TW556362B - GaP-based semiconductor light-emitting element - Google Patents

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based semiconductor
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Kingo Suzuki
Hitoshi Ikeda
Yasutsugu Kaneko
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Shinetsu Handotai Kk
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Description

556362 A7 ___B7 ____ 五、發明說明（ί ) 〔技術領域〕 本發明係關於GaP系半導體發光元件。 〔先前技術〕
Gap系半導體發光元件，係由GaP半導體、或以GaP 半導體作爲母物質再經GaAs、InP、A1P等進行組成取代 而成之混晶系半導體所構成，可在從紅色跨到綠色之廣範 圍的可見波長帶發光。又，由於GaP半導體屬間接躍遷型 ，在成爲間接躍遷型之上述GaP系半導體發光元件中，係 藉由摻雜構成發光中心之氮等來謀求發光效率的提昇。 然而，例如上述施加氮摻雜之GaP半導體，會顯示黃 綠色的發光，而未施加摻雜者，則顯示綠色發光，亦即， 爲提昇發光效率而實施氮摻雜的情形，會產生發光波長改 變的問題。又，若過度的摻雜氮，會產生無助於發光中心 之氮抑制發光效率之不佳情形。 於是，不僅單針對上述般提高發光效率之觀點，也必 須提昇外部取出效率。爲謀求外部取出效率提昇之發光元 件的形狀，已有許多的揭示。如圖8所示意顯示者，以η 型層21和ρ型層22來形成ρ - η接合，並設置陽極24、 陰極25而從ρ型層22側進行光取出之發光元件，藉由對 側面進行台面蝕刻來構成傾斜部23，以降低發出的光之全 反射而謀求外部取出效率之提昇。又，進一步有人提案出( 日本專利第2907170號公報），對該發光元件之主表面和傾 斜部實施粗面加工（用來降低發出的光之全反射），並對光 取出側的相反側之主面實施粗面加工（用來提高全反射）， 4 木紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 一 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -------訂--------- 556362 A7 ___B7____ 五、發明說明（> ) 圖8B係示意地顯示對圖8A賦予這種粗面加工的情形。 然而，就算是將圖8B所示之發光元件形狀賦予上述 間接躍遷型的GaP系半導體發光元件，但發光效率仍不足 ，而在未摻雜構成發光中心的氮時則亮度更低。 〔發明之揭示〕 本發明係考慮上述問題點而完成者。亦即，本發明之 目的係提供一可提高亮度之GaP系半導體發光元件。 用來解決上述課題之本發明的GaP系半導體發光元件 ，其特徵在於： 具備：具有ρ- η接合之GaP系半導體基體，以及用 來對該半導體基體施加發光驅動電壓之電極； 以半導體基體之P型層側的主面作爲第一主面，以其 相反側的主面作爲第二主面，在半導體基體之第一主面及 側面，形成向外側凸之凸曲面所集合成之粗面，且在第二 主面，係用王水蝕刻來形成鏡面。 上述GaP系半導體基體中’由於從ρ型層側進行光取 出’ η型層側之主面(第二主面)係爲了提昇光之全反射而作 成鏡面狀，另一方面，在第一主面及側面上，爲了降低光 的全反射，則實施粗面化處理而形成向外側凸之凸曲面所 集合成之粗面。具有這種構成之本發明的GaP系半導體發 光元件’由於能提昇發出的光之取出效率，故能謀求比以 往更高的亮度提昇。 第二主面之鏡面化，係藉由用王水蝕刻第二主面來進 行。如此般用王水來蝕刻，在第二主面上，可形成向半導 5 . 私紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（21〇 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂---------% 556362 A7 ___ B7 ' —丨…· ------------- " — —- ---- —— 五、發明說明（》） 體基體的內側凸之鏡面狀凹曲面所集合成之鏡面。其結果 ，能使第二主面之光全反射效果有效的發揮。又，將第二 主面藉由硏磨平滑化，再用王水來蝕刻的情形，可更簡便 的將第二主面作成鏡面狀凹曲面所集合成之鏡面。 