CN1674313A - 固态元件和固态元件装置 - Google Patents

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Abstract

一种固态元件，具有：在基材上形成的半导体层，所述半导体层包括相应于固态元件发射区域的第一层以及电流穿过其中供应到第一层的第二层；光射出表面，从第一层发射的光通过该表面向外发射，所述光射出表面位于基材侧上；以及包括多个区域的电极，所述区域为导电材料并与第二层欧姆连接。

Description

固态元件和固态元件装置
本申请是以日本专利申请2004-084282、2004-223600和2005-044649为基础的，这些专利的全部内容并入此处作为参考。
技术领域
本发明涉及一种固态元件和固态元件装置，具体而言，涉及能够防止由于热应力引起的电极分离和结合强度降低以便从装置内部高效率释放光的一种元件和一种固态装置。
背景技术
传统固态装置是作为固态元件的LED(发光二极管)元件安装在具有引线框和布线图案的基材上的发光装置。在使用LED元件的发光装置中，为了具有高亮度或高输出的装置，重要的是被限定在LED元件内部的光减少从而提高了向外辐射效率。
一种LED元件是半导体层在透明基材如蓝宝石上形成并且光从透明基材侧释射出来的弹抛片式(flip-chip type)LED元件。弹抛片式LED元件有优异的向外辐射效率，因为它在半导体层或钝化膜中没有产生光损失的缘故。在该装置安装中，弹抛片式LED元件被弹抛片式连接到布线元件如在250～300℃温度的回流熔炉内的引线框。
最近几年，考虑到环境因素而研究无铅(Pb)焊料作为用于LED元件的电连接的焊料。无Pb焊料比含Pb焊料具有更高的熔点，因而产生了由于在LED元件的弹抛片结合中的热应力增加导致发射效率变低的问题。
日本专利申请公开11-150297(相关技术1)公开了一种氮化物半导体发光元件，该元件的p-电极是多层的以增加这种弹抛片式LED元件的发射效率。
氮化物半导体发光元件是由与p-GaN基半导体层欧姆接触的第一正极和在第一正极上形成的第二正极组成的。为了使直接位于第二正极的下面的发光层发射光，第二正极包括与第一正极接触的Au或Pt层(相关技术的[0012]和图1)。
然而，在上面的相关技术1中，因为第一和第二正极都在连续平面上形成，因而存在这样的问题：由于高温条件下两个正极之间的热膨胀系数的差异而导致电极层从半导体层分离(剥落)。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够防止由于热膨胀系数差异导致的电极层分离的固态元件以及使用该固态元件的固态元件装置。
(1)根据本发明的一种固态元件，包括：
在基材上形成的半导体层，所述半导体层包括相应于固态元件发射区域的第一层以及电流穿过其中供应到第一层的第二层；
光射出表面(light discharge surface)，通过该表面从第一层发射的光向外发射，所述光射出表面位于基材侧上；和
包括多个区域的电极，所述区域为导电材料并与第二层欧姆连接。
优选所述多个区域安置在半导体层表面上，而所述半导体的表面覆盖有热膨胀系数与电极相比更接近于半导体层的其它导电材料。
多个区域可以彼此连接。
优选导电材料没有扩散到半导体中形成金属互化物。
优选半导体层含有GaN基的半导体化合物。
优选光射出表面包括通过处理基材形成的不平表面。
优选光射出表面包括凸起部分，依照凸起部分安置所述导电材料。
优选凸起部分包括在半导体层上形成的高折射树脂层。
优选基材包括具有基本上等于半导体层的折射率的材料。
(2)根据本发明的另一方面的固态元件，包括：
在基材上形成的半导体层，所述半导体层包括相应于所述固态元件的发射区域的第一层以及电流穿过其中供应到第一层的第二层；
光射出表面，通过该表面从第一层发射的光是向外发射的，所述光射出表面位于基材侧上；
具有基本上等于固态元件的热膨胀系数的接触电极层；和
在接触电极层上部分形成并连接外部线路部分的连接部分。
优选连接部分包括镍(Ni)形成的厚膜。
优选该半导体层包括以向其供应的电流为基础而发射光的发光层。
(3)根据本发明的另一方面的固态元件装置，包括：
固态元件；
在其上安装有固态元件的安装基材，所述安装基材具有基本上等于固态元件的热膨胀系数；和
密封所述固态元件的无机密封部分，
其中固态元件包括具有基本上等于固态元件的热膨胀系数的接触电极层以及在接触电极层上部分形成并连接外部线路部分的连接部分。
(4)根据本发明的另一方面，固态元件装置包括如下：
固态元件，它包括：在基材上形成的半导体层，和从第一层发射的光通过其向外发射的光射出表面，而所述半导体层又包括相应于所述固态元件的发射区域的第一层以及电流穿过其中供应到第一层的第二层，所述光射出表面位于基材侧上；
