CN100466311C - 半导体发光元件 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种具有高效率，且能通过大电流的发光二极管。该发光二极管具有：在高导热性基片(10)的表面侧至少叠层p型包层(4)、活性层(3)、n型包层(2)的发光层部，在上述发光层部上的中央部分地形成的电流阻止部(14)，在上述n型包层及上述电流阻止部表面形成的电流扩展层(15)，在上述电流扩展层表面形成的上部电极(16)，在上述高导热性基片背面形成的下部电极(13)，其特征是，还具有：形成在上述高导热性基片与上述发光层部之间的光反射层(7)，在位于上述光反射层的表面上的上述电流阻止部下方的部分上形成的部分电极(6)，在形成上述部分电极的部分以外的上述光反射层的表面上形成的电流阻止部(5)。
Description
技术领域
本发明涉及一种发光二极管，尤其涉及一种能以高效率通过大电流的发光二极管。
背景技术
近年来，由于发光二极管具备红色至蓝色的各种颜色，所以人们积极地试验将其应用于照明，终于使发光二极管的发光效率逐渐达到了与灯泡的发光效率相同的程度。
另一方面，通用的发光二极管的通电电流，一般为20mA，但用一个发光二极管只能做成数十mW左右的发光源，为了取得如灯泡一样的数十瓦那样的亮度，需将多个发光二极管并联或串联连接，从而取得需要的亮度。例如，对于交通信号等，对一个灯泡在面上并排设置200个左右发光二极管作为灯使用。因此，为了将发光二极管广泛地用作照明用，从减少能耗或降低成本方面来说也要求发光效率更高，并且能通过更大的电流。
现有的发光二极管，若与灯泡或日光灯等现有的灯比较，对热而言是非常弱的元件，存在因对发光二极管通入大电流时所产生的热而使发光效率及可靠性降低的问题。为了避免这些问题，有将产生的热快速地向芯柱散发或尽量不产生热等的方法。
作为快速地散发所产生的热的方法，有例如，如图9所示，做成以透光性基片109的表面为射出面，在该基片109的背面具有由p型包层102、活性层103、n型包层104构成的发光层部，通过n型包层用电极110及安装用合金112，从与安装芯柱107接合的p型包层用电极111通入电流的倒装片结构，将作为发热部分的发光层部尽量配置在靠近安装芯柱107的位置的方法。可是，在这样的结构中，虽然能将在发光层部产生的热有效地向芯柱散发，但发热的发光层部与散热的基片之间的热阻则成为问题。
因此，出现了如图10所示的方法，在热阻较高的基片(未图示)上生长由n型包层104、活性层103、p型包层102构成的发光层部，通过半导体接合层114粘贴热阻较低的高导热性基片113，其后，除去热阻较高的基片，形成上部电极101及下部电极106的方法。作为图10所使用的高导热性基片113，最广泛地使用Si基片。另外，根据线膨胀系数的关系，也可以使用采用了CuW等的基片。
另一方面，为了实现尽量不产生热，必须提高发光二极管的发光效率，尽量将电能转化为光发射出来，而不转换为热。即，需要尽可能提高使注入的电子或空穴有效地再接合的内部量子效率，进而提高用于将发出的光从发光二极管发射出来的光射出效率。
与此相对，在图10结构的发光二极管中，从发光层部射向表面侧的光中，虽然一部分光向发光二极管的外部放射出来，但由于发光二极管表面的折射率与发光二极管外部的折射率之差，大部分光由发光二极管表面反射，且射向高导热性基片113侧的光达到发光层部与高导热性基片113的界面即接合层114，因此，光的一部分反射，一部分被吸收。假如在接合层114的光反射率高，反射的光就射向发光二极管元件的表面侧，该光的一部分向元件外部发射出来，其余的光还是被反射。通过反复进行这种反射，可使光发射出去。可是，在该接合层114中，也需要考虑通入电，不能使反射率太高。即，光的反射和导电性存在折衷选择的关系。
为了避免这种情况，如图11所示，有在图10的发光二极管中，分别形成通电的部分电极115和发射光的接合层114的方法(例如，专利文献1—日本特开2001—144322号公报)。而且，通过在光不穿过的上部电极101的正下方形成电流阻止部116，则可使电流分散在上部电极101的周围，通过抑制在上部电极101的正下方的发光，可提高发光效率。
