JP2006245542A - 窒化物半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】ボンディング工程が容易でありながら安定的な支持が可能なボンディングパッドの配列を実現しつつ、電流分散効率を向上させることが可能な電極構造を有する窒化物半導体発光素子を提供すること。
【解決手段】窒化物半導体発光素子４０は、ｎ型及びｐ型窒化物半導体層４２、４４とその間に形成された活性層を有する発光構造物と、ｎ型及びｐ型窒化物半導体層上に各々接続され、発光構造物の上面の角に隣接し配置されたボンディングパッド４８ａ、４９ａとそれから延長された少なくとも一つの電極指４８ｂ、４９ｂからなる複数個の第１及び第２電極４８、４９を含む。ボンディングパッドは発光構造物の角方向を沿って異なる極性が交代で配置され、ボンディングパッドの配列は発光構造物の中心を基準にほぼ対称構造をなし、電極指は上記発光構造物の中心を向かい異なる極性の電極指と隣接するよう少なくとも１回折り曲げられ延長されている。
【選択図】 図４−１

Description

本発明は窒化物の半導体発光素子に関するものであり、特に高出力の照明装置等に適切に使用されるような大きいサイズを有する高効率の窒化物半導体発光素子に関する。

一般的に、窒化物半導体は、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮ等のようなＩＩＩ−Ｖ族半導体結晶として、短波長光（紫外線ないし緑色光）、特に青色光を出すことが可能な発光素子に広く使われる。このような窒化物半導体発光素子は、結晶成長のための格子整合条件を満たすサファイア基板やＳｉＣ基板等の絶縁性基板を利用して製造されるため、通常ｐ及びｎ窒化物半導体層に連結された２つの電極が発光構造の上面にほぼ水平に配列されるプレーナー（ｐｌａｎａｒ）構造を有する。

プレーナー構造の窒化物発光素子は、２つの電極が発光構造物の上下面に各々配置されたバーティカル（ｖｅｒｔｉｃａｌ）構造の発光素子に比べ電流の流れが発光領域に均一に分布されにくいため、発光に寄与する有効面積が大きくなく、発光面積当りの発光効率も低いという問題がある。このようなプレーナー構造の発光素子とそれによる発光効率の制限性を、図１−１及び図１−２を参照して説明する。

図１−１及び図１−２は、従来の窒化物半導体発光素子１０の一形態を例示する。図１−１に図示された窒化物半導体発光素子１０は、ｐ側電極１９とｎ側電極１８が全て上部に向かい、ほぼ四角形である上面の対角線方向に配列された形態で例示されている。

より詳細に、図１−１のＡ-Ａ'線の断面を示す図１−２を参照すると、上記窒化物半導体発光素子１０は、サファイア基板１１と、上記基板１１上に順次に形成されたｎ型窒化物半導体層１２、活性層１３及びｐ型窒化物半導体層１４を含んだ構造を有し、上記ｐ型窒化物半導体層１４上には、全体面への電流分散効果のためＩＴＯ等のような透明電極層１７を追加的に具備することも可能である。

先に説明したように、窒化物半導体層を形成する際使用されるサファイア基板１１は、電気的に絶縁性を有するため、ｎ型窒化物半導体層１２に接続されるｎ側電極１８は、ｐ型窒化物半導体層１４と活性層１３の一部が除去された領域で形成される。

図１−１及び図１−２に図示されたプレーナー構造の半導体発光素子において、両電極間の電流の流れは最短距離の経路に集中するため、電流密度が集中する電流経路が狭小になり、水平方向の電流の流れを有するため、大きな直列抵抗により比較的高い駆動電圧を有する。このような問題により、実質的に発光に寄与する面積は小さくなる。このように窒化物半導体発光素子は、プレーナー構造という制限性により単位面積当りの電流密度が低いだけではなく、発光面積も小さいため面積効率が低いという問題がある。このような問題は、大きいサイズ（例えば、１０００μｍ×１０００μｍ）である照明装置用発光素子でより深刻になる。

