專利名稱：發(fā)光裝置、用于制造該發(fā)光裝置的方法及氮化物半導體襯底的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種發(fā)光裝置、用于制造該發(fā)光裝置的方法及氮化物半導體襯底。更具體地說，本發(fā)明涉及一種由氮化物半導體形成的發(fā)光裝置、用于制造該發(fā)光裝置的方法及氮化物半導體襯底。在本發(fā)明中，“發(fā)光裝置”可以僅僅指主要由氮化物半導體襯底和在其上層疊的半導體層形成的半導體元件，或可以單獨地指用樹脂密封的裝置，其中半導體芯片被安裝在安裝部件上。而且，該術語可以同時指這兩種含義。同樣，半導體芯片可以被簡單地稱為“芯片”。同樣，在芯片中，襯底和在其上形成的外延層可以被簡單地稱作“襯底”。
背景技術：
白色發(fā)光二極管(LED)目前廣泛地用于諸如便攜式信息終端的緊湊電子裝置中的照明，但是有可能這些二極管可以在將來用于大空間或大面積的照明。為了允許用于大空間或大面積，必須增加LED光輸出。
用于顯著地增加光輸出的一種方法是將LED內(nèi)產(chǎn)生的光有效地輸出到外面，即，增加光取出效率。用于以此方式增加光取出效率的技術的例子包括一種發(fā)光裝置，其中從氮化物半導體層的表面至接近襯底上層疊的氮化物半導體層上形成的p-電極的襯底形成溝槽(參見日本未決專利公報號2004-87930)；以及一種發(fā)光裝置，其中在與其上層疊有氮化物半導體層的表面相反的襯底的后表面上形成光反射面(例如，參見日本未決專利公報號2004-56088)。
上述的日本未決專利公報號2004-87930給出形成溝槽的方法的例子干法刻蝕；濕法刻蝕；包括激光的光學方法；以及包括切片機、劃片器等的機械方法。同樣，上述日本未決專利公報號2004-56088描述了使用切片機在襯底的后表面上形成反射面，作為具有V-形截面的溝槽。
但是，這些現(xiàn)有技術具有下列問題。如果使用刻蝕來形成溝槽，那么不能使用足夠高的刻蝕速率，盡管該刻蝕速率取決于氮化物半導體襯底中使用的材料。在此情況下，在實際的刻蝕時間內(nèi)形成深溝槽是困難的。同樣，當使用刻蝕來形成溝槽時，控制溝槽形狀(例如，在面對的側(cè)壁之間的溝槽底部形成的角度)是困難的。
如果用機械方法如用切片機形成溝槽，那么切割表面(即，溝槽的側(cè)壁)具有被處理損壞的層或具有損壞晶面的區(qū)域。當這些發(fā)生時，由于改變的層的影響等，從溝槽的側(cè)壁表面發(fā)射足夠的光變得困難。結(jié)果，發(fā)光裝置的光取出效率的足夠改進成為困難。
本發(fā)明的目的是克服這些問題并提供一種具有增加光取出效率的發(fā)光裝置、用于制造該發(fā)光裝置的方法以及在制造該發(fā)光裝置中使用的氮化物半導體襯底。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的發(fā)光裝置是包括以下結(jié)構的發(fā)光裝置氮化物半導體襯底；氮化物半導體襯底的第一主表面?zhèn)让嫔系膎-型氮化物半導體層；與n-型氮化物半導體層相比更遠離氮化物半導體襯底設置的p-型氮化物半導體層；以及位于n-型氮化物半導體層和p-型氮化物半導體層之間的發(fā)光層。p-型氮化物半導體層側(cè)面被向下安裝并且光從第二主表面發(fā)出，該第二主表面是與氮化物半導體襯底的第一主表面相對的主表面。在氮化物半導體襯底的第二主表面上形成溝槽。溝槽的內(nèi)周邊表面進行表面處理，以便使內(nèi)周邊表面光滑。
由于在第二主表面上形成溝槽80，光也可以從溝槽80的側(cè)壁取出(extract)，該第二主表面是氮化物半導體襯底的出光表面。結(jié)果，可以增加發(fā)光裝置的光使用效率。
而且，由于形成在第二主表面上的溝槽包括其上被執(zhí)行表面處理以便使溝槽的內(nèi)周邊表面光滑的部分，該第二主表面是出光表面，即使當在第二主表面上形成溝槽時，形成在處理過程中被損壞的層或具有晶面損壞等的區(qū)域，該表面處理操作可以增加或除去處理-損壞層或具有晶面損壞的區(qū)域(例如，當表面處理涉及從包括溝槽的內(nèi)周邊表面的第二主表面的表面層除去一定的厚度時，為了使溝槽的內(nèi)周邊表面光滑，這些處理-損壞層或具有晶面損壞的區(qū)域可以被除去)。結(jié)果，可以防止由處理-損壞層等引起的第二主表面的光取出效率的減小。
根據(jù)本發(fā)明的發(fā)光裝置是包括以下結(jié)構的發(fā)光裝置氮化物半導體襯底；氮化物半導體襯底的第一主表面?zhèn)让嫔系膎-型氮化物半導體層；與n-型氮化物半導體層相比更遠離氮化物半導體襯底設置的p-型氮化物半導體層；以及位于n-型氮化物半導體層和p-型氮化物半導體層之間的發(fā)光層。p-型氮化物半導體層側(cè)面被向下安裝并且光從第二主表面發(fā)出，該第二主表面是與氮化物半導體襯底的第一主表面相對的主表面。氮化物半導體襯底的側(cè)表面包括相對于第二主表面傾斜的傾斜表面。為了使傾斜表面光滑，對傾斜表面應用表面處理。
由于傾斜表面形成在氮化物半導體襯底的第二主表面上，該第二主表面是出光表面，因此光可以在垂直于第二主表面的方向從傾斜表面取出。結(jié)果，可以增加發(fā)光裝置的光使用效率。
而且，由于傾斜表面包括其上執(zhí)行表面處理以便改進傾斜表面的部分，如果當形成傾斜表面時，形成處理-損壞層、具有晶面損壞的區(qū)域等，上述的表面處理可以改進或除去這些處理-損壞層或具有晶面損壞的區(qū)域。結(jié)果，可以防止由傾斜表面對處理-損壞層等引起的光取出效率的減小。
一種用于制造上述發(fā)光裝置的方法是制造具有氮化物半導體襯底的發(fā)光裝置的方法，并且包括用于形成溝槽的步驟和用于執(zhí)行表面處理的步驟。在用于形成溝槽的步驟中，在與氮化物半導體襯底的第一主表面相對的第二主表面上執(zhí)行切割，在該氮化物半導體襯底上形成發(fā)光層。在用于執(zhí)行表面處理的步驟中，溝槽的內(nèi)周邊表面被光滑。結(jié)果，可以獲得本發(fā)明的發(fā)光裝置。
在根據(jù)本發(fā)明的氮化物半導體襯底中在一個主表面上形成溝槽；以及溝槽的內(nèi)周邊表面包括其上執(zhí)行表面處理以便使內(nèi)周邊表面光滑的部分。
結(jié)果，當在發(fā)光裝置中使用該氮化物半導體襯底時，使用其上形成溝槽的主表面作為出光表面，可以獲得具有高的光取出效率的發(fā)光裝置。


圖1示出了根據(jù)本發(fā)明用作發(fā)光裝置的LED的第一實施例。
圖2示出了包括圖1中的LED的發(fā)光層的層狀結(jié)構。
圖3是說明圖1和圖2中所示的LED中所用芯片的制造方法的流程圖。
圖4示出了當由該晶片獲得具有圖2所示的層狀結(jié)構的芯片時的晶片狀態(tài)。
圖5示出了圖4中所示的電極的布置。
圖6示出了根據(jù)圖1至圖5所示的本發(fā)明的LED的第一實施例的第一替換例子。
