JP3707279B2 - 半導体発光装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、赤、オレンジ、アンバー、黄緑や緑等の発光色が得られるＧａＰ系，ＧａＡｓＰ系，ＧａＡｌＡｓ系，ＧａＮ系などの化合物半導体を積層した半導体発光素子を含む半導体発光装置に係り、特に半導体発光素子自身の発光輝度の向上と主光取出し面以外から放出される漏光を効率的に発光方向に反射回収できるようにした半導体発光装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
結晶基板の上に半導体薄膜層を成長させた半導体発光素子の中で、赤、オレンジ、アンバー、黄緑や緑などの発光色を持つものとして、ＧａＰ系，ＧａＡｓＰ系，ＧａＡｌＡｓ系等が、あるいは緑色や青色などの発光色を持つものとしてＧａＮ系等のIII−V族の化合物半導体が従来から利用されている。
【０００３】
これらのＧａＰ系，ＧａＡｓＰ系，ＧａＡｌＡｓ系等の化合物半導体を利用する半導体発光素子では、結晶基板として導電性の半導体材料が用いられる。このため、半導体発光素子の形態は、たとえばｎ導電型半導体基板（以下、「ｎ型半導体基板」と記す）を用いる場合は、このｎ型半導体基板の上面（第１の主面）にエピタキシャル成長にてｎ型半導体層を形成し、その上面に同じくエピタキシャル成長にてｐ型半導体層を形成させる。そして、電極は、ｎ型半導体基板の下面（第２の主面）にｎ電極を、またｐ型半導体層の上面にｐ電極を形成した構成をとっている。
【０００４】
また、この半導体発光素子を用いた発光装置は、半導体基板を下にしてリードフレームや基板等の搭載面に搭載されるので、半導体基板が厚くてその上に形成されるエピタキシャル層が薄いこの半導体発光素子は、発光層すなわちｐ−ｎ接合域が上側にくるような配置で搭載されている。
【０００５】
また、この半導体発光素子の発光波長に対して半導体基板が透光性の基板（以下、透明基板と記す）を用いているものは、ｐ−ｎ接合域の発光層からの主光取出し面側とは反対の向き、すなわち半導体基板側へ向かう光をリードフレームや基板側に抜けさせることができるので、リードフレームや基板の搭載面を光反射に好適なものと成るように構成されている。
【０００６】
一方、ＧａＮ系の化合物半導体を利用する半導体発光素子では、結晶基板として絶縁性のサファイアを用いるのが近来では主流である。このような絶縁性の結晶基板を用いる場合では、上述の導電性の半導体基板を用いる場合と異なり、ｎ電極およびｐ電極を基板の半導体層形成面側に形成すると同時に主光取出し面側とする構成が用いられている。
【０００７】
しかしながら、最近になり、ＧａＮに代表されるＧａＮ系化合物半導体からなる基板が得られるようになり、これを結晶基板として用いたＧａＮ系化合物半導体からなる半導体発光素子が作製されるようになっている。このため、ＧａＮ等の半導体材料を結晶基板として用いる半導体発光素子の場合においても、ＧａＮ系の化合物半導体は半導体発光素子の発光波長に対して透明であるので、上述のＧａＰ系，ＧａＡｓＰ系，ＧａＡｌＡｓ系等の化合物半導体を利用する半導体発光素子の場合と同様の素子構成とすることが可能となっているのが現状である。
【０００８】
図７はＧａＰ系，ＧａＡｓＰ系，ＧａＡｌＡｓ系化合物半導体を利用した半導体発光素子を含む従来のＬＥＤランプの典型的な構造を示す概略断面図、図８は半導体発光素子搭載部分の拡大図である。
【０００９】
図７に示すように、従来のＬＥＤランプは、リードフレーム２１の一方のリード２１ａの上端にすり鉢状のマウント部２１ｂが形成され、このマウント部２１ｂの上に半導体発光素子２２を搭載したものである。この半導体発光素子２２にはワイヤ２３がリード２１ｃとの間にボンディングされ、これらの半導体発光素子２２及びワイヤ２３を含めてエポキシ樹脂２４によって封止してＬＥＤランプが構成される。
【００１０】
半導体発光素子２２は、例えばＧａＰ系，ＧａＡｓＰ系の場合は、ｎ型半導体基板２２ａが用いられ、その上にｎ型半導体層２２ｂ及びｐ型半導体層２２ｃがエピタキシャル成長により順次積層形成される。発光層は、ｐ−ｎ接合域２２ｄである。ｎ型半導体基板２２ａは導電性であって、その下面には複数のドット形状のｎ電極２２ａ−１が形成され、ｐ型半導体層２２ｃの上面には中央に１つドット形状のｐ電極２２ｂ−１が形成され、このｐ電極２２ｂ−１にワイヤ２３がボンディングされている。そして、ｎ型半導体基板２２ａをリード２１ａのマウント部２１ｂ側に導通させるために導電性の接着剤２５によって半導体発光素子２２はマウント部２１ｂに搭載され電気的かつ機械的に接続固定される。この接着剤２５は、たとえば透明のエポキシ樹脂を主剤としこれにフィラーとしてＡｇを混入したものが好適に利用できることが既に知られていて、混入したＡｇによって十分な導電性が得られる。
【００１１】
そして、ｎ型半導体基板２２ａが透明基板の場合には、導電性の接着剤２５によって固定されるものでは、接着剤２５の光透過度が高くてマウント部２１ｂの搭載面も銀鏡面等のように光反射が可能な面としておけば、発光層すなわちｐ−ｎ接合域２２ｄから下に抜ける光をマウント部２１ｂで反射させて発光方向に回収することが可能である。
【００１２】
ＧａＮ等の透明基板を用いるＧａＮ系化合物半導体発光素子の場合でも、このようなＧａＰ系，ＧａＡｓＰ系，の場合と同様の構成とすることができる。
【００１３】
図９はＧａＡｌＡｓ系の化合物半導体を利用したＬＥＤランプの要部を示す縦断面図である。
【００１４】
このＧａＡｌＡｓ系の発光素子３１ではｐ型半導体基板が用いられ、その上にｐ型半導体層３２ｂ、活性層３２ｄ及びｎ型半導体層３２ｃがエピタキシャル成長により順次積層形成され、ｎ型半導体層３２ｃの上面にはドット形状のｎ電極３２ｂ−１を形成している。ｐ型半導体基板はＧａＡｓ基板であって、透明基板ではないので、高輝度化のためにはこれをエッチングで除去した図９に示すような構成をとる。その場合、ｐ型半導体層３２ｂの下面に複数のドット形状のｐ電極３２ａ−１が形成される。
【００１５】
上記いずれの場合においても、発光層であるｐ−ｎ接合域は半導体発光素子の上側にくるような配置で搭載されている。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
図１０は半導体発光素子２２からの光の取り出しの形態を説明するための概略図である。
【００１７】
図において、発光層Ａの１点から等方的に発せられる光は、上方に向かう光、下方に向かう光、および側方に向かう光に分けて考えることが出来る。上方に向かう光の場合、半導体発光素子２２の上面Ｓｕへの入射角が臨界角θを越えると上面Ｓｕで全反射される。臨界角θはＧａＰ系の場合が、θ＝２５°で最も小さい。
【００１８】
すなわち、図１０の（ｂ）に示すように、上方には＋Ｙ方向を中心に２θの範囲に向かう光Ｌｕのみを外に取り出すことができる。また、下方に向かう光の場合も同じく、下面Ｓｄへの入射角が臨界角θを越えると下面Ｓｄで全反射されるので、下方には−Ｙ方向を中心に２θの範囲に向かう光Ｌｄのみを外に取り出すことができる。下方の場合は、裏面電極やその合金層、及びＡｇペーストなどが存在するが、それを無視すると（これに関しては、後で考察する）外に出た光はリードフレームのマウント部２１ｂの銀メッキ面で反射され、再度半導体発光素子２２内を通り上方に取り出される。側方に向かう光の場合は、半導体発光素子２２の形状が立方体の場合は、同じように側面Ｓｓへの入射角が臨界角θを越えると側面Ｓｓで全反射されるので、側方には±Ｘ方向を中心に２θの範囲に向かう光Ｌｓのみを外に取り出すことができる。上記以外の方向に向かう光Ｌは、半導体発光素子２２内に閉じこめられ外に取り出すことはできない。
