CN1251688A

CN1251688A - 发光元件及其制造方法

Info

Publication number: CN1251688A
Application number: CN98803761.0A
Authority: CN
Inventors: 伊藤茂稔
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1997-03-31
Filing date: 1998-03-25
Publication date: 2000-04-26
Anticipated expiration: 2018-03-25
Also published as: US20020121637A1; KR20010005846A; WO1998044569A1; JPH10275942A; JP4203132B2; CN100346487C; US6583442B2; TW392194B

Abstract

一种发光元件,它包括:基片,在基片上形成的至少1层第1导电型半导体层,在所述第1导电型半导体层的部分区域中形成的至少1层第2导电型半导体层,连接至所述第1导电型半导体层的第1焊接电极,连接至所述第2导电型半导体层几乎整个表面的第2焊接电极;所述基片对所述第1导电型半导体层与第2导电型半导体层接合部附近发射的光是透明的;所述第2焊接电极形成为大致矩形形状且具有焊接所需的实质上最小面积;元件侧面配置在所述第2焊接电极周围3个方向。

Description

发光元件及其制造方法

技术领域

本发明涉及发光元件及其制造方法。

背景技术

近年来，通过使用GaN、AlN、InN或它们的混晶为代表的氮化物半导体材料，正实现从紫外到可见光区域发光的诸如LED等的半导体发光元件。

这些LED主要采用绝缘体的蓝宝石基片作为衬底。因而，与通常的发光元件不同，元件表面必须具有p型和n型两种电极，为此，提出了各种构造。

参照图7(a)及7(b)说明采用以往氮化物半导体材料的发光元件。

示于图7(a)及7(b)的发光元件，在蓝宝石基片1上顺次形成n型GaN层2、InGaN发光层3、p型GaN层4及p型透明电极6。n型GaN层2在其部分区域中，去除部分表面连同其上形成的InGaN发光层3及p型GaN层4，在该区域上直接连接n型焊接电极5。又，在p型透明电极6的部分区域上连接p型焊接电极7。进而，在n型焊接电极5及p型焊接电极7上连接球形部8及焊接导线9。

这种在元件表面取pn两种电极的构造中，在元件内部，电流基本上沿与各半导体层的界面平行的方向流动。由此，从p型层经发光层流至n型层的电流难于均匀地通过发光层的各部分，因而发光部的发光强度分布易变大。

为了改善上述问题，可以在发光层3的几乎全部表面上形成p型电极，但为了从发光层3导出所发射的光，p型电极必须采用透明电极，因此，不能不使用极薄(例如，膜厚为约10nm)的金属膜。但是，难于把导线焊接至这种极薄的膜。因此，在上述发光元件中，设p型电极为p型透明电极6，在其一部分上形成膜足够厚且不透明的焊接电极7。

但是，在上述发光元件中，虽然对其层叠构造设法进行改进使从发光元件上面导出所发射的光，但难于导出不透明的p型焊接电极7正下方所发出的光。即，即使在发光层3的整个表面上设置p型透明电极6，p型焊接电极7正下方发出的光也被p型焊接电极7遮挡而不能导出，存在不能改善发光导出效率的缺陷。

发明内容

根据本发明，提供一种发光元件，它包括：

基片，

在基片上形成的至少1层第1导电型半导体层，

在所述第1导电型半导体层的部分区域中形成的至少1层第2导电型半导体层，

连接至所述第1导电型半导体层的第1焊接电极，

连接至所述第2导电型半导体层几乎整个表面的第2焊接电极；

所述基片对所述第1导电型半导体层与第2导电型半导体层接合部附近发射的光是透明的；

所述第2焊接电极形成为大致矩形形状且具有焊接所需的实质上最小的面积；

元件侧面配置在所述第2焊接电极周围3个方向。

根据本发明提供的另一种发光元件，它包括：

基片，

在基片上形成的至少1层第1导电型半导体层，

连接至所述第1导电型半导体层的第1焊接电极，

连接至所述第2导电型半导体层几乎整个表面的第2电极；

所述第2电极由第2焊接电极与第2透明电极构成；

元件侧面配置在所述第2焊接电极周围3个方向。

进而，根据本发明提供一种发光元件的制造方法，包括在基片上纵向和横向形成多个构成多个发光元件的至少1层第1导电型半导体层、至少1层第2导电型半导体层、第1焊接电极和第2焊接电极后，把得到的基片分割成一个单元一个单元的所述发光元件；其中，配置各半导体层和各电极，使在纵向所述第1焊接电极彼此邻接、所述第2焊接电极彼此邻接，在横向，所述第1焊接电极与第2电极邻接。

