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TW201419568A - Ｌｅｄ元件及其製造方法 - Google Patents

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Masashi Tsukihara
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Abstract

[課題]實現即使低工作電壓，也可實現光線的高取出效率，且可利用簡易的製程來製造的LED元件。[解決手段]LED元件(1)係具有支持基板(11)、形成於支持基板(11)的上層的導電層(20)、以底面接觸於導電層(20)的一部分上面之方式形成的絕緣層(21)、以底面接觸於導電層(20)的一部分上面及絕緣層(21)的一部分上面之方式形成的p型半導體層(31)、形成於p型半導體層(31)的上層，且以氮化物半導體所構成的發光層(33)、形成於發光層(33)的上層的n型半導體層(35)、形成於n型半導體層(35)的上層整面的透明電極(38)及以底面接觸於透明電極(38)的一部分上面之方式形成的供電端子(42)，n型半導體層(35)，係以AlnGa1-nN(0＜n＜1)構成，至少與透明電極(38)接觸的區域的n型不純物濃度大於1×1019/cm3。

Description

LED元件及其製造方法
本發明係關於LED元件及其製造方法，尤其是關於以氮化物半導體構成的縱型LED元件及其製造方法。
先前，於使用氮化物半導體的LED中，主要利用GaN。此時，根據晶格整合的觀點，利用在藍寶石基板上進行磊晶成長來形成缺陷少的GaN膜，形成由氮化物半導體所成的LED元件。在此，因藍寶石基板是絕緣材，對於GaN系LED的供電，削去p層的一部分，使n層露出，於p層及n層的各層形成供電用電極。如此，將供電用的電極配置成相同朝向之構造的LED稱為縱型構造，例如於後述專利文獻1有揭示此種技術。
另一方面，也進行以LED元件之發光效率的改善及光取出的效率化作為目的，將p層與n層配置於表背面來進行供電，所謂縱型構造之LED的開發。在製造該縱型構造的LED時，於藍寶石基板上由下依序配置n層、p層，於該p層側接合由矽(Si)及銅鎢(CuW)所 成的支持基板之後，去除藍寶石基板。此時，元件表面成為n層側，利用於該n層設置供電端子，並於該供電端子連接身為供電線的電線，來進行電壓供給。
於縱型的構造中，在p層側的電極(以下，稱為「p側電極」)與形成於n層上的接合電極(以下，稱為「n側電極」)之間施加電壓的話，電流會從p側電極透過包含發光層的LED層而流至n側電極。利用電流流通於發光層內，該發光層的區域會發光。
在此，p側電極與n側電極係配置成與垂直方向對向的位置關係。因此，在兩電極之間施加電壓時，形成幾乎以最短距離從p側電極朝向n側電極之垂直方向的電流路徑。此時，大部分的電流流通於位於n側電極正下的發光層內，於其他發光層不太流通電流，有發光區域成為限定性，發光效率變低的問題。
對於此種課題，在後述專利文獻2中，揭示將n側電極設置為網目狀的構造。利用將n側電極設置為網目狀，可一邊確保光的取出效率，一邊使流通於發光層的電流往水平方向擴散。
又，LED層與n側電極之間的阻抗值較高的話，還會有為了流通發光所需的電流，需要之電壓變高之其他課題。因此，對於為了利用較低工作電壓來取出高光量來說，重要的是盡量降低LED層與n側電極之間的阻抗值。對於此種課題，在後述專利文獻3中，揭示依序層積高濃度層與低濃度層來形成LED層中的n層的LED元 件。
[先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本專利第2976951號說明書
[專利文獻2]日本專利第3511970號說明書
[專利文獻3]日本特開2007-258529號公報
[非專利文獻]
[非專利文獻1]S. Fritze, et al., "High Si and Ge n- type doping of GaN doping - Limits and impact on stress", Applied Physics Letters 100, 122104, (2012)
為了涵蓋發光層內之水平方向的廣泛範圍來流通電流，可涵蓋n層最上層整面來形成n側電極的話，可說是最簡便的方法。但是，n側電極通常使用金屬電極。將金屬電極形成於n層上層的整面的話，在發光層發光的光線會被金屬電極遮住，無法取出至元件的外部。因此，為了一邊確保光的取出區域，一邊將發光區域盡可能往水平方向擴張，在前述的專利文獻2中，採用將金屬電極形成為網目狀的方法。
但是，即使於此方法中，形成為網目狀的金 屬電極也會遮住一部分來自發光層的光線。
作為用以一邊有效率地將光取出至外部，一邊將發光區域盡量往水平方向擴散的方法，有以ITO等的透明電極(透光性導電性層)來形成n側電極，並將其形成於n層最上層整面。但是，透明電極的比阻抗比金屬還大，在與n層之界面的歐姆連接(ohmic contact)。結果，在n層與n側電極之間產生較大的阻抗，產生為了對於發光層流通發光所需的電流，對p側電極與n側電極之間施加較大電壓的必要。
