JP2015167196A

JP2015167196A - 半導体発光装置

Info

Publication number: JP2015167196A
Application number: JP2014041628A
Authority: JP
Inventors: 朋浩森下; Tomohiro Morishita
Original assignee: Asahi Kasei Corp
Current assignee: Asahi Kasei Corp
Priority date: 2014-03-04
Filing date: 2014-03-04
Publication date: 2015-09-24

Abstract

【課題】動作信頼性の高い半導体発光装置を提供すること。
【解決手段】素子基板１１と、ｎ型半導体層１２１、発光層１２２、およびｐ型半導体層１２３を含む半導体積層部１２と、を有する半導体発光素子１０と、この半導体発光素子１０と電気的に接続されたサブマウント基板２０と、を備える半導体発光装置であって、素子基板１１の任意の側面に、素子基板１１の主面に平行な方向に外力を加えた際に、半導体発光素子１０がサブマウント基板２０から剥離する力が４００ｇ以上２０００ｇ以下であることを特徴とする半導体発光装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体発光装置に関する。

従来から、半導体素子は、さまざまな電子機器に用いられており、発光素子や受光素子などの光学デバイスおよび各種センサなどに応用されている。例えば、発光素子（ＬＥＤ）に着目すると、発光波長が２８０ｎｍ以下の深紫外領域のＬＥＤ（以下、ＵＶＣ−ＬＥＤ）の開発が期待されている。

ＵＶＣ−ＬＥＤは、サファイアやＡｌＮなどの基板上に、ｎ型半導体層，発光層，窒化ガリウム（ＧａＮ）等のｐ型半導体層が積層された構造となっている。ｐ型のＡｌＧａＮは実現が困難であるため、ｐ型半導体層としては、ＡｌＧａＮではなくＧａＮが用いられるのが一般的である。しかしながら、ｐ型半導体層としてＧａＮを用いた場合、ＧａＮのバンドギャップは発光波長エネルギーよりも小さいため、発光した光をＧａＮが吸収してしまう。そのため、ｐ型半導体層としてＧａＮを用いる場合には、基板側から光を取り出す形態をとることが多い。また、高強度の発光素子では、電流印加時に発生する熱の放熱が重要である。特にＵＶＣ−ＬＥＤでは発光効率が約１％と非常に低いため、放熱が不十分であると発光素子の劣化が早いという問題がある。この問題に対して、例えば特許文献１には、発光素子半導体層を基板から剥離し、放熱性の高い支持基板に接着することが提案されている。

特開２００７−８１３１２号公報

特許文献１では、放熱性を向上させるため、熱伝導性の低い基板から発光素子を剥離し、熱伝導性の高い基板に接着している。しかしながら、特許文献１のように発光素子を基板から剥離する場合、発光素子の作製手順が複雑となり、収率低下の要因となる。また発光素子が不具合なく長時間動作するためには、高い放熱性を実現して熱の影響を除去することに加え、外的な振動に対しても耐えうるように発光素子と支持基板とが接着されていることも必須である。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、動作信頼性の高い半導体発光装置を提供することである。

上記課題を解決するために、本発明の一態様は、素子基板と、ｎ型半導体層、発光層、およびｐ型半導体層を含む半導体積層部と、を有する半導体発光素子と、前記半導体発光素子と電気的に接続されたサブマウント基板と、を備える半導体発光装置であって、前記素子基板の任意の側面に、前記素子基板の主面に平行な方向に外力を加えた際に、前記半導体発光素子が前記サブマウント基板から剥離する力が４００ｇ以上２０００ｇ以下であることを特徴とする半導体発光装置である。

また、本発明の他の態様は、前記半導体発光素子と前記サブマウント基板とが、金（Ａｕ）を介して電気的に接続される半導体発光装置である。

また、本発明の他の態様は、前記半導体発光素子と前記サブマウント基板の接着面積が前記半導体発光素子面積の３０％以上であることを特徴とする半導体発光装置である。

また、本発明の他の態様は、前記半導体発光素子からの中心発光波長が２１０ｎｍ以上３２０ｎｍ以下であることを特徴とする半導体発光装置である。

また、本発明の他の態様は、前記素子基板がＡｌＮ単結晶基板を含むことを特徴とする半導体発光装置である。

本発明によれば、長期信頼性に優れた半導体発光装置を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る半導体発光装置の一例を示す断面模式図である。本発明の一実施形態に係る半導体発光装置に外力を加える操作の具体例を示す模式図である。接合電極を有するサブマウント基板と半導体発光素子とが電気的に接続された半導体発光装置の一例を示す断面模式図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。なお、以下の説明において参照する各図では、他の図と同等部分は同一符号によって示される。

