CN101276870A - 半导体发光器件及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种半导体发光器件，能够降低串联电阻，可以使光取出效率提高。本发明的半导体发光器件，包括：活性层(14)，放射波长λ的光；第1导电型的第1半导体层(10、12)，具有设置在活性层(14)上、与活性层(14)相接的第1主面，与第1主面对置的第2主面，及与第2主面相接、与平行于第2主面的面之间具有45度以上且小于90度的斜角的侧面；第2导电型的第2半导体层(18)，夹着活性层(14)与第1半导体层(10、12)对置；及第1电极(20)，夹着第2半导体层(18)与活性层(14)对置；活性层(14)与第1电极(20)间的距离d依存于波长λ及第2半导体层(18)的折射率n。

Description

半导体发光器件及其制造方法

技术领域

本发明涉及半导体发光器件及其制造方法。

背景技术

在发光二极管(LED)等半导体发光器件中，半导体发光器件的半导体材料的折射率比与半导体材料相接的空气或树脂大。因此，在半导体材料与空气或树脂的界面发生全反射，光取出效率极低。为了提高光取出效率，开发了元件形状的加工、表面纹理结构、光子结晶等各种技术。

作为这样的技术之一，报告了利用与来自背面电极的反射光间的干涉，使光取出效率提高的技术(例如，参照专利文献1)。在氮化镓(GaN)系列LED中，利用了通过与来自背面电极的反射光间的干涉，可增强向垂直方向的射出光。例如，在蓝宝石基板上制作的GaN系列LED中，从蓝宝石基板向空气中所取出的光的光取出效率，对应于作为发光层的活性层与设置在GaN层表面上的电极间的距离而增减。即，当从GaN层表面的电极来的反射光和在GaN层中向垂直方向射出的光相互增强时，光取出效率增大。但是，由于GaN层与蓝宝石基板的界面的全反射的影响，光取出效率的值并不大。

另外，由于使用蓝宝石基板，采用将LED的p电极、n电极一起安装在蓝宝石基板的相对侧的倒装片结构。其结果，存在封装体组装困难的问题。另外，为了使上下不能通电，电极间的串联电阻也要变大。

另一方面，作为上下可通电的结构，不仅可以使用蓝宝石基板，还可以使用导电性的GaN基板。若使用GaN基板，则可以上下安装电极，能够降低电极间的串联电阻。但是，若上下安装电极，则不能从电极部分取出光。因此，利用背面的干涉效果使上述的垂直方向的光相互增强的方法不能使用。这样，在通常的半导体发光器件中，不能使元件的低电阻化和光取出效率提高两者并存，不能得到高性能的半导体发光器件。

【专利文献1】(日本)特开2004-207742号公报。

发明内容

本发明的目的在于提供一种半导体发光器件及其制造方法，能够降低串联电阻，可以使光取出效率提高。

根据本发明的第1方式，提供一种半导体发光器件，包括：(a)活性层，放射波长λ的光；(b)第1导电型的第1半导体层，具有设置在活性层上且与活性层相接的第1主面、与第1主面对置的第2主面、及与第2主面相接并与平行于第2主面的面之间具有45度以上且小于90度的斜角的侧面；(c)第2导电型的第2半导体层，夹着活性层与第1半导体层对置；及(d)第1电极，夹着第2半导体层与活性层对置；(e)活性层与第1电极间的距离d依存于波长λ及第2半导体层的折射率n。

根据本发明的第2方式，提供一种半导体发光器件的制造方法，具备如下工序：(a)在第1导电型的第1半导体层的表面生长活性层；(b)在活性层上生长第2导电型的第2半导体层；(c)在第2半导体层上形成第1电极；(d)在与表面对置的第1半导体层的背面形成第2电极，(e)于背面使用刀在第1半导体层，形成与平行于背面的面呈45度以上、且小于90度的斜角的斜面，来分离成芯片；(f)活性层与第1电极间的距离d依存于从活性层放射的光的波长λ及第2半导体层的折射率n。

