CN105390584A - 半导体发光元件 - Google Patents

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田岛纯平
大野浩志
伊藤俊秀
上杉谦次郎
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Abstract

半导体发光元件包括基体、第一半导体层、第二半导体层、第一发光层、第一导电层、第三半导体层、第四半导体层、第二发光层、第二导电层、第一部件和第二部件。所述第一部件包括第一端部和第二端部。第一端部定位在基体与第一导电层之间并且电连接于第一导电层，第二端部不与第二导电层重叠。第二部件包括第三端部和第四端部。第三端部定位在基体与第二导电层之间并且电连接于第二导电层。第四端部电连接于第二端部。

Description

半导体发光元件
相关申请的交叉引证
本申请基于2014年8月21日提交的日本专利申请号2014-168803并且要求其优先权；其全部内容并入作为参考。
技术领域
此处描述的实施例通常涉及半导体发光元件。
背景技术
期望增大半导体发光元件例如发光二极管(LEDs)等的效率。
附图说明
图1是示出根据第一实施例的半导体发光元件的示意性截面图；
图2是示出根据第一实施例的半导体发光元件的示意性透视平面图；
图3是示出根据参考示例的半导体发光元件的示意性截面图；
图4是示出根据第二实施例的半导体发光元件的示意性截面图；并且
图5A-5E是以工艺顺序示出用于制造根据所述实施例的半导体发光元件的方法的示意性截面图。
具体实施方式
根据一个实施例，半导体发光元件包括基体、第一导电类型的第一半导体层、第二导电类型的第二半导体层、第一发光层、第一导电层、第一导电类型的第三半导体层、第二导电类型的第四半导体层、第二发光层、第二导电层、第一部件和第二部件。第一半导体层沿第一方向与所述基体分离，第一半导体层包括第一区域和第二区域，第二区域沿与第一方向相交的方向与第一区域一起设置。第二半导体层设置在基体与第一区域之间。第一发光层设置在第一区域与第二半导体层之间。第一导电层设置在基体与第二区域之间并且电连接于第二区域。第三半导体层沿第一方向与基体分离。第三半导体层包括第三区域和第四区域，第四区域沿与第一方向相交的方向与第三区域一起设置。第四半导体层设置在基体与第三区域之间。第二发光层设置在第三区域与第四半导体层之间。第二导电层设置在基体与第四半导体层之间并且电连接于第四半导体层。第一部件包括第一端部和第二端部。第一端部定位在基体与第一导电层之间并且电连接于第一导电层，第二端部不与第二导电层重叠。第二部件包括第三端部和第四端部。第三端部定位在基体与第二导电层之间并且电连接于第二导电层。第四端部电连接于第二端部。
下面参照附图描述本发明的各种实施例。
附图是示意性的或概念上的；厚度部分与宽度部分之间的关系、部分之间尺寸的比例等不一定与其实际值相同。此外，尺寸和/或比例在各个附图中可能不同，甚至示出相同部分时亦如此。
在本申请的附图和说明书中，类似于上述附图的组件用相同的附图标记表示，并且若适宜则省略对其的详述。
第一实施例
图1是示出根据第一实施例的半导体发光元件的示意性截面图。
图2是示出根据第一实施例的半导体发光元件的示意性透视平面图。
为了更容易观察附图，图1的截面图所示的某些组件在图2的透视平面图中未示出。
如图1所示，根据该实施例的半导体发光元件110包括基体50、第一半导体层10a、第二半导体层20a、第一发光层30a、第三半导体层10b、第四半导体层20b、第二发光层30b、第一导电层e1、第二导电层e2、第一元件间配线(第一部件)11和第二元件间配线(第二部件)12。
如图2所示，半导体发光元件110包括例如第一至第九堆叠主体100a-100i作为九个堆叠主体。图1的示例示出第一堆叠主体100a与第二堆叠主体100b之间的配线构造的截面。其它堆叠主体之间的配线构造是类似的。
