JP2006147679A - 集積型発光ダイオード、集積型発光ダイオードの製造方法、発光ダイオードディスプレイおよび発光ダイオード照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 熱抵抗の大幅な低減が可能な集積型発光ダイオードを提供する。
【解決手段】 基板上にｎ型ＧａＮ層１５、活性層１６およびｐ型ＧａＮ層１７を順次成長させ、このｐ型ＧａＮ層１７上に円形のｐ側電極１８を形成した後、このｐ側電極１８をマスクとしてｎ型ＧａＮ層１５、活性層１６およびｐ型ＧａＮ層１７をエッチングすることにより大きさが２０μｍ以下の微小発光ダイオードを形成する。次に、これらの微小発光ダイオードのｐ側電極１８上にヒートシンクとなる半導体基板２０の導電層２１を貼り合わせる。次に、基板を剥離した後、微小発光ダイオードのｎ型ＧａＮ層１５上に透明電極からなるｎ側電極２２を形成する。この後、微小発光ダイオードが形成された半導体基板２０をチップ化し、集積型発光ダイオードを得る。
【選択図】 図１１

Description

この発明は、集積型発光ダイオード、集積型発光ダイオードの製造方法、発光ダイオードディスプレイおよび発光ダイオード照明装置に関する。

従来、発光ダイオード（ＬＥＤ）においては、基板上にダイオード構造を構成する半導体層を成長させ、電極を形成した後、半導体層とともに基板を分離してチップ化し、このＬＥＤチップをヒートシンク上にマウントしていた。このＬＥＤチップの大きさは一般的に３００μｍ角程度である。

なお、特許文献１には、単一チップ内に互いに離間し独立した複数のｐｎ接合面を有するＬＥＤチップを放熱ベースに一体に取り付けることが開示されている。また、特許文献２には、サブピクセルがほぼ同一色の発光素子によって構成されている表示装置が開示されている。また、特許文献３には、同種の複数のＬＥＤを埋め込んだ面型発光体が開示されている。さらに、特許文献４には、同色に発光する複数の発光素子を備えた表示素子が開示されている。ただし、特許文献２〜４においては、ヒートシンクについては記載されていない。
特開平２−７４０８０号公報

特開２００３−３３２６３３号公報

特開２００２−１８５０４７号公報

特開２００３−５６７４号公報

しかしながら、上述の従来のＬＥＤにおいては、大きさが３００μｍ角程度と大きい発光ダイオードチップがヒートシンク上に搭載されるため、動作時の放熱は実質的にこの発光ダイオードチップの接触面を介してのみ行われ、熱抵抗が大きく、放熱が不十分であるという問題があった。
そこで、この発明が解決しようとする課題は、熱抵抗の大幅な低減が可能な集積型発光ダイオードおよびその製造方法ならびにこの集積型発光ダイオードを用いた高輝度の発光ダイオードディスプレイおよび発光ダイオード照明装置を提供することである。
この発明が解決しようとする他の課題は、発光効率が高い集積型発光ダイオードおよびその製造方法ならびにこの集積型発光ダイオードを用いた高輝度の発光ダイオードディスプレイおよび発光ダイオード照明装置を提供することである。

本発明者は、従来技術が有する上記の課題を解決すべく鋭意検討を行った結果、この発明を案出するに至った。その概要を説明すると次のとおりである。
すなわち、従来のＬＥＤにおいては、発光ダイオードチップ上の発光構造を構成する半導体層の厚さは通常１０μｍ程度であり、半導体層の横方向（チップ面に平行な方向）の大きさ（３００μｍ程度）に対する半導体層の厚さの比（アスペクト比）は非常に小さいが、これは光の取り出しの効率の観点からは好ましくない。これに対し、半導体層の横方向の大きさを半導体層の厚さに近づけることでこのアスペクト比を１に近い値にすることができれば、光取り出し効率の大幅な向上を図ることができる。それだけでなく、半導体層の横方向の大きさを例えば数十μｍ程度またはそれ以下とすることにより、半導体層に含まれる転位の数を大幅に減らすことができ、実質的に無転位とすることも可能である。このような転位が非常に少ない、あるいは無転位の半導体層により構成された微小なＬＥＤは、これまでにないものである。そして、この微小なＬＥＤをヒートシンク上に複数搭載し、そのＬＥＤ集合体を一つのＬＥＤとすることで、従来にない新たな集積型ＬＥＤを実現することができる。また、この集積型ＬＥＤによりハイパワーＬＥＤを構成する場合には、ヒートシンク上に必要な数の微小ＬＥＤを配列することで所望の光量を得ることができる。しかもこの場合、集積型ＬＥＤでは、複数の微小なＬＥＤがヒートシンク上に搭載されている結果、動作時に発生する熱をいわば三次元的に逃がすことができため、単体の大きなＬＥＤチップをヒートシンク上に搭載する従来のＬＥＤに比べて、発熱による温度上昇を低く抑えることが可能である。このため、ハイパワーＬＥＤで問題となる発熱の問題を解消することができる。さらに、この集積型ＬＥＤによれば、従来の３００μｍ角程度の単体のＬＥＤと同じ使用面積で、実質的に発光部の面積を大きくすることができるため、より面発光に近づけることも可能である。
この発明は、上記の検討に基づいて案出されたものである。

