CN102790070B - 发光元件 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种发光元件，其具备LED和保护二极管形成于同一衬底上，且适于倒装芯片安装的构成。作为解决手段，在LED区域（X）形成LED，在保护二极管区域（Y）形成保护二极管。此时，LED阳极（51a）和保护二极管阴极（52b）、LED阴极（52a）和保护二极管阳极（51b）夹着分离槽（Z）分别相对。在P侧电极（51）和n侧电极（52）的厚度同等的情况下，LED区域（X）的LED阳极（51a）、LED阴极（52a）、保护二极管区域（Y）的保护二极管阳极（51b）、保护二极管阴极（52b）的高度相等。

Description

发光元件

技术领域

本发明涉及在同一个芯片构成了以半导体层作为构成材料发光的发光二极管（LED）和与该LED并联连接的保护二极管的发光元件的结构。

背景技术

半导体的发光二极管（LED）用于各种目的。例如使用该光二极管（LED）的照明设备相比于以往的白炽灯泡和荧光灯而言消耗功率较低且散热性较低，因而期待将来置换为该技术。其中，LED中的p型半导体层和n型半导体层通常通过外延生长和离子注入等而形成。因此，pn结面形成为与半导体晶片表面平行，与p侧连接的电极和与n侧连接的电极被分配到该半导体层的上表面和下表面。在这些电极之间流过pn结的顺向电流，从而能够使该发光元件发光。

另一方面，在通过ESD（Electro Static Discharge）等瞬间地对半导体层施加反方向的高电压时，LED有时会破损。因此使用图8的电路图所示的发光二极管（LED）91与保护二极管92并联连接的结构的发光元件。保护二极管92与LED91连接成顺向彼此相反，在LED91的通常动作时（发光时）电流不会流过保护二极管92，在对LED91施加反方向的高电压时，保护二极管92成为顺向，电流绕行LED91而流过。

其中，作为构成LED91的半导体层的材料，使用GaN等氮化物半导体。由于保护二极管92也能由同样的材料构成，因此能够在同一晶片上形成LED91和保护二极管92。由此就能以低成本获得可信度较高的发光元件。

专利文献1描述了如下结构的发光元件。该发光元件中在同一块外延衬底上形成半导体层，使用该半导体层形成LED91和保护二极管92。另外，它们之间凭借凹陷至外延衬底的槽而分离。这种情况下，LED91侧的n型层与保护二极管92侧的n型层、LED91侧的p型层与保护二极管92侧的p型层原本分别以相同层构成，然而此时作为按照由槽分离的每个区域而不同的二极管的一部分进行工作。

此时，为了将LED91与保护二极管92反向连接，将LED91侧的阳极（与p型层连接的电极）与保护二极管92侧的阴极（与n型层连接的电极）、LED91侧的阴极（与n型层连接的电极）与保护二极管92侧的阳极（与p型层连接的电极），从而实现图8的电路。在该发光元件中，用在半导体层上延伸的电极将LED91侧的阳极与保护二极管92侧的阴极连接起来，并且用与该延伸电极交叉的接合线将LED91侧的阴极与保护二极管92侧的阳极连接起来。

【专利文献1】日本特开2009-152637号公报

在将元件安装于安装基板上时，大多采用用焊料等将安装基板与元件连接，通过该焊接进行与元件之间的电连接的所谓的倒装芯片连接的方式。这对于发光元件而言也相同，此时大多构成为向基板的相反侧发光。

在对专利文献1所述的发光元件进行倒装芯片连接的情况下，将设有延伸电极一侧与安装基板连接，因此在使用接合线时难以进行该安装。此外，虽然能够在不使用接合线的情况下进行倒装芯片安装，然而会在设有延伸电极一侧形成级差，因而难以使得发光元件在安装基板上的接合状态变为良好。

