TWI467818B

TWI467818B - Light emitting element

Info

Publication number: TWI467818B
Application number: TW101117675A
Authority: TW
Inventors: Nobuhisa Sugimori
Original assignee: Sanken Electric Co Ltd
Priority date: 2011-05-20
Filing date: 2012-05-18
Publication date: 2015-01-01
Also published as: TW201301589A; CN102790070A; JP5772213B2; CN102790070B; JP2012243972A

Description

發光元件

本發明係關於一種將半導體層作為構成材料而發光之發光二極體(LED)與並聯於該LED之保護二極體構成在相同晶片之發光元件之構造。

半導體之發光二極體(LED)係使用在各種目的。例如，使用此之照明機器，與習知白熱燈炮或螢光燈相較耗電低且發熱性低，因此期待將來將此等置換。此處，在LED之p型半導體層或n型半導體層，一般而言，係藉由磊晶成長或離子注入等形成。因此，pn接合面與半導體晶圓之表面平行地形成，連接於p側之電極與連接於n側之電極分配在此半導體層之上面與下面。藉由使pn接合之順向電流流過此等電極間能使此發光元件發光。

另一方面，藉由ESD(ElectroStatic Discharge)等，瞬間地將反方向之高電壓施加於半導體層之情形，LED有時會破損。因此，如圖8之電路圖所示，使用發光二極體(LED)91與保護二極體92並聯之構成之發光元件。保護二極體92與LED91，順向彼此連接成反向，在LED91之通常動作時(發光時)電流不流至保護二極體92，對LED91施加反向之高電壓時，保護二極體92成為順向使LED91偏壓以使電流流動。

此處，作為構成LED91之半導體層之材料，使用GaN等氮化物半導體。由於保護二極體92亦能以相同材料構成，因此能將LED91與保護二極體92形成在相同晶圓上。藉此，能以低成本獲得可靠性高之發光元件。

專利文獻1記載上述構造之發光元件。在此發光元件，在相同磊晶基板上形成半導體層，使用此半導體層形成LED91與保護二極體92。又，此等之間係藉由下挖至磊晶基板為止之槽分離。此情形，LED91側之n型層與保護二極體92側之n型層、LED91側之p型層與保護二極體92側之p型層係分別以相同層構成，但在被槽分離之各區域作為不同二極體之一部分作用。

此時，為了反向連接LED91與保護二極體92，藉由連接LED91側之陽極電極(連接於p型層之電極)與保護二極體92側之陰極電極(連接於n型層之電極)、LED91側之陰極電極(連接於n型層之電極)與保護二極體92側之陽極電極(連接於p型層之電極)，實現圖8之電路。在此發光元件，以在半導體層上延伸之電極連接LED91側之陽極與保護二極體92側之陰極，且以與該延伸電極交叉之接合引線連接LED91側之陰極與保護二極體92側之陽極。

專利文獻1：日本特開2009-152637號公報

在將元件構裝於構裝基板上時，大多採用所謂覆晶連接之方式，該覆晶連接之方式，以焊料等連接構裝基板與元件，藉由此焊料接進行與元件之間之電氣連接。在發光元件亦相同，此情形，大多採用在與基板相反側發光之構成。

將專利文獻1記載之發光元件覆晶連接之情形，由於將設有延伸電極之側連接於構裝基板，因此使用接合引線之情形，此構裝困難。又，不使用接合引線進行覆晶構裝亦可，但由於在設有延伸電極之側形成有段差，因此不易使發光元件對構裝基板之接合狀態良好。

亦即，不易獲得LED與保護二極體形成在相同基板上且具有適於覆晶構裝之構成之發光元件。

本發明係有鑑於上述問題點而構成，其目的在於提供一種解決上述問題點之發明。

本發明為了解決上述問題，具有以下構成。

本發明之發光元件，具備下述構成，即具備積層有n型層與p型層之構成之半導體層形成在絕緣性基板上，使用該半導體層形成有發光二極體與保護二極體，其特徵在於：在該基板上之形成有該發光二極體之區域即發光二極體區域與在該基板上之形成有該保護二極體之區域即保護二極體區域之間具備該半導體層已除去之分離槽；在該發光二極體區域之該半導體層上隔著絕緣層形成發光二極體陰極電極及發光二極體陽極電極，在該保護二極體區域之該半導體層上隔著絕緣層形成保護二極體陰極電極及保護二極體陽極電極；該發光二極體陽極電極與該保護二極體陰極電極、該發光二極體陰極電極與該保護二極體陽極電極分別配置成隔著該分離槽對向，在該半導體層上之該發光二極體陽極電極、該發光二極體陰極電極、該保護二極體陰極電極、該保護二極體陽極電極之高度設成大致相同。

