JP2009117796A - 半導体発光素子および発光装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 少なくとも第1辺と、該第1辺に隣接する第2辺とを有する平面視で矩形の半導体発光素子であって、第1導電型半導体層と、第2導電型半導体層と、前記第1導電型半導体層に設けられた複数の第1電極と、前記第2導電型半導体層に設けられた第2電極と、を有し、第1導電型半導体層、第2導電型半導体層、および第2電極は、第1電極を囲んでおり、第1電極と第2電極は同一面側に設けられており、第1電極は、第1辺に沿って長い形状であり、且つ、第1辺に沿ってx列(x≧2)、第2辺に沿ってy行(y>x)、の格子状に配列されている。
【選択図】 図1
Description
本実施形態の半導体発光素子100は、図1及び図2に示すように、透光性の基板1上に、第1導電型半導体層2、発光層10、第2導電型半導体層3がこの順に積層されている。第1導電型半導体層2には第1電極4が形成され、第2導電型半導体層3には第2電極5が形成されている。半導体発光素子100は平面視で略正方形である。また、第2導電型半導体層3及び発光層10と、第1導電型半導体層2の一部が除去されて、第1導電型半導体層2の表面が露出しており、この露出表面に第1電極4が形成されている。つまり、第1電極4及び第2電極5は、半導体層の同一面側に配置されている。また、第2電極5は、第1電極4の周囲を囲むように配置されており、第1電極4は、素子の第1辺11に沿って長い形状であり、第1辺11に沿って2列、第1辺に隣接する第2辺12に沿って3行の格子状に配列されている。
第1電極4は、第1導電型半導体層2表面に設けられ、第2電極5は、第1電極4を囲むように第2導電型半導体層3に設けられる。特に第2導電型層3がp型窒化ガリウム系化合物半導体層である場合には、電流が面内方向に広がりにくいため、第2電極5を第2導電型層3のほぼ全面に設けることが好ましい。例えばMgがドープされたp型GaN層の抵抗値は0.1Ω・mm〜10Ω・mm程度である。第2電極5には、さらに、バンプなどの導電性部材と接続するための接続電極を設けることができる。第1電極4及び第2電極5の形成は、エッチング等の方法により第1導電型層2を露出させた後、蒸着法やスパッタリング法により行う。本実施形態において、第2電極5の材料は、発光素子の光を発光素子の透光性基板方向へ反射させるものを用いる。このような材料としては、例えば、Ag、Al、Rhが挙げられる。その他、p型半導体層の全面にITO(インジウム(In)とスズ(Sn)の複合酸化物)、ZnOのような酸化物導電膜や、Ni/Au等の金属薄膜などの透光性電極を形成することができる。
第1及び第2導電型半導体層としては、GaNやその他の半導体を使用したものを挙げることができ、例えば窒化ガリウム系化合物半導体(InXAlYGa1−X−YN、0≦X、0≦Y、X+Y≦1)が好適に挙げられる。半導体層の構造としては、MIS接合、PIN接合やpn接合などを有するホモ構造、ヘテロ構造あるいはダブルへテロ構成のものが挙げられる。半導体層の材料やその混晶比によって発光波長を種々選択することができる。第1導電型半導体層と第2導電型半導体層との間に、半導体活性層を量子効果が生ずる薄膜に形成させた単一量子井戸構造や多重量子井戸構造を有する構造とすることもできる。窒化物半導体を使用した場合、半導体層の成長用基板にはサファイア、スピネル、SiC、Si、ZnO等の材料が好適に用いられ、結晶性の良い窒化物半導体を量産性よく形成させるためにはサファイア基板を用いることが好ましい。第1及び第2導電型半導体層において、第1導電型とは、p型またはn型を指し、第2導電型とは、第1導電型とは異なる導電型、つまりn型またはp型を示す。好ましくは、第1導電型半導体層がn型窒化ガリウム系化合物半導体層であり、第2導電型半導体層がp型窒化ガリウム系化合物半導体層である。これらの半導体層は、通常、n型またはp型の不純物をドーピングすることで、n型またはp型の半導体層とすることができる。
