專利名稱：發(fā)光器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及發(fā)光器件，更具體地涉及由氮化物半導(dǎo)體形成的發(fā)光器件。本發(fā)明的發(fā)光器件在某些情況下是指主要由氮化物襯底和層壓其上的半導(dǎo)體層構(gòu)成的半導(dǎo)體器件或者半導(dǎo)體芯片，在某些情況下也指包含安裝在支架部件上并用樹脂密封的半導(dǎo)體芯片的器件。此外，它在某些情況下也可以指上述兩者。此外，半導(dǎo)體芯片在某些情況下被稱作芯片。芯片中的襯底和其上形成的外延層在某些情況下簡稱為襯底。
背景技術(shù)：
當(dāng)前，發(fā)白光二極管(LEDs)已經(jīng)被廣泛用于小型電子設(shè)備例如便攜式信息終端的照明，并且具有在將來用于更大空間或者更大面積照明的潛力。為了利用LEDs來進行更大空間或者更大面積的照明，需要增加LEDs的光輸出。因此，需要能夠讓大電流流經(jīng)LEDs的電極并且克服由熱量產(chǎn)生造成的溫度升高問題。
圖59圖示了目前已經(jīng)提出的GaN基LED的構(gòu)造體(專利文件1)。在這種GaN基LED中，在藍寶石襯底101上提供n-型GaN層102，在n-型GaN層102和p-型GaN層104之間形成量子阱結(jié)構(gòu)103。光發(fā)射發(fā)生在量子阱結(jié)構(gòu)103。在p-型GaN層104上，形成歐姆接觸形式的p-電極105，在n-型GaN層102上，形成歐姆接觸形式的n-電極106。
將這些p-電極105和n-電極106通過焊球107、108連接到支架部件109上。支架部件(下-支架(sub-mount)部件)是由Si襯底形成的，并且提供有用于防護來自外部的浪涌電壓的電路。即，為了防止大的正向電壓或者反向電壓施加在發(fā)光器件上，用于保護發(fā)光器件的電源分支電路是由齊納二極管等構(gòu)成的，著重在于對于Ga、Al、In或其他第III族元素氮化物的半導(dǎo)體的電路故障(circuit failure)的主要因數(shù)是浪涌電壓，例如瞬態(tài)電壓和靜電放電。抗浪涌電壓的防護將在下面詳細描述。
上述GaN基LED的特征在于(a1)p-型GaN層104是向下安裝(down-mounted)的，和(a2)n-電極層106形成在n-型GaN層102上，因而光是從藍寶石襯底101的背面發(fā)射的。如從圖59可見，這種GAN基LED的構(gòu)造體相當(dāng)復(fù)雜。(a2)在n-型GaN層102上形成n-電極層是這種復(fù)雜構(gòu)造體的起因，這樣做的原因在于藍寶石襯底101是絕緣體，不能在藍寶石襯底上提供n-電極。
與上述采用藍寶石襯底的發(fā)光器件一樣，經(jīng)常建議在采用用于發(fā)光器件的GaAs基、GaP基或者GaN基化合物半導(dǎo)體的發(fā)光器件中提供用于防護瞬態(tài)電壓和靜電放電的電路(參見專利文件2～4)。特別是在GaN基化合物半導(dǎo)體的情況下，反向擊穿強度為約50V，很低，而正向電壓的擊穿強度也只有約150V。因此，提供用于上述防護的電源分支電路是很重要的。即，將上述GaN基芯片等形成在亞支架的Si襯底上，并且在Si襯底上構(gòu)成包含齊納二極管的保護電路。可以認為如上的許多保護電路的建議是以下的證據(jù)Ga、Al、In或其他第III族元素氮化物的半導(dǎo)體的電路故障(circuitfailure)的主要因數(shù)是浪涌電壓例如瞬態(tài)電壓和靜電放電。
除了擁有上述保護電路的發(fā)光器件外，還有在導(dǎo)電SiC襯底上形成GaN基發(fā)光器件的已知實例。即，通過使用(SiC襯底背面上的n-電極/SiC襯底n-型GaN層/量子阱層狀構(gòu)造體(發(fā)光層)/p-型GaN層/p-電極)構(gòu)成LEDs，從p-型GaN層發(fā)射光，這樣的LEDs已經(jīng)被廣泛使用。
專利文件1日本專利公開2003-8083專利文件2日本專利公開2000-286457專利文件3日本專利公開11-54801專利文件4日本專利公開11-220176發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明要解決的問題在如圖59所圖示的使用藍寶石襯底的GaN基LEDs的情況下，構(gòu)造體復(fù)雜，其制造成本將不可避免地增加。為了開發(fā)大空間照明應(yīng)用的需求，要求LEDs便宜，因此，上述構(gòu)造體是不合需要的。而且，由于p-電極105和n-電極106被安置在向下安裝的表面?zhèn)龋姌O的面積，特別是p-電極的面積受到限制。為了能夠通過大電流以實現(xiàn)高輸出，特別要求p-電極有更大的面積。但是，采用圖59中圖示的構(gòu)造體，p-電極的面積受到限制，因此光輸出也受到限制。而且，在放出涉及電流產(chǎn)生的熱量的情況下，將兩種電極安置在同一側(cè)也是不可取的。
此外，電流以平行于襯底的方向流過n-型GaN層102有很大的電阻，造成熱量產(chǎn)生和驅(qū)動電壓的增加，從而增加能耗。特別是，如果為了縮短膜形成的過程而減小n-型GaN層的厚度，除了上述的熱量產(chǎn)生和能耗增加問題外，n-型GaN膜的曝光量(yield of exposure)也顯著下降。
而且，如對于包括采用藍寶石襯底的上述發(fā)光器件的發(fā)光器件通?？梢哉J為的，由于熱輻射面積受到限制，而且熱阻(由每單位面積的單位引入能量所造成的溫度升高)大，每個發(fā)光器件的注入電流無法增加。特別是在使用藍寶石襯底的情況下，由于p-電極的面積受限制，對于熱設(shè)計(heat-design)而言，通常器件是很少有余量的。
此外，在GaN基LEDs使用藍寶石襯底的情況下，由于熱輻射面積受到限制，為了減小電阻以盡可能地減小熱量產(chǎn)生，采用其中p-電極和n-電極以復(fù)雜的梳子形狀排列的構(gòu)造體以擴展接觸面積變得是必要的。這樣的梳狀電極不容易加工，而制造成本將有一定的增加。
如先前所述，熱條件的設(shè)計對于發(fā)光器件基本上是重要的，而當(dāng)為了獲得高輸出而進行努力時，將要因為如上所述的熱條件而受到限制。因此，為了盡可能減輕這點，必須采用復(fù)雜的電極形狀。
此外，還有如下問題。在形成在藍寶石襯底上的GaN基發(fā)光器件是向下安裝以使藍寶石襯底的背面形成發(fā)光表面的情況下，由于藍寶石的折射系數(shù)為約1.8而GaN的折射系數(shù)為約2.4，入射角大于預(yù)定角度的光在產(chǎn)生和傳播光的GaN層和藍寶石襯底之間的界面經(jīng)歷全內(nèi)反射，因而這樣的光將不發(fā)射到外面。即，入射角θ≥sin-1(1.8/2.4)≈4.2°的光將留在GaN層內(nèi)而不被發(fā)射到外面。因此，藍寶石襯底主背面的發(fā)光效率將下降。盡管發(fā)光效率問題是重要的，仍然有其他問題。經(jīng)過上述全內(nèi)反射的光通過GaN層傳播并從GaN層的側(cè)部發(fā)射出來。由于經(jīng)歷上述全內(nèi)反射的光的比率相當(dāng)大而且GaN層很薄，從側(cè)部發(fā)射的光的能量密度變大。安置在GaN層側(cè)部并且被光輻照的密封樹脂受到損壞，這造成發(fā)光器件使用期限縮短的問題。
在具有(SiC襯底背面n-電極/SiC襯底/n-型GaN層/量子阱層狀構(gòu)造體(發(fā)光層)/p-型GaN層/p-電極)構(gòu)造體用于從p-層側(cè)引出光的GaN基LED中，p-電極的吸光比率大，因此高的光輸出不能有效地發(fā)射到外面。當(dāng)試圖減小p-電極的覆蓋比率率，即增加開口(opening)比率以增加發(fā)光量時，因為p-型GaN層的高電阻，所以電流無法流經(jīng)整個p-型GaN層。因此，不能通過整個量子阱構(gòu)造體來激活發(fā)光，從而發(fā)光輸出下降。此外，電阻將增加，而這將產(chǎn)生熱量產(chǎn)生和電源容量的問題。同樣，如果增加p-型GaN層的厚度以使電流均勻地流經(jīng)整個p-型GaN層，p-型GaN層的光吸收變大，而輸出將受限制。
解決問題的手段本發(fā)明的一個目的是提供具有簡單構(gòu)造體因而可便于制造，并且可以長期穩(wěn)定地提供高發(fā)光效率的發(fā)光器件。
本發(fā)明的發(fā)光器件是這樣一種發(fā)光器件，該發(fā)光器件包含氮化物襯底，位于氮化物襯底第一主表面?zhèn)鹊膎-型氮化物半導(dǎo)體層，安置在氮化物襯底第一主表面?zhèn)入x氮化物半導(dǎo)體比n-型氮化物半導(dǎo)體層更遠的p-型氮化物半導(dǎo)體層，以及安置在主表面?zhèn)?、n-型氮化物半導(dǎo)體層和p-型氮化物半導(dǎo)體層之間的發(fā)光層。在這種發(fā)光器件中，氮化物半導(dǎo)體襯底的電阻率為0.5Ω·cm或更小，p-型氮化物半導(dǎo)體層側(cè)是向下安裝的，以使光從氮化物半導(dǎo)體襯底的第二主表面發(fā)出，所述的第二主表面位于第一主表面的另一側(cè)。
采用這種構(gòu)造體，將n-型電極提供在具有低電阻的氮化物半導(dǎo)體的背面(第二主表面)。因此，即使當(dāng)n-電極具有低覆蓋比率或者高開口比率，電流也可以流經(jīng)整個氮化物半導(dǎo)體層。從而，發(fā)射表面的光吸收比率變低，并且可以提高發(fā)光效率。而且，不用說可以在側(cè)表面以及第二主表面上發(fā)光。這同樣適用于如下的發(fā)光器件樣。
此外，具有高電阻的p-型氮化物半導(dǎo)體層側(cè)不是發(fā)光表面，因此p-型電極層可以形成于p-型氮化物半導(dǎo)體的整個表面上。這種構(gòu)造體在流經(jīng)大電流和抑制熱量產(chǎn)生以及放出由傳導(dǎo)產(chǎn)生的熱量方面有優(yōu)勢。即，可以顯著減輕由熱要求造成的限制。因此，不需要形成其中n-電極和p-電極復(fù)雜排列以降低電阻的梳狀電極。
由于GaN襯底有優(yōu)異的電導(dǎo)率，不需要提供對抗浪涌電壓的保護電路，而且也可以使擊穿強度明顯更高。
而且，不用進行復(fù)雜的加工步驟，可以很容易降低制造成本。
此外，氮化物半導(dǎo)體“襯底”是指厚片式構(gòu)件，其可以獨立攜帶且具有合適的厚度，并且與不能在保持其形狀的情況下獨立方便攜帶的“膜”或者“層”區(qū)別開來。以下將要描述的GaN和AlN襯底也是如此。
本發(fā)明的另一種發(fā)光器件是這樣一種發(fā)光器件，該發(fā)光器件包含GaN襯底，該襯底是氮化物半導(dǎo)體襯底；n-型AlxGa1-xN層(x在0～1之間)，該層是在GaN襯底第一主表面?zhèn)鹊膎-型氮化物半導(dǎo)體層；p-型AlxGa1-xN層(x在0～1之間)，該層被安置在第一主表面?zhèn)入xGaN襯底比n-型AlxGa1-xN層更遠處；以及發(fā)光層，該層被安置在主表面?zhèn)?、n-型AlxGa1-xN層和p-型AlxGa1-xN層之間。在這種發(fā)光器件中，GaN襯底的位錯密度為108/cm2或更小，p-型AlxGa1-xN層側(cè)是向下安裝的，從而光是從氮化物半導(dǎo)體襯底第二主表面發(fā)出的，所述的第二主表面位于第一主表面的另一側(cè)。
這種構(gòu)造體是根據(jù)本發(fā)明的上述GaN襯底具有導(dǎo)電性，并且可以很容易降低電阻來預(yù)計的。除了上述發(fā)光器件的效果外，由于GaN襯底的位錯密度為108/cm2或更小，并且結(jié)晶性和開口比率都高，所以可以提高第二主表面的光輸出。而且，光是從側(cè)表面發(fā)出的。
此外，保持了折射系數(shù)的連續(xù)性，從而不會出現(xiàn)上述的全內(nèi)反射問題。
本發(fā)明的再一種發(fā)光器件是這樣一種發(fā)光器件，該發(fā)光器件包含導(dǎo)電性AlN襯底，該襯底是氮化物半導(dǎo)體襯底；n-型AlxGa1-xN層(0≤x≤1)，該層是在AlN襯底第一主表面?zhèn)鹊膎-型氮化物半導(dǎo)體層；p-型AlxGa1-xN層(0≤x≤1)，該層被安置在第一主表面?zhèn)入xAlN襯底比n-型AlxGa1-xN層更遠處；以及發(fā)光層，該層被安置在主表面?zhèn)取-型AlxGa1-xN層和p-型AlxGa1-xN層之間。上述AlN襯底的熱導(dǎo)率為100W/(m·K)或更高，并且p-型AlxGa1-xN層側(cè)是向下安裝的，從而光是從AlN襯底第二主表面發(fā)出的，所述的第二主表面位于第一主表面的另一側(cè)。
AlN具有非常高的熱導(dǎo)率，因而具有優(yōu)異的散熱性。因此，可以通過將熱量從上述p-型AlxGa1-xN層轉(zhuǎn)移引線框等而抑制發(fā)光器件中的溫度升高。而且，上述AlN襯底也散熱，這也有助于抑制溫度上升。此外，這種構(gòu)造體是根據(jù)AlN襯底是導(dǎo)電性的AlN襯底，其中已經(jīng)注入雜質(zhì)使其具有導(dǎo)電性來預(yù)計的。


圖1是顯示依照本發(fā)明第一實施方案的發(fā)明實施例A的LED的圖解；圖2是顯示圖1中LED的包含發(fā)光層的層狀結(jié)構(gòu)的圖解；圖3是顯示當(dāng)從晶片中取出層狀構(gòu)造體的芯片時晶片狀態(tài)的圖解；圖4是顯示圖3的電極的布置的圖解；圖5是顯示比較實施例B的圖解；圖6是顯示比較實施例B的LED的包含發(fā)光層的層狀結(jié)構(gòu)的圖解；圖7是顯示當(dāng)從晶片中取出具有比較實施例B的層狀構(gòu)造體的芯片時晶片狀態(tài)的圖解；圖8是顯示圖7的電極的布置的圖解；圖9是顯示發(fā)明實施例A和比較實施例B施加的電流和光輸出之間關(guān)系的圖解；圖10是顯示發(fā)明實施例A和比較實施例B發(fā)光層中電流密度和光輸出之間關(guān)系的圖解；圖11是顯示依照本發(fā)明第二實施方案的發(fā)明實施例C的LED的圖解；圖12是顯示依照本發(fā)明第二實施方案的發(fā)明實施例C1的LED的圖解；圖13是圖12發(fā)明實施例C1的LED的平面圖；圖14是顯示比較實施例E的LED的圖解；圖15是圖14比較實施例E的LED的平面圖；圖16是顯示依照本發(fā)明第三實施方案的發(fā)明實施例F的LED的圖解；圖17是顯示當(dāng)從晶片中取出具有發(fā)明實施例F層狀構(gòu)造體的芯片時電極布置的圖解；圖18是示意性地顯示通過計算模擬的電流在LED芯片中流動的圖解；圖19是示意性地顯示依照第三實施方案的LED發(fā)光層中電流密度比率的圖解；圖20是顯示依照第三實施方案的LED(無熒光材料)的施加電流和光輸出的圖解；圖21是顯示依照第三實施方案的LED(無熒光材料)的光輸出中電流密度和光輸出的圖解；圖22是顯示依照第三實施方案的LED(包含熒光材料白色)的施加電流和光輸出之間關(guān)系的圖解；圖23是顯示依照第三實施方案的LED(包含熒光材料)的發(fā)光層中電流密度和光輸出的圖解；圖24是顯示依照第三實施方案的LED的改進實施例F-3的圖解；圖25是顯示圖24的LED的圖解；圖26是顯示依照第四實施方案的LED的透光率測量試驗的概要的圖解；圖27是圖26所圖示的透光率測量試驗中，其中光通過襯底的狀態(tài)的圖解；圖28是顯示襯底厚度對透光率影響的圖解；圖29是顯示依照第五實施方案在蝕刻進行器件分離以從晶片中取出發(fā)明實施例L的LEDs之后的狀態(tài)的圖解；圖30是顯示依照第五實施方案當(dāng)蝕刻進行器件分離以從晶片中取出比較實施例M的LEDs并且在蝕刻槽底部形成n-電極時的狀態(tài)的圖解；圖31是顯示依照第五實施方案當(dāng)蝕刻進行器件分離以從晶片中取出比較實施例N的LEDs并且在蝕刻槽底部形成n-電極時的狀態(tài)的圖解；圖32是顯示依照第七實施方案的發(fā)明實施例Q的LED的圖解；圖33是顯示依照第七實施方案的發(fā)明實施例R的LED的圖解；圖34是顯示依照第八實施方案的發(fā)明實施例S和T的LED的圖解；圖35是顯示依照第八實施方案的發(fā)明實施例U的LED的圖解；圖36是顯示依照第八實施方案的發(fā)明實施例W的LED的圖解；圖37是顯示氧濃度對依照第九實施方案的GaN襯底電阻率的影響的圖解；圖38是顯示氧濃度對依照第九實施方案的GaN襯底對光(450nm波長)的透光率的影響的圖解；圖39是顯示發(fā)光器件的光輸出和電流均勻流動的平面大小的圖解，其中發(fā)光器件是從具有不同厚度和氧濃度的GaN襯底制造的；圖40是顯示轉(zhuǎn)移到外延層的GaN襯底中的位錯束的圖解；圖41是顯示轉(zhuǎn)移到外延層、為孔狀凹穴的位錯束的圖解；圖42是顯示相對于20mm×20mm的GaN襯底的c-平面的偏離角分布的圖解；圖43是顯示依照第十一實施方案其中將緩沖層安置在GaN襯底和AlGaN覆蓋層之間的構(gòu)造體的圖解；圖44是顯示加寬可以產(chǎn)生8mW或更大光輸出的偏離角范圍的結(jié)果的圖解；圖45是顯示依照第十二實施方案的發(fā)光器件的圖解；圖46是關(guān)注于依照第十三實施方案的發(fā)光器件的p-電極的剖視圖；圖47是透視的依照第十三實施方案的發(fā)光器件的p-電極的平面圖；圖48是顯示依照第十三實施方案的發(fā)明實施例S5的光發(fā)射和反射的圖解；圖49是顯示依照第十三實施方案的比較實施例T6的光發(fā)射和反射的圖解；圖50是顯示用于對比的發(fā)明實施例A的光發(fā)射和反射的圖解；圖51是顯示本發(fā)明第十四實施方案中GaN襯底主表面的圖解，其中片狀晶體反轉(zhuǎn)域(inversion domain)以晶格形狀出現(xiàn)；圖52是圖示圖51的片狀晶體反轉(zhuǎn)域的GaN襯底剖視圖；圖53是圖示本發(fā)明第十四實施方案的發(fā)明實施例S6的剖視圖；圖54是圖示不同于圖51的處于平行布置中的片狀晶體反轉(zhuǎn)域的平面圖，該情況也包含在本發(fā)明的第十四實施方案中；圖55是圖54的剖視圖；圖56是顯示依照第十五實施方案的發(fā)明實施例S7的光發(fā)射和反射的剖視圖；
