JP2012054423A - Light-emitting diode - Google Patents

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Tsunehiro Unno
恒弘 海野
Tomoya Mizutani
友哉 水谷
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a light-emitting diode capable of downsizing while ensuring sufficient amount of emitted light and capable of providing excellent productivity and yield.SOLUTION: A light-emitting diode 100 comprises a substrate 30, a metal wiring layer 31 disposed on the substrate 30, and semiconductor light-emitting elements 10 provided on the metal wiring layer 31. Each of the semiconductor light-emitting elements 10 comprises: a semiconductor light-emitting layer 6 that has a side length of 450 μm or more and includes a first semiconductor layer 5, an active layer 4, and a second semiconductor layer 3 that are stacked in this order from the substrate 30 side; a transparent insulating film 7 provided on the substrate 30 side of the semiconductor light-emitting layer 6; and a first electrode 16 and a second electrode 17 that are provided on the substrate 30 side of the transparent insulating film 7 via separation regions 18 and 19 and are electrically connected to the metal wiring layer 31. The first electrode 16 is electrically connected to the first semiconductor layer 5 by a first contact portion 12 provided through the transparent insulating film 7. The second electrode 17 is electrically connected to the second semiconductor layer 3 by a second contact portion 11 provided through the transparent insulating film 7, the first semiconductor layer 5, and the active layer 4.

Description

本発明は、発光ダイオードに関し、更に詳しくは、半導体発光素子の基板側に形成された2つ電極が基板上の配線と接続される構造を有する発光ダイオードに関する。   The present invention relates to a light emitting diode, and more particularly to a light emitting diode having a structure in which two electrodes formed on a substrate side of a semiconductor light emitting element are connected to a wiring on the substrate.

近年、半導体発光素子である発光ダイオード(以下、LED)は、結晶品質の向上によって高い光・電気変換効率が実現されている(例えば、特許文献1参照)。発光効率が高くなり、発熱の影響も少なくなって、大電流での使用が可能となったことから、表示用LEDに比べて高輝度が要求される照明用の光源への応用が広がっている。   In recent years, a light-emitting diode (hereinafter referred to as an LED), which is a semiconductor light-emitting element, has achieved high light-electric conversion efficiency by improving crystal quality (see, for example, Patent Document 1). Since the luminous efficiency is high, the influence of heat generation is reduced, and it is possible to use it with a large current, the application to lighting light sources that require higher brightness than the LED for display is expanding. .

素子の高出力化には、素子の大型化と大きな投入電力に対する耐性の確保とが必要である。LEDの高出力化、高効率化のために有効な構造として、フリップチップ構造がある(例えば、特許文献2、3参照)。この構造では、透明基板上に所定の半導体層を成長させ、基板と反対側に電流注入用の第1電極、第2電極を形成し、基板側を光取出し面として使用する。フリップチップ構造のLEDでは、発光部からの光が遮られることなく透明基板から出射されるので、高い光取出し効率を実現できる。   In order to increase the output of the element, it is necessary to increase the size of the element and to ensure resistance to large input power. As an effective structure for increasing the output and efficiency of LEDs, there is a flip chip structure (see, for example, Patent Documents 2 and 3). In this structure, a predetermined semiconductor layer is grown on a transparent substrate, a first electrode and a second electrode for current injection are formed on the opposite side of the substrate, and the substrate side is used as a light extraction surface. In the LED of the flip chip structure, since the light from the light emitting part is emitted from the transparent substrate without being blocked, high light extraction efficiency can be realized.

特開2009−200178号公報JP 2009-200188 A 特開2008−78225号公報JP 2008-78225 A 特開2009−88190号公報JP 2009-88190 A

しかしながら、例えば、特許文献2のようなバンプを用いたフリップチップ実装では、1つのLEDを実装するために、多数のバンプを形成する必要があり、バンプの量やバンプ高さの制御、バンプへのLED実装の位置合わせ及び接合は容易ではなく、生産性や歩留まりの改善が難しいという問題がある。   However, for example, in flip-chip mounting using bumps as in Patent Document 2, in order to mount one LED, it is necessary to form a large number of bumps. However, it is difficult to align and join the LED mounting, and it is difficult to improve productivity and yield.

また、特許文献3では、バンプの形成をメッキ法により行うことを提案しているが、メッキによりバンプを形成した場合、メッキされたバンプの表面には、酸化膜や不純物が形成されているため、バンプの表面を洗浄する工程、例えば、プラズマやイオンビーム処理によって酸化膜などを除去する工程が必要となり、工程数の増加を招く。また、メッキ液の廃液処理の問題もある。   In Patent Document 3, it is proposed that bumps are formed by a plating method. However, when bumps are formed by plating, an oxide film or impurities are formed on the surface of the plated bumps. In addition, a process of cleaning the surface of the bump, for example, a process of removing an oxide film or the like by plasma or ion beam treatment is required, resulting in an increase in the number of processes. There is also a problem of waste solution treatment of the plating solution.

一方、半導体発光素子の上下に電極を設ける上下電極構造のLEDでは、半導体発光素子サイズが450μm〜500μmである大型の半導体発光素子の場合、半導体発光素子の表面の上部電極として電流拡散をするための枝状電極を設ける必要がある。小型の半導体発光素子に比べ、大型の半導体発光素子では枝状電極により外部への光が遮られる影響は小さいが、発光素子の大型化に伴い表面の枝状電極の面積は大きくなる。更に、枝状電極は、大電流に耐え得るように、幅を太く形成する必要があり、これによりさらに枝状電極により光の取出しが遮られる。   On the other hand, in an LED having an upper and lower electrode structure in which electrodes are provided above and below the semiconductor light emitting element, in the case of a large semiconductor light emitting element having a semiconductor light emitting element size of 450 μm to 500 μm, current diffusion is performed as the upper electrode on the surface of the semiconductor light emitting element It is necessary to provide a branch electrode. Compared to a small semiconductor light emitting device, the large semiconductor light emitting device is less affected by light blocking by the branch electrodes, but the area of the branch electrode on the surface increases as the light emitting device increases in size. Furthermore, the branch electrode needs to be formed thick so that it can withstand a large current, and this further blocks light extraction by the branch electrode.

本発明の目的は、放熱性や発光特性が良く、高い生産性・歩留まりを実現できる、大型の半導体発光素子を用いた発光ダイオードを提供することにある。   An object of the present invention is to provide a light-emitting diode using a large-sized semiconductor light-emitting element that has good heat dissipation and light-emitting characteristics and can realize high productivity and yield.

本発明の第1の態様は、基板と、前記基板上に配設される金属配線層と、前記金属配線層上に設けられる半導体発光素子と、を有し、
前記半導体発光素子は、1辺が450μm以上であり、
前記基板側から順に、第1半導体層、活性層、第2半導体層を備えた半導体発光層と、前記半導体発光層の前記基板側に設けられる透明絶縁膜と、前記透明絶縁膜の前記基板側に離間領域を介して設けられ、前記金属配線層と電気的に接続される第1電極部及び第2電極部と、を有し、
前記第1電極部は、前記透明絶縁膜を貫通して設けられる第1コンタク卜部により前記第1半導体層と電気的に接続され、前記第2電極部は、前記透明絶縁膜、前記第1半導体層、及び前記活性層を貫通して設けられる第2コンタクト部により前記第2半導体層と電気的に接続される、発光ダイオードである。
A first aspect of the present invention includes a substrate, a metal wiring layer disposed on the substrate, and a semiconductor light emitting element provided on the metal wiring layer.
The semiconductor light emitting element has one side of 450 μm or more,
In order from the substrate side, a semiconductor light emitting layer including a first semiconductor layer, an active layer, and a second semiconductor layer, a transparent insulating film provided on the substrate side of the semiconductor light emitting layer, and the substrate side of the transparent insulating film A first electrode part and a second electrode part that are electrically connected to the metal wiring layer.
The first electrode portion is electrically connected to the first semiconductor layer by a first contact hole provided through the transparent insulating film, and the second electrode portion includes the transparent insulating film and the first semiconductor. A light emitting diode electrically connected to the second semiconductor layer by a second contact portion provided through the layer and the active layer.

本発明の第2の態様は、第1の態様の発光ダイオードにおいて、前記金属配線層上には、複数の前記半導体発光素子が設けられている。   According to a second aspect of the present invention, in the light emitting diode according to the first aspect, a plurality of the semiconductor light emitting elements are provided on the metal wiring layer.

本発明の第3の態様は、第1又は第2の態様の発光ダイオードにおいて、前記第1電極部及び/又は前記第2電極部は、金属反射層を備えている。   According to a third aspect of the present invention, in the light-emitting diode according to the first or second aspect, the first electrode portion and / or the second electrode portion includes a metal reflective layer.

