(57)【要約】【課題】電流分散と高反射の機能を備え、発光効率が高い多層の複合金属コーティング層をフリップチップ電極とする発光ユニットを提供する。【解決手段】透光基板３０と、透光基板３０の上に結合されかつ透光基板３０の表面に形成される第一形態半導体層４１と、第一形態半導体層４１の部分的な表面に形成される第一電極４２と、第一電極４２を被覆しないように第一形態半導体層４１の表面に形成される主動層４３と、主動層４３の表面に形成される第二形態半導体層４４と、第二形態半導体層４４の表面に形成される第二電極４５と、を有する一層のIII族窒化物系化合物半導体チップ構造４０と、別々に第一電極４２と第二電極４５に対応する導電跡線６１を少なくとも二つ有するパッケージングサブマウント６０とを備え、チップ構造４０は、転倒フリップチップ方法により中間層を介してパッケージングサブマウント６０に接合される。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
透光基板と、
透光基板の上に結合されかつ透光基板の表面に形成される第一形態半導体層と、第一形態半導体層の部分的な表面に形成される第一電極と、第一電極を被覆しないように第一形態半導体層の表面に形成される主動層と、主動層の表面に形成される第二形態半導体層と、第二形態半導体層の表面に形成される第二電極と、を有する一層のIII族窒化物系化合物半導体チップ構造と、
別々に第一電極と第二電極に対応する導電跡線を少なくとも二つ有するパッケージングサブマウントとを備え、
チップ構造が転倒フリップチップ方法により中間層を介してパッケージングサブマウントに接合される、多層の複合金属コーティング層をフリップチップ電極とする発光ユニットであって、
第二電極は多層の複合金属コーティング層から構成され、第二形態半導体層の表面に形成される電流分散の透明導電層と、透明導電層の表面に形成される高反射率の金属反射層と、金属反射層の表面に形成される金属拡散を防止可能な阻害層と、阻害層の表面に形成され、中間層に電気的に接続される結合層と、を備えることを特徴とする多層の複合金属コーティング層をフリップチップ電極とする発光ユニット。
【請求項２】
透明導電層は、ＩＴＯ、ＺｎＯ、ＡｌＧａＩｎＳｎＯまたは透明導電酸化物から形成されるブラッグ反射層（ＴＣＯ  ＤＢＲ）のうちの一つから構成されることを特徴とする請求項１に記載の多層の複合金属コーティング層をフリップチップ電極とする発光ユニット。
【請求項３】
金属反射層は、Ａｌ、Ａｇ、Ｐｂ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｒｈのいずれか一つから構成されることを特徴とする請求項１に記載の多層の複合金属コーティング層をフリップチップ電極とする発光ユニット。
【請求項４】
阻害層は、Ｔｉ、Ｐｔ、Ｗ、ＴｉＷ合金、Ｎｉのいずれか一つから構成されることを特徴とする請求項１に記載の多層の複合金属コーティング層をフリップチップ電極とする発光ユニット。
【請求項５】
結合層は、ＡｕとＳｎのいずれか一つから構成されることを特徴とする請求項１に記載の多層の複合金属コーティング層をフリップチップ電極とする発光ユニット。
【請求項６】
中間層は、基礎金属、金属合金、半導体合金、熱伝導性と導電性を有する粘着材料、ＬＥＤチップ材料とパッケージングサブマウントの間の異なる金属共同熔接点、金バンプ、はんだ付け可能な材料凸塊などのいずれか一つの材質から形成されることを特徴とする請求項１に記載の多層の複合金属コーティング層をフリップチップ電極とする発光ユニット。
【請求項７】
第一形態半導体層と第二形態半導体層の成分は四元素半導体ＡｌＩｎＧａＮであることを特徴とする請求項１に記載の多層の複合金属コーティング層をフリップチップ電極とする発光ユニット。
【請求項８】
第一形態半導体層はｎ型ＧａＮ半導体層であり、第二形態半導体層はＰ型ＧａＮ半導体層であることを特徴とする請求項７に記載の多層の複合金属コーティング層をフリップチップ電極とする発光ユニット。
【請求項９】
第一形態半導体層はＰ型ＧａＮ半導体層であり、第二形態半導体層はｎ型ＧａＮ半導体層であることを特徴とする請求項７に記載の多層の複合金属コーティング層をフリップチップ電極とする発光ユニット。
【請求項１０】
パッケージングサブマウントは熱伝導係数の高い基板であることを特徴とする請求項１に記載の多層の複合金属コーティング層をフリップチップ電極とする発光ユニット。
【請求項１１】
パッケージングサブマウントはｎ型Ｓｉ基板であることを特徴とする請求項１０に記載の多層の複合金属コーティング層をフリップチップ電極とする発光ユニット。
【請求項１２】
