JP6136701B2

JP6136701B2 - 発光装置

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Publication number: JP6136701B2
Application number: JP2013153799A
Authority: JP
Inventors: 康寛三木
Original assignee: Nichia Corp
Current assignee: Nichia Corp
Priority date: 2013-07-24
Filing date: 2013-07-24
Publication date: 2017-05-31
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Also published as: JP2015026646A; US9608167B2; US20150028381A1

Description

本発明は、発光装置に関する。

発光素子のパッド電極と実装電極とをＡｕワイヤを用いて接続する発光装置が知られている（特許文献１参照）。

特開２００９−０５４８６０号公報

しかしながら、発光装置の光取り出し効率を高めるためには、Ａｕワイヤよりも反射率が高いＡｇワイヤを用いることが好ましい。

そこで、本発明は、Ａｇワイヤを用いた光取り出し効率に優れる発光装置を提供することを目的とする。

本発明によれば、上記課題は、次の手段により解決される。すなわち、本発明は、発光素子のパッド電極と実装電極とがＡｇワイヤを用いて接続される発光装置であって、前記パッド電極は、前記Ａｇワイヤが接合される領域にＰｔを有することを特徴とする発光装置である。

本発明の実施形態に係る発光装置の模式的断面図である。一例である発光素子（その１）の模式図である。一例である発光素子（その２）の模式的断面図である。一例である発光素子（その３）の模式的断面図である。一例である発光素子（その４）の模式的断面図である。

以下に、添付した図面を参照しつつ、本発明を実施するための形態について説明する。

［発光装置］
図１は、本発明の実施形態に係る発光装置の模式的断面図である。

図１に示すように、本発明の実施形態に係る発光装置は、支持体１０と、実装電極２０と、支持体１０上に設けられる発光素子３０と、発光素子３０のパッド電極３４と実装電極２０とを接続するＡｇワイヤ４０と、発光素子３０及びＡｇワイヤ４０を封止する封止部材５０と、を備えた発光装置である。

以下、順に説明する。

（支持体１０）
支持体１０には、プリント基板や、樹脂パッケージなどを用いることができる。樹脂パッケージには発光素子３０を載置するための凹部を設けてもよい。

（実装電極２０）
実装電極２０には、各種の導電部材を用いることができる。実装電極２０にＡｇを用いれば、実装電極２０とＡｇワイヤ４０との接合強度を高めることができる。

実装電極２０は、支持体１０の表面側に設けられる。支持体１０をプリント基板とする場合は、ガラエポなどからなる母材に形成した導電性の薄膜を実装電極２０として用いることができる。この際、支持体１０に設けられた貫通孔１１（例：スルーホール）を介して、支持体１０の表面側に設けられている実装電極２０を支持体１０の裏面側に設けられている外部電極６０に接続してもよい。また、支持体１０を樹脂パッケージとする場合には、実装電極２０に例えばリードフレームを用いることができる。この場合、リードフレームは、例えば樹脂パッケージの凹部内から樹脂パッケージの側面側を通って樹脂パッケージの裏面側に引き回すことができる。

（Ａｇワイヤ４０）
Ａｇワイヤ４０には、Ａｇが１００％で構成されるワイヤのほか、Ａｇを主成分とするワイヤを用いることができる。Ａｇを主成分とするワイヤとは、Ａｇが５０％以上含まれているワイヤをいう。例えば、組成がＡｇ：８８％、Ｐｄ：８．５％、Ａｕ：３．５％であるワイヤは、Ａｇを主成分とするワイヤの一例である。

（封止部材５０）
封止部材５０には、例えばエポキシ樹脂やシリコーン樹脂などの発光装置の分野で利用される透光性の部材を用いることができる。封止部材５０には、ＴｉＯ_２やＳｉＯ_２などの光拡散部材や、緑色や黄色を発光するＹＡＧ系蛍光体やクロロシリケート蛍光体等のシリケート系蛍光体、赤色を発光する（Ｓｒ，Ｃａ）ＡｌＳｉＮ_３：Ｅｕ等のＳＣＡＳＮ系蛍光体、ＣａＡｌＳｉＮ_３：Ｅｕ等のＣＡＳＮ系蛍光体などの蛍光体部材などを含有させることができる。