本發明之發光元件中，在上面具備連接電極，該連接電極跨越該分離槽將該發光二極體陽極電極與該保護二極體陰極電極、該發光二極體陰極電極與該保護二極體陽極電極分別加以連接。

本發明之發光元件中，該發光二極體陰極電極係透過形成在該絕緣層之複數個開口連接於在該半導體層之n型層。

本發明之發光元件中，該發光二極體陽極電極、該發光二極體陰極電極係分別形成於在該發光二極體區域之一端部側、另一端部側。

本發明之發光元件中，在該半導體層上形成有與該發光二極體陽極電極或該發光二極體陰極電極連接之透明電極，在該透明電極平行地設有複數個從該發光二極體陰極電極朝向該發光二極體陽極電極延伸之透明電極開口部。

由於本發明係以上述方式構成，因此能獲得LED與保護二極體形成在相同基板上且具有適於覆晶構裝之構成之發光元件。

以下，針對本發明實施形態之發光元件進行說明。此發光元件中，使用在基板上磊晶成長後之半導體層。此半導體層，在此發光元件之第1區域(發光二極體區域：LED區域)作用為發光二極體(LED)，在第2區域(保護二極體區域)作用為保護二極體。在第1區域與第2區域之半導體層雖藉由分離槽電氣分離，但發光二極體之陽極(發光二極體陽極電極：LED陽極電極)與保護二極體之陰極(保護二極體陰極電極)、LED之陰極(LED陰極電極)與保護二極體之陽極(保護二極體陽極電極)之間係連接，為具有對ESD等之耐性之發光元件。此發光元件能以任意形態構裝於構裝基板，但尤其是適於覆晶構裝之構成。

圖1係從上面側觀察本發明形態之發光元件10之俯視圖。又，此俯視圖中A-A方向、B-B方向、C-C方向、D-D方向之剖面圖分別為圖2(a)~(d)。圖1中，X為LED區域，Y為保護二極體區域，Z為分離槽。

如剖面圖即圖2之各個所示，共通使用於LED、保護二極體之半導體層20，係隔著緩衝層12形成在基板11上。此半導體層20具有從下側由n型GaN層(以下，簡稱為n型層)、MQW(Multi Quantum Well)層23、p型GaN層(以下，簡稱為p型層)22構成之積層構造。此構成中主要之發光層為MQW層23。又，作為基板11，例如，能使用藍寶石等、能使GaN在其上磊晶成長之絕緣性材料。作為緩衝層12，作為緩和藍寶石與GaN之間之格子未匹配之材料，使用例如AlN緩衝層。如圖2(a)、(b)所示，緩衝層12、半導體層20在分離槽Z中被除去。因此，在LED區域X之半導體層20與在保護二極體區域Y之半導體層20係分離。在此半導體層20上形成有透明電極30、絕緣層40、p側電極51、n側電極52。在LED區域X之p側電極51成為發光二極體(LED)陽極電極51a，在LED區域X之n側電極52成為發光二極體(LED)陰極電極52a。同樣地，在保護二極體區域Y之p側電極51成為保護二極體陽極電極51b，在保護二極體區域Y之n側電極52成為保護二極體陰極電極52b。

半導體層20中之n型層21、MQW層23、p型層22係藉由MBE(Molecular Beam Epitaxy)法、或MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法，能隔著緩衝層12在基板11上磊晶成長。在n型層21適當摻雜作為施體之雜質，在p型層22適當摻雜作為受體之雜質。n型層21之厚度能設為例如5.0μm，p型層22之厚度能設為例如0.2μm程度。又，MQW層23具有例如數nm~數10nm之厚度之InGaN、GaN薄膜複數積層之構造，InGaN、GaN之各層與n型層21、p型層22同樣地藉由磊晶成長形成。

