專利名稱：使用GaN LED芯片的發(fā)光器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及包括具有由透光襯底上形成的GaN基半導(dǎo)體組成的發(fā)光元件結(jié)構(gòu)的倒裝芯片安裝的GaN基LED芯片的發(fā)光器件。GaN基半導(dǎo)體是通過下列化學(xué)式所表示的化合物半導(dǎo)體。
AlaInbGa1^bN (0 ≤ a ≤ 1，0≤ b ≤ 1，≤ a+b≤ I)，
它又稱作III族氮化物半導(dǎo)體、氮化物基半導(dǎo)體等。其中III族元素的一部分由B (硼)、n (鉈)等替代的上述化學(xué)式的化合物半導(dǎo)體以及其中N(氮)的一部分由P (磷)、As (砷)、Sb (銻)、Bi (鉍)等替代的上述化學(xué)式的化合物半導(dǎo)體也包含在GaN基半導(dǎo)體中。其中例如Pn結(jié)結(jié)構(gòu)、雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)和量子阱結(jié)構(gòu)等的發(fā)光元件結(jié)構(gòu)由GaN基半導(dǎo)體構(gòu)成的GaN基LED能發(fā)出綠光至紫外光，并且投入到信號、顯示設(shè)備等的實(shí)際使用。包括具有透光襯底上形成的發(fā)光元件結(jié)構(gòu)的GaN基半導(dǎo)體層的GaN基LED芯片能直接或者經(jīng)由次底座(submount)固定到例如SMD (表面安裝器件)類型LED封裝和引線框的襯底等的基底上，其中GaN基半導(dǎo)體層側(cè)朝向基底。換言之，LED芯片能以透光襯底側(cè)朝上地固定到基底上。這種類型的芯片接合形式稱作倒裝芯片安裝。倒裝芯片安裝有時又稱作面朝下安裝、倒置安裝、結(jié)朝下安裝等。用于倒裝芯片安裝的常規(guī)GaN基LED芯片在GaN基半導(dǎo)體層等之上具有又充當(dāng)電極的金屬反射膜，以便將GaN基半導(dǎo)體層內(nèi)部所產(chǎn)生的光反射到透光襯底側(cè)。為了改進(jìn)安裝時的發(fā)射功率，使用具有例如Ag(銀)、A1(鋁)和Rh(銠)等的具有高光反射系數(shù)的金屬作為材料(專利文獻(xiàn)I、專利文獻(xiàn)2)來形成這個反射膜被認(rèn)為是理想的。
專利文獻(xiàn) I JP-A-2000-183400 專利文獻(xiàn) 2 JP-A-2004-179347 專利文獻(xiàn) 3 JP-A-2002-280611 專利文獻(xiàn) 4 JP-A-2003-318441 本發(fā)明的公開內(nèi)容 要通過本發(fā)明解決的問題但是，本發(fā)明人已經(jīng)研究并發(fā)現(xiàn)，當(dāng)要進(jìn)行倒裝芯片安裝的GaN基LED芯片具有主要由金屬反射膜構(gòu)成的反射結(jié)構(gòu)時，改進(jìn)發(fā)光器件的發(fā)射功率受到限制。具體來說，從磷發(fā)出光的白光發(fā)光器件配置成使用配備有主要由直接在GaN基半導(dǎo)體層的表面上所形成的金屬反射膜構(gòu)成的反射結(jié)構(gòu)的GaN基LED芯片作為激發(fā)光源時，難以產(chǎn)生具有用于照明的充分輸出功率的白光發(fā)光器件。鑒于現(xiàn)有技術(shù)的上述問題而進(jìn)行本發(fā)明，其目的主要是改進(jìn)包括倒裝芯片安裝的GaN基LED芯片的發(fā)光器件的輸出功率，并且提供一種在光發(fā)射功率方面優(yōu)良的、能夠優(yōu)選地用作用于照明的白光發(fā)光器件的激發(fā)光源的發(fā)光器件。解決問題的方式本發(fā)明人通過擺脫主要采用金屬反射膜來構(gòu)成要倒裝芯片安裝的GaN基LED芯片的反射結(jié)構(gòu)的概念來實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。
因此，在本發(fā)明的一個實(shí)施例中，提供其中下列(a)的GaN基LED芯片是倒裝芯片安裝的發(fā)光器件以便解決上述問題
(a) GaN基LED芯片，包括透光襯底以及在透光襯底上形成的GaN基半導(dǎo)體層，GaN基半導(dǎo)體層具有從透光襯底側(cè)開始依次包括n型層、發(fā)光層和p型層的層疊結(jié)構(gòu)，
其中，正電極在P型層上形成，所述電極包括 由氧化物半導(dǎo)體制成的透光電極，以及 與透光電極電連接的正接觸電極，以及 正接觸電極的面積小于P型層的上表面面積的1/2。
在發(fā)光器件的一個優(yōu)選實(shí)施例中，正接觸電極的面積小于P型層的上表面面積的1/3。
在發(fā)光器件的一個更優(yōu)選實(shí)施例中，正接觸電極的面積小于P型層的上表面面積的
1/4。
在這種發(fā)光器件中，倒裝芯片安裝的GaN基LED芯片可采用樹脂來密封。
在這種發(fā)光器件中，通過拋光使透光電極的表面平面化。
發(fā)明效果下面說明為什么本發(fā)明所提供的上述發(fā)光器件在光發(fā)射功率方面優(yōu)良的原因。
發(fā)光器件的主要特性在于，特意利用透光物質(zhì)之間的折射率的差所引起的反射的GaN
