半導體發光元件和半導體發光裝置的製作方法
2023-10-05 05:14:54
專利名稱：半導體發光元件和半導體發光裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及化合物半導體發光元件晶片的疊層方向上的晶片厚度以及在晶片頂面和底面處的反射率，其中化合物半導體發光元件層疊在半透明襯底上。本發明尤其涉及自其獲得大的光輸出量的發光元件。
背景技術：
圖6是傳統發光元件結構的示意性剖面圖。在半透明襯底100上，排列有N型氮化物化合物半導體層200、P型氮化物化合物半導體層300、P型半透明電極400、P型焊點電極(pad electrode)500、和N型焊點電極600。半透明襯底100側利用粘接劑設置在引線框的凹形座底部(cup bottom)上。圖6中，d標示半透明襯底100以及其上疊置的層狀體的晶片厚度。晶片中的箭頭表示晶片內側所產生的被導引的光波。對於晶片厚度，例如日本專利公開第5-343742號公開了在晶片製造方法中將藍寶石襯底的厚度調節至50到300μm。
在上述傳統的發光元件中，晶片內發光層產生的光通過位於層狀體頂部的P型半透明電極400發射到外側以備使用。因此，P型半透明電極400必須相對於所產生的光具有透射率。然而，P型半透明電極400由薄的金屬膜形成，因此，P型半透明電極的透射率僅大約為50％到70％(反射率為30％到50％)。在發光層產生的光在發射到發光元件外側時部分被損失掉。自該元件的光輸出較弱，僅能夠獲得低強度的光。除了向上方向(即朝向P型半透明電極400)以外，從發光層發射的光也向下(在此，為朝向襯底)發射並橫向發射。如圖6中箭頭所示，一些從發光層發出的光向下行進，而在襯底底部反射，然後在頂部P型半透明電極400再次部分反射，而再次向下朝襯底行進。於是，光以其重複的方式行進。這意味著向外發射的光將被P型半透明電極400(反射率R1)或P型焊點電極500阻擋。同樣，在襯底背面(反射率R3)反射而向上行進的光也被N型焊點電極600(反射率R2)阻擋。從而，在傳統發光元件的其上形成有電極的頂面處和在襯底背面處發生所形成的光的多次反射，從而光不能輕易從發光元件中輸出。也存在如下的問題，即，光在P型電極和N型電極處被吸收，從而導致光輸出量降低。傳統結構的發光元件存在如下的缺點，即，從發光層產生的總的光的輸出量減少。
發明內容
鑑於上述問題，本發明的目的是提供自發光元件更大的光輸出量。
根據本發明的一方面，半導體發光元件具有依次形成在半透明襯底上的n型半導體層、發光層、p型半導體層、和p型電極，並被安裝在襯底一側。本發明的半導體發光元件特徵在於p型電極的反射率為55％～100％。通過這種結構，用作p型電極的半透明電極的形成可省略。不再需要在成形過程中控制膜厚度和透射率。從而，有助於成形。同樣，由於p型電極的反射率較高，因此朝向襯底的光線將被有效反射。雖然當p型電極的反射率設定為100％時光不會從晶片頂面發射，但是通過將晶片成形得較厚，來自側面的光輸出量增大。因此，可以使用來自晶片側面的光。在這個方面中，發光元件優選地被構造成具有上部和下部電極，而不是在頂面具有兩個電極的前述結構。發光元件基於如下的結構，即，在該結構中光不會被具有導電襯底的晶片中的其他電極所阻擋，並且p型電極的反射率設定為100％，從而來自晶片側面的光可以更有效地得以應用。
本發明的半導體發光元件的特徵在於從半透明襯底的底面到p型半導體層的表面的厚度(此後也稱為「晶片厚度」)設定在60～460μm的範圍內。通過這種結構，來自發光層的光線可以有效地從元件側面輸出，從而改善了自發光元件的光輸出量。
p型電極由Pd(鈀)、Ni(鎳)、Pt(鉑)、Au(金)、Ag(銀)等、或其合金的單層或多層形成。通過利用這種電極，可以獲得良好的歐姆接觸。
該半導體發光元件在半透明襯底背側具有至少70％的反射率。
