JP2009194109A - 半導体発光素子とその製造方法および照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易かつ低コストに製造でき、かつ、発生した光を最大限の光量で出射する。
【解決手段】内面にリード電極６が形成された凹部２を有するパッケージカップ３と、該パッケージカップ３の凹部２内に配置された半導体発光チップ４とを備え、該半導体発光チップ４が、２層に積層された発光層８，９を有し、該発光層８，９のうち、パッケージカップ３から遠い側の発光層９が、近い側の発光層８を厚さ方向に貫通形成された貫通孔１０を介してリード電極６に電気的に接続されている半導体発光素子１を提供する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、半導体発光素子とその製造方法および照明装置に関するものである。

従来、半導体発光チップの表面とパッケージカップ内のリード電極とを接続するようにボンディングされるワイヤが、半導体発光チップから発生する光の光量を低下させる不都合を低減するために、多角形状の半導体発光チップの角部を通過するようにワイヤを配置した半導体発光装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００７−２７４３１号公報

しかしながら、特許文献１に開示される発光装置では半導体発光チップの位置決めおよびワイヤボンディング時のワイヤの配線軌道を厳密に調整する必要があり、調整作業に要する時間およびコストがかかり、また手直しに要する時間やコストもかかるなど、歩留まりが悪いという不都合がある。また、半導体発光チップから出射された光は、これを覆う樹脂内において乱反射されてから出射されるので、当該樹脂内にワイヤが存在する場合にはやはり出射される光の光量が低下するという不都合もある。

本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであって、簡易かつ低コストに製造でき、かつ、発生した光を最大限の光量で出射することができる半導体発光素子とその製造方法および照明装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
本発明は、内面にリード電極が形成された凹部を有するパッケージカップと、該パッケージカップの凹部内に配置された半導体発光チップとを備え、該半導体発光チップが、２層に積層された発光層を有し、該発光層のうち、パッケージカップから遠い側の発光層が、近い側の発光層を厚さ方向に貫通形成された貫通孔を介して前記リード電極に電気的に接続されている半導体発光素子を提供する。

本発明によれば、パッケージカップに近い側の発光層に貫通形成された貫通孔を介してパッケージカップから遠い側の発光層がパッケージカップの凹部内のリード電極に電気的に接続されるので、従来のボンディングワイヤのように２層の発光層間の発光部分を横切る部材を存在させずに済み、発生した光を最大限の光量で外部に出射させることができる。また、光を遮るワイヤを配線しないので、従来のように、半導体発光チップとワイヤとの相対位置関係を考慮して配線を行う必要がなく、半導体発光チップの位置決めやワイヤの配線軌道の調整のような煩雑な調整作業が不要であり、簡易かつ低コストに製造することができる。

上記発明においては、前記半導体発光チップが、ＳｉＣ基板を備えるとともに、前記２層の発光層が前記ＳｉＣ基板の表面に積層され、前記ＳｉＣ基板が、隣接する発光層と導通するとともに、前記パッケージカップの一方の前記リード電極に電気的に接続され、前記遠い側の発光層が、前記近い側の発光層および前記ＳｉＣ基板を厚さ方向に貫通形成された貫通孔を介して、他方の前記リード電極に電気的に接続されていてもよい。

このようにすることで、２層の発光層の内の１層については、導電性のＳｉＣ基板を介してパッケージカップの一方のリード電極に直接接続し、さらに簡易に製造することができる。

また、上記発明においては、前記ＳｉＣ基板の裏面が、金属粒子入りペースト層によって前記リード電極に接続されていてもよい。
また、上記発明においては、前記ＳｉＣ基板の裏面に絶縁層を挟んで設けられ、前記貫通孔を介して前記遠い側の発光層に電気的に接続する導電層が、金属粒子入りペーストによって前記リード電極に接続されていてもよい。
また、上記発明においては、前記リード電極とＳｉＣ基板の裏面および導電層との間に異方性導電膜または異方性導電ペーストが配置されていてもよい。

