半導體發光晶片及半導體發光器件的製作方法
2023-09-10 01:36:00
專利名稱：半導體發光晶片及半導體發光器件的製作方法
技術領域：
本發明涉及半導體發光晶片(element)及半導體發光器件(device)。
背景技術：
半導體發光晶片作為低功耗、高效率、高可靠性的光源，正代替白色電燈泡作為顯示屏和液晶的背光燈等使用。特別是InGaAlP系半導體材料是直接遷移型，是從紅色到綠色區域可以高亮度發光的材料。因此，InGaAlP系半導體發光晶片作為亮度比較高的晶片，正被用作紅色剎車燈、交通信號的紅燈、黃燈等。半導體發光晶片通過在發光層內部的活性層注入電流，由空穴和電子的再結合可實現發光。另外，在活性層產生的光的一部分從半導體晶片的表面取出到外部。通常，半導體發光晶片安裝在形成了反射板的管腳上，被透鏡形狀的環氧樹脂等樹脂塑封。對從半導體晶片發出的光通過反射板反射並通過透鏡進行聚光，由此發光特性進行控制。
如上所述，雖然InGaAlP系半導體材料可以高亮度地發光，但InGaAlP系半導體材料形成於不透明的GaAs襯底上。為此，如果使GaAs保持不變，則會因GaAs襯底引起光的吸收。因此，最近正在開發得到較高亮度的半導體發光晶片的方法首先，在不透明的GaAs襯底上形成InGaAlP系半導體材料，然後，粘接透明的GaP襯底，剝離不透明的GaAs襯底。並且，這裡所謂的「透明」意為對從發光晶片發射出的光具有透光性。
原本在如上所述的粘接透明襯底而形成的方法中，不能充分激活InGaAlP系半導體材料的優良特性，不能說晶片的亮度足夠高。這是因為光取出效率低。也就是說，在半導體晶片內部，雖然從InGaAlP活性層產生的光朝360°任意方向放射，但是由於半導體結晶及對其進行封裝的環氧樹脂的折射率存在差異，所以存在在半導體界面被反射且不向半導體結晶的外部取出的光。如果半導體結晶的折射率為3.3、塑封材料環氧樹脂的折射率為1.5，則根據斯內爾(Snell)法則，臨界角為θ c＝sin-1(1.5/3.3)＝27°，以比27°大的角度入射半導體與樹脂的界面的光被全反射，不能從半導體結晶的內部取出。通常，半導體發光晶片是立方體(六面體)，所以如果將來自全部面的光理想地取出，則能夠向外部大致取出28％的光。但是，由於在半導體結晶的表面形成有n型和p型兩種類型的電極、n型或p型任意一種電極通過粘接材料被安裝在反射板上、入射電極面的光在電極合金層被吸收，所以能向外部取出的光的比例在28％以下。
為解決上述問題，正在研究下述方法使用透明襯底作為光取出效率高的構造，將透明襯底加工成適當的形狀。上述方法，例如記載在特開平10-341035中。如圖16所示。在透明p型GaP襯底300的圖的下側，形成發光層314。發光層314具有在p型GaP襯底300上順序形成了p型半導體、活性層、n型半導體層的構造。在該發光層314中，電流從p側電極309和n側電極310注入。通過該電流注入，發光層314中的活性層放射光，該光從襯底300側被取出。圖16的晶片中，通過將半導體發光晶片整形成透明襯底300端面的朝向相對發光層314的垂直方向角度發生偏移，從而實現全光取出量的增大。在該晶片的形狀中，透明襯底300的整形端面將在現有端面被反射而不能取出的光朝上部表面反射。因此，使從上表面多取出光成為可能。另外，使從整形端面取出來自上部表面的反射光也成為可能，且光的取出增大。另外，通過該整形端面，在內部產生的光在結晶界面不被多重反射而向外部取出，所以在發光層314的吸收活性層或歐姆接觸部分吸收減少。如上所述，圖16的發明以襯底300側作為光取出面，將襯底300加工成適當的形狀，由此提高光取出的效率。
但是，圖16的半導體發光晶片和使用該半導體發光晶片的半導體發光器件雖然發光效率高，但存在良品率差、壽命短的問題。
也就是說，圖16的晶片由於以襯底300側為光取出面，所以發光層314中的pn接合接近圖中下側的安裝面。因此，在使用導電的安裝劑(粘接劑)將晶片安裝在管腳框架上時(參照圖8)，發光層314中的pn接合的側面短路，產生良品率低的問題。作為對策，如果將安裝劑不附著在半導體發光晶片的側面而使用少量則粘接強度弱，在長期通電時，發光晶片因封裝樹脂產生的應力而易於發生剝離，產生壽命變短的問題。
另外，圖16的晶片在將襯底300加工成適當的形狀時，進行劃片是必須的。但是，在進行該劃片時，由於劃片刀具而在襯底300的表面和內部形成損傷層(結晶缺陷)。然後，在長時間通電時，以該損傷層為基點進行結晶缺陷，存在發光層314容易被破壞、壽命變短的問題。另外，當使用環氧樹脂封裝已形成了損傷層的半導體晶片時，因通電中的樹脂應力，結晶缺陷從有損傷層的襯底300的整形端面擴展到發光層314，光輸出容易變低，同樣存在壽命變短的問題。因此，雖然採用通過柔軟的凝膠狀樹脂例如矽來封裝發光晶片的包封(包裹)，但由於使用環氧樹脂等硬樹脂來封裝包封的外側，所以發生矽和環氧樹脂的界面剝離，在通電時光輸出低，仍然存在壽命變短的問題。因此，可以認為在加工襯底300時，不能避免使壽命變短。