基LED芯片是倒裝芯片安裝的。按照常規(guī)方式不存在注意到由于要倒裝芯片安裝的LED芯片的折射率的差而引起的這種反射的概念。與反射相關(guān)的透光物質(zhì)包括GaN基半導(dǎo)體層、由氧化物半導(dǎo)體制成的透光電極以及作為圍繞LED芯片的介質(zhì)的透光密封劑或氣體(在氣密密封的情況下)。
在一個實(shí)施例中，透光絕緣保護(hù)膜也涉及反射。在包括通過在透光襯底上依次層疊n型層、發(fā)光層和P型層所形成的GaN基半導(dǎo)體層的GaN基LED芯片中，至少一個正接觸電極(接合墊)需要在GaN基半導(dǎo)體層側(cè)面上作為金屬膜形成。在構(gòu)成發(fā)光器件的上述(a)的GaN基LED芯片中，正接觸電極的面積沒有制作成過大。已知的是，LED芯片的發(fā)光層中產(chǎn)生的光在離開芯片之前在其內(nèi)部反復(fù)地反射。因此，一個反射的損失的細(xì)微差異極大地影響從芯片提取(extracted)的光功率。由于因透光物質(zhì)之間的折射率的差異引起的反射所伴隨的比金屬表面的反射損失更小的損失，發(fā)光器件在光發(fā)射功率方面是優(yōu)良的。由于本發(fā)明的發(fā)光器件在光發(fā)射功率方面是優(yōu)良的，所以能夠優(yōu)選地用于包括照明在內(nèi)的要求高功率的應(yīng)用。


圖I是示出根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例的發(fā)光器件的結(jié)構(gòu)的截面圖。
圖2示出圖I的發(fā)光器件中包含的GaN基LED芯片的結(jié)構(gòu)，其中圖2(a)是頂視圖，而圖2(b)是沿圖2(a)的線條Xl-Yl的截面圖。
圖3是示出根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例的發(fā)光器件的結(jié)構(gòu)的截面圖。
圖4示出圖3的發(fā)光器件中包含的GaN基LED芯片的結(jié)構(gòu)，其中圖4(a)是頂視圖，而圖4(b)是沿圖4(a)的線條X2-Y2的截面圖。
圖5提供根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例、GaN基LED芯片的GaN基半導(dǎo)體層中的減小光限制(confinement)的機(jī)制的說明。
圖6是根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例的發(fā)光器件中可使用的GaN基LED芯片的截面圖，其中圖6(a)示出具有水平類型元件結(jié)構(gòu)的GaN基LED芯片的示例，而圖6(b)示出具有垂直類型元件結(jié)構(gòu)的GaN基LED芯片的示例。
圖7是根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例的發(fā)光器件中可使用的GaN基LED芯片的頂視圖。
圖8是根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例的發(fā)光器件中可使用的GaN基LED芯片的頂視圖。
圖9示出實(shí)驗示例I中使用的次底座的結(jié)構(gòu)，其中圖9(a)是頂視圖，而圖9(b)是沿圖 9(a)的線條P-Q的截面圖。
圖10是在實(shí)驗示例I中完成安裝之后的次底座及其上安裝的GaN基LED芯片的截面圖。
圖11示出正接觸電極的面積與P型層的上表面面積之比和實(shí)驗示例I中得到的GaN基LED芯片樣本的輸出功率之間的關(guān)系。
圖12示出正接觸電極的面積與p型層的上表面面積之比和實(shí)驗示例2中得到的GaN基LED芯片樣本的輸出功率之間的關(guān)系。
圖13示出正接觸電極的面積與p型層的上表面面積之比和實(shí)驗示例3中得到的GaN基LED芯片樣本的輸出功率之間的關(guān)系。
標(biāo)號說明1，2:發(fā)光器件
100，200，300，400，500,600 GaN 基 LED 芯片101,201,301,401 :透光襯底102,202,302,402,502,602 :n 型層103,203,303,403 :發(fā)光層104，204，304，404，504，604 p 型層L =GaN基半導(dǎo)體層
E101, E201, E301, E401, E501, E601 :正電極ElOla, E201a, E301a, E401a, E501a, E601a :透光電極ElOlb, E201b, E301b, E401b, E501b, E601b :正接觸電極 E102, E202, E302, E402, E502, E602 :負(fù)電極執(zhí)行本發(fā)明的最佳方式(實(shí)施例I)