圖57是顯示發(fā)明實施例S8的光發(fā)射和反射的剖視圖，該實施例是第十五實施方案的另一個實施方案；圖58是顯示依照第十五實施方案的比較實施例T7的光發(fā)射和反射的剖視圖；和圖59是顯示常規(guī)LED的圖解。
參考符號描述1GaN襯底，1a發(fā)光表面(第二主表面)，2n-型GaN層，3n-型AlxGa1-xN層，4MQW(發(fā)光層)，5p-型AlxGa1-xN層，6p-型GaN層，11n-電極，12p-電極，12a離散排列的Ni/Au p-電極，13導(dǎo)線，14導(dǎo)電粘合劑，15環(huán)氧樹脂，21a引線框支架部分，21b引線框的引線部分，25器件分離槽，25a器件分離槽的底部，26熒光材料，35高反射膜，50芯片邊界，L1p-電極的邊長，L2所劃線的間隔(芯片的邊長)，L3器件分離槽的寬度，L4蝕刻槽的邊長，Dn-電極的直徑，r離發(fā)光層中心的距離，tn-型GaN層的厚度，31n-型AlGaN緩沖層，32p-型InGaN層，33Ag電極層，46熒光板，46a具有凸起和凹陷的熒光板表面，51片狀晶體反轉(zhuǎn)域，52管溝，61束(孔狀凹穴)，R1具有0.05°偏離角的面積，R2具有1.44°偏離角的面積。
具體實施例方式
無論位錯密度等于或者小于108/cm2的GaN襯底還是熱導(dǎo)率等于或者高于100W/(m·K)的AlN襯底都滿足上述的電阻率等于或者小于0.5Ω·cm的氮化物半導(dǎo)體襯底的條件。通過采用氮化物半導(dǎo)體襯底之一的GaN襯底或者AlN襯底作為襯底，可以將包含上述氮化物半導(dǎo)體襯底的本發(fā)明發(fā)光器件的選擇性實施方案用作采用GaN襯底或者AlN襯底作為半導(dǎo)體襯底的本發(fā)明發(fā)光器件的其他選擇性實施方案。
下面，將使用附圖來描述本發(fā)明的實施方案。
第一實施方案首先，對藍寶石襯底和氮化物半導(dǎo)體襯底的GaN襯底進行對比。圖1是顯示依照本發(fā)明第一實施方案的發(fā)明實施例A的LED的圖解。已經(jīng)在GaN襯底1的第一主表面?zhèn)刃纬闪税l(fā)光層并且其上已經(jīng)形成了P-電極12的層狀構(gòu)造體，發(fā)光層將在后面描述。該實施方案的特征在于用導(dǎo)電粘合劑14將這種p-電極12向下安裝在引線框支架部分21a上。
GaN襯底1的第二主表面1a是發(fā)射在發(fā)光層產(chǎn)生的光的表面，并且在該表面上提供n-電極11。所形成的這種n-電極沒有覆蓋第二主表面的整個表面。使沒有被n-電極11覆蓋部分的比率更大很重要。當(dāng)使開口比率更大時，被n-電極所遮蔽的光量將減少，因而將提高向外發(fā)射的光的發(fā)射效率。
N-電極11通過導(dǎo)線13和引線框的引線部分21b電連接。導(dǎo)線13和上述的層狀構(gòu)造體用環(huán)氧樹脂15密封。圖2放大了上述構(gòu)造體的從GaN襯底1到p-電極12的層狀構(gòu)造體。圖2中，將圖1中的層狀構(gòu)造體倒置顯示。
參照圖2，n-型GaN外延層2被安置于GaN襯底1上，其上形成了n-型AlxGa1-xN層3。此外，在其上形成由AlxGa1-xN層和AlxInyGa1-x-yN層組成的量子阱(MQW)4。這樣安置p-型AlxGa1-xN層5，使量子阱4夾在p-型AlxGa1-xN層5和n-型AlxGa1-xN層3之間，并且將p-型GaN層6安置在p-型AlxGa1-xN層5上。在上述構(gòu)造體中，量子阱4引起發(fā)光。而且，如圖1所圖示的，形成的p-電極覆蓋了p-型GaN層6的整個表面并且是向下安裝的。接著描述發(fā)明實施例A的LED的制造方法。
(a1)采用和c-平面成0.5°角的GaN偏離襯底(off-substrate)。這種襯底的電阻率為0.01Ω·cm，位錯密度為1E7/cm2，厚度為400μm。
(a2)在Ga表面上，即GaN襯底的第一表面上，通過MOCVD(金屬有機化學(xué)氣相沉積)制造如下層狀構(gòu)造體。(Si-摻雜的n-型GaN層/Si-摻雜的n-型Al0.2Ga0.8N層，該層是鍍層/MQW(多量子阱)，由三層組成，每層都是由GaN層和In0.15Ga0.85N層組成的兩層構(gòu)造體/Mg-摻雜的p-型Al0.2Ga0.8N層，該層是鍍層/Mg-摻雜的p-型GaN層)。
(a3)光發(fā)射波長為450nm，內(nèi)量子效率為50％，為了方便，這是將低溫4.2K下的PL(光致發(fā)光)強度和298K室溫下的PL強度進行對比而計算的。
(a4)這種晶片被激活，以降低Mg-摻雜的p-型層的電阻。Mg-摻雜的p-型AlGaN層和Mg-摻雜的p-型GaN層通過霍爾測量(hall measurement)確定的載流子濃度分別為5E17/cm3和1E18/cm3。
(a5)將這種晶片用光刻技術(shù)和RIE(活性離子蝕刻)從Mg-摻雜的p-型層側(cè)蝕刻至Si-摻雜的n-型層。通過該蝕刻，形成器件分離槽25，以達到如圖3所示的器件分離。器件分離槽的寬度L3為100μm。
(a6)在GaN襯底背面的N-表面上，即第二主表面上，通過光刻技術(shù)、氣相沉積和剝離(lift-off)方法，在芯片中心以400μm的間距形成直徑(D)為100μm的n-電極(參見圖3和4)。至于n-電極，形成與GaN襯底接觸的層狀構(gòu)造體，該層狀構(gòu)造體從底側(cè)開始由(20nm Ti層/100nm Al層/20nm Ti層/200nm Au層)組成。將n-電極在氮氣(N2)氣氛下加熱，以將接觸電阻降低到1E-5Ω·cm2以下。
(a7)至于p-電極，形成與p-型GaN層接觸的厚度為4nm的Ni層，并在其整個表面上形成厚度為4nm的Au層(參見圖3和4)。將p-電極在氮氣(N2)氣氛下加熱，使其接觸電阻變?yōu)?E-4Ω·cm2以下。
(a8)隨后，如圖3和圖4所示，將上述構(gòu)造體劃線，形成作為側(cè)壁的芯片邊界50。將芯片狀的構(gòu)造體制成發(fā)光器件。芯片狀發(fā)光器件的發(fā)光表面的形狀為300μm平方(邊長為300μm的正方形)，發(fā)光層的形狀為300μm平方。即，如圖4所示，L1＝300μm和L2＝400μm。而且，器件分離槽的寬度L3＝100μm，n電極的直徑D＝100μm。
(a9)參照圖1，將上述芯片安裝在引線框的支架部分21a上，使上述芯片的p-型GaN層側(cè)和支架部分21a接觸，形成發(fā)光器件。發(fā)光器件和支架是相互固定的，通過涂覆在支架部分上的導(dǎo)電粘合劑14建立它們之間的傳導(dǎo)性。
(a10)為了便于發(fā)光器件的熱輻射，將發(fā)光器件安裝在支架部分，使發(fā)光器件p-型GaN層的整個表面和支架部分接觸。而且，選自高導(dǎo)熱性的Ag-基粘合劑作為粘合劑，并且選擇高傳導(dǎo)性的CuW-基引線框作為引線框。因此，所得到的熱阻為8℃/W。
(a11)此外，n-電極和引線框的引線部分是通過引線接合而建立傳導(dǎo)性，然后用環(huán)氧樹脂密封發(fā)光器件，使發(fā)光器件成為燈。
接著，將簡要描述比較實施例B。在圖5中，通過導(dǎo)電粘合劑114將p-電極12向下安裝在引線框支架部分。而且，n-電極與引線框支架部分121a相連，所述的n-電極與連接p-電極的引線支架部分分開。在其上形成包含發(fā)光層的層狀構(gòu)造體(圖6)，并使該構(gòu)造體和n-型GaN層102的預(yù)定區(qū)域接觸。n-型GaN層102形成在藍寶石襯底101上，n-電極111形成在上述層狀構(gòu)造體接觸區(qū)域以外的區(qū)域上。n-電極111和引線框支架部分121a或者引線框引線部分121b通過導(dǎo)線或者導(dǎo)電粘合劑電連接。
從發(fā)光層發(fā)出的光是通過藍寶石襯底101發(fā)射到外面的。封裝環(huán)氧樹脂115以覆蓋上述包含藍寶石襯底的層狀構(gòu)造體。
(b1)采用和c-平面成0.2°角的藍寶石絕緣偏離襯底。這種藍寶石襯底的厚度為400μm。
(b2)～(b4)對藍寶石襯底進行與發(fā)明實施例A中(a2)～(a4)相同的工序。
(b5)在比較實施例B的情況下，藍寶石襯底是絕緣體，因此n-電極必須類似于p-電極形成在生長膜側(cè)。所以，通過光刻技術(shù)和RIE使用Cl-基氣體將這種晶片從Mg-摻雜的p-型層側(cè)蝕刻至Si-摻雜的n-型層，以暴露用于形成n-電極的n-型GaN層。然后，進行和發(fā)明實施例A相同的器件分離(圖7和8)。器件的形狀為300μm平方，其中每個器件的n-型GaN層暴露面積為150μm平方。即，暴露區(qū)域的正方形的邊長L4為150μm。
(b6)在暴露的n-型GaN層上，通過光刻技術(shù)、氣相沉積和剝離方法形成直徑為100μm的n-電極。厚度、熱處理和接觸電阻率和發(fā)明實施例A的那些相同。
(b7)將p-電極安置在其中已經(jīng)從300μm平方的器件中除去了150μm平方的n-型GaN暴露區(qū)域的p-型GaN層上。厚度、熱處理和接觸電阻率和發(fā)明實施例A的那些相同。
(b8)、(b9)進行與發(fā)明實施例A相應(yīng)工序相同的工序。
(b10)類似于發(fā)明實施例A，為了便于發(fā)光器件的熱輻射，將發(fā)光器件安裝在支架部分，使發(fā)光器件p-型GaN層的整個表面和支架部分接觸。圖5中，p-型GaN層106和p-電極112之間的接觸面積被設(shè)置在0.0675mm2。發(fā)光器件的熱輻射發(fā)生在量子層104和p-型GaN層106中，因此熱輻射主要是由p-電極112的面積決定的。在圖5的情況下，n-電極111也通過導(dǎo)電粘合劑114連接到引線框支架部分121a上，但是熱輻射面積基本上還是上述的接觸面積0.0675mm2。在發(fā)明實施例A中，p-型GaN層6和p-電極12之間的接觸面積為0.09mm2。粘合劑及引線框材料與發(fā)明實施例A的那些相同。在比較實施例B中，反映到上述構(gòu)造體上，熱阻為10.4℃/W，是發(fā)明實施例A的1.3倍，因此是退化的。
(b11)進行與發(fā)明實施例A相應(yīng)工序相同的工序。
(實驗和結(jié)果)將發(fā)明實施例A和比較實施例B安裝在積分球(integrating sphere)內(nèi)，然后向它們施加預(yù)定的電流。將所關(guān)注的輸出光和檢測器的輸出數(shù)值進行對比。結(jié)果見圖9。圖9中，在相對理想的條件下，即沒有泄漏地注入電流，非輻射再結(jié)合相對較小且熱輻射造成的芯片溫度升高較低，光輸出值隨著所施加電流的增加而成比例增加。例如，注入20mA時，發(fā)明實施例A產(chǎn)生的輸出為8mW，而比較實施例B產(chǎn)生的輸出為7.2mW。
發(fā)明實施例A主要由GaN外延膜/GaN襯底構(gòu)成，而比較實施例B主要由GaN外延膜/藍寶石襯底構(gòu)成。藍寶石襯底的折射系數(shù)為約1.8，明顯小于GaN的折射系數(shù)2.4。因此，在比較實施例B中，在GaN外延膜中產(chǎn)生并傳播光，然后光傾向于在GaN外延膜和藍寶石襯底之間的界面處進行內(nèi)部全反射。因此，比較實施例B的輸出低于發(fā)明實施例A的輸出。
但是，當(dāng)電流增加5倍并且向發(fā)明實施例A和比較實施例B施加100mA時，發(fā)明實施例產(chǎn)生5倍的輸出，或者40mW，而比較實施例B只產(chǎn)生25.2mW的輸出(參見圖9)。此時，MQW發(fā)光部分中的電流密度在發(fā)明實施例A中為110A/cm2，而在比較實施例B中為150A/cm2。即，發(fā)明實施例A的MQW發(fā)光部分中的電流密度大于比較實施例B的。
這意味著在發(fā)明實施例A中，熱輻射面積對于熱輻射而言足夠大，并且n-電極被提供在襯底的第二主表面?zhèn)龋蚨鴽]有電流密度顯著變大的區(qū)域。另一方面，在比較實施例B中，熱輻射面積小于發(fā)明實施例A，而且n-電極形成在暴露的n-型GaN層上，因此以平行于n-型GaN層的方向流過該層的電流密度明顯變大。結(jié)果，在比較實施例B中，熱輻射進一步增加。
而且，在發(fā)明實施例A中，不像在比較實施例B中，n-電極和p-電極安置于相反的位置上，因而沒有短路的可能。因此，可以防止附加制造成本的增加，例如在比較實施例B中，電極存在于相同側(cè)，為了防止短路，在p-電極和n-電極之間提供用于絕緣的膜。
接著，將描述對于發(fā)明實施例A和比較實施例B的靜電耐壓的試驗結(jié)果。試驗是通過在發(fā)光器件和放置在對面的充靜電的電容器之間產(chǎn)生放電而進行的。此時，比較實施例B在靜電壓為約100V時被擊穿。另一方面，發(fā)明實施例A直至約8000V也沒有被擊穿。該試驗證實了發(fā)明實施例A的靜電耐壓是比較實施例B的80倍。
此外，在發(fā)明實施例A中，GaN-基發(fā)光器件形成在GaN襯底上。因此，即使將GaN-基發(fā)光芯片向下安裝，以使光從GaN襯底的背面發(fā)出，它們之間的折射系數(shù)也沒有差別。因而，光在不經(jīng)歷全內(nèi)反射的情況下從GaN-基發(fā)光芯片傳播到GaN襯底。因此，與采用藍寶石襯底來形成GaN-基發(fā)光器件的構(gòu)造體相比，可以增加GaN襯底主表面的光輸出。而且，GaN層側(cè)不會有非常集中的光發(fā)射，從而密封樹脂不會受到損壞。因此，使用期限將不受密封樹脂的限制。
至于發(fā)明實施例，僅僅描述了光發(fā)射波長為450nm的實施例，采用不同的光發(fā)射波長和層構(gòu)造體也可以獲得相同的效果。同樣，無需贅述，通過使用AlxGa1-x襯底(其中x大于0且等于或者小于1)代替GaN襯底也可以獲得相同的效果，條件是襯底具有相同的特性。
第二實施方案在本發(fā)明的第二實施方案中，將描述面積增加的發(fā)明實施例C。發(fā)明實施例C具有與圖1所示的發(fā)明實施例A相同的構(gòu)造體。但是，發(fā)明實施例A中，尺寸L1為0.3mm(300μm)，而發(fā)明實施例C中，L1為3mm或者10倍，因此面積變?yōu)?00倍，如圖11所示。首先，發(fā)明實施例C的制造方法如下。
(發(fā)明實施例C)(c1)～(c5)進行與發(fā)明實施例A的相應(yīng)工序相同的工序，但是采用更大的GaN襯底。
