CN101118945A

CN101118945A - 半导体发光二极管

Info

Publication number: CN101118945A
Application number: CNA200710152625XA
Authority: CN
Inventors: 藏本恭介
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2006-07-18
Filing date: 2007-07-17
Publication date: 2008-02-06

Abstract

本发明提供一种可通过对发光层均匀地注入电流并提高光的取出效率来获得高发光效率的半导体发光二极管。其包括：相对于发光波长透明的导电性基板；在基板上形成的、包含发光层的半导体层；在半导体层上形成的表面电极；以及在基板的背面形成的、具有开口的背面电极，当设开口的宽度为L、背面电极和发光层的距离为t时，L≤2t，背面电极的面积相对于基板的背面面积的比例为40％以下。

Description

半导体发光二极管

技术领域

本发明涉及一种在GaN基板等透明且导电的基板上制作的氮化物类的半导体发光二极管，特别地，涉及一种可通过对发光层均匀地注入电流且提高光的取出效率来获得高发光效率的半导体发光二极管。

背景技术

近年来，正积极地进行使用AlInGaN等氮化物类III-V族化合物半导体的蓝色、白色或紫外光的半导体发光二极管(LED)的研究开发，并已经实用化(例如，参照专利文献1)。为了降低成本，现在的半导体发光二极管在蓝宝石基板上结晶生长氮化物类半导体的类型正成为主流。

但是，由于在蓝宝石基板和在此基板上结晶生长的氮化物类半导体之间存在大的晶格不匹配，所以在蓝宝石基板上直接生长氮化物半导体的情况下，就会在发光层内存在非常多的、具有10⁹～10¹⁰cm^-3以上密度的贯通位错(threadingdislocation)。由于此贯通位错成为发光层内的载流子的非发光再结合中心，所以就会使发光效率下降。

为此，采用一种在蓝宝石基板上生长低温的缓冲层来减少贯通位错的方法。但是，即使采用此方法，贯通位错密度为10⁷cm^-3左右时，也几乎不会减少贯通位错。另一方面，现在市场上销售的GaN基板中，贯通位错密度为10⁵cm^-3左右，今后期待贯通位错密度的进一步减少。因此，为了提高发光效率，使用GaN基板是非常有效的。

此外，作为在表面及背面分别形成了p电极及n电极的类型的半导体发光二极管的安装方法使用以下2种方法。方法一是以基板侧即n电极侧作为下侧进行管芯焊接、从表面侧取出光的方法。另一种方法与此相反，是以表面即p电极侧为下侧进行管芯焊接、从背面取出光的方法。

专利文献1：特开2005-166840号公报

图6是表示对基板背面进行管芯焊接(die bond)、从基板表面取出光类型的现有的半导体发光二极管的剖面图。如图所示，在基板1上，作为半导体层，层叠厚度1.0μm、Al组成比为0.07的n型AlGaN包覆层2；由厚度7nm、In组成比为0.02的4个InGaN阻挡层(未图示)和厚度5nm、In组成比为0.10的3个InGaN阱层组成的发光层3；厚度100nm、Al组成比为0.07的p型AlGaN包覆层4；和厚度20nm的p型GaN接触层5。然后，在基板1的背面形成由Ti/Au制成的n电极6，在GaN接触层5上形成由Pd/Au制成的p电极7。此外，在p电极7设置有开口，主要从此部分取出光。

在此，p电极7相互的间隔L相对于p电极7和发光层3的距离t过大的情况下，由于向发光层3的电流注入量在平面内变得不均匀，产生电流非注入区域，所以发光效率下降。为了防止这些，只要减小p电极7相互的间隔L即可。由此，由于仅在发光层3和p电极7之间形成高电阻、薄的p型半导体层，所以，电流从p电极7流向发光层3时引起的向横向的电流扩散非常地小。

此外，p电极7和发光层3的距离t，在现有的半导体发光二极管中为1μm以下。因此，向横向的电流扩散至多为几μm左右。因此，为了防止电流的不均匀注入，必须使p电极7的开口宽度L为几μm以下。