即，难以获得在同一块衬底上形成LED和保护二极管且具有适于倒装芯片安装的结构的发光元件。

发明内容

本发明就是鉴于该问题点而完成的，其目的在于提供解决上述问题点的发明。

本发明为了解决上述课题而采取如下所示的构成。

本发明的发光元件，其构成为在绝缘性衬底上形成有层叠n型层和p型层而成的半导体层，使用上述半导体层形成了发光二极管和保护二极管，该发光元件的特征在于，在上述衬底上的发光二极管区域与上述衬底上的保护二极管区域之间具备去除上述半导体层而形成的分离槽，其中，该发光二极管区域是形成有上述发光二极管的区域，该保护二极管区域是形成有上述保护二极管的区域，隔着绝缘层在上述发光二极管区域的上述半导体层之上形成发光二极管阴极和发光二极管阳极，隔着绝缘层在上述保护二极管区域的上述半导体层之上形成保护二极管阴极和保护二极管阳极，夹着上述分离槽以分别相对的方式配置有上述发光二极管阳极和上述保护二极管阴极、上述发光二极管阴极和上述保护二极管阳极，上述半导体层之上的上述发光二极管阳极、上述发光二极管阴极、上述保护二极管阴极和上述保护二极管阳极的高度大致相同。

本发明的发光元件的特征在于，该发光元件在上表面具备连接电极，该连接电极跨越上述分离槽分别连接上述发光二极管阳极与上述保护二极管阴极、上述发光二极管阴极与上述保护二极管阳极。

本发明的发光元件的特征在于，上述发光二极管阴极经由形成于上述绝缘层的多个开口与上述半导体层的n型层连接。

本发明的发光元件的特征在于，上述发光二极管阳极、上述发光二极管阴极分别形成于上述发光二极管区域的一个端部侧及另一个端部侧。

本发明的发光元件的特征在于，在上述半导体层之上形成有与上述发光二极管阳极或上述发光二极管阴极连接的透明电极，在上述透明电极平行地设有多个透明电极开口部，该透明电极开口部从上述发光二极管阴极向上述发光二极管阳极延伸。

本发明如上构成，因此能够获得在同一衬底上形成LED和保护二极管且具有适于倒装芯片安装的构成的发光元件。

附图说明

图1是从本发明实施方式涉及的发光元件的上表面侧观察到的俯视图。

图2是本发明实施方式涉及的发光元件的A-A方向（a）、B-B方向（b）、C-C方向图（c）、D-D方向（d）的剖面图。

图3是表示本发明实施方式涉及的发光元件的n型GaN层（a）、p型GaN层（b）、透明电极（c）、绝缘层（d）、p侧电极（e）、n侧电极（f）的构成的俯视图。

图4是表示将本发明实施方式涉及的发光元件的发光二极管和保护二极管连接起来的方式的俯视图。

图5是表示对本发明实施方式涉及的发光元件进行倒装芯片安装时的方式的剖面图（a：E-E方向、b：F-F方向）。

图6是本发明实施方式涉及的发光元件的变形例中从上表面侧观察的俯视图。

图7是表示本发明实施方式涉及的发光元件的变形例的透明电极（a）、绝缘层（b）的构成的俯视图。

图8是表示使用保护二极管的发光元件的电路构成的图。

符号说明

10、210发光元件；11衬底；12缓冲层；20半导体层；21n型GaN层（n型层）；22p型GaN层（p型层）；23MQW层（发光层）；30透明电极；31透明电极开口部；40绝缘层；51p侧电极；51aLED阳极（阳极：p侧电极）；51b保护二极管阳极（阳极：p侧电极）；52n侧电极；52aLED阴极（阴极：n侧电极）；52b保护二极管阴极（阴极：n侧电极）；71LEDn侧连接区域；72LEDp侧连接开口；73LEDn侧连接开口；81保护二极管n侧连接区域；82保护二极管n侧连接开口；83保护二极管p侧连接开口；91发光二极管（LED）；92保护二极管；110、120连接电极；200安装基板；721LEDp侧连接开口延伸部；XLED（发光二极管）区域；Y保护二极管区域；Z分离槽

具体实施方式

下面说明作为本发明实施方式的发光元件。在该发光元件中，在衬底上使用进行了外延生长的半导体层。该半导体层在该发光元件的第1区域（发光二极管区域：LED区域）作为发光二极管（LED）进行工作，在第2区域（保护二极管区域）作为保护二极管进行工作。第1区域和第2区域的半导体层由分离槽进行了电分离，而发光二极管的阳极（发光二极管阳极：LED阳极）与保护二极管的阴极（保护二极管阴极）之间、LED的阴极（LED阴极）与保护二极管的阳极（保护二极管阳极）之间被连接起来，成为具有相对于ESD等的耐性的发光元件。该发光元件能够以任意方式安装于安装基板，构成为尤其适于倒装芯片安装。