【００１９】
ここで、光の取り出しについて生じる問題点は次のとおりである。
【００２０】
まず、半導体発光素子２２の発光層であるｐ−ｎ接合域２２ｄあるいは活性層３２ｄが上側にくる配置で搭載されている場合、特に側方に向かう光がその影響を受ける。すなわち、側方に向かう光のうち外に取り出される光Ｌｓの大部分が、図１０に示すように下方に向かう。下方に向かう光は、リードフレームのマウント部２１ｂの銀メッキ面で反射され上方に向かうものや、再度半導体発光素子２２内にはいるものや、Ａｇペーストで吸収されるものなどがあり、直接上方に向かう光に比べると光の強さが弱くなり光の取り出し効率が悪くなるといった問題が生じる。
【００２１】
また、チップの形状はダイシング工程におけるダイヤモンドカッタの刃先形状に依存して、チップの切断面はカッタ側と逆のテーパ面が形成される。すなわち、図８に示すように、半導体発光素子２２の四方の側壁はｐ型半導体層２２ｃ側に向けて先細りするテーパ状となることが製造上からどうしても避けられない。ところが、ｐ−ｎ接合域２２ｄが半導体発光素子の上方にある場合は、ｎ型半導体基板２２ａの側壁がテーパ状となっているために、光を外に取り出すことができるトータル角度は、図１０におけるテーパがない場合の８θの範囲に比べて狭くなり、取り出せる光の量が減少するという問題がある。
【００２２】
また、ｐ−ｎ接合域２２ｄから下に向かう光は、マウント部２１ｂを反射面としておけばこの部分から主光取出し面側に反射させることができる。ところが、ｎ型半導体基板２２ａの下面には複数の金属のｎ電極２２ａ−１があり、半導体層とこの電極との界面は合金層が形成されており、この合金層は光を吸収するため、これらのｎ電極２２ａ−１が占める面積に比例して光の吸収量が多くなる。
【００２３】
また、接着剤２５にＡｇを含ませたＡｇペーストでは、Ａｇ自身は外部からの入射光に対して光を反射させるのに対し、Ａｇを混入したペースト状の接着剤では光が封じ込められやすく、むしろ入射光を吸収してしまうように作用する。したがって、導電性の接着剤２５としてＡｇペーストを用いると、マウント部２１ｂを反射面としていても、Ａｇペーストによる光の吸収によって主光取出し面からの発光輝度は低下してしまう。そして、この発光輝度を補うためには、印加電流を大きくする必要があり、消費電力の低減もできなくなる。
【００２４】
また、通電時には発光素子２２の発熱を伴うので、この発熱によって接着剤２５として用いたＡｇペーストが加熱され、これによってペーストに含まれている樹脂が変色してしまう。この変色した樹脂は光を吸収するように作用し、Ａｇペースト自身の光吸収に加えて樹脂による光吸収が起こる。したがって、発光素子２２の発光輝度の低下を招くことになり、機能が劣化したものと判断されやすく、信頼性にも大きく影響する。
【００２５】
以上のように下方に向かう光についても、その全てを本来の発光方向に反射させて回収することはできないという問題がある。
【００２６】
さらに、ＧａＮ系の半導体発光素子を備える発光装置においては、上述の問題に加え、以下のような問題がある。すなわち、ＧａＮ系の化合物半導体は一般に有機金属気相成長法やＭＢＥ法のように成長速度の比較的遅い方法で成長されるため、これらの化合物半導体を用いる場合は、ＧａＰ系やＧａＡｌＡｓ系のように簡便に厚膜成長を行うことが可能な液相成長法を用いる場合とは異なり、基板の上に形成する発光のための半導体層の厚さを十分厚くすることができない。このため、発光層から上側に向かう光のうち素子の上面側から取り出される光の量はより一層制限される傾向にある。さらに、ＧａＮ系の化合物半導体はＧａＰ系等の化合物半導体に比べ抵抗率が高く、半導体層に形成された側に形成される電極を介して注入され発光に寄与する電流は、半導体層内で広がりにくく、電極の直下に集中しやすい。このため、発光層における発光も電極の直下に集中し、発光層から上方へ向かう光は電極に遮られてしまう結果、素子の上面からの光の取り出しはより一層困難となる傾向があるという問題がある。
【００２７】
このように、従来のＧａＰ系，ＧａＡｓＰ系，ＧａＡｌＡｓ系，ＧａＮ系などの発光素子を備える発光装置では、透明基板等を用いた場合でも、主光取出し面以外からの漏光を十分に回収できないので、発光輝度の向上にも限界がある。
【００２８】
本発明において解決すべき課題は、ＧａＰ系，ＧａＡｓＰ系，ＧａＡｌＡｓ系，ＧａＮ系などの透明基板等を持つ発光素子による発光輝度を向上させ得る半導体発光装置を提供することにある。
【００２９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、第１導電型半導体基板と、前記第１導電型半導体基板の第１の主面上にエピタキシャル成長された第１導電型半導体層と、前記第１導電型半導体層の上にエピタキシャル成長された第２導電型半導体層と、前記第１導電型半導体基板側の第２の主面上に形成された第１の電極と、前記第２導電型半導体層の上に形成された第２の電極と、を少なくとも備えた半導体発光素子と、この半導体発光素子を導通搭載するリードフレームまたは基板等の搭載面とを備えた半導体発光装置であって、前記第１導電型半導体基板側が発光方向であって、前記第１導電型半導体層と前記第２導電型半導体層とによって形成されるｐ−ｎ接合による発光層が前記搭載面側となる姿勢として、前記半導体発光素子を前記搭載面に搭載したことを特徴とする半導体発光装置である。
【００３０】
このような構成では、発光層から側方に向かう光の取り出し効率を上げることができ、発光輝度の向上が可能となる。
【００３１】
【発明の実施の形態】
請求項１に記載の発明は、ＧａＮ系化合物半導体からなる基板と、前記基板の第１の主面の下に配置され、少なくともｎ型半導体層とｐ型半導体層とを有するＧａＮ系化合物半導体層と、前記基板の第２の主面の上に配置されたｎ電極と、前記ＧａＮ系化合物半導体層のｐ型半導体層の下のほぼ全面に配置されたｐ電極と、を少なくとも有する発光素子と、前記発光素子を搭載するすり鉢状の反射面を有するマウント部と、前記発光素子を前記マウント部の反射面に搭載固定するとともに前記ｐ電極を前記マウント部と導通接続するマイクロバンプとを備え、前記第１の主面は前記第２の主面より面積の大きい発光装置であり、特に発光層から側方に向かう光の取り出し効率を上げることができ、マウント部側への透過光の増大により反射光の回収を向上させるという作用を有する。
【００３２】
請求項２に記載の発明は、前記ｐ電極は光透過可能であることを特徴とする請求項１に記載の発光装置であり、発光層から搭載部側に抜ける光をこの搭載部から発光方向側へ反射させて光を回収するという作用を有する。
【００３３】
請求項３に記載の発明は、前記基板は、テーパ状である請求項１又は請求項２に記載の発光装置である。
【００３４】
請求項４に記載の発明は、前記マウント部はリードフレーム又は基板上に設けられ、前記マイクロバンプによって前記ｐ電極と前記搭載面とが導通接続されている請求項３に記載の発光装置である。
【００３５】
