專利名稱：頭燈的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及發(fā)光裝置，具體地說，涉及一種裝有光源的車用發(fā)光裝置，所述光源包括由氮化物基板形成的發(fā)光器件。本發(fā)明中的發(fā)光器件可以指由氮化物半導(dǎo)體襯底和疊置于其上的半導(dǎo)體層形成的半導(dǎo)體元件的情況，或者它可以單獨指將一半導(dǎo)體芯片置于一個安裝部分內(nèi)并被封閉在樹脂中所器件的情況。另外，可將這一術(shù)語用于指這兩方面意思的情況。再有，可以將半導(dǎo)體芯片簡單地稱為“芯片”。此外，可以將芯片中的基板和在其上形成的外延層簡單地稱為“基板”。
背景技術(shù)：
近來，白色發(fā)光二極管(LED)廣泛地用于照明和袖珍電子裝置，如便攜式信息終端。不過存在有潛力，即今后可將它們用于大的空間中或者整個大面積的照明以及車用頭燈(如日本未審專利公開JP2003-260975)。為了使LED能夠用于大空間或大面積的照明，必須增強(qiáng)LED輸出的光。為做到這一點，必須將大電流加給LED的電極，并且必須解決由于發(fā)熱所引起的溫度升高的問題。
圖61表示當(dāng)前提出的GaN系二極管的結(jié)構(gòu)(日本未審專利公開JP2000-8083)。在這種GaN系二極管中，在藍(lán)寶石襯底101上設(shè)置n-型GaN層102，并在n-型GaN層102與p-型GaN層104之間形成多量子阱103。在多量子阱103處發(fā)生光發(fā)射。p-型GaN層104上形成p-電極105，以形成歐姆接觸。另外，在n-型GaN層102形成n-電極106，以形成歐姆接觸。
p-電極105和n-電極106通過焊接球107、108與安裝部件109相連。安裝部件109(副安裝件)是由Si基板形成的，并形成有保護(hù)結(jié)構(gòu)不受外部沖擊電壓影響的電路。具體地說，為了考慮沖擊電壓，如瞬變電壓及靜態(tài)放電，這乃是III族氮化物半導(dǎo)體，如Ga、Al和In半導(dǎo)體電路故障的主要原因，由齊納二極管等形成功率分路電路(power shunting circuit)，以保護(hù)發(fā)光器件，使發(fā)光器件不接受高的順向電壓和高的逆向電壓的影響。后面會詳細(xì)描述對沖擊電壓的保護(hù)。
在這種GaN系發(fā)光二極管中，為從藍(lán)寶石襯底101的背面發(fā)光，(a1)朝下安裝p-型GaN層104，以及(a2)在n-型GaN層102上形成n-電極層106。有如從圖61之所能看到的，這種GaN系發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。要有(a2)在n-型GaN層102上形成n-電極層106的理由在于因藍(lán)寶石襯底101為絕緣體之故，不能在藍(lán)寶石襯底101上形成n-電極，而這就導(dǎo)致上述結(jié)構(gòu)的復(fù)雜。
上述這種使用藍(lán)寶石襯底的發(fā)光器件中，存在很多其它所建議的有關(guān)發(fā)光器件中所用GaAs系、GaP系和GaN系復(fù)合半導(dǎo)體的工藝，所說的發(fā)光器件還包含用于保護(hù)免受瞬變電壓和靜態(tài)放電影響的電路(見日本未審專利公開JP2000-286457，日本未審專利公開JP平-11-54801，日本未審專利公開JP平-11-220176)。由于GaN系復(fù)合半導(dǎo)體它耐受的逆向電壓很低，特別是在50V左右，而順向耐壓也只有接近150V。于是，強(qiáng)調(diào)有關(guān)提供功率分路電路，用于上面所說的保護(hù)。具體地說，在副安裝Si基板上形成GaN系芯片等，并在Si基板上形成包含齊納二極管等的保護(hù)電路?？梢哉J(rèn)為上述建議的多種保護(hù)電路能夠防止比如等瞬變電壓和靜態(tài)放電等沖擊電壓，而這種瞬變電壓乃是III族氮化物半導(dǎo)體，如Ga、Al和In半導(dǎo)體電路中故障的主要原因。
除了這些需要壓保護(hù)電路的發(fā)光器件之外，還有一些在Si基板上形成的GaN系發(fā)光器件的例子，它們都是導(dǎo)體。具體地說，在一種被廣泛使用的結(jié)構(gòu)中，從采用下述疊層結(jié)構(gòu)的GaN層發(fā)射光(SiC基板上的背面n-電極/SiC基板/n-型GaN層/量子阱結(jié)構(gòu)(發(fā)光層)/p-型GaN層/p-電極)。
采用圖61所示藍(lán)寶石襯底的GaN系發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并且勢必制作成本昂貴。為了有助于多種應(yīng)用中的需求，如車用頭燈，必須使LED廉價，而不歡迎這種結(jié)構(gòu)。另外，由于p-電極105和n-電極106都被設(shè)置于朝下安裝的一側(cè)上，會有多種限制加于電極區(qū)上，特別是p-電極區(qū)上。為了得到具有大電流的高輸出，對于所要形成的p-電極最好具有特別大的面積，但由圖61所示結(jié)構(gòu)所加給的限制最終會限制光的輸出。此外，就消除由電流所產(chǎn)生的熱而言，在一側(cè)布置兩個電極層也不是令人滿意的。
還有，沿平行于n-型GaN層102的襯底方向流過的電流要受到較高的電阻，同時導(dǎo)致熱量的產(chǎn)生，以及加大對驅(qū)動電壓和功率消耗的需求。特別是，如果減小n-型GaN層的厚度，以減少薄膜形成步驟所需的時間，則除了上述有關(guān)發(fā)熱和能耗的問題之外，n-型GaN膜的露出率也被明顯地減小。
同時，一般地可以將這個稱為發(fā)光器件，包括使用藍(lán)寶石襯底的發(fā)光器件，由于散熱面積受到限制和高熱阻(每單位面積由所加給的單位能量引起的溫度升高)的緣故，必須使單個的發(fā)光器件受到限制。特別使在采用藍(lán)寶石襯底的情況下，如上所述，加在p-電極區(qū)域上的限制通常在熱設(shè)計方面幾乎沒有可允許的誤差。
此外，由于在使用藍(lán)寶石襯底的GaN-系LED中散熱面積受到限制，各種為降低發(fā)熱而減小電阻的企圖都會導(dǎo)致使用梳狀結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)使p-電極和n-電極交錯，為的是增大接觸面積。對于這類梳狀結(jié)構(gòu)的加工是困難的，而且不可避免地會引起較高的制作成本。
如上所述，發(fā)光器件中熱條件的設(shè)計有其基本的重要性，并且會由上述各種條件而加給多種限制。任何要緩解這些條件的努力都將導(dǎo)致采用復(fù)雜的電極形狀。
此外，還存在以下的問題。由于藍(lán)寶石的折射率接近1.8，而GaN的折射率約為2.4，所以當(dāng)朝下安裝于藍(lán)寶石襯底上形成的GaN發(fā)光器件，而且藍(lán)寶石襯底的背面是光的出射面時，對于在GaN層與藍(lán)寶石襯底的分界面處具有預(yù)定值或更大入射角的光要發(fā)生全反射，而且這種光是不能出射的。
具體地說，對于入射角θ≥sin-1(1.8/2.4)≈42°光停止于GaN層中，而不能出射。于是，對于藍(lán)寶石襯底的主表面而言，使光發(fā)射效率下降。雖然發(fā)光效率的問題是重要的，但還有其它問題。經(jīng)歷全反射的光通過GaN層傳播并從GaN層的各個側(cè)面出射。由于經(jīng)歷全反射的光是相當(dāng)重要的部分，而且由于GaN層很薄，所以，從所述各個側(cè)面產(chǎn)生的光的能量密度很高。使位于GaN層各個側(cè)面處并暴露于光之下的密封樹脂受到損害，同時發(fā)光器件的壽命下降。
另外，采用GaN系的LED，以如下結(jié)構(gòu)從p-層一側(cè)發(fā)射光，即(SiC基板的背面上的n-電極/SiC基板/n-型GaN層/多量子阱(發(fā)光層)/p-型GaN層/p-電極)，由于p-電極的光吸收率較高，所以不能有效地發(fā)射出高輸出光。如果P-電極的覆蓋率減小，也就是開口率增大，而使光的發(fā)射增多，則p-型GaN層的高電阻就阻止電流流過整個p-型GaN層。結(jié)果，不能激發(fā)整個多量子阱的光發(fā)射，并使光發(fā)射輸出下降。再有，電阻增高，同時就引起熱量的產(chǎn)生以及電源能力方面的問題。此外，如果為了使電流均勻地流過整個p-型GaN層，而將p-型GaN層做得比較厚，則p-型GaN層的光吸收就增大，限制了輸出。
本發(fā)明的目的在于提供一種車用頭燈，它采用因其結(jié)構(gòu)簡單而易于制作的發(fā)光器件，并且所述發(fā)光器件能夠長時間穩(wěn)定地給出較高的發(fā)光效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一種頭燈裝備有包含一個或多個發(fā)光器件的光源，和一個基體部件，用以把光源緊固在車輛上。所述發(fā)光器件包括氮化物半導(dǎo)體襯底；在所述氮化物半導(dǎo)體襯底第一主表面上的n-型氮化物半導(dǎo)體層；位于比所述n-型氮化物半導(dǎo)體層更遠(yuǎn)離所述氮化物半導(dǎo)體襯底處的p-型氮化物半導(dǎo)體層；以及位于所述n-型氮化物半導(dǎo)體層與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，所述氮化物半導(dǎo)體襯底的電阻率不大于0.5Ω·cm，朝下安裝p-型氮化物半導(dǎo)體層一側(cè)，從作為氮化物半導(dǎo)體襯底一個主表明的第二主表面發(fā)射光，所述第二主表面是一個與第一主表面相對的主表面。
按照這種結(jié)構(gòu)，在氮化物半導(dǎo)體襯底的背面(第二主表面)上設(shè)置有n-型電極，它具有低電阻。于是，即使在以低的覆蓋率，也即高開口率形成n-電極的情況下，電流也可以流過整個氮化物半導(dǎo)體襯底。結(jié)果，使光在出射面處被吸收的比率減小，發(fā)光效率得到提高。因而，可由一個或比所需普通器件更少數(shù)量的發(fā)光器件得到足夠的光通量，使得能夠減少為得到頭燈所需光通量而需要的發(fā)光器件的數(shù)目。從而可以較低的成本制作頭燈。當(dāng)然，不僅可以從第二主表面，而且可從各個側(cè)表面發(fā)生光的放出。這用于下面更好地描述的發(fā)光器件。
另外，由于具有較高電阻的p-型氮化物半導(dǎo)體層一側(cè)不被用作光的出射面，所以可將p-型電極層形成于p-型氮化物半導(dǎo)體層的整個表面上，使得能夠采用一種設(shè)計，使得在加給大電流時有效地抑制所產(chǎn)生的熱量。換句話說，明顯地緩解因與熱量有關(guān)的因子所給出的約束。于是，就無需采用插入p-電極和n-電極的梳狀結(jié)構(gòu)，去降低電阻。
此外，GaN襯底出眾的導(dǎo)電性提供優(yōu)良的耐高壓性，而無需有關(guān)瞬變電壓的特殊保護(hù)電路。
再有，由于無需復(fù)雜的加工，所以，很容易使制作成本降低。
將氮化物半導(dǎo)體“襯底”歸于具有足夠厚度的平片狀物體，使得能夠單獨地運送，并與那些在實現(xiàn)過程中不能獨立地保持自身形狀的“膜”和“層”相區(qū)分開。這應(yīng)用于GaN襯底和AlN襯底，下面將有更好的描述。


圖1是表示裝備有本發(fā)明車用頭燈之車輛的示意圖；圖2是表示圖1所示車輛內(nèi)安裝的頭燈的剖面示意圖；圖3是表示本發(fā)明第一實施例發(fā)明樣品A的LED示意圖；圖4是表示包含圖3所示LED發(fā)光層的層狀結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是表示在從晶片取得具有本發(fā)明樣品A之層狀結(jié)構(gòu)的芯片時，晶片狀態(tài)的示意圖；圖6是表示圖5中電極布置的示意圖；圖7是表示比較例樣品B的示意圖；圖8是表示包含比較例樣品B的LED發(fā)光層層狀結(jié)構(gòu)的示意圖；圖9是表示在從晶片取得具有比較例樣品B之層狀結(jié)構(gòu)的芯片時，晶片狀態(tài)的示意圖；圖10是表示圖9中電極布置的示意圖；圖11是表示本發(fā)明樣品A和比較例樣品B中所加給的電流與輸出光之間關(guān)系的示意圖；
圖12是表示本發(fā)明樣品A和比較例樣品B中發(fā)光層處的電流密度與輸出光之間關(guān)系的示意圖；圖13是表示本發(fā)明第二實施例發(fā)明樣品C的LED示意圖；圖14是表示本發(fā)明第二實施例發(fā)明樣品C1的LED示意圖；圖15是圖14所示發(fā)明樣品C1的LED的平面示意圖；圖16是表示比較例樣品E的LED的示意圖；圖17是表示圖16所示比較例樣品E的LED的平面示意圖；圖18是表示本發(fā)明第三實施例發(fā)明樣品F的LED示意圖；圖19是表示在從晶片取得具有發(fā)明樣品F之層狀結(jié)構(gòu)的芯片時，電極布置的示意圖；圖20根據(jù)模擬流過LED芯片的電流的簡化示意圖；圖21是表示本發(fā)明第三實施例的LED的發(fā)光層中電流密度比的示意圖；圖22是表示本發(fā)明第三實施例的LED(無熒光物質(zhì))中輸出光與所加電流之間關(guān)系的示意圖；圖23是表示本發(fā)明第三實施例的LED(無熒光物質(zhì))中輸出光與發(fā)光層處電流密度之間關(guān)系的示意圖；圖24是表示本發(fā)明第三實施例的LED(有熒光物質(zhì)白色)中輸出光與所加電流之間關(guān)系的示意圖；圖25是表示本發(fā)明第三實施例的LED(有熒光物質(zhì)白色)中輸出光與發(fā)光層處電流密度之間關(guān)系的示意圖；圖26是表示本發(fā)明第三實施例的LED的改型樣品F-3的示意圖；圖27是圖26所示LED的平面示意圖；圖28是說明本發(fā)明第四實施例的LED透射系數(shù)測試的簡化示意圖；圖29是表示在圖28所示的透射系數(shù)測試中有多少光透過襯底的示意圖；圖30是表示襯底厚度對透射系數(shù)影響的示意圖；圖31是表示為從晶片采得發(fā)明樣品L的LED而實行元件分離蝕刻之后，本發(fā)明第五實施例中晶片的示意圖；圖32是表示為從晶片采得發(fā)明樣品M的LED而實行元件分離蝕刻之后，本發(fā)明第五實施例中晶片，以及要在蝕刻槽底部形成n-電極的示意圖；圖33是表示為從晶片采得發(fā)明樣品N的LED而實行元件分離蝕刻之后，本發(fā)明第五實施例中晶片，以及要在蝕刻槽底部形成n-電極的示意圖；圖34是表示本發(fā)明第七實施例發(fā)明樣品Q的LED的示意圖；圖35是表示本發(fā)明第七實施例發(fā)明樣品R的LED的示意圖；圖36是表示本發(fā)明第八實施例發(fā)明樣品S和T的LED的示意圖；圖37是表示本發(fā)明第八實施例發(fā)明樣品U的LED的示意圖；圖38是表示本發(fā)明第八實施例發(fā)明樣品W的LED的示意圖；圖39是表示本發(fā)明第九實施例中氧濃度對GaN襯底的電阻率影響的示意圖；圖40是表示本發(fā)明第九實施例中氧濃度對GaN襯底的光(波長450nm)透射系數(shù)影響的示意圖；圖41是表示在由具有不同厚度及氧濃度的GaN襯底制成光發(fā)光元件時，發(fā)光元件的輸出光和電流均勻流過之平面尺寸的示意圖；圖42是表示由外延層繼承的本發(fā)明第十實施例GaN襯底中的芯的示意圖；圖43是表示由已經(jīng)形成孔形缺口之外延層繼承的芯的示意圖；圖44是表示本發(fā)明第十一實施例中相對于一個20mm×20mm GaN襯底中的c-平面偏離角度(Off-angle)分布的示意圖；圖45是表示本發(fā)明第十一實施例結(jié)構(gòu)的示意圖，其中在GaN襯底與AlGaN外覆層之間設(shè)置緩沖層；圖46是表示本發(fā)明第十一實施例中，在使得能夠得到8mW以上光輸出的偏離角度范圍的較寬范圍所得結(jié)果的示意圖；圖47是表示本發(fā)明第十二實施例發(fā)光元件的示意圖；圖48是表示著眼于本發(fā)明第十三實施例發(fā)光元件的p-電極的斷面示意圖；圖49是透視各p-電極所表示的圖48發(fā)光元件的平面示意圖；圖50是表示第十三實施例發(fā)明樣品S5中光的發(fā)射和反射的示意圖；
圖51是表示第十三實施例比較例樣品T6中光的發(fā)射和反射的示意圖；圖52是表示作為第十三實施例比較例樣品而存在的發(fā)明樣品A中光的發(fā)射和反射的示意圖；圖53是表示第十四實施例中，GaN襯底主表面的示意圖，所述襯底上以格柵圖樣形式存在呈片狀的反轉(zhuǎn)結(jié)晶區(qū)；圖54是表示圖53所示片狀反向結(jié)晶區(qū)域的GaN襯底的剖面圖；圖55是表示本發(fā)明第十四實施例發(fā)明樣品S6的剖面圖；圖56是表示含有與圖53的并列布置不同的本發(fā)明第十四實施例片狀結(jié)晶范圍的平面圖；圖57是圖56的剖面圖；圖58是表示本發(fā)明第十五實施例發(fā)明樣品S7中發(fā)射和反射的剖面示意圖；圖59是表示發(fā)明樣品S8中光的發(fā)射和反射的剖面示意圖，這是本發(fā)明第十五實施例的又一實施例樣品；圖60是表示比較例樣品T7中光的發(fā)射和反射率的剖面示意圖；圖61是表示普通LED的示意圖。
具體實施例方式
下面將利用各附圖描述本發(fā)明的實施例和舉例。各圖中同樣或相關(guān)的元件用類似的標(biāo)號表示，并且不再重復(fù)對它們的描述。
(第一實施方式)圖1是表示裝備有本發(fā)明車用頭燈的車輛簡化示意圖。圖2是表示安裝在圖1所示車輛上的頭燈的簡化剖面示意圖。以下將參照圖1和2描述本發(fā)明的頭燈。
如圖1所示，作為本發(fā)明第一實施方式的頭燈82被安置于車輛80車身的前部。當(dāng)車輛80在夜間或者隧道內(nèi)運行時，頭燈82發(fā)光照耀車輛80的前方。
如圖2所示，頭燈82裝配有兩個LED84，它們被設(shè)置在底座86的頂部上，頭燈82還裝配有后蓋92和燈玻璃88，它們構(gòu)成一個外殼，用以保持所述底座86。由所述后蓋92和燈玻璃88構(gòu)成的外殼內(nèi)部有被置于LED84下面的內(nèi)反射板94和被設(shè)置在內(nèi)反射板94下面的照明電路90。底座86還有散熱件的功能，用以將LED84產(chǎn)生的熱量散放到頭燈82的外面去。另外，所述LED的數(shù)目也不限于圖中所示的2個。可以有3個或更多。再有，LED84經(jīng)底座86和后蓋92裝到車上，但也可將LED84直接裝在后蓋92上。在這種情況下，通過在后蓋92上形成散熱板或者通過使它與冷卻部件相連，該后蓋92可起散熱件的作用。此外，可以提供連接部件，使LED84直接與車輛相連，并可將LED84直接安置在這個連接部件上。
