TWI502771B - Semiconductor light emitting device - Google Patents

Description

半導體發光裝置

本發明係關於一種積層有n型半導體層、活性層及p型半導體層之構造之半導體發光裝置。

在發光二極體(LED)或半導體雷射等積層有n型半導體層、活性層及p型半導體層之構造之半導體發光裝置，謀求發光效率之提升。例如，已提案有在p型半導體層上之大致整面形成透光性之p側電極，接著在p側電極上隔著絕緣膜形成反射膜之半導體發光裝置(例如，參照專利文獻1)。藉此，提升在p側之反射率，提升來自基板側之光取出效率。

專利文獻1：日本專利第4122785號公報

在上述半導體發光裝置，由於n側電極形成在露出之n型半導體層上整體，因此無助於發光之區域之面積大。因此，發光面積相對基板面積之比率小。又，由於為在絕緣膜上形成反射層之構造，因此在反射層之耐濕性之點有問題。

有鑑於上述問題點，本發明之目的在於提供一種發光面積相對基板面積之比率高且提升反射層之耐濕性之半導體發光裝置。

根據本發明一形態之半導體發光裝置，具備：(1)積層體，依序積層有n型半導體層、活性層及p型半導體層；(2)透明電極，係配置在p型半導體層上；(3)電極絕緣膜，係配置在透明電極上；(4)n側電極，係配置在電極絕緣膜上，在貫通電極絕緣膜、透明電極、p型半導體層及活性層設置之n側開口部接觸於n型半導體層；(5)p側電極，在電極絕緣膜上與n側電極分離配置，在設在電極絕緣膜之條紋狀之p側開口部接觸於透明電極；以及(6)反射層，在電極絕緣膜內部或在透明電極與電極絕緣膜之間與積層體之上面對向配置，反射從活性層射出之光。

根據本發明，可提供發光面積相對基板面積之比率高且提升反射層之耐濕性之半導體發光裝置。

參照圖式說明本發明之第1及第2實施形態。以下圖式之記載中，對相同或類似之部分賦予相同或類似之符號。然而，圖式係以示意方式顯示，應注意厚度與平面尺寸之關係、各層之厚度之比率等與現實不同。是以，應參照以下之說明判斷具體之厚度或尺寸。又，當然，圖式彼此間亦包含彼此之尺寸之關係或比率不同之部分。

又，以下所示之第1及第2實施形態，係例示用以將本發明之技術思想具體化之裝置或方法，本發明之實施形態，構成零件之材質、形狀、構造、配置等並不限於下述說明。本發明之實施形態，在申請專利範圍內可施加各種變更。

(第1實施形態)

本發明第1實施形態之半導體發光裝置1，如圖1所示，具備：積層體20，依序積層有n型半導體層21、活性層22及p型半導體層23；透明電極30，係配置在p型半導體層23上；電極絕緣膜40，係配置在透明電極30上；n側電極51，係配置在電極絕緣膜40上，在貫通電極絕緣膜40、透明電極30、p型半導體層23及活性層22設置之n側開口部41接觸於n型半導體層21；p側電極53，係配置在電極絕緣膜40上，在設在電極絕緣膜40之條紋狀之p側開口部43接觸於透明電極30；以及反射層70，在電極絕緣膜40內部與積層體20之上面對向配置。反射層70將從活性層22射出之光反射至積層體20側。n側電極51與p側電極53彼此分離地配置在電極絕緣膜40上。

再者，圖1所示之半導體發光裝置1為在配置於基板10上之緩衝層11上配置有積層體20之構造。輸出光L從與基板10之與緩衝層11接觸之面對向之面即發光區域110放射至半導體發光裝置1之外部。

