JP2003017757A - フリップチップ形半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 フリップチップ形半導体発光素子の光取出し
効率を向上すると共に、発光面全体に均一な光分布を形
成する。 【解決手段】 光透過性の基板(1)と、基板(1)上に積層
された第１の導電型の第１の半導体層(2)と、第１の半
導体層(2)上に積層され且つ第１の導電型とは異なる第
２の導電型の第２の半導体層(3)と、第１の半導体層(2)
に電気的に接続された第１の電極(4)と、第２の半導体
層(3)に電気的に接続された第２の電極(5)とをフリップ
チップ形半導体発光素子に設ける。第１の電極(4)に設
けられる第１の接続層(6)は、第１の半導体層(2)に接続
され且つ第２の電極(5)を包囲するので、第２の電極(5)
の略全ての周辺部を通り電流が流れる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体発光素子、
特に広い発光面を有するフリップチップ半導体発光素子
の構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば、特開平６−３３８６３２号公報
は、サイズを小さくすると共に、小さいサイズの発光素
子から出る発光を極力遮らずに外部に取り出し、発光効
率を向上できる窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を
示す。図７及び図８に示すように、この窒化ガリウム系
化合物半導体発光素子は、サファイア基板(51)上にｎ型
層(52)とｐ型層(53)とを順に積層し、ｐ型層(53)の一部
をエッチングして、ｎ型層(52)を露出させ、ｎ型層(52)
の上に電極(54)と、ｐ型層(53)の上に電極(58)が形成さ
れる。ボンディング部(56)を介して電極(54)及び(55)に
接続される金線(57)は、ワイヤボンディングにより図示
しないリードフレームに接続される。ｐ型層(53)の電極
(58)に接続され、ｐ型層(53)の上面の略全体に形成され
た電極(55)は、ｐ型層(53)とオーミック接触を得る金属
よりなる透光性の電極として形成され、透明な電極(55)
を介して発光素子から放出される発光を電極(55)により
あまり遮られずに外部に取り出すことができる。非常に
薄く蒸着又はスパッタリングにより透光性となる薄さで
金、ニッケル、白金等の金属をｐ型層(53)上に形成すれ
ば、透光性の電極(55)が得られる。

【０００３】また、例えば特開２０００−１１４５９５
公報に示されるように、発光素子から十分な量の光を取
り出すフリップチップ型のＧａＮ系化合物半導体発光素
子は公知である。このＧａＮ系化合物半導体発光素子
は、図９及び図１０に示すように、基板(61)上にｎ型層
(62)及びｐ型層(63)が順に積層され、図９に示すよう
に、ｐ型層(63)の右端部をエッチングで除去することに
より、長方形状のｎ型層(62)のコンタクト面(62a)が平
面形状で露出される。ｐ型層(63)の略全面に成膜したオ
ーミック接続可能な光透過性の金属薄膜をｐ側光透過性
電極(64)とし、ｐ側光透過性電極(64)の表面にボンディ
ング用のｐ側ボンディング電極(65)が金属蒸着法によっ
て形成される。ｐ側光透過性電極(64)とｎ型層(62)のコ
ンタクト面(62a)との間には、シリコン酸化膜やシリコ
ン窒化膜を利用した光透過性の絶縁膜(66)が成膜され
る。光反射率の高い素材のｎ側ボンディング電極(67)
は、ｐ側ボンディング電極(65)と同じ材質とし、絶縁膜
(66)により被覆されないコンタクト面(62a)にオーミッ
ク接続され、絶縁膜(66)の略表面全体に一様な厚さで形
成される。ｎ側ボンディング電極(67)は、コンタクト面
(62a)に接合される基部(67a)と、ｐ側光透過性電極(64)
を覆う絶縁膜(66)に重合するボンディング部(67b)とを
有する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】特開平６−３３８６３
２号公報に示される窒化ガリウム系化合物半導体発光素
子の構造では、図７及び図８に示すように、光透過率の
高い基板材料を使用するため、発光素子からの光取出効
率は本来高いはずであるが、種々の問題を生ずる。第１
に、チップサイズに対して約２０％の面積比を占める電
極(54, 58)は、非活性領域(ダークエリア又は影)となり
光取出効率が低減する。第２に、透光性材料で形成して
も、電極(55)での光減衰量が大きい。第３に、透光性の
サファイヤ基板(51)での光減衰量は少ないが、サファイ
ヤ基板(51)をプリント基板(図示せず)に接着する銀ペー
スト等により光吸収及び光減衰が生ずる。従って、この
構造では発光素子内で発生する光の十分な量を外部に取
り出すことはできない。

