JP2006086300A - 保護素子を有する半導体発光装置及びその製造方法 - Google Patents

保護素子を有する半導体発光装置及びその製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 半導体発光素子の過電圧保護を容易に達成することができなかった。
【解決手段】 ｐ型半導体層１３、活性層１４、ｎ型半導体層１５を含む発光用半導体領域１の一方の主面１７に第１の電極２を配置する。発光用半導体領域１の他方の主面１８に導電性を有する光反射層３を配置する。光反射層３に貼合せ金属層６を介して保護素子用の半導体基板５を貼合せる。半導体基板５に保護素子としてのツェナーダイオードを構成するためのｎ型半導体領域２１とp型半導体領域２２とを設ける。導体９によってツェナーダイオードを発光素子に並列接続する。
【選択図】 図１

Description

本発明は半導体発光素子の電気的破壊を保護するための保護素子を有する半導体発光装置及びその製造方法に関する。
窒化物半導体等の３−５族化合物半導体から成る半導体発光素子の耐サージ電圧は１００Ｖ程度と比較的低い。このため半導体発光素子は静電気的に基づく過電圧によって破壊し易い。この問題を解決するために、半導体発光素子と保護素子とを複合化することが、例えば後記特許文献１等で公知である。特許文献１の半導体発光装置においては、保護素子としてのツエナーダイオードの上にフリップチップ型の発光素子がバンプ電極を介して重ねて配置されている。
しかし、保護素子とは別にフリップチップ型の発光素子を用意することが必要になり、保護素子を有する半導体発光装置のコストが必然的に高くなる。
特開平１１−２１４７４７号公報
本発明の課題は、保護機能を有する半導体発光装置の低コスト化が困難なことである。
上記課題を解決するための本発明は、
一方の主面とこの一方の主面と反対側の他方の主面とを有し且つ前記一方の主面側に配置された第１導電型半導体層と前記他方の主面側に配置された第２導電型半導体層とを含んでいる発光用半導体領域と、
前記第１導電型半導体層に電気的に接続された第１の電極と、
前記発光用半導体領域の他方の主面に電気的及び機械的に結合された導体層と、
前記導体層に接続された第２の電極と、
前記発光用半導体領域を保護する機能を有し且つ前記導体層に電気的及び機械的に結合されている保護素子と
から成る保護素子を有する半導体発光装置に係わるものである。
なお、本発明における光は発光用半導体領域から放射される光を意味する。
コストの低減及び製造工程を簡略化するために、前記保護素子は前記発光用半導体領域を過電圧から保護する機能を有し且つ一方の主面と他方の主面とを有する半導体基板から成り、前記半導体基板の前記一方の主面が前記導体層に貼り付けられていることが望ましい。
また、前記半導体基板は、保護ダイオードを形成するために第１導電型を有する第１の半導体領域と、第１導電型と反対の第２導電型を有し且つ前記第１の半導体領域に隣接配置されている第２の半導体領域とを備え、前記第１の半導体領域は前記導体層に貼り付けられ、前記第２の半導体領域は導体によって前記第１の電極に接続されていることが望ましい。
また、前記半導体基板の前記一方の主面に配置された貼合せ導体層を有し、前記半導体基板の前記一方の主面は前記貼合せ導体層を介して前記発光用半導体領域側の前記導体層に貼り付けられていることが望ましい。
また、前記第１の電極は前記発光用半導体領域の前記一方の主面から光を取り出すことを許すように形成され、前記導体層は光反射性を有する光反射層であることが望ましい。
保護素子と半導体発光素子との電気的接続を容易に達成するために、前記発光用半導体領域と前記導体層と前記保護ダイオードの第１及び第２の半導体領域とが互いに重ねて配置され、前記発光用半導体領域の一方の主面から前記第２の半導体領域の表面に至る孔又は溝を有し、前記第２の半導体領域と前記第１の電極とを電気的に接続するための導体が前記孔又は溝の中に配置されていることが望ましい。
前記発光用半導体領域の放熱性を高めるために、前記半導体基板は前記発光半導体領域よりも熱伝導率の高い半導体材料から成ることが望ましい。
前記導体層はＡｇ又はＡｇ合金から成ることが望ましい。Ａｇ又はＡｇ合金は抵抗性接触と光反射との両方の機能において優れている。
前記第１の電極は前記発光用半導体領域の前記一方の主面の一部に配置され、且つ前記発光用半導体領域は、活性層と、前記活性層の一方の側に配置された第１導電型半導体層と、前記活性層の他方の側に配置された第２導電型半導体層と、前記第１の電極と前記第１導電型半導体層との間に配置され且つ２次元電子キャリア、即ち２次元電子ガス又は２次元ホールガス、を発生する機能を有している多層構造電流拡散層とを含んでいることが望ましい。
保護素子を有する半導体発光装置を表面実装可能に構成することができる。この場合には、前記発光用半導体領域の前記他方の主面は前記半導体基板の前記一方の主面よりも大きい面積を有し、前記半導体基板の前記他方の主面に電極層が形成され、前記第１の電極は前記電極層に電気的に接続され、前記第２の電極は前記発光用半導体領域の前記他方の主面の前記半導体基板で覆われていない部分に設けられ且つ前記導体層に電気的に接続されている突起電極で構成されていることが望ましい。
光を前記半導体基板側から取り出すことも可能である。この場合には、前記第１の電極は前記発光用半導体領域の前記一方の主面に配置され且つ光反射性を有することが望ましい。また、前記導体層及び前記半導体基板は光透過性を有するように形成される。
前記保護素子をバリスタ又はコンデンサとすることができる。
