專利名稱：半導(dǎo)體發(fā)光元件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高亮度半導(dǎo)體發(fā)光元件及其制造方法。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體發(fā)光元件(LED)的光輸出由表示對于注入電流的向光子的變換效率的內(nèi)部量子效率和表示光子從半導(dǎo)體層通過模壓樹脂和空氣而放出到外部的效率的光取出效率的積決定。其中，為了提高光取出效率，增大LED的光輸出，提出了傾斜的側(cè)面的采用、側(cè)面和表面的粗糙化、顯微透鏡、反射防止膜等多種方法。
提高LED的光取出效率的基本考慮方法可以說明如下。光子的光取出效率由于半導(dǎo)體層和周圍介質(zhì)的折射率的不同而受限制，例如當(dāng)用環(huán)氧樹脂密封了半導(dǎo)體層的周圍時，設(shè)計為對于半導(dǎo)體層表面的垂線，只有以不滿27度的角度入射的光子才能取出到外部。因為采用了以27度以上的角度入射的光子被環(huán)氧樹脂界面反射的光學(xué)設(shè)計，所以出現(xiàn)在市場上的LED中，一般在晶體內(nèi)被吸收、消滅，或多次反射后，只有一部分光子取出到外部。因此，用環(huán)氧樹脂密封半導(dǎo)體層的周圍時的光取出效率必然是低效率的。
為了解決該問題，有在側(cè)面設(shè)置傾斜側(cè)面，使從發(fā)光層放出的光子入射半導(dǎo)體層/周圍介質(zhì)界面的角度減小，或者通過使半導(dǎo)體層的表面粗糙化，實現(xiàn)隨機(jī)的半導(dǎo)體層/周圍介質(zhì)界面的角度分布，通過光散射的效果，把更多光子取出到外部的方法。
例如關(guān)于傾斜側(cè)面，在特開平10-341035號公報和特開2001-68743號公報中，通過把LED芯片加工為梯形，使光取出效率提高。另外，關(guān)于側(cè)面或表面的粗糙化，在特開2000-196141號公報、特開平10-200162號公報、特開2000-299494號公報等中，描述了同樣的提案。另外，作為應(yīng)用于實際發(fā)光裝置中的例子，有使用電子束描畫裝置把GaAlAs LED的表面加工成圓錐狀的例子(2001年3月舉辦的第48屆應(yīng)用物理關(guān)連聯(lián)合研討會，發(fā)言編號31a-ZW-10(講稿集p997)東北大學(xué)的石杜氏)。
另外，如果在半導(dǎo)體層表面形成使從半導(dǎo)體層到周圍介質(zhì)的折射率連續(xù)變化，防止光的折射的漸變折射率層，就能提高光取出效率，但是實際上很難在LED表面形成這樣的具有連續(xù)變化的折射率的層?？墒牵贚ED表面形成發(fā)光波長以下的微小的凹凸，即通過使表面粗糙化，能取得與漸變折射率層同樣的提高光取出效率的效果。

發(fā)明內(nèi)容
如上所述，期待著通過使LED側(cè)面帶有傾斜，使其粗糙化，來提高光取出效率，但是會發(fā)生以下的新的問題點。
(1)當(dāng)使斜著切斷側(cè)面的GaP襯底的斜面粗糙化時，由于晶體方位的關(guān)系，只能使四面中的兩面粗糙化，所以必然比四面都粗糙化時的光取出效率低。這就很難說是充分發(fā)揮了本來的發(fā)光層所具有的內(nèi)部量子效率的實力。
(2)是模壓樹脂應(yīng)力的不均勻性導(dǎo)致的芯片可靠性下降的問題。即當(dāng)用環(huán)氧等樹脂封裝在側(cè)面設(shè)置了傾斜的梯形LED芯片時，如果表面電極比背面電極的面積大，從樹脂向LED芯片作用了向上的力。相反，當(dāng)表面電極比背面電極小時，作用了向下的力。這樣作用于芯片的不均勻的力成為形變和破裂的原因，顯著損害了LED的長期可靠性。另外，對LED芯片的過度的應(yīng)力成為芯片剝離、芯片斷開的原因。這樣的樹脂應(yīng)力的問題在以往的長方體形的LED芯片中，因為作用于相對的側(cè)面的力彼此抵消，所以取得了平衡；而在梯形的LED芯片中，因為無法保證芯片形狀的對稱性，所以很難從根本上解決。
