(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光透過性であって絶縁性の基板にｎ型層とｐ型層とを積層するとともに前記ｐ型層の一部を除去してｎ型層を露出させ、ｎ型層とｐ型層のそれぞれにｎ側電極とｐ側電極とを同一面に形成し、前記ｐ側電極は前記ｐ型層のほぼ全面に形成された光透過性の電極と前記光透過性の電極の上にコンタクト形成されたボンディング用の電極とからなり、前記基板側を発光観測面側とするＧａＮ系化合物半導体発光素子において、前記ｎ型層の表面から前記光透過性の電極の表面の一部にかけて光透過性の絶縁膜を被膜形成し、前記ｎ側電極を、前記絶縁膜の表面であって前記ｐ側電極の一部に覆い被さる領域まで展開させ、前記絶縁膜は、前記光透過性の電極とコンタクト形成されたボンディング用の電極との間の一部を残した領域に形成されてなるＧａＮ系化合物半導体発光素子。
【請求項２】
光透過性であって絶縁性の基板にｎ型層とｐ型層とを積層するとともに前記ｐ型層の一部を除去してｎ型層を露出させ、ｎ型層とｐ型層のそれぞれにｎ側電極とｐ側電極とを同一面に形成し、前記ｐ側電極は前記ｐ型層のほぼ全面に形成された光反射性の電極と前記光反射性の電極の上にコンタクト形成されたボンディング用の電極とからなり、前記基板側を発光観測面側とするＧａＮ系化合物半導体発光素子において、前記ｎ型層の表面から前記光反射性の電極の表面の一部にかけて絶縁膜を被膜形成し、前記ｎ側電極を、前記絶縁膜の表面であって前記ｐ側電極の一部に覆い被さる領域まで展開させ、前記絶縁膜は、前記光透過性の電極とコンタクト形成されたボンディング用の電極との間の一部を残した領域に形成されてなるＧａＮ系化合物半導体発光素子。
【請求項３】
前記ｐ側電極のボンディング用の電極及びｎ側電極はそれぞれ同じ材質の金属としてなる請求項１または２に記載のＧａＮ系化合物半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、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半導体発光素子に係り、特にｐ側及びｎ側の電極の配置及び形態を改良したフリップチップ型の半導体発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＧａＮ，ＧａＡｌＮ，ＩｎＧａＮ及びＩｎＧａＡｌＮ等の窒化ガリウム（ＧａＮ）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の電極が結晶基板と対向する側の一面に形成された半導体発光素子となる。
【０００３】
図７はＧａＮ系の半導体発光素子の従来例を示す概略図である。
図７において、サファイアを用いた絶縁性の基板５１の上面にＧａＮのｎ型層５２及びｐ型層５３を有機金属気相成長法によって積層形成し、ｐ型層５３の一部をエッチングしてｎ型層５２を露出させ、これらのｎ型層５２とｐ型層５３のそれぞれにｎ側電極５２ａ及びｐ側光透過性電極５３ａ及びｐ側ボンディング電極５３ｂがそれぞれ形成されている。そして、ｐ型層５３の上面であってｐ側光透過性電極５３ａをｐ側コンタクト面とした場合では、発光素子を図示の姿勢としてこのｐ側光透過性電極５３ａ部分を主光取出し面とし、発光観測面とすることができる。この場合、ｎ側電極５２ａ及びｐ側ボンディング電極５３ｂにはそれぞれリードフレームや基板等と導通させるためのＡｕワイヤがボンディングされる。
【０００４】
一方、光透過性のサファイアを利用した基板５１から光を取り出すようにしたフリップチップ型の半導体発光素子では、ｐ側光透過性電極を廃止しこのｐ側及びｎ側の電極のそれぞれにマイクロバンプを形成し、これらのマイクロバンプを基板またはリードフレームのｐ側及びｎ側に接続する方式としたものが従来から知られている。
【０００５】