パッケージングサブマウントはＰ型Ｓｉ基板であることを特徴とする請求項１０に記載の多層の複合金属コーティング層をフリップチップ電極とする発光ユニット。
【請求項１３】
パッケージングサブマウントはセラミックス（Ceramic）基板であることを特徴とする請求項１に記載の多層の複合金属コーティング層をフリップチップ電極とする発光ユニット。
【請求項１４】
透光基板はサファイア基板であることを特徴とする請求項１に記載の多層の複合金属コーティング層をフリップチップ電極とする発光ユニット。
【請求項１５】
透光基板と、
透光基板の上に結合されかつ透光基板の表面に形成される第一形態半導体層と、第一形態半導体層の部分的な表面に形成される第一電極と、第一電極を被覆しないように第一形態半導体層の表面に形成される主動層と、主動層の表面に形成される第二形態半導体層と、第二形態半導体層の表面に形成される第二電極と、を有するIII族窒化物系化合物半導体チップ構造と、
別々に第一電極と第二電極に対応する導電跡線を少なくとも二つ有するパッケージングサブマウントとを備え、
チップ構造が転倒フリップチップ方法により中間層を介してパッケージングサブマウントに結合される、多層の複合金属コーティング層をフリップチップ電極とする発光ユニットであって、
第二電極は多層の複合金属コーティング層から構成され、第二形態半導体層の表面に形成される透明導電層と、透明導電層の部分的な表面に形成されるオーム接触層と、オーム接触層の表面を被覆することなくチップ構造の四周側面と第一電極の一部分を被覆する絶縁保護層と、オーム接触層の表面に貼り付けられる高反射率の金属反射層と、金属反射層の表面に形成される金属拡散を防止可能な阻害層と、阻害層の表面に形成され、中間層に電気的に接続される結合層と、を備えることを特徴とする多層の複合金属コーティング層をフリップチップ電極とする発光ユニット。
【請求項１６】
絶縁保護層はＳｉＯ2から構成されることを特徴とする請求項１５に記載の多層の複合金属コーティング層をフリップチップ電極とする発光ユニット。
【請求項１７】
オーム接触層は島状の構造が均質に分布することを特徴とする請求項１５に記載の多層の複合金属コーティング層をフリップチップ電極とする発光ユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光ユニットに関し、特に多層の複合金属コーディング層をフリップチップ電極とすることで電流分散効率を増進し、電極に向かう光を透光基板に反射させることで発光効率を高めることが可能な多層の複合金属コーティング層をフリップチップ電極とする発光ユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
発光ダイオードではセルの配列が重要な課題となっている。それは、大部分のIII−Ｖ族半導体には上方のエピタキシー層を堆積可能である適切な基板（substrate）がなく、かつ成長したエピタキシー層のセルの大きさが基板のセル配列に対応しないと、応力の要素が原因でセルの欠陥が生じ、ユニットから放射された光子が欠陥に吸収されユニットの発光効率を大幅に低下させてしまうからである。
【０００３】
青色光と緑色光に適用される発光ダイオードの材料は早期にはＺｎＳｅ及びＧａＮが主流であったが、ＺｎＳｅは信頼性に問題があったため、結果的にＧａＮを発達させる余地が大きくなった。しかし早期のＧａＮに関する研究は著しい進展を見せなかった。それはＧａＮのセル定数に対応可能な基板がなかなか見つからず、エピタキシーの欠陥密度が高すぎるという問題から免れられないため、発光効率をなかなか高めることができなかったからである。１９８３年に日本人S.Yoshidaなど数名がサファイア（Sapphire）基板の上にＧａＮを成長させたことをきっかけに、エピタキシー技術の難関を突破することができるようになった。
しかし、サファイア基体（Sapphire substrate）を採用するＧａＮ系の材料には、Ｐ極とＮ極の電極を部品の同じ側に配列しなければならないため、従来のパッケージング方法を採用する場合、電極が光を遮蔽したことが原因で部品の大部分の発光角度を占める上方発光面に相当な光量の損失を与えるという問題がある。
【０００４】
いわゆるフリップチップ（Flip Chip）接合というものは、図１に示すように従来の発光ユニット１０を逆さにして放熱サブマウント２０に配置し、ｐ型電極１１の上方に反射率の比較的高い反射層を造成させることで部品の上方から放射された本来の光線を部品の他の発光角度から誘導し、サファイア基板１２の端縁部で光を取るものである。このような方法は電極側の光消費を減少させるため、従来のパッケージング方法と比べて２倍前後の光量を出力可能である。
