JP2005311364A - 発光装置とその製造方法、及びそれを利用した発光システム - Google Patents

発光装置とその製造方法、及びそれを利用した発光システム Download PDF

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Abstract

【課題】 構成が単純であり、全体サイズが減少し、かつ、集光及び放熱の効率が向上するように構成された発光装置とその製造方法、及びそれを利用した発光システムを提供する。
【解決手段】 発光装置１００は、第１電極１７及び第２電極１８を備える発光素子１０と、主面にキャビティ２０が形成され、前記発光素子１０が前記キャビティ２０の内部に装着され、前記発光素子１０と電気的に接続される半導体部材２１と、を含む。
【選択図】 図１

Description

本発明は、発光装置とその製造方法、及びそれを利用した発光システムに関し、特に、構成が単純であり、全体サイズが減少し、かつ、集光及び放熱の効率が向上するように構成される発光装置とその製造方法、及びそれを利用した発光システムに関する。
近来、従来は単純に信号表示装置として使用されてきた発光素子に対して、様々なシステムの多様な波長及びエネルギーを有する光源としての可能性が研究されている。現在主に使用されている発光素子は、レーザーダイオード(Laser Diode: ＬＤ)と発光ダイオード(Light Emitting Diode: ＬＥＤ)があり、ＬＤは、光通信分野における光源として使用され、ＬＥＤは、一般の表示装置だけでなく、照明装置やＬＣＤディスプレイ装置のバックライトとして応用されるなど、その適用領域が次第に多様になってきている。
特に、ＬＥＤは、比較的低い電圧で駆動が可能である反面、高いエネルギー効率を有するため、発熱が低くて寿命が長いという長所がある。また、従来不可能であったＬＥＤを利用した高輝度の白色光の具現技術が開発されることにより、ＬＥＤは現在使用されている大部分の照明装置に代える夢の技術として期待されている。
図１４は、一般の発光ダイオード(ＬＥＤ)の断面図である。
図１４に示すように、サファイアまたはｎ−ＧａＡｓなどの透明基板１１の上部に順次に、バッファー層１２、ｎ−接触(n-contact)層１３、活性層１４及びｐ−接触層１５を化学気相蒸着技法(chemical vapor depositionmethod)によって蒸着し、リソグラフィー工程(lithography process)及び湿式／乾式エッチング方法(dry/wet etchingprocess)によってｎ−接触層１３が露出されるようにメサ(MESA)エッチングを行なう。また、前述したように形成された構造物の上部に優れた光透過性を有するように構成された電流拡散層１６を蒸着した後、電極が形成される部分をパターニングする。次に、露出されたｐ−接触層１５及びｎ−接触層１３にそれぞれｐ−電極１７とｎ−電極１８を形成する。ここで、活性層１４の上下部にｐ−クラッド層とｎ−クラッド層をさらに形成することもできる。
このように構成されたＬＥＤは、前記ｐ−電極１７及びｎ−電極１８に電圧を印加することで発光する。ここで、ＬＥＤの発光原理は、電圧が印加されると、前記ｐ−電極１７及びｎ−電極１８に正孔及び電子が注入され、活性層１４において正孔と電子が再結合しつつ光を外部に放出することである。
このＬＥＤ及びこれと類似構造のＬＤは、光を外部に放出する過程で熱が発生するが、この熱が素子に蓄積されると、素子の特性が劣化し、寿命が短縮するなどの問題点が発生する。従って、最近、光通信や照明灯に使用されるＬＥＤ及びＬＤなどのな発光素子には、それらに合わせて設計されたサブマウント及び放熱板が適用されている。
図１４のような構造を有するＬＥＤは電極を有する平面形サブマウントに接合された後、ワイヤーボンディング(wire bonding)技法によってサブマウント上に形成された電極パターンと前記ＬＥＤの電極が連結される。次に、前記サブマウントの下部に放熱板がさらに接合されると、発光素子から発生する熱を効果的に放出することができる。
しかしながら、一般の平面形サブマウントの場合、基板の厚さを所定厚さ以下に減らすと、物理的に弱くなるため、所定厚さ以上を維持するようになり、それによって発光素子から発生する熱が厚いサブマウントを経て放熱板に伝達されるので、素子の劣化が発生する。また、平面形サブマウントに発光素子を接合するので、発光素子の光が散乱するようになり、光の集束効率が低下するという問題点があった。
一方、最近の発光素子は、素子の安定性向上に対する研究も進行されているが、特に、信頼性が要求される装備に適用される発光素子の場合は、静電気及びサージ電圧が発光素子の電極側に流入することに備えるために、別途の電圧調整素子を発光素子に連結することで発光素子パッケージを構成する。即ち、発光素子の電極側に静電気やサージ電圧が印加されると、発光素子に過度な電流が流れるようになり、これによって、発光素子システムが破損する可能性があるため、ツェナーダイオード(zener diode)のような電圧調整素子を前記発光素子に並列に連結する。
前記ツェナーダイオードは、ツェナー降伏(zener breakdown)を利用する素子であり、ダイオードを製造するとき、不純物(impurity)の濃度が高すぎると、空乏層の幅が狭くなるので、小さい逆方向電圧によっても強い電界が発生する。該強い電界は、格子の共有結合を切って多数の自由電子及び正孔を生成する。結局、ツェナーダイオードは、抵抗を小さくさせ、電圧の変化なしに急激な逆方向電流が流れるようにする。従って、所定降伏電圧を有するツェナーダイオードを発光素子の電極と逆方向に並列連結すると、瞬間的に高い静電気やサージ電圧が流入されても安定的な電圧を維持するようになり、よって、発光素子システムが受ける衝撃を緩和させることができる。