図８はフリップチップ型の半導体発光素子をＬＥＤランプのリードフレームに搭載したときの要部の縦断面図である。
【０００６】
発光素子のｎ側電極５２ａ及びｐ側ボンディング電極５３ｂのそれぞれにマイクロバンプ５４，５５が接合され、これらのマイクロバンプ５４，５５をリードフレーム５６のリード５６ａ，５６ｂの搭載面に突き当てて加熱及び超音波振動等の負荷によって接合して発光素子が搭載固定されている。リードフレーム５６からの通電があると、半導体化合物積層膜中のたとえばＩｎＧａＮ活性層が発光層となり、この発光層からの光がサファイアの基板５１及びｐ型層５３の表面側の両方向へ向かう。そして、ｐ型層５３の表面のｐ側ボンディング電極５３ｂを光透過しない反射膜としておくことにより、図において基板５１の上面を主光取出し面とした半導体発光装置が得られる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ＧａＮ系の化合物半導体の発光素子では、先に図７で説明したように、ｐ型層５３の一部をエッチングしてｎ型層５２を部分的に露出させ、この露出部分にｎ側電極５２ａが形成される。この場合、発光域となる活性層はｎ型層５２とｐ型層５３との間の境界領域なので、エッチングによってｐ型層５３の面積が小さくなると発光輝度が下がることになる。したがって、ｎ型層５２の露出部分及びｎ側電極５２ａはできるだけ狭くしたほうが好ましく、エッチングによって形成されるｎ型層５２の表面の面積はｐ側光透過性電極５３ａに対して相対的に小さくする必要がある。そして、ｐ型層５３の表面全体を光反射可能な電極として図８のように基板５１を発光方向側に向けた姿勢とし、その上面を主光取出し面とするような場合でも、ｐ型層５３の面積を広くしたほうが反射光の回収効率は高くなるので、発光輝度も向上する。このことからも、ｐ側光透過性電極５３ａのほうが面積的にはｎ側電極５２ａよりも優勢になることが多い。
【０００８】
一方、基板５１の材料として用いるサファイアは高価であり、また化合物半導体の積層のための有機金属気相成長法は旧来の液相成長法と比較すると、大量生産に適さない面がある。このため、ＧａＰやＡｌＧａＡｓを主材料とした発光素子と比較すると、ＧａＮ系の発光素子の価格は数十倍となっているのが現状である。これに対し、ＧａＮ系の発光素子の価格を下げるためには、１枚のサファイア基板からの発光素子の取れ数を増やすように操作すれば、コスト改善が図られる。
【０００９】
ところが、発光素子の大きさを小さくするにつれて、ｎ型層５２の露出部分及びｎ側電極５２ａが主光取出し面の中で占める割合は大きくなるので、発光輝度も低下することになる。この発光輝度を低下させないようにするためには、発光素子の大きさの縮小に合わせてｎ型層５２の露出部分を小さくしてｐ型層５３の面積を確保すればよいが、ｎ側電極５２ａも小さくなってしまう。この場合、ｎ型層５２の露出部分及びｎ側電極５２ａが小さくなると、組み立てる際Ａｕボールとｎ側電極５２ａとの付着力の低下や、Ａｕボールずれによるｐ型層５３部分へのＡｕボールずれによる短絡が発生する結果となる。
【００１０】
また、図８に示したような姿勢でリードフレーム５６に発光素子を搭載するものでは、ｎ側電極５２ａ及びｐ側ボンディング電極５３ｂのいずれにもマイクロバンプ５４，５５を接合するアセンブリとなる。この場合でも、ｎ側電極５２ａを含むｎ型層５２の露出部分もその広さが限られる。一方、マイクロバンプ５４，５５はワイヤの先端部を溶着するようにして電極側に接合するという機械的手法に頼るので、ｎ側電極５２ａの面積が小さいとアセンブリがしにくくなり、その管理基準も厳しく設定しなければならない。
【００１１】
更に、マイクロバンプ５４，５５は、発光素子とリードフレーム５６との間の導通路を形成するためだけでなく、ｐ側及びｎ側とが短絡しないようにするためスペーサとしての役目も果たす。すなわち、発光素子に形成するｎ側電極５２ａやｐ型層５３の表面またはその一部に形成したｐ側ボンディング電極５３ｂの厚さでは、スペーサとして十分に使えないので、マイクロバンプ５４，５５を補完的に使用するというのが従来からの設計である。
