明导电体中使用了ITON层的低驱动电压、高发光效率且发光强度分布均匀化了的半导体发光元件。半导体发光元件具有：基板，在基板上形成的n型半导体层，在n型半导体层上形成的有源层，在有源层上形成的、最上部是p型GaN层的p型半导体层，在p型GaN层上形成的ITON(氧氮化铟锡)层，在ITON层上形成的ITO(氧化铟锡)层，在ITO层上的一部分形成的第1金属电极，以及与n型半导体层连接而形成的第2金属电极。以下，使用附图说明实施方式。在以下的附图的记载中，对于相同或类似的部分赋予相同或类似的符号。

[0014] (第1实施方式)

[0015] 本实施方式的半导体发光元件，具有基板、在基板上形成的n型半导体层、在n型半导体层上形成的有源层、在有源层上形成的最上部是p型GaN层的p型半导体层、在p型GaN层上形成的ITON(氧氮化铟锡)层、在ITON层上形成的ITO(氧化铟锡)层、在ITO层上的一部分形成的第1金属电极以及与n型半导体层连接而形成的第2金属电极。

[0016] 本实施方式的半导体发光元件，通过使p型GaN层上的透明导电体成为ITON层与ITO层的层叠结构，使p型GaN层与透明导电体的界面电阻减小，并且也使透明导电体的薄层电阻减小。因此，可以实现低驱动电压、高发光效率且发光强度分布被均匀化了的半导体发光元件。

[0017] 图1是第1实施方式的半导体发光元件的示意剖面图。图1(a)示出了整体的结构，图1(b)示出了有源层的结构。本实施方式的半导体发光元件是FU型的发光二极管。

[0018] 如图1(a)所示，在本实施方式的半导体发光元件中，在例如包括蓝宝石的基板10的主面形成缓冲层11，在该缓冲层11上，形成n型GaN层21和n型GaN引导层22。n型GaN层21以及n型GaN引导层22包含于n型半导体层20中。

[0019] 并且，在n型GaN引导层22之上，形成成为发光部的有源层40，在该有源层40上，按顺序形成p型GaN第1引导层51、作为电子溢流防止层的p型AlGaN层52、p型GaN第2引导层53以及p型GaN接触层54。p型GaN第1引导层51、p型AlGaN层52、p型GaN第2引导层53以及p型GaN接触层54包含于p型半导体层50中。

[0020] 进而，在p型半导体层50的最上部的p型GaN层上，按顺序形成ITON(氧氮化铟锡)层60和ITO(氧化铟锡)层70。并且，在ITO(氧化铟锡)层70上的一部分形成p型电极80作为第1金属电极。p型电极80是例如钯-铂-金(Pd/Pt/Au)的复合膜。

[0021] 此外，作为n型半导体层20的n型GaN层21的一部分以及与该一部分对应的有源层40、p型半导体层50、ITON(氧氮化铟锡)层60和ITO(氧化铟锡)层70被除去，形成n型电极90作为第2金属电极。即，n型电极90与n型半导体层20连接。n型电极90是例如镍-金(Ni/Au)的复合膜。

[0022] 作为发光部的有源层40，例如如图1(b)所示，是以势垒层41、中间层42、量子阱层43、中间层44以及势垒层45的层叠结构为一周期的结构。该层叠结构例如多次重复。也可以不设置中间层42、44，而是势垒层41(45)与量子阱层43的层叠重复结构。

[0023] 势垒层41由InAlGaN(一般地，表示为InxAlyGa1-x-yN(0＜x＜1，0＜y＜1)))形成，例如由厚度12.5nm的In0.02Al0.33Ga0.65N形成。中间层42由InGaN(一般地，表示为InxGa1-xN(0＜x＜1))形成，例如由厚度0.5nm的In0.02Ga0.98N形成。量子阱层43由InGaN(一般地，表示为InxGa1-xN(0＜x＜1))形成，例如由厚度2.5nm的In0.15Ga0.85N形成。中间层44由InGaN(一般地，表示为InxGa1-xN(0＜x＜1))形成，例如由厚度0.5nm的In0.02Ga0.98N形成。势垒层45由InAlGaN(一般地，表示为InxAlyGa1-x-yN(0＜x＜1，0＜y＜1))形成，例如由厚度11.5nm的In0.02Al0.33Ga0.65N形成。