しかしながら、従来には、発光素子を平面形サブマウント及び放熱板に接合した後、別途の結線過程によって前記ツェナーダイオードのような定電圧素子を連結して１つの発光素子パッケージを製造するため、素子の構成が難しくなり、それに伴う費用が上昇し、製品の収率が低下するという問題点があった。
また、多数の発光素子からなる発光装置を構成する場合、多数の定電圧素子を別途に連結すべきであるので、その構造が複雑になり、また工程が難しくなり、あわせて、それに伴う多くの費用が発生するという問題点があった。
上記の問題点を解決するために提案された本発明の目的は、構成が単純であり、全体サイズが減少し、かつ、集光及び放熱の効率が向上するように構成された発光装置とその製造方法、及びそれを利用した発光システムを提供することにある。
このような目的を達成するために、本発明による発光装置は、第１電極及び第２電極を備える発光素子と、主面にキャビティが形成され、前記発光素子が前記キャビティの内部に装着され、前記発光素子と電気的に接続される半導体部材と、を含む。
また、本発明による発光システムは、第１電極と第２電極を備える発光素子と、主面にキャビティが形成され、前記発光素子が前記キャビティの内部に装着され、前記発光素子と電気的に接続される半導体部材と、を含み、前記半導体部材は、主面に前記第１及び第２電極とそれぞれ電気的に接続される少なくとも２つの半導体領域が備えられる電圧調整ダイオードである発光装置と、前記発光装置が装着され、前記第１、第２電極及び前記半導体領域と電気的に接続される１対のリードフレームを備えたステム部と、前記発光装置を密閉させるように前記ステム部を覆蓋するキャップ部と、を含む。
また、本発明による発光装置の製造方法は、半導体基板の主面にキャビティを形成する段階と、前記主面に少なくとも１つの不純物拡散領域を形成することで複数の半導体領域を形成する段階と、前記主面の全体に絶縁層を形成し、該絶縁層の一部に接触ホールをパターニングすることにより、前記複数の半導体領域のうち２つの領域を露出させる段階と、前記露出された２つの半導体領域と後から装着される発光素子とを電気的に接続させると共に、外部要素と電気的に接続するために、前記接触ホールを埋めるように前記キャビティの底面から側壁に沿って該側壁の上端から延長される前記主面まで延設される１対の連結電極を形成する段階と、前記１対の連結電極に前記発光素子を連結することで、前記発光素子を前記キャビティの内部に配置する段階と、を含む。
本発明による発光装置において、発光素子の高さより深い深さを有するキャビティを半導体基板の主面に形成し、前記半導体基板の主面に前記発光素子の２つの電極と電気的に接続されるように不純物拡散半導体領域を含む少なくとも２つの半導体領域を形成することにより、前記半導体基板が、前記連結電極を通じて外部から流入される静電気やサージ電圧から発光素子を保護する電圧調整ダイオードとしての役割をすることが可能になる。それだけでなく、前記発光素子がキャビティの内部に装着されるため、発光装置の全体的なサイズが非常にコンパクトになるという効果がある。
また、前記発光素子が位置する前記キャビティの側壁に反射部を形成することにより、前記発光素子から放出される光をより効果的に集束することができるため、光出力の効率が向上するという効果がある。
また、前記発光素子が装着されるキャビティの底面部の厚さを薄くすることができるため、前記発光素子から発生する熱が熱伝逹係数の高いシリコン材質の半導体基板及びそれに接合された発熱部材を通じて外部に容易に発散されるという効果がある。
さらに、本発明の発光装置は、マイクロマシニング技術を利用してシリコンウエハー上において単一チップとしての製造が可能であるため、生産単価が減少し、大量生産が容易になるという効果がある。
以下、本発明による発光装置の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
本発明による発光装置の実施形態は多数存在することができ、以下は、最も望ましい実施形態に対して説明する。
図１は、本発明の第１実施形態による発光装置の断面図である。
図１に示すように、本発明の第１実施形態による発光装置１００は、第１電極１７及び第２電極１８を備える発光素子(light emitting element)１０と、主面(principal surface)にキャビティ２０が形成され、発光素子１０がキャビティ２０の内部に装着され、発光素子１０と電気的に接続される半導体部材２１(semiconductormember)と、を含む。
キャビティ２０は、発光素子１０から放出される光が他の素子に影響を及ぼすことを防止し、また、発光装置１００の全体サイズを最小化するように、発光素子１０の高さよりさらに深く形成されることが望ましい。
半導体部材２１は、シリコン材質から形成され、その主面に形成されたキャビティ２０の内部に発光素子１０を装着するためのサブマウントの役割を遂行し、さらに、該主面に発光素子１０の第１及び第２電極１７、１８とそれぞれ電気的に接続される少なくとも２つの半導体領域(semiconductor region)を備えることで、外部回路を通じて流入する過電圧(overvoltage)を安定化させる電圧調整ダイオード(voltageregulating diode)の役割を遂行する。
