JP2005268641A - 発光ダイオードの形成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
発光ダイオードにおける従来技術の、熱放散性、光の遮断或は吸収などの問題を回避でき、歩留まり、電子伝導性、熱放散性と輝度が向上された発光ダイオードの形成方法を提供する。
【解決手段】
ダイオードのサファイアベース或は炭化珪素ベースの替わりに、物理的な方法或は化学的な方法で形成する金属層を永久ベースとして採用する。
【選択図】図２Ｄ

Description

本発明は、発光ダイオードの形成方法に関し、特に物理的な方法或は化学的な方法で金属ベースを形成するための発光ダイオードの形成方法に関する。

発光ダイオードの発光原理は、基本的に、半導体の特性を利用して光を発するというものである。伝統的な光源において、蛍光灯は放電によって発光するが、伝統的な電球は２千数百度に熱せられて発光する。よって、発光ダイオードの原理は、伝統的な蛍光灯及び電球の原理と異なり、発光ダイオードは冷光源（cold light）と言われる。発光ダイオードは、伝統的な蛍光灯及び電球と比較して、高耐久性、長寿命、軽量、低パワー消費、更に、水銀を使用しないなどの長所を有する。

発光ダイオードを構成する基本構造はPNダイオード（PN Diode）である。この構造は、P-エピタキシャル層（P-type epitaxial layer）、N-エピタキシャル層（N-type epitaxial layer）及び上記二つのエピタキシャル層に挿まれる活性層を含む。一般的に、発光ダイオードには、電流が両エピタキシャル層上にあるそれぞれのパッドを通して、入力される。図１Ａと図１Ｂに示すように、発光ダイオードでは、エピタキシャル層とベースの材料によって、エピタキシャル層上にある２つのパッドが同一の側にあったり、反対側にあったりする。以下に、GaN 系ダイオードの例をあげて、発光ダイオードの構造について述べる。GaN 系ダイオードのベースは、一般的に非導電体のサファイア（sapphire；Al₂O₃）或は導電体の炭化珪素（SiC）である。図１Ａは、GaN 系ダイオードベース４０がサファイアである構造を示す。サファイア・ベース４０上に、N-エピタキシャル層３０、活性層２０及びP-エピタキシャル層１０が順に形成される。N-エピタキシャル層３０は、表面の一部が露出される。パッド２５とパッド１５は別々にN-エピタキシャル層３０の露出表面とP-エピタキシャル層１０上に形成される。図１Ｂは、GaN 系ダイオードのベース５０が炭化珪素である構造を示す。N-エピタキシャル層３０、活性層２０及びP-エピタキシャル層１０は炭化珪素ベース５０上に、順に形成される。パッド１５とパッド２５は別々にP-エピタキシャル層１０の上表面と炭化珪素ベース５０の下表面に形成される。

しかし、上述の発光ダイオードの構造には、発光ダイオードの光がパッド２５及びパッド１５に遮断或は吸収されるという問題が存在する。部品メーカーは、発光ダイオードの明るさを増加するためのフリップチップ（Flip Chip）というパッケージ技術を使用する。図１Ｃはフリップチップ技術により形成された発光ダイオードを示す。この発光ダイオードの構造は、下から順番に、P-エピタキシャル層１０、活性層２０及びN-エピタキシャル層３０である。そして、ベース４０は最も上にある。発光ダイオードの光は、主にベース４０側から上向きに出る。このような発光ダイオードでは、ベース４０が透明であることにより、発光ダイオードの光を遮断或は吸収する問題を回避できる。フリップチップ技術による発光ダイオードは、よくサブマウント６０（Submount）に良好に粘着される。更に、反射層が下向きに発する光を上向きに反射するために形成される。サブマウント６０の材料として熱放散性のよい材料（例えば、金属）を選択すると、発光ダイオードの熱が容易に拡散する。そのため、フリップチップ技術による発光ダイオードは、熱放散性が更によくなることによって大電流に適合し、輝度が向上する。