圖7示出了從上面觀看時，圖6所示的LED的形狀。
圖8示出了當由該晶片獲得具有圖6和圖7所示的LED中使用的層狀結(jié)構的芯片時的晶片狀態(tài)。
圖9示出了根據(jù)圖1至圖5所示的本發(fā)明的LED的第一實施例的第二替換例子。
圖10示出了根據(jù)圖1至圖5所示的本發(fā)明的LED的第一實施例的第三替換例子。
圖11示出了根據(jù)本發(fā)明的GaN襯底的第二實施例的簡化視圖，包括將形成在根據(jù)本發(fā)明的發(fā)光裝置中使用的芯片的多個區(qū)域。
圖12是說明通過切割形成的溝槽的內(nèi)周邊表面的表面狀態(tài)的簡化剖面圖。
圖13示出了使用RIE應用鏡面加工之后溝槽的內(nèi)周邊表面狀態(tài)的簡化剖面圖。
圖14示出了從圖13所示的箭頭90的方向觀看時，溝槽的內(nèi)周邊表面狀態(tài)的簡化視圖。
圖15示出了根據(jù)第二比較例子的LED的簡化視圖。
圖16說明氧濃度對GaN襯底的電阻率(specific resistance)的影響。
圖17示出了對于具有450nm波長的光，氧濃度對400微米的GaN襯底的透射率的影響。
圖18示出對于根據(jù)圖1所示的本發(fā)明的LED，當由具有變化厚度和氧濃度的GaN襯底制造燈時，測量燈的光輸出和電流通過其均勻地流動的平面尺寸的結(jié)果。
具體實施例方式
接下來，將使用附圖描述本發(fā)明的實施例和例子。在下列附圖中，相同或相關的元件被指定相同的參考數(shù)字，以及將不重復相應的描述。
(第一實施例)圖1示出了根據(jù)本發(fā)明用作發(fā)光裝置的LED的第一實施例。圖2示出了包含圖1中的LED的發(fā)光層的層狀結(jié)構。下面將使用圖1和圖2描述根據(jù)本發(fā)明的LED的第一實施例。
如圖1所示，在GaN襯底1的第一主表面?zhèn)让嫔闲纬砂l(fā)光層的層狀結(jié)構，之后將詳細描述該發(fā)光層，以及在其上布置p-電極12。在該實施例中，使用導電粘合劑14將p-電極12向下安裝在引線-框安裝部分21a上。
GaN襯底1的第二主表面1a是從發(fā)光層發(fā)出光的表面，以及在該表面上布置n-電極11。在第二主表面1a上形成彼此平行延伸并垂直于圖1的圖平面的多個溝槽80。n-電極11形成在溝槽80之間的第二主表面1a的平坦部分上且不覆蓋第二主表面的整個表面。n-電極11被大致布置在第二主表面1a的中心。重要的是不被n-電極11覆蓋的部分適當?shù)卮蟆Ｍㄟ^使開口比率加大，減小被n-電極阻礙的光，使之可以增加發(fā)出到外面的光的發(fā)出效率。
n-電極11使用導線13電連接到引線框的引線部分21b。導線13和上述層狀結(jié)構用用作密封部件的環(huán)氧基樹脂15密封。圖2示出了從上述結(jié)構的GaN襯底1至p-電極12的層狀結(jié)構的細節(jié)。在圖2中，相對于圖1，垂直地反轉(zhuǎn)示出該層狀結(jié)構。
參考圖2，在GaN襯底1上設置n-型GaN外延層2，以及在其上形成n-型AlxGa1-xN層3。在該頂上，形成由AlxGa1-xN層和AlxInyGa1-x-yN層形成的多量子阱(MQW)4。在多量子阱4和AlxGa1-xN層3之間布置p-型AlxGa1-xN層5。此外，在p-型AlxGa1-xN層5上布置p-型GaN層6。在該結(jié)構中，在多量子阱4處發(fā)光。此外，如圖1所示，p-電極12被形成和向下安裝在p-型GaN層6上，以便p-型GaN層6的整個上表面被覆蓋。
接下來，參考圖3至圖5，將簡要地描述用于制造圖1和圖2所示的LED的方法。圖3是說明制造圖1和圖2所示的LED中所用芯片的方法的流程圖。圖4示出了當由該晶片獲得具有圖2所示結(jié)構的芯片時的晶片狀態(tài)。圖5示出了圖4所示的電極布置。
首先，執(zhí)行圖3所示的襯底制備步驟(S10)。更具體地說，首先制備GaN襯底。然后，在GaN襯底的第一主表面上執(zhí)行薄膜-形成方法，如MOCVD(金屬有機化學氣相淀積)，以形成層狀結(jié)構(Si-摻雜的n-型GaN層/用作敷層的Si-摻雜的n-型Al0.2Ga0.8N層/通過層疊由GaN層和In0.15Ga0.85N層構成的多個兩層結(jié)構形成的MQW(多量子阱)/用作敷層的Mg-摻雜的p-型Al0.2Ga0.8N層/Mg-摻雜的p-型GaN層)。接下來，該晶片可以被激活，以降低Mg-摻雜的p-型層的電阻。然后，執(zhí)行光刻和RIE(反應離子刻蝕)，以使用Cl-基氣體從Mg-摻雜的p-型層側(cè)面至Si-摻雜的n-型層刻蝕該晶片。通過該刻蝕形成元件分離溝槽25，如圖4所示，且該元件被分開。
接下來，在后N表面上執(zhí)行光刻、汽相淀積和剝離，該后N表面是GaN襯底的第二主表面，以形成n-電極11，當從上面觀看時具有以預定間距(距離)L2位于芯片的中心的四個-側(cè)面形狀(參見圖4和圖5)。n-電極11可以按層狀結(jié)構形成，該層狀結(jié)構從與GaN襯底接觸的底層開始由(Ti層/Al層/Ti層/Au層)構成。然后，在氮氣(N2)氣氛中加熱該GaN襯底，以便使n-電極11和GaN襯底的后表面之間的接觸電阻為預定值。
接下來，形成與p-型GaN層接觸的、具有預定厚度的導體層，以用作p-電極。例如，可以通過形成與GaN層接觸、具有預定厚度的Ni層形成導體層，具有在其上的整個表面上形成的具有預定厚度的Au層(參見圖4和圖5)。在此情況下，可以在惰性氣體氣氛中加熱該GaN襯底，以便使p-電極和p-型GaN層之間的接觸電阻為預定值。
接下來，執(zhí)行圖3所示的溝槽形成步驟(S20)。更具體地說，在GaN襯底的后表面(N表面)上執(zhí)行切割，以便形成具有V-形截面的溝槽80。如圖5所示，溝槽80形成為多個垂直溝槽80a和水平溝槽80b。n-電極11位于溝槽80之間的平坦表面上。
接下來，執(zhí)行圖3所示的表面處理步驟(S30)。更具體地說，執(zhí)行RIE表面處理，以對其上形成溝槽的GaN襯底的處理表面(N表面)應用鏡面加工。在RIE操作中使用的反應氣體可以是，例如，氯氣(Cl氣體)。通過RIE從GaN襯底的N表面除去的表面層厚度優(yōu)選至少是上述溝槽形成步驟(S20)中執(zhí)行的切割中使用的切割刀片的磨粒(abrasivegrain)的平均直徑。
然后，如圖4和圖5所示，執(zhí)行劃片(scribing)，以便芯片邊界50顯現(xiàn)作為側(cè)表面。所得的芯片用作發(fā)光裝置。如圖1所示，通過在引線框的安裝部分21a中安裝該芯片，以便芯片的p-型GaN層側(cè)面與安裝部分21a接觸，從而形成發(fā)光裝置。涂覆到安裝部分的導電粘合劑14固定發(fā)光裝置和安裝部分并提供導電性。然后，在n-電極11和引線框的引線部分之間執(zhí)行引線鍵合以提供連續(xù)性之后，使用環(huán)氧基樹脂15將該結(jié)構密封在樹脂中，以便該發(fā)光裝置形成燈。為了增加來自發(fā)光裝置的熱散逸，將發(fā)光裝置的p-型GaN層安裝為其整個表面與安裝部分接觸，以便增加來自發(fā)光裝置的熱散逸，將是可能的。此外，導電粘合劑14可以是具有良好導熱性的Ag-基粘合劑，以及引線框可以是具有良好導電性的CuW-基結(jié)構。
