JP2009094319A

JP2009094319A - 発光装置

Info

Publication number: JP2009094319A
Application number: JP2007264071A
Authority: JP
Inventors: Susumu Hiraoka; 晋平岡; Toshihiko Shima; 敏彦嶋; Takahide Shiroichi; 隆秀城市
Original assignee: Mitsubishi Chemical Corp
Current assignee: Mitsubishi Chemical Corp
Priority date: 2007-10-10
Filing date: 2007-10-10
Publication date: 2009-04-30

Abstract

【課題】光吸収が抑制されたサブマウントと、該サブマウント上にフリップチップ実装されたＧａＮ系ＬＥＤチップとを有する、出力の高い発光装置を提供する。
【解決手段】発光装置１００は、ＳＭＤ（表面実装）型ＬＥＤであり、パッケージ１１に設けられたキャビティ（カップ状部分）の底面上にサブマウント２０が接着剤（図示せず）を用いて固定されており、そのサブマウント２０上にＧａＮ系ＬＥＤチップ３０がフリップチップ実装されている。サブマウント２０は、透明な板材２１と、そのおもて面２１ａ上に部分的に形成された二つのリード電極２２とを有している。パッケージ電極１１２と、サブマウント２０に設けられたリード電極２２とは、Ａｕなどからなるボンディングワイヤ４０で接続されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＧａＮ系ＬＥＤチップを用いた発光装置に関し、とりわけ、サブマウントと、該サブマウント上にフリップチップ実装されたＧａＮ系ＬＥＤチップと、を有する発光装置に関する。

ＧａＮ系半導体は、化学式Ａｌ_ａＩｎ_ｂＧａ_{１−ａ−ｂ}Ｎ（０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、０≦ａ＋ｂ≦１）で表される化合物半導体であり、３族窒化物半導体、窒化物系半導体などとも呼ばれる。ｐｎ接合構造、ダブルヘテロ構造、量子井戸構造などの発光素子構造をＧａＮ系半導体で構成したＧａＮ系ＬＥＤは、緑色〜近紫外の光を発生することが可能である。

シリコン基板やＡｌＮセラミック基板などを用いたサブマウントと、該サブマウント上にフリップチップ実装されたＧａＮ系ＬＥＤチップと、を有する発光装置が公知である（特許文献１）。このような発光装置は、青色光源や緑色光源として信号機やディスプレイ装置に使用できる他、蛍光物質を組み合わせて白色発光装置とした形で、液晶ディスプレイのバックライト、屋内外の照明、自動車のヘッドライト、等に使用することができる。
特開平８−６４８７２号公報

ＬＥＤチップあるいは蛍光物質から放出される可視〜近紫外の光が、シリコン基板やＡｌＮセラミック基板の表面で吸収されることが、サブマウント上にＧａＮ系ＬＥＤチップをフリップチップ実装してなる発光装置の出力改善を妨げる原因のひとつとなっていた。

そこで、本発明は、光吸収が抑制されたサブマウントと、該サブマウント上にフリップチップ実装されたＧａＮ系ＬＥＤチップとを有する、出力の高い発光装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明が提供する発光装置は、絶縁体からなり、おもて面および裏面を有する透明な板材を備え、該板材のおもて面上の一部にリード電極が形成されてなるサブマウントと、該サブマウント上にフリップチップ実装されたＧａＮ系ＬＥＤチップと、を有することを特徴とする。この発光装置に用いられるサブマウントは、その上に複数個のＧａＮ系ＬＥＤチップをフリップチップ実装できるものであってもよい。

上記サブマウントの主要な構成部材である、絶縁体からなる透明な板材は、その上に実装されるＧａＮ系ＬＥＤチップの発光波長に対応するエネルギーよりも大きなエネルギーギャップを有する材料で形成される、可視領域において透明な板材である。このような板材は、ＧａＮ系ＬＥＤチップから放射される光を実質的に吸収せず、また、白色発光装置を構成する場合に用いられる蛍光体から放射される光を実質的に吸収しない。そのために、本発明が提供する上記の発光装置は、発光出力に優れたものとなる。板材の好ましい材料としては、金属酸化物もしくは金属窒化物の単結晶、または、ガラスが例示される。