本発明の第4の態様は、第1〜第3の態様のいずれかの発光ダイオードおいて、前記第1電極部と前記第2電極部との間の前記離間領域には、絶縁物が設けられている。   According to a fourth aspect of the present invention, in the light-emitting diode according to any one of the first to third aspects, an insulator is provided in the separation region between the first electrode portion and the second electrode portion. It has been.

本発明の第5の態様は、第1〜第4の態様のいずれかの発光ダイオードにおいて、前記第1電極部及び前記第2電極部は貼り合わせ層を有し、前記貼り合せ層を介して前記金属配線層と接合されている。   According to a fifth aspect of the present invention, in the light-emitting diode according to any one of the first to fourth aspects, the first electrode portion and the second electrode portion have a bonding layer, and the bonding layer is interposed therebetween. Bonded to the metal wiring layer.

本発明の第6の態様は、第1〜第5の態様のいずれかの発光ダイオードにおいて、前記第2半導体層の上記活性層側とは反対側の面は、粗面化加工された光取出し面である。   According to a sixth aspect of the present invention, in the light-emitting diode according to any one of the first to fifth aspects, the surface of the second semiconductor layer opposite to the active layer side is subjected to roughening light extraction. Surface.

本発明の第7の態様は、第1〜第6の態様のいずれかの発光ダイオードにおいて、前記第2コンタク卜部は、前記第2電極部上に設けられ、前記第1半導体層及び前記活性層に対して絶縁するための絶縁材料と、前記絶縁材料に覆われるように設けられるAu系材料とからなる。   According to a seventh aspect of the present invention, in the light-emitting diode according to any one of the first to sixth aspects, the second contact hole portion is provided on the second electrode portion, and the first semiconductor layer and the active layer And an Au-based material provided so as to be covered with the insulating material.

本発明の第8の態様は、第1〜第7の態様のいずれかの発光ダイオードにおいて、前記金属配線層は、複数の前記半導体発光素子を直列接続するパターンに形成されている。   According to an eighth aspect of the present invention, in the light-emitting diode according to any one of the first to seventh aspects, the metal wiring layer is formed in a pattern in which a plurality of the semiconductor light-emitting elements are connected in series.

本発明の第9の態様は、第1〜第8の態様のいずれかの発光ダイオードにおいて、前記光取出し面には、透光性の導電膜が形成されている。   According to a ninth aspect of the present invention, in the light-emitting diode according to any one of the first to eighth aspects, a light-transmitting conductive film is formed on the light extraction surface.

本発明によれば、放熱性や発光特性が良く、高い生産性・歩留まりを実現できる、大型の半導体発光素子を用いた発光ダイオードが得られる。   According to the present invention, it is possible to obtain a light emitting diode using a large-sized semiconductor light emitting element, which has good heat dissipation and light emission characteristics and can realize high productivity and yield.

本発明の一実施形態に係る発光ダイオードを示す断面図である。It is sectional drawing which shows the light emitting diode which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態の発光ダイオードにおける複数の半導体発光素子の接続関係を示す図である。It is a figure which shows the connection relation of the some semiconductor light-emitting element in the light emitting diode of one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係る発光ダイオードを製造する製造工程の一例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows an example of the manufacturing process which manufactures the light emitting diode which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係る発光ダイオードを製造する製造工程の一例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows an example of the manufacturing process which manufactures the light emitting diode which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係る発光ダイオードを製造する製造工程の一例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows an example of the manufacturing process which manufactures the light emitting diode which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係る発光ダイオードを製造する製造工程の一例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows an example of the manufacturing process which manufactures the light emitting diode which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の他の実施形態に係る発光ダイオードにおける複数の半導体発光素子の接続関係を示す図である。It is a figure which shows the connection relation of the some semiconductor light-emitting element in the light emitting diode which concerns on other embodiment of this invention. 本発明の他の実施形態に係る発光ダイオードを示す断面図である。It is sectional drawing which shows the light emitting diode which concerns on other embodiment of this invention. 本発明の他の実施形態に係る発光ダイオードを示す断面図である。It is sectional drawing which shows the light emitting diode which concerns on other embodiment of this invention. 本発明の他の実施形態に係る発光ダイオードにおける光取出面の一部を拡大した断面図である。It is sectional drawing to which some light extraction surfaces in the light emitting diode which concern on other embodiment of this invention were expanded. フリップチップ構造の比較例の発光ダイオードを示す断面図である。It is sectional drawing which shows the light emitting diode of the comparative example of a flip-chip structure. 本発明の実施例及び比較例に対する、素子サイズと光束との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between element size and a light beam with respect to the Example and comparative example of this invention. 素子サイズの異なる半導体発光素子を有する実施例に対する、順方向電流と光束との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between a forward current and a light beam with respect to the Example which has a semiconductor light emitting element from which element size differs. 本発明の実施例及び比較例に対する、光束のばらつきを示すヒストグラムである。It is a histogram which shows the dispersion | variation in the light beam with respect to the Example and comparative example of this invention.

以下に、本発明に係る発光ダイオードの一実施形態を図面を用いて説明する。   Hereinafter, an embodiment of a light emitting diode according to the present invention will be described with reference to the drawings.

[第1の実施形態]
図1に、本発明の第1の実施形態に係る発光ダイオードを示す。
本実施形態の発光ダイオード100は、基板30と、基板30上に配設される金属配線層31と、金属配線層31上に設けられる複数の半導体発光素子10と、を有する。
半導体発光素子10は、基板30側から順に、第1半導体層5、活性層4、第2半導体層3を備えた半導体発光層6と、半導体発光層6の基板30側に設けられる透明絶縁膜7と、透明絶縁膜7の基板30側に離間領域18を介して設けられる第1電極部16及び第2電極部17と、を有する。
第1電極部16及び第2電極部17は、基板30側に貼り合せ層15を備え、第1電極部16及び第2電極部17は貼り合せ層15により金属配線層31と接合されている。第1電極部16は、透明絶縁膜7を貫通して設けられる第1コンタクト部12により第1半導体層5と電気的に接続されている。第2電極部17は、透明絶縁膜7、第1半導体層5、活性層4を貫通して設けられる第2コンタクト部11により第2半導体層3と電気的に接続されている。
特に、半導体発光素子10は、素子サイズが450μm以上の大型の半導体発光素子となっている。
[First embodiment]
FIG. 1 shows a light emitting diode according to a first embodiment of the present invention.
The light emitting diode 100 of this embodiment includes a substrate 30, a metal wiring layer 31 disposed on the substrate 30, and a plurality of semiconductor light emitting elements 10 provided on the metal wiring layer 31.
The semiconductor light emitting element 10 includes, in order from the substrate 30 side, a semiconductor light emitting layer 6 including a first semiconductor layer 5, an active layer 4, and a second semiconductor layer 3, and a transparent insulating film provided on the substrate 30 side of the semiconductor light emitting layer 6. 7 and a first electrode portion 16 and a second electrode portion 17 provided on the substrate 30 side of the transparent insulating film 7 via a separation region 18.
The first electrode portion 16 and the second electrode portion 17 include a bonding layer 15 on the substrate 30 side, and the first electrode portion 16 and the second electrode portion 17 are joined to the metal wiring layer 31 by the bonding layer 15. . The first electrode portion 16 is electrically connected to the first semiconductor layer 5 by a first contact portion 12 provided through the transparent insulating film 7. The second electrode portion 17 is electrically connected to the second semiconductor layer 3 by a second contact portion 11 provided through the transparent insulating film 7, the first semiconductor layer 5, and the active layer 4.
In particular, the semiconductor light emitting element 10 is a large semiconductor light emitting element having an element size of 450 μm or more.

本実施形態では、第1電極部16及び第2電極部17は、透明絶縁膜7側から金属反射層13、拡散抑止層14、貼り合せ層15を順次積層して構成されている。また、金属配線層31は、基板30側から密着層32、接合用金属層33を順次積層して構成されている。
金属反射層13は、活性層4で発光し透明絶縁膜7側にきた光を半導体発光層6側に反射して、光取り出し効率を向上させるための層であり、発光波長の光に対して高い反射率を有する、例えばAu、Ag、Cu、Al等の金属、若しくはこれらの金属を少なくとも1つ含む合金が用いられる。
拡散抑止層14は、金属反射層13の基板30側から貼り合せ層15等を構成する材料が金属反射層13に拡散することを抑制して、金属反射層13の反射特性の低下を抑制す
る層であり、例えばTi、Ptなどが用いられる。
In the present embodiment, the first electrode portion 16 and the second electrode portion 17 are configured by sequentially laminating a metal reflection layer 13, a diffusion suppression layer 14, and a bonding layer 15 from the transparent insulating film 7 side. The metal wiring layer 31 is formed by sequentially laminating an adhesion layer 32 and a bonding metal layer 33 from the substrate 30 side.
The metal reflection layer 13 is a layer for reflecting the light emitted from the active layer 4 and coming to the transparent insulating film 7 side to the semiconductor light emitting layer 6 side to improve the light extraction efficiency. For example, a metal having high reflectivity, such as Au, Ag, Cu, Al, or an alloy containing at least one of these metals is used.
The diffusion suppression layer 14 suppresses the material constituting the bonding layer 15 and the like from the substrate 30 side of the metal reflection layer 13 from diffusing into the metal reflection layer 13 and suppresses the deterioration of the reflection characteristics of the metal reflection layer 13. For example, Ti, Pt or the like is used.