又，此半導體層20或緩衝層12係加工成圖2之各剖面圖所示之形狀。此加工能藉由例如在將光阻形成為光罩後進行乾式蝕刻之方法(蝕刻法)來進行。此情形，此加工端部之錐角能依據乾式蝕刻條件適當設定。

透明電極30，作為能與p型層22歐姆接觸且對半導體發光功能層20發出之光為透明之材料，以例如ITO(Indium-Tin-Oxide)或ZnO(Zinc-Oxide)等構成。此外，為了提升與p型GaN層22之間之歐姆性或密合性等，在此等之間亦能插入光充分透射過程度薄之鈦(Ti)層或鎳(Ni)層。透明電極30之圖案化能使用與半導體層12之情形相同之蝕刻法或剝離法之任一方法，該剝離法，在所欲部位以外形成光阻等之光罩後，在整面使上述透明電極材料成膜，之後藉由除去光罩將所欲部位以外之透明電極材料除去。此外，由於構成透明電極30之材料要求高光透射率，因此其導電率較構成p側電極51、n側電極52之材料低。因此，透明電極30之電阻，一般而言較p側電極51、n側電極52高。

絕緣層40係以具有充分之絕緣性且對此發光元件10(半導體層20)發出之光為透明之材料構成，例如以氧化矽(SiO₂ )構成。其形成係藉由使用例如CVD(Chemical Vapor Deposition)法等在圖2所示之段差部高被覆性地形成亦可。其圖案化係藉由蝕刻法進行。

p側電極51(發光二極體(LED)陽極電極51a、保護二極體陽極電極51b)係以金(Au)等導電性高之金屬形成。n側電極52(發光二極體(LED)陰極電極52a、保護二極體陰極電極52b)係以與n型GaN層21能取得歐姆接觸之材料構成。p側電極51、n側電極52之圖案化能與透明電極30之圖案化同樣地進行。又，此發光元件10發出之光不會透射過p側電極51、n側電極52。較佳為，p側電極51與n側電極52之厚度相同。

此外，如後述，在此發光元件10，能從基板11側(圖2(a)、(b)、(c))之下側取出光。此情形，p側電極51、n側電極52作用為使朝向上側發出之光往下側反射之反射層。此情形，p側電極51、n側電極52之材料，較佳為，以對此光之反射率高之材料構成。又，圖1等雖未顯示，但較佳為，p側電極51與n側電極52之間亦以未電氣連接之形態形成同樣之反射層。

圖3(a)~(f)係具體顯示圖1形態中之n型層21、p型層 22、透明電極30、絕緣層40、p側電極51、n側電極52之形態之俯視圖。

此處，如圖3(a)所示，n型層21係形成在圖1之構成中分離槽Z以外之區域整面。緩衝層12亦相同。另一方面，基板11，如圖2(a)所示，在分離槽Z亦未被除去而殘留在整面。因此，基板11為此發光元件10整體之支承基板。此外，如圖2所示，p型層22、MQW層23之圖案化時，n型層21亦在圖3(a)中之虛線區域被稍微蝕刻。

如圖3(b)所示，n型層21上之p型層22，在LED區域X之下部之LEDn側接觸區域71(複數個)與在保護二極體區域Y之上部之保護二極體n側接觸區域81被除去。關於MQW層23亦相同。藉此，n型層21在半導體層20中此等區域露出。

如圖3(c)所示，透明電極30分別形成於在LED區域X之下部之LEDn側接觸區域71以外之大部分與在保護二極體區域Y之上部之保護二極體n側接觸區域81以外之大部分。透明電極30與p型層22直接電氣連接。

