JP2010062351A - 積層半導体発光装置及び画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の半導体発光素子を発光面に対し垂直方向に３次元集積した際、各半導体発光素子の結合効率を向上させ、漏れ光を防止する。
【解決手段】各半導体発光素子１０−１〜１０−３は、屈折率差を設けた平坦化層３０−１，３０−２を介して、分子間力を用いて集積化され、且つ、平坦化膜３１−１，３１−２は発光領域上に形成されており、その屈折率は発光領域外に形成された平坦化膜３２−１，３２−２より大きい。そのため、平坦化膜３１−１，３１−２の下層に設けられた半導体発光素子１０−１，１０−２から放射される光は、平坦化膜３１−１，３１−２を導波路として伝搬され、平坦化膜３１−１，３１−２上に集積化された半導体発光素子１０−２，１０−３に入射される。
【選択図】図１

Description

本発明は、放射光を発生する複数の薄膜状の半導体発光素子が積層された積層半導体発光装置と、この積層半導体発光装置が複数個集積化された画像形成装置とに関するものである。

従来、薄型化を可能とする表示方式として、バックライトにより照射された光を液晶パネルにより遮光して画像等を表示する液晶方式、あるいは、自発光型のプラズマ方式があるが、輝度、コントラスト、動作速度、視野角、消費電力、小型化、高精細化等の点で、それぞれ利点は多くあるものの、改善すべき問題点も多く残されている。

そのため、これらを改善する次世代表示方式として、有機エレクトロルミネッセンス（以下「有機ＥＬ」という。）を用いた表示方式と、単結晶発光ダイオード（単結晶Light Emitting Diode、以下「単結晶ＬＥＤ」という。）を用いた表示方式とが注目されている。

有機ＥＬ方式、あるいは単結晶ＬＥＤ方式共に、自発光型の発光素子を用いているため、輝度、コントラスト、動作速度、視野角及び消費電力において十分な特性を得ることができる。更には、液晶方式あるいはプラズマ方式と比較して表示装置機構をシンプルにすることができるため、小型化、軽量化に適した表示方式であると期待されている。又、表示装置機構がシンプルであるとから、フレキシブル表示装置等への応用にも適していると期待されている。

ここで、有機ＥＬ方式は、作製プロセスの観点からは、印刷技術を用いた発光素子形成が可能であり、高精細表示装置を作製することが可能である。そのため、フルカラー表示装置を作製する際においても、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の各発光色を二次元に高精細作製することが可能であり、高精細なフルカラー表示装置の作製にも適している。しかし、発光特性としては、単結晶ＬＥＤ方式と比較すると発光効率が低く、信頼性についても、単結晶ＬＥＤに及ばないといった現状がある。

これに対し、単結晶ＬＥＤ方式は、有機ＥＬ方式に比べて発光効率及び信頼性が高いが、表示装置を形成する際、一般的には１画素当たりに１つの砲弾型ＬＥＤモジュールを用いて表示装置を形成しており、画素数を増やすに従い表示装置が大型化してしまう問題がある。又、小型表示装置の作製が可能とされるベアチップ状の単結晶ＬＥＤを用いた際においても、その１つ１つの単結晶ＬＥＤベアチップをダイシングによりウェハから切り出し、基板上ヘダイボンディングし、ワイヤボンドにより電気的に結線しなければならず、表示装置の小型化には大きな障壁がある。従って、単結晶ＬＥＤを用いたフルカラー表示装置を作製する際には、従来、Ｒ、Ｇ、Ｂ各発光素子を２次元に配列することにより、１画素を形成しなければならないため、高解像な高精細表示装置を作製する際はより技術的に困難であると考えられてきた。

そこで、単結晶ＬＥＤ方式を用い高精細なフルカラー発光素子を作製するための技術として、例えば、Ｒ、Ｇ、Ｂ各発光素子の省スペース実装を可能とするためのＬＥＤアレイ、ＬＥＤヘッド及び画像記録装置の技術が、下記の特許文献１において提案されている。

特許文献１では、Ｒ、Ｇ、Ｂ各ＬＥＤとして、ベアチップからなる単結晶ＬＥＤを用い、この発光面に対して垂直方向、即ち、３次元にべアチップＬＥＤを集積化することにより、省スペースにフルカラー発光素子を実装することが可能となる。これにより、発光特性の面で勝っている単結晶ＬＥＤを発光素子として用いた高精細画像形成装置の創出が可能となる。