對於為了一邊抑制必要的施加電壓，一邊對於發光層流通必要的電流來說，盡可能降低p側電極與n側電極之間的阻抗值為佳。因此，對於為了一邊於n側電極採用透明電極，一邊盡可能降低n層與n側電極之間的阻抗值來說，可考慮利用盡可能提升n層的摻雜量，來實現n層與n側電極之間的歐姆連接的方法。
然而，於構成LED層的半導體層，尤其是n層中，將該摻雜量設為1×1019/cm3以上的話，公知有因原子鍵結的狀態惡化等之原因，會產生膜粗化的現象(例如參照前述非專利文獻1)。產生此種現象的話，不會形成低阻抗的n層，結果，發光效率會降低。在前述專利文獻3中，為了克服此課題，設為交互依序層積高濃度的n層與低濃度的n層的構造。依據同文獻，利用設為此種構造，形成於高濃度層之表面的粗化藉由低濃度層覆蓋，故可形成良質的n層。
但是，採用專利文獻3所記載的方法時，因作為n層需要依序交互層積複數組的高濃度層與低濃度能，故會產生製程複雜化的其他問題。
本發明的目的係有鑑於前述的課題，實現即使低工作電壓，也可實現光線的高取出效率，且可利用簡易的製程來製造的LED元件。
本發明的LED元件，係包含氮化物半導體的LED元件，其特徵為：具有：支持基板，係以導電體或半導體所構成；導電層，係形成於前述支持基板的上層；絕緣層，係以底面接觸於前述導電層的一部分上面之方式形成；第1半導體層，係以底面接觸於前述導電層的一部分上面及前述絕緣層的一部分上面之方式形成，且以p型氮化物半導體所構成；發光層，係形成於前述第1半導體層的上層，且以氮化物半導體所構成；第2半導體層，係形成於前述發光層的上層，且以n型氮化物半導體所構成；透明電極，係形成於前述第2半導體層的上層整面；及 供電端子，係以底面接觸於前述透明電極的一部分上面之方式形成； 前述第2半導體層，係以AlnGa1-nN(0<n<1)構成，至少與前述透明電極接觸的區域的n型不純物濃度大於1×1019/cm3。
藉由本發明者的銳意研究，在不以GaN，而是以AlnGa1-nN(0<n<1)構成n型的第2半導體層時，可確認即使將不純物濃度提升為大於1×1019/cm3，也不會產生膜粗化的問題。結果，因可降低n層的阻抗值，故即使於該上層形成透明電極，也可實現n層與透明電極之間的歐姆連接。
因此，可將透明電極形成於第2半導體層的上層整面。藉此，因為可對發光層的廣泛範圍流通電流，可實現廣泛的發光區域。又，因為不是金屬電極，所以不會遮住光線，可實現光線的高取出效率。
進而，作為第2半導體層，僅形成不純物濃度大於1×1019/cm3的AlnGa1-nN(0<n<1)即可，不需要交互層積複數組低濃度層與高濃度層。因此，不需要複雜的製程，可利用簡易的製程來製造LED元件。
再者，作為前述透明電極，例如可利用ITO(Indium Tin Oxide)、IZO(Indium Zinc Oxide)、In2O3、SnO2等。
前述的LED前述，係可經由以下工程來形成。亦即， 準備藍寶石基板的工程(a)；於前述藍寶石基板的上層，形成以AlnGa1-nN(0<n<1)所構成之前述第2半導體層的工程(b)；於前述第2半導體層的上層，由下依序形成前述發光層、前述第1半導體層的工程(c)；以覆蓋前述第1半導體層的一部分上面之方式形成絕緣層的工程(d)；以覆蓋露出之前述第1半導體層的上面及前述絕緣層的上面之方式形成導電層的工程(e)；於前述導電層的上面，直接或隔著其他導電層，貼合以導電體或半導體所構成之支持基板的底面的工程(f)；在使前述支持基板位於底面，前述藍寶石基板位於上面的狀態下，從上方照射雷射來剝離前述藍寶石基板，露出前述第2半導體層的上面的工程(g)；於前述第2半導體層的上層，以完全覆蓋前述第2半導體層的上面之方式形成透明電極的工程(h)；及於前述透明電極的上層之所定處，形成供電端子的工程(i)。
然後，將前述工程(b)設為以至少與前述藍寶石基板接觸之區域的n型不純物濃度大於1×1019/cm3之方式形成前述第2半導體層的工程。
依據本發明，可實現即使低工作電壓，也可實現光線的高取出效率，且可利用簡易的製程來製造的LED元件。
1‧‧‧本發明的LED元件
2A，2B，2C‧‧‧檢證用元件
11‧‧‧支持基板
13‧‧‧焊錫層
15‧‧‧焊錫層
17‧‧‧保護層
19‧‧‧反射電極
20‧‧‧導電層
21‧‧‧絕緣層
30‧‧‧LED層
31‧‧‧p型半導體層
33‧‧‧發光層
35‧‧‧n型半導體層
35A‧‧‧n型高濃度層
36‧‧‧非摻雜層
38‧‧‧透明電極
40‧‧‧LED磊晶層
42‧‧‧供電端子
61‧‧‧藍寶石基板
95‧‧‧n型半導體層(GaN)
95A‧‧‧n型GaN的高濃度區域
[圖1]LED元件的概略剖面圖。
[圖2A]將n型不純物濃度設為5×1019/cm3時之AlGaN的層表面的照片。
[圖2B]將n型不純物濃度設為1.5×1019/cm3時之GaN的層表面的照片。
[圖3A]歐姆連接之檢證用元件(實施例1)的構造圖。
[圖3B]歐姆連接之檢證用元件(實施例2)的構造圖。
