CN101606246A - 使用GaN LED芯片的发光器件 - Google Patents

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Abstract

一种发光器件通过倒装芯片安装下列(a)的GaN基LED芯片100来构成：(a)GaN基LED芯片100，包括透光衬底101以及在透光衬底101上形成的GaN基半导体层L，其中，GaN基半导体层L具有从透光衬底101侧开始依次包含n型层102、发光层103和p型层104的层叠结构，其中正电极E101在p型层104上形成，所述电极E101包含氧化物半导体的透光电极E101a以及与透光电极电连接的正接触电极E101b，以及正接触电极E101b的面积小于p型层104的上表面的面积的1/2。

Description

使用GaN LED芯片的发光器件
技术领域
[0001]
本发明主要涉及包括具有由透光衬底上形成的GaN基半导体组成的发光元件结构的倒装芯片安装的GaN基LED芯片的发光器件。
[0002]
GaN基半导体是通过下列化学式所表示的化合物半导体。
AlaInbGa1-a-bN(0≤a≤1，0≤b≤1，0≤a+b≤1)，
它又称作III族氮化物半导体、氮化物基半导体等。其中III族元素的一部分由B(硼)、Tl(铊)等替代的上述化学式的化合物半导体以及其中N(氮)的一部分由P(磷)、As(砷)、Sb(锑)、Bi(铋)等替代的上述化学式的化合物半导体也包含在GaN基半导体中。其中例如pn结结构、双异质结构和量子阱结构等的发光元件结构由GaN基半导体构成的GaN基LED能发出绿光至紫外光，并且投入到信号、显示设备等的实际使用。
[0003]
包括具有透光衬底上形成的发光元件结构的GaN基半导体层的GaN基LED芯片能直接或者经由次底座(submount)固定到例如SMD(表面安装器件)类型LED封装和引线框的衬底等的基底上，其中GaN基半导体层侧朝向基底。换言之，LED芯片能以透光衬底侧朝上地固定到基底上。这种类型的芯片接合形式称作倒装芯片安装。倒装芯片安装有时又称作面朝下安装、倒置安装、结朝下安装等。用于倒装芯片安装的常规GaN基LED芯片在GaN基半导体层等之上具有又充当电极的金属反射膜，以便将GaN基半导体层内部所产生的光反射到透光衬底侧。为了改进安装时的发射功率，使用具有例如Ag(银)、Al(铝)和Rh(铑)等的具有高光反射系数的金属作为材料(专利文献1、专利文献2)来形成这个反射膜被认为是理想的。
专利文献1：JP-A-2000-183400
专利文献2：JP-A-2004-179347
专利文献3：JP-A-2002-280611
专利文献4：JP-A-2003-318441
本发明的公开内容
要通过本发明解决的问题
[0004]
但是，本发明人已经研究并发现，当要进行倒装芯片安装的GaN基LED芯片具有主要由金属反射膜构成的反射结构时，改进发光器件的发射功率受到限制。具体来说，从磷发出光的白光发光器件配置成使用配备有主要由直接在GaN基半导体层的表面上所形成的金属反射膜构成的反射结构的GaN基LED芯片作为激发光源时，难以产生具有用于照明的充分输出功率的白光发光器件。
[0005]
鉴于现有技术的上述问题而进行本发明，其目的主要是改进包括倒装芯片安装的GaN基LED芯片的发光器件的输出功率，并且提供一种在光发射功率方面优良的、能够优选地用作用于照明的白光发光器件的激发光源的发光器件。
解决问题的方式
[0006]
本发明人通过摆脱主要采用金属反射膜来构成要倒装芯片安装的GaN基LED芯片的反射结构的概念来实现本发明。
因此，在本发明的一个实施例中，提供其中下列(a)的GaN基LED芯片是倒装芯片安装的发光器件以便解决上述问题：
(a)GaN基LED芯片，包括透光衬底以及在透光衬底上形成的GaN基半导体层，GaN基半导体层具有从透光衬底侧开始依次包括n型层、发光层和p型层的层叠结构，
其中，正电极在p型层上形成，所述电极包括
由氧化物半导体制成的透光电极，以及
与透光电极电连接的正接触电极，以及
正接触电极的面积小于p型层的上表面面积的1/2。
在发光器件的一个优选实施例中，正接触电极的面积小于p型层的上表面面积的1/3。
在发光器件的一个更优选实施例中，正接触电极的面积小于p型层的上表面面积的1/4。
在这种发光器件中，倒装芯片安装的GaN基LED芯片可采用树脂来密封。
在这种发光器件中，通过抛光使透光电极的表面平面化。
发明效果
[0007]
下面说明为什么本发明所提供的上述发光器件在光发射功率方面优良的原因。
发光器件的主要特性在于，特意利用透光物质之间的折射率的差所引起的反射的GaN基LED芯片是倒装芯片安装的。按照常规方式不存在注意到由于要倒装芯片安装的LED芯片的折射率的差而引起的这种反射的概念。与反射相关的透光物质包括GaN基半导体层、由氧化物半导体制成的透光电极以及作为围绕LED芯片的介质的透光密封剂或气体(在气密密封的情况下)。
在一个实施例中，透光绝缘保护膜也涉及反射。在包括通过在透光衬底上依次层叠n型层、发光层和p型层所形成的GaN基半导体层的GaN基LED芯片中，至少一个正接触电极(接合垫)需要在GaN基半导体层侧面上作为金属膜形成。在构成发光器件的上述(a)的GaN基LED芯片中，正接触电极的面积没有制作成过大。已知的是，LED芯片的发光层中产生的光在离开芯片之前在其内部反复地反射。因此，一个反射的损失的细微差异极大地影响从芯片提取(extracted)的光功率。由于因透光物质之间的折射率的差异引起的反射所伴随的比金属表面的反射损失更小的损失，发光器件在光发射功率方面是优良的。
[0008]
由于本发明的发光器件在光发射功率方面是优良的，所以能够优选地用于包括照明在内的要求高功率的应用。
附图说明
[0009]
