專利名稱：發(fā)光元件及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明系關于發(fā)光元件及其制造方法。
背景技術：
為使發(fā)光二極管或半導體激光器等發(fā)光元件高亮度化，由元件的光取出效率是極為重要的。因此，在非專利文獻1中公開了以下技術，即在發(fā)光層部中除去成長用基板的GaAs基板，另一方面，將補強用的導電性基板通過反射用金屬層貼合于該除去面。
非專利文獻1日經電子2002年10月21日號124頁～132頁。

發(fā)明內容
上述方法采用的方式，是在發(fā)光層部一側與導電性基板的雙方皆形成Au層，并使該Au層彼此貼合，但其有下述缺點(1)由于必須形成2個Au層，故費工。
(2)若形成的Au層的膜厚不均、發(fā)光層部厚度不均、或產生基板彎曲等，則無法得到均勻的貼合狀態(tài)，而降低由貼合晶片的切割制得元件晶片的成品率。
(3)為堅固地貼合Au層彼此，必須進行使Au層彼此緊密貼合的熱處理。在該熱處理時，形成于發(fā)光層部與反射層(非專利文獻中為Al層)間的接觸層(接合合金化層)的成分會擴散至反射層面內，而易使反射率降低。
本發(fā)明的課題是提供一種發(fā)光元件及其制造方法，該發(fā)光元件具有通過反射用金屬層將補強用的導電性基板貼合于發(fā)光層部的構造，并且，易于制造，且亦可良好地維持金屬層形成的反射面的反射率。
為解決上述課題，本發(fā)明的發(fā)光元件到的特征在于將具有發(fā)光層部的化合物半導體層的第一主表面作為光取出面，在該化合物半導體層的第二主表面通過反射金屬層結合導電性的元件基板，并且，將反射金屬層與元件基板，通過將導電性粒子以高分子結合材結合的導電性粘著材層貼合。
另，本發(fā)明的發(fā)光元件的制造方法的特征在于在化合物半導體層(以第一主表面作為光取出面且具有發(fā)光層部)的第二主表面?zhèn)刃纬煞瓷浣饘賹?，將導電性元件基板的第一主表面與反射金屬層的第二主表面，通過將導電性粒子以高分子結合材結合的導電性粘著材層貼合，由此制作貼合基板，而將該貼合基板切割成元件晶片。
根據(jù)上述本發(fā)明的發(fā)光元件及其制造方法，由于在含有發(fā)光層部的化合物半導體層側形成反射金屬層，且將其透過導電性粘著材層貼合于元件基板側，故不須如非專利文獻1為了貼合于元件基板側而形成多余的金屬層，可減少金屬層形成的工作量而容易制造。
另，由于導電性粘著材層的可撓性良好，故即使導電性粘著材層側或元件基板側發(fā)生少許凹凸或彎曲等，亦可將兩者均一且高強度地貼合，而提升由切割貼合基板所制得元件晶片的成品率。特別是導電性粘著材層如果由加熱硬化性高分子材料形成，未硬化的導電性粘著材層的可撓性特別良好，容易吸收凹凸和彎曲等，故效果良好。此時，在元件基板的第一主表面與反射金屬層的第二主表面間，可重疊配置未硬化的導電性粘著材層，在該狀態(tài)通過加熱硬化處理進行貼合。
更具體而言，可將以未硬化的導電性粘著材構成的焊劑涂布于反射金屬層或元件基板之一，由此形成導電性粘著材層。導電性粘著材的焊劑，具有填充凹凸及彎曲效果良好的優(yōu)點。另一方面，亦可將以未硬化的導電性粘著材構成的可撓性板貼附于反射金屬層或元件基板之任一上，由此形成導電性粘著材層。預先形成的板狀的導電性粘著材的厚度極為均一，故不會產生焊劑涂布不均的情況，而容易得到均一的貼合狀態(tài)。
本發(fā)明的發(fā)光元件中，可在反射金屬層與化合物半導體層間，形成分散的接觸電阻減低用的接合合金化層。由此，金屬反射層可兼作為元件基板、及對發(fā)光層部施加電壓用的電極。又，在化合物半導體層的第二主表面形成分散的接觸電阻減低用接合合金化層，并進行合金化熱處理使金屬層形成接合合金化層，并且在合金化熱處理之后，以低于合金化熱處理的溫度進行導電性粘著材層的加熱硬化處理(即，高分子結合材，是以低于接合合金化層的合金化熱處理溫度來進行加熱硬化處理的)。
