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TWI447966B - 半導體發光裝置及半導體發光裝置之製造方法 - Google Patents

半導體發光裝置及半導體發光裝置之製造方法 Download PDF

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TWI447966B
TWI447966B TW099129917A TW99129917A TWI447966B TW I447966 B TWI447966 B TW I447966B TW 099129917 A TW099129917 A TW 099129917A TW 99129917 A TW99129917 A TW 99129917A TW I447966 B TWI447966 B TW I447966B
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Hajime Nago
Toshiyuki Oka
Kotaro Zaima
Shinya Nunoue
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Description

半導體發光裝置及半導體發光裝置之製造方法 [相關申請案之交互引用]
此申請案依據並主張於2010年3月9日申請之先前日本專利申請案第2010-52209號之優先權，其全部內容以引用方式併於此。
本實施例有關於使用基於氮化物的III-V族化合物半導體之半導體發光裝置及半導體發光裝置之製造方法。
可藉由在藍寶石基板、SiC基板等等上之基於氮化物的III-V族化合物半導體的晶體生長來製造光學裝置，如雷射二極體(LD)及發光二極體(LED)。針對此種光學裝置之技術問題，有對於散熱性能及光提取效率之改善。當大量電流流通時此種光學裝置一直很難穩定操作。
近年來，已提出瞄準更高光提取效率之半導體發光裝置，其中形成在藍寶石基板上之III-V化合物半導體係藉由覆晶安裝來安裝在子座基板上，並接著以底填料將化合物半導體固定，並接著自該半導體剝除掉藍寶石基板，並接著處理化合物半導體之上表面以製造粗糙表面。
然而，當底填料附接至藍寶石基板的側面時，需要過度力量以雷射剝離(lift-off)方法自藍寶石基板加以剝除。因此當強迫剝除藍寶石基板時可能會有化合物半導體破裂的問題。
有鑑於此，已提出一種技術，其中底填料不附接至藍寶石基板的側面(參見文獻1：JP-A 2008-140873(公開))。
然而，在文獻1中，雖然底填料不附接至藍寶石基板的側面，其係附接至藍寶石基板的底表面。因此，仍須過度力量來剝除藍寶石基板。這可能導致化合物半導體及/或底填料破裂或斷裂。此外，為了形成具有文獻1中揭露之形狀的底填料，需要額外之製造程序，這造成製造成本上升。
 【發明內容及實施方式】
根據一實施例，半導體發光裝置具有支撐基板、發光元件、及底填料。發光元件包括經由支撐基板上之凸塊而接觸之基於氮化物的III-V族化合物半導體層。底填料配置在支撐基板以接觸支撐基板、發光元件、及凸塊，底填料包含配置在發光元件之一端面外的脊部以圍繞發光元件的該端表面。
將參照附圖說明實施例。
第1圖為根據一實施例的半導體發光裝置之剖面圖。第1圖之半導體發光裝置具有p電極層4及n電極層5，其各分別經由接合金屬層2及凸塊3連接至變成支撐基板的子座基板1，及連接至p電極層4及n電極層5之基於氮化物的III-V族化合物半導體層(發光元件)6。
