TWI285965B - Semiconductor light-emitting device - Google Patents

Description

1285965 玖、發明擧明 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於改善指向性的半導體發光元件。譬如可使 用於採用塑膠光纖（plastic optical fib er，POF)的通訊系統 之光發訊器中。 【先前技術】 在面發光型的發光二極體中，基本上乃採用譬如在基板 上形成覆蓋層、發光層、覆蓋層的雙異質構造（double hetero structure)。其中，覆晶型發光元件乃在最上面形成 金屬電極，並使從此電極對發光層平面均勻的供應著電流。 【發明內容】 惟，此面發光的發光二極體，將潛在光軸方向指向性較 差劣，頗難使用於採用光纖的光通訊方面之問題。 有鑒於斯，本發明乃爲解決上述課題而所構成者，其目 的在於：在面發光的發光二極體中可提升指向性。然後，藉 由改善指向性，亦可應用於光通訊方面。 供解決上述課題用的第1特徵之半導體發光元件，係在 從基板側輸出光的半導體發光元件中，具備有：發光層、光 反射性的金屬膜、以及在發光層非發光部與金屬膜之間所 存在的透光性絕緣膜；而金屬膜係利用絕緣膜而僅對發光 層的發光部供應著電流，且發光層與金屬膜之間隔係設定 爲此間隔之媒介內發光波長的1/4之奇數倍。 因爲將發光層之非發光部、與光反射性金屬膜之間的間 隔設定爲此間隔之媒介內發光波長的1 /4之奇數倍，因此 6 312/發明說明書(補件)/92-07/92109311 1285965 由所發光的光朝向於金屬膜的光，便將藉由在金屬膜與發 光層之間的多重反射而整合相位。結果，便將從發光面的 垂直方向輸出會聚光，而提昇指向性。 再者，第2特徵係具有第1特徵的半導體發光元件，其 中，絕緣膜係氧化物或氮化物。 藉由具透光性的氧化物或氮化物，便可具體的構成絕緣 膜。 再者，第3特徵係具有第1特徵的半導體發光元件，其 中，絕緣膜係Si02或Ti02，氮化物係A1N或SiN。 藉由此構造，便可利用具透光性的氧化物或氮化物，而 具體的構成。 再者，第4特徵係具有第1〜3中任一特徵的半導體發光 元件，其中，半導體發光元件係瓜族氮化物半導體發光元 件。 藉由設定爲m族氮化物半導體發光元件，便可獲得綠、 藍、紫外線區域的廣範圍發光波長。 再者，第5特徵係具有第1〜4中任一特徵的半導體發光 元件，其中，半導體發光元件係耦接於塑膠光纖上。 藉由將利用本發明構造所獲得指向性較高的光射入於 塑膠光纖中，便可構建出短距離的簡便通訊系統。 再者，上述半導體發光元件的半導體材料雖未受限制， 但是當由m族氮化物半導體構成半導體發光元件之情況 時，所形成的各半導體層，至少可由利用依 AlxGayIni_x_yN(〇S 1，〇$ l，〇g x + y$ 1)所示二元 312/發明說明書(補件)/92-07/92109311 1285965 系、三元系或四元系半導體所構成m族氮化物系化合物半 導體等所構成。此外，該等部分in族元素亦可利用硼（B)、 銳（τι)進行取代；另外，亦可將部分的氮（N)利用磷（P)、砷 (As)、銻（sb)、鉍（Bi)進行取代。 再者，當採用該等半導體而形成ΠΙ族氮化物系化合物半 導體層之情況時，可添加η型雜質的Si、Ge、Se、Te、C 等。此外，可添加p型雜質的Zn、Mg、Be、Ca、Sr、Ba 等。 