JP3571477B2

JP3571477B2 - 半導体発光素子

Info

Publication number: JP3571477B2
Application number: JP32632896A
Authority: JP
Inventors: 幸男尺田; 俊次中田; 雅之園部; 毅筒井; 範和伊藤
Original assignee: Rohm Co Ltd
Current assignee: Rohm Co Ltd
Priority date: 1996-12-06
Filing date: 1996-12-06
Publication date: 2004-09-29
Anticipated expiration: 2016-12-06
Also published as: JPH10173225A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は線状に発光する半導体発光素子に関する。さらに詳しくは、発光素子チップを直列に接続することにより均一な線状発光をする発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体発光素子である発光ダイオード（以下、ＬＥＤという）は、半導体のｐｎ接合に順方向の電流を流すことにより、電気エネルギーを直接光に変換するもので、動作電流が小さく（通常は１０ｍＡ程度）、小形で高輝度が得られるため、種々の表示ランプなどに用いられている。しかし、チップ面積が大きくなると、電流分布が不均一となり、均一な発光をせず素子の劣化が早くなること、特別なチップ形状のものを作製することはプロセス管理上困難であること、などのため、発光面の大型化は困難であり、通常は数百μｍ角から１ｍｍ角程度の大きさで作られる。
【０００３】
そのため、たとえば線状や面状のような広い面積に亘って発光する光源とするためには、図４に示されるように、ＬＥＤチップ２１を導電性の基板２４上に複数個横に並べ、各ＬＥＤチップ２１の一方の電極２１ａを金線２３などのワイヤにより連結して並列に接続し、各ＬＥＤチップ２１の発光の集合により線状光源のように発光させている。この例では、ＬＥＤチップ２１の表面側にｎ側もしくはｐ側の一方の電極２１ａが設けられ、裏面側に他方の電極２１ｂが設けられており、他方の電極２１ｂが基板２４を介して共通に接続され、一方の電極２１ａが金線２３などにより接続されて、複数個のＬＥＤチップが並列接続されているが、直列接続にすることもできる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前述のように、複数個のＬＥＤチップが並列接続されると、ＬＥＤチップの中で抵抗の小さいところがあると電流が集中し、均一な発光が得られなかったり、部分的にＬＥＤチップの劣化を早めるという問題がある。さらに、金線などのワイヤで接続すると、ワイヤボンディングの工数を多く要すると共に、金線などが垂れてショートするという問題がある。このワイヤに伴う問題は、ＬＥＤチップを直列接続しても同様であり、とくに直列接続の場合は金線によるタッチを防止する点からもチップ間に間隙を設けざるを得ず、直線状の発光部の途中に途切れができて連続的な発光をさせることができないという問題がある。
【０００５】
本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、ワイヤボンディングに伴う問題を生じさせることなく、広い範囲に亘って連続的に発光し、しかも信頼性の高い半導体発光素子を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明による半導体発光素子は、基板の表面側に半導体層が積層されると共にｎ側電極およびｐ側電極が設けられる第１の発光素子チップと、発光波長の光に対して実質的に透明な基板の表面側に半導体層が積層されると共にｎ側電極およびｐ側電極が設けられ、該電極が設けられた側を前記第１の発光素子チップと逆向きにして配設される第２の発光素子チップとからなり、前記第１および第２の発光素子チップのｎ側電極もしくはｐ側電極の異なる側の電極同士が直接導電性材料により接着されている。ここに発光波長の光に対して実質的に透明とは、発光層で発光した光を殆ど減衰させることなく透過させ得ることをいう。
【０００７】
この構成にすることにより、発光素子チップの電極部を重ねて接続するため、隙間なく並べることができ、連続的に広い範囲に亘って発光させることができる。しかも、直列接続になっているため、電流はどこでも同じで均一な発光をする。なお、通常の発光素子と同様に、チップが載置される基板に反射機能を有するものが用いられることにより、表面側への発光効率を向上させることができる。
【０００８】
