JPH11121797A - チップ型半導体発光装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 発光素子自体の厚さを薄くしないでもワイヤ
ーが占めていた分の厚さ方向の嵩を実質的に零としてリ
ード側に導通接続した薄型のチップ型半導体発光装置を
提供する。 【解決手段】 結晶基板１ａと対向する同一の面にｎ側
電極２及びｐ側電極３を備えた発光素子１をリード基板
６に搭載する半導体発光装置において、結晶基板１ａを
光透過性とし、ｎ側及びｐ側電極２，３のそれぞれの上
にはマイクロバンプ４，５を形成し、結晶基板１ａをリ
ード基板６に対して上下反転した姿勢としてマイクロバ
ンプ４，５をチップ基板１ａに形成したリード７ａ，７
ｂに接続し、ｎ側及びｐ側の電極２，３に対してワイヤ
ーボンディングすることなく、結晶基板１ａの上面を光
取出し面とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、たとえば青色発光
ダイオード等の光デバイスに利用される窒化ガリウム系
化合物を利用したチップ型の半導体発光装置に係り、特
に発光装置の厚みをさらに薄く形成できるようにしたチ
ップ型半導体発光装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＧａＮ，ＧａＡｌＮ，ＩｎＧａＮ及びＩ
ｎＡｌＧａＮ等の窒化ガリウム系化合物半導体は、可視
光発光デバイスや高温動作電子デバイス用の半導体材料
として多用されるようになり、青色発光ダイオードの分
野での展開が進んでいる。

【０００３】この窒化ガリウム系化合物の半導体の製造
では、その表面において半導体膜を成長させるための結
晶基板として、一般的には絶縁性のサファイアが利用さ
れる。このサファイアのような絶縁性の結晶基板を用い
る場合では、結晶基板側から電極を出すことができない
ので、半導体層に設けるｐ，ｎの電極は結晶基板と対向
する側の一面に形成されることになる。これに対して、
窒化ガリウム系以外のＧａＡｓやＧａＰ等の半導体基板
を利用する発光素子では、たとえば下層をｎ型層及び上
層をｐ型層としてこれらのｎ型層及びｐ型層のそれぞれ
にｎ側電極及びｐ側電極を設けることができる。

【０００４】このように、半導体膜を成長させる結晶基
板によって、ｎ側及びｐ側の電極の配列の態様が異なる
が、いずれにおいても少なくとも一方の電極については
ワイヤーボンディングによってリードに接続することに
ついては共通である。すなわち、導電性の半導体基板を
用いるものでは、この半導体基板をたとえばこれをｎ型
層に導通させてリードに接続するとともに、ｐ型層につ
いてはその電極をワイヤーボンディングによって別系統
のリードに接続すればよい。また、青色発光ダイオード
のように絶縁性のサファイアを用いるものでは、ｎ側及
びｐ側の電極のそれぞれにワイヤーボンディングを施す
ことになる。

【０００５】図４は導電性の基板を用いた従来のチップ
型の発光ダイオードの概略であって、同図の（ａ）はそ
の縦断面図、同図の（ｂ）は平面図である。

【０００６】図において、絶縁性の基板２１にリード２
２ａ，２２ｂが形成され、一方のリード２２ａの上に発
光ダイオードの発光素子２３が搭載されて銀等をフィラ
ーとして主剤中に混入した導電性ペースト２２ｃによっ
て固定保持されている。

【０００７】発光素子２３は最も簡単な例として下層を
ｎ型層及び上層をｐ型層としてｐ−ｎ接合されたものと
すると、下端に位置するｎ側電極２３ａをリード２２ａ
に導通させ、上端のｐ側電極２３ｂにはＡｕ等を素材と
するワイヤー２４を他方のリード２２ｂとの間にボンデ
ィングして導通させることで、発光素子２３は電気的に
接続される。そして、発光素子２３及びワイヤー２４の
全体を含んでボンディングエリアの全体も含めて透明な
エポキシ樹脂２５によって封止されている。