導電性粘著材層的高分子結合材，1液型與2液型皆可使用。1液型是由溶劑蒸發(fā)來進行高分子的硬化的，例如，可使用丙烯酸系材料。1液型的場合，以涂布來進行層形成時，導電性粘著材需添加相當量的溶劑來形成涂料狀，而有因溶劑蒸發(fā)時所產生的氣泡引起化合物半導體層的剝離或產生裂痕等問題。另一方面，2液型，是以主劑及硬化劑的混合作為硬化的開始，故硬化(curing)溫度可任意設定為高于室溫到180℃的范圍之內，且只需少量溶劑。且容易加工成板狀。代表性的2液型有環(huán)氧系高分子材料及氨基甲酸系高分子材料。特別是若采用環(huán)氧系高分子材料，則粘著性佳，又，即使以到160℃為止的低溫亦可迅速且充分地進行硬化處理，再者，硬化溫度的調整也很容易，故適于本發(fā)明。且，環(huán)氧系高分子材料亦有容易加工成未硬化板的優(yōu)點。
無論使用1液型或2液型，導電性粘著材層的加熱硬化處理溫度，可控制在遠低于一般需超過300℃的合金化熱處理的溫度。其結果，導電性粘著材層的加熱硬化處理時，可有效抑制形成于化合物半導體層與反射層間的接合合金化層的成分擴散到反射面內而使反射率降低。此時，合金化處理后，以覆蓋化合物半導體層的第二主表面(分散形成有接合合金化層)的方式形成反射金屬層，且只要通過之后進行的導電性粘著材層的加熱硬化處理，亦可防止合金化熱處理時接合合金化層的成分擴散到反射面內，具有更良好的效果。
作為導電性粒子，可采用Ag系金屬粒子、Al系金屬粒子、Cu系金屬粒子、或Ni系金屬粒子等，若考慮導電性及抗氧化性的性能與價格的平衡，則以Ag系金屬粒子為最佳。另外，亦可采用碳黑等非金屬的導電粒子。
作為元件基板，雖亦可采用與以往的發(fā)光元件相同的Si基板，但若以金屬基板來構成，則該元件基板可具備散熱(heatsink)作用，而在發(fā)光元件驅動時可促進元件的散熱，故可延長元件的壽命。金屬基板的主表面與Si基板相比較不易平坦化，但采用本發(fā)明，由于導電性粘著材層可吸收金屬基板側的凹凸及彎曲，故不用擔心上述不良情況，而能有效賦予發(fā)光元件散熱機能。
實施方式以下，參照所


本發(fā)明的實施例。
圖1，是顯示本發(fā)明的發(fā)光元件的一實施例。該發(fā)光元件100具備化合物半導體層50，該化合物半導體層50，具有發(fā)光層部24、及形成于該發(fā)光層部24的第一主表面上的電流擴散層20。該化合物半導體層50的第二主表面，在構成導電性元件基板的Si基板7的第一主表面上通過反射金屬層10結合。反射金屬層10，是由以Au、Ag、或Al之任一作為主成分(特別是，以上述主成分元素的含有率為95質量％以上者為佳)的金屬所構成。
反射金屬層10與Si基板7，是通過導電性粘著材層11而貼合，該導電性粘著材層11，是將以Au、Al、Cu、或Ni為主成分的金屬粒子、或碳黑等構成的導電性粒子，以環(huán)氧系高分子材料、氨基甲酸系高分子材料或丙烯酸系高分子材料等構成的高分子結合材結合而構成的。導電性粒子與高分子結合材的配合率，是將導電性粒子相對于兩者合計的體積比調整為如20％～80％，而導電性粒子是平均粒徑則調整為1μm～50μm。