可是，在图11的结构中，通过增加通电的部分电极115的面积的比例，可以将驱动电压抑制得较低，但另一方面，由于接合层114的面积比例减小，所以产生反射率降低、发光效率低下的问题。即，即使在图1的结构中，也难以同时兼顾高的光反射率与低的电阻。
发明内容
本发明的目的就在于解决上述问题，提供一种发光效率高，而且能通过大电流的发光二极管。
为了实现上述目的，本发明具有如下的结构。
本发明第一方案的发光二极管，具有：具有：在基片表面侧至少依次形成第一导电性包层、活性层、第二导电性包层的发光层部，在上述发光层部上的中央局部地形成的第一电流阻止部，在上述第二导电性包层及上述第一电流阻止部上形成的导电层部，在上述基片背面形成的下部电极，其特征是，还具有：形成于上述基片与上述发光层部之间的光反射层，在位于上述光反射层表面上的上述第一电流阻止部的下方的部分形成的部分电极，在形成上述部分电极的部分以外的上述光反射层的表面上形成的第二电流阻止部。
本发明第二方案的发光二极管，具有：将基片的表面作为光射出部分，在上述基片的背面依次叠层至少第一导电性包层、活性层、第二导电性包层而成的发光层部，在上述第二导电性包层的背面侧部形成的电流阻止部，在上述电流阻止部及上述第二导电性包层的背面形成的电流扩展层，其特征是，还具有：在上述电流扩展层的背面，与上述电流阻止部相互相对地形成的电流注入用电极；在形成了上述注入用电极以外的部分上形成的光反射层。
本发明第三方案的发光二极管是在第一或第二方案的基础上，其特征是，上述第二导电性包层的薄膜电阻比上述第一导电性包层的薄膜电阻高。
本发明第四方案的发光二极管是在第一～第三方案任一方案的基础上，其特征是，上述光反射层是由Ag、Au、AI中的任意一种或含有这些中的至少一种的合金构成的层，或者由它们的复合层构成。
本发明第五方案的发光二极管是在第一～第四方案任一方案的基础上，其特征是，上述活性层为多量子阱结构。
本发明第六方案的发光二极管是在第一方案的基础上，其特征是，上述导电层部具有设置在上述第二导电性包层及上述第一电流阻止部上的电流扩展层和设置在上述电流扩展层上的上部电极。
本发明第七方案的发光二极管是在第一方案的基础上，其特征是，上述导电层部具有设置成连接在上述第二导电性包层及上述第一电流阻止部的表面的枝状电极。
本发明第八方案的发光二极管是在第一方案的基础上，其特征是，上述导电层部具有设置成连接在上述第二导电性包层及上述第一电流阻止部的表面的枝状电极，和设置成使上述枝状电极表面的一部分露出在上述第二导电性包层上的电流扩展层。
本发明第九案的发光二极管是在第一方案的基础上，其特征是，上述导电层部具有设置成连接在上述第二导电性包层及上述第一电流阻止部的表面的枝状电极，设置在上述第二导电性包层及上述枝状电极上的电流扩展层和设置在上述电流扩展层上的上部电极。
本发明第十方案的发光二极管是在第二、六、八或九任一方案的基础上，其特征是，上述电流扩展层为透明导电膜。
根据本发明的发光二极管，即使在通入大电流的场合，也能降低驱动电压的同时，可稳定地得到高的光输出功率。
附图说明
图1是本发明第一实施方式的AIGaInP发光二极管的剖面图。
图2是表示图1的AIGaInP发光二极管的制造工序图。
图3是表示图1的AIGaInP发光二极管的电流流动图。
图4是本发明第二实施方式的AIGaInP发光二极管的剖面图。
图5是本发明的其它实施方式的AIGaInP发光二极管的剖面图。
图6是图5的AIGaInP发光二极管的沿A-A线的剖面图。
图7是本发明的其它实施方式的AIGaInP发光二极管的剖面图。
图8是本发明的其它实施方式的AIGaInP发光二极管的剖面图。
图9是现有的发光二极管的剖面图。
图10是现有的发光二极管的剖面图。
图11是现有的发光二极管的剖面图。
具体实施方式
以下，基于附图说明本发明的实施方式。
图1是本发明第一实施方式的AIGaInP发光二极管的剖面结构。发光二极管元件的大小为1mm×1mm，厚度为250μm。基于图2对为制作图1的发光二极管的顺序说明如下。
