JP2015198123A - 半導体発光素子、発光デバイス - Google Patents
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Abstract
【課題】高電流を供給した場合であっても、電流供給部近傍の領域に電流が集中することが防止された半導体発光素子を提供する。
【解決手段】半導体発光素子1は、素子基板11上に、p型半導体層31、発光層33及びn型半導体層35を含む半導体層30を有してなり、半導体層の一部上面に接触して形成され、電流供給線と連結される電流供給部を含む電極を有し、素子基板が、電流供給部に対して当該素子基板の面に直交する方向に対向する箇所を含む位置に形成された第一領域11Aと、前記第一領域よりも厚みの厚い第二領域11Bを有して構成されている。
【選択図】図2B
【解決手段】半導体発光素子1は、素子基板11上に、p型半導体層31、発光層33及びn型半導体層35を含む半導体層30を有してなり、半導体層の一部上面に接触して形成され、電流供給線と連結される電流供給部を含む電極を有し、素子基板が、電流供給部に対して当該素子基板の面に直交する方向に対向する箇所を含む位置に形成された第一領域11Aと、前記第一領域よりも厚みの厚い第二領域11Bを有して構成されている。
【選択図】図2B
Description
本発明は、基板上に、p型半導体層、発光層及びn型半導体層を含む半導体層を有してなる半導体発光素子、及びこれを備える発光デバイスに関する。
従来の半導体発光素子として、例えば下記特許文献1には、図8に示す構造が開示されている。
図8は、特許文献1に開示された半導体発光素子の断面図を模式的に示したものである。従来の半導体発光素子100は、支持基板101上に、ボンディング層102、反射電極103、オーミック接触層104、電流遮断層105、アイソレーション層106、半導体層107及びn側電極108を備えて構成される。半導体層107は、支持基板101に近い側から順に、p型半導体層111、発光層112及びn型半導体層113が積層されて構成されている。
以下では、支持基板101の基板面に平行な平面をX−Y平面とし、この平面に垂直な方向をZ方向と規定する。なお、図8に示す半導体発光素子100は、紙面上向き(Z方向)に光が取り出される素子である。
ボンディング層102は、支持基板101と反射電極103を貼り合わせる際に、両者の密着性を高めるために設けられた導電性材料であり、例えばハンダ等で構成される。反射電極103は、高い反射率を有する金属又は合金で形成されており、発光層112から支持基板101側(紙面下向き)に射出された光を当該反射電極103上で反射させることで、n側電極108側に形成された光取り出し面に導く。これにより、光取り出し効率を高める効果が得られる。
電流遮断層105は、n側電極108に対してZ方向に対向する位置において、半導体層107の底面(支持基板101側の面)に接触するように形成されており、絶縁性材料又は半導体層107との間でショットキー接触を形成する材料で形成される。特許文献1によれば、この電流遮断層105としては、例えば、SiO2、SiOx、SiOxNy、Si3N4、Al2O3、TiOx、Ti、Al、Crのうちの少なくとも1つを含む構成であればよいという記述がされている。
アイソレーション層106は、隣接する半導体層107を素子単位で分離したときの、隣接素子間の絶縁性を確保する目的で設けられた絶縁層であり、例えば、SiO2、SiN、又はAl2O3等で形成される。
オーミック接触層104は、ITO等の光透過性を有した導電性酸化膜で構成される。オーミック接触層104は、反射電極103の上層に形成されており、上面(支持基板101とは反対側の面)の一部が半導体層107の底面(支持基板101側の面)に接触している。より詳細には、オーミック接触層104は、n側電極108に対してZ方向に対向する位置においては半導体層107と接触せずにアイソレーション層106又は電流遮断層105と接触しており、n側電極108に対してZ方向に対向しない領域の一部においては半導体層107と接触している。オーミック接触層104は、半導体層107と接触する箇所において、半導体層107との間でオーミック接触が形成されている。
図8に示すように、半導体発光素子100は、n側電極108に対してZ方向に対向する領域において、反射電極103やオーミック接触層104よりも高抵抗を示す電流遮断層105又はアイソレーション層106を半導体層107の底面に接触させている。これによって、n側電極108に対してZ方向に対向する位置に形成された半導体層107の領域内において、鉛直方向(Z方向)に電流が集中的に流れるのを緩和でき、発光層112内を流れる電流を水平方向(XY平面に平行な方向)に拡げて、発光層112内の広範囲で発光させて光出力を高める効果が得られる。
ところで、近年、半導体発光素子は従来よりも更に高い光出力が要求されるようになってきており、これに伴って、高い電流を供給しても安定的に高出力の光を発光する素子が求められている。
本発明者の鋭意研究により、従来の構成では、高い電流を注入した場合、電流供給線(ボンディングワイヤ等)が連結されるn側電極108上の箇所(以下、「電流供給部」と呼ぶ。)の付近に電流が集中し、温度が上昇することが分かった。そして、このような高電流注入を一定時間継続すると、電流供給部の近傍に形成されたn型半導体層113に対して、劣化、割れ又は溶融等が生じ、素子寿命が短くなることが分かった。この課題は、本発明者の鋭意研究によって見出されたものである。
図9は、図8に示す従来の半導体発光素子100を上から(光取り出し面側から)見たときの模式図である。図10は、図9の構成を有する素子の上面視の写真である。なお、図8は、図9におけるA−A線(X方向に平行な線)における模式的な断面図に相当する。
図9に示すように、電流供給部109はn側電極108の一部領域に相当する。なお、図9では、電流供給部109の配置位置がY方向に偏りを有している場合を想定している。また、図9において、オーミック接触層104は半導体層107よりも下層(支持基板101側)にあるため、上面から見た場合には半導体層107に隠れて見えないが、理解のために破線によって表示している。
図11は、電流供給部109に対して500mA、1000mAを供給したときの半導体発光素子100の上面の温度分布を示す写真である。図11(a)に示すように、供給電流が500mA程度である場合には、電流供給部109近傍が他の箇所と比べて大きな温度差が生じるということはない。しかし、図11(b)に示すように、供給電流を1000mAという高電流にした場合、電流供給部109の近傍が白っぽくなっており、これは当該領域が極めて高温になっていることを示している。すなわち、図11(b)において、Y方向に関し、電流供給部109の近傍と、電流供給部109から離れた箇所との間には大きな温度差が生じていることが示されている。
図12は、素子上のY方向に係る位置に応じた光出力の分布を示すグラフであり、より詳細には、同一のY座標に関してX方向に光出力を積分して得られた値の分布として示したものである。図12では、素子中央の位置を基準として、+Y方向及び−Y方向に関する基準位置からの変位量をもって横軸としている。また、縦軸は光出力の相対値である。1000mAという高電流を供給した場合には、電流供給部109の近傍に比べて、電流供給部109から離れた箇所の光出力が70%程度に留まっており、電流供給部109近傍に高電流が集中していることが示唆される。
更に、図13は、従来の半導体発光素子100に対して、電流供給部109から1000mAの高い電流を20時間供給した後の上面の写真であり、走査電子顕微鏡によって撮影されたものである。n型半導体層113に割れ117や溶融118が生じていることが確認できる。
上記の課題に鑑み、本発明は、高電流を供給した場合であっても、電流供給部近傍の領域の温度が上昇することを抑制した半導体発光素子を実現することを目的とする。