保護素子を有する半導体発光装置を製造するために、
成長用基板を用意する工程と、
前記成長用基板上に発光機能を有する発光用半導体領域を気相成長法で形成する工程と、
前記発光用半導体領域の前記成長用基板に接している一方の主面に対して反対側に配置されている他方の主面に導体層を形成する工程と、
保護素子を用意する工程と、
前記保護素子を前記導体層に貼り付ける工程と、
前記保護素子を前記導体層に対する貼り付ける工程の後又は前に前記成長用基板を除去する工程とを有していることが望ましい。
本発明においては、発光用半導体領域の他方の主面に導体層が設けられ、発光用半導体領域と保護素子とが導体層を介して電気的及び機械的に結合されている。従って、発光素子部分と保護素子部分との結合を容易に達成することができ、保護素子を有する半導体発光装置の低コスト化が達成できる。
また、本発明の好ましい実施例では、導体層が光反射機能を有するので、発光効率の改善とコストの低減との両方を容易に達成することができる。
次に、図１〜図１２を参照して本発明の実施形態を説明する。
図１に示す本発明の実施例１に従う保護素子を有する半導体発光装置は、大別して発光素子としての機能を有する発光用半導体領域１と、カソード電極として機能する第１の電極２と、導体層としての導電性を有する光反射層３と、アノード電極として機能する第２の電極４と、保護素子としての半導体基板５と、保護素子の一方の電極としての機能を有する貼合せ導体層としての貼合せ金属層６と、保護素子の他方の電極層としての機能を有する電極金属層７と、絶縁層８と、接続導体９とを有する。
図１の発光用半導体領域１に基づいて図２に示す発光素子１０が得られ、半導体基板５に基づいて図２に示す保護素子としてのツェナーダイオード１１が得られ、これ等は互いに逆方向並列に接続される。ツェナーダイオード１１は発光素子１０の正常範囲の順方向電圧と許容最大順方向電圧との間の所定電圧で降伏して導通状態になる特性を有し、順方向の過電圧から発光素子１０を保護する。また、ツェナーダイオード１１は、発光素子１０に所定値以上の逆方向電圧が印加された時にも導通し、発光素子１０を逆方向の過電圧から保護する。
図１に示す発光用半導体領域１は、ｐ型（第２導電型）窒化物半導体から成るｐ型バッファ層１２と、ｐ型クラッド層と呼ばれることもあるｐ型半導体層１３と、活性層１４と、ｎ型（第１導電型）クラッド層と呼ばれることもあるｎ型半導体層１５と、多層構造のｎ型電流拡散層１６とが順次に積層されたものから成る。この発光用半導体領域１は光透過性を有し、光取り出し面として機能する一方の主面１７とこれとは反対側の他方の主面１８とを有する。一方の主面１７及び他方の主面１８は活性層１４に対して平行である。図１の実施例ではｎ型電流拡散層１６が一方の主面１７に露出し、ｐ型バッファ層１２が他方の主面１８に露出している。発光用半導体領域１において、発光に少なくとも必要なものはｐ型半導体層１３とｎ型半導体層１５とである。従って、場合によっては、ｐ型バッファ層１２、活性層１４、及びｎ型電流拡散層１６の内の一部又は全部を省くことができる。また、必要に応じてオーミックコンタクト層等の別の半導体層を発光用半導体領域１に付加することができる。次に、発光半導体領域１の各層の詳細を次に説明する。
光反射層３に隣接配置されたｐ型バッファ層１２は、ｐ型不純物（アクセプタ不純物）を含む窒化物半導体、例えば化学式ＡｌaＩｎbＧａ1-a-b Ｎ、ここでａ及びｂは０≦ａ＜１、０≦ｂ＜１、を満足する数値、で示される材料で形成することができる。この実施例１ではバッファ層１２が厚さ３０ｎｍのｐ型窒化ガリウム インジウム アルミニウム（ＡｌＩｎＧａＮ）で形成されている。
ｐ型バッファ層１２の上に配置されたｐ型半導体層１３は、例えば化学式ＡｌxＩｎyＧａ1-x-yＮ、ここでｘ及びｙは０≦ｘ＜１、ｏ≦ｙ＜１、を満足する数値、で示される窒化物半導体にｐ型不純物をドーピングしたもので形成できる。図１の実施例１ではｐ型半導体層１３が上記化学式のｘ＝０、ｙ＝０に相当するｐ型のＧａＮで形成され、厚さ約０．２μｍを有し、且つ活性層１４よりも大きなバンドギャップを有する。
活性層１４は、例えば化学式ＡｌxＩｎyＧａ1-x-yＮ、ここでｘ及びｙは０≦ｘ＜１、０≦ｙ＜１、を満足する数値、で示される窒化物半導体で形成できる。この実施例では活性層１４が窒化ガリウム インジウム（ＩｎＧａＮ）で形成されている。なお、図１では活性層１４が１つの層で概略的に示されているが、実際には周知の多重量子井戸構造を有している。勿論、活性層１４を１つの層で構成することもできる。また、場合によっては活性層１４を省いてｐ型半導体層１３をｎ型半導体層１５に直接に接触させることができる。また、この実施例では活性層１４に導電型決定不純物がドーピングされていないが、ｐ型又はｎ型不純物をドーピングすることができる。
活性層１４の上に配置されたｎ型半導体層１５は、例えば化学式ＡｌxＩｎyＧａ1-x-yＮ、ここでｘ及びｙは０≦ｘ＜１、０≦ｙ＜１、を満足する数値、で示される窒化物半導体にｎ型不純物をドーピングしたもので形成できる。この実施例では、ｎ型半導体層１５が厚さ５００ｎｍのｎ型ＧａＮで形成されており、且つ活性層１４よりも大きいバンドギャップを有する。
ｎ型半導体層１５の上に配置されたｎ型電流拡散層１６は、ｎ型半導体層１５よりも高いｎ型不純物濃度を有し、電流拡散兼コンタクト層又はコンタクト層と呼ぶことができるものであり、図３及び図４に詳しく示すように第１及び第２の層１６ａ、１６ｂを複数回繰返して配置した多層構造を有する。このｎ型電流拡散層１６は図示を簡略化するために図１では単層で示され、図３及び図４では第１及び第２の層１６ａ、１６ｂの対が４回繰返して配置されているのみであるが、実際にはこれよりも多い４０回繰返して配置されている。第１及び第２の層１６ａ、１６ｂのペア数は好ましくは２０〜６０から選択される。