（発光素子３０）
発光素子３０には、各種の半導体発光素子（例：発光ダイオード、半導体レーザ素子）を用いることができる。ただし、近紫外から青色領域の光（例えば波長３６０〜５００ｎｍ付近の光）を出射する発光素子を用いることが特に好ましい。Ａｇワイヤ４０は、これらの波長域に発光ピーク波長がある光に対して反射率が高いためである。

発光素子３０の一例としては、例えば、次に説明する発光素子（その１）、発光素子（その２）、発光素子（その３）及び発光素子（その４）などを挙げることができる。

［発光素子（その１）］
図２は、一例である発光素子（その１）の模式図である。図２中、（ａ）は（ｂ）中のＡ-Ａ断面図であり、（ｂ）は平面図である。

図２に示すように、発光素子（その１）は、基板３１と、基板３１上に形成される半導体層３２と、半導体層３２上に形成される透光性電極３３と、透光性電極３３上に形成されるパッド電極３４と、パッド電極３４の上面が露出するように半導体層３２と透光性電極３３とを覆う保護膜３５と、を備えている。

（基板３１）
基板３１には、サファイア基板やＣ面、Ｒ面、Ａ面のいずれかを主面とするサファイアやスピネル（ＭｇＡ１_２Ｏ_４）のような絶縁性基板、また炭化ケイ素（ＳｉＣ）、ＺｎＳ、ＺｎＯ、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ダイヤモンド、及び窒化物系半導体と格子接合するニオブ酸リチウム、ガリウム酸ネオジウム等の酸化物基板などを用いることができる。

（半導体層３２：ｎ型半導体層３２ａ、活性層３２ｂ、ｐ型半導体層３２ｃ）
半導体層３２は、ｎ型半導体層３２ａ、活性層３２ｂ、及びｐ型半導体層３２ｃなどを有している。ｎ型半導体層３２ａは、基板３１上に形成されており、活性層３２ｂは、ｎ型半導体層３２ａ上に形成されており、ｐ型半導体層３２ｃは、活性層３２ｂ上に形成されている。

このようなｎ型半導体層３２ａ、活性層３２ｂ、及びｐ型半導体層３２ｃの種類や材料は特に限定されるものではなく、例えば、ＩＩＩ-Ｖ族化合物半導体、ＩＩ-ＶＩ族化合物半導体等、種々の半導体を用いることができる。具体的には、例えばＩｎ_ＸＡｌ_ＹＧａ_１-Ｘ-ＹＮ（０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦１）等の窒化物系の半導体を用いることができ、より具体的には、例えばＩｎＮ、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＡｌＮ等を用いることができる。各層の膜厚及び層構造は、発光装置の分野で公知のものを利用することができる。

（透光性電極３３：ｐ側透光性電極３３ａ、ｎ側透光性電極３３ｂ）
透光性電極３３には、ｐ側透光性電極３３ａとｎ側透光性電極３３ｂとがある。ｐ側透光性電極３３ａは、ｐ型半導体層３２ｃ上に形成されており、ｎ側透光性電極３３ｂは、ｎ型半導体層３２ａ上に形成されている。

透光性電極３３には、導電性酸化物であるＺｎＯ，Ｉｎ_２Ｏ_３、ＳｎＯ_２、ＩＴＯ（ＩｎｄｉｕｍＴｉｎＯｘｉｄｅ：酸化インジウムスズ）などを用いることができる。

（パッド電極３４：ｐ側パッド電極３４ａ、ｎ側パッド電極３４ｂ）
パッド電極３４には、ｐ側パッド電極３４ａとｎ側パッド電極３４ｂとがある。ｐ側パッド電極３４ａは、ｐ側透光性電極３３ａ上に形成されており、ｎ側パッド電極３４ｂは、ｎ側透光性電極３３ｂ上に形成されている。Ａｇワイヤ４０は、パッド電極３４（ｐ側パッド電極３４ａ、ｎ側パッド電極３４ｂ）に接合される。

