JP2009099716A - 発光装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 ワイヤボンディングを行う必要がなく発光素子をパッケージに歩留まりよく容易に実装可能であり、発光効率の高い発光装置を提供すること。
【解決手段】 発光装置は、透明基板２１上に形成された、第１導電型窒化ガリウム系化合物半導体層２２ａ、窒化ガリウム系化合物半導体から成る発光層２２ｂ及び第２導電型窒化ガリウム系化合物半導体層２２ｃを含む半導体層２２を有する発光素子２０と、発光素子２０が第１の主面側にあるように発光素子２０が設置されたサブマウント基板２５と、半導体層２２が凹部の底面側にあるように発光素子２０が凹部内に収容されるとともに、サブマウント基板２５によって発光素子２０を覆うようにサブマウント基板２５が配置されたパッケージ２６とを具備している。
【選択図】 図１

Description

本発明は、窒化ガリウム系化合物半導体層を有する発光素子を備えた発光装置に関するものである。
化学式ＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＮ（０≦ｘ≦1、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）で表される窒化ガリウム系化合物半導体を用いて、紫外光、青色光、緑色光等を発光する発光素子である発光ダイオード（ＬＥＤ）、半導体レーザ（ＬＤ）等の開発が盛んに行われている。窒化ガリウム系化合物半導体は、ＡｌＮ，ＩｎＮ，ＧａＮ等の組み合わせにより、ＡｌＧａＮ，ＩｎＧａＮ，ＩｎＧａＡｌＮ等の混晶を形成できる。このような混晶は、その構成元素や組成を選択することによりバンドギャップを変化させることができることから、可視光領域から紫外光領域までの発光が可能となる。また、上記の発光ダイオードと蛍光体を組み合わせることにより、白色光を発光する発光装置への応用が行われている。
発光素子は、一般にセラミックス等からなるパッケージに収納され、樹脂等によりモールドされて、発光装置として構成される。
図５に従来の窒化ガリウム系化合物半導体からなる発光素子、図６に図５の発光素子を用いた発光装置の概略的な断面図を示す。
窒化ガリウム系化合物半導体は、一般に絶縁性基板であるサファイア基板上に成長されるため、サファイア基板の裏面に電極を設けようとしても、電極と窒化ガリウム系化合物半導体とを導通させることが困難である。そのため、サファイア基板上に結晶成長した窒化ガリウム系化合物半導体層の表面にｐ型電極とｎ型電極の両方を形成しなければならない。
図５の発光素子においては、例えば基板としてサファイア基板１を用い、そのサファイア基板１上にバッファ層２を介して、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層３、発光層となる活性層４、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層５を形成し、ｎ型電極６を形成するためにｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層５及び活性層４の一部をエッチング除去し、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層３の一部を露出させている。なお、ｎ型電極６は、下地導体層６ａと、下地導体層６ａ上に形成された電極パッド６ｂとから成る。
ｐ型電極７は、活性層４で発光した光をｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層５の側に取り出すために、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層５上に形成された透明電極７ａと、透明電極７ａ上の一部に形成された、外部にワイヤボンディング等するための電極パッド７ｂとから成る。
なお、図５のように、発光素子の一方の主面側にｎ型電極６及びｐ型電極７が形成されたタイプを「片面電極タイプ」といい、発光素子の一方の主面にｐ型電極、他方の主面にｎ型電極が形成されたタイプを「両面電極タイプ」という。
図６に示すように、図５の構成の発光素子をセラミックス等からなるパッケージ９に収容し実装する。発光素子は、凹部を有するパッケージの凹部の底面にダイボンド１０により固定され、ｎ型電極６の電極パッド６ｂとｐ型電極７の電極パッド７ｂが、それぞれボンディングワイヤ１１によりパッケージ側の配線と接続され、発光素子に電流が供給される。このようなボンディングワイヤ１１により、電流を入出力させる構成の発光装置が例えば特許文献１に記載されている。