特開２００７−２７３８９８号公報

しかしながら、従来の特許文献１に記載された技術では、各ＬＥＤ間を接合するために、各ＬＥＤ上あるいはその裏面に貼り付け用電極あるいは被固着電極を設ける必要があり、それらの電極を接合することにより各ＬＥＤを実装している。そのため、各ＬＥＤ間にはそれらの電極の膜厚に相当する空気層により充填された空間が必然的に形成されてしまう。このような空気層が形成されると、各ＬＥＤから空気層に向けて光が放射される際、大きな屈折率差が生じてしまうので、ＬＥＤを構成している半導体層からの光の取り出し効率が低下してしまう。又、放射された光は空気層を伝搬して上層に形成されたＬＥＤに入射されるのだが、その空気層は各ＬＥＤ間に無作為に形成されているため、その空気層を横方向へ伝搬してしまう光（漏れ光）の割合も大きくなる。その結果、各ＬＥＤ間の光の結合効率が著しく低下してしまう。従って、この３次元集積した多色集積ＬＥＤを高密度に形成した際、空気層を伝搬して横方向に放射される漏れ光が、隣接するＬＥＤと干渉してしまい、色調を変調してしまう。更には、各ＬＥＤを前記のように貼り付け用電極、あるいは被固着電極を介して集積化しなければならず、その電極により放射光が遮断されてしまい、光の取り出し効率が低下してしまう。

本発明は、このような従来技術の課題を解決し、複数の発光素子を発光面に対し垂直方向に３次元集積した際、各発光素子の結合効率を向上させることにより、各発光素子間における漏れ光を低下する素子構造を提案すると共に、その集積方法についても新たな構造を提案し、光の取り出し効率の向上を図った積層半導体発光装置及び画像形成装置を提供することを目的とする。

本発明の積層半導体発光装置は、電気を光に変換して放射光を発生する発光領域をそれぞれ持った複数の薄膜状の半導体発光素子が、前記各発光領域に対して垂直方向に、絶縁性を有する平坦化層を介してそれぞれ接合されて積層された積層半導体発光装置であって、前記平坦化層において、前記各半導体発光素子における前記発光領域の上下方向に位置する第１の平坦化領域は、屈折率の大きな第１の平坦化膜により形成され、前記発光領域以外の第２の平坦化領域は、前記第１の平坦化膜よりも屈折率の小さな第２の平坦化膜により形成されている。更に、上層に積層される前記半導体発光素子は、下層に積層される前記半導体発光素子からの前記放射光を上方へ透過させる構成になっている。

本発明の他の積層半導体発光装置は、電気を光に変換して放射光を発生する発光領域をそれぞれ持った複数の薄膜状の半導体発光素子が、前記各発光領域に対して垂直方向に、絶縁性を有する平坦化層を介してそれぞれ接合されて積層された積層半導体発光装置であって、前記平坦化層において、前記各半導体発光素子における前記発光領域の上下方向に位置する第１の平坦化領域と、前記発光領域以外の第２の平坦化領域との間には、屈折率差形成用の空気層からなる分離溝が形成されている。更に、上層に積層される前記半導体発光素子は、下層に積層される前記半導体発光素子からの前記放射光を上方へ透過させる構成になっている。

前記各半導体発光素子は、例えば、前記各平坦化膜上に分子間力を用いて接合されている。

本発明の画像形成装置は、前記発明の積層半導体発光装置が複数個、基板上に１次元又は２次元に配列されて集積化されている。

本発明の積層半導体発光装置によれば、各半導体発光素子は、屈折率差を設けた第１及び第２の平坦化膜からなる平坦化層を介して集積化され、且つ、第１の平坦化膜は発光領域上に形成されており、その屈折率は発光領域外に形成された第２の平坦化膜より屈折率が大きい。そのため、第１の平坦化層の下層に設けられた半導体発光素子から放射される光は、その第１の平坦化膜を導波路として伝搬され、各平坦化層上に集積化された各半導体発光素子に入射される。従って、固着電極を介して集積化することにより、各半導体発光素子間に空気層が無作為に介在してしまう従来の構造と比較して、各半導体発光素子間の結合効率が向上し、漏れ光を防止することが可能となる。

例えば、平坦化層と半導体発光素子との間を分子間力を用いて集積化すると、遮光する材料を極力排除することができ、表層への光の取り出し効率を向上することができる。しかも、各半導体発光素子を空気層よりも屈折率の大きい第１の平坦化膜を用いて接合しているので、各半導体発光素子からの光の取り出し効率を向上することができる。

