半导体发光元件制造技术

在第一层（１）的表面上加工凹凸（１ａ），使具有与第一层不同的折射率的第二层（２）将该凹凸埋入并生长（或者，在成为生长的基础的晶体层（Ｓ）上使第一晶体（１０）呈凹凸状地生长，使具有与第一层不同的折射率的第二晶体（２０）生长）。形成了这些凹凸状的折射率界面（１ａ、１０ａ）后，在它上面形成层叠了包括发光层（Ａ）的半导体晶体层的元件结构。因此，在发光层中产生的横向光由于凹凸状的折射率界面的影响而改变方向，朝向外界。另外，其中，在使发光层的材料为ＩｎＧａＮ、发生紫外线的情况下，采用量子阱结构，完全用ＧａＮ晶体形成该量子阱结构和低温隔离层之间的层，将ＡｌＧａＮ排除。该量子阱结构最好由ＩｎＧａＮ构成的阱层和由ＧａＮ构成的阻挡层构成，阻挡层的厚度最好为６ｎｍ～３０ｎｍ。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及半导体发光元件(以下简称“发光元件”)，特别是涉及其发光层由GaN系列半导体晶体(GaN系列晶体)构成的半导体发光元件。
技术介绍
发光二极管(LED)的基本的元件结构呈这样的结构在晶体衬底上依次生长n型半导体层、发光层(包括DH结构、MQW结构、SQW结构)、p型半导体层，在n型层或导电性晶体衬底(SiC衬底、DaN衬底等)及p型层各层上形成外部引出电极。例如，图8是表示将GaN系列半导体作为发光层的材料的元件(GaN系列LED)的一个结构例的图，在晶体衬底101上通过依次进行晶体生长而层叠GaN系列晶体层(n型GsN接触层(也是覆盖层)102、GaN半导体发光层103、p型GaN接触层(也是覆盖层)104)，在它上面设置下部电极(通常为n型电极)105、上部电极(通常为p型电极)106。这里，作为将晶体衬底安装在下侧、光向上方射出后传播的结构进行说明。在LED中，以怎样的效率充分地将发光层上发生的光取出到外界(所谓光取出效率)是重要的问题。因此，迄今关于从发光层朝向上方的光，将不致成为其朝向外界的障碍物的图8所示的上部电极106作成透明电极的形态，以及关于从发光层朝向下方的光，设置反射层，使其返回上方的形态等，在种种方面下工夫。关于从发光层向上下方向发射的光，如上所述，通过使电极透明化和设置反射层，能提高向外界取出光的效率，可是，朝向发光层扩展方向(在图8中，在发光层103内用粗箭头表示的方向，以下也称“横向”)发生的光内，虽然在用折射率差规定的全反射角以内到达侧壁的光能发射到外部，但除此以外的很多光例如在侧壁上反复反射等，只在元件内、特别是被发光层本身吸收而衰减、消失。这样的横向的光被上下的覆盖层、或衬底(蓝宝石衬底)和上侧的覆盖层、或衬底和上部电极(进而元件外部的被覆物质等)封闭在里面，成为横向传播的光。该横向传播的光在发光层上发生的全部光量中占有大部分，有时达到总体的60％。另外，在将衬底作为上侧安装的倒装片型的LED中(光通过衬底射出到外界)，已知这样一种形态为了使这样的横向光能朝向衬底的方向反射，而在作为元件结构的层叠体的侧壁上设有角度，使该侧壁成为朝向衬底一侧的反射面。可是，使微小的芯片的四面带有角度进行切割的加工是困难的，在成本上也成问题。另外，在朝向上下方向的光中也有问题，即在GaN系列半导体层/蓝宝石衬底的界面和GaN系列半导体层/p型电极(或封装材料)的界面之间，形成反复反射的驻波等，妨碍光取出效率。本专利技术的第一课题是解决上述问题，提供一种使在发光层上发生的横向光朝向外界，另外能抑制上述驻波的发生的赋予了新的结构的发光元件。除了上述这样的朝向外界的光取出效率的问题以外，在发光层的材料采用InGaN、而且发生紫外线的情况下，存在以下这样的输出低的问题。在发光层中使用InGaN的发光元件中，一般说来能获得高效率的发光。这是因为由In成分起伏造成的载流子的定域化，使得被注入发光层的载流子内被捕获到非发光中心的载流子的比例变少，所以其结果，说明了能获得高效率的发光。在GaN系列发光二极管(LED)或GaN系列半导体激光器(LD)中，在发生420nm以下的青紫光～紫外线的情况下，一般说来发光层的材料能使用InGaN(In成分为0.15以下)，有关发光的结构，呈单一量子阱结构(由于活性层薄，所以其中包括所谓DH结构)、多重量子阱结构。一般说来，紫外线的波长的上限比可见光的短波长端(380nm～400nm)短，下限为1nm左右(0.2nm～2nm)，但在本说明书中，包括由上述的In成分为0.15以下的InGaN发生的420nm以下的青紫光，称为紫外线，将发生这样的紫外线的半导体发光元件称为紫外线发光元件。由GaN所能发生的紫外线的波长为365nm。因此，在InGaN必须包含In成分、而且不包含Al成分的三元系列的情况下，能发生的紫外线波长的下限是比上述365nm长的波长。可是，与具有In成分高的发光层的青·绿色发光元件相比，紫外线发光元件所发生的光的波长短，所以有必要降低发光层的In成分。因此，上述的由In成分起伏造成的定域化的效果低，被被捕获到非发光中心的比例增加，其结果，不能获得高输出。在这样的情况下，盛行降低成为非发光再结合中心的原因的错位密度。作为降低错位密度的方法，能举出ELO法(横向生长法)，通过谋求降低错位密度，来达到高输出化·长寿命化(参照文献(Jpn.j.Appl.Phys.39(2000)pp.L647)等)。在GaN系列发光元件中，作成用禁带比其大的材料构成的覆盖层(阻挡层)夹持发光层(阱层)的结构。根据文献(米津宏雄著，工学图书株式会社刊，“光通信元件工学”第72页)，一般情况下得出使禁带差为“0.3eV”以上的指导方针。根据上述背景，在发光层(阱层)中使用能发生紫外线的成分的InGaN的情况下，如果考虑到载流子被封闭，则在夹持发光层的覆盖层(在单一量子阱结构中不仅覆盖层，还包括阻挡层)中能使用禁带大的AlGaN。另外，在构成量子阱结构的情况下，阻挡层有必要达到产生隧道效应的程度的厚度，一般说来为3～6nm左右。例如图9是表示将Inx0.05Ga0.95N作为发光层的材料的现有的发光二极管之一例的图，在晶体衬底S10上，通过隔离层201，采用晶体生长法依次层叠n型GaN接触层202、n型Al0.1Ga0.9N覆盖层203、In0.05Ga0.95N阱层(发光层)204、p型Al0.2Ga0.8N覆盖层205、p型GaN接触层206，在它上面设置下部电极(通常为n型电极)P10、上部电极(通常为p型电极)P20，成为上述这样一种元件结构。可是，用ELO法使成为基底的GaN层生长，需要掩蔽层的形成、再生长这样的方法，需要多次生长，有工序非常多的问题。另外，由于存在再生长界面，所以有降低错位密度所派生的怎么也提高不了输出的问题。另外，为了使发光层的材料为InGaN而且使紫外线输出得更多，本专利技术者等研究了现有的元件结构时，明白了AlGaN层成为使InGaN发光层受到由晶格常数差引起的变形的根源。另外，明白了在量子阱结构中，如果将阻挡层的厚度减薄，则Mg就会从设置在它上面的p型层扩散到发光层中，形成非发光中心，所以有不能获得输出大的紫外发光元件的问题。本专利技术的第二课题是在本专利技术的发光元件的发光层的材料中使用InGaN、而且发生紫外线的情况下，通过使元件的结构最佳化，达到高输出化，且达到长寿命化。
技术实现思路
本专利技术有以下特征。(1)一种半导体发光元件，其特征在于有在第一晶体层表面上加工凹凸，由具有与上述晶体层不同的折射率的半导体材料构成的第二晶体层在该凹凸上通过隔离层或直接地将该凹凸埋入并生长，在第二晶体层上层叠包括发光层的半导体晶体层的元件结构。(2)是上述(1)记载的半导体发光元件，第二晶体层及它上面的半导体晶体层是由GaN系列半导体晶体构成的层。(3)是上述(2)记载的半导体发光元件，第一晶体层是晶体衬底，第二晶体层从在晶体衬底的表面上加工的凹凸面开始、实际上一边形成晶面结构一边生长。(4)是上述(3)记载的半导体发光元件，在晶体衬底的表面上加工的凹凸是呈条纹图形的凹凸，该条纹的纵向是将它埋入并生长的GaN系列半导体的(11-20)方向、或(1-本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种半导体发光元件，其特征在于：有在第一晶体层表面上加工凹凸，由具有与上述晶体层不同的折射率的半导体材料构成的第二晶体层在该凹凸上通过隔离层或直接地将该凹凸埋入并生长，在第二晶体层上层叠包括发光层的半导体晶体层的元件结构。