在本說明書中，半透明襯底背面的反射率指在安裝有晶片的狀態下襯底背面的反射率。具體地說，反射率不僅包括襯底背面的反射率，而且包括在安裝了半導體發光元件的狀態下銀漿和安裝元件本身的反射率。
半導體發光元件的特徵在於反射層形成在襯底背面上。
反射層由Au(金)、Ti(鈦)、Al(鋁)、In(銦)、W(鎢)、Hf(鉿)等、或其合金的單層或多層形成。通過利用這種反射層，襯底背面的反射率可以增大至約100％。
反射層為n型電極。
半導體發光元件具有在與p型電極同一側形成的n型電極。n型電極的反射率為5～100％。
本發明的半導體發光裝置具有利用銀漿而設置在安裝元件上的上述半導體發光元件。
在發光元件中晶片尺寸減少到大約200平方微米的情況下，直徑大約100μm並且面積大約等於光所通過的面積的焊點電極形成在與半透明襯底所在一側相反的一側上，其中該發光元件在疊層方向上的厚度為60μm到300μm，該厚度包括半透明襯底的厚度。焊點電極必須具有適當的面積，以實現用於與外部電源相連接的引線鍵合。如果晶片面積減小到大約200μm，焊點電極的面積對平面內整個晶片面積的比將變得較大，從而佔據大約一半的晶片面積。這存在如下的問題，即，所發出的光被這種焊點電極阻擋而減小了光輸出量。在本發明中，光從晶片的側面引出。通過將疊層方向上包括半透明襯底的厚度在內的厚度設定為60μm到460μm，即使在晶片尺寸減小的情況下，由於晶片的側面面積增大而光輸出量不會降低。晶片尺寸的減小也將增加所獲得的晶片的數量，從而使得晶片成本下降。因此，本發明在晶片尺寸減小的應用中有利。
氮化物型半導體發光元件作為層狀體形成在厚度例如為450μm的半透明襯底上，這消除了研磨或拋光晶片背面的需要，其優點在於晶片的成本進一步降低，並且生產率顯著提高。
本發明的上述和其他目的、特徵、方面以及優點將從以下參照附圖進行的本發明的詳細描述中得以清楚。
圖1、2、3和4分別是根據本發明的第一實施例、第二實施例、第三實施例和第四實施例的氮化物型半導體發光元件的示意性剖面圖；圖5示意性示出了根據本發明第一實施例的引線框的凹形座(cup)；以及圖6是傳統結構的氮化物型發光元件的示意性剖面圖。
具體實施例方式
本發明將基於特定實施例進行詳細說明。在本說明書中，氮化鎵型半導體包括例如InxAlyGa1-x-yN(0≤x，0≤y，x+y≤1)。
第一實施例圖1是根據本發明第一實施例的氮化物型半導體發光元件的示意性剖面圖。在作為半透明襯底的藍寶石襯底1上層疊了N型氮化鎵化合物半導體層2和P型氮化鎵化合物半導體層3。發光元件厚度為250μm，該厚度對應於藍寶石襯底1、N型氮化鎵化合物半導體層2和P型氮化鎵化合物半導體層3。P型電極4和P型焊點電極5形成在P型氮化鎵化合物半導體層3上。N型焊點電極6形成在N型氮化鎵化合物半導體層2上。反射層7形成在襯底1的背面。在圖1中，d標示發光元件的250μm的晶片厚度。
下面將描述製造上述氮化物型半導體發光元件的方法。
例如藉助於金屬-有機化學氣相沉積(此後稱為MOCVD)，N型氮化鎵化合物半導體層2和P型氮化鎵化合物半導體層3依次層疊在藍寶石襯底1上。
從MOCVD裝置中取出上述藍寶石襯底1，Pd在P型氮化鎵化合物半導體層3的幾乎整個面積上沉積至7nm的厚度而成為P型電極4，以獲得55％的反射率R1。然後Au沉積成500nm厚度、100μm直徑，作為P型焊點電極5。然後，N型氮化鎵化合物半導體層2局部蝕刻，以露出N型氮化鎵化合物半導體層2的表面。作為透明導體的加入Sn的In2O3在所暴露的N型氮化鎵化合物半導體層2上沉積至150nm的厚度，以獲得5％的反射率R2。另外，Ag在藍寶石襯底1的背面沉積為200nm的厚度，以作為反射層7，從而獲得90％的反射率R3。利用金剛石刻針在藍寶石襯底1上刻畫出分割線。藍寶石襯底晶片被分割成寬度為350μm的正方形，由此將氮化物型半導體發光元件製成晶片。