発明の他の積層半導体発光装置によれば、前記発明とほぼ同様の効果がある。更に、分離溝を用いることにより屈折率差を形成し、発光領域上に導波路構造を形成しているので、導波路としての機能を有する第１の平坦化膜を形成する際に、その形成工程を簡略化することが可能となる。

本発明の画像形成装置によれば、前記発明の集積半導体発光装置における効果により、複数の半導体発光素子を集積化した積層半導体発光装置による画素を高密度に配列した際、漏れ光による近傍発光画素への干渉を防ぐことができるのと同時に、高効率なフルカラー画像形成装置を作製することができる。

本発明を実施するための最良の形態は、以下の好ましい実施例の説明を添付図面と照らし合わせて読むと、明らかになるであろう。但し、図面はもっぱら解説のためのものであって、本発明の範囲を限定するものではない。

（実施例１の構成）
図１は、本発明の実施例１における積層半導体発光装置を示す図２中のＸ１−Ｘ２線拡大断面図である。この図１には、複数（例えば、３つ）の半導体発光素子をこの半導体発光面に対して垂直方向に３次元集積した多色集積半導体発光装置の断面構造が示されている。

本実施例１の積層半導体発光装置１は、例えば、上方へ光を出射して上側を表示面とする装置であり、支持基板１ａを有し、この支持基板１ａ上に、１層目半導体発光素子１０−１が形成されている。１層目半導体発光素子１０−１は、予め形成しておいて分子間力を用いて支持基板１上に接合されるか、あるいは、支持基板１ａ上に直接、成長させることにより形成される。この１層目半導体発光素子１０−１は、例えば、電気を光に変換して波長の長い放射光（Ｒ色光）を発生する発光領域を持った半導体薄膜からなるＬＥＤであり、この半導体発光素子１０−１が、１層目平坦化層３０−１により覆われている。１層目平坦化層３０−１は、半導体発光素子１０−１における発光領域の上方向に位置する第１の平坦化領域と、その発光領域以外の第２の平坦化領域（即ち、第１の平坦化領域の周囲の第２の平坦化領域）とを有し、その第１の平坦化領域が、屈折率の大きな１層目の第１の平坦化膜３１−１により形成され、更に、その第２の平坦化領域が、屈折率の小さな１層目の第２の平坦化膜３２−１により形成されている。

１層目平坦化層３０−１上には、２層目半導体発光素子１０−２が、分子間力を用いて接合されている。半導体発光素子１０−２は、例えば、電気を光に変換してＲ色波長よりも波長の短い放射光（Ｇ色光）を発生する発光領域を持った半導体薄膜からなるＬＥＤであり、この半導体発光素子１０−２が、２層目平坦化層３０−２により覆われている。２層目平坦化層３０−２は、１層目平坦化層３０−１と同様に、半導体発光素子１０−２における発光領域の上方向に位置する第１の平坦化領域と、この第１の平坦化領域の周囲の第２の平坦化領域とを有し、その第１の平坦化領域が、屈折率の大きな２層目の第１の平坦化膜３１−２により形成され、更に、その第２の平坦化領域が、屈折率の小さな２層目の第２の平坦化膜３２−２により形成されている。２層目平坦化層３０−２上には、３層目半導体発光素子１０−３が、分子間力を用いて接合されている。３層目半導体発光素子１０−３は、例えば、電気を光に変換してＧ色波長よりも波長の短い放射光（Ｂ色光）を発生する発光領域を持った半導体薄膜からなるＬＥＤである。

本実施例１の特徴は、各半導体発光素子１０−１〜１０−３間が、屈折率の異なる２種類の平坦化膜３１−１，３２−１及び３１−２，３２−２によりそれぞれ形成される各平坦化層３０−１，３０−２を用いて充填されている。各平坦化層３０−１，３０−２は、各半導体発光素子１０−１〜１０−３を集積化する際に凹凸構造を緩和して相互の接合強度を高める機能を有している。各半導体発光素子１０−１〜１０−３における発光領域の上下方向に位置する各第１の平坦化膜３１−１，３１−２は、この周囲にそれぞれ位置する各第２の平坦化膜３２−１，３２−２よりも屈折率が大きい材料で形成されている。

平坦化膜３１−１，３１−２，３２−１，３２−２は、例えば、ノボラック系永久レジスト、アクリル樹脂、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂、ＳＯＧ（Spin coating On Glass）等からなる有機絶縁膜材料、あるいはＳｉＮ、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３等からなる無機絶縁膜材料により形成された後、研磨等により平坦化処理がされている。