第一堆叠主体100a包括第一半导体层10a、第二半导体层20a和第一发光层30a。第二堆叠主体100b包括第三半导体层10b、第四半导体层20b和第二发光层30b。在第一堆叠主体100a与第二堆叠主体100b之间设置分离沟槽90。
第一半导体层10a沿第一方向与基体50分离。第一方向例如是Z-轴方向。第一半导体层10a包括第一区域r1和第二区域r2。第二区域r2沿与Z-轴方向相交的方向(例如X-轴方向)与第一区域r1一起设置。第一半导体层10a具有第一导电类型。
第二半导体层20a设置在基体50与第一区域r1之间。第二半导体层20a具有第二导电类型。例如，第一导电类型是n型。第二导电类型是p型。第一导电类型可以是p型；并且第二导电类型可以是n型。下面，描述第一导电类型是n型并且第二导电类型是p型的情形。
第一发光层30a设置在第一区域r1与第二半导体层20a之间。
第一导电层e1设置在基体50与第二区域r2之间。第一导电层e1电连接于第二区域r2。第一导电层e1例如是n侧电极。
第三半导体层10b沿Z-轴方向与基体50分离。第三半导体层10b包括第三区域r3和第四区域r4。第四区域r4沿X-轴方向与第三区域r3一起设置。第三半导体层10b具有第一导电类型。
第四半导体层20b设置在基体50与第三区域r3之间。第四半导体层20b具有第二导电类型。
第二发光层30b设置在第三区域r3与第四半导体层20b之间。
上述每个半导体层包括例如氮化物半导体。
第二导电层e2设置在基体50与第四半导体层20b之间。第二导电层e2电连接于第四半导体层20b。第二导电层e2例如是p侧电极。
第一元件间配线11包括第一端部ed1和第二端部ed2。第一端部ed1定位在基体50与第一导电层e1之间。第一端部ed1电连接于第一导电层e1。第二端部ed2不与第二导电层e2重叠。
第二元件间配线12包括第三端部ed3和第四端部ed4。第三端部ed3定位在基体50与第二导电层e2之间。第三端部ed3电连接于第二导电层e2。第四端部ed4电连接于第二端部ed2。例如，第二元件间配线12可通过延伸保护性金属层而与保护性金属层(也称为阻挡层金属)形成为一个主体。
在本申请的说明书中，“电连接的状态”包括其中多个导体直接接触的状态。“电连接的状态”包括其中电流在多个导体之间流动的状态，其中在所述多个导体之间配置有其它导体。
绝缘层60也设置在半导体发光元件110内。绝缘层60设置在基体50与第一元件间配线11之间以及基体50与第二元件间配线12之间。
金属层40也设置在半导体发光元件110内。金属层40设置在基体50与绝缘层60之间。
根据图1所示的实施例，n侧上的第一元件间配线11包括第一端部ed1和第二端部ed2；并且第二端部ed2不与p侧上的第二导电层e2重叠。p侧上的第二元件间配线12包括第三端部ed3和第四端部ed4；并且第四端部ed4电连接于第二端部ed2。
例如，n侧上第一元件间配线11与p侧上第二元件间配线12的重叠部分不与p侧上的第二导电层e2重叠。例如，第一元件间配线11与第二元件间配线12的重叠部分沿Z-轴方向与分离沟槽90重叠。第一元件间配线11和第二元件间配线12的重叠部分沿X-轴方向的宽度例如不小于2μm并且不大于30μm。
在所述实施例中，由于第二端部ed2不与p侧上的第二导电层e2重叠，所以第二端部ed2的Z-轴方向位置与第三端部ed3的Z-轴方向位置之间的差能被设定为很小。换句话说，高度差很小。绝缘层60粘合于金属层40。由于在所述实施例中高度差能够很小，因此绝缘层60的粘合表面能是平坦的，即使在绝缘层60较薄的情形下也如此。因此，当粘合时施加的应力减少；并且能抑制元件的损坏。藉此，能增大生产率。如果将绝缘层60制造的更厚以减少高度差，则散热量降低。在所述实施例中，由于即使在绝缘层60被设定为较薄时也能抑制元件的损坏，因此获得了良好的散热量。因此，可增加效率。