(c6)在GaN襯底背面的第二主表面上，通過光刻技術(shù)、氣相沉積和剝離方法，以3.1mm的間距形成直徑為100μm的n-電極。至于n-電極，形成與GaN襯底背面接觸的層狀構(gòu)造體，該層狀構(gòu)造體從底側(cè)由(20nm Ti層/100nm Al層/20nm Ti層/200nm Au層)組成。將n-電極在惰性氣氛下加熱，以將接觸電阻降低到1E-5Ω·cm2以下。
(c7)進行與發(fā)明實施例A相應(yīng)工序相同的工序。
(c8)隨后，將構(gòu)造體劃線制成所需的形狀，并將芯片狀的構(gòu)造體制成發(fā)光器件。芯片狀的發(fā)光器件的大小為3mm平方。
(c9)～(c11)進行與發(fā)明實施例A相應(yīng)工序相同的工序。然后，用如下方法制造其中改變自發(fā)明實施例C的n-電極布置的改進實施例C1。
(發(fā)明實施例C1)圖12和13是顯示對發(fā)明實施例C1的圖解，所述的發(fā)明實施例C1是發(fā)明實施例C的改進。發(fā)明實施例C1的特征在于將n-電極11安置在GaN襯底的四個角上。而且，為了安裝半導(dǎo)體芯片，將反射杯37安置在引線框中，使其包圍半導(dǎo)體芯片。
在發(fā)明實施例C1的制造中，進行與發(fā)明實施例A相應(yīng)工序相同的工序。但是，使用四根Au導(dǎo)線作為焊線，且Au導(dǎo)線橫截面的直徑為25μm。安置在四個角上的每個電極的形狀為45μm平方。
然后，將描述比較實施例D。比較實施例D具有與圖5圖示的相同構(gòu)造體。但是，比較實施例B中，L1為300μm(0.3mm)，比較實施例D中L1為3mm，是其10倍。用于形成n-電極的n-型GaN層部分的大小L4為150μm，與圖5比較實施例B的相同。比較實施例D的制造方法如下。
(比較實施例D)(d1)采用與c-平面成0.2°角的更大的藍寶石絕緣偏離襯底。這種襯底的厚度為400μm。
(d2)～(d4)進行與發(fā)明實施例A相應(yīng)工序相同的工序。
(d5)在比較實施例D中，藍寶石襯底是絕緣體，因此n-電極必須類似于p-電極形成在生長膜側(cè)。所以，通過光刻技術(shù)和RIE使用Cl-基氣體將這種晶片從Mg-摻雜的p-型層側(cè)蝕刻至Si-摻雜的n-型層，以暴露用于形成n-電極的n-型GaN層。然后，進行與發(fā)明實施例A相同的器件分離。器件的大小為3mm平方，因而具有更大的尺寸。每個器件n-型GaN層暴露區(qū)域的尺寸為150μm平方。
(d6)在暴露的n-型GaN層上，通過光刻技術(shù)、氣相沉積和剝離方法，形成直徑為100μm的n-電極。厚度、熱處理和接觸電阻率與發(fā)明實施例A的那些相同。
(d7)將p-電極安置在p-型GaN層上，其中器件分離槽和150μm平方的用于安置n-電極的n-型GaN暴露區(qū)域已經(jīng)從面積為3.1mm平方的器件中被除去了。厚度、熱處理和接觸電阻率和發(fā)明實施例A的那些相同。
(d8)～(d11)進行與發(fā)明實施例A相應(yīng)工序相同的工序。
下面將充分描述比較實施例E。比較實施例E和比較實施例B和D的相同之處在于采用藍寶石襯底，并且如圖14所示，p-電極112和n-電極11都形成在向下的安裝側(cè)。但是，如圖15平面圖中清楚顯示的，比較實施例E和它們的不同之處在于p-電極112是梳狀的，n-電極111被安置在梳齒之間，并且在p-電極112和n-電極111之間安置有絕緣體。這是為了使電流均勻流過p-電極和n-電極，以防止形成其中電流密度變得非常大的區(qū)域。比較實施例E的制造方法如下。
(比較實施例E)采用與比較實施例D相同的制造方法，以0.5mm的間距形成5個寬度為0.1mm的梳狀電極作為n-電極111(圖14和15)。在n-型GaN層102的剩余區(qū)域上形成p-電極，使n-電極111和p-電極112彼此間隔0.1mm。而且，在n-電極和p-電極之間的間隙處形成用于表面保護的絕緣體119，以防止各個電極發(fā)生短路。此外，為了防止短路，在與各個電極位置相應(yīng)的引線框支架部分121a的區(qū)域上提供導(dǎo)電粘合劑114。將芯片安裝到引線框上，同時控制在側(cè)向、縱向和旋轉(zhuǎn)方向的芯片和引線框的位移。
(實驗和結(jié)果)
將發(fā)明實施例C和比較實施例D安裝在積分球內(nèi)，然后向它們施加預(yù)定的電流。將所關(guān)注的輸出光和檢測器的輸出數(shù)值進行對比。例如，當(dāng)施加20mA的電流時，發(fā)明實施例C產(chǎn)生的輸出為8mW，而比較實施例D產(chǎn)生的輸出為7.2mW。另一方面，當(dāng)施加2A(2000mA)的電流時，發(fā)明實施例C產(chǎn)生100倍輸出，即800mW。但是，比較實施例C被擊穿。
因此，在比較實施例D沒有用樹脂密封的條件下，向比較實施例D施加電流，并用紅外熱攝像儀測量器件的溫度。結(jié)果證實在電流以平行于n-型GaN層的方向從n-電極向MQW發(fā)光部分集中流過該層的區(qū)域，發(fā)生了異常熱量產(chǎn)生，因而比較實施例D被擊穿。
因而，與比較實施例D相反，制造具有如下構(gòu)造體的發(fā)光器件，其中分配以平行于n-型GaN層的方向從n-電極向MQW發(fā)光部分集中流過該層的電流。這是比較實施例E。施加20mA電流時，比較實施例E產(chǎn)生的輸出為7.2mW，電流為2A時輸出為720mW。因此，比較實施例E產(chǎn)生的輸出是發(fā)明實施例C的0.9倍。
因此，為了獲得接近于發(fā)明實施例C的性能，與發(fā)明實施例C相比，需要采用明顯復(fù)雜的構(gòu)造體和工序，從而制造成本增加。
然后，對發(fā)明實施例C以及比較實施例D和E進行靜電耐壓試驗。如上所述地進行試驗，在發(fā)光器件和安置在對面的充靜電的電容器之間產(chǎn)生放電。于是，比較實施例D和E在靜電壓為100V時被擊穿。另一方面，發(fā)明實施例C直至約8000V也沒有被擊穿。即，發(fā)明實施例提供了非常高的靜電耐壓，為約比較實施例的80倍。
發(fā)明實施例C1的開口比率遠大于50％，幾乎為100％。而且，由于n-電極被安置在GaN襯底的角上，與將它們安置在中心的情況相比，更不容易妨礙發(fā)光。如圖12所示，在平面圖中，n-電極被安置在活性層的外面，n-電極決不會影響發(fā)光。結(jié)果，發(fā)明實施例C1可以獲得比發(fā)明實施例C更高的輸出。
第三實施方案在本發(fā)明的第三實施方案中，確定發(fā)光表面的開口比率和GaN襯底的電阻對光輸出的影響。開口比率的調(diào)整是通過改變襯底面積、p-電極大小和n-電極大小而進行的。采用具有圖1中所示構(gòu)造體的LED作為試驗樣品。但是，有些試驗是對裝備有熒光材料26以形成如圖16所示的白光LED的試驗樣品而進行的。試驗樣品是三種樣品，即發(fā)明實施例F和比較實施例G、H，比較實施例G、H每個都包含電阻率不在本發(fā)明范圍內(nèi)的GaN襯底。對于F、G和H每個樣品，都分別制造如圖1所示的不含熒光材料并且用環(huán)氧樹脂密封的LED和如圖16所示的裝備有熒光材料的白光LED。開口比率定義如下{(p-電極面積-n-電極面積)/p-電極面積}×100(％)。
在發(fā)明實施例F中，L1＝8mm，D＝100μm，開口比率幾乎為100％。在比較實施例G中，L1＝0.49mm，D＝100μm，開口比率為97％。在比較實施例H中，L1＝8mm，D＝7.51mm，開口比率為31％。下面將描述上述發(fā)明實施例F、比較實施例G和H的制造方法。
(發(fā)明實施例F)(f1)～(f5)進行與發(fā)明實施例A的相應(yīng)工序相同的工序。
(f6)接著，如圖17所示，劃出所需形狀的構(gòu)造體，并將芯片狀構(gòu)造體制成發(fā)光器件。所得到的發(fā)光器件的大小為8mm平方。
(f7)～(f11)進行與發(fā)明實施例A的相應(yīng)工序相同的工序。
(f12)除上述(f11)以外，采用如下方法制造發(fā)射白光的燈在(f10)中，在已經(jīng)被安裝在引線框支架上的發(fā)光器件的n-電極側(cè)安裝熒光材料，然后用環(huán)氧樹脂密封該發(fā)光器件。為此，采用450nm的光輸出為1W時產(chǎn)生180lm的熒光材料。
(比較實施例G)(g1)采用與c-平面成0.5°角的n-型GaN偏離襯底。選擇的GaN偏離襯底的電阻率為0.6Ω·cm，高于本發(fā)明的0.5Ω·cm或更小的范圍。GaN襯底的位錯密度為1E7/cm2，厚度為400μm。
(g2)～(g5)進行與發(fā)明實施例A的相應(yīng)工序相同的工序。
(g6)隨后劃出所需形狀的構(gòu)造體，并將芯片狀構(gòu)造體制成發(fā)光器件。所得到的發(fā)光器件的大小為0.49mm平方。
(g7)～(g12)進行與發(fā)明實施例F的相應(yīng)工序相同的工序。
(比較實施例H)(h1)采用和c-平面成0.5°角的n-型GaN偏離襯底。選擇的GaN偏離襯底的電阻率為0.6Ω·cm，高于本發(fā)明的0.5Ω·cm或更小的范圍。GaN襯底的位錯密度為1E7/cm2，厚度為400μm。
(h2)～(h5)進行與發(fā)明實施例F的相應(yīng)工序相同的工序。
(h6)隨后劃出所需形狀的構(gòu)造體，并將芯片狀構(gòu)造體制成發(fā)光器件。所得到的發(fā)光器件的大小為8mm平方。
(h7)～(h12)進行與發(fā)明實施例F的相應(yīng)工序相同的工序。
(實驗和結(jié)果)(1)對于發(fā)明實施例F以及比較實施例G和H，在電流相對均勻地從n-電極向MQW層擴展的區(qū)域中的電流分布是通過模擬計算的。模擬結(jié)果反映在發(fā)明實施例F以及比較實施例G和H的器件設(shè)計上。圖18圖示了電流分布的概念圖。圖19顯示了在距離r處的電流密度，其中r是離MQW發(fā)光層4中心的徑向距離。將n-電極中心處的電流密度定義為1。(i)發(fā)明實施例F的結(jié)果電流密度在直接在n-電極下時達到最大，隨著離n-電極距離的增加而降低。同樣，電流密度超過直接在n-電極下的電流密度的1/3的范圍是以直接在n-電極下為中心的直徑為12mm的范圍?；谠摻Y(jié)果，將發(fā)光器件的大小設(shè)置在8mm平方，該發(fā)光器件包含于其中。在GaN襯底的N-表面上，即第二主表面上，通過光刻、氣相沉積和剝離方法在芯片中心處以8.1mm的間隔形成直徑為100μm的n電極。在這種情況下，不存在n-電極的GaN襯底的N-表面的面積的比率，即開口比率，對于每個器件基本上都為100％。厚度、熱處理和接觸電阻率均與發(fā)明實施例A的那些相同。(ii)發(fā)明實施例G的結(jié)果電流密度超過直接在n-電極下的電流密度的1/3的范圍是以直接在n-電極下為中心的直徑為0.7mm的范圍。因此，將n-電極的直徑設(shè)置稱與發(fā)明實施例E一致的100μm，將芯片大小設(shè)置為0.49mm平方，該芯片包含在直徑0.7mm之內(nèi)。在GaN襯底的N-表面上，通過光刻、氣相沉積和剝離方法在芯片中心處以0.5mm的間隔形成直徑為100μm的n-電極。在這種情況下，每個器件的開口比率為約97％。厚度、熱處理和接觸電阻率均和發(fā)明實施例A～E的那些相同。(iii)在比較實施例H中，芯片大小設(shè)置為8mm平方，與發(fā)明實施例E一致。GaN襯底具有和比較實施例G的襯底相同的電阻，并且電流擴散直徑為0.7mm。因此，為了讓電流均勻流過8mm平方(直接在n-電極下的電流密度的1/3或以上)，n-電極的直徑需要達到7.51mm。因此，通過光刻技術(shù)、氣相沉積和剝離方法，以8.1mm的間隔形成直徑為7.51mm的n-電極，并且劃線寬度設(shè)置為0.1mm。在這種情況下，每個器件的開口比率為約31％。
(2)將不含熒光材料的發(fā)明實施例F以及比較實施例G和H安裝在積分球內(nèi)，然后向它們施加預(yù)定的電流。將所關(guān)注的輸出光和檢測器的輸出數(shù)值進行對比。結(jié)果顯示在圖20和21中。
當(dāng)施加20mA的電流時，發(fā)明實施例F以及比較實施例G和H產(chǎn)生的輸出分別為8mW、7.8mW和2.5mW，這與沒有形成電極的區(qū)域的面積比是一致的。發(fā)明實施例F產(chǎn)生的光輸出最高。比較實施例G產(chǎn)生的光輸出不如發(fā)明實施例F高，但是相對也較高。然后，當(dāng)向它們施加500倍的電流，或10A的電流時，發(fā)明實施例F和比較實施例H產(chǎn)生的輸出分別為4mW和1.3mW，這與沒有形成電極的面積相一致。
比較實施例G的輸出隨著施加電流成比例地增加，在施加的電流為0.26A，因而在發(fā)光部分的電流密度為110A/cm2時，輸出為0.1W。但是，此后，輸出由于熱量產(chǎn)生導(dǎo)致的升溫而達到飽和，比較實施例G在施加10A電流時被擊穿。
圖22和23圖示了上述三種試驗樣品的輝度測量結(jié)果。圖22是顯示對于裝備有熒光材料的發(fā)射白光的LEDs的施加電流和所得到的輝度之間關(guān)系的圖解。類似地，圖23是顯示電流和輝度之間關(guān)系的圖解。發(fā)明實施例F和比較實施例H中采用的是相同的熒光材料，但是輝度卻根據(jù)沒有安置電極的區(qū)域的面積比而變化。因此，當(dāng)施加的電流為10A時，發(fā)明實施例F和比較實施例H的輝度分別為720lm/芯片和234lm/芯片。比較實施例在施加0.26A電流時的熱限界為18lm/芯片，并且在10A的施加電流時被擊穿。依照圖22和23，只有發(fā)明實施例F在高電流下產(chǎn)生高輝度。
而且，在本實施方案中，施加的電流最大為10mA，因為如果電流超過上述，則在n-電極處的焦耳熱密度將變得過多，因而發(fā)生明顯的熱量產(chǎn)生。
通過增加n-電極的大小或者通過充分降低接觸電阻，對于與110A/cm2的電流密度相對應(yīng)的高達70A的電流，也可以獲得相同的效果。
(發(fā)明實施例F-2和F-3)進行與發(fā)明實施例F的那些相同的工序。在發(fā)明實施例F-2中，將直徑D為1mm(面積0.785mm2)的n-電極安置在GaN襯底中心。在發(fā)明實施例F-3中，將450μm平方的n-電極安置在GaN襯底的四個角上(圖24和25)。如圖24和25所示，安置在四個角上的n-電極每個都是通過焊線與引線框電連接的。焊線Au線并且其截面的直徑為300μm。在這種情況下，兩個實施例的開口比率都為約100％。而且，類似于發(fā)明實施例C1，安置反射杯37，該反射杯是一個杯型反射體。
類似于發(fā)明實施例F，將不含熒光材料的實施例安裝在積分球內(nèi)，然后施加預(yù)定的電流使它們發(fā)光。測量所關(guān)注的輸出光數(shù)值和檢測器的輸出。施加20mA電流產(chǎn)生的輸出為8mW，施加100倍電流或者10A電流產(chǎn)生的輸出為4W。施加70A電流產(chǎn)生的輸出為28W。
此外，在提供了熒光材料的發(fā)射白光的LED的情況下，獲得5040lm/芯片的輝度。
通過安置多個小尺寸且只需要相對較低的施加電流的發(fā)光器件可以獲得相同的輸出。但是，為了保證器件布置的布置精確性或者防止短路，器件之間需要有恒定的距離，這可能顯著增加整體尺寸，或者可能顯著增加建立每個器件導(dǎo)電性時的成本。依照本發(fā)明，可以避免這些問題，并且可以采用和常規(guī)工序完全相同的制造工序，在基本相同的成本和所要求的最小尺寸下，獲得更高的光發(fā)射輸出。
即使在采用AlxGa1-x襯底(其中x大于0且等于或者小于1)代替GaN襯底時，如果該襯底具有相同的特性，并且即使光發(fā)射波長和層構(gòu)造體改變時，也可以獲得相同的效果。
如圖24和25所示，通過用四根半徑(semi diameter)為150μm的Au線將安置在GaN襯底角上的n-電極和引線框相連，電極和導(dǎo)線將不會妨礙光發(fā)射，因此可以進一步提高光輸出。
第四實施方案在本發(fā)明的第四實施方案中，將描述GaN襯底厚度對光輸出的影響。通過使用三種試驗樣品，即具有與圖1所示LED相同構(gòu)造體的發(fā)明實施例I、J和K，確定GaN襯底的光吸收。下面將描述試驗樣品的制造方法。
(發(fā)明實施例I)(i1)采用和c-平面成0.5°角的n-型GaN偏離襯底。這種GaN襯底的電阻率為0.01Ω·cm，位錯密度為1E7/cm2。該GaN襯底的厚度為100μm。