圖6示出了根據(jù)圖1至圖5所示的本發(fā)明的LED的第一實施例的第一替換例子。圖7是圖6中所示的LED的平面圖。參考圖6和圖7，將描述根據(jù)本發(fā)明的LED的第一實施例的第一替換例子。
圖6和圖7所示的LED具有與圖1和圖2所示的LED基本上相同的結(jié)構，除了接近GaN襯底的四個拐角的n-電極11的位置不同于圖1和圖2所示的LED之外。同樣，在圖6和圖7所示的LED中，當安裝半導體芯片時，在引線框上布置反射杯，以圍繞半導體芯片。
圖6和圖7所示的LED的制造方法基本上與用于圖1和圖2所示的LED的制造方法相同。但是，如圖8所示，相鄰溝槽80之間的距離(間距P)小于圖4所示的間距P，以及每個芯片的溝槽80數(shù)目大于圖1和圖2所示的LED的數(shù)目。圖8示出了當由該晶片獲得圖6和圖7所示的LED中使用的層狀結(jié)構時的晶片狀態(tài)。
在此情況下，由于n-電極11的數(shù)目更大，因此每個n-電極11的面積可以小于圖1和圖2所示的LED的n-電極11的面積。
圖9示出了根據(jù)圖1至圖5所示的本發(fā)明的LED的第一實施例的第二替換例子。將使用圖9描述根據(jù)本發(fā)明的LED的第一實施例的第二替換例子。
圖9所示的LED具有與圖1和圖2所示的LED基本上相同的結(jié)構，但是在GaN襯底1的第二主表面1a上形成的溝槽80的側(cè)壁形狀是不同的。更具體地說，溝槽80的側(cè)壁由位于底部側(cè)面且相對于第二主表面1a具有較大的角度θ1的底部-側(cè)面?zhèn)缺?4和與底部-側(cè)面?zhèn)缺?4相連、相對于第二主表面1a具有較小角度θ2的開口-側(cè)面?zhèn)缺?6形成。利用該結(jié)構，從第二主表面1a出來的光輸出可以大于圖1和圖2所示的LED的光輸出。
用于制造圖9所示的LED的方法基本上與用于制造圖1和圖2所示的LED的方法相同。但是，在用于在GaN襯底1的第二主表面1a上形成溝槽80的溝槽形成步驟(S20)(參見圖3)中，切割被執(zhí)行兩次。更具體地說，在第一切割操作過程中使用刀片形成底部-側(cè)面?zhèn)缺?4，執(zhí)行切割的刀片邊緣的角度具有較小的角度。然后，使用其中刀片邊緣具有較大角度的刀片，通過跟蹤其上執(zhí)行第一切割操作的部分執(zhí)行第二切割操作，以形成開口-側(cè)面?zhèn)缺?6。刀片邊緣切割到GaN襯底1的第二主表面1a中的深度小于第一切割操作中使用的切割深度。參考圖9，這導致由底部-側(cè)面?zhèn)缺?4和開口-側(cè)面?zhèn)缺?6形成溝槽80，該底部-側(cè)面?zhèn)缺?4相對于平行于第二主表面的平面具有角度θ1，該開口-側(cè)面?zhèn)缺?6相對于平行于第二主的平面具有角度θ2(其中θ2＜θ1)。換言之，利用不同的角度分兩個階段形成溝槽80的側(cè)壁(底部-側(cè)面?zhèn)缺?4和開口-側(cè)面?zhèn)缺?6)。同樣，將第一切割操作和第二切割操作的順序顛倒也是可以的。
圖10示出了根據(jù)圖1至圖5所示的本發(fā)明的LED的第一實施例的第三替換例子。將使用圖10描述根據(jù)本發(fā)明的LED的第一實施例的第三替換例子。
圖10所示的LED具有與圖1和圖2所示的LED基本上相同的結(jié)構，除了在GaN襯底1的第二主表面1a上形成的溝槽80的布置不同之外。更具體地說，在GaN襯底1中，沿將形成芯片的外周邊部分的部分，在GaN襯底1上形成溝槽，以及沿這些溝槽，由該晶片獲得芯片。結(jié)果，從溝槽的一個側(cè)壁在芯片的外周邊部分形成傾斜表面92。利用該結(jié)構，與其中在GaN襯底1的第二主表面1a上不形成溝槽和傾斜側(cè)表面(傾斜表面)的結(jié)構相比，可以使垂直于第二主表面1a出光表面發(fā)出的光更大。因此，與現(xiàn)有技術相比，可以增加垂直于第二主表面1a發(fā)射的光輸出。
用于制造圖10所示的LED的方法基本上與用于制造圖1和圖2所示的LED的方法相同。但是，在用于在GaN襯底1的第二主表面1a上形成溝槽80的溝槽形成步驟(S20)(參見圖3)中，沿該芯片邊界50執(zhí)行切割(參見圖4)。然后，在表面處理步驟(S30)之后，由劃片操作所得的芯片形成圖10所示的發(fā)光裝置。通過以此方式的劃片形成芯片之后，沿芯片邊界50形成的溝槽的側(cè)壁沿芯片的外周邊部分形成傾斜表面92。
(第二實施例)在上述第一實施例中，通過劃片GaN襯底1形成的芯片被安裝到引線框中，以形成發(fā)光裝置。但是，在某些情況下，通過不將GaN襯底1分為發(fā)光裝置使用的芯片可以更容易進行處理，例如，通過處理為圖11所示的一個單獨襯底，其中在GaN襯底1上形成溝槽80，以及表面處理步驟(S30)(參見圖3)已被執(zhí)行。圖11示出了根據(jù)本發(fā)明的GaN襯底的第二實施例的簡化視圖，該GaN襯底包括將形成用于根據(jù)本發(fā)明的發(fā)光裝置的芯片的多個區(qū)域。如圖11所示，在第二主表面1a上形成多個溝槽80，該第二主表面1a是GaN襯底1的主表面之一。同樣，在第二主表面上執(zhí)行表面處理。結(jié)果，由于通過表面處理操作，例如，RIE，其表面層的預定厚度的除去，溝槽80的內(nèi)周邊表面已被光滑。通過以GaN襯底1被分裂之前的GaN襯底1的形式處理這些多個芯片，這些多個芯片變得更容易處理。
為了研究本發(fā)明的發(fā)光裝置的優(yōu)點，制備下述的例子，以及當施加預定電流時測量藍光輸出值。首先，將描述制備的例子。
(第一發(fā)明例子)根據(jù)第一發(fā)明例子的LED具有與圖1和圖2所示的LED基本上相同的結(jié)構。用于第一發(fā)明例子的LED的制造方法也與用于參考圖3至圖5描述的發(fā)光裝置的制造方法基本上相同。下面將更詳細地描述該制造方法。
(S1-1)使用與c-面偏離0.5度(deg)的GaN偏離-襯底。襯底的氧濃度是5E18/cm3，位錯密度是1E7/cm2，以及厚度是400微米。
(S1-2)使用MOCVD(金屬有機汽相淀積)在Ga表面上形成下列層狀結(jié)構，該Ga表面是GaN襯底的第一主表面(Si-摻雜的n-型GaN層/用作敷層的Si-摻雜的n-型Al0.2Ga0.8N層/通過層疊由GaN層和In0.15Ga0.85N層構成的三個兩層結(jié)構形成的MQW(多量子阱)/用作敷層的Mg-摻雜的p-型Al0.2Ga0.8N層/Mg-摻雜的p-型GaN層。
(S1-3)發(fā)射光波長是450nm。