請求項５に記載の発明は、前記ｎ電極は、平面形状が直径が１０μｍ以上でかつ１５０μｍ以下の円またはこの円に内包される多角形、あるいは、前記円または前記多角形から放射状に伸びた枝をもつ形状である請求項１から請求項４のいずれか 1 つに記載の発光装置である。
【００３６】
請求項６に記載の発明は、前記ＧａＮ系化合物半導体層は、有機金属気層成長法又はＭＢＥ法を用いて形成された請求項１から請求項５のいずれか１つに記載の発光装置である。
【００３７】
以下に、本発明の実施の形態の具体例を図面を参照しながら説明する。
【００３８】
図１は本発明の半導体発光装置の要部を示す拡大図である。図示の例は、図７及び図８に示したＬＥＤランプのリードフレームのリード２１ａのマウント部２１ｂに発光素子を搭載したものとして示す。
【００３９】
図１において、発光素子１は、ＧａＰ系，ＧａＡｓＰ系，ＧａＮ系の化合物半導体を利用したもので、透明のｎ型半導体基板２に透明または光透過性のｎ型半導体層３とｐ型半導体層４とを積層し、これらによるｐ−ｎ接合域を発光層５としたものである。すなわち、ｎ型半導体基板２はｎ型半導体層３の積層面を第１の主面とするとともに、図示の姿勢において上面を第２の主面としてこの第２の主面の表面にドット形式の１個のｎ電極２ａを形成し、ｐ型半導体層４の表面には複数のｐ電極４ａを同様にドット形式のものとして形成している。そして、図８で示した従来構造のものを上下反転させて、ｎ型半導体基板２が上側であって発光層５がその下側となる姿勢としてマウント部２１ｂの上に搭載するものとし、これにより発光層５を下側に偏らせた配置とすることができる。
【００４０】
発光素子１は、マウント部２１ｂに塗布した導電性の接着剤６によって、このマウント部２１ｂに固定するとともにリード２１ａと電気的に導通させる。この接着剤６は先に述べたように、透明のエポキシ樹脂を主剤としこれにフィラーとしてＡｇを混入したものであり、混入したＡｇによってｐ電極４ａをリード２１ａに導通させることができる。また、ｎ電極２ａはワイヤ２３によってリード２１ｃ側にボンディングされ、発光素子１はリード２１ａ，２１ｃとの間で導通接続される。
【００４１】
以上の構成において、発光素子１に通電すると発光層５が活性化されて発光し、透明または光透過性のｎ型半導体層３から透明のｎ型半導体基板２を抜けてその上面を主光取出し面として光を放出する。そして、発光層５からの光は、主光取出し面側だけでなく側方へも透明または光透過性のｐ型半導体層４を抜けて下向きにも放出される。
【００４２】
ここで、発光層５はその上面を主光取出し面としたｎ型半導体基板２よりも下側に位置し、図８で示した従来構造のものに比べると発光層５はマウント部２１ｂの表面側に近くなるように偏在している。一方、図１０の（ａ）で示したように、発光層が上側に配置の構成であれば、特に側方に向かう光のうち取り出される光Ｌｓの大部分が下側に向かうので、光の取出し効率が低下することは既に述べた。
【００４３】
これに対し、図１０の（ａ）に示すように発光層Ａ’がマウント部２１ｂの表面に近くなるような下側配置であれば、この発光層Ａ’から側方に向かう光は図１０の（ｂ）で示したＬ’ｓのように±Ｘ方向の２θの角度範囲内の方向に放出された光が、半導体発光素子２２の外に取り出すことができ、この放出光はマウント部２１ｂの内周面に向かう方向や、図１０の（ａ）においてＬ’ｓの光路として描いているように発光層Ａ’の上方のｎ型層の側面から主光取出し面方向へ屈折する方向に取り出すことができる。したがって、発光層が上側配置となっている場合と比べると、発光層から側方に向かう光の回収効率を上げることができる。
【００４４】
また、図１０の（ｂ）で示したＬｄ，Ｌ’ｄの２θの範囲で下方に向けて放出される光は、接着剤６の中に含まれたＡｇ及びマウント部２１ｂの底面部から反射されて主光取出し面からの発光に加えられる。
【００４５】
図２は別の構成を示す要部の概略図であり、図１に示したものと同じ部材については共通の符号で指示しその詳細な説明は省略する。
【００４６】
発光素子１のｎ電極２ａを上面に形成したｎ型半導体基板２と、ｎ型半導体層３及びｐ型半導体層４の外郭形状は図１のものと全く同じであるが、ｐ型半導体層４の下面には１個のｐ電極４ａを設けていること及び導電性の接着剤は使用しないことの２点で相違している。
【００４７】
すなわち、発光素子１をマウント部２１ｂに搭載固定するとともにリード２１ａと導通接続するため、ｐ電極４ａにはマイクロバンプ７を形成している。このマイクロバンプ７はｐ電極４ａにワイヤをボンディングした後に、このボンディング部分だけを残して引きちぎることによって、ｐ電極４ａに一体に形成されたものである。そして、マウント部２１ｂに搭載して固定するアセンブリは、マイクロバンプ７をマウント部２１ｂの上面に超音波振動及び加熱を負荷することによって一体に接合する方法による。
【００４８】
このようなマイクロバンプ７を用いた発光装置においても、発光層５から側方に放出される光の回収効率が高いことは、図１の例のものと同様である。
【００４９】
これに加えて、ｐ型半導体層４の底面には１個のｐ電極４ａだけを設けていて遮光面積を小さくしているので、発光層５から下に抜ける光の透過面積を広げることができる。したがって、マウント部２１ｂを光反射膜等による反射面としておけば、下に抜けた光を主光取出し面側に反射させることができ、漏光を回収することができる。そして、Ａｇペースト等による導電性の接着剤が介在しないので、この接着剤の中に光が閉じ込められてしまうこともない。
【００５０】
このように、マイクロバンプ７を利用した発光素子１の搭載構造であれば、マウント部２１ｂ側への透過光の増大が図れると同時に接着剤による光の減衰もなくなり、図１の構成のものと比較しても発光輝度が格段に向上する。
【００５１】
なお、ＧａＮ系の化合物半導体を利用する半導体発光素子を用いる場合においては、ｐ型半導体層４内で電流が広がりにくくｐ電極４ａの直上のみで発光する傾向があるため、ｐ型半導体層４の表面のほぼ全面にｐ電極４ａを設ける構成とすることにより、電流を層全体に均一に広げ発光層５のほぼ全面からの発光が得られる。そして、このｐ電極４ａを光透過可能な構成とする場合には、上述の例と同様に発光層５から下方へ向かう光を、マウント部２１ｂに設けた反射面を用いて主光取出し面側へ反射させることが可能となる。また、ｐ電極４ａを発光層５からの発光に対し反射可能なものとする場合には、発光層５から下方へ向かう光をこのｐ電極４ａにより発光素子の側方または上方へ反射させて主光取出し面側へ向かわせることが可能となる。
【００５２】
図３は図１の例におけるｎ電極２ａ及び図２の例におけるｎ電極２ａ及びｐ電極４ａの好適な例を示す平面図である。
【００５３】
図３の例におけるｎまたはｐの電極２ａ，４ａは、その平面形状が円形であって直径を１０μｍ以上でかつ１５０μｍ以下としたものである。そして、このような円形の平面形状に代えて、１０μｍ〜１５０μｍの円の範囲に内包される多角形状としてもよい。
【００５４】
また、同図の（ｂ）に示すように、中央部に円形部を備えるとともにこの円形部分から放射状に伸ばした４本の枝を持つような形状としてもよい。この場合、枝部分の先端までの距離は先の１５０μｍの円の領域の中に納まるものとしてもよいし、図示のように発光素子１のコーナ部に向けて伸ばすような場合では、１５０μｍの円の範囲を越える長さであってもよい。
【００５５】
このようなｎ電極２ａ及びｐ電極４ａの形状や大きさとすることによって、発光層であるｐ−ｎ接合域への十分な電流注入が行えるとともに、発光層からの光の取り出しを妨げる面積を最小限にとどめることができる。
