(57)【要約】【課題】半導体発光素子をマウントした電極を電気的に絶縁し、さらに半導体発光素子の熱を効率良く放散させることが可能な半導体発光素子およびそれを用いた半導体発光装置を提供する。【解決手段】半導体発光素子は、第１表面と前記第１表面とは反対側の第２表面と、を有する導電性基板と、前記第１表面側に設けられ、ｐ形半導体層と、ｎ形半導体層と、前記ｐ形半導体層と前記ｎ形半導体層との間に設けられた発光層と、を含む積層体と、を備える。さらに、前記第１表面側において、前記ｐ形半導体層に電気的に接続されたｐ側電極と、前記ｎ形半導体層に電気的に接続されたｎ側電極と、前記積層体と前記導電性基板との間に設けられ、前記ｎ側電極および前記ｐ側電極を前記導電性基板層から電気的に絶縁する絶縁層と、前記第２表面を覆う金属層と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１表面と、前記第１表面とは反対側の第２表面と、を有する導電性基板と、
前記第１表面側に設けられ、ｎ形半導体層と、ｐ形半導体層と、前記ｎ形半導体層と前記ｐ形半導体層との間に設けられた発光層と、を含む積層体と、
前記第１表面側において、前記ｎ形半導体層に電気的に接続されたｎ側電極と、
前記第１表面側において、前記ｐ形半導体層に電気的に接続されたｐ側電極と、
前記積層体と前記導電性基板との間に設けられ、前記ｎ側電極および前記ｐ側電極を前記導電性基板から電気的に絶縁する絶縁層と、
前記第２表面を覆う金属層と、
を備えた半導体発光素子。
【請求項２】
第１電極と、
前記第１電極から電気的に絶縁された第２電極と、
前記第１電極と前記第２電極との間に配置され、前記第１電極および前記第２電極から電気的に絶縁された第３電極と、
前記第３電極の上にマウントされた半導体発光素子であって、
第１表面と、前記第１表面とは反対側の第２表面と、を有する導電性基板と、
前記第１表面側に設けられ、ｎ形半導体層と、ｐ形半導体層と、前記ｎ形半導体層と前記ｐ形半導体層との間に設けられた発光層と、を含む積層体と、
前記第１表面側において、前記ｎ形半導体層に電気的に接続されたｎ側電極と、
前記第１表面側において、前記ｐ形半導体層に電気的に接続されたｐ側電極と、
前記積層体と前記導電性基板との間に設けられ、前記ｎ側電極および前記ｐ側電極を前記導電性基板から電気的に絶縁する絶縁層と、
前記第２表面を覆う金属層と、
を含む半導体発光素子と、
前記金属層と前記第３電極との間に設けられ、金属を含む接合層と、
を備え、
前記半導体発光素子は、
前記第１電極および前記ｎ側電極に接続された第１金属ワイヤを介して前記第１電極に電気的に接続され、
前記第２電極および前記ｐ側電極に接続された第２金属ワイヤを介して前記第２電極に電気的に接続された半導体発光装置。
【請求項３】
前記第１電極、前記第２電極および前記第３電極を覆う第１樹脂層をさらに備え、
前記第１樹脂層は、前記第３電極上において前記半導体発光素子を露出させる開口部を有する請求項２記載の半導体発光装置。
【請求項４】
前記第３電極から前記第１樹脂の上面に至る前記開口部の内壁は、前記半導体発光素子の前記導電性基板から前記積層体に向かう方向の厚さよりも高い請求項３記載の半導体発光装置。
【請求項５】
前記開口部内において前記半導体発光素子を覆い、前記発光層から放射される光を透過する基材と、前記光を吸収する蛍光体と、を含む第２樹脂層をさらに備えた請求項４記載の半導体発光装置。
【請求項６】
前記第１樹脂および前記第２樹脂を覆うドームレンズをさらに備えた請求項４または５に記載の半導体発光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
実施形態は、半導体発光素子およびそれを用いた半導体発光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
発光ダイオード（Light emitting diode：ＬＥＤ）などの半導体発光素子を用いた半導体発光装置は、その高出力化に伴い、放熱性を高めることが求められている。例えば、ＬＥＤをマウントした電極を直接ヒートシンクに接触させることにより、ＬＥＤの熱を効率良く放散させることが可能である。しかしながら、ＬＥＤとヒートシンクとを電気的に接続すると、ＬＥＤを駆動する回路が複雑になる場合がある。また、ヒートシンクを介した電流漏れの恐れもある。そこで、ＬＥＤとヒートシンクとの間を電気的に絶縁し、且つ、ＬＥＤの熱を効率良く放散させることが可能な半導体発光素子および半導体発光装置が求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第８２６９２４４号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