第１の層１６ａは、例えば
化学式 ＡｌaＭbＧａ1-a-bＮ
ここで、前記Ｍは、Ｉｎ（インジウム）とＢ（ボロン）
とから選択された少なくとも１種の元素、
前記ａ及びｂは、 ０≦ａ≦１、
０≦ｂ＜１、
ａ＋ｂ≦１、
を満足する数値、
で示される材料にｎ型不純物をドーピングしたｎ型窒化物半導体で形成される。即ち、第１の層１６ａはＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＢＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＢＧａＮ等で形成される。この実施例の第１の層１６ａは上記化学式のａ及びｂが零のｎ型ＧａＮ（窒化ガリウム）から成り、エネルギーバンド図において活性層１４よりも大きいバンドギャップを有し且つ２５ｎｍの厚さを有する。第１の層１６ａの厚さは好ましくは１５〜５００ｎｍから選択される。第１の層１６ａの厚みが１５ｎｍよりも小さくなると、第１の層１６ａに２次元電子ガス即ち２ＤＥＧ層を生じさせる効果を十分に得ることができなくなる。また、第１の層１６ａが５０００ｎｍよりも厚くなると、ここでの光吸収が大きくなり、光取り出し効率が低下する。
第１の層１６ａの上に配置された第２の層１６ｂは、
化学式 ＡｌxＭyＧａ1-x-yＮ
ここで、前記Ｍは、Ｉｎ（インジウム）とＢ（ボロン）
とから選択された少なくとも１種の元素、
前記ｘ及びｙは、 ０＜ｘ≦１、
０≦ｙ＜１、
ｘ＋ｙ≦１
ａ＜ｘ
を満足する数値、
で示される材料にｎ型不純物をドーピングしたｎ型窒化物半導体で形成される。即ち、この第２の層１６ｂは第１の層１６ａに対してヘテロ接合を形成する材料であって、例えばＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＢＧａＮ等から成り、第１の層１６ａに２次元電子ガス層を形成できるものから成る。この実施例の第２の層１６ｂは上記化学式のｘ＝１、ｙ＝０に相当するＡｌＮ（窒化アルミニウム）から成り、活性層１４よりも大きいバンドギャップを有し且つ第１の層１６ａよりも薄いと共に量子力学的トンネル効果を得ることができる５ｎｍの厚さを有する。第２の層１６ｂの厚みは、好ましくは０．５〜５ｎｍの値から選択される。第２の層１６ｂの厚みが０．５ｎｍよりも小さくなると、２次元電子ガス層を良好に形成できなくなる。また、第２の層１６ｂの厚みが５ｎｍよりも大きくなると、トンネル効果を得ることができなくなり、第２の層１６ｂの厚み方向の抵抗が大きくなる。
２次元電子ガスを発生することができる第１及び第２の層１６ａ、１６ｂを含む多層構造の電流拡散層１６は、活性層１４で発生した光の透過性に優れた特性を有する。また、この電流拡散層１６はこの厚み方向の抵抗が小さく且つ主面１７に平行な方向即ち横方向の抵抗が極めて小さい領域即ち２次元電子ガス層を含む。この２次元電子ガス層は電流拡散層１６において横方向電流を増大させることに寄与する。
カソード電極として機能する第１の電極２は、例えば金又はニッケル等の金属または合金から成り、発光半導体領域１の一方の主面１７の中央一部即ち電流拡散層１６の第２の層１６ｂの表面のほぼ中央一部に配置され、ｎ型電流拡散層１６に直接にオーミック接触している。この第１の電極２は、図示されていないワイヤ等の外部接続部材を接続するためのパッドとしての機能を得るために例えば１μｍ程度の光非透過の厚みを有する。第１の電極２は電流拡散層１６の表面の中央一部のみに接続されているが、電流拡散層１６の電流拡散作用によって平面的に見て、即ち電流拡散層１６の表面に対して垂直な方向から活性層１４を見て、活性層１４の第１の電極２に対向していない外周側部分にも電流を流すことが可能になる。
発光半導体領域１の他方の主面１８即ちｐ型バッファ層１２の表面にオーミック接触している光反射層３は金属又は合金から成り、光反射性とオーミック性との両方を満足させるために、Ａｇ（銀）、又はＡｇ合金で形成することが望ましい。
前記Ａｇ合金は、
Ａｇ ９０〜９９．５重量％
添加元素 ０．５〜１０重量％
から成るＡｇを主成分とする合金であることが望ましい。
前記添加元素は、合金元素とも呼ばれるものであって、好ましくは、Ｃｕ（銅）、Ａｕ（金）、Ｐｄ（パラジウム）、Ｎｄ（ネオジウム）、Ｓｉ（シリコン）、Ｉｒ（イリジウム）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｗ（タングステン）、Ｚｎ（亜鉛）、Ｇａ（ガリウム）、Ｔｉ（チタン）、Ｍｇ（マグネシウム）、Ｙ（イットリウム）、Ｉｎ（インジウム）、及びＳｎ（スズ）から選択された１つ又は複数から成ることが望ましい。
添加元素は、Ａｇ又はＡｇ合金から成る光反射層３の酸化を抑制する機能、光反射層３の硫化を抑制する機能、及び光反射層３と発光用半導体領域１との間の合金化を抑制する機能の内の少なくとも１つを有する。光反射層３の酸化を抑制するためには特にＣｕ、Ａｕが有利である。光反射層３の硫化を抑制するためには特にＺｎ、Ｓｎが有利である。もし、Ａｇ又はＡｇ合金から成る光反射層３の酸化又は硫化が生じると、光反射層３と発光用半導体領域１との間のオーミック接触が悪くなり、且つ反射率が低下する。また、光反射層３と発光用半導体領域１との間に厚い合金化領域が生じると、光反射層３の反射率が低下する。図１の光反射層３は、後述から明らかになるように半導体基板５に対する発光用半導体領域１の貼付けに使用されている。もし、Ａｇ又はＡｇ合金から成る光反射層３に酸化又は硫化が生じていると、光反射層３を介した半導体基板５と発光用半導体領域１との良好な貼付けを達成できなくなる。
