JP2005051233A - 半導体発光装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、放熱効率を向上させた半導体発光装置およびその製造方法を提供する。
【解決手段】発光層近傍で発生した熱を、ｐ型電極１１のほぼ全面から直接に導電性材料１７等を介して、支持体２３の正電極１９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素子の放熱効果を高めることができ、発光素子の特性劣化を抑制することができる。
さらに、支持体２３と正電極１９との間にも絶縁膜を極力、設けないことにより、発光素子から正電極に伝達された熱を支持体全面に急速に伝達でき、放熱効果をより高めることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光素子がフリップチップ接合されてなる半導体発光装置に関する。

現在、化合物半導体は、高輝度青色および緑色発光ＬＥＤ、紫外ＬＤ等の発光素子として注目されている。

近年では、化合物半導体の発光素子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、実装された発光素子の放熱特性が重要視されている。

従来の半導体発光装置としては、化合物半導体の発光素子と支持体をフリップチップ接合により接着し、発光素子の放熱効果を向上させているものがあった（例えば、特許文献１参照。）。

図３は、上記特許文献１に記載された従来の半導体発光装置の断面図を示す。図３において、発光素子は、基板１の上に、ｎ型化合物半導体層３（以下「ｎ層３」と略称する。）、発光層５、ｐ型化合物半導体層７（以下「ｐ層７」と略称する。）を順次に積層させた後、少なくともｐ層７および発光層５の一部をエッチングで除去し、ｎ層３を表面に露出させている。

そして、ｎ型電極９は露出したｎ層３の一部に形成され、ｐ型電極１１はｐ層７を実質的に覆うように形成され、そのｐ型電極１１の表面の一部にｐパッド電極１３を形成することによって構成される。

また、ｎ型電極９とｐパッド電極１３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１５が形成されている。

上記の発光素子は、ｎ型電極９とｐパッド電極１３が各々導電性材料１７によって、正電極１９および負電極２１を有する支持体２３に接着される。

ここで、導電性材料１７Ｐはｐ型電極１１上の絶縁膜１５と正電極１９の間に充填しており、互いに対向するｐ型電極１１と正電極１９との間で、絶縁膜１５および導電性材料１７Ｐを介して熱が伝達される。
特開２００１−３５８３７１号公報（第２−３頁、第１図）

しかしながら、上記の半導体発光装置では、発光素子と支持体２３とは、導電性材料１７で接着されているものの、ｐ型電極１１と導電性材料１７の間に絶縁膜１５が存在する。このため、絶縁膜１５が形成された領域からの放熱効率は、絶縁膜１５が熱の流れにとって障害となるため、ｐパッド電極１３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。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、放熱効率を向上させた半導体発光装置を提供することを目的とする。

上記従来の課題を解決するために、本発明の半導体発光装置は、導電性材料等を用いて、発光素子のｐ型電極のほぼ全面を支持体の正電極に接触するとともに、支持体と正電極との間にも絶縁膜を極力、設けない構成とする。

本構成によって、発光素子からの放熱特性を従来よりも改善できる。

以上のように、本発明の半導体発光装置によれば、発光素子のｐ型電極のほぼ全面を、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型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、絶縁膜を介して放熱させる従来の方法に比較して発光素子の放熱効果を高めることができ、発光素子の特性劣化を抑制することができる。

さらに、支持体と正電極との間に絶縁膜を設けないことにより、発光素子から正電極に伝達された熱を支持体全面に急速に伝達でき、放熱効果をより高めることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明を実施するための最良の形態にかかる半導体発光装置の断面図であり、図２は、本発明を実施するための最良の形態にかかる支持体上の電極及び絶縁膜の形成工程を示したものである。

図１および図２において、同じ構成要素については同じ符号を用いる。

まず、本発明の半導体発光装置をその具体的な製造方法に基づいて、説明する。

図１に示すように、厚さ４００μｍ、径２インチφの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３、ＩｎＧａＮの発光層５、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７を順次に積層した。

このようにして形成した化合物半導体の全面に、ＳｉＯ₂を成膜し、ウェ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、少なくともｐ層７と発光層５の一部を除去し、ＳｉドープＧａＮクラッド層の表面を露出させた。その後、レジストパターニング、蒸着、リフトオフ等により、Ｎｉ及びＡｕのｎ型電極９を前記ＳｉドープＧａＮクラッド層上に形成し、また、白金及び金のｐ型電極１１をＭｇドープＡｌＧａＮコンタクト層上に形成して、発光素子とした。