本発明は、素子基板上に、p型半導体層、発光層及びn型半導体層を含む半導体層を有してなる半導体発光素子であって、
前記半導体層の一部上面に接触して形成され、電流供給線と連結される電流供給部を含む電極を有し、
前記素子基板が、前記電流供給部に対して当該素子基板の面に直交する方向に対向する箇所を含む位置に形成された第一領域と、前記第一領域よりも厚みの厚い第二領域を有して構成されていることを特徴とする。
前記半導体層の一部上面に接触して形成され、電流供給線と連結される電流供給部を含む電極を有し、
前記素子基板が、前記電流供給部に対して当該素子基板の面に直交する方向に対向する箇所を含む位置に形成された第一領域と、前記第一領域よりも厚みの厚い第二領域を有して構成されていることを特徴とする。
なお、以下において、素子基板の基板面を「X−Y平面」とし、このX−Y平面に直交する方向を「Z方向」と規定して説明する。この定義を用いると、「厚み」とはZ方向に係る長さに対応する。
上記の構成によれば、電極の一部を構成する電流供給部に対して当該素子基板の面に直交する方向(すなわち「Z方向」)に対向する位置において、素子基板の厚みが薄くなっている。このため、素子基板の裏面側に熱伝導率の高い材料を形成する場合、電流供給部に対してこの素子基板の面に直交する方向(Z方向)に対向する位置において、熱源となる電流供給部と熱伝導率の高い材料とが接近し、Z方向の排熱性が向上する。これにより、電流供給部から高電流を供給した場合であっても、電流供給部近傍の温度上昇が緩和され、素子の長寿命化が実現できる。
ところで、効率的に排熱するという観点に立てば、素子基板の厚みを全体的に薄くして、その素子基板の裏面側に熱伝導率の高い材料を配置するという方法も考えられる。しかし、素子基板の厚みを全体的に薄くすると、以下の課題が生じる可能性があるため、かかる方法を採用することができない。
素子基板を実装基板にダイボンディングする際、素子基板に対して一定の荷重が掛けられる。もし素子基板の厚みが全体的に薄い場合には、素子基板がこの荷重に耐えられず、素子基板にクラックが発生する可能性がある。また、素子基板の厚みが全体的に薄い場合、ダイボンディング時に溶融した接合材が素子基板の側面を超えて半導体層の側面や上面に付着する懸念があり、この場合、半導体層がショートしてしまうという可能性がある。
更には、上記半導体発光素子が、所定の成長基板上にエピタキシャル成長して形成された半導体層を前記成長基板とは別の素子基板に貼り合わせることで実現したものである場合には、前記貼り合わせ工程において素子基板が高温環境下に置かれるため、素子基板の厚みが全体的に薄い場合には、半導体層と素子基板の熱膨張係数の違いにより素子基板に反りが発生する可能性がある。
本発明の構成とした場合、素子基板は、第一領域よりも厚みを厚くした第二領域を有しているため、この領域において上記の課題が顕在化しない範囲内の厚みを確保することが可能となる。一方で、駆動時に電流が集中して高温になりやすい電流供給部に対してZ方向に対向する位置、すなわち素子基板の第一領域においては、厚みが薄くなるように形成されている。従って、上記構成によれば、素子基板全体の厚みを薄くした場合に顕在化する可能性のある課題を生じさせずに、電流供給部近傍の温度上昇を緩和すること可能となる。
上記半導体発光素子において、前記第一領域の厚みが、前記第二領域の厚みに対して10%以上50%以下であるものとしても構わない。
前記第一領域の厚みを、前記第二領域の厚みに対して10%未満とした場合、半導体層と素子基板の熱膨張係数の違いにより素子基板に反りが発生する可能性がある。一方、前記第一領域の厚みを、前記第二領域の厚みに対して50%より厚くすると、素子基板の裏面側に熱伝導率の高い材料からなる部材を配置しても、当該部材と電流供給部の距離がさほど接近しないため、電流供給部の近傍における温度上昇を緩和する効果があまり得られない場合がある。よって、前記のように、前記第一領域の厚みを前記第二領域の厚みに対して10%以上50%以下の範囲内に設定することで、半導体層と素子基板の熱膨張係数の違いにより素子基板に反りが発生するという問題を生じさせずに、電流供給部近傍の温度上昇の緩和効果を十分に発揮させることができる。
また、上記半導体発光素子において、前記素子基板の面に平行な方向に関して、前記第一領域が、前記基板全体の2%以上60%以下を占有する構成としても構わない。
前記第一領域の占有領域を、前記素子基板全体の2%未満とした場合、素子基板のほぼ大半が厚みの厚い領域で形成されることになるため、電流供給部近傍の温度上昇を緩和するという効果を十分に発揮することができない場合がある。一方、前記第一領域の占有領域を、前記素子基板全体の60%を超える範囲とした場合には、素子基板に厚みの薄い領域が非常に多くなる結果、上述した素子基板の全体の厚みを薄くした場合に生じうる課題と同様の課題が顕在化する可能性がある。従って、前記素子基板の面に平行な方向に関して、前記第一領域が前記基板全体の2%以上60%以下を占有する構成となるように半導体発光素子を構成することがより好ましい。
なお、上記構成において、前記素子基板が、前記第一領域に切り欠き部又は溝部を有して形成されているものとしても構わない。
すなわち、素子基板を、厚みの厚い第二領域と、第二領域よりも厚みの薄い第一領域とを有する構成とする場合、均一の厚みを有する所定の基板を準備し、第一領域を構成する領域に対してエッチング等を施して切り欠き部又は溝部を形成することで、上記素子基板を実現することが可能となる。
また、上記構成において、前記半導体層が窒化物半導体層で形成されていても構わない。
電流供給部を含む電極は、通常n型半導体層の上面に形成される。特に窒化物半導体層で半導体層を構成してなる発光素子の場合、n型半導体層の厚みを十分に厚くすることができないため、電流供給部から高電流を供給すると、n型半導体層内で十分に電流を拡げることができず、電流供給部近傍に電流が集中しやすい。よって、半導体層を窒化物半導体層で形成した半導体発光素子において、特に電流供給部近傍の温度上昇を緩和させる必要性が高まるため、上記の構成を採用することでその効果を最大限発揮することができる。
また、本発明は、上記構成を有する半導体発光素子と、前記半導体発光素子が実装された実装基板とを有してなる発光デバイスであって、
前記実装基板は、前記素子基板の前記第一領域に対して前記素子基板の面に直交する方向に対向する領域が、前記素子基板の前記第二領域に対して前記素子基板の面に直交する方向に対向する領域よりも厚みが厚く、前記素子基板よりも熱伝導率の高い材料で構成され、前記素子基板と嵌合していることを特徴とする。
前記実装基板は、前記素子基板の前記第一領域に対して前記素子基板の面に直交する方向に対向する領域が、前記素子基板の前記第二領域に対して前記素子基板の面に直交する方向に対向する領域よりも厚みが厚く、前記素子基板よりも熱伝導率の高い材料で構成され、前記素子基板と嵌合していることを特徴とする。
また、本発明は、上記構成を有する半導体発光素子と、前記半導体発光素子が実装された実装基板とを有してなる発光デバイスであって、
前記実装基板は、その上面に、前記素子基板の前記第一領域に対して前記素子基板の面に直交する方向に対向する領域が、前記素子基板の前記第二領域に対して前記素子基板の面に直交する方向に対向する領域よりも厚膜であり、前記素子基板よりも熱伝導率の高い材料で構成された金属層を有し、前記素子基板と嵌合していることを特徴とする。
前記実装基板は、その上面に、前記素子基板の前記第一領域に対して前記素子基板の面に直交する方向に対向する領域が、前記素子基板の前記第二領域に対して前記素子基板の面に直交する方向に対向する領域よりも厚膜であり、前記素子基板よりも熱伝導率の高い材料で構成された金属層を有し、前記素子基板と嵌合していることを特徴とする。
