CN1667849A - 发光元件及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种发光元件，其在发光层部通过反射用金属层将补强用导电基板贴合，既容易制造，又可良好地维持金属层所形成的反射面的反射率。发光元件具有化合物半导体层，该层具有发光层部及形成于该发光层部的第一主表面上的电流扩散层。该化合物半导体层的第二主表面，是通过反射金属层结合于构成导电性元件基板的Si基板的第一主表面上。反射金属层10是由以Au、Ag、或Al之任一作为主成分的金属构成。反射金属层与Si基板通过导电性粘着材层11贴合，该导电性粘着材层11是将以Au、Al、Cu、或Ni为主成分的金属粒子，以环氧系高分子材料、氨基甲酸系高分子材料或丙烯酸系高分子材料等构成的高分子结合材料结合而构成。

Description

发光元件及其制造方法

技术领域

本发明系关于发光元件及其制造方法。

背景技术

为使发光二极管或半导体激光器等发光元件高亮度化，由元件的光取出效率是极为重要的。因此，在非专利文献1中公开了以下技术，即在发光层部中除去成长用基板的GaAs基板，另一方面，将补强用的导电性基板通过反射用金属层贴合于该除去面。

非专利文献1：日经电子2002年10月21日号124页～132页。

发明内容

上述方法采用的方式，是在发光层部一侧与导电性基板的双方皆形成Au层，并使该Au层彼此贴合，但其有下述缺点：

(1)由于必须形成2个Au层，故费工。

(2)若形成的Au层的膜厚不均、发光层部厚度不均、或产生基板弯曲等，则无法得到均匀的贴合状态，而降低由贴合晶片的切割制得元件晶片的成品率。

(3)为坚固地贴合Au层彼此，必须进行使Au层彼此紧密贴合的热处理。在该热处理时，形成于发光层部与反射层(非专利文献中为Al层)间的接触层(接合合金化层)的成分会扩散至反射层面内，而易使反射率降低。

本发明的课题是提供一种发光元件及其制造方法，该发光元件具有通过反射用金属层将补强用的导电性基板贴合于发光层部的构造，并且，易于制造，且亦可良好地维持金属层形成的反射面的反射率。

为解决上述课题，本发明的发光元件到的特征在于：

将具有发光层部的化合物半导体层的第一主表面作为光取出面，在该化合物半导体层的第二主表面通过反射金属层结合导电性的元件基板，并且，将反射金属层与元件基板，通过将导电性粒子以高分子结合材结合的导电性粘着材层贴合。

另，本发明的发光元件的制造方法的特征在于：

在化合物半导体层(以第一主表面作为光取出面且具有发光层部)的第二主表面侧形成反射金属层，将导电性元件基板的第一主表面与反射金属层的第二主表面，通过将导电性粒子以高分子结合材结合的导电性粘着材层贴合，由此制作贴合基板，而将该贴合基板切割成元件晶片。

根据上述本发明的发光元件及其制造方法，由于在含有发光层部的化合物半导体层侧形成反射金属层，且将其透过导电性粘着材层贴合于元件基板侧，故不须如非专利文献1为了贴合于元件基板侧而形成多余的金属层，可减少金属层形成的工作量而容易制造。

另，由于导电性粘着材层的可挠性良好，故即使导电性粘着材层侧或元件基板侧发生少许凹凸或弯曲等，亦可将两者均一且高强度地贴合，而提升由切割贴合基板所制得元件晶片的成品率。特别是导电性粘着材层如果由加热硬化性高分子材料形成，未硬化的导电性粘着材层的可挠性特别良好，容易吸收凹凸和弯曲等，故效果良好。此时，在元件基板的第一主表面与反射金属层的第二主表面间，可重叠配置未硬化的导电性粘着材层，在该状态通过加热硬化处理进行贴合。