再者，使該等半導體層進行結晶成長的基板，可採用如： 藍寶石、尖晶石、Si、SiC、ZnO、MgO、或羾族氮化物系 化合物單結晶等。 再者，使該等半導體層進行結晶成長的方法，如：分子束 結晶成長法（MBE)、有機金屬氣相成長法（MOCVD)、鹵化 物氣相成長法（HDVPE)、液相成長法等均屬有效的方法。 再者，光反射性的金屬膜在爲提高光的反射效率方面， 可採用 Al、In、Cu、Ag、Pt、Ir、Pd、Rh、W、Mo、Ti、 Ni、或含有該等中之一種以上的合金。 藉由上述的本發明手段，便可有效、或合理的解決上述 課題。 【實施方式】 以下，根據具體的實施例說明本發明。惟本發明並不僅 限於下述實施例。 〔第1實施例〕 圖1所示係本發明具體實施例中所使用的覆晶式半導體 8 312/發明說明書(補件)/92-07/92109311 1285965 元件1 00的示意剖視圖。半導體元件1 〇〇係採用瓜族氮化 物半導體的發光二極體例子。在藍寶石基板101上設置由 氮化鋁（A1N)所構成膜厚約20nm的緩衝層102，並在其上 形成由矽（Si)摻雜的GaN所構成膜厚約4·0μηι的高載子濃 度η +層103。然後，在層103上形成由GaN與Ga〇.8In〇.2N 所構成多層量子井構造（MQW)的發光層104。在發光層104 上形成由鎂（Mg)摻雜的Al〇.15Ga().85N所構成膜厚約60nm 的P型層105。再於p型層105上形成由鎂（Mg)摻雜的GaN 所構成膜厚約15nm的p型層106。 再者，在P型層106上形成由Si02所構成的絕緣膜150, 並在此絕緣膜1 5 0上面、與絕緣膜1 5 0大致中央部位處， 經開設窗口而所裸露出P型層1 06的上面，形成利用金屬 蒸鍍而所形成金屬膜的多層厚膜正電極120。絕緣膜150 厚度係設定爲此絕緣膜150內之媒介內發光波長的1/4。 譬如若爲43 Onm發光波長的話，便將絕緣膜150厚度設定 爲1 0 7.5 nm厚度。絕緣膜1 5 0厚度僅要依與發光波長之間 的關係而設定的話便可。一般而言，爲媒介內發光波長的 1 /4之奇數倍。此時藉由干涉作用而提昇光軸方向放射光 的指向性。此外，在n +層103上形成負電極140。光反射 性金屬膜的多層厚膜正電極1 20係包含有：接合於p型層 106之膜厚約0.3 μιη由鍺（Rh)或白金（Pt)所構成的第1金屬 層1 1 1、在第1金屬層1 1 1上所形成膜厚約1 ·2μιη由金（Au) 所構成第2金屬層112、以及在第2金屬層112上面所形 成膜厚約30A由鈦（Ti)所構成第3金屬層113等三層。此 9 312/發明說明書(補件)/92-07/92109311 1285965 外，雙層構造的負電極140係在高載子濃度n +層103之部 分裸露出的部分上，依序層積著膜厚約175A的釩（V)層 141、以及膜厚約1·8μιη的鋁（A1)層142而所構成。 在依此所形成的多層厚膜正電極120與負電極140之 間，形成由Si 02膜所形成的保護膜130。保護膜130係從 爲形成負電極140而所裸露出的Π +層103，覆蓋著經蝕刻 而裸露出的發光層104側面、p型層105側面、及p型層 106側面與上面的其中一部份、第1金屬層111、第2金屬 層112側面、以及第3金屬層113上面的其中一部份。由 Si 〇2膜所構成保護膜130覆蓋著第3金屬層113之部分的 厚度爲〇 . 5 μηι。 再者，絕緣膜1 5 0的窗Α係僅要在如同絕緣膜1 5 0般的 形成之後，再經塗佈光阻、感光、圖案化處理，而形成罩 幕之後，再利用對絕緣膜1 50施行蝕刻處理而裸露出p型 層1 〇 6其中一部份的話便可。 