JP5503799B2 - 化合物半導体発光素子 - Google Patents
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Description
本開示は、全体的に化合物半導体発光素子に関するもので、特に光取り出し効率及び放熱効率が向上した化合物半導体発光素子に関するものである。
ここで、化合物半導体発光素子は、電子と正孔の再結合を通じて光を生成する半導体光素子を意味し、ＩＩＩ族チッ化物半導体発光素子を例に挙げることができる。ＩＩＩ族チッ化物半導体は、Ａｌ（ｘ）Ｇａ（ｙ）Ｉｎ（１−ｘ−ｙ）Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１からなる化合物で成り立つ。その他にも赤色発光に使用されるＧａＡｓ系半導体発光素子などを例に挙げることができる。
ここでは、本開示に関する背景技術を提供するが、これらが必ず公知技術を意味するものではない。
図１は、従来のＩＩＩ族チッ化物半導体発光素子の一例を示す図で、ＩＩＩ族チッ化物半導体発光素子は、基板１０、基板１０上に成長するバッファー層２０、バッファー層２０上に成長するｎ型ＩＩＩ族チッ化物半導体層３０、ｎ型ＩＩＩ族チッ化物半導体層３０上に成長する活性層４０、活性層４０上に成長するｐ型ＩＩＩ族チッ化物半導体層５０、ｐ型ＩＩＩ族チッ化物半導体層５０上に形成される電流拡散電極６０、電流拡散電極６０上に形成されるｐ側パッド電極７０、ｐ型ＩＩＩ族チッ化物半導体層５０と活性層４０がメサ蝕刻されて露出したｎ型ＩＩＩ族チッ化物半導体層３０上に形成されるｎ側電極８０、そして保護膜９０を含む。
基板１０は、同種基板ではＧａＮ系基板が用いられ、異種基板ではサファイア基板、ＳｉＣ基板またはＳｉ基板などが用いられるが、ＩＩＩ族チッ化物半導体層が成長することができる基板ならどのような形態でもかまわない。ＳｉＣ基板が使用される場合に、ｎ側電極８０はＳｉＣ基板側に形成することができる。
図２は、発光素子がフレーム５に実装される従来の方式の一例を示す図である。発光素子が銀ペーストのような接着剤９によってフレーム５に固定されている。活性層４０で発生した光は、一部が透光性の電流拡散電極６０を通じて直ちに出て、基板１０に進入した光はアルミニウム層９２で反射して電流拡散電極６０または発光素子の側面を通じて出ていく。
発光素子は、化合物半導体発光素子として非常に厚さが薄く、フレーム５に具備された接着剤９に発光素子がボンディングされる。したがって、従来の発光素子の実装方式によると、接着剤９は、図２に点線円形領域７に示されたように、基板１０の側面を上っていく。接着剤９は不透明であり得、基板に流入した光の一部が接着剤９に吸収される。接着剤９が透明な場合にも程度の差はあるが、接着剤９に光が吸収される。したがって、発光素子から出る光の量が減少して発光素子の光取り出し効率を低下させるという問題がある。
これに対しては、「発明を実施のための形態」の後段に記述する。
ここでは、本開示の全体的な要約を提供するが、これが本開示の外縁を制限すると理解されてはならない。
本開示による一態様によると、フレーム;フレームに具備された接着剤;基板、基板の上面に形成され第１導電性を有する第１化合物半導体層、第１導電性と異なる第２導電性を有する第２化合物半導体層、そして第１化合物半導体層と第２化合物半導体層の間に位置して電子と正孔の再結合を用いて光を生成する活性層を含み接着剤によってフレームに位置が固定される発光部;そして発光部とフレームの間に位置してフレームと発光部の間に間隔を形成するスペーサー（ｓｐａｃｅｒ）;とを含むことを特徴とする化合物半導体発光素子を提供する。
これに対しては、「発明を実施のための形態」の後段に記述する。
以下、本開示を添付した図を参照して詳しく説明する。
本開示による化合物半導体発光素子は、フレーム、接着剤、発光部及びスペーサーを含む。フレーム、接着剤及びスペーサーは後述にして、先に発光部を説明する。
