CN102194986A - 半导体发光器件以及制造半导体发光器件的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及半导体发光器件以及半导体发光器件的制造方法。一种半导体发光器件具有支撑衬底、发光元件和底部填充材料。所述发光元件包括在所述支撑衬底上通过凸起而接触的基于氮化物的III-V族化合物半导体层。所述底部填充材料被设置在所述支撑衬底与所述发光元件之间，所述底部填充材料包括肋部，所述肋部被设置在所述发光元件的端面的外侧以围绕所述发光元件的所述端面。

Description

半导体发光器件以及制造半导体发光器件的方法

相关申请的交叉引用

本申请基于在2010年3月9日提交的在先的日本专利申请2010-52209并要求其优先权，并将其全部内容通过引用并入到这里。

技术领域

本实施例涉及使用基于氮化物的III-V族化合物半导体的半导体发光器件以及制造半导体发光器件的方法。

背景技术

可以通过在蓝宝石衬底、SiC衬底等等上进行基于氮化物的III-V族化合物半导体的晶体生长来制造诸如激光二极管(LD)和发光二极管(LED)的光学器件。作为该类型的光学器件的技术问题，需要改善散热性能和光提取效率。当在其中流过大电流时，该类型的光学器件难以稳定地操作。

近期，提出了旨在更高的光提取效率的半导体发光器件，其中通过倒装芯片(flip-chip)安装将形成在蓝宝石衬底上的III-V化合物半导体安装在子安装(sub-mount)衬底上，然后用底部填充(underfill)材料固定化合物半导体，然后使蓝宝石衬底从半导体剥离，之后处理化合物半导体的上表面以形成粗糙的表面。

然而，当将底部填充材料附接到蓝宝石衬底的侧面时，激光剥离方法需要过量的力来剥离蓝宝石衬底。因此要关注到以下方面，即，当用力剥离蓝宝石衬底时化合物半导体会开裂。

出于该原因，已经提出了一种技术，其中底部填充材料未附接到蓝宝石衬底的侧面(参见文件1：JP-A 2008-140873(特开))。

然而，在专利文件1中，虽然底部填充材料未附接到蓝宝石衬底的侧面，但其附接到蓝宝石衬底的底表面。因此，为了剥离蓝宝石衬底，仍需要过量的力。这会导致化合物半导体和/或底部填充材料开裂或破碎。此外，为了形成具有文件1中所公开的形状的底部填充材料，需要另外的制造工艺，这导致制造成本提高。

发明内容

根据一个实施例，一种半导体发光器件具有支撑衬底、发光元件和底部填充材料。所述发光元件包括在所述支撑衬底上通过凸起(bump)而接触的基于氮化物的III-V族化合物半导体层。所述底部填充材料被设置在所述支撑衬底上以接触所述支撑衬底、所述发光元件以及所述凸起，所述底部填充材料包括肋部(rib portion)，所述肋部被设置在所述发光元件的端面的外侧以围绕所述发光元件的所述端面。

附图说明

图1为根据实施例的半导体发光器件的截面图；

图2为示出了在蓝宝石衬底20上形成的化合物半导体层6的实例的截面图；

图3为示出了本实施例的半导体发光器件的制造方法的实例的工艺图；

图4为在图3之后的工艺图；以及

图5为封装后的半导体发光器件的截面图。

具体实施方式

下面将参考附图说明实施例。

图1为根据实施例的半导体发光器件的截面图。图1的半导体发光器件具有：p电极层4和n电极层5，其中的每一个被分别通过接合金属层2和凸起3而连接到成为支撑衬底的子安装衬底1；以及基于氮化物的III-V族半导体层(发光元件)6，其被连接到p电极层4和n电极层5。