图1是从上表面侧观察作为本发明方式的发光元件10的俯视图。此外，图2（a）~（d）分别为该俯视图的A-A方向、B-B方向、C-C方向、D-D方向的剖面图。图1中，X为LED区域，Y为保护二极管区域，Z为分离槽。

如作为剖面图的图2分别所示的那样，在LED、保护二极管中通用的半导体层20是隔着缓冲层12形成于衬底11上的。该半导体层20具备从下侧起由n型GaN层（以下简称n型层）21、MQW（Multi Quantum Well）层23、p型GaN层（以下简称p型层）22构成的层叠结构。该构成中主要的发光层是MQW层23。另外，作为衬底11，例如可使用蓝宝石等能够使GaN在其上进行异质外延生长的绝缘性材料。作为缓冲层12，例如可使用ALN缓冲层作为缓和蓝宝石与GaN之间的晶格不匹配的材料。如图2（a）、（b）所示，在分离槽Z中缓冲层12、半导体层20是被去除的。因此，LED区域X中的半导体层20与保护二极管区域Y中的半导体层20是分离的。在该半导体层20之上形成有透明电极30、绝缘层40、p侧电极51、n侧电极52。LED区域X的p侧电极51成为发光二极管（LED）阳极51a，LED区域X的n侧电极52成为发光二极管（LED）阴极52a。同样地，保护二极管区域Y的p侧电极51成为保护二极管阳极51b，保护二极管区域Y的n侧电极52成为保护二极管阴极52b。

半导体层20中的n型层21、MQW层23、p型层22可以通过MBE（MolecularBeam Epitaxy）法或MOCVD（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法隔着缓冲层12在衬底11上进行外延生长。n型层21适当掺杂有作为施主的杂质，p型层22适当掺杂有作为受主的杂质。n型层21的厚度可例如为5.0μm左右，p型层22的厚度可例如为0.2μm左右。另外，MQW层23例如具备层叠了多个几nm~几十nm厚度的InGaN、GaN薄膜的结构，InGaN、GaN的各层与n型层21、p型层22同样地通过外延生长形成。

另外，该半导体层20或缓冲层12被加工为图2分别示出其剖面的形状。该加工例如可通过将光致抗蚀剂形成为掩模之后进行干蚀刻的方法（蚀刻法）进行。这种情况下，该加工端部的锥角可根据干蚀刻条件适当加以设定。

透明电极30能够与p型层22进行欧姆接触，且作为相对于半导体发光功能层20发出的光透明的材料，例如由ITO（Indium-Tin-Oxide）或ZnO（Zinc-Oxide）等构成。并且，为了提升与p型GaN层22之间的欧姆性和密封性等，还可以在它们之间插入光能够充分透过的较薄的钛（Ti）层或镍（Ni）层。透明电极30的构图可使用如下任一方法：与半导体层12同样的蚀刻法；或在期望部位之外形成光致抗蚀剂等掩模后在整个表面对上述透明电极材料进行成膜，然后除去掩模以去除期望部位之外的透明电极材料的方法（剥离法）。并且对于构成透明电极30的材料要求较高的光透过率，因此其导电率低于构成p侧电极51、n侧电极52的材料。因此透明电极30的电阻通常高于p侧电极51、n侧电极52的电阻。

绝缘层40由具备充分的绝缘性且相对于该发光元件10（半导体层20）发出的光透明的材料构成，例如由氧化硅（SiO₂）构成。该形成例如可使用CVD（ChemicalVapor Deposition）法等，在图2所示的级差部以覆盖性优良的方式形成。该构图可通过蚀刻法进行。

p侧电极51（发光二极管（LED）阳极51a、保护二极管阳极51b）由金（Au）等导电性较高的金属形成。n侧电极52（发光二极管（LED）阴极52a、保护二极管阴极52b）由能够与n型GaN层21进行欧姆接触的材料构成。p侧电极51、n侧电极52的构图可与透明电极30的构图同样进行。另外，该发光元件10发出的光不透过p侧电极51、n侧电极52。优选p侧电极51和n侧电极52的厚度相等。