実施形態は、半導体発光素子をマウントした電極を電気的に絶縁し、さらに半導体発光素子の熱を効率良く放散させることが可能な半導体発光素子およびそれを用いた半導体発光装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
実施形態に係る半導体発光素子は、第１表面と前記第１表面とは反対側の第２表面とを有する導電性基板と、前記第１表面側に設けられ、ｐ形半導体層と、ｎ形半導体層と、前記ｐ形半導体層と前記ｎ形半導体層との間に設けられた発光層と、を含む積層体と、を備える。さらに、前記第１表面側において、前記ｐ形半導体層に電気的に接続されたｐ側電極と、前記ｎ形半導体層に電気的に接続されたｎ側電極と、前記積層体と前記導電性基板と、の間に設けられ、前記ｎ側電極および前記ｐ側電極を前記導電性基板から電気的に絶縁する絶縁層層と、前記第２表面を覆う金属層と、を備える。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】実施形態に係る半導体発光装置を表す模式図である。
【図２】実施形態に係る半導体発光装置を表す模式断面図である。
【図３】実施形態の変形例に係る半導体発光素子を表す模式断面図である。
【図４】実施形態に係る半導体発光装置の保護素子を表す模式断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下、実施の形態について図面を参照しながら説明する。図面中の同一部分には、同一番号を付してその詳しい説明は適宜省略し、異なる部分について説明する。なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
【０００８】
さらに、各図中に示すＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸を用いて各部分の配置および構成を説明する。Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸は、相互に直交し、それぞれＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向を表す。また、Ｚ方向を上方、その反対方向を下方として説明する場合がある。
【０００９】
図１は、実施形態に係る半導体発光装置１を表す模式図である。図１（ａ）は、半導体発光装置１を斜め上方から見た斜視図である。図１（ｂ）は、半導体発光装置１の内部構造を示す透視図である。図１（ｃ）は、半導体発光装置１の裏面を示す平面図である。
【００１０】
図１（ａ）に示すように、半導体発光装置１は、樹脂パッケージ１０と、その内部に配置された半導体発光素子２０と、保護素子３０と、を含む。半導体発光素子２０は、例えば、青色ＬＥＤである。保護素子３０は、例えば、ツェナーダイオードである。
【００１１】
樹脂パッケージ１０は、ベース１３と、第１樹脂層（以下、反射層１５）と、ドームレンズ１７と、を含む。反射層１５は、例えば、シリコーン系の白樹脂であり、ベース１３の表面を覆う。反射層１５は、例えば、可視光を反射する。反射層１５は、半導体発光素子２０を露出させた開口部１５ａを含む。ドームレンズ１７は、例えば、反射層１５および半導体発光素子２０の上にモールドされる。ドームレンズ１７は、例えば、可視光を透過し、その材料には、例えば、エポキシ樹脂もしくはシリコーン樹脂が用いられる。
【００１２】
図１（ｂ）に示すように、ベース１３は、第１電極（以下、電極２３）と、第２電極（以下、電極２５）と、第３電極（以下、電極２７）と、を含む。電極２３、２５および２７は、例えば、Ｘ方向に並べて配置される。電極２７は、電極２３と電極２５との間に配置される。電極２３、２５および２７は、相互に電気的に絶縁される。半導体発光素子２０は、電極２７の上にマウントされる。ベース１３は、Ｘ方向に並べて配置された電極２３、２５および２７を、例えば、エポキシ樹脂もしくはシリコーン樹脂を用いてモールドすることにより形成される。
【００１３】