第一元件间配线11电连接于第一导电层e1。第一元件间配线11具有第一厚度t1。第二元件间配线12电连接于第二导电层e2。第二元件间配线12具有第二厚度t2。优选第一厚度t1厚于第二厚度t2。也就是说，第二元件间配线12的第二厚度t2被设定为比第一元件间配线11的第一厚度t1更薄。第一厚度t1例如不小于0.2μm并且不大于3.0μm。第二厚度t2例如不小于0.1μm并且不大于2.0μm。藉此，元件厚度的增加可被进一步有效地抑制。
图3是示出根据参考示例的半导体发光元件的示意性截面图。
在根据参考示例的半导体发光元件199中，第一元件间配线11延伸至p侧上的第二导电层e2。换句话说，根据参考示例，p侧上的第二导电层e2、保护性金属层70和第一元件间配线11彼此重叠。元件沿堆叠方向的厚度由于重叠部分而局部增大。换句话说，在绝缘层60的粘合表面内形成不平坦。因此，当绝缘层60和机体50通过金属层40粘合时应力被施加于突出部；元件有可能损坏。即使元件未损坏，仍有应力存储在元件内且可靠性降低的情形。还有由于绝缘层60断裂和造成金属层40短路而导致元件出现泄漏的情形。
在所述实施例中，能改进绝缘层60的粘合表面的平坦性；减少应力；并且抑制元件的损坏。此外，能增加效率。
半导体发光元件110进一步包括元件间绝缘层80。元件间绝缘层80设置在第三半导体层10b与第二元件间配线12之间以及第二发光层30b与第二元件间配线12之间。
如图2所示，半导体发光元件110包括例如第一至第九堆叠主体100a-100i。在第一至第九堆叠主体100a-100i中，一个堆叠主体的p电极串联于与所述一个堆叠主体一起设置的一个其它堆叠主体的n电极。
第五堆叠主体100e包括例如n侧上的第一衬垫单元13a。第九堆叠主体100i包括例如p侧上的第二衬垫单元13b。
例如，电压被施加于第一衬垫单元13a与第二衬垫单元13b之间。藉此，电流在第一至第九堆叠主体100a-100i中流动。由于所述电流，从第一发光层30a和第二发光层30b发出光。在所述示例中，所发射的光是从第一半导体层10a和第三半导体层10b侧发出。
在上述描述中，第一导电层e1和第二导电层e2包括反光材料。例如，导电层包括铝(Al)、银(Ag)、镍(Ni)、金或铑中的至少一种。藉此，获得较高的反光率。被示为n电极的第一导电层e1例如包括铝或铝合金。被示为p电极的第二导电层e2例如包括Ag、Ni、Ag合金或这些金属的堆叠构造。
例如，通过在不小于250℃和不大于400℃(例如300℃)的氧气氛中执行不少于0.5分钟且不大于2分钟(例如1分钟)的热处理来形成第二导电层e2。氧气氛中的氧浓度例如为50％或更大。氧气氛中的氮浓度例如为50％或更低。
在不小于250℃和不大于400℃(例如300℃)的氮气氛中完成不少于0.5分钟且不大于2分钟(例如1分钟)的热处理后，可在不小于250℃和不大于400℃(例如300℃)的氧气氛中完成不少于0.5分钟且不大于2分钟(例如1分钟)的热处理。例如，反射率增加；并且接触性能提高。
通过将上述构型施加于第二导电层e2，获得与第四半导体层20b的良好欧姆特性。获得与第四半导体层20b的低接触电阻。获得了良好的电气特性和高反光率。
例如，通过在不小于300℃和不大于600℃(例如400℃)的氮气氛中完成不少于0.5分钟且不大于10分钟(例如1分钟)的热处理来形成第一导电层e1。氮气氛中的氮浓度例如为90％或更大。可代替氮使用惰性气体例如氩等等。热处理可在减小的压力下完成。
通过将上述构型施加于第一导电层e1，获得与第一半导体层10a的良好欧姆特性。获得与第一半导体层10a的低接触电阻。获得了良好的电气特性和高反光率。
第一元件间配线11和第二元件间配线12也包括反光材料。第一元件间配线11的材料例如包括铝或铝合金。第二元件间配线12的材料例如包括Ag或Ag合金。
优选第一元件间配线11的第二端部ed2定位在基体50与第二元件间配线12的第四端部ed4之间。也就是说，通过将具有比第一元件间配线11更高反射率的第二元件间配线12设置在发光表面侧上，能获得更有效的反射特性。第四端部ed4可定位在第二端部ed2与基体50之间。