好ましい実施形態では、上記透明な板材の裏面上に、反射膜を形成する。この反射膜は、板材のおもて面側からこの裏面に入射した光を、再び、おもて面側に向けて反射させることを、目的とするものである。発光装置を形成するにあたっては、接着剤を用いて、サブマウントの裏面をパッケージ、リードフレーム、金属ベースなどに接着するが、かかる反射膜を設けることによって、この接着剤に照射されるＧａＮ系ＬＥＤチップからの光が弱められ、この接着剤の劣化が抑制される。また、かかる反射膜の設置により、接着剤による光の吸収が抑制されるため、発光効率の向上効果も期待できる。樹脂材料はＧａＮ系ＬＥＤチップの放射に含まれる短波長成分によって劣化し易いうえ、劣化により着色する傾向を持つことから、この反射膜の設置は、接着剤が樹脂成分を含有する場合に特に有効である。

上記板材の裏面に形成する反射膜は、金属膜であってもよいし、誘電体膜であってもよい。誘電体膜の場合、反射性を向上させる効果があるものであれば、多層膜であってもよいし単層膜であってもよい。また、この反射膜は、誘電体膜上に金属膜を積層したものであってもよい。

好ましい実施形態では、上記透明な板材の裏面を鏡面としたうえで、上記の反射膜を形成することにより、該反射膜の反射性を高くする。板材の裏面上に乾式メッキ（蒸着、スパッタ等）または湿式メッキによって金属反射膜を形成する場合、該裏面の平坦性が良好である程、反射膜に形成される反射面（板材の裏面に接する面）も平坦となり、その反射率が高くなる。また、板材の裏面上に蒸着やスパッタにより誘電体反射膜を形成する場合には、該裏面の平坦性が良好である程、反射膜の膜厚の制御性や均一性が良好となるために、反射膜の反射率を高くすることができる。
従って、上記板材の裏面の平坦性については、ＡＦＭ（原子間力顕微鏡）を用いて測定される１μｍ×１μｍの領域のＲＭＳ粗さが５ｎｍ以下であることが好ましく、１ｎｍ以下であることがより好ましく、０．５ｎｍ以下であることが特に好ましい。良好な平坦性を得るために、板材の裏面には、適宜、ポリッシング（好ましくはＣＭＰ）を施すことができる。

好ましい実施形態では、上記透明な板材のおもて面を鏡面とすることもできる。そうすることによって、リード電極が形成されていない部分に露出した、該板材の表面の光反射性が良好となる他、該板材の該おもて面上に形成するリード電極の表面も自ずと平坦となるので、該リード電極の表面の光反射性も良好になる。さらに、該リード電極の裏面（板材のおもて面に接する面）も平坦となり、その光反射性が良好となる。
従って、上記板材のおもて面の平坦性については、ＡＦＭ（原子間力顕微鏡）を用いて測定される１μｍ×１μｍの領域のＲＭＳ粗さが５ｎｍ以下であることが好ましく、１ｎｍ以下であることがより好ましく、０．５ｎｍ以下であることが特に好ましい。良好な平坦性を得るために、板材のおもて面には、適宜、ポリッシング（好ましくはＣＭＰ）を施すことができる。

上記透明な板材のおもて面を鏡面とする実施形態において、好ましくは、この板材のおもて面側に誘電体からなる反射膜を設けることができる。この反射膜は、板材の外部からこのおもて面に入射する光を反射させることを、目的とするものである。この反射膜は、反射性を向上させる効果があるものであれば、多層膜であってもよいし単層膜であってもよい。