具有基本上等于固态元件的热膨胀系数的接触电极层；
在接触电极层上部分形成并连接外部线路部分的连接部分；
在其上安装有固态元件的安装基材，所述安装基材具有基本上等于固态元件的热膨胀系数；和
密封所述固态元件的无机密封部分。
优选所述连接部分在接触电极层上部分形成。
优选无机密封部分包括具有热膨胀系数基本上等于基材热膨胀系数的玻璃材料。
优选接触电极层包括导电金属氧化物如ITO。
(5)根据本发明的另一个方面的固态元件装置，包括：
固态元件；
在其上安装有固态元件的安装基材，所述安装基材具有基本上等于固态元件的热膨胀系数的无机材料；和
密封所述固态元件的无机密封部分，
其中固态元件包括包含导电金属氧化物的接触电极层以及在接触电极层上形成并连接到在安装基材上形成的线路部分的连接部分。
优选所述导电金属氧化物包括ITO。
附图说明
根据本发明的优选实施方案下面将参考附图进行解释，其中：
图1是示出在本发明的第一优选实施方案中作为固态元件装置的发光装置的横截面图；
图2是示出在图1中的LED元件的横截面图；
图3A是从形成LED元件的表面的电极看的图2的LED元件的仰视图；
图3B是沿图2中A-A线切开的横截面图；
图3C是示出图3B的p-多层电极27的改进的仰视图；
图4是示出本发明第二个优选实施方案中LED元件的横截面图；
图5A是示出图4中LED元件的改进(发光结构)的横截面图；
图5B是示出从图5A的位置B看图5A中LED元件的顶视图；
图6A是示出本发明第三个优选实施方案中LED元件的横截面图；
图6B是示出从图6A的位置B看图6A中LED元件的顶视图；
图7A是示出本发明第四个优选实施方案中LED元件的横截面图；
图7B是示出从图7A的位置B看图7A中LED元件的顶视图；
图8是示出本发明第五个优选实施方案中LED元件的横截面图；
图9A是本发明第六个优选实施方案中LED元件(从其电极形成表面上看)的仰视图；
图9B是图9A中沿C-C线切开的横截面图；
图10是本发明第七个优选实施方案中LED元件(从电极形成表面上看)的仰视图；
图11A是示出本发明第八个优选实施方案中LED元件(安装在Al2O3基材32上)的横截面图；
图11B是示出具有在其上形成的电路图案的图11A中Al2O3基材32的平面图；
图12A是示出本发明第九个优选实施方案中LED元件的横截面图；
图12B是示出图12A的LED元件的平面图；
图12C是解释临界角的图；
图13是示出本发明第十个优选实施方案中LED元件(安装在Al2O3基材32上)的横截面图；
图14是本发明第十一个优选实施方案中LED元件(从电极形成表面上看)的平面图；
图15是本发明第十二个优选实施方案中LED元件(从电极形成表面上看)的平面图；
具体实施方案
[第一实施方案]
(发光装置1的组成)
图1是示出在本发明的第一优选实施方案中作为固态元件装置的发光装置的横截面图；
发光装置1由如下组成：是GaN基半导体的作为固态元件的弹抛片式LED元件2；在其上安装有LED元件2的Al2O3基材3；由钨(W)/镍(Ni)/金(Au)构成并在Al2O3基材3上形成的电路图案4；作为连接LED元件2和电路图案4的连接部分形成的Au柱螺栓突出部分(stud bump)5；以及密封LED元件2并结合到Al2O3基材3上的玻璃密封材料6。
Al2O3基材3提供有通孔3A以使电路图案4之间电连接，所述电路图案为W-Ni并在基材3的前表面和后表面金属化。
玻璃密封材料6是低熔点玻璃，而且在使用模子热处理以结合到Al2O3基材3上之后，通过切块机切割形成的具有顶面6A和侧面6B的矩形。
(LED元件2的组成)
图2是示出在图1中的LED元件的横截面图；
LED元件2由如下组成：蓝宝石(Al2O3)基材20；以及顺序在蓝宝石基材20上生长的AlN缓冲层21、n-GaN镀层22、包括发光层、p-AlGaN镀层(cladding layer)24以及p-GaN接触层25的多层23。此外，它还提供有在通过蚀刻除去p-GaN接触层25至n-GaN镀层22而露出的部分n-GaN镀层22上形成的n-电极26以及在p-GaN接触层25的表面上形成的p-多层电极27。
(p-多层电极27的组成)
p-多层电极27由如下组成：在p-GaN接触层25表面上形成晶格的铑(Rh)层27A；在p-GaN接触层25和铑(Rh)层27A表面上形成的钨(W)层27B；以及在钨(W)层27B表面上形成的Au层27C。
(LED元件2的制作)
在制作LED元件2中，首先提供作为晶片的蓝宝石基材20。然后，通过已知方法在蓝宝石基材20上形成AlN缓冲层21、n-GaN镀层22、包括发光层、p-AlGaN镀层24、p-GaN接触层25以及n-电极26的多层23。