【００５６】
図４は更に別の発光素子の構成例を示す要部の断面図であり、図１及び図２の例と同じ部材については共通の符号で指示している。
【００５７】
図１及び図２の例は、発光素子１の側面はダイシングによって下側が少しテーパ状となる形状となっているのに対し、図４の例では、ｎ型半導体基板２はその下端側の一部を除いて上側に向けてテーパを形成した四角錐台の外郭を持つ。すなわち、ｎ型半導体基板２はｎ電極２ａを形成する上面の平面積はｎ型半導体層３を積層する下面よりも狭く、その周囲の４側面のいずれもが図示のような台形状の面を持ち、これらの面は全て上端側すなわち主光取出し面側に向けて収斂するテーパを形成している。
【００５８】
図５はこのようなテーパを持つｎ型半導体基板２の場合に、発光層５の位置によってどのような発光形態が得られるかを平面的に説明するための図である。
【００５９】
図５の（ａ）のように発光層が下側にある場合において、発光層Ａの中央一点からこの平面内で四方に向かう光のうち、ｎ型半導体基板２が点線で示す外郭を持っている場合は、点線で示す４θの範囲内に向かう光のみが発光素子外に取り出されるのに対し、ｎ型半導体基板２の外郭が先細りするテーパ状となっている実線の場合は、実線で示す範囲のように４θよりも大きくなる。具体的には、ＧａＰ系の場合は、θ＝２５°であるから、点線と実線との比は、２００°：２９７°と約１．５倍になる。したがって、発光層Ａから放出される光は、ｎ型半導体基板２の外郭を先細りするテーパ状とすることによって効率よく取り出され、発光輝度の向上が図られる。
【００６０】
図５の（ｂ）は、発光素子の側面が図５の（ａ）と同様であって発光層Ａが上側に位置する場合の例である。発光素子の側面がテーパ状となっていても、発光層Ａが上側にあることから側方に向かう光の成分の中で斜め上向きのものは発光素子の上面で全反射される。また、斜め下に向かう光の成分は発光素子の側面に対する入射角度が大きくなるので、全反射される割合が大きくなる。したがって、側面がテーパ面であってこのテーパ面に対して発光層Ａが上側に偏って位置する場合では、取り出すことのできる光の範囲は４θよりも小さくなり、具体的にＧａＰ系の場合では、点線と実線との比は、２００°：１３１°となり、取り出し可能な光の量は減少してしまう。
【００６１】
以上のように、発光方向に対して先細りするようなｎ型半導体基板２の外郭形状であってその下側に発光層Ａを位置させることにより、発光層Ａから四方に向かう光を有効に取り出すことができることが判る。
【００６２】
図６は、更にまた別の発光素子の構成例を示す要部の断面図であり、図１及び図２の例と同じ部材については共通の符号で指示している。
【００６３】
発光素子１のｎ電極２ａを上面に形成したｎ型半導体基板２と、ｎ型半導体層３及びｐ型半導体層４の外郭形状は図１のものとほぼ同じであるが、ｐ型半導体層４の表面のほぼ全面にわたってｐ電極４ａを設けていること、発光素子１の側面においてｐ型半導体層４の一部からｎ型半導体層３の一部にかけて光透過性の絶縁性膜８を設けていること、及びマウント部２１ｂにおける半導体発光素子１の下面の周囲部に導電性の接着剤６の一部が流入するための溝部２１ｄを設けていることの３点で相違している。このような構成は、半導体層の厚さを十分厚くすることが困難な化合物半導体、すなわち、ＧａＮ系の化合物半導体を利用する半導体発光素子の場合に特に有効である。
【００６４】
図６におけるｐ電極４ａは、図１の構成のものにおいてＧａＮ系等の化合物半導体を利用する半導体発光素子を用いる場合について述べたように、発光層５から下方へ向かう光を透過することが可能なものとしてもよいし、反射させて発光素子の側方または上方から取り出せる構成としてもよい。
【００６５】
絶縁性膜８は、光透過可能なものとすることにより、発光層５から側方へ向かう光を透過させマウント部２１ｂの反射面で反射させて上方へ取り出すことができる。また、発光素子１の側面における接着剤６のせり上がりによる短絡を防止することができる。絶縁性膜８は、絶縁性を有し、かつ光透過可能なものであればよく、例えば、酸化珪素や窒化珪素等の絶縁性を有する材料を好ましく用いることができる。
【００６６】
さらに、光透過可能なものに限らず導電性の接着剤を用いる場合には、発光素子１の周囲部に接着剤６の一部が流入することができる溝部２１ｄを設けることにより、上述の接着剤６のせり上がりをさらに一層低減することができ、絶縁性膜８の作用とも併せて短絡防止の効果を高め、半導体発光装置の信頼性を高めることができる。
【００６７】
【発明の効果】
請求項１の発明では、発光層から側方に放出される光の取り出し効率を上げることができ、マイクロバンプによってｐ側電極を搭載部に接合するので、接着剤を使用した場合のような光の封じ込みがなくなり、発光輝度をさらに向上させることができる。
【００６８】
請求項２の発明では、発光層から搭載部側に抜ける光をこの搭載部から発光方向側へ反射させて光を回収するという作用を有する。
【００６９】
請求項５の発明では、電極の大きさ形状の最適化によって、電極が金属であって光透過しないものでも、発光層から搭載部側へ抜けて反射される光の光路を確保するという作用を有する。
【００７０】
請求項６の発明では、有機金属気相成長法またはＭＢＥ法のように厚膜成長が困難な成長方法を用いて作製された半導体発光素子においても、半導体基板の主面および側面からの光回収率を改善し、発光素子の発光輝度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態による発光装置の要部を示す概略図
【図２】発光装置の別の構成例を示す要部の概略図
【図３】ｎ型半導体基板またはｐ型半導体層にそれぞれ形成するｎ電極及びｐ電極の形状を示す平面図
【図４】ｎ型半導体基板をほぼ四角錐台状とした発光装置の要部を示す概略図
【図５】図４の例における発光層の位置による発光形態を示す説明図
【図６】発光装置の更にまた別の構成例を示す要部の概略図
【図７】従来のＬＥＤランプの概略図
【図８】図７のＬＥＤランプの発光素子の搭載構造を示す要部の概略図
【図９】ＧａＡｌＡｓ系の発光素子の搭載構造を示す要部の概略図
【図１０】（ａ）は発光素子の発光層からの上方，側方及び下方への発光形態を示す概略図
（ｂ）は各方向への臨界角θの分布を示す概略図
【符号の説明】
１ 発光素子
２ ｎ型半導体基板
２ａ ｎ電極
３ ｎ型半導体層
４ ｐ型半導体層
４ａ ｐ電極
５ 発光層
６ 接着剤
７ マイクロバンプ
８ 絶縁性膜
２１ リードフレーム
２１ａ リード
２１ｂ マウント部
２１ｃ リード
２１ｄ 溝部
２３ ワイヤ
【発明の属する技術分野】
本発明は、赤、オレンジ、アンバー、黄緑や緑等の発光色が得られるＧａＰ系，ＧａＡｓＰ系，ＧａＡｌＡｓ系，ＧａＮ系などの化合物半導体を積層した半導体発光素子を含む半導体発光装置に係り、特に半導体発光素子自身の発光輝度の向上と主光取出し面以外から放出される漏光を効率的に発光方向に反射回収できるようにした半導体発光装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
結晶基板の上に半導体薄膜層を成長させた半導体発光素子の中で、赤、オレンジ、アンバー、黄緑や緑などの発光色を持つものとして、ＧａＰ系，ＧａＡｓＰ系，ＧａＡｌＡｓ系等が、あるいは緑色や青色などの発光色を持つものとしてＧａＮ系等のIII−V族の化合物半導体が従来から利用されている。
