氮化物半导体光发射装置及其制造方法 技术领域
本发明涉及一种能够发射蓝到紫外线波段光的氮化物半导体光发射装置，特别涉及一种使用Si衬底的氮化物半导体光发射装置的结构。
背景技术
现有技术中，已知一种氮化物半导体光发射装置可以用作发蓝色光的装置。近来，业已研究了发蓝色光二极管和紫色的半导体激光。图11示出在日本专利公报No.2001-7359中公开的氮化物半导体光发射装置的结构示意图。这种氮化物半导体光发射装置具有这样的顺序叠层的结构，即，硅衬底100、n型氮化物半导体的下覆层200、p型氮化物半导体的发光层300和上覆层400，在上覆层400上形成p型欧姆电极500，在Si衬底100上形成n型的欧姆电极600。
考虑在日本专利公报No.2001-7395中公开的氮化物半导体结构，其中n型氮化物半导体层和p型氮化物半导体层连续地层叠在Si衬底上。当形成阻流结构或限流结构以提高在光发射装置中的发光效率时，必须在掺杂Mg(镁)的薄的具有高电阻的p型的氮化物半导体层上形成绝缘膜或电流阻塞膜。
因此，现有技术的情况是，当绝缘膜或电流阻塞膜形成时损坏了P型氮化物半导体层，导致在p型氮化物半导体层中产生了结晶缺陷，所述的结晶缺陷吸收Mg。而且，在大多数情况，绝缘膜含有氧，并且被引到表面和p型氮化物半导体层中的氧会氧化Mg。因此，作为p型氮化物半导体层中的杂质的Mg的浓度降低，进一步增加了电阻，和损坏光发射装置的特性。
另外，如上所述地在绝缘膜或电流阻塞膜形成在p型氮化物半导体上时，这种膜的制造的步骤是必须地。
因为这些问题，很难在光发射装置中形成阻流结构或限流结构。
发明内容
鉴于上述情况，本发明的目的是要在光发射装置中容易地制造出阻流结构或限流结构，和制造出高可靠性的氮化物光发射装置。
通过本发明的氮化物半导体光发射装置能够达到上述目的，本发明的氮化物半导体光发射装置包括在Si(硅)衬底是从硅衬底起依序重叠的p型氮化物半导体层、发光层和n型氮化物半导体层，其中Si衬底被部分地去掉，暴露出p型氮化物半导体层的一部分，在p型氮化物半导体层暴露的区域上形成p型电极。
在本发明的氮化物半导体光发射装置中，可以在n型氮化物半导体层的表面上的角部形成n型衬垫电极。
在本发明的氮化物半导体光发射装置中，p型氮化物半导体层可以包括一个高掺杂浓度的区域和一个低掺杂浓度的区域。
在本发明氮化物半导体光发射装置中，硅衬底的与其上形成重叠层的表面相对的背面被部分地除去，以具有凹入或突出的形状，这样除去的区域可以露出p型氮化物半导体层的表面。
在本发明的氮化物半导体光发射装置中，当部分地除去硅衬底的与其上形成重叠层的表面相对的背面并使其具有凹入的形状时，在凹入的部分上形成反射膜。
另外，在本发明的氮化物半导体装置中，当部分地除去硅衬底的与其上形成重叠层的表面相对的背面并使其有突出形状时，可以形成具有突出的形状的n型氮化物半导体层。另外，在这种情况下，在n型氮化物半导体层的突出部分的顶部上可以形成一个n型的衬垫电极，或形成一个n型衬垫电极和一个n型的发光电极。
在本发明氮化物半导体光发射装置中，除去硅衬底的区域上的p型氮化物半导体层的区域可以比p型氮化物半导体层的其他区域的掺杂浓度高。
在本发明的氮化物半导体装置中，硅衬底是不导电的，它可以是不透光的。
另外，本发明提供一种制造氮化物半导体光发射装置的方法，它包括步骤：在Si衬底上从Si衬底起按顺序依次重叠p型氮化物半导体层、发光层和n型氮化物半导体层来形成重叠层体；除去一部分Si衬底；从除去硅衬底的部分暴露出p型氮化物半导体层的表面；加热处理除去部分硅衬底的重叠层体；和在p型氮化物半导体层的暴露表面上形成p型电极。
参照附图的以下本发明的详细说明将使得本发明的优点和目的更加明了。
附图说明