圖I是根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例的發(fā)光器件的截面圖。圖中所示的發(fā)光器件I呈現(xiàn)SMD (表面安裝器件)類型LED封裝，以及上述(a)的GaN基LED芯片100在由陶瓷、樹脂等制成的襯底111上倒裝芯片安裝。通過將LED芯片100的同側(cè)上所形成的正電極和負(fù)電極的每個與襯底111上形成的電極112和113接合，來固定GaN基LED芯片100。作為粘合劑(未示出)，使用具有電導(dǎo)性的粘合劑，例如諸如Au-Sn焊料之類的焊料、諸如銀膏之類的導(dǎo)電膏等。在這個實(shí)施例中，反射體114是獨(dú)立于襯底111的部分，但它也可與襯底整體形成。例如環(huán)氧樹脂和硅樹脂等透光密封劑120填充由襯底111和反射體114所構(gòu)成的空腔(杯狀部分)。為了提供白光發(fā)光器件，磷散布在透光密封劑120中。還能夠采用由玻璃等制成的透光蓋氣密地密封空腔，而不是填充樹脂等。發(fā)光器件I中包含的GaN基LED芯片100的結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖2 (a)是頂視圖，而圖2(b)是沿圖2(a)中的線條Xl-Yl的截面圖。GaN基LED芯片100具有其中GaN基半導(dǎo)體層L層疊在透光襯底101上的結(jié)構(gòu)。GaN基半導(dǎo)體層L具有自透光襯底101側(cè)依次包括n型層102、發(fā)光層103和p型層104的層疊結(jié)構(gòu)。由監(jiān)寶石、尖晶石、碳化娃、氧化鋒、氧化續(xù)、GaN-, AlGaN-, AIN、NGO (NdGaO3)、LGO(LiGaO2)、LAO(LaAlO3)等制成的單晶襯底可優(yōu)選地用作透光襯底101。在這個實(shí)施例中，處理透光襯底101的表面以便形成凹凸表面，使得彎曲界面在透光襯底101與GaN基半導(dǎo)體層L之間形成。當(dāng)彎曲界面存在于透光襯底101與 GaN基半導(dǎo)體層L之間時，發(fā)光層103中產(chǎn)生的光在GaN基半導(dǎo)體層L中的限制因界面的光散射作用而變得更弱，即使在透光襯底101的折射率比GaN基半導(dǎo)體層L更低時。當(dāng)限制變得更弱時，發(fā)光層103中產(chǎn)生的光經(jīng)受的內(nèi)部反射的頻率在它離開GaN基半導(dǎo)體層L之前變得更低，隨后光通過發(fā)光層103，它更不頻繁地、強(qiáng)有力地吸收光，從而引起從LED芯片提取的光的功率的增加。雖然透光襯底101的表面上的凹凸圖案可以是可選圖案，但它優(yōu)選是具有周期性的圖案，使得GaN基半導(dǎo)體晶體在凹凸表面上均勻地生長。周期性圖案的示例包括其中交替設(shè)置條狀凹陷部分(凹槽)和條狀凸出部分(隆起)的圖案以及其中規(guī)則地配置了具有圓形或正多邊形的底表面的點(diǎn)狀凹陷部分(凹口)或者具有圓形或正多邊形的上表面的點(diǎn)狀凸出部分(凸起)的圖案?？赏ㄟ^形成圖案化為透光襯底101的表面上具有開口的蝕刻掩模，然后通過在掩模上進(jìn)行蝕刻在開口的位置形成凹陷部分，來形成凹陷和凸出。從凸出部分的頂部看到的凹陷部分的深度可以是例如0.這個深度優(yōu)選地為0. 5 ii m-3 ii m，更優(yōu)選地為I y m_2 y m。當(dāng)凹陷部分和凸出部分為條狀時的條紋的寬度或者當(dāng)它們是點(diǎn)狀時的點(diǎn)的寬度(它為最大時的寬度)可以是例如0. 寬度優(yōu)選地為0. 5 ii m-5 ii m，更優(yōu)選地為I y m_3 y m。對于凹陷和凸出的圖案、截面形狀、大小等,可參閱專利文獻(xiàn)3和專利文獻(xiàn)4?？赏ㄟ^例如MOVPE (有機(jī)金屬汽相外延)、分子束外延(MBE)、氫化物汽相外延(HVPE)等汽相外延法在透光襯底101上形成GaN基半導(dǎo)體層L。當(dāng)透光襯底101由不是與GaN基半導(dǎo)體晶格匹配的材料制造時,緩沖層(未示出)插入透光襯底101與GaN基半導(dǎo)體層L之間。優(yōu)選緩沖層是由GaN、AlGaN等制成的低溫緩沖層。采用Si(硅)、Ge(鍺)、Se(硒)、Te(碲)、C(碳)等作為n型雜質(zhì)對N型層102進(jìn)行摻雜。在n型層102中，優(yōu)選地采用n型雜質(zhì)以特別高的濃度將接觸負(fù)電極E102的部分摻雜成具有高載流子濃度。另外，優(yōu)選的是，使直接或者經(jīng)由緩沖層與透光襯底101接觸的n型層的部分具有降低的n型雜質(zhì)濃度或者未摻雜，以便改進(jìn)其上生長的GaN基半導(dǎo)體層的結(jié)晶度。當(dāng)透光襯底101的表面是凹凸表面時，對于生長GaN基半導(dǎo)體晶體以填充凹凸表面的凹陷部分的方法，可參閱專利文獻(xiàn)3等。可以可選地對發(fā)光層103摻雜雜質(zhì)。采用Mg(鎂)、Zn (鋅)等作為p型雜質(zhì)對P型層104進(jìn)行摻雜。形成p型層104之后，必要時可執(zhí)行使p型摻雜雜質(zhì)活化的退火處理或電子束輻射處理。在P型層104中，優(yōu)選地采用p型雜質(zhì)以不小于5X IO19CnT3的高濃度對接觸透光電極ElOla的部分進(jìn)行摻雜。
