TWI525857B - 半導體發光元件 - Google Patents
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Description
本發明係關於一種半導體發光元件。
半導體發光元件為小型，電力效率佳，並且進行鮮豔顏色之發光。又，作為半導體元件之發光元件並無熄滅等擔心。進而，具有初始驅動特性優異並且於振動或反覆點燈．滅燈耐抗方面非常強之特徵。由於具有此種優異之特性，故發光二極體(Light Emitting Diode，以下亦稱為「LED」)、雷射二極體(Laser Diode：以下亦稱為「LD」)等之半導體發光元件被利用作為各種光源。特別是近年來，作為代替螢光燈之照明用之光源，其作為更低之電力消耗及長使用壽命之新一代照明而受到矚目，並且對發光輸出之提高以及發光效率之改善提出了更高之要求。
本發明者等人開發出一種發光元件，其為了提高發光輸出之提取而具有使電極面與安裝面對向之倒裝晶片(flip chip)構成，並且反射膜之反射能力得到了改善(日本專利特開2009-164423號公報)。該文獻中所揭示之發光元件，如圖8A之剖面圖以及圖8B之放大圖所示，包括：具有發光層8之半導體構造11；設置於半導體構造11之一主面側之光提取面18；以及位於與光提取面18對向之另一主面側且與半導體構造11電性連接之電極3。該發光元件於半導體構造11與電極3之間形成反射構造20。又，反射構造20具有：形成於半導體構造11上之反射層16；以及位於該反
射層16上且包含複數個介電體之介電體多層膜4。此處，反射層16之折射率比半導體構造11之折射率小，且，反射構造20之反射光譜之中心波長為比來自發光層8之發射波峰波長更長之波長。藉由該構成實現了耐候性優異、具有更高之反射能力、並且能夠薄膜化之反射構造。
亦參照日本專利特表2009-537982號公報。
另一方面，如上所述，由於半導體發光元件與電燈等相比不用擔心發生熄滅等問題，故發揮其特性，對其耐久性或可靠性提出了更高之要求，以便能夠達到接近無需維修之程度。然而，隨著半導體發光元件之持續使用，存在動作時之正向電壓會逐漸上升之這一問題。若正向電壓上升，則損耗提高，發熱量亦會變大。於半導體發光元件中，散熱性係重要之問題，若發熱量變大，則亦會關係到產品壽命。一般而言，若正向電壓上升10%以上，則判斷為故障。近年來，對降低消耗電力之要求特別高，因此，自這一觀點來考慮，不宜增大驅動電壓。
本發明係為了解決先前技術中之上述問題而完成者。本發明之目的在於提供一種壽命特性優異、且可抑制正向電壓上升之半導體發光元件。
為了達成上述目的，本發明之第一半導體發光元件包括：第一半導體層；第二半導體層，其具有與上述第一半
導體層不同之導電性；活性區域，其設置於上述第一半導體層及第二半導體層之間；透光性導電層13，其設置於上述第一半導體層上；反射構造20，其設置於上述透光性導電層13上；及第一電極，其設置於上述反射構造20上且與上述第一半導體層電性連接；上述反射構造20至少具有反射層16，使中間層17介於上述透光性導電層13與反射構造20之間，上述中間層17可由含有離子化傾向大於上述反射層16之元素之材料構成。藉此可獲得以下優點：能夠利用介於透光性導電層與反射構造之間之中間層，抑制隨著半導體發光元件之使用而正向電壓上升之事態，從而能夠提高可靠性及耐久性。尤其能夠使透光性導電層不易氧化，從而抑制電阻、即Vf之上升。
又，第二半導體發光元件中，上述反射構造20具有位於上述反射層16上且包含複數個介電體之介電體多層膜4，能夠使上述介電體多層膜4之膜厚小於上述反射層之膜厚。
又，第三半導體發光元件可將上述反射層16設為SiO2。
又，第四半導體發光元件可將上述透光性導電層13設為ITO。
又，第五半導體發光元件可將上述中間層17設為Nb2O5、Al2O3、TiO2中之任一者。藉此，藉由使含有離子化傾向大之元素之材料位於透光性導電層之上表面，而使透光性導電層不易氧化，能夠抑制電阻、即Vf之上升，並且能夠改善元件壽命且提高可靠性。
又，第六半導體發光元件可將上述中間層17之膜厚設為270 Å~540 Å。藉此，能夠平衡地維持初始特性與壽命特性。並且能夠抑制透光性導電層之薄膜電阻。
又，第七半導體發光元件可使上述中間層17由與構成上述介電體多層膜4之層相同之材質構成。藉此，於積層中間層時，由於設為與在其上積層之反射構造相同之材料，故於製造時無需新的目標材料，從而能夠降低製造成本。
又，第八半導體發光元件可將上述中間層17設為Nb2O5。
又，第九半導體發光元件包括與上述第二半導體層電性連接之第二電極，上述第一電極及第二電極設置於半導體發光元件之第一主面側，上述第一主面可作為安裝面，與上述第一主面對向之第二主面側可作為光提取面。藉此，於倒裝晶片構造之半導體發光元件中，能夠抑制正向電壓之上升。
又，第十半導體發光元件包括與上述第二半導體層電性連接之第二電極，上述第一電極及第二電極設置於半導體發光元件之第一主面側，上述第一主面可作為光提取面，與上述第一主面對向之第二主面側可作為安裝面。藉此，於面朝上構造之半導體發光元件中，可抑制正向電壓之上升。