【０００３】
これらのＧａＰ系，ＧａＡｓＰ系，ＧａＡｌＡｓ系等の化合物半導体を利用する半導体発光素子では、結晶基板として導電性の半導体材料が用いられる。このため、半導体発光素子の形態は、たとえばｎ導電型半導体基板（以下、「ｎ型半導体基板」と記す）を用いる場合は、このｎ型半導体基板の上面（第１の主面）にエピタキシャル成長にてｎ型半導体層を形成し、その上面に同じくエピタキシャル成長にてｐ型半導体層を形成させる。そして、電極は、ｎ型半導体基板の下面（第２の主面）にｎ電極を、またｐ型半導体層の上面にｐ電極を形成した構成をとっている。
【０００４】
また、この半導体発光素子を用いた発光装置は、半導体基板を下にしてリードフレームや基板等の搭載面に搭載されるので、半導体基板が厚くてその上に形成されるエピタキシャル層が薄いこの半導体発光素子は、発光層すなわちｐ−ｎ接合域が上側にくるような配置で搭載されている。
【０００５】
また、この半導体発光素子の発光波長に対して半導体基板が透光性の基板（以下、透明基板と記す）を用いているものは、ｐ−ｎ接合域の発光層からの主光取出し面側とは反対の向き、すなわち半導体基板側へ向かう光をリードフレームや基板側に抜けさせることができるので、リードフレームや基板の搭載面を光反射に好適なものと成るように構成されている。
【０００６】
一方、ＧａＮ系の化合物半導体を利用する半導体発光素子では、結晶基板として絶縁性のサファイアを用いるのが近来では主流である。このような絶縁性の結晶基板を用いる場合では、上述の導電性の半導体基板を用いる場合と異なり、ｎ電極およびｐ電極を基板の半導体層形成面側に形成すると同時に主光取出し面側とする構成が用いられている。
【０００７】
しかしながら、最近になり、ＧａＮに代表されるＧａＮ系化合物半導体からなる基板が得られるようになり、これを結晶基板として用いたＧａＮ系化合物半導体からなる半導体発光素子が作製されるようになっている。このため、ＧａＮ等の半導体材料を結晶基板として用いる半導体発光素子の場合においても、ＧａＮ系の化合物半導体は半導体発光素子の発光波長に対して透明であるので、上述のＧａＰ系，ＧａＡｓＰ系，ＧａＡｌＡｓ系等の化合物半導体を利用する半導体発光素子の場合と同様の素子構成とすることが可能となっているのが現状である。
【０００８】
図７はＧａＰ系，ＧａＡｓＰ系，ＧａＡｌＡｓ系化合物半導体を利用した半導体発光素子を含む従来のＬＥＤランプの典型的な構造を示す概略断面図、図８は半導体発光素子搭載部分の拡大図である。
【０００９】
図７に示すように、従来のＬＥＤランプは、リードフレーム２１の一方のリード２１ａの上端にすり鉢状のマウント部２１ｂが形成され、このマウント部２１ｂの上に半導体発光素子２２を搭載したものである。この半導体発光素子２２にはワイヤ２３がリード２１ｃとの間にボンディングされ、これらの半導体発光素子２２及びワイヤ２３を含めてエポキシ樹脂２４によって封止してＬＥＤランプが構成される。
【００１０】
半導体発光素子２２は、例えばＧａＰ系，ＧａＡｓＰ系の場合は、ｎ型半導体基板２２ａが用いられ、その上にｎ型半導体層２２ｂ及びｐ型半導体層２２ｃがエピタキシャル成長により順次積層形成される。発光層は、ｐ−ｎ接合域２２ｄである。ｎ型半導体基板２２ａは導電性であって、その下面には複数のドット形状のｎ電極２２ａ−１が形成され、ｐ型半導体層２２ｃの上面には中央に１つドット形状のｐ電極２２ｂ−１が形成され、このｐ電極２２ｂ−１にワイヤ２３がボンディングされている。そして、ｎ型半導体基板２２ａをリード２１ａのマウント部２１ｂ側に導通させるために導電性の接着剤２５によって半導体発光素子２２はマウント部２１ｂに搭載され電気的かつ機械的に接続固定される。この接着剤２５は、たとえば透明のエポキシ樹脂を主剤としこれにフィラーとしてＡｇを混入したものが好適に利用できることが既に知られていて、混入したＡｇによって十分な導電性が得られる。
【００１１】
そして、ｎ型半導体基板２２ａが透明基板の場合には、導電性の接着剤２５によって固定されるものでは、接着剤２５の光透過度が高くてマウント部２１ｂの搭載面も銀鏡面等のように光反射が可能な面としておけば、発光層すなわちｐ−ｎ接合域２２ｄから下に抜ける光をマウント部２１ｂで反射させて発光方向に回収することが可能である。
【００１２】
ＧａＮ等の透明基板を用いるＧａＮ系化合物半導体発光素子の場合でも、このようなＧａＰ系，ＧａＡｓＰ系，の場合と同様の構成とすることができる。
【００１３】
図９はＧａＡｌＡｓ系の化合物半導体を利用したＬＥＤランプの要部を示す縦断面図である。
【００１４】
このＧａＡｌＡｓ系の発光素子３１ではｐ型半導体基板が用いられ、その上にｐ型半導体層３２ｂ、活性層３２ｄ及びｎ型半導体層３２ｃがエピタキシャル成長により順次積層形成され、ｎ型半導体層３２ｃの上面にはドット形状のｎ電極３２ｂ−１を形成している。ｐ型半導体基板はＧａＡｓ基板であって、透明基板ではないので、高輝度化のためにはこれをエッチングで除去した図９に示すような構成をとる。その場合、ｐ型半導体層３２ｂの下面に複数のドット形状のｐ電極３２ａ−１が形成される。
【００１５】
上記いずれの場合においても、発光層であるｐ−ｎ接合域は半導体発光素子の上側にくるような配置で搭載されている。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
図１０は半導体発光素子２２からの光の取り出しの形態を説明するための概略図である。
【００１７】
図において、発光層Ａの１点から等方的に発せられる光は、上方に向かう光、下方に向かう光、および側方に向かう光に分けて考えることが出来る。上方に向かう光の場合、半導体発光素子２２の上面Ｓｕへの入射角が臨界角θを越えると上面Ｓｕで全反射される。臨界角θはＧａＰ系の場合が、θ＝２５°で最も小さい。
【００１８】
すなわち、図１０の（ｂ）に示すように、上方には＋Ｙ方向を中心に２θの範囲に向かう光Ｌｕのみを外に取り出すことができる。また、下方に向かう光の場合も同じく、下面Ｓｄへの入射角が臨界角θを越えると下面Ｓｄで全反射されるので、下方には−Ｙ方向を中心に２θの範囲に向かう光Ｌｄのみを外に取り出すことができる。下方の場合は、裏面電極やその合金層、及びＡｇペーストなどが存在するが、それを無視すると（これに関しては、後で考察する）外に出た光はリードフレームのマウント部２１ｂの銀メッキ面で反射され、再度半導体発光素子２２内を通り上方に取り出される。側方に向かう光の場合は、半導体発光素子２２の形状が立方体の場合は、同じように側面Ｓｓへの入射角が臨界角θを越えると側面Ｓｓで全反射されるので、側方には±Ｘ方向を中心に２θの範囲に向かう光Ｌｓのみを外に取り出すことができる。上記以外の方向に向かう光Ｌは、半導体発光素子２２内に閉じこめられ外に取り出すことはできない。
【００１９】
ここで、光の取り出しについて生じる問題点は次のとおりである。
【００２０】
まず、半導体発光素子２２の発光層であるｐ−ｎ接合域２２ｄあるいは活性層３２ｄが上側にくる配置で搭載されている場合、特に側方に向かう光がその影響を受ける。すなわち、側方に向かう光のうち外に取り出される光Ｌｓの大部分が、図１０に示すように下方に向かう。下方に向かう光は、リードフレームのマウント部２１ｂの銀メッキ面で反射され上方に向かうものや、再度半導体発光素子２２内にはいるものや、Ａｇペーストで吸収されるものなどがあり、直接上方に向かう光に比べると光の強さが弱くなり光の取り出し効率が悪くなるといった問題が生じる。