并且如后所述，在该发光元件10中，能够从衬底11侧（图2（a）、（b）、（c））的下侧）取出光。这种情况下，p侧电极51、n侧电极52还作为使朝上侧发出的光向下侧反射的反射层进行工作。此时，优选使用对于该光反射率较高的材料构成p侧电极51、n侧电极52的材料。另外，虽然没有在图1等中示出，然而优选在p侧电极51与n侧电极52之间也以未电连接的方式形成同样的反射层。

图3（a）~（f）是具体表示图1方式中的n型层21、p型层22、透明电极30、绝缘层40、p侧电极51、n侧电极52的方式的俯视图。

其中，如图3（a）所示，n型层21形成于图1构成中的分离槽Z之外的区域整个表面。缓冲层12也同样形成。另一方面，如图2（a）所示，衬底11在分离槽Z也未去除而残留于整个表面。因此衬底11成为该发光元件10整体的支撑衬底。并且如图2所示，在对p型层22、MQW层23进行构图时，n型层21也在图3（a）中的虚线区域被进行若干蚀刻。

如图3（b）所示，n型层21上的p型层22在LED区域X的下部的LEDn侧连接区域71（多个）和保护二极管区域Y的上部的保护二极管n侧连接区域81被去除。MQW层23也同样进行处理。由此n型层21在半导体层20的这些区域露出。

如图3（c）所示，透明电极30分别形成于LED区域X的下部的LEDn侧连接区域71以外的大部分和保护二极管区域Y的上部的保护二极管n侧连接区域81以外的大部分。透明电极30与p型层22直接电接触。

如图3（d）所示，绝缘层40形成于该发光元件10的包含分离槽Z的整个表面。其中，在LED区域X，在图中上侧的LEDp侧连接开口72（多个）、图中下侧的LEDn侧连接开口73（多个）分别被去除。另外，保护二极管区域Y中，在图中上侧的保护二极管n侧连接开口82、图中下侧的保护二极管p侧连接开口83（多个）分别被去除。p型层22在LEDp侧连接开口72、保护二极管p侧连接开口83中露出。由于p型层22、MQW层23在LEDn侧连接开口83、保护二极管n侧连接开口82被去除，因此n型层21露出。

如图3（e）所示，p侧电极51在LED区域X形成为覆盖所有的LEDp侧连接开口72的LED阳极51a。另外在保护二极管区域Y形成为覆盖所有保护二极管p侧连接开口83的保护二极管阳极51b。LED阳极51a在LED区域X形成于图中上侧，保护二极管阳极51b形成于图中下侧。

如图3（f）所示，n侧电极52在LED区域X形成为覆盖所有的LEDn侧连接开口73的LED阴极52a。此外，在保护二极管区域Y形成为覆盖保护二极管n侧连接开口82的保护二极管阴极52b。LED阴极52a在LED区域X形成于图中下侧，保护二极管阴极52b形成于图中上侧。

通过上述构成，在LED区域X形成LED（发光二极管），在保护二极管区域Y形成保护二极管。此时，LED阳极51a和保护二极管阴极52b、LED阴极52a和保护二极管阳极51b夹着分离槽Z彼此相对。

图2（a）是图1中A-A方向的剖面，表示出从保护二极管n侧连接开口82到分离槽Z的剖面。另外，图2（b）同样是B-B方向的剖面，表示出从保护二极管p侧连接开口83到分离槽Z的剖面。此外，图2（c）同样是C-C方向的剖面，表示出LEDn侧连接开口73附近的剖面。此外，图2（d）同样是D-D方向的剖面，表示出从LEDp侧连接开口72到LEDn侧连接开口73的剖面。

根据图2可知，在p侧电极51和n侧电极52的厚度相等的情况下，上述构成中LED区域X的LED阳极51a、LED阴极52a、保护二极管区域Y的保护二极管阳极51b、保护二极管阴极52b的高度相等。即所有电极的高度大致相同。

在使该发光元件10实际动作时，需要形成图8的电路，因此需要分别将LED阳极51a和保护二极管阴极52b、LED阴极52a与保护二极管阳极51b电连接。从上表面观察该连接的方式如图4所示，使用连接电极110、120能尤为容易地进行。此时，来自该发光元件10的光能够从LED区域X的LED阳极51a与LED阴极52a之间的区域取出到图2（a）、（b）、（c）的上侧，或者在缓冲层12和衬底11为透明的情况下，还能取出到LED区域X整个表面中图2（a）、（b）、（c）的下侧。