如圖3(d)所示，絕緣層40形成在此發光元件10之包含分離槽Z之整面。然而，在LED區域X，在圖中上側之LEDp側接觸開口72(複數個)、圖中下側之LEDn側接觸開口73(複數個)分別被除去。又，在保護二極體區域Y，在圖中上側之保護二極體n側接觸開口82(複數個)、圖中下側之保護二極體p側接觸開口83(複數個)分別被除去。在LEDp側接觸開口72、保護二極體p側接觸開口83中p型層22露出。由於在LEDn側接觸開口73、保護二極體n側接觸開口82，p型層22、MQW層23被除去，因此n型層21露出。

如圖3(e)所示，p側電極51，在LED區域X形成為覆蓋所有LEDp側接觸開口72之LED陽極電極51a。又，在保護二極體區域Y形成為覆蓋所有保護二極體p側接觸開口83之保護二極體陽極電極51b。LED陽極電極51a在LED區域X形成在圖中上側，保護二極體陽極電極51b形成在圖中下側。

如圖3(f)所示，n側電極52，在LED區域X形成為覆蓋所有LEDn側接觸開口73之LED陰極電極52a。又，在保護二極體區域Y形成為覆蓋所有保護二極體n側接觸開口82之保護二極體陰極電極52b。LED陰極電極52a在LED區域X形成在圖中下側，保護二極體陽極電極52b形成在圖中上側。

藉由上述構成，在LED區域X形成LED(發光二極體)，在保護二極體區域Y形成保護二極體。此時，LED陽極電極51a與保護二極體陰極電極52b、LED陰極電極52a與保護二極體陽極電極51b係隔著分離槽分別對向。

圖2(a)係圖1中A-A方向之剖面，顯示從保護二極體n側接觸開口82至分離槽Z為止之剖面。又，圖2(b)同樣地係B-B方向之剖面，顯示從保護二極體p側接觸開口83至分離槽Z為止之剖面。又，圖2(c)同樣地係C-C方向之剖面，顯示LEDn側接觸開口73附近之剖面。又，圖2(d)同樣地係D-D方向之剖面，顯示從LED p側接觸開口72至LED n側接觸開口73之剖面。

從圖2可知，在p側電極51與n側電極52之厚度相同之情形，在上述構成，在LED區域X之LED陽極電極51a、LED陰極電極52a，在保護二極體區域Y之保護二極體陽極電極51b、保護二極體陰極電極52b之高度相同。亦即，所有電極之高度大致相同。

使此發光元件10實際動作時，必須形成圖8之電路，因此必須使LED陽極電極51a與保護二極體陰極電極52b、LED陰極電極52a與保護二極體陽極電極51b分別電氣連接。此連接，從上面觀察之形態如圖4所示，使用連接電極110,120尤其容易進行。此情形，來自此發光元件10之光，能從在LED區域X之LED陽極電極51a與LED陰極電極52a之間之區域往圖2(a)、(b)、(c)之上側取出，或者在緩衝層12或基板11為透明之情形，亦能往在LED區域X之整面之圖2(a)、(b)、(c)之下側取出。

連接電極110,120，只要為能與各陽極電極、各陰極電極連接之導體則能以任意材料構成，例如亦能將其作成接合引線。此時，由於各陽極電極、各陰極電極之高度大致相同，因此其連接容易。

在進行覆晶構裝之情形，藉由將此發光元件10搭載於構裝基板200進行此連接亦可。圖5係顯示此時之剖面構造之圖。此情形，連接電極110,120係在構裝基板200上圖案化形成。圖5(a)為圖4之E-E方向之剖面，顯示連接電極110附近之構成，圖5(b)為圖4之F-F方向之剖面，顯示連接電極120附近之構成。圖5中，與圖2(a)、(b)、(c)之剖面圖上下方向反轉地顯示。此情形，連接電極110,120與p側電極51、n側電極52之間之接合，能使用焊料等進行。藉由此接合，亦進行發光元件10與構裝基板200之間之機械連接。此時，p側電極51與n側電極52之高度相同，因此能提高此機械連接之可靠性。又，在半導體層20，在LEDn側接觸區域71與保護二極體n側接觸區域81雖存在段差，但此等段差部分局部存在且至少在發光元件10之周邊部此等段差部不存在。因此，能將此發光元件10強固地覆晶連接於構裝基板200。此外，在發光元件10表面之具有各陽極電極、各陰極電極部位以外之區域，形成未電氣連接之金屬層，藉由將此以焊料固定在構裝基板200上，亦可使對構裝基板200之接合更強固。此情形，將此金屬層作為上述反射層亦可。