前記半導体領域は、キャビティ２０の側壁の上端から延長される前記主面に備えられる。即ち、前記主面においてキャビティ２０が形成されていない部分に半導体領域が形成される。
この半導体領域は、第１電極１７と電気的に接続され、前記主面の一部に不純物(impurity)がドープされることで形成された第１ｐタイプ半導体拡散領域(p-type semiconductordiffusion region)２３と、第２電極１８と電気的に接続され、前記主面の一部に不純物がドープされることで形成された第２ｐタイプ半導体拡散領域２４と、半導体部材２１から第１及び第２ｐタイプ半導体拡散領域２３、２４を除いた領域であるｎタイプ半導体領域２９と、から構成される。即ち、半導体部材２１は、ｐｎｐ接合２重しきいツェナーダイオード(pnpjunction double threshold zener diode)のような電圧調整素子の役割を遂行する。
一方、半導体部材２１の主面の全体には、発光素子１０の第１及び第２電極１７、１８と半導体領域２３、２４をそれぞれ電気的に接続する接触ホール２５ａが形成された絶縁層２５が形成される。この接触ホール２５ａは、キャビティ２０の側壁の上端から延長される半導体部材２１の主面上の絶縁層２５に形成され、接触ホール２５ａを通じて半導体領域２３、２４がそれぞれ外部に露出される。
また、絶縁層２５の上には、発光素子１０の第１及び第２電極１７、１８と半導体領域２３、２４をそれぞれ電気的に接続させると共に、外部要素(external component)と電気的に接続される１対の連結電極２６が備えられる。１対の連結電極２６は、それぞれキャビティ２０の底面から側壁に沿って主面の上部まで延設され、ここで、絶縁層２５は、半導体部材２１と連結電極２６との間の電気的通路を遮断する役割をする。
この絶縁層２５は、熱伝逹係数の大きいＡｌＮ、ＺｎＯ、ＢｅＯ、シリコン酸化物またはシリコン窒化物のうちいずれか１つから形成されることが望ましい。
ここで、第１及び第２電極１７、１８と１対の連結電極２６とは、それぞれ装着部２８を通じて電気的に接続され、該装着部２８は、Ａｎ−Ｓｎ、Ｉｎ、Ｐｂ、Ｐｂ−Ｓｎなどの電気的かつ構造的に連結電極２６と発光素子１０を連結し得る金属材質から形成される。
一方、発光素子１０から出る光を集束して光の強度及び密度を増加させるために、キャビティ２０の側壁に沿って反射板２７が形成される。この反射部２７は、Ａｌ、Ａｇのような反射係数の高い金属材質から形成されることが望ましい。
また、図１２に示すように、半導体部材２１の主面の反対面には発光素子１０から発生する熱を外部に伝達するために放熱部材２００が取り付けられることができる。この放熱部材２００は、銅または鉄のような金属から形成されることが望ましい。
一方、発光素子１０としては、例示された発光ダイオード(ＬＥＤ)だけでなく、レーザーダイオード(ＬＤ)などの他の発光素子を適用することもできる。
図２は、本発明の第２実施形態による発光装置の断面図である。本実施形態の説明中、第１実施形態と同一の構造及びそれに対する説明は省略する。
図２に示すように、接触ホール２５ａを通じて１対の連結電極２６と電気的に接続され、半導体部材２１の主面に形成された半導体領域は、発光素子１０の第１電極１７と電気的に接続され、前記主面の一部に不純物(impurity)がドープされることで形成されたｐタイプ半導体拡散領域(p-type semiconductor diffusionregion)２３と、発光素子１０の第２電極１８と電気的に接続され、半導体部材２１からｐタイプ半導体拡散領域２３を除いた領域であるｎタイプ半導体領域２９と、から構成される。即ち、１対の連結電極２６とそれぞれ電気的に接続される半導体領域のうち１つの領域のみをｐタイプ不純物拡散領域とすることによって、１対の連結電極２６のうち１つはｎタイプのシリコン材質から形成された半導体部材２１自体と接続されるようにする。このようにすることで、半導体部材２１は、ｐｎ接合ツェナーダイオード(pnjunction zener diode)のような電圧調整素子としての役割を遂行することが可能になる。
本発明の第１及び第２実施形態のように、半導体部材２１が電圧調整ダイオードの役割をするために、１対の連結電極２６と電気的に接続される複数の半導体領域がキャビティ２０の側壁の上端に延長される前記主面に形成される。しかしながら、この半導体領域は、キャビティ２０の底面に形成されることも可能である。
図３は、本発明の第３実施形態による発光装置の断面図である。
図３に示すように、絶縁層４７の接触ホール４７ａを通じて１対の連結電極２６と電気的に接続される半導体領域は、連結電極２６のうち１つを通じて第１電極１７と電気的に接続され、キャビティ２０の底面にドープされることで形成されたｐタイプ半導体拡散領域４８と、他の１つの連結電極２６を通じて第２電極１８とキャビティ２０の底面で電気的に接続され、半導体部材２１からｐタイプ半導体拡散領域４８を除いた領域であるｎタイプ半導体領域２９と、から構成される。このようにすることで、半導体部材２１は、ｐｎ接合ツェナーダイオードのような電圧調整素子としての役割を遂行することが可能になる。
一方、キャビティ２０の底面に形成された半導体領域がそれぞれ露出されるように絶縁層４７に接触ホール４７ａが形成される。ここで、接触ホール４７ａを埋めるように形成された１対の連結電極２６を通じて半導体領域４８、２９と前記発光素子１０が電気的に接続される。
図４は、本発明の第４実施形態による発光装置の断面図である。