すなわち、上記課題を解決するために、第１の発明は、
大きさが２０μｍ以下の同種類の複数の微小発光ダイオードが一体のヒートシンク上に互いに分離された状態で搭載されてなることを特徴とする集積型発光ダイオードである。
ここで、複数の微小発光ダイオードは発光波長が互いに同一であり、特性も通常は同一である。これらの微小発光ダイオードは通常、同一プロセスで同時に形成される。これらの微小発光ダイオードは、典型的には円柱状の形状を有するが、六角形などの他の形状であってもよい。微小発光ダイオードは典型的には、第１導電型の第１の半導体層、活性層および第２導電型の第２の半導体層が順次積層された構造を有し、微小発光ダイオードが第１の半導体層側を下にしてヒートシンク上に搭載される。第１の半導体層は典型的にはこのヒートシンクと電気的に接続される。このヒートシンクとしては、例えばＧａＡｓ基板やＳｉ基板などの半導体基板が用いられるが、他のものを用いてもよい。このヒートシンクは典型的には一体のものであるが、場合によっては、複数のヒートシンクを接合するなどして一体化したものであってもよい。相互の電気的絶縁のため、複数の微小発光ダイオードの間の部分には、好適には、発光波長の光に対して透明な絶縁体が埋め込まれる。また、複数の微小発光ダイオードの第２の半導体層上には、典型的な一つの例では、透明電極層が形成される。この透明電極層は第２の半導体層と電気的に接続される。微小発光ダイオードを構成する第１の半導体層、活性層および第２の半導体層は転位を非常に少なくすることができ、実質的に無転位とすることができる。これは、微小発光ダイオードの大きさが２０μｍ以下と極めて小さいことにより可能となるものである。第１の半導体層と電気的に接続された第１の電極および第２の半導体層と電気的に接続された第２の電極を複数の微小発光ダイオードのヒートシンク側に有するようすることもある。この場合には、上記の透明電極は不要となる。

第１の半導体層、活性層および第２の半導体層を構成する半導体としては、基本的にはどのようなものを用いてもよいが、具体的には、例えば、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体やＡｌＧａＩｎＰ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体などである。窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は、最も一般的にはＡｌ_x Ｂ_y Ｇａ_1-x-y-z Ｉｎ_z Ａｓ_u Ｎ_1-u-v Ｐ_v （ただし、０≦ｘ＜１、０≦ｙ＜１、０≦ｚ＜１、０≦ｕ＜１、０≦ｖ＜１、０≦ｘ＋ｙ＋ｚ＜１、０≦ｕ＋ｖ＜１）からなり、より具体的にはＡｌ_x Ｂ_y Ｇａ_1-x-y-z Ｉｎ_z Ｎ（ただし、０≦ｘ＜１、０≦ｙ＜１、０≦ｚ＜１、０≦ｘ＋ｙ＋ｚ＜１）からなり、典型的にはＡｌ_x Ｇａ_1-x-z Ｉｎ_z Ｎ（ただし、０≦ｘ＜１、０≦ｚ＜１、０≦ｘ＋ｚ＜１）からなる。この窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の具体例をいくつか挙げると、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＮなどである。

微小発光ダイオードが赤色発光の場合、それは典型的にはＡｌＧａＩｎＰ系半導体層を活性層（発光層）とする発光ダイオードであり、微小発光ダイオードが緑色発光または青色発光の場合、それらは典型的にはＢ_x Ａｌ_y Ｇａ_1-x-y-z-u Ｉｎ_z Ｔｌ_u Ｎ系半導体層（ただし、０≦ｘ＜１、０≦ｙ＜１、０≦ｚ＜１、０≦ｕ＜１、０≦ｘ＋ｙ＋ｚ＋ｕ＜１）を活性層とする発光ダイオードである。

第２の発明は、
大きさが２０μｍ以下の三種類以上の複数の微小発光ダイオードが一体のヒートシンク上に互いに分離された状態で搭載されてなることを特徴とする集積型発光ダイオードである。

ここで、三種類以上の複数の微小発光ダイオードは発光波長が互いに異なり、通常は特性も異なる。これらの複数の微小発光ダイオードは、具体的には、例えば赤色発光の微小発光ダイオード、緑色発光の微小発光ダイオードおよび青色発光の微小発光ダイオードを含む。また、少なくとも一種類の微小発光ダイオードは典型的には第１導電型の第１の半導体層、活性層および第２導電型の第２の半導体層が順次積層された構造を有し、微小発光ダイオードが第１の半導体層側を下にしてヒートシンク上に搭載される。この少なくとも一種類の微小発光ダイオードの第１の半導体層は典型的にはヒートシンクと電気的に接続される。このヒートシンクは、一体のものであっても、複数のヒートシンクを接合するなどして一体化したものであってもよい。また、相互の電気的絶縁のため、複数の微小発光ダイオードの間の部分には、好適には全ての種類の微小発光ダイオードの発光波長の光に対して透明な絶縁体が埋め込まれる。

成長に用いる基板としては、発光ダイオードを構成する半導体層を良好な結晶性で成長させることが可能である限り、基本的にはどのような材料のものを用いてもよい。具体的には、赤色発光の発光ダイオードを構成するＡｌＧａＩｎＰ系半導体層の成長にはＧａＡｓ基板を用いるのが一般的である。緑色発光および青色発光の発光ダイオードを構成するＢ_x Ａｌ_y Ｇａ_1-x-y-z-u Ｉｎ_z Ｔｌ_u Ｎ系半導体層の成長には、サファイア（Ａｌ₂ Ｏ₃ ）（Ｃ面、Ａ面、Ｒ面を含む）、ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃを含む）、Ｓｉ、ＺｎＳ、ＺｎＯ、ＬｉＭｇＯ、ＧａＡｓ、ＭｇＡｌ₂ Ｏ₄ などからなる基板を用いることができる。より具体的には、例えば、Ｃ面を主面としたサファイア基板を用いることができる。ただし、ここで言うＣ面には、これに対して５〜６°程度まで傾いていて実質的にＣ面とみなすことができる結晶面も含むものとする。

微小発光ダイオードを構成する半導体層の成長方法としては、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）、ハイドライド気相エピタキシャル成長またはハライド気相エピタキシャル成長（ＨＶＰＥ）、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）などを用いることができる。
第２の発明においては、その性質に反しない限り、第１の発明に関連して説明したことが成立する。

第３の発明は、
大きさが２０μｍ以下の同種類の複数の微小発光ダイオードが一体のヒートシンク上に互いに分離された状態で搭載されてなる集積型発光ダイオードの製造方法であって、
基板上に第２導電型の第２の半導体層、活性層および第１導電型の第１の半導体層を順次成長させる工程と、
上記第１の半導体層上に第１の電極を形成する工程と、
上記第１の電極をマスクとして上記第２の半導体層、上記活性層および上記第１の半導体層をエッチングすることにより大きさが２０μｍ以下の複数の微小発光ダイオードを形成する工程と、
上記複数の微小発光ダイオードの上記第１の電極上にヒートシンクを貼り合わせる工程と、
上記基板を除去する工程と、
上記複数の微小発光ダイオードの上記第２の半導体層上に第２の電極を形成する工程とを有することを特徴とするものである。