上記の構成では、基板１の表面からのｐ型電極１１の高さと、基板１の表面からのｎ型電極９の高さに段差（以下、「発光素子の段差」と略称する。）が生じる。

上記の高さには、各電極の厚みが含まれているものとする。

また、ｐ型電極１１とｎ型電極９を除く領域では絶縁膜を形成してもよい。

このようにして得られた発光素子が多数形成されたウエーハの裏面（発光層が形成された面と反対側の面を言う。）を研磨して１００μｍにまで薄くし、スクライバーまたはダイサーを用いて、３５０μｍ□のチップに分離した。

次に、支持体２３の上に絶縁膜２５および電極を形成する工程を説明する。

まず、Ｓｉの導電性材料を用いた支持体２３全面にプラズマＣＶＤにて絶縁膜２５としてＳｉＯ₂を形成（工程(1)）し、負電極２１を形成する領域にレジスト２９をパターニングする（工程(2)）。次に、レジスト２９をマスクとして、上記の領域以外の絶縁膜２５を除去（工程(3)）し、その後、レジスト２９を除去す（工程(4)）。

正電極１９と負電極２１を形成する領域以外にレジスト３１をパターニング（工程(5)）し、このレジスト３１をマスクとして、Ａｕを蒸着して正電極１９と負電極２１を同時に同じ厚さで形成する（工程(6)）。

最後に、レジスト３１及び余分なＡｕをリフトオフにより除去（工程(7)）することにより、支持体２３上に正電極１９と負電極２１と、負電極２１と支持体２３の間に絶縁膜２５が形成された支持体２３が得られる。

上記方法により支持体２３上に絶縁膜２５及び電極を形成する場合、支持体２３表面からの正電極１９の高さと、支持体２３表面からの負電極２１の高さとの段差（以下、「支持体の段差」と略称する。）が、発光素子の段差とほぼ同一となるように絶縁膜２５の厚さを調整する。

なお、上記の高さには、各電極の厚みが含まれているものとする。

発光素子の段差と支持体の段差をほぼ同一にすることにより、正電極１９とｐ型電極１１を接続する導電性材料１７Ｐの厚さと負電極２１とｎ型電極９を接続する導電性材料１７Ｎの厚さを同一にすることができる。

したがって、接着の際に導電性材料１７で発光素子の段差を調整する必要がなくなるため、接着に余分な導電性材料１７が不要となり、導電性材料１７Ｎ及び１７Ｐの短絡の発生を防ぐことができる。

上記方法により形成された支持体２３の正電極１９と負電極２１の上にペースト状半田を用いて、スタンピングにより同じ厚さの半田を載せる。その後、ｐ型電極１１を正電極１９に、ｎ型電極９を負電極２１に接続するために、支持体２３上に発光素子を載せ、加熱加圧することにより両者を接着する。このようにして、ｐ型電極１１のほぼ全面を支持体２３の正電極１９に接着できる。

なお、発光素子及び支持体２３の各電極のフリップチップ接続は、導電性材料１７に限らず、バンプ、半田ボールを用いたものでも良い。

かかる構成によれば、発光素子の発光層５近傍で発生した熱をｐ型電極１１のほぼ全面から直接、導電性材料１７等を介して、支持体２３の正電極１９側に伝達することにより、絶縁膜１５を介して放熱させる従来の半導体発光装置に比較して発光素子の放熱効果を高めることができる。

発光層５で発熱が起こるため、正電極１９は、負電極２１に比べ、発熱が大きい。これに対し、支持体２３において、発熱が大きい正電極１９側に極力、絶縁膜２５を設けないことにより、正電極１９に伝達された熱が支持体２３全面に急速に伝達され、発光素子の放熱効果をさらに向上できる。

また、正電極１９と支持体２３との間に絶縁膜２５がある場合でも、熱が正電極１９からの引出し配線を通って、支持体２３全面に伝わるため、従来の半導体発光装置と比較して、放熱性は優れている。