パッド電極３４は、Ａｇワイヤ４０に接合される領域にＰｔを有している。Ｐｔが１００％で構成されるパッド電極やＰｔとＰｔ以外の金属とを有するパッド電極や、後述する発光素子（その２）から（その４）が備えるパッド電極などは、Ａｇワイヤ４０が接合される領域にＰｔを有するパッド電極３４の一例である。

Ｐｔが１００％で構成されるパッド電極は、Ａｇワイヤ４０との接合性の点で優れている。

ＰｔとＰｔ以外の金属とを有するパッド電極は、透光性電極３３との接合強度や材料コストなどの点で優れている。なお、ＰｔとＰｔ以外の金属とを有するパッド電極において、Ｐｔ以外の金属は、Ａｇとの接合強度が損なわれない程度の量が含まれているものとすることができる。Ｐｔ以外の金属には、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｒｈ、Ａｕ、Ｒｕ、Ｗ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｔａ、Ａｇ、Ｃｒ、Ｈｆなどから適宜選択された金属などを用いることができる。

パッド電極３４の膜厚は、０．０５μｍ以上であることが好ましく、０．１μｍ以上であることがより好ましい。このようにすれば、たとえ異種材料であるＡｇワイヤ４０を接合する際に生じる応力（負荷）によってパッド電極３４が変形したとしても、下地（本発明の実施形態においては透光性電極）が露出しないため、高い接合強度と高い歩留まりとを両立することができる。ただし、製造時間や材料コストなどを考慮すると、パッド電極３４の膜厚は、２μｍ以下であることが好ましい。

図２（ｂ）に示すように、ｐ側パッド電極３４ａは、Ａｇワイヤ４０が接合される外部接続部３４ａ１と、外部接続部３４ａ１から延伸する延伸部３４ａ２と、を有する形状に構成することができる。延伸部３４ａ２の幅は、１μｍ以上２０μｍ以下であることが好ましく、５μｍ以上１０μｍ以下であることがさらに好ましい。この幅に形成すれば、半導体層３２から出射された光が延伸部３４ａ２によって遮られる程度を軽減することができる。

（保護膜３５）
保護膜３５には、ＳｉＯ_２やＳｉＮなどの絶縁材料を用いることができる。なお、ｐ側パッド電極３４ａの延伸部３４ａ２は、保護膜３５で被覆されていないことが好ましい。このようにすれば、保護膜３５で反射した光が戻り光として延伸部３４ａ２で吸収されてしまうことがないため、発光装置の光取り出し効率が向上する。

以上説明した発光素子（その１）によれば、Ａｇワイヤ４０に接合されるパッド電極３４上の領域がＰｔを有するものとされるところ、Ｐｔは、Ａｇとの接合強度に優れる材料であるのみならず、反射率にも優れる材料である。したがって、発光素子（その１）によれば、Ａｇワイヤ４０を用いた光取り出し効率に優れる発光装置を提供することができる。

［発光素子（その２）］
図３は、一例である発光素子（その２）の模式的断面図である。

図３に示すように、発光素子（その２）は、パッド電極３４（ｐ側パッド電極３４ａ、ｎ側パッド電極３４ｂ）が第１層３４１と第１層３４１上に形成された第２層３４２とを有する点で、発光素子（その１）と相違する。以下、相違する点を中心に説明する。

（第１層３４１）
第１層３４１は、Ｐｔよりも電気伝導率の高い金属材料を有する層である。この第１層３４１によれば、パッド電極３４におけるシート抵抗を下げることができるため、電流拡散の効果があり有用であり、特に、パッド電極３４が延伸部３４ａ２（図２（ｂ）参照）を有している場合などにおいて有用である。

