CN102244173B - 发光元件及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明获得可高效率取出光的发光元件及其制造方法。发光二极管(20)由Si基板(21)和通过外延生长形成在其上的半导体层形成。该半导体层由n型GaN层(n型半导体层)(22)和p型GaN层(p型半导体层)(23)构成。在该发光二极管(20)的侧面邻接形成有透光性绝缘层(30)。在该结构中，发光二极管(20)和透光性绝缘层(30)的上表面都由公共的透明电极(42)覆盖。在透明电极(42)中的透光性绝缘层(30)上的区域内形成有电极焊盘(43)。由于电极焊盘(43)不形成在发光二极管(20)上，因而光不会由电极焊盘(43)或者连接在电极焊盘(43)上的接合线或钎焊接合的配线等遮挡。

Description

发光元件及其制造方法

技术领域

本发明涉及将半导体作为结构材料进行发光的发光元件的结构及其制造方法。

背景技术

使用半导体的发光二极管(LED)的照明设备与现有的白炽灯泡和荧光灯相比消耗功率低且发热低，因而期待将来成为白炽灯泡和荧光灯的替代。然而，与白炽灯泡和荧光灯等相比，LED照明设备目前价格非常高，因而降低其价格是最大的课题。

另一方面，将半导体的pn结用作发光面的LED由于难以制造大面积的LED，因而为了将该LED用作照明设备，需要使很多小的LED元件进行排列来作成实质上的大面积。因此，为了降低LED照明设备的价格，需要一种使很多小的LED元件在保持其高发光效率的状态下进行排列的制造技术。

在专利文献1中记载了该一例的制造方法。这里，在1枚半导体晶片中形成很多发光二极管，之后为了将各个发光二极管进行分离，在切割带上切割(切断)半导体晶片。之后，在通过使切割带膨胀而扩展的发光二极管之间的空间内填充透光性绝缘层。图7示出使用该制造方法制造出的发光元件90的剖面形状。在发光元件90中，在内部具有发光层的半导体层91的上下表面经由导电性粘接剂层92形成电极93，在侧面形成透光性绝缘层94。半导体层91由GaN等构成，将其n型层和p型层在图中的上下方向层叠而构成。发光层主要为该pn结界面附近。N型层和p型层分别与上下的电极93连接，该发光二极管的正向电流流入上下的电极93之间，从而该发光元件90发光。

该结构的发光元件90由1枚半导体晶片作成多个，将它们排列成期望的形态来作成照明器具。

【专利文献1】日本特开平10-144631号公报

在图7的结构的发光元件90中，导电性粘接剂层92和电极93对发光二极管发出的光是不透明的。因此，在使用该发光元件90时，如图7中的箭头所示，从侧面通过透光性绝缘层94取出发光。然而，由于半导体层91中的发光层是朝图7中的左右方向延伸的pn结界面，因而其发光强度特别高的是在图中的上下方向，在左右方向弱。因此，在图7的结构中难以提高发光效率。

并且，在图7的结构中，在导电性粘接剂层92和电极93由透明材料构成的情况下，从上方向也能取出光。然而，在从外部进行与例如图7中的上侧的电极93的电连接的情况下，需要在电极93上实施线接合或钎焊接合，即由金属形成的配线使用这些方法来连接。因此，在该情况下，在上方向发出的光由该配线或钎焊遮挡。此时，配线的粗细、进行线接合或钎焊接合的电极的大小有下限，难以减小该被遮光区域的面积。结果，难以高效率取出在上方向发出的光。

这样，难以获得可高效率取出光的发光元件。

发明内容

本发明是鉴于上述问题而作成的，本发明的目的是提供解决上述问题的发明。

为了解决上述课题，本发明采用以下列出的结构。

本发明的发光元件，该发光元件使用发光二极管，该发光二极管具有在内部设有发光层的半导体层形成在基板上的结构，其特征在于，该发光元件具有：所述发光二极管；透光性绝缘层，其与所述发光二极管的侧面邻接而形成；透明电极，其覆盖所述发光二极管的上表面和所述透光性绝缘层的上表面，与所述发光二极管的一个极电连接；以及电极焊盘，其形成在所述透明电极上的位于所述透光性绝缘层的上面的区域内。