更具体而言，可将以未硬化的导电性粘着材构成的焊剂涂布于反射金属层或元件基板之一，由此形成导电性粘着材层。导电性粘着材的焊剂，具有填充凹凸及弯曲效果良好的优点。另一方面，亦可将以未硬化的导电性粘着材构成的可挠性板贴附于反射金属层或元件基板之任一上，由此形成导电性粘着材层。预先形成的板状的导电性粘着材的厚度极为均一，故不会产生焊剂涂布不均的情况，而容易得到均一的贴合状态。

本发明的发光元件中，可在反射金属层与化合物半导体层间，形成分散的接触电阻减低用的接合合金化层。由此，金属反射层可兼作为元件基板、及对发光层部施加电压用的电极。又，在化合物半导体层的第二主表面形成分散的接触电阻减低用接合合金化层，并进行合金化热处理使金属层形成接合合金化层，并且在合金化热处理之后，以低于合金化热处理的温度进行导电性粘着材层的加热硬化处理(即，高分子结合材，是以低于接合合金化层的合金化热处理温度来进行加热硬化处理的)。

导电性粘着材层的高分子结合材，1液型与2液型皆可使用。1液型是由溶剂蒸发来进行高分子的硬化的，例如，可使用丙烯酸系材料。1液型的场合，以涂布来进行层形成时，导电性粘着材需添加相当量的溶剂来形成涂料状，而有因溶剂蒸发时所产生的气泡引起化合物半导体层的剥离或产生裂痕等问题。另一方面，2液型，是以主剂及硬化剂的混合作为硬化的开始，故硬化(curing)温度可任意设定为高于室温到180℃的范围之内，且只需少量溶剂。且容易加工成板状。代表性的2液型有环氧系高分子材料及氨基甲酸系高分子材料。特别是若采用环氧系高分子材料，则粘着性佳，又，即使以到160℃为止的低温亦可迅速且充分地进行硬化处理，再者，硬化温度的调整也很容易，故适于本发明。且，环氧系高分子材料亦有容易加工成未硬化板的优点。

无论使用1液型或2液型，导电性粘着材层的加热硬化处理温度，可控制在远低于一般需超过300℃的合金化热处理的温度。其结果，导电性粘着材层的加热硬化处理时，可有效抑制形成于化合物半导体层与反射层间的接合合金化层的成分扩散到反射面内而使反射率降低。此时，合金化处理后，以覆盖化合物半导体层的第二主表面(分散形成有接合合金化层)的方式形成反射金属层，且只要通过之后进行的导电性粘着材层的加热硬化处理，亦可防止合金化热处理时接合合金化层的成分扩散到反射面内，具有更良好的效果。

作为导电性粒子，可采用Ag系金属粒子、Al系金属粒子、Cu系金属粒子、或Ni系金属粒子等，若考虑导电性及抗氧化性的性能与价格的平衡，则以Ag系金属粒子为最佳。另外，亦可采用碳黑等非金属的导电粒子。

作为元件基板，虽亦可采用与以往的发光元件相同的Si基板，但若以金属基板来构成，则该元件基板可具备散热(heatsink)作用，而在发光元件驱动时可促进元件的散热，故可延长元件的寿命。金属基板的主表面与Si基板相比较不易平坦化，但采用本发明，由于导电性粘着材层可吸收金属基板侧的凹凸及弯曲，故不用担心上述不良情况，而能有效赋予发光元件散热机能。

【实施方式】

以下，参照所附图说明本发明的实施例。

图1，是显示本发明的发光元件的一实施例。该发光元件100具备化合物半导体层50，该化合物半导体层50，具有发光层部24、及形成于该发光层部24的第一主表面上的电流扩散层20。该化合物半导体层50的第二主表面，在构成导电性元件基板的Si基板7的第一主表面上通过反射金属层10结合。反射金属层10，是由以Au、Ag、或Al之任一作为主成分(特别是，以上述主成分元素的含有率为95质量％以上者为佳)的金属所构成。

