JP2004319685A - 半導体発光素子および半導体発光装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】十分な動作電圧の半導体発光素子を提供する。
【解決手段】発光波長に対して透光性を有する透明基板12の第1の主面16に予めキャリア濃度の高い通電層17を形成し、通電層17の一部領域にpn接合を有する発光層13を形成し、第1の電極14を発光層13に形成し、第2の電極15を通電層17の他領域にそれぞれ形成している。そして、透明基板12の4つの側面を、第2の主面62から第1の主面16に向かって末広がりに、しかも外側方向に湾曲する凸状の湾曲面64と傾斜面63と垂直面65とで形成している。
【選択図】 図7
【解決手段】発光波長に対して透光性を有する透明基板12の第1の主面16に予めキャリア濃度の高い通電層17を形成し、通電層17の一部領域にpn接合を有する発光層13を形成し、第1の電極14を発光層13に形成し、第2の電極15を通電層17の他領域にそれぞれ形成している。そして、透明基板12の4つの側面を、第2の主面62から第1の主面16に向かって末広がりに、しかも外側方向に湾曲する凸状の湾曲面64と傾斜面63と垂直面65とで形成している。
【選択図】 図7
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、透明基板を使用した半導体発光素子および半導体発光装置に係り、特に光出力が高く、且つ十分な動作電圧を得るのに好適な構造を備えたフリップチップ型の半導体発光素子および半導体発光装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体発光素子、なかでも発光ダイオード(LED)は、フルカラーディスプレイ、交通・信号機器、車載用途などに幅広く用いられているが、この用途においては、特に光出力が高く、且つ動作電圧の低いものが要求されている。
【0003】
近年、数百mAを超える大電流で駆動する高光束LEDとして、上面電極の遮蔽による光出力の低下がなく、且つ、大電流による発熱を放散するのに有利なフリップチップ型のLEDが注目されている(例えば、特許文献1参照。)。
【0004】
図11に示すように、この特許文献1に開示されたLEDでは、断面形状がほぼ矩形状で、発光波長に対して透光性を有する透明基板111の下面に、絶縁物であるSOG(Spin On Glass)やポリイミド、あるいはシリコーンなどの透光性接着材料112を介してp型オーミック接触エピタキシャル層(以下、単にp型エピ層という)113を含むpn接合を有する発光層114が接着されている。
【0005】
そして、発光層114と電気的に接続を取るために、
発光層114表面のn型層にn型電極115が設けられ、発光層114の一部分をエッチングにより除去して露出したp型エピ層113にp型電極116が設けられている。
【0006】
上述の特許文献1に開示されたフリップチップ型LEDでは、p型エピ層113として、発光波長に対して透明で、且つ発光層114をエッチングにより除去する際に耐エッチング性のある材料、例えば、GaAlAs、InGaAlP、AlAsPなどの材料を用いている。
【0007】
しかしながら、これらの材料は、元々良好なオーミック接触を得ることが困難な材料であり、しかも、Alを主成分に含むため大気に晒すと表面のAlが容易に酸化して自然酸化膜が形成されるため、この自然酸化膜の除去が不十分な場合には、さらに動作電圧が増大する恐れがある。
【0008】
これにより、大電流で駆動する高光束LEDとしては、十分な動作電圧が得られない問題がある。
【0009】
【特許文献1】
特開2002−158373号公報(4頁、図3)
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
上述した、特許文献1に開示されたpn接合を有する発光層を透明基板に接着してなるフリップチップ型のLEDにおいては、高い光出力が得られるものの、十分な動作電圧が得られないという問題があった。
【0011】
本発明は、上記問題点を解決するためになされたもので、十分な動作電圧が得られるフリップチップ型の半導体発光素子および半導体発光装置を提供することを目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の一態様の半導体発光素子では、発光波長に対して透光性を有する透明基板と、前記透明基板の第1の主面に形成され、キャリア濃度が前記透明基板より高い通電層と、前記通電層表面の一部領域に形成されたpn接合を有する発光層と、前記発光層表面に形成された第1の電極と、前記通電層表面の他領域に形成された第2の電極とを有することを特徴としている。
【0013】
上記目的を達成するために、本発明の他の態様の半導体発光装置では、発光波長に対して透光性を有する透明基板と、前記透明基板の第1の主面に形成され、キャリア濃度が前記透明基板より高い通電層と、前記通電層表面の一部領域に形成されたpn接合を有する発光層と、前記発光層表面に形成された第1の電極と、前記通電層表面の他領域に形成された第2の電極とを有する半導体発光素子と、前記第1および第2の電極と電気的接続されたリードフレームと、前記半導体発光素子と前記リードフレームとを封止する手段とを有することを特徴としている。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【0015】
(第1の実施の形態)
図1は、本発明の第1の実施の形態に係わるフリップチップ型の半導体発光素子を示す図で、図1(a)は、フリップチップ型の半導体発光素子の下面に設けられた電極側から見た底面図、図1(b)は、図1(a)のA−A線に沿って切断し、矢印方向に眺めた断面図である。
【0016】
図1に示すように、本実施の形態のフリップチップ型の半導体発光素子11(以下、単にLEDという)では、断面形状がほぼ矩形状で、発光波長に対して透光性を有する透明基板12と、pn接合を有する発光層13と、発光層13に電気的接続を取るためのn型電極14およびp型電極15で構成されている。
