JP2004356237A

JP2004356237A - 半導体発光素子

Info

Publication number: JP2004356237A
Application number: JP2003149894A
Authority: JP
Inventors: Takanori Akeda; 孝典明田; Nobuyuki Takakura; 信之高倉; Kazunari Kuzuhara; 一功葛原; Masaharu Yasuda; 正治安田
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2003-05-27
Filing date: 2003-05-27
Publication date: 2004-12-16

Abstract

【課題】発光素子の放熱性を高めて光の取り出し効率を向上することができる半導体発光素子を提供すること。
【解決手段】発光する光に対して透明性を有する基板１と、基板１の一方の面に少なくともｎ型とｐ型の窒化ガリウム系化合物半導体層３，５と、ｐ型半導体層５に設けられたｐ層電極７と、ｐ型半導体層５の一部を除去して露出させたｎ型半導体層３に設けられたｎ層電極６と、を備え、ｐ層電極７及びｎ層電極６のうち、少なくともｐ層電極７は、その露出面に貫通孔８３を有する絶縁層８２と、貫通孔８３に埋設された熱伝導部８１と、絶縁層８２に積層されて熱伝導部８１と固着するとともに熱的に接続された放熱層８とを有する半導体発光素子。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体発光素子に関し、特に半導体層に電圧を印加するための電極をそれぞれ基板の同一面側に形成した構造を有する半導体発光素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の半導体発光素子として、例えば、特開平１１−４０８４８号公報（特許文献１）に提案されているものがあり、これを図４に示す。図４は側面断面図である。このものは、発光する光に対して透光性を有するサファイアからなる支持基板１０１に窒化ガリウム（ＧａＮ）からなるバッファ層１０２を積層し、次いでｎ型の導電型を有するＧａＮ層１０３及び窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）からなる発光層１０４とを順に積層し、さらにｐ型の導電型を有する窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）層１０５ａ及びＧａＮ層１０５ｂを順に積層したダブルへテロ構造をなしている。
【０００３】
このうち、ｎ型の導電型を有するＧａＮ層１０３は、発光層１０４、ｐ型ＡｌＧａＮ層１０５ａ、ｐ型ＧａＮ層１０５ｂの一部及び除去された発光層１０４の直下にあるｎ型ＧａＮ層１０３の表層を除去することにより階段状に形成されており、その露出した部位には、チタン（Ｔｉ）、金（Ａｕ）、マグネシウム（Ｍｇ）からなるｎ電極１０６が形成されている。
【０００４】
また、ｐ型の導電型を有するＧａＮ層１０５ｂの上面には、マグネシウム（Ｍｇ）、金（Ａｕ）からなるｐ電極１０７が形成されている。
【０００５】
さらに、このｎ電極１０６及びｐ電極１０７に金（Ａｕ）からなるバンプ１０８が形成されている。
【０００６】
そして、ダイボンド部材（図示せず）とバンプ１０８とを溶着してこの半導体発光素子をフリップチップ接合することにより、発光層１０４から放射される光を支持基板１０１側から直接取り出すことができる構造になっている。
【０００７】
【特許文献１】
特開平１１−４０８４８号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような半導体発光素子において、バンプ１０８は、ｐ型の導電型を有するＧａＮ層１０５ｂの一部の領域にのみｐ電極１０７を介して形成されているため、素子内部で発生した熱の伝導効率が比較的低く、放熱性を十分に高めることは困難であった。
【０００９】
本発明は、上記の点に鑑みてなしたものであり、その目的とするところは、発光素子の放熱性を高めて光の取り出し効率を向上することができる半導体発光素子を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に係る発明の半導体発光素子は、発光する光に対して透明性を有する基板と、前記基板の一方の面に少なくともｎ型とｐ型の窒化ガリウム系化合物半導体を有してなる半導体層と、前記ｐ型半導体層に設けられてｐ型半導体層と電気的に導通してなるｐ層電極と、所定の領域の少なくとも前記ｐ型半導体層の一部を除去して露出させたｎ型半導体層に設けられてｎ型半導体層と電気的に導通してなるｎ層電極と、を備え、前記ｐ層電極及び前記ｎ層電極のうち、少なくともｐ層電極は、その露出面に貫通孔を有する絶縁層と、前記貫通孔に埋設された熱伝導部と、前記絶縁層に積層されて前記熱伝導部と固着するとともに熱的に接続された放熱層とを有することを特徴としている。