【０００８】このような発光素子２３を用いるチップ型
の発光装置の分野では、リード２２ａ，２２ｂから透明
なエポキシ樹脂２５の上端までの厚さＴを薄くすること
が、薄型化による実装容積の低減の点から、発光ダイオ
ードの分野では重要な課題として残されている。現在で
は、この厚さＴは３００〜４００μｍ程度までに抑え込
まれるまでになり、たとえば直径が３〜５ｍｍ程度のＬ
ＥＤランプに比べると格段に小型化されたといえる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】発光装置の厚さＴをよ
り短くして更に薄型化するためには、発光素子２３自体
の厚みを小さくするか、図示のようにワイヤー２４の上
向きの嵩張りを抑えるか、もしくはこれらの両方とする
かが有効な手段として考えられる。

【００１０】しかしながら、図示の例からも判るよう
に、発光素子２３の全体の厚さとワイヤー２４がｐ側電
極２３ｂから上に突き出る長さは殆ど変わらないこと、
及び発光素子２３には多様な種類のものがあって結晶基
板に積層する半導体薄膜の種類と積層形態を様々に変え
て発光効率等の向上を図るためにはその積層厚さに下限
があることから、ワイヤー２４の嵩張りを排除するほう
が一般的には対処しやすい。

【００１１】このようなワイヤー２４による全体の厚さ
方向への嵩張りを抑えるには、たとえば同図の（ａ）に
おいて一点鎖線で示すように、ワイヤー２４をｐ側電極
２３ｂから立ち上げないでその接続点から直にリード２
２ｂ側に曲げるようなワイヤーボンディングとすること
が一つの方法として挙げられる。このようなワイヤー２
４の配線であれば、厚さ方向の嵩が無くなるのでこの分
に相当して厚さＴを小さくすることが可能である。

【００１２】ところが、一点鎖線で示すようなワイヤー
２４のボンディングでは、透明なエポキシ樹脂２５によ
って樹脂封止する工程での撓み変形や経時後の機械的ま
たは熱的な応力負荷によって、ワイヤー２４が発光素子
２３の表面とくに上端側の角部分に接触してしまう恐れ
がある。そして、このような発光素子２３へのワイヤー
２４の接触が発生すると短絡を起こすことになり、発光
素子２３の損傷や発光表示不良の事態を招くことにな
る。

【００１３】このようなことから、ワイヤー２４と発光
素子２３との間の短絡を防止するには、図示のようにｐ
側電極２３ｂから一旦立ち上げてからリード２２ｂ側に
曲げるというワイヤーボンディングとするしかない。そ
して、このようなワイヤー２４のボンディングについて
の制約は、チップ型だけではなくＬＥＤランプでも同様
である。

【００１４】以上のように、発光装置における厚さＴを
決める因子である発光素子２３及びワイヤー２４のいず
れについても、厚さＴを小さくすることには、もはや何
ら貢献することはできない。したがって、新たな形態の
発光素子の開発を待たなければ、発光装置の厚さＴを３
００μｍ以下にまで引き下げることができないというの
が現状である。

【００１５】そして、窒化ガリウム系化合物の半導体に
おいて絶縁性のサファイアを結晶基板とする場合にｐ側
及びｎ側の電極を同じ面に設ける必要がある発光素子に
おいても、これらの２個の電極のそれぞれにワイヤーを
ボンディングするので、同様の問題を生じることにな
る。また、このタイプの発光素子ではｐ型層が光取出し
面となるが、この光取出し面の一部をワイヤーボンディ
ングのためのボンディングパッドが占めるので、その面
積に相当して光取出し面積が減少してしまい、このこと
が発光効率の低下を招くことにもなる。

【００１６】このように、従来のチップ型の発光装置で
は、発光素子及びワイヤーの形状や嵩の最適化を図って
も全体の厚さについては下限があり、薄型化に向けての
対策が待たれている。

