JP2004006468A

JP2004006468A - 半導体発光装置

Info

Publication number: JP2004006468A
Application number: JP2002159071A
Authority: JP
Inventors: Hidemi Takeishi; 武石　英見; Hidenori Kamei; 亀井　英徳
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2002-05-31
Filing date: 2002-05-31
Publication date: 2004-01-08

Abstract

【課題】放熱性が高く、かつ発光ダイオードと支持体の接着強度の強い窒化物半導体よりなるフリップチップタイプの半導体発光装置を提供する。
【解決手段】発光ダイオードのｐ電極のほぼ全面を、絶縁膜を介さずに導電性材料によって支持体の正電極に接着することにより、発光層近傍で発生した熱をｐ電極のほぼ全面から直接に導電性材料を介して、支持体の正電極に伝達させる。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、窒化物半導体からなる発光素子を有する発光装置に関し、特に、発光ダイオードチップが、正電極と負電極を有する支持体に、フリップチップで実装されている半導体発光装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、窒化物半導体は、高輝度青色および緑色発光ＬＥＤ、紫外ＬＤ等の発光ダイオードとして注目されている。
【０００３】
市販されている窒化物半導体の発光ダイオードは、主にサファイア基板上に、窒化物半導体層を成長し、その発光ダイオードの窒化物半導体層側にｐ電極およびｎ電極を形成する構成からなる。そのため、前記両電極が発光ダイオードの発光層からの光を吸収し、光の取り出し効率を低下させているだけでなく、サファイア基板の熱伝導率が、他の材料よりなる半導体基板に比較して悪いため、発光ダイオードから発生する熱を逃がし難く、発光ダイオードの特性が劣化し易いという問題点があった。
【０００４】
近年では、窒化物半導体の発光ダイオードのさらなる高出力化が求められ、それに伴って発光層およびその近傍における動作時の発熱量も増加してくるため、実装された発光ダイオードの放熱特性のさらなる改善が望まれている。
【０００５】
そこで、サファイア基板上の窒化物半導体の発光ダイオードを、正電極と負電極を有する支持体上にフリップチップで接着する構造とすることにより、サファイア基板側から、光を取り出すと共に、発光ダイオードから支持体へと熱を逃がし、発光ダイオードの放熱特性を向上させる提案がなされている。
【０００６】
例えば、特開平２００１−３５８３７１号公報には窒化物半導体の発光ダイオードと支持体を接着し、発光ダイオードチップの放熱効果を改善した例が開示されている。
【０００７】
これは、図３に示されるように、基板１の上に、ｎ型窒化物半導体層２、活性層３、ｐ型窒化物半導体層４を順次に積層させた後、ｐ型窒化物半導体層４の一部をエッチングで除去し、ｎ型窒化物半導体層２を表面に露出させている。
【０００８】
そして、ｎ電極５は露出したｎ型窒化物半導体層２の一部に形成され、ｐ電極６はｐ型窒化物半導体層４を実質的に覆うように形成され、そのｐ電極６の表面の一部にｐパッド電極７を形成することによって構成される。
【０００９】
また、ｎ電極５とｐパッド電極７の上を除いては、ｐとｎの電極間および電極と半導体層間の短絡を防止するための絶縁膜８が形成されている。
【００１０】
このように構成された窒化物半導体の発光ダイオードチップは、図４に示されるように、ｎ電極５とｐパッド電極７が各々導電性材料９によって、正電極１０および負電極１１を有する支持体１２に接着される。
【００１１】
ここで、導電性材料９はｐ電極上の絶縁膜８と正電極１０の間に充填しており、互いに対向するｐ電極６と正電極１０との間で、絶縁膜８および導電性材料９を介して熱が伝達され、ｐパッド電極７とｎ電極５のみで支持体１２の正電極１０と負電極１１へ接着した従来の発光装置に比較して、発光ダイオードチップからの放熱が改善されることが示されている。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の方法では、発光ダイオードチップと支持体１２とは、導電性材料９で接着されているものの、ｐ電極６と導電性材料９の間に絶縁膜８が存在する。このため、絶縁膜８が形成された領域からの放熱効率は、絶縁膜８が熱の流れにとって障害となるため、ｐパッド電極７からの放熱効率に比較して低下するといった問題がある。