上記構成を採用することで、電流供給部に対して前記素子基板の面に直交する方向(Z方向)に対向する位置において、電流供給部を含む電極と熱伝導率の高い材料を接近させることができ、Z方向の排熱性が向上する。これにより、電流供給部から高電流を供給した場合であっても、電流供給部近傍の温度上昇が緩和され、発光デバイスの長寿命化が実現できる。
更に、素子基板の厚みの薄い第二領域と、実装基板又は金属層の厚みの厚い部分とが嵌合する構成であるため、実装工程における位置決めが容易化されるという効果を有する。
実装基板上に素子基板を実装するダイボンディング工程においては、ハンダ材料等の接合材を実装基板上の所定の領域に形成した後、接合材の形成箇所に素子基板を載置し、加熱して接合材を溶融させることで両基板を接合させる。従来、平坦な実装基板上に平坦な素子基板を載置するため、加熱により溶融した接合材の流動に連れて実装基板上を素子基板が移動し、素子基板の位置がずれてしまう場合がある。しかし、上記の構成によれば、素子基板の厚みの薄い領域と、実装基板又は金属層で形成された厚みの厚い領域が嵌合しているため、素子基板の側面が実装基板又は金属層と接触しており、仮に溶融した接合材が移動しても素子基板が接合材の移動に連れて移動しにくい構成であり、上記のような位置ずれの問題が生じにくい。
なお、上記構成において、前記金属層が配線層を構成しているものとしても構わない。この場合、実装基板上には、領域によって厚みの異なる配線層が形成される。
本発明の半導体発光素子によれば、電流供給部近傍における電流集中が緩和され、長寿命の高出力デバイスが実現される。
本発明の半導体発光素子及びこれを備える発光デバイスにつき、図面を参照して説明する。なお、各図において図面の寸法比と実際の寸法比は必ずしも一致しない。
〈半導体発光素子の構造〉
図1は、本発明の半導体発光素子1を上から見たときの模式的な平面図である。図1において、半導体発光素子1は光取り出し方向が紙面手前方向(Z方向)である。
図1は、本発明の半導体発光素子1を上から見たときの模式的な平面図である。図1において、半導体発光素子1は光取り出し方向が紙面手前方向(Z方向)である。
図2Aは、半導体発光素子1を図1におけるX方向に平行なB−B線で切断したときの模式的な断面図である。図2Bは、半導体発光素子1を図1におけるY方向に平行なC−C線で切断したときの模式的な断面図である。
本実施形態における半導体発光素子1は、素子基板11、導電層12、絶縁層19、半導体層30、第一電極41、及び第二電極25を有して構成される。半導体層30は、素子基板11に近い側から順にp型半導体層31、発光層33、及びn型半導体層35が積層されて形成されている。なお、図1を含む以下の各図面において、素子基板11の面に平行な方向をX−Y平面と規定し、この平面に垂直な方向をZ方向と規定する。
(導電層12)
素子基板11の上層には、多層構造からなる導電層12が形成されている。本実施形態において、導電層12は、保護層13、ハンダ層15、及び保護層17を含む構成である。
素子基板11の上層には、多層構造からなる導電層12が形成されている。本実施形態において、導電層12は、保護層13、ハンダ層15、及び保護層17を含む構成である。
ハンダ層15は、例えばAu−Sn、Au−In、Au−Cu−Sn、Cu−Sn、Pd−Sn、Sn等で構成される。このハンダ層15は、基板11と別の基板(後述する成長基板20)とを貼り合わせる際、両者の密着性を確保するための層として機能している。
保護層17は、例えばPt系の金属(TiとPtの合金)、W、Mo、Ni等で構成される。後述するように、ハンダ層を介した貼り合わせの際、ハンダを構成する材料が第二電極25側に拡散して、第二電極25における反射率が落ちることによる発光効率の低下を防止する機能を果たしている。なお、保護層13はハンダ層15を構成する材料が素子基板11に拡散するのを防止する機能を果たしている。
(半導体層30)
上述したように、半導体層30は、素子基板11に近い側から、順にp型半導体層31、発光層33、及びn型半導体層35が積層されて形成される。
上述したように、半導体層30は、素子基板11に近い側から、順にp型半導体層31、発光層33、及びn型半導体層35が積層されて形成される。
p型半導体層31は、例えばGaN、AlGaN等で構成され、Mg、Be、Zn、又はC等のp型不純物がドープされている。
発光層33は、例えばInGaNからなる井戸層とAlGaNからなる障壁層が繰り返されてなる多重量子井戸構造を有する半導体層で形成される。これらの層はアンドープでもp型又はn型にドープされていても構わない。
n型半導体層35は、例えばAlGaNで構成される層(電子供給層)とGaNで構成される層(保護層)を含む多層構造で構成される。少なくとも保護層には、Si、Ge、S、Se、Sn、又はTe等のn型不純物がドープされている。
なお、「AlGaN」という記述は、AlmGa1−mN(0<m<1)という記述と同義であり、AlとGaの組成比の記述を単に省略して記載したものであって、AlとGaの組成比が1:1である場合に限定する趣旨ではない。「InGaN」という記述についても同様である。以下においても上記にならって記載される。
(第一電極41)
第一電極41は、n型半導体層35の一部領域の上面に形成されており、例えばCr−Auで構成される。なお、図1に示すように、第一電極41は半導体発光素子1の中央から−Y方向の位置において幅広部分を有しており、この領域に電流供給線45の一端が接続された電流供給部43が形成されている。電流供給線45の他端は、半導体発光素子1が配置されている素子基板11の給電パターン等に接続される(不図示)。なお、図1では、半導体発光素子1が電流供給部43を2箇所備える場合を図示しているが、これは一例であって電流供給部43の数を限定する趣旨ではない。
第一電極41は、n型半導体層35の一部領域の上面に形成されており、例えばCr−Auで構成される。なお、図1に示すように、第一電極41は半導体発光素子1の中央から−Y方向の位置において幅広部分を有しており、この領域に電流供給線45の一端が接続された電流供給部43が形成されている。電流供給線45の他端は、半導体発光素子1が配置されている素子基板11の給電パターン等に接続される(不図示)。なお、図1では、半導体発光素子1が電流供給部43を2箇所備える場合を図示しているが、これは一例であって電流供給部43の数を限定する趣旨ではない。
第一電極41は素子基板11の面(X−Y平面)に沿って縦横に延伸する構成であり、この延伸する第一電極41に囲まれた領域、すなわちn型半導体層35の上面に第一電極41が形成されていない領域が光取り出し面に対応する。なお、第一電極41は、図1に示すような形状に限られない。一例として、第一電極41に関して、Y方向に延伸する本数を増やしてより細かい格子形状としても構わないし、更にはX方向に延伸する本数を増やして網目形状としても構わない。
(第二電極25)
第二電極25は、例えばAg系の金属(NiとAgの合金)、Al、又はRh等を含む金属材料で構成することができる。第二電極25は、発光層33から射出される光を反射させることのできる導電性の材料で構成されており、且つ、p型半導体層31との接触箇所においてオーミック接触が形成されている。
第二電極25は、例えばAg系の金属(NiとAgの合金)、Al、又はRh等を含む金属材料で構成することができる。第二電極25は、発光層33から射出される光を反射させることのできる導電性の材料で構成されており、且つ、p型半導体層31との接触箇所においてオーミック接触が形成されている。
(絶縁層19)
絶縁層19は、例えばSiO2、SiN、Zr2O3、AlN、Al2O3等で構成される。この絶縁層19は、第一電極41に対してZ方向に対向する位置を含む領域に形成されており、第一電極41に供給された電流が半導体層30内を方向に流れるのを抑制し、半導体層30内に流れる電流をX−Y平面に平行な方向に拡げる効果を有する。更に、絶縁層19は、X−Y平面に平行な方向に関して半導体層30の外側の位置にも形成されており、隣接する半導体発光素子との間の絶縁性を確保するためのアイソレーション層として機能する他、後述するように素子分離時におけるエッチングストッパー層としても機能する。
