发光元件的制作方法

专利名称：发光元件的制作方法
技术领域：
本发明涉及具有可从可见区到近紫外区发光的宽带隙的发光元件及 其制造方法，特别涉及一种能够得到从可见区透过紫外区光的无色透明导 电体的、可将该导电体用于基板作为垂直结构的、能够以基板一侧作为取 光面的发光元件及其制造方法。
背景技术：
作为传统的发光元件，已知的有在由SiC构成的基板上叠层由GaN构 成的n型层及p型层的发光元件(例如，参照专利文献l)。
SiC具有茶褐色的透明性，由于可透过到约427nm的可见光，所以能
够透过从基板一侧所发的光。
采用该SiC的发光元件的制造方法是，在SiC的单晶晶片上外延生长 SiC薄膜，形成SiC外延基板，在该基板上形成由GaN构成的n型层及p型层， 通过将上述层切断，最后形成多个发光元件。
专利文献l
特开2002—255692号公报(段落0008)
但是，由于单晶晶片的结晶性差，存在贯通单晶的垂直方向的所谓微 管缺陷，必须避开上述微縮孔缺陷，形成n型层及p型层，切断SiC，作为 发光元件存在生产率差的问题。
此外，SiC透过到篮色区的光，但不透过紫外区的光。因此，在从基 板一侧取出所发的光时，由于不能透过从可见区发射紫外区的光的GaN所 发光中的紫外区的光，所以存在不能以基板一侧为紫外光取出面的问题。 此外，由于SiC着色，存在透过SiC的光的部分波长被吸收的问题。

发明内容
本发明的目的在于提供一种发光元件及其制造方法，利用该方法能够 得到从可见区透过紫外区光的无色透明的导电体，该导电体可用于基板作 为垂直结构，可将基板一侧作为取光面。此外，本发明的另一目的在于提 供一种生产率高的发光元件及其制造方法。
为达到上述目的，本发明提供一种发光元件，其特征在于含有镓氧
化物的基板和在上述基板上形成的pn结。
为达到上述目的，本发明提供一种发光元件，其特征在于在以Ga
为主要成分的氧化物基板上生长化合物半导体薄膜。
为达到上述目的，本发明提供一种发光元件的制造方法，其特征在于-在可控制的气氛的高温炉中设置坩埚，坩埚中装有原料熔液和具有缝隙的 缝模，原料瑢液利用毛细管现象连续沿缝隙上升到熔液表面，通过缝模和
柑埚，用EFG (Edge—Defined Film Fed Growth)法培养截面形状与上述缝 模的上面相同的单晶，如此形成由以Ga为主要成分的氧化物基板，在上述 基板上生长化合物半导体薄膜。
为达到上述目的，本发明提供一种发光元件的制造方法，其特征在于 准备Ga203系种晶及Ga203系结晶；使上述0&203系种晶与Ga203系结晶接 触，加热其接触部，熔融上述Ga2Cb系种晶和Ga203系结晶，通过使熔融的 上述Ga203系结晶随上述Ga203系种晶结晶化的FZ法，形成由以Ga为主要 成分的氧化物构成的基板，在上述基板上生长化合物半导体薄膜。


图1是表示P —Ga203的比电阻的温度变化的曲线图。 图2是表示插入在本发明所用的EFG法上引炉上的坩埚的部分剖面立体图。
图3是表示本发明所用的FZ法红外线加热单晶制造装置的主要部位的 剖面图。
图4是表示在适合用于本发明的e—Ga203系单晶的基板的(101)面 上生长由GaN的(001)面构成的薄膜时的原子排列图。图5是表示在作为比较例的Al203系晶体的基板的(001)面上生长由
GaN的(001)面构成的薄膜时的原子排列图。 图6是表示本发明所用的MOCVD法的简图。 图7是表示本发明实施例1的发光元件的剖面图。 图8是在本发明实施例1的发光元件上设置缓冲层的发光元件的剖面图。
图9是表示本发明实施例2的发光元件的剖面图。
图10是表示本发明实施例3的发光元件的剖面图。