基板10係由使在活性層22產生之光透射過之材料構成，能將例如藍寶石基板等採用為基板10。

緩衝層11係由使在活性層22產生之光透射過之材料構成，能採用例如交互積層有由Al_x M_y Ga_1-x-y N(M為銦(In)或硼(B)，0＜x≦1、0≦y≦1、x+y=1)構成之第1子層與由Al_a M_b Ga_1-a-b N(M為In或B，0≦a＜1、0≦b≦1、a+b=1、a＜x)構成之第2子層之多層構造。例如，第1子層為膜厚0.5～5nm程度之氮化鋁(AlN)膜，第2子層為膜厚0.5～200nm程度之氮化鎵(GaN)膜。

n型半導體層21係例如作為n型摻質摻雜有矽(Si)之膜厚5μm程度之GaN膜，對活性層22供應電子。p型半導體層23係例如摻雜有p型摻質之膜厚0.2μm程度之GaN膜，對活性層22供應電洞(hole)。p型摻質為鎂(Mg)、鋅(Zn)、鎘(Cd)、鈣(Ca)、鈹(Be)、碳(C)等。

活性層22具有交互積層有例如InGaN膜與GaN膜之多量子井(MQW)構造。InGaN膜與GaN膜之膜厚分別為數μm～數十μm程度。從n型半導體層21供應之電子與從p型半導體層23供應之電洞在活性層22再耦合而產生光。

透明電極30及電極絕緣膜40係由使在活性層22產生之光透射過之材料構成。在透明電極30可採用例如銦錫氧化物(ITO)膜等。ITO膜之膜厚為50nm～500nm程度。在電極絕緣膜40可採用例如膜厚150nm～1500nm程度之氧化矽(SiO₂ )膜等。

又，在n側電極51及p側電極53可採用例如金(Au)等。電子從半導體發光裝置1之外部之負電源供應至n側電極51，電洞從正電源供應至p側電極53。

在反射層70可採用例如銀鈀銅(APC)膜、Al膜等。從活性層22往透明電極30方向射出之光在反射層70反射，作為輸出光L之一部分放射至半導體發光裝置1之外部。

如圖1所示，反射層70係埋入在電極絕緣膜40之內部。例如，在將電極絕緣膜40形成至途中為止後形成反射層70，在反射層70上形成其餘之電極絕緣膜40。因此，反射層70之金屬幾乎不會長時間暴露於大氣或純水等，可抑制水蒸氣等導致之反射層70之劣化。

圖2係顯示從n側電極51及p側電極53側觀察之半導體發光裝置1的俯視圖。圖1係沿著圖2之I-I方向的剖面圖。如圖2所示，除了配置有n側電極51之區域以外，在半導體發光裝置1之上面大致整體配置有p側電極53。從p側電極53透過在電極絕緣膜40開口之p側開口部43向透明電極30供應電洞。

圖2中，在n側電極51之內側以虛線顯示之區域為透過n側電極51觀察之n側開口部41。又，在n側電極51之內側顯示之一點鏈線顯示透明電極30之外緣，在一點鏈線之內側之區域並未配置透明電極30。在n側電極51之內側顯示之二點鏈線顯示反射層70之外緣，在二點鏈線之內側之區域並未配置反射層70。

如圖1及圖2所示，n側電極51係配置在n側開口部41之上方。在半導體發光裝置1之上面露出之n側電極51之區域係使用為例如接合用墊等用以與外部之負電源取得電氣接觸之電極用墊。因此，n側電極51之面積只要為與外部之接觸所需之大小即可。由於將n側電極51使用為電極用墊，因此不需準備對n型半導體層21供應電子之與n側電極51不同之電極用墊。

如上述，在半導體發光裝置1，在僅在緊鄰n側電極51下方形成之n側開口部41，n側電極51與n型半導體層21接觸。因此，半導體發光裝置1之面積未增加，且可抑制從活性層22射出並往反射層70方向行進之光透射過之區域之減少。

此外，如圖1所示，在n側開口部41之積層體20之開口區域，側面相對底面傾斜，為底面較開口狹窄之錐形狀。因此，在n側開口部41露出之積層體20之側面部電極絕緣膜40不會變薄，可防止來自外部之力導致之半導體發光裝置1之破壞。例如，即使引線接合至n側電極51，亦不會因接合壓力而破壞n側開口部41。由於n側開口部41位於n側電極51之下方，因此原本為非發光區域，即使積層體20之開口區域為錐形狀，發光區域實質上亦不會減少。