图1到图8是根据本发明第一到第八实施例制造的氮化物半导体光发射装置的剖视图；
图9A是根据本发明第一到第八实施例的氮化物半导体重叠层体的剖视图；
图9B是制造第一到第八实施例的氮化物半导体重叠层体的分开线图；
图10A和图10B是本发明第一到第八实施例氮化物半导体光发射装置的衬底的背面示意图；
图11是在日本专利公报No.2001-7395中公开的氮化物半导体光发射装置的剖视图。
具体实施方式
下面详细说明本发明的实施例。但是应注意，本发明不限于这些实施例。
第一实施例
图1示出氮化物半导体光发射装置的第一实施例的结构，其中在不导电的硅衬底1上按顺序依次重叠带有Mg掺杂物的p型氮化物半导体层2、发光层3和n型氮化物半导体层4。在不导电衬底的与其上形成有重叠层的表面相对的背面上，不导电衬底1形成为具有突出形状。在突出的不导电衬底1和p型氮化物半导体层2的表面上形成p型电极7。大约在n型氮化物半导体层4的表面中心形成n型衬垫电极6。
当制造如图1中所示的氮化物半导体光发射装置时，举例说明，首先在MOCVD(金属有机化学汽相淀积)的生长装置中设置不导电衬底1，并在不导电衬底1上连续地重叠p型氮化物半导体层2、发光层3和n型氮化物半导体层4。
然后，从所述装置中取出重叠层体。使用以氢氟酸为基的腐蚀剂除去不导电衬底1的不需要的部分，从而将不导电的衬底1处理成具有突出的形状。在此，突出部分的根部的直径设定为150微米。
然后，形成n型衬垫电极6和p型电极7。大约在n型氮化物半导体层4的表面中心上，通过重叠具有10毫微米厚度的Hf(铪)层和在其上的具有1000毫微米厚度的Al(铝)层形成n型衬垫电极6。通过重叠具有20毫微米厚度的Pd(钯)层和在其上的具有1000毫微米厚度的Au(金)层形成p型电极7，以覆盖突出的不导电衬底1和p型氮化物半导体层2的表面。
然后，将上述方式制造的光发射装置分成各个300微米方的方形。将这样获得的光发射装置安装在引线框上，使得p型的电极7面向杯的底部。
图9A示出本发明氮化物半导体的重叠层体。图9B示出将本发明的氮化物半导体光发射装置分开的分开线13b。
以上述方式制造的第一实施例的氮化物半导体光发射装置中，不像现有技术那样在不导电的衬底1上重叠n型氮化物半导体层4，而是重叠p型氮化物半导体层2。因此，与现有技术不同，不必在p型氮化物半导体发光层2上新形成绝缘膜等。因此，在形成绝缘膜等时，能够减少产生的p型氮化物半导体层2中的结晶缺陷。因此，能够抑制导电时在p型氮化物半导体层2中掺杂的Mg向发光层的扩散，这样能够制造出具有高可靠性的氮化物半导体光发射装置。
另外，因为衬底是不导电的，所以，在向光发射装置引入外部电流时，向除去衬底1的部分上重叠的半导体区域流动的电流量，比向未除去衬底的部分上重叠的半导体区域流动的电流量大。因此，能够偏流电流流过的半导体区域。因此，不必另外设置阻流结构或限流结构。
第二实施例
在如图2所示的第二实施例的氮化物半导体光发射装置的结构中，在不导电硅衬底1上按顺序依次重叠p型氮化物半导体层2、发光层3和n型氮化物半导体层4。在不导电衬底1的与其上形成有重叠层的表面相对的背面上，不导电衬底1形成为具有凹入形状，并且在除去不导电衬底1的部分上有开口8。另外，在不导电衬底1和p型氮化物半导体层2的表面上形成p型电极7，在n型氮化物半导体层4表面的角部形成n型衬垫电极6。
图10A示出本发明氮化物半导体光发射装置的不导电衬底1的背面形状。见图10A，在不导电衬底1的背面上有开口8，沿分开线13可以将晶片切割成芯片(半导体光发射装置)。
当制造如图2所示的氮化物半导体光发射装置时，举例说明，首先在MOCVD(金属有机化学蒸汽积淀)的生长装置中设置不导电衬底1，并在不导电衬底1上连续地重叠带有Mg掺杂的p型氮化物半导体层2、发光层3和n型氮化物半导体层4。
