半导体发光元件及照明装置的利记博彩app

专利名称：半导体发光元件及照明装置的利记博彩app
技术领域：
本发明涉及半导体发光元件及照明装置，尤其涉及由III-V族氮化物系化合物半导体构成的发光元件及照明装置。
背景技术：
近年，使用了以氮化镓(GaN)为代表的III-V族氮化物系化合物半导体的发光元件，由于得到短波长区域的发光光，所以作为下一代的照明用光源而备受期待，目前正进行着活跃的研究开发(例如，参照专利文献1)。
在这样的发光元件中，为了降低工作电压并且提高发光输出，而不使用蓝宝石基板那样的绝缘性的基板而使用由GaN等III-V族氮化物系化合物半导体构成的导电性的基板。在使用了导电性的基板的情况下，由于在基板中流动电流，因此可以降低电流通路的电阻值，使消耗电力或工作电压降低，并且可以提高静电耐压。
图16表示现有的发光元件的剖面结构。如图16所示，在由n型的GaN构成的基板101上依次叠层由GaN构成的n型半导体层102、由氮化铟镓(InGaN)构成的发光层105、及由氮化铝镓(AlGaN)构成的p型半导体层106。在p型半导体层106上形成有p侧电极107。又，通过对p型半导体层106、发光层105及n型半导体层102的一部分进行蚀刻，使n型半导体层102的一部分露出，在露出的n型半导体层102上形成有n侧电极108(例如，参照专利文献2)。
专利文献1特开2001-60719号公报专利文献2特开2001-345476号公报但是，当在基板使用GaN等半导体基板的情况下，为了使半导体基板的表面平坦，需要进行研磨。因为通过对半导体基板的表面进行研磨，半导体基板的表面受到物理损坏，所以半导体基板的表面的结晶结构混乱，或产生不均匀的应变。因此，因为在形成于半导体基板上的半导体层中，产生结晶结构的混乱，或产生不均匀的应变，所以有发光元件的特性产生偏差的问题。
又，由GaN构成的半导体基板的表面相对GaN结晶的面方位的(0001)面倾斜，不过该倾斜角(偏离角)在基板内产生偏差。因此，形成于基板1上的半导体层的特性因形成于基板的哪一部分而不同。又，由于偏离角的偏差程度按基板而不同，因此半导体的特性按基板而不同。其结果是，也产生如下的问题各自的发光元件的发光输出及工作电压等特性较大地产生偏差，不合格率也变高。

发明内容
本发明解决所述现有的问题，其目的在于能够实现一种缓和基板受到的损坏及基板表面的偏离角的偏差的影响，形成于半导体基板上且特性一致，并由III-V族氮化物系化合物半导体构成的发光元件。
为了达到所述目的，本发明将半导体发光元件构成为在基板和发光层之间设置含有In的n型半导体层。
具体地，本发明的半导体发光元件具备由III-V族氮化物半导体构成的基板；形成于基板的主面上的含有In的第一n型半导体层；及形成于第一n型半导体层上的发光层。
根据本发明的半导体发光元件，由于具备含有铟的第一n型半导体层，因此通过含有铟的比较软的第一n型半导体层，能够缓和因基板表面的损坏及偏离角而导致的不均匀的应变及异常生长，从而能够抑制在包含形成于基板上的发光层的半导体层产生不均匀的应变。因而，可以使基板内及基板间的半导体层的特性一致，其结果是，能够实现具有均匀的工作特性的半导体发光元件。
在本发明的半导体发光元件中，基板优选由氮化镓构成。通过使用由结晶性优异的氮化镓构成的基板，能够提高半导体发光元件的特性。
在本发明的半导体发光元件中，基板优选是主面被研磨的基板，也可以是主面被蚀刻的基板。又，基板优选是主面被平坦化的基板。
在本发明的半导体发光元件中，优选发光层具有通过交替地叠层重子阱层和阻挡层而构成的多量子阱层结构，量子阱层的厚度是1nm以上且2.5nm以下。通过这样构成，能够降低基板表面的偏离角的偏差赋予发光层的影线，从而可以使半导体发光元件件的特性可靠地一致。
在本发明的半导体发光元件中，第一n型半导体层优选由一般式以InaAlbGa1-a-bN(0＜a＜1、0≤b＜1、a+b≤1)表示的化合物构成。通过这样构成，可以在第一n型半导体层中可靠地缓和基板表面的损坏及偏离角的偏差的影响。在该情况下，第一n型半导体层的铝的组成优选是3％以下。
在本发明的发光半导体元件中，第一n型半导体层优选厚度是10nm以上且1μm以下。通过这样构成，可以在第一n型半导体层中可靠地缓和基板表面的损坏及偏离角的偏差的影响。
本发明的半导体发光元件优选还具备形成于基板和第一n型半导体层之间的第二n型半导体层。通过这样构成，容易进行第一n型半导体层和基板的晶格常数的匹配。在该情况下，第二n型半导体层优选由一般式以IncAldGa1-c-dN(0≤c＜1、0≤d＜1、c+d＜1)表示的化合物构成。
在本发明的半导体发光元件中，第二n型半导体层优选是n型接触层。通过这样构成，可以降低与n侧电极的接触电阻，从而降低半导体发光元件的工作电压。
本发明的半导体元件优选还具备形成于第一n型半导体层和发光层之间的第三n型半导体层。在该情况下，第三n型半导体层优选是n型接触层。通过这样构成，可以减薄第二n型半导体层及第三n型半导体层的厚度。
本发明的半导体元件优选还具备形成于第一n型半导体层和发光层之间的第四n型半导体层。通过这样构成，可以对发光层均匀地注入电流。在该情况下，第四n型半导体层优选由一般式以AleGa1-e(0≤e＜1)表示的化合物构成。
在本发明的半导体发光元件中，第四n型半导体层优选是包覆层。在该情况下，包覆层优选厚度是5nm以上且200nm以下。
本发明的半导体发光元件优选还具备形成于基板层和发光层之间，且一部分露出的n型接触层；形成于n型接触层的露出的部分的n侧电极；形成于第一n型半导体层和发光层之间的n型包覆层；形成于发光层上的p型半导体层；及形成于p型半导体层上的p侧电极，且元件形成面与安装用的辅助基板对置而进行安装。通过这样构成，能够降低半导体发光元件的芯片面积。