圖2中，顯示條紋狀之2條p側開口部43彼此並行配置之例。p側開口部43之條數可依據透明電極30之面積等任意地設定。例如，必須對面積廣之透明電極30供應電洞之情形，形成3條以上之p側開口部43亦可。另一方面，透明電極30之面積狹窄之情形，形成之p側開口部43為1條亦可。

p側開口部43係配置成從p側電極53供應之電洞供應至透明電極30之整個區域。藉此，在活性層22流動之電流均勻化，能在活性層22之廣範圍使光產生。

例如圖2所示，從2條配置之p側開口部43分別之端部至p側電極53之角落部之距離d11，以相同長度為佳。又，從各p側開口部43之端部至n側開口部41附近之透明電極30之外緣之距離d12，以相同長度為佳。藉由以上述方式配置p側開口部43，可對透明電極30整個區域均勻地供應電洞，使在活性層22流動之電流均勻化。

與上述說明之半導體發光裝置1不同，為了使在活性層22流動之電流均勻化而對n型半導體層21整個區域供應電子之情形，必須在半導體發光裝置1之上面之廣範圍配置n側電極51。例如將n側電極51配置成梳狀。此情形，必須在半導體發光裝置1之上面之廣範圍形成較深之挖入槽即n側開口部41。又，為了在n側開口部41之內壁形成電極絕緣膜40，必須加寬n側開口部41之寬度。

另一方面，根據圖1及圖2所示之半導體發光裝置1，透過圖案化之p側開口部43從p側電極53對透明電極30整個區域供應電洞，使電流均勻地流動於活性層22。因此，能縮小n側開口部41之面積。此外，p側開口部43之深度為電極絕緣膜40之厚度量即可。再者，p側開口部43之寬度為p側電極53與透明電極30可接觸之程度即可，不需要為了在p側開口部43之內部形成絕緣膜而加寬。

在活性層22產生之光不往基板10方向反射之n側開口部41之面積會影響半導體發光裝置1之非發光區域之面積。亦即，n側開口部41之面積愈大，在發光區域110之中光度高之輸出光L放射之有效面積減少。是以，根據第1實施形態之半導體發光裝置1，由於能縮小n側開口部41之面積，因此相較於在半導體發光裝置1上面廣泛地配置n側電極51之情形，能抑制有助於發光之區域之面積減少並同時使在活性層22流動之電流均勻化。亦即，根據第1實施形態之半導體發光裝置1，可抑制有效地放射輸出光L之發光區域110之面積之減少。

再者，如圖1、圖2所示，在第1實施形態之半導體發光裝置1，在設有n側開口部41之區域以外之區域，活性層22、p型半導體層23、透明電極30及反射層70係配置在n側電極51之下方。藉由以上述方式在n側電極51之外緣部下方亦配置透明電極30及反射層70，從活性層22射出之光在n側電極51之下方亦被反射。是以，能使n側電極51之外緣部幾乎全部成為有助於半導體發光裝置1之發光之區域。亦即，配置有n側開口部41之區域以外之大致整個區域為有助於發光之區域。其結果，針對半導體發光裝置1能進一步提高發光面積相對基板面積之比率。因此，能使在活性層22產生之光更高效率地放射至外部，獲得更大之光度。

又，與圖1所示之半導體發光裝置1不同，在半導體發光裝置1上面廣泛地配置n側電極51之情形，將沿著較深之挖入槽即n側開口部41配置之n側電極51使用於電流之回繞。因此，電流集中在n側開口部41之角部。其結果，會有在n側開口部41之角部產生正之靜電導致之靜電放電(ESD)破壞之可能性高之問題。

然而，在第1實施形態之半導體發光裝置1，藉由p側開口部43使電流回繞。因此，與n側電極51隔著距離使電流分散至透明電極30，電流不會集中在電極之一部分。是以，沒有容易破壞ESD之部位，其結果，提升半導體發光裝置1之ESD耐性。