第1電極部16及び第2電極部17は、貼り合わせ層15を介して金属配線層31に接合される。第1電極部16及び第2電極部17の貼り合せ層(接合用金属層)15と、金属配線層31の接合用金属層33とは、例えば、熱圧着接合や共晶接合などによって接合される。貼り合せ層15及び接合用金属層33の材料には、一例として、AuやAu共晶合金などが用いられる。ほぼ同一の平面上に位置する複数の第1電極部16及び第2電極部17の貼り合せ層15の表面(貼り合せ面、接合面)と、ほぼ同一の平面上に位置する複数の金属配線層31の接合用金属層33の表面(貼り合せ面、接合面)とを、熱圧着などによって接合する面接合方式(貼り合せ方式)であるため、バンプを用いたフリップチップ実装(図11参照)に比べて、接合は容易となり、接合不良の発生を抑えることができる。   The first electrode portion 16 and the second electrode portion 17 are bonded to the metal wiring layer 31 through the bonding layer 15. The bonding layer (joining metal layer) 15 of the first electrode part 16 and the second electrode part 17 and the joining metal layer 33 of the metal wiring layer 31 are joined by, for example, thermocompression bonding or eutectic bonding. The For example, Au or an Au eutectic alloy is used as the material for the bonding layer 15 and the bonding metal layer 33. A plurality of metal wirings positioned on substantially the same plane as the surface (bonding surface, bonding surface) of the bonding layer 15 of the plurality of first electrode portions 16 and second electrode portions 17 positioned on substantially the same plane. Flip chip mounting using bumps (see FIG. 11) because it is a surface bonding method (bonding method) in which the surface (bonding surface, bonding surface) of the metal layer 33 for bonding of the layer 31 is bonded by thermocompression bonding or the like. ), The joining becomes easier and the occurrence of poor joining can be suppressed.

第2半導体層3の活性層4側とは反対側の面は、粗面化加工された光取出し面3aとなっている。半導体発光素子10の光取出し面3aには、電極が形成されていないので、光取出し効率が高い。   The surface of the second semiconductor layer 3 opposite to the active layer 4 side is a light extraction surface 3a that has been roughened. Since no electrode is formed on the light extraction surface 3a of the semiconductor light emitting device 10, the light extraction efficiency is high.

本実施形態では、基板30上に配設される金属配線層31は、図2に示すように、複数の半導体発光素子10を直列接続するパターンに形成されている。即ち、例えば、図2において、左右方向に並ぶ3個の半導体発光素子10のうち、左端の半導体発光素子10から、中央の半導体発光素子10を経て、右端の半導体発光素子10へと電流が流れる。具体的には、各半導体発光素子10の第1電極部16に接続された金属配線層31から供給された電流は、第1電極部16、第1コンタクト部12を通じて第1半導体層5に供給され、第1半導体層5、活性層4及び第2半導体層3を通って第2コンタクト部11より第2電極部17に流れ、第2電極部17から金属配線層31を通じて当該半導体発光素子10の右隣の半導体発光素子10の第1電極部16へと流れる。なお、基板30上の金属配線層31のパターンは、半導体発光素子10の電極部・金属配線層構造を適宜変更することで、直列接続のみならず、並列接続、直列及び並列接続とすることもできる。   In the present embodiment, the metal wiring layer 31 disposed on the substrate 30 is formed in a pattern in which a plurality of semiconductor light emitting elements 10 are connected in series as shown in FIG. That is, for example, in FIG. 2, among the three semiconductor light emitting elements 10 arranged in the left-right direction, a current flows from the semiconductor light emitting element 10 at the left end to the semiconductor light emitting element 10 at the right end through the central semiconductor light emitting element 10. . Specifically, the current supplied from the metal wiring layer 31 connected to the first electrode portion 16 of each semiconductor light emitting element 10 is supplied to the first semiconductor layer 5 through the first electrode portion 16 and the first contact portion 12. The semiconductor light emitting element 10 flows through the first semiconductor layer 5, the active layer 4, and the second semiconductor layer 3 from the second contact portion 11 to the second electrode portion 17, and from the second electrode portion 17 through the metal wiring layer 31. Flows to the first electrode portion 16 of the semiconductor light emitting element 10 adjacent to the right side of. The pattern of the metal wiring layer 31 on the substrate 30 can be changed not only in series connection but also in parallel connection, series and parallel connection by appropriately changing the electrode part / metal wiring layer structure of the semiconductor light emitting element 10. it can.

本実施形態の発光ダイオード100によれば、面接合方式(貼り合せ方式)により、半導体発光素子10の第1電極部16及び第2電極部17を基板30上の金属配線層31に貼り合せているため、光取出し面3a側に影となる電極(遮蔽物)が存在せず、光取出し効率が高い。また、上記面接合方式によって第1電極部16及び第2電極部17と金属配線層31とを接合する構成を採用することで、複数の半導体発光素子10を有する発光ダイオード100であっても、接合不良の発生を抑えることができ、発光ムラを抑制できると共に、接合の容易化が図れ、発光ダイオードの生産性・歩留りの向上を実現できる。さらに、面接合となるため、半導体発光素子10で発生した熱を第1電極部16及び第2電極部17から金属配線層31を介して基板30側に効率よく逃がすことができ、半導体発光素子10への通電量を増加して輝度・発光量の増大を図ることも可能である。また、複数個の半導体発光素子10を直列に設けることで、容易に電流値と輝度とを調節することができる。
このように、本実施形態の発光ダイオードは、放熱性や発光特性が良く、しかも高い生産性・歩留まりを実現でき、1辺が450μm以上の素子サイズを有する大型の半導体発光素子を用いた発光ダイオードに好適である。
According to the light emitting diode 100 of the present embodiment, the first electrode portion 16 and the second electrode portion 17 of the semiconductor light emitting element 10 are bonded to the metal wiring layer 31 on the substrate 30 by a surface bonding method (bonding method). Therefore, there is no shadow electrode (shielding object) on the light extraction surface 3a side, and the light extraction efficiency is high. Moreover, even if it is the light emitting diode 100 which has the some semiconductor light-emitting device 10 by employ | adopting the structure which joins the 1st electrode part 16 and the 2nd electrode part 17, and the metal wiring layer 31 by the said surface bonding system, Occurrence of bonding failure can be suppressed, light emission unevenness can be suppressed, bonding can be facilitated, and productivity and yield of the light emitting diode can be improved. Further, since the surface bonding is performed, the heat generated in the semiconductor light emitting element 10 can be efficiently released from the first electrode portion 16 and the second electrode portion 17 to the substrate 30 side through the metal wiring layer 31, and the semiconductor light emitting device It is also possible to increase the amount of electricity to 10 and increase the luminance and light emission amount. Further, by providing a plurality of semiconductor light emitting elements 10 in series, the current value and the luminance can be easily adjusted.
As described above, the light-emitting diode of the present embodiment has good heat dissipation and light-emitting characteristics, can achieve high productivity and yield, and uses a large-sized semiconductor light-emitting element having an element size of 450 μm or more on one side. It is suitable for.

発光素子として一般的な200μm角〜300μm角のサイズのものでは、通常、消費電力は数十mWであり、発光素子の発熱は問題となりにくい。しかし、450μm角サイズ以上となると、消費電力が100mWを超え、特殊な実装を必要とする。特殊な実装をしないと、発熱により発光効率の低下、信頼性の低下という問題が発生してしまう。ところが、本実施形態の発光ダイオードは、特殊な実装をせずに放熱性の向上を実現でき、1
辺が450μm以上の素子サイズを有する大型の半導体発光素子を用いた発光ダイオードに好適である。
In general, a light emitting element having a size of 200 μm square to 300 μm square has a power consumption of several tens of mW, and heat generation of the light emitting element is unlikely to be a problem. However, if it becomes 450 μm square size or more, the power consumption exceeds 100 mW, and special mounting is required. Unless special mounting is performed, problems such as a decrease in light emission efficiency and a decrease in reliability occur due to heat generation. However, the light emitting diode of this embodiment can improve heat dissipation without special mounting.
It is suitable for a light emitting diode using a large semiconductor light emitting element having an element size of 450 μm or more on the side.