【００１３】
また、絶縁膜８が形成された領域では発光ダイオードチップと支持体１２との接着強度は弱くなり、発光ダイオードチップが支持体１２から剥離しやすいといった問題も発生する。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の窒化物半導体の発光装置の構成について鋭意検討を行った。その結果、発光ダイオードのｐ電極のほぼ全面を、導電性材料を用いて、支持体の正電極に接着することにより、発光ダイオードからの放熱特性を従来よりも改善できることを見出した。
【００１５】
以上のように本発明に係る窒化物半導体の発光装置では、発光層近傍で発生した熱を、ｐ電極のほぼ全面から直接に導電性材料を介して、支持体の正電極側に伝達することにより、絶縁膜を介して放熱させる従来の方法に比較して発光ダイオードの放熱効果を高めることができ、発光ダイオードの特性劣化を抑制することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
請求項１に記載の発明は、基板上に、ｎ型窒化物半導体層、発光層、ｐ型窒化物半導体層が順次に積層され、前記ｐ型窒化物半導体層の上に形成されたｐ電極と、前記ｐ型窒化物半導体層と前記発光層の一部を除去して前記ｎ型窒化物半導体層を露出させた領域上に形成されたｎ電極と、を有する発光ダイオードが、少なくとも正電極と負電極を有する支持体に、前記ｐ電極と前記ｎ電極をそれぞれ前記正電極と前記負電極に接続させてフリップチップで搭載されている半導体発光装置であって、前記ｐ電極のほぼ全面が、導電性材料によって前記正電極に接着されていることを特徴とする半導体発光装置であり、発光層近傍で発生した熱をｐ電極のほぼ全面から直接に導電性材料を介して、支持体の正電極に伝達することができるので、従来よりも発光ダイオードの放熱効果を高めることができるという作用を有する。
【００１７】
また、ｐ電極のほぼ全面が、絶縁膜を介さずに支持体の正電極と導電性材料のみで接着されるので、発光ダイオードと支持体との接着強度を高めることができるという作用を有する。
【００１８】
請求項２に記載の発明は、前記導電性材料がはんだであることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光装置であり、正電極に対して、ｐ電極のほぼ全面を均一に接着することができるという作用を有する。
【００１９】
請求項３に記載の発明は、前記はんだがＡｕ、Ａｇ、Ｓｉ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｉｎのいずれかを含むことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体発光装置であり、正電極に対して、ｐ電極のほぼ全面を均一に接着することができるという作用を有する。
【００２０】
請求項４に記載の発明は、前記導電性材料が前記正電極または前記ｐ電極上に蒸着された薄膜であることを特徴とする請求項１から請求項３に記の半導体発光装置であり、正電極またはｐ電極に、ｐ電極のほぼ全面が覆われる程度の大きさで、導電性材料を蒸着し、発光ダイオードを接着することにより、正電極に対して、ｐ電極のほぼ全面を均一に接着することができるという作用を有する。
【００２１】
また、ｐ電極とほぼ同一の形状で接着することができるため、接着面積をさらに大きくできるため、発光ダイオードの放熱効果をより高めることができるという作用を有する。
【００２２】
請求項５に記載の発明は、前記ｐ電極の前記正電極に接着されている面積が、前記ｐ電極の表面積の８０％以上であることを特徴とする請求項１から請求項４に記載の半導体発光装置の製造方法であり、発光ダイオードの放熱効果を高めることができるという作用を有する。
【００２３】