圖1所示之半導體發光裝置1為例如圖3所示搭載於構裝基板80之覆晶型。亦即，n側電極51及p側電極53接觸於構裝基板80上之電源配線圖案，半導體發光裝置1搭載於構裝基板80上。

由負電極區域81與正電極區域83構成之電極配線圖案形成在構裝基板80上。半導體發光裝置1之配置有n側電極51及p側電極53之區域係與用於搭載半導體發光裝置1之構裝基板80之電源配線圖案對應設定。例如，使用金錫(Au-Sn)等之共晶焊料將半導體發光裝置1與構裝基板80加以連接之情形，配合任意之構裝基板80之電源配線圖案決定n側電極51及p側電極53之圖案配置。接著，以n側電極51接觸於負電極區域81且p側電極53接觸於正電極區域83之方式，將半導體發光裝置1搭載於構裝基板80。

從構裝基板80之負電極區域81供應之電子透過n側電極51供應至n型半導體層21。從構裝基板80之正電極區域83供應之電洞透過p側電極53供應至p型半導體層23。此等電子與電洞在活性層22再耦合產生光。

如上述，在活性層22產生往基板10方向行進之光，透射過緩衝層11及基板10，從基板10之發光區域110作為輸出光L之一部分放射至半導體發光裝置1之外部。接著，在活性層22產生往透明電極30方向射出之光在反射層70被反射向基板10方向。在反射層70反射之光，從基板10之發光區域110作為輸出光L之一部分放射至外部。

如圖1、圖3所示，n側電極51之表面與p側電極53之表面為相同平面位準。亦即，在半導體發光裝置1之與構裝基板80接觸之面幾乎無段差。因此，將半導體發光裝置1構裝於構裝基板80之情形，不需藉由凸塊或導電性物質調整n側電極51之高度與p側電極53之高度。是以，能容易將半導體發光裝置1構裝於構裝基板80。

此外，由於半導體發光裝置1與構裝基板80之接觸面積廣，因此半導體發光裝置1之散熱性亦良好。

如以上說明，根據第1實施形態之半導體發光裝置1，從p側電極53透過在電極絕緣膜40開口之p側開口部43對透明電極30之整個區域供應電洞。因此，能使在活性層22流動之電流均勻化。另一方面，配置有n側電極51之區域之面積小且緊鄰n側電極51下方之形成有n側開口部41之區域以外積層體20未被除去，在n側電極51下方配置有透明電極30及反射層70。因此，半導體發光裝置1中發光面積相對基板面積之比率高。

再者，藉由將半導體發光裝置1之反射層70埋入至電極絕緣膜40之內部，可提升反射層70之耐濕性。

參照圖4～圖9說明圖1所示之半導體發光裝置1之製造方法。此外，以下所述之半導體發光裝置1之製造方法為一例，包含此變形例，當然可藉由除此以外之各種製造方法來實現。

(1)首先，在基板10上形成緩衝層11。在緩衝層11上依序積層n型半導體層21、活性層22及p型半導體層23，如圖4所示形成積層體20。

(2)在p型半導體層23上形成透明電極30。此外，為了消除形成有n側開口部41之區域之透明電極30，使用光微影技術等將透明電極30如圖5所示圖案化。

(3)如圖6所示，除去形成有n側開口部41之區域之p型半導體層23、活性層22、及n型半導體層21之上部之一部分，形成積層體20之開口區域410。此時，如圖6所示以開口區域410形成錐形狀之方式除去積層體20之上部之一部分。

(4)如圖7所示，在透明電極30上形成電極絕緣膜40之下層部分401。接著，在下層部分401上形成反射層70。

(5)使用光微影技術等除去配置n側開口部41及p側開口部43之區域之反射層70及下層部分401。接著，在反射層70及下層部分401上形成電極絕緣膜40之上層部分402。接著，如圖8所示，除去配置n側開口部41及p側開口部43之區域之上層部分402。此外，首先僅除去反射層70，在形成上層部分402後同時除去上層部分402與下層部分401亦可。

