(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、一部にｎ電極が形成されたｎ型窒化ガリウム系半導体層と、上記ｎ電極が形成された一部を除く上記ｎ型窒化ガリウム系半導体層上に上記ｎ電極とは離れて、発光層を介して形成されたｐ型窒化ガリウム系半導体層と、上記ｐ型窒化ガリウム系半導体層上に上記発光層全体に電流を注入するように形成されたｐ電極と、そのｐ電極の一部に形成されたｐパッド電極とを有する発光素子チップと、
正電極及び負電極を有する基材とを備え、
上記基材の正電極と上記発光素子チップのｐパッド電極とが互いに導電性接合部材によって接合されかつ上記基材の負電極と上記発光素子チップのｎ電極とが互いに導電性接合部材によって接合されてなり、上記正電極と上記負電極の上にそれぞれ接続された外部接続電極を有する光半導体素子であって、
上記発光素子チップのｐ電極側の放熱が上記ｎ電極側の放熱に比較して大きくなるように、上記正電極上のｐパッド電極が接続される位置と上記正電極上の外部接続電極が接続される位置との間の熱抵抗を上記負電極上のｎ電極が接続される位置と上記負電極上の外部接続電極が接続される位置との間の熱抵抗より小さくしたことを特徴とする光半導体素子。
【請求項２】
上記発光素子チップのｐ電極と上記基材の正電極とは上記絶縁膜を介して対向し、上記ｐ電極上の絶縁膜と上記正電極の間に上記導電性接合部材が充填されるようにした請求項１記載の光半導体素子。
【請求項３】
上記正電極上のｐパッド電極が接続される位置と、上記正電極上の外部接続電極が接続される位置との距離をＬａ、
上記負電極上のｎ電極が接続される位置と、上記負電極上の外部接続電極が接続される位置との間の距離をＬｃ、
１つの発光素子チップに対応する正電極の幅をＷａ、１つの発光素子チップに対応して設けられた負電極の幅をＷｃとしたとき、
Ｌａ／ＷａがＬｃ／Ｗｃより小さい請求項１又は２記載の光半導体素子。
【請求項４】
上記光半導体素子は上記発光素子チップを２以上有してなり、各発光素子チップに対応して設けられた正電極を互いに一体で形成した請求項１〜３のうちのいずれか１つに記載の光半導体素子。
【請求項５】
上記ｎ電極と上記ｐパッド電極とをそれぞれ上記基板の端部に形成した請求項１〜４のうちのいずれか１つに記載の光半導体素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は発光素子チップがフリップチップ接合されてなる光半導体素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、窒化物化合物半導体を用いた青色系の発光が可能なＬＥＤ素子を備えた発光素子が注目されている。このＬＥＤチップは、サファイヤ基板上にｎ型窒化物半導体層を成長させ、そのｎ型窒化物半導体層上に直接又は発光層を介してｐ型窒化物半導体層を成長させることにより構成される。このように窒化物半導体層を用いたＬＥＤチップは、絶縁体であるサファイア基板を用いて構成されているので、導電性の半導体基板を用いて構成される他の発光素子とは異なり、正電極及び負電極が同一面側の半導体層上に形成される。すなわち、ｐ側の正電極はｐ型窒化物半導体層上に形成され、ｎ側の負電極は、所定の位置で、ｐ型窒化窒化物半導体層（発光層を備えたものでは発光層も含む）をエッチングにより除去してｎ型窒化物半導体層の上面を露出させて形成される。
【０００３】
また、上述の窒化物半導体を用いたＬＥＤチップでは、ｐ型窒化物半導体層の抵抗値が比較的高いことから、ｐ側電極はｐ型窒化物半導体層を実質的に覆うようにオーミック電極を形成し、そのオーミック電極の表面の一部にｐパッド電極を形成することにより構成される。
【０００４】
以上のように構成された窒化物半導体を用いたＬＥＤチップは、ｎ側電極とｐパッド電極の上にマイクロバンプを形成してそのマイクロバンプを用いて、例えばパッケージの電極に接合されることにより実装される。
