JP2013140978A - 半導体発光素子及びledモジュール - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明は静電気放電(ESD)保護用ダイオードと一体化された構造を有して小型化が可能な半導体発光素子を提供する。
【解決手段】半導体発光素子は、第1及び第2導電型半導体層とその間に形成された活性層を有し、第1及び第2領域に区割りされた半導体積層体を含む。第1領域には活性層を経て第1導電型半導体層の領域の一部に連結された少なくとも1つのコンタクト孔が形成される。少なくとも1つのコンタクト孔を通じて第1領域の第1導電型半導体層に連結され、且つ、第2領域の第2導電型半導体層に連結された第1電極が形成される。第1領域の第2導電型半導体層に連結された第2電極が形成される。第1及び第2電極パッドは第2領域の第1導電型半導体層と第2電極上に各々形成される。第1電極と電気的に連結されるように半導体積層体には電気的伝導性を有する支持基板が形成される。
【選択図】図2
【解決手段】半導体発光素子は、第1及び第2導電型半導体層とその間に形成された活性層を有し、第1及び第2領域に区割りされた半導体積層体を含む。第1領域には活性層を経て第1導電型半導体層の領域の一部に連結された少なくとも1つのコンタクト孔が形成される。少なくとも1つのコンタクト孔を通じて第1領域の第1導電型半導体層に連結され、且つ、第2領域の第2導電型半導体層に連結された第1電極が形成される。第1領域の第2導電型半導体層に連結された第2電極が形成される。第1及び第2電極パッドは第2領域の第1導電型半導体層と第2電極上に各々形成される。第1電極と電気的に連結されるように半導体積層体には電気的伝導性を有する支持基板が形成される。
【選択図】図2
Description
本発明は半導体発光素子に係り、特に静電気のような電気的衝撃に備えた保護用ダイオードが一体に備えられた半導体発光素子及びこれを採用したLEDモジュールに関する。
半導体発光素子は、出力、効率及び信頼性の側面から光源として有益な長所を有するため、照明装置又はディスプレイ装置のバックライトに用いられる高出力、高効率光源として積極的に研究開発されている。
一般的に、半導体発光素子はp型半導体及びn型半導体に加えて、その間に電子/正孔の再結合により発光する活性層を備える。該半導体発光素子は、半導体層のための電極の位置又は電流経路により区分され、これに限定されないが、主に半導体発光素子に用いられる基板の電気的伝導性の有無によって決まる。
例えば、電気的絶縁性を有する基板が用いられる場合には、n型半導体層に接続されるn型電極を形成するためのメサエッチングが求められる。即ち、n型半導体層の一部領域が露出するようにp型半導体層及び活性層を部分的に除去し、p側及びn側電極は、p型半導体層の上面とn型半導体層の露出した上面に各々形成される。
このような電極構造は、メサエッチングにより発光面積が失われ、且つ電流の主に流れる方向に対して側方向に形成されるので、全体面積に対して均一な電流分散を図ることが困難であり、それにより発光効率も減少する。
一方、伝導性基板を用いる場合には、伝導性基板を一側の電極部分として使用できる。このような構造の半導体発光素子は、上述の構造と比べて、失われる発光面積がなく、比較的均一な電流の流れが保障されるため、発光効率の改善効果が期待できる。
しかし、高出力のために発光素子を大面積で具現する場合は、電極枝のような電極構造を提供して全体発光面積にわたって均一な電流分散を図るが、このとき、光放出面に提供される電極により光の放出(取出し)が制限され、さらにその電極によって光吸収が引き起こされ、発光効率が減少する場合がある。
また、半導体発光素子は、取扱い過程又は使用過程で静電気放電(ESD)等の瞬間的高電圧に曝されると、素子機能が破壊される恐れがある。
よって、別途の保護用ダイオードをさらに装着する方案が考慮されているが、別途のダイオードをパッケージングして単一パッケージ空間内に配置すると、製品の小型化にとり問題となる。
そこで当技術分野では、静電気放電(ESD)保護用ダイオードと一体化された構造を有する新しい半導体発光素子及びLEDモジュールが求められている。
