(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
サファイア基板と、
前記サファイア基板上に設けられ、通電されて前記サファイア基板の厚み方向で発光する発光層を有する活性領域と、
前記サファイア基板の裏面に設けられ、前記発光層で発生された光を前記サファイア基板の裏面側に透過するのを遮断し、前記サファイア基板を改質してなる光遮断層と、
を具備することを特徴とする半導体発光装置。
【請求項２】
サファイア基板と、
前記サファイア基板上に設けられ、通電されて前記サファイア基板の厚み方向で発光する発光層を有する活性領域と、
前記サファイア基板中に設けられ、前記発光層で発生された光を前記サファイア基板の裏面側に透過するのを遮断し、前記サファイア基板を改質してなる光遮断層と、
を具備することを特徴とする半導体発光装置。
【請求項３】
サファイア基板と、前記サファイア基板上に設けられ、通電されて前記サファイア基板の厚み方向で発光する発光層を有する活性領域と、前記サファイア基板の裏面に設けられ、前記発光層で発生された光を前記サファイア基板の裏面側に透過するのを遮断し、前記サファイア基板を改質してなる光遮断層とを備えた半導体発光素子チップと、
リード或いは基板と前記半導体発光素子チップの間に設けられ、前記半導体発光素子チップを前記リード或いは基板に固着するマウント材と、
を具備し、前記半導体発光素子チップ及び前記マウント材は封止材で封止されることを特徴とする半導体発光装置。
【請求項４】
前記基板は、セラミック基板或いは金属基板であることを特徴とする請求項３に記載の半導体発光装置。
【請求項５】
前記マウント材は、エポキシ樹脂であることを特徴とする請求項３又は４に記載の半導体発光装置。
【請求項６】
前記半導体発光装置はＧａＮ系発光ダイオード、ＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオード、ＡｌＧａＡｓ系発光ダイオード、ＧａＰ系発光ダイオード、或いはＧａＡｓＰ系発光ダイオードであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の半導体発光装置。
【請求項７】
前記光遮断層は、非晶質の酸化アルミニウム（AｌｘOｙ）であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか1項に記載の半導体発光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、半導体発光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
発光ダイオード（ＬＥＤ light emitting diode）やレーザダイオードなどの半導体発光装置では、半導体発光素子チップをリードや基板に固着するのに、マウント材が使用される。マウント材としては、エポキシ系樹脂などが使用される。
【０００３】
半導体発光装置を長時間動作させていると半導体発光素子チップで発光された光によりエポキシ系樹脂が加熱されて変色し、全放射束劣化が生じて半導体発光装置の信頼性が低下するという問題点がある。波長が短く、エネルギーの高い光を発生する青色ＬＥＤでは、他のＬＥＤと比較しエポキシ樹脂の変色が加速される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−１２８４４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、半導体発光素子チップを接合するマウント材の劣化を抑制することができる半導体発光装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
一つの実施形態によれば、半導体発光装置は、サファイア基板、活性領域、及び光遮断層が設けられる。活性領域は、サファイア基板上に設けられ、通電されてサファイア基板の厚み方向で発光する発光層を有する。光遮断層は、サファイア基板の裏面に設けられ、発光層で発生された光をサファイア基板の裏面側に透過するのを遮断し、サファイア基板を改質してなる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】第１の実施形態に係る半導体発光装置を示す概略断面図である。
【図２】第１の実施形態に係る半導体発光素子チップでの発光及び光の進行方向を示す図である。