反射金属层10与Si基板7，是通过导电性粘着材层11而贴合，该导电性粘着材层11，是将以Au、Al、Cu、或Ni为主成分的金属粒子、或碳黑等构成的导电性粒子，以环氧系高分子材料、氨基甲酸系高分子材料或丙烯酸系高分子材料等构成的高分子结合材结合而构成的。导电性粒子与高分子结合材的配合率，是将导电性粒子相对于两者合计的体积比调整为如20％～80％，而导电性粒子是平均粒径则调整为1μm～50μm。

发光层部24，是具有以下构造：将由无掺杂(Al_xGa_1-x)_yIn_1-yP(其中，0≤x≤0.5，0.45≤y≤0.55)混晶所构成的活性层5，以p型(Al_zGa_1-z)_yIn_1-yP(其中，x＜z≤1＝构成的p型包覆层6、与以n型(Al_zGa_1-z)_yIn_1-yP(其中，x＜z≤1＝构成是n型包覆层4夹住；并可根据活性层5的组成，将发光波长调整为黄绿色至红色范围(发光波长(峰值波长)为550nm～670nm)。本实施例中，在光取出侧电极9侧配置p型包覆层6，而在结合金属层10侧配置n型包覆层4。又，电流扩散层20是由p型AlGaAs(或p型GaP)所构成，在其第一主表面的大致中央位置，将对发光层部24施加发光驱动电压的光取出侧电极(例如，Au电极)9，以覆盖该主表面一部分的方式设置。电流扩散层20的主表面上，光取出侧电极9周围的区域，形成发光层部24的光取出区域PF。又，电流扩散层20与光取出侧电极9之间，配置有由AuBe合金等所构成的光取出侧接合合金化层9a。

Si基板7是将Si单晶锭切片、研磨而制成的，其厚度为100μm～500μm。该Si基板7的第二主表面是以背面电极(如，Au电极)15覆盖。背面电极15与Si基板7之间，隔着以AuSb所构成的基板侧接合合金化层16。又，化合物半导体层50与反射金属层10之间，形成有AuGeNi等所构成的发光层部侧接合合金化层31。其任一皆有助于减低接触电阻。另外，Si基板7与导电性粘着材层11之间，隔着以AuSb所构成的基板侧接合合金化层32。

发光元件100，是通过在光取出侧电极9与背面电极15间通电，而使发光层部24发光驱动。来自该发光层部24的光，是以向光取出面侧的直接光束、与反射金属层反射的反射光束重叠的方式取出。

以下，说明上述发光元件100的制造方法的具体例。

首先，如图2的工序1所示，在构成成长用基板的GaAs单晶基板1的主表面上，依次使n型GaAs缓冲层2(例如，0.5μm)、AlAs构成的剥离层3(例如，0.5μm)磊晶成长。之后，作为发光层部24，依次使n型包覆层4(厚度例如为1μm)、活性层(无掺杂)5(厚度例如为0.6μm)、及p型包覆层6(厚度例如为1μm)磊晶成长。发光层部24的总厚度2.6μm。又，进一步使p型AlGaAs构成的电流扩散层20(例如5μm)磊晶成长。上述各层的磊晶成长是以周知的MOVPE(Metal-Organic VaporPhase Epitaxy，有机金属气相磊晶)法进行。

由此，在GaAs单晶基板1上，形成由发光层部24及电流扩散层20所构成的化合物半导体层50。该化合物半导体层50的厚度为7.6μm，在除去GaAs单晶基板时，事实上不可能将其单独地进行处理而不使其损伤。又，在化合物半导体层50的第一主表面，在此阶段将由AuBe合金等构成的金属层9a’、与覆盖其之光取出面侧电极9形成图案化。之后可继续进行光取出侧合金化热处理而使金属层9a’(以下，符号上有「’」的是指热处理前)形成光取出侧接合合金化层9a，但本实施例中是将光取出侧合金化热处理，兼作为形成发光层部侧接合合金化层31时的合金化热处理。

