TWI528588B - 半導體發光元件及半導體發光裝置 - Google Patents

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Description

半導體發光元件及半導體發光裝置
本發明係關於半導體發光元件及半導體發光裝置。
近年來，短波長光發光元件用半導體材料係集中注意於GaN系化合物半導體。GaN系化合物半導體，將以藍寶石單晶為首之各種氧化物及III-V族化合物當做基板使用，以金屬有機化學蒸氣沈積法(MOCVD法)及分子束磊晶法(MBE法)等來形成於其上。
使用GaN系化合物半導體之半導體發光元件時，於基板上，形成具有由n型半導體層、發光層、p型半導體層所構成之發光二極體(LED)構造的層合半導體層，於最上部之p型半導體層，形成透光性之電極(透明電極)，介由該透明電極來取出發光。此種半導體發光元件時，必須使電流分佈均一才不會發生發光強度的不均。
例如，專利文獻1記載著，係具有依序形成於基板上面之：具有由第1導電型氮化鎵系化合物半導體層、氮化鎵系化合物半導體所構成之發光層及第2導電型氮化鎵系化合物半導體層之矩形體狀半導體層；形成於第1導電型氮化鎵系化合物半導體層表面之第1導電型電極；以及形成於第2導電型氮化鎵系化合物半導體層表面之第2導電型電極的發光元件，第1導電型電極及第2導電型電極，平面視時，係一方電極環繞另一方電極而形成為多角形之環狀，同時，多角形之環狀之角部的內緣形成為曲線狀，而為電流密度及電流分佈偏差降低之半導體發光元件。
[專利文獻1]日本特開2009-054688號公報
然而，半導體發光元件，通常，透明電極上，於用以連接Au(金)之接合線的部分，形成有由Au或含Au之合金所構成之接合墊。近年來，反而逐步開發將針對發光波長而形成於透明基板上之半導體發光元件配載於電路基板(副裝配件)、或配載於封裝之FC(倒裝晶片接合)安裝技術。因此，藉由從未形成電極之基板側取出光，可以迴避電極之遮光，而提高光之取出效率。此外，半導體發光元件及電路基板(副裝配件)，係以由Au等所形成之凸塊連接於半導體發光元件之電極、及電路基板(副裝配件)之配線墊，相較於以接合線連接之方法，半導體發光元件安裝之必要電路基板(副裝配件)上的面積較小，可以高密度安裝，連接之信頼性亦高。
然而，接合墊之面積若過小，將半導體發光元件配載至電路基板(副裝配件)或配載至封裝時之作業性會降低，而有隨著發光層發光而產生之發熱無法充份散熱的問題。
本發明之目的，係在改良半導體發光元件之FC(倒裝晶片)安裝技術的作業性及散熱效果。
依據本發明，提供以下(1)～(10)之半導體發光元件及半導體發光裝置。
(1)半導體發光元件之特徴，係具備：於基板上層合著具有第1導電型之第1半導體層、發光層及具有不同於第1導電型之第2導電型的第2半導體層之層合半導體層；形成於層合半導體層之第1半導體層表面，具有用以與外部電性連接之第1開口部的第1電極；以及形成於藉由層合半導體層之一部分形成缺口而露出之第2半導體層表面，具有與外部電性連接之第2開口部的第2電極，第1開口部，具有平面視時於第1開口部之第2開口部側，具有與第2開口部之外緣部保持大致相等間隔而形成之圓弧狀部分。
(2)如(1)所記載之半導體發光元件之特徵，係基板之平面形狀，為長方形或正方形，第1開口部之圓弧狀部分，係從第2開口部之外緣部，保持相當於基板短邊之至少10%長度之間隔來形成。
(3)如(1)或(2)所記載之半導體發光元件之特徵，係第1開口部之面積具有第1電極之至少30%之表面積。
(4)如(1)至(3)之任一所記載之半導體發光元件之特徵，係第2電極，係具有平面視時沿著基板之外周緣分歧之至少1個枝部。
(5)如(1)至(4)之任一所記載之半導體發光元件之特徵，係第2電極，具有平面視時形成於使層合半導體層之一部分從基板之對角線方向所形成之缺口露出之第2半導體層表面之至少1個枝部。
(6)如(1)至(5)之任一所記載之半導體發光元件之特徵，係層合半導體層，由III族氮化物半導體所構成。
(7)如(1)至(6)之任一所記載之半導體發光元件之特徵，係具備：形成於第1電極之第1開口部，具有導電性用以進行第1電極與外部之電性連接的第1連接子；及形成於第2電極之第2開口部，具有導電性用以進行第2電極與外部之電性連接的第2連接子。
(8)如(1)至(7)之任一所記載之半導體發光元件之特徵，係基板具有光透射性。
(9)如(1)至(8)之任一所記載之半導體發光元件之特徵，係基板由藍寶石所構成。
(10)一種半導體發光裝置之特徵，係具有：具備依序層合著具有第1導電型之第1半導體層、發光層、具有與第1導電型為不同之第2導電型之第2半導體層的層合半導體層、形成於層合半導體層之第1半導體層表面而具有用以進行與外部之電性連接之第1開口部的第1電極、以及形成於從層合半導體層之缺口部分露出之第2半導體層表面而具有用以進行與外部之電性連接之第2開口部的第2電極、第1開口部具有於平面視時在第1開口部之第2開口部側形成有用以保持與第2開口部之外緣部大致相等之間隔而形成之圓弧狀部分的半導體發光元件；及半導體發光元件之具備第1電極及第2電極之側係以相對方式配置，利用連接子連接第1電極及第2電極之一對配線的電路基板。
依據本發明，可以改良半導體發光元件之FC(倒裝晶片)安裝技術之作業性及散熱效果。
以下，針對本發明之實施形態進行詳細說明。此外，本發明並未受限於以下實施形態，可以在其要旨範圍內以各種變形來實施。此外，使用之圖式，係以說明本實施形態為目的之一例，並非用以表示其實際大小。
(半導體發光元件)
第1圖係適用於第1實施形態之半導體發光元件之剖面模式圖的例圖。此外，第2圖係從第1圖所示之II方向觀察第1圖所示之半導體發光元件之平面模式圖的例圖。第3圖係構成半導體發光元件之層合半導體之剖面模式圖的例圖。