本発明が提供する上記発光装置において、サブマウント上にフリップチップ実装するＧａＮ系ＬＥＤチップは、ｐ型層およびｎ型層を含むＧａＮ系半導体膜と、その一方の面上に形成された正側および負側のボンディングパッドを備える。
好ましいＧａＮ系ＬＥＤチップは、少なくとも正側のボンディングパッドが、ＧａＮ系半導体膜の表面に形成されたＴＣＯからなる透明電極上の一部に設けられているものである。ここで、ＴＣＯとは、透明導電性酸化物（Transparent Conductive Oxide）のことであり、代表的なものとしてはＩＴＯ（インジウム錫酸化物）、酸化インジウム、酸化錫、ＩＺＯ（インジウム亜鉛酸化物）、ＡＺＯ（アルミニウム亜鉛酸化物）、酸化亜鉛、ＦＴＯ（フッ素ドープ酸化錫）などが挙げられる。このようなＧａＮ系ＬＥＤチップは、ＴＣＯからなる透明電極の光吸収が金属電極に比べて小さいことから、本来、高出力の発光装置に適しているのであるが、シリコンやＡｌＮセラミックを用いた従来のサブマウント上にフリップチップ実装した場合には、透明電極の表面から放射される光がサブマウントにより強く吸収されるために、その性能を十分に引き出すことができなかった。それに対して、本発明が提供する発光装置ではサブマウントの光吸収を抑制しているので、このようなＧａＮ系ＬＥＤチップの性能が十分に発揮される。

本発明が提供する発光装置においても、サブマウントによる光吸収が全く無いわけではない。そこで、上記のＴＣＯからなる透明電極を用いたＧａＮ系ＬＥＤチップを用いる実施形態においては、透明電極の表面の平坦性を高くすることによって、透明電極の表面からサブマウント側に放射される光の量を減らすことが好ましい。
従って、ＡＦＭ（原子間力顕微鏡）を用いて測定される、透明電極の表面の１μｍ×１μｍの領域のＲＭＳ粗さは、好ましくは５ｎｍ以下、より好ましくは１ｎｍ以下、特に好ましくは０．５ｎｍ以下とする。ＩＴＯ膜のような多結晶質のＴＣＯ膜は、表面に結晶粒界に由来する多数の微細な凹凸を有するので、このようなＴＣＯ膜を透明電極に用いる場合は、ポリッシング（好ましくはＣＭＰ）により表面を平坦化することが望ましい。

本発明が提供する上記発光装置は、発光出力に優れたものとなるので、屋内外の照明や自動車のヘッドライトをはじめとする、高出力が要求される用途に、好適に用いることができる。

図１は本発明の一実施形態に係る発光装置の断面図である。この図に示す発光装置１００は、ＳＭＤ（表面実装）型ＬＥＤであり、パッケージ１１に設けられたキャビティ（カップ状部分）の底面上にサブマウント２０が接着剤（図示せず）を用いて固定されており、そのサブマウント２０上にＧａＮ系ＬＥＤチップ３０がフリップチップ実装されている。
パッケージ１１は、セラミック（アルミナ等）、白色樹脂等で形成されたパッケージ基板１１１と、二つのパッケージ電極１１２とを有している。１１３はリフレクタであり、この例では、パッケージ基板１１１とは別個の部材となっているが、パッケージ基板と一体的に形成することもできる。
サブマウント２０は、透明な板材２１と、そのおもて面２１ａ上に部分的に形成された二つのリード電極２２とを有している。サブマウント２０の裏面２１ｂは、例えば、銀ペーストにより、パッケージ基板１１１に接着される。
サブマウント２０の上にフリップチップ実装されたＧａＮ系ＬＥＤチップ３０は、透明な基板３１の上に、ｐ型層およびｎ型層を含むＧａＮ系半導体膜３２を有しており、そのＧａＮ系半導体膜３２の上に、正側のボンディングパッド３４および負側のボンディングパッド３５を有している。正側のボンディングパッド３４は、ＧａＮ系半導体膜３２の表面に形成されたＴＣＯからなる透明電極３３上の一部に設けられている。
パッケージ電極１１２と、サブマウント２０に設けられたリード電極２２とは、Ａｕなどからなるボンディングワイヤ４０で接続されている。

