(57)【要約】【課題】発光の際に発生する熱による半導体発光素子の劣化を抑制でき、また、該素子から放射された光をより有効に活用し得ると共に、低コスト化と小型化を達成し得る半導体発光装置を提供する。【解決手段】内面が擂鉢状の凹部を有する支持基板の該凹部底面上に、ＧａＮ系半導体を構成要素に含む半導体発光素子を有する半導体発光装置であって、前記支持基板はシリコン基板であることを特徴とする半導体発光装置である。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内面が擂鉢状の凹部を有する支持基板の該凹部の底面上に、ＧａＮ系半導体を構成要素に含む半導体発光素子を有する半導体発光装置であって、
前記支持基板はシリコン基板であることを特徴とする半導体発光装置。
【請求項２】
前記半導体発光素子は、ｎ層と前記支持基板の間に透光性基板を有するものである請求項１に記載の半導体発光装置。
【請求項３】
前記半導体発光素子は、ＳｉＣまたはＡｌＸＩｎＹＧａ１−Ｘ−ＹＮ（０≦Ｘ≦１，０≦Ｙ≦１，０≦１−Ｘ−Ｙ≦１）薄膜を介して、ｎ層から順次形成されてなるものである請求項１に記載の半導体発光装置。
【請求項４】
前記底面における前記半導体発光素子の形成部周囲に、粗面構造を有するものである請求項１〜３のいずれかに記載の半導体発光装置。
【請求項５】
前記凹部の傾斜面に、半導体発光素子から発生する光の反射率が、少なくとも６０％の金属膜を有するものである請求項１〜４のいずれかに記載の半導体発光装置。
【請求項６】
前記金属膜は、Ａｌ、ＡｇまたはＲｈから構成されてなるものである請求項５に記載の半導体発光装置。
【請求項７】
半導体発光素子と電気的に接続された該発光素子を駆動するための駆動回路を、前記支持基板上に有するものである請求項１〜６のいずれかに記載の半導体発光装置。
【請求項８】
前記半導体発光素子と並列に接続されたダイオードを有するものである請求項１〜７のいずれかに記載の半導体発光装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体発光装置に関し、詳しくは、特に青色または紫外発光素子を内蔵した半導体発光装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、半導体発光装置としては、例えば特許文献１や特許文献２に開示の構成を有するものが知られている。これらの特許文献に開示の装置は、青色半導体発光装置の一例であり、絶縁性の回路基板上に、半導体発光素子が設置された構造を有している。
【０００３】
従来の半導体発光装置に使用されている絶縁性基板としては、アルミナなどのセラミックス基板が一般的であるが、これらのセラミックス基板は熱伝導率が低い。従って、発光の際に発生した熱を排出させる作用が小さく、この熱によって半導体発光素子の劣化が問題となる場合があった。
【０００４】
上記特許文献２の半導体発光装置では、半導体発光素子を封止するための樹脂封止体と配線基板の間に間隙を設け、該間隙から放熱することとしている。このように発光の際の発熱の問題を回避するには、上記の如き特殊な構造を採用する必要があった。
【０００５】
また、半導体発光装置では、通常、半導体発光素子から発生する光の一部は、素子側面から漏れるなどし、該装置の構成部材に吸収される。このため、半導体発光素子から放射される光のうち、半導体発光装置の外部へ取り出して有効に活用し得る割合が低くなるといった問題もあった。
【０００６】
【特許文献１】
特開平１１−３４０５１７号公報
【特許文献２】