如第1圖所示，半導體發光元件1，具備：基板110、層合於基板110上之中間層120、以及層合於中間層120上之基底層130。此外，半導體發光元件1，具備：層合於基底層130上之n型半導體層140、層合於n型半導體層140上之發光層150、以及層合於發光層150上之p型半導體層160。此外，以下之說明時，配合需要，將該等n型半導體層140、發光層150、及p型半導體層160統稱為層合半導體層100。
此外，半導體發光元件1，具備：形成於p型半導體層160上面160c之第1電極170、層合之p型半導體層160、形成於從發光層150及n型半導體層140之缺口部分露出之n型半導體層140之半導體層露出面140c的第2電極180。
此外，半導體發光元件1，更具備第1電極170及第2電極180、p型半導體層160、以及層合於發光層150及n型半導體層140之一部分(比半導體層露出面140c更靠近發光層150之側)的保護層190。但是，保護層190，係以覆蓋p型半導體層160、發光層150、及n型半導體層140之一部分(比半導體層露出面140c更靠近發光層150之側)側壁面的全域來形成。
另一方面，針對第1電極170，使第1圖之上方側之面的一部分露出，如後面所述，利用凸塊(第1連接子)20來形成用以與外部進行電性連接之第1開口部170a。此外，同樣的，針對第2電極180，使第1圖之上方側之面的一部分露出，如後面所述，利用凸塊(第2連接子)20來形成用以與外部進行電性連接之第2開口部180a。如第1圖所示，第1開口部170a，係以從第2開口部180a之外緣部保持一定長度間隔R之方式來形成。第1開口部170a及第2開口部180a，如後面所述。
如此，本實施形態之半導體發光元件1，係具有於與基板110為相反側之一面側形成有第1電極170及第2電極180之構造。該半導體發光元件1時，係以第1電極170做為正極、以第2電極180做為負極，介由兩者使電流流過層合半導體層100(具體而言，p型半導體層160、發光層150、及n型半導體層140)，而使發光層150發光。
其次，如第2圖所示，平面視時，第1電極170，除了以蝕刻等手段除去以形成第2電極180為目的之一部分以外，以覆蓋p型半導體層160之上面160c之大致全面來形成。於第1電極170之上面，使第1電極170露出，形成著用以與外部進行電性連接之第1開口部170a。第1開口部170a，使第1電極170之第2圖中之大致右半邊部分露出。其次，第1開口部170a，具有第2電極180側為切割成圓弧狀之平面形狀。
另一方面，第2電極180，係形成於接近平面形狀為正方形之基板110之一片之部分的大致中央部。如上面所述，第2電極180，係形成於露出之半導體層露出面140c上，此外，於第2電極180上面，形成著用以與外部進行電性連接之第2開口部180a。
此外，第2圖時，省略了覆蓋第1電極170及第2電極180表面之保護層190。
如第2圖所示，使第1電極170露出之第1開口部170a及使第2電極露出之第2開口部180a，係以與第1開口部170a之第2開口部180a側之外緣端部及第2開口部180a之第1開口部170a側之外緣端部保持一定間隔R之方式來配置。本實施形態之平面視時，第1開口部170a之第2開口部180a側，有點類似形成為半圓形狀之第2開口部180a之第1開口部170a側的形狀，而形成為與第2開口部180a之外緣部保持大致相等間隔R之圓弧狀。
從第2開口部180a之外緣部至第1開口部170a之外緣端部之間隔R，並無特別限制，本實施形態時，係以保持相當於平面形狀為正方形之基板110一邊之至少10%長度的方式來形成。此外，間隔R，在平面形狀為長方形之基板110之實施形態時，係以保持相當於短邊之至少10%長度之方式來形成。藉由保持與第2開口部180a外緣部之間隔R來形成第1開口部170a，半導體發光元件之FC(倒裝晶片)安裝技術之作業性獲得改善。本實施形態時，若間隔R過短，倒裝晶片之安裝時，P極及N極容易短路。此外，間隔R若過大，與電路基板之接觸面積減少而不利於散熱，而呈現特性劣化之傾向。
此外，本實施形態之平面視時，第1開口部170a表面積相對於第1電極170表面積之比例，應以具有第1電極170表面積之至少20%之方式來形成，最好以具有至少30%之方式來形成。
其次，針對半導體發光元件1之各層進行說明。
<基板>
基板110，若為於表面磊晶生長著III族氮化物半導體結晶之基板，並無特別限制，可以選用各種基板。但是，本實施形態之半導體發光元件1，如後面所述，因為從基板110側取出光之方式來進行倒裝晶片安裝，基板110應為對發光層150所射出之光具有光透射性。所以，例如，可以使用由藍寶石、氧化鋅、氧化鎂、氧化鋯、氧化鎂鋁、氧化鎵、氧化銦、氧化鋰鎵、氧化鋰鋁、氧化釹鎵、氧化鑭鍶鋁鉭、氧化鍶鈦、氧化鈦等所構成之基板110。
此外，上述材料當中，尤其是，以將以C面為主面之藍寶石做為基板110使用為佳。使用藍寶石做為基板110時，可以於藍寶石之C面上形成中間層120(緩衝層)。
<層合半導體層>
III族氮化物半導體層之一例的層合半導體層100，例如，由III族氮化物半導體所構成之層，如第1圖所示，於基板110上，係依序層合著n型半導體層140、發光層150、及p型半導體層160之各層來構成。此外，如第3圖所示，n型半導體層140、發光層150、及p型半導體層160之各層，分別以複數半導體層來構成亦可。此外，層合半導體層100，亦可將基底層130、中間層120包括在內。此處，n型半導體層140，係利用以電子做為載體之第1導電型來進行電傳導者，p型半導體層160，係利用以正孔做為載體之第2導電型來進行電傳導者。
此外，層合半導體層100，若以MOCVD法形成，可以得到結晶性良好者，然而，濺鍍法時，以條件之最佳化，可以形成具有比MOCVD法更為優良之結晶性的半導體層。以下，依序進行說明。
<中間層>
中間層120，以多晶之AkxGa1-xN(0≦x≦1)所構成者為佳，單晶之AlxGa1-xN(0≦x≦1)者更佳。
中間層120，如上面所述例如，可以為由多晶之AlxGa1-xN(0≦x≦1)所構成之厚0.01～0.5μm者。中間層120之厚度若為0.01μm以下，有時無法以中間層120獲得充份緩和基板110及基底層130之晶格常數差異的效果。此外，中間層120之厚度若超過0.5μm，中間層120之機能雖然沒有變化，但有中間層120之成膜處理時間變長、生產性降低的虞慮。