安裝在頭燈82上的LED84采用氮化物半導(dǎo)體襯底，這在下面將有述。下面將詳細(xì)描述LED84作為發(fā)光器件的具體結(jié)構(gòu)及其優(yōu)點。
(第一實施例)首先，將按照上述本發(fā)明的LED作為發(fā)光器件安裝在頭燈82上，GaN襯底是LED84中使用的氮化物半導(dǎo)體襯底，將這種GaN襯底與藍(lán)寶石襯底加以比較。圖3上表示本發(fā)明第一實施例頭燈中所用發(fā)明樣品A的LED的示意圖。在GaN襯底1的第一主表面上形成P-電極12和包含發(fā)光層的層狀結(jié)構(gòu)等，所述發(fā)光層的層狀結(jié)構(gòu)等在后面有述。本實施例中，用導(dǎo)電的粘合劑14，將P-電極12朝下安裝在引線框架安裝部件21a上。
GaN襯底1的第二主表面1a是發(fā)射來自發(fā)光層的光的表面，這個表面上設(shè)置有n-電極11。所述n-電極11并不遮蓋整個第二主表面。重要的是，大部分面積不被n-電極11蓋住。如果開孔比率高，則會使因n-電極所致使光受到的阻礙減少，并使發(fā)射的外面去的光的發(fā)射效率提高。
n-電極11通過導(dǎo)線13與引線框架的引線21b電連接。導(dǎo)線13和上述層狀結(jié)構(gòu)由環(huán)氧基樹脂15密封。在上述結(jié)構(gòu)中，圖4表示由GaN襯底1對p-電極形成的層狀結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)。圖4中，將圖3所示的層狀結(jié)構(gòu)反轉(zhuǎn)顛倒。
如圖4所示，在GaN襯底1上形成n-型GaN外延層2，并在其上形成n-型AlxGa1-xN層3。這上面形成由AlxGa1-xN層和AlxInyGa1-x-yN層形成的多量子阱(MQW)4。設(shè)置p-型AlxGa1-xN層5，使多量子阱4插入在它與n-型AlxGa1-xN層3之間。另外，在p-型AlxGa1-xN層5上形成p-型GaN層6。按照上述結(jié)構(gòu)，在多量子阱4處發(fā)射光。另如圖3所示，形成p-電極12，并將它朝下朝下安裝在p-型GaN層6上，使它覆蓋p-型GaN層6的整個上表面。接下去將描述制作發(fā)明樣品A的LED的方法。
(a1)采用偏離c-平面0.5°的GaN偏置襯底(off-substrate)。襯底的電阻率為0.01Ω·cm。位錯密度是1E7/cm2，厚度為400微米。利用四接線端子法從電阻得到電阻率，而用TEM(透射電子顯微鏡)觀測得到位錯密度(下同)。
(a2)采用MOCVD(金屬有機(jī)化學(xué)蒸鍍沉積)，在Ga表面，即GaN襯底的第一主表面上形成層狀結(jié)構(gòu)(Si-摻雜n-型GaN層/作為外覆層的Si-摻雜n-型Al0.8Ga0.8N層/疊置三個由GaN層和In0.15Ga0.85N層構(gòu)成的兩層結(jié)構(gòu)形成的MQW(多量子阱)層/作為外覆層的Mg-摻雜p-型Al0.2Ga0.8N層/Mg-摻雜p-型GaN層)。
(a3)光發(fā)射波長為450nm，通過將4.2K低溫下的PL(光致發(fā)光)強(qiáng)度與298K室溫下的PL強(qiáng)度相比，以簡化方式計算的固有量子效率是50％。
(a4)激發(fā)晶片，以降低Mg-摻雜p-型層的電阻。通過Hall測量確定載流子濃度，而且對于Mg-摻雜p-型Al0.2Ga0.8N層而言為5E17個/cm3，而對于Mg-摻雜p-型GaN層而言為1E18個/cm3。
(a5)利用Cl基氣體從Mg-摻雜p-型層一側(cè)蝕刻到Si-摻雜n-型層一側(cè)，在晶片上實行光刻和RIE(反應(yīng)離子蝕刻)。作為這種蝕刻的結(jié)果，有如圖5所示那樣形元件分隔槽25，并分割各元件。元件分隔槽的寬度L3是100微米。
(a6)在作為GaN襯底第二主表面的里面的N表面上實行光刻、蒸鍍和剝離，在各芯片的中心按400微米的間隔形成直徑(D)為100微米的n-電極(見圖3和圖4)。對于n-電極而言，從底部開始，以與具有如下結(jié)構(gòu)的GaN襯底1接觸的方式形成層狀結(jié)構(gòu)(20nm的Ti層/100nm的Al層/20nm的Ti層/200nm的Au層)。在氮氣(N2)氛圍下對它加熱，得到不大于1E-5Ω·cm2的接觸電阻。
(a7)對于p-電極而言，以與厚度為4nm的p-型層接觸的方式形成Ni層，并在它的頂部上遍及整個表面形成4nm厚的Au層(見圖5和圖6)。在惰性氣體氛圍下對它加熱，得到5E-4Ω·cm2的接觸電阻。
(a8)然后，如圖5和6所示，實行劃線，使得作為側(cè)表面出現(xiàn)芯片分界線50，并使最終的芯片形成發(fā)光器件。在各發(fā)光器件的芯片中，發(fā)光表面是邊長為300微米的正方形，并且發(fā)光層是邊長為300微米的正方形。具體地說，圖6中的L1＝300微米，L2＝400微米。另外，元件分隔槽寬L3＝100微米，而n-電極的直徑D＝100微米。
(a9)參照圖3，將芯片安裝得使芯片的p-型GaN層一側(cè)與引線框架安裝部分21a接觸，產(chǎn)生發(fā)光器件。加給所述安裝部分的導(dǎo)電粘合劑14保護(hù)發(fā)光器件和管腳，并提供連續(xù)性。
(a10)為了給發(fā)光器件提供良好的散熱，將芯片安裝得使發(fā)光器件的p-型GaN層整個表面與所述安裝部分接觸。另外，對引線框采用有良好導(dǎo)電性的CuW基材料。結(jié)果，得到熱阻為8℃/W。
(a11)此外，用引線焊接使n-電極和引線框的引線部分連接，并將環(huán)氧樹脂用于密封所述結(jié)構(gòu)，使發(fā)光器件做成燈。
接下去，簡單描述一種比較例樣品B。圖7中利用導(dǎo)電粘合劑114，將p-電極112朝下安裝在引線框安裝部分上。另外，還利用導(dǎo)電粘合劑114使n-電極與引線框安裝部分121a相連，所述引線框安裝部分121a與和p-電極相連的引線安裝部分分開。層狀結(jié)構(gòu)(圖8)包含發(fā)光層，所述發(fā)光層形成于其上，并與n-型GaN層102的預(yù)定區(qū)域連接。所述n-型GaN層102形成于藍(lán)寶石襯底101上，并且n-電極111形成于前述層狀結(jié)構(gòu)所接觸的區(qū)域的外部區(qū)域。通過導(dǎo)線或?qū)щ娬澈蟿?，使n-電極111與引線框安裝部分121a或引線框引接部分121b電連接。
從發(fā)光層發(fā)射的光通過藍(lán)寶石襯底101被發(fā)射到外面。用環(huán)氧基樹脂115密封上述包含藍(lán)寶石襯底的層狀結(jié)構(gòu)。接下去描述制作比較例樣品B的方法。
(b1)采用偏離c-平面0.2°的藍(lán)寶石絕緣偏置襯底(off-substrate)，藍(lán)寶石襯底的厚度為400微米。
(b2)-(b4)把對發(fā)明樣品A完全相同的操作步驟(a2)-(a4)應(yīng)用于藍(lán)寶石襯底。
(b5)在比較例樣品B的情況下，藍(lán)寶石襯底為絕緣體，因此，類似于p-電極那樣，必須在成膜一側(cè)上形成n-電極。于是，通過光刻或者RIE，利用Cl基氣體，將這個晶片從Mg摻雜p-型層蝕刻到Si摻雜n-型層，露出n-型GaN層，用以形成n-電極。然后實行與發(fā)明樣品A同樣的元件分離(圖9和10)。元件的形狀是邊長為300微米的正方形，其中，n-型GaN層露出的面積為每個元件是邊長為150微米的正方形。具體地說，露出面積的正方形一段的邊長L4為150微米。
(b6)在露出的n-型GaN層上，通過光刻，蒸鍍和剝離方法，形成直徑為100微米的n-電極。厚度、熱處理以及接觸電阻都與發(fā)明樣品A的相同。
(b7)在p-型GaN層上形成p-電極，即去掉具有邊長為150微米的正方形的n-型GaN層露出面積是邊長為300微米的正方形的元件。厚度、熱處理以及接觸電阻都與發(fā)明樣品A的相同。
(b8)-(b9)實行與發(fā)明樣品A完全相同的相應(yīng)步驟。
(b10)有如發(fā)明樣品A那樣，為了有助于發(fā)光器件散放熱量，將發(fā)光器件安裝在框架上，使發(fā)光器件的p-型GaN層的整個表面與之接觸。圖7中的p-型GaN層106與p-電極112之間的接觸面積設(shè)定為0.0675mm2。發(fā)光器件熱量的產(chǎn)生發(fā)生在多量子阱104和p-型GaN層106中，從而，這種熱量的散發(fā)主要由p-電極112的面積決定。在圖7的情況下，n-電極116也通過導(dǎo)電粘合劑114與引線框安裝部分121a連接，但散熱面積實際上為上述接觸面積0.0675mm2。在發(fā)明樣品A中，p-型GaN層6與p-電極12之間的接觸面積為0.09mm2。粘合劑和引線框架的材料都與發(fā)明樣品A的相同。在比較例樣品B中，上述結(jié)構(gòu)反映，熱阻為10.4℃/W，這比發(fā)明樣品A的熱阻大因子1.3，因此是退化了。
(b11)實行與發(fā)明樣品A完全相同的相應(yīng)的步驟。
(實驗和結(jié)果)把發(fā)明樣品A和比較例樣品B安置于積分球內(nèi)，再將預(yù)定的電流加給它們。將經(jīng)聚焦的輸出光的值與檢測器的輸出相比較。圖11示出結(jié)果。圖11中在較為理想的情況下，將電流加給MQW層中而無泄漏，在MQW層中只有較小的非發(fā)光性再結(jié)合，因產(chǎn)生熱量所致的芯片溫度升高也較小，輸出光的值與所加給的電流的增大而成比例地增大。例如，對于加給20mA而言，發(fā)明樣品A產(chǎn)生8mW的輸出，而比較例樣品B產(chǎn)生7.2mW的輸出發(fā)明樣品A主要為GaN系外延膜/GaN襯底的結(jié)構(gòu)，而比較例樣品B主要為GaN系外延膜/藍(lán)寶石襯底的結(jié)構(gòu)。所述藍(lán)寶石襯底的折射率約為1.8，這明顯地小于GaN的2.4的折射率。因此，在比較例樣品B中，光產(chǎn)生于GaN系外延膜中并從這里傳播，比起來，光在GaN系外延膜與藍(lán)寶石襯底之間的界面處趨于全反射。為此原因，比較例樣品B的輸出低于發(fā)明樣品A的輸出。
然而，當(dāng)使電流增大5倍而將100mA電流加給發(fā)明樣品A和比較例樣品B時，發(fā)明樣品A產(chǎn)生5倍的輸出，或者說說40mA，而比較例樣品B只產(chǎn)生25.2mW的輸出(見圖11)。與此同時，有如圖12所示者，發(fā)明樣品A中在MQW發(fā)光區(qū)內(nèi)的電流密度為110A/cm2，而比較例樣品B中為150A/cm2。具體地說，發(fā)明樣品A的MQW發(fā)光區(qū)內(nèi)的電流密度小于比較例樣品B的MQW發(fā)光區(qū)內(nèi)的電流密度。
這意味著發(fā)明樣品A中的散熱面積對于所產(chǎn)生的熱量而言是足夠大的，而且在襯底的第二主表面一側(cè)上設(shè)置n-電極，從而使得沒有電流密度變得足夠大的區(qū)域。另一方面，在比較例樣品B中的散熱面積要小于發(fā)明樣品A中的散熱面積，另外，所述n-電極形成于露出的n-型GaN層上，因此，沿與n-型GaN層平行的方向流過該層的電流密度明顯地增大。結(jié)果，比較例樣品B中進(jìn)一步增大了所產(chǎn)生的熱量。
此外，在發(fā)明樣品A中，與比較例樣品B中不同，是將n-電極和p-電極設(shè)置在相對的位置處的，因此就不可能有電氣的短路。于是，能夠防止增加額外的費用，比如為了防止比較例樣品B中的電氣短路而在p-電極和n-電極之間設(shè)置電絕緣薄膜的費用，其中，比較例樣品B中的各個電極都設(shè)在同一側(cè)。
再有，還得敘述有關(guān)發(fā)明樣品A和比較例樣品B的靜電耐壓的測試結(jié)構(gòu)。通過在發(fā)光器件與靜電荷電電容器之間產(chǎn)生放電以進(jìn)行所述的測試。與此同時，使比較例樣品B在約100V的靜電電壓下遭到破壞。另一方面，發(fā)明樣品A直到大約8000V也不會受到破壞。發(fā)現(xiàn)發(fā)明樣品A的靜電耐壓約為比較例樣品B的差不多80倍。
另外，在發(fā)明樣品A中，在GaN襯底上形成GaN系發(fā)光器件。因此，即使是朝下安裝GaN系發(fā)光發(fā)光芯片，使得從所述GaN襯底的背面發(fā)射光，它們的折射率也不會有所不同。于是，光就能從GaN系發(fā)光發(fā)光芯片傳播到GaN襯底，而不會經(jīng)歷全反射。因此，與采用藍(lán)寶石襯底形成GaN系發(fā)光發(fā)光器件的結(jié)構(gòu)相比，可以使得從GaN襯底的主表面輸出的光增加。此外，將不會從GaN層的側(cè)面有非常集中的光發(fā)射。于是，將不會因密封樹脂而使壽命受到制約。
作為發(fā)明樣品，只描述了一個450nm光發(fā)射波長的舉例，但可由不同的光波長和層狀結(jié)構(gòu)得到同樣的效果。當(dāng)然，采用AlxGa1-xN襯底(其中x大于0而小于等于1)代替GaN襯底，使該襯底有等效的特點，可以得到等效的效果。
(第二實施例)在本發(fā)明的第二實施例中，將要描述一個面積加大的發(fā)明樣品C。這個發(fā)明樣品C的結(jié)構(gòu)與圖3所示的發(fā)明樣品A結(jié)構(gòu)相同。不過，在發(fā)明樣品A中的線度L1為0.3mm(300微米)，而發(fā)明樣品C中加大10倍而為3mm，因而它的面積增大100倍，有如圖13所示者。首先，制作發(fā)明樣品C的方法如下。
(發(fā)明樣品C)(c1)-(c5)執(zhí)行與發(fā)明樣品A完全相同的對應(yīng)步驟，但采用大的GaN襯底。
(c6)通過光刻、蒸鍍和剝離，在GaN襯底表面一側(cè)的第二主表面上，按3.1mm的間隔形成直徑為100微米的n-電極。作為n-電極，從底面與GaN襯底接觸地形成層狀結(jié)構(gòu)(20nm的Ti層/100nm的Al層/20nm的Ti層/200nm的Au層)。在氮氣氛圍下對它加熱，使接觸電阻降低到1E-5Ω·cm2以下。
(c7)執(zhí)行與發(fā)明樣品A完全相同的對應(yīng)步驟。
(c8)然后，實行劃線，形成預(yù)定的形狀，使最終的芯片用作發(fā)光器件。發(fā)光器件是邊長為3mm的正方形。
(c9)-(c11)執(zhí)行與發(fā)明樣品A完全相同的對應(yīng)步驟。然后有如下面那樣制作另一改型的樣品C1，其中n-電極的布局與發(fā)明樣品A有所變化。
(發(fā)明樣品C1)圖14和15是表示發(fā)明樣品C1的視圖，作為發(fā)明樣品C的另一改型例。發(fā)明樣品C1的特點在于將n-電極設(shè)置于GaN襯底的四個角。另外，為了安裝半導(dǎo)體芯片，在引線框架內(nèi)設(shè)置反射杯37，令其圍繞所述半導(dǎo)體芯片。
在制作發(fā)明樣品C1的過程中，執(zhí)行與發(fā)明樣品A完全相同的對應(yīng)步驟。不過，采用四條Au線作為焊接線，而且Au線的斷面直徑為25微米。設(shè)在四角處的每個n-電極的形狀是邊長為45微米的正方形。
接下去敘述比較例樣品D。比較例樣品D具有如圖7所示同樣的結(jié)構(gòu)。不過，在比較例樣品B中，L1為300微米(0.3mm)，而在比較例樣品D中，L1增大10倍為3mm。用于形成n-電極的n-型GaN層部分的尺寸L4為150微米，這與圖7的比較例樣品B的相同。下面說明制作比較例樣品D的方法。
(比較例樣品D)(d1)采用偏離c-平面0.2°的大的絕緣藍(lán)寶石絕緣偏置襯底(off-substrate)。這個襯底厚度為400微米。
(d2)-(d4)執(zhí)行與發(fā)明樣品A完全相同的對應(yīng)步驟。
(d5)在比較例樣品D的情況下，藍(lán)寶石襯底為絕緣體，因此，類似于p-電極那樣，必須在成膜的一側(cè)上形成n-電極。于是，通過光刻或者RIE，利用Cl基氣體，將這個晶片從Mg摻雜p-型層蝕刻到Si摻雜n-型層，露出n-型GaN層，用以形成n-電極。然后實行與發(fā)明樣品A同樣的元件分離。元件的尺寸是邊長為3mm的正方形，因而具有較大的尺寸。n-型GaN層露出的尺寸為每個元件是邊長為150微米的正方形。
(d6)在露出的n-型GaN層上，通過光刻，蒸鍍和剝離方法，形成直徑為100微米的n-型電極。厚度、熱處理以及接觸電阻都與發(fā)明樣品A的相同。
(d7)在p-型GaN層上設(shè)置p-電極，在p-型GaN層中，從邊長是3.1mm的正方形的元件面積除去元件分離槽和用以設(shè)置n-電極的邊長為150微米正方形的n-型GaN層露出面積。厚度、熱處理以及接觸電阻都與發(fā)明樣品A的相同。
(d8)-(d11)實行與發(fā)明樣品A完全相同的相應(yīng)步驟。
以下描述另一個比較例樣品E。比較例樣品E與比較例樣品B和D相同，有如圖16所示者，其中采用藍(lán)寶石襯底，而且p-電極112和n-電極111二者都形成于朝下安裝側(cè)上。但比較例樣品E與它們不同之處在于像圖17中的平面視圖所清楚地表示的那樣，p-電極112具有梳狀，n-電極111設(shè)置于梳齒之間，并在p-電極112和n-電極111之間設(shè)有絕緣體。這設(shè)想要使流過p-電極和n-電極的電流相同，以便防止形成電流密度變得非常大的區(qū)域。下面描述制作這個比較例樣品E的方法。
(比較例樣品E)采用制作比較例樣品D同樣的方法，作為n-電極111，按0.5mm的間隔形成5個寬度為0.1mm的梳狀電極(圖16和17)。在n-型GaN層102的其余表面區(qū)域處形成p-電極，使n-電極111與p-電極112彼此間隔0.1mm。另外，在n-電極與p-電極之間的間隔內(nèi)形成表面保護(hù)用的絕緣體119，為的是防止各電極電氣短路。此外，為了防止短路，在引線框架的安裝部分121a區(qū)域上對應(yīng)于各電極的位置提供導(dǎo)電粘合劑114。將芯片安裝到引線框架上，同時控制芯片與引線框架沿橫向、豎向以及旋轉(zhuǎn)方向的位移。
