TWI466325B - Semiconductor light emitting element - Google Patents

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TWI466325B
TWI466325B TW100122227A TW100122227A TWI466325B TW I466325 B TWI466325 B TW I466325B TW 100122227 A TW100122227 A TW 100122227A TW 100122227 A TW100122227 A TW 100122227A TW I466325 B TWI466325 B TW I466325B
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Takashi Hodota
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Toyoda Gosei Kk
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Description

半導體發光元件
本發明係有關半導體發光元件。
使用GaN等之III族氮化物半導體之半導體發光元件係通常,於藍寶石等之基板上,形成含有發光層之III族氮化物半導體層而加以構成。並且,在如此之半導體發光元件中,存在有做成由對於配線基板而言,以覆晶安裝半導體發光元件者,將從發光層所射出的光,藉由基板而射出至外部之構成。
作為公報記載之以往技術,存在有做成於成為與和III族氮化物半導體層之基板的接觸面相反側之面側,由形成銀等所成之金屬製之反射膜者,將從發光層輸出至與基板相反側的光,朝向基板側反射之構成(參照專利文獻1)。
[先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本特開2006-303430號公報
在如此之半導體發光裝置中,要求做成將從半導體發光元件所輸出的光,取出更多至外部,即,提昇在半導體發光裝置之光取出效率,其中,嘗試以各種物質等而構成半導體發光元件之各層。在另一方面,亦要求有提昇半導體發光元件之各層間的密著性。
本發明係將提昇以面朝上型或覆晶加以安裝之半導體發光元件的各層間之密著性為目的。
依據有關目的,本發明之半導體發光元件,其特徵為包含:由具有第1導電型之III族氮化物半導體所構成之第1半導體層;和於前述第1半導體層之一方的面,呈露出該一方的面之一部分地加以層積,經由通電而發光的發光層;和由具有與前述第1導電型不同之第2導電型的III族氮化物半導體所構成,層積於前述發光層之第2半導體層;和以對於從前述發光層所射出的光而言具有透過性及導電性的材料所構成,層積於前述第2半導體層之第1透明導電層;和以對於從前述發光層所射出的光而言具有透過性及絕緣性的材料所構成,具有貫通於厚度方向之貫通孔之同時,層積於前述第1透明導電層之透明絕緣層;和與前述第1半導體層加以電性連接之第1電極;和具有由與前述第1透明導電層同一材料所構成,呈被覆藉由前述透明絕緣層及前述貫通孔而露出之該第1透明導電層地加以層積之第2透明導電層,和以對於從前述發光層所射出的光而言具有反射性及導電性的金屬材料所構成,層積於該第2透明導電層之金屬反射層的第2電極。
另外,層積於藉由前述貫通孔而露出之前述第1透明導電層的前述第2透明導電層之厚度係較前述透明絕緣層的厚度為小為特徵。
更且又,前述第1透明導電層及前述第2透明導電層係由金屬氧化物所構成為特徵。
更且又,前述金屬氧化物係含有銦的金屬氧化物為特徵。
更且又,含有前述銦之氧化物為IZO(Indium Zinc Oxide)為特徵。
更且又,前述第1透明導電層係從結晶化之IZO所構成,前述第2透明導電層係從未結晶化之IZO所構成,層積於藉由前述貫通孔而露出之前述第1透明導電層的前述第2透明導電層之厚度係較該第1透明導電層的厚度為小為特徵。
更且又,合併層積於藉由前述貫通孔而露出之前述第1透明導電層的前述第2透明導電層,和層積於該第1透明導電層之層積於該第2透明導電層之前述金屬反射層的厚度則較前述透明絕緣層之厚度為小為特徵。
更且又,前述透明絕緣層係由具有較前述第1透明導電層及前述第2透明導電層為低折射率之材料加以構成為特徵。
更且又,前述第1透明導電層係由具有第1折射率的材料加以構成,前述透明絕緣層係由具有較前述第1折射率為低之第2折射率的材料加以構成,前述透明絕緣層之膜厚H係將前述第2折射率作為n,將從前述發光層所射出的光之波長作為λ,將B作為3以上的奇數時,具有(λ/4n)×(B-0.5)≦H≦(λ/4n)×(B+0.5)之關係為特徵。
更且又,前述金屬反射層係由銀或銀的合金所成為特徵。
更且又,前述透明絕緣層係由二氧化矽所成為特徵。
如根據本發明,可提升由面朝上型或特別是覆晶加以安裝之半導體發光元件的各層間之密著性。
以下,參照附加圖面,對於本發明之實施形態加以詳細說明。
圖1係顯示適用本實施形態之半導體發光元件(發光二極體)1之平面模式圖之一例,圖2係顯示圖1所示之半導體發光元件1之II-II的剖面圖。然而,在圖1中,方便上顯示去除後述之保護層320之半導體發光元件1的上面圖。
如圖1及圖2所示之半導體發光元件1係具備基板110,和層積於基板110上之中間層120,和層積於中間層120上之基底層130。另外,半導體發光元件1係具備層積於基底層130上之作為第1半導體層之一例的n型半導體層140,和層積於n型半導體層140上之發光層150,和層積於發光層150上之作為第2半導體層之一例的p型半導體層160。然而,在以下之說明,係因應必要,將此等n型半導體層140,發光層150,p型半導體層160彙整稱作層積半導體層100。
另外,在半導體發光元件1中,形成有經由將層積之p型半導體層160,發光層150及n型半導體層140之一部分作缺口而露出之n型半導體層140之上面140c。
更且,對於p型半導體層160上,層積有具有導電性及對於從發光層150所輸出的光而言之透過性的透明導電層170。
半導體發光元件1係更具備有保護層積半導體層100及透明導電層170之薄膜。並且,此薄膜係在本實施形態中,加上於保護層積半導體層100等之機能,更具有反射從發光層150所輸出的光之機能(詳細後述之)。將此薄膜稱作反射膜180。此反射膜180係由具有絕緣性及對於從發光層150所輸出的光而言之透過性的材料所構成。更且,反射膜180係由具有較透明導電層170之折射率為低之折射率的材質所構成。
其反射膜180係層積於透明導電層170,未層積有透明導電層170之p型半導體層160,及未層積有發光層150之n型半導體層140上而加以形成。另外,反射膜180係被覆發光層150及p型半導體層160之側面,即相當於由p型半導體層160與n型半導體層140所形成之階差的壁部之部分,更且,反射膜180係亦被覆透明導電層170之側面。
並且,反射膜180係形成有複數之貫通孔。設置於反射膜180之複數之貫通孔的一部分係在透明導電層170之上部,對於透明導電層170的面而言形成於垂直方向,各貫通孔係配置成略格子狀。另外,設置於反射膜180之複數之貫通孔的殘留的一部分係在n型半導體層140之上面140c的上部,對於上面140c而言形成於垂直方向,如圖1所示地平面視時,各貫通孔係配置成略格子狀。
貫通孔的直徑係如為形成導體部之大小尺寸即可,例如,使用直徑1μm~100μm之範圍的貫通孔。
另外,半導體發光元件1係具備設置於反射膜180之複數之貫通孔之中,貫通設置於透明導電層170上部之複數之貫通孔所形成之p導體部200。此p導體部200係經由與設置於透明導電層170上部之貫通孔相同數量之p連接導體202所構成,如圖1所示地平面視時,各p連接導體202係於透明導電層170上,配置成略格子狀。
更且,半導體發光元件1係在夾持反射膜180而與透明導電層170對向之位置,具備層積於反射膜180之p電極300。並且,構成p導體部200之複數之p連接導體202之各一端係連接於透明導電層170,而各另一端係連接於p電極300。
另外,半導體發光元件1係具備設置於反射膜180之複數之貫通孔之中,貫通設置於上面140c上部之複數之貫通孔所形成之n導體部400。其n導體部400係經由與設置於上面140c上部之貫通孔相同數量之n連接導體402所構成,各n連接導體402係於上面140c上,配置成略格子狀。
更且,半導體發光元件1係在夾持反射膜180而與上面140c對向之位置,具備層積於反射膜180之n電極310。並且,構成n導體部400之複數之n連接導體402之各一端係連接於上面140c,而各另一端係連接於n電極310。
更且又,半導體發光元件1係具備保護層320。保護層320係層積於n電極310及p電極300,反射膜180,及未層積有反射膜180之層積半導體層100上。
如此,本實施形態之半導體發光元件1係具有於從層積半導體層100而視,成為與基板110相反側之一方的面側,形成有p電極300及n電極310之構造。