従来、このような問題を緩和させるため、電流密度を向上させて面積効率性を向上させるための多様なｐ側電極とｎ側電極の模様と配列方案が提案されてきた。図２は、従来の他の例による窒化物半導体発光素子を示す平面図である。一例として、特許文献１には、図２に図示された通り電極指構造を利用し、有効発光面積を増加させる方案が開示されている。

図２を参照すると、基板上に順次積層されたｎ型窒化物半導体層２２、活性層及びｐ型窒化物半導体層（図示せず）からなる窒化物半導体発光素子２０の上面が図示されている。上記発光素子の上面には、ｐ型窒化物半導体層及びｎ型窒化物半導体層２２に各々連結された不透明電極２７及びｎ側電極２８が形成される。上記不透明電極２７上にはｐ側ボンディングパッド２９が多数個配列される。上記ｎ側電極２８は各々２つのボンディングパッド２８ａとそれから延長される多数の電極指２８ｂを含む。このような電極構造では、電極指２８ｂを通じて追加的な電流経路を提供し、電極間の側方向平均距離を減少させることが可能である。

このように、上記の従来の形態は、安定的なフリップチップボンディングと均一な電流供給のためボンディングパッドが多数個で複雑に配置された構造を有するため、ボンディング工程が複雑になるだけではなく、安定的な素子の支持が難しいという問題がある。例えば、中央に近いｐ側ボンディングパッドに対するフリップチップボンディング工程が難しく、面積全体にかけて非対称的に電極が配置されるため、安定的な支持のため多すぎるボンディングパッドが要求される問題がある。

米国特許第６，４８６，４９９号明細書

本発明は上記の従来技術の問題点を解決することを目的としており、より容易なフリップチップボンディング工程が可能ながら安定的な支持が可能なボンディングパッドの配列を実現しつつ、電流分散効率をより向上させることが可能な新たな電極構造を有するフリップチップ窒化物半導体発光素子を提供することにある。

上記の技術的課題を達成するため、本発明は、第１及び第２導電型窒化物半導体層とその間に形成された活性層を有する発光構造物と、上記第１及び第２導電型窒化物半導体層上に各々接続され、上記発光構造物の上面の角に隣接し配置されたボンディングパッドとそれから延長された少なくとも一つの電極指からなる複数個の第１及び第２電極とを含み,上記ボンディングパッドは上記発光構造物の角方向に沿って異なる極性が交代で配置され、上記ボンディングパッドの配列は上記発光構造物の中心を基準にほぼ対称構造をなし、上記電極指は上記発光構造物の中心に向かい異なる極性の電極指と隣接するように少なくとも１回折り曲げられ延長されたことを特徴とする窒化物半導体発光素子を提供する。

本発明の一実施形態において、上記発光構造物の上面は四角形であり、上記第１電極のボンディングパッドは対向する両コーナーに配置され、上記第２電極のボンディングパッドは対向する他の両コーナーに配置される。

好ましくは、電流の均一な分布のため、上記第１及び第２電極の電極指は、ほぼ同一間隔で形成される。上記電極指中同じ極性の電極指は、相互連結され一体で形成されることもあり得る。

電流分散効果をより向上させるため、上記第１及び第２電極は、隣接した他の極性のボンディングパッドに向かい上記発光構造物の上面の辺に沿って延長された電極指をさらに含むことが可能である。

好ましくは、フリップチップボンディングされた状態で発光効率をより向上させるため、上記第２導電型窒化物半導体層上には接触抵抗を減少させるためのオーミックコンタクト層をさらに含み、上記第２電極は上記反射性オーミックコンタクト層上に形成され得る。

本発明の新たな電極配列構造によると、電流分散効率をより向上させ発光効率を増大させるだけではなく、フリップチップボンディング工程が容易でありつつフリップチップボンディング状態で素子の安定的な支持を実現することが可能である。

