JP6160726B2 - 発光装置 - Google Patents
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Description
なお、以下の説明において参照する図面は、本発明を概略的に示したものであるため、各部材のスケールや間隔、位置関係などが誇張、あるいは、部材の一部の図示が省略されている場合がある。また、平面図、断面図の間において、各部材のスケールや間隔が一致しない場合もある。また、以下の説明では、同一の名称及び符号については原則として同一又は同質の部材を示しており、詳細な説明を適宜省略することとする。
[発光装置の構成]
まず、図1〜図6、図13を参照して、本発明の第1実施形態に係る発光装置の構成について説明する。なお、図2に示す断面図は、図1に示す平面図のII−II線における断面を模式的に示したものである。図1に示したII−II線上の位置A1〜A6と、図2に矢印で示した位置A1〜A6とが、対応しているが、断面構造を分かりやすく示すために、図2の断面図における距離間隔は、図1の平面図における距離間隔(部材の長さ)を適宜に伸長又は短縮して示しているため、両図面における距離間隔は一致していない。また、後記する他の断面図についても、特に断らない限り図2と同様に、図1に示す平面図のII−II線に相当する断面を示すものである。また、図3〜図6、図13は、本実施形態に係る発光装置100の積層構造を説明するために、層ごとに平面視での配置領域をハッチングで示すものである。
発光装置100では、n側ポスト電極3n及びp側ポスト電極3pの上面が、外部と電気的に接続するための実装面となっている。また、発光素子1の下面側が、光取り出し面である。また、詳細は後記するが、発光装置100は、ウエハレベルで作製される。
発光素子1は、基板11と、半導体積層体12と、全面電極14と、カバー電極15と、絶縁膜16と、n側電極13と、p側電極17と、を備えている。
基板11は、半導体をエピタキシャル成長させることができる基板材料であればよく、大きさや厚さ等は特に限定されない。このような基板材料としては、C面、R面、A面のいずれかを主面とするサファイアやスピネル(MgAl2O4)のような絶縁性基板、また炭化ケイ素(SiC)、シリコン、ZnS、ZnO、Si、GaAs、ダイヤモンド、及び半導体と格子接合するニオブ酸リチウム、ガリウム酸ネオジウム等の酸化物基板が挙げられる。本実施形態においては、発光装置100の光取り出し効率を向上させる観点から透光性を有するサファイア基板を用いることが好ましい。
半導体積層体12は、基板11の上に積層された積層体であって、基板11の側から、n型半導体層12nと、活性層12aと、p型半導体層12pとを、この順に備えている。p型半導体層12p及び活性層12aは、n型半導体層12n上において、周縁部12c及び周縁部12cよりも内側の一部を除く領域に設けられている。
n型半導体層12n、活性層12a及びp型半導体層12pは、InXAlYGa1-X-YN(0≦X、0≦Y、X+Y<1)等の半導体が好適に用いられる。また、これらの半導体層は、それぞれ単層構造でもよいが、組成及び膜厚等の異なる層の積層構造、超格子構造等であってもよい。特に、活性層12aは、量子効果が生ずる薄膜を積層した単一量子井戸又は多重量子井戸構造であることが好ましい。
周縁部12cは、ウエハ状態の発光素子1の境界線に沿った領域に設けられ、ウエハ状態の発光素子1を個片化する際の切り代となる領域の残りである。周縁部12cは、p型半導体層12pと、活性層12aと、が設けられておらずn型半導体層12nが露出している。以下では、半導体積層体12の周縁部12cのことを、n型半導体層12nの周縁部12cともいう。
なお、発光素子1において、半導体積層体12の周縁部12cを設けることで露出したp型半導体層12p及び活性層12aの側面は、絶縁膜16によって被覆されている。また、半導体積層体12の周縁部12cは、n側電極13や絶縁膜16によって被覆されるが、一部は露出している。