Ｐｔよりも電気伝導率の高い金属には、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｒｈ、Ｍｏ、及びＷから選択される少なくとも一種の金属材料を用いることもできる。また、第１層３４１が有する金属材料はＴｉであってもよい。ただし、第１層３４１は、これらの材料に加えて、Ｐｔを有していてもよい。このようにすれば、パッド電極３４の反射率が高まり、発光装置の光取り出し効率を向上させることができる。

第１層３４１の膜厚は、１〜５ｎｍであることが好ましく、１〜２ｎｍ程度であることがより好ましい。このようにすれば、半導体層３２からの光が第１層３４１を透過するとともに、下地である透光性電極３３と第１層３４１との接触抵抗が下がるため、半導体層３２とパッド電極３４とのオーミック接触がとりやすくなる。なお、第２層３４２が部分的に露出する程度にまで第１層３４１を薄く形成すれば、第２層３４２に含まれるＰｔ（後述）が第１層３４１に拡散するため、透光性電極３３と第１層３４１との接触抵抗をさらに下げることができる。

（第２層３４２）
第２層３４２は、Ｐｔを有する層である。Ａｇワイヤ４０は、第２層３４２に接合される。

ｐ側パッド電極３４ａ（延伸部３４ａ２を有する場合）における第２層３４２の膜厚は、２．５μｍ以上５μｍ以下とするのが好ましい。このようにすれば、パッド電極３４のシート抵抗をより低下させることができる。

また、ｐ側パッド電極３４ａ（延伸部３４ａ２を有さない場合）における第２層３４２の膜厚、及びｎ側パッド電極３４ｂにおける第２層３４２の膜厚は、０．０５μｍ以上であるのが好ましく、０．１μｍ以上であるのがさらに好ましい。このようにすれば、第２層３４２にＡｇワイヤ４０を接合する際に第２層３４２が第１層３４１から剥離などすることを防止することができる。

ただし、ｐ側パッド電極３４ａ（延伸部３４ａ２を有さない場合）における第２層３４２の膜厚、及びｎ側パッド電極３４ｂにおける第２層３４２の膜厚は、２μｍ以下であるのが好ましく、１μｍ以下であるのがさらに好ましい。このようにすれば、発光装置の製造コスト及び製造時間を削減することができる。

以上説明した発光素子（その２）によれば、Ａｇワイヤ４０を用いた光取り出し効率に優れる発光装置において、パッド電極３４のシート抵抗を第２層３４２によって下げることができるため、Ａｇワイヤ４０から流れ込む電流を半導体層３２全体に拡散しやすくすることができる。

［発光素子（その３）］
図４は、一例である発光素子（その３）の模式的断面図である。

図４に示すように、発光素子（その３）は、パッド電極３４（ｐ側パッド電極３４ａ、ｎ側パッド電極３４ｂ）が第１層３４３と第１層３４３上に形成された第２層３４４とを有する点、およびｎ側パッド電極３４ｂとｎ型半導体層３２ａとの間に透光性電極３３ｂを有していない点で、発光素子（その１）と相違する。以下、相違する点を中心に説明する。

（第１層３４３）
第１層３４３には、Ｃｒが１００％で構成される層、Ｃｒを主成分とする層、又はＲｈを主成分としつつＣｒを有する層などを用いることができる。

Ｃｒを主成分とする層とは、Ｃｒが５０％以上含まれている層をいう。例えば、組成がＣｒ：９０％、Ｐｔ：１０％である層は、Ｃｒを主成分とする層の一例である。Ｃｒ１００％で構成される層やＣｒを主成分とする層によれば、パッド電極３４と透光性電極３３との接合強度を高めることができる。

また、Ｒｈを主成分としつつＣｒを有する層とは、Ｒｈを５０％以上含みつつＣｒを有する層をいう。例えば、組成がＣｒ：５％、Ｒｈ：９５％である層は、Ｒｈを主成分としつつＣｒを有する層の一例である。Ｒｈを主成分としつつＣｒを有する層によれば、Ｃｒによりパッド電極３４と透光性電極３３との接合強度を高めつつ、Ａｇワイヤ４０に反射率に優れたパッド電極３４を接合することができる。