本发明具有如下效果：

若采用本发明，则可以提供一种半导体发光器件及其制造方法，能够降低串联电阻，可以使光取出效率提高。

附图说明

图1是示出涉及本发明的实施方式的半导体发光器件的一个例子的概要平面图。

图2是示出图1所示的半导体发光器件的A-A剖面的概要图。光取出效率的计算例。

图3是示出涉及本发明的实施方式的半导体发光器件的安装的一个例子的概要图。

图4是示出涉及本发明的实施方式的半导体发光器件的取出效率与活性层及第1电极间距离的关系的一个例子的图。

图5是示出涉及本发明的实施方式的半导体发光器件的取出效率与侧面的斜角的关系的一个例子的图。

图6是示出采用比较例的半导体发光器件的一个例子的剖面图。

图7是示出采用比较例的半导体发光器件的取出效率与活性层及第1电极间距离的关系的一个例子的图。

图8是示出采用比较例的半导体发光器件的蓝宝石基板内的取向特性的一个例子的图。

图9是图8所示的配光特性的立体图。

图10是示出采用比较例的半导体发光器件的空气内的取向特性的一个例子的图。

图11是图10所示的配光特性的立体图。

图12是示出采用比较例的半导体发光器件的蓝宝石基板内的取向特性的其他例子的图。

图13是图12所示的配光特性的立体图。

图14是示出采用比较例的半导体发光器件的空气内的取向特性的其他例子的图。

图15是图14所示的配光特性的立体图。

图16是示出采用比较例的半导体发光器件的取出效率与侧面的斜角的关系的一个例子的图。

图17是示出涉及本发明的实施方式的半导体发光器件的半导体基板中的配光特性的一个例子的图。

图18是示出涉及本发明的实施方式的半导体发光器件的从半导体层向树脂中的光的取出的一个例子的图。

图19是示出涉及本发明的实施方式的半导体发光器件的取出效率与侧面的斜角的关系的一个例子的图。

图20是示出涉及本发明的实施方式的半导体发光器件的取出效率与量子阱数的关系的一个例子的图。

图21是示出涉及本发明的实施方式的半导体发光器件的其他例子的剖面图。

图22是示出涉及本发明的实施方式的半导体发光器件的制造方法的一个例子的剖面图(其1)。

图23是示出涉及本发明的实施方式的半导体发光器件的制造方法的一个例子的剖面图(其2)。

图24是示出涉及本发明的实施方式的半导体发光器件的制造方法的一个例子的剖面图(其3)。

图25是示出涉及本发明的实施方式的半导体发光器件的制造方法的一个例子的剖面图(其4)。

符号说明

10半导体基板

12缓冲层

14活性层

18接触层

20第1电极

22第2电极

40a～40d侧面

70刀

72槽

具体实施方式

以下参照附图，对本发明的方式进行说明。以下附图的记载中，对相同或类似的部分赋予相同或类似的符号。但是，附图是示意图，应注意厚度与平面尺寸的关系、各层的厚度的比例等与实际的有差异。因此，应参考以下说明来判断具体的厚度或尺寸。另外，当然在附图相互之间也包含着相互的尺寸关系或比例不同的部分。

涉及本发明的实施方式的半导体发光器件的LED芯片(20、2、22)如图1及图2所示，包括第1电极20、半导体层2、及第2电极22等。半导体层2包括第1半导体层(10、12)、活性层14、及第2半导体层(接触层)18等。第1半导体层(10、12)包括半导体基板10、半导体基板10的表面(第1主面)上的缓冲层12等。第1电极20设置在接触层18的表面上。第2电极22与第1电极20对置地设置在半导体基板10的背面(第2主面)上。活性层14是半导体发光器件的发光层。

例如，使用GaN等n型(第1导电型)半导体基板作为半导体基板10。使用GaN等n型生长层作为缓冲层12。使用氮化铟镓(InGaN)等量子阱(QW)层作为活性层14。使用GaN等p型(第2导电型)生长层作为接触层18。使用银(Ag)、铝(Al)、金(Au)、钯(Pd)等金属或以这些金属为主要成分的合金作为第1电极20。作为第1电极20，高反射膜材料即Ag、及含有Pd、铑(Rh)、Au、铜(Cu)、钕(Nd)、钛(Ti)、镁(Mg)、锌(Zn)、In等的Ag合金等是合适的。使用Ti/白金(Pt)/Au等的层叠金属膜作为第2电极22。