図３は、本開示によるスペーサーが形成された発光部の一例を示す図である。
図３に図示された発光部２０１は、基板２１０、第１化合物半導体層、第２化合物半導体層そして活性層２４０を含む。
基板２１０の上面２１１に第１化合物半導体層、活性層２４０そして第２化合物半導体層が形成される。基板２１０の例として絶縁性基板であるサファイア（Ａｌ２Ｏ３）基板を挙げることができる。第１化合物半導体層そして第２化合物半導体層は、ＩＩＩ族チッ化物半導体層を含むことができ、第１化合物半導体層はｎ型ＩＩＩ族チッ化物半導体層２３０を、第２化合物半導体層はｐ型ＩＩＩ族チッ化物半導体層２５０を含むことができる。ｎ型ＩＩＩ族チッ化物半導体層２３０の形成に先立ち、バッファー層２２０を形成することが好ましい。
次に、蝕刻工程を通じて、ｎ型ＩＩＩ族チッ化物半導体層２３０、活性層２４０そしてｐ型ＩＩＩ族チッ化物半導体層２５０の一部が除去される。蝕刻は、ＲＩＥ、ＲＩＢＥ、ＩＣＰなどの乾式蝕刻を通じて行なうことができる。
化合物半導体発光素子は、ｎ側電極２８０、電流拡散電極２６０そしてｐ側パッド電極２７０をさらに含む。
フォトリゾグラフィ工程を経て、電流拡散電極２６０、ｐ側パッド電極２７０そしてｎ側電極２８０を形成する。電流拡散電極２６０は、ＩＴＯのような物質からなる透光性電極として機能することができる。ｐ側パッド電極２７０及びｎ側電極２８０は、Ｃｒ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｐｔ、Ａｕ、ＴｉＷ、Ｎｉ、Ｃｕのような物質またはこれらの組み合わせからなり得る。
化合物半導体発光素子は、少なくとも一つの誘電物質層２９１そして光反射層２９２をさらに含むことができる。誘電物質層２９１そして光反射層２９２は、基板２１０の下面２１３に形成されて化合物半導体発光素子の光取り出し効率を向上させる。
少なくとも一つの誘電物質層２９１は、例えば、基板２１０の下面２１３に順に積層された第１ＳｉＯ２層２９３、ＴｉＯ２層２９５そして第２ＳｉＯ２層２９７を含むことができる。第１ＳｉＯ２層２９３、ＴｉＯ２層２９５そして第２ＳｉＯ２層２９７は、電子ビーム蒸着機（Ｅ−ｂｅａｍ ｅｖａｐｏｒａｔｏｒ）で蒸着することができる。複数の誘電物質層２９１の個数そして厚さを変更させることによって、光反射層２９２に対する光の入射角による反射効率及び光の波長による反射効率をより向上させることができる。
光反射層２９２は、誘電物質層２９１の表面に形成されて誘電物質層２９１を透過した光を反射する。光反射層２９２は、アルミニウムのように反射率が優れた金属からなることができる。光反射層２９２は、メッキまたは蒸着方法で形成することができる。
スペーサー２０３は、光反射層２９２の表面に形成される。光反射層２９２の酸化を防止するために、スペーサー２０３と光反射層２９２との間に保護層（未図示）をさらに形成することができる。化合物半導体発光素子を個別チップに分離する工程（例；スクライビング及びブレーキング工程）がより容易になるように、スペーサー２０３は基板２１０に全面的に形成するよりは個別チップに対応する領域にのみ形成することが好ましい。そのために、光反射層２９２の下面に個別チップに対応する領域がオープンされたフォトレジスト層（未図示）を形成することができる。したがって、フォトレジスト層をマスクにして個別チップに対応する領域にのみスペーサー２０３を形成することができる。スペーサー２０３を形成した後、フォトレジスト層を除去するかそのまま放置することもできる。
