TWI466329B - Semiconductor light emitting device - Google Patents

Description

半導體發光裝置

本發明係關於半導體發光裝置，特別是關於導電性基板上具有半導體發光功能層之半導體發光裝置。

作為半導體發光裝置，例如半導體發光二極體之需求不斷提高。特別是在以氮化物系半導體作為發光功能層之半導體發光二極體中，能輸出紫外~綠色波長之光。

圖5係顯示專利文獻1所記載之習知之發光元件構造。31係n型半導體層。於對角線上配置用以線接合之p電極33與n電極32，於n電極32連接周緣電極35，於p電極33連接透明電極34。揭示有周緣電極35設於四角之發光元件之外周緣、透明電極34配設於此周緣電極35之內側之氮化鎵系化合物半導體發光元件。

習知之發光元件中，在最多被利用為構成氮化物半導體發光元件之基板的藍寶石基板等絕緣性基板，必須採取於半導體層形成n側電極及p側電極之兩種類電極之單面電極構造。

因此，若將兩個電極配設於基板之單面側(表面側)，相較於在兩面各配設一個電極之情形，元件之形成面積成為約兩倍，而妨礙了半導體裝置之 小型化。

又，上述發光元件中，從活性層產生之光在元件內部亦被放射往基板側，在基板反射後往元件外部陸續放射。然而，上述習知技術之發光元件中，由於在與p型電極之同一面側周圍形成有n型電極，因此從基板側反射之光放射至元件外部時會被前述n型電極遮蔽。因此，有使從發光元件放射之全光輸出降低之問題。

另一方面，近年來，於半導體發光二極體之基板採用導電性基板、於此導電性基板之表面上將由氮化物系半導體構成之發光功能層成膜之成膜技術之開發不斷進展。藉由導電性基板之採用，而能於半導體發光元件兩面製作電極而作成使電流於上下導通之兩面電極之氮化物半導體發光元件，能將半導體元件主面之大部分作成發光面。因此，不僅能使元件設計之自由度增加，亦能使用價格較便宜之基板材料，能利用既有之矽半導體製程，因此較為有利。導電性基板係使用矽(Si)基板、碳化矽(SiC)基板等。

然而，於導電性基板之表面上形成氮化物系半導體並得到結晶性良好之發光功能層係困難的。例如，會於導電性基板之表面與發光功能層之界面或發光功能層之初始層附近產生電阻高之層。當產生此種電阻高之層時，半導體發光二極體之順向電壓即增大，而產生半導體發光二極體之發光效率降低、發熱增加、使用壽命降低。

下述專利文獻2揭示了一種半導體發光二極體，係以金屬短路電極電性連接碳化矽基板與於其表面上介在形成有電阻高之層之發光功能層之間，使用此金屬短路電極繞過(Bypass)電阻高之層。此半導體發光二極體能抑制上述順向電壓之增大。

然而，上述專利文獻2所揭示之半導體發光二極體中，並未針對以下之點作考量。上述半導體發光二極體所採用之金屬短路電極形成於發光功能層之側面。半導體發光二極體中，係從發光功能層之上面輸出光，且從發光功能層之側面亦輸出光。因此，由於從發光功能層側面輸出之光被金屬短路電極遮蔽，而無法有效利用此從發光功能層之側面輸出之光，因此半導體發光二極體之發光效率降低。

[專利文獻]

專利文獻1：日本專利第3244010號公報

專利文獻2：日本專利第2741705號公報

本發明係為了解決上述課題所完成者。因此，本發明主要係提供在具有能從上下取出電極之構造之氮化物半導體元件中能使導電性基板與配設於其表面上之半導體發光功能層間之順向電壓降低，且使發光效率提升之半導體發光裝置。