ここで、第２の電極としては、典型的には透明電極が形成される。第２の電極を形成した後には、典型的には、複数の微小発光ダイオードが形成されたヒートシンクを所定形状にチップ化するが、場合によっては、チップ化しないでそのまま使用してもよい。好適には、複数の微小発光ダイオードを形成した後、第１の電極上にヒートシンクを貼り合わせる前に、これらの複数の微小発光ダイオードの間の部分に、発光波長の光に対して透明な絶縁体を埋め込む。
第３の発明においては、その性質に反しない限り、第１の発明に関連して説明したことが成立する。

第４の発明は、
大きさが２０μｍ以下の同種類の複数の微小発光ダイオードが一体のヒートシンク上に互いに分離された状態で搭載されてなる集積型発光ダイオードの製造方法であって、
基板上に第２導電型の第２の半導体層、活性層および第１導電型の第１の半導体層を順次成長させる工程と、
上記第１の半導体層上に第１の電極を形成する工程と、
上記第１の電極をマスクとして上記第２の半導体層、上記活性層および上記第１の半導体層をエッチングすることにより大きさが２０μｍ以下の複数の微小発光ダイオードを形成する工程と、
上記複数の微小発光ダイオードの上記第２の半導体層上に第２の電極を形成する工程と、
上記複数の微小発光ダイオードの上記第１の電極および上記第２の電極上にヒートシンクを貼り合わせる工程と、
上記基板を除去する工程とを有することを特徴とするものである。
第４の発明においては、その性質に反しない限り、第１および第３の発明に関連して説明したことが成立する。

第５の発明は、
赤色発光の発光ダイオード、緑色発光の発光ダイオードおよび青色発光の発光ダイオードを基板上にそれぞれ複数個配列することにより形成された発光ダイオードディスプレイにおいて、
上記赤色発光の発光ダイオード、上記緑色発光の発光ダイオードおよび上記青色発光の発光ダイオードのうちの少なくとも一種類の発光ダイオードが、大きさが２０μｍ以下の同種類の複数の微小発光ダイオードが一体のヒートシンク上に互いに分離された状態で搭載されてなる集積型発光ダイオードである
ことを特徴とするものである。
発光ダイオードを配列する基板としては種々のものを用いることができ、用途などに応じて最適なものが用いられるが、通常はこの基板を通して光が取り出されるようにするため、透明な導光板が用いられる。
第５の発明においては、その性質に反しない限り、第１および第３の発明に関連して説明したことが成立する。

第６の発明は、
赤色発光の発光ダイオード、緑色発光の発光ダイオードおよび青色発光の発光ダイオードを基板上にそれぞれ複数個配列することにより形成された発光ダイオード照明装置において、
上記赤色発光の発光ダイオード、上記緑色発光の発光ダイオードおよび上記青色発光の発光ダイオードのうちの少なくとも一種類の発光ダイオードが、大きさが２０μｍ以下の同種類の複数の微小発光ダイオードが一体のヒートシンク上に互いに分離された状態で搭載されてなる集積型発光ダイオードである
ことを特徴とするものである。
第６の発明においては、その性質に反しない限り、第１、第３および第５の発明に関連して説明したことが成立する。

上述のように構成されたこの発明においては、集積型発光ダイオードを構成する各微小発光ダイオードは大きさが２０μｍ以下と極めて小さいため、大きさが３００μｍ角程度と大きい単体の発光ダイオードチップをヒートシンク上に搭載する従来の発光ダイオードと異なり、動作時に発生する熱を各微小発光ダイオードからヒートシンクに伝導により迅速に逃がすことができ、全体としていわば三次元的に効率よく放熱を行うことができる。また、微小発光ダイオードを構成する半導体層の厚さも通常は１０μｍ程度であるため、微小発光ダイオードのアスペクト比を０．５程度またはそれ以上とすることができ、１により近づけることができ、光を取り出す上で有利である。

この発明によれば、熱抵抗が極めて低く、発光効率も高い集積型発光ダイオードを実現することができる。そして、この集積型発光ダイオードを用いて高輝度の発光ダイオードディスプレイおよび発光ダイオード照明装置を得ることができる。

以下、この発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、実施形態の全図において、同一の部分には同一の符号を付す。
まず、この発明の第１の実施形態による集積型ＬＥＤについて説明する。
図１〜図１１はこの集積型ＬＥＤの製造方法を示し、図１２は集積型ＬＥＤの完成状態を示す。ここで、図１〜図６および図１０〜図１２のＡは平面図、Ｂは断面図である。

図１に示すように、まず、例えば主面がＣ＋面であるサファイア基板１１を用意し、サーマルクリーニングなどによりその表面を清浄化した後、このサファイア基板１１上に例えば有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法により例えば成長温度１０００℃程度でＳｉドープのｎ型ＧａＮ層１２を所定の厚さ、例えば１μｍ程度に成長させる。次に、このｎ型ＧａＮ層１２をリソグラフィーおよび反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法などを用いたエッチングにより所定の幅およびピッチのストライプ形状に加工する。このエッチングはサファイア基板１１に達するまで行う。このストライプ形状のｎ型ＧａＮ層１２の幅は例えば１０μｍ、ピッチは例えば５０〜６０μｍである。

次に、図２に示すように、例えばＭＯＣＶＤ法により例えば成長温度１０７０℃程度でＳｉドープのｎ型ＧａＮ層１３を所定の厚さ、例えば１μｍ程度の厚さに成長させる。この場合、サファイア基板１１のＣ＋面上から成長が始まり、その部分が横方向成長することにより、基板全面にｎ型ＧａＮ層１３が成長する。隣接するストライプ形状のｎ型ＧａＮ層１２の中央部には成長層の会合部１４が形成される。このｎ型ＧａＮ層１３のうち、ストライプ形状のｎ型ＧａＮ層１２の側面と会合部１４との間の部分の結晶性は良好で、ほぼ無転位とすることができる。