半導体発光素子には、絶縁性の保護膜を形成することもできる。図3に、各電極上に開口部を有する保護膜30を形成した半導体発光素子の例を示す。図3(a)が正面図、図3(b)が背面図、図3(c)が左側面図、図3(d)が右側面図、図3(e)が平面図、図3(f)が底面図をそれぞれ示す。なお、図3(b)に示す背面図では、透光性の基板1を通して、各電極が見えている。また、図3に示す素子は、第2電極として、第2導電型半導体層表面のほぼ全面を覆う全面電極と、全面電極を覆うカバー電極とを形成している。図3において斜線で示す保護膜30は、各第1電極4及び第2電極5上に略円形状の開口部を有し、各開口部では電極の表面が露出している。保護膜30の開口部内で露出した各電極表面には、バンプなどの導電性部材が形成され、パッケージの導体配線等と接続され、通電される。保護膜の開口部の形状は、特に限定されるものではなく、各電極表面にバンプなどの導電性部材を形成することができる形状や大きさであればよい。図3(a)に示すように、電極上に形成される導電性部材の形状に対応したものとすると、開口部の面積の増大を抑制することができ、素子の上面を好適に保護することができる。また、このように、第1電極上の開口部と第2電極上の開口部とが独立した形状とすると、導電性部材の位置ズレなどによる各電極間の短絡を防止でき、短絡しにくい素子とできる。また、第2電極上の開口部をこのように配置することで、バンプを素子全体にほぼ均等に配置できるので、熱抵抗を低減することができる。
半導体発光素子は、平面視で矩形の素子を用いることができ、素子の平面視形状に沿って第1電極は格子状配置される。本発明の効果は、素子の第1辺とそれに隣接する第2辺はほぼ同じ長さである場合に得られやすい。好ましくは略正方形とする。本実施形態では、半導体発光素子は、透光性基板側、つまり電極形成面の対向面側から光を取り出すフリップチップ実装用の素子とすることが好ましい。フリップチップ実装用の素子であれば、電極形成面から光を取り出すフェースアップ実装用の素子と比べて、第2の電極の膜厚を厚くしたり、第2の電極の外部電極との接続領域を均等に配置したりできるため、第2導電型半導体層全体に均一に電流を広げやすい。このため、第1の電極の配置によって素子全体の電流分布を均一化でき、本発明の効果が得られやすい。
図4に示す半導体発光素子は、第1電極4が、第1辺11に沿って3列、第2辺12に沿って4行、格子状に配列されている。その他の各構成は、実施の形態1と同様のものを採用できる。このように、第1電極4の数や配置は、第1電極の大きさや素子の大きさ等に対応して変更することができる。また、このように行方向においても第1電極を等間隔に配置することが好ましい。
図5に示す半導体発光装置は、図1に示す半導体発光素子100を、配線基板500にフリップチップ実装したものである。図5に示す発光装置では、発光素子100の第1電極及び第2電極はそれぞれ、接続部13a及び13bで配線基板の基体51表面の第1配線電極50a及び第2配線電極50bに接続される。接続部13a及び13bとしては、バンプなどの導電部材を用いることができる。
配線電極の材料とする金属は、AuやAlなどが用いられる。Alのように反射率の高い銀白色の金属とすると、発光素子からの光が配線基板と反対側の方向に反射され、発光装置の光取り出し効率が向上するため好ましい。ここで、配線電極の材料とする金属は、金属相互間の接着性の良さ、いわゆる濡れ性等を考慮して選択されることが好ましい。例えば、Auバンプを介して、Auを含む半導体発光素子の電極と接合するとき、配線電極は、AuまたはAuを含む合金とする。
実施例1として、図1に示す構造と同様の半導体発光素子を用いる。本実施例に係る半導体発光素子は、1辺が約1mmである平面視で略正方形の素子である。サファイア基板上には窒化ガリウム系化合物半導体が積層されており、基板側から順に、n型半導体層、発光層、p型半導体層が積層されている。素子外周部分ではサファイア基板が露出されている。p型半導体層表面には、第2電極として、発光層からの光を反射する全面電極と、それを覆うカバー電極とパッド電極が設けられており、p型半導体層から露出されたn型半導体層表面には、第1電極として、n電極が、第1辺に沿って2列、第2辺に沿って3行の格子状に配列されている。第1電極は、全て同じ方向に長い略円形状であり、具体的には、2つの半円形状を線分で接続した形状である。また、各電極の材料としては、p側の全面電極はNi/Ag/Ni/Ti/Pt、カバー電極はAu、パッド電極はAu/Rh/Pt/Au/Ni、n電極はAl−Si−Cu/W/Pt/Au/Ni、をそれぞれ用いる。なお、Ni/Ag/Ni/Ti/Ptとは、半導体層側から順に、Ni、Ag、Ni、Ti、Ptを積層して形成することを示す。このような半導体発光素子についてシミュレーションにより順電圧を求めると、約3.4Vと推定される。本実施例の素子は、第1電極を素子の辺に沿って2列と3行の格子状に配列することで、順電圧の低い高効率の素子とすることができる。
