專(zhuān)利名稱(chēng)：半導(dǎo)體發(fā)光元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體發(fā)光元件，尤其涉及能將通過(guò)注入電流而產(chǎn)生的光在外部取出的發(fā)光二極管(Light emitting diodeLED)等半導(dǎo)體發(fā)光元件。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體發(fā)光元件，具有體積小而且功耗小，可靠性高等許多優(yōu)點(diǎn)，近幾年也被廣泛用于要求發(fā)亮度高的室內(nèi)外顯示板、鐵道/交通信號(hào)、車(chē)載用燈具等。
例如，采用4元化合物半導(dǎo)體InGaAlP類(lèi)材料作為發(fā)光層的，可以通過(guò)調(diào)節(jié)其組成而使其在從紅色到綠色的很寬的波段內(nèi)發(fā)光。
而且，在本說(shuō)明書(shū)中，所謂“InGaAlP類(lèi)化合物半導(dǎo)體”是指包括使組成式InxGayAl1-x-yP中的組成比x和y，在0≤x≤1、0≤y≤1，其中(x+y)≤1的范圍內(nèi)進(jìn)行變化的所有組成的半導(dǎo)體。
并且，近幾年，已知從藍(lán)色到紫外線(xiàn)波段的發(fā)光二極管的材料采用氮化鎵(GaN)類(lèi)化合物半導(dǎo)體。該類(lèi)材料因?yàn)榫哂兄苯舆w移型的能帶結(jié)構(gòu)，所以能夠獲得高的發(fā)光效率。
而且，在本說(shuō)明書(shū)中，所謂“氮化鎵(GaN)類(lèi)化合物半導(dǎo)體”，是指包括在B1-x-y-zInxAlyGazN(x≤1，y≤1，z≤1，x+y+z≤1)的化學(xué)式中使組成比x、y和z在各自的范圍內(nèi)進(jìn)行變化的所有組成的半導(dǎo)體。例如InGaN(x＝0.4，y＝0，z＝0.6)也包括在“氮化鎵類(lèi)化合物半導(dǎo)體”內(nèi)。
圖15是表示通常的發(fā)光二極管的斷面結(jié)構(gòu)的模式圖。也就是說(shuō)，該發(fā)光二極管具有在基片101上依次對(duì)下側(cè)覆蓋層102、活性層103、上側(cè)覆蓋層104、窗口層105進(jìn)行積層的“雙異質(zhì)型”結(jié)構(gòu)。在窗口層105上設(shè)置上側(cè)電極106，在基片101的背面?zhèn)仍O(shè)置下側(cè)電極107。通過(guò)這些電極106、107，能向活性層103內(nèi)注入電流I(或其相反方向)。
在“雙異質(zhì)型”結(jié)構(gòu)的情況下，上下的覆蓋層102、104，由帶隙大于活性層103的半導(dǎo)體構(gòu)成。并且，把通過(guò)電極106、107而注入的載流子封閉到活性層103內(nèi)，能提高發(fā)光效率。
存在的問(wèn)題但是，在這種結(jié)構(gòu)的發(fā)光二極管的情況下，存在的問(wèn)題是在活性層103中生成的發(fā)光的部分不能取出到元件外部。
圖16是用于說(shuō)明在活性層103中生成的發(fā)光的取出路徑的模式圖。
如同圖中的例子所示，從活性層103向上方放射的發(fā)光L11可以通過(guò)覆蓋層104、窗口層105取出到外部。并且，從活性層103稍稍向斜下方放出的發(fā)光L12，也能通過(guò)覆蓋層102取出到外部。這樣取出到元件外部的發(fā)光能通過(guò)無(wú)圖示的反射鏡等聚光裝置而向預(yù)定方向進(jìn)行聚光。
與此相反，從活性層103向下方放射的發(fā)光L13，通過(guò)覆蓋層102、基片101，由下側(cè)電極107進(jìn)行反射。但是，存在的問(wèn)題是在有許多半導(dǎo)體發(fā)光元件的情況下，在這種電極和半導(dǎo)體層的邊界附近，形成了為獲得歐姆接觸而進(jìn)行合金化的區(qū)域，對(duì)發(fā)光L13的反射率不一定高。也就是說(shuō)，從活性層103向下側(cè)電極107放射的發(fā)光L13在合金化區(qū)域內(nèi)被吸收，所以不容易充分高效率地向外部取出發(fā)光。
并且，從活性層103放射，以淺的角度射入到元件側(cè)面等內(nèi)的發(fā)光L14向元件內(nèi)部反射。這是因?yàn)闃?gòu)成元件的基片101等的材料方面，光折射率高于外側(cè)的媒質(zhì)(例如大氣和氮?dú)獾?，光產(chǎn)生全反射。若產(chǎn)生這種全反射，則出現(xiàn)的問(wèn)題是發(fā)光L14被封閉在元件內(nèi)部，在與電極的合金化區(qū)域和活性層103等中被吸收，產(chǎn)生損耗。
再者，另一方面存在的問(wèn)題是在活性層103的內(nèi)部所產(chǎn)生的發(fā)光的一部分，不能取出到活性層103的外側(cè)。
圖17是說(shuō)明在活性層內(nèi)部產(chǎn)生的發(fā)光的取出路徑用的模式圖。例如在活性層103內(nèi)部的發(fā)光點(diǎn)EP產(chǎn)生發(fā)光的情況下，向上方放射的發(fā)光L15能從活性層103通過(guò)覆蓋層104而取出。與此相反，從發(fā)光點(diǎn)EP向活性層103的面內(nèi)方向上傾斜放射的發(fā)光L16，在與覆蓋層104的界面上進(jìn)行全反射。這是因?yàn)?，一般活性?03的折射率大于覆蓋層104。
若產(chǎn)生這種全反射，則發(fā)光L16變成被封閉在活性層103中的狀態(tài)，在活性層103中進(jìn)行波導(dǎo)，被吸收。
產(chǎn)生這種全反射的臨界角度θc，例如在活性層103和覆蓋層104的折射率之差為0.5的情況下，約為60度。也就是說(shuō)，在從發(fā)光點(diǎn)EP中放射的光中，約1/3的光在與覆蓋層104的界面上進(jìn)行全反射，被封閉在活性層內(nèi)進(jìn)行波導(dǎo)，被吸收的可能性增大。
如以上說(shuō)明的那樣，在過(guò)去的半導(dǎo)體發(fā)光元件中，從活性層中放射的光取出到外部的效率不一定高。并且，也還存在這樣的問(wèn)題在活性層中產(chǎn)生的發(fā)光的一部分被封閉在活性層內(nèi)部，從而被吸收。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是鑒于對(duì)上述問(wèn)題的認(rèn)識(shí)而做出的，其特征在于提供能提高從活性層中取出光的效率，同時(shí)能把該光高效率地取出到元件的外側(cè)的半導(dǎo)體發(fā)光元件。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的第1半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于具有第1半導(dǎo)體層；半導(dǎo)體發(fā)光層，它有選擇地被設(shè)置在上述第1半導(dǎo)體層上；高阻的電流區(qū)層，它被設(shè)置在上述第1半導(dǎo)體層上的上述半導(dǎo)體發(fā)光層的周?chē)?