然后，从所述装置中取出重叠层体。使用以氢氟酸为基的腐蚀剂除去不导电衬底1的不需要的部分，并形成凹入的开口8。在此，凹入开口8的直径设定为150微米。
然后将重叠层体装入热处理炉，将重叠层体置于热处理炉的基座上，不导电衬底1的侧面面向上。在氮气雾中将重叠层在800℃保温5分钟进行热处理。
然后从热处理炉中取出重叠层体，形成n型透光电极5、n型衬垫电极6和p型电极7。通过在n型氮化物半导体层4的表面上将ITO(添加了锡的三氧化二铟)形成到厚度为100毫微米来形成n型透光电极5。在n型氮化物半导体层4的表面上的相对两端上，重叠20毫微米厚度的Hf(铪)层和在其上的1000毫微米的厚度的Au(金)层形成n型衬垫电极6。通过在不导电衬底1和p型氮化物半导体层2的表面上重叠20毫微米的Pd层和其上的1000毫微米的Au层制造p型电极7。
将用上述方式制造的光发射装置分成图10A所示的各个300微米的方形，并将各光发射装置安装在引线框上，使得p型的电极7的侧面面向杯的底部。
图9A是上述方式制造的光发射装置的重叠层体的剖视图。图9B是分开并制造各光发射装置的分开线13a的示意图。
见图2，在此实施例的光发射装置中，当重叠层体以上述方式热处理时，p型氮化物半导体层2变为具有在p型氮化物半导体层2中Mg高浓度掺杂的区域2A和Mg低浓度掺杂的区域2B。其原因在于：首先，不导电衬底1中的Si进入p型氮化物半导体层2来补偿p型掺杂；进一步的，当在结晶生长过程中Mg结合到H(氢)并且不导电衬底层1存在于p型氮化物半导体层2上时，H不能够跑到p型半导体层2外，即使在热处理后，因此，与不导电衬底1存在的区域相对应的p型氮化物半导体层2的区域变得具有高的电阻。因此，在区域2A，电阻为2到6欧姆厘米(Ωcm)，即比电阻为106欧姆厘米(Ωcm)的区域2B的低。
另外，因为衬底是不导电的，所以在向光发射装置引入外电流时，流向重叠在除去衬底部分上的区域2A的电流量，比流向重叠在未除去衬底部分上的区域2B的电流量大。
因此，向光发射装置引入的电流集中在区域2A上的发光层3A上，并且电流几乎不流到在区域2B上的发光层3B上。因此，光发射装置能够表现出阻流型发光的特性。
因此，在吸收光发射装置产生的光的不导电衬底1上的发光层3B，几乎不发射此实施例的光发射装置的光。因此，与现有技术比，能够提高光发射装置向外发光的效率。
第三实施例
在根据图3的第三实施例的氮化物半导体光发射装置的结构中，在不导电Si衬底1上按顺序依次重叠Mg掺杂的p型氮化物半导体层2、发光层3和n型氮化物半导体层4。在不导电衬底的与其上形成有重叠层的表面相对的背面上，形成具有突出的形状。在除去不导电衬底的位置有开口8。在突出的不导电衬底1和p型氮化物半导体层2的表面上形成p型电极7。大约在n型氮化物半导体层4的整个表面形成n型透光电极5，大约在n型氮化物半导体层4的表面中心上形成n型衬垫电极6。
图10B示出此实施例的氮化物半导体光发射装置的不导电衬底1的背面形状。见图10B，在不导电衬底1背面侧上有开口8，并且晶片被沿分开线13分成各个芯片(半导体光发射装置)。
当制造如图3的氮化物半导体光发射装置时，举例说明，首先在MOCVD生长装置中设置不导电的衬底1，并在不导电衬底1上连续地重叠p型氮化物半导体层2、发光层3和n型氮化物半导体层4。
然后，从所述装置中取出重叠层体，用以氢氟酸为基的腐蚀剂除去不导电衬底1中不需要的部分，使得衬底被处理成具有突出的形状。在此，不导电衬底1的突出部分的直径设定为150微米。
然后，将重叠层体置入热处理炉，重叠层体被置于热处理炉的基座上，不导电衬底1的侧面面向上，重叠层体在氮气雾中于800℃保温2分钟进行热处理。