このようにすることで、導電性および熱伝導性の良好な金属粒子入りペーストや異方性導電膜あるいは異方性導電ペーストによってＳｉＣ基板の裏面側ほぼ全面をリード電極に接続させることができ、各発光層に接続する配線の電気抵抗を低減するとともに、発光層において発生した熱を外部に効率的に放散させることができる。

また、本発明は、ＳｉＣ基板の表面に２層の発光層を積層するステップと、該発光層、前記ＳｉＣ基板を貫通する貫通孔を形成するステップと、該貫通孔の内面および前記ＳｉＣ基板の裏面の一部に絶縁性の材料からなる絶縁層を形成するステップと、前記貫通孔および前記絶縁層の表面に、前記表面側の発光層に導通する導電性の材料からなる導電層を形成するステップと、内面にリード電極が形成されたパッケージカップの凹部内の別個のリード電極に、前記ＳｉＣ基板の裏面および前記導電層をそれぞれ電気的に接続するステップとを備える半導体発光素子の製造方法を提供する。

本発明によれば、ＳｉＣ基板および発光層を貫通する貫通孔を介して、表面側の発光層をパッケージカップの凹部内のリード電極に簡易に電気的に接続し、ワイヤボンディングを不要として、発光効率および消費電力の高い半導体発光素子を製造することができる。
絶縁層の形成方法としては、スパッタ法、蒸着法、印刷法あるいは絶縁薄膜貼付法等を挙げることができる。また、導電層の形成方法としては、スパッタ法、メッキ法、蒸着法、印刷法あるいは金属薄膜貼付法等を挙げることができる。

また、本発明は、上記いずれかの半導体発光素子を備える照明装置を提供する。
本発明によれば、半導体発光素子から最大限の光量の光を出射させるので、低消費電力で光量の大きな照明を行うことができる。

本発明によれば、簡易かつ低コストに製造でき、かつ、発生した光を最大限の光量で出射することができるという効果を奏する。

本発明の一実施形態に係る半導体発光素子１とその製造方法について、図１〜図３を参照して以下に説明する。
本実施形態に係る半導体発光素子１は、図１および図２に示されるように、凹部２を有するパッケージカップ３と、該パッケージカップ３の凹部２内に装着された半導体発光チップ４と、該半導体発光チップ４の表面全体を覆うように凹部２内にポッティングされた透明な絶縁性の樹脂５とを備えている。

パッケージカップ３の凹部２の内面には、リード電極６が設けられている。リード電極６はパッケージカップ３を貫通して外部まで引き出されている。
半導体発光チップ４は、図２に示されるように、ＳｉＣ基板７と該ＳｉＣ基板７の表面に積層形成されたｎ型半導体およびｐ型半導体の２層のガリウムナイトライド層（発光層）８，９とを備えている。ＳｉＣ基板７および２層のガリウムナイトライド層８，９には、厚さ方向に貫通する貫通孔１０が形成されている。貫通孔１０は、例えば、ＤｅｅｐＲＩＥ法（ボッシュプロセス）、サンドブラスト法により簡易かつ正確に形成することができる。

また、該貫通孔１０内面およびＳｉＣ基板７の裏面には、絶縁層１１と第１の導電層１２とが積層形成されている。また、上層のガリウムナイトライド層９の表面および貫通孔１０内の第１の導電層１２の表面には第２の導電層１３が形成されている。
絶縁層１１の形成方法としては、スパッタ法、メッキ法、蒸着法、印刷法あるいは絶縁薄膜貼付法等を挙げることができる。また、導電層１２，１３の形成方法としては、スパッタ法、メッキ法、蒸着法、印刷法あるいは金属薄膜貼付法等を挙げることができる。