本發(fā)明的半導(dǎo)體發(fā)光元件具有與所述發(fā)光元件的發(fā)光層大致平行的矩形狀第一主面；與所述第一主面的各邊平行的矩形狀第二主面，隔著所述發(fā)光層與所述第一主面相對；配置在所述第一主面和所述第二主面之間，具有凹凸的第一～第四側(cè)面。
另外，本發(fā)明的半導(dǎo)體發(fā)光元件具有與所述發(fā)光元件的發(fā)光層大致平行的矩形狀第一主面；與所述第一主面的各邊平行的矩形狀第二主面，隔著所述發(fā)光層與所述第一主面相對；與所述第一主面的相對的一組邊垂直的截面為梯形的相對的第一和第二側(cè)面；與所述第一主面的相對的另一組邊垂直的截面為反梯形的相對的第三和第四側(cè)面。
另外，本發(fā)明的半導(dǎo)體發(fā)光元件具有與所述發(fā)光元件的發(fā)光層大致平行的矩形狀第一主面；與所述第一主面的各邊平行的矩形狀第二主面，隔著所述發(fā)光層與所述第一主面相對；從所述第一主面的相對的一組邊向所述第二主面的對應(yīng)的一組邊延伸，配置為在一個方向受到應(yīng)力的第一和第二側(cè)面；從所述第一主面的相對的另一組邊向所述第二主面的對應(yīng)的另一組邊延伸，配置為在與所述一個方向相反的方向受到應(yīng)力的第三和第四側(cè)面。
另外，本發(fā)明的半導(dǎo)體發(fā)光元件的制造方法中在具有發(fā)光區(qū)域的半導(dǎo)體襯底的第一主面上，使用V字型刀，在一個方向形成第一切口；在所述半導(dǎo)體襯底的與所述第一主面相對的第二主面上，使用V字型刀，在與所述一個方向正交的另一方向形成第二切口；從所述第一和所述第二切口分離芯片；對所述第一和所述第二切口面進(jìn)行濕蝕刻，形成凹凸。
另外，本發(fā)明的半導(dǎo)體發(fā)光元件的制造方法中把具有發(fā)光區(qū)域的半導(dǎo)體襯底分離為芯片；
使用氟酸，對所述芯片進(jìn)行濕蝕刻，形成凹凸。


下面簡要說明附圖。
圖1是表示本發(fā)明的實施例1的半導(dǎo)體發(fā)光元件(LED芯片)的構(gòu)造的立體圖。
圖2A～2C是表示圖1所示的LED芯片的側(cè)視圖和俯視圖。
圖3A～3D是表示本發(fā)明的實施例1的LED芯片的制造方法的步驟圖。
圖4A～4C是表示本發(fā)明的實施例1的LED芯片的制造時的晶片的狀態(tài)的圖。
圖5A～5F是表示本發(fā)明的實施例1的LED芯片的粗糙加工方法的圖。
圖6是長方體型LED芯片的外觀圖。
圖7是金字塔型LED芯片的外觀圖。
圖8是表示本發(fā)明的實施例1的變形金字塔型LED芯片的亮度的測定結(jié)果的曲線圖。
圖9是表示本發(fā)明的實施例1的變形金字塔型LED芯片的可靠性的測定結(jié)果的曲線圖。
圖10A～10J是表示本發(fā)明的實施例1的變形例的LED芯片的制造方法的步驟圖。
圖11是表示本發(fā)明的實施例2的半導(dǎo)體發(fā)光元件(LED芯片)的構(gòu)造的立體圖。
圖12A～12D是表示本發(fā)明的實施例2的LED芯片的制造方法的步驟圖。
圖13是表示凹凸的有無的LED的亮度的測定結(jié)果的曲線圖。
圖14是表示LED的凹凸周期與亮度的關(guān)系的曲線圖。
具體實施例方式
下面，將參照附圖描述本發(fā)明的各種實施例。須指出的是，在附圖中，對相同或相似的部分采用了相同或相似的參照編號，并且省略或簡化了對相同或近似的部分和元件的描述。
實施例1圖1是表示本發(fā)明的實施例1的半導(dǎo)體發(fā)光元件(LED芯片)的構(gòu)造的立體圖，圖2A、2B是圖1所示的LED芯片的側(cè)視圖，圖2C是它的俯視圖。
該LED芯片形成由例如對支撐襯底41采用GaP、對發(fā)光層42采用InGaAlP的LED晶片(例如厚度150μm)制作的六面體的基本形狀。正交形成了上表面(第一主面)15即長方形(例如長邊300μm，短邊160μm)和底面(第二主面)10即長方形(例如長邊300μm，短邊126μm)，在第一～第四側(cè)面11、12、13、14中，相對的第一和第二側(cè)面11、12以相同的形狀、相同尺寸的梯形形成，剩下的相對的第三和第四側(cè)面13、14以把第一和第二側(cè)面11、12的梯形翻轉(zhuǎn)180度的反梯形形成。
