CN1196205C - 半导体发光元件 - Google Patents

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冈崎治彦
菅原秀人
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Toshiba Corp
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Abstract

提供一种半导体发光元件，可提高外部量子效率、降低动作电压并提高可靠性。该半导体发光元件的特征在于，包括：在半导体衬底上设置的第一导电型的第一半导体层；在上述第一半导体层上设置的发生并放出自然光的活性层；在上述活性层上设置的第二导电型的第二半导体层；仅在上述半导体衬底的内面边缘部分设置的第一电极；以及以位于上述第二半导体层的中央部分的方式设置的第二电极，且该半导体发光元件在设置有上述第二电极的一侧进行安装，主要从上述半导体衬底的内面侧取出光。

Description

半导体发光元件
技术领域
本发明涉及半导体发光元件及其制造方法、以及半导体发光装置。更具体地涉及在半导体发光元件中用于在外部高效率地取出所发光的电极结构及电极周边结构。
背景技术
近年来发光器件的进展引人注目。尤其是发光二极管(LED)兼具小型、低耗电、可靠性高等特征，被广泛用作显示用光源。作为已实用化的LED的材料，AlGaAs、GaAlP、GaP、InGaAlP等V族元素用As、P的III-V族化合物半导体用于发红色、橙色、黄色、绿色光，绿色、青色、紫外区用GaN系化合物半导体，实现发光强度高的LED。通过进一步提高该LED的高亮度化，可以大大扩大作为屋外显示器或通信用光源的用途。
用图29说明现有的GaN系青紫色LED的结构，图29是LED的剖面图。
如图所示，发青紫色光的半导体发光元件110借助于银浆料130接合在引线框120上。半导体发光元件110的p型电极和n型电极通过键合引线分别连接到与其电位分别对应的引线框120上。然后用环氧树脂180覆盖其全体，构成光源型的青紫色LED 100。
下面，用图30说明发青紫色光的GaN系半导体发光元件110的结构。图30示出半导体发光元件110的剖面结构。
如图所示，在蓝宝石(Al2O3)衬底200上夹着图中未示出的GaN阻挡层形成n型GaN层210和p型GaN层220。然后在一部分区域上去除上述p型GaN层220和n型GaN层210，露出n型GaN 210。在露出该n型GaN层210的区域上形成n型电极230，另外在p型GaN 220上形成p型透明电极240和p型键合电极250。
在上述结构的LED中，通过向引线框120施加电压，从p型键合电极250向半导体发光元件110注入电流。从p型键合电极250注入的电流经导电性高的透明电极240扩大，注入p型GaN层220和n型GaN层210。然后，由该pn结产生的能量hγ(h是普朗克常数，γ＝c/λ，c是光速，λ是波长)的光经p型透明电极240取出到半导体发光元件110的外部。
但是上述透明电极240用的材料，透过率和导电率呈折衷(或称矛盾，trade-off)关系，即，为了提高透过率而减小电极膜厚，则导电率降低，因元件电阻增加和可靠性下降等产生问题。
作为不用透明电极的方法，衬底对发光透明时，考虑在元件表面上设置反射率高的电极的结构。它是图31所示的倒装片结构。图31是半导体发光元件的剖面结构。如图所示，在p型GaN 220上设置高反射率电极260，在元件内部，发出的光被元件表面的高反射率电极260反射，从衬底侧取出发光。现在，用GaN系实用化的LED，活性层用InGaN等，发出青色到绿色的光，所用衬底是绝缘材料蓝宝石或室温(300K)下带隙为3.39eV(波长≈365nm)的GaN衬底，是常见的。即，GaN系中用的衬底对青色到绿色(λ≈400～550nm)的光是透明的。因此尤其是GaN系的LED，虽然说该倒装片结构是比较有效的手段，通常，与半导体层欧姆接触的取出电极材料必须有高反射率。因此，为了实现倒装片结构，在元件表面上必须设置欧姆接触的取出电极和高反射率电极。但是，形成这些电极的金属相互扩散，存在元件的工作电压上升和可靠性下降的问题。
下面，说明采用V族元素为As或P的III-V族化合物半导体LED的半导体发光元件的结构。图32是发出红色到绿色光的半导体发光元件的剖面结构。
如图所示，在n型GaAs衬底300上形成n型GaAs阻挡层310、n型InGaAlP包层320。在该n型InGaAlP包层320上形成InGaAlP活性层330，进一步形成p型InGaAlP包层340和p型AlGaAs电流扩散层350。然后，在p型AlGaAs电流扩散层350的一部分区域上形成p型GaAs导电层360和p型电极370，在n型GaAs衬底内面上形成n型电极380。
在GaAs、AlGaAs、InGaAlP等V族采用As或P的III-V族化合物半导体发光元件中，一般地，不采用上述的GaN系的透明电极，通过设置厚的电流扩散层(在上述例子中为p型AlGaAs电流扩散层350)扩大注入电流向活性层注入电流。为此，必须在取出发光的面上设置n型或p型电极。即，必须使从电极注入的电流充分扩散，向有效地取出发光的电极正下的区域以外的活性层注入电流。若该电流扩散不充分，得不到均匀的发光，外部量子效率显著降低，得不到充分的光功率。
图32的结构中，从p型电极370注入的电流经p型AlGaAs电流扩散层350充分扩散，注入InGaAlP活性层330，从未设置电极370的区域的芯片表面上取出该发光。
但是，为了使电流充分扩散，必须增加上述电流扩散层350的膜厚。因为若膜厚太小，电流未扩散，只向电极370正下的区域的活性层330注入电流，其发光被电极370遮挡，不能取出发光。LED或LD(激光二极管)等的结晶生长通常采用有机金属气相生长法(MO-CVD0或分子束外延生长法(MBE)。这些是薄膜控制性优良，适于高品质的晶体生长的外延生长法，是对发光器件特别重要的生长方法。但是，另外还有厚膜生长比较困难的一面。即，在上述LED用的半导体发光元件的结晶生长中，膜厚大的电流扩散层的形成困难，或其生长需要的时间长，生产率低下等问题。
而且，图32所示的GaAs、GaP半导体发光元件中，n型GaAs衬底30对InGaAlP活性层330的发光不透明。因此，存在向n型GaAs衬底300侧扩散的发光几乎全部被吸收，发光的取出效率恶化的问题。
作为解决该GaAs衬底的吸收的问题的方法有上述的倒装片结构。在GaAs、GaP系的半导体发光元件的情况下，由于肯定不从GaAs衬底取出发光，用蚀刻等除去GaAs衬底。然后在与GaAs衬底相反侧的芯片表面上贴附对发光透明的衬底。用图33说明该例子。
