CN105990487A - 半导体发光元件 - Google Patents
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Abstract
本发明的实施方式提供一种生产性高的半导体发光元件。根据实施方式，提供一种半导体发光元件，包含衬底、第1～第3半导体层、第1、第2电极、金属层。衬底具有第1区域及具备从第1区域突出的凸部的第2区域。第1半导体层为第1导电型。第1半导体层与衬底在第1方向相隔。第2半导体层为第2导电型。第2半导体层设置在第1半导体层与衬底之间。第3半导体层设置在第1半导体层与第2半导体层之间。第1电极设置在第1半导体层与衬底之间且与第1半导体层电连接。第2电极设置在第2半导体层与衬底之间且与第2半导体层电连接。金属层设置在第1电极与第2区域之间以及第2电极与第1区域之间。金属层具有与衬底的凸部嵌合的凹部。
Description
[相关申请]
本申请享有以日本专利申请2015-52135号(申请日：2015年3月16日)为基础申请的优先权。本申请通过参照该基础申请而包含基础申请的全部内容。
技术领域
本发明的实施方式涉及一种半导体发光元件。
背景技术
业界正在追求发光二极管(LED：Light Emitting Diode)等半导体发光元件的生产性提高。
发明内容
本发明的实施方式提供一种生产性高的半导体发光元件。
根据本发明的实施方式，提供一种半导体发光元件，包含衬底、第1半导体层、第2半导体层、第3半导体层、第1电极、第2电极及金属层。所述衬底具有第1区域及第2区域，所述第2区域具备从所述第1区域突出的凸部。所述第1半导体层为第1导电型。所述第1半导体层与所述衬底在第1方向相隔。所述第2半导体层为第2导电型。所述第2半导体层设置在所述第1半导体层与所述衬底之间。所述第3半导体层设置在所述第1半导体层与所述第2半导体层之间。所述第1电极设置在所述第1半导体层与所述衬底之间，且与所述第1半导体层电连接。所述第2电极设置在所述第2半导体层与所述衬底之间，且与所述第2半导体层电连接。所述金属层设置在所述第1电极与所述第2区域之间以及所述第2电极与所述第1区域之间。所述金属层具有与所述衬底的凸部嵌合的凹部。
附图说明
图1(a)及(b)是例示第1实施方式的半导体发光元件的示意图。
图2(a)～(d)是例示第1实施方式的半导体发光元件的制造方法的步骤顺序示意性剖视图。
图3(a)～(c)是例示第1实施方式的半导体发光元件的制造方法的步骤顺序示意性剖视图。
图4(a)及(b)是例示第1实施方式的半导体发光元件的制造方法的步骤顺序示意性剖视图。
图5是例示参考例的半导体发光元件的示意性剖视图。
图6是例示第2实施方式的半导体发光元件的示意性剖视图。
具体实施方式
以下，一边参照附图，一边对本发明的各实施方式进行说明。
此外，附图是示意性或概念性的图，各部分的厚度与宽度的关系、部分间的大小的比率等未必与实物相同。另外，即使表示相同部分时，也有根据附图而相互的尺寸或比率不同地表示的情况。
此外，在本申请的说明书与各图中，对与关于已出现的图在上文叙述过的要素相同的要素标注相同符号并适当省略详细的说明。
(第1实施方式)
图1(a)及图1(b)是例示第1实施方式的半导体发光元件的示意图。
图1(a)是图1(b)的A1-A2线剖视图。
图1(b)是从图1(a)的箭头AA观察所得的俯视图。
如图1(a)所示，本实施方式的半导体发光元件110包含第1半导体层11、第2半导体层12、第3半导体层13、衬底70、金属层75、绝缘层60、第1电极41及第2电极51。
作为衬底70，使用硅(Si)或蓝宝石等的半导体衬底。衬底70例如为导电性。
第1半导体层11为第1导电型。第1半导体层11在第1方向上与衬底70相隔。从衬底70朝向第1半导体层11的方向为第1方向。
将第1方向设为Z轴方向。将相对于Z轴方向垂直的一个方向设为X轴方向。第2方向例如为X轴方向。将相对于Z轴方向及X轴方向垂直的一个方向设为Y轴方向。