在本发明的发光元件中，其特征在于，所述基板是硅单晶体，所述半导体层包含由III-V族化合物半导体材料构成的n型半导体层和p型半导体层。

在本发明的发光元件，其特征在于，所述基板具有导电性，在所述基板的下表面形成有与所述发光二极管的另一个极电连接的背面电极。

本发明的发光元件，其特征在于，在所述半导体层的上表面侧分别具有2组与所述发光二极管的一个极和另一个极分别电连接的所述透明电极和所述电极焊盘。

本发明的发光元件，其特征在于，在所述透光性绝缘层中混入了荧光材料。

本发明的发光元件的制造方法，该发光元件使用发光二极管，该发光二极管具有发光层形成在半导体层中的结构，且该半导体层的上表面为一个极，其特征在于，该发光元件的制造方法具有：发光二极管分离步骤，将形成有所述半导体层的晶片中的与形成有所述半导体层的侧相反侧的面贴附在切割带上，之后切断所述晶片并分离为各个发光二极管；膨胀步骤，使所述切割带膨胀；透光性绝缘层形成步骤，在膨胀后的所述切割带上，在邻接的所述发光二极管之间填充透光性绝缘材料，从而形成与所述发光二极管邻接的透光性绝缘层；透明电极形成步骤，形成覆盖所述发光二极管的上表面和所述透光性绝缘层的上表面的透明电极；电极焊盘形成步骤，在所述透明电极上的位于所述透光性绝缘层的上面的区域内形成电极焊盘；以及切断步骤，通过形成从上表面到下表面贯通所述透明电极和透光性绝缘层的槽，获得具有所述发光二极管和所述透光性绝缘层邻接的结构的各个发光元件。

本发明的发光元件的制造方法，其特征在于，该制造方法使用具有在导电性的基板上形成有所述半导体层的结构的所述晶片，具有在所述基板的下表面形成背面电极的背面电极形成步骤，在所述切断步骤中，形成所述槽，使得贯通所述背面电极。

本发明由于按以上构成，因而可获得能高效率取出光的发光元件。

附图说明

图1是本发明的实施方式涉及的发光元件的立体图(a)及其A-A方向的剖面图(b)。

图2是示出本发明的实施方式涉及的发光元件的制造方法的工程剖面图。

图3是示出本发明的实施方式涉及的发光元件的制造方法的步骤剖面图(图2的后续)。

图4是从上表面观察本发明的实施方式涉及的发光元件的制造方法的各步骤的图。

图5是从上表面观察本发明的实施方式涉及的发光元件的制造方法的各步骤的图(图4的后续)。

图6是本发明的实施方式涉及的发光元件的变型例的立体图(a)、俯视图(b)及其B-B方向的剖面图(c)。

图7是现有的发光元件的一例的剖面图。

标号说明

10、50、90：发光元件；20、60：发光二极管；21：Si基板(基板)；22、62：n型GaN层(n型半导体层)；23、63：p型GaN层(p型半导体层)；24：晶片；30、70、94：透光性绝缘层；41：背面电极；42、81、82：透明电极；43、83、84：电极焊盘；61：基板；71：n侧电极；91：半导体层；92：导电性粘接剂层；93：电极；100、101：切割带；110、120：槽。

具体实施方式

以下，说明本发明的实施方式的发光元件及其制造方法。在该发光元件中，使用在半导体层中形成有发光层的发光二极管。与该发光二极管的侧面邻接形成有透光性绝缘层，发光二极管的上表面和透光性绝缘层的上表面由公共的透明电极覆盖。在透明电极上的位于透光性绝缘层的上面的区域内形成有电极焊盘。由于发光二极管的上表面成为发光二极管中的一个极，因而该电极焊盘与该极电连接。在该结构中，由于来自发光二极管的发光很少被遮挡，因而可获得高的发光效率。

图1是该发光元件的立体图(a)及其A-A方向的剖面图(b)。

在该发光元件10中使用发光二极管20。发光二极管20由导电性的基板(Si基板21)和通过外延生长形成在其上的半导体层形成。该半导体层由n型GaN层(n型半导体层)22和p型GaN层(p型半导体层)23构成。在该发光二极管20中，n型GaN层22和p型GaN层23之间的界面的pn结附近为主发光层。此时，通过使正向电流流入该pn结，可使该发光二极管20发光。