然后，在p-GaN接触层25上通过沉积形成铑(Rh)层27A。再在铑(Rh)层27A表面上形成光致抗蚀剂。随后，在光致抗蚀剂上安置晶格形式的抗蚀剂掩膜，曝光光致抗蚀剂。然后，通过蚀刻去除铑(Rh)层27A的曝光部分。然后，从形成晶格图案的铑(Rh)层27A的表面上去除抗蚀剂掩膜。然后，在其上通过沉积形成钨(W)层27B以覆盖形成晶格图案的铑(Rh)层27A。然后，通过沉积在钨(W)层27B上形成Au层27C。然后，具有GaN基的半导体层的蓝宝石基材20被切割成0.3mm×0.3mm的方块。这样，就获得了LED元件2。
(p-多层电极27)
图3A是从形成LED元件表面的电极看的在图2中LED元件的仰视图。图3B是沿图2中A-A线切开的横截面图。图3C是示出图3B的p-多层电极27的改进的仰视图。
如图3A所示，p-多层电极27覆盖有在表面上形成的Au层27C。如图3B所示，被钨(W)层27B包围的形成晶格图案的铑(Rh)层27A在Au层27C的底下形成。形成晶格图案的铑(Rh)层27A是由多个在矩形圆点中形成的区域构成的。当电流穿过Au层27C供给时，该区域发射光。
如图3C所示，形成晶格图案的铑(Rh)层27A可以形成这些区域彼此连接的形式。该连接形式可以是部分区域有规则或无规则连接的形式。
(发光装置1的制造)
首先提供具有通孔3A的Al2O3基材3。根据电流图案4，钨(W)膏状物丝网印刷在Al2O3基材3表面上。然后，在其上印刷有钨(W)膏状物的Al2O3基材3在1000℃或更高热处理，以使钨结合到基材3上。然后，在钨上形成镀Ni层和镀Au层以制作电路图案4。然后LED元件2通过Au柱螺栓突出部分5电连接到在Al2O3基材3前表面上的电路图案4上。然后，低熔点玻璃板平行于在其上安装有LED元件2的Al2O3基材3放置，再在60kgf的压力和600℃的氮气气氛中进行热处理。低熔点玻璃通过包含在其中的氧化物结合到Al2O3基材3上。然后，结合有低熔点玻璃的Al2O3基材3通过切块机切割，由此切割出矩形发光装置1。
(发光装置1的工作)
当通过将电路图案4连接到电源(未示出)上应用电压时，LED元件2在多层23内部具有平面形式发射的光的同时发射波长为460nm的蓝光。蓝光从多层23中穿过n-GaN镀层22和AlN缓冲层21进入到蓝宝石基材20中，从蓝宝石基材20进入玻璃密封材料6中，从顶部表面6A和侧表面6B向外发射。
(第一实施方案的效果)
在上面解释的第一实施方案中，在p-GaN接触层25的表面上形成有晶格图案的铑(Ru)层27A。由此，p-GaN接触层25可以与p-多层电极27欧姆连接，而且它们之间可以获得良好的结合性能。
此外，铑(Rh)层27A是有形成晶格图案，而与热膨胀系数约为8×10-6/℃的铑相比，形成了具有等于LED元件2的GaN基层(p-AlGaN镀层24、p-GAN接触层25)热膨胀系数的热膨胀系数约为5×10-6/℃的钨层。因此，可以减小来自组分中由于具有最大热膨胀系数(15×10-6/℃)的Au层的热膨胀系数差异引起的热应力。因此，即使在高温条件如玻璃密封和回流下，也可以防止电极层的分离(剥落)。这样，进入多层23的电流的稳定流动就可以进行。
此外，通过在具有与LED元件2热膨胀系数相等的热膨胀系数的Al2O3基材3上安装LED元件2，可以减小由于LED元件2和Al2O3基材3之间的热膨胀系数差异导致的热应力。在这个实施方案中，因为LED元件2是这样构成的：在蓝宝石基材20(热膨胀系数为7×10-6/℃)上形成GaN基层，LED元件2的整体热膨胀系数可以认为是等于蓝宝石基材20的。通过这样减少应力，即使高温条件如玻璃密封下，也可以防止它们之间的分离。
虽然在第一实施方案中，铑(Rh)层27A是形成晶格图案的，但它也可以形成除图3C所示改进之外的网孔或星罗棋布的图案。用于欧姆连接(ohmic contact)的其它电极材料可以是有大结合强度的铬(Cr)。因为GaN基半导体层不具有GaAs或AlInGaP基半导体那样充足的结合强度，因此形成图案的结构在用于GaN基半导体层的欧姆电极中是非常有效的，其中电极元素扩散进入半导体层并在其间形成金属互化物。形成图案的结构对于电极材料不可能扩散进入半导体层的其它半导体也是有效的。即使当电极材料可以扩散进入半导体层时，也可以获得相同的作用。
优选电极材料如铑通过有效的溅射而不是电子束沉积进行沉积，以提高与GaN基半导体表面的结合强度。
(第一实施方案的改进)
发光装置1的改进可以是使用含磷光剂环氧树脂作为代替玻璃密封材料6的密封材料的波长转化类型发光装置。例如，该磷光剂可以是Ce:YAG(钇铝石榴石)。在这种情况下，该磷光剂通过460nm的光激发而放射出520～550nm的黄色激发光。该黄色激发光与蓝光混合从而产生白光。
[第二实施方案]
(LED元件2的组成)
图4是示出本发明第二个优选实施方案中LED元件的横截面图.