發(fā)光層部24，是具有以下構造將由無摻雜(AlxGa1-x)yIn1-yP(其中，0≤x≤0.5，0.45≤y≤0.55)混晶所構成的活性層5，以p型(AlzGa1-z)yIn1-yP(其中，x＜z≤1＝構成的p型包覆層6、與以n型(AlzGa1-z)yIn1-yP(其中，x＜z≤1＝構成是n型包覆層4夾??；并可根據(jù)活性層5的組成，將發(fā)光波長調整為黃綠色至紅色范圍(發(fā)光波長(峰值波長)為550nm～670nm)。本實施例中，在光取出側電極9側配置p型包覆層6，而在結合金屬層10側配置n型包覆層4。又，電流擴散層20是由p型AlGaAs(或p型GaP)所構成，在其第一主表面的大致中央位置，將對發(fā)光層部24施加發(fā)光驅動電壓的光取出側電極(例如，Au電極)9，以覆蓋該主表面一部分的方式設置。電流擴散層20的主表面上，光取出側電極9周圍的區(qū)域，形成發(fā)光層部24的光取出區(qū)域PF。又，電流擴散層20與光取出側電極9之間，配置有由AuBe合金等所構成的光取出側接合合金化層9a。
Si基板7是將Si單晶錠切片、研磨而制成的，其厚度為100μm～500μm。該Si基板7的第二主表面是以背面電極(如，Au電極)15覆蓋。背面電極15與Si基板7之間，隔著以AuSb所構成的基板側接合合金化層16。又，化合物半導體層50與反射金屬層10之間，形成有AuGeNi等所構成的發(fā)光層部側接合合金化層31。其任一皆有助于減低接觸電阻。另外，Si基板7與導電性粘著材層11之間，隔著以AuSb所構成的基板側接合合金化層32。
發(fā)光元件100，是通過在光取出側電極9與背面電極15間通電，而使發(fā)光層部24發(fā)光驅動。來自該發(fā)光層部24的光，是以向光取出面?zhèn)鹊闹苯庸馐?、與反射金屬層反射的反射光束重疊的方式取出。
以下，說明上述發(fā)光元件100的制造方法的具體例。
首先，如圖2的工序1所示，在構成成長用基板的GaAs單晶基板1的主表面上，依次使n型GaAs緩沖層2(例如，0.5μm)、AlAs構成的剝離層3(例如，0.5μm)磊晶成長。之后，作為發(fā)光層部24，依次使n型包覆層4(厚度例如為1μm)、活性層(無摻雜)5(厚度例如為0.6μm)、及p型包覆層6(厚度例如為1μm)磊晶成長。發(fā)光層部24的總厚度2.6μm。又，進一步使p型AlGaAs構成的電流擴散層20(例如5μm)磊晶成長。上述各層的磊晶成長是以周知的MOVPE(Metal-Organic VaporPhase Epitaxy，有機金屬氣相磊晶)法進行。
由此，在GaAs單晶基板1上，形成由發(fā)光層部24及電流擴散層20所構成的化合物半導體層50。該化合物半導體層50的厚度為7.6μm，在除去GaAs單晶基板時，事實上不可能將其單獨地進行處理而不使其損傷。又，在化合物半導體層50的第一主表面，在此階段將由AuBe合金等構成的金屬層9a’、與覆蓋其之光取出面?zhèn)入姌O9形成圖案化。之后可繼續(xù)進行光取出側合金化熱處理而使金屬層9a’(以下，符號上有「’」的是指熱處理前)形成光取出側接合合金化層9a，但本實施例中是將光取出側合金化熱處理，兼作為形成發(fā)光層部側接合合金化層31時的合金化熱處理。
接著，如工序2所示，在化合物半導體層50的第一主表面，將高分子材料結合層111以覆蓋光取出面?zhèn)入姌O9的形態(tài)涂布而形成，如工序3所示，使高分子材料結合層111以加熱軟化的狀態(tài)，與另外準備的臨時支撐基板110重疊密合，之后冷卻使該高分子材料結合層111硬化，由此制成將化合物半導體層50與支撐基板110通過高分子材料結合層111貼合的臨時支撐基板貼合體120(工序3)。此時，在化合物半導體層50的第二主表面?zhèn)?，呈附設成長用基板GaAs單晶基板1的狀態(tài)。
臨時支撐基板110的材質，是由在下述的合金化熱處理時亦能保持剛性、且氣體產生較少的材料構成。具體而言，可以硅基板或陶瓷基板(例如氧化鋁板)、或金屬板等構成。另一方面，高分子材料結合層111，可使用熱熔型粘著劑或蠟類。