可以認為本實施例中晶片的反射率在晶片頂面處為55％，與反射率R1值相應，而在晶片背面處為90％，與反射率R3值相應。這些值歸因於P型電極佔據頂面面積80～90％這個事實。
通過在包括半透明襯底厚度在內的疊層方向上將發光元件的厚度設定為250μm，並將藍寶石襯底1背面處的反射率設定為90％，則發光層產生的光線中在P型電極處反射的光線，即，此處被P和N型電極阻擋的光線可以從250μm厚的包括半透明襯底在內的層狀體的側面有效地發射到外側。從而，從發光元件發出的總的光輸出量得以增大。
圖5中示出了放置在引線框8的凹形座部分上的本發明的上述晶片的示意圖。本發明的晶片利用Ag漿放置在凹形座底部。Au線9連接到P型焊點電極和N型焊點電極上，以便將電流從外部電源供給到晶片上。在供給20mA的正向電流時，從包括半透明襯底的厚度在內的層狀體側面有效地發射到外側的光線經由引線框的凹形座的傾斜部分被進一步向上發射。因此，獲得大約為3.2mW的光輸出量，這相對於來自100μm厚的傳統結構的晶片的2.3mW光輸出量增大了40％，在這種情況下，獲得3.6V的正向電壓。
第二實施例圖2是根據本發明第二實施例的氮化物型半導體發光元件的示意性剖面圖。在藍寶石襯底1上，層疊有N型氮化鎵化合物半導體層2和P型氮化鎵化合物半導體層3。發光元件厚度為350μm，該厚度對應於藍寶石襯底1、N型氮化鎵化合物半導體層2和P型氮化鎵化合物半導體層3。P型電極41和P型焊點電極5形成在發光元件上。用於N型電極的焊點電極61形成在N型氮化鎵化合物半導體層2上。反射層7形成在藍寶石襯底1的背面。在圖2中，d標示發光元件的350μm的晶片厚度。
下面將描述製造本實施例的氮化物型半導體發光元件的方法。
例如藉助於MOCVD，將N型氮化鎵化合物半導體層2和P型氮化鎵化合物半導體層3依次層疊在藍寶石襯底1上。
然後，從MOCVD裝置中取出藍寶石襯底1。Pd和Ag作為P型氮化鎵化合物半導體層3的基本上整個平面上的P型電極41分別沉積至15nm和150nm厚，以獲得90％的反射率R1。然後，Au沉積成700nm厚且直徑為110μm，作為P型焊點電極5。然後，N型氮化鎵化合物半導體層2局部蝕刻，以露出N型氮化鎵化合物半導體層2的表面。Ti和Al作為所露出的N型氮化鎵化合物半導體層2上的N型焊點電極61分別依次沉積至15nm和200nm厚，以獲得90％的反射率R2。另外，Ag在藍寶石襯底1的背面沉積成200nm的厚度，以獲得90％的反射率R3。
利用金剛石刻針在藍寶石襯底1上刻畫出分割線，藍寶石襯底晶片被分割成寬度為300μm的正方形，從而形成氮化物型半導體發光元件的晶片。
對於第二實施例的晶片的反射率，可以認為晶片頂面處的反射率R1為90％，與P型電極41的反射率相應，而晶片背面處的反射率R3為90％，與反射層7的反射率相應。通過將發光元件在疊層方向上(包括半透明襯底的厚度在內)設定為350μm，將P型襯底41的反射率R1設定為90％，並且將藍寶石襯底一側的反射率設定為90％，則入射到P型電極41上的光線可以在藍寶石襯底側有效地反射。因此，與第一實施例相同，光線可以從包括藍寶石襯底1的層狀體的厚度一側平面有效地發射到外側。從而，從晶片發射的總的光輸出量可以增大。
與第一實施例相同，上述晶片如圖5所示放置。晶片具有利用Ag漿放置在引線框8的凹形座底部上的藍寶石襯底背面，在該背面上設置了Ag。在本實施例中，藍寶石襯底側具有所形成的Al/Ag漿，由此反射率得以進一步增強。
為了將電流從外部電源供給到晶片上的目的，Au導線9連接到P型焊點電極上和N型焊點電極上。在供給20mA的正向電流時，獲得了大約3.5mW的光輸出量，這對於自100μm厚度的傳統結構晶片的2.3mW光輸出量來說增大了大約50％，並且，獲得了3.2V的正向電壓。