図１（ｃ）に示すように、半導体発光装置１の裏面には、電極２３、２５および２７が露出する。電極２３、２５および２７は、樹脂１３ａにより相互に絶縁される。電極２３、２５および２７には、例えば、銅（Ｃｕ）もしくは銅合金が用いられる。また、電極２３、２５および２７の表面には、例えば、ニッケル（Ｎｉ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、パラジウム（Ｐｄ）等のメッキが施される。また、電極２３、２５および２７の表面にＮｉ／ＡｕもしくはＮｉ／Ｐｄ／Ａｕ等の積層構造を有する金属層をコートしても良い。
【００１４】
図２は、実施形態に係る半導体発光装置１を表す模式断面図である。図２（ａ）は、半導体発光装置１のＸ−Ｚ断面を表す模式断面図である。図２（ｂ）は、半導体発光素子２０のＸ−Ｚ断面を表す模式断面図である。
【００１５】
図２（ａ）に示すように、半導体発光素子２０は、電極２７の上に接合層２９を介してマウントされる。接合層２９は、金属を含む。接合層２９は、例えば、Ｃｕ−Ｓｎ系、Ａｕ−Ｓｎ系あるいはＮｉ−Ｓｎ系のハンダ層である。また、接合層２９は、例えば、銀ペーストあるいは銀焼結ペーストを硬化させた層であっても良い。
【００１６】
半導体発光素子２０は、反射層１５に設けられた開口部１５ａの内部に配置される。開口部１５ａは、反射層１５の表面から電極２７に連通する。例えば、開口部１５ａの深さＤ１は、半導体発光素子２０の厚さＤ２よりも深い。
【００１７】
開口部１５ａの内部には、半導体発光素子２０を覆う第２樹脂層（以下、蛍光体層１９）が充填される。蛍光体層１９は、半導体発光素子２０の放射光を透過する基材と、半導体発光素子２０の放射光を吸収する蛍光体と、を含む。蛍光体は、半導体発光素子２０の放射光を吸収し、その波長とは異なる波長の光を放射する。基材は、例えば、シリコーン樹脂である。蛍光体は、例えば、黄色蛍光体、緑色蛍光体および赤色蛍光体の少なくともいずれか１つを含む。
【００１８】
例えば、開口部１５ａの内部に蛍光体層１９となる樹脂を充填した後、基材が硬化するまでの間、蛍光体は基材中を沈降する。したがって、蛍光体層１９の厚さを薄くすることにより、基材中の蛍光体の沈降を抑制し、蛍光体の含有率を均一化できる。例えば、半導体発光素子２０上の蛍光体層１９の厚さＤ３を、半導体発光素子２０の厚さＤ２よりも薄くすることが好ましい。また、半導体発光素子２０上の蛍光体層１９の厚さＤ３を、例えば、蛍光体の平均粒径の１０倍よりも薄くすることが好ましい。
【００１９】
また、開口部１５ａの側壁と、半導体発光素子２０の側面と、の間の間隔ＷＳを狭くすることが望ましい。これにより、例えば、ドームレンズ１７の表面で反射された戻り光が開口部１５ａの側壁で反射され、半導体発光素子２０の内部、例えば、基板において吸収される割合を低減できる。開口部１５ａは、例えば、間隔ＷＳが半導体発光素子の厚さＤ２よりも狭くなるように形成される。
【００２０】
半導体発光素子２０は、電極２７とは反対側の表面にｎ側電極３１とｐ側電極３３とを有する。ｎ側電極３１は、金属ワイヤ３５を介して電極２３に電気的に接続される。ｐ側電極３３は、金属ワイヤ３７を介して電極２５に電気的に接続される。金属ワイヤ３５は、反射層１５に設けられた開口部１５ｂの底面において電極２３にボンディングされる。金属ワイヤ３７は、反射層１５に設けられた開口部１５ｃの底面において電極２５にボンディングされる。開口部１５ｂは、電極２３に連通し、開口部１５ｃは、電極２５に連通する。
【００２１】
図２（ｂ）に示すように、半導体発光素子２０は、導電性基板４０と、積層体５０と、を含む。導電性基板４０は、高い熱伝導率を有することが望ましい。導電性基板４０は、例えば、シリコンを含む。導電性基板４０は、例えば、シリコン基板である。導電性基板４０は、金属基板であっても良い。導電性基板４０は、第１表面４０ａと、第２表面４０ｂと、を有する。
【００２２】
積層体５０は、第１表面４０ａの側に設けられる。積層体５０は、例えば、ｎ形半導体層４３と、ｐ形半導体層４５と、発光層４７と、を含む。発光層４７は、ｎ形半導体層４３とｐ形半導体層４５との間に設けられる。積層体５０は、例えば、窒化ガリウム等の窒化物半導体を材料とする。積層体５０の側面には、パッシベーション膜４９が設けられる。パッシベーション膜４９は、例えば、シリコン酸化膜である。
【００２３】