图11是表示本发明实施例4的发光元件的剖面图。
图中1:基板，la: n — GaN层，lb: p—GaN层，lc: p电极，Id: n
电极，le:压焊点，lf:引线，6:坩埚，7:种晶，8:缝模，8a:缝隙，
9: Ga203熔液，10: P—Ga203生长晶体，20: MOCVD装置，21:反应容 器，22:托盘，23:加热器，24:控制轴，25:石英喷嘴，26:排气部， 27:基板，31、 32、 33:气体发生装置，40:发光元件，41:基板，42: AM3anN缓冲层，43: n—GaN层，44: p—GaN层，45:透明电极，46: n—电极，47:键合电极，48:压焊点，49:引线，50:印刷基板，5h 金属浆料，52: p电极，55: n—AlzGa卜zN包覆层，56: IrimGa卜mN发光层， 57: p—AlpGa卜pN包覆层，60:出射光，61:发射光，63、 64:焊料球， 65、 66:引线框，100:红外线加热单晶制造装置，102:石英管，102a:
保护气氛，103:籽晶旋转部，104:材料旋转部，105:加热部，106:控
制部，107:种晶，108:单晶，108，溶解物，109:多结晶材料，109a: 上端部，131:下部驱动部，132:下部旋转轴，133:籽晶夹头，141:上 部驱动部，142:下部旋转轴，43:材料夹头，51:卤灯，52:椭圆镜，
53-电源部。
具体实施例方式
基板
由于P —Ga203具有导电性，所以能够制作电极结构垂直型的LED，
其结果由于能够使所有元件形成电流通路，降低电流密度，所以能够延长 发光元件的寿命。实际上，如图1所示，具有n型导电性的e—Ga203基板的测定结果表 明，在室温下可得到0.1Q 'cm左右的值。此外，在作为发光元件所用的 温度范围，由于比电阻的温度变化小，所以能够得到作为发光元件的稳定 性。
此外，由于电极结构为垂直型，不需要通过蚀刻露出n层，结果元件 制造工序数减少，基板上单位面积内组装的元件数增多，由此可降低生产 成本。
在以蓝宝石作为基板时，由于电极结构为水平型，在生长了m—v族
系化合物半导体薄膜后，由于在露出n层后安装n电极，所以另外需要掩蔽 及蚀刻等工序。但是在电极结构为垂直型时，例如GaAs系发光元件，就不 需上述的掩蔽及蚀刻等工序。
在采用SiC时，存在3C、 4H、 6H、 15R等众多相，很难得到单相的基 板。由于硬度非常高，加工性差，很难获得平坦的基板，在以原子标度观 看时，基板表面上存在不同相的多个阶跃。在该基板上生长薄膜时，能够 生长多个结晶性及缺陷密度不同的膜。这样，在采用SiC时，在一个基板 上生长无数个不同质的核，结果，由于是按这些核合起来的形状生长的膜， 很难提高膜的质量。实际上，SiC和GaN的晶格失配理论上为3.4。/。，但是， 由于上述原因，目前实际晶格失配率还极高。
与此相反的是，由于P—Ga203为单相，而且达到原子级平坦，看不 到象用SiC时看到的实际上较大的晶格失配。在带隙方面，在采用SiC时， 例如6H—SiC时，由于带隙为3.03eV，在大约427nm以下的波长区不it明。 在认为m—V族系化合物半导体的发光区大约在550 380nm时，SiC的可利 用波长范围大约也只有上述波长的2/3。与此相反，在采用P—Ga2Cb时， 由于透过大约到260nm，能够在III一V族系化合物半导体的发光区的全波 长范围内，特别在紫外区内可以利用P—Ga203。