【００２１】
また、チップの形状はダイシング工程におけるダイヤモンドカッタの刃先形状に依存して、チップの切断面はカッタ側と逆のテーパ面が形成される。すなわち、図８に示すように、半導体発光素子２２の四方の側壁はｐ型半導体層２２ｃ側に向けて先細りするテーパ状となることが製造上からどうしても避けられない。ところが、ｐ−ｎ接合域２２ｄが半導体発光素子の上方にある場合は、ｎ型半導体基板２２ａの側壁がテーパ状となっているために、光を外に取り出すことができるトータル角度は、図１０におけるテーパがない場合の８θの範囲に比べて狭くなり、取り出せる光の量が減少するという問題がある。
【００２２】
また、ｐ−ｎ接合域２２ｄから下に向かう光は、マウント部２１ｂを反射面としておけばこの部分から主光取出し面側に反射させることができる。ところが、ｎ型半導体基板２２ａの下面には複数の金属のｎ電極２２ａ−１があり、半導体層とこの電極との界面は合金層が形成されており、この合金層は光を吸収するため、これらのｎ電極２２ａ−１が占める面積に比例して光の吸収量が多くなる。
【００２３】
また、接着剤２５にＡｇを含ませたＡｇペーストでは、Ａｇ自身は外部からの入射光に対して光を反射させるのに対し、Ａｇを混入したペースト状の接着剤では光が封じ込められやすく、むしろ入射光を吸収してしまうように作用する。したがって、導電性の接着剤２５としてＡｇペーストを用いると、マウント部２１ｂを反射面としていても、Ａｇペーストによる光の吸収によって主光取出し面からの発光輝度は低下してしまう。そして、この発光輝度を補うためには、印加電流を大きくする必要があり、消費電力の低減もできなくなる。
【００２４】
また、通電時には発光素子２２の発熱を伴うので、この発熱によって接着剤２５として用いたＡｇペーストが加熱され、これによってペーストに含まれている樹脂が変色してしまう。この変色した樹脂は光を吸収するように作用し、Ａｇペースト自身の光吸収に加えて樹脂による光吸収が起こる。したがって、発光素子２２の発光輝度の低下を招くことになり、機能が劣化したものと判断されやすく、信頼性にも大きく影響する。
【００２５】
以上のように下方に向かう光についても、その全てを本来の発光方向に反射させて回収することはできないという問題がある。
【００２６】
さらに、ＧａＮ系の半導体発光素子を備える発光装置においては、上述の問題に加え、以下のような問題がある。すなわち、ＧａＮ系の化合物半導体は一般に有機金属気相成長法やＭＢＥ法のように成長速度の比較的遅い方法で成長されるため、これらの化合物半導体を用いる場合は、ＧａＰ系やＧａＡｌＡｓ系のように簡便に厚膜成長を行うことが可能な液相成長法を用いる場合とは異なり、基板の上に形成する発光のための半導体層の厚さを十分厚くすることができない。このため、発光層から上側に向かう光のうち素子の上面側から取り出される光の量はより一層制限される傾向にある。さらに、ＧａＮ系の化合物半導体はＧａＰ系等の化合物半導体に比べ抵抗率が高く、半導体層に形成された側に形成される電極を介して注入され発光に寄与する電流は、半導体層内で広がりにくく、電極の直下に集中しやすい。このため、発光層における発光も電極の直下に集中し、発光層から上方へ向かう光は電極に遮られてしまう結果、素子の上面からの光の取り出しはより一層困難となる傾向があるという問題がある。
【００２７】
このように、従来のＧａＰ系，ＧａＡｓＰ系，ＧａＡｌＡｓ系，ＧａＮ系などの発光素子を備える発光装置では、透明基板等を用いた場合でも、主光取出し面以外からの漏光を十分に回収できないので、発光輝度の向上にも限界がある。
【００２８】
本発明において解決すべき課題は、ＧａＰ系，ＧａＡｓＰ系，ＧａＡｌＡｓ系，ＧａＮ系などの透明基板等を持つ発光素子による発光輝度を向上させ得る半導体発光装置を提供することにある。
【００２９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、第１導電型半導体基板と、前記第１導電型半導体基板の第１の主面上にエピタキシャル成長された第１導電型半導体層と、前記第１導電型半導体層の上にエピタキシャル成長された第２導電型半導体層と、前記第１導電型半導体基板側の第２の主面上に形成された第１の電極と、前記第２導電型半導体層の上に形成された第２の電極と、を少なくとも備えた半導体発光素子と、この半導体発光素子を導通搭載するリードフレームまたは基板等の搭載面とを備えた半導体発光装置であって、前記第１導電型半導体基板側が発光方向であって、前記第１導電型半導体層と前記第２導電型半導体層とによって形成されるｐ−ｎ接合による発光層が前記搭載面側となる姿勢として、前記半導体発光素子を前記搭載面に搭載したことを特徴とする半導体発光装置である。
【００３０】
このような構成では、発光層から側方に向かう光の取り出し効率を上げることができ、発光輝度の向上が可能となる。
【００３１】
【発明の実施の形態】
請求項１に記載の発明は、ＧａＮ系化合物半導体からなる基板と、前記基板の第１の主面の下に配置され、少なくともｎ型半導体層とｐ型半導体層とを有するＧａＮ系化合物半導体層と、前記基板の第２の主面の上に配置されたｎ電極と、前記ＧａＮ系化合物半導体層のｐ型半導体層の下のほぼ全面に配置されたｐ電極と、を少なくとも有する発光素子と、前記発光素子を搭載するすり鉢状の反射面を有するマウント部と、前記発光素子を前記マウント部の反射面に搭載固定するとともに前記ｐ電極を前記マウント部と導通接続するマイクロバンプとを備え、前記第１の主面は前記第２の主面より面積の大きい発光装置であり、特に発光層から側方に向かう光の取り出し効率を上げることができ、マウント部側への透過光の増大により反射光の回収を向上させるという作用を有する。
【００３２】
請求項２に記載の発明は、前記ｐ電極は光透過可能であることを特徴とする請求項１に記載の発光装置であり、発光層から搭載部側に抜ける光をこの搭載部から発光方向側へ反射させて光を回収するという作用を有する。
【００３３】
請求項３に記載の発明は、前記基板は、テーパ状である請求項１又は請求項２に記載の発光装置である。
【００３４】
請求項４に記載の発明は、前記マウント部はリードフレーム又は基板上に設けられ、前記マイクロバンプによって前記ｐ電極と前記搭載面とが導通接続されている請求項３に記載の発光装置である。
【００３５】
請求項５に記載の発明は、前記ｎ電極は、平面形状が直径が１０μｍ以上でかつ１５０μｍ以下の円またはこの円に内包される多角形、あるいは、前記円または前記多角形から放射状に伸びた枝をもつ形状である請求項１から請求項４のいずれか 1 つに記載の発光装置である。
【００３６】
請求項６に記載の発明は、前記ＧａＮ系化合物半導体層は、有機金属気層成長法又はＭＢＥ法を用いて形成された請求項１から請求項５のいずれか１つに記載の発光装置である。
【００３７】
以下に、本発明の実施の形態の具体例を図面を参照しながら説明する。
【００３８】
図１は本発明の半導体発光装置の要部を示す拡大図である。図示の例は、図７及び図８に示したＬＥＤランプのリードフレームのリード２１ａのマウント部２１ｂに発光素子を搭載したものとして示す。
【００３９】