本发明的照明装置具备多个本发明的半导体发光元件。通过这样构成，能够实现没有颜色不均，且动作稳定的照明装置。
(发明的效果)根据本发明的半导体发光元件，能够实现一种缓和基板受到的损坏及基板表面的偏离角的偏差的影响，形成于半导体基板上且特性一致，并由III-V族氮化物系化合物半导体构成的发光元件。


图1是表示本发明的第一实施方式的发光元件的一例的剖面图；图2(a)及(b)表示用于本发明的第二实施方式的发光元件中的基板的结构，(a)是俯视图，(b)是(a)的IIb-IIb线的剖面图；图3是将形成有用于本发明的第一实施方式的发光元件中的半导体层的基板的光致发光的强度的分布，与现有例的基板比较而进行表示的图；图4是表示本发明的第一实施方式的第一变形例的发光元件的剖面图；图5是表示本发明的第一实施方式的第二变形例的发光元件的剖面图；图6是表示本发明的第二实施方式的发光元件的剖面图；图7(a)及(b)是比较本发明的第二实施方式的发光元件的发光输出的分布和现有例的发光元件的发光输出的分布而进行表示的图；图8是表示本发明的第二实施方式的发光元件的量子阱层的厚度和发光输出的关系的图表；图9是表示本发明的第二实时方式的发光元件的基板上的形成位置和工作电压的关系的图表；图10(a)及(b)是比较本发明的第二实施方式的发光元件的工作电压的分布和现有例的发光元件的工作电压的分布而进行表示的图；图11是表示本发明的第二实施方式的一变形例的发光元件的剖面图；图12是表示本发明的第三实施方式的发光元件的剖面图；图13是表示用于本发明的第四实施方式的照明装置中的发光组件的剖面图；图14是表示本发明的第四实施方式的照明装置的立体图；图15是表示本发明的第四实施方式的照明装置的立体图；图16是表示现有例的发光元件的剖面图。
图中，10-基板；10a-(0001)面；11-n型接触层；12-含有In的n型半导体层；13-n型包覆层；14-发光层；14a-量子阱层；14b-阻挡层；15-p型半导体层；16-p侧电极；17-n侧电极；18-透光性电极；21-n型包覆层；31-n型隔离层；41-n型中间层；51-辅助基板；52-p侧基板电极；53-n侧电极基板；54-凸起；55-凸起；60-发光组件；61-发光元件；62-引线框；63-金属线；64-引线框；65-树脂塑型材；70-照明装置；71-供电端子；80-主体部；81-槽口。
具体实施例方式
(第一实施方式)参照

本发明的第一实施方式的由III-V族氮化物系化合物半导体构成的发光元件及其制造方法。图1表示本发明的第一实施方式的发光元件的剖面结构。
如图1所示，在由氮化镓(GaN)构成的基板10上形成有n型接触层11。以使n型接触层11的上面的一部分露出的方式在n型接触层11上依次叠层含有In的n型半导体层12、n型包覆层13、发光层14及p型半导体层15。
在n型半导体层11的露出部分形成有n侧电极17，在p型半导体层15上形成有p侧电极16。另外，在形成有n侧电极17的区域，n型接触层11的厚度比其他区域薄。
以下，在本实施方式的发光元件中，说明发光特性的均匀性提高的原理。
基板10由于为了使表面平坦而进行研磨，所以基板10的表面受到物理损坏，从而在基板10的表面产生结晶的位错等。又，由GaN构成的基板10的表面相对于GaN结晶的面方位的(0001)面倾斜，该倾斜角(偏离角)在基板内产生偏差。当在这样的基板10上形成有半导体层的情况下，由于在形成的半导体层产生不均匀的应变，因此在面内的发光特性上产生偏差。
图2(a)及(b)是由GaN构成的基板10的结构的一例，(a)表示俯视结构，(b)表示(a)的VIIIa-VIIIa线的剖面结构。如图2所示，作为基板10的元件形成面的上面相对于GaN结晶的面方位(0001)面10a倾斜，倾斜角(偏离角)最大是1度左右。倾斜的方向是结晶的<11-20>方向、<10-10>方向或<11-20>和<10-10>之间的方向等。另外，所谓面方位的(0001)面是六方晶系的C面。
又，基板10的上面的偏离角随着从中心朝向周缘部而增大。这是因为使GaN在蓝宝石等的异种基板上外延生长时，(0001)面下凸地翘曲，通过研磨使产生了翘曲的表面平坦化。
但是，在本实施方式的发光元件中，在发光层14和基板10之间形成有含有铟(In)的n型半导体层12。含有In的n型半导体层12由于含有铟，因此比n型接触层11及n型包覆层13软。因而，能够缓和下述情况因基板10的表面的损坏及偏离角的偏差而在包含发光层14的半导体层产生不均匀的应变，或产生异常生长。其结果是，可以使来自发光层14的发光光的输出均匀化。
含有In的n型半导体层12可以使用一般式以InaAlbGa1-a-bN(0＜a＜1、0≤b＜1、a+b≤1)表示的、含有In的III-V族氮化物系化合物半导体，若从制造的容易度考虑，则优选不含有Al的InGaN。In的组成比a并不特别地限定，不过为了防止发光光被含有In的n型半导体层12吸收，优选带隙比与发光波长相当的能量大。
又，若考虑吸收因基板10的损坏而产生的应变的效果，则In的组成比优选是1％以上。进而，若In的组成比a是10％以下，则可以减薄含有In的n型半导体层12的厚度，从而能够得到抑制在含有In的n型半导体层12产生结晶缺陷的效果。特别是，在In的组成比a是化合物整体的2％以下7％以上的情况下，应变的吸收及结晶性的提高效果显著，从而更为优选。