伝統的なフリップチップ技術は、発光ダイオードのパッドとサブマウントを接続するために、ボンディング（bonding）技術を使用する。しかしながら、ボンディング工程の歩留まりがあまり高くない。よって、フリップチップ技術により二つのハンダ付け接続点数を有する発光ダイオードにおいて、歩留まりはあまり高くない。このため、伝統的なフリップチップ技術による発光ダイオードの製造コストは、高くなっている。

以上の通り、伝統的な発光ダイオードにおいては、熱放散、光の遮断或は吸収などの問題が存在する。また、フリップチップ技術による発光ダイオードにおいては、製造コストの削減が困難であるという問題がある。

上記問題点に鑑み、本発明の目的の一つは、発光ダイオード製作の歩留まりを上げ、新奇な発光ダイオードの形成方法を提供することにある。本発明の別の目的は、物理的な方法或は化学的な方法で形成する金属ベースにより、発光ダイオードの電子伝導性と熱放散性を高めることにある。本発明の他の目的は、輝度を増加するための反射層を形成することにある。

本発明は、発光ダイオードの形成方法を提供する。本発明の形成方法は、ハンダ付け接続点数を減らすことで発光ダイオード製作の歩留まりを上げるために、二つのパッドを発光ダイオードの反対側に別々に形成することを含む。

また、本発明の発光ダイオードの形成方法は、電子伝導性と熱放散性を高めるために、物理的な方法或は化学的な方法で金属層を永久ベースとして形成することを含む。

本発明に係る解決手段を更に具体的に説明すると、次の通りになる。

本発明の第１の態様は、臨時ベースを提供し、前記臨時ベース上にエピタキシャ ル層を形成するステップと、フォトリソグラフィで前記発光ダイオードのエピタキシャル層をエッチングして分割されたエピタキシャル層を形成するステップと、前記分割されたエピタキシャル層の上に反射層を形成するステップと、物理的な方法或は化学的な方法で、前記反射層上に金属層を永久ベースとして形成するステップと、前記臨時ベースを除去するステップと、前記臨時ベースを除去することで露出される前記分割されたエピタキシャル層の表面上にパッドを形成するステップと、機械的な力によって金属層を分離して個々の発光ダイオードチップを形成するステップと、を含むことを特徴とする発光ダイオードの形成方法である。

本発明の第２の態様では、第１実施態様において、前記金属層の厚さは、３０マイクロメートルである。

本発明の第３の態様では、第１実施態様において、前記発光ダイオードのチップの間にある前記金属層の厚さは、５マイクロメートルから３０マイクロメートルまでである。

本発明の第４の態様は、臨時ベースを提供し、前記臨時ベース上にエピタキシャ ル層を形成するステップと、前記エピタキシャ ル層上に反射層を形成するステップと、物理的な方法或は化学的な方法で、前記反射層上に金属層を永久ベースとして形成するステップと、フォトリソグラフィで前記発光ダイオードのエピタキシャル層、前記反射層及び前記金属層をエッチングして分割されたエピタキシャル層を形成するステップと、前記臨時ベースを除去するステップと、前記臨時ベースを除去することで露出される前記分割されたエピタキシャル層の表面上にパッドを形成するステップと、を含むことを特徴とする発光ダイオードの形成方法である。

本発明の第５の態様では、第４実施態様において、前記金属層の厚さは、３０マイクロメートルである。

本発明による発光ダイオードの形成方法は、電子伝導性及び熱放散性の高い金属を永久ベースとして形成することによって、発光ダイオードが大電流により操作できる。

また、本発明による発光ダイオードの形成方法は、金属永久ベースを物理的な方法或は化学的な方法で形成し、研磨(polishing)や切断加工(cutting)工程を要しないとともに、パッケージ工程において、発光ダイオードが１つのハンダ付け接続点数のみを有するため、製造工程の複雑さが低減され、歩留まりが向上するという効果を有する。

また、本発明による発光ダイオードの形成方法では、光を単一方向に発する反射層を形成するため、発光ダイオードの輝度を向上する効果を有する。

以下、本発明の幾つかの実施の形態を詳細に説明する。もっとも、本発明は、以下に詳細に記載する形態に加えて他の形態を含む幅広い範囲内において実施可能であり、本発明の範囲は、請求の範囲によってのみ規定され、それ以外のものに限定されるものではない、ということに留意されたい。