【００１１】
この構成により、半導体発光素子の内部で発生した熱を放熱層へ熱伝導部を介して効率よく移動させて放熱することができるので、発光効率の低下を抑制することができて光の取り出し効率を向上することができる。
【００１２】
請求項２に係る発明の半導体発光素子は、請求項１記載の構成において、請求項１に記載の半導体発光素子において、前記絶縁層は、発光する光に対して透明性を有するとともに、前記熱伝導部及び前記放熱層は、その絶縁層と当接する界面の光の反射率が発光する光に対して８５％以上であるものとしている。
【００１３】
この構成により、ｐ層電極で反射されずに透過してきた光をこの熱伝導部或いは放熱層で反射することができるので、より光の取り出し効率を向上することができる。
【００１４】
請求項３に係る発明は、請求項１又は２に記載の半導体発光素子において、前記放熱層は、その前記絶縁層に当接した面と反対側に位置する面に複数の凹部を有しているものとしている。
【００１５】
この構成により、放熱層の表面積が増加して半導体発光素子の内部で発生した熱をより効率よく放熱することができるので、発光効率の低下を抑制することができて光の取り出し効率をさらに向上することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
［第１の実施形態］
第１の実施形態に係る半導体発光素子を図１に基づいて説明する。図１（ａ）はその平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ線に沿って切断したときの断面図である。
【００１７】
この半導体発光素子１は、支持基板２と、ｎ型半導体層３と、活性層４と、ｐ型半導体層５と、ｎ層電極６と、ｐ層電極７と、放熱層８とを主要構成要素としている。
【００１８】
支持基板２は、後述する各半導体層を積層するための支持部材となるものであり、半導体発光素子１から放射される光に対する透光性と電気的な絶縁性を有する、例えば、サファイアにて形成されている。また、支持基板２の一方の面にはバッファ層２１が積層されている。
【００１９】
このバッファ層２１は、支持基板２にこれとは格子定数の異なるｎ型半導体層３を成長させる場合において、その両者間での格子不整合を減少させて接合界面近傍での結晶性を改善し、良質なｎ型半導体層３を形成させるためのものであり、例えば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）にて形成されて支持基板２に直接積層している。
【００２０】
ｎ型半導体層３は、半導体発光素子１においてその内部に比較的多量の電子を存在させるためのものであり、ｎ型コンタクト層３１とｎ型クラッド層３２とから構成されている。
【００２１】
このうち、ｎ型コンタクト層３１は、例えば、窒化ガリウム（ＧａＮ）にて形成されており、バッファ層２１に直接積層されている。また、ｎ型クラッド層３２と比較して、例えば、シリコン（Ｓｉ）からなるドナーを多く注入することにより高キャリア濃度に形成しており、後述するｎ層電極６との接触界面における接触障壁（ショットキーバリア）を小さくしてｎ型コンタクト層３１とｎ層電極６との間でオーミック接触を実現している。また、このものは、平面視においてｎ型クラッド層３２より幅広に形成することにより、ｎ型コンタクト層３１を積層した際にその一部の領域が露出する接続部３３を設けてｎ層電極６を載置させている。
【００２２】
一方、ｎ型クラッド層３２は、発光効率の観点から後述する活性層４と比較してバンドギャップエネルギーを大きくする必要があり、例えば、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）にて形成しており、ｎ型コンタクト層３１に直接積層されている。このものは、平面視において接続部３３の形状がｎ型コンタクト層３１に沿って凹凸をなす形状、例えば、本実施形態では櫛歯状となるように形成している。したがって、接続部３３と相対するｎ型クラッド層３２の縁部３４の平面視における形状は、接続部３３と噛合する櫛歯状となっている。
【００２３】
これにより、ｎ型半導体層３は、断面視において支持基板２と平行な面を２つ有した階段形状をなしている。
【００２４】
活性層４は、ｎ型半導体層３と後述するｐ型半導体層５とからそれぞれ注入された電子及び正孔をこの内部で再結合させて光を生成するものであり、例えば、不純物を注入しないニュートラルな窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）にて形成している。このものは、ｎ型クラッド層３２上に直接積層されており、前述した縁部３４は、活性層４側から見てもｎ型クラッド層３２との境界となる。
