JP2004200277A

JP2004200277A - 複合発光素子

Info

Publication number: JP2004200277A
Application number: JP2002364863A
Authority: JP
Inventors: Tomio Inoue; 登美男井上
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2002-12-17
Filing date: 2002-12-17
Publication date: 2004-07-15

Abstract

【課題】放熱特性を向上させる複合発光素子を提供する。
【解決手段】透明基板上に積層した半導体薄膜層の一方の面に一対の電極４，５を形成したＧａＮ系化合物を有する半導体発光素子２と、半導体発光素子２の下側に配置され、上面に２つの電極７，８を備え、２つの電極７，８に半導体発光素子２の一対の電極をそれぞれ導通状態に接合したサブマウント素子３とを備え、このサブマウント素子３の熱伝導率を、１２５Ｗ／ｍ・Ｋ以上とした複合発光素子であり、サブマウント素子３の熱伝導率を１２５Ｗ／ｍ・Ｋ以上にしたので、放熱特性が向上する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、放熱特性に優れた複合発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＧａＮ，ＧａＡｌＮ，ＩｎＧａＮおよびＩｎＡｌＧａＮ等のＧａＮ系化合物半導体を利用した青色発光の発光ダイオード（以下、「ＬＥＤ」と記す）は、一般に絶縁性のサファイアを基板とし、この基板に積層した化合物半導体の表面側にｐ側およびｎ側の電極を形成し、これらの電極面を表面実装するいわゆるフリップチップ型の発光素子として用いられる。このようなフリップチップ型の発光素子は、基板のサファイアが光透過性であるため、基板を発光方向側に向かせた姿勢として導通基板に実装し、基板の表面（電極形成面と反対側）を主光取出し面として使うことができる。そして、近来では、発光素子のチップを機器の導通基板に実装搭載するのに代えて、たとえばツェナーダイオードによる静電気保護を目的としたＳｉサブマウント素子に搭載した半導体発光素子が有効な発光源として利用されている。
【０００３】
図５（Ａ）、（Ｂ）に示すように、従来の複合発光素子７０は、Ｓｉサブマウント素子７１上に、半導体発光素子７２を搭載し、蛍光体を含有した樹脂ペースト７６でモールドしたものである。
【０００４】
Ｓｉサブマウント素子７１は、ｎ型シリコン基板を素材としたもので、一部からｐ型不純物イオンを注入して拡散させて、図５（Ｂ）に点線で示すように、ｐ型半導体領域を部分的に形成しツェナーダイオードとしたものである。ｎ型半導体領域に相当する部分にｎ側電極及びｐ型半導体領域に相当する部分にｐ側電極をそれぞれ形成している。すなわち電極７３は、Ｓｉサブマウント素子７１の素子搭載面に拡がってワイヤボンディング領域を形成し、電極７４は、Ｓｉサブマウント素子７１の素子搭載面とは逆側面のＡｕ電極７５にｎ型半導体領域を介して接続されている。
【０００５】
半導体発光素子７２は従来例と同様にＧａＮ系化合物半導体を用いた青色発光のフリップチップ型のものであって、サファイアの基板にｐ型層及びｎ型層を積層するとともに、これらの層の表面にｐ側電極及びｎ側電極を蒸着法によって形成したものである。そして、この半導体発光素子７２をマイクロバンプ７７，７８を介してＳｉサブマウント素子上に搭載接合させる。Ｓｉサブマウント素子７１（ツェナーダイオード）は、半導体発光素子７２と逆極性に接続することによって静電気保護の機能を付加することができる。
【０００６】
すなわち、このような逆極性の接続によって、電極７３，７４に高電圧による過電流が印加されたときには、半導体発光素子７２に印加される逆方向電圧はＳｉサブマウント素子７１の順方向電圧付近すなわち０．９Ｖでバイパスが開く。また、半導体発光素子７２に印加される順方向電圧はＳｉサブマウント素子７１のツェナー電圧Ｖｚを１０Ｖ付近に設定することにより、その電圧でバイパスが開き、それぞれ過電流が逃がされる。したがって、静電気による半導体発光素子７２の破壊を確実に防ぐことができる。
【０００７】