第二实施方案的LED元件2不同于第一实施方案，因为使用GaN基材28(具有n＝2.4的折射率)代替蓝宝石基材20，并且使用具有1.85折射率的以Bi为基础的高折射率玻璃。该GaN基材28提供有通过切割或抛光等去除拐角部分而形成的斜面28A。在这个实施方案中，类似部分通过在第一实施方案中使用的相同数字标记。
(第二实施方案的效果)
在第二实施方案中，由于使用了GaN基材28而增加了第一实施方案没有的效果，即在多层23中产生的光可以在没有光损失的情况下到达GaN基材28和玻璃密封材料(图4未示出)之间的界面上。此外，因为密封材料具有高的折射率，而且LED元件2不是矩形但形成有斜面28A，因此可以减少限制在LED元件2中的光。由此，LED元件2的向外辐射效率大大提高。而且，由于在GaN基材28上形成的斜面28A，因此从在p-多层电极27的方向的多层23发射并且在p-多层电极27上反射的蓝光可以向外射出。这样，可以提高向外辐射效率。
此外，因为LED元件2的密封材料是由玻璃制成的，因此密封材料不会由于从LED元件2产生的光或热而导致劣化，而且可以获得高折射率性质。
如果是玻璃的硬质密封材料，则与树脂相比会出现由于热应力导致的裂纹。然而，即使当装置密封后冷却中的玻璃热收缩导致大的内部应力时，斜面28A可以防止应力在玻璃中局域化。因此，发光装置1可以防止封装裂纹从而供给良好的可靠性。
(改进)
图5A是示出图4中LED元件的改进(发光结构)的横截面图。图5B是示出从图5A的位置B看图5A中LED元件的顶视图。
LED元件2提供有在GaN基材28表面上通过切割形成凹槽22a的突起部分22A。而且，GaN基材28提供有通过切割或抛光等切掉拐角部分而形成的斜面28B。此外，在p-多层电极27中形成代替钨层27B的连续Ag层27D。
在这样形成的LED元件2中，因为GaN基材28具有不平的光射出表面，因此光射出表面的面积增加。因此，可以提高LED元件2的光射出性质。而且，从在p-多层电极27方向的多层23发射并在p-多层电极27上反射的蓝光可以很好地向外射出。这样，可以提高向外的辐射效率。
[第三实施方案]
(LED元件2的组成)
图6A是示出本发明第三个优选实施方案中LED元件的横截面图。图6B是示出从图6A的位置B看图6A中LED元件的顶视图。
LED元件2是由具有如图5A解释的通过在光射出表面切割而形成凹槽22a的GaN基材28以及具有钨(W)层27B的晶格图案的p-多层电极27构成的。
(第三实施方案的效果)
在第三实施方案中，由于形成晶格图案的钨(W)层27B，因此可以防止电极层的分离。此外，p-GaN具有高电阻率，这允许根据欧姆电极的图案形成发射区域，而且根据该发射区域又形成了不平表面。因此，可以提高从GaN基半导体层的光射出性质。
[第四实施方案]
(LED元件2的组成)
图7A是示出本发明第四个优选实施方案中LED元件的横截面图。图7B是示出从图7A的位置B看图7A中LED元件的顶视图。
第四实施方案的LED元件2不同于第三实施方案之处在于：通过使用激光将蓝宝石基材20从第一实施方案的LED元件2中分离，而代替的是，在n-GaN镀层22的表面上形成100μm厚的具有n＝2.1折射率的热固性树脂层29。
热固性树脂层29提供有六角形凸面为锯齿形图案的凸起部分29。此外，铑(Ru)层27A在p-GaN接触层25上形成六角形部分(或岛)的锯齿形图案。如图7B所示，热固性树脂层29的突起部分29A(六角形凸面)是根据铑(Ru)层27A(六角形岛)安置的。
热固性树脂层29这样形成：热固性树脂薄片根据凸起部分29A的六角形凸面通过模制如压模预先形成图案，然后形成图案的薄片被结合到n-GaN镀层22的表面上。
作为选择，不代替使用热固性树脂的薄片，热固性树脂层29可以通过向模子中注射热固性树脂在n-GaN镀层22表面上形成。在这种情况下，模子提供有根据凸起部分29A的六角形凸面的图案。
这样形成的具有热固性树脂层29的LED元件2用硅氧烷树脂密封。
(第四实施方案的效果)
在第四实施方案中，使用具有接近于GaN基半导体层折射率的热固性树脂层29，而且热固性树脂层29提供有凸起部分29。因此，具有高折射率和放大表面积的光射出表面可以在不需要任何处理如在n-GaN镀层22表面上切割和抛光的情况下容易地形成。
而且，因为热固性树脂层29的凸起部分29A(六角形凸面)根据铑(Ru)层27A(六角形岛)放置，因此从多层23发射并直接越过铑(Ru)层27A的蓝光可以到达具有增大面积的光射出表面。因此，与从平的光射出表面射出光的情况相比，向外能够射出的光增加。
凸起部分29A可以如图5B那样形成，而且凸面可以为曲线的。凸面可以以除锯齿形图案外的另一种图案安置。
热固性树脂层29可以提供有使表面积比平面更大的粗糙表面，以代替使用凸起部分29A。
[第五实施方案]
(LED元件2的组成)
图8是示出本发明第五个优选实施方案中LED元件的横截面图。