進而又，第十一半導體發光元件包括：第一半導體層；第二半導體層，其具有與上述第一半導體層不同之導電性；活性區域，其設置於上述第一半導體層及第二半導體
層之間；透光性導電層13，其設置於上述第一半導體層上；反射構造20，其設置於上述透光性導電層13上；及第一電極，其設置於上述反射構造20上且與上述第一半導體層電性連接；使中間層17介於上述透光性導電層13與反射構造20之間，上述中間層17可為Nb2O5、Al2O3、TiO2及SiN中之任一者。
以下，根據圖式對本發明之實施例進行說明。然而，以下所示之實施例係為了將本發明之技術思想具體化而對半導體發光元件進行例示者，本發明之半導體發光元件不限定為以下所示內容。進而，為了便於理解技術方案，於本說明書中，針對「技術方案」以及「解決技術問題之手段欄」中所示之構件標註了與實施例中所示之構件對應之編號。然而，技術方案所示之構件絕對不限定於實施例之構件。尤其實施例所記載之構成構件之尺寸、材質、形狀以及其相對之配置等，只要不進行特定性記載，均不意味著將本發明範圍僅限定於此，而僅為說明例。再者，各圖式所示之構件之大小或位置關係等，有時為了使說明更清楚而而加以誇張。而且，於以下之說明中，針對相同之名稱、符號表示為相同或同質之構件，並適當地省略詳細說明。進而，關於構成本發明之各技術特徵，既可採用由同一構件構成複數個要素、一個構件兼用作複數個要素之態樣，相反，亦可利用複數個構件分擔一個構件之功能之形式來實現。
另外，於本說明書中，層上等說法中之「上」不一定侷限於與上表面接觸形成之情形，亦包括隔開地形成於上方之情形，亦包括層與層之間存在***層之情形。又，針對一部分之實施例以及實施形態所說明之內容，有時亦能夠利用於其他實施例、實施形態等中。
本發明之實施形態1之發光裝置1如圖1之剖面圖所示。搭載於該圖之發光裝置1之發光元件10採用作為氮化物半導體元件之一例之LED晶片，將該LED倒裝晶片安裝於作為配線基板9之一之底座(sub mount)上。所謂倒裝晶片安裝係將與電極形成面對向之成長基板5側作為主光提取面之安裝方式，亦稱為面朝下安裝。由於圖1之發光元件10表示倒裝晶片安裝，故將上下顛倒表示。
圖2係概略剖面圖，表示圖1之發光元件10之倒裝晶片安裝前之狀態，即，使成長基板5作為最下層且於其上方積層半導體構造11之狀態。於實際之發光裝置之製造步驟中，於成長基板5之上表面使積層有各層之氮化物半導體元件上下顛倒，並如圖1所示進行安裝。以下，使用圖2對發光元件10之概略情況進行說明。另外，於圖1之發光元件10中，對與圖2所示之發光元件10相同之構成標註相同之符號並適當地省略說明。
發光元件10包括具有發光層8之半導體構造11。於圖2之發光元件10中，於具有對向之一對主面之成長基板5之一主面上積層並形成作為半導體構造11之氮化物半導體層。
具體而言，於發光元件10之成長基板5之上表面側積層半導體構造11，該半導體構造11按照順序具有第一氮化物半導體層6、活性層8及第二氮化物半導體層7。又，於第一氮化物半導體層6及第二氮化物半導體層7上分別具備電性連接之第一電極3A及第二電極3B。若經由第一電極3A及第二電極3B自外部向發光元件10提供電力，則自活性層8放出光，且主要自圖2A中之成長基板5之下表面側提取光。即，於圖2A之發光元件10之成長基板5，將與電極3A、3B之安裝面側(圖2A之上側)對向之另一主面側(圖2A之下側)作為主要之光提取面18。
進而，包含第一電極3A及第二電極3B之一組電極3分別具有反射構造20。作為反射構造20，例如可舉出包含多層構造之介電體多層膜4。又，圖2B係圖2A之圓所示之介電體多層膜4附近之放大剖面圖。如圖2B所示，介電體多層膜4係將包含折射率不同之兩種以上之材料膜4n、4m之一組介電體4a進行複數組積層之多層構造。關於介電體多層膜4之詳細構造，後面將進行闡述，介電體多層膜4設置於半導體構造11與電極3之間之至少一部分，並且相互隔開地水平形成，可選擇性地反射特定波長之光。另外，於實施形態1之介電體多層膜(DBR)4中，其反射光譜之中心波長λh位於比來自發光層8之光之發射波峰波長λp長之波長側。
作為發光元件10，於例如圖2所示之LED般之氮化物半
導體元件中，於作為成長基板5之藍寶石基板上具有：按順序使作為第一氮化物半導體層6之n型半導體層、作為活性層8之發光層及作為第二氮化物半導體層7之p型半導體層磊晶成長之半導體構造11；以及形成於半導體構造11上之透光性導電層13。
繼而，將發光層8及p型半導體層7之一部分選擇性蝕刻去除，使n型半導體層6之一部分露出，進而形成作為第一電極3A之n型焊墊電極。又，於與n型電極3A為同一面側之透光性導電層13上形成作為第二電極3B之p型焊墊電極。進而，僅將n型焊墊電極3A以及p型焊墊電極3B之特定表面露出，其他部分由絕緣性保護膜覆蓋。又，n型焊墊電極可於n型半導體層6之露出區域隔著透光性導電層13形成。以下，對半導體發光元件1之各構成要素進行具體說明。