然后，从热处理炉中取出重叠层体，形成n型透光电极5、n型衬垫电极6和p型电极7。在n型氮化物半导体层4的表面上，将ITO形成到50毫微米厚度以制造n型透光电极5。通过大约在n型氮化物半导体层4的表面中心上形成1500毫微米厚度的Au层，制造n型衬垫电极6。通过重叠50毫微米厚度的Pd层和另外在其上的2000毫微米厚度的Au层，制造p型电极7，以覆盖突出的不导电衬底1和p型氮化物层2的表面。
然后，将以上述方式制造的光发射装置沿图10B所示的分开线13分成300微米见方的长方形。将各个制成的光发射装置安装在引线框上，P型电极7的侧面面向杯的底部。
图9A是以上述方式制造的光发射装置的重叠层体的剖视图，图9B示出分开并制造光发射装置的分开线13b。
见图3，此实施例的光发射装置的重叠层体也受到热处理，因此，p型半导体层2变成具有在p型半导体层2中掺杂高浓度Mg的区域2A和低浓度Mg的区域2B。
另外，因为衬底1是不导电的，所以流向区域2A的电流量能够大于流向区域2B的电流量。
因此，引入到光发射装置的电流集中在区域2A上的发光层3A上，电流几乎不流到在区域2B上的发光层3B。因此，光发射装置能够表现出电流阻塞型的发光特性。
因此，此实施例的光发射装置中，在吸收光发射装置产生的光的不导电衬底1上的发光层3B几乎不发光。因此，与现有技术比较，光发射装置向外发光的效率能够提高。
第四实施例
在图4的第四实施例的氮化物半导体光发射装置的结构中，在不导电硅衬底1上按顺序依次重叠掺杂Mg的p型氮化物半导体层2、发光层3和n型氮化物半导体层4。除去不导电衬底1的部分有开口8。另外，在不导电的衬底1和p型氮化物半导体层2的表面上形成p型透光电极70。在p型透光电极70的角部形成p型衬垫电极71。在大约n型氮化物半导体层4的整个表面上形成起反射层作用的反射电极51。在反射电极51上形成n型衬垫电极6。
在此，在不导电衬底1和p型氮化物半导体层2的表面上形成的p型透光电极70是5毫微米厚的Pd薄膜。所述反射电极51可以通过重叠50毫微米厚的Hf层和另外在其上的2000毫微米厚的Al层形成。
图4的氮化物半导体光发射装置可以通过与第二实施例相似的方式制造。
见图4，此实施例的光发射装置也进行重叠层体的热处理。因此，p型氮化物半导体层2成为具有在p型氮化物半导体发光层2中Mg掺杂的高浓度区域2A和低浓度区域2B。
另外，因为衬底1是不导电的，所以流向区域2A的电流量能够大于流向区域2B的电流量。
因此，向光发射装置引入的电流集中在区域2A上的发光层3A上，并且电流几乎不流到在区域2B上的发光层3B上。因此，光发射装置能够表现出电流阻塞型发光的特性。
另外。在此实施例中，光发射装置安装在引线框上，n型衬垫电极6的侧面面向杯的底部。因此，产生的光被发光层3A上的反射电极51反射，使得发射的光通过其上带有Pd薄膜的开口8能够进一步被引向光发射装置的外部。因此，与第二实施例相比，此实施例能够提高向外发射光的效率。
第五实施例
在如图5所示的第五实施例的氮化物半导体光发射装置的结构中，在不导电硅衬底1上按顺序依次重叠掺杂Mg的p型氮化物半导体层20和21、发光层3和n型氮化物半导体层4并形成一个多层的重叠层体。除去不导电衬底1的部分有开口8。另外，在不导电的衬底1和多层重叠层体的表面上形成p型电极7。另外，大约在n型氮化物半导体层4的整个表面上形成n型透光电极5，在n型氮化物半导体层4的表面上的相对两端部分形成n型衬底电极6。
图5所示的氮化物半导体光发射装置可以通过与第二实施例相似的方式制造。
见图5，此实施例的光发射装置也进行重叠层体的热处理。因此，包括p型氮化物半导体层20和21的多层重叠层体成为具有在包括p型氮化物半导体层20和21的多层重叠层体中Mg掺杂的高浓度区域2A和低浓度区域2B。