本发明采用的基板以P —Ga203为基础，但也可以由以Ga为主要成分 的、另外添加有从Cu、 Ag、 Zn、 Cd、 Al、 In、 Si、 Ge及Sn等元素中选择 的一种以上元素的氧化物构成。因为添加上述元素可控制晶格常数或能带 隙。例如，可以釆用以(AlxInyGa0—x—y)) 203 (其中0《x《1、 0《y《l、 0 《x+y《l)表示的镓氧化物。热膨胀系数
即使在热膨胀方面，相对于GaN的热膨胀系数5.6Xl(TVK， e —Ga203 的值为4.6X10—6/K，与蓝宝石(4.5X10—6/K，)大致相同，与6H—SiC (3.5 X10—6/K)相比，具有优越性。从生成薄膜的质量角度考虑，热膨胀系数 的差异也是主要因素。
大块单晶
3 —Ga203的最大特长是能够得到其大块状单晶。在以GaAs系材料为 主的从近红外区到红外区的范围内， 一般能得到大块状单晶，在其导电性 基板上能够得到晶格失配性极小的薄膜。此外，还容易低成本，高效率制 造发光元件。事实上不可能期待用GaN系、ZnSe系的所谓蓝色发光元件材 料制造大块状单晶。因此，具有导电性的并且在发光区透明的晶格失配性 小的大块状单晶的开发十分活跃。但是，至今仍未真正解决该问题。对此， 本发明提供的P —Ga203的基板可从根本上解决上问题。由于通过EFG法 或FZ法能够得到直径2英寸的大块状单晶，所以与GaAs系发光元件一样，
能够进行从蓝色到紫色区的发光元件的开发。 EFG法生长的Ga203单晶
图2示出了用于EFG法的坩埚。该坩埚6为被插入EFG法上引炉(未图 示)中的坩埚。坩埚6例如为铱制坩埚，具有缝模8，缝模8具有通过毛细 管现象使P —Ga203熔液9上升的缝隙8a。
利用EFG法生长下述单晶。将规定量的原料3 —Ga203装入坩埚6中， 加热熔化，形成P—Ga203熔液9。通过在坩埚6内配置的缝模8上形成的缝 隙8a，禾lj用毛细管现象使e—Ga203熔液9上升到缝模8上面，使e—Ga203 熔液9与种晶7接触，然后冷却，形成具有任意形状截面的生长结晶IO。
具体生长过程是，在内径48.5mm、厚1.5mm、高50mm的铱制坩埚6 内，装入氧化镓原料75g，配置厚3mmX宽20mmX高40mm、缝隙间隔 0.5mm的缝模8。该柑埚6维持在通常的氮气气氛、l个大气压、1760°C， 氧分压维持在5X10^大气压，使种晶7与利用毛细管现象沿缝隙8a上升的 P —Ga203熔液9接触，以lmm/h的速度进行单晶培养。
由于在缝模8的上部培养由缝模8的形状规定的单晶，所以与CZ法相 比，能够大大降低晶体生长界面的温度梯度。此外，由于通过缝隙8a供给P—Ga203熔液9，晶体的生长速度比e—Ga203熔液9内的扩散速度快，所 以能够充分降低P —Ga203熔液9中的成分蒸发及e —Ga203熔液9的组成 变动。所以，能够制造高质量的单晶。此外，由于缝模8的形状能够规定 生长晶体10的形状，通过缝模8的大型化容易实现单晶的大型化。这样， 就可用EFG法实现用CZ等方法很难实现的Ga203单晶的大型化、高质量化。 FZ法生长的Ga203单晶
图3示出了FZ法(区熔提纯法)制造P —Ga203单晶的红外线加热单晶 制造装置。该红外线加热单晶制造装置100的大致构成有石英管102、夹 持转动3—0&03种晶(以下简称"种晶")107的籽晶旋转部103;夹持 转动P—Ga203多晶原料(以下简称"多晶原料")109的原料旋转部104; 加热熔融多晶原料109的加热部105;以及控制籽晶旋转部103、原料旋转 部104及加热部105的控制部106。
籽晶旋转部103具有夹持种晶107的籽晶夹头133、将转动传递给籽晶 夹头133的下部旋转轴132、正转转动下部旋转轴132并同时使上下方向移 动的上部驱动部131。