第1半导体层11包含第1半导体区域11a及在与第1方向交叉的第2方向上与第1半导体区域11a并排的第2半导体区域11b。进而，第1半导体层11包含第3半导体区域11c。第3半导体区域11c设置在第1半导体区域11a与第2半导体区域11b之间。
第2半导体层12为第2导电型。第2半导体层12设置在第2半导体区域11b与衬底70之间。Z轴方向与第2半导体层12和第1半导体层11积层的方向对应。
例如，第1导电型为n型，且第2导电型为p型。也可以是，第1导电型为p型且第2导电型为n型。在以下的例子中，第1导电型设为n型，且第2导电型设为p型。
第3半导体层13设置在第2半导体区域11b与第2半导体层12之间。第3半导体层13例如包含活化层。第3半导体层13例如为发光部。
第1半导体层11、第2半导体层12及第3半导体层13包含于积层体10。积层体10沿X-Y平面扩展。积层体10包含台面形状的半导体凸状部10p。半导体凸状部10p包含第2半导体区域11b的一部分、第3半导体层13及第2半导体层12。在积层体10，设置有在X轴方向上与半导体凸状部10p并排的半导体凹状部10d。这些半导体凸状部10p及半导体凹状部10d成为台面的阶差。
第1半导体层11、第2半导体层12及第3半导体层13例如包含氮化物半导体。第1半导体层11例如包含含有n型杂质的GaN层。n型杂质使用Si、O、Ge、Te及Sn中的至少任一种。第1半导体层11例如包含n侧接触层。第2半导体层12例如包含含有p型杂质的GaN层。p型杂质使用Mg、Zn及C中的至少任一种。第2半导体层12例如包含p侧接触层。
第1电极41设置在衬底70与第1半导体区域11a之间。第1电极41与第1半导体区域11a及衬底70电连接。第1电极41例如为n电极。第1电极41例如包含铝(Al)或铝系合金。第1电极41例如为光反射性。在这个例子中，第1电极41延伸设置在衬底70与第3半导体区域11c之间以及衬底70与第2半导体区域11b之间。
第2电极51设置在衬底70与第2半导体层12之间。第2电极51与第2半导体层12电连接。第2电极51例如为p电极。第2电极51例如包含银(Ag)或银系合金。第2电极51例如为光反射性。
在本说明书中，电连接的状态包含第1导体与第2导体直接接触的状态。进而，电连接的状态包含在第1导体与第2导体之间***第3导体而使电流经由第3导体在第1导体与第2导体之间流动的状态。重叠的状态包含当投影至与Z轴方向正交的平面(X-Y平面)上时至少一部分重叠的状态。
绝缘层60设置在衬底70与第2电极51之间以及第1电极41与第2电极51之间。绝缘层60将第2电极51与衬底70电绝缘。绝缘层60将第1电极41与第2电极51绝缘。绝缘层60在X轴方向上设置在第1电极41与半导体凸状部10p之间。绝缘层60覆盖第2电极51及第2半导体层12的一部分。绝缘层60例如包含氧化硅、氮化硅、氮氧化硅等。
金属层75设置在衬底70与第1电极41之间以及衬底70与第2电极51之间。金属层75例如包含锡(Sn)、金(Au)、镍(Ni)、含有锡与金的合金、或含有锡与镍的合金中的任一种。金属层75与衬底70及第1电极41电连接。
半导体发光元件110包含第1焊垫42与第2焊垫52。在金属层75的一部分之上设置有所述第1电极41、第2电极51、绝缘层60及积层体10。在金属层75的另外一部分之上设置有第1焊垫42。第1焊垫42与第1电极41连接。第1焊垫42例如为n侧焊垫。第1焊垫42经由第1电极41而与第1半导体层11电连接。
另一方面，在第2电极51的一部分之上设置有第2焊垫52。第2焊垫52与第2电极51连接。第2焊垫52例如为p侧焊垫。第2焊垫52经由第2电极51而与第2半导体层12电连接。
通过对第1焊垫42与衬底70之间施加电压，而对第3半导体层13供给电流，从第3半导体层13放出光。所放出的光(发出的光)出射至半导体发光元件110的外部。发出的光在第2电极51及第1电极41反射。第1半导体层11的表面(图1(a)中的上表面)成为光出射面。半导体发光元件110例如为LED。