【０００５】
このようなフリップチップ型発光ダイオードについては、すでに本発明者により特許文献１の『発光ダイオードの輝度を高める構造』に掲示された。そのほかに特許文献２の『フリップチップ型ＧａＮ発光ダイオード』、豊田合成株式会社による特許文献３の『III族窒化物系化合物半導体発光ユニット』、などの特許案にも掲示されている。またこのようなフリップチップ型ＬＥＤについては、すでに工業研究院による特許文献４の『発光ダイオードフリップチップパッケージングの方法およびその構造』、連勇科技公司による特許文献５の『表面に接着が可能になりフリップチップパッケージング構造を有する発光半導体装置』などの特許案に掲示されている。
【０００６】
先行技術では、フリップチップ型ＬＥＤの主要な特徴は、ｐ型電極の上方に反射層を造成させることで光を効率的に反射させ、上方の透光基板を介して出力することであり、あるいはさらに基板の表面を粗皮化することで光効率を高めることである。これらの方法はすでに業界に熟知されているが、如何に実質的な高反射機能と電流分散機能を備えるフリップチップ電極を製作するかということが克服・突破すべき課題となっている。それは金属電極を構成する材料はそれぞれ異なる特性を有し、かつその中には相互拡散の特性が原因で反射効果を低下させる材料も、反射効果が良好ではあるもののオーム接触電気抵抗が高くて電流分散効果があまり好ましくない材料もあり、いずれでもフリップチップ型ＬＥＤ発光効率に影響を与えるからである。
本発明は前記課題に対し研究を重ねた結果、周知のフリップチップ電極に生じた問題点を有効に克服することができるようになった。
【０００７】
【特許文献１】中華民国特許公告第５６８３６０号
【特許文献２】アメリカ合衆国特許第４，４７６，６２０号
【特許文献３】日本国特許出願第２００１−１７０９０９号
【特許文献４】中華民国特許公告第４６１１２３号
【特許文献５】中華民国特許公告第５４３１２８号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の主な目的は、発光ダイオードチップの上に多層の複合金属コーティング層のフリップチップ電極を形成し、それぞれの金属コーティング層を互いに補助させることで電流分散と高反射の機能を備え、発光効率を高めることにある。
本発明のもう一つの目的は、フリップチップ型発光ダイオードの安定性と信頼性を確実に向上させることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述の目的を達成するために、本発明による技術手段は、透光基板と、透光基板の上に結合されかつ透光基板の表面に形成される第一形態半導体層と、第一形態半導体層の部分的な表面に形成される第一電極と、第一電極を被覆しないように第一形態半導体層の表面に形成される主動層と、主動層の表面に形成される第二形態半導体層と、第二形態半導体層の表面に形成される第二電極と、を有する一層のIII族窒化物系化合物半導体チップ構造と、別々に第一電極と第二電極に対応する導電跡線（Trace）を少なくとも二つ有するパッケージングサブマウント（Submount）と、を備える。
そのうちチップ構造は転倒フリップチップ方法により中間層を介してパッケージングサブマウントに接合される。
【００１０】
その特徴は次の通りである。
第二電極は、多層の複合金属コーティング層から構成され、第二形態半導体層の表面に形成される電流分散（Current Spreading）の透明導電層（Transparent Conduction Layer）と、透明導電層の表面に形成される高反射率（High Reflective）の金属反射層と、金属反射層の表面に形成される金属拡散を防止可能な阻害層（Barrier Layer）と、阻害層の表面に形成され中間層に電気的に接続される結合層（Bonding Layer）と、を備える。
また前記構成により、透明導電層の上に形成されるオーム接触層と、チップ構造の四周側面を被覆する絶縁保護層（Passivation Layer）を設けることでｐ／ｎ界面を隔離し、漏電などの現象を防止することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図２に示すように、本発明の一実施例による発光ユニットとしての発光ダイオードチップは下記のものを備える。
透光基板３０は、本実施例ではサファイア基板（Sapphire substrate）である。