如上所述，可以認為為了提高光取出效率而將襯底加工成適當形狀的半導體晶片，雖然可提高光取出效率，但良品率惡化且壽命變短是不可避免的。
發明內容
本發明是基於上述問題提出來的，其目的在提供一種光取出效率高且良品率高、壽命長的半導體發光晶片和半導體發光晶片器件。
本發明的半導體發光晶片，具有發光層，其放射光；及襯底，其對來自上述發光層的上述光具有透光性，具備設有上述發光層的上表面、與上述上表面相對的底面、連接上述上表面和上述底面的側面，上述側面有從上述上表面側朝向上述底面側的第1側面、從該第1側面朝向上述底面側的第2側面、從該第2側面朝向上述底面側的第3側面，上述第3側面朝上述上表面擴展傾斜，上述第2側面朝上述上表面擴展傾斜從而將來自上述發光層的上述光的一部分向外部射出，上述第1側面是通過沿解理面(ヘき開面)解理(ヘき開)而成的側面。
本發明的半導體發光晶片，具有發光層，其放射光；及襯底，其對來自上述發光層的上述光具有透光性，具備設有上述發光層的上表面、與上述上表面相對的底面、連接上述上表面和上述底面的側面，上述側面有從上述上表面側朝向上述底面側的第1側面、從該第1側面朝向上述底面側的第2側面、從該第2側面朝向上述底面側的第3側面，上述第3側面朝上述上表面擴展傾斜，上述第2側面朝上述上表面擴展傾斜從而將來自上述發光層的上述光的一部分向外部射出，上述第1側面朝上述襯底的上述上表面變窄從而與垂直於上表面的方向以不小於16℃、不大於60℃傾斜。
本發明的半導體發光器件，具有半導體發光晶片，其具有發光層、襯底，上述發光層發射光，上述襯底對來自上述發光層的上述光具有透光性，具備設有上述發光層的上表面、與上述上表面相對的底面、連接上述上表面和上述底面的側面，上述側面有從上述上表面側朝向上述底面側的第1側面、從該第1側面朝向上述底面側的第2側面，上述第2側面朝上述上表面擴展從而將來自上述發光層的光向外部射出，上述第1側面是通過沿解理面解理而成的側面；管腳框架；及安裝材料，其具有導電性，將上述半導體發光晶片的上述襯底的上述底面安裝在上述管腳框架上。
本發明的半導體發光器件，具有半導體發光晶片，其具有發光層、襯底，上述發光層發射光，上述襯底對來自上述發光層的上述光具有透光性，具備設有上述發光層的上表面、與上述上表面相對的底面、連接上述上表面和上述底面的側面，上述側面有從上述上表面側朝向上述底面側的第1側面、從該第1側面朝向上述底面側的第2側面，上述第2側面朝上述上表面擴展傾斜從而將來自上述發光層的光向外部射出，上述第1側面朝上述襯底的上述上表面變窄，從而以與垂直於上表面的方向以不小於16℃、不大於60℃傾斜；管腳框架；及安裝材料，其具有導電性，將上述半導體發光晶片的上述襯底的上述底面安裝在上述管腳框架上。
圖1是示意性表示本發明實施例1的半導體發光晶片的代表性圖。
圖2是本發明實施例1的半導體發光晶片的製造方法的示意性剖視圖。
圖3是本發明實施例1的半導體發光晶片的製造方法的示意性剖視圖，接圖2。
圖4是本發明實施例1的半導體發光晶片的製造方法的示意性剖視圖，接圖3。
圖5是本發明實施例1的半導體發光晶片的製造方法的示意性剖視圖，接圖4。
圖6是本發明實施例1的半導體發光晶片的製造方法的示意性剖視圖，接圖5。
圖7是本發明實施例1的半導體發光晶片的製造方法的示意性剖視圖，接圖6A。
圖8是本發明實施例1的半導體發光器件的示意性剖視圖。
圖9是本發明實施例2的半導體發光晶片的示意性剖視圖。
圖10是本發明實施例3的半導體發光晶片的示意性剖視圖。
圖11是本發明實施例3的半導體發光晶片的仰視圖。
圖12是本發明實施例4的半導體發光晶片的示意性剖視圖。
圖13是本發明實施例4的半導體發光器件的示意性剖視圖。
圖14是本發明實施例5的半導體發光晶片的示意性剖視圖。
圖15是本發明實施例5的半導體發光器件的示意性剖視圖。
圖16是已有半導體發光器件的示意性剖視圖。
具體實施例方式
以下，邊參照附圖邊說明有關本發明的實施例。從圖1、圖8可以清楚，本實施例的一個特徵在於，對來自發光層114的光使用透明的GaP襯底100，在該透明襯底100的側面，設有三個側面111、112、113。第3側面113向上表面側擴展成稍微傾斜，通過安裝劑6容易地進行晶片1和管腳框架2的安裝，並且，可防止安裝劑6粘在第2側面112上，從而提高良品率。第2側面向上表面側擴展成傾斜30℃，來自發光層114的光的一部分向外部射出，從而提高光取出效率。第1側面111沿解理面解理而成，結晶缺陷極少，防止第2側面112發生的結晶缺陷影響發光層114，從而抑制發光層114劣化，延長晶片壽命。另外，在第3側面113和第2側面112上設有多個凹凸，以提高上述效果。以下，說明有關實施例1和實施例2。
(實施例1)圖1所示是本發明的實施例1的半導體發光晶片的概要剖視圖。半導體發光晶片是具有GaP襯底100、在GaP襯底100上形成的由InGaAlP系材料構成的發光層114的構造。GaP襯底100從(100)面向
