TWI502774B - Semiconductor light emitting element and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本發明係關於一種半導體發光元件及其製造方法，特別是關於一種提升發光輸出之半導體發光元件及其製造方法。
近年來，隨著LED(半導體發光元件)用途之多樣化，亦期盼LED之高輸出化。
一般而言，LED之構成，係以一對電極挾持包含例如n型半導體層、活性層及p型半導體層之半導體積層體。對此種LED施加電壓時，在活性層產生光，此光等向地射向全方位。此種光之中，已知射向光取出側之電極部之光會被該電極部吸收及/或反射而不會放出至LED外部，會對光取出效率造成影響。
特別是在藉由MOCVD(有機金屬化學氣相沉積)法等所積層之薄膜之半導體層，會有在緊接光取出側之電極部之下方位置之活性層產生之光之大部分被該電極部吸收及/或反射而導致光取出效率大幅降低之問題。
為了解決上述問題，專利文獻1揭示一種技術，其將由InGaP材料構成之中間能量隙層適當配置於光取出側之電極部，藉此在緊接該電極部之下方位置以外之活性層亦擴張發光區域，據以提升光取出效率。
又，專利文獻2揭示一種技術，其僅在緊接光取出側之電極部之下方以外之一部分形成接觸部，以謀求電流狹窄導致之內部量子效率之提升與產生之光之光取出效率之提升。
此外，以往，活性層之發光區域位於離緊接光取出側之電極部之下方位置愈遠之位置，則光取出側之電極部造成之光之遮蔽之影響愈少，一般係藉由加大緊接光取出側之電極部之下方位置與和該電極部成對之電極部之間之距離，據以提升LED之光取出效率。
然而，僅加大上述距離之情形，光取出側之電極部與和該電極部成對之電極部之間之距離亦加大，會有電流流過該等之間時之電阻增加之問題，儘管如此，習知技術中皆未考慮此電阻造成之順向電壓之增加。又，亦未考慮關於緊接光取出側之電極部之下方位置與和該電極部成對之電極部之間之距離及發光輸出之關係。
專利文獻1：日本特開平3－3373號公報
專利文獻2：日本特開2007－221029號公報
本發明之目的在於提供一種以適當位置關係配置作為光取出側之電極部之上側電極部與作為和該電極部成對之電極部之中間電極部，據以在維持低順向電壓之狀態下提升發光輸出之半導體發光元件及其製造方法。
為了達成上述目的，本發明之主要構成如下述。
(1)一種半導體發光元件，係在支承基板之上面側依序具備包含中間電極部之中間層、第2導電型半導體層、活性層、第1導電型半導體層及上側電極部，在該支承基板之下面側具備下側電極層，其特徵在於：該中間層具有線狀或島狀延伸之至少一個中間電極部；將該上側電極部與該中間電極部投影至與該支承基板之上面平行之假想面上時，該上側電極部與該中間電極部為彼此錯開之位置關係，且使該上側電極部與該中間電極部之至少一者之輪廓線以既定振幅延伸，以部分縮短該上側電極部與和該上側電極部對向之該中間電極部之間之輪廓線間距離。
(2)如上述(1)記載之半導體發光元件，其中，該輪廓線間距離之最大值與最小值之差在5～50μm之範圍。
(3)如上述(1)或(2)記載之半導體發光元件，其中，在該支承基板與該中間層之間進一步設置作為反射層之金屬層。
(4)一種半導體發光元件之製造方法，其具有：在成長基板之上方依序形成第1導電型半導體層、活性層及第2導電型半導體層之步驟；在該第2導電型半導體層上形成包含中間電極部之中間層之步驟；在該中間層之上方接合支承基板之步驟；將該成長基板除去以使該第1導電型半導體層露出之步驟；以及在該露出之第1導電型半導體層上形成上側電極部之步驟；將該上側電極部與該中間電極部投影至與該支承基板之上面平行之假想面上時，該上側電極部與該中間電極部為彼此錯開之位置關係，且使該上側電極部與該中間電極部之至少一者之輪廓線以既定振幅延伸，以部分縮短該上側電極部與和該上側電極部對向之該中間電極部之間之輪廓線間距離。