再者，多層厚膜正電極120雖由多層所形成的，但是亦 可爲單層。金屬層雖兼具對發光層104進行供電用的電 極，但是亦可將供對發光層1 0 4進行供電用的電極，與供 維持反射機能的金屬膜分開個別形成。此外，該等金屬膜 的金屬材料乃配合發光波長而選擇反射率較高的物質，材 料可爲任意。 因爲在窗A中形成多層厚膜正電極12〇，且多層厚膜正 電極1 20接觸於p型層1 06，因此電流將僅在此窗A區域 中朝向下方向進行流動。因此，在發光層1 中，僅流通 10 312/發明說明書(補件)/9107/92109311 1285965 著電流的部分成爲發光區域1 〇 8 ’其他部分則成爲非發光 區域109。僅在非發光區域109上方存在絕緣膜150。 藉由此種構造，從發光區域1 〇8所發出的光，便將被輸 出於藍寶石基板1 〇 1側，同時朝多層厚膜正電極（金屬 膜）1 20的光便將被此金屬膜所反射。此外，從發光區域108 朝斜向放射出的光，將朝向多層厚膜正電極（金屬膜）120， 並被此多層厚膜正電極120所反射。另外，從發光區域108 朝斜向放射出的光，將被各層之界面、藍寶石基板1〇1與 空間之間的界面等所反射。而朝向多層厚膜正電極（金屬 膜）120，並被此金屬膜120所反射。藉此因爲絕緣膜150 的厚度被設定於媒介內波長的1 /4之奇數倍，因此便如圖 2所示，利用光的干涉效果而提昇軸方向的指向性。所以， 藉由在光軸方向上設置光纖纜，便可使用於光通訊。特別 係本發明的半導體發光元件可有效的使用於採用塑膠光纖 (P OF)的比較短距離之通訊方面。 (變化例） 本發明並不僅限於上述實施例，亦可考慮其他各種變 化。譬如：1Π族氮化物系化合物半導體元件雖採用GaN系 半導體層，但是當然亦可採用由GaxIni_xN (如：Ga〇.92In().()8N)等所構成的層，或者其他任意混晶比的 三元至四元系AlGalnN。更具體而言，可採用： 由依「AlxGaylnmNCOSxg l，〇SyS l，0‘x + y‘ 1)」的 一般式所示三元（GalnN、AlInN、AlGaN)、或四元（AlGalnN) 的ΙΠ族氮化物系化合物半導體等。此外，亦可將該等化合 11 312/發明說明書(補件)/92-07/92109311 1285965 物的部分N利用P、As等V族元素進行取代。 譬如在藍寶石基板上層積著m族氮化物系化合物半導 體之際，在爲結晶性佳的形成方面，最好全部形成糾正與 藍寶石基板間之晶格不對齊用的緩衝層。即便採用其他基 板的情況時，亦最好設置緩衝層。緩衝層可採用低溫形成 的瓜族氮化物系化合物半導體AlxGayIni_x.yN(〇gxgl，〇 SySl，〇Sx + y‘l)，尤以 AlxGa〗_xN(〇S 1)爲佳。此緩 衝層可爲單層，亦可爲組成等各自不同的多層。緩衝層的 形成方法，可爲在3 8 0〜420 °C低溫下形成，反之，亦可在 1 000〜1180°C範圍內利用MOCVD法形成。此外，亦可採用 DC磁控管濺鍍裝置，並以高純度金屬鋁與氮氣爲原材料， 並利用反應性濺鍍法形成由A1N所構成的緩衝層。同樣 的，可形成一般式 AlxGaylm.x.yNiOSxS l，〇Sy$ i，〇gx + y ^ 1，組成比任意）的緩衝層。亦可採用蒸鍍法、離子植入 法、雷射衝蝕法（Laser ablation)、ECR法。