為了解決上述課題，本發明為一種半導體發光裝置，具備：基板，俯視下呈大致矩形、具有導電性；主半導體區域，具有配設於前述基板之一主面上之第1導電型之第1半導體層、及配設於此第1半導體層上之與前述第1導電型為相反之第2導電型之第2半導體層；第1電極，形成於前述主半導體區域上；第2電極，形成於前述基板之另一主面上；以及短路電極，電性連接前述第1半導體層與前述基板之一主面之間；前述短路電極， 係在前述基板之角部，形成為具有沿形成前述角部之兩邊而形成之兩條細線部之大致L字狀；前述細線部，藉由形成為經前述第1半導體層側面、在前述第1半導體層之上面沿其外周邊延伸，據以電性連接前述第1半導體層與前述基板之一主面之間。

能提供能使順向電壓降低且使發光效率提升，並抑制發熱、提昇可靠性之半導體發光裝置。

1‧‧‧矽半導體基板

2‧‧‧主半導體區域

3‧‧‧第1電極

4‧‧‧第2電極

7‧‧‧保護元件形成區域

8、11‧‧‧n型半導體層

12‧‧‧活性層

13‧‧‧p型半導體層

17‧‧‧絕緣膜

19‧‧‧光透射性導電膜

20‧‧‧接合墊電極部

22‧‧‧帶狀連接導體層

50‧‧‧短路電極

50a‧‧‧細線部

50b‧‧‧三角形部

圖1係顯示本發明第1實施形態之半導體發光裝置之俯視圖。

圖2係顯示本發明第1實施形態之半導體發光裝置之剖面圖(以圖1所示之A-A切斷線切斷之剖面圖)。

圖3係顯示本發明第1實施形態之半導體發光裝置之剖面圖(以圖1所示之B-B切斷線切斷之剖面圖)。

圖4係顯示本發明第1實施形態之半導體發光裝置中，半導體發光裝置之輝度相對於形成於外周部之段差之角度之相關關係之圖表。

圖5係顯示習知之半導體發光裝置之俯視圖。

其次，參照圖式具體說明本發明之實施形態。此外，此處所示之實施形態僅為一例，本發明主旨並非限定於此處所示之實施形態。

圖1至圖3係顯示依據本發明實施形態之伴隨過電壓保護元件之半導體發光裝置、亦即發光二極體與過電壓保護元件之複合半導體裝置。

本發明之第1實施形態之半導體發光裝置，具備：半導體基板1；以及主半導體區域2，具有配設於半導體基板1之一主面5上之第1導電型之第1半導體層(n型半導體層)11、透過活性層12配設於此第1半導體層11上之與第1導電型為相反之第2導電型之第2半導體層(p型半導體層)13，且具備短路電極50，電性連接第1半導體層11與半導體基板1之一主面之間。又，於主半導體區域2上形成光透射性導電膜19，以保護膜17覆蓋其之方式形成。於保護膜17上設有第1電極(上側電極)3，透過前述保護膜17與光透射性導電膜19連接。第1電極(上側電極)3之一部分往形成於半導體基板1之一主面5上之一部分之保護元件形成區域7延伸而連接。於半導體基板1之另一主面6形成第2電極(基板電極)4。

半導體基板1由作為導電型決定用雜質而包含硼等3族元素之p型單結晶矽基板構成，具有一主面5與另一主面6且具有保護元件形成區域7。保護元件形成區域7如圖1所示形成於俯視大致矩形所構成之半導體基板1之角部之一處(圖1中，左上之角部)。此外，此處如圖2所示，係於由p型單結晶矽基板構成之基板1之一主面5之一部分配置作為導電型決定用雜質而包含磷等5族元素之n型層8，以形成保護元件形成區域7。

半導體基板1之p型雜質濃度，例如有5×10¹⁸ ~5×10¹⁸ cm^-3 程度，電阻率為0.0001Ω‧cm~0.01Ω‧cm程度。因此，半導體基板1為導電性基板，發揮發光元件及保護元件之電流通路之功能。半導體基板1具有作為主半導體區域2之磊晶成長用之基板之功能、以及作為用以構成發光元件之主半導體區域2與第1電極3之支撐體之功能。半導體基板1之較佳厚度為較厚之100~500μm。此外，亦能使半導體基板1之導電型為n型。

