JP5143140B2 - 半導体発光装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体発光装置に関するものであり、特にｎ側電極とｐ側電極とが基板の一方の面に形成されている半導体発光素子をサブマウント上に配置した半導体発光装置に関するものである。

発光ダイオードやレーザダイオードなどに用いられる半導体発光素子は、サファイアやＧａＮ系の基板上に発光層を形成することで得られる。基板の一方の面に電流供給用の電極を形成したタイプの半導体発光素子は、基板の発光層を形成しなかった面から光を出射する。このタイプの半導体発光素子は、光を出射する射光面に電極を設ける必要がないため、多くの光を出射することができる。

近年照明用として半導体発光素子が用いられるようになり、より多くの光を出射するため、上記のタイプの半導体発光素子が多用されるようになり、また投入電力も大きくなってきた。基板の一方の側に電流供給用の電極を形成したタイプの半導体発光素子は、通常サブマウントと呼ばれる電流供給用の部品上にマウントされ、放熱もこのサブマウントに対して行う。半導体発光素子とサブマウントの間は、通電用の電極が設けられ、この電極が放熱部材も兼ねる場合が多い。

特許文献１では、効率よく放熱を行えるように発光素子に設けられるバンプ電極が、アノード電極（ｐ側電極のことである）のほぼ全面を覆うような大きさで接続されている半導体発光装置が開示されている（特許文献１の請求項３参照）。

また、特許文献２ではやはり放熱効果を高めるために、第１および第２の大型バンプを電極として設け、これら大型バンプの平断面積を半導体発光素子の平断面積の３０％以上にすることが開示されている（特許文献２の請求項２参照）。ここで、第１および第２のバンプはｐ側電極およびｎ側電極に接続されるバンプである。

特開２００５−６４４１２号公報 特開２００３−２１８４０３号公報

半導体発光素子に大電流を流すと、半導体発光素子は光に変換できなかったエネルギーを熱として放出するため、熱が発生する。基板の一方の面に電流供給用の電極を形成したタイプの半導体発光素子は、サブマウントとの間に設けられる接続電極を用いて放熱をしなければならない。

放熱は接触面積と接続電極に用いる材質の熱伝導率で決まるので、上記特許文献のように接触面積を増やすのは放熱効果を高めるためには妥当な方法である。しかし、半導体発光素子はさまざまなタイプのものがあり、製造者は用途に従ってさまざまな大きさの半導体発光素子を作製する必要がある。

そのような場合に、それぞれの半導体発光素子の電極の形状に応じた接続電極を作製するのは部品種類が増えるため工程管理が煩雑となるという課題が生じる。本発明は上記の課題に鑑み想到されたものである。

上記課題を解決するために、ｐ側引出電極とｎ側引出電極とが一方の面に形成されているサブマウントと、前記ｐ側引出電極の上面上に形成されているｐ側接続手段および前記ｎ側引出電極の上面上に形成されているｎ側接続手段と、発光層を一方の面に有し、さらに前記ｐ側接続手段を介して前記ｐ側引出電極に電気的に接続するｐ側電極を前記発光層の一方の面上に、および前記ｎ側接続手段を介して前記ｎ側引出電極に電気的に接続するｎ側電極を前記一方の面に有する半導体発光素子とを有する半導体発光装置であって、前記ｐ側接続手段は複数存し、前記発光層の前記一方の面は、前記ｎ側電極から所定の距離内である第１領域と第１領域以外の第２領域とからなり、前記所定の距離は該第１領域の面積が該第２領域の面積の１／３となる距離であり、前記第１領域における前記ｐ側接続手段の底面積の総和ｘは、前記第２領域における前記ｐ側接続手段の底面積の総和ｙの１／３よりも大きい構成を備えた半導体発光装置とした。

上記構成によって、ｐ側接続手段は、ｎ側接続手段の近傍に相対的に多く存在することになり、ｎ側電極近傍での放熱効果が高まる。そして、半導体発光装置毎に放熱性のある電極を個別に作製する必要がなくなる。