スペーサー２０３が導電物質で形成される場合に、スペーサー２０３は単一のメッキ層または複数のメッキ層を含むことができる。メッキ物質としては、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌなどを挙げることができ、メッキ物質は光反射層２９２の特性、接着剤の特性そしてメッキ工程の条件などを考慮して決定することができる。メッキ方法としては、電解メッキ、非電解メッキのような方法を用いることができる。スペーサー２０３は、接着剤が基板２１０の側面を上っていくことを防止するために、光反射層２９２に比べてずっと厚い厚さに形成することができ、スペーサー２０３は２０μｍ以上８０μｍ以下の厚さを有することが好ましい。スペーサー２０３の厚さが２０μｍ以下の場合、接着剤が基板２１０の側面を上っていくことを防止する効果が弱くなり得、スペーサー２０３の厚さが８０μｍ以上の場合、発光部２０１が接着剤によって、後述のフレームに固定される固定力が弱くなり得る。
図４は、図３に示されたスペーサーが形成された発光部を有する化合物半導体発光素子の一例を示す図である。
図４を参照すると、スペーサー２０３は、フレーム２０５に具備された接着剤２０９に接着されて、発光部２０１がフレーム２０５に位置が固定される。
フレーム２０５は、金属材質からなり得る。フレーム２０５は、発光部２０１に駆動電流を印加するリード電極を有することができる。例えば、図４でフレーム２０５は、接着剤２０９を具備してｎ側電極２８０と第１ワイヤ２８５によって電気的に連結される第１リード電極２０８と、ｐ側パッド電極２７０と第２ワイヤ２７５によって電気的に連結される第２リード電極２０７を含む。これとは異なり、フレーム２０５は、印刷回路基板であり得る。複数の発光部２０１が、印刷回路基板表面に実装され得る。印刷回路基板には、発光部２０１と電気的に連結する接続部が形成される。
接着剤２０９は、導電性ペーストであり得る。例えば、導電性ペーストは、銀ペースト（Ａｇ ｐａｓｔｅ）を含む。これとは異なり接着剤２０９は、エポキシまたはアクリルなど光硬化性樹脂であり得る。接着剤２０９の種類は、スペーサー２０３の材質、フレーム２０５の材質、発光部２０１のタイプ、電気的導通の必要性などを考慮して決定することができる。
発光部２０１は、フレーム２０５に具備された接着剤２０９上に整列し、発光部２０１が加圧されてスペーサー２０３が硬化していない接着剤２０９に付着する。以後、接着剤２０９を硬化させるとスペーサー２０３の位置が固定される。スペーサー２０３は、図４に示されたように、少なくとも一部が接着剤２０９に掛かる。フレーム２０５から基板２１０の下面２１３までの高さ（Ｈ１）は、硬化した接着剤２０９の厚さ（Ｔ１）以上であることが好ましい。したがって、接着剤２０９は、基板２１０の側面に上っていくことができなくて、光反射層２９２の下に位置するかまたは光反射層２９２に接することもできる。
活性層２４０から発生した光の一部は、直ちに透光性の電流拡散電極２６０を透過して出て行く。光の他の一部は、基板２１０に流入して基板２１０の側面に出るか、光反射層２９２で反射して基板２１０の側面または電流拡散電極２６０に出る。接着剤２０９が基板２１０の側面に上っていかないので接着剤２０９が光を吸収することが防止される。したがって、化合物半導体発光素子２００から出る光の量が増加して光取り出し効率が向上する。
また、スペーサー２０３と接着剤２０９の接触面積が広い。したがって、発光部２０１で発生した熱がスペーサー２０３、接着剤２０９及びフレーム２０５を通じてより速やかに多量に放出され得る。したがって、化合物半導体発光素子２００の発光効率が向上する。
図５及び図６は、本開示によるスペーサーが形成された発光部の他の例を示した図である。
図５で発光部４０１は、基板４１０、バッファー層４２０、ｎ型ＩＩＩ族チッ化物半導体層４３０、活性層４４０そしてｐ型ＩＩＩ族チッ化物半導体層４５０を含む。ｐ型ＩＩＩ族チッ化物半導体層４５０及び活性層４４０の一部が蝕刻されて、ｎ型ＩＩＩ族チッ化物半導体層４３０が部分的に露出する。基板４１０に、ホール４１７が形成される。ホール４１７は、基板４１０の下面からｎ型ＩＩＩ族チッ化物半導体層４３０まで貫いて形成される。ホール４１７は、レーザー加工を通じて形成することができ、使用するレーザーは、ダイオード励起レーザー（ｄｉｏｄｅ−ｐｕｍｐｅｄ（ＵＶ）ｌａｓｅｒ）を使用することができる。