第2半導(dǎo)體層，它被設(shè)置在上述半導(dǎo)體發(fā)光層和電流區(qū)層上；第1電極，它被設(shè)置在上述第2半導(dǎo)體層上；以及，第2電極，它被設(shè)置在上述第1半導(dǎo)體層的背面上，從上述半導(dǎo)體發(fā)光層放射出的光的一部分通過(guò)上述第1半導(dǎo)體層而被放射到外部，從上述半導(dǎo)體發(fā)光層放射出的光的一部分通過(guò)上述第2半導(dǎo)體層而被放射到外部。
若采用上述結(jié)構(gòu)，則能提供能提高從活性層中取出光的效率，同時(shí)能把該光高效率地取出到元件外部的半導(dǎo)體發(fā)光元件。
并且，本發(fā)明的第2半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于具有第1半導(dǎo)體層；多個(gè)半導(dǎo)體發(fā)光層，它互相分離而有選擇地被設(shè)置在上述第1半導(dǎo)體層上；高阻的電流區(qū)層，它在上述第1半導(dǎo)體層上的上述多個(gè)半導(dǎo)體發(fā)光層之間被設(shè)置在半導(dǎo)體發(fā)光層上；第2半導(dǎo)體層，它被設(shè)置在上述半導(dǎo)體發(fā)光層和電流區(qū)層上；第1電極，它被設(shè)置在上述第2半導(dǎo)體層上；以及第2電極，它被設(shè)置在上述第1半導(dǎo)體層的背面上，從上述半導(dǎo)體發(fā)光層放射出的光的一部分通過(guò)上述第1半導(dǎo)體層而被放射到外部，從上述半導(dǎo)體發(fā)光層放射出的光的一部分通過(guò)上述第2半導(dǎo)體層而被放射到外部。
采用上述結(jié)構(gòu)，也能提供能提高從活性層中取出光的效率，同時(shí)能把該光高效率地取出到元件的外側(cè)的半導(dǎo)體發(fā)光元件。
在上述第2半導(dǎo)體發(fā)光元件中，上述多個(gè)半導(dǎo)體發(fā)光層的間隔，在上述半導(dǎo)體發(fā)光元件的中央附近較寬，在周邊附近較窄。
并且，上述多個(gè)半導(dǎo)體發(fā)光層的間隔，也可以是在上述半導(dǎo)體發(fā)光元件的中央附近較窄，在周邊附近較寬。
再者，在上述任一半導(dǎo)體發(fā)光元件中，也都可以是上述電流區(qū)層是在與上述半導(dǎo)體發(fā)光層相同的主要成分的材料中摻入不同的雜質(zhì)而成的。
并且，上述電流區(qū)層是由帶隙大于上述半導(dǎo)體發(fā)光層的半導(dǎo)體構(gòu)成的。
在此情況下，還可以具有第1覆蓋層，它被設(shè)置在上述第1半導(dǎo)體層和上述半導(dǎo)體發(fā)光層之間，由帶隙大于上述半導(dǎo)體發(fā)光層的半導(dǎo)體構(gòu)成；以及第2覆蓋層，它被設(shè)置在上述第2半導(dǎo)體層和上述半導(dǎo)體發(fā)光層之間，由帶隙大于上述半導(dǎo)體發(fā)光層的半導(dǎo)體構(gòu)成，上述電流區(qū)層由折射率低于上述半導(dǎo)體發(fā)光層、折射率高于上述第1和第2覆蓋層的半導(dǎo)體構(gòu)成。
另一方面，在上述任意半導(dǎo)體發(fā)光元件中也都可以是上述第1和第2半導(dǎo)體層的至少任一個(gè)具有在其側(cè)面上被形成為斜面狀的部分。
并且，上述第1和第2半導(dǎo)體層的至少任一個(gè)由GaP構(gòu)成，上述半導(dǎo)體發(fā)光層包括InGaAlP。
再者，上述半導(dǎo)體發(fā)光層的尺寸若是20微米以下，則具有實(shí)用性的結(jié)構(gòu)參數(shù)的發(fā)光二極管能切實(shí)提高亮度。
并且，還具有一種導(dǎo)電層，該導(dǎo)電層被設(shè)置在上述第1半導(dǎo)體層和上述第2電極之間、以及上述第2半導(dǎo)體層和上述第1電極之間的至少任一處，上述導(dǎo)電層，由與半導(dǎo)體不同的材料構(gòu)成，而且能使從上述半導(dǎo)體發(fā)光層放射出的光透過(guò)。例如，其優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)將其粘貼在由導(dǎo)電性塑料等構(gòu)成的基片上，即可很容易地進(jìn)行厚度的控制和加工。


圖1是表示涉及本發(fā)明第1實(shí)施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件的斷面結(jié)構(gòu)的模式圖。
圖2是說(shuō)明從發(fā)光層EM中取出的光的路徑的模式圖。
圖3是表示涉及本發(fā)明第2實(shí)施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件的斷面結(jié)構(gòu)的模式圖。
圖4是說(shuō)明第2實(shí)施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件中的取出光的路徑的模式圖。
圖5是舉例表示第2實(shí)施方式中發(fā)光層EM的平面形狀和布置關(guān)系的模式圖。
圖6是舉例表示第2實(shí)施方式中發(fā)光層EM的布置關(guān)系的模式斷面圖。
圖7是舉例表示第2實(shí)施方式中發(fā)光層EM的布置關(guān)系的模式斷面圖。
圖8是表示利用光線(xiàn)跟蹤法計(jì)算出的活性層尺寸和亮度的關(guān)系的曲線(xiàn)圖。
圖9是表示涉及本發(fā)明第1實(shí)施例的半導(dǎo)體發(fā)光元件的斷面結(jié)構(gòu)的模式圖。