图1是示出根据本发明的一个实施例的发光器件的结构的截面图。
图2示出图1的发光器件中包含的GaN基LED芯片的结构，其中图2(a)是顶视图，而图2(b)是沿图2(a)的线条X1-Y1的截面图。
图3是示出根据本发明的一个实施例的发光器件的结构的截面图。
图4示出图3的发光器件中包含的GaN基LED芯片的结构，其中图4(a)是顶视图，而图4(b)是沿图4(a)的线条X2-Y2的截面图。
图5提供根据本发明的一个实施例、GaN基LED芯片的GaN基半导体层中的减小光限制(confinement)的机制的说明。
图6是根据本发明的一个实施例的发光器件中可使用的GaN基LED芯片的截面图，其中图6(a)示出具有水平类型元件结构的GaN基LED芯片的示例，而图6(b)示出具有垂直类型元件结构的GaN基LED芯片的示例。
图7是根据本发明的一个实施例的发光器件中可使用的GaN基LED芯片的顶视图。
图8是根据本发明的一个实施例的发光器件中可使用的GaN基LED芯片的顶视图。
图9示出实验示例1中使用的次底座的结构，其中图9(a)是顶视图，而图9(b)是沿图9(a)的线条P-Q的截面图。
图10是在实验示例1中完成安装之后的次底座及其上安装的GaN基LED芯片的截面图。
图11示出正接触电极的面积与p型层的上表面面积之比和实验示例1中得到的GaN基LED芯片样本的输出功率之间的关系。
图12示出正接触电极的面积与p型层的上表面面积之比和实验示例2中得到的GaN基LED芯片样本的输出功率之间的关系。
图13示出正接触电极的面积与p型层的上表面面积之比和实验示例3中得到的GaN基LED芯片样本的输出功率之间的关系。
标号说明
[0010]
1，2：发光器件
100，200，300，400，500，600：GaN基LED芯片
101，201，301，401：透光衬底
102，202，302，402，502，602：n型层
103，203，303，403：发光层
104，204，304，404，504，604：p型层
L：GaN基半导体层
E101，E201，E301，E401，E501，E601：正电极
E101a，E201a，E301a，E401a，E501a，E601a：透光电极
E101b，E201b，E301b，E401b，E501b，E601b：正接触电极
E102，E202，E302，E402，E502，E602：负电极
执行本发明的最佳方式
[0011]
(实施例1)
图1是根据本发明的一个实施例的发光器件的截面图。图中所示的发光器件1呈现SMD(表面安装器件)类型LED封装，以及上述(a)的GaN基LED芯片100在由陶瓷、树脂等制成的衬底111上倒装芯片安装。通过将LED芯片100的同侧上所形成的正电极和负电极的每个与衬底111上形成的电极112和113接合，来固定GaN基LED芯片100。作为粘合剂(未示出)，使用具有电导性的粘合剂，例如诸如Au-Sn焊料之类的焊料、诸如银膏之类的导电膏等。在这个实施例中，反射体114是独立于衬底111的部分，但它也可与衬底整体形成。例如环氧树脂和硅树脂等透光密封剂120填充由衬底111和反射体114所构成的空腔(杯状部分)。为了提供白光发光器件，磷散布在透光密封剂120中。还能够采用由玻璃等制成的透光盖气密地密封空腔，而不是填充树脂等。
[0012]
发光器件1中包含的GaN基LED芯片100的结构如图2所示。图2(a)是顶视图，而图2(b)是沿图2(a)中的线条X1-Y1的截面图。GaN基LED芯片100具有其中GaN基半导体层L层叠在透光衬底101上的结构。GaN基半导体层L具有自透光衬底101侧依次包括n型层102、发光层103和p型层104的层叠结构。
[0013]
由蓝宝石、尖晶石、碳化硅、氧化锌、氧化镁、GaN、AlGaN、AlN、NGO(NdGaO3)、LGO(LiGaO2)、LAO(LaAlO3)等制成的单晶衬底可优选地用作透光衬底101。在这个实施例中，处理透光衬底101的表面以便形成凹凸表面，使得弯曲界面在透光衬底101与GaN基半导体层L之间形成。当弯曲界面存在于透光衬底101与GaN基半导体层L之间时，发光层103中产生的光在GaN基半导体层L中的限制因界面的光散射作用而变得更弱，即使在透光衬底101的折射率比GaN基半导体层L更低时。当限制变得更弱时，发光层103中产生的光经受的内部反射的频率在它离开GaN基半导体层L之前变得更低，随后光通过发光层103，它更不频繁地、强有力地吸收光，从而引起从LED芯片提取的光的功率的增加。
[0014]
虽然透光衬底101的表面上的凹凸图案可以是可选图案，但它优选是具有周期性的图案，使得GaN基半导体晶体在凹凸表面上均匀地生长。周期性图案的示例包括其中交替设置条状凹陷部分(凹槽)和条状凸出部分(隆起)的图案以及其中规则地配置了具有圆形或正多边形的底表面的点状凹陷部分(凹口)或者具有圆形或正多边形的上表面的点状凸出部分(凸起)的图案。可通过形成图案化为透光衬底101的表面上具有开口的蚀刻掩模，然后通过在掩模上进行蚀刻在开口的位置形成凹陷部分，来形成凹陷和凸出。从凸出部分的顶部看到的凹陷部分的深度可以是例如0.2μm-5μm。这个深度优选地为0.5μm-3μm，更优选地为1μm-2μm。当凹陷部分和凸出部分为条状时的条纹的宽度或者当它们是点状时的点的宽度(它为最大时的宽度)可以是例如0.2μm-10μm。宽度优选地为0.5μm-5μm，更优选地为1μm-3μm。对于凹陷和凸出的图案、截面形状、大小等，可参阅专利文献3和专利文献4。
[0015]
可通过例如MOVPE(有机金属汽相外延)、分子束外延(MBE)、氢化物汽相外延(HVPE)等汽相外延法在透光衬底101上形成GaN基半导体层L。当透光衬底101由不是与GaN基半导体晶格匹配的材料制造时，缓冲层(未示出)插入透光衬底101与GaN基半导体层L之间。优选缓冲层是由GaN、AlGaN等制成的低温缓冲层。
