JP6416800B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、発光層を備えた半導体装置に関する。

フォトカプラは、ＬＥＤと受光素子を一つのＩＣパッケージ内に収納したものであり、光結合により信号の伝送を行うために用いられる。

フォトカプラでは、ＬＥＤと受光素子が距離を隔てて対向して配置されており、ＬＥＤと受光素子の周囲は、ＬＥＤからの発光光を透過させるインナーモールド樹脂部で覆われている。

フォトカプラ用のＬＥＤは、通常、赤外光を発光する。赤外光を発光するＬＥＤは、例えばＧａＡｓ基板上に発光層を配置した断面構造を有する。発光層がインナーモールド樹脂部に直接接触する構造だと、発光層がインナーモールド樹脂部からの応力を受けて、やがて発光層にクラックが生じて発熱し、ＬＥＤの発光強度や発光寿命を低下させるおそれがある。

このため、従来は、発光層の周囲をエンキャップ樹脂部で覆い、その周囲にインナーモールド樹脂部を配置していた。エンキャップ樹脂部は、シリコーンを材料とする熱硬化性の樹脂材を発光層の周囲にポッティングして、熱硬化させたものである。エンキャップ樹脂部の形成は、ウエハ上に多数形成されたＬＥＤのチップを個片化して、ボンディングワイヤを取り付けた後に、個々のチップごとに行わなければならず、作業性が悪いという問題がある上に、エンキャップ樹脂部の付け忘れや、受光素子側に誤ってエンキャップ樹脂部を付ける不良が生じるおそれがある。

特許第３１４１３７３号公報

本実施形態は、製造工程を複雑化することなく、発光層の発光強度および発光寿命の低下を防止可能な半導体装置を提供するものである。

上記の課題を解決するために、本発明の一態様では、発光素子と、前記発光素子から発光された光の伝搬経路上に配置される受光素子と、を備え、前記発光素子は、基板上の周縁部よりも内側に配置される発光層と、前記発光層の上面の一部に配置される電極と、前記周縁部における前記基板の上面から、前記発光層の側面および前記発光層の上面の一部にかけて配置され、有機材料を含有する単層または積層構造の第１絶縁層と、を備える半導体装置が適用される。

第１の実施形態による半導体装置の断面図。 図１のフォトカプラ内のＬＥＤの詳細な断面構造を示す図。 図２のＬＥＤを上方から見た平面図。 第２の実施形態による半導体装置内のＬＥＤの断面構造を示す図。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。

（第１の実施形態）
図１は第１の実施形態による半導体装置の断面図である。図１の半導体装置は、フォトカプラ１の例を示している。図１のフォトカプラ１は、ＬＥＤ（発光素子）２と、ＬＥＤ２に対向配置された受光素子３とを備えている。ＬＥＤ２は、ボンディングワイヤ４にて第１リードフレーム５に接続され、受光素子３は、別のボンディングワイヤ４にて第２リードフレーム６に接続されている。

ＬＥＤ２は、例えば赤外光を発光する。ＬＥＤ２の断面構造は後述する。受光素子３は、ＬＥＤ２からの光を受光して電気信号に変換する。

ＬＥＤ２と受光素子３、および第１および第２リードフレーム５，６の一部は、インナーモールド樹脂部（第２絶縁層）７で覆われている。インナーモールド樹脂部７は、ＬＥＤ２からの光を透過させる性質を有する。インナーモールド樹脂部７は、例えばエポキシとフィラーを母材とする樹脂である。

インナーモールド樹脂部７は、アウターモールド樹脂部８で覆われている。アウターモールド樹脂部８は、遮光性を有する黒色樹脂を材料としている。アウターモールド樹脂部８は、図１のフォトカプラ１の外観に現れるパッケージ部材である。アウターモールド樹脂部８の対向する２つの外壁面から、第１リードフレーム５と第２リードフレーム６の一部が突き出している。

図２は図１のフォトカプラ１内のＬＥＤ２の詳細な断面構造を示す図である。図２に示すように、ＬＥＤ２は、ＧａＡｓ基板１１と、ｎ型クラッド層１２と、活性層１３と、ｐ型クラッド層１４と、電流拡散層１５と、コンタクト層１６とを、この順に積層した積層体を有する。この積層体には、バッファ層や電流ブロック層などが積層される場合もありうるが、図２では省略している。

ＧａＡｓ基板１１の導電型は、ｐ型でもｎ型でもよい。本実施形態では、ＧａＡｓ基板１１を用いる例を説明するが、ＧａＰ等の他の化合物半導体を含む基板を用いてもよい。

ｎ型クラッド層１２は、例えばＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（０＜ｘ＜１）である。ｐ型クラッド層１４は、例えばＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＡｓ（０＜ｙ＜１）である。活性層１３は、例えばＩｎＡｌＧａＰ系のＭＱＷ層を有する。コンタクト層１６は、例えばＧａＡｓ系の半導体層である。なお、積層体１７を構成する各層の組成材料は、任意に変更して構わない。