(i2)在GaN襯底的第一主表面上通過MOCVD依次形成如下各層。即，形成層狀構(gòu)造體(GaN緩沖層/Si-摻雜的n-型GaN層/Si-摻雜的n-型Al0.2Ga0.8N層，該層是鍍層/由三層組成的MQW，每層都是由GaN層和In0.15Ga0.85N層組成的兩層構(gòu)造體/Mg-摻雜的p-型Al0.2Ga0.8N層，該層是鍍層/Mg-摻雜的p-型GaN層)。
(i3)光發(fā)射波長為380nm。內(nèi)量子效率為50％，為了方便，這是將低溫4.2K下的PL強度和298K室溫下的PL強度進行對比而計算的。
(i4)～(i5)進行與發(fā)明實施例A的相應(yīng)工序相同的工序。
(i6)通過模擬，計算電流相對均勻地從點狀n-電極向MQW層擴展的區(qū)域。結(jié)果，電流密度在直接在n-電極下時達到最大，隨著離n-電極距離的增加而降低。同樣，電流密度超過直接在n-電極下的電流密度的1/3的范圍是以直接在n-電極下為中心的直徑為3mm的范圍，因此將發(fā)光器件的大小設(shè)置在1.6mm平方，該發(fā)光器件可以包含于其中。在GaN襯底的N-表面上，通過光刻技術(shù)、氣相沉積和剝離方法以1.7mm的間距形成直徑為100μm的n-電極。在這種情況下，沒有形成n-電極的GaN襯底Ga表面區(qū)域的比率，即開口比率，對于每個器件基本上都是100％。厚度、熱處理和接觸電阻和發(fā)明實施例A的那些相同。
(i7)進行與發(fā)明實施例A相應(yīng)工序相同的工序。
(i8)然后，將該構(gòu)造體劃出所需的形狀，并將芯片狀構(gòu)造體制成發(fā)光器件。所得到的發(fā)光器件的大小為1.6mm平方。
(i9)～(i11)進行與發(fā)明實施例A的相應(yīng)工序相同的工序。
(發(fā)明實施例J)(j1)采用和c-平面成0.5°角的AlxGa1-xN偏離襯底。其電阻率為0.01Ω·cm，位錯密度為1E7/cm2。n-型AlxGa1-xN偏離襯底的厚度為100μm。采用三種類型(Al原子比率x分別為0.2、0.5和1)的襯底。
(j2)通過MOCVD在AlxGa1-xN表面的第一表面上制造如下層狀構(gòu)造體。依次形成(Si-摻雜的n-型鍍Al0.2Ga0.8N層，該層是鍍層/由三層組成的MQW，每層都是由GaN層和In0.05Ga0.95N層組成的兩層構(gòu)造體/Mg-摻雜的p-型Al0.2Ga0.8N層，該層是鍍層/Mg-摻雜的p-型GaN層)。
(j3)～G5)進行與發(fā)明實施例I的相應(yīng)工序相同的工序。
(j6)在AlxGa1-xN襯底的第二主表面上，通過光刻技術(shù)、氣相沉積和剝離方法以400μm的間距形成直徑為100μm的n-電極。n電極是通過形成與AlxGa1-xN襯底第二主表面接觸的層狀構(gòu)造體而構(gòu)建的，該層狀構(gòu)造體由從底側(cè)的(20nm Ti層/100nm Al層/20nm Ti層/200nm Au層)組成。將n-電極在惰性氣氛下加熱，以將接觸電阻降低到1E-4Ω·cm2以下。
(j7)～(j11)進行與發(fā)明實施例A的相應(yīng)工序相同的工序。
(比較實施例K)(k1)采用與c-平面成0.5°角的n-型GaN偏離襯底。這種襯底的電阻率為0.01Ω·cm，位錯密度為1E7/cm2。該GaN襯底的厚度為1mm(1000μm)。
(k2)～(k5)進行與發(fā)明實施例I的相應(yīng)工序相同的工序。
(k6)發(fā)光器件(芯片)的大小設(shè)置為1.6mm平方，和發(fā)明實施例G相同。
在GaN襯底的第二主表面上，通過光刻技術(shù)、氣相沉積和剝離方法以1.7mm的間距形成直徑為100μm的n-電極。在這種情況下，沒有形成n-電極的GaN襯底第二主表面(發(fā)光表面)面積的比率，即開口比率，對于每個器件基本上都是100％。厚度、熱處理和接觸電阻和發(fā)明實施例I相同。
(k7)～(k11)進行與發(fā)明實施例I的相應(yīng)工序相同的工序。
(實驗和結(jié)果)
制備具有不同厚度的發(fā)明實施例I、J和比較實施例K的襯底1，并且測量實施例對波長為380nm的入射光的透光率。圖26和27圖示了透光率測量試驗的概要。發(fā)明實施例I和J的厚度為100μm，而發(fā)明實施例K的厚度較大，為1mm(1000μm)。圖28說明了試驗結(jié)果。
參照圖28，發(fā)明實施例I和J以及比較實施例K的透光率分別為70％、90％和10％。至于發(fā)明實施例J，制造了Al原子比率x為0.2、0.5和1的三種襯底，所有襯底的透光率都是90％。
將準備形成凜白光LEDs的裝備了熒光材料的發(fā)明實施例I、J和比較實施例K安裝在積分球內(nèi)，然后向它們施加預(yù)定的電流。比較所關(guān)注的輸出光數(shù)值和檢測器的輸出。當(dāng)施加20mA電流時，發(fā)明實施例I、J和比較實施例K產(chǎn)生的輸出分別為4.2mW、5.4mW(上述三種類型都是如此)和0.6mA。這種差別是由襯底之間的透光率的不同造成的。GaN襯底對波長小于400nm的光的透光率明顯低，在這種情況下，本發(fā)明可以采用AlxGa1-xN襯底產(chǎn)生更高的光發(fā)射。
同樣，通過減小GaN襯底的厚度，可以實現(xiàn)更高的光發(fā)射。如果厚度太小，電流從n-電極向MQW的擴散范圍將變得過小，而如果厚度太大，則如前所述發(fā)射效率將下降。因此，厚度優(yōu)選為50μm～500μm。而且，通過使用厚度約100μm的薄GaN襯底作為發(fā)明實施例，可以降低GaN襯底的制造成本，從而能夠制造低成本的發(fā)光器件。無需贅述，通過減小與光發(fā)射波長無關(guān)的襯底的厚度，可以降低成本。
第五實施方案在本發(fā)明的第五實施方案中，將描述形成在襯底上的n-型GaN層的厚度的制造產(chǎn)率。試驗樣品采用三種樣品，即具有與發(fā)明實施例A相同構(gòu)造體、采用GaN襯底的發(fā)明實施例L，以及具有和比較實施例B相同構(gòu)造體、采用藍寶石襯底的比較實施例M、N。
(發(fā)明實施例L)(11)進行和發(fā)明實施例A相應(yīng)工序相同的工序。
(12)通過MOCVD在AlxGa1-xN表面的第一表面上制造如下層狀構(gòu)造體(參見圖2)。形成(GaN襯底/GaN緩沖層/Si-摻雜的n-型GaN層/Si-摻雜的n-型Al0.2Ga0.8N層，該層是鍍層/由三層組成的MQW，每層都是由GaN層和In0.1Ga0.9N層組成的兩層構(gòu)造體/Mg-摻雜的p-型Al0.2Ga0.8N層，該層是鍍層/Mg-摻雜的p-型GaN層)。參照圖2，將Si-摻雜的n-型GaN層2厚度設(shè)置為100nm。
(13)～(113)進行與發(fā)明實施例A的相應(yīng)工序相同的工序。
此處，當(dāng)形成用于器件分離的蝕刻槽25時，蝕刻槽底部25a不是完全平坦的，有一些凸起和凹陷。在發(fā)明實施例L的情況下，即使中心部分達到GaN襯底或者緩沖層，也不需要在該部分形成電極等，因此該部分深度或者底部平坦性的一些改變對制造產(chǎn)率影響較小。
(比較實施例M)(m1)進行與比較實施例B相應(yīng)工序相同的工序。
(m2)通過MOCVD在藍寶石襯底上制造如下層狀構(gòu)造體(參見圖6)。形成(藍寶石襯底/GaN緩沖層/Si-摻雜的n-型GaN層/Si-摻雜的n-型Al0.2Ga0.8N層，該層是鍍層/由三層組成的MQW，每層都是由GaN層和In0.15Ga0.85N層的兩層構(gòu)造體組成/Mg-摻雜的p-型Al0.2Ga0.8N層/Mg-摻雜的p-型GaN層)。參照圖6，將Si-摻雜的n-型GaN層102厚度設(shè)置為3μm。
(m3)～(m13)進行與發(fā)明實施例B的相應(yīng)工序相同的工序。此處，當(dāng)形成用于器件分離的蝕刻槽125時，蝕刻槽底部125a不是完全平坦的，有一些凸起和凹陷。但是，在比較實施例M的情況下，Si-摻雜的n-型GaN層102的厚度大，為3μm，因此中心部分達不到緩沖層和藍寶石層。結(jié)果，該部分深度或者底部平坦性的一些改變對制造產(chǎn)率影響較小。
(比較實施例N)(n1)進行與發(fā)明實施例B相應(yīng)工序相同的工序。
(n2)通過MOCVD在藍寶石襯底上制造如下層狀構(gòu)造體(參見圖6)。形成(GaN緩沖層/Si-摻雜的n-型GaN層/Si-摻雜的n-型Al0.2Ga0.8N層，該層是鍍層/由三層組成的MQW，每層都是由GaN層和In0.15Ga0.85N層的兩層構(gòu)造體組成/Mg-摻雜的p-型Al0.2Ga0.8N層/Mg-摻雜的p-型GaN層)。參照圖6，Si-摻雜的n-型GaN層102的厚度為100nm。
(n3)～(n4)進行與發(fā)明實施例B的相應(yīng)工序相同的工序。
(n5)在比較實施例N的情況下，在藍寶石襯底上形成具有與藍寶石不同晶格常數(shù)的GaN-基多層膜，因此，當(dāng)n-型GaN層的厚度為100nm時就太小了，不能獲得高質(zhì)量多層膜，而且光發(fā)射輸出也非常低。
此外，在比較實施例N的情況下，藍寶石襯底是絕緣體，因此必須在生長膜側(cè)類似p-電極那樣形成n-電極。因此，試圖通過光刻技術(shù)和使用Cl-基氣體的RIE從Mg-摻雜的n-型GaN層側(cè)至Si-摻雜的n-型GaN層蝕刻晶片，以暴露用于形成n-電極的n-型GaN層。但是，如圖31所示，在比較實施例N中，Si-摻雜的n-型GaN層的厚度為100nm(0.1μm)，很小，不可能均勻地暴露出晶片中的n-型GaN層。因此，根據(jù)區(qū)域在的暴露表面中，出現(xiàn)在n-型AlxGa1-xN層或者GaN緩沖層。也嘗試了使用熱磷酸等的濕法蝕刻，任何蝕刻劑都得到相同的結(jié)果。
(實驗結(jié)果)采用與第一實施方案相同的方式確定光輸出，結(jié)果，發(fā)明實施例L在施加20mA電流時產(chǎn)生的輸出為8mW。另一方面，比較實施例M在相同電流下產(chǎn)生的輸出為7.2mW。此外，在發(fā)明實施例L的構(gòu)造體中，即使將n-型GaN層的厚度從3μm減小到10nm，也獲得相同的輸出。而且，可以將n-電極提供在導(dǎo)電GaN襯底的N-表面上，因此不必暴露Si-摻雜的n-型GaN層。
依照本發(fā)明實施例，生長在襯底上的發(fā)光器件的膜厚度，根據(jù)波長或者產(chǎn)生的輸出，通常為6μm或更小，并且可以將占據(jù)其大多數(shù)的Si-摻雜的n-型GaN層的厚度從3μm減小到100nm。結(jié)果，采用發(fā)明實施例，可以急劇減少膜生長的成本。
如對于比較實施例N試驗樣品的工序(n5)所述的，如果使n-型GaN層更薄，為100nm(0.1μm)，n-型GaN層暴露率將急劇下降，是不實用的。同樣，即使通過更先進的技術(shù)實現(xiàn)了均勻暴露，如第一實施方案中的比較實施例B(參見圖31)那樣，由于該層的厚度太小，以平行于n-型GaN層方向流經(jīng)該層的電流密度也會顯著增加，因此熱量產(chǎn)生變得明顯，阻止了獲得實際的光輸出。當(dāng)然，無需贅述，即使采用熒光材料來形成發(fā)射白光的LED或者改變光發(fā)射波長時，也可以獲得相同的效果。
第六實施方案在本發(fā)明第六實施方案中，將描述GaN襯底位錯密度對光輸出的影響。試驗樣品采用兩種樣品，它們是位錯密度為1E6/cm2的發(fā)明實施例O和位錯密度為1E9/cm2的比較實施例P。發(fā)明實施例O和比較實施例P具有與發(fā)明實施例A相同的構(gòu)造體。
(發(fā)明實施例O)(o1)采用與c-平面成0.5°角的n-型GaN偏離襯底。這種GaN襯底的電阻率為0.01Ω·cm，位錯密度為1E6/cm2。該GaN襯底的厚度為400μm。
(o2)～(o11)進行與發(fā)明實施例A的相應(yīng)工序相同的工序。
(比較實施例P)(p1)采用與c-平面成0.5°角的n-型GaN偏離襯底。這種GaN襯底的電阻率為0.01Ω·cm，位錯密度為1E9/cm2。該GaN襯底的厚度為400μm，與發(fā)明實施例O相同。
(p2)～(p11)進行與發(fā)明實施例A的相應(yīng)工序相同的工序。
(實驗結(jié)果)采用與第一實施方案相同的方式確定光輸出，結(jié)果，發(fā)明實施例O和比較實施例P在施加20mA電流時產(chǎn)生的輸出都為8mW，而在施加100mA電流時產(chǎn)生的輸出分別為40mW和30mW。因此，發(fā)明實施例O可以產(chǎn)生高于比較實施例P的光發(fā)射輸出。
發(fā)明實施例O和比較實施例P具有相同的電阻率和厚度，因而產(chǎn)生等量的熱量產(chǎn)生和熱輻射。為了確認上述光輸出的差異不是由熱影響造成的，施加脈沖電流，其載荷比為1％，施加時間為1μs，循環(huán)時間為100μs，進行比較。該試驗結(jié)果和上述結(jié)果相同，因而在施加100mA電流時，發(fā)明實施例O和比較實施例P產(chǎn)生的輸出分別為40mW和30mW。
因此，盡管不清楚其機理，但是高電流密度下產(chǎn)生的光輸出的差異是由位錯密度差異造成的，而不是熱的影響。本發(fā)明人還證實當(dāng)改變光發(fā)射波長或者層構(gòu)造體，或者提供熒光材料形成白光LED時，也可以獲得相同的效果。
第七實施方案在本發(fā)明第七實施方案中，將描述表面和端面的非鏡面處理對光輸出的影響。所采用的試驗樣品是發(fā)明實施例Q和R。發(fā)明實施例Q是圖32所示的LED，其中表面和端面已經(jīng)經(jīng)過非鏡面處理。發(fā)明實施例R是圖33所示的LED，該LED沒有經(jīng)過非鏡面處理。
(發(fā)明實施例Q)(q1)～(q7)進行與發(fā)明實施例F的相應(yīng)工序相同的工序。
(在q7和q8之間插入的處理步驟)將GaN襯底的N-表面和器件的端面制成非鏡面表面。使它們成為非鏡面表面的方法是通過例如RIE的干法蝕刻或者濕法蝕刻進行的。除了這種使用蝕刻的非鏡面處理方法外，還可以采用機械拋光方法。本實施方案中，采用的是使用KOH溶液作為蝕刻劑進行濕法蝕刻的方法。將溫度保持在40℃，同時充分攪動4mol/l的KOH溶液，然后將晶片在攪拌下浸泡30分鐘，對GaN襯底的N-表面和器件的端面進行非鏡面處理。
(q8)～(q11)進行與發(fā)明實施例F的相應(yīng)工序相同的工序。
(比較實施例R)該比較實施例與發(fā)明實施例F相同。
(實驗結(jié)果)采用與第一實施方案相同的方式確定光輸出。結(jié)果，施加10A電流時發(fā)明實施例Q和比較實施例R產(chǎn)生的輸出分別為4.8W和4W。而且，在發(fā)明實施例Q和比較實施例R裝備有熒光材料形成為白光LED的情況下，發(fā)明實施例Q產(chǎn)生的輸出為1150lm，而比較實施例R產(chǎn)生的輸出為960lm。即，發(fā)明實施例Q產(chǎn)生更高的光發(fā)射輸出。無需贅述，即使改變光發(fā)射波長時，也可以獲得相同的效果。這是因為當(dāng)襯底和n-型GaN層的表面和端面處于鏡面狀態(tài)時，如圖33所示，容易在具有高折射系數(shù)的GaN表面上發(fā)生全內(nèi)反射，因此光不太容易通過。另一方面，如圖32所示，當(dāng)進行非鏡面處理時，可以提高光發(fā)射到外面的效率。
此外，本發(fā)明人從實驗中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)采用KOH溶液進行非鏡面處理時，使用濃度為0.1～8mol/l的KOH溶液、在20～80℃的溫度下進行非鏡面處理，可以獲得相同的效果。
第八實施方案在本發(fā)明的第八實施方案中，將描述p-型電極的反射率對光輸出的影響。所采用的試驗樣品為五種樣品，分別是發(fā)明實施例S、T、U、V和W。
(發(fā)明實施例S)(s1)～(s6)進行與發(fā)明實施例F的相應(yīng)工序相同的工序。
(s7)用如下方法制造p-電極。與p-型GaN層接觸地、從底層形成厚度為4nm的Ni層和厚度為4nm的Au層。然后，將其在惰性氣氛下進行熱處理。再在上述Au層上形成厚度為100nm的Ag層。用上述方法制造的p-電極的接觸電阻為5E-4Ω·cm2。