在本实施方式中，衬底70包含第1区域70a与第2区域70b。第2区域70b在Z轴方向上设置在第1区域70a的一部分与第1电极41之间。第2区域70b在Z轴方向上与第1半导体区域11a重叠，且在X轴方向上与金属层75重叠。也就是说，第2区域70b相对于第1区域70a凸出，且朝金属层75侧突出。在金属层75设置有与第2区域70b嵌合的金属层凹部75d。
也就是说，衬底70包含凸部70p与凹部70d。凸部70p是与凹部70d相比相对突出的部分。第1电极41设置在凸部70p之上。第2电极51设置在凹部70d之上。第2半导体层12设置在第2电极51之上，且与第2电极51电连接。第3半导体层13设置在第2半导体层12之上。第1半导体层11设置在第1电极41之上及第3半导体层13之上，且与第1电极41电连接。
衬底70的材料优选与金属层75的材料不同。衬底70的材料例如使用硅。金属层75的材料例如使用含有镍与锡的合金。从制造成本的观点来说，金属层75优选不使用价格相对较高的金。
第2区域70b的沿着Z轴方向的厚度t1例如为第1距离d1的0.2倍以上且0.8倍以下。第1距离d1是第1半导体区域11a与第1区域70a之间的沿着Z轴方向的距离。第1距离d1例如为4微米(μm)以上且7μm以下。
厚度t1例如为差Δd的1倍以上且1.6倍以下。差Δd是第1距离d1与第2距离d2的差。第2距离d2是第2半导体层12与第1区域70a之间的沿着Z轴方向的距离。也就是说，差Δd与半导体凸状部10p在Z轴方向上的厚度对应。差Δd例如为0.5μm以上且3.5μm以下。
第2区域70b的沿着X轴方向的长度L1沿着从衬底70朝向第1电极41的方向减少。长度L1的变化例如为连续性。也就是说，第2区域70b的侧面为锥形状。
例如，第2区域70b的材料与第1区域70a的材料相同。第1区域70a及第2区域70b的材料例如使用硅。第1区域70a与第2区域70b通过蚀刻等而一体形成。
第2区域70b的材料也可与第1区域70a的材料不同。第1区域70a的材料例如使用硅。第2区域70b的材料例如使用氧化硅、氮化硅、或氮化铝等。
以下，对半导体发光元件110的制造方法的例子进行说明。
图2(a)～图2(d)、图3(a)～图3(c)、图4(a)及图4(b)是例示第1实施方式的半导体发光元件的制造方法的步骤顺序示意性剖视图。
如图2(a)所示，在生长用衬底90之上形成缓冲层(未图示)，在缓冲层之上形成要成为第1半导体层11的第1半导体膜11f。在第1半导体膜11f之上形成要成为第3半导体层13的第3半导体膜13f。在第3半导体膜13f之上形成要成为第2半导体层12的第2半导体膜12f。由此，获得要成为积层体10的积层膜10f。在形成这些半导体膜时，例如，使用有机金属气相沉积(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition：MOCVD)等。生长用衬底90例如使用Si、SiO2、AlO2、石英、蓝宝石、GaN、SiC及GaAs的任一衬底。
如图2(b)所示，将第2半导体膜12f的一部分、第3半导体膜13f的一部分及第1半导体膜11f的一部分去除，而形成积层体10。此外，在图2(b)之后的图中，省略生长用衬底90的图示。在该去除时，例如使用RIE(Reactive Ion Etching，反应离子蚀刻)等。在积层体10形成台面形状(半导体凸状部10p及半导体凹状部10d)。
如图2(c)所示，在积层体10之上形成要成为第1绝缘层60a的第1绝缘膜60af。第1绝缘膜60af例如包含氧化硅。例如，使用CVD(Chemical Vapor Deposition，化学气相沉积)法、溅镀法、或SOG(Spin On Glass，旋涂玻璃)法等。
如图2(d)所示，将第1绝缘膜60af的一部分去除，在通过去除而露出的第2半导体层12之上形成p侧的第2电极51。