圖10是表示涉及本發(fā)明第2實(shí)施例的半導(dǎo)體發(fā)光元件的斷面結(jié)構(gòu)的模式圖。
圖11是表示涉及本發(fā)明第3實(shí)施例的半導(dǎo)體發(fā)光元件的斷面結(jié)構(gòu)的模式圖。
圖12是表示涉及本發(fā)明第4實(shí)施例的半導(dǎo)體發(fā)光元件的斷面結(jié)構(gòu)的模式圖。
圖13是說(shuō)明第4實(shí)施例的發(fā)光元件中的光取出路徑用的模式圖。
圖14是表示涉及本發(fā)明第5實(shí)施例的半導(dǎo)體發(fā)光元件的斷面結(jié)構(gòu)的模式圖。
圖15是表示通常的發(fā)光二極管的斷面結(jié)構(gòu)的模式圖。
圖16是說(shuō)明在活性層103中產(chǎn)生的光的取出路徑用的模式圖。
圖17是說(shuō)明在活性層內(nèi)部所產(chǎn)生的光的取出路徑用的模式圖。
具體實(shí)施例方式
以下參照附圖，詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式。
圖1是表示涉及本發(fā)明第1實(shí)施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件的斷面結(jié)構(gòu)的模式圖。也就是說(shuō)，本實(shí)施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件具有分別在發(fā)光層(活性層)EM的上下設(shè)置了透射層WL的結(jié)構(gòu)。發(fā)光層EM從平面看，制作的圖形小于元件整體尺寸。并且，發(fā)光層EM周?chē)呻娏鲄^(qū)層CB進(jìn)行包圍。并且，在透射層WL的上下，分別設(shè)置了上側(cè)電極UE和下側(cè)電極LE。而且，在發(fā)光層EM的上下，也可設(shè)置無(wú)圖示的覆蓋層，形成“雙異質(zhì)型”的結(jié)構(gòu)。
上下的透射層WL可以由半導(dǎo)體及其他導(dǎo)電性材料構(gòu)成。也就是說(shuō)，透射層WL例如可以是使半導(dǎo)體基片和半導(dǎo)體層進(jìn)行外延生長(zhǎng)。并且，也可以利用半導(dǎo)體以外的導(dǎo)電性材料來(lái)形成這些透射層WL的整體或一部分。具體來(lái)說(shuō)，也可以通過(guò)把導(dǎo)電性塑料等粘貼到半導(dǎo)體層上而制成透射層WL。
在該半導(dǎo)體發(fā)光元件的情況下，通過(guò)上下的電極UE、LE來(lái)向發(fā)光層EM中注入電流，以產(chǎn)生發(fā)光。這時(shí)在發(fā)光層EM周?chē)O(shè)置了電流區(qū)層CB，所以，能使電流集中在發(fā)光層EM中。并且，若采用本實(shí)施方式，則通過(guò)設(shè)置發(fā)光層EM將其限定在元件中心附近，能提高光取出效率，使其高于過(guò)去的發(fā)光元件。
圖2是說(shuō)明從發(fā)光層EM中取出光的路徑的模式圖。例如從發(fā)光層EM向上方放射的發(fā)光L1，能通過(guò)上側(cè)的透射層WL從電極UE周?chē)〕龅酵獠俊?br> 另一方面，從發(fā)光層EM向斜下方放射的發(fā)光L2能通過(guò)下側(cè)的透射層WL而取出到元件的外部。這時(shí)，發(fā)光層EM，因?yàn)橹谱鞯膱D形小于元件的平面尺寸，所以，能使從發(fā)光層EM放射出的發(fā)光L2以接近垂直的角度射入到元件的側(cè)面上。也就是說(shuō)，若與圖16相比較，則可看出，在本實(shí)施方式中，能減小圖2所示的發(fā)光L2的入射角θ。其結(jié)果，能抑制元件側(cè)面上的發(fā)光L2的全反射，取出到外部。而且，不僅限于發(fā)光元件的側(cè)面，在上面和下面等發(fā)光元件與其外部的所有邊界面上均能獲得同樣的效果。
再者，因?yàn)闇p小了發(fā)光層EM的圖形，所以，關(guān)于圖17，如上所述，被封閉在其內(nèi)部而進(jìn)行波導(dǎo)傳輸?shù)陌l(fā)光L3，可以從發(fā)光層EM側(cè)面(端面)上取出。通過(guò)減小發(fā)光層EM的圖形，能縮短發(fā)光層EM內(nèi)部的波導(dǎo)光的路線(xiàn)，減小吸收所造成的損耗。
這樣向發(fā)光元件周?chē)〕龅陌l(fā)光L1～L3，能夠利用設(shè)置在元件周?chē)姆瓷溏R(無(wú)圖示)等聚光裝置，按預(yù)定方向進(jìn)行聚光。其結(jié)果，與過(guò)去相比能大幅度提高光的取出效率。
而且，在此，若形成厚的上下窗口層WL，則能增大發(fā)光層EM和上下電極UE、LE的距離，所以能減小被該電極遮擋的發(fā)光的比例。而且，如下所述，作為形成厚的窗口層WL的方法，可以采用晶片結(jié)合技術(shù)。
如上所述，若采用本實(shí)施方式，則能通過(guò)在半導(dǎo)體發(fā)光元件中心附近減小形成發(fā)光層EM，來(lái)提高從發(fā)光層EM放射出的光向元件外部取出的效率。也就是說(shuō)，若采用本實(shí)施方式，則能獲得與在發(fā)光元件中心附近布置高亮度“點(diǎn)光源”的結(jié)構(gòu)相似的發(fā)光元件。若采用這種結(jié)構(gòu)，則能抑制放射光在元件表面上的全反射，提高光取出效率。