化合物半導體層6在第1圖中由往下地具有n型接觸層7、n型半導體層8、發光層9、p型半導體層10、及p型接觸層11之積層結構。化合物半導體層6中之層較佳以基於GaN的單晶形成，其藉由晶體生長以高品質生長在藍寶石基板上。這些層之實際材料為例如Alx Ga1-x-y Iny N(0≦x≦1，0≦y≦1)。
n型接觸層7之上表面為光提取表面12，將其處理以製造用以增進光提取效率之粗糙表面。形成在光提取表面12上的為用以緩和折射率差異之絕緣薄膜13。
在製造第1圖之半導體發光裝置之前的前一步驟，化合物半導體層6藉由晶體生長來生長在藍寶石基板上。第2圖為顯示藉由晶體生長來生長在藍寶石基板20上的化合物半導體層6之一實例的剖面圖。在第2圖中，給予和第1圖共同之層相同的參考符號。第2圖之化合物半導體層6具有緩衝層21、n型接觸層7、n型半導體層8、發光層9、p型半導體層10、及p型接觸層11，依序積層在藍寶石基板20上。形成在p型接觸層11上的為p電極層4，而形成在n型接觸層7上的為n電極層5。以絕緣薄膜22覆蓋化合物半導體層6之表面，除了其上形成有p電極層4及n電極層5之區域。
藉由晶體生長直接在藍寶石基板20上形成緩衝層21。緩衝層21無需以雜質摻雜。然而，有以n型雜質(如鍺)在約2×1018 cm-3 摻雜緩衝層21之情況。緩衝層21之生長溫度例如約為1000至1100℃。
用為發光層9之結構為SQW結構，其係藉由層壓具有數奈米薄膜厚度的InGaN製成的一量子井層及設置在該量子井層兩側上之具有數奈米薄膜厚度的無摻雜InGaN製成的一阻障層而得。或著，層9為MQW結構，其係藉由層壓多個量子層及阻障層至彼此而得。積層結構的生長溫度約為700至800℃。
藉由以p型雜質(如鍺或鋅)在從4×1018 至1×1020 cm-3 之雜質濃度中摻雜基於GaN的半導體層來形成p型半導體層10。藉由以p型雜質(如鎂)在約1×1019 cm-3 之雜質濃度中摻雜基於GaN的半導體層來形成p型接觸層11。生長溫度約為1000至1100℃。p電極層4係形成在p型接觸層11上。
以熱處理藉由層壓p型歐姆電極層及高反射電極層來形成p電極層4。p型歐姆電極層需要有和p型半導體層10之低接觸電阻。因此，諸如Pt、Ru、Os、Rh、Ir、Pd等等之鉑族或Ag為較佳。以折射率而言Ag為佳，因其呈現高折射率。亦以Ag或之類的形成高反射電極層。
藉由以n型雜質(如Si)在小於n型接觸層7之摻雜量摻雜基於GaN的半導體層來形成n型半導體層8。
n型接觸層7，具有比n型半導體層8更高的n型雜質濃度，係和n電極層5歐姆接觸。藉由以大量的Si摻雜基於GaN的半導體層來形成n型接觸層7。
n電極層5需要能和n型接觸層7歐姆接觸之材料。Ti/Al或Ti/Al/Ni/Au為較佳。
如第1及2圖中所示，以絕緣薄膜22覆蓋化合物半導體層6之表面。因此不會有n電極層5及p電極層4互相電性接觸的問題，即便兩者設置在藍寶石基板20之相同的主表面側上。
針對絕緣薄膜22 SiO2 為較佳，其可藉由CVD或PVD形成。可以SiN形成絕緣薄膜22。然而，由於高薄膜應力的緣故，其需要100 nm或更少之薄膜厚度。
在p電極層4及n電極層5的每一表面上形成墊電極(未圖示)，以達成與凸塊或Au電線之較佳的接觸性。較佳墊電極之最頂層為具有約100 nm或更多之薄膜厚度的Au。以清理室程序結束最頂層之形成。隨著清理室程序之結束，完成第1圖的半導體發光裝置之製造。
第3及4圖顯示根據此實施例之半導體發光裝置的製造程序之一實例。首先，在藍寶石基板20上形成具有第2圖之結構的化合物半導體層6。在第3圖中，雖以簡化的形式顯示化合物半導體層6，層6實際上具有與第2圖相同之結構，具有p電極層4及n電極層5形成於上。將化合物半導體層6接合至黏片30，而藍寶石基板20在片30上方。接著使用雷射分粒器(dicer)、畫線器等等來將化合物半導體層6切成個別的發光裝置。在此說明書中每一切分的晶片係稱為發光區。發光區具有藍寶石基板20及化合物半導體層6形成於上。