[0016]
采用Si(硅)、Ge(锗)、Se(硒)、Te(碲)、C(碳)等作为n型杂质对N型层102进行掺杂。在n型层102中，优选地采用n型杂质以特别高的浓度将接触负电极E102的部分掺杂成具有高载流子浓度。另外，优选的是，使直接或者经由缓冲层与透光衬底101接触的n型层的部分具有降低的n型杂质浓度或者未掺杂，以便改进其上生长的GaN基半导体层的结晶度。当透光衬底101的表面是凹凸表面时，对于生长GaN基半导体晶体以填充凹凸表面的凹陷部分的方法，可参阅专利文献3等。
[0017]
可以可选地对发光层103掺杂杂质。采用Mg(镁)、Zn(锌)等作为p型杂质对P型层104进行掺杂。形成p型层104之后，必要时可执行使p型掺杂杂质活化的退火处理或电子束辐射处理。在p型层104中，优选地采用p型杂质以不小于5×1019cm-3的高浓度对接触透光电极E101a的部分进行掺杂。
[0018]
构成GaN基半导体层L的各层可采用具有例如GaN、AlGaN、InGaN和AlInGaN等的任何晶体成分的GaN基半导体来形成，并且各层可具有多层结构，其中层叠具有不同晶体成分或杂质浓度的层。为了改进发光效率，优选的是形成其中发光层103夹在具有比发光层103更高带隙的覆层(clad layer)之间的双异质结构，以及优选的是，发光层103具有量子阱结构(单量子阱结构或多量子阱结构)。除了n型层102、发光层103和p型层104之外，GaN基半导体层L还可以可选地具有附加层。
[0019]
在形成p型层104之后，充当欧姆电极和接触电极(接合垫)的负电极E102在通过蚀刻来部分去除p型层104和发光层103所露出的n型层102的表面上形成。在负电极E102中，与n型层104接触的至少一部分采用与n型GaN基半导体形成欧姆接触的材料来形成。这种材料是已知的，例如可列举Al(铝)、Ti(钛)、W(钨)、Ni(镍)、Cr(铬)或V(钒)的单质或者包含从其中选取的一种或多种金属的合金。已知的是，例如ITO(氧化铟锡)、氧化铟、氧化锡、IZO(氧化铟锌)、AZO(氧化铝锌)和氧化锌等导电氧化物也形成与n型GaN基半导体的良好欧姆接触。负电极E102的表面层由金属材料制成。当负电极E102和电极113用焊料接合在一起时，按照待使用的焊料种类，负电极E102的表面层优选地由具有良好焊料润湿性的Au(金)、Sn(锡)或其它金属材料制成。
[0020]
在这个实施例中，在进行蚀刻以露出负电极形成表面时，还从晶圆上的相邻元件之间的区域、即在以后的步骤中将晶圆切割为芯片时切割线或划线经过的区域去除p型层104和发光层103，以便在这个区域中露出n型层102。这样，可使晶圆分割期间传送到发光部分的振动和碰撞为最小。
[0021]
正电极E101在p型层104上形成。正电极E101包括由氧化物半导体组成的透光电极E101a以及在其上形成并且与其电连接的正接触电极E101b。在这个实施例中，整个正接触电极E101b在透光电极E101a上形成。但是，它不是必不可少的，并且可以仅正接触电极的一部分与透光电极重叠。
[0022]
对于透光电极E101a可使用的氧化物半导体的示例包括ITO(氧化铟锡)、氧化铟、氧化锡、IZO(氧化铟锌)、AZP(氧化铝锌)、氧化锌和FTO(掺氟氧化锡)。透光电极E101可具有多层结构，其中层叠不同的氧化物半导体膜。形成透光电极E101a的方法没有限制，以及根据氧化物半导体的种类，可适当地使用例如溅射方法、反应溅射、真空蒸发、离子束辅助沉积、离子镀、激光消融、CVD、喷雾方法、旋涂方法和浸渍方法等常规已知的方法。由氧化物半导体制成的透光电极E101a可通过剥离法来形成图案。作为一种不同的方式，可使用如下图案化方法，即其包括在为了负电极形成进行蚀刻之前在p型层104的整个表面之上形成氧化物半导体膜、然后通过(湿式或干式)蚀刻去除不必要部分。
[0023]
理想地，透光电极E101a的表面平面度尽可能高。例如，ITO薄膜倾向于是多晶的，以及通过通常方法所形成的ITO薄膜的表面是具有粗糙度大约为30nm-50nm的细小凸起和凹坑的表面。当透光电极E101a的表面具有这个等级的粗糙度时，发光层103中产生的光易于通过透光电极E101a的表面离开芯片，以及在透光电极E101a与透光密封剂120(在气密密封的情况下为气体)之间的界面上反射到透光衬底101侧的光的量减小，这又降低了发光器件1的输出功率。因此，优选地，透光电极E101a由提供生长状态(as-grown state)的平面表面的非晶氧化物半导体形成。可通过降低膜形成温度来使氧化物半导体为非晶，以及在ITO的情况下，将温度降低到室温或以下。IZO称作氧化物半导体，它的非晶状态是稳定的，并且准许从室温至350℃的大的温度范围内的非晶膜形成。使用IZO，透光电极可易于采用具有高表面平面度的非晶膜来形成。在改进透光电极E101a的表面平面度的一种不同的方式中，可在膜形成之后对氧化物半导体膜的表面进行抛光。当使用易于变为多晶的氧化物半导体、如ITO时，这种方法是优选的。当使用这种方法时，氧化物半导体膜在p型层104的整个上表面上形成，以及在对表面进行抛光之后，通过蚀刻将膜图案化为预定电极形状。透光电极E101a的表面平面度优选地与小于20nm的粗糙度同样高，更优选地小于10nm，如在算术平均粗糙度(Ra)、最大高度(Rmax)、十点平均高度(Rz)等的所有粗糙度指标中由触针型表面轮廓仪(stylus-type surface profiler)所测得的。很明显，通过改进透光电极E101a的表面平面度，在透光电极E101a上形成的正接触电极E101b的后侧表面(该表面与透光电极E101a的表面接触)变得平滑，从而引起在正接触电极的后侧增加光反射性的效果。这种效果还有助于改进发光器件1的输出功率。
[0024]