并且，若采用本實(shí)施方式，則能從發(fā)光層EM的側(cè)面取出被封閉在發(fā)光層EM內(nèi)部進(jìn)行波導(dǎo)傳輸?shù)陌l(fā)光。這時(shí)，通過(guò)減小形成發(fā)光層EM的布線(xiàn)圖形，能減少在發(fā)光層內(nèi)被波導(dǎo)傳輸?shù)陌l(fā)光的吸收，以較高的強(qiáng)度將其取出。
而且，在本實(shí)施方式中，發(fā)光層EM的平面形狀，例如可采用以圓形、多邊形、橢圓形為主的各種圖形形狀。并且，其尺寸和位置也能適當(dāng)決定。例如，發(fā)光層EM從平面來(lái)看，不一定要設(shè)置在元件中心附近，也可以根據(jù)元件的結(jié)構(gòu)設(shè)置在離開(kāi)中心的位置上。
以下說(shuō)明本發(fā)明的第2實(shí)施方式。
圖3是表示涉及本發(fā)明第2實(shí)施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件的斷面結(jié)構(gòu)的模式圖，該圖中對(duì)于和圖1及圖2中所述的內(nèi)容相同的部分，標(biāo)注相同的符號(hào)，其詳細(xì)說(shuō)明從略。
在本實(shí)施方式中，把發(fā)光層(活性層)EM形成為多個(gè)小的島狀。這些發(fā)光層EM之間由電流區(qū)層CB進(jìn)行包圍，能把電流集中在發(fā)光層EM中。這樣一來(lái)，能使通過(guò)上下電極UE、LE而注入的電流集中在發(fā)光層EM中，達(dá)到高效率的發(fā)光。
并且，把這種具有高亮度的點(diǎn)光源排列在元件內(nèi)部，能以更高的效率來(lái)取出光。
圖4是說(shuō)明該第2實(shí)施方式的半導(dǎo)體發(fā)光元件中的取出光的路徑的模式圖，在本實(shí)施方式體中，設(shè)置在元件內(nèi)部的多個(gè)發(fā)光層EM分別作為光源來(lái)使用。并且，這些發(fā)光層EM分別向周?chē)派浒l(fā)光。
例如，若從設(shè)置在上側(cè)電極UE的正下面的發(fā)光層EM來(lái)看，則大致向上方放射的發(fā)光L1被電極UE遮擋，但向斜上方放射的發(fā)光L4不會(huì)被電極UE遮擋，能從元件上面取出。
與此相對(duì)，若從設(shè)置在元件端部附近的發(fā)光層EM來(lái)看，則大致向上方放射的發(fā)光L1不受電極遮擋，能夠取出。但向斜上方放射的發(fā)光L4也能在側(cè)面被全反射。并且，從該發(fā)光層EM的側(cè)面放射的發(fā)光L3，不被遮擋，能取出到元件外部。
這樣，通過(guò)在元件內(nèi)部設(shè)置多個(gè)發(fā)光層EM，能夠分別根據(jù)各個(gè)發(fā)光層EM的部位而互相取長(zhǎng)補(bǔ)短。其結(jié)果從元件整體來(lái)看，能進(jìn)一步提高光取出效率。
而且，在本實(shí)施方式中，多個(gè)發(fā)光層EM的平面形狀、尺寸、布置關(guān)系等，可根據(jù)發(fā)光元件的結(jié)構(gòu)和要求的特性而適當(dāng)?shù)丶右詻Q定。
圖5(a)和(b)是舉例表示第2實(shí)施方式中發(fā)光層EM的平面形狀和布置關(guān)系的模式圖。
例如圖5(a)所示，可以均勻地布置大致為四方形的發(fā)光層EM。并且，如圖5(b)所示，也可以使大致為圓形的發(fā)光層EM布置成交錯(cuò)排列狀態(tài)。除這些具體例子外也還可以使許多發(fā)光層EM的各個(gè)平面圖形的形狀變成以圓形、橢圓、多邊形為主的各種形狀。并且，這些發(fā)光層EM的布置關(guān)系也可以按照互相均等的間隔進(jìn)行設(shè)置，并且，也可以根據(jù)部位不同而改變間隔。
圖6和圖7是舉例表示第2實(shí)施方式中發(fā)光層EM的布置關(guān)系的模式斷面圖。例如圖6所示，可以在發(fā)光元件的中心附近擴(kuò)大發(fā)光層EM的間隔，也就是疏散地進(jìn)行布置，在發(fā)光元件的端部，縮小間隔，也就是密集地進(jìn)行布置。并且，與此相反，也可以如圖7所示，在元件中央附近密集地布置發(fā)光層EM；在元件的端部疏散地布置發(fā)光層EM。
本發(fā)明人對(duì)本實(shí)施方式的一個(gè)具體例子，根據(jù)數(shù)值計(jì)算而評(píng)估了發(fā)光強(qiáng)度。也就是說(shuō)，如圖4和圖5(a)所示，假定是按照等間隔對(duì)平面形狀為正方形的島狀活性層進(jìn)行布置的模式。其中，假定其結(jié)構(gòu)為各活性層由InGaAlP來(lái)構(gòu)成，其周?chē)蒊nAlP覆蓋層進(jìn)行包圍。
并且，發(fā)光元件(芯片)的尺寸是一邊為240微米的正方形狀。并且，對(duì)于在芯片的整個(gè)面上一樣地設(shè)置了活性層的情況下的活性層面積(即240×240平方微米)，把島狀活性層的面積的合計(jì)定為30％。而且活性層的厚度定為0.6微米。
在以上條件下，利用“光線(xiàn)跟蹤法”，計(jì)算出了從各個(gè)島狀活性層向周?chē)腎nAlP層中放射的光的合計(jì)量。
圖8是表示該計(jì)算結(jié)果的曲線(xiàn)圖。也就是說(shuō)，該圖的橫坐標(biāo)是活性層的尺寸(一邊的長(zhǎng)度)，縱坐標(biāo)是亮度。而且，縱坐標(biāo)的亮度對(duì)應(yīng)于從各島狀活性層中放射出的光的合計(jì)量。
從該結(jié)果中，可以看出，隨著活性層尺寸(島尺寸)的減小，亮度在上升。若把活性層尺寸為240微米(即不分割的情況下)的情況下的亮度定為1，則活性層的尺寸約為20微米時(shí)，亮度上升10％；若活性層尺寸進(jìn)一步減小，則亮度急劇上升。
