CN101828277A - 半导体发光器件及使用它的半导体发光装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种半导体发光器件及使用它的半导体发光装置。n侧电极呈沿基板的角部或边缘具有比例一定不变的长度的形状，使从n侧电极流向基板的电流分散，来回避n侧电极附近发热。在这种半导体发光器件中，因为存在n侧电极而使发光面积减小。因此，优选设定n侧电极长度为基板全周长度的20％以上且50％以下的值。这么一来，就在导电性基板的一个面上形成有发光层并且在与形成有发光层的一侧相同的一侧形成有n型电极和p型电极的半导体发光装置中，能够回避当供给大功率时在n侧电极附近发热，能够回避发光效率下降。
Description
技术领域
本发明涉及一种n侧电极和p侧电极配置在导电性基板的一个面上的半导体发光器件、和一种将该半导体发光器件配置在副安装部件上而构成的半导体发光装置。
背景技术
用于发光二极管和激光二极管等中的半导体发光器件是通过在蓝宝石基板或GaN系列基板上形成发光的发光层而得到的。发光层具有将发光的活性层夹在p型半导体与n型半导体之间的结构。
活性层利用pn结的顺向电流发光。因此，在形成了平面状活性层的情况下，若要提高发光效率，则需要向平面状活性层均匀地供给电流。
若要向平面状活性层均匀地供给电流，只要将p侧电极及n侧电极安装在夹住活性层的p型半导体层和n型半导体层上就可以。然而，若配置全部覆盖位于活性层的上下面的半导体层的电极，则不能够从活性层中取光。
因此，将p侧及n侧这两种电极配置于基板的一个面上。在这种情况下，在电极形状的设计上特别用心。或者，在配置全部覆盖位于活性层的上下面的半导体层的电极的情况下，由氧化铟锡(ITO)等透明电极构成所述两种电极中的一种电极。
作为一例，专利文献1公开了下述半导体发光器件，即：在蓝宝石等导电率较低的基板上形成面积比较大的活性层，再在该活性层上配置梳状电极，以便向该活性层均匀地供给电流，配置为p侧电极上的任何位置与n侧电极之间的距离都在规定距离以下。
与此相对，在用导电性基板作形成发光层的基板的情况下，即使将p侧电极及n侧电极这两种电极配置在基板的一个面上，因为电流流过基板中，所以也能够从p侧向n侧比较均匀地供给电流。但是，在这种情况下，因为使n型半导体层、活性层及p型半导体层依次层叠起来，所以须要除去活性层形成向两种半导体层中的一方供给电流的电极。也就是说，发光面积减小。于是，将向一半导体层供给电流的电极形成得面积较大，而将向另一半导体层供给电流的电极形成得面积较小。在通常情况下，将p侧电极形成得较大，而将n侧电极形成得较小。
作为所述半导体发光器件之一例，专利文献2公开了将p侧电极及n侧电极形成在GaN系列导电性基板的一个面上而构成的半导体发光器件。在该半导体发光器件中，在基板上依次形成有n型半导体层、活性层及p型半导体层，在p型半导体层上形成有p侧电极，在已除去p型半导体层及活性层而露出的n型半导体层上形成有n侧电极。n侧电极仅形成在基板的一个角部。
专利文献1：日本公开特许公报特开2004-47988号公报
专利文献2：日本公开特许公报特开2007-266427号公报
发明内容
-发明要解决的技术问题-
如已经所述的那样，在使用导电性基板的情况下，即使在基板的一个面上形成p侧电极和n侧电极，也能够将n侧电极形成得小。然而，若增大供给电流以增大发光量，则因为n侧电极较小，所以从n侧电极中流入半导体中的电流会在n侧电极附近集中地流过半导体中的狭小的区域。其结果是，n侧电极附近由于半导体的体电阻(bulk resistance)而产生焦耳热，活性层的发光效率会下降。这是一个课题。
-用以解决技术问题的技术方案-