第五实施方案的LED元件2不同于第四实施方案之处在于：p-多层电极27这样构成：作为分离的电极区域的Ag层27D和Au层27C在晶格图案以及铑(Rh)层27A中形成。
铑(Rh)层27A具有允许从多层23发射的光透过的小厚度，以致透过光在具有良好反射效率的Ag层27D上反射。
(第五实施方案的效果)
在第五实施方案中，增加了第四实施方案没有的效果，即可以减小由于p-多层电极27和GaN基半导体层之间的热膨胀系数差异导致的热应力。因此，即使在高温条件如玻璃密封和回流下电极层的分离(剥落)也可以防止。这样就可以进行进入多层23的电流的稳定流动。
此外，通过将电极层的反射率设置在铑(Rh)层27A与Ag层27D之间，可以提供反射率。因此，可以提高向外的辐射效率。
[第六实施方案]
(LED元件2的组成)
图9A是本发明第六个优选实施方案中LED元件(从电极形成表面上看)的仰视图。图9B是图9A中沿C-C线切开的横截面图。
如图9A所示，LED元件2提供有Ti/Pt制成的n-电极26、作为具有与LED元件2(GaN基半导体的)相等的热膨胀系数的ITO(氧化铟锡)制成的p-接触电极的p-接触电极层30以及在n-电极26和p-接触电极层30上部分形成的Au平头电极。LED元件2测定大小为300平方μm。通过EB(电子束)沉积形成很薄的ITO。
图9B示出第六实施方案的LED元件2应用到图1所示的第一实施方案的发光装置1中的局部放大图。
在第六实施方案中，安装在侧面的装置上的电路图案4是由W/Ni/Ag构成，而在基材32背部上由W/Ni/Au构成，其中电路图案4的两侧通过在通孔3A中的钨(W)图案连接。Au平头电极31具有基本上与Au柱螺栓突出部分(stud bump)5相同的尺寸。
在第六实施方案中，LED元件2通过使用Au柱螺栓突出部分5的超声波热压缩安装在电路图案4中，并且用热膨胀系数为7×10-6/℃的低熔点玻璃密封。
(第六实施方案的效果)
在第六实施方案中，Au平头电极31在具有与LED元件2基本上相等的热膨胀系数的p-接触电极层30上部分形成，而LED元件2通过Au柱螺栓突出部分5安装在具有与LED元件2基本上相等的热膨胀系数的Al2O3基材32的电路图案4上并且用玻璃密封。因此，p-接触电极层30不可能从GaN基半导体层200上分离，而且在允许Au平头电极31和Au柱螺栓突出部分5热形变的同时，可以吸收热应力。
在本发明人的实验中，LED元件2是安装在具有不同热膨胀系数的基材即Al2O3基材和含有玻璃的Al2O3基材(热膨胀系数为12×10-6/℃)上并且使用玻璃密封。结果，与Al2O3基材相比，可以证实，一些含有玻璃的Al2O3基材引起由于电极分离和发射图案的缺陷导致的正向电压的增加(平均为0.3V)。这样，因为LED元件2具有与Al2O3基材32基本上相等的热膨胀系数，因此即使在玻璃密封的高温条件即500～600℃下，由于它们之间的热膨胀系数差异导致的热应力也不会产生。因此，可以获得良好质量的玻璃密封LED，而且提高了成品率。
为了在该尺寸的LED元件2中没有电极分离的情况下具有良好的正向电压和发射模式(emission pattern)，理想的是安装基材32具有与LED元件2的热膨胀系数(7×10-6/℃)基本上相等的热膨胀系数即为5×10-6～10×10-6/℃。
此外，因为Au平头电极31在p-多层电极27上部分形成，因此可以减少热应力的产生。而且，在安装中产生的热应力也通过将LED元件2安装在具有基本上相等的热膨胀系数的基材上而减少。
此外，ITO电极(p-接触电极层30)与GaN的结合力大于与铑(Rh)的结合力，因此不可能发生应力导致的分离。这样，就可以稳定生产良好质量的玻璃密封的LED。
在玻璃密封中，在高温时具有较高粘度的玻璃材料压力结合到Al2O3基材上。因此，电连通手段如Au导线可能会坍塌导致电断路或短路。为防止上述问题，LED元件2被弹抛片安装，并且LED元件2的ITO电极30在安装基材32侧形成。虽然ITO电极30已知作为可改进光射出的透明电极，但是它在本发明中使用是因为它具有基本上与LED元件2的热膨胀系数相等的热膨胀系数(7.7～8.5×10-6/℃)并且与GaN有大结合力的缘故。因此，由于ITO的缘故，即使在高于500℃的高温密封玻璃时也不会发生电极的分离。
作为选择，电极材料可以是除ITO外的AZO(ZnO:Al)、IZO(In2O3-ZnO，90-10重量％)。此外，其它导电材料金属氧化物可以使用，只要它具有作为接触电极层和基本上等于LED元件2的热膨胀系数的性质以及具有可以防止电极分离的与半导体层的结合力。
虽然在上面实施方案中如此形成的LED元件2的GaN基的层在蓝宝石基材(热膨胀系数为7×10-6/℃)上生长，但是GaN基的层也可以在SiC或GaN基材(热膨胀系数为5×10-6/℃)上生长，然后ITO在其上形成作为p-接触电极层30。
虽然在第六实施方案中，ITO用作具有与装置相等的热膨胀系数的接触电极层，但是铑(Rh)(热膨胀系数为8×10-6/℃)可以代替ITO使用。如果使用Rh，则因为它也可以用作光反射层因而可以提高光射出性质。另外，可以使用在其上形成SiO2或SiN等的钝化膜之外的Au/Co膜以保护外围。