方向傾斜15℃。另外，發光層114是在p型GaP襯底100上順次形成下述層的構造，上述層包括由摻入了p型雜質的InGaP形成的粘接偏斜緩和層101、由摻入了p型雜質的InGaAlP形成的金屬包層102、由摻入了p型雜質的InGaAlP形成的光導向層103、由摻入了p型雜質的InGaAlP形成的量子阱層104、由摻入了p型雜質的InGaAlP形成的阻擋層105、由摻入n了型雜質的InGaAlP形成的金屬包層106、由摻入了n型雜質的InGaAlP形成的電流擴散層107、由摻入了n型雜質的GaAs形成的導電層108。在p型GaP襯底100上，形成由至少含有Au和Zn的金屬組成的p側電極109，在n型GaAs導電層108上，形成由至少含有Au和Ge的金屬組成的n側電極110。通過在p側電極109上施加正電壓、在n側電極110上施加負電壓，從量子阱層104產生光。這時，GaP襯底100對來自量子阱層104的光是透明的，光也從GaP襯底100的第2側面112取出。
圖1的半導體發光晶片的一個特徵在於，在上述透明襯底100的側面，設有3個側面111、112、113。該透明襯底100由摻入了p型雜質Zn、Mg的GaP形成，厚度為250μm。該透明襯底100具有設有發光層114的上表面、與該上表面相對的底面、具有該上表面的第1部分100A、與該第1部分100A鄰接形成的第2部分100B、與該第2部分100B鄰接形成的第3部分100C。該透明襯底100的第3部分100C具有與底面連接且朝上述上表面稍微擴展成傾斜的第1側面113。底面的大小為150×150μm2(以下用150μm□表示)、高度為100μm。在該第3側面113的表面上，形成高度為1～2μm的多個凹凸。上述第2部分100B具有第2側面112，該第2側面112朝上表面擴展成與上表面垂直的方向傾斜30℃，且來自發光層114的光的一部分向外部射出。在該第2側面112的表面上也形成大小為1～2μm的多個凹凸。第2部分112的高度為100μm。上述第1部分100A具有沿解理面解理而成的第1側面111。第1側面11的圖中右側的面與左側的面平行，在圖中左側的面與上表面以狹小的角度傾斜。如上所述，GaP襯底100從(100)面朝
方向傾斜15℃，與解理面第1側面111的傾斜角度是15℃。該第1側面111是解理面，所以其是極平坦的面，與其他側面113、112相比結晶缺陷極少。第1部分100A的高度為50μm。
上述透明襯底100可以如下認識。也就是說，該襯底100具有設有發光層114的上表面、與該上表面相對的底面、連接上表面和底面的側面111～113。側面111～113有從上表面側朝向底面側的第1側面111、從該第1側面朝向底面側的第2側面112、及從該第2側面朝向底面側的第3側面113。第1側面113向上表面擴展傾斜。第2側面112朝向上表面進一步傾斜，從而將來自發光層114的光的一部分向外部射出。第1側面111是通過沿解理面解理而形成的側面。可以如上所述認識上述襯底100。
接下來，參照圖2～圖7說明圖1的半導體發光晶片的製造方法。如圖7所示，本實施例的製造方法的一個特徵在於，通過解理形成第1側面111。這樣一來，可以使第1側面111的結晶缺陷極少。
(1)首先，如圖2所示，在GaAs襯底上，通過MOCVD法形成發光層114。由於發光層114是InGaAlP系材料，故使用它和晶格共格的GaAs襯底。但是，該GaAs襯底對於來自發光層114的光是不透明的。因此，GaAs襯底從(100)面朝
方向傾斜15℃。可以知道通過使用如上所述的傾斜襯底，發光層114的發光亮度提高。為了得到上述效果，傾斜角度不小於5℃、不大於30℃為宜。
(2)然後，如圖3所示，粘接透明的GaP襯底100和發光層114。
(3)然後，如圖5所示，剝離不透明的GaAs襯底，形成電極109、110。
(4)然後，如圖5所示，腐蝕發光層114的局部M。通過該腐蝕，後述的解理容易形成。
(5)然後，如圖6所示，使用前端狹小的劃片刀具，形成第3側面113和第2側面112。並且，可以通過改變劃片刀具前端部的傾斜角度來改變第2側面112的傾斜角度。然後，在第3側面113和第2側面112上形成凹凸。具體地說，浸入溫度被設定為從-50℃到室溫之間的過氧化氫、水和鹽酸的混合液中，再用溫度被設定為從室溫到100℃之間的鹽酸浸泡數分鐘，從而形成凹凸。當浸泡溫度高時處理時間可以縮短，凹凸的形狀一樣。另外，在使用含有Cl氣的氣體進行氣體腐蝕時，因腐蝕而在表面殘留堆積物，故需要使用硫酸系腐蝕液、磷酸系腐蝕液除去，當使用溶液腐蝕時形狀一樣。
(6)然後，如圖7所示，通過解理形成第1側面111。具體地說，從除去了由InGaAlP材料形成的發光層114部分的M，使用前端有鑽石的刀對準解理方向劃線，通過進一步加重按壓而切開，形成第1側面111。圖1的半導體發光晶片完成。在腐蝕處理工序中，使用抗蝕劑和氧化膜覆蓋電極。
在通過以上說明過的製造方法的得到圖1的半導體發光晶片和使用該半導體發光晶片的半導體發光器件中，由於在透明襯底100的側面設有3個側面111、112、113，所以可以提供光取出效率高且良品率高、壽命長的半導體發光晶片及半導體發光器件。以下，參照圖8進行說明。