図４に示すように、半導体部材２１に備えられる半導体領域は、連結電極２６のうち１つを通じて第１電極１７と電気的に接続され、キャビティ２０の底面にドープされることで形成された第１ｐタイプ半導体拡散領域４８と、他の１つの連結電極２６を通じて第２電極１８と電気的に接続され、キャビティ２０の底面にドープされることで形成された第２ｐタイプ半導体拡散領域４９と、半導体部材２１から第１及び第２ｐタイプ半導体拡散領域４８、４９を除いた領域であるｎタイプ半導体領域２９と、から構成される。このようにすることで、半導体部材２１は、ｐｎｐ接合２重しきいツェナーダイオード(pnp junction double threshold zener diode)のような電圧調整素子としての役割を遂行することが可能になる。このときも、第３実施形態と同様に、キャビティ２０の底面に位置する絶縁層４７に、接触ホール４７ａが第１及び第２ｐタイプ半導体領域４８、４９と対応するように形成される。
図５は、本発明の第５実施形態による発光装置の断面図である。
図５に示すように、半導体部材２１に備えられる複数の半導体領域として、ｐ−ウェル(p-well)とｎ−ウェル(n-well)がキャビティ２０の底面に形成されている。
即ち、前記半導体領域は、第１電極１７と電気的に接続される、半導体部材２１の主面の一部、つまり、キャビティ２０の底面にドープされることで形成されたｐタイプ半導体拡散領域５３と、ｐタイプ半導体拡散領域５３の一部分にドーピングされることで形成され、第２電極１８と電気的に接続されるｎタイプ半導体拡散領域５４と、から構成される。
図示されていないが、このｐ−ウェル及びｎ−ウェルから構成される半導体領域を半導体部材２１に形成するとき、本発明の第１及び第２実施形態において説明した通り、キャビティ２０の側壁の上端から延長される半導体部材２１の主面に具現することもできる。このようにｐ−ウェル及びｎ−ウェルを構成することで、半導体部材２１は、ｐｎ接合ツェナーダイオードのような電圧調整素子としての役割を遂行することが可能になる。
一方、半導体部材２１がｐｎ接合電圧調整ダイオードとして構成される場合、電圧調整ダイオードと発光素子１０は、電気的に並列連結されるべきであり、また、電気的に互いに対極(counter electrode)同士が接続されるべきである。
以下、前述したような本発明の複数の実施形態のうち、第１実施形態による発光装置の製造方法を説明する。
図６ないし図１１は、本発明の第１実施形態による発光装置の製造過程を示す。
発光素子としては、前述したように、発光ダイオードまたはレーザーダイオードを使用することができる。また、後述する製造工程は、シリコンウエハー上においてバッチ工程(batch process)によって行われる。
図示されたように、本発明の第１実施形態による発光装置の製造方法は、半導体基板の主面にキャビティを形成する段階と(図６及び図７)、前記主面に少なくとも１つの不純物拡散領域を形成することにより、複数の半導体領域を形成する段階と(図８)、前記主面の全体に絶縁層を形成し、該絶縁層の一部に接触ホールをパターニングすることで前記複数の半導体領域のうち２つの領域を露出させる段階と(図９)、前記露出された２つの半導体領域と後から装着される発光素子とを電気的に接続させると共に、外部要素(externalcomponent)と電気的に接続するために、前記接触ホールを埋めるように前記キャビティの底面から側壁に沿って該側壁の上端から延長される前記主面まで延設される１対の連結電極を形成する段階と(図１０)、１対の連結電極に前記発光素子を連結して前記発光素子を前記キャビティの内部に位置させる段階と(図１１)、を含む。
以下、前述した製造方法をより詳細に説明する。
まず、図６に示すように、後から接合される発光素子１０の高さより厚いシリコン材質の半導体基板２１の両面に化学気相蒸着(chemical vapor deposition: ＣＶＤ)方法などによって、湿式エッチング中に使用されるマスク層２２を形成する。その後、リソグラフィー工程(lithographyprocess)及びエッチング工程によって半導体基板２１の主面の一部が露出されるようにマスク層２２をパターニングする。
次に、図７に示すように、マスク層２２のパターンにより露出された半導体基板２１の主面に湿式エッチングを利用したバルクマイクロマシニング技術によりキャビティ２０を形成する。ここで、キャビティ２０の深さは、キャビティ２０の内部に位置される発光素子１０と隣接した他の素子との干渉を防止し、発光素子１０が装着されるキャビティ２０の底面の厚さを薄くすることで発光素子１０から発生する熱が容易に外部に拡散されるようにするために、後から接合される発光素子１０の高さより深くするべきである。
次に、図８に示すように、キャビティ２０の側壁の上端から延長される主面に第１ｐタイプ不純物拡散領域２３と第２ｐタイプ不純物拡散領域２４を形成することで、半導体基板２１が電圧調節ダイオードの役割をすることになる。
次に、図９に示すように、キャビティ２０が形成された半導体基板２１の主面の全体に絶縁層２５を形成し、絶縁層２５の一部をエッチングして接触ホール２５ａを形成することにより、第１及び第２ｐタイプ不純物拡散領域２３、２４の一部分を露出させる。その後、絶縁層２５の上部に第１及び第２ｐタイプ不純物拡散領域２３、２４と電気的に接続されると共に、キャビティ２０の底面から側壁に沿って延設される１対の連結電極２６をパターニングする。連結電極２６は、図示されたように、半導体基板２１の主面の上部まで延設されることにより、後から接合される発光素子１０の各電極１７、１８と第１及び第２のｐタイプ不純物拡散領域２３、２４とと電気的に接続させると共に、外部回路と接続される連結パッドとしての役割をする。