如图1(b)所示，在该发光二极管20的侧面邻接形成有透光性绝缘层30。透光性绝缘层30是例如对发光二极管20发出的光透明且绝缘性的材料，例如使用环氧树脂和聚酰亚胺等。

在发光二极管20和透光性绝缘层30邻接形成的结构的下表面形成有背面电极41，而在上表面形成有透明电极42。背面电极41由可经由Si基板21与n型GaN层22电连接的材料，例如铝(Al)构成。透明电极42由能与p型GaN层23欧姆接触、且对发光二极管20发出的光透明的材料，例如ITO(Indium-Tin-Oxide，氧化铟锡)、ZnO(Zinc-Oxide，氧化锌)等构成。另外，为了提高与p型GaN层23之间的欧姆性和与透光性绝缘层30之间的密合性等，还可以在它们之间插入薄的钛(Ti)层或镍(Ni)层。

在该结构中，发光二极管20和透光性绝缘层30的上表面都由公共的透明电极42覆盖。不过，由于透光性绝缘层30是具有绝缘性的，因而在该结构中，电流仅在Si基板21、n型GaN层22、p型GaN层23中流动。因此，通过对背面电极41和透明电极42施加电压来使正向电流流入该发光二极管20，可使该发光二极管20发光。

在透明电极42中的透光性绝缘层30上的区域内形成有电极焊盘43。电极焊盘43由可在其上实施线结合或钎焊接合的金属构成，例如由钛(Ti)/金(Au)的层叠结构、Al等构成。其厚度充分厚到可在其上实施线结合或钎焊接合的程度，可以采用不使发光二极管20发出的光透射的程度的厚度。

为了使该发光元件10动作，使电流在发光二极管20中的一个极(p型GaN层23)和另一个极(n型GaN层22)之间正向流动。其中，针对p型GaN层23，如上所述，可使电流从与该p型GaN层23连接的电极焊盘43通过接合线或者进行了钎焊接合的配线从外部流入该p型GaN层23。另一方面，针对n型GaN层22，只要将该发光元件10使用例如导电性粘接剂固定在电极上，就能使电流经由与该n型GaN层22间接连接的背面电极41流入该n型GaN层22。

在上述结构中，来自发光二极管20的发光与专利文献1记载的技术一样，从图1(b)中的横方向被取出，并且，也经由透明电极42从上侧被取出。此时，由于电极焊盘43不形成在发光二极管20上，因而光不会由电极焊盘43或者连接在电极焊盘43上的接合线或钎焊接合的配线等遮挡。因此，可获得高的发光效率。

此时，在电极焊盘43由对光的反射率高的Al、银(Ag)等构成的情况下，可减少光由电极焊盘43吸收的比例，可进一步提高发光效率。

另外，在图1中的发光元件10中，采用在从上表面观察发光元件10的矩形的一顶点侧设有发光二极管20的结构，然而也能采用在该矩形的中央部设置发光二极管、且其全周由透光性绝缘层30包围的结构。

并且，构成透光性绝缘层30的材料可以是荧光材料而不是光透射率高的透明材料，或者也能将荧光材料掺入构成透光性绝缘层30的材料内。在该情况下，来自发光二极管20的发光可由该荧光材料吸收，该荧光材料可进行发出与该发光不同的波长的光的多色发光。例如，在发光二极管发出的光是蓝色的情况下，只要使用YAG(钇铝石榴石)系的荧光材料，也能获得该2种波长的光混合的假白色的发光。

并且，在对透光性绝缘层30上的电极焊盘43实施线接合的情况下，施加高的压力和超声波。为了应对与此，只要在透光性绝缘层30中添加玻璃填料，就能提高透光性绝缘层30的机械强度，能提高线接合时的耐性。并且，通过在透光性绝缘层30的表面设置凹凸，也能提高与透明电极42之间的密合性。

该结构的发光元件10可使用以下说明的制造方法容易制造。图2(a)～(h)、图3(i)～(l)是示出该制造方法的步骤剖面图，图3示出接后续2的步骤。并且，图4(a)～(h)、图5(i)～(l)是从发光元件10的上表面侧观察与该制造方法在图2、图3中的各步骤对应的形态的俯视图。另外，在这些图中，简化了记载，图中的尺寸比率和切断获得的发光元件10的个数等与实际情况不同。