原料旋转部104具有夹持多晶原料109的上端部109a的原料夹头143、 将转动传递给原料夹头143的上部旋转轴142、正转逆转转动上部旋转轴 142头并同时使上下方向移动的上部驱动部141。
加热部105具有从径方向加热熔融多晶原料109的卤灯151、装有卤灯 151的并将卤灯所发光聚光在多晶原料109的一定部位上的椭圆镜152、向 卤灯151提供电源的电源部153。
石英管102上安装有下部旋转轴132、籽晶夹头D3、上部旋转轴142、 原料夹头143、多晶原料109、 P—Ga2O3的单晶108及种晶107。能够密封 并向石英管102内供给氧气和与作为惰性气体的氮气的混合气体。
为使P—Ga203的单晶生长，釆用以下方法。首先，准备种晶107和多 晶原料109。即，种晶107，例如，可以是沿劈开面切下来的P—03203的 单晶，所以具有要生长晶体的五分之一以下的直径或5mn^以下的截面积， 具有在生长e —Ga203的单晶时不破损的强度。在未图示的橡胶管内充填 规定量的Ga203粉末，在500MPa下进行冷压缩，然后，150(TC烧结10小时， 得到多晶原料109。下面，将种晶107的一端夹持在籽晶夹头133中，棒状的多晶原料109 的上端部109a夹持在原料夹头143中。调整上部旋转轴142的上下位置，使 种晶107的上端与多晶原料109的下端接触。此外，调整上部旋转轴142及 下部旋转轴132的上下位置，以使卤灯151的光聚光在种晶107的上端和多 晶原料109的下端的部位。石英管102的保护气氛102a要充满总压l个大气 压到2个大气压的氮和氧的混合气体(在从100%氮到100°/。氧之间变化)。
操作者一打开未图示的电源开关，控制部106根据控制程序控制各部 位，按如下进行单晶生长的控制。给加热部105通入电源，卤灯151加热种 晶107的上端和多晶原料109的下端的部位，熔化其加热部位，形成熔滴。 此时，只使种晶107旋转。
然后， 一边向反方向转动该部一边熔化，以使多晶原料109和种晶107 充分熔化。在形成适度的e—Ga2O3的单晶的熔化物108'时，停止多晶原 料109的旋转，只使种晶107旋转，向相互反方向拉伸多晶原料109及种晶 107，形成比种晶107更细的缓冲颈。
然后，按20rpm的转速，向相互反方向一边旋转种晶107及多晶原料 109， 一边用卤灯151加热，并且通过上部旋转轴142，按5mm/h的比例向 上方拉伸多晶原料109。通过卤灯151加热多晶原料109，多晶原料109熔化 形成熔化物108，，同时生长成直径与多晶原料109同等或比多晶原料109 小的e—Ga203单晶108。形成适度长度的单晶后，取出生长的P—Ga203 单晶108。
下面，说明由P —Ga2O3单晶108形成的基板的制作方法。在P—Ga203 单晶108是在b轴〈010〉方位结晶生长的情况下，由于(100)面的辟开性 变强，所以在与(100)面平行的面和垂直的面切断制作基板。在a轴〈100〉 方位、c轴〈001〉方位结晶生长时，由于(100)面、(001)面的辟开性 变弱，各面的加工性变好，不限制在上述那样的切断面。
下面，说明用FZ法生长本实施方式的Ga203单晶的效果。
(1) 由于在规定的方向生长晶体，所以能够得到直径lcm以上的较大 P —Ga203单晶108。
(2) 该e —Ga203单晶108，通过以a轴〈100〉方位、b轴〈010〉方 位或c轴〈001〉方位为结晶轴，能够减少裂缝、双晶化倾向，得到较高的结晶性。
(3)由于能够再现性良好地生长上述3—Ga203单晶108，其作为半 导体等基板的利用价值也高。
II 一VI族系化合物ZnSe薄膜的形成