図中、各構成要素は寸法通りには描かれていない。本発明の記載を明確にして理解を容易にするために、本発明に直接関係しない部分の図示を省略し、関連する要素等は寸法的に誇張している場合がある。

本発明の本質は、伝統的なダイオードのサファイア（sapphire）ベース或は炭化珪素（SiC）ベースの替わりに、金属層を物理的な方法或は化学的な方法で永久ベースとして形成することである。よって、ベースの電子伝導性や熱放散性が増加し、本発明による発光ダイオードは大電流に適合する。また、パッドを反対側に形成し、パッケージ工程におけるハンダ付け接続点数が減少でき、発光ダイオード製作の歩留まりが高くなる。

上述の物理的な方法及び化学的な方法は電気メッキ、無電気メッキ（electroless plating）、あるいは化学気相蒸着法（chemical vapor deposition）や物理気相蒸着法（physical vapor deposition）である。これらの方法によれば、金属ベースの厚さが簡単に制御され、研磨(polishing)や切断加工(cutting)を要しないため、製造工程の複雑さが効果的に低減される。その上、発光ダイオードの光は、反射層を形成することにより同一の方向に導かれるので、発光ダイオードの輝度は大幅に増大する。

以下、本発明の本質に基づいて、本発明の発光ダイオードの形成方法を詳細に説明する。

図２Ａから図２Ｄまでは、本発明の好適な一実施の形態における発光ダイオードの形成ステップを示す。図２Ａに示すように、まず、臨時ベース１００には、発光ダイオードの本体を構成するエピタキシャル層１０５が形成される。次に、図２Ｂに示すように、エピタキシャル層１０５が、フォトリソグラフィでエッチングされ、分割されたエピタキシャル層１１０が形成される。そして、反射層１２０及び金属層１３０が順に分割されたエピタキシャル層１１０の上に形成される。金属層１３０は電気メッキで形成される。図２Ｃに示すように、分割されたエピタキシャル層１１０の間の金属層１３０の厚さは、金属層１３０が簡単に切断でりるように、５マイクロメートルから３０マイクロメートルまでである。
尚、臨時ベースの「臨時」とは、製造工程中にいったん配置され、その後除去されて、完成した発光ダイオードの構造中には残存していないことを表すための呼称である。そして、永久ベースの「永久」とは、臨時ベースの「臨時」の対概念であり、製造工程中に配置されるが、後に除去されないことを表すための呼称である。

図２Ｄに示すように、パッド１４０は、臨時ベース１００を除去することで露出される、分割されたエピタキシャル層１１０の表面上に形成される。最後に、機械的な力によって金属層を分離することで、個々の発光ダイオードチップが形成される。

図３Ａから図３Ｄまでは、本発明の別の実施の形態における発光ダイオードの形成ステップを示す。図３Ａに示すように、まず、臨時ベース１００上には、発光ダイオードのエピタキシャル層１０５、反射層１２０及び金属層１３０が順に形成される。金属層１３０は電気メッキで形成される。図３Ｂに示すように、発光ダイオードのエピタキシャル層１０５、反射層１２０及び金属層１３０は、フォトリソグラフィでエッチングされ、分割されたエピタキシャル層１１０が形成される。

図３Ｃに示すように、分割されたエピタキシャル層１１０が薄膜１５０に貼り付けられた後、臨時ベース１００が除去される。最後に、図３Ｄに示すように、パッド１４０が、臨時ベース１００を除去して露出された分割されたエピタキシャル層１１０の表面上に形成される。

本発明の形成方法で形成された発光ダイオードにおいては、反射層が発光ダイオード発する下向きの光を上向きに反射し、発光ダイオードの輝度が増加する。反射層の材料は、好ましくは、銀、アルミニウム、ルビジウム、白金、ハラジウム、ニッケル、タリウム、コバルト、金である。もっとも、金は青色光を吸収するので、発光ダイオードが青色発光ダイオード（例えば、窒化ガリウム発光ダイオード）である場合には、反射層を金で形成しないようにする必要がある。