コンタクト層１６の上面にはｐ型電極１７が配置され、ＧａＡｓ基板１１の裏面側にはｎ型電極１８が配置されている。なお、ｎ型電極１８は、ｐ型電極１７と同じ側に配置してもよい。

本明細書では、ｎ型クラッド層１２、活性層１３、ｐ型クラッド層１４、電流拡散層１５およびコンタクト層１６からなる積層構造を一括して発光層２１と呼ぶ。

発光層２１は、ＧａＡｓ基板１１上の周縁部よりも内側に配置されている。すなわち、図２に示すように、発光層２１の側面は、ＧａＡｓ基板１１の側面よりも内側に配置されている。ここで、内側とは、基板上面の周縁部よりも中央側である。

発光層２１の側面とＧａＡｓ基板１１の側面との間のＧａＡｓ基板１１の上面から、発光層２１の側面および発光層２１の上面の一部にかけて、第１絶縁層２２が配置されている。

第１絶縁層２２は、例えばポリイミドを含有する樹脂層（ポリイミド層）である。発光層２１の上面および側面にインナーモールド樹脂部７が直接接している構造だと、インナーモールド樹脂部７の応力により、発光層２１にクラックが発生するおそれがある。クラックが発生すると、その部分の抵抗が高くなり、通電時に発熱して劣化し、発光強度が弱くなったり、発光寿命が短くなる。

これに対して、本実施形態の場合、図２に示すように、発光層２１の上面の一部と側面を第１絶縁層２２で覆っている。これにより、発光層２１がインナーモールド樹脂部７と直接接しなくなり、発光層２１がインナーモールド樹脂部７からの応力による影響を受けにくくなることから、発光強度と発光寿命の低下を防止できる。このように、第１絶縁層２２は、インナーモールド樹脂部７からの応力を緩和する応力緩和層として機能する。

なお、上述したように、発光層２１は、複数の層からなる積層体であり、発光層２１の中でも、特に活性層１３は、インナーモールド樹脂部７からの応力の影響を受けやすい。活性層１３は、積層構造の発光層２１の中間層に設けられており、活性層１３の上方側のインナーモールド樹脂部７とは接していない。よって、活性層１３は、その上方に配置されるインナーモールド樹脂部７からの応力を受けるおそれは小さい。ところが、第１絶縁層２２がなければ、活性層１３の側面はインナーモールド樹脂部７と接することになり、活性層１３はその側面側のインナーモールド樹脂部７からの応力を受けるおそれがある。本実施形態では、上述したように、活性層１３の側面を第１絶縁層２２で覆うため、活性層１３の側面はインナーモールド樹脂部７と接触しなくなる。よって、活性層１３は、その上面も側面も、インナーモールド樹脂部７からの応力の影響を受けにくくなる。

図３は図２のＬＥＤ２を上方から見た平面図である。ＬＥＤ２の中央部には、円形のｐ型電極１７が配置され、その周囲に複数の細線電極１９が配置されている。図３におけるｐ型電極１７と細線電極１９の形状やサイズは一例であり、任意の形状およびサイズを取り得る。ＬＥＤ２の上面側からの光は、ｐ型電極１７と細線電極１９の隙間から発光される。なお、ＬＥＤ２からの光は、上面側だけでなく、発光層２１の側面側からも発光される。

図３の例では、ｐ型電極１７の周縁部から若干の隙間２５を隔てて、その隙間２５から外側の上面全体を第１絶縁層２２で覆っている。ｐ型電極１７の略中央部には、不図示のボンディングワイヤ４が接続されるが、ボンディングワイヤ４との接続箇所を除いて、ｐ型電極１７の上面まで第１絶縁層２２で覆ってもよい。

ＧａＡｓ基板１１の上面の周縁部の所定範囲２６内には、発光層２１は配置されていない。このため、第１絶縁層２２は、この所定範囲２６内では、ＧａＡｓ基板１１に直接接している。

このように、第１の実施形態では、ＬＥＤ２のＧａＡｓ基板１１上に配置される発光層２１の側面を、ＧａＡｓ基板１１の周縁部よりも内側に配置し、ＧａＡｓ基板１１の上面から、発光層２１の側面および発光層２１の上面の一部までを第１絶縁層２２で覆うため、発光層２１の上面と側面がインナーモールド樹脂部７に接触しなくなり、発光層２１がインナーモールド樹脂部７からの応力の影響を受けにくくなる。よって、発光層２１の発光強度および発光寿命の低下を抑制できる。