以下、添付の図面を参照し本発明の実施形態を詳細に説明する。図３−１及び図３−２は、各々本発明の一実施形態による窒化物半導体発光素子を示す平面図及び側断面図である。ここで、図３−２は、図３−１に図示された構造をＢ-Ｂ'で切断した側断面図である。

本実施形態による窒化物半導体発光素子３０は、基板３１上に形成された窒化物発光構造物３５を含み、上記発光構造物３５は、ｎ型及びｐ型窒化物半導体層３２、３４と、その間に形成された活性層３３とを有する発光構造物からなる（図３−２参照）。

図３−１に図示された通り、上記ｐ型窒化物半導体層３４及びｎ型窒化物半導体層３２上には、各々２つのｐ側電極３９と２つのｎ側電極３８が形成される。上記各ｎ側及びｐ側電極３８、３９は、上記発光構造物の上面の角に隣接して配置されたボンディングパッド３８ａ、３９ａと、それから延長された電極指３８ｂ、３９ｂとを有する。上記ｎ側及びｐ側ボンディングパッド３８ａ、３９ａは、上記発光構造物の角方向に沿って異なる極性が交代で配列され、このような配列は上記発光構造物の中心を基準にほぼ対称構造をなす。

より具体的には、発光構造物３５の四角形の上面で、上記ｎ側ボンディングパッド３８ａは対向する両コーナーに配置され、上記ｐ側ボンディングパッド３９ａは対向する他の両コーナーに配置される。このようなボンディングパッド３８ａ、３９ａの配列は全体的にフリップチップボンディングの安定性に奇与するだけではなく、相互交代で各コーナーに配置されるため、電流の均一な分散効果を期待することが可能である。

このような電流分散効果をより向上させるため、上記電極指（３８ｂまたは３９ｂ）は上記発光構造物の中心に向かい異なる極性の電極指（３９ｂまたは３８ｂ）と隣接するように少なくとも１回折り曲げられ延長される。本実施形態のように、上記電極指３８ｂ、３９ｂは中心に向かいほぼ螺旋形に延長されながら、面積全体の均一な電流分布のため異なる極性の電極指３８ｂ、３９ｂ同士で同一間隔ｄを有するように配置されることが可能である。このような電極指３８ｂ、３９ｂの構造と配列は、コーナーに位置したボンディングパッド３８ａ、３９ａから提供される電流を内部面積に均一に供給し、有効発光面積を拡張させつつ面積全体で均一な発光効率を得ることが可能である。

上記ｎ側電極３８は図３−２に図示された通り、上記ｎ型導電型窒化物層３２に接続させるためｐ型窒化物半導体層３４と活性層３３を部分的に除去した凹部領域に形成される。このように、ｎ側の螺旋形電極指３８ｂは、配列形態に相応するよう形成された凹部構造に形成される。

上述した実施形態は、四角形の上面を有する発光構造物と、そのコーナーに各々形成された２つのｐ側及びｎ側ボンディングパッドを有する電極に限定して説明したが、発光構造物の上面は四角形以外にも六角形、八角形等もありえ、これによって角に隣接した領域に２つ以上のボンディングパッドを形成することも可能である。

また、図３−１に図示された実施形態において、有効発光面積をより増加するよう各ボンディングパッドから延長された追加的な電極指を必要な領域に形成することが可能である。

図４−１及び図４−２は、中心に折り曲げられた形態に延長された第１電極指以外に、追加的に辺に沿って延長された第２電極指を有する窒化物半導体発光素子を図示する。

本実施形態による窒化物半導体発光素子４０は図３−２と類似し、基板４１上に形成された窒化物発光構造物４５を含み、上記発光構造物４５は、ｎ型及びｐ型窒化物半導体層４２、４４と、その間に形成された活性層４３とを有する発光構造物からなる（図４−２参照）。