以下に、本実施形態の発光ダイオードの製造工程と共に、本実施形態の発光ダイオードを更に詳細に説明する。図3〜図6に本実施形態に係る発光ダイオード100を製造する製造工程の一例を示す。   Below, the light emitting diode of this embodiment is demonstrated in detail with the manufacturing process of the light emitting diode of this embodiment. 3 to 6 show an example of a manufacturing process for manufacturing the light emitting diode 100 according to this embodiment.

(基板上への金属配線層の形成工程)
基板(支持基板)30としては、光に対する透明性は必要としない。例えば、サファイア、Si、GaN、AlN、ZnO、SiC、BN、ZnSなどの単結晶基板、Al、AIN、BN、MgO、ZnO、SiC、C等のセラミクスやこれらの混合物などからなる基板を用いることができる。特に、基板30の材料には、高抵抗で熱伝導性が高い材料が望ましい。
金属配線層31は、図3(a)に示すように、基板30上に密着層32と接合用金属層33とを順次形成し、フォトリソグラフィ法、エッチング法により配線パターンを形成することが望ましい。密着層32としては、TiやPtを1nm以上50nm以下の厚さで形成するのがよい。接合用金属層33としては、AuやAu共晶合金などを用い、0.5
μm〜2.0μmの厚さに形成するのがよい。
(Process for forming a metal wiring layer on a substrate)
The substrate (support substrate) 30 does not need transparency to light. For example, single crystal substrates such as sapphire, Si, GaN, AlN, ZnO, SiC, BN, ZnS, substrates made of ceramics such as Al 2 O 3 , AIN, BN, MgO, ZnO, SiC, C, and mixtures thereof. Can be used. In particular, the material of the substrate 30 is desirably a material having high resistance and high thermal conductivity.
As shown in FIG. 3A, the metal wiring layer 31 is preferably formed by sequentially forming an adhesion layer 32 and a bonding metal layer 33 on a substrate 30 and forming a wiring pattern by photolithography and etching. . The adhesion layer 32 is preferably formed of Ti or Pt with a thickness of 1 nm to 50 nm. As the bonding metal layer 33, Au, an Au eutectic alloy or the like is used, and 0.5.
It is good to form in thickness of micrometer-2.0micrometer.

(成長用基板上へのエピタキシャル層の形成工程)
半導体発光素子10は、III−V族化合物半導体であるAlGaInP系のエピタキシ
ャル層を形成する場合、図3(b)に示すように、まず、成長用基板として、例えば厚さ300μm、Siドープのn型GaAs基板1を用い、n型GaAs基板1上に、MOVPE(有機金属気相成長)法により、GaInPエッチングストップ層2と、第2半導体層としてのSiドープのn型AlGaInPクラッド層3と、活性層としての量子井戸構造を含んで形成されるアンドープのAlGaInP活性層4と、第1半導体層としてのMgドープのp型AlGaInPクラッド層5とを順次成長させ、エピタキシャルウェハを形成する。なお、上記エピタキシャル層以外にも、例えば、p型AlGaInPクラッド層5上にp型GaP等からなるp型コンタクト層を形成するなどしてもよい。
更に具体的には、ピーク波長が630nm付近の赤色光を発するAlGaInP系の半導体発光素子では、活性層4は、アンドープ層であり、一例として、InGaPの井戸層をAlGaInPのバリア層で挟んだ多重量子井戸構造で形成される。発光波長は、井戸層の厚さで制御することができる。また、n型クラッド層3は、Si、Se等のn型ドーパントを所定の濃度含む。一例として、n型クラッド層3は、Siがドープされたn型(Al0.7Ga0.30.5In0.5P層から形成される。p型クラッド層5は、Zn、Mg等のp型ドーパントを所定の濃度含む。一例として、p型クラッド層5は、Mgがドープされたp型(Al0.7Ga0.30.5In0.5P層から形成される。
(Epitaxial layer formation process on growth substrate)
When forming an AlGaInP-based epitaxial layer that is a III-V group compound semiconductor, the semiconductor light emitting device 10 is first formed as a growth substrate, for example, with a thickness of 300 μm and Si-doped n as shown in FIG. A GaInP etching stop layer 2 and a Si-doped n-type AlGaInP cladding layer 3 as a second semiconductor layer on the n-type GaAs substrate 1 by a MOVPE (metal organic chemical vapor deposition) method. An undoped AlGaInP active layer 4 formed including a quantum well structure as an active layer and an Mg-doped p-type AlGaInP cladding layer 5 as a first semiconductor layer are sequentially grown to form an epitaxial wafer. In addition to the above epitaxial layer, for example, a p-type contact layer made of p-type GaP or the like may be formed on the p-type AlGaInP cladding layer 5.
More specifically, in an AlGaInP-based semiconductor light emitting device that emits red light having a peak wavelength of around 630 nm, the active layer 4 is an undoped layer. It is formed with a quantum well structure. The emission wavelength can be controlled by the thickness of the well layer. The n-type cladding layer 3 includes an n-type dopant such as Si or Se at a predetermined concentration. As an example, the n-type cladding layer 3 is formed of an n-type (Al 0.7 Ga 0.3 ) 0.5 In 0.5 P layer doped with Si. The p-type cladding layer 5 contains a p-type dopant such as Zn or Mg at a predetermined concentration. As an example, the p-type cladding layer 5 is formed of a p-type (Al 0.7 Ga 0.3 ) 0.5 In 0.5 P layer doped with Mg.

(第1コンタクト部、第2コンタクト部の形成工程)
次に、図3(c)に示すように、フォトリソグラフィ法およびエッチング法を用いて、第2コンタクト部としてのn型コンタクト部11を形成するために、p型AlGaInPクラッド層5及びAlGaInP活性層4を貫通する孔8を形成するとともに、エピタキシャルウェハの全面に透明絶縁膜として、例えばSiO膜7を形成する。透明絶縁膜の材料には、SiO以外に、SiNなどを用いてもよい。
更に、透明絶縁膜であるSiO膜7に対して、第1コンタクト部としてのp型コンタクト部12を形成するための孔9がそれぞれ形成される。このとき、n型コンタクト部11用の孔8の側面に、p型クラッド層5及び活性層4に対し絶縁をとるための絶縁膜を形成する。
なお、孔8が形成されるエピタキシャル層の厚さ1μm程度であるのに対し、孔8の直径は5〜10μm程度(孔8のアスペクト比が0.1〜0.2程度)の大きさを有するので
、n型コンタクト部11を形成する金属等の導電層の周囲に絶縁膜を形成しなくても、n型コンタクト部11を形成する導電層とp型クラッド層5及び活性層4との間の短絡を防止することは可能である。
(Formation process of a 1st contact part and a 2nd contact part)
Next, as shown in FIG. 3C, a p-type AlGaInP cladding layer 5 and an AlGaInP active layer are formed to form an n-type contact portion 11 as a second contact portion by using a photolithography method and an etching method. 4 is formed, and for example, a SiO 2 film 7 is formed as a transparent insulating film on the entire surface of the epitaxial wafer. As a material for the transparent insulating film, SiN or the like may be used in addition to SiO 2 .
Further, holes 9 for forming a p-type contact portion 12 as a first contact portion are formed in the SiO 2 film 7 which is a transparent insulating film. At this time, an insulating film for insulating the p-type cladding layer 5 and the active layer 4 is formed on the side surface of the hole 8 for the n-type contact portion 11.
The thickness of the epitaxial layer in which the hole 8 is formed is about 1 μm, whereas the diameter of the hole 8 is about 5 to 10 μm (the aspect ratio of the hole 8 is about 0.1 to 0.2). Therefore, the conductive layer forming the n-type contact portion 11, the p-type cladding layer 5, and the active layer 4 can be formed without forming an insulating film around the conductive layer such as a metal forming the n-type contact portion 11. It is possible to prevent a short circuit between them.