由於形成了厚的P型電極41，因此不需要形成諸如第一實施例的P型半透明電極的薄電極。因此，電極製造方法得以顯著簡化，這因而簡化了發光元件的製造方法。同樣，由於P型電極41可以形成得較厚，因此，與第一實施例的P型半透明電極相比，可以降低電極的膜阻(film resistance)，並且可以獲得良好的歐姆接觸。於是，與第一實施例相比，可以降低正向電壓。
第三實施例圖3是根據本發明第三實施例的氮化物型發光元件的示意性剖面圖。在GaN襯底1上，層疊有N型氮化鎵化合物半導體層2和P型氮化鎵化合物半導體層3。發光元件厚度為300μm，該厚度對應於GaN襯底1、氮化鎵化合物半導體層2和P型氮化鎵化合物半導體層3。P型半透明電極4和P型焊點電極5形成在發光元件上。N型電極6形成在GaN襯底1上。在圖3中，d標示發光元件的晶片厚度300μm。
下面將描述製造本實施例的氮化物型半導體發光元件的方法。
例如藉助於MOCVD，N型氮化鎵化合物半導體層2和P型氮化鎵化合物半導體層3依次疊置在GaN襯底1上。
從MOCVD裝置中取出GaN襯底1。Pd作為P型氮化鎵化合物半導體層3的基本上整個平面上的P型半透明電極4沉積至7nm厚，以獲得55％的反射率R1。同樣，Au作為P型焊點電極5沉積成厚度為500nm，直徑為120μm。然後，Ti、Al和Ag作為GaN襯底1背面的N型電極6分別依次沉積成35nm、50nm和200nm的厚度，以獲得90％的反射率R3。
利用金剛石刻針在GaN襯底1上刻畫分割線。GaN襯底1的晶片被分割成寬度為350μm的正方形，以形成氮化物型半導體發光元件的晶片。
至於第三實施例的晶片的反射率，可以認為晶片頂面處的反射率為55％，與電極反射率值R1相應，而在晶片底面處的反射率為90％，與反射率R3相應。
通過在包括半透明襯底厚度在內的疊層方向上將發光元件的厚度設定為300μm，並將半透明襯底側的反射率設定為90％，則發光層產生的光線中在P型電極處反射的光線(即，被P型電極阻擋的光線)可以從包括半透明襯底厚度在內的層狀體的側面有效地發射到外側。因此，從晶片發射到外側的總的光輸出量增大。
第三實施例的晶片如圖5所示放置在引線框8的凹形座處。晶片利用Ag漿粘結劑放置在凹形座底部上。Au引線9連接到P型焊點電極上，以便將電流從外部電源供給到晶片上。在供給20mA的正向電流時，獲得大致3.5mW的光輸出量，這相對於來自傳統結構的光輸出量增大了約50％。在此，獲得了3.4V的正向電壓。
第四實施例圖4是根據本發明第四實施例的氮化物型發光元件的示意性剖面圖。在GaN襯底1上，疊置了N型氮化鎵化合物半導體層2和P型氮化鎵化合物半導體層3，對應於發光元件的所有部分具有450μm的厚度。P型電極41和P型焊點電極5形成在發光元件處。N型電極6形成在GaN襯底1上。在圖4中，d表示發光元件的晶片厚度450μm。
以下將描述製造本實施例的氮化物型半導體發光元件的方法。
例如藉助於MOCVD，n型氮化鎵化合物半導體層2和P型氮化鎵化合物半導體層3依次疊置在GaN襯底1上。
從MOCVD裝置中取出GaN襯底1。Pd和Ag作為P型氮化鎵化合物半導體層的基本上整個平面上的P型電極41分別沉積至10nm和150nm厚，以獲得90％的反射率R1。然後，Au作為P型焊點電極5沉積成厚度500nm和直徑100μm。然後，Hf和Ag作為GaN襯底1背面上的N型電極6依次沉積成15nm和200nm的厚度，以獲得90％的反射率R3。
利用金剛石刻針在GaN襯底1上刻畫分割線。GaN襯底1的晶片被分割成寬度為200μm的正方形，由此作為晶片形成了氮化物型半導體發光元件。
至於晶片的反射率，可以認為在頂面處的反射率為90％，與電極的反射率R1相應，而在晶片背面處的反射率為90％，與反射率R3相應。
通過在包括半透明襯底厚度在內的疊層方向上將發光元件的厚度設定為450μm，並將半透明襯底側的反射率設定為90％，則發光層產生的光線中在P型電極處反射的光線(即，被P型電極阻擋的光線)可以從包括半透明襯底的厚度的層狀體的側面有效地發射到外側。因此，可以增加發射到晶片外側的總的光輸出量。