[圖3C]歐姆連接之檢證用元件(比較例)的構造圖。
[圖4A]揭示實施例1之I-V特性的圖表。
[圖4B]揭示實施例2之I-V特性的圖表。
[圖4C]揭示比較例之I-V特性的圖表。
[圖5A]用以評估透明電極之透光性的檢證用元件的構造圖。
[圖5B]用以評估透明電極之透光性的檢證用元件的構造圖。
[圖5C]揭示透明電極之透光性的圖表。
[圖6]揭示ITO之退火溫度與載體濃度的關係的圖表。
[圖7A]LED元件的工程剖面圖之一部分。
[圖7B]LED元件的工程剖面圖之一部分。
[圖7C]LED元件的工程剖面圖之一部分。
[圖7D]LED元件的工程剖面圖之一部分。
[圖7E]LED元件的工程剖面圖之一部分。
[圖7F]LED元件的工程剖面圖之一部分。
[圖7G]LED元件的工程剖面圖之一部分。
[圖7H]LED元件的工程剖面圖之一部分。
[圖8]揭示LED元件之製造方法的流程圖。
針對本發明的LED元件及其製造方法，參照圖面來進行說明。再者，於各圖中，圖面的尺寸比與實際的尺寸比不一定一致。
[構造]
針對本發明的LED元件1的構造，參照圖1來進行說明。圖1係LED元件1的概略剖面圖。
LED元件1係包含支持基板11、導電層20、絕緣層21、LED層30及供電端子42所構成。LED層30係由下依序層積p型半導體層31(對應「第1半導體 層」)、發光層33及n型半導體層35(對應「第2半導體層」)所形成。
(支持基板11)
支持基板11係以例如CuW、W、Mo等的導電性材料或Si等的半導體基板所構成。
(導電層20)
於支持基板11的上層，形成由多層構造所成的導電層20。該導電層20係在本實施形態中，包含焊錫層13、焊錫層15、保護層17及反射電極19。
焊錫層13及焊錫層15係例如以Au-Sn、Au-In、Au-Cu-Sn、Cu-Sn、Pd-Sn、Sn等所構成。如後述般，該等焊錫層13與焊錫層15係利用使形成於支持基板11上的焊錫層13，與形成於其他基板上的焊錫層15對向之後，貼合兩者所形成者。
保護層17係例如以Pt系的金屬(Ti與Pt的合金)、W、Mo、Ni等所構成。如後述般，隔著焊錫層的貼合時，構成焊錫的材料會擴散至後述之反射電極19側，發揮防止反射率下落所致之發光效率的降低的功能。
反射電極19係例如以Ag系的金屬(Ni與Ag的合金)、Al、Rh等所構成。本元件1係想定將從LED層30的發光層33放射之光線取出至圖1的上方向，反射電極19係利用使從發光層33朝下放射之光線朝上反射， 發揮提升發光效率的功能。
再者，導電層20係於一部分中與LED層30接觸，更詳細來說是與p型的半導體層31接觸，對支持基板11與供電端子42之間施加電壓的話，形成經由支持基板11、導電層20、LED層30而流通至供電端子42的電流路徑。
(絕緣層21)
絕緣層21係例如以SiO2、SiN、Zr2O3、AlN、Al2O3等所構成。該絕緣層21係上面與p型半導體層31的底面接觸。再者，該絕緣層21係如後述般，具有作為元件分離時之蝕刻阻擋層的功能。
(LED層30)
如上所述，LED層30係由下依序層積p型半導體層31、發光層33及n型半導體層35所形成。
p型半導體層31係例如利用包含以AlmGa1-mN(0<m<1)所構成之層(電洞供給層)與以GaN所構成之層(保護層)的多層構造所構成。任一層都摻雜有Mg、Be、Zn、C等的p型不純物。
發光層33係例如以具有重複由GaInN所成之量子井層與由AlGaN所成之障壁層的多量子井結構的半導體層所形成。該等之層係作為非摻雜型亦可，作為摻雜p型或n型亦可。
n型半導體層35係於接觸發光層33的區域包含以GaN所構成之層(保護層)，於接觸透明電極38的區域包含以AlnGa1-nN(0<n<1)所構成之層(電子供給層)的多層構造。至少於保護層，摻雜Si、Ge、S、Se、Sn、Te等的n型不純物，尤其摻雜Si為佳。
又，接觸透明電極38之區域的n型半導體層35係以n型不純物濃度大於1×1019/cm3，理想為成為3×1019/cm3以上之方式摻雜不純物。再者，依據藉由實驗所得之照片，如後述般，於本構造中，即使將n型半導體層35的不純物濃度設為大於1×1019/cm3之值(例如5×1019/cm3)，也不會產生模粗化。
(透明電極38)
透明電極38係例如以ITO、IZO、In2O3、SnO2、IGZO(InGaZnOx)等的透光性導電材料所構成。該透明電極38係形成於n型半導體層35之上層的整面，實現發光層33之水平方向的電流擴散。
再者，參照實驗資料，如後述般，於本構造中，於n型半導體層35與透明電極38的界面中形成歐姆連接，實現n型半導體層35與透明電極38之間的低阻抗化。
(供電端子42)
供電端子42係形成於透明電極38的上層，例如以 Cr-Au所構成。該供電端子42係連接例如以Au、Cu等所構成之電線(未圖示)，該電線的另一方係連接於配置LED元件1之基板的供電圖案等(未圖示)。