上記の技術的課題を解決するため、本発明の一側面は、相互に対向する第1及び第2主面を有し、各々上記第1及び第2主面を提供する第1及び第2導電型半導体層とその間に形成された活性層を有し、分離溝により第1及び第2領域に区割りされた半導体積層体と、上記第1領域の第2主面から上記活性層を経て上記第1導電型半導体層の領域の一部に連結された少なくとも1つのコンタクト孔と、上記半導体積層体の第2主面上に形成され、上記少なくとも1つのコンタクト孔を通じて上記第1領域の第1導電型半導体層に連結され、且つ、上記第2領域の第2導電型半導体層に連結された第1電極と、上記第1領域の第2主面上に形成され、上記第1領域の第2導電型半導体層に連結された第2電極と、上記第2領域の第1導電型半導体層に電気的に連結された第1電極パッドと、上記第2電極に電気的に連結された第2電極パッドと、上記第1電極と電気的に連結されるように上記半導体積層体の第2主面に形成される電気的伝導性を有する支持基板と、を含む半導体発光素子を提供する。
特定の実施形態において、上記半導体積層体の第2主面上に形成され、上記第1電極と上記第2電極を分離する絶縁性分離層をさらに含んでよい。
上記絶縁性分離層は、上記コンタクト孔の内部側壁と上記第1電極の上記コンタクト孔内に充填された部分との間に延長されてよい。
上記支持基板は、メッキ工程又はウェハーボンディング工程により形成されてよい。上記半導体積層体の第1領域及び第2領域の側面に形成されたパッシベーション層をさらに含んでよい。
上記第1電極は、高反射性オーミックコンタクト層を含んでよい。この場合、上記高反射性オーミックコンタクト層は、Ag、Ni、Al、Rh、Pd、Ir、Ru、Mg、Zn、Pt、Au及びその組み合わせで構成された群から選択された物質を含んでよい。
上記少なくとも1つのコンタクト孔は、複数個のコンタクト孔であってよい。上記半導体積層体の上記第1領域は、上記半導体積層体の上記第2領域より大きい面積を有してよい。
本発明の他の側面は、半導体発光素子と、第2電極構造と、第2電極構造を有するパッケージ基板とを含むLEDモジュールを提供する。
ここで上記半導体発光素子は、相互に対向する第1及び第2主面を有し、各々上記第1及び第2主面を提供する第1及び第2導電型半導体層とその間に形成された活性層を有し、分離溝により第1及び第2領域に区割りされた半導体積層体と、上記第1領域の第2主面から上記活性層を経て上記第1導電型半導体層の領域の一部に連結された少なくとも1つのコンタクト孔と、上記半導体積層体の第2主面上に形成され、上記少なくとも1つのコンタクト孔を通じて上記第1領域の第1導電型半導体層に連結され、上記第2領域の第2導電型半導体層に連結された第1電極と、上記第1領域の第2主面上に形成され、上記第1領域の第2導電型半導体層に連結された第2電極と、上記第2領域の第1導電型半導体層に電気的に連結された第1電極パッドと、上記第2電極に電気的に連結された第2電極パッドと、上記第1電極と電気的に連結されるように上記半導体積層体の第2主面に形成される電気的伝導性を有する支持基板とを含む。
また、上記第1電極構造は上記半導体発光素子の支持基板と連結され、上記第2電極構造は上記半導体発光素子の第1及び第2電極に各々連結される。
本発明によれば、ESD保護用ダイオードと一体化された発光ダイオードを具現できる上、発光面積を増加して有効発光効率を改善できる。また、コンタクト孔を複数個採用して適切な位置に分散することで、大面積でも高い電流分散効率を実現できる。
また本発明によれば、一体化された発光ダイオードとESD保護用ダイオードの各々の電気的特性を個別的に測定できる。
以下では、添付の図面を参照して本発明の実施形態を詳しく説明する。
図1は本発明の一実施形態による半導体発光素子の平面図であり、図2は図1に示した半導体発光素子をI−I’線に沿って切開した側断面図である。
図1及び図2を参照すると、本実施形態による半導体発光素子10は、第1及び第2導電型半導体層15a、15cとその間に位置した活性層15bを有する半導体積層体15を含む。
半導体積層体15は、相互に反対側に位置し、各々第1及び第2導電型半導体層15a、15cにより提供される第1及び第2主面を有する。