如圖5所示，第四實施例的晶片利用Ag漿粘結劑放置在引線框8的凹形座底部上。Au引線9連接到P型焊點電極上，以便將電流從外部電源供給到晶片上。在供給20mA的正向電流時，獲得了大約3.7mW的光輸出量，這相對於來自具有100μm厚度的傳統結構的晶片的光輸出量2.3mW增大了大約60％。同樣獲得了3.1V的正向電壓。
通過將包括GaN襯底厚度在內的層狀體厚度設定為450μm，則即使在晶片尺寸減小的情況下，由P型電極阻擋的光線可以從包括半透明襯底的厚度在內的層狀體側面有效地發射到外側。因此，光輸出量不會降低。晶片尺寸可以減小，以增大所獲得的晶片的數量，由此可以降低晶片成本。
在本實施例中，上述膜厚度可以設置有研磨或拋光為所謂的鏡面的襯底背面。可選地，襯底背面不一定要研磨或拋光，只要其厚度在上述範圍內即可。反射層或N型電極可以形成在襯底的背面。
上面的描述是基於氮化鎵半導體，諸如InxAlyGa1-x-yN(0≤x，0≤y，x+y≤1)。然而，也可以利用採用作為V族元素的As或P的結構。此外，層狀體可以採取單異性結構(hetero structure)或雙異性結構，而發光層可以採用單量子阱結構或多量子阱結構。
通過在具有電極或反射層的氮化物半導體發光元件中將晶片厚度設定為60μm～460μm，其中電極或反射層在與襯底所在側相反的平面側形成有55％～100％的反射率，而在襯底背面形成有至少為70％的反射率，所產生的光線可以從發光元件側面有效地發射到外側，而不會被形成在發光元件上的P型焊點電極，P型半透明電極和N型焊點電極阻擋。因此，可以獲得比傳統結構的光輸出量增大約60％的光輸出量。
雖然本發明已經得以詳細描述和圖示，但是應清楚地理解的是，它們僅為說明和示例，並不作為限制，本發明的精髓和範圍僅由所附的權利要求書的條款加以限制。
權利要求
1.一種半導體發光元件，該元件具有按所述順序形成在半透明襯底上的N型半導體層、發光層、P型半導體層和P型電極，並安裝在襯底一側上，其中，所述P型電極具有55％到100％的反射率。
2.如權利要求1所述的半導體發光元件，其中，所述半導體發光元件從所述半透明襯底的背面到所述P型半導體層的表面的厚度在60到460μm範圍內。
3.如權利要求1所述的半導體發光元件，其中，所述P型電極由從以下組中選取的單層或多層形成，該組包括Pd、Ni、Pt、Au和Ag、或其合金。
4.如權利要求1所述的半導體發光元件，其中，所述半導體發光元件在所述半透明襯底背面處具有至少70％的反射率。
5.如權利要求4所述的半導體發光元件，其中，所述半導體發光元件具有形成在所述襯底背面處的反射層。
6.如權利要求5所述的半導體發光元件，其中，所述反射層由從以下組中選取的單層或多層形成，該組包括Ti、Al、In、W和Hf、或其合金。
7.如權利要求5所述的半導體發光元件，其中，所述反射層為N型電極。
8.如權利要求1所述的半導體發光元件，其中，所述半導體發光元件具有形成在與所述P型電極相同側的N型電極，且所述N型電極具有5％到100％的反射率。
9.一種半導體發光裝置，其具有利用銀漿設置在安裝元件上的如權利要求1所述的半導體發光元件。
全文摘要
本發明公開了一種半導體發光元件和半導體發光裝置，該半導體發光元件是一種氮化鎵化合物半導體發光元件，其具有形成在半透明襯底(1)上的氮化物層狀體(2、3)。P型焊點電極(5)、N型焊點電極(6)和P型電極(4)形成在層狀體上，每個電極具有所需的反射率。半導體發光元件的半透明襯底(1)和疊置其上的氮化物層狀體(2、3)的厚度為60μm到460μm。
文檔編號H01L33/42GK1409414SQ0214295
公開日2003年4月9日 申請日期2002年9月13日 優先權日2001年9月14日
發明者幡俊雄, 山本健作, 筆田麻佑子, 辰巳正毅 申請人:夏普公司