CN102388471A - 半导体发光二极管及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
提供了如下的半导体发光二极管及其制造方法，即：通过将作为光提取侧的电极部的上电极部和与该上电极部成对的中间电极部设置成具有适当的位置关系，在维持相对低的正向电压的同时提高了光输出功率。特别地，该半导体发光二极管(1)包括：支承基板(2)；顺次配置在支承基板的上表面侧的包括中间电极部(3a)的中间层(3)、第二导电半导体层(4)、活性层(5)、第一导电半导体层(6)和上电极部(7)；以及设置在支承基板的下表面侧的下电极层(8)。其中，中间层(3)具有呈线状或岛状延伸的至少一个中间电极部(3a)。在将上电极部(7)和中间电极部(3a)投影到与支承基板(2)的上表面平行的假想平面上时，这些电极部(7、3a)的位置关系为：上电极部(7)和中间电极部(3a)彼此错开，上电极部(7)和中间电极部(3a)中的至少一个的轮廓线按预定的波浪幅度延伸，且上电极部(7)和与上电极部(7)相对的中间电极部(3a)的轮廓线之间的距离(d)局部减小。
Description
技术领域
本发明涉及半导体发光二极管及其制造方法，更具体地，涉及光输出功率提高了的半导体发光二极管及其制造方法。
背景技术
近年来，随着LED(半导体发光二极管)的应用多样化，存在对具有更高光输出功率的LED的需求。
大体上，LED具有如下结构，即在电极对之间夹有包括例如n型半导体层、活性层以及p型半导体层的半导体堆叠体。当电压施加至这样的LED时，在活性层中生成光，并且光在所有方向各向同性地行进。已知朝着光提取侧的电极部行进的这部分光被电极部吸收和/或反射、而不发射到LED外部，从而严重影响了光提取效率。
特别地，通过MOCVD等层叠的薄膜半导体层具有以下问题，即在紧挨在光提取侧的电极部之下的活性层中所生成的光大部分被电极部吸收和/或反射，这严重降低了光提取效率。
为了解决如上所述的这个问题，日本特开平JP03-003373A公开了如下技术，对光提取侧的电极部适当地设置由InGaP材料制成的中间能隙层，以将发光区域扩展至活性层中除紧挨在电极部之下的部分以外的部分，从而提高光提取效率。
此外，日本特开JP2007-221029A公开了如下技术，仅在除紧挨在光提取侧的电极部之下的部分以外的部分形成接触部，以通过电流约束来提高内部量子效率、并且还提高所生成的光的光提取效率。
通常认为，活性层的发光区域与紧挨在光提取侧的电极部之下的位置相距越远，由光提取侧的电极部的光遮蔽引起的影响越小。在此基础上，传统上已经实施了通过使紧挨在光提取侧的电极部之下的位置与和该电极部成对的另一电极部之间的距离增加，来提高LED的光提取效率。
然而，简单地增加上述距离引起以下的问题，即随着光提取侧的电极部与和该电极部成对的另一电极部之间的距离增加，电流在这两个电极部之间流动时的电阻不可避免地增大。然而，现有技术从未关注由电阻的这种增大所引起的正向电压的增大。此外，现有技术从未关注光输出功率和紧挨在光提取侧的电极部之下的位置与和该电极部成对的另一电极部的距离之间的关系。
发明内容
发明要解决的问题
本发明的一个目的是提供如下的半导体发光二极管及其制造方法，在该半导体发光二极管中，通过将作为光提取侧的电极部的上电极部和与该上电极部成对的中间电极部设置成具有适当的位置关系，在维持相对低的正向电压的同时提高了光输出功率。
用于解决问题的方案
为达到上述目的，本发明主要包括以下要素。