ＳｉＣ基板７の裏面に形成された絶縁層１１および第１の導電層１２は、図３に示されるように、貫通孔１０の開口部の周囲を含むＳｉＣ基板７の裏面に部分的に平面状に広がっている。この第１の導電層１２は、ＳｉＣ基板７との間に形成された絶縁層１１によってＳｉＣ基板７に対して電気的に絶縁されている。一方、この第１の導電層１２は、貫通孔１０内に形成されている第１の導電層１２と一体的に形成され、電気的に導通している。
絶縁層１１および第１の導電層１２が形成されていない部分のＳｉＣ基板７の裏面には、前記裏面に形成された絶縁層１１および第１の導電層１２の総厚と同じ厚さの電極用導電層１５が前記導電層１２と電気的に絶縁して形成されている。

貫通孔１０内に形成されている第１の導電層１２は、貫通孔１０の内面との間に形成されている絶縁層１１によって、ＳｉＣ基板７および２層のガリウムナイトライド層８，９に対して電気的に絶縁されている。

上層のガリウムナイトライド層９の表面と貫通孔１０内の第１の導電層１２の表面に形成されている第２の導電層１３は、該第２の導電層１３に接触している上層のガリウムナイトライド層９および貫通孔１０内の第１の導電層１２に電気的に導通している。一方、第２の導電層１３は、貫通孔１０内に形成されている絶縁層１１によって、下層のガリウムナイトライド層８に対しては電気的に絶縁されている。

このような半導体発光チップ４は、図４に示されるように、（ａ）ＳｉＣ基板７上に２層のガリウムナイトライド層８，９を成長させたものに、（ｂ）貫通孔１０を形成し、（ｃ）ＳｉＣ基板７の裏面側から貫通孔１０内および裏面の一部に絶縁層１１を形成し、（ｄ）絶縁層１１の表面に第１の導電層１２を形成し、（ｅ）その後、上層のガリウムナイトライド層９の表面側からその表面および貫通孔１０内の第１の導電層１２の表面に第２の導電層１３を形成することにより製造される。

このようにして製造された半導体発光チップ４は、異方性導電膜１４を用いてパッケージカップ３の凹部２内面に形成されているリード電極６に電気的および機械的に接続されている。異方性導電膜１４は、パッケージカップ３の凹部２底面の半導体発光チップ４が設置される領域全域にわたって所定の厚さ寸法で形成されている。

半導体発光チップ４を異方性導電膜１４に押しつけることにより、半導体発光チップ４のＳｉＣ基板７の裏面に形成された電極用導電層１５および第１の導電層１２が、それぞれ別個のリード電極６に電気的に導通した状態に接着されている。異方性導電膜１４は、圧力の加わった方向のみに電気的に導通させ、それ以外の方向には絶縁状態が維持されるので、２層のガリウムナイトライド層８，９に別個のリード電極６を容易に電気的に接続することができる。

また、異方性導電膜１４の代わりに導電ペースト１４′を用いて電気的および機械的に接続することもできる。導電ペースト１４′を使用する場合には、前記ＳｉＣ基板７の裏面に形成された２カ所の電極が電気的にショートしないように、前記導電ペースト１４′を塗布し、図６に示すように基板７部分の導電ペースト１４′と、第１の導電層１２部分の導電ペースト１４′とは、隙間を空けて配置されることにより、相互に電気的に絶縁されている。

前記導電ペースト１４′に接続方法は比較的広い面積で面接触させた状態で電気的に接続させるようになっているため、半導体発光チップ４が発する熱をパッケージカップ３の下部へ効率的に放熱される。

半導体発光チップ４を覆う透明な樹脂５には蛍光物質が含有されている。蛍光物質としては、例えば、イットリウム・アルミニウムガーネット酸化物蛍光体や、ケイ酸塩蛍光体、あるいはユーロピウム賦活アルカリ土類金属シリケート系蛍光体などが挙げられる。蛍光体は、単独で用いてもよいし、２種以上を混合して用いてもよい。樹脂５としては、エポキシ樹脂またはシリコーン樹脂が挙げられる。また、樹脂５に代えて、ゾルゲルガラスを用いることにしてもよい。