首先，如图2(a)所示，在n型GaAs基片1上用MOCVD(金属有机化学气相淀积)法，依次叠层n型AIGaInP包层(以下简称n型包层)2、活性层3、p型AIGaInP包层(以下简称p型包层)4。这里，n型包层2的薄膜电阻做成比p型包层4的薄膜电阻高。在上述p型包层4的表面上，用CVD法在整个表面上形成由SiO2构成的电流阻止部5。其后用光刻工序，在电流阻止部5上以1050μm的间隔开有矩阵状的直径为120μm的孔，露出p型包层4。接着，在使该p型包层4露出的部分上，用光刻工序和蒸镀叠层形成由AuBe及Ni构成的膜，其后通过进行退火处理形成部分电极6。而且，在由电流阻止部5及部分电极6构成的层上通过蒸镀形成由Ag合金(商品名：APC、株式会社aruya金属制)构成的光反射层7、由Ti构成的扩散抑制层8、由Au或AuSn构成的接合层9a。
另一方面，如图2(b)所示，在由Si构成的高导热性基片10的表面侧蒸镀由AI构成的高导热性基片用电极11，在高导热性基片10的背面侧蒸镀由AI构成的下部电极13。其后，在高导热性基片11上通过蒸镀依次形成由Ti构成的扩散抑制层12和由Au或AuSn构成的接合层9b。
将制成的上述2片晶片固定在粘贴装置上。该装置是市售的SOI基片制作或微型机械用的装置。将高导热性基片10固定在粘贴装置下侧的晶片座上，并使接合层9b朝上方。另外，将GaAs基片1侧的晶片固定在粘贴装置上侧的晶片座上，并使接合层9a朝下方。固定好这两种晶片后，将粘贴装置内抽成真空。抽成真空后，使两种晶片的接合层9a、9b接触，保持施加压力(接合层9a和接合层9b成为接合层9)。此时的压力如果是使翘曲的晶片在整个面上都接触的压力，则足够了，两种晶片并不是通过该压力接合。在将这两种晶片固定在晶片座上的状态下，对加热器通电，边控制温度边加热到350℃。在350℃的状态下保持1小时后，开始冷却。在晶片的温度下降到50℃以下时，向真空容器内通入空气，打开粘贴装置的盖，取出已接合的晶片。
将该已接合的晶片粘结在研磨夹具上使GaAs基片1侧朝上方，通过研磨除去GaAs基片1的一部分，从研磨夹具上取下晶片。其后，通过蚀刻除去GaAs基片1的其余部分，使n型包层2露出在晶片表面上。在蚀刻时，预先对背面侧的下部电极13进行保护，以使其不溶掉(图2(c))。
在该接合了的晶片的n型包层2上，如图2(d)所示，形成由SiO2构成的电流阻止部14。通过光刻工序对该电流阻止部14进行图形加工，使直径420μm的圆形以1050μm的间隔排列成矩阵状。但是，在进行该光刻工序时，圆形的电流阻止部14的中心加工成与部分电极6中心重合的图形。其后，在该晶片的n型包层2和电流阻止部14的表面上，通过溅射法形成由ITO构成的电流扩展层15。其后，通过蒸镀和光刻工序，形成圆形电极的上部电极16，使其中心与电流阻止部14的中心重合。
这里，在上述粘贴时或形成上部电极16时虽进行了加热处理，但通过该加热处理，金属从接合层9扩散，当扩散到光反射层7时，引起合金化反应，则光反射率降低。为了抑制这种合金化反应，设置了扩散抑制层8及扩散抑制层12。
将如上述制作的晶片固定在精密切断装置上，切断成1mm见方的芯片，其断面通过腐蚀除去破碎层和消除污染后，制作成发光二极管元件。其后，经由安装用合金17通过共晶接合将发光二极管元件芯片焊接在散热特性优良的安装芯柱18上，进而通过引线接合对与安装芯柱18分离了的安装芯柱(未图示)进行配线，制作成特性评价用的样品。
图3表示如上述制作的发光二极管的电流的流动。从上述电极16注入的电子19，通过电流阻止部14流向元件的周围。另一方面，从下部电极13注入的空穴20，通过电流阻止部5向在中央部形成的部分电极6流入。并且，通过使n型包层2的薄膜电阻比p型包层4的薄膜电阻高，由于在n型包层2的电流路径会选择最短，因此，向活性层3的周围流动，由发光部21发光。因此，上部电极16不会成为障碍，可高效率地射出光。相反，在使n型包层2的薄膜电阻比p型包层4的薄膜电阻低时，流向上部电极16的正下方的电流量增加，因此发光的比例增加，上部电极16成为障碍，降低发光效率。另外，通过将部分电极6进行欧姆接合，从而做成电流流动的结构。假如做成不设置部分电极6与电流阻止部5的结构的情况下，在p型包层4与光反射层7之间产生位垒，电流则不流动。