前記第１および第２の発光素子チップが３個以上交互に直線状に並んで、直列に接続されることにより、長い線状の発光素子となる。この直線状に接続されたＬＥＤチップ群をさらに横に並べて直列または並列に接続することにより、面状に発光する発光素子とすることもできる。
【０００９】
前記第１および第２の発光素子チップが、サファイア基板上にチッ化ガリウム系化合物半導体が積層された発光素子チップであれば、基板が発光波長に対して透明であり、裏向けても基板側から発光され、しかも基板から電極を取り出しにくい構造で、基板の表面側にｎ側およびｐ側の電極が設けられるため、交互に逆向きにして重ね合せて直接接続するのに都合がよい。
【００１０】
ここにチッ化ガリウム系化合物半導体とは、ＩＩＩ族元素のＧａとＶ族元素のＮとの化合物またはＩＩＩ族元素のＧａの一部がＡｌ、Ｉｎなどの他のＩＩＩ族元素と置換したものおよび／またはＶ族元素のＮの一部がＰ、Ａｓなどの他のＶ族元素と置換した化合物からなる半導体をいう。
【００１１】
【発明の実施の形態】
つぎに、図面を参照しながら本発明の半導体発光素子について説明をする。
【００１２】
本発明の半導体発光素子は、図１にその一実施形態の概略平面図が示されるように、第１および第２のＬＥＤチップ１１、１２がそれぞれ表裏交互に並べられて、それぞれのｐ側電極８とｎ側電極９とが導電性材料により直接接着され、両端のＬＥＤチップ１１の相互に接続されていないｐ側電極８およびｎ側電極９からワイヤ１３により電極端子が導出されることにより構成されている。この第１および第２のＬＥＤチップ１１、１２は、ｐ側電極８およびｎ側電極９の両方が積層された半導体層の表面側に設けられるように形成されているため、交互に表裏逆向きにすることにより、それぞれのｐ側電極８とｎ側電極９とを対向させて重ねることができる。第１および第２のＬＥＤチップ１１、１２は共に同じＬＥＤチップでも、異なるチップでもよいが、少なくとも第２のＬＥＤチップ１２は、その基板がＬＥＤチップ１２により発光する光を透過する材料により形成されている。
【００１３】
ＬＥＤチップ１１、１２は、たとえば図２にその一例の平面図およびそのＢ−Ｂ線断面図が示されるような構造になっている。この例は、青色系の発光に好適なチッ化ガリウム系化合物半導体がサファイア基板１上に積層されて形成されたものである。すなわち、サファイアからなる基板１上にＧａＮからなる低温バッファ層２、ＧａＮからなるｎ形層３、ＩｎＧａＮ系（ＩｎとＧａの比率が種々変わり得ることを意味する、以下同じ）化合物半導体からなる活性層４、ｐ形ＡｌＧａＮ系（ＡｌとＧａの比率が種々変わり得ることを意味する、以下同じ）化合物半導体層５ａおよびＧａＮ層５ｂからなるｐ形層５が順次積層されて発光層部を形成し、その表面に拡散メタル層７を介してｐ側電極８が設けられている。そして、積層された半導体層の一部がエッチング除去されて露出したｎ形層３にｎ側電極９が設けられることにより形成されている。なお、図示されていないが電極の周囲の露出面はパッシベーション膜が形成される。
【００１４】
本発明の半導体発光素子に用いられるＬＥＤチップ１１、１２の少なくとも第２のＬＥＤチップ１２は、その基板１がそのＬＥＤチップ１２により発光する光を透過する材料により形成されている。すなわち、図２に示される青色系のＬＥＤチップ１１、１２は、チッ化ガリウム系化合物半導体層と格子定数が整合し得る基板材料としてサファイア（Ａｌ_２Ｏ_３単結晶）が使用されている。そのため、積層された半導体層の発光部で発光した光を透過させ、図１に示される第２のＬＥＤチップ１２のように裏向きにして使用されても、基板１を通して表面側に光を放射する。
【００１５】
また、ＬＥＤチップ１１、１２のｎ側（下部）電極９は、積層された半導体層の一部をエッチングにより除去して露出したｎ形層３に設けられている。そのため、ｐ側電極８およびｎ側電極９が両方共基板１の表面側になり、図１に示されるように、第１のＬＥＤチップ１１を表向きにして並べ、第２のＬＥＤチップ１２を裏向きにしてその間に並べて重ねることにより、第１のＬＥＤチップ１１のｎ側電極９と第２のＬＥＤチップ１２のｐ側電極８とを、また第１のＬＥＤチップ１１のｐ側電極８と第２のＬＥＤチップ１２のｎ側電極９とをそれぞれ対向させて導電性材料により直接接着することができる。その結果、第１および第２のＬＥＤチップ１１、１２が直列接続された半導体発光素子が得られる。
【００１６】
本発明の半導体発光素子によれば、ＬＥＤチップの電極同士が直接導電性材料により接着されて接続されているため、金線などのワイヤによりボンディングをする必要がなく、ワイヤの垂れなどによりタッチ不良が生じることがない。さらに、ＬＥＤチップが重なって並ぶため、その間に隙間がなく連続して発光する。また、ｐ側電極とｎ側電極とを接続して直列接続にしているため、ＬＥＤチップに抵抗の小さいチップがあっても電流が集中することがなく、均一な発光をすると共に、部分的に劣化して不良品になることがない。そのため、高品質で、信頼性が向上する。