次に、図３に示すように、ｎ型ＧａＮ層１３上に例えば厚さが３μｍ程度のＳｉドープのｎ型ＧａＮ層１５を成長させる。次に、ｎ型ＧａＮ層１５上に例えば厚さが２．５ｎｍのＩｎＧａＮからなる井戸層と例えば厚さが６ｎｍのＧａＮからなる障壁層とを交互に成長させて多重量子井戸（ＭＱＷ）構造の活性層１６を成長させる。この活性層１６の井戸数は例えば５〜２０とする。次に、この活性層１６上に必要に応じて劣化防止層としてアンドープＧａＮ層（図示せず）を成長させ、さらに、必要に応じてその上に電子阻止層としてＭｇドープのｐ型ＡｌＧａＮ層（図示せず）を成長させた後、その上にＭｇドープのｐ型ＧａＮ層１７を成長させる。ｐ型ＡｌＧａＮ層は、例えばＡｌ組成が０．１５で厚さが２０ｎｍである。次に、必要に応じて、ｐ型ＧａＮ層１７およびｐ型ＡｌＧａＮ層にドープされたＭｇを電気的に活性化するために熱処理を行う。

上記のＧａＮ系半導体層の成長原料は、例えば、Ｇａ原料としてはトリメチルガリウム（（ＣＨ₃ ）₃ Ｇａ、ＴＭＧ）、Ａｌ原料としてはトリメチルアルミニウム（（ＣＨ₃ ）₃ Ａｌ、ＴＭＡ）、Ｉｎ原料としてはトリメチルインジウム（（ＣＨ₃ ）₃ Ｉｎ、ＴＭＩ）を、Ｎ原料としてはＮＨ₃ を用いる。ドーパントについては、ｎ型ドーパントとしては例えばシラン（ＳｉＨ₄ ）を、ｐ型ドーパントとしては例えばビス＝メチルシクロペンタジエニルマグネシウム（（ＣＨ₃ Ｃ₅ Ｈ₄ ）₂ Ｍｇ）あるいはビス＝シクロペンタジエニルマグネシウム（（Ｃ₅ Ｈ₅ ）₂ Ｍｇ）を用いる。

次に、図４に示すように、ストライプ形状のｎ型ＧａＮ層１２の側面と会合部１４との間の部分のｐ型ＧａＮ層１７上に円形のｐ側電極１８を形成する。このｐ側電極１８はストライプ形状のｎ型ＧａＮ層１２の延在方向に所定ピッチで形成する。このｐ側電極１８の直径は例えば２０μｍ程度である。このｐ側電極１８としては、Ａｇ、Ｒｈなどの高反射材料、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｎｉなどのオーミック電極材料、Ｎｉ／Ａｇ／Ｎｉ多層金属膜やＮｉ／Ｐｔ／Ｎｉ多層金属膜などを用いることができる。

次に、図５に示すように、ｐ側電極１８をマスクとして例えばＲＩＥ法によりｎ型ＧａＮ層１３が露出するまでエッチングを行う。こうして、ｎ型ＧａＮ層１５、活性層１６およびｐ型ＧａＮ層１７が円柱状に加工される。この円柱部が一つのＧａＮ系ＬＥＤ（マイクロＧａＮ系ＬＥＤ）を構成する。
次に、図６に示すように、上記の円柱部の間の部分に発光波長の光に対して透明な透明絶縁材料１９を埋め込む。この透明絶縁材料１９は例えば透明樹脂などである。

次に、図７に示すように、ヒートシンクとなる、Ｓｉ基板やＧａＡｓ基板などの導電性の半導体基板２０の表面に、Ｃｕ、Ａｕ、Ｓｎ、Ｔｉ、Ｐｔなどやそれらの合金（ＡｕＳｎなど）などの導電層２１をコーティングしたものを別途用意し、その導電層２１を図６に示すサファイア基板１１上のｐ側電極１８と貼り合わせる。

次に、図８に示すように、サファイア基板１１の裏面側から例えばエキシマーレーザなどによるレーザビームを照射することにより、サファイア基板１１から、ｎ型ＧａＮ層１２、１３から上の部分を剥離する。
次に、図９に示すように、このようにしてサファイア基板１１から剥離されたもののｎ型ＧａＮ層１２、１３をＨＣｌなどを用いてウエットエッチングしたり、さらにラッピングを行ったりすることにより除去してｎ型ＧａＮ層１５の裏面を露出させる。この時点で各マイクロＧａＮ系ＬＥＤは相互に分離される。

次に、図１０に示すように、ｎ型ＧａＮ層１５および透明絶縁材料１９上に発光波長の光に対して透明な材料、例えばＺｎＯやインジウム−スズ酸化物（ＩＴＯ）などからなるｎ側電極２２を形成する。ｎ側電極２２を透明にするのは、このｎ側電極２２が光取り出し面となるためである。ｎ型ＧａＮ層１５の一部に例えばＴｉ／Ａｌ膜やＴｉ／Ａｕ膜などのパターンを形成し、その上にｎ側電極２２を形成するようにしてもよい。また、ｎ型ＧａＮ層１５および透明絶縁材料１９上にＮｉ、Ａｕ、ＮｉＯなどのオーミック電極材料を発光波長の光に対して透明な十分に小さい厚さ、例えば約５ｎｍの厚さに形成し、その上にｎ側電極２２を形成するようにしてもよい。また、ｎ側電極２２の一部にＴｉ／Ｎｉ膜のパターンを形成するようにしてもよい。

次に、図１１に示すように、ｎ側電極２２上にパッド電極２３を形成する。このパッド電極２３は、円柱状のマイクロＧａＮ系ＬＥＤ部を避けた部位のｎ側電極２２上に形成する。
次に、円柱状のマイクロＧａＮ系ＬＥＤが集積された半導体基板２０を図１１に示す１チップ領域の形状に切り出してチップ化する。これによって、図１２に示すように、複数の円柱状のマイクロＧａＮ系ＬＥＤがヒートシンクである半導体基板２０上に集積された集積型ＬＥＤチップが得られる。この集積型ＬＥＤチップの大きさは、従来のＬＥＤチップの大きさと同様に、３００μｍ程度またはそれ以下とすることができる。この集積型ＬＥＤチップに含まれるマイクロＧａＮ系ＬＥＤの個数は、その直径や配列ピッチにもよるが、例えば１０〜５０個程度である。