一層の透光基板３０の上に結合されるIII族窒化物系化合物半導体チップ構造４０は、第一形態半導体層、第一電極、主動層、第二形態半導体層、及び第二電極を有する。第一形態半導体層４１は透光基板３０の表面に形成されるｎ型ＧａＮである。第一電極４２はｎ型ＧａＮから構成される第一形態半導体層４１の表面に形成され、この時、第一電極４２はｎ電極となる。主動層４３は第一電極４２を被覆しないように第一形態半導体層４１の表面に形成される。第二形態半導体層４４は本実施例では主動層４３の表面に形成されるｐ型ＧａＮである。第二電極４５はｐ型ＧａＮの表面に形成され、この時、第二電極はｐ型電極となる。これにより、ＡｌＩｎＧａＮ四元素半導体発光ダイオードを構成することが可能となる。また前記第一形態半導体層をｐ型ＧａＮ、第二形態半導体層をｎ型ＧａＮにしても可能であるが、これ以上詳しい説明を省く。
【００１２】
前記形成された発光ユニットチップ構造４０は、図３に示すように、転倒フリップチップ方法によりパッケージングサブマウント６０に接合される。パッケージングサブマウント６０はｎ型Ｓｉ基板またはｐ型Ｓｉ基板など熱伝導係数の高い基板にすることも可能である。またパッケージングサブマウント６０はセラミックス（Ceramic）基板にすることも可能である。またパッケージングサブマウント６０の上には別々に第一、第二電極４２、４５に対応する導電跡線６１を少なくとも二つ有する。これによりはんだ付け可能な材料から構成される中間層５０を介してチップ構造４０をパッケージングサブマウント６０の上に接合することでフリップチップ型発光ダイオードを形成可能である。また導電跡線６１の分布形態と面積は、パッケージングサブマウント６０の両側面へ延びるか、或いは必要に応じてパッケージングサブマウント６０の表面に絶縁層を設けることなどはフリップチップ型発光ユニットに関する先行技術であるため、詳しい説明を省く。
【００１３】
本実施例のもっとも主要な特徴はｐ型電極となる第二電極４５が多層の複合金属コーティング層から構成されることである。第二電極４５は下記のものを含む。
電流分散の透明導電層４５１は第二形態半導体層４４の表面に形成される。ここで、透明導電層４５１は、単層のＩＴＯ、ＺｎＯまたはＡｌＧａＩｎＳｎＯなどのいずれか一つから構成され、第二形態半導体にオーム接触するのに用いられ、かつ電流分散機能と透光可能な特性を有する。
【００１４】
高反射率の金属反射層４５２は透明導電層４５１の表面に形成され、Ａｌ、Ａｇ、Ｐｂ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｒｈなどの材質のいずれか一つから構成される。フリップチップ用の第二電極４５には電流分散機能と高反射率が、透明導電層４５１には良好な電流分散機能が必要であるため、Ａｌなど高反射率の金属は前記条件を満足させることが可能であるが、ＡｌとＡｕは高温下で相互拡散するためＡｌの反射効果を破壊する。したがって、本実施例は高反射率の金属反射層４５２の表面に形成される金属拡散を防止可能な阻害層４５３を配置する。阻害層４５３は、Ｔｉ、Ｐｔ、Ｗ、ＴｉＷ合金、Ｎｉなどのいずれか一つから構成される。これらの金属は拡散阻止が可能であるだけでなく良好な反射金属にもなる。
【００１５】
中間層５０に電気的に接続する結合層４５４は阻害層４５３の表面に形成され、ＡｕとＳｎのいずれか一つから構成され、かつ金属反射層４５２との間に阻害層４５３を有するため、ＡｕとＡｌの相互拡散を阻止し、金属反射層４５２の高反射効果を確保することが可能である。また結合層４５４は極めて好ましいはんだ付け性(Solderability)を有するため、中間層５０のはんだ付け可能な材料と反応し、結合することが可能であり、かつはんだ付け可能な材料を第二電極４５に拡散させることが原因でおこる部品の劣化を防止することが可能である。また中間層５０は基礎金属、金属合金、半導体合金、熱伝導性と導電性を有する粘着材料、ＬＥＤチップとパッケージングサブマウントの間の異なる金属共同熔接点、金バンプ、はんだ付け可能な材料凸塊などのいずれか一つの材質から形成される。
【００１６】
前記構成により、第二電極４５の大きさと厚さは特に制限されていないため、本実施例は透明導電層４５１、高反射率の金属反射層４５２、阻害層４５３、および結合層４５４から構成されるフリップチップ第二電極４５をｐ型半導体層４４の大部分の表面に被せることでもっとも好ましい電流分散効果を達成することが可能であり、かつそれぞれの金属コーティング層は高反射効率を有するため、主動層４３から第二電極４５へ放射された光を透光基板３０の方向に反射させることが可能である。またこの多層の複合金属コーティング層の電極は発光チップ４０の安定性を増進することが可能である。
また本実施例のチップ構造４０はフリップチップ法により中間層５０を介してパッケージングサブマウント６０に接合されるため、ＬＥＤチップ構造４０は発光した時、パッケージングサブマウント６０を介し、生じたエネルギーを部品に速やかに伝導することが可能である。したがって、高効率の発光ダイオードに適用することが可能である。