如图所示，在p型GaP衬底400上设置p型InGaAlP接合层，和p型InGaAlP包层420，在该p型InGaAlP包层420上设置InGaAlP活性层430。然后设置n型InAaAlP包层440和n型AlGaAs窗口层450。并在AlGaAs窗口层450上设置高反射率电极460和n型电极470，在p型GaP衬底400内面上设置p型电极480，构成半导体发光元件。另外，GaP衬底400是室温带隙为2.26eV(λ≈548nm)，对红光等透明的衬底。
根据上述的构成，InGaAlP活性层430发出的光经高反射率电极460反射，从p型GaP衬底400侧取出。
但是，同样地，在该电极460中，同时实现欧姆接触和高反射率两者是困难的，必须设置欧姆用电极和高反射率用电极两个电极。若这样，就存在GaN系所述的欧姆用电极和高反射率用电极的金属相互扩散的问题。
另外，同样地，除去GaAs衬底贴附GaP衬底的结构，也是在GaP衬底和电极的接合面反射光并从芯片表面取出发光的结构。用图34说明该结构。图34示出半导体发光元件的剖面结构。
如图所示，本结构是在图33的结构中在p型电极480处反射光，从芯片表面取出发光的结构。
但是，在该结构中，存在因p型GaP衬底400和p型电极480的合金层产生光的散射、吸收，难于有效地取出发光的问题。
如上所述，现有的半导体发光元件中的取出发光的方法，是从发光层取出的方法和从衬底侧取出的方法。
但是，在发光层整个表面上设置透明电极注入电流，从发光层侧取出发光的GaN系半导体发光元件的情况下，透过率和导电率有相互抵触的关系。即，如果为了提高透过率减小电极膜厚，会产生因导电率降低，元件电阻上升和可靠性下降等导致的问题。
另外，在发光层的一部分上设置电极，通过厚的电流扩散层使电流扩散，注入电流，从发光层侧取出发光的GaAs、GaP系(V族采用As、P的III-V族化合物)半导体发光元件的情况下，是除去GaAs衬底，贴附透明GaP衬底，用在GaP衬底的内面上设置的电极反射光，从发光层侧取出发光的方法。但是，存在因在GaP衬底和电极的接合面处有光散射、吸收等的损失，发光的取出效率差的问题。
而且，在半导体发光元件内部在发光层侧反射光从衬底侧取出发光的情况下，发光层侧的电极必须采用高反射率的材料。该高反射率的材料不是必须与半导体层欧姆接触而取出光的。因此，在发光层侧必须设置欧姆接触的取出电极和高反射率的电极。但是，存在形成这些电极的金属相互扩散，元件的动作电压上升和可靠性下降的问题。
发明内容
本发明正是鉴于上述情形而提出的。其目的之一在于提供通过在电极结构中同时获得欧姆性和高反射率，防止构成电极的金属之间相互扩散，可提高外部量子效率，并可同时减小工作电压，提高可靠性的半导体发光元件及其制造方法，以及半导体发光装置。
本发明的第二目的在于提供通过抑制电极中光的散射、吸收，可提高外部量子效率的半导体发光元件和半导体发光装置。
根据本发明的第1方面(对应于权利要求1，下同)的半导体发光元件，其特征在于：
该半导体发光元件包括：在半导体衬底或绝缘衬底上设置的第一导电型的第一半导体层；在上述第一半导体层上设置的发生并放出自然光的活性层；在上述活性层上设置的第二导电型的第二半导体层；在上述半导体衬底的内面或上述第一半导体层上设置的与上述活性层和上述第二半导体层隔离的第一电极；以及在上述第二半导体层上设置的第二电极，上述活性层发出的光从上述半导体衬底或绝缘衬底侧向外部取出，
上述第二电极包括：可与上述第二半导体层欧姆接触的欧姆电极；在上述欧姆电极上设置的由高熔点金属构成的第一阻挡电极；以及在上述第一阻挡电极上设置的、对上述活性层发出的光的波长具有高反射率的高反射率电极，上述第一阻挡电极用来防止上述欧姆电极和上述高反射率电极内的原子相互扩散。
第2方面是，在第1方面所述的半导体发光元件中，其特征在于：上述第一阻挡电极的膜厚为10nm以下，对上述活性层发出的光的波长具有透光性；上述活性层发出的光的一部分透过上述欧姆电极和上述第一阻挡电极，被上述高反射率电极反射，从上述半导体衬底或绝缘衬底侧向外部取出。
第3方面是，在第1或2方面所述的半导体发光元件中，其特征在于：上述欧姆电极以从Ni、Pt、Mg、Zn、Be、Ag、Au、Ge中选择的至少一种为主金属元素；上述第一阻挡电极以从W、Mo、Pt、Ni、Ti、Pd、V中选择的至少一种为主金属元素；上述高反射率电极以Al或Ag为主金属元素。
第4方面是，在第1或2方面所述的半导体发光元件中，其特征在于：上述欧姆电极和上述阻挡电极是由以Ni或Pt为主元素的材料形成的。
第5方面是，在第1～4方面中任一项所述的半导体发光元件中，其特征在于：上述欧姆电极在上述第二半导体层上以岛状设置，上述第一阻挡区的一部分设置在上述第二半导体层上；上述活性层发出的光的一部分透过上述欧姆电极和第一阻挡电极被上述高反射率电极反射，从上述半导体衬底或绝缘衬底侧向外部取出；从上述活性层发出的光的另一部分不透过上述欧姆电极且透过上述第一阻挡电极被上述高反射率电极反射，从上述半导体衬底或绝缘衬底侧向外部取出。
第6方面是，在第1～4方面中任一项所述的半导体发光元件中，其特征在于上述第二电极还包括：在上述高反射率电极上设置的由高熔点金属构成的第二阻挡电极；在上述第二阻挡电极上设置的、组装时与该第二电极接合的外部电极，以及具有导电性的覆盖电极。
第7方面是，在第1～4方面中任一项所述的半导体发光元件，其特征在于：上述第二电极以位于上述第二半导体层中央部分的方式设置；且上述第一电极只设在上述半导体衬底的内面边缘部。
第8方面是，在第1～4方面中任一项所述的半导体发光元件，其特征在于：上述第二电极以位于上述第二半导体层中央部分的方式设置；且上述第一电极，除了与上述第二电极接合的外部电极在组装后所处的位置以外，以围绕该第二电极的方式设置。
本发明第9方面的一种半导体发光元件，其特征在于包括：在半导体衬底上设置的第一导电型的第一半导体层；在上述第一半导体层上设置的发生并放出自然光的活性层；在上述活性层上设置的第二导电型的第二半导体层；仅在上述半导体衬底的内面边缘部分设置的第一电极；以及以位于上述第二半导体层的中央部分的方式设置的第二电极，且该半导体发光元件在设置有上述第二电极的一侧进行安装，主要从上述半导体衬底的内面侧取出光。
本发明第10方面的半导体发光元件，其特征在于：上述半导体发光元件包括：在半导体衬底或绝缘衬底上设置的第一导电型的第一半导体层；在上述第一半导体层上设置的发生并放出自然光的活性层；在上述活性层上设置的第二导电型的第二半导体层；在上述第一半导体层上设置的、与上述活性层和上述第二半导体层分离的第一电极；以及以位于上述第二半导体层的中央部分的方式设置的第二电极；上述第一电极，除了与上述第二电极接合的外部电极在组装后所位于的外部电极配置区域以外，以围绕该第二电极的方式设置在上述第一半导体层的边缘部分；且该半导体发光元件在设置有上述第二电极的一侧进行安装，主要从上述半导体衬底或上述绝缘衬底的内面侧取出光。
