CN101379628B - 发光二极管及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种发光二极管(10)，具有光提取表面，且包括透明衬底(14)、接合到透明衬底的化合物半导体层(13)、包含在化合物半导体层中的发光部分(12)、包含在发光部分中且由(Al_XGa_1-X)_YIn_1-YP(0≤X≤1，0＜Y≤1)形成的发光层(133)、设置在发光二极管的与光提取表面相反的表面上的不同极性的第一电极(15)和第二电极(16)、以及形成在第一电极上的反射金属膜(17)。透明衬底具有在接近发光层的一侧上与发光层的发光表面实质上垂直的第一侧面(142)和在远离发光层的一侧上相对于发光表面倾斜的第二侧面(143)。第一和第二电极分别安装在电极端子(43，44)上。

Description

发光二极管及其制造方法

相关申请的交叉引用

本申请是基于35 U.S.C.§111(a)提交的申请，根据35 U.S.C.§119(e)(1)，要求根据35 U.S.C.§111(b)于2006年2月16日提交的临时申请No.60/773,677和于2006年2月16日提交的No.60/773,678以及于2006年2月8日提交的日本专利申请No.2006-030475和于2006年2月9日提交的No.2006-032028的优先权。

技术领域

本发明涉及具有半导体层的发光二极管以及其制造方法，该半导体层包括由磷化铝镓铟((Al_XGa_1-X)_YIn_1-YP，其中0≤X≤1且0＜Y≤1)形成的发光层，且该半导体层被接合到透明衬底。

背景技术

作为能够发射红色、橙色、黄色或黄绿色的可见光的发光二极管(LED)，迄今已知具有由磷化铝镓铟((Al_XGa_1-X)_YIn_1-YP，其中0≤X≤1且0＜Y≤1)形成的发光层的化合物半导体LED。在这种类型的LED中，具有由(Al_XGa_1-X)_YIn_1-YP(其中0≤X≤1且0＜Y≤1)形成的发光层的发光部分通常形成于诸如砷化镓(GaAs)的衬底材料上，该衬底材料对从发光层发射的光是光学不透明的且机械性不太强。

因此，最近，为了获得更高亮度的可见LED且为了进一步提高器件的机械强度的目的，已经开始研发通过去除诸如GaAs的不透明衬底材料且此后重新并入能够透射所发射光且机械强度比以前更优良的支撑层来配置结型LED的技术(例如，参考日本专利No.3230638，JP-A HEI 6-302857，JP-A 2002-246640，日本专利2588849和JP-A 2001-57441)。

为了获得高亮度的可见LED，已经使用通过利用器件的形状提高光提取效率的方法。在具有分别形成于半导体发光二极管的第一表面和背表面上的电极的器件结构中，已经公开了通过利用侧面的形状来实现高亮度赋予的技术(例如，参考JP-A SHO 58-34985和美国专利No.6229160)。

虽然结型LED可以提供高亮度的LED，但是依然存在寻求更高亮度的LED的需求。已经提议出用于器件的许多形状，这些器件被配置为使得电极分别形成在发光二极管的第一表面和背表面上。使两个电极形成在与光提取表面相反的表面上的结构的器件形状复杂，且在侧面的状态和电极的设置方面尚未被最优化。

本发明旨在一种发光二极管，该发光二极管在其与光提取表面相反的表面上设置有两个电极，且本发明旨在提供一种在光提取方面呈现高效率的高亮度的发光二极管。

发明内容

作为其第一方面，本发明提供一种发光二极管，其具有光提取表面，且包括透明衬底、接合到所述透明衬底的化合物半导体层、包含在所述化合物半导体层中的发光部分、包含在所述发光部分中且由(Al_XGa_1-X)_YIn_1-YP(0≤X≤1，0＜Y≤1)形成的发光层、设置在所述发光二极管的与所述光提取表面相反的表面上的不同极性的第一电极和第二电极、以及形成在所述第一电极上的反射金属膜，其中所述透明衬底具有在接近所述发光层的一侧上与所述发光层的发光表面实质上垂直的第一侧面和在远离所述发光层的一侧上相对于所述发光表面倾斜的第二侧面，且其中所述第一和第二电极分别安装在电极端子上。