絶縁層19は、例えばSiO2、SiN、Zr2O3、AlN、Al2O3等で構成される。この絶縁層19は、第一電極41に対してZ方向に対向する位置を含む領域に形成されており、第一電極41に供給された電流が半導体層30内を方向に流れるのを抑制し、半導体層30内に流れる電流をX−Y平面に平行な方向に拡げる効果を有する。更に、絶縁層19は、X−Y平面に平行な方向に関して半導体層30の外側の位置にも形成されており、隣接する半導体発光素子との間の絶縁性を確保するためのアイソレーション層として機能する他、後述するように素子分離時におけるエッチングストッパー層としても機能する。
(素子基板11)
素子基板11は、例えばCuW、W、Mo等の導電性基板、又はSi等の半導体基板で構成される。なお、図2A及び図2Bに示すように、半導体発光素子1が備える素子基板11は、第一領域11Aと、第一領域11Aよりも厚みの厚い第二領域11Bを有する構成である。より詳細には、素子基板11は、厚みの薄い第一領域11Aが電流供給部43に対してZ方向に対向する位置を含む領域に形成されている。そして、電流供給部43から遠い位置において、素子基板11は、第一領域11Aよりも厚みの厚い第二領域11Bが形成されている。なお、ここでいう「厚み」とはZ方向に係る長さを指している。
素子基板11は、例えばCuW、W、Mo等の導電性基板、又はSi等の半導体基板で構成される。なお、図2A及び図2Bに示すように、半導体発光素子1が備える素子基板11は、第一領域11Aと、第一領域11Aよりも厚みの厚い第二領域11Bを有する構成である。より詳細には、素子基板11は、厚みの薄い第一領域11Aが電流供給部43に対してZ方向に対向する位置を含む領域に形成されている。そして、電流供給部43から遠い位置において、素子基板11は、第一領域11Aよりも厚みの厚い第二領域11Bが形成されている。なお、ここでいう「厚み」とはZ方向に係る長さを指している。
〈発光デバイスの構造〉
図3A及び図3Bは、上述した半導体発光素子1が実装基板上に実装されてなる発光デバイス10の模式的な断面図である。図3Aは、図2Aと同じ方向から発光デバイス10を切断したときの模式的な断面図であり、図3Bは、図2Bと同じ方向から発光デバイス10を切断したときの模式的な断面図である。
図3A及び図3Bは、上述した半導体発光素子1が実装基板上に実装されてなる発光デバイス10の模式的な断面図である。図3Aは、図2Aと同じ方向から発光デバイス10を切断したときの模式的な断面図であり、図3Bは、図2Bと同じ方向から発光デバイス10を切断したときの模式的な断面図である。
発光デバイス10は、実装基板9と、実装基板9上に形成された配線層7を有する。そして、配線層7と半導体発光素子1が、接合材5を介して接合されている。
実装基板9は、例えばAlN、Al2O3等で構成される。配線層7は、例えばCu、Al、Ag等の、素子基板11よりも熱伝導率の高い金属材料で構成される。接合材5は、ハンダ層15と同様に、例えばAu−Sn、Au−In、Au−Cu−Sn、Cu−Sn、Pd−Sn、Sn等で構成される。
本実施形態の発光デバイス10は、図3A及び図3Bに示すように、配線層7の厚みが位置に応じて異なる構成である。より詳細には、配線層7は、素子基板11の第一領域11AとZ方向に対向する領域、すなわち電流供給部43に対してZ方向に対向する位置を含む領域においては、厚みの厚い第一領域7Aが形成され、素子基板11の第二領域11BとZ方向に対向する領域においては、第一領域7Aよりも厚みの薄い第二領域7Bが形成される。
〈製造方法〉
半導体発光素子1及び発光デバイスの製造方法の一例につき、図4A〜図4Fに示す模式的な製造工程図、及び図2A及び図3Aを参照して説明する。なお、図4A〜図4Fは、いずれも図2Aと同じ方向から素子を切断したときの模式的な断面図を示している。
半導体発光素子1及び発光デバイスの製造方法の一例につき、図4A〜図4Fに示す模式的な製造工程図、及び図2A及び図3Aを参照して説明する。なお、図4A〜図4Fは、いずれも図2Aと同じ方向から素子を切断したときの模式的な断面図を示している。
(ステップS1)
図4Aに示すように、成長基板20上にエピタキシャル層39を形成する。このステップS1は例えば以下の手順により行われる。
図4Aに示すように、成長基板20上にエピタキシャル層39を形成する。このステップS1は例えば以下の手順により行われる。
(成長基板20の準備)
成長基板20としてc面サファイア基板を準備して、これに対してクリーニングを行う。このクリーニングは、より具体的には、例えばMOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition:有機金属化学気相蒸着)装置の処理炉内に成長基板20(c面サファイア基板)を配置し、処理炉内に流量が10slmの水素ガスを流しながら、炉内温度を例えば1150℃に昇温することにより行われる。
成長基板20としてc面サファイア基板を準備して、これに対してクリーニングを行う。このクリーニングは、より具体的には、例えばMOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition:有機金属化学気相蒸着)装置の処理炉内に成長基板20(c面サファイア基板)を配置し、処理炉内に流量が10slmの水素ガスを流しながら、炉内温度を例えば1150℃に昇温することにより行われる。
(アンドープ層36の形成)
成長基板20の表面に、GaNよりなる低温バッファ層を形成し、更にその上層にGaNよりなる下地層を形成する。これらの低温バッファ層及び下地層がアンドープ層36に対応する。
成長基板20の表面に、GaNよりなる低温バッファ層を形成し、更にその上層にGaNよりなる下地層を形成する。これらの低温バッファ層及び下地層がアンドープ層36に対応する。
具体的なアンドープ層36の形成方法は、例えば以下の通りである。まず、МОCVD装置の炉内圧力を100kPa、炉内温度を480℃とする。そして、処理炉内にキャリアガスとして流量がそれぞれ5slmの窒素ガス及び水素ガスを流しながら、原料ガスとして、流量が50μmol/minのトリメチルガリウム(TMG)及び流量が250000μmol/minのアンモニアを処理炉内に68秒間供給する。これにより、成長基板20の表面に、厚みが20nmのGaNよりなる低温バッファ層を形成する。
次に、MOCVD装置の炉内温度を1150℃に昇温する。そして、処理炉内にキャリアガスとして流量が20slmの窒素ガス及び流量が15slmの水素ガスを流しながら、原料ガスとして、流量が100μmol/minのTMG及び流量が250000μmol/minのアンモニアを処理炉内に30分間供給する。これにより、低温バッファ層の表面に、厚みが1.7μmのGaNよりなる下地層を形成する。
(n型半導体層35の形成)
次に、アンドープ層36の上層にn型半導体層35を形成する。n型半導体層35の具体的な形成方法は、例えば以下の通りである。
次に、アンドープ層36の上層にn型半導体層35を形成する。n型半導体層35の具体的な形成方法は、例えば以下の通りである。
まず、引き続き炉内温度を1150℃とした状態で、MOCVD装置の炉内圧力を30kPaとする。そして、処理炉内にキャリアガスとして流量が20slmの窒素ガス及び流量が15slmの水素ガスを流しながら、原料ガスとして、流量が94μmol/minのTMG、流量が6μmol/minのトリメチルアルミニウム(TMA)、流量が250000μmol/minのアンモニア及び流量が0.013μmol/minのテトラエチルシランを処理炉内に60分間供給する。これにより、例えばAl0.06Ga0.94Nの組成を有し、Si濃度が5×1019/cm3で、厚みが2μmのn型半導体層35がアンドープ層36の上層に形成される。