【0017】
発光層13が接着される透明基板12の第1の主面16には、透明基板12より高いキャリア濃度を有する通電層17が予め形成されており、この通電層17表面の一部領域に発光層13が接着材を介することなく直接接着されている。
【0018】
この通電層17は、透明基板12との界面での光の反射を避けるために、透明基板12と同じ材料であることが望ましいが、発光波長に対する屈折率が透明基板12に近く、且つ発光層13と接着可能で主成分にAlを含まない材料であれば特に限定されない。
【0019】
また、通電層17は、通電層17のシート抵抗が所定の値になるようにそのキャリア濃度および膜厚を任意に選択できるが、良好なオーミック接触を確保するためには、キャリア濃度を高目とすることが望ましい。
【0020】
例えば、透明基板12がGaPで、通電層17も同じGaPの場合では、キャリア濃度1乃至5×1018cm−3、厚さ0.1乃至5μm程度が好ましい。
【0021】
この発光層13は、大別して活性層18と、光反射層(DBR)19、および電流ブロック層20からなる各種の多層薄膜で構成されており、その平面形状はLED11の中央部に略円形状の主発光領域21と、コーナ部に外部へ電気的接続を取るための略方形状のパッド領域22、および両者を接続する接続領域23からなるレイアウトにパターン加工されている。
【0022】
そして、発光層13の表面には、n型電極14が設けられ、発光層13が除去された跡に露出した通電層17には、p型電極15が設けられ、それぞれ同じ側に位置している。そして、n型電極14とp型電極15は、外部へ電気的に接続するためのパッド領域を除いて、電気的な短絡を防止するための絶縁膜24で全体が覆われている。
【0023】
このようなレイアウトパターンでは、フリップチップマウント領域、例えば半田ボールで接合するための領域を確保し、LED11の中央部の略円形状の主発光領域21に電流を集中して励起密度をあげ、内部発光効率を向上するのに有利である。
【0024】
この光反射層(DBR)19は、n電極14に向かって下側に出力された光を透明基板12方向に反射し、光出力を向上させている。また、電流ブロック層20は、主発光領域21に電流を集中させている。
【0025】
上述のように構成されたLED11では、透明基板12に形成されたキヤリア濃度の高い通電層17にp型電極15を設けているので、良好なオーミック接触と所定の通電抵抗が得られ、十分な動作電圧を確保することが可能である。
【0026】
次に、透明基板にGaPを用いてInGaAlPからなる発光層を備えたLEDおよびこのLEDを用いた半導体発光装置を製造する場合の具体例について説明する。
【0027】
図2乃至図5は、本実施の形態のLEDを製造する工程を示す図で、図2はGaAs基板に形成されたInGaAlPからなる発光層を示す図、図3はGaP基板に形成されたGaP通電層を示す図、図4はGaP基板にInGaAlPからなる発光層が接着された状態を示す図、図5は電極を形成したLEDを示す図である。
【0028】
図2に示すように、厚さ250μmのn−GaAs基板31に、MOCVD法により、厚さ0.5μmのn−GaAsバッファ層32を形成した後、厚さ0.2μmのInGaPエッチングストップ層33、厚さ0.1μmのノンドープGaAs電流ブロック層34、厚さ0.2μmのノンドープInGaAlP電流ブロック層35、厚さ0.1μmのn−GaAsコンタクト層36、InAlP/GaAlAs光反射層(DBR)37、厚さ1μmのn−InAlPクラッド層38、厚さ1μmのInGaAlP MQW層39、厚さ1μmのp−InAlPクラッド層40、厚さ0.05μmのp−InGaP接着層41を順次積層形成する。
【0029】
ここで、活性層39は、多重量子井戸構造(MQW)に限定されるものではなく、シングルヘテロ構造(SH)、ダブルヘテロ構造(DH)、量子井戸ヘテロ構造(QWH)によって構成することもできる。
【0030】
次に、図3に示すように、厚さ250μmのp−GaP基板12の第1主面16に、MOCVD法により、例えば、キャリア濃度が1乃至2×1018cm−3、厚さが0.2μmのp−GaP通電層17を形成する。
【0031】
ここで、p−GaP通電層17は、MOCVD法によるエピタキシャル層に限定されるものではなく、他の気相成長法によるエピタキシャル層であっても良い、更には、p−GaP基板12の表面に、封管中でZnを拡散させた拡散層、あるいはZnをイオン注入し活性化熱処理を施したイオン注入層であっても構わない。
【0032】
次に、図4に示すように、p−InGaP接着層41とp−GaP通電層17を密着させ、あまり高くない温度、例えば350乃至450℃の範囲で第1の熱処理をおこなう。
【0033】
次に、GaAs基板31とGaAsバッファ層32をアンモニア系のエッチング液を用いて、選択的にエッチング除去する。
【0034】
次に、InGaPエッチングストップ層33を塩酸により選択的にエッチング除去した後、例えは700乃至800℃の範囲で第2の熱処理をおこなう。これにより、p−InGaP接着層41とp−GaP通電層17を原子レベルで結合させ、GaP透明基板12に透光性接着材(絶縁物)を介することなく発光層13を直接接着してなる半導体発光素子が得られる。
【0035】
次に、図5に示すように、フォトリソグラフィ法により塩酸系のエッチング液を用いて、発光層13の主発光領域21と、パッド領域22と、および接続領域23をp−GaP通電層17の一部領域表面に残して選択的にエッチング除去して、GaP通電層17の他領域を露出させる。
【0036】
次に、GaP通電層17表面の他領域にAuZnからなるp型電極15を形成した後、電流ブロック層34、35を一部除去して露出したコンタクト層36表面を含む電流ブロック層34、35にAuGeからなるn型電極14を形成する。そして、n型電極14とp型電極15の電気的な短絡を防止するため、n型電極14およびp型電極15の一部を含む電極間の各層の側面に絶縁膜24、例えばSiO2膜を形成する。
【0037】