【００１７】
このＬＥＤチップ１１、１２が直列接続された半導体発光素子を製造するには、まず前述のＬＥＤチップを形成する前のウェハの状態で、たとえば蒸着およびパターニングによりｐ側電極８およびｎ側電極９の表面にそれぞれＡｕ−Ｓｎ−Ｉｎの合金層を形成しておく。そして、第１のＬＥＤチップ１１を発光素子用基板上に位置決めして並べて接着固定する。その後、第２のＬＥＤチップ１２を第１のＬＥＤチップ１１の間に位置すると共に、それぞれのｐ側電極８とｎ側電極９とが対向して接触するように重ね合せ、固定して加熱炉内に入れ、２００〜３００℃程度に加熱する。その結果、Ａｕ−Ｓｎ−Ｉｎの合金が溶融してＬＥＤチップ１１、１２の電極同士が接着し、ＬＥＤチップ１１、１２の連結されたＬＥＤチップ群が得られる。このＬＥＤチップ群の両端のチップの電極を図示しないリードとワイヤボンディングをして、その表面側を透明樹脂によりモールドすることにより、線状の半導体発光素子が得られる。
【００１８】
このＬＥＤチップ群を作製する際に、発光素子用基板上にボンディングしないで、ジグ上に第１のＬＥＤチップ１１を位置決めして並べ、第２のＬＥＤチップ１２を前述と同様に重ねて接着することにより、発光素子用基板に接着されないＬＥＤチップ群が形成される。このＬＥＤチップ群を組立基板上にボンディングして両端の電極をワイヤで接続したり、他の組立てに直接使用することができる。なお、前述の電極同士の接着は、前述の合金を用いなくても、Ａｇペーストなどの導電性接着剤を使用することもできる。
【００１９】
なお、前述のＬＥＤチップ１１、１２において、ｎ側電極９の形成のために行われるエッチングが、図２に示されるように、四角形のチップの一隅部分である場合は、ｐ側電極８およびｎ側電極９は、図２（ａ）に示されるように、ＬＥＤチップ１１、１２の対角線上に沿って設けられることが、図１に示されるように、複数個直列に接続したときに一直線に並ぶため好ましい。また、図３（ａ）に示されるようにチップの対向する両辺Ｂ、Ｃに亘ってエッチングされる場合には、図３（ｂ）〜（ｃ）に平面図が示されるように、一辺Ａに平行または一辺ＢおよびＣからそれぞれ等距離Ｅのところに設けられることが一直線に並べる点から好ましい。
【００２０】
前述の例は、青色系のＬＥＤであったが、青色系に限らず基板を発光波長に対して実質的に透明にできるＬＥＤであれば本発明を適用できる。なお、異なる色のＬＥＤチップを直列接続して混色の半導体発光素子とすることもできる。この場合、基板が透明である必要があるのは、裏向きにして使用する第２のＬＥＤチップで、第１のＬＥＤチップの基板は発光色に対して不透明基板で構わない。また、前述の線状の発光素子をさらに平行に並べてそれぞれを直列または並列にワイヤなどにより接続すれば面状の半導体発光素子が得られる。
【００２１】
【発明の効果】
本発明によれば、特別のチップ形状のものを作製しなくても、汎用のＬＥＤチップを用いるだけで、任意の線状もしくは面状の広い面積で発光する半導体発光素子が得られる。
【００２２】
また、チップ間の隙間がないため、同じチップの数を接続した同じ光量の発光素子に対して、約１／２に小形化することができる。さらに、途切れがなく連続的に発光する線状光源が得られるため、ラインセンサの光源などに便利に用いられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体発光素子の一実施形態の説明図である。
【図２】図１のＬＥＤチップの一例の説明図である。
【図３】図１のＬＥＤチップの他の例の電極構造の変形例を示す図である。
【図４】従来のＬＥＤチップを複数個接続して発光素子とする例の説明図である。
【符号の説明】
１基板
８ｐ側電極
９ｎ側電極
１１第１のＬＥＤチップ
１２第２のＬＥＤチップ

Claims

基板の表面側に半導体層が積層されると共にｎ側電極およびｐ側電極が設けられる第１の発光素子チップと、発光波長の光に対して実質的に透明な基板の表面側に半導体層が積層されると共にｎ側電極およびｐ側電極が設けられ、該電極が設けられた側を前記第１の発光素子チップと逆向きにして配設される第２の発光素子チップとからなり、前記第１および第２の発光素子チップのｎ側電極もしくはｐ側電極の異なる側の電極同士が直接導電性材料により接着されてなる半導体発光素子。
前記第１および第２の発光素子チップが３個以上交互に直線状に並んで、直列に接続されてなる請求項１記載の半導体発光素子。
前記第１および第２の発光素子チップがサファイア基板上にチッ化ガリウム系化合物半導体が積層された発光素子チップである請求項１または２記載の半導体発光素子。