也就是說(shuō)，可以看出，在InGaAlP類(lèi)的發(fā)光二極管，整體采用實(shí)用的結(jié)構(gòu)參數(shù)的情況下，適用本實(shí)施方式時(shí)，若把活性層尺寸(一邊的長(zhǎng)度)定為20微米以下，則亮度顯著改善。
但是，本實(shí)施方式并非僅限于上述具體例，元件結(jié)構(gòu)，例如考慮到上側(cè)電極UE的形狀和位置等，對(duì)多個(gè)發(fā)光層EM的布置關(guān)系和間隔也可適當(dāng)調(diào)節(jié)。
以下參照實(shí)施例，進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式。
第1實(shí)施例圖9是表示涉及本發(fā)明第1實(shí)施例的半導(dǎo)體發(fā)光元件的斷面結(jié)構(gòu)的模式圖。也說(shuō)是說(shuō)，本實(shí)施方式的發(fā)光元件，其結(jié)構(gòu)是按以下順序?qū)aP基片1、InAlP覆蓋層2A、2B、InGaAlP類(lèi)活性層3A、3B、InAlP覆蓋層4A、4B、GaP窗口層5進(jìn)行積層。在覆蓋層2B、活性層3B、覆蓋層4B中導(dǎo)入氧和質(zhì)子等，提高電阻。并且，通過(guò)上下設(shè)置的電極6、7來(lái)向活性層3A內(nèi)注入電流，產(chǎn)生發(fā)光。
在本具體例子的元件的情況下，對(duì)雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的元件周?chē)糠痔岣唠娮瑁苁闺娏骷械街行母浇幕钚詫?A內(nèi)。在該部分所產(chǎn)生的發(fā)光被放射到周?chē)缫陨蠈?duì)圖2所述，由于以接近垂直的角度射入到元件表面或側(cè)面等上，所以難于進(jìn)行全反射。因此，能提高向元件外部的光取出效率。
而且，在此，覆蓋層和活性層可利用MOCVD(金屬有機(jī)物化學(xué)汽相淀積)法進(jìn)行結(jié)晶生長(zhǎng)。并且，基片1和窗口層5的材料采用GaP，故能對(duì)活性層3A的發(fā)光呈透明狀，對(duì)吸收進(jìn)行抑制。但是，GaAs(或InGaAlP類(lèi))類(lèi)半導(dǎo)體，由于和GaP的晶格常數(shù)的差較大，所以在GaP基片上很難直接生長(zhǎng)雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)。
因此，首先在無(wú)圖示的GaAs基片上生長(zhǎng)雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)，使其與GaP基片1上進(jìn)行晶片結(jié)合。然后，把GaAS基片腐蝕除去，在覆蓋層4A、4B上對(duì)GaP窗口層5進(jìn)行晶片結(jié)合或結(jié)晶生長(zhǎng)，即可取得本實(shí)施例的半導(dǎo)體發(fā)光元件。
在此，利用晶片結(jié)合技術(shù)來(lái)使GaP基片或GaP層與覆蓋層進(jìn)行結(jié)合的方法，首先對(duì)這些結(jié)合面進(jìn)行適當(dāng)處理，在預(yù)定環(huán)境中進(jìn)行加熱，使結(jié)合面接觸，按預(yù)定時(shí)間進(jìn)行保溫即可。
第2實(shí)施例圖10是表示涉及本發(fā)明第2實(shí)施例的半導(dǎo)體發(fā)光元件的斷面結(jié)構(gòu)的模式圖。在該圖中，對(duì)于和圖9所述內(nèi)容相同的部分，標(biāo)注相同的符號(hào)，其詳細(xì)說(shuō)明從略。
在本實(shí)施例的發(fā)光元件的情況下，由InAlP覆蓋層2、InGaAlP活性層3、InAlP覆蓋層4構(gòu)成的雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)被形成在元件中心附近，其周?chē)蒊nGaAlP電流區(qū)層8進(jìn)行包圍。在此，如果使電流區(qū)層8相對(duì)活性層3的發(fā)光波長(zhǎng)是透明的組成，那么，從活性層3的側(cè)面(端面)放射出的光L3，能以低損耗從元件側(cè)面向外部放射。
這時(shí)為了減小電流區(qū)層8中的光吸收，希望電流區(qū)層8的帶隙大于活性層3的平均帶隙。另一方面，為了從活性層3的側(cè)面向電流區(qū)層8高效率地取出光，必須防止活性層3中的全反射，希望降低電流區(qū)層8的折射率。也就是說(shuō)，希望電流區(qū)層8的折射率低于活性層的上限的覆蓋層2、4的折射率。
這樣一來(lái)，能夠高效率地從活性層3的側(cè)面向電流區(qū)層取出光，并且，也能抑制該光在電流區(qū)層8中被吸收。
例如，若把InGaAlP表示為In0.5(Ga1-xAlx)0.5P的情況下的Al組成x作為具體的例子，則可采用MQW結(jié)構(gòu)，即上下的覆蓋層2、4用InAlP來(lái)形成；另一方面，活性層3由x＝0.6的阻擋層和x＝0.06的阱層構(gòu)成。這時(shí)，電流區(qū)層8，可以利用Al組成x為0.7～0.8的InGaAlP(即In0.5(Ga0.3Al0.7)0.5P～I(xiàn)n0.5(Ga0.2Al0.8)0.5P)來(lái)形成。