なお、この後、TMAの供給を停止すると共に、それ以外の原料ガスを6秒間供給することにより、n型AlGaN層の上層に、厚みが5nm程度のn型GaNよりなる保護層を有するn型半導体層35を実現してもよい。
上記の説明では、n型半導体層35に含まれるn型不純物をSiとする場合について説明したが、n型不純物としては、Si以外にGe、S、Se、Sn又はTe等を用いることができる。
(発光層33の形成)
次に、n型半導体層35の上層にInGaNで構成される井戸層及びn型AlGaNで構成される障壁層が周期的に繰り返される多重量子井戸構造を有する発光層33を形成する。
次に、n型半導体層35の上層にInGaNで構成される井戸層及びn型AlGaNで構成される障壁層が周期的に繰り返される多重量子井戸構造を有する発光層33を形成する。
具体的には、まずMOCVD装置の炉内圧力を100kPa、炉内温度を830℃とする。そして、処理炉内にキャリアガスとして流量が15slmの窒素ガス及び流量が1slmの水素ガスを流しながら、原料ガスとして、流量が10μmol/minのTMG、流量が12μmol/minのトリメチルインジウム(TMI)及び流量が300000μmol/minのアンモニアを処理炉内に48秒間供給するステップを行う。その後、流量が10μmol/minのTMG、流量が1.6μmol/minのTMA、0.002μmol/minのテトラエチルシラン及び流量が300000μmol/minのアンモニアを処理炉内に120秒間供給するステップを行う。以下、これらの2つのステップを繰り返すことにより、厚みが2nmのInGaNよりなる井戸層及び厚みが7nmのn型AlGaNよりなる障壁層による15周期の多重量子井戸構造を有する発光層33が、n型半導体層35の上層に形成される。
(p型半導体層31の形成)
次に、発光層33の上層に、AlGaNで構成されるp型半導体層31を形成する。p型半導体層31の具体的な形成方法は、例えば以下の通りである。
次に、発光層33の上層に、AlGaNで構成されるp型半導体層31を形成する。p型半導体層31の具体的な形成方法は、例えば以下の通りである。
具体的には、MOCVD装置の炉内圧力を100kPaに維持し、処理炉内にキャリアガスとして流量が15slmの窒素ガス及び流量が25slmの水素ガスを流しながら、炉内温度を1025℃に昇温する。その後、原料ガスとして、流量が35μmol/minのTMG、流量が20μmol/minのTMA、流量が250000μmol/minのアンモニア及びp型不純物をドープするための流量が0.1μmol/minのビスシクロペンタジエニルマグネシウム(Cp2Mg)を処理炉内に60秒間供給する。これにより、発光層33の表面に、厚みが20nmのAl0.3Ga0.7Nの組成を有する正孔供給層を形成する。その後、TMAの流量を4μmol/minに変更して原料ガスを360秒間供給することにより、厚みが120nmのAl0.13Ga0.87Nの組成を有する正孔供給層を形成する。これらの正孔供給層によりp型半導体層31が形成される。このp型半導体層31のp型不純物濃度は、例えば3×1019/cm3程度である。
なお、その後、TMAの供給を停止すると共に、Cp2Mgの流量を0.2μmol/minに変更して原料ガスを20秒間供給することにより、厚みが5nm程度で、p型不純物濃度が1×1020/cm3程度のp型コンタクト層を形成してもよい。この場合、p型半導体層31にはこのp型コンタクト層も含まれる。
このようにして成長基板20上に、アンドープ層36、n型半導体層35、発光層33、及びp型半導体層31からなるエピタキシャル層39が形成される。
(ステップS2)
ステップS1で得られたウェハに対して活性化処理を行う。より具体的には、RTA(Rapid Thermal Anneal:急速加熱)装置を用いて、窒素雰囲気下中650℃で15分間の活性化処理を行う。
ステップS1で得られたウェハに対して活性化処理を行う。より具体的には、RTA(Rapid Thermal Anneal:急速加熱)装置を用いて、窒素雰囲気下中650℃で15分間の活性化処理を行う。
(ステップS3)
p型半導体層31の上面の所定箇所に絶縁層19を形成する(図4B参照)。
p型半導体層31の上面の所定箇所に絶縁層19を形成する(図4B参照)。
より詳細には、隣接する素子との境界となる領域、及び後の工程で第一電極41を形成する予定の領域に対してZ方向に対向する領域内におけるp型半導体層31の上面に、SiO2をスパッタリング法によって膜厚200nm程度成膜することで絶縁層19を形成する。なお成膜する材料は絶縁性材料であればよく、例えばSiN、Al2O3でも良い。このとき、絶縁層19を形成しない領域をマスクしておくものとしてよい。ステップS3の実行後においても、p型半導体層31の一部は依然として上面に露出している。
(ステップS4)
絶縁層19の上面及びp型半導体層31の上面に跨るように第二電極25を形成する(図4C参照)。例えばスパッタ装置にて、絶縁層19の上面及びp型半導体層31の上面に跨るように、膜厚150nmのAg及び膜厚30nmのNiを成膜する。なお、p型半導体層31との密着性を高めるために、Ag層の下層に膜厚1.5nm程度のNiを成膜しても構わない。
絶縁層19の上面及びp型半導体層31の上面に跨るように第二電極25を形成する(図4C参照)。例えばスパッタ装置にて、絶縁層19の上面及びp型半導体層31の上面に跨るように、膜厚150nmのAg及び膜厚30nmのNiを成膜する。なお、p型半導体層31との密着性を高めるために、Ag層の下層に膜厚1.5nm程度のNiを成膜しても構わない。
その後、RTA装置等を用いてドライエア雰囲気中で400℃〜550℃、60秒〜300秒間のコンタクトアニール処理を行い、成膜した材料膜とp型半導体層31とのオーミック接触を形成させ、第二電極25を形成する。
(ステップS5)
第二電極25及び電流遮断層21の上面に跨るように、全面に保護層17を形成する。その後、保護層17の上面にハンダ層15を形成する(図4D参照)。
第二電極25及び電流遮断層21の上面に跨るように、全面に保護層17を形成する。その後、保護層17の上面にハンダ層15を形成する(図4D参照)。
より詳細には、電子線蒸着装置(EB装置)にて、膜厚100nmのTiと膜厚200nmのPtを3周期成膜することで保護層17を形成する。更にその後、保護層17の上面(Pt表面)に、膜厚10nmのTiを蒸着させた後、Au80%Sn20%で構成されるAu−Snハンダを膜厚3μm蒸着させることでハンダ層15を形成する。
(ステップS6)
次に、成長基板20とは別に準備された素子基板11に、上記保護層17と同様の方法で保護層13を形成する。素子基板11としては、上述したようにCuW、W、Mo等の導電性基板、又はSi等の半導体基板を利用することができる。
次に、成長基板20とは別に準備された素子基板11に、上記保護層17と同様の方法で保護層13を形成する。素子基板11としては、上述したようにCuW、W、Mo等の導電性基板、又はSi等の半導体基板を利用することができる。
そして、成長基板20と素子基板11とを貼り合わせる。一例としては、280℃の温度、0.2MPaの圧力下で、成長基板20上に形成されたハンダ層15と、基板11の上層に形成された保護層17とを貼り合わせる(図4D参照)。
なお、素子基板11において、保護層17の上層にもハンダ層15を形成しておき、貼り合わせ時において、素子基板11上のハンダ層15と成長基板20上のハンダ層15を貼り合わせるものとしても構わない。
(ステップS7)
次に、成長基板20を剥離する。より具体的には、成長基板20を上に、素子基板11を下に向けた状態で、成長基板20側からKrFエキシマレーザを照射して、成長基板20とエピタキシャル層39の界面を分解させることで成長基板20の剥離を行う。