本发明的第二方面提供根据第一方面的发光二极管，其中所述第二电极形成在所述化合物半导体层的与所述第一电极相对的一侧的拐角位置处。

本发明的第三方面提供根据第二方面的发光二极管，其中所述第二电极位于所述第二侧面的倾斜结构下面。

本发明的第四方面包括根据第一或第二方面的发光二极管，其中所述透明衬底由n型GaP制成。

本发明的第五方面包括根据第一或第二方面的发光二极管，其中所述透明衬底具有(100)或(111)表面取向。

本发明的第六方面包括根据第一或第二方面的发光二极管，其中所述透明衬底的厚度在50至300μm的范围内。

本发明的第七方面包括根据第一或第二方面的发光二极管，其中所述发光部分具有厚度在0.5至20μm的范围内的最外层。

本发明的第八方面包括根据第一或第二方面的发光二极管，其中所述发光部分具有由GaP制成的最外层。

本发明的第九方面包括根据第八方面的发光二极管，其中所述发光部分的所述最外层由Ga_XP_1-X(0.5＜X＜0.7)制成。

本发明的第十方面包括根据第一或第二方面的发光二极管，其中所述第二侧面和平行于所述发光表面的表面形成范围为55°至80°的角度。

本发明的第十一方面包括根据第一或第二方面的发光二极管，其中所述第一侧面的宽度在30至100μm的范围内。

本发明的第十二方面包括根据第一方面的发光二极管，其中所述第二电极使其周围被所述半导体层包围。

本发明的第十三方面包括根据第一方面的发光二极管，其中所述第一电极为栅格(lattice)形状。

本发明的第十四方面包括根据第一或第二方面的发光二极管，其中所述第一电极是宽度为10μm以下的线状电极。

本发明的第十五方面包括根据第一或第二方面的发光二极管，其中所述发光部分包含GaP层，且所述第二电极形成在所述GaP层上。

本发明的第十六方面包括根据第一或第二方面的发光二极管，其中所述第一电极具有n型极性，且所述第二电极具有p型极性。

本发明的第十七方面包括根据第一或第二方面的发光二极管，其中所述透明衬底的所述第二侧面具有被粗糙化的表面。

作为其第十八方面，本发明还提供一种制造发光二极管的方法，其包括以下步骤：形成包含由(Al_XGa_1-X)_YIn_1-YP(0≤X≤1，0＜Y≤1)形成的发光层的发光部分；将包含所述发光部分的化合物半导体层接合到透明衬底；在所述化合物半导体层的与光提取表面相反的表面上形成第一电极和极性不同于所述第一电极的第二电极，所述表面在与所述透明衬底相反的一侧上，其中所述第二电极形成在与所述第一电极相对的一侧上暴露的所述化合物半导体层上；在所述第一电极的表面上形成反射金属膜；以及在所述透明衬底的侧面上，在接近所述发光层的一侧上形成与所述发光层的发光表面实质上垂直的第一侧面，且通过切片(dicing)方法在远离所述发光层的一侧上形成相对于所述发光表面倾斜的第二侧面。

本发明的第十九方面包括根据第十八方面的制造发光二极管的方法，其中在与所述第一电极相对的一侧上暴露的所述化合物半导体层上的拐角中形成所述第二电极。

本发明的第二十方面包括根据第十八或第十九方面的制造发光二极管的方法，其中通过划片和断裂(scribe and break)方法形成所述第一侧面。

本发明的第二十一方面包括根据第十八或第十九方面的制造发光二极管的方法，其中通过切片方法形成所述第一侧面。

本发明还提供一种发光二极管，其具有面朝下(face-down)安装于其上的根据第一至第十七方面中任何一方面的发光二极管。

本发明允许提高来自发光二极管(LED)的发光部分的光提取效率且使得能够提供具有高亮度的LED。

根据下面参考附图在此给出的描述，对于本领域技术人员来说，上述以及其它的目的、特征以及优点将变得显而易见。

附图说明

图1是本发明第一实施例中所涉及的半导体发光二极管的平面图。

图2是沿着线I-I穿过图1而截取的剖面图。

图3是本发明的实例1和比较实例1中所涉及的外延晶片的剖面图。

图4是本发明的实例1和比较实例1中所涉及的接合晶片的剖面图。

图5是本发明的实例1和比较实例1中所涉及的发光二极管的平面图。

图6是本发明的实例1和比较实例1中所涉及的发光二极管的剖面图。

图7是本发明第二实施例中所涉及的半导体发光二极管的平面图。

图8是沿着线VIII-VIII穿过图7而截取的剖面图。

图9是比较实例1中所涉及的半导体发光二极管的平面图。

图10是沿着线X-X穿过图9而截取的剖面图。

具体实施方式

本发明中所涉及的发光部分是包含由(Al_XGa_1-X)_YIn_1-YP(0≤X≤1，0＜Y≤1)制成的发光层的化合物半导体的层叠结构。发光层可以由导电类型为n和p中的任何一种的(Al_XGa_1-X)_YIn_1-YP(0≤X≤1，0＜Y≤1)形成。虽然发光层可以是单量子阱(SQW)和多量子阱(MQW)结构中的任何一种，但为了获得在单色性方面优良的光发射，其优选为MQW结构。如此确定形成量子阱(QW)结构的势垒层和形成阱层的组分(Al_XGa_1-X)_YIn_1-YP(0≤X≤1，0＜Y≤1)，以便可以在阱层中形成引起期望的发射光波长的量子能级。