【０００５】特開２０００−１１４５９５公報に示され
るＧａＮ系化合物半導体発光素子では、ある程度光取出
効率を改善できるが、図９及び図１０に示すように、ｎ
型層(62)とのコンタクト面(62a)が発光素子の片側のみ
に設けられるため、発光素子から放出される光の分布が
素子の中央を中心として対称とならず、発光分布が不均
一となる傾向がある。また、ｎ型層(62)に対して電流が
均一に流れず、順バイアス電圧値(V_f)が増加すると共
に、サージ耐量が低下する問題が生ずる。

【０００６】本発明の目的は、光取出し効率を向上でき
且つ発光面全体に均一な配光分布を形成するフリップチ
ップ形半導体発光素子を提供することにある。また、本
発明の他の目的は、局部的な電界集中又は電流集中を抑
制し、各層でのシリーズ抵抗成分を低減させ、順バイア
ス電圧値を低減でき・サージ耐圧を増加できるフリップ
チップ形半導体発光素子を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明によるフリップチ
ップ形半導体発光素子は、光透過性の基板(1)と、基板
(1)上に積層された第１の導電型の第１の半導体層(2)
と、第１の半導体層(2)上に積層され且つ第１の導電型
とは異なる第２の導電型の第２の半導体層(3)と、第１
の半導体層(2)に電気的に接続された第１の電極(4)と、
第２の半導体層(3)に電気的に接続された第２の電極(5)
とを備えている。第２の電極(5)を包囲して配置され且
つ第１の半導体層(2)に電気的に接続された第１の接続
層(6)を第１の電極(4)に設けるので、第１の半導体層
(2)と第２の半導体層(3)との間に流れる電流の通路を大
きく広げることができる。また、第１の半導体層(2)と
第２の半導体層(3)との間に形成されるＰＮ接合の略全
体を介して電流を流すことが可能となる。これにより、
均一な配光分布を得ることができると共に、光取出効率
を高めることができる。また、第１の半導体層(2)及び
第２の半導体層(3)を流れる電流による局部的な電流集
中、電界集中を緩和できると共に、電流密度を低減する
ことができる。このため、サージ耐圧を増加することが
できると共に、電流通路のシリーズ抵抗が低減され、順
バイアス電圧値(V_f)を小さくすることも可能となる。

【０００８】本発明の実施の形態では、第１の電極(4)
は、第１の半導体層(2)の外周に沿って環状に形成され
た第１の接続層(6)に電気的に接続された第１の電極層
(4a)を備え、第２の電極(5)は、第２の半導体層(3)に電
気的に接続された第２の接続層(7)と、第２の接続層(7)
に電気的に接続された第２の電極層(5a)とを備えてい
る。第１の接続層(6)は、第２の接続層(7)を包囲するよ
うに形成してもよい。絶縁層(8)を介して第２の接続層
(7)上に形成される第１の電極層(4a)を第２の電極層(5
a)と同一の高さに形成してもよい。第１の半導体層(2)
は、基板(1)を兼ねてもよい。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、ＧａＮ、ＧａＡｌＮ、Ｉｎ
ＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ等の窒化ガリウム系化合物半導
体発光素子に適用した本発明によるフリップチップ形半
導体発光素子の実施の形態を図１〜図６について説明す
る。図１に示す本発明の実施の形態によるフリップチッ
プ形半導体発光素子は、光透過性の又は高透光率で絶縁
性の基板としてサファイア基板(1)と、サファイア基板
(1)上に積層された第１の導電型の第１の半導体層とし
てのｎ型層(2)と、ｎ型層(2)上に積層された第２の導電
型の第２の半導体層となるｐ型層(3)と、ｎ型層(2)に電
気的に接続された第１の電極(4)と、第２の半導体層(3)
に電気的に接続された第２の電極(5)とを備えている。
詳細には図示しないが、ｎ型層(2)及びｐ型層(3)は、例
えば、ＧａＮバッファ層、ｎ型ＧａＮ層、ＩｎＧａＮ活
性層、ｐ型ＡｌＧａＮ層及びｐ型ＧａＮ層を順次積層し
たダブルヘテロ構造又はｎ−ＧａＮのｎ型バッファ層、
ＡｌｘＧａ１−ｘＮのｎ型クラッド層、ＩｎｙＧａ１−
ｙＮの活性層、ＡｌｚＧａ１−ｚＮのｐ型クラッド層、
及びｐ−ＧａＮのｐ型キャップ層から成る積層構造に形
成することができる。この場合に、Ｉｎ、Ｇａ、Ｎ等の
比率を微妙に変化させた層を何層も堆積させて、発光波
長及び発光効率を向上させる場合がある。