透光电极E101a在p型层104的几乎整个表面上形成，而正接触电极E101b形成为没有占用p型层104上的过大面积。正接触电极E101b的面积优选地小于p型层104的上表面面积的1/2，更优选地小于其1/3，特别优选地小于其1/4。在最优选的实施例中，面积比([正接触电极的面积]/[p型层的上表面面积])小于1/10。当面积比过小时，LED芯片100中产生的热量不会通过正接触电极E101b逸出到衬底111侧。因此，正接触电极E101b的面积理想地不低于p型层104的上表面面积的3％。
在这里，当形成多个正接触电极时，正接触电极的面积是通过相加多个电极的面积所计算的总面积。在这个实施例中，正接触电极E101b的上表面具有圆形。但是，形状没有限制，并且可采用例如正方形、正五边形和正六边形的正多边形、矩形等。当正接触电极E101b过小时，安装可用性变坏，并且粘合剂易于突出。因此需要适当的大小。
非限制性地，当采用圆形时，直径可以是60μm-90μm，而当采用方形时，边长可以是60μm-90μm。
[0025]
正接触电极E101b的材料没有限制，并且可采用对于氧化物半导体的电极通常使用的金属材料。具体来说，可列举Zn(锌)、Ni(镍)、Pt(铂)、Pd(钯)、Rh(铑)、Ru(钌)、Ir(铱)、Ti(钛)、Zr(锆)、Mo(钼)、V、Nb(铌)、Ta(钽)、Co(钴)、W(钨)、Cu(铜)、Ag(银)、Al(铝)等的单质或者包含从其中选取的一种或多种金属的合金。正接触电极E101b可具有层叠结构。正接触电极E101b优选地是单层膜或多层膜，它至少在接触透光电极E101a的一侧上具有由Al、Ag、Rh或Pt的单质或者主要由它们构成的合金制成的层，以便具有良好反射性。特别优选的是一种至少在接触透光电极E101a的一侧上具有Al层或Al合金层的结构。优选的Al合金主要包括Al，并且还包括Ti、Nd(钕)、Cu等。
[0026]
(实施例2)
图3是根据本发明的另一个实施例的发光器件的截面图。图中所示的发光器件2是子弹型LED封装，其中GaN基LED芯片200倒装芯片安装于引线框211中形成的杯状部分中并且采用具有子弹形状的透光密封剂220来模塑。透光密封剂220例如是环氧树脂。GaN基LED芯片200通过将LED芯片200的一侧上形成的正电极与引线框211接合来固定。在这个实施例中，GaN基LED芯片200具有垂直类型元件结构，以及负电极在与正电极相对的芯片表面上形成。这个负电极通过接合线213与引线框212连接。当制造白光发光器件时，磷散布在透光密封剂220中。通过将这个示例包含在本发明的实施例中将会理解，“倒装安装”并不局限于本发明中的无线安装。
[0027]
图4示出发光器件2中包含的GaN基LED芯片200的结构，其中图4(a)是顶视图，而图4(b)是沿图4(a)的线条X2-Y2的截面图。上述实施例1中的GaN基LED芯片100具有水平类型元件结构，而GaN基LED芯片200具有垂直类型元件结构。除了与元件结构的差别相关的部分之外，GaN基LED芯片200的各部分的优选实施例与GaN基LED芯片100相同。
[0028]
在GaN基LED芯片200中，为了实现垂直类型元件结构，导电衬底用作透光衬底201。优选地使用由碳酸硅、氧化锌、GaN、AlGaN等制成的n型导电半导体单晶衬底。GaN基半导体层L在透光衬底201上形成，并且GaN基半导体层L具有从透光衬底201侧开始依次包括n型层202、发光层203和p型层204的层叠结构。n型层202直接或者经由缓冲薄层(未示出)在透光衬底201上形成，以便与透光衬底201电连接。可通过掺杂使缓冲层导电。
[0029]
负电极E202在透光衬底201的后侧之上形成。在这个实施例中，非限制性地，负电极E202充当欧姆电极和接触电极两者，但是，负电极可由透光欧姆电极以及部分地在其表面之上形成的金属接触电极组成。
[0030]
正电极E201在p型层204上形成。正电极E201包括由氧化物半导体制成的透光电极E201a以及在透光电极E201a上形成并且与透光电极E201a电连接的正接触电极E201b。正接触电极E201b形成为不占用p型层204上的过大面积。为了使LED芯片的倒装芯片安装状态稳定，正接触电极E201b的数量设置为三个，并且它们定位成形成三角形。该数量可以为四或以上，但是三个是最优选的，因为确保在考虑芯片安装可用性时必要的一个正接触电极的面积等，同时可使总面积很小，以及LED芯片的安装状态由于三点支承而是最稳定的。
[0031]
(其它优选实施例)
上文中，作为实施例1，示出其中具有水平类型元件结构的GaN基LED芯片应用于SMD类型LED封装的一个示例，以及作为实施例2，示出其中具有垂直类型元件结构的GaN基LED芯片应用于子弹型LED封装的一个示例。但是，LED芯片的元件结构和封装类型的组合并不局限于此。也就是说，具有水平类型元件结构的GaN基LED芯片可应用于子弹型LED封装，或者具有垂直类型元件结构的GaN基LED芯片可应用于SMD类型LED封装。此外，在上述实施例中，GaN基LED芯片直接固定到SMD类型封装或引线框的衬底上。但是，GaN基LED芯片可经由次底座固定到这些基底上。
[0032]
在本发明的发光器件可使用的GaN基LED芯片中，当透光衬底的表面为凹凸表面时，优选凹凸图案其中之一是其中条状凹陷部分(凹槽)和凸出部分(隆起)交替设置的图案。当采用这种凹凸图案时，在透光衬底与GaN基半导体层之间所形成的弯曲界面的光散射作用中发生各向异性。也就是说，在GaN基半导体层中沿层方向(与层的膜厚度方向垂直的方向)传播的光的分量之中，沿正交于衬底表面的带状凹陷部分和凸出部分的纵向的方向传播的分量极大地被散射。另一方面，沿平行于该纵向的方向传播的分量很难被散射。因此，当这种凹凸图案用于其中GaN基半导体层的上表面的形状为方形(正方形或矩形)的LED芯片时，优选地确定凹凸图案的方向，使得条状凹陷部分和凸出部分的纵向与构成方形的四条边形成大约45度(40度-50度)的角。以这种方式确定凹凸图案的方向时，沿平行于条状凹陷部分和凸出部分的纵向的方向传播的分量在GaN基半导体层的端表面被反射，由此传播方向改变成与纵向正交(图5)。也就是说，沿该方向传播的几乎没有伴随散射的光分量的传播方向改变为因反射而伴随强散射的方向。因此，GaN基半导体层中的光限制变弱。