【００１７】本発明において解決すべき課題は、発光素
子自体の厚さを小さくしないでもワイヤーが占めていた
分の厚さ方向の嵩を実質的に零としてリード側に導通接
続した薄型のチップ型半導体発光装置を提供することに
ある。

【００１８】

【課題を解決するための手段】本発明は、結晶基板の上
に少なくともｎ型層及びｐ型層を成長させた積層構造を
持ち且つ結晶基板と対向する同一の面にｎ側電極及びｐ
側電極を備えた発光素子をリード基板に搭載するチップ
型の半導体発光装置であって、結晶基板を光透過性とす
るとともに、ｎ側電極及びｐ側電極のそれぞれの上には
導電性材料からなるマイクロバンプを形成し、結晶基板
をリード基板に対して上下反転した姿勢としてマイクロ
バンプをリード基板に形成したリードに接続し、結晶基
板の上面を光取出し面としてなることを特徴とする。

【００１９】このような構成では、ｐ側及びｎ側のいず
れの電極に対してもワイヤーボンディングによるリード
側との電気的接続が不要となるので、ワイヤーの発光素
子からの立ち上がりに相当する嵩がなくなり、発光素子
の薄型化が可能となる。また、結晶基板は電極を備えて
いない側の面の全体を発光観測面として与えるので、ボ
ンディング用のパッド等の介在がなく、発光効率の向上
が図られる。

【００２０】また、結晶基板を透明のｎ型ＧａＰ基板と
するとともに、ｎ型層をＧａＡｓＰ系化合物の半導体薄
膜により形成し、ｎ型層表面近傍の一部に亜鉛拡散を行
なうことによりｐ型層を形成させ、ｎ型層及びｐ型層の
それぞれにｎ側電極及びｐ側電極を形成したフリップチ
ップ型の発光素子についても、ｎ側電極及びｐ側電極の
それぞれにマイクロバンプを形成して結晶基板の上面を
光取出し面となるようにリード基板のリードにこれらの
マイクロバンプを接続する構成としてもよい。

【００２１】

【発明の実施の形態】請求項１に記載の発明は、結晶基
板の上に少なくともｎ型層及びｐ型層を成長させた積層
構造を持ち且つ結晶基板と対向する同一の面にｎ側電極
及びｐ側電極を備えた発光素子をリード基板に搭載する
チップ型の半導体発光装置であって、結晶基板を光透過
性とするとともに、ｎ側電極及びｐ側電極のそれぞれの
上には導電性材料からなるマイクロバンプを形成し、結
晶基板をリード基板に対して上下反転した姿勢としてマ
イクロバンプをリード基板に形成したリードに接続し、
結晶基板の上面を光取出し面としてなるものであり、ｐ
側及びｎ側のいずれの電極に対してもワイヤーボンディ
ングによるリード側との電気的接続が不要となるので、
ワイヤーの発光素子からの立ち上がりに相当する嵩がな
くなり、発光装置の薄型化が可能となる。また、結晶基
板は電極を備えていない側の面の全体を発光観測面とし
て与えるので、ボンディング用のパッド等の介在がな
く、発光効率の向上が図られる。

【００２２】請求項２に記載の発明は、結晶基板を絶縁
性のサファイアとするとともに、ｎ型層及びｐ型層を窒
化ガリウム系化合物の半導体薄膜によって形成し、ｐ型
層の一部を除去してｎ型層を露出させ、ｐ型層及び露出
したｎ型層のそれぞれに電極を形成してなるものであ
り、輝度の高い青色及び緑色の発光が得られるという作
用を有する。