在此半導體發光元件1中,由將p電極300作為正極,將n電極310作為負極,藉由兩者而於層積半導體層100(更具體而言,p型半導體層160,發光層150及n型半導體層140),流動電流者,發光層150則產生發光。
以下,說明半導體發光元件1之各構成。
<基板>
作為基板110係如為將III族氮化物半導體結晶,磊晶成長於表面之基板,並無特別加以限定,可選擇各種基板而使用。然而,在本發明中,基板110係並非必須之構成。
本實施形態之半導體發光元件1係如後述,理想為呈從基板110側取出光地加以覆晶安裝。隨之,對於從發光層150所射出的光而言具有光透過性之情況則因提高光取出效率而為理想,特別是將C面在作為主面之藍寶石作為基板110而使用之情況則因提高光取出效率而為理想。將藍寶石作為基板110而使用之情況,係於藍寶石之C面上,形成中間層120(緩衝層)為佳。
<中間層>
中間層120係由多結晶Alx Ga1-x N(0≦x≦1)所成之構成為佳,而由單結晶Alx Ga1-x N(0≦x≦1)所成之構成更佳,例如,可作為由多結晶Alx Ga1-x N(0≦x≦1)所成之厚度10~500nm之構成。然而,中間層120係緩和基板110與基底層130之晶格常數的不同,有容易於基板110之(0001)面(C面)上形成c軸配向之單結晶層之作用。隨之,當於中間層120之上方,層積單結晶之基底層130時,可層積更一層結晶性佳之基底層130。然而,在本發明中,中間層120係並非必須之構成。
<基底層>
作為基底層130,可使用Alx Gay Inz N(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1、x+y+z=1)者,但使用Alx Ga1-x N(0≦x<1)時,因可形成結晶性良好的基底層130而佳。
基底層130之膜厚係0.1μm以上為佳,作成其膜厚以上之情況則容易得到結晶性良好的Alx Ga1-x N層。另外,基底層130之膜厚係10μm以下為佳。然而,在本發明中,基底層130係並非必須之構成。
<層積半導體層>
含有III族氮化物半導體所構成之層積半導體層100係如圖2所示,於基板110上,以n型半導體層140,發光層150及p型半導體層160之各層順序加以層積而構成。另外,n型半導體層140,發光層150及p型半導體層160之各層係各自,由複數之半導體層而構成亦可。
在此,n型半導體層140係由將電子作為載體之第1導電型而進行電性傳導之構成,p型半導體層160係由將電洞作為載體之第2導電型而進行電性傳導的構成。
<n型半導體層>
作為具有第1導電型之第1半導體層之一例的n型半導體層140係由n接觸層與n包覆層加以構成為佳。然而,n接觸層係亦可兼具n包覆層。另外,亦可將前述之基底層130含於n型半導體層140。
n接觸層係為了設置n電極310的層。做為n接觸層係由Alx Ga1-x N層(0≦x<1,理想為0≦x≦0.5,更理想為0≦x≦0.1)所構成為佳。
對於n接觸層與發光層150之間係設置n包覆層為佳。n包覆層係進行對於發光層150之載體的注入與載體之封閉的層。然而,在本說明書中,對於AlGaN,GaN,GaInN,有以省略各元素的組成比之型式而記述的情況。n包覆層係可由AlGaN,GaN,GaInN等加以形成。另外,亦可做為此等之構造的異質接合或進行複數次層積的超晶格構造。對於將n包覆層以GaInN形成之情況,係作為較發光層150之GaInN之能帶隙為大者為佳。
然而,對於將n包覆層作為含有超晶格構造的層之情況,係亦可為含有層積由具有100埃以下膜厚之III族氮化物半導體所成之n側第1層,和與n側第1層組成不同之同時,由具有100埃以下膜厚之III族氮化物半導體所成之n側第2層之構造的構成。
另外,n包覆層係亦可為含有交互重覆層積n側第1層與n側第2層之構造的構成,而GaInN與GaN之交互構造或組成不同之GaInN彼此的交互構造者為佳。
<發光層>
作為層積於n型半導體層140上方之發光層150係可採用單一量子井構造或多重量子井構造等。
作為量子井構造的井層,係通常使用Ga1-y Iny N(0<y<0.4)所成之III族氮化物半導體層。作為井層的膜厚係可作為可得到量子效果程度之膜厚,例如做為1~10nm,理想係當做為2~6nm時,在發光輸出的點而為佳。
另外,多重量子井構造之發光層150的情況係將上述Ga1-y Iny N做為井層,將較井層能帶隙為大之Alz Ga1-z N(0≦z<0.3),作為障壁層。對於井層及障壁層係經由設計亦可摻雜或不摻雜不純物。
<p型半導體層>
作為具有第2導電型之第2半導體層之一例的p型半導體層160係例如將電洞作為載體。通常由p包覆層及p接觸層所構成。另外,p接觸層係亦可兼具p包覆層。
p包覆層係進行對於發光層150之載體的封閉與載體之注入的層。作為p型包覆層係為較發光層150之能帶隙為大的組成,如為可封入載體於發光層150之構成,並無特別限制,但理想係可舉出Alx Ga1-x N(0<x≦0.4)之構成。
p包覆層當由如此之AlGaN所成時,在封入載體於發光層150的點,則為理想。p包覆層之膜厚雖未特別加以限定,但1~400nm為佳,更佳為5~100nm。
另外,p包覆層係亦可作為複數次層積之超晶格構造,而為AlGaN與AlGaN之交互構造或AlGaN與GaN之交互構造為佳。
p接觸層係為了設置p電極300的層。p接觸層為Alx Ga1-x N(0≦x≦0.4)為佳。當Al組成為上述範圍時,在成為可良好之結晶性的維持及與透明導電層170之良好的電阻接觸的維持的點,則為理想。
p包覆層之膜厚雖未特別加以限定,但10~500nm為佳,更佳為50~200nm。當p接觸層的膜厚為其範圍時,在發光輸出之情況而為理想。
<透明導電層>
如圖2所示,對於p型半導體層160之上方,層積有作為第1透明導電層之一例的透明導電層170。
透明導電層170係在如圖1所示地平面視時,為了形成n電極310,除了經由蝕刻等之手段而除去一部分之p型半導體層160之上面160c的周緣部之外,呈被覆略全面地加以形成。
透明導電層170係取得與p型半導體層160電阻接觸,並且使用與p型半導體層160之接觸阻抗小之構成為佳。另外,在其半導體發光元件1中,從將來自發光層150的光,藉由反射膜180等而取出於基板110側之情況,透明導電層170係使用對於光透過性優越之構成為佳。更且又,為了遍佈於p型半導體層160之全面而均一地擴散電流,透明導電層170係使用具有優越之導電性,且阻抗分布少之構成為佳。
然而,透明導電層170之厚度係可從2nm~500nm之範圍作選擇。在此,當透明導電層170之厚度較2nm為薄時,有著不易取得與p型半導體層160電阻接觸之情況,另外,當透明導電層170之厚較500nm為厚時,有著在來自發光層150之發光及來自反射膜180等之反射光的光透過性的點,並不理想之情況。
作為透明導電層170之一例係氧化物之導電性材料,使用對於從發光層150所射出之波長的光而言之光透過性佳的構成。特別是含有In之氧化物的一部分係與其他的透明導電膜作比較,在光透過性及導電性之雙方同時為優越的點為佳。作為含有In之導電性的氧化物,係例如可舉出IZO(氧化銦鋅(In2 O3 -ZnO))、ITO(氧化銦錫(In2 O3 -SnO2 ))、IGO(氧化銦鎵(In2 O3 -Ga2 O3 ))、ICO(氧化銦鈰(In2 O3 -CeO2 ))等。然而,於此等之中,亦可添加例如氟素等之摻雜劑。另外,例如亦可使用未含有In之氧化物,例如摻雜載體之SnO2 ,ZnO2 ,TiO2 等之導電性材料。
經由將此等之材料,由在其技術範圍所知之慣用手段而設置者,可形成透明導電層170。於形成透明導電層170之後,經由進行熱退火之時,透明導電層170之透過率則上升,片電阻則下降,而取得電阻接觸。
在本實施形態中,透明導電層170係可使用結晶化之構造者,特別是可理想使用含有具有六方晶構造或方鐵錳礦構造之In2 O3 結晶之透光性材料(例如,IZO或ITO等)。
另外,作為使用於透明導電層170的膜,使用比電阻成為最低之組成為佳。例如,IZO中之ZnO的濃度係理想為1~20質量%者,而為5~15質量%之範圍者更為理想,而10質量%者特別理想。
<反射膜>
如圖2所示,透明絕緣層之一例的反射膜180係呈各被覆透明導電層170,未層積有透明導電層170之p型半導體層160,及未層積有發光層150之n型半導體層140地加以層積。另外,反射膜180係不只被覆各層之面方向的表面,被覆發光層150及p型半導體層160之側面,即相當於由p型半導體層160與n型半導體層140所形成之階差的壁部之部分,更且,反射膜180係亦被覆透明導電層170之側面。
圖2所示之反射膜180係在層積半導體層100之面方向連續之一體的構成。
並且,反射膜180係如上述,由具有對於從發光層150所輸出的光而言之透過性,較透明導電層170之折射率為低之折射率,及絕緣性的材質加以構成。具體而言,作為反射膜180,例如可使用SiO2 (氧化矽)或MgF2 (氟化鎂),CaF2 (氟化鈣),Al2 O3 (氧化鋁)。然而,在此例中,作為反射膜180作成使用SiO2 (氧化矽)。