本发明正是为解决所述课题而研究开发出来的。也就是说，本发明提供一种半导体发光器件，该半导体发光器件具有导电性基板、发光层、p侧电极及n侧电极，该发光层是在所述导电性基板上使n型半导体层、活性层及p型半导体层依次层叠而构成的，该p侧电极形成在所述p型半导体层上，该n侧电极形成在除去所述发光层的一部分而露出的所述n型半导体层上或所述导电性基板上。所述n侧电极形成在所述导电性基板的包括该导电性基板的角部或边缘的一部分上，并呈具有与所述导电性基板的全周长度的比例一定不变的长度的形状。此外，本发明提供一种将这种半导体发光器件安装在副安装部件上而构成的半导体发光装置。
-发明的效果-
在本发明中的半导体发光器件中，n侧电极形成在导电性基板的包括该导电性基板的角部或边缘的一部分上，n侧电极具有与导电性基板的全周长度的比例一定不变的长度。因此，发热现象得到缓和，即使让大功率电流流动，发光效率也不会下降。
附图说明
[图1]图1是表示本发明中的半导体发光器件的结构之一例的图。
[图2]图2是表示将n侧电极长度比大致设定为50％的情况下的结构的图。
[图3]图3是表示n侧电极长度比与使1A的电流流动时的顺向电压之间的关系的图。
[图4]图4是表示n侧电极长度比与使1A的电流流动时的发光输出功率之间的关系的图。
[图5]图5是表示n侧电极的结构之一例的图。
[图6]图6是表示n侧电极的结构之一例的图。
[图7]图7是表示n侧电极的结构之一例的图。
[图8]图8是表示n侧电极的结构之一例的图。
[图9]图9是表示n侧电极的结构之一例的图。
[图10]图10是表示使用镀金属凸块的n侧电极的结构之一例的图。
[图11]图11是图10的剖视图。
[图12]图12是表示使用镀金属凸块的n侧电极和p侧电极的结构之一例的图。
[图13]图13是表示使用镀金属凸块的n侧电极和p侧电极的结构之一例的图。
[图14]图14是表示本发明中的半导体发光装置的结构之一例的图。
[图15]图15是表示本发明中的半导体发光装置的结构之一例的图。
[图16]图16是表示本发明中的半导体发光装置的结构之一例的图。
-符号说明-
1-半导体发光装置；10-半导体发光器件；11-基板；12-n型层；13-活性层；14-p型层；16-n侧电极；17-p侧电极；21-副安装部件；22-n侧引出电极；23-p侧引出电极；24-n侧凸块；25-p侧凸块。
具体实施方式
图1(a)是半导体发光器件10的剖视图；图1(b)是从电极面的方向看而得到的俯视图。图1(a)中表示的是图1(b)的沿点划线截开的剖面。参照图1(a)加以说明。半导体发光器件10由基板11、n型半导体层12、活性层13、p型半导体层14、n侧电极16及p侧电极17构成。将n型半导体层12也称为n型层；将p型半导体层14也称为p型层。由n型层12、活性层13及p型层14形成发光层15。基板11的无发光层的那一侧的面为射光面36。
图1(b)是从形成有n侧电极和p侧电极的那一侧看半导体发光器件10而得到的俯视图。在此，称基板的各个边为eu、ers、els及ed，称各个边的长度为Leu、Lers、Lels及Led。补充说明一下，在本说明书中定为：各个边的长度不包括从基板的端到发光层15为止的部分32的长度。
在本发明中的半导体发光器件中，n侧电极形成为沿基板的边缘30具有比例一定不变的长度的形状。在此，边缘是指基板的面上的、从各个边算起的距离在100μm以下的区域。在图1(b)中，以虚线表示els侧的边缘区域30。此外，角部是指在基板呈多角形的情况下离角有30μm-200μm左右以下的距离的区域。
通过沿基板的边缘形成n侧电极，就能够得到一个相对于基板较大的活性层，能够提高发光输出功率。
在该图中，n侧电极是从右上方的角(角部)沿两个边形成的。具体而言，有沿上方的边eu形成的部分Lnu、和沿右方的边ers形成的部分Lnrs。n侧电极的宽度为20μm左右就可以。若该宽度太窄，就难以形成n侧电极；若该宽度太宽，发光层的面积就减小。