また、ボンディングワイヤを使用しない発光素子のパッケージへの実装構造として、発光素子をハンダペースト等によりサブマウント基板に固定し、サブマウント基板を上側としてパッケージに実装する、いわゆるフリップチップ実装型の発光素子が特許文献２に記載されている。
さらに、ボンディングワイヤを使用しない発光素子のパッケージへの実装構造として、導電性基板上に窒化ガリウム系化合物半導体を形成するとともに導電性基板の側面に電極を形成して発光素子を作製し、その発光素子をパッケージに実装した実装構造が特許文献３に記載されている。
特開平１０−０９３１４６号公報 特開平１１−２２０１６８号公報 特開２００５−１５９０３５公報
しかし、特許文献１に記載された発光装置の構成においては、光の取り出し方向にボンディングワイヤが存在することになり、ボンディングワイヤにより光が遮られるため、ボンディングワイヤによる影ができ、光の取り出し効率が低下する。また、ｎ型電極を形成するために、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層の一部を露出させる必要があり、そのためｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層及び活性層の一部をエッチングにより除去する。従って、発光素子の発光面積が減少するという問題点がある。
また、特許文献２に記載されたフリップチップ実装構造の発光装置においては、ボンディングワイヤを使用しないため、ボンディングワイヤにより光が遮られることはない。しかし、発光素子の電極同士が隣接しているため、ハンダペースト等を用いて発光素子をサブマウント基板に実装する際に、電極同士がショートする可能性がある。また、発光素子をサブマウント基板に実装する際に、サブマウント基板の配線パターンと発光素子の電極とを正確に位置合わせする必要があり、歩留まりが悪くなる原因となる。また、フリップチップ実装構造においても、ｎ型電極を形成するためにｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層の一部を露出させる必要があり、それに伴い活性層（発光層）の一部が除去されるため、発光面積が減少してしまう。
さらに、特許文献３に記載されたようなボンディングワイヤを使用せずに導電性基板の側面に電極を設け、パッケージと接続した構成においては、導電性基板の側面に電極を形成することが困難である。また、導電性基板の上面側に出射される光を遮るものはないが、発光素子の側面から出射した光がパッケージの内面で反射され、外側に出射される際に導電性基板の側面の電極とパッケージの配線導体とを繋ぐ配線がやはり光を遮ることになる。そのため、光の取り出し効率が低下する。
従って、本発明は、上記従来の問題点に鑑みて完成されたものであり、その目的は、ワイヤボンディングを行う必要がなく発光素子をパッケージに歩留まりよく容易に実装可能であり、発光効率の高い発光装置を提供することである。
本発明の発光装置は、透明基板上に形成された、第１導電型窒化ガリウム系化合物半導体層、窒化ガリウム系化合物半導体から成る発光層及び第２導電型窒化ガリウム系化合物半導体層を含む半導体層を有する発光素子と、前記発光素子が第１の主面側にあるように前記発光素子が設置されたサブマウント基板と、前記半導体層が凹部の底面側にあるように前記発光素子が凹部内に収容されるとともに、前記サブマウント基板によって前記発光素子を覆うように前記サブマウント基板が配置されたパッケージとを具備していることを特徴とするものである。
また、本発明の発光装置は好ましくは、前記パッケージは前記凹部の底面に配線導体が形成されており、前記発光素子は前記半導体層の表面に電極が形成されており、前記電極と前記配線導体とが電気的に接続されることによって前記発光素子が前記パッケージ内にプリップチップ実装されていることを特徴とするものである。
また、本発明の発光装置は好ましくは、前記透明基板は導電性を有するものであり、前記発光素子は前記透明基板及び前記配線導体によって駆動電流が入出力されることを特徴とするものである。
また、本発明の発光装置は好ましくは、前記サブマウント基板は貫通孔が形成されており、前記貫通孔に前記透明基板が嵌め込まれることによって前記発光素子が前記サブマウント基板に設置されていることを特徴とするものである。