为了获得高强度的光发射，最有利地，发光部分是所谓的双异质(DH)结构，该结构由发光层和彼此相对地分别设置在发光层的相反侧的覆层(clad layer)组成，以便在发光部分中限制将会引起辐射复合和光发射的载流子。覆层优选由禁带宽度比形成发光层的组分(Al_XGa_1-X)_YIn_1-YP(0≤X≤1，0＜Y≤1)大且还具有高折射率的半导体材料形成。例如，当发光层由(Al_0.4Ga_0.6)_0.5In_0.5P形成以发射约570nm波长的黄绿光时，覆层由(Al_0.7Ga_0.3)_0.5In_0.5P形成(Y.Hosokawa et al.，J.Crystal Growth，221(2000)，652-656)。在发光层和覆层之间，可以插入旨在适度改变这些层之间的带不连续性的中间层。在这种情况下，中间层优选由具有在发光层和覆层之间的中间禁带宽度的半导体层形成。

本发明预期将透明衬底(透明支撑层)接合到包含发光层的半导体层。透明支撑层由这样的材料形成，该材料具有足以机械支撑发光部分的强度，允许禁带占据能够透射从发光部分发射的光的大宽度，且表现为光学透明。例如，诸如磷化镓(GaP)、砷化铝镓(AlGaAs)和氮化镓(GaN)的III-V族化合物半导体晶体，诸如硫化锌(ZnS)和硒化锌(ZnSe)的II-VI族化合物半导体晶体，以及诸如六方或立方碳化硅(SiC)的IV族半导体晶体可用于形成透明支撑层。

为了使透明支撑层能够以足够的机械强度来支撑发光部分，透明支撑层优选具有约50μm以上的厚度。但是，为了便于在接合步骤之后在其上执行机械加工，透明支撑层优选具有不超过约300μm的厚度。最佳地，设置有由(Al_XGa_1-X)_YIn_1-YP(0≤X≤1，0＜Y≤1)制成的发光层的化合物半导体LED具有这样的透明支撑层，该透明支撑层由厚度为约50μm以上且约300μm以下的n型GaP单晶形成。

当将由磷化镓(GaP)形成的透明支撑层设置为接合到发光部分的最上层时，例如，通过使得发光部分的最上层由晶格常数与发光部分的其它III-V族化合物半导体组成层不同的III-V族化合物半导体材料形成，可以展现出这样的功能，即减轻施加到发光部分上的应力，同时使得透明支撑层接合到其上。结果，可以防止发光层在接合过程期间持续受到伤害，并且有助于，例如，稳定地提供能够发射出具有期望波长的光的化合物半导体LED。为了充分地减轻施加到发光部分上的应力，同时将透明支撑层接合到其上，透明支撑层(透明衬底)被理想地接合到其上的发光部分的最上层具有0.5μm以上的厚度。如果最上层具有极大的厚度，则由于晶格常数与发光部分的其它组成层不同，所以厚度的超出量会不可避免地导致在最上层的设置期间在发光层上施加应力。为了避免这种损坏，理想地最上层具有20μm以下的厚度。

特别地，当为了便于将从由(Al_XGa_1-X)_YIn_1-YP(0≤X≤1，0＜Y≤1)制成的发光层发射的光透射到外部而将磷化镓(GaP)选择用于透明支撑层时，使用包含镓(Ga)和磷(P)作为组成元素且Ga的含量大于P的含量的半导体材料形成发光部分的最上层，这允许产生强的接合。最上层特别适合地由Ga_XP_1-X(0.5＜X＜0.7)的非化学计量组分形成。

将要被接合的透明支撑层的表面和发光部分的最上层的表面优选由单晶形成且具有相同的平面方向。这两个表面优选总是具有(100)面或(111)面。为了获得将(100)面或(111)面作为其表面的发光部分的最上层，当在衬底上形成发光部分的最上层时，使用将(100)面或(111)面作为其表面的衬底就可以。当使用将(100)面作为其表面的砷化镓(GaAs)单晶作为衬底时，例如，将要形成的发光部分的最上层能够将(100)面作为其表面。

可以在由诸如砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)或磷化镓(GaP)的III-V族化合物半导体单晶构成的衬底或者由硅(Si)构成的衬底的表面上形成发光部分。发光部分优选形成为DH结构，如上所述，在该DH结构中，载流子易于引起辐射复合且所发射的光被“限制”。此外，为了获得具有优良单色性的发射光，发光层优选形成为SQW结构或MQW结构。作为形成发光部分的组成层的方法的具体实例，可以列举金属有机化学气相沉积(MOCVD)方法、分子束外延(MBE)方法和液相外延(LPE)方法。

在衬底和发光部分之间，插入缓冲层和用于选择蚀刻的蚀刻停止层，该缓冲层支持减轻衬底材料与发光部分的组成层之间的晶格失配的功能。在发光部分的组成层上，可以设置用于降低欧姆电极的接触电阻的接触层、用于使器件工作电流平面地扩散贯穿整个发光部分的电流扩散层、用于限制使器件工作电流流过的区域的电流阻止层和电流缩窄层(currentconstricting layer)。当设置接触层、电流扩散层等时，它们被包括在发光部分中且透明衬底被接合到其最上层。