[0033]
在本发明的发光器件可使用的GaN基LED芯片中，至少GaN基半导体层侧之上的LED芯片的表面(包括透光电极的表面但不包括接触电极的表面)优选地涂敷有透光绝缘保护膜，使得不会在倒装安装过程中发生因导电粘合剂而引起的短路。为了促进透光绝缘保护膜与透光密封剂(气密密封情况下为气体)之间的界面上的光反射，使绝缘保护膜的表面的平面度尽可能高。具体来说，当透光电极的表面具有细微凸起和凹坑时，光易于通过透光电极与绝缘保护膜之间的界面，并且进入绝缘保护膜。为了防止光通过绝缘保护膜的表面离开LED芯片，绝缘保护膜的表面应当具有比透光电极的表面更高的平面度。为此，绝缘保护膜优选地为非晶膜。具体来说，可列举通过等离子体CVD方法所形成的氧化硅膜和氮化硅膜、通过CVD方法所形成的PSG(磷硅玻璃)膜和BPSG(硼磷硅玻璃)膜、通过涂层方法所形成的聚酰亚胺膜等。当氧化硅膜或氮化硅膜通过等离子体CVD方法在表面上具有细小凸起和凹坑的ITO膜上形成时，通过将膜厚度设置成不小于0.3μm，氧化硅或氮化硅膜的表面具有比ITO膜更高的平面度。在膜形成之后通过重熔，PSG膜和BPSG膜可具有更高的表面平面度。由旋涂玻璃形成的绝缘保护膜可具有高表面平面度。在一个实施例中，可通过抛光来提高透光电极的表面平面度。在这种情况下，透光电极上形成的绝缘保护膜的表面平面度自然变得更高。因此，还促进绝缘保护膜与透光密封剂(在气密密封情况下为气体)之间的界面上的光反射。
[0034]
当透光电极由ITO形成时，通过将绝缘保护膜的折射率设置成与ITO相同或者比ITO更高的等级(不小于1.7)，可促进绝缘保护膜与透光密封剂(气密密封情况下为气体)之间的界面上的光反射。在这种情况下，绝缘保护膜的折射率优选地比GaN基半导体更小(不超过2.5)，以便防止绝缘保护膜中的强的光限制。用于具有这种折射率的绝缘保护膜的材料的优选示例包括氧化铝、尖晶石、氮化硅、氧化锆、氧化钽和氧化铌。还可使用多种氧化物的混合物的膜。在这个实施例中，当绝缘保护膜为多晶膜时，优选地通过抛光处理来提高表面平面度。具体来说，表面粗糙度优选地小于20nm，更优选地小于10nm，如在算术平均粗糙度(Ra)、最大高度(Rmax)、十点平均高度(Rz)等的所有粗糙度指标中由触针型表面轮廓仪所测量。
[0035]
在通过由非晶导电氧化物形成透光电极、表面抛光等来提高透光电极的表面平面度的一个实施例中，绝缘保护膜可由具有低折射率的材料来形成，使得可促进透光电极与绝缘保护膜之间的界面上的反射。在这种情况下，用于绝缘保护膜的特别优选的材料的示例包括1.4或以下的折射率的低折射率材料，例如金属氟化物(例如氟化镁、氟化锂等)和氟树脂。
[0036]
在GaN基LED芯片中，往往采用其中InGaN发光层夹在由GaN或AlGaN组成的覆层之间的双异质结构。在这种情况下，光趋向于极大地限制在具有高折射率的InGaN发光层中。因此，本发明的发光器件可使用的GaN基LED芯片优选地在GaN基半导体层的端表面的一部分中具有坡度，使得截面面积随着与透光衬底的距离增大而减小，其中截面面积是通过以垂直于厚度方向的平面切割包括发光层及其上形成的p型层的GaN基半导体层的一部分可得到的面积。这样，在InGaN发光层中沿层方向传播的光可在GaN基半导体层的倾斜端表面上反射，以便朝透光衬底侧行进。图6是以这种方式构成的GaN基LED芯片的截面图。图6(a)所示的GaN基LED芯片300具有水平类型元件结构，而图6(b)所示的GaN基LED芯片400具有垂直类型元件结构。在两种芯片中，GaN基半导体层L中从发光层303、403到p型层304、404的部分具有通过以正交于厚度方向的平面对它进行切割可得到的截面面积，它随着与透光衬底301、401的距离增大而减小。GaN基半导体层L的倾斜端表面与平行于GaN基半导体层L的膜厚度方向的线条优选地形成20度-60度的角θ，更优选地为30度-50度，特别优选地为40度-45度。
[0037]
本发明的发光器件可使用的GaN基LED芯片具有可选地由在安装过程中主要用于接合基底的较大部分(major part)构成的正接触电极以及从透光电极上的较大部分延伸的长形电流扩散部分。具有以这种方式构成的正接触电极的GaN基LED芯片的顶视图如图7所示。在图中所示的GaN基LED芯片500中，正接触电极E501由圆形较大部分E501b-1以及弯曲地以延长方式从其中延伸的两个电流扩散部分E501b-2构成。电流扩散部分帮助由氧化物半导体制成的透光电极中沿层方向的电流扩散。此外，由于整个正电极的导热性变得更高以及LED芯片的散热性能得到改进，所以预计造成LED芯片的电流容差值的增加。
[0038]
当本发明的发光器件可使用的GaN基LED芯片具有水平类型元件结构时，两个或更多正接触电极可在p型层上形成。图8是具有水平类型元件结构的GaN基LED芯片的顶视图，其中，负接触电极(充当接触电极和欧姆电极两者的负电极)的数量为一个，以及正接触电极的数量为两个。在倒装芯片安装过程中，该图中所示的GaN基LED芯片600通过三个接触电极与基底接合，三个电极中包括一个负电极E602和两个正接触电极E601b。由于三个接触电极设置成形成三角形，所以安装状态的稳定性变得极高。正接触电极的数量在这里表示主要用于与基底接合的较大部分的数量。在GaN基LED 600的示例中，两个正接触电极E601b可与长形电流扩散部分连接。同样在这种情况下，正接触电极的数量为两个。为了使LED芯片的安装状态稳定，可设置两个负接触电极和一个正接触电极以形成三角形。