具體而言，長方形即上表面15的兩條短邊成為梯形即第一和第二側(cè)面11、12的上邊，第一和第二側(cè)面11、12的底邊成為長方形即底面10的長邊。另外，長方形即上表面15的兩條長邊成為梯形即第三和第四側(cè)面13、14的底邊，第三和第四側(cè)面13、14的上邊成為長方形即底面10的短邊。據(jù)此，如圖2A所示，成為該LED芯片的側(cè)面11、12對于芯片上表面15的垂線M所成角度α具有約正30度的傾斜，并且如圖2B所示，第三和第四側(cè)面13、14對于芯片上表面15的垂線M所成角度β具有約負(fù)30度的傾斜的構(gòu)造。即構(gòu)成芯片的側(cè)面的第一～第四側(cè)面11～14由對于上表面15具有相同的傾斜角α的相對的第一和第二側(cè)面11、12(或第三和第四側(cè)面13、14)、和具有與第一和第二側(cè)面11、12相同大小的負(fù)的傾斜角β的相對的第三和第四側(cè)面13、14(或第一和第二側(cè)面11、12)構(gòu)成。
而且，成為各面10～15的晶體方位為底面10為(-100)，第一側(cè)面11為(-1-1-1)P面，第二側(cè)面12為(-111)P面，第三側(cè)面13為(11-1)P面，第四側(cè)面14為(1-11)P面，并且上表面15為(100)的發(fā)光層(InGaAlP)，所有的側(cè)面11～14由[111]P面或具有與它相近的晶體方位的晶體面構(gòu)成，據(jù)此，各側(cè)面11～14以凹凸(粗糙)的間隔為例如1μm左右實現(xiàn)了粗糙化(粗糙加工)。在實施例1中，凹凸的間隔約為1μm左右，但是如果在約0.5～5μm的范圍內(nèi)，就能取得同樣的效果。
在這樣的構(gòu)造的實施例1的LED芯片中，因為以往最多只能加工兩個側(cè)面的側(cè)面的粗糙化能對所有的四個側(cè)面進(jìn)行，所以能大幅度提高光取出效率。因為采用了左右、上下對稱的形狀，所以樹脂模壓的應(yīng)力均等地作用于芯片上，結(jié)果能提高可靠性。
下面，參照圖3A～3D和圖4A～圖4C說明上述形狀(以下稱作變形金字塔型)的LED芯片的制造方法。
(a)如圖3A所示，在例如對支撐襯底41采用GaP、對其上部的發(fā)光層42采用InGaAlP的厚度150μm的LED晶片(半導(dǎo)體襯底，參照圖4A)40的上表面，形成保護(hù)層43。因為與支撐襯底41的種類無關(guān)，基本的工藝都是共通的，所以如果襯底對于發(fā)光波長幾乎透明，則發(fā)光層42當(dāng)然可以適應(yīng)InGaN、GaAs、GaAlAs、GaAsP等各種LED。
(b)如圖3A所示，把該LED晶片40固定于切片30上，對于LED晶片40，使用頂端角60度的截面為V字型的刀20，在一個方向切割，形成第一切口51(參照圖4B)。在切割時，第一切口51的深度設(shè)定為不使LED晶片40完全分離。即以300μm的間隔，從晶片表面例如切入到120μm的深度。因為刀的頂端角為60度，所以芯片側(cè)壁的傾斜為30度。
(c)接著，把LED晶片40從切片30剝離，如圖3B所示，使表面背面翻轉(zhuǎn)，再次固定在切片31上。這時，因為在最初的切割中，設(shè)定了不會發(fā)生完全切割或晶片斷裂的第一切口51的深度，所以能容易地進(jìn)行從切片的分離和重貼。把LED晶片40固定在切片31上后，在與表面一側(cè)的第一切口(切割線)51正交的方向切割背面，形成第二切口52(參照圖4C)。
如上所述，刀的頂端角為60度，相當(dāng)于芯片的高度的襯底厚度為150μm，以300μm的間隔，從晶片表面切入到120μm的深度后，使表面背面翻轉(zhuǎn)，在背面以300μm的間隔進(jìn)行完全切割。用這樣的切片條件，形成表面為長邊300μm，短邊160μm，背面為長邊300μm，短邊126μm的長方形。這樣，通過設(shè)定襯底的厚度、刀的頂端角、切割的間隔、切削殘余厚度，就能實現(xiàn)各種大小、形狀的變形金字塔型芯片。
須指出的是，如果在切割后，能可靠地使用斷裂等方法分離芯片，則背面的切割可以是完全切割、半完全切割的任意一種。
(d)如上所述進(jìn)行了切割后，如果進(jìn)行斷裂，則如圖3C所示，產(chǎn)生裂紋53，分離為各LED芯片48，這時，通過把切片31拉長，如圖3D所示，就在切片31上隔著保護(hù)層43，得到了由所有的側(cè)面為{111}P面或具有與此相近的晶體方位的晶體面構(gòu)成的變形金字塔型LED芯片48。