圖8是使用了圖1的半導體晶片的半導體發光器件。半導體發光晶片1的透明襯底100通過安裝劑(粘接劑)Ag漿被安裝在管腳框架2上。管腳框架2由鍍了鎳的金屬形成，具有p側管腳5、n側管腳4和反射板3。在p側管腳5上，p側電極109通過導電的銀漿6被導電連接。另外，在n側管腳4上，n側電極110通過引線7被導電連接。具有n側電極110和p側電極109的半導體發光晶片通過封裝樹脂8被封裝。另外，p側管腳5和反射板3也可以使用成為本體的管腳。
在圖8的半導體發光器件中，第3側面113的高度設定為100μm，由於在襯底100的底面和第3側面113上粘接Ag漿，所以可以得到高的粘接強度。再有，由於將第3側面113設置成上面側變大而稍微傾斜，所以可以防止因熱處理Ag漿而使Ag漿硬化時發生的因Ag漿的表面拉力而引起的擴展。因此，可以防止不透明的Ag漿覆蓋第2側面112，可以防止來自第2側面112的光的取出低下。其結果是可以提高良品率。另外，在第3側面113的表面形成了高度為1～2μm的多個凹凸，所以可進一步防止Ag漿6擴展，可以進一步提高良品率。
另外，在圖8的半導體發光器件中，襯底100是透明襯底，第2側面112的傾斜角度是30℃，所以可以取出來自第2側面112的光。因此，可以得到光取出效率高的器件。另外，在該第2側面112的表面設置高度為1μm～2μm的多個凹凸，所以表面積擴大，可以進一步提高光取出效率。另外，通過擴大表面積，可使封裝樹脂8和半導體發光晶片1的粘接強度加固，可以防止發光晶片1從管腳框架2剝離。與此相反，如果不設置凹凸，則由於封裝樹脂8作用於第2側面112上的將發光晶片1從的底面側向上表面側拉起的方向上的樹脂應力，在通電過程中發光晶片1容易從管腳框架2剝離，壽命可能變短。
再有，在圖8的器件中，由於設置了作為解理面的第1側面111，所以可以防止在劃片工序產生的第2側面112的結晶缺陷影響發光層114。如上述圖6所示，第3側面113、第2側面112形成於劃片工序，但在劃片時，在第3側面113和第2側面112上產生結晶缺陷，不能避免損傷層的產生。但是，在圖8的晶片中，第1側面111是解理面，在該解理面111附近結晶缺陷極少。因此，通過第1側面111，可以防止結晶缺陷向發光層114擴展。其結果，可減少發光層114的結晶缺陷，可減少缺陷區域的光吸收，可以提高來自發光層114的光輸出。另外，圖中左側的第1側面111以其上表面側變窄的方式傾斜，所以可以防止因封裝樹脂2的應力引起的發光晶片1的剝離。如上所述，在發光晶片1的第2側面112上，樹脂2產生將發光晶片1從底面向上表面拉起的力。但是，在圖8的器件中，第1側面111的圖中的左側的面以上表面側變窄的方式傾斜，所以使作用於發光晶片1上的樹脂應力分散，可以減少發光晶片1的剝離。這樣一來，可以增長壽命。
另外，在圖8的半導體發光器件中，由於發光層114的表面積比襯底100上部的表面積小，所以在形成第1側面111時，發光層114不易產生結晶缺陷。因此，在發光層114上不易因結晶缺陷發生劣化，可進一步提高壽命。特別是當發光層114的表面積大致為襯底100上部表面積的65％～85％時，使發光層114的表面積擴大且使結晶缺陷減少，可製成高亮度、高可靠性的發光晶片。
如上所述，在使用了圖1的半導體發光晶片的圖8的半導體發光器件中，由於在透明襯底100的側面設置了3個側面111、112、113，所以可提供光取出效率高且良品率高、壽命長的器件。
在如上說明的圖1的半導體發光晶片中，雖然p型GaP襯底的厚度為250μm，但是該厚度可以為150μm～300μm。當比300μm厚時，在發光層114的量子阱層104產生的光，被GaP襯底100的p型雜質吸收，向外部取出的光的量降低。另外，在用於交通信號和車的尾燈時，發光晶片的驅動電流需要是數安培等的大電流。因此，當襯底比300μm還厚時，因襯底100厚度引起的晶片電阻而產生熱量增加，封裝樹脂2因發光晶片1產生熱而劣化。其結果是襯底厚度不大於300μm為宜。相反，當GaP襯底100的厚度在150μm以下時，由於形成於發光晶片上表面和下表面的電極110、109遮蔽量子阱層104發出的光，而光取出低。再有，為實現電極的歐姆性而形成的電極合金層吸收光，向外部取出光的量減少。為此，襯底厚度不小於150μm、不大於300μm為宜。
另外，第3部分100C的底面可為100μm□～200μm□，高度為50μm～100μm。如上所述，襯底100的底面部分和第3側面113通過Ag漿被粘接在管腳框架2上。從可靠性試驗的結果可知，如果第3部分100C的高度為50μm～100μm，則可維持粘接強度。另外，通過環境試驗可以確認當底面積為100μm□～200μm□時，可充分確保安裝的粘接強度。並且，第3側面113的傾斜角度比第2側面112的傾斜角度小，不足20°。