而且，這種電流區(qū)層8可以通過(guò)選擇外延生長(zhǎng)來(lái)形成。也就是說(shuō)，首先在無(wú)圖示的GaAs基片上形成由覆蓋層2、活性層3、覆蓋層4構(gòu)成的雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)，在GaP基片1上進(jìn)行結(jié)合，除去GaAs基片。然后，在雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)的表面的一部分上，形成由SiO2等構(gòu)成的掩模圖形，對(duì)圖形以外的雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行腐蝕去除。
并且，在保存該掩模的狀態(tài)下相對(duì)于發(fā)光波長(zhǎng)是透明的、高電阻(不摻雜)的電流區(qū)層8，與雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)相同厚度地進(jìn)行結(jié)晶生長(zhǎng)。這時(shí)，若在MOCVD法等中適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)生長(zhǎng)條件，則能在掩模上進(jìn)行所謂“選擇外延生長(zhǎng)”，不進(jìn)行結(jié)晶生長(zhǎng)。在除去掩模后，若在雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)上用晶片結(jié)合或結(jié)晶片生長(zhǎng)方法來(lái)形成GaP窗口層5，則制成本實(shí)施例的發(fā)光元件的主要部分。
如以上說(shuō)明的那樣，若采用本實(shí)施例，則在發(fā)光元件中心附近有選擇地設(shè)置活性層3，其周?chē)上鄬?duì)發(fā)光波長(zhǎng)透明而且電阻大的電流區(qū)層來(lái)進(jìn)行包圍，從而能大幅度提高從活性層3中的光取出效率。
第3實(shí)施例圖11是表示涉及本發(fā)明第3實(shí)施例的半導(dǎo)體發(fā)光元件的斷面結(jié)構(gòu)的模式圖，在該圖中，對(duì)于和圖9及圖10中所述內(nèi)容相同的部分，標(biāo)注相同符號(hào)，其詳細(xì)說(shuō)明從略。
本實(shí)施例的發(fā)光元件具有以本發(fā)明第2實(shí)施方式為準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)，包括活性層3的多個(gè)異質(zhì)結(jié)構(gòu)由電流區(qū)層8進(jìn)行包圍而形成。在此，各主要部分的材料，例如可采用與第2實(shí)施例所述內(nèi)容相同的材料。
若采用本實(shí)施例，則如第2實(shí)施方式所述那樣，可以把多個(gè)光源(活性層3)適當(dāng)?shù)夭贾迷诎l(fā)光元件的內(nèi)部，從各光源向周?chē)派涞墓饽芨咝实厝〕龅酵獠?。并且，通過(guò)形成較小的活性層3，能減少在活性層3內(nèi)部被波導(dǎo)傳輸而被吸收所造成的損耗。
本實(shí)施例的發(fā)光元件，也如第1和第2實(shí)施例所述那樣，能使阱結(jié)合技術(shù)和選擇外延生長(zhǎng)組合來(lái)進(jìn)行制造。
并且，也能利用導(dǎo)電性塑料等的和半導(dǎo)體不同的材料來(lái)形成半導(dǎo)體基片1和半導(dǎo)體窗口層5的一部分或全部。例如，在無(wú)圖示的GaAs基片上通過(guò)半導(dǎo)體緩沖層來(lái)生長(zhǎng)雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)，對(duì)其進(jìn)行圖形制作，埋入電流區(qū)層8，進(jìn)一步生長(zhǎng)由半導(dǎo)體構(gòu)成的窗口層5。
然后，腐蝕除去GaAs基片，粘貼到半導(dǎo)體緩沖層的背面上由導(dǎo)電性塑料等的與半導(dǎo)體不同的材料所構(gòu)成的基片上。這樣一來(lái)，能獲得具有和半導(dǎo)體不同的材料構(gòu)成的基片的半導(dǎo)體發(fā)光元件。
在利用導(dǎo)電性塑料等材料作為基片的情況下，獲得的優(yōu)點(diǎn)是，容易加工，也容易控制厚度等。
第4實(shí)施例圖12是表示涉及本發(fā)明第4實(shí)施例的半導(dǎo)體發(fā)光元件的斷面結(jié)構(gòu)的模式圖。在該圖中，對(duì)于和圖9～圖11所示內(nèi)容相同的主要部分，標(biāo)注相同符號(hào)，其詳細(xì)說(shuō)明從略。
在本實(shí)施例中，基片1和窗口層5的側(cè)面分別為傾斜面，在其上下的狹窄面上設(shè)置了電極6、7。若采用這種燈籠狀的結(jié)構(gòu)，則能進(jìn)一步提高光的取出效率。
圖13是說(shuō)明本實(shí)施例的發(fā)光元件中的光取出路徑用的模式圖。若采用本實(shí)施例，則能使從活性層3向周?chē)派涞墓庖越咏怪钡慕嵌壬淙氲桨l(fā)光元件的表面(或側(cè)面)上。其結(jié)果，能減小在元件表面和側(cè)面上被全反射的比例，提高光取出效率。
通過(guò)進(jìn)一步減小上下電極6、7，能減小由這些電極遮擋的光的比例。
也就是說(shuō)，若采用本實(shí)施例，則能使從活性層3放射到周?chē)墓庖愿叩男嗜〕龅酵獠俊?br> 而且，作為本實(shí)施例中的基片1和窗口層5的三維形狀，例如，也可以是圓錐狀的，也可以是多角錐狀的。并且，這些形狀的形成方法，可以采用各種方法，例如利用結(jié)晶方位不同所產(chǎn)生的腐蝕速度的不同的方法，或者從傾斜方向進(jìn)行離子研磨，或者利用RIE(反應(yīng)離子刻蝕)等各向異性腐蝕法進(jìn)行研磨等的方法。