而且，第1导电型和第2导电型是相反的导电型。即，若第1导电型是n型，则第2导电型是p型，若第1导电型是p型，则第2导电型是n型。在以下说明中，为了方便，设第1导电型为n型，第2导电型为p型，当然第1导电型为p型，第2导电型为n型也是可以的。

如图3所示，为了使光取出效率提高，半导体发光器件被树脂注塑。例如，LED芯片(20、2、22)被放置成第1电极20与安装基板50上的第1焊盘52电连接。第2电极22通过键合引线56等与安装基板50上的第2焊盘54连接。在安装基板50上形成圆顶状的树脂58，以便覆盖LED芯片(20、2、22)。对于树脂58，可使用硅树脂、环氧树脂等折射率为约1.4～约1.8的透明树脂。以下，只要没有特殊说明，就在附图上省略树脂58来记载。

在与半导体基板10的背面垂直的剖面，半导体基板10的各侧面40a、40b、40c、40d是与平行于半导体基板10的背面的面之间具有斜角Θ的斜面。活性层14和第1电极20之间的距离是d。

距离d相当于在活性层14及第1电极20间的接触层18的物理膜厚。例如，设定成接触层18的半导体材料即GaN的折射率为n，活性层14的发光中心波长为λ，使(n·d/λ)的值约为0.4。具体地，若设定波长λ约为450nm，相对于波长λ的GaN的折射率约为2.47，则距离d约为72nm。而且，(n·d)是接触层18的光学膜厚。

另外，半导体基板10侧面40a～40d的斜角Θ约为57度。从倾斜的侧面40a～40d向外部的树脂中取出从活性层14放射的光。如图2所示，从活性层14向接触层18侧放射的光Lb，与在第1电极20反射、并从活性层14向半导体基板10侧放射的光La发生干涉。

图3所示的从半导体层2向树脂58中取出的光的光取出效率η依存于距离d和斜角Θ。图4是改变斜角Θ计算出光取出效率η和距离d的关系的结果。光取出效率η按照(n·d/λ)即距离d而增减。

在光取出效率η的计算中，考虑从活性层14向半导体基板10侧的光La和在第1电极20反射的光Lb的干涉效果。在此，使用Ag作为第1电极20。Ag的复折射率约为(0.055-2.42i)。由于光La和反射光Lb相互重合的光发生干涉而有相互增强的情况和相互削弱的情况，因此光取出效率η因距离d而变化。另外，光取出效率η也因光取出面的角度而变化。由图4可知，在斜角Θ约为57度、(n·d/λ)约为0.4时，光取出效率η最大。另外，为了确保来自第1电极20的反射光的干涉效果，优选(n·d/λ)的值约在0.3以上、且约在0.5以下。

图5是将斜角Θ为0度的情况、即从半导体基板10的表面侧取出光的情况，与光取出效率η为最大的斜角Θ约为57度的情况进行比较的图。在此，应注意的是在斜角Θ为0度及约为57度的情况下，光取出效率η为极大及极小的位置是大致颠倒的。

作为比较例，计算使用蓝宝石基板制作的LED的光取出效率。例如，如图6所示，涉及比较例的LED包括蓝宝石基板110、缓冲层12、活性层14、接触层18、第1电极20及第2电极22。将第2电极22布置在相对于蓝宝石基板110而与第1电极20相同一侧的缓冲层12上。蓝宝石基板110的侧面140a、140b从与蓝宝石基板110的表面平行的面以斜角Θa来倾斜。活性层14及第1电极20间的距离是d。

如图7所示，比较例中，从蓝宝石基板110向空气中取出的光的光取出效率η也按照活性层14和第1电极20之间的距离d而增减。在比较例中，进一步考虑到在GaN层的缓冲层12和蓝宝石基板110的界面、及蓝宝石基板110和空气的界面的全反射的光的干涉效果。分别在图8及图9、并且图10及图11上示出在图7所示的光取出效率η为最小的条件A下的、向蓝宝石基板110中及空气中射出的光的配光分布。如图8及图9所示，在光取出效率η为最小的条件A下，在蓝宝石基板110中向垂直方向的分布变小，向约65度的倾斜方向的光分布变强。在这样分布的情况下，在缓冲层12和蓝宝石基板110的界面及蓝宝石基板110和空气的界面，几乎所有的光受到全反射。其结果，如图10及图11所示，向空气中射出的光几乎仅在垂直方向减少。