(實驗和結(jié)果)把發(fā)明樣品C和比較例樣品D安置于積分球內(nèi)，再將預(yù)定的電流加給它們。將經(jīng)聚焦的輸出光的值與檢測器的輸出相比較。例如，在加給20mA的電流時，發(fā)明樣品C產(chǎn)生8mW的輸出，而比較例樣品D產(chǎn)生7.2mW的輸出。另一方面，在加給2A(2000mA)的電流時，發(fā)明樣品C產(chǎn)生100倍即800mW的輸出。但比較例樣品D遭到破壞。
因此，在比較例樣品D不以樹脂密封的條件下，給比較例樣品D加給電流，并用紅外熱攝像儀測量元件的溫度。結(jié)果，發(fā)現(xiàn)在電流沿與n-型GaN層平行的方向通過該n-型GaN層從n-電極集中地流向MQW的發(fā)光部分的區(qū)域，會存在產(chǎn)生異常的發(fā)熱，繼而使比較例樣品D遭到破壞。
于是，與比較例樣品D形成對比，制成了具有如下結(jié)構(gòu)的發(fā)光器件，其中使沿與n-型GaN層平行的方向從n-電極集中地流向MQW的發(fā)光部分的電流分散。對于所加給的20mA的電流而言，比較例樣品E產(chǎn)生7.2mW的輸出，而對于加給2A的電流而言，產(chǎn)生720mW的輸出。因此，比較例樣品E產(chǎn)生的輸出是發(fā)明樣品C輸出的0.9倍。
因此，為了得到接近發(fā)明樣品C的性能，就需要與發(fā)明樣品C相比明顯要復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和制作過程，并因此而使成本增高。
于是，對發(fā)明樣品C和比較例樣品D、E實行靜電耐壓測試。如上所述，通過在發(fā)光器件與之間與靜電荷電電容器之間產(chǎn)生放電以進(jìn)行所述的測試。然后，使比較例樣品D和E在100V的靜電電壓下遭到破壞。另一方面，發(fā)明樣品C直到大約8000V也不會受到破壞。具體地說，發(fā)明樣品表現(xiàn)出足夠高的靜電耐壓，約為各比較例樣品的差不多80倍。
發(fā)明樣品C1具有比50％大得多，幾乎達(dá)到100％的開口率。另外，由于將n-電極11設(shè)置在GaN襯底的各角處，與將它們設(shè)置在中心的情況相比，它們很少傾向于成為對于光的引出的障礙。如圖14所示，在平面視圖中，將各電極設(shè)置在發(fā)光層的外面，因此，n-電極將從不會影響光的引出。于是，發(fā)明樣品C1可以實現(xiàn)比發(fā)明樣品C更大的輸出。
(第三實施例)在本發(fā)明的第三實施例中，確定開口率在發(fā)光表面處的影響和GaN襯底的電阻關(guān)于光輸出的影響。通過改變襯底的面積、p-電極的大小和n-電極的大小進(jìn)行所述開口率的判斷。作為測試樣品，采用有如圖3所示結(jié)構(gòu)的LED。不過，對于一種如圖18所示的測試樣品進(jìn)行某些測試，該樣品具有熒光材料26以形成白色LED。所述測試樣品為三種測試樣品，即發(fā)明樣品F和比較例樣品G、H，其中每一種都包含具有偏離本發(fā)明范圍之電阻率的GaN襯底。對于每個樣品F、G和H，要做成如圖1所示那樣不含熒光材料LED，并由環(huán)氧基樹脂密封，以及如圖18所示的要求具有熒光材料的白色LED。如下確定所述開口率{(p-電極面積-n-電極面積)/p-電極面積}×100(％)。
在發(fā)明樣品F中，L1＝8mm，D＝100微米，開口率幾乎為100％。另外，在比較例樣品G中，L1＝0.49mm，D＝100微米，開口率為97％。在比較例樣品H中，L1＝8mm，D＝7.51mm，開口率為31％。以下將描述制作發(fā)明樣品F和比較例樣品G、H的方法。
(發(fā)明樣品F)(f1)-(f5)執(zhí)行與發(fā)明樣品A完全相同的對應(yīng)步驟。
(f6)然后，如圖19所示，進(jìn)行劃線，形成預(yù)定的形狀，所得芯片用作發(fā)光器件。所述發(fā)光器件是邊長為8mm的正方形。
(f7)-(f11)執(zhí)行與發(fā)明樣品A完全相同的對應(yīng)步驟。
(f12)除上述(f11)外，通過在發(fā)光器件的n-電極一側(cè)安裝熒光材料并用環(huán)氧基樹脂密封發(fā)光器件，制成發(fā)白光的燈，其中所述的發(fā)光器件已在(f10)中被安裝在引線框架上。為此，采用對于1瓦的450nm的光輸出產(chǎn)生180ml熒光材料。
(比較例樣品G)(g1)采用偏離c-平面0.5°的n-型GaN偏置襯底(off-substrate)。選擇GaN襯底的電阻率為0.6Ω·cm，這高于本發(fā)明的小于等于0.5Ω·cm的范圍。GaN襯底的位錯密度是1E7/cm2，厚度為400微米。
(g2)-(g5)執(zhí)行與發(fā)明樣品F完全相同的對應(yīng)步驟。
(g6)然后，進(jìn)行劃線，形成預(yù)定的形狀，所得芯片用作發(fā)光器件。所述發(fā)光器件是邊長為0.49mm的正方形。
(g7)-(g12)執(zhí)行與發(fā)明樣品F完全相同的對應(yīng)步驟。
(比較例樣品H)(h1)采用偏離c-平面0.5°的n-型GaN偏置襯底(off-substrate)。選擇一種n-型GaN偏置襯底的電阻率為0.6Ω·cm，這高于本發(fā)明的小于等于0.5Ω·cm的范圍。GaN襯底的位錯密度是1E7/cm2，厚度為400微米。
(h2)-(h5)執(zhí)行與發(fā)明樣品F完全相同的對應(yīng)步驟。
(h6)然后，進(jìn)行劃線，形成預(yù)定的形狀，所得芯片用作發(fā)光器件。所述發(fā)光器件是邊長為8mm的正方形。
(h7)-(h12)執(zhí)行與發(fā)明樣品F完全相同的對應(yīng)步驟。
(實驗和結(jié)果)(1)對于發(fā)明樣品F和比較例樣品G、H而言，通過模擬，算出電流較為均勻地從n-電極向MQW層傳送的區(qū)域內(nèi)的電流分布。將模擬的結(jié)果反應(yīng)在發(fā)明樣品F和比較例樣品G、H的樣品設(shè)計上。圖20表示電流傳送的原理圖。圖21是表示在距離r處電流密度比的示意圖，其中的r是從MQW發(fā)光層4的中心起的徑向距離。將n-電極中心處的電流密度規(guī)定為1。
(i)發(fā)明樣品F的結(jié)果恰在n-電極下，電流密度為最大值，并且隨著離n-電極距離的增大而減小。另外，電流密度至少為恰在n-電極下的1/3的范圍是一個恰在n-電極下為中心的12mm直徑的范圍。根據(jù)這些結(jié)論，將發(fā)光器件的尺寸設(shè)定是邊長為8mm的正方形，這里包括此值。在作為GaN襯底第二主表面的N-表面上，利用光刻、蒸鍍和剝離等方法，在具有8.1mm間隔的各芯片的中心處形成直徑為100微米的n-型電極。在這種情況下，GaN襯底的N-表面(這里不存在n-電極)面積比率，即開口率，實際為每個元件的100％。厚度、熱處理以及接觸電阻都與發(fā)明樣品A的相同。
(ii)比較例樣品G的結(jié)果電流密度超過恰在n-電極下的1/3的范圍是一個恰在n-電極下為中心的0.7mm直徑的范圍。于是，將n-電極的直徑設(shè)定為100微米，與發(fā)明樣品E一樣，并將芯片的尺寸設(shè)定為邊長是0.49mm的正方形，這被包含于0.7mm的直徑內(nèi)。在GaN襯底的N-表面上，利用光刻、蒸鍍和剝離等方法，在具有0.5mm間隔的各芯片的中心處形成直徑為100微米的n-型電極。在這種情況下，所述開口率約為每個元件的97％。厚度、熱處理以及接觸電阻都與發(fā)明樣品A-E的相同。
(iii)在比較例樣品H中，將芯片尺寸設(shè)定為邊長是8mm的正方形，與發(fā)明樣品E一樣。GaN襯底的電阻與比較例樣品G的相同，并且電流的傳送直徑應(yīng)為0.7mm。因此，為了使電流均勻地流過所述邊長是的8mm的正方形(恰在n-型電極下的電流密度的1/3或更大)，要求所述n-型電極的直徑為7.51mm。因而，在所述第二主表面(光發(fā)射表面)上，利用光刻、蒸鍍和剝離等方法，按8.1mm的間隔形成直徑為7.51mm的n-電極，并將劃線的寬度設(shè)定為0.1mm。在這種情況下，所述開口率約為每個元件的31％。
(2)將被要求沒有熒光材料的發(fā)明樣品F和比較例樣品G、H而言安裝在積分球內(nèi)，然后將預(yù)定的電流加給它們。比較被聚焦和從檢測器輸出的輸出光的值。結(jié)果示于圖22和圖23中。
在加給20mA的電流時，發(fā)明樣品F和比較例樣品G、H分別產(chǎn)生8mW、7.8mW和2.5mW的輸出，這與未形成電極區(qū)域的面積比相一致。發(fā)明樣品F產(chǎn)生最大的光輸出。比較例樣品G產(chǎn)生的光輸出并不像發(fā)明樣品F的那樣大，但仍是比較大的。于是，當(dāng)給它們加以500倍或10A的電流時，發(fā)明樣品F和比較例樣品H分別產(chǎn)生4W和1.3W的輸出，這是與未形成電極區(qū)域的面積比相一致的。
比較例樣品G的輸出按加給的電流成比例地增大，在加給0.26A電流，從而在發(fā)光部分內(nèi)的電流密度為110A/cm2下，所述輸出增大至0.1W。然而，從那時起，隨著因產(chǎn)生熱量所引起的溫度增高，這個輸出達(dá)到飽和狀態(tài)，并且，比較例樣品G因加給10A的電流而遭到破壞。
圖24和25表示對上述三種測試樣品的照明輝度測量結(jié)果。圖24表示對于需要有熒光材料的發(fā)白光的LED所加給的電流與所產(chǎn)生的照明輝度之間的關(guān)系。圖25同樣地表示電流與照明輝度之間的關(guān)系。在發(fā)明樣品F和比較例樣品H中，使用同樣的熒光材料，但照明輝度卻隨著不設(shè)置電極區(qū)域的面積比改變。于是，當(dāng)加給10A的電流時，發(fā)明樣品F和比較例樣品H的照明輝度分別為720lm(流明)/芯片和234lm/芯片。在加給0.26A的電流時，比較例樣品G具有18lm/芯片的熱限，并因加給10A的電流而增大破壞。按照圖24和圖25，只有發(fā)明樣品F在大電流情況下產(chǎn)生高的照明輝度。
此外，在本實施例中，所加給的電流最大為10A，因為如果電流大過這個值，則n-電極處的焦耳熱密度將會變得過大，進(jìn)而將產(chǎn)生過多的熱量。
通過增大n-電極的尺寸或者通過明顯地減小接觸電阻，對于直到70A的最大電流，仍可達(dá)到同樣的效果，這種情況對應(yīng)于110A/cm2的電流密度。
(發(fā)明樣品F-2和F-3)實行有如發(fā)明樣品F同樣的操作過程。在發(fā)明樣品F-2中，形成具有被設(shè)定為1mm直徑D(面積0.785mm2)的n-電極，并將它定位于GaN襯底的中心。在發(fā)明樣品F-3中，使n-電極形成邊長為450微米的正方形，并定位于GaN襯底的四角(見圖26和圖27)。如圖26和圖27所示，被定位于四角的n-電極每個都通過導(dǎo)線連接而與引線框架電連接。連接導(dǎo)線采用斷面直徑為300微米的Au線。兩種情況下的開口率都大致為100％。另外，像發(fā)明樣品C1那樣，使用反射杯37，這是一種杯形的反射體。
像發(fā)明樣品F那樣，將不具有熒光材料的發(fā)光器件安裝在積分球內(nèi)，并加給電流，以產(chǎn)生光。測量從聚焦光線的檢測器輸出的光的值，而且20mA的電流引出8mW的輸出；這個值的500倍的電流，即10A，引出4W的輸出；而70A的電流，則引出28W的輸出。
當(dāng)對于白色發(fā)光的LED使用熒光材料時，可以得到5040lm/芯片的照明輝度。
當(dāng)然，通過設(shè)置多個小的并且是較低電流的發(fā)光器件，也能得到同樣的輸出。不過，這是不實際的，原因在于因為元件的定位精度以及防止電氣短路，將會使整個尺寸變得過大；對每個分立的元件提供連續(xù)性會導(dǎo)致過高成本等緣故，不得不使各個元件互相分開固定的間隔。采用本發(fā)明就能夠避免這些問題，而且，嚴(yán)格地采用與現(xiàn)有技術(shù)同樣數(shù)量的處理過程，就能在大致相同的成本下得到高的光輸出，并且尺寸減至最小。
當(dāng)然，即使發(fā)射的波長或?qū)訝罱Y(jié)構(gòu)改變，或者即使用AlxGa1-x襯底代替GaN襯底(x大于0而不大于1)，只要襯底的特性是等效的，也能給出同樣的優(yōu)點。
如圖26和27所示，為使在GaN襯底各角處的n-電極與引線框架相連，使用半徑為150微米的4條Au線，防止各電極和引線妨礙光的引出。這進(jìn)一步改善了光的輸出。
(第四實施例)
關(guān)于本發(fā)明的第四實施例，將要述及GaN襯底的厚度對光輸出的影響。對三個發(fā)明樣品I、J、K測量GaN襯底的光吸收，所述三個樣品都具有與圖3所示LED同樣的結(jié)構(gòu)。以下描述制作這些樣品的方法。
(發(fā)明樣品I)(i1)采用偏離c-平面0.5°的n-型GaN偏置襯底(off-substrate)。使GaN襯底的電阻率為0.01Ω·cm，位錯密度是1E7/cm2。GaN襯底的厚度為100微米。
(i2)實行MOCVD，以在GaN襯底的第一主表面上依序形成以下各層(GaN緩沖層/Si摻雜n-型GaN層/作為外覆層的Si摻雜n-型Al0.2Ga0.8N層/疊置三個由GaN層和In0.05Ga0.95N層構(gòu)成的兩層結(jié)構(gòu)形成的MQW層/作為外覆層的Mg-摻雜p-型Al0.2Ga0.8N層/Mg-摻雜p-型GaN層)。
(i3)光發(fā)射波長為380nm，通過將4.2K低溫下的PL(光致發(fā)光)強(qiáng)度與298K室溫下的PL強(qiáng)度相比，以簡化方式計算的固有量子效率是50％。
(i4)-(i5)執(zhí)行與發(fā)明樣品A完全相同的對應(yīng)步驟。
(i6)首先進(jìn)行模擬，以計算電流較為均勻地從點狀n-電極流到MQW層的范圍。結(jié)果表明，由于恰在n-電極下的電流密度最大，所以，隨著離開n-電極距離的增大，電流密度減小。另外，由于電流密度至少為恰在n-電極下的電流密度值1/3的范圍在恰為n-電極下的點周圍3mm直徑的區(qū)域，所以，將發(fā)光器件設(shè)定為邊長是1.6mm的正方形，將覆蓋整個這個區(qū)域。采用光刻、蒸鍍和剝離，在GaN襯底的N表面上，按1.7mm的間隔形成直徑為100微米的n-電極。在這種情況下，GaN襯底的Ga表面部分上面不形成n-型電極，也就是說，對每個元件而言，開口率約為100％。厚度、熱處理以及接觸電阻都與發(fā)明樣品A的相同。
(i7)執(zhí)行與發(fā)明樣品A完全相同的對應(yīng)步驟。
(i8)然后，進(jìn)行劃線，形成預(yù)定的形狀，所得芯片用作發(fā)光器件。所述發(fā)光器件是邊長為1.6mm的正方形。
(i9)-(i11)執(zhí)行與發(fā)明樣品A完全相同的對應(yīng)步驟。
(發(fā)明樣品J)
(j1)采用偏離c-平面0.5°的AlxGa1-xN偏置襯底(off-substrate)。使襯底的電阻率為0.01Ω·cm，位錯密度是1E7/cm2。n-型AlxGa1-xN襯底的厚度為100微米。采用3種類型它們的Al原子比率x＝0.2，0.5，1。
(j2)采用MOCVD，在AlxGa1-xN襯底的第一主表面上形成層狀結(jié)構(gòu)(作為外覆層Si-摻雜n-型Al0.2Ga0.8N/疊置三個由GaN層和In0.05Ga0.95N層構(gòu)成的兩層結(jié)構(gòu)形成的MQW層/作為外覆層的Mg-摻雜p-型Al0.2Ga0.8N層/Mg-摻雜p-型GaN層)。
(j3)-(j5)執(zhí)行與發(fā)明樣品I完全相同的對應(yīng)步驟。
(j6)采用光刻、蒸鍍和剝離，在AlxGa1-xN襯底的第二主表面上，按400微米的間隔形成直徑為100微米的n-電極。使n-電極形成與AlxGa1-xN襯底的第二主表面接觸，成為如下的從底部開始的層狀結(jié)構(gòu)(20nm的Ti層/100nm的Al層/20nm的Ti層/200nm的Au層)。在氮氣氛圍下對它加熱，得到不大于1E-4Ω·cm2的接觸電阻。
(j7)-(j11)執(zhí)行與發(fā)明樣品I完全相同的對應(yīng)步驟。
(比較例樣品K)(k1)采用偏離c-平面0.5°的n-型GaN偏置襯底(off-substrate)。使GaN襯底的電阻率為0.01Ω·cm，位錯密度是1E7/cm2。GaN襯底的厚度為1mm(1000微米)。
(k2)-(k5)執(zhí)行與發(fā)明樣品I完全相同的對應(yīng)步驟。
(k6)發(fā)光器件(芯片)的尺寸是邊長為1.6mm的正方形，與發(fā)明樣品G相同。采用光刻、蒸鍍和剝離，在GaN襯底的第二主表面上，按1.7mm的間隔形成直徑為100微米的n-電極。在這種情況下，GaN襯底的第二主表面(光出射面)不形成n-型電極部分的面積，也即開口率約為每個元件的100％。厚度、熱處理以及接觸電阻都與發(fā)明樣品I的相同。
(k7)-(k11)執(zhí)行與發(fā)明樣品I完全相同的對應(yīng)步驟。
(實驗和結(jié)果)首先，為比較例樣品K和發(fā)明樣品I、J準(zhǔn)備具有不同襯底厚度的襯底1，測量波長為380nm入射光的透射率。圖28和29示出透射率測量實驗的簡圖。發(fā)明樣品I、J的厚度為100微米，發(fā)明樣品K較厚，其厚度為1mm(1000微米)。圖30示出實驗結(jié)果。
按照圖30，發(fā)明樣品I、J和比較例樣品K的透射率分別為70％、90％和10％。發(fā)明樣品J中的Al原子比率x＝0.2，0.5和1，而所有它們的透射率均為90％。
發(fā)明樣品I、J和比較例樣品K都通過放置熒光材料而形成白色LED，將它們安置于積分球內(nèi)，再將預(yù)定的電流加給它們。使光線聚焦，并與檢測器輸出的光相比較。在加給20mA的電流時，發(fā)明樣品I、J和比較例樣品K分別得到4.2mW、5.4mW(對上述所有的三類)和0.6mW的輸出。不同的結(jié)果來自襯底的透射率不同。不過，采用GaN襯底，對于波長短于400nm而言，光的透過率明顯地比較低，以致在這種情況下有如本發(fā)明中那樣，可由AlxGa1-xN襯底得到較大的光發(fā)射。
還有，通過把GaN襯底做得比較薄，也可以得到較大的光發(fā)射。由于襯底太薄，會造成電流從n-電極到MQW傳送的范圍過小，而襯底太厚，將降低發(fā)射效率，厚度最好是50微米-500微米。再有，有如發(fā)明樣品中那樣，采用厚度約為100微米的薄GaN襯底，可以降低GaN襯底的生產(chǎn)成本，使得能夠制作低成本的發(fā)光器件。當(dāng)然，通過減少襯底的厚度可以降低成本，而與發(fā)射光的波長無關(guān)。