另外，可以設定第2側面112的傾斜角度為20°～40°、傾斜部分的長度為60μm～200μm。如果在這個範圍內，則可以提高來自第2側面112的光取出效率。但是，從晶片製作容易程度、組裝性、進而從成本考慮，則最好傾斜部分的長度為100μm～150μm，傾斜角度為25°～35°。
另外，可以設定第1側面111的傾斜部分的長度為40μm～80μm。如上所述，通過這樣可有效降低結晶缺陷從第2側面112向發光層114擴展。另外，傾斜角度根據襯底100的傾斜角度，可以為5°～30°。如上所述，如果襯底100的傾斜角度為5°～30°，則可提高發光效率。另外，可以像後述的第2實施例(圖9)那樣，注重製造方法的簡易性，而使傾斜角度基本為0°。
以上說明過的圖1的半導體晶片中的發光層114，可以是任何能發出透過GaP襯底100的光的構造。以下，將具體說明圖1的發光層114的例。
首先，說明有關p型InGaP粘接層101。由摻入了p型雜質Zn、Mg的p型導電型InGaP材料形成的粘接層101，厚度為1nm～1μm，雜質摻入量為1E17/cm3～1E21/cm3。如圖2所示，該粘接層具有如下功能降低將形成於GaAs襯底上的發光層114粘接在GaP襯底100上時產生的結晶錯位。特別是含有In的半導體材料柔軟，故具有延緩結晶缺陷向垂直方向擴展的特性。因此，可以減小粘接襯底和發光層114時發生的晶格常數引起的結晶錯位及熱膨脹係數引起的熱錯位，所以，可抑制結晶錯位向發光層114擴展，可使發光層114不劣化。粘接溫度為400℃～800℃，溫度低時粘接界面的壓降變大，所以最好不小於700℃。另外，由於硬的Al妨礙柔軟的In的效果，故使用不含Al的InGaP作為粘接層最適合。另外，該層根據來自阱層104的波長具有吸收層的功能，所以，當阱層104的帶狀間隙比粘接層101的帶狀間隙大時，粘接層101的厚度最好不大於數10nm。結晶性也不一定必須良好，電流具有流動特性即可。
接下來，對有關p型InGaAlP金屬包層102進行說明。由具有摻入了p型雜質Mg、Zn的p型導電型InGaAlP材料形成的金屬包層102，厚度為0.1μm～2μm，雜質的摻入量為1E17/cm3～1E20/cm3。該金屬包層102因作為活性層的量子阱層104的帶狀間隙而具有寬的帶狀間隙，且具有將注入發光區域的電子和空穴封閉在活性層(104和105)中的特性。因襯底粘接時的熱處理，p型雜質Zn、Mg熱擴散，所以雜質摻入量最好不大於5E19/cm3。
接下來，對有關p型InGaAlP光導向層103進行說明。由具有摻入了p型雜質Mg、Zn的p型導電型的InGaAlP材料形成的光導向層103，厚度為0.1μm～1μm，雜質的摻入量為1E17/cm3～1E21/cm3。該光導向層103由具有介於金屬包層102和作為活性層的量子阱層104中間的帶狀間隙的材料形成。在量子阱104發生的光被封閉在折射率大的量子阱層104內。這樣，未注入電流的量子阱層104則有再吸收發出的光的可能性。被封閉在量子阱層104內的光，通過形成折射率差小的光導向層103，經p金屬包層102向p型GaP襯底100側引出。因此，朝GaP襯底100方向的光增加，可以從整形後的GaP襯底100取出更多的光。特別是，在被p型和n型金屬包層102、106夾著的量子阱構造中，具有介於金屬包層102、106和量子阱層104中間的折射率的光導向層103的效果大，可以減少活性層104向端面方向傳播的光的再吸收。因此，由於本實施例帶有n型光導向層而使光取出進一步增加。另外，光導向層103最好不小於500nm，以便雜質不因GaP襯底100粘接時的熱處理而從金屬包層102擴散至量子阱層104。
接下來，對有關p型InGaAlP量子阱層104進行說明。由具有摻入了p型雜質Mg、Zn的p型導電型InGaAlP材料形成的量子阱層104，厚度為1nm～20nm，雜質的摻入量為1E17/cm3～1E21/cm3。通過形成10層到50層的該量子阱層104，電流注入引起的光輸出的線性良好，可實現看不見數mA到數A的光輸出飽和的發光晶片。另外，在粘接、整形GaP襯底100的發光晶片中，在結晶界面被反射的光在作為吸收層的量子阱層104被吸收的問題變得明顯。為此，通過使阱層104為厚度不大於10nm的薄膜，可減少穿越阱層104時的吸收。再有，因為使阱層104薄膜化，故在阱層104的光封閉效果降低，且存在於阱層104中的光的比例變小，所以可減少在阱層104的再吸收。因此，可使在阱層104產生的光有效地向外部取出。
接下來，對有關p型InGaAlP阻擋層105進行說明。由具有摻入了p型雜質Mg、Zn的p型導電型InGaAlP材料形成的阻擋層105，厚度為1nm～20nm，雜質的摻入量為1E17/cm3～1E20/cm3。該阻擋層105的帶狀間隙具有介於阱層104和金屬包層102中間的帶狀間隙的大小。這是為了可以使封閉在阱層104的電子和空穴及來自阱層104的光的滲出增加。如果摻入阻擋層105中的雜質多，則因雜質能級引起的光的吸收顯著，所以摻入量最好不大於5E19/cm3。