附图概述

图1是本发明的发光元件，图1(a)是概略俯视图，图1(b)是概略剖面图。

图2是本发明的发光元件制造工序中发光元件配置在晶片上的概略俯视图。

图3是比较发光效率实验中发光元件电极配置的说明图。

图4是示于图3的各发光元件的发光强度示图。

图5是本发明另一个发光元件，图5(a)是其概略俯视图，图5(b)是其概略剖面图。

图6是本发明再一个发光元件，图6(a)是其概略俯视图，图6(b)是其概略剖面图。

图7是以往的发光元件，图7(a)是其概略俯视图，图7(b)是图7(a)沿A-A′线的概略剖面图。

发明的实施形态

本发明的发光元件，主要由在基片上形成的第1导电型半导体层、第2导电型半导体层、第1焊接电极、第2焊接电极构成；或由在基片上形成的第1导电型半导体层、第2导电型半导体层、第1焊接电极、第2电极构成。基片没有特别的限定，可以是通常发光元件作为基片使用的那种，但需对要获得的发光元件发出的光是透明的，即，对发射光附近波长的光的吸收，相对于透明而言足够小。例如，可从硅、锗等半导体基片，SiGe、SiC、GaP、GaAsP、GaN等化合物半导体基片，蓝宝石、石英、ZnO等电介质基片等中，分别根据发光波长进行选择。

本发明发光元件中的半导体层，由至少1层第1导电型半导体层和第2导电型半导体层构成，以形成至少1个pn结。这里，所谓第1导电型及第2导电型表示p、n或i型中的任一种。

这些半导体层可由相同组成的半导体构成，也可由不同组成的半导体构成。这些半导体层在其与基片之间、半导体层之间、半导体层与第1焊接电极或第2电极之间可介入第1、第2导电型或与该2种导电型不同导电型的中间层或缓冲层。

作为半导体，以III族元素氮化物半导体为例，即，氮化镓系半导体，例如除In_sAl_tGa_1-s-tN(0≤s，0≤t，s+t≤1)等外，可举出Al_sGa_1-sAs(0≤s≤1)、Ga_sAs_1-sP(0≤s≤1)、In_sGa_1-sAs_xP_1-x(0≤s≤1，0≤x ≤1)、In_sAl_tGa_1-s-tP(0≤s，0≤t，s+t≤1)、In_sAl_tGa_1-s-tN_xAs_1-x(0≤s，0≤t，s+t≤1、0≤x≤1)、In_sAl_tGa_1-s-tN_xP_1-x(0≤s，0≤t，s+t≤1、0≤x≤1)、Mg_sZn_tCd_1-s-tS_xSe_yTe_1-x-y(0≤s、0≤t、s+t≤1、0≤x、0≤y、x+y≤1)等，其中，最好是氮化镓系半导体，尤其是In_sAl_tGa_1-s-tN(0≤s，0≤t，s+t≤1)。

这些半导体层可以含有浓度约为1×10¹⁴～1×10²¹cm^-3的n型或p型杂质，例如，C、Si、Ge、Sn、Be、Zn、Cd、Hg、Mg、O、S、Se、Te等，也可以不含杂质。

半导体层可由公知的方法，例如MOCVD(有机金属化学汽相淀积)(金属有机化合物汽相淀积)法、MBE(分子束外延)法、MOMBE法、GSMBE(气体源分子束外延)法等形成。又，杂质可在半导体层形成的同时掺杂，也可在半导体层形成后，通过离子注入和热扩散法掺杂。

第1导电型半导体层暴露与后述的第1焊接电极连接的区域，最好去除该区域的表面层。这时第1焊接电极连接区域的大小只要具有焊接所需的面积就可以，例如，约50～300×50～300μm²，或构成1个发光元件的第1导电型半导体层整个面积的约5～50％。去除的表面层的膜厚约为0.5～10μm，或第1导电型半导体层整体膜厚的约10～70％。