半導体積層体15は、これに限定されないが、例えば、窒化物半導体のようなIII−V族化合物半導体である。本実施形態における半導体積層体15は、第1導電型半導体層15a、活性層15b及び第2導電型半導体層15cの順に別途の成長用基板(図示せず)上に成長させた後(即ち、上記第1主面は前記成長用基板に接する)、上記第2主面上に、第2電極14、コンタクトホールH,絶縁性分離層13、及び第1電極12を含む配線構造(これらの配線構造とその形成手順については、詳しく後述する)を形成し、さらに第1電極12上に支持基板11を形成する。
ここで、本実施形態において採用された支持基板11は、電気的伝導性(導電性)を有する基板であって、メッキ工程又はウェハーボンディング工程により容易に提供される。次に、半導体積層体15から上記成長用基板を除去し、図1に示した素子構造を得る。一般的に、第1及び第2導電型半導体層15a、15cは各々、n型及びp型半導体層である。
半導体発光素子10は、図2に示したように少なくとも半導体積層体15の露出した側面に形成された絶縁性物質からなるパッシベーション層16をさらに含み得る。
上記半導体発光素子10の構造は、図3及び図4に示した断面図を参照してより具体的に理解できるであろう。図1に示した半導体発光素子10をII−II’線に沿って切開した側断面図は図3に示されており、III−III’線に沿って切開した側断面図は図4に示されている。
図3に示したように、II−II’線に沿って切開した断面は、電気的伝導性である支持基板11上に第1電極12、絶縁性分離層13、第2電極14及び半導体積層体15が順に積層された構造である。
一方、III−III’線に沿って切開した断面は図4に示したように、コンタクト孔Hが形成された領域を除いては、図3と類似して支持基板11上に第1電極12、絶縁性分離層13、第2電極14、半導体積層体15が順に積層された構造である。
複数のコンタクト孔Hは、上記半導体積層体15の第2主面上の一部(後述の第1領域A)に形成された第2電極14を貫通して半導体積層体15に貫入し、第1導電型半導体層15a内に到達するように形成される。上記第2主面上に形成された上記絶縁性分離層13は第1電極12と第2電極14とを絶縁する。また、絶縁性分離層13は、コンタクト孔Hの内部側壁に延長して形成され、所望しない連結を防ぐために、第2電極14、第2導電型半導体層15c、及び活性層15bと、コンタクト孔Hと、を互いに電気的に絶縁する。
このような複数のコンタクト孔Hを一定間隔で配列することにより、電流の均一な分散を強化できる。第1電極12は、第2導電型半導体層15cと直接接続される。コンタクト孔Hに関する構造は、以下で詳しく説明する。
上記半導体積層体15は、分離溝gにより第1領域Aと第2領域Bに区分される。ここで、第1領域Aは発光ダイオードとして駆動される発光ダイオード部を提供し、第2領域BはESD保護用ダイオード部を提供する。
分離溝gは、例えば、半導体積層体15から上記成長用基板を上述のように除去した後に、例えばパターニングして選択的にエッチングして形成される。
また、上記パッシベーション層16は、例えば、分離溝gを上述のように形成した後に、分離溝gの内壁を覆うように形成される。
分離溝gは、例えば、半導体積層体15から上記成長用基板を上述のように除去した後に、例えばパターニングして選択的にエッチングして形成される。
また、上記パッシベーション層16は、例えば、分離溝gを上述のように形成した後に、分離溝gの内壁を覆うように形成される。
本実施形態における第2領域Bは、外部回路と連結するワイヤボンディングのための第1電極パッド18aを含む。上記2つの領域A、Bに区分された半導体積層体15は、下記のような配線連結により発光ダイオード部とESD保護用ダイオード部として各々作動する。
本実施形態における第2電極14は、第1領域Aの第2導電型半導体層15cに接続されるように半導体積層体15の第2主面に形成される。
上記第2電極14は望ましくは、上記活性層15bで発生した光が反射されるように高反射性オーミックコンタクト層を含む。例えば、上記高反射性オーミックコンタクト層は、Ag、Ni、Al、Rh、Pd、Ir、Ru、Mg、Zn、Pt、Au及びその組み合わせで構成された群から選択された物質からなる。