（Ａ）は実施形態の半導体発光装置の模式的な断面図であり、（Ｂ）は模式的な平面図である。 実施形態との比較の対象である半導体発光装置の構成を表す図である。 実施形態の半導体発光装置のバリエーションを例示する図である。 実施形態の半導体発光装置のバリエーションを例示する図である。 実施形態の半導体発光装置のバリエーションを例示する図である。 半導体発光素子の構成を示す図である。 サブマウントの構成を示す図である。

図１に例示的半導体発光装置１を示す。図１（Ａ）は、断面図であり、図１（Ｂ）は平面図である。半導体発光装置１は、サブマウント２１上に、半導体発光素子１０が固定された構造である。

半導体発光素子１０は、基板上にｎ型層とｐ型層を含む発光層１５を積層した構造をしており、ｎ型層にはｎ側電極１６が、ｐ型層にはｐ側電極１７が形成されている。光を出射する射光面３６は基板１１において発光層１５を形成していない側の面となる。図１（Ａ）においては、半導体発光素子１０の下面（一方の面）にｎ側電極１６とｐ側電極１７とが形成されている。

サブマウント２１の一方の面（上面）には、引出電極２２、２３が形成されている。引出電極は半導体発光素子１０へ電流を印加するための電極である。半導体発光素子１０のｎ型層の側に接続されるｎ側引出電極２２とｐ型層の側に接続されるｐ側引出電極２３とがある。

ｎ側引出電極２２の上面の上には、半導体素子１０のｎ側電極１６に接続しているｎ側バンプ２４が形成されている。そしてｐ側引出電極２３の上面の上には、半導体素子１０のｐ側電極１７に接続しているｐ側バンプ２５が形成されている。すなわち、ここではｎ側バンプ２４がｎ側接続手段であり、ｐ側バンプ２５がｐ側接続手段である。図１ではｎ側バンプおよびｐ側バンプともに複数あるが、まとめて符号２４および２５で表す。なおｎ側引出電極２２の下面およびｐ側引出電極２３の下面は、サブマウント２１の上面に載っている。

図１に示す半導体発光装置１では、ｎ側電極１６が形成される部分にはｐ型層が無いため、この部分では発光しない。発光効率を上げるためには、ｎ側電極１６を形成する部分はできるだけ小さい面積とする必要がある。一方、ｐ側電極１７は発光層１５の一方の面上に形成されるため、ｐ型電極１７を形成する部分は広い面積であってもよい。

このようにｎ側電極１６とｐ側電極１７とで形成される面積が異なると、ｎ側電極１６の付近に電流の流れが集中することになる。したがって、ｎ側電極１６付近での発熱が多くなり、他の部分に比べて温度が高くなって発光効率が低下してしまう。そこでｎ側電極１６付近での半導体発光素子１０とサブマウント２１との熱伝導面積を大きくし、ｎ側電極１６付近の放熱効果を高めることとした。

具体的には、半導体発光素子１０からサブマウント２１へ熱伝導を行うｐ側バンプ２５をｎ側電極１６の近辺には多く、ｎ側電極１６から離れた場所には少なく配置した。正確には、ｐ側電極１７が形成された発光層１５の一方の面においてｎ側電極１６から所定の距離内の領域を第１領域１００、第１領域以外の発光層１５の一方の面内の領域を第２領域２００としたときに、第１領域１００内のｐ側バンプ２５の底面積の総和ｘと、第２領域２００内のｐ側バンプ２５の底面積の総和ｙとの関係が、ｘ／（第１領域の面積）＞ｙ／（第２領域の面積）となることである。ｐ側バンプ２５の底面積とは、ｐ側電極１７の上面に載っているｐ側バンプ２５の底面の面積のことである。

図１においては、第１領域１００はｎ側電極１６から所定の距離Ｌ内である扇形の範囲内の領域であり、第２領域２００はｐ側電極１７が形成された発光層１５の一方の面の第１領域１００以外の領域である。