(6)以將形成於電極絕緣膜40之n側開口部41及p側開口部43埋入之方式在電極絕緣膜40上形成金屬膜。之後，如圖9所示，將金屬膜圖案化，形成n側電極51及p側電極53。藉此，完成圖1所示之半導體發光裝置1。

此外，能僅變更n側電極51與p側電極53之圖案配置分開製作從基板10射出輸出光L之圖1所示之覆晶型之半導體發光裝置1、及射出透射過透明電極30及電極絕緣膜40之輸出光之上面發光型之半導體發光裝置。亦即，變更用以形成n側電極51與p側電極53之金屬膜之光罩，僅選擇反射層70之形成步驟之有無，即可選擇性製造覆晶型之半導體發光裝置1與上面發光型之半導體發光裝置。因此，能容易獲得步驟共有化之效果。

(變形例)

如圖10所示，藉由凸塊91,93將半導體發光裝置1與構裝基板80加以連接亦可。配置在電源配線圖案之負電極區域81上之凸塊91與n側電極51接觸，配置在正電極區域83上之凸塊93與p側電極53接觸。

又，在第1實施形態之半導體發光裝置1，由於不需形成挖入槽，因此半導體發光裝置1之n側開口部41之面積小。因此，特別是配置n側電極51之位置之自由度高。是以，能與構裝基板80之電源配線圖案對應在任意之位置配置n側電極51。

圖11係顯示與圖2不同之n側電極51與p側電極53之配置例。圖2雖顯示配置有一個n側開口部41之例，但圖11係顯示配置有三個n側開口部41之例。圖11中，覆蓋三個n側開口部41呈帶狀配置n側電極51。接著，在n側電極51之兩側配置有p側電極53。

(第2實施形態)

本發明第2實施形態之半導體發光裝置1，如圖12所示，在透明電極30與電極絕緣膜40之間配置有反射層70為與在電極絕緣膜40之內部配置有反射膜70之圖1所示之半導體發光裝置1不同之點。關於其他構成則與圖1所示之第1實施形態相同。

亦即，緊鄰n側電極51下方之形成有n側開口部41之區域以外積層體20未被除去，在n側電極51下方配置有透明電極30及反射層70。因此，圖12所示之半導體發光裝置1中發光面積相對基板面積之比率高。

又，如圖12所示，可藉由以覆蓋反射層70之方式形成電極絕緣膜40，抑制水蒸氣等導致之反射層70之劣化。因此，提升反射層70之耐濕性。

參照圖13～圖17說明本發明第2實施形態之半導體發光裝置1之製造方法。此外，以下所述之半導體發光裝置1之製造方法為一例，包含此變形例，當然可藉由除此以外之各種製造方法來實現。

(1)與參照圖4～圖5說明之方法相同，在積層基板10、緩衝層11及積層體20後，在p型半導體層23上形成透明電極30。之後，如圖13所示，在以在形成有n側開口部41之區域未配置之方式圖案化後之透明電極30上積層反射層70。此時，藉由將例如由鈦(Ti)膜與氧化矽膜構成之保護層75形成在反射層70上，保護反射層70。

(2)除去形成有n側開口部41之區域之p型半導體層23、活性層22、及n型半導體層21之上部之一部分，形成積層體20之開口區域410。此時，如圖14所示以開口區域410形成錐形狀之方式除去積層體20之上部之一部分。

(3)如圖15所示，在積層體20及保護層75之上面形成電極絕緣膜40。

(4)如圖16所示，使用光微影技術等除去配置n側開口部41及p側開口部43之區域之電極絕緣膜40。此時，亦除去在p側開口部43之底面露出之保護層75。在p側開口部43之底面露出之反射層70除去亦可殘留亦可。

(5)以將形成於電極絕緣膜40之n側開口部41及p側開口部43埋入之方式在電極絕緣膜40上形成金屬膜。之後，如圖17所示，將金屬膜圖案化，形成n側電極51及p側電極53。藉此，完成圖12所示之半導體發光裝置1。