【００１２】
ところが、先のようにｎ側電極５２ａが小さいと、マイクロバンプ５４のアセンブリがしにくいことから組立容易性に対する影響は大きい。更に、ｎ側電極５２ａが小さくなるとワイヤーボンド及びマイクロバンプ形成時の機械的衝撃が集中するので、電極のはがれや、コンタクト不良等の問題も誘発する。
【００１３】
本発明において解決すべき課題は、発光素子の大きさを小さくしてもｎ側の電極を広くしてアセンブリを容易にすると同時に発光輝度も高く維持できるＧａＮ系化合物半導体発光素子を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、光透過性であって絶縁性の基板にｎ型層とｐ型層とを積層するとともにその積層体の同一面にｎ側電極とｐ側電極とを形成し、前記基板側を発光観測面側とするＧａＮ系化合物半導体発光素子において、前記ｎ型層の表面から光透過性の電極の表面の一部にかけて光透過性の絶縁膜を被膜形成し、前記ｎ側電極を、前記絶縁膜の表面であって前記ｐ側電極の一部に覆い被さる領域まで展開させてなることを特徴とする。
【００１５】
この構成では、ｎ側電極をｎ型層のコンタクト面に対して適正な接合面積を最小限確保しておくことにより、発光素子サイズの低減が可能となると同時に、ｐ側電極の領域部分にまで覆い被さる部分の面積が広くなるので、マイクロバンプの接合のための製造が簡単になる。また、ｐ型層の一部をエッチングして形成された段差面から抜ける光をｎ側電極によって発光素子の中に反射させて回収できるので、発光輝度も向上する。
【００１６】
【発明の実施の形態】
請求項１に記載の発明は、光透過性であって絶縁性の基板にｎ型層とｐ型層とを積層するとともに前記ｐ型層の一部を除去してｎ型層を露出させ、ｎ型層とｐ型層のそれぞれにｎ側電極とｐ側電極とを同一面に形成し、前記ｐ側電極は前記ｐ型層のほぼ全面に形成された光透過性の電極と前記光透過性の電極の上にコンタクト形成されたボンディング用の電極とからなり、前記基板側を発光観測面側とするＧａＮ系化合物半導体発光素子において、前記ｎ型層の表面から前記光透過性の電極の表面の一部にかけて光透過性の絶縁膜を被膜形成し、前記ｎ側電極を、前記絶縁膜の表面であって前記ｐ側電極の一部に覆い被さる領域まで展開させ、前記絶縁膜は、前記光透過性の電極とコンタクト形成されたボンディング用の電極との間の一部を残した領域に形成されてなるものであり、ｎ側電極の電極面積の確保とマイクロバンプの接合のための製造を簡単にするとともに、発光輝度を向上させるという作用を有する。
【００１７】
請求項１に記載の発明は、ｐ側のボンディング用の電極による反射光を発光観測面側に回収できるとともに絶縁膜によりｐ型層及びｎ型層の電極の短絡を防止するという作用を有する。
【００１８】
請求項２に記載の発明は、光透過性であって絶縁性の基板にｎ型層とｐ型層とを積層するとともに前記ｐ型層の一部を除去してｎ型層を露出させ、ｎ型層とｐ型層のそれぞれにｎ側電極とｐ側電極とを同一面に形成し、前記ｐ側電極は前記ｐ型層のほぼ全面に形成された光反射性の電極と前記光反射性の電極の上にコンタクト形成されたボンディング用の電極とからなり、前記基板側を発光観測面側とするＧａＮ系化合物半導体発光素子において、前記ｎ型層の表面から前記光反射性の電極の表面の一部にかけて絶縁膜を被膜形成し、前記ｎ側電極を、前記絶縁膜の表面であって前記ｐ側電極の一部に覆い被さる領域まで展開させ、前記絶縁膜は、前記光透過性の電極とコンタクト形成されたボンディング用の電極との間の一部を残した領域に形成されてなるＧａＮ系化合物半導体発光素子であり、光反射性の電極によって光を発光観測面側に反射させて取り出せるという作用を有する。