另外,反射膜180係具有反射從發光層150所輸出的光之機能,其反射膜180之膜厚H係將反射膜180的折射率作為n,將發光層150之發光波長作為λ(nm),將Q,作為以反射膜180之折射率n的4倍除以發光層150之發光波長λ(nm)之構成時(Q=λ/4n),以以下所示的式(1)之關係加以設定。但A係整數。
【數1】
H=AQ …(1)
另外,反射膜180之膜厚H係依據以下之式(2)加以設定為更佳。也就是膜厚H為較5λ/4n為大的範圍更佳。即,膜厚H為5Q以上更佳。另外,從生產成本的限制,膜厚H為20Q以下為佳。
【數2】
另外,在本實施形態中,反射膜180之膜厚H係在以下所示之式(3)的範圍加以設定為佳。但B係3以上的奇數。
(B-0.5)×Q≦H≦(B+0.5)×Q …(3)
更且,反射膜180之膜厚H係具有(B-0.4)×Q≦H≦(B+0.4)×Q之關係為佳,而具有(B-0.3)×Q≦H≦(B+0.3)×Q之關係更佳。
另外,B係5以上的奇數更佳,從生產成本的限制,B係19以下的奇數為佳。
<導體部>
如圖1及圖2所示,導體部之一例的p導體部200與其他之導體部之一例的n導體部400係各貫通反射膜180而加以設置。
另外,導體部之一例的p導體部200係由p電極300側之複數之連接導體的p連接導體202所成。p連接導體202係基板110側之端部則與透明導電層170之上面170c加以連接,另一方的端部則與p電極300加以連接。
n導體部400係由n電極310側之複數之連接導體的n連接導體402所成。n連接導體402係與n型半導體層140之上面140c加以連接,另一方的端部則與n電極310加以連接。
然而,為了明確化,變更有在圖2之p連接導體202及n連接導體402的縮尺,在本實施形態之p連接導體202及n連接導體402之尺寸係有大的差異。
在本實施形態中,p連接導體202及n連接導體402係理想為直徑10μm~80μm之範圍為佳,長度(深度)係成為反射膜180之膜厚H的範圍為佳,例如p連接導體202及n連接導體402係直徑10μm,長度(深度)500nm。
p連接導體202係如圖1所示,複數形成於p電極300全體。流動在各p連接導體202之電流則成為使用於發光層150之發光的電流。
在本實施形態中,由作為並非單數而作為複數之p連接導體202者,在上面160c之面上,遍佈於p型半導體層160之全面而均一地擴散電流。由此,可改善在發光層150之發光不勻。
另外,n連接導體402亦如圖1所示,分布於n電極310全體加以複數形成。經由作為複數之n連接導體402之時,供給充分的量之電流至n型半導體層140。此係可改善在發光層150之發光不勻而使其發光。
p連接導體202及n連接導體402係施以於使用乾蝕刻或掀離法等所形成之貫通孔的壁面及底面之構成。或者,作為於反射膜180之貫通孔填充金屬之構成而加以形成亦可。作為金屬電鍍或充填用金屬的材質,作為一例可舉出IZO/銀合金/Ta或者圖4或圖5所例示之構成等。
<電極>
接著對於第1及第2電極之構成加以說明。
<第1電極>
對於在本實施形態之第1電極之一例的n電極310之構成加以說明。
n電極310係層積於其他之絕緣膜的一例之反射膜180上,經由複數的層而加以形成。n電極310係具有n金屬反射層311,和在圖2中,從n金屬反射層311朝上方依序,層積其他之金屬層之一例的第1擴散防止層312,第2擴散防止層313,第3擴散防止層314,第4擴散防止層315,第1接合層316,除了第1接合層316之露出部位而呈被覆第1接合層316地加以層積之保護密著層317。n金屬反射層311乃至保護密著層317之至少任一層則為金屬反射層時,如後述,因可提升光取出效率之故而為理想。例如,n金屬反射層311則作為由Al(鋁)或Al合金所成之金屬反射層而加以構成。
<第2電極>
對於在本實施形態之第2電極之一例的p電極300之構成加以說明。
p電極300係具有層積於反射膜180上之p密著層301,和在圖2中,從p密著層301朝上方依序,層積p金屬反射層302,第1擴散防止層303,第2擴散防止層304,第3擴散防止層305,第4擴散防止層306,第2接合層307,除了第2接合層307之露出部位而呈被覆第2接合層307地加以層積之保護密著層308。
p金屬反射層302乃至保護密著層308之至少任一層則為金屬反射層時,如後述,因可提升光取出效率之故而為理想。例如,p金屬反射層302則作為由Ag(銀)或Ag合金所成之金屬反射層而加以構成。
<保護層>
如圖2所示,對於未層積有保護密著層308,保護密著層317,反射膜180,及透明導電層170之p型半導體層160上,係層積有保護層320。保護層320係理想為由SiO2 (氧化矽)等加以形成。可降低外部的空氣或水分浸入至半導體發光元件1之發光層150之虞,而防止半導體發光元件1之p電極300或n電極310之剝落。保護層320之膜厚係通常加以設置在50nm~1μm之範圍內。保護層320之膜厚不足50nm時,有著損害作為保護膜之機能之虞,根據使用環境係有發光輸出短期間地降低之危險。另外,當保護層320之膜厚超過1μm時,有著經由光吸收而對於發光輸出等帶來影響之虞。
圖3係顯示安裝圖2所示之半導體發光元件1於配線基板10之發光裝置的構成之一例圖。
對於配線基板10之一方的面係形成有正電極11與負電極12。並且,對於配線基板10而言,在反轉圖2所示之半導體發光元件1之上下的狀態,對於正電極11係將p電極300,另外,對於負電極12係將n電極310,各使用焊料20進行電性連接之同時,機械性地加以固定。對於如此之配線基板10而言之半導體發光元件1的連接手法係一般稱為覆晶連接。在覆晶連接中,從配線基板10而視,半導體發光元件1之基板110則配置於較發光層150為遠之位置。
接著,說明形成如圖4及圖5所示之p連接導體202及n連接導體402的構成。
即,經由將構成p電極300之各層層積於貫通孔內之時而形成p連接導體202,經由將構成n電極310之各層層積於貫通孔內之時而形成n連接導體402之構成。
首先,對於p連接導體202加以說明時,如圖4所示,為形成p電極300之各層,經由將外周層之一例的p密著層301,內周層之一例的p金屬反射層302,第1擴散防止層303,第2擴散防止層304,第3擴散防止層305,第4擴散防止層306,第2接合層307之各層,依此順序層積於貫通孔之時而形成p連接導體202。
然而,如圖4所示,將p電極300及p連接導體202,從連續於面方向之複數的層形成時,光取出效率則提升。
另一方面,對於n連接導體402加以說明時,如圖5所示,為形成n電極310之各層,經由將n金屬反射層311,第1擴散防止層312,第2擴散防止層313,第3擴散防止層314,第4擴散防止層315,第1接合層316之各層,依此順序加以層積之時而形成n連接導體402。第1~第4之擴散防止層(312~315)係經由材料構成,至少為1層亦可。於形成n金屬反射層311之前,如前述形成n密著層亦可。
然而,如圖5所示,將n電極310及n連接導體402,從連續於面方向之複數的層形成時,光取出效率則提升。
如圖4及圖5所示,經由將構成p電極300之各層層積於貫通孔內之時而形成p連接導體202,而經由將構成n電極310之各層層積於貫通孔內之時而形成n連接導體402之情況,例如認為取得如以下所示之各層的構成。
然而,在以下的構成中,p電極300及p連接導體202之各層係從各自對應之情況,在以下中係配合p電極300及p連接導體202加以說明。根據同樣的理由,在以下中係配合n電極310及n連接導體402加以說明。
<p連接導體>
p連接導體202及p電極300係具有p密著層301,和層積於其p密著層301上之p金屬反射層302,和層積於其p金屬反射層302上之第1擴散防止層303,第2擴散防止層304,第3擴散防止層305,第4擴散防止層306,和第2接合層307。
<密著層>
在p連接導體202中,如圖4所示,作為第2透明導電層之一例的p密著層301係層積於透明導電層170上。隨之,與透明導電層170之密著性佳的材質為佳。然而,未具備有p密著層301,而於反射膜180上直接層積p金屬反射層302(例如銀)之情況,與具備p密著層301之情況作比較,密著性大大地降低。
另一方面,以p電極300全體而視時,p密著層301係並非為了形成n電極310而直接層積於經由蝕刻等之手段而除去一部分之p型半導體層160之上面160c之構成,但對於如圖1所示而平面視時,除了p型半導體層160之上面160c之周緣部,於呈將略全面被覆p密著層301之位置,形成有p密著層301。並且,p密著層301係從層積於反射膜180上之情況,使用與反射膜180之密著性佳之構成為佳。另外,在其半導體發光元件1中,從將透過反射膜180來自發光層150的光,藉由p金屬反射層302等而取出於基板110側之情況,p密著層301係使用對於光透過性優越之構成為佳。更且又,為了遍佈於p型半導體層160之全面而均一地擴散電流,p密著層301係使用具有優越之導電性,且阻抗分布少之構成為佳。