（半導体発光装置の構成）
図１は、本実施形態に係る半導体発光装置の一例を示す断面模式図である。図１に示される半導体発光装置１は、半導体発光素子１０と、サブマウント基板２０と、導電体３０とからなる。また、半導体発光素子１０は、素子基板１１と半導体積層部１２とから構成される。半導体積層部１２は、ｎ型半導体層１２１、発光層１２２、およびｐ型半導体層１２３から構成される。半導体発光素子１０とサブマウント基板２０は、導電体３０を介して電気的に接続されている。

また、本実施形態に係る半導体発光装置は、半導体発光素子１０がサブマウント基板２０から剥離する力が４００ｇ以上２０００ｇ以下（より好ましくは５００ｇ以上１５００ｇ以下）であることにより、動作信頼性の高い半導体発光装置を実現することが可能になる。剥離する力が２０００ｇより大きいと低温・高温と温度を大きく変えた際に応力が発生し、発光装置の特性に影響する可能性がある。

図２は、本実施形態に係る半導体発光装置に外力を加える操作の具体例を示す模式図である。図２に示される様に、素子基板１１の任意の側面に素子基板１１の主面に平行な方向（図中の矢印方向）に外力を加えていく。外力を加える際には、素子基板１１の側面全面に押し当て部材４０が接するようにする。なお、押し当て部材４０から素子基板１１に印加された外力は、押し当て部材４０にかかる反発力を測定することで測定可能である。

また、外力を加えていく際の外力の増加速度は特に制限されないが、外力の測定精度と再現性の観点から、毎秒２０ｍｍの割合で増加させていくことが好ましい。なお、「半導体発光素子がサブマウント基板から剥離した状態」とは、半導体発光素子とサブマウント基板とが物理的に完全に非接続となる状態を意味する（本明細書を通じて同様）。

なお、半導体発光装置１の信頼性の向上の観点から、半導体発光素子１０とサブマウント基板２０の接着面積は、半導体発光素子の面積の３０％以上であることが好ましい。

以下、本実施形態の半導体発光装置の構成要件について説明する。各構成要件の形態はそれぞれ単独または組み合わせて上述した本実施形態の半導体発光装置に適用されうる。

（半導体発光素子）
上述したように、半導体発光素子１０は、素子基板１１と、ｎ型半導体層１２１、発光層１２２、およびｐ型半導体層１２３を含む半導体積層部１２と、を有する。また、サブマウント基板２０との電気的な接続性を向上させる観点から、半導体積層部１２の任意の領域に一つまたは複数の電極部をさらに有していることが好ましい。ｎ型半導体層１２１上に形成される電極部としては、Ｔｉ、Ａｌ、Ｎｉ、Ａｕの積層体を用いることが好ましい。ｐ型半導体層１２３上に形成される電極部としては、Ｎｉ、Ａｕを用いることが好ましい。また、コンタクト特性向上の観点から、電極部となる材料を形成した後に窒素雰囲気または酸素雰囲気で５００℃以上の高温アニールすることが好ましい。

また、電極部の上に更にＡｕを主成分とするパッド電極部を形成することも可能である。後述するサブマウント基板２０の柱状のＡｕ電極部と半導体発光素子１０のパッド電極部とを電気的に接合することにより、簡易かつ高精度に半導体発光素子１０とサブマウント基板２０とを電気的に接続することが可能になる。良好な電気的接続性と信頼性向上の観点から、パッド電極部の厚みは０．３μｍ以上、２μｍ以下であることが好ましく、０．５μｍ以上１．３μｍ以下であればより好ましい。