発光装置１００において、ＧａＮ系ＬＥＤチップ３０を透明樹脂により封止することができる。その場合、パッケージ基板１１１とリフレクタ１１３とで構成されるキャビティを、透明樹脂で充填してもよい。ＧａＮ系ＬＥＤチップ３０を覆う透明樹脂中に蛍光体を分散することによって、白色発光装置（白色ＬＥＤ）を構成することができる。
発光装置１００において、パッケージ１１のキャビティ内に樹脂を封入せず、キャビティの開口部を密閉する透明な蓋を設けることにより、ＧａＮ系ＬＥＤチップ３０を気密封止することも可能である。この蓋は、ガラス、樹脂等により形成することができる。この蓋の表面や内部に蛍光体層を設けることにより白色発光装置を構成することができる。
その他、発光装置１００において、ＧａＮ系ＬＥＤチップ３０の表面を透明樹脂で被覆したうえで、パッケージ１１のキャビティ内に空隙が残るように、その開口部を塞ぐ透明な蓋を設け、その蓋の表面や内部に蛍光体層を設けることにより白色発光装置を構成することなども可能である。

発光装置１００は、パッケージ１１上にサブマウント２０を固定するステップと、サブマウント２０上にＧａＮ系ＬＥＤチップ３０をフリップチップ実装するステップと、パッケージ電極１１２とサブマウント２０のリード電極２２とをボンディングワイヤ４０で接続するステップを、この順に実行することにより製造することができる。あるいは、サブマウント２０上にＧａＮ系ＬＥＤチップ３０をフリップチップ実装するステップと、ＧａＮ系ＬＥＤチップ３０が固定されたサブマウント２０をパッケージ１１上に固定するステップと、パッケージ電極１１２とサブマウント２０のリード電極２２とをボンディングワイヤ４０で接続するステップを、この順に実行することにより製造することもできる。

図２は本発明の他の一実施形態に係る発光装置の断面図である。この図に示す発光装置２００は、チップオンボード（ＣＯＢ）型ユニットであり、表面に凹凸を有する銅ベース１２１の凹部上に一般的な回路基板１２２が圧着されてなる銅ベース基板１２上に、サブマウント２０を介して、ＧａＮ系ＬＥＤチップ３０が固定されている。サブマウント２０は、銅ベース１２１上に接着剤（図示せず）を用いて固定されている。サブマウント２０のリード電極２２と回路基板１２２とはＡｕなどからなるボンディングワイヤ４０により接続されている。ＧａＮ系ＬＥＤチップ３０はサブマウント２０上にフリップチップ実装されている。回路基板１２２は、ガラスエポキシ基板などの絶縁基板とその上に形成された導体回路、ボンディングパッドなどを有するものであるが、図２ではこれらの図示を省略している。

図３は、図１および図２に示す発光装置に用いられるサブマウント２０の構造例を示す断面図である。サブマウント２０において、透明な板材２１は、単結晶サファイア基板、単結晶ＡｌＮ基板、石英基板、ガラス基板などを用いて形成することができ、その平面形状およびサイズは、その上に実装するＧａＮ系ＬＥＤチップ１３のサイズ、個数および配置などを考慮して、適宜、設定することができる。０．３５ｍｍ角のＬＥＤチップひとつを実装するためのサブマウントの場合、一例として、板材２１の上面を０．４ｍｍ×０．６ｍｍの方形とすることができる。板材２１の厚さは特に限定されるものではなく、例えば、０．１ｍｍ〜１ｍｍとすることができる。

サブマウント２０に設けるリード電極２２は、単層の金属膜で構成してもよいが、好ましくは積層構造とし、その表層を光反射性の良好な金属で形成し、板材２１と接する最下層を、該板材の材料と良好な密着性を示す金属で形成する。表層の好ましい材料は、Ａｇ、Ａｌ、白金族元素、Ｎｉ等の、銀白色を呈する金属である。最下層の好ましい材料は、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｐｔ、Ｗ、Ｔｉ−Ｗなどである。
図３に示す例では、リード電極２２上の、ＧａＮ系ＬＥＤチップ３０のボンディングパッド３４、３５が接着される部分に、Ａｕ−Ｓｎハンダなどからなるハンダ層２３が形成されている。このハンダ層に代えて、ハンダバンプやＡｕバンプを形成することもできる。
図３に示す例では、また、リード電極２２上の一部にワイヤボンディング用のボンディングパッド２４が形成されている。
リード電極２２や、ＧａＮ系ＬＥＤチップ３０を実装するステップにてリード電極２２に付着する接着剤は、光吸収体として働き、発光装置の出力を低下させる可能性があるので、板材２１のおもて面に形成するリード電極パターンのサイズは必要最小限に抑えることが望ましい。