当透明支撑层或者支撑层被接合至其的发光部分的最上层的表面具有作为均方根(rms)值的0.3nm以下的平坦度时，可以实现特别强的接合。例如，通过使用包含碳化硅(SiC)基精细粉末或铈(Ce)精细粉末的抛光剂的化学机械抛光(CMP)方法，可以获得这种等级的平坦表面。当利用酸溶液或碱溶液进一步处理已经过CMP的表面时，该处理通过进一步提高表面的平坦度以及去除在抛光过程期间附着到表面的外来物和污染物而有助于获得清洁表面。

对透明支撑层或发光部分的最上层进行在压力为1×10^-2Pa以下且优选为1×10^-3Pa以下的真空中的接合操作。特别地，当由抛光产生的平坦表面互相接合时，可形成强接合。在接合这两个表面时，重要的是利用具有50eV以上能量的原子束或离子束辐照每一个将要被接合的表面且因此将其激活。本文中使用的术语“激活”指的是由于包含氧化膜和碳且存在于被接合的表面上的杂质层和污染物层的去除而引起的处于清洁状态的表面的产生。当对透明支撑层和发光部分的组成层中的任一者的表面进行该辐照时，两层被坚固可靠地接合到一起。当对这两个表面都进行该辐照时，可以将它们更坚固地接合到一起。

作为证明是对引发强接合有效的辐照物类，可以列举氢(H)原子、氢分子(H₂)和氢离子(质子：H⁺)。当将包含存在于将要被接合的表面区域中的元素的束用于辐照时，可以形成强度优良的接合。当将添加有锌(Zn)的磷化镓(GaP)用于透明支撑层时，例如，利用包含镓(Ga)、磷(P)或锌(Zn)的原子或离子束对将要被接合的表面的辐照可以形成强接合。然而，如果透明支撑层或发光部分的最上层的表面具有高的电阻，则利用主要包含离子的束对该表面的辐照可能会使表面带电。由于当表面的这种带电引起电排斥性时不会形成强接合，所以为了激活导电性优良的表面，优选利用通过离子束辐照的表面激活。

此外，在透明支撑层或发光部分的组成层的表面区域中，可以通过使用不会导致层的组分显著改变的诸如氦(He)、氖(Ne)、氩(Ar)、或氪(Kr)的惰性气体的束来稳定地实现对表面的激活。在其它可能的束中，氩(Ar)原子(单原子分子)束的使用证明是便于允许在短时间内容易地激活表面的。氦(He)的原子重量比氩(Ar)的小，因此，缺点是在利用He束对将要被接合的表面激活时浪费时间。另一方面，使用原子重量比氩大的氪(Kr)束证明是不适合的，因为由于而震动在表面上造成损伤并非是不可能的。

在以相对且叠置的状态接合透明支撑层和发光部分的最上层的表面时，适于对整个被接合表面起作用的机械压力证明是便于使得这两个表面能够被强接合的。具体地，对被接合的表面垂直地(竖直地)施加在5g·cm^-2以上至100g·cm^-2以下的范围内的压力。即使当透明支撑层和发光部分的最上层中的任何一者或两者都翘曲时，这种方法也带来消除翘曲且允许以均匀的强度接合这两个层的效果。

在上述优选程度的真空中接合透明支撑层和发光部分，同时将支撑层和发光部分的最上层的表面中的任何一者或两者都保持在100℃以下、优选50℃以下，更优选地为室温的温度。如果在保持在超过约500℃的高温环境中执行接合，则过高温度的缺点是：使得由(Al_XGa_1-X)_YIn_1-YP(0≤X≤1，0＜Y≤1)制成的且包含在发光部分中的发光层热变性，且因此阻碍发射期望波长光的化合物半导体LED的稳定生产。

本发明通过将支撑层接合到发光层的最上层来构造高亮度的化合物半导体LED，从而使得支撑层能够呈现机械支撑发光部分的状态，随后去除用于形成发光部分的衬底，从而提高所发射的光向外部的提取效率。特别地，当将不可避免地吸收从由(Al_XGa_1-X)_YIn_1-YP(0≤X≤1，0＜Y≤1)构成的发光层发射的光的不透光材料用于衬底时，如上所述去除衬底的方法可以有助于确保高亮度LED的稳定生产。当将由易于吸收从发光层发射的光的材料制成的层，诸如缓冲层，插在衬底与发光部分之间时，一起去除该插入层与衬底的优点是提高LED亮度。可以通过机械切割、抛光、物理干法或化学湿法蚀刻或其任意的组合来去除衬底。特别地，通过利用对所包含的材料蚀刻速度不同的选择蚀刻方法，可以实现仅仅对衬底的选择去除，且能够以良好的再现性并且均匀地使衬底被去除。

在本发明中，发光二极管的主光提取表面落在透明衬底侧，且第一电极和极性不同于第一电极的第二电极形成在与透明衬底相反的一侧。将第一电极和第二电极连接到与透明衬底相反的一侧上的电极端子(参考图6)。在本发明中，电极的这种设置旨在提高亮度。这种设置的采用导致消除将电流供给到被附接的透明衬底的必需性。因此可以附接具有高透射因子的衬底且允许获得高亮度。