また、本発明の発光装置は好ましくは、前記透明基板は前記半導体層と反対側の主面の外周部に段差が形成されており、前記段差が前記貫通孔に嵌め込まれていることを特徴とするものである。
また、本発明の発光装置は好ましくは、前記透明基板は平面視で前記半導体層よりも小面積となるように形成されており、前記透明基板の全体が前記貫通孔に嵌め込まれていることを特徴とするものである。
また、本発明の発光装置は好ましくは、前記サブマウント基板は前記発光素子から発光する光の波長に対して透明な材料からなることを特徴とするものである。
また、本発明の発光装置は好ましくは、前記サブマウント基板は前記第１の主面と対向する第２の主面に蛍光体を含有する波長変換層が形成されていることを特徴とするものである。
また、本発明の発光装置は好ましくは、前記サブマウント基板は波長変換を行う蛍光体を含んでいることを特徴とするものである。
本発明の発光装置は、透明基板上に形成された、第１導電型窒化ガリウム系化合物半導体層、窒化ガリウム系化合物半導体から成る発光層及び第２導電型窒化ガリウム系化合物半導体層を含む半導体層を有する発光素子と、発光素子が第１の主面側にあるように発光素子が設置されたサブマウント基板と、半導体層が凹部の底面側にあるように発光素子が凹部内に収容されるとともに、サブマウント基板によって発光素子を覆うようにサブマウント基板が配置されたパッケージとを具備していることから、発光面積の大きい両面電極タイプの発光素子をパッケージにフリップチップ実装して発光素子の透明基板を通してサブマウント基板側に光を取り出すことができるため、発光効率及び光取り出し効率が高い発光装置を得ることができる。
また、サブマウント基板がパッケージの蓋体としても機能するため、別個の蓋体が不要であり、薄型化（低背化）された発光装置となる。
また、サブマウント基板上に固定された発光素子を、サブマウント基板をパッケージの凹部に嵌め込むこと等によってパッケージに設置できるので、発光素子をパッケージの底面の所定位置に容易に位置決めして実装できる。
また、本発明の発光装置は好ましくは、パッケージは凹部の底面に配線導体が形成されており、発光素子は半導体層の表面に電極が形成されており、電極と配線導体とが電気的に接続されることによって発光素子がパッケージ内にプリップチップ実装されていることから、ボンディングワイヤ等を用いずに発光素子の電極をパッケージの配線導体に接続できるため、ボンディングワイヤによる影ができず、光取り出し効率を高めることができる。
また、本発明の発光装置は好ましくは、透明基板は導電性を有するものであり、発光素子は透明基板及び配線導体によって駆動電流が入出力されることにより、発光面積の大きな両面電極タイプの発光素子に、透明基板を通して縦型の電流伝導を行うことが可能となる。また、基板と半導体層の全面で電流を導入するため、電流の偏りを抑制できる。
また、従来のフリップチップ実装の場合、ハンダ等によりサブマウント基板に発光素子を実装する際に電極間距離が小さいため電極同士がハンダによってショートする可能性があるが、電極を発光素子の両主面に分けて形成できることから、ショート不良の発生を大幅に抑制することができる。
また、本発明の発光装置は好ましくは、サブマウント基板は貫通孔が形成されており、貫通孔に透明基板が嵌め込まれることによって発光素子がサブマウント基板に設置されていることから、発光素子を貫通孔に嵌め込むだけでサブマウント基板に設置でき、位置合わせを要せずに容易にサブマウント基板への発光素子の実装が可能となる。これは、複数個発光素子を用いる場合に、特に有効である。
また、サブマウント基板の貫通孔に発光素子の透明基板が嵌め込まれる構成であるため、サブマウント基板と発光素子を合わせた高さを低くでき、発光装置をより薄型化できる。
また、本発明の発光装置は好ましくは、透明基板は半導体層と反対側の主面の外周部に段差が形成されており、段差が貫通孔に嵌め込まれていることから、発光素子の段差を貫通孔に嵌め込むだけでサブマウント基板に設置でき、位置合わせを要せずにさらに容易にサブマウント基板への発光素子の実装が可能となる。また、透明基板が導電性を有する場合、透明基板の段差に電極を設け、その段差をサブマウント基板の貫通孔に嵌め込むことにより、サブマウント基板と発光素子を電気的に接続することが可能となる。