此構成，在將光往圖2(a)、(b)、(c)之下側取出之情形，為較佳之構成。此情形，遮蔽此光之構造物(非透明之電極或接合引線等)，在圖5中之上側不存在，因此面內之發光強度均勻性高且能獲得高發光強度。

如上述，在此發光元件10之LED與保護二極體之間之電氣連接，在對構裝基板之構裝前進行或對構裝基板之覆晶連接時進行皆容易。或者，僅將連接電極110,120之一者在構裝前形成，另一者形成在構裝基板200、連接亦可。

亦即，在此發光元件10，能使LED與保護二極體之間之連接極為容易。又，此發光元件10雖能以任意形態構裝於構裝基板，但尤其適於覆晶構裝。

此外，尤其是在LED區域X之透明電極30、各電極、各接觸開口等之構成，對發光強度之面內均勻性造成大幅影響。此處，對p型層22供應電流之部位為LED p側接觸開口72，對n型層21供應電流之部位為LED n側接觸開口73。若具有此等之間隔短之部位，則電流容易集中在此部位，產生發光之不均勻性或局部發熱。因此，將LED p側接觸開口72集中設置複數個在圖1中之上部側，將LED n側接觸開口73集中設置複數個在圖1中之下側。此等之開口形狀，在上述之例皆為矩形，但只要對p型層22或n型層21能取得良好電氣連接，則亦能設成三角形、六角形等任意形狀。又，此等開口之排列在上述之例皆為矩形，但能任意設成三角形、六角形等。

又，尤其是在LED n側接觸開口(開口)73之間隔狹窄之情形，容易產生電流集中，因此發光面積實質上減少。因此，LED n側接觸開口(開口)73之間隔，較佳為，設成與此開口尺寸相同或更寬，且設置複數個。

又，在LED區域X之LED陽極電極51a與LED陰極電極52a之形狀或面積為非對稱之情形，一方之電流密度變高，成為發熱集中之原因。因此，此等之面積，較佳為，設成相同程度。又，為了抑制發熱集中，較佳為，此等之面積分別為LED區域X之1/3以上。

又，圖6係顯示為了提高發光之面內均勻性而從具備從上述發光元件10改變透明電極30與LEDp側接觸開口72之形狀之構成之發光元件210之上面觀察之俯視圖。又，圖7(a)、(b)係分別顯示在此發光元件210之透明電極30之俯視圖、絕緣層40之俯視圖。圖7(a)、(b)係分別對應圖3(c)、(d)，n型層21、p型層22、p側電極51、n側電極52之構成與發光元件10相同。又，保護二極體區域Y中之構成與發光元件10相同，僅在LED區域X之形態不同。

在此發光元件210，如圖7(a)所示，從LED區域X中之取得p側接觸側(圖6、圖7中之上側)朝向取得n側接觸側(圖6、圖7中之下側)之LEDn側接觸開口73，在透明電極30中平行地設有6條細長透明電極開口部31。又，與此對應，在圖6、圖7中之上側之單一LEDp側接觸開口72，設有朝向下側延伸之LEDp側接觸開口延伸部721。

此情形，由於電流不易從透明電極30中之透明電極開口部31注入p型層22，因此在緊鄰透明電極開口部31下方，電流亦不易流至p型層22。因此，在LEDp側接觸開口72、LEDn側接觸開口73間流動之電流之方向受到限制，電流在緊鄰透明電極30下方之區域主要容易沿著圖6、圖7之上下方向流動。又，電流容易從LEDp側接觸開口延伸部721之前端注入p型層22。藉由上述構成，能調整在主要發光區域之電流分布，調整面內之發光強度分布，能使發光強度在面內均勻化。透明電極開口部31之寬度、條數等能與LEDn側接觸開口73之大小或數量一起適當設定。關於LEDp側接觸開口延伸部721亦相同。