【技术特征摘要】
JP 2001-3-21 2001-81447;JP 2001-3-21 2001-808061.一种半导体发光元件，其特征在于有在第一晶体层表面上加工凹凸，由具有与上述晶体层不同的折射率的半导体材料构成的第二晶体层在该凹凸上通过隔离层或直接地将该凹凸埋入并生长，在第二晶体层上层叠包括发光层的半导体晶体层的元件结构。2.根据权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于第二晶体层及它上面的半导体晶体层是由GaN系列半导体晶体构成的层。3.根据权利要求2所述的半导体发光元件，其特征在于第一晶体层是晶体衬底，第二晶体层从在晶体衬底的表面上加工的凹凸面开始、实际上一边形成晶面结构一边生长。4.根据权利要求3所述的半导体发光元件，其特征在于在晶体衬底的表面上加工的凹凸是呈条纹图形的凹凸，该条纹的纵向是将它埋入并生长的GaN系列半导体的<11-20>方向、或<1-100>方向。5.根据权利要求4所述的半导体发光元件，其特征在于凹凸的断面形状呈矩形波状、三角波状、正弦曲线状。6.根据权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于从发光层发生的光的波长在第一晶体层中的折射率和在第二晶体层中的折射率的差为0.05以上。7.根据权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于发光层由能发生紫外线的成分即InGaN晶体构成。8.根据权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于发光层是一种由InGaN构成的阱层和由GaN构成的阻挡层所构成的量子阱结构。9.根据权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于第一晶体层是晶体衬底，在该晶体衬底的表面上加工的凹凸上，第二晶体层通过低温隔离层将该凹凸埋入并生长，发光层是一种由InGaN构成的阱层和由GaN构成的阻挡层所构成的量子阱结构，量子阱结构和低温隔离层之间的层全部由GaN晶体构成。10.根据权利要求8或9所述的半导体发光元件，其特征在于阻挡层的厚度为6n...

【专利技术属性】
技术研发人员：只友一行，冈川广明，大内洋一郎，常川高志，
申请(专利权)人：三菱化学株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]