図示は省略するが、この集積型ＬＥＤは、通常の単体ＧａＮ系ＬＥＤと同様にＳｉ、ＡｌＮ、ダイヤモンドなどからなるサブマウント（Ｓｉサブマウントでは静電気放電（ＥＳＤ）防止用ツェナーダイオードを含むものなど）にマウントし、通常のＬＥＤパッケージのアノード端子およびカソード端子にそれぞれ配線をワイヤーボンディングし、さらに樹脂モールドまたはシリコーンなどでモールドし、必要に応じてさらにその上に集光用のレンズを取り付ける。一例を図１３に示す。図１３に示すように、ステム１０１上にサブマウント１０２を載せ、その上にこの集積型ＧａＮ系ＬＥＤチップ１０３をはんだを用いてマウントする。集積型ＧａＮ系ＬＥＤチップ１０３のパッド電極２３とステム１０１のカソード端子１０４とをワイヤ１０５によりボンディングするとともに、サブマウント１０２上に設けられ、集積型ＧａＮ系ＬＥＤチップ１０３のｐ側電極１８と電気的に接続されたパッド（図示せず）とステム１０１のアノード端子１０６とをワイヤ１０７によりボンディングする。カソード端子１０４およびアノード端子１０６はそれぞれリード１０８、１０９と接続されている。集積型ＧａＮ系ＬＥＤチップ１０３およびワイヤ１０５、１０７の全体を透明な樹脂１１０によりモールドする。樹脂１１０の屈折率は例えば１．５〜２である。

以上のように、この第１の実施形態によれば、例えば直径が２０μｍ程度の円柱状の形状を有し、発光波長および特性が同一のマイクロＧａＮ系ＬＥＤが複数個、ヒートシンクである同一の半導体基板２１上に搭載された集積型ＬＥＤを得ることができる。このマイクロＧａＮ系ＬＥＤは、活性層１６の材料などの選択により青色発光または緑色発光に構成することができ、それによって青色発光または緑色発光の集積型ＬＥＤを得ることができる。この集積型ＬＥＤにおいては、直径が２０μｍ程度と小さいマイクロＧａＮ系ＬＥＤがヒートシンク上に載っているため、大きさが３００μｍ角程度と大きい単体のＬＥＤチップがヒートシンク上に載っている従来のＬＥＤに比べて、熱抵抗の大幅な低減を図ることができる。また、マイクロＧａＮ系ＬＥＤのアスペクト比は０．５程度と従来に比べて大幅に高くすることができて光の取り出しの観点より好ましく、ひいては発光効率に優れた集積型ＬＥＤを得ることができる。

次に、この発明の第２の実施形態による集積型ＬＥＤについて説明する。
図１４〜図１６はこの集積型ＬＥＤの製造方法を示し、図１７は集積型ＬＥＤの完成状態を示す。ここで、図１４〜図１７のＡは平面図、Ｂは断面図である。
図１４に示すように、まず、例えば主面がＣ＋面であるサファイア基板１１を用意し、サーマルクリーニングなどによりその表面を清浄化した後、このサファイア基板１１上に例えばＭＯＣＶＤ法により例えば成長温度５００℃でＧａＮバッファ層（図示せず）を成長させる。その後、基板温度を１０００℃程度まで昇温してＧａＮバッファ層を結晶化し、その上に第１の実施形態と同様にｎ型ＧａＮ層１５、ＭＱＷ構造の活性層１６およびｐ型ＧａＮ層１７を成長させる。

次に、図１５に示すように、ｐ型ＧａＮ層１７上に円形のｐ側電極１８を形成する。このｐ側電極１８は一方向に所定ピッチで形成する。
次に、図１６に示すように、ｐ側電極１８をマスクとして例えばＲＩＥ法によりサファイア基板１１が露出するまでエッチングを行う。こうして、ｎ型ＧａＮ層１５、活性層１６およびｐ型ＧａＮ層１７が円柱状に加工される。この円柱部が一つのマイクロＧａＮ系ＬＥＤを構成する。
この後、第１の実施形態と同様に、上記の円柱部の間の部分に発光波長の光に対して透明な透明絶縁材料１９を埋め込む工程以降の工程を実行する。これによって、図１７に示すように、複数の円柱状のマイクロＧａＮ系ＬＥＤがヒートシンクである半導体基板２０上に集積された集積型ＬＥＤチップが得られる。
この第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様な利点を得ることができる。

次に、この発明の第３の実施形態による集積型ＬＥＤについて説明する。この集積型ＬＥＤは赤色発光のものである。
図１８〜図２０はこの集積型ＬＥＤの製造方法を示し、図２１は集積型ＬＥＤの完成状態を示す。ここで、図１８〜図２０のＡは平面図、Ｂは断面図である。
図１８に示すように、まず、ｎ型ＧａＡｓ基板２４を用意し、例えばＭＯＣＶＤ法により、まずｎ型ＧａＡｓバッファ層を成長させ、その上にｎ型ＡｌＧａＩｎＰ層２５、活性層２６およびｐ型ＡｌＧａＩｎＰ層２７を順次成長させる。ここで、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰ層２５およびｐ型ＡｌＧａＩｎＰ層２７は、例えば（Ａｌ_0.65Ｇａ_0.35）_0.5 Ｉｎ_0.5 Ｐからなる。また、活性層２６は例えばＧａ_0.5 Ｉｎ_0.5 Ｐからなる。ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ層２７上には通常、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層が形成されるが、その図示を省略する。

次に、図１９に示すように、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ層２７上に円形のｐ側電極１８を形成する。このｐ側電極１８は一方向に所定ピッチで形成する。
次に、図２０に示すように、ｐ側電極１８をマスクとして例えばＲＩＥ法によりｎ型ＧａＡｓ基板２４が露出するまでエッチングを行う。こうして、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰ層２５、活性層２６およびｐ型ＡｌＧａＩｎＰ層２７が円柱状に加工される。この円柱部が一つのマイクロＡｌＧａＩｎＰ系ＬＥＤを構成する。
次に、上記の円柱部の間の部分に発光波長の光に対して透明な透明絶縁材料１９を埋め込む。