本发明具有作为透明衬底的侧面的在接近发光层的部分处的第一侧面和在远离发光层的部分处的第二侧面，其中第一侧面基本上垂直于发光层的发光表面，而第二侧面相对于发光表面倾斜。如图2中所示，倾斜优选朝向半导体层的内侧发生。本发明使用该结构的原因在于使得从发光层发射的光能够朝向透明衬底而被有效地提取到外部。即，从发光层朝向透明衬底释放的光的部分在第一侧面上被反射且能够通过第二侧面被提取。此外，可以通过第一侧面提取在第二侧面上反射的光。通过第一侧面和第二侧面的协同作用，可以提高光提取概率。

此外，如图1和图2中所示，本发明使得第二电极形成在半导体层的暴露的拐角处。第二电极优选形成在构成第二侧面的倾斜结构的较低位置处(该位置比倾斜表面低，以免电极覆盖在倾斜表面上)。通过使得第二电极形成在该位置，本发明能够实现高亮度的赋予。通过采用该结构，可以提高通过倾斜表面的光提取效率且实现高亮度的赋予。

本发明优选使得在第二侧面和平行于发光表面的平面之间形成的角(由图2中的α表示)落在55°至80°的范围内。该范围的选择使得在发光二极管中反射的光能够有效地提取到外部。本发明还优选使第一侧面的宽度D(厚度的方向上)落在30至100μm的范围内。通过使第一侧面的宽度落在该范围内，可以允许在反射金属膜上反射的光被有效地穿过第一侧面的部分导向到第二侧面且最终通过主光提取表面释放，并提高发光二极管的光发射效率。

本发明优选使得第二电极的周围如此形成，以便被半导体层包围。该结构的选择带来降低工作电压的效果。通过利用第一电极在所有边上包围第二电极，可以使电流在所有的方向上流动，因此降低工作电压。

本发明优选使得第一电极由具有10μm以下的宽度的线状电极形成。线状电极可以具有栅格状、网状、梳状的形状。这种结构的选择带来允许赋予高亮度的效果。通过使电极的宽度变窄，可以增加反射金属膜的开口的面积，从而实现高亮度的赋予。电极可以由任何公知的材料制成，优选由Au-Ge合金制成。电极材料在与半导体层接合的界面中产生光吸收层且避免反射光。

因此，在发光二极管的第一电极侧表面上，与n电极分开地形成反射金属膜。对于反射金属膜，Au、Pt、Ti、Al等是可利用的。反射金属膜优选形成在除电极部分之外的整个表面上。可选地，其可以形成在电极上，以覆盖第一电极。

优选地，本发明在包含GaP层的结构中形成发光部分，且允许在GaP层上形成第二电极。这种结构的选择带来降低工作电压的效果。通过使第二电极形成在GaP层上，可以制造理想的欧姆接触且降低工作电压。

本发明优选使第一电极具有n型极性而第二电极具有p型极性。这种结构的选择带来能够实现高亮度赋予的效果。第一电极形成为p型会导致劣化电流的扩散且引起亮度的降低。第一电极形成为n型导致提高电流的扩散且能够实现高亮度赋予。

本发明优选粗糙化透明衬底的倾斜表面。这种结构的选择带来提高通过倾斜表面的光提取效率的效果。通过粗糙化倾斜表面，可以抑制倾斜表面上的全反射且提高光提取效率。例如，可以通过利用全氢化磷酸盐(perhydrogenated phosphate)(磷酸和过氧化氢的混合物)加盐酸的化学蚀刻，实现表面的粗糙化。

根据下面的方法制造本发明的发光二极管。

首先，在例如GaAs衬底上，形成包含由(Al_XGa_1-X)_YIn_1-YP(0≤X≤1，0＜Y≤1)制成的发光层的发光部分。然后，将包含发光部分的化合物半导体层接合到透明衬底，并去除GaAs衬底。使该透明衬底侧用作主光提取表面。在去除衬底之后剩余的与主光提取表面相反的表面上，形成第一电极和极性不同于第一电极的第二电极。通过使得将要成为电极的金属膜通过气相沉积附到在去除衬底之后剩余的表面上，且随后利用光刻方法对沉积的金属膜进行必需的构图，由此去除除了电极之外的部分，来获得第一电极。在与第一电极相反的一侧上暴露的半导体层上的拐角处形成第二电极。在形成第一电极之后，在第一电极的第一表面侧面上形成反射金属膜。使得反射金属膜能够覆盖第一电极。接着，在透明衬底的侧面上，在接近发光层的部分处形成基本上垂直于发光层的发光表面的第一侧面，且通过切片(dicing)方法在远离发光层的部分处形成相对于发光表面倾斜的第二侧面。由此，获得发光二极管。

在本发明中，通过切片方法形成第二侧面带来提高生产量的效果。虽然可以通过诸如湿法蚀刻、干法蚀刻、划片(scribing)和激光加工的方法的组合获得第二侧面，但呈现高生产率的切片方法证明是最适合的生产方法。