また、本発明の発光装置は好ましくは、透明基板は平面視で半導体層よりも小面積となるように形成されており、透明基板の全体が貫通孔に嵌め込まれていることから、発光素子の透明基板の全体を貫通孔に嵌め込むだけでサブマウント基板に設置でき、位置合わせを要せずにさらに容易にサブマウント基板への発光素子の実装が可能となる。また、平面視で半導体層と同じ面積の透明基板を用いて、透明基板の一部を半導体層が露出するまで除去し、露出面に電極を形成することによって、電極とサブマウント基板の貫通孔の周囲に形成された配線導体とを電気的に接続することができる。従って、絶縁性の透明基板であっても、発光素子の電極をサブマウント基板の貫通孔の周囲に形成された配線導体に電気的に接続でき、両面電極タイプの発光素子を実装できる。
また、本発明の発光装置は好ましくは、サブマウント基板は発光素子から発光する光の波長に対して透明な材料からなることから、発光素子の発光層において発生した光がサブマウント基板に吸収されることなく、パッケージから外部に効率よく取り出すことができ、光の取り出し効率が高い発光装置を得ることができる。
また、本発明の発光装置は好ましくは、サブマウント基板は第１の主面と対向する第２の主面に蛍光体を含有する波長変換層が形成されていることから、白色光等を発光可能な薄型化された発光装置を得ることができる。従来の発光装置においては、発光素子を覆うように蛍光体を混入した樹脂をモールドする構成、または蛍光体を含有したシート状の蛍光体層をパッケージ上部に積層する構成となっているため、パッケージの低背化が困難である。それに対して、本発明の発光装置においてはサブマウント基板の第２の主面に蛍光体を含んだ波長変換層を形成できるため、パッケージの低背化が可能となる。
また、本発明の発光装置は好ましくは、サブマウント基板は波長変換を行う蛍光体を含んでいることから、サブマウント基板が発光素子の固定機能と蛍光体による波長変換機能を兼ねることができ、さらに発光装置の低背化が可能となる。また、蛍光体を含有する樹脂等から成る波長変換層を形成する必要がないため、発光素子から発光した紫外光、さらに波長の短い光によって波長変換層が経時的に劣化し変色するという不都合が生じることをなくすことができる。従って、発光色の経時変化を抑制できる。
以下、本発明の発光装置について、図面を参照しつつ詳細に説明する。
図１は本発明の発光装置について実施の形態の一例を示す断面図である。図１において、２０は発光素子、２１は透明基板、２２は半導体層であり、２２ａが第１導電型（例えばｎ型）窒化ガリウム系化合物半導体層、２２ｂが窒化ガリウム系化合物半導体から成る発光層、２２ｃは第２導電型（例えばｐ型）窒化ガリウム系化合物半導体層である。また、２３は発光素子２０の電極、２４はパッケージ側に形成された配線導体であり、２５はサブマウント基板、２６は発光素子２０が収納されるパッケージである。
本発明の発光装置は、透明基板２１上に形成された、第１導電型窒化ガリウム系化合物半導体層２２ａ、窒化ガリウム系化合物半導体から成る発光層２２ｂ及び第２導電型窒化ガリウム系化合物半導体層２２ｃを含む半導体層２２を有する発光素子２０と、発光素子２０が第１の主面側にあるように発光素子２０が設置されたサブマウント基板２５と、半導体層２２が凹部の底面側にあるように発光素子２０が凹部内に収容されるとともに、サブマウント基板２５によって発光素子２０を覆うようにサブマウント基板２５が配置されたパッケージ２６とを具備している。
透明基板２１は導電性を有しており、発光素子２０は透明基板２１及び配線導体２４によって駆動電流が入出力されることが好ましい。さらに、透明基板２１は、発光層２２ｂにより発生する光の波長に対して透明な材料からなることが好ましい。例えば、発光層２２ｂから発生する光の波長が４００ｎｍであれば、波長４００ｎｍの光に対して透明な材料としては、窒化ガリウム（ＧａＮ），窒化アルミニウム（ＡｌＮ），酸化亜鉛（ＺｎＯ），シリコンカーバイド（ＳｉＣ）等がよい。特に、結晶性の優れた半導体層２２を成長させることができる点で、窒化ガリウムから成る透明基板２１が好ましい。
透明基板２１の厚みは１００μｍ〜５００μｍ程度がよく、１００μｍ未満では、透明基板２１によって半導体層２２を支持できず、取り扱いが困難になる。５００μｍを超えると、透明基板２１による光の吸収が無視できなくなり、また、発光装置の薄型化への寄与が小さくなり、さらにコストの点で不利である。