尚、このＬＥＤチップでは、マイクロバンプが形成されるｎ側電極とｐパッド電極の上を除いて、ｐとｎの電極間及び電極と半導体層間の短絡を防止するために絶縁膜が形成されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、窒化物半導体を用いたＬＥＤチップは、近年ますます高出力化が図られそれに伴い活性層及びその近傍における動作時の発熱量が増加してきているために、実装された後の放熱特性を良好にできる構造が求められているが、十分な放熱特性が得られる構造はまだなかった。
【０００６】
そこで、本発明は、ＬＥＤチップがフリップチップボンディングされてなり、十分な放熱特性を有する光半導体素子を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
以上の目的を達成するために、本発明に係る光半導体素子は、基板上に、一部にｎ電極が形成されたｎ型窒化ガリウム系半導体層と、上記ｎ電極が形成された一部を除く上記ｎ型窒化ガリウム系半導体層上に上記ｎ電極とは離れて、発光層を介して形成されたｐ型窒化ガリウム系半導体層と、上記ｐ型窒化ガリウム系半導体層上に上記発光層全体に電流を注入するように形成されたｐ電極と、そのｐ電極の一部に形成されたｐパッド電極とを有する発光素子チップと、正電極及び負電極を有する基材とを備え、上記基材の正電極と上記発光素子チップのｐパッド電極とが互いに導電性接合部材によって接合されかつ上記基材の負電極と上記発光素子チップのｎ電極とが互いに導電性接合部材によって接合されてなり、上記正電極と上記負電極の上にそれぞれ接続された外部接続電極を有する光半導体素子であって、
上記発光素子チップのｐ電極側の放熱が上記ｎ電極側の放熱に比較して大きくなるように、上記正電極上のｐパッド電極が接続される位置と上記正電極上の外部接続電極が接続される位置との間の熱抵抗を上記負電極上のｎ電極が接続される位置と上記負電極上の外部接続電極が接続される位置との間の熱抵抗より小さくしたことを特徴とする。
この本発明に係る光半導体素子では、発光層で発生した熱を効率よく放出でき、光半導体素子の放熱特性を良好にできる。
【０００８】
また、本発明に係る光半導体素子は、上記発光素子チップのｐ電極と上記基材の正電極とは上記絶縁膜を介して対向し、上記ｐ電極上の絶縁膜と上記正電極の間に上記導電性接合部材が充填されるようにしてもよい。
この光半導体素子では、絶縁膜及び接合部材を介して正電極に伝達することができるので、放熱特性を良好にできる。
【０００９】
本発明に係る光半導体素子では、上記正電極上のｐパッド電極が接続される位置と、上記正電極上の外部接続電極が接続される位置との距離をＬａ、上記負電極上のｎ電極が接続される位置と、上記負電極上の外部接続電極が接続される位置との間の距離をＬｃ、１つの発光素子チップに対応する正電極の幅をＷａ、１つの発光素子チップに対応して設けられた負電極の幅をＷｃとしたとき、Ｌａ／ＷａがＬｃ／Ｗｃより小さくしてもよい。
【００１０】
本発明に係る光半導体素子では、上記発光素子チップを２以上備えている場合、その発光素子チップにそれぞれ対応して設けられた正電極を互いに連結して一体で形成するようにしてもよい。
【００１１】
また、本発明に係る光半導体素子では、上記発光素子チップにおいて上記ｎ電極と上記ｐパッド電極とをそれぞれ上記基板の端部に形成することが好ましい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明に係る実施の形態の光半導体素子について説明する。
実施の形態１．
本発明に係る実施の形態１の光半導体素子は、パッケージ１の凹部１５に発光素子チップ２がフリップチップボンディングされ、その発光素子チップ２が凹部１５内において透光性樹脂４で封止されてなるチップ型の光半導体素子であって、後述するようにして発光素子チップ２の活性層で発生する熱の放熱特性を良好にしたことを特徴としている。
【００１３】