化合物半导体层6具有由图1中从上到下的n型接触层7、n型半导体层8、发光层9、p型半导体层10以及p型接触层11构成的层叠结构。优选地，利用通过以高质量晶体生长而生长在蓝宝石衬底上的基于GaN的单晶来形成化合物半导体层6中的各层。各层的具体材料为例如Al_xGa_1-x-yIn_yN(0≤x≤1，0≤y≤1)。

n型接触层7的上表面为光提取表面12，该表面被处理以形成粗糙表面，从而提高光提取效率。在光提取表面12上形成绝缘膜13以减小折射率差。

在制造图1的半导体发光器件之前的步骤中，通过晶体生长在蓝宝石衬底20上生长化合物半导体层6。图2是示出通过晶体生长在蓝宝石衬底20上生长的化合物半导体层6的实例的截面图。在图2中，与图1相同的层具有相同的参考标号。图2的化合物半导体层6具有在蓝宝石衬底20上依次层叠的缓冲层21、n型接触层7、n型半导体层8、发光层9、p型半导体层10以及p型接触层11。p电极层4形成在p型接触层11上，而n电极层5形成在n型接触层7上。除了在其上形成了p电极层4和n电极层5的区域之外，化合物半导体层6的表面被覆盖有绝缘膜22。

通过晶体生长直接在蓝宝石衬底20上形成缓冲层21。缓冲层21不需要用杂质掺杂。然而，存在使用诸如锗(Ge)的n型杂质以约2×10¹⁸cm^-3的浓度掺杂缓冲层21的情况。缓冲层21的生长温度为例如约1000到1100℃。

用于发光层9的结构为SQW结构，该结构通过层叠具有若干纳米的膜厚度的InGaN构成的量子阱层和设置在量子阱层的两侧的具有若干纳米的膜厚度的由未掺杂的InGaN构成的势垒层而获得。或者，层9为通过彼此层叠量子阱层和势垒层而获得的MQW结构。层叠结构的生长温度为约700到800℃。

通过使用诸如锗或锌的p型杂质以约4×10¹⁸cm^-3到1×10²⁰cm^-3的杂质浓度掺杂基于GaN的半导体层来形成p型半导体层10。通过使用诸如Mg的p型杂质以约1×10¹⁹cm^-3的杂质浓度掺杂基于GaN的半导体层来形成p型接触层11。生长温度为约1000到1100℃。在p型接触层11上形成p电极层4。

通过利用热处理来层叠p型欧姆电极层和高反射电极层，形成p电极层4。p型欧姆电极层需要与p型半导体层10的低接触电阻。因此，优选诸如Pt、Ru、Os、Rh、Ir、Pd等等的铂族或Ag。考虑到折射率，Ag是优选的，因为其呈现高折射率。还用Ag等等形成高反射电极层。

通过用n型杂质(例如，Si)以小于n型接触层7的掺杂量掺杂基于GaN的半导体层来形成n型半导体层8。

具有高于n型半导体层8的n型杂质浓度的n型接触层7与n电极层5欧姆接触。通过用大量的Si掺杂基于GaN的半导体层来形成n型接触层7。

n电极层5需要与n接触层7形成欧姆接触的材料。优选Ti/Al或Ti/Al/Ni/Au。

如图1和2所示，用绝缘膜22覆盖化合物半导体层6的表面。因此，即使n电极层5和p电极层4都被设置在蓝宝石衬底20的同一主表面侧，也不用担心二者会彼此电连接。

优选将SiO₂用于绝缘膜22，其可以通过CVD或PVD形成。可以用SiN形成绝缘膜22。然而，由于高的膜应力，这需要100nm或更小的膜厚度。

在p电极层4和n电极层5的每个表面上形成衬垫电极(未示出)，以实现与凸起或Au布线的更高的可接触性。优选地，衬垫电极的最顶层为具有约100nm或更大的膜厚度的Au。通过形成最顶层结束洁净室工艺。随着洁净室工艺的结束，便完成了图1的半导体发光器件的制造。