第2領域Bにおける半導体積層体15の第2主面には、第1領域Aの第1導電型半導体層15aと連結された第1電極12が提供される。本実施形態のように、第1電極12と第1領域Aの第1導電型半導体層15aは、コンタクト孔Hを利用して連結される。
図2に示したように、半導体積層体15の第1領域Aには、第1導電型半導体層15aの一部領域に連結されるように、第2電極14を貫通し、第2主面から第2導電型半導体層15c及び活性層15bを経て延長された少なくとも1つのコンタクト孔Hが形成される。コンタクト孔Hにより第1導電型半導体層15aの一部領域が露出される。
第1電極12は、第1電極12から延長された電極部12’により、コンタクト孔Hを通じて提供される第1導電型半導体層15aの露出領域に接続される。これにより、第1電極12は、上記第2主面側に位置しているにも拘わらず第1導電型半導体層15aとの電気的接続を実現できる。
このようなコンタクト孔Hは、例えば、上記成長用基板上に半導体積層体15を形成した後、上記配線構造を形成する前に、コンタクト孔Hのうち半導体積層体15内の部分が形成され、次に、上記配線構造の中の第2電極14が形成され、コンタクト孔Hの中の第2電極14を貫通する部分が形成されてコンタクト孔Hが完成し、最後に上記配線構造の残りの部分(即ち、絶縁性分離層13と第1電極12)が形成される。
別の方法としては、このようなコンタクト孔Hは、例えば、上記成長用基板上に半導体積層体15を形成し、上記配線構造の中の第2電極14を形成した後、上記配線構造の残りの部分(即ち、絶縁性分離層13と第1電極12)を形成する前に形成される。
本実施形態におけるコンタクト孔Hはビア形態で示されているが、第1導電型半導体層15aの一部領域を露出できる形態であれば、多様に具現できる。
別の方法としては、このようなコンタクト孔Hは、例えば、上記成長用基板上に半導体積層体15を形成し、上記配線構造の中の第2電極14を形成した後、上記配線構造の残りの部分(即ち、絶縁性分離層13と第1電極12)を形成する前に形成される。
本実施形態におけるコンタクト孔Hはビア形態で示されているが、第1導電型半導体層15aの一部領域を露出できる形態であれば、多様に具現できる。
本実施形態では、図1に示したように、第1領域Aの全体面積にわたって位置するように複数個のコンタクト孔Hが形成される。このように、広い面積にわたって複数個のコンタクト孔Hを形成することで、均一な電流分散を具現できる。これは、高出力のために大面積を要する半導体発光素子に対して採用すると有益である。
上述のように、半導体積層体15の第2主面に提供される第1電極12及び第2電極14を電気的に容易に分離するために絶縁性分離層13が形成される。絶縁性分離層13は、コンタクト孔Hの内部側壁と第1電極12の電極部12’との間に延長形成される。
第1電極12は、第1領域Aの第1導電型半導体層15aだけでなく、第2領域Bの第2導電型半導体層15cとも電気的に連結される。
本実施形態による半導体発光素子10は、第2領域Bの第1導電型半導体層15aに電気的に連結された第1電極パッド18aと第2電極14に電気的に連結された第2電極パッド18bを含む。
図1及び図2に示したように、第1電極パッド18aは半導体積層体15の第2領域B上に形成される。第2電極14は第1領域Aの外部に延長された部分を有する。第2電極14から延長された上記部分上に第2電極パッド18bが形成される。第1及び第2電極パッド18a、18b上には各々ワイヤで連結されるように導電性バンプ19a、19bが形成される。
また、上述したように、本実施形態に採用された支持基板11は、電気的伝導性を有する基板である。支持基板11は、図2に示したように第2電極14とは絶縁性分離層13により電気的に分離され、第1電極12と接続されて第1電極12と共に第1導電型半導体層15aのための電極構造物として提供される。即ち、半導体発光素子10を実装する際、導電性である支持基板11はその実装用の基板面に配置された外部回路に連結される。
