TWI538249B

TWI538249B - Semiconductor light emitting device

Info

Publication number: TWI538249B
Application number: TW102103285A
Authority: TW
Inventors: Tetsuji Matsuo
Original assignee: Sanken Electric Co Ltd
Priority date: 2012-01-30
Filing date: 2013-01-29
Publication date: 2016-06-11
Also published as: TW201332152A; JP3174849U

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。

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。導電性基板之採用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1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1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，本發明係提供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，本發明具備：基板，具有一主面與另一主面且具有導電性；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、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，至少具備具有前述第1半導體層之在俯視下形成為具有超過4個未滿180度之內角之多角形之第1半導體區域或具有前述第2半導體層之在俯視下形成為具有超過4個未滿180度之內角之多角形之第2半導體區域；接合墊，設於前述主半導體區域上；以及短路電極，電性連接前述第1半導體層之外周側面一部分與前述基板之一主面之間；前述短路電極形成於前述基板之角部。

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。

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及圖2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5×10¹⁸~5×10¹⁸cm^-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。

圖3係圖示習知例與本發明之半導體發光裝置中光從接合墊20正下方之主半導體區域2之行進方向，並加以比較之圖。圖3(a)係主半導體區域2形成為四角形(大致正方形)之習知例之半導體發光裝置之俯視圖。另一方面，圖3(b)係主半導體區域2形成為具有超過4個未滿180度之內角之多角形環狀之本發明之半導體發光裝置。

圖3(a)中，從接合墊20往半導體基板1之外周邊垂直行進之光(箭頭B1)係對主半導體區域2之外周邊垂直地進入。因此，在主半導體區域2之側面反射之光量少，能以良好效率擷取光。

然而，從接合墊20放射狀地往半導體基板1之角部行進之光(箭頭B2)，係對主半導體區域2之外周邊從俯視下傾斜方向(圖3(a)中為約45°)進入。因此，該光之大部分被主半導體區域2之側面往內側反射，往外部擷取之光減少，光擷取效率低。

另一方面，圖3(b)所示之本發明之半導體發光裝置之主半導體區域2，由於形成為具有超過4個未滿180度之內角之多角形環狀，因此即使係與圖3(a)之情形同樣地從接合墊20放射狀地往半導體基板1之角部行進之光(箭頭B2)，亦對主半導體區域2之外周邊垂直地進入。因此，在主半導體區域2之側面反射之光量少，能以良好效率擷取光。

亦即，本發明之半導體發光裝置，特別是在半導體基板1之角部之光之擷取效率被顯著地改善。

如圖1所示，在形成保護元件形成區域7之半導體基板1之一角部與位於對角線上之另一角部，形成短路電極50。在接合墊20正下方，由於電流較其外周部集中，因此產生較大之光。接著，該光雖主要從主半導體區域2之側面擷取，但如圖2所示，使n型半導體層11之側面與半導體基板1之一主面5之間電性短路之短路電極50係以覆蓋n型半導體層11側面之一部分之方式形成。因此，若於以光擷取效率高之區域即兩條虛線C所夾之區域及兩條虛線D所夾之區域配置短路電極50，則應往外部擷取之光之多數會被短路電極50阻礙。因此，短路電極50最好係配置於光擷取效率較半導體基板1之角部高之處即兩條虛線C所夾之區域及兩條虛線D所夾之區域之範圍外。

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，例如能作成於包含鎳(Ni)之金屬層(以下稱Ni層)上積層有Al層之複合膜。又，在包含In、Sn或Zn之透明導電性材料中亦能取得良好之接觸電阻。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，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形成為覆蓋n型半導體層11之外周側面一部分與半導體基板1之一主面5。如圖2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θ 1越接近直角，則沿此段差部分形成之短路電極50斷線之危險性則越高。若該角度θ 1為60°以上，則短路電極50斷線之危險性會急遽地提高。

因此，最好係在形成短路電極50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，最好係在未形成短路電極50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θ 1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θ 1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θ 1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θ 1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θ 1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θ 1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由形成為大致矩形之基板1中央附近所形成之接合墊電極部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，雖例示了具備在俯視下由具有超過4個未滿180度之內角之多角形構成之主半導體區域2之半導體發光裝置，但亦能例如圖5所示，作成於半導體基板1之角部形成有圓弧狀之主半導體區域2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

17‧‧‧絕緣膜

19‧‧‧光透射性導電膜

22‧‧‧帶狀連接導體層

50‧‧‧短路電極

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係顯示習知例與本發明之光之行進方向之圖。(a)係習知例之半導體發光裝置之俯視圖，(b)係本發明之第1實施形態之半導體發光裝置之俯視圖。

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係顯示本發明其他實施形態之半導體發光裝置之俯視圖。