Ｓｉサブマウント素子７１はその底面のｎ側電極７５が実装基板７９の配線パターン上に導通搭載され、その上面のｐ側電極７３が実装基板の配線パターンにワイヤ（図示せず）ボンディングされる。
【０００８】
半導体発光素子７２のｐ側電極は、マイクロバンプ７８、Ｓｉサブマウント素子７１のｎ型半導体領域、裏側の電極７５を介して実装基板７９の配線パターンに電気的に接続され、またｎ側電極はマイクロバンプ７７、Ｓｉサブマウント素子７１のｐ側電極７３、そしてワイヤを介して配線パターンに電気的に接続されている。このような導通構造によって、電源側と複合発光素子７０とが導通し、通電によって活性層からの発光が得られる。
【０００９】
なお、半導体発光素子７２の活性層から発生する熱は、マイクロバンプ７７，７８を介してＳｉサブマウント素子７１に移動し、さらに電極７５を介して実装基板７９に移動する。
【００１０】
近年では、複合発光素子に流す電流をＩ_F＝２０ｍＡから１００ｍＡに増やして、輝度を増加させようとしている。
【００１１】
なお、このような複合発光素子として、例えば、特許文献１に示すものがある。
【００１２】
【特許文献１】
特開２０００−２０８８２２号公報（第２−１１頁、第２図）
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、Ｉ_F＝１００ｍＡの大電流になると、一般的な砲弾型ＬＥＤやチップＬＥＤでは放熱特性が十分でないため、熱による発光効率の低下や信頼性の低下が著しい。
【００１４】
また、サブマウント素子の材料としてアルミナセラミックを用いることもあったが、この場合には放熱特性が悪化する傾向にあった。
【００１５】
図６は、ＬＥＤデバイスに流す電流と輝度（Ｉ_F＝２０ｍＡのときの輝度を１００％として表した相対輝度）の関係をプロットしたグラフである。図６において、Ａは、図５で示す従来の複合発光素子７０を用いたチップ型ＬＥＤのパッケージ、Ｂは、従来から用いられている砲弾型ＬＥＤ（鉄製リードフレームを使用したもの）のパッケージを、それぞれ表したものである。
【００１６】
従来のパッケージＡ，Ｂでは、サブマウント素子に熱伝導率のよいＳｉを用いても相対輝度は電流とともに飽和し、Ｉ_F＝１００ｍＡでは輝度が大きく下がってしまうことがわかる。これは、従来のパッケージは駆動電流がＩ_F＝２０ｍＡ程度であることを念頭に設計されたものであるからである。
【００１７】
また、図６のＤは、パッケージの放熱の影響をなくすために、図５で示す従来の複合発光素子７０を用いたチップ型ＬＥＤのパッケージに対して、銅のブロックで治具を作製し、放熱が十分に行われるようにしたものである。このように構成することにより、パッケージＤは、Ｉ_F＝１００ｍＡでの相対輝度の低下がなくなっている。また、電流をＩ_F＝２０ｍＡの５倍にしたときには、相対輝度は３倍になっていることがわかる。
【００１８】
これに対して、図６のＣは、サブマウント素子としてアルミナセラミックを用いたものである。パッケージＣの相対輝度は、Ｉ_F＝１００ｍＡ以上では飽和して下がりかけた状態となっており、このときの輝度はＩ_F＝２０ｍＡのときの２．２倍にしかなっていない。
【００１９】
これらの結果から分かるように、パッケージの放熱を十分に考慮しても、サブマウント素子の種類によってＩ_F＝１００ｍＡのときの輝度は、大きく左右されるという問題がある。ここで、Ｓｉの熱伝導率は、常温で１２５Ｗ／ｍ・Ｋ、セラミックサブマウントの熱伝導率は、常温でＳｉの４分の１程度の３３Ｗ／ｍ・Ｋである。
【００２０】
そこで本発明は、放熱特性を向上させ、大電流時の輝度を向上させる複合発光素子を提供することを目的とする。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
本発明の複合発光素子においては、サブマウント素子の熱伝導率を常温で１２５Ｗ／ｍ・Ｋ以上としたものである。複合発光素子に流す電流をＩ_F＝１００ｍＡまで増加させるときに、熱伝導率が３３Ｗ／ｍ・Ｋのアルミナセラミックを用いた場合は、途中で輝度が飽和し、さらに電流を増加させると輝度が減少してしまうが、熱伝導率が常温で１２５Ｗ／ｍ・ＫのＳｉサブマウント素子を用いた場合は、電流の増加とともに輝度が向上する。また、電流を、一般の複合発光素子で使用されている電流量Ｉ_F＝２０ｍＡの５倍にすると、相対輝度が３倍以上になる。