(第五實施例)關(guān)于本發(fā)明的第五實施例，將要述及對于在襯底上形成的n-型GaN厚度的產(chǎn)品產(chǎn)率。采用三個測試樣品發(fā)明樣品L，它的結(jié)構(gòu)與采用GaN襯底的發(fā)明樣品A的結(jié)構(gòu)相同，比較例樣品M、N，它們的結(jié)構(gòu)與采用藍(lán)寶石襯底的比較例樣品B的結(jié)構(gòu)相同。
(發(fā)明樣品L)(11)執(zhí)行與發(fā)明樣品A完全相同的對應(yīng)步驟。
(12)實行MOCVD，形成如下的層狀結(jié)構(gòu)(見圖4)(GaN襯底/GaN緩沖層/Si-摻雜n-型GaN層2/作為外覆層的Si-摻雜n-型Al0.2Ga0.8N層/疊置三個由GaN層和In0.1Ga0.9N層構(gòu)成的兩層結(jié)構(gòu)形成的MQW層/作為外覆層的Mg-摻雜p-型Al0.2Ga0.8N層/Mg-摻雜p-型GaN層)。參照圖4，Si-摻雜n-型GaN層2的厚度為100nm。
(13)-(113)執(zhí)行與發(fā)明樣品A完全相同的對應(yīng)步驟。當(dāng)為了元件的分離而形成蝕刻槽25時，有如圖31所示那樣，使蝕刻槽底25a形成凸凹狀，而非完全平坦的。在發(fā)明樣品L的情況下，即使中心部分達(dá)到GaN襯底或緩沖層，這些部分將不形成電極，所述底部的深度和平坦度方面的輕微變化對產(chǎn)品的產(chǎn)率等的影響很小。
(比較例樣品M)(m1)執(zhí)行與發(fā)明樣品B完全相同的對應(yīng)步驟。
(m2)實行MOCVD，在藍(lán)寶石襯底上形成如下的層狀結(jié)構(gòu)(見圖8)(藍(lán)寶石襯底/GaN緩沖層/Si-摻雜n-型GaN層/作為外覆層的Si-摻雜n-型Al0.2Ga0.8N層/疊置三個由GaN層和In0.1Ga0.9N層構(gòu)成的兩層結(jié)構(gòu)形成的MQW層/作為外覆層的Mg-摻雜p-型Al0.2Ga0.8N層/Mg-摻雜p-型GaN層)。參照圖8，Si-摻雜n-型GaN層102的厚度為3微米。
(m3)-(m13)執(zhí)行與發(fā)明樣品B完全相同的對應(yīng)步驟。當(dāng)為了元件的分離而形成蝕刻槽25時，有如圖32所示那樣，使蝕刻槽底125a形成凸凹狀，而非完全平坦的。然而，在比較例樣品M的情況下，Si-摻雜n-型GaN層102較厚，厚度為3微米，以致中心部分不能達(dá)到藍(lán)寶石襯底的緩沖層。于是，所述底部的深度或平坦度方面的輕微變化對產(chǎn)品的產(chǎn)率等的影響很小。
(比較例樣品N)(n1)執(zhí)行與發(fā)明樣品B完全相同的對應(yīng)步驟。
(n2)實行MOCVD，在藍(lán)寶石襯底上形成如下的層狀結(jié)構(gòu)(見圖6)(GaN緩沖層/Si-摻雜n-型GaN層/作為外覆層的Si-摻雜n-型Al0.2Ga0.8N層/疊置三個由GaN層和In0.1Ga0.9N層構(gòu)成的兩層結(jié)構(gòu)形成的MQW層/作為外覆層的Mg-摻雜p-型Al0.2Ga0.8N層/Mg-摻雜p-型GaN層)。參照圖4，Si-摻雜n-型GaN層102的厚度為100nm。
(n3)-(n4)執(zhí)行與發(fā)明樣品B完全相同的對應(yīng)步驟。
(n5)在比較例樣品N的情況下，在藍(lán)寶石襯底上生長與藍(lán)寶石光柵常數(shù)不同的GaN系多層膜。結(jié)果，若n-型GaN襯底太薄為100nm時，就不能得到較好的多層膜，光發(fā)射輸出的結(jié)果非常低。
另外，在比較例樣品N的情況下，由于藍(lán)寶石為絕緣體，所以，必須使n-電極和p-電極形成于生長膜的同一側(cè)上。于是，就必須采用光刻和RIE，利用Cl基氣體，從Mg-摻雜p-型層一側(cè)蝕刻到Si-摻雜n-型GaN層，露出n-型GaN層，以形成n-型電極。然而，有如圖33所示那樣，由于比較例樣品N中的Si-摻雜n-型GaN層較薄為100nm(0.1微米)，所以，不能按均勻的方式在晶片中露出n-型GaN層。于是，有些情況下，被露出的表面可能是AlxGa1-xN層或GaN緩沖層。使用熱磷酸等的濕法蝕刻引起注意，但結(jié)果相同，而與怎樣蝕刻無關(guān)。
(實驗結(jié)果)在按有如第一實施例同樣的方式測量光輸出的情況下，當(dāng)對發(fā)明樣品L加給20mA的電流時，從發(fā)明樣品L得到8mW的光輸出。使用同樣的電流，從比較例樣品M得到7.2mW的輸出。另外，當(dāng)使n-型GaN層的厚度從3微米減小到100nm時，可由發(fā)明樣品L的結(jié)構(gòu)得到同樣的輸出。此外，由于可在導(dǎo)電的GaN襯底的N表面上沉積n-電極，所以，無需露出Si-摻雜n-型GaN層。
發(fā)光器件襯底上生長的膜厚與波長及元件的輸出有關(guān)，但一般不會大于6微米。在這個發(fā)明樣品中，可將Si-摻雜n-型GaN層大部分的厚度制成得較薄，從3微米直到降至100nm。于是，采用這個發(fā)明樣品，可使生長膜的費用明顯地降低。
有如關(guān)于比較樣品N的測試樣品(n5)處理步驟中所述者，在把n-型GaN層做得較薄時，在100nm(0.1微米)的情況下，n-型GaN層的露出率變得非常差，使結(jié)構(gòu)不切實際。
即使利用將來的技術(shù)優(yōu)勢使均勻的露出成為可能，所述層將會太薄。但正如在第一實施例中的比較樣品B中那樣，平行于n-型GaN層流過該層的電流的電流密度將會太大，造成熱量的增多，使得不可能得到實用的光輸出(見圖33)。當(dāng)然，在所發(fā)射的光波長改變或者如果使用熒光材料形成白色光時，可以獲得類似的優(yōu)點。
(第六實施例)在本發(fā)明的第六實施例中，將要描述GaN襯底的位錯密度關(guān)于光輸出的影響。測試樣品是與發(fā)明樣品A有同樣結(jié)構(gòu)的發(fā)明樣品O，其位錯密度為1E6/cm2，而比較樣品P的位錯密度為1E9/cm2。
(發(fā)明樣品O)(o1)采用偏離c-平面0.5°的n-型GaN偏置襯底。使GaN襯底的電阻率為0.01Ω·cm，位錯密度是1E6/cm2。GaN襯底的厚度為400微米。
(o2)-(o11)執(zhí)行與發(fā)明樣品A完全相同的對應(yīng)步驟。
(比較樣品P)(p1)采用偏離c-平面0.5°的n-型GaN偏置襯底。使GaN襯底的電阻率為0.01Ω·cm，位錯密度是1E9/cm2。GaN襯底的厚度與發(fā)明樣品0相同為400微米。
(p2)-(p11)執(zhí)行與發(fā)明樣品A完全相同的對應(yīng)步驟。
(實驗結(jié)果)有如第一實施例那樣測量光輸出。對于發(fā)明樣品O和比較例樣品P而言，當(dāng)加給20mA的電流時，從二者得到8mW的輸出，而當(dāng)加給100mA的電流時，從二者分別得到40mW和30mW的輸出。于是，發(fā)明樣品0給出較比較例樣品P更高的光發(fā)射輸出。
由于發(fā)明樣品O和比較例樣品P的電阻率、厚度等都相同，所以熱的產(chǎn)生和熱的散放也都相同。為了確定不會因發(fā)熱光輸出不同，加給占空系數(shù)為1％的100微秒脈沖電流1個微秒，并進(jìn)行比較。這種實驗的結(jié)果與上述結(jié)果相同，即在加給100mA的電流的情況下，分別得到40mW和30mW的輸出。
因而，雖然這種情況的機(jī)理尚不完全清楚，但各種大電流密度下得到的光輸出不同并非基于熱的影響，而是與位錯的密度有關(guān)。另外，發(fā)明人已通過實驗確認(rèn)，在改變光波長和層狀結(jié)構(gòu)，以及通過提供熒光物質(zhì)而產(chǎn)生白色光的情況下，都可以得到同樣的效果。
(第七實施例)在本發(fā)明的第七實施例中，將要描述對表面及端部采用非鏡面化對于光輸出的影響。所用的實驗樣品為發(fā)明樣品Q和R。發(fā)明樣品Q是圖34所示的LED，具有對表面及端部的所采用非鏡面化。發(fā)明樣品R是圖35所示的LED，未采用非鏡面化。
(發(fā)明樣品Q)(q1)-(q7)執(zhí)行與發(fā)明樣品F完全相同的對應(yīng)步驟。
(插于q7和q8之間的步驟)對GaN襯底的N表面和元件端面采用非鏡面化。為采用非鏡面化的方法是實行濕法蝕刻或干法蝕刻，如RIE。除了這些蝕刻的非鏡面化方法外，還應(yīng)該可以采用包括機(jī)械研磨的方法。本實施例中所實行的濕法蝕刻使用KOH水溶液作為蝕刻劑。
使4mol/l的KOH水溶液保持于40℃的溫度下，并充分?jǐn)嚢?。然后把晶片在攪拌器中浸漬30分鐘，以對GaN襯底N表面和元件端面非鏡面化。
(q8)-(q11)執(zhí)行與發(fā)明樣品F完全相同的對應(yīng)步驟。
(比較例樣品R)與發(fā)明樣品F完全一樣。
(實驗結(jié)果)有如第一實施例中那樣測量光輸出。對于發(fā)明樣品Q和比較例樣品R，在加給10A電流的情況下，分別得到4.8W和4W的輸出。當(dāng)使用熒光物質(zhì)以產(chǎn)生白色光并且加給10A電流時，發(fā)明樣品Q給出1150lm的光輸出，而比較例樣品R給出960lm的光輸出。換句話說，發(fā)明樣品Q給出更大的光發(fā)射輸出。當(dāng)然，在發(fā)射光的波長改變時，效果是相同的。當(dāng)襯底以及n-型GaN層的表面和端表面處于鏡面狀態(tài)時，如圖35所示那樣，易于在折射率高的GaN的表面處發(fā)射全反射，使得光難于從內(nèi)部逸出到外面。如果像圖35所示那樣采用非鏡面化，則可使光放出到外面的效率提高。
發(fā)明人通過實驗確定，如果使用KOH水溶液在濃度為0.1-8mol/l范圍，且溫度在20-80℃范圍實施非鏡面化，則可以得到同樣的效果。
(第八實施例)在本發(fā)明的第八實施例中，將要述及p-電極的反射率關(guān)于光輸出的影響。使用五個實驗樣品發(fā)明樣品S、T、U、V、W。
(發(fā)明樣品S)(s1)-(s6)執(zhí)行與發(fā)明樣品F完全相同的對應(yīng)步驟。
(s7)用下述方法形成p-電極。從與p-型GaN層接觸的底層開始，形成厚度為4nm的Ni層，并形成厚度為4nm的Au層。接下去，使襯底在惰性氣體氛圍中被加熱。然后再在Au層上形成厚度為100nm的Ag層以這種方式形成的p-電極的接觸電阻為5E-4Ω·cm2。
類似于這個p-電極，從與玻璃板接觸的最底層開始，在玻璃板上如下形成層狀結(jié)構(gòu)(4nm厚的Ni層/4nm厚的Au層)。以同樣的方式加熱這一結(jié)構(gòu)，并測量透射率。結(jié)果，從Ni層一側(cè)入射的450nm光的透射率為70％。另外，使厚度為100nm的Ag層附著于玻璃板上，并測量反射率。結(jié)果，對于450nm的入射光的反射率為88％。以Ni層為底層，在玻璃板上形成(4nm厚的Ni層/4nm厚的Au層/100nm厚的Ag層)的結(jié)構(gòu)。實行同樣的熱處理，并測量反射率；對于450nm的入射光而言，所得的反射率為44％。這個反射率與450nm波長的入射光以70％的透射率透過(4nm厚的Ni層/4nm厚的Au層)后，按88％的反射率受到Ag層的反射，然后再按70％的透射率透過(4nm厚的Ni層/4nm厚的Au層)時所計算的反射率相同。
(s8)-(s11)執(zhí)行與發(fā)明樣品F完全相同的對應(yīng)步驟。
(發(fā)明樣品T)(t1)-(t6)執(zhí)行與發(fā)明樣品F完全相同的對應(yīng)步驟。
(t7)用下述方法形成p-電極。從底部開始，在p-型GaN層上形成厚度為4nm的Ni層和厚度為4nm的Au層。接下去，使襯底在惰性氣體氛圍中被加熱。然后再在Au層上形成厚度為100nm的Al層和厚度為100nm的Au層。以這種方式形成的p-電極的接觸電阻為5E-4Ω·cm2。
類似于這個電極，在玻璃板上如下形成層狀結(jié)構(gòu)(4nm厚的Ni層/4nm厚的Au層)。以同樣的方式加熱這一結(jié)構(gòu)，并測量透射率。結(jié)果，從Ni層一側(cè)入射的450nm光的透射率為70％。另外，使厚度為100nm的Al層附著于玻璃板上，并測量反射率。結(jié)果，對于450nm的入射光的反射率為84％。下面的層狀結(jié)構(gòu)從底部開始，在玻璃板上形成(4nm厚的Ni層/4nm厚的Au層/100nm厚的Al層)。實行同樣的熱處理，并測量反射率；對于450nm的入射光而言，所得的反射率為42％。這個反射率與450nm波長的入射光以70％的透射率透過(4nm厚的Ni層/4nm厚的Au層)后，按42％的反射率受到Al層的反射，然后再按70％的透射率透過(4nm厚的Ni層/4nm厚的Au層)時所計算的反射率相同。
(t8)-(t11)執(zhí)行與發(fā)明樣品F完全相同的對應(yīng)步驟。
(發(fā)明樣品U)(u1)-(u6)執(zhí)行與發(fā)明樣品F完全相同的對應(yīng)步驟。
(u7)對于p-電極而言，將厚度為100nm的Rh附在p-型GaN層的整個表面上，它是關(guān)于p-型GaN層上歐姆電極，并具有較高的反射率。接觸電阻為5R-4Ω·cm2。另外，當(dāng)把這個電極的Rh附在玻璃板上并測量透射率時，發(fā)現(xiàn)對450nm的入射光為60％。
(u8)-(u10)執(zhí)行與發(fā)明樣品F完全相同的對應(yīng)步驟。
(發(fā)明樣品V)(v1)-(v7)執(zhí)行與發(fā)明樣品S完全相同的對應(yīng)步驟。
(插在v7和v8之間的步驟)執(zhí)行與插在q7和q8之間的發(fā)明樣品Q的步驟完全相同的步驟。
(v8)-(v11)執(zhí)行與發(fā)明樣品S完全相同的對應(yīng)步驟。
(發(fā)明樣品W)
發(fā)明樣品W與發(fā)明樣品F完全相同。
(實驗結(jié)果)有如第一實施例中那樣測量光輸出。在加給10A電流的情況下，發(fā)明樣品S、T、U、V、W分別給出4.8W、4.8W、5.2W、5.8W和4W的輸出。圖36表示發(fā)明樣品S、T的安裝側(cè)上的反射模式圖。圖37表示發(fā)明樣品U的安裝側(cè)上的反射模式圖。圖38表示發(fā)明樣品W的安裝側(cè)上的反射模式圖。在發(fā)明樣品S、T中，在p-電極12與導(dǎo)電粘合劑14之間設(shè)置高反射層，而在發(fā)明樣品U中，p-電極12本身就是高反射物質(zhì)的，以及在發(fā)明樣品V中，實施非鏡面化。另外，在發(fā)明樣品W中，不考慮安裝側(cè)的反射。
當(dāng)給發(fā)明樣品S、T、U、V使用熒光物質(zhì)以產(chǎn)生白色光LED并且加給10A電流時，發(fā)明樣品S、T、U、V分別得到864lm、864lm、936lm和1044lm的輸出。根據(jù)這些結(jié)果，通過以高反射材料形成p-電極，或者通過在p-電極與導(dǎo)電粘合劑之間插入高反射材料，以造成光的有效使用，可以提高光的輸出。換句話說，通過在電極層處對電極自身使用Ag、Al或Rh反射膜，或者通過將這種反射膜插在p-電極與導(dǎo)電粘合劑之間，可以進(jìn)一步提高光輸出。通過對GaN襯底的N表面和端表面實行非鏡面化更能進(jìn)一步改善光輸出，正像發(fā)明樣品V那樣。
由于在發(fā)射光的波長改變時，Ag層或Al層的反射率和Ni層的吸收率也改變，所以不能產(chǎn)生最后所限定的效果，不過顯然在任何波長下都會有一些效果。另外，代替Rh，采用具有同等或以上之功函數(shù)以及具有同等或以上之反射率的元素，可以提供同等的或者更好的優(yōu)點。
(第九實施例)在本發(fā)明的第九實施例中，描述GaN襯底的的氧濃度與電阻率以及透射率之間的關(guān)系。根據(jù)這種關(guān)系，能夠確立最佳GaN襯底厚度和對于p-朝下安裝之發(fā)光元件中預(yù)定光發(fā)射面積的氧濃度，也就是在使GaN襯底起光出射面作用情況下的氧濃度。如上所述，由于光出射面為p-朝下安裝的GaN襯底，所以，氧濃度就特別重要，它對于電阻率和光的透射率都有特別明顯的影響。
圖39表示氧濃度關(guān)于GaN襯底電阻率的影響。根據(jù)圖39，由至少為1E17個/cm3的氧濃度能夠?qū)崿F(xiàn)0.5Ω·cm或者更小的電阻率。圖40表示在GaN襯底是400微米情況下，氧濃度關(guān)于450nm波長光的透射率的影響。根據(jù)該圖可以看出，當(dāng)氧濃度超過2E19個/cm3時，波長為450nm的光的透射率急遽下降。根據(jù)圖39和圖40可以看出，增加氧濃度會降低GaN襯底的電阻率，并降低光的透射率，這有效地擴(kuò)大了光的出射面。于是，對于p-朝下安裝的發(fā)光元件所用的GaN襯底而言，選擇氧濃度、GaN襯底厚度、發(fā)光平面尺寸等的方式是極為重要的。
圖41表示測量頭燈的光輸出以及電流均勻流過的平面尺寸的結(jié)果。所述頭燈是用具有不同厚度及氧濃度的發(fā)明樣品A的GaN襯底制成的。關(guān)于頭燈的光輸出，對于較厚的襯底和較高的氧濃度而言，光輸出趨于減小。另外，對于較厚的襯底和較高的氧濃度而言，最大的均勻流過電流的平面尺寸趨于增大。
作為一種舉例，根據(jù)圖41，如果均勻流過電流的平面尺寸是一個邊長為4mm(邊長為5mm)的正方形，并且對發(fā)明樣品A的尺寸加給20mA的電流將得到至少8mW的光輸出，并且，對于厚度為200微米的GaN襯底的至少為6E18個/cm3的氧濃度(對于邊長為5mm的正方形則至少為8E18個/cm3)將提供均勻的光輸出，而對于發(fā)明樣品A以20mA的電流至少提供8mW的光輸出。換句話說，在對于邊長為300微米之正方形的發(fā)明樣品A尺寸，對于20mA電流調(diào)整電流密度的情況下，這對應(yīng)于對邊長為4mm(邊長為5mm)的正方形加給3.6A(5.6A)，并可得到均勻的光輸出，而在加給3.6A(5.6A)電流的情況下，提供至少1.4W(2.3W)的光輸出，與所加給的電流成比例。
另外，對于厚度為400微米之GaN襯底而言，為了得到與厚度為200微米之GaN襯底相同的目標(biāo)性能，可以對邊長為4mm的正方形采用3E18個/cm3的氧濃度(對邊長為5mm的正方形采用4E18個/cm3的氧濃度)。然而，在厚度為400微米的情況下，不可能由樣品A的尺寸在20mA的電流下得到8mW以上的光輸出，除非氧濃度不大于2E19個/cm3。