次に、成長基板20を剥離する。より具体的には、成長基板20を上に、素子基板11を下に向けた状態で、成長基板20側からKrFエキシマレーザを照射して、成長基板20とエピタキシャル層39の界面を分解させることで成長基板20の剥離を行う。
成長基板20としてサファイア基板を利用する場合、サファイアはレーザが通過する一方、その下層のGaN(アンドープ層36)はレーザを吸収するため、この界面が高温化してGaNが分解される。これによって成長基板20が剥離される。
その後、ウェハ上に残存しているGaN(アンドープ層36)を、塩酸等を用いたウェットエッチング、又はICP装置を用いたドライエッチングによって除去し、n型半導体層35を露出させる。なお、本ステップS7においてアンドープ層36が除去されて、素子基板11に近い側から順に、p型半導体層31、発光層33、及びn型半導体層35が積層されてなる半導体層30が残存する(図4E参照)。
(ステップS8)
次に、図4Fに示すように、隣接する素子同士を分離する。具体的には、隣接素子との境界領域に対し、ICP装置を用いて絶縁層19の上面が露出するまで半導体層30をエッチングする。このとき、上述したように絶縁層19はエッチングストッパーとして機能する。
次に、図4Fに示すように、隣接する素子同士を分離する。具体的には、隣接素子との境界領域に対し、ICP装置を用いて絶縁層19の上面が露出するまで半導体層30をエッチングする。このとき、上述したように絶縁層19はエッチングストッパーとして機能する。
(ステップS9)
次に、n型半導体層35の上面の所定の領域、より詳細には、絶縁層19に対してZ方向に対向する一部の領域に第一電極41を形成する。第一電極41の形成方法の一例としては、膜厚100nmのCrと膜厚3μmのAuを蒸着した後、窒素雰囲気中で250℃、1分間程度のアニール処理を行う。そして、各素子同士を例えばレーザダイシング装置によって分離する。
次に、n型半導体層35の上面の所定の領域、より詳細には、絶縁層19に対してZ方向に対向する一部の領域に第一電極41を形成する。第一電極41の形成方法の一例としては、膜厚100nmのCrと膜厚3μmのAuを蒸着した後、窒素雰囲気中で250℃、1分間程度のアニール処理を行う。そして、各素子同士を例えばレーザダイシング装置によって分離する。
(ステップS10)
次に、素子基板11の裏面の所定の領域、より詳細には、電流供給部43に対してZ方向に対向する位置を含む領域に対して、エッチング等により厚みを薄くする(図2A、図2B参照)。これにより、素子基板11は、厚みの薄い第一領域11Aと厚みの厚い第二領域11Bが形成される。ステップS1〜S10を経て、図2A及び図2Bに示す半導体発光素子1が形成される。
次に、素子基板11の裏面の所定の領域、より詳細には、電流供給部43に対してZ方向に対向する位置を含む領域に対して、エッチング等により厚みを薄くする(図2A、図2B参照)。これにより、素子基板11は、厚みの薄い第一領域11Aと厚みの厚い第二領域11Bが形成される。ステップS1〜S10を経て、図2A及び図2Bに示す半導体発光素子1が形成される。
(ステップS11)
実装基板9上の所定の領域にCu等で配線層7を形成し、接合材5を介して素子基板11の裏面と配線層9とを接合する(図3A、図3B参照)。より詳細には、実装基板9上の所定の領域に、厚膜の配線層7Aと薄膜の配線層7Bを形成した後、その上面にAu−Snハンダ等で構成された接合材5を形成する。そして、当該接合材5の形成箇所に素子基板11の裏面を接触させ、例えば、280℃の温度で、素子基板11と実装基板9とを接合させる。
実装基板9上の所定の領域にCu等で配線層7を形成し、接合材5を介して素子基板11の裏面と配線層9とを接合する(図3A、図3B参照)。より詳細には、実装基板9上の所定の領域に、厚膜の配線層7Aと薄膜の配線層7Bを形成した後、その上面にAu−Snハンダ等で構成された接合材5を形成する。そして、当該接合材5の形成箇所に素子基板11の裏面を接触させ、例えば、280℃の温度で、素子基板11と実装基板9とを接合させる。
その後、第一電極41の一部領域を電流供給部43として、配線層7と電流供給線45を接続するワイヤボンディングを行う。例えば、50gの荷重でΦ100μmのボンディング領域にAuからなる電流供給線45を連結させることで、ワイヤボンディングを行う
以上、ステップS1〜S11を経て、図3A及び図3Bに示す発光デバイス10が形成される。
なお、上述した製造方法では、ステップS6において成長基板20と素子基板11を張り合わせた後、素子基板11の裏面側の所定の領域の厚みを薄くする工程を行った(ステップS10)。これに対し、ステップS6において、予め所定の領域の厚みが薄く形成された素子基板11を成長基板20と貼り合わせても構わない。
また、ステップS10では、素子基板11の裏面側の所定の領域の厚みを薄くすることで、素子基板11の第一領域11Aと第二領域11Bを実現するものとしたが、裏面側の所定の領域に別の部材を形成することで、素子基板11の第一領域11Aと第二領域11Bを実現するものとしても構わない。
〈作用〉
図1、図2A及び図2Bに示す半導体発光素子1によれば、第一電極41の一部を構成する電流供給部43に対してZ方向に対向する位置において、素子基板11の厚みが薄くなっている(第一領域11A)。そして、図3A及び図3Bに示すように、この半導体発光素子1を実装した発光デバイス10は、素子基板11の第一領域11Aに対してZ方向に対向する位置において、配線層7の厚みが厚くなっている(第一領域7A)。
図1、図2A及び図2Bに示す半導体発光素子1によれば、第一電極41の一部を構成する電流供給部43に対してZ方向に対向する位置において、素子基板11の厚みが薄くなっている(第一領域11A)。そして、図3A及び図3Bに示すように、この半導体発光素子1を実装した発光デバイス10は、素子基板11の第一領域11Aに対してZ方向に対向する位置において、配線層7の厚みが厚くなっている(第一領域7A)。
よって、電流供給部43に対してZ方向に対向する位置において、熱源となる電流供給部43と熱伝導率の高い配線層7とが接近するため、Z方向の排熱性が向上する。これにより、電流供給部43から高電流を供給した場合であっても、電流供給部43近傍の温度上昇が緩和され、半導体発光素子1の長寿命化が実現できる。
また、電流供給部43から離れた箇所においては、素子基板11の厚みは第一領域11Aよりも厚くなっており(第二領域11B)、素子基板11には十分な厚みが実現できている。このため、ステップS11において実装基板9上に素子基板11をダイボンディングする際、素子基板11に対して荷重をかけても素子基板11にクラックが生じるというおそれがない。
更に、図3A及び図3Bに示すように、発光デバイス10は、配線層7の第一領域7A及び第二領域7Bによって構成された凹凸と、素子基板11の第一領域11A及び第二領域11Bによって構成された凹凸とが嵌合した構造となっている。
従来、半導体発光素子が形成された素子基板を実装基板上に実装する場合、平坦な面の所定の領域上に形成された接合材に対向するように素子基板を位置決めし、素子基板の裏面をこの接合材に接触させた後にステップS11と同様のダイボンディング工程を行う。このとき、ステップS11で上述したように、加熱により接合材を溶融させるため、この溶融した接合材の流動に連れて素子基板が移動し、素子基板の位置がずれてしまう場合がある。
しかし、発光デバイス10によれば、上述したように、素子基板11及び配線層7の両者が凹凸を有し、これらの凹凸が相互に嵌合する構造であるため、素子基板11の側面が配線層7と接触する。従って、仮に溶融した接合材5が移動しても素子基板11が接合材5の移動に連れて移動しにくい構成であり、上記のような位置ずれの問題が生じにくいという作用も有する。
〈実施例〉