各第１の平坦化膜３１−１，３１−２上には、各半導体発光素子１０−１〜１０−３がそれぞれ接合されている。各半導体発光素子１０−１〜１０−３は、各平坦化層３０−１，３０−２上にそれぞれ集積する際に、半導体発光素子１０−１〜１０−３を形成している半導体層と平坦化層３０−１，３０−２との間に働く分子間力を用いて接合されており、接合面には従来、接合のために用いていた固着電極を用いていない。そして、積層半導体発光装置１の表示面を上側として３つの半導体発光素子１０−１〜１０−３を集積する場合、上層に集積する半導体発光素子（１０−３又は１０−２）は下層に集積した半導体発光素子（１０−２又は１０−１）の放射光を吸収しない材料で形成される。そのため、Ｒ色、Ｇ色、Ｂ色の半導体発光素子１０−１〜１０−３を集積化する場合、下層から上層へ、バンドギャップ波長の長いＲ色、Ｇ色、Ｂ色の順に半導体発光素子１０−１〜１０−３が集積化されている。

各半導体発光素子１０−１〜１０−３は、少なくとも下層から上層へ、下側コンタクト層１１、下側クラッド層１２、活性層１３、上側クラッド層１４、及び上側コンタクト層１５が順に積層された半導体層により形成されている。これらの各半導体発光素子１０−１〜１０−３は、例えば、エピタキシャル成長により形成されている。各半導体発光素子１０−１〜１０−３の膜厚は、例えば、約５μｍ以下が望ましい。

各半導体発光素子１０−１〜１０−３の全面は、層間絶縁膜１６により覆われている。この層間絶縁膜１６において、上側コンタクト層１５上のほぼ全部に上側コンタクト用開口部が形成され、更に、下側コンタクト層１１上の一部に下側コンタクト用開口部が形成されている。上側コンタクト用開口部内において、上側コンタクト層１５のほぼ中央に上側電極１７が形成され、更に、下側コンタクト用開口部内においても、下側コンタクト層１１上に下側電極１８が形成されている。上側電極１７に関しては、例えば、下側に形成された半導体発光素子１０−１，１０−２からの放射光を遮光しないために、透明電極を用いることが望ましい。透明電極の材料としては、ＩＴＯ（インジウム錫酸化物）を用いることができる。

１層目半導体発光素子１０−１における上側電極１７上には、１層目上側電極引出配線２１−１が接続され、この１層目上側電極引出配線２１−１が、図１の右方向へ、上側コンタクト層１５上、層間絶縁膜１６上、及び支持基板１ａ上に延設されている。更に、１層目半導体発光素子１０−１における下側電極１８上には、１層目下側電極引出配線２２−１が接続され、この１層目下側電極引出配線２２−１が、図１の紙面に対して垂直方向へ延設されている。これらの１層目上側電極引出配線２１−１、及び１層目下側電極引出配線２２−１上は、１層目平坦化層３０−１により覆われている。

２層目半導体発光素子１０−２における上側電極１７上には、２層目上側電極引出配線２１−２が接続され、この２層目上側電極引出配線２１−２が、図１の右方向へ、上側コンタクト層１５上、層間絶縁膜１６上、及び１層目平坦化膜３２−１上に延設されている。更に、２層目半導体発光素子１０−２における下側電極１８上には、２層目下側電極引出配線２２−２が接続され、この２層目下側電極引出配線２２−２が、図１の紙面に対して垂直方向へ延設されている。これらの２層目上側電極引出配線２１−２、及び２層目下側電極引出配線２２−２上は、２層目平坦化層３０−２により覆われている。

同様に、３層目半導体発光素子１０−３における上側電極１７上には、３層目上側電極引出配線２１−３が接続され、この３層目上側電極引出配線２１−３が、図１の右方向へ、上側コンタクト層１５上、層間絶縁膜１６上、及び２層目平坦化膜３２−２上に延設されている。更に、３層目半導体発光素子１０−３における下側電極１８上には、３層目下側電極引出配線２２−３が接続され、この３層目下側電極引出配線２２−３が、図１の紙面に対して垂直方向へ延設されている。