首先，如图2(a)所示，制造在导电性的Si基板21上依次形成有n型GaN层22和p型GaN层23的结构的晶片24(晶片形成步骤)。Si基板21是硅的单晶基板，掺杂有杂质以便具有导电性。并且，在该基板上适当设定了其面方位，以使优质的n型GaN层22和p型GaN层23可进行异质外延生长。将n型GaN层22和p型GaN层23形成在该Si基板21上的步骤可使用MBE(Molecular Beam Epitaxy，分子束外延)法、或者MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition，金属有机物化学气相沉积)法进行。在n型GaN层22内适当掺杂成为施主的杂质，而在p型GaN层23内适当掺杂成为受主的杂质。n型GaN层22的厚度可采用例如5.0μm左右，p型GaN层23的厚度可采用例如0.2μm左右。

然后，如图2(b)所示，将上述晶片24中的Si基板21侧贴附在切割带(膨胀带)100上。切割带100是可通过热处理等进行均匀膨胀的带，其大小如图4(b)所示大于上述的晶片24。

然后，如图2(c)所示，在切割带100上形成多个槽110，以便从p型GaN层23侧的表面贯通到基板21(发光二极管分离步骤)。该槽110如图4(c)所示在垂直的2个方向形成。槽110例如使用切割锯或激光切割来形成。

然后，如图2(d)所示，对切割带100施加热处理，使其膨胀(膨胀步骤)。由此，由p型GaN层23、n型GaN层22、Si基板21构成的各个发光二极管20被分离而形成。并且，在邻接的发光二极管20之间形成比槽110更宽的空隙。

然后，如图2(e)所示，在该状态下，将透光性绝缘材料涂布到上表面整面(透光性绝缘层形成步骤)。由此，在发光二极管20之间形成由透光性绝缘材料构成的透光性绝缘层30。此时，透光性绝缘层30的表面和发光二极管20(p型GaN层23)的表面为大致相同面上。并且，优选的是采用该透光性绝缘材料不残留在发光二极管20的上表面(p型GaN层23的上表面)的形态，因此，可以在该步骤前预先对该面进行掩模，在透光性绝缘材料的涂布后去除该掩模。或者，可以在透光性绝缘材料的涂布后，对发光二极管20的上表面的透光性绝缘层进行选择性蚀刻。

然后，如图2(f)所示，在该状态下，在表面整面形成透明电极42(透明电极形成步骤)。例如通过对作为透明电极42使用的上述材料使用溅射等的方法，可进行该步骤。另外，在图2(e)中记载为透光性绝缘层30的表面和发光二极管20的表面(p型GaN层23的表面)形成相同平面，而只要在图2(f)的步骤中透明电极42在发光二极管20上和透光性绝缘层30上之间不被截断，就无需使它们严格地形成相同平面。

然后，如图2(g)所示，在该状态下取下切割带100。在该状态下，尽管各个发光二极管20(Si基板21)被截断，然而由于透光性绝缘材料(透光性绝缘层30)形成在整面，因而也能处理图2(g)所示的结构。另外，该步骤也可以在透明电极形成步骤(图2(f))之前进行。

然后，如图2(h)所示，在该结构的背面形成背面电极41(背面电极形成步骤)。背面电极41的成膜也可以与透明电极42的成膜一样进行。

然后，如图3(i)(图2的后续)所示，在该结构的表面上的透光性绝缘层30上的区域内的透明电极42上形成电极焊盘43(电极焊盘形成步骤)。作为其形成方法，可以使用以下方法中的任一方：(1)在整面对构成电极焊盘43的金属材料进行成膜，在期望的部位形成光致抗蚀层等的掩模之后进行蚀刻，去除期望部位以外的金属材料(蚀刻法)；(2)在期望部位以外形成光致抗蚀层等的掩模之后，在整面对上述的金属材料进行成膜，然后通过去除掩模来去除期望部位以外的金属材料(剥离法)。另外，该步骤如果是在透明电极形成步骤(图2(f))之后，则也能在背面电极形成步骤(图2(h))之前进行。