在本发明人的实验中，证实了当没有安装在安装基材上的LED元件2进行在传统结构中600℃热处理时，电极分离不会发生，所述传统结构为Rh层在p-GaN接触层25的整个表面上形成，而且用于结合片(bondingpad)的Au层在Rh层的整个表面上形成。然而，当LED元件2安装在含有玻璃的Al2O3基材上并且用玻璃密封时，由于在安装中产生热应力，因此难于确定地防止电极层的分离。因此，如果对于p-GaN接触层25的结合力小并且热膨胀系数的差异大时，则需要用于结合片的Au层以所需大小部分地形成，并且安装基材具有与LED元件2基本上相等的热膨胀系数。
Au平头电极31可以由除金以外的Ag制成。从而，可以减小被平头电极吸收的光。
[第七实施方案]
(LED元件2的组成)
图10是本发明第七个优选实施方案中LED元件(从其电极形成表面上看)的仰视图。
1000μm2的大尺寸条的LED元件2提供有由多个在n-GaN镀层22上形成的Au平头电极31构成的n-电极26以及由ITO制成并在其上形成多个Au平头电极31的p-接触电极层30。
n-电极26形成类似于插入在p-接触电极层30的条状之间的梳子以便提高到p-GaN层的电流传播性质，而且具有在其上形成的两个Au平头电极31。
p-接触电极层30在除n-电极26之外的区域中形成，而且它具有18个在其上以给定间隔形成的Au平头电极31。
(第七实施方案的效果)
在第七实施方案中，即使在与正常尺寸LED元件2相比热应力影响大的大尺寸LED元件2中，p-接触电极层30不可能从类似于第六实施方案的GaN基半导体层200中分离。因此，在发射区域内没有产生不均匀发射的情况下就可以获得均匀发射。
[第八实施方案]
(LED元件2的组成)
图11A是示出本发明第八个优选实施方案中LED元件(安装在Al2O3基材32上)的横截面图。图11B是示出具有在其上形成的电路图案的图11A中Al2O3基材32的平面图。
在第八实施方案中，如图11A所示，通过无电镀沉积使Ni厚膜部分4A形成15μm厚，并与在Al2O3基材32上形成的电路图案4结合成一体。该厚膜部分4A提供有在其Ni表面上形成的0.5μm厚的Au层(未示出)。
同时，LED元件2不提供Au柱螺栓突出部分5。其它组成与在第六实施方案中的相同，因而省略其解释。
(第八实施方案的效果)
在第八实施方案中，代替Au柱螺栓突出部分5的通过无电镀沉积形成的Ni厚膜部分4A与电路图案4结合成一体。因此，获得了第六实施方案中没有的效果，连接部分可以整体形成。特别地当多个连接部分如图11B所示使用时，在装置安装区域210的连接部分的配置和位置的控制可以更容易地获得，并消除了形成Au柱螺栓突出部分5的过程。这样，就可以提高发光装置1的规模生产率。
[第九实施方案]
(LED元件2的组成)
图12A是示出本发明第九个优选实施方案中LED元件的横截面图。图12B是示出图12A的LED元件的平面图。图12C是解释临界角的图。
如图12A示出的弹抛片式LED元件2的构成如下：蓝宝石基材20；由GaN基半导体化合物制成的n-GaN层201；在n-GaN层201上形成的发光层202；p-GaN层203；在通过蚀刻去除p-GaN层203到n-GaN层201而露出的部分n-GaN层201上形成的n-电极26；在p-GaN层203上形成并具有比GaN基半导体(n＝2.4)更低的折射率(n＝1.8)的ITO(氧化铟锡)240；以及由具有高折射率的铑制成的p-Rh电极205。n-GaN层201、发光层202和p-GaN层203构成GaN基的半导体层200。在安装中用于撞击结合(bump-bonding)的Au平头电极层(未示出)在p-Rh电极205的给定结合位置上部分形成。
在第九实施方案中，蓝宝石基材20用作光透射部分，它对于从发光层202发射的蓝光的发射波长具有光透射性质。ITO 204和p-Rh电极205安置在位于发光层202下面的安装表面侧，而且构成光反射部分，在光反射部分处，LED元件2的末端表面曝光。ITO 204起着传导性总反射层的作用，同时具有光透射性质。
GaN基半导体层可以通过已知方法即金属有机化学气相沉积(MOCVD)、分子束外延(MBE)、氢化物气相外延(HVPE)、溅射、离子电镀法、电子簇射等形成。LED元件2可以形成同-、异或双异-结构。LED元件2可以包括量子势阱结构(单个或多个量子势阱结构)。
图12B是示出LED元件2的平面图，其中图12A相应于沿线D-D切开的横截面。正如所示的那样，p-Rh电极205围绕n-电极26形成，而发光层202在p-Rh电极205形成的区域发射光。