図４−１に図示された通り、上記ｐ型窒化物半導体層４４及びｎ型窒化物半導体層４２上には、各々２つのｐ側電極４９と２つのｎ側電極４８が形成される。上記各ｎ側及びｐ側電極４８、４９は、上記発光構造物の上面の角に隣接し配置されたボンディングパッド４８ａ、４９ａと、それから延長された第１及び第２電極指４８ｂ、４８ｃ、４９ｂ、４９ｃを有する。本実施形態から、同一極性の第１電極指（４８ｂまたは４８ｃ）同士は相互延長されるように形成されることもあり得る。

上記ｎ側及びｐ側ボンディングパッド４８ａ、４９ａは、発光構造物の四角形の上面で上記相互同一の極性同士で対向する両コーナーに配置される。従って、フリップチップ工程が容易になるだけではなく、より安定的に実装することが可能で、他の極性のボンディングパッド４８ａ、４９ｂが交代で各コーナーに配置されるため、電流の均一な分散効果を期待することが可能である。

上記ｎ側電極４８及びｐ側電極４９は、先行の実施形態と類似し内部面積における発光効率を高めるため、上記発光構造物の中心に向かい螺旋形に延長され、違う極性同士で同一間隔ｄで配列された第１電極指４８ｂ、４９ｂを具備する。本実施形態によるｎ側及びｐ側電極４８、４９は、辺に沿って隣接した違う極性のボンディングパッドに向かい延長された追加的な第２電極指４８ｃ、４９ｃを有する。好ましくは、上記第２電極指は違う極性の電極指とも同一間隔ｄを隣接するよう形成され得る。本実施形態のような電極配列においては、上記第２電極指（４８ｃまたは４９ｃ）は、違う極性の第１電極指（４９ｂまたは４８ｂ）と隣接するよう配置される。本実施形態に採用された第２電極指３８は、電流が提供されにくい辺領域で発光効率をより高めることが可能である。

このように、辺領域だけではなく幾何学的な構造により電流が提供されにくい領域にボンディングパッド４８ａ、４９ａから延長された追加的な電極指を提供することが可能である。本実施形態において、上記第２電極指４８ｃ、４９ｃは直線形態で図示されているが、発光構造物の上面の形状及び面積により折り曲げられた形態に形成されることも可能である。

図４−２は、図４−１の窒化物半導体発光素子をＣ１-Ｃ１'で切断した断面図である。図４−２を参照すると、図３−２に比べ、第２電極指（４８ｃ、４９ｃ）を追加することにより面積全体をより細分化し、面積全体にかけて均一な電流の流れを提供することが可能である。

図５は、本発明の他の実施形態による窒化物半導体発光素子５０を含んだフリップチップ型発光素子パッケージを示す。

図５を参照すると、パッケージ基板６１と、その上にフリップチップボンディングされた窒化物半導体発光素子５０とを含んだフリップチップ発光素子パッケージ６０が図示されている。上記窒化物半導体発光素子５０は、サファイア基板５１と、その一側面に形成されたｎ型及びｐ型窒化物半導体層５２、５４と、その間に形成された活性層５３とを有する。図５に図示された窒化物発光素子は、図４−１と類似した電極構造を有する形態として、Ｃ２-Ｃ２'で切断してＡ方向から見た側断面と理解される。

但し、フリップチップボンディング構造において光放出方向、すなわちサファイア基板５１側に向かう光量が増加するようｐ型窒化物半導体層５２上に形成された反射機能を有するオーミック電極５７を追加で含み、上記ｐ側電極５９は上記オーミック電極５７上に形成される。

上記窒化物半導体発光素子５０のボンディングパッド５８ａ、５９ａは、上記パッケージ基板６１の導体パターン６２ａ、６２ｂ上に、ソルダ６４ａ、６４ｂにより接続される。本発明による窒化物半導体発光素子５０は、図３−２及び図４−２で説明したように、各コーナーに隣接して対称構造で配列された４つのボンディングパッド５８ａ、５９ａ（但し、２つは省略されて図示される）を有するため、フリップチップボンディング工程を容易にすることが可能であるだけではなく、素子５０をより安定的に支持することが可能なため機械的信頼性を追加的に確保することが可能である。