成長基板5為能夠使半導體構造11磊晶成長之基板，基板之大小或厚度等沒有特別限定。作為氮化物半導體之基板，具有：以C面、R面以及A面之任一面為主面之藍寶石或尖晶石(MgAl2O4)般之絕緣性基板；又，碳化矽(6H、4H和3C)、矽、ZnS、ZnO、Si、GaAs、鑽石以及與氮化物半導體進行晶格接合之鈮酸鋰、鎵酸釹等之氧化物基板；以及GaN或AlN等之氮化物半導體基板，亦可使用傾斜之基板(例如，於藍寶石C面0.01°~3.0°)。又，可設置成於發光元件構造11形成之後除去成長基板5之無基板之半導體元
件構造；亦可將該取出之半導體層與支撐基板、例如導電性基板黏接而設置成倒裝晶片安裝之構造等，又，亦可設置成將其他透光性構件．透光性基板與半導體層黏接之構造。具體而言為如下構造：當於半導體層之光提取側之主面具有成長基板及黏接之構件．基板時，設置成透光性，當為不透光性、遮光性、光吸收性之成長基板時進行除去，當將半導體層與此種基板黏接時，設置於半導體層主面之光反射側。於自光提取側之透光性基板．構件向半導體層提供電荷之情形時，可使用導電性材料。此外，亦可為由玻璃、樹脂等透光性構件將半導體層接合．覆蓋而進行支撐之構成之元件。成長用基板之除去可保持於例如裝置或底座之晶片載置部上，利用研磨及LLO(Laser Lift Off：雷射剝離)來實施。又，即使為透光性不同種類之基板，亦能夠藉由除去基板而提高光提取效率及輸出，故較佳。
作為半導體構造11，實施例及以下要說明之氮化物半導體，可較佳地用於光區域之短波長區域、近紫外區域或比其短之波長區域方面，且可較較佳地用於將上述方面與光轉換構件(螢光體等)組合之發光裝置中。或者，不侷限於此，亦可為InGaAs系、GaP系等半導體。
由半導體層形成之發光元件構造中，於後面要提到之第一導電型(n)型及第二導電型(p)型層之間具有活性層之構
造，自輸出及效率方面而言較佳，但並不侷限於此，亦可為後面要提到之構造等其他之發光構造。於各導電型層中可一部分地設置絕緣、半絕緣性、逆導電型構造，又，亦可為將該等附加地設置於第一及第二導電型層之構造，亦可為附加地具有其他之電路構造、例如保護元件構造，又，亦可為上述基板擔負發光元件之導電型之一部分之構造。
設置於半導體層之電極，較佳為於實施例及以下要說明之一主面側設置第一導電型(n型)及第二導電型(p型)層之電極之構造，但並不侷限於此，亦可為與半導體層之各主面對向地分別設置電極之構造，例如，於上述基板除去構造中在除去側設置電極之構造。
又，作為半導體層之構造，可舉出具有MIS接面、PIN接面或PN接面之同質接面構造、異質接面構造或雙異質接面構造。又，亦可將各層設為超晶格構造，或者於產生量子效果之薄膜上形成作為活性層之發光層8之量子阱構造。
作為氮化物半導體，通式為InxAlyGa1-x-yN(0x,0y,x+y1)，亦可使B或P、As混晶化。又，n型半導體層6、p型半導體層7不特別限定為單層、多層。於半導體構造11中具有作為活性層之發光層8，該活性層設成單量子阱(SQW，Single quantum well)或多重量子阱構造(MQW，Multiple quantum well)。以下對半導體構造11之詳細情形
進行表示。
於成長基板上，隔著緩衝層等氮化物半導體之基底層、例如低溫成長薄膜GaN與GaN層，而具有：n型氮化物半導體層、例如Si摻雜GaN之n型接觸層與GaN/InGaN之n型多層膜層；以及p型氮化物半導體層、例如Mg摻雜之InGaN/AlGaN之p型多層膜層與Mg摻雜GaN之p型接觸層，進而，使用於該p型與n型層之間具有活性層之構造。
又，氮化物半導體之發光層(活性層)8具有量子阱構造，該量子阱構造包括：例如包含AlaInbGa1-a-bN(0a1,0b1,a+b1)之阱層；及包含AlcIndGa1-c-dN(0c1,0d1,c+d1)之障壁層。用於活性層中之氮化物半導體可為非摻雜、n型雜質摻雜及p型雜質摻雜之任一者，但較佳為使用非摻雜或n型雜質摻雜之氮化物半導體，藉此可使發光元件成為高輸出化。障壁層採用與阱層相比帶隙能量大之氮化物半導體。藉由使阱層中含有Al，能夠獲得比作為GaN之帶隙能量之波長365 nm短之波長。自活性層放出之光之波長，根據發光元件之目的、用途等設為360 nm~650 nm附近，較佳為380 nm~560 nm之波長。
阱層之組成中，InGaN較佳地用於可見光區域．近紫外光區域，此時之障壁層之組成可為GaN、InGaN。阱層之膜厚較佳為1 nm以上且30 nm以下，更佳為2 nm以上且20 nm以下。
其次，於p型半導體層7之表面形成成為特定形狀之遮罩，對p型半導體層7及作為活性層之發光層8進行蝕刻。
藉此，露出構成特定位置之n型半導體層6之n型接觸層。
關於本發明之發光元件之基本構造，具體而言，半導體層之彼此對向之兩個主面中，一者作為光提取側，另一者作為光反射側。於該光反射側設置光反射構造，特別設置於活性層等之具有發光構造之區域。