[0039]
在本发明中，在发光器件中配备的GaN基LED芯片中留下用于构成发光元件结构的GaN基半导体晶体的外延生长的衬底(“生长衬底”)并不是必不可少的。换言之，在一个实施例中，发光器件上安装的GaN基LED芯片可具有透光支承衬底，该衬底在形成GaN基半导体层之后由生长衬底取代。在另一个实施例中，发光器件中配备的GaN基LED芯片可通过如下生产方法来产生，该生产方法包括以下两个步骤，即：通过晶圆接合技术将透光支承衬底与生长衬底上形成的GaN基半导体层的表面结合的步骤，以及通过激光剥离技术将生长衬底与GaN基半导体层分离的步骤。
根据本发明的一个实施例，发光器件中配备的GaN基LED芯片可以没有与GaN基半导体层结合的衬底。可通过例如倒装芯片安装图2所示的GaN基LED芯片，然后通过激光剥离技术将透光衬底与GaN基半导体层分离，来产生这种发光器件。
[0040]
此外，本发明的范围不仅包含其中包括具有透光衬底并且具有垂直类型元件结构的倒装芯片安装的GaN基LED芯片的发光器件，而且还包含其中包括以透光衬底侧的表面朝向安装基底方向(与光提取方向相反的方向)所固定的相同LED芯片的发光器件。也就是说，在这种发光器件中，可通过防止直接或者经由透光欧姆电极在透光衬底的后侧上形成的接触电极的面积(形成多个电极时的多个电极面积的总和)过大，来改进光发射功率。接触电极的面积与透光衬底的后侧的面积之比优选地小于1/2，更优选地小于1/4，更加优选地小于1/10。接触电极的面积理想地不小于透光衬底的后侧面积的3％，由此确保LED芯片与基底之间的接合强度，并且允许LED芯片中产生的热量通过接触电极逸出到基底侧。
同样在这种发光器件中，透光衬底的后侧优选地在形成接触电极之前抛光成具有高平面度。当由氧化物半导体组成的透光欧姆电极插入透光衬底的后侧与接触电极之间时，氧化物半导体的表面优选地在形成接触电极之前抛光成具有高平面度。通过抛光使透光衬底的后侧与透光欧姆电极的表面平面化时，抛光之后的表面的粗糙度优选地小于20nm，更优选地小于10nm，如在算术平均粗糙度(Ra)、最大高度(Rmax)、十点平均高度(Rz)等的所有粗糙度指标中由触针型表面轮廓仪所测量。
示例
[0041]
下面描述本发明人所执行的实验。
[0042]
(实验示例1)
GaN基LED芯片的产生
作为晶体生长的衬底，制备处理成在表面上具有条状凹凸图案(沟槽宽度和隆起宽度：大约3μm，沟槽深度：大约1μm)的c平面蓝宝石衬底(直径2英寸)。使用通常的MOVPE设备，通过在蓝宝石衬底的具有上述凹凸图案的表面上层叠AlGaN低温缓冲层、未掺杂GaN层、硅掺杂GaN接触层、InGaN/GaN多量子阱活性层(发光层)、Mg掺杂AlGaN覆层和Mg掺杂AlGaN接触层，来产生LED晶圆。在这里，活性层中包含的InGaN量子阱层的晶体成分调整为具有大约405nm的发射波长。通过首先将少量氨气和氮气加入MOCVD设备的生长炉并且在将置于炉中的衬底的温度从层的生长温度降低到室温的过程中将气体变成只有氮气来形成AlGaN接触层之后使作为p型杂质加入AlGaN覆层和AlGaN接触层的Mg活化。
使用电子束蒸发方法，由ITO(氧化铟锡)制成并且膜厚大约为210nm以及片电阻大约为10Ω/□的透光电极在这样得到的LED晶圆的表面(AlGaN接触层的上表面)上形成。在将透光电极图案化为预定形状之后，通过反应离子蚀刻(RIE)部分地去除p型层(AlGaN接触层和AlGaN覆层)和活性层，以便露出GaN接触层的一部分。在RIE步骤中，去除p型层和发光层以便还露出晶圆上彼此相邻的元件之间的区域中的GaN接触层，由此各元件的AlGaN接触层的上表面的面积设置为给定值(65300μm2)。RIE步骤之后的AlGaN接触层的上表面几乎完全用透光电极覆盖。
然后，负电极到上述RIE步骤中所露出的GaN接触层的表面上的形成以及正接触电极到透光电极的表面上的形成使用溅射方法同时执行。通过形成膜厚为100nm的TiW层并且在其上层叠膜厚为500nm的Au层，负电极和正接触电极形成二层结构。使用Ti含量为按重量计10％的Ti-W靶(target)来形成TiW层。负电极和正接触电极使用光刻技术通过剥离方法来图案化。用于图案化的光掩模配备有具有不同面积的正接触电极的七种图案，具有正接触电极的不同面积的七种LED元件由此在一片晶圆上产生。
最后，晶圆上形成的元件通过普通划线方法切割为边长度大约为350μm的正方形GaN基LED芯片。
[0043]
对于根据上述步骤所产生的具有不同正接触电极面积的七种GaN基LED芯片样本(样本1至样本7)，正接触电极的面积(A1)以及正接触电极的所述面积与p型层的上表面的面积(A2：65300μm2)之比如表1所示。
[0044]表1
  正接触电极的面积(A1)[μm2]  P型层的上表面的面积(A2)[μm2]   A1/A2[％]   输出功率[mW]
 样本1   6360   65300   10   16.5
 样本2   9900   65300   15   16.4
 样本3   13050   65300   20   16.0
 样本4   16200   65300   25   16.0
 样本5   19800   65300   30   15.3
 样本6   23100   65300   35   15.4
 样本7   29700   65300   45   15.1
[0045]
次底座的制备