另一方面，分别在图12及图13、并且图14及图15上示出在图7所示的光取出效率η为最大的条件B下的、向蓝宝石基板中及空气中射出的光的配光分布。由图12及图13可知，在光取出效率η为最大的条件B下，在蓝宝石基板110中向垂直方向的光的分布变大。其结果，如图14及图15所示，能够使光从整个蓝宝石基板110射出。

周边不是空气而是树脂，另外，不从垂直方向而从蓝宝石基板的斜侧面取出光，即使在这种条件下，对应于条件B的(n·d/λ)的值也没有大的变化。因此，在从蓝宝石基板的斜侧面取出光时，GaN层和蓝宝石基板的界面的全反射依然有影响。图16中示出在周边是树脂的情况下，对于从与缓冲层12及蓝宝石基板110的界面平行的面取出光(斜角Θa＝0度)、及从斜角Θa约为44度的侧面取出光的情况下的光取出效率η的计算结果。在任意情况下，(n·d/λ)的值都约为0.7，光取出效率η最大。

另外，在比较例中，由于使用蓝宝石基板110，成为第1电极20及第2电极22都安装在相同侧的倒装片结构。由于第1及第2电极20、22的高度不同，存在封装体组装困难的问题。进而，由于第1及第2电极20、22间上下不能通电，因此串联电阻也变大。

如图16所示，在比较例中，向垂直方向及倾斜方向射出的光，在大致相同(n·d/λ)的值中，为极大或为极小。相反地，如图5所示，在本发明的实施方式中，向垂直方向及倾斜方向射出的光，在大致相同(n·d/λ)的值中，若一方极大则另一方极小。因此，使用蓝宝石基板时和使用GaN基板时，设计准则是完全不同的。即，这意味着在蓝宝石基板时的设计准则不能使用于GaN基板的情况下。

图17是示出(n·d/λ)约为0.4时的、在GaN半导体基板10中的配光特性的图。与图12所示的蓝宝石基板的情况比较，较大不同点在于向垂直方向的光强度变小、向倾斜方向的光强度变大。如图18所示，这意味着从倾斜的侧面取出光比从水平面取出光的光取出效率η变大。因此，如图1所示，具有倾斜的侧面40a～40d的结构是可能使光取出效率η最大的结构。另外，不必从上表面取出光，因此可以将电极布置在上表面。这样，在涉及本发明的实施方式的半导体发光器件中，能够降低串联电阻，可以使光取出效率提高。

图19示出(n·d/λ)约为0.4时的、光取出效率η与斜角Θ的依存性。如上所述，斜角Θ约为57度时光取出效率η为最大。如图19所示，可得到的高光取出效率η的斜角Θ的范围并不那么窄。例如，可得到的约80％以上的光取出效率η的斜角Θ的范围在约50度以上、且约80度以下。另外，若在45度以上、且90度以下，则可得到约70％以上的光取出效率η。

上述说明是忽略了活性层14的厚度的情况的计算。实际上，使用多重量子阱(MQW)时，光取出效率η因活性层的位置而变化。因此，作为平均取出效率η与图4所示的值不同。图20是计算出一重量子阱(SQW)、二重量子阱(DQW)、三重量子阱(TQW)、五重量子阱(5QW)各自的取出效率η的结果。阱数越增加，来自第1电极20的反射光的干涉的效果越变弱。阱数在3以内，取出效率η的极大和极小的差是清楚的，可以确保干涉效果。

而且，在图2所示的半导体发光器件中，作为第1半导体层包括半导体基板10及缓冲层12、并且作为第2半导体层包括接触层18。但是，作为第1半导体层也可以包含导向层及包覆层等多个半导体膜。作为第2半导体层，也可以包含导向层、电流阻挡层、及包覆层等多个半导体膜。