ここで発光層１５の一方の面の面積に比べて、第１領域１００の面積が小さすぎると上記関係が成り立っても放熱効果が十分では無い場合があり、また逆に第１領域１００の面積が大きすぎると上記関係が成り立ったときにｐ側バンプ２５が必要以上に多くなってしまう場合が出てくる。従って目安として第１領域１００の面積が第２領域２００の面積の１／３としておくと、上記関係が成り立つときに十分な放熱効果が得られるとともに必要にして十分な量のｐ側バンプ２５が確保できることになる。第１領域１００の面積が第２領域２００の面積の１／３であれば、上記のｘ／（第１領域の面積）＞ｙ／（第２領域の面積）という関係式は、ｘ／ｙ＞１／３という関係式となる。

例えば、ｎ側電極１６を中心に第１領域１００と第２領域２００とが同心円状になっている場合を考えると、第１領域１００の面積が第２領域２００の面積の１／３であるということは、第１領域１００はｎ側電極１６から半径ｒの範囲内であり、第２領域２００は第１領域１００の外側であって且つｎ側電極１６から半径２ｒの範囲内となる。もちろん厳密に１／３とする必要はなく、±２０％の範囲内でも指標としての役割を十分に果たす。

また、ｘ／（第１領域の面積）はｙ／（第２領域の面積）よりも大きければｎ側電極１６付近の放熱効果が高くなるが、放熱効果をより高めるためにはｘ／（第１領域の面積）はｙ／（第２領域の面積）の１．２倍以上であることが好ましく、より好ましくは１．５倍以上であり、２倍以上が特に好ましい。図１ではｘ／（第１領域の面積）はｙ／（第２領域の面積）の約３倍である。

図１に示す半導体発光装置１では、ｐ側バンプ２５として同形状同底面積の複数のものを用い、そのｐ側バンプ２５の配置を工夫することでｘ／（第１領域の面積）＞ｙ／（第２領域の面積）という関係を成り立たせている。すなわち、ｎ側電極１６の近傍ではｐ側バンプ２５の存在密度を大きくし、ｎ側電極１６から距離が離れている場所ではｐ側バンプ２５の存在密度を小さくしている。

ちなみに図２に示す比較のための半導体発光装置１’では、ｐ側バンプ２５’の配置をｎ側電極１６に近い場所でも遠い場所でも一定の存在密度で配置しているので、図１の半導体発光装置１のようなｎ側電極１６付近の放熱効果が高くなることはない。なお、図２ではｎ側バンプ２４’が一つであるが、図１ではｎ側バンプ２４が３つであって総底面積が図２よりも大きく、この点でも図１の半導体発光装置１の方がｎ側電極１６付近において高い放熱効果を有している。

次に変形例について半導体発光素子の部分を図示して説明する。

図３（Ａ）は、図１の半導体発光素子の部分のみを示した図である。

図３（Ｂ）に示す半導体発光素子は、２つのｎ側電極１６ａ，１６ａが、矩形である基板１１の対角線上の２つの角部にそれぞれ形成されている。ここではｎ側電極１６ａ，１６ａが２つあるので、発光層１５ａの一方の面の第１領域１０１，１０１も２箇所に分かれており、その間に第２領域２０１が存していて、２つの第１領域１０１，１０１の面積の和が第２領域２０１の面積の１／３である。ここでは、２つの第１領域１０１，１０１に存するｐ側バンプ２５ａの底面積の総和ｘが第２領域２０１に存するｐ側バンプ２５ａの底面積の総和ｙの約１．２倍であり、ｘ／ｙ＞１／３を満たしている。各ｎ側電極１６ａ，１６ａにはそれぞれ３つのｎ側バンプ２４ａが載せられている。またｐ側バンプ２５ａはｐ側電極１７ａと接続している。

図４に示す半導体発光素子には、基板１１の辺の部分にｎ側電極１６ｂ，１６ｃが形成されている。

図４（Ａ）に示す半導体発光素子は、ｎ側電極１６ｂが矩形である基板１１の一つの辺の中央部に形成されている。ここでは、発光層１５ｂの一方の面の第１領域１０２は略半円形であり、第１領域１０２の面積が第２領域２０２の面積の１／３である。そして、第１領域１０２に存するｐ側バンプ２５ｂの底面積の総和ｘが第２領域２０２に存するｐ側バンプ２５ｂの底面積の総和ｙの約１倍であり、ｘ／ｙ＞１／３を満たしている。ｎ側電極１６ｂには３つのｎ側バンプ２４ｂが載せられている。またｐ側バンプ２５ｂはｐ側電極１７ｂと接続している。