本发明第11方面的半导体发光元件，其特征在于：
上述半导体发光元件包括：在基本上透明的半导体衬底上设置的第一导电型的第一半导体层，在上述第一半导体层上设置的发生并放出自然光的活性层；在上述活性层上设置的第二导电类型的第二半导体层；在上述半导体衬底的内面的一部分上设置的第一电极；和上述半导体衬底的内面的与第一电极相同的面上设置的、反射率高于上述第一电极的高反射率的光反射膜；和在上述第二半导体层上设置的第二电极；
从上述活性层向上述第二半导体层侧发出的光透过该第二半导体层向外部取出，且从上述活性层向上述第一半导体层侧发出的光透过上述半导体衬底被上述光反射膜反射，从上述第二半导体层侧取出。
第12方面是，在第11方面所述的半导体发光元件中，其特征在于：
上述第一、第二半导体层和上述活性层只设置在上述半导体衬底的一部分上，还包括，在上述半导体衬底上以至少包围上述第一、第二半导体层上述活性层的侧面的方式设置的电流狭窄层，以及在上述第一、第二半导体层、上述活性层和上述电流狭窄层上设置的第三半导体层，上述第二电极设置在上述半导体衬底的内面的上述活性层正下的区域上，在该半导体衬底的内面的其它区域上设置上述光反射膜，上述光反射膜反射的光透过上述电流狭窄层向外部取出。
第13方面是，在第11或12方面所述的半导体发光元件中，其特征在于：上述光反射膜是由至少以金属为主的材料构成的。
第14方面是，在第11或12方面所述的半导体发光元件中，其特征在于：上述光反射膜是由至少以介电体为主的材料构成的。
第15方面是，在第11或12方面所述的半导体发光元件中，其特征在于：上述光反射膜具有至少包括比上述半导体衬底折射率高的高折射率膜和比该高折射率膜折射率低的低折射率膜的多层结构。
第16方面是，在第11～15方面中任一项所述的半导体发光元件，其特征在于：上述第一、第二半导体层和上述活性层由从InP、GaP、AlP、GaAs材料构成的组中选出的两种以上材料的混晶构成。
本发明第17方面的半导体发光装置，其特征在于：
该半导体发光装置包括：和外部进行电力交换的引线框；在上述引线框上设置的与其电连接的导电性分支柱；在上述分支柱上且以使半导体衬底或绝缘衬底在上面的方式设置的、与上述分支柱电连接的半导体发光元件；以及至少覆盖上述分支柱和上述半导体发光元件的保护部件，
该半导体发光元件包括：在半导体衬底或绝缘衬底上设置的第一导电型的第一半导体层；在上述第一半导体层上设置的发生并放出自然光的活性层；在上述活性层上设置的第二导电型的第二半导体层；在上述半导体衬底的内面或上述第一半导体层上设置的与上述活性层和上述第二半导体层隔离的第一电极；以及在上述第二半导体层上设置的第二电极，上述活性层发出的光从上述半导体衬底或绝缘衬底侧向外部取出，
上述第二电极包括：可与上述第二半导体层欧姆接触的欧姆电极；在上述欧姆电极上设计的由高熔点金属构成的第一阻挡电极；以及在上述第一阻挡电极上设置的、对上述活性层发出的光的波长具有高反射率的高反射率电极，上述第一阻挡电极用来防止上述欧姆电极和上述高反射率电极内的原子相互扩散。
本发明第18方面的半导体发光装置，其特征在于：
该半导体发光装置包括：和外部进行电力交换的引线框；在上述引线框上设置的与其电连接的导电性分支柱；在上述分支柱上且以使半导体衬底在下面的方式设置的、与上述分支柱电连接的半导体发光元件；以及至少覆盖上述分支柱和上述半导体发光元件的保护部件，
上述半导体发光元件包括：在基本上透明的半导体衬底上设置的第一导电型的第一半导体层，在上述第一半导体层上设置的发生并放出自然光的活性层；在上述活性层上设置的第二半导体层；在上述半导体衬底的内面的一部分上设置的第一电极；和上述半导体衬底的内面的与第一电极相同的面上设置的、反射率高于上述第一电极的高反射率的光反射膜；和在上述第二半导体层上设置的第二电极；
从上述活性层向上述第二半导体层侧发出的光透过该第二半导体层向外部取出，且从上述活性层向上述第一半导体层侧发出的光透过上述半导体衬底被上述光反射膜反射，从上述第二半导体层侧取出。
本发明第19方面的半导体发光元件的制造方法，其特征在于：
该半导体发光元件的制造方法包括：在半导体衬底或绝缘衬底上形成第一导电型的第一半导体层的工序；在上述第一半导体层上形成发生并放出自然光的活性层；在上述活性层上形成第二导电型的第二半导体层的工序；以与上述第一、第二半导体层电气连接的方式分别形成第一、第二电极的工序，
形成上述第二电极的工序包括：在上述第二半导体层上形成可与上述第二半导体层欧姆接触的欧姆电极的工序；实施用来提高上述第二半导体层和上述欧姆电极的欧姆接触性的第一热处理的工序；在上述欧姆电极上用高熔点金属形成第一阻挡电极的工序；在上述第一阻挡电极上形成对上述活性层发出的光的波长具有高反射率的高反射率电极的工序；在上述高反射率电极上用高熔点金属形成第二阻挡电极的工序；在上述第二阻挡电极上，形成在组装时与该第二电极接合的外部电极和具有导电性的覆盖电极的工序；以及实施比上述第一热处理温度低的第二热处理的工序。
根据第1方面的结构，在通过向在半导体衬底或绝缘衬底上设置的同类结合、异类结合或双重异类结合注入电流得到发光，通过在上述各种结合上设置的电极反射该发光，在外部取出发光的半导体发光元件中，电极结构是包括：构成上述各种结合、和该电极相接的材料可欧姆接触的欧姆电极；由高熔点金属构成的第一阻挡电极；和对发光具有高反射率的高反射率电极三层结构。该高熔点金属具有防止构成欧姆电极和高反射率电极的原子因热而相互扩散的阻挡电极的作用。因此，借助于这种三层结构的电极，可同时确保欧姆接触性和对发光有高反射率，抑制工作电压的上升，实现外部量子效率的提高，和半导体发光元件可靠性的提高。
根据第2方面，通过把第一阻挡电极的膜厚设为10nm以下，可以把该第一阻挡电极的吸光抑制到最小，提高发光的取出效率。
另外，欧姆电极、第一阻挡电极和高反射率电极优选采用第3方面所述的材料。根据第4方面，Nt和Pt可兼作欧姆电极和阻挡电极的材料。
根据第5方面，通过在第二半导体层的一部分上以岛状设置欧姆电极，可进一步提高电极的反射率。
根据第6方面，通过在高反射率电极上进一步设置第二阻挡电极、覆盖电极，当半导体发光元件安装在引线框上时，在该电极和外部的电极之间形成高电阻层，可防止发生电极间的结合的剥落，从而提高半导体发光元件的动作可靠性。
根据第7、9方面，在半导体芯片的表面及内面上配置电极的半导体发光元件中，通过只在衬底的一部分区域上设置半导体芯片内面的电极，可更加提高光的取光效率。