金属层40例如包括锡以及金或镍中的至少一种。换句话说，通过考虑粘合性，金属层40包括金属例如Au-Sn、Ni-Sn等等。藉此，获得了良好的粘合性。
从发光层(第一发光层30a和第二发光层30b)发射的光被电极、配线等有效地反射。反射的光被从光发射面有效地发射至外部。藉此，获得高的出光效率。
另一方面，通过堆叠主体产生的热被基体50有效地散失。基体50包括具有高导热性和良好散热性的材料。基体50的材料例如包括氮化铝、硅、锗、铜等等。藉此，获得了良好的散热性；并且抑制了堆叠主体温度的过度增加。藉此，获得了高发光效率。这些材料还适用于如下所述的实施例。
从发光层发射的光(发射光)的峰值波长是例如不少于400nm并且不大于650nm。但是，在所述实施例中，峰值波长是任意的。
第一半导体层10a包括例如具有n型杂质的GaN层。N型杂质可包括Si、Ge、Te或Sn中的至少一种。第一半导体层10a包括例如n侧接触层。这对于第三半导体层10b也是类似的。
第二半导体层20a包括例如具有p型杂质的GaN层。P型杂质可包括Mg、Zn或C中的至少一种。第二半导体层20a包括例如p侧接触层。这对于第四半导体层20b也是类似的。
包括第一半导体层10a、第二半导体层20a和第一发光层30a的第一堆叠主体100a通过例如外延生长形成。生长基底可包括例如Si、蓝宝石、GaN，SiC或GaAs之一。生长基底的平面定向是任意的。这对于第二堆叠主体100b是类似的。
第一衬垫单元13a和第二衬垫单元13b的构型例如是多角形(例如五边形或更多边形)、圆、扁平圆等等。衬垫单元的宽度例如不少于50微米(μm)并且不大于200μm(例如130μm)。例如，粘合线连接于衬垫单元。使用能够稳定连接的宽度。
绝缘层60例如包括氧化硅(SiO2等等)和/或氮化硅(Si3N4等等)。例如，绝缘层60在高温下形成。藉此，绝缘层60获得良好的绝缘性能、良好的覆盖度和良好的可靠性。绝缘层60可在低温下形成。通过使用绝缘层60，获得了电流的良好传播；并且能扩大有效发光表面面积。元件间绝缘层80例如也包括氧化硅(SiO2等等)。
在所述示例中，第一堆叠主体100a的一部分的侧面和第二堆叠主体100b的一部分的侧面相对于Z-轴方向倾斜。换句话说，应用平顶构型。可通过平顶构型改变光的传播方向。从发光层发射的光的强度沿大约30度的方向是最大的。以光强度最大时的角度传播的光能被有效地改变。对于具有多个堆叠主体的该构造来说，侧面构型的效果更显著。
根据所述实施例，其中能在高电压和低电流下操作的所谓多结构造(multijunctionstructure)能设置在具有横向导电薄膜构造的半导体发光元件内。在所述实施例中，多个堆叠主体串联地连接。用于一个堆叠主体的期望工作电压处于指定的范围内。通过串联地连接多个堆叠主体，施加于串联的多个堆叠主体的两个末端的电压被分配给多个堆叠主体。藉此，即使在施加于两个末端的电压是高电压的情形下，施加于每个堆叠主体的电压也能被设定为处于期望的指定范围内。使用期望的指定范围内的电压，通过低电流可获得所述操作以实现高效率。换句话说，获得了在高电压和低电流下多个堆叠主体的操作。藉此，获得了多个堆叠主体的高效率。
在根据所述实施例的一个堆叠主体(元件)中，例如一个n电极被插入两个p电极之间。至少两个这种堆叠主体串联地连接。藉此，能增加光发射的一致性。
根据所述实施例，由于在p电极与n电极之间的层间绝缘层是不必要的，因此能获得高可靠性。根据所述实施例，能获得良好的散热性。
在所述示例中，屏蔽组件例如配线等等不设置在出光表面处。藉此，获得了高出光效率。元件间配线不设置在出光表面处而是基体侧上。藉此，获得了高出光效率。
第二实施例
图4是示出根据第二实施例的半导体发光元件的示意性截面图。