【００１７】
図４と図５に示すように、本発明の他の実施例はだいたい前記実施例と同様、電流分散機能と高反射率の金属反射層を有するフリップチップ電極を提供するものである。その違いは第二型ＧａＮ半導体層４４に形成される透明導電層４５５が透明導電酸化物（Transparent Conducting Oxide、ＴＣＯ）から構成されることである。この透明導電酸化物（ＴＣＯ）には本出願人が出願請求したＡｌ2Ｏ3-Ｇａ2Ｏ3-Ｉｎ3Ｏ3-ＳｎＯ2系統のＴＣＯを採用することが可能である。このＴＣＯは非結晶性（Amorphous）または微結晶性（Nanocrystalline）を呈し、かつ良好な導電性を有し、その導電効果が前に挙げたＩＴＯ膜層よりも十倍も高い薄膜である。かつこの材料から多層のブラッグ反射層（ＤＢＲ）を構成し、それと金属反射層４５２とを組み合わせることでよりいっそう好ましい高反射効果を達成し、チップ構造４０が透光基板３０に放射する発光効率を高めることが可能である。またＤＢＲ技術は半導体製作の周知技術であるため、詳しい説明を省く。
【００１８】
図６に示すように、本発明のさらに他の実施例はだいたい前記実施例と同じである。その違いは第二型ＧａＮ半導体層４４に形成される透明導電層４５６が部分的な表面にオーム接触層４５７を有し、絶縁保護層４５８がオーム接触層４５７の表面を被覆することなく、チップ構造４０の四周側面と第一電極４２の一部分を被覆することである。その他の部分は前記実施例と同じ、即ち金属反射層４５２がオーム接触層４５７の表面に貼り付けられ、阻害層４５３が金属反射層４５２の表面に形成され、結合層４５４が阻害層４５３の表面に形成されることである。また絶縁保護層４５９はフリップチップパッケージング方法の採用が原因で生じた問題、例えば部品の表面の漏電が大き過ぎ電極が短絡することや、位置決めが不良であるという問題を避けるのに用いられる。オーム接触層４５８は図７と図８に示すように島状の構造が均質に分布するため、電流を平均に分布させやすくなり、それに密接している金属反射層４５２に機能を発揮させやすくなり、かつ発光ユニットの導電性と透過性を最も好ましい状態に維持し、光出力（Light Extraction）効率を増進することが可能である。
本発明の実施例と先行技術との違いは、フリップチップ電極の多層の複合金属コーティング層の構造が電流分散と高反射効果を確実に発揮し、電極に向かう光を透光基板に反射させることで発光効率を高めることが可能であるというである。
【００１９】
上述をまとめてみると、本発明の実施例により掲示された技術手段は、「新規性」、「進歩性」、「産業に適用可能な点」などがそろうという特許出願請求の条件を満たすと考えられる。
また上述の図面と説明は本発明の比較的好ましい一例に過ぎないため、この技術を熟知している人でも本発明の精神範疇に基づき修飾または同等の変化をするのは本発明の請求範囲に属すべきである。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】周知のフリップチップ型発光ダイオードの構造を示す模式図である。
【図２】本発明の一実施例によるチップ構造を示す模式図である。
【図３】本発明の一実施例によるチップ構造がパッケージングサブマウントにフリップチップ接合された状態を示す模式図である。
【図４】本発明の他の実施例によるチップ構造を示す模式図である。
【図５】本発明の他の実施例によるチップ構造がパッケージングサブマウントにフリップチップ接合された状態を示す模式図である。
【図６】本発明のさらに他の実施例によるチップ構造がパッケージングサブマウントにフリップチップ接合された状態を示す模式図である。
【図７】本発明のさらに他の実施例によるチップ構造のオーム接触層を示す模式図である。
【図８】図７の８−８線に沿う断面図である。
【符号の説明】
【００２１】
３０  透光基板、４０  チップ構造、４１  第一形態半導体層、４２  第一電極、４３  主動層、４４  第二形態半導体層、４５  第二電極、４５１  透明導電層、４５２  金属反射層、４５３  障害層、４５４  結合層、４５５、４５６  透明導電層、４５７  オーム接触層、４５８  絶縁保護層、５０  中間層、６０  パッケージングサブマウント、６１  導電跡線
【図１】
2006121084.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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