中間層120，有緩和基板110及基底層130之晶格常數差異而於基板110之(0001)面(C面)上容易形成C軸定向之單晶層的傾向。所以，介由中間層120之上，可以進一步層合一層結晶性優良之基底層130。此外，本發明時，以形成中間層120為佳，亦可以不形成。
此外，中間層120，亦可以為由III族氮化物半導體所構成之六方晶系結晶構造。此外，形成中間層120之III族氮化物半導體之結晶，以具有單晶構造為佳。III族氮化物半導體之結晶，藉由控制生長條件，不但上方向，亦於面內方向生長來形成單晶構造。所以，藉由抑制中間層120之成膜條件，可以形成由單晶構造之III族氮化物半導體之結晶所構成的中間層120。於基板110上進行具有此種單晶構造之中間層120的成膜時，因為中間層120之緩衝機能之有效作用，成膜於其上之III族氮化物半導體，為具有良好定向性及結晶性的結晶膜。
<基底層>
基底層130，可以利用AlxGayInzN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1、x+y+z=1)，然而，最好使用AlxGa1-xN(0≦x＜1)，可以形成結晶性良好之基底層130。
基底層130之膜層應為0.1μm以上，0.5μm以上更佳，1μm以上最好。該膜厚以上時，容易得到結晶性良好之AlxGa1-xN層。此外，基底層130之膜厚，從生產成本之觀點而言，以10μm以下為佳。
為了使基底層130有良好結晶性，基底層130，應不要摻雜雜質。然而，需要p型或n型之導電性時，可以添加受體雜質或施體雜質。
<n型半導體層>
如第3圖所示，例如，具有以電子做為載體之第1導電型的第1半導體層之一例的n型半導體層140，應由n接觸層140a及n包覆層140b所構成。此外，n接觸層140a，亦可兼用為n包覆層140b。此外，n型半導體層140亦可包含前述基底層130在內。
n接觸層140a，係以配設第2電極180為目的之層。n接觸層140a，應由AlxGa1-xN層(0≦x＜1、0≦x≦0.5更佳、最好為0≦x≦0.1)所構成。
此外，應於n接觸層140a摻雜n型雜質，含有之n型雜質濃度，為1×1017～1×1020/cm3、最好為1×1018～1×1019/cm3之濃度，可以維持與第2電極180之良好歐姆接觸。n型雜質，並無特別限制，例如，可以為Si、Ge、及Sn等，最好為Si及Ge。
n接觸層140a之膜厚，應設定為0.5μm～5μm，最好設定在1μm～3μm之範圍。n接觸層140a之膜厚在上述範圍時，可維持良好之半導體結晶性。
於n接觸層140a及發光層150之間，應配設n包覆層140b。n包覆層140b，係用以對發光層150進行載體注入及載體封閉之層。n包覆層140b，可以AlGaN、GaN、GaInN等來形成。此外，亦可以為該等構造之異質連接及數次層合之超點陣結構。以GaInN形成n包覆層140b時，應大於發光層150之GaInN帶隙。
n包覆層140b之膜厚，並無特別限制，應為0.005～0.5μm，最好為0.005～0.1μm。n包覆層140b之n型摻雜濃度應為1×1017～1×1020/cm3，最好為1×1018～1×1019/cm3。摻雜濃度在該範圍，有利於良好結晶性之維持及發光元件之動作電壓的降低。
此外，n包覆層140b，為含有超點陣結構之層時，省略了詳細圖示，然而，亦可為含有層合著由具100埃以下膜厚之III族氮化物半導體所構成之n側第1層、及與n側第1層之組成不同且由具100埃以下膜厚之III族氮化物半導體所構成之n側第2層的構造。
此外，n包覆層140b，亦可以為含有交互重複層合著n側第1層及n側第2層之構造者，應為以GaInN及GaN之交互構造或組成不同之GaInN彼此的交互構造。
<發光層>
層合於n型半導體層140上之發光層150，可以採用單一量子井結構或多重量子井結構等。
如第3圖所示，量子井結構之井層150b，通常使用由Ga1-yInyN(0<y<0.4)所構成之III族氮化物半導體層。井層150b之膜厚，可以得到量子效果之程度的膜厚，例如1～10nm即可，以發光輸出之觀點而言，最好為2～6nm。
此外，多重量子井結構之發光層150時，以上述Ga1-yInyN做為井層150b，以帶隙能量大於井層150b之AlzGa1-z N(0≦z<0.3)做為障壁層150a。井層150b及障壁層150a，亦可以為未摻雜雜質之設計。
此外，本實施形態時，發光層150係輸出藍色光(發光波長λ=400nm～465nm程度)。
<p型半導體層>
如第3圖所示，例如，具有以正孔為載體之第2導電型之第2半導體層之一例的p型半導體層160，通常，係由p包覆層160a及p接觸層160b所構成。此外，p接觸層160b亦可兼用為p包覆層160a。
p包覆層160a，係用以對發光層150進行載體封閉及載體注入之層。p包覆層160a，係大於發光層150之帶隙能量的組成，只要可以對發光層150進行載體封閉即可，並無特別限制，應為AlxGa1-xN(0<x≦0.4)者。
p包覆層160a若由此種AlGaN所構成，有利於對發光層150之載體封閉。p包覆層160a之膜厚，並無特別限制，然而，以1～400nm為佳，最好為5～100nm。
p包覆層160a之p型摻雜濃度，以1×1018～1×1021/cm3為佳，最好為1×1019～1×1020/cm3。p型摻雜濃度在上述範圍，結晶性不會降低，得到良好p型結晶。
此外，p包覆層160a，亦可以為數次層合之超點陣結構，以AlGaN及AlGaN之交互構造或AlGaN及GaN之交互構造為佳。
p接觸層160b，係以配設第1電極170為目的之層。p接觸層160b，應為AlxGa1-xN(0≦x≦0.4)。Al組成在上述範圍，有利於良好結晶性之維持及與第1電極170之良好歐姆接觸之維持。