從此等情況,作為p密著層301之一例係可舉出透明導電層。例如,在本實施形態中,作為p密著層301為金屬氧化物之導電性材料,使用對於從發光層150所射出之波長的光而言之光透過性佳的構成。特別是含有In之金屬氧化物係與其他的透明導電膜作比較,在光透過性及導電性之雙方同時為優越的點為佳。作為含有In之導電性的金屬氧化物,係例如可舉出ITO(氧化銦錫(In2 O3 -SnO2 ))、IZO(氧化銦鋅(In2 O3 -ZnO))、IGO(氧化銦鎵(In2 O3 -Ga2 O3 ))、ICO(氧化銦鈰(In2 O3 -CeO2 )等。特別理想係可舉出IZO(氧化銦鋅(In2 O3 -ZnO))。但對於構成p密著層301之IZO係未進行熱處理,而作為保持非晶形狀態。
其p密著層301之膜厚係根據上述的理由,理想為使用在1nm~50nm之範圍。對於膜厚不足1nm之情況,係與透明導電層170之密著性變差,而有接觸阻抗變高之虞。對於膜厚超過50nm之情況,係光透過性降低之同時,串聯阻抗變高之故而招致發光元件的順方向電壓Vf之增加。例如,p密著層301的膜厚係成為2nm。
<金屬反射層>
對於p密著層301上,係層積有作為金屬反射層之一例的p金屬反射層302。
在p電極300中,如圖2所示而平面視時,p金屬反射層302係呈被覆p密著層301之全域地加以形成。並且,p金屬反射層302之中央部係具有一定的膜厚而形成為略平坦之另一方面,p金屬反射層302之端部側係由膜厚漸次變薄者,對於反射膜180之p電極側之上面180c而言傾斜所形成。另外,p金屬反射層302係呈形成於p密著層301上,未加以形成於反射膜180上。即,反射膜180與p金屬反射層302則呈未直接接觸地加以構成。另外,如後述,p金屬反射層302係亦具有藉由p密著層301等而對於p型半導體層160進行供電的機能。隨之,阻抗值為低,並且必須降低抑制與p密著層301之接觸阻抗。
本實施形態之p金屬反射層302係由Ag(銀),Pb(鈀),Cu(銅),Nd(釹),Al(鋁),Ni(鎳),Cr(鉻)等之金屬及至少含有此等1種之合金加以構成。特別是作為p金屬反射層302而使用銀或銀合金之情況,係對於從發光層150所射出的藍色~綠色的範圍之波長的光而言,具有高的光反射性之故而為理想。
在此,作為p金屬反射層302而使用銀的情況,根據使用環境,係亦有耐熱性,耐高溫高濕性不充分之情況,而理想使用銀合金。
因此,作為p金屬反射層302而使用銀的情況,作為p密著層301之材質係使用IZO等之透明導電性材料為佳。在此,未具備有p密著層301,而於反射膜180上直接層積p金屬反射層302(例如銀)之情況,與具備p密著層301之情況作比較,密著性大大地降低。另外,IZO等之透明導電性材料係與大氣開放之透明導電層170密著性亦佳。
其p金屬反射層302之膜厚係理想係使用在80nm~200nm之範圍。對於膜厚不足80nm之情況,經由p金屬反射層302之反射率則下降。另外對於膜厚超過200nm之情況,發光元件之製造成本變高而並不理想。
<擴散防止層>
如圖2所示,對於p金屬反射層302之上方,層積有第1擴散防止層303。並且,各於第1擴散防止層303上係層積有第2擴散防止層304,於第2擴散防止層304上係層積有第3擴散防止層305,於第3擴散防止層305上係層積有第4擴散防止層306。
其第1擴散防止層303,第2擴散防止層304,第3擴散防止層305係抑制為接觸狀態之構成p金屬反射層302之金屬(在此例中為Ag(銀)),及構成第4擴散防止層306之金屬(在此例中為Pt(白金))的擴散。
另外,第4擴散防止層306係抑制為接觸狀態之構成第3擴散防止層305之金屬(在此例中為Ta(鉭)),及構成第2接合層307之金屬(在此例中為Au(金))的擴散。
在p電極300中,如圖2所示而平面視時,第1擴散防止層303,第2擴散防止層304,第3擴散防止層305,第4擴散防止層306係呈被覆p金屬反射層302之全域地加以形成。並且,各擴散防止層303~306之中央部係具有一定的膜厚而形成為略平坦之另一方面,各端部側係由膜厚漸次變薄者,對於反射膜180之p電極側之上面180c而言傾斜所形成。另外,各擴散防止層303~306係呈形成於p金屬反射層302上,未加以形成於反射膜180上。即,反射膜180與各據散防止層303~306則呈未直接接觸地加以構成。
各擴散防止層303~306係取得與各層接觸的層之電阻接觸,且使用與接觸的層之接觸阻抗為小的構成為佳。但各擴散防止層303~306係基本上無須使來自發光層150的光透過之機能之故,與上述p密著層301不同,無須具有光透過性。另外,各擴散防止層303~306係從亦具有藉由p金屬反射層302及p密著層301而對於p型半導體層160進行供電之機能之情況,使用具有優越之導電性,且阻抗分布少之構成為佳。
在本實施形態中,作為第1擴散防止層303而使用Ta(鉭),作為第2擴散防止層304而使用TaN(氮化鉭),作為第3擴散防止層305而使用Ta(鉭),作為第4擴散防止層306而使用Pt(白金)。然而,第3擴散防止層305係亦可為Ti(鈦)或Ni(鎳)。
其第1擴散防止層303之膜厚係理想係使用在20nm~200nm之範圍。對於膜厚不足20nm之情況,係對於p金屬反射層302(在此例中為Ag(銀)合金)與第4擴散防止層306(在此例中為Pt(白金))之擴散抑制的阻障性成為不充分,在此例中係有Ag與Pt產生反應之虞。另外對於膜厚超過200nm之情況,發光元件之製造成本變高。
第2擴散防止層304之膜厚係理想係使用在1nm~50nm之範圍。對於膜厚不足1nm之情況,係與其兩側之擴散防止層之密著性降低。另外,對於膜厚超過50nm之情況,係串聯阻抗變高之故而招致發光元件的順方向電壓Vf之增加。然而,第2擴散防止層304係並非必須。
第3擴散防止層305之膜厚係理想係使用在20nm~500nm之範圍。對於膜厚不足20nm之情況,第2擴散防止層304與第4擴散防止層306的密著性變差。更且,對於p金屬反射層302(在此例中為Ag(銀))與第4擴散防止層306(在此例中為Pt(白金))之擴散抑制的阻障性成為不充分,在此例中係有Ag與Pt產生反應之虞。另外對於膜厚超過500nm之情況,發光元件之製造成本變高。
其第4擴散防止層306之膜厚係理想係使用在50nm~200nm之範圍。對於膜厚不足50nm之情況,有第3擴散防止層305(例如,Ta)與第2接合層307(例如,Au)產生反應之虞。另外,對於膜厚超過200nm之情況,發光元件之製造成本變高。
<第2接合層>
對於第4擴散防止層306之上面,係呈被覆第4擴散防止層306地層積第2接合層307。
在p電極300中,如圖1所示而平面視時,第2接合層307係呈被覆第4擴散防止層306之全域地加以形成。並且,第2接合層307之中央部係具有一定的膜厚而形成為略平坦之另一方面,第2接合層307之端部側係由膜厚漸次變薄者,對於反射膜180之p電極側之上面180c而言傾斜所形成。
例如,第2接合層307為多層構造之情況係於最內側,即呈與第4擴散防止層306等接觸地至少具備1層以上的金屬層。另外,對於成為最外側之最表層之金屬層,係一般使用Au(金)。在本實施形態中,作為第2接合層307而使用Au(金)之單層膜。
第2接合層307之膜厚係理想係使用在100nm~2μm之範圍。對於膜厚不足100nm之情況,作為第2接合層307之阻抗變高。另外,對於膜厚超過2μm之情況,發光元件之製造成本變高。
<保護密著層>
對於第2接合層307之上面及側面,係呈除了第2接合層307之一部分而被覆地層積保護密著層308。
在p電極300中,平面視時,保護密著層308係呈被覆除了第2接合層307之露出部位之範圍地加以形成。並且,保護密著層308之中央部係具有一定的膜厚,且形成為略平坦之另一方面,保護密著層308之端部側係對於反射膜180之p電極側之上面180c而言傾斜所形成。此保護密著層308之側面側的端部係呈與反射膜180之p電極側之上面180c接觸地加以設置。
保護密著層308係為了使由Au(金)所構成之第2接合層307與保護層320之物理的密著性提升而加以設置。在本實施形態中,保護密著層308係由Ta(鉭)加以形成。然而,保護密著層308係亦可由Ti(鈦)加以形成。
保護密著層308之膜厚係理想係使用在5nm~50nm之範圍。對於膜厚不足5nm之情況,第2接合層307與保護層320的密著性變差。另外,對於膜厚超過20nm之情況,在蝕刻工程之作業時間變長,半導體發光元件1之製造成本則變高。
<n電極>
接著,對於n電極310之構成加以說明。
n電極310係具有n金屬反射層311,和層積於n金屬反射層311上之第1擴散防止層312,和第2擴散防止層313,第3擴散防止層314,及第4擴散防止層315,和第1接合層316,和除了上述之第1接合層316之露出部位而層積於第1接合層316之保護密著層317。第1擴散防止層312~第4擴散防止層315係根據材料構成而省略任一的層亦可。
<金屬反射層>
在n連接導體402中,如圖5所示,n金屬反射層311係層積於n型半導體層140上。隨之,與n型半導體層140之密著性佳的材質為佳。