図４（Ｂ）は、に示す半導体発光素子は、２つのｎ側電極１６ｃ，１６ｃが矩形である基板１１の対向する２つの辺の中央部にそれぞれ形成されている。ここでは、ｎ側電極１６ｃ，１６ｃが２つあるので、発光層１５ｃの一方の面の第１領域１０３，１０３も２箇所に分かれており、その間に第２領域２０３が存していて、２つの第１領域１０３，１０３の面積の和が第２領域２０３の面積の１／３である。そして、２つの第１領域１０３，１０３に存するｐ側バンプ２５ｃの底面積の総和ｘが第２領域２０３に存するｐ側バンプ２５ｃの底面積の総和ｙの約０．６倍であり、ｘ／ｙ＞１／３を満たしている。各ｎ側電極１６ｃにはそれぞれ３つのｎ側バンプ２４ｃが載せられている。またｐ側バンプ２５ｃはｐ側電極１７ｃと接続している。

図５（Ａ）に示す半導体発光素子は、ｎ側電極１６ｄが、矩形である基板１１の中央部に形成されている。ここでは、発光層１５ｄの一方の面の第１領域１０４は円形であり、第１領域１０４の面積が第２領域２０４の面積の１／３である。そして、第１領域１０４に存するｐ側バンプ２５ｄの底面積の総和ｘが第２領域２０４に存するｐ側バンプ２５ｄの底面積の総和ｙの約１．７倍であり、ｘ／ｙ＞１／３を満たしている。ｎ側電極１６ｄには４つのｎ側バンプ２４ｄが載せられている。またｐ側バンプ２５ｄはｐ側電極１７ｄと接続している。

図５（Ｂ）に示す半導体発光素子は、ｎ側電極１６ｅが、図３（Ａ）と同じく矩形である基板１１の一つの角部に形成されており、発光層１５ｅの一方の面に存する第１領域１０５および第２領域２０５は図１（Ｂ）に示す半導体発光素子の第１領域１００および第２領域２００と同じ形状同じ大きさである。図１（Ｂ）との違いは、大きさの異なる２種類のｐ側バンプ２５ｅ，２５ｚが存することである。大きいｐ側バンプ２５ｚの底面積は、小さいｐ側バンプ２５ｅの底面積の約３０倍である。大きいｐ側バンプ２５ｚは２つであり、その底面の大半は第１領域１０５内にある。そして、第１領域１０５に存するｐ側バンプ２５ｅ，２５ｚの底面積の総和ｘが第２領域２０５に存するｐ側バンプ２５ｅ，２５ｚの底面積の総和ｙの約１．４倍であり、ｘ／ｙ＞１／３を満たしている。ｎ側電極１６ｅには３つのｎ側バンプ２４ｅが載せられている。またｐ側バンプ２５ｅ，２５ｚはｐ側電極１７ｅと接続している。

以上のように、上記の例示的半導体発光装置では、ｎ側電極の近傍の方が離れている領域よりもｐ側バンプの底面積の存在密度が高いので、半導体発光素子からサブマウントへの放熱効果が上がる。

次に例示的半導体発光装置に用いることのできる、材料について説明する。

図６（Ａ）に、図１に示す半導体装置１に対応する半導体発光素子１０の断面図を、図６（Ｂ）に電極面方向からの平面図を示す。半導体発光素子１０は、基板１１、ｎ型層１２、活性層１３、ｐ型層１４、ｎ側電極１６、ｐ側電極１７からなる。ｎ型層１２と活性層１３とｐ型層１４とをまとめて発光層１５と呼ぶ。基板１１において発光層１５のない側の面が射光面３６となる。