半導体積層体12の穴部12bの上面視での形状が例えば円形の場合、穴部12bの直径は、半導体積層体12のサイズに合わせて適宜設定することができる。
穴部12bの直径を小さくすれば、活性層12a等を部分的に除去する領域を低減できるため、発光領域を増加させることができる。また、一方の辺61の側に配置される穴部12bの直径を小さくすれば、p側ポスト電極3pの領域を容易に広く確保できるため実装性を向上させることができる。
穴部12bの直径を大きくすれば、n側電極13とn型半導体層12nとの接触面積を増加させることができるので順方向電圧Vfの上昇を抑制することができる。
穴部12bの直径の下限はエッチングにより穴部12bを精度よく製造できる程度で設定することができる。また、穴部12bの直径の上限は、穴部12bを設けるために活性層12a等を部分的に除去しても製品として所望の発光を維持できる程度で設定することができる。このような直径の一例を挙げれば、例えば5〜150μm、好ましくは20〜100μmとすることができる。また、半導体積層体12の周縁部12cにおいて、n側電極13から露出する領域の幅は、ウエハから各発光装置を個片化するときのダイシングストリートの幅の半値に相当し、半導体積層体12のサイズに合わせて適宜設定することができる。半導体積層体12の周縁部12cにおいて、n側電極13から露出する領域の幅は、例えば10〜150μm、好ましくは20〜100μmとすることができる。
全面電極14は、図2及び図3に示すように、p型半導体層12pの上面の略全面を覆うように設けられる。図3において、ハッチングを施した領域は、最終的に全面電極14が設けられた領域である。全面電極14は、n型半導体層12nの穴部12bとなる領域に対応した位置に合計11個の開口21を有している。なお、図3は、後記するn型半導体層露出工程(図7(c)参照)が終わった後の平面図であり、その時点では全面電極14を覆うカバー電極15が形成されているが、カバー電極15を除去した状態を示している。また、その時点では、半導体積層体12の周縁部12cとp型半導体層12pとの境界線や、穴部12bとp型半導体層12pとの境界線が存在するが、図示を省略している。
カバー電極15は、図2及び図4に示すように、全面電極14の上面の一部及び側面を被覆するように設けられている。図4において、ハッチングを施した領域は、最終的にカバー電極15が設けられた領域である。カバー電極15は、n型半導体層12nの穴部12bとなる領域に対応した位置に形成された合計11個の開口22aと、p側電極17が設けられる領域に対応した位置に形成された開口22bと、を有している。p側電極17は、カバー電極15に設けられた開口22bと絶縁膜16に設けられたp側開口16pとに設けられ、全面電極14と接触することで電気的に接続されている。
絶縁膜16は、半導体積層体12上に設けられ、発光素子1の保護膜及び帯電防止膜として機能する層間絶縁膜である。絶縁膜16としては、金属酸化物や金属窒化物を用いることができ、例えば、Si、Ti、Zr、Nb、Ta、Alからなる群より選択された少なくとも一種の酸化物又は窒化物を好適に用いることができる。また、絶縁膜16として、屈折率の異なる2種以上の透光性誘電体を用いて積層し、DBR(Distributed Bragg Reflector)膜を構成するようにしてもよい。
また、絶縁膜16は、p型半導体層12p上にp側開口16pを有している。p側開口16pは、p側電極17が設けられる領域に櫛状に設けられている。一例として、p側開口16pは、平面視でカバー電極15の開口22b(図4参照)に一致することとした。
さらに、絶縁膜16は、n型半導体層12n上の穴部12bの底面にn側開口16nを有している。n側開口16nは、11カ所に設けられた各穴部12bの底面において、例えば円形状に形成されている。
