[发明专利]半导体发光元件及其制造方法以及半导体发光装置

说明书

本发明涉及半导体发光元件及其制造方法、以及半导体发光装置。更具体地涉及在半导体发光元件中用于在外部高效率地取出所发光的电极结构及电极周边结构。

近年来发光器件的进展引人注目。尤其是发光二极管(LED)兼具小型、低耗电、可靠性高等特征，被广泛用作显示用光源。作为已实用化的LED的材料，AlGaAs、GaAlP、GaP、InGaAlP等V族元素用As、P的III-V族化合物半导体用于发红色、橙色、黄色、绿色光，绿色、青色、紫外区用GaN系化合物半导体，实现发光强度高的LED。通过进一步提高该LED的高亮度化，可以大大扩大作为屋外显示器或通信用光源的用途。

用图29说明现有的GaN系青紫色LED的结构，图29是LED的剖面图。

如图所示，发青紫色光的半导体发光元件110借助于银浆料130接合在引线框120上。半导体发光元件110的p型电极和n型电极通过键合引线分别连接到与其电位分别对应的引线框120上。然后用环氧树脂180覆盖其全体，构成光源型的青紫色LED100。

下面，用图30说明发青紫色光的GaN系半导体发光元件110的结构。图30示出半导体发光元件110的剖面结构。

如图所示，在蓝宝石(Al₂O₃)衬底200上夹着图中未示出的GaN阻挡层形成n型GaN层210和p型GaN层220。然后在一部分区域上去除上述p型GaN层220和n型GaN层210，露出n型GaN210。在露出该n型GaN层210的区域上形成n型电极230，另外在p型GaN220上形成p型透明电极240和p型键合电极250。

在上述结构的LED中，通过向引线框120施加电压，从p型键合电极250向半导体发光元件110注入电流。从p型键合电极250注入的电流经导电性高的透明电极240扩大，注入p型GaN层220和n型GaN层210。然后，由该pn结产生的能量hγ(h是普朗克常数，γ＝c/λ，c是光速，λ是波长)的光经p型透明电极240取出到半导体发光元件110的外部。

但是上述透明电极240用的材料，透过率和导电率呈折衷(或称矛盾，trade-off)关系，即，为了提高透过率而减小电极膜厚，则导电率降低，因元件电阻增加和可靠性下降等产生问题。

作为不用透明电极的方法，衬底对发光透明时，考虑在元件表面上设置反射率高的电极的结构。它是图31所示的倒装片结构。图31是半导体发光元件的剖面结构。如图所示，在p型GaN220上设置高反射率电极260，在元件内部，发出的光被元件表面的高反射率电极260反射，从衬底侧取出发光。现在，用GaN系实用化的LED，活性层用InGaN等，发出青色到绿色的光，所用衬底是绝缘材料蓝宝石或室温(300K)下带隙为3.39eV(波长≈365nm)的GaN衬底，是常见的。即，GaN系中用的衬底对青色到绿色(λ≈400～550nm)的光是透明的。因此尤其是GaN系的LED，虽然说该倒装片结构是比较有效的手段，通常，与半导体层欧姆接触的取出电极材料必须有高反射率。因此，为了实现倒装片结构，在元件表面上必须设置欧姆接触的取出电极和高反射率电极。但是，形成这些电极的金属相互扩散，存在元件的工作电压上升和可靠性下降的问题。

下面，说明采用V族元素为As或P的III-V族化合物半导体LED的半导体发光元件的结构。图32是发出红色到绿色光的半导体发光元件的剖面结构。

如图所示，在n型GaAs衬底300上形成n型GaAs阻挡层310、n型InGaAlP包层320。在该n型InGaAlP包层320上形成InGaAlP活性层330，进一步形成p型InGaAlP包层340和p型AlGaAs电流扩散层350。然后，在p型AlGaAs电流扩散层350的一部分区域上形成p型GaAs导电层360和p型电极370，在n型GaAs衬底内面上形成n型电极380。

在GaAs、AlGaAs、InGaAlP等V族采用As或P的III-V族化合物半导体发光元件中，一般地，不采用上述的GaN系的透明电极，通过设置厚的电流扩散层(在上述例子中为p型AlGaAs电流扩散层350)扩大注入电流向活性层注入电流。为此，必须在取出发光的面上设置n型或p型电极。即，必须使从电极注入的电流充分扩散，向有效地取出发光的电极正下的区域以外的活性层注入电流。若该电流扩散不充分，得不到均匀的发光，外部量子效率显著降低，得不到充分的光功率。