TW200843143A - Light emitting diode - Google Patents

Description

200843143 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明關於一種高效率且能大電流通電的發光二極 體。 【先前技術】

^發光二極體由於從紅色到藍色全色齊全，因此被積極 也曰忒應用於肊明。但是’ # 了將發光二極體普及用於照 明、，需要解決兩個問題。首先，要將發光二極體的效率從 燈泡級別提高到螢光燈級別的轉換效率。其次，為了用少 數的發光二極體得到與燈泡或螢光燈同等的亮《，係使較 大電流流通於1個發光二極體。 但疋，使較大電流流通於發光二極體時會產生埶，埶 ，導，效率降低或可靠性降低。避免其發生的第—個方: 疋I里不產生熱，第二個方法是迅速地釋放所產生的熱， 以防止溫度上升。 首先，為了儘量不產生熱，要提高發光二極體的發光 效率’儘量使電能轉換成光而取出。4了提高發光二極體 的轉換效率，要儘量提高使注^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ 旧电于和孔洞有效再結合 之效率即内部量子效幸以β担古 于政羊以及詖局用以從發光二極體的晶 圓内取出發出之光的光取出效率。 ’例如有：將作為發熱部分 配置’使在發光層產生的熱 ’或在發光層與構裝基座之 方法。 其次’作為釋放熱的方法 的發光層儘量接近構裝基座來 有效地釋放到構裝基座的方法 間的基板使用熱阻低之物質的 6 200843143 一般來說，發光二極體在光輸出面設有大面積的上部 弘極（上側電極），與此相應，由於包含在發光層中的活 性層同樣發光，因此上部電極會妨礙在位於上部電極的正 下方區域的活性層發出的光，不能將活性層產生的光全部 取出到外部。 作為避免該問題發生的發光元件有例如專利文獻1、2 所示的發光元件。專利文獻丨的發光元件是在上部電極的 下邠开> 成使電流不流動的絕緣層。藉此，能使電流分散在 上部電極的周圍，以抑制上部電極的正下方的發光。 另外，專利文獻2的發光元件是將用於電傳導的部分 電極配置在上部電極以外的區域。 專利文獻1 :曰本特開2001-144322號公報 專利文獻2 ·美國專利第6784462B2號說明書 【發明内容】 但是’根據現有的發光二極體，即使在專利文獻1、2 所不的tl件構造中，在上述的發光部分的下方有導電性電 極，由於在該導電性電極會產生光吸收，所以不能得到很 高的發光效率。 因此，本發明的目的在於提供高效率且能大電流通電 的發光二極體。為了達到上述目的，本發明提供一種發光 :極體，其4寸彳政在於，具備：含有活性層的化合物半導體 層，與該化合物半導體層接合的導電性基板；設於該化合 物半導體層的表面，使電流分散於面方向的第一電極；設 於该化合物半導體層的該活性層與該導電性基板的接合部 7 200843143 之間的光反射鏡層；設於該光反射鏡層的活性層形成側， 且設在該第一電極的外周部或其附近的正下方區域的至少 1個第二電極；以及設於與該導電性基板之與該化合物半 導體層接合側之面相反側之背面的背面電極。根據本發 明’能夠得到高效率且能大電流通電的發光二極體。 【實施形態】 [第1實施形態形態] (發光二極體的構成）