利用濺鍍法等 物‘理蒸鍍法所形成的緩衝層，最好在2 0 0〜6 0 0 °C下進行， 尤以3 00〜600°C爲佳，更以3 5 0〜45 0 °C爲更佳。當採用該 等物理蒸鍍法之情況時，緩衝層的厚度最好爲 100〜3 000A，尤以100〜400A爲佳，更以100〜3 00A爲更佳。 多層係譬如由AlxGa^xI^OS 1)所構成的層、與GaN層 交叉形成的方法，或者將形成溫度設.定在如6 0 0 °C以下且 10 〇〇 °C以上交叉形成組成相同層的方法等等方法。當然， 亦可組合搭配該等，多層亦可層積著三種以上的ΙΠ族氮化 物系化合物半導體 12 312/發明說明書(補件)/92-07/92109311 1285965 X + y ^ 1 )。一般而言，緩衝層屬於非晶質，中間層則屬於單 結晶。亦可將緩衝層與中間層當作一週期，而形成複數週 期’可重複任意週期。重複越多的話，結晶性將越佳。 此外’亦可在低溫緩衝層上形成高溫成長緩衝層，並在 其上形成本體的H[族氮化物半導體。 緩衝層與上層的ΠΙ族氮化物系化合物半導體，亦可將瓜 族兀素組成的其中部分利用硼（B )、銳（τ 1 )進行取代，另 外’亦可將氮（Ν)組成的其中部分利用磷（ρ)、砷（As)、銻 (Sb)、鉍（Bi)進行取代，均可實質的適用於本發明。此外， 亦可將該等元素進行組成上無法表示程度的摻雜。譬如， 亦可在屬於組成中未含有銦（In)、砷（As)的m族氮化物系 化合物半導體之AlxGa^xNiOSxSl)中，摻雜入較錦（A1)、 鎵（Ga)的原子半徑爲大的銦（in)、或摻雜入較氮（N)的原子 半徑爲大的砷（As)，藉此便利用壓縮應變補償隨脫氮原子 而所造成的結晶擴張應變，而形成較佳的結晶性。此情況 下，因爲受體雜質可輕易的進入m族原子的位置，因此亦 可依a s g r 〇 w η獲得ρ型結晶。 當將緩衝層與Π族氮化物系化合物半導體，依2週期以 上形成基底層的情況時，亦可對各DI族氮化物系化合物半 導體層，更進一步摻雜入較主要構成元素的原子半徑爲大 的元素。另外，當構成發光元件的情況時，最好採用原本 ΠΙ族氮化物系化合物半導體的二元系、或三元系。 當形成η型ΠΙ族氮化物系化合物半導體層的情況時，可 添加η型雜質的Si、Ge、Se、Te、C等IV族元素或VI族元 13 312/發明說明書(補件)/92-07/92109311 1285965 素。此外，亦可添加P型雜質的Zn、Mg、Be、Ca、Sr、 Ba等Π族元素或IV族元素。亦可將該等依複數、或n型雜 質與P型雜質摻雜於同一層中。經植入Be之Mg摻雜的 G aN系半導體，利用在1 1 0 0 °C下施行6 0秒的回火處理， 便使電洞濃度從5 · 5 X 1 0 16變化爲8 · 1 X 1 0 1 9 / c m3。利用植入 Be，Mg的激活化能量將降低至170mV。此可認爲Be解除 Mg與氫之間的鍵結，並與氫進行鍵結的緣故所致。所以， 在爲獲得P型層方面，最好除Mg等受體雜質之外’尙同 樣的植入B e。 各層的構造亦可任意採用橫向磊晶成長俾減少瓜族氮 化物系化合物半導體錯位現象。此時，亦可採用罩幕的方 法，或者形成梯度並在凹部上方形成橫向成長層之未採用 罩幕的方法。採用梯度的方法，係可採用在基板上形成點 狀或條紋狀凹部，並在其上成長出氮化鎵系化合物半導 體，且於凹部上面進行橫向成長的方法。此外，在橫向成 長層、與其下方層或基板之間亦可具有空隙。當存在有空 隙的情況時，因爲防止應力應變的進入，因此可更加提昇 結晶性。橫向成長的條件，有如：提高溫度的方法、增加皿 族元素氣體供應量、或添加Mg的方法。 