図6において、右上がりの斜線のハッチングを施した領域は、n側電極13が設けられた領域であり、右下がりの斜線のハッチングを施した領域は、p側電極17が設けられた領域である。図6は、後記するパッド電極形成工程(図8(b)参照)が終わった後の平面図である。なお、n型半導体層12nの周縁部12cの一部の領域を露出して示したが、その製造時点では、周縁部12cは、ウエハにおいて発光素子間の境界線となる領域がn側電極13の材料で被覆されている。
n側櫛状部70nは、第2のnコンタクト部13hを含み半導体積層体12の他方の辺62の側から一方の辺61の側に向かって櫛状に設けられている。
周壁部73nは、第1のnコンタクト部13sを含んでおり、n側櫛状部70nから連続して設けられている。また、周壁部73nは、半導体積層体12の一方の辺61に沿って形成されている。ここで、第1のnコンタクト部13sは、平面視で略矩形状の半導体積層体12の周縁部12cに環状に配置されている。そのため、n側電極13とn型半導体層12nとの接触面積が増加し、第2のnコンタクト部13hを少なくしたとしても順方向電圧Vfの上昇を抑制することができる。ここで、第2のnコンタクト部13hの個数を単純に減らすとn側電極13とn型半導体層12nとの接触面積が減少し、順方向電圧Vfが上昇してしまう。また、電流が偏って供給されやすくなるため、発光素子1の面内における発光強度分布が悪化する虞がある。しかしながら、本実施形態においては、第1のnコンタクト部13sが設けられていることで、順方向電圧Vfの上昇を抑制しながら第2のnコンタクト部13hの配置や数などを比較的容易に変更可能となるので、発光素子1の面内における発光強度分布を改善しやすくなる。
図13において、右上がりの斜線のハッチングを施した領域は、基部71nが設けられた領域であり、ダブルハッチングを施した領域は、延出部72nが設けられた領域である。
基部71nは、他方の辺62の側に設けられている。基部71nは、p側ポスト電極3pが配置されていない領域に配置されている。本実施形態では、基部71nは、図6及び図13に示すように、平面視で、縦長の略矩形状で設けられている。
例えば延出部72nにおいて、第2のnコンタクト部13hが配置された先端側の幅よりも基端側の幅が狭くなっている形状だと、p側ポスト電極3pの配置領域を容易に広げることができるため、発光装置100の実装性を高めることができる。
一方、図示したように延出部72nにおいて先端側の幅と基端側の幅とが均一な幅Wを有している場合、上記した基端側の幅が狭い形状に比べて、延出部72nを狭くした箇所で生じる電流の集中を抑制できる。その結果、延出部72nの先端側に配置された第2のnコンタクト部13hに効率良く電流を供給することができる。そのため、発光素子1の面内における発光強度分布を良好にするには、複数の延出部72nの幅Wは基端側から先端側に亘って略均一であることが好ましい。
n側ポスト電極3nは、図1及び図2に示すように、n側電極13上に設けられ第2のnコンタクト部13hと導通している。
p側ポスト電極3pは、図1及び図2に示すように、p側電極17上に設けられp側電極17と導通している。
また、n側ポスト電極3n及びp側ポスト電極3pは、発光素子1が発生した熱を放熱するための熱伝達経路としても機能する。
次に、図1及び図2を参照して、発光装置100の動作について説明する。
発光装置100は、外部との接続用の正負電極であるn側ポスト電極3n及びp側ポスト電極3pに、実装基板を介して外部電源が接続されると、n側ポスト電極3n及びp側ポスト電極3pを介して、発光素子1のn側電極13及びp側電極17間に電流が供給される。そして、n側電極13及びp側電極17間に電流が供給されると、発光素子1の活性層12aが発光する。
次に、図7〜図9を参照(適宜図1〜図6参照)して、図1に示した発光装置100の製造方法について説明する。