ここで、絶縁層２５は、スパッタリング(sputtering)工程やこのエバポレイション(evaporation)工程のような薄膜蒸着方法を利用して、ＡｌＮ、ＺｎＯまたはＢｅＯのうちいずれか１つの物質から形成される。しかしながら、絶縁層２５は、シリコン酸化膜またはシリコン窒化膜などの絶縁膜で形成されることも可能である。
また、１対の連結電極２６は、絶縁層２５の上に金属膜を形成した後、リフトオフ(lift-off)工程を利用してパターニングされることが望ましく、金属膜エッチング工程を利用してパターニングされることもできる。
次に、図１０に示すように、連結電極２６の上面にキャビティ２０の側壁に沿って反射係数の高い金属からなる反射部２７を形成し、発光素子１０の接合のためにキャビティ２０の底面に形成された連結電極２６の一部に装着部２８を形成する。
外部電極２６を反射係数の高い金属を使用して形成する場合は、反射部２７を形成しなくても構わないが、別途の反射部２７を形成することにより、発光素子１０から放出される光をより効率的に集光することが望ましい。
また、装着部２８は、リフトオフ工程を通じて形成されることが望ましく、Ａｎ−Ｓｎ、ＩｎＰｂ、Ｐｂ−Ｓｎなどの電気的かつ構造的に連結電極２６と発光素子１０を接続し得る金属であればいずれでも可能である。
次に、図１１に示すように、シリコンウエハー上に複数個が形成された前記構造物をダイシング工程を通じて単一チップとして分離する。その後、キャビティ２０の内部の連結電極２６の上に形成された装着部２８に発光素子１０をフリップチップボンディング方式によって接合することにより、本発明の第１実施形態による発光装置１００が製造される。
以下、本発明の第２ないし５実施形態による発光装置の製造方法に対して説明する。第１実施形態による発光装置の製造方法と異なるの部分のみを説明し、同一の部分に対する説明は省略する。
第２実施形態による発光装置の製造方法は、複数の半導体領域を形成する段階で、ｐタイプ不純物拡散領域２３をキャビティ２０の側壁の上端から延長される前記主面に１つのみを形成する。従って、以後、２つの半導体領域を露出させる段階で、ｐタイプ不純物拡散領域２３及びｎタイプのシリコン材質の半導体基板２１の一部が前記主面の上部に露出されるように絶縁層２５の接触ホール２５ａをパターニングする。
また、第３実施形態による発光装置の製造方法は、複数の半導体領域を形成する段階で、１つのｐタイプ不純物拡散領域のみがキャビティ２０の底面に形成される。従って、以後、２つの半導体領域を露出させる段階で、ｐタイプ不純物拡散領域４８とｎタイプの半導体基板２１の一部がキャビティ２０の底面に露出するように絶縁層４７の接触ホール４７ａをパターニングする。
一方、第４実施形態による発光装置の製造方法は、複数の半導体領域を形成する段階で、第１ｐタイプ不純物拡散領域４８と第２ｐタイプ不純物拡散領域４９がキャビティ２０の底面にそれぞれ形成される。従って、以後２つの半導体領域を露出させる段階で、第１ｐタイプ不純物拡散領域４８と第２ｐタイプ不純物拡散領域４９がキャビティ２０の底面にそれぞれ露出するように絶縁層４７の接触ホール４７ａをパターニングする。
また、第５実施形態による発光装置の製造方法は、複数の半導体領域を形成する段階で、ｐタイプ不純物拡散領域５３とｐタイプ不純物拡散領域５３の一部領域にドープされたｎタイプ不純物拡散領域５４がキャビティ２０の底面にそれぞれ形成される。従って、以後、２つの半導体領域を露出させる段階で、ｐタイプ不純物拡散領域５３とｎタイプ不純物拡散領域５４がキャビティ２０の底面にそれぞれ露出するように絶縁層４７の接触ホール４７ａをパターニングする。
また、第５実施形態の製造方法と同一の方法によって前記キャビティの側壁の上端から延長される前記半導体基板の主面にもｐタイプ不純物拡散領域と前記ｐタイプ不純物拡散領域の一部領域にドープされたｎタイプ不純物拡散領域を形成することが可能である。
一方、図１２は、上記の工程を通じて製造された発光装置１００の下部、即ち、発光素子１０が取り付けられた半導体基板２１の主面の反対面に放熱部材２００がさらに取り付けられた状態を示す。図１２に示すように、放熱部材２００と発光素子１０との間の半導体基板２１、即ち、キャビティ２０の底面部の厚さが薄いため、発光素子１０の動作によって発生する熱が半導体基板２１及び放熱部材２００を通じて容易に外部に拡散され、発光装置１００の劣化を防止することができる。
図１３は、本発明の一実施形態による発光装置を備えた発光システムが光通信装置５００、特に、光電子素子のパッケージ用としてよく使用されるＴＯ−ｃａｎに適用された構造を示す。
図１３に示すように、本発明の発光装置が適用された発光システム５００は、放熱部材２００が取り付けられた発光装置１００と、発光装置１００が取り付けられ、連結電極２６と電気的に接続される１対のリードフレーム３１０、３２０を備えたステム部３００と、発光装置１００を密閉させるようにステム部３００を覆蓋するキャップ部４００と、を含む。
即ち、発光装置１００に取り付けられた放熱部材２００を熱伝逹効率の高いステム部３００に接着剤などによって接合した後、電気的な外部接続のためにステム部３００に形成されたリードフレーム３１０、３２０と発光装置１００の上部に露出した連結電極２６とをワイヤーボンディング技法によって連結する。また、発光装置１００とワイヤーボンディングの結線を保護するために、レンズ(図示せず)または石英からなる透明ウィンドウ(図示せず)が形成されたキャップ部４００をかぶせてパッケージングすることで、本発明の発光装置が適用される発光システム５００が完成される。