図６を参照すると、化合物半導体発光素子は、電流拡散電極４６０、ｎ側電極４８０そして絶縁層４８３をさらに含む。
電流拡散電極４６０は、ｐ型ＩＩＩ族チッ化物半導体層４５０上に形成される。電流拡散電極４６０は、電流拡散とともに光反射層としても機能する。電流拡散電極４６０は、Ｃｒ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｐｔ、Ａｕ、ＴｉＷ、Ｎｉ、Ｃｕのような物質またはこれらの組み合わせからなり得る。ｎ側電極４８０は、蝕刻されて露出したｎ型ＩＩＩ族チッ化物半導体層４３０に、Ｃｒ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｐｔ、Ａｕ、ＴｉＷ、Ｎｉ、Ｃｕのような物質またはこれらの組み合わせで形成することができる。ｎ側電極４８０は、Ｃｕを使用したメッキ工程を通じてホール４１７につながることができ、Ａｌを使用して基板４１０の下面に延長することができる。基板４１０の下面に延長されたｎ側電極４８０に電流を印加することができる。絶縁層４８３は、露出したｎ型ＩＩＩ族チッ化物半導体層４３０に形成されて、ｎ側電極４８０及びｎ型ＩＩＩ族チッ化物半導体層４３０を絶縁する。絶縁層４８３は、例えば、ＳｉＯ２またはフォトレジストからなり得る。
続いて、電流拡散電極４６０側にスペーサー４０３を形成する。図６に示したスペーサー４０３は、導電性物質で形成されて、単一または複数のメッキ層を含むことができる。スペーサー４０３の材質、形状及び形成方法に対しては、図３及び図４で説明したのと実質的に同一である。したがって、詳細な説明は省略する。
図７は、図６に示されたスペーサーが形成された発光部を有する化合物半導体発光素子の他の例を示す図である。
図７を参照すると、スペーサー４０３は、フレーム４０５に具備された接着剤４０９に接着され、発光部４０１がフレーム４０５に位置が固定される。したがって、発光部４０１は引っ繰り返すようにして配置され、活性層４４０で発生した光の一部は電流拡散電極４６０で反射して基板４１０を透過して出て行く。絶縁層４８３によってｎ側電極４８０が接着剤４０９から絶縁されている。フレーム４０５は、接着剤４０９を具備して電流拡散電極４６０と電気的に導通する第１リード電極４０８、そしてｎ側電極４８０とワイヤ４８５によって電気的に連結される第２リード電極４０７を含む。
スペーサー４０３は、図７に示されたように、全体が接着剤４０９に埋められ得る。スペーサー４０３がフレーム４０５と発光部４０１の間に間隔を形成するので、接着剤４０９が発光部４０１の側面を上っていくことが防止される。したがって、発光部４０１の側面に出る光が接着剤４０９によって吸収されることが防止されるので、発光素子４００から出る光の量が増加する。またスペーサー４０３によって、発光素子４００の放熱効率が向上する。
図８は、本開示による化合物半導体発光素子のまた他の例を示す図である。
図８を参照すると、化合物半導体発光素子６００は、フレーム６０５、接着剤６０９、発光部６０１及びスペーサー６０３を含む。
発光部６０１は、基板６１０、バッファー層６２０、ｎ型ＩＩＩ族チッ化物半導体層６３０、活性層６４０、そしてｐ型ＩＩＩ族チッ化物半導体層６５０を含む。基板６１０は、サファイア、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）、亜鉛酸化物（ＺｎＯ）、シリコン（Ｓｉ）、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）などからなり得る。
化合物半導体発光素子６００は、電流拡散電極６６０、ｐ側パッド電極６７０そしてｎ側電極６８０をさらに含む。
