JP6409457B2 - 半導体発光素子及び発光装置 - Google Patents
半導体発光素子及び発光装置Info
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Description
(1)第1主面と、該第1主面と反対側の第2主面とを備える透光性基板と、
前記第1主面上に形成された半導体発光構造と、
前記第2主面上に形成された銀を主成分とする反射層とを備えており、
前記反射層は、In、Mn、Al、Cu、Au、Sn、Zn、Ge及びCoから選択される1種以上の金属を0.1mol%〜1mol%の範囲で含み、前記金属が前記銀の結晶粒界に偏析している半導体発光素子。
(2)上記半導体発光素子と、
前記半導体発光素子が載置された導電性部材とを備える発光装置。
半導体発光素子(以下単に「発光素子」ということがある)は、主として、透光性基板、半導体発光構造及び反射層を備えている。
透光性基板は、通常、半導体発光素子を製造する際に用いられるものであればよく、半導体層とは異なる屈折率を有する材料、例えば、半導体層と異なる材料又は異なる組成からなるものが挙げられる。透光性基板は、第1主面と、その第1主面と反対側の第2主面と、を備える。以下、第1主面を上面、第2主面を裏面と記すことがある。具体的には、窒化物半導体を用いた半導体発光素子用の基板として好適な、サファイア(C面、A面、R面)、スピネル(MgAl2O4)、SiC、NGO(NdGaO3)基板、LiAlO2基板、LiGaO3基板、GaN等が挙げられる。なかでも、サファイア基板が好ましい。透光性基板の厚みは特に限定されないが、例えば50〜1000μm程度の厚みが挙げられ、80〜500μm程度が好ましく、100〜300μm程度であることが好ましい。
ここで、透光性とは、発光素子から出射される光を、50%以上透過させる性質を指し、70%以上透過させるものが好ましく、80%以上透過させるものがより好ましく、90%以上透過させるものがより一層好ましい。
半導体発光構造は、いわゆる発光ダイオードと呼ばれる素子を構成するものであればよい。例えば、InN、AlN、GaN、InGaN、AlGaN、InGaAlN等の窒化物半導体、III−V族化合物半導体、II−VI族化合物半導体等、種々の半導体によって構成される、活性層を含む積層構造が挙げられる。発光素子の発光波長は、半導体の材料、混晶比、ドープする不純物の種類などによって、紫外域から赤色域まで変化させることができる。
ただし、銀は、発光装置の製造工程における熱履歴、透光性基板(例えば、サファイア基板)との線膨張係数の差による応力等により、透光性基板との界面において粗粒化が進行しやすく、それに起因して、両者の密着性が低下する。また、銀の粗粒化に起因して、透光性基板との界面では多重散乱により光が吸収されることとなり、界面反射率の低下を招き、結果として発光素子の発光効率の低下に繋がる。
反射層の厚みは、特に限定されるものではないが、発光素子の発光特性と量産性の観点から、例えば20nm〜1μm程度の範囲が挙げられ、50nm〜500nm程度が好ましく、100nm〜300nm程度がより好ましい。
具体的には、銀層を、メッキ法、蒸着法、スパッタ法、イオンビームアシスト蒸着法ALD(原子層堆積)等の種々の方法で成膜した後、金属MSELを含有する層を、同様の方法で積層し、熱拡散させる方法、銀層を、メッキ法、蒸着法、スパッタ法、イオンビームアシスト蒸着法等の種々の方法で成膜した後、金属MSEL自体を同様の方法で拡散させる方法、上述した範囲内の組成となるように材料の種類及び量を調整して、これらの方法で同時に成膜する方法等が挙げられる。
隔離層は、反射層との密着性が高い材料で形成されることが好ましい。例えば、Ni、Rh、これらの合金の単層又は積層構造が挙げられる。