然后，如图3(j)所示，将该结构中的背面电极41侧贴附在与所述的切割带100相同的切割带101上。

然后，如图3(k)所示，形成从表面侧贯通透明电极42、透光性绝缘层30、背面电极41侧的多个槽120，切断上述结构(切断步骤)。该步骤与发光二极管分离步骤(图2(c))相同。不过，在该情况下被切断的是有透光性绝缘层30的部位，如图5(k)所示，槽120形成在垂直的2个方向。由此，各个发光元件10被分离。

之后，如图3(l)所示，与膨胀步骤(图2(d))一样，使切割带101膨胀。由此，图1所示的形态的发光元件10在切割带101上在扩大了其间隔的状态下被分离而获得。发光元件10的大小例如是200μm(纵)×200μm(横)×200μm(高)左右，例如使用对其进行真空吸附的模夹套等的处理夹具，可进行使其移动来进行排列等的作业。因此，可排列发光元件10来制造照明器具等。另外，只要能在图3(k)、图5(k)所示的状态下处理各个发光元件10，就不需要图3(l)、图5(l)的步骤。

此时，在处理的发光元件的尺寸小的情况下，使用处理夹具来使其移动等的作业变得困难。与此相对，在该发光元件10中直接有助于发光的是发光二极管20，而在其附近或周围形成有透光性绝缘层30，因而发光元件10的实际大小大于发光二极管20。因此，可实质性增大发光元件10，可使其处理容易。或者，在使发光元件10的大小恒定的情况下，由于可进一步缩小发光二极管20，因而能从相同大小的晶片制造更多的发光元件10。

因此，可使用该制造方法容易且低成本地获得上述的发光元件10。

另外，在上述的制造方法中，如图1所示，制造了在从上表面观察的矩形的一顶点侧设有发光二极管20的结构的发光元件10。然而，显然，即使采用在该矩形的中央部设置发光二极管20、且其全周由透光性绝缘层30包围的结构，通过适当设定例如图3(k)、图5(k)所示的切断步骤中的槽120的位置，也能同样制造。

在图1的结构的发光元件10中，与发光二极管20中的一个极(p型GaN层23)连接的电极即透明电极42或者电极焊盘43形成在上表面侧，与另一个极(n型GaN层22)连接的电极即背面电极41经由Si基板21形成在下表面侧。在该结构中，由于在晶片24中形成有发光层的半导体层的基板即Si基板21具有导电性，因而背面电极41和n型GaN层22可电连接。

与此相对，也能使用形成在绝缘性的基板上的半导体层来形成相同的发光元件。图6是该结构的发光元件50的立体图(a)、俯视图(b)、其B-B方向的剖面图(c)。在该发光元件50中，在上表面侧形成有2组透明电极和电极焊盘，各自的组与发光二极管的2个极电连接。

该结构中的发光二极管60由形成在基板61上的n型GaN层62和p型GaN层63构成。不过，在该结构中，作为基板61，绝缘性材料的例如蓝宝石等用作基板61。因此，经由基板61进行与n型GaN层62的电连接是困难的。关于将非掺杂的硅等、尽管没有绝缘性而其导电率低的材料用作基板61的情况也是一样的。

因此，在该发光二极管60中，p型GaN层63仅形成在图6(c)中的右侧区域内。在图6中的左侧区域内代之形成有n侧电极71。为了制造该结构，首先在基板61上依次形成n型GaN层62、p型GaN层63，之后通过对图6中的左侧区域内的p型GaN层63进行选择性蚀刻来将其去除，使n型GaN层22露出。之后，通过在露出的n型GaN层22上选择性形成n侧电极71，可进行制造。n侧电极71可使用对n型GaN层62能进行欧姆接触的金属材料来形成。不过，由于在其下部不存在发光层，因而该发光二极管60无需对发光是透明的。