図２は、本発明の実施例１における図１の積層半導体発光装置を示す拡大平面図である。

各半導体発光素子１０−１〜１０−３における上側コンタクト層１５上に形成される上側電極１７は、発光領域全面に電流を拡散できるように、上側コンタクト層１５のほぼ中央に配置された円形部分と、この円形部分から放射状に延びる複数の枝部分とにより構成されている。各半導体発光素子１０−１〜１０−３における上側電極１７にそれぞれ接続された１層目、２層目、３層目の上側電極引出配線２１−１〜２１−３は、図２の右方向へ延設されている。

例えば、２層目平坦化膜３２−２上には、図２の右側の上下方向に、１層目、２層目、３層目の上側電極引出配線２１−１〜２１−３にそれぞれ対応する上側電極共通配線２３−１〜２３−３が所定間隔隔てて形成されている。１層目上側電極引出配線２１−１は、図示しない貫通電極等により立ち上げられて１層目上側電極共通配線２３−１に接続されている。２層目上側電極引出配線２１−２は、図示しない貫通電極等により立ち上げられ、１層目上側電極共通配線２３−１上に設けられた上側配線層間絶縁膜２４−１上を立体交差して２層目上側電極共通配線２３−２に接続されている。３層目上側電極引出配線２１−３は、１層目上側電極共通配線２３−１及び２層目上側電極共通配線２３−２上に設けられた上側配線層間絶縁膜２４−２上を立体交差して３層目上側電極共通配線２３−３に接続されている。

更に、２層目平坦化膜３２−２上には、図２の下側の横方向に、下側電極共通配線２４が形成され、この下側電極共通配線２４が、上側電極共通配線２３−１〜２３−３上に設けられた共通配線層間絶縁膜２５上を立体交差している。１層目、２層目、３層目の下側電極引出配線２２−１〜２２−３は、図示しない貫通電極等により立ち上げられて下側電極共通配線２４に接続されている。

例えば、上側電極共通配線２３−１〜２３−３には、図示しない外部駆動回路が接続されると共に、下側電極共通配線２４がグランドに接続されている。１層目、２層目、３層目の上側電極引出配線２１−１〜２１−３は、各上側電極共通配線２３−１〜２３−３を介して独立に駆動することが可能であり、各半導体発光素子１０−１〜１０−３に注入する電流値をコントロールすることにより、フルカラー発光が可能な構造になっている。

（実施例１の製造方法）
図３−１（ａ）〜（ｃ）及び図３−２（ｄ）、（ｅ）は、図１及び図２の積層半導体発光装置１における製造方法の一例を示す模式的な製造工程図である。

図１及び図２のような積層半導体発光装置１を製造する場合、先ず、図３−１（ａ）の工程において、結晶成長基板である親基板４０（例えば、ＧａＡｓ基板、サファイア基板、ＩｎＰ基板、石英基板、あるいはＳｉ基板等）を用意し、この親基板４０上に、この親基板４０に対して選択的にエッチングが可能な犠牲層４１を形成する。犠牲層４１は、次にこの上に形成される単結晶の半導体薄膜からなる半導体発光素子層１０に対して選択的にエッチング可能な半導体材料を使用する。犠牲層４１の形成後、例えば、半導体結晶成長法（エピタキシャル成長法）である有機金属化学蒸着法（ＭＯＣＶＤ法）、有機金属化学気相エピタキシー法（ＭＯＶＰＥ法）、あるいは分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）等により、犠牲層４１上に、積層構造を有する単結晶の半導体薄膜からなる半導体発光素子層１０を順次形成する。半導体発光素子層１０の膜厚は、例えば、約５μｍ以下が望ましい。

図３−１（ｂ）の工程において、ホトリソグラフィ技術により、半導体発光素子層１０を選択的にエッチングし、方形の半導体発光素子パターン１０ａを形成し、犠牲層４１を露出させる。次に、半導体発光素子パターン１ａ上に支持体４２を形成した後、エッチング液を使って犠牲層４１をエッチングする。図３−１（ｂ）では、犠牲層エッチングの途中の過程が示されている。

図３−１（ｃ）の工程において、犠牲層４１を全てエッチングすることにより、親基板４０から半導体発光素子パターン１ａを剥離する。

図３−２（ｄ）の工程において、ガラス基板等の支持基板１ａを用意する。支持体４２に支持された半導体発光素子パターン１ａを、支持基板１ａ上に位置決めする。

図３−２（ｅ）の工程において、支持体４２に支持された半導体発光素子パターン１ａの裏面を、支持基板１ａの表面に加圧及び密着させ、半導体発光素子パターン１ａを支持基板１ａ上に、接合表面間に働く分子間力によって接合する。接合を完了した後、剥離剤等により、支持体４２を除去する。