此外，對于上述p-電極，與玻璃板接觸地、從底層起依次形成的(厚度為4nm的Ni層/厚度為4nm的Au層)進行相同的熱處理，并且確定透光率。結(jié)果，從Ni層側(cè)的450nm入射光的透光率為70％。此外，在玻璃板上形成厚度為100nm的Ag層并確定其反射率。結(jié)果，對于450nm入射光，獲得的反射率為88％。然后，以Ni層在底部在玻璃襯底上形成(厚度為4nm的Ni層/厚度為4nm的Au層/厚度為100nm的Ag層)，并進行相同的熱處理。然后，確定透光率。結(jié)果，對于450nm入射光，獲得的反射率為44％。該反射率對應(yīng)于當(dāng)450nm入射光以70％的透光率通過(厚度為4nm的Ni層/厚度為4nm的Au電極層)，然后以88％的反射率在Ag層反射，再以70％的透光率通過(厚度為4nm的Ni層/厚度為4nm的Au電極層)時的反射率。
(s8)～(s11)進行與發(fā)明實施例F的相應(yīng)工序相同的工序。
(發(fā)明實施例T)(t1)～(t6)進行與發(fā)明實施例F的相應(yīng)工序相同的工序。
(t7)用如下方法制造p-電極。與p-型GaN層接觸地，從底側(cè)起依次形成厚度為4nm的Ni層和厚度為4nm的Au層。然后，將其在惰性氣氛下進行熱處理。再在上述Au層上形成厚度為100nm的Ag層和厚度為100nm的Au層。用上述方法制造的p-電極的接觸電阻為5E-4Ω·cm2。
此外，對于該電極，在玻璃板上形成(厚度為4nm的Ni層/厚度為4nm的Au層)的層狀構(gòu)造體，并對該構(gòu)造體進行相同的熱處理。然后確定其透光率，結(jié)果，對于從Ni層側(cè)的450nm入射光，透光率為70％。同樣，在玻璃板上形成厚度為100nm的Al層并確定其反射率。結(jié)果，對于450nm入射光，獲得的反射率為84％。同樣，在玻璃襯底上從底部依次形成(厚度為4nm的Ni層/厚度為4nm的Au層/厚度為100nm的Al層)層狀構(gòu)造體，并進行相同的熱處理。然后，確定透光率。結(jié)果，對于450nm入射光，獲得的反射率為42％。該反射率對應(yīng)于對如下情況計算出的反射率當(dāng)450nm的入射光以70％的透光率通過(厚度為4nm的Ni層/厚度為4nm的Au電極層)，然后以42％的反射率在Au層反射，再以70％的透光率通過(厚度為4nm的Ni層/厚度為4nm的Au電極層)。
(t8)～(t11)進行與發(fā)明實施例F的相應(yīng)工序相同的工序。
(發(fā)明實施例U)(u1)～(u6)進行與發(fā)明實施例F的相應(yīng)工序相同的工序。
(u7)至于p-電極，在p-型GaN層整個表面上形成Rh，其是相對于p-型GaN層的歐姆電極，并且具有高反射率和100nm的厚度。其接觸電阻為5E-4Ω·cm2。此外，在玻璃板上形成這種電極Rh，并確定透光率。結(jié)果，對于450nm的入射光，透光率為60％。
(u8)～(u11)進行與發(fā)明實施例F的相應(yīng)工序相同的工序。
(發(fā)明實施例V)(v1)～(v7)進行與發(fā)明實施例F的相應(yīng)工序相同的工序。
(插入v7和v8之間的處理步驟)進行與發(fā)明實施例Q插入q7和q8之間的處理工序相同的工序。
(v8)～(v11)進行與發(fā)明實施例S的相應(yīng)工序相同的工序。
(發(fā)明實施例W)發(fā)明實施例W和發(fā)明實施例F相同。
(實驗結(jié)果)采用和第一實施方案相同的方式確定光輸出。結(jié)果，施加10A電流時發(fā)明實施例S、T、U、V和W產(chǎn)生的輸出分別為4.8mW、4.8mW、5.2mW、5.8mW和4W。圖34圖示了在發(fā)明實施例S、T安裝側(cè)的反射的圖表，圖35圖示了在發(fā)明實施例U安裝側(cè)的反射的圖表，而圖36圖示了在發(fā)明實施例W安裝側(cè)的反射的圖表。在發(fā)明實施例S、T中，將高反射的層35安置在p-電極12和導(dǎo)電粘合劑14之間，而在發(fā)明實施例U中，p-電極12本身就是高反射材料，發(fā)明實施例V中，采用了非鏡面處理。此外，在發(fā)明實施例W中，沒有對安裝側(cè)的反射作任何考慮。
當(dāng)發(fā)明實施例S、T、U和V裝備有熒光材料以形成為白光LEDs時，它們在施加10A電流時產(chǎn)生的輸出分別為864lm、864lm、936lm和1044lm。依照這些結(jié)果，通過用高反射材料形成p-電極或者通過在p-電極和導(dǎo)電粘合劑之間安置高反射材料，能夠使光利用更有效，從而可以提高光輸出。即，通過將Ag、Al或者Rh反射膜引入p-電極本身或者引入到p-電極和導(dǎo)電粘合劑之間，進一步提高了光發(fā)射輸出。而且，對于發(fā)明實施例V，通過使GaN襯底的N-表面和端面成為非鏡面表面，可以進一步提高光發(fā)射輸出。
盡管不能直截了當(dāng)?shù)孛枋鲇绊懗潭?，因為?dāng)光發(fā)射波長改變時，Ag層或者Al層的反射率以及Ni層的吸收系數(shù)也改變，但是該效果在任何波長下都能獲得。同樣，可以使用功函(work function)相等或更高且反射率相等或更高的元素代替Rh，來獲得相等或更好的效果。
第九實施方案在本發(fā)明的第九實施方案中，了解的是氧濃度和GaN襯底電阻率及透光率之間的關(guān)系。其特征在于，在p-向下安裝的發(fā)光器件中，即使用GaN襯底作為發(fā)光表面的發(fā)光器件中，基于該關(guān)系，建立最佳GaN襯底厚度和氧濃度之間的關(guān)系，用于確定發(fā)光面積。如上所述，在p-向下安裝的情況下，發(fā)光表面是GaN襯底，因此，顯著影響其電阻率和透光率的氧濃度特別重要。
圖37是顯示氧濃度對GaN襯底電阻率影響的圖解。依照圖37，可以通過將氧濃度設(shè)置為1E17/cm3或更高，來獲得等于或者小于0.5Ω·cm的電阻率。圖38是顯示在GaN襯底厚度為400μm時氧濃度對450nm波長光的透光率的影響的圖解。從同一圖中可見，當(dāng)氧濃度超過2E19/cm3時，對450nm波長的光的透光率急劇下降。從圖37和38可見，增加氧濃度對降低GaN襯底的電阻率和加寬發(fā)光表面有效，但是卻降低了透光率。因此，如何設(shè)置氧濃度、向下安裝的發(fā)光器件中使用的GaN襯底厚度和GaN表面的發(fā)光平面大小是非常重要的。
圖39是顯示光輸出和電流在其中均勻流動的燈的平面(plan surface)大小的測定結(jié)果的圖解，其中的燈是從發(fā)明實施例A中不同厚度的GaN襯底和氧濃度制造的。關(guān)于燈的光輸出，厚度越大而且氧濃度越高，則光輸出越低。同樣，至于電流在其中均勻流動的最大平面大小，厚度越大而且氧濃度越高，則平面大小越大。
依照圖39，當(dāng)電流在其中均勻流動的平面大小為邊長4mm(邊長為5mm)的正方形時，例如，為了在發(fā)明實施例A的大小和施加20mA電流時獲得約8mW或更大的光輸出，對于厚度為200μm的GaN襯底，可以將氧濃度設(shè)置等于或大于6E18/cm3(對于邊長為5mm的正方形而言，等于或大于8E18/cm3)，以確保在發(fā)明實施例A的大小和施加20mA電流時光輸出為8mW或更大，而且獲得均勻發(fā)光。即，當(dāng)使電流密度與在具有邊長300μm的正方形形狀的發(fā)明實施例A的大小上施加20mA電流一致時，相當(dāng)于在邊長4mm(邊長5mm)的正方形上施加3.6A(5.6A)的電流，因此，通過施加3.6A(5.6A)，可以與施加電流成比例確保光輸出為1.4W(2.3W)或更大，并且可以實現(xiàn)均勻的發(fā)光。
同樣，對于厚度為400μm的GaN襯底和對于獲得和上述厚度200μm相同的目標性能，對于邊長4mm的正方形，可以將氧濃度設(shè)置為3E18/cm3或更大(對于邊長5mm的正方形，則為4E18/cm3或更大)。但是，在厚度為400μm的情況下，為了當(dāng)施加20mA電流時在發(fā)明實施例A的大小上獲得約8mW的光輸出，必須將氧濃度設(shè)置為2E19/cm3以下。
此外，在厚度為600μm的GaN襯底的情況下，在發(fā)明實施例A大小和施加20mA電流時產(chǎn)生8mW或更高光輸出的氧濃度限值只比使電流在邊長4mm的正方形面積內(nèi)均勻流動的2.5E18/cm3略微高一些。因此，只有很窄的氧濃度范圍滿足上述兩個條件。另一方面，使電流在邊長3mm的正方形面積內(nèi)均勻流動的氧濃度為約2E18/cm3，因此，氧濃度的可允許范圍與邊長4mm的正方形相比變得略微大一些。
此外，依照圖39，在GaN襯底厚度為200μm～400μm的情況下，能夠使電流均勻流過邊長10mm的正方形并且在施加20mA電流時在發(fā)明實施例A的大小上獲得約8mW輸出的氧濃度的可允許范圍足夠大。在厚度為200μm的情況下，可以使氧濃度等于或者大于2E19/cm3。同樣，對于400μm的厚度，可以使氧濃度等于或者大于8E18/cm3。
接著，將描述具體的實施方案。在這些實施方案中，采用如下試驗樣品。
(發(fā)明實施例S1)采用已經(jīng)用1E19/cm3的氧濃度n-型化的400μm厚的GaN襯底。該GaN襯底的電阻率為0.007Ω·cm，對450nm波長的光的透光率為72％。當(dāng)使用上述GaN襯底構(gòu)建發(fā)光器件時，上述以外的部分處于與發(fā)明實施例A的那些相同相同的條件。即，設(shè)置GaN襯底的平面大小，使發(fā)光表面具有邊長0.3mm的正方形形狀(參見第一實施方案中的(a1))。(a2)通過MOCVD在GaN襯底的Ga表面上，即第一主表面上，形成如下層狀構(gòu)造體。其具有(Si-摻雜的n-型GaN層/Si-摻雜的n-型Al0.2Ga0.8N層，該層是鍍層/由三層組成的MQW，每層都是包含GaN層和In0.15Ga0.85N層的兩層構(gòu)造體組成/Mg-摻雜的p-型Al0.2Ga0.8N層，該層是鍍層/Mg-摻雜的p-型GaN層)的層狀構(gòu)造體。
(比較實施例T1)采用厚度為400μm、已經(jīng)用5E19/cm3的氧濃度n-型化的GaN襯底。該GaN襯底的電阻率為0.002Ω·cm，對450nm波長的光的透光率為35％。除上述條件外的條件和發(fā)明實施例S1相同。
(比較實施例T2)采用厚度為400μm、已經(jīng)用2E16/cm3的氧濃度n-型化的GaN襯底-該GaN襯底的電阻率為1.0Ω·cm，對450nm波長的光的透光率為90％。除上述條件外的條件和發(fā)明實施例S1相同。
(實驗和結(jié)果)構(gòu)建上述試驗樣品的p-向下安裝的發(fā)光器件，并向它們施加20mA的電流。發(fā)明實施例S1產(chǎn)生8mW的光輸出。另一方面，比較實施例T1只產(chǎn)生4mW的光輸出，比較實施例T2只產(chǎn)生5mW的光輸出?？梢哉J為比較實施例T1的4mW的光輸出是與GaN襯底的透光率相稱的輸出。對比較實施例T2的GaN襯底第二主表面，即發(fā)光表面的發(fā)光狀態(tài)進行觀察，結(jié)果發(fā)現(xiàn)表面內(nèi)的光發(fā)射強度不同。即，光發(fā)射強度在n-電極周圍非常高，而隨著和n-電極距離的增加光發(fā)射強度急劇下降。這是因為GaN襯底的電阻率大，流經(jīng)n-電極的電流沒有在發(fā)光器件的表面內(nèi)充分擴散。因此，光發(fā)射只發(fā)生在電流集中的p-電極周圍。結(jié)果，比較實施例T2整個發(fā)光器件的光發(fā)射輸出低于發(fā)明實施例S1的光發(fā)射輸出。
第十實施方案本發(fā)明的第十實施方案的特征在于限制p-向下安裝的發(fā)光器件的GaN襯底中位錯束的密度，以增加光輸出。在形成GaN襯底時，為了改善GaN襯底大多數(shù)面積的結(jié)晶性，將不可避免產(chǎn)生的位錯集中并且將位錯束離散分布，以增加GaN襯底中它們之間的大多數(shù)面積的結(jié)晶性。已經(jīng)證明由于在p-向下安裝發(fā)光器件中GaN襯底被安置在發(fā)光側(cè)，如果位錯束密度超過預(yù)定的數(shù)值(4E2/cm2的位錯束密度)，那么將顯著影響發(fā)光器件的制造產(chǎn)率至超過估計的程度。
如圖40所示，上述GaN襯底中的位錯束被轉(zhuǎn)移到外延膜p-型GaN層6上，并且以束61形式出現(xiàn)在外延層上。因此，位錯束密度基本上對應(yīng)于束密度。如圖41所示，根據(jù)外延膜的膜形成條件，這些束61是孔狀凹穴。在包含GaN襯底作為發(fā)射表面的p-向下安裝的發(fā)光器件的情況下，孔狀凹穴的密度極大地影響著制造產(chǎn)率。
所采用的試驗樣品如下。
(發(fā)明實施例S2)采用其中平均每500μm×500μm面積上有一個單獨的位錯束的GaN襯底。這對應(yīng)于4E2/cm2。其他條件和發(fā)明實施例S1相同。
(比較實施例T3)該比較實施例采用其中平均每10μm×10μm面積上有一個單獨的位錯束的GaN襯底。這相對于1E6/cm2的位錯密度。其他條件和發(fā)明實施例S2相同。
(實驗和結(jié)果)在實際生產(chǎn)基準上，從各個上述GaN襯底構(gòu)建多個發(fā)光器件。對各個試驗樣品施加20mA的電流，確定能夠產(chǎn)生等于或大于8mW光輸出的發(fā)光器件的產(chǎn)率。結(jié)果，發(fā)明實施例S2的產(chǎn)率為95％，而比較實施例T3的產(chǎn)率為50％。即，當(dāng)位錯束密度等于或者小于4E2/cm2時，可以獲得可進行實際制造的產(chǎn)率。但是，位錯束密度超過上述密度時，不可能在商業(yè)基準上連續(xù)地實際制造發(fā)光器件。
拆開不能產(chǎn)生8mW光輸出的發(fā)光器件，從中取出芯片并檢查。通過使用合適的酸溶液，從取出的芯片上除去電極，并且從p-型半導(dǎo)體層側(cè)檢查芯片。結(jié)果，觀察到在多個實施例中在分布了位錯束的GaN襯底區(qū)域中沒有形成外延層。在分布有位錯束的區(qū)域中，觀測到直徑為約1μm的孔狀凹穴。在能夠產(chǎn)生等于或大于8mW光輸出的發(fā)光器件中沒有發(fā)現(xiàn)上述孔狀凹穴。
此外，在對應(yīng)于第一實施方案的發(fā)明實施例A的制造步驟(a7)的步驟中，向上述試驗樣品施加20mA的電流。包含上述孔狀凹穴的發(fā)光器件的驅(qū)動電壓均低于1V。這是因為p-電極側(cè)的層和n-電極側(cè)的層由于嵌埋于電極的孔狀凹穴而短路，因此電流沒有擴散通過活性層并且沒有供應(yīng)足夠的電流，從而導(dǎo)致光輸出低。
第十一實施方案第十一實施方案的特征在于將n-型AlGaN緩沖層和n-型GaN緩沖層安置在GaN襯底和n-型AlGaN鍍層3之間。通常，襯底有翹曲，而GaN襯底的翹曲特別大。因此，如圖42所示，在GaN襯底中，偏離角在襯底表面內(nèi)顯著變化。圖42圖示了對于20mm×20mm GaN襯底的c-平面，示例性的偏離角分布。當(dāng)在該GaN襯底上形成外延膜，然后將GaN襯底劃分成發(fā)光器件，然后測定光輸出時，在位于角上的具有0.05°水平的小偏離角的區(qū)域R1處形成的發(fā)光器件以及在1.5°水平的大偏離角的區(qū)域R2處形成的發(fā)光器件在施加20mA電流時不能產(chǎn)生8mW或更高的光輸出。這是由于形成在GaN襯底上的外延膜的結(jié)晶性不高。因此，如圖43所示，通過在GaN襯底1和AlGaN鍍層3之間安置n-型AlGaN緩沖層31，晶格常數(shù)的差異被減輕，所述的n-型AlGaN緩沖層31的晶格常數(shù)處于GaN襯底1和AlGaN鍍層3的晶格常數(shù)之間。更具體而言，其特征在于在上述位置放置n-型AlGaN緩沖層31。
采用如下試驗樣品。
(發(fā)明實施例S3)在采用的GaN襯底中，如圖42所示，在20mm×20mm的表面中，與c-平面的偏離角從0.05°偏離角的區(qū)域到1.5°偏離角的區(qū)域連續(xù)變化。這種GaN襯底的電阻率為0.01Ω·cm，位錯密度為1E7/cm2，厚度為400μm。通過使用具有偏離角分布的GaN襯底，依照第一實施方案發(fā)明實施例A的制造工序(a1)～(a11)，從上述20mm×20mm襯底的各個位置制造發(fā)光器件。此時，如圖43所示，在GaN襯底1和n-型GaN緩沖層2之間安置厚度為50nm的Al0.15Ga0.85N緩沖層。