[0024] 本实施方式的半导体发光元件，直至p型半导体层50为止使用公知的制造方法制造。并且，在p型半导体层50的最上部的p型GaN层54的形成后，例如通过在氮气氛围中的反应性溅射法形成ITON层60。接着，通过氧气氛围中的反应性溅射法形成ITO层70。

[0025] 此后，用公知的方法，形成p型电极80以及n型电极90，形成图1所示的半导体发光元件。图1所示的半导体发光元件，通过在p型电极80与n型电极90间施加电压而使电流在元件内流动，由有源层40进行发光。

[0026] 而且，关于ITON层60的形成，也可以代替氮气氛围中的反应性溅射法，而通过暂时在氧气氛围中利用反应性溅射法沉积ITO之后，通过在氨气(NH3)氛围中进行退火而将ITO氮化来形成。在此情况下，只要在退火之后形成ITO层70即可。

[0027] 根据本发明人的研究，判明了：若仅由一层的ITON层形成p型GaN层54与p型电极80之间的透明导电体，则在ITON层内、在水平方向(图1中从左侧朝向右侧的方向)上流动的电流分量会减少，结果，电流仅集中在p型电极80附近。因此，会产生发光将偏向于p型电极正下方附近的问题。这起因于ITON的体积电阻率与ITO相比高2个数量级。

[0028] 根据本实施方式的半导体发光元件，利用ITON层60使p型GaN层54与透明导电体的接触电阻减小。由此，使半导体发光元件的驱动电压(Vf)降低，实现低驱动电压化以及高发光效率化。

[0029] 并且，通过层叠ITO层70，使透明导电体的薄层电阻减小，使电流在透明导电体内、在水平的方向上流动的电流分量的比例增加。由此，实现发光部中的均匀的发光，实现发光强度分布的均匀化。

[0030] 在此，在例如半导体发光元件是蓝色发光二极管的情况下，为了维持高的发光效率，p型GaN层54与p型电极80之间的透明导电体，需要使从有源层40发出的波长450nm的蓝色的光透射。

[0031] ITON的价电子带上端，由氮的非键合状态构成。随着ITON的氮含有量增加，价电子带上端的能级上升，ITON的带隙变窄。

[0032] 因此，为了不吸收蓝色光，期望ITON的吸收端能量大于等于2.8eV。在吸收端能量成为2.8eV的ITON的氮浓度下，p型GaN层54与ITON层60的肖特基势垒高度约为2.0eV。因此，在本实施方式中，期望p型GaN层54与ITON层60的肖特基势垒高度大于等于2.0eV。

[0033] 附带说明，由于p型GaN与ITO的肖特基势垒高度为3.2eV，所以p型GaN层54与ITON层60的肖特基势垒高度必然成为小于等于3.2eV。

[0034] 此外，期望对于波长450nm的蓝色光，ITON层60的折射率大于等于2.11小于等于2.34。p型GaN的折射率约为2.48。ITO的折射率为1.8～2.2。

[0035] 由有源层40发出的光，在p型GaN层54与ITON层60的界面以及ITON层60与ITO层70的界面这2个界面上部分反射。为了使半导体发光元件的发光效率提高，需要降低在这2个界面上反射而未射出到外部的光。

[0036] 若将p型GaN层54的折射率设为npGaN，将ITON层60的折射率设为nITON，则光垂直地入射到p型GaN层54与ITON层60的界面时的界面的垂直反射率R1由下式表示：

[0037] R1＝(npGaN-nITON)2/(npGaN+nITON)2…(式1)

[0038] 在此，由于p型GaN层54与ITON层60的消光系数之差相对于折射率差相当小，所以忽略。

[0039] 同样，若将ITO层70的折射率设为nITO，则ITON层60与ITO层70的界面的反射率R2由下式表示：

[0040] R2＝(nITON-nITO)2/(nITON+nITO)2…(式2)

[0041] 因此，为了使R1以及R2最小化，使因由2个界面反射而损失的光最少化，期望nITON是npGaN与nITO的几何平均，即

[0042] …(式3)

[0043] 如上所述，p型GaN对于波长450nm的蓝色光的折射率npGaN约为2.48，ITO的折射率nITO为1.8～2.2。因此，期望ITON层的折射率nITON大于等于2.11小于等于2.34。通过将氮浓度设定为适合的值，可以使ITON层的折射率成为期望的值。

[0044] 此外，期望ITO层70的膜厚大于等于130nm小于等于170nm。这是因为，若比130nm薄，则有可能由于薄层电阻过大而使发光过于偏向于p型电极80附近。此外，是由于，若超过170nm，则有可能不能忽略ITO层70的光的吸收量。