图4示出第一堆叠主体100a与第二堆叠主体100b之间的另一个配线构造。如图4所示，根据所述实施例的半导体发光元件111包括第一堆叠主体100a和第二堆叠主体100b。在所述示例中，未示出金属层40和基体50。在所述实施例中，n侧上的第一元件间配线11与p侧上的第二元件间配线12的重叠部分与第三半导体层10b沿Z-轴方向重叠。第一元件间配线11和第二元件间配线12的重叠部分沿X-轴方向的宽度例如不小于1μm并且不大于15μm。
藉此，抑制了元件沿堆叠方向的厚度的局部增加；并且绝缘层的粘合表面能是平坦的。因此，当粘合时施加的应力减少；能防止元件的损坏。藉此，能增加可靠性。藉此，能提供高度可靠的半导体发光元件。获得了良好的散热性；并且获得了高效率。
例如，包括Ag的层12a可设置在第二元件间配线12的发光面一侧(元件间绝缘层80侧)上。换句话说，包括Ag的层12a设置在第二元件间配线12与元件间绝缘层80之间。因此，能获得更有效的反射特性。
图5A-5E是以工艺顺序示出用于制造根据实施例的半导体发光元件的方法的示意性截面图。
在所述示例中，示出第一堆叠主体100a与第二堆叠主体100b之间的配线构造。
制备生长基底(未示出)；并且在生长基底上第一半导体薄膜10f、发光薄膜30f和第二半导体薄膜20f以该顺序依次形成。这些薄膜的形成例如可包括金属有机化学气相沉积(metal-organicchemicalvapordeposition，简称MOCVD)、金属有机气相外延(metal-organicvaporphaseepitaxy，简称MOVPE)、分子束外延(molecularbeamepitaxy，简称MBE)、氢化物气相外延(hydridevaporphaseepitaxy，简称HVPE)等等。这些薄膜是外延生长的。生长基底例如包括硅、蓝宝石、尖晶石(spinel)、GaAs、InP、ZnO、Ge、SiGe、SiC等等的基底。
如图5A所示，通过去除一部分第一半导体薄膜10f、一部分发光薄膜30f和一部分第二半导体薄膜20f来形成第一堆叠主体100a和第二堆叠主体100b。第一堆叠主体100a包括第一半导体层10a、第二半导体层20a和第一发光层30a。第二堆叠主体100b包括第三半导体层10b、第四半导体层20b和第二发光层30b。去除模式例如包括反应离子刻蚀(ReactiveIonEtching，简称RIE)。例如，包括氯的气体用于RIE中。第一半导体层10a和第三半导体层10b此时是连续的并且在如下所述的工艺中分离。
绝缘膜80f形成于上述堆叠主体上。例如，CVD(化学气相沉积)、溅镀、SOG(旋涂玻璃)等等可用于绝缘膜80f。绝缘膜80f例如包括氧化硅例如SiO2等等。
绝缘膜80f的一部分被去除。第二导电层e2和p侧上的第二元件间配线12依次形成于通过去除绝缘膜80f的一部分而暴露的第四半导体层20b上。
如图5B所示，通过去除绝缘膜80f的一部分形成元件间绝缘层80。n侧上的第第一导电层e1形成于通过去除绝缘膜80f的一部分而暴露的第一半导体层10a上。
如图5C所示，第一元件间配线11形成于n侧上的第一导电层e1上。第一元件间配线11可与第一导电层e1同时地形成。
绝缘层60如图5所示形成。例如，CVD、溅镀、SOG等等可用于绝缘层60。绝缘层60例如包括氧化硅例如SiO2等等。
如图5E所示，由金属制成的反射层61形成于绝缘层60上。反射层61例如包括Ag或Ag合金。通过分割第一半导体薄膜10f形成第一半导体层10a和第三半导体层10b。因此，制造分离沟槽90。因此，形成半导体发光元件110。
根据所述实施例，能提供高效的半导体发光元件。
在说明书中，“氮化物半导体”包括化学式为BxInyAlzGa1-x-y-zN(0≤x≤1,0≤y≤1,0≤z≤1,并且x+y+z≤1)的所有半导体成分，其中x、y和z的成分比率在所述范围内分别变化。“氮化物半导体”进一步包括上述化学式中除了N(氮)之外的V元素组、被添加以控制各种性能例如导电类型等等的各种元素以及无意中包括的各种元素。