構(gòu)成GaN基半導(dǎo)體層L的各層可采用具有例如GaN、AlGaN、InGaN和AlInGaN等的任何晶體成分的GaN基半導(dǎo)體來形成，并且各層可具有多層結(jié)構(gòu)，其中層疊具有不同晶體成分或雜質(zhì)濃度的層。為了改進(jìn)發(fā)光效率，優(yōu)選的是形成其中發(fā)光層103夾在具有比發(fā)光層103更高帶隙的覆層(clad layer)之間的雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)，以及優(yōu)選的是，發(fā)光層103具有量子阱結(jié)構(gòu)(單量子阱結(jié)構(gòu)或多量子阱結(jié)構(gòu))。除了 n型層102、發(fā)光層103和p型層104之外，GaN基半導(dǎo)體層L還可以可選地具有附加層。在形成p型層104之后，充當(dāng)歐姆電極和接觸電極(接合墊)的負(fù)電極E102在通過蝕刻來部分去除P型層104和發(fā)光層103所露出的n型層102的表面上形成。在負(fù)電 極E102中，與n型層104接觸的至少一部分采用與n型GaN基半導(dǎo)體形成歐姆接觸的材料來形成。這種材料是已知的，例如可列舉Al (鋁)、Ti (鈦)、W(鎢)、Ni (鎳)、Cr (鉻)或V(釩)的單質(zhì)或者包含從其中選取的一種或多種金屬的合金。已知的是，例如IT0(氧化銦錫)、氧化銦、氧化錫、IZO (氧化銦鋅)、AZ0 (氧化鋁鋅)和氧化鋅等導(dǎo)電氧化物也形成與n型GaN基半導(dǎo)體的良好歐姆接觸。負(fù)電極E102的表面層由金屬材料制成。當(dāng)負(fù)電極E102和電極113用焊料接合在一起時，按照待使用的焊料種類，負(fù)電極E102的表面層優(yōu)選地由具有良好焊料潤濕性的Au (金)、Sn (錫)或其它金屬材料制成。在這個實(shí)施例中，在進(jìn)行蝕刻以露出負(fù)電極形成表面時，還從晶圓上的相鄰元件之間的區(qū)域、即在以后的步驟中將晶圓切割為芯片時切割線或劃線經(jīng)過的區(qū)域去除P型層104和發(fā)光層103，以便在這個區(qū)域中露出n型層102。這樣，可使晶圓分割期間傳送到發(fā)光部分的振動和碰撞為最小。正電極ElOl在p型層104上形成。正電極ElOl包括由氧化物半導(dǎo)體組成的透光電極ElOla以及在其上形成并且與其電連接的正接觸電極ElOlb。在這個實(shí)施例中，整個正接觸電極ElOlb在透光電極ElOla上形成。但是，它不是必不可少的，并且可以僅正接觸電極的一部分與透光電極重疊。對于透光電極ElOIa可使用的氧化物半導(dǎo)體的示例包括ITO (氧化銦錫)、氧化銦、氧化錫、IZO(氧化銦鋅)、AZP (氧化招鋅)、氧化鋅和FTO(摻氟氧化錫)。透光電極ElOl可具有多層結(jié)構(gòu)，其中層疊不同的氧化物半導(dǎo)體膜。形成透光電極ElOla的方法沒有限制，以及根據(jù)氧化物半導(dǎo)體的種類，可適當(dāng)?shù)厥褂美鐬R射方法、反應(yīng)濺射、真空蒸發(fā)、離子束輔助沉積、離子鍍、激光消融、CVD、噴霧方法、旋涂方法和浸潰方法等常規(guī)已知的方法。由氧化物半導(dǎo)體制成的透光電極ElOla可通過剝離法來形成圖案。作為一種不同的方式，可使用如下圖案化方法，即其包括在為了負(fù)電極形成進(jìn)行蝕刻之前在P型層104的整個表面之上形成氧化物半導(dǎo)體膜、然后通過(濕式或干式)蝕刻去除不必要部分。理想地，透光電極ElOla的表面平面度盡可能高。例如，ITO薄膜傾向于是多晶的，以及通過通常方法所形成的ITO薄膜的表面是具有粗糙度大約為30nm-50nm的細(xì)小凸起和凹坑的表面。當(dāng)透光電極ElOla的表面具有這個等級的粗糙度時，發(fā)光層103中產(chǎn)生的光易于通過透光電極ElOla的表面離開芯片，以及在透光電極ElOla與透光密封劑120 (在氣密密封的情況下為氣體)之間的界面上反射到透光襯底101側(cè)的光的量減小，這又降低了發(fā)光器件I的輸出功率。因此，優(yōu)選地，透光電極ElOla由提供生長狀態(tài)(as-grown state)的平面表面的非晶氧化物半導(dǎo)體形成?？赏ㄟ^降低膜形成溫度來使氧化物半導(dǎo)體為非晶，以及在ITO的情況下，將溫度降低到室溫或以下。IZO稱作氧化物半導(dǎo)體，它的非晶狀態(tài)是穩(wěn)定的，并且準(zhǔn)許從室溫至350°C的大的溫度范圍內(nèi)的非晶膜形成。使用IZO，透光電極可易于采用具有高表面平面度的非晶膜來形成。在改進(jìn)透光電極ElOla的表面平面度的一種不同的方式中，可在膜形成之后對氧化物半導(dǎo)體膜的表面進(jìn)行拋光。當(dāng)使用易于變?yōu)槎嗑У难趸锇雽?dǎo)體、如ITO時，這種方法是優(yōu)選的。當(dāng)使用這種方法時，氧化物半導(dǎo)體膜在P型層104的整個上表面上形成，以及在對表面進(jìn)行拋光之后，通過蝕刻將膜圖案化為預(yù)定電極形狀。透光電極ElOla的表面平面度優(yōu)選地與小于20nm的粗糙度同樣高，更優(yōu)選地小于IOnm,如在算術(shù)平均粗糙度(Ra)、最大高度(Rmax)、十點(diǎn)平均高度(Rz)等的所有粗糙度指標(biāo)中由觸針型表面輪廓儀(stylus-type surface profiler)所測得的。很明顯，通過改進(jìn)透光電極ElOla的表面平面度，在透光電極ElOla上形成的正接觸電極ElOlb的后側(cè)表面(該表面與透光電極ElOla的表面接觸)變得平滑，從而引起在正接觸電極的后側(cè)增加光反射性的效果。這種效果還有助于改進(jìn)發(fā)光器件I的輸出功率。透光電極ElOla在p型層104的幾乎整個表面上形成，而正接觸電極ElOlb形成為沒有占用P型層104上的過大面積。正接觸電極ElOlb的面積優(yōu)選地小于p型層104的上表面面積的1/2，更優(yōu)選地小于其1/3，特別優(yōu)選地小于其1/4。在最優(yōu)選的實(shí)施例中，面積比([正接觸電極的面積]/[P型層的上表面面積])小于1/10。當(dāng)面積比過小時，LED芯片 100中產(chǎn)生的熱量不會通過正接觸電極ElOlb逸出到襯底111側(cè)。因此，正接觸電極ElOlb的面積理想地不低于P型層104的上表面面積的3%。