如图3(a)所示，在第1绝缘膜60af及第2电极51之上形成要成为第2绝缘层60b的第2绝缘膜60bf。第2绝缘膜60bf例如包含氧化硅。
如图3(b)所示，将第1绝缘膜60af及第2绝缘膜60bf的一部分去除而形成第1绝缘层60a及第2绝缘层60b。在通过它们的去除而露出的第1半导体层11之上形成n侧的第1电极41。第1绝缘层60a及第2绝缘层60b成为绝缘层60。
如图3(c)所示，在第1电极41及绝缘层60之上(图3(c)中的下方)形成金属层75。在金属层75形成有与衬底70的第2区域70b嵌合的金属层凹部75d。此外，金属层75的膜例如使用溅镀法或蒸镀法而形成在台面的阶差部分。因此，金属层75的与台面阶差部分对应的部分成为金属层凹部75d。
如图4(a)所示，在金属层75之上(图4(a)中的下方)形成衬底70。衬底70包含第1区域70a与第2区域70b，第2区域70b与金属层凹部75d嵌合。第2区域70b与金属层凹部75d的位置对准例如能够通过将对准标记的位置用作基准来实现。
进而，将生长用衬底90(未图示)去除。去除是使用研磨、干式蚀刻(例如RIE)或LLO(Laser Lift Off，激光剥离)等。
如图4(b)所示，将积层体10及绝缘层60的一部分去除，并在露出的金属层75的一部分之上形成第1焊垫42。第1焊垫42与第1电极41电连接。将积层体10的另外一部分去除，并在露出的第2电极51之上形成第2焊垫52。第2焊垫52与第2电极51电连接。此外，也可在第1半导体层11的上表面形成凹凸。也可在积层体10的侧面形成保护膜(绝缘层)。也可进行使衬底70的厚度变薄的处理。也可在所述制造步骤中在技术上可行的范围内更换处理的顺序。也可适当进行退火处理。
通过以上步骤，获得半导体发光元件110。
像已说明的那样，在半导体发光元件110中，衬底70包含第1区域70a与第2区域70b。第2区域70b在Z轴方向上设置在第1区域70a与第1电极41之间。例如，第2区域70b在Z轴方向上与第1半导体区域11a重叠，且在X轴方向上与金属层75重叠。由此，能够抑制空隙(void)的产生，从而提高生产性。
图5是例示参考例的半导体发光元件的示意性剖视图。
参考例的半导体发光元件199具有台面的阶差部分。金属层79的与衬底78的接合面为平面。衬底78的与金属层79的接合面也为平面。当将这些衬底78与金属层79接合时，产生间隙。该间隙在金属层79中导致产生空隙Bd。空隙Bd的产生例如导致产生金属层79中的接合剥离等而使良率降低。也就是说，成为使生产性变差的原因。
进而，当将所述衬底78与金属层79接合时，因例如想要减少空隙而过度施加压力等而导致应力集中于台面的阶差部分，从而对积层体施加大的应力(stress)。
相对于此，在本实施方式中，衬底70的第2区域70b在Z轴方向上设置在第1区域70a与第1电极41之间。例如，第2区域70b在Z轴方向上与第1半导体区域11a重叠，且在X轴方向上与金属层75重叠。也就是说，第2区域70b相对于第1区域70a凸出，且朝金属层75侧突出。在金属层75设置有与第2区域70b嵌合的金属层凹部75d。由此，当将衬底70与金属层75接合时，能够抑制间隙的产生。
也就是说，能够在金属层75中抑制空隙的产生。能够抑制在金属层75中产生接合剥离等，从而提高良率。由此，能够提高生产性。
另外，通过在衬底70设置凸状的第2区域70b，能够使施加至台面的阶差部分的应力分散。由此，能够缓和对积层体10的应力。
(第2实施方式)
图6是例示第2实施方式的半导体发光元件的示意性剖视图。
如图6所示，本实施方式的半导体发光元件111包含第1半导体层11、第2半导体层12、第3半导体层13、衬底70、金属层75、绝缘层60、第1电极41及第2电极51。
衬底70包含第1区域70a与第2区域70b，且第2区域70b在Z轴方向上设置在第1区域70a的一部分与第1电极41之间。第2区域70b在Z轴方向上与第1半导体区域11a重叠，且在X轴方向上与金属层75重叠。也就是说，第2区域70b为凸部，且朝金属层75侧突出。在金属层75设置有与第2区域70b嵌合的金属层凹部75d。