【図３】第１の実施形態に係る光遮断層の形成を説明する図である。
【図４】第１の実施形態に係る光遮断層の観察画像であり、図４（ａ）は光学像、図４（ｂ）はＳＥＭ像である。
【図５】第１の実施形態に係る半導体発光装置の信頼性試験を説明する図である。
【図６】第２の実施形態に係る半導体発光素子チップでの発光及び光の進行方向を示す図である。
【図７】第２の実施形態に係る光遮断層の形成を説明する図である。
【図８】第２の実施形態に係る光遮断層の観察画像であり、図８（ａ）は光学像、図８（ｂ）はＳＥＭ像である。
【図９】第３の実施形態に係る半導体発光素子チップでの発光及び光の進行方向を示す図である。
【図１０】第３の実施形態に係る凹凸部の形成を説明する図である。
【図１１】第３の実施形態に係る凹凸部の観察画像であり、図１１（ａ）は光学像、図１１（ｂ）はＳＥＭ像である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【０００９】
（第１の実施形態）
まず、本発明の第１の実施形態に係る半導体発光装置について、図面を参照して説明する。図１は半導体発光装置を示す概略断面図である。図２は半導体発光素子チップでの発光及び光の進行方向を示す図である。本実施形態では、サファイア基板の裏面側に光遮断層を設けて発光層で発生する光を遮断してマウント材の光劣化を抑制している。
【００１０】
図１に示すように、半導体発光装置９０には、リード１、リード２、マウント材３、半導体発光素子チップ３０、ボンディングワイヤ８、ボンディングワイヤ９、蛍光体１０、及び封止材１１が設けられる。半導体発光装置９０は、封止されたＧａＮ系青色発光ダイオード（ＧａＮ  ＬＥＤ light emitting diode）である。半導体発光装置９０は、屋内外の表示灯、屋内外の照明、自動車のヘッドライト・ストップランプ、道路標識、交通信号及び簡易照明等に使用される。
【００１１】
リード２上にはマウント材３と半導体発光素子チップ３０が積層形成される。マウント材３は、半導体発光素子チップ３０をリード２に固着する。マウント材３には、例えばエポキシ系樹脂が使用される。
【００１２】
半導体発光素子チップ３０は、光遮断層２１、基板４、活性領域５、アノード電極６、及びカソード電極７が設けられる。
【００１３】
光遮断層２１は、マウント材３と基板４の間に設けられる。光遮断層２１は、サファイアからなる基板４が非晶質の酸化アルミニウム（ＡｌｘＯｙ）に改質されてなる層である。基板４は、光遮断層２１と活性領域５の間に設けられる。活性領域５は、基板４上にエピタキシャル成長法で形成された複数のエピ層から構成される。活性領域５の凹部上には、アノード電極６が設けられる。アノード電極６は、ボンディングワイヤ８を介してリード２に接続される。活性領域５の凸部上には、カソード電極７が設けられる。アノード電極７は、ボンディングワイヤ９を介してリード１に接続される。
【００１４】
蛍光体１０は、マウント材３、半導体発光素子チップ３０、ボンディングワイヤ８、及びボンディングワイヤ９を覆うように、リード１及びリード２上に設けられる。封止材１１は、マウント材３、半導体発光素子チップ３０、ボンディングワイヤ８、ボンディングワイヤ９、及び蛍光体１０を封止するように、リード１及びリード２上に設けられる。
【００１５】
ここで、半導体発光装置９０はマウント材３を用いて半導体発光素子チップ３０をリード２に固着しているが、マウント材を用いて半導体発光素子チップ３０をセラミック基板或いは金属基板に固着してもよい。例えばＳＭＤ型、ＣＯＢ型、ＦＵ型、ＦＤ型などのＬＥＤ。
【００１６】
図２に示すように、半導体発光装置９０は、アノード電極６及びカソード電極７が通電されて電流が流れると活性領域５に設けられる発光層２２が発光して、基板４の厚み方向（図中、上下方向）に光が発生する。図中下方向の光は、光遮断層２１により反射され、基板４の裏面側に設けられるマウント材３に透過されない。つまり、この光はマウント材３まで達しない。このため、半導体発光装置９０の長時間動作期間においても、マウント材３は光による加熱によって発生する変色が生じない、また光照射による劣化によって発生する変色も生じない。なお、光遮断層２１が設けられない場合、マウント材３が変色すると光が反射されないので全放射束劣化が生じる。
【００１７】