【００２２】
従って、この発明によれば、半導体発光素子から発生する熱が迅速に移動し、放熱特性がよく、流す電流に応じて光量を増加させる複合発光素子が得られる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１に記載の発明は、透明基板上に積層した半導体薄膜層の一方の面に一対の電極を形成したＧａＮ系化合物を有する半導体発光素子と、前記半導体発光素子の下側に配置され、上面に２つの電極を備え、前記２つの電極に前記半導体発光素子の前記一対の電極をそれぞれ導通状態に接合したサブマウント素子とを備え、このサブマウント素子の熱伝導率を、常温で１２５Ｗ／ｍ・Ｋ以上とした複合発光素子であり、サブマウント素子の熱伝導率を１２５Ｗ／ｍ・Ｋ以上にしたので、放熱特性が向上するという作用を有する。
【００２４】
ここで、熱伝導率を１２５Ｗ／ｍ・Ｋ以上に限定したのは、１２５Ｗ／ｍ・Ｋより小さい場合にはＩ_F＝１００ｍＡまで電流を増加させた場合に輝度が途中で飽和してしまうためであり、１２５Ｗ／ｍ・Ｋ以上にすることにより、電流の増加とともに輝度を向上させることができ、また、Ｉ_F＝２０ｍＡのときの輝度の３倍以上の輝度を得ることができるからである。
【００２５】
なお、常温とは、５〜２５℃の範囲をいうものとする。
【００２６】
請求項２に記載の発明は、前記半導体発光素子を、前記サブマウント素子上に複数設け、それぞれの前記一対の電極を、前記サブマウント素子の前記２つの電極に直接又は補助配線を介して接合したことを特徴とする請求項１に記載の複合発光素子としたものであり、複数の半導体発光素子を設けるので、光量が増加し、また、サブマウント素子を大型化して放熱経路を１つにまとめることができるという作用を有する。
【００２７】
請求項３に記載の発明は、前記サブマウント素子は、ＳｉまたはＳｉＣを主成分とする結晶基板からなり、上面にｎ型半導体領域とｐ型半導体領域を形成したダイオードで、前記２つの電極は前記ｎ型半導体領域に形成されたｎ側電極とｐ型半導体領域に形成されたｐ側電極からなり、下面には絶縁膜を形成したことを特徴とする請求項１または２に記載の複合発光素子としたものであり、サブマウント素子がＳｉまたはＳｉＣを主成分とする結晶基板からなるので、熱伝導率を高くできると共にツェナーダイオードを形成でき、逆極性に接続することにより発光素子の静電気保護を行うことができるという作用を有する。また、下面に絶縁膜を形成したので、放熱経路と導電経路を分離するという作用を有する。
【００２８】
請求項４に記載の発明は、前記サブマウント素子は、ＳｉまたはＳｉＣを主成分とする結晶基板、またはＡｌ、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇまたはこれらの合金からなる金属基板で、上面に絶縁膜を形成し、この絶縁膜の上に前記２つの電極を形成したことを特徴とする請求項１または２に記載の複合発光素子としたものであり、サブマウント素子がＳｉまたはＳｉＣを主成分とする結晶基板、またはＡｌ、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇまたはこれらの合金からなる金属基板からなるので、熱伝導率を高くできるという作用を有する。特に、金属基板を用いたときの熱伝導率は２００Ｗ／ｍ・Ｋにすることができる。
【００２９】
また、上面に絶縁膜を形成したので、放熱経路と導電経路を分離するという作用を有する。
【００３０】
請求項５に記載の発明は、前記サブマウント素子は、ＡｌＮを主成分とするセラミック基板で、上面に前記２つの電極を形成したことを特徴とする請求項１または２に記載の複合発光素子としたものであり、サブマウント素子が、ＡｌＮを主成分とするセラミック基板からなるので、熱伝導率を高くでき、絶縁膜を別途設けなくても容易に絶縁を行って放熱経路と導電経路を分離することができるという作用を有する。
【００３１】
以下、本発明の実施の形態について、図１から図４を用いて説明する。
【００３２】
（実施の形態１）
図１（Ａ）は本発明の第１の実施の形態に係る複合発光素子の平面図、（Ｂ）は同複合発光素子の正面図である。
【００３３】
図１（Ａ）、（Ｂ）に示すように、複合発光素子１は、半導体発光素子２と、これを搭載したサブマウント素子３とを有している。