積層体５０は、例えば、接合層５５および絶縁層５７を介して導電性基板４０に接合される。接合層５５は、例えば、金錫（ＡｕＳｎ）、ニッケル錫（ＮｉＳｎ）などのハンダ材を含む。積層体５０は、例えば、ｐ形半導体層４５を導電性基板４０に向けて接合される。実施形態は、この例に限定される訳ではなく、積層体５０は、ｎ形半導体層４３を導電性基板４０に向けて接合されても良い。絶縁層５７は、導電性基板４０および接合層５５から積層体５５を電気的に絶縁する。
【００２４】
さらに、第１表面４０ａの側には、ｎ側電極３１およびｐ側電極３３が設けられる。ｎ側電極３１は、ｎ形半導体層４３に電気的に接続される。ｎ側電極３１は、ｎ形半導体層４５に電気的に接続される。
【００２５】
この例では、ｎ側電極３１は、ｎ形半導体層４３の上に設けられる。ｎ形半導体層４３の上面、すなわち、発光層４７とは反対側の表面は、ｎ側電極３１が設けられる部分を除いて粗面化される。これにより、積層体５０からの光取り出し効率を向上させることができる。
【００２６】
絶縁層５７は、積層体５０と接合層５５との間に位置する。そして、積層体５０と絶縁層５７との間には、反射電極５１および保護層５３が設けられる。反射電極５１は、例えば、可視光に対する反射率が高い銀（Ａｇ）を含む。また、反射電極５１は、ｐ形半導体層４５に対してコンタクト抵抗を低くできる材料を用いる。保護層５３は、例えば、チタニウム、ニッケル、白金の少なくといずれか１つを含む金属層であり、ｐ形半導体層４５上において反射電極５１を覆う。また、保護層５３は、接合層５５の表面に沿って積層体５０の外側に延出した部分（延出部５３ｅ）を有する。ｐ側電極３３は、例えば、保護層５３の延出部５３ｅの上に設けられる。
【００２７】
絶縁層５７には、熱伝導率の高い絶縁材を用いることが好ましい。絶縁層５７には、例えば、酸化シリコン、窒化シリコン、リン・シリケートガラス（ＰＳＧ）およびボロン・リン・シリケートガラス（ＢＰＳＧ）などの無機材料を用いる。絶縁層５７は、例えば、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）、蒸着法およびスパッタ法などを用いて形成される。
【００２８】
一方、導電性基板４０の第２表面４０ｂの上には、金属層５９が設けられる。金属層５９は、例えば、ハンダ材に対して濡れ性の良い材料を用いる。金属層５９は、例えば、金（Ａｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、銀（Ａｇ）、パラジウム（Ｐｄ）などを含む。
【００２９】
絶縁層５７は、半導体発光素子２０の動作電圧よりも高い絶縁耐圧を有する。また、積層体５０の熱を導電性基板４０を介して金属層５９へ効率良く放散させることが好ましい。すなわち、絶縁層５７は、半導体発光素子２０の動作電圧よりも高い絶縁耐圧を有し、積層体５０から導電性基板４０を介して金属層５９へ流れる熱伝導を阻害しない厚さを有する。絶縁層５７のＺ方向における層厚は、例えば、１００ナノメートル〜３マイクロメートルの範囲にある。
【００３０】
図２（ａ）に示すように、半導体発光装置１では、半導体発光素子２０は、金属を含む接合層２９を介して電極２７の上にマウントされる。接合層２９は、半導体発光素子２０の裏面側の金属層５９と電極２７とに接する。積層体５０の熱は、接合層５５、導電性基板４０、絶縁層５７、金属層５９および接合層２９を介して電極２７に効率良く放散される。さらに、電極２７は、絶縁層５７により積層体５０から電気的に絶縁され、電極２３および２５からも電気的に絶縁されている。したがって、電極２７がヒートシンクに接するように半導体発光装置１を実装しても、半導体発光素子２０の駆動回路に影響しない。また、電極２７を介してヒートシンクに電流が漏れることもない。
【００３１】
このように、半導体発光装置１では、半導体発光素子２０をマウントした電極２７を電気的に絶縁し、さらに半導体発光素子２０の熱を効率良く放散させるように実装することが可能となる。
【００３２】
図３は、実施形態の変形例に係る半導体発光素子１００を表す模式断面図である。この例では、絶縁層５７は、導電性基板４０と金属層５９との間に設けられる。接合層５５は、導電性基板４０と保護層５３との間に設けられ、それぞれに接する。この場合も、絶縁層５７は、半導体発光素子２０の動作電圧よりも高い絶縁耐圧を有し、積層体５０から導電性基板４０を介して金属層５９へ流れる熱伝導を阻害しない厚さを有する。
【００３３】