制备图9所示的次底座。图9(a)是从LED芯片安装面侧看到的次底座的平面图，而图9(b)是沿图9(a)中的线条P-Q的截面图。次底座具有AlN衬底(厚0.2mm，宽0.4mm，以及长0.6mm)、侧引线正电极和侧引线负电极。侧引线正电极和侧引线负电极均具有多层结构，其中从接触AlN衬底的一侧到表面侧依次具有Ti层、Pt层和Au层。由以按重量计70％的比率包含Au的Au-Sn合金焊料组成的焊料层在侧引线正电极和侧引线负电极上部分地形成。
采用银膏以LED芯片安装面向上的方式将次底座粘附到TO-18芯柱(stem)。
[0046]
倒装芯片安装
以上产生的GaN基LED芯片以蓝宝石衬底侧朝上的方式在粘附到TO-18芯柱的上述次底座上安装。具体来说，助焊剂预先施加到次底座的LED芯片安装面，以及GaN基LED芯片置于其上。TO-18芯柱与加热的加热器接触，以便间接加热次底座，从而蒸发助焊剂的一部分并且熔化焊料层，由此LED芯片侧的接触电极与次底座侧的引线电极连接。换言之，LED芯片的正接触电极和次底座的侧引线正电极以及LED芯片的负电极和次底座的侧引线负电极分别采用Au-Sn合金焊料接合在一起。此后，次底座的侧引线负电极和TO-18芯柱的一个电极采用接合线连接，以及通过冲洗去除残留助焊剂以完成安装。图10示出完成安装之后的次底座及其上安装的GaN基LED芯片的截面。如图所示，除了经由焊料层结合的部分之外，在GaN基半导体层侧之上的GaN基LED芯片的表面与次底座之间形成间隙。
[0047]
输出功率的测量
通过上述过程所安装的GaN基LED芯片的20mA正向电流的发射功率使用积分球来测量。结果如表1所示。另外，对于实验示例1中得到的GaN基LED芯片样本，图11示出正接触电极的面积(A1)与p型层的上表面面积(A2)之比(A1/A2)和输出功率之间的关系。从图中知道，具有正接触电极的较小面积的样本倾向于呈现较高的输出功率。
[0048]
(比较实验示例)
除了正电极是在膜厚度为50nm的Rh层(Rh膜以及堆叠在其上的Au/Pt交替层叠膜的层叠)与AlGaN接触层接触的金属膜之外，通过与上述样本1至7中相同的方式，产生用于比较的GaN基LED芯片样本。在比较样本中，AlGaN接触层的上表面的面积与上述样本1至7相同，以及正电极的面积(Rh反射层的面积)与上述样本1至7中的透光电极相同。通过与上述样本1至7中相同的方式，比较样本是倒装芯片安装，以及测量20mA的输出功率，得到12mW。
[0049]
(实验示例2)
在实验示例2中，使用具有白矾土衬底的次底座和具有作为衬底表面上形成的表面层的Au层的引线电极。GaN基LED芯片样本通过与实验示例1中相同的方式来产生。通过接合LED芯片侧上的接触电极和具有银膏的次底座侧上的引线电极，GaN基LED芯片倒装芯片安装在次底座上。在GaN基半导体层侧上的已安装LED芯片的表面(不包括正接触电极和负接触电极的表面)与次底座之间形成间隙。这样安装的GaN基LED芯片的20mA正向电流的发射功率使用积分球来测量。对于实验示例2中得到的GaN基LED芯片样本，图12示出正接触电极的面积(A1)与p型层的上表面面积(A2)之比(A1/A2)和输出功率之间的关系。
[0050]
(实验示例3)
在实验示例3中，倒装芯片安装在次底座上的GaN基LED芯片的表面涂敷有光学级(optical-grade)硅树脂(热固类型)。GaN基LED芯片样本通过与实验示例1中相同的方式来产生。所使用的次底座与上述实验示例2中所使用的相同，以及LED芯片和次底座通过与上述实验示例2中相同的方式接合。在将GaN基LED芯片固定到次底座之后，采用注射器将固化前的树脂滴落在LED芯片上，由此LED芯片的表面涂敷有树脂。同时观察到，树脂的一部分自然地进入LED芯片与次底座之间的间隙。因此，间隙填充了透明硅树脂。在固化硅树脂之后，GaN基LED芯片的20mA正向电流的发射功率使用积分球来测量。对于实验示例3中得到的GaN基LED芯片样本，图13示出正接触电极的面积(A1)与p型层的上表面面积(A2)之比(A1/A2)和输出功率之间的关系。
[0051]
本发明并不局限于以上明确描述的实施例，而是能以各种方式进行修改，而没有损害本发明的要点。下面作为示例示出发光器件的这类其它实施例及其可使用的GaN基LED芯片的实施例。
[实施例S1]
发光器件，其中下列(a1)的GaN基LED芯片是倒装芯片安装的：
(a1)GaN基LED芯片，包括透光衬底以及在透光衬底上形成的GaN基半导体层，GaN基半导体层具有从透光衬底侧开始依次包括n型层、发光层和p型层的层叠结构，
其中，正电极在p型层上形成，所述电极包括
由氧化物半导体组成并且具有通过抛光来平面化的透光电极，以及
与透光电极电连接的正接触电极，以及
正接触电极的面积小于p型层的上表面面积的1/2。
[实施例S2]
发光器件包括倒装芯片安装的GaN基LED芯片，它包括透光衬底、在透光衬底上形成的具有从透光衬底侧开始依次包括n型层、发光层和p型层的层叠结构的GaN基半导体层以及在p型层上形成的正电极，
其中，正电极包括由氧化物半导体组成的并且具有通过抛光来平面化的表面的透光电极以及与透光电极电连接并且具有比透光电极更小面积的正接触电极。
[实施例S3]
发光器件包括GaN基LED芯片和具有空腔的封装，其中
GaN基LED芯片包括具有至少包含n型层和p型层的层叠结构的GaN基半导体层以及GaN基半导体层的一个表面上形成的电极，该电极包括由氧化物半导体组成的并且具有通过抛光来平面化的表面的透光电极以及与透光电极电连接并且具有比透光电极更小面积的接触电极，以及
GaN基LED芯片以与其上形成电极的所述表面相对的芯片的表面朝向空腔开口的方式固定在空腔中。
[实施例S4]
实施例S3的发光器件，包括结合到与其上形成了电极的所述表面相对的GaN基半导体层的表面结合的透光衬底。
[实施例S5]
GaN基LED芯片，包括透光衬底以及在透光衬底上形成的GaN基半导体层，GaN基半导体层具有从透光衬底侧开始依次包括n型层、发光层和p型层的层叠结构，