また、実施例1とp側パッド電極を省略してカバー電極をNi/Au/Niとした以外は同様の素子を、2つ並べて、配線基板にフリップチップ実装した実施例2の発光装置を、図7に示す。第1配線電極50aと第2配線電極50bは図5及び図6に示すものとほぼ同じ形状であるが、図7に示す発光装置では、2つの発光素子を直列接続するために、第3配線電極50cを設けている。第3配線電極50cも、第1及び第2配線電極50a及び50bと同様に、同じ方向に略直線状に伸びており、図7において、左の素子側では第1電極と接続し、右の素子側では第2電極と接続する。第3配線電極50cの第2電極と接続する部分は、その幅を他の配線部分よりも広くして2つの素子間の基体表面を覆っているので、2つの素子端面からの光を反射させることができ、光取り出し効率の高い発光装置とすることができる。このような発光装置を2つ並べると、順電圧が約14.1V、光束が約476.8lmである。
2 第1導電型半導体層
3 第2導電型半導体層
4、4a、4b 第1電極
5 第2電極
10 発光層
11 第1辺
12 第2辺
13a、13b 接続部
100 半導体発光素子
30 保護膜50a 第1配線電極
50b 第2配線電極
51 基体
81 n側の電極の給電部
82 p側の電極の給電部
Claims (14)
- 少なくとも第1辺と、該第1辺に隣接する第2辺とを有する平面視で矩形の半導体発光素子であって、
第1導電型半導体層と、第2導電型半導体層と、前記第1導電型半導体層に設けられた複数の第1電極と、前記第2導電型半導体層に設けられた第2電極と、を有し、
前記第1導電型半導体層、前記第2導電型半導体層、および前記第2電極は、前記第1電極を囲んでおり、前記第1電極と前記第2電極は同一面側に設けられており、
前記第1電極は、前記第1辺に沿って長い形状であり、且つ、前記第1辺に沿ってx列(x≧2)、前記第2辺に沿ってy行(y>x)、の格子状に配列されている半導体発光素子。 - 前記複数の第1電極は、行方向における前記第1電極間の距離D1が、列方向における前記第1電極間の距離D2よりも大きくなるように配置されている請求項1に記載の半導体発光素子。
- 前記複数の第1電極は、行方向において等間隔に配置されており、行方向における前記第1電極間の距離D1が、前記第2辺に最も近い前記第1電極から前記第2辺側の前記第2導電型半導体層終端までの距離D3よりも大きい請求項1または2に記載の半導体発光素子。
- 前記距離D1が、前記距離D3の2倍以下である請求項3に記載の半導体発光素子。
- 前記複数の第1電極は、列方向において等間隔に配置されており、列方向における前記第1電極間の距離D2が、前記第1辺に最も近い前記第1電極から前記第1辺側の前記第2導電型半導体層終端までの距離D4と同じかそれよりも小さい請求項1〜4のいずれか1項に記載の半導体発光素子。
- 前記複数の第1電極は、大きさ及び形状が同じである請求項1〜5のいずれか1項に記載の半導体発光素子。
- 前記第1電極は、前記第1辺に沿って長い略円形状である請求項1〜6のいずれか1項に記載の半導体発光素子。
- 前記半導体発光素子は、前記第1辺と前記第2辺の長さが略等しい請求項1〜7のいずれか1項に記載の半導体発光素子。
- 前記半導体発光素子は平面視で略正方形である請求項8に記載の半導体発光素子。
- 前記第1導電型半導体層はn型窒化ガリウム系化合物半導体層であり、前記第2導電型半導体層は、p型窒化ガリウム系化合物半導体層である請求項1〜9のいずれか1項に記載の半導体発光素子。
- 前記半導体発光素子はフリップチップ用の素子である請求項1〜10のいずれか1項に記載の半導体発光素子。
- 前記第1電極は、前記第1辺に沿って2列、前記第2辺に沿って3行の格子状に配列されている請求項1〜11のいずれか1項に記載の半導体発光素子。
- 請求項1〜12のいずれか1項に記載の前記半導体発光素子と、前記半導体発光素子が載置される配線基板と、を有し、
前記配線基板は、前記半導体発光素子の前記第1電極と接続される第1配線電極と、前記第2電極と接続される第2配線電極とを有し、
前記第1及び第2配線電極は、前記半導体発光素子の前記第2辺の長さ方向に直線状に伸びた形状である発光装置。 - 前記半導体発光素子は、発光層を有し、前記配線基板側から、前記第2導電型半導体層、前記発光層、前記第1導電型半導体層の順に設けられており、
前記第2電極と接続する前記第2配線電極の少なくとも一部は、平面視において、前記第1配線電極よりも前記半導体発光素子の外側に、前記第1配線電極よりも広い幅で設けられている請求項13に記載の発光装置。
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