(1)一种半导体发光二极管，包括：支承基板；顺次配置在所述支承基板的上表面侧的中间层、第二导电半导体层、活性层、第一导电半导体层和上电极部，其中所述中间层包括中间电极部；以及设置在所述支承基板的下表面侧的下电极层，其中，所述中间层包括呈线状或岛状延伸的至少一个中间电极部；以及所述上电极部和所述中间电极部被配置为具有如下的位置关系，即在通过将所述上电极部和所述中间电极部分别投影到与所述支承基板的上表面平行的假想平面上所获得的视图中，所述上电极部和所述中间电极部彼此错开，并且所述上电极部和所述中间电极部中的至少一个的轮廓按预定幅度的波浪弯曲形式延伸，以使得彼此相对的所述上电极部和所述中间电极部的轮廓线之间的轮廓间距离局部减小。
(2)根据以上(1)所述的半导体发光二极管，其中，所述轮廓间距离的最大值与最小值之间的差在5微米至50微米的范围内。
(3)根据以上(1)或(2)所述的半导体发光二极管，其中，在所述支承基板与所述中间层之间还设置有作为反射层的金属层。
(4)一种制造半导体发光二极管的方法，包括以下步骤：在生长基板上顺次形成第一导电半导体层、活性层以及第二导电半导体层；在所述第二导电半导体层上形成包括中间电极部的中间层；在所述中间层上接合支承基板；通过去除所述生长基板，暴露所述第一导电半导体层；以及在暴露出的所述第一导电半导体层上形成上电极部，其中，将所述上电极部和所述中间电极部配置为具有如下的位置关系，即在通过将所述上电极部和所述中间电极部分别投影到与所述支承基板的上表面平行的假想平面上所获得的视图中，所述上电极部和所述中间电极部彼此错开，并且所述上电极部和所述中间电极部中的至少一个的轮廓按预定幅度的波浪弯曲形式延伸，以使得彼此相对的所述上电极部和所述中间电极部的轮廓线之间的轮廓间距离局部减小。
(5)根据以上(4)所述的制造半导体发光二极管的方法，其中，所述轮廓间距离的最大值与最小值之间的差在5微米至50微米的范围内。
(6)根据以上(4)或(5)所述的制造半导体发光二极管的方法，其中，还包括以下步骤：在所述中间层上形成作为反射层的金属层。
发明的效果
根据本发明的半导体发光二极管，将上电极部和中间电极部配置成具有恰当的位置关系，以使得可以在维持相对低的正向电压的同时提高光输出功率。
根据本发明的制造半导体发光二极管的方法，通过将上电极部和中间电极部配置成具有恰当的位置关系，可以制造能够在维持相对低的正向电压的同时提高光输出功率的半导体发光二极管。
附图说明
图1的(a)和(b)是分别示出根据本发明的半导体发光二极管的示意图，以及
图2A～2C是分别示出半导体发光二极管的上电极部的例子的平面图。
图3的(a)～(h)是示出根据本发明的制造半导体发光二极管的方法的示意图。
图4是示出半导体发光二极管的上电极部的例子的平面图。
具体实施方式
然后，将参考附图说明根据本发明的半导体发光二极管的实施例。
图1的(a)是示意性示出根据本发明的半导体发光二极管在切割之前的截面结构的平面图，并且图1的(b)是示意性示出通过切割半导体发光二极管所获得的预定芯片的平面图。
如图1的(a)所示，本发明的半导体发光二极管1具有：支承基板2；顺次配置在支承基板的上表面侧的中间层3、第二导电半导体层4、活性层5、第一导电半导体层6和上电极部7，其中，中间层3包括中间电极部3a；以及设置在支承基板2的下表面侧的下电极层8。中间层3包括呈线状或岛状延伸的至少一个中间电极部3a。
此外，上电极部7和中间电极部3a被配置为具有如下的位置关系，即在通过将上电极部7和中间电极部3a分别投影到与支承基板2的上表面平行的假想平面上所获得的视图中，上电极部7和中间电极部3a彼此错开，并且上电极部7和中间电极部3a中的至少一个的轮廓(在图1的(b)中，为上电极部7的轮廓)按预定幅度的波浪弯曲形式延伸，以使得彼此相对的上电极部与中间电极部的轮廓线之间的轮廓间距离d局部减小。在本实施例中，表述“上电极部7和中间电极部3a中的至少一个的轮廓按预定幅度的波浪弯曲形式延伸”意味着，如图1的(b)和图2A所示，上电极部7和中间电极部3a中的至少一个的轮廓(在图1的(b)和图2A中，为上电极部7的轮廓)以波浪图案弯曲延伸、并且不包括如图2B和图2C所示的例子。