サブマウント基板２５は、発光素子２０から発光する光の波長に対して透明な材料からなることが好ましく、石英系のガラス，硼珪酸系のガラス等のガラス材料が好適であり、またプラスチック材料でも構わない。例えば、透明基板としてＧａＮ基板を用いる場合、ＧａＮ基板の屈折率は２．５であり、空気の屈折率が１であることから、発光層から発した光は基板と空気との界面において大部分反射されてしまう。これ対して、ガラス材料から成るサブマウント基板を用いると、ガラス材料の屈折率は１．５程度であることから、空気に対する屈折率の変化が小さくなり、反射される光が少なくなる。従って、サブマウント基板として、空気の屈折率との差が小さいガラス材料から成るものを用いることによって、光の取り出し効率を高めることができる。
サブマウント基板２５が発光素子２０から発光する光の波長に対して透明な材料からなり、サブマウント基板２５に発光素子２０に電流を入出力させるためのＩＴＯ等から成る透明な配線パターンが形成され、発光素子２０に透明な配線パターンに接続されるＩＴＯ等から成る透明な電極が形成されていることがより好適である。この構成により、発光素子２０から発光する光を遮蔽するボンディングワイヤ等の配線等がなくなるため、光取り出し効率をより向上させることができる。
また、サブマウント基板２５の発光素子２０を固定する第１の主面と反対側の第２の主面に、微細な凹凸が形成されて粗面化されていてもよく、その場合、第２の主面から空気への屈折率の変化を緩和することにより光取り出し効率をさらに向上させることができる。このような凹凸は、高低差及び凸部間の間隔が光の波長の１倍〜数倍程度であればよい。
サブマウント基板２５の厚みは１００μｍ〜１０００μｍ程度がよく、１００μｍ未満では、サブマウント基板２５に貫通孔を形成する等の加工を行うことが困難となる。１０００μｍを超えると、発光装置の薄型化への寄与が小さくなる。
サブマウント基板２５は、発光素子２０を設置する設置領域、またはその設置領域とその周囲が透明領域であり、その透明領域の周囲が非透明領域であってもよい。この場合、透明領域の大きさによって発光面積の大きさを調整することができる。非透明領域は、黒色塗料を塗布する、金属層を形成する、サブマウント基板２５の一部を白濁化する、という手段によって形成できる。
サブマウント基板２５は、発光素子２０を設置する設置領域、またはその設置領域とその周囲が凸レンズ状に形成されていてもよい。この場合、光を集光したり、平行光にすることができる。
また、パッケージ２６は、上面に発光素子２０が収容される凹部が形成されており、凹部の底面には配線導体２４が形成されていることが好適である。そして、配線導体２４は半導体層２２の電極２３と接続されている。これにより、発光素子２０がパッケージ２６にフリップチップ実装される。パッケージ２６は、セラミックス，樹脂，ガラス，金属等から成る。パッケージ２６がセラミックスから成る場合、セラミック層を多層に積層した積層構造のものであってもよい。
また、パッケージ２６の内面に、銀，アルミニウム，ロジウム等から成る金属層から成る光反射層を形成して、光取り出し効率を向上させてもよい。
窒化ガリウム系化合物半導体からなる半導体層２２は、発光層２２ｂを第１導電型（ｎ型）窒化ガリウム系化合物半導体層２２ａ及び第２導電型（ｐ型）窒化ガリウム系化合物半導体層２２ｃで挟んだ構成とされている。即ち、本実施の形態においては、第１導電型をｎ型、第２導電型をｐ型としている。
第１導電型窒化ガリウム系化合物半導体層２２ａ及び第２導電型窒化ガリウム系化合物半導体層２２ｃは、それぞれ発光層２２ｂ側にインジウム（Ｉｎ）もしくはアルミニウム（Ａｌ）を含有する複数層（図示せず）を積層したものとしてもよく、禁制帯幅が発光層２２ｂよりも広くなるように組成をそれぞれ制御する。
また、発光層２２ｂは禁制帯幅の広い障壁層と禁制帯幅の狭い井戸層とから成る量子井戸構造が複数回繰り返し規則的に積層された超格子である多層量子井戸構造（ＭＱＷ：Multiple Quantum Well）としてもよい（図示せず）。
なお、第１導電型窒化ガリウム系化合物半導体層２２ａ、第２導電型窒化ガリウム系化合物半導体層２２ｃは、それぞれ逆の導電型となる構成としても構わない。
半導体層２２の電極２３は透明性の電極でもよくまた反射性の電極でもよい。透明性の電極の場合、配線導体２４を反射性にすれば、発光層２２ｂで発した光を効果的に透明基板２１側に取り出すことが可能となる。透明性の電極としては、例えばアルミニウム（Ａｌ），チタン（Ｔｉ），ニッケル（Ｎｉ），クロム（Ｃｒ），インジウム（Ｉｎ），錫（Ｓｎ），モリブデン（Ｍｏ），銀（Ａｇ），金（Ａｕ），ニオブ（Ｎｂ），タンタル（Ｔａ），バナジウム（Ｖ），白金（Ｐｔ），鉛（Ｐｂ），ベリリウム（Ｂｅ），酸化錫（ＳｎＯ2），酸化インジウム（Ｉｎ2Ｏ3），酸化インジウム錫（ＩＴＯ），金−シリコン（Ａｕ−Ｓｉ）合金，金−ゲルマニウム（Ａｕ−Ｇｅ）合金，金−亜鉛（Ａｕ−Ｚｎ）合金，金−ベリリウム（Ａｕ−Ｂｅ）合金等から成る薄膜を用いればよい。これらの材料のうち、第２導電型窒化ガリウム系化合物半導体層２２ｃとのオーミックコンタクト性及び透過率の観点から酸化インジウム錫（ＩＴＯ）が好ましい。また光反射性の電極としては、アルミニウム（Ａｌ），銀（Ａｇ），ロジウム（Ｒｈ）等から成るものが光反射性に優れており、好適である。