詳細に説明すると、本実施の形態１において、発光素子チップ２は、例えば、サファイア基板等からなる透光性の基板２１上に、その一部にｎ電極２４が形成されたｎ型窒化ガリウム系半導体層２２が形成され、その上に順次以下の各層が形成されてなる。
すなわち、例えばＰｔからなるｎ電極２４が形成された部分とその周辺を除くｎ型窒化ガリウム系半導体層２２上にｎ電極２４と電気的に分離された、ｐ型窒化ガリウム系半導体層２３が形成される。
そして、そのｐ型窒化ガリウム系半導体層２３上のほぼ全面に発光層全体に電流を注入するための電流拡散電極であるｐオーミック電極２５が形成され、そのｐオーミック電極２５上の一部に例えばＰｔからなるｐパッド電極２６が形成される。尚、ｐオーミック電極は例えばＡｕ又は白金などにより形成することができる。
さらに、ｎ電極２４上（外部の電極と接続するための部分）と、ｐパッド電極２６上とを除いて、発光素子チップ２の上面全体を覆うように、例えばＳｉＯ2あるいはポリイミド又はそれらが積層された層などからなる絶縁保護膜２７が形成される。
尚、図１に示すように、ｎ電極２４の上面とｐパッド電極２６の上面の周辺部は絶縁保護膜２７によって覆われていることが好ましい。
【００１４】
また、パッケージ１は、例えばガラスエポキシ積層板などからなり、正電極１２及び負電極１３が設けられた基材１１とパッケージ１の凹部１５を形成するための外枠１４とからなる。ここで、外枠１４は例えば基材１１と同様の材料からなる。尚、本発明において、外枠１４により光利用効率を高めることができるが、薄型化を目的として外枠を省略してもよい。また、本実施の形態１のパッケージ１において、正電極１２と負電極１３は、発光素子チップ２を正電極１２及び負電極１３上に載置した時にｐパット電極２６が形成されていない部分のｐオーミック電極と正電極１２とが対向するように近接させて形成する。
【００１５】
以上のように構成されたパッケージ１の凹部１５において、基材１１に形成された正電極１２と発光素子チップ２のｐパッド電極２６とを対向させ、負電極１３とｎ電極２４とを対向させて互いに接合部材３により接合するフリップチップボンディングにより発光素子チップ２を固定し、透光性樹脂４で封止する。
ここで、接合部材３は、はんだ、金又は錫等の金属あるいは銀、金、パラジウム、銅、ニッケル等の金属微粒子を含んだ樹脂からなる部材等の種種の導電性接合部材を用いることができる。また、本明細書において、はんだとは融点が３００℃以下の接合用に用いられる金属の総称として用いている。
また、透光性樹脂４として、エポキシ、シリコーン、変性アクリル、不飽和ポリエステル、ポリイミド、非晶質ポリアミド等の樹脂を用いることができる。
【００１６】
ここで、特に本実施の形態１では、上述のように、パッケージ１の正電極１２と負電極１３を、発光素子チップ２のｐオーミック電極２５とｎ電極２４の間隔と略等しい間隔になるように形成し、図１に示すように、ｐオーミック電極２５におけるｐパッド電極２６が形成されていない部分が正電極１２とが対向し、その対向する部分に接合部材３が充填されるように構成している。
すなわち、本実施の形態１では、ｐオーミック電極２５のうちのｐパッド電極２６が形成されていない部分が絶縁保護膜２７で覆われ、その絶縁保護膜２７と正電極１２の間に接合部材３を設けることにより、発光層で発生した熱がｐパッド電極２６を経由することなく、直接、絶縁保護膜２７及び接合部材３を介して正電極１２に伝達されるようにしたものである。
このように、本実施の形態１では、接合部材３によりｐパッド電極２６と正電極１２とを導通させる（導通領域３ｂ）とともに、ｐオーミック電極２５のうちのｐパッド電極２６が形成されていない部分と正電極１２の間に接合部材３を設けることにより熱伝導領域３ａを形成して放熱特性を向上させている。
また、本発明では、接合部材３を介して放熱効果を高くするために、ｐオーミック電極２５の２／３以上（面積比）を接合部材３で覆うことが好ましい。