特開２００２−２０８７３７号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、発光の際に発生する熱による半導体発光素子の劣化を抑制でき、また、該素子から放射された光をより有効に活用し得ると共に、低コスト化と小型化を達成し得る半導体発光装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体発光装置は、内面が擂鉢状の凹部を有する支持基板の該凹部の底面上に、ＧａＮ系半導体を構成要素に含む半導体発光素子を有する半導体発光装置であって、前記支持基板はシリコン基板であるところに特徴を有するものである。
【０００９】
本発明の半導体発光装置では、支持基板が熱伝導に優れるシリコン基板であるため、該シリコン基板を通じて発光時に発生する熱を効果的に排出することができ、半導体発光素子の熱劣化を抑制し得る。また、上記支持基板であるシリコン基板は、従来のセラミックス基板に比べて安価であるため、低コスト化を達成できる。
【００１０】
さらに、上記支持基板上には、半導体発光素子を駆動するための駆動回路などを設けることも可能であるため、半導体発光装置を小型化することができる。
【００１１】
加えて、上記支持基板の有する凹部の傾斜面で、半導体発光素子の側面から漏れる光を反射して、装置外部に取り出すことができる。よって、半導体発光素子から放射された光のうち、装置外部に取り出して有効に活用し得る光の割合（以下、「光の取り出し効率」という場合がある）を高めることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
＜第１実施形態＞
図１は、本発明の半導体発光装置の第１実施形態を示す平面模式図であり、図２は図１のＡ−Ａ線断面をより詳細に示した模式図である。この第１実施形態に係る半導体発光装置１０ａでは、内面が擂鉢状の凹部を有するシリコン基板である支持基板１０１の該凹部底面に半導体発光素子１０２が固着されており、支持基板１０１の一部と半導体発光素子１０２は、封止樹脂１０９で封止されている。
【００１３】
半導体発光素子１０２は、透光性基板１０３上に、ｎ層１０４、発光層１０５、ｐ層１０６が順次積層されてなるＧａＮ系半導体を構成要素に備え、さらにｐ層１０６表面にｐ型電極１０８を有すると共に、ｐ層１０６側からｎ層１０４の一部が露出するように露出面が形成されており、該露出面にｎ型電極１０７を有している。
【００１４】
この半導体発光素子１０２は、ｎ層１０４と支持基板１０１との間に透光性基板１０３が介在するように該支持基板１０１に固着されており、さらにワイヤボンド１１０によって支持基板１０１と電気的に接続されている。支持基板１０１には、電源（安定電源１１４）が接続されている。ワイヤボンドによる支持基板への接続は、図２に示すように支持基板の上記凹部以外の箇所であってもよく、該凹部の傾斜面であっても構わない。
【００１５】
安定電源１１４によってｎ型電極１０７とｐ型電極１０８の間に順方向バイアスを印加する（すなわち、ｐ型電極に正電圧を印加する）ことにより、発光層１０５内で電子とホールが結合して、青色若しくは紫外（波長：５００〜２５０ｎｍ）の光が発生し、この光が、封止樹脂１０９を通して装置外部に取り出される。このとき、半導体発光素子１０２の側面側に向かう光が、支持基板１０１の傾斜面１１１によって装置上部側（装置外部側）へ反射される（図２中、ａ１）ため、かかる光も取り出される。よって、素子内部で発生した光の取り出し効率を高めることができる。
【００１６】
支持基板１０１、すなわちシリコン基板の上記凹部は、公知の異方性エッチングによって形成できる。異方性エッチングとは、結晶面の方向によってエッチング速度が異なるというシリコンの特性を利用して、該結晶面を基準とする微細構造を形成する技術である。上記凹部は、例えばＫＯＨ水溶液を用いて、単結晶シリコンの（１００）面をエッチングし、（１１１）面を出すことで形成できる。上記凹部の形状（例えば開口面積や深さ）は、エッチングマスクの形状や、エッチングの時間の調節によりエッチング深さを制御することで調整できる。