在這里，當(dāng)形成多個正接觸電極時，正接觸電極的面積是通過相加多個電極的面積所計算的總面積。在這個實(shí)施例中，正接觸電極ElOlb的上表面具有圓形。但是，形狀沒有限制，并且可采用例如正方形、正五邊形和正六邊形的正多邊形、矩形等。當(dāng)正接觸電極ElOlb過小時，安裝可用性變壞，并且粘合劑易于突出。因此需要適當(dāng)?shù)拇笮　?br> 非限制性地，當(dāng)采用圓形時，直徑可以是60 ym-90 ym，而當(dāng)采用方形時，邊長可以是60 u m-90 u m0正接觸電極ElOlb的材料沒有限制，并且可采用對于氧化物半導(dǎo)體的電極通常使用的金屬材料。具體來說，可列舉Zn (鋅)、Ni (鎳)、Pt (鉬)、Pd (鈀)、Rh(銠)、Ru (釕)、Ir (銥)、Ti (鈦)、Zr (鋯)、Mo (鑰)、V、Nb (鈮)、Ta (鉭)、Co (鈷)、W (鎢)、Cu (銅)、Ag(銀)、Al(鋁)等的單質(zhì)或者包含從其中選取的一種或多種金屬的合金。正接觸電極ElOlb可具有層疊結(jié)構(gòu)。正接觸電極ElOlb優(yōu)選地是單層膜或多層膜，它至少在接觸透光電 極ElOla的一側(cè)上具有由Al、Ag、Rh或Pt的單質(zhì)或者主要由它們構(gòu)成的合金制成的層，以便具有良好反射性。特別優(yōu)選的是一種至少在接觸透光電極ElOla的一側(cè)上具有Al層或Al合金層的結(jié)構(gòu)。優(yōu)選的Al合金主要包括Al，并且還包括Ti、Nd(釹)、Cu等。(實(shí)施例2)
圖3是根據(jù)本發(fā)明的另一個實(shí)施例的發(fā)光器件的截面圖。圖中所示的發(fā)光器件2是子彈型LED封裝，其中GaN基LED芯片200倒裝芯片安裝于引線框211中形成的杯狀部分中并且采用具有子彈形狀的透光密封劑220來模塑。透光密封劑220例如是環(huán)氧樹脂。GaN基LED芯片200通過將LED芯片200的一側(cè)上形成的正電極與引線框211接合來固定。在這個實(shí)施例中，GaN基LED芯片200具有垂直類型元件結(jié)構(gòu)，以及負(fù)電極在與正電極相對的芯片表面上形成。這個負(fù)電極通過接合線213與引線框212連接。當(dāng)制造白光發(fā)光器件時，磷散布在透光密封劑220中。通過將這個示例包含在本發(fā)明的實(shí)施例中將會理解，“倒裝安裝”并不局限于本發(fā)明中的無線安裝。圖4示出發(fā)光器件2中包含的GaN基LED芯片200的結(jié)構(gòu)，其中圖4 (a)是頂視圖，而圖4(b)是沿圖4(a)的線條X2-Y2的截面圖。上述實(shí)施例I中的GaN基LED芯片100具有水平類型元件結(jié)構(gòu)，而GaN基LED芯片200具有垂直類型元件結(jié)構(gòu)。除了與元件結(jié)構(gòu)的差別相關(guān)的部分之外，GaN基LED芯片200的各部分的優(yōu)選實(shí)施例與GaN基LED芯片100相同。在GaN基LED芯片200中，為了實(shí)現(xiàn)垂直類型元件結(jié)構(gòu)，導(dǎo)電襯底用作透光襯底201。優(yōu)選地使用由碳酸硅、氧化鋅、GaN、AlGaN等制成的n型導(dǎo)電半導(dǎo)體單晶襯底。GaN基半導(dǎo)體層L在透光襯底201上形成，并且GaN基半導(dǎo)體層L具有從透光襯底201側(cè)開始依次包括n型層202、發(fā)光層203和p型層204的層疊結(jié)構(gòu)。n型層202直接或者經(jīng)由緩沖薄層(未示出)在透光襯底201上形成，以便與透光襯底201電連接?？赏ㄟ^摻雜使緩沖層導(dǎo)電。負(fù)電極E202在透光襯底201的后側(cè)之上形成。在這個實(shí)施例中，非限制性地，負(fù)電極E202充當(dāng)歐姆電極和接觸電極兩者，但是，負(fù)電極可由透光歐姆電極以及部分地在其表面之上形成的金屬接觸電極組成。正電極E201在p型層204上形成。正電極E201包括由氧化物半導(dǎo)體制成的透光電極E201a以及在透光電極E201a上形成并且與透光電極E201a電連接的正接觸電極E201b。正接觸電極E201b形成為不占用p型層204上的過大面積。為了使LED芯片的倒裝芯片安裝狀態(tài)穩(wěn)定，正接觸電極E201b的數(shù)量設(shè)置為三個，并且它們定位成形成三角形。該數(shù)量可以為四或以上，但是三個是最優(yōu)選的，因為確保在考慮芯片安裝可用性時必要的一個正接觸電極的面積等，同時可使總面積很小，以及LED芯片的安裝狀態(tài)由于三點(diǎn)支承而是最穩(wěn)定的。(其它優(yōu)選實(shí)施例)
