JP2018026396A - 半導体発光素子および発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】アンダーフィル材を充填する工程を省いても、半導体発光素子と基板の接合部の好適な保護を図ることができる半導体発光素子、および、その半導体発光素子を用いた発光装置を提供する。【解決手段】半導体発光素子は、正極側端子部及び負極側端子部を有するフリップチップ型の半導体発光素子であって、正極側端子部と負極側端子部が線対称の形状を有し、正極側端子部と負極側端子部はそれらの中心点周りに点対称の形状を有する凹部を有し、凹部がその中央部付近に形成する中央空間部に内接する内接円の直径が、凹部がその端部付近に形成する導入路の幅と同じの長さの辺を有する正方形の対角線の長さよりも大きい。【選択図】 図４

Description

本発明は半導体発光素子および発光装置に関するものである。

従来、サファイア等の光透過性の下地基板上にIII族窒化物系化合物半導体等の半導体結晶を成長させたＬＥＤ素子（半導体発光素子）が知られている。このようなＬＥＤ素子の実装方法の一つとして、下地基板が光透過性を有することを利用して下地基板側から光を取り出せるフリップチップ実装が知られている。一般的に、フリップチップ実装においてはＬＥＤ素子を反転させ、ｎ電極及びｐ電極をリードフレームにそれぞれ金バンプやはんだを介して接合する。

フリップチップ接合時のボンディング性を得るためにｐ側およびｎ側の電極面積が必要となるが、ｎ側電極の存在によって実質的な発光面積に相当するｐ側電極領域が減少するため、素子面積に占める発光面積が小になる。そのため、発光層での電流密度が大になり大きな電流を投入できない。この問題に対応するため、特許文献１（特開２００６−１２９１６号公報）には、素子面積に占める発光面積を大とし、高輝度化を実現することを目指したＬＥＤ素子が提案されている。具体的には、ＬＥＤ素子のｎ型電極を細線で形成し、電極形成面側に、絶縁層を介してＡｕからなる外部接続用のｎ側端子部およびｐ側端子部を設けている（特許文献１の請求項１、請求項１０、明細書の段落［００２５］参照）。
ｎ側端子部およびｐ側端子部（パッド電極）を用いたＬＥＤ素子の別の例が特許文献２（特開２０１４−２４１４０１号公報）にも記載されているので、こちらも参照されたい。

特開２００６−１２９１６号公報 特開２０１４−２４１４０１号公報

上記のＬＥＤ素子と基板をフリップチップ接合する場合に、接合部を保護するためには、ＬＥＤ素子の端子部とリードを金バンプなどで接合した後、ＬＥＤ素子と基板の間にシリコーン樹脂やエポキシ樹脂からなるアンダーフィル材を充填することが好ましい。

一方、ＬＥＤ素子の周囲をシリコーン樹脂で覆ったＬＥＤパッケージがある。このようなＬＥＤパッケージの製造においても、接合部の保護のため、上述のようにＬＥＤ素子と基板の間にアンダーフィル材の充填を行う場合があり、その場合は、充填したアンダーフィル材が硬化した後、シリコーン樹脂でＬＥＤ素子の周囲を覆うこととなる。この場合、アンダーフィル材として用いる樹脂とＬＥＤ素子の周囲を覆う樹脂が同じものであったとしても、上述のとおり、専ら接合部の保護のために行われるアンダーフィル材を充填する工程を経ていたため、そのことがＬＥＤ素子の製造コスト低減の阻害要因の一つとなっていた。

本発明は上記の問題を解決するためになされたものであって、その目的は、アンダーフィル材を充填する工程を省いても、半導体発光素子と基板の接合部の好適な保護を図ることができる半導体発光素子を提供すること、および、その半導体発光素子を用いた発光装置を提供することにある。

本発明者らは前記課題を解決するために鋭意検討を重ねた結果、下記のように本発明の各局面に想到した。
すなわち、本発明の第１の局面による半導体発光素子は、正極側端子部及び負極側端子部を有するフリップチップ型の半導体発光素子であって、正極側端子部と負極側端子部が線対称の形状を有し、正極側端子部と負極側端子部はそれらの中心点周りに点対称の形状を有する凹部を内側に有し、凹部がその中央部付近に形成する中央空間部に内接する内接円の直径が、凹部がその端部付近に形成する導入路の幅と同じの長さの辺を有する正方形の対角線の長さよりも大きい。