接下來，如第3(a)圖中所示，將保護薄膜31施加在每一切分的發光區中之化合物半導體層6及藍寶石基板20的至少側面上，較佳地其之側面及藍寶石基板20之上表面。接著乾燥保護薄膜31。保護薄膜31較佳為可溶於有機溶劑或在沸水中聚乙烯醇(PVA)或聚甲基丙烯酸甲酯樹脂(PMMA)可溶之光阻。
如第2圖中所示，p電極層4及n電極層5已形成在具有保護薄膜31形成於上之化合物半導體層6的表面上。接著在p電極層4及n電極層5上形成凸塊3並將之連接至子座基板1(第3(b)圖)。在第3(b)圖中，為了簡明而省略接合金屬層2。凸塊3之材料較佳為Au。然而，以操作效率而言，打線接合比凸塊3更佳。
需預先在子座基板1上形成順應凸塊3之接合位置的以AuSn或之類的製造之接合金屬層。經由接合金屬層，藉由熱壓縮接合將化合物半導體層6及子座基板1互相接合。
接下來，如第3(c)圖中所示，將底填料32填充到互相接合的化合物半導體層6及子座基板1之間的縫隙中。底填料32較佳為樹脂，如基於環氧或矽之樹脂。
接下來，如第4(a)圖中所示，在熱固化底填料32之後，藉由溶劑或沸水移除保護薄膜31。需選擇底填料32之材料使其在移除保護薄膜31時不會被溶解。
藉由移除保護薄膜31，沿著底填料32的邊緣形成脊部32a。化合物半導體層6及子座基板1因而設置在由脊部32a所圍繞的區域內。底填料32之脊部32a不與化合物半導體層6之邊緣及子座基板1之邊緣兩者接觸。這是底填料32之結構特點。
接下來，如第4(b)圖中所示，從後側(第4(b)圖中之上側)發射雷射束(如KrF雷射束)至藍寶石基板20以藉由雷射玻璃方法剝除藍寶石基板20。雷射功率密度較佳約為0.65至0.80 J/cm2 ，雖這取決於化合物半導體層6之面積、雷射束之面內(in-plane)強度分佈、或束面積。
如前述，底填料32之脊部32a不與子座基板1之邊緣接觸。因此不會有當藉由雷射玻璃方法剝除藍寶石基板20時施加過度力量的問題。依此，不會對化合物半導體層6造成破壞。
接下來，如第4(c)圖中所示，對暴露的化合物半導體層6之緩衝層21及n型接觸層7進行諸如ICP-RIE之乾蝕刻或以強鹼溶液之濕蝕刻，藉此製造出n型接觸層7之粗糙表面。
在製造粗糙表面的程序中，較佳粗糙地蝕刻到緩衝層21不見的程度且因此n型接觸層7變成最頂表面。藉由製造粗糙表面的這個程序，增進光提取效率且增加半導體發光裝置之光學輸出。
除了製造粗糙表面的程序外，亦較佳執行緩和光提取表面12之折射率差的程序。例如，當施加絕緣薄膜13到具有粗糙表面的n型接觸層7上時，進一步達成光學輸出的增加。用於緩和折射率差的絕緣薄膜13較佳具有50至200 nm之薄膜厚度，及80%或更高之透射率。
透過上述程序來獲得具有第1圖之結構的半導體發光裝置。如上述，特別獨特的結構在於底填料32之脊部32a。在第4(a)圖之程序中藉由移除保護薄膜31來獲得脊部32a。脊部32a設置在發光區的邊緣外，且因此永遠不會接觸化合物半導體層6及藍寶石基板20的側面。
當完成第1圖之半導體發光裝置時，執行封裝程序。第5圖為封裝的半導體發光裝置之剖面圖。施加摻雜有螢光材料之樹脂(第一樹脂)33於底填料32之脊部32a與化合物半導體層6的側面之間。此外，以穹丘狀的密封樹脂(第二樹脂)34覆蓋化合物半導體層6及底填料32。亦較佳以螢光材料摻雜密封樹脂34。