光反射構造係作為電極構造之一部分、與電極構造之重疊構造、與電極構造之面內分離構造、以及將該等進行組合之構造等設置，較佳為主要作為重疊構造，以便與發光構造相適應地增大發光面積，提高電荷注入效率。具體而言，於作為半導體層接觸側之電極之透光性導電層13與作為與元件外部連接之外部連接用(焊墊)電極之金屬電極層23之間設置反射構造20。該電極之間之反射構造20成為使電極之間進行導通之構造。具體而言，較佳為設置成以下所示之導通路徑與反射區域在面內分離而配置之構造，但不侷限於此，亦可設成導電性之反射構造。由於該面內分離之反射構造20於分離區域中具有導通構造，故能夠以絕緣性構成。又，當於光提取側設置電極之情形時，能夠使用部分電極、光透過性電極、透光性電極以及將該等進行組合之構造。
本發明之反射構造20中具有反射率依存於發光波長之反射部，具體而言，使用以下之介電體多層膜、DBR等。除了該波長依存性反射部之外，亦可附加性地具有半導體層、藉由與透光性構件(波長依存性反射部、電極)之折射
率差而進行反射之透光性膜、以及金屬反射層，於此情形時，該等透光性之構件配置於半導體層側，遮光性之金屬反射層配置於其外側。又，波長依存性膜、透光性膜之配置雖沒有進行特殊限定，但若適當地自半導體層側開始按順序設置透光性膜、波長依存性膜，則能夠將透光性膜之折射率差之反射功能以及波長依存性膜之波長、依靠方向之反射進行功能分離，從而提高各功能，因此較佳。
圖2之發光元件10中，使形成於雙方之電極3之反射構造20、進而較佳為反射構造20之光學特性大致相同。由此，若反射構造20兩個電極大致相同，則除了能夠減少發光裝置1之光源之顏色不均外，亦能夠藉由使兩者同時形成而簡化製造步驟。另一方面，安裝於各電極3A、3B之各自之反射構造20亦可於其光學特性中設有差異。例如，能夠考慮到基於電極部位之光入射角度、或與可混入至覆蓋層內之波長變換構件之間之距離等決定透光性膜之膜厚。
又，該些反射構造不僅為將各膜．構件各自設置一個之構造，而且可設置成多重構造、例如反覆設置具有各膜．構件之反射構造之重疊構造、具有複數個反射構造之各膜．構件之或者多重化之構造。又，雖然以下表示構成反射構造之各膜．構件一體形成之例，但不侷限於此，亦可將各膜．構件設成彼此不同之形狀、圖案。作為反射構造之重疊化，於例如具有如圖3所示之點狀開口部之第一段之反射構造群上，隔著ITO等之透光性導電層13積層第二段之反射構造群。此時，於自積層剖面看時，第二段之反
射構造群較佳為以將第一段之反射構造群之開口部區域之至少一部分覆蓋之方式配置。藉此，由於在自電極側俯視觀察時，反射構造之形成區域增大，因此反射效率提高，並且光提取效率增大。
以上雖然對與發光構造相應地設置之反射構造進行了闡述，但不侷限於此，亦能夠於n電極區域般之非發光區域、半導體層之側面、或者發光構造之側面或元件表面之區域設置反射構造，例如，能夠與保護膜相適應地重疊設置。以下，對透光性導電層13、反射構造20、電極3以及保護膜進行說明。
透光性導電層13主要形成於p型半導體層7上。例如，藉由於p型半導體層7及露出之n型半導體層6之幾乎整個面上形成導電層，便可使電流均勻地擴散至整個p型半導體層7上，並且，由於導電層具有透光性，故亦能夠於其上設置反射構造。透光性導電層13之覆蓋區域亦可僅為n型半導體層6及p型半導體層7中任一個半導體層。
透光性導電層13雖然有透明電極等多種，但較佳為含有選自由Zn、In、Sn組成之群中之至少一種元素之氧化物。具體而言，較理想的是形成包含ITO、ZnO、In2O3、SnO2等、Zn、In及Sn之氧化物之透光性導電層13，並且較佳為使用ITO。由此，能夠獲得與抵接之構件良好之歐姆接觸。或者，亦可為Ni等之金屬為3 nm等之薄膜之金屬膜、其他金屬之氧化物、氮化物、該等之化合物、具有窗部之
開口部之金屬膜這樣之光透過構造、以上之複合物。如上述，能夠於各導電型層、例如p型半導體層7之大致整個面上形成導電層，從而使電流均勻地向整個面擴散。
又，透光性導電層13之厚度係考慮到該層之光吸收性與電阻．薄片電阻、即光之反射構造與電流擴散而設置之厚度，例如，於1 μm以下，具體而言，為10 nm到500 nm。又，較佳為將厚度設成相對於自活性層8放出之光之波長λ為λ/4之大致整數倍，因為這樣能夠提高光提取效率。
如圖2所示，形成於透光性導電層13上之反射構造20，於半導體構造11與電極3之間之至少一部分上形成，較佳為藉由特定之圖案以覆蓋半導體層與透光性導電層13之大致整體之方式形成。又，如圖2所示，能夠使作為透光性膜之透光性絕緣膜16介於透光性導電層13與金屬電極層23之間。於此情形時，較佳為將絕緣性膜16之至少一部分開口，且於該開口區域露出透光性導電層13之表面。又，亦能夠將絕緣性膜16設置於反射構造20內，兼用作反射層16使用。
絕緣性膜16係用於將來自發光元件10之光高效地反射之構件。因此，較佳為設為氧化物，更佳為設為選自由Si、Al組成之群之至少一種元素之氧化物。具體而言，使用SiO2、Al2O3等，較佳為使用SiO2。又，絕緣性膜16之厚度較佳為200 nm以上，例如能夠以100 nm~2 μm左右之厚度形成。尤其於與形成於絕緣性膜16之上表面之金屬電極層