（素子基板）
素子基板１１としては、サファイア基板、窒化アルミニウム基板（ＡｌＮ基板）などが採用可能である。半導体発光装置１の信頼性向上の観点からはＡｌＮ基板であることが好ましく、ＡｌＮ単結晶基板であればより好ましい。単結晶ＡｌＮ基板の製造方法は特に制限されないが、高品質な単結晶ＡｌＮ基板を得る観点から、窒化アルミニウムセラミックスを原料とする昇華法により製造することが好ましい。単結晶ＡｌＮ基板の転位密度は１０^７ｃｍ^−２未満であることが好ましく、特に１０^５ｃｍ^−２未満であればより好ましい。ｎ型半導体層１２１の転位密度提言の観点から、ＡｌＮ単結晶基板のＲＭＳ表面粗さは、１０μｍ×１０μｍの面積に対して約１ｎｍ未満であることが好ましい。

（半導体積層部）
半導体積層部１２は、少なくとも、ｎ型半導体層、発光層、およびｐ型半導体層を含んでいればよく、これら以外の層を備えていてもよい。例えば、発光層１２２と、ｎ型半導体層１２１および／またはｐ型半導体層１２３との間に、電子または正孔をブロックする層が備えられていてもよい。また、サブマウント基板２０とのオーミック接合性を向上させる観点から、高濃度に不純物がドーピングされたコンタクト層を備えていてもよい。

また、半導体積層部１２の形状は特に制限されないが、サブマウント基板２０と容易に電気的に接続し、かつ発光した光を素子基板１１側から外部に取り出す観点から、半導体発光素子１０を断面視したときに一段または多段のメサ型構造であることが好ましい。メサ型構造であることにより、いわゆるフリップチップの形式でサブマウント基板と電気的に接続することが可能である。断面視したときの形状がメサ型構造である場合、平面視したときの半導体積層部１２の形状としては、矩形状、円または楕円状、多角形状、およびそれらの組み合わせからなる形状を採用可能である。

半導体積層部１２は、例えば、ＭＯＣＶＤ（ＭｅｔａｌＯｒｇａｎｉｃＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：有機金属気相成長）法により形成することが可能である。半導体積層部１２をメサ型構造にするためには、上述したＭＯＣＶＤ法等により半導体積層部１２を構成する薄膜層を形成した後に、所望の領域をエッチングすることで実現可能である。

（ｎ型半導体層、ｐ型半導体層）
ｎ型半導体層１２１およびｐ型半導体層１２３は、それぞれの導電型を示すＩｎ_ｘＡｌｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ＋ｙ≦１）から構成されるものが好ましい。

素子基板１１と発光層１２２との間に形成されるｎ型半導体層１２１またはｐ型半導体層１２３は、素子基板１１の格子定数から発光層１２２の格子定数に近づくように、組成が連続的または離散的に変化した構成になっていてもよい。

（発光層）
発光層１２２は電力が印加された時に発光層１２２のバンドギャップに応じた光を発する。本実施形態の半導体発光装置は、従来においては信頼性が特に問題となっていた中心発光波長が２１０ｎｍ以上３２０ｎｍ以下の紫外線を発する半導体発光素子が用いられたとしても、十分な信頼性が確保されるため特に好ましく適用可能である。

発光層１２２の好ましい形態の例としては、多重量子井戸（ＭｕｌｔｉＱｕａｎｔｕｍＷｅｌｌ）構造が挙げられる。例えば、組成比が異なる（バンドギャップが異なる）ＡｌＧａＮ層を多数積層した多重量子井戸構造が採用可能である。

（サブマウント基板）
サブマウント基板２０は、半導体発光素子１０と電気的に接続される。半導体発光装置１の放熱性向上の観点から、放熱性の高い材料からなるベース部となっていることが好ましい。放熱性の高い材料としては、ＡｌＮセラミックが挙げられる。また簡易に半導体発光素子１０と電気的に接続する観点から、サブマウント基板２０は、Ａｕを含む球状または柱状の接合電極を備えていることが好ましい。