[0045] 此外，在ITO层70的膜厚大于等于130nm小于等于170nm的情况下，期望ITON层60与ITO层70的总膜厚大于等于240nm小于等于310nm。

[0046] 图2是表示本实施方式的半导体发光元件的反射率的ITON层膜厚依赖性的图。表示通过模拟产生的结果。图3是在图2的模拟中使用的元件结构的示意剖面图。在ITO的折射率分别为1.8、1.9、2.0、2.1、2.2的情况下，计算出了反射率的ITON膜厚依赖性。

[0047] 如图3所示，将元件结构设定为p型GaN层、ITON层、ITO层、SiO2层(折射率n＝1.45)、树脂层(折射率n＝1.4)的层叠结构。将光的波长设定为450nm。此外，将ITO层的膜厚设定为150nm。此外，将ITON层的折射率设定为p型GaN层与ITO层的折射率的几何平均。

[0048] 如图2所示，可判明：在ITON膜厚为0～300nm的范围内，在所有折射率的情况下，反射率成为低谷的膜厚都存在A、B、C这3个位置。在此，在膜厚处于A位置的情况下，由于膜厚过薄而在光学上是非活性的可能性高，此外，制造上膜厚的控制困难，所以不优选。并且，在膜厚处于C位置的情况下，由于膜厚变厚、ITON层的光的吸收增大，所以不优选。因此，期望ITON层的膜厚设定为B位置的膜厚。

[0049] 而且，即使使SiO2层的膜厚在100nm～500nm的范围内变化，图2所示的结果也不会有大的变化。

[0050] 图4是表示ITON层的最适合膜厚的ITO层膜厚依赖性的图。是描绘使ITO层的膜厚在130nm～170nm的范围内变化的情况下的B位置的ITON层的膜厚的图。在ITO的折射率分别为1.8、1.9、2.0、2.1、2.2的情况下进行了计算。

[0051] 如从图4可以看出的，在所有折射率的情况下，ITON层的相对于ITO层的最适合厚度，都处于斜率基本为1的直线上。因此，在反射率成为最低的条件下，ITO层的膜厚(图中tITO)与ITON层的膜厚(图中tITON)的总和基本固定。此外，即使ITO的折射率变化，该固定值也收敛于大于等于240nm小于等于310nm的范围。

[0052] 因此，从控制反射率、实现高的发光效率的观点来看，期望ITO层的膜厚大于等于130nm小于等于170nm，ITON层与ITO层的总膜厚大于等于240nm小于等于310nm。而且，在此虽然基于波长为450nm的情况下的模拟结果进行了说明，但是只要波长处于大于等于
420nm小于等于480nm的范围，就由于伴随着波长变化的折射率的变化小，所以ITON层与ITO层的总膜厚的期望范围为同样的范围。

[0053] 此外，期望ITON层60内的氮浓度从与p型GaN 54的界面朝向与ITO层70的界面降低。这是因为，由于ITON层60内的氮浓度高的一方其p型GaN层54与ITON层60之间的肖特基势垒下降，另一方面，如果ITON层60内的氮浓度降低则折射率降低，所以通过在与ITO层70的界面以氮浓度成为0的方式控制浓度分布，可以使与ITO层70的界面处的光的反射率成为0。

[0054] (第2实施方式)

[0055] 本实施方式的半导体发光元件，除了p型电极与n型电极的图形不同之外，其余与第1实施方式相同。因此，关于与第1实施方式重复的内容，省略记载。

[0056] 图5是表示第2实施方式的电极的图形的俯视图。图5(a)是第1实施方式的电极图形，图5(b)是本实施方式的电极图形。

[0057] 如图5(b)所示，在p型电极80以及n型电极90的各个中设置细线部80a以及90a。这样，通过设置细线部80a、90a，可以使p型电极80与n型电极90间的电流向有源层
40的流动进一步均匀化，使发光强度分布进一步均匀化。

[0058] 因此，与第1实施方式的半导体发光元件相比，可实现发光效率更高且发光强度分布均匀化了的半导体发光元件。

[0059] 虽然对几个实施例进行了说明，但这些实施例仅是作为例子而呈现的，而并非要限定本发明的范围。在此描述的半导体发光元件能够以其他的各种方式进行实施，在不脱离发明的主旨的范围内，能够在此处描述的装置和方法的方式中进行各种省略、置换、变形。这些方式或变形包含于发明的范围和主旨内，并且包含于所附权利要求及其均等的范围内。