藉由將第二主面作成鏡面狀凹曲面所集合成之鏡面， 相較於以往之平滑的鏡面，可提昇第二主面之光的全反射 率。又本發明之特徵在於，凹曲面之粒徑爲5/zm〜150//m ，且其朝內側之深度爲0.5/zm〜15//m。若凹曲面之粒徑未 達5/zm、或其朝內側之深度未達0.5//m，將無法充分的 形成凹曲面形狀，其結果，第二主面之光全反射之提昇效 果無法發揮。另一方面，若粒徑大於150//m，和導電糊間 之固接面積變得不夠大。同樣地，若凹曲面之朝內面的深 度大於15/zm，鏡面化會受到抑制，而使光反射之提昇受 到抑制。 考慮到上述內容，藉由將凹曲面之粒徑調整成5// m〜150//m、且將其朝內側之深度調整成0.5"m〜15/zm， 即可使凹曲面發揮光反射提昇之作用，且發揮其作爲和導 電糊的固接面之作用。又，藉由使用王水，即可簡便地在 第二主面上形成如此般鏡面狀的凹曲面所集合成之鏡面。 另一方面，在構成光取出面之第一主面及側面上，由 於必須降低光全反射，係形成向外側凸之凸曲面之集合。 如此般，藉由形成凸曲面集合，包含在形成有凹曲面集合 之第二主面上所反射的光，可降低第一主面及側面之光全 反射，而提昇取出效率，而使亮度提高。 6 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) II 一：OJI I 1- m n ϋ i - 線β. 紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 556362 A7 ___ B7___ 五、發明說明（W ) 構成GaP系半導體發光元件之GaP系半導體基體，可 將以嘉晶成長法配向而成之結晶進f了積層來形成。爲形成 上述凸曲面之集合，可依積層後的結晶之面方向而利用數 刻速度不同之異向性蝕刻，結果可簡便地形成均一形狀之 複數個凸曲面。 藉由使用上述異向性蝕刻，可調整凸曲面之徑，而使 凸曲面所集合成之粗面微透鏡化。結果，藉由將粗面微透 鏡化，可更加減低產生光全反射之可能。 其次，本發明之GaP系半導體發光元件中之GaP系半 導體基體較佳爲，以用電導糊覆蓋第二主面全域的方式來 固接於電極支持體。本發明之GaP系半導體發光元件中， 由於從P型層側進行光取出，故η型層側之主面、即第二 主面係透過導電糊固接於電極支持體。如上述般，在第二 主面上形成向半導體基體內面凸之鏡面狀的凹曲面集合， 故其和導電糊之固接面積大，而能提昇半導體基體對電極 支持體之固接性。其結果，例如因來自橫方向之附加力而 使半導體基體對電極支持體產生傾斜、剝離等之不佳情形 可加以抑制。 上述GaP系半導體基體之第一主面及第二主面上，配 置有用來施加發光驅動電壓之電極，該電極中，位於半導 體基體接觸側之接觸層，必須由和半導體基體之歐姆接觸 性良好的材料構成，通常是由Au合金構成。圖6&、圖6B 係不思地顯示第一主面及第二主面上電極的形成形態。圖 6A係或不在p型層側的第一主面10所形成的電極(第一電 7 t、紙張尺度適用中_家標率（CNS)A4規格（21〇 x 297公爱） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) tr——^------4 556362 A7 ____B7___ 五、發明說明（$ ) 極60)之形態，係由接觸層(第一接觸層62)和接合墊層61 所構成。構成第一接觸層62之材料，可採用p型的歐姆接 觸性良好之Au(金)和Be(鈹)所組成的合金、或Au和Zn( 鋅)的合金。結果，可形成P型歐姆接觸性良好的第一接觸 層62。又，接合墊層61，考慮其和第一接觸層之接觸性， 可由Au所構成。在如此般所形成之第一電極60的表面， 進行通電用Au線之打線，而主要從第一電極60之形成區 域以外進行光取出。 接著，圖6B係顯示形成於η型層側的第二主面11之 電極(第二電極63)的形態。第二主面11，由於如上述般透 過導電糊來固接於電極支持體，第二電極63並不具備第一 電極60之接合墊層61，其本身就具備接觸層(第二接觸層 64)的作用。構成該第二接觸層64的材料，除了 η型歐姆 接觸性優異外，也必須要求對發出的光之吸收率低。本發 明人等經各種實驗檢討的結果得知，藉由以Au(金）、Si(矽 )及Ni(鎳)所組成的合金來形成第二接觸層64，可使n型 歐姆接觸性良好，且充分抑制第二接觸層64對發出的光之 吸收。如此般，藉由用Au、Si、及Ni所組成的合金來形 成第二接觸層64，可進一步提高所取出之發光亮度。 藉由用上述材料來形成第一及第二主面上之電極接觸 層，可一步提高發光亮度。 目前爲止是說明本發明的GaP系半導體發光元件中， 可提高發光亮度之GaP系半導體基體的形狀及電極接觸層 之構成材料。藉由將這些本發明的構成要素應用於特別是 8 Ϊ紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐) '~' " (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂---------線一 556362 A7 _____B7____ 五、發明說明（W )