但是，在减小电极开口宽度L的情况下，如图7所示，由于发光层发生的光的一部分由p电极7反射或吸收，所以就会存在发光效率下降这样的问题。

为了解决此问题，如图8所示，具有一种作为p电极使用透明电极8来减少光的反射及吸收的方法。但是，即使此情况下，也存在光的反射及吸收，特别地，在半导体发光二极管的发光波长短的情况下成为大的问题。此外，电极薄的情况下，由于此电极的电阻变大，在距离用于电流注入的导线远的部分，就会使电流量下降、难于均匀地注入电流。

此外，如图9所示，还具有一种在一部分半导体层被腐蚀了的部分处形成n电极6、以表面侧为下侧进行安装由此从背面取出光的方法。但是，由于n电极6和p电极7隔开有距离，所以也难于均匀地注入电流。此外，由于一部分发光层3被腐蚀，所以发光区域会减少。并且，由于将p电极7靠近n电极6，所以存在使两电极绝缘进行管芯焊接有困难等的问题。

发明内容

本发明是为了解决上述这样的课题而进行的，其目的在于，可通过对发光层均匀地注入电流且提高光的取出效率来获得高发光效率的半导体发光二极管。

本发明的半导体发光二极管包括：相对于发光波长透明的导电性基板；在基板上形成的、包含发光层的半导体层；在半导体层上形成的表面电极；以及在基板的背面形成的、具有开口的背面电极，当设开口的宽度为L、背面电极和发光层的距离为t时，L≤2t，背面电极的面积相对于基板的背面面积的比例为40％以下。本发明的其它特征将在下文中进行阐述。

根据本发明，可通过对发光层均匀地注入电流且提高光的取出效率来获得高的发光效率。

附图说明

图1是表示本发明的实施方式1的半导体发光二极管的剖面图。

图2是从基板的背面侧观察本发明的实施方式1的半导体发光二极管的图。

图3是表示相对于距1个n电极的电极端的横向距离的、从n电极对发光层3注入的电流的电流密度的图。

图4是从基板的背面侧观察本发明的实施方式2的半导体发光二极管的图。

图5是从基板的背面侧观察本发明的实施方式3的半导体发光二极管的图。

图6是表示现有的半导体发光二极管的剖面图。

图7是表示现有的半导体发光二极管的剖面图。

图8是表示现有的半导体发光二极管的剖面图。

图9是表示现有的半导体发光二极管的剖面图。

附图标记说明

1 GaN基板(基板) 2 n型AlGaN包覆层(半导体层)

3 发光层(半导体层) 4 p型AlGaN包覆层(半导体层)

5 p型GaN接触层(半导体层) 6 n电极(背面电极)

7 p电极(表面电极) 9 SiO₂绝缘膜(绝缘膜)

10 电极焊盘

具体实施方式

实施方式1.

图1是表示本发明的实施方式1的半导体发光二极管的剖面图。GaN基板1是相对于发光波长透明的导电性基板，通过研磨变为99μm厚。在此GaN基板1上，作为半导体层，层叠厚度1.0μm、Al组成比为0.07的n型AlGaN包覆层(clad layer)2；由厚度7nm、In组成比为0.02的4个InGaN阻挡层(未图示)和厚度5nm、In组成比为0.10的3个InGaN阱层组成的发光层3；厚度100nm、Al组成比为0.07的p型AlGaN包覆层4；和厚度20nm的p型GaN接触层5。

此外，在GaN接触层5上大致整个表面地形成由Pd/Au制成的p电极7(表面电极)，在基板1的背面形成由Ti/Au制成的n电极6(背面电极)。以p侧为下侧安装此半导体发光二极管。此外，在n电极6设置开口，主要从此部分取出光。

此外，图2是从基板的背面侧观察本发明的实施方式1的半导体发光二极管的图。元件的尺寸是长400μm、宽400μm。此外，n电极6的形状为梳状，n电极6的宽度为20μm，开口的宽度L为100μm。