如上所述，通过将上电极部7和中间电极部3a配置为彼此错开，活性层5的发光区域相对于上电极部7移位了，因而光提取效率和光输出功率提高了。此外，作为部分减小轮廓间距离d的结果，在相应区域中的电流密度增大并且载流子集中，从而再结合概率增大且光输出功率提高。轮廓间距离d的最小值d1影响正向电压。例如，通过分别进行图1的(b)和图2C的比较以及图2A和图2B的比较可知，当轮廓间距离d的最小值d1相同时，与图2C和图2B所示的例子相比，图1的(b)和图2A所示的例子各自在具有相对短的轮廓间距离d的部分处由于载流子集中而具有更高的再结合概率，并且图1的(b)和图2A所示的例子中的上电极部的面积更小，因而在图1的(b)和图2A所示的例子中的半导体发光二极管展现出更高的光输出功率。
轮廓间距离d的最大值d2和最小值d1之间的差(d2-d1)优选在5μm～50μm的范围内。在差(d2-d1)小于5μm的情况下，上电极部7和中间电极部3a的结构与图2B和图2C所示的结构将没有很大差异，从而不能获得上述由波浪延伸图案引起的有益效果，即可能不能充分实现本发明如下的有益效果：由于部分减小轮廓间距离d在d相对短的部分处附近所引起的电流密度增大和载流子集中，再结合概率增大了。在差(d2-d1)超过50μm的情况下，电流可能几乎不流过轮廓间距离d相对大的区域，从而实质发光区域减小，并且可能不能充分实现增大光输出功率的效果。
第二导电半导体层4、活性层5以及第一导电半导体层6用的材料的例子包括AlGaAs系材料和AlGaInP系材料。可以根据第二导电半导体层4、活性层5以及第一导电半导体层6用的这些材料来选择支承基板2用的材料的类型。层4、5和6以及支承基板2可以分别具有1μm～10μm、10nm～500nm(总厚度)、1μm～10μm以及100μm～400μm的厚度。在第一导电半导体层6是p型层的情况下，第二导电半导体层4为n型层，反之亦然。
上电极部7可以具有如下的结构，即包括由AuGe系合金材料所制成的欧姆接触层(50nm～500nm)以及通过在Ti材料上层叠Au材料所形成的布线用的焊盘层(1μm～3μm)。可以根据支承基板2的材料来适当选择下电极层8用的材料。
中间电极部3a的材料可以是例如AuZn系合金材料，并且中间层3中除中间电极部3a以外的部分可以由例如包括SiO2材料或Si3N4材料的绝缘材料制成。由于期望在接合支承基板2时晶圆表面上的不规则相对少，因而中间电极部3a优选具有与绝缘材料层的厚度相等的厚度，且中间层3优选具有在50nm～500nm的范围内的厚度。在厚度小于50nm的情况下，可能导致绝缘不充分。在厚度超过500nm的情况下，尽管在某种程度上可以实现本发明想要的效果，但绝缘材料所引起的光的影响可能增大至不可忽略的水平，并且通过加厚中间层3所实现的效果可能到达停滞(plateau)状态，这使得进一步增大厚度不经济。
此外，优选在支承基板2和中间层3之间进一步设置作为反射层的金属层9。通过设置金属层9，在上电极部7侧可以有效地收集由活性层5发出并且朝着支承基板2行进的光。金属层9用的材料的例子包括Au、Al、Cu以及诸如焊锡材料等的用于焊接的金属材料。在发光层要发出与红～红外相对应的波长的光的情况下，针对金属层9优选使用对红～红外的波长范围内的光呈现相对高的反射率的Au材料，并且金属层9的厚度为100nm～1000nm。在上述情况下，如果金属层9的厚度小于100nm，则光反射率可能劣化。如果金属层9的厚度超过1000nm，则尽管在某种程度上可以实现本发明想要的效果，但可能不必要地增加了制造成本却未提高光反射率，这是不经济的。