接著，如圖3的工序4所示，從臨時支撐基板貼合體120除去所附設的作為成長用基板的GaAs單晶基板1。該除去步驟可以下述方式實施，例如，將臨時支撐基板貼合體120(參照工序3)與GaAs單晶基板1一起浸漬于蝕刻液(例如，10％氫氟酸水溶液)，將形成于緩沖層2與發(fā)光層部24間的AlAs剝離層3進行選擇性蝕刻，由此，將該GaAs單晶基板1從臨時支撐基板貼合體120剝離。又，亦可采用下述工序，代替AlAs剝離層3形成AlInP構成的蝕刻停止層，使用對GaAs具選擇蝕刻性的第一蝕刻液(例如，氨水/過氧化氫混合液)，將GaAs單晶基板1與GaAs緩沖層2一起蝕刻除去，接著使用對AlInP具由選擇蝕刻性的第二蝕刻液(例如，鹽酸用于除去Al氧化層時亦可添加氫氟酸)，將蝕刻停止層蝕刻除去。
如此，除去GaAs單晶基板1的化合物半導體層50，通過高分子材料結合層111與臨時支撐基板110貼合，而形成臨時支撐基板貼合體120。因此，盡管化合物半導體層50極薄，仍不易產生GaAs單晶基板1蝕刻除去時因氣泡等的沖擊而被破壞的不良情況，并且，由于GaAs單晶基板除去后亦以臨時支撐基板貼合體120的方式補強，故進行之后的工序處理亦能容易進行。
接著，如工序5所示，以上述臨時支撐基板貼合體120的狀態(tài)，在除去GaAs單晶基板1而露出的化合物半導體層50的第二主表面，形成分散的AuGeNi合金等構成的金屬層，再將該金屬層進行用作發(fā)光層部側接合合金化層31的合金化熱處理。此時，亦同時對光取出面?zhèn)入姌O9進行進金屬層9a’的合金化。合金化熱處理，是在惰性氣體環(huán)境氣氛下以300℃～450℃的溫度實施。之后，在形成發(fā)光層部側接合合金化層31的化合物半導體層50的第二主表面，以蒸鍍等形成反射金屬層10。
又，另外準備硅基板7，在其兩主表面形成AuSb合金等構成的金屬層，再以250℃～360℃的溫度范圍進行合金化熱處理，由此分別作成基板側接合合金化層32、16。另外，在基板側接合合金化層16上形成背面電極15。
接著，進行元件基板貼合工序。具體而言，如圖3的工序6所示，在Si基板7的第一主表面(化合物半導體層50的第二主表面亦可)，形成未硬化的導電性粘著材層11’。如僅顯示主要部分的圖5所示，導電性粘著材層11’，由涂布糊(或涂料)狀的導電性粘著材層11’而形成。又，如僅顯示主要部分的圖6所示，亦可通過貼附由未硬化的導電性粘著材構成的可撓性板21，來形成導電性粘著材層。例如，使用含有環(huán)氧系高分子材料等2液型高分子結合材的導電性粘著材時，將以1小時可以達到最高到達硬度的90％的溫度定義為硬化溫度時，可使用該硬化溫度設定于30℃～180℃(最好為50℃以上160℃以下)的范圍內的。
接著，如圖4的工序7所示，將硅基板7與反射金屬層10，通過未硬化的導電性粘著材層11’重疊緊壓，以上述的硬化溫度(例如，30℃～180℃)進行加熱硬化處理(貼合熱處理)。由此，硅基板7與反射金屬層10通過已硬化的導電性粘著材層11以相當?shù)膹姸荣N合，而制得貼合結合體130。在此階段，光取出側與貼合基板側的各合金化熱處理皆已結束，加熱硬化處理能以低于其的溫度實施，由此，可有效抑制接合合金化層的合金成分擴散至反射金屬層10構成的反射面內，進而獲得更高反射率的反射面。
加熱處理結束后進行臨時支撐基板分離工序。臨時支撐基板分離工序，如圖4的工序8所示，加熱高分子材料結合層111使其軟化，而將臨時支撐基板110分離、除去。又，該分離程序，可在工序7的貼合熱處理時同時進行。之后，如工序9所示，將殘存于化合物半導體層50的第一主表面的高分子材料結合層111，用有機溶劑溶解、除去。又，有機溶劑需使用會溶解高分子材料結合層111、而不會溶解導電性粘著材層11的(例如，甲苯等)。