発光装置100の製造方法は、半導体積層体形成工程と、全面電極形成工程と、カバー電極形成工程と、n型半導体層露出工程と、絶縁膜形成工程と、パッド電極形成工程と、マスク形成工程と、ポスト電極形成工程と、マスク除去工程と、個片化工程と、を含み、この順で各工程が行われる。
図10に示すように、第2実施形態に係る発光装置100Bでは、n側電極13、p側電極17及びp側ポスト電極3pの形状が第1実施形態に係る発光装置100と相違している。以下では、図1に示す発光装置100と同じ構成には同じ符号を付して説明を省略する。
そして、発光装置100Bは、平面視で、複数の第2のnコンタクト部13hが他方の辺62の側に偏って配置されている。
この発光装置100Bは、平面視で、内周Nコンタクト31,32,33から、半導体積層体12の他方の辺62までの距離をαとし、また、内周Nコンタクト34,35,36から半導体積層体12の一方の辺61までの距離をβとしたとき、β>αとなるように複数の第2のnコンタクト部13hが偏って配置されている。
図10に示す例では、内周Nコンタクト34,35,36と、半導体積層体12の一方の辺61との間に、p側ポスト電極3pの全体が配置されている。
図11に示すように、第3実施形態に係る発光装置100Cでは、第2のnコンタクト部13hの個数及び配置、p側ポスト電極3pの形状が第1実施形態に係る発光装置100と相違している。以下では、図1に示す発光装置100と同じ構成には同じ符号を付して説明を省略する。
本実施形態に係る発光装置100Cは、第1実施形態に係る発光装置100よりも平面視で略正方形に形成した場合の一辺のサイズが小さい場合に特に好ましい実施形態であり、第1実施形態に係る発光装置100と同様の効果を奏することができる。
図12に示すように、第4実施形態に係る発光装置100Dでは、第2のnコンタクト部13hの個数及び配置、p側ポスト電極3pの形状が第1実施形態に係る発光装置100と相違している。以下では、図1に示す発光装置100と同じ構成には同じ符号を付して説明を省略する。
本実施形態において、n側電極13の延出部72nには、第2のnコンタクト部13hが先端部以外にも設けられている。
本実施形態に係る発光装置100Dは、第1実施形態に係る発光装置100よりも平面視で略正方形に形成した場合の一辺のサイズが大きい場合に特に好ましい実施形態であり、第1実施形態に係る発光装置100と同様の効果を奏することができる。
例えば、発光装置100のn側ポスト電極3n及びp側ポスト電極3pは、複数種類の金属を用いた積層構造としてもよい。特に、上面が実装面となるn側ポスト電極3n及びp側ポスト電極3pは、腐食防止及びAu−Sn共晶半田などのAu合金系の接着部材を用いた実装基板との接合性を高めるために、少なくとも最上層をAuで形成することが好ましい。また、n側ポスト電極3n及びp側ポスト電極3pの下層部がCuなどの、Au以外の金属で形成されている場合は、Auとの密着性を高めるために、上層部をNi/AuやNi/Pd/Auのような、積層構造としてもよい。さらに、n側ポスト電極3n及びp側ポスト電極3pの上面に、凹凸形状を有するようにしてもよい。
発光素子1において、絶縁膜16のp側開口16pの大きさや形状は上記実施形態に限定されるものではなく、複数のp側開口を備えてもよい。
第1実施形態に係る発光装置100と同様の形状の発光装置(以下、実施例1という)を製造した。実施例1の発光装置の製造に用いた材料は以下の通りである。
基板11に関しては、サファイアを用いた。基板11上に、n型半導体層12n、活性層12a、p型半導体層12pを構成するそれぞれのGaN半導体を成長させた。
全面電極14に関しては、p型半導体層12pのほぼ全面に、Ag層、Ni層、Ti層およびPt層を順に、それぞれ所定の膜厚ずつ連続的に成膜することで形成した。
カバー電極15に関しては、全面電極14を被覆するように、絶縁性のSiNを用いて形成した。