電流拡散電極６６０は、ｐ型ＩＩＩ族チッ化物半導体層６５０上に光透過性を有するように形成される。ｐ側パッド電極６７０は、電流拡散電極６６０上に形成される。ｎ側電極６８０は、基板６１０の下面に形成されて反射板として機能する。ｎ側電極６８０が反射板として機能する場合、基板６１０とｎ側電極６８０の間にＳｉＯ２、ＴｉＯ２、ＣａＦ、ＭｇＦなどの物質からなる層（未図示）を導入することで、化合物半導体発光素子６００の光取り出し効率を高めることができる。
基板６１０が電気伝導性を有して、ｎ側電極６８０が基板６１０を通じてｎ型ＩＩＩ族チッ化物半導体層６３０に電気的に連結され得る。これとは異なり、基板６１０が電気伝導性を有しない場合、基板６１０にホールを形成して、ｎ側電極６８０がホールを通じてｎ型ＩＩＩ族チッ化物半導体層６３０に電気的に接続することができる。
スペーサー６０３は、ｎ側電極６８０側に形成される。図８に示されたスペーサー６０３は、導電性物質で形成することができ、単一または複数のメッキ層を含むことができる。スペーサー６０３の材質、形状及び形成方法に対しては、図３及び図４で説明したのと実質的に同一である。したがって、詳細な説明は省略する。
スペーサー６０３は、フレーム６０５に具備した接着剤６０９で接着され、発光部６０１がフレーム６０５に位置が固定される。活性層６４０で発生した光の一部は、ｎ側電極６８０で反射して電流拡散電極６６０を透過して出て行く。接着剤６０９は、導電性ペーストを含むことができる。フレーム６０５は、接着剤６０９を具備してｎ側電極６８０と電気的に導通する第１リード電極６０８、そしてｐ側パッド電極６７０とワイヤ６７５によって電気的に連結される第２リード電極６０７を含む。
スペーサー６０３が、フレーム６０５と発光部６０１の間に間隔を形成し、接着剤６０９が発光部６０１の側面を上っていくことが防止される。したがって、発光部６０１の側面に出る光が接着剤６０９によって吸収されることが防止されるので、化合物半導体発光素子６００から出る光の量が増加する。また、スペーサー６０３によって化合物半導体発光素子６００の放熱効率が向上する。
以下、本開示の多様な実施形態に対して説明する。
（１）スペーサーが接着剤に付着して、フレームと基板の下面との間の間隔は、フレームから接着剤の高さ以上であることを特徴とする化合物半導体発光素子。
（２）スペーサーが、メッキ層を含むことを特徴とする化合物半導体発光素子。
スペーサーは、前述のように金属からなり得る。これとは異なり、スペーサーは非伝導性物質からなることもできる。例えば、基板の下面に化合物半導体発光素子の個別チップに対応する領域にのみフォトレジスト層を形成することができる。この場合、スペーサー形成工程数を減少することができる。
（３）スペーサーが、２０μｍ以上８０μｍ以下の厚さを有することを特徴とする化合物半導体発光素子。
（４）発光部とスペーサーの間に位置して光を反射する光反射層をさらに含むことを特徴とする化合物半導体発光素子。
（５）光反射層が基板の下面に形成されて、基板の下面と光反射層の間に形成された誘電物質層と、２化合物半導体層及び活性層が蝕刻されて露出した第１化合物半導体層に形成されたｎ側電極と、第２化合物半導体層に形成された透光性の電流拡散電極、そして電流拡散電極に形成されたｐ側パッド電極をさらに含むことを特徴とする化合物半導体発光素子。
（６）基板はサファイア基板で、スペーサーは光反射層の下面に形成されたメッキ層を含み、第１化合物半導体層はｎ型ＩＩＩ族チッ化物半導体層を含み、第２化合物半導体層はｐ型ＩＩＩ族チッ化物半導体層を含むことを特徴とする化合物半導体発光素子。
（７）光反射層が基板の下面に形成されたｎ側電極を含み、スペーサーは光反射層の下面に形成されたメッキ層を含むことを特徴とする化合物半導体発光素子。
図８で説明された化合物半導体発光素子とは異なり、基板を削除してｎ型ＩＩＩ族チッ化物半導体層の下側にｎ側電極を反射板機能をするように形成することもできる。この場合、スペーサーの厚さを厚くするために、先にメッキでｎ側電極側に複数のメッキ層を形成して、メッキ層上にフォトレジスト層をさらに形成することもできる。