(S1-4)該晶片可以被激活，以降低Mg-摻雜的p-型層的電阻。對于Mg-摻雜的p-型Al0.2Ga0.8N層，基于霍爾測量的載流子濃度是5E17/cm3，對于Mg-摻雜的p-型GaN層，基于霍爾測量的載流子濃度是1E18/cm3。
(S1-5)使用光刻和RIE(反應離子刻蝕)，使用Cl-基氣體從Mg-摻雜的p-型層側(cè)面至Si-摻雜的n-型層進一步刻蝕該晶片。
該刻蝕形成如圖4所示的元件分離溝槽25，且元件被分開。該元件分離溝槽的寬度L3是100微米。
(S1-6)在后表面，在N表面上執(zhí)行光刻、汽相淀積以及剝離，該N表面是GaN襯底的第二主表面，以在芯片的中心以距離L2＝2mm的如圖4所示的間距形成n-電極(參見圖4和圖5)，當從上面觀看時具有正方形形狀，側(cè)邊具有200微米長度D的寬度(200微米□)。對于n-電極，如下形成層狀結(jié)構，從與GaN襯底1接觸的底層開始(20nmTi層/100nmAl層/20nmTi層/200nmAu層)。在氮氣(N2)氣氛中加熱該結(jié)構，產(chǎn)生至少1E-5Ω-cm2的接觸電阻。
(S1-7)對于p-電極，形成與p-型GaN層接觸、具有4nm厚度的Ni層，以及在其上整個表面上形成具有4nm厚度的Au層(參見圖4和圖5)。在惰性氣體氣氛中加熱該結(jié)構，以將接觸電阻設為5E-4Ω-cm2。
(S1-8)然后，執(zhí)行切割，以在襯底的N表面上形成具有V-形截面的溝槽80。參考圖4，溝槽深度T3被設為200微米，溝槽80的側(cè)壁和平行于GaN襯底1的第二主表面的平面之間形成的角度θ被設為60度，以及相鄰溝槽80之間的間距P被設為500微米。同樣，對于切割操作，使用具有10微米的平均磨粒直徑的切割刀片。結(jié)果，在通過切割操作形成的溝槽80的內(nèi)周邊表面(側(cè)壁表面)上形成具有對應于切割刀片的平均磨粒直徑的高度的凹陷和凸出，如圖12所示。圖12是說明通過切割操作形成的溝槽的內(nèi)周邊表面的表面狀態(tài)的簡化剖面圖。
(S1-9)然后，使用RIE對其上形成溝槽80的GaN襯底1的處理表面(N表面)應用鏡面加工。更具體地說，GaN襯底1被安裝在RIE裝置的處理容器中，以便N表面向上面對。然后，用以下處理條件執(zhí)行RIE處理處理容器中的壓力被設為20mTorr；施加的功率是100W；反應氣體是100％氯(Cl2)氣體；反應氣體，即，氯氣的流量是50sccm(標準的cc/min)(即，0.05升/分)；以及處理時間是160分鐘。由于GaN襯底1的N表面的刻蝕速率是70nm/min，通過該表面處理(RIE處理)除去的N表面的表面層的厚度約為11微米。結(jié)果，如圖13和圖14所示，通過從表面層除去該厚度，使溝槽80的內(nèi)周邊表面(側(cè)壁表面)光滑。圖13示出了使用RIE應用鏡面加工之后，溝槽的內(nèi)周邊表面狀態(tài)的簡化剖面圖。圖14示出了從圖13中的箭頭90的方向所看到的溝槽的內(nèi)周邊表面狀態(tài)的簡化視圖。如由圖13和圖14可以看到，鏡面加工之后溝槽80的內(nèi)周邊表面形成有彼此連接的相對平坦的曲面部分93。曲面部分93沿溝槽80延伸的方向延伸(在跟隨溝槽80的基體的頂點位置延伸的線的方向)。因此，相鄰曲面部分93之間的邊界處的界線91也在溝槽80延伸的方向上延伸。如由圖12至圖14可以看到，通過使用RIE執(zhí)行的鏡面加工使溝槽80的內(nèi)周邊表面光滑。
(S1-10)然后，如圖4和圖5所示，執(zhí)行劃片，以便芯片邊界50形成側(cè)表面，以及所得的芯片用來形成發(fā)光裝置。發(fā)光裝置芯片形成有1.9mm□的光發(fā)出表面(具有1.9mm側(cè)邊的正方形)，以及1.9mm□的發(fā)光層。更具體地說，p-電極側(cè)面的長度L1是1.9mm，以及劃片線間距(芯片側(cè)面的長度)是L2＝2mm。同樣，元件分離溝槽寬度L3＝100微米，以及n-電極的每個側(cè)面的寬度D是200微米(n-電極是200微米□)。
(S1-11)如圖1所示，該芯片被安裝為芯片的p-型GaN層側(cè)面與引線框的安裝部分21a接觸，以形成發(fā)光裝置。發(fā)光裝置和安裝部分使用涂敷到安裝部分的導電粘合劑14固定，因此提供連續(xù)性。
(S1-12)為了增加來自發(fā)光裝置的熱散逸，執(zhí)行安裝，使得發(fā)光裝置的p-型GaN層的整個表面與安裝部分接觸。此外，使用具有良好導熱性的Ag-基粘合劑，以及使用具有良好的導熱性的CuW-基引線框。結(jié)果，獲得的抗熱性是8度C/W。
(S1-13)此外，在n-電極和引線框的引線部分之間使用引線鍵合，以提供連續(xù)性，以及通過使用環(huán)氧基樹脂將該結(jié)構密封在樹脂中，由該發(fā)光裝置形成燈。
(第一比較例子)根據(jù)第一比較例子的LED具有與上述第一發(fā)明例子的LED基本上相同的結(jié)構，但是與第一發(fā)明例子的LED的不同之處在于GaN襯底1的N表面不被光滑。因此，在第一比較例子的LED中，在溝槽80的內(nèi)周邊表面上形成通過切割(凹陷和凸出具有與切割刀片的磨粒尺寸成正比的尺寸)形成的凹陷和凸出。
用于制造第一比較例子的LED的方法如下。
(S2-1)-(S2-8)與第一發(fā)明例子的(S1-1)-(S1-8)基本上相同。
(S2-9)-(S2-12)與第一發(fā)明例子的(S1-10)-(S1-13)基本上相同。
換句話說，用于制造第一比較例子的LED的方法與用于制造第一發(fā)明例子的方法基本上相同，除了不執(zhí)行第一發(fā)明例子的步驟(S1-9)(涉及應用使用RIE的鏡面加工的表面處理)之外。
(第二比較例子)根據(jù)第二比較例子的LED具有與第一比較例子的LED基本上相同的結(jié)構，除了在如圖12所示的GaN襯底1的N表面上不形成溝槽之外。圖15是示出了第二比較例子的LED的簡化視圖。
用于制造第二比較例子的LED的方法如下。
(S3-1)-(S3-7)與第一發(fā)明例子的(S1-1)-(S1-7)基本上相同。
(S3-8)-(S3-11)與第一發(fā)明例子的(S1-10)-(S1-13)基本上相同。
(測試和結(jié)果)第一發(fā)明例子和第一和第二比較例子每個被放在集成球體中，施加預定電流(1A)，光被聚焦，以及比較來自探測器的光輸出值。結(jié)果，第一發(fā)明例子獲得0.5W的輸出。第一比較例子的輸出是0.42W，以及第二比較例子的輸出是0.4W。因此，在其中在GaN襯底的出光表面?zhèn)?第二主表面?zhèn)?上形成溝槽80和通過執(zhí)行表面處理使溝槽80的內(nèi)周邊表面光滑的第一發(fā)明例子中，與第一和第二比較例子相比，由于以下因數(shù)，由第一發(fā)明例子獲得更大的光輸出GaN襯底1和環(huán)氧-基樹脂15之間相對大的接觸邊界面面積；由于通過邊界面相對于發(fā)光層表面形成的多個角度，阻止邊界面處的全內(nèi)反射；以及由于邊界面的光滑，與比較例子相比，限制邊界面處的光損失的能力。