パッケージ２６の凹部の底面に形成された配線導体２４は、銅（Ｃｕ）等から成るものでよいが、光反射性の材料からなることが好ましく、光反射性の材料としてはアルミニウム（Ａｌ），銀（Ａｇ），ロジウム（Ｒｈ）等が好適である。
サブマウント基板２５には発光素子２０に接続された透明導電膜から成る配線パターンが形成されており、その配線パターンはパッケージ２６に形成されたビアホール等の貫通導体２６ａに接続され、貫通導体２６ａを介して外部に電気的に接続される。また、パッケージ２６の内側面には段差部が形成されており、その段差部においてサブマウント基板２５が支持され固定されるとともに、配線パターンと貫通導体２６ａとが接続される。
発光素子２０のサブマウント基板２５への固定は、透明性の導電性材料によって行うことができる。例えば、透明導電膜からなる配線パターンにより、発光素子２０の固定が可能となる。まず、サブマウント基板２５に配線パターンをスパッタリング法や蒸着法により形成し、さらに配線パターンの発光素子２０を固定する部分にゾルゲル法により透明導電膜を形成する。この際、ゾルゲル法に用いる溶液を塗布した後、発光素子２０をサブマウント基板２５の所定部位に配置し、その後熱処理を行い、透明導電膜を固化するとともに結晶化する際に発光素子２０を固定することができる。このような透明導電膜としては、酸化インジウム錫（ＩＴＯ）、Ａｌ，Ｇａをドープした酸化亜鉛（ＡＺＯ，ＧＺＯ）等がある。
サブマウント基板２５とパッケージ２６とを接着する接着剤は、透明性の材料から成る必要はなく、ハンダペースト等の導電性材料を用いて行うことができる。
図１の構成の発光素子２０は、透明基板２１がサブマウント基板２５の第１の主面に設置される構成であるが、透明基板２１がパッケージ２６の凹部の底面側にあるように配置された構成であってもよい。この場合、サブマウント基板２５に形成された配線パターンと、発光素子２０の電極２３とを接続する。
図２は、本発明の発光装置について実施の形態の他例を示す断面図である。図２（ａ）は導電性の透明基板２１を用いた場合であり、図２（ｂ）は絶縁性の透明基板２１を用いた場合である。
図２（ａ）の好適な構成において、サブマウント基板２５は貫通孔が形成されており、貫通孔に透明基板２１が嵌め込まれることによって発光素子２０がサブマウント基板２５に設置されている。また、透明基板２１は半導体層２２と反対側の主面の外周部に段差が形成されており、その段差が貫通孔に嵌め込まれている。その他の構成は図１の構成と同様である。
この場合、透明基板２１は導電性を有するものであり、透明基板２１自体が電極を兼用することができる。従って、透明基板２１自体を通じてサブマウント基板２５に形成された配線パターンから駆動電流を入出力させることができる。
透明基板２１の一部を除去して段差を形成する方法としては、酸，アルカリによるウェットエッチング法、塩素系ガスによるドライエッチング法がある。また、半導体層２２を形成する前に、透明基板２１の半導体層２２と反対側の主面にダイシング法等により溝を形成し、次に半導体層２２及び電極２３等を形成した後、幅の異なる刃を用いて溝の部分を再度ダイシングすることによって、段差を形成することもできる。
透明基板２１に形成される段差は、高さが５０μｍ〜４００μｍ（透明基板２１の厚みの１０％〜８０％）程度であることがよい。５０μｍ未満では、サブマウント基板２５の貫通孔への固定が困難になり、４００μｍを超えると、段差の部位で透明基板２１が薄くなりすぎるため、透明基板２１の強度が小さくなり、透明基板２１によって半導体層２２を支持するのが難しくなり、また取り扱いの際に透明基板２１に欠けが発生し易くなる。
また、段差の幅は１０μｍ〜１００μｍ程度であることがよい。１０μｍ未満では、サブマウント基板２５の貫通孔への固定が困難になり、１００μｍを超えると、段差を形成するための加工に時間がかかり、また透明基板２１の強度が小さくなるため半導体層２２を支持するのが難しくなり、さらに透明基板２１の取り扱いの際に透明基板２１に欠けが発生し易くなる。