図３は、接合電極を有するサブマウント基板と半導体発光素子とが電気的に接続された半導体発光装置の一例を示す断面模式図である。図３に示される半導体発光素子１０は、ｎ型半導体層１２１およびｐ型半導体層１２３のそれぞれに形成された電極部１３と、各電極部１３上に形成されたパッド電極部１４を有している。サブマウント基板２０は、ベース部２１に加えて、柱状の接合電極２２を有している。この柱状の接合電極２２の高さは、半導体発光素子１０とショートなどの不良を起こさない範囲で適宜設定される。

上記のような構造により、半導体発光素子１０のパッド電極部１４とサブマウント基板２０の接合電極２２とが接続されることで、半導体発光素子１０とサブマウント基板２０とが電気的に接続されている。サブマウント基板２０側から電力を供給することにより、半導体発光素子１０の発光層１２２で光が生成され、素子基板１１側から外部に出力される。また、半導体発光素子１０で生じた熱は、パッド電極部１４および接合電極２２を介してベース部２１側に伝導し、外部に放出される。

半導体発光素子１０とサブマウント基板２０とを電気的に接続する方法の一例としては、以下のような方法が挙げられる。すなわち、まず、接合される面を上側（例えば、図３の接合電極２２を有する場合は接合電極２２側の面を上側）にしてサブマウント基板２０を固定する。この状態で、半導体発光素子１０の素子基板１１の接着される面を下側（例えば、図３のパッド電極部１４を有する場合はパッド電極１４と接着されるべき側の面を下側）にして、サブマウント基板２０の上面に一定の力で押し付けながら、半導体発光素子１０に超音波をかける。このようにしてサブマウント基板２０に熱をかけることで、素子基板１１とサブマウント基板２０とを接着する。この時、半導体発光素子１０をサブマウント基板２０に押し付ける力と超音波のエネルギーとが、接着時のパラメーターとなる。

（実施例）
以下、本発明に係る半導体発光装置の具体的な実施例について説明する。ただし、あくまでこれらは一例であり、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。

［実施例１］
本発明の一実施例として、以下のような半導体発光装置を作製した。すなわち、素子基板としてのＡｌＮ単結晶基板と、この素子基板上に形成されたｎ型ＡｌＧａＮ層、多重量子井戸構造のＡｌＧａＮ積層、およびｐ型ＧａＮ層からなるメサ型構造の半導体積層部とを備える半導体発光装置である。また、ｎ型ＡｌＧａＮ層上には、２０ｎｍのＴｉ、１５０ｎｍのＡｌ、３０ｎｍのＮｉ、および５０ｎｍのＡｕの積層体からなるｎ型電極部と、ｐ型ＧａＮ層状に形成された２０ｎｍのＮｉおよび３５ｎｍのＡｕからなるｐ型電極部とが備えられている。さらに、これらのｎ型電極部およびｐ型電極部上には、１０００ｎｍのＡｕからなるパッド電極部が形成されている。パッド電極部は、ＡｌＮ単結晶基板の面積に対して４５％の面積であった。また、ＡｌＮセラミックからなるベース部と、このベース部上に形成された１０００ｎｍの柱状の接合電極部とを有するサブマウント基板を準備した。接合電極部のパターンは、半導体発光素子のパッド電極部と対応する同じパターンで形成した。

柱状の電極部を上側に向けてサブマウント基板を固定して、半導体発光素子のパッド電極部を下側に向けた状態で、柱状の電極部とパッド電極部を接触させた。さらに、ボンディングの温度は２００℃に設定し、半導体発光素子に、押し付け力６５０ｇ、出力３００ｍＷで超音波をかけて、柱状電極部とパッド電極部とを接合し、半導体発光装置を得た。柱状電極部とパッド電極部との接合には、ＴＤＫ株式会社製の超音波フリップチップ実装機「ＡＦＭ１５」を用いた。

得られた半導体発光装置は、中心発光波長が２７０ｎｍの紫外線を発するデバイスであった。

上記のようにして得られた半導体発光装置について、２５℃で１００ｍＡ連続通電（条件）にて信頼性試験を行った。この試験結果は、光出力劣化率が７０％以下（問題ないことを示すデータ）であった。