(5)如上述(4)記載之半導體發光元件之製造方法，其中，該輪廓線間距離之最大值與最小值之差在5～50μm之範圍。
(6)如上述(4)或(5)記載之半導體發光元件之製造方法，其進一步具有在該中間層上形成作為反射層之金屬層之步驟。
本發明之半導體發光元件，藉由以適當位置關係配置上側電極部與中間電極部，可在維持低順向電壓之狀態下提升發光輸出。
本發明之半導體發光元件之製造方法，可製造藉由以適當位置關係配置上側電極部與中間電極部，可在維持低順向電壓之狀態下提升發光輸出之半導體發光元件。
接著，參照圖式說明本發明之半導體發光元件之實施形態。
圖1(a)及圖1(b)係分別以示意方式顯示本發明之半導體發光元件之晶片切割前之截面構造及晶片切割後之既定晶片之俯視圖。
如圖1(a)所示，本發明之半導體發光元件1，在支承基板2之上面側依序具備包含中間電極部3a之中間層3、第2導電型半導體層4、活性層5、第1導電型半導體層6及上側電極部7，在支承基板2之下面側具備下側電極層8，中間層3具有線狀或島狀延伸之至少一個中間電極部3a。
又，將該等上側電極部7與該中間電極部3a投影至與支承基板2之上面平行之假想面上時，上側電極部7與中間電極部3a為彼此錯開之位置關係，且使上側電極部7與中間電極部3a之至少一者之輪廓線(圖1(b)中，上側電極部7之輪廓線)以既定振幅延伸，以部分縮短上側電極部7與和上側電極部7對向之中間電極部3a之間之輪廓線間距離d。此處，「以既定振幅延伸」，如圖1(b)及圖2(a)所示，係指上側電極部7與中間電極部3a之至少一者之輪廓線(圖1(b)及圖2(a)中，上側電極部7之輪廓線)延伸成波線之狀態，並不包含如圖2(b)及圖2(c)所示之狀態。
如上述，藉由將上側電極部7與中間電極部3a配置成為彼此錯開之位置關係，活性層5之發光區域相對上側電極部7錯開，可提升光取出效率及發光輸出，又，藉由部分縮短輪廓線間距離d，在此區域之電流密度變高，由於載子集中因此再耦合機率提高，可提升發光輸出。又，輪廓線間距離d之最小值d1雖對順向電壓造成影響，但例如分別比較圖1(b)與圖2(c)、圖2(a)與圖2(b)可知，使輪廓線間距離d之最小值d1相同時，圖1(b)及圖2(a)所示之例中，由於載子集中在輪廓線間距離d較短之部分因此再耦合機率提高，除此之外，由於上側電極部之面積變小因此半導體發光元件之發光輸出變大。
輪廓線間距離d之最大值d2與最小值d1之差d2－d1，較佳為在5～50μm之範圍。差d2－d1未滿5μm時，成為接近圖2(b)或圖2(c)所示之例之形狀，無法獲得上述延伸配置之效果，而有無法充分獲得藉由部分縮短輪廓線間距離d，在此d較短部分附近之電流密度變高，由於載子集中因此再耦合機率提高之本發明之效果之虞。另一方面，差d2－d1超過50μm時，在輪廓線間距離d分離之區域會有電流幾乎無法流過之情形，由於實質上發光面積減少，因此會有無法獲得發光輸出之提升效果之虞。
作為構成第2導電型半導體層4、活性層5、第1導電型半導體層6之材料，可舉出例如AlGaAs系材料及AlGaInP系材料，可依據該等材料適當選擇支承基板2之材料。該等層4,5,6及支承基板2之厚度可分別為1～10μm、10～500nm(總厚度)、1～10μm及100～400μm。此外，設第1導電型半導體層6為p型層時設第2導電型半導體層4為n型層，相反之情形亦同。
上側電極部7可為具有例如由AuGe系合金材料構成之電阻接觸(Ohmic contact)層(50～500nm)及在Ti材料上積層Au材料之引線接合用之焊墊層(1～3μm)之構造，可依據支承基板2之材料適當選擇下側電極層8之材料。