上記の構成とすることによって、発光素子２０の電極２３と配線導体２４との位置合わせをせずに、サブマウント基板２５の貫通孔に透明基板２１を嵌め込んで、サブマウント基板２５をパッケージ２６内に設置するだけで、発光素子２０を所定の位置に配置ができる。従って、発光素子２０の実装が容易になり、製造歩留まりが向上する。また、ボンディングワイヤによる影が生じることがない。
図２（ｂ）の好適な構成において、透明基板２１は平面視で半導体層２２よりも小面積となるように形成されており、透明基板２１の全体が貫通孔に嵌め込まれている。この場合、半導体層２２を形成したときよりも透明基板２１は平面視で小さく形成されている。例えば、半導体層２２を形成した後、透明基板２１の外周部を全周にわたって除去しており、第１導電型窒化ガリウム系化合物半導体層２２ａの主面の外周部が露出している。この露出部の表面に第１導電型電極２７が形成されており、第１導電型電極２７を介して発光素子２０に電流が入出力される。上記の構成以外は図１の構成と同様である。
透明基板２１は絶縁性を有するものであり、第１導電型窒化ガリウム系化合物半導体層２２ａに形成された第１導電型電極２７が、サブマウント基板２５に形成された配線パターンに接続されることによって、発光素子２０に駆動電流が入出力される。従来、絶縁性基板を用いた発光素子２０においては、片面電極タイプとなり、第１導電型電極と第２導電型電極との間で横方向に電流が流れる構成となるが、図２（ｂ）の構成とすることによって、絶縁性の基板を用いる場合にも両面電極タイプの発光素子２０を用いることができる。従って、発光素子２０において縦方向に電流が均一に流れることから、発光素子２０の電流分布を改善することができる。
透明基板２１の外周部を第１導電型窒化ガリウム系化合物半導体２２ａの外周部が露出するように除去する方法としては、透明基板２１に半導体層２２を形成する前に、ダイシング法等により透明基板２１の半導体層２２と反対側の主面に溝を形成し、次に半導体層２２及び電極２３等を形成した後、酸，アルカリによるウェットエッチング法、塩素系ガスによるドライエッチング法によって、透明基板２１の溝から外側の全てを除去することができる。
透明基板２１は平面視で半導体層２２よりも小面積となるように、例えば外周部が除去されて形成されているが、透明基板２１の除去される外周部の幅は１０μｍ〜１００μｍがよく、１０μｍ未満では、サブマウント基板２５の貫通孔への固定が困難になる。１００μｍを超えると、透明基板２１の加工に時間がかかり、また透明基板２１の強度が小さくなるため透明基板２１によって半導体層２２を支持するのが困難になり、また透明基板２１の取り扱いの際に欠けが発生し易くなる。
図３は、本発明の発光装置について実施の形態の他例を示す断面図である。図３の発光素子２０は、図１の構成に加えて、サブマウント基板２５の第１の主面と対向する第２の主面に蛍光体２９を含有する波長変換層２８が形成されている構成である。波長変換層２８は、例えば樹脂中に蛍光体２９を混入して形成したシート状に形成される。樹脂としてはシリコーン系樹脂が好ましい。また、必ずしもシート状に形成する必要はなく、蛍光体２９を混入した液状樹脂をサブマウント基板２５上に塗布してもよい。また、蛍光体２９を含む波長変換層２８は、蛍光体２９を含むガラス層であってもよい。さらに、貫通孔を有するサブマウント基板２５の場合にも、同様に波長変換層２８を形成することができる。
蛍光体２９は、発光素子２０から発生した光を例えば白色光に変換する場合には、発光素子２０から発生する光が青色光であれば、黄色蛍光体または赤色蛍光体を混合する。または、赤色蛍光体と緑色蛍光体を混合したものを用いることができる。また、発光素子２０から発生する光が紫色光または紫外光であれば、赤色蛍光体，緑色蛍光体，青色蛍光体の３原色の蛍光体を混合することによって、白色光を発生する発光装置とすることができる。
波長変換層２８の厚みは１０μｍ〜１０００μｍ程度がよく、１０μｍ未満では、波長変換が十分に行えなくなり、１０００μｍを超えると、波長変換層２８による光の吸収の影響が無視できなくなり、光取り出し効率が低下し易くなる。
従来の発光装置においては、発光素子２０を覆うように蛍光体２９を混入した樹脂をモールドする構成、または蛍光体２９を含有したシート状の蛍光体層をパッケージ上部に積層する構成であったため、パッケージの低背化が困難であった。一方、図３の発光装置においては、サブマウント基板２５の主面に蛍光体２９を含んだ波長変換層２８を直接形成できるため、発光装置の低背化ができる。即ち、波長変換層２８がパッケージ２６の凹部から外部に突出しないように構成することができる。