根据第8、10方面，在半导体芯片的表面上配置有两个电极的半导体发光元件中，通过在半导体芯片的周边设置一个电极，电流可均匀注入，且向引线框的安装操作更容易。
根据第11方面的结构，在通过向在半导体衬底上设置的同类结合、异类结合或双重异类结合注入电流，得到发光，在半导体衬底的内面反射该发光，在外部取出该发光的半导体发光元件中，在半导体衬底的内面的同一面上设置电极和光反射膜。由此，可以抑制半导体衬底和光反射膜的界面处的光损失，提高光的取出效率。
根据第12方面，通过只在半导体衬底的一部分上形成上述各种结合区，在除发光层正下的区域上形成光反射膜，并用对发出的光的波长透明的材料覆盖发光层的周边，可以抑制因光反射膜反射的发光的再吸收，进一步提高光的取出效率。
根据第13、14方面，光反射膜采用金属或绝缘膜等的材料。
根据第15方面，光反射膜也可以由折射率不同的材料的多层膜构成。
根据第16方面，上述结构可适用于采用GaAs或AaP等V族元素采用As或P的III-V族化合物的半导体发光元件。
根据第17、18方面的记载，通过用导电部件构成的分支柱把具有上述第一到十六方面所述的结构的半导体发光元件搭载在引线框上，可提高LED的放热效率，提高LED的可靠性。
根据第19方面的记载，在通过向在半导体衬底或绝缘衬底上设置的同类结合、异类结合或双重异类结合注入电流得到发光，由在上述各种结合上设置的电极反射该发光，在外部取出发光的半导体发光元件的制造方法中，在形成构成上述各种结合、可与和该电极相接的材料欧姆接触的欧姆电极之后，对上述电极进行第一热处理，之后形成由高熔点金属形成的第一阻挡电极、对发光具有高反射率的高反射率电极、由高熔点金属形成的第二阻挡电极、与第二电极接合的外部电极和具有导电性可欧姆接触的覆盖电极，之后进行比第一热处理温度低的第二热处理。通过上述第一热处理可进一步提高欧姆电极的欧姆接触性。且通过第二热处理，可防止电极剥离，进一步提高半导体发光元件的可靠性。
附图说明
图1是根据本发明实施方案1的LED的剖面图；
图2是根据本发明实施方案1的半导体发光元件的剖面图；
图3是根据本发明实施方案1的半导体发光元件的第一制造工序的剖面图；
图4是根据本发明实施方案1的半导体发光元件的第二制造工序的剖面图；
图5是根据本发明实施方案1的半导体发光元件的第三制造工序的剖面图；
图6是根据本发明实施方案1的半导体发光元件的第四制造工序的剖面图；
图7是根据本发明实施方案1的LED的电流-光输出特性图；
图8是根据本发明实施方案1的半导体发光元件的反射电极的反射率和阻挡电极膜厚的关系图；
图9是根据本发明实施方案1的半导体发光元件的反射电极的反射率和欧姆电极膜厚的关系图；
图10是根据本发明实施方案1的变形例的半导体发光元件的剖面图；
图11是根据本发明实施方案2的半导体发光元件的剖面图；
图12是根据本发明实施方案2的变形例的半导体发光元件的剖面图；
图13是根据本发明实施方案3的半导体发光元件的斜视图；
图14是根据本发明实施方案3的变形例的半导体发光元件的斜视图；
图15是根据本发明实施方案4的半导体发光元件的剖面图；
图16是根据本发明实施方案4的半导体发光元件的第一制造工序的剖面图；
图17是根据本发明实施方案4的半导体发光元件的第二制造工序的剖面图；
图18是根据本发明实施方案4的半导体发光元件的第三制造工序的剖面图；
图19是根据本发明实施方案4的半导体发光元件的第四制造工序的剖面图；
图20是根据本发明实施方案4的变形例的半导体发光元件的一部分剖面图；
图21是根据本发明实施方案4及其变形例的半导体发光元件的电流-光输出特性图；
图22是根据本发明实施方案5的半导体发光元件的剖面图；
图23是根据本发明实施方案5的半导体发光元件的第一制造工序的剖面图；
图24是根据本发明实施方案5的半导体发光元件的第二制造工序的剖面图；
图25是根据本发明实施方案5的半导体发光元件的第三制造工序的剖面图；
图26是根据本发明实施方案5的半导体发光元件的第四制造工序的剖面图；
图27是根据本发明实施方案5的半导体发光元件的第五制造工序的剖面图；
图28是根据本发明实施方案5的半导体发光元件的第六制造工序的剖面图；
图29是现有的LED的剖面图；
图30是现有的从芯片表面取出发光的GaN系半导体发光元件的剖面图；
图31是现有的从芯片内面取出发光的GaN系半导体发光元件的剖面图；
图32是现有的从芯片表面取出发光的GaAs、GaP系半导体发光元件的剖面图；
图33是现有的从芯片内面取出发光的GaAs、GaP系半导体发光元件的剖面图；
图34是现有的从芯片表面取出发光的GaAs、GaP系半导体发光元件的剖面图；
具体实施方式
下面，参照附图说明本发明的实施方案。在说明时，全部附图中相同部分采用相同标号。
对根据本发明实施方案1的半导体发光元件及其制造方法和半导体发光装置，以GaN系青紫色LED为例，用图1、2说明。图1是LED的剖面图。
如图所示，发出青紫色光的半导体发光元件11在引线框12上通过硅衬底等的分支柱13设在衬底侧的上面。在该分支柱13的两面上设置膜厚为约100μm的Au等高导电率的欧姆电极14-1、14-2，分支柱13表面上的欧姆电极14-1、14-2以与半导体发光元件11的电极的位置相匹配的方式构图。另外，为了与欧姆电极14-1电气分离，欧姆电极14-2夹着绝缘膜19设在分支柱13上。另外，欧姆电极14-2通过键合引线15等与逆电位的引线框12电气连接。分支柱13的内面用导电浆料16接合在引线框12上。半导体发光元件11的p型电极、n型极被构图，分别通过AuSn17接合在欧姆电极14上。然后通过用环氧树脂18整个覆盖，构成光源型的青紫色LED 10(半导体发光装置)。
下面，用图2说明发出青紫色光的GaN系半导体发光元件11的结构。图2是半导体发光元件11的剖面结构。
如图所示，在蓝宝石衬底20上夹着未图示的GaN阻挡层设置n型GaN层21。然后在n型GaN层21上设置InGaN活性层22、p型AlGaN包层23、以及p型GaN层24。而且，在一部分区域上除去上述p型GaN层24、p型AlGaN包层23、InGaN活性层22、以及n型GaN层21，露出n型GaN层21。在该露出的n型GaN层21上和p型GaN层24上分别设置n型电极25、p型电极26，用绝缘膜27覆盖其它区域。
上述n型电极25具有Ti层28、Al层29、Ti层30、Au层31四层结构。而p型电极26具有五层结构，即，作为与p型GaN层24欧姆接触的取出的欧姆电极的、厚4nm的Ni层32、作为阻挡电极的Mo层33、作为高反射率电极的Al层34、作为阻挡电极的Ti层35、以及作为提高与引线枢12上的分支柱13的接触性的覆盖电极的Au层36。