【００１７】
次に、半導体発光素子１０２について説明する。透光性基板１０３の素材としてはサファイアが一般的である。透光性基板の厚みは、通常、３０〜５００μｍである。
【００１８】
ｎ層１０４は、ｎ型ＧａＮ系化合物半導体からなる層であり、具体的には、ＡｌａＩｎｂＧａ１−ａ−ｂＮ（０≦ａ，０≦ｂ，ａ＋ｂ≦１）で表される化合物から構成される。例えば、ａが０．５以下であるＡｌａＧａ１−ａＮや、ｂが０．５以下であるＩｎｂＧａ１−ｂＮが好ましい。
【００１９】
なお、図２では、ｎ層１０４は単一の層として示したが、該ｎ層が、支持基板側から、ｎ型コンタクト層、ｎ型クラッド層の順に積層された積層構造を有していてもよい。この場合、ｎ型電極１０７を形成するための露出面は、ｎ型コンタクト層が露出するように形成する。ｎ型コンタクト層としては、ｎ層を構成する上記化合物の中でもＧａＮが一般的である。また、ｎ型クラッド層としては、ｎ層を構成する上記化合物のうち、Ａｌ０．３Ｇａ０．７ＮやＡｌＮ、ＧａＮなどが一般的である。
【００２０】
また、上記単層構造のｎ層、およびｎ型コンタクト層並びにｎ型クラッド層には、Ｓｉ、Ｇｅ，Ｓなどのｎ型不純物をドープすることが、キャリア濃度を高め得ることなどから望ましい。
【００２１】
ｎ層の厚みとしては、ｎ層が単層構造の場合には、０．５〜１０μｍが一般的である。また、ｎ層がｎ型コンタクト層とｎ型クラッド層の積層構造である場合には、ｎ型コンタクト層の厚みは０．２〜１０μｍが一般的であり、ｎ型クラッド層の厚みは特に限定されないが、通常は、０．０１〜３μｍである。
【００２２】
発光層１０５は、ＧａＮ系化合物半導体からなる層であり、具体的には、ＡｌｃＩｎｄＧａ１−ｃ−ｄＮ（０≦ｃ，０≦ｄ，ｃ＋ｄ≦１）で表される化合物から構成される。この発光層において、例えば、上記化合物のＩｎとＡｌの組成比を調節することにより、また、該発光層にＳｉ、Ｇｅ、Ｓなどのｎ型不純物や、Ｍｇ、Ｚｎなどのｐ型不純物をドープすることにより、発生する光の波長を青色から紫外の範囲で調整することができる。
【００２３】
なお、図２では、発光層１０５は単一の層で示したが、例えば、発光層を複数層からなる積層構造とし、各層を構成する化合物の組成を変えた所謂多重量子井戸構造とすることも好ましい。発光層の厚みは全厚みで、０．００１〜０．５μｍとすることが一般的である。
【００２４】
ｐ層１０６は、ｐ型ＧａＮ系化合物半導体からなる層である。図２ではｐ層１０６は単一の層として示したが、発光層側から、ｐ型クラッド層、ｐ型コンタクト層の順に積層された積層構造を有するものが一般的である。
【００２５】
ｐ型クラッド層は、例えば、ＡｌｅＧａ１−ｅＮ（０＜ｅ≦１）で表される化合物により構成され、さらにｐ型不純物がドープされている。ｅは０．０５以上であることが好ましい。ｐ型コンタクト層は、例えば、ｐ型不純物がドープされたｐ型ＧａＮにより構成される。これらｐ型クラッド層およびｐ型コンタクト層にドープされるｐ型不純物は、Ｍｇ、Ｚｎなどが挙げられる。ｐ型クラッド層の厚みは、通常、０．００１〜１．５μｍであり、ｐ型コンタクト層の厚みは０．０１〜２μｍが一般的である。
【００２６】
半導体発光装置１０２のｎ型電極１０７およびｐ型電極１０８の素材は、夫々ｎ層、ｐ層と電気的に接続可能なものであれば特に限定されないが、ｎ型電極としては、例えばＶ層とＡｕ層の積層構造（Ａｕ層が最表層）のものなどが一般的である。この場合、各層の厚みは、通常、Ｖ層：０．１〜０．５μｍ、Ａｕ層：１〜３μｍである。また、ｐ型電極としては、例えばＮｉ層とＡｕ層の積層構造（Ａｕが最表層）のものなどが一般的である。この場合、各層の厚みは、通常、Ｎｉ層：０．１〜０．５μｍ、Ａｕ層：１〜３μｍである。