【００１９】
請求項１または２に記載の発明は、前記絶縁膜は、前記光透過性または光反射性の電極とコンタクト形成されたボンディング用の電極との間の一部を残した領域に形成されてなるＧａＮ系化合物半導体発光素子であり、ｐ側電極の光透過性または光反射性の電極の損傷やエッチングダメージが防止されるとともに、絶縁膜によってボンディング時の衝撃を抑えて半導体層へのダメージを抑えるという作用を有する。
【００２２】
請求項３に記載の発明は、前記ｐ側電極のボンディング用の電極及びｎ側電極はそれぞれ同じ材質の金属としてなる請求項１または２に記載のＧａＮ系化合物半導体発光素子であり、ｐ側及びｎ側のボンディング用の電極の積層形成を同時成形で対応できるという作用を有する。
【００２５】
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半導体発光素子の縦断面図、図２はその底面図である。
【００２６】
発光素子１は絶縁性のサファイアを用いた基板１ａの上にＧａＮ系の化合物半導体を積層したものであり、たとえばＧａＮバッファ層，ｎ型ＧａＮ層，ＩｎＧａＮ活性層，ｐ型ＡｌＧａＮ層及びｐ型ＧａＮ層をそれぞれ順に積層したダブルヘテロ構造とすることができる。このような化合物半導体の積層構造では、通電によってＩｎＧａＮ活性層が発光層となり、発光層からの光が基板１ａの主光取出し面（図１において基板１ａの上面）側及び下方側に向かう。
【００２７】
図１においては、説明を簡単にするために、基板１ａの上にｎ型層２及びｐ型層３が順に積層されたものとして示す。これらのｎ型層２及びｐ型層３は有機金属気相成長法によって積層されるもので、ｐ型層３は図２に示すようにその右端部がエッチングされて除去され、平面形状が長方形状のｎ型層２のコンタクト面２ａを露出させている。
【００２８】
ｐ型層３のほぼ全面にはオーミック接続可能な光透過性の金属薄膜を成膜してこれをｐ側光透過性電極４とし、このｐ側光透過性電極４の表面にボンディング用のｐ側ボンディング電極５を金属蒸着法によって形成する。このｐ側ボンディング電極５は、図２に示すように、コンタクト面２ａと反対側の基板１ａの外郭に沿う領域に長方形状に形成されたものである。そして、発光層から下に向かう光を主光取出し面側へ向けて反射させるため、ｐ側ボンディング電極５は光反射率の高いＡｌ等を利用したものとする。
【００２９】
ｐ側光透過性電極４とｎ型層２のコンタクト面２ａとの間には、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜等を利用した光透過性の絶縁膜６を成膜する。この絶縁膜６はコンタクト面２ａとｐ型層３及びｐ側光透過性電極４との境界部分を含んで、コンタクト面２ａの一部の領域からｐ側光透過性電極４の表面にかけて形成されたものである。そして、コンタクト面２ａが露出している部分と絶縁膜６の表面には、ｎ側ボンディング電極７を金属蒸着法によって形成する。
【００３０】
ｎ側ボンディング電極７は光反射率の高い素材であってｐ側ボンディング電極５と同じ材質とし、絶縁膜６によって被覆されていないコンタクト面２ａにオーミック接続され、絶縁膜６のほぼ表面全体に一様な厚さで形成されたものである。すなわち、コンタクト面２ａに接合される部分の基部７ａと、ｐ側光透過性電極４に被さっている部分の絶縁膜６に重合している部分のボンディング部７ｂとによってｎ側ボンディング電極７が形成されている。
【００３１】
基部７ａは、図２に示すように、コンタクト面２ａに含まれる領域に展開するほぼ長方形状の断面形状を持ち、コンタクト面２ａとの接合面積を広くするように形成されるとともに、コンタクト面２ａを形成するためにエッチング除去されたｐ型層３の層厚面のほぼ全体に臨んでいる。また、ボンディング部７ｂは、ｐ側光透過性電極４の一部に覆い被さる領域まで展開させた長方形の平面形状であって、ｐ側ボンディング電極５とほぼ同じ大きさの面積を持つ。