最後に、ダイシング装置により透明基板12をチッブに分割することにより、図1に示す透明基板の断面形状が、ほぼ矩形状のフリップチップ型のLEDが完成する。
【0038】
図6は、図1に示すLED11を用いた半導体発光装置の断面図である。図6に示すように、透明基板12が発光観測面になるように、LED11が外囲器51に形成された反射カップ52の中に載置され、n電極14およびp電極15が半田ボール53a、53bによりリードフレーム54a、54bにそれぞれ固着されている。
【0039】
そして、反射カップ52の中に透明ゲル状樹脂55を充填して透明樹脂レンズ56を外囲器51に固着することにより、半導体発光装置57が得られる。
【0040】
この半導体発光装置57の動作電流200mAにおける動作電圧は、2.2Vであり、従来構造のフリップチップ型LEDの2.7Vと比較して動作電圧を低減することができた。
【0041】
さらに、動作電流を増加させても、活性層の全面が発光し、特定部位への電流集中等は見られず、発熱の影響による光出力の飽和や発光波長のシフトは見られなかった。
【0042】
また、透明基板12のキャリア濃度を十分に低くすると基板の透明度が向上するので、光出力をさらに向上させることができる。実験によれば、透明基板のキャリア濃度が、例えば、5×101 7cm−3以下では、光出力は約5%向上し、1×101 7cm−3以下では、光出力は10%以上向上した。
【0043】
このようなキャリア濃度の低いGaP基板は、LEC法によりノンドープでGaP結晶を引き上げることにより得られる。また、GaP融液を保持する坩堝材を、例えば、石英からPBN(Pyrolytic Boron Nitride)にすることにより、更に透明度の高い基板を得ることができる。
【0044】
以上説明したように、第1の実施の形態によるフリップチップ型の半導体発光素子および半導体発光装置では、透明基板に形成された十分にキヤリア濃度の高い通電層17にp型電極15を設けたことにより、十分な動作電圧と高い光出力が得られる。
【0045】
(第2の実施の形態)
図7は、本発明の第2の実施の形態に係わるフリップチップ型の半導体発光素子を示す図で、図7(a)は、フリップチップ型の半導体発光素子の下面に設けられた電極側から見た底面図、図7(b)は、図7(a)のA−A線に沿って切断し、矢印方向に眺めた断面図である。本実施の形態において、第1の実施の形態と同一の構成部分には、同一符号を付して、その説明は省略する。
【0046】
図7に示すように、第2の実施の形態が第1の実施の形態と異なる点は、LEDの透明基板の縦断面形状を第1の主面と反対側の第2の主面から第1の主面に向かって末広がりの傾斜面とし、更に、第2の主面近傍の傾斜面部分を外側方向に湾曲する湾曲面を有する構造としたことにある。
【0047】
即ち、本実施の形態のフリップチップ型LED61においては、透明基板12の4つの側面は、第2の主面62から第1の主面16に向かって、末広がりの台形状をなす傾斜面63と、第2の主面62と傾斜面63の間に外側方向に湾曲する凸状の湾曲面64と、第1の主面16と傾斜面63の間に垂直な側面65で構成されている。
【0048】
傾斜面63と透明基板12の鉛直方向とのなす角度は、モールドする透明樹脂(図示せず)の屈折率を考慮して定める。
【0049】
例えば、透明基板12がGaPで、エポキシ樹脂からなる透明樹脂でモールドする場合は、赤色に対する屈折率がそれぞれ、3.3および1.5であることから、約27度(臨界角度)近辺を選択するのが良く、一般的に20乃至40度程度の範囲が適当である。
【0050】
湾曲面64は、第2の主面近傍の傾斜面部分を優先的にエッチングしてLED61の断面形状が、略半球状に準えられる形状に定める。
【0051】
LED61の中央部の主発光領域21により、発光強度分布を略点光源状となし、傾斜面63に対して入射角度が臨界角度以下の光線の割合を増加させることができる。これにより、更に光出力を向上させることができる。
【0052】
このためには、LED61の高さHと底辺Wの比は、0.4乃至0.6の範囲が適当である。
【0053】
上述のように構成されたLEDでは、入射角が臨界角以下の光線の割合を増やすことができ、更に、臨界角以上の光線も素子内部で多重反射を何回か繰り返すことにより外部に取り出すことができる。
【0054】
次に、上記LEDを製造する方法について、図8乃至図9を参照して説明する。
【0055】
図8は、LEDを多数形成して成るウェーハを、カッティングする工程を示す断面図である。
【0056】
まず、LEDを形成したウェーハ71を第2の主面62を上向きにして、ダイシングシート(図示せず)に貼付け、第2の主面62側から断面がV字型のダイシングブレード73により、所定のピッチで一方向へダイシングする。
【0057】
この際、ウェーハ71を完全にカッティングせず、切り残し部分をLEDの第1の主面16と傾斜面63との間の垂直な側面64として残している。
【0058】
次に、ウェーハ71を90度回転して同様に、第2の主面62のダイシング溝と直行する方向に第2の主面62から所定のピッチでダイシングし、切り残し部分をLEDの垂直な側面として残している。
【0059】
図9は、上述のようにしてカッティングされ、V字状溝の並びを持つウェーハ71の一部分を示す平面図である。
【0060】
次に、カッティングされたV字状の溝を、例えば、塩酸と過酸化水素水の混合液で第2の主面近傍の傾斜面部分が優先的にエッチングされるようにして、外側方向に湾曲した凸状の湾曲面を形成する。
【0061】
この湾曲形状は、V字状の溝の開口部と底部で、エッチング液の循環速度の差によりエッチング速度に差がでることを利用し、傾斜角度、V字状の溝の深さ、エッチング条件(液温、攪拌)により制御することができる。更に、V字状カッティングとエッチングを複数回繰り返えせば、より好ましい形状を得ることができる。
【0062】
次に、ウェーハ71をブレーキングして、個々のLEDに分離し、図7に示すようなLEDを得る。
【0063】
図10は、図7に示すLED61を用いた半導体発光装置の断面図である。