接下來，對有關n型InGaAlP金屬包層106進行說明。由具有摻入了n型雜質Si、Se的n型導電型InGaAlP材料形成的金屬包層106，厚度為0.1μm～2μm，雜質的摻入量為1E17/cm3～1E21/cm3。該金屬包層106具有比活性層104寬的帶狀間隙，具有將電流注入的電子和空穴封閉在活性層104中的特性。
接下來，對有關n型InGaAlP電流擴散層107進行說明。由具有摻入了n型雜質Si、Se的n型導電型InGaAlP材料形成的電流擴散層107，厚度為0.5μm～4μm，雜質的摻入量為1E17/cm3～1E21/cm3。該電流擴散層107具有比金屬包層的帶狀間隙狹窄且不吸收活性層104的光的帶狀間隙。由於與阱層104的折射率差小，所以具有將向n型金屬包層106方向放出的光從結晶表面取出的效果。如果摻入高濃度的雜質，則晶格不共格率變大、結晶性變差，所以在厚度不大於2μm時，最好雜質摻入量不大於1E21/cm3，在厚度為2μm～4μm時，最好雜質摻入量不大於1E19/cm3。
接下來，對有關n型GaAs導電層108進行說明。由具有摻入了n型雜質Si、Se的n型導電型GaAs材料形成的導電層108，厚度為1nm～100nm，雜質的摻入量為1E18/cm3～1E21/cm3。由於該導電層108是吸收來自量子阱發光層104發出的光的材料，所以厚度最好不大於數10nm，其吸收的影響小。當導電層108為InGaP材料時，由於吸收來自量子阱層104發出的光的比例小，而更為理想。
接下來，對有關p側電極109進行說明。由含有Au和Zn的材料形成的一部分嚮導電層擴散，由此顯示出良好的歐姆特性。為增強與粘接材料的密合性，厚度形成為1μm～數μm。
接下來，對有關n型電極110進行說明。n型電極110由含有Au、Ge的材料形成，為抑制電極遷移有時也含有Mo。由厚度為1μm到數μm的接合區和厚度為數百nm的向周邊伸展的多條直線形成。在粘接了GaP襯底100的構造中，會因在壓焊Au線工序中的壓焊加重和超聲波，而引起粘接界面產生裂紋的問題，但是當導電層108的厚度為0.1μm～0.5μm、電流擴散層107的厚度為1μm～2μm的條件下進行壓焊時，可以不產生裂紋而長期工作。
(實施例2)實施例2的半導體發光晶片與實施例1(圖1)的不同點，如圖9所示，使襯底100的第1側面111朝上表面變狹窄而傾斜。在該晶片中，可以提高防止發光晶片1從管腳框架2剝離的效果(參照圖8)，可以提高光取出效率。與實施例1(圖1)的晶片比較，來自發光層104的光輸出有一點低，但是可以根據用途，與實施例1的晶片分別使用。
圖9是示出本發明實施例2的半導體晶片的示意性剖視圖。與實施例1(圖1)相同的構成部分用相同圖號表示。襯底100的第1側面111的傾斜角度為46°。
該圖9的晶片的第1側面111通過劃片工序形成。也就是說，該第1側面111不是沿解理面解理而形成的。在如上所述通過劃片工程形成的側面111上形成有損傷區域。但是，該損傷區域通過使用鹽酸系的腐蝕液可以一定程度地除去。
圖9的晶片被形成為第1側面111與第2側面112對置，所以在第2側面112被反射的光的一部分從第1側面111向外部取出，可進一步提高光取出效率。
另外，圖9的晶片被形成為第1側面111向上側變狹窄。所以如圖8所示將晶片1安裝在管腳框架2上時，受到樹脂8圖8中下側方向的力。因此，可以提高防止發光晶片1從管腳框架2剝離的效果。
如上所述，圖9的晶片與圖1的晶片比較，可進一步提高防止剝離的效果和增加光取出效率的效果。但是，圖9的晶片的第1側面不是通過解理而形成的，所以，對發光層114的損傷稍微增加，來自發光層114的光稍微減少。因此，可以根據用途，分別使用圖9的晶片和圖1的晶片。
如上說明過的圖9的晶片的第1側面111的傾斜角度，可通過改變劃片刀具的前端角度，在不小於16°、不大於60°的範圍任意設定。如果傾斜角度小於16°，則難以得到上述防止剝離的效果。另外，如果傾斜角度大於60°，則從製造方法的角度看是困難的。
另外，為了提高光取出效率，上述第1側面111的傾斜角度最好設定為第2側面112的傾斜角度±16°。例如，當圖9所示的第2側面112的傾斜角度為30°時，第1側面的傾斜角度若為14°或46°，則光取出效率變高。另外，為了提高上述防止剝離的效果，傾斜角度為46°較好。
(實施例3)實施例3的半導體發光晶片與實施例1(圖1)的不同點，如圖10所示，是第1側面211與襯底200的幾乎垂直形成這點和在襯底200的底面設置槽215這點。通過解理形成第1側面211這點與實施例1相同。
圖10所示是本發明的實施例3的半導體發光晶片的概略剖視圖。另外，圖11是從襯底200的底部側看圖10的晶片的圖。與實施例1相同，半導體發光晶片是具有GaP襯底200和在該GaP上形成的由InGaAlP形成的發光層214的結構。發光層214的厚度為數μm，GaP襯底200為數百μm。在圖10的晶片中，襯底200的傾斜角度為0°。因此，解理面第1側面211與襯底200的底面和上表面幾乎垂直。