作为去除第1导电型半导体层部分表面的方法，可用公知的方法。具体地说，例如可举出使用仅在该去除部分有开口的掩膜及酸性溶液或碱性溶液的湿蚀法，或使用各种气体的RIE法(反应性离子蚀刻法)。例如，对III族氮化物半导体中，使用含卤族元素气体的RIE法是有效的，具体地说，可使用Cl₂气体和SiCl₄气体。

第2导电型半导体层可仅形成在第1导电型半导体层的部分区域。其大小可根据最终要得到发光元件的发光强度适当调整，例如可是第1导电型半导体层整体面积的约30～90％。

又，第2导电型半导体层可用与形成第1导电型同样的方法形成。在要加工成期望形状时，可通过与如上所述，去除第1导电型半导体层部分表面相同的方法来实现。

这些半导体层，因通常LED芯片外形是矩形，故最好各自形成矩形形状。这里所谓“矩形形状”，除长方形外，还包括正方形、梯形、平行四边形，进而还包括其部分或全部角带有圆形的形状，即近似半圆形状、近似半椭圆的形状，只要能在LED芯片中将这些半导体层设置得不浪费空间即可。

本发明发光元件的第1焊接电极是在第1导电型半导体层上形成的电极，可由通常的导电性材料形成。例如Al、In、Ga、Ni、Ti、Cu、Au、Ag、Cr、Si、W、WN、Pt、Pd、Ta、Sr等。这些材料可形成为单层膜或Ti/Au、W/Au等的层叠膜。这时膜厚不具体规定，例如约0.5μm以上，最好1μm以上、10μm以下。其大小只要具有焊接所需的面积就可以，如上所述，例如约50～300×50～300μm²。又，其形状没有具体规定，最好是矩形。

第1焊接电极的形成方法，可考虑使用的材料适当选择，例如可使用真空喷镀法、真空蒸镀法、EB蒸镀法、离子喷镀法、MBE法、电镀法、网板印刷法等。

第1焊接电极通常形成用于与外部进行电气连接的导线。为使第1焊接电极与导电连接牢固，也可形成球形部。这些导线和球形部可使用常用材料。

本发明的发光元件的第2电极是在第2导电型半导体层几乎全部表面上形成的电极。

例如，(1)当第2电极形成为仅用于与第2导电型半导体层焊接时，可用与上述同样的材料、膜厚、方法加以形成。这时第2电极的大小最好形成为焊接所需的实质上最小的面积，例如约为50～300×50～300μm²，最好约100～200×100～200μm²，或为构成一个发光元件的第1导电型半导体层全部面积的约20～90％。这时第2电极最好形成为矩形或大致为矩形。其膜厚例如为0.5～10μm。又，最好形成为使在第2电极周边的3个方向，即在与最接近第1焊接电极的一侧的相对侧、与该侧邻接的2侧这3侧的正下方或这3侧正下方附近配置发光元件的侧面。

(2)在第2电极形成为用于与第2导电型半导体层焊接并向它注入电流时，第2电极由第2焊接电极与第2透明电极构成。这时第2焊接电极可用与上述同样的材料、膜厚、方法形成。这时的第2电极大小与上述(1)的情况同样，最好形成为焊接所需的实质上最小的面积，例如约为50～300×50～300μm²，或构成一个发光元件的第1导电型半导体层整体面积的约5～60％，或第2导电型半导体层全体面积的约10～90％。第2焊接电极最好形成为矩形或近似矩形的形状。又，最好形成为在第2焊接电极的周围3个方向，即，与最接近第1焊接电极侧的相对侧、与该相对侧邻接的2侧这3侧的正下方或这3侧正下方附近配置发光元件的侧面。

第2透明电极与第2焊接电极电连接，可以自第2焊接电极正下方形成在第2导电型半导体层的几乎全部面上，也可以形成为除确保与第2焊接电极最低限度连接外，不与第2焊接电极重叠。