以上所述，為便于理解，制作貼合基板結合體130的工序是以元件單體的積層型態(tài)圖示并加以說明，但實際上，是將復數(shù)個元件晶片以配列成陣列狀的方式一起形成而制成貼合晶圓。由于導電性粘著材層11可撓性佳，故即使導電性粘著材層11側或Si基板7側產生少許的凹凸或彎曲，亦可將兩者均一且高強度地貼合，而提高由貼合基板的切割制得元件晶片的成品率。又，含發(fā)光層部24的化合物導體層50側系形成反射金屬層10，并于Si基板7上通過導電性粘著材層11而貼合，故不需為了貼合于Si基板7側而形成多余的金屬層，而可減少金屬層形成的工作量，故容易制造。因此，將該貼合晶圓以一般的方法切割成元件晶片，并將其固接于支撐體進行導線的打線等后，進行樹脂封裝，由此制得最終的發(fā)光元件。
又，亦可如圖7所示的發(fā)光元件200，使用金屬基板107代替作為元件基板的Si基板7。由此，可改善元件的散熱特性。另外，由于金屬基板107與導電性粘著材層11、或背面電極15之間可直接形成歐姆接合，故可省略接合合金化金屬層。又，金屬基板107，可由如Cu、Al或以其中任一作為主成分的合金(例如，Cu-W合金)來構成。
又，將金屬基板107以上述Al或Cu等易形成氧化被膜的材質構成時，為改善電氣的導通狀態(tài)，如圖中的虛線所示，可在與導電性粘著材層11相接的第一主表面?zhèn)取⒒蚺c背面電極15相接的第二主表面?zhèn)?，形成導通改善?31、232。導通改善層231、232，可以較金屬基板107低熔點的合金層(例如蠟材層)形成。特別是，以表面易形成致密且堅固的氧化物層的Al系金屬構成金屬基板107的時候，導通改善層231、232能以Al用焊接合金(例如，Al-Zn、Sn-Zn、Cd-Zn系)、或Al-Ga系、Al-Ga-Ni系、Au-Sn系、或其他Al合金構成的Al合金蠟材來形成。特別是，含有Zn或Ga作為副成分的合金，其改善與Al系金屬基板構成金屬基板107間的導通效果優(yōu)異。另一方面，以Cu系金屬構成金屬基板107的時候，導通改善層231、232，可以Cu系蠟材、黃銅系蠟材(Cu-Zn系)、Ag-Sn系或Ag-In系等Ag系蠟材形成。導通改善層231、232，是將用以形成其的金屬材料，作成箔或以真空蒸鍍等形成的氣相成長膜、或以金屬粉末焊劑的涂布層而配置在金屬基板107上，之后加熱到該金屬材料的熔點(液相線溫度)以上的溫度而制成。
附圖簡單說明圖1，是顯示本發(fā)明的發(fā)光元件的第一例的截面示意圖。
圖2，是發(fā)光元件的工序說明圖。
圖3，是接續(xù)圖2的說明圖。
圖4，是接續(xù)圖3的說明圖。
圖5，是顯示形成導電性粘著材層的第一方法示意圖。
圖6，是顯示形成導電性粘著材層的第二方法示意圖。
圖7，是顯示本發(fā)明的發(fā)光元件的第一例的截面示意圖。
附圖主要符號說明100、200發(fā)光元件4 n型包覆層5 活性層6 p型包覆層
7Si基板(元件基板)9 光取出側電極9a光取出側接合合金化層10金屬反射層11導電性粘著材層15背面電極16、32基板側接合合金化層20電流擴散層24發(fā)光層部31接合合金化層(背面電極部)50化合物半導體層107 金屬基板(元件基板)
權利要求
1.一種發(fā)光元件，其特征在于以具有發(fā)光層部的化合物半導體層的第一主表面作為光取出面，在上述化合物半導體層的第二主表面通過反射金屬層與導電性的元件基板結合，并且，上述反射金屬層與上述元件基板，是通過將導電性粒子以高分子結合材結合的導電性粘著材層貼合。
2.根據(jù)權利要求1所述的發(fā)光元件，其特征在于，在上述反射金屬層與上述化合物半導體層之間，形成有分散的接觸電阻減低用的接合合金化層。