含有之p型雜質(摻雜物)應為1×1018～1×1021/cm3之濃度，最好為含有5×1019～5×1020/cm3之濃度，有利於良好歐姆接觸之維持、防止龜裂之發生，有利於良好結晶性之維持。p型雜質，並無特別限制，例如，可以為Mg。
p接觸層160b之膜厚，並無特別限制，然而，應為10nm～500nm，最好為50nm～200nm。p接觸層160b之膜厚在該範圍，有利於發光輸出。
<第1電極>
其次，針對第1電極170之構成進行說明。第4圖係第1電極170之剖面模式圖的例圖。
當做第1電極之第1電極170，具有：層合於p型半導體層160上面160c上之第1導電層171；層合於該第1導電層171上之金屬反射層172；層合於金屬反射層172上之第1接合層173；以及除了上述第1接合層173之露出部位之第1開口部170a以外，以覆蓋於第1接合層173來配設，於與第1接合層173為相反側之面層合著保護層190之第1密貼層174。
<第1導電層>
如第4圖所示，第1導電層171，係以形成第2電極180為目的，而除了以蝕刻等手段除去一部分p型半導體層160上面160c之周緣部之外而以幾乎覆蓋全面來形成。其次，第1導電層171之中央部，具有一定膜厚而以相對於上面160c為幾乎平坦之方式來形成，另一方面，第1導電層171之端部側，以膜厚逐漸變薄，而相對於p型半導體層160上面160c以傾斜方式來形成。但是，第1導電層171，並未限制為此種形狀，亦可以形成為具有間隙之格子狀或樹形狀，此外，亦可以具有矩形狀之剖面。
第1導電層171，應使用與p型半導體層160為歐姆接觸，且與p型半導體層160之接觸電阻較小者。此外，該半導體發光元件1時，因為來自發光層150之光介由金屬反射層172從基板110側取出，第1導電層171應使用光透射性優良者。此外，為了使電流均一地擴散至p型半導體層160之全面，第1導電層171應使用具有優良導電性，且電阻分佈較少者。此外，本實施形態時，第1導電層171之厚度設定成5nm(50)。此外，第1導電層171之厚度可以在2nm～18nm之範圍進行選擇。此處，第1導電層171之厚度若小於2nm，有時難以獲得與p型半導體層160之歐姆接觸，此外，第1導電層171之厚度若大於18nm，有時不利於來自發光層150之發光及來自金屬反射層172之反射光的光透射性。
第1導電層171之一例，為透明導電層，例如，本實施形態時，第1導電層171，係氧化物之導電性材料，採用對發光層150所射出之波長光有良好光透射性者。尤其是，含有In之氧化物之一部分，相較於其他透明導電膜，光透射性及導電性之兩者皆為優良。含有In之導電性氧化物，例如，ITO(氧化銦錫(In2O3-SnO2))、IZO(氧化銦鋅(In2O3-ZnO))、IGO(氧化銦鎵(In2O3-Ga2O3))、ICO(氧化銦鈰(In2O3-CeO2))等。此外，於該等中，例如，亦可添加氟等之摻雜物。此外，亦可以使用例如不含In之氧化物，例如，摻雜著載體之SnO2、ZnO2、TiO2等導電性材料。
藉由以該技術分野大家所皆知之慣用手段配設該等材料，可以形成第1導電層171。此外，形成第1導電層171後，有時也會實施以第1導電層171之透明化及更低電阻化為目的之加溫退火。
本實施形態時，第1導電層171，可以使用結晶化之構造者，尤其是，最好為具有六方晶構造或方錳鐵礦構造之含In2O3結晶的透光性材料(例如，ITO或IZO等)。
例如，將含六方晶構造之In2O3結晶的IZO當做第1導電層171使用時，可以使用蝕刻性優良之非晶IZO膜來加工成特定形狀，其後，以熱處理等使其非晶狀態轉變成含結晶之構造，而加工成透光性優於非晶IZO膜之電極。
此外，使用於第1導電層171之IZO膜，應使用電阻率最低之組成。
例如，IZO中之ZnO濃度應為1～20質量%，5～15質量%之範圍更佳，最好為10質量%。
當做第1導電層171使用之IZO膜之熱處理，應在未含O2之環境下實施，未含O2之環境，例如，N2環境等之惰性氣體環境、或N2等惰性氣體及H2之混合氣體環境，應為N2環境、或N2及H2之混合氣體環境。此外，IZO膜之熱處理，於N2環境、或N2及H2之混合氣體環境中實施時，例如，可使IZO膜結晶化成含六方晶構造之In2O3結晶的膜，且有效地減少IZO膜之表面電阻。
此外，IZO膜之熱處理溫度，應為500℃～1000℃，以500℃以下之溫度實施熱處理時，可能無法使IZO膜充份結晶化，有時會導致IZO膜之光透射率不夠高。以超過1000℃之溫度實施熱處理時，IZO膜雖然會結晶化，然而，有時IZO膜之光透射率不夠高。此外，以超過1000℃之溫度實施熱處理時，在IZO膜下之半導體層可能劣化。
使非晶狀態之IZO膜結晶化時，若成膜條件及熱處理條件等不同，則IZO膜中之結晶構造會不同。然而，本發明之實施形態時，以與其他層之接著性的觀點而言，第1導電層171，不受材料之限制，但以結晶性材料為佳，尤其是，結晶性IZO時，可以為含有方錳鐵礦結晶構造之In2O3結晶，亦可以為含有六方晶構造之In2O3結晶的IZO。尤其是，以含有六方晶構造之In2O3結晶的IZO為佳。
尤其是，如前面所述，以熱處理進行結晶化之IZO膜，相較於非晶狀態之IZO膜，因為與p型半導體層160之密貼性較佳，於本發明之實施形態，較為有利。此外，以熱處理進行結晶化之IZO膜，相較於非晶狀態之IZO膜，因為電阻值較低，構成半導體發光元件1時，有利於順向電壓Vf之降低。
<金屬反射層>
如第4圖所示，金屬反射層172，係以覆蓋第1導電層171之全域來形成。其次，金屬反射層172之中央部，除了具有一定膜厚且形成為大致平坦以外，反射層172之端部側，膜厚逐漸變薄，而相對於p型半導體層160之上面160c，以傾斜方式來形成。此外，金屬反射層172係形成於第1導電層171上，而非形成於p型半導體層160上。亦即，其構成上，係p型半導體層160及金屬反射層172未直接接觸。