在3 —Ga203系单晶的(101 )面上，用MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法，在350。C形成由ZnSe构成的显示p型导电性的薄膜。 ZnSe采用二甲基锌和H2Se，作为p型掺杂剂，在NH3保护气氛中掺杂N。此 时，N作为受体置换Se。此时，作为II族元素可以采用Zn、 Cd、 Hg，作为 VI族元素可以采用O、 S、 Se、 Te、 Po。作为II一VI族系化合物，例如有 ZnSe、 ZnO等。
ni—v族系化合物薄膜的形成方法 用MocvD法形成m—v族系化合物薄膜。作为ni族元素，采用b、
Al、 Ga、 In、 Tl;作为V族元素，釆用N、 P、 As、 Sb、 Bi;作为III一 V族 系化合物，例如有GaN、 GaAs等。
图4表示在e —Ga203系单晶的基板的(101)面上生长由GaN构成的 薄膜时的原子排列。此时，GaN的(001 )面生长在3 —0&203系单晶的(101) 面上。在P—0&203系单晶的(101)面上排列有0(氧)原子70、 70、。 图中的O原子70用实线的正圆圈表示。在P—Ga203系单晶的(101)面上 的晶格常数为a = b = 0.289nm， Y约为116。。在GaN的(001)面上的晶 格常数为a^bc^0.319nm， Y ^约为120° 。图中GaN的N(氮)原子80用虚 线的正圆圈表示。
在P —Ga203系单晶的(101)面上生长GaN的(001)面，形成由GaN 构成的薄膜时，晶格常数的失配约达到10%，角度失配约达到3%。因此， 由于P —Ga203系单晶的0原子及GaN的N原子的原子失配大致相同，所以 由GaN构成的薄膜能够具有均匀的平面结构。为此，在P—Ga203系单晶 的(101)面上即使形成由GaN构成的薄膜，不用缓冲层也不产生晶格失 配。
此外，通过在P—Ga203系单晶中添加晶格常数调整用的In，可以使 GaN的(001)面的晶格常数更接近e —Ga203系单晶的(101)面上的晶格常 数，由GaN构成的薄膜能够具有更均匀的平面结构。另一方面，图5示出了在Al203系晶体的基板上生长由GaN构成的薄膜 时的原子序列。在八1203系晶体的(001)面上排列有0(氧)原子75、 75、…。 图中的0原子75用实线的正圆圈表示。八1203系晶体的(001)面上的晶格 常数为aA=bA = 0.475nm， YA约为120。。在GaN的(001)面上的晶格常 数为aG=bG = 0.319nm, YG约为120°。图中N原子用虚线的正圆圈表示。 在八1203系晶体的(001)面上生长GaN的(001)面，形成由GaN构成的薄 膜时，晶格常数的失配约达到30%。因此，在Al203系晶体上形成由GaN构 成的薄膜时需要形成缓冲层，如果不形成缓冲层，会产生晶格失配，恐怕 不能得到均匀的平面结构。
薄膜的形成方法
图6是表示MOCVD法的简图，表示MOCVD装置主要部位的大体剖 面。图7表示用MOCVD法得到的发光元件。MOCVD装置20具有与装有真 空泵及排气装置(未图示)的排气部26连接的反应容器21、放置基板27的 托盘22、加热托盘22的加热器23、转动托盘22并使其上下移动的控制轴24、 向基板27倾斜或水平方向提供原料气体的石英喷嘴25、产生各种原料气体 的TMG(三甲基镓)气体发生装置3K TMA (三甲基铝)气体发生装置32、 TMI (三甲基铱)气体发生装置33等。此外，根据需要，也可以增减气体 发生装置的数量。采用NH3作氮源，采用H2作运载气体。在形成GaN薄膜 时采用TMG和NH3，在形成AlGaN薄膜时釆用TMA、 TMG和NH3，在形成 InGaN薄膜时采用TMI、 TMG和NH3。