【００３４】
半導体発光素子２は、サファイアの透明基板上にｎ型及びｐ型のＧａＮ系化合物半導体薄膜層を積層したＧａＮ系青色発光素子で、積層した半導体薄膜層の下面（一方の面）に一対の電極（ｐ電極とｎ電極）４，５をそれぞれ形成している。半導体発光素子２は、サブマウント素子３の上面の長手方向両側に備えられた２つの電極７，８にそれぞれ接続されている。そして、蛍光体を含有した樹脂ペースト１２で一体的にモールドされ白色に発光する。なお、一対の電極（ｎ電極とｐ電極）４，５は、平面視して、樹脂ペースト１２と同じ程度の大きさに形成されている。
【００３５】
サブマウント素子３は、ＳｉまたはＳｉＣを主成分とする結晶基板からなり、上面にｎ型半導体領域とｐ型半導体領域を形成したダイオードで、ｎ型半導体領域に形成されたｎ側電極７とｐ型半導体領域に形成されたｐ側電極８を備え、この２つの電極７，８に半導体発光素子２の一対の電極４，５を接合し、上面及び下面には例えばＳｉＯ₂からなる絶縁膜６，９を形成している。サブマウント素子の熱伝導率は、１２５Ｗ／ｍ・Ｋ以上である。
【００３６】
半導体発光素子２から発生する熱は、サブマウント素子３を介して絶縁膜９の下側に設けられる他の部材に伝達される。一方、電流は、ｎ側電極７及びｐ側電極８から図示しないワイヤを介して他の回路に流れる。このように、放熱経路と導電経路を別に設けているので、複合発光素子の温度上昇を防止することができ、また、ノイズの発生を防止することができる。
【００３７】
（実施の形態２）
図２（Ａ）は第２の実施の形態に係る複合発光素子の平面図、（Ｂ）は同複合発光素子の正面図、（Ｃ）は同複合発光素子に用いられるサブマウント素子の平面図である。
【００３８】
図２に示すように、第２の実施の形態に係る複合発光素子１３は、サブマウント素子１４上に４つの半導体発光素子２を設け、各半導体発光素子２のそれぞれ一対の電極４，５を、サブマウント素子１４の２つの電極１５，１６に補助配線１７を介して２つずつ並列に接続している。そして、サブマウント素子１４の裏面には、絶縁膜１８が設けられている。
【００３９】
４つの半導体発光素子２を１つのサブマウント素子１４上に配置するので、輝度を向上させることができる。
【００４０】
なお、サブマウント素子上の補助配線をなくして両電極の形状を変え、４つの半導体発光素子を１つずつ並列に接続することができ、また、補助配線の数を増やして両電極の形状を変え、４つの半導体発光素子を直列に接続することも可能である。
【００４１】
（実施の形態３）
図３（Ａ）は本発明の第３の実施の形態に係る複合発光素子の平面図、（Ｂ）は同複合発光素子の正面図である。
【００４２】
第３の実施の形態に係る複合発光素子１９のサブマウント素子２０は、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇまたはこれらの合金からなる金属基板で、上面に絶縁膜２１を形成し、この絶縁膜の上に２つの電極２２，２３を形成したもので、他の部分の構造は、前述した第１の実施の形態に係る複合発光素子１と同じであるので、同一部材には同一番号を付して説明は省略する。
【００４３】
複合発光素子１９を金属基板で形成することによって、サブマウント素子の熱伝導率は、２００Ｗ／ｍ・Ｋ以上になる。
【００４４】
（実施の形態４）
図４（Ａ）は本発明の第４の実施の形態に係る複合発光素子の平面図、（Ｂ）は同複合発光素子の正面図である。
【００４５】
第４の実施の形態に係る複合発光素子２４のサブマウント素子２５は、ＡｌＮを主成分とするセラミック基板で、上面に２つの電極２６，２７を形成したもので、他の部分の構造は、前述した第１の実施の形態に係る複合発光素子１と同じであるので、同一部材には同一番号を付して説明は省略する。
【００４６】
複合発光素子２４をＡｌＮを主成分とするセラミック基板で形成することによって、サブマウント素子の熱伝導率は、１２５Ｗ／ｍ・Ｋ以上になる。また、絶縁膜を別途設ける必要がなくなる。
【００４７】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、次の効果を奏する。
【００４８】
（１）サブマウント素子の熱伝導率を１２５Ｗ／ｍ・Ｋ以上にしたので、放熱特性が向上して、流す電流に応じて光量を増加させることができる複合発光素子が得られる。