也就是说，衬底70包含凸部70p与凹部70d。第1电极41设置在凹部70d之上。第2电极51设置在凸部70p之上。第2半导体层12设置在第2电极51之上，且与第2电极51电连接。第3半导体层13设置在第2半导体层12之上。第1半导体层11设置在第1电极41之上及第3半导体层13之上，且与第1电极41电连接。
金属层75设置在第1电极41与第2区域70b之间以及第2电极51与第1区域70a之间。金属层75例如包含锡(Sn)、金(Au)、镍(Ni)、含有锡与金的合金、或含有锡与镍的合金中的任一种。金属层75与衬底70及第2电极51电连接。
绝缘层60设置在衬底70与第1电极41之间以及第1电极41与第2电极51之间。绝缘层60将第1电极41与衬底70电绝缘。绝缘层60将第1电极41与第2电极51绝缘。绝缘层60在X轴方向上设置在第1电极41与半导体凸状部10p之间。绝缘层60覆盖第1电极41及第1半导体区域11a的一部分。绝缘层60例如包含氧化硅、氮化硅、氮氧化硅等。
半导体发光元件111包含第1焊垫42与第2焊垫52。在金属层75的一部分之上设置有所述第1电极41、第2电极51、绝缘层60及积层体10。在金属层75的另外一部分之上设置有第2焊垫52。第2焊垫52与第2电极51连接。第2焊垫52例如为p侧焊垫。第2焊垫52经由第2电极51而与第2半导体层12电连接。
另一方面，在第1电极41的一部分之上设置有第1焊垫42。第1焊垫42与第1电极41连接。第1焊垫42例如为n侧焊垫。第1焊垫42经由第1电极41而与第1半导体层11电连接。
衬底70的材料优选与金属层75的材料不同。衬底70的材料例如使用硅。金属层75的材料例如使用含有镍与锡的合金。从制造成本的观点来说，金属层75的材料优选不使用价格相对较高的金。
第2区域70b的沿着Z轴方向的厚度t1为第1距离d1的0.2倍以上且0.8倍以下。第1距离d1是第1半导体区域11a与第1区域70a之间的沿着X轴方向的距离。第1距离d1例如为4μm以上且7μm以下。
厚度t1例如为差Δd的1倍以上且1.6倍以下。差Δd是第1距离d1与第2距离d2的差。第2距离d2是第2半导体层12与第1区域70a之间的沿着Z轴方向的距离。也就是说，差Δd与半导体凸状部10p在Z轴方向上的厚度对应。差Δd例如为0.5μm以上且3.5μm以下。
第2区域70b的沿着X轴方向的长度L1沿着从衬底70朝向第1电极41的方向减少。长度L1的变化例如为连续性。也就是说，第2区域70b的侧面为锥形状。
例如，第2区域70b的材料与第1区域70a的材料相同。第1区域70a及第2区域70b的材料例如使用硅。第1区域70a与第2区域70b通过蚀刻等而一体形成。
第2区域70b的材料也可与第1区域70a的材料不同。第1区域70a的材料例如使用硅。第2区域70b的材料例如使用氧化硅、氮化硅或氮化铝等。
根据实施方式，能够提供生产性高的半导体发光元件。
以上，一边参照具体例，一边对本发明的实施方式进行了说明。但是，本发明并不限定于这些具体例。例如，关于衬底、第1半导体层、第2半导体层、第3半导体层、第1电极及第2电极等各要素的具体构成，只要能由本领域技术人员通过从公知的范围适当选择而同样地实施本发明并获得相同的效果，便包含于本发明的范围内。
另外，将各具体例的任意两个以上的要素在技术上可行的范围内进行组合而成的要素，只要包含本发明的主旨，便也包含于本发明的范围内。
除此以外，本领域技术人员能以作为本发明的实施方式在上文叙述的半导体发光元件为基础适当进行设计变更并加以实施的所有半导体发光元件，只要包含本发明的主旨，便也属于本发明的范围。
除此以外，在本发明的思想范畴内，只要是本领域技术人员，便应该能想到各种变更例及修正例，且应明白那些变更例及修正例也属于本发明的范围。