下面，使用圖5A～5F，說明對如上所述而得到的變形金字塔型LED芯片的表面進(jìn)行粗糙化加工的方法。如果把LED芯片48的側(cè)面以發(fā)光波長程度的周期進(jìn)行粗糙化(粗糙化加工)，就可以認(rèn)為粗糙化加工層是半導(dǎo)體的凹凸，并且是具有真空平均有效折射率相同的混合層。因此，能實現(xiàn)具有準(zhǔn)連續(xù)折射率的反射防止膜，能期待亮度的大幅度提高。在本發(fā)明的實施例1中，與使用了電子束描畫裝置(EB)和反應(yīng)性離子蝕刻(RIE)等裝置的工藝相比，能進(jìn)行基于能以低成本實現(xiàn)粗糙化的濕蝕刻的粗糙化加工。
(a)首先，如圖3D所示，在切片31上接合了各個變形金字塔型LED芯片48的狀態(tài)下，如圖5A所示，隔著LED芯片48，在與切片31相對的一側(cè)再粘貼耐酸性薄片32。
(b)然后，如圖5B所示，使表面背面翻轉(zhuǎn)，剝離了切片31后，把耐酸性薄片32上的各LED芯片48群如圖5C所示，浸漬在鹽酸和過氧化氫水的混合液60中，除去切割的側(cè)面的破碎層，使該表面光滑。
(c)然后，進(jìn)行水洗，如圖5D所示，浸漬在鹽酸61中，如果用鹽酸蝕刻LED芯片48的四個側(cè)面(鹽酸蝕刻的條件為60℃，10分鐘)，在四個側(cè)面形成凹凸45。如果用SEM監(jiān)視器觀察形成了該凹凸45的側(cè)面，則該側(cè)面的凹凸的周期大約為0.1～1μm，與可見光的波長同等，或是充分短的周期。
(d)對粗糙化加工后的LED芯片48群進(jìn)行了水洗后，如圖5E所示，浸漬在顯影液62中，除去保護(hù)層43，進(jìn)行水洗和干燥，則如圖5F所示，得到了對所有的側(cè)面都進(jìn)行了粗糙化加工的圖1的變形金字塔型LED芯片48。
須指出的是，在所述粗糙化加工中，因為發(fā)光層42是InGaAlP，所以為了保護(hù)發(fā)光層42免受鹽酸蝕刻，在實施例1中，表示了在切割前預(yù)先用保護(hù)層43保護(hù)發(fā)光層42的情形，但是，如果發(fā)光層42是充分耐蝕刻的材料，就沒必要設(shè)置保護(hù)層43來保護(hù)發(fā)光層42。
為了對支撐襯底41使用了GaP的InGaAlP的LED進(jìn)行粗糙化加工，有必要考慮GaP特有的各向異性蝕刻。通常使用的GaP襯底的表面是(100)面或使(100)面傾斜一些的晶體面。
當(dāng)用鹽酸使GaP上產(chǎn)生凹凸時，粗糙化加工最進(jìn)展的面是{111}P面，在(100)面和(110)面或與它們等價的面上，無法產(chǎn)生凹凸。因此，在使用圖6所示的第一以及第二側(cè)面71、72為(011)以及(0-1-1)，并且第三和第四側(cè)面73、74為(01-1)和(0-11)，上表面以及下表面75以及70為(100)以及(-100)的長方體的GaP襯底的LED的側(cè)面，無法形成凹凸。
可是，如果斜著切割側(cè)面，出現(xiàn)(111)面，就能在該側(cè)面上形成凹凸。例如，為了使襯底的表面為(100)面，(111)面為側(cè)面，因為主軸[100]和主軸[111]所成角度為54.7度，所以用對于晶片表面為90度減去54.7度后得到的35.3度的2倍，即頂端角71.4度的刀進(jìn)行切割。
實際上，如圖7所示，當(dāng)是使用頂端角70度的刀，在與(01-1)方向平行和垂直的方向切割(100)為表面的GaP晶片，并且用鹽酸蝕刻了它的側(cè)面的金字塔型時，在有四面的側(cè)面中的P原子出現(xiàn)在最表面的(11-1)面和(1-11)面的第一和第二側(cè)面81、82上，形成了凹凸，但是在Ga原子出現(xiàn)在最表面的(111)面和(1-1-1)面的第三和第四側(cè)面83、84上未形成凹凸。
把該金字塔型芯片組裝成LED燈，測定了它的亮度，亮度提高到長方體的芯片的1.5倍。即通過在具有四面的側(cè)面中的兩面上形成凹凸，就能使亮度提高50％。因此，如果能使四面上都形成凹凸，就能期待長方體芯片的兩倍的亮度。