【００２７】
ｎ層１０２、発光層１０３およびｐ層１０４を形成するに当たっては、気相成長法［有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）など］などの公知の製膜法を採用することができる。ｎ層への上記ｎ型不純物のドーピング、およびｐ層への上記ｐ型不純物のドーピングは、これらの層の形成（気相成長）の際に行う。
【００２８】
なお、図２には示さないが、支持基板がサファイア基板の場合、ｎ層を直接形成することは困難であるため、ｎ層と支持基板の間にバッファ層を設けることが好ましい。かかるバッファ層は、支持基板とｎ層との格子不整合を緩和する作用を有するものであり、このバッファ層の存在により、ｎ層の形成（ｎ型ＧａＮ系化合物半導体結晶の成長）を良好に進めることが可能となる。バッファ層としては、例えば、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＧａＡｌＮ、ＺｎＯなどが挙げられる。ちなみに、ＧａＮを用いてｎ層を気相成長法により形成する際に、まず低温条件で製膜を行ってバッファ層を形成し、その後温度を高めてｎ層を形成する二段階成長法を採用することで、バッファ層とｎ層を、より簡便に形成できる。バッファ層の厚みは、通常、０．００１〜１μｍである。
【００２９】
ｎ型電極を形成するためのｎ層の露出面は、フォトレジストを利用したエッチング法などにより形成することができる。また、ｐ型電極およびｎ型電極は、公知の蒸着法などにより形成すればよい。
【００３０】
半導体発光素子１０２を支持基板１０１に固着する方法は特に限定されないが、  、図１および図２に示すように、ワイヤボンドで半導体発光素子を支持基板と電気的に接続する場合では、公知のダイボンディング法などが採用可能である。また、所謂フリップチップ接合によって、半導体発光素子を支持基板に固着すると共に電気的に接続してもよい。
【００３１】
なお、図１および図２にあるように、傾斜面１１１の一部または全部に反射膜として作用し得る金属膜１１２を設けておくことで、装置上部側への光の反射効率をより高めることができる。
【００３２】
金属膜１１２を構成する素材としては、半導体発光素子から発生する光の反射率が６０％以上のものが好ましく、例えば、Ａｌ、Ａｇ、Ｒｈなどが挙げられる。金属膜１１２は、公知の蒸着法などにより形成できる。
【００３３】
さらに、上記凹部の底面における半導体発光素子１０２の形成部周囲には、粗面構造１１３が形成されていることが好ましい。この粗面構造１１３により、半導体発光素子１０２から発生し支持基板１０１側に向かう光を、乱反射させ、装置上部側に向けたり（図２中、ａ２）、傾斜面１１１（金属膜１１２）側へ向け、該傾斜面１１１（金属膜１１２）で更に装置上部側へ反射させたりすることができるため、光の取り出し効率をより高めることが可能となる。
【００３４】
粗面構造１１３は、支持基板１０１側へ向かう光を乱反射できればよいため、その形状・構成は特に限定されない。例えば図１および図２に示すような形状の突起が複数存在する構成であっても良く、連続した壁のような形状であって、半導体発光素子の形成部の周囲を取り囲むように形成された構成であっても構わない。ただし、支持基板側へ向かう光を、より効果的に乱反射させるためには、図１および図２に示すような形状の突起が複数存在する構成であることが望ましい。
【００３５】
粗面構造１１３は、支持基板１０１に上述の異方性エッチングを施して上記凹部を形成する際に、エッチング条件を調節することで形成させることができる。
【００３６】