【００３２】
ｐ側及びｎ側のボンディング電極５，７の材料としては、前述のように、光の反射率が高い材料たとえばＡｌなどが好ましい。そして、同一の材料とすることで、両方のボンディング電極５，７を同時に形成することができ、ｐ側とｎ側とを別々に形成する場合に比べると製造工程が省略される。
【００３３】
なお、これらの、ｐ側及びｎ側のボンディング電極５，７の製造方法としては、ｐ型層３がエッチングされて除去された段差より厚くなるようなボンディング電極の厚みを設定し、電子ビーム蒸着等の手法によりｐ側及びｎ側のボンディング電極５，７を同時に形成する。そして、フォトリソ工程において、ｐ側及びｎ側の電極の形状にパターンニングを行い、エッチングによりｐ側及びｎ側電極として分離しボンディング電極５，７を形成すればよい。このような製造方法によれば、ｐ側及びｎ側のボンディング電極５，７の断面形状が複雑であっても支障なく成形できるだけでなく、それぞれのボンディング面の表面を同じ高さとすることができる。
【００３４】
以上の構成において、発光層から下に抜ける光は、光反射率の高いｐ側ボンディング電極５とｎ側ボンディング電極７のボンディング部７ｂによって主光取出し面側に反射されるので、発光輝度の向上が図られる。そして、発光層からコンタクト面２ａ側すなわち発光層を含む部分までエッチングされた面から側方に出る光は、ｎ側ボンディング電極７の基部７ａによって発光素子１の内部に反射されるので、この分も含めて主光取出し面側に回収でき、発光輝度を更に向上させることができる。
【００３５】
図３は本発明の別の実施の形態による発光素子の例を示す縦断面図、図４はその底面図である。なお、図１及び図２で示したものと同じ部材については共通の符号で示しその詳細な説明は省略する。
【００３６】
この例では、光透過性の絶縁膜６は図４に示すようにｐ側光透過性電極４の左端部側を除いて広く展開して形成され、ｐ側ボンディング電極５はその左端に偏った部分を基部５ａとしてｐ側光透過性電極４に接合され、ボンディング部５ｂとの間に絶縁膜６を拡げている。すなわち、図１及び図２の構成と比較すると、絶縁膜６をｐ側ボンディング電極５の下まで潜り込ませるとともにこのｐ側ボンディング電極５のボンディング部５ｂの面積が拡大されている。これにより、ｐ側及びｎ側のボンディング電極５，７のそれぞれのボンディング部５ｂ，７ｂをいずれも長方形状であってほぼ等しい面積として形成することができる。
【００３７】
また、図３に示すように、ｐ型層３の表面からコンタクト面２ａの表面までの深さをＡとし、ｎ側ボンディング電極７の基部７ａの厚さをＢとするとき、Ａ＜Ｂの関係とする。また、ｐ側及びｎ側のボンディング電極５，７のボンディング部５ｂ，７ｂはほぼ同じ厚さＣとするとき、Ａ＜Ｃの関係とする。これにより、ｐ型層３をエッチングした部分のｎ側ボンディング電極７の切れを防止することができるとともに、ボンディング部５ｂ，７ｂの底面をそのままリードフレームに搭載するアセンブリが可能となる。
【００３８】
発光素子１は、たとえば図８に示したリード５６ａ，５６ｂの上に、基板１ａを発光方向に向けた姿勢として搭載して電気的に導通させる。この場合、従来例と同様に、ｐ側及びｎ側のボンディング電極５，７にそれぞれバンプ電極を形成して搭載する。このようなバンプ電極を利用する場合では、ｐ側及びｎ側のボンディング電極５，７のそれぞれのボンディング部５ｂ，７ｂの表面を長方形状として広く展開させているので、図７及び図８の従来例のものに比べるとバンプ電極を接合する面積が広い。このため、バンプ電極をボンディング部５ｂ，７ｂに接合するときの位置決め精度等が比較的容易になり、アセンブリや品質管理が簡単になる。
【００３９】
図５はｐ側電極を光反射性電極とした例を示す縦断面図、図６はその底面図である。なお、ｐ側電極を除く構成は図１及び図２に示した例とほぼ同じであり同一の構成部材については共通の符号で指示し、その詳細な説明は省略する。