如图1所示，上述结构的半导体发光元件11通过蓝宝石衬底20上的分支柱13搭载在引线框12上。
在上述结构的LED中，通过向引线框12施加电压，从p型电极26向InGaN活性层22注入电流。然后，通过该电流注入使InGaN活性层22发光，在LED的场合下与LD时得到的感应发光不同，其发出的光是自然光，不具有方向性。所以发出的光向各个方向发出。
图1所示结构的LED中，从蓝宝石衬底20侧取出发光。从InGaN活性层22向蓝宝石衬底20发出的光透过对该发光波长透明的n型GaN层21和蓝宝石衬底20，在半导体发光元件11的外部取出。另一方面，从InGaN活性层22向p型AlGaN包层23发出的光透过p型AlGaN包层23和p型GaN层24到达p型电极26。到达p型电极26的Ni层32的光，以低散射和低吸收通过膜厚非常小的Ni层32和Mo层33，被对发光波长具有高反射率的Al层34反射出来。Al层34反射的光再透过p型层、InGaN活性层22，从蓝宝石衬底20取出到半导体发光元件11的外部。
下面，用图3～6说明上述半导体发光元件11及LED的制造方法。图3～6依次示出半导体发光元件的制造工序的剖面图。
首先，如图3所示，与现有技术同样地，在蓝宝石衬底20上用MO-CVD法等形成未图示的未掺杂的GaN阻挡层，在阻挡层上形成n型GaN层21。然后，在n型GaN层21上用MO-CVD或MBE法等形成InGaN活性层22。InGaN活性层22也可以是SQW(单量子阱)或MQW(多量子阱)结构。而且，在InGaN活性层22上用MO-CVD法等形成p型AlGaN包层23和p型GaN层24。
然后，如图4所示，用光刻或RIE(反应离子蚀刻)法等各向异性蚀刻技术，在一部分区域上除去p型GaN层24、p型AlGaN包层23、InGaN活性层22和p型GaN层21的一部分，在该区域使n型GaN层21露出。在此并不限于RIE法，用湿法蚀刻也可以，然后在整个表面上用CVD法等形成绝缘膜27。
然后，如图5所示，用光刻技术和湿法蚀刻等除去n型GaN层21上的绝缘膜27的一部分，用真空蒸镀或去除(lift-off)法形成作为n型电极的Ti层28和Al层29。然后在氮气气氛中进行600℃的退火，提高欧姆接触性。
然后，如图6所示，用光刻技术和湿法蚀刻等去除p型GaN层24上的绝缘膜27的一部分，用真空蒸镀或去除法形成作为p型电极的厚4nm的Ni层32、厚1nm的Mo层33、和厚500nm的Al层34。且在形成Ni层32之后，为了提高欧姆接触性，进行温度为400～780℃，优选为450℃，20秒的快速退火。但是，如果Ni层32的下层即p型GaN层24的表面无氧化膜等，十分清洁，则不需要该快速退火。
之后用真空蒸镀或去除法在Al层29、34上分别形成厚100nm的Ti层30、35，厚1000nm的Au层30、36。然后，为了提高电极材料间的密合性，施行温度为200℃以上，优选为250℃，20秒的快速退火，完成n型电极25和p型电极26，得到图2结构的半导体发光元件11。另外，该快速退火的温度必须比图6说明的Ni层32的退火温度低。
然后，在由以电极图形构图的厚3μm的Au层等形成了欧姆电极14-1、14-2的硅衬底等的分支柱13上，n型电极25、p型电极26和上述电极14-2、14-1借助于AuSn 17互相接合，搭载上述半导体发光元件11。由此，在罩(Cap)型的引线框12上用导电浆料接合搭载了半导体发光元件11的分支柱13。然后，用引线键合把与n型电极或p型电极电气连接的欧姆电极14和引线框12连接起来。并通过用环氧树脂18覆盖全体而光源化，完成图1所示的青紫色光LED 10。
另外，在取代蓝宝石衬底而使用作为导电性衬底的n型GaN衬底时，在衬底的内面上设置n型电极也是可以的。
根据上述结构及制造方法的半导体发光元件及具备半导体发光元件的半导体发光装置(LED)，在p型电极26中设置与p型GaN 24的半导体层接合欧姆接触的取出的Ni层32、在Ni层32上设置的高熔点材料即Mo层33、以及对发光具有高反射率的材料即Al层34。一般地，对可见光具有高反射率的Al或Ag等金属，难以与GaN层欧姆接触。因此在现有技术中，用进行欧姆接触的欧姆电极和高反射率电极形成电极。如果在该结构中LED连续动作，存在热影响导致构成上述欧姆电极和高反射率电极的金属原子相互扩散，顺方向电压上升，元件易于劣化等问题。但是，根据本实施方案，在欧姆电极和高反射率电极之间设置高熔点金属的阻挡电极(Mo层)。由于该阻抑制构成欧姆电极和高反射率电极的金属原子的相互扩散，可以防止动作电压的上升。另外，虽然欧姆电极和阻挡电极是对发光基本上不透明的材料，通过减小其膜厚，可实现高反射率。
图7示出本实施方案中说明的GaN系青紫色LED的发光特性。图7示出LED的注入电流与发光强度的关系。图中实线是根据本实施方案的GaN系青紫色LED，虚线是现有结构的LED的特性。如图所示，光输出与现有相比大有提高，注入电流值为20mA时，电压为4.3V，光输出为6.9mW(发光波长λp＝450nm)。在现有的电极结构中，同样的注入电流得到的光输出为4.0mW。若采用本发明的电极结构，光输出比现有结构提高约1.7倍，显然改善了发光的取出效率。
另外，得到的结果还证明，在室温下以驱动电流20mA动作时，1000小时后光输出没有过分降低，到80％，提高了LED的可靠性。
图8、9示出反射率R与阻挡电极、欧姆电极的膜厚的关系。图8是欧姆电极(Ni层)厚4nm，高反射率电极(Al层)厚100nm时，反射率与阻挡电极(Mo层)厚度的关系；图9是阻挡电极(Mo层)厚100nm，高反射率电极(Al层)厚1nm时，反射率与欧姆电极(Ni层)厚度的关系。
如图所示，反射率对阻挡电极和欧姆电极的厚度有很大的依存性，最好膜厚比较薄。尤其是对InGaN活性层发出的光最先入射到的欧姆电极的厚度的控制特别重要。如图9所示，在欧姆电极用Ni时，其膜厚优选为10nm以下。
另外，欧姆电极使用的材料除了Ni以外，还可用Pt、Mg、Zn、Be、Ag、Au、Ge等，也可以是以这些材料为主的化合物。阻挡电极的材料除了Mo以外，还可以用W、Pt、Ni、Ti、Pd、V等或以它们为主的化合物。另外，Ni和Pt可以兼用作欧姆电极和阻挡电极。
另外，在上述欧姆电极、阻挡电极及高反射率电极上，还可以再设置Ti层35构成的阻挡电极和Au层36构成的覆盖电极。通常，在搭载半导体发光元件的分支柱上形成Au等的导体图形。然后使半导体发光元件的电极接合在该导体图形上，若Ag或Al等的高反射率电极直接接触在Au等的导体图形上，在该接合面上形成高电阻层，有两者的接合发生剥离的问题。但是，在本实施方案中，设置用与导体图形用的Au相同材料构成的覆盖电极，形成金与金的接合部分。由此解决了上述问题。而且，通过在覆盖电极和高反射率电极之间夹有高熔点材料构成的阻挡电极，提高覆盖电极与导体图形之间的接合可靠性。但是，在导体图形与高反射率电极是相同材料时，无需该覆盖电极和高熔点材料构成的阻挡电极。