基板１１は、発光層１５を保持する役目を負う。材質としては、絶縁性のサファイアなどを用いることができる。しかし、上記の形態ではｎ側電極１６を基板１１上の一箇所若しくは数箇所に設けた場合の電流の集中による熱を拡散させるのが主たる目的であるため、基板１１は導電性のものを用いるのがより好適である。具体的には、発光する部分が窒化ガリウム（ＧａＮ）を母材とする場合、ｎ型層１２と基板１１との界面での光の反射を少なくするために、発光層１５と同等の屈折率を有するＧａＮやＳｉＣ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＮなどの導電性基板を用いるのが好適である。また、発光する部分が酸化亜鉛（ＺｎＯ）を母材とする場合は、基板１１の材質としてＺｎＯを用いるのが好適である。

発光層１５となるｎ型層１２と活性層１３とｐ型層１４とは、基板１１上に順次積層される。材質は特に制限はないが、窒化ガリウム系化合物であれば好ましい。具体的には、それぞれ、ＧａＮのｎ型層１２、ＩｎＧａＮの活性層１３、ＧａＮのｐ型層１４があげられる。なお、ｎ型層１２やｐ型層１４としては、ＡｌＧａＮやＩｎＧａＮを用いてもよい。また、ｎ型層１２と、基板１１との間に、ＧａＮやＩｎＧａＮで構成したバッファ層をさらに設けることも可能である。また、例えば、活性層１３は、ＩｎＧａＮとＧａＮとを交互に積層した多層構造（量子井戸構造）としてもよい。

このように積層したｎ型層１２と活性層１３とｐ型層１４とからなる発光層１５において、面の一部から活性層１３とｐ型層１４を除去し、ｎ型層１２を露出させる。この露出させたｎ型層１２上に形成されたのが、ｎ側電極１６である。なお、基板１１が導電性の場合は、ｎ型層１２をさらに除去して基板１１に直接ｎ側電極１６を形成してもよい。また、ｐ型層１４上に同じくｐ側電極１７が形成される。つまり、活性層１３とｐ型層１４を除去し、ｎ型層１２を露出させることで、発光層１５とｐ側電極１７およびｎ側電極１６は基板１１に対して同じ側の面に形成することができる。

図６（Ｂ）は、半導体発光素子１０をｎ側電極１６とｐ側電極１７が形成された側から見た状態を示す。図では、ｐ側電極１７がｎ側電極１６より多くの面積を占めている構成を示した。しかし、特にこの構成に限定されるものではなく、ｐ側電極１７とｎ側電極１６の面積比やそれぞれの電極の形状はそれぞれの半導体発光素子の設計によって適宜変更されてもよい。また、ｎ側電極１６の一部は、絶縁膜を間に挟んで、除去された活性層１３とｐ型層１４の側面からｐ型層１４とｐ側電極１７の表面の一部を覆うように伸延させることもできる。こうすることで、バンプとの接続を容易にすることができる。

ｐ側電極１７には、発光層１５で発した光を射光面３６の側に反射するために反射率の高いＡｇやＡｌ、Ｒｈ等からなる電極を用いるのがよい。ｐ型層１４とｐ側電極１７のオーミック接触抵抗を小さくするためにｐ型層１４とｐ側電極１７との間に、ＰｔやＮｉ、Ｃｏ等の薄膜電極層、あるいは透光性のＩＴＯ(Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ：インジウム・スズ酸化物)等の電極層を設けることがより望ましい。また、ｎ側電極１６にはＡｌやＴｉ等を用いることができる。ｐ側電極１７およびｎ側電極１６の表面にはバンプとの接着強度を高めるためにＡｕやＡｌを用いることが望ましい。これらの電極は真空蒸着法、スパッタリング法などによって形成することができる。

半導体発光素子１０のサイズは、特に限定はない。ただし、上記の形態では投入電流が多い場合に特に放熱効果を有するので、光量が大きく、全面積が広い方がよい。具体的には、好ましくは一辺が６００μｍ以上であることが望ましい。また、全面積が広い方が、面発光に近い光源とすることができる。なお、半導体発光素子１０の平面的な形状は方形に限定されないが、製作する上では、方形にするのが便利な場合が多い。