【００２５】
ｐ型半導体層５は、半導体発光素子１においてその内部に比較的多量の正孔を存在させるためのものであり、ｐ型クラッド層５１とｐ型コンタクト層５２とから構成されている。
【００２６】
このうち、ｐ型クラッド層５１は、ｎ型クラッド層３２同様、発光効率の観点から活性層４と比較してバンドギャップエネルギーを大きくする必要があり、例えば、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）にて形成しており、活性層４に直接積層されている。また、前述した縁部３４は、ｐ型クラッド層５１側から見てもｎ型クラッド層３２との境界となる。
【００２７】
一方、ｐ型コンタクト層５２は、例えば、窒化ガリウム（ＧａＮ）にて形成されており、活性層４に直接積層されている。また、ｐ型クラッド層５１と比較して、例えば、マグネシウム（Ｍｇ）からなるアクセプタを多く注入することにより高キャリア濃度に形成しており、後述するｐ層電極７との接触界面における接触障壁（ショットキーバリア）を小さくしてｐ型コンタクト層５２とｐ層電極７との間でオーミック接触を実現している。また、前述した縁部３４は、ｐ型コンタクト層５２側から見てもｎ型クラッド層３２との境界となる。
【００２８】
ｎ層電極６は、外部から供給される電力を各半導体層に供給するためのものであり、例えば、クロム（Ｃｒ）、タンタル（Ｔａ）、バナジウム（Ｖ）に金（Ａｕ）を積層した２層構造としており、半導体発光素子１の隅角の接続部３３上に直接積層されている。また、その形状は略四角形状をしており、その高さ（図１の上下方向）は、ｎ層電極６の露出面が後述するｐ層電極７の露出面と略同一平面上にあるよう、すなわち、本実施形態の半導体発光素子１をフリップチップ実装したときにリードフレーム等のマウント部材（図示せず）に対して略水平になるように形成している。
【００２９】
ｐ層電極７は、ｎ層電極６と同様に外部から供給される電力を各半導体層３，４，５に供給するためのものであり、例えば、パラジウム（Ｐｄ）、クロム（Ｃｒ）に金（Ａｕ）を積層した２層構造としており、ｐ型コンタクト層５２の略全面に直接積層されている。
【００３０】
放熱層８は、半導体発光素子１で発生した熱を外部へ放出するためのものであり、熱抵抗の比較的小さい、すなわち、熱伝導率の比較的大きい、例えば金（Ａｕ）（熱伝導率は２９３Ｗ／ｍＫ程度）にて形成している。このものは、ｎ層電極６とｐ層電極７とにそれぞれ電気的に独立させて設けており、後述する熱伝導部８１を介してそれぞれの電極に接合されている。また、その大きさは、ｎ層電極６と接合された放熱層８においては、平面視におけるｎ層電極６と略同じ大きさであり、ｐ層電極７と接合された放熱層８においては、ｐ型コンタクト層５２と略同じ大きさである。
【００３１】
熱伝導部８１は、半導体発光素子１で発生した熱を放熱層８へ伝導させるものであり、放熱層８と同じく金（Ａｕ）にて形成している。このものは、半導体発光素子１の電極形成面側の露出面に設けられた、例えばシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２）からなる発光する光に対して透明性を有する絶縁層８２と各電極６，７とがそれぞれ当接する領域に形成された複数の貫通孔８３の内方に形成している。これにより、放熱層８は、結果的に熱伝導部８１及び絶縁層８２を介して各電極６，７上に形成される。また、熱伝導部８１の平面視における形状は略円形をしており、その厚さは２〜１０μｍ程度であって絶縁層８２の厚さと略同等としている。
【００３２】
次に、その製造方法について説明する。なお、半導体発光素子１のｎ層電極６及びｐ層電極７までの製造方法は、公知技術を用いているので説明を省略する。
【００３３】
まず、ＣＶＤ法を用いてシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２）からなる絶縁層８２を形成した後、絶縁層８２上に感光性樹脂を塗布して所定のパターンを転写し、ｎ層電極６及びｐ層電極７上の貫通孔８３となる位置のレジストを除去する。
【００３４】
次いで、貫通孔８３となる位置の絶縁層８２をエッチングにより除去してｎ層電極６及びｐ層電極７の一部を露出させた後、蒸着を施して金（Ａｕ）を絶縁層８２上に堆積させ、熱伝導部８１及び放熱層８を形成する。
【００３５】
そして、放熱層８を研磨してその表面を均一にした後、ｎ層電極６の直上の放熱層８をｎ層電極６の大きさと略同等の大きさに分割してｐ層電極７上の放熱層８と電気的に絶縁することにより半導体発光素子１が完成する。
【００３６】