在如上說明的圖10的晶片中，第1側面211可通過解理而形成，並且由於解理面與上表面垂直，所以可使製造工序簡化。另外，由於第1側面211可通過解理形成，所以與實施例1相同，可防止發光層214的結晶缺陷以提高光輸出。
但是，在圖10的晶片中，由於第1側面211與上表面垂直，所以在將晶片1安裝在管腳框架2上時(參照圖8)，樹脂8將第1側面211壓向管腳框架2側的力變弱。於是，在圖10的晶片中，在襯底200的底面側設置槽215。通過如上所述來設置槽215，可擴大底面及p層電極209和粘接劑6(參照圖8)的接觸面積，可提高密合強度。其結果是可減少發光晶片1的剝離、維持足夠的壽命。另外，p型電極209如圖11所示，其底面中心和底面端部設置成線狀。
另外，在圖10的晶片中，在第2側面212和第3側面213的表面設有高度為1μm～2μm的多個凹凸。通過如上所述設置凹凸，可擴大表面積，可增加封裝樹脂8和半導體晶片1的粘接強度。因此，從這個觀點看，也可以減少發光晶片1的剝離。
在如上說明的圖10、圖11的半導體晶片中，在底面設置槽215，但是在不易引起晶片1和管腳框架2剝離的環境下使用器件時，也可以不設置槽215。
另外，可根據用途，在圖10、圖11的半導體晶片中，使第1側面111像實施例2(圖9)那樣傾斜。
(實施例4)圖12所示是本發明實施例4的半導體晶片的圖。與實施例3(圖10)的不同點是在GaP襯底200上設置第3部分200C這點。對與實施例3(圖10)相同的構成部分，用相同圖號表示。
在圖12的晶片中，在GaP襯底200的上表面上，設置因電流注入而放射光的發光層214。GaP襯底200具有設有上述發光層214的上表面、具有該上表面的第1部分200A、與該第1部分200A相鄰形成的第2部分200B。該第2部分200B有第2側面212，該第2側面212朝第1部分200A擴展傾斜，以將來自上述發光層214的上述光的一部分向外部射出。另外，上述第1部分200A具有通過沿解理面解理而得到的第1側面211。
圖13是示出將圖12的晶片1安裝在管腳框架上而得到的半導體發光器件的圖。基本的構成與圖8相同，與圖8相同的構成部分用相同的圖號表示。
由於在圖13的器件中，在發光晶片1上也設置了第2側面212，所以可以提高光取出效率。另外，由於在發光晶片1上設置了通過解理形成的第1側面211，所以可以減少結晶缺陷。因此，可得到光取出效率高且光輸出高的器件。
另外，由於圖13的器件在發光晶片1上沒有設置第3側面，所以可使製造方法簡化。
原本在圖13的器件中，沒有設置第3側面213，所以到第2側面212的一部分為止，安裝材料6容易擴展，可能會導致光輸出減少。所以，在圖13的器件中使用了如下的構造。
首先，在圖13的器件中，在晶片的第2側面212的表面上設置高度為1μm～2μm的凹凸。通過如上所述設置凹凸，可擴大表面積，加強封裝樹脂8和半導體晶片1的粘接強度。因此，晶片1不易從管腳框架2上剝離。其結果是使減少安裝材料6的量成為可能。這樣一來，可以防止安裝材料6向第2側面212擴展。另外，由於設置凹凸來擴大表面積，所以在安裝材料6過多的情況下，也能使安裝材料6不易向圖中的上側擴展。由此，可以防止安裝材料6向第2側面212擴展。
然後，在圖13的器件中，在底部設置如圖12所示的槽215。通過如上所述設置槽215，可擴大底面及p側電極209和安裝劑6的接觸面積，可提高密合強度。其結果是使減少安裝材料6的量成為可能，可以防止安裝材料6向第2側面212擴展。
圖13的器件如上所述，製造方法簡單，且可防止光輸出低。
在如上說明的圖12、圖13的半導體晶片中，在底面設置了槽215，但在不易引起晶片1和管腳框架2剝離的環境下使用器件時，也可以不設置槽215。
(實施例5)實施例5的半導體發光晶片與實施例4(圖12)的不同點，如圖14所示，是第1側面211向上面變狹窄地傾斜這點。第1側面211的傾斜角度與實施例2(圖9)一樣都是46°。與實施例4(圖12)相同的構成部分用相同的圖號表示。
另外，圖15所示是將圖14的晶片1安裝在管腳框架上而得到的半導體發光器件。基本的構成與圖13相同。與圖13的器件相同的構成部分用相同的圖號表示。
在圖15的器件中，由於第1側面211向上面變狹窄地傾斜，所以與在實施例2中說明過的一樣，與圖13的器件比較，可以提高防止發光晶片1從管腳框架2剝離的效果，以及提高光取出效率的效果。與實施例4的器件(圖13)比較，雖然來自發光層214的光輸出稍微低，但可根據用途，與實施例4的器件區別使用。
在如上說明過的圖15的器件中，第2側面211向上表面變狹窄地傾斜而提高防止剝離的效果，但即使不設置第2側面112的凹凸和底面的槽215，也可減少發光晶片1的剝離、維持足夠的壽命。
本發明還具有其他優點並可進行改動，所以，本發明並不僅限上述實施例，屬於本發明宗旨和範圍內的改變也當然屬於本發明的範疇。
權利要求