在另一方面,在n電極310全體而視時,如圖1所示,n金屬反射層311係形成於被覆n型半導體層140之上面140c之略全域的反射膜180上。並且,n金屬反射層311之中央部係具有一定的膜厚而形成為略平坦之另一方面,n金屬反射層311之端部側係由膜厚漸次變薄者,對於反射膜180之n電極側之上面180d而言傾斜所形成。並且,n金屬反射層311係從層積於反射膜180上之情況,使用與反射膜180之密著性佳之構成為佳。作為n金屬反射層311而理想所使用之Al或Al合金係反射膜180與理想所使用之SiO2 密著性佳。
更且,於形成n金屬反射層311之前,在圖2及圖5中雖省略,但亦可形成密著層。作為此密著層係可使用與P密著層301同等之材料。
另外,n金屬反射層311係亦可由Al(鋁),Ni(鎳),Nd(釹),Ag(銀)等之金屬及至少含有此等1種之合金加以構成。然而,如後述,n金屬反射層311係從亦具有對於n型半導體層140進行供電之機能之情況,其阻抗值為低為佳。
n金屬反射層311之膜厚係理想係使用在80nm~200nm之範圍。對於膜厚不足80nm之情況,作為反射層之反射率則下降。另外,對於膜厚超過200nm之情況,半導體發光元件1之製造成本則變高。
<擴散防止層等>
在本實施形態中,n電極310之各擴散防止層312~315,第1接合層316,保護密著層317之構成係從與在p電極300之各擴散防止層303~306,第2接合層307,保護密著層308之各構成同一之情況,有關各構成之記載係欲參照上述n電極310之記載。然而,在後述之本實施例中,省略第2擴散防止層313之形成。
以上,具有如此構成之本發明之半導體發光元件1係可由接下來之方法而製造。例如,在圖1所示之半導體發光元件1中,提供具備:於基板110上形成層積半導體層100之半導體層形成工程,和於層積半導體層100上,形成具有導電性及對於從發光層150所輸出的光而言之透過性的透明導電層170之透明導電層形成工程,和形成經由將透明導電層170,層積之p型半導體層160,發光層150及n型半導體層140之一部分作成缺口而露出之n型半導體層140之上面140c之n型半導體層露出工程,和於透明導電層170,未層積有透明導電層170之p型半導體層160,及未層積有發光層150之露出的n型半導體層140上,層積反射膜180之反射膜形成工程,和於反射膜180形成複數之貫通孔之貫通孔形成工程,和形成設置於反射膜180之複數之貫通孔之中,貫通設置於透明導電層170之上部的複數之貫通孔所形成之p導體部200之工程,和形成設置於反射膜180之複數之貫通孔之中,貫通設置於上面140c之上部的複數之貫通孔所形成之n導體部400之工程的製造方法。
另外,在本發明之製造方法中,在形成p導體部200之工程或各形成n導體部400之工程,具有形成第2電極(p電極300)或第1電極(n電極310)之工程。
更且,在本發明中,具有除了第1接合層316之露出部位而呈被覆第1接合層316地加以層積之保護密著層317之形成工程。另外,具有除了第2接合層307之露出部位而呈被覆第2接合層307地加以層積之保護密著層308之形成工程。
更且,於前述保護密著層308,317之形成工程之後,具有層積為了保護未層積有保護密著層308,保護密著層317,反射膜180,及透明導電層170之p型半導體層160的保護層320之工程。
接著,使用圖3所示之發光裝置,對於發光動作加以說明。
藉由配線基板10之正電極11及負電極12,對於半導體發光元件1,從正電極11朝向負電極12流動電流時,在半導體發光元件1中,從p電極300藉由p導體部200,透明導電層170,p型半導體層160,發光層150,n型半導體層140,及n導體部400而朝向n電極310流動有電流。其結果,發光層150係朝向四方輸出光。對於圖3,係例示有朝向p電極300側之箭頭A方向的光,朝向基板110側之箭頭B方向的光,及朝向側方之箭頭C方向的光。
然而,半導體發光元件1係將具有絕緣性之反射膜180,設置於p電極300或n電極310與層積半導體層100之間,但經由貫通反射膜180而設置p導體部200及n導體部400之時,成為對於發光層150之發光可流動必要之電流。另外,此時,在p電極300中,藉由第2接合層307,第4擴散防止層306,第3擴散防止層305,第2擴散防止層304,第1擴散防止層303,p金屬反射層302,及p密著層301而流動有電流,對於p型半導體層160,係供給在上面160c之面上抑制不勻狀態之電流。
首先,從發光層150所射出的光之中,朝向於反射膜180側之箭頭A方向的光係藉由p型半導體層160及透明導電層170而到達至反射膜180,由反射膜180所反射。並且,反射膜180所反射的光係透過透明導電層170,p型半導體層160,發光層150,n型半導體層140,基底層130,中間層120及基板110,作為主要而射出於圖3所示之箭頭D方向,即半導體發光元件1之外部。
接著,從發光層150所射出的光之中,朝向於基板110側之箭頭B方向的光係透過n型半導體層140,基底層130,中間層120及基板110,作為主要而射出於圖3所示之箭頭D方向,即半導體發光元件1之外部。但從發光層150直接,朝向於基板110的光之一部分係返回至半導體發光元件1內。此係因例如,根據中間層120與基板110之折射率的差異,在兩者界面,從發光層150朝向基板110側的光則容易反射之故。
返回至半導體發光元件1內的光係藉由n型半導體層140,或者藉由n型半導體層140,p型半導體層160及透明導電層170而到達至反射膜180,由反射膜180所反射。並且,行進在半導體發光元件1內而再次朝向於基板110側,作為結果射出於圖3所示之箭頭D方向,即半導體發光元件1之外部。
在此,由反射膜180所反射的光係更詳細而言,由在透明導電層170及反射膜180之界面反射的光,和在反射膜180及p密著層301之界面反射的光所成。並且,如後述,在透明導電層170及反射膜180之界面反射的光,和在反射膜180及p密著層301之界面反射的光則經由作為加強狀態之時,可增加射出於半導體發光元件1之外部的光,作為其結果,認為半導體發光元件1之光取出效率更提升。
從發光層150所射出的光之中,朝向於側方之箭頭C方向的光係例如,藉由發光層150而到達至反射膜180,由反射膜180所反射。並且,由反射膜180所反射的光係行進在半導體發光元件1內,射出於圖3所示之箭頭D方向,即半導體發光元件1之外部。
在此,如上述,返回至半導體發光元件1內的光係不只朝向p電極300側,而亦朝向於n電極310之方向。在本實施形態中,將反射膜180亦設置於n電極310側,成為將返回至半導體發光元件1內的光,亦可在n電極310側進行反射。
更且,p電極300及n電極310則作為各一層而具備金屬反射層之情況,即使無法由反射膜180反射所有的光之情況,經由以金屬反射層而使其反射之時,亦可射出於半導體發光元件1之外部。作為其結果,成為更可提升來自半導體發光元件1的光之取出效率。
如此,在本實施形態中,於半導體發光元件1設置反射膜180,從發光層150射出於與基板110相反側的光,或者經由在各種界面反射等而朝向並非半導體發光元件1之外部的方向的光,經由反射膜180而加以反射。更且,p電極300及n電極310則具有金屬反射層之情況,亦經由此金屬反射層所反射。並且,經由將反射的光射出於半導體發光元件1之外部之時,提高來自半導體發光元件1的光之取出效率。
然而,在上述之形態中,記載有經由形成貫通孔而具備p連接導體202及n連接導體402,但並非作為限定於此而解釋。例如,即使於層積反射膜180之前,形成有圓柱狀之p連接導體202及n連接導體402,或者經由於層積反射膜180之後,埋入銅等之金屬構件,形成p連接導體202及n連接導體402亦可。
另外,p連接導體202及n連接導體402係亦可為同一之構成,而亦可為不同之構成。另外,p連接導體202及n連接導體402的形狀係並不限定為圓柱之構成,亦可為包含三角形之多角形柱等。
圖6(a),(b)係顯示具備圖1所示之半導體發光元件1之發光裝置30(亦稱為發光晶片30或燈30)之構成之一例的圖。在此,圖6(a)係各顯示發光晶片30之上面圖,而圖6(b)係顯示圖6(a)之VIB-VIB剖面圖。
其發光晶片30係具備:於一方側形成有凹部31a之框體31,和由形成於框體31之導線框所成之第1導線部32及第2導線部33,和安裝於凹部31a之底面的半導體發光元件1,和呈被覆凹部31a所設置之封閉部34。然而,在圖6(a),係省略封閉部34之記載。
作為基部之一例的框體31係經由於含有第1導線部32及第2導線部33之金屬導線部,射出成型白色之熱可塑性樹脂之時而加以形成。
第1導線部32及第2導線部33係具有0.1~0.5mm程度厚度之金屬板,作為對於加工性,熱傳導性優越之金屬,例如將鐵/銅合金作為基底,於其上方,作為電鍍層,將鎳、鈦、金、銀等進行數μm層積而加以構成。並且,在本實施形態中,第1導線部32及第2導線部33之一部分則呈露出於凹部31a之底面。另外,第1導線部32及第2導線部33之一端部側係露出於框體31之外側,且從框體31之外壁面彎曲於背面側。然而,在本實施形態中,第1導線部32則作為第1之配線,第2導線部33則作為第2之配線而各自發揮機能。