第2透明电极用可高效导出发光元件所发出的光的电极材料形成。例如，该发射光的透光率最好为约30～100％。作为电极材料，可举出Al、Au、Ni、Pd、Ti、Cr、Ta、Pt、Sr等金属，SnO₂、ZnO、ITO等透明导电材料为例。这些材料可以形成为单层膜或层叠膜。其膜厚可适当调整以使在使用上述材料时有适当的透光性，例如为约20nm以下，最好为约15nm以下。另一方面，在半导体层表面上，为使横向电流均匀，必须透光性电极本身横向电阻与半导体层的电阻相比足够小，因而其厚度最好约2nm以上。具体而言，在使用Ni/Au、Pd/Pt等叠层膜时，厚度最好为约1～10nm/1～10nm的范围。而在使用Pt单层膜时，为约2-20nm，最好为约2～10nm范围。

第2透明电极的形成方法，可根据使用的材料适当选择，例如可使用真空喷镀法、真空蒸镀法、EB蒸镀法、离子喷镀法、MBE法等。

这时，例如在一个平面上观察，则大致正方形的第1焊接电极、第2透明电极和第2焊接电极排成一行。

在上述发光元件的制造方法中，最好各发光元件不是单个形成，而是多个发光元件成批形成。即，在基片上纵向和横向形成多个构成多个发光元件的至少一层第1导电型半导体层、至少一层第2导电型半导体层、第1焊接电极和第2电极。然后，把得到的基片分割成一个单元一个单元的发光元件，根据需要也可按2个单元以上的发光元件为一组进行分割。这时，最好配置各半导体层和各电极，使在纵向，第1焊接电极和第2电极各自彼此邻接，在横向，第1焊接电极与第2电极邻接。又，在第2电极由第2焊接电极与第2透明电极构成时，最好配置成，在横向，第1焊接电极与第2焊接电极邻接。

也可以形成为在纵向第1焊接电极与第2电极分别1个个邻接，也可以多个第1焊接电极或多个第2电极合为一体地形成。

如上所述多个合为一体地形成的发光元件，可用公知的方法，例如，划痕法、刻模法、激光截断法等加以分割。

在划痕法中，基片厚度调整至约50～200μm，然后用金刚石划针在晶片上划线，沿划线沟把晶片分割成芯片。在刻模法中，把基片厚度调整为约100～500μm，然后，用固化金刚石磨粒的旋转刀切断晶片以分割成芯片。在激光截断法中，可使用CO₂激光、受激准分子激光或YLF激光，为了切断蓝宝石基片，也可用波长为248nm的KrF受激准分子激光。

下面，参照附图，说明本发明的发光元件及其制造方法，本发明并不限定于这些实施例。实施例1

本实施例的蓝光发光元件示于图1(a)和(b)。该发光元件100在几乎不吸收可见光、对该发光元件的发光波长透明的蓝宝石基片101上，顺次形成n型GaN层102、InGaN发光层103、p型GaN层104。n型GaN层102，在其部分区域中，去除部分表面连同在其上形成的InGaN发光层103及p型GaN层104，在该区域上直接连接n型焊接电极105。又，在p型透明电极106的部分区域上连接p型焊接电极107。在n型焊接电极105和p型焊接电极107上连接球形部108及焊接导线109。

该发光元件100配置成n型焊接电极105、p型透明电极106及p型焊接电极107排成一行。在图1(a)中，为易于观察，省略了球形部108和焊接导线109。

下面说明上述发光元件的制造方法。

首先，在膜厚为300μm的蓝宝石基片101上，顺次层叠n型GaN层102、InGaN发光层103、p型GaN层104。

然后，采用光刻技术和干蚀技术去除在后述工序中将形成n型焊接电极105区域中的p型GaN层104、InGaN发光层103及n型GaN层102的该部分表面。

然后，在p型GaN层104上形成膜厚约为15nm的Ni/Au膜构成的p型透明电极106。这时p型透明电极106的大小做成约150×350μm²。又在n型GaN层102上，形成膜厚约1μm的Al膜构成的n型焊接电极105。

进而，在p型透明电极106上形成膜厚约1μm的Au膜构成的p型焊接电极107。由于难于把导线焊至极薄金属膜的p型透明电极106上，该p型焊接电极是专门设置的。该p型焊接电极107的大小需制成考虑导出发射光所需的最低限度大小，为边长200μm的正方形。