図5A及び図5Bは、実施例として検証のために形成したデバイス61の構造を模式的に示す図面である。図5Aは検証用デバイス61の模式的な断面図である。また、図5Bは、配線層7の第二領域7Bの上面に形成された接合層5の位置よりは上方で、配線層7の第一領域7Aの上面に形成された接合層5の位置よりは下方の高さにおいて、検証用デバイス61をX−Y平面(図5A内のD−D線)で切断した状態を上から見た時の模式的な平面図である。また、図6は、比較例として検証のために形成したデバイス62の構造を模式的に示す断面図である。
図5A及び図5Bは、実施例として検証のために形成したデバイス61の構造を模式的に示す図面である。図5Aは検証用デバイス61の模式的な断面図である。また、図5Bは、配線層7の第二領域7Bの上面に形成された接合層5の位置よりは上方で、配線層7の第一領域7Aの上面に形成された接合層5の位置よりは下方の高さにおいて、検証用デバイス61をX−Y平面(図5A内のD−D線)で切断した状態を上から見た時の模式的な平面図である。また、図6は、比較例として検証のために形成したデバイス62の構造を模式的に示す断面図である。
いずれの検証用デバイス(61,62)についても、ハンダ拡散を防止するための保護層(13,17)を備えない構成とした。後述するように、この検証は、電流供給部43から電流を供給したときの温度分布を比較するのが狙いである。よって、光の反射率を向上させる観点で設けられる保護層(13,17)を備えなくとも本発明の評価が可能であることから、保護層(13,17)の形成を省略している。
実施例として形成した検証用デバイス61は、上述した発光デバイス10と同様に、電流供給部43に対してZ方向に対向する位置において、素子基板11の厚みが薄くなっており(第一領域11A)、配線層7の厚みが厚くなっている(第一領域7A)。一方、比較例として形成した検証用デバイス62が備える素子基板65及び配線層66は、いずれも平坦な構造である。
実施例として形成した検証用デバイス61の詳細な構造について説明する。実装基板9はAlNで構成され、厚みが635μmである。配線層7に関し、厚みの薄い第一領域7Aの厚みが85μmであり、厚みの厚い第二領域7Bの厚みが35μmである。素子基板11はCuWで構成され、厚みの厚い第一領域11Aの厚みが50μmであり、厚みの薄い第二領域11Bの厚みが100μmである。ハンダ層15はAnSnハンダで構成され、厚みが5μmである。第二電極25はAgで構成され、厚みが150μmである。半導体層30はGaNのエピタキシャル層で構成され、厚みは5μmである。第一電極41はAuで構成され、上面視の直径が0.2mmの円形を示し、厚みが4μmである。なお、ここでは、第一電極41が電流供給部43を兼ねている。
素子基板11は、上面視で(Z方向から見たときに)1mm角の矩形形状を示しており、厚みの厚い第一領域11Aは、図5Aに示すD−D線に平行な平面上において直径0.5mmの円形を示す。素子基板11の第一領域11Aは、上面視で第一電極41(電流供給部43)よりも直径の大きい円形を示す構造であり、第一電極41(電流供給部43)の鉛直下方を完全に含む領域に配置されている。
比較例として形成した検証用デバイス62は、配線層7に代えて場所によらず一定の厚み35μmを有する配線層66を備え、素子基板11に代えて場所によらず一定の厚み100μmを有する素子基板65を備える点を除けば、検証用デバイス61と同様に構成されている。
図7は、検証用デバイス61及び62に対し、電流供給部43から1000Aの電流を、300秒だけ供給したときの、検証用デバイス(61,62)の位置毎の温度分布を示すグラフである。素子基板(11,65)を上面から見たときの中心位置を原点とし、各位置におけるX方向のずれ量と温度の関係をグラフ化したものである。図7によれば、比較例において、原点から離れた箇所に比べて原点近傍の温度が高くなっており、電流供給部43の近傍の温度が高くなっていることを示すものである。実施例の場合、原点近傍の温度が低く抑えられており、比較例と比べて電流供給部43の近傍と電流供給部43から離れた箇所との温度差が抑制できている。
これによれば、図5Aに示すように、電流供給部43に対してZ方向に対向する位置において素子基板11の厚みを薄くし、その下層(実装基板9側)に配置される配線層7と電流供給部43との距離を近づけたことで当該箇所の排熱性が向上していることが窺える。
[別実施形態]
以下、別実施形態について説明する。
以下、別実施形態について説明する。
〈1〉 上述の実施形態では、素子基板11が、厚みの薄い第一領域11Aと、第一領域11Aよりも厚みの厚い第二領域11Bを有する構成として説明した。しかし、これは素子基板11Aの厚みが2種類に限定されることを意図したものではない。すなわち、素子基板11が3種類以上の異なる厚みを示す領域を有して形成されていても構わない。この場合、電流供給部43に対してZ方向に対向する位置には、素子基板11の厚みが最も薄く形成されているのが好ましい。
更に、上述の実施形態では、素子基板11は、電流供給部43からXY平面に平行な方向に離れた位置であって、第一電極41に対してZ方向に対向する位置には、第一領域11Aよりも厚みの厚い第二領域11Bが位置しているものとして説明した。しかし、素子基板11のかかる箇所の厚みを、第一領域11Aと同等に薄く形成しても構わないし、第一電極41が形成されていない領域に対してZ方向に対向する領域(すなわち第二領域11B)よりも薄く、且つ、電流供給部43に対してZ方向に対向する領域(すなわち第一領域11A)よりも厚く形成しても構わない。
上述したように、電流供給部43から供給された電流は、第一電極41を通じてX−Y平面に拡げられた後、半導体層30へと流れる。このため、電流供給部43から離れた位置における第一電極41の近傍は、電流供給部43の近傍ほどは電流が集中しないものの、ある程度電流が集中して温度が上昇しやすい領域を形成する。よって、かかる領域の素子基板11の厚みを薄くすることで、鉛直方向に排熱する効果を高めることで、第一電極41の近傍において温度が上昇するのを緩和することができ、長寿命化を図ることができる。
〈2〉 上述の実施形態では、発光デバイス10は、実装基板9上に厚みの異なる配線層7が形成される構成とした。より詳細には、配線層7を、素子基板11の第一領域11Aの鉛直下方の位置において厚みを厚く形成し(第一領域7A)、素子基板11の第二領域11Bの鉛直下方の位置において、第一領域7Aよりも厚みを薄く形成した(第二領域7B)。
これに対し、位置に応じて実装基板9自体の厚みを異ならせても構わない。すなわち、実装基板9を、素子基板11の第一領域11Aに対してZ方向に対向する位置において厚みを厚く形成し(第一領域9A)、素子基板11の第二領域11Bに対してZ方向に対向する位置において、第一領域9Aよりも厚みを薄く形成しても構わない(第二領域9B)。この場合においても、図3Aと同様に、電流供給部43の近傍において、鉛直方向に電流供給部43と配線層7との距離を近づけることができるので、電流供給部43近傍における温度の上昇が緩和される。また、素子基板11と、配線層7及び実装基板9とが嵌合する構造であるため、上述した実施形態と同様に、ステップS11のダイボンディング工程において素子基板11が位置ずれしにくくなるという効果も実現できる。
なお、このように上面に凹凸を有する実装基板9は、厚く形成された実装基板の所定の箇所をエッチングすることで実現しても構わないし、薄く形成された実装基板の所定の箇所に部材を積層することで実現しても構わない。
〈3〉 素子基板11の裏面側に位置する実装基板9上には、必ずしも配線層7を形成しなくても構わない。すなわち、実装基板9上の別の箇所に配線層を形成する場合には、素子基板11の裏面側に位置する実装基板9上には、配線としての機能を有さない熱伝導率の高い金属層を設ける構成とすることができる。この場合も、当該金属層と電流供給部43とを鉛直方向に近づけることができるため、電流供給部43近傍から鉛直方向に排熱する機能を高められる。
更に、実装基板9が素子基板11よりも熱伝導率の高い材料で形成される場合には、上記金属層を設けない構成としても構わない。