図４は、実施形態に係る半導体発光装置１の保護素子３０を表す模式断面図である。図４（ａ）は、半導体発光装置１のＸ−Ｚ断面を表す模式断面図である。図４（ｂ）は、保護素子３０のＸ−Ｚ断面を表す模式断面図である。
【００３４】
図４（ａ）に示すように、保護素子３０は、反射層１５に設けられた開口部１５ｄにおいて、電極２７の上にマウントされる。保護素子３０は、電極２７とは反対側の上面に電極端子６１および６３を有する。電極端子６１は、金属ワイヤ６５を介して電極２３に電気的に接続される。電極端子６３は、金属ワイヤ６７を介して電極２５に電気的に接続される。金属ワイヤ６５は、反射層１５の開口部１５ｅの底面において、電極２３にボンディングされる。金属ワイヤ６７は、反射層１５の開口部１５ｆの底面において、電極２５にボンディングされる。開口部１５ｅは、電極２３に連通し、開口部１５ｆは、電極２５に連通する。
【００３５】
図４（ｂ）に示すように、保護素子３０は、例えば、ｎ形半導体層７５と、ｐ形半導体層７７および７９と、を有する。ｎ形半導体層７５は、第１表面７５ａと、第２表面７５ｂと、を有する。ｐ形半導体層７７および７９は、第１表面７５ａ側において、ｎ形半導体層７５の上に設けられる。ｎ形半導体層７５は、例えば、ｎ形シリコン基板でも良い。
【００３６】
保護素子３０は、電極端子６１および６３をさらに有する。電極端子６１は、ｐ形半導体層７７に電気的に接続され、電極端子６３は、ｐ形半導体層７９に電気的に接続される。さらに、ｎ形半導体層７５の第２表面７５ｂの上には、絶縁層８１が設けられる。したがって、電極２７は、保護素子３０から電気的に絶縁される。すなわち、半導体発光素子２０の駆動回路から電極２７を電気的に絶縁することができる。
【００３７】
上記の例に代えて、電極２３もしくは電極２５の上に保護素子をマウントすることも可能である。しかしながら、その場合は、電極３２および２５のいずれかと保護素子とを電気的に接続する金属ワイヤの長さが長くなる。このため、温度サイクルに起因する樹脂の収縮に対して、金属ワイヤの耐性が弱くなる。本実施形態では、保護素子３０を電極２７上にマウントすることにより、金属ワイヤ６５もしくは６７の長さを短縮し、そのルーピングを小さくすることができる。これにより、温度サイクルに対する金属ワイヤの耐性を向上させることができる。
【００３８】
なお、上記の例では、ｎ形半導体層７５を用いたが、実施形態はこれに限定される訳ではない。例えば、上記の保護素子３０においてｎ形とｐ形を逆転させても良い。
【００３９】
なお、本願明細書において、「窒化物半導体」とは、ＢｘＩｎｙＡｌｚＧａ１−ｘ−ｙ−ｚＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、０≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）の組成式で表されるIII−Ｖ族化合物半導体を含む。さらに、Ｖ族元素としては、Ｎ（窒素）に加えてリン（Ｐ）や砒素（Ａｓ）などを含有する混晶も含むものとする。また、上記の組成に加えて、導電型などの各種の物性を制御するために添加される各種の元素をさらに含むもの、及び、意図せずに含まれる各種の元素をさらに含むものも、「窒化物半導体」に含まれるものとする。
【００４０】
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】
【００４１】
１…半導体発光装置、  １０…樹脂パッケージ、  １３…ベース、  １３ａ…樹脂、  １５…反射層、  １５ａ〜１５ｆ…開口部、  １７…ドームレンズ、  １９…蛍光体層、  ２０、１００…半導体発光素子、  ２３、２５、２７…電極、  ２９、５５…接合層、  ３０…保護素子、  ３１…ｎ側電極、  ３３…ｐ側電極、  ３５、３７、６５、６７…金属ワイヤ、  ４０…導電性基板、  ４０ａ、７５ａ…第１表面、  ４０ｂ、７５ｂ…第２表面、  ４３、７５…ｎ形半導体層、  ４５、７７、７９…ｐ形半導体層、  ４７…発光層、  ４９…パッシベーション膜、  ５０…積層体、  ５１…反射電極、  ５３…保護層、  ５３ｅ…延出部、  ５７、８１…絶縁層、  ５９…金属層、  ６１、６３…電極端子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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