在此，n侧电极的长度，是指沿基板11的两个边延伸的n侧电极部分的长度的总计。在该图中，将Lnu和Lnrs加起来的长度定为n侧电极的长度Ln。优选n侧电极的长度Ln在基板的全周的长度的20％以上且50％以下，参照图3以后的附图说明这一点。基板的全周长度Lsub，是将Leu、Lers、Lels及Led加起来的长度。此外，也可以在n侧电极中形成用来形成凸块的垫片区域31。垫片区域31是用来配置柱形凸块(stud bump)的部分，垫片区域31具有直径在30μm到200μm左右的面积就可以。补充说明一下，n侧电极的长度中也包括垫片区域的长度。在图2中示出的是n侧电极的长度大致为基板的全周长度Lsub的50％的情况。
再次参照图1进行更为详细的说明。基板11起到支撑发光层的作用。在本发明中的半导体发光器件中，用导电性透明基板作该基板11的材料。例如，能够适当地使用氮化镓(GaN)系列化合物半导体、碳化硅(SiC)半导体或氮化铝(AlN)系列化合物半导体等等。
此外，在由氮化镓系列化合物半导体形成发光层的情况下，因为上列材料的折射率和发光层的折射率接近，所以光在基板与发光层之间的界面上的折射比较小，因而上列材料在该情况下更为适当。在发光层以氧化锌(ZnO)作为基体材料的情况下，优选用氧化锌系列化合物半导体形成基板。
因为本发明特别是在使大功率电流流动时缓和n侧电极附近的发热的效果显著，所以本发明能够适当地用于使大功率电流流动的类型的半导体发光器件。因此，优选基板11的面积较大。具体而言，优选使用边长在400μm以上的尺寸的基板。
成为发光层的n型层12、活性层13及p型层14依次层叠在基板11上。发光层的材料并不受特别的限制，优选为氮化镓系列化合物。具体而言，可以分别举出GaN的n型层12、InGaN的活性层13及GaN的p型层14。补充说明一下，也可以使用AlGaN层或InGaN层或者将这些材料叠成多层的层作为n型层12或p型层14。此外，也可以将由GaN、InGaN或AlInGaN构成的缓冲层设置在n型层12与基板11之间。此外，例如也可以将活性层13设为下述结构，即：由InGaN或AlInGaN形成的阱层和由GaN或AlGaN形成的势垒层交替层叠起来的多层结构(量子阱结构)。
从这样层叠的n型层12、活性层13及p型层14的一部分中除去活性层13和p型层14，来使n型层12露出。形成在该露出的n型层12上的就是n侧电极16。同样，在p型层14上形成p侧电极17。也就是说，通过除去活性层13和p型层14而使n型层12露出，就能够在基板的同一个面上形成发光层、p侧电极及n侧电极。补充说明一下，也可以将n侧电极形成于连n型层12也除去而露出的导电性基板11上。
优选用反射率高的Ag、Al或Rh等反射电极作p侧电极17，以让发光层15所发出的光向射光面36侧反射。在这种情况下，为了减少与p型层14之间的欧姆接触电阻，优选在反射电极与p型层14之间形成Pt、Pd、Ni或Co等的薄金属膜、或者由ITO、ZnO等导电性氧化膜形成的接触层。此外，优选在反射电极上隔着Ti、W、Ni、Pt等阻障金属(Barrier metal)形成由Au形成的接合用电极。
优选用反射率高的Al形成n侧电极16中与n型半导体12或导电性基板接触的部分，以能够让光向射光面反射。另一方面，优选用Au形成n侧电极16的表面，作为接合用电极。于是，优选是这样的，即：形成Al层，再在该Al层上由Ti、Pt、Ni或W等元素形成阻障金属层，然后在该阻障金属层上形成Au层。能够利用真空蒸镀法或溅射法等形成所述电极。
接着，对n侧电极的长度Ln加以说明。在图3中，表示n侧电极长度Ln与基板全周长度Lsub的比例、和使1A的电流流过半导体发光器件时的顺向电压之间的关系。称n侧电极长度Ln与基板的全周长度Lsub的比例为n侧电极长度比。