本発明の第１実施形態による発光装置の断面図である。 本発明の第２実施形態による発光装置の断面図である。 本発明の第３実施形態による発光装置の断面図である。 本発明の第４実施形態による発光装置の断面図である。 本発明の第５実施形態による発光装置の断面図である。 本発明の第１実施形態による発光装置の製造工程図である。 本発明の第１実施形態による発光装置の製造工程図である。 本発明の第１実施形態による発光装置の製造工程図である。 本発明の第１実施形態による発光装置の製造工程図である。 本発明の第１実施形態による発光装置の製造工程図である。 本発明の第１実施形態による発光装置の製造工程図である。 放熱部材が適用された本発明の第１実施形態による発光装置の断面図である。 本発明の第１実施形態による発光装置が適用された発光システムの分解斜視図である。 一般的の発光ダイオードの断面図である。
符号の説明
１０：発光素子
２０：キャビティ
２１：半導体基板
２３、２４、４８、４９：不純物拡散領域
２５、４７: 絶縁層
２５ａ、４７ａ：接触ホール
２６：連結電極
２７：反射部
２８：装着部
２００：放熱部材
３００：ステム部
３１０、３２０：リードフレーム
４００：キャップ部

Claims (56)

  1. 第１電極及び第２電極を備える発光素子と、
    主面にキャビティが形成され、前記発光素子が前記キャビティの内部に装着され、前記発光素子と電気的に接続される半導体部材と、
    を含むことを特徴とする発光装置。
  2. 前記半導体部材が、主面に前記第１及び第２電極とそれぞれ電気的に接続される少なくとも２つの半導体領域を備える電圧調整ダイオードであることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
  3. 前記半導体領域が、
    前記第１電極と電気的に接続され、前記主面の一部にドープされることで形成されたｐタイプ半導体拡散領域と、
    前記第２電極と電気的に接続され、前記半導体部材から前記ｐタイプ半導体拡散領域を除いた領域であるｎタイプ半導体領域と、を含むことを特徴とする請求項２に記載の発光装置。
  4. 前記半導体領域が、
    前記第１電極と電気的に接続され、前記主面の一部にドープされることで形成された第１ｐタイプ半導体拡散領域と、
    前記第２電極と電気的に接続され、前記主面の一部にドープされることで形成された第２ｐタイプ半導体拡散領域と、
    前記半導体部材から前記第１及び第２ｐタイプ半導体拡散領域を除いた領域であるｎタイプ半導体領域と、を含むことを特徴とする請求項２に記載の発光装置。
  5. 前記半導体領域が、
    前記第１電極と電気的に接続され、前記主面の一部にドープされることで形成されたｐタイプ半導体拡散領域と、
    前記第２電極と電気的に接続され、前記ｐタイプ半導体拡散領域の一部にドープされることで形成されたｎタイプ半導体拡散領域と、を含むことを特徴とする請求項２に記載の発光装置。
  6. 前記半導体領域が、前記キャビティの底面に形成されることを特徴とする請求項２に記載の発光装置。
  7. 前記半導体領域が、前記キャビティの側壁の上端から延長される前記主面に備えられることを特徴とする請求項２に記載の発光装置。
  8. 前記主面の全体には、前記第１及び第２電極と前記半導体領域をそれぞれ電気的に接続するための接触ホールが形成された絶縁層が備えられることを特徴とする請求項２に記載の発光装置。
  9. 前記接触ホールが、前記キャビティの側壁の上端から延長される前記主面に備えられた前記絶縁層に形成され、該接触ホールを通じて前記第１及び第２電極と電気的に接続される前記半導体領域が露出されることを特徴とする請求項８に記載の発光装置。
  10. 前記接触ホールが、前記キャビティの底面に備えられた絶縁層に形成され、該接触ホールを通じて前記第１及び第２電極と電気的に接続される前記半導体領域が露出されることを特徴とする請求項８に記載の発光装置。
  11. 前記絶縁層上には、前記第１及び第２電極と前記半導体領域をそれぞれ電気的に接続させると共に、外部要素と電気的に接続する１対の連結電極が備えられることを特徴とする請求項８に記載の発光装置。
  12. 前記絶縁層が、ＡｌＮ、ＺｎＯ、ＢｅＯ、シリコン酸化物またはシリコン窒化物のうちいずれか１つから形成されることを特徴とする請求項８に記載の発光装置。
  13. 前記１対の連結電極が、それぞれ前記キャビティの底面から側壁に沿って前記主面の上部まで延設されることを特徴とする請求項１１に記載の発光装置。
  14. 前記第１及び第２電極と１対の連結電極が、それらの間に位置した装着部を通じて電気的に接続されることを特徴とする請求項１１に記載の発光装置。
  15. 前記装着部が、金属から形成されることを特徴とする請求項１４に記載の発光装置。
  16. 前記キャビティの深さが、前記キャビティの内部に装着された発光素子の高さより深いことを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
  17. 反射部が、前記キャビティの側壁に沿って備えられ、前記発光素子から出る光を集束させることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
  18. 前記電圧調整ダイオードと前記発光素子が電気的に並列連結されることを特徴とする請求項２に記載の発光装置。