このように構成された本実施形態に係る半導体発光素子１によれば、一方のリード電極６に加えた電圧は、異方性導電膜１４、電極用導電層１５、ＳｉＣ基板７を介して下層のガリウムナイトライド層８に加えられる。また、他方のリード電極６に加えた電圧は、異方性導電膜１４、第１の導電層１２および第２の導電層１３を介して上層のガリウムナイトライド層９に加えられる。これにより、２層のガリウムナイトライド層８，９間において発光する。

この場合に、上層のガリウムナイトライド層８とリード電極６とをワイヤによって接続しないので、発光した光がワイヤによって遮られることがなく、発光した光を最大限に出射させることができる。すなわち、発光した光を無駄なく利用でき、発光効率を向上し、消費電力が低く明るい照明装置（図示略）を構成することができる。

また、リード電極６とガリウムナイトライド層９とをワイヤによって接続しないので、ワイヤと周囲の樹脂５との間の熱膨張率の差に依存して、発光による発熱時にワイヤが破断してしまう不都合の発生を防止することができる。
また、リード電極６とガリウムナイトライド層９とをワイヤによって接続しないので、従来の半導体発光チップの角部を通過するようにワイヤを配線する場合のように、半導体発光チップ４の位置決めやワイヤの配線軌跡の厳密な制御が不要であり、簡易に製造することができるという利点がある。

また、本実施形態に係る半導体発光素子１によれば、半導体発光チップ４を銀ペースト１５および異方性導電膜１４によって、比較的広い面積でリード電極６に接続できる。その結果、以下の効果がある。

すなわち、本実施形態に係る半導体発光素子１は、２層のガリウムナイトライド層８，９の間から発光する際に発熱するが、その熱は、ＳｉＣ基板７を介してパッケージカップ３側に放散されていく。この場合に、ＳｉＣ基板７とパッケージカップ３との間が銀ペースト１５および異方性導電膜１４によって接触しているので、空気層を介することなく、広い放熱面積によって放熱を円滑に行うことができる。

また、図７に示すようにガリウムナイトライド層にバンプを設け、サファイア基板７′とガリウムナイトライド層とを反転させてバンプ電極１６をパッケージカップのリード電極に接続するフリップチップボンディングによってもワイヤによる配線をなくすことができる。しかしながら、この場合には半導体発光素子１を回路基板（図示略）に実装するリフローハンダ付けの際に加熱により、サファイア基板７′とガリウムナイトライド層との線膨張係数の相違によって基板からガリウムナイトライド層が剥離するという不都合がある。

これに対して、本実施形態によれば、ガリウムナイトライド層８，９は、熱伝導率の低いＳｉＣ基板７を介してパッケージカップ３内のリード電極６に接続されているので、リフローハンダ付けの際の熱がガリウムナイトライド層８，９に直接加わりにくく、剥離の不都合がないという利点がある。

なお、本実施形態においては、ガリウムナイトライド層８，９を成長させる基板として導電性を有するＳｉＣ基板７を採用したが、これに代えて、サファイア、ダイヤモンド、銅ダイヤモンド、ルビー、ＧａＮ、ＢｅＯ、ＺｎＯ、Ｓｉ、ＺｎＳ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｗ、ＡｌＮ等の単結晶または多結晶を採用してもよい。

また、本実施形態においては、ＳｉＣ基板７を備える半導体発光チップ４を例示したが、これに代えて、図５に示されるように、ガリウムナイトライド層８，９を形成後に基板を剥離したガリウムナイトライド層８，９からなる半導体発光チップ４′をパッケージカップ３の凹部２内に設置することにしてもよい。