接合著多層厚膜正電極120的p型層106乃因爲若採用 InGaN的話，便可獲得較高正孔濃度，故是爲較佳。藉由 對p型層106添加Be並添加Mg，便可更加提高正孔濃度。 受體雜質最好爲Mg。譬如組成比最好爲Ιη().14〇&().86Ν。此 外，可將超晶格使用於p型層1 06中。譬如在提昇已形成 14 312/發明說明書(補件)/92-07/92109311 1285965 多層厚膜正電極1 20之層的正孔濃度，俾獲得較佳歐姆性 之目的下，便可採用由p型AlGaN/p型GaN所構成的超晶 格。 當在基板上依序層積著m族氮化物系化合物半導體的 情況時，基板可採用如.·藍寶石、矽（Si)、碳化矽（SiC)、尖 晶石（MgAl204)、ZnO、MgO、或其他的無機結晶基板、或 者如磷化鎵或砷化鎵之類的HI -V族化合物半導體或氮化 鎵（GaN)、或其他瓜族氮化物系化合物半導體等。形成瓜 族氮化物系化合物半導體的方法，最好爲有機金屬氣相成 長法（MOCVD或MOVPE)，但是亦可採用分子束氣相成長 法（MB E)、鹵化物氣相成長法（Halide VPE)、液相成長法 (LPE)等，亦可各層均採不同的成長方法。 再者，實施例中雖基板採用藍寶石基板101，但是亦可 採用上述材料的基板。此外，亦可將碳化矽（SiC)當作基板 使用。在實施例中，雖針對pn接合型GaN系發光元件進 行說明，但是僅要具有層狀發光區域之固體發光元件的話 便可，亦可採用如AlGaAs系或GaAlInP系等其他材料。 在本發明中雖例示著上述實施例，惟本發明內容並不僅 限於上述實施例，舉凡在本案發明精神下所延伸出的任何 變化例，均涵蓋在內。 本發明乃以日本專利申請案特許願2002年第1 5 3 043號 爲優先權主張的母案，其內容完全涵蓋於本案中。 【圖式簡單說明】 圖1爲本發明實施例的半導體發光元件1 00剖視圖。 15 31万發明說明書(補件)/92-07/92109311 1285965 圖2爲供說明同實施例之半導體發光元件所形成發光的 指向性用的說明圖。 (元件符號說明） 100 半導體元件 101 藍寶石基板 102 緩衝層 103 n+層 104 發光層 105 P型層 106 P型層 108 發光區域 109 非發光區域 111 第1金屬層 112 第2金屬層 113 第3金屬層 120 多層厚膜正電極 130 保護膜 140 負電極

14 1 釩層 142 鋁層 150 絕緣膜 A 窗 16 312/發明說明書(補件)/92-07/92109311

Claims (1)

1285965 93. 11. 18 替換本 拾、申請專利範圍 I 1 · 一種半導體發光元件，係從基板側輸出光，並使用耦 接於光纖之III族氮化物半導體者，其特徵爲， 具備有：發光層、光反射性的金屬膜、以及在上述發光層 非發光部與上述金屬膜之間所存在之具有窗的透光性絕緣 膜； 上述金屬膜係利用上述窗而僅對上述發光層的發光部 供應電流； 上述發光層與上述金屬膜之間隔，係設定爲此間隔之媒 介內發光波長的1/4之奇數倍。 2 ·如申請專利範圍第1項之半導體發光元件，其中，上 述絕緣膜係氧化物或氮化物。 3 ·如申請專利範圍第2項之半導體發光元件，其中，上 述絕緣膜係Si〇2或Ti〇2，上述氮化物係人丨^^或siN。 4 ·如申請專利範圍第1至3項中任〜項之半導體發光元 件，其中，上述光纖係塑膠光纖。 326\總檔\92\92109311\92109311 (替換)-1 17