根據本實施例之化合物半導體層6適合用於在發光波長為405至470 nm之所謂藍光區域中發光。在此發光波長中，螢光材料較佳為釔鋁石榴石(YAG)或矽酸鋇鍶銪(SOSE)。藉由在藍光區域中之化合物半導體層6及螢光材料的結合亦可實現白光的發光。
當化合物半導體層6之發光波長短於405 nm時，密封樹脂34的惡化率極高。另一方面，當波長長於470 nm時，黃色中之螢光材料的激發效率惡化，且白色LED之製造由於顏色混合的緣故變得很困難。有鑑於此，在此實施例中，如上述般發光波長較佳為405至470 nm。
此外，藉由提供螢光材料，可從發光層9在化合物半導體層6之側面方向中發光，因此增進發光效率。
在上述之底填料32的材料選擇中，必須注意到材料的硬度及黏度。硬度的準則為GaN薄膜受到KrF雷射束之照射影響不會破裂。一般而言，以低硬度之樹脂33，GaN薄膜受到KrF雷射束之照射影響而破裂。由本發明人對數種樹脂33之硬度作實驗的結果發現針對基於環氧的樹脂33約D60至D85之硬度較佳。
針對黏度有兩條準則。準則之一為AlN製成的子座基板1與化合物半導體層6之間沒有縫隙(空隙)。另一準則為盡可能限制樹脂33朝藍寶石基板20側之攀升。
由本發明人對數種樹脂33之黏度作實驗的結果發現約0.8至1.4 Pa‧S之黏度為較佳。
當以由根據上述準則選擇之材料所製造之底填料32來製造第1圖之半導體發光裝置時，底填料32之脊部32a的高度h落在5μm<h<100μm的範圍內。藍寶石基板20的厚度為100至150μm。子座基板1之厚度約為5μm。從脊部32a之內壁到化合物半導體層6之距離約為20μm。
如上述，在此實施例中，底填料32設有脊部32a，使得底填料32，經由其化合物半導體層6接合至子座基板1，不與化合物半導體層6及藍寶石基板20的側面接觸。因此，當藉由雷射剝離方法剝除藍寶石基板20時，不會有因底填料32與藍寶石基板20之間的接觸而需要過度力量來剝除藍寶石基板20的問題。故可在當剝除藍寶石基板20時保護化合物半導體層6不受到破壞。
此外，可在底填料32之脊部32a與化合物半導體層6之間獲得用來填充螢光材料的空間。因此，可以螢光材料使從化合物半導體層6的側面方向中漏出的光發亮，藉此增加光學輸出。
雖已說明某些實施例，僅舉例提出這些實施例，且非意圖限制本發明之範疇。確實，可以各種其他形式體現在此所述之具新穎性的方法及系統；此外，可做出以在此所述之方法及系統之形式的各種省略、替換、及改變而不背離本發明之精神。所附之申請專利範圍及其等效者意圖涵蓋落入本發明之範疇與精神內之這類形式或修改。
1．．．子座基板
2．．．接合金屬層
3．．．凸塊
4．．．p電極層
5．．．n電極層
6．．．化合物半導體層
7．．．n型接觸層
8．．．n型半導體層
9．．．發光層
10．．．p型半導體層
11．．．p型接觸層
12．．．光提取表面
13．．．絕緣薄膜
20．．．藍寶石基板
21．．．緩衝層
22．．．絕緣薄膜
30．．．黏片
31．．．保護薄膜
32．．．底填料
32a．．．脊部
33．．．樹脂(第一樹脂)
34．．．密封樹脂(第二樹脂)
第1圖為根據一實施例的半導體發光裝置之剖面圖；
第2圖為顯示形成在藍寶石基板20上的化合物半導體層6之一實例的剖面圖；
第3圖為顯示本實施例的半導體發光裝置之製造程序的一實例之程序圖；
第4圖為接續第3圖之程序圖；以及
第5圖為封裝的半導體發光裝置之剖面圖。
1．．．子座基板
2．．．接合金屬層
3．．．凸塊
4．．．p電極層
5．．．n電極層
6．．．化合物半導體層
7．．．n型接觸層
8．．．n型半導體層
9．．．發光層
10．．．p型半導體層
11．．．p型接觸層
12．．．光提取表面
13．．．絕緣薄膜
22．．．絕緣薄膜