图12C是示出在第九个实施方案的GaN基半导体层200内的蓝光行为的图。从在GaN基半导体层200的发光层202发射的光中，以大于临界角的角度进入在蓝宝石基材20和GaN基半导体层200之间的界面上的光向量不会向外辐射并作为在层方向中传播的光保留在GaN基半导体层200中，所述临界角是以蓝宝石基材20和GaN基半导体层200的折射率的差异为基础的。在层方向传播的光在ITO 204和蓝宝石基材20之间或在p-Rh电极205和蓝宝石基材20之间反射的同时进行传播。大多数的光由于ITO 204的缘故在层方向中传播，而不会到达p-Rh电极205。
(第九实施方案的效果)
在第九实施方案中，因为具有与半导体层相等的热膨胀系数的ITO 204位于p-GaN层203和p-Rh电极205之间，因此电极层不可能从p-GaN层203分离。
此外，以大于相对于p-Rh电极205的临界角的角度进入界面的在层方向传播的光进行全反射，所述临界角是以GaN和ITO的折射率比为基础的。因此，它不会达到p-Rh电极205，而是保留在层中，而不会从GaN基半导体层200中向外辐射。因此，当在层方向传播的光在p-Rh电极205上反射时，可以防止金属吸收损失。这可以防止在层方向中短距离传播的光的衰减。
虽然在图12A中，GaN层图示出用于解释的厚度，但事实上它是几个微米的薄膜。因为该原因，所以在层方向中传播的光具有大的反射平均数。即使当使用具有90％高反射率的金属时，由于吸附损失的影响必定很大。这样，吸附损失可以大大减小。
同样地，在蓝宝石基材20和ITO 204之间反射的以层方向传播的光可以从LED元件2的侧表面向外辐射。这样可以提高向外辐射效率。
虽然在第九实施方案中透明电介质的ITO 204安置在GaN基半导体层200和p-Rh电极205之间作为低折射率的层，但是也使用其它低折射率层如InGaN(n＝2.1)、In2O3-SnO2：90～10重量％和AZO(ZnO:Al)-IZO(In2O3-ZnO)：90～10重量％。然而，优选低折射率材料以增加基于全反射的在层方向传播的光。
ITO对GaN具有比对Rh更大的结合力。此外，所形成的ITO表面是粗糙的。因此，Rh与ITO的结合力增加。
因此，与直接结合到GaN层的Rh层相比，电极层的分离更不可能发生。
而且，用作p-电极的高折射率材料是并没有限制于Rh，其它材料如Ag也可以使用。然而，应该指出，膜厚并没有比在具有大的热膨胀系数材料的情况下所需要的膜厚有所增加。
作为选择，当用于LED元件2的弹抛片安装的安装表面具有高折射时，高折射材料在没有使用透明电介质和高折射率材料的上面结合的情况下可以省略。例如，如果是GaAs基化合物半导体，当高折射率材料省略时，由具有不同折射率材料的多层构成的布拉格反射膜可以使用。
虽然，在第九实施方案中，LED元件2是由在蓝宝石基材20上生长的GaN基半导体层200构成的，LED元件2可以具有GaN基材或在GaN基半导体层200生长后蓝宝石基材20可以卸下。即使在卸下蓝宝石基材20的情况下，也基本上有在蓝宝石基材20上形成半导体层以及从相应发光层发射光的向外射出的情形。此外，LED元件2可以由除GaN之外的材料构成。
[第十实施方案]
(LED元件2的组成)
图13是示出本发明第十个优选实施方案中LED元件(安装在Al2O3基材32上)的横截面图。
在这个实施方案中，代替在第六实施方案中使用的Au柱螺栓突起部分5的Ni层33通过无电电镀在Al2O3基材32表面上形成的电路图案4上形成15μm厚度。Au层(未示出)在Ni层33表面上形成0.5μm厚度。
(第十实施方案的效果)
在第十实施方案中，因为厚Ni层33通过无电电镀在LED元件2的侧面上整体性地形成，因此厚部分可以根据n-电极26和p-接触电极层30的外形容易地制备。由此，可以提高制造物的性能。而且，安装性能可以通过在LED元件2侧上形成的Ni层33提高，其中在安置电路图案4和LED元件2中需要高精确度。这样，可以提高成品率。
[第十一实施方案]
(LED元件2的组成)
图14是本发明第十一优选实施方案中LED元件(从电极形成表面上看)的平面图。
在第十一实施方案中，n-电极26从LED元件2的中心辐射形成，而p-接触电极层30在围绕n-电极26的p-GaN层上形成。在第九实施方案中解释的Ni层33在n-电极26和p-接触电极层30上形成。n-电极26在通过在电极形成表面的对角线方向上蚀刻去除p-GaN层而露出的部分n-GaN层上部分形成。因此，可以提高对于p-GaN层电流散布性质。
(第十一实施方案的效果)
在第十一实施方案中，增加了第九实施方案中没有的效果，即通过从LED元件2的中心辐射形成的n-电极26可以提高了电流散布性能。
通过无电电镀形成的Ni层33具有尺寸的自由度。因此，即使当电极图案如上述形成时，安装平头电极(Ni层33)可以在合适位置并以合适形式形成。详细地，n-电极片33位于LED元件2的中心，而p-电极片33位于p-接触电极层30的四个位置上，以便在安装时具有稳定性，而且它们都缩小尺寸设计以便即使当安装中有轻微变形也可防止与n-电极26的短路。
[第十二实施方案]
(LED元件2的组成)
图15是本发明第十二优选实施方案中LED元件(从其电极形成表面上看)的平面图。