結晶基板はガラス基板に比べて表面の平坦性が低いことから、サブマウントを構成する透明な板材２１に結晶基板を用いる場合には、結晶基板の表面に平坦化膜として絶縁体からなる透明なアモルファス薄膜を形成し、該平坦化膜上にリード電極１２２を形成してもよい。好ましい平坦化膜は、プラズマＣＶＤ法により形成される、酸化ケイ素、窒化ケイ素または酸窒化ケイ素の薄膜である。板材２１のおもて面２１ａはポリッシングによって平坦化してもよい。また、ポリッシングにより平坦化した結晶基板の表面に、前記平坦化膜を形成することもできる。

板材２１のおもて面２１ａ側の表面に誘電体からなる反射膜を設ける場合、この反射膜は、当該反射膜に垂直に入射する、ＧａＮ系ＬＥＤチップ１３の発光中心波長と同じ波長を有する光に対して、選択反射性を示すように設計する。

図３に示すサブマウント２０は、板材２１の裏面２１ｂ上に反射膜Ｒを有している。板材２１に結晶基板を用いる場合には、結晶基板の表面に平坦化膜として絶縁体からなる透明なアモルファス薄膜を形成し、該平坦化膜上に反射膜Ｒを形成してもよい。好ましい平坦化膜は、プラズマＣＶＤ法により形成される、酸化ケイ素、窒化ケイ素または酸窒化ケイ素の薄膜である。板材２１の裏面２１ｂはポリッシングによって平坦化してもよい。また、ポリッシングにより平坦化した結晶基板の表面に、前記平坦化膜を形成することもできる。
反射膜Ｒは、板材２１の裏面２１ｂに接する側から順に、反射面を与える層である反射層Ｒ１と、保護層Ｒ２とを有している。反射層Ｒ１は光反射性の良好な金属である、Ａｌ、Ａｇ、白金族元素（好ましくはＲｈ）、Ｎｉなどを用いて形成する。反射層Ｒ１と板材２１との間には、反射膜Ｒの板材２１への密着性を良くするための密着層として、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｐｔ、Ｗ、Ｔｉ−Ｗなどからなる薄膜（図示せず）を挟んでもよい。この密着層の膜厚は、好ましくは５ｎｍ以下、より好ましくは２ｎｍ以下、特に好ましくは１ｎｍ以下である。保護層Ｒ２は、サブマウント２０をパッケージ基板１１や銅ベース基板１２に固定するのに用いる接着剤と、反射層Ｒ１との間で、反応が起こったり、一方の材料が他方に拡散することを防止するための層である。この層は、接着剤としてハンダなどのろう材を用いる場合に設けることが好ましい。保護層Ｒ２は、高融点金属または白金族元素から選ばれる金属の単体または合金の他、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｔｉ−Ｗなどを用いて形成することができる。また、これらの材料を用いた多層膜とすることもできる。保護層Ｒ２の膜厚は１００ｎｍ以上とすることが好ましい。

サブマウント２０は、単結晶サファイア、単結晶ＡｌＮ、石英、ガラスなどからなるウェハサイズの基板の表面に、リード電極、反射膜などの必要な部材を形成するステップと、ダイシング、スクライビング、レーザ加工などといった公知の基板切断技法を用いて基板を切断し、サブマウントのサイズに切り分けるステップとを、この順に実行することにより、製造することができる。