なお、絶縁膜２５を負電極２１と支持体２３との間にのみ形成し、正電極１９と支持体２３との間には形成しない構成が放熱効率の面でより好ましい。

図４は、図１に記載した本発明を実施するための最良の形態に係る発光素子と支持体２３を接着する際の天面図である。

図４において、支持体２３上の領域Ａおよび領域Ｂの位置に導電性材料１７であるＳｎ−Ａｇ組成の半田を厚さ１０μｍから５０μｍ程度の範囲でスタンピングにより形成した。

スタンピング以外の導電性材料１７の形成方法として、固形半田の薄片を載せる方法、ペースト状半田をスクリーン印刷により形成する方法、固形半田を蒸着して薄膜とする方法（以下、「蒸着方法」と略称する。）を用いることができる。

なお、導電性材料１７は、発光素子の電極上または支持体２３の電極上のいずれに形成してもよいが、ｐ型電極１１及びｎ型電極９の領域内に入る大きさで形成される。

特に、蒸着方法は、他の方法に比べ、支持体２３への放熱効果をより高めることができる。これは、蒸着方法が導電性材料１７Ｐ及び１７Ｎの短絡を心配することなく、塗布面積を大きく取ることができるからである。蒸着方法は、電極に対するパターニング精度及び厚み精度が高いため、接着に必要な厚みの半田を大面積で塗布することができる。

しかしながら、蒸着方法では、接着に必要な厚みの半田しか形成しないため、従来の半導体発光装置のように、導電性材料１７で発光素子の段差を吸収することはできない。

本発明では、上記の課題についても、支持体２３の段差を発光素子の段差とほぼ同一になるように絶縁膜２５の厚さを調整することにより解決できる。

図５は、図１に記載した本発明を実施するための最良の形態に係る発光素子と支持体２３を接着した後の天面図である。

図５において、図４と同じ構成要素については同じ符号を用いる。

上述の方法で半田を形成した支持体２３の上に発光素子を、発光素子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、加熱して半田を溶融させることにより、領域Ｃ及び領域Ｄに示すように半田で接着された半導体発光装置を作製した。この時、領域Ｃはｐ型電極１１の約８０％であった。

接着時の加圧力及び加熱温度は、使用する導電性材料及び発光素子の接着面積等の諸条件に影響され、適宜設計事項である。

以上のようにして半導体発光装置を計５個作製し、熱抵抗を測定した結果、１３５〜１９０℃／Ｗであった。また、図３に記載した従来の発光素子のように、ｐパッド電極１３及びｎ型電極９を除いた領域に絶縁膜１５を形成した場合の半導体発光装置を計５個作製した。この時の半導体発光装置の熱抵抗は３００〜３５０℃／Ｗであった。

このように、発光素子のｐ型電極１１の８０％を、絶縁膜１５を介すことなく、半田によって直接に支持体２３の正電極１９に接着した半導体発光装置によって、発光素子の放熱特性を従来よりも高めることができた。

図６は、ｐ型電極面積に対するｐ型電極接着面積の比と熱抵抗の関係を示す。接着方法には、塗布面積を大きく取ることができるため、半田を蒸着する方法を用い、接着面積は、それぞれｐ型電極面積の６０％、７０％、８０％、９０％とした。

この場合、それぞれ５個ずつ作製した半導体発光装置の熱抵抗は、前記接着部分の面積の小さい半導体発光装置から順に、２７０〜３２０℃／Ｗ、２２５〜２６０℃／Ｗ、１３５〜１９０℃／Ｗ、９０〜１３０℃／Ｗであった。

以上のように、発光素子と支持体２３を接着する際には、ｐ型電極１１の正電極１９に接着されている面積が、ｐ型電極１１の表面積の８０％以上であることが望ましい。比率が８０％以上であれば、従来の半導体発光装置より放熱効果を大幅に改善することができる。