次に、光遮断層の形成方法について図３及び図４を参照して説明する。図３は光遮断層の形成を説明する図である。図４は形成された光遮断層の観察画像であり、図４（ａ）は光学像、図４（ｂ）はＳＥＭ像である。ここでは、半導体発光素子が形成された半導体発光素子ウェハ４０の裏面側からレーザを照射している。
【００１８】
図３に示すように、基板４の裏面側からレーザを照射して基板４の裏面に光遮断層２１を形成する。
【００１９】
レーザ条件は、例えば波長（λ）が３５５ｎｍ、シングルパルス、パワーが４０ｍＷ〜２００ｍＷ、ナノ秒パルス、フォーカス位置を基板４の裏面側から離間した距離Ｌ１の場所に設定している（デフォーカス）。距離Ｌ１は、例えば数十μｍに設定するのが好ましい。このレーザ照射によりサファイアからなる基板４が非晶質の酸化アルミニウム（ＡｌｘＯｙ）に改質されて光遮断層２１が形成される。このとき改質をより進行させると、酸素離脱が多くなり酸化アルミニウム（ＡｌｘＯｙ）が粒径が小さなアルミニウムの集団となる。
【００２０】
レーザ照射しない場合、基板４から活性領域５を光学顕微鏡で観察すると、サファイアは光を透過するので活性領域に形成されているパターンが明瞭に観察することができる（図示していない）。
【００２１】
図４（ａ）に示すように、光遮断層２１側から活性領域５を高倍率（×２、０００）の光学顕微鏡で観察すると、非晶質の酸化アルミニウム（ＡｌｘＯｙ）からなる光遮断層２１により光が反射されるので、活性領域５上に形成された表面パターンは大変不明瞭となる。
【００２２】
図４（ｂ）に示すように、光遮断層２１表面を高倍率（×１０、０００）で斜め１５°からＳＥＭ（scanning electron microscope）観察すると、レーザによりサファイアが一度溶融されて結晶性が消失し、微少サイズからなる非晶質の酸化アルミニウム（ＡｌｘＯｙ）が形成されているのが確認できる。この非晶質の酸化アルミニウム（ＡｌｘＯｙ）は、サイズは不均一であり、高さも一定しない（周期性を有しない）。
【００２３】
次に、半導体発光装置の信頼性について図５を参照して説明する。図５は半導体発光装置の信頼性試験を説明する図である。信頼性試験では連続通電し、光束維持率７０％を輝度劣化の判定としている。
【００２４】
図５に示すように、基板４の裏面に光遮断層２１を設けていない比較例の半導体発光装置では、マウント材３が発光層２２で発生した光の影響により過熱や光照射による変色が発生する。この結果、全放射束劣化により輝度が低下して、例えば５００ｈで信頼性不良となる。
【００２５】
一方、基板４の裏面に光遮断層２１を設けている本実施形態の半導体発光装置９０では、発光層２２で発生した光が光遮断層２１で反射され、マウント材３には達しない。この結果、マウント材３の光劣化要因がなくなり、全放射束劣化による輝度の低下が大幅に改善される。ここでは１０、０００ｈまで信頼性不良が発生しないことを確認している。
【００２６】
上述したように、本実施形態の半導体発光装置では、半導体発光素子チップ３０には、光遮断層２１、基板４、活性領域５、アノード電極６、及びカソード電極７が設けられる。光遮断層２１は、マウント材３と基板４の間に設けられる。光遮断層２１は、サファイアからなる基板４が非晶質の酸化アルミニウム（ＡｌｘＯｙ）に改質されてなる層である。光遮断層２１は、発光層２２で発光された光を反射して基板４の裏面側に設けられるマウント材３に透過されるのを遮断する。
【００２７】
このため、マウント材３は発光層２２で発光された光による変色が発生しない。したがって、全放射束劣化が大幅に改善されて半導体発光装置９０の信頼性を大幅に向上することができる。
【００２８】
なお、本実施形態では、ＧａＮ系青色発光ダイオードに適用したが必ずしもこれに限定されるものではない。例えばＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオード、ＡｌＧａＡｓ系発光ダイオード、ＧａＰ系発光ダイオード、或いはＧａＡｓＰ系発光ダイオードに適用してもよい。また、レーザ照射条件は本実施形態で詳述した条件に必ずしも限定されるものではない。例えば、シングルパルスレーザの代わりにダブルパルスレーザを用いてもよい。ナノ秒パルスレーザの代わりにピコ秒パルス或いはフェムト秒パルスレーザを用いてもよい。波長（λ）３５５ｎｍのレーザの代わりに、７００ｎｍ〜８００ｎｍのレーザなどを用いてよい。