光反射層３をＡｇ合金で構成する場合において、Ａｇに対する添加元素の割合を増大させるに従ってＡｇ又はＡｇ合金の酸化又は硫化の抑制効果は増大する反面、光反射率が低下する。従来のＡｌ反射層よりも高い反射率及びオーミック性を得るために、Ａｇに対する添加元素の割合を０．５〜１０重量％にすることが望ましい。添加元素の割合が０．５重量％よりも少なくなると、所望の酸化又は硫化の抑制効果を得ることが困難になり、１０重量％よりも大きくなると所望の反射率を得ることが困難になる。添加元素のより好ましい割合は１．５〜５重量％である。
光反射層３は、ここでの光の透過を阻止するために５０ｎｍ以上の厚さを有することが望ましい。また、半導体基板５に対する発光用半導体領域１の貼付け機能を良好に得るために光反射層３の厚みを８０ｎｍ以上にすることが望ましい。しかし、光反射層３の厚さが１５００ｎｍを越えると光反射層３を構成するＡｇ層又はＡｇ合金層にクラックが発生する。従って、光反射層３の好ましい厚みは５０〜１５００ｎｍ、より好ましい厚みは８０〜１０００ｎｍである。貼合せ金属層６をＡｇ又はＡｇ合金で形成する場合には、貼合せ金属層６も光反射層として機能させることができる。この場合には光反射層３と貼合せ金属層６との積層体が光反射層となり、光反射層３の厚みを貼合せ金属層６の厚さ分だけ薄くすることができる。
貼合せ導体層としての貼合せ金属層６は金属又は合金からなり、光反射層３に電気的及び機械的に結合し且つ半導体基板５の一方の主面１９にオーミック接触している。従って、貼合せ金属層６は発光素子のアノード電極としての機能、及び保護素子のカソード電極としての機能を有する。図１の実施例１では、半導体基板５が発光用半導体領域１よりも大面積に形成され、半導体基板５の一方の主面１９の一部が発光用半導体領域１の他方の主面１８よりも外側に突出し、この突出部の上の光反射層３と貼合せ金属層６との延長部分によって発光ダイオードのアノード電極としての第２の電極４が形成されている。勿論、光反射層３と貼合せ金属層６との延長部分の上に第２の電極４のための金属層を追加して配置することもできる。また、貼合せ金属層６又は光反射層３の一方のみの延長部分によって第２の電極４を構成することもできる。従って、本発明における第２の電極は図１に示す第１の電極４のみでなく、これと同等な機能を有するあらゆる電極を意味している。
貼合せ金属層６は、光反射層３がＡｇ又はＡｇ合金から成る場合には、貼合せを良好に達成するためにＡｇ又はＡｇ合金で形成される。この実施例では光反射層３と貼合せ金属層６とが熱圧着によって貼合されているが、この代りに導電性接合材を使用して光反射層３と貼合せ金属層６とを電気的及び機械的に結合することができる。
半導体基板５はシリコンから成り、保護素子を形成するための機能と、発光半導体領域１を機械的に支持する機能と、発光半導体領域１の熱を放散させる機能とを有する。保護素子としてツェナーダイオード１１を構成するために一方の主面１９と他方の主面２０との間にｎ型（第１導電型）半導体領域２１とｐ型（第２導電型）半導体領域２２とが配置されている。ｎ型半導体領域２１にはツェナーダイオードのカソード電極として機能する貼合せ金属層６がオーミック接触し、ｐ型半導体領域２２にはツェナーダイオードのアノード電極として機能する金又はニッケル等の金属又は合金から成る金属層７がオーミック接触している。半導体基板５は発光用半導体領域１の支持基板として機能するために２００〜５００μｍ程度の厚みを有する。また、シリコンから成る半導体基板５は窒化物半導体から成る発光半導体領域１よりも大きい熱伝導率を有し、放熱基板として機能する。
発光用半導体領域１の側面２３及び半導体基板５の側面２４を覆うようにシリコン酸化物等から成る絶縁層８が設けられ、この上に金（Ａｕ）等から成る接続導体９が配置されている。接続導体９の一端は半導体基板５のｐ型半導体領域２２にオーミック接触し、他端は発光用半導体領域１のｎ型電流拡散層１６にオーミック接触している。なお、図１で鎖線で示すように接続導体９の一端を金属層７に接続し、他端を第１の電極２に接続することもできる。
図１の保護素子を有する半導体発光装置を製造する時には、まず、図３に示す仮りの成長用基板２５を用意する。成長用基板２５は窒化物半導体を気相成長させることができる材料から選択される。この実施例１では成長用基板２５にシリコン半導体が使用されている。
次に、成長用基板２５の上に前述した第２の層１６ｂ、第１の層１６ａの積層体から成る電流拡散層１６と、ｎ型半導体層１５と、活性層１４と、ｐ型半導体層１３と、ｐ型バッファ層１２とを周知のＯＭＶＰＥ（Organometallic Vapor Phase Epitaxy）法即ち有機金属気相成長法によって順次に形成する。
次に、発光用半導体領域１の他方の主面１８上に周知のスパッタリング法によってＡｇ又はＡｇ合金を被着させることによって光反射層３を形成する。光反射層３の形成は、発光半導体領域１との間の反射率を大幅に低減させる合金化反応を生じさせない温度（例えば３００℃）で行う。
次に、図４に示す貼合せ金属層６を伴なった半導体基板５を用意する。貼合せ金属層６は例えばＡｇ又はＡｇ合金をスパッタリング法で被着させることによって形成する。
次に、発光用半導体領域１側の光反射層３と半導体基板５側の貼合せ金属層６とを熱圧着させる。この熱圧着は両者を加圧接触させ且つ例えば２１０〜４００℃の熱処理を施すことによって達成する。