在晶體面中，形成了凹凸的面是{111}P面，該面有(-1-1-1)、(11-1)、(1-11)、(-111)等四面。在實施例1中，如上所述，說明了以這四面為側(cè)面的芯片的形狀和實現(xiàn)該形狀的制造方法。
圖8表示了測定實施例1的變形金字塔型LED芯片的亮度的結(jié)果。
在圖8中，作為比較，例如把同一晶片分成三份，一部分是以往的長方體型，一部分是金字塔型，剩下的是變形金字塔型，試制LED芯片，確認(rèn)了基于芯片形狀的光取出效率的提高效果。
使20mA的電流流入芯片，用積分球測定從LED芯片發(fā)出的光量，用劃片制作長方體型的LED芯片，金字塔型和變形金字塔型的LED芯片在分割后，用鹽酸蝕刻形成了凹凸。芯片的厚度為150μm，刀的頂端角度使用了70度。在該條件下，金字塔型的側(cè)面為{111}P面的有兩面，變形金字塔型的側(cè)面為{111}P的面有四面。在各條件下測定的樣品數(shù)為10個。
從圖8可知，與以往的長方體型的LED芯片相比，金字塔型的LED芯片是約1.5倍的亮度，變形金字塔型LED芯片是約1.9倍的亮度。因此，具有四面的側(cè)面中，在兩面上形成了凹凸的效果是亮度提高50％，在剩下的兩面上形成了凹凸的效果是亮度提高40％。
這樣，所述實施例1的變形金字塔型的LED芯片在以往類型的LED芯片中追加切割和濕蝕刻等低成本的工藝，就能實現(xiàn)近2倍的高亮度。
圖9表示了測定所述實施例1的變形金字塔型的LED芯片的可靠性的結(jié)果。
在圖9中，表示了用樹脂模壓的長方體型、金字塔型、變形金字塔型等三種LED芯片，進(jìn)行了-40度、50mA的加速通電試驗的結(jié)果。
在以往的長方體型的LED芯片中，在1萬小時，殘存率為95％，在金字塔型中，殘存率為55％，在變形金字塔型中，殘存率為92％，金字塔型LED芯片的殘存率顯著小。其原因如下所述。
在低溫，LED芯片從模壓的樹脂受到壓縮應(yīng)力。長方體型的LED芯片的側(cè)面從樹脂接受均勻的應(yīng)力，但是在金字塔型中，在斜面，在垂直方向作用了應(yīng)力，結(jié)果，在把LED芯片抬起的方向產(chǎn)生了應(yīng)力。由于這不平衡的應(yīng)力和通電的能量，在變形金字塔型的LED芯片中，貫穿錯位延伸到活性層，發(fā)光效率減小。
另外，雖然變形金字塔型的LED芯片與金字塔型同樣使側(cè)面傾斜，但是傾斜方向不同的兩面彼此抵消了應(yīng)力，不會發(fā)生金字塔型那樣的不平衡應(yīng)力。即當(dāng)是保持了形狀的線對稱性的長方體型的LED芯片和變形金字塔型LED芯片時，作為全體，彼此抵消了作用于LED芯片的應(yīng)力，所以應(yīng)力導(dǎo)致的錯位發(fā)生少，對于長期可靠性是有利的。相反，金字塔型LED芯片破壞了線對稱性，應(yīng)力集中于LED芯片的一部分，所以發(fā)生很多錯位。該錯位導(dǎo)致的亮度下降成為損害長期可靠性的原因。因此，可知實施例1的變形金字塔型的構(gòu)造從可靠性而言是非常有利的構(gòu)造。這樣，通過組合切割和濕蝕刻，以低成本的方法制造實施例1的變形金字塔型的LED芯片，確保了LED芯片的可靠性，實現(xiàn)了高亮度化。
實施例1的變形例關(guān)于圖1所示的構(gòu)造的變形金字塔型的LED芯片的制造方法，在所述實施例1中，預(yù)先制作由所有的側(cè)面11～14為{111}P面或具有與它接近的晶體方位的晶體面構(gòu)成的變形金字塔型LED芯片，然后實施粗糙化加工。在本發(fā)明的實施例1的變形例中，不同之處在于在變形金字塔型LED芯片的制作途中實施粗糙化加工，其他與實施例1同樣，所以省略了重復(fù)的說明。
下面，參照圖10A～圖10J說明實施例2的變形金字塔型LED芯片的制造方法。
(a)首先，如圖10A所示，對于固定在耐酸性薄片32上的LED晶片40，使用頂端角60度的截面為V字型的刀20，在一個方向切割，形成第一切口(參照圖4B)。
(b)然后，如圖10B所示，浸漬在鹽酸和過氧化氫水的混合液60中，除去切割的側(cè)面的破碎層，使該表面光滑。然后，進(jìn)行水洗，如圖10C所示，如果浸漬在鹽酸61中，進(jìn)行鹽酸蝕刻(鹽酸蝕刻的條件為60℃，10分鐘)，就在第一切口51面形成凹凸45。