(比較實施例T4)采用GaN襯底，其中在20mm×20mm的表面中，與c-平面的偏離角從0.05°偏離角的面積到1.5°偏離角的面積連續(xù)變化。這種GaN襯底的電阻率為0.01Ω·cm，位錯密度為1E7/cm2，厚度為400μm。依照第一實施方案發(fā)明實施例A的制造工序(a1)～(a11)，從各個位置制造多個發(fā)光器件。在比較實施例T4中，形成的n-型GaN層與GaN襯底1接觸，在GaN襯底和n-型GaN緩沖層之間沒有安置Al0.15Ga0.85N緩沖層。
(實驗和結(jié)果)當(dāng)向發(fā)光器件上施加20mA電流時，發(fā)明實施例S3在包含上述區(qū)域R1、R2的0.05°～1.5°區(qū)域上產(chǎn)生的光輸出等于或大于8mW(參見圖44)。但是，在比較實施例T4中，只有形成在偏離角為0.1°～1.0°的區(qū)域上的發(fā)光器件產(chǎn)生的光輸出等于或大于8mW。在0.05°和1.5°偏離角水平的區(qū)域上，光輸出低于8mW。
這是因為盡管采用了其中偏離角明顯變化的GaN襯底，但是依照發(fā)明實施例S3，通過如上所述地安置Al0.15Ga0.85N緩沖層，可以形成具有優(yōu)異結(jié)晶性的外延層。
第十一實施方案(2)本發(fā)明的第十一實施方案(2)的特征在于通過在GaN襯底和n-型AlGaN鍍層3之間安置n-型AlGaN緩沖層和n-型GaN緩沖層，消除了如圖41所示的孔狀凹穴，這種孔狀凹穴是在如第十實施方案在GaN襯底中位錯束區(qū)域上形成外延膜時形成的。
(發(fā)明實施例S2-2)類似于比較實施例T3，采用直徑為2英寸的GaN襯底，其中每10μm×10μm面積上有一個單獨的位錯束。這對應(yīng)于1E6/cm2的位錯密度。如圖43所示，在GaN襯底1和n-型緩沖層2之間安置厚度為50nm的Al0.15Ga0.85N緩沖層。其他條件與發(fā)明實施例S2相同。
(實驗和結(jié)果)在形成外延層之后，用微分干涉顯微鏡和SEM(掃描電子顯微鏡)觀察位于外延層側(cè)的晶片表面。結(jié)果，觀察到?jīng)]有如圖41所示的孔狀凹穴。從直徑2英寸的GaN襯底周界去除約5mm的邊緣，剩余的GaN襯底都構(gòu)建成為發(fā)光器件。以每50個發(fā)光器件取出1個的比率抽取發(fā)光器件，并向這些發(fā)光器件施加20mA的電流。確定能夠產(chǎn)生等于或高于8mW光輸出的發(fā)光器件的產(chǎn)率。結(jié)果是產(chǎn)率為100％。認為當(dāng)制造更多器件時，由于孔狀凹穴以外的其他制造因數(shù)的影響，產(chǎn)率可能低于100％，可以獲得接近100％的產(chǎn)率。但是，從上述關(guān)注于孔狀凹穴的產(chǎn)率試驗結(jié)果，獲得了特別希望的100％產(chǎn)率。
第十二實施方案第十二實施方案的特征在于將具有提高了的傳導(dǎo)率的p-型AlGaN層安置在MQW4/p-型AlGaN鍍層5/p-型GaN層6之外，并且將具有高反射率的Ag電極層安置在整個表面上作為p-電極。因此，在考慮功函時沒有其他金屬電極。這種構(gòu)造體在向下側(cè)的底部有高反射率，因此可以降低在使用其他金屬電極時出現(xiàn)的光吸收，并且可以提高發(fā)光效率。
試驗樣品如下。
(發(fā)明實施例S4(參見圖45))類似于發(fā)明實施例A，在GaN襯底的Ga表面即第一表面上制造如下層狀構(gòu)造體。
/MQW4/Mg-摻雜的p-型Al0.2Ga0.8N層5，該層是鍍層/Mg-摻雜的p-型GaN層6/厚度為5nm的Mg-摻雜的InGaN層32/上述層狀構(gòu)造體的特征在于有一個厚度為5nm的Mg-摻雜的InGaN層32，該層與Mg-摻雜的p-型GaN層6接觸。同樣，盡管在依照第一實施方案的發(fā)明實施例A中，Ni/Au電極層是在處理步驟(a7)中形成的，但不進行處理步驟(a7)，取而代之，形成厚度為100nm的Ag電極層33。
(比較實施例T5)在第一實施方案發(fā)明實施例A的構(gòu)造體中，形成與Ni/Au電極層接觸的厚度為100nm的Ag電極層。
(實驗和結(jié)果)在發(fā)明實施例S4中，p-型InGaN層32和p-型GaN層6接觸，因而受主能級低。因此，載流子濃度增加，而且即使安置與p-型InGaN層32接觸的功函不是很大的Ag反射膜33作為p-電極，Ag反射膜33和p-型InGaN層32之間的接觸電阻也不變得很大。對發(fā)明實施例S4發(fā)光器件的驅(qū)動電壓和比較實施例T5發(fā)光器件的驅(qū)動電壓進行對比。它們之間的差異小于0.05V，沒有發(fā)現(xiàn)顯著差異。
當(dāng)施加20mA的電流時，發(fā)明實施例S4產(chǎn)生的光輸出為11.5mW，而比較實施例T5為9.6mW。發(fā)明實施例A產(chǎn)生的為8mW。
如前所述，發(fā)明實施例S4產(chǎn)生更高的光輸出，因為沒有Ni/Au電極層，光沒有被Ni/Au電極層吸收，從發(fā)光層傳播至p-半導(dǎo)體層側(cè)的光在Ag層處以88％的反射率被反射。另一方面，在比較實施例T5中，p-電極層處的光反射率為70％吸收率×Ni/Au×Ag反射率×70％再吸收率＝44％，很低。結(jié)果，在發(fā)明實施例S4中，送出到外面的光輸出是比較實施例T5的1.2倍。
此外，盡管在本實施方案中，采用Ag膜作為p-電極，但是可以采用任何材料，只要該材料具有高反射率并且與p-型InGaN層32的接觸電阻不是很大即可。例如，可以采用Al或者Rh。
第十三實施方案第十三實施方案的特征在于將作為p-電極的Ni/Au層離散安置，所述的Ni/Au層與p-型GaN層接觸電阻小，并且涂覆Ag膜，以填充間隙以提高光輸出。圖46是針對p-電極的剖視圖。Ni/Au電極層12a以預(yù)定的間隔安置在外延層向下側(cè)的底部上。而且，安置Ag層33，以填充其間并覆蓋外延層向下側(cè)的底部和Ni/Au電極層12a。圖47是透過p-電極上部觀察到的p-電極的平面圖。
離散的Ni/Au電極層12a的間距通常為3μm。間距3μm是基于在典型的p-型GaN層和p-型InGaN鍍層中，由于其電阻率，最好的電流擴散范圍的直徑為6μm。即，通過將間距設(shè)置在3μm，來自離散電極的電流能夠達到相鄰電極。為了使電流流經(jīng)電極層時不產(chǎn)生不連續(xù)性，可以將間隔設(shè)置在3μm以下。但是，如果間隔過小，引出的光的有效量將被離散安置的Ni/Au電極層所降低。
例如，當(dāng)離散的Ni/Au電極的面積比為20％時，按照圖47和48所示的p-電極構(gòu)造體，獲得的光反射率(計算值)＝88％的反射率×80％的面積比+40％的反射率×20％的面積比＝78％(計算值)?；谠撚嬎?，實際制造具有上述構(gòu)造體的p-電極并測定光輸出。試驗樣品如下。
(發(fā)明實施例S5)發(fā)明實施例S5是按照和第一實施方案的發(fā)明實施例A相同的制造工序制造的。但是，在p-電極的制造步驟(a7)中，形成與p-型GaN層接觸的厚度為4nm的Ni層，并在其整個表面上形成厚度為4nm的Au層。然后，使用抗蝕劑掩模進行圖案形成，形成離散分布的Ni/Au電極(參見圖46和47)。然后，將其在惰性氣體氣氛中進行熱處理，以將接觸電阻改變?yōu)?E-4Ω·cm2。在整個表面上形成Ag層，以填充Ni/Au電極的間隙并覆蓋Ni/Au電極，形成反射型電極。離散安置的Ni/Au層在p-型GaN層上的面積為20％，Ag的面積為80％。而且，Ni/Au電極層12的間隔為3μm(參見圖48)。
(比較實施例T6)按照和第一實施方案的發(fā)明實施例A相同的制造工序在GaN襯底上形成層狀構(gòu)造體。至于p-電極，按照制造步驟(a7)在整個表面上形成與p-型GaN層接觸的Ni/Au層并將其進行熱處理。然后，不同于發(fā)明實施例A的構(gòu)造體，在整個表面上形成與Ni/Au層接觸的Ag層(參見圖49)。
為了比較，圖50顯示了在與發(fā)明實施例A相同的發(fā)光器件中光進入下側(cè)的發(fā)射行為。
(實驗和結(jié)果)對如上所述制造的各個發(fā)光器件施加20mA的電流，并測定光輸出。發(fā)明實施例S5產(chǎn)生的光輸出為11.5mW，而比較實施例T6產(chǎn)生的光輸出為9.6mW。而且，從活性層進入安裝側(cè)(下側(cè))的光中，在p-電極反射然后從發(fā)射表面發(fā)出的光的比率達到88％(參見圖48)。相反，比較實施例T6的比率為67％(圖49)。另一方面，發(fā)明實施例A的上述比率為40％(圖50)。
在發(fā)明實施例S5中，占p-電極80％的Ag以88％的反射率反射了80％的進入下側(cè)的光，而占p-電極20％的Ni/Au層以高于40％的反射率(不是簡單的40％的反射率)反射了20％的光。結(jié)果，發(fā)明實施例S5的上述比率為86％。在比較實施例T6中，光被安置在Ni/Au層下側(cè)的Ag層進一步反射，因此由反射光數(shù)量，上述比率變得大于發(fā)明實施例A的比率。
無需贅述，比較實施例T6屬于最廣泛意義上的發(fā)明實施例。將其定義為比較實施例是為了便于解釋本實施方案。
上述Ni/Au電極層可以被Pt電極層或者Pd電極層代替。而且，反射型電極Ag層也可以被Pt層或者Pd層代替。
類似地，當(dāng)Ni/Au電極的面積比為10％時，施加20mA電流時光輸出為11.8mW，而當(dāng)Ni/Au電極的面積比為40％時，施加20mA電流時光輸出為10.6mW。因此，根據(jù)面積比，發(fā)明實施例S5產(chǎn)生的光輸出高于比較實施例T6產(chǎn)生的光輸出。但是，本發(fā)明人的實驗已經(jīng)證明，當(dāng)Ni/Au電極的面積比低于10％，為2％時，發(fā)明實施例S5的光輸出只有9.6mW，和比較實施例T6相同，在Ni/Au電極周圍產(chǎn)生了明顯的光發(fā)射不均勻性。
第十四實施方案本發(fā)明的第十四實施方案的特征在于除去從GaN襯底擴展到外延層的多個平行的片狀晶體反轉(zhuǎn)域，并且將p-電極安置在片晶反轉(zhuǎn)域的各個間隙區(qū)域中。在GaN襯底中，片狀晶體反轉(zhuǎn)域是平行于GaN襯底的厚度方向分布的，并且以條狀形式出現(xiàn)在GaN襯底的主表面上，而且片狀晶體反轉(zhuǎn)域擴展到外延層2、3、4、5和6。在圖51和52中，片狀晶體反轉(zhuǎn)域以晶格形式安置在主表面上。在制造氮化物半導(dǎo)體襯底時，位錯束(＝芯)集中的區(qū)域具有與周圍晶體排列相反轉(zhuǎn)的晶體排列。因此，片狀晶體反轉(zhuǎn)域和位錯束在以下是相同的，晶體排列與周圍區(qū)域的排列是反轉(zhuǎn)的。兩者的差別在于在位錯束情況下，位錯集中成條形或者粗-線形狀，因而晶體反轉(zhuǎn)域為條形，而在片狀晶體反轉(zhuǎn)域情況下，晶體反轉(zhuǎn)域為片形。即，在片狀晶體反轉(zhuǎn)域情況下，位錯在平面區(qū)域中的分布密度高于厚度方向。
本實施方案的特征在于外延層中的晶體反轉(zhuǎn)域被完全除去，而且在GaN襯底中的晶體反轉(zhuǎn)域也被除去至在第一主表面?zhèn)鹊念A(yù)定深度，然后分離各個外延層，并且在各個分離的外延層上提供p-電極(參見圖53)。片狀晶體反轉(zhuǎn)域可以是晶格狀反轉(zhuǎn)域，其中片狀晶體反轉(zhuǎn)域在主表面上相互嵌插，或者可以是平行排列，其中片狀晶體反轉(zhuǎn)域在主表面上以固定方向排列的方式分布，如稍后所述。
(發(fā)明實施例S6)在圖51和52所示的GaN襯底中，在外延層側(cè)的第一主表面的表面取向為(0001)表面或者c-平面。與第一主表面對稱的晶體反轉(zhuǎn)域是(0001)表面或者c-平面，并且是反轉(zhuǎn)c軸生長的。在c-平面中，該表面是排列Ga原子的Ga表面，而在晶體反轉(zhuǎn)域中，該表面是排列N原子的N表面。在發(fā)明實施例S6中，采用這樣一種GaN襯底，其中寬度為30μm的晶體反轉(zhuǎn)域在第一主表面上以晶格形式按照100μm的間隔排列。該晶體反轉(zhuǎn)域擴展到形成在GaN襯底上的外延膜上。
依照與發(fā)明實施例A相同的制造方法(參見發(fā)明實施例A的步驟(a1)～(a6))，使用上述GaN襯底形成層狀構(gòu)造體。在形成p-電極的步驟中，進行如下工序代替(a7)。即，通過使用只覆蓋如圖52所示的擴展到p-型GaN層上的晶體反轉(zhuǎn)域的掩模圖案，在掩模間隙處的c-平面上形成p-電極，然后移走掩模圖案。
接著，將半導(dǎo)體襯底保持在80℃的8N(當(dāng)量濃度)-KOH中，上述GaN襯底的整個第二主表面(背面)被掩模所覆蓋，通過從外延層例如p-型GaN層蝕刻到GaN襯底的內(nèi)部，以除去第一主表面上的晶體反轉(zhuǎn)域，從而形成槽52。片狀晶體反轉(zhuǎn)域51是具有高位錯密度的位錯集中區(qū)域，因而容易被KOH蝕刻除去。蝕刻到GaN襯底中的深度是從外延層和GaN襯底之間的界面到GaN襯底內(nèi)部150μm的深度處。然后，除去掩模，并且沉積絕緣膜以填充槽52(圖53)。
(試驗和試驗結(jié)果)將上述發(fā)明實施例S6構(gòu)建成發(fā)光器件并施加20mA的電流。該發(fā)光器件產(chǎn)生的光輸出為9.6mW。該光輸出是發(fā)明實施例A的8mW光輸出的1.2倍。
如前所述，盡管在發(fā)明實施例S6中，片狀晶體反轉(zhuǎn)域是以晶格形狀排列的，但不要求片狀晶體反轉(zhuǎn)域必須是晶格形狀，可以是如圖54(平面圖)和圖55(剖視圖)所示的只是在GaN襯底主表面上沿著固定方向平行排列的片狀晶體反轉(zhuǎn)域。而且，即使在氮化物半導(dǎo)體襯底中規(guī)則地存在點狀(實際上為平面狀或者小圓形)晶體反轉(zhuǎn)域的氮化物半導(dǎo)體襯底的情況下，也可以根據(jù)蝕刻孔的大小或者深度，獲得類似于發(fā)明實施例S6的大于發(fā)明實施例A的光輸出。
第十五實施方案本發(fā)明第十五實施方案的特征在于將熒光板46與GaN襯底1相對地安置在的半導(dǎo)體芯片的上方，并且用樹脂15密封該半導(dǎo)體芯片。這是一種新穎的構(gòu)造體，其中熒光板與GaN襯底相對地安置，在p-向下安裝的構(gòu)造體中形成發(fā)光表面。所采用的試驗樣品是發(fā)明實施例S7和S8以及比較實施例T7。
(發(fā)明實施例S7)發(fā)明實施例S7基本上是依照第三實施方案中所述的發(fā)明實施例F的制造方法制造的。如圖56所示，在p-向下安裝的芯片上方，將熒光板46與GaN襯底1的背面相對地安置，并且用環(huán)氧樹脂15密封該芯片，形成白光發(fā)射器件。
上述熒光板46是用如下制造方法制造的。采用已經(jīng)通過鹵素傳送方法擴散了I(碘)的大塊ZnSSe晶體，且將該大塊ZnSSe晶體在Zn和Cu氣氛中加熱，以將Cu擴散到ZnSSe中。然后，使用粗拋光機將該大塊ZnSSe晶體拋光至厚度為0.5mm，并且切割成能夠容納在引線框中的形狀。熒光板的表面和背面的粗糙度為Rmax＝1μm。
(發(fā)明實施例S8)在發(fā)明實施例S8中，在上述面對GaN襯底的熒光板46的表面46a上形成凸起和凹陷(參見圖57)。凸起和凹陷的高度為2μm，凸起和凹陷的平均間隔為5μm。其它結(jié)構(gòu)與發(fā)明實施例S7的那些相同。
(比較實施例T7)如圖58所示，在p-向上安裝的芯片上方，和芯片相對地安置熒光板46，并且用環(huán)氧樹脂15密封該芯片，形成白光發(fā)射器件。
(試驗和試驗結(jié)果)當(dāng)對由上述GaN襯底構(gòu)建的發(fā)光器件施加10A電流時，獲得如下的發(fā)光輝度。發(fā)明實施例S7產(chǎn)生800lm的輝度，發(fā)明實施例S8產(chǎn)生880lm的輝度，兩者都是高輝度。另一方面，比較實施例T7的輝度為540lm。上述結(jié)果表明在p-向下安裝的構(gòu)造體中，與GaN襯底相對地安置熒光板保證了比在p-向上安裝的構(gòu)造體中安置熒光板有更高的輝度。已經(jīng)證實通過使面對GaN襯底的熒光板表面成為粗糙表面，可以進一步提高輝度。