再者，雖然未圖示，但是，於LED層30及透明電極38的側面及上面，形成作為保護膜的絕緣層亦可。再者，作為該保護膜的絕緣層，係以具有透光性的材料(例如SiO2等)構成為佳。又，在上述的實施形態中，將構成p型半導體層31的一材料記載為AlmGa1-mN(0<m<1)，將構成n型半導體層35的一材料記載為AlnGa1-nN(0<n<1)，但是，該等為相同材料亦可。
[膜粗化之有無的檢證]
接著，如LED元件1，利用以AlnGa1-nN(0<n<1)來構成n型半導體層35，針對即使使不純物濃度大於1×1019/cm3，也不會產生膜粗化之狀況，參照圖2A及圖2B的實驗資料來進行說明。再者，以下將AlnGa1-nN(0<n<1)略記為AlnGa1-nN。
圖2A係將n型不純物濃度設為5×1019/cm3時之AlGaN的層表面的照片。又，圖2B係將n型不純物濃度設為1.5×1019/cm3時之GaN的層表面的照片。再者，圖2A係利用AFM(Atomic Force Microscopy：原子力顯微鏡)所攝影者，圖2B係利用SEM(Scanning Electron Microscope：掃描式電子顯微鏡)所攝影者。
如圖2B所示，以GaN構成n型半導體層 時，可知將n型不純物濃度設為1.5×1019/cm3的話，表面會產生粗化。再者，即使將不純物濃度設為1.3×1019/cm3、2×1019/cm3，也可同樣確認表面的粗化。藉此，於GaN中，如非專利文獻1所記載般，可知大於1×1019/cm3的話，層表面會產生粗化。
相對於此，依據圖2A，以AlGaN構成n型半導體層的話，即使將n型不純物濃度設為5×1019/cm3，也可確認台階狀的表面(原子台階)，可知層表面未產生粗化。再者，作為構成材料，即使使Al與Ga的成分比例變化(AlnGa1-nN)，也可同樣確認層表面不會產生粗化。又，即使在以GaN構成n型半導體層，將n型不純物濃度設為0.5×1019/cm3，亦即，將n型不純物濃度設為1×1019/cm3以下之狀況中，也可取得與圖2A相同的照片。
依據以上內容，利用以AlnGa1-nN構成n型半導體層，可知即使使n型不純物濃度大於1×1019/cm3，也不會產生膜粗化的問題。
[歐姆連接的檢證]
接著，利用n型半導體層35中，將至少與透明電極38接觸的區域，以不純物濃度大於1×1019/cm3的AlnGa1-nN來構成，針對在n型半導體層35與透明電極38之間形成歐姆連接，參照實施例來進行說明。
圖3A~圖3C係用於歐姆連接檢證所形成之元件的範例。再者，圖3A~圖3C係因為是用於n型半導 體層35與透明電極38的歐姆連接檢證的元件，故與LED元件1不同，僅在檢證所需範圍來構成元件。又，在圖3A~圖3C中，作為透明電極38，採用ITO。
(實施例1)
圖3A所示之檢證用元件2A，係與LED元件1相同，於支持基板11上，形成焊錫層13、15、焊錫擴散防止用的保護層17。然後，於保護層17的上層，隔著絕緣層21形成n型半導體層35，於其上層在兩處形成透明電極38。n型半導體層35係於包含與透明電極38接觸之區域的最上部的位置，具有以不純物濃度為3×1019/cm3的AlnGa1-nN所構成的高濃度層35A。
(實施例2)
圖3B所示的檢證用元件2B係於藍寶石基板61的上層，隔著非摻雜層36形成n型半導體層35，於其上層在兩處形成透明電極38。n型半導體層35係於包含與透明電極38接觸之區域的最上部的位置，具有以不純物濃度為3×1019/cm3的AlnGa1-nN所構成的高濃度層35A。
檢證用元件2B係為了檢證AlnGa1-nN之極性的不同是否會影響與透明電極38的歐姆連接所形成的元件。
如後述般，在製造圖1所示之LED元件1時，首先，於藍寶石基板61上形成非摻雜層36之後，於 其上層形成n型半導體層35。之後，於其上層形成發光層33、p型半導體層31之後，形成包含絕緣層21及焊錫層15的導電層20。之後，準備另外的支持基板11，於該上層形成焊錫層13之後，利用接合焊錫層13及焊錫層15，貼合藍寶石基板61與支持基板11。之後，將支持基板11配置於下側，藍寶石基板61配置於上側，剝離藍寶石基板61之後，形成透明電極38。
AlnGa1-nN係因構成最上面的晶格的原子是N原子或Ga原子，晶格極性會不同。將構成最上面之晶格的原子為N原子者稱為N極性，為Ga原子者稱為Ga極性。將AlnGa1-nN形成於藍寶石基板61上的話，公知會以Ga原子位於晶格的最上層之方式形成。因此，在圖3B所示之檢證用元件2B中，與透明電極38接觸的區域之AlnGa1-nN的晶格係以Ga原子構成。亦即，檢證用元件2B係想定為於與透明電極38接觸的區域，形成Ga極性之AlnGa1-nN的元件。
相對於此，如前述般，LED元件1係利用將藍寶石基板61往上方反轉之後，剝離該藍寶石基板61來製造。因此，n型半導體層35係構成最上層的晶格為N原子。亦即，LED元件1係在利用後述之製造方法製造時，通常是以與透明電極38接觸的區域之AlnGa1-nN的晶格為N原子所構成。亦即，n型半導體層35係於與透明電極38接觸的區域中，形成N極性的AlnGa1-nN。檢證用元件2A係有鑑於此點，想定為於與透明電極38接觸的區 域，形成N極性之AlnGa1-nN的元件。但是，根據製造方法，也有於與透明電極38接觸的區域會形成Ga極性的AlnGa1-nN之狀況，故也針對實施例2的檢證用元件2B進行實驗。