GaP半導體發光元件中，即可將以往並無法獲得充分亮度 之GaP半導體發光元件之亮度加以提昇。 於是，本發明之GaP系半導體發光元件，其特徵在於 具備：具有ρ_ η接合之GaP系半導體基體，以及用 來對該半導體基體施加發光驅動電壓之電極； 以半導體基體之p型層側的主面作爲第一主面，以其 相反側的主面作爲第二主面，在半導體基體之第一主面及 側面，形成向外側凸之凸曲面所集合成之粗面，在第二主 面’係形成鏡面狀的凹曲面所集合成之鏡面； 形成於第一主面上之電極的接觸層，係由Au和Be或 Zn之合金所形成，另一方面，形成於第二主面上之電極的 接觸層，係由Au、Si及Ni所組成的合金所形成，以用導 電糊覆蓋第二主面全域的方式，將GaP半導體基體固接於 電極支持體。 又，如上述般，藉由將第二主面硏磨後用王水蝕刻， 可簡便地將第二主面作成鏡面狀的凹曲面所集合成之鏡面 〇 又，本說明書中，上述GaP半導體基體，槪念上係包 含具有或不具有氮摻雜所形成之發光中心者。 〔圖式之簡單說明〕 圖1係本發明的一實施形態之多層積層體之槪略截面 圖。 圖2A係顯示本發明的GaP系半導體發光元件之一實 9 衣紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 x 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -ϋ .1 I n n i-i II 一 (OJi n 1 n HI n I m - 556362 A7 ^__ _ B7_____ 五、發明說明（7 ) 施形態的形成過程之槪略截面圖。 圖2B係接續於圖2A，而顯示本發明的GaP系半導體 發光元件之一實施形態的形成過程之槪略截面圖。 圖3A係接續於圖2B，而顯示本發明的GaP系半導體 發光元件之一實施形態的形成過程之槪略截面圖。 圖3B係顯示本發明的GaP系半導體發光元件之一實 施形態之槪略截面圖。 圖4A係本發明的實施例之SEM測定結果，係顯示對 第二主面從垂直方向觀察的結果。 圖4B係本發明的實施例之SEM測定結果，係顯示對 第二主面從大致水平方向觀察的結果。 圖5係本發明的實施例之SEM測定結果，係顯示對第 一主面及側面，從側面之大致水平方向觀察的結果。 圖6A及圖6B係說明本發明的電極形成形態之示意圖 〇 圖7A係說明本發明的實施例之固接力測定之示意圖 〇 圖7B係說明本發明的比較例之固接力測定之示意圖 〇 圖8A及圖8B係說明經粗面加工之半導體基體的粗面 形狀之習知例的示意圖。 〔發明之詳細說明〕 以下，針對本發明的GaP系半導體發光元件之一實施 形態，參照包含其形成過程的圖式來作說明。 10 拿、紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐) ' "~ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
556362 A7 -----B7___ 五、發明說明（/ ) 如圖1所示般，在GaP系半導體所構成之n型單結晶 基板1上’依序以液相磊晶成長法來進行均爲GaP系半導 體所構成之η型緩衝層2、η型層3、p型層4及p型接觸 層5之積層。 又’ η型層3及ρ型層4，也可以採摻雜具有發光中心 作用之氮的形態。 接著’將被硏磨成平滑化之第二主面Η，用鹽酸：硝 酸之容量比例如爲1 : 1或3 : 3之王水蝕刻。接著如圖6Α 及圖6Β所示般，分別在第一主面10及第二主面u上蒸 鍍形成第一接觸層62及第二接觸層64，然後藉切割來分 割’即可如圖2Α所示獲得僅第二主面形成有鏡面狀的凹 曲面集合之半導體基體70。然後，藉由使用鹽酸之異向性 蝕刻，在半導體基體70之第一接觸層62形成區域及第二 主面11以外形成凸曲面53的集合，之後，藉由在第一接 觸層62上蒸鍍形成接合墊層61，即形成圖2Β所示之本發 明的GaP系半導體發光元件之一實施形態。在此，第二接 觸層64係由Au、Si及Ni之合金所構成，第一接觸層62 係由Au和Be或Zn之合金所構成，接合塾層61係由Au 構成。 藉由採用圖2B所示的形狀及電極材料，如上所述， 可提尚發光壳度。亦即，凸曲面所集合成之粗面，係具備 降低發出的光之全反射的作用，另一方面，凹曲面所集合 成之鏡面（第一主面），係具備提高發出的光之全反射的作 用。又，藉由將第二接觸層作成Au和Si或Ni所組成之 11 木纸張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂--------- 556362 A7 ___B7____ 五、發明說明（1 )