又，在使用了氮化铝铟镓(InAlGaN)的情况下，由于含有铝(Al)，因此与使用了InGaN的情况相比，含有In的n型半导体层12的晶格常数变小，所以能够防止基板10上凸地翘曲，提高基板10的平坦性。又，在来自发光层14的发光光是紫外区域的光的情况下，作为含有In的n型半导体层12，优选使用与InGaN相比带隙大，且光吸收少的InAlGaN。该情况下，Al的组成比b优选是3％以下。在Al的组成比b是3％以上的情况下，含有In的n型半导体层12及在含有In的n型半导体层12上形成的半导体层的结晶性变差。
含有In的n型半导体层12的厚度优选是10nm以上且1000nm以下。若含有In的n型半导体层12的厚度是10nm以上，则能够得到缓和因基板10的偏离角的影响及基板10的表面的损坏而导致的不均匀或异常生长的效果。又，若含有In的n型半导体层12的厚度是1000nm以下，则能够防止含有In的n型半导体层12的结晶性劣化，并且也能够缩短制造时间。特别是，在含有In的n型半导体层12的厚度是20nm以上且100nm以下的情况下，进一步发挥这样的效果，所以更为优选。
含有In的n型半导体层12可以非掺杂，不过通过掺杂硅(Si)或锗(Ge)等n型杂质，能够提高面内的电流的扩展性。该情况下，优选设电子浓度是1×1017cm-3以上且不足1×1020cm-3。
基板10可以使用一般式以IncAldGa1-c-dN(其中，0≤c＜1、0≤d＜1、c+d＜1)表示的III-V族氮化物系化合物半导体。c是0即不含有In的AlGaN的结晶性良好，所以是优选的。其中d是0即不含有Al的GaN由于制造比较容易且能够得到最良好的结晶性，因此更为优选。基板10可以不掺杂，不过若掺杂Si或Ge等n型杂质则能够减小元件电阻。在掺杂之际，优选设电子浓度在1×1017cm-3以上且1×1020cm-3以下的范围。若电子浓度比1×1017cm-3低，则电阻率变高，从而注入到基板10中的电子难以在基板10中扩展，若比1×1020cm-3高，则基板10的结晶性因高浓度地掺杂了n型杂质这一情况而变差。
n型接触层11可以使用具有与基板10大致相同的晶格常数的n型的III-V族氮化物系化合物半导体。由此，能够埋入由III-V族氮化物系化合物半导体构成的基板10所具有的微观的凸凹。又，由于可以增大从基板10至发光层14的距离，因此也能够得到在基板10的表面被杂质等污染的情况下不易受到界面的影响的效果。进而，通过使具有与基板10大致相同的晶格常数的III-V族氮化物系化合物半导体在基板10上生长，能够在不产生新的应变的条件下形成n型接触层11，所以能够稳定地形成在n型接触层11上生长的、含有In的n型半导体层12。又，若为了增大从基板10至发光层14的距离而缯厚含有In的n型半导体层12，则容易在含有In的n型半导体层12产生裂纹，不过具有与基板10大致相同的晶格常数的n型接触层11即使在较厚地生长的情况下也不易产生裂纹。
n型接触层11可以使用一般式以AleGa1-e(0≤e＜1)表示的化合物。即使是含有In的InGaN或InAlGaN，在In的组成比e较低的情况下，由于晶格常数与基板10接近，因此也可以作为n型接触层11而使用。又，不仅仅是单层膜也可以是叠层膜。
n型接触层11优选掺杂有Si或Ge等n型杂质，电子浓度优选是1×1017cm-3以上且不足1×1020cm-3。若电子浓度比1×1017cm-3低，则与n侧电极17的欧姆接触电阻变高，发光元件的工作电压变高，若电子浓度为1×1020cm-3以上，则n型接触层11的结晶性因高浓度地掺杂了n型杂质这一情况而变差。又，在n型接触层11是叠层膜的情况下，只要至少掺杂与n侧电极17接触的膜即可。
n型接触层11的厚度优选设为100nm以上。在比100nm薄的情况下，当在n型接触层11形成用于形成n侧电极17的露出面时，需要非常高的蚀刻精度，从而难以形成露出面。又，n型接触层11的厚度的上限并不特别地限定，不过为了缩短n型接触层11的形成时间，提高生产效率，优选设为5μm以下。
n型包覆层13可以使用一般式以AlgGa1-g(0≤g＜1)表示的化合物。通过设n型包覆层13为带隙比含有In的n型半导体层12大的III-V族氮化物系化合物半导体，能够有效地抑制来自发光层14的空穴的溢出。又，在n型包覆层13中优选掺杂有n型杂质，不过也可以不掺杂n型杂质。在掺杂n型杂质的情况下，只要包覆层13的载流子浓度比n型接触层11及含有In的n型半导体层12小即可。通过这样构成，由于n型包覆层13的电阻比n型接触层11高，因此从n型接触层11经由n型包覆层13而朝向发光层14的电子流在n型包覆层13中受到阻碍，所以在n型包覆层13的面内电子均匀地扩展。因而，电子能够向发光层14均匀地注入，从而可以使发光层14的发光分布均匀。其结果是，能够在作为主发光面的基板10的背面得到均匀的面发光。
n型包覆层13的厚度优选是5nm以上且200nm以下。在n型包覆层13的厚度比5nm薄的情况下，抑制空穴的溢出的效果变小，在比200nm厚的情况下，发光元件的串联电阻变高，从而工作电压变高。
发光层14可以使用带隙比n型接触层11及p型半导体层15小的III-V族氮化物系化合物半导体。特别是，若使用不含有Al的InGaN或GaN，则能够提高从紫外至绿色的波长区域的发光强度。在发光层14含有In的情况下，若使膜厚比10nm薄且将其设为单一量子阱层，则能够提高发光层14的结晶性，从而能够进一步提高发光效率。
又，发光层14也可以是多层量子阱结构，所述多层量子阱结构交替地叠层了由InGaN或GaN构成的量子阱层、和带隙比量子阱层大的由InGaN、GaN或AlGaN等构成的阻挡层。又，在欲得到短波长的发光光的情况下，量子阱层也可以InAlGaN。