向上述的特性评价用样品通入电流测定发光输出功率。发光波长为630nm的红色。其结果，电流直到500mA，电流与发光输出功率大致表现为直线性。这是因为，由于基片采用了具有高导热性的材料，所以在发光二极管元件内产生的热能高效率地散发到安装芯柱18上，因此，即使流过大电流，发光二极管内的温度也不会达到高温，抑制了活性层3的光电转换效率的降低。另外，例如通电电流350mA时的发光输出功率为410mW，作为外部量子效率相当于约60％。这是由于，通过电流阻止部14抑制在上部电极16正下方的发光，由发光部21高效率地将电转换成的光中，向发光二极管元件背面侧发射的光通过使用了光反射率较高的Ag合金的光反射层7高效率地进行反射，所以可得到较高的外部量子效率。另外，通过做成使部分电极6与光反射层7独立的结构，由于不需要如现有技术那样兼顾光反射和流过的电流这两方面，即使增加通电电流，也不会引起光反射率的降低，因此，在大电流的通电中，也可提供高效率的发光二极管。
作为本发明的第二实施方式，图4表示倒装片型的发光二极管的剖面结构。
在由对光透明的材料构成的透光性基片22的下方，配置有由p型包层23、活性层24、n型包层25构成的发光层部。这里也与第一实施方式相同，使n型包层25的薄膜电阻比p型包层23的薄膜电阻高。另外，作为该透光性基片22的材料，除玻璃、蓝宝石、SiC等外，如果是红色或黄色的发光二极管，也可以使用GaP基片。并且，除去活性层24及n型包层25的一部分，p型包层23露出一部分。在该p型包层23露出的部分上，形成p型包层用电极33。另外，在n型包层25的一部分上设置有电流阻止部26，为覆盖电流阻止部26与n型包层25这两者，形成由透明导电膜ITO构成的电流扩展层27。在该电流扩展层27的下部、即电流阻止部26的正下方，形成大小比电流阻止部26小的电流扩展层用电极28。在电流扩展层27的下方，即电流阻止部26的正下方以外的部分，形成由具有高反射率的Ag合金(商品名：APC，株式会社aruya金属制)构成的光反射层30。这里，为了进一步提高光反射率，在n型包层25与光反射层30之间，在加热过程中，n型包层25与光反射层30进行反应，为使光反射率不降低，最好形成绝缘层29。
另外，在与安装芯柱39的接合中，为了在光反射层30的下部使发光层部的热有效地散发，通过散热用接合软钎料35进行接合，做成可满足大电流通电时的要求的结构。这种场合，在发光二极管元件侧形成散热用接合层32，以使散热用接合软钎料35的糊良好接合。而且，在该散热用接合层32与光反射层30之间形成扩散抑制层31，使得在晶片处理或安装过程的高温处理时，使这些层不会起合金化反应，不会降低光反射层30的光反射率。电流扩展层用电极28通过通电用接合软钎料36与芯柱用配线图形37与安装芯柱39进行接合，在p型包层用电极33中，通过通电用接合软钎料34与芯柱用配线图形38与安装芯柱39进行接合。在安装时，为使软钎料与发光层部接触并不形成泄漏通道，而在发光层部的侧面分别形成保护膜40及41。如上所述，通过安装可实现高散热性。
在本发明的第二实施方式的发光二极管中，为使发光层部处于光反射层30的上部而在电流扩展层用电极28的正上方形成电流阻止部26，且将n型包层25的薄膜电阻做成比p型包层23的薄膜电阻高。而且，由于光反射层30只以提高光反射率为目的形成，因此，即使通入大电流，光反射率也非常高，可提供光射出效率较高的发光二极管。与此相对，在图9所示的现有的倒装片结构的发光二极管中，在n型包层104下部形成的n型包层用电极110由于必须兼顾用于通入电流的电极功能与用于使光反射的光反射层的两种功能，因此，难以实现较高的光反射率，降低光射出效率。
在本发明的第一实施方式中，虽然做成了在n型包层2与圆形的上部电极16之间设置电流扩展层15的构造，但如图5所示，也可以做成不设置电流扩展层，在电流阻止部14上及n型包层2的表面的一部分上使枝状电极42直接欧姆接合的结构。在图5的结构中，由于通入的电流被枝状电极42分散，所以不需要形成电流扩展层，能以比第一实施方式更低的成本进行制造。另外，图6表示从枝状电极42侧观察图5的发光二极管的情况。上述的枝状电极42也可以做成如图6(a)至图6(d)的任意一种形状，只要是电流的扩展能有效地进行，即使使用这些形状之外的枝状电极也无妨。