次に、n型コンタクト部11によるn型クラッド層3への電気的接続、及びp型コンタクト部12によるp型クラッド層5への電気的接続は、図4(a)に示すように、これらの孔8,9にAu系の金属を設けることで行う。n型コンタクト部11は、一例として、n型クラッド層3側からAuGe層(オーミックコンタクト層)/Ni層(拡散防止層)/Au層(接合層)が積層されて形成される。p型コンタクト部12は、一例として、p型クラッド層5側からAuBe層(オーミックコンタクト層)/Ni層(拡散防止層)/Au層(接合層)が積層されて形成される。
透明絶縁膜7と、n型コンタクト部11、p型コンタクト部12とにより、電流狭窄構造が形成される。n型コンタクト部11、p型コンタクト部12は、図2に示すようにドット状に複数個形成しても、或いは、環状や枝状などに連続して形成しても良い。
Next, the electrical connection to the n-type cladding layer 3 by the n-type contact portion 11 and the electrical connection to the p-type cladding layer 5 by the p-type contact portion 12 are as shown in FIG. This is done by providing Au-based metal in the holes 8 and 9. As an example, the n-type contact portion 11 is formed by laminating an AuGe layer (ohmic contact layer) / Ni layer (diffusion prevention layer) / Au layer (bonding layer) from the n-type cladding layer 3 side. As an example, the p-type contact portion 12 is formed by laminating an AuBe layer (ohmic contact layer) / Ni layer (diffusion prevention layer) / Au layer (bonding layer) from the p-type cladding layer 5 side.
The transparent insulating film 7, the n-type contact portion 11, and the p-type contact portion 12 form a current confinement structure. The n-type contact portion 11 and the p-type contact portion 12 may be formed in a plurality of dots as shown in FIG. 2, or may be continuously formed in a ring shape or a branch shape.

(第1電極部、第2電極部の形成工程)
次に、透明絶縁膜7、n型コンタクト部11及びp型コンタクト部12の上に、図4(b)に示すように、第1電極部であるp側電極部16及び第2電極部であるn側電極部17を構成するための電極層として、例えばAuからなる金属反射層13と、Tiからなる拡散抑止層14と、Auからなる接合用金属層15とを蒸着法などで形成する。
更に、エピタキシャルウェハの透明絶縁膜7上において、p側電極部16となる領域とn側電極部17となる領域とが導通しないように、金属反射層13、拡散抑止層14及び接合用金属層15に対して、離間領域となる電極分離用溝18と素子分離用溝19を形成する。これにより、p側電極部16とn側電極部17が分離されて形成される。
(Formation process of a 1st electrode part and a 2nd electrode part)
Next, on the transparent insulating film 7, the n-type contact part 11, and the p-type contact part 12, as shown in FIG. 4B, the p-side electrode part 16 and the second electrode part which are the first electrode parts. For example, a metal reflection layer 13 made of Au, a diffusion suppression layer 14 made of Ti, and a bonding metal layer 15 made of Au are formed by an evaporation method or the like as an electrode layer for constituting an n-side electrode portion 17. .
Further, on the transparent insulating film 7 of the epitaxial wafer, the metal reflection layer 13, the diffusion suppression layer 14, and the bonding metal layer are formed so that the region serving as the p-side electrode portion 16 and the region serving as the n-side electrode portion 17 do not conduct. 15, an electrode isolation groove 18 and an element isolation groove 19 are formed as separation regions. Thereby, the p-side electrode portion 16 and the n-side electrode portion 17 are formed separately.

なお、p側電極部16とn側電極部17との間の離間領域である電極分離用溝18に、SiOなどの絶縁物を設けてもよい。電極分離用溝18内に絶縁物を設けると、p側電極部16とn側電極部17との間の電気的絶縁性がより確実となる。同様に、素子分離用溝19にも絶縁物を設けてもよい。また、透明絶縁膜7と金属反射層13との間に、密着層を形成してもよい。密着層としてはNi層、Ti層、Al層が好ましく、光吸収損失が少なくなるように、密着層の厚さは10nm程度以下に形成するのが望ましい。
また、本実施形態のように複数の半導体発光素子10を直列に設ける場合は、隣り合う半導体発光素子10の間の金属反射層13、拡散抑止層14及び接合用金属層15を残すように素子分離を行うこともできる。半導体発光素子10間の金属反射層13や接合用金属層15を残すことで、導電性や放熱性の向上が図れる。
Note that an insulator such as SiO 2 may be provided in the electrode separation groove 18 which is a separation region between the p-side electrode portion 16 and the n-side electrode portion 17. When an insulator is provided in the electrode separation groove 18, the electrical insulation between the p-side electrode portion 16 and the n-side electrode portion 17 becomes more reliable. Similarly, an insulator may be provided in the element isolation groove 19. Further, an adhesion layer may be formed between the transparent insulating film 7 and the metal reflection layer 13. The adhesion layer is preferably a Ni layer, a Ti layer, or an Al layer, and the adhesion layer is preferably formed to a thickness of about 10 nm or less so as to reduce light absorption loss.
In addition, when a plurality of semiconductor light emitting elements 10 are provided in series as in the present embodiment, the element is formed so that the metal reflection layer 13, the diffusion suppression layer 14, and the bonding metal layer 15 between the adjacent semiconductor light emitting elements 10 are left. Separation can also be performed. By leaving the metal reflective layer 13 and the bonding metal layer 15 between the semiconductor light emitting elements 10, the conductivity and heat dissipation can be improved.

(貼り合せ工程)
図3(a)に示す金属配線層31を形成した基板(支持基板)30と、図4(b)に示すp側電極部16及びn側電極部17を有する半導体発光素子10が形成されたエピタキシャルウェハとを、図5(a)に示すように張り合わせて、貼り合せウェハを作製する。
具体的には、マイクロマシーン用の位置合わせ機能付きの貼り合せ装置を用い、金属配線層31とp側電極部16及びn側電極部17との位置合わせを行い、金属配線層31の接合用金属層33とp側電極部16及びn側電極部17の接合用金属層15とを密接させて熱圧着により張り合わせる。具体的には、貼り合せ装置内に支持基板30とエピタキシャルウェハをそれぞれセットし、高真空下において、350℃まで昇温するとともに加圧して密着状態にする。この状態を1時間保持した後、室温まで降温するとともに、加圧を開放し、大気圧まで戻すことで、貼り合せウェハを得る。なお、基板30とエピタキシャルウェハとの貼り合せは、熱圧着による接合以外にも、共晶接合などで行っても良い。
(Lamination process)
The substrate (support substrate) 30 on which the metal wiring layer 31 shown in FIG. 3A was formed, and the semiconductor light emitting element 10 having the p-side electrode portion 16 and the n-side electrode portion 17 shown in FIG. 4B were formed. The epitaxial wafer is bonded together as shown in FIG. 5A to produce a bonded wafer.
Specifically, using a bonding apparatus with an alignment function for a micromachine, the metal wiring layer 31 is aligned with the p-side electrode portion 16 and the n-side electrode portion 17 to bond the metal wiring layer 31. The metal layer 33 and the bonding metal layer 15 of the p-side electrode part 16 and the n-side electrode part 17 are brought into close contact and bonded together by thermocompression bonding. Specifically, the support substrate 30 and the epitaxial wafer are set in a bonding apparatus, respectively, heated to 350 ° C. and pressurized to be in a close contact state under high vacuum. After maintaining this state for 1 hour, the temperature is lowered to room temperature, the pressure is released, and the pressure is returned to atmospheric pressure, whereby a bonded wafer is obtained. The bonding of the substrate 30 and the epitaxial wafer may be performed by eutectic bonding or the like in addition to bonding by thermocompression bonding.

(成長用基板の除去、粗面化加工の工程)
貼り合せウェハの成長用基板1を除去するために、貼り合せウェハの成長用基板1側が表になるように研磨板に貼り付け、ラッピングにより成長用基板1を研磨していく。そして成長用基板1の残り厚さが所定の厚さ、例えば30μmとなったところで研磨をやめ、貼り合せウェハを研磨板から取り外し、貼り合せウェハから貼り付け用のワックスを除去後、エッチングにより完全に成長用基板1を除去する。なお、成長用基板1の除去は、上記のようにラッピングとエッチングとを組み合わせて行う方法に限らず、ラッピングのみによって行うこともできるし、エッチングのみによって行っても良い。
成長用基板1としてGaAs基板を用いている場合、GaAs用のエッチング液にはアンモニア水と過酸化水素水との混合液などを用いることができる。エッチングストップ層2を成長用基板1との界面に形成しておくことで、複雑な管理を必要とすることなく成長用基板1を完全に除去することができる。成長用基板であるGaAs基板1を除去した後、エッチング液を代えてエッチングストップ層2を除去する(図5(b))。エッチングストップ層2がGaInPにより形成される場合、塩酸系のエッチング溶液を用いると良い。
(Growth substrate removal, roughening process)
In order to remove the growth substrate 1 of the bonded wafer, the growth substrate 1 is bonded to a polishing plate so that the growth substrate 1 side of the bonded wafer is facing, and the growth substrate 1 is polished by lapping. Then, when the remaining thickness of the growth substrate 1 reaches a predetermined thickness, for example, 30 μm, the polishing is stopped, the bonded wafer is removed from the polishing plate, the wax for bonding is removed from the bonded wafer, and then completely etched. Then, the growth substrate 1 is removed. The removal of the growth substrate 1 is not limited to the method of combining lapping and etching as described above, but can be performed only by lapping or only by etching.
When a GaAs substrate is used as the growth substrate 1, a mixed solution of ammonia water and hydrogen peroxide water or the like can be used as an etching solution for GaAs. By forming the etching stop layer 2 at the interface with the growth substrate 1, the growth substrate 1 can be completely removed without requiring complicated management. After removing the GaAs substrate 1 as a growth substrate, the etching solution is changed and the etching stop layer 2 is removed (FIG. 5B). When the etching stop layer 2 is formed of GaInP, a hydrochloric acid-based etching solution may be used.