下面，將列舉本發(fā)明的實施方案，其中有些和上述實施方案是重疊的。
上述GaN襯底已經(jīng)通過氧摻雜而被n-型化，且氧濃度為氧原子1E17/cm3～2E19/cm3，GaN襯底的厚度為100μm～600μm。
通過將氧濃度設(shè)置在1E17/cm3或更高，可以降低GaN襯底的電阻率，并且從p-電極引入的電流可以更有效地擴散通過GaN襯底。因此，可以充分利用活性層的寬度來產(chǎn)生光發(fā)射。同樣，通過將氧濃度設(shè)置在2E19/cm3或以下，可以確保對450nm波長的光的透光率等于或者大于60％，因此可以增加形成發(fā)射表面的GaN襯底的透光率，以確保光輸出。上述氧濃度范圍在p-向下安裝構(gòu)造體中GaN襯底厚度為100μm～600μm的情況下特別有效。
同樣，上述氧濃度處于氧原子5E18/cm3～2E19/cm3范圍內(nèi)，GaN襯底的厚度為200μm～400μm。而且，在第二主表面發(fā)射光的矩形表面的兩邊都等于或者小于10mm。
具有這種構(gòu)造體，可以通過整個發(fā)光表面來產(chǎn)生光發(fā)射，而且可以獲得足夠的光輸出。
同樣，上述氧濃度可以在氧原子3E18/cm3～5E18/cm3范圍內(nèi)，GaN襯底的厚度可以在400μm～600μm范圍內(nèi)。而且，在第二主表面發(fā)射光的矩形表面的兩邊都等于或者小于3mm。同樣，上述氧濃度可以在氧原子5E18/cm3～5E19/cm3范圍內(nèi)，GaN襯底的厚度可以在100μm～200μm范圍內(nèi)。而且，在第二主表面發(fā)射光的矩形表面的兩邊都等于或者小于3mm。
通過如上所述的根據(jù)GaN襯底的厚度適當(dāng)設(shè)置氧濃度和芯片大小，考慮到性能(整個表面均勻發(fā)光，發(fā)光效率)，可以根據(jù)芯片大小，設(shè)置合適的GaN襯底。而且，考慮到制造成本，可以獲得最適宜條件的設(shè)置。
可以采用其中位錯束在第一主表面上以平均4E6/cm2密度分布的GaN襯底。位錯束是通過如下方式產(chǎn)生的將在形成GaN襯底過程中不可避免產(chǎn)生的位錯以線型離散地集中，使它們沿著襯底的厚度方向分布，以增加上述GaN襯底大多數(shù)區(qū)域的結(jié)晶性。
具有這種構(gòu)造體，可以高制造產(chǎn)率地制造具有等于或者高于預(yù)定值的光輸出的發(fā)光器件。
上述位錯束可以以平均為4E2/cm2或更小的密度分布在第一主表面上，而且在第二主表面發(fā)射光的矩形表面的兩邊在200μm～400μm范圍內(nèi)。
在上述小型化發(fā)光器件包含位錯束的情況下，它們的特性的降低是不可避免的，這將直接導(dǎo)致產(chǎn)率的降低。通過如上所述降低位錯束的密度，可以將產(chǎn)率的降低保持在實際生產(chǎn)可接受的范圍內(nèi)。
此外，在上述GaN襯底和n-型AlxGa1-xN層(0≤x≤1)之間，可以安置與GaN襯底接觸的n-型AlGaN緩沖層，并且可以安置與n-型AlGaN緩沖層接觸的n-型GaN緩沖層。而且，可以安置與n-型GaN緩沖層接觸的n-型AlxGa1-xN層(0≤x≤1)。
在上述雜(hetelo)-外延層狀構(gòu)造體的情況下，可以在GaN襯底和n-型AlxGa1-xN層(0≤x≤1)之間安置n-型AlGaN緩沖層和n-型GaN緩沖層，所述的n-型AlxGa1-xN層是活性層的鍍層。
通過在上述GaN襯底和鍍層之間提供n-型AlGaN緩沖層以及n-型GaN緩沖層，可以形成具有優(yōu)異結(jié)晶性的雜-外延的層狀構(gòu)造體。
在GaN襯底包含偏離角為0.10°或更小的區(qū)域以及偏離角為1.0°或更大的區(qū)域的情況下，采用上述層狀構(gòu)造體特別有利。
具有這種構(gòu)造體，即使當(dāng)GaN襯底具有翹曲并且偏離角如上所述變化時，通過在上述GaN襯底和鍍層之間提供n-型AlGaN緩沖層以及n-型GaN緩沖層，可以形成具有優(yōu)異結(jié)晶性的雜-外延的層狀構(gòu)造體。
可以將位錯束分布在上述GaN襯底中，并且可以使位錯束不轉(zhuǎn)移到安置在上述n-型AlGaN緩沖層以及與該n-型AlGaN緩沖層接觸的n-型GaN緩沖層上的外延層。
具有這種構(gòu)造體，即使在采用具有高位錯束密度的GaN襯底時，也可以顯著提高制造產(chǎn)率。即，通過如上所述地安置n-型AlGaN緩沖層和n-型GaN緩沖層，可以基本上除去在包含發(fā)光層的外延層狀構(gòu)造體中的位錯束。即，通過上述n-型AlGaN緩沖層和n-型GaN緩沖層，可以將位錯束終止在GaN襯底或者接近其上的層處。
可以提供安置在下邊、與上述p-型AlxGa1-xN層(0≤x≤1)接觸的p-型GaN緩沖層以及與p-型GaN緩沖層接觸安置的p-型InGaN接觸層。
具有上述構(gòu)造體，可以安置具有優(yōu)異導(dǎo)電性的p-型InGaN接觸層作為在上面安置p-電極的底層。因此，可以降低通過將最重要性放在功函上來選擇p-電極的必要性。所以，可以將最重要性放在反射率等上來選擇p-電極材料。
上述p-型InGaN接觸層的Mg濃度可以在Mg原子1E18/cm3～1E2l/cm3范圍內(nèi)。
具有這種構(gòu)造體，可以充分保證導(dǎo)電性，并且可以使從p-電極引入的電流充分擴散通過整個外延膜。
可以提供由Ag層構(gòu)成的p-電極和上述p-型InGaN接觸層接觸。
具有上述構(gòu)造體，可以提高在支架部分或者發(fā)光器件底部的反射率以減小光損失，從而增加光輸出。
上述GaN襯底包含在厚度方向上和GaN襯底表面內(nèi)連續(xù)延伸的片狀晶體反轉(zhuǎn)域?？梢詮膒-型氮化物半導(dǎo)體層側(cè)、從n-型氮化物半導(dǎo)體層至GaN襯底內(nèi)部的某個位置，除去GaN襯底表面中的片狀晶體反轉(zhuǎn)域和擴展到n-型和在GaN襯底上形成的p-型氮化物半導(dǎo)體層上的片狀晶體反轉(zhuǎn)域。在和左側(cè)p-型氮化物半導(dǎo)體層接觸的情況下，可以在各個p-型氮化物半導(dǎo)體層上提供p-電極。
具有這種構(gòu)造體，可以加寬光引出表面，從而增加光輸出。
在上述構(gòu)造體中，可以用KOH溶液將片狀晶體反轉(zhuǎn)域除去，直至GaN襯底內(nèi)部的某個位置處。
當(dāng)通過KOH溶液除去片狀晶體反轉(zhuǎn)域時，不需要光掩模，而且有可以進行該處理的同時，對氮化物半導(dǎo)體襯底第二主表面進行非鏡面處理處理的優(yōu)點。因此，通過使用KOH溶液，可以降低上述構(gòu)造體的制造成本。
可以提供在p-型氮化物半導(dǎo)體層的上面、與p-型氮化物半導(dǎo)體層接觸的離散安置的第一p-電極，以及由Ag形成的第二p-電極，所述的Ag填充第一p-電極間隙并且覆蓋p-型氮化物半導(dǎo)體層和第一p-電極。
具有這種構(gòu)造體，可以使從p-電極引入的電流在表面內(nèi)充分擴散，并且可以提高反射率以增加光輸出。
在p-型氮化物半導(dǎo)體層表面上離散安置的第一p-電極的覆蓋比率率可以在10％～40％范圍內(nèi)。
具有這種構(gòu)造體，可以確保導(dǎo)電性，并且可以使引入的電流充分擴散通過表面。在上述覆蓋比率率低于10％的情況下，不可能使電流在不產(chǎn)生不連續(xù)性的情況下流經(jīng)外延層。同樣，在上述覆蓋比率率高于40％的情況下，離散安置的p-電極對光引出的效率的負面影響變得顯著。
可以將熒光板安置在離開氮化物半導(dǎo)體襯底、與上述氮化物半導(dǎo)體襯底第二主表面相對的位置上。
通過將熒光板直接安置在構(gòu)成p-向下安裝的構(gòu)造體中發(fā)光部分的氮化物半導(dǎo)體襯底的上方，在熒光板背面反射的光在氮化物半導(dǎo)體襯底表面再次反射，然后朝熒光板方向前進。結(jié)果，可以增加光輸出。
可以對面對氮化物半導(dǎo)體襯底第二主表面的上述熒光板表面進行凸起/凹陷形成處理。
具有上述構(gòu)造體，可以進一步提高光引出效率。
可以利用上述氮化物半導(dǎo)體襯底作為接地構(gòu)件，用于將瞬態(tài)電壓和靜電放電的電能導(dǎo)入到地下。
為了保護發(fā)光器件以免受施加在氮化物半導(dǎo)體襯底和向下安裝的p-型AlxGa1-xN層側(cè)之間的瞬態(tài)電壓和靜電放電的損害，可以利用具有高導(dǎo)電性的氮化物半導(dǎo)體襯底作為接地構(gòu)件，用于將高電壓導(dǎo)入到地下。因此，不需要提供針對上述瞬態(tài)電壓和靜電放電的保護電路，例如包含齊納二極管的電源分支電路。瞬態(tài)電壓和靜電放電是III-氮化物半導(dǎo)體電路故障的主要因數(shù)。當(dāng)?shù)锇雽?dǎo)體襯底具有如上所述的高導(dǎo)電性時，可以將它作為接地構(gòu)件，以顯著減少制造工序和降低制造成本。
上述發(fā)光器件通過施加等于或者低于4V的電壓可以產(chǎn)生發(fā)光。即，通過采用具有高導(dǎo)電性因而有低電阻的氮化物半導(dǎo)體襯底，可以通過施加低電壓將足夠的電流注入發(fā)光層以產(chǎn)生發(fā)光。因此，只需安裝較少的電池，這有助于減小裝備該發(fā)光器件的照明儀器的大小、重量和成本。而且，這樣有效地節(jié)約了電能消耗。
上述氮化物半導(dǎo)體襯底的厚度可以為50μm或更大。
具有這種構(gòu)造體，當(dāng)電流從點狀或者小面積的n-電極流過時，電子隨著它們從GaN襯底表面或者n-型氮化物半導(dǎo)體襯底向內(nèi)部前進而擴散。因此，GaN襯底或者n-型氮化物半導(dǎo)體襯底具有大的厚度是適宜的。在上述襯底厚度小于50μm的情況下，當(dāng)n-電極面積小時，當(dāng)電子達到量子阱構(gòu)造體的活性層時將沒有足夠擴散，因此在活性層中將會有不產(chǎn)生光的區(qū)域和產(chǎn)生光不足的區(qū)域。通過將上述襯底的厚度設(shè)置為等于或大于50μm，即使當(dāng)通過低電阻減小n-電極面積時，電流也將在襯底中充分擴散，并且可以充分加寬活性層中的發(fā)光區(qū)域。更優(yōu)選厚度為75μm或更大。但是，如果厚度太大，襯底的吸收變得顯著，因此厚度等于或者小于500μm是適宜的。
可以以50％或更大的開口比率在上述氮化物半導(dǎo)體襯底的第二主表面上提供電極。
具有這種構(gòu)造體，可以提高在第二主表面的發(fā)光效率。開口比率越高，n-電極吸收的光量越少，因而光輸出越大。因此，優(yōu)選開口比率為75％或更大，更優(yōu)選為90％或更大。
提供在上述氮化物半導(dǎo)體襯底上的電極和該氮化物半導(dǎo)體襯底之間的接觸面積可以為0.055mm2或者更大。
具有這種構(gòu)造體，用8mm平方的半導(dǎo)體芯片可以獲得線性的電流-光輸出特性曲線直至約70A，而不受在電極處熱量產(chǎn)生的影響。
連接上述電極與引線框的焊線的截面面積可以為0.002mm2或更大。
具有這種構(gòu)造體，可以在2A電流下操作發(fā)光器件而不受在導(dǎo)電處熱量產(chǎn)生的影響。
連接上述電極和引線框的焊線的截面面積可以為0.07mm2或更大。
具有這種構(gòu)造體，可以在約70A的電流下操作發(fā)光器件而不受導(dǎo)線處熱量產(chǎn)生的影響。
可以將電極安置在氮化物半導(dǎo)體襯底的兩個或者更多的角上，并且電極和該氮化物半導(dǎo)體襯底之間接觸面積的總和可以為0.055mm2或者更大。而且，連接安置在角上的電極和引線框的焊線的截面面積的總和可以為0.002mm2或更大。
具有這種構(gòu)造體，在半導(dǎo)體芯片的光引出中，對于光幾乎沒有阻礙。
連接安置在角上的電極和引線框的焊線截面面積的總和可以為0.07mm2或更大。
具有這種構(gòu)造體，光引出中幾乎沒有阻礙，并且可以提高光輸出效率。
上述第二主表面中的發(fā)光面積可以為0.25mm2或更大。
具有這種構(gòu)造體，通過提供安排預(yù)定數(shù)量的上述發(fā)光器件，它們可以代替更寬范圍的已有照明儀器。在發(fā)光面積小于0.25mm2的情況下，所采用的發(fā)光器件的數(shù)量變得非常巨大，且它們不能代替已有的照明儀器。在本發(fā)明的上述實施方案中，希望發(fā)光區(qū)域在電流在氮化物半導(dǎo)體襯底中充分擴散的范圍內(nèi)越大越好。這意味著可以使電阻更低且發(fā)光區(qū)域更寬。例如，如發(fā)明實施例F那樣，氮化物半導(dǎo)體襯底的電阻率為0.01歐姆-cm時，可以將發(fā)光區(qū)域設(shè)置在約8mm×8mm。
上述氮化物半導(dǎo)體襯底第二主表面發(fā)光區(qū)域的大小可以等于或大于1m×1mm。上述氮化物半導(dǎo)體襯底第二主表面發(fā)光區(qū)域的大小可以等于或大于3mm×3mm。而且，上述氮化物半導(dǎo)體襯底第二主表面發(fā)光區(qū)域的大小可以等于或大于5mm×5mm。
如上所述，通過加寬發(fā)光表面區(qū)域，可以減少安裝在照明儀器中的發(fā)光器件的數(shù)量。因而可以實現(xiàn)處理步驟數(shù)、部件數(shù)和電能消耗的減少。為了一致，等于或大于1mm×1mm的大小是指包括1mm×1mm的大小。
可以形成上述發(fā)光器件，包括在AlN襯底上形成的發(fā)光器件，使其具有30℃/W或更小的熱阻。
發(fā)光器件的發(fā)光效率由于溫度升高而下降。而且，如果造成過高的溫度升高，發(fā)光器件將受到損害。因此，發(fā)光器件的耐溫性或者熱阻是一個重要的設(shè)計因數(shù)。按照常規(guī)，已經(jīng)將熱阻設(shè)置到約60℃/W(參見上述專利文獻1)。但是，通過如前所述的將熱阻設(shè)置到30℃/W或更小，即使將足夠的電能供應(yīng)到發(fā)光器件時，發(fā)光效率將沒有顯著降低或者發(fā)光器件將不受到損害。上述的將熱阻減小一半是通過使用如上所述的具有低電阻率的GaN襯底而實現(xiàn)的。
此外，在上述發(fā)光器件中，在連續(xù)發(fā)光條件下，溫度升高最大部分的溫度可以為150℃或更低。
具有這種構(gòu)造體，溫度升高最大部分的溫度，即發(fā)光層的溫度，可以為150℃或更低，因此可以確保足夠高的發(fā)光效率。而且，與常規(guī)發(fā)光器件相比，其使用期限可以極大地延長。
優(yōu)選n-型氮化物半導(dǎo)體層的厚度為3μm或以下。
n-型氮化物半導(dǎo)體層通過外延生長形成在氮化物半導(dǎo)體襯底上。如果該層太厚，將需要更長的時間進行膜生長工序，而且材料成本也將增加。通過如前所述地將n-型氮化物半導(dǎo)體層的厚度設(shè)置到3μm或以下，可以獲得顯著的成本降低。更優(yōu)選該層的厚度為2μm或以下。
可以對上述氮化物半導(dǎo)體襯底沒有被電極被覆的第二主表面區(qū)域進行非鏡面處理。
具有這種構(gòu)造體，可以防止發(fā)光層產(chǎn)生的光在第二主表面即發(fā)射表面處反射，由此光被限制在襯底內(nèi)，導(dǎo)致效率降低。無需贅述，可以對層狀構(gòu)造體的側(cè)面進行非鏡面處理。
上述經(jīng)過非鏡面處理的表面是已經(jīng)用氫氧化鉀(KOH)溶液、氫氧化鈉(NaOH)溶液或者氨(NH3)溶液等堿性溶液進行了非鏡面處理的表面。
通過上述非鏡面處理，可以有效地獲得具有大的凸起和凹陷的表面。Ga表面?zhèn)葲]有被蝕刻。
上述經(jīng)過非鏡面處理的表面可以是已經(jīng)用硫酸(H2SO4)溶液、鹽酸(HCl)溶液、磷酸(H2PO4)溶液、氫氟酸(HF)溶液或者其他酸性溶液中至少一種進行了非鏡面處理的表面。
同樣，上述經(jīng)過非鏡面處理的表面可以是已經(jīng)用RIE進行了非鏡面處理的表面。因此，通過干燥處理，可以獲得具有優(yōu)異尺寸精確度的非鏡面表面。而且，通過RIE干法蝕刻或者使用堿性溶液的濕法蝕刻和光刻技術(shù)的組合，可以獲得預(yù)定的凸起/凹陷間隔。
形成在上述p-型氮化物半導(dǎo)體層上的電極可以是由反射率為0.5或以上的材料形成的。