用以構成發光元件之主要部之主半導體區域2，具有矽半導體基板1與異種之3-5族化合物半導體構成之複數層，於矽半導體基板1上藉由周知之氣相成長法而形成。更詳言之，主半導體區域2為了構成雙異質接面發光二極體而依序具有n型半導體層11與活性層12與p型半導體層13。此外，有時會將n型半導體層11稱為n型被覆層，將p型半導體層13稱為p型被覆層。發光二極體原理上能僅由n型半導體層11與p型半導體層13構成。因此，能從主半導體區域2省略活性層12。又，能視需要將緩衝層或周知之電流分散層或歐姆接觸層等附加於主半導體區域2。

主半導體區域2雖如圖1所示，形成為在俯視下與半導體基板1相同之大致矩形，但在形成保護元件形成區域7及短路電極50之角部中成為角被切下之形狀。此雖亦係為了確保於半導體基板上形成保護元件之區域及短路電極50之區域，但藉由以此方式形成，可提昇角部中之光擷取效率。因此，此處雖未圖示，但亦可在半導體基板1之四個全部之角部中以作成切下角之形狀之多角形之環狀或使角成為曲線之方式來形成主半導體區域2。

如圖1所示，在位在形成保護元件形成區域7之半導體基板1之一角部之對角線上之另一角部，以沿形成半導體基板1之角部之兩邊之方式形成在俯視下大致L字狀之短路電極50。此短路電極50如圖1所示，藉由延伸於由大致矩形構成之半導體基板1之兩邊方向之細線部50a、以及兩個細線部50a所交會之三角形部50b構成，細線部50a之寬度為大約50μm左右。

如圖2及圖3所示，短路電極50係使n型半導體層11與半導體基板1之一主面5之間電性短路。此處，短路電極50中之三角形部50b僅與半導 體基板1之一主面5接觸。另一方面，細線部50a係爬上n型半導體層11之側面，而在n型半導體層11上面沿著其外周邊延伸。如上述，藉由細線部50a在n型半導體層11上面沿著其外周邊延伸，而使電流成主半導體區域2之主面狀地均一擴展，因此能效率良好地得到面內均一之發光。

由於短路電極50係以覆蓋n型半導體層11側面之方式形成，因此若覆蓋n型半導體層11側面之面積變大，則來自主半導體區域2之發光被遮蔽，使發光效率降低。又，雖短路電極50係以保護膜17覆蓋以確保可靠性，但n型半導體層11之側面部分係一因保護膜17形成時之覆蓋區域(coverage)之問題而難以得到保護性能之處。因此，若形成於n型半導體層11之側面部分之短路電極50之面積變大，則可靠性會降低。因此，形成於n型半導體層11之側面部分之短路電極50最好係在能確保電流路徑之範圍內盡可能地縮小面積，並藉由細線部50a進行短路。

另一方面，短路電極50由於與半導體基板1之一主面5連接，因此若使該連接部分之面積過小，則對連接之可靠性會降低，難稱為理想。例如，雖能使短路電極50僅在細線部50a形成為L字狀，但此種情形下，短路電極50與半導體基板1之一主面5之連接面積會變小。因此，從充分確保短路電極50與半導體基板1之一主面5之連接面積的必要性來看，於短路電極50設置具有一定面積之三角形部50b，並使此部分與半導體基板1之一主面5連接，藉此使可靠性提昇。

短路電極50係以一材料構成，該材料具有較從n型半導體層11通過n型半導體層11與半導體基板1之兩者間之界面而到達半導體基板1之電流路徑之相對電阻值小之相對電阻值。具體而言，短路電極50例如能使用包 含Al層之金屬層(以下稱Al層)，此Al層之膜厚設定為100nm-200nm。

又，較佳為，能作成於第1金屬層上積層第2金屬層之複合膜，且較佳為，作為第1金屬層係包含Ni、Ti、Cr、In或此等之合金，作為第2金屬層係包含Al、Au、Pt或此等之合金。藉由作成此種構造，能在由矽構成之半導體基板1與n型半導體層11之兩者取得良好之歐姆接觸，且形成於其上之絕緣膜17之絕緣性能亦提昇。