また、図１および図２には示さないが、上記凹部の底面に上述の金属膜（反射膜）を設けることも好ましく、この場合には、支持基板側に向かう光を、より有効に装置上部側に反射することができる。かかる金属膜も公知の蒸着法などで形成できる。
【００３７】
＜第２実施形態＞
図３は、本発明の半導体発光装置の第２実施形態を示す平面模式図であり、図４は図１のＢ−Ｂ線断面をより詳細に示した模式図である。第１実施形態と同じ機能を有する部分については、同一符号を付して、重複説明を避ける。第２実施形態は、以下の点に特徴を有している。
【００３８】
第２実施形態の半導体発光装置１０ｂでは、半導体発光素子１０２を駆動するための駆動回路を、支持基板１０１の駆動回路形成部１１６に有している。これにより、半導体発光装置内に上記駆動回路を設ける場合には、支持基板１０１の外部に該駆動回路を設ける必要がなく、半導体発光装置の小型化を図ることが可能となる。
【００３９】
なお、支持基板１０１の上記凹部の傾斜面１１１に、駆動回路を形成するためのパターンを設けている場合には、該傾斜面に金属膜（反射層）を直接形成すると、電流がリークして半導体発光素子の発光が阻害されることがあるため、図４に示すように、傾斜面１１１と金属膜１１２の間には、ＳｉＯ２膜などの絶縁膜１１５を設けることが好ましい。
【００４０】
また、支持基板１０１に設ける駆動回路は特に限定されないが、例えば、必要に応じて電流値を下げるための抵抗などを有する回路などが挙げられる。また、交流電源を採用する場合には、上記回路にＡＣ／ＤＣ変換回路を組み合わせた回路などが適用できる。
【００４１】
図５に、半導体発光素子１０２と駆動回路１１７を含む本発明の半導体発光装置の等価回路の例を示す。本発明の半導体発光装置では、第１実施形態、第２実施形態、さらには後述の第３実施形態のいずれにおいても、図５に示すように、半導体発光素子１０２は、ダイオード（ツェナーダイオード）１１８と並列に接続されていることが好ましい。このような構成を採用することで、過電圧が加わった際の半導体発光素子１０２の破損を防止することができる。
【００４２】
＜第３実施形態＞
図６は、本発明の半導体発光素子の第３実施形態を示す断面模式図である。第３実施形態の半導体発光装置１０ｃでは、上述の異方性エッチングにより上記凹部を形成した支持基板１０１の該凹部の底面に、ＳｉＣまたはＡｌＸＩｎＹＧａ１−Ｘ−ＹＮ（０≦Ｘ≦１，０≦Ｙ≦１，０≦１−Ｘ−Ｙ≦１）薄膜１１９を介して、ｎ層１０４、発光層１０５、ｐ層１０６、ｐ型電極１０８が順次形成されてなる半導体発光素子１０２が設けられている。
【００４３】
ｎ型電極１０７は、支持基板１０１上に設けられており、拡散層１２０およびＳｉＣまたはＡｌＸＩｎＹＧａ１−Ｘ−ＹＮ（０≦Ｘ≦１，０≦Ｙ≦１，０≦１−Ｘ−Ｙ≦１）薄膜１１９を介してｎ層１０６と電気的に接続されている。支持基板１０１の拡散層１２０は、不純物を拡散させてあり、これにより他の部分よりも電気抵抗が小さいため、電流が流れ得る。拡散層１２０は、ボロンなどの不純物をイオン注入などし、その後熱処理を施す方法などにより形成できる。拡散層の深さは、通常、０．５μｍ以下程度である。
【００４４】
図６では図示しないが、支持基板１０１の一部および半導体発光素子１０２は、第１実施形態や第２実施形態と同様に封止樹脂で封止する。
【００４５】
半導体発光素子１０２に係るｎ層１０４、発光層１０５、ｐ層１０６、ｎ型電極１０７およびｐ型電極１０８の構成、素材、厚みおよび形成方法は、第１実施形態と同様であるが、この第３実施形態の半導体発光装置１０ｃでは、これら半導体発光素子１０２の構成要素を、支持基板１０１上に直接形成することができる。よって、上述のダイボンディング法などにより、半導体発光素子１０２を支持基板１０１に固着する工程を省略し得る。
【００４６】