上文中，作為實(shí)施例I，示出其中具有水平類型元件結(jié)構(gòu)的GaN基LED芯片應(yīng)用于SMD類型LED封裝的一個示例，以及作為實(shí)施例2，示出其中具有垂直類型元件結(jié)構(gòu)的GaN基LED芯片應(yīng)用于子彈型LED封裝的一個示例。但是，LED芯片的元件結(jié)構(gòu)和封裝類型的組合 并不局限于此。也就是說，具有水平類型元件結(jié)構(gòu)的GaN基LED芯片可應(yīng)用于子彈型LED封裝，或者具有垂直類型元件結(jié)構(gòu)的GaN基LED芯片可應(yīng)用于SMD類型LED封裝。此外，在上述實(shí)施例中，GaN基LED芯片直接固定到SMD類型封裝或引線框的襯底上。但是，GaN基LED芯片可經(jīng)由次底座固定到這些基底上。在本發(fā)明的發(fā)光器件可使用的GaN基LED芯片中，當(dāng)透光襯底的表面為凹凸表面時，優(yōu)選凹凸圖案其中之一是其中條狀凹陷部分(凹槽)和凸出部分(隆起)交替設(shè)置的圖案。當(dāng)采用這種凹凸圖案時，在透光襯底與GaN基半導(dǎo)體層之間所形成的彎曲界面的光散射作用中發(fā)生各向異性。也就是說，在GaN基半導(dǎo)體層中沿層方向(與層的膜厚度方向垂直的方向)傳播的光的分量之中，沿正交于襯底表面的帶狀凹陷部分和凸出部分的縱向的方向傳播的分量極大地被散射。另一方面，沿平行于該縱向的方向傳播的分量很難被散射。因此，當(dāng)這種凹凸圖案用于其中GaN基半導(dǎo)體層的上表面的形狀為方形(正方形或矩形)的LED芯片時，優(yōu)選地確定凹凸圖案的方向，使得條狀凹陷部分和凸出部分的縱向與構(gòu)成方形的四條邊形成大約45度(40度-50度)的角。以這種方式確定凹凸圖案的方向時，沿平行于條狀凹陷部分和凸出部分的縱向的方向傳播的分量在GaN基半導(dǎo)體層的端表面被反射，由此傳播方向改變成與縱向正交(圖5)。也就是說，沿該方向傳播的幾乎沒有伴隨散射的光分量的傳播方向改變?yōu)橐蚍瓷涠殡S強(qiáng)散射的方向。因此，GaN基半導(dǎo)體層中的光限制變?nèi)酢Ｔ诒景l(fā)明的發(fā)光器件可使用的GaN基LED芯片中，至少GaN基半導(dǎo)體層側(cè)之上的LED芯片的表面(包括透光電極的表面但不包括接觸電極的表面)優(yōu)選地涂敷有透光絕緣保護(hù)膜，使得不會在倒裝安裝過程中發(fā)生因?qū)щ娬澈蟿┒鸬亩搪?。為了促進(jìn)透光絕緣保護(hù)膜與透光密封劑(氣密密封情況下為氣體)之間的界面上的光反射，使絕緣保護(hù)膜的表面的平面度盡可能高。具體來說，當(dāng)透光電極的表面具有細(xì)微凸起和凹坑時，光易于通過透光電極與絕緣保護(hù)膜之間的界面，并且進(jìn)入絕緣保護(hù)膜。為了防止光通過絕緣保護(hù)膜的表面離開LED芯片，絕緣保護(hù)膜的表面應(yīng)當(dāng)具有比透光電極的表面更高的平面度。為此，絕緣保護(hù)膜優(yōu)選地為非晶膜。具體來說，可列舉通過等離子體CVD方法所形成的氧化硅膜和 氮化硅膜、通過CVD方法所形成的PSG (磷硅玻璃)膜和BPSG (硼磷硅玻璃)膜、通過涂層方法所形成的聚酰亞胺膜等。當(dāng)氧化硅膜或氮化硅膜通過等離子體CVD方法在表面上具有細(xì)小凸起和凹坑的ITO膜上形成時，通過將膜厚度設(shè)置成不小于0. 3 ii m，氧化硅或氮化硅膜的表面具有比ITO膜更高的平面度。在膜形成之后通過重熔，PSG膜和BPSG膜可具有更高的表面平面度。由旋涂玻璃形成的絕緣保護(hù)膜可具有高表面平面度。在一個實(shí)施例中，可通過拋光來提高透光電極的表面平面度。在這種情況下，透光電極上形成的絕緣保護(hù)膜的表面平面度自然變得更高。因此，還促進(jìn)絕緣保護(hù)膜與透光密封劑(在氣密密封情況下為氣體)之間的界面上的光反射。當(dāng)透光電極由ITO形成時，通過將絕緣保護(hù)膜的折射率設(shè)置成與ITO相同或者比ITO更高的等級(不小于I. 7)，可促進(jìn)絕緣保護(hù)膜與透光密封劑(氣密密封情況下為氣體)之間的界面上的光反射。在這種情況下，絕緣保護(hù)膜的折射率優(yōu)選地比GaN基半導(dǎo)體更小(不超過2. 5)，以便防止絕緣保護(hù)膜中的強(qiáng)的光限制。用于具有這種折射率的絕緣保護(hù)膜的材料的優(yōu)選示例包括氧化鋁、尖晶石、氮化硅、氧化鋯、氧化鉭和氧化鈮。還可使用多種氧化物的混合物的膜。在這個實(shí)施例中，當(dāng)絕緣保護(hù)膜為多晶膜時，優(yōu)選地通過拋光處理來提高表面平面度。具體來說，表面粗糙度優(yōu)選地小于20nm,更優(yōu)選地小于IOnm,如在算術(shù)平均粗糙度(Ra)、最大高度(Rmax)、十點(diǎn)平均高度(Rz)等的所有粗糙度指標(biāo)中由觸針型表面輪廓儀所測量。在通過由非晶導(dǎo)電氧化物形成透光電極、表面拋光等來提高透光電極的表面平面度的一個實(shí)施例中，絕緣保護(hù)膜可由具有低折射率的材料來形成，使得可促進(jìn)透光電極與絕緣保護(hù)膜之間的界面上的反射。在這種情況下，用于絕緣保護(hù)膜的特別優(yōu)選的材料的示例包括I. 4或以下的折射率的低折射率材料，例如金屬氟化物(例如氟化鎂、氟化鋰等)和氟樹脂。在GaN基LED芯片中，往往采用其中InGaN發(fā)光層夾在由GaN或AlGaN組成的覆層之間的雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)。在這種情況下，光趨向于極大地限制在具有高折射率的InGaN發(fā)光層中。