一併設置之情形時，或者於形成於反射構造20內時，絕緣性膜16之膜厚較佳為設為10 nm到500 nm。
圖2之例中，反射構造20包括包含絕緣性膜之反射層16、進而形成於該反射層16上之介電體多層膜4。反射層16於介電體多層膜4之下表面以俯視觀察時延伸而設置。
介電體多層膜4係將包含折射率不同之兩種以上之介電體膜交替積層之多層構造。具體而言，將折射率不同之膜以1/4波長之厚度交替積層，能夠高效地反射特定之波長。作為介電體多層膜4之材料，較佳為選自由Si、Ti、Zr、Nb、Ta及Al組成之群中之至少一種氧化物或氮化物，尤佳為設置成反覆積層有至少兩個之介電體多層膜。又，介電體多層膜4較佳為包含非金屬元素之材質，或氧化物之積層構造，例如包含(SiO2/TiO2)n(此處n為自然數)。進而，於折射率不同之兩種材料膜中，作為低折射率材料能夠舉出SiO2，又，作為高折射率材料能夠舉出Nb2O5、TiO2、ZrO2和Ta2O5等。由此，與金屬材質相比，能夠降低於反射層16之光吸收造成之損失。
又，介電體多層膜4將折射率不同之兩種介電體膜以2~5對積層構成，較佳為以3~4對積層構成。而且，介電體多層膜4之總膜厚較佳為0.2~1 μm，更佳為0.3~0.6 μm。由此，能夠抑制因介電體多層膜之干涉作用而使光透過率產生急劇下降之波谷，能夠增大連續之高反射率之波長區域。其結果，即使將反射構造之中心波長向比光源之發射
波峰波長更長之波長側移動，亦能夠抑制垂直入射之反射率之減少。即，不僅具有入射角而向反射構造20入射之光源之入射成分，而且入射角小之入射成分亦能夠反射，從而發光元件之光輸出相對地提高。
又，於介電體多層膜4之下表面形成反射層16。反射層16之折射率低於半導體構造11之折射率。如此，能夠使自發光層8向反射層16側行進之光高效率地向光提取側反射。具體而言，折射率較佳為1.45~1.68。若處於該範圍，則能夠有效地反射自半導體構造11以特定之角度向反射層16入射之光。
圖2之氮化物半導體元件10中之反射層16包含SiO2。藉此，於將自發光層8向反射層16之垂直入射設為0°之情形時，若該入射角為37°以上，則能夠將出射光之80%以上反射。進而，反射層16亦能夠發揮絕緣性膜16之作用，能夠獲得絕緣性與反射功能兩種效果，因此較佳。並且，關於主要為37°以下之入射成分，能以介電體多層膜4或者除此之外之後面要提到之金屬反射層進行反射。具體而言，於反射構造20中，藉由控制積層於反射層16上之介電體多層膜4之膜厚，而將反射光譜之中心波長確定為發光層之發射波峰波長之1.05~1.35倍。由此，能夠高效率地反射透過反射層16之光。其結果，反射構造20之反射率總的來說能夠實質上可為100%。
又，SiO2之反射層16可藉由增厚而提高反射率。作為一
例，圖5表示當使反射層16為SiO2並使膜厚變化時之光束相對值。如該圖所示，於膜厚大致為5000 Å以下之情形時，光束相對值逐漸上升，於5000 Å以上之情形時，幾乎為穩定之值。由此能夠看出，藉由將反射膜之膜厚設為5000 Å以上，能夠達成穩定之光束。
當於透光性導電層13上形成包含介電體多層膜4之反射構造20之後，如圖2所示，形成金屬電極層23，且與透光性導電層13電性連接。金屬電極層23係與適當地設置於p型半導體層7及n型半導體層6側之透光性導電層13、以及作為反射構造20之介電體多層膜4相接，且分別形成於第一電極3A與第二電極3B側。
金屬電極層23係作為藉由光學特性而能夠將行進至其之光高效率地反射之金屬反射層，而設置於多層膜4之表面之至少一部分，較佳為設置於反射構造表面之幾乎整個面上。此外，其將發光元件與外部電極電性連接，亦發揮作為焊墊電極之功能。例如，於金屬電極層表面配置Au凸塊(bump)般之導電構件，經由導電構件而將發光元件之電極及與其對向之外部電極進行電性連接。又，金屬電極層係與透光性導電層13一部分直接電性連接。於焊墊電極中能夠適當地採用已有之構成。例如，包含Al、Cu、Au、Pt、Pd、Rh、Ni、W、Mo、Cr和Ti中之任一金屬或該等之合金或該等之組合構成。作為金屬電極層之一例，能夠自下表面起採用W/Pt/Au、Rh/Pt/Au、W/Pt/Au/Ni、Pt/Au或Ti/Rh
之積層構造。
實施形態1中，金屬電極層23係與反射構造20以及透光性導電層13之至少一部分相接而形成。又，作為變形例，亦可使金屬電極層23之一部分於設置於透光性導電層13之貫穿孔內延伸，或者於透光性導電層13之外側，設為與氮化物半導體層直接接觸之接觸部。如此，可藉由金屬電極層一部分之接觸部提高密接力。
又，形成於p型氮化物半導體層7側以及n型氮化物半導體層6之金屬電極層23，較佳為將所使用之金屬之種類或膜厚設成相同之構成，因為，藉由同時形成，與分別形成之情形相比，能夠簡化金屬電極層之形成步驟。於分別設置之情形時之n型氮化物半導體層側之電極，能夠利用例如自n型氮化物半導體層6側開始按順序積層之W/Pt/Au電極(作為其膜厚，例如分別為20 nm/200 nm/500 nm)；或者進而積層Ni之W/Pt/Au/Ni或Ti/Rh/Pt/Au電極等。於圖2之例中，採用Ti/Rh作為反射率及耐候性優異之金屬電極層23。