接下來，在上述的第一發(fā)明例子中，研究對在形成溝槽80之后執(zhí)行的表面處理的GaN襯底1的光透射率的影響。
首先，制備具有相同厚度和透射率的三個平坦的GaN襯底，如第一發(fā)明例子的制造中使用的GaN襯底。三個GaN襯底的兩個襯底的整個N表面用具有10微米的平均粒徑的研磨劑磨蝕。然后，在與第一發(fā)明例子的步驟(S1-9)相同的條件下，在兩個磨蝕的GaN襯底之一的N表面上執(zhí)行RIE。僅僅進行磨蝕的GaN襯底的N表面的表面狀態(tài)接近在切割操作之后立即在第一發(fā)明例子的步驟(S1-8)中形成的溝槽80的表面狀態(tài)。同樣，在磨損之后其上執(zhí)行RIE處理的GaN襯底的N表面的表面狀態(tài)接近執(zhí)行了第一發(fā)明例子的步驟(S1-9)之后(在執(zhí)行光滑操作之后)的溝槽80的內(nèi)周邊表面的狀態(tài)。
然后，對于上述三個GaN襯底，使用分光光度計測量透射率。在該透射率測量中，為具有450nm波長的光測量沿GaN襯底的厚度軸的透射率。結(jié)果，當沒有進行磨損或RIE的GaN襯底的透射率被設為100％時，僅僅進行了磨損的GaN襯底具有40％的透射率，以及進行磨損和RIE處理的GaN襯底具有80％的透射率。因此，可以看到對于用具有10微米的平均粒徑的研磨劑磨蝕的部分(處理-損壞層或具有晶面損壞的區(qū)域)，具有450nm波長的光的透射率是預磨蝕態(tài)的的透射率40％。盡管通過執(zhí)行RIE不完全修復預磨蝕態(tài)(100％)，但是透射率可以被修復到預磨蝕態(tài)的80％。已進行RIE的GaN襯底的表面具有0.3nm的Ra的表面粗糙度。
在本發(fā)明的第三例子中，研究氧濃度和具有光透射率的GaN襯底的電阻率之間的關系?；谠撽P系，對于p-向下安裝發(fā)光元件，即，其中GaN襯底是光發(fā)出表面的發(fā)光元件中的預定發(fā)光區(qū)，可以建立GaN襯底厚度和氧濃度之間的最佳關系。如上所述，由于在p-向下安裝的結(jié)構中，GaN襯底是光發(fā)出表面，氧濃度是特別重要的，該氧濃度對電阻率和光透射率具有顯著的影響。
圖16示出了氧濃度對GaN襯底的電阻率的影響。參考圖16，用至少1E17/cm3的氧濃度可以獲得不超過0.5Ωcm的電阻率。此外，圖17示出了對于400微米的GaN襯底，氧濃度對具有450nm波長的光的透射率的影響。參考該圖，當氧濃度超過2E19/cm3時，具有450nm波長的光的透射率顯著地下降。圖16和圖17表明增加氧濃度在減小GaN襯底的電阻率和擴大光-發(fā)射表面方面是有效的，而且還減小光透射率。因此，在用于p-向下安裝的發(fā)光元件的GaN襯底中，氧濃度、GaN襯底的厚度以及光-發(fā)射平面尺寸是極其重要的。
圖18示出當由用于根據(jù)圖1所示的本發(fā)明的LED的、具有變化厚度和氧濃度的GaN襯底制造燈時，測量燈的光輸出和電流通過其均勻地流動的平面尺寸的結(jié)果。該LED使用與第一發(fā)明例子基本上相同的工序步驟來制造。
參考圖18，就燈光輸出而言，較大厚度和較高氧濃度易于減小光輸出。同樣，就電流通過其均勻地流動的最大平面尺寸而言，較大厚度和較高氧濃度易于增加該尺寸。
參考圖18，當電流通過其均勻地流動的平面尺寸是具有4mm側(cè)邊(5mm側(cè)邊)的正方形和光發(fā)出表面是300微米□(具有300微米側(cè)邊的正方形)時，利用根據(jù)本發(fā)明具有300微米□發(fā)光層的LED，對于20mA，為了獲得對應于8mW的輸出，具有200微米厚度的GaN襯底可以使用至少6E18/cm3的氧濃度(對于具有5mm側(cè)邊的正方形，至少8E18/cm3)。更具體地說，在根據(jù)本發(fā)明的LED中，其中20mA被施加到具有300微米側(cè)邊的正方形的電流密度對應于3.6A(5.6A)施加到具有4mm側(cè)邊(5mm側(cè)邊)的正方形，當施加3.6A(5.6A)時，在提供至少1.4W(2.3W)的光輸出的同時，可以獲得與施加電流成正比的均勻光輸出。
此外，利用具有400微米厚度的GaN襯底，對于具有4mm側(cè)邊的正方形，利用至少3E18/cm3的氧濃度(對于具有5mm側(cè)邊的正方形，4E18/cm3氧濃度)可以獲得與以上例子相同、具有200微米厚度的規(guī)格。但是，在400微米的厚度下，氧濃度必須不超過2E19/cm3，以便當20mA被施加到具有根據(jù)本發(fā)明的尺寸的LED時，獲得的光輸出對應于8mW。
而且，利用具有600微米厚度的GaN襯底，氧濃度必須是至少2.5E18/cm3，以使電流均勻地流過具有4mm側(cè)邊的正方形。其間，對于對應于至少8mW的光輸出，20mA施加到具有根據(jù)本發(fā)明的尺寸的LED，如上所述，氧濃度的極限值僅僅略微地大于2.5E18/cm3。因此，這兩個條件滿足窄的氧濃度范圍。由于，電流均勻流過具有3mm側(cè)邊的正方形，氧濃度至少約為2E18/cm3，氧濃度容許范圍比具有4mm側(cè)邊的正方形的氧濃度容許范圍略寬。
基于圖18，可以看到GaN襯底的厚度是200微米-400微米，當20mA被施加到具有根據(jù)本發(fā)明的尺寸的LED時，對于獲得對應于8mW的輸出氧濃度范圍是足夠?qū)挼?。利?00微米的厚度，氧濃度具有低于2E19/cm3的下限是可能的。此外，利用400微米的厚度，至少8E18/cm3的氧濃度是可能的。
接下來，下面將概述本發(fā)明的例子，盡管某些方面可能與以上例子重疊。
根據(jù)本發(fā)明的發(fā)光裝置是一種發(fā)光裝置，包括氮化物半導體襯底(GaN襯底1)；氮化物半導體襯底的第一主表面?zhèn)让嫔系膎-型氮化物半導體層(AlxGa1-xN層3)；與n-型氮化物半導體層相比更遠離氮化物半導體襯底設置的p-型氮化物半導體層(p-型AlxGa1-xN層5)；以及位于n-型氮化物半導體層和p-型氮化物半導體層之間的發(fā)光層(多量子阱(MQW)4)。p-型氮化物半導體層側(cè)面被向下安裝。此外，光從第二主表面1a發(fā)出，該第二主表面1a是與氮化物半導體襯底的第一主表面相對的主表面。在氮化物半導體襯底的第二主表面上形成溝槽80。溝槽80包括其上已經(jīng)執(zhí)行了表面處理以便使內(nèi)周邊表面光滑的部分(曲面部分93)。
由于在第二主表面1a上形成溝槽80，該第二主表面是氮化物半導體襯底的出光表面，光也可以從溝槽80的側(cè)壁取出。結(jié)果，可以增加發(fā)光裝置的光使用效率。