具有這種構(gòu)造體，可以防止在安裝表面?zhèn)鹊墓馕?，并且可以增加向上述襯底第二主表面反射的光量。優(yōu)選反射率更高，為0.7或以上可以安置熒光構(gòu)件來覆蓋上述氮化物半導(dǎo)體襯底的第二主表面。同樣，氮化物半導(dǎo)體襯底可以包含產(chǎn)生熒光的雜質(zhì)或者缺陷中的至少一種。
具有上述構(gòu)造體，可以構(gòu)建白光LED。
本發(fā)明的發(fā)光器件可以包含兩種或更多的上述發(fā)光器件，并且可以將這些發(fā)光器件串聯(lián)。
具有上述構(gòu)造體，可以通過采用高電壓電源，來獲得包含多個安裝在引線框等上的上述高效發(fā)光器件等的照明儀器。例如，汽車電池約12V，因此可以將本發(fā)明的發(fā)光器件以四級或更多級形式串聯(lián)來產(chǎn)生發(fā)光。
同樣，本發(fā)明的發(fā)光器件可以包含兩種或更多的上述發(fā)光器件，并且這些發(fā)光器件可以并聯(lián)。
具有上述構(gòu)造體，可以通過采用高電壓電源，來獲得由上述高效發(fā)光器件構(gòu)成的照明儀器。
發(fā)光器件還可以包括本發(fā)明的其他發(fā)光器件和用于使發(fā)光器件產(chǎn)生發(fā)光的電源電路，而且在電源電路中，將兩個或更多的并聯(lián)部分，其中并聯(lián)了兩種或更多發(fā)光器件，串聯(lián)起來。
具有這種構(gòu)造體，可以使照明儀器的容量和電源容量匹配，同時滿足各個發(fā)光器件的發(fā)光條件。同樣，在照明儀器的容量可以變化的情況下，上述電源電路可以包含并聯(lián)/串聯(lián)的開關(guān)部分，而且可以通過并聯(lián)/串聯(lián)的開關(guān)部分，開關(guān)連在發(fā)光器件上的線路。
工業(yè)適用性作為使用具有高傳導(dǎo)性的氮化物半導(dǎo)體襯底和采用p-向下安裝的結(jié)構(gòu)的結(jié)果，本發(fā)明的發(fā)光器件(1)具有良好的熱輻射性質(zhì)，不需要復(fù)雜的電極形狀，并且能夠高輸出地發(fā)光；(2)具有優(yōu)異的傳導(dǎo)性，不需要用于保護發(fā)光器件以免受到瞬態(tài)電壓和靜電放電傷害的保護電路，能夠大面積發(fā)光，并且具有高的靜電耐壓；(3)折射系數(shù)從發(fā)光層到襯底的降低基本上沒有不連續(xù)性，這導(dǎo)致較少出現(xiàn)發(fā)光層和發(fā)射表面之間的全內(nèi)反射，因此避免了由于全內(nèi)反射造成的效率下降或者側(cè)表面部分上的樹脂變質(zhì)；(4)用低電壓發(fā)光，而不需要大容量電源，并且特別適用于汽車用照明儀器；以及(5)因為其構(gòu)造體簡單，可以容易地低成本制造，并且具有高的可維護性。因此，本發(fā)明可望廣泛用于各種照明產(chǎn)品，包括用于汽車的照明儀器。
權(quán)利要求
1.一種發(fā)光器件，該器件包含氮化物半導(dǎo)體襯底(1)；n-型氮化物半導(dǎo)體層(3)，位于氮化物半導(dǎo)體襯底的第一主表面?zhèn)?；p-型氮化物半導(dǎo)體層(5)，位于第一主表面?zhèn)龋话仓迷陔x氮化物半導(dǎo)體襯底比n-型氮化物半導(dǎo)體層更遠處；和發(fā)光層(4)，位于第一主表面?zhèn)龋话仓迷趎-型氮化物半導(dǎo)體層和p-型氮化物半導(dǎo)體層之間，其中氮化物半導(dǎo)體襯底的電阻率為0.5Ω·cm或更小，p-型氮化物半導(dǎo)體層側(cè)是向下安裝的，以使光從位于氮化物半導(dǎo)體襯底的第二主表面發(fā)出，所述的第二主表面位于第一主表面的另一側(cè)。
2.依照權(quán)利要求1的發(fā)光器件，該器件包含第一p-電極(12a)，該電極離散安置在p-型氮化物半導(dǎo)體層表面上，和p-型氮化物半導(dǎo)體層接觸；和第二p-電極(33)，該電極由Ag、Al和Rh中任何一種形成，填充第一p-電極的間隙，并且覆蓋所述p-型氮化物半導(dǎo)體層和第一p-電極。
3.依照權(quán)利要求2的發(fā)光器件，其中第一p-電極在p-型氮化物半導(dǎo)體層上的覆蓋比率在10％～40％范圍內(nèi)。
4.依照權(quán)利要求1的發(fā)光器件，其中該發(fā)光器件的靜電耐壓為3000V或更高。
5.依照權(quán)利要求1的發(fā)光器件，其中沒有用于保護發(fā)光器件對抗施加在氮化物半導(dǎo)體襯底和所述向下安裝的p-型AlxGa1-xN層側(cè)之間的瞬態(tài)電壓和靜電放電的保護電路。
6.依照權(quán)利要求5的發(fā)光器件，其中沒有針對瞬態(tài)電壓或者靜電放電的包含齊納二極管的電源分支電路。
7.依照權(quán)利要求1的發(fā)光器件，其中通過等于或者低于4V的施加電壓，所述發(fā)光器件產(chǎn)生發(fā)光。
8.依照權(quán)利要求1的發(fā)光器件，其中氮化物半導(dǎo)體襯底的厚度為50μm或更大。
9.依照權(quán)利要求1的發(fā)光器件，其中在氮化物半導(dǎo)體襯底的第二主表面上提供電極，其開口比率為50％或更大。
10.依照權(quán)利要求1的發(fā)光器件，其中提供在氮化物半導(dǎo)體襯底(1)上的電極(11)和氮化物半導(dǎo)體襯底的接觸面積為0.055mm2或以上。
11.依照權(quán)利要求10的發(fā)光器件，其中連接電極(11)和引線框(21b)的焊線(13)的截面面積為0.002mm2或以上。
12.依照權(quán)利要求11的發(fā)光器件，其中連接電極(11)和引線框(21b)的焊線(13)的截面面積為0.07mm2或以上。
13.依照權(quán)利要求10的發(fā)光器件，其中將電極安置在氮化物半導(dǎo)體襯底的兩個或更多的角上，電極和氮化物半導(dǎo)體襯底接觸面積的總和為0.055mm2或以上，而且連接安置在角上的電極和引線框的焊線的截面面積的總和為0.002mm2或以上。
14.依照權(quán)利要求13的發(fā)光器件，其中連接安置在角上的電極和引線框的焊線的截面面積的總和為0.07mm2或以上。
15.依照權(quán)利要求1的發(fā)光器件，其中氮化物半導(dǎo)體襯底第二主表面中的發(fā)光區(qū)為0.25mm2或以上。
16.依照權(quán)利要求1的發(fā)光器件，其中氮化物半導(dǎo)體襯底第二主表面的發(fā)光區(qū)大小等于或大于1mm×1mm。
17.依照權(quán)利要求16的發(fā)光器件，其中氮化物半導(dǎo)體襯底第二主表面的發(fā)光區(qū)大小等于或大于3mm×3mm。
18.依照權(quán)利要求16的發(fā)光器件，其中氮化物半導(dǎo)體襯底第二主表面的發(fā)光區(qū)大小等于或大于5mm×5mm。
19.依照權(quán)利要求1的發(fā)光器件，該器件被構(gòu)建成具有30℃/W或以下的熱阻。
20.依照權(quán)利要求1的發(fā)光器件，其中在連續(xù)發(fā)光條件下，溫度升高最大的部分的溫度為150℃或更低。
21.依照權(quán)利要求1的發(fā)光器件，其中n-型氮化物半導(dǎo)體層的厚度為3μm或以下。
22.依照權(quán)利要求1的發(fā)光器件，其中未被電極被覆的氮化物半導(dǎo)體襯底第二主表面的區(qū)域已經(jīng)經(jīng)過非鏡面處理。
23.依照權(quán)利要求22的發(fā)光器件，其中經(jīng)過非鏡面處理的表面是已經(jīng)通過使用氫氧化鉀(KOH)溶液、氫氧化鈉(NaOH)溶液、或者氨(NH3)溶液、或者其它堿性溶液進行了非鏡面處理的表面。
24.依照權(quán)利要求22的發(fā)光器件，其中經(jīng)過非鏡面處理的表面是已經(jīng)通過使用硫酸(H2SO4)溶液、鹽酸(HCl)溶液、磷酸(H2PO4)溶液、氫氟酸(HF)溶液或者其他酸性溶液中的至少一種進行了非鏡面處理的表面。
25.依照權(quán)利要求22的發(fā)光器件，其中經(jīng)過非鏡面處理的表面可以是已經(jīng)用活性離子蝕刻法(RIE)進行了非鏡面處理的表面。
26.依照權(quán)利要求1的發(fā)光器件，其中提供在p-型氮化物半導(dǎo)體層上的電極(12)由反射率為0.5或以上的材料形成。
27.依照權(quán)利要求1的發(fā)光器件，其中安置熒光構(gòu)件(26)，來覆蓋氮化物半導(dǎo)體襯底的第二主表面。
28.依照權(quán)利要求1的發(fā)光器件，其中離開氮化物半導(dǎo)體襯底、與上述氮化物半導(dǎo)體襯底的第二主表面相對地安置熒光板(46)。
29.依照權(quán)利要求28的發(fā)光器件，其中已經(jīng)對面對氮化物半導(dǎo)體襯底的第二主表面的熒光板的表面進行了凸起/凹陷形成處理。
30.依照權(quán)利要求1的發(fā)光器件，其中氮化物半導(dǎo)體襯底包含產(chǎn)生熒光的雜質(zhì)和缺陷中的至少一種。
31.一種發(fā)光器件，該器件包含兩個或更多個的依照權(quán)利要求1的發(fā)光器件，并且這些發(fā)光器件是串聯(lián)或并聯(lián)的。
32.一種發(fā)光器件，該器件包含依照權(quán)利要求1的發(fā)光器件和用于使發(fā)光器件產(chǎn)生發(fā)光的電源電路，其中在電源電路中，將其中并聯(lián)了兩個或更多個發(fā)光器件的兩個或更多個并聯(lián)部分串聯(lián)起來。
33.一種發(fā)光器件，該器件包含GaN襯底(1)，該襯底是氮化物半導(dǎo)體襯底；n-型AlxGa1-xN層(x在0～1之間)(3)，該層是在GaN襯底第一主表面?zhèn)鹊膎-型氮化物半導(dǎo)體層；p-型AlxGa1-xN層(x在0～1之內(nèi))(5)，在第一主表面?zhèn)?，被安置在離GaN襯底比n-型AlxGa1-xN層更遠處；和發(fā)光層(4)，在第一主表面?zhèn)?，被安置在n-型AlxGa1-xN層和p-型AlxGa1-xN層之間，其中GaN襯底的位錯密度為108/cm2或以下，p-型AlxGa1-xN層側(cè)是向下安裝的，而使光從氮化物半導(dǎo)體襯底的第二主表面發(fā)出，所述的第二主表面位于第一主表面的另一側(cè)。
34.依照權(quán)利要求33的發(fā)光器件，其中GaN襯底已經(jīng)通過氧摻雜被n-型化，氧濃度在氧原子1E17/cm3～2E19/cm3范圍內(nèi)，并且GaN襯底的厚度為100μm～600μm。
35.依照權(quán)利要求33的發(fā)光器件，其中氧濃度在氧原子5E18/cm3～2E19/cm3范圍內(nèi)，GaN襯底的厚度在200μm～400μm范圍內(nèi)，而且在主表面發(fā)出光的矩形表面的兩邊都等于或者小于10mm。
36.依照權(quán)利要求33的發(fā)光器件，其中氧濃度在氧原子3E18/cm3～5E18/cm3范圍內(nèi)，GaN襯底的厚度在400μm～600μm范圍內(nèi)，而且在第二主表面發(fā)出光的矩形表面的兩邊都等于或者小于3mm。
37.依照權(quán)利要求33的發(fā)光器件，其中氧濃度在氧原子5E18/cm3～5E19/cm3范圍內(nèi)，GaN襯底的厚度在100μm～200μm范圍內(nèi)，而且在第二主表面發(fā)出光的矩形表面的兩邊都等于或者小于3mm。
38.依照權(quán)利要求33的發(fā)光器件，其中位錯束(61)以平均4E6/cm2的密度分布在GaN襯底的第一主表面上，所述位錯束是通過如下方式產(chǎn)生的將在形成GaN襯底過程中不可避免產(chǎn)生的位錯以線型離散地集中，使它們沿著襯底的厚度方向分布，以增加GaN襯底大多數(shù)區(qū)域的結(jié)晶性。
39.依照權(quán)利要求33的發(fā)光器件，其中位錯束以平均4E2/cm2或更小的密度分布在第一主表面上，并且在第二主表面發(fā)出光的矩形表面的兩邊在200μm～400μm范圍內(nèi)。
40.依照權(quán)利要求33的發(fā)光器件，其中在GaN襯底和n-型AlxGa1-xN層(x在0～1范圍之內(nèi))之間，放置與GaN襯底接觸的n-型A1GaN緩沖層(31)，安置與n-型AlGaN緩沖層接觸的n-型GaN緩沖層(2)，并且安置與n-型GaN緩沖層接觸的n-型AlxGa1-xN層(x在0～1范圍之內(nèi))(3)。
41.依照權(quán)利要求40的發(fā)光器件，其中GaN襯底包含偏離角為0.10°或以下的區(qū)域和偏離角為1.0°或以上的區(qū)域。
42.依照權(quán)利要求40的發(fā)光器件，其中位錯束(61)在GaN襯底中分布，并且所述位錯束不轉(zhuǎn)移到安置與GaN襯底接觸的n-型AlxGa1-xN層(x在0～1范圍之內(nèi))。
43.依照權(quán)利要求33的發(fā)光器件，該器件包含安置在下側(cè)、與p-型AlxGa1-xN層(x在0～1范圍之內(nèi))(5)接觸的p-型GaN緩沖層(6)；以及安置與p-型GaN緩沖層接觸的p-型AlGaN接觸層(32)。
44.依照權(quán)利要求43的發(fā)光器件，其中p-型AlGaN接觸層(32)的Mg濃度在Mg原子1E18/cm3～1E21/cm3范圍內(nèi)。
45.依照權(quán)利要求43的發(fā)光器件，該器件包含由Ag、Al和Rh任何一種形成、與p-型AlGaN接觸層(32)接觸的p-電極層(33)。
46.依照權(quán)利要求33的發(fā)光器件，其中GaN襯底包含在GaN襯底表面內(nèi)的厚度方向和單個方向上連續(xù)延伸的片狀晶體反轉(zhuǎn)域(51)，從p-型氮化物半導(dǎo)體層側(cè)通過n-型氮化物半導(dǎo)體層至GaN襯底內(nèi)部的某個位置，除去GaN襯底表面中的片狀晶體反轉(zhuǎn)域和擴散到形成在GaN襯底上的n-型和p-型氮化物半導(dǎo)體層上的片狀晶體反轉(zhuǎn)域，并且在與左側(cè)p-型氮化物半導(dǎo)體層接觸的情況下，在各個p-型氮化物半導(dǎo)體層上提供p-電極(12)。
47.依照權(quán)利要求46的發(fā)光器件，其中片狀晶體反轉(zhuǎn)域是用KOH溶液除去的，至GaN襯底內(nèi)部的某個位置。
48.一種發(fā)光器件，該器件包含導(dǎo)電性AlN襯底，該襯底是氮化物半導(dǎo)體襯底；n-型AlxGa1-xN層(x在0～1之間)，該層是在AlN襯底第一主表面?zhèn)鹊膎-型氮化物半導(dǎo)體層；p-型AlxGa1-xN層(x在0～1之內(nèi))，在第一主表面?zhèn)?，被安置在離AlN襯底比n-型AlxGa1-xN層更遠處；和發(fā)光層，在第一主表面?zhèn)?，被安置在n-型AlxGa1-xN層和p-型AlxGa1-xN層之間，其中所述AlN襯底的熱導(dǎo)率為100W/(m·K)或更高，并且p-型AlxGa1-xN層側(cè)是向下安裝的，從而使光從AlN襯底的第二主表面發(fā)出，所述的第二主表面位于第一主表面的另一側(cè)。
全文摘要
公開了一種發(fā)光器件，該發(fā)光器件由于其簡單結(jié)構(gòu)而容易制造，并且能夠長期穩(wěn)定地保持高發(fā)光效率。這種發(fā)光器件在氮化物半導(dǎo)體襯底(1)第一主表面?zhèn)劝琻－型氮化物半導(dǎo)體層(2)，安置在離氮化物半導(dǎo)體襯底(1)比n－型氮化物半導(dǎo)體層(2)更遠處的p－型氮化物半導(dǎo)體層(6)，以及安置在n－型氮化物半導(dǎo)體層(2)和p－型氮化物半導(dǎo)體層(6)之間的發(fā)光層(4)。氮化物半導(dǎo)體襯底的電阻率不超過0.5Ω·cm。發(fā)光器件是以p－型氮化物半導(dǎo)體層側(cè)向下的方式安裝的，從而使光從氮化物半導(dǎo)體襯底的第二主表面(1a)發(fā)出，所述的第二主表面位于第一主表面的另一側(cè)。
文檔編號H01L29/24GK1774821SQ200480009899
公開日2006年5月17日 申請日期2004年8月4日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月26日
發(fā)明者永井陽一, 木山誠, 中村孝夫, 櫻田隆, 秋田勝史, 上松康二, 池田亞矢子, 片山浩二, 吉本晉 申請人:住友電氣工業(yè)株式會社