第１層３４３の膜厚は、１〜５０ｎｍ程度であることが好ましく、１〜１０ｎｍ程度であることがさらに好ましい。このようにすれば、透光性電極３３とパッド電極３４との接合強度を高めることができる。

ただし、第１層３４３は、製造における膜厚のばらつきを考慮すると、３．０ｎｍ程度の膜厚を狙い目にして製造することが好ましい。

さらに、ｐ側パッド電極３４ａにおける第１層３４３の膜厚は、本発明の実施形態のようにｐ型半導体層３２ｃとの間に透光性電極３３を有する場合、ｐ側パッド電極３４ａと透光性電極３３とのコンタクト抵抗の低減を考慮し、９ｎｍ未満であることが好ましく、６ｎｍ以下とすることがより好ましく、４．５ｎｍ以下とすることがさらに好ましい。また、ｎ側パッド電極３４ｂにおける第１層３４３の膜厚は、ｎ側パッド電極３４ｂとｎ型半導体層３２ａとのコンタクト抵抗の低減を考慮し、１ｎｍ以上であることが好ましく、１．５ｎｍ以上であることがより好ましい。

（第２層３４４）
第２層３４４は、Ｐｔを有する層である。Ａｇワイヤ４０は、第２層３４４に接合される。

第２層３４４は、Ｐｔが第１層３４３に十分に拡散するよう、第１層３４３より薄くならないように形成することが好ましく、例えば、第１層３４３の厚さの１倍以上が好ましく、５倍以上がより好ましく、具体的には１０ｎｍ以上とすることが製造上においても制御し易く好ましい。ただし、１００ｎｍを超えて第２層３４４を厚くしても効果のさらなる向上は見込めず、却って歩留まりが低下するため、第２層３４４は、１００ｎｍ以下であることが好ましい。

第１層３４３と第２層３４４との界面近傍には、第２層３４４から第１層３４３へＰｔが拡散したことによるＣｒ−Ｐｔ合金層が形成されていることが好ましい。このようにすれば、第１層３４３と第２層３４４とが互いに密着して一体となるため、パッド電極３４と透光性電極３３との接合強度が向上する。

また、第２層３４４から第１層３４３へＰｔを拡散させるために、パッド電極３４は、第１層３４３、第２層３４４、及びその他の金属層が成膜された以後に熱処理を施されることが好ましい。

以上説明した発光素子（その３）によれば、Ａｇワイヤ４０を用いた光取り出し効率に優れる発光装置において、パッド電極３４のコンタクト抵抗を下げることができる。

［発光素子（その４）］
図５は、一例である発光素子（その４）の模式的断面図である。

図５に示すように、発光素子（その４）は、パッド電極３４（ｐ側パッド電極３４ａ、ｎ側パッド電極３４ｂ）が、発光素子（その３）における第２層３４４上に形成された第３層３４５と第３層３４５上に形成された第４層３４６とを有する点で、発光素子（その３）と相違する。なお、発光素子（その４）において、第２層３４４は、発光素子（その３）と同様にパッド電極３４と透光性電極３３との接合強度を高めると共に、第３層３４５が第１層３４３に拡散するのを抑制するためのものである。

（第３層３４５）
第３層３４５には、Ａｕが１００％で構成される層のほか、Ａｕを主成分とする層を用いることができる。Ａｕを主成分とする層とは、Ａｕが５０％以上含まれている層であって、Ｐｔよりも電気伝導率の高い材料が含まれている層をいう。Ｐｔよりも電気伝導率の高い材料には、Ｃｕ、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ、Ｒｈ、Ｍｏ、及びＷなどを用いることができる。