(比較例)
圖3C所示之檢證用元件2C係相對於檢證用元件2B，形成以GaN構成之n型半導體層95，來代替以AlnGa1-nN構成之n型半導體層35者。該n型半導體層95係於包含與透明電極38接觸之區域的最上部的位置，具有以不純物濃度為1×1019/cm3(不產生膜粗化的上限值)的GaN所構成的層95A。再者，此構造之狀況中，與實施例2相同，形成於與透明電極38接觸的區域之GaN的晶格極性為N極性。
圖4A~圖4C係對於各檢證用元件2A、2B、2C，測定n型半導體層與層積於其上層的透明電極38之間之I-V特性的圖表。具體來說，是在分離形成之兩個透明電極38之間施加電壓V，將該V之值與透過高濃度的n型半導體層(35A、95A)流通之電流量I之值的關係圖表化者。更詳細來說，該圖表係使對兩者施加之電壓，以0V為基準，從0至負電壓，又從0至正電壓逐漸變化，針對每一施加電壓來測定電流I，將施加電壓與電流的關係圖表化者。
圖4A對應檢證用元件2A(實施例1)，圖 4B對應檢證用元件2B(實施例2)，圖4C對應檢證用元件2C(比較例)。再者，在圖4A中，作為用以確認歐姆連接的形成的比較，一併圖示形成通常的金屬電極材料(Ti/Al/Ti/Au)來代替透明電極38時的I-V特性。
依據圖4A，可知以不純物濃度為3×1019/cm3之N極性的AlnGa1-nN來構成n型半導體層35之與透明電極38接觸的區域時，即使與其上層形成由ITO所成之透明電極38，也表示與形成金屬電極(Ti/Al/Ti/Au)同樣幾乎直線狀的I-V特性。又，ITO的退火溫度為300℃之狀況或400℃之狀況，該特性也幾乎不會變化。亦即，可知利用以不純物濃度為3×1019/cm3的AlnGa1-nN來構成與透明電極38接觸的區域，可實現與於上層形成金屬電極時相同的歐姆連接。
又，依據圖4B，以不純物濃度為3×1019/cm3之Ga極性的AlnGa1-nN來構成n型半導體層35的與透明電極38接觸的區域時，與圖4A相同，可知即使於其上層構成透明電極38，也可實現歐姆連接。根據圖4A及圖4B，可知透明電極38與n型半導體層35之間的I-V特性，並不依存於與透明電極38接觸之區域的n型半導體層35的極性。
相對於此，如圖4C，在以不純物濃度為1×1019/cm3的GaN來構成n型半導體層35的與透明電極38接觸的區域時，0V附近的區域之I-V特性曲線的傾斜，係比離開0V之負電壓及正電壓區域之I-V特性曲線的傾 斜還緩和。此係表示施加絕對值較大的電壓的話，雖然電流易於流通，但是，施加接進0V之絕對值較小的電壓的話，電流難以流通，代表形成肖特基連接之狀況。
利用使ITO的退火溫度上升，可提升ITO的載體濃度。但是，依據圖4C，即使將ITO的退火溫度提升至600℃為止，也依然會形成肖特基連接，無法實現歐姆連接。再者，雖然於後敘述，但是，在實現LED元件1時，需要藉由焊錫層來貼合兩個基板的工程。如果以超過焊錫之熔點的高溫來執行ITO的退火的話，有焊錫會被熔解，產生被貼合之基板的偏差，熔解的金屬附著於側壁而使電性特性惡化之虞。因此，無法以超過焊錫的熔點之高溫來進行ITO的退火。
有鑑於以上內容，依據圖4C，可導出在以不純物濃度為1×1019/cm3的GaN來構成n型半導體層35的與透明電極38接觸的區域時，無法實現在n型半導體層35與透明電極38之間的歐姆連接的結論。
再者，雖然未揭示關於以Ga極性的GaN來構成n型半導體層35時的I-V特性，但可獲得與圖4C相同的極性。如參照圖4A及圖4B所說明般，可知透明電極38與n型半導體層35之間的I-V特性，並不依存於與透明電極38接觸之區域的n型半導體層35的極性。
亦即，可知將n型半導體層35的構成材料設為GaN之狀況中，即使在不產生膜粗化之問題的範圍內設為最大的不純物濃度之1×1019/cm3，在與透明電極38 之間也無法實現歐姆連接。此時，在透明電極38與n型半導體層35之間的阻抗值變高，為了流通發光所需之電流所需之電壓也變高。
如LED元件1般，利用作為n型半導體層35，使用AlnGa1-nN，可不產生膜粗化而實現超過1×1019/cm3的高濃度層35A。然後，藉由使此種高濃度層35A與透明電極38接觸，實現n型半導體層35與透明電極38之間的歐姆連接。因此，即使作為n側電極，將透明電極38形成於n型半導體層35的上面整面，也可以較低的施加電壓，於發光層流通充分的電流。
[透光性的檢證]
接著，針對透明電極38的透光性進行檢證。圖5A及圖5B係用以說明檢證方法的概念圖，圖5C係揭示檢證結果的圖表。
如圖5A所示，從藍寶石基板61的背面照射光線，測定表面之光量X。同樣地，如圖5B所示，於將透明電極38形成於藍寶石基板61上的元件中，從藍寶石基板61的背面照射光線，測定表面(透明電極38側)之光量Y。一邊使光的波長變化一邊進行此種測定，針對每一波長計算透射率d=Y/X並圖表化者為圖5C。再者，光量的測定方法係使用紫外可視光分光光度計來進行。