また、発光素子チップ２において、発光層が最も発熱の大きい部分であるため、図３に示すように、側面においても絶縁膜２７を介して発光層を覆い隠すように接合部材３を設け、熱伝導領域３ｃを形成することがさらに好ましい。
【００１７】
以下、本実施の形態１のボンディング方法について説明する。
本方法は、粒径が５〜２５μｍ程度のはんだ金属粒子とフラックスの混合物であるクリームはんだを、スタンピングあるいはディスペンス等を用いて、発光素子チップ２より概略１０％程度大きな径で厚さ（高さ）１０μｍ〜３０μｍ程度の大きさに正電極１２及び負電極１３にまたがるように供給することにより、はんだドットを形成する。
【００１８】
次に、そのはんだドットの上に発光素子チップ２を適当な力で押圧しながら搭載する。
そして、加熱することにより、はんだを溶融させる。この時、正電極１２及び負電極１３にまたがって形成されていたクリームはんだは、溶融することで正電極１２及び負電極１３上に分かれ、正負の電極間を短絡させることなく発光素子チップ２を接合固定する。ここで、本実施の形態１では、はんだドットを形成するクリームはんだの量を通常のフリップチップボンディングの場合に比較して多く設定することにより、ｐオーミック電極２５のうちのｐパッド電極２６が形成されていない部分に形成された絶縁保護膜２７と正電極１２の間にはんだが形成される。これにより、発光層で発生した熱がｐパッド電極２６を経由することなく、直接、絶縁保護膜２７及び接合部材（はんだ）３を介して正電極１２に伝達されるようにできる。
【００１９】
以上のように構成された本発明に係る実施の形態１の光半導体素子は、上述のように、ｐオーミック電極２５のうちのｐパッド電極２６が形成されていない部分に形成された絶縁保護膜２７と正電極１２の間にはんだが形成されるように構成している。
本実施の形態１の光半導体素子においては、発光層で発生した熱がｐパッド電極２６を経由して正電極１２に伝達される伝達経路に加え、直接、絶縁保護膜２７及びはんだ３を介して正電極１２に伝達される伝達経路が構成されるので、発光素子チップ２において発生する熱を効率よく正電極１２に伝達させることができ、正電極１２を介して効果的に放熱することができる。
【００２０】
以上の実施の形態１の光半導体素子では、上述のように、ｐオーミック電極２５のうちのｐパッド電極２６が形成されていない部分を正電極１２に対向させてその対向するｐオーミック電極２６と正電極１２との間に絶縁保護膜２７を介して接合部材３を形成するようにしたが、本発明はこれに限られるものではなく、図４に示すように構成してもよい。
すなわち、図４では、ｐオーミック電極２５のうちのｐパッド電極２６が形成されていない部分を負電極１３に対向させてその対向するｐオーミック電極２６と負電極１３との間に絶縁保護膜２７を介して接合部材３を形成するようにしている。このようにしても、実施の形態１と同様の作用効果が得られる。
【００２１】
実施の形態２．
本発明に係る実施の形態２の光半導体素子は、正電極１１２及び負電極１１３を備えた基材１１１上に発光素子チップ２を設けた光半導体素子であって、詳細後述するようにして、発光素子チップ２の発光層で発生する熱が主として伝達される正電極１１２の熱抵抗を負電極１１３の熱抵抗に比較して小さくしたことを特徴としている。
ここで、実施の形態２の発光素子チップ２は、図６に示すように、実施の形態１の発光素子チップと同様に構成される。
【００２２】
具体的には、図５に示すように、本実施の形態２の光半導体素子において、発光素子チップ２のｐパッド電極２６が接続される正電極１１２を以下のようにして、正電極１１２の熱抵抗を負電極１１３の熱抵抗に比較して小さくしている。
（１）第１に、正電極１１２上のｐパッド電極２６が接続される位置と、正電極上の外部接続電極１１５が接続される位置との間の距離Ｌａを、負電極１１３上のｎ電極２４が接続される位置と、負電極１１３上の外部接続電極１１６が接続される位置との間の距離Ｌｃより小さくしている。