在第十二实施方案中，Ni层33在n-电极26上形成，而且多个矩形(或方形)Ni层33以类似岛的给定间隔在除n-电极26之外的p-接触电极层30上形成。
(第十二实施方案的效果)
在第十二实施方案中，增加了第十实施方案没有的效果，即可以向电路图案4中增加p-接触电极层30的结合面积。因此，可以提高LED元件2的载流性质和热辐射性质。在这种情况下，因为具有大的热膨胀系数的Ni层33(安置片)不是连续形成而是相对于其它组分像岛状物，因此可以减小在高温下产生的热应力。
如上解释的固态元件装置应用到使用LED元件2作为固态元件的发光装置1中。然而，本发明的固态元件或固态元件装置并没有限制于该中发光装置1。例如，它可以应用到其中作为固态元件的光接收元件安装在基材上并用玻璃密封的固态元件装置。密封材料并没有限制于透明材料，而可以是被结晶轻微浑浊又具有透光性质的无机材料。此外，如果它可以忍受这样的温度即热应力如回流会成为问题的温度，则它也可以是除无机材料外的树脂材料。
虽然为了完整并清楚地公开本发明而使用相关的具体实施方案进行描述，但是所附的权利要求并不限制于这些，而应当理解为包括对于本领域技术人员而言可以发生的完全落入在此处描述的基本教导之内的所有改进和变化结构。

Claims (18)

1.一种固态元件，它包括：
在基材上形成的半导体层，所述半导体层包括相应于固态元件发射区域的第一层以及电流穿过其中供应到第一层的第二层；
光射出表面，通过该表面从第一层发射的光向外发射，所述光射出表面位于基材侧上；和
包括多个区域的电极，所述区域为导电材料并与第二层欧姆连接。
2.根据权利要求1所述的固态元件，其中：
所述多个区域散布在半导体层的表面上，而半导体层表面覆盖有其它导电材料，与电极的热膨胀系数相比，所述其它导电材料的热膨胀系数更接近于半导体层的热膨胀系数。
3.根据权利要求1所述的固态元件，其中：
所述多个区域彼此连接。
4.根据权利要求1所述的固态元件，其中：
所述导电材料并没有扩散进入半导体中形成金属互化物。
5.根据权利要求1所述的固态元件，其中：
所述半导体层包括GaN基半导体化合物。
6.根据权利要求1～5中任一所述的固态元件，其中：
所述光射出表面包括通过处理基材形成的不平表面。
7.根据权利要求1～5中任一所述的固态元件，其中：
所述基材包括折射率基本上等于半导体层的材料。
8.一种固态元件，它包括：
在基材上形成的半导体层，所述半导体层包括相应于所述固态元件的发射区域的第一层以及电流穿过其中供应到第一层的第二层；
光射出表面，从第一层发射的光被通过该表面向外发射，所述光射出表面位于基材侧上；
具有基本上等于固态元件热膨胀系数的接触电极层；和
在接触电极层上部分形成并连接外部线路部分的连接部分。
9.根据权利要求8所述的固态元件，其中：
连接部分包括形成厚膜的镍(Ni)。
10.根据权利要求8或9所述的固态元件，其中：
所述半导体层包括以供应到其中的电流为基础的发射光的发光层。
11.一种固态元件装置，包括：
固态元件；
在其上安装有固态元件的安装基材，所述安装基材具有基本上等于固态元件热膨胀系数的热膨胀系数；和
密封所述固态元件的无机密封部分，
其中所述固态元件包括具有基本上等于固态元件热膨胀系数的热膨胀系数的接触电极层以及在接触电极层上形成并连接到在安装基材上形成的线路部分的连接部分。
12.一种固态元件装置，包括：
固态元件，它包括：在基材上形成的半导体层和光射出表面，从第一层发射的光通过所述光射出表面向外发射，而所述半导体层又包括相应于所述固态元件的发射区域的第一层以及电流穿过其中供应到第一层的第二层，所述光射出表面位于基材侧上；
具有基本上等于固态元件热膨胀系数的热膨胀系数的接触电极层；
在接触电极层上形成并连接外部线路部分的连接部分；
在其上安装有固态元件的安装基材，所述安装基材具有基本上等于固态元件热膨胀系数的热膨胀系数；和
密封所述固态元件的无机密封部分。
13.根据权利要求11或12所述的固态元件装置，其中：
所述连接部分在接触电极层上部分形成。
14.根据权利要求11或12所述的固态元件装置，其中：
所述无机密封部分包括具有基本上等于基材热膨胀系数的热膨胀系数的玻璃材料。
15.根据权利要求11或12所述的固态元件装置，其中：
所述接触电极层包括导电金属氧化物。
16.一种固态元件装置，它包括：
固态元件；
在其上安装有固态元件的安装基材，所述安装基材具有带有基本上等于固态元件热膨胀系数的热膨胀系数的无机材料；和
密封所述固态元件的无机密封部分，
其中固态元件包括包含导电金属氧化物的接触电极层以及在接触电极层上部分形成并连接到在安装基材上形成的线路部分的连接部分。
17.根据权利要求15的固态元件装置，其中：
所述导电金属氧化物包括ITO。
18.根据权利要求16的固态元件装置，其中：
所述导电金属氧化物包括ITO。
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