【００２３】請求項３に記載の発明は、結晶基板を透明
のｎ型ＧａＰ基板とするとともに、ｎ型層をＧａＡｓＰ
系化合物の半導体薄膜により形成し、ｎ型層表面近傍の
一部に亜鉛拡散を行なうことよりｐ型層を形成させ、ｎ
型層及びｐ型層のそれぞれにｎ側電極及びｐ側電極を形
成した発光素子をリード基板に搭載するチップ型の半導
体発光装置であって、ｎ側電極及びｐ側電極のそれぞれ
の上には導電性材料からなるマイクロバンプを形成し、
結晶基板をリード基板に対して上下反転した姿勢として
マイクロバンプをリード基板に形成したリードに接続
し、結晶基板の上面を光取出し面としてなるものであ
り、フリップチップ型とした発光素子のｎ側電極及びｐ
側電極を形成した後に発光素子の厚みを薄くする製造が
可能なので、発光装置をより一層薄型化できるという作
用を有する。

【００２４】以下に、本発明の実施の形態の具体例を図
面を参照しながら説明する。図１は本発明の一実施の形
態による窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を備える
チップ型発光ダイオードの概要であって、同図の（ａ）
は縦断面図、同図の（ｂ）は平面図である。そして、窒
化ガリウム系化合物の半導体を用いた発光素子としては
各種の態様のものがあるが、その一例を図２に示す。

【００２５】図２の（ａ）は発光素子１の平面図、同図
の（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線矢視による縦断面図であ
る。

【００２６】図２の（ａ）及び（ｂ）において、発光素
子１は、絶縁性であって光を透過可能なサファイアを用
いた結晶基板１ａの表面に複数の半導体薄膜層を従来周
知の有機金属気相成長法によって成膜したものである。
この薄膜の積層体は、下から順にＧａＮバッファ層１
ｂ，ｎ型ＧａＮ層１ｃ，ＩｎＧａＮ活性層１ｄ，ｐ型Ａ
ｌＧａＮ層１ｅ及びｐ型ＧａＮ層１ｆとしたものであ
り、ダブルヘテロ構造となっている。

【００２７】ｎ型ＧａＮ層１ｃの一つのコーナー部の上
面はエッチングによって段差状に除去され、この除去さ
れた部分にＴｉ及びＡｕの積層膜とその上にＮｉとＡｕ
の積層膜とを重ねたｎ側電極２を蒸着法によって形成し
ている。また、エッチングによる切除部分を除いた最上
層のｐ型ＧａＮ層１ｆの上面には、ＮｉとＡｕの積層膜
から成るｐ側電極３が同様に蒸着法によって形成されて
いる。

【００２８】発光素子１を組み込むチップ型の発光ダイ
オードは、従来例で示したものと同様に、絶縁性のリー
ド基板６に形成されたリード７ａ，７ｂを備え、これら
のリード７ａ，７ｂに発光素子１を電気的に接続して透
明なエポキシ樹脂８によって封止したものである。

【００２９】発光素子１は、図１に示すように、結晶基
板１ａを発光観測面とする姿勢すなわちｎ側及びｐ側電
極２，３をリード基板６側に向けてマイクロバンプ４，
５をそれぞれリード７ａ，７ｂに接続して固定されてい
る。そして、結晶基板１ａを透明としておくことによっ
て、ｐ−ｎ接合による発光域から図において上向き方向
に発光させることができる。

【００３０】このようにリード７ａ，７ｂにマイクロバ
ンプ４，５を直に接続することによって、ワイヤーボン
ディングによるワイヤー接続が不要となる。このため、
図４に示したようなワイヤー２４の上向きの立ち上がり
がない構造体となり、この立ち上がり分に相当する嵩を
含まない厚さにすることができる。たとえば、従来のチ
ップ型の発光ダイオードでは厚さが３００〜４００μｍ
程度であったのが、２００〜３００μｍ程度まで薄くす
ることができる。

【００３１】また、発光素子１の光取出し面はサファイ
ヤを用いた透明の結晶基板１ａの表面すなわち図１の
（ａ）において結晶基板１ａの上端面となるので、従来
のワイヤーボンディングするものに比べると発光の輝度
の向上も可能となる。これは、ワイヤーボンディングす
る場合ではボンディングパッドが光取出し面の一部を占
めることになるので、その占有面積に相応して光取出し
面積が絞られるのに対し、本発明では上下反転した姿勢
の結晶基板１ａにはボンディングパッド等の遮蔽物がな
いことによる。