本发明优选通过划片和断裂方法或切片方法形成第一侧面。通过采用前一种生产方法，可以降低生产成本。即，由于该方法消除了在芯片分离期间提供切割容许量(allowance)的必要性，可以大量地制造发光二极管且降低生产成本。后一种方法带来能够赋予高亮度的效果。通过采用该生产方法，可以提高通过第一侧面的光提取效率并实现高亮度赋予。

现在，下面将通过参考实例1具体描述本发明，实例1不限制本发明。

实例1：

图1和图2示例了在本实例中制造的半导体发光二极管；图1示出平面图，而图2示出沿着线II-II穿过图1而截取的剖面图。图3是在该半导体发光二极管中使用的半导体外延晶片的层叠结构的剖面图。

在该实例中制造的半导体发光二极管10是设置有AlGaInP发光部分12的红色发光二极管(LED)。

在该实例中，将参考通过将设置于GaAs衬底11上的外延层叠结构(外延晶片)接合到GaP衬底135来制造发光二极管的情况，具体描述本发明。

使用设置有半导体层13的外延晶片来制造LED 10，该半导体层13被顺序层叠在半导体衬底11上，该半导体衬底11由具有从(100)面倾斜15°的表面的掺Si的n型GaAs单晶形成。层叠的半导体层为由掺Si的n型GaAs构成的缓冲层130、由掺Si的n型(Al_0.5Ga_0.5)_0.5In_0.5P构成的接触层131、由掺Si的n型(Al_0.7Ga_0.3)_0.5In_0.5P构成的下覆层132、由20对不掺杂的(Al_0.2Ga_0.8)_0.5In_0.5P和(Al_0.7Ga_0.3)_0.5In_0.5P组成的发光层133、由掺Mg的p型(Al_0.7Ga_0.3)_0.5In_0.5P构成的上覆层和(Al_0.5Ga_0.5)_0.5In_0.5P构成的薄膜组成的中间层、以及掺Mg的p型GaP层135。

在本实例中，通过使用三甲基铝((CH₃)₃Al)、三甲基镓((CH₃)₃Ga)和三甲基铟((CH₃)₃In)作为用于III族组成元素的原材料的低压MOCVD方法，半导体组成层130到135被如此层叠，以在GaAs衬底11上形成外延晶片。作为Mg掺杂的原材料，使用双环戊二烯基镁(bis(C₅H₅)₂Mg)。作为Si掺杂原材料，使用乙硅烷(Si₂H₆)。作为用于V族组成元素的原材料，使用磷化氢(PH₃)或砷化氢(AsH₃)。在750℃下生长GaP层135，且在730℃下生长包括半导体层13的其它半导体组成层130到134。

GaAs缓冲层130具有约2×10¹⁸cm^-3的载流子浓度和约0.2μm的层厚度。由(Al_0.5Ga_0.5)_0.5In_0.5P形成的接触层131具有约2×10¹⁸cm^-3的载流子浓度和约1.5μm的层厚度。n覆层132具有约8×10¹⁷cm^-3的载流子浓度和约1μm的层厚度。未掺杂的发光层133具有0.8μm的层厚度。p覆层134具有约2×10¹⁷cm^-3的载流子浓度和1μm的层厚度。GaP层135具有约3×10¹⁸cm^-3的载流子浓度和9μm的层厚度。

p型GaP层135使其从表面达到约1μm深度的区域被抛光，直到镜面光洁度。通过镜面抛光，使得p型GaP层135的表面达到0.18nm的粗糙度。另一方面，准备将要施加到p型GaP层135的镜面抛光表面的n型GaP衬底14。对于旨在用于施加的GaP衬底14，如此添加Si和Te，以使该衬底具有约2×10¹⁷cm^-3的载流子浓度。使用具有(111)的表面取向的单晶。所准备的用于施加的GaP衬底14具有50mm的直径和250μm的厚度。在被接合到p型GaP层135之前，GaP衬底14使其表面经受镜面抛光且直到达到0.12nm的均方根(rms)值才结束。

将GaP衬底14和外延晶片放入普通的半导体材料施加装置内，然后将该装置的内部抽真空到3×10^-5Pa的真空度。其后，将安放在该装置中的GaP衬底14在真空中加热至约800℃的温度，同时，利用被加速到800eV能量的氩离子辐照GaP衬底14的表面，其中，为了避免被碳等污染，已从该装置中移走了由含碳材料制成的构件。结果，在GaP衬底14的表面上形成由非化学计量组分构成的接合层141。在形成接合层141之后，停止利用氩离子的辐照，且使GaP衬底14冷却到室温。

接着，利用通过在3分钟的时间内电子碰撞而被提前中和的Ar束辐照GaP衬底14和GaP层135两者的表面，其中在GaP衬底14的表面区域中设置有非化学计量组分的接合层141。其后，在保持真空的施加装置中，层135和14两者的表面被叠置，受到这样的负载，以便对每一个表面施加20g/cm²的压力，从而在室温下相互接合(参考图4)。将由接合产生的晶片从施加装置的真空室取出并分析接合的界面。结果，在接合部分中检测到由Ga_0.6P_0.4非化学计量组分构成的接合层141的存在。接合层141具有约3nm的厚度。通过普通的SIMS分析方法，发现接合层141具有7×10¹⁸cm^-3的氧原子浓度和9×10¹⁸cm^-3的碳原子浓度。