金屬反射層172係由Ag(銀)所構成。金屬反射層172使用銀，係因為相對於發光層150所射出之藍色～綠色之區域波長的光，具有高光反射性。此外，如後面所述，金屬反射層172，因為亦具有介由第1導電層171對p型半導體層160供電之機能，其電阻值應較低，且必須將與第1導電層171之接觸電阻抑制於較低。其次，本實施形態時，金屬反射層172之厚度設定成100nm(1000)。該金屬反射層172之厚度，以在50nm以上之範圍選擇為佳。此處，金屬反射層172之厚度小於50nm，有時會導致來自發光層150之光之反射性能降低，故不適合。
此外，本實施形態時，金屬反射層172係使用Ag單質，然而，亦可使用含有Ag之合金。
<第1接合層>
如第4圖所示，於金屬反射層172之上面及側面，以覆蓋金屬反射層172之方式層合著第1接合層173。第1接合層173，係以覆蓋金屬反射層172全域之方式來形成。其次，第1接合層173之中央部，具有一定膜厚且形成為大致平坦，另一方面，第1接合層173之端部側，膜厚逐漸變薄，而形成為相對於p型半導體層160上面160c呈傾斜之狀態。
當做與外部進行電性連接使用之連接層的第1接合層173，以接觸最內側亦即金屬反射層172等之方式，具備至少1層以上之金屬層。此外，最外側之最表層的金屬層，一般係使用Au(金)。本實施形態時，第1接合層173係使用Au(金)之單層膜，然而，例如，亦可採用具有：當做接觸金屬反射層172而形成之第1層的Ni(鎳)層、形成於該Ni層外側之第2層的Pt(白金)層、以及形成於該Pt層外側之最外側之第3層的Au(金)層之構造。其次，第1接合層173之整體厚度，只要具有倒裝晶片安裝時之墊電極之機能的厚度，厚度不受限制，然而，最好設定成50nm(500)～8,000nm(80,000)。
此外，以複數金屬層構成第1接合層173時，用以構成與金屬反射層172接觸之第1層的材料，除了上述Ni(鎳)以外，尚可以使用Ta(鉭)、Ti(鈦)、NiTi(鎳鈦)合金、及該等氮化物。
<第1密貼層>
如第4圖所示，於第1接合層173上面及側面，以覆蓋第1接合層173之方式層合著第1密貼層174。第1密貼層174，係以覆蓋第1接合層173之露出部位以外之區域來形成。其次，第1密貼層174之中央部，具有一定膜厚且形成為大致平坦，另一方面，第1密貼層174之端部側，相對於p型半導體層160上面160c，係呈傾斜狀態來形成。該第1密貼層174之側面側端部，係以接觸p型半導體層160上面160c之方式配設。
密貼層之一例之第1密貼層174，係以提高以Au(金)所構成之第1接合層173及保護層190之物理密貼性為目的而配設。本實施形態時，第1密貼層174，係以Ta(鉭)來形成。但是，第1密貼層174，除了Ta(鉭)以外，例如，亦可以使用Ti(鈦)及Ni(鎳)。
<第2電極>
接著，針對第2電極180之構成，進行詳細說明。第5圖係第2電極180之剖面模式圖的例圖。
當做第2電極之第2電極180，係具有：層合於n型半導體層140之半導體層露出面140c上之第2導電層181；層合於第2導電層181上之第2接合層182；以及以覆蓋上述第2接合層182之露出部位之第2開口部180a以外之第2接合層182的方式配設，於與第2接合層182為相反側之面層合著保護層190之第2密貼層183。
<第2導電層>
如第5圖所示，於n型半導體層140之上，層合著第2導電層181。如前面所述，平面視時，第2導電層181(參照第2圖)之單側具有半圓形狀之外形。其次，第2導電層181之中央部，具有一定膜厚且相對於半導體層露出面140c(參照參照第1圖)形成大致平坦，另一方面，第2導電層181之端部側，膜厚逐漸變薄，而相對於n型半導體層140之半導體層露出面140c(參照第1圖)形成為傾斜。但是，第2導電層181，並未受限於上述形狀，亦可以形成具有間隙之格子狀或樹形狀，此外，可以具有矩形狀之剖面，亦可以具有圓形狀以外之外形。
第2導電層181，應與n型半導體層140為歐姆接觸，且使用與n型半導體層140之接觸電阻較小者。
本實施形態時，第2導電層181係使用Al(鋁)。用以構成第2導電層181之Al(鋁)，與上述用以構成第1電極170之金屬反射層172的Ag(銀)相同，相對於發光層150所射出之藍色～綠色之區域波長的光，具有高光反射性，亦具有金屬反射層之機能。
<第2接合層>
如第5圖所示，於第2導電層181上，層合著第2接合層182。第2接合層182，係以覆蓋第2導電層181全域之方式來形成。其次，第2接合層182之中央部，係具有一定膜厚且形成為大致平坦，另一方面，第2接合層182之端部側，膜厚逐漸變薄，而相對於n型半導體層140之半導體層露出面140c(參照第1圖)，形成為傾斜狀。
第2接合層182，與上述第1電極170之第1接合層173相同，具備接觸最內側亦即第2導電層181之至少1層以上之金屬層。此外，最外側之最表層的金屬層，一般係使用Au(金)。本實施形態時，第2接合層182與第1接合層173相同，係由Au(金)之單層膜所構成。此外，第2接合層182之整體厚度，應設定成50nm(500)～8000nm(80,000)。此外，第2接合層182亦可以為複數金屬層之層合構造。
<第2密貼層>
如第5圖所示，於第2接合層182上，層合著第2密貼層183。第2密貼層183係以覆蓋第2接合層182之露出部位以外之區域來形成。其次，第2密貼層183之中央部，係具有一定膜厚且形成為大致平坦，另一方面，第2密貼層183之端部側，相對於n型半導體層140之半導體層露出面140c(參照第1圖)，形成為傾斜狀。該第2密貼層183之側面側之端部，係以接觸n型半導體層140之半導體層露出面140c(參照第1圖)來配設。
第2密貼層183，與上述第1電極170之第1密貼層174相同，係以提高由Au(金)所構成之第2接合層182及保護層190之物理密貼性為目的而配設。本實施形態時，第2密貼層183，與第1密貼層174相同係以Ta(鉭)來形成。但是，第1密貼層174，除了Ta(鉭)以外，例如，亦可以使用Ti(鈦)或Ni(鎳)。
<保護層>