このように、第1電極12は、第1領域Aに形成された発光ダイオード部の第1導電型半導体層15aと、第2領域Bに形成された保護用ダイオード部の第2導電型半導体層15cに各々連結され、第1電極12と外部回路への連結は、第2主面側に位置した支持基板11を通じて具現される。
本実施形態における第1及び第2電極パッド18a、18bは、支持基板11と共に半導体発光素子10のための外部端子として機能する。
具体的には、第1領域Aに形成された発光ダイオード部と第2領域Bに形成された保護用ダイオード部は、支持基板11に相互に反対する極性を有して連結される。上記発光ダイオード部の他の極性を有する電極は第2電極パッド18bに連結され、上記保護用ダイオード部の他の極性を有する電極は第1電極パッド18aに連結される。
このように、支持基板11は、第1領域Aに形成された発光ダイオード部と第2領域Bに形成された保護用ダイオード部の共通外部端子として提供される。上記発光ダイオード部と上記保護用ダイオード部との各々の、他の極性を有する電極は、第2及び第1電極パッド18b、18aを介して相互に分離可能なように連結される。
本実施形態における上記発光ダイオード部LDと上記保護用ダイオード部ZDの連結は、図5に示した等価回路で示すことができる。
図5に示したように、第1及び第2電極パッド18a、18bを提供することで、上記発光ダイオード部LDと上記保護用ダイオード部ZDとを回路的に分離できる。
これと異なって、完全に回路連結された場合、即ち、第1及び第2電極パッド18a、18bが1つのパッドで具現された場合には、発光ダイオード部LDの電気的特性が、順方向電圧では保護用ダイオード部ZDによる影響が大きくないが、逆方向電圧では発光ダイオード部LDではない保護用ダイオード部ZDの特性のみが測定されるので、発光ダイオード部LDの電気的特定を適切に測定できない。しかし、図2に示した発光素子では、第2電極パッド18bと支持基板11を通じた通電構造を利用し、発光ダイオード部LDの電気的特性を独立的に測定し評価できる。
本実施形態による半導体発光素子10は、図6に示したように、LEDモジュールで保護用ダイオード一体型発光素子として具現されることができる。
即ち、図6に示したLEDモジュール50では、第1及び第2電極構造52、53を有するパッケージ基板51と図1に示した半導体発光素子10を含む。LEDモジュール50では、図6に示したように、半導体発光素子10はその(導電性)支持基板11を介して第1電極構造52に搭載され、半導体発光素子10の第1及び第2電極パッド18a、18bから延長されたワイヤWが第2電極構造53に連結される。
従って、半導体発光素子10の第1領域Aに形成された発光ダイオード部LDと第2領域Bに形成された保護用ダイオード部ZDを含むLEDモジュール50は、図7に示した等価回路を有し、これを通じて第1領域Aは発光ダイオード部LDとして、第2領域BはESD保護用ダイオードZDとして動作できる。
図7に示した等価回路によれば、発光ダイオード部LDの正常動作時に逆電圧がかかって導通できなかったESD保護用ダイオードZDが、瞬間的高電圧が発生すると、ブレークダウン電圧を越えて電流が導通する。このような過程で過電流がESD保護用ダイオード部ZDに誘導されるため、発光ダイオード部LDを保護できる。
半導体積層体15の第1領域Aを発光領域として提供するためには、第1領域Aは、保護用ダイオード部及びボンディング領域として提供される第2領域Bより大きい面積を有することが好ましい。半導体積層体15の第2領域Bは、半導体積層体15の全体面積の20%以下の面積を有することがより好ましい。
上述した実施形態及び添付の図面は好ましい実施形態の例示に過ぎず、本発明は添付の請求の範囲により限定される。また、本発明は請求の範囲に記載された本発明の技術的思想から外れない範囲内で多様な形態の置換、変形及び変更が可能であるということは当技術分野の通常の知識を有する者には自明であろう。
10 半導体発光素子
11 支持基板
12 第1電極
12’ 電極部
13 絶縁性分離層
14 第2電極
15 半導体積層体
15a 第1導電型半導体層
15b 活性層
15c 第2導電型半導体層
16 パッシベーション層
18a 第1電極パッド
18b 第2電極パッド
19a、19b 導電性バンプ
50 LEDモジュール
51 パッケージ基板