【００１０】図１に示すように、第１の電極(4)は、第
１の半導体層(2)に電気的に接続された第１の接続層(6)
と、第１の接続層(6)に電気的に接続された第１の電極
層(4a)とを有する。第２の接続層(7)は、第２の半導体
層(3)の上面の略全体に形成され、第１の電極層(4a)
は、第１の接続層(6)の上面の一部に接続され、絶縁層
(8)を介して第２の接続層(7)の上に形成される。第２の
電極(5)は、第２の半導体層(3)に電気的に接続された第
２の電極層(5a)を有し、第２の接続層(7)の一部に接続
される第２の電極層(5a)は、絶縁層(8)を介して第２の
接続層(7)の中央側にまで延伸する。また、第２の電極
(5)と第１の接続層(6)は絶縁層(8)によって絶縁され、
第１の電極層(4a)と第２の電極層(5a)は略同一の高さに
形成される。

【００１１】第２の半導体層(3)の外周側はエッチング
により除去され、平面的に見て、第１の半導体層(2)は
第２の半導体層(3)の外側に環状に露出し、第１の半導
体層(2)の露出部分に接続される第１の接続層(6)は、第
２の半導体層(3)から離間してかつ第２の半導体層(3)を
包囲するように環状に形成される。なお、図１では、第
１の半導体層(2)の露出部分を幅広く誇張して示すが、
実際の第１の半導体層(2)の露出部分及び第１の接続部
(6)の幅は狭い。

【００１２】上述のように、第２の半導体層(3)の上面
全体に第２の接続層(7)を形成し、また、第２の半導体
層(3)を包囲するように第１の接続層(6)を環状に形成す
ることにより、第２の電極層(5a)から第２の接続層(7)
及び第１の接続層(6)を通じて第１の電極層(4a)への流
れる電流は、第１の半導体層(2)と第２の半導体層(3)と
の界面に形成されるｐｎ接合の略全体を介して流れる。
また、第２の電極層(5a)から第２の接続層(7)及び第１
の接続層(6)を通る電流経路に沿って第１の電極層(4a)
に電流が流れるが、第１の半導体層(2)の外周縁の略全
周に電流経路を形成することができる。

【００１３】図１に示すフリップチップ形半導体発光素
子を製造する際に、まず、気相成長又は蒸着によりサフ
ァイヤ基板(1)の上にｎ型層(2)を成長させ、その上にｐ
型層(3)を成長させる。続いて、ｐ型層(3)の外周部の一
部をエッチング等により除去した後、ｎ型層(2)の周囲
に第１の接続層(6)を形成すると共に、ｐ型層(3)上に第
２の接続層(7)を蒸着等により形成する。その後、酸化
膜等の絶縁層(8)を成長させて全体を絶縁被覆した後、
フォトリソグラフィにより絶縁層(8)の不要部分を除去
する。最後に、第１の電極(4)及び第２の電極(5)を形成
し、個別にチップ化して、発光素子構造を完成する。