金属層の材料は、好ましくは、銅や良好な熱放散性を持つ他の金属である。該金属層が発光ダイオードの熱を効率的に拡散するので、発光ダイオードの安定性、寿命が向上される。金属層の厚さは、好ましくは、３０マイクロメートルから１００マイクロメートルまでである

本発明による発光ダイオードにおいて、金属層がダイオードのサファイア（sapphire）ベース或は炭化珪素（SiC）ベースの替わりに、物理的な方法或は化学的な方法で永久ベースとして形成される。従って、ベースの電子伝導性や熱放散性が増加する。更に、本発明による発光ダイオードの形成方法において、パッケージする時、パッドを反対側に形成することにより、ハンダ付け接続点数が一つになり、ボンディング工程の歩留まりが高くなる。そして、金属ベースがよい熱放散性を持つことによって、この発光ダイオードは大電流に適合する。その上に、発光ダイオードの光が、反射層を形成することにより同一の方向に導かれ、発光ダイオードの輝度が大幅に増加する。

以上、特定の実施の形態について説明したが、特許請求の範囲によって規定される範囲から逸脱することなく、本願発明に従って当業者が様々な改変・変更を加えることができる。

従来技術の発光ダイオードの構造を示す図である。 従来技術の発光ダイオードの構造を示す図である。 従来技術の発光ダイオードの構造を示す図である。 本発明による一つの発光ダイオードの形成方法における形成ステップを説明する図である。 本発明による一つの発光ダイオードの形成方法における形成ステップを説明する図である。 本発明による一つの発光ダイオードの形成方法における形成ステップを説明する図である。 本発明による一つの発光ダイオードの形成方法における形成ステップを説明する図である。 本発明による別の発光ダイオードの形成方法における形成ステップを説明する図である。 本発明による別の発光ダイオードの形成方法における形成ステップを説明する図である。 本発明による別の発光ダイオードの形成方法における形成ステップを説明する図である。 本発明による別の発光ダイオードの形成方法における形成ステップを説明する図である。

符号の説明

１０ P-エピタキシャル層
１５ パッド
２０ 活性層
２５ パッド
３０ N-エピタキシャル層
４０ サファイア・ベース
５０ 炭化珪素ベース
６０ サブマウント
１００ 臨時ベース
１０５ 発光ダイオードのエピタキシャル層
１１０ 分割されたエピタキシャル層
１２０ 反射層
１３０ 金属層
１４０ パッド
１５０ 薄膜

Claims (5)

1. 臨時ベースを提供し、前記臨時ベース上にエピタキシャル層を形成するステップと、
   フォトリソグラフィで前記発光ダイオードのエピタキシャル層をエッチングして分割されたエピタキシャル層を形成するステップと、
   前記分割されたエピタキシャル層の上に反射層を形成するステップと、
   物理的な方法或は化学的な方法で、前記反射層上に金属層を永久ベースとして形成するステップと、
   前記臨時ベースを除去するステップと、
   前記臨時ベースを除去することで露出される前記分割されたエピタキシャル層の表面上にパッドを形成するステップと、
   機械的な力によって金属層を分離して個々の発光ダイオードチップを形成するステップと、
   を含むことを特徴とする発光ダイオードの形成方法。
2. 前記金属層の厚さは、３０マイクロメートルであることを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオードの形成方法。
3. 前記発光ダイオードのチップの間にある前記金属層の厚さは、５マイクロメートルから３０マイクロメートルまでであることを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオードの形成方法。
4. 臨時ベースを提供し、前記臨時ベース上にエピタキシャル層を形成するステップと、
   前記エピタキシャル層上に反射層を形成するステップと、
   物理的な方法或は化学的な方法で、前記反射層上に金属層を永久ベースとして形成するステップと、
   フォトリソグラフィで前記発光ダイオードのエピタキシャル層、前記反射層及び前記金属層をエッチングして分割されたエピタキシャル層を形成するステップと、
   前記臨時ベースを除去するステップと、
   前記臨時ベースを除去することで露出される前記分割されたエピタキシャル層の表面上にパッドを形成するステップと、
   を含むことを特徴とする発光ダイオードの形成方法。
5. 前記金属層の厚さは、３０マイクロメートルであることを特徴とする請求項４に記載の発光ダイオードの形成方法。
   

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