圖1是顯示本發明的第1實施形態所涉及的發光二極 體的截面圖，圖2是圖1之發光二極體的俯視圖。圖3是 顯示圖1之發光二極體之電流注入用界面接觸層的俯視 圖。在圖1中，顯示由AlGalnP系化合物半導體構成的發 光-一極體1 0 〇的構造。 發光二極體100是由半導體發光元件1〇1、安裝基座i、 及接合半導體發光元件101與構裝基座丨的構裝用合金2 構成。 。 半導體發光元件101具備：晶片接合用電極3 ;下部 接觸用電極4;具有導電性的支撐基板5;支撐基板用接 觸電極6 ;貼合用金屬層7、8 ;合金化抑制層9 ;光反射 鏡層下部電流阻止層11;複數個電流注入用界面接 觸電極12 ;下部包覆層13 ;活性層14 ;上部包覆層^ . 上部電流阻止層電流注入用接觸電極17;電^分散 用枝狀電極18;以及作為引線接合用的墊部電極^^以 electrode )設置的引線接合用電極 19。 8 200843143 下部包覆層13、活性層14及上部包覆層15形成發光 層。在本實施形態中，發光層是由A1GaInP系化合物半導 體的雙異質構造的外延層構成。 構裝用合金2是例如由AuSn構成的金屬，接人 熱性高的構裝基座1。 σ 晶片接合用電極3是設於與支樓基板5外延層的接合 面相反側之背面的背面電極。 下部接觸用電極4是用於與構裝基座i側取得電接觸 一〜m卩// m厚度的矽（Si ) 構成的基板。此處，雖佳用 ^雖使用了可廉價得到的Si基板，但σ 要電傳導特性優越，不一定必 ^ 、疋半$體，亦可使用金屬 板。此情形下之金屬，可以是/ 鋁4的早兀素的基板，也可 以疋如散熱性優越的Cuw的合 ^ rr 、 進而為了耐腐餘性或 ^ 包錄專形成的多層構造的基板。 支持基板用接觸電極6早田^ ☆ 的電極。 疋用於與鲞光層側取得電接觸 2合用金屬層7、8是由例如金（Au)構成的層。 5金化抑制層9是由例如鈦（Ti)構成的層。 光反射鏡層1〇是例如由金 而垃絕傅战的層’與電流注入用界 面接觸電極12電連接。

下部電流阻止層1 1异彳I 複數個+ ^1如由Sl〇2構成，設置成埋住 叔数個電流注入用界 ^ 搔觸也極12的周圍。 注入用界面接縮雪士 接觸電極12作為第二電極在下部電流 9 200843143 阻止層11環狀形成，或形成為環狀分散的部分電極狀。 列如’平均半徑為85/zm、寬度為心m。電流 =觸電極12在引線接合用電極19的下方設置成律 $靠外周側。 w 又，為使面積儘量小，且使串聯電阻儘量少，電流注 入：：：接觸電極12配置在上部電極即引線接合用：;9 的儘垔靠外側，設置成可最大限度地抑制電流注入用界面 接觸電極12造成的光吸收。

下部包覆層13是由例如p型AiGaInp構成。 活性層14具有量子井結構。 上邛包覆層1 5是由例如n型AiGaInp構成。 上部電流阻止層16是由例如Si〇2構成。 電流注入用接觸電極17是用於將電流注入外延層的電 極，圓環狀設置在上部電流阻止層丨6。 電流分散用枝狀電極18將引線接合用電極19與電流 注入用接觸電# 17之間進行電連接，使電流分散於面方 向如圖2所不，從設於半導體發光元件i 〇丨表面的引線 接合用隸19中央向對角方向呈十字形（放射狀）設置 在上部電流阻止層1 6。 引線接口用電極19圓形狀設於上部電流阻止層1 6的 上口P中央及電刀政用枝狀電極丨8的中心。該引線接合 用包極19例如以直梭im形成，與電流分散用枝狀電 極1 8 —起構成第一電極。 (發光二極體的製造方法） 10 200843143 其次說明發光二極體100的製造方法。 f先，在η型GaAs基板上用M〇CVD法生長由*層 AlGalnP系化合物半導體構成的外延層。 θ 先在η里GaAs基板上形成蝕刻阻止|，進而依序形 成上部包覆層15、AlGalnP的量子井型活性層14、下部包 覆層1 3，藉此製作外延晶圓。 匕 其次，在上述外延晶圓的表面，形成叫膜作為下部 電流阻止層1 1的透明絕緣層。 接著纟Si〇2膜用微影法及餘刻法形成用於形成電流 注入用界面接觸電極12的孔，以作為下部電流阻止層心 孔的形狀如圖3所示。在該孔中，用蒸鍍法與剝離法 (hft-off)形成由Ti/AuBe/Au的多層構造構成的電流注入 用界面接觸電極12。 ,其後，藉由蒸鍍於電流注入用界面接觸電極12上連續 形成由Au構成的光反射鏡層1〇、由Ti構成的合金化抑制 層9及由Au構成的貼合用金屬層8。此外，最好在下部電 流阻止層11與光反射鏡層1〇之間报薄地加入提高密合性 的密合層。 其次，在作為支樓基板5之Si基板的表面，以取得與 私傳導性的接合為目的，藉由蒸鍍法形成由Ti構成的支撐 基板用接觸電極6與由Au構成的貼合用金屬層7，以製作 S i晶圓。 然後’將上述的外延晶圓與Si晶圓之2片晶圓重疊， 使外延晶圓側的貼合用金屬層8與以晶圓側的貼合用：屬 11 200843143 層7對合，並將該等放入貼合裝置内。貼合裝置可使用作 為微型機械用等市售的晶圓貼合裝置。在該晶圓貼合裝置 内’將重疊的2片晶圓定位。 接著，使貼合裝置内形成高真空。然後開始貼合裝置 的升溫。在達到350°C後，將該溫度保持約！小時。其後， 使貼合裝置的溫度下降’在溫度充分下降時開放加壓，回 到大氣壓，取出已貼合之晶圓。

接著，將上述已貼合之晶圓的GaAs基板側作為正面， 將晶圓貼於研磨板，藉由拋光研磨GaAs基板。在GaAs基 板的剩餘厚度成為30# m時，停止研磨，從研磨板取下晶 圓。 曰曰 尸a從該晶圓去除貼合用的蠟後，放入GaAs的蝕刻環境 氣氛中完全去除GaAs基板。在GaAs基板被去除的階段結 束姓刻。 —接下來，藉由更換蝕刻液進行蝕刻，去除蝕刻阻止層。 藉此’作成於界面具有接合金屬層的LED用外延晶圓。藉 由在該晶圓的表面及背面側形成電極，得到LED。 9 广卸況明LED晶片的製作。 首先’在形成上述LED田々Ιχ π曰pi l 以外 用外I日日®上面的電極之部分 · V m尺寸及1 # m間隔，週期性均勻地用杈 影法與蝕刻法形成凹凸部。 也用欲 凹凸的形成可右Μι LFn λα主 > 出光這點是公知常識，但預先在 led的表面側或叉 、在 在使光反射上是非常面:::。用於… 12 200843143 /接著，在作為led用外延晶圓的光取出側的外延層側 形成由Si〇2構成的上部電流阻止層1 6。 然後，使用微影法及蝕刻法在上部電流阻止層丨6形成 用以形成電流注入用接觸電極17的孔。該孔的形狀是圖2 所示的電流注入用接觸電極17的形狀，例如在離中心100 # m的位置以寬度1 〇 # m圓環狀形成。 接著，在上述孔中藉由雷射剝離法形成由AuGe/Ni/Au :極構成的電流注入用接觸電極17。此時，為了良好地取 得接觸，只要在外延層的表面形成高載子濃度的GaAs層 的薄膜即可，藉此即能達成低電阻。 接著在電流注入用接觸電極丨7及上部電流阻止層^ 6 用级〜法及蒸錢法形成引線接合用電極1 9與電流分散 用枝狀包極18。該電極是由密合層與金層構成的雙層構 造。 接著，在支撐基板5的底面側的整面，藉由蒸鍍法形 成由以構成的下部接觸用電極4及晶片接合用電極3。 八上述私序結束後，為了在低電阻下使電流動而進行合 =處理其後，將LED用外延晶圓上形成的lED組藉由 室面分離工序進行元件分離後，藉由切割進行切斷，結束 led晶片的製作。 圖4疋顯不第1實施形態的發光二極體中的光反射的 兄月圖在對發光二極體100通電後，發光層發光，從活 \ = 14兔出的光如（a)〜（d)向上部包覆層15及下部 〇 ’是層13射出，在引線接合用電極19的下面、光反射鏡 13 200843143 層ι〇、、电流注入用界面接觸電極12等反射複數次。 光（a)〜（d)的一部分在引線接合用電極19或電流 注入用界面接觸電⑯12被吸收，但大部分的光從發光層 的上面向外部射出。 曰 (第1實施形態的效果） 根據第1實施形態，可發揮以下的效果。 (1 )藉由將電流注入用界面接觸電極12、電流注入 用接觸电極1 7及電流分散用枝狀電極i 8設置成不易成為 光吸收層的形狀，作成能夠使朝向與電極表面相反方向的 光大致1 00%反射的形&，能約使各電極產生的光吸收不 易產生，提高光反射率且穩定地得到高光輸出。 (2 )藉由改善光反射率，能夠降低電力消費量。 (3)藉由提高光電轉換效率，能夠抑制發光二極體内 部的熱發生，得到即便更多的電流流動也不發熱的發光二 極體。 在本實施形態中，是從兩側用包覆層13、15夾住作為 發光層的活性層14，使其具有電流局限效應與電流分散效 應這兩個功能。為了使包覆層13、15變薄，以往公知报 多情況下是讓各個層具有該功能來使外延層變薄，或者使 付外延層的成本下降。因此，在本實施形態中，也能夠做 成活用了該見解的構造。特別是在晶圓大型化時有效。只 要電流分散層位於半導體層與絕緣性的上部電流阻止層16 之間即可，此處可針對發光波長設置透明的導電膜，例如 設置ITO膜來進行代用。 14 200843143 [實施例1 ] 將如上製作的〇.3mmx〇.3mm尺寸、2〇〇gm厚度的led 曰曰片（發光二極體i 00 )構裝在構裝基座i，進行樹脂封 I，亚砰價LED特性。其結果確認了在按順方向電流2〇mA 通包呤，發光波長為630nm、順向電壓為2.01V、發光輸 出為24〜26mW，與至此為止說明之LED相比，可知光電 轉換效率係大幅度提高。 進而’使δ亥發光一極體1 〇〇流通1 00mA以下的大電流， 測定電流-光輸出特性，得到了良好的直線性。其理由在於， 除了因支撐基板5是Si故能得到良好的熱傳導性以外，還 具備因化合物半導體層的光取出效率高而使得發光二極體 100的發熱少的結構之故。因此，顯示了即便是大電流， 效率也高。 能夠提高光取出效率的理由是因為電流注入用界面接 觸電極1 2的面積相對于作為一部分電極的後述的比較例 I 的第一歐姆接觸用部分電極211，在面積上能夠做成1/5 以下。 比較例 圖5是顯示比較例的剖視圖。該發光二極體2〇〇是由 半導體發光元件201及接合半導體發光元件2〇1與構裝基 座1的構裝用合金2構成的。 半導體發光元件201的結構包括：下側電極203、高 熱傳導性及高電傳導性基板2〇4、支撐基板接合層205、 下部接合層206、上部接合層2〇7、合金化抑制層2〇8、光 15 200843143 反射鏡層209、電流局限用絕緣層210、第一歐姆接觸用 部分電極211、第一導電型包覆層212、活性層213、第二 導電型包覆層214、電流局限用絕緣層2 1 5、電流分散用 導電膜2 1 6、上側電極21 7。 第一歐姆接觸用部分電極2丨丨是去除電流局限用絕緣 層210的中心部而設置的。 電流局限用絕緣層2丨5設置在第二導電型包覆層2 1 4 上方的中心部。 電流分散用導電膜216設置成覆蓋電流局限用絕緣層 215及第二導電型包覆層214的露出面。 上側電極217設置在電流分散用導電膜216上方的中 心部。 圖5的發光二極體2〇〇與本實施形態相比，光取出效 率仍低。其原因是由於從活性層213發出的光在外延層内 多重反射’造成光在上部電極及界面電極上被吸收。用圖 6來說明該理由。 (,/ 圖6是用於說明比較例的問題點的說明圖。在表面反 射的光P1及在界面反射的光P2的一部分從表面取出，其 他的光在表面與界面上反射。反射光在表面側與界面之間 反復反射，直至上側電極217的正下方。 在此，光藉由上側電極217與其正下方的第一歐姆接 觸用部分電極211被吸收。該光吸收損失乙…在發光二極 體的效率上是不可忽視的效率。另外，如上所述，在^光 部2丨8’光強度強的部分是上侧電極217的周圍，但^上 16 200843143 側電極217的正下方也產生發光，這成為發生光吸收損失