以上説明した第１の実施形態の半導体発光素子１によると、ｎ層電極６及びｐ層電極７の露出面と各半導体層３，４，５の露出面に絶縁層８２を設け、また、発光する光に対して透明性を有するシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２）からなる絶縁層８２とｎ層電極６及びｐ層電極７との当接する領域に複数の貫通孔８３を形成し、その内部に比較的熱伝導率の高い金（Ａｕ）からなる熱伝導部８１と、その上部に熱伝導部８１と一体形成された放熱層８とを有しているので、通電時に半導体発光素子１の内部で発生した熱を放熱層８へ熱伝導部８１を介して効率よく移動させて放熱することができ、その結果、発光効率の低下を抑制することができて光の取り出し効率を向上することができる。
【００３７】
なお、貫通孔８３は、絶縁層８２に複数形成したものに限定されるものではなく、ｎ層電極６及びｐ層電極７と当接する領域であればその個数及び形状は適宜設計できるものである。例えば、図２に示すように、貫通孔８３をｎ層電極６及びｐ層電極７と略同等の大きさに形成してもよく、この場合、半導体発光素子１から放熱層８への熱伝導の経路が大きくなり放熱効率が向上するため好ましい。
【００３８】
また、熱伝導部８１及び放熱層８は、金（Ａｕ）に限定されるものではなく、例えば、アルミニウム（Ａｌ）（熱伝導率は２２６Ｗ／ｍＫ程度）等の金属材料で形成してもよい。このアルミニウム（Ａｌ）は、半導体発光素子１で発光した光に対して９５％程度の反射率があり、ｐ層電極７で反射されずに透過してきた光をこの熱伝導部８１或いは放熱層８で反射することができ、より光の取り出し効率を向上させることができるため好ましい。
【００３９】
また、本実施形態では各半導体層３，４，５の平面視における形状を櫛歯状としているが、特にこの形状に限定されるものではない。
【００４０】
［第２の実施形態］
第２の実施形態に係る半導体発光素子を図３に基づいて説明する。図３は半導体発光素子の断面図である。
【００４１】
この実施形態の半導体発光素子は、放熱層９が第１の実施形態と異なるものであり、他の構成要素は第１の実施形態のものと実質的に同一であるので、同一部材には同一の番号を付して説明を省略する。
【００４２】
本実施形態の放熱層９は、絶縁層８２と当接した面とは反対側に位置する面に複数の凹凸部９１を形成していることが第１の実施形態と異なっている。その凹凸部９１は、例えば、前述した放熱層８の研磨時に形成している。その形状は、断面視においてのこぎり歯状となるように形成している。
【００４３】
以上説明した本実施形態の半導体発光素子によると、放熱層９は、その絶縁層８２に当接した面と反対側に位置する面に凹凸部９１を有しているので、放熱層８の表面積が増加して通電時に半導体発光素子１の内部で発生した熱をより効率よく放熱することができる。その結果、発光効率の低下を抑制することができて光の取り出し効率をさらに向上することができる。
【００４４】
【発明の効果】
本発明の半導体発光素子によれば、ｎ層電極及びｐ層電極と熱的に接続された熱導電部と放熱層を有することにより、通電時に半導体発光素子の内部で発生した熱を効率よく移動させて発光素子外部へ放熱することができ、その結果、発光効率の低下を抑制して光の取り出し効率を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る半導体発光素子を示すものであり、（ａ）はその平面図、（ｂ）はＡ−Ａ線に沿って切断したときの断面図である。
【図２】同上の他の実施形態に係る半導体発光素子を示す断面図である。
【図３】本発明の第２の実施形態に係る半導体発光素子を示す断面図である。
【図４】従来の半導体発光素子の全体概略平面図である。
【符号の説明】
１半導体発光素子
２基板
３ｎ型半導体層
４活性層
５ｐ型半導体層
６ｎ層電極
７ｐ層電極
８放熱層
８１熱伝導部
８２絶縁層
８３貫通孔
９放熱層
９１凹凸部

Claims

発光する光に対して透明性を有する基板と、前記基板の一方の面に少なくともｎ型とｐ型の窒化ガリウム系化合物半導体を有してなる半導体層と、前記ｐ型半導体層に設けられてｐ型半導体層と電気的に導通してなるｐ層電極と、所定の領域の少なくとも前記ｐ型半導体層の一部を除去して露出させたｎ型半導体層に設けられてｎ型半導体層と電気的に導通してなるｎ層電極と、を備え、
前記ｐ層電極及び前記ｎ層電極のうち、少なくともｐ層電極は、その露出面に貫通孔を有する絶縁層と、前記貫通孔に埋設された熱伝導部と、前記絶縁層に積層されて前記熱伝導部と固着するとともに熱的に接続された放熱層とを有することを特徴とする半導体発光素子。
前記絶縁層は、発光する光に対して透明性を有するとともに、前記熱伝導部及び前記放熱層は、その絶縁層と当接する界面の光の反射率が発光する光に対して８５％以上である請求項１に記載の半導体発光素子。
前記放熱層は、その前記絶縁層に当接した面と反対側に位置する面に複数の凹凸部を有している請求項１又は２に記載の半導体発光素子。