上記の構成を有する半導体発光素子によれば、正極側端子部と負極側端子部の中心点周りに点対称の形状を有する凹部が内側に形成されるため、基板に接合された半導体発光素子を封止樹脂で覆う構成においては、封止樹脂が凹部の両方の端部の開口からほぼ同時に流入し、凹部がその中央部付近に形成する中央空間部が十分な広さを有しているため、たとえ中央空間部に空気だまりが残存したとしても、空気だまりが正極側端子部または負極側端子部に接することを防止できる。そのため、仮に空気だまりに結露が生じたとしても、正極側端子部および負極側端子部に短絡等の悪影響が及ぶことを防止できる。よって、本局面の半導体発光素子によれば、基板に接合された半導体発光素子を封止樹脂で覆う構成においてアンダーフィル材を充填する工程を省いたとしても、半導体発光素子と基板の接合部を好適に保護することができる。

また、本発明の第２の局面によれば、上記の半導体発光素子において、正極側端子部および負極側端子部の線対称の軸となる線が、半導体発光素子の下地基板の辺を二等分する。このような構成によれば、正極側端子部および負極側端子部の線対称の軸を半導体発光素子の下地基板の辺に対して傾斜させる場合に比べて、正極側端子部と負極側端子部の面積を大きくすることができ、端子部を介した好適な熱引きの効果が得られる。

また、本発明の第３の局面によれば、上記の半導体発光素子において、中央空間部と導入路との接続部分が内側に凸の曲面形状である。このような構成によれば、正極側端子部と負極側端子部の面積を大きくすることができ、端子部を介した好適な熱引きの効果が得られる。

また、本発明の第４の局面による発光装置は、上記の半導体発光素子と、基板と、半導体発光素子を基板に固着させるための接合部と、封止樹脂と、を有する発光装置であって、封止樹脂は白色であり、半導体発光素子、基板、接合部の間に入り込む。接合部は、金バンプやはんだが例示可能である。このような構成の発光装置においては、上述した半導体発光素子の効果を好適に奏することができるとともに、半導体発光素子、基板、接合部の間に入り込んだ封止樹脂が反射部材として機能する。

また、本発明の第５の局面によれば、上記の発光装置において、正極側端子部と負極側端子部の並び方向に配置される保護素子を更に備える。凹部の端部開口は正極側端子部と負極側端子部の間に存在する。そのため、本局面のような配置とすれば、封止樹脂が凹部の端部開口へ流入することが、保護素子によって妨げられない。

図１は、本発明の一実施形態に係る半導体発光素子を示す断面図である。 図２は、一実施形態に係る半導体発光素子の製造工程を説明するための説明図である。 図３は、一実施形態に係る半導体発光素子の製造工程を説明するための説明図である。 図４は、一実施形態に係る半導体発光素子を示す下面図である。 図５は、一実施形態に係る半導体発光素子を用いた発光装置を示す斜視図である。 図６は、図５の発光装置を矢印ＶＩの方向に見た側面図である。 図７は、図６の発光装置の要部の一点鎖線ＶＩＩ−ＶＩＩにおける断面を矢印の方向に見た部分断面図である。

上記において半導体発光素子には、絶縁性の成長基板（下地基板）の上にＰ層及びＮ層を形成したIII族窒化物系化合物半導体発光素子を適用することができる。III族窒化物系化合物半導体素子とは、III族窒化物系化合物半導体からなる発光層を有する発光素子をいう。ここで、III族窒化物系化合物半導体とは、一般式としてＡｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_{１−Ｘ−Ｙ}Ｎ（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、０≦Ｘ＋Ｙ≦１）の四元系で表され、ＡｌＮ、ＧａＮ及びＩｎＮのいわゆる２元系、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ、Ａｌ_ｘＩｎ_１−ｘＮ及びＧａ_ｘＩｎ_１−ｘＮ（以上において０＜ｘ＜１）のいわゆる３元系を包含する。III族元素の少なくとも一部をボロン（Ｂ）、タリウム（Ｔｌ）等で置換しても良く、また、窒素（Ｎ）の少なくとも一部もリン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、ビスマス（Ｂｉ）等で置換できる。III族窒化物系化合物半導体層は任意のドーパントを含むものであっても良い。ｎ型不純物として、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｃ等を用いることができる。ｐ型不純物として、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ等を用いることができる。なお、結晶成長基板には、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）、ガリウムナイトライド（ＧａＮ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、シリコン（Ｓｉ）などを用いることができる。