透光性绝缘层70与图1的结构的发光元件10一样，与发光二极管60邻接形成，然而在上表面侧，电气独立地形成2个透明电极81、82。透明电极81覆盖p型GaN层63和邻接的透光性绝缘层70而形成，透明电极82覆盖n侧电极71和邻接的透光性绝缘层70而形成。在透明电极81的透光性绝缘层70上的区域内形成电极焊盘83，而在透明电极82的透光性绝缘层70上的区域内形成电极焊盘84。通过在电极焊盘83、84上实施线接合，能进行与外部的电连接，可使正向电流流入发光二极管60，使发光二极管60发光。即，在该结构中，与发光二极管60中的2个极连接的2个电极都从上表面侧(相同侧)被取出。另外，与图1所示的发光元件10不同，不需要背面电极。

在该结构中也显然，由于来自p型GaN层63上的光不会由电极焊盘83、84等遮挡，因而可获得高的发光效率。

在制造该结构的发光元件50时，例如可以对形成有上述结构的发光二极管60的晶片同样进行上述的图2(b)以后的步骤。此时，不同点是，在透明电极形成步骤(图2(f))后，将透明电极81、82分离；在电极焊盘形成步骤(图3(i))中在透明电极81上形成电极焊盘83，在透明电极82上形成电极焊盘84；以及不进行背面电极形成步骤(图2(h))。并且，在透光性绝缘层形成步骤(图2(e))中，需要的是，不仅在p型GaN层63上，而且在n侧电极71上都不残留透光性绝缘材料。除了上述这些方面以外，与上述的发光元件10一样，也能容易制造该结构的发光元件50。

另外，在该发光元件50中，如上所述，可使用绝缘性的基板61。然而显然，即使基板61是具有导电性的，也能使用相同的结构。与基板61的种类无关，在有必要将与发光二极管60中的2个极连接的2个电极都形成在上表面侧的情况下，能使用该结构。

另外，在上述结构的发光元件10和发光元件50中，假定均采用使用通过外延生长形成在基板上的半导体层的发光二极管，然而显然，即使在采用使用形成在块体半导体晶片中的层的发光二极管的情况下，也能采用相同的结构，取得相同的效果。

并且，在上述结构中，假定通过n型GaN层和p型GaN层的界面的pn结形成发光层，然而也可以使用其他结构。例如，可以在半导体层中包含异质结构，可以将层叠有GaN层和InGaN层的MQW(Multi Quantum Well，多量子阱)层形成在n型GaN层和p型GaN层之间。而且，n型半导体层和p型半导体层的上下关系等、发光二极管的结构也是任意的。

并且，作为形成发光二极管中的特别是发光层的材料，可根据发光波长使用任意的材料。并且，例如如上所述在将荧光材料添加给透光性绝缘层的情况下，需要将发出比该荧光材料发出的光短的波长的光的材料用于发光层。因此，在该情况下，作为发出短波长的光的材料，优选地使用例如GaN、GaInN等的III族氮化物半导体、ZnO等的氧化物半导体。并且，还可以使用GaAs、GaP等的III-V族化合物半导体。

并且，还能使用以上所示的制造方法以外的制造方法来制造上述结构的发光元件10和发光元件50。

Claims (5)

1.一种发光元件，其使用发光二极管，该发光二极管具有在内部设有发光层的半导体层形成在基板上的矩形体形状的结构，该发光元件的特征在于，该发光元件具有：

所述发光二极管；

透光性绝缘层，其与构成所述矩形体形状的所述半导体层和所述基板的侧面邻接而形成；

透明电极，其覆盖所述发光二极管的上表面和所述透光性绝缘层的上表面，与所述发光二极管的一个极电连接；以及

电极焊盘，其形成在所述透明电极上的位于所述透光性绝缘层的上面的区域内，且该区域不遮挡所述发光二极管的上表面。

2.根据权利要求1所述的发光元件，其特征在于，所述基板是硅单晶基板，

所述半导体层包含由III－V族化合物半导体材料构成的n型半导体层和p型半导体层。

3.根据权利要求1或2所述的发光元件，其特征在于，所述基板是导电性基板，

在所述基板的下表面形成有与所述发光二极管的另一个极电连接的背面电极。

4.根据权利要求1或2所述的发光元件，其特征在于，在所述半导体层的上表面侧分别具有2组与所述发光二极管的一个极和另一个极分别电连接的所述透明电极和所述电极焊盘。

5.根据权利要求1所述的发光元件，其特征在于，在所述透光性绝缘层中混入了荧光材料。