p型半导体层15可以使用带隙比发光层14大的p型的III-V族氮化物系化合物半导体。由此，能够对p型半导体层15赋予作为p型包覆层的功能。p型半导体层15可以使用以InhAliGa1-h-iN(0≤h＜1、0≤i＜1、h+i＜1)表示的化合物的单层膜或叠层膜。特别是，通过至少在与发光层14接触的层中使用含有Al且不含有In的AlGaN，能够将电子有效封闭于发光层14，从而能够提高发光效率。
掺杂于p型半导体层15中的p型杂质可以使用镁、锌(Zn)、镉(Cd)或碳(C)等，不过优选使用处理容易的Mg。p型杂质的浓度优选是1×1019cm-3以上且5×1020cm-3以下。若p型杂质浓度比1×1019cm-3低，则发光元件的工作电压变高。若p型杂质浓度比5×1020cm-3高，则p型半导体层15的结晶性因高浓度地掺杂了p型杂质这一情况而变差，并且p型杂质向发光层14的扩散变得显著，从而发光效率降低。
p型半导体层15的厚度优选是50nm以上且500nm以下。若比50nm薄，则p侧电极16的构成金属通过电迁移而侵入到发光层14，从而发光元件的寿命降低，若比500nm厚，则电流(空穴)经过p型半导体层15之际的电压下降增大，从而发光元件的工作电压变高。
能够在设p型半导体层15为叠层膜的情况下，设与p侧电极16接触的膜为带隙比较小GaN或InGaN。由此，能够减小p侧电极16和p型半导体层15的接触电阻，从而能够有效地降低工作电压。
当在p型半导体层15中掺杂浓度比较高的p型杂质时，为了抑制p型杂质向发光层14的过剩扩散，优选在发光层14和p型半导体层15之间导入中间层。该中间层可以使用InAlGaN等III-V族氮化物系化合物半导体，不过在使用了GaN或AlGaN的情况下，能够良好地确保与发光层14的界面的结晶性。中间层为了起到作为在发光层14的方向上扩散的p型杂质的吸收层的作用，优选不掺杂。中间层的厚度优选在1nm以上且50nm以下的范围。若比1nm薄，则抑制p型杂质向发光层14的扩散的效果变小，若比50nm厚，则空穴向发光层14的注入效率降低，从而发光效率降低。
p侧电极16可以使用金(Au)、镍(Ni)、铂(Pt)、钯(Pd)或镁(Mg)等的单体金属膜或它们的合金膜或叠层膜。特别是，若使用相对发光波长的反射率高的银(Ag)、铂(Pt)、镁(Mg)、铝(Al)、锌(Zn)、铑(Rh)、钌(Ru)或钯(Pd)等金属，则能够使从发光层14朝向p侧电极16侧的光反射，并从基板10的背面侧导出，所以可以提高发光强度。
n侧电极17形成于通过除去含有In的n型半导体层12、n型包覆层13、发光层14及p型半导体层15的一部分而露出的n型接触层11的露出部分。通过这样配置n侧电极17，能够设基板10的背面为主发光面，从而能够在主发光面得到均匀的面发光。
n侧电极17可以使用铝(Al)或钛(Ti)等的单体金属膜。又，也可以使用含有铝(Al)、钛(Ti)、金(Au)、镍(Ni)、钒(V)或铬(Cr)等的合金膜或叠层膜。
又，也可以在发光层14和半导体层15之间形成p型包覆层。p型包覆层优选由具有比发光层14的带隙大的带隙的III-V族氮化物系化合物半导体形成，特别是由掺杂了Mg等p型杂质的、一般式以AljGa1-jN(0≤j＜1)表示的化合物构成。通常，为了形成具有良好的结晶性的p型包覆层，以比适合于发光层14的生长的温度高的生长温度形成p型包覆层。因此，在使发光层14生长之后，将容器温度升温到p型包覆层的生长温度期间，有时构成发光层14的铟及氮气等的构成元素离解等，从而发光层14的结晶性劣化。因此，在形成了发光层14之后，一边升温一边使p型包覆层的一部分连续地生长，在容器温度上升到适合于p型包覆层的生长的温度之后，使剩余的p型包覆层继续生长，由此可以有效地防止发光层14的结晶性的劣化。此时，一边升温一边生长的p型包覆层的一部分优选设为一般式以AlkGa1-kN(0≤k＜1、k≤j)表示的组成。因为能够提高如下的效果与发光层14接触形成，充分发挥作为p型包覆层的功能，并且防止因发光层14的构成元素的离解等而导致的结晶性的劣化。
以下，参照

第一实施方式的发光元件的特性。图3表示包含形成于基板10上的发光层14的、由III-V族氮化物系化合物半导体构成的叠层膜的光致发光的强度的分布。光致发光强度由作为激励光源使用了波长325nm的He-Cd激光的、光致发光映像装置以1mm的节距测定。另外，用于测定的基板的直径是50mm。
如图3所示可以明确知道在未设置含有In的n型半导体层12的、现有的由III-V族氮化物系化合物半导体构成的叠层膜中，光致发光强度的标准偏差是32.9％，偏差非常大，相对于此，在设置了含有In的n型半导体层12的、本发明的由III-V族氮化物系化合物半导体构成的叠层膜中，标准偏差是4.1，在基板上均匀地形成了发光层14。
又，若以20mA的正向电流驱动本实施方式的发光元件，则波峰发光波长发光为约470nm的蓝色，能够使基板10的背面均匀地面发光。此时的发光输出在各自的发光二极管间偏差小，约6mV，是大致一定的。又，正向工作电压也约3.0V，是大致一定的。另一方面，在未设置含有In的n型半导体层12的情况下，发光输出的偏差在3mW～6mW之间，工作电压的偏差也在3.0V至3.3V之间。
如以上说明所述，就本发明的第一实施方式的发光元件而言，含有In的n型半导体层12设置于基板10和发光层14之间。因此，能够抑制在形成于基板10上的半导体层产生因对基板10研磨之际产生的损坏及基板表面的偏离角的偏差而导致的不规则的应变，或异常生长。其结果是，能够抑制在基板10上形成的多个发光元件的特性的偏差。又，也可以使在多个基板10上分别形成的发光元件的特性一致。
另外，基板10的表面可以通过反应性离子蚀刻法蚀刻。被蚀刻的基板与只研磨的基板相比损坏少。