依據圖5C，在λ≧400nm的範圍內，即使ITO的退火溫度為300℃，或400℃，也可實現90%以上 的透射率d。又，在λ≧350nm的範圍內，可實現80%以上的透射率d。因此，可知透明電極38充分具有透射的功能。亦即，如圖1所示，於LED元件1中即使於LED層30的上面整面形成透明電極38，在LED層30發光的光線也不會因透明電極38而大幅衰減，可以高效率將該光線取出至外部。
[ITO的退火溫度]
圖6係揭示ITO之退火溫度與ITO內之載體濃度的關係的圖表。
即使充分提升n型半導體層35的不純物濃度，構成透明電極38的材料之載體濃度也明顯較低之狀況中，無法降低n型半導體層35與透明電極38之間的阻抗值。依據圖6，作為透明電極38而使用ITO之狀況中，將ITO的退火溫度設為300℃時，可實現4.5×1020/cm3的ITO內載體濃度。在如此實現充分高之ITO載體濃度之狀況中，n型半導體層35與透明電極(ITO)38之間的阻抗值，係相較於ITO的載體濃度，更依存於n型半導體層35的不純物濃度。
依據圖6，將透明電極38設為ITO時，可知於ITO內可確導充分的載體濃度。此係如圖4A及圖4B所示，成為表示可實現n型半導體層35與透明電極38之間的歐姆連接之狀況的其他根據。
[LED元件1的製造方法]
接著，針對本發明之LED元件1的製造方法，參照圖7A~圖7H所示之工程剖面圖，及圖8所示之流程圖來進行說明。又，以下說明所示之步驟號碼，係對應圖8的流程圖的步驟號碼。
又，在後述製造方法中說明的製造條件及膜厚等的尺寸，僅為一例，並不是限定於該等數值者。
(步驟S1)
如圖7A所示，於藍寶石基板61上形成LED磊晶層40。該步驟S1對應工程(a)~(c)，例如藉由以下的順序進行。
(藍寶石基板61的準備)
首先，進行c面藍寶石基板61的清洗。該清洗更具體來說，藉由例如於MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition：有機金屬化學氣相沉積)裝置的處理爐內配置c面藍寶石基板61，一邊於處理爐內流通流量為10slm的氫氣，一邊將爐內溫度例如升溫至1150℃來進行。準備該藍寶石基板61的工程對應工程(a)。
〈非摻雜層36的形成〉
接著，於c面藍寶石基板61的表面，形成由GaN所成的低溫緩衝層，進而於其上層形成由GaN所成的基底 層。該等低溫緩衝層及基底層對應非摻雜層36。
非摻雜層36的更具體形成方法係例如以下所述。首先，將MOCVD裝置的爐內壓力設為100kPa，將爐內溫度設為480℃。然後，一邊於處理爐內作為載體氣體，流通流量分別為5slm的氮氣體及氫氣體，一邊作為原料氣體，將流量為50μmol/min的三甲基鎵及流量為250000μmol/min的氨供給68秒間至處理爐內。藉此，於c面藍寶石基板61的表面，形成厚度為20nm的由GaN所成的低溫緩衝層。
接著，將MOCVD裝置的爐內溫度升溫至1150℃。然後，一邊於處理爐內作為載體氣體，流通流量為20slm的氮氣體及流量為15slm的氫氣體，一邊作為原料氣體，將流量為100μmol/min的三甲基鎵及流量為250000μmol/min的氨供給30秒間至處理爐內。藉此，於第1緩衝層的表面，形成厚度為1.7μm的由GaN所成的基底層。
〈n型半導體層35的形成〉
接著，於非摻雜層36的上層形成由AlnGa1-nN(0<n<1)的組成所成的電子供給層，進而於其上層形成由n型GaN所成的保護層。該等電子供給層及保護層對應n型半導體層35。
n型半導體層35的更具體形成方法係例如以下所述。首先，將MOCVD裝置的爐內壓力設為30kPa。 然後，一邊於處理爐內作為載體氣體，流通流量為20slm的氮氣體及流量為15slm的氫氣體，一邊作為原料氣體，將流量為94μmol/min的三甲基鎵、流量為6μmol/min的三甲基鋁、流量為250000μmol/min的氨及流量為0.025μmol/min的四乙基矽烷供給30分鐘至處理爐內。藉此，將具有Al0.06Ga0.94N的組成，Si濃度為3×1019/cm3且厚度為1.7μm的高濃度電子供給層形成於非摻雜層36的上層。
之後，藉由停止三甲基鋁的供給，並且6秒間供給其以外的原料氣體，於電子供給層的上層，形成厚度為5nm的由n型GaN所成的保護層。
再者，作為包含於n型半導體層35的n型不純物，可使用矽(Si)、鍺(Ge)、硫(S)、硒(Se)、錫(Sn)及碲(Te)等。在該等之中，尤其矽(Si)為佳。
該n型半導體層35的形成工程對應工程(b)。
(發光層33的形成〉
接著，於n型半導體層35的上層，形成具有以GaInN構成之量子井層及以n型AlGaN構成之障壁層被週期性重複的多量子井結構的發光層33。
發光層33的更具體形成方法係例如以下所述。首先，將MOCVD裝置的爐內壓力設為100kPa，將 爐內溫度設為830℃。然後，進行一邊對處理爐內，作為載體氣體，流通流量為15slm的氮氣體及流量為1slm的氫氣體，一邊作為原料氣體，將流量為10μmol/min的三甲基鎵、流量為12μmol/min的三甲基銦及流量為300000μmol/min的氨，48秒間供給至處理爐內的步驟。之後，進行將流量為10μmol/min的三甲基鎵、流量為1.6μmol/min的三甲基鋁、0.002μmol/min的四乙基矽烷及流量為300000μmol/min的氨，120秒間供給至處理爐內的步驟。以下，藉由重複該等兩個步驟，具有厚度為2nm的由GaInN所成之量子井層及厚度為7nm的由n型AlGaN所成之障壁層所致之15週期的多量子井結構的發光層33被形成於n型半導體層35的表面。