图3和4示出了根据本实施例的半导体发光器件的制造方法的实例。首先，在蓝宝石衬底20上形成具有图2的结构的化合物半导体层6。在图3中，虽然以简化的形式示出了化合物半导体层6，但层6实际上具有与图2相同的结构，在层6上形成有p电极层4和n电极层5。化合物半导体层6被接合到粘合片(adhesive sheet)30，其中蓝宝石衬底20在片30之上。然后通过使用激光切割机或划片机等等将化合物半导体层6切割为单个的发光器件。在本说明书中，每一个切割下的芯片称为发光部。发光部具有蓝宝石衬底20和形成在其上的化合物半导体层6。

接下来，如图3(a)所示，在每个切割出的发光部中，至少在化合物半导体层6和蓝宝石衬底20的侧面上，优选地，在化合物半导体层6和蓝宝石衬底20的侧面上以及蓝宝石衬底20的上表面上，施加保护膜31。然后，干燥保护膜31。保护膜31优选为可溶于有机溶剂中的光致抗蚀剂或可溶于沸水中的PVA(聚乙烯醇)或PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯树脂)。

如图2所示，在化合物半导体层6的使保护膜31形成在其上的表面上已经形成了p电极层4和n电极层5。然后，在p电极层4和n电极层5上形成凸起3，并将凸起3连接到子安装衬底1(图3(b))。在图3(b)中，为了简化而略去了接合金属层2。凸起3的材料优选为Au。然而，与凸起3相比，从操作效率考虑，更优选引线接合。

由AuSn等等构成的接合金属层需要预先形成在子安装衬底1上并与凸起3的接合位置相符合。通过接合金属层，利用热压接合使化合物半导体层6与子安装衬底1彼此接合。

接下来，如图3(c)所示，将底部填充材料32填充到彼此接合的化合物半导体层6与子安装衬底1之间的间隙中。底部填充材料32优选为基于环氧或基于硅的树脂。

接下来，如图4(a)所示，在热固化底部填充材料32之后，通过溶剂或沸水去除保护膜31。需要将底部填充材料32的材料选择为当去除保护膜31时不会溶解。

通过去除保护膜31，沿底部填充材料32的边缘形成肋部32a。于是，化合物半导体层6和子安装衬底1被设置在由肋部32a围绕的区域的内侧。底部填充材料32的肋部32a不接触化合物半导体层6的边缘和子安装衬底1的边缘。这是底部填充材料32的结构特征。

接下来，如图4(b)所示，从背侧(图4(b)中的上侧)向蓝宝石衬底20发射激光束(例如，KrF激光束)，以通过激光剥离方法剥离蓝宝石衬底20。虽然依赖于化合物半导体层6的面积、激光束的面内密度分布或束面积，激光功率密度优选为约0.65到0.80J/cm²。

如上所述，底部填充材料32的肋部32a不接触子安装衬底1的边缘。因此不用担心当通过激光剥离方法剥离蓝宝石衬底20时会施加过量的力。因此，不会损伤化合物半导体层6。

接下来，如图4(c)所示，对暴露的化合物半导体层6的缓冲层21和n型接触层7进行诸如ICP-RIE的干法蚀刻或使用强碱溶液的湿法蚀刻，由此形成n型接触层7的粗糙表面。

在形成粗糙表面的工艺中，优选粗糙蚀刻到这样的程度，即，缓冲层21消失，因此n型接触层7成为最顶表面。通过该形成粗糙表面的工艺，提高了光提取效率并增大了半导体发光器件的光输出。

除了形成粗糙表面的工艺之外，还优选进行减小光提取表面12的折射率差的工艺。例如，当在具有粗糙表面的n型接触层7上施加绝缘膜13时，可以实现光输出的进一步增大。用于减小折射率差的绝缘膜13优选具有50到200nm的膜厚度，16到25的折射率以及80％或更高的透射率。

通过上述工艺获得具有图1的结构的半导体发光器件。如上所述，特别独特的结构在于底部填充材料32的肋部32a。通过在图4(a)的工艺中去除保护膜31来获得肋部32a。在发光部的边缘的外侧设置肋部32a，因此肋部32a绝不会与化合物半导体层6和蓝宝石衬底20的侧面接触。