例如，在将基板10的表面研磨成平坦的镜面后，将GaN基板10设置于反应性离子蚀刻装置内，作为处理气体以10mL/min(1013hPa、0℃)的流量流动氯气，并设高频功率为100W、基板温度为50℃，蚀刻约100nm厚度的GaN基板10的表面。在被蚀刻的基板10上依次叠层n型接触层11、含有In的n型半导体层12、n型包覆层13、发光层14及p型半导体层15，然后测定光致发光强度的晶片面内分布，结果是直径50mm的基板内的光致发光强度的标准偏差是3.0％。
在使用了研磨后进行蚀刻的基板的情况，与使用了只研磨的基板的情况相比，光质发光强度的偏差较小。这是因为，通过蚀刻能够减少基板表面的损坏。
进而，在将电极形成于这样形成的半导体层叠层体之后，进行安装，测定发光输出及工作电压。在以20mA的正向电流驱动的情况下，波峰发光波长发光为470nm的蓝色，能够均匀地面发光。此时的发光输出在各自的发光二极管间偏差较小，约6mW，大致一定。又，正向工作电压也约3.0V，大致一定。
(第一实施方式的第一变形例)以下，参照

本发明的第一实施方式的第一变形例的发光元件。图4表示本变形例的发光元件的剖面结构。在图4中对与图1相同的结构要素标注相同的符号，省略说明。
如图4所示，本变形例的发光元件在n型接触层21和基板10之间具备载流子浓度比n型接触层21低的n型隔离层31。N型隔离层31可以与n型接触层21同样使用一般式以IneAlfGa1-e-fN(0≤e＜1、0≤f＜1、e+f＜1)表示的化合物。
这样，通过设为叠层了载流子浓度低的n型隔离层31和载流子浓度高的n型接触层21的结构，可以减薄与n侧电极17接触的n型接触层21的厚度，提高载流子浓度。为了提高n型接触层21的上面的结晶性，n型接触层21需要某种程度的厚度。但是，在增厚载流子浓度高的n型接触层21的厚度的情况下，容易产生裂纹。
但是，在本实施方式中，由于载流子浓度低且不易产生裂纹的n型隔离层31设置于n型接触层21和基板10之间，因此即使减薄n型接触层21的厚度，也能够提高n型接触层21的上面的结晶性。又，能够在发光层14和基板10之间设置间隔，从而能够防止发光层被基板10表面的杂质污染。
在该情况下，n型隔离层31的载流子浓度优选是1×1017cm-3以上且不足2×1018cm-3。若n型隔离层31的载流子浓度比1×1017cm-3低，则n型隔离层31的串联电阻变大，从而元件的工作电压变高，若载流子浓度成为2×1018cm-3以上，则容易产生裂纹。
n型接触层21的载流子浓度优选2×1018cm-3以上且不足1×1019cm-3。若n型接触层21的载流子浓度比2×1018cm-3低，则难以充分地降低与n侧电极17之间的接触电阻，若成为1×1019cm-3以上，则该层的结晶性变差，在n型接触层21上生长的发光层14等的结晶性变差，从而发光输出降低。
另外，所述n型接触层21比n型隔离层31薄，优选是100nm以上500nm以下。n型接触层21的厚度薄到100nm，则很难进行对露出n型接触层21的表面的蚀刻的控制。另外，如果n型接触层21比500nm更厚，则n型接触层21的结晶性变差，从而在n型接触层21上生长的发光层14等的结晶性变差，使发光输出降低。
n型隔离层31的厚度优选是1μm以上且5μm以下。若n型隔离层31的厚度比1μm薄，则有元件的串联电阻变大，工作电压变高的倾向，若比5μm厚，则变得容易产生裂纹。
(第一实施方式的第二变形例)以下，参照

本发明的第一实施方式的第二变形例的发光元件。图5表示本变形例的发光元件的剖面结构。在图5中对与图1相同的结构要素标注相同的符号，省略说明。
如图5所示，就本变形例的发光元件而言，含有In的n型半导体层12设置于n型接触层21和n型隔离层31之间。这样即使在将n型接触层21设置于含有In的n型半导体层12的上侧的情况下，也可以通过含有In的n型半导体层12缓和基板10的损坏。
当在n型隔离层31和n型接触层21之间未设置含有In的n型半导体层12的情况下，为了确保n型接触层12的上面的结晶性，需要将n型隔离层31和n型接触层21的合计厚度设为2μm以上。但是，如本变形例所述，通过将含有In的n型半导体层12设置于n型隔离层31和n型接触层21之间，即使在将n型隔离层31和n型接触层21的合计厚度设为2μm以下的情况下，也可以确保n型接触层21的上面的结晶性。不过，若合计的厚度过薄，则由于在n型接触层21上形成的n型包覆层13及发光层14的结晶性变差，因此合计的厚度优选是1μm以上。这样，通过减薄n型隔离层31及n型接触层21的厚度，能够容易地形成，并且缩短形成时间。
又，n型隔离层31及n型接触层21的厚度的比率并不特别地限定，不过若设n型接触层21比n型隔离层31厚，则容易制造。
另外，在使n型接触层21的厚度充分厚的情况下，也可以不设置n型隔离层31，而将含有In的n型半导体层12直接设置于基板10上。
(第二实施方式)参照

本发明的第二实施方式的由III-V族氮化物系化合物半导体构成的发光元件及其制造方法。图6表示本发明的第二实施方式的发光元件的剖面结构。另外，在图6中对与图5相同的结构要素标注相同的符号，省略说明。
如图6所示，在本实施方式的发光元件中，设发光层14为交替地叠层了由InGaN构成的量子阱层14a和由GaN构成的阻挡层14b的结构。另外，量子阱层14a也可以不是InGaN而是GaN等，阻挡层14b只要使用带隙比量子阱层14a大的半导体层即可，也可以不使用GaN而使用AlGaN、InGaN、InAlGaN等。通过这样构成，可以经由370nm～660nm左右的较广范围实现发光元件。
在发光层14这样具有量子阱结构的情况下，通过设置含有In的n型半导体层12，也可以降低基板10的表面的损坏的影响，减小在半导体基板10上形成的发光元件的特性的偏差。