同様の方法で得られた半導体発光装置の素子基板の側面に対して、Ｄａｇｅ社製のボンドテスター「４０００」で素子基板の主面に平行な方向に毎秒２０ｍｍで外力を加えていったところ、１１００ｇの外力を加えたところで半導体発光素子がサブマウント基板から剥離した。

［実施例２］
次に、第２の実施例について説明する。

本実施例では、超音波の出力を５００ｍＷに変更した以外は、実施例１と同様の方法で半導体発光装置を得た。得られた半導体発光装置について、実施例１と同様の方法で信頼性試験を行った結果、光出力劣化率が７０％以下（問題ないことを示すデータ）であった。

また、本実施例の半導体発光装置の素子基板の側面に、実施例１と同様の方法で外力を加えていったところ、６００ｇの外力を加えたところで半導体発光素子がサブマウント基板から剥離した。

［比較例１］
さらに、押し付け圧力を８５０ｇとし、超音波の出力を７００ｍＷとして、実施例１と同様の方法で半導体発光装置を得た。

得られた半導体発光装置について実施例１と同様の方法で信頼性試験を行った結果、光出力劣化率が５０％以上（問題があったことを示すデータ）であった。

また、この半導体発光装置の素子基板の側面に、実施例１と同様の方法で外力を加えていったところ、３５０ｇの外力を加えたところで半導体発光素子がサブマウント基板から剥離した。

実施例１および２、並びに比較例１の結果より、素子基板の任意の側面に対して、素子基板の主面に平行な方向に外力を加えた際に、半導体発光素子がサブマウント基板から剥離する力が３５０ｇであった比較例１では、光出力の劣化が生じ、信頼性が十分ではないが、剥離する力が１１００ｇおよび６００ｇの実施例１および２ではいずれも十分な信頼性が得られることが分かった。また、前述したように、剥離する力が２０００ｇより大きい場合には、低温・高温と温度を大きく変えた際に応力が発生し、発光装置の特性に影響しうる。以上の信頼性試験の結果によれば、半導体発光素子がサブマウント基板から剥離する力が４００以上２０００以下であれば、十分な信頼性が得られることが分かった。

（まとめ）
以上のように、本発明に係る半導体発光装置は、従来の半導体発光装置と比較して、半導体発光基板とサブマウントとの間の密着力が強く、放熱性も向上する。発光波長が３２０ｎｍ以下の信頼性の高い発光装置として、殺菌やバイオ分析に好適に用いられる。

ここまで、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは言うまでもない。

また、本発明の範囲は、図示され記載された例示的な実施形態に限定されるものではなく、本発明が目的とするものと均等な効果をもたらすすべての実施形態をも含む。さらに、本発明の範囲は、各請求項により画される発明の特徴の組み合わせに限定されるものではなく、すべての開示されたそれぞれの特徴のうち特定の特徴のあらゆる所望する組み合わせによって画されうる。

本発明は、フリップチップ型の半導体発光装置に利用可能であり、例えば、殺菌やバイオ分析等に好適に用いられる。

１半導体発光装置
１０半導体発光素子
１１素子基板
１２半導体積層部
１２１ｎ型半導体層
１２２発光層
１２３ｐ型半導体層
１３電極部
１４パッド電極部
２０サブマウント基板
２１ベース部
２２接合電極
３０導電体
４０押し当て部材

Claims

素子基板と、ｎ型半導体層、発光層、およびｐ型半導体層を含む半導体積層部と、を有する半導体発光素子と、
前記半導体発光素子と電気的に接続されたサブマウント基板と、
を備える半導体発光装置であって、
前記素子基板の任意の側面に、前記素子基板の主面に平行な方向に外力を加えた際に、前記半導体発光素子が前記サブマウント基板から剥離する力が４００ｇ以上２０００ｇ以下であることを特徴とする半導体発光装置。
前記半導体発光素子と前記サブマウント基板とが、金（Ａｕ）を介して電気的に接続される請求項１記載の半導体発光装置。
前記半導体発光素子と前記サブマウント基板の接着面積が前記半導体発光素子面積の３０％以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体発光装置。
前記半導体発光素子からの中心発光波長が２１０ｎｍ以上３２０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の半導体発光装置。
前記素子基板がＡｌＮ単結晶基板を含むことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の半導体発光装置。