补充说明一下，图3中所示的值是使用下述半导体发光器件得到的：使用由GaN形成且边长为1000μm的正方形导电性基板作为基板，在该基板上形成了共有3μm厚的GaN系列发光层。整个发光器件的厚度设定为100μm。以从与半导体层接触的一侧依次层叠的方式由Al、Ti、W及Au形成了n侧电极；以从与半导体层接触的一侧依次层叠的方式由Pt、Ag、Ti、W及Au形成了p侧电极。
如图1到图2所示，设n侧电极长度Ln为越来越长的值。n侧电极长度与基板的外周长度的比例即n侧电极长度比为100％，是指n侧电极形成在基板的整个周上。
参照图3加以说明。n侧电极长度比小于20％的部分的顺向电压比较高，n侧电极长度比大于20％的部分的顺向电压大致为一定不变的值。
可以认为该倾向基于下述原因，即：随着n侧电极长度Ln增长，从n侧电极流入位于正下方的n型层和基板中后的电流流过基板沿横向扩散时的通过剖面面积增大，因而电流流过该区域时的电阻降低，其结果是顺向电压的上升受到抑制。
图4是表示n侧电极长度比与使1A的电流流动时的发光输出功率之间的关系的图。在此，在n侧电极长度比增加到20％左右为止的范围内，发光输出功率升高，而在该范围以后，发光输出功率大致为一定不变的值。在n侧电极长度比大于50％的范围内，发光输出功率下降。能够以下述原因说明这个结果。
在n侧电极长度比小于20％的区域内，因为从n侧电极流入基板中的电流所流过的通过剖面的面积狭小，所以电阻升高，n侧电极附近发热，活性层由于该热而被加热，其结果是发光效率下降。加之，电流容易集中地流入活性层中离n侧电极近的部分中，该区域的电流密度升高，该情况也使发光效率下降。
另一方面，在n侧电极长度比大致大于50％的区域内，n侧电极一变长，n侧电极的总面积就变大，而p侧电极的面积(即，活性层面积)就相对地变小。因此，活性层的电流密度增高，发光效率逐渐下降。
综上所述，通过设n侧电极长度比为比较大的值，就能够抑制n侧电极附近发热，并能够抑制电流集中地流过活性层，对发光效率的提高有效。然而，在使用基板的一个面上形成有n侧及p侧这两种电极的类型的半导体发光器件的情况下，若使n侧电极长度比大于50％，发光面积本身就减小，因而发光效率随着电流密度的增高而下降，发光量减少。
补充说明一下，在所述说明中对1000μm的器件作了具体的说明。器件的大小并不限于此。当器件的大小不同时，虽然通电时的电流值不同，但是顺向电压和发光输出效率还是示出与图3和图4一样的对n侧电极长度比的依赖性。在器件小于1000μm的情况下，以小于1A的电流值示出同样的对n侧电极长度比的依赖性；在器件大于1000μm的情况下，以大于1A的电流值示出同样的对n侧电极长度比的依赖性。换句话说，参照图3和图4说明的、n侧电极长度比的优选范围不依赖于器件尺寸。
接着，列举本发明中的半导体发光器件的n侧电极形状的变形例。本发明中的半导体发光器件并不限于下列例子。
图5中表示在右上方的角部形成垫片区域，并在上方的边的整个边上形成n侧电极的情况。在这种情况下，因为n侧电极形成在基板的一个边的整个边上，所以n侧电极长度比大致为25％。
图6中表示在上方的边的中央部分形成垫片区域的情况。如该例子所示，不需要将形成垫片的区域仅限于角部。此外，若这样将垫片区域设在n侧电极的中央，电流扩散的方向就有两个，因而有效、适当。补充说明一下，在垫片区域如图1所示位于基板角部的情况下，可以说，若两个边上的n侧电极的长度相等，垫片区域就位于n侧电极的中央。
图7中表示在右上方的角部和左下方的角部这两个成为对角关系的部位上形成垫片区域31的情况。n侧电极形成在两个部分，即，从上方的边到右方的边为止的部分和从左方的边到下方的边为止的部分。在这种情况下，n侧电极长度指两个部分的电极长度的总计。因此，在图7中所示的情况下，若换算为n侧电极长度比的话，就大致相当于40％。