図７（Ａ）に、図１に示す半導体発光装置１に対応するサブマウント２１およびバンプ２４，２５の断面図を、また図７（Ｂ）に引出電極２２，２３側から見たサブマウント２１の平面図を示す。サブマウント２１は、シリコンツェナーダイオード、シリコンダイオード、シリコン、窒化アルミニウム、アルミナ、その他のセラミック等を用いることができる。

バンプ２４，２５の材料としては、金、金−錫、半田、インジウム合金、導電性ポリマーなどを用いることができるが、特に金や金を主成分とする材料が好ましい。これらの材料を用いて、メッキ法、真空蒸着法、スクリーン印刷法、液滴射出法、ワイヤーバンプ法等を用いて形成することができる。

例えばワイヤーバンプ法を用いる場合、金ワイヤーの一端をボンダーにてサブマウント２１上の引出電極２２，２３に接着させた後、ワイヤーを切断することで金バンプを形成する。また、金などの高導電性材料の微粒ナノ粒子を揮発性溶剤に分散した液をインクジェット印刷と同様な手法で印刷し、溶剤を揮発除去してナノ粒子の集合体としてのバンプを形成する液滴射出法を用いることもできる。

バンプ２４，２５を一つ一つ形成する方法は、形成装置のプログラムの変更で形成位置を変更することが容易である場合が多く、上記の半導体発光装置のバンプ形成には、そのような工法が特に適するものである。

なお、接続手段としてバンプの詳細を説明したが、接続手段はバンプに限定されることはない。

また、本明細書を通じてＡｌはアルミニウム、Ｎは窒素、Ｃは炭素、Ｏは酸素、Ａｇは銀、Ｒｈはロジウム、Ｐｔは白金、Ｎｉはニッケル、Ｃｏはコバルト、Ｔｉはチタン、Ａｕは金、Ｇａはガリウム、Ｉｎはインジウム、Ｚｎは亜鉛、Ｓｉはシリコンを表す。

本発明は、基板の一方の面にｎ側電極とｐ側電極を設け、基板の反対の面を射光面とする半導体発光素子およびそれを用いた半導体発光装置に利用する事が出来る。

１ 半導体発光装置
１０ 半導体発光素子
１１ 基板
１２ ｎ型層
１３ 活性層
１４ ｐ型層
１５ 発光層
１５ａ〜１５ｅ 発光層
１６ ｎ側電極
１６ａ〜１６ｅ ｎ側電極
１７ ｐ側電極
１７ａ〜１７ｅ ｐ側電極
２１ サブマウント
２２ ｎ側引出電極
２３ ｐ側引出電極
２４ ｎ側バンプ
２４ａ〜２４ｅ ｎ側バンプ
２５ ｐ側バンプ
２５ａ〜２５ｅ ｐ側バンプ
１００〜１０５ 第１領域
２００〜２０５ 第２領域

Claims (4)

1. ｐ側引出電極とｎ側引出電極とが一方の面に形成されているサブマウントと、
   前記ｐ側引出電極の上面上に形成されているｐ側接続手段および前記ｎ側引出電極の上面上に形成されているｎ側接続手段と、
   発光層を一方の面に有し、さらに前記ｐ側接続手段を介して前記ｐ側引出電極に電気的に接続するｐ側電極を前記発光層の一方の面上に、および前記ｎ側接続手段を介して前記ｎ側引出電極に電気的に接続するｎ側電極を前記一方の面に有する半導体発光素子と
   を有する半導体発光装置であって、
   前記ｐ側接続手段は複数存し、
   前記発光層の前記一方の面は、前記ｎ側電極から所定の距離内である第１領域と第１領域以外の第２領域とからなり、前記所定の距離は該第１領域の面積が該第２領域の面積の１／３となる距離であり、
   前記第１領域における前記ｐ側接続手段の底面積の総和ｘは、前記第２領域における前記ｐ側接続手段の底面積の総和ｙの１／３よりも大きい、半導体発光装置。
2. 前記ｐ側接続手段は複数のバンプである、請求項１に記載された半導体発光装置。
3. 前記複数のバンプはそれぞれ同じ底面積を有する、請求項２に記載の半導体発光装置。
4. 前記複数のバンプには、異なる底面積を有する複数の種類が存する、請求項２記載の半導体発光装置。

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