なお、上述の気相成長法などにより、支持基板であるシリコン基板に直接ｎ層を形成させようとしても、ｎ層形成成分がシリコン基板中に拡散してしまい、層を形成し難い。そのため、ＳｉＣまたはＡｌＸＩｎＹＧａ１−Ｘ−ＹＮ（０≦Ｘ≦１，０≦Ｙ≦１，０≦１−Ｘ−Ｙ≦１）薄膜１１９を、ｎ層１０４形成のための保護層として、支持基板１０１上に設ける。ＡｌＸＩｎＹＧａ１−Ｘ−ＹＮ（０≦Ｘ≦１，０≦Ｙ≦１，０≦１−Ｘ−Ｙ≦１）薄膜の好適な具体例としては、ＧａＮ、ＡｌＮなどが挙げられる。
【００４７】
このＳｉＣまたはＡｌＸＩｎＹＧａ１−Ｘ−ＹＮ（０≦Ｘ≦１，０≦Ｙ≦１，０≦１−Ｘ−Ｙ≦１）薄膜も、ｎ層などと同様に、上述の気相成長法（ＭＯＣＶＤ法など）などで形成することができる。かかる薄膜の厚みは、１０μｍ以下とすることが好ましく、０．１〜３μｍ以下とすることがより好ましい。
【００４８】
また、第１実施形態と同様に、支持基板１０１の上記凹部の傾斜面に金属膜を設けたり、上記凹部底面の半導体発光素子１０２の形成部の周囲に粗面構造や金属膜を形成しておくことも、光の取り出し効率を高め得る観点から好ましい。さらに、第２実施形態と同様に、支持基板１０１上に半導体発光素子１０２を駆動するための駆動回路を設けることも、半導体発光装置の小型化を達成できることから推奨される。
【００４９】
【発明の効果】
本発明の半導体発光装置では、支持基板が、熱伝導に優れるシリコン基板であるため、該シリコン基板を通じて発光時に発生する熱を効果的に排出することができ、半導体発光素子の熱劣化を抑制し得る。また、上記支持基板であるシリコン基板は、従来のセラミックス基板に比べて安価であるため、低コスト化を達成できる。
【００５０】
さらに、上記支持基板上には、半導体発光素子を駆動するための駆動回路などを設けることも可能であるため、半導体発光装置を小型化することができる。
【００５１】
加えて、上記支持基板の有する凹部の傾斜面で、半導体発光素子の側面から漏れる光を反射して、装置外部に取り出すことができるため、該素子から放射された光をより有効に活用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体発光装置の第１実施形態を示す平面模式図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線断面模式図である。
【図３】本発明の半導体発光装置の第２実施形態を示す平面模式図である。
【図４】図２のＢ−Ｂ線断面模式図である。
【図５】本発明の半導体発行装置の等価回路の一例を示す図である。
【図６】本発明の半導体発光装置の第３実施形態を示す断面模式図である。
【符号の説明】
１０ａ  １０ｂ  １０ｃ  半導体発光装置
１０１  支持基板
１０２  半導体発光素子
１０３  透光性基板
１０４  ｎ層
１０５  発光層
１０６  ｐ層
１０７  ｎ型電極
１０８  ｐ型電極
１０９  封止樹脂
１１０  ワイヤボンド
１１１  傾斜面
１１２  金属膜
１１３  粗面構造
１１４  安定電源
１１５  絶縁膜
１１６  駆動回路形成部
１１７  駆動回路
１１８  ダイオード
１１９  ＳｉＣまたはＡｌＸＩｎＹＧａ１−Ｘ−ＹＮ（０≦Ｘ≦１，０≦Ｙ≦１，０≦１−Ｘ−Ｙ≦１）薄膜
１２０  拡散層
ａ１  金属膜により装置上部側へ反射される光の経路
ａ２  粗面構造により装置上部側へ反射される光の経路
【図１】
2004356213.tif 000003
【図２】
2004356213.tif 000004
【図３】
2004356213.tif 000005
【図４】
2004356213.tif 000006
【図５】
2004356213.tif 000007
【図６】
2004356213.tif 000008