導電性材料１７に半田を用いることは、濡れ性が良いため、支持体２３の電極に対し、発光素子のｐ型電極１１及びｎ型電極９のほぼ全面を均一に接着することができる。

半田は、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。

次に、支持体２３はＳｉ、ＳｉＣ、Ａｌ₂Ｏ₃、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。

放熱効率から見ると、導電性材料がより好ましい。

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２３の材料としては効果が大きい。

さらに、発光素子と支持体２３の接着部の熱抵抗を１９０℃／Ｗ以下とする上記の半導体発光装置は、従来の半導体発光装置に比較して、発光素子からの放熱効果を高めることができる。
また、ｎ層３の面積に対するｐ層７の面積及びｐ型電極１１の面積をできるだけ大きくすると、さらに放熱効果が高まる。発光層５で発生した熱の支持体２３への伝達は主にｐ型電極１１を通して行われているからである。
さらに、ｐ層７の面積を大きくする、つまりｐ層７の下の発光層５の面積を大きくすると、発光面積が増え、発光効率が高まる。また、同じ電圧がかかった場合の、発光面積の大きい発光素子の電流密度と発光面積の小さい発光素子の電流密度とを比較すると、発光面積の大きい発光素子の方が電流密度が低い。発光面積が大きいほど、電流が分散するからである。つまり、発光面積を増やすと、電流密度を低く抑えることができる。また、そうすることにより、発光素子の劣化を抑制することができ、発光素子の寿命を向上させることができる。

以下、他の実施例について説明する。

（実施例１）
図７は、本発明の実施例１に係る半導体発光装置の断面図である。
図７において、絶縁膜２５は正電極１９と接している。つまり、図１との相違点は、正電極１９と負電極２１との間に絶縁膜２５が配置されている点である。他の構成は図１と同じ構成である。このような構成とすることにより、正電極１９と負電極２１との電気的短絡をより確実に防止することができる。
このような構成において、支持体２３と正電極１９との間に絶縁膜２５が設けられていないので、発光素子から正電極１９に伝達された熱が支持体２３全面に急速に伝達され、放熱効果をより高めることができる。

（実施例２）
図８は、ｎ型電極９が発光素子の４隅の角に配置された半導体発光装置の天面図である。
図８のようにｎ型電極９が発光素子の４隅の角に配置された半導体発光装置は、ｎ型電極９が発光素子の１隅の角に配置されている半導体発光装置と比較して、ｐ型電極１１内のｎ型電極９から一番遠い部分とｎ型電極９との距離が短いので、発光素子の電気抵抗が低い。つまり、ｎ型電極９が発光素子の４隅の角に配置されている構成とすることにより、発光素子内での電流の流れる距離を短くすることができ、電気抵抗を低くすることができる。そのため、発光による発熱を低く抑えることができる。なお、発光素子内での電流の流れる距離が短くなりさえすればよいので、例えば、ｎ型電極９が発光素子の角でなく、発光素子の主発光面の裏側の面の略中央部に配置された構成の半導体発光装置であってもかまわない。
このような半導体発光装置において、発光素子のｐ型電極１１のほぼ全面を、導電性材料１７によって支持体２３の正電極１９に接着することにより、発光層５近傍で発生した熱がｐ型電極１１のほぼ全面から直接に導電性材料１７を介して、支持体２３の正電極１９に伝達される。さらに、支持体２３と正電極１９との間に絶縁膜２５を設けないことにより、発光素子から正電極１９に伝達された熱が支持体２３全面に急速に伝達されるので、放熱効果をより高めることができる。
特に、通常の略３００μｍ□よりも大きいサイズの発光素子は、発光素子内での電流の流れる距離が長いので、通常サイズの発光素子と比べて電気抵抗が高い。そこで、本実施例のようにｎ型電極９が発光素子の４隅の角に配置された構成にすることにより、電気抵抗を低くすることができ、発光による発熱を小さく抑えることができる。
また、基板１がサファイアからなるものである場合、サファイアは絶縁性なので、基板１に電流が流れない。つまり、発光素子内での電流の流れる部分の断面積が小さいので、半導体発光装置の電気抵抗が高い。そこで、発光素子内での電流の流れる距離が短い本実施例のような構成であると、電気抵抗を低く抑えることができ、発光による発熱を小さく抑えることができる。

本発明にかかる半導体発光装置は、例えば、照明機器、表示機器、医療機器、通信機器、撮影機器、携帯電話、殺菌装置等の用途にも適用できる。例えば、室内照明、車載ランプや車のヘッドライト、携帯電話やＰＤＡやカメラやテレビ等の液晶ディスプレイのバックライト、携帯キーパッド、ストロボ、信号機、空気清浄機内の殺菌ランプ、医療機器用の殺菌ランプ、光触媒用のランプ、赤外線カメラ、光通信機器などが挙げられる。