〈p型半導體層31的形成〉
接著，於發光層33的上層，形成以AlmGa1-mN(0<m<1)構成之層(電洞供給層)，進而於其上層形成以p型GaN構成之層(保護層)。該等電洞供給層及保護層對應p型半導體層31。
p型半導體層31的更具體形成方法係例如以下所述。首先，將MOCVD裝置的爐內壓力維持為100kPa，一邊對處理爐內，作為載體氣體，流通流量為15slm的氮氣體及流量為25slm的氫氣體，一邊將爐內溫度升溫至1050℃。之後，作為原料氣體，將流量為35μmol/min的三甲基鎵、流量為20μmol/min的三甲基 鋁、流量為250000μmol/min的氨及流量為0.1μmol/min的雙(環戊二烯)鎂，60秒間供給至處理爐內。藉此，於發光層33的表面，形成具有厚度為20nm之Al0.3Ga0.7N的組成的電洞供給層。之後，藉由將三甲基鋁的流量變更為9μmol/min，並360秒間供給原料氣體，形成具有厚度為120nm之Al0.13Ga0.87N的組成的電洞供給層。
進而之後，藉由停止三甲基鋁的供給，並且將雙(環戊二烯)鎂的流量變更為0.2μmol/min，並20秒間供給原料氣體，形成厚度為5nm的由p型GaN所成的接觸層。
再者，作為p型不純物，可使用鎂(Mg)、鈹(Be)、鋅(Zn)、碳(C)等。
再者，形成發光層33及p型半導體層31的工程對應工程(c)。
如此，於藍寶石基板61上，形成由非摻雜層36、n型半導體層35、發光層33及p型半導體層31所成的LED磊晶層40。
(步驟S2)
接著，對於在步驟S1中所得之晶圓，進行活性化處理。更具體來說，使用RTA(Rapid Thermal Anneal：快速加熱)裝置，在氮氣氛下以650℃進行15分鐘的活性化處理。
(步驟S3)
接著，如圖7B所示，於p型半導體層32的上層所定處形成絕緣層21。更具體來說，在之後的工程中在位於形成供電端子42的區域的下方之處，形成絕緣層21。作為絕緣層21，例如將SiO2以膜厚200nm程度來成膜。再者，成膜的材料係絕緣性材料即可，例如SiN、Al2O3亦可。
再者，此步驟S3係對應工程(d)。
(步驟S4)
如圖7C所示，以覆蓋p型半導體層31及絕緣層21的上面之方式，形成導電層20。在此，形成包含反射電極19、保護層17及焊錫層15之多層構造的導電層20。
導電層20的更具體形成方法係例如以下所述。首先，利用濺鍍裝置以覆蓋p型半導體層31及絕緣層21的上面之方式，整面成膜膜厚0.7nm的Ni及膜厚120nm的Ag，形成反射電極19。接著，使用RTA裝置，在乾空氣氣氛中，進行400℃、兩分鐘的接觸退火。
接著，以電子束蒸鍍裝置(EB裝置)，於反射電極19的上面(Ag表面)，3週期成膜膜厚100nm的Ti與膜厚200nm的Pt，藉此形成保護層17。進而之後，於保護層17的上面(Pt表面)，蒸鍍膜厚10nm的Ti之後，蒸鍍膜厚3μm以Au 80%Sn 20%構成之Au-Sn焊錫，藉此形成焊錫層15。
再者，於此焊錫層15的形成步驟中，也於藍寶石基板61之外所準備之支持基板11的上面，形成焊錫層13亦可(參照圖7D)。該焊錫層13係以與焊錫層15相同的材料構成亦可，於下個步驟中利用與焊錫層13接合，來貼合藍寶石基板61與支持基板11。再者，作為該支持基板11，在構造的事項中如前述般，例如使用CuW。
再者，此步驟S4係對應工程(e)。
(步驟S5)
接著，如圖7E所示，貼合藍寶石基板61與支持基板11。更具體來說，在280℃的溫度，0.2MPa的壓力下，貼合焊錫層15與形成於支持基板11之上層的焊錫層13。再者，此步驟S5係對應工程(f)。
(步驟S6)
接著，如圖7F所示，剝離藍寶石基板61。更具體來說，利用在使藍寶石基板61朝上，支持基板11朝下之狀態下，從藍寶石基板61側照射KrF準分子雷射，使藍寶石基板61與LED磊晶層40的界面分解，進行藍寶石基板61的剝離。藍寶石基板61係雷射通過之外，其下層的GaN(非摻雜層36)會吸收雷射，故該界面會高溫化，GaN被分解。藉此，剝離藍寶石基板61。
之後，藉由使用鹽酸等的濕式蝕刻、使用ICP 裝置的乾式蝕刻，來去除殘存於晶圓上的GaN(非摻雜層36)，使n型半導體層35露出。再者，於本步驟S9中，去除非摻雜層36，殘存依序層積p型半導體層31、發光層33及n型半導體層35所成的LED層30。
再者，此步驟S6係對應工程(g)。
(步驟S7)
接著，如圖7G所示，分離鄰接的元件彼此。具體來說，對於與鄰接元件的邊際區域，使用ICP裝置，到絕緣層21的上面露出為止，對LED層30進行蝕刻。藉此，分離鄰接區域的LED層30彼此。再者，此時，絕緣層21具有作為蝕刻阻擋層的功能。