【００４９】
（２）複数の半導体発光素子を設けることにより、１つの複合発光素子が発する光量を増加させ、また、サブマウント素子を大型化して放熱経路を１つにまとめることができ、部品点数を少なくすることができる。
【００５０】
（３）サブマウント素子を、ＳｉまたはＳｉＣを主成分とする結晶基板で構成すると、熱伝導率を高くして電流量に応じた輝度を得ることができ、また、ダイオードを形成できるので、発光素子と逆極性に接続することにより静電気保護機能を付加することができる。
【００５１】
（４）下面に絶縁膜を形成することにより、放熱経路と導電経路を分離してノイズを減らすことができる。
【００５２】
（５）サブマウント素子をＡｌ、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇまたはこれらの合金からなる金属基板で構成することにより、熱伝導率を高くして電流量に応じた輝度を得ることができる。特に金属基板の場合には、熱伝導率を２００Ｗ／ｍ・ｋ以上にすることができ、大電流時の輝度をさらに向上させることができる。
【００５３】
（６）サブマウント素子をＡｌＮを主成分とするセラミック基板で構成することにより、熱伝導率を高くして電流量に応じた輝度を得ることができ、絶縁膜を別途設けなくても容易に絶縁を行って放熱経路と導電経路を分離してノイズを減らすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ）は本発明の第１の実施の形態に係る複合発光素子の平面図
（Ｂ）は同複合発光素子の正面図
【図２】（Ａ）は本発明の第２の実施の形態に係る複合発光素子の平面図
（Ｂ）は同複合発光素子の正面図
（Ｃ）は同複合発光素子に用いられるサブマウント素子の平面図
【図３】（Ａ）は本発明の第３の実施の形態に係る複合発光素子の平面図
（Ｂ）は同複合発光素子の正面図
【図４】（Ａ）は本発明の第４の実施の形態に係る複合発光素子の平面図
（Ｂ）は同複合発光素子の正面図
【図５】（Ａ）は従来例に係る複合発光素子の平面図
（Ｂ）は同複合発光素子の正面図
【図６】半導体発光装置の順方向電流に対する相対輝度の関係を示すグラフ
【符号の説明】
１複合発光素子
２半導体発光素子
３サブマウント素子
４，５電極（半導体発光素子の電極）
６絶縁膜
７ｎ側電極
８ｐ側電極
９絶縁膜
１２樹脂ペースト
１３複合発光素子
１４サブマウント素子
１５，１６電極（ｎ側電極、ｐ側電極）
１７補助配線
１８絶縁膜
１９複合発光素子
２０サブマウント素子
２１絶縁膜
２２，２３電極（ｎ側電極、ｐ側電極）
２４複合発光素子
２５サブマウント素子
２６，２７電極（ｎ側電極、ｐ側電極）

Claims

透明基板上に積層した半導体薄膜層の一方の面に一対の電極を形成したＧａＮ系化合物を有する半導体発光素子と、
前記半導体発光素子の下側に配置され、上面に２つの電極を備え、前記２つの電極に前記半導体発光素子の前記一対の電極をそれぞれ導通状態に接合したサブマウント素子とを備え、
このサブマウント素子の熱伝導率を、常温で１２５Ｗ／ｍ・Ｋ以上としたことを特徴とする複合発光素子。
前記半導体発光素子を、前記サブマウント素子上に複数設け、それぞれの前記一対の電極を、前記サブマウント素子の前記２つの電極に直接又は補助配線を介して接合したことを特徴とする請求項１に記載の複合発光素子。
前記サブマウント素子は、ＳｉまたはＳｉＣを主成分とする結晶基板からなり、上面にｎ型半導体領域とｐ型半導体領域を形成したダイオードで、前記２つの電極は前記ｎ型半導体領域に形成されたｎ側電極とｐ型半導体領域に形成されたｐ側電極からなり、下面には絶縁膜を形成したことを特徴とする請求項１または２に記載の複合発光素子。
前記サブマウント素子は、ＳｉまたはＳｉＣを主成分とする結晶基板、またはＡｌ、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇまたはこれらの合金からなる金属基板で、上面に絶縁膜を形成し、この絶縁膜の上に前記２つの電極を形成したことを特徴とする請求項１または２に記載の複合発光素子。
前記サブマウント素子は、ＡｌＮを主成分とするセラミック基板で、上面に前記２つの電極を形成したことを特徴とする請求項１または２に記載の複合発光素子。