Lp2的原因之一。 另外，在比較例中，由於上側電極2 i 7的下側是光吸 收層，所以成為光吸收損失Lp2發生的要因。與此不同， 由於上述實施形態中的發光二極體1〇〇是上側電極217的 下側也疋良好的光反射層，所以能夠減少光吸收損失。 [第2實施形態] 圖7是顯示本發明的第2實施形態發光二極體的載面 圖。本實施形態是在第丨實施形態中，取代電流分散用枝 狀電極18而使用了對發光波長透明的電極2〇，其他 構與第1實施形態同樣。 透明電極2G的形狀及尺寸可以與電極分散用枝狀電極 18相同，但由於其是透明的，所以也可以將面積做得更大。 使用透明電極20的優點在於在從發光層發出的光從半 導體發光元件1〇1出來時，在第i實施形態中電流分散用 =狀電極18成為了障礙，而透明電極2()的存在不會成為 P早礙。特別是在晶圓尺寸小的場合，由於透明電極⑼不 會成為障礙，所以對光反射率的提高有效。 [第3實施形態] 圖8是顯示本發明的第 面圖。本實施形態是在第2 接觸電極17的形狀與電流 狀，並做成不設置透明電極 實施形態同樣。 3實施形態的發光二極體的截 實施形態中，改變電流注入用 注入用界面接觸電極12的形 2〇的結構。其他的結構與第2 17 200843143 由於第3實施形態所涉及的發光二極體1〇〇在光出射 側（表面侧）不存在枝狀的電極，所以能夠提高來自表面 的光取出效率。 另外，在圖8的結構中，由於電流注入用界面接觸電 極12配置在從表面可見的位置上，所以容易導致光吸收 扣失。另外，從電流注入用接觸電極丨7注入的電流流向 引線接合用電極19的下部方向的成分大，在此的損失也 r..大。但是，與上述的比較例相比，能夠與引線接合用電極 、 19的下方的光吸收部小相應，使光吸收損失減少。 在么光—極體1 〇〇的尺寸增大的場合，電流從晶圓的 外周面向内周在外延層中流動的距離變長。因此，在晶圓 尺寸增大的場合，上部圓環狀電極不是做成1個而是做成 多個圓環狀，另外，藉由將連接部的接觸電極同樣配置成 多個圓環狀，能夠使驅動電壓（=順向電壓）下降。 [第4實施形態] 圖9是顯示本發明的第4實施形態的發光二極體的截 、面圖。本實施形態是在第1實施形態中，將引線接合用電 極19的設置位置從上部包覆層15的中央變更至外邊緣部 附近，在其下方區域設置電流注入用界面接觸電極Η，其 他的結構與第1實施形態同樣。 這種場合，電流分散用枝狀電極18配合引線接合用電 極19的位置而變形。 根據第4實施形態，雖然近年來晶圓形狀從正方形變 為長方形的的情況很多，但也能對應這樣的形狀的led。 18 200843143 - [弟5實施形態] 圖10是顯示本發明的第5實施形態的發光二極體的截 面圖。本實施形態是在帛3實施形態中，將引線接合用電 極1 9及上部電流阻止層丨6的形成位置從上部包覆層工$ 的中央變更為靠周it ϋ除了位於其下方區域的電流注 入用界面接觸電極12的結構，其他的結構與第3實施形 態同樣。 纟第5實施形態中’能夠得到與第4實施形態同樣的 I 效果。 其他實施形態 另外，本發明並不限於上述各實施形態，可以在不脫 離或不變更本發明的技術思想的範圍内進行各種變形。 例如，在上述的實施形態中，說明了 A1GaInP系化合 物半導體層構成的發光二極體，但用A1GaInN系化合物半 導體層構成的發光二極體也能夠期待同樣的效果。在 ( A1GaInN系化合物半導體上由於通常是進行使用了藍寶石 基板的結晶生長，所以雖然沒有使用了金屬層的貼合結 構，但藉由由貼合結構形成元件，能夠顯著改善散熱特性。 因此，在電流LED上，該貼合結構對散熱特性的改善是有 效的。 另外，在上述實施形態中，活性層14是做成量子井型， 但用雙異質結構也能夠充分得到該效果。 