并且，在本實(shí)施例中也和第3實(shí)施例所述一樣，基片1和窗口層5的一部分或全部，可以利用導(dǎo)電性塑料等與半導(dǎo)體不同的材料來(lái)形成。若利用導(dǎo)電性塑料等材料，則容易加工，也容易獲得圖12所示的“燈籠狀”的形狀。
并且，本實(shí)施例也可適用于第2實(shí)施方式。也就是說(shuō)，如圖3～圖7所述那樣，在布置了多個(gè)活性層的發(fā)光元件中，如圖12和圖13所示，也可以把上下的基片1、窗口層5的側(cè)面形成為斜面狀。
第5實(shí)施例圖14是表示涉及本發(fā)明第5實(shí)施例的半導(dǎo)體發(fā)光元件的斷面結(jié)構(gòu)的模式圖。該圖也和圖9～圖13一樣，對(duì)于相同的主要部分，標(biāo)注相同的符號(hào)，其詳細(xì)說(shuō)明從略。
在本實(shí)施例中，在基片1的側(cè)面上設(shè)置傾斜面，提高了從該部分的光取出效率。并且，在上側(cè)(n側(cè))電極6和窗口層5之間，設(shè)置n型接觸層10，降低接觸電阻。
各部分的材料，例如可以采用和第1實(shí)施例所述的內(nèi)容相同。具體例子如下所述。
也就是說(shuō)，基片1是P型GaP(厚度250微米)；覆蓋層2是P型InAlP(厚度1.0微米)；活性層3是對(duì)Al組成x＝0.6的阻擋層(厚度8毫微米)和Al組成x＝0.07的阱層(厚度5毫微米)，進(jìn)行20～40周期積層的MQW(多層量子阱)結(jié)構(gòu)；覆蓋層4是n型InAlP(厚度0.6微米)；窗口層5是Al組成x＝0.3的n型InGaAlP類(lèi)；電流區(qū)層8是Al組成x＝0.7～0.8的InGaAlP；接觸層是n型GaAs(厚度0.1微米)；電極6是AuGe/Au的積層；電極7是AuZn/Au的積層。
在本實(shí)施例中也可通過(guò)在元件中心附近布置活性層3，來(lái)提高光取出效率。并且，在活性層3內(nèi)部進(jìn)行波導(dǎo)傳輸?shù)墓獗晃账p之前能從活性層3的側(cè)面取出。
并且，在本實(shí)施例中也和第3實(shí)施例所述一樣，基片1和窗口層5的一部分或全部，可以利用導(dǎo)電性塑料等與半導(dǎo)體不同的材料來(lái)形成。若利用導(dǎo)電性塑料等材料，則容易加工，也容易獲得圖12所示的“燈籠狀”的形狀。
并且，本實(shí)施例也可適用于第2實(shí)施方式。也就是說(shuō)，如圖3～圖7所述，在布置了多個(gè)活性層的發(fā)光元件中，可以采用圖14所示的結(jié)構(gòu)。
以上參照具體例子說(shuō)明了本發(fā)明的實(shí)施方式。但是本發(fā)明并非僅限于這些具體例子。
例如，關(guān)于以本發(fā)明的半導(dǎo)體發(fā)光元件中所設(shè)置的雙異質(zhì)為主的各主要部分的結(jié)構(gòu)、材料、形狀、厚度和布置關(guān)系，也包括根據(jù)已知的半導(dǎo)體發(fā)光元件由本專(zhuān)業(yè)人員適當(dāng)選用的在內(nèi)。
更具體來(lái)說(shuō)，構(gòu)成本發(fā)明的半導(dǎo)體發(fā)光元件的材料，除InGaAlP類(lèi)化合物半導(dǎo)體以外，也可以采用AlGaAs類(lèi)、InP類(lèi)、氮化鎵(GaN)類(lèi)化合物半導(dǎo)體等各種材料。
發(fā)明的效果如以上詳述的那樣，若采用本發(fā)明，則能通過(guò)在半導(dǎo)體發(fā)光元件中心附近較小地形成發(fā)光層，來(lái)提高從發(fā)光層放射出的光向元件外部取出的效率。
并且，若采用本發(fā)明，則能從發(fā)光層的側(cè)面取出被封閉在發(fā)光層內(nèi)部被波導(dǎo)傳輸?shù)陌l(fā)光。這時(shí)，通過(guò)減小發(fā)光層的圖形，能減少在發(fā)光層內(nèi)被波導(dǎo)傳輸?shù)陌l(fā)光的吸收，能以較高的強(qiáng)度將其取出。
而且，若采用本發(fā)明，則通過(guò)在元件內(nèi)部設(shè)置多個(gè)發(fā)光層，能夠根據(jù)各發(fā)光層的部位而進(jìn)行互相取長(zhǎng)補(bǔ)短，其結(jié)果，從元件整體來(lái)看，能進(jìn)一步提高光的取出效率。
也就是說(shuō)，若采用本發(fā)明，則能提供提高光的取出效率、具有高亮度的半導(dǎo)體發(fā)光元件，在產(chǎn)業(yè)上具有很大優(yōu)點(diǎn)。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于具有第1半導(dǎo)體層；半導(dǎo)體發(fā)光層，它有選擇地被設(shè)置在上述第1半導(dǎo)體層上；高阻的電流區(qū)層，它被設(shè)置在上述第1半導(dǎo)體層上的上述半導(dǎo)體發(fā)光層的周?chē)?；?半導(dǎo)體層，它被設(shè)置在上述半導(dǎo)體發(fā)光層和電流區(qū)層上；第1電極，它被設(shè)置在上述第2半導(dǎo)體層上；以及，第2電極，它被設(shè)置在上述第1半導(dǎo)體層的背面上，從上述半導(dǎo)體發(fā)光層放射出的光的一部分通過(guò)上述第1半導(dǎo)體層而被放射到外部，從上述半導(dǎo)體發(fā)光層放射出的光的一部分通過(guò)上述第2半導(dǎo)體層而被放射到外部。