32．．．底填料
32a．．．脊部

Claims (14)

  1. 一種半導體發光裝置，包含：一支撐基板；一發光元件，包括經由該支撐基板上之一凸塊而接觸之一基於氮化物的III-V族化合物半導體層；一底填料，配置在該支撐基板與該發光元件之間於將被積層之方向，該底填料包含配置在該發光元件之一側面外的一脊部而不接觸該發光元件之該側面於該支撐基板之表面的方向，以圍繞該發光元件的該側面；包括一螢光材料之一第一樹脂，該第一樹脂配置在該底填料上及該脊部之內部以覆蓋該發光元件的該側面之至少一部分；及一封裝件，其覆蓋該發光元件的一表面及該脊部之一外端面的內部，該封裝件係由包括一螢光材料之一第二樹脂材料所製成。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中該底填料為具有D60至D85之硬度及0.8至14Pa．S之黏度的基於環氧之樹脂。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中該脊部具有錐形形狀，其中該脊部之剖面積遠離該發光元件不斷變小。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中該脊部之一內壁係與該發光元件之一側壁相對平行配置。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中該底填 料密切配置至該支撐基板、該凸塊、及該發光元件。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中該發光元件包含一p型電極及一n型電極，各設置在該支撐基板之相對表面的一或另一表面上，該p型電極及該n型電極經由個別凸塊與該支撐基板接觸。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中經粗糙處理之光提取表面係設置在該發光元件中相對於該支撐基板的一表面上。
  8. 一種半導體發光裝置，包含：一支撐基板；一發光元件，包括經由該支撐基板上之一凸塊而接觸之一基於氮化物的III-V族化合物半導體層；一底填料，配置在該支撐基板上以接觸該支撐基板、該發光元件、及該凸塊，該底填料包含配置在該發光元件之一端面外的一脊部以圍繞該發光元件的該端面；包括一螢光材料之一第一樹脂，該第一樹脂配置在該底填料上及該脊部之內部以覆蓋該發光元件的該端面之至少一部分；及一封裝件，其覆蓋該發光元件的一表面及該脊部之一外端面的內部，該封裝件係由包括一螢光材料之一第二樹脂材料所製成。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之裝置，其中該底填料為具有D60至D85之硬度及0.8至14Pa．S之黏度的基於環氧之樹脂。
  10. 如申請專利範圍第8項所述之裝置，其中該脊部具有錐形形狀，其中該脊部之剖面積遠離該發光元件不斷變小。
  11. 如申請專利範圍第8項所述之裝置，其中該脊部之一內壁係與該發光元件之一側壁相對平行配置。
  12. 如申請專利範圍第8項所述之裝置，其中該底填料密切配置至該支撐基板、該凸塊、及該發光元件。
  13. 如申請專利範圍第8項所述之裝置，其中該發光元件包含一p型電極及一n型電極，各設置在該支撐基板之相對表面的一或另一表面上，該p型電極及該n型電極經由個別凸塊與該支撐基板接觸。
  14. 如申請專利範圍第8項所述之裝置，其中經粗糙處理之光提取表面係設置在該發光元件中相對於該支撐基板的一表面上。
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