另外，该阻挡电极除了用Ti以外，还可以采用W、Mo、Pt、Ni、Ti、Pd、V等或用以它们为主的化合物。
另外，引线框不与半导体发光元件直接接触，而是通过导电性的分支柱接合，可以提高放热效率，可进一步提高LED的动作可靠性。
图10用来说明本实施方案的变形例的半导体发光元件，是发红色到绿色的GaAs、GaP系半导体发光元件的剖面图。
如图所示，在n型GaP衬底40上形成n型InGaAlP接合层41、n型InGaAlP包层42，在该n型InGaAlP包层42上形成InGaAlP活性层43。与在得到相当于绿色发光能量相当的带隙能量的组成中取间接迁移型的带结构的AlGaAs不同，InGaAlP具有得到红色到绿色的发光的组成中的直接迁移型的带结构，是适合该波长区域的发光器件的材料。在该InGaAlP活性层43上形成p型InGaAlP包层44和p型GaAs导电层45。然后在p型GaAs导电层45上和n型衬底40内面上分别形成p型电极47和n型电极48，用绝缘膜46覆盖其它区域。p型电极47具有五层结构，即与p型GaAs导电层45欧姆接触的取出的AuZn层49、作为阻挡电极的Mo层50、作为高反射率电极的Al层51、作为阻挡电极的Ti层52、和作为提高与引线框12上的分支柱13的接触性的覆盖电极的Au层53。
上述结构的半导体发光元件，如图1所示，通过分支柱13以n型GaP衬底40面在上面的方式搭载在引线框12上。
另外，由于n型电极设置在n型GaP衬底的内面上，必须用引线键合把n型电极和引线框12连接起来。但是，如在GaN系半导体发光元件中所说明的，在形成p型电极的面上设置使n型InGaAlP包层的一部分露出的区域，通过在该区域上形成n型电极，无需引线键合的结构也是可以的。
根据上述结构的半导体发光元件，在欧姆电极(AuZn层)和高反射率电极(Al层)之间设置高熔点金属的阻挡电极(Mo层)。由于该阻挡电极抑制构成欧姆电极和高反射率电极的金属原子的相互扩散，防止动作电压的上升，可以得到与上述GaN系半导体发光元件同样的效果。
另外，p型电极47的制造方法与上述的GaN系半导体发光元件的情况相同，省略其说明。
下面，对根据本发明实施方案2的半导体发光元件及半导体发光装置，以GaN青紫色LED为例，用图11进行说明。图11示出半导体发光元件11的结构。
如图所示，根据本实施方案的半导体发光元件是对第一实施方案中说明的半导体发光元件11的p型电极26的结构进行了变形。即，与p型GaN层24相接的Ni层32形成为岛状，在该岛状的Ni层32和p型GaN层24上形成Mo层33。由此p型GaN层24的表面具有与Ni层32相接的区域和与Mo层32直接相接的区域。
然后，从InGaN活性层22向p型AlGaN包层23发出到达p型电极26的光的一部分，以低散射、低吸收通过Ni层32和Mo层33，被Al层34反射，其它的不通过Ni层32，直接通过Mo层33被Al层34反射。
根据上述结构，不在p型电极的全部表面上设置用来与p型GaN层24欧姆接触的Ni层，而是以例如岛状只设置在p型GaN层24的一部分上。因此，由于在没有Ni层24的区域p型GaN层24和高反射率电极即Al层34的距离减小，可以提高反射率。因此，除了同时具有第一实施方案所述的效果外，还可以提高发光的取出效率。另外Ni和Pt可兼用作欧姆电极和阻挡电极。
用来欧姆接触的电极材料、阻挡电极的材料和高反射率电极的材料采用与实施方案1所述的相同的材料。具有本实施方案说明的半导体发光元件的LED的结构，同实施方案1中说明的图1相同。
图12示出根据本实施方案的变形例的半导体发光元件的GaAs、GaP系半导体发光元件的剖面图。
如图所示，本变形例是在实施方案1的变形例即GaAs、GaP系半导体发光元件中适用本实施方案的电极结构，得到同样的效果。
下面，对根据本发明实施方案3的半导体发光元件及半导体发光装置，以GaN系半导体发光元件为例，用图13进行说明。图13是半导体发光元件的斜视图。
如图所示，在蓝宝石衬底20上设置n型GaN层21和发光层55。发光层55如实施方案1、2中说明的，是在n型GaN层21上设置的InGaN活性层22、InGaN活性层22上的p型AlGaN包层23和p型GaN层24。然后在芯片的周边区域除去n型GaN层21和发光层55，露出n型GaN层21的表面。而且在发光层55上也设置如实施方案1、2所述的由欧姆电极32、电极33、高反射率电极34、阻挡电极35和覆盖电极36组成的p型电极26。该p型电极26配置在发光层55的基本为中央的位置。另外，在露出的n型GaN层21上，n型电极25以包围发光层55的方式设置。
然后，如图1所示通过分支柱把上述结构的半导体发光元件搭载在引线框上，形成LED。
若是具有上述电极配置的半导体发光元件，则除了具有实施方案1、2中说明的效果以外，还具有以下效果。首先，第一，通过把p型电极配置在芯片的基本为中央的位置，在把半导体发光元件安装到分支柱3上时，容易确定p型电极26的位置，容易制造LED，可提高生产率。
第二，由于n型电极25以包围发光层55的周围的方式配置，从p型电极26注入的电流均匀地注入活性层，得到高效率的发光。
另外，在本实施方案中除去n型电极55的一部分，在将半导体发光元件安装到分支柱上时对应于与p型电极连接的导体图形的形成区域对其进行设计。
用图14说明根据本实施方案的变形例的半导体发光元件和半导体发光装置。图14是半导体发光元件的斜视图。
如图所示，本变形例是在图14说明的半导体发光元件中，把除形成了p型电极26以外的区域全部去除。在上述构成中由于限定了发光区域，是适合用在发光必须与光纤等结合的场合和必须以更高速动作的LED的结构。
在上述实施方案3及其变形例中，发光层55、p型电极和n型电极的形状并不仅限于图示的形状，而且不仅是GaN系半导体发光元件，也可适用于GaAs、GaP系半导体发光元件。另外，在采用导电衬底时n型电极设置在衬底内面上也是可以的。
下面，对根据本发明实施方案4的半导体发光元件及其制造方法、和半导体发光装置，以GaAs、GaP系半导体发光元件为例进行说明。图15是产生波长为620nm的红色光的半导体发光元件的剖面图。
如图所示，在p型GaN衬底60上形成p型InGaAlP接合层61、p型InAlP包层62，在p型InAlP包层62上形成InGaAlP活性层63。在该InGaAlP活性层63上形成n型InAlP包层64和n型InGaAlP窗口层65。然后在n型InGaAlP窗口层65上夹着n型GaAs导电层66设置n型电极67。另一方面，在p型GaP衬底60内面上设置p型电极68和光反射膜69。