(c)然后，洗凈并且干燥，如圖10D所示，使進(jìn)行了兩個側(cè)面的粗糙化加工后的LED晶片40表面背面翻轉(zhuǎn)，在與表面一側(cè)的第一切口51正交的方向切割背面，形成第二切口52(參照圖4C)。
(d)如圖10E所示，浸漬在鹽酸和過氧化氫水的混合液60中，除去切割的側(cè)面的破碎層，使該表面光滑。然后，進(jìn)行水洗，如圖10F所示，浸漬在鹽酸61中，進(jìn)行鹽酸蝕刻(鹽酸蝕刻的條件為60℃，10分鐘)，進(jìn)行第二切口52面的粗糙化加工。
(e)然后，洗凈并且干燥，如果進(jìn)行斷裂，則如圖10G所示，產(chǎn)生裂紋53，分離為各變形金字塔型LED芯片48，這時，通過把切片32拉長，如圖10H所示，在隔著變形金字塔型LED芯片48，與切片32相對一側(cè)粘貼耐酸性薄片33。
(f)然后，使表面背面翻轉(zhuǎn)，剝離切片32，如圖10J所示，浸漬在顯影液62中，除去保護(hù)層43，如果進(jìn)行水洗和干燥，如圖10J所示，就得到了對所有的側(cè)面都進(jìn)行了粗糙化加工的圖1所示的變形金字塔型LED芯片48。
這樣，根據(jù)實施例2的LED的制造方法，就能通過切割和濕蝕刻的組合，用低成本的方法制作可靠性高、實現(xiàn)了高亮度化的變形金字塔型LED芯片。
實施例2
如圖11所示，本發(fā)明的實施例2的LED芯片148在GaP的支撐襯底上配置了具有發(fā)光層的外延晶片。支撐襯底具有p型GaP襯底108、設(shè)置在p型GaP襯底108上的高濃度的p型GaP層107。外延晶片具有層疊了高濃度的n型電流擴(kuò)散層102、n型包層103、活性層104、p型包層105以及粘結(jié)層106的結(jié)構(gòu)。發(fā)光層是n型包層103和p型包層105夾著的活性層104。在支撐襯底的p型GaP層107上直接配置了晶片的粘結(jié)層106。
在本發(fā)明的實施例2的LED的制造方法中，使用了不僅在實施例1中描述的{111}P面，還能在其他的面上也形成凹凸的蝕刻劑。作為對GaP的蝕刻劑，除了鹽酸(HCl)，還使用了例如硫酸-過氧化氫水-水(H2SO4-H2O2-H2O)、鹽酸-過氧化氫水-硫酸(HCl-H2O2-H2SO4)、氟酸(HF)、硝酸(HNO3)等。可是，能形成凹凸的是HCl和HF。HCl只對于(111)P面形成凹凸，但是HF對于(111)P面、(111)Ga面以及(110)面能形成凹凸。用任意的蝕刻劑都能在(100)面上形成凹凸。在實施例2中，根據(jù)圖10A～10D所示的剖視工序圖，說明使用HF，在LED的側(cè)面形成凹凸的方法。
(a)首先，如圖12A所示，制作在面方位(100)的n型GaAs襯底101上依次生長了n型電流擴(kuò)散層102、n型包層103、活性層104、p型包層105以及粘結(jié)層106的外延晶片。另外，如圖12B所示，準(zhǔn)備在面方位(100)的p型GaP襯底108上生長了1×1018cm-3左右的高濃度p型GaP層107的支撐襯底。
(b)通過直接粘貼法，在支撐襯底的p型GaP層107的表面上接合外延晶片的粘結(jié)層106的表面。然后，通過研磨或蝕刻等，除去外延晶片的n型GaAs襯底101，使n型電流擴(kuò)散層102的表面露出。然后，如圖12C所示，在p型GaP襯底108的表面和n型電流擴(kuò)散層102的表面，分別通過真空蒸鍍法等淀積金屬，形成電極109和110。
(c)接著，用劃片或切割等方法來分離LED芯片148。在實施例2的LED中，在沿著(110)面劈開的方向垂直分離，成為長方體構(gòu)造。例如當(dāng)用劃片法分離時，把p型GaP襯底108一側(cè)安裝到劃片用薄片上，進(jìn)行劃片。然后，從劃片薄片把n型電流擴(kuò)散層一側(cè)粘貼轉(zhuǎn)移到粘結(jié)薄片上，拉伸粘結(jié)薄片，分離LED芯片148。在該狀態(tài)下，浸漬在HF中，如圖12D所示，在LED芯片148側(cè)面形成凹凸111。HF的濃度例如為49％，蝕刻時間為20分鐘，但是當(dāng)然能適當(dāng)選擇蝕刻條件。通過HF浸漬，在LED芯片148的側(cè)面全體，以1～5μm的周期形成了凹凸111。在基于HF的凹凸111形成后，在流水中洗凈15分鐘，干燥后，把LED芯片148組裝成燈。