【００１４】図３は、図１及び図２に示す本発明による
フリップチップ形半導体発光素子の使用状態を示す。第
１の電極(4)及び第２の電極(5)は、金ボールバンプ(12)
によりプリント基板(10)のランド(11)に接着される。発
光素子の光は、サファイヤ基板(1)を通じて外部に放出
されるので、透明電極を使用する必要はないが、第１の
電極(4)及び第２の電極(5)に光反射率の高い材料を使用
することが望ましい。発光に寄与しないｎ型層(2)のみ
の個所の面積を減少するエッチング工程では、ｐ型層
(3)の外周部の一部を除去する面積は狭い方が望まし
い。但し、除去する面積は、ｎ型層(2)と第１の接続層
(6)との接触面積、即ちコンタクト抵抗値に影響を及ぼ
し、コンタクト抵抗値が大きいと、発光素子の順方向電
圧が高くなる。従って、発光素子の電気的特性仕様を満
足する最大コンタクト抵抗値に対応して、ｎ型層(2)の
外周部面積及び第１の接続層(6)の配線幅を決定するこ
とが望ましい。

【００１５】金ボールバンプ(12)を介して第１の電極
(4)及び第２の電極(5)をプリント基板(10)上に熱圧着し
て、フリップチップ化を行う際に、圧着力により絶縁層
(8)にクラックが生じ、第２の電極(5)を構成する第２の
接続層(7)と、ｎ型層(2)上の第１の電極層(4a)とが電気
的に短絡するおそれがある。従って、第１の電極層(4a)
と第２の接続層(7)との間に配置される絶縁層(8)の厚さ
を圧着に耐え得る程度に厚めにして、電気的短絡を抑制
することが望ましい。また絶縁層(8)上に堆積させた多
結晶シリコン等により、金ボールバンプ(12)との接合時
に圧着力を更に緩和することができる。

【００１６】図１及び図２に示す実施の形態では、第２
の半導体層(3)上に第２の接続層(7)を形成し、第２の接
続層(7)に第２の電極(5)を電気的に接続し、第２の接続
層(7)上に絶縁層(8)を介して第１の電極層(4a)及び第２
の電極層(5a)を同一の高さで形成することができる。従
って、第１の電極層(4a)及び第２の電極層(5a)を同一平
面上に且つ十分に大きな面積で配置することができるの
で、ｎ型層(2)及びｐ型層(3)の高さを揃えて、金ボール
バンプ(12)の接続時に、電極の高さの差に起因する半導
体発光素子の軸ズレ・傾きを低減することができる。

【００１７】また、図１及び図２に示す実施の形態で
は、ｎ型層(2)の周囲全体に第１の接続層(6)のオーミッ
クコンタクトを形成できるため、ｎ型層(2)のシリーズ
抵抗成分を低減できると共に、均等に拡散して電流が流
れるため、順バイアス電圧値(V _f)を低減でき且つ均等な
発光分布が得られる。また局部的な電界集中を抑制でき
るため、サージ耐量の改善効果も期待できる。更に、現
行品と異なり、第１の電極(4)の面積を広めに確保でき
るので、金ボールバンプ(12)による接続の際に、半導体
発光素子の位置ズレが発生しても、ｎ型層(2)とｐ型層
(3)とが短絡に至る危険性は少ない。また、第１の電極
(4)と第２の電極(5)とを絶縁層(8)により電気的に分離
して、電気的短絡を確実に防止することができる。

【００１８】本発明の前記実施の形態は種々の変更が可
能である。サファイヤ基板以外に光透過率の高いｎ型の
ガリウム・リン系基板(1)をｎ型層(2)と一体に形成した
構造として第１の半導体層(2)により基板(1)を兼ねたフ
リップチップ形半導体発光素子の実施の形態を図４及び
図５に示す。

【００１９】現在フリップチップの接着に用いられる異
方性導電ペースト又は異方性導電シート等の異方性導電
材を用いて、図６に示す他の実施の形態のように、バン
プレスによるフリップチップの接合構造を達成できる。
この実施の形態では、ｎ型層(2)上にｐ型層(3)を形成す
ると共に、ｐ型層(3)を包囲して第１の接続層(6)をｎ型
層(2)上に形成し、第１の接続層(6)の上に第２の電極層
(5a)を形成することができる。この場合、異方性導電材
中の導電粒子よりも多少大きめとなる程度まで第１の電
極層(5)の面積を縮小できる可能性がある。多面、例え
ば、角状のｐ型層(3)の四方を丸めることにより、局所
的な電界集中を更に緩和することができる。

【００２０】前記の通り、本発明の実施の形態では、第
１の電極(4)に設けられる第１の接続層(6)は、ｎ型層
(第１の半導体層)(2)に接続され且つ第２の電極(5)の第
２の接続層(7)を包囲するので、第２の接続層(7)の略全
ての周辺部を通り電流が流れるので、下記の効果が得ら
れる。