次に、成長用基板２５をエッチング又は切削によって除去する。この成長用基板２５の除去工程を発光半導体領域１と半導体基板５との貼合せ工程の前に移すことができる。
次に、図１に示す半導体基板５の他方の主面２０の電極金属層７を形成する。なお、電極金属層７を図４の貼合せ工程の前に形成することもできる。
発光用半導体領域１及び半導体基板５が比較的小さい表面積を有するように説明的に示されているが、実際には多数の半導体発光装置を同時に形成するために大きな表面積を有する。１枚の半導体ウエハから多数の半導体発光装置を得るために、複数の半導体発光装置の相互間をエッチングして発光用半導体領域１を島状に残存させる。この時、第２の電極４の形成のために、図１に示すように光反射層３の一部を露出させる。第２の電極４が形成されていない図１の左側の側面においては、光反射層３及び貼合せ金属層６及び半導体基板５の一部を除去するように右側よりも深くエッチングしてｐ型半導体領域２２を露出させる。
次に、発光用半導体領域１の側面２３、光反射層３の側面、貼合せ金属層６の側面、及び半導体基板５の側面２４を覆うように絶縁層８を例えばシリコン酸化物で形成する。
次に絶縁層８の上、ｐ型半導体領域２２の上及びｎ型電流拡散層１６の上に接続導体９を選択的に配置する。
次に、発光用半導体領域１の一方の主面１７に第１の電極２を形成する。次に、複数の半導体発光装置を含む大面積のウエハを切断して独立した複数の半導体発光装置を得る。なお、第１の電極２、第２の電極４、及び電極金属層７を形成する工程の順番を任意に変えることができる。
本実施例は次の効果を有する。
（１） 発光効率の向上に寄与する光反射層３が導電性を有して保護素子としての半導体基板５の電気的及び機械的結合に使用されているので、発光素子部分と保護素子部分との結合を容易に達成することができ、保護素子を有する半導体発光装置の低コスト化を達成できる。
（２） 保護素子としての半導体基板５がシリコンから成り、シリコンが窒化物半導体から成る発光用半導体領域１よりも大きい熱伝導率を有し、且つ半導体基板５が光反射層３と貼合せ金属層６とを介して発光半導体領域１の他方の主面１８の実質的に全部に密着している。従って、半導体基板５が放熱基板として機能し、発光用半導体領域１の放熱性が改善される。
（３） 発光用半導体領域１の機械的支持基板として機能するシリコン半導体基板５に保護素子としてのツェナーダイオードを形成したので、保護素子を有する半導体発光装置のコストの低減及び小型化を図ることができる。
（４） 貼合せ金属層６がツェナーダイオードの一方の電極としても使用されるので、保護素子のコストの低減及び小型化が達成できる。
（５） 光反射層３がAg又はAg合金から成るので、オーミック接触機能と光反射機能との両方を得ることができ、発光素子１０の構成の単純化及び低コスト化を図ることができる。
（６） 電流拡散層１６の第１及び第２の層１６a、１６bはヘテロ接合を形成しており、２次元電子ガスを生成し、図１において横方向に電流が流れ易い。このために活性層１４の第１の電極２に対向していない外周側部分の電流を増大させることができ、第１の電極２によって光取り出しが妨害されない外周側部分の発光量を大きくすることができ、光取り出し効率が向上する。また、活性層１４における電流分布の均一性が向上する。
（７） 発光素子１０とツェナーダイオード１１とを接続するための接続導体９が絶縁層８を介して発光半導体領域１及び半導体基板５に一体的に形成されているので、半導体発光装置の小型化及び低コスト化を図ることができる。
（８）上述から明らかなように過電圧保護、発光効率の向上、コストの低減、及び放熱性の改善の要求の全てに応えることができる。
次に、図５に示す実施例２に従う半導体発光装置を説明する。但し、図５及び後述する図６〜図１２において図１〜図４と実質的に同一の部分には同一の符号を付してその説明を省略する。
図５の実施例２の半導体発光装置は、図１の基板５のｐ型半導体領域２２とn型半導体領域１７との接続方法を変形し、この他は図１と実質的に同一に形成したものである。図５では発光半導体領域１の一方の主面１７から半導体基板５の他方の主面２０に至る貫通孔３０が形成されている。この貫通孔３０の中に絶縁層８a及び接続導体９aが配置されている。貫通孔３０は第１の電極２の下に形成されているので、活性層１４の光取り出しに対して有効な部分を妨害しない。接続導体９aの一端はツェナーダイオード１１の電極金属層７に接続され、他端は第１の電極２に接続されている。
図５の実施例２の半導体発光装置は実施例１と同一の基本構造を有するので、実施例１と同一の効果を有する。更に、実施例２によれば、貫通孔３０が第１の電極２の下に配置されているので、発光効率の低下を防いで発光素子１０に対して保護素子としてツェナーダイオード１１を容易に接続することができる。
図６に示す実施例３の半導体発光装置は、図５の保護素子用半導体基板５のn型半導体領域２１とp型半導体領域２２と電極金属層７とを変形し、且つ第２の電極４の位置を変え、この他は図５と同一に構成したものである。
図６ではｐ型半導体領域２２がｎ型半導体領域２１aの中に島状に形成され、両者間のｐｎ接合の端が半導体基板５の他方の主面２０に露出している。従って、ツェナーダイオード１１のアノード電極として機能する電極金属層７は他方の主面２０の中央部分に限定的に形成されている。半導体基板５には、ツェナーダイオード１１を形成するためのｎ型半導体領域２１aよりもｎ型不純物濃度が高いｎ+型半導体領域２１bが設けられている。このｎ+型半導体領域２１bはｎ型半導体領域２１aの外周側において半導体基板５の一方の主面１９から他方の主面２０に至るように形成され、発光素子の電流通路として機能する。図6の第2の電極４aは半導体基板5の他方の主面２０においてｎ+型半導体領域２１bにオーミック接触している。なお、ｎ+型半導体領域２１bの部分を除去して貼合せ金属層６又は光反射層３を露出させ、この露出部分を第２の電極４として使用するように変形することもできる。また、ｎ+型半導体領域２１bの代わりに金属等の導体を配置し、この導体を第２の電極４として使用することができる。