【0064】
図に示すように、第2の主面62が発光観測面側になるように、LED61が外囲器51に形成された反射カップ52の中に載置され、n電極14およびp電極15が半田ボール53a、53bによりリードフレーム54a、54bに固着されている。
【0065】
そして、反射カップ52の中に透明ゲル状樹脂55を充填して透明樹脂レンズ56を外囲器51に固着することにより、半導体発光装置57が得られる。
【0066】
次に、GaP基板にInGaAlP発光層を備えた、LEDおよびこのLEDを用いた半導体発光装置を製造する場合の具体例について説明する。
【0067】
200μm厚のウェーハ71を用いて、先端角度60度のV字型ブレード72により、400μmピッチで第2の主面62から170μmの深さまでカッティングした後、ウェーハ71を90度回転させ、同様に400μmピッチでカッティングした。
【0068】
次に、カッティングされたウェーハ71のV字状の溝を塩酸と過酸化水素水の混合液でエッチングして、V字状の溝の開口部を優先的に除去し湾曲部64を形成した。その後、ウェーハ71をブレーキングして個々のLEDに分離した。
【0069】
これにより、傾斜面63、湾曲面64、垂直な側面65を有する底面390μm□、高さ200μmのLED61を得た。
【0070】
LEDの光出力は、従来の断面が矩形状のLEDに比べて2倍以上の高い値を示した。
【0071】
以上説明したように、第2の実施の形態のLEDおよび半導体発光装置によれば、透明基板の4つの側面を先端が外側方向に湾曲する凸状の湾曲面と傾斜面の組み合わせとしているので、入射角が臨界角以下の光線の割合が増加し、入射角が臨界角以上の光線も外部に取り出すことができる。従って、十分な動作電圧と、更に高い光出力が得られる。
【0072】
ここでは、GaP基板を例に説明したが、その他の半導体材料を用いたLEDにも、同様に適用できることは言うまでもない。
【0073】
また、第2の実施の形態における透明基板の側面は、入射角度が臨界角度以下の光線の割合を増加させる機能を有する構造になっていればよく、傾斜面と湾曲面と垂直面の組合わせた構造に限定されず、傾斜面または湾曲面だけの構造でもよく、垂直面と傾斜面または湾曲面とを組合わせた構造でも良いことは勿論である。
【0074】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のフリップチップ型半導体発光素子および半導体発光装置によれば、十分な動作電圧を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態に係わる半導体発光素子を示す図で、図1(a)は電極面側から見た底面図、図1(b)は、図1(a)のA−A線に沿う断面図。
【図2】本発明の第1の実施の形態に係わる半導体発光素子の製造工程におけるGaAs基板に形成した発光層を示す図。
【図3】本発明の第1の実施の形態に係わる半導体発光素子の製造工程における透明基板に形成した通電層を示す図。
【図4】本発明の第1の実施の形態に係わる半導体発光素子の製造工程における透明基板と発光層を接着した状態を示す図。
【図5】本発明の第1の実施の形態に係わる半導体発光素子の製造工程における電極を形成した状態を示す図。
【図6】本発明の第1の実施の形態に係わる型半導体発光装置を示す断面図。
【図7】本発明の第2の実施形態に係わる半導体発光素子を示す図で、図2(a)は電極面から見た底面図、図2(b)は、図2(a)のB−B線に沿う断面図。
【図8】本発明の第2の実施の形態に係わる半導体発光素子の製造工程におけるウェーハのダイシング工程図。
【図9】本発明の第2の実施の形態に係わる半導体素子の製造工程におけるダイシングしたウェーハの一部を示す平面図。
【図10】本発明の第2の実施の形態に係わる半導体発光装置を示す断面図。
【図11】従来の半導体発光素子を示す断面図。
【符号の説明】
11、61 LED
12 透明基板
13 発光層
14 n型電極
15 p型電極
16 第1の主面
17 p型通電層
18 活性層
19 光反射層(DBR)
20 電流ブロック層
21 主発光領域
22 パッド領域
23 接続領域
24 絶縁膜
31 n−GaAs基板
32 GaAsバッファ層
33 InGaPエッチングストップ層
34 GaAs電流ブロック層
35 InGaAlP電流ブロック層
36 n−GaAsコンタクト層
37 InAlP/GaAlAs光反射層(DBR)
38 n−InAlPクラッド層
39 InGaAlP MQW層
40 p−InAlPクラッド層
41 p−InGaP接着層
51 外囲器
52 反射カップ
53a、53b 半田ボール
54a、54b リードフレーム
55 透明ゲル状樹脂
56 透明樹脂レンズ
57、81 半導体発光装置
62 第2の主面
63 傾斜面
64 湾曲面
65 垂直な側面
71 半導体発光素子を形成したウェーハ
72 ダイシングブレード
【発明の属する技術分野】
本発明は、透明基板を使用した半導体発光素子および半導体発光装置に係り、特に光出力が高く、且つ十分な動作電圧を得るのに好適な構造を備えたフリップチップ型の半導体発光素子および半導体発光装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体発光素子、なかでも発光ダイオード(LED)は、フルカラーディスプレイ、交通・信号機器、車載用途などに幅広く用いられているが、この用途においては、特に光出力が高く、且つ動作電圧の低いものが要求されている。
【0003】
近年、数百mAを超える大電流で駆動する高光束LEDとして、上面電極の遮蔽による光出力の低下がなく、且つ、大電流による発熱を放散するのに有利なフリップチップ型のLEDが注目されている(例えば、特許文献1参照。)。
【0004】
図11に示すように、この特許文献1に開示されたLEDでは、断面形状がほぼ矩形状で、発光波長に対して透光性を有する透明基板111の下面に、絶縁物であるSOG(Spin On Glass)やポリイミド、あるいはシリコーンなどの透光性接着材料112を介してp型オーミック接触エピタキシャル層(以下、単にp型エピ層という)113を含むpn接合を有する発光層114が接着されている。