隔離層の厚みは、特に限定されるものではなく、上述した機能を果たすことができる厚みに設定されていることが好ましい。例えば50nm〜2μm程度の範囲が挙げられ、100nm〜1μm程度が好ましく、200nm〜500nm程度がより好ましい。
接着層としては、銅、金、銀、低融点金属等の金属含有材料、例えば融点が低く安定性の良い、Pd−Sn、Au−Sn等を用いることが好ましく、なかでもAu−Snがより好ましい。
接着層の厚みは特に限定されるものではないが、例えば100nm〜10μm程度の範囲が挙げられ、200nm〜7μm程度が好ましく、500nm〜5μm程度がより好ましい。
発光装置は、主として、上述した発光素子と、導電性部材とを備える。また、発光装置は、さらに、樹脂成形体を含むものが好ましい。
発光素子は、上述した片面電極の構造を有する場合、フェイスアップ(電極形成面が光取り出し側にある)、フリップチップ(フェイスダウン;電極形成面が光取り出し側と反対側(搭載面側)にある)のいずれの形態の搭載であってもよい。
発光素子の導電性部材上への搭載は、当該分野で公知の方法により行うことができる。通常、発光素子の搭載は、接合部材を用いて行うことが生産性の観点で好ましい。
接合部材としては、フェイスアップ搭載される発光素子の場合には、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂等の樹脂材のほか、銀、金、パラジウム等の導電性ペーストを用いることができる。
両面電極構造である発光素子の場合には、上記導電性ペーストのほか、Sn−Bi系、Sn−Pb系、Pd−Sn系、Sn−Ag−Cu系、Au−Sn系、Sn−Zn系、Su−Cu系の半田等を用いても良い。
フリップチップ搭載される発光素子の場合には、上記半田を用いることができる。
このほか、発光素子の反射層の銀又は接着層の銀と、導電性部材側の銀と、を直接接合することもできる。
例えば、銅、アルミニウム、金、銀、タングステン、鉄、ニッケル等の金属又は合金、あるいは鉄−ニッケル合金、燐青銅、鉄入り銅等を用いた単層構造又は積層構造とすることができる。なかでも、銅、銀及び金の1種以上を含むものが好ましい。
別の観点からは、導電性部材からの光の反射を考慮すると、導電性部材の表面には、銀又は銀合金が含まれているものが好ましい。
ワイヤとしては、発光素子の電極とのオーミック性が良好であるか、機械的接続性が良好であるか、電気伝導性及び熱伝導性が良好なものであることが好ましい。熱伝導率としては、0.01cal/S・cm2・℃/cm程度以上が好ましく、さらに0.5cal/S・cm2・℃/cm程度以上がより好ましい。作業性などを考慮すると、ワイヤの直径は、10〜200μm程度が挙げられ、20〜150μm程度が好ましい。このようなワイヤとしては、例えば、金、銅、白金、アルミニウム等の金属及びそれらの合金で形成されたものが挙げられる。
樹脂成形体の形状は特に限定されるものではなく、例えば、円柱、楕円柱、球、卵形、三角柱、四角柱、多角柱又はこれらに近似する形状等どのような形状でもよいが、反射用側壁を備えていることが好ましい。
樹脂成形体及び凹部の大きさは特に限定されるものではなく、発光素子の搭載数、目的とする発光装置の性能等によって適宜調整することができる。
樹脂成形体は、当該分野で公知の方法、代表的には、トランスファー成形法、射出成形法等を利用して形成することができる。
この透光性部材は、発光素子の上面の略全面、好ましくは、ワイヤ等が存在する場合にはワイヤの接続部位も含めて、より好ましくは発光素子の側面にも、透光性部材が接触するように配置されていることが好ましい。
透光性部材は、通常、樹脂によって形成される。ここでの樹脂は、熱硬化性樹脂を好適に用いることができる。例えば、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、シリコーン樹脂、アクリル樹脂、及びこれらの変性樹脂等が挙げられる。なかでも、シリコーン樹脂又はその変性樹脂は、耐熱性や耐光性に優れ、硬化後の体積収縮が少ないため、好ましい。