図6の実施例3は、図5の実施例2と同一の効果を有する他に、半導体基板5の他方の主面２０にて第２の電極４aの電気的接続を行うことができるという効果を有する。
図７の実施例４は、図１のツェナーダイオード１１を形成する半導体基板５をバリスタ１１aに置き換え、この他は図１と実質的に同一に形成したものである。
図７では光反射層３が図示が省略された導電性接合材を介して貼合せ用金属板６aに固着され、この金属板６aの下面にバリスタ１１aが図示が省略された導電性接合材で固着されている。
バリスタ１１aは半導体磁器バリスタであって、周知の半導体磁器素体４０と、この磁器素体４０の一方の主面に形成された一方のバリスタ電極４１と、磁器素体４０他方の主面に形成された他方のバリスタ電極４２とから成る。一方のバリスタ電極４１は金属板６aを介して発光素子の光反射層３に接続され、他方のバリスタ電極４２は導体９bによって第１の電極２に接続されている。
バリスタ１１aは図２で点線で示すように発光素子１０に並列に接続され、発光素子１０を保護する。バリスタ１１aは、発光素子１０の正常範囲の順方向電圧と許容最大順方向電圧との間の所定電圧で導通状態になる特性を有し、順方向の過電圧から発光素子１０を保護する。また、バリスタ１１aは、発光素子１０に所定値以上の逆方向電圧が印加された時にも導通し、発光素子１０を逆方向の過電圧から保護する特性を有する。従って、図７の実施例４によっても図１の実施例１と同様な効果を得ることができる。
図８の実施例５は図７のバリスタ１１aを磁器コンデンサ１１bに置き換え、この他は図７と同一に構成したものである。保護素子としての磁器コンデンサ１１bは、コンデンサ磁器素体５０と、磁器素体５０の一方の主面に形成された一方のコンデンサ電極５１と、磁器素体５０の他方の主面に形成された他方のコンデンサ電極５２とから成る。一方のコンデンサ電極５１は図示が省略された導電性接合材で金属板６aに固着されている。他方のコンデンサ電極５２は導体９cによって第１の電極２に接続されている。従って、磁器コンデンサ１１bは図２で点線で示すように発光素子１０に並列に接続され、発光素子１０の保護素子として機能する。即ち磁器コンデンサ１１bは発光素子１０に正常駆動電圧よりも高い異常電圧が印加された時に、この異常電圧を吸収する。従って、実施例５によっても実施例１と同様な効果を得ることができる。
図９は実施例６の半導体発光装置の一部のみを示す。この実施例６の半導体発光装置は図９に示されている光反射層３とｐ型バッファ層１２とオーミックコンタクト層６０との他は、図１と同一に形成されている。
図９の光反射層３はAl（アルミニウム）から成る。Alは窒化物半導体から成るｐ型バッファ層１２に良好にオーミック接触しないので、多数のオーミックコンタクト層６０が分散配置されている。オーミックコンタクト層６０は、例えばNi、Au、Cr、V、Ti、Co、Pd、Ir、Os、Ru、Pt、及びCuから選択された少なくとも１つの金属、又はAlGeGa合金、又は３−５族化合物半導体から成る。光反射層３はオーミックコンタクト層６０を介してｐ型バッファ層１２に接続された部分と、オーミックコンタクト層６０を介さないでｐ型バッファ層１２の表面に直接に接触する部分とを有する。従って、光反射層３が光反射機能と電気的接続機能との両方を有し、実施例６によって実施例１と同様な効果を得ることができる。
図１０の実施例７は図９のｐ型バッファ層１２と光反射層３との間を変形したものである。図１０では図９と同様な材料から成るオーミックコンタクト層６０がｐ型バッファ層１２の下面の実質的に全面に設けられている。また、オーミックコンタクト層６０とAlから成る光反射層３との間に光透過可能であり且つ量子力学的トンネル効果を得ることができる厚み、例えば０．５〜５nm、を有する絶縁膜６１が配置されている。この絶縁膜６１はSiO2、TiO2、MgO、NiO、ZnO、AlN、及びSiNから選択された少なくとも１つで形成することができる。絶縁膜６１は量子力学的トンネル効果を有するので、光反射層３とオーミックコンタクト層６０との間が電気的接続され且つ両者間の合金化反応が抑制又は阻止される。オーミックコンタクト層６０及び絶縁膜６１は光透過可能であるので、p型バッファ層１２側からの光がこれを透過して光反射層３で反射される。
図１１は実施例８の半導体発光装置を示す。図１１の半導体発光装置において、変形された発光用半導体領域１ａ、第１及び第２の電極２ａ、４ａ以外の部分は図１と実質的に同一に形成されている。
変形された発光用半導体領域１ａは、ｎ型コンタクト層１６ａの他は図１と同一に形成されている。ｎ型コンタクト層１６ａは窒化物半導体から成り、図１の電流拡散層１６の代りに設けられている。なお、ｎ型コンタクト層１６ａを厚く形成することによって電流拡散機能も得ることができる。
発光用半導体領域１の一方の主面１７即ちｎ型コンタクト層１６ａの主面上の第１の電極２ａは相互に接続された複数の線状電極７０から成り、導体９によってｐ型半導体領域２２及び下面の電極金属層７に接続されている。従って、第１の電極２ａはカソード電極として機能する。線状電極７０は一方の主面１７上に格子状又は同心円状又は放射状等の平面パターンに形成される。第１の電極２ａを光透過性を有する材料及び厚みに形成することが望ましいが、光透過性を有さない材料及び厚みに形成することもできる。また、第１の電極２ａにワイヤボンディングパッド部分を設けることもできる。