又，例如亦能作成於包含鎳(Ni)之金屬層上積層有Al層之複合膜，進而藉由於Al層上以較Al層形狀大之形狀形成能完全覆蓋Al層之包含金(Au)之金屬層等，作成三層以上之積層構造，藉由作成此種構造，而能製造抑制Al層之腐蝕、可靠性良好之發光元件。

藉由具備此種短路電極50，即使於半導體基板1之表面與n型半導體層11之界面及此附近產生電阻高之層，亦能抑制半導體裝置之順向電壓增大。

此短路電極50中之細線部50a形成為覆蓋n型半導體層11之側面一部分與半導體基板1之一主面5。如圖3所示，雖於半導體基板1之一主面5上形成n型半導體層11，但在半導體基板1之一主面5上之外周附近形成有段差。藉由以此半導體基板1之一主面5與n型半導體層11之側面產生之段差所形成之角度θ1越接近直角，則沿此段差部分形成之細線部50a斷線之危險性則越高。若該角度θ1為60°以上，則細線部50a斷線之危險性會急遽地提高。

因此，最好係在形成細線部50a之位置，以n型半導體層11側面相對於半導體基板1之一主面5成為和緩角度之方式形成n型半導體層11。

另一方面，最好係在不形成細線部50a之位置，使藉由以此半導體基板1之一主面5與n型半導體層11之側面產生之段差所形成之角度θ1成為陡峭。圖4係顯示半導體發光裝置之輝度相對於此角度θ1之圖表。橫軸為錐角度之推移，縱軸為半導體發光裝置之輝度(任意單位：a.u.)。可知錐角θ1從60°至80°其輝度之值顯著地上升。因此，藉由以半導體基板1之一主面5與n型半導體層11之側面產生之段差所形成之角度θ1最好係形成為接近90°，具體而言係形成為70°以上，更佳為形成為80°以上。

在錐角θ1較緩和之情形，在活性層12產生之光若進至主半導體區域2之外周端面，則由於會在主半導體區域2之外周端面之內面往矽半導體基板1方向反射，因此該光之一部分被矽半導體基板1吸收。因此，光之擷取效率差，招致發光效率降低。

另一方面，在將前述錐角θ1設為較陡峭(接近90°之角度)之情形，由於能抑制在主半導體區域2之外周端面之內面之往矽半導體基板1方向之光反射，在活性層12產生之光有效率地往外部射出，因此能抑制發光效率降低。

此外，為了將如上述之藉由以半導體基板1之一主面5與n型半導體層11之側面產生之段差所形成之角度形成為較陡峭，能在主半導體區域2形成後之乾蝕刻中，將作為蝕刻光罩使用之抗蝕劑之端面形成為大致直角，並藉由在其後進行蝕刻而形成較陡峭之錐角。又，藉由提高乾蝕刻時之選擇比(前述抗蝕劑與主半導體區域2之蝕刻率比)而能形成較陡峭之錐角。

第1電極(上側電極)3由接合墊電極部20與往保護元件形成區域延伸之 帶狀連接導體層22構成。接合墊電極部20最好係形成於形成為大致正方形之基板1之設有短路電極50之角部之對角線上之角部近旁。藉由作成此種構造，可使電流成主半導體區域2之主面狀地均一擴展，因此能效率良好地得到面內均一之發光。接合墊電極部20透過絕緣層17連接於光透射性導電膜19。又，帶狀連接導體層22與形成於半導體基板1之一主面5一部分之保護元件形成區域7之n型層8連接。因此第1電極(上側電極)3除了發光二極體之陽極功能以外，亦具有過電壓保護元件之陰極功能。