（８）第２化合物半導体層は、スペーサーと活性層の間に位置して、スペーサーと第２化合物半導体層の間に位置する光反射性の電流拡散電極、そして第１化合物半導体層に電気的に連結されたｎ側電極をさらに含むことを特徴とする化合物半導体発光素子。
（９）基板の下面から第１化合物半導体層まで続くホールが形成され、ｎ側電極は第２化合物半導体層及び活性層が蝕刻されて露出した第１化合物半導体層に形成されてホールを通じて基板の下面に延長されたことを特徴とする化合物半導体発光素子。
本開示による化合物半導体発光素子の一つによると、接着剤による光の吸収を防止して光取り出し効率が向上した化合物半導体発光素子を提供する。
また、本開示による他の化合物半導体発光素子に表面積が大きいスペーサーを用いて、放熱効率が向上した化合物半導体発光素子を提供する。
２００、４００、６００ 化合物半導体発光素子
２０１、４０１、６０１ 発光部
２０３、４０３、６０３ スペーサー
２０５、４０５、６０５ フレーム
２０９、４０９、６０９ 接着剤
２１０、４１０、６１０ 基板
２２０、４２０、６２０ バッファー層
２３０、４３０、６３０ ｎ型ＩＩＩ族チッ化物半導体層
２４０、４４０、６４０ 活性層
２５０、４５０、６５０ ｐ型ＩＩＩ族チッ化物半導体層
２６０、４６０、６６０ 電流拡散電極
２７０、６７０ ｐ側パッド電極
２８０、４８０、６８０ ｎ側電極
２０１、４０１、６０１ 発光部
２０３、４０３、６０３ スペーサー
２０５、４０５、６０５ フレーム
２０９、４０９、６０９ 接着剤
２１０、４１０、６１０ 基板
２２０、４２０、６２０ バッファー層
２３０、４３０、６３０ ｎ型ＩＩＩ族チッ化物半導体層
２４０、４４０、６４０ 活性層
２５０、４５０、６５０ ｐ型ＩＩＩ族チッ化物半導体層
２６０、４６０、６６０ 電流拡散電極
２７０、６７０ ｐ側パッド電極
２８０、４８０、６８０ ｎ側電極
Claims (7)
- フレーム、フレームに具備された接着剤、絶縁性である基板、基板の上面に形成されて第１導電性を有する第１化合物半導体層、第１導電性と異なる第２導電性を有する第２化合物半導体層、そして第１化合物半導体層と第２化合物半導体層の間に位置して電子と正孔の再結合を用いて光を生成する活性層を含み、接着剤によってフレームに位置固定される発光部、基板とフレームの間に位置して、接着剤が基板の側面を上っていくことを防止するようにフレームとの基板間に間隔を形成するスペーサー（ｓｐａｃｅｒ）、基板を基準としてフレームの反対側で第１化合物半導体層に具備される電極、そして基板を基準としてフレームの反対側で第２化合物半導体層に具備されるパッド電極、とを含むことを特徴とする化合物半導体発光素子。
- スペーサーは接着剤に付着して、フレームと基板の下面との間の間隔は、フレームから接着剤の高さ以上であることを特徴とする、請求項１に記載の化合物半導体発光素子。
- スペーサーが、メッキ層を含むことを特徴とする、請求項２に記載の化合物半導体発光素子。
- スペーサーが、２０μｍ以上８０μｍ以下の厚さを有することを特徴とする、請求項３に記載の化合物半導体発光素子。
- 基板とスペーサーの間に位置して光を反射する光反射層をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の化合物半導体発光素子。
- 光反射層が基板の下面に形成され、基板の下面と光反射層の間に形成された誘電物質層と、第２化合物半導体層とパッド電極の間に形成された透光性の電流拡散電極、とをさらに含むことを特徴とする、請求項５に記載の化合物半導体発光素子。
- 基板はサファイア基板で、スペーサーは光反射層の下面に形成されたメッキ層を含み、第１化合物半導体層はｎ型ＩＩＩ族チッ化物半導体層を含み、第２化合物半導体層はｐ型ＩＩＩ族チッ化物半導体層を含むことを特徴とする、請求項６に記載の化合物半導体発光素子。
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