然后，将参考附图说明根据本发明的制造半导体发光二极管的方法的实施例。图3的(a)～(h)示意性示出根据本发明的制造半导体发光二极管的方法。
如图3的(a)所示，在本发明的制造半导体发光二极管1的方法中，在生长基板10上顺次形成第一导电半导体层6、活性层5和第二导电半导体层4。可以通过例如利用MOCVD的外延生长来形成这些层6、5和4。生长基板10可以由例如GaAs基板制成，并且尽管不特别限制，生长基板10的厚度可以在200μm～400μm的范围内。
然后，如图3的(b)和(c)所示，在第二导电半导体层4上形成包括中间电极部3a的中间层3。通过例如溅射、电子束气相沉积、电阻加热气相沉积在第二导电半导体层4上沉积中间电极部3a，然后，将中间电极部3a蚀刻为如图3的(b)所示的预定形状。然后，对该层叠体进行预定的热处理，以减小中间电极部3a与第二导电半导体层4之间的接触电阻。然后，通过例如溅射或等离子CVD在中间电极部3a和第二导电半导体层4上形成绝缘膜，并且通过例如湿蚀刻或干蚀刻去除绝缘膜中超出中间电极部3a的高度的部分，以形成如图3的(c)所示的中间层3。
然后，如图3的(d)和(e)所示，在中间层3上接合支承基板2。优选在该接合处理之前，在中间层3上形成作为反射层的金属层9。可以通过在中间层3上气相沉积例如Au、Al或Cu或者诸如焊锡材料等的金属焊接材料来形成金属层9。由于Au材料允许在相对低的温度接合并且不太容易被氧化或腐蚀，因而优选该材料。在接合处理之前，还可以在金属层9上形成由例如Pt材料制成的扩散势垒层(50nm～200nm)以及由例如Au材料制成的接合层(1μm～2μm)。另一方面，优选在该接合处理之前，在支承基板2上形成由例如AuGe系合金材料所制成的欧姆接触层(50nm～500nm)、由例如Ti材料所制成的粘合层(50nm～200nm)以及由例如Au材料所制成的接合层(1μm～2μm)。优选通过在例如250℃～400℃的温度范围内进行15～120分钟的热压力接合来将支承基板2接合在中间层2上。通过金属层接合晶圆允许在相对低的温度下进行基板接合，这使得可以在半导体层的特性或结构不劣化的情况下进行接合。
然后，如图3的(f)所示，去除生长基板10以暴露第一导电半导体层6。可以通过例如研磨或湿蚀刻来去除生长基板10。可以根据生长基板10的材料来选择蚀刻液。
如图3的(g)所示，在暴露的第一导电半导体层6上形成上电极部7。可以通过例如在欧姆接触层上气相沉积焊盘层并且在光刻之后对焊盘层进行湿蚀刻来形成上电极部7，以使得上电极部7和中间电极部3a被配置为例如如图1的(b)或图2A所示，在通过将上电极部7与中间电极部3a投影到与支承基板2的上表面平行的假想平面上所获得的视图中，上电极部7和中间电极部3a彼此错开，并且上电极部7和中间电极部3a中的至少一个的轮廓按预定幅度的波浪弯曲形式延伸，从而使彼此相对的上电极部7和中间电极部3a的轮廓线之间的轮廓间距离d部分减小。
通过如上所述将上电极部7和中间电极部3a配置为彼此错开，活性层5的发光区域相对于上电极部7移位了，因而光提取效率和光输出功率提高了。此外，作为部分减小轮廓间距离d的结果，在相应区域中的电流密度增大并且载流子集中，从而再结合概率增大并且光输出功率提高。
然后，对所得到的层叠体进行预定的热处理，以减小上电极部与第一导电半导体层6之间的接触电阻。
此外，通过在支承基板2的下侧表面上进行气相沉积来形成下电极层8，并且如图3的(h)所示进行切割。
利用上述这样的方法，可以制造根据本发明的半导体发光二极管。
以上说明仅示出本发明的实施例的一个例子，并且在所附权利要求的范围内可以对其进行各种修改。
例子
接下来，将说明制备本发明的半导体发光二极管的样品并且评价其性能的细节。