【００２９】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態に係る半導体発光装置について、図面を参照して説明する。図６は半導体発光素子チップでの発光及び光の進行方向を示す図である。本実施形態では、サファイア基板中に光遮断層を設けてマウント材の光劣化を抑制している。
【００３０】
以下、実施例１と同一構成部分には、同一符号を付してその部分の説明を省略し、異なる部分のみ説明する。
【００３１】
本実施形態の半導体発光装置は、封止されたＧａＮ系青色発光ダイオードであり、屋内外の表示灯、屋内外の照明、自動車のヘッドライト・ストップランプ、道路標識、交通信号及び簡易照明等に使用される。
【００３２】
図６に示すように、本実施形態の半導体発光装置に使用される半導体発光素子チップ３０ａには、基板４の裏面から距離Ｌ１１だけ離間した基板４中に光遮断層２３が設けられる。なお、本実施形態の半導体発光装置は、第１の実施形態の半導体発光装置９０とは光遮断層の形成位置が異なり、他の構成は同一である。
【００３３】
本実施形態の半導体発光装置では、アノード電極６及びカソード電極７が通電されて電流が流れると活性領域５に設けられる発光層２２が発光して、基板４の厚み方向（図中、上下方向）に光が発生する。図中下方向の光は、光遮断層２３により反射され、図中光遮断層２３直下の基板４及びマウント材３まで達しない。このため、半導体発光装置の長時間動作期間においても、マウント材３は光による加熱によって発生する変色が生じない、また光照射による劣化によって発生する変色も生じない。
【００３４】
次に、光遮断層の形成方法について図７及び図８を参照して説明する。図７は光遮断層の形成を説明する図である。図８は形成された光遮断層の観察画像であり、図８（ａ）は光学像、図８（ｂ）はＳＥＭ像である。ここでは、半導体発光素子が形成された半導体発光素子ウェハ４０の裏面側からレーザを照射している。
【００３５】
図７に示すように、基板４の裏面側からレーザを照射して基板４中に光遮断層２３を形成する。
【００３６】
レーザ条件は、例えば波長（λ）が３５５ｎｍ、シングルパルス、パワーが４０ｍＷ〜５０ｍＷ、ナノ秒パルス、フォーカス位置を基板４の裏面から内部側の距離Ｌ２の場所に設定している。距離Ｌ２は、
10μm＜L2＜30μm・・・・・・・・・・・・・・・・・・式（１）
の範囲に設定するのが好ましい。このレーザ照射によりサファイアからなる基板４が改質されて基板４中に非晶質の酸化アルミニウムからなる光遮断層２３が形成される。
【００３７】
図８（ａ）に示すように、基板４の裏面側から活性領域５を高倍率（×２、０００）の光学顕微鏡で観察すると、基板４中に形成された非晶質の酸化アルミニウムからなる光遮断層２３により光が反射されるので、活性領域５上に形成された表面パターンは見えなくなる。
【００３８】
図８（ｂ）に示すように、基板４の裏面を高倍率（×２、０００）でＳＥＭ観察すると、距離Ｌ２分の厚さを有する基板４を介して光遮断層２３を見ることになるのでＳＥＭ像は大変不明瞭となる。
【００３９】
上述したように、本実施形態の半導体発光装置では、半導体発光素子チップ３０ａには、光遮断層２３、基板４、活性領域５、アノード電極６、及びカソード電極７が設けられる。光遮断層２３は、基板４の裏面から距離Ｌ１１離間した基板４中に設けられる。光遮断層２３は、サファイアからなる基板４が改質されてなる非晶質の層である。光遮断層２３は、発光層２２で発光された光を反射して基板４の裏面側に設けられるマウント材３に透過されるのを遮断する。
【００４０】
このため、マウント材３は発光層２２で発光された光による変色が発生しない。したがって、全放射束劣化が大幅に改善されて半導体発光装置の信頼性を大幅に向上することができる。
【００４１】
（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態に係る半導体発光装置について、図面を参照して説明する。図９は半導体発光素子チップでの発光及び光の進行方向を示す図である。本実施形態では、サファイア基板の裏面側に凹凸部を設けてマウント材の光劣化を抑制している。
【００４２】
以下、実施例１と同一構成部分には、同一符号を付してその部分の説明を省略し、異なる部分のみ説明する。
【００４３】
本実施形態の半導体発光装置は、封止されたＧａＮ系青色発光ダイオードであり、屋内外の表示灯、屋内外の照明、自動車のヘッドライト・ストップランプ、道路標識、交通信号及び簡易照明等に使用される。
【００４４】