接着，从通过接合制造的晶片中，利用氨基蚀刻剂选择性去除GaAs衬底11和GaAs缓冲层130。

在接触层131的表面上，通过真空沉积方法形成厚度为0.5μm的Au-Ge-Ni合金(由87质量％的金，12质量％的锗和1质量％的镍组成)的膜作为第一欧姆电极15。通过使用普通的光刻法，通过如图1中所示在该膜上构图电极且去除该膜中除电极图形之外的部分，形成欧姆电极15。随后，通过真空沉积方法以这样的方式沉积0.2μm厚的Pt和1μm厚的Au，以便覆盖电极和在膜去除之后剩余的区域，形成反射金属膜17。

接着，选择性去除外延层131到134，且p电极形成区域中暴露GaP层135。在GaP层的表面上，通过真空沉积方法沉积0.2μm厚的AuBe、1μm厚的Au、0.2μm厚的Pt和2.0μm厚的Au，形成p型欧姆电极16。

通过在450℃下持续10分钟执行的且旨在引起必要的合金化的热处理，产生低电阻的p型和n型欧姆电极(参考图1和图2)。

接着，利用切片锯(dicing saw)从GaP衬底14的表面引入V形槽，以形成具有70°的倾角α的第二侧面143和具有80μm的宽度D的第一侧面142。

在利用抗蚀剂持续保护发光二极管的表面的同时，通过使用由全氢化磷酸盐和盐酸组成的蚀刻剂来粗糙化倾斜表面。形成粗糙表面的凹陷和凸起的高度(level)相差约500nm。

接着，通过使用切片锯以350μm的间隔将切口从背表面侧引入到晶片中，将晶片分成为芯片。通过利用硫酸和过氧化氢的混合液蚀刻来去除由切片产生的破碎层和污染物，以完成半导体发光二极管(芯片)10的制造。

如图5和图6中示意性所示，利用如上所述制造的LED芯片10来装配发光二极管灯42。通过利用在LED芯片10的n型欧姆电极15与设置在安装衬底45的第一表面上的n电极端子43之间以及p型欧姆电极16与p电极端子44之间的金突起(bump)46的接合，将LED芯片10紧紧地固定到安装衬底45，随后利用普通的环氧树脂41密封由此形成的接合处(joint)，来制造该LED灯42。

当电流经由设置在安装衬底45的第一表面上的n电极端子43和p电极端子而在n型和p型欧姆电极15和16之间通过时，灯42发射具有620nm主波长的红色光。在20mA的电流沿正向通过期间所产生的正向电压(Vf)达到约1.96V。这表明这样的事实，即反映出电极的正确设置以及由欧姆电极15和16中的每一个所展示的良好欧姆特性。发现当正向电流被设定为20mA时所发射的光强度产生650mcd的高亮度。这表明这样的事实，即反映出高发光效率的发光部分的结构和由于去除在将晶片切割为芯片期间所产生的破碎层而引起的光向外部提取的效率的提高。

实例2：

图7是示出本发明所预期的发光二极管的第二实施例的平面图，而图8是沿着线VIII-VIII穿过图7而截取的剖面图。

在与实例1中相同的条件下制造图7和图8中所示的发光二极管。

当电流经由设置在安装衬底的第一表面上的n电极端子和p电极端子在n型和p型欧姆电极15和16之间通过时，灯发射具有620nm主波长的红色光。在20mA的电流沿正向通过期间所产生的正向电压(Vf)达到约2.10V。这表明这样的事实，即反映出电极的正确设置以及通过欧姆电极15和16中的每一个所展示的良好欧姆特性。发现当正向电流被设定为20mA时所发射的光强度产生850mcd的高亮度。这表明这样的事实，即反映出高发光效率的发光部分的结构和由于去除在将晶片切割为芯片期间所产生的破碎层而引起的光向外部提取的效率的提高。

比较实例1：

如图9和图10中所示，除了将透明衬底的侧面形成为垂直于发光层之外，通过与实例1相似地将透明衬底14接合到半导体层13，来形成p型和n型欧姆电极。

接着，通过使用切片锯以350μm的间隔将切口从背表面侧引入到晶片中，将晶片分成为芯片。通过利用硫酸和过氧化氢的混合液蚀刻来去除由切片产生的破碎层和污染物，以完成半导体发光二极管(芯片)10的制造。

如图5和图6中示意性所示，利用如上所述制造的LED芯片10来装配发光二极管灯42。通过利用在LED芯片10的n型欧姆电极15与设置在安装衬底45的第一表面上的n电极端子43之间以及p型欧姆电极16与p电极端子44之间的金突起46的接合，将LED芯片10紧紧地固定到安装衬底45，随后利用普通的环氧树脂41密封由此形成的接合处，来制造该LED灯42。