当完成图1的半导体发光器件时，进行封装工艺。图5为封装后的半导体发光器件的截面图。在底部填充材料32的肋部32a与化合物半导体层6的侧面之间施加掺杂有荧光剂材料的树脂(第一树脂)33。此外，用穹顶状密封树脂(第二树脂)34覆盖化合物半导体层6和底部填充材料32。还优选用荧光剂材料掺杂密封树脂34。

根据本实施例的化合物半导体层6适用于在光发射波长为405到470nm的所谓的蓝光区域中的光发射。在该光发射波长中，荧光剂材料优选为YAG(钇铝石榴石)或SOSE(铕原硅酸锶钡(Strontium Barium Orthosilicate Europium))。通过组合化合物半导体层6与蓝光区域的荧光剂材料还可以实现白光的光发射。

当化合物半导体层6的光发射波长短于405nm时，密封树脂34的劣化率极高。另一方面，当波长大于470nm时，黄色荧光剂材料的激发效率劣化，因此由于颜色混合而导致难以制造白光LED。出于该原因，在该实施例中，如上所述，光发射波长优选为405到470nm。

此外，通过提供荧光剂材料，可以从发光层9在化合物半导体层6的侧面的方向上发射光，由此提高了光发射效率。

在选择上述底部填充材料32的材料时，需要注意材料的硬度和粘度。硬度的标准为，KrF激光束的辐射冲击不会使GaN薄膜开裂。通常，使用低硬度的树脂33时，KrF激光束的辐射冲击会使GaN薄膜开裂。作为本发明人考虑几种树脂33的硬度的实验的结果，发现约D60到D85的硬度对于基于环氧的树脂33是优选的。

存在两个有关粘度的标准。标准之一为在由AlN构成的子安装衬底1与化合物半导体层6之间没有间隙(空隙)。另一标准为，尽可能地限制树脂33朝向蓝宝石衬底20的蠕升(creeping-up)。

作为本发明人考虑几种树脂33的粘度的实验结果，发现约0.8到1.4Pa·s的粘度是优选的。

当利用由根据上述标准选择的材料构成的底部填充材料32制造图1的半导体发光器件时，底部填充材料32的肋部32a的高度h在5μm＜h＜100μm的范围内。蓝宝石衬底20的厚度为100到150μm。子安装衬底1的厚度为约5μm。从肋部32a的内壁到化合物半导体层6的距离为约20μm。

如上所述，在该实施例中，底部填充材料32具有肋部32a，以便这样的底部填充材料32不接触化合物半导体层6和蓝宝石衬底20的侧面，化合物半导体层6通过该底部填充材料32而接合到子安装衬底1。由此，当通过激光剥离方法剥离蓝宝石衬底20时，不会存在由底部填充材料32与蓝宝石衬底20之间的接触导致的为了剥离蓝宝石衬底20而需要过量的力的问题。

此外，在底部填充材料32的肋部32a与化合物半导体层6之间获得了用于填充荧光剂材料的空间。因此，可以通过荧光剂材料点亮从化合物半导体层6在侧面的方向上泄漏的光，由此增大光输出。

虽然已描述了特定的实施例，但是这些实施例仅仅以实例的方式示出，并且不旨在限制本发明的范围。实际上，这里描述的新颖方法和系统可以被具体化为各种其他的形式；此外，可以进行这里描述的方法和系统的形式上的各种省略、替换和改变而不背离本发明的精神。所附权利要求及其等价物旨在覆盖落入本发明的范围和精神内的这样的形式和修改。

Claims (20)

1.一种半导体发光器件，包括：

支撑衬底；

发光元件，其包括在所述支撑衬底上通过凸起而接触的基于氮化物的III-V族化合物半导体层；以及

底部填充材料，其被设置在所述支撑衬底上以接触所述支撑衬底、所述发光元件以及所述凸起，所述底部填充材料包括肋部，所述肋部被设置在所述发光元件的端面的外侧以围绕所述发光元件的所述端面。