この実施例８では、発光用半導体領域１の一方の主面上に複数の線状電極７０が分布しているので、活性層１４における電流分布の均一性を向上させることができる。また、一方の主面１７の一部のみに第１の電極２ａの線状電極７０が配置され、線状電極７０が配置されていない領域から光を取り出すことができる。従って、第１の電極２ａによる光取り出しの妨害が少なくなり、発光効率を向上させることができる。
変形された第２の電極４ａは、貼合せ金属層６の下面に結合されたバンプ電極即ち突起電極７１から成る。図１１の実施例では、半導体基板５の一方の主面１９の面積が発光半導体領域１ａの他方の主面１８の面積よりも小さい。従って、光反射層３及び貼合せ金属層６の一部が半導体基板５で覆われていない。突起電極７１は貼合せ金属層６の半導体基板５で覆われていない部分に結合され、半導体基板５と電極金属層７との合計の厚さとほぼ同一の高さを有する。なお、貼合せ金属層６の半導体基板５で覆われていない部分を取り除き、突起電極７１を光反射層３に結合させることもできる。
突起電極７１の先端の高さ位置が電極金属層７と同一であるので、図１１の発光半導体装置を表面実装することが可能になり、実装が容易になる。
図１１では第２の電極４ａと電極金属層７との間に発光ダイオードと保護ダイオードとの両方が接続され、且つ発光半導体領域１ａに保護ダイオードを含む半導体基板５か光反射層３を介して貼合されているので、図１の実施例と同一の効果も得ることができる。
図１１の第１の電極２ａ及び第２の電極４ａのいずれか一方又は両方の構造を図５〜図６及び後述する図１２の発光半導体装置にも適用できる。
図１２に示す実施例９の発光半導体装置は、図１の発光半導体領域１、第１の電極２、光反射層３、半導体基板５、貼合せ金属層６、及び電極金属層７を発光半導体領域１ａ、第１の電極２ｂ、導体層３ａ、半導体基板５ａ、貼合せ金属層６ｂ、及び電極金属層７ａに変形し、この他は図１と同一に形成したものである。
図１２の発光半導体装置は、活性層１４から放射された光を下側即ち半導体基板５ａ側から取り出すように形成されている。従って、図１２では図１の光反射層３の代りに光透過可能な導体層３ａが形成されている。また、貼合せ金属層６ｂ、半導体基板５ａ及び電極金属層７ａが光透過性を有するように形成されている。第１の電極２ｂは光反射性を有する金属又は合金で形成され、発光半導体領域１ａの一方の主面１７の全体又はほぼ全体（８０％以上）に配置されている。従って、図１２では図１の電流拡散層１６に相当するものが省かれ、この代りに、図１１と同様にｎ型コンタクト層１６ａが設けられ、ここに第１の電極２ｂが接続されている。
図１２の実施例９においても、発光半導体領域１が導体層３ａと貼合せ金属層６ｂとを介して保護素子としての半導体基板５ａに貼付けられているので、図１の実施例１と同様に保護素子を有する発光半導体装置のコストの低減を図ることができる。
本発明は上述の実施例に限定されるものでなく、例えば次の変形が可能なものである。
（１） 発光用半導体領域１の一方の主面１７に周知の光透過性電極を形成し、ここに第１の電極２を接続することができる。
（２） n型半導体層１５とn型電流拡散層１6との一方又は両方を図１において活性層１４よりも外側に突出させ、この突出した部分の下面に第１の電極２を配置することができる。
（３）図７及び図８においてバリスタ１１a及びコンデンサ１１bの上面の面積を発光半導体領域１の下面の面積よりも大きく形成することができる。
（４） 図７及び図８のバリスタ１１a及びコンデンサ１１bを保護素子として使用する場合においても、これ等の接続を図１、図５、図６、図１１、図１２に示すように変形することができる。
（５） 図１、図５〜図８の光反射層３の第１の電極２に対向する部分の少なくとも一部に開口を設け、ここに絶縁物を配置するか、空隙として活性層１４の第１の電極２に対向する部分への電流を抑制することができる。このように光反射層３に開口を設けると、この開口が周知の電流ブロック層と同様に機能し、発光効率が向上する。
（６） 図９及び図１０のオーミックコンタクト層６０の第１の電極２に対向する部分に開口を形成し、活性層１４の第１の電極２に対向する部分への電流を抑制することができる。
（７） 発光用半導体領域１，１ａの材料を窒化物半導体以外の３−５族化合物半導体とすることができる。
（８） 保護素子用の半導体基板５、磁器素体４０、５０をシリコン半導体、半導体磁器以外の半導体材料、例えばSiC、又は３−５族化合物半導体等にすることができる。
（９） 発光用半導体領域１及び半導体基板５，５ａの各部の導電型を図１、図５、図６、図１１、図１２と逆にすることができる。
（１０） 貼合せ金属層６を省いて半導体基板５を光反射層３に直接に熱圧着させることができる。
（１１） 半導体基板５の一方の主面１９に光反射層３を予め設け、この光反射層３に発光半導体領域１の他方に主面１８を熱圧着させることができる。
（１２） ツェナーダイオード１１の代わりにこれと同様な機能を有するアバランシュエダイオード等の所定電圧で降伏するダイオードを構成することができる。また、発光素子１０の順方向の保護と逆方向の保護とのいずれか一方のみを達成する保護素子を構成することができる。
本発明は、ランプ、表示器等に使用するための半導体発光装置に利用可能である。