次に、ヒートシンクとなる、Ｓｉ基板やＧａＡｓ基板などの導電性の半導体基板２０の表面に、Ｃｕ、Ａｕ、Ｓｎ、Ｔｉ、Ｐｔなどやそれらの合金（ＡｕＳｎなど）などの導電層２１をコーティングしたものを別途用意し、その導電層２１を図２０に示すｎ型ＧａＡｓ基板２４上のｐ側電極１８と貼り合わせる。
次に、ｎ型ＧａＡｓ基板２４をその裏面側からラッピングすることにより薄くした後、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰ層２５に対してｎ型ＧａＡｓ基板２４を選択的にエッチングすることができるエッチング方法を用いて残りのｎ型ＧａＡｓ基板２４をエッチング除去する。こうして、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰ層２５からｐ側電極１８までの部分が分離される。この時点で各マイクロＡｌＧａＩｎＰ系ＬＥＤは相互に分離される。

次に、第１の実施形態と同様にして、ｎ側電極２２の形成工程以降の工程を実行する。これによって、図２１に示すように、複数の円柱状のマイクロＡｌＧａＩｎＰ系ＬＥＤがヒートシンクである半導体基板２０上に集積された集積型ＬＥＤチップが得られる。
この第３の実施形態によれば、第１の実施形態と同様な利点を得ることができる。

次に、この発明の第４の実施形態による集積型ＬＥＤについて説明する。
図２２〜図２７はこの集積型ＬＥＤの製造方法を示し、図２８は集積型ＬＥＤの完成状態を示す。ここで、図２２〜図２４および図２８のＡは平面図、Ｂは断面図である。
この第４の実施形態においては、第１の実施形態と同様に工程を進めてｐ側電極１８の形成まで行った後、図２２に示すように、このｐ側電極１８をマスクとしてｎ型ＧａＮ層１３の厚さ方向の途中の深さまでエッチングを行い、ｎ型ＧａＮ層１５、活性層１６およびｐ型ＧａＮ層１７を円柱状に加工する。

次に、図２３に示すように、円柱部の外側の部分のｎ型ＧａＮ層１５上に例えば円形のｎ側電極２２を形成する。このｎ側電極２２としては、例えばＡｇやＡｇを主成分とする合金などからなるものを用いる。
次に、基板全面に例えばＳｉＯ₂ 膜を形成し、さらにこのＳｉＯ₂ 膜上にリソグラフィーにより所定形状のレジストパターンを形成した後、このレジストパターンをマスクとしてＳｉＯ₂ 膜をエッチングすることにより、一つのｐ側電極１８とそれに隣接する一つのｎ側電極２２とを含む長方形の区画に分けるように縦横に走る溝を形成する。次に、レジストパターンを除去した後、こうして溝が形成されたＳｉＯ₂ 膜をマスクとして例えばＲＩＥ法によりサファイア基板１１が露出するまでエッチングする。これによって、図２４に示すように、サファイア基板１１に達する溝２８が形成される。

次に、図２５に示すように、半導体基板２０の表面に、Ｃｕ、Ａｕ、Ｓｎ、Ｔｉ、Ｐｔなどやそれらの合金（ＡｕＳｎなど）などの導電層を形成し、この導電層をリソグラフィーおよびエッチングにより所定形状に加工することでｐ側電極１８と同じ形状および配列パターンの電極２９と互いに隣接するｎ側電極２２を含むストライプ状の電極３０とを形成し、さらにこれらの電極２９、３０上にはんだバンプ３１、３２を形成したものを別途用意する。そして、それらの電極２９、３０を図２４に示すサファイア基板１１上のｐ側電極１８およびｎ側電極２２と貼り合わせた後、はんだバンプ３１、３２をリフローさせることにより接合する。ここで、半導体基板２０上の電極２９、３０を互いに電気的に分離するため、例えば、電極３０は半導体基板２０上に形成された絶縁膜上に形成する。また、図示は省略するが、半導体基板２０上には各チップ領域毎に、電極２９、３０にそれぞれ配線が接続され、その末端にパッド電極が形成されている。

次に、図２６に示すように、サファイア基板１１の裏面側から例えばエキシマーレーザなどによるレーザビームを照射することにより、サファイア基板１１から、ｎ型ＧａＮ層１２、１３から上の部分を剥離する。
次に、図２７に示すように、このようにしてサファイア基板１１から剥離されたもののｎ型ＧａＮ層１２、１３をＨＣｌなどを用いてウエットエッチングしたり、さらにラッピングを行ったりすることにより除去してｎ型ＧａＮ層１５の裏面を露出させる。この時点で各マイクロＧａＮ系ＬＥＤは相互に分離される。

次に、円柱状のマイクロＧａＮ系ＬＥＤが集積された半導体基板２０を１チップ領域の形状に切り出してチップ化する。これによって、図２８に示すように、複数の円柱状のマイクロＧａＮ系ＬＥＤがヒートシンクである半導体基板２０上に集積された集積型ＬＥＤチップが得られる。
この第４の実施形態によれば、第１の実施形態と同様な利点を得ることができる。

次に、この発明の第５の実施形態による集積型ＬＥＤについて説明する。
図２９に示すように、この集積型ＬＥＤにおいては、第２の実施形態または第３の実施形態と同様なプロセスで製造されたバー状の青色発光集積型ＬＥＤ３３、緑色発光集積型ＬＥＤ３４および赤色発光集積型ＬＥＤ３５がそれらの側面で互いに接合されて一体化され、透明電極からなるｎ側電極２２上にパッド電極２３が形成されている。これらの青色発光集積型ＬＥＤ３３、緑色発光集積型ＬＥＤ３４および赤色発光集積型ＬＥＤ３５においては、それらのｐ側電極１８およびｎ側電極２２間に互いに独立に電圧を印加することができるようになっており、互いに独立駆動することができるようになっている。
この第５の実施形態によれば、第１の実施形態と同様な利点を得ることができるほか、赤色、緑色、青色発光のハイパワーＬＥＤを得ることができる。

次に、この発明の第６の実施形態による集積型ＬＥＤについて説明する。
図３０に示すように、この集積型ＬＥＤは、第２の実施形態と同様なプロセスで製造されたバー状の形状を有する。この場合、ｎ側電極２２上のパッド電極２３はバーの長手方向に延在して形成する。
この第６の実施形態によれば、第１の実施形態と同様な利点を得ることができるほか、線状光源を得ることができる。