於形成金屬電極層23之後，於除與外部區域之連接區域之外之半導體發光元件10之幾乎整個面上能夠形成絕緣性之保護膜。即，於被覆於n型電極3A部分及p型電極3B部分之保護膜上分別形成開口部。保護膜中能夠利用SiO2、TiO2、Al2O3、聚醯亞胺等。
另外，於以上之例中，雖然對將p電極及n電極作為安裝
面，將背面作為光提取面之倒裝晶片構造進行了說明，但不侷限於該例，亦能夠設成將p電極以及n電極作為光提取面，於其背面進行安裝之面朝上之構造。於此情形時，於安裝基板側之同時，藉由引線接合法等配線p電極及n電極。又，雖然上述例為p電極及n電極存在於同一面側之構成，但不侷限於該構成，本發明亦能夠被用於使發光元件所具有之一對電極自上下夾持發光層之所謂縱型之發光元件中。於縱型之發光元件之電極中，藉由至少於載置發光元件之配線基板側之電極上設置反射層16，能夠將向該反射層16行進之光向對向之光提取表面側反射。另外，於形成於光提取表面側之電極上亦形成反射構造20，以抑制電極之光吸收，由此，能夠提高外部量子效率。
將由上述方法獲得之發光元件倒裝晶片安裝於配線基板上而獲得發光裝置。作為一例，對圖1所示之發光裝置1之製造方法進行說明。首先，於成為底座基板9之晶片上，按照倒裝晶片安裝發光元件10之圖案形成凸塊。其次，隔著該凸塊倒裝晶片安裝發光元件10。利用絲網印刷在晶片上配置金屬遮罩，塗覆構成覆蓋層之樹脂，用刮漿板按壓擴開。然後，使樹脂硬化之後，去掉金屬遮罩進行切割，切出底座基板尺寸。被切出之底座基板9分別於支撐體上利用共晶黏晶而經由共晶層被固定。利用引線接合法將底座基板9之電極與支撐體之電極進行配線。進而，以覆蓋LED晶片外周之方式將樹脂製之透鏡藉由黏接材料等固
定，從而獲得發光裝置。
如圖4所示，發光裝置1中，由透光性之密封構件密封引線52與53，並成形，於一個安裝引線52之安裝部載置發光元件50，於其上方具有密封構件之透鏡部54。
又，密封構件只要為透光性則不進行特殊限定，較佳為使用矽樹脂組合物、改性矽樹脂組合物等，但亦能夠使用環氧樹脂組合物、改性環氧樹脂組合物、丙烯酸樹脂組合物等具有透光性之絕緣樹脂組合物。又，至少包含該些樹脂中之一種以上之混成樹脂等以及耐候性優異之密封構件亦能夠使用。而且，亦能夠使用玻璃、矽膠等耐光性優異之無機物。又，藉由使密封構件之發光面側成為所希望之形狀，能具有透鏡效果。
又，密封構件可根據波長變換構件、黏度增量劑、顏料、螢光物質等以及使用用途而添加適當之構件，藉此，能夠獲得具有良好之指向特性之發光裝置。同樣，亦能夠添加各種著色劑作為具有去掉外來光或來自發光元件之不需要之波長之濾光器效果之濾光器材料。進而，於密封構件中除了螢光物質亦可含有填料。作為具體之材料，可使用與擴散劑相同之材料。不過，擴散劑與填料之中心粒徑不同，填料之中心粒徑較佳為5 μm以上100 μm以下。若將此種粒徑之填料包含於密封構件中，則由於光散射作用之緣故，除了能夠改善發光裝置之色度不均之外，亦能夠提高密封構件之耐熱衝擊性。
又，自搭載於發光裝置之發光元件之發光層輸出之出射光之發射波峰波長雖然沒有進行特殊限定，但可使用於例如作為自近紫外線開始至可見光之短波長區域之240 nm~650 nm附近、較佳為360 nm~420 nm或450 nm~650 nm中具有發光光譜之半導體發光元件。
於圖8A所示之半導體發光元件中，於將透光性導電層13設為ITO，將作為多重反射膜之最下層之反射層16之多重反射膜伸出部設為SiO2之情形時，由於ITO與SiO2之化學反應，透明性導電層之電阻隨動作時間一併上升，其結果，產生該半導體發光元件之動作電壓、即正向電壓Vf上升之這一問題。因該正向電壓Vf之上升，判斷元件已無法正常動作、即達到壽命之時期變短。另一方面，於ITO與SiO2之接觸界面，由於密接強度弱，故透明性導電層與多重反射膜之界面由於剝離而產生元件不良，同樣亦存在元件壽命變短之問題。
因此，為了抑制此種元件之電性、機械性能變差並實現長壽命化，於本實施形態中，如圖2A所示，設為使中間層17介於透光性導電層13與反射構造20之間之構成。即，可認為由於透光性導電層13與電極之反射構造20發生化學反應並氧化，因此電壓上升，所以，藉由將含有離子化傾向大之元素之材料配置於透光性導電層13之上表面，而抑制此種氧化反應，由此，抑制了電阻、即Vf之上升。如上述般，中間層介於透光性導電層與反射構造之間，發揮作為
防止正向電壓之上升之電壓上升防止層之功能。
作為此種中間層17，可利用包含含有離子化傾向比反射層16大之元素之材料之Nb2O5、Al2O3、TiO2及於構成之材料中實質上不含有氧之SiN等。尤其藉由以與構成反射構造20之介電體多層膜4相同之材質構成中間層17，於積層中間層17時不需要追加新的目標材料，能夠提高製造時之效率並抑制成本。自該觀點來看，較佳為將中間層17設為Nb2O5。
又，中間層17之膜厚較佳為設在270 Å~540 Å之範圍內。若比該範圍薄，則壽命特性變差；若比該範圍厚，則輸出降低。