另外,半導體發光元件1係於凹部31a,跨過第1導線部32與第2導線部33加以安裝。
並且,封閉部34係在可視範圍的波長,光透過率為高,另外由折射率高之透明樹脂所構成。作為滿足構成封閉部34之耐熱性,耐候性,及機械性強度高之特性的樹脂,係例如可使用環氧樹脂或聚矽氧樹脂者。並且,在本實施形態中,對於構成封閉部34之透明樹脂,使將從半導體發光元件1所射出之光的一部分變換成綠色光及紅色光之螢光體含有。然而,亦可作為取代如此之螢光體,而含有將藍色光之一部分變換成黃色光之螢光體,或將藍色光之一部分變換成黃色光及紅色光之螢光體。
然而,組裝有本實施形態之發光晶片30的背光,行動電話,顯示器,各種面板類,電腦,遊戲機,照明等之電子機器,或組裝有此等電子機器之汽車等之機械裝置係成為具備具有優越之發光特性的半導體發光元件1之構成。特別是在背光,行動電話,顯示器,遊戲機,照明等之電池驅動的電子機器中,可提供具備具有優越之發光特性的半導體發光元件1之優越的製品而為理想。另外,具備半導體發光元件1之發光晶片30之構成係不限於圖6(a),(b)所示之構成,而亦可為採用例如稱作砲彈型之封裝構成。
[實施例]
接著,對於本發明之實施例進行說明,但本發明係不限定於實施例。
(實施例1)
首先,本發明者係進行作為反射膜180而使用SiO2 (氧化矽),更且作為p金屬反射層302而使用Ag-Pd-Cu所成之Ag(銀)的合金情況之評估密著性之實驗。將此實驗結果,參照圖7(a),(b)同時加以說明。
在此,圖7(a)及(b)係顯示評估反射膜180與p金屬反射層302之密著性之結果,(a)係作為p密著層301而使用IZO(氧化銦鋅(In2 O3 -ZnO))評估密著性之試料的上面圖,(b)係顯示作為對照實驗未設置之p密著層301而評估密著性之試料的上面圖。
首先,對於使用於實驗之試料加以說明。如上述,在圖7(a)及(b)中,使用2個不同之試料,但各試料係具備具有共通之層構成的部分。其共通部分之層構成係如以下作為而加以形成。即,於藍寶石基板上,作為p型半導體層160而將GaN所成的層,作為透明導電層170而將IZO所成的層,依此順序加以層積,進行熱處理而使IZO結晶化。並且,於由此IZO所成的層,作為反射膜180而將SiO2 (膜厚:6Q)進行成膜之後,作成大氣曝露。在此,Q係顯示如上述,以反射膜180之折射率n的4倍除以發光層150之發光波長λ(nm)之構成。
並且,對於圖7(a)所示之試料,係於SiO2 上,作為p密著層301而將IZO(膜厚:2nm,非晶形),作為p金屬反射層302而將Ag(銀)合金(膜厚:100nm),作為第1擴散防止層303而將Ta(鉭)(膜厚:50nm),依此順序加以成膜。
另一方面,對於圖7(b)所示之試料,係於SiO2 上,將Ag(銀)合金(膜厚:100nm)/Ta(鉭)(50nm)進行成膜。
各試料的密著性之評估係經由將長方形之黏著性的膠帶貼合於試料表面之一部分,將撕開此膠帶後之試料的狀態,與未貼合膠帶之部分的試料作對比之同時進行觀察而進行。
圖7(a)及(b)所示,說明評估密著性之試料。
首先,在圖7(a)所示之試料中,在貼合膠帶之後馬上撕開的部分,和未貼合膠帶之部分的差係未被目視到。如圖7(a)所示,於試料的上面,未確認到顏色的變化。也就是,於Ag(銀)合金與SiO2 之間未確認到撕開。
另一方面,在圖7(b)所示之試料中,在貼合膠帶之後馬上撕開的部分,和未貼合膠帶之部分的差係被目視到。如圖7(b)所示,試料的上面之一部分則成為薄的顏色。成為此薄的顏色之部分係貼合膠帶的部分。也就是,於Ag(銀)合金與SiO2 之間確認到撕開。
未設置p密著層301之情況係可確認到密著性差的情況。
隨之,圖7(b)所示之試料,即與未使用p密著層301之IZO(氧化銦鋅)的試料作比較,圖7(a)所示之試料,將p密著層301之IZO(氧化銦鋅)進行成膜之試料係可確認到密著性優越之情況。
接著,本發明者係製造圖1及圖2所示之半導體發光元件1,變更反射膜180之膜厚同時,測定半導體發光元件1之輸出。將此結果示於圖8(a),(b)。然而,圖1及圖2所示之半導體發光元件1係由以下的方法加以製造。
於藍寶石所成之基板110上,以濺鍍法形成AlN(氮化鋁)所成之中間層120(緩衝層),接著經由MOCVD法而使厚度5μm之未摻雜GaN(氮化鎵)所成之基底層130成長。接著,形成厚度2μm之Si摻雜n型GaN接觸層與厚度250nm之n型In0.1 Ga0.9 N包覆層所成之n型半導體層140層之後,形成厚度16nm之Si摻雜GaN障壁層與厚度2.5nm之In0.2 Ga0.8 N井層所成之發光層150。更且,依序形成厚度10nm之Mg(鎂)摻雜p型Al0.07 Ga0.93 N型包覆層與厚度150nm之Mg摻雜p型GaN接觸層所成之p型半導體層160。
接著,於p型半導體層160上,經由濺鍍法及熱處理等而形成具有特定膜厚(250nm,150nm及50nm之3水準)之IZO所成之透明電極,接著,進行光罩形成與乾蝕刻,於所期望之範圍,使n型接觸層露出。接著,作為反射膜180而將SiO2 (氧化矽)所成之反射膜,由濺鍍法,以所期望之膜厚(例如,膜厚係前述之Q的整數倍,λ=450nm)加以形成。並且,於反射膜180之所期望的位置,複數形成直徑10μm之貫通孔,作為p連接導體202及n連接導體402形成用之貫通孔。
更且,使用公知之光罩形成工程,如在圖2所例示,於形成p電極300之範圍層積膜厚2nm之IZO所成之p密著層301,於其p密著層301上層積膜厚150nm之銀合金所成之p金屬反射層302,於其上方依序層積膜厚50nm之Ta所成之第1擴散防止層303,膜厚300nm之Ti所成之第3擴散防止層305,膜厚100nm之Pt所成之第4擴散防止層306,膜厚550nm之Au所成之第2接合層307。然而,在本實施例中,在圖2例示之第2擴散防止層304係未形成。另外,IZO所成之p密著層301係由未退火處理之非晶形IZO形成。
另外,使用公知之光罩形成工程,如在圖2所例示,於形成n電極310之範圍層積膜厚150nm之Al-Nd合金所成之n金屬反射層311,於其n金屬反射層311上層積膜厚50nm之Ta所成之第1擴散防止層312,於其上方依序層積膜厚300nm之Ti所成之第3擴散防止層314,膜厚100nm之Pt所成之第4擴散防止層315,膜厚550nm之Au所成之第1接合層316。
接著,除了第2接合層307之露出部位而呈被覆第2接合層307地,形成15nm之Ta所成之保護密著層308,另外,除了第1接合層316之露出部位而呈被覆第1接合層316地,形成15nm之Ta所成之保護密著層317。
於最後,除了第1接合層316之露出部位及第2接合層307之露出部位,呈被覆保護密著層317地形成300nm之SiO2 所成之保護層320。將n電極310及p電極300之特徵彙整於表1及表2。
在此,圖8(a)係顯示供給20mA之電流時之光的輸出,圖8(b)係顯示供給80mA之電流時之光的輸出。並且,各圖8(a)及(b)係縱軸為顯示輸出Po(mW),橫軸為以上述的Q單位顯示反射膜180之膜厚H。
在圖8(a)及(b)中,作為反射膜180而使用SiO2 (氧化矽)。另外,作為透明導電層170而使用IZO(氧化銦鋅(In2 O3 -ZnO)),其厚度係50nm,150nm及250nm。更且,發光層150之發光波長為450nm。並且,在此例中,p電極300係於反射膜180上具備IZO(氧化銦鋅(In2 O3 -ZnO))所成之p密著層301,更且於p密著層301上,具備Ag(銀)合金(厚度100nm)所成之p金屬反射層302的構成。
然而,各層之折射率的關係為反射膜180(SiO2 :n=1.45)<透明導電層170(IZO:n=2.1),反射膜180(SiO2 )<p密著層301(IZO)。更且,反射膜180(SiO2 )>p金屬反射層302(Ag合金)。
如圖8(a)及(b)所示,由具備反射膜180者,可確認到輸出Po增加之傾向。此係亦考慮根據以下之理由的構成。即,因於透明導電層170設置具有絕緣性之反射膜180而限制電流的流動者,只在一部分(p連接導體202)流動電流之情況,則貢獻於偏佈於p電極300之全面均一地擴散電流之情況。作為結果,較於透明導電層170直接層積p金屬反射層302,p密著層301之(在圖8(a)及(b)橫軸為零之狀態)之構成,設置反射膜180之構成的情況係亦認為輸出Po係增加。
另外,如圖8(a)及(b)所示,半導體發光元件1的輸出則確認到依存於反射膜180之膜厚H。更具體而言,伴隨著反射膜180之膜厚H增加,了解到半導體發光元件1的輸出增加。
從此情況,經由反射膜180之厚度增加,在p型半導體層160與透明導電層170之間,透明導電層170與反射膜180之間,及p密著層301與p金屬反射層302之間,各反射的光的相位則一致,從加以增反射之情況,作為結果,亦認為使半導體發光元件1之輸出增加。
更且又,從圖8(a)及(b),伴隨著反射膜180之膜厚H增加,了解到膜厚H則至3Q係輸出Po大大地上升,更且當膜厚H則超過5Q時,輸出Po係徐緩地上升。從另外的觀點來看時,當膜厚H則超過5Q時,了解到在任何條件,輸出Po均為安定。也就是,對於為了安定得到使輸出Po上升之半導體發光元件1,反射層180之膜厚H係為3Q以上為佳,更且確認到5Q以上為更佳。