III族窒化物系化合物半導体層は、周知の有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）、分子線結晶成長法（ＭＢＥ法）、ハライド系気相成長法（ＨＶＰＥ法）、スパッタ法、イオンプレーティング法、電子シャワー法等によって形成することができる。 なお、ｐ型不純物をドープした後にIII族窒化物系化合物半導体を電子線照射、プラズマ照射若しくは炉による加熱にさらすことも可能であるが必須ではない。 発光素子はかかるIII族窒化物系化合物半導体を積層して構成される。発光のための層構成として量子井戸構造（多重量子井戸構造若しくは単一量子井戸構造）を採用することができる。そのほか、シングルへテロ型、ダブルへテロ型、ホモ接合型を採用することもできる。
以下、この発明の実施形態について図例を参照しながら説明する。

（実施形態）
図１は、本発明の一実施形態に係る半導体発光素子であるＬＥＤ素子１を素子対角線方向に切断した断面図である。本実施形態のＬＥＤ素子１はフリップチップ型であり、サファイア基板１０と、ＡｌＮバッファ層２０と、ｎ型ＧａＮ層３０と、発光層４０と、ｐ型ＧａＮ層５０と、ｐ型ＧａＮ層５０からｎ型ＧａＮ層３０にかかる部分をエッチングにより除去して露出したｎ型ＧａＮ層３０上に設けられるｎ電極６０と、ｐ型ＧａＮ層５０上に設けられるｐ電極７０とを有する。ＬＥＤ素子１は更に、絶縁層８０と、ｎ側端子部９０と、ｐ側端子部１００とを有する。絶縁層８０はＳｉＯ_２系材料からなり、ＬＥＤ素子１の電極形成側を覆うように設けられる。ただし絶縁層８０は、ｎ電極６０を露出させるように設けられる開口８０ｎと、ｐ電極７０の一部を露出させるように設けられる開口８０ｐを有する。ｎ側端子部９０は開口８０ｎを介してｎ電極８０と電気的に接続される。ｐ側端子部１００は開口８０ｐを介してｐ電極７０と電気的に接続される。このＬＥＤ素子１の寸法の一例は０．３ｍｍ×０．３ｍｍである。

（ＬＥＤ素子１の製造工程）
以下、ＬＥＤ素子１の製造工程について説明する。まず、下地基板となるウエハー状のサファイア基板１０を準備する。次に、サファイア基板１０上にＡｌＮバッファ層２０を形成し、ＡｌＮバッファ層２０上にｎ型ＧａＮ層３０と、発光層４０と、ｐ型ＧａＮ層５０とを順次結晶成長させる。その後、ｐ型ＧａＮ層５０からｎ型ＧａＮ層３０にかかる部分をエッチングにより除去してｎ型ＧａＮ層３０を露出させる。このとき、ｐ型ＧａＮ層５０の面積が素子面積に対して充分に確保されるようにエッチングを行う。

次に、図２に示すように、露出させたｎ型ＧａＮ層３０の表面およびｐ型ＧａＮ層５０の表面にＡｕからなるｎ電極６０およびｐ電極７０を蒸着法や、スパッタリング等の薄膜形成方法により形成する。次に、図３に示すように、電極形成面を覆うようにＳｉＯ２系材料を設けて絶縁層８０を形成し、更に開口８０ｎおよび８０ｐに応じたマスクパターンを絶縁層８０上に形成してエッチングを施すことにより、絶縁層８０に開口８０ｎおよび８０ｐを形成する。次に、図４に示すように、絶縁層８０の開口８０ｎおよび８０ｐを覆うようにＡｕからなるｎ側端子部９０およびｐ側端子部１００を蒸着法により形成する。

（端子部）
図４に示す様に、ｎ側端子部９０とｐ側端子部１００は互いに線対称の形状を有する。ｎ側端子部９０とｐ側端子部１００はそれぞれ、内側となる側の中央部分付近が窪んだ形状となっている。これにより、ｎ側端子部９０とｐ側端子部１００の間の隙間（すなわち、凹部）は、ＬＥＤ素子１の平面視中央部付近において十字状に広くなっており、ｎ側端子部９０とｐ側端子部１００に挟まれている両方の端部（図４では上下の両端部分）付近で狭くなっている。以降、ｎ側端子部９０とｐ側端子部１００の間に形成される凹部のうち、ＬＥＤ素子１の平面視中央部付近において十字状に広くなっている部分を「中央空間部ア」、ｎ側端子部９０とｐ側端子部１００に挟まれている両方の端部付近で狭くなっている部分をそれぞれ「導入路イ」と称することとする。