図９に示すように、本実施形態の半導体発光装置に使用される半導体発光素子チップ３０ｂには、基板４の裏面に凹凸部２４が設けられる。なお、本実施形態の半導体発光装置は、第１の実施形態の半導体発光装置９０とは凹凸部２４が異なり、他の構成は同一である。
【００４５】
凹凸部２４は、マウント材３と接し、形状や高さは不均一（周期性がない）に形成される。凹凸部２４は、基板４の裏面側から照射されるレーザにより形成される。
【００４６】
本実施形態の半導体発光装置では、アノード電極６及びカソード電極７が通電されて電流が流れると活性領域５に設けられる発光層２２が発光して、基板４の厚み方向（図中、上下方向）に光が発生する。図中下方向の光は、凹凸部２４により散乱され（マウント材３の表面で反射）、マウント材３の内部まで達しない。このため、半導体発光装置の長時間動作期間においても、マウント材３は光による変色が生じない。
【００４７】
次に、凹凸部２４の形成方法について図１０及び図１１を参照して説明する。図１０は凹凸部の形成を説明する図である。図１１は形成された凹凸部の観察画像であり、図１１（ａ）は光学像、図１１（ｂ）はＳＥＭ像である。ここでは、半導体発光素子が形成された半導体発光素子ウェハ４０の裏面側からレーザを照射している。
【００４８】
図１０に示すように、基板４の裏面側からレーザを照射して基板４の裏面に凹凸部２４を形成する。
【００４９】
レーザ条件は、例えば波長（λ）が３５５ｎｍ、シングルパルス、パワーが４０ｍＷ〜２００ｍＷ、ナノ秒パルス、フォーカス位置を基板４の裏面から距離Ｌ３の場所に設定している。距離Ｌ３は、
-10μm＜L3＜10μm・・・・・・・・・・・・・・・・・・式（２）
の範囲に設定するのが好ましい。つまり、フォーカス位置を基板４の裏面近傍に設定する。このレーザ照射によりサファイアからなる基板４が一度溶融して再結晶化され基板の裏面に凹凸部２４が形成される。
【００５０】
図１１（ａ）に示すように、基板４の裏面側から活性領域５を高倍率（×２、０００）の顕微鏡で観察すると、基板４の裏面に形成された凹凸部２４により光が散乱されるので、活性領域５上に形成された表面パターンは見えなくなる。
【００５１】
図１１（ｂ）に示すように、基板４の裏面を高倍率（×２、０００）でＳＥＭ観察すると、大きさ及び深さの異なる凹部及び凸部が基板４の裏面に不均一に形成されていることが確認できる。
【００５２】
上述したように、本実施形態の半導体発光装置では、半導体発光素子チップ３０ｂには、凹凸部２４、基板４、活性領域５、アノード電極６、及びカソード電極７が設けられる。凹凸部２４は、基板４の裏面に設けられ、凹部及び凸部の大きさや深さは不均一である。凹凸部２４は、サファイアからなる基板４が一度溶融され、再結晶化されたものである。凹凸部２４は、発光層２２で発光された光を散乱して基板４の裏面側に設けられるマウント材３中に透過されるのを遮断する。
【００５３】
このため、マウント材３は発光層２２で発光された光による変色が発生しない。したがって、全放射束劣化が大幅に改善されて半導体発光装置の信頼性を大幅に向上することができる。
【００５４】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００５５】
１、２  リード
３  マウント材
４  基板
５  活性領域
６  アノード電極
７  カソード電極
８、９  ボンディングワイヤ
１０  蛍光体
１１  封止材
２１、２３  光遮断層
２２  発光層
２４  凹凸部
３０、３０ａ、３０ｂ  半導体発光素子チップ
４０  半導体発光素子ウェハ
９０  半導体発光装置
Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ１１  距離
【図１】
0005559108.tif 000002
【図２】
0005559108.tif 000003
【図３】
0005559108.tif 000004
【図５】
0005559108.tif 000005
【図６】
0005559108.tif 000006
【図７】
0005559108.tif 000007
【図９】
0005559108.tif 000008
【図１０】
0005559108.tif 000009
【図４】
0005559108.tif 000010
【図８】
0005559108.tif 000011
【図１１】
0005559108.tif 000012