接著,本發明者係在作為使用於p電極300之p金屬反射層302而使用Ag(銀)的情況,對於反射膜180之膜厚,和反射率之關係進行模擬。將此實驗結果,參照圖9同時加以說明。
在此,圖9係顯示作為p電極300之p金屬反射層302而使用Ag(銀)情況之反射率的模擬結果圖。
首先,說明模擬的條件時,作為p型半導體層160而使用GaN,於p型半導體層160上,作為透明導電層170而將IZO以50nm之膜厚加以成膜。並且,更於透明導電層170上,作為反射膜180而將SiO2 (膜厚:0~7Q)加以成膜。並且,於反射膜180上,作為p金屬反射層302而將Ag以150nm的膜厚加以成膜之構成。在此,從發光層150所射出的光的波長λ係450nm,在λ=450nm之p型半導體層160,透明導電層170,及反射膜180的折射率係各為2.44,2.13,及1.48。
並且,作為模擬結果,如圖9所示,由具備反射膜180者,可確認到反射率增加之傾向。此情況係在圖8(a),(b)中,顯示由具備反射膜180者,與輸出Po增加之結果同一之傾向構成。
另外,如圖9所示,了解到反射膜180之膜厚則從3Q附近,反射率則大大地上升。隨之,在本條件中,由將反射膜180之膜厚作為3Q以上者,認為半導體發光元件1的輸出Po亦增加者。
更且,如圖9所示,在反射膜180之膜厚超過5Q之範圍中,亦可確認到反射率為安定。隨之,為了安定得到使輸出Po提升之半導體發光元件1,認為膜厚超過5Q而製造為佳,在此點亦確認到與圖8所示的結果同一之傾向。
更且又,如圖9所示,於反射膜180之膜厚H為Q的3以上之奇數倍之情況(H=3Q,5Q,7Q…),與反射膜180之膜厚H為Q的偶數倍之情況(H=2Q,4Q,6Q…)作比較,了解到半導體發光元件1的光的輸出Po為上升。
隨之,為了安定得到使輸出Po提升之半導體發光元件1,反射膜180之膜厚H則設定為Q的3以上之奇數倍為佳,更且,確認到設定為Q的5以上之奇數倍為更佳。
在此,反射膜180之膜厚H為Q的3以上之奇數倍之範圍係指在圖9中,半導體發光元件1的輸出Po增加之膜厚H的範圍,即,在圖9中,圖表成為凸於上方之膜厚H的範圍。隨之,膜厚H為Q的3以上之奇數倍的範圍係指膜厚H位於上述式(3)之範圍內。
更且,從圖9的結果,在半導體發光元件1的光的輸出Po更增加的點,將B作為3以上的奇數時,反射膜180之膜厚H則在前述式(3)之範圍中,確認到具有(λ/4n)×(B-0.4)≦H≦(λ/4n)×(B+0.4)之關係為佳,而具有(λ/4n)×(B-0.3)≦H≦(λ/4n)×(B+0.3)之關係為更佳。
更且又,從圖9的結果,確認到在式(3)中,B係5以上之奇數為更佳。
接著,本發明者係在作為使用於n電極310之n金屬反射層311而使用Al(鋁)的情況,對於反射膜180之膜厚,和反射率之關係進行模擬。將此實驗結果,參照圖10同時加以說明。
在此,圖10係顯示作為n電極310之n金屬反射層311而使用Al(鋁)情況之反射率的模擬結果圖。
首先,說明模擬的條件時,作為n型半導體層140而使用GaN,於n型半導體層140上,作為反射膜180而將SiO2 (膜厚:0~7Q)加以成膜。並且,於反射膜180上,作為n金屬反射層311而將Al以150nm的膜厚加以成膜之構成。在此,從發光層150所射出的光的波長λ係450nm,n型半導體層140及反射膜180的折射率係各為2.44及1.48。
並且,作為模擬結果,如圖10所示,由具備反射膜180者,可確認到反射率增加之傾向。此係顯式與圖9同一之傾向的構成,更且在圖8(a),(b)中,顯示由具備反射膜180者,與輸出Po增加之結果同一之傾向構成。
另外,如圖10所示,了解到反射膜180之膜厚則在1Q,3Q,5Q,7Q附近,反射率則大大地上升。此點亦顯示與圖8(a),(b)所示之實驗結果同一之傾向的構成。隨之,在本條件中,由將反射膜180之膜厚作為1Q,3Q,5Q,7Q者,認為半導體發光元件1的輸出Po亦增加。
更且,如圖10所示,在反射膜180之膜厚超過5Q之範圍中,亦可確認到反射率為安定。隨之,對於為了安定得到使輸出Po提升之半導體發光元件1,認為膜厚係超過5Q而製造為佳。
由以上,對於為了安定得到使輸出Po提升之半導體發光元件1,在提升反射膜180之反射率的點,確認到反射膜180之膜厚H則設定為Q的奇數倍為佳,更且,設定為3以上的奇數倍為佳,而設定為Q的5以上之奇數倍為更佳。
隨之,膜厚H為Q的3以上之奇數倍的範圍係指將B作為3以上之奇數時,膜厚H位於上述式(3)之範圍內。更且,從生產成本的點,在式(3)中,B係19以下的奇數為佳。
更且,從圖10的模擬結果,反射膜180之膜厚H係在前述式(3)之範圍中,確認到以具有(λ/4n)×(B-0.4)≦H≦(λ/4n)×(B+0.4)之關係的範圍而設置為佳,而以(λ/4n)×(B-0.3)≦H≦(λ/4n)×(B+0.3)的範圍而設置為更佳。
(實施例2)
接著,與在實施例1所製作之半導體發光元件1係構成透明導電層170及p密著層301之材料作為不同,進行半導體發光元件1之製造。
在實施例2中,在實施例1所製作之半導體發光元件1中,將IZO所成之透明導電層170及p密著層301,以ITO(氧化銦錫(In2 O3 -SnO2 ))加以形成。構成透明導電層170之ITO係在實施例1,與構成透明導電層170之IZO同樣地進行退火化處理而結晶化。另外,透明導電層170之膜厚係從在實施例1所使用之特定的3水準(250nm,150nm及50nm)之膜厚適用50nm。
另外,在本實施例2中,在形成n電極310時,於n型半導體層140上,形成2nm之Ti層之後,於該Ti層上,作為n金屬反射層311而層積Al-Nd合金。
然而,在實施例2之半導體發光元件1的構成係除透明導電層170,p密著層301及上述n電極310之構成以外係與在實施例1之半導體發光元件1同樣。
在實施例2中,構成透明導電層170及p密著層301之ITO係使用公知的方法(例如記載於日本特開2009-260237號公報之濺鍍方法等)而製作。然而,ITO之折射率n係n=2.1~2.2,與在實施例1作為透明導電層170及p密著層301而使用之IZO同程度。
接著,進行對於在實施例2所製作之半導體發光元件1之評估。
在實施例2所製作之半導體發光元件1之輸出Po與反射膜180之膜厚的關係雖省略圖,但顯式與在圖8(a)及(b)所示之實施例1的半導體發光元件1之輸出Po與反射膜180之膜厚的關係同等之舉措。
即,伴隨著反射膜180之膜厚H增加,膜厚H則至3Q係輸出Po大大地上升,更且當膜厚H則超過5Q時,輸出Po係徐緩地上升。從另外的觀點來看時,當膜厚H則超過5Q時,在任何條件,輸出Po均為安定。隨之,為了安定得到使輸出Po提升之半導體發光元件1,確認到膜厚係超過5Q而製造為佳。
然而,在實施例2作為透明導電層170及p密著層301而使用之ITO係在實施例1作為透明導電層170及p密著層301而使用之IZO與電導度為同等,實施例2之半導體發光元件1之輸出Po係與實施例1之半導體發光元件1之輸出Po為同等的等級。
(實施例3)
更且,與在實施例1及實施例2所製作之半導體發光元件1係構成透明導電層170及p密著層301之材料作為不同,進行半導體發光元件1之製造。
在實施例3中,在實施例1所製作之半導體發光元件1中,將IZO所成之透明導電層170及p密著層301,以IGO(氧化銦鎵(In2 O3 -Ga2 O3 ))加以形成。構成透明導電層170之ITO係在實施例1,與構成透明導電層170之IZO同樣地進行退火化處理而結晶化。另外,透明導電層170之膜厚係從在實施例1所使用之特定的3水準(250nm,150nm及50nm)之膜厚適用50nm。
然而,在實施例3之半導體發光元件1的構成係除透明導電層170及p密著層301之構成以外係與在實施例1之半導體發光元件1同樣。
在實施例3中,構成透明導電層170及p密著層301之IGO係使用公知的方法(例如記載於日本特開2009-260237號公報之濺鍍方法等)而製作。然而,IGO的折射率n係n=2.0。
接著,進行對於在實施例3所製作之半導體發光元件1之評估。
在實施例3所製作之半導體發光元件1之輸出Po與反射膜180之膜厚的關係雖省略圖,但顯示與在圖8(a)及(b)所示之實施例1的半導體發光元件1之輸出Po與反射膜180之膜厚的關係同等之舉措。
即,伴隨著反射膜180之膜厚H增加,膜厚H則至3Q係輸出Po大大地上升,更且當膜厚H則超過5Q時,輸出Po係徐緩地上升。從另外的觀點來看時,當膜厚H則超過5Q時,在任何條件,輸出Po均為安定。也就是,為了安定得到使輸出Po提升之半導體發光元件1,確認到膜厚係超過5Q而製造為佳。
然而,在實施例3作為透明導電層170及p密著層301而使用之IGO係與在實施例1作為透明導電層170及p密著層301而使用之IZO及在實施例1作為透明導電層170及p密著層301而使用之ITO作比較,電導度為低。另外,在IGO的薄膜中,與IZO及ITO作比較,表面阻抗為高。隨之,在實施例3之半導體發光元件1的輸出Po係與在實施例1及實施例2之半導體發光元件1的輸出Po作比較,成為低5%程度。