3.根據(jù)權利要求2所述的發(fā)光元件，其特征在于，上述高分子結合材，是以低于上述接合合金化層的合金化熱處理時的溫度進行加熱硬化處理而成的。
4.根據(jù)權利要求1所述的發(fā)光元件，其特征在于，上述高分子結合材，是由選自環(huán)氧系高分子材料、氨基甲酸系高分子材料、丙烯酸系高分子材料之任一所構成。
5.根據(jù)權利要求2所述的發(fā)光元件，其特征在于，上述高分子結合材，是由選自環(huán)氧系高分子材料、氨基甲酸系高分子材料、丙烯酸系高分子材料之任一所構成。
6.根據(jù)權利要求3所述的發(fā)光元件，其特征在于，上述高分子結合材，是由選自環(huán)氧系高分子材料、氨基甲酸系高分子材料、丙烯酸系高分子材料之任一所構成。
7.根據(jù)權利要求1～6所述的發(fā)光元件，其特征在于，上述元件基板是由金屬基板所構成。
8.一種發(fā)光元件的制造方法，其特征在于在化合物半導體層(以第一主表面作為光取出面且具有發(fā)光層部)的第二主表面?zhèn)刃纬煞瓷浣饘賹?，將導電性元件基板的第一主表面與上述反射金屬層的第二主表面，通過將導電性粒子以高分子結合材結合的導電性粘著材層貼合，由此制作貼合基板，并將上述貼合基板切割成元件晶片。
9.根據(jù)權利要求8所述的發(fā)光元件的制造方法，其特征在于，上述導電性結合材層的上述高分子結合材是以加熱硬化型高分子材料形成，將未硬化的導電性結合材層配置于上述元件基板的第一主表面與上述反射金屬層的第二主表面間使之疊合，而以上述狀態(tài)將上述導電性結合材層進行加熱硬化處理。
10.根據(jù)權利要求9所述的發(fā)光元件的制造方法，其特征在于，將未硬化的導電性結合材構成的焊劑，涂布于上述反射金屬層或上述元件基板之任一，由此形成上述導電性結合材層。
11.根據(jù)權利要求9所述的發(fā)光元件的制造方法，其特征在于，將未硬化的導電性結合材構成的可撓性板，貼附于上述反射金屬層或上述元件基板之任一，由此形成上述導電性結合材層。
12.根據(jù)權利要求9至11的任一項所述的發(fā)光元件的制造方法，其特征在于，在該化合物半導體層的第二主表面，形成分散的上述接觸電阻減低用接合合金化層，通過進行合金化熱處理而使該金屬層形成接合合金化層，在合金化熱處理之后，以低于合金化熱處理的溫度進行該導電性粘著材層的加熱硬化處理。
13.根據(jù)權利要求12所述的發(fā)光元件的制造方法，其特征在于，在上述合金化熱處理之后，以覆蓋該化合物半導體層的第二主表面(分散形成有該接合合金化層)的方式形成上述反射金屬層，之后進行該導電性粘著材層的加熱硬化處理。
全文摘要
本發(fā)明提供一種發(fā)光元件，其在發(fā)光層部通過反射用金屬層將補強用導電基板貼合，既容易制造，又可良好地維持金屬層所形成的反射面的反射率。發(fā)光元件具有化合物半導體層，該層具有發(fā)光層部及形成于該發(fā)光層部的第一主表面上的電流擴散層。該化合物半導體層的第二主表面，是通過反射金屬層結合于構成導電性元件基板的Si基板的第一主表面上。反射金屬層10是由以Au、Ag、或Al之任一作為主成分的金屬構成。反射金屬層與Si基板通過導電性粘著材層11貼合，該導電性粘著材層11是將以Au、Al、Cu、或Ni為主成分的金屬粒子，以環(huán)氧系高分子材料、氨基甲酸系高分子材料或丙烯酸系高分子材料等構成的高分子結合材料結合而構成。
文檔編號H01L33/10GK1667849SQ20051005361
公開日2005年9月14日 申請日期2005年3月9日 優(yōu)先權日2004年3月10日
發(fā)明者萩本和德, 池田淳, 山田雅人 申請人:信越半導體株式會社