【００３２】以上の例では、絶縁性の結晶基板１ａを用
いた場合であってｎ側及びｐ側の電極２，３が結晶基板
１ａと対向する一面側に設けたものであって、青色ＬＥ
Ｄとして提供できるものである。このようにｎ側及びｐ
側の電極の位置が規制されたものだけでなく、導電性の
結晶基板を持つものでもｎ側及びｐ側のそれぞれの電極
を同一面に配置する構成とすることができる。したがっ
て、結晶基板としては絶縁性でも導電性のいずれでもよ
く、ｐ側及びｎ側の電極が結晶基板に対して対向する同
一面に含まれるものでありさえすればよい。

【００３３】図３はこのようなｐ側及びｎ側の電極が結
晶基板に対して対向する面に形成されるフリップチップ
型の発光素子であって、請求項３に記載の発光装置を対
象とする発光素子の構成を示す図である。

【００３４】図３に示す発光素子１１は、透明のｎ型Ｇ
ａＰの結晶基板１１ａとして、その上にｎ型ＧａＡｓＰ
グレード層１１ｂ及びｎ型ＧａＡｓＰコンスタント層１
１ｃの積層によりＧａＡｓＰのｎ型層を形成したもので
ある。

【００３５】ｎ型ＧａＡｓＰコンスタント層１１ｃの表
面には、製造プロセスにおける亜鉛拡散操作により、上
端面に選択的にｐ型ＧａＡｓＰ層１１ｄが形成されてい
る。そして、ｎ型ＧａＡｓＰコンスタント層１１ｃ及び
ｐ型ＧａＡｓＰ層１１ｄのそれぞれの上面には、ｎ側電
極１２及びｐ側電極１３を形成し、これらの電極１２，
１３には先の例と同様にマイクロバンプ１４，１５を形
成している。

【００３６】なお、発光素子１１の形成方法は、図２に
示した発光素子とほぼ同様の手法とすることができる。

【００３７】ここで、図４の従来のチップ型の発光ダイ
オードに用いたＧａＡｓＰ系の発光素子２３では、ｎ側
電極２３ｂを形成する前に発光素子２３の厚みを薄くす
る必要がある。ＧａＰの結晶基板１１ａはサファイアの
結晶基板１ａに比べて割れやすいため、発光素子２３を
薄くする場合、電極形成途中のハンドリング等で発光素
子２３の割れによる歩留り低下が発生し、発光素子２３
の薄型化は１５０〜２００μｍが限界である。

【００３８】図３の発光素子１１では、ｎ側電極１２及
びｐ側電極１３を形成する際の発光素子１１の厚みは３
００〜４００μｍと厚いために発光素子１１の割れの問
題は発生しない。発光素子１１の厚みを薄くする工程
は、ｎ側電極１２及びｐ側電極１３を形成した後に実施
するために、図２に示す窒化ガリウム系化合物の発光素
子１と同等の９０μｍ程度の薄型化が可能となり、従来
の発光素子に比べ格段に薄くすることができる。また、
電極形成途中の発光素子１１の厚みは厚く、発光素子１
１を薄型化した後は電極形成を行なわないため、発光素
子１１の割れを防止できる。したがって、発光素子１１
の製造においても歩留りを高く維持することができる。

【００３９】

【発明の効果】請求項１の発明では、ｐ側及びｎ側のい
ずれの電極に対してもワイヤーボンディングによるリー
ド側との電気的接続が不要となるので、ワイヤーの発光
素子からの立ち上がりに相当する嵩をなくすことがで
き、発光装置の薄型化によってその利用分野の拡大した
展開が可能となる。また、結晶基板の光取出し面にはボ
ンディング用のパッド等の遮蔽物が一切ないので、光取
出し面の全体からの光放出が可能となり、輝度の高い発
光が得られる。