蛍光体は、発光素子からの光を変換させるものであり、発光素子から透光性部材を通して外部へ出射される光の波長を変換することができる。例えば、有機蛍光体であるペリレン系誘導体、ZnCdS:Cu、YAG:Ce、Eu及び/又はCrで賦活された窒素含有CaO−Al2O3−SiO2、Euで賦活されたSi6−ZAlZOZN8−Z、Mnで賦活されたK2SiF6などの無機蛍光体など、種々好適に用いられる。
この実施形態の発光素子20は、図1に示すように、透光性基板1と、半導体発光構造を構成するn型窒化物半導体層2、InGaNを含む活性層3及びp型窒化物半導体層4と、反射層8とを備えている。
透光性基板1は、サファイア基板である。
半導体発光構造のn側電極5を形成する領域において、p型窒化物半導体層4と活性層3とn型窒化物半導体層2との一部が除去されており、露出したn型窒化物半導体層2上にn側電極5が形成されている。p型窒化物半導体層4の上には、略全面にITOからなる透光性のp側全面電極6が形成されており、そのp側全面電極6上の一部にp側パッド電極7が形成されている。
さらに、反射層8の上には、Ni及びRhの単層膜を積層した隔離層9が配置されている。ここでの隔離層9の厚みは、300nmである。
さらに、隔離層9の上には、Au−Snの接着層10が配置されている。ここでの接着層の厚みは、3.5μmである。
さらに、反射層8として、Inの代わりにAlを0.5mol%含み、そのAlがAgの結晶粒界に偏析している層を有する以外、実施形態1の発光素子20と同様の構成の発光素子22を作製する。
さらに、反射層8として、Inの代わりにCuを0.4mol%含み、そのCuがAgの結晶粒界に偏析している層を有する以外、実施形態1の発光素子20と同様の構成の発光素子23を作製する。
なお、比較のために、反射層8に代えて、異種金属を含有していない純銀で形成された反射層を有する以外は、実施形態1の発光素子20と同様の構成の発光素子Xを作製する。
この実施形態の発光装置30は、図2に示すように、実施形態1の発光素子20と、Agめっき表面処理された銅合金リードフレームである導電性部材11と、この導電性部材11の一部を埋込み、一部を凹部の底面で露出する酸化チタン含有エポキシ樹脂の樹脂成形体12とを備えている。
樹脂成形体は、導電性部材11を、上下金型に挟持させ、トランスファー成形法に付すことにより形成される。
発光素子20は、樹脂成形体12の上面に形成され、反射用側壁12aによって確定された凹部内において、凹部の底面に露出した導電性部材11上に搭載されている(6個)。この発光素子20の導電性部材11上への搭載は、上述した発光素子20(の接着層10側)を導電性部材11上にAu−Sn系半田の接合部材を介して載置し、最高到達温度330℃のリフローによって接合及び固定させることでなされる。
また、発光素子20は、導電性部材11と、金線によるワイヤによって電気的に接続されている。
樹脂成形体12の凹部内には、さらに、発光素子20と、凹部内で露出する導電性部材11を被覆する透光性部材14が充填されている。
透光性部材14は、YAG:Ceの蛍光体を含有するシリコーン樹脂によって構成されている。
また、上述した発光素子Xについても、実施形態2と同様の構成を有する発光装置Yを作製する。
実施形態2の発光装置30、31、32及び33と、比較例である発光装置Yとについて、積分球による光束測定を行う。測定条件は、10インチ積分球、パルス電流駆動(最大700mA、pw/pe=0.05/5ms)である。
その結果を図3に示す。
この結果では、比較例の発光装置Yの光束を100として、実施形態2の発光装置30、31、32及び33の光束を示す。
実施形態の発光装置は、比較例の発光装置Yと同等程度又はそれ以上の光束を得られることが確認される。