图7(a)及(b)分别表示设置了含有In的n型半导体层12的情况的发光元件的发光输出的分布及未设置含有In的n型半导体层12的情况的发光元件的发光输出的分布。另外，用于测定的发光元件的量子阱层14a的厚度是1.5nm。
另外，为了测定，使用从直径50mm的基板10切成为一边是320μm的方形的、约19000个芯片。将在透明的粘着薄膜上载置的芯片载置于自动探测器检查装置的XY台，将探针依次抵压于各芯片的p侧电极16和n侧电极17，在电极间通电0.01秒的20mA的电流，由此依次测定各芯片的发光输出。发光输出通过对由在粘着薄膜的下侧配置的受光元件受光的光的强度乘以常数，而换算为通过积分球计算的光输出的值。又，存在于从基板10的周缘至1mm的区域中的约2000个发光元件不是测定对象。
如图7(a)所示，在设置了含有In的n型半导体层12的情况下，发光元件的发光输出的平均值是7.3mW，标准偏差是0.4mW，几乎不产生偏差。另一方面，如图7(b)所示，在未设置含有In的n型半导体层12的情况下，发光元件的发光输出的平均值是5.8mW，标准偏差是1.2mW，与设置了含有In的n型半导体层12的情况相比，发光输出降低且偏差变大。由此可以明确知道，通过设置含有In的n型半导体层12，能够减小发光输出的偏差。
在设发光层为量子阱结构的情况下，优选设量子阱层14a的厚度为1nm以上。在量子阱层14a的厚度是1nm以下的情况下，发光输出较大地降低。
图8表示发光元件的量子阱层14a的厚度和发光元件的发光输出的关系。如图8所示，若设量子阱层14a的厚度为1.0nm以下，则发光输出急剧地减少。这是因为，因量子阱层14a的厚度变薄，而容易产生载流子的溢出。
又，量子阱层14a的厚度优选是2.5nm以下。若量子阱层14a的厚度变厚，则因基板表面的偏离角的偏差，而在发光元件的特性上产生偏差。
图9按量子阱层14a的厚度表示基板10的发光元件的形成位置和工作电压的关系。另外，在图9中，纵轴表示发光元件的工作电压，横轴以从基板10的中心的距离表示发光元件的形成位置。
在量子阱层14a的厚度是2.5nm以下的情况下，就形成于基板10的任何位置的发光元件而言，发光元件的工作电压低，无法确认工作电压的偏差。但是，在量子阱层14a的厚度是2.7nm以上的情况下，越形成于基板的中心部的发光元件，工作电压越高。
这是因为，由InGaN构成的量子阱层14a的电阻率依存于基板10的表面的偏离角及量子阱层14a的厚度。由InGaN构成的量子阱层14a与由GaN构成的包覆层相比，在低温且不含有氢的气氛下生长。因此，在生长的表面比较不易产生迁移。因而，在结晶面的偏离角接近0的基板10的中央部附近，在表面台阶少，容易引起3维的岛状生长。在量子阱层14a的厚度较厚的情况下，该倾向变得特别地显著。
另一方面，在偏离角比较大的基板的周缘部，由于表面的台阶密度变高，因此变得容易进行2维的台阶生长。因此，在量子阱层14a的厚度较厚的情况下，在偏离角较小的基板10的中央部附近，量子阱层14a的电阻率变高，在偏离角比较小的基板10的周缘部，量子阱层14a的电阻率变低。
图10(a)及(b)分别表示对设量子阱层14a的厚度为1.5nm的发光元件外加电压的情况的工作电压的分布及对设量子阱层14a的厚度为3.0nm的发光元件外加电压的情况的工作电压的分布。另外，使用自动检查探测器，测定从直径50mm的基板切成为一边是320μm的方形的、约19000个芯片。又，存在于从基板10的周缘至1mm的区域中的约2000个发光元件不是测定对象。
如图10(a)所示，在设量子阱层14a的厚度为1.5nm的情况下，发光元件的工作电压的平均值是3.05V，标准偏差是0.01V，分布于极其狭窄的范围。另一方面，如图10(b)所示，在设量子阱层14a的厚度为3.0nm的情况下，工作电压的平均值是3.18V，标准偏差是0.12V，与量子阱层14a的厚度是1.5nm的情况相比，工作电压上升，偏差变大。
如以上说明所述，本发明的第二实施方式的发光元件由于含有In的n型半导体层12设置于基板10和发光层14之间，因此能够抑制因对基板进行研磨之际产生的损坏及偏离角的偏差的影响，而在形成于基板10上的半导体层产生不规则的应变，从而发光元件的特性产生偏差这一情况。又，由于减薄量子阱层14a的厚度，因此能够可靠地抑制发光元件的发光输出及工作电压等特性因基板10的表面的偏离角的偏差而产生偏差。因此，可以使在1片基板上形成的多个发光元件的特性一致。又，也可以使在多个基板上分别形成的各发光元件的特性一致。
以下，说明第二实施方式的发光元件的制造方法。
首先，通过卤化物气相生长法在蓝宝石基板的表面生长约370μm的厚度的GaN的单结晶膜，然后通过从蓝宝石基板的背面照射波长355nm的钇铝石榴石(YAG)激光，从蓝宝石基板剥离单结晶膜。
接着，将剥离了GaN的单结晶膜的一侧朝下，贴附于保持用的圆盘，使用研磨装置，通过含有金刚石的微粒子的砥粒将表面研磨为平坦的镜面。然后，从圆盘剥离GaN单结晶膜，通过有机溶剂及酸溶液冲洗。这样，得到由GaN单结晶膜构成的厚度约350μm、直径约50mm的由GaN构成的基板10。
接着，在将基板10载置于反应管内的基板保持器之后，以1060℃将基板10的温度保持10分钟，并一边流动氢气、氮气及氨气一边加热基板10，由此除去附着于基板10的表面上的有机物等的杂质或水分，并且提高基板10的表面的结晶性。
接着，一边作为主载流子气体流动氮气及氢气，一边供给氨气、三甲基镓(TMG)及单硅烷，由此使由掺杂了Si的GaN构成的厚度400nm的n型隔离层31生长。