図１において、発光素子１は、ＧａＰ系，ＧａＡｓＰ系，ＧａＮ系の化合物半導体を利用したもので、透明のｎ型半導体基板２に透明または光透過性のｎ型半導体層３とｐ型半導体層４とを積層し、これらによるｐ−ｎ接合域を発光層５としたものである。すなわち、ｎ型半導体基板２はｎ型半導体層３の積層面を第１の主面とするとともに、図示の姿勢において上面を第２の主面としてこの第２の主面の表面にドット形式の１個のｎ電極２ａを形成し、ｐ型半導体層４の表面には複数のｐ電極４ａを同様にドット形式のものとして形成している。そして、図８で示した従来構造のものを上下反転させて、ｎ型半導体基板２が上側であって発光層５がその下側となる姿勢としてマウント部２１ｂの上に搭載するものとし、これにより発光層５を下側に偏らせた配置とすることができる。
【００４０】
発光素子１は、マウント部２１ｂに塗布した導電性の接着剤６によって、このマウント部２１ｂに固定するとともにリード２１ａと電気的に導通させる。この接着剤６は先に述べたように、透明のエポキシ樹脂を主剤としこれにフィラーとしてＡｇを混入したものであり、混入したＡｇによってｐ電極４ａをリード２１ａに導通させることができる。また、ｎ電極２ａはワイヤ２３によってリード２１ｃ側にボンディングされ、発光素子１はリード２１ａ，２１ｃとの間で導通接続される。
【００４１】
以上の構成において、発光素子１に通電すると発光層５が活性化されて発光し、透明または光透過性のｎ型半導体層３から透明のｎ型半導体基板２を抜けてその上面を主光取出し面として光を放出する。そして、発光層５からの光は、主光取出し面側だけでなく側方へも透明または光透過性のｐ型半導体層４を抜けて下向きにも放出される。
【００４２】
ここで、発光層５はその上面を主光取出し面としたｎ型半導体基板２よりも下側に位置し、図８で示した従来構造のものに比べると発光層５はマウント部２１ｂの表面側に近くなるように偏在している。一方、図１０の（ａ）で示したように、発光層が上側に配置の構成であれば、特に側方に向かう光のうち取り出される光Ｌｓの大部分が下側に向かうので、光の取出し効率が低下することは既に述べた。
【００４３】
これに対し、図１０の（ａ）に示すように発光層Ａ’がマウント部２１ｂの表面に近くなるような下側配置であれば、この発光層Ａ’から側方に向かう光は図１０の（ｂ）で示したＬ’ｓのように±Ｘ方向の２θの角度範囲内の方向に放出された光が、半導体発光素子２２の外に取り出すことができ、この放出光はマウント部２１ｂの内周面に向かう方向や、図１０の（ａ）においてＬ’ｓの光路として描いているように発光層Ａ’の上方のｎ型層の側面から主光取出し面方向へ屈折する方向に取り出すことができる。したがって、発光層が上側配置となっている場合と比べると、発光層から側方に向かう光の回収効率を上げることができる。
【００４４】
また、図１０の（ｂ）で示したＬｄ，Ｌ’ｄの２θの範囲で下方に向けて放出される光は、接着剤６の中に含まれたＡｇ及びマウント部２１ｂの底面部から反射されて主光取出し面からの発光に加えられる。
【００４５】
図２は別の構成を示す要部の概略図であり、図１に示したものと同じ部材については共通の符号で指示しその詳細な説明は省略する。
【００４６】
発光素子１のｎ電極２ａを上面に形成したｎ型半導体基板２と、ｎ型半導体層３及びｐ型半導体層４の外郭形状は図１のものと全く同じであるが、ｐ型半導体層４の下面には１個のｐ電極４ａを設けていること及び導電性の接着剤は使用しないことの２点で相違している。
【００４７】
すなわち、発光素子１をマウント部２１ｂに搭載固定するとともにリード２１ａと導通接続するため、ｐ電極４ａにはマイクロバンプ７を形成している。このマイクロバンプ７はｐ電極４ａにワイヤをボンディングした後に、このボンディング部分だけを残して引きちぎることによって、ｐ電極４ａに一体に形成されたものである。そして、マウント部２１ｂに搭載して固定するアセンブリは、マイクロバンプ７をマウント部２１ｂの上面に超音波振動及び加熱を負荷することによって一体に接合する方法による。
【００４８】
このようなマイクロバンプ７を用いた発光装置においても、発光層５から側方に放出される光の回収効率が高いことは、図１の例のものと同様である。
【００４９】
これに加えて、ｐ型半導体層４の底面には１個のｐ電極４ａだけを設けていて遮光面積を小さくしているので、発光層５から下に抜ける光の透過面積を広げることができる。したがって、マウント部２１ｂを光反射膜等による反射面としておけば、下に抜けた光を主光取出し面側に反射させることができ、漏光を回収することができる。そして、Ａｇペースト等による導電性の接着剤が介在しないので、この接着剤の中に光が閉じ込められてしまうこともない。
【００５０】
このように、マイクロバンプ７を利用した発光素子１の搭載構造であれば、マウント部２１ｂ側への透過光の増大が図れると同時に接着剤による光の減衰もなくなり、図１の構成のものと比較しても発光輝度が格段に向上する。
【００５１】
なお、ＧａＮ系の化合物半導体を利用する半導体発光素子を用いる場合においては、ｐ型半導体層４内で電流が広がりにくくｐ電極４ａの直上のみで発光する傾向があるため、ｐ型半導体層４の表面のほぼ全面にｐ電極４ａを設ける構成とすることにより、電流を層全体に均一に広げ発光層５のほぼ全面からの発光が得られる。そして、このｐ電極４ａを光透過可能な構成とする場合には、上述の例と同様に発光層５から下方へ向かう光を、マウント部２１ｂに設けた反射面を用いて主光取出し面側へ反射させることが可能となる。また、ｐ電極４ａを発光層５からの発光に対し反射可能なものとする場合には、発光層５から下方へ向かう光をこのｐ電極４ａにより発光素子の側方または上方へ反射させて主光取出し面側へ向かわせることが可能となる。
【００５２】
図３は図１の例におけるｎ電極２ａ及び図２の例におけるｎ電極２ａ及びｐ電極４ａの好適な例を示す平面図である。
【００５３】
図３の例におけるｎまたはｐの電極２ａ，４ａは、その平面形状が円形であって直径を１０μｍ以上でかつ１５０μｍ以下としたものである。そして、このような円形の平面形状に代えて、１０μｍ〜１５０μｍの円の範囲に内包される多角形状としてもよい。
【００５４】
また、同図の（ｂ）に示すように、中央部に円形部を備えるとともにこの円形部分から放射状に伸ばした４本の枝を持つような形状としてもよい。この場合、枝部分の先端までの距離は先の１５０μｍの円の領域の中に納まるものとしてもよいし、図示のように発光素子１のコーナ部に向けて伸ばすような場合では、１５０μｍの円の範囲を越える長さであってもよい。
【００５５】
このようなｎ電極２ａ及びｐ電極４ａの形状や大きさとすることによって、発光層であるｐ−ｎ接合域への十分な電流注入が行えるとともに、発光層からの光の取り出しを妨げる面積を最小限にとどめることができる。
【００５６】
図４は更に別の発光素子の構成例を示す要部の断面図であり、図１及び図２の例と同じ部材については共通の符号で指示している。
【００５７】
図１及び図２の例は、発光素子１の側面はダイシングによって下側が少しテーパ状となる形状となっているのに対し、図４の例では、ｎ型半導体基板２はその下端側の一部を除いて上側に向けてテーパを形成した四角錐台の外郭を持つ。すなわち、ｎ型半導体基板２はｎ電極２ａを形成する上面の平面積はｎ型半導体層３を積層する下面よりも狭く、その周囲の４側面のいずれもが図示のような台形状の面を持ち、これらの面は全て上端側すなわち主光取出し面側に向けて収斂するテーパを形成している。
【００５８】