【0005】
そして、発光層114と電気的に接続を取るために、
発光層114表面のn型層にn型電極115が設けられ、発光層114の一部分をエッチングにより除去して露出したp型エピ層113にp型電極116が設けられている。
【0006】
上述の特許文献1に開示されたフリップチップ型LEDでは、p型エピ層113として、発光波長に対して透明で、且つ発光層114をエッチングにより除去する際に耐エッチング性のある材料、例えば、GaAlAs、InGaAlP、AlAsPなどの材料を用いている。
【0007】
しかしながら、これらの材料は、元々良好なオーミック接触を得ることが困難な材料であり、しかも、Alを主成分に含むため大気に晒すと表面のAlが容易に酸化して自然酸化膜が形成されるため、この自然酸化膜の除去が不十分な場合には、さらに動作電圧が増大する恐れがある。
【0008】
これにより、大電流で駆動する高光束LEDとしては、十分な動作電圧が得られない問題がある。
【0009】
【特許文献1】
特開2002−158373号公報(4頁、図3)
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
上述した、特許文献1に開示されたpn接合を有する発光層を透明基板に接着してなるフリップチップ型のLEDにおいては、高い光出力が得られるものの、十分な動作電圧が得られないという問題があった。
【0011】
本発明は、上記問題点を解決するためになされたもので、十分な動作電圧が得られるフリップチップ型の半導体発光素子および半導体発光装置を提供することを目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の一態様の半導体発光素子では、発光波長に対して透光性を有する透明基板と、前記透明基板の第1の主面に形成され、キャリア濃度が前記透明基板より高い通電層と、前記通電層表面の一部領域に形成されたpn接合を有する発光層と、前記発光層表面に形成された第1の電極と、前記通電層表面の他領域に形成された第2の電極とを有することを特徴としている。
【0013】
上記目的を達成するために、本発明の他の態様の半導体発光装置では、発光波長に対して透光性を有する透明基板と、前記透明基板の第1の主面に形成され、キャリア濃度が前記透明基板より高い通電層と、前記通電層表面の一部領域に形成されたpn接合を有する発光層と、前記発光層表面に形成された第1の電極と、前記通電層表面の他領域に形成された第2の電極とを有する半導体発光素子と、前記第1および第2の電極と電気的接続されたリードフレームと、前記半導体発光素子と前記リードフレームとを封止する手段とを有することを特徴としている。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【0015】
(第1の実施の形態)
図1は、本発明の第1の実施の形態に係わるフリップチップ型の半導体発光素子を示す図で、図1(a)は、フリップチップ型の半導体発光素子の下面に設けられた電極側から見た底面図、図1(b)は、図1(a)のA−A線に沿って切断し、矢印方向に眺めた断面図である。
【0016】
図1に示すように、本実施の形態のフリップチップ型の半導体発光素子11(以下、単にLEDという)では、断面形状がほぼ矩形状で、発光波長に対して透光性を有する透明基板12と、pn接合を有する発光層13と、発光層13に電気的接続を取るためのn型電極14およびp型電極15で構成されている。
【0017】
発光層13が接着される透明基板12の第1の主面16には、透明基板12より高いキャリア濃度を有する通電層17が予め形成されており、この通電層17表面の一部領域に発光層13が接着材を介することなく直接接着されている。
【0018】
この通電層17は、透明基板12との界面での光の反射を避けるために、透明基板12と同じ材料であることが望ましいが、発光波長に対する屈折率が透明基板12に近く、且つ発光層13と接着可能で主成分にAlを含まない材料であれば特に限定されない。
【0019】
また、通電層17は、通電層17のシート抵抗が所定の値になるようにそのキャリア濃度および膜厚を任意に選択できるが、良好なオーミック接触を確保するためには、キャリア濃度を高目とすることが望ましい。
【0020】
例えば、透明基板12がGaPで、通電層17も同じGaPの場合では、キャリア濃度1乃至5×1018cm−3、厚さ0.1乃至5μm程度が好ましい。
【0021】
この発光層13は、大別して活性層18と、光反射層(DBR)19、および電流ブロック層20からなる各種の多層薄膜で構成されており、その平面形状はLED11の中央部に略円形状の主発光領域21と、コーナ部に外部へ電気的接続を取るための略方形状のパッド領域22、および両者を接続する接続領域23からなるレイアウトにパターン加工されている。
【0022】
そして、発光層13の表面には、n型電極14が設けられ、発光層13が除去された跡に露出した通電層17には、p型電極15が設けられ、それぞれ同じ側に位置している。そして、n型電極14とp型電極15は、外部へ電気的に接続するためのパッド領域を除いて、電気的な短絡を防止するための絶縁膜24で全体が覆われている。
【0023】
このようなレイアウトパターンでは、フリップチップマウント領域、例えば半田ボールで接合するための領域を確保し、LED11の中央部の略円形状の主発光領域21に電流を集中して励起密度をあげ、内部発光効率を向上するのに有利である。
【0024】
この光反射層(DBR)19は、n電極14に向かって下側に出力された光を透明基板12方向に反射し、光出力を向上させている。また、電流ブロック層20は、主発光領域21に電流を集中させている。
【0025】
上述のように構成されたLED11では、透明基板12に形成されたキヤリア濃度の高い通電層17にp型電極15を設けているので、良好なオーミック接触と所定の通電抵抗が得られ、十分な動作電圧を確保することが可能である。