中間電極部3a之材料可為例如AuZn系合金材料，中間層3之中間電極部3a以外之部分，能以例如由SiO2或Si3N4材料構成之絕緣材料形成。由於期盼晶圓接合時表面凹凸較少，因此中間電極部3a與絕緣材料層較佳為相同厚度，中間層3之厚度較佳為50～500nm。其原因在於，厚度未滿50nm會有絕緣不充分之虞，又，雖超過500nm亦可獲得本發明之效果，但厚度超過500nm時無法忽視絕緣材料對光之影響，又，亦無法期盼增厚導致之效果而會不敷成本。
又，較佳為，在支承基板2與中間層3之間進一步設置作為反射層之金屬層9。其原因在於，從上側電極部7高效率取出在活性層5產生之光之中、射向支承基板2側之光。金屬層9可為例如Au、Al、Cu或焊料材料等之接合用金屬材料，在發光層產生紅～紅外之波長之光時，較佳為在相同波長範圍具有高光反射率之Au材料，其厚度較佳為100～1000nm之厚度。未滿100nm時，會有光反射率變差之情形，雖超過1000nm之厚度亦可獲得本發明之效果，但無法期盼光反射率變高之效果而會不敷成本。
接著，參照圖式說明本發明之半導體發光元件之製造方法之實施形態。圖3(a)～圖3(h)係以示意方式顯示本發明之半導體發光元件之製程。
本發明之半導體發光元件1之製造方法，如圖3(a)所示，在成長基板10之上方依序形成第1導電型半導體層6、活性層5及第2導電型半導體層4。該等層6,5,4可例如使用MOCVD法藉由磊晶成長形成。成長基板10可為例如GaAs基板，其厚度雖未特別限定，但可為200～400μm。
接著，如圖3(b)及圖3(c)所示，在第2導電型半導體層4上形成包含中間電極部3a之中間層3。中間電極部3a，係例如藉由濺鍍法、電子束蒸鍍法或電阻加熱蒸鍍法在第2導電型半導體層4上蒸鍍後，如圖3(b)所示，蝕刻成既定形狀。之後，藉由施加既定熱處理能使與第2導電型半導體層4之間之接觸電阻降低。接著，在中間電極部3a及第2導電型半導體層4上例如藉由濺鍍法或電漿CVD(化學氣相沉積)法使絕緣膜成膜，藉由例如濕式蝕刻或乾式蝕刻將中間電極部3a上方之絕緣膜除去，形成圖3(c)所示之中間層3。
接著，如圖3(d)及圖3(e)所示，在中間層3之上方接合支承基板2。此時，較佳為，預先在中間層3上形成作為反射層之金屬層9。金屬層9可藉由將例如Au、Al、Cu或焊料材料等之接合用金屬材料蒸鍍來形成，特別是，更加為以可在低溫下接合、且氧化或腐蝕較少之Au材料形成。又，在此金屬層9上形成例如由Pt材料構成之擴散防止層(50～200nm)及例如由Au材料構成之接合層(1～2μm)亦可。相對於此，較佳為，在支承基板2上預先形成例如由AuGe系合金材料構成之電阻接觸層(50～500nm)、例如由Ti材料構成之密合層(50～200nm)及例如由Au材料構成之接合層(1～2μm)。又，支承基板2之接合較佳為在例如250～400℃之範圍之溫度下加熱壓接15～120分。藉由透過金屬層接合，可在低溫下進行基板接合，能在半導體層之特性或構造不會變差之情況下進行接合。
之後，如圖3(f)所示，將成長基板10除去以使第1導電型半導體層6露出。成長基板10之除去可藉由例如研磨或溼式蝕刻進行，可依據成長基板10之材料適當選擇蝕刻液。
如圖3(g)所示，在露出之第1導電型半導體層6上形成上側電極部7。此上側電極部7係形成為例如在電阻接觸層上蒸鍍焊墊層，在光微影後施加溼式蝕刻，從上側電極部7之上方側投影觀察支承基板2之上面時，上側電極部7與中間電極部3a為彼此錯開之位置關係。又，蝕刻成如圖1(b)或圖2(a)所示之形狀，亦即，使上側電極部7與中間電極部3a之至少一者之輪廓線以既定振幅延伸，以部分縮短上側電極部7與和上側電極部7對向之中間電極部3a之間之輪廓線間距離d。如上述，藉由將上側電極部7與中間電極部3a配置成為彼此錯開之位置關係，活性層5之發光區域相對上側電極部7錯開，可提升光取出效率及發光輸出，又，藉由部分縮短輪廓線間距離d，在此區域之電流密度變高，由於載子集中因此再耦合機率提高，可提升發光輸出。