1.一種半導體發光晶片，其特徵在於，具有發光層，其放射光；及襯底，其對來自上述發光層的上述光具有透光性，具備設有上述發光層的上表面、與上述上表面相對的底面、連接上述上表面和上述底面的側面，上述側面有從上述上表面側朝向上述底面側的第1側面、從該第1側面朝向上述底面側的第2側面、從該第2側面朝向上述底面側的第3側面，上述第3側面朝上述上表面擴展傾斜，上述第2側面朝上述上表面擴展傾斜從而將來自上述發光層的上述光的一部分向外部射出，上述第1側面是通過沿解理面解理而成的側面。
2.如權利要求1記載的半導體發光晶片，其特徵在於上述襯底是GaP。
3.如權利要求1記載的半導體發光晶片，其特徵在於上述發光層含有InGaAlP。
4.如權利要求1記載的半導體發光晶片，其特徵在於上述襯底的上述第2側面與垂直於上述上表面的方向的角度不小於20°、不大於40°。
5.如權利要求2記載的半導體發光晶片，其特徵在於上述襯底從(100)面向
方向的傾斜不小於5°、不大於30°。
6.如權利要求2記載的半導體發光晶片，其特徵在於在上述第2側面和上述第3側面的表面上，形成多個高度不低於1μm、不高於2μm的凹凸。
7.如權利要求1記載的半導體發光晶片，其特徵在於在上述襯底的上述底面形成槽。
8.一種半導體發光晶片，其特徵在於，具有發光層，其放射光；及襯底，其對來自上述發光層的上述光具有透光性，具備設有上述發光層的上表面、與上述上表面相對的底面、連接上述上表面和上述底面的側面，上述側面有從上述上表面側朝向上述底面側的第1側面、從該第1側面朝向上述底面側的第2側面、從該第2側面朝向上述底面側的第3側面，上述第3側面朝上述上表面擴展傾斜，上述第2側面朝上述上表面擴展傾斜從而將來自上述發光層的上述光的一部分向外部射出，上述第1側面朝上述襯底的上述上表面變窄從而與垂直於上表面的方向以不小於16℃、不大於60℃傾斜。
9.如權利要求8記載的半導體發光晶片，其特徵在於上述襯底是GaP。
10.如權利要求8記載的半導體發光晶片，其特徵在於上述發光層含有InGaAlP。
11.如權利要求8記載的半導體發光晶片，其特徵在於上述襯底的上述第2側面與垂直於上述上表面的方向的角度不小於20°、不大於40°。
12.如權利要求9記載的半導體發光晶片，其特徵在於在上述第2側面和上述第3側面的表面上，形成多個高度不低於1μm、不高於2μm的凹凸。
13.一種半導體發光器件，其特徵在於，具有半導體發光晶片，其具有發光層、襯底，上述發光層發射光，上述襯底對來自上述發光層的上述光具有透光性，具備設有上述發光層的上表面、與上述上表面相對的底面、連接上述上表面和上述底面的側面，上述側面有從上述上表面側朝向上述底面側的第1側面、從該第1側面朝向上述底面側的第2側面，上述第2側面朝上述上表面擴展從而將來自上述發光層的光向外部射出，上述第1側面是通過沿解理面解理而成的側面；管腳框架；及安裝材料，其具有導電性，將上述半導體發光晶片的上述襯底的上述底面安裝在上述管腳框架上。
14.如權利要求13記載的半導體發光器件，其特徵在於上述半導體發光晶片的上述襯底由GaP形成，在上述襯底的上述第2側面上，形成多個高度不低於1μm、不高於2μm的凹凸。
15.如權利要求14記載的半導體發光器件，其特徵在於在上述襯底的上述底面形成槽。
16.一種半導體發光器件，其特徵在於，具有半導體發光晶片，其具有發光層、襯底，上述發光層發射光，上述襯底對來自上述發光層的上述光具有透光性，具備設有上述發光層的上表面、與上述上表面相對的底面、連接上述上表面和上述底面的側面，上述側面有從上述上表面側朝向上述底面側的第1側面、從該第1側面朝向上述底面側的第2側面，上述第2側面朝上述上表面擴展傾斜從而將來自上述發光層的光向外部射出，上述第1側面朝上述襯底的上述上表面變窄，從而以與垂直於上表面的方向以不小於16℃、不大於60℃傾斜；管腳框架；及安裝材料，其具有導電性，將上述半導體發光晶片的上述襯底的上述底面安裝在上述管腳框架上。
17.如權利要求16記載的半導體發光器件，其特徵在於上述半導體發光晶片的上述襯底由GaP形成，在上述襯底的上述第2側面上，形成多個高度不低於1μm、不高於2μm的凹凸。
18.如權利要求17記載的半導體發光器件，其特徵在於在上述襯底的上述底面形成槽。
全文摘要
本發明提供一種光取出效率高且良品率高、壽命長的半導體發光晶片及半導體發光器件。一種半導體發光晶片，其特徵在於，具有發光層，其放射光；及襯底，其對來自上述發光層的上述光具有透光性，具備設有上述發光層的上表面、與上述上表面相對的底面、連接上述上表面和上述底面的側面，上述側面有從上述上表面側朝向上述底面側的第1側面、從該第1側面朝向上述底面側的第2側面、從該第2側面朝向上述底面側的第3側面，上述第3側面朝上述上表面擴展傾斜，上述第2側面朝上述上表面擴展傾斜從而將來自上述發光層的上述光的一部分向外部射出，上述第1側面是通過沿解理面解理而成的側面。
文檔編號H01L33/38GK1445869SQ0311998
公開日2003年10月1日 申請日期2003年3月14日 優先權日2002年3月14日
發明者新田康一, 中村隆文, 紺野邦明, 赤池康彥, 遠藤佳紀, 近藤且章 申請人:株式會社東芝