n型半導体層12nの穴部12b及び周縁部12cに関しては、反応性イオンエッチング(RIE)にて、p型半導体層12p及び活性層12a、さらにn型半導体層12nの一部を除去することで形成した。
絶縁膜16はSiO2を用いて形成した。
n側電極13及びp側電極17としては、Ti/ASC(Al,Si,Cu)/Ti/Pt/Au/Tiの順で積層して同じ工程で形成した。
n側電極13及びp側電極17の上に、SiO2を用いて保護膜を形成した。
n側ポスト電極3n及びp側ポスト電極3pを形成する領域には、Ti/Ni/Auを順に積層してシード層を形成した。
n側ポスト電極3n及びp側ポスト電極3pについては、Cuめっきで形成した。
個片化工程の前に、基板11を研磨により薄肉化した。
発光装置の平面サイズ:1.0mm×1.0mm
半導体積層体の周縁部の幅:55μm
ウエハ上で発光素子1間の境界領域(ダイシングストリート)の半値幅:25μm
第2のnコンタクト部の直径(n側開口の直径):φ=40μm
第2のnコンタクト部の個数:11個
第2のnコンタクト部の配置:図1と同様に、実施例1の発光装置は、一方の辺61の側に3個の第2のnコンタクト部13hが設けられ、他方の辺62の側に4個の第2のnコンタクト部13hが設けられている。すなわち、実施例1の発光装置は、平面視で、図1において右に配置された第2のnコンタクト部13hの個数は、図1において左に配置された第2のnコンタクト部13hの個数よりも少なくなるように構成されている。
実施例1の発光装置の順方向電圧Vf及び光出力Poの向上を確認するため、比較例1として、第1のnコンタクト部13sを備えていない発光装置を同様な手順で製造した。
比較例1及び実施例1の発光装置を用いて、所定条件の下で、順方向電圧Vfと、光出力Poを実測したところ、順方向電圧Vfについて実施例1は比較例1よりも0.04V程度低下させることができた。また、光出力Poについて実施例1は比較例1よりも0.2%程度上昇させることができた。
実施例1の発光強度分布の向上を確認するため、比較例2として、第1のnコンタクト部13sを備えると共に、平面視で、図1における左右に配置された第2のnコンタクト部13hの個数が同数である発光装置を製造した。すなわち、比較例2の発光装置は、第2のnコンタクト部13hの個数を12個として、一方の辺61の側(図1において右)にも4個の第2のnコンタクト部13hを設けて同様に製造した。なお、p側ポスト電極3pを配置する面積は、発光装置の実装性を維持するためにn側電極13の延出部72nの一部を狭くして実施例1と同様の面積とした。
ただし、比較例2の発光装置の場合、図15に示すように、p側ポスト電極3pの側(図15において右)の発光強度が、n側ポスト電極3nの側(図15において左)よりも低かった。つまり、比較例2の発光装置の発光は、平面視で左右に偏りが生じる強度分布となった。
上記した各実験から、実施例1の発光装置は、発光素子1の面内における発光強度分布を維持しながら、発光素子1の順方向電圧Vfの上昇を抑制しつつ、発光出力を向上させることが確認できた。
3n n側ポスト電極
3p p側ポスト電極
11 基板
12 半導体積層体
12n n型半導体層
12a 活性層
12p p型半導体層
12c 周縁部
12b 穴部
13 n側電極
13s 第1のnコンタクト部
13h 第2のnコンタクト部
14 全面電極
15 カバー電極
16 絶縁膜
16n n側開口
16p p側開口
17 p側電極
21,22a,22b,23 開口
31〜36 内周Nコンタクト(第2のnコンタクト部)
61,62 辺
70n n側櫛状部
71n 基部
72n 延出部
73n 周壁部
90 マスク
91n,91p 開口部
100,100B,100C,100D 発光装置
Claims (9)
- n型半導体層と、前記n型半導体層上で当該n型半導体層の周縁部及び前記周縁部よりも内側の一部を除く領域に設けられたp型半導体層と、を有する平面視で略矩形状の半導体積層体と、