其中，正电极在p型层上形成，该电极包括由氧化物半导体组成的并且具有通过抛光来平面化的表面的透光电极以及与透光电极电连接并且具有比透光电极更小面积的正接触电极。
[实施例S6]
实施例5的GaN基LED芯片，其中正接触电极的面积小于p型层的上表面面积的1/2。
[实施例S7]
GaN基LED芯片，包括
GaN基半导体层，具有至少包括n型层和p型层的层叠结构，以及
在GaN基半导体层的一个表面上形成的电极，该电极包括由氧化物半导体组成的并且具有通过抛光来平面化的表面的透光电极以及与透光电极电连接并且具有比透光电极更小面积的接触电极。
[实施例S8]
实施例S7的GaN基LED芯片，包括结合到与其上形成了电极的所述表面相对的GaN基半导体层的表面的透光衬底。
[实施例S9]
发光器件，其中下列(a2)的具有垂直类型元件结构的GaN基LED芯片是倒装芯片安装的：
(a2)GaN基LED芯片，包括透光衬底以及在透光衬底上形成的GaN基半导体层，GaN基半导体层具有从透光衬底侧开始依次包括n型层、发光层和p型层的层叠结构，
其中，正电极在p型层上形成，所述电极包括
由氧化物半导体组成的透光电极，以及
与透光电极电连接的正接触电极，以及
正接触电极的面积小于p型层的上表面面积的1/2。
[实施例S10]
发光器件，包括倒装芯片安装的GaN基LED芯片，其中包括传导性透光衬底、在该透光衬底上形成的GaN基半导体层以及在GaN基半导体层上形成的电极，该GaN基半导体层具有至少包括n型层和p型层的层叠结构，
其中，GaN基LED芯片具有垂直类型元件结构，并且电极包括由氧化物半导体组成的透光电极以及与透光电极电连接并且具有比透光电极更小面积的正接触电极。
[实施例S11]
发光器件，包括具有空腔和固定在空腔内的GaN基LED芯片的封装，该GaN基LED芯片包括传导性透光衬底、在所述透光衬底上形成的具有至少包括n型层和p型层的层叠结构的GaN基半导体层以及在所述透光衬底的后侧形成的电极，其中
该电极具有直接或者经由透光欧姆电极在所述透光衬底的后侧形成的接触电极，
所述接触电极的面积小于所述透光衬底的后侧的面积的1/2，以及
GaN基LED芯片以GaN基半导体层侧的表面朝向空腔的开口的方式来固定。
[实施例S12]
GaN基LED芯片，包括传导性透光衬底、具有至少包括n型层和p型层的层叠结构并且在透光衬底上形成的GaN基半导体层以及由氧化物半导体组成的并且经由透光欧姆电极在透光衬底的后侧形成的接触电极，其中通过抛光使欧姆电极的表面平面化。
[实施例S13]
实施例S12的GaN基LED芯片，其中接触电极具有比欧姆电极更小的面积。
[实施例S14]
实施例12或13的GaN基LED芯片，其中接触电极的面积小于透光衬底的后侧的面积的1/2。
[实施例S15]
发光器件，包括实施例S12至S14中的任一个的GaN基LED芯片和具有空腔的封装，其中GaN基LED芯片以GaN基半导体层侧上的芯片的表面朝向空腔的开口的方式来固定。
[实施例S16]
一种产生包括传导性透光衬底、具有至少包括n型层和p型层的层叠结构并且在透光衬底上形成的GaN基半导体层以及经由透光欧姆电极在透光衬底的后侧形成的并且由氧化物半导体组成的接触电极的GaN基LED芯片的方法，
其中，在通过抛光使欧姆电极的表面平面化之后，在所述表面上形成接触电极。
[实施例S17]
实施例S16的生产方法，其中接触电极具有比欧姆电极更小的面积。
[实施例S18]
实施例16或17的生产方法，其中接触电极的面积小于透光衬底的后侧的面积的1/2。
[实施例S19]
发光器件，包括上述(a)中经过倒装芯片安装并且用树脂密封的GaN基LED芯片。
[实施例S20]
发光器件，包括上述(a)中经过倒装芯片安装并且气密密封的GaN基LED芯片。
[实施例S21]
实施例S19或S20的发光器件，其中透光电极具有通过抛光来平面化的表面。
[实施例S22]
实施例S19至S21中的任一个的发光器件，其中，GaN基LED芯片具有与n型层电连接的负接触电极以及在LED芯片的同一侧上的正接触电极，包括负接触电极和正接触电极的接触电极的数量为三个，以及三个接触电极设置为形成三角形。
[实施例S23]
实施例S19至S21中的任一个的发光器件，其中，GaN基LED芯片具有垂直类型元件结构，正接触电极的数量为三个，并且三个正接触电极设置成形成三角形。
工业适用性
[0052]
根据本发明，包括倒装芯片安装的GaN基LED芯片的发光器件在输出功率方面得到改进，由此提供在输出功率方面是优良的并且优选地可作为用于照明用途的白光发光器件的激发光源使用的发光器件。
本申请基于在日本提交的专利申请号2006-274510、2007-242170、2007-242171、2007-242172和2007-246410，通过引用将其内容完整地结合到本文中。

Claims (5)

1.一种发光器件，其中下列(a)的GaN基LED芯片是倒装芯片安装的：
(a)GaN基LED芯片，包括透光衬底以及在所述透光衬底上形成的GaN基半导体层，所述GaN基半导体层具有从所述透光衬底侧开始依次包括n型层、发光层和p型层的层叠结构，
其中，正电极在所述p型层上形成，所述电极包括
由氧化物半导体组成的透光电极，以及
与所述透光电极电连接的正接触电极，以及
所述正接触电极的面积小于所述p型层的上表面的面积的1/2。
2.如权利要求1所述的发光器件，其中，所述正接触电极的面积小于所述p型层的上表面的面积的1/3。
3.如权利要求2所述的发光器件，其中，所述正接触电极的面积小于所述p型层的上表面的面积的1/4。
4.如权利要求3所述的发光器件，其中，所述GaN基LED芯片采用树脂来密封。
5.如权利要求4所述的发光器件，其中，所述透光电极具有通过抛光来平面化的表面。
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