另外，與厚度為600微米的GaN襯底中邊長4mm的正方形內(nèi)均勻流過電流的2.5E18個/cm3的氧濃度相比，在20mA下，由發(fā)明樣品A的尺寸至少提供8mW光輸出時的氧濃度極限值只是略高于2.5E18個/cm3。因此，滿足上述兩種條件的氧濃度范圍是較窄的范圍。由于均勻流過邊長3mm正方形的電流的氧濃度至少為2E18個/cm3，所以，略寬于邊長為4mm正方形的情況。
再有，根據(jù)圖41，當(dāng)GaN襯底的厚度為200微米-400微米時，為由發(fā)明樣品A的尺寸在20mA下得到8mW以上的光輸出，均勻流過邊長10mm的正方形的電流的氧濃度范圍是足夠?qū)挼摹Ｔ诤穸葹?00微米情況下，可以看到，氧濃度的下限可能小于2E19個/cm3。另外，對于厚度為400微米情況而言，氧濃度至少為8E18個/cm3。
以下描述幾個具體的例子。這些例子中采用如下的樣品。
(發(fā)明樣品S1)采用厚度為400微米的已被n-型化的GaN襯底，具有1E19個/cm3的氧濃度。利用SIMS(二次離子質(zhì)譜儀)獲得所述氧濃度。GaN襯底的電阻率為0.007Ω·cm，450nm波長的光的透射率為72％。當(dāng)使用這種GaN襯底裝配發(fā)光元件時，除上述幾方面外，各種條件都與發(fā)明樣品A的相同。具體地說，GaN襯底的平面尺寸使光出射面為邊長0.3mm的正方形(見第一實施例的(a1))，并且(a2)實行MOCVD，以在作為GaN襯底之第一主表面的Ga表面上形成如下的層狀結(jié)構(gòu)(Si-摻雜n-型GaN層/作為外覆層的Si-摻雜n-型Al0.2Ga0.8N層/疊置三個由GaN層和In0.15Ga0.85N層構(gòu)成的兩層結(jié)構(gòu)形成的MQW層/作為外覆層的Mg-摻雜p-型Al0.2Ga0.8N層/Mg-摻雜p-型GaN層)。
(比較例樣品T1)采用厚度為400微米的已被n-型化的GaN襯底，具有5E19個/cm3的氧濃度。GaN襯底的電阻率為0.002Ω·cm，450nm波長的光的透射率為35％。除去這些發(fā)明外，本例與發(fā)明樣品S1相同。
(比較例樣品T2)采用厚度為400微米的已被n-型化的GaN襯底，具有2E16個/cm3的氧濃度。GaN襯底的電阻率為1.0Ω.cm，450nm波長的光的透射率為90％。除去這些發(fā)明外，本例與發(fā)明樣品S1相同。
(實驗和結(jié)果)將各樣品裝配成p-朝下安裝的發(fā)光元件。當(dāng)加給20mA的電流時，發(fā)明樣品S1給出8mW的光輸出。相反，比較例樣品T1只能給出4mW的光輸出，而比較例樣品T2只能給出5mW的光輸出。可將比較例樣品T1的4mW光輸出解釋為與它的GaN襯底透射率相對應(yīng)的輸出。在比較例樣品T2中，觀察從作為光出射面的GaN襯底第二主表面光發(fā)射的情況，看到該表面內(nèi)光強(qiáng)度的變化。具體地說，在n-電極周圍，光的強(qiáng)度極強(qiáng)，而隨著離開n-電極距離的增大，光的強(qiáng)度急遽變?nèi)酢＿@是因為GaN襯底的高電阻率阻礙了電流經(jīng)由n-電極充分延伸流過整個發(fā)光元件表面。這導(dǎo)致只能在電流集中的p-電極周圍發(fā)生光的發(fā)射。結(jié)果，對于比較例樣品T2的發(fā)光元件的整體光輸出比發(fā)明樣品S1的差。
(第十實施例)在本發(fā)明的第十實施例中將要述及，在p-朝下安裝的發(fā)光元件中，通過限制GaN襯底內(nèi)的位錯束密度增大光輸出。在形成GaN襯底時，為了提高大部分領(lǐng)域的結(jié)晶性，不可避免地會使位錯集中，并不連續(xù)地分布成為多個位錯束，這就提高了各束之間的空間內(nèi)GaN襯底的大部分領(lǐng)域的結(jié)晶性。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，由于在p-朝下安裝的發(fā)光元件中是將GaN襯底設(shè)置于發(fā)光側(cè)，所以，位錯束密度超過預(yù)定值(4E2/cm2的位錯束密度)，就會對發(fā)光器件的產(chǎn)品率有意想不到的引人注目影響。
如圖42所示，由p-型GaN層6的外延膜如p-型GaN層繼承GaN襯底內(nèi)的位錯束密度，并表現(xiàn)成為該外延層中的芯61。于是，位錯束密度約略地與芯的密度相同。根據(jù)外延膜生長的條件，可使芯61形成有如圖43所示的呈孔狀的凹口。這些孔狀凹口的密度對于使用GaN襯底作為光的出射面的p-下安裝發(fā)光器件的產(chǎn)品率有引人注目的影響。
所使用的樣品如下。
(發(fā)明樣品S2)GaN襯底中的平均位錯束分布為每500微米×500微米1個。這對應(yīng)于4E2/cm2的位錯束密度。其它條件都與發(fā)明樣品S1相同。
(比較例樣品T3)作為比較例，采用其中的位錯束分布為每10微米×10微米1個的GaN襯底。這對應(yīng)于1E6/cm2的位錯束密度。其它條件都與發(fā)明樣品S2相同。
(實驗和結(jié)果)用上述GaN襯底，在實際的產(chǎn)品基上制成多個發(fā)光器件。對于每個樣品，研究在加給20mA電流時能夠得到至少8mW光輸出的產(chǎn)品率。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對于發(fā)明樣品S2的產(chǎn)品率為95％，而對于比較例樣品T3的產(chǎn)品率為50％。具體地說，可以看出，位錯束密度不大于4E2/cm2時，產(chǎn)品的產(chǎn)品率是實用的，但如果所述密度超過這個，則繼續(xù)的商業(yè)生產(chǎn)就不再實際。
分解那種不能給出8mW光輸出的器件中的發(fā)光元件，以重新取出芯片并予研究。使用適宜的酸溶液去掉各個電極。在從p-型半導(dǎo)體層一側(cè)觀察各芯片時，可以看到多種情況，在GaN襯底的位錯束的地方?jīng)]有發(fā)現(xiàn)外延生長層。在分布有位錯束的地方，觀察到直徑1微米的孔狀凹口。在光輸出在8mW以上的情況下，不能觀察到這些孔狀凹口。
在上述各樣品中，當(dāng)在與第一實施例中發(fā)明樣品A的步驟(a7)相應(yīng)的步驟加給20mA電流時，包含這些孔狀凹口的各發(fā)光元件都有小于1V的驅(qū)動電壓。這被理解為各孔狀凹口都被電極所占滿，而且各層關(guān)于p-電極側(cè)和n-電極側(cè)都被短路的原因。于是，電流流過整個發(fā)光層，引起由于不適宜的電流所致的光輸出。
(第十一實施例)在本發(fā)明的第十一實施例中，在GaN襯底與n-型AlGaN外覆層3之間引入n-型AlGaN緩沖層和n-型GaN緩沖層。各襯底通常都會有翹曲，但翹曲會隨著GaN襯底而特別明顯。結(jié)果，有如圖44所示那樣，GaN襯底的偏離角會沿著襯底的表面而明顯改變。圖44表示在20mm×20mm的GaN襯底中相對c-平面偏離角分布的舉例。當(dāng)在這個GaN襯底上形成外延膜并使各發(fā)光元件分開且測量光輸出時，對于由在具有接近0.05°之低偏離角的角部的區(qū)域R1和具有接近1.5°之高偏離角的區(qū)域R2形成的發(fā)光器件，在20mA電流下，不能得到8mW以上的光輸出。這起因于GaN襯底上形成的外延膜中結(jié)晶性差的緣故。
于是，將會注意有如圖45所示者，通過在GaN襯底1與AlGaN外覆層3之間形成n-型AlGaN緩沖層31和n-型GaN緩沖層2，以緩和晶格常數(shù)的不同，它們的晶格常數(shù)介于在兩層的晶格常數(shù)之間的中間。具體地說，n-型AlGaN緩沖層31布置在所需的位置是本例的特點。
所用樣品如下。
(發(fā)明樣品S3)如圖44所示，所用的GaN襯底在20mm×20mm的表面上具有從0.05°范圍至1.5°范圍連續(xù)變化的偏離角。GaN襯底的電阻率為0.01Ω·cm、位錯密度1E7/cm2，以及厚度為400微米。采用具有這種偏離角分布的GaN襯底，根據(jù)第一實施例的發(fā)明樣品A的制作步驟(a1)-(a11)，利用20mm×20mm襯底上的不同位置制作發(fā)光器件。參照圖45，將厚度為50nm的Al0.15Ga0.85N層插入在GaN襯底1和n-型GaN緩沖層2之間。
(比較例樣品T4)在所用的GaN襯底中，在20mm×20mm的表面上偏離角相對于c-平面從0.05°范圍至1.5°范圍連續(xù)變化。GaN襯底的電阻率為0.01Ω·cm、位錯密度1E7/cm2，以及厚度為400微米。按照第一實施例發(fā)明樣品A的制作步驟(a1)-(a11)，由襯底的不同位置制作多個發(fā)光器件。在比較例樣品T4中，使n-型GaN層形成與GaN襯底1接觸，并且不在GaN襯底1和n-型GaN緩沖層之間形成Al0.15Ga0.85N緩沖層。
(實驗和結(jié)果)采用發(fā)明樣品S3，當(dāng)把20mA電流加給由包含上述R1、R2區(qū)域的20mm×20mm的GaN襯底的0.05°-1.5°區(qū)域形成的發(fā)光元件時，得到8mW以上的光輸出(見圖46)。然而，采用比較例樣品T4，只能對由具有0.1°-1.0°偏離角區(qū)域形成的發(fā)光元件得到至少8mW的光輸出。對于接近0.05°-1.5°的偏離角，光輸出達(dá)不到8mW。
在發(fā)明樣品S3中，即使在GaN襯底中偏離角明顯變化時，有如上述那樣的Al0.15Ga0.85N緩沖層布局，也使它能夠形成具有優(yōu)良結(jié)晶性的外延層。
(實施例11-2)有如第十一實施例那樣，在本發(fā)明的實施例11-2中，在GaN襯底和n-型AlGaN層3之間安置n-型AlGaN緩沖層和n-型GaN緩沖層，從而在有如第十實施例中那樣形成外延層時，防止在GaN襯底的位錯束的地方形成圖43所示的孔狀凹口。
(發(fā)明樣品S2-2)有如比較例樣品T3那樣，采用直徑為2時并具有每10微米×10微米1個位錯束的GaN襯底。這對應(yīng)于1E6/cm2的位錯束密度。如圖45所示，在GaN襯底1和n-型緩沖層2之間插入厚度為50nm的Al0.15Ga0.85N緩沖層。其它條件與發(fā)明樣品S2的相同。
(實驗和結(jié)果)形成外延層之后，以微分干涉顯微鏡和SEM(掃描電子顯微鏡)研究外延層一側(cè)上的晶體表面。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，一個也沒有如同圖43中所示的孔狀凹口。由直徑為2時的除離襯底外周邊緣以接近5mm之外的整個GaN襯底制成發(fā)光元件。按50個選1個的比率選擇發(fā)光元件，并測量那些在加給20mA電流時能夠提供至少8mW光輸出元件的產(chǎn)率。結(jié)果產(chǎn)率是100％。這個產(chǎn)率似乎表明，在生產(chǎn)更多的產(chǎn)品時，會因除孔狀凹口以外的生產(chǎn)因素而使產(chǎn)率小于100％，不過接近100％。然而，在這個集中關(guān)于孔狀凹口的產(chǎn)率測試中，能夠得到100％的優(yōu)異產(chǎn)率。
(第十二實施例)在本發(fā)明的第十二實施例中，將具有高導(dǎo)電性的p-型AlGaN層配置于下述結(jié)構(gòu)的外面，所述結(jié)構(gòu)為(多量子阱4/p-型AlGaN外覆層5/p-型GaN層6)。對于p-電極而言，在其自身的整個表面上形成具有高電阻率的Ag層。于是，不再使用其它各種功函數(shù)等的金屬電極。由于這種結(jié)構(gòu)關(guān)于下底部給出較高的電阻率，所以，就使得由其它金屬電極引起的光吸收得以被減少，從而提高了光的發(fā)射效率。
所用樣品如下。
(發(fā)明樣品S4(見圖47))有如在發(fā)明樣品A中那樣，在作為GaN襯底第一主表面的Ga表面上形成如下的層狀結(jié)構(gòu)(MQW4/作為外覆層的Mg摻雜p-型Al0.2Ga0.8N層5/Mg摻雜p-型GaN層6/厚度為5nm的Mg摻雜p-型InGaN層32)。在這種層狀結(jié)構(gòu)中，Mg摻雜p-型InGaN層32與Mg摻雜p-型GaN層6接觸，且厚度為5nm是獨有的特點。此外，雖然在第一實施例發(fā)明樣品A中的處理步驟(a7)形成Ni/Au電極層，但這里不再實行該處理步驟(a7)，而代之以形成厚度為100nm的Ag電極層33。
(比較例樣品T5)在第一實施例發(fā)明樣品A的結(jié)構(gòu)中的所述Ni/Au電極層附近，增加配置一個厚度為100nm的Ag電極層。
(實驗和結(jié)果)在發(fā)明樣品S4中，由于p-型InGaN層32鄰近p-型GaN層6，所以，受主載流子的水平較低。于是，載流子濃度較高，而且，即使靠近p-型InGaN層32形成功函數(shù)不特別高的Ag反射膜33，作為p-電極，所述Ag反射膜33與p-型InGaN層32之間的接觸電阻也不會變得特別高。發(fā)明樣品S4的發(fā)光元件的驅(qū)動電壓，與比較例樣品T5的發(fā)光元件的驅(qū)動電壓相比，小0.05V，但這一差別可以忽略不計。
在發(fā)明樣品S4中，在加給20mA電流時，得到11.5mW的光輸出，而對于比較例樣品T5來說，光輸出為9.6mW。對于發(fā)明樣品A而言，光輸出為已為8mW。
在發(fā)明樣品S4中得到如此高的光輸出的原因在于，由于沒有Ni/Au電極層，所以，從發(fā)光層走向p-半導(dǎo)體層的光不會被Ni/Au電極層吸收，而代之以被Ag層反射，反射率達(dá)88％。但在比較例樣品T5中，p-電極層處的反射率低到＝Ni/Au吸收70％×Ag的反射率×再吸收70％＝44％。于是，在發(fā)明樣品S4中，能夠被引出到外面的光輸出比比較例樣品T5的大1.2倍。
本實施例中用Ag膜為p-電極，不過可以使用任何材料，只要它的反射率高，并且與p-型InGaN層32的接觸電阻不那么高即可。比如，可以采用Al或Rh。
(第十三實施例)在本發(fā)明的第十三實施例中，利用多個分開布置的Ni/Au層形成的p-電極使光輸出得到提高，所述Ni/Au層與p-型InGaN層的接觸電阻低，并由Ag膜覆蓋，以填充各間隙。圖48是集中著眼于p-電極的截面圖。在外延層的下底面上，在預(yù)定的芯片處以分立的方式形成各Ni/Au電極層12a。形成Ag層33，以填充各層之間的間隙，并覆蓋所述外延層的下底面和各Ni/Au電極層12a。圖49是表示以p-電極上方透視的p-電極平面圖。
各分立的Ni/Au電極層12a的通常間距為3微米。3微米間距是以下述事實為依據(jù)的，在標(biāo)準(zhǔn)的p-型GaN層或p-型AlGaN外覆層中，這些層的電阻率導(dǎo)致電流流過直徑約為6微米的區(qū)域。換句話說，以3微米的間距，電流可以從一個分立電極到達(dá)相鄰的分立電極。為使電流能夠流過整個電極層，所述間距最好為3微米或者更小，不過，這個間距太小，可能會導(dǎo)致各分立布置的Ni/Au電極層減少有效的光取出量。
例如，如果采用圖48和圖49所示p-電極結(jié)構(gòu)，各分立的Ni/Au電極的面積比為20％，光的反射率(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)。實際是根據(jù)這一計算值來制造具有上述結(jié)構(gòu)的p-電極的，并測量光的輸出。所述樣品情況如下。
(發(fā)明樣品S5)各制作步驟與第一實施例的發(fā)明樣品A的相同，但在制作P-電極的步驟(a7)，形成厚度為4nm的Ni層，與p-型GaN層接觸，并在整個表面的頂部全面形成厚度為4nm的Au層。接下去，利用樹脂掩膜實行制圖，形成分立分布的Ni/Au電極(見圖48和圖49)。繼而，在惰性氣體氛圍下加熱這一結(jié)構(gòu)，使接觸電阻成為5E-4Ω·cm2。然后在整個表面上形成Ag層，以填充各Ni/Au電極層之間的間隙，并覆蓋各Ni/Au電極，同時形成反射電極。分立配置在p-型GaN層上的各Ni/Au層的面積比為20％，而Ag的面積比為80％。另外，按3微米的間隔布置各Ni/Au電極層12(見圖50)。
(比較例樣品T6)采用與第一實施例的發(fā)明樣品A中同樣的制作步驟，在GaN襯底上形成層狀結(jié)構(gòu)。對于p-電極而言，按照制作步驟(a7)，在整個表面的上方，按與p-型GaN層接觸的方式形成Ni/Au層，并予加熱。接下去，與發(fā)明樣品A不同，在整個表面的上方，按與Ni/Au層接觸的方式形成Ag層(見圖51)。
為了比較，圖52表示代表發(fā)明樣品A的覆發(fā)光元件在光向下方走時的反射行為。
(實驗及結(jié)果)有如上述那樣將20mA的電流加給各發(fā)光元件，并測量光輸出。采用發(fā)明樣品S5可以得到11.5mW的光輸出，但對于比較樣品T6而言，光輸出為9.6mW。另外，在本發(fā)明樣品中，從光發(fā)射層走到安裝側(cè)(下側(cè))的光受到p-電極反射以從出射面出射的光的比率為86％(見圖50)。相反，對于比較樣品T6而言，這一比率為67％(見圖51)。而在發(fā)明樣品A中，這一比率為40％(見圖52)。
在發(fā)明樣品S5中，向著所述下側(cè)的光的80％，由占P-電極80％的Ag按88％的反射率受到反射，而20％的光由占P-電極20％的Ni/Au層按高于40％的反射率(反射率并非單純地是40％)反射。結(jié)果，上述比率對于發(fā)明樣品S5是86％。在比較樣品T6中，光進(jìn)一步受到位于Ni/Au層下側(cè)的Ag層反射，這個反射使得所述比率大于發(fā)明樣品A的所述比率。
當(dāng)然，按照最為廣泛的意義而言，比較例樣品T6屬于一種發(fā)明樣品。這里將它稱為比較例樣品便于對該例的描述。
可用Pt電極層或Pd電極層代替上述Ni/Au電極層。另外，可用Pt層或Rh層代替上述反射電極Ag。
同樣地，按照面積比可以得到高于比較例樣品T6之光輸出的光輸出，比如在Ni/Au電極的面積比為10％情況下，對于20mA而言，光輸出為11.8mW，而在Ni/Au電極的面積比為40％情況下，對于20mA而言，光輸出為10.6mW。但如果Ni/Au電極的面積比為2％，即小于10％，僅能得到9.6mW的光輸出，這與比較例樣品T6的光輸出相同，而且，本發(fā)明人通過多種實驗已經(jīng)確認(rèn)，在Ni/Au電極周圍存在極為不均衡的光發(fā)射。