接着，如工序2所示，在化合物半导体层50的第一主表面，将高分子材料结合层111以覆盖光取出面侧电极9的形态涂布而形成，如工序3所示，使高分子材料结合层111以加热软化的状态，与另外准备的临时支撑基板110重叠密合，之后冷却使该高分子材料结合层111硬化，由此制成将化合物半导体层50与支撑基板110通过高分子材料结合层111贴合的临时支撑基板贴合体120(工序3)。此时，在化合物半导体层50的第二主表面侧，呈附设成长用基板GaAs单晶基板1的状态。

临时支撑基板110的材质，是由在下述的合金化热处理时亦能保持刚性、且气体产生较少的材料构成。具体而言，可以硅基板或陶瓷基板(例如氧化铝板)、或金属板等构成。另一方面，高分子材料结合层111，可使用热熔型粘着剂或蜡类。

接着，如图3的工序4所示，从临时支撑基板贴合体120除去所附设的作为成长用基板的GaAs单晶基板1。该除去步骤可以下述方式实施，例如，将临时支撑基板贴合体120(参照工序3)与GaAs单晶基板1一起浸渍于蚀刻液(例如，10％氢氟酸水溶液)，将形成于缓冲层2与发光层部24间的AlAs剥离层3进行选择性蚀刻，由此，将该GaAs单晶基板1从临时支撑基板贴合体120剥离。又，亦可采用下述工序，代替AlAs剥离层3形成AlInP构成的蚀刻停止层，使用对GaAs具选择蚀刻性的第一蚀刻液(例如，氨水/过氧化氢混合液)，将GaAs单晶基板1与GaAs缓冲层2一起蚀刻除去，接着使用对AlInP具由选择蚀刻性的第二蚀刻液(例如，盐酸：用于除去Al氧化层时亦可添加氢氟酸)，将蚀刻停止层蚀刻除去。

如此，除去GaAs单晶基板1的化合物半导体层50，通过高分子材料结合层111与临时支撑基板110贴合，而形成临时支撑基板贴合体120。因此，尽管化合物半导体层50极薄，仍不易产生GaAs单晶基板1蚀刻除去时因气泡等的冲击而被破坏的不良情况，并且，由于GaAs单晶基板除去后亦以临时支撑基板贴合体120的方式补强，故进行之后的工序处理亦能容易进行。

接着，如工序5所示，以上述临时支撑基板贴合体120的状态，在除去GaAs单晶基板1而露出的化合物半导体层50的第二主表面，形成分散的AuGeNi合金等构成的金属层，再将该金属层进行用作发光层部侧接合合金化层31的合金化热处理。此时，亦同时对光取出面侧电极9进行进金属层9a’的合金化。合金化热处理，是在惰性气体环境气氛下以300℃～450℃的温度实施。之后，在形成发光层部侧接合合金化层31的化合物半导体层50的第二主表面，以蒸镀等形成反射金属层10。

又，另外准备硅基板7，在其两主表面形成AuSb合金等构成的金属层，再以250℃～360℃的温度范围进行合金化热处理，由此分别作成基板侧接合合金化层32、16。另外，在基板侧接合合金化层16上形成背面电极15。

接着，进行元件基板贴合工序。具体而言，如图3的工序6所示，在Si基板7的第一主表面(化合物半导体层50的第二主表面亦可)，形成未硬化的导电性粘着材层11’。如仅显示主要部分的图5所示，导电性粘着材层11’，由涂布糊(或涂料)状的导电性粘着材层11’而形成。又，如仅显示主要部分的图6所示，亦可通过贴附由未硬化的导电性粘着材构成的可挠性板21，来形成导电性粘着材层。例如，使用含有环氧系高分子材料等2液型高分子结合材的导电性粘着材时，将以1小时可以达到最高到达硬度的90％的温度定义为硬化温度时，可使用该硬化温度设定于30℃～180℃(最好为50℃以上160℃以下)的范围内的。