此外，形成用于焊接导线的电极焊盘10，在电极焊盘10和GaN基板1之间形成有SiO₂绝缘膜9。电极焊盘10的尺寸为50μm×50μm，SiO₂绝缘膜9的尺寸为60μm×60μm。

接着，说明本实施方式的半导体发光二极管的制造方法。首先，在通过热清洗等预先清洁了表面的GaN基板1上，利用有机金属化学气相生长(MOCVD)法生长掺杂了n型掺杂剂Si的n型AlGaN包覆层2。接着，顺序层叠由掺杂相同的Si的InGaN阱层组成的发光层3、掺杂p型掺杂剂Mg的p型AlGaN包覆层4、和p型GaN接触层5。在此，这些层的生长温度，例如，在n型AlGaN包覆层2中设为1000℃，在n型InGaN发光层3中为740℃，在p型AlGaN包覆层4及p型GaN接触层5中为1000℃。

在结束上述晶格生长的晶片的整个表面上涂敷抗蚀剂，通过光刻形成与p电极7的形状相对应的规定形状的抗蚀剂图形。接着，通过真空蒸镀在此抗蚀剂图形上顺序形成Pt膜及Au膜，通过剥离(lift-off)去除抗蚀剂和抗蚀剂上的电极膜，由此形成所希望形状的p电极7。为了使其处于进行管芯焊接的面上，大致整个表面地形成此p电极7。

接着，通过真空蒸镀法，形成位于电极焊盘10之下的SiO₂绝缘膜9，通过光刻进行构图。然后，在GaN基板1的背面涂敷抗蚀剂，通过光刻形成与n电极6的形状相对应的规定形状的抗蚀剂图形。接着，利用真空蒸镀法整个表面地顺序形成Ti膜及Au膜，通过剥离去除抗蚀剂和抗蚀剂上的电极膜，由此形成所希望形状的n电极6。

接着，执行用于使p电极7及n电极6欧姆接触的合金处理。然后，通过劈开或切割将GaN基板1芯片化。通过上述，制造本实施方式的半导体发光二极管。

在此，图3是表示相对于距1个n电极6的电极端的横向距离的、从n电极6对发光层3注入的电流的电流密度的图。考虑此关系性和也从邻接的n电极6注入电流的情况时，可知如果n电极6的开口的宽度L为2t左右，则对发光层3以某种程度地均匀地注入电流。即，如图3所示，如果距n电极6的距离为2t以下，则电流密度不为0。为此，如果邻接的n电极6间的距离L为2t以下，则由于从隔开距离L的2个n电极6分别注入电流，所以能够对发光层3以某种程度地均匀地注入电流。因此，如果n电极6的开口的宽度L为L≤2t，则电流能够均匀地注入到发光层3。但是，优选L≤1.5t，如果L≤1.0t，则由于电流密度基本上完全均匀，所以更优选。

此外，虽然越减小电极6的开口的宽度L，光的取出效率越变小，但如果减小电极6的宽度减少面积，就能够提高光的取出效率。并且，如果n电极6的面积相对于基板1的背面的面积的比例为40％以下时，就能够充分地提高光的取出效率。但是，优选25％以下，更优选15％以下。

此外，由于在电极焊盘10的部分，光的取出有困难，所以，通过在此电极焊盘10之下形成SiO₂绝缘膜9以便不使电流注入到发光层3，就能够进一步地提高外部量子效率。此情况下，如果在SiO₂绝缘膜9上以外形成的n电极6的面积相对于除形成有SiO₂绝缘膜9的区域之外的基板1的背面的面积的比例为40％以下，就能够充分地提高光的取出效率。但是，优选25％以下，更优选15％以下。

在本实施方式中，由于n电极6和发光层3的距离t约为100μm，所以L＝10t。而且，n电极6的面积相对于基板1的背面的面积的比例约为22％。其结果是，当20mA时发光波长为408mm、外部量子效率为35％时，能够获得非常高的发光效率。

实施方式2.