用MOCVD装置20形成薄膜，例如，按如下所述进行。首先，将基板 27使形成薄膜的一面朝上放在托盘22上，设置在反应容器21内。然后，升 温1020。C，以54X10—e摩尔/min速度通入TMG，以4L/min的速度通入NH3， 以2L/min的速度通入H2，以22X 10—u摩尔/min速度通入甲硅垸(SiH4)，生 长60分钟，最后生长成膜厚3 " m的Si掺杂Gao.9Al(uN(n—GaN层)la。
此外，升温1030。C，以54X10—s摩尔/min速度通入TMG、以4L/min的 速度通入NH3、以2L/min的速度通入H2，以3.6X 10^摩尔/min速度通入二 茂(合)镁(Cp2Mg) 20分钟，生长成膜厚lum的Mg掺杂GaN(p —GaN 层)lb。在其上面蒸镀透明电极(Au/Ni) lh，随后p型化Mg掺杂GaNlb。 然后，在透明电极lh上安装p电极lc，通过压焊点le安装引线lf。在基板l的下面安装n电极ld，由此构成发光元件。
通过在显示p型导电性的薄膜或基板上、或显示n型导电性的薄膜或基
板上蒸镀、溅射等形成电极。用能够得到欧姆接触的材料形成电极。例如，
可在显示n型导电性的薄膜或基板上形成电极的材料有Au、 Al、 Co、 Ge、 Ti、 Sn、 In、 Ni、 Pt、 W、 Mo、 Cr、 Cu、 Pb等单一金属，及至少两种以上 上述金属的合金(例如Au—Ge合金)，将上述金属形成双层结构的材料 (例如，Al/Ti、 Au/Ni、 Au/Co)或ITO。可在显示p型导电性的薄膜或基 板上形成电极的材料有Au、 Al、 Be、 Ni、 Pt、 In、 Sn、 Cr、 Ti、 Zn等金属 单体，及至少两种以上上述金属的合金(例如Au—Zn合金、Au—Be合金)， 将上述金属形成双层结构的材料(例如，Ni/Au)或ITO。 载流子浓度不同的薄膜的形成
例如，在由GaN构成的n—GaN层上面形成载流子浓度比n—GaN层低 的由GaN构成的n—GaN层，在该载流子浓度低的n—GaN层上面依次叠层 由GaN构成的n — GaN层及载流子浓度比p — GaN层高的由GaN构成的p — GaN层。例如，可以利用变化n型掺杂剂或p—型掺杂剂的剂量等方法改变 载流子浓度。
通过釆用P —Ga203系单晶作基板，形成载流子浓度不同的多个n—层 及多个p—层，可以得到如下效果
(1) 通过形成比基板的载流子浓度低的n—GaN层的载流子浓度，提 高了在其上面形成的p—GaN层的结晶性，由此提高了发光效率。
(2) 由于通过接合n—GaN层和p—GaN层，能够形成PN结的发光元 件，所以能够通过具有GaN的带隙得到更短波长的发光。
(3) 由于采用P—Ga203系单晶作基板，能够形成显示具有高结晶性 的n型导电性的基板。
(4) 用于基板的P—Ga203系单晶，由于透过紫外区的光，可以从基 板一侧取出从紫外光到可见光的发射光。
缓冲层的形成方法
图8示出了在图7所示的发光元件中所设的缓冲层。在本发明所得的e —Ga203的基板l和n-GaN层la之间，设置了A^Ga卜xN缓冲层(其中0《x 《1) lg。该缓冲层利用上述MOCVD装置形成。在该缓冲层上按上述的"成膜方法"形成pn接合结构。
实施例
以下，说明本发明的实施例。
实施例l:在显示p型导电性的基板上形成n型GaN薄膜的方法