上述した発光素子20、21、22、23及びXを、−40℃〜100℃の熱サイクルにさらした後、透光性基板と反射層との界面における状態変化を透光性基板側から目視により観察する。すると、発光素子Xでは、109回、269回と回数を重ねるごとにAu−Snの拡散が隅部から進行することが確認されるのに対して、発光素子20,21,22及び23では、そのようなAu−Snの拡散の進行は認められない。
上述した発光素子20、21、22、23及びXと同じ金属(含有量は下表に示す)を含むAg層を1μm程度の厚みで、スライドガラス(表面に厚み100nm程度のTi層を有する)上に形成し、加熱前後の表面状態をSEMにより観察する。加熱は、大気中、250℃で2時間行う。また、波長450nmの光に対する反射率を日立ハイテクノロジー社製分光光度計U−3010により測定する。また、平均粒径、Raをオリンパス社製走査型レーザ顕微鏡LEXT OLS3000により測定する。
その結果を表1に示す。
このような銀の粗粒化の抑制により、反射層の表面に接着される層との密着性の維持及び向上を図ることができると考えられる。
熱抵抗と相関のあるΔVf(順方向電圧の変化)の挙動により、反射層の剥れの発生を確認することができる。そこで、発光装置30、31、32、33及びYを、−40℃〜125℃、1540回の熱サイクルにさらし、その前後のΔVfを測定する。すると、発光装置YではΔVfの大きな変化が確認されるのに対して、発光装置30、31、32、33ではΔVfの大きな変化は認められない。なかでも、Alを含むAg層を反射層とする発光素子22が搭載された発光装置32において顕著な優位性が確認される。
2 n型窒化物層半導体層
3 活性層
4 n型窒化物層半導体層
5 n側電極
6 p側全面電極
7 p側パッド電極
8 反射層
9 隔離層
10 接着層
20 発光素子
11 導電性部材
12 樹脂成形体
12a 反射用側壁
13 ワイヤ
14 透光性部材
Claims (9)
- 第1主面と、該第1主面と反対側の第2主面と、を備える透光性基板と、
前記第1主面上に形成された半導体発光構造と、
前記第2主面上に形成された銀を主成分とする反射層と、を備えており、
前記反射層における前記銀の平均粒径は、50nm以上1.0μm以下であり、
前記反射層は、In、Mn、Al、Cu、Au、Sn、Zn、Ge及びCoから選択される1種以上の金属を0.1mol%〜1mol%の範囲で含み、前記金属が前記銀の結晶粒界に偏析していることを特徴とする半導体発光素子。 - 前記反射層の前記透光性基板と反対側の面上に、Ni、Ni合金、Rh、若しくはRh合金の単層、又はこれらの積層構造からなる隔離層を有する請求項1に記載の半導体発光素子。
- 前記隔離層の前記反射層と反対側の面上に、Au−Sn又はPd−Snの接着層を有する請求項2に記載の半導体発光素子。
- 前記透光性基板は、サファイア基板である請求項1〜3のいずれか1つに記載の半導体発光素子。
- 請求項1〜4のいずれか1つに記載の半導体発光素子と、
前記半導体発光素子が載置された導電性部材と、を備えることを特徴とする発光装置。 - 前記導電性部材は、前記透光性基板の線膨張係数よりも大きな線膨張係数を有する金属からなる請求項5に記載の発光装置。
- 前記導電性部材の線膨張係数は、前記透光性基板の線膨張係数の2倍以上である請求項6に記載の発光装置。
- 前記半導体発光素子を収める凹部を有し、該凹部の底面で前記導電性部材の一部を露出し、かつ前記導電性部材の一部を埋め込む樹脂成形体を備える請求項5〜7のいずれか1つに記載の発光装置。
- 前記樹脂成形体の凹部内に、前記半導体発光素子と前記導電性部材の一部を被覆する透光性部材が充填されている請求項8に記載の発光装置。
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