接着，如图4的工序7所示，将硅基板7与反射金属层10，通过未硬化的导电性粘着材层11’重叠紧压，以上述的硬化温度(例如，30℃～180℃)进行加热硬化处理(贴合热处理)。由此，硅基板7与反射金属层10通过已硬化的导电性粘着材层11以相当的强度贴合，而制得贴合结合体130。在此阶段，光取出侧与贴合基板侧的各合金化热处理皆已结束，加热硬化处理能以低于其的温度实施，由此，可有效抑制接合合金化层的合金成分扩散至反射金属层10构成的反射面内，进而获得更高反射率的反射面。

加热处理结束后进行临时支撑基板分离工序。临时支撑基板分离工序，如图4的工序8所示，加热高分子材料结合层111使其软化，而将临时支撑基板110分离、除去。又，该分离程序，可在工序7的贴合热处理时同时进行。之后，如工序9所示，将残存于化合物半导体层50的第一主表面的高分子材料结合层111，用有机溶剂溶解、除去。又，有机溶剂需使用会溶解高分子材料结合层111、而不会溶解导电性粘着材层11的(例如，甲苯等)。

以上所述，为便于理解，制作贴合基板结合体130的工序是以元件单体的积层型态图示并加以说明，但实际上，是将复数个元件晶片以配列成阵列状的方式一起形成而制成贴合晶圆。由于导电性粘着材层11可挠性佳，故即使导电性粘着材层11侧或Si基板7侧产生少许的凹凸或弯曲，亦可将两者均一且高强度地贴合，而提高由贴合基板的切割制得元件晶片的成品率。又，含发光层部24的化合物导体层50侧系形成反射金属层10，并于Si基板7上通过导电性粘着材层11而贴合，故不需为了贴合于Si基板7侧而形成多余的金属层，而可减少金属层形成的工作量，故容易制造。因此，将该贴合晶圆以一般的方法切割成元件晶片，并将其固接于支撑体进行导线的打线等后，进行树脂封装，由此制得最终的发光元件。

又，亦可如图7所示的发光元件200，使用金属基板107代替作为元件基板的Si基板7。由此，可改善元件的散热特性。另外，由于金属基板107与导电性粘着材层11、或背面电极15之间可直接形成欧姆接合，故可省略接合合金化金属层。又，金属基板107，可由如Cu、Al或以其中任一作为主成分的合金(例如，Cu-W合金)来构成。

又，将金属基板107以上述Al或Cu等易形成氧化被膜的材质构成时，为改善电气的导通状态，如图中的虚线所示，可在与导电性粘着材层11相接的第一主表面侧、或与背面电极15相接的第二主表面侧，形成导通改善层231、232。导通改善层231、232，可以较金属基板107低熔点的合金层(例如蜡材层)形成。特别是，以表面易形成致密且坚固的氧化物层的Al系金属构成金属基板107的时候，导通改善层231、232能以Al用焊接合金(例如，Al-Zn、Sn-Zn、Cd-Zn系)、或Al-Ga系、Al-Ga-Ni系、Au-Sn系、或其他Al合金构成的Al合金蜡材来形成。特别是，含有Zn或Ga作为副成分的合金，其改善与Al系金属基板构成金属基板107间的导通效果优异。另一方面，以Cu系金属构成金属基板107的时候，导通改善层231、232，可以Cu系蜡材、黄铜系蜡材(Cu-Zn系)、Ag-Sn系或Ag-In系等Ag系蜡材形成。导通改善层231、232，是将用以形成其的金属材料，作成箔或以真空蒸镀等形成的气相成长膜、或以金属粉末焊剂的涂布层而配置在金属基板107上，之后加热到该金属材料的熔点(液相线温度)以上的温度而制成。