本発明の実施例１に従う半導体発光装置を示す中央断面図である。 図１の半導体発光装置の等価回路図である。 図１の半導体発光装置の製造工程の一部を示す断面図である。 図１の半導体発光装置の製造工程の別の一部を示す断面図である。 実施例２の半導発光体装置を示す断面図である。 実施例３の半導体発光装置を示す断面図である。 実施例４の半導体発光装置を示す断面図である。 実施例５の半導体発光装置を示す断面図である。 実施例６の半導体発光装置の一部を示す断面図である。 実施例７の半導体発光装置の一部を示す断面図である。 実施例８の半導体発光装置を示す断面図である。 実施例９の半導体発光装置を示す断面図である。
符号の説明
１ 発光用半導体領域
２ 第１の電極
３ 光反射層
４ 第２の電極
５ 半導体基板
６ 貼合せ金属層
７ 電極金属層
８ 絶縁層
９ 接続導体

Claims (14)

  1. 一方の主面とこの一方の主面と反対側の他方の主面とを有し且つ前記一方の主面側に配置された第１導電型半導体層と前記他方の主面側に配置された第２導電型半導体層とを含んでいる発光用半導体領域と、
    前記第１導電型半導体層に電気的に接続された第１の電極と、
    前記発光用半導体領域の他方の主面に電気的及び機械的に結合された導体層と、
    前記導体層に接続された第２の電極と、
    前記発光用半導体領域を保護する機能を有し且つ前記導体層に電気的及び機械的に結合されている保護素子と
    から成る保護素子を有する半導体発光装置。
  2. 前記保護素子は前記発光用半導体領域を過電圧から保護する機能を有し且つ一方の主面と他方の主面とを有する半導体基板から成り、前記半導体基板の前記一方の主面が前記導体層に貼り付けられていることを特徴とする請求項１記載の保護素子を有する半導体発光装置。
  3. 前記半導体基板は、保護ダイオードを形成するために第１導電型を有する第１の半導体領域と、第１導電型と反対の第２導電型を有し且つ前記第１の半導体領域に隣接配置されている第２の半導体領域とを備え、前記第１の半導体領域は前記導体層に貼り付けられ、前記第２の半導体領域は導体によって前記第１の電極に接続されていることを特徴とする請求項２記載の保護素子を有する半導体発光装置。
  4. 更に、前記半導体基板の前記一方の主面に配置された貼合せ導体層を有し、前記半導体基板の前記一方の主面は前記貼合せ導体層を介して前記導体層に貼り付けられていることを特徴とする請求項２又は３記載の保護素子を有する半導体発光装置。
  5. 前記第１の電極は前記発光用半導体領域の前記一方の主面から光を取り出すことを許すように形成され、前記導体層は光反射性を有する光反射層であることを特徴とする請求項１記載の保護素子を有する半導体発光装置。
  6. 前記発光用半導体領域と前記導体層と前記保護ダイオードの第１及び第２の半導体領域とが互いに重ねて配置され、前記発光用半導体領域の一方の主面から前記第２の半導体領域の表面に至る孔又は溝を有し、前記第２の半導体領域と前記第１の電極とを電気的に接続するための導体が前記孔又は溝の中に配置されていることを特徴とする請求項３記載の保護素子を有する半導体発光装置。
  7. 前記半導体基板は前記発光半導体領域よりも熱伝導率の高い半導体材料から成ることを特徴とする請求項２記載の保護素子を有する半導体発光装置。
  8. 前記導体層はＡｇ又はＡｇ合金から成ることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の保護素子を有する半導体発光装置。
  9. 前記第１の電極は前記発光用半導体領域の前記一方の主面の一部に配置され、且つ前記発光用半導体領域は、活性層と、前記活性層の一方の側に配置された第１導電型半導体層と、前記活性層の他方の側に配置された第２導電型半導体層と、前記第１の電極と前記第１導電型半導体層との間に配置され且つ２次元電子キャリア発生機能を有している多層構造電流拡散層とを含んでいることを特徴とする請求項１記載の保護素子を有する半導体発光装置。
  10. 前記発光用半導体領域の前記他方の主面は前記半導体基板の前記一方の主面よりも大きい面積を有し、前記半導体基板の前記他方の主面に電極層が形成され、前記第１の電極は前記電極層に電気的に接続され、前記第２の電極は前記発光用半導体領域の前記他方の主面の前記半導体基板で覆われていない部分に設けられ且つ前記導体層に電気的に接続されている突起電極で構成されていることを特徴とする請求項２記載の保護素子を有する半導体発光装置。
  11. 前記第１の電極は前記発光用半導体領域の前記一方の主面に配置され且つ光反射性を有し、前記導体層及び前記半導体基板は光透過性を有していることを特徴とする請求項２記載の保護素子を有する半導体発光装置。
  12. 前記保護素子はバリスタであることを特徴とする請求項１記載の保護素子を有する半導体発光装置。
  13. 前記保護素子はコンデンサであることを特徴とする請求項１記載の保護素子を有する半導体発光装置。
  14. 成長用基板を用意する工程と、
    前記成長用基板上に発光機能を有する発光用半導体領域を気相成長法で形成する工程と、
    前記発光用半導体領域の前記成長用基板に接している一方の主面に対して反対側に配置されている他方の主面に導体層を形成する工程と、
    保護素子を用意する工程と、
    前記保護素子を前記導体層に貼り付ける工程と、
    前記保護素子を前記導体層に対する貼り付ける工程の後又は前に前記成長用基板を除去する工程と
    を有していることを特徴とする保護素子を有する半導体発光装置の製造方法。
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