2.根据权利要求1的器件，还包括包含荧光剂材料的第一树脂，所述第一树脂被设置在所述底部填充材料上和所述肋部的内侧以至少覆盖所述发光元件的所述端面的一部分。

3.根据权利要求2的器件，还包括封装，所述封装覆盖所述发光元件的所有表面和所述肋部的外侧端面的内侧，所述封装由包含荧光剂材料的第二树脂材料构成。

4.根据权利要求1的器件，其中所述底部填充材料为具有D60到D85的硬度和0.8到14Pa·s的粘度的基于环氧的树脂。

5.根据权利要求1的器件，其中所述肋部具有锥形形状，在所述锥形形状中所述肋部的截面积朝向所述发光元件连续变小。

6.根据权利要求1的器件，其中所述肋部的内侧壁被设置为与所述发光元件的侧壁平行相对。

7.根据权利要求1的器件，其中所述底部填充材料被紧密地设置到所述支撑衬底、所述凸起和所述发光元件。

8.根据权利要求1的器件，其中所述发光元件包括p型电极和n型电极，所述p型电极和所述n型电极均被设置在所述支撑衬底的相反的表面中的一个表面上或另一个表面上，所述p型电极和所述n型电极通过分离的凸起而与所述支撑衬底接触。

9.根据权利要求1的器件，其中在所述发光元件的与所述支撑衬底相反的表面上设置经粗糙处理的光提取表面。

10.一种半导体发光器件的制造方法，包括以下步骤：

在剥离目标衬底上形成基于氮化物的III-V族化合物半导体层；

以发光器件为单位使所述剥离目标衬底和所述基于氮化物的III-V族化合物半导体层孤立化以形成多个发光元件；

用保护膜覆盖所述发光元件的所有端面，同时使所述多个发光元件与片材料接触；

从被所述保护膜覆盖的所述发光元件去除所述片材料，然后通过凸起使所述发光元件中的所述基于氮化物的III-V族化合物半导体层与支撑衬底接触；

用底部填充材料覆盖从所述支撑衬底的表面到所述保护膜的侧面的至少一部分的区域；

去除所述保护膜以通过所述底部填充材料形成肋部，所述肋部被设置在所述发光元件的所述端面的外侧以围绕所述发光元件的所述端面；

通过激光剥离而剥离所述剥离目标衬底；以及

粗糙蚀刻所述发光元件的与所述剥离目标衬底接触的表面。

11.根据权利要求10的方法，其中所述底部填充材料的内侧壁面与所述发光元件的所述端面之间的间隔依赖于所述保护膜的厚度。

12.根据权利要求10的方法，其中分别选择所述保护膜的材料和所述底部填充材料，以便在去除所述保护膜时不去除所述底部填充材料。

13.根据权利要求10的方法，其中设置包含荧光剂材料的第一树脂以至少覆盖在所述底部填充材料的上部区域中的所述发光元件的所述端面的一部分和所述肋部的内侧。

14.根据权利要求13的方法，其中设置由包含荧光剂材料的第二树脂构成的封装以覆盖所述发光元件的所有表面和所述肋部的外侧端面的内侧。

15.根据权利要求10的方法，其中所述底部填充材料为具有D60到D85的硬度和0.8到14Pa·s的粘度的基于环氧的树脂。

16.根据权利要求10的方法，其中所述肋部具有锥形形状，在所述锥形形状中所述肋部的截面积朝向所述发光元件连续变小。

17.根据权利要求10的方法，其中所述肋部的内侧壁被设置为与所述发光元件的侧壁平行相对。

18.根据权利要求10的方法，其中所述底部填充材料被紧密地设置到所述支撑衬底、所述凸起和所述发光元件。

19.根据权利要求10的方法，其中所述发光元件包括p型电极和n型电极，所述p型电极和所述n型电极均被设置在所述支撑衬底的相反的表面中的一个表面上或另一个表面上，所述p型电极和所述n型电极通过分离的凸起而与所述支撑衬底接触。

20.根据权利要求10的方法，还包括：

在所述经粗糙处理的发光元件的表面上形成绝缘膜。

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