通过以下步骤来制备本例子的各个样品，在由GaAs材料(厚度：280μm)制成并且具有如图1的(a)所示的截面结构的生长基板上，顺次形成由Al0.4Ga0.6As材料制成的n型半导体层(厚度：5μm，掺杂：Te，浓度：5×1017/cm3)、具有InGaAs/AlGaAs多量子井结构的活性层(厚度：8nm/5nm，3组，总厚度：约50nm)以及由AlGaAs材料制成的p型半导体层(厚度：2μm，掺杂：C，浓度：1×1018/cm3)，其中，上述n型半导体层、活性层以及p型半导体层各自是通过单独的利用MOCVD的各向同性生长所形成的；通过电阻加热气相沉积，在上述p型半导体层上气相沉积由AuZn合金(Zn含量：5％质量份)制成的中间电极部材料；对该层叠体进行预定的光刻处理，并然后进行蚀刻，以形成中间电极部(厚度：100nm)；以及，对所得到的层叠体进行400℃的热处理，以减小中间电极部与p型半导体层之间的接触电阻。
然后，在中间电极部和p型半导体层上通过等离子CVD沉积Si3N4材料，并且通过利用BHF蚀刻液的湿蚀刻来去除超出中间电极部的高度的Si3N4材料部分，以形成中间层。
在中间层上通过电子束气相沉积形成由Au材料所制成的金属层(厚度：500nm)作为反射层。在该金属层上形成由Pt材料制成的扩散势垒层(厚度：100μm)和由Au材料制成的接合层(厚度：1μm)。此外，制备用于接合的由GaAs材料所制成的支承基板(厚度：280μm，浓度：2×1018/cm3)。在接合处理之前，在支承基板上形成由AuGe系合金(Ge含量：12％质量份)材料制成的欧姆接触层(厚度：200nm)、由Ti材料制成的粘合层(厚度：100nm)以及由Au材料制成的接合层(厚度：1μm)。对中间层的接合层和支承基板的接合层进行30分钟在350℃的热压力接合，以将支承基板接合至中间层。在室温下，将由此获得的结构放置在以比率1∶12∶18(体积比)包含有氨水、过氧化氢液和水的液体中并晃动两小时，以执行湿蚀刻来去除生长基板。
然后，通过电阻加热气相沉积在暴露的n型半导体层上气相沉积由AuGe系合金(Ge含量：12％质量份)材料制成的欧姆接触层(厚度：200nm)以及通过在Au材料上层叠Ti材料(Ti厚度：100nm，Au厚度：2μm)所获得的焊盘层。然后，对所得到的层叠体进行光刻并随后进行湿蚀刻，以使得在将上电极部和中间电极部从上电极部的上方侧投影到支承基板的上表面的视图中，上电极部和中间电极部具有如图1的(b)、图4或图2C所示的位置关系(在表1中，将如图1的(b)所示的轮廓结构、如图4所示的轮廓结构以及如图2C所示的轮廓结构称为“上波浪线”、“下波浪线”和“上下直线”)。然后，对所得到的层叠体进行380℃的热处理。在图1的(b)、图4或图2C所示的结构中，宽度各自为20μm的上电极部从形成在芯片角部处的用于布线接合的焊盘部(100μm×100μm)伸出。
最后，通过利用磷酸和过氧化氢液的混合液蚀刻所得到的产品来形成台面结构(mesa)，并然后通过利用切割器切割台面结构来制造正方形(500μm×500μm)芯片。
将由此制造出的芯片设置在积分球中，以测量通过20mA的电流时的正向电压Vf(V)和光输出功率Po(mW)。结果如表1所示。利用全光束分光测量系统(Labsphere Co.Ltd制造的“SLMS-1021-S”)测量光输出功率。
表1
根据如表1所示的结果，与比较例1～2相比，实施例1～5可以在维持相对低的正向电压的同时提高光输出功率。
特别地，结果示出轮廓间距离的最小值d1和正向电压之间的明确相关。当轮廓间距离的最小值d1保持相同时，电极结构上的差异几乎不产生影响。
关于光输出功率，当如实施例和比较例那样、将轮廓间距离的最小值d1设置在30μm～50μm的范围内以维持相对低的正向电压时，在轮廓间距离的最大值和最小值之差(d2-d1)是15μm的情况下观察到最大输出，并且随着波浪延伸图案的幅度增大至大于15μm，该输出倾向于减小。猜测该现象的发生是由于以下原因。