(第十四實施例)按照本發(fā)明的第十四實施例，去掉從GaN襯底擴(kuò)展到外延層的多個平行的板狀反轉(zhuǎn)結(jié)晶區(qū)域，而在所述板狀反轉(zhuǎn)結(jié)晶區(qū)域的各間隙處設(shè)置多個p-電極。與GaN襯底厚度方向平行分布的多個條紋出現(xiàn)在GaN襯底的主表面上，并且各反轉(zhuǎn)結(jié)晶區(qū)域擴(kuò)展到各外延層2、3、4、5、6。所述各板狀反轉(zhuǎn)結(jié)晶區(qū)域在主表面上排列成柵格狀，即如圖53和圖54所示那樣。在制備氮化物半導(dǎo)體襯底時，位錯束(即芯)受到控制的區(qū)域相對于周圍區(qū)域具有反轉(zhuǎn)結(jié)晶配置。于是，各板狀反轉(zhuǎn)結(jié)晶區(qū)域和位錯束的結(jié)晶配置，與其結(jié)晶配置相對于周圍區(qū)域反轉(zhuǎn)的區(qū)域的結(jié)晶配置相同。二者的區(qū)別在于，在位錯束方面，位錯是按條紋形狀或者具有一定寬度的線狀聚集的，以致反轉(zhuǎn)結(jié)晶區(qū)域呈條紋狀；而在板狀反轉(zhuǎn)結(jié)晶區(qū)域方面，它們都是板狀的。換句話說，在板狀反轉(zhuǎn)結(jié)晶區(qū)域方面，在具有一定厚度的各板狀反轉(zhuǎn)結(jié)晶區(qū)域中，位錯是按高密度分布的。
本實施例中，外延層中的反轉(zhuǎn)結(jié)晶區(qū)域被完全除去，而GaN襯底的反轉(zhuǎn)結(jié)晶區(qū)域被除去到預(yù)定的深度，各外延層隔開，并為每個被隔開的外延層提供p-電極(見圖55)。可由多個柵格狀反轉(zhuǎn)結(jié)晶區(qū)域形成所述板狀反轉(zhuǎn)結(jié)晶區(qū)域，其中，板狀反轉(zhuǎn)結(jié)晶區(qū)域交叉，有如圖53所示那樣。作為選擇，也可以在主表面上沿單一的方向平行排列分布，這在后面有述。
(發(fā)明樣品S6)在圖53和圖54所示的GaN襯底中，外延層側(cè)上的第一主表面述具有(0001)定位面，即c-平面的表面。與該第一主表面面對稱的反轉(zhuǎn)結(jié)晶區(qū)域為(000-1)平面，即c-平面，并沿c軸反轉(zhuǎn)生長。在c-平面處，表面為排列有Ga原子的Ga表面，而在反轉(zhuǎn)結(jié)晶區(qū)域處，表面為排列有N原子的N表面。在發(fā)明樣品S6中，所采用的GaN襯底中，使反轉(zhuǎn)結(jié)晶區(qū)域排列成每隔100微米寬度為30微米的柵格圖樣。這種反轉(zhuǎn)結(jié)晶區(qū)域擴(kuò)展到GaN襯底上所形成的各外延層。
在這種GaN襯底中，采用與發(fā)明樣品A中同樣的方法形成層狀結(jié)構(gòu)(見發(fā)明樣品A的步驟(a1)-(a6))。代替形成p-電極的步驟(a7)，實行如下的操作。把掩膜圖樣應(yīng)用于p-型GaN層上，只覆蓋有如圖54中那樣擴(kuò)展的各反轉(zhuǎn)結(jié)晶區(qū)域。在僅于掩膜之間的c-平面區(qū)域上形成p-電極層之后，除去掩膜圖樣。
接著，用掩膜覆蓋該GaN襯底的第二主表面(背面)的整個表面，并將這個GaN襯底保持在8N(常規(guī))的80℃的KOH中，以便通過蝕刻，經(jīng)外延層(比如p-型GaN層)，進(jìn)到GaN襯底，而去掉第一主表面?zhèn)壬系姆崔D(zhuǎn)結(jié)晶區(qū)域，同時形成多個溝槽52?？梢院苋菀椎赜蒏OH使板狀反轉(zhuǎn)結(jié)晶區(qū)域受到蝕刻，因為它們是具有高位錯密度的位錯集中區(qū)域。蝕刻進(jìn)入GaN襯底的深度是從外延層與GaN襯底之間分界面到GaN襯底一側(cè)150微米的位置。之后去掉掩膜，并堆積絕緣膜，以填埋各溝槽52(見圖55)。
(實驗和結(jié)果)使用發(fā)明樣品S6制備發(fā)光元件，當(dāng)加給20mA的電流時，所述元件提供9.6mW的光輸出。這是發(fā)明樣品A的8mW光輸出1.2倍。
如上所述，將發(fā)明樣品S6中的板狀反轉(zhuǎn)結(jié)晶區(qū)域布置成柵格狀，但也并非必須將所述板狀反轉(zhuǎn)結(jié)晶區(qū)域布置形成柵格狀。如圖56(平面圖)和圖57(截面圖)所示，可由只沿一個固定的方向排列的平行的板狀反轉(zhuǎn)結(jié)晶區(qū)域形成GaN襯底的主表面，另外，可以在氮化物半導(dǎo)體襯底上按規(guī)則布置的方式，形成點狀(實際為平面狀或者小圓形)反轉(zhuǎn)結(jié)晶區(qū)域，并如發(fā)明樣品S6那樣，根據(jù)蝕刻孔的尺寸及深度，將得到高于發(fā)明樣品A的光輸出。
(第十五實施例)如圖58所示，在本發(fā)明的第十五實施例中，在半導(dǎo)體芯片上方面對GaN襯底1設(shè)置熒光片46，并由樹脂15密封。改進(jìn)之處在于面對GaN襯底1的熒光片的定位，用作p-朝下安裝結(jié)構(gòu)的放射面。所用的樣品是圖58所示的發(fā)明樣品S7、S8和比較例樣品T7。
(發(fā)明樣品S7)實質(zhì)上是按照第三實施例的發(fā)明樣品F的制作步驟制造發(fā)明樣品S7。如圖58所示，將熒光片46設(shè)置于p-朝下安裝的芯片上方，使它面對GaN襯底1的背面，并用環(huán)氧樹脂15密封這一結(jié)構(gòu)，形成白色發(fā)光器件。
以如下的方式制作熒光片46。實行Halogen輸送法，以制備塊狀ZnSSe結(jié)晶，I(碘)在其中擴(kuò)散。在Zn、Cu氛圍中加熱塊狀ZnSSe結(jié)晶，從而使Cu擴(kuò)散到ZnSSe中。接著，使用粗研磨盤將這個塊狀ZnSSe結(jié)晶研磨成0.5mm的厚度，這之后切割它，使與引線框架相適應(yīng)。按這種方式制備的熒光片的表面和背面的粗糙度Rmax＝1微米。
(發(fā)明樣品S8)在發(fā)明樣品S8中，在面對GaN襯底的熒光片46的表面46a上形成凹口和凸起(見圖59)。所述凹凸的高度被設(shè)定為2微米，而將所述凹口和凸起的間距設(shè)定為5微米。其它的結(jié)構(gòu)都與發(fā)明樣品S7的相同。
(比較例樣品T7)如圖60所示，將熒光片46設(shè)置于p-朝上安裝的芯片上方，使它面對芯片，并用環(huán)氧基樹脂15密封這一結(jié)構(gòu)，形成白色發(fā)光器件。
(實驗和結(jié)果)當(dāng)有如上述那樣把10A的電流加給由GaN襯底形成的發(fā)光器件時，所得光發(fā)射的亮度如下。對于發(fā)明樣品S7而言，得到800lm的高亮度，以及對于發(fā)明樣品S8得到880lm的高亮度。比較例樣品T7則得到540lm的亮度。這些結(jié)果表明，與把熒光片置于p-朝上安裝的襯底上方相比，通過面對p-朝下安裝的GaN襯底設(shè)置熒光片，能夠得到更高的亮度，而且，還使面對GaN襯底的熒光片的表面粗面化，進(jìn)一步提高亮度。
(第十六實施例)在本發(fā)明的第十六實施例中，如下制備發(fā)明樣品S9、S10、S11，實質(zhì)上它們是與本發(fā)明的發(fā)明樣品V相同結(jié)構(gòu)的LED；比較例樣品T9，它是配備有實質(zhì)上相同于已經(jīng)述及的比較例樣品D結(jié)構(gòu)的LED；以及比較例樣品T10，它是配備有實質(zhì)上相同于比較例樣品B結(jié)構(gòu)的LED。用這些LED制造車用頭燈。下面將進(jìn)一步描述這一點。
首先，發(fā)明樣品S9、S10、S11的結(jié)構(gòu)如下。
(發(fā)明樣品S9)使發(fā)明樣品S9的LED配備有實質(zhì)上相同于圖3所示發(fā)明樣品A的結(jié)構(gòu)。在發(fā)明樣品S9中，GaN襯底1(見圖3)通過氧摻雜而被n-型化。GaN襯底1的氧濃度為6E18/cm3。另外，將GaN襯底1的厚度設(shè)定為400微米。采用以發(fā)明樣品V相同步驟(v1)-(v11)制備用作發(fā)光器件的LED。發(fā)明樣品S9的芯片尺寸是邊長為2.5mm的正方形(芯片LED的光出射表面是邊長為2.5mm的正方形(即正方形的邊長為2.5mm))，并且發(fā)光層的形狀是邊長為2.5mm的正方形(即圖3中的L1＝2.6mm)。于是，MQW發(fā)光部分的面積是6.25mm2。另外，n-電極11(見圖11)的直徑被設(shè)定為D＝0.83mm。這一設(shè)定使得發(fā)明樣品S9中MQW發(fā)光部分的尺寸與n-電極11尺寸之比將會與發(fā)明樣品A中的MQW發(fā)光部分的尺寸與n-電極11的尺寸之比一致。然后，將電流加給發(fā)明樣品S9的LED，并研究光輸出與所加電流之間的關(guān)系。實質(zhì)上按與其它各實施例中同樣的方式進(jìn)行測量。將發(fā)明樣品S9的LED安置在積分球內(nèi)，加給預(yù)定的電流，使光集中，并測量來自檢測器的光輸出值。結(jié)果，確定光輸出與加給的電流之間的正比關(guān)系，直到對應(yīng)于電流密度為110(A/cm2)的6.88A(這時的光輸出為4W)。對于加給6.88A或更大的電流而言，使LED的光輸出飽和，從而可以認(rèn)為所加給的電流＝6.88A是熱的極限。使用提供每瓦(W)250lm的450nm光輸出的熒光材料，制備發(fā)白光的LED(白色LED)。熒光材料的定位與對于使用圖18所示LED的情況相同。使用這種白色LED，制備圖2所示的頭燈。不過，這種頭燈中安裝單獨一個LED。
(發(fā)明樣品S10)有如發(fā)明樣品S9中那樣，使用實質(zhì)上與發(fā)明樣品V同樣的步驟，形成與發(fā)明樣品V同樣的結(jié)構(gòu)(即實質(zhì)上與發(fā)明樣品S9同樣的結(jié)構(gòu))。不過，在發(fā)明樣品S10中，GaN襯底1中的氧濃度、芯片尺寸、MQW發(fā)光部分的面積，以及n-電極11的尺寸都與發(fā)明樣品S9的情況不同。具體地說，在發(fā)明樣品S10中，GaN襯底1中的氧濃度為4E18個/cm3，芯片尺寸為邊長是1.4mm的正方形，MQW發(fā)光部分的面積是1.96mm2，以及n-電極11的直徑為047mm。另外，在發(fā)明樣品S10中，使用具有內(nèi)部量子效率為50％的外延多層膜。然后，對發(fā)明樣品S10的LED加給電流，并研究光輸出與所加電流之間的關(guān)系。按與發(fā)明樣品S9同樣的方式進(jìn)行測量。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，直到對應(yīng)于電流密度為110(A/cm2)的2.16A(對于這個值的光輸出為1.25W)，光輸出與所加給電流之間存在正比關(guān)系。由于當(dāng)加給的電流為2.16A或更大時，從LED所能夠得到的光輸出飽和，所以可以認(rèn)為所加給的電流＝2.16A是熱的極限。于是，使用提供每瓦(W)250lm的450nm光輸出的熒光材料制備發(fā)射白光的LED(白色LED)。熒光材料的定位與對于使用圖18所示LED的情況相同。使用這種白色LED，制備圖2所示的頭燈。不過，有如發(fā)明樣品S9那樣，這種頭燈中也是安裝單獨一個LED。
(發(fā)明樣品S11)有如發(fā)明樣品S10中那樣，實行實質(zhì)上與發(fā)明樣品V同樣的步驟，形成與發(fā)明樣品V同樣的結(jié)構(gòu)。不過，雖然發(fā)明樣品S10中使用具有內(nèi)部量子效率為50％的外延多層膜，發(fā)明樣品S11中使用具有內(nèi)部量子效率為78％的外延多層膜。另外，芯片尺寸為邊長是2.0mm的正方形。對發(fā)明樣品S11的LED加給電流，研究發(fā)光效率與所加電流之間的關(guān)系。按與發(fā)明樣品S9中同樣的方式進(jìn)行測量。結(jié)果，確定直到對應(yīng)于電流密度為110(A/cm2)的4.4A(產(chǎn)生4W的光輸出)，光輸出(發(fā)光強(qiáng)度)與所加給電流(注入的電流)之間存在正比關(guān)系。一旦所加給的電流是4.4A或者更大的電流，從LED能夠得到的光輸出飽和，所以可以認(rèn)為所加給的電流＝4.4A是熱的極限。使用提供每瓦(W)250lm的450nm光輸出的熒光材料，以形成發(fā)射白光的白色LED。白色LED的布置與對于使用圖18所示LED的情況相同。使用這種白色LED，制備圖2所示的頭燈。不過，有如發(fā)明樣品S9那樣，這種頭燈中也是安裝單獨一個LED。
以下述結(jié)構(gòu)形成比較例樣品T9和T10。
(比較例樣品T9)采用實質(zhì)上與比較例樣品D的制作步驟(d1)-(d11)同樣的步驟，得到實質(zhì)上具有與比較例樣品D同樣結(jié)構(gòu)的比較例樣品T9的LED。不過芯片尺寸采用邊長為1.4mm的正方形。另外，將n-型GaN層形成n-電極的部分的線度L4設(shè)定為0.7mm。這種設(shè)定使比較例樣品T9中的MQW發(fā)光部分尺寸與n-電極11尺寸之比與比較例樣品D中的MQW發(fā)光部分尺寸與n-電極11尺寸之比一致。于是，將MQW發(fā)光部分的面積設(shè)定為1.47mm2。有如在發(fā)明樣品S10中那樣，對于比較例樣品T9研究光輸出與所加給電流之間的關(guān)系。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)像發(fā)明樣品S10中那樣把2.16A的電流加給比較例樣品T9時，只有0.54W的光輸出。然后，通過使用通過每瓦(W)250lm的450nm光輸出的熒光材料，制備白色LED，用作發(fā)射白色光的比較例樣品。熒光材料的定位與對于使用圖18所示LED的情況相同。使用這種白色LED，制備圖2所示的頭燈。不過，這種頭燈中安裝單獨一個LED。
(比較例樣品T10)采用實質(zhì)上與比較例樣品B的制作步驟(b1)-(b11)同樣的步驟，得到實質(zhì)上具有與比較例樣品B同樣結(jié)構(gòu)的比較例樣品T10的LED。結(jié)果，MQW發(fā)光部分的面積為0.0675mm2。有如在比較例樣品T9中那樣，對于比較例樣品T10研究光輸出與所加給電流之間的關(guān)系。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)加給100mA的電流時，光輸出瓦25mW。然后，通過使用通過每瓦(W)250lm的450nm光輸出的熒光材料，制備白色LED，用作發(fā)射白色光的比較例樣品。熒光材料的定位與對于使用圖18所示LED的情況相同。使用這種白色LED，制備圖2所示的頭燈。不過，有如比較例樣品T9中那樣，這種頭燈中也是安裝單獨一個LED。
(實驗和結(jié)果)對于發(fā)明樣品S9、S10、S11和比較例樣品T9、T10的頭燈測量亮度，所得的測量結(jié)果表明，對于作為顯示IL直線性的極限電流的6.68A的電流，發(fā)明樣品S9的光通量為1000lm，亮度是60cd/mm2。測量還表明，對于作為顯示IL直線性的極限電流的2.16A的電流，發(fā)明樣品S10的光通量為310lm，亮度是21cd/mm2。測量還表明，對于作為顯示IL直線性的極限電流的4.4A的電流，發(fā)明樣品S11的光通量為1000lm，亮度是60cd/mm2。采用比較例樣品T9，對于與發(fā)明樣品S10為同樣的電流2.16A，它的光通量為135lm，亮度是9cd/mm2。采用比較例樣品T10，對于作為使光輸出飽和的電流的100mA電流，它的光通量為6.3lm，亮度是0.38cd/mm2。
于是可以看出，能夠給出具有單獨一個發(fā)光器件(LED)的發(fā)明樣品S9和S11，它們具有可以與普通頭燈相比的光通量(300-1000lm)和亮度。另外，采用發(fā)明樣品S10的頭燈中所用的LED，組合1-3個這樣的LED，可以給出能夠與普通頭燈相比的光通量和亮度。
有如上述比較例樣品D那樣，比較例樣品T9的結(jié)構(gòu)比上述發(fā)明樣品S10的結(jié)構(gòu)復(fù)雜得多，導(dǎo)致制作過程也復(fù)雜得多。因而，比較例樣品T9的制作成本明顯地要高于發(fā)明樣品S10的制作成本，同時，比較例樣品T9只能提供接近發(fā)明樣品S10光輸出的45％的光輸出。因此，與采用發(fā)明樣品S10相比，要想提供預(yù)定的光通量，就需要更多的LED。于是，由于為了在頭燈中安置多個LED就需要更多的空間，而且，由于還需要更多的部件，這些都進(jìn)一步增大了頭燈的制作成本。
另外，在運行費用方面，比較例樣品T9的發(fā)光效率比發(fā)明樣品S10低差不多45％，所以，比較例樣品T9的頭燈具有比發(fā)明樣品S10的頭燈更加高的能耗，也即運行費用會更高。
此外，在發(fā)明樣品S10中，通過由小芯片形成LED，使LED的結(jié)構(gòu)盡可能的簡單。但有如上述者，對于比較例樣品T9中的每個芯片所能得到的光通量很低，而且，亮度也明顯地比各發(fā)明樣品的低。因而，為了得到能夠與采用比較例樣品T10的普通頭燈相比的光通量，就需要對每個頭燈安裝大量的LED，即48-159個LED。要使用這樣多的LED，就必須在頭燈者提供較大的LED安置空間，而且，部件數(shù)量的增多，也意味著制作成本的增高。
比如汽車等車輛內(nèi)所安裝的標(biāo)準(zhǔn)電池的電壓為12V。為了得到1000lm的光通量，如果使用比較例樣品T9的LED，將需要8個LED。當(dāng)這8個LED被簡單地串聯(lián)連接時，要想驅(qū)動它們，就應(yīng)該需要24V-32V的高壓。然而，考慮到上述車內(nèi)安裝的電池電源，就不能采用這種簡單的串聯(lián)連接。具體地說，為了使用多個比較例樣品T9的LED提供預(yù)定的光通量，就需要采用復(fù)雜的驅(qū)動電路，其中將結(jié)合對8個LED的串聯(lián)與并聯(lián)連接，以適應(yīng)所述電池所帶給的限制。這種復(fù)雜的電路將使頭燈的制作成本增大。此外，采用比較例樣品T10，所需的LED數(shù)量將會使如此之多，以致所需驅(qū)動電路的結(jié)構(gòu)會被認(rèn)為是不切實際的。另一方面，采用發(fā)明樣品S9-S11，使用1-3個LED就可以得到所需的光通量(如1000lm)。于是，就無需再使用上述那樣的復(fù)雜驅(qū)動電路。換句話說，就可以避免因這類復(fù)雜的驅(qū)動電路所帶來的頭燈制作成本的提高。