之後，藉由施加既定熱處理，能使與第1導電型半導體層6之間之電阻抵抗降低。
又，在支承基板2之下面側蒸鍍形成下側電極層8，如圖3(h)所示進行晶片切割。
本發明之半導體發光元件能使用上述方法製造。
上述內容僅為本發明實施形態之一例，可在申請專利範圍施加各種變更。
(實施例)
接著，試作本發明之半導體發光元件，並評估其性能，以下開始說明。
實施例具有圖1(a)所示之截面構造，在由GaAs材料構成之成長基板(厚度：280μm)上，使用MOCVD法以一次磊晶成長依序形成由AlGaAs材料構成之n型半導體層(厚度：5μm、摻質：Te、濃度：5×1017/cm3)、InGaAs/AlGaAs多重量子位井構造之活性層(厚度：8/5nm、3組、總厚度：約50nm)及由AlGaAs材料構成之p型半導體層(厚度：2μm、摻質：C、濃度：1×1018/cm3)，藉由電阻加熱蒸鍍法蒸鍍由AuZn合金(Zn含有率：5質量%)構成之中間電極部材料，藉由既定光微影後之蝕刻形成中間電極部(厚度：100nm)後，為了取得電阻接觸，施加400℃之熱處理。
接著，藉由電漿CVD法，在中間電極部及p型半導體層上使Si3N4材料成膜，藉由使用BHF蝕刻液之濕式蝕刻，將中間電極部上方之Si3N4材料除去以形成中間層。
在中間層上藉由電子束蒸鍍法形成由Au材料構成之金屬層(厚度：500nm)作為反射層，在此金屬層上形成由Pt材料構成之擴散防止層(厚度：100nm)及由Au材料構成之接合層(厚度：1μm)。又，準備用於接合之由GaAs材料構成之支承基板(厚度：280μm、摻質：Si、濃度：2×1018/cm3)，在其上預先形成由AuGe系合金(Ge含有率：12質量%)材料構成之電阻接觸層(厚度：200nm)、由Ti材料構成之密合層(厚度：100nm)及由Au材料構成之接合層(厚度1μm)。將該等中間層之接合層與支承基板之接合層以350℃加熱壓接30分，進行支承基板之接合。對以此方式獲得之構造物，在室溫之氨水：過氧化氫水：水=1：12：18(體積比)之液中搖動2小時，藉此進行濕式蝕刻，進行成長基板之除去。
接著，在露出之n型半導體層上，藉由低溫加熱蒸鍍法，在由AuGe系合金(Ge含有率：12質量%)材料構成之電阻接觸層(厚度：200nm)及Ti材料上積層Au材料並蒸鍍焊墊層(Ti厚度：100nm、Au厚度：2μm)，在光微影後施加濕式蝕刻，從上側電極部之上方側投影觀察支承基板之上面時，上側電極部與中間電極部形成為圖1(b)、圖4或圖2(c)所示之位置關係(表1中，此等稱為上側波線、下側波線或上下直線)後，施加380℃之熱處理。此外，圖1(b)、圖4或圖2(c)中，形成在晶片角落之部分係引線接合用之焊墊部(100μm見方)，從此部分延伸寬度20μm之上側電極。
最後，使用磷酸及過氧化氫水之混合液進行蝕刻形成台面，使用切刀進行晶片切割以製作500μm見方之正方形晶片。
將以此方式製作之晶片設置於積分球，測定以電流20mA通電時之順向電壓Vf(V)及發光輸出Po(mW)。此等之結果如表1所示。此外，光輸出係使用全光束分光測定系統(Labshere公司製SLMS-1021-S)測定。
從表1之結果可知，實施例1～5相較於比較例1及2，在維持低順向電壓之狀態下可提升發光輸出。
特別是關於順向電壓，雖可觀察出與輪廓線間距離之最小值d1之明確相關，但相反地若d1相同，則幾乎無法觀察出電極形狀之差異。
又，關於發光輸出，為了維持低順向電壓而將輪廓線間距離之最小值d1如上述實施例及比較例設成30～50μm之情形，當輪廓線間距離之最大值－最小值(d2－d1)之值為15μm時獲得最大之輸出，相反地增加延伸之振幅時可觀察出輸出降低之傾向。關於此可考慮以下原因。