在波浪延伸图案的幅度增大的情况下，轮廓间距离的最大值d2也相应增大。随着轮廓间距离增大，电流密度想必减小，并且产生了电流几乎不流过的区域，导致在期望的发光区域中电流密度相对低的区域(即，光输出功率显著低的区域)的比例增大。这可能是导致光输出功率减小的主因。在轮廓间距离的最大值和最小值之差(d2-d1)过大的情况下，尽管载流子集中在具有相对短的轮廓间距离d的部分处并且光输出功率由于再结合概率增大而提高了，上述降低光输出功率的不利影响超过了这些改善，最后导致与轮廓间距离的最大值与最小值之差(d2-d1)设置适当的情况相比、半导体发光二极管的光输出功率可能更低。
此外，与下波浪线的情况相比，当波浪延伸图案的幅度相同时，上波浪线的情况展现出比下波浪线的情况更高的光输出功率。电流密度随着电极间距离增大而减小，从而在轮廓间距离d最大的位置处产生电流密度最低的区域。与电流密度最低的区域位于中间电极部附近的下波浪线情况相比，电流密度最低的区域位于不利于光收集的上电极部之下的上波浪线情况想必受低电流密度区域的影响更小。
工业实用性
根据本发明，通过将上电极部和中间电极部配置为具有恰当的位置关系，可以制造能够在维持令人满意的低正向电压的同时提高光输出功率的半导体发光二极管。
附图标记说明
1：半导体发光二极管
2：支承基板
3：中间层
3a：中间电极部
4：第二导电半导体
5：活性层
6：第一导电半导体
7：上电极部
8：下电极层
9：金属层
10：生长基板
Claims (6)
1.一种半导体发光二极管，包括：
支承基板；
顺次配置在所述支承基板的上表面侧的中间层、第二导电半导体层、活性层、第一导电半导体层和上电极部，其中所述中间层包括中间电极部；以及
设置在所述支承基板的下表面侧的下电极层，其中，
所述中间层包括呈线状或岛状延伸的至少一个中间电极部；以及
所述上电极部和所述中间电极部被配置为具有如下的位置关系，即在通过将所述上电极部和所述中间电极部分别投影到与所述支承基板的上表面平行的假想平面上所获得的视图中，所述上电极部和所述中间电极部彼此错开，并且所述上电极部和所述中间电极部中的至少一个的轮廓按预定幅度的波浪弯曲形式延伸，以使得彼此相对的所述上电极部和所述中间电极部的轮廓线之间的轮廓间距离局部减小。
2.根据权利要求1所述的半导体发光二极管，其特征在于，所述轮廓间距离的最大值与最小值之间的差在5微米至50微米的范围内。
3.根据权利要求1或2所述的半导体发光二极管，其特征在于，在所述支承基板与所述中间层之间还设置有作为反射层的金属层。
4.一种制造半导体发光二极管的方法，包括以下步骤：
在生长基板上顺次形成第一导电半导体层、活性层以及第二导电半导体层；
在所述第二导电半导体层上形成包括中间电极部的中间层；
在所述中间层上接合支承基板；
通过去除所述生长基板，暴露所述第一导电半导体层；以及
在暴露出的所述第一导电半导体层上形成上电极部，
其中，将所述上电极部和所述中间电极部配置为具有如下的位置关系，即在通过将所述上电极部和所述中间电极部分别投影到与所述支承基板的上表面平行的假想平面上所获得的视图中，所述上电极部和所述中间电极部彼此错开，并且所述上电极部和所述中间电极部中的至少一个的轮廓按预定幅度的波浪弯曲形式延伸，以使得彼此相对的所述上电极部和所述中间电极部的轮廓线之间的轮廓间距离局部减小。
5.根据权利要求4所述的制造半导体发光二极管的方法，其特征在于，所述轮廓间距离的最大值与最小值之间的差在5微米至50微米的范围内。
6.根据权利要求4或5所述的制造半导体发光二极管的方法，其特征在于，还包括以下步骤：在所述中间层上形成作为反射层的金属层。
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