図４は、本発明の発光装置について実施の形態の他例を示す断面図である。図４の発光装置は、図１の構成においてサブマウント基板２５が波長変換を行う蛍光体２９を含んでいる構成である。例えば、サブマウント基板２５は、ガラス基板中に発光素子２０から発した光を波長変換する蛍光体２９を含んでいる。サブマウント基板２５は、石英系ガラス，硼珪酸系ガラス等のガラス材料から成るものが好適であるが、プラスチック材料から成るものであっても構わない。また、蛍光体２９についても、有機系、無機系のいずれであっても構わない。
サブマウント基板２５は、発光素子２０の設置、パーケージ２６への固定、駆動電流の入出力部、波長変換部を兼ねるため、白色光等を発する発光装置を作製する工程を大幅に減らすことができる。また、波長変換層を別途形成する必要がないため、発光装置の更なる低背化ができる。また、ガラスから成るサブマウント基板２５を用いることによって、樹脂から成る波長変換層を用いる場合より紫外光による劣化がなく、発光色の経時変化がなく、寿命の長い発光装置となる。
なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更を施すことは何等差し支えない。
本発明の発光装置について実施の形態の一例を示す断面図である。 （ａ），（ｂ）はそれぞれ本発明の発光装置についての実施の形態の他例を示す断面図である。 本発明の発光装置について実施の形態の他例を示す断面図である。 本発明の発光装置について実施の形態の他例を示す断面図である。 従来の窒化ガリウム系化合物半導体からなる発光素子を示す断面図である。 従来の窒化ガリウム系化合物半導体からなる発光素子を用いた発光装置の断面図である。
符号の説明
２０：発光素子
２１：透明基板
２２：窒化ガリウム系化合物半導体層
２２ａ：第１導電型窒化ガリウム系化合物半導体層
２２ｂ：発光層
２２ｃ：第２導電型窒化ガリウム系化合物半導体層
２３：電極
２４：配線導体
２５：サブマウント基板
２６：パッケージ
２８：波長変換層
２９：蛍光体

Claims (9)

  1. 透明基板上に形成された、第１導電型窒化ガリウム系化合物半導体層、窒化ガリウム系化合物半導体から成る発光層及び第２導電型窒化ガリウム系化合物半導体層を含む半導体層を有する発光素子と、前記発光素子が第１の主面側にあるように前記発光素子が設置されたサブマウント基板と、前記半導体層が凹部の底面側にあるように前記発光素子が凹部内に収容されるとともに、前記サブマウント基板によって前記発光素子を覆うように前記サブマウント基板が配置されたパッケージとを具備していることを特徴とする発光装置。
  2. 前記パッケージは前記凹部の底面に配線導体が形成されており、前記発光素子は前記半導体層の表面に電極が形成されており、前記電極と前記配線導体とが電気的に接続されることによって前記発光素子が前記パッケージ内にプリップチップ実装されていることを特徴とする請求項１記載の発光装置。
  3. 前記透明基板は導電性を有するものであり、前記発光素子は前記透明基板及び前記配線導体によって駆動電流が入出力されることを特徴とする請求項２記載の発光装置。
  4. 前記サブマウント基板は貫通孔が形成されており、前記貫通孔に前記透明基板が嵌め込まれることによって前記発光素子が前記サブマウント基板に設置されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか記載の発光装置。
  5. 前記透明基板は前記半導体層と反対側の主面の外周部に段差が形成されており、前記段差が前記貫通孔に嵌め込まれていることを特徴とする請求項４記載の発光装置。
  6. 前記透明基板は平面視で前記半導体層よりも小面積となるように形成されており、前記透明基板の全体が前記貫通孔に嵌め込まれていることを特徴とする請求項４記載の発光装置。
  7. 前記サブマウント基板は前記発光素子から発光する光の波長に対して透明な材料からなることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか記載の発光装置。
  8. 前記サブマウント基板は前記第１の主面と対向する第２の主面に蛍光体を含有する波長変換層が形成されていることを特徴とする請求項７記載の発光装置。
  9. 前記サブマウント基板は波長変換を行う蛍光体を含んでいることを特徴とする請求項７記載の発光装置。
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