而且，由于第二主表面1a上形成的溝槽包括曲面部分93，該第二主表面1a是出光表面，該曲面部分93是其上已執(zhí)行了表面處理以便使溝槽的內(nèi)周邊表面光滑的部分，因此即使當形成溝槽80時，在第二主表面1a上形成處理-損壞層或具有晶面損壞的區(qū)域，上述的表面處理操作可以改進或除去處理-損壞層和具有晶面損壞的區(qū)域(例如，如果表面處理包括從包括溝槽的內(nèi)周邊表面的第二主表面1a的表面層除去一定量厚度，這些可以除去處理-損壞層和具有晶面損壞的區(qū)域)。結(jié)果，可以防止由于處理-損壞層等的第二主表面1a的光取出效率減少。
同樣，在上述結(jié)構中，由于n-型電極11被布置在具有低電阻的氮化物半導體襯底(GaN襯底1)的后表面(第二主表面)上，因此即使n-電極11被布置有小的覆蓋比率，即大的開口比率，也可以使電流流過整個氮化物半導體襯底。結(jié)果，在光發(fā)出表面處吸收的光的比例被減小，增加發(fā)光效率。當然，光不僅可以從第二主表面發(fā)出而且可以從側(cè)表面發(fā)出。對如下所述的發(fā)光裝置來說這些也是正確的。
由于具有較高電阻的p-型氮化物半導體層側(cè)面不是光發(fā)出表面，因此可以在p-型氮化物半導體層的整個表面上形成p-型電極層(p-電極12)，因此使之可以提供適于在高電流下限制熱量產(chǎn)生以及允許產(chǎn)生的熱量通過傳導逃逸的結(jié)構。換句話說，顯著地減輕被熱因素影響的設計限制。結(jié)果，不必使p-電極和n-電極形成為交替的梳狀結(jié)構，以減小電阻。
而且，因為GaN襯底1具有優(yōu)越的導電性，可以提供極其良好的高壓阻抗，而不需要使用用于浪涌電壓的保護電路。同樣，由于不必執(zhí)行復雜的處理步驟，因此可以容易地減小生產(chǎn)成本。
在該發(fā)光裝置中，溝槽80的深度可以是至少50微米和不超過300微米。在不形成溝槽80的部分處，沿氮化物半導體襯底的厚度軸的厚度可以是至少100微米并且不超過600微米。
在此情況下，由于用作出光表面的溝槽80的側(cè)壁可以具有足夠的面積，因此可以從第二主表面1a足夠地取出光。如果溝槽80的深度小于50微米，那么通過增加出光表面的面積來增加光提取量變得困難。同樣，為了允許將電流提供給襯底，以為發(fā)光層獲得足夠的覆蓋度，在溝槽80的底部部分，在氮化物半導體襯底中需要一定的厚度。因此，如果溝槽80的厚度超過300微米，那么不形成溝槽80的部分的襯底變得太厚。這導致不形成溝槽80的部分的光透射率減小，以及最終使得增加從第二主表面1a的出光量是困難的。
同樣，在形成有溝槽80部分處，氮化物半導體襯底的厚度(溝槽80的基點處的氮化物半導體襯底的厚度)可以是至少50微米并且不超過300微米。即使當形成溝槽80時，這些允許通過襯底將電流提供給具有足夠的覆蓋度的發(fā)光層4，因此使之可以提供足夠的光輸出。如果不形成溝槽80的部分的氮化物半導體襯底的厚度小于100微米(如果在溝槽80的基點，氮化物半導體襯底的厚度是小于50微米)，那么襯底變得太薄，以致提供給襯底的電流被提供給具有不充分的覆蓋度的發(fā)光層4。結(jié)果，不能獲得足夠的光輸出。如果不形成溝槽80的部分的氮化物半導體襯底的厚度超過600微米(在溝槽80的基點，氮化物半導體襯底的厚度超過300微米)，那么通過提供的電流沒有獲得覆蓋度的更多改進，同時襯底的增加厚度導致襯底的材料成本增加。同樣，如果襯底太厚，那么襯底處的光透射率被減小，使之難以增加第二主表面1a發(fā)出的光量。
在該發(fā)光裝置中，可以通過使用切割刀片的切割形成溝槽80。其上執(zhí)行了表面處理的部分(曲面部分93)可以是通過除去溝槽的內(nèi)周邊表面的表面層獲得的部分。除去的表面層的厚度可以大于切割刀片的磨粒的平均直徑。
在此情況下，由于通過切割形成溝槽80，因此與使用刻蝕形成溝槽80相比，可以更有效地形成溝槽80。然后，當以此方式通過切割形成溝槽80時，溝槽的內(nèi)周邊表面，例如，側(cè)壁表面形成有凹陷和凸出，該凹陷和凸出與切割刀片中包含的磨粒的直徑近似相同的尺寸，如圖12所示。結(jié)果，如圖13和圖14所示，通過使通過表面處理操作除去的表面層厚度大于切割刀片中包含的磨粒的平均直徑，可以除去溝槽80的內(nèi)周邊表面處的圖12所示的凹陷和凸出。結(jié)果，可以以有效的方式使溝槽80的內(nèi)周邊表面光滑。因此，由于這些凹陷和凸出的存在，由溝槽80的內(nèi)周邊表面減小出光量的問題可以被限制，因此可以提高發(fā)光裝置的光取出效率。
例如，對于切割刀片中包含的磨粒的平均直徑可以是至少0.5微米并且不超過20微米。對于更大的磨粒直徑，在溝槽80的內(nèi)周邊表面上形成的凹陷和凸出的尺寸增加，導致在表面處理操作中將被除去的層的厚度增加。結(jié)果，表面處理需要的時間(處理時間)增加導致發(fā)光裝置的生產(chǎn)成本增加。另一方面，如果磨粒直徑太小，那么形成溝槽80變得困難。更具體地說，在形成溝槽80的切割操作過程中可能發(fā)生諸如氮化物半導體襯底(GaN襯底1)的斷裂的問題，或需要使切割刀片的饋送速率極度減小。因此，優(yōu)選使用以上范圍內(nèi)的磨粒直徑，以便在用于形成溝槽80的操作中提供一定的處理速度，同時也將表面處理的處理速度減小至固定級別，因此減小發(fā)光裝置的總生產(chǎn)成本。
在上述的發(fā)光裝置中，溝槽80可以具有如圖1所示的V-形截面。在此情況下，在氮化物半導體襯底的第二主表面1a上可以形成用于溝槽80傾斜側(cè)壁。因此，與垂直于第二主表面1a的側(cè)壁相比，從側(cè)壁取出的光可以在垂直于第二主表面1a的方向上(垂直于第二主表面)有效地發(fā)出。結(jié)果，可以提高光使用效率。
根據(jù)本發(fā)明的發(fā)光裝置是具有以下結(jié)構的發(fā)光裝置，如圖10所示氮化物半導體襯底(GaN襯底1)；氮化物半導體襯底的第一主表面?zhèn)壬系膎-型氮化物半導體層(n-型AlxGa1-xN層3)；與n-型氮化物半導體層相比更遠離氮化物半導體襯底設置的p-型氮化物半導體層(p-型AlxGa1-xN層5)；以及位于n-型氮化物半導體層和p-型氮化物半導體層之間的發(fā)光層(多量子阱(MQW)4)。p-型氮化物半導體層側(cè)面被向下安裝和光從第二主表面1a發(fā)出，該第二主表面1a是與氮化物半導體襯底的第一主表面相對的主表面。氮化物半導體襯底的側(cè)表面包括相對于第二主表面傾斜的傾斜表面92。傾斜表面92包括其上已經(jīng)執(zhí)行了表面處理以便使傾斜表面92光滑的部分(圖13和圖14所示的曲面部分)。
利用該結(jié)構，由于在第二主表面1a上形成傾斜表面92，該第二主表面1a是氮化物半導體襯底的出光表面，因此在垂直于第二主表面的方向上，光也可以從傾斜表面92取出。結(jié)果，可以增加發(fā)光裝置的光使用效率。
而且，由于傾斜表面92包括其上已經(jīng)執(zhí)行了表面處理以便使傾斜表面光滑的部分(曲面部分93)，因此即使在傾斜表面上形成處理-損壞層或具有晶面損壞區(qū)域，表面處理操作也可以改進或除去處理-損壞層或具有晶面損壞的區(qū)域。結(jié)果，可以防止由于處理-損壞層等減少傾斜表面92的光取出效率。