例如，如图21所示，第1半导体层(10、12、13)包括n型GaN半导体基板10、n型GaN缓冲层12、及n型GaN导向层13。第2半导体层(15、16、18)包括p型InGaN导向层15、p型GaAlN电流阻挡层16、及p型GaN接触层18。电流阻挡层16防止电子溢出。例如，设导向层15的物理膜厚及折射率为da、na、电流阻挡层16的物理膜厚及折射率为db、nb、接触层18的物理膜厚及折射率为dc、nc。使第2半导体层(15、16、18)的光学膜厚表示为(na·da+nb·db+nc·dc)。将第2半导体层(15、16、18)的实效折射率neff定义为{(na·da+nb·db+nc·dc)/(da+db+dc)}。若使用活性层14及第1电极20间的距离(da+db+dc)和实效折射率neff，则可得到与图4所示的取出效率η与(n·d/λ)的依存性相同的结果。

接着，使用图22～图25所示的工序剖面图说明涉及本发明的实施方式的半导体发光器件的制造方法。而且，在说明中，使用图21所示的半导体发光器件。

(a)如图22所示，在n型GaN半导体基板10上，利用有机金属汽相生长(MOCVD)等，顺序生长n型GaN缓冲层12、n型GaN导向层13、活性层14、p型In_0.005Ga_0.995N导向层15、p型Ga_0.8Al_0.2N电流阻挡层16、及p型GaN接触层18。

缓冲层12以约2×10¹⁸cm^-3的杂质浓度添加硅(Si)、锗(Ge)等n型杂质。导向层13的膜厚约为0.1μm，以约1×10¹⁸cm^-3的杂质浓度添加n型杂质。作为导向层13，也可以使用n型In_0.01Ga_0.99N。缓冲层12及导向层13的生长温度例如为约1000℃～约1100℃。

活性层14使用SQW结构或MQW结构，该SQW结构层叠了由膜厚约为3.5nm的非掺杂In_0.2Ga_0.8N构成的量子阱层、和夹着量子阱层在两侧由膜厚约为7nm的非掺杂In_0.01Ga_0.99N构成的势垒层，该MQW结构交替层叠了量子阱层和势垒层。活性层14的生长温度约为700℃～800℃。

导向层15的膜厚da约为40nm。电流阻挡层16的膜厚db约为10nm，以约4×10¹⁸cm^-3～约1×10²⁰cm^-3的杂质浓度添加镁(Mg)、锌(Zn)等p型杂质。接触层18的膜厚dc约为25nm，以约1×10¹⁹m^-3的杂质浓度添加Mg等p型杂质。导向层15、电流阻挡层16、及接触层18的生长温度为约1000℃～约1100℃。

(b)如图23所示，采用光刻、及蒸镀等，在接触层18的表面形成第1电极20。作为第1电极20使用Ag、以Ag为成分的合金等高反射金属膜。

(c)如图24所示，从背面侧研磨半导体基板10，将半导体层2的厚度调整到100μm～350μm的范围。其后，采用光刻或电子束光刻、及蒸镀等形成第2电极22。作为第2电极22使用Ti/Pt/Au层叠金属膜。例如，Ti的膜厚约为0.05μm、Pt的膜厚约为0.05μm、及Au的膜厚约为1μm。

(d)如图25所示，使用刀70，从半导体基板10的背面侧形成槽72。刀70的前端角θb约为90度以下，例如约为46度。在槽72处通过使半导体层2断裂而分离成多个芯片。一个芯片是一边的长度为约200μm～约1000m的正方形或长方形。其后，进行树脂注塑，制造图3所示的半导体发光器件。

如图22所示，制造出的半导体发光器件的活性层14及第1电极20间的距离是(da+db+dc)。导向层15的折射率na约为2.47、电流阻挡层16的折射率nb约为2.42、接触层18的折射率nc约为2.47。实效折射率neff约为2.46。活性层14的发光波长大约是450nm。因此，{neff·(da+db+dc)/λ}的值约为0.4。另外，槽72的侧面的斜角约为57度。其结果，能够确保在第1电极20所反射的光的干涉效果，可以使光的取出效率最大。另外，夹着半导体层2相互对置而形成第1及第2电极20、22。因此，能够降低第1及第2电极20、22间的串联电阻。而且，也可容易地进行树脂注塑等封装体组装。

(其他的实施方式)

如上所述，记载了本发明的实施方式，但不应将本发明理解为只限定在作为该揭示的一部分的论述及附图。本领域的技术人员根据该揭示应了解各种各样的替代实施方式、实施例及运用技术。