【００４０】
図５に示すように、図１の例と同様にｐ型層３の表面に光反射性電極８が積層形成されている。この光反射性電極８の材料としては、光反射率が高いＡｌやＡｇが好適である。また、絶縁膜６は図３の例と同様に、コンタクト面２ａから光反射性電極８の表面の全体に形成され、ｐ側ボンディング電極５の基部５ａを光反射性電極８に導通させるためにスリット６ａを形成している。
【００４１】
この構成においても、ｐ側及びｎ側のボンディング電極５，７のボンディング部５ｂ，７ｂを広く形成できるので、バンプ電極等の形成のためのハンドリングが容易になる。また、ｐ型層の一部とエッチングして形成された段差面から抜ける光はｎ側ボンディング電極７によって反射されて発光素子１の中に取り込まれて主光取出し面側に回収されることは、先の例と同様である。
【００４２】
また、ｐ側電極をＡｌやＡｇ等の光反射性電極８としたことによって、ｎ型層２とｐ型層３の接合部の発光層からの光を主光取出し面側に反射させることができる。したがって、先の例のようにｐ側及びｎ側のボンディング電極５，７を利用した反射だけの場合と比べると、ｐ型層３のほぼ全面に形成した光反射性電極８による反射回収率のほうが格段に高くなる。このため、発光層からコンタクト面２ａ側の側方に抜ける光の回収だけでなく、下方へ抜ける光のほぼ全てを主光取出し面側に回収することができ、発光輝度が更に一層向上する。
【００４３】
【発明の効果】
請求項１の発明では、発光層から発せられた光のうちコンタクト面からだけでなくエッチング等によって除去されたｐ型層の層厚面部分からの光も含めて回収できるので、発光輝度を更に向上させることができるとともに、ｎ側電極の電極面積の確保とマイクロバンプの接合のための製造が簡単になり、発光輝度の向上も図られる。
【００４４】
請求項１の発明では、ｐ側のボンディング用の電極による反射光を発光観測面側に回収できるので発光輝度が向上し、絶縁膜によりｐ型層及びｎ型層の電極の短絡が防止されるので耐久性も改善される。
【００４５】
請求項２の発明では、光反射性の電極によって光を発光観測面側に反射させて取り出せるので、発光輝度を更に向上させることができる。
【００４６】
請求項１または２の発明では、ｐ側電極の光透過性または光反射性の電極の損傷やエッチングダメージが防止されるとともに、絶縁膜によってボンディング時の衝撃を抑えて半導体層へのダメージも抑えられるので、耐久性が更に向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態による半導体発光素子の縦断面図
【図２】図１の発光素子の底面図
【図３】別の実施の形態による半導体発光素子の縦断面図
【図４】図３の半導体発光素子の底面図
【図５】ｐ側電極に光反射性電極を形成した半導体発光素子の縦断面図
【図６】図５の半導体発光素子の底面図
【図７】ＧａＮ系化合物半導体発光素子の従来例を示す概略斜視図
【図８】  図７の半導体発光素子をフリップチップ型としてリードフレームに実装したときの概略図
【符号の説明】
１  発光素子
１ａ  基板
２  ｎ型層
２ａ  コンタクト面
３  ｐ型層
４  ｐ側光透過性電極
５  ｐ側ボンディング電極
５ａ  基部
５ｂ  ボンディング部
６  絶縁膜
７  ｎ側ボンディング電極
７ａ  基部
７ｂ  ボンディング部
【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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【図７】
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【図８】
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