在上述發(fā)光裝置中，氮化物半導體襯底可以由GaN或AlxGa1-xN(0＜x＜＝1)形成。如果使用GaN襯底1作為氮化物半導體襯底，那么可以施加高電流密度，使發(fā)光裝置發(fā)出具有高亮度(和高光通量)的光成為可能。同樣，通過由GaN或AlxGa1-xN(0＜＝x＜＝1)形成氮化物半導體襯底，可以使用具有良好導熱性，即，有良好的熱散逸性能的氮化物半導體襯底形成用作發(fā)光裝置的LED。因此，由于即使當施加高電流密度時也可以發(fā)生足夠的熱散逸，因此可以減小LED將被熱量損壞的可能性。因此，可以實現(xiàn)其中光可以以穩(wěn)定的方式長時間輸出的發(fā)光裝置。
在上述的發(fā)光裝置中，其上已經(jīng)執(zhí)行了表面處理的部分(曲面部分93)可以是通過使用反應離子刻蝕作為表面處理方法進行光滑的部分。
當在第二主表面1a上執(zhí)行反應離子刻蝕時，包括溝槽80的內(nèi)周邊表面的、具有預定厚度的第二主表面1a的表面層被除去，以及在刻蝕之后可以容易地使第二主表面1a的表面(形成溝槽80的內(nèi)周邊表面的側(cè)壁表面和其上不形成溝槽80的表面部分)光滑。除上述的反應離子刻蝕之外，表面處理操作可以使用任意方法，只要包括溝槽80的內(nèi)周邊表面的第二主表面1a可以被光滑。例如，通過使用酸性溶液或堿溶液(例如，KOH或NaOH)的濕法刻蝕、激光處理、其他干法刻蝕、離子研磨、濺射蝕刻等執(zhí)行表面處理將是可以的。
在上述的發(fā)光裝置中，氮化物半導體襯底可以是GaN襯底1。GaN襯底1通過氧摻雜而形成n-型，以及氧濃度可以是至少1E17(1×1017)氧原子/cm3，以及不超過2E19(2×1019)/cm3。在此情況下，電流可以均勻地流過整個GaN襯底1，使大致從GaN襯底1的整個第二主表面足夠地出光成為可能。
考慮用作氮化物半導體襯底的GaN襯底1的氧濃度，如果氧濃度超過2E19/cm3，那么用于光(特別是藍光)的GaN襯底1的透射率被減小，導致降低GaN襯底1的光透射率。同樣，如果GaN襯底1中的氧濃度小于1E17/cm3，那么GaN襯底1的電阻率被減小，以致對于發(fā)光層4從電極提供給GaN襯底1的電流沒有獲得足夠的覆蓋度。結(jié)果，來自發(fā)光裝置的光輸出被減小。
在上述發(fā)光裝置中，其上已經(jīng)執(zhí)行了表面處理的部分(曲面部分93)的表面粗糙度可以具有不超過10nm的Ra。在此情況下，由于其上已經(jīng)執(zhí)行了表面處理的部分處的表面具有足夠的光滑度，由于該部分的表面狀態(tài)氮化物半導體襯底中光透射率被減小的程度可以被限制在實際上可以忽略的程度。結(jié)果，可以提高來自第二主表面1a的光取出效率。
在該發(fā)光裝置中，通過已進行表面處理的部分從氮化物半導體襯底的第一主表面透出光，具有至少420nm并且不超過480nm波長的光的透射率可以是至少50％。
如果在已進行表面處理的部分(溝槽80的側(cè)壁的曲面部分93)具有以上波長的光的透射率小于50％，即使在其上形成溝槽80的部分上執(zhí)行表面處理，實際上形成溝槽80的部分處的光吸收和光反射也增加。因此，如果上述波長的光透射率是小于50％，那么在這些部分具有減小的光取出效率。因此，通過使已經(jīng)進行如上所述的表面處理的部分的光透射率至少是80％，可以防止光取出效率的這種減少。對于為了研究透射率使用上述至少420nm并且不超過480nm的光波長范圍的原因是在發(fā)光裝置中從發(fā)光層4發(fā)出的光具有被該波長范圍覆蓋的波長。
一種用于制造上述發(fā)光裝置的方法是用于制造具有氮化物半導體襯底的發(fā)光裝置的方法，該方法包括溝槽形成步驟(S20)和表面處理步驟(S30)。在溝槽形成步驟(S20)中，執(zhí)行切割，以在第二主表面1a上形成溝槽80，該第二主表面與氮化物半導體襯底的其上形成發(fā)光層4的第一主表面相對。這使之可以提供根據(jù)本發(fā)明的發(fā)光裝置。
在用于制造上述發(fā)光裝置的方法中，在表面處理步驟(S30)中，優(yōu)選通過執(zhí)行反應離子刻蝕除去溝槽80的內(nèi)周邊表面的表面層。在此情況下，由于溝槽80的內(nèi)周邊表面可以被可靠地光滑，因此發(fā)光裝置可以擁有高于常規(guī)技術的光取出效率。
在用于制造上述發(fā)光裝置的方法中，在表面處理步驟(S30)中，將通過反應離子刻蝕從溝槽80的內(nèi)周邊表面除去的表面層的厚度可以大于在溝槽形成步驟(S20)中使用的切割刀片中包含的磨粒的平均直徑。
這使之可以在表面處理步驟(S30)中，由于在溝槽形成步驟(S20)中執(zhí)行的切割操作，可靠地除去在溝槽80的內(nèi)周邊表面上形成的、具有對應于切割刀片的磨粒直徑的凹陷和凸出。結(jié)果，可以可靠地使溝槽80的內(nèi)周邊表面光滑。
在用于制造上述發(fā)光裝置的方法中，在表面處理步驟(S30)中，反應離子刻蝕中使用的反應氣體可以包含氯氣。這使之可以可靠地使在氮化物半導體襯底上形成的溝槽80的內(nèi)周邊表面光滑。
在根據(jù)本發(fā)明的氮化物半導體襯底(GaN襯底1)中，在一個主表面上形成溝槽80，如圖11所示，以及溝槽80的內(nèi)周邊表面包括已進行了表面處理以便使內(nèi)周邊表面(圖13和圖14中的曲面部分93)光滑的部分。
當該氮化物半導體襯底用于發(fā)光裝置時，使用其上形成了溝槽80的主表面作為出光表面，使之可以提供具有高的光取出效率的發(fā)光裝置。
在上述氮化物半導體襯底中，進行表面處理的部分可以是通過以反應離子刻蝕的形式的表面處理而被光滑的部分。這使之可以通過表面處理可靠地使溝槽80的內(nèi)周邊表面光滑。
上述氮化物半導體襯底可以是GaN襯底，以及該GaN襯底1可以通過氧摻雜而形成n-型，具有在至少1E17氧原子/cm3并且不超過2E19/cm3范圍內(nèi)的氧濃度。這允許電流均勻地流過整個GaN襯底1，以便如果GaN襯底1用來制造發(fā)光裝置，那么可以大致從GaN襯底1的整個第二主表面充分地發(fā)射光。
在上述氮化物半導體襯底中，溝槽80可以具有V-形截面。這使之可以在氮化物半導體襯底的主表面1a上形成溝槽80的傾斜側(cè)壁。通過在發(fā)光裝置中使用根據(jù)本發(fā)明的氮化物半導體襯底，與當溝槽的側(cè)壁大致垂直于主表面1a時相比，在主表面1a的法線方向(垂直于主表面的方向)可以更有效地發(fā)出從側(cè)壁取出的光。結(jié)果，可以提供具有高的光使用效率的發(fā)光裝置。
在上述氮化物半導體襯底中，溝槽80的深度可以是至少50微米并且不超過300微米，以及沿不形成溝槽80的氮化物半導體襯底的厚度軸的厚度可以是至少100微米和并且超過600微米。當該氮化物半導體襯底用于發(fā)光裝置時，用作出光表面的一部分的溝槽80的側(cè)壁將具有足夠的面積。這使之可以提供允許從出光表面取出足夠的光量的發(fā)光裝置。