半導体発光素子パターン１ａを支持基板１ａ上に接合した後、ホトリソグラフィ技術あるいはエッチング技術を用いて、図１に示すようなＬＥＤ構造の１層目Ｒ色半導体発光素子１０−１に加工する。化学的気相成長法（ＣＶＤ法）等により、全面にＳｉＮ膜、有機絶縁膜等からなる層間絶縁膜１６を被着し、ホトリソグラフィ技術により、半導体発光素子１０−１の上面及び側面以外の層間絶縁膜１６を除去すると共に、半導体発光素子１０−１上における層間絶縁膜１６の一部に、下側電極用開口部及び上側電極用開口部を形成する。

上側電極用開口部内に上側電極１７を選択的に形成すると共に、下側電極用開口部内に下側電極１８を選択的に形成する。上側電極１７に関しては、下側に形成した半導体発光素子１０−１からの放射光を遮光しないために、透明電極を用いることが望ましい。更に、上側電極１７、上側電極開口部、層間絶縁膜１６、及び支持基板１ａ上の一部に、上側電極引出配線２１−１を選択的に形成すると共に、下側電極１８上に、下側電極引出配線２２−１を選択的に形成する。

半導体発光素子１０−１を含む全面に、有機絶縁膜材料（例えば、ノボラック系永久レジスト、アクリル樹脂、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂、ＳＯＧ等）、あるいは無機絶縁膜材料（例えば、ＳｉＮ、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３等）からなる屈折率の大きい平坦化層を成膜した後、この平坦化層を発光領域上のみを残すようにパターニングして平坦化膜３１−１を形成する。平坦化膜３１−１を含む全面に、この平坦化膜３１−１とほぼ同様の有機絶縁膜材料あるいは無機絶縁膜材料からなる屈折率の小さい平坦化層を成膜する。そして、研磨等により、屈折率の小さい平坦化層を、屈折率の大きい平坦化膜３１−１が露出するまで削って、この平坦化膜３１−１の周囲に平坦化膜３２−１を形成し、更に、平坦化膜３１−１と平坦化膜３２−１とが同一面となるように面仕上げを行い、１層目平坦化層３０−１を形成する。

なお、平坦化膜３１−１と平坦化膜３２−１との表面を研磨する際、平坦化膜３１−１及び３２−１の表面ラフネスにおける典型的な表面荒さ、即ち、微小領域におけるピークと谷の高低差が５ｎｍ以下であることが望ましい。

次に、１層目Ｒ色半導体発光素子１０−１と同様に、予め親基板４０上に形成しておいた２層目Ｇ色半導体発光素子層を、この２層目Ｇ色半導体発光素子層を形成している半導体層と１層目平坦化層３０−１との間に働く分子間力を用いて、１層目平坦化層３０−１上に接合する。この接合面には、従来、接合のために用いていた固着電極を用いないで、分子間力を用いて接合する。そして、ホトリソグラフイ技術あるいはエッチング技術を用いて、２層目Ｇ色半導体発光素子層を加工し、屈折率の大きい１層目平坦化膜３１−１上に、ＬＥＤ構造の２層目Ｇ色半導体発光素子１０−２を形成する。

１層目Ｒ色半導体発光素子１０−１と同様に、２層目Ｇ色半導体発光素子１０−２に対して、層間絶縁膜１６、上側電極１７、下側電極１８、上側電極引出配線２１−２、及び下側電極引出配線２２−２を選択的に形成した後、これらの全面に、屈折率の大きい平坦化膜３１−２、及び屈折率の小さい平坦化膜３２−２からなる２層目平坦化層３０−２を形成する。

更に、２層目Ｇ色半導体発光素子１０−２と同様に、予め親基板４０上に形成しておいた３層目Ｂ色半導体発光素子層を、この３層目Ｂ色半導体発光素子層を形成している半導体層と２層目平坦化層３０−２との間に働く分子間力を用いて、２層目平坦化層３０−２上に接合する。そして、ホトリソグラフイ技術あるいはエッチング技術を用いて、３層目Ｂ色半導体発光素子層を加工し、屈折率の大きい２層目平坦化膜３１−２上に、ＬＥＤ構造の３層目Ｂ色半導体発光素子１０−３を形成する。