即使採用此種構成之情形，明確地亦能使各電極之高度在LED區域X與保護二極體區域Y相同。因此，與發光元件10同樣地，明確地能容易進行LED與保護二極體之連接。

如上述，在上述實施形態之發光元件，即使調整透明電極之形狀以進行在LED之面內之電流分布之調整之情形，亦可容易進行LED與保護二極體之連接。尤其是，此構成在進行覆晶構裝時有效。

此外，在上述例中，在二個區域(LED區域X、保護二極體區域Y)使用由n型層21、MQW層23、p型層22構成之相同半導體層20，但藉由例如僅在一方區域施以離子注入等，能使半導體層20之特性在此等區域不同。藉此，亦能獲得作為發光元件之更良好特性。

又，上述構成中，作為半導體層20，記載在基板11上隔著緩衝層12形成有n型GaN層21、作為發光層之MQW層23、p型GaN層22之例。然而，即使未使用MQW層23之情形，很明確亦作為使用單純pn接合之發光二極體(LED)動作。或者，作為發光層，亦可使用上述構成之MQW層以外之構成。不使用緩衝層12亦可獲得良質半導體層20之情形，不需要緩衝層12。又，亦可以GaN以外之材料構成半導體層。此情形，可依據發光波長設定半導體材料。能使用此同樣地構成保護二極體亦明確。

又，上述之例中，在半導體層20之基板11側形成有n型層，在其上形成有p型層，但此等導電型即使相反很明確亦可達到相同效果。此情形，透明電極與半導體層上側之層連接。

又，上述之例中，設半導體層等之端部或分離槽之剖面為錐形，以絕緣層覆蓋其之形態。然而，在此等部位，只要為藉由絕緣層保持半導體層與連接電極等之間之絕緣性之情形，不需特別設成錐形。

又，上述之例中，雖將發光元件設為矩形，但只要能實現上述構成，可為任意形狀。

10,210‧‧‧發光元件

11‧‧‧基板

12‧‧‧緩衝層

20‧‧‧半導體層

21‧‧‧n型GaN層(n型層)

22‧‧‧p型GaN層(p型層)

23‧‧‧MQW層(發光層)

30‧‧‧透明電極

31‧‧‧透明電極開口部

40‧‧‧絕緣層

51‧‧‧p側電極

51a‧‧‧LED陽極電極(陽極電極、p側電極)

51b‧‧‧保護二極體陽極電極(陽極電極、p側電極)

52‧‧‧n側電極

52a‧‧‧LED陰極電極(陰極電極、n側電極)

52b‧‧‧保護二極體陰極電極(陰極電極、n側電極)

71‧‧‧LEDn側接觸區域

72‧‧‧LEDp側接觸開口

73‧‧‧LEDn側接觸開口

81‧‧‧保護二極體n側接觸區域

82‧‧‧保護二極體n側接觸開口

83‧‧‧保護二極體p側接觸開口

91‧‧‧發光二極體(LED)

92‧‧‧保護二極體

110,120‧‧‧連接電極

200‧‧‧構裝基板

721‧‧‧LEDp側接觸開口延伸部

X‧‧‧LED(發光二極體)區域

Y‧‧‧保護二極體區域

Z‧‧‧分離槽

圖1係從本發明實施形態之發光元件之上面側觀察之俯視圖。

圖2係本發明實施形態之發光元件之A-A方向(a)、B-B方向(b)、C-C方向(c)、D-D方向(d)之剖面圖。

圖3係本發明實施形態之發光元件之n型GaN層(a)、p型GaN層(b)、透明電極(c)、絕緣層(d)、p側電極(e)、n側電極(f)之構成之俯視圖。

圖4係顯示連接本發明實施形態之發光元件之發光二極體與保護二極體之形態之俯視圖。

圖5係顯示覆晶構裝有本發明實施形態之發光元件之情形之形態之剖面圖(a：E-E方向、b：F-F方向)。

圖6係從本發明實施形態之發光元件之變形例之上面側觀察之俯視圖。

圖7係本發明實施形態之發光元件之變形例之透明電極(a)、絕緣層(b)之構成之俯視圖。

圖8係顯示使用有保護二極體之發光元件之電路構成之圖。

10‧‧‧發光元件