用图16～19说明上述半导体发光元件的制造方法。图16～19依次表示半导体发光元件的制造工序的剖面图。
首先，如图16所示，在n型GaAs衬底70上用MO-CVD法等依次形成用InGaP等构成的蚀刻停止层71、膜厚0.1μm的n型GaAs导电层66、膜厚0.5μm的n型In0.5Ga0.15Al0.35P窗口层65、和膜厚1μm的n型In0.5Al0.5P包层64。然后在n型InAlP包层64上用MO-CVD法或MBE法等形成0.2μm的未掺杂的In0.5Ga0.1Al0.4P活性层63，在其上形成膜厚1μm的p型In0.5Al0.5P包层62和膜0.05μm的p型In0.5Ga0.15Al0.35P接合层61。另外，在各层的外延生长时，镓的原料用三乙基镓(TEG，G(C2H5)3)或三甲基镓(TMG，Ga(CH3)3)，铝的原料用三乙基铝(TEA，Al(C2H5)3)或三甲基铝(TMA，[Al(CH3)3]2)，铟的原料用三乙基铟(TEI，In(C2H5)3)或三甲基铟(TMI，In((CH3)3)，磷的原料采用三苯基磷化氢(tertiary-butylphosphine，C4H9PH2)等。另外，n型杂质和p型杂质分别采用Si和Zn，也可用Te或Be等。
另外，上述各层的组成和膜厚，是得到发光波长620nm的红色光时用的例子，具体的原料也是指这一个例子。
下面，如图17所示，通过在p型InGaAlP接合层61上热压厚200μm的p型GaP衬底60进行接合。此时，必须洗净p型InGaAIP接合层61和p型GaP衬底60的相互接合面。如前所述，GaP衬底是对波长620nm的光透明的材料。
然后，对从n型GaAs衬底70到蚀刻停止层71进行蚀刻，除去n型GaAs衬底70。
然后，如图18所示，再除去蚀刻停止层71，用光刻技术和蚀刻技术对n型GaAs导电层66进行图示的构图。
之后在n型GaAs导电层66上形成n型电极67，在p型GaP衬底70的内面上分别形成p型电极68和光反射膜69，完成图15结构的半导体发光元件。另外，光反射膜69的材料采用Au。
然后，如实施方案1说明的，以p型GaP衬底60在下面的方式把上述半导体发光元件搭载在引线框上，且电气连接后用环氧树脂光源化，完成LED。
在上述结构的LED中，从引线框施加电压，从p型电极69注入的电流注入InGaAlP活性层63，得到红色发光。InGaAlP活性层63发出的波长620nm的红色光，向n型层一侧发出的部分原样不变地通过n型InAlP包层64和n型InGaAlP窗口层65，取出到半导体发光元件外部。另外，从InGaAlP活性层63向p型GaP衬底60侧发出的光透过透明衬底即p型GaP衬底60，到达p型电极68和光反射膜69。到达的光中虽被p型电极68散射和吸收，被光反射膜69再次向半导体发光元件内部反射，从n型InGaAlP窗口层65侧取出。结果，在驱动电流20mA的条件下动作的、放射角为10°的集块(package)中，光输出为相当于现有结构中光输出的1.2倍的17cd。
根据上述结构的半导体发光元件，在具有倒装片结构的GaAs、GaP系半导体发光元件中，用反射光的透明衬底的内面的一部分置换成光反射膜。由此，设置的光反射膜可以充分降低在透明衬底和电极之间的合金层上产生的损失，且由于在设置光反射膜的区域可以高效率反射光，可以有效地把发光取出到半导体发光元件外部。
另外，在本实施方案中光反射膜69的材料用Au。它对InGaAlP和63产生的波长620nm的光有大的反射率。表1示出各种金属材料的GaP结合的反射率R和热导率k。反射率是针对波长620nm的光的值，该波长下GaP的折射率n为3.325。热导率为温度300K下的值。
                     表1
    金属材料     反射率R[％]     热导率k[W/m·K]
    Al     77.6     237
    Cr     29.1     90.3
    Co     37.4     99.2
    Cu     87.7     398
    Au     92.1     315
    Hf     13     23
    Mo     20.4     138
    Ni     37.5     90.5
    Nb     18     53.7
    Os     5.3     87.3
    Ag     88.2     427
    Ta     20.3     57.5
    Ti     25.8     21.9
    W     15     178
作为对光反射膜69要求的特性，优选具有高反射率和高热导率。InGaAlP系材料因热而导致的发光效率的降低是很显著的，所以必须使活性层附近的发热向元件外部高效率地放热。由此从表1明显可见，作为可同时具有高反射率和高导热率的材料，除Au之外优选采用Ag、Cu、Al等。
另外，在p型GaP衬底60的内面上设置的p型电极68和光反射膜69中，光反射膜69的光反射效果与电流注入用电极部分的导电电阻之间具有相折衷的关系，必须具有十分合适的面积比。本实施方案中光反射膜69和p型电极68的面积比是1∶1，但是当然也可以增大光反射膜69的面积以提高发光的取出效率，只要在导电电阻的上升未成为严重问题的高反射率电极围内，优选地，尽可能增加光反射膜69的面积。
下面，用图20说明本实施方案的变形例。图20是在图15中特别着眼于光反射膜69的结构的半导体发光元件的剖面图。
如图所示，在p型GaP衬底60的内面上设置的光反射膜69是由Si层72和Al2O3层73构成的多层结构。各膜厚设定为活性层发出的光的波长的λ/4n(n是该波长下的Si和Al2O3的折射率)。
Si层72和Al2O3层73的组合的折射率差大，且高折射率层即Si层72的吸收系数小，可以以少的对数得到高的反射率。但是，低折射率层即Al2O3层73的热导率小，有可能元件的热特性劣化。
图21是本实施方案、本实施方案的变形例和现有结构的LED的注入电流和光输出特性的关系图。图21中，①～③的线分别表示图15、20和现有结构的LED的特性。
如图所示，图15所示的结构的输出和耐久性最好。一方面，本实施方案的变形例中说明的图20的结构，因受Al2O3低热导率的影响注入电流增大时光输出趋于饱和。但是其即使在注入电流到150mA的整个测定高反射率电极围内都高于现有结构的光输出，且在作为通常的动作电流使用的20mA的条件下基本上具有与图15的结构相同的特性。可以说采用具有本变形例结构的半导体发光元件的LED具有充分的优点。