增加延伸之振幅時，輪廓線間距離之最大值d2增加。隨著電極間距離變大，電流密度減少，因此形成電流幾乎不會流過之區域。在發光區域內電流密度低之區域(發光輸出非常低之區域)增加可考慮為輸出降低之主要原因。輪廓線間距離之最大值－最小值(d2－d1)之值過大時，載子集中在輪廓線間距離d較短之部分，雖再耦合機率提升導致輸出提升之效果，但上述輸出降低效果亦變大，其結果，相較於輪廓線間距離之最大值－最小值(d2－d1)之值適當之情形，會有發光元件之光輸出變小之情形。
進一步比較上側波線與下側波線時，會有相同延伸振幅下，上側波線之輸出變高之結果。隨著電極間距離愈大電流密度愈低，延伸電極之振幅方向之中央(d成為最大之部位)形成電流密度最低之區域。上側波線中，上述低電流密度區域到達不利於光取出之上面電極下，因此相較於下側波線輸出變高。
根據本發明，可提供以適當位置關係配置上側電極部與中間電極部，據以在維持低順向電壓之狀態下提升發光輸出之半導體發光元件。
1．．．半導體發光元件
2．．．支承基板
3．．．中間層
3a．．．中間電極部
4．．．第2導電型半導體
5．．．活性層
6．．．第1導電型半導體
7．．．上側電極部
8．．．下側電極層
9．．．金屬層
10．．．成長基板
圖1(a)、(b)係顯示本發明之半導體發光元件的示意圖。
圖2(a)～(c)係顯示半導體發光元件之上側電極部之例的俯視圖。
圖3(a)～(h)係顯示本發明之半導體發光元件之製程的示意圖。
圖4係顯示半導體發光元件之上側電極部之例的俯視圖。
1．．．半導體發光元件
2．．．支承基板
3．．．中間層
3a．．．中間電極部
4．．．第2導電型半導體
5．．．活性層
6．．．第1導電型半導體
7．．．上側電極部
8．．．下側電極層
9．．．金屬層
d．．．輪廓線間距離
d1．．．最小值
d2．．．最大值
Claims (6)
- 一種半導體發光元件，係在支承基板之上面側依序具備包含中間電極部之中間層、第2導電型半導體層、活性層、第1導電型半導體層及上側電極部，在該支承基板之下面側具備下側電極層，其特徵在於：該中間層具有線狀或島狀延伸之至少一個中間電極部；將該上側電極部與該中間電極部投影至與該支承基板之上面平行之假想面上時，該上側電極部與該中間電極部為彼此錯開之位置關係，且使該上側電極部與該中間電極部之至少一者之輪廓線以既定振幅延伸，以部分縮短該上側電極部與和該上側電極部對向之該中間電極部之間之輪廓線間距離。
- 如申請專利範圍第1項之半導體發光元件，其中，該輪廓線間距離之最大值與最小值之差在5～50μm之範圍。
- 如申請專利範圍第1或2項之半導體發光元件，其中，在該支承基板與該中間層之間進一步設置作為反射層之金屬層。
- 一種半導體發光元件之製造方法，其具有：在成長基板之上方依序形成第1導電型半導體層、活性層及第2導電型半導體層之步驟；在該第2導電型半導體層上形成包含中間電極部之中間層之步驟；在該中間層之上方接合支承基板之步驟；將該成長基板除去以使該第1導電型半導體層露出之步驟；以及在該露出之第1導電型半導體層上形成上側電極部之步驟；將該上側電極部與該中間電極部投影至與該支承基板之上面平行之假想面上時，該上側電極部與該中間電極部為彼此錯開之位置關係，且使該上側電極部與該中間電極部之至少一者之輪廓線以既定振幅延伸，以部分縮短該上側電極部與和該上側電極部對向之該中間電極部之間之輪廓線間距離。
- 如申請專利範圍第4項之半導體發光元件之製造方法，其中，該輪廓線間距離之最大值與最小值之差在5～50μm之範圍。
- 如申請專利範圍第4或5項之半導體發光元件之製造方法，其進一步具有在該中間層上形成作為反射層之金屬層之步驟。
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