因此，本發(fā)明的發(fā)光器件可使用的GaN基LED芯片優(yōu)選地在GaN基半導(dǎo)體層的端表面的一部分中具有坡度，使得截面面積隨著與透光襯底的距離增大而減小，其中截面面積是通過以垂直于厚度方向的平面切割包括發(fā)光層及其上形成的P型層的GaN基半導(dǎo)體層的一部分可得到的面積。這樣，在InGaN發(fā)光層中沿層方向傳播的光可在GaN基半導(dǎo)體層的傾斜端表面上反射，以便朝透光襯底側(cè)行進(jìn)。圖6是以這種方式構(gòu)成的GaN基LED芯片的截面圖。圖6(a)所示的GaN基LED芯片300具有水平類型元件結(jié)構(gòu)，而圖6 (b)所示的GaN基LED芯片400具有垂直類型元件結(jié)構(gòu)。在兩種芯片中，GaN基半導(dǎo)體層L中從發(fā)光層303,403到p型層304、404的部分具有通過以正交于厚度方向的平面對它進(jìn)行切割可得到的截面面積，它隨著與透光襯底301、401的距離增大而減小。GaN基半導(dǎo)體層L的傾斜端表面與平行于GaN基半導(dǎo)體層L的膜厚度方向的線條優(yōu)選地形成20度-60度的角0，更優(yōu)選地為30度-50度，特別優(yōu)選地為40度-45度。本發(fā)明的發(fā)光器件可使用的GaN基LED芯片具有可選地由在安裝過程中主要用于接合基底的較大部分(major part)構(gòu)成的正接觸電極以及從透光電極上的較大部分延伸的長形電流擴(kuò)散部分。具有以這種方式構(gòu)成的正接觸電極的GaN基LED芯片的頂視圖如圖 7所示。在圖中所示的GaN基LED芯片500中，正接觸電極E501由圓形較大部分E50Ib-I以及彎曲地以延長方式從其中延伸的兩個電流擴(kuò)散部分E50 lb-2構(gòu)成。電流擴(kuò)散部分幫助由氧化物半導(dǎo)體制成的透光電極中沿層方向的電流擴(kuò)散。此外，由于整個正電極的導(dǎo)熱性變得更高以及LED芯片的散熱性能得到改進(jìn)，所以預(yù)計造成LED芯片的電流容差值的增加。當(dāng)本發(fā)明的發(fā)光器件可使用的GaN基LED芯片具有水平類型元件結(jié)構(gòu)時，兩個或更多正接觸電極可在P型層上形成。圖8是具有水平類型元件結(jié)構(gòu)的GaN基LED芯片的頂視圖，其中，負(fù)接觸電極(充當(dāng)接觸電極和歐姆電極兩者的負(fù)電極)的數(shù)量為一個，以及正接觸電極的數(shù)量為兩個。在倒裝芯片安裝過程中，該圖中所示的GaN基LED芯片600通過三個接觸電極與基底接合，三個電極中包括一個負(fù)電極E602和兩個正接觸電極E601b。由于三個接觸電極設(shè)置成形成三角形，所以安裝狀態(tài)的穩(wěn)定性變得極高。正接觸電極的數(shù)量在這里表示主要用于與基底接合的較大部分的數(shù)量。在GaN基LED 600的示例中，兩個正接觸電極E601b可與長形電流擴(kuò)散部分連接。同樣在這種情況下，正接觸電極的數(shù)量為兩個。為了使LED芯片的安裝狀態(tài)穩(wěn)定，可設(shè)置兩個負(fù)接觸電極和一個正接觸電極以形成三角形。在本發(fā)明中，在發(fā)光器件中配備的GaN基LED芯片中留下用于構(gòu)成發(fā)光元件結(jié)構(gòu)的GaN基半導(dǎo)體晶體的外延生長的襯底(“生長襯底”)并不是必不可少的。換言之，在一個實(shí)施例中，發(fā)光器件上安裝的GaN基LED芯片可具有透光支承襯底，該襯底在形成GaN基半導(dǎo)體層之后由生長襯底取代。在另一個實(shí)施例中，發(fā)光器件中配備的GaN基LED芯片可通過如下生產(chǎn)方法來產(chǎn)生，該生產(chǎn)方法包括以下兩個步驟，即通過晶圓接合技術(shù)將透光支承襯底與生長襯底上形成的GaN基半導(dǎo)體層的表面結(jié)合的步驟，以及通過激光剝離技術(shù)將生長襯底與GaN基半導(dǎo)體層分離的步驟。
根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例，發(fā)光器件中配備的GaN基LED芯片可以沒有與GaN基半導(dǎo)體層結(jié)合的襯底。可通過例如倒裝芯片安裝圖2所示的GaN基LED芯片，然后通過激光剝離技術(shù)將透光襯底與GaN基半導(dǎo)體層分離,來產(chǎn)生這種發(fā)光器件。此外，本發(fā)明的范圍不僅包含其中包括具有透光襯底并且具有垂直類型元件結(jié)構(gòu)的倒裝芯片安裝的GaN基LED芯片的發(fā)光器件，而且還包含其中包括以透光襯底側(cè)的表面朝向安裝基底方向(與光提取方向相反的方向)所固定的相同LED芯片的發(fā)光器件。也就是說，在這種發(fā)光器件中，可通過防止直接或者經(jīng)由透光歐姆電極在透光襯底的后側(cè)上形成的接觸電極的面積(形成多個電極時的多個電極面積的總和)過大，來改進(jìn)光發(fā)射功率。接觸電極的面積與透光襯底的后側(cè)的面積之比優(yōu)選地小于1/2，更優(yōu)選地小于1/4，更加優(yōu)選地小于1/10。接觸電極的面積理想地不小于透光襯底的后側(cè)面積的3%，由此確保LED芯片與基底之間的接合強(qiáng)度，并且允許LED芯片中產(chǎn)生的熱量通過接觸電極逸出到基底側(cè)。