光透射性導電膜19配置於主半導體區域2之第1主面、亦即p型半導體層13表面之大致全部，歐姆接觸於此處。因此，如已說明般，光透射性導電膜19有助於使電流均一流動於主半導體區域2，且使從主半導體區域2放射之光之擷取成為可能。此實施例之光透射性導電膜19由厚度1800埃程度之ITO(銦、錫、氧)構成。此外，亦可將光透射性導電膜19以選自ITO以外之Ni、Pt、Pd、Rh、Ru、Os、Ir、Au、Ag等之材料來形成。不過，不論係以何種材料形成，均須提高光透射性導電膜19之光透射性，不能將光透射性導電膜19形成為過厚，例如形成為500~5000埃、較佳為1800埃程度。

絕緣膜17為了得到上述功能，係形成為以光透射性較光透射性導電膜19佳之材料、例如矽氧化物(SiO₂ )覆蓋光透射性導電膜19、短路電極50、主半導體區域2以及半導體基板1表面。由於絕緣膜17以光透射性較光透射性導電膜19佳之材料(SiO₂ )構成，因此能使此厚度成為較光透射性導電膜19厚之例如1500~10000埃。

第2電極(基板電極)4由金屬層構成，形成於半導體基板1之另一主面 6之全面。

如上述，本發明係藉由實施形態記載，但不應理解成構成此揭示之一部分之論述及圖式係用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者從此揭示應當明白各種替代實施形態、實施例及運用技術。

已述之實施形態之說明中，雖例示了具備過電壓保護元件之發光裝置，但當然亦能適用於不具有保護元件形成區域之半導體發光裝置。

如上述，本發明當然包含此處未記載之各種實施形態等。是以，本發明之技術範圍僅根據上述說明藉由適當之申請專利範圍之發明特定事項來決定。

1‧‧‧矽半導體基板

3‧‧‧第1電極

7‧‧‧保護元件形成區域

17‧‧‧絕緣膜

19‧‧‧光透射性導電膜

20‧‧‧接合墊

22‧‧‧帶狀連接導體層

50‧‧‧短路電極

50a‧‧‧細線部

50b‧‧‧三角形部

Claims (8)

1. 一種半導體發光裝置，具備：基板，俯視下呈大致矩形、具有導電性；主半導體區域，具有配設於前述基板之一主面上之第1導電型之第1半導體層、及配設於此第1半導體層上之與前述第1導電型為相反之第2導電型之第2半導體層；第1電極，形成於前述主半導體區域上；第2電極，形成於前述基板之另一主面上；以及短路電極，電性連接前述第1半導體層與前述基板之一主面之間；前述短路電極，係在前述基板之角部，形成為具有沿形成前述角部之兩邊而形成之兩條細線部之大致L字狀；前述細線部，藉由形成為經前述第1半導體層側面、在前述第1半導體層之上面沿其外周邊延伸，據以電性連接前述第1半導體層與前述基板之一主面之間。
2. 如申請專利範圍第1項之半導體發光裝置，其中，在形成前述短路電極之前述基板之角部與於對角上對向之角部間的對角線上形成前述第1電極。
3. 如申請專利範圍第1項之半導體發光裝置，其中，在與形成前述短路電極之前述基板之角部於對角上對向之角部形成前述第1電極。
4. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之半導體發光裝置，其中，於前述基板之外周部，在前述基板之一主面與前述第1半導體層之側面形成段差，在不形成前述細線部之區域之前述段差之角度，形成為較在形成前述 細線部之區域之段差之角度陡峭。
5. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之半導體發光裝置，其中，在形成前述細線部之區域之前述段差之角度，包含以60°以下之和緩角度形成之部分。
6. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之半導體發光裝置，其中，在不形成前述細線部之區域之前述段差之角度包含，以70°以上之陡峭角度形成之部分。
7. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之半導體發光裝置，其中，前述短路電極係藉由在與前述基板之一主面相接側之第1金屬層與形成於其上之第2金屬層之至少兩層以上之金屬層形成，於前述第1金屬層包含選自Ni、Ti、Cr、In之金屬或此等之合金，於前述第2金屬層包含選自Al、Au、Pt之金屬或此等之合金。
8. 如申請專利範圍第7項之半導體發光裝置，其中，前述短路電極之最上層係以Au或包含Au之合金覆蓋前述金屬層。