Au合金層，相較於以往之Au、Ge及Ni的合金、或au、 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
Sn及Te的合金等所構成之Au合金層，可減低其對發出的 光之吸收量。 接著，如圖3A所不般，以用導電糊81覆蓋於第二主 面11全域的方式將圖2B所示者固接於電極支持體7，並 在第一電極60表面上形成通電用的Au製接合線8〇。之後 ，用環氧樹脂等的封裝材料65實施模製成形來製得GaP 系半導體發光元件1〇〇(圖3B)。導電糊81，可使用對發出 的光之反射率大之銀糊等來形成。 第二主面11，由於是凹曲面所集合成之鏡面，如圖 3A所示般，透過導電糊81來將GaP系半導體基體70固 接於電極支持體7時，可將其和導電糊81間之固接面積取 得較大。因此，因來自GaP系半導體基體70橫方向之力 所產生者，包含半導體基體70的傾斜、往橫方向之滑移、 或導電81之剝離等可加以抑制。 實施例 以下，說明爲確認本發明的效果所進行的實驗結果。 (實施例1) 依據上述形成過程，進行GaP系半導體所構成之半導 體基體的形成。爲了評價所形成的半導體基體之粗面及鏡 面形狀’係使用掃描型電子顯微鏡（SEM)進行表面觀察。 其結果顯示於圖4A、圖4B及圖5。 圖4A、圖4B係顯示第二主面之表面觀察結果。圖 4A係對第二主面從垂直方向觀察的結果，圖4B係對第二 12 木纸張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 556362 A7 __B7___ 五、發明說明) 主面從大致水平方向觀察的結果。根據這些測定結果可知 ，係形成鏡面狀的凹曲面51之集合。又，圖4A之視野尺 寸爲270X270 μ m2，凹曲面51之粒徑在1〇〜1〇〇 μ m的範 圍。另一方面，圖4B之視野尺寸爲100X 150/zm2，凹曲 面51之深度在1〜5/zm的範圍。這些凹曲面51的粒徑及 深度形狀之結果，係顯示用王水蝕刻第二主面即可簡便地 形成鏡面狀凹曲面之集合。又，圖4A中觀察到的明暗區 域，係由於蒸鍍電極形成用的Au之故。 接著，圖5係顯示除電極形成區域外，對實施粗面化 處理之第一主面及側面，從側面之大致水平方向進行表面 觀察的結果。從圖5可知，藉由使用鹽酸之異向性蝕刻， 可在第一主面及側面上形成向外側凸之凸曲面53的集合。 圖5之視野尺寸爲25 X 37 // m2，凸曲面部53之粒徑在5 # m以下、發光波長以上的範圍，其粒徑比凹曲面51爲小。 (實施例2) 以和實施例1同樣的條件來形成半導體基體，並依據 上述形成過程來進行GaP半導體發光元件之形成。 (比較例1) 在實施別2中，除未用王水蝕刻第二主面外，係以和 實施例2同樣的條件來形成GaP半導體發光元件。 對實施例2及比較例1之GaP半導體發光元件進行亮 度測定。其結果，實施例2的發光元件之亮度比起比較例 1係高20%。 依據上述結果係確認出，藉由實施王水餓刻，凸曲面 13 木紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（21(^ 297公釐) ' — (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂--------- 556362 A7 ____B7 _ _ 五、發明說明（（I ) 所集合成的鏡面所構成之第二主面，係顯示高亮度。如包 含這種第二主面形狀之本發明所示般，藉由對除第二主面 外之半導體基體表面之大致全域實施粗面化處理，且將形 成於第二主面之接觸層用Au、Si及Ni之合金(可減低對發 出的光之吸收量)來形成，就算是間接躍遷型的GaP半導體 所構成之GaP半導體發光元件，也能提高發光效率，進而 謀求亮度之提昇。 (實施例3) 以和實施例1同樣的條件來形成半導體基體，之後透 過銀糊來將半導體基體固接於電極支持體。 (比較例2) 在實施別3中，除未用王水蝕刻第二主面外，係以同 樣的條件來形成半導體基體，之後透過銀糊來將半導體基 體固接於電極支持體。 對實施例3及比較例2所得者，如圖7A及圖7B之示 意圖所示般，從側面方向施加力F，以半導體基體70從銀 糊82剝離時的施加作爲固接力而進行固接測定。對實施例 3及比較例2所得者進fj 3 0次固接測定，測定結果顯示於 表1。 〔表1〕 (請先閱讀背面之注意事項再填冩本頁) -I I I I I I I · I_______. 