当电流经由设置在安装衬底45的第一表面上的n电极端子43和p电极端子44在n型和p型欧姆电极15和16之间通过时，灯42发射具有620nm主波长的红色光。在20mA的电流沿正向通过期间所产生的正向电压(Vf)达到约2.30V。在20mA的正向电流通过期间所发射的光的强度为250mcd。

工业适用性

本发明的发光二极管能够发射红色、橙色、黄色或甚至黄绿色的光且呈现出高亮度。因此，其可以被用作各种显示灯。

Claims (22)

1.一种发光二极管，具有光提取表面，且包括透明衬底、接合到所述透明衬底的化合物半导体层、包含在所述化合物半导体层中的发光部分、包含在所述发光部分中且由(Al_XGa_1-X)_YIn_1-YP形成且具有垂直侧面的发光层、设置在所述发光二极管的与所述光提取表面相反的表面上的不同极性的第一电极和第二电极、以及形成在所述第一电极上的反射金属膜，其中0≤X≤1，0＜Y≤1，其中所述透明衬底具有在接近所述发光层的一侧上与所述发光层的发光表面实质上垂直的第一侧面和在远离所述发光层的一侧上相对于所述发光表面倾斜的第二侧面，其中在所述透明衬底与所述化合物半导体层接合的接合部分的整个表面上存在具有与所述第一和第二侧面连续的垂直侧面的接合层，且其中所述第一和第二电极分别安装在电极端子上。

2.根据权利要求1的发光二极管，其中所述第二电极形成在所述化合物半导体层的与所述第一电极相对的一侧上的拐角位置处。

3.根据权利要求2的发光二极管，其中所述第二电极位于所述第二侧面的倾斜结构下面。

4.根据权利要求1或权利要求2的发光二极管，其中所述透明衬底由n型GaP制成。

5.根据权利要求1或权利要求2的发光二极管，其中所述透明衬底具有(100)或(111)表面取向。

6.根据权利要求1或权利要求2的发光二极管，其中所述透明衬底的厚度在50至300μm的范围内。

7.根据权利要求1或权利要求2的发光二极管，其中所述发光部分具有厚度在0.5至20μm的范围内的最外层。

8.根据权利要求1或权利要求2的发光二极管，其中所述发光部分具有由GaP制成的最外层。

9.根据权利要求8的发光二极管，其中所述发光部分具有由Ga_xP_1-x制成的最外层，其中0.5＜X＜0.7。

10.根据权利要求1或权利要求2的发光二极管，其中所述第二侧面和平行于所述发光表面的表面形成55°至80°范围内的角度。

11.根据权利要求1或权利要求2的发光二极管，其中所述第一侧面的宽度在30至100μm的范围内。

12.根据权利要求1的发光二极管，其中所述第二电极使其周围被所述半导体层包围。

13.根据权利要求1的发光二极管，其中所述第一电极为栅格形状。

14.根据权利要求1或权利要求2的发光二极管，其中所述第一电极是具有10μm以下宽度的线状电极。

15.根据权利要求1或权利要求2的发光二极管，其中所述发光部分包含GaP层，且所述第二电极形成在所述GaP层上。

16.根据权利要求1或权利要求2的发光二极管，其中所述第一电极具有n型极性，而所述第二电极具有p型极性。

17.根据权利要求1或权利要求2的发光二极管，其中所述透明衬底的所述第二侧面具有被粗糙化的表面。

18.一种制造发光二极管的方法，包括以下步骤：在对从发光层发射的光是光学不透明的衬底上形成包含由(Al_XGa_1-X)_YIn_1-YP形成的发光层的发光部分，其中0≤X≤1，0＜Y≤1；将包含所述发光部分的化合物半导体层接合到透明衬底并去除所述不透明衬底；在所述化合物半导体的与主光提取表面相反的表面上形成第一电极和极性不同于所述第一电极的第二电极，所述表面在与所述透明衬底相反的一侧上，其中所述第二电极形成在与所述第一电极相对的一侧上暴露的所述化合物半导体层上；在所述第一电极的表面上形成反射金属膜；以及在所述透明衬底的侧面上，在接近所述发光层的一侧上形成与所述发光层的发光表面实质上垂直的第一侧面，且通过切片方法在远离所述发光层的一侧上形成相对于所述发光表面倾斜的第二侧面。

19.根据权利要求18的制造发光二极管的方法，其中在与所述第一电极相对的一侧上暴露的所述化合物半导体层上的拐角中形成所述第二电极。

20.根据权利要求18或权利要求19的制造发光二极管的方法，其中通过划片和断裂方法形成所述第一侧面。

21.根据权利要求18或权利要求19的制造发光二极管的方法，其中通过切片方法形成所述第一侧面。

22.一种发光二极管灯，具有安装于所述发光二极管灯的安装衬底上的根据权利要求1至17中任一项的发光二极管，其中所述发光二极管的与所述光提取表面相反的表面面对所述安装衬底。

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