本發明涉及的發光二極體能夠再現性好地實現與以往 相比為50%以上的高轉換效率。因此，在小電流通電時要 19 200843143 -求節能的用途上，例如手機等要求電池消耗小的場合也可 起到效果。進而，在流動大電流的燈等的設備上使用的場 a由於上述各貫施形態的散熱性優越，所以能夠進行大 ^流驅動，並且效果顯著。在這種場合，為了確保良好的 放熱性，在構裝時，優選用AuSn等的共晶合金進行構裝。 【圖式簡單說明】 圖1是顯示本發明的第丨實施形態的發光二極體的截 面圖。 f、 圖2是圖i的發光二極體的俯視圖。 圖3疋顯示圖1的發光二極體的電流注入用界面接觸 層的俯視圖。 圖4是顯示第1實施形態的發光二極體的光反射的說 明圖。 圖5疋顯示比較例的截面圖。 圖6疋用於說明比較例的問題點的說明圖。 圖 7 b 弓 一 ( 疋頒示本發明的第2實施形態的發光二極體的截 面圖。 圖 8 3 _ &心員示本發明的第3實施形態的發光二極體的截 面圖。 圖 9 暑如一 頌示本發明的第4實施形態的發光二極體的截 面圖。 圖 1 〇县杜一 頌示本發明的第5實施形態的發光二極體的截 面圖。 、 【主要元件符號說明】 20 200843143 1 構裝基座 2 構裝用合金 3 晶片接合用電極 4 下部接觸用電極 5 支撐基板 6 支撐基板用接觸電極 7、8 貼合用金屬層 9 合金化抑制層 10 光反射鏡層 11 下部電流阻止層 12 電流注入用界面接觸電極 13 下部包覆層 14 活性層 15 上部包覆層 16 上部電流阻止層 17 電流注入用接觸電極 18 電流分散用枝狀電極 19 引線接合用電極 20 透明電極 100 發光二極體 101 半導體發光元件 200 發光二極體 201 半導體發光元件 203 下側電極 21 200843143 204 高熱傳導性及高電傳導性基板 205 支撐基板接合層 206 下部接合層 207 上部接合層 208 合金化抑制層 209 光反射鏡層 210 電流局限用絕緣層 211 第一歐姆接觸用部分電極 212 第一導電型包覆層 213 活性層 214 第二導電型包覆層 215 電流局限用絕緣層 216 電流分散用導電膜 217 上側電極 22

Claims (1)

1. 200843143 十、申請專利範圍： 1 · 一種發光二極體，其特徵在於，具備·· 含有活性層的化合物半導體層； 與该化合物半導體層接合的導電性基板； 設於該化合物半導體層的表面，使電流分散於面方向 的第一電極； 設於該化合物半導體層的該活性層與該導電性基板的 接合部之間的光反射鏡層； ^ 設於該光反射鏡層的活性層形成側，且設在該第一電 極的外周部或其附近的正下方區域的至少丨個第二電極； 以及 ’ 設於與該導電性基板之與該化合物半導體層接合側之 面相反側之背面的背面電極。 2·如申請專利範圍第1項之發光二極體，其中，該化 合物半導體層是AlGalnP系或AlGalnN系。 3·如申請專利範圍第1項之發光二極體，其中，該化 合物半導體層在該第一電極的形成側形成電極的部分以外 的區域具有凹凸。 4.如申請專利範圍第丨項之發光二極體，其中，該第 —電極是由墊部電極與積層在該墊部電極上的枝狀電極構 成。 5 ·如申請專利範圍第4項之發光二極體，其中，該枝 狀電極設置成從該化合物半導體層的該表面中央呈放 狀。 、 、 23 200843143 6 ·如申請專利範圍第1項之發光二極體，其中，該第 一電極是由墊部電極與積層於該墊部電極的透明電極構 成。 7 ·如申請專利範圍第1項之發光二極體，其中，該第 一電極與設於該化合物半導體層之環狀電流注入用接觸電 極連接。 8 ·如申請專利範圍第1項之發光二極體，其中，該第 二電極整體設置成環狀。 ^---^圖式： 如次頁 24