【0026】
次に、透明基板にGaPを用いてInGaAlPからなる発光層を備えたLEDおよびこのLEDを用いた半導体発光装置を製造する場合の具体例について説明する。
【0027】
図2乃至図5は、本実施の形態のLEDを製造する工程を示す図で、図2はGaAs基板に形成されたInGaAlPからなる発光層を示す図、図3はGaP基板に形成されたGaP通電層を示す図、図4はGaP基板にInGaAlPからなる発光層が接着された状態を示す図、図5は電極を形成したLEDを示す図である。
【0028】
図2に示すように、厚さ250μmのn−GaAs基板31に、MOCVD法により、厚さ0.5μmのn−GaAsバッファ層32を形成した後、厚さ0.2μmのInGaPエッチングストップ層33、厚さ0.1μmのノンドープGaAs電流ブロック層34、厚さ0.2μmのノンドープInGaAlP電流ブロック層35、厚さ0.1μmのn−GaAsコンタクト層36、InAlP/GaAlAs光反射層(DBR)37、厚さ1μmのn−InAlPクラッド層38、厚さ1μmのInGaAlP MQW層39、厚さ1μmのp−InAlPクラッド層40、厚さ0.05μmのp−InGaP接着層41を順次積層形成する。
【0029】
ここで、活性層39は、多重量子井戸構造(MQW)に限定されるものではなく、シングルヘテロ構造(SH)、ダブルヘテロ構造(DH)、量子井戸ヘテロ構造(QWH)によって構成することもできる。
【0030】
次に、図3に示すように、厚さ250μmのp−GaP基板12の第1主面16に、MOCVD法により、例えば、キャリア濃度が1乃至2×1018cm−3、厚さが0.2μmのp−GaP通電層17を形成する。
【0031】
ここで、p−GaP通電層17は、MOCVD法によるエピタキシャル層に限定されるものではなく、他の気相成長法によるエピタキシャル層であっても良い、更には、p−GaP基板12の表面に、封管中でZnを拡散させた拡散層、あるいはZnをイオン注入し活性化熱処理を施したイオン注入層であっても構わない。
【0032】
次に、図4に示すように、p−InGaP接着層41とp−GaP通電層17を密着させ、あまり高くない温度、例えば350乃至450℃の範囲で第1の熱処理をおこなう。
【0033】
次に、GaAs基板31とGaAsバッファ層32をアンモニア系のエッチング液を用いて、選択的にエッチング除去する。
【0034】
次に、InGaPエッチングストップ層33を塩酸により選択的にエッチング除去した後、例えは700乃至800℃の範囲で第2の熱処理をおこなう。これにより、p−InGaP接着層41とp−GaP通電層17を原子レベルで結合させ、GaP透明基板12に透光性接着材(絶縁物)を介することなく発光層13を直接接着してなる半導体発光素子が得られる。
【0035】
次に、図5に示すように、フォトリソグラフィ法により塩酸系のエッチング液を用いて、発光層13の主発光領域21と、パッド領域22と、および接続領域23をp−GaP通電層17の一部領域表面に残して選択的にエッチング除去して、GaP通電層17の他領域を露出させる。
【0036】
次に、GaP通電層17表面の他領域にAuZnからなるp型電極15を形成した後、電流ブロック層34、35を一部除去して露出したコンタクト層36表面を含む電流ブロック層34、35にAuGeからなるn型電極14を形成する。そして、n型電極14とp型電極15の電気的な短絡を防止するため、n型電極14およびp型電極15の一部を含む電極間の各層の側面に絶縁膜24、例えばSiO2膜を形成する。
【0037】
最後に、ダイシング装置により透明基板12をチッブに分割することにより、図1に示す透明基板の断面形状が、ほぼ矩形状のフリップチップ型のLEDが完成する。
【0038】
図6は、図1に示すLED11を用いた半導体発光装置の断面図である。図6に示すように、透明基板12が発光観測面になるように、LED11が外囲器51に形成された反射カップ52の中に載置され、n電極14およびp電極15が半田ボール53a、53bによりリードフレーム54a、54bにそれぞれ固着されている。
【0039】
そして、反射カップ52の中に透明ゲル状樹脂55を充填して透明樹脂レンズ56を外囲器51に固着することにより、半導体発光装置57が得られる。
【0040】
この半導体発光装置57の動作電流200mAにおける動作電圧は、2.2Vであり、従来構造のフリップチップ型LEDの2.7Vと比較して動作電圧を低減することができた。
【0041】
さらに、動作電流を増加させても、活性層の全面が発光し、特定部位への電流集中等は見られず、発熱の影響による光出力の飽和や発光波長のシフトは見られなかった。
【0042】
また、透明基板12のキャリア濃度を十分に低くすると基板の透明度が向上するので、光出力をさらに向上させることができる。実験によれば、透明基板のキャリア濃度が、例えば、5×101 7cm−3以下では、光出力は約5%向上し、1×101 7cm−3以下では、光出力は10%以上向上した。
【0043】
このようなキャリア濃度の低いGaP基板は、LEC法によりノンドープでGaP結晶を引き上げることにより得られる。また、GaP融液を保持する坩堝材を、例えば、石英からPBN(Pyrolytic Boron Nitride)にすることにより、更に透明度の高い基板を得ることができる。
【0044】
以上説明したように、第1の実施の形態によるフリップチップ型の半導体発光素子および半導体発光装置では、透明基板に形成された十分にキヤリア濃度の高い通電層17にp型電極15を設けたことにより、十分な動作電圧と高い光出力が得られる。
【0045】
(第2の実施の形態)
図7は、本発明の第2の実施の形態に係わるフリップチップ型の半導体発光素子を示す図で、図7(a)は、フリップチップ型の半導体発光素子の下面に設けられた電極側から見た底面図、図7(b)は、図7(a)のA−A線に沿って切断し、矢印方向に眺めた断面図である。本実施の形態において、第1の実施の形態と同一の構成部分には、同一符号を付して、その説明は省略する。
【0046】