52 第1電極構造
53 第2電極構造
11 支持基板
12 第1電極
12’ 電極部
13 絶縁性分離層
14 第2電極
15 半導体積層体
15a 第1導電型半導体層
15b 活性層
15c 第2導電型半導体層
16 パッシベーション層
18a 第1電極パッド
18b 第2電極パッド
19a、19b 導電性バンプ
50 LEDモジュール
51 パッケージ基板
52 第1電極構造
53 第2電極構造
Claims (10)
- 相互に対向する第1及び第2主面を有し、各々前記第1及び第2主面を提供する第1及び第2導電型半導体層とその間に形成された活性層を有し、分離溝により第1及び第2領域に区割りされた半導体積層体と、
前記第1領域の第2主面から前記活性層を経て前記第1導電型半導体層の領域の一部に連結された少なくとも1つのコンタクト孔と、
前記半導体積層体の第2主面上に形成され、前記少なくとも1つのコンタクト孔を通じて前記第1領域の第1導電型半導体層に連結され、且つ、前記第2領域の第2導電型半導体層に連結された第1電極と、
前記第1領域の第2主面上に形成され、前記第1領域の第2導電型半導体層に連結された第2電極と、
前記第2領域の第1導電型半導体層に電気的に連結された第1電極パッドと、
前記第2電極に電気的に連結された第2電極パッドと、
前記第1電極と電気的に連結されるように前記半導体積層体の第2主面に形成される電気的伝導性を有する支持基板と、を含むことを特徴とする半導体発光素子。 - 前記半導体積層体の第2主面上に形成され、前記第1電極と前記第2電極を分離する絶縁性分離層をさらに含むことを特徴とする請求項1に記載の半導体発光素子。
- 前記絶縁性分離層は、前記コンタクト孔の内部側壁と前記第1電極の前記コンタクト孔内に充填された部分との間に延長されたことを特徴とする請求項2に記載の半導体発光素子。
- 前記支持基板は、メッキ工程又はウェハーボンディング工程により形成されたことを特徴とする請求項1に記載の半導体発光素子。
- 前記半導体積層体の第1領域及び第2領域の側面に形成されたパッシベーション層をさらに含むことを特徴とする請求項1に記載の半導体発光素子。
- 前記第2電極は、高反射性オーミックコンタクト層を含むことを特徴とする請求項1に記載の半導体発光素子。
- 前記高反射性オーミックコンタクト層は、Ag、Ni、Al、Rh、Pd、Ir、Ru、Mg、Zn、Pt、Au及びその組み合わせで構成された群から選択された物質を含むことを特徴とする請求項6に記載の半導体発光素子。
- 前記少なくとも1つのコンタクト孔は、複数個のコンタクト孔であることを特徴とする請求項1に記載の半導体発光素子。
- 前記半導体積層体の前記第1領域は、前記半導体積層体の前記第2領域より大きい面積を有することを特徴とする請求項1に記載の半導体発光素子。
- 半導体発光素子と、
第1電極構造及び第2電極構造を有するパッケージ基板と、を含むLEDモジュールであって、
前記半導体発光素子は、
相互に対向する第1及び第2主面を有し、各々前記第1及び第2主面を提供する第1及び第2導電型半導体層とその間に形成された活性層を有し、分離溝により第1及び第2領域に区割りされた半導体積層体と、
前記第1領域の第2主面から前記活性層を経て前記第1導電型半導体層の領域の一部に連結された少なくとも1つのコンタクト孔と、
前記半導体積層体の第2主面上に形成され、前記少なくとも1つのコンタクト孔を通じて前記第1領域の第1導電型半導体層に連結され、前記第2領域の第2導電型半導体層に連結された第1電極と、
前記第1領域の第2主面上に形成され、前記第1領域の第2導電型半導体層に連結された第2電極と、
前記第2領域の第1導電型半導体層に電気的に連結された第1電極パッドと、
前記第2電極に電気的に連結された第2電極パッドと、
前記第1電極と電気的に連結されるように前記半導体積層体の第2主面に形成される電気的伝導性を有する支持基板と、を含み、
前記第1電極構造は前記半導体発光素子の支持基板と連結され、前記第2電極構造は前記半導体発光素子の第1及び第2電極に各々連結されることを特徴とするLEDモジュール。
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