如圖13所示，使用通過HF浸漬而在側(cè)面全體形成了凹凸111的LED芯片148的燈與無凹凸的LED芯片的燈相比，亮度約提高了47％。
在本發(fā)明的實施例2的LED中，對于接合的p型GaP襯底108，使用了表面的面方位為(100)面、或從(100)面傾斜0.5～20度，最好為5～15度的晶片。在形成了LED電極109的p型GaP襯底108的背面最好無凹凸。在基于HF浸漬的粗糙化加工中，對于(100)面以及從(100)面傾斜20度以內(nèi)的晶體面不形成凹凸。
當(dāng)為長方體型的LED時，在把(100)面配置為側(cè)面的構(gòu)造中，在四個側(cè)面中雖然有兩個不形成凹凸的(100)面，但是剩下的兩面是能形成凹凸的(110)面。因此，在形成了凹凸的(110)面的兩個側(cè)面中，光取出效率增大，變明亮，而(100)面的兩個側(cè)面變暗。損害了LED的重要特性之一的配光特性。因此，在利用基于HF浸漬的凹凸的LED中，在側(cè)面上不要出現(xiàn)(100)面。在本發(fā)明的實施例2中，(100)面為對配光特性無影響的電極面。這樣，如果把(100)面作為電極面，則長方體構(gòu)造的LED的側(cè)面都是(100)面以外的例如(110)面，所以能實現(xiàn)配光特性良好的高亮度的LED燈。
基于HF浸漬的凹凸的間隔(直徑)很大程度上依存于蝕刻時間和面方位。特別是，有蝕刻時間越長，凹凸的間隔就越大的傾向。如圖12所示，長方體形狀的LED的亮度提高效果在凹凸的間隔約0.5～5μm的范圍中，與沒有凹凸的LED相比，約為1.5倍。
根據(jù)本發(fā)明的實施例2的LED的制造方法，能實現(xiàn)長方體形狀、配光特性好、可靠性高的高亮度的LED。
其他實施例在本發(fā)明的實施例1和實施例2的LED中，使用GaP襯底形成了變形金字塔型的形狀，但是不僅是使用GaP襯底的LED晶片，當(dāng)然也能應(yīng)用于使用對于發(fā)光波長幾乎透明的各種LED，例如使用了藍(lán)寶石襯底和GaAs襯底、InP襯底的LED。另外，本發(fā)明的實施例1和2的構(gòu)造通過切削殘余厚度、側(cè)壁的角度、襯底的厚度、切割的間隔等的組合，就能加工各種形狀，是通用性非常大的構(gòu)造，以該構(gòu)造為基礎(chǔ)，考慮了各種變形。另外，根據(jù)襯底的種類和面方位，作為制造本發(fā)明的實施例1～2的形狀的手段，不僅切割，當(dāng)然也能應(yīng)用線狀鋸、研磨、劈開等技術(shù)。另外，根據(jù)本發(fā)明的主旨，不僅是(100)襯底，當(dāng)然也能應(yīng)用于從(100)偏離任意角度的襯底。
對于本行業(yè)中的專門人士，在學(xué)習(xí)了本發(fā)明后，在不偏離發(fā)明的范圍的前提下，能進(jìn)行各種變形。
權(quán)利要求
1.一種實現(xiàn)了高亮度的發(fā)光元件，包含與所述發(fā)光元件的發(fā)光層大致平行的矩形狀第一主面；與所述第一主面的各邊平行的矩形狀第二主面，隔著所述發(fā)光層與所述第一主面相對；配置在所述第一主面和所述第二主面之間，具有凹凸的第一～第四側(cè)面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光元件，其中所述凹凸的間隔約為0.5～5μm。
3.一種發(fā)光元件，具有實現(xiàn)高亮度的形狀，包含與所述發(fā)光元件的發(fā)光層大致平行的矩形狀第一主面；與所述第一主面的各邊平行的矩形狀第二主面，隔著所述發(fā)光層與所述第一主面相對；與所述第一主面的相對的一組邊垂直的截面為梯形的相對的第一和第二側(cè)面；與所述第一主面的相對的另一組邊垂直的截面為反梯形的相對的第三和第四側(cè)面。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的發(fā)光元件，其中所述第一和第二側(cè)面與所述第一主面、以及所述第三和第四側(cè)面與所述第二主面所成角度約為20～40度的范圍。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的發(fā)光元件，其中所述第一和第二主面的面方位為從[100]面到偏離約20度的范圍。