GaAs基板1及びエッチングストップ層2を除去した後、光取出し面3aとなる露出したn型クラッド層3の表面に対して粗面化を行う。粗面化には、例えば、フォトリソグラフィ技術を用いて、図6(a)に示すように、光取出し面3aに鋭角の先端部を有する錐伏の凹凸を形成するとよい。これにより半導体発光素子10の外部への光取出し効率の向上が図れる。
なお、図10に示すように、n型クラッド層3の粗面化された表面(光取出し面)3a上に、電流分散性を高めるために、ITO(酸化インジウムスズ)膜や金属薄膜等のような透光性を有する導電膜25を形成するのが好ましい。また、透光性を有する導電膜25を設けることで、粗面化された表面3aが保護されると共に、光取出し面の最表面がなだらかな波型の曲面になるので、レンズ効果による光取出し効率の向上も期待できる。
After removing the GaAs substrate 1 and the etching stop layer 2, the surface of the exposed n-type cladding layer 3 that becomes the light extraction surface 3a is roughened. For roughening, for example, as shown in FIG. 6A, concavity and convexity having an acute tip portion may be formed on the light extraction surface 3a by using a photolithography technique. Thereby, the light extraction efficiency to the outside of the semiconductor light emitting element 10 can be improved.
As shown in FIG. 10, an ITO (indium tin oxide) film, a metal thin film, or the like is formed on the roughened surface (light extraction surface) 3a of the n-type cladding layer 3 in order to improve current dispersion. It is preferable to form the conductive film 25 having such translucency. Further, by providing the light-transmitting conductive film 25, the roughened surface 3a is protected, and the outermost surface of the light extraction surface is a gentle wave-shaped curved surface. An improvement in efficiency can also be expected.

(素子分離及びダイシング工程)
次に、図6(b)に示すように、第1電極部16と第2電極部17との間に形成された素子分離用溝19の上方に位置する、半導体発光層6及び透明絶縁膜7をフォトリソグラフィ法およびエッチング法により除去し、素子分離用溝20を形成して、所定サイズの複数の半導体発光素子10に素子分離する。また、金属配線層31上に、パッド電極を形成する場合には、パッド電極を形成する領域の半導体発光層6等もエッチングして金属配線層31を露出させる。
各半導体発光素子10に分離した後、所定個数の半導体発光素子10を有する発光ダイオードとなるように、エッチングにより、所定の形状に半導体発光層6等に切断用の溝(図示せず)を形成し、この切断用の溝の位置でダイシングブレードによって基板30等の切断を行い、所定サイズの発光ダイオードに切り分ける。なお、半導体発光素子10の側面に低屈折率の透明絶縁膜を形成することで、半導体発光素子10の側面を保護すると共に、光取出し効率の向上を図るようにしてもよい。この透明絶縁膜には、例えば、SiO、SiNなどが用いられる。
その後、発光ダイオードをステム等に搭載する際に確実に固定できるようにするために、基板30の裏面にダイボンディング用の密着層34を形成する。
(Element isolation and dicing process)
Next, as shown in FIG. 6B, the semiconductor light emitting layer 6 and the transparent insulating film located above the element isolation trench 19 formed between the first electrode portion 16 and the second electrode portion 17. 7 is removed by a photolithography method and an etching method, and an element isolation groove 20 is formed to separate the plurality of semiconductor light emitting elements 10 having a predetermined size. When a pad electrode is formed on the metal wiring layer 31, the semiconductor light emitting layer 6 and the like in the region where the pad electrode is formed are also etched to expose the metal wiring layer 31.
After separating into each semiconductor light emitting element 10, a groove (not shown) for cutting is formed in the semiconductor light emitting layer 6 or the like in a predetermined shape by etching so as to become a light emitting diode having a predetermined number of semiconductor light emitting elements 10. Then, the substrate 30 or the like is cut by a dicing blade at the position of the cutting groove, and is cut into light-emitting diodes of a predetermined size. Note that a transparent insulating film having a low refractive index may be formed on the side surface of the semiconductor light emitting device 10 to protect the side surface of the semiconductor light emitting device 10 and improve the light extraction efficiency. For example, SiO 2 or SiN is used for the transparent insulating film.
Thereafter, an adhesion layer 34 for die bonding is formed on the back surface of the substrate 30 so that the light emitting diode can be securely fixed when mounted on the stem or the like.

[他の実施形態]
上記第1の実施形態では、複数の半導体発光素子10を直列に接続した発光ダイオード100について説明したが、複数の半導体発光素子10を並列に接続したり、或いは直列と並列を組み合わせて接続したりしても良い。図7(a)には、3個の半導体発光素子10が並列に接続された電極部・配線構造の例を示す。また、図7(b)には、図中、右側の直列接続の2つの半導体発光素子10と、左側の直列接続の2つの半導体発光素子10とが、並列に接続された電極部・配線構造の例を示す。
[Other Embodiments]
In the first embodiment, the light emitting diode 100 in which a plurality of semiconductor light emitting elements 10 are connected in series has been described. However, a plurality of semiconductor light emitting elements 10 are connected in parallel, or a combination of series and parallel is connected. You may do it. FIG. 7A shows an example of an electrode portion / wiring structure in which three semiconductor light emitting elements 10 are connected in parallel. FIG. 7B shows an electrode portion / wiring structure in which two semiconductor light emitting elements 10 connected in series on the right side and two semiconductor light emitting elements 10 connected in series on the left side are connected in parallel. An example of

上記実施形態では、複数の半導体発光素子10を直列や並列に接続した発光ダイオードについて説明したが、本発明の発光ダイオードは、図8に示すように、基板30上に1個の半導体発光素子10が形成された1素子タイプの発光ダイオードでも勿論よい。   In the above embodiment, a light emitting diode in which a plurality of semiconductor light emitting elements 10 are connected in series or in parallel has been described. However, the light emitting diode of the present invention has one semiconductor light emitting element 10 on a substrate 30 as shown in FIG. Of course, a one-element type light emitting diode in which is formed may be used.

また、図9に示すように、基板30に貫通孔(スルーホール)を形成し、当該貫通孔に導電性材料を充填することで、金属配線層31に電気的に接続される裏面コンタクト部35を形成しても良い。裏面コンタクト部35を採用することで、金属配線層31にパッド電極の領域を設ける必要がなくなり、発光ダイオードの小型化に寄与する。また、裏面コンタクト部35を有する構造では、ワイヤボンディングの工程が不要となり、電極部や配線の構造・接続のさらなる簡略化が可能となる。   Further, as shown in FIG. 9, a back contact portion 35 that is electrically connected to the metal wiring layer 31 by forming a through hole (through hole) in the substrate 30 and filling the through hole with a conductive material. May be formed. By employing the back contact portion 35, it is not necessary to provide a pad electrode region in the metal wiring layer 31, which contributes to downsizing of the light emitting diode. Further, in the structure having the back contact portion 35, the wire bonding step is not required, and the structure and connection of the electrode portion and the wiring can be further simplified.

また、上記実施形態の発光ダイオードは、基板上にAlGaInP系の半導体発光素子が形成されたものであったが、窒化ガリウム系の半導体発光素子が形成された発光ダイオードにも適用できる。この場合、例えば、成長用基板にサファイアを用いて、窒化ガリウム系の半導体発光層を形成する。
また、上記実施形態において、半導体発光層6のn型、p型の導電型を逆にして構成しても良い。
Further, although the light emitting diode of the above embodiment has an AlGaInP semiconductor light emitting element formed on a substrate, it can also be applied to a light emitting diode in which a gallium nitride semiconductor light emitting element is formed. In this case, for example, sapphire is used as a growth substrate to form a gallium nitride based semiconductor light emitting layer.
In the above embodiment, the n-type and p-type conductivity types of the semiconductor light emitting layer 6 may be reversed.

次に、本発明の実施例を説明する。   Next, examples of the present invention will be described.