此處，為了確認是否藉由追加中間層17而抑制Vf之上升，進行了耐久試驗。具體而言，製成將作為中間層17之Nb2O5設為540 Å之實施例1及作為比較例1之不具有中間層之先前之半導體發光元件，將發光層之溫度保持在152℃和172℃，進行1000小時之連續運行試驗，並將驅動電流設為350 mA(額定電流)，測定動作電壓之動作開始時之增加率。此處，於實施例1中，將作為中間層17之Nb2O5、透光性導電層13中膜厚800 Å之ITO、作為反射構造20之膜厚5000 Å之SiO2、及作為介電體多層膜4之Nb2O5/SiO2三對積層，作為共晶電極使用了Pt/Au。又，作為比較例，於除了不含有Nb2O5之外以相同之條件下製作半導體發光元件。作為結果，於比較例1之情形時，動作電壓上升率在
發光層之溫度為152℃時成為2.6%，於172℃時成為3.7%，發光層之溫度越高，動作電壓之增加率變得越大。相比之下，於實施例1中，於152℃時成為1.3%，於172℃時成為1.5%，與發光層之溫度無關，動作電壓幾乎沒有變化，能夠確認出Vf之上升得到了抑制。
其次，為了確認藉由中間層17之追加，而於透光性導電層13與電極構造之接觸界面之強度得到提高之效果，關於實施例1與比較例1，製成圖6所示之半導體發光元件之樣品並進行了剪切試驗。其結果如圖7之圖表所示。比較例1之情形時，p型半導體層與透光性導電層13之界面、以及透光性導電層13與反射層16之界面之剝離混合存在。於比較例1中，尤其GaN/ITO之剝離界面及ITO與SiO2之剝離界面這兩者能夠確認。相比之下，於實施例1之情形時，如圖7所示，僅於p型半導體層與透光性導電層13之界面發生了剝離。如上述能夠確認出：藉由追加Nb2O5之中間層17，能夠防止作為透光性導電層13之ITO與Nb2O5之界面之剝離，換言之，能夠發揮比ITO與SiO2之接合界面強之密接力。
本發明之半導體發光元件能夠較佳地利用於照明用光源、LED顯示器、背光光源、信號器、照明式開關、各種感測器以及各種指示器等。
1‧‧‧發光裝置
3‧‧‧電極
3A‧‧‧第一電極(n型焊墊電極)
3B‧‧‧第二電極(p型焊墊電極)
4‧‧‧介電體多層膜
4a‧‧‧一組介電體
4n、4m‧‧‧材料膜
5‧‧‧成長基板(藍寶石基板)
6‧‧‧第一氮化物半導體層(n型半導體層)
7‧‧‧第二氮化物半導體層(p型半導體層)
8‧‧‧活性層(發光層)
9‧‧‧配線基板(底座基板)
10‧‧‧發光元件(氮化物半導體元件)
11‧‧‧半導體構造(氮化物半導體構造)
13‧‧‧透光性導電層(透光性電極、ITO)
16‧‧‧反射層(絕緣性膜)
17‧‧‧中間層
18‧‧‧光提取面
20‧‧‧反射構造
23‧‧‧金屬電極層
35‧‧‧開口部(導通部)
50‧‧‧LED
52、53‧‧‧引線
54‧‧‧樹脂透鏡(透鏡部)
圖1係實施形態1之發光裝置之概略剖面圖。
圖2A係實施形態1之發光元件之剖面圖；圖2B係圖2A之放大剖面圖。
圖3係表示於透光性導電層之上表面設置介電體多層膜之例之概略俯視圖。
圖4係發光裝置之立體圖。
圖5係表示反射層之膜厚與光束相對值之變化之圖表。
圖6係表示用於剪切試驗之樣品之構成之剖面圖。
圖7係表示利用實施例1及比較例1進行剪切試驗之結果之圖表。
圖8A係表示先前之半導體發光元件之剖面圖；圖8B係圖8A之一部分之放大圖。
3‧‧‧電極
3A‧‧‧第一電極(n型焊墊電極)
3B‧‧‧第二電極(p型焊墊電極)
4‧‧‧介電體多層膜
4a‧‧‧一組介電體
4n、4m‧‧‧材料膜
5‧‧‧成長基板(藍寶石基板)
6‧‧‧第一氮化物半導體層(n型半導體層)
7‧‧‧第二氮化物半導體層(p型半導體層)
8‧‧‧活性層(發光層)
11‧‧‧半導體構造(氮化物半導體構造)
13‧‧‧透光性導電層(透光性電極、ITO)
16‧‧‧反射層(絕緣性膜)
17‧‧‧中間層
18‧‧‧光提取面
20‧‧‧反射構造
23‧‧‧金屬電極層
35‧‧‧開口部(導通部)
Claims (29)
- 一種半導體發光元件，其包括：第一半導體層；第二半導體層，其具有與上述第一半導體層不同之導電性；活性區域，其設置於上述第一半導體層及第二半導體層之間；透光性導電層，其設置於上述第一半導體層上；反射構造，其設置於上述透光性導電層上；及第一電極，其設置於上述反射構造上，且與上述第一半導體層電性連接；上述反射構造至少具有反射層；使中間層介於上述透光性導電層與反射構造之間；上述中間層包含含有離子化傾向大於上述反射層之元素之材料。
- 一種半導體發光元件，其包括：第一半導體層；第二半導體層，其具有與上述第一半導體層不同之導電性；活性區域，其設置於上述第一半導體層及第二半導體層之間；透光性導電層，其設置於上述第一半導體層上；反射構造，其設置於上述透光性導電層上；及第一電極，其設置於上述反射構造上，且與上述第一 半導體層電性連接；上述反射構造至少具有反射層；使中間層介於上述透光性導電層與反射構造之間；上述中間層包含含有離子化傾向大於上述反射層之元素之材料；其中上述反射構造具有位於上述反射層上、且包含複數個介電體之介電體多層膜；上述中間層包含與構成上述介電體多層膜之第一層相同之材質。