【００２１】［１］ 図２の矢印(13)で示すように、ｎ
型層(2)とｐ型層(3)との間では、略３６０度の角度範囲
で分散して電流経路が形成され、ｎ型層(2)及びｐ型層
(3)を流れる電流による局部的な電流集中及び電界集中
を回避することができる。 ［２］ ｎ型層(2)及びｐ型層(3)の略全域に通電領域を
形成し、ｎ型層(2)及びｐ型層(3)内の単位断面積当たり
の電流密度を低減することができる。 ［３］ 非通電領域の形成を回避すると共に、平均オン
電流値を増加することができきる。 ［４］ 各層でのシリーズ抵抗成分を低減させ、順バイ
アス電圧値(V_f)を低減でき、サージ耐圧を増加できる。 ［５］ フリップチップ形半導体発光素子の光取出し効
率を向上でき且つ発光面全体に均一な光分布が得られ
る。 ［６］ ｎ型層(第１の半導体層)(2)及びｐ型層(第２の
半導体層)(3)を流れる電流による局部的な電流集中及び
電界集中を回避することができる。

【００２２】

【発明の効果】前記のように、本発明のフリップチップ
形半導体発光素子では、分散された経路で電流が流れる
ので、全オン電流値を増大すると共に、電流集中、電界
集中を回避して、動作不良の回避、発光素子の長寿命化
及び耐圧向上を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明による窒化ガリウム系半導体発光素子
の実施の形態を示す断面図

【図２】 図１の平面図

【図３】 図１の窒化ガリウム系半導体発光素子をプリ
ント基板に実装した状態を示す断面図

【図４】 本発明による窒化ガリウム系半導体発光素子
の第２の実施の形態を示す断面図

【図５】 本発明による窒化ガリウム系半導体発光素子
の第３の実施の形態を示す図６の５−５線に沿う断面図

【図６】 図５の平面図

【図７】 従来の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子
を示す図８の７−７線に沿う断面図

【図８】 図７の平面図

【図９】 従来の他の窒化ガリウム系化合物半導体発光
素子を示す断面図

【図１０】 図９の底面図

【符号の説明】

(1)・・基板、 (2)・・第１の半導体層、 (3)・・第
２の半導体層、 (4)・・第１の電極、 (4a)・・第１
の電極層、 (5)・・第２の電極、 (5a)・・第２の電
極層、 (6)・・第１の接続層、 (7)・・第２の接続
層、 (8)・・絶縁層、

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光透過性の基板と、該基板上に積層され
   た第１の導電型の第１の半導体層と、該第１の半導体層
   上に積層され且つ第１の導電型とは異なる第２の導電型
   の第２の半導体層と、前記第１の半導体層に電気的に接
   続された第１の電極と、前記第２の半導体層に電気的に
   接続された第２の電極とを備え、 前記第１の電極は、前記第２の電極を包囲して配置され
   且つ前記第１の半導体層に電気的に接続された第１の接
   続層を備えたことを特徴とするフリップチップ形半導体
   発光素子。
2. 【請求項２】 前記第１の電極は、前記第１の半導体層
   の外周に沿って環状に形成された前記第１の接続層に電
   気的に接続された第１の電極層を備え、前記第２の電極
   は、前記第２の半導体層に電気的に接続された第２の接
   続層と、該第２の接続層に電気的に接続された第２の電
   極層とを備えた請求項１に記載のフリップチップ形半導
   体発光素子。
3. 【請求項３】 前記第１の接続層は、前記第２の接続層
   を包囲する請求項２に記載のフリップチップ形半導体発
   光素子。
4. 【請求項４】 前記第１の電極層は、絶縁層を介して前
   記第２の接続層上に形成された請求項２又は３に記載の
   フリップチップ形半導体発光素子。
5. 【請求項５】 前記第１の電極層は、前記第２の電極層
   と同一の高さに形成される請求項４に記載のフリップチ
   ップ形半導体発光素子。
6. 【請求項６】 前記第１の半導体層は、前記基板を兼ね
   る請求項１に記載のフリップチップ形半導体発光素子。