図５はこのようなテーパを持つｎ型半導体基板２の場合に、発光層５の位置によってどのような発光形態が得られるかを平面的に説明するための図である。
【００５９】
図５の（ａ）のように発光層が下側にある場合において、発光層Ａの中央一点からこの平面内で四方に向かう光のうち、ｎ型半導体基板２が点線で示す外郭を持っている場合は、点線で示す４θの範囲内に向かう光のみが発光素子外に取り出されるのに対し、ｎ型半導体基板２の外郭が先細りするテーパ状となっている実線の場合は、実線で示す範囲のように４θよりも大きくなる。具体的には、ＧａＰ系の場合は、θ＝２５°であるから、点線と実線との比は、２００°：２９７°と約１．５倍になる。したがって、発光層Ａから放出される光は、ｎ型半導体基板２の外郭を先細りするテーパ状とすることによって効率よく取り出され、発光輝度の向上が図られる。
【００６０】
図５の（ｂ）は、発光素子の側面が図５の（ａ）と同様であって発光層Ａが上側に位置する場合の例である。発光素子の側面がテーパ状となっていても、発光層Ａが上側にあることから側方に向かう光の成分の中で斜め上向きのものは発光素子の上面で全反射される。また、斜め下に向かう光の成分は発光素子の側面に対する入射角度が大きくなるので、全反射される割合が大きくなる。したがって、側面がテーパ面であってこのテーパ面に対して発光層Ａが上側に偏って位置する場合では、取り出すことのできる光の範囲は４θよりも小さくなり、具体的にＧａＰ系の場合では、点線と実線との比は、２００°：１３１°となり、取り出し可能な光の量は減少してしまう。
【００６１】
以上のように、発光方向に対して先細りするようなｎ型半導体基板２の外郭形状であってその下側に発光層Ａを位置させることにより、発光層Ａから四方に向かう光を有効に取り出すことができることが判る。
【００６２】
図６は、更にまた別の発光素子の構成例を示す要部の断面図であり、図１及び図２の例と同じ部材については共通の符号で指示している。
【００６３】
発光素子１のｎ電極２ａを上面に形成したｎ型半導体基板２と、ｎ型半導体層３及びｐ型半導体層４の外郭形状は図１のものとほぼ同じであるが、ｐ型半導体層４の表面のほぼ全面にわたってｐ電極４ａを設けていること、発光素子１の側面においてｐ型半導体層４の一部からｎ型半導体層３の一部にかけて光透過性の絶縁性膜８を設けていること、及びマウント部２１ｂにおける半導体発光素子１の下面の周囲部に導電性の接着剤６の一部が流入するための溝部２１ｄを設けていることの３点で相違している。このような構成は、半導体層の厚さを十分厚くすることが困難な化合物半導体、すなわち、ＧａＮ系の化合物半導体を利用する半導体発光素子の場合に特に有効である。
【００６４】
図６におけるｐ電極４ａは、図１の構成のものにおいてＧａＮ系等の化合物半導体を利用する半導体発光素子を用いる場合について述べたように、発光層５から下方へ向かう光を透過することが可能なものとしてもよいし、反射させて発光素子の側方または上方から取り出せる構成としてもよい。
【００６５】
絶縁性膜８は、光透過可能なものとすることにより、発光層５から側方へ向かう光を透過させマウント部２１ｂの反射面で反射させて上方へ取り出すことができる。また、発光素子１の側面における接着剤６のせり上がりによる短絡を防止することができる。絶縁性膜８は、絶縁性を有し、かつ光透過可能なものであればよく、例えば、酸化珪素や窒化珪素等の絶縁性を有する材料を好ましく用いることができる。
【００６６】
さらに、光透過可能なものに限らず導電性の接着剤を用いる場合には、発光素子１の周囲部に接着剤６の一部が流入することができる溝部２１ｄを設けることにより、上述の接着剤６のせり上がりをさらに一層低減することができ、絶縁性膜８の作用とも併せて短絡防止の効果を高め、半導体発光装置の信頼性を高めることができる。
【００６７】
【発明の効果】
請求項１の発明では、発光層から側方に放出される光の取り出し効率を上げることができ、マイクロバンプによってｐ側電極を搭載部に接合するので、接着剤を使用した場合のような光の封じ込みがなくなり、発光輝度をさらに向上させることができる。
【００６８】
請求項２の発明では、発光層から搭載部側に抜ける光をこの搭載部から発光方向側へ反射させて光を回収するという作用を有する。
【００６９】
請求項５の発明では、電極の大きさ形状の最適化によって、電極が金属であって光透過しないものでも、発光層から搭載部側へ抜けて反射される光の光路を確保するという作用を有する。
【００７０】
請求項６の発明では、有機金属気相成長法またはＭＢＥ法のように厚膜成長が困難な成長方法を用いて作製された半導体発光素子においても、半導体基板の主面および側面からの光回収率を改善し、発光素子の発光輝度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態による発光装置の要部を示す概略図
【図２】発光装置の別の構成例を示す要部の概略図
【図３】ｎ型半導体基板またはｐ型半導体層にそれぞれ形成するｎ電極及びｐ電極の形状を示す平面図
【図４】ｎ型半導体基板をほぼ四角錐台状とした発光装置の要部を示す概略図
【図５】図４の例における発光層の位置による発光形態を示す説明図
【図６】発光装置の更にまた別の構成例を示す要部の概略図
【図７】従来のＬＥＤランプの概略図
【図８】図７のＬＥＤランプの発光素子の搭載構造を示す要部の概略図
【図９】ＧａＡｌＡｓ系の発光素子の搭載構造を示す要部の概略図
【図１０】（ａ）は発光素子の発光層からの上方，側方及び下方への発光形態を示す概略図
（ｂ）は各方向への臨界角θの分布を示す概略図
【符号の説明】
１ 発光素子
２ ｎ型半導体基板
２ａ ｎ電極
３ ｎ型半導体層
４ ｐ型半導体層
４ａ ｐ電極
５ 発光層
６ 接着剤
７ マイクロバンプ
８ 絶縁性膜
２１ リードフレーム
２１ａ リード
２１ｂ マウント部
２１ｃ リード
２１ｄ 溝部
２３ ワイヤ
Claims (6)
- ＧａＮ系化合物半導体からなる基板と、前記基板の第１の主面の下に配置され、少なくともｎ型半導体層とｐ型半導体層とを有するＧａＮ系化合物半導体層と、前記基板の第２の主面の上に配置されたｎ電極と、前記ＧａＮ系化合物半導体層のｐ型半導体層の下のほぼ全面に配置されたｐ電極と、を少なくとも有する発光素子と、前記発光素子を搭載するすり鉢状の反射面を有するマウント部と、前記発光素子を前記マウント部の反射面に搭載固定するとともに前記ｐ電極を前記マウント部と導通接続するマイクロバンプとを備え、前記第１の主面は前記第２の主面より面積の大きい発光装置。
- 前記ｐ電極は光透過可能であることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
- 前記基板は、テーパ状である請求項１又は請求項２に記載の発光装置。
- 前記マウント部はリードフレーム又は基板上に設けられ、前記マイクロバンプによって前記ｐ電極と前記搭載面とが導通接続されている請求項３に記載の発光装置。
- 前記ｎ電極は、平面形状が直径が１０μｍ以上でかつ１５０μｍ以下の円またはこの円に内包される多角形、あるいは、前記円または前記多角形から放射状に伸びた枝をもつ形状である請求項１から請求項４のいずれか1つに記載の発光装置。
- 前記ＧａＮ系化合物半導体層は、有機金属気層成長法又はＭＢＥ法を用いて形成された請求項１から請求項５のいずれか１つに記載の発光装置。
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