本発明の上記第1の実施形態に係る発光ダイオードの構造に基づいて、実施例に係る発光ダイオード(LED)を製造した。
半導体発光素子は、n型のAlGaInPからなるn型クラッド層と、量子井戸構造からなる活性層(発光層)と、p型のAlGaInPからなるp型クラッド層とを有し、透明絶縁膜は、SiO膜から形成した。また、p型コンタクト部には、p型クラッド層側からAuBe層/Ni層/Au層を設けて形成した。n型コンタク卜部としては、n型クラッド層側から、AuGe層/Ni層/Au層を設けて形成した。n型コンタク卜部は、p型クラッド層及び活性層との側面側にSiOによる絶縁膜を設けて、p型クラッド層、活性層との絶縁性を確実にした。n側電極部及びp側電極部は、金属反射層としてはAu層を用い、拡散防止層(合金化抑止層)としてTi層を用い、接合用金属層としてAu層を用いた。また、粗面化されたn型クラッド層の表面である光取出し面には、透光性を有する導電膜として厚さ0.1μmのITO膜を形成した。
また、上記半導体発光素子と接合される、金属配線層を有する支持基板としては、100μm厚の高抵抗の絶縁性Si基板を用いた。金属配線層の密着層としてTi層を用い、接合用金属層としてAu層を用いた。Si基板の裏面にダイボンディング用の密着層として、Au層を形成した。なお、実施例のLEDは、Si基板上に1個の半導体発光素子が形成された1素子タイプのLEDとした。
Based on the structure of the light emitting diode according to the first embodiment of the present invention, a light emitting diode (LED) according to an example was manufactured.
The semiconductor light emitting device has an n-type cladding layer made of n-type AlGaInP, an active layer (light-emitting layer) made of a quantum well structure, and a p-type cladding layer made of p-type AlGaInP. It was formed from a SiO 2 film. Further, the p-type contact portion was formed by providing an AuBe layer / Ni layer / Au layer from the p-type cladding layer side. The n-type contact flange was formed by providing an AuGe layer / Ni layer / Au layer from the n-type cladding layer side. In the n-type contact flange portion, an insulating film made of SiO 2 was provided on the side surface side of the p-type cladding layer and the active layer to ensure insulation from the p-type cladding layer and the active layer. In the n-side electrode portion and the p-side electrode portion, an Au layer was used as the metal reflection layer, a Ti layer was used as the diffusion prevention layer (alloying suppression layer), and an Au layer was used as the bonding metal layer. An ITO film having a thickness of 0.1 μm was formed as a light-transmitting conductive film on the light extraction surface which is the surface of the roughened n-type cladding layer.
In addition, a high resistance insulating Si substrate having a thickness of 100 μm was used as a support substrate having a metal wiring layer bonded to the semiconductor light emitting device. A Ti layer was used as the adhesion layer of the metal wiring layer, and an Au layer was used as the bonding metal layer. An Au layer was formed on the back surface of the Si substrate as an adhesion layer for die bonding. In addition, LED of the Example was made into 1 element type LED with which one semiconductor light emitting element was formed on Si substrate.

半導体発光素子の素子サイズと発光出力などの関係を調べるために、半導体発光素子の素子サイズが異なる3種のLED(実施例1〜3)を作製した。実施例1の半導体発光素子の素子サイズは、上面視において500μm×500μmとし、実施例2の半導体発光素子の素子サイズは、1000μm×1000μmとし、実施例3の半導体発光素子の素子サイズは、2000μm×2000μmとした。
これら半導体発光素子の素子サイズの異なる3種類のLED(LEDチップ)を、AuSn共晶でTO−46金属ステム上にダイボンディングし、ボンディングワイヤで配線した。AuSnを用いたのは、ダイボンディングの熱抵抗が小さく、発光層からの熱を逃げやすくするためである。これらステム上に実装したLEDチップを、透明エポキシ樹脂によりモールドして評価用LEDを作製した。
In order to investigate the relationship between the element size of the semiconductor light emitting element and the light emission output, three types of LEDs (Examples 1 to 3) having different element sizes of the semiconductor light emitting element were produced. The element size of the semiconductor light emitting element of Example 1 is 500 μm × 500 μm in a top view, the element size of the semiconductor light emitting element of Example 2 is 1000 μm × 1000 μm, and the element size of the semiconductor light emitting element of Example 3 is 2000 μm. × 2000 μm.
Three types of LEDs (LED chips) having different element sizes of these semiconductor light emitting elements were die-bonded on a TO-46 metal stem with AuSn eutectic and wired with bonding wires. The reason why AuSn is used is that the thermal resistance of the die bonding is small and the heat from the light emitting layer is easily escaped. LED chips mounted on these stems were molded with a transparent epoxy resin to produce evaluation LEDs.

(比較例)
実施例との比較のために、図11に示すような、1000μm角の素子サイズのチップ片面に設けられた2つの電極211,212上にバンプ213が形成されたフリップチップ構造の半導体発光素子(LEDチップ)210を用い、基板215上の金属配線214にバンプ213を介して半導体発光素子210を実装し、比較例のLEDを作製した。この比較例のLEDを、実施例と同様に、TO−46金属ステムに実装し、透明エポキシ樹脂によりモールドして比較例の評価用LEDを製作した。
(Comparative example)
For comparison with the embodiment, as shown in FIG. 11, a semiconductor light emitting device having a flip chip structure in which bumps 213 are formed on two electrodes 211 and 212 provided on one side of a chip having an element size of 1000 μm square ( LED chip) 210 was used, semiconductor light emitting element 210 was mounted on metal wiring 214 on substrate 215 via bump 213, and a comparative LED was fabricated. The LED of this comparative example was mounted on a TO-46 metal stem in the same manner as in the example and molded with a transparent epoxy resin to produce a comparative evaluation LED.

上記実施例と比較例の評価用LEDに対して、光束・順方向電流特性の評価を行った。この評価では、積分球式評価システムを用い、評価用LEDをペルチェ素子によって温度制御された固定ジグにねじで固定して行った。   Evaluation of luminous flux / forward current characteristics was performed on the evaluation LEDs of the above examples and comparative examples. In this evaluation, an integrating sphere evaluation system was used, and the evaluation LED was fixed with a screw to a fixing jig whose temperature was controlled by a Peltier element.

図12に、実施例2のLEDと比較例のLEDとの光束・順方向電流特性を評価した結果を示す。
実施例2のLEDとバンブ方式の比較例のLEDとを比べると、順方向電流が400mA程度までの低電流域では、どちらも上部電極がないことから、光束の絶対値が高く、また光束と順方向電流の関係が直線的であって、ほぼ重なって同じ特性であることを示している(なお、発光素子の光取出し面に上部電極を有する、従来の上下電極構造のLEDチップでは、低電流域から既に発光出力(光束)が低い値を示しており、熱の逃げも悪いことから、光束が最大になる順方向電流の値も700mA程度であり、バンブ方式の比較例と比べても低い値であった)。
FIG. 12 shows the results of evaluating the luminous flux / forward current characteristics of the LED of Example 2 and the LED of the comparative example.
Comparing the LED of Example 2 and the LED of the comparative example of the bump method, in the low current region where the forward current is about 400 mA, both have no upper electrode, so the absolute value of the luminous flux is high, and the luminous flux This indicates that the forward current relationship is linear and has the same characteristics with almost overlapping (in addition, in a conventional LED chip having an upper electrode on the light extraction surface of the light emitting element, the low current is low Since the light emission output (luminous flux) has already shown a low value from the current range and the heat escape is also poor, the forward current value at which the luminous flux is maximized is also about 700 mA, even compared with the comparative example of the bump method. Low value).

ところが、順方向電流が400mAを過ぎると、図12に示すように、二つのLEDの間には光束の差が生じ、電流が大きくなるほど光束の差は大きくなり、実施例2のLEDの方がバンブ方式の比較例に比べ、明らかに光束が高い特性を示している。また光束がピークを示す電流の値も、実施例のLEDの方が高くなっており、光束のピーク値も実施例のLEDの方が約20%ほど高い値を示している。
このことは、電流を流している時のLEDチップからの熱の逃げが、実施例の方が優れていることを示している。さらに、活性層温度をΔVf法(順方向電圧の温度依存性を利用したジャンクション温度判定法)により測定したところ、どちらのLEDチップでも、光束のピークを示しているときの活性層温度が同じであることを確認した。
However, when the forward current exceeds 400 mA, a difference in luminous flux occurs between the two LEDs as shown in FIG. 12, and the difference in luminous flux increases as the current increases. Compared with the comparative example using the bump method, the luminous flux is clearly higher. The current value at which the luminous flux shows a peak is also higher for the LED of the example, and the peak value of the luminous flux is about 20% higher for the LED of the example.
This indicates that the heat release from the LED chip when a current is flowing is superior to the embodiment. Furthermore, when the active layer temperature was measured by the ΔVf method (junction temperature determination method using the temperature dependence of the forward voltage), the active layer temperature when the peak of the luminous flux was the same in both LED chips was the same. I confirmed that there was.