請求項６に記載の発明は、前記支持体がＳｉ、ＳｉＣ、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｃｕ、ＣｕＷ、ＢＮ、ＰＢＮ、ＡｌＮ、ダイヤモンドのいずれかであることを特徴とする請求項１から請求項５に記載の半導体発光装置であり、発光ダイオードからの熱を効率よく支持体へと伝達することができるという作用を有する。
【００２４】
請求項７に記載の発明は、前記発光装置の熱抵抗が２００℃／Ｗ以下であることを特徴とする請求項１から請求項６に記載の半導体発光装置であり、発光ダイオードの放熱効果を高めることができるという作用を有する。
【００２５】
以下に、本発明の実施の形態について具体例を、図面を参照しながら説明する。
【００２６】
ここで、図１は本発明の実施の形態１に係る発光ダイオードチップの断面図である。
【００２７】
まず、基板１上にｎ型の窒化物半導体層２（以下「ｎ層２」と略称する。）、活性層３、ｐ型の窒化物半導体層４（以下「ｐ層４」と略称する。）を順次に積層し、発光ダイオードの構造とする。
【００２８】
ｎ層２上にｎ電極を形成するために、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング装置）等によるドライエッチングあるいはウェットエッチングを用いて、ｐ層４、活性層３、ｎ層２をエッチングし、ｎ層２の表面の一部を露出させる。そして、フォトリソグラフィとウェットエッチングを用いて、ｐ層４上にｐ電極６を、エッチングによって露出したｎ層２上にｎ電極５を形成する。
【００２９】
このようにして得られた発光ダイオードのウエハーの基板１側を研磨した後、スクライバーやダイサー等を用いて、チップに分離する。そして、図２に示すように、ｐ電極６及びｎ電極５を導電性材料９を介して、それぞれ支持体１２の正電極１０及び負電極１１にフリップチップにて接着させる。このようにして、ｐ電極６のほぼ全面を支持体の正電極１０に接着することができる。
【００３０】
導電性材料は、Ｐｂ−Ｓｎ、Ｉｎ−Ｓｎ、Ｓｎ−Ｐｄ、Ｓｎ−Ｚｎ、Ｓｎ−Ｃｕ、Ｐｂ−Ａｇ−Ｓｎ、Ｉｎ−Ａｇ−Ｐｂ、Ａｇ−Ｐｄ、Ａｕ−Ｇｅ、Ａｕ−Ｓｉ、Ａｕ−Ｓｎ等を用いることができ、少なくともＡｕ、Ａｇ、Ｓｉ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｉｎのいずれかの材料を含むことが望ましい。
【００３１】
このような導電性材料は、厚さ数μｍから数１０μｍの固形はんだの薄片、ペースト状はんだ、固形はんだの薄膜を用いることができる。
【００３２】
また、導電性材料は、正電極上またはｐ電極上に、ｐ電極の領域内に入る大きさで形成され、正電極上またはｐ電極上に、導電性材料を形成する方法としては、次の４つが挙げられる。
【００３３】
１・正電極上またはｐ電極上に、直接固形はんだの薄片を載せる。
【００３４】
２・正電極上またはｐ電極上に、ペースト状はんだを用いてスタンピングを行う。
【００３５】
３・正電極上またはｐ電極上に、ペースト状はんだを用いてスクリーニング印刷を行う。
【００３６】
４・正電極またはｐ電極上に、固形はんだを蒸着し、薄膜とする。
【００３７】
この後は、ｐ電極と正電極を圧着して加熱することによって、発光ダイオードと支持体を接着することができる。
【００３８】
また、ｎ電極の接着に関しては、上述のような方法で実施してもよいし、バンプを用いてもよい。
【００３９】
以上のように、導電性材料を用いて、発光ダイオードと支持体を接着する際には、ｐ電極の正電極に接着されている面積が、ｐ電極の表面積の８０％以上であることが望ましい。前記面積が８０％よりも小さい場合は、支持体への放熱効果が十分得ることができない。
【００４０】
次に、前記支持体はＳｉ、ＳｉＣ、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｃｕ、ＣｕＷ、ＢＮ、ＰＢＮ、ＡｌＮ、ダイヤモンド等の絶縁材料、あるいは導電性材料を用いることができる。この中でも特に、ダイヤモンドは熱伝導性に優れており、支持体の材料としては有効である。
【００４１】
さらに、発光ダイオードと支持体の接着部の熱抵抗を２００℃／Ｗ以下とする前記発光装置により、従来のフリップチップ型発光装置に比較して、発光ダイオードからの放熱効果を高めることができる。
【００４２】
【実施例】