附图简单说明

图1，是显示本发明的发光元件的第一例的截面示意图。

图2，是发光元件的工序说明图。

图3，是接续图2的说明图。

图4，是接续图3的说明图。

图5，是显示形成导电性粘着材层的第一方法示意图。

图6，是显示形成导电性粘着材层的第二方法示意图。

图7，是显示本发明的发光元件的第一例的截面示意图。

附图主要符号说明

100、200    发光元件

4           n型包覆层

5           活性层

6           p型包覆层

7        Si基板(元件基板)

9         光取出侧电极

9a        光取出侧接合合金化层

10        金属反射层

11        导电性粘着材层

15        背面电极

16、32    基板侧接合合金化层

20        电流扩散层

24        发光层部

31        接合合金化层(背面电极部)

50        化合物半导体层

107       金属基板(元件基板)

Claims (13)

1.一种发光元件，其特征在于：以具有发光层部的化合物半导体层的第一主表面作为光取出面，在上述化合物半导体层的第二主表面通过反射金属层与导电性的元件基板结合，并且，上述反射金属层与上述元件基板，是通过将导电性粒子以高分子结合材结合的导电性粘着材层贴合。

2.根据权利要求1所述的发光元件，其特征在于，在上述反射金属层与上述化合物半导体层之间，形成有分散的接触电阻减低用的接合合金化层。

3.根据权利要求2所述的发光元件，其特征在于，上述高分子结合材，是以低于上述接合合金化层的合金化热处理时的温度进行加热硬化处理而成的。

4.根据权利要求1所述的发光元件，其特征在于，上述高分子结合材，是由选自环氧系高分子材料、氨基甲酸系高分子材料、丙烯酸系高分子材料之任一所构成。

5.根据权利要求2所述的发光元件，其特征在于，上述高分子结合材，是由选自环氧系高分子材料、氨基甲酸系高分子材料、丙烯酸系高分子材料之任一所构成。

6.根据权利要求3所述的发光元件，其特征在于，上述高分子结合材，是由选自环氧系高分子材料、氨基甲酸系高分子材料、丙烯酸系高分子材料之任一所构成。

7.根据权利要求1～6所述的发光元件，其特征在于，上述元件基板是由金属基板所构成。

8.一种发光元件的制造方法，其特征在于：在化合物半导体层(以第一主表面作为光取出面且具有发光层部)的第二主表面侧形成反射金属层，将导电性元件基板的第一主表面与上述反射金属层的第二主表面，通过将导电性粒子以高分子结合材结合的导电性粘着材层贴合，由此制作贴合基板，并将上述贴合基板切割成元件晶片。

9.根据权利要求8所述的发光元件的制造方法，其特征在于，上述导电性结合材层的上述高分子结合材是以加热硬化型高分子材料形成，将未硬化的导电性结合材层配置于上述元件基板的第一主表面与上述反射金属层的第二主表面间使之叠合，而以上述状态将上述导电性结合材层进行加热硬化处理。

10.根据权利要求9所述的发光元件的制造方法，其特征在于，将未硬化的导电性结合材构成的焊剂，涂布于上述反射金属层或上述元件基板之任一，由此形成上述导电性结合材层。

11.根据权利要求9所述的发光元件的制造方法，其特征在于，将未硬化的导电性结合材构成的可挠性板，贴附于上述反射金属层或上述元件基板之任一，由此形成上述导电性结合材层。

12.根据权利要求9至11的任一项所述的发光元件的制造方法，其特征在于，在该化合物半导体层的第二主表面，形成分散的上述接触电阻减低用接合合金化层，通过进行合金化热处理而使该金属层形成接合合金化层，在合金化热处理之后，以低于合金化热处理的温度进行该导电性粘着材层的加热硬化处理。

13.根据权利要求12所述的发光元件的制造方法，其特征在于，在上述合金化热处理之后，以覆盖该化合物半导体层的第二主表面(分散形成有该接合合金化层)的方式形成上述反射金属层，之后进行该导电性粘着材层的加热硬化处理。

Images