図４は、図１および図２に示す発光装置に用いられるＧａＮ系ＬＥＤチップ３０の構造例を示す断面図である。ＧａＮ系ＬＥＤチップ３０において、基板３１はサファイア基板であり、その上には図示しないバッファ層を介してＧａＮ系半導体膜３２が形成されている。ＧａＮ系半導体膜３２は、基板３１側から順に、アンドープＧａＮ層３２１、ＳｉドープＧａＮからなるｎ型コンタクト層３２２、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ交互積層膜からなるＭＱＷ構造の活性層３２３、ＭｇドープＡｌＧａＮからなるｐ型クラッド層３２４、ＭｇドープＧａＮからなるｐ型コンタクト層３２５を、この順に含んでいる。ＧａＮ系半導体膜３２の形成には、公知のＭＯＶＰＥ技術を用いることができる。ｐ型コンタクト層３２５の表面には、オーミック電極としてＩＴＯからなる透明電極３３が形成され、該透明電極３３上の一部に正側のボンディングパッド３４が形成されている。ＲＩＥにより部分的に露出させたｎ型コンタクト層３２２の表面には、オーミック電極を兼用する、負側のボンディングパッド３５が形成されている。一実施形態では、ＲＩＥにより部分的に露出させたｎ型コンタクト層の表面に、オーミック電極としてＩＴＯからなる透明電極を形成し、その透明電極上の一部に負側のボンディングパッドを形成することもできる。

ＧａＮ系ＬＥＤチップ３０をフリップチップ実装するステップでは、ＬＥＤチップ側のボンディングパッド３４、３５と、サブマウント２０側のリード電極２２とを、Ａｕ−Ｓｎハンダ等のハンダや、Ａｕバンプ等を用いて接合することができる。このステップを実行した後で、レーザリフトオフ技法を用いて、基板３１をＧａＮ系半導体膜３２から分離し、取り除くことも可能である。

図４に示すＧａＮ系ＬＥＤチップ３０において、透明電極３３の表面の平坦性が高い程、ＬＥＤチップ３０をフリップチップ実装したときに、透明電極３３の表面からサブマウント側に放射される光の量が少なくなるために、サブマウントの光吸収による発光効率の低下が抑制される。また、正側のボンディングパッド３４の面積が小さい程、該ボンディングパッド３４の光吸収による発光効率の低下が抑制される。このことから、図４に示すＧａＮ系ＬＥＤチップ３０において、正側のボンディングパッド３４の面積は、ｐ型コンタクト層３２５の上面の面積の２０％以下であることが好ましく、１０％以下であることがより好ましい。なお、正側のボンディングパッド３４の面積とは、該ボンディングパッド３４を複数個設けた場合においては、全てのボンディングパッドの面積の総和をいう。

本発明は、本明細書に明示的に記載した実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を損なわない範囲内で、種々の変形が可能である。

本発明の一実施形態に係る発光装置の構造を示す断面図である。本発明の一実施形態に係る発光装置の構造を示す断面図である。図１および図２に示す発光装置に用いられるサブマウントの構造例を示す断面図である。図１および図２に示す発光装置に用いられるＧａＮ系ＬＥＤチップの構造例を示す断面図である。

符号の説明

１００、２００発光装置
１１パッケージ
１２銅ベース基板
２０サブマウント
２１板材
２１ａおもて面
２１ｂ裏面
２２リード電極
３０ＧａＮ系ＬＥＤチップ
４０ボンディングワイヤ

Claims

絶縁体からなり、おもて面および裏面を有する透明な板材を備え、該板材のおもて面上の一部にリード電極が形成されてなるサブマウントと、
該サブマウント上にフリップチップ実装されたＧａＮ系ＬＥＤチップと、
を有する発光装置。
前記板材の裏面上に形成された反射膜を有する、請求項１に記載の発光装置。
前記板材の裏面が鏡面である、請求項２に記載の発光装置。
前記板材のおもて面が鏡面である、請求項１〜３のいずれかに記載の発光装置。
前記板材のおもて面側に、誘電体からなる反射膜を含んでいる、請求項４に記載の発光装置。
前記板材をサファイア単結晶、ＡｌＮ単結晶、石英、ガラスから選ばれる材料で形成した、請求項１〜５のいずれかに記載の発光装置。
前記ＧａＮ系ＬＥＤチップが、ｐ型層およびｎ型層を含むＧａＮ系半導体膜と、その一方の面上に形成された正側および負側のボンディングパッドとを有し、少なくとも該正側のボンディングパッドが、前記ＧａＮ系半導体膜の表面に形成されたＴＣＯからなる透明電極上の一部に設けられている、請求項１〜６のいずれかに記載の発光装置。