图8中表示下述情况，即：以同样的方式在处于对角关系的两个部位上设置垫片区域，而仅在上方的边和下方的边上形成n侧电极。在这种情况下，n侧电极长度比大致为35％左右。
图9中表示在四个角部形成n侧电极的情况的例子。在该例子中，在n侧电极中未形成用来配置柱形凸块的垫片区域。对如本发明那样在导电性基板的一个面上形成有发光层、p侧电极及n侧电极的类型而言，n侧电极的形成导致发光层面积的减小。特别是因为垫片区域占比较大的面积，所以当如图9所示的那样在四个部位形成n侧电极并且还对该四个部位分别形成用来形成柱形凸块的垫片区域时，发光层的面积会显著地减小。因此，并不一定需要在所有n侧电极中分别形成垫片区域。
当在n侧电极中不形成垫片区域时，优选在n侧电极上形成镀上金属而形成的凸块。这种镀金属凸块是能够以比柱形凸块小的面积形成的，因而能够确保较宽的发光层面积，对发光效率的提高有效。此外，若形成镀金属凸块，就能够自由地形成剖面形状。在图9中，在位于该图9中靠上侧的两个角部的n侧电极中形成三角形区域，来确保较大的镀金属凸块剖面面积。也可以如左下方的角部46那样仅形成线状n侧电极；也可以如右下方的角部47那样形成方形区域。在图9中所示的n侧电极的形状只不过是例子，n侧电极的形状并不限于上列形状。此外，也可以组合起来采用上列形状的变形例；也可以采用任一种类型的形状形成四个角部的n侧电极。
图10中表示在四个角部配置n侧电极16并且在n侧电极的上表面上设置n侧镀金属凸块24的例子。n侧电极形成为：沿基板的边缘延伸，以沿该边缘具有比例一定不变的长度。如已经所述，这样就能够使n侧电极与p侧电极之间的电阻减少。此外，通过还在p侧电极上形成p侧镀金属凸块25，则能够得到良好的粘合性和放热性。
图11是表示图10中的半导体发光器件沿A-A’的截面的图。通过将p侧电极上的镀金属凸块25制作为数量尽量多且尽量稠密，则能够提高发光器件的粘合性和放热性。从这个角度来看，镀上金属而形成的金属膜适于以低成本大量制作较厚的膜。因此，能够容易地制作稠密的镀金属凸块，稠密的镀金属凸块是提高发光器件的粘合性和放热性的有效部件。
图12中表示另一种变形例。在此，n侧电极16覆盖基板的整个周缘。在基板的四个角部形成有镀金属凸块。p侧电极上的镀金属凸块25形成得稠密。
图13中表示其它一种变形例。在此，n侧电极不是沿基板的边缘延伸，而向中央延伸。这样，电子的移动距离就减短，从整体来看，p侧电极与n侧电极之间的电阻值降低。
图14中表示用本发明中的半导体发光器件10构成的半导体发光装置1的例子。半导体发光装置1具有将半导体发光器件10安装在副安装部件上的结构。图14(a)是剖视图；图14(b)是从射光面36侧看而得到的俯视图。
在副安装部件21上形成有引出电极。引出电极是用来将电流施加在半导体发光器件10上的电极。引出电极中有下述电极：连接到半导体发光器件的n型层侧的n侧引出电极22和连接到p型层侧的p侧引出电极23。
在引出电极上形成有凸块。与引出电极一样，凸块中也有下述凸块：连接到n型层上的n侧凸块24和连接到p型层上的p侧凸块25。在图14中有多个p侧凸块，总括而以25这一符号表示该多个p侧凸块。
引出电极和半导体发光器件侧的电极经由所述凸块电连接。因此，该凸块是连接部件。补充说明一下，在此说明为凸块形成在引出电极上。也可以如参照图10到图13说明的镀金属凸块那样在半导体发光器件上事先形成好凸块。
图15是表示使用镀金属凸块的半导体发光器件的情况的俯视图；图16是沿图15的B-B’线的剖视图。用相同的符号表示与图14中的部分相同的部分。在此，40是形成在副安装部件中的通孔。在通孔内部填充有金属等，也能够从副安装部件的背面侧确保导通。如上所述，也可以在副安装部件中形成有通孔。