即使以包含串聯(lián)和并聯(lián)結(jié)合的復(fù)雜的驅(qū)動電路，用比較例樣品T9、T10等的LED制作頭燈，照明質(zhì)量的問題也是不可避免的，比如，由于多個LED之間退化程度的差異所引起的顏色不均衡，以及由于各LED之間散熱差異所致溫度分布不均勻引起的顏色不均衡。于是，與使用發(fā)明樣品S9-S11的頭燈相比，這種頭燈的壽命及可靠性，以及生產(chǎn)過程的產(chǎn)率都將會是低下的。
在比較例樣品T9等中，認(rèn)為通過增大芯片尺寸去補償較低的光發(fā)射效率可以得到能夠與普通頭燈相比的光通量。然而，在這種情況下1)由于與發(fā)明樣品S9-S11的LED的尺寸相比，將會使LED的尺寸較大，所以將會需要更多的安裝這些LED的空間；2)在比較例樣品T9等的情況中，對于大芯片尺寸而言電極結(jié)構(gòu)變得更為復(fù)雜，以致均勻的發(fā)光以及芯片中的散熱都變得更加困難；3)能耗將會不可避免地要高于采用發(fā)明樣品S9-S11的情況；等等。于是，可以理解在上述各比較例樣品中，增大芯片的尺寸以補償較低的發(fā)光效率將不是實際的。
由于發(fā)明樣品S9-S11中使用作為導(dǎo)電基板的GaN襯底，所以不需要關(guān)于靜電耐壓的保護(hù)電路(如可以只接到電源和對GaN襯底的LED的控制電路)。于是，可以使頭燈中所用部件的數(shù)量得以減少，并可降低部件的費用。另外，由于頭燈中不需要預(yù)備空間去安置保護(hù)電路，所以可將頭燈做得更加小型化，或者在頭燈的設(shè)計中給以更大的自由度。在發(fā)明樣品S9-S11中，外延層膜的光發(fā)射效率以及熒光材料的轉(zhuǎn)換效率都可以有較為權(quán)威的值。當(dāng)然，如果這些值增大，就可將芯片做得更小，比如用邊長為1mm的正方形芯片給出300lm或1000lm的光通量。
其次，雖然上述各實施例和舉例存在某些交迭，但將羅列本發(fā)明的一些舉例并描述如下。
圖1和2所示的本發(fā)明頭燈82是一種裝備有光源(由多個LED84形成的一組LED)的車輛所用的頭燈，所述光源包含一個或多個發(fā)光器件(LED84)和基體部件(底座86和后蓋92)。所述LED84包括氮化物半導(dǎo)體襯底(GaN襯底1)；所述氮化物半導(dǎo)體襯底第一主表面一側(cè)上的n-型氮化物半導(dǎo)體層(n-型AlxGa1-xN層3)；位于比n-型氮化物半導(dǎo)體層更加遠(yuǎn)離所述氮化物半導(dǎo)體襯底的p-型氮化物半導(dǎo)體層(p-型AlxGa1-xN層5)；以及位于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(MQW-多量子阱4)。在這種發(fā)光器件中，氮化物半導(dǎo)體襯底的電阻率不大于0.5Ω·cm，p-型氮化物半導(dǎo)體層一側(cè)被朝下安裝，而且從與氮化物半導(dǎo)體襯底的第一主表面相對的第二主表面1a發(fā)射光。
在這種結(jié)構(gòu)中，將n-電極11設(shè)置于GaN襯底1的第二主表面1a上，從而，即使采用小的被覆率，也即大的開口率設(shè)置所述n-電極11，也會使得電流能夠流過整個半導(dǎo)體襯底。于是，能夠提高發(fā)光效率，并可減少為得到頭燈中的光通量所需發(fā)光器件的數(shù)目。這就使得能夠制造較低成本的頭燈。
在上述頭燈中，可由GaN或AlxGa1-xN(0＜x≤1)形成氮化物半導(dǎo)體襯底。如果將GaN襯底1用為氮化物半導(dǎo)體襯底，則可以加給大電流密度，同時使得能夠從發(fā)光器件發(fā)出較高的亮度(和較高的光通量)。另外，由GaN或AlxGa1-xN(0≤x≤1)形成氮化物半導(dǎo)體襯底意味著以具有良好導(dǎo)熱性，即良好散熱特性的氮化物半導(dǎo)體襯底制成發(fā)光器件的LED。于是，即使在加給大電流密度的情況下，也能有足夠的散熱性，使得能夠減少LED因熱而受損傷的機(jī)會。結(jié)果，可以實現(xiàn)頭燈82長時間提供穩(wěn)定的光輸出。
在這種頭燈中，最好使GaN襯底1的位錯密度在1E8個/cm3以下。在這種情況下，可將具有大電流密度的電流加給GaN襯底1。于是，可從LED84發(fā)射高亮度的光。
在這種頭燈中，最好使GaN襯底1或AlxGa1-xN襯底(0＜x≤1)的導(dǎo)熱率在100W/(m·K)以上。這就使得能夠通過GaN襯底1等有效地散放LED所產(chǎn)生的熱量。于是，即使在對LED加給大電流時，也能限制LED溫度的增高，使得能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定地發(fā)射高亮度光的頭燈。
在上述頭燈中，最好使每個LED的光輸出(光通量)至少在300流明(lm)。這使得所能得到的輸出可與使用單一光源的普通頭燈的光輸出相比，從而能夠使用一個或少量LED形成具有充分光輸出(光通量)的頭燈。
在這種頭燈中，來自單獨一個LED的輸出至少可在1000流明(lm)。這使得能夠得到可與由單獨一個LED的普通頭燈的光輸出相比的輸出，從而能夠使用一個或少量LED形成具有充分光輸出(光通量)的頭燈。
在這種頭燈中，GaN襯底1第二主表面1a的發(fā)射光的部分的尺寸(圖3中光的出射表面的尺寸)可以在1mm×1mm以上。這使得能夠按一定的電流密度(如接近110A/cm2)對GaN襯底1加給足夠大的電流，用于上述輸出(光通量)。
在這種頭燈中，可以通過氧摻雜而使所述GaN襯底1被n-型化，并且GaN襯底1的氧濃度至少可以是2E18個/cm3氧原子，而不大于2E19個/cm3氧原子。GaN襯底1的厚度至少可以是200微米，而不大于400微米。由于電流可以均勻地流過GaN襯底1，所以，LED能夠適宜地從GaN襯底1的整個第二主表面1a發(fā)射光。
在上述頭燈中，GaN襯底1的第二主表面1a發(fā)射光的部分的尺寸(圖3中光出射表面的尺寸)至少可為2mm×2mm。這使得能夠按一定的電流密度(如接近110A/cm2)把對于上述光輸出(光通量)為足夠高的電流加給GaN襯底1。
在上述頭燈中，可以通過氧摻雜而使GaN襯底1被n-型化，并且GaN襯底1的氧濃度至少可以是3E18個/cm3氧原子，而不大于2E19個/cm3氧原子。GaN襯底1的厚度至少可以是200微米，而不大于400微米。由于電流可以均勻地流過GaN襯底1，所以，LED能夠適宜地從GaN襯底1的整個第二主表面1a發(fā)射光。
在上述頭燈中，LRD的靜電耐壓至少可為3000V。另外，無需為這種頭燈設(shè)置特定的保護(hù)電路，用以保護(hù)LED免受GaN襯底1與用作朝下安裝的p-型氮化物半導(dǎo)體層的p-型AlxGa1-xN層5之間的瞬變電壓或靜電放電影響。另外，在這種頭燈內(nèi)，無需提供包含齊納二極管的功率分路電路，去應(yīng)對瞬變電壓或靜電放電。與其中安裝有保護(hù)電路的頭燈相比，這種頭燈給出更為簡單的結(jié)構(gòu)，使得能夠降低頭燈的生產(chǎn)成本。
在這種頭燈中，最好應(yīng)該通過給LED加以不大于4V的電壓而發(fā)射光。這是因為使用具有高導(dǎo)電性，即具有低電阻的氮化物半導(dǎo)體襯底(GaN襯底1)，就使得能夠提供在加給低電壓條件下具有發(fā)射光所需電流的發(fā)光層。因此，這樣的LED能夠輸出頭燈所需要的光，所述頭燈采用安裝在車內(nèi)的電源裝置，這種電源的性能會受到限制。采用這種頭燈，LED可以利用低電壓發(fā)光，從而限制了頭燈的電能消耗。
本發(fā)明的另一種頭燈是裝備有光源(由多個LED84形成的一組LED)的車輛所用的頭燈82，所述光源包含一個或多個發(fā)光器件(LED84)；以及用以將光源固定到車輛上的基體部件(底座86和后蓋92)。所述LED84包括作為氮化物半導(dǎo)體襯底的GaN襯底1；作為n-型氮化物半導(dǎo)體層的n-型AlxGa1-xN層3(0≤x≤1)，它在所述氮化物半導(dǎo)體襯底的第一主表面一側(cè)上；位于比n-型AlxGa1-xN層3更加遠(yuǎn)離所述氮化物半導(dǎo)體襯底的p-型AlxGa1-xN層5(0≤x≤1)；以及位于所述n-型AlxGa1-xN層3和p-型AlxGa1-xN層5之間的發(fā)光層(MQW-多量子阱4)。在這種用作發(fā)光器件的LED84中，GaN襯底1的位錯密度不大于108/cm2，p-型AlxGa1-xN層5一側(cè)被朝下安裝，從與GaN襯底1的第一主表面相對的第二主表面1a發(fā)射光。
采用這種結(jié)構(gòu)，假設(shè)上述本發(fā)明的GaN襯底1是導(dǎo)電的，易于減小電阻。因而，除了裝備有上述發(fā)光器件的頭燈的這些工作情況及優(yōu)點外，還由于GaN襯底1的位錯密度不大于108/cm2，而提供高的結(jié)晶性，以及由于開口率高，所以，能夠增大第二主表面1a輸出的光。
另外，還從側(cè)面發(fā)出光。
再有，由于保持折射率的連續(xù)性，所以，不會發(fā)生有關(guān)上述全反射的問題。
本發(fā)明的另一種頭燈是裝備有光源(由多個LED84形成的一組LED)的車輛所用的頭燈82，所述光源包含一個或多個發(fā)光器件(LED84)；以及用以將光源固定到車輛上的基體部件(底座86和后蓋92)。所述LED84包括作為氮化物半導(dǎo)體襯底的AlN襯底，代替上述的GaN襯底；作為n-型氮化物半導(dǎo)體層的n-型AlxGa1-xN層3(0≤x≤1)，它在AlN襯底的第一主表面一側(cè)上；位于比n-型AlxGa1-xN層3更加遠(yuǎn)離所述AlN襯底的p-型AlxGa1-xN層5(0≤x≤1)；以及位于所述n-型AlxGa1-xN層3和p-型AlxGa1-xN層5之間的發(fā)光層(MQW-多量子阱4)。上述AlN襯底的導(dǎo)熱率至少為100W/(m·K)，p-型AlxGa1-xN層5一側(cè)被朝下安裝，從與AlN襯底的第一主表面相對的第二主表面發(fā)射光。
AlN的導(dǎo)熱率極高，并有優(yōu)良的散熱性能，使熱量能夠從p-型AlxGa1-xN層被傳送到引線框架等，從而能夠限制發(fā)光器件中的溫度增高。還可從AlN襯底散放熱量，對限制溫度增高有所貢獻(xiàn)。假設(shè)為了使AlN襯底具有導(dǎo)電性，而已將雜質(zhì)引入到該AlN襯底中。
通過氧摻雜使GaN襯底被n-型化，所述氧濃度在1E17個/cm3-2E19個/cm3氧原子范圍內(nèi)，并且GaN襯底的厚度為100微米-600微米。
通過像上面所說的那樣具有1E17個/cm3的氧濃度，可使GaN襯底的電阻率得以被提高，可以使從p-電極引入的電流充分地流過該GaN襯底，并能充分利用發(fā)光層的面積發(fā)射光。再有，通過使氧濃度不大于2E19個/cm3，可以使波長為450nm的光的透射率在60％以上，從而提高用作出射表面的GaN襯底的透射率，并提供良好的光輸出。在GaN襯底的厚度為100微米-600微米的情況下，這種氧濃度的范圍在p-朝下安裝的結(jié)構(gòu)中是特別有效的。
另外，還應(yīng)該可以使這個氧濃度在5E18個/cm3-2E19個/cm3氧原子的范圍，GaN襯底的厚度在200微米-400微米范圍內(nèi)，以及使發(fā)射光的第二主表面上的矩形發(fā)光表面的兩個邊為不大于10mm。
采用這種結(jié)構(gòu)，可以從整個光出射表面發(fā)射光，并可得到足夠的光輸出。
此外，可使氧濃度處于的3E18個/cm3-5E18個/cm3氧原子的范圍，而且可使GaN襯底的厚度處于400微米-600微米的范圍，以及使發(fā)射光的第二主表面上的矩形發(fā)光表面的兩個邊處于不大于3mm。另外，可使氧濃度處于的5E18個/cm3-5E19個/cm3氧原子的范圍，而且可使GaN襯底的厚度處于100微米-200微米的范圍，以及使發(fā)射光的第二主表面上的矩形發(fā)光表面的兩個邊處于不大于3mm。
通過像上面那樣根據(jù)GaN襯底的厚度選擇適當(dāng)?shù)难鯘舛群托酒叽?，可以根?jù)所述芯片尺寸給出具有更為合適性能(在整個表面上均一的發(fā)光、發(fā)光效率)的GaN襯底。另外，在生產(chǎn)成本方面，還可以選擇最佳的條件。
為了提高GaN襯底大部分區(qū)域的結(jié)晶性，還應(yīng)該可以采用一種GaN襯底，其中在GaN襯底的第一主表面上按平均不大于4E6個/cm2的密度分布有位錯束，所述位錯束沿著襯底的厚度方向，按不連續(xù)的列狀不可避免地形成位錯的集中。
采用這種結(jié)構(gòu)，能夠以較高的生產(chǎn)率生產(chǎn)至少具有預(yù)定的光輸出值的發(fā)光元件。
還應(yīng)該可以使上述位錯束對整個第一主表面都按平均不大于4E2個/cm2分布，第二主表面上的矩形發(fā)光表面的兩個邊在200微米-400微米范圍。
在比如上述那些小型發(fā)光元件中，位錯束的存在導(dǎo)致不可避免的性能劣化，并且直接聯(lián)系到生產(chǎn)率的低下。通過像上面那樣降低位錯束的密度，可使生產(chǎn)率的低下維持在實用上所容許的范圍內(nèi)。
還應(yīng)該可以在上述GaN襯底與AlxGa1-xN層(0≤x≤1)之間形成與GaN襯底接觸的n-型AlGaN緩沖層、與n-型AlGaN緩沖層接觸的n-型GaN緩沖層，以及與n-型GaN緩沖層接觸的AlxGa1-xN層(0≤x≤1)。
采用有如上述的異質(zhì)外延層狀結(jié)構(gòu)，有如上述那樣，還應(yīng)該可以在GaN襯底與作為發(fā)光層的外覆層的AlxGa1-xN層(0≤x≤1)之間形成n-型AlGaN緩沖層和n-型GaN緩沖層。
通過在所述GaN襯底與外覆層之間不僅形成n-型GaN緩沖層，而且還形成n-型AlGaN緩沖層，可以形成具有良好結(jié)晶性的異質(zhì)外延層狀結(jié)構(gòu)。
特別是，最好采用上述具有GaN襯底的層狀結(jié)構(gòu)，其中所述GaN襯底具有偏離角不大于0.10°的區(qū)域和偏離角至少為1.0°的區(qū)域。
采用這種結(jié)構(gòu)，即使GaN襯底中存在翹曲以及有如上述那樣的偏離角變化，附加在n-型GaN層的n-型AlGaN緩沖層使得能夠給出具有優(yōu)良結(jié)晶性的異質(zhì)外延層狀結(jié)構(gòu)。
還應(yīng)該可以具有這樣的結(jié)構(gòu)，其中位錯束分布在GaN襯底上，但位錯束并不擴(kuò)展到n-型AlGaN緩沖層和位于n-型GaN緩沖層上的外延層，所述n-型GaN緩沖層與n-型AlGaN緩沖層相接觸。
采用這種結(jié)構(gòu)，即使GaN襯底的位錯束密度高，也能得到非常高的制造產(chǎn)率。具體地說，通過按這種方式布置n-型AlGaN緩沖層和n-型GaN緩沖層，能夠在包含發(fā)光層的外延層結(jié)構(gòu)中有效地消除位錯束。n-型GaN緩沖層和n-型AlGaN緩沖層終止GaN襯底處或者恰在其上的層的位錯束。
還應(yīng)該可以提供與p-型AlxGa1-xN層(0≤x≤1)接觸，并位于下側(cè)上的p-型GaN緩沖層，以及位于與p-型GaN緩沖層接觸的p-型InGaN接觸層。
在上面所述的結(jié)構(gòu)中，可將具有優(yōu)良導(dǎo)電性的p-型InGaN接觸層置于p-電極層之下，從而在選擇p-電極層的材料中減少對于功函數(shù)等給予優(yōu)先的需求。于是，可以通過比如對反射率等給予優(yōu)先而選擇p-電極層的材料。
可以使p-型InGaN接觸層中的Mg濃度在1E18-1E21個/cm3Mg原子的范圍。
采用這種結(jié)構(gòu)，可以給出充分的導(dǎo)電性，并可使通過p-電極引入的電流流過整個外延膜。
還應(yīng)該可以由與p-型InGaN接觸層相接觸的Ag層形成p-電極層。
采用這種結(jié)構(gòu)，通過增大安裝部分，即發(fā)光元件底部的反射率，從而減少光的損失，就能增大光的輸出。
上述GaN襯底包含板狀反轉(zhuǎn)結(jié)晶區(qū)域，這些區(qū)域沿著深度的軸向連續(xù)延伸并在該GaN襯底表面上?？梢詮膒-型氮化物半導(dǎo)體層一側(cè)穿過n-型氮化物半導(dǎo)體層并進(jìn)到GaN襯底中，除去GaN襯底中的板狀反轉(zhuǎn)結(jié)晶區(qū)域和擴(kuò)展到在GaN襯底上形成的n-型及p-型氮化物半導(dǎo)體層中的板狀反轉(zhuǎn)結(jié)晶區(qū)域，而且對于每個其余的p-型氮化物半導(dǎo)體層可以形成多個與該p-型氮化物半導(dǎo)體層接觸的p-型電極。
采用這種結(jié)構(gòu)，由于能夠增大光的引出表面，所以可提高光的輸出。
在上面的敘述中，可以使用KOH水溶液去除直到GaN襯底內(nèi)部位置的板狀反轉(zhuǎn)結(jié)晶區(qū)域。
在使用KOH水溶液去除板狀反轉(zhuǎn)結(jié)晶區(qū)域時，無需光學(xué)掩蔽，可以同時對氮化物半導(dǎo)體層的第二主表面實行非鏡面化處理。因而，通過使用KOH水溶液可以降低關(guān)于上述結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)成本。
還應(yīng)該可以在p-型氮化物半導(dǎo)體層的表面上以分開的方式形成多個第一p-電極，并與所述p-型氮化物半導(dǎo)體層接觸；還可以由Ag形成第二p-電極，以填入各第一p-電極之間的縫隙，以及覆蓋各p-型氮化物半導(dǎo)體層和第一p-電極。
采用這種結(jié)構(gòu)，可使通過p-電極引入的電流充分流過整個表面，并可通過提高反射率而提高光輸出。
還應(yīng)該可以使上述以分離方式布置的各第一p-電極在p-型氮化物半導(dǎo)體層的表面上的覆蓋比率在10-40％范圍內(nèi)。
采用這種結(jié)構(gòu)，可以提供充分的導(dǎo)電性，同時使電流能夠流過整個表面。如果所述覆蓋比率小于10％，電流就不能徹底流過外延層。如果所述覆蓋比率超過40％，會因分開布置的各p-電極層受光的引出效率的下降成為顯著的。
還應(yīng)該可以遠(yuǎn)離上述氮化物半導(dǎo)體襯底設(shè)置熒光片，使它與氮化物半導(dǎo)體襯底的第二主表面面對。