而且，图7做成在图5的结构中将电流扩展层43设置在n型包层2上，以使枝状电极42表面的一部分露出的结构。通过这种结构，可以将图5中不能射出的在发光层部内乱反射的光从电流扩展层43的部分高效率地向外部射出。此时，作为电流扩展层43的材料，使用了ITO等的透明导电膜。
在本发明的第一实施方式中，虽然做成了在电流扩展层15的表面上只设置圆形的上部电极16的结构，但除了该上部电极16外，如图8所示，通过做成将图5中使用的枝状电极42欧姆接合在n型包层2的一部分及电流阻止部14上的结构，也可使从上部电极16通入的电流高效率地扩展。
在本发明的各实施方式中，将活性层做成由带隙较大的薄膜的半导体层构成的位垒层和由带隙较小的薄膜的半导体层构成的阱层交互叠层的多量子阱结构，也能取得同样的效果。
在本发明的各实施方式中，虽然将n型包层的薄膜电阻做得比p型包层的薄膜电阻高，但通过将p型包层做成由薄膜电阻较低的半导体层组合的多层结构，使该层的薄膜电阻总的比n型包层的薄膜电阻低，也能取得与本发明的实施方式相同的效果。
另外，在本发明的各实施方式中，虽然在电流扩展层上使用了透明导电膜ITO，但即使使用ITO以外的透明导电膜，也能取得与本发明的实施方式相同的效果。
而且，在本发明的第一实施方式中，虽然上部电极16使用了圆形电极，但即使将该上部电极16做成枝状电极，也能取得与本发明第一实施方式相同的效果。
Claims (9)
1.一种发光二极管，具有：在基片表面侧至少依次形成第一导电性包层、活性层、第二导电性包层的发光层部，在上述发光层部上的中央局部地形成的第一电流阻止部，在上述第二导电性包层及上述第一电流阻止部上形成的导电层部，在上述基片背面形成的下部电极，其特征在于，
还具有：形成于上述基片与上述发光层部之间的光反射层，在位于上述光反射层表面上的上述第一电流阻止部的下方的部分形成的部分电极，在形成上述部分电极的部分以外的上述光反射层的表面上形成的第二电流阻止部。
2.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，
上述第二导电性包层的薄膜电阻比上述第一导电性包层的薄膜电阻高。
3.根据权利要求1或2所述的发光二极管，其特征在于，
上述光反射层是由Ag、Au、AI中的任意一种或含有这些中的至少一种的合金构成的层，或者由它们的复合层构成。
4.根据权利要求1或2所述的发光二极管，其特征在于，
上述活性层为多量子阱结构。
5.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，
上述导电层部具有设置在上述第二导电性包层及上述第一电流阻止部上的电流扩展层和设置在上述电流扩展层上的上部电极。
6.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，
上述导电层部具有设置成连接在上述第二导电性包层及上述第一电流阻止部的表面的枝状电极。
7.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，
上述导电层部具有设置成连接在上述第二导电性包层及上述第一电流阻止部的表面的枝状电极，和设置成使上述枝状电极表面的一部分露出在上述第二导电性包层上的电流扩展层。
8.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，
上述导电层部具有设置成连接在上述第二导电性包层及上述第一电流阻止部的表面的枝状电极，设置在上述第二导电性包层及上述枝状电极上的电流扩展层和设置在上述电流扩展层上的上部电极。
9.根据权利要求5、7或8任意一项所述的发光二极管，其特征在于，上述电流扩展层为透明导电膜。
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