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的發(fā)光元件，其中所述第一～第四側(cè)面中的至少一個面具有凹凸。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的發(fā)光元件，其中所述第一～第四側(cè)面都具有凹凸。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的發(fā)光元件，其中所述凹凸的間隔約為0.5～5μm的范圍。
9.一種發(fā)光元件，具有實現(xiàn)高亮度的形狀，包含與所述發(fā)光元件的發(fā)光層大致平行的矩形狀第一主面；與所述第一主面的各邊平行的矩形狀第二主面，隔著所述發(fā)光層與所述第一主面相對；從所述第一主面的相對的一組邊向所述第二主面的對應(yīng)的一組邊延伸，配置為在一個方向受到應(yīng)力的第一和第二側(cè)面；從所述第一主面的相對的另一組邊向所述第二主面的對應(yīng)的另一組邊延伸，配置為在與所述一個方向相反的方向受到應(yīng)力的第三和第四側(cè)面。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的發(fā)光元件，其中所述第一～第四側(cè)面中的至少一個面具有凹凸。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的發(fā)光元件，其中所述第一～第四側(cè)面都具有凹凸。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的發(fā)光元件，其中所述凹凸的間隔約為0.5～5μm的范圍。
13.一種具有實現(xiàn)高亮度的形狀的發(fā)光元件的制造方法，包含在具有發(fā)光區(qū)域的半導(dǎo)體襯底的第一主面上，使用V字型刀，在一個方向形成第一切口；在所述半導(dǎo)體襯底的與所述第一主面相對的第二主面上，使用V字型刀，在與所述一個方向正交的另一方向上形成第二切口；從所述第一和所述第二切口分離芯片；對所述第一和所述第二切口的切面進(jìn)行濕蝕刻形成凹凸。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的制造方法，其中形成所述凹凸的濕蝕刻是在形成所述第一切口后和形成了所述第二切口后實施。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的制造方法，其中所述凹凸的間隔約為0.5～5μm的范圍。
16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的制造方法，其中所述濕蝕刻用鹽酸進(jìn)行。
17.一種具有實現(xiàn)高亮度的形狀的發(fā)光元件的制造方法，包含把具有發(fā)光區(qū)域的半導(dǎo)體襯底分離為芯片；使用氟酸對所述芯片進(jìn)行濕蝕刻，形成凹凸。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的制造方法，其中所述半導(dǎo)體襯底的面方位是從{100}面到偏離約20度的范圍。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的制造方法，其中所述凹凸的間隔約為0.5～5μm的范圍。
20.根據(jù)權(quán)利要求17所述的制造方法，其中所述芯片的形狀是長方體。
全文摘要
本發(fā)明的半導(dǎo)體發(fā)光元件具有與所述發(fā)光元件的發(fā)光層大致平行的矩形狀第一主面；與所述第一主面的各邊平行的矩形狀第二主面，隔著所述發(fā)光層與所述第一主面相對；配置在所述第一主面和所述第二主面之間，具有凹凸的第一～第四側(cè)面。
文檔編號H01L21/02GK1435898SQ0310353
公開日2003年8月13日 申請日期2003年1月29日 優(yōu)先權(quán)日2002年1月29日
發(fā)明者赤池康彥, 鷲冢章一, 衣川佳之 申請人:株式會社東芝