図４に示す通り、ｎ側端子部９０とｐ側端子部１００の間に形成される凹部は、ｎ側端子部９０とｐ側端子部１００の中心点周りに点対称の形状を有する。中央空間部アにおいてｎ側端子部９０とｐ側端子部１００の内側の面に接する内接円の直径Ｙは、導入路イの幅Ｘよりも十分に大きい。好ましくは、内接円の直径Ｙは、導入路イの幅Ｘと同じの長さの辺を有する正方形の対角線の長さよりも大きい。すなわち、内接円の直径Ｙと導入路の幅Ｘは、次の不等式（１）に示す関係を有することが好ましい。

より好ましくは、内接円の直径Ｙは、導入路の幅Ｘの約１．５倍〜約４倍の範囲内である。

ｎ側端子部９０とｐ側端子部１００の線対称の軸となる線が、サファイア基板１０の辺を二等分する。中央空間部アと導入路イの接続部分におけるｎ側端子部、ｐ側端子部の内側の形状は内側に凸の形状となっている。

（ＬＥＤランプ２００）
図５は、ＬＥＤ素子１を用いた発光装置としてのＬＥＤランプ２００の斜視図である。ＬＥＤランプ２００の製造においては、銅箔によって表面に配線パターンを形成したセラミック系材料からなる基板１１０を用意し、ＬＥＤ素子１を基板の配線パターンに位置決めして金バンプやはんだ（図示略）によりフリップチップ接合し、更にシリコーン樹脂からなる封止樹脂１２０で一体的に封止してパッケージ化する。封止樹脂１２０は白色顔料を含有し、硬化後は反射部材として機能する。図５中の破線は、封止樹脂１２０を透過して示す各部材の輪郭および稜線である。基板１１０の配線パターンは図示を省略した。

図５に示すように、ＬＥＤ素子１の図示上面は封止樹脂１２０に覆われていない。ＬＥＤランプ２００を実装する際には、図５に示すＬＥＤランプ２００の上面に対して蛍光体層を接合することで、発光色の調整を行うことができる。接着材としてシリコーン樹脂を用い、熱硬化させることで蛍光体層とＬＥＤ素子１のサファイア基板１０とを接着してもよい。蛍光体層として、例えば、ガラス中にＹＡＧが分散されてなる厚さ約０．２ｍｍの蛍光体板を用いてもよい。蛍光体層はＬＥＤ素子１の上面の面積よりも大きく形成され、蛍光体層はＬＥＤ素子１の露出面を覆うように接合される。

図５に示すＬＥＤランプ２００は、指定電圧以上の電圧が印加されると通電状態となるツェナーダイオード１３０を保護素子として備える。ツェナーダイオード１３０は、ｎ側端子部９０とｐ側端子部１００が並ぶ方向に並べられるように基板１１０上に実装され、封止樹脂１２０で封止されている。ツェナーダイオード１３０は、ＬＥＤ素子１と同様にｎ電極とｐ電極とを有する半導体素子であり、ＬＥＤ素子１のｎ電極６０とｐ電極７０に対して逆並列となるように、すなわち、ＬＥＤ素子１のｎ電極６０およびｐ電極７０が、保護素子のｐ電極およびｎ電極のそれぞれに導電部材より電気的に接続されている。

（ＬＥＤ素子１の動作）
ＬＥＤランプ２００の基板の配線パターンを電源部（図示略）に接続して通電すると、ｎ側端子部９０およびｐ側端子部１００を介してｎ電極６０及びｐ電極７０に順方向の電圧が印加され、そのことにより発光層４０においてホールとエレクトロンのキャリア再結合が発生し、図２に示すｐ電極７０の形状に応じた発光形状で青色に発光する。発光に基づいて生じた青色光のうち、ｎ型ＧａＮ層３０側に放射される青色光はサファイア基板１０を透過して外部放射される。ｐ型ＧａＮ層５０側に放射される青色光はｐ電極７０で発光層４０側に反射され、サファイア基板１０を透過して外部放射される。