该工序通常如图2所示，多个发光元件成批进行。即，各焊接电极105、107分别以连在一起的状态形成多个，然后将发光元件100作为一个单元进行分割而制成。

在分割成各发光元件100前，在基片上检查发光元件100的特性。该工序是检查当探针接触p型焊接电极107和n型焊接电极105以提供适当的电流时，是否可得到预期的元件电压和发光强度特性。在本实施例中，如图2所示，形成成发光元件100每4个单元各连接焊接电极105、107。因而，可每4个单元集中检查。

根据图2所示的配置，要接触探针的各焊接电极105、107连续排成一列，因而在检查工序中，探针仅沿焊接电极105、107移动即可进行检查，不会误伤例如p型透明电极106，也不会从探针向透明电极106落下尘埃等，可提高制造成品率。

又，在图2纵向，不要求用于构成发光元件各电极105、106、107等的掩模配合的严密性，从而可简化制造工序。

在其后的工序中，分割示于图2的各发光元件。被分割的各元件用筒夹(真空吸附工具)夹紧举起作适当搬运，这时，若采用仅与元件两端部分(形成p型焊接电极107、n型焊接电极106的侧面)接触的这种筒夹，则因元件两端固定，可稳定地搬运，又因在元件两端仅存在焊接电极，也不会伤及元件的导光部分。这是通过把n型焊接电极、p型透明电极、p型焊接电极顺次配置成一行，在元件两端仅配置焊接电极的本发明发光元件特有的效果。

接着，在图1未图示的适当的台座上固定各元件，向n型焊接电极105和p型焊接电极107焊接导线109。这时，在焊接导线109的前端形成球形部108，由此，牢固焊接完成。

在上述发光元件100中，如图1(a)所示，正方形的p型焊接电极107周围4个方向中3个方向成为发光元件100的侧面。即，在3个方向，暴露发光层103及对所发出的光透明的基片101的侧面。因而，可有效地向外导出以往发光元件中不能充分导出的p型焊接电极107正下方所发射的光。

对发光元件各电极配置对发光效率的影响进行实验。

如图3所示，使发光部面积作各种变化形成如上述实施例所述的在p型焊接电极107周围3个方向具有元件侧面的发光元件及如已有技术例子所示在p型焊接电极周围2个方向具有元件侧面的发光元件，在注入具有同一电流密度的电流时，比较发光强度的差异。

图3的左侧列是p型焊接电极周围3个方向具有元件侧面的发光元件，表示设p型焊接电极面积为1，发光部面积(p型焊接电极和p型透明电极面积之和)为1、2、3时的3种情况的元件。例如，图中表示：发光部面积为1的元件是不形成透明电极的元件，发光部面积为2的元件是形成与p型焊接电极同面积的透明电极的元件。又，右侧列是在p型焊接电极周围2个方向有元件侧面的发光元件。发光部面积，与上述相同。在实验中，p型焊接电极的大小为每边长200μm的正方形，蓝宝石基片的厚度固定为300μm。每1面积注入10mA电流。

实验结果示于图4。图4相对地示出示于图3的各发光元件的发光强度。

图4结果中，任一发光部面积在3个方向具有元件侧面的发光元件的发光强度均比在2个方向具有元件侧面的发光元件的大。

由该结果可知，即使p型透明电极邻接p型焊接电极设置，也难于导出p型焊接电极正下方发出的光，为了改善导光，最佳方案是以p型焊接电极周围作为元件侧面。这种效果，在基片对发射光是不透明的发光元件中，不能显著体现。其原因是，使用不透明基片时，在基片及其上层叠的半导体层内部吸收发射光，从而p型焊接电极正下方发射的光几乎不能导向外部。但是，在使用透明基片时，若基片侧面处于p型焊接电极周围，则p型焊接电极正下方发射的光可通过基片侧面导出。