根據本發明第2實施形態之半導體發光裝置1，可提供發光面積相對基板面積之比率高且提升反射層70之耐濕性之半導體發光裝置。其餘與實施形態實質上相同，因此省略重複之記載。

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。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．．．半導體發光裝置

10．．．基板

11．．．緩衝層

20．．．積層體

21．．．n型半導體層

22．．．活性層

23．．．p型半導體層

30．．．透明電極

40．．．電極絕緣膜

41．．．n側開口部

43．．．p側開口部

51．．．n側電極

53．．．p側電極

70．．．反射層

80．．．構裝基板

81．．．負電極區域

83．．．正電極區域

91,93．．．凸塊

110．．．發光區域

圖1係顯示本發明第1實施形態之半導體發光裝置之構成的示意剖面圖。

圖2係顯示本發明第1實施形態之半導體發光裝置之構成的示意俯視圖。

圖3係顯示本發明第1實施形態之半導體發光裝置之構裝方法的示意剖面圖。

圖4係用以說明本發明第1實施形態之半導體發光裝置之製造方法的步驟剖面圖(其1)。

圖5係用以說明本發明第1實施形態之半導體發光裝置之製造方法的步驟剖面圖(其2)。

圖6係用以說明本發明第1實施形態之半導體發光裝置之製造方法的步驟剖面圖(其3)。

圖7係用以說明本發明第1實施形態之半導體發光裝置之製造方法的步驟剖面圖(其4)。

圖8係用以說明本發明第1實施形態之半導體發光裝置之製造方法的步驟剖面圖(其5)。

圖9係用以說明本發明第1實施形態之半導體發光裝置之製造方法的步驟剖面圖(其6)。

圖10係顯示本發明第1實施形態之半導體發光裝置之另一構裝方法的示意剖面圖。

圖11係顯示本發明第1實施形態之半導體發光裝置之另一構成的示意俯視圖。

圖12係顯示本發明第2實施形態之半導體發光裝置之構成的示意剖面圖。

圖13係用以說明本發明第2實施形態之半導體發光裝置之製造方法的步驟剖面圖(其1)。

圖14係用以說明本發明第2實施形態之半導體發光裝置之製造方法的步驟剖面圖(其2)。

圖15係用以說明本發明第2實施形態之半導體發光裝置之製造方法的步驟剖面圖(其3)。

圖16係用以說明本發明第2實施形態之半導體發光裝置之製造方法的步驟剖面圖(其4)。

圖17係用以說明本發明第2實施形態之半導體發光裝置之製造方法的步驟剖面圖(其5)。

L．．．輸出光

10．．．基板

11．．．緩衝層

20．．．積層體

21．．．n型半導體層

22．．．活性層

23．．．p型半導體層

30．．．透明電極

40．．．電極絕緣膜

41．．．n側開口部

43．．．p側開口部

51．．．n側電極

53．．．p側電極

70．．．反射層

110．．．發光區域

Claims (3)

1. 一種半導體發光裝置，具備：積層體，依序積層有n型半導體層、活性層及p型半導體層；透明電極，係配置在該p型半導體層上；電極絕緣膜，係配置在該透明電極上；n側電極，係配置在該電極絕緣膜上，在貫通該電極絕緣膜、該透明電極、該p型半導體層及該活性層設置之n側開口部接觸於該n型半導體層；p側電極，在該電極絕緣膜上與該n側電極分離配置，在設在該電極絕緣膜之條紋狀之p側開口部接觸於該透明電極；以及反射層，在該電極絕緣膜內部或在該透明電極與該電極絕緣膜之間與該積層體之上面對向配置，反射從該活性層射出之光；該n側開口部具有底面較開口狹窄之錐形狀；於該n側電極之外緣部之下方，圍繞該n側開口部之周圍配置有該活性層、該透明電極及該反射層。
2. 如申請專利範圍第1項之半導體發光裝置，其中，該p側電極在彼此並行配置之複數個條紋狀之該p側開口部接觸於該透明電極。
3. 如申請專利範圍第1或2項之半導體發光裝置，其中，該n側電極之表面與該p側電極之表面係位於相同平面位準。