下面，对根据本发明实施方案5的半导体发光元件及其制造方法，以GaAs、GaP系半导体发光元件为例进行说明。图22是发出波长为620nm的红色光的半导体发光元件的剖面图。
如图所示，在n型GaP衬底80的一部分上形成发光层81。发光层具有包括n型InGaAlP导电层82、n型InAlP包层83、InGaAlP活性层84、p型InAlP包层85、和p型InGaAlP导电层86的多层结构。另外，在n型GaP衬底80的未形成发光层81的区域上，形成未掺杂的GaP电流狭窄层87，用p型GaP层88覆盖整个表面。然后，在p型GaP层88的一部分上形成p型电极89，在n型GaP衬底80的内面上形成n型电极90和光反射膜91。另外，n型电极90配置在发光层81的正下的位置上。
下面，用图23～28说明上述结构的半导体发光元件的制造方法。图23～28依次示出半导体发光元件的制造工序的剖面图。
首先，如图23所示，在n型GaAs衬底92上依次形成n型In0.5Ga0.15Al0.35P导电层82、n型In0.5Al0.5P包层83、In0.5Ga0.1Al0.4P活性层84、p型In0.5Al0.5P包层85和p型In0.5Ga0.15Al0.35P导电层86。用与实施方案4相同的方法生长各层。然后，同样地用MO-CVD法等依次形成未掺杂的GaAs保护层93和SiO2掩模层94。
然后，如图24所示，用光刻技术和湿法蚀刻等对SiO2掩模层构图。然后以SiO2掩模层94作掩模用RIE法对GaAs保护层93、p型In0.5Ga0.15Al0.35P导电层86、p型In0.5Al0.5P包层85、In0.5Ga0.1Al0.4P活性层84、n型In0.5Al0.5P包层83和n型In0.5Ga0.15Al0.35P导电层82进行图示的蚀刻，成为脊状。
然后，如图25所示，在n型GaAs衬底92上用CVD法等选择性地外延生长未掺杂的GaP电流狭窄层87。
接着，如图26所示，在整个表面上形成p型GaP层88。
然后，如图27所示，用蚀刻全部去除n型GaAs衬底92后，如图28所示与n型GaP衬底80接合。
然后，在p型GaP层88上形成p型电极89，在n型GaP衬底80的内面上形成n型电极90和光反射膜91，完成图22结构的半导体发光元件。
只在n型GaP衬底的一部分上残余发光层81，希望具有最终用GaP围绕在发光层81周围的结构。
在上述半导体发光元件中，从InGaAlP活性层发出的红色光中，向p型层侧发出的部分原样不变地通过p型InAlP包层85、p型InGaAlP导电层86和p型GaP层88，取出到半导体发光元件外部。另一方面，从InGaAlP活性层84向n型GaP衬底80侧发出的那部分光，透过透明衬底即p型GaP衬底80，被光反射膜91反射，取出到半导体发光元件外部。
在此，n型电极90设置在InGaAlP活性层83的正下方，光反射膜91设置在GaP电流狭窄层87的正下方。即，光反射膜87反射的光不通过发光层81，通过带隙能量比发光能量大的GaP电流狭窄层87取出到元件外部。因此，由于光通过发光层81时没有再吸收，与实施方案4说明的结构相比，可进一步提高发光的取出效率。事实上，在驱动电流20mA的条件下动作的放射角为10°的集块(package)中，光输出为相当于现有结构的光输出的1.4倍的20cd。
根据上述实施方案1～3，在活性层发出的光被发光层侧的电极反射、把光从衬底侧取出到外部的、采用III-V族化合物半导体的可见光半导体发光元件中，反射光的电极结构，至少具有包括欧姆电极、阻挡电极、和高反射率电极的三层结构。该阻挡电极用高熔点材料形成，目的在于防止构成欧姆电极和高反射率电极的原子因热而相互扩散。通过进一步使厚度非常小，可把欧姆电极和高反射率电极对光的吸收损失抑制到最小限度。因此，在电极中可以同时具有欧姆接触性和对光的高反射率，且抑制因热导致的动作电压的上升，可提高半导体发光元件及半导体发光装置的可靠性和性能。而且，通过以例如岛状地形成欧姆电极以减小其面积，可以减小欧姆电极对发光的损进一步增加电极的反射率，提高发光的取出效率。
另外，根据上述实施方案4、5，在活性层发出的光在衬底侧反射从发光层侧向外部取出、由GaAs或GaP等V族元素采用N之外的As或P的III-V族化合物半导体构成的可见光半导体发光元件中，在反射光的半导体衬底的内面的同一面上，设置一个电极和光反射膜。在该电极中产生光散射和吸收的设置光反射膜的区域上高效率地反射光，所以与现有技术相比可提高在外部取出光的产率，提高半导体发光元件和半导体发光装置的性能。另外，发光层以脊状用对该光透明的材料埋入到其周边区域，且半导体衬底的内面的电极设在发光层的正下位置，可以阻止对被光反射膜反射的光的再吸收，可更加提高发光的取出效率。
另外，本发明并不限于上述实施方案，在实施阶段只要不脱离其中心思想就可进行种种变更。而且，在上述实施方案中包含各阶段的发明，可以对公开的多个构成要件进行各种适当的组合。例如，即使从实施方案公开的全部构成要件中去除某一构成要件，只要能解决要解决的课题部分所述的课题。并能实现发明效果部分所述的效果，就可以抽出该构成要件构成本发明。
如上所述，根据本发明，通过使电极结构中同时具有欧姆性和高反射率，并防止构成电极的金属相互扩散，就可以提供可提高外部量子效率，同时可降低动作电压并提高可靠性的半导体发光元件及其制造方法和半导体发光装置。
另外，根据本发明，通过抑制电极中的光散射和吸收，可提供可提高外部量子效率的半导体发光元件和半导体发光装置。

Claims (2)

1.一种半导体发光元件，其特征在于包括：
在半导体衬底上设置的第一导电型的第一半导体层；在上述第一半导体层上设置的发生并放出自然光的活性层；在上述活性层上设置的第二导电型的第二半导体层；仅在上述半导体衬底的内面边缘部分设置的第一电极；以及以位于上述第二半导体层的中央部分的方式设置的第二电极，且该半导体发光元件在设置有上述第二电极的一侧进行安装，主要从上述半导体衬底的内面侧取出光。
2.一种半导体发光元件，其特征在于：
上述半导体发光元件包括：在半导体衬底或绝缘衬底上设置的第一导电型的第一半导体层；在上述第一半导体层上设置的发生并放出自然光的活性层；在上述活性层上设置的第二导电型的第二半导体层；在上述第一半导体层上设置的、与上述活性层和上述第二半导体层分离的第一电极；以及以位于上述第二半导体层的中央部分的方式设置的第二电极；
上述第一电极，除了与上述第二电极接合的外部电极在组装后所位于的外部电极配置区域以外，以围绕该第二电极的方式设置在上述第一半导体层的边缘部分；
且该半导体发光元件在设置有上述第二电极的一侧进行安装，主要从上述半导体衬底或上述绝缘衬底的内面侧取出光。
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