比較例2 實施例3 平均値 111.4gmf 161.8gmf 最大値 199.0gmf 242.0gmf 最小値 69.0gmf 89.5gmf 14 t、紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 556362 A7 ________B7_____ 五、發明說明（V> ) 從表1可知，相較於比較例2，實施例3所得者不管 是固接力的最小値、最大値或平均値均來得大。根據該結 果可確認出，藉由在第二主面用王水蝕刻來形成鏡面狀的 凹曲面集合，可將其和銀糊的固接面積取大，而提昇半導 體基體對電極支持體之固接力。 本發明不限於上述實施例，可適用於GaP系半導體基 體所構成之GaP系半導體發光元件。又，圖1之多層積層 體係採單異質型的發光構造，也能採用爲提昇內部發光效 率而具有活性層之雙異質構造，基於提局外部發光效率之 il點，將形成於第一主面之電極作成ιτο等的透明電極， 可進一步加大光取出區域。 〔符號之簡單說明〕 1…η型單結晶基板 2…η型緩衝層 3、 21…η型層 4、 22···ρ 型層 5…ρ型接觸層 7…電極支持體 10…第一主面 11…第二主面 23…傾斜部 24…陽極 2 5…陰極 51…凹曲面 (請先閱讀背面之注音？事項再填寫本頁) --------訂---------線赢 木紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 556362 A7 _B7 五、發明說明（6 ) 53···凸曲面 60…第一電極 61…接合墊層 62…第一接觸層 63…第二電極 64…第二接觸層 65…封裝材料 70…半導體基體 80…接合線 81…導電糊 82…銀糊 100…GaP系半導體發光元件 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 木紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）

Claims (1)

  1. 556362 B8 _^_ 六、申請專利範圍 1、 一種GaP系半導體發光元件，其特徵在於·· (請先閲讀背面之注意事項再塡寫本頁) 具備：具有ρ- η接合之GaP系半導體基體，以及用 來對該半導體基體施加發光驅動電壓之電極； 以半導體基體之p型層側的主面作爲第一主面，以其 相反側的主面作爲第二主面，在半導體基體之第一主面及 側面，形成向外側凸之凸曲面所集合成之粗面，且在第二 主面，係用王水蝕刻來形成鏡面。 2、 如申請專利範圍第1項之GaP系半導體發光元件 ’其中該第二主面，係向半導體基體的內側凸之鏡面狀凹 曲面所集合成之鏡面。 3、 如申請專利範圍第1或第2項之GaP系半導體發 光元件，其中該第二主面，係硏磨後用王水蝕刻而形成之 鏡面。 4、 如申請專利範圍第2項之GaP系半導體發光元件 ，其中該凹曲面，其粒徑爲5//m〜150# m，且其朝內側的 深度爲〇.5/zm〜15//m。 5、 如申請專利範圍第1項之GaP系半導體發光元件 ，其中，該半導體基體，係以用導電糊覆蓋第二主面全域 的方式固接於電極支持體。 6、 如申請專利範圍第1項之GaP系半導體發光元件 ，其中，該第二主面上所形成之電極的接觸層，係由Au、 Si及Ni所組成之合金所形成。 7、 如申請專利範圍第1項之GaP系半導體發光元件 ，其中，該第一主面上所形成之電極的接觸層，係由Au _____ι__ 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐） 556362 C8 D8 六、申請專利範圍 和Be或Zn之合金所形成。 8、 一種GaP系半導體發光元件，其特徵在於： (請先閲讀背面之注意事項再塡寫本頁) 具備：具有p - η接合之GaP系半導體基體，以及用 來對該半導體基體施加發光驅動電壓之電極； 以半導體基體之p型層側的主面作爲第一主面，以其 相反側的主面作爲第二主面，在半導體基體之第一主面及 側面，形成向外側凸之凸曲面所集合成之粗面； 在第二主面，形成鏡面狀的凹曲面所集合成之鏡面； 形成於第一主面上之電極的接觸層，係由Au和Be或 Zn之合金所形成，形成於第二主面上之電極的接觸層，係 由Au、Si及Ni所組成的合金所形成，以用導電糊覆蓋第 二主面全域的方式，將GaP半導體基體固接於電極支持體 〇 9、 如申請專利範圍第8項之GaP系半導體發光元件 ，其中該第二主面，係硏磨後用王水蝕刻而形成之鏡面。 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐)
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