通過將所述熒光片直接設(shè)置于所述氮化物半導(dǎo)體襯底正上方，形成p-朝下安裝的發(fā)光部分，在氮化物半導(dǎo)體表面處，將從熒光片的背面反射的回光向著熒光片一側(cè)再反射。結(jié)果，使光輸出進(jìn)一步提高。
還應(yīng)該可以在面對所述氮化物半導(dǎo)體襯底之第二主表面的熒光片表面上形成凹口和凸起。
采用這種結(jié)構(gòu)，可以進(jìn)一步提高光的出射效率。
還應(yīng)該可以將上述氮化物半導(dǎo)體襯底用作接地部件，使瞬變電壓及靜電放電接地。
為了保護(hù)發(fā)光元件免受因加于所述氮化物半導(dǎo)體襯底與朝下安裝的p-型AlxGa1-xN層一側(cè)之間的瞬變電壓及靜電放電所致的高電壓的影響，可將所述具有高導(dǎo)電性的氮化物半導(dǎo)體襯底用作接地部件，使高電壓接地。于是，就不需要設(shè)置諸如含有齊納二極管的功率分路電路之類的保護(hù)電路，以處理瞬變電壓及靜電放電。瞬變電壓及靜電放電是III族氮化物半導(dǎo)體中電路故障的主要因素。如果氮化物半導(dǎo)體襯底的導(dǎo)電性有如上述那樣高，則可將這種襯底用作接地部件，以明顯地減少生產(chǎn)的操作步驟和生成本。
還應(yīng)該可以使在加給不高于4V電壓時也有發(fā)光元件發(fā)射光。通過使用高導(dǎo)電性，也即低電阻的氮化物半導(dǎo)體襯底，可以通過對要發(fā)射光的發(fā)光元件加給足夠的低電位電流而發(fā)光。于是，就需要設(shè)置極少的電池，使得發(fā)光裝置要求發(fā)光元件更小型化、更輕，以及成本更低。而且，使能耗受到限制。
還應(yīng)該可以使氮化物半導(dǎo)體襯底的厚度至少為50微米。
采用這種結(jié)構(gòu)，在由點狀或小面積n-型電極注入電子的情況下，電子從GaN襯底或n-型氮化物半導(dǎo)體襯底的表面向內(nèi)擴(kuò)展延伸。于是，最好應(yīng)該使GaN襯底或n-型氮化物半導(dǎo)體襯底更厚些。如果所述襯底的厚度小于50微米時，所述n-型電極具有較小的面積，則在電子到達(dá)多量子阱的發(fā)光層時，電子就不能充分地擴(kuò)展，造成一些發(fā)光層的部分不發(fā)光，或者一些部分發(fā)光不充分。通過將所述襯底設(shè)定為50微米以上，即使在n-電極的面積較小，也因電阻低而使得電流能夠在襯底中充分地傳播。這使得使發(fā)光層的發(fā)光部分能夠是足夠大的。最好應(yīng)該使所述厚度在75微米以上。然而，如果襯底過厚，則襯底的吸收就會變得不容忽視，所以，最好使所述厚度不大于500微米。
還應(yīng)該可以使要在氮化物半導(dǎo)體襯底的第二主表面上形成的電極具有50％以上的開口率。
采用這種結(jié)構(gòu)，可以提高第二主表面的發(fā)光效率。對于較高的開口率，n-電極吸收光的量減少，以致能夠增大光的輸出。因而，最好使所述開口率至少為75％，甚至90％則更好。
還應(yīng)該可以使安置在氮化物半導(dǎo)體襯底上的電極與氮化物半導(dǎo)體襯底之間的接觸面積至少為0.55mm2。
采用這種結(jié)構(gòu)，可以使邊長為8mm正方形的氮化物半導(dǎo)體襯底的線性電流-光輸出特性提高到接近70A而不受電極發(fā)熱的影響。
還應(yīng)該可以使電連接所述電極和引線框架的連接引線的截面積至少為0.002mm2。
采用這種結(jié)構(gòu)，可以使所述元件直到對2A的電流也可工作，而不受引線發(fā)熱的影響。
還應(yīng)該可以使電連接所述電極和引線框架的連接引線的截面積至少為0.07mm2。
采用這種結(jié)構(gòu)，可以使所述元件直到能夠?qū)?0A的電流工作，而不受引線發(fā)熱的影響。
對于要被分開定位于氮化物半導(dǎo)體襯底至少兩個角的電極，還應(yīng)該可以使這些電極與所述氮化物半導(dǎo)體襯底之間的總接觸面積至少為0.055mm2，以及使電連接所述引線框架和所述各角處電極的連接引線的總截面積為0.002mm2。
采用這種結(jié)構(gòu)，幾乎不會有那些將會妨害來自半導(dǎo)體芯片的光的部分。
還應(yīng)該可以使引線框架與各角處的電極電連接的連接引線的總截面積至少為0.07mm2。
采用這種結(jié)構(gòu)，幾乎不會有那些將要妨害光的取出的部分，從而提高光的輸出效率。
還應(yīng)該可以使發(fā)出光的第二主表面的面積至少為0.25mm2。
采用這種結(jié)構(gòu)，通過布置預(yù)定數(shù)量的上述發(fā)光元件，可以使得代替普通照明裝置的范圍擴(kuò)大。如果發(fā)光部分的面積小于0.25mm2，會使所要使用的發(fā)光元件的數(shù)量變得太多，而不能代替普通的照明裝置。上述本發(fā)明實施例的發(fā)光部分為氮化物半導(dǎo)體襯底，而且在允許足夠大的電流流過的同時，最好使它的尺寸盡可能地大。這意味著，如果電阻較低，就能使發(fā)光面積較大，比如像發(fā)明樣品F那樣，若氮化物半導(dǎo)體襯底的電阻率為0.01Ω·cm，則所述面積接近8mm×8mm。
還應(yīng)該可以使氮化物半導(dǎo)體襯底的第二主表面的部分發(fā)光，它的尺寸至少是1mm×1mm。還應(yīng)該是可以使氮化物半導(dǎo)體襯底的第二主表面的發(fā)光部分，它的尺寸至少為3mm×3mm。此外，還應(yīng)該可以使氮化物半導(dǎo)體襯底的第二主表面的發(fā)光部分至少具有5mm×5mm的尺寸。
通過有如上述那樣增大光出射面的面積，可以減小要安裝在照明裝置中的發(fā)光元件的數(shù)量，從而，減少處理步驟的數(shù)目，同時，也減少部件的數(shù)目、限制能耗等。顯然，“至少1mm×1mm”的尺寸包括1mm×1mm的尺寸。
還應(yīng)該可以使發(fā)光元件的熱阻不大于30℃/W，所述發(fā)光元件包括在AlN襯底上形成的各種發(fā)光元件。
當(dāng)發(fā)光元件的溫度升高時，發(fā)光效率降低，而且過度的溫度升高可能導(dǎo)致發(fā)光元件受損。于是，在發(fā)光元件中，溫度和熱阻是重要的設(shè)計要素。從來所使用過的熱阻接近60℃/W(比如上述日本未審專利申請公開JP2003-8083)。然而，通過有如上述那樣設(shè)計所述元件，使得熱阻不大于30℃/W，即使將較大的電功率加給發(fā)光元件，也能防止發(fā)光效率的明顯下降，以及使發(fā)光元件受損。能以這樣的方式使熱阻減半的可能性只是由于能夠使用低電阻率的GaN襯底。
在上述發(fā)光器件中，在連續(xù)發(fā)光的情況下，經(jīng)歷最大的溫度增高的那部分的溫度不大于150℃。
采用這種結(jié)構(gòu)，溫度升高最多的那部分，也即發(fā)光層的溫度不大于150℃，這使得能夠給出極高的發(fā)光效率。此外，與常規(guī)發(fā)光元件相比，可大幅延長壽命。
另外，所述n-型氮化物半導(dǎo)體層的厚度還可以為不大于3微米。
采用這種n-型氮化物半導(dǎo)體層，在氮化物半導(dǎo)體襯底上實行外延生長。如果所述厚度過大，則成膜處理所需的時間就增長，而且原料費用也增加。通過使n-型氮化物半導(dǎo)體層的厚度不大于3微米，可以大大降低成本。厚度不大于2微米更好。
還應(yīng)該可以對未由電極覆蓋的氮化物半導(dǎo)體襯底第二主表面的部分實施非鏡面化處理。
采用這種結(jié)構(gòu)，可以防止因在第二主表面，即光從發(fā)光層出射的表面處的全反射，也即造成光被截留在襯底中所引起的效率降低。當(dāng)然，也可以對層狀結(jié)構(gòu)一側(cè)的表面實施非鏡面化處理。
另外，實施上述非鏡面化處理的表面，還應(yīng)該可以是使用氫氧化鉀(KOH)水溶液、氫氧化鈉(NaOH)水溶液、氨(NH3)水溶液或一些其它類型的堿性水溶液實施非鏡面化處理的表面。
采用這種類型的非鏡面化處理，可以有效地得到只在GaN襯底的N表面上形成具有較大凹口和凸起的表面。Ga表面一側(cè)不受到蝕刻。
另外，實施上述非鏡面化處理的表面，還應(yīng)該可以是至少使用硫酸(H2SO4)水溶液、鹽酸(HCl)水溶液、磷酸(H2PO4)水溶液、氫氟酸(HF)水溶液或一些其它類型的酸水溶液之一實施非鏡面化處理的表面。
另外，上述要實施非鏡面化處理的表面還應(yīng)該可以采用RIE實施所述非鏡面化處理。結(jié)果，可以通過干法處理給出具有高精度面積尺寸的非鏡面表面。另外，通過光刻及采用RIE的干法蝕刻或采用堿性水溶液的濕法蝕刻的結(jié)合得到預(yù)定的凹口和凸起的間隔。
還可以用反射率在0.5以上的材料形成設(shè)置于p-型氮化物半導(dǎo)體層上的電極。
采用這種結(jié)構(gòu)，通過向著襯底的第二主表面反射光，可以防止安裝面一側(cè)上的光吸收，并可增強(qiáng)光的發(fā)射量。較高的反射率變得更好，最好可以達(dá)到0.7以上。
還可以安裝熒光體，使其覆蓋氮化物半導(dǎo)體襯底的第二主表面。另外，上述發(fā)光器件可以包含遠(yuǎn)離所述氮化物半導(dǎo)體襯底并面對該氮化物半導(dǎo)體襯底第二主表面而設(shè)置的熒光片。此外，可對所述面對氮化物半導(dǎo)體襯底第二主表面的熒光片表面進(jìn)行處理，形成凹口和凸起。所述氮化物襯底中還可以包含是發(fā)射熒光的雜質(zhì)和/或缺陷。
采用裝置結(jié)構(gòu)，可以制成白光LED。
本發(fā)明的發(fā)光器件還可以包含兩個以上的上述發(fā)光元件，并可使這些發(fā)光元件串聯(lián)連接。
采用這種結(jié)構(gòu)，可以使用高壓電源，用以提供照明部件，其中，將多個高效發(fā)光元件安裝在引線框架等中。譬如，由于車載電源接近12V，可以串聯(lián)4級或更多級本發(fā)明的發(fā)光元件發(fā)射光。
本發(fā)明還應(yīng)該可用有另一種發(fā)光元件，它包含兩個以上上述發(fā)光元件，而且使這些發(fā)光元件并聯(lián)連接。
采用這種結(jié)構(gòu)，可以使用大電流電源，以提供由上述高效發(fā)光元件形成的照明部件。
還可以有一種結(jié)構(gòu)，它包含多個發(fā)光元件和使這些發(fā)光元件發(fā)光的電源電路，所述電源電路中具有串聯(lián)連接的至少兩個并聯(lián)部分，其中，每個并聯(lián)部分中有兩個以上的發(fā)光元件并聯(lián)連接。
采用這種結(jié)構(gòu)，可以在滿足每個發(fā)光元件的發(fā)光條件的同時，使各照明部件的容量與電源容量一致。在上述電源電路中，如果使照明裝置的容量是可變的，則可設(shè)置一個串聯(lián)/并聯(lián)選擇器，以便可由這個串聯(lián)/并聯(lián)選擇器選擇對各發(fā)光元件的連接。
上面說明了本發(fā)明的多種實施方式和具體舉例，但這些實施方式和舉例都是簡單的示例，而并非將本發(fā)明的范圍限制于本發(fā)明的這些實施例。本發(fā)明的范圍由各權(quán)利要求的范圍所表示，還包括與各權(quán)利要求等價的范圍。
本發(fā)明頭燈中所用的發(fā)光器件采用高導(dǎo)電性的氮化物半導(dǎo)體襯底和p-朝下安裝的結(jié)構(gòu)。于是，(1)可以提供良好的散熱并能有較高的光輸出，而無需復(fù)雜的電極結(jié)構(gòu)；(2)給出良好的導(dǎo)電性，而沒有必要設(shè)置保護(hù)電路，去防止發(fā)光元件受到瞬變電壓和靜電放電的影響，并能提供良好的大面積光發(fā)射以及較高的靜電耐壓；(3)由于從發(fā)光層到出射表面不存在高折射率到低折射率的不連續(xù)，所以，不存在全反射的趨勢，從而避免了由全反射所引起的效率下降以及側(cè)表面處的樹脂變差；(4)以低壓發(fā)射光，使得無需使用大容量的電源。從而可使這種器件適用于車輛的照明裝置；以及(5)由于所用結(jié)構(gòu)簡單，易于生產(chǎn)，并且廉價，而且容易使裝置小型化。于是，可以預(yù)期，可將本發(fā)明應(yīng)廣泛地用于包括車用照明裝置的照明產(chǎn)品領(lǐng)域。
權(quán)利要求
1.一種車用頭燈，包括光源，包含一個或多個發(fā)光器件；和基體部件，用以把光源緊固在車輛上；其中，所述發(fā)光器件包括氮化物半導(dǎo)體襯底；在所述氮化物半導(dǎo)體襯底第一主表面?zhèn)壬系膎-型氮化物半導(dǎo)體層；位于比所述n-型氮化物半導(dǎo)體層更遠(yuǎn)離所述氮化物半導(dǎo)體襯底處的p-型氮化物半導(dǎo)體層；以及位于所述n-型氮化物半導(dǎo)體層與p-型氮化物半導(dǎo)體層之間的發(fā)光層；所述氮化物半導(dǎo)體襯底的電阻率不大于0.5Ω·cm；而且朝下安裝所述p-型氮化物半導(dǎo)體層一側(cè)，從作為氮化物半導(dǎo)體襯底一個主表面的第二主表面發(fā)射光，所述第二主表面與第一主表面相對。
2.如權(quán)利要求1所述的頭燈，其中，由GaN或AlxGa1-xN(0＜x≤1)形成所述氮化物半導(dǎo)體襯底。
3.如權(quán)利要求1或2所述的頭燈，其中，所述氮化物半導(dǎo)體襯底的位錯密度不大于1E8/cm2。
4.如權(quán)利要求1-3任一項所述的頭燈，其中，所述氮化物半導(dǎo)體襯底的導(dǎo)熱率至少為100W/(m·K)。
5.如權(quán)利要求1-4任一項所述的頭燈，其中，所述發(fā)光器件之一的輸出至少為300流明。
6.如權(quán)利要求1-5任一項所述的頭燈，其中，所述發(fā)光器件之一的輸出至少為1000流明。
7.如權(quán)利要求1-6任一項所述的頭燈，其中，所述氮化物半導(dǎo)體襯底第二主表面的發(fā)光部分的尺寸至少為1mm×1mm。
8.如權(quán)利要求7所述的頭燈，其中，所述氮化物半導(dǎo)體襯底通過氧摻雜而被n-型化；所述氮化物半導(dǎo)體襯底中的氧濃度至少為2E18個/cm3，并且不大于2E19個/cm3所述氮化物半導(dǎo)體襯底的厚度至少為200微米，并且不大于400微米。
9.如權(quán)利要求1-6任一項所述的頭燈，其中，所述氮化物半導(dǎo)體襯底第二主表面的發(fā)光部分的尺寸至少為2mm×2mm。
10.如權(quán)利要求9所述的頭燈，其中，所述氮化物半導(dǎo)體襯底通過氧摻雜而被n-型化；所述氮化物半導(dǎo)體襯底中的氧濃度至少為3E18個/cm3，并且不大于2E19個/cm3；所述氮化物半導(dǎo)體襯底的厚度至少為200微米，并且不大于400微米。
11.如權(quán)利要求1-10任一項所述的頭燈，其中，所述發(fā)光器件的靜電耐壓至少為3000V。
12.如權(quán)利要求1-11任一項所述的頭燈，其中，無需為保護(hù)所述發(fā)光器件免受加在氮化物半導(dǎo)體襯底與安裝的p-型氮化物半導(dǎo)體層之間的瞬變電壓和靜電放電影響設(shè)置特殊保護(hù)電路。
13.如權(quán)利要求12所述的頭燈，其中，無需為處理瞬變電壓和靜電放電而設(shè)置含有齊納二極管的功率分路電路。
14.如權(quán)利要求1-13任一項所述的頭燈，其中，當(dāng)加給不大于4V的電壓時，所述發(fā)光器件發(fā)光。
15.如權(quán)利要求1-14任一項所述的頭燈，其中，所述發(fā)光器件包括設(shè)在所述氮化物半導(dǎo)體襯底第二主表面上的電極；并且對所述氮化物半導(dǎo)體襯底第二主表面未被電極覆蓋的部分實施非鏡面化處理。
16.如權(quán)利要求15所述的頭燈，其中，所述氮化物半導(dǎo)體襯底第二主表面內(nèi)，被實施所述非鏡面化處理的部分是用氫氧化鉀(KOH)水溶液、氫氧化鈉(NaOH)水溶液和氨(NH3)水溶液或一些其它堿性水溶液在其上實施非鏡面化處理的表面。
17.如權(quán)利要求15所述的頭燈，其中，所述氮化物半導(dǎo)體襯底第二主表面內(nèi)，被實施非鏡面化處理的部分是用硫酸(H2SO4)水溶液、鹽酸(HCl)水溶液、磷酸(H2PO4)水溶液、氫氟酸(HF)水溶液或一些其它類酸的水溶液中的至少一種在其上實施非鏡面化處理的表面。
18.如權(quán)利要求15所述的頭燈，其中，所述氮化物半導(dǎo)體襯底第二主表面內(nèi)，被實施非鏡面化處理的部分是用反應(yīng)離子蝕刻(RIE)在其上實施非鏡面化處理的表面。
19.如權(quán)利要求1-18任一項所述的頭燈，其中，所述發(fā)光器件包括以與所述p-型氮化物半導(dǎo)體層接觸而設(shè)置的p-電極；以及由反射率至少為0.5的材料形成所述電極。
20.如權(quán)利要求1-19任一項所述的頭燈，其中，所述發(fā)光器件包含熒光體，它被設(shè)置用以覆蓋所述氮化物半導(dǎo)體襯底的第二主表面。
21.如權(quán)利要求1-19任一項所述的頭燈，其中，所述發(fā)光器件包含遠(yuǎn)離所述氮化物半導(dǎo)體襯底并面對所述氮化物半導(dǎo)體襯底第二主表面設(shè)置的熒光片。
22.如權(quán)利要求21所述的頭燈，其中，由多個凸凹形成面對所述氮化物半導(dǎo)體襯底第二主表面的熒光片的表面。
23.如權(quán)利要求1-19任一項所述的頭燈，其中，所述氮化物半導(dǎo)體襯底含有雜質(zhì)和/或缺陷。
24.如權(quán)利要求1-23任一項所述的頭燈，其中，所述光源包括多個發(fā)光器件；并且所述各發(fā)光器件串聯(lián)連接或者并聯(lián)連接。
25.如權(quán)利要求1-24任一項所述的頭燈，其中，所述光源包括多個發(fā)光器件；設(shè)置電源電路，使所述光源能夠發(fā)光；并且所述電源電路中，至少兩個并聯(lián)部分被串聯(lián)連接，每個并聯(lián)部分由至少兩個并聯(lián)連接的所述發(fā)光器件形成。
全文摘要
一種車輛的頭燈裝備有包含一個或多個發(fā)光器件(LED)的光源，以及基體部件(底座和后蓋)，用以把光源緊固在車輛上。所述發(fā)光器件包括GaN襯底1；在所述GaN襯底1的第一主表面一側(cè)上的n－型Al
文檔編號F21S8/10GK1787245SQ20051002281
公開日2006年6月14日 申請日期2005年12月8日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月8日
發(fā)明者永井陽一, 中村孝夫, 片山浩二 申請人:住友電氣工業(yè)株式會社