〈4〉 半導体発光素子1は、必ずしも第一電極41に対してZ方向に対向する位置に絶縁層19を設けなくても構わない。ただし、発光層33内を流れる電流を水平方向(XY平面に平行な方向)に拡げ、同一電流量における光取り出し効率を向上させる観点からは、前記絶縁層19を設けることが好ましい。
半導体発光素子1は、保護層13及び保護層17を備えなくても構わない。ただし、上述したように、ハンダ層15の構成材料が拡散することによる反射率の低下を防ぎ、光取り出し効率を向上させる観点からは、前記保護層13及び保護層17を設けることが好ましい。
〈5〉 半導体発光素子1が備える半導体層30は、窒化物半導体に限定されるものではない。ただし、上述したように、半導体層30が窒化物半導体で構成される場合、n型半導体層35は、他の半導体で構成される発光素子の場合と比べて形成厚みに制約が生じ、極めて厚膜の層で構成することは困難である。ここで、上述したように、電流供給部43を含む第一電極41はn型半導体層35の上面に形成されるので、電流供給部43から高電流を供給すると、n型半導体層35内で十分に電流を拡げることができず、電流供給部35近傍に電流が集中しやすい。
つまり、半導体層30を窒化物半導体層で形成した半導体発光素子1は、他の半導体で構成した半導体層を含む半導体発光素子と比較して、電流供給部43近傍の温度上昇を緩和させる必要性がより高まるため、上述した構成を採用することでその効果を最大限発揮することができる。
1 : 本発明の半導体発光素子
5 : 接合材
7 : 配線層
7A : 配線層の第一領域
7B : 配線層の第二領域
9 : 実装基板
10,10a : 発光デバイス
11 : 素子基板
11A : 素子基板の第一領域
11B : 素子基板の第二領域
12 : 導電層
13 : 保護層
15 : ハンダ層
17 : 保護層
19 : 絶縁層
20 : 成長基板
25 : 第二電極
30 : 半導体層
31 : p型半導体層
33 : 発光層
35 : n型半導体層
41 : 第一電極
43 : 電流供給部
45 : 電流供給線
61 : 検証用デバイス(実施例)
62 : 検証用デバイス(比較例)
65 : 比較例の検証用デバイスが備える素子基板
66 : 比較例の検証用デバイスが備える配線層
100 : 従来の半導体発光素子
101 : 支持基板
102 : ボンディング層
103 : 反射電極
104 : オーミック接触層
105 : 電流遮断層
106 : アイソレーション層
107 : 半導体層
108 : n側電極
109 : 電流供給部
111 : p型半導体層
112 : 発光層
113 : n型半導体層
117 : n型半導体層の割れ
118 : n型半導体層の溶融
5 : 接合材
7 : 配線層
7A : 配線層の第一領域
7B : 配線層の第二領域
9 : 実装基板
10,10a : 発光デバイス
11 : 素子基板
11A : 素子基板の第一領域
11B : 素子基板の第二領域
12 : 導電層
13 : 保護層
15 : ハンダ層
17 : 保護層
19 : 絶縁層
20 : 成長基板
25 : 第二電極
30 : 半導体層
31 : p型半導体層
33 : 発光層
35 : n型半導体層
41 : 第一電極
43 : 電流供給部
45 : 電流供給線
61 : 検証用デバイス(実施例)
62 : 検証用デバイス(比較例)
65 : 比較例の検証用デバイスが備える素子基板
66 : 比較例の検証用デバイスが備える配線層
100 : 従来の半導体発光素子
101 : 支持基板
102 : ボンディング層
103 : 反射電極
104 : オーミック接触層
105 : 電流遮断層
106 : アイソレーション層
107 : 半導体層
108 : n側電極
109 : 電流供給部
111 : p型半導体層
112 : 発光層
113 : n型半導体層
117 : n型半導体層の割れ
118 : n型半導体層の溶融
図7は、検証用デバイス61及び62に対し、電流供給部43から1000mAの電流を、300秒だけ供給したときの、検証用デバイス(61,62)の位置毎の温度分布を示すグラフである。素子基板(11,65)を上面から見たときの中心位置を原点とし、各位置におけるX方向のずれ量と温度の関係をグラフ化したものである。図7によれば、比較例において、原点から離れた箇所に比べて原点近傍の温度が高くなっており、電流供給部43の近傍の温度が高くなっていることを示すものである。実施例の場合、原点近傍の温度が低く抑えられており、比較例と比べて電流供給部43の近傍と電流供給部43から離れた箇所との温度差が抑制できている。
Claims (8)
- 素子基板上に、p型半導体層、発光層及びn型半導体層を含む半導体層を有してなる半導体発光素子であって、
前記半導体層の一部上面に接触して形成され、電流供給線と連結される電流供給部を含む電極を有し、
前記素子基板が、前記電流供給部に対して当該素子基板の面に直交する方向に対向する箇所を含む位置に形成された第一領域と、前記第一領域よりも厚みの厚い第二領域を有して構成されていることを特徴とする半導体発光素子。 - 前記第一領域の厚みが、前記第二領域の厚みに対して10%以上50%以下であることを特徴とする請求項1に記載の半導体発光素子。
- 前記素子基板の面に平行な方向に関して、前記第一領域が、前記素子基板全体の2%以上60%以下を占有していることを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体発光素子。
- 前記素子基板が、前記第一領域に切り欠き部又は溝部を有して形成されていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の半導体発光素子。
- 前記半導体層が窒化物半導体層で形成されることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の半導体発光素子。
- 請求項1〜5のいずれか1項に記載の半導体発光素子と、
前記半導体発光素子が実装された実装基板とを有してなる発光デバイスであって、
前記実装基板は、前記素子基板の前記第一領域に対して前記素子基板の面に直交する方向に対向する領域が、前記素子基板の前記第二領域に対して前記素子基板の面に直交する方向に対向する領域よりも厚みが厚く、前記素子基板よりも熱伝導率の高い材料で構成され、前記素子基板と嵌合していることを特徴とする発光デバイス。 - 請求項1〜5のいずれか1項に記載の半導体発光素子と、
前記半導体発光素子が実装された実装基板とを有してなる発光デバイスであって、
前記実装基板は、その上面に、前記素子基板の前記第一領域に対して前記素子基板の面に直交する方向に対向する領域が、前記素子基板の前記第二領域に対して前記素子基板の面に直交する方向に対向する領域よりも厚膜であり、前記素子基板よりも熱伝導率の高い材料で構成された金属層を有し、前記素子基板と嵌合していることを特徴とする発光デバイス。 - 前記金属層が配線層を構成していることを特徴とする請求項7に記載の発光デバイス。
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2015
- 2015-01-14 WO PCT/JP2015/050771 patent/WO2015151542A1/ja active Application Filing
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2017154975A1 (ja) * | 2016-03-08 | 2017-09-14 | 株式会社 東芝 | 半導体発光装置 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
WO2015151542A1 (ja) | 2015-10-08 |
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