如第5圖所示，由SiO2等之矽氧化物所構成之保護層190，除了第1電極170之一部分及第2電極180之一部分以外，覆蓋於該等第1電極170及第2電極180，且，以覆蓋p型半導體層160、發光層150、及n型半導體層140之一部分(比半導體層露出面140c更靠近發光層150側(參照第1圖))來層合。保護層190，具有抑制來自外部之水等浸入發光層150、第1電極170、及第2電極180之保護層機能、及發光層150所射出之光當中，未直接朝向基板110側且將未於第1電極170之金屬反射層172或第2電極180之第2導電層181反射之光朝基板110側反射之輔助反射層機能。
<第2實施形態>
第6圖係適用於第2實施形態之半導體發光元件2之剖面模式圖的例圖。此外，第7圖係第6圖所示之半導體發光元件2之平面模式圖的例圖。與第1圖及第2圖所示之半導體發光元件1相同之構成，使用相同符號，並省略其說明。
如第6圖所示，半導體發光元件2，具備基板110、層合於基板110上之中間層120、基底層130、以及層合半導體層100(n型半導體層140、發光層150、p型半導體層160)。此外，半導體發光元件2，具備第1電極170、及第2電極180。此外，相對於第1電極170，形成有第1開口部170a，相對於第2電極180形成有第2開口部180a。第1開口部170a，係以與第2開口部180a之外緣部保持一定長度間隔R之方式來形成。
此外，半導體發光元件2，平面視時，於以特定寬度切除層合半導體層100之周圍而露出之n型半導體層140之半導體層露出面140d，形成著第2電極180之枝部180b。
此外，半導體發光元件2之第1電極170、第2電極180及枝部180b、p型半導體層160、發光層150及n型半導體層140之一部分(比半導體層露出面140c更靠近發光層150側)、p型半導體層160、發光層150及n型半導體層140之一部分(比半導體層露出面140c更靠近發光層150側)之側壁面全域，為保護層190所覆蓋。
其次，如第7圖所示，與前述第2圖所示之半導體發光元件1相同，使第1電極170露出之第1開口部170a與使第2電極露出之第2開口部180a，係以使第1開口部170a之第2開口部180a側之外緣端部與第2開口部180a之第1開口部170a側之外緣端部保持一定間隔R之方式來配置。本實施形態，平面視時第1開口部170a之第2開口部180a側，係類似形成為半圓形狀之第2開口部180a之第1開口部170a側的形狀，而形成為與第2開口部180a之外緣部保持大致相等間隔R之圓弧狀。此外，第7圖中，省略了覆蓋於第1電極170、第2電極180、及枝部180b表面之保護層190。
此外，如第7圖所示，半導體發光元件2，平面視時，第2電極180係環繞於覆蓋p型半導體層160上面160c之大致全面而形成之第1電極170的周圍，亦即，平面視時，具有沿著基板110外周緣分歧之枝部180b。
如此，藉由第2電極180之枝部180b環繞第1電極170之周圍而形成，可以降低半導體發光元件2之電流密度及電流分佈之偏差，防止發光強度不均的情形。
<第3實施形態>
第8圖係適用於第3實施形態之半導體發光元件3之平面模式圖的例圖。如第8圖所示，半導體發光元件3，平面視時，第2電極180，係配置於正方形之角部(第8圖中，左下角部)。
另一方面，平面視時，第1電極170，除了以形成第2電極180及從第2電極180分歧之枝部180b為目的而以蝕刻等手段除去之正方形角部(第8圖中，左下角部)以外，以覆蓋p型半導體層160上面160c(參照第1圖)之大致全面來形成。於第1電極170上面，形成著使第1電極170露出且用以與外部進行電性連接之第1開口部170a。第1開口部170a，係使第1電極170之第8圖之大致右半邊及上半邊之部分露出。其次，第1開口部170a，具有第2電極180側被切除成圓弧狀之平面形狀。
如此，半導體發光元件3，平面視時，藉由將第2電極180配置於正方形角部，可以增大第1電極170之面積，且可增大第1開口部170a之面積。
此外，與第7圖所示之半導體發光元件2相同，平面視時，第2電極180係環繞於第1電極170周圍，亦即，平面視時，具有沿著基板110外周緣分歧之枝部180b。
<第4實施形態>
第9圖係適用於第4實施形態之半導體發光元件4之平面模式圖的例圖。如第9圖所示，半導體發光元件4，與第8圖所示之半導體發光元件3相同，平面視時，第2電極180係配置於正方形之角部(第8圖中，左下角部)。此外，平面視時，第1電極170，除了用以形成第2電極180及從第2電極180分歧之枝部180c為目的而除去之部分以外，以覆蓋於p型半導體層160上面160c(參照第6圖)之大致全面來形成。於第1電極170上面，形成著用以使第1電極170露出之第1開口部170a。第1開口部170a，使第1電極170之第9圖之大致右半邊及上半邊之部分露出。其次，第1開口部170a，具有第2電極180側被切割成圓弧狀之平面形狀。
此外，半導體發光元件4，具有平面視時，第2電極180，具有沿著大致四角形形狀之第1電極170之2邊周圍分歧的枝部180c。亦即，分歧之枝部180c，未環繞第1電極170之外周緣，相較於前述半導體發光元件3(參照第8圖)從第2電極180分歧之枝部180b，只有大致一半之長度。
<第5實施形態>
第10圖係適用於第5實施形態之半導體發光元件5之平面模式圖的例圖。如第10圖所示，半導體發光元件4，與第8圖所示之半導體發光元件3相同，平面視時，第2電極180係配置於正方形之角部，平面視時之第2電極180，具有環繞第1電極170周圍之分歧的枝部180b。
此外，第2電極180，平面視時，具有形成於使層合半導體層100之一部分從正方形之基板110對角線方向所形成之缺口露出之半導體層露出面140c表面之第2枝部180d。
此外，平面視時，第1電極170，除了以形成第2電極180為目的而除去之部分、及第2電極180之枝部180b及第2枝部180d以外，以覆蓋p型半導體層160上面160c(參照第6圖)之大致全面來形成。於第1電極170之上面，形成用以露出第1電極170之第1開口部170a。第1開口部170a，使第1電極170之第10圖之大致右半邊及上半邊之部分露出。其次，第1開口部170a，具有第2電極180側切割成圓弧狀之平面形狀。