另外，因为衬底1是不导电的，所以流向区域2A的电流量能够大于流向区域2B的电流量。
因此，向光发射装置引入的电流集中在包括p型氮化物半导体层20和21的多层重叠层体的区域2A上的发光层3A上，并且电流几乎不流到在区域2B上的发光层3B上。因此，光发射装置能够表现出电流阻塞型发光的特性。
另外。在此实施例中，包括p型氮化物半导体光发射装置层20和21的多层重叠层体是氮化物半导体多层膜，该多层膜是由42层包括GaN层20和Al0.34Ga0.66N层21的复合体形成的。膜的厚度是光发射波长的1/4的整数倍。
因此，包括上述p型氮化物半导体层20和21的多层重叠层体在此实施例中是起反射层的作用，反射在光发射装置上的发射的光。因此，向作为光吸收体的不导电Si衬底1行进的光减少，因此能够提高向外的光发射效率。
第六实施例
在图6的第六实施例的氮化物半导体光发射装置的结构中，按顺序依次在不导电Si衬底1上重叠掺杂Mg的p型氮化物半导体层2、发光层3和n型氮化物半导体层4。另外，不导电衬底1的与其上形成有重叠层体的表面相对的背面形成凹入形。在除去不导电衬底1处有开口8。在不导电衬底1和p型氮化物半导体层2的表面上形成p型电极7。另外，在n型氮化物半导体层4的表面上形成n型透光电极5。在n型氮化物半导体层4的表面的角部上形成n型衬垫电极6，在n型氮化物半导体层4表面上有开口9，那里未形成任何结构。
见图6，此实施例的光发射装置也进行重叠层体的热处理。因此，p型半导体层2成为具有在p型半导体层2中Mg掺杂的高浓度区域2A和低浓度区域2B。
另外，因为衬底1是不导电的，所以流到区域2A的电流量大于流到区域2B的电流量。
因此，引入到光发射装置的电流集中在p型半导体层的区域2A上的发光层3A上，电流几乎不流到区域2B上的发光层3B。因此，光发射装置能够表现出阻流型发光的特性。
另外，在此实施例的光发射装置中，在作为发光表面的n型氮化物半导体层4的表面上有开口9，在那里没有形成任何结构。即，存在着n型透光电极5不吸收发射的光的区域。因此，与第二实施例比较，能够提高向外的光发射效率。
另外，在此实施例中不形成n型透光电极5时，则向外发射光的效率能够进一步提高。
第七实施例
在图7所示的第七实施例的氮化物半导体光发射装置的结构中，在不导电Si衬底1上按顺序依次重叠掺杂Mg的p型氮化物半导体层2、发光层3和n型氮化物半导体层4。在不导电衬底1的与其上形成有重叠层体的表面相对的背面，不导电衬底1形成突出形状。在除去不导电衬底处有开口8。另外，n型氮化物半导体层4形成得突出形。在突出的顶部形成n型衬垫电极6。另外，在不导电衬底1和p型氮化物半导体层2的表面上形成p型电极7。
见图7，此实施例的光发射装置也进行重叠层体的热处理。因此，p型半导体层2成为具有在p型半导体层2中Mg掺杂的高浓度区域2A和低浓度区域2B。
另外，因为衬底1是不导电的，所以流到区域2A的电流量大于流到区域2B的电流量。
因此，引入到光发射装置的电流集中在p型半导体层的区域2A上的发光层3A上，电流几乎不流到区域2上的发光层3B。因此，光发射装置能够表现出阻流型发光的特性。
因此，在此实施例的光发射装置中，吸收从光发射装置发射的光的不导电衬底1上的发光层3B几乎不发射光。因此，与现有技术相比，作为光吸收体的不导电Si衬底1所吸收的光量能够降低，从而提高向外的光发射效率。
通过干腐蚀，将除突出部分外的n型氮化物半导体层4的其他部分变薄，从而进一步提高向外发射光的效率。
第八实施例