2.一種半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于具有第1半導(dǎo)體層；多個(gè)半導(dǎo)體發(fā)光層，它互相分離而有選擇地被設(shè)置在上述第1半導(dǎo)體層上；高阻的電流區(qū)層，它在上述第1半導(dǎo)體層上的上述多個(gè)半導(dǎo)體發(fā)光層之間被設(shè)置在半導(dǎo)體發(fā)光層上；第2半導(dǎo)體層，它被設(shè)置在上述半導(dǎo)體發(fā)光層和電流區(qū)層上；第1電極，它被設(shè)置在上述第2半導(dǎo)體層上；以及第2電極，它被設(shè)置在上述第1半導(dǎo)體層的背面上，從上述半導(dǎo)體發(fā)光層放射出的光的一部分通過(guò)上述第1半導(dǎo)體層而被放射到外部，從上述半導(dǎo)體發(fā)光層放射出的光的一部分通過(guò)上述第2半導(dǎo)體層而被放射到外部。
3.如權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于上述多個(gè)半導(dǎo)體發(fā)光層的間隔，在上述半導(dǎo)體發(fā)光元件的中央附近較寬，在周邊附近較窄。
4.如權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于上述多個(gè)半導(dǎo)體發(fā)光層的間隔，在上述半導(dǎo)體發(fā)光元件的中央附近較窄，在周邊附近較寬。
5.如權(quán)利要求1～4中的任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于上述電流區(qū)層是在與上述半導(dǎo)體發(fā)光層相同的主要成分的材料中摻入不同的雜質(zhì)而成的。
6.如權(quán)利要求1～4中的任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于上述電流區(qū)層是由帶隙大于上述半導(dǎo)體發(fā)光層的半導(dǎo)體構(gòu)成的。
7.如權(quán)利要求6所述的半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于還具有第1覆蓋層，它被設(shè)置在上述第1半導(dǎo)體層和上述半導(dǎo)體發(fā)光層之間，由帶隙大于上述半導(dǎo)體發(fā)光層的半導(dǎo)體構(gòu)成；以及第2覆蓋層，它被設(shè)置在上述第2半導(dǎo)體層和上述半導(dǎo)體發(fā)光層之間，由帶隙大于上述半導(dǎo)體發(fā)光層的半導(dǎo)體構(gòu)成，上述電流區(qū)層由折射率低于上述半導(dǎo)體發(fā)光層、折射率高于上述第1和第2覆蓋層的半導(dǎo)體構(gòu)成。
8.如權(quán)利要求1～4中的任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于上述第1和第2半導(dǎo)體層的至少任一個(gè)具有在其側(cè)面上被形成為斜面狀的部分。
9.如權(quán)利要求1～4中的任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于上述第1和第2半導(dǎo)體層的至少任一個(gè)由GaP構(gòu)成，上述半導(dǎo)體發(fā)光層包括InGaAlP。
10.如權(quán)利要求1～4中的任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于上述半導(dǎo)體發(fā)光層的尺寸在20微米以下。
11.如權(quán)利要求1～4中的任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體發(fā)光元件，其特征在于還具有一種導(dǎo)電層，該導(dǎo)電層被設(shè)置在上述第1半導(dǎo)體層和上述第2電極之間、以及上述第2半導(dǎo)體層和上述第1電極之間的至少任一處，上述導(dǎo)電層，由與半導(dǎo)體不同的材料構(gòu)成，而且能使從上述半導(dǎo)體發(fā)光層放射出的光透過(guò)。
全文摘要
本發(fā)明的目的在于提供能提高從活性層中取出光的效率，同時(shí)能把該光高效率地取出到元件外側(cè)的半導(dǎo)體發(fā)光元件。其特征在于具有第1半導(dǎo)體層(WL)；半導(dǎo)體發(fā)光層(EM)，它有選擇地被設(shè)置在上述第1半導(dǎo)體層上；高阻的電流區(qū)層(CB)，它被設(shè)置在上述第1半導(dǎo)體層上的上述半導(dǎo)體發(fā)光層的周?chē)坏?半導(dǎo)體層(WL)，它被設(shè)置在上述半導(dǎo)體發(fā)光層和電流區(qū)層上；第1電極(UE)，它被設(shè)置在上述第2半導(dǎo)體層上；以及，第2電極(LE)，它被設(shè)置在上述第1半導(dǎo)體層的背面上，從上述半導(dǎo)體發(fā)光層放射出的光的一部分(L1)通過(guò)上述第1半導(dǎo)體層而被放射到外部，從上述半導(dǎo)體發(fā)光層放射出的光的一部分(L2)通過(guò)上述第2半導(dǎo)體層而被放射到外部。
文檔編號(hào)H01S5/00GK1523682SQ200410005240
公開(kāi)日2004年8月25日 申請(qǐng)日期2004年2月17日 優(yōu)先權(quán)日2003年2月17日
發(fā)明者近藤且章 申請(qǐng)人:株式會(huì)社東芝