<第6實施形態>
第11圖係適用於第6實施形態之半導體發光元件6之平面模式圖的例圖。如第11圖所示，半導體發光元件4，與第10圖所示之半導體發光元件5相同，平面視時，第2電極180係配置於正方形之角部，平面視時之第2電極180，具有環繞第1電極170周圍而分歧之枝部180b。其次，第2電極180，平面視時，具有形成於使層合半導體層100之一部分從正方形之基板110之對角線方向所形成之缺口露出之半導體層露出面140c表面的第2枝部180e。
此外，如第11圖所示，第2枝部180e，相較於第10圖所示之半導體發光元件5時，係以對角線方向切割較長之層合半導體層100之一部分而形成。所以，第1電極170之第1開口部170a，具有第2枝部180e之前端可突入第2電極180側之圓弧狀之一部分而形成為矩形狀之部分。
<半導體發光元件1之使用方法>
其次，針對第1圖所示之半導體發光元件1之使用方法進行說明。
第13圖係將第1圖所示之半導體發光元件1安裝於配線基板10B之發光裝置之構成的例圖。
於配線基板10B之一面，形成著正電極11及負電極12。
其次，對配線基板10B，以第1圖所示之半導體發光元件1之上下為反轉之狀態，以第1電極170(具體而言，第1接合層173)對正電極11，此外，以第2電極180(具體而言，第2接合層182)對負電極12，分別使用凸塊(焊錫)20進行電氣連接並進行機械固定。針對此種配線基板10B之半導體發光元件1的連接手法，一般稱為倒裝晶片連接。倒裝晶片連接時，從配線基板10B觀察時，半導體發光元件1之基板110配置於比發光層150更遠的位置。
其次，針對第13圖所示之發光裝置之發光動作進行說明。此外，第1電極170，請參照第4圖。
介由配線基板10B之正電極11及負電極12，電流從正電極11朝負電極12而流過半導體發光元件1時，半導體發光元件1，電流從第1電極170介由p型半導體層160、發光層150、及n型半導體層140而流向第2電極180，發光層150朝四方輸出藍色光。此時，第1電極170，電流介由第1接合層173、金屬反射層172、及第1導電層171流過(以上，參照第4圖)，而對p型半導體層160供應於上面160c之面上為均一化狀態之電流。
發光層150輸出之光當中之朝向基板110側之光，透射n型半導體層140、基底層130、中間層120、及基板110，而射出至半導體發光元件1外部。
此外，發光層150射出之光當中之朝向第1電極170側之光，介由p型半導體層160及第1導電層171而到達金屬反射層172，於金屬反射層172進行反射。其次，於金屬反射層172反射之光，透射第1導電層171、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，射出至半導體發光元件1外部。
另一方面，發光層150射出之光當中之朝向側方之光，例如，介由發光層150而到達保護層190，而於保護層190反射。其次，於保護層190反射之光，於半導體發光元件1內進行，直接或於金屬反射層172或保護層190等反射後，射出至半導體發光元件1外部。
此處，從發光層150直接朝向基板110之光的一部分，從發光層150介由金屬反射層172朝向基板110之光的一部分，其次，從發光層150介由保護層190朝向基板110之光的一部分，例如，於基板110及外部之境界反射，而回到半導體發光元件1內。以上述方式回到半導體發光元件1內之光，被配設於第1電極170之金屬反射層172、配設於第2電極180之第2導電層181、以及保護層190反射，再度朝向基板110側。如此，本實施形態時，於半導體發光元件1配設著金屬反射層172及保護層190，從發光層150朝與基板110為相反側射出之光，被該等金屬反射層172及保護層190反射，故可提高來自半導體發光元件1之光的取出效率。
<實施例>
以下，依據實施例，針對本發明進行更詳細之說明。但，本發明，在未超越其要旨之情形下，不受以下實施例之限制。
<接合部溫度(接面溫度)之測量>
半導體發光元件之接面溫度，係於以藍寶石所製作之副裝配件上安裝FC元件，改變環境溫度來測量Vf(1μA)。Vf隨著環境溫度之上昇而呈現單調減少。將該關係圖表化，而得到溫度及Vf之變化關係。施加電流時之接面溫度，係測量施加電流前之Vf(1μA)，進行充份施加電流而使元件溫度成為一定時之Vf(1μA)的測量。以施加前後之Vf(1μA)的變化量來匯整溫度上昇之變化量。再加上環境溫度即可得到接面溫度。
(實施例1～9、比較例1)
將前述第1實施形態(參照第2圖)～第6實施形態(參照第11圖)所說明之6種半導體發光元件，分別安裝於氮化鋁(AlN)製之副裝配件基板上。
此外，如第12(a)圖～第12(c)圖所示，第3實施形態(參照第8圖)、第5實施形態(參照第10圖)及第6實施形態(參照第11圖)所說明之半導體發光元件，形成未具有第2電極之枝部之構造的3種半導體發光元件。將該等分別稱為第7實施形態(參照第12(a)圖)、第8實施形態(參照第12(b)圖)及第9實施形態(參照第12(c)圖)。將該等3種實施形態之半導體發光元件，同樣地，安裝至氮化鋁(AlN)製之副裝配件基板上。此外，如第12(a)圖～第12(c)圖所示之3種半導體發光元件，對與第1實施形態(參照第2圖)相同之構成，賦予相同符號。
其次，針對該等9種半導體發光元件，進行如表1所示之3種電流值(20mA、80mA、150mA)之順向電壓(Vf：單位V)及發光量(Po：單位mW)的測量，測量各條件下之接面溫度(單位：℃)。此外，以比較為目的，如第12(d)圖所示，將傳統半導體發光元件安裝於氮化鋁(AlN)製之副裝配件基板上，進行同樣之測量。結果如表1所示。
從表1所示結果可知，9種實施形態(第1實施形態～第9實施形態)之半導體發光元件，相較於傳統半導體發光元件(比較例)，接合部溫度(接面溫度)較低(實施例1～實施例9/比較例(105℃))。其應係相較於傳統半導體發光元件(比較例)，藉由使第1電極170露出之第1開口部170a較大，可以提高散熱性。