その後、２層目Ｇ色半導体発光素子１０−２と同様に、３層目Ｂ色半導体発光素子１０−３に対して、層間絶縁膜１６、上側電極１７、下側電極１８、上側電極引出配線２１−３、及び下側電極引出配線２２−３を選択的に形成する。更に、２層目平坦化膜３２−２上に、上側電極共通配線２３−１〜２３−３２、及び下側電極共通配線２４を選択的に形成し、上側電極引出配線２１−１〜２１−３と上側電極共通配線２３−１〜２３−３２とを接続すると共に、下側電極引出配線２２−１〜２２−３と下側電極共通配線２４とを接続等すれば、図１及び図２の積層半導体発光装置１の製造が終了する。

（実施例１の動作）
例えば、図２の下側電極共通配線２４を接地電位にし、上側電極共通配線２３−１〜２３−３に正電位を印加すると、上側電極共通配線２３−１〜２３−３→各層の上側電極引出配線２１−１〜２１−３→各層の半導体発光素子１０−１〜１０−３の上側電極１７、下側電極１８→各層の下側電極引出配線２２−１〜２２−３→下側電極共通配線２４へと駆動電流が流れ、各層の半導体発光素子１０−１〜１０−３が点灯する。これにより、各半導体発光素子１０−１〜１０−３における活性層１３が発光し、この放射光が屈折率の大きい平坦化膜３１−１，３１−２を通して上方へ出射される。

ここで、各半導体発光素子１０−１〜１０−３は、屈折率の異なる２種類の平坦化膜３１−１，３２−１及び３１−２，３２−２からなる平坦化層３０−１，３０−２を介在することにより、半導体発光素子発光面に対して垂直方向に集積化しており、発光領域上に配設された平坦化膜３１−１，３１−２は、それ以外の領域に配設された平坦化膜３２−１，３２−２よりも屈折率が大きい材料により形成されている。そのため、半導体発光素子１０−１，１０−２の発光領域から放出された放射光は、屈折率の大きい平坦化膜３１−１，３１−２内を導波し、この平坦化膜３１−１，３１−２上に集積化された半導体発光素子１０−２，１０−３における発光領域内にそのまま入射される。

更に、各半導体発光素子１０−２，１０−３は、分子間力を用いて平坦化層３１−１，３１−２上に集積化されているので、下層に形成された半導体発光素子１０−１，１０−２から放射された光を、接合用メタル層等により遮光されることなく、効率的に導波される。その上、各半導体発光素子１０−２，１０−３を形成する半導体層は、下層に形成された半導体発光素子１０−１から放射される光を吸収しない材料で形成されているので、効率的に放射光を導波することが可能である。

（実施例１の効果）
本実施例１によれば、各半導体発光素子１０−１〜１０−３は、屈折率差を設けた平坦化層３０−１，３０−２を介して、各半導体層と平坦化層間に働く分子間力を用いて集積化され、且つ、平坦化膜３１−１，３１−２は発光領域上に形成されており、その屈折率は発光領域外に形成された平坦化膜３２−１，３２−２より大きい。そのため、平坦化膜３１−１，３１−２の下層に設けられた半導体発光素子１０−１，１０−２から放射される光は、平坦化膜３１−１，３１−２を導波路として伝搬され、この平坦化膜３１−１，３１−２上に集積化された半導体発光素子１０−２，１０−３に入射される。従って、固着電極を介して集積化することにより、各半導体発光素子間に空気層が無作為に介在してしまう従来の構造と比較して、各半導体発光素子間の結合効率が向上し、漏れ光を防止することが可能となる。

更に、従来のように固着電極による接合方式ではなく、平坦化層３０−１，３０−２と半導体発光素子間の分子間力を用いて集積化しているので、遮光する材料を極力排除することができ、表層への光の取り出し効率を向上することができる。しかも、従来のように空気層を介在せず、各半導体発光素子１０−１〜１０−３を空気層よりも屈折率の大きい平坦化膜３１−１，３１−２を用いて接合しているので、半導体発光素子１０−１〜１０−３からの光の取り出し効率を向上することができる。

（実施例１の変形例）
本実施例１における積層半導体発光装置１の構造や製造方法等は、種々の変形が可能である。その変形例としては、例えば、次の（ａ）〜（ｄ）のようなものがある。

（ａ） 積層半導体発光装置１の支持基板については、１層目半導体発光素子１０−１を支持基板上にそのままエピタキシャル成長により形成することにより、その半導体発光素子１０−１の成長基板を支持基板１ａとして用いることも可能である。