- 如請求項1或2之半導體發光元件，其中上述反射層係具有絕緣性者。
- 如請求項3之半導體發光元件，其中上述反射層為SiO2。
- 如請求項1或2之半導體發光元件，其中上述透光性導電層為含有選自由Zn、In、Sn組成之群中之至少一種元素之氧化物。
- 如請求項1或2之半導體發光元件，其中上述透光性導電層為ITO。
- 如請求項1或2之半導體發光元件，其中上述中間層之膜厚為270Å~540Å。
- 如請求項2之半導體發光元件，其中上述反射層包含與構成上述介電體多層膜之第二層相同之材質。
- 如請求項1或2之半導體發光元件，其中上述中間層為Nb2O5。
- 如請求項1或2之半導體發光元件，其中包括與上述第二 半導體層電性連接之第二電極；上述第一電極及第二電極設置於半導體發光元件之第一主面側；將上述第一主面側作為安裝面側；將與上述第一主面對向之第二主面側作為光提取面側。
- 一種半導體發光元件，其包括：第一半導體層；第二半導體層，其具有與上述第一半導體層不同之導電性；活性區域，其設置於上述第一半導體層及第二半導體層之間；透光性導電層，其設置於上述第一半導體層上；反射構造，其設置於上述透光性導電層上；及第一電極，其設置於上述反射構造上，且與上述第一半導體層電性連接；上述反射構造至少具有反射層；使中間層介於上述透光性導電層與反射構造之間；上述中間層包含含有離子化傾向大於上述反射層之元素之材料，其中包括與上述第二半導體層電性連接之第二電極；上述第一電極及第二電極設置於半導體發光元件之第一主面側；將上述第一主面側作為光提取面側； 將與上述第一主面對向之第二主面側作為安裝面側。
- 如請求項1或2之半導體發光元件，其中將上述透光性導電層之厚度設為相對於自上述活性區域放出之光之波長λ為λ/4之大致整數倍。
- 如請求項1或2之半導體發光元件，其中上述介電體多層膜為將包含折射率不同之兩種以上之介電體膜交替積層之多層構造，且將各膜設為1/4波長之厚度。
- 如請求項1或2之半導體發光元件，其中上述反射構造為與電極構造之重疊構造、或者為導通路徑與反射區域在面內分離而配置之構造。
- 如請求項1或2之半導體發光元件，其中上述反射構造具有位於上述反射層上且包含複數個介電體之介電體多層膜；上述介電體多層膜之膜厚小於上述反射層之膜厚。
- 一種半導體發光元件，其包括：第一半導體層；第二半導體層，其具有與上述第一半導體層不同之導電性；活性區域，其設置於上述第一半導體層及第二半導體層之間；透光性導電層，其設置於上述第一半導體層上；反射構造，其設置於上述透光性導電層上；及第一電極，其設置於上述反射構造上，且與上述第一半導體層電性連接； 上述反射構造至少具有反射層；使中間層介於上述透光性導電層與反射構造之間；上述中間層為Nb2O5、TiO2及SiN中之任一者；其中上述反射構造具有位於上述反射層上、且包含複數個介電體之介電體多層膜；上述中間層包含與構成上述介電體多層膜之第一層相同之材質。
- 如請求項16之半導體發光元件，其中上述反射層係具有絕緣性者。
- 如請求項17之半導體發光元件，其中上述反射層為SiO2。
- 如請求項16之半導體發光元件，其中上述透光性導電層為含有選自由Zn、In、Sn組成之群中之至少一種元素之氧化物。
- 如請求項16之半導體發光元件，其中上述透光性導電層為ITO。
- 如請求項16之半導體發光元件，其中上述中間層之膜厚為270Å~540Å。
- 如請求項16之半導體發光元件，其中上述反射層包含與構成上述介電體多層膜之第二層相同之材質。
- 如請求項16至22中任一項之半導體發光元件，其中上述中間層為Nb2O5。
- 如請求項16之半導體發光元件，其中包括與上述第二半導體層電性連接之第二電極； 上述第一電極及第二電極設置於半導體發光元件之第一主面側；將上述第一主面側作為安裝面側；將與上述第一主面對向之第二主面側作為光提取面側。
- 如請求項16之半導體發光元件，其中包括與上述第二半導體層電性連接之第二電極；上述第一電極及第二電極設置於半導體發光元件之第一主面側；將上述第一主面側作為光提取面側；將與上述第一主面對向之第二主面側作為安裝面側。
- 如請求項16之半導體發光元件，其中將上述透光性導電層之厚度設為相對於自上述活性區域放出之光之波長λ為λ/4之大致整數倍。
- 如請求項16之半導體發光元件，其中上述介電體多層膜為將包含折射率不同之兩種以上之介電體膜交替積層之多層構造，且將各膜設為1/4波長之厚度。
- 如請求項16之半導體發光元件，其中上述反射構造為與電極構造之重疊構造、或者為導通路徑與反射區域在面內分離而配置之構造。
- 如請求項16之半導體發光元件，其中上述反射構造具有位於上述反射層上且包含複數個介電體之介電體多層膜；上述介電體多層膜之膜厚小於上述反射層之膜厚。
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