在图8所示的第八实施例的氮化物半导体光发射装置的结构中，在Si不导电衬底1上按顺序依次重叠掺杂Mg的p型氮化物半导体层2、发光层3和n型氮化物半导体层4。另外，不导电衬底1的与其上形成重叠层体的表面相对的背面形成凹入形，在除去不导电衬底1处有开口8。在不导电衬底1和p型氮化物半导体层2的表面上形成p型透光电极70。另外，在p型透光电极70的表面上形成作为电介质多层反射膜的ZrO2(氧化锆)层11和SiO2(二氧化硅)层12。在n型氮化物半导体层4表面上形成n型透光电极5，在n型氮化物半导体层4的表面上的相对两端形成n型衬垫电极6。在n型氮化物半导体层4的其余表面上有开口9，这里没有形成任何结构。
见图8，此实施例的光发射装置也进行重叠层体的热处理。因此，p型半导体层2成为具有在p型半导体层2中Mg掺杂的高浓度的区域2A和低浓度区域2B。
另外，因为衬底1是不导电的，所以流到区域2A的电流量大于流到区域2B的电流量。
因此，引入到光发射装置的电流集中在p型半导体层的区域2A上的发光层3A上，电流几乎不流到区域2B上的发光层3B。因此，该光发射装置能够表现出阻流型发光的特性。
另外，在此实施例中电介质多层反射膜是由ZrO2层11和SiO2层12形成的，膜厚度是光发射波长的1/4的整数倍。
因此，在此实施例中，产生于发光层3A区域附近的并穿过p型发光电极70向不导电衬底1行进的光被形成于p型发光电极70表面上的、起反射层作用的电介质多层反射膜所反射，然后再向该光发射装置的内部行进。所以，向作为光吸收体的不导电衬垫1行进的光量能够降低，并因而使被不导电衬垫1吸收的光量与现有技术比较有所降低。所以，与现有技术比较，向外发射光的效率提高。
另外，即使当电介质多层反射膜是半导体多层反射膜时，也能够获得相似效果。
在本发明的氮化物半导体装置中包括的p型氮化物半导体层、发光层和n型氮化物半导体层的材料是没有特别限制的。例如，可以使用表达式InxAlyGa1-x-yN(0≤x，0≤y，x+y≤1)表示的氮化物半导体。可以用MQW(多量子阱)发光层或SQW(单量子阱)发光层作为发光层。形成p型氮化物半导体层和n型氮化物半导体层用的掺杂物没有特别限制。
另外，在本发明中，p型氮化物半导体层和n型氮化物半导体层可以包括单层或多层。层与层之间的空间不加以特别限制。但是，最好是光波长的1/4的整数倍。
在本发明中，不特别限制重叠氮化物半导体层等的方法。例如，可以使用MOCVD方法。
另外，在本发明中，不特别限制除去衬底的方法。例如，可以使用干腐蚀方法。
在本发明中，不特别限制n型电极和p型电极的材料。对于n型电极和p型电极可以使用Ti、Hf、ITO、SnO2、Ni或Pd等。
在本发明中，不特别限制形成p型电极和n型电极的方法。可以使用常规的方法。
在此实施例中，可以在p型电极、n型电极、p型半导体层或衬底上形成用以进行导线接合或类似操作的衬垫电极。例如，所述衬垫电极是由诸如Au等材料和汽相积淀方法形成。例如，可以向衬垫电极接合引导外电流的Au线等。
本发明的氮化物半导体光发射装置的结构，适用于任何结构，包括同质结构，双异质结构，单异质结构或在击活层中具有量子阱的结构。
本发明在由Si等形成的不导电衬底上从不导电衬底起按顺序依次重叠p型氮化物半导体层、发光层和n型氮化物半导体层，从而能够制造阻流型和限流型氮化物半导体光发射装置。因此，不必在p型氮化物半导体层上形成绝缘膜等。因此，与现有技术比较，能够减少在p型氮化物半导体层中的结晶缺陷，能够制造出高可靠性的氮化物半导体光发射装置。
另外，在除去衬底的部分上形成光反射膜，以便向后将光引向光发射装置内部，从而能够从与作为光吸收体的衬底的表面不同的表面发射光。因此，与现有技术比较，能够提高向外发射光的效率。
虽然本发明已经结合附图得到了详细的描述和说明，但是本领域的技术人员应该明白，这些仅仅是为了示范说明，而不是限制本发明，本发明仅由后附的权利要求限定。