以下に、本発明の半導体発光装置の具体例について、図面を参照しながら説明する。
【００４３】
（実施例１）
まず、図１に示すように、厚さ４００μｍ、径２インチφ、（０００１）面を主面としたＧａＮよりなる基板１、をＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長）装置内に挿入し、前記ＧａＮの基板１上にＳｉドープＧａＮクラッド層および、アンドープＡｌＧａＮ層を順次に積層したｎ層２、ＩｎＧａＮの活性層３、Ｍｇド−プＡｌＧａＮ層とＭｇド−プＡｌＧａＮコンタクト層を順次に積層したｐ層４を順次に積層した。
【００４４】
このようにして形成した窒化物半導体の全面に、ＳｉＯ_２を形成し、ウエットエッチでマスクパターンを形成した後、塩素系ガスを用いたＲＩＥにより、ＳｉドープＧａＮクラッド層の表面を露出させた。その後、ＮｉおよびＡｕを蒸着してｎ電極５を前記ＳｉドープＧａＮクラッド層上に形成し、最後にリフトオフによって白金および金をＭｇド−プＡｌＧａＮコンタクト層上に蒸着することにより、発光ダイオードを形成した。
【００４５】
また、ｐ電極６とｎ電極５を除く領域では絶縁膜８を形成してもよい。
【００４６】
このようにして形成されたウエハーは、基板１の裏面を鏡面研磨して１００μｍ程度にまで薄くし、スクライブによって３５０μｍ□のチップ状に分離した。
【００４７】
図５は、支持体１２に発光ダイオードチップを接着する際に、はんだを用いた場合のはんだの位置を示す発光装置の天面図（断面図は図２）である。
【００４８】
支持体１２には、ダイヤモンド板に正電極１０および負電極１１が形成されたものを用いた。支持体の材料としては、他にも、Ｓｉ、ＳｉＣ、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｃｕ、ＣｕＷ、ＢＮ、ＰＢＮ、ＡｌＮ等を用いてもよい。
【００４９】
はんだに関しては、Ｓｎ−Ａｇを、スタンピングを用いて、正電極１０のＡの位置および、負電極１１のＢの位置に長方形状に形成した。
【００５０】
このように、スタンピングの場合、他にもＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｂｉ−Ｉｎ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ｐｂ−Ｉｎ−Ｓｂ−Ａｇ等のペースト状はんだを使用することができる。
【００５１】
また、スクリーニング印刷ではんだを形成する場合も同様に、上述のペ−スト状はんだを用いることができる。
【００５２】
また、固形はんだの薄片を１０のＡの位置および、負電極１１のＢの位置に載せてもよい。
【００５３】
上述の方法で形成したはんだの上に発光ダイオードチップを、チップの割れや欠けが発生しない程度の圧力で押圧しながら搭載した。そして、加熱してはんだを溶融させることにより、図６（断面図は図２）のＣの領域およびＤの領域に示すように、ｐ電極６およびｎ電極５の約８０％がはんだで接着された発光装置を作製した。
【００５４】
また、はんだは先にチップのｐ電極６側に接着した後に、支持体１２の正電極１０に接着することもできる。一方、ｎ電極５の接着は、はんだだけではなく、バンプを用いて接着することもできる。
【００５５】
以上のようにして発光装置を計３個作製し、熱抵抗を測定した結果、１５０〜２００℃／Ｗであった。また、図４に示す従来構造のように、ｐパット電極７およびｎ電極５を除いた領域に絶縁膜８を形成した場合、計３個作製した発光装置の熱抵抗は３００〜３５０℃／Ｗであった。
【００５６】
このように、発光ダイオードのｐ電極６の８０％を、絶縁膜８を介すことなく、はんだによって直接に支持体１２の正電極１０に接着した発光装置によって、発光ダイオードの放熱特性を従来よりも高めることができた。
【００５７】
また、少なくともｐ電極６およびｎ電極５上に絶縁膜８が形成されていないことにより、発光ダイオードと支持体１２は強固に接着され、従来のフリップチップタイプの発光装置に比較して、発光ダイオードと支持体との接着強度が向上した。
【００５８】
（実施例２）
実施例１と同様の方法で、発光ダイオードのチップを形成した後、図７（断面図は図２）に示すようにＥの領域およびＦの領域にＡｕ−Ｓｎを蒸着し、発光ダイオードを圧着して融着することによって、支持体１１の正電極１０上に接着した。