第１絶縁層２２の形成は、ＬＥＤ２のチップが多数形成されたウエハの状態で一括して行うことができ、製造工程を簡略化できる。発光層２１の周囲をエンキャップ樹脂部で覆うには、ウエハから各ＬＥＤ２のチップを個片化して、各チップにボンディングワイヤ４を取り付けた後に、各チップごとに熱硬化性樹脂のポッティングを行う必要があり、作業性が悪い上に、ポッティングのし忘れが生じるおそれもあった。これに対して、本実施形態によれば、ウエハ上で一括処理にて第１絶縁層２２を形成するため、製造工程を大幅に削減できるとともに、第１絶縁層２２を付け忘れる不良が起こるおそれもない。

（第２の実施形態）
第１絶縁層２２は、その材料によっては、ＧａＡｓ基板１１との密着性があまりよくない場合がありうる。第１絶縁層２２とＧａＡｓ基板１１との密着性が悪いと、第１絶縁層２２とＧａＡｓ基板１１との間に隙間が生じ、この隙間から水分等が第１絶縁層２２の内側に入り込み、発光強度や発光寿命を低下させたり、剥離が生じる要因になりうる。

そこで、第２の実施形態は、第１絶縁層２２を２層構造にして、ＧａＡｓ基板１１と接する側にＧａＡｓ基板１１との密着性に優れた材料を配置するものである。

図４は第２の実施形態による半導体装置内のＬＥＤ２の断面構造を示す図である。図４のＬＥＤ２は、図１のＬＥＤ２の第１絶縁層２２を、第１層２３および第２層２４の積層構造にしている。

第１層２３は、ＧａＡｓ基板１１の上面から、発光層２１の側面および発光層２１の上面の一部までを覆っている。第１層２３は、ＳｉＯ_２等の酸化膜、またはＳｉＮ等の窒化膜である。第２層２４は、第１層２３の上に配置されて、有機材料を含有する層である。第２層２４は、例えばポリイミド層である。

第１層２３には、ＧａＡｓ基板１１との密着性に優れた材料が用いられている。これにより、第１層２３とＧａＡｓ基板１１との間に隙間ができるおそれがなくなる。また、第２層２４はインナーモールド樹脂部７に接する層であり、インナーモールド樹脂部７からの応力を緩和する応力緩和層として機能している。さらに、例えば第１層２３に、金属イオンをブロックする機能を持たせてもよい。

このように、第２の実施形態では、第１絶縁層２２を２層構造にして、ＧａＡｓ基板１１と接する側にはＧａＡｓ基板１１との密着性に優れた第１層２３を配置し、インナーモールド樹脂部７と接する側には応力緩和層として機能する第２層２４を配置するため、発光層２１がインナーモールド樹脂部７からの応力を受けないようにすることができ、かつ発光層２１と第１絶縁層２２との密着性を向上させることができる。

上述した第１および第２の実施形態では、半導体装置をフォトカプラ１に適用した例を説明したが、半導体装置はフォトカプラ１に限定されない。例えば、赤外光を発光する赤外光センサやインタラプタセンサなどに適用することもできる。赤外光センサやインタラプタセンサに適用した場合、図１に示した受光素子３は不要となる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１ フォトカプラ、２ ＬＥＤ、３ 受光素子、４ ボンディングワイヤ、５ 第１リードフレーム、６ 第２リードフレーム、７ インナーモールド樹脂部、８ アウターモールド樹脂部、１１ ＧａＡｓ基板、１２ ｎ型クラッド層、１３ 活性層、１４ ｐ型クラッド層、１５ 電流拡散層、１６ コンタクト層、１７ ｐ型電極、１８ ｎ型電極、２１ 発光層、２２ 第１絶縁層、２３ 第１層、２４ 第２層

Claims (4)

1. 発光素子と、
   前記発光素子の周囲を覆う絶縁層と、を備え、
   前記発光素子は、
   ＧａＡｓ基板上の周縁部よりも内側に配置される発光層と、
   前記発光層の上面に部分的に配置される電極と、
   前記ＧａＡｓ基板の上面から、前記発光層の側面および前記発光層の上面の一部にかけて配置される酸化物または窒化物を含有する第１層と、
   前記絶縁層に接するように前記第１層の上に配置され、ポリイミドを含有する第２層と、を備え、
   前記ＧａＡｓ基板と前記第１層との密着性は、前記ＧａＡｓ基板と前記第２層との密着性よりも高い、半導体装置。
2. 前記発光素子から発光された光の伝搬経路上に配置される受光素子を備え、
   前記絶縁層は、前記発光素子及び前記受光素子の周囲を覆うように配置され、前記発光層からの発光光を透過させる、請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記第２層は、前記絶縁層からの応力を緩和する、請求項１又は２に記載の半導体装置。
4. 前記発光層から発光される光は、赤外光である請求項１に記載の半導体装置。