如上所述，参照特定示例描述本发明的实施例。然而，本发明不局限于这些特定的示例。例如，已知本领域技术人员可能通过适当地选择特定组件例如基体、半导体层、发光层、导电层、元件间配线等等的构型类似地实施本发明；并且这些实施以获得类似效果的程度上处于本发明的范围内。
此外，特定示例的任意两个或更多组件可在技术可行性的程度上组合并且以包括本发明目的的程度上包括在本发明的范围内。
此外，通过本领域技术人员基于如上所述作为本发明实施例的半导体发光元件的期望设计改进切实可行的所有半导体发光元件在包括本发明精神的程度上都在本发明的范围内。
各种其它差异和改进是本领域技术人员在本发明的精神内很容易想到的，并且可以理解这种差异和改进也包括在本发明的范围内。
虽然已经描述了某些实施例，仅经由示例呈现这些实施例，并且并不意图局限本发明的范围。实际上，此处描述的新实施例可体现为多种其它形式；此外，可在此处描述实施例的形式内进行各种省略、置换和变化而不脱离本发明的精神。所附权利要求及其等价物意图覆盖这些形式或改进，这些都在本发明的范围和精神内。

Claims (15)

1.一种半导体发光元件，包括：
基体；
沿第一方向与所述基体分离的第一导电类型的第一半导体层，所述第一半导体层包括第一区域和第二区域，所述第二区域沿与所述第一方向相交的方向与所述第一区域一起设置；
设置在所述基体与所述第一区域之间的第二导电类型的第二半导体层；
设置在所述第一区域与所述第二半导体层之间的第一发光层；
设置在所述基体与所述第二区域之间且电连接于所述第二区域的第一导电层；
沿所述第一方向与所述基体分离的所述第一导电类型的第三半导体层，所述第三半导体层包括第三区域和第四区域，所述第四区域沿与所述第一方向相交的方向与所述第三区域一起设置；
设置在所述基体与所述第三区域之间的第二导电类型的第四半导体层；
设置在所述第三区域与所述第四半导体层之间的第二发光层；
设置在所述基体与所述第四半导体层之间且电连接于所述第四半导体层的第二导电层；
包括第一端部和第二端部的第一部件，所述第一端部定位在所述基体与所述第一导电层之间并且电连接于所述第一导电层，所述第二端部不与所述第二导电层重叠；以及
包括第三端部和第四端部的第二部件，所述第三端部定位在所述基体与所述第二导电层之间并且电连接于所述第二导电层，所述第四端部电连接于所述第二端部。
2.根据权利要求1所述的元件，其中，所述第二端部定位在所述第四端部与所述基体之间。
3.根据权利要求1所述的元件，其中，所述第四端部定位在所述第二端部与所述基体之间。
4.根据权利要求1所述的元件，其中，所述第一部件的厚度比所述第二部件的厚度更厚。
5.根据权利要求1所述的元件，其中，
所述第一部件包括铝，并且
所述第二部件包括银。
6.根据权利要求1所述的元件，进一步包括设置在所述基体与所述第一部件之间以及所述基体与所述第二部件之间的绝缘层。
7.根据权利要求6所述的元件，其中，所述绝缘层包括氧化硅或氮化硅中的至少一种。
8.根据权利要求6所述的元件，进一步包括设置在所述基体与所述绝缘层之间的金属层。
9.根据权利要求7所述的元件，其中，所述金属层包括锡以及金或镍中的至少一种。
10.根据权利要求1所述的元件，进一步包括设置在所述第三半导体层与所述第二部件之间以及所述第二发光层与所述第二部件之间的元件间绝缘层。
11.根据权利要求10所述的元件，其中，所述元件间绝缘层包括氧化硅。
12.根据权利要求1所述的元件，其中，
沿与所述第一方向相交的方向设置在所述第一半导体层与所述第三半导体层之间的分离槽，并且
所述分离槽沿所述第一方向与其中所述第一部件与所述第二部件重叠的部分重叠。
13.根据权利要求1所述的元件，其中，所述第三半导体层沿所述第一方向与其中所述第一部件与所述第二部件重叠的部分重叠。
14.根据权利要求1所述的元件，其中，所述基体包括氮化铝、硅、锗或铜中的至少一种。
15.根据权利要求1所述的元件，其中，
所述第一导电层包括铝，并且
所述第二导电层包括银。
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