在使n型隔离层31生长之后，使基板10的温度下降到750℃，在维持该温度的状态下，一边作为主载流子气体流动氮气，一边供给氨气、TMG、三甲基铟(TMI)、三甲基铝(TMA)及单硅烷，由此使掺杂了Si、厚度50nm、由InAlGaN构成且含有In的n型半导体层。
接着，将基板10的温度加热到1060℃，一边作为主载流子气体流动氮气及氢气，一边供给氨气、TMG、及单硅烷，由此使掺杂了Si、由GaN构成且厚度600nm的n型半导体层21生长。
在使n型半导体层21生长之后，在将基板10的温度保持为1060℃的状态下，一边作为主载流子气体流动氮气及氢气，一边供给氨气、TMG及TMA，由此使厚度20nm、非掺杂且由AlGaN构成的n型包覆层13生长。
在使n型包覆层13生长之后，将基板10的温度下降到700℃，一边作为主载流子气体流动氮气，一边供给氨气、TMG及TMI，由此得到厚度1.5nm、非掺杂且由InGaN构成的量子阱层结构的量子阱层14a。在使量子阱层14a生长之后，停止供给TMI，供给氨气及TMG，由此形成非掺杂、由GaN构成且厚度10nm的阻挡层14b。通过重复同样的顺序，形成由4周期的量子阱层14a及3周期的阻挡层14b构成的发光层14。
在使发光层14生长之后，一边作为主载流子气体流动氮气，一边供给氨气、TMG及TMA，并且将基板10的温度朝向1000℃升温。在基板10的温度达到了1000℃之后，一边作为主载流子气体流动氮气及氢气，一边供给氨气、TMG、TMA及茂基镁(Cp2Mg)，使掺杂了Mg、厚度200nm且由AlGaN构成的p型半导体层15。
在使p型半导体层15生长之后，停止供给TMG、TMA及Cp2Mg，一边流动氮气及氨气，一边将基板10的温度冷却到室温左右，从反应管导出基板10，该基板10在表面形成有由III-V族氮化物系化合物半导体构成的叠层膜。
在这样形成的由III-V族氮化物系化合物半导体构成的叠层膜上，通过CVD法堆积SiO2膜，然后通过光刻和反应性粒子蚀刻，形成部分露出p型半导体层15的表面的由SiO2构成的掩模。
接着，通过反应性粒子蚀刻法，除去p型半导体层15、发光层14、n型包覆层13的一部分，由此使n型接触层21的表面露出。
接着，在通过湿式蚀刻除去了蚀刻用的SiO2掩模之后，通过光刻和蒸镀法，在p型半导体层15的表面上的大至整个面形成依次叠层了Pt、Rh、Ti及Au的厚度约1μm的p侧电极16。进而，通过光刻和蒸镀法，在露出的n型接触层11的上面的一部分依次叠层Ti和Au，蒸镀形成厚度约600nm的n侧电极17。
接着，将基板10的背面朝向外侧并贴附于由陶瓷构成的圆盘上，然后通过对基板10进行磨削及研磨而将厚度调整为100μm。
在从圆盘剥离了基板10之后，从基板10的表面侧照射波长355nm的YAG激光的第三高频谐波，由此将宽度10μm、深度40μm的V槽形成于基板10上。接着，将基板10载置于透明的粘着薄膜上，从基板10的背面侧对应于V槽的位置而抵压切刀，以分别是1边320μm的方形且厚度成为10μm的方式分离芯片。
另外，在本实施方式中，与第一实施方式的第二变形例同样，将n型接触层形成于缓冲用半导体层上，不过也可以如第一实施方式及第一实施方式的第一变形例所述，设置于缓冲用半导体层的下侧。
(第二实施方式的第一变形例)以下，参照

本发明的第二实施方式的一变形例。图11表示本变形例的发光元件的剖面结构。在图11中对与图6相同的结构要素标注相同的符号，省略说明。
如图11所示，就本变形例的发光元件而言，n侧电极17设置于基板10的背面。由此，在含有In的n型半导体层12和n型包覆层13之间不设置n型接触层21而设置有n型的中间层41。
又，在p型半导体层15的上面设置有透光性电极18，从半导体层形成面导出发光光。通过设置透光性电极18，能够减小p侧电极16的面积，所以能够防止p侧电极16的光的吸收。又，由于能够扩展透光性电极18的面积，因此能够在发光层14中流动均匀的电流，所以能够提高发光输出，降低工作电压。透光性电极18只要使用已知的氧化铟钛(ITO)膜等即可。
进而，通过将n侧电极17设置于基板10的背面，就不需要进行使n型接触层的表面露出的蚀刻，从而能够使制造工序简略化。另外，n型中间层41可以使用与第二实施方式的n型接触层21相同的组成的半导体层。
又，在从基板10的背面导出发光光的情况下，也可以将n侧电极17不设置于基板10的背面，而设置于通过除去n型半导体层31、含有In的n型半导体层12、n型中间层41、n型包覆层13、发光层14及p型半导体层15的一部分而露出的基板10的表面。该情况下，设基板10的电子浓度为n型隔离层31的电子浓度以上。通过在电子浓度高的基板10的表面设置n侧电极17，能够减小n侧电极17的欧姆接触电阻，所以能够降低工作电压。
又，n侧电极17也可以形成于通过除去n型中间层41、n型包覆层13、发光层14及p型半导体层15的一部分而露出的含有In的n型半导体层12的表面。通过在带隙小的含有In的n型半导体层12的表面形成n侧电极17，能够减小n侧电极17的欧姆接触电阻。
在本变形例中，表示了将在第二实施方式中表示的发光元件的n型电极设置于基板的背面的例，不过也可以同样地将在第一实施方式或其各变形例中表示的发光元件的n型电极设置于基板的背面。
(第三实施方式)以下，参照

本发明的第三实施方式的发光元件。图12表示第三实施方式的发光元件的剖面结构。在图12中对与图6相同的结构要素标注相同的符号，省略说明。
如图12所示，就本实施方式的发光元件而言，第二实施方式的发光元件将元件形成面朝下地倒装安装于辅助基板51上。在辅助基板51的上面设置有p侧基板电极52及n侧基板电极53。p侧基板电极52和发光元件的p侧电极16经由凸起54而电连接，n侧基板电极53和n侧电极17经由凸起55而电连接。