図7に示すように、第2の実施の形態が第1の実施の形態と異なる点は、LEDの透明基板の縦断面形状を第1の主面と反対側の第2の主面から第1の主面に向かって末広がりの傾斜面とし、更に、第2の主面近傍の傾斜面部分を外側方向に湾曲する湾曲面を有する構造としたことにある。
【0047】
即ち、本実施の形態のフリップチップ型LED61においては、透明基板12の4つの側面は、第2の主面62から第1の主面16に向かって、末広がりの台形状をなす傾斜面63と、第2の主面62と傾斜面63の間に外側方向に湾曲する凸状の湾曲面64と、第1の主面16と傾斜面63の間に垂直な側面65で構成されている。
【0048】
傾斜面63と透明基板12の鉛直方向とのなす角度は、モールドする透明樹脂(図示せず)の屈折率を考慮して定める。
【0049】
例えば、透明基板12がGaPで、エポキシ樹脂からなる透明樹脂でモールドする場合は、赤色に対する屈折率がそれぞれ、3.3および1.5であることから、約27度(臨界角度)近辺を選択するのが良く、一般的に20乃至40度程度の範囲が適当である。
【0050】
湾曲面64は、第2の主面近傍の傾斜面部分を優先的にエッチングしてLED61の断面形状が、略半球状に準えられる形状に定める。
【0051】
LED61の中央部の主発光領域21により、発光強度分布を略点光源状となし、傾斜面63に対して入射角度が臨界角度以下の光線の割合を増加させることができる。これにより、更に光出力を向上させることができる。
【0052】
このためには、LED61の高さHと底辺Wの比は、0.4乃至0.6の範囲が適当である。
【0053】
上述のように構成されたLEDでは、入射角が臨界角以下の光線の割合を増やすことができ、更に、臨界角以上の光線も素子内部で多重反射を何回か繰り返すことにより外部に取り出すことができる。
【0054】
次に、上記LEDを製造する方法について、図8乃至図9を参照して説明する。
【0055】
図8は、LEDを多数形成して成るウェーハを、カッティングする工程を示す断面図である。
【0056】
まず、LEDを形成したウェーハ71を第2の主面62を上向きにして、ダイシングシート(図示せず)に貼付け、第2の主面62側から断面がV字型のダイシングブレード73により、所定のピッチで一方向へダイシングする。
【0057】
この際、ウェーハ71を完全にカッティングせず、切り残し部分をLEDの第1の主面16と傾斜面63との間の垂直な側面64として残している。
【0058】
次に、ウェーハ71を90度回転して同様に、第2の主面62のダイシング溝と直行する方向に第2の主面62から所定のピッチでダイシングし、切り残し部分をLEDの垂直な側面として残している。
【0059】
図9は、上述のようにしてカッティングされ、V字状溝の並びを持つウェーハ71の一部分を示す平面図である。
【0060】
次に、カッティングされたV字状の溝を、例えば、塩酸と過酸化水素水の混合液で第2の主面近傍の傾斜面部分が優先的にエッチングされるようにして、外側方向に湾曲した凸状の湾曲面を形成する。
【0061】
この湾曲形状は、V字状の溝の開口部と底部で、エッチング液の循環速度の差によりエッチング速度に差がでることを利用し、傾斜角度、V字状の溝の深さ、エッチング条件(液温、攪拌)により制御することができる。更に、V字状カッティングとエッチングを複数回繰り返えせば、より好ましい形状を得ることができる。
【0062】
次に、ウェーハ71をブレーキングして、個々のLEDに分離し、図7に示すようなLEDを得る。
【0063】
図10は、図7に示すLED61を用いた半導体発光装置の断面図である。
【0064】
図に示すように、第2の主面62が発光観測面側になるように、LED61が外囲器51に形成された反射カップ52の中に載置され、n電極14およびp電極15が半田ボール53a、53bによりリードフレーム54a、54bに固着されている。
【0065】
そして、反射カップ52の中に透明ゲル状樹脂55を充填して透明樹脂レンズ56を外囲器51に固着することにより、半導体発光装置57が得られる。
【0066】
次に、GaP基板にInGaAlP発光層を備えた、LEDおよびこのLEDを用いた半導体発光装置を製造する場合の具体例について説明する。
【0067】
200μm厚のウェーハ71を用いて、先端角度60度のV字型ブレード72により、400μmピッチで第2の主面62から170μmの深さまでカッティングした後、ウェーハ71を90度回転させ、同様に400μmピッチでカッティングした。
【0068】
次に、カッティングされたウェーハ71のV字状の溝を塩酸と過酸化水素水の混合液でエッチングして、V字状の溝の開口部を優先的に除去し湾曲部64を形成した。その後、ウェーハ71をブレーキングして個々のLEDに分離した。
【0069】
これにより、傾斜面63、湾曲面64、垂直な側面65を有する底面390μm□、高さ200μmのLED61を得た。
【0070】
LEDの光出力は、従来の断面が矩形状のLEDに比べて2倍以上の高い値を示した。
【0071】
以上説明したように、第2の実施の形態のLEDおよび半導体発光装置によれば、透明基板の4つの側面を先端が外側方向に湾曲する凸状の湾曲面と傾斜面の組み合わせとしているので、入射角が臨界角以下の光線の割合が増加し、入射角が臨界角以上の光線も外部に取り出すことができる。従って、十分な動作電圧と、更に高い光出力が得られる。
【0072】
ここでは、GaP基板を例に説明したが、その他の半導体材料を用いたLEDにも、同様に適用できることは言うまでもない。
【0073】
また、第2の実施の形態における透明基板の側面は、入射角度が臨界角度以下の光線の割合を増加させる機能を有する構造になっていればよく、傾斜面と湾曲面と垂直面の組合わせた構造に限定されず、傾斜面または湾曲面だけの構造でもよく、垂直面と傾斜面または湾曲面とを組合わせた構造でも良いことは勿論である。