（ＬＥＤ素子１の効果）
図６は、図５のＬＥＤランプ２００を矢印ＶＩの方向に見た側面図であり、図７は図６のＬＥＤ素子１の一点鎖線ＶＩＩにおける断面を矢印の方向に見た図であり、点線によりＬＥＤ素子１の輪郭を示している。封止樹脂１２０によりＬＥＤ素子１を封止する工程（以下、「封止工程」とも呼ぶ）において封止樹脂１２０は図７の矢印により示す様に、基板１１０に接合されたｎ側端子部９０とｐ側端子部１００の間の凹部の両方の端部開口から流入し、導入路イを経て中央空間部アに至る。図７に示すように、導入路イから中央空間部アへ向けては、ｎ側端子部９０およびｐ側端子部１００の間の距離が拡大し、封止樹脂１２０の流路が徐々に広がる構造となっている。両方の導入路イを進んだ封止樹脂１２０は、ｎ側端子部９０およびｐ側端子部１００の内側の面を伝って中央空間部アへ流入し、そこで互いに衝突して滞留する。

封止工程の終了時に中央空間部アの内部に空気が残って空気だまりウを形成していたとしても、封止工程においてｎ側端子部９０およびｐ側端子部１００の内側の面を伝って流れた封止樹脂１２０がｎ側端子部９０およびｐ側端子部１００の内側の面を覆うため、空気だまりウは図７に示すように中央空間部アの中央付近に存在し、ｎ側端子部９０やｐ側端子部１００に接触しない。このように、中央空間部アは、たとえ空気だまりウが内部に存在したとしても、空気だまりウがｎ側端子部９０やｐ側端子部１００に接触しないだけの広さを有する空間として形成されている。よって、仮に封止樹脂１２０を透過した水分が空気だまりウ内で凝集して結露を生じたとしても、正極側端子部および負極側端子部に短絡等の悪影響が及ぶことを防止できる。
ｎ側端子部９０とｐ側端子部１００の間に形成される凹部は、ｎ側端子部９０とｐ側端子部１００の中心点周りに点対称の形状を有するため、封止工程において凹部の両端の開口からほぼ同時に流入し始めた封止樹脂１２０はほぼ同時に中央空間部アに到達する。よって、凹部内において中央空間部ア以外の箇所（導入路イなど）に空気だまりができることを防止できる。

また、導入路イおよび中央空間部アに流入し硬化した封止樹脂１２０は発光層３０からの光を反射する機能を有するため、ＬＥＤ素子１の光取り出し効率が向上するという効果も得られる。
本明細書の中で明示した公開特許公報の内容は、その全ての内容をここに援用する。

１…ＬＥＤ素子（半導体発光素子）
１０…サファイア基板
２０…ＡｌＮバッファ層
３０…ｎ型ＧａＮ層
４０…発光層
５０…ｐ型ＧａＮ層
６０…ｎ電極
７０…ｐ電極
８０…絶縁層
９０…ｎ側端子部
１００…ｐ側端子部
１１０…基板
１２０…封止樹脂
１３０…ツェナーダイオード（保護素子）
２００…ＬＥＤランプ（発光装置）

Claims (5)

1. 正極側端子部及び負極側端子部を有するフリップチップ型の半導体発光素子であって、
   前記正極側端子部と前記負極側端子部が線対称の形状を有し、
   前記正極側端子部と前記負極側端子部はそれらの中心点周りに点対称の形状を有する凹部を内側に有し、
   前記凹部がその中央部付近に形成する中央空間部に内接する内接円の直径は、前記凹部がその端部付近に形成する導入路の幅と同じの長さの辺を有する正方形の対角線の長さよりも大きい、半導体発光素子。
2. 前記正極側端子部および前記負極側端子部の線対称の軸となる線が、前記半導体発光素子の下地基板の辺を二等分する、請求項１に記載の半導体発光素子。
3. 前記中央空間部と前記導入路との接続部分が内側に凸の曲面形状である、請求項１または請求項２に記載の半導体発光素子。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体発光素子と、
   基板と、
   前記半導体発光素子を前記基板に固着させるための接合部と、
   封止樹脂と、を有する発光装置であって、
   前記封止樹脂は白色であり、前記半導体発光素子、前記基板、前記接合部の間に入り込む、発光装置。
5. 前記正極側端子部と前記負極側端子部の並び方向に配置される保護素子を更に備える、請求項４に記載の発光素子。

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