连接电极110、120只要是能与各阳极、各阴极连接的导体，可由任意材料构成，例如还可以将其作为接合线。此时由于各阳极、各阴极的高度大致相同，因此易于进行该连接。

在进行倒装芯片安装的情况下，还能通过将该发光元件10搭载于安装基板200来进行该连接。图5是表示此时的剖面结构的图。这种情况下，连接电极110、120构图而形成于安装基板200上。图5（a）是图4的E-E方向的剖面，表示连接电极110附近的构成，图5（b）是图4的F-F方向的剖面，表示连接电极120附近的构成。在图5中，示出上下方向与图2（a）、（b）、（c）的剖面图相反的情况。此时，连接电极110、120与p侧电极51、n侧电极52之间的接合可使用焊料等进行。通过该接合，还进行发光元件10与安装基板200之间的机械性连接。此时由于p侧电极51和n侧电极52的高度相等，因此能提高该机械性连接的可信度。另外，在半导体层20中，虽然在LEDn侧连接区域71和保护二极管n侧连接区域81存在级差，然而这些级差部分仅存在于局部且至少在发光元件10的周边部不存在这些级差部。因此能够坚固地将该发光元件10倒装芯片连接于安装基板200。并且，在发光元件10的表面的具有各阳极、各阴极的部位以外的区域形成未电连接的金属层，将其用焊料固定于安装基板200上，从而能够使在安装基板200的接合变得更为坚固。此时可以将该金属层作为上述反射层。

该构成尤为适于将光取出到图2（a）、（b）、（c）的下侧的情况的构成。此时，遮挡该光的结构物（不透明的电极和接合线等）不存在于图5中的上侧，因此面内的发光强度均匀性较高且能获得较高的发光强度。

这样就易于在对安装基板安装之前或在安装基板进行倒装芯片连接时进行该发光元件10的LED与保护二极管之间的电连接。或者在安装前仅形成连接电极110、120之一，将另一方形成于安装基板200来进行连接。

即，在该发光元件10中，极为易于获得LED与保护二极管之间的连接。而且该发光元件10能以任意方式安装于安装基板，尤为适于倒装芯片安装。

并且，LED区域X的透明电极30、各电极、各连接开口等的构成对于发光强度的面内均匀性赋予尤其大的影响。其中，向p型层22提供电流的部位为LEDp侧连接开口72，向n型层21提供电流的部位是LEDn侧连接开口73。若存在这些间隔较短的部位，则电流易于集中在该部位，会产生发光的不均匀性和局部发热。因此将多个LEDp侧连接开口72集中设置于图1中的上部侧，将多个LEDn侧连接开口73集中设置于图1中的下侧。这些开口的形状在上述例子中都为矩形，然而只要能对p型层22和n型层21获取良好的电连接，就能采取三角形、六边形等任意形状。另外，这些开口的排列在上述例子中都为矩形，然而也可以为三角形、六边形等任意排列。

另外，尤其在LEDn侧连接开口（开口）73的间隔变小的情况下，易于产生电流集中，发光面积实质地减少。因此，LEDn侧连接开口73（开口）的间隔优选该开口尺寸以上，设置多个。

另外，在LED区域X的LED阳极51a与LED阴极52a的形状和面积非对称的情况下，其中一方的电流密度变高，导致发热集中。因此优选它们的面积为同等程度。另外，为了抑制发热的集中，优选这些面积都在LED区域X的1/3以上。

另外，为了提高发光的面内均匀性，图6示出从具备根据上述发光元件10改变透明电极30和LEDp侧连接开口72的形状的构成的发光元件210的上表面观察的俯视图。另外，图7（a）、（b）分别示出该发光元件210的透明电极30的俯视图、绝缘层40的俯视图。图7（a）、（b）分别对应于图3（c）、（d），n型层21、p型层22、p侧电极51、n侧电极52的构成与发光元件10相同。另外，保护二极管区域Y中的构成与发光元件10相同，仅LED区域X的方式不同。