【0074】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のフリップチップ型半導体発光素子および半導体発光装置によれば、十分な動作電圧を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態に係わる半導体発光素子を示す図で、図1(a)は電極面側から見た底面図、図1(b)は、図1(a)のA−A線に沿う断面図。
【図2】本発明の第1の実施の形態に係わる半導体発光素子の製造工程におけるGaAs基板に形成した発光層を示す図。
【図3】本発明の第1の実施の形態に係わる半導体発光素子の製造工程における透明基板に形成した通電層を示す図。
【図4】本発明の第1の実施の形態に係わる半導体発光素子の製造工程における透明基板と発光層を接着した状態を示す図。
【図5】本発明の第1の実施の形態に係わる半導体発光素子の製造工程における電極を形成した状態を示す図。
【図6】本発明の第1の実施の形態に係わる型半導体発光装置を示す断面図。
【図7】本発明の第2の実施形態に係わる半導体発光素子を示す図で、図2(a)は電極面から見た底面図、図2(b)は、図2(a)のB−B線に沿う断面図。
【図8】本発明の第2の実施の形態に係わる半導体発光素子の製造工程におけるウェーハのダイシング工程図。
【図9】本発明の第2の実施の形態に係わる半導体素子の製造工程におけるダイシングしたウェーハの一部を示す平面図。
【図10】本発明の第2の実施の形態に係わる半導体発光装置を示す断面図。
【図11】従来の半導体発光素子を示す断面図。
【符号の説明】
11、61 LED
12 透明基板
13 発光層
14 n型電極
15 p型電極
16 第1の主面
17 p型通電層
18 活性層
19 光反射層(DBR)
20 電流ブロック層
21 主発光領域
22 パッド領域
23 接続領域
24 絶縁膜
31 n−GaAs基板
32 GaAsバッファ層
33 InGaPエッチングストップ層
34 GaAs電流ブロック層
35 InGaAlP電流ブロック層
36 n−GaAsコンタクト層
37 InAlP/GaAlAs光反射層(DBR)
38 n−InAlPクラッド層
39 InGaAlP MQW層
40 p−InAlPクラッド層
41 p−InGaP接着層
51 外囲器
52 反射カップ
53a、53b 半田ボール
54a、54b リードフレーム
55 透明ゲル状樹脂
56 透明樹脂レンズ
57、81 半導体発光装置
62 第2の主面
63 傾斜面
64 湾曲面
65 垂直な側面
71 半導体発光素子を形成したウェーハ
72 ダイシングブレード
Claims (12)
- 発光波長に対して透光性を有する透明基板と、
前記透明基板の第1の主面に形成され、キャリア濃度が前記透明基板より高い通電層と、
前記通電層表面の一部領域に形成されたpn接合を有する発光層と、
前記発光層表面に形成された第1の電極と、
前記通電層表面の他領域に形成された第2の電極と、
を有することを特徴とする半導体発光素子。 - 発光波長に対して透光性を有する透明基板と、
前記透明基板の第1の主面に形成され、キャリア濃度が前記透明基板より高い通電層と、
前記通電層表面の一部領域に形成されたpn接合を有する発光層と、
前記発光層表面に形成された第1の電極と、
前記通電層表面の他領域に形成された第2の電極と、
を具備し、
前記透明基板の側面が、前記第1の主面と反対側の第2の主面から前記第1の主面に向かって末広がり構造を有することを特徴とする半導体発光素子。 - 前記透明基板の側面は、前記第2の主面から前記第1の主面に向かって末広がりの傾斜面であることを特徴とする請求項2記載の半導体発光素子。
- 前記透明基板の側面は、前記第2の主面から前記第1の主面に向かって外方に湾曲する湾曲面と傾斜面とをこの順序で有することを特徴とする請求項2記載の半導体発光素子。
- 前記第1の主面と前記傾斜面との間に、垂直な側面を備えたことを特徴とする請求項3記載または請求項4記載の半導体発光素子。
- 前記透明基板の鉛直方向と前記末広がりの傾斜面との角度が、20乃至40度であることを特徴とする請求項3乃至請求項5のいずれか1項に記載の半導体発光素子。
- 前記透明基板の前記第1および第2の主面間の高さと第1の主面の底辺との比が0.4乃至0.6の範囲にあることを特徴とする請求項2乃至請求項6のいずれか1項に記載の半導体発光素子。
- 前記通電層のキャリア濃度が1乃至2×1018cm−3以上であることを特徴とする請求項1または請求項2記載の半導体発光素子。
- 前記発光層が、InGaAlP、InAlP、InGaP半導体層からなることを特徴とする請求項1または請求項2記載の半導体発光素子。
- 前記発光層は、前記通電層に接着により形成されていることを特徴とする請求項1または請求項2記載の半導体発光素子。
- 発光波長に対して透光性を有する透明基板と、
前記透明基板の第1の主面に形成され、キャリア濃度が前記透明基板より高い通電層と、
前記通電層上の一部領域に形成されたpn接合を有する発光層と、
前記発光層表面に形成された第1の電極と、
前記通電層表面の他領域に形成された第2の電極と、
を有する半導体発光素子と、
前記第1および第2の電極と電気的接続されたリードフレームと、
前記半導体発光素子と前記リードフレームとを封止する手段と、
を有することを特徴とする半導体発光装置。 - 発光波長に対して透光性を有する透明基板と、
前記透明基板の第1の主面に形成され、キャリア濃度が前記透明基板より高い通電層と、
前記通電層表面の一部領域に形成されたpn接合を有する発光層と、
前記発光層表面に形成された第1の電極と、
前記通電層表面の他領域に形成された第2の電極と、
を有する半導体発光素子と、
前記第1および第2の電極と電気的接続されたリードフレームと、
前記半導体発光素子と前記リードフレームとを封止する手段と、
を具備し、
前記透明基板の側面が、前記第1の主面と反対側の第2の主面から前記第1の主面に向かって末広がり構造を有することを特徴とする半導体発光装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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