  19. 前記電圧調整ダイオードと前記発光素子が、電気的に互いに対極同士が接続されることを特徴とする請求項２に記載の発光装置。
  20. 前記半導体部材が、シリコン材質から形成されることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
  21. 放熱部材が、前記半導体部材の主面の反対面に取り付けられ、前記発光素子から発生する熱を外部に伝達することを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
  22. 前記放熱部材が、銅または鉄のような金属から形成されることを特徴とする請求項２１に記載の発光装置。
  23. 前記発光素子が、発光ダイオードであることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
  24. 前記発光素子が、レーザーダイオードであることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
  25. 第１電極と第２電極を備えた発光素子と、
    主面にキャビティが形成され、前記発光素子が前記キャビティの内部に装着され、前記発光素子と電気的に接続される半導体部材と、を含み、
    前記半導体部材は、前記第１及び第２電極とそれぞれ電気的に接続される少なくとも２つの半導体領域が前記キャビティの側壁の上端から延長される前記主面に備えられる電圧調整ダイオードであることを特徴とする発光装置。
  26. 前記半導体領域が、
    前記第１電極と電気的に接続され、前記主面の一部にドープされることで形成されたｐタイプ半導体拡散領域と、
    前記第２電極と電気的に接続され、前記半導体部材から前記ｐタイプ半導体拡散領域を除いた領域であるｎタイプ半導体領域と、を含むことを特徴とする請求項２５に記載の発光装置。
  27. 前記半導体領域が、
    前記第１電極と電気的に接続され、前記主面の一部にドープされることで形成された第１ｐタイプ半導体拡散領域と、
    前記第２電極と電気的に接続され、前記主面の一部にドープされることで形成された第２ｐタイプ半導体拡散領域と、
    前記半導体部材から前記第１及び第２ｐタイプ半導体拡散領域を除いた領域であるｎタイプ半導体領域と、を含むことを特徴とする請求項２５に記載の発光装置。
  28. 前記半導体領域が、
    前記第１電極と電気的に接続され、前記主面の一部にドープされることで形成されたｐタイプ半導体拡散領域と、
    前記第２電極と電気的に接続され、前記ｐタイプ半導体拡散領域の一部にドープされることで形成されたｎタイプ半導体拡散領域と、を含むことを特徴とする請求項２５に記載の発光装置。
  29. 反射部が、前記キャビティの側壁に沿って備えられ、前記発光素子から出る光を集束させることを特徴とする請求項２５に記載の発光装置。
  30. 第１電極と第２電極を備えた発光素子と、
    主面にキャビティが形成され、前記発光素子が前記キャビティの内部に装着され、前記発光素子と電気的に接続される半導体部材と、を含み、
    前記半導体部材は、前記第１及び第２電極とそれぞれ電気的に接続される少なくとも２つの半導体領域が前記キャビティの底面に備えられる電圧調整ダイオードであることを特徴とする発光装置。
  31. 前記半導体領域が、
    前記第１電極と電気的に接続され、前記主面の一部にドープされることで形成されたｐタイプ半導体拡散領域と、
    前記第２電極と電気的に接続され、前記半導体部材から前記ｐタイプ半導体拡散領域を除いた領域であるｎタイプ半導体領域と、を含むことを特徴とする請求項３０に記載の発光装置。
  32. 前記半導体領域が、
    前記第１電極と電気的に接続され、前記主面の一部にドープされることで形成された第１ｐタイプ半導体拡散領域と、
    前記第２電極と電気的に接続され、前記主面の一部にドープされることで形成された第２ｐタイプ半導体拡散領域と、
    前記半導体部材から前記第１及び第２ｐタイプ半導体拡散領域を除いた領域であるｎタイプ半導体領域と、を含むことを特徴とする請求項３０に記載の発光装置。
  33. 前記半導体領域が、
    前記第１電極と電気的に接続され、前記主面の一部にドープされることで形成されたｐタイプ半導体拡散領域と、
    前記第２電極と電気的に接続され、前記ｐタイプ半導体拡散領域の一部にドープされることで形成されたｎタイプ半導体拡散領域と、を含むことを特徴とする請求項３０に記載の発光装置。
  34. 反射部が、前記キャビティの側壁に沿って備えられ、前記発光素子から出る光を集束させることを特徴とする請求項３０に記載の発光装置。
  35. 第１電極と第２電極を備える発光素子と、主面にキャビティが形成され、前記発光素子が前記キャビティの内部に装着され、前記発光素子と電気的に接続される半導体部材と、を含み、
    前記半導体部材は、
    主面に前記第１及び第２電極とそれぞれ電気的に接続される少なくとも２つの半導体領域が備えられる電圧調整ダイオードである発光装置と、
    前記発光装置が装着され、前記第１、第２電極及び前記半導体領域と電気的に接続される１対のリードフレームを備えたステム部と、
    前記発光装置を密閉させるように前記ステム部を覆蓋するキャップ部と、
    を含むことを特徴とする発光システム。
  36. 反射部が、前記キャビティの側壁に沿って備えられ、前記発光素子から出る光を集束させることを特徴とする請求項３５に記載の発光システム。