【００４０】請求項２の発明では、輝度の高い青色の発
光が得られるので、発光性に優れた青色発光ダイオード
を提供することができる。

【００４１】請求項３の発明では、フリップチップ型と
した発光素子のｎ側電極及びｐ側電極を形成した後に発
光素子の厚みを薄くする製造が可能なので、発光装置を
より一層薄型化でき、しかも電極形成過程での結晶基板
の割れも防止できるので製品の歩留りも向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態による窒化ガリウム系化
合物半導体発光素子を含むチップ型発光ダイオードであ
って、 （ａ）はその概略縦断面図 （ｂ）はその平面図

【図２】発光素子の詳細であって、 （ａ）はその平面図 （ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線矢視による縦断面図

【図３】請求項３に記載の発光装置に備える発光素子の
概略構成図であって、 （ａ）はその平面図 （ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線矢視による縦断面図

【図４】従来のチップ型発光ダイオードの例であって、 （ａ）はその概略縦断面図 （ｂ）はその平面図

【符号の説明】

１ 発光素子 １ａ 結晶基板 １ｂ ＧａＮバッファ層 １ｃ ｎ型ＧａＮ層 １ｄ ＩｎＧａＮ活性層 １ｅ ｐ型ＡｌＧａＮ層 １ｆ ｐ型ＧａＮ層 ２ ｎ側電極 ３ ｐ側電極 ４，５ マイクロバンプ ６ リード基板 ７ａ，７ｂ リード ８ エポキシ樹脂 １１ 発光素子 １１ａ 結晶基板 １１ｂ ｎ型ＧａＡｓＰグレード層 １１ｃ ｎ型ＧａＡｓＰコンスタント層 １１ｄ ｐ型ＧａＡｓＰ層 １２ ｎ側電極 １３ ｐ側電極 １４，１５ マイクロバンプ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 根井 正美 大阪府高槻市幸町１番１号 松下電子工業 株式会社内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 結晶基板の上に少なくともｎ型層及びｐ
   型層を成長させた積層構造を持ち且つ結晶基板と対向す
   る同一の面にｎ側電極及びｐ側電極を備えた発光素子を
   リード基板に搭載するチップ型の半導体発光装置であっ
   て、結晶基板を光透過性とするとともに、ｎ側電極及び
   ｐ側電極のそれぞれの上には導電性材料からなるマイク
   ロバンプを形成し、結晶基板をリード基板に対して上下
   反転した姿勢としてマイクロバンプをリード基板に形成
   したリードに接続し、結晶基板の上面を光取出し面とし
   てなるチップ型半導体発光装置。
2. 【請求項２】 結晶基板を絶縁性のサファイアとすると
   ともに、ｎ型層及びｐ型層を窒化ガリウム系化合物の半
   導体薄膜によって形成し、ｐ型層の一部を除去してｎ型
   層を露出させ、ｐ型層及び露出したｎ型層のそれぞれに
   電極を形成してなる請求項１記載のチップ型半導体発光
   装置。
3. 【請求項３】 結晶基板を透明のｎ型ＧａＰ基板とする
   とともに、ｎ型層をＧａＡｓＰ系化合物の半導体薄膜に
   より形成し、ｎ型層表面近傍の一部に亜鉛拡散を行なう
   ことによりｐ型層を形成させ、ｎ型層及びｐ型層のそれ
   ぞれにｎ側電極及びｐ側電極を形成した発光素子をリー
   ド基板に搭載するチップ型の半導体発光装置であって、
   ｎ側電極及びｐ側電極のそれぞれの上には導電性材料か
   らなるマイクロバンプを形成し、結晶基板をリード基板
   に対して上下反転した姿勢としてマイクロバンプをリー
   ド基板に形成したリードに接続し、結晶基板の上面を光
   取出し面としてなるチップ型半導体発光装置。