如图7（a）所示，在该发光元件210中，从LED区域X中的实现p侧连接的一侧（图6、7中的上侧）朝实现n侧连接的一侧（该图中的下侧）的LEDn侧连接开口73，在透明电极30中平行设有6个细长的透明电极开口部31。与此对应，在图6、7中上侧的单一的LEDp侧连接开口72中，设有朝下侧延伸的LEDp侧连接开口延伸部721。

这种情况下，电流难以从透明电极30中的透明电极开口部31注入到p型层22，因而在透明电极开口部31的正下方，电流也难以流向p型层22。因此，在LEDp侧连接开口72、LEDn侧连接开口73之间流动的电流的方向被限制，电流在透明电极30正下方的区域主要易于沿着图6、7的上下方向流动。另外，电流易于从LEDp侧连接开口延伸部721的前端注入到p型层22。通过这种构成，能够调整主要发光区域的电流分布，调整面内的发光强度分布，使发光强度在面内均匀化。透明电极开口部31的宽度、个数等能够与LEDn侧连接开口73的大小和数量一起进行适当设定。这对于LEDp侧连接开口延伸部721而言也相同。

采取这种构成的情况下，可知在LED区域X和保护二极管区域Y，使得各电极的高度相等。因此可知能够与发光元件10同样地易于进行LED与保护二极管的连接。

如上，在上述实施方式涉及的发光元件中，在调整透明电极的形状以进行LED的面内电流分布的调整的情况下，也能易于进行LED与保护二极管的连接。该构成在进行倒装芯片安装时尤为有效。

并且在上述例子中，在2个区域（LED区域X、保护二极管区域Y）使用由n型层21、MQW层23、p型层22构成的同一个半导体层20，然而，例如仅在一个区域实施离子注入等，从而能够在这些区域使得半导体层20的特性不同。由此能获得作为发光元件的更为良好的特性。

另外，在上述构成中，作为半导体层20，说明了在衬底11上隔着缓冲层12形成有n型GaN层21、作为发光层的MQW层23、p型GaN层22的例子。然而可知在未使用MQW层12的情况下，也作为使用单纯的pn结的发光二极管（LED）进行工作。或者还可以使用上述构成的MQW层以外的构成的部件作为发光层。即使不使用缓冲层12也能获得优质的半导体层20的情况下不需要缓冲层12。还可以由GaN以外的材料构成半导体层。这种情况下，能够按照发光波长设定半导体材料。可知使用这种材料能够同样构成保护二极管。

另外，在上述例子中，在半导体层20的衬底11侧形成了n型层，在其上形成了p型层，然而可知这些导电型即使相反也能获得同样效果。此时，透明电极与半导体层上侧的层连接。

另外，在上述例子中，采取的方式是半导体层等的端部和分离槽的剖面为锥形形状，用绝缘层将其覆盖。然而在这些部位，只要能通过绝缘层保证半导体层与连接电极等之间的绝缘性，就无需特别形成为锥形形状。

另外，在上述例子中，发光元件为矩形形状，然而只要能实现上述构成，其形状可为任意的。

Claims (1)

1.一种发光元件，其构成为在绝缘性衬底上形成有层叠n型层和p型层而成的半导体层，使用上述半导体层形成了发光二极管和保护二极管，该发光元件的特征在于，

在上述衬底上的发光二极管区域与上述衬底上的保护二极管区域之间具备去除上述半导体层而形成的分离槽，其中，该发光二极管区域是形成有上述发光二极管的区域，该保护二极管区域是形成有上述保护二极管的区域，

隔着绝缘层在上述发光二极管区域的上述半导体层之上形成发光二极管阴极和发光二极管阳极，隔着绝缘层在上述保护二极管区域的上述半导体层之上形成保护二极管阴极和保护二极管阳极，

夹着上述分离槽以分别相对的方式配置有上述发光二极管阳极和上述保护二极管阴极、上述发光二极管阴极和上述保护二极管阳极，上述半导体层之上的上述发光二极管阳极、上述发光二极管阴极、上述保护二极管阴极和上述保护二极管阳极的高度相同，

上述发光二极管阳极及上述发光二极管阴极分别形成于上述发光二极管区域的一个端部侧及另一个端部侧，

在上述半导体层之上形成有与上述发光二极管阳极或上述发光二极管阴极连接的透明电极，在上述透明电极上平行地设有多个透明电极开口部，该透明电极开口部从上述发光二极管阴极向上述发光二极管阳极延伸。