图4的结果在基片厚度为60～400μm范围内几乎不变化，在100～200×100～200μm²的适当p型焊接电极大小范围也几乎不变。

p型焊接电极虽希望其面积小，但要确保焊接所必需的面积。发光部的大小也必须适当设置，以免注入电流密度过大。其原因在于，一旦注入电流密度过大，由于发热会降低发光效率，或对元件寿命产生不良影响。因此，形成覆盖发光部的p型电极中，将焊接所需的最小面积作为p型焊接电极，其余的面积作为p型透明电极，以确保发光部面积适当。p型透明电极配置成仅邻接p型焊接电极的一侧，以不妨碍导出p型焊接电极正下方发出的光。

这样，根据本实施例1的发光元件，使p型焊接电极的面积为所需的最低限度，以3个方向作为元件侧面，从而可有效地把p型焊接电极正下方发出的光导向元件外部，与已有技术相比可提高元件的发光效率。

又，在本实施例中，将III族元素氮化物半导体用于各半导体层，从而可得到在可见光领域具有良好发光特性的发光元件。

在图2中，若按每2个发光元件单元为一组，即以110所示那样切割发光元件，则可得到具有通常的发光面积2倍的发光元件。

这样，根据本实施例的发光元件的制造方法，仅改变部分制造工序，即可从一块基片得到具有不同发光面积的发光元件。实施例2

本实施例的绿光发光元件示于图5(a)及5(b)。该发光元件除p型焊接电极107形成在离开元件侧面约30μm的内侧外，其余均与实施例1实质上相同。

在该实施例中，蓝宝石基片101的厚度为100μm，p型透明电极106为大小100×200μm的长方形，p型焊接电极为边长100μm的正方形。

这样构成的发光元件也与实施例1同样，可从元件侧面有效地导出p型焊接电极107正下方发出的光。即，可得到与已有技术相比发光效率良好的、在可见光领域发光的发光元件。实施例3

本实施例的黄绿光发光元件示于图6(a)及(b)。该发光元件除省略p型透明电极外，其余与实施例1实质上相同。

在本实施例中，蓝宝石基片101的厚度为200μm，p型焊接电极107为边长150μm的正方形。

在如此构成的发光元件中，由于发光面积变小，存在高电流下发光效率降低等特性恶化的问题。然而，在另一方面，此发光元件能以低电流用于以低输出运作为目的的LED元件中，因而图6(a)及6(b)所示的简易构成也可充分使用。

在该发光元件中，p型焊接电极107正下方发射的光也可从元件侧面有效导出，因而可得到具有足够良好的特性的发光元件，尤其是以低输出运作为目的的发光元件。

根据本发明的发光元件，可从元件侧面最大限度导出以往没有有效利用的、从第2电极正下方发射的光，从而可提高发射光导出效率。

又，通过以适当形状配置本发明发光元件的各半导体层及电极，可简便容易地制造发光元件。

Claims

1.一种发光元件，它包括：

基片，

在基片上形成的至少1层第1导电型半导体层，

连接至所述第1导电型半导体层的第1焊接电极，

连接至所述第2导电型半导体层几乎整个表面的第2焊接电极；其特征在于，

所述第2焊接电极形成为大致矩形形状且具有焊接所需的实质上最小面积；

元件侧面配置在所述第2焊接电极周围3个方向。

2.一种发光元件，它包括：

基片，

在基片上形成的至少1层第1导电型半导体层，

连接至所述第1导电型半导体层的第1焊接电极，

连接至所述第2导电型半导体层几乎整个表面的第2电极；其特征在于，

所述第2电极由第2焊接电极与第2透明电极构成；

元件侧面配置在所述第2焊接电极周围3个方向。

3.如权利要求2所述的发光元件，其特征在于，所述第1焊接电极、第2透明电极和第2焊接电极配置成一行。

4.如权利要求1至3中任一所述的发光元件，其特征在于，所述第1导电型半导体层及第2导电型半导体层由III族元素氮化物半导体构成。

5.一种发光元件的制造方法，其特征在于，在基片上纵向和横向形成多个构成多个发光元件的至少1层第1导电型半导体层、至少1层第2导电型半导体层、第1焊接电极和第2焊接电极后，把得到的基片分割成一个单元一个单元的所述发光元件；其中，配置各半导体层和各电极，使在纵向所述第1焊接电极彼此邻接、所述第2焊接电极彼此邻接，在横向，所述第1焊接电极与第2电极邻接。