按以下所述制作显示p型导电性的基板。首先，用FZ法形成P —Ga203 晶体。例如，均匀混合作为原料的例如含MgO(p—型掺杂源)的P —Ga203， 将混合物装入橡胶管中，在500MPa下冷压縮形成棒状。将形成物在大气 中1500'C烧结10小时，得到含Mg的e —Ga203系多晶材料。准备e —Ga203 种晶，在生长保护气氛为总压1 2大气压下， 一边按500ml/min的流量通入 N2及02混合气体， 一边使e —03203种晶在石英管中与6 —Ga203系多晶材 料接触，加热其接触部位，在P—Ga203种晶和P—03203系多晶材料的接 触部熔化两者。如果一边按反方向和20r pm的转度，随3—0&03种晶旋 转熔解的P—Ga203系多晶材料，并一边按5mm/h的生长速度生长，在P 一Ga203种晶上生长透明的、含Mg的绝缘性的e—Ga203系单晶。利用该 3 —Ga203系单晶制作基板，如果在保护气氛中，在规定的温度(如95(TC) 下，按规定的时间进行退火，可减少氧缺陷，得到显示p型导电性的基板。
在上述基板上形成显示n型导电性的薄膜。用MOCVD法气相生长形成 薄膜。首先，将显示p型导电性的基板装入MOCVD装置。基板温度保持在 115(TC，在30分钟内，按20/分的比例供给H2，按10/分的比例供给NH3， 按1.7X 10—A摩尔/分的比例供给TMG，按200ml/分的比例供给用H2稀释到 0.86ppm的甲硅烷(SiH4)，形成由显示载流子浓度1.5X10力cn^的n型导 电性的GaN构成的膜厚约2.2 u m的薄膜。
实施例2:具有pn结的发光元件的形成方法
图9示出了本发明实施例2的发光元件。该发光元件40的构成包括由 P —Ga203系单晶构成的Ga203基板41、在03203基板41的上面形成的由 AlxGanN构成的缓冲层(其中0《x《1)42、在AlxGa卜xN缓冲层42的上面形 成的由GaN构成的n—GaN层43、在n—GaN层43的上面形成的由GaN构成 的p—GaN层44、在p — GaN层44的上面形成的透明电极45、在透明电极45 的部分上面形成的由Au等构成的键合电极47、在Ga203基板41的下面形成 的n电极46。该发光元件40借助键合电极47，通过压焊点48安装引线49，借助金属浆料51搭接在基板50上。
该发光元件40在n—GaN层43和p—GaN层44接合的pn接合部发光，产 生的发射光，作为透过透明电极45向上方出射的出射光60，除向外部射出 外，例如通过金属浆料，反射朝Ga203基板41的下面的发射光61，向上方 出射。所以，与发射光直接向外部出射相比，发光强度增大。
实施例3:倒装片型发光元件
图10示出了本发明实施例3的发光元件。该发光元件40的构成包括 由P —Ga203单晶构成的Ga203基板41、在Ga20s基板41的下部形成的由 AlxGahN构成的缓冲层(其中0《x《1)42、在A^Ga卜xN缓冲层42的下部形 成的由GaN构成的n—GaN层43、在n—GaN层43的下部的部分区域形成的 由GaN构成的p—GaN层44及n电极46、在p—GaN层44的下部的p电极52。 p' 电极52和n电极46分别借助焊料球63、 64，分别与引线框架65、 66连接。
该发光元件40在n—GaN层43和p—GaN层44接合的pn接合部发光，所 发的光透过Ga203基板41，作为出射光60，向上方出射。
实施例4:具有双异质结构的发光元件