在本发明的实施方式中，示出使用氮化物半导体的发光器件。但是，也可以是使用其他III-V族化合物半导体、或硒化锌(ZnSe)、氧化锌(ZnO)等II-VI族化合物半导体的发光器件。

另外，采用MOCVD生长各种半导体层。但是，半导体层的生长方法并不限于MOCVD。例如，也可以使用分子束外延(MBE)等。

这样一来，本发明包含在此未记载的各种实施方式，这是自然的。因此，本发明的技术范围根据上述说明通过妥当的权利要求涉及的发明特定事项来规定。

Claims (17)

1.一种半导体发光器件，其特征在于，包括：

活性层，放射波长λ的光；

第1导电型的第1半导体层，具有：设置在上述活性层上、与上述活性层相接的第1主面；与上述第1主面对置的第2主面；及与上述第2主面相接、与平行于上述第2主面的面之间具有45度以上且小于90度的斜角的侧面；

第2导电型的第2半导体层，夹着上述活性层与上述第1半导体层对置；及

第1电极，夹着上述第2半导体层与上述活性层对置；

上述活性层与上述第1电极间的距离d依存于上述波长λ及上述第2半导体层的折射率n。

2.根据权利要求1记载的半导体发光器件，其中，

上述距离d满足条件0.3≤n·d/λ≤0.5。

3.根据权利要求1记载的半导体发光器件，其中，

上述第2半导体层包含多个半导体膜，设定第i个半导体膜的膜厚为d_i，折射率为n_i，则上述距离d为d₁+d₂+…+d_k，满足条件0.3≤(n₁·d₁+n₂·d₂+…+n_k·d_k)/λ≤0.5，

其中，i＝1～k、k是2以上的整数。

4.根据权利要求1～3任一项记载的半导体发光器件，其中，上述第1电极是银或以银为成分的合金。

5.根据权利要求1～3任一项记载的半导体发光器件，其中，上述斜角是50度以上，且80度以下。

6.根据权利要求1～3任一项记载的半导体发光器件，其中，上述第2半导体层包含氮化镓层。

7.根据权利要求1～3任一项记载的半导体发光器件，其中，上述活性层包含量子阱层。

8.根据权利要求1～3任一项记载的半导体发光器件，其中，还包括第2电极，该第2电极与上述第1电极对置地设置在上述第2主面上。

9.根据权利要求7记载的半导体发光器件，其中，

上述量子阱层的阱数是1以上，3以内。

10.一种半导体发光器件的制造方法，其特征在于，具备如下工序：

在第1导电型的第1半导体层的表面生长活性层；

在上述活性层上生长第2导电型的第2半导体层；

在上述第2半导体层上形成第1电极；

在与上述表面对置的上述第1半导体层的背面形成第2电极；

于上述背面使用刀在上述第1半导体层，形成与平行于上述背面的面呈45度以上且小于90度的斜角的斜面，来分离成芯片；

上述活性层与上述第1电极间的距离d依存于从上述活性层放射的光的波长λ及上述第2半导体层的折射率n。

11.根据权利要求10记载的半导体发光器件的制造方法，其中，上述距离d满足条件0.3≤n·d/λ≤0.5。

12.根据权利要求10记载的半导体发光器件的制造方法，其中，

上述第2半导体层包含多个半导体膜，设定第i个半导体膜的膜厚为d_i，折射率为n_i，则上述距离d为d₁+d₂+…+d_k，满足条件0.3≤(n₁·d₁+n₂·d₂+…+n_k·d_k)/λ≤0.5，

其中，i＝1～k。

13.根据权利要求10～12任一项记载的半导体发光器件的制造方法，其中，

上述第1电极是淀积银或以银为成分的合金而形成的。

14.根据权利要求10～12任一项记载的半导体发光器件的制造方法，其中，

上述斜角是50度以上、且80度以下。

15.根据权利要求10～12任一项记载的半导体发光器件的制造方法，其中，

上述第2半导体层包含氮化镓层。

16.根据权利要求10～12任一项记载的半导体发光器件的制造方法，其中，

上述活性层包含量子阱层。

17.根据权利要求16记载的半导体发光器件的制造方法，其中，

上述量子阱层的阱数是1以上、3以内。

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