図13には、素子サイズが異なる実施例1〜3のLEDの光束・順方向電流特性の測定結果を示す。また、表1に、実施例1〜3の素子サイズ(μm)、および測定時の動作電流(mA)、光束(lm)および動作電圧(V)を示す。なお、表1には、実施例1〜実施例3の半導体発光素子に流れる電流密度が同じになるように動作電流を流したときの光束を記載した。   FIG. 13 shows the measurement results of the luminous flux / forward current characteristics of the LEDs of Examples 1 to 3 having different element sizes. Table 1 shows the element size (μm) of Examples 1 to 3, the operating current (mA), the luminous flux (lm), and the operating voltage (V) at the time of measurement. Table 1 shows the luminous fluxes when the operating current was applied so that the current densities flowing in the semiconductor light emitting devices of Examples 1 to 3 were the same.

Figure 2012054423
Figure 2012054423

図13に示すように、素子サイズが大きくなると、光束と電流が直線性を示す領域も高
電流域まで広がり、また光束がピークを示す電流値も高くなっていくことがわかる。また、表1より、2000μm角の実施例3のLEDチップでは、2Aの大電流駆動でも66.7(lm/W)の良好な発光効率を得られることがわかる。
As shown in FIG. 13, it can be seen that as the element size increases, the region where the light flux and the current are linear also extends to the high current region, and the current value at which the light flux exhibits a peak also increases. Table 1 also shows that the LED chip of Example 3 having a 2000 μm square can obtain good light emission efficiency of 66.7 (lm / W) even when driven at a large current of 2 A.

図14に、実施例2のLEDの光束ばらつきと、バンブ方式の比較例のLEDの光束ばらつきのヒストグラムを示す。図14は、Siウエハ面上に多数のLED(LEDチップ)を形成し、Siウエハ面内でのLEDチップの光束ばらつきの結果を示すものである。本実施例の構造のLEDに比べ、バンブ方式の比較例のLEDは、光束ばらつきが大きく、しかも低輝度に分布が広がっているとともに、低輝度側にバラバラと散らばって低い輝度のLEDが現れている。この輝度の低いLEDに対して信頼性試験を行ったところ、寿命が短いことが確認された。更に、比較例のLEDチップ表面の発光強度分布を測定してみると、バンプ接合場所の数箇所に暗部が確認され、バンプの接合がうまくいかなかったところで活性層に欠陥が発生していることがわかった。   FIG. 14 shows a histogram of the light flux variation of the LED of Example 2 and the light flux variation of the LED of the comparative example of the bump system. FIG. 14 shows the result of the variation in luminous flux of LED chips in the Si wafer surface when a large number of LEDs (LED chips) are formed on the Si wafer surface. Compared with the LED of the structure of this embodiment, the LED of the comparative example of the bump method has a large variation in luminous flux, and the distribution spreads to low luminance, and LEDs with low luminance appear scattered scattered on the low luminance side. Yes. When a reliability test was performed on the low-luminance LED, it was confirmed that the lifetime was short. Furthermore, when the emission intensity distribution on the surface of the LED chip of the comparative example is measured, dark portions are confirmed at several locations of bump bonding, and defects are generated in the active layer where the bump bonding is not successful. I understood.

1 成長用基板
3 第2半導体層(n型クラッド層)
3a 光取出し面
4 活性層
5 第1半導体層(p型クラッド層)
6 半導体発光層
7 透明絶縁膜(SiO膜)
10 半導体発光素子
11 第2コンタクト部(n型コンタクト部)
12 第1コンタクト部(p型コンタクト部)
13 金属反射層
14 拡散防止層
15 貼り合せ層(接合用金属層)
16 第1電極部(p側電極部)
17 第2電極部(n側電極部)
18 離間領域(電極分離用溝)
19 離間領域(素子分離用溝)
20 素子分離用溝
25 透光性を有する導電膜
30 基板
31 金属配線層
33 接合用金属層
35 裏面コンタクト部
100 発光ダイオード
1 Growth substrate 3 Second semiconductor layer (n-type cladding layer)
3a Light extraction surface 4 Active layer 5 First semiconductor layer (p-type cladding layer)
6 Semiconductor light emitting layer 7 Transparent insulating film (SiO 2 film)
10 Semiconductor Light Emitting Element 11 Second Contact Part (n-type Contact Part)
12 First contact part (p-type contact part)
13 Metal reflection layer 14 Diffusion prevention layer 15 Bonding layer (metal layer for bonding)
16 1st electrode part (p side electrode part)
17 2nd electrode part (n side electrode part)
18 Separation area (electrode separation groove)
19 Separation region (element isolation groove)
20 element isolation trench 25 translucent conductive film 30 substrate 31 metal wiring layer 33 bonding metal layer 35 back contact portion 100 light emitting diode

Claims (9)

基板と、
前記基板上に配設される金属配線層と、
前記金属配線層上に設けられる半導体発光素子と、を有し、
前記半導体発光素子は、
1辺が450μm以上であり、
前記基板側から順に、第1半導体層、活性層、第2半導体層を備えた半導体発光層と、
前記半導体発光層の前記基板側に設けられる透明絶縁膜と、
前記透明絶縁膜の前記基板側に離間領域を介して設けられ、前記金属配線層と電気的に接続される第1電極部及び第2電極部と、を有し、
前記第1電極部は、前記透明絶縁膜を貫通して設けられる第1コンタク卜部により前記第1半導体層と電気的に接続され、
前記第2電極部は、前記透明絶縁膜、前記第1半導体層、及び前記活性層を貫通して設けられる第2コンタクト部により前記第2半導体層と電気的に接続される、
ことを特徴とする発光ダイオード。
A substrate,
A metal wiring layer disposed on the substrate;
A semiconductor light emitting device provided on the metal wiring layer,
The semiconductor light emitting element is
One side is 450 μm or more,
In order from the substrate side, a semiconductor light emitting layer including a first semiconductor layer, an active layer, and a second semiconductor layer;
A transparent insulating film provided on the substrate side of the semiconductor light emitting layer;
A first electrode portion and a second electrode portion that are provided on the substrate side of the transparent insulating film via a separation region and are electrically connected to the metal wiring layer;
The first electrode part is electrically connected to the first semiconductor layer by a first contact part provided through the transparent insulating film,
The second electrode part is electrically connected to the second semiconductor layer by a second contact part provided through the transparent insulating film, the first semiconductor layer, and the active layer.
A light emitting diode characterized by that.
前記金属配線層上には、複数の前記半導体発光素子が設けられていることを特徴とする請求項1に記載の発光ダイオード。   The light emitting diode according to claim 1, wherein a plurality of the semiconductor light emitting elements are provided on the metal wiring layer. 前記第1電極部及び/又は前記第2電極部は、金属反射層を備えていることを特徴とする請求項1または2に記載の発光ダイオード。   The light emitting diode according to claim 1 or 2, wherein the first electrode part and / or the second electrode part includes a metal reflective layer. 前記第1電極部と前記第2電極部との間の前記離間領域には、絶縁物が設けられていることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の発光ダイオード。   The light emitting diode according to any one of claims 1 to 3, wherein an insulator is provided in the separation region between the first electrode portion and the second electrode portion. 前記第1電極部及び前記第2電極部は貼り合わせ層を有し、前記貼り合せ層を介して前記金属配線層と接合されていることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の発光ダイオード。   The said 1st electrode part and the said 2nd electrode part have a bonding layer, and are joined to the said metal wiring layer via the said bonding layer. Light emitting diode. 前記第2半導体層の上記活性層側とは反対側の面は、粗面化加工された光取出し面であることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の発光ダイオード。   6. The light emitting diode according to claim 1, wherein the surface of the second semiconductor layer opposite to the active layer is a light extraction surface subjected to a roughening process. 前記第2コンタク卜部は、前記第2電極部上に設けられ、前記第1半導体層及び前記活性層に対して絶縁するための絶縁材料と、前記絶縁材料に覆われるように設けられるAu系材料とからなることを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の発光ダイオード。   The second contact hole part is provided on the second electrode part, and is provided with an insulating material for insulating from the first semiconductor layer and the active layer, and an Au-based material provided so as to be covered with the insulating material. The light-emitting diode according to claim 1, wherein 前記金属配線層は、複数の前記半導体発光素子を直列接続するパターンに形成されていることを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載の発光ダイオード。   The light emitting diode according to claim 1, wherein the metal wiring layer is formed in a pattern in which a plurality of the semiconductor light emitting elements are connected in series. 前記光取出し面には、透光性の導電膜が形成されていることを特徴とする請求項6〜8のいずれかに記載の発光ダイオード。   The light-emitting diode according to claim 6, wherein a translucent conductive film is formed on the light extraction surface.
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