同樣在這種發(fā)光器件中，透光襯底的后側(cè)優(yōu)選地在形成接觸電極之前拋光成具有高平面度。當(dāng)由氧化物半導(dǎo)體組成的透光歐姆電極插入透光襯底的后側(cè)與接觸電極之間時，氧化物半導(dǎo)體的表面優(yōu)選地在形成接觸電極之前拋光成具有高平面度。通過拋光使透光襯底的后側(cè)與透光歐姆電極的表面平面化時，拋光之后的表面的粗糙度優(yōu)選地小于20nm，更優(yōu)選地小于IOnm,如在算術(shù)平均粗糙度(Ra)、最大高度(Rmax)、十點(diǎn)平均高度(Rz)等的所有粗糙度指標(biāo)中由觸針型表面輪廓儀所測量。
示例 下面描述本發(fā)明人所執(zhí)行的實(shí)驗。(實(shí)驗示例I)
GaN基LED芯片的產(chǎn)生
作為晶體生長的襯底，制備處理成在表面上具有條狀凹凸圖案(溝槽寬度和隆起寬度大約3 iim，溝槽深度大約Iiim)的c平面藍(lán)寶石襯底(直徑2英寸)。使用通常的MOVPE設(shè)備，通過在藍(lán)寶石襯底的具有上述凹凸圖案的表面上層疊AlGaN低溫緩沖層、未摻雜GaN層、硅摻雜GaN接觸層、InGaN/GaN多量子阱活性層(發(fā)光層)、Mg摻雜AlGaN覆層和Mg摻雜AlGaN接觸層，來產(chǎn)生LED晶圓。在這里，活性層中包含的InGaN量子阱層的晶體成分調(diào)整為具有大約405nm的發(fā)射波長。通過首先將少量氨氣和氮?dú)饧尤隡OCVD設(shè)備的生長爐并且在將置于爐中的襯底的溫度從層的生長溫度降低到室溫的過程中將氣體變成 只有氮?dú)鈦硇纬葾lGaN接觸層之后使作為p型雜質(zhì)加入AlGaN覆層和AlGaN接觸層的Mg活化。
使用電子束蒸發(fā)方法，由ITO(氧化銦錫)制成并且膜厚大約為210nm以及片電阻大約為IOQ/□的透光電極在這樣得到的LED晶圓的表面(AlGaN接觸層的上表面)上形成。在將透光電極圖案化為預(yù)定形狀之后，通過反應(yīng)離子蝕刻(RIE)部分地去除p型層(AlGaN接觸層和AlGaN覆層)和活性層，以便露出GaN接觸層的一部分。在RIE步驟中，去除p型層和發(fā)光層以便還露出晶圓上彼此相鄰的元件之間的區(qū)域中的GaN接觸層，由此各元件的AlGaN接觸層的上表面的面積設(shè)置為給定值(65300 iim2)。RIE步驟之后的AlGaN接觸層的上表面幾乎完全用透光電極覆蓋。
然后，負(fù)電極到上述RIE步驟中所露出的GaN接觸層的表面上的形成以及正接觸電極到透光電極的表面上的形成使用濺射方法同時執(zhí)行。通過形成膜厚為IOOnm的TiW層并且在其上層疊膜厚為500nm的Au層，負(fù)電極和正接觸電極形成二層結(jié)構(gòu)。使用Ti含量為按重量計10%的Ti-W靶(target)來形成TiW層。負(fù)電極和正接觸電極使用光刻技術(shù)通過剝離方法來圖案化。用于圖案化的光掩模配備有具有不同面積的正接觸電極的七種圖案，具有正接觸電極的不同面積的七種LED元件由此在一片晶圓上產(chǎn)生。
最后，晶圓上形成的元件通過普通劃線方法切割為邊長度大約為350 u m的正方形GaN基LED芯片。對于根據(jù)上述步驟所產(chǎn)生的具有不同正接觸電極面積的七種GaN基LED芯片樣本(樣本I至樣本7)，正接觸電極的面積(Al)以及正接觸電極的所述面積與p型層的上表面的面積(A2 :65300 um2)之比如表I所示。表I
權(quán)利要求
1.一種發(fā)光器件，其中下列(a)的GaN基LED芯片是倒裝芯片安裝的 (a)GaN基LED芯片，包括透光襯底以及在所述透光襯底上形成的GaN基半導(dǎo)體層，所述 GaN基半導(dǎo)體層具有從所述透光襯底側(cè)開始依次包括n型層、發(fā)光層和p型層的層疊結(jié)構(gòu)， 其中，正電極在所述P型層上形成，所述電極包括 由氧化物半導(dǎo)體組成的透光電極，以及 與所述透光電極電連接的正接觸電極，以及 所述正接觸電極的面積小于所述P型層的上表面的面積的1/2。
2.如權(quán)利要求I所述的發(fā)光器件，其中，所述正接觸電極的面積小于所述P型層的上表面的面積的1/3。
3.如權(quán)利要求2所述的發(fā)光器件，其中，所述正接觸電極的面積小于所述P型層的上表面的面積的1/4。
4.如權(quán)利要求3所述的發(fā)光器件，其中，所述GaN基LED芯片采用樹脂來密封。
5.如權(quán)利要求4所述的發(fā)光器件，其中，所述透光電極具有通過拋光來平面化的表面。
全文摘要
一種發(fā)光器件通過倒裝芯片安裝下列(a)的GaN基LED芯片100來構(gòu)成(a)GaN基LED芯片100，包括透光襯底101以及在透光襯底101上形成的GaN基半導(dǎo)體層L，其中，GaN基半導(dǎo)體層L具有從透光襯底101側(cè)開始依次包含n型層102、發(fā)光層103和p型層104的層疊結(jié)構(gòu)，其中正電極E101在p型層104上形成，所述電極E101包含氧化物半導(dǎo)體的透光電極E101a以及與透光電極電連接的正接觸電極E101b，以及正接觸電極E101b的面積小于p型層104的上表面的面積的1/2。
文檔編號H01L33/38GK102683565SQ20121016251
公開日2012年9月19日 申請日期2007年10月5日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月5日
發(fā)明者岡川廣明, 城市隆秀, 島敏彥, 平岡晉, 谷口浩一 申請人:三菱化學(xué)株式會社