【００５９】
ここで、ｐ電極６と正電極１０の接着部分の面積は、ｐ電極６の面積の約９０％であった。
【００６０】
この場合、計５個作製した発光装置の熱抵抗は１００〜１４０℃／Ｗとなり、発光ダイオードの放熱効果をさらに高めることができた。
【００６１】
（実施例３）
実施例２と同様の方法で、図７のＥの領域のＡｕ−Ｓｎの蒸着する面積を変え、ｐ電極６と正電極１０の接着部分の面積が、ｐ電極６の面積のそれぞれ６０％、７０％、８０％、の３通りで発光装置を作製した。
【００６２】
この場合、それぞれ５個ずつ作製した発光装置の熱抵抗は、前記接着部分の面積の小さい発光装置から順に、３００〜３４０℃／Ｗ、２５０〜２８０℃／Ｗ、１５０〜２００℃／Ｗであった。
【００６３】
実施例２の結果も合わせて、図８にはｐ電極面積に対するｐ電極接着面積の比（百分率）と熱抵抗との関係のグラフを示す。これより、正電極１０に接着されている面積が、ｐ電極６の面積の８０％以上であれば、従来よりも、発光ダイオードの放熱効果を大幅に改善することができた。
【００６４】
【発明の効果】
本発明により以下の効果を奏することができる。
【００６５】
発光ダイオードのｐ電極のほぼ全面を、導電性材料によって支持体の正電極に接着することにより、発光層近傍で発生した熱をｐ電極のほぼ全面から直接に導電性材料を介して、支持体の正電極に伝達することができるので、従来よりも発光ダイオードの放熱効果を高めることができる。
【００６６】
また、ｐ電極のほぼ全面が、絶縁膜を介さずに支持体の正電極に接着されているので、発光ダイオードと支持体との接着強度を従来よりも高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１に係る発光ダイオードチップの断面図
【図２】本発明の実施の形態１に係る発光装置の断面図
【図３】従来の技術に示す発光ダイオードの断面図
【図４】従来の技術に示す発光装置の断面図
【図５】本発明の実施例１に係る接着前の発光装置の天面図
【図６】本発明の実施例１に係る接着後の発光装置の天面図
【図７】本発明の実施例２に係る接着前の発光装置の天面図
【図８】本発明の実施例２に係るｐ電極面積に対するｐ電極接着面積の比（百分率）と熱抵抗の関係を示すグラフ
【符号の説明】
１　基板
２　ｎ層
３　活性層
４　ｐ層
５　ｎ電極
６　ｐ電極
７　ｐパット電極
８　絶縁膜
９　導電性材料
１０　正電極
１１　負電極
１２　支持体

Claims

基板上に、ｎ型窒化物半導体層、発光層、ｐ型窒化物半導体層が順次に積層され、前記ｐ型窒化物半導体層の上に形成されたｐ電極と、前記ｐ型窒化物半導体層と前記発光層の一部を除去して前記ｎ型窒化物半導体層を露出させた領域上に形成されたｎ電極と、を有する発光ダイオードチップが、少なくとも正電極と負電極を有する支持体に、前記ｐ電極と前記ｎ電極をそれぞれ前記正電極と前記負電極に接続させてフリップチップで搭載されている半導体発光装置であって、前記ｐ電極のほぼ全面が、導電性材料によって前記正電極に接着されていることを特徴とする半導体発光装置。
前記導電性材料がはんだであることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光装置。
前記はんだがＡｕ、Ａｇ、Ｓｉ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｉｎのいずれかを含むことを特徴とする請求項１または請求項２いずれか１記載の半導体発光装置。
前記導電性材料が前記正電極または前記ｐ電極上に蒸着された薄膜であることを特徴とする請求項１から請求項３いずれか１記載の半導体発光装置。
前記ｐ電極の前記正電極に接着されている面積が、前記ｐ電極の表面積の８０％以上であることを特徴とする請求項１から請求項４いずれか１記載の半導体発光装置。
前記支持体がＳｉ、ＳｉＣ、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｃｕ、ＣｕＷ、ＢＮ、ＰＢＮ、ＡｌＮ、ダイヤモンドのいずれかであることを特徴とする請求項１から請求項５いずれか１記載の半導体発光装置。
前記発光装置の熱抵抗が２００℃／Ｗ以下であることを特徴とする請求項１から請求項６いずれか１記載の半導体発光装置。