前記半導体積層体上で、前記p型半導体層上に設けられた少なくとも1つのp側開口と、前記周縁部よりも内側の一部の前記n型半導体層上に設けられた複数のn側開口と、を有する絶縁膜と、
前記絶縁膜上から前記n型半導体層の前記周縁部まで延在して設けられ、前記周縁部にて前記n型半導体層と導通する第1のnコンタクト部を有すると共に前記n側開口を通じて前記n型半導体層と導通した第2のnコンタクト部を有するn側電極と、
前記絶縁膜上に設けられ前記p側開口を通じて前記p型半導体層と導通したp側電極と、を有する発光素子を備え、
平面視で、前記半導体積層体の一方の辺側には、前記p側電極上に設けられ前記p側電極と導通したp側ポスト電極と、前記第2のnコンタクト部と、を備え、
平面視で、前記一方の辺側とは反対側である他方の辺側には、前記n側電極上に設けられ前記第2のnコンタクト部と導通したn側ポスト電極を備え、
平面視で、前記一方の辺側に設けられた前記第2のnコンタクト部の個数は、前記他方の辺側に設けられた前記第2のnコンタクト部の個数よりも少ない発光装置。 - 前記n側電極は、前記第2のnコンタクト部を含み前記半導体積層体の前記他方の辺側から前記一方の辺側に向かって櫛状に設けられたn側櫛状部と、前記第1のnコンタクト部を含み前記n側櫛状部から連続して設けられる周壁部と、を有する請求項1に記載の発光装置。
- 前記n側櫛状部は、
前記半導体積層体の前記一方の辺と平行に設けられた基部と、
前記基部から前記一方の辺側に延出して前記一方の辺側の前記第2のnコンタクト部を通じて前記n型半導体層と導通する複数の延出部と、を有し、
前記複数の延出部の幅は略均一である請求項2に記載の発光装置。 - 平面視で、前記複数の延出部は、前記半導体積層体の前記一方の辺と平行な方向において等間隔に設けられている請求項3に記載の発光装置。
- 平面視で、前記複数の延出部は、同一形状である請求項3又は請求項4に記載の発光装置。
- 前記延出部の幅は、前記半導体積層体の前記一方の辺に対して平行な方向における長さに対して1/100〜1/3である請求項3から請求項5のいずれか一項に記載の発光装置。
- n型半導体層と、前記n型半導体層上で当該n型半導体層の周縁部及び前記周縁部よりも内側の一部を除く領域に設けられたp型半導体層と、を有する平面視で略矩形状の半導体積層体と、
前記半導体積層体上で、前記p型半導体層上に設けられた少なくとも1つのp側開口と、前記周縁部よりも内側の一部の前記n型半導体層上に設けられた複数のn側開口と、を有する絶縁膜と、
前記絶縁膜上から前記n型半導体層の前記周縁部まで延在して設けられ、前記周縁部にて前記n型半導体層と導通する第1のnコンタクト部を有すると共に前記n側開口を通じて前記n型半導体層と導通した第2のnコンタクト部を有するn側電極と、
前記絶縁膜上に設けられ前記p側開口を通じて前記p型半導体層と導通したp側電極と、を有する発光素子を備え、
平面視で、前記半導体積層体の一方の辺側には、前記p側電極上に設けられ前記p側電極と導通したp側ポスト電極を備え、
平面視で、前記一方の辺側とは反対側である他方の辺側には、前記n側電極上に設けられ前記第2のnコンタクト部と導通したn側ポスト電極を備え、
平面視で、前記複数の第2のnコンタクト部は前記他方の辺側に偏って配置されており、すべての前記第2のnコンタクト部のうち最も前記一方の辺側に配置された前記第2のnコンタクト部と、前記一方の辺側に配置された前記周縁部と、の間に、前記p側ポスト電極の全体が配置されている発光装置。 - 平面視で、前記p側電極は略矩形状に形成され、前記n側電極は前記p側電極の周囲を取り囲んで設けられている請求項7に記載の発光装置。
- 前記n側開口の直径が3μm以上150μm以下である請求項1から請求項8のいずれか一項に記載の発光装置。
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