この場合には、基板を剥離した後に、上記と同様にして、２層のガリウムナイトライド層８，９を貫通する貫通孔１０を形成し、貫通孔１０および下層のガリウムナイトライド層８の裏面の一部に絶縁膜１１および第１の導電層１２を形成し、上層のガリウムナイトライド層９の表面および貫通孔１０内に第１の導電層１１の表面に第２の導電層１３を形成する。そして、下層のガリウムナイトライド層８の裏面を直接パッケージカップ３の凹部２内の一方のリード電極６に電気的に接続し、上層のガリウムナイトライド層９については、貫通孔１０内に形成された第１の導電層１２および第２の導電層１３を介して他方のリード電極６に電気的に接続することにすればよい。

本発明の一実施形態に係る半導体発光素子を示す縦断面図である。 図１の半導体発光素子に備えられる半導体発光チップを異方性導電膜で接続した拡大縦断面図である。 図２の半導体発光チップを示す裏面図である。 図２の半導体発光チップの製造方法を示す工程図である。 図２の半導体発光チップの変形例を示す縦断面図である。 図１の半導体発光素子に備えられる半導体発光チップを導電ペーストで接続した縦断面図である。 ガリウムナイトライド層にバンプを設け、サファイア基板とガリウムナイトライド層とを反転させてバンプ電極をパッケージカップのリード電極に接続するフリップチップボンディング用半導体発光チップの一例を示す縦断面図である。

符号の説明

１ 半導体発光素子
２ 凹部
３ パッケージカップ
４，４′ 半導体発光チップ
５ 樹脂
６ リード電極
７ ＳｉＣ基板
７′サファイア基板
８，９ ガリウムナイトライド層（発光層）
１０ 貫通孔
１１ 絶縁層
１２ 第１の導電層（導電層）
１３ 第２の導電層（導電層）
１４ 異方性導電膜
１４′ 導電ペースト
１５ 電極用導電層
１６ バンプ電極

Claims (7)

1. 内面にリード電極が形成された凹部を有するパッケージカップと、
   該パッケージカップの凹部内に配置された半導体発光チップとを備え、
   該半導体発光チップが、２層に積層された発光層を有し、
   該発光層のうち、パッケージカップから遠い側の発光層が、近い側の発光層を厚さ方向に貫通形成された貫通孔を介して前記リード電極に電気的に接続されている半導体発光素子。
2. 前記半導体発光チップが、ＳｉＣ基板を備えるとともに、前記２層の発光層が前記ＳｉＣ基板の表面に積層され、
   前記ＳｉＣ基板が、隣接する発光層と導通するとともに、前記パッケージカップの一方の前記リード電極に電気的に接続され、
   前記遠い側の発光層が、前記近い側の発光層および前記ＳｉＣ基板を厚さ方向に貫通形成された貫通孔を介して、他方の前記リード電極に電気的に接続されている請求項１に記載の半導体発光素子。
3. 前記ＳｉＣ基板の裏面が、金属粒子入りペースト層によって前記リード電極に接続されている請求項２に記載の半導体発光素子。
4. 前記ＳｉＣ基板の裏面に絶縁層を挟んで設けられ、前記貫通孔を介して前記遠い側の発光層に電気的に接続する導電層が、金属粒子入りペーストによって前記リード電極に接続されている請求項２または請求項３に記載の半導体発光素子。
5. 前記リード電極とＳｉＣ基板の裏面および導電層との間に異方性導電膜または異方性導電ペーストが配置されている請求項４に記載の半導体発光素子。
6. ＳｉＣ基板の表面に２層の発光層を積層するステップと、
   該発光層、前記ＳｉＣ基板を貫通する貫通孔を形成するステップと、
   該貫通孔の内面および前記ＳｉＣ基板の裏面の一部に絶縁性の材料からなる絶縁層を形成するステップと、
   前記貫通孔および前記絶縁層の表面に、前記表面側の発光層に導通する導電性の材料からなる導電層を形成するステップと、
   内面にリード電極が形成されたパッケージカップの凹部内の別個のリード電極に、前記ＳｉＣ基板の裏面および前記導電層をそれぞれ電気的に接続するステップとを備える半導体発光素子の製造方法。
7. 請求項１から請求項５のいずれかに記載の半導体発光素子を備える照明装置。

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