  37. 放熱部材が、前記半導体部材の主面の反対面に取り付けられ、前記発光素子から発生する熱を外部に伝達することを特徴とする請求項３５に記載の発光システム。
  38. 半導体基板の主面にキャビティを形成する段階と、
    前記主面に少なくとも１つの不純物拡散領域を形成することで複数の半導体領域を形成する段階と、
    前記主面の全体に絶縁層を形成し、該絶縁層の一部に接触ホールをパターニングすることにより、前記複数の半導体領域のうち２つの領域を露出させる段階と、
    前記露出された２つの半導体領域と後から装着される発光素子とを電気的に接続させると共に、外部要素と電気的に接続するために、前記接触ホールを埋めるように前記キャビティの底面から側壁に沿って該側壁の上端から延長される前記主面まで延設される１対の連結電極を形成する段階と、
    前記１対の連結電極に前記発光素子を連結することで、前記発光素子を前記キャビティの内部に配置する段階と、
    を含むことを特徴とする発光装置の製造方法。
  39. 前記複数の半導体領域を形成する段階で、１つのｐタイプ不純物拡散領域を前記キャビティの側壁の上端から延長される前記主面に形成することを特徴とする請求項３８に記載の発光装置の製造方法。
  40. 前記２つの半導体領域を露出させる段階で、前記ｐタイプ不純物拡散領域及びｎタイプの前記半導体基板の一部が前記主面に露出するように前記絶縁層の接触ホールをパターニングすることを特徴とする請求項３９に記載の発光装置の製造方法。
  41. 前記複数の半導体領域を形成する段階で、第１ｐタイプ不純物拡散領域及び第２ｐタイプ不純物拡散領域を前記キャビティの側壁の上端から延長される前記主面にそれぞれ形成することを特徴とする請求項３８に記載の発光装置の製造方法。
  42. 前記２つの半導体領域を露出させる段階で、前記第１ｐタイプ不純物拡散領域及び第２ｐタイプ不純物拡散領域が前記主面にそれぞれ露出するように前記絶縁層の接触ホールをパターニングすることを特徴とする請求項４１に記載の発光装置の製造方法。
  43. 前記複数の半導体領域を形成する段階で、ｐタイプ不純物拡散領域と前記ｐタイプ不純物拡散領域の一部領域にドープされるｎタイプ不純物拡散領域を前記キャビティの側壁の上端から延長される前記主面にそれぞれ形成することを特徴とする請求項３８に記載の発光装置の製造方法。
  44. 前記２つの半導体領域を露出させる段階で、前記ｐタイプ不純物拡散領域及びｎタイプ不純物拡散領域が前記主面にそれぞれ露出するように前記絶縁層の接触ホールをパターニングすることを特徴とする請求項４３に記載の発光装置の製造方法。
  45. 前記複数の半導体領域を形成する段階で、１つのｐタイプ不純物拡散領域を前記キャビティの底面に形成することを特徴とする請求項３８に記載の発光装置の製造方法。
  46. 前記２つの半導体領域を露出させる段階で、前記ｐタイプ不純物拡散領域とｎタイプの前記半導体基板の一部が前記キャビティの底面に露出するように前記絶縁層の接触ホールをパターニングすることを特徴とする請求項４５に記載の発光装置の製造方法。
  47. 前記複数の半導体領域を形成する段階で、第１ｐタイプ不純物拡散領域及び第２ｐタイプ不純物拡散領域を前記キャビティの底面にそれぞれ形成することを特徴とする請求項３８に記載の発光装置の製造方法。
  48. 前記２つの半導体領域を露出させる段階で、前記第１ｐタイプ不純物拡散領域及び第２ｐタイプ不純物拡散領域が前記キャビティの底面にそれぞれ露出するように前記絶縁層の接触ホールをパターニングすることを特徴とする請求項４７に記載の発光装置の製造方法。
  49. 前記複数の半導体領域を形成する段階で、ｐタイプ不純物拡散領域と前記ｐタイプ不純物拡散領域の一部領域にドープされるｎタイプ不純物拡散領域を前記キャビティの側壁の上端に延長される前記主面にそれぞれ形成することを特徴とする請求項３８に記載の発光装置の製造方法。
  50. 前記２つの半導体領域を露出させる段階で、前記ｐタイプ不純物拡散領域及びｐタイプ不純物拡散領域が前記キャビティの底面にそれぞれ露出するように前記絶縁層の接触ホールをパターニングすることを特徴とする請求項４８に記載の発光装置の製造方法。
  51. 前記キャビティが、バルクマイクロマシニング技術を利用して形成されることを特徴とする請求項３８に記載の発光装置の製造方法。
  52. 前記キャビティが、前記キャビティの内部に位置する前記発光素子の高さより深い深さを有するように形成されることを特徴とする請求項３８に記載の発光装置の製造方法。
  53. 前記キャビティの内部の１対の連結電極に発光素子を連結する段階で、前記発光素子が、フリップチップボンディング方式によって接合されることを特徴とする請求項３８に記載の発光装置の製造方法。
  54. 前記１対の連結電極を形成する段階以後、前記発光素子の接合のために前記キャビティの底面に形成された前記連結電極の一部に装着部を形成する段階をさらに含むことを特徴とする請求項３８に記載の発光装置の製造方法。
  55. 前記連結電極が形成された前記キャビティの側壁に反射部を形成する段階をさらに含むことを特徴とする請求項３８に記載の発光装置の製造方法。
  56. 前記発光素子を連結する段階以後、前記半導体基板の主面の反対面に放熱部材を取り付ける段階をさらに含むことを特徴とする請求項３８に記載の発光装置の製造方法。
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