此外，9種實施形態(第1實施形態～第9實施形態)之半導體發光元件之間，因為具有第2電極之枝部，Vf(順向電壓)及接面溫度較低，而呈現良好電力效率之傾向。
例如，將沒有第2電極之枝部的第1實施形態(第2圖：接面溫度96℃(實施例1))及有第2電極之枝部的第2實施形態(第7圖：接面溫度89℃(實施例2))進行比較，將沒有第2電極之枝部之第7實施形態(第12(a)圖：接面溫度95℃(實施例7))及有第2電極之枝部之第3實施形態(第8圖：接面溫度89℃(實施例3))進行比較，將沒有第2電極之枝部之第8實施形態(第12(b)圖：接面溫度92℃(實施例8))及有第2電極之枝部之第5實施形態(第10圖：接面溫度91℃(實施例5))進行比較等。
1、2、3、4、5、6、7、8、9、10．．．半導體發光元件
10B．．．配線基板
20．．．凸塊(焊錫)
100．．．層合半導體層
110．．．基板
120．．．中間層
130．．．基底層
140．．．n型半導體層
140c．．．半導體層露出面
150．．．發光層
160．．．p型半導體層
160c．．．上面
170．．．第1電極
170a．．．第1開口部
171．．．第1導電層
172．．．金屬反射層
173．．．第1接合層
174．．．第1密貼層
180．．．第2電極
180a．．．第2開口部
180b．．．枝部
180c．．．第2枝部
181．．．第2導電層
182．．．第2接合層
183．．．第2密貼層
190．．．保護層
第1圖係適用於第1實施形態之半導體發光元件之剖面模式圖的例圖。
第2圖係從第1圖所示之II方向觀察第1圖所示之半導體發光元件之平面模式圖的例圖。
第3圖係構成半導體發光元件之層合半導體之剖面模式圖的例圖。
第4圖係第1電極之剖面模式圖的例圖。
第5圖係第2電極之剖面模式圖的例圖。
第6圖係適用於第2實施形態之半導體發光元件之剖面模式圖的例圖。
第7圖係第6圖所示之半導體發光元件之平面模式圖的例圖。
第8圖係適用於第3實施形態之半導體發光元件之平面模式圖的例圖。
第9圖係適用於第4實施形態之半導體發光元件之平面模式圖的例圖。
第10圖係適用於第5實施形態之半導體發光元件之平面模式圖的例圖。
第11圖係適用於第6實施形態之半導體發光元件之平面模式圖的例圖。
第12圖係適用於第7~9實施形態之半導體發光元件之平面模式圖的例圖。
第13圖係適用於本實施形態之半導體發光裝置之剖面模式圖的例圖。
1．．．半導體發光元件
140c．．．半導體層露出面
160c．．．上面
170．．．第1電極
170a．．．第1開口部
180．．．第2電極
180a．．．第2開口部

Claims (9)

  1. 一種半導體發光元件，其特徵為具備：層合半導體層，於基板上層合著具有第1導電型之第1半導體層、發光層、以及具有與該第1導電型不同之第2導電型之第2半導體層；第1電極，形成於前述層合半導體層之前述第1半導體層表面，具有用以與外部進行電性連接之第1開口部；以及第2電極，形成於藉由前述層合半導體層之一部分形成缺口而露出之前述第2半導體層表面，具有用以與外部電性連接之第2開口部；前述第1開口部，係具有平面視時於該第1開口部之前述第2開口部側，形成有用以保持與該第2開口部之外緣部大致相等之間隔而形成之圓弧狀部分，前述第1開口部係露出前述第1電極之一部分而形成，前述第2開口部係露出前述第2電極之一部分而形成，前述第2電極係平面視之，具有沿著前述基板之外周緣而分歧，且沿著前述第1電極之外周緣之至少一個枝部。
  2. 如申請專利範圍第1項所記載之半導體發光元件，其中前述基板之平面形狀係長方形或正方形，前述第1開口部之前述圓弧狀部分，係以與前述第2開口部之外緣部至少保持相當於前述基板之短邊之10%之長度間隔來形成。
  3. 如申請專利範圍第1項所記載之半導體發光元件，其中前述第1開口部之面積，係具有前述第1電極之表面積的至少30%。
  4. 如申請專利範圍第1項所記載之半導體發光元件，其中前述第2電極，具有平面視時形成於使前述層合半導體層之一部分從前述基板之對角線方向所形成之缺口而露出之前述第2半導體層表面之至少1個枝部。
  5. 如申請專利範圍第1項所記載之半導體發光元件，其中前述層合半導體層，係由III族氮化物半導體所構成。
  6. 如申請專利範圍第1項所記載之半導體發光元件，其中具備：第1連接子，形成於前述第1電極之前述第1開口部，具有導電性用以進行前述第1電極與外部之電性連接；及第2連接子，形成於前述第2電極之前述第2開口部，具有導電性用以進行前述第2電極與外部之電性連接。
  7. 如申請專利範圍第1項所記載之半導體發光元件，其中前述基板係具有光透射性。
  8. 如申請專利範圍第1項所記載之半導體發光元件，其中 前述基板係由藍寶石所構成。
  9. 一種半導體發光裝置，其特徵為具有：半導體發光元件，具備：依序層合著具有第1導電型之第1半導體層、發光層、具有與該第1導電型為不同之第2導電型之第2半導體層的層合半導體層；形成於該層合半導體層之該第1半導體層表面，具有用以進行與外部之電性連接之第1開口部的第1電極；以及形成於從該層合半導體層之缺口部分露出之該第2半導體層表面，具有用以進行與外部之電性連接之第2開口部的第2電極；該第1開口部，具有平面視時，於該第1開口部之該第2開口部側，形成有用以保持與該第2開口部之外緣部大致相等之間隔而形成之圓弧狀部分；及電路基板，具備：前述半導體發光元件之具備前述第1電極及前述第2電極之側係以相對方式配置，利用連接子連接該第1電極及該第2電極之一對配線，前述第1開口部係露出前述第1電極之一部分而形成，前述第2開口部係露出前述第2電極之一部分而形成，前述第2電極係平面視之，具有沿著前述基板之外周緣而分歧，且沿著前述第1電極之外周緣之至少一個枝部。
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