次に、この発明の第７の実施形態による表示装置について説明する。
図３１に示すように、この表示装置においては、第２の実施形態と同様なプロセスで製造されたバー状の集積型ＬＥＤ３６〜３９が基板上に文字型（図ではＨ、Ｉ）に配置されている。そして、これらの集積型ＬＥＤ３６〜３９を点灯させることにより、文字を表示することができるようになっている。
この第７の実施形態によれば、集積型ＬＥＤ３６〜３９の組み合わせにより、高輝度のＬＥＤディスプレイを得ることができる。

以上、この発明の実施形態について具体的に説明したが、この発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
例えば、上述の第１〜第５の実施形態において挙げた数値、材料、構造、形状、基板、原料、プロセスなどはあくまでも例に過ぎず、必要に応じて、これらと異なる数値、材料、構造、形状、基板、原料、プロセスなどを用いてもよい。

また、例えば、第１〜第４の実施形態において、ＬＥＤを構成する半導体層の積層構造や形状は単なる例に過ぎず、他の積層構造や形状であってもよい。
また、第１、第２および第４の実施形態においては、成長基板としてサファイア基板を用いているが、必要に応じて、すでに述べたＳｉＣ基板、Ｓｉ基板などの他の基板を用いてもよい。
また、第４の実施形態において、はんだバンプ３１、３２の代わりに単なるはんだ層を用いてもよい。

この発明の第１の実施形態による集積型ＬＥＤの製造方法を説明するための平面図および断面図である。 この発明の第１の実施形態による集積型ＬＥＤの製造方法を説明するための平面図および断面図である。 この発明の第１の実施形態による集積型ＬＥＤの製造方法を説明するための平面図および断面図である。 この発明の第１の実施形態による集積型ＬＥＤの製造方法を説明するための平面図および断面図である。 この発明の第１の実施形態による集積型ＬＥＤの製造方法を説明するための平面図および断面図である。 この発明の第１の実施形態による集積型ＬＥＤの製造方法を説明するための平面図および断面図である。 この発明の第１の実施形態による集積型ＬＥＤの製造方法を説明するための断面図である。 この発明の第１の実施形態による集積型ＬＥＤの製造方法を説明するための断面図である。 この発明の第１の実施形態による集積型ＬＥＤの製造方法を説明するための断面図である。 この発明の第１の実施形態による集積型ＬＥＤの製造方法を説明するための平面図および断面図である。 この発明の第１の実施形態による集積型ＬＥＤの製造方法を説明するための平面図および断面図である。 この発明の第１の実施形態による集積型ＬＥＤの製造方法を説明するための平面図および断面図である。 この発明の第１の実施形態による集積型ＬＥＤの実装例を示す斜視図である。 この発明の第２の実施形態による集積型ＬＥＤの製造方法を説明するための平面図および断面図である。 この発明の第２の実施形態による集積型ＬＥＤの製造方法を説明するための平面図および断面図である。 この発明の第２の実施形態による集積型ＬＥＤの製造方法を説明するための平面図および断面図である。 この発明の第２の実施形態による集積型ＬＥＤの製造方法を説明するための平面図および断面図である。 この発明の第３の実施形態による集積型ＬＥＤの製造方法を説明するための平面図および断面図である。 この発明の第３の実施形態による集積型ＬＥＤの製造方法を説明するための平面図および断面図である。 この発明の第３の実施形態による集積型ＬＥＤの製造方法を説明するための平面図および断面図である。 この発明の第３の実施形態による集積型ＬＥＤの製造方法を説明するための平面図および断面図である。 この発明の第４の実施形態による集積型ＬＥＤの製造方法を説明するための平面図および断面図である。 この発明の第４の実施形態による集積型ＬＥＤの製造方法を説明するための平面図および断面図である。 この発明の第４の実施形態による集積型ＬＥＤの製造方法を説明するための平面図および断面図である。 この発明の第４の実施形態による集積型ＬＥＤの製造方法を説明するための断面図である。 この発明の第４の実施形態による集積型ＬＥＤの製造方法を説明するための断面図である。 この発明の第４の実施形態による集積型ＬＥＤの製造方法を説明するための断面図である。 この発明の第４の実施形態による集積型ＬＥＤの製造方法を説明するための平面図および断面図である。 この発明の第５の実施形態による集積型ＬＥＤを示す平面図である。 この発明の第６の実施形態による集積型ＬＥＤを示す平面図である。 この発明の第７の実施形態による集積型ＬＥＤを示す平面図である。

符号の説明

１１…サファイア基板、１２、１３、１５…ｎ型ＧａＮ層、１６、２６…活性層、１７…ｐ型ＧａＮ層、１８…ｐ側電極、１９…透明絶縁材料、２０…半導体基板、２１…導電層、２２…ｎ側電極、２３…パッド電極、２４…ｎ型ＧａＡｓ基板、２５…ｎ型ＡｌＧａＩｎＰ層、２７…ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ層、２８…溝、２９、３０…電極、３１、３２…はんだバンプ

Claims (26)