在上述氮化物半導體襯底中，其上執(zhí)行了表面處理的部分(其上在溝槽80的側(cè)壁上形成彎曲部分93的部分)可以具有至少10nm的Ra的表面粗糙度。在此情況下，由于其上已經(jīng)執(zhí)行了表面處理的部分的表面具有足夠的光滑度，由于表面部分的狀態(tài)，氮化物半導體襯底的光透射率的減小程度可以被限制在實際上可以忽略的程度。結(jié)果，當使用該氮化物半導體襯底來制備發(fā)光裝置時，該發(fā)光裝置可以獲得高的光取出效率。
在該氮化物半導體襯底中，對于從與主表面1a相對的、其上形成溝槽80的主表面透射的光，通過其上形成溝槽80的部分，對于至少420nm并且不超過480nm的波長范圍，透射率可以是至少50％。在此情況下，當使用該氮化物半導體襯底來制造發(fā)光裝置時，用該發(fā)光裝置可以獲得好的光取出效率。
上面描述了本發(fā)明的實施例和例子，但是本發(fā)明的這些實施例和例子僅僅是例子，且本發(fā)明的范圍不局限于這些實施例。本發(fā)明的范圍由本發(fā)明的權利要求指出并覆蓋本發(fā)明的權利要求的等同替換和該范圍內(nèi)的所有改進。
在根據(jù)本發(fā)明的發(fā)光裝置中，使用具有高導電性的氮化物半導體襯底，在出光表面上形成溝槽，在其上形成這些溝槽的表面上執(zhí)行表面處理，以便使該表面光滑，以及使用p-向下安裝的結(jié)構。結(jié)果(1)可以提高光取出效率；(2)提供優(yōu)越的熱散逸，同時在不需要復雜的電極結(jié)構的情況下使高輸出光發(fā)射成為可能；(3)提供優(yōu)越的導電性，同時在不需要用于保護發(fā)光元件被瞬態(tài)電壓和靜電放電影響的保護電路的情況下，提供大面積發(fā)光和高的靜電耐壓；(4)由于在從發(fā)光層開始至襯底的折射率中從高至低沒有顯著的不連續(xù)性，在發(fā)光層和發(fā)出面之間不易于發(fā)生全內(nèi)反射，因此防止效率減小和由全內(nèi)反射引起的側(cè)表面處的樹脂退化。(5)由于用低壓發(fā)射光，因此不需要大容量電源，因此使該裝置適合于汽車照明裝置；(6)因為該結(jié)構是簡單的，因此制造是容易的和廉價的，以及維修也是容易的。因此，可以預計本發(fā)明可以廣泛地用于包括汽車照明裝置的不同類型的照明產(chǎn)品。
權利要求
1.一種發(fā)光裝置，包括氮化物半導體襯底；位于所述氮化物半導體襯底的第一主表面?zhèn)壬系膎-型氮化物半導體層；與所述n-型氮化物半導體層相比更遠離所述氮化物半導體襯底設置的p-型氮化物半導體層；以及位于所述n-型氮化物半導體層和所述p-型氮化物半導體層之間的發(fā)光層；所述發(fā)光裝置，其中所述p-型氮化物半導體層側(cè)被向下安裝并且光從第二主表面發(fā)出，所述第二主表面是與所述氮化物半導體襯底的所述第一主表面相對的主表面；在所述氮化物半導體襯底的所述第二主表面上形成溝槽；以及對所述溝槽的內(nèi)周表面進行表面處理，以便使所述內(nèi)周表面光滑。
2.根據(jù)權利要求1的發(fā)光裝置，其中所述溝槽具有至少50微米并且不超過300微米的深度；以及沿所述氮化物半導體襯底的厚度軸，其上未形成所述溝槽的部分的厚度至少是100微米并且不超過600微米。
3.根據(jù)權利要求1或權利要求2的發(fā)光裝置，其中通過使用切割刀片的切割操作來形成所述溝槽；其上執(zhí)行表面處理的所述部分是通過除去所述溝槽的所述內(nèi)周表面的表面層所獲得的部分；以及所述被除去的表面層的厚度大于所述切割刀片中包含的磨粒的平均直徑。
4.一種發(fā)光裝置，包括氮化物半導體襯底；位于所述氮化物半導體襯底的第一主表面?zhèn)壬系膎-型氮化物半導體層；與所述n-型氮化物半導體層相比更遠離所述氮化物半導體襯底設置的p-型氮化物半導體層；以及位于所述n-型氮化物半導體層和所述p-型氮化物半導體層之間的發(fā)光層；所述發(fā)光裝置，其中所述p-型氮化物半導體層側(cè)被向下安裝并且光從第二主表面發(fā)出，所述第二主表面是與所述氮化物半導體襯底的所述第一主表面相對的主表面；所述氮化物半導體襯底的側(cè)表面包括相對于所述第二主表面傾斜的傾斜表面；以及對所述傾斜表面應用表面處理，以便使所述傾斜表面光滑。
5.根據(jù)權利要求1至權利要求4的任意一項的發(fā)光裝置，其中進行所述表面處理的所述部分是通過反應離子刻蝕形式的所述表面處理而光滑的部分。
6.根據(jù)權利要求1至權利要求5的任意一項的發(fā)光裝置，其中所述氮化物半導體襯底是GaN襯底；以及所述GaN襯底通過氧摻雜而形成n-型，具有至少1E17氧原子/cm3并且不超過2E19氧原子/cm3的氧濃度。
7.根據(jù)權利要求1至權利要求6的任意一項的發(fā)光裝置，其中進行了所述表面處理的部分具有不超過10nm的Ra的表面粗糙度。
8.根據(jù)權利要求1至權利要求7的任意一項的發(fā)光裝置，其中，在所述氮化物半導體襯底中，在通過進行了所述表面處理的所述部分從所述第一主表面透射的光中，具有至少420nm并且不超過480nm的波長的光具有至少50％的透射率。
9.一種用于制造具有氮化物半導體襯底的發(fā)光裝置的方法，用于制造發(fā)光裝置的所述方法包括通過在與所述氮化物半導體襯底的其上形成發(fā)光層的第一主表面相對的第二主表面上執(zhí)行切割來形成溝槽的步驟；以及用于執(zhí)行表面處理以使所述溝槽的內(nèi)周表面光滑的步驟。
10.根據(jù)權利要求9的用于制造發(fā)光裝置的方法，其中在所述表面處理步驟中，通過執(zhí)行反應離子刻蝕除去所述溝槽的所述內(nèi)周表面的表面層。
11.根據(jù)權利要求10的用于制造發(fā)光裝置的方法，其中在所述表面處理步驟中，通過在所述溝槽的所述內(nèi)周表面上執(zhí)行的所述反應離子刻蝕而除去的所述表面層的厚度大于在溝槽形成步驟中使用的切割刀片中包含的磨粒的平均直徑。
12.根據(jù)權利要求10或權利要求11的用于制造發(fā)光裝置的方法，其中在所述表面處理步驟中，在所述反應離子刻蝕中使用的反應氣體包含氯氣。
13.一種氮化物半導體襯底，其中在一個主表面上形成溝槽；以及所述溝槽的內(nèi)周表面包括在其上執(zhí)行了為使所述內(nèi)周表面光滑的表面處理的部分。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種發(fā)光裝置，包括GaN襯底1；布置在GaN襯底1的第一主表面?zhèn)让嫔系膎－型氮化物半導體襯底層(n－型Al
文檔編號H01L33/06GK1855564SQ20061007731
公開日2006年11月1日 申請日期2006年4月26日 優(yōu)先權日2005年4月26日
發(fā)明者永井陽一, 片山浩二, 北林弘之 申請人:住友電氣工業(yè)株式會社