已对本发明的若干实施方式进行了说明，但这些实施方式是作为例子而提出，并不意图限定发明的范围。这些新颖的实施方式能以其他多种方式实施，能够在不脱离发明主旨的范围内进行各种省略、替换、变更。这些实施方式或其变化包含在发明的范围或主旨中，并且包含在权利要求书所记载的发明及其均等的范围内。
[符号的说明]
10 积层体
10d 半导体凹状部
10f 积层膜
10p 半导体凸状部
11 第1半导体层
11a 第1半导体区域
11b 第2半导体区域
11c 第3半导体区域
11f 第1半导体膜
12 第2半导体层
12f 第2半导体膜
13 第3半导体层
13f 第3半导体膜
41 第1电极
42 第1焊垫
51 第2电极
52 第2焊垫
60 绝缘层
60a 第1绝缘层
60af 第1绝缘膜
60b 第2绝缘层
60bf 第2绝缘膜
70、78 衬底
70a 第1区域
70b 第2区域
70p 凸部
70d 凹部
75、79 金属层
75d 金属层凹部
90 生长用衬底
110～112、199 半导体发光元件
d1、d2 第1、第2距离
t1 厚度
L1 长度
Claims (13)
1.一种半导体发光元件，其特征在于具备：
衬底，具备第1区域及第2区域，所述第2区域具备从所述第1区域突出的凸部；
第1导电型的第1半导体层，与所述衬底在第1方向相隔地设置；
第2导电型的第2半导体层，设置在所述第1半导体层与所述衬底之间；
第3半导体层，设置在所述第1半导体层与所述第2半导体层之间；
第1电极，设置在所述第1半导体层与所述衬底之间且与所述第1半导体层电连接；
第2电极，设置在所述第2半导体层与所述衬底之间且与所述第2半导体层电连接；以及
金属层，设置在所述第1电极与所述第2区域之间以及所述第2电极与所述第1区域之间；并且
所述金属层具有与所述衬底的凸部嵌合的凹部。
2.根据权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于：所述第1半导体层与所述第1电极在所述第1方向上的所述第2区域上电连接。
3.根据权利要求2所述的半导体发光元件，其特征在于：所述衬底的材料与所述金属层的材料不同。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的半导体发光元件，其特征在于：所述第2区域的沿着所述第1方向的厚度是所述第1半导体层与所述第1区域之间的沿着所述第1方向的第1距离的0.2倍以上且0.8倍以下。
5.根据权利要求4所述的半导体发光元件，其特征在于：所述第1距离为4微米以上且7微米以下。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的半导体发光元件，其特征在于：所述第2区域的沿着所述第1方向的厚度是所述第1半导体层与所述第1区域之间的沿着所述第1方向的第1距离和所述第2半导体层与所述第1区域之间的沿着所述第1方向的第2距离的差的1倍以上且1.6倍以下。
7.根据权利要求6所述的半导体发光元件，其特征在于：所述差为0.5微米以上且3.5微米以下。
8.根据权利要求1至3中任一项所述的半导体发光元件，其特征在于：所述第2区域的沿着所述第2方向的长度是沿着从所述衬底朝向所述第1电极的方向减少。
9.根据权利要求1至3中任一项所述的半导体发光元件，其特征在于：所述第2区域的材料与所述第1区域的材料不同。
10.根据权利要求2所述的半导体发光元件，其特征在于：所述金属层与所述第1电极电连接。
11.根据权利要求10所述的半导体发光元件，其特征在于还具备：绝缘层，设置在所述第2电极与所述金属层之间以及所述第1电极与所述第2电极之间。
12.根据权利要求2所述的半导体发光元件，其特征在于：所述金属层与所述第2电极电连接。
13.根据权利要求12所述的半导体发光元件，其特征在于还具备：绝缘层，设置在所述第1电极与所述金属层之间以及所述第1电极与所述第2电极之间。
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