辅助基板51若由齐纳二极管构成则能够提高静电耐压。也可以不使用齐纳二极管而使用发光二极管、Si二极管或陶瓷等。
p侧基板电极52及n侧基板电极53由Au、Ni、Pt、Pd或Mg等的单体金属膜或它们的合金膜或叠层膜构成。特别是，通过使用相对发光波长的发射率高的Ag、Pt、Mg、Al、Zn、Rh、Ru或Pd等金属，能够更有效地向上方向导出光。
以下，说明第三实施方式的发光元件的制造方法。首先，在设置于辅助基板51的表面的p侧基板电极52和n侧基板电极53分别粘接由Au构成的凸起54及凸起55。凸起的粘接只要使用已知的超声波接合法等即可。
接着，将通过与第一实施方式同样的方法形成的发光元件以组成形成面朝下的方式与粘接有凸起54及凸起55的辅助基板粘接。此时，凸起54和p侧电极16电连接，凸起55和n侧电极17电连接。凸起54和p侧电极16及凸起55和n侧电极17的粘接只要使用已知的超声波接合法等即可。
(第四实施方式)以下，参照

本发明的第四实施方式的照明装置。图13表示用于第四实施方式的照明装置中的发光组件60的剖面结构。如图13所示，粘接有发光元件的辅助基板51以通过Ag糊剂等电连接的状态粘接于导向框架62的杯内。辅助基板50的n侧基板电极经由金属线63与引线框64电连接。引线框62的杯由树脂65模制。
图14表示使用了多个发光组件60的卡型的照明装置70。在照明装置70的表面设置有与配线图案电连接、且对发光组件60供电的供电端子71。
图15表示使用了卡型的照明装置70的、可以与圆管荧光灯置换的照明装置的结构的一例。如图15所示，卡型的照明装置70设置于在主体部80上设置的槽口81，成为可以点灯的状态。主体部80连接有商用电源，也内只有电灯电路。
本发明的照明装置由于具备使用了本发明的发光元件的发光组件，因此各个发光组件的发光输出均匀，能够抑制颜色不均的产生。又，由于各发光组件的工作电压也均匀，因此驱动电路稳定，可靠性也提高。
(工业上的可利用性)本发明的半导体发光元件及照明装置，具有能够实现一种缓和基板受到的损坏及基板表面的偏离角的偏差的影响，形成于半导体基板上且特性一致，并由III-V族氮化物系化合物半导体构成的发光元件的效果，对半导体发光元件及照明装置等是有用的。
权利要求
1.一种半导体发光元件，其具备由III-V族氮化物半导体构成的基板；形成于所述基板的主面上的含有In的第一n型半导体层；及形成于所述第一n型半导体层和所述基板之间的发光层。
2.如权利要求1所述的半导体发光元件，其中，所述基板由氮化镓构成。
3.如权利要求1所述的半导体发光元件，其中，所述基板是所述主面被研磨的基板。
4.如权利要求3所述的半导体发光元件，其中，所述基板是所述主面被蚀刻的基板。
5.如权利要求3所述的半导体发光元件，其中，所述基板是所述主面被平坦化的基板。
6.如权利要求1所述的半导体发光元件，其中，所述发光层具有通过交替地叠层量子阱层和阻挡层而构成的多量子阱层结构，所述量子阱层的厚度是1nm以上且2.5nm以下。
7.如权利要求1所述的半导体发光元件，其中，所述第一n型半导体层由一般式以InaAlbGa1-a-bN(0＜a＜1、0≤b＜1、a+b≤1)表示的化合物构成。
8.如权利要求7所述的半导体发光元件，其中，所述第一n型半导体层中的铝的组成比是3％以下。
9.如权利要求1所述的半导体发光元件，其中，所述第一n型半导体层的厚度是10nm以上且1μm以下。
10.如权利要求1所述的半导体发光元件，其中，还具备形成于所述基板和所述第一n型半导体层之间的第二n型半导体层。
11.如权利要求10所述的半导体发光元件，其中，所述第二n型半导体层由一般式以IncAldGa1-c-dN(0≤c＜1、0≤d＜1、c+d＜1)表示的化合物构成。
12.如权利要求11所述的半导体发光元件，其中，所述第二n型半导体层是n型接触层。
13.如权利要求8所述的半导体发光元件，其中，还具备形成于所述第一n型半导体层和所述发光层之间的第三n型半导体层。
14.如权利要求13所述的半导体发光元件，其中，所述第三n型半导体层是n型接触层。
15.如权利要求1所述的半导体发光元件，其中，还具备形成于所述第一n型半导体层和所述发光层之间的第四n型半导体层。
16.如权利要求15所述的半导体发光元件，其中，所述第四n型半导体层由一般式以AleGax(0≤e＜1)表示的化合物构成。
17.如权利要求16所述的半导体发光元件，其中，所述第四n型半导体层是包覆层。
18.如权利要求17所述的半导体发光元件，其中，所述包覆层的厚度是5nm以上且200nm以下。
19.如权利要求1所述的半导体发光元件，其还具备形成于所述基板和所述发光层之间，且一部分露出的n型接触层；形成于所述n型接触层的露出的部分的n侧电极；形成于所述第一n型半导体层和所述发光层之间的n型包覆层；形成于所述发光层上的p型半导体层；及形成于所述p型半导体层上的p侧电极，并且，被安装成使所述元件形成面与安装用的辅助基板对置。
20.一种照明装置，其具备多个如权利要求1至19所述的半导体发光元件。
全文摘要
在由III－V族氮化物半导体构成的基板(10)的主面上形成有包含发光层(14)的多个半导体层。在发光层(14)和基板(10)之间形成有含有铟的第一n型半导体层(12)，从而可以实现能够缓和基板表面的损坏的影响，且特性一致的半导体发光元件。
文档编号C07K14/59GK1934720SQ200580008768
公开日2007年3月21日 申请日期2005年3月18日 优先权日2004年3月19日
发明者木下嘉将, 龟井英德 申请人:松下电器产业株式会社