1. 大きさが２０μｍ以下の同種類の複数の微小発光ダイオードが一体のヒートシンク上に互いに分離された状態で搭載されてなることを特徴とする集積型発光ダイオード。
2. 上記複数の微小発光ダイオードは発光波長が互いに同一であることを特徴とする請求項１記載の集積型発光ダイオード。
3. 上記微小発光ダイオードは円柱状の形状を有することを特徴とする請求項１記載の集積型発光ダイオード。
4. 上記微小発光ダイオードは第１導電型の第１の半導体層、活性層および第２導電型の第２の半導体層が順次積層された構造を有し、上記微小発光ダイオードが上記第１の半導体層側を下にして上記ヒートシンク上に搭載されていることを特徴とする請求項１記載の集積型発光ダイオード。
5. 上記第１の半導体層が上記ヒートシンクと電気的に接続されていることを特徴とする請求項４記載の集積型発光ダイオード。
6. 上記複数の微小発光ダイオードの間の部分に発光波長の光に対して透明な絶縁体が埋め込まれていることを特徴とする請求項１記載の集積型発光ダイオード。
7. 上記複数の微小発光ダイオードの上記第２の半導体層上に透明電極層が形成されていることを特徴とする請求項４記載の集積型発光ダイオード。
8. 上記第１の半導体層、上記活性層および上記第２の半導体層が実質的に無転位であることを特徴とする請求項４記載の集積型発光ダイオード。
9. 上記第１の半導体層と電気的に接続された第１の電極および上記第２の半導体層と電気的に接続された第２の電極を上記複数の微小発光ダイオードの上記ヒートシンク側に有することを特徴とする請求項４記載の集積型発光ダイオード。
10. 上記第１の半導体層、上記活性層および上記第２の半導体層が窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなることを特徴とする請求項４記載の集積型発光ダイオード。
11. 上記第１の半導体層、上記活性層および上記第２の半導体層がＡｌＧａＩｎＰ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなることを特徴とする請求項４記載の集積型発光ダイオード。
12. 大きさが２０μｍ以下の三種類以上の複数の微小発光ダイオードが一体のヒートシンク上に互いに分離された状態で搭載されてなることを特徴とする集積型発光ダイオード。
13. 上記三種類以上の複数の微小発光ダイオードは発光波長が互いに異なることを特徴とする請求項１２記載の集積型発光ダイオード。
14. 上記微小発光ダイオードは円柱状の形状を有することを特徴とする請求項１２記載の集積型発光ダイオード。
15. 少なくとも一種類の上記微小発光ダイオードは第１導電型の第１の半導体層、活性層および第２導電型の第２の半導体層が順次積層された構造を有し、上記微小発光ダイオードが上記第１の半導体層側を下にして上記ヒートシンク上に搭載されていることを特徴とする請求項１２記載の集積型発光ダイオード。
16. 少なくとも一種類の上記微小発光ダイオードの上記第１の半導体層が上記ヒートシンクと電気的に接続されていることを特徴とする請求項１５記載の集積型発光ダイオード。
17. 上記複数の微小発光ダイオードの間の部分に全ての種類の上記微小発光ダイオードの発光波長の光に対して透明な絶縁体が埋め込まれていることを特徴とする請求項１５記載の集積型発光ダイオード。
18. 少なくとも一種類の上記複数の微小発光ダイオードの上記第２の半導体層上に透明電極層が形成されていることを特徴とする請求項１５記載の集積型発光ダイオード。
19. 上記第１の半導体層、上記活性層および上記第２の半導体層が実質的に無転位であることを特徴とする請求項１５記載の集積型発光ダイオード。
20. 上記第１の半導体層と電気的に接続された第１の電極および上記第２の半導体層と電気的に接続された第２の電極を上記複数の微小発光ダイオードの上記ヒートシンク側に有することを特徴とする請求項１５記載の集積型発光ダイオード。
21. 上記第１の半導体層、上記活性層および上記第２の半導体層が窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなることを特徴とする請求項１５記載の集積型発光ダイオード。
22. 上記第１の半導体層、上記活性層および上記第２の半導体層がＡｌＧａＩｎＰ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなることを特徴とする請求項１５記載の集積型発光ダイオード。
23. 大きさが２０μｍ以下の同種類の複数の微小発光ダイオードが一体のヒートシンク上に互いに分離された状態で搭載されてなる集積型発光ダイオードの製造方法であって、
    基板上に第２導電型の第２の半導体層、活性層および第１導電型の第１の半導体層を順次成長させる工程と、
    上記第１の半導体層上に第１の電極を形成する工程と、
    上記第１の電極をマスクとして上記第２の半導体層、上記活性層および上記第１の半導体層をエッチングすることにより大きさが２０μｍ以下の複数の微小発光ダイオードを形成する工程と、
    上記複数の微小発光ダイオードの上記第１の電極上にヒートシンクを貼り合わせる工程と、
    上記基板を除去する工程と、
    上記複数の微小発光ダイオードの上記第２の半導体層上に第２の電極を形成する工程とを有することを特徴とする集積型発光ダイオードの製造方法。
24. 大きさが２０μｍ以下の同種類の複数の微小発光ダイオードが一体のヒートシンク上に互いに分離された状態で搭載されてなる集積型発光ダイオードの製造方法であって、
    基板上に第２導電型の第２の半導体層、活性層および第１導電型の第１の半導体層を順次成長させる工程と、
    上記第１の半導体層上に第１の電極を形成する工程と、
    上記第１の電極をマスクとして上記第２の半導体層、上記活性層および上記第１の半導体層をエッチングすることにより大きさが２０μｍ以下の複数の微小発光ダイオードを形成する工程と、
    上記複数の微小発光ダイオードの上記第２の半導体層上に第２の電極を形成する工程と、
    上記複数の微小発光ダイオードの上記第１の電極および上記第２の電極上にヒートシンクを貼り合わせる工程と、
    上記基板を除去する工程とを有することを特徴とする集積型発光ダイオードの製造方法。
25. 赤色発光の発光ダイオード、緑色発光の発光ダイオードおよび青色発光の発光ダイオードを基板上にそれぞれ複数個配列することにより形成された発光ダイオードディスプレイにおいて、
    上記赤色発光の発光ダイオード、上記緑色発光の発光ダイオードおよび上記青色発光の発光ダイオードのうちの少なくとも一種類の発光ダイオードが、大きさが２０μｍ以下の同種類の複数の微小発光ダイオードが一体のヒートシンク上に互いに分離された状態で搭載されてなる集積型発光ダイオードである
    ことを特徴とする発光ダイオードディスプレイ。
26. 赤色発光の発光ダイオード、緑色発光の発光ダイオードおよび青色発光の発光ダイオードを基板上にそれぞれ複数個配列することにより形成された発光ダイオード照明装置において、
    上記赤色発光の発光ダイオード、上記緑色発光の発光ダイオードおよび上記青色発光の発光ダイオードのうちの少なくとも一種類の発光ダイオードが、大きさが２０μｍ以下の同種類の複数の微小発光ダイオードが一体のヒートシンク上に互いに分離された状態で搭載されてなる集積型発光ダイオードである
    ことを特徴とする発光ダイオード照明装置。
    

Images