再者，在此蝕刻工程中，將元件側面不設為垂直，設為具有10°以上的錐形角的傾斜面為佳。如此一來，在之後工程中形成絕緣層時，絕緣層容易附著於LED層30的側面，可防止電流洩漏。
又，步驟S7之後，於LED層30的上面以KOH等的鹼性溶液來形成凹凸面亦可。藉此，增加光取出面面積，可提升光取出效率。
(步驟S8)
接著，如圖7H所示，於n型半導體層35的上面整面形成透明電極38。更具體來說，藉由濺鍍法，以30nm~600nm的膜厚來成膜ITO、IZO等的導電性透光性材料。 膜厚設為100~300nm為佳。
之後，為了促進該成膜之透光性材料的再結晶化，使用RTA裝置，在氮氣氛下以600℃進行5分鐘的活性化處理(接觸退火)。
此步驟S8對應工程(h)。
(步驟S9)
接著，於透明電極38的上面形成供電端子42(參照圖1)。更具體來說，形成由膜厚100nm的Cr與膜厚3μm的Au所成的供電端子42之後，在氮氣氛中以250℃進行1分鐘的燒結。再者，此步驟S9係對應工程(i)。
作為之後的工程，以絕緣層覆蓋被露出之元件側面及供電端子42以外的元件上面。更具體來說，利用EB裝置來形成SiO2膜。再者，形成SiN膜亦可。然後，例如藉由雷射切割裝置來分離各元件彼此，將支持基板11的背面例如利用Ag焊膏來與封裝接合，對於供電端子42進行引線接合。
[其他實施形態]
以下，針對其他實施形態進行說明。
〈1〉在上述的實施形態中，將保護層17形成於藍寶石基板61側，但是，形成於支持基板11側亦可。亦即，代替圖7D所示構造，將於支持基板11的上層形成保護層17，於其上層形成焊錫層13者，於步驟S8 中與藍寶石基板61貼合亦可。
〈2〉在上述的實施形態中，於藍寶石基板61與支持基板11的兩者形成焊錫層(焊錫層13、15)，但是，僅於任一方形成焊錫層之後貼合兩基板亦可。
〈3〉圖1所示之構造以及圖7A~圖7H及圖8所示之製造方法，係理想實施形態之一例，並不是必須具備該等構造或製程全部。例如，焊錫層13與焊錫層15係應有效率地進行兩基板的貼合所形成者，只要可實現兩基板的貼合，在實現LED元件1的功能之觀點不一定必要。
反射電極19係於更提升從發光層33放射之光線的取出效率的觀點上具備為佳，但是，不一定是必須具備者。保護層17、n型半導體層35之表面的凹凸等也相同。
又，絕緣層21係為了具有作為元件分離時之蝕刻阻擋層的功能所形成，但是，不一定是必須具備者。LED元件1係於n型半導體層35的上面整面形成透明電極38的構造。所以，在使流通於發光層33內的電流往水平方向擴散的目的上，不一定需要在供電端子42的正下方設置絕緣層21。
1‧‧‧LED元件
11‧‧‧支持基板
13‧‧‧焊錫層
15‧‧‧焊錫層
17‧‧‧保護層
19‧‧‧反射電極
20‧‧‧導電層
21‧‧‧絕緣層
30‧‧‧LED層
31‧‧‧p型半導體層
33‧‧‧發光層
35‧‧‧n型半導體層
38‧‧‧透明電極
42‧‧‧供電端子

Claims (2)

  1. 一種LED元件，其特徵為：具有：支持基板，係以導電體或半導體所構成；導電層，係形成於前述支持基板的上層；絕緣層，係以底面接觸於前述導電層的一部分上面之方式形成；第1半導體層，係以底面接觸於前述導電層的一部分上面及前述絕緣層的一部分上面之方式形成，且以p型氮化物半導體所構成；發光層，係形成於前述第1半導體層的上層，且以氮化物半導體所構成；第2半導體層，係形成於前述發光層的上層，且以n型氮化物半導體所構成；透明電極，係形成於前述第2半導體層的上層整面；及供電端子，係以底面接觸於前述透明電極的一部分上面之方式形成；前述第2半導體層，係至少與前述透明電極接觸的區域以AlnGa1-nN(0<n<1)構成，n型不純物濃度大於1×1019/cm3。
  2. 一種LED元件的製造方法，係包含以p型氮化物半導體所構成之第1半導體層、以氮化物半導體所構成之發光層及以n型氮化物半導體所構成之第2半導體層的 LED元件的製造方法，其特徵為：具有：準備藍寶石基板的工程(a)；於前述藍寶石基板的上層，形成以n型氮化物半導體所構成之前述第2半導體層的工程(b)；於前述第2半導體層的上層，由下依序形成前述發光層、前述第1半導體層的工程(c)；以覆蓋前述第1半導體層的一部分上面之方式形成絕緣層的工程(d)；以覆蓋露出之前述第1半導體層的上面及前述絕緣層的上面之方式形成導電層的工程(e)；於前述導電層的上面，直接或隔著其他導電層，貼合以導電體或半導體所構成之支持基板的底面的工程(f)；在使前述支持基板位於底面，前述藍寶石基板位於上面的狀態下，從上方照射雷射來剝離前述藍寶石基板，露出前述第2半導體層的上面的工程(g)；於前述第2半導體層的上層，以完全覆蓋前述第2半導體層的上面之方式形成透明電極的工程(h)；及於前述透明電極的上層之所定處，形成供電端子的工程(i)；前述工程(b)，係對於至少與前述藍寶石基板接觸的區域，形成以n型不純物濃度大於1×1019/cm3的AlnGa1-nN(0<n<1)構成的前述第2半導體層的工程。
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