图4是从基板的背面侧观察本发明的实施方式2的半导体发光二极管的图。元件的尺寸是长400μm、宽400μm。此外，n电极6的形状为梳状，n电极6的宽度为15μm，开口的宽度L为150μm。此外，电极焊盘10的尺寸为50μm×50μm，SiO₂绝缘膜9的尺寸为60μm×60μm。元件的层叠结构由于与实施方式1相同，所以省略说明。

在本实施方式中，L＝1.5t，n电极6的面积相对于基板1的背面的面积的比例约为13％。其结果是，当20mA时发光波长为408mm、外部量子效率为38％时，能够获得非常高的发光效率。

实施方式3.

图5是从基板的背面侧观察本发明的实施方式3的半导体发光二极管的图。元件的尺寸是长400μm、宽400μm。此外，n电极6的形状为网格状，n电极6的宽度为20μm，开口的宽度L为100μm。此外，电极焊盘10的尺寸为50μm×50μm，SiO₂绝缘膜9的尺寸为60μm×60μm。元件的层叠结构由于与实施方式1相同，所以省略说明。

在本实施方式中，L＝1.0t，n电极6的面积相对于基板1的背面的面积的比例约为34％。其结果是，当20mA时发光波长为408mm、外部量子效率为31％时，能够获得非常高的发光效率。

再有，在上述实施方式1～3中，说明了n电极6的形状为梳形和网格状的情况。但是，不限于此，n电极6即使为其它形状，如果开口的宽度L与距离t的关系性和n电极的面积相对于基板1的背面的面积的比例与上述条件相符的话，则当然具有相同的效果。

Claims

1.一种半导体发光二极管，其特征在于，包括：

相对于发光波长透明的导电性基板；

在上述基板上形成的、包含发光层的半导体层；

在上述半导体层上形成的表面电极；和

在上述基板的背面形成的、具有开口的背面电极，

当设上述开口的宽度为L、上述背面电极和上述发光层的距离为t时，L≤2t，

上述背面电极的面积相对于上述基板的背面面积的比例为40％以下。

2.根据权利要求1所述的半导体发光二极管，其特征在于，上述背面电极的面积相对于上述基板的背面面积的比例为25％以下。

3.根据权利要求1所述的半导体发光二极管，其特征在于，上述背面电极的面积相对于上述基板的背面面积的比例为15％以下。

4.一种半导体发光二极管，其特征在于，包括：

相对于发光波长透明的导电性基板；

在上述基板上形成的、包含发光层的半导体层；

在上述半导体层上形成的表面电极；

在上述基板的背面形成的、具有开口的背面电极；

在上述基板的背面形成的绝缘膜；和

在上述绝缘膜上形成的、与上述背面电极连接的电极焊盘，

在上述绝缘膜上以外形成的上述背面电极的面积相对于除了形成有上述绝缘膜的区域之外的上述基板的背面的面积的比例为40％以下。

5.根据权利要求4所述的半导体发光二极管，其特征在于，在上述绝缘膜上以外形成的上述背面电极的面积相对于除了形成有上述绝缘膜的区域之外的上述基板的背面的面积的比例为25％以下。

6.根据权利要求4所述的半导体发光二极管，其特征在于，在上述绝缘膜上以外形成的上述背面电极的面积相对于除了形成有上述绝缘膜的区域之外的上述基板的背面的面积的比例为15％以下。

7.根据权利要求1～6任意一项所述的半导体发光二极管，其特征在于，L≤1.5t。

8.根据权利要求1～6任意一项所述的半导体发光二极管，其特征在于，L≤1.0t。

9.一种半导体发光二极管，其特征在于，包括：

相对于发光波长透明的导电性基板；

在上述基板上形成的、包含发光层的半导体层；

在上述半导体层上形成的表面电极；和

在上述基板的背面形成的多个背面电极，

当设邻接的上述背面电极间的距离为L、上述多个背面电极和上述发光层的距离为t时，L≤2t，

上述多个背面电极的面积相对于上述基板的背面面积的比例为40％以下。

10.根据权利要求1～6、9任意一项所述的半导体发光二极管，其特征在于，上述背面电极的形状为梳状。

11.根据权利要求1～6、9任意一项所述的半导体发光二极管，其特征在于，上述背面电极的形状为网格状。