图11示出了本发明实施例4的发光元件。该发光元件40的构成包括 由P —Ga203系单晶构成的Ga203基板41、在03203基板41的上面形成的由 AlYGai—YN构成的缓冲层(其中0《Y《1) 42、在缓冲层42的上面形成的 由AlzGa卜zN构成的n—AlzGa卜zN包覆层(其中0《z〈1) 55、在n—AM3a, -zN包覆层55的上面形成的由InmGa卜mN构成的Ir^Ga卜mN发光层(其中0 《m<l) 56、在InmGa,-mN发光层56的上面形成的由AlpGa卜pN构成的p— AlpGa卜pN包覆层(其中0《p〈1、 p>z) 57、在p—AlpGa卜pN包覆层57的 上面形成的透明电极45、在透明电极45的部分上面形成的由Au等构成的键 合电极47、在Ga203基板41的下面形成的n电极46。该发光元件40借助键合 电极47，通过压焊点48安装引线49，借助金属浆料搭接在基板50上。
n—AUGa卜zN包覆层55的能带隙比InmGa卜mN发光层56的能带隙大，p 一AlpGa卜pN包覆层57的能带隙比InmGanN发光层56的能带隙大，如此进 行形成。
该发光元件40由于具有双异质结构，成为载流子的电子和空穴被关闭 在InmGa卜mN发光层56上，再结合的概率增高，所以能够大幅度提高发光率。此外，由于发射光，作为透过透明电极45向上方出射的出射光60，除
向外部射出外，例如通过金属浆料51，反射朝Ga203基板41的下面的发射 光61，向上方出射，所以与发射光直接向外部出射相比，发光强度增大。
如果采用本发明，能够提供一种以可制作透明导电体、大块状单晶的 材料为基板的GaN系发光元件及其制造方法，由于在发光元件的上下面安 装电极，结构简单，提高了生产率和出光效率。
此外，通过采用以Ga为主要成分的氧化物为基板，能够提供一种发光 元件及其制造方法，利用该方法能够得到从可见区透过紫外区光的无色透 明的导电体，该导电体可用于基板作为垂直结构，可将基板一侧作为取光 面。
此外，能够得到比传统的基板材料蓝宝石及SiC加工性好得多的Ga203 单晶。
权利要求
1.一种发光元件，包括Ga2O3基板；n型AlzGa1-zN包覆层，形成在所述Ga2O3基板的第一表面上，其中0≤z＜1；InmGa1-mN发光层，形成在所述n型AlGaN包覆层上，其中0≤m＜1；p型AlpGa1-pN包覆层，形成在所述InGaN发光层上，其中0≤p＜1，且p＞z；n电极，设置在所述Ga2O3基板的第二表面上；和p电极，设置在所述p型AlpGa1-pN包覆层上。
2. 如权利要求l所述的发光元件，进一步包括AlyGa卜yN缓冲层，形成在所述Ga203基板与所述n型AlzGai—zN包覆层 之间，其中0《y〈1。
3. 如权利要求2所述的发光元件，其中-所述p电极包括设置在所述p型AlpGa,—pN包覆层上的透明电极以及设 置在所述透明电极上的键合电极。
4. 如权利要求l所述的发光元件，进一步包括印刷电路板，通过金属浆料所述发光元件安装在所述印刷电路板上， 所述金属桨料反射透射通过所述Ga203基板的发射的光。
全文摘要
本发明涉及一种发光元件，所述发光元件包括Ga₂O₃基板；n型Al_zGa_1-zN包覆层，形成在所述Ga₂O₃基板的第一表面上，其中0≤z＜1；In_mGa_1-mN发光层，形成在所述n型AlGaN包覆层上，其中0≤m＜1；p型Al_pGa_1-pN包覆层，形成在所述InGaN发光层上，其中0≤p＜1，且p＞z；n电极，设置在所述Ga₂O₃基板的第二表面上；和p电极，设置在所述p型Al_pGa_1-pN包覆层上。
文档编号H01L33/00GK101320780SQ200810128878
公开日2008年12月10日 申请日期2003年5月30日 优先权日2002年5月31日
发明者一之濑升, 岛村清史, 恩卡纳西翁·安东尼娅·加西亚·比略拉, 金子由基夫, 青木和夫 申请人:株式会社光波