补充说明一下，可以用硅齐纳二极管、硅二极管、硅、氮化铝、氧化铝或者其他陶瓷材料等材料构成副安装部件21。
可以用金、金-锡、焊锡、铟合金、导电性聚合物等作凸块的材料，其中优选采用金或以金为主要成分的材料。能够利用镀金属法、真空蒸镀法、网版印刷法、液滴喷射法或打线凸块(wire bump)法等由所述材料形成凸块。
例如，利用光刻法，在将半导体发光器件切割成一个个芯片之前的晶片状态下用光致抗蚀剂覆盖要形成镀金属凸块的区域以外的部分，然后利用电镀法在半导体器件的电极上形成镀金属凸块。或者，利用打线凸块法，制作金丝并用接合设备(bonder)将该金丝的一端接合在副安装部件上的引出电极上，然后切断金丝，由此在副安装部件上形成金凸块。或者，也可以利用液滴喷射法，即：利用与喷墨印刷一样的办法用让金等导电性高的材料的微细纳米粒子分散于挥发性溶剂中而成的液体进行印刷，再通过使溶剂挥发来除去该溶剂，从而在副安装部件上形成作为纳米粒子的集合物的凸块。
在图14所示的半导体发光装置中，沿基板11的边缘形成有半导体发光器件的n侧电极16，该n侧电极16沿基板11的边缘有比例一定不变的长度。因此，来自n侧凸块24的电流从沿边缘延伸的部分也被供向导电性基板。其结果是，能够回避电流密度在n侧电极附近增高，该n侧电极附近发热而使发光效率下降的现象发生。这是特别对使500mA以上的大功率电流流动的类型的半导体发光装置有效的结构。
补充说明一下，在本说明书的整体中，Al表示铝；N表示氮；O表示氧；Ag表示银；Rh表示铑；Pt表示铂；Pd表示钯；Ni表示镍；Co表示钴；Ti表示钛；W表示钨；Au表示金；Ga表示镓；In表示铟；Zn表示锌。
-产业实用性-
本发明能够用于下述半导体发光器件及使用它的半导体发光装置，该半导体发光器件是：在基板的一个面上设置n侧电极和p型电极，并使基板的相反一侧的面为射光面的半导体发光器件。
Claims (10)
1.一种半导体发光器件，具有导电性基板、发光层、p侧电极及n侧电极，该发光层是在所述导电性基板上使n型半导体层、活性层及p型半导体层依次层叠而构成的，该p侧电极形成在所述p型半导体层上，该n侧电极形成在除去所述发光层的一部分而露出的所述n型半导体层上或所述导电性基板上，其特征在于：
所述n侧电极形成在所述导电性基板的包括该导电性基板的角部或边缘的一部分上，并呈具有与所述导电性基板的全周长度的比例一定不变的长度的形状。
2.根据权利要求1所述的半导体发光器件，其特征在于：
所述n侧电极呈沿所述导电性基板的边缘具有所述比例一定不变的长度的形状。
3.根据权利要求1或2所述的半导体发光器件，其特征在于：
所述n侧电极形成在所述导电性基板的包括该导电性基板的角部的一部分上。
4.根据权利要求1到3中的任一项所述的半导体发光器件，其特征在于：
所述n侧电极具有为形成凸块的区域的垫片区域。
5.根据权利要求4所述的半导体发光器件，其特征在于：
所述垫片区域配置在所述n侧电极的上表面的中央部分。
6.根据权利要求1到5中的任一项所述的半导体发光器件，其特征在于：
在所述n侧电极上形成有镀金属凸块。
7.根据权利要求6所述的半导体发光器件，其特征在于：
在所述p侧电极上形成有镀金属凸块。
8.根据权利要求1到7中的任一项所述的半导体发光器件，其特征在于：
所述n侧电极的长度在所述导电性基板的全周长度的20％以上。
9.根据权利要求1到7中的任一项所述的半导体发光器件，其特征在于：
所述n侧电极的长度在所述导电性基板的全周长度的50％以下。
10.一种半导体发光装置，其特征在于：
是使用权利要求1到9中的任一项所述的半导体发光器件构成的。
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20120307 Termination date: 20131030 |