このように、本発明は上述の実施形態及び添付の図面により限定されるのではなく、添付の請求範囲により限定しようとする。請求範囲に記載された本発明の技術的思想を外れない範囲内で多様な形態の置換、変形及び変更が可能ということは、当技術分野の通常の知識を有している者には自明なことである。

本発明にかかる窒化物半導体発光素子は、大きいサイズを有する窒化物半導体発光素子に有用であり、特に高出力の照明装置等に適している。

従来の一例による窒化物半導体発光素子を示す平面図である。 従来の一例による窒化物半導体発光素子を示す側断面図である。 従来の他の例による窒化物半導体発光素子を示す平面図である。 本発明の一実施形態による窒化物半導体発光素子を示す平面図である。 本発明の一実施形態による窒化物半導体発光素子を示す側断面図である。 本発明の改善された実施形態による窒化物半導体発光素子を示す平面図である。 本発明の改善された実施形態による窒化物半導体発光素子を示す側断面図である。 本発明の他の実施形態による窒化物半導体発光素子を含むフリップチップ型の発光素子パッケージを示す。

符号の説明

１０、２０、３０、４０、５０ 窒化物半導体発光素子
１１、５１ サファイア基板
１２、２２、３２、４２、５２ ｎ型窒化物半導体層
１３、３３、４３、５３ 活性層
１４、３４、４４、５４ ｐ型窒化物半導体層
１８、２８、３８、４８ ｎ側電極
１９、３９、４９、５９ ｐ側電極
２７ 不透明電極
２８ａ、３８ａ、４８ａ、５８ａ ｎ側ボンディングパッド
２８ｂ、３８ｂ ｎ側電極指
２９、３９ａ、４９ａ、５９ａ ｐ側ボンディングパッド
３１、４１ 基板
３５、４５ 発光構造物
３９ｂ ｐ側電極指
４８ｂ 第１ｎ側電極指
４８ｃ 第２ｎ側電極指
４９ｂ 第１ｐ側電極指
４９ｃ 第２ｐ側電極指
５７ オーミック電極
６０ フリップチップ発光素子パッケージ
６１ パッケージ基板
６２ａ、６２ｂ 導体パターン
６４ａ、６４ｂ ソルダ
ｄ 間隔

Claims (6)

1. 第１及び第２導電型窒化物半導体層とその間に形成された活性層を有する発光構造物と、
   上記第１及び第２導電型窒化物半導体層上に各々接続され、上記発光構造物の上面の角に隣接し配置されたボンディングパッドとそれから延長された少なくとも一つの電極指からなる複数個の第１及び第２電極とを含み、
   上記ボンディングパッドは上記発光構造物の角方向に沿って異なる極性が交代で配置され、上記ボンディングパッドの配列は上記発光構造物の中心を基準にほぼ対称構造をなし、
   上記電極指は上記発光構造物の中心に向かい異なる極性の電極指と隣接するように少なくとも１回折り曲げられ延長されたことを特徴とする窒化物半導体発光素子。
2. 上記発光構造物の上面は四角形であり、
   上記第１電極のボンディングパッドは対向する両コーナーに配置され、上記第２電極のボンディングパッドは対向する他の両コーナーに配置されたことを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
3. 上記第１及び第２電極の電極指は、ほぼ同一間隔で形成されたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の窒化物半導体発光素子。
4. 上記電極指中同じ極性の電極指は、相互連結されたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の窒化物半導体発光素子。
5. 上記第１及び第２電極は、隣接した他の極性のボンディングパッドに向かい上記発光構造物上面の辺に沿って延長された少なくとも一つの電極指をさらに含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の窒化物半導体発光素子。
6. 上記第２導電型窒化物半導体層上には接触抵抗を減少させるための反射性オーミックコンタクト層をさらに含み、上記第２電極は上記反射性オーミックコンタクト層上に形成されたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の窒化物半導体発光素子。

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