第３層３４５の膜厚は、０．１〜１μｍであることが好ましい。特に、１μｍ程度である場合は、発光装置の駆動電圧Ｖｆの上昇を抑制することができる。

第３層３４５は、Ｐｔよりも電気伝導率の高い金属材料を有する層である。この第３層３４５によれば、パッド電極３４のシート抵抗を下げることができるため、電流拡散の効果があり有用であり、特に、ｐ側パッド電極３４ａが延伸部３４ａ２（図２（ｂ）参照）を有している場合などにおいて有用である。

（第４層３４６）
第４層３４６には、Ｐｔが１００％で構成される層のほか、Ｐｔを主成分とする層を用いることができる。Ｐｔを主成分とする層とは、Ｐｔが５０％以上含まれている層をいう。

第４層３４６の膜厚は、０．０５〜１μｍであることが好ましく、０．１〜０．５であるのがより好ましい。このようにすれば、第４層３４６にＡｇワイヤ４０を接合する際に第４層３４６が第３層３４５から剥離などすることを防止することができる。

以上説明した発光素子（その４）によれば、Ａｇワイヤ４０を用いた光取り出し効率に優れる発光装置において、パッド電極３４のコンタクト抵抗を下げることができる。また、パッド電極３４のシート抵抗を第３層３４５によって下げることができるため、Ａｇワイヤ４０から流れ込む電流を半導体層３２全体に拡散しやすくすることができる。このため、発光素子（その４）によれば、発光素子（その３）と同程度の導電性を確保しつつ、発光素子（その３）よりもパッド電極３４を薄くすることができるため、発光装置の生産性を向上させることができる。

［実験結果］
材質が異なるパッド電極を備えた４枚のウェハを準備し、各パッド電極とＡｇワイヤとの接合性を確認した。各パッド電極は、いずれも５つの層を有しており、Ａｇワイヤは、５番目の層（第５層）の表面に接合した。表１中、「接合の成否」欄において、マル印は「接合された」ことを示し、バツ印は「接合されなかった」ことを示す。

表１で示されているとおり、Ａｇワイヤに接合される領域がＰｔを有する場合には、Ａｇワイヤをパッド電極に接合することができたが、Ａｇワイヤに接合される領域がＰｔを有さない場合には、Ａｇワイヤをパッド電極に接合することができなかった。したがって、Ａｇワイヤに接合される領域がＰｔを有する場合には、Ａｇワイヤとパッド電極との接合強度が高まることが理解される。

以上、本発明の実施形態について説明したが、これらの説明は、本発明の一例に関するものであり、本発明は、これらの説明によって何ら限定されるものではない。

１０支持体
１１貫通孔
２０実装電極
３０発光素子
３１基板
３２半導体層
３２ａｎ型半導体層
３２ｂ活性層
３２ｃｐ型半導体層
３３透光性電極
３３ａｐ側透光性電極
３３ｂｎ側透光性電極
３４パッド電極
３４１第１層
３４２第２層
３４３第１層
３４４第２層
３４５第３層
３４６第４層
３４ａｐ側パッド電極
３４ａ１外部接続部
３４ａ２延伸部
３４ｂｎ側パッド電極
３５保護膜
４０Ａｇワイヤ
５０封止部材
６０外部電極

Claims

発光素子のパッド電極と実装電極とがＡｇワイヤを用いて接続される発光装置であって、
前記発光素子は、
半導体層と、
前記半導体層上に形成される透光性電極と、
前記パッド電極と、を有し、
前記パッド電極は、
前記透光性電極上に形成されるＣｒを有する第１層と、
前記第１層上に形成されるＰｔを有する第２層と、を有し、
前記Ａｇワイヤは、前記パッド電極の第２層に接合される、
ことを特徴とする発光装置。
前記透光性電極は導電性酸化物であることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
前記第１層と前記第２層との界面近傍にはＣｒ−Ｐｔ合金層が形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の発光装置。
前記パッド電極は、前記Ａｇワイヤが接合される外部接続部と、前記外部接続部から延伸する延伸部と、を有することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の発光装置。