本発明を実施するための最良の形態に係る半導体発光装置の断面図 本発明を実施するための最良の形態に係る支持体上の絶縁膜及び電極を形成する工程図 従来技術における半導体発光装置の断面図 本発明を実施するための最良の形態に係る接着前の半導体発光装置の天面図 本発明を実施するための最良の形態に係る接着後の半導体発光装置の天面図 本発明を実施するための最良の形態に係るｐ型電極面積に対するｐ型電極接着面積の比（百分率）と熱抵抗の関係を示すグラフ 本発明の実施例１に係る半導体発光装置の断面図 ｎ型電極９が発光素子の４隅の角に配置された半導体発光装置の天面図

符号の説明

１ 基板
３ ｎ層
５ 発光層
７ ｐ層
９ ｎ型電極
１１ ｐ型電極
１３ ｐパッド電極
１５ 絶縁膜
１７、１７Ｐ、１７Ｎ 導電性材料
１９ 正電極
２１ 負電極
２３ 支持体
２５ 絶縁膜
２９、３１ レジスト

Claims (13)

1. 基板上に形成された化合物半導体層の同一面側にｎ型電極とｐ型電極が設けられた発光素子と、
   前記ｐ型電極に接続された正電極と前記ｎ型電極に接続された負電極と絶縁膜を有する支持体とを備え、
   前記正電極と前記負電極は支持体の同一面側に形成され、前記絶縁膜は前記負電極と前記支持体の間に形成される半導体発光装置。
2. 前記絶縁膜は前記負電極と前記支持体の間にのみ形成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光装置。
3. 前記発光素子は基板上にｎ層と発光層とｐ層とが順次積層され、前記ｐ層の上に形成されたｐ型電極と、少なくとも前記ｐ層と前記発光層の一部を除去して前記ｎ層を露出させた領域に形成されたｎ型電極とを有することを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の半導体発光装置。
4. 前記絶縁膜は前記支持体表面からの前記正電極の高さと前記支持体表面からの前記負電極の高さとの段差が前記基板表面からの前記ｐ型電極の高さと前記基板表面からの前記ｎ型電極の高さとの段差とほぼ同一となるように形成されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の半導体発光装置。
5. 前記発光素子側と前記支持体側のいずれか一方の上に蒸着された導電性の薄膜により前記ｐ型電極を前記正電極に、前記ｎ型電極を前記負電極にそれぞれ接続させることを特徴とする請求項４に記載の半導体発光装置。
6. 半田により前記ｐ型電極を前記正電極に、前記ｎ型電極を前記負電極にそれぞれ接続させることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の半導体発光装置。
7. 前記半田が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６に記載の半導体発光装置。
8. 前記ｐ型電極の前記正電極と接している面積が、前記ｐ型電極の表面積の８０％以上であることを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の半導体発光装置。
9. 前記支持体がＳｉ、ＳｉＣ、Ａｌ₂Ｏ₃、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ないし８のいずれかに記載の半導体発光装置。
10. 前記半導体発光装置の熱抵抗が１９０℃／Ｗ以下であることを特徴とする請求項１ないし９のいずれかに記載の半導体発光装置。
11. 基板上に形成された化合物半導体層の同一面側にｎ型電極とｐ型電極が設けられた発光素子と、
    正電極と負電極を有する支持体とを備えた半導体発光装置の製造方法において、
    前記支持体上に絶縁膜を積層し、パターニングしてエッチング用マスクを形成する工程と、
    エッチングにより前記負電極を形成する領域以外の前記絶縁膜を除去する工程と、
    前記支持体上に前記正電極を、前記絶縁膜上に前記負電極を同時に蒸着形成する工程と、
    前記ｐ型電極を前記正電極に、前記ｎ型電極を前記負電極にそれぞれ接続させる工程とを有する半導体発光装置の製造方法。
12. 前記発光素子は基板上にｎ層と発光層とｐ層とが順次積層され、前記ｐ層の上に形成されたｐ型電極と、少なくとも前記ｐ層と前記発光層の一部を除去して前記ｎ層を露出させた領域に形成されたｎ型電極とを有することを特徴とする請求項１１に記載の半導体発光装置の製造方法。
13. 前記半導体発光装置の製造方法は前記正電極と前記負電極の上にそれぞれ導電性材料を載せる工程をさらに有し、
    前記ｐ型電極を前記正電極に、前記ｎ型電極を前記負電極にそれぞれ接続させる工程は前記発光素子と前記支持体で前記導電性材料を挟み、加熱加圧することによりなされることを特徴とする請求項１１または１２のいずれかに記載の半導体発光装置の製造方法。

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