このようにして、正電極１１２上で熱が伝達される距離を短くして、熱抵抗を小さくしている。
（２）第２に、複数ある発光素子チップ２の各ｐパッド電極２６と接続される正電極を一体で形成することにより、１つの発光素子チップ２に対応する正電極の幅Ｗａを、１つの発光素子チップ２に対応して設けられた負電極１１３の幅Ｗｃに比較して広くなるように形成している。
すなわち、本実施の形態２の光半導体素子においては、正電極１１２の熱の伝達方向の長さを短くしてかつ熱の伝達方向に直交方向の幅を広くすることにより正電極１１２の熱抵抗を負電極１１３の熱抵抗より小さくしている。
【００２３】
ここで、本実施の形態において、基材１１１は例えばガラスエポキシ積層板よりなる基板であり、正負の電極１１２，１１３は、銅、ニッケルまたはその積層物等で構成することができ、その上にさらに、メッキ、スパッタリングまたはＣＶＤ等を用いて形成された金、銀、銅、パラジウム、はんだ等の金属薄膜を形成するようにしてもよい。
また、外部接続電極１１５，１１６としては、例えば、ハーネス、プリント基板若しくはフレキシブル基板等に形成された電極などの種々のものが挙げられ、正負の電極１１２，１１３とははんだ付け、抵抗溶接、異方性導電性接着剤等を用いて接続することができる。
【００２４】
以上の実施の形態２の光半導体素子において、発光素子チップ２を発光させた時に、ｎ型窒化ガリウム系半導体層２２とｐ型窒化ガリウム系半導体層２３の間の発光層で発生された熱は、主としてｐパッド電極２６を介して正電極１１２に伝達され、その正電極１１２及び外部接続電極１１５で放熱される。
ここで、特に、本実施の形態２の光半導体素子では、正電極１１２の熱抵抗を小さくしているので、放熱特性を良好にできる。
【００２５】
以上の実施の形態２では、正電極１１２の熱伝達距離Ｌａを負電極１１３の熱伝達距離Ｌｃより短くし、かつ正電極１１２の幅Ｗａを負電極１１３の幅Ｗｃより広くしたが、本発明はこれに限られるものではなく、以下のようにしてもよい。
すなわち、正電極１１３の熱抵抗はＬａ／Ｗａに比例するので、Ｌａ／Ｗａを負電極１１２のＬｃ／Ｗｃに設定して正電極１１２の熱抵抗が負電極１１３の熱抵抗より小さくなるようにすればよい。
また、本実施の形態２では、発光素子チップ２が３つの場合について説明したが、本発明はこれに限られるものではなく、３以上であっても良いし、１または２であってもよい。
【００２６】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明に係る光半導体素子によれば、放熱特性の良好な光半導体素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係る実施の形態１の光半導体素子の断面図である。
【図２】  実施の形態１の光半導体素子の平面図である。
【図３】  図２のＡ−Ａ’線についての断面図である。
【図４】  本発明に係る実施の形態１の変形例の光半導体素子の断面図である。
【図５】  本発明に係る実施の形態２の光半導体素子の平面図である。
【図６】  図５のＢ−Ｂ’線についての断面図である。
【符号の説明】
１…パッケージ、
２…発光素子チップ、
３…接合部材、
４…透光性樹脂、
１１，１１１…基材、
１２，１１２…正電極、
１３，１１３…負電極、
１４…外枠、
１５…凹部
２１…基板、
２２…ｎ型窒化ガリウム系半導体層、
２３…ｐ型窒化ガリウム系半導体層、
２４…ｎ電極、
２５…ｐオーミック電極、
２６…ｐパッド電極、
２７…絶縁保護膜、
１１５，１１６…外部接続電極。
【図１】
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【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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