(比較例1)
接著,與在實施例1所製作之半導體發光元件1係構成p密著層301之材料作為不同,進行半導體發光元件1之製造。
在比較例1中,在實施例1所製作之半導體發光元件1中,將IZO所成之p密著層301,以IGO加以形成。構成p密著層301之IGO係使用公知的方法(例如記載於日本特開2009-260237號公報之濺鍍方法等)而製作。
然而,在比較例1之半導體發光元件1的構成係除透明導電層170,p密著層301及上述n電極310之構成以外係與在實施例1之半導體發光元件1同樣。隨之,在比較例1,透明導電層170係與實施例1同樣地以IZO而形成。另外,透明導電層170之膜厚係從在實施例1所使用之特定的3水準(250nm,150nm及50nm)之膜厚適用50nm。
接著,進行對於在比較例1所製作之半導體發光元件1之評估。
在比較例1所製作之半導體發光元件1之輸出Po與反射膜180之膜厚的關係雖省略圖,但顯示與在圖8(a)及(b)所示之實施例1的半導體發光元件1之輸出Po與反射膜180之膜厚的關係同等之舉措。但在另一方面,在比較例1之半導體發光元件1的輸出Po係與在實施例1及實施例2之半導體發光元件1的輸出Po作比較,成為低5%程度。
另外,該半導體發光元件1之順方向電壓Vf係與在實施例1之半導體發光元件1之Vf作比較為增加。
在比較例1中,認為以不同的材料而形成透明導電層170與p密著層301,因可看到在透明導電層170與p密著層301之間的導電性之下降之故,與實施例1及實施例2作比較,半導體發光元件1的輸出Po則降低,另外順方向電壓Vf則增加之構成。
另外,從其他的濺鍍成膜實驗,於IZO上形成IGO時,確認到在IZO與IGO之界面,結晶性降低。由此,於作為透明導電層170而使用IZO,作為p密著層301而使用與IZO不同之IGO之情況,確認到在p導體部200,透明導電層170與p密著層301之間的密著性降低。
更且,與實施例1同樣地,對於於IZO所成之透明導電層170上,作為反射膜180而將SiO2 成膜,於SiO2 上,作為p密著層301而將IGO,作為p金屬反射層302而將Ag(銀)合金,作為第1擴散防止層303而將Ta(鉭),依此順序進行成膜的試料,進行膠帶試驗時,與實施例1作比較,確認到透明導電層170與反射層180之間的密著性降低。
1...半導體發光元件
100...層積半導體層
110...基板
120...中間層
130...基底層
140...n型半導體層
140c...上面
150...發光層
160...p型半導體層
170...透明導電層
170c...上面
180...反射膜
180c...p電極側之上面
180d...n電極側之上面
200...p導體部
202...p連接導體
300...p電極
310...n電極
400...n導體部
402...n連接導體
圖1則半導體發光元件之平面模式圖之一例。
圖2為在圖1之II-II線之剖面圖。
圖3係顯示覆晶安裝半導體發光元件於配線基板之發光裝置的一例圖。
圖4係p連接導體之剖面模式圖。
圖5係n連接導體之剖面模式圖。
圖6係顯示具備圖1所示之半導體發光元件之發光裝置(燈)的一例圖。
圖7係各顯示評估反射膜之密著性的結果圖。
圖8係各顯示使用圖1所示之半導體發光元件的光之輸出的測定結果圖。
圖9係顯示作為p電極之第2金屬反射層而使用銀情況之反射率的模擬結果圖。
圖10係顯示作為n電極之第1擴散防止層而使用鋁情況之反射率的模擬結果圖。
1...半導體發光元件
100...層積半導體層
110...基板
120...中間層
130...基底層
140...n型半導體層
140c...上面
150...發光層
160...p型半導體層
160c...上面
170...透明導電層
170c...上面
180...反射膜
180c...p電極側之上面
180d...n電極側之上面
200...p導體部
300...p電極
301...p密著層
302...p金屬反射層
303...第1擴散防止層
304...第2擴散防止層
305...第3擴散防止層
306...第4擴散防止層
307...第2接合層
308...保護密著層
310...n電極
311...n金屬反射層
312...第1擴散防止層
313...第2擴散防止層
314...第3擴散防止層
315...第4擴散防止層
316...第1接合層
317...保護密著層
320...保護層
400...n導體部

Claims (18)

  1. 一種半導體發光元件,其特徵為包含:由具有第1導電型之III族氮化物半導體所構成之第1半導體層;和於前述第1半導體層之一方的面,呈露出該一方的面之一部分地加以層積,經由通電而發光的發光層;和由具有與前述第1導電型不同之第2導電型的III族氮化物半導體所構成,層積於前述發光層之第2半導體層;和以對於從前述發光層所射出的光而言具有透過性及導電性的材料所構成,層積於前述第2半導體層之第1透明導電層;和以對於從前述發光層所射出的光而言具有透過性及絕緣性的材料所構成,具有貫通於厚度方向之貫通孔之同時,層積於前述第1透明導電層之透明絕緣層;和與前述第1半導體層加以電性連接之第1電極;和具有由與前述第1透明導電層同一材料所構成,呈被覆藉由前述透明絕緣層及前述貫通孔而露出之該第1透明導電層地加以層積之第2透明導電層,和以對於從前述發光層所射出的光而言具有反射性及導電性的金屬材料所構成,層積於該第2透明導電層之金屬反射層的第2電極,層積於藉由前述貫通孔而露出之前述第1透明導電層的前述第2透明導電層之厚度係較前述透明絕緣層的厚度為小。
  2. 如申請專利範圍第1項記載之半導體發光元件,其中,前述第1透明導電層及前述第2透明導電層係由金屬氧 化物所構成。
  3. 如申請專利範圍第2項記載之半導體發光元件,其中,前述金屬氧化物係含有銦的金屬氧化物。
  4. 如申請專利範圍第3項記載之半導體發光元件,其中,含有前述銦之金屬氧化物為IZO(Indium Zinc Oxide)。
  5. 如申請專利範圍第4項記載之半導體發光元件,其中,前述第1透明導電層係從結晶化之IZO所構成,前述第2透明導電層係從未結晶化之IZO所構成,層積於藉由前述貫通孔而露出之前述第1透明導電層的前述第2透明導電層之厚度係較該第1透明導電層的厚度為小。
  6. 如申請專利範圍第5項記載之半導體發光元件,其中,合併層積於藉由前述貫通孔而露出之前述第1透明導電層的前述第2透明導電層,和層積於該第1透明導電層之層積於該第2透明導電層之前述金屬反射層的厚度則較前述透明絕緣層之厚度為小。
  7. 如申請專利範圍第1項記載之半導體發光元件,其中,合併層積於藉由前述貫通孔而露出之前述第1透明導電層的前述第2透明導電層,和層積於該第1透明導電層之層積於該第2透明導電層之前述金屬反射層的厚度則較前述透明絕緣層之厚度為小。
  8. 如申請專利範圍第7項記載之半導體發光元件,其中,前述第1透明導電層及前述第2透明導電層係由金屬氧 化物所構成。
  9. 如申請專利範圍第8項記載之半導體發光元件,其中,前述金屬氧化物係含有銦的金屬氧化物。
  10. 如申請專利範圍第9項記載之半導體發光元件,其中,含有前述銦之金屬氧化物為IZO。
  11. 如申請專利範圍第1項記載之半導體發光元件,其中,前述第1透明導電層及前述第2透明導電層係由金屬氧化物所構成。
  12. 如申請專利範圍第11項記載之半導體發光元件,其中,前述金屬氧化物係含有銦的金屬氧化物。
  13. 如申請專利範圍第12項記載之半導體發光元件,其中,含有前述銦之金屬氧化物為IZO。
  14. 如申請專利範圍第13項記載之半導體發光元件,其中,前述第1透明導電層係從結晶化之IZO所構成,前述第2透明導電層係從未結晶化之IZO所構成,層積於藉由前述貫通孔而露出之前述第1透明導電層的前述第2透明導電層之厚度係較該第1透明導電層的厚度為小。
  15. 如申請專利範圍第1項乃至第14項任一項記載之半導體發光元件,其中,前述透明絕緣層係由具有較前述第1透明導電層及前述第2透明導電層為低折射率之材料加以構成。
  16. 如申請專利範圍第1項乃至第14項任一項記載之半導體發光元件,其中,前述第1透明導電層係由具有第1折 射率的材料加以構成,前述透明絕緣層係由具有較前述第1折射率為低之第2折射率的材料加以構成,前述透明絕緣層之膜厚H係將前述第2折射率作為n,將從前述發光層所射出的光之波長作為λ,將B作為3以上的奇數時,具有(λ/4n)×(B-0.5)≦H≦(λ/4n)×(B+0.5)之關係。
  17. 如申請專利範圍第1項乃至第14項任一項記載之半導體發光元件,其中,前述金屬反射層係由銀或銀的合金所成。
  18. 如申請專利範圍第1項乃至第14項任一項記載之半導體發光元件,其中,前述透明絕緣層係由二氧化矽所成。
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