（ｂ） 図３−１において、選択的に犠牲層４１をエッチングすることが困難な化合物半導体（例えば、ＧａＮ系等）からなる半導体発光素子１０−１〜１０−３等の場合、薄膜化する手段の１つとして、半導体発光素子１０−１〜１０−３における成長基板の裏面をグラインド処理することにより、半導体発光素子１０−１〜１０−３として必要となるエピタキシャル成長層のみ約５μｍ以下程度に薄膜化し、その半導体薄膜を半導体発光素子１０−１〜１０−３として使用してもよい。

（ｃ） 平坦化膜３１−１，３２−１及び３１−２，３２−２の形成方法としては、１層目半導体発光素子１０−１上、あるいは既に集積化された半導体発光素子１０−２上に、屈折率の大きい材料からなる平坦化層を成膜した後、この平坦化層を発光領域上のみを残すようにパターニングして平坦化膜３１−１，３１−２を形成した後、屈折率の小さい材料からなる平坦化層を全面に成膜し、最後に研磨等により、各平坦化膜３１−１，３１−２と各平坦化膜３２−１，３２−２とがそれぞれ同一面となるように面仕上げを行う。そして、屈折率の大きい各平坦化膜３１−１，３１−２上に、集積化する半導体発光素子１０−２，１０−３の発光領域が位置するようにアライメントして集積化してもよい。

（ｄ） 積層半導体発光装置１は、Ｒ色で発光する半導体発光素子１０−１、Ｇ色で発光する半導体発光素子１０−２、及びＢ色で発光する半導体発光素子１０−３のうちの少なくとも２種類以上の半導体発光素子で構成してもよい。

（実施例２の構成）
図４は、本発明の実施例２における積層半導体発光装置を示す拡大平面図、更に、図５は、図４中のＸ１１−Ｘ１２線拡大断面図であり、実施例１を示す図１及び図２中の要素と共通の要素には共通の符号が付されている。図５には、図１と同様に、複数（例えば、３つ）の半導体発光素子をこの半導体発光面に対して垂直方向に３次元集積した多色集積半導体発光装置の断面構造が示されている。

本実施例２の積層半導体発光装置１Ａでは、実施例１の１層目平坦化層３０−１及び２層目平坦化層３０−２に代えて、これとは構造の異なる１層目平坦化層３０−１Ａ及び２層目平坦化層３０−２Ａが設けられている。各平坦化層３０−１Ａ，３０−２Ａは、各半導体発光素子１０−１〜１０−３における発光領域の上下方向に位置する第１の平坦化領域と、その発光領域以外の第２の平坦化領域（即ち、第１の平坦化領域の周囲の第２の平坦化領域）とを有し、その第１の平坦化領域を取り囲むように（即ち、発光領域を取り囲むように）、屈折率差形成用の空気層からなる分離溝３３−１，３３−２がそれぞれ形成されている。各平坦化層３０−１Ａ，３０−２Ａにおいて、第１の平坦化領域が、第１の平坦化膜３１−１Ａ，３１−２Ａによりそれぞれ形成され、その第２の平坦化領域が、第１の平坦化膜３１−１Ａ，３１−２Ａと同一の材料からなる第２の平坦化膜３２−１Ａ，３２−２Ａによりそれぞれ形成されている。

各平坦化層３０−１Ａ，３０−２Ａにおける分離溝３３−１，３３−２は、発光領域の上下に位置する第１の平坦化膜３１−１Ａ，３１−２Ａを、その周囲の第２の平坦化膜３２−１Ａ，３２−２Ａと空気層を介することにより分離し、屈折率差を形成する機能を有している。各平坦化層３０−１Ａ，３０−２Ａは、実施例１と同様に、有機絶縁膜材料（例えば、ノボラック系永久レジスト、アクリル樹脂、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂、ＳＯＧ等）、あるいは無機絶縁膜材料（例えば、ＳｉＮ、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３等）により形成されている。

その他、半導体発光素子１０−１〜１０−３の構成、半導体発光素子１０−１〜１０−３上に形成される層間絶縁膜１６、上側、下側電極１７，１８、上側、下側電極引出配線２１−１〜２１−３，２２−１〜２２−３の構成、更に、上層に積層される半導体発光素子１０−２，１０−３は、下層に積層される半導体発光素子１０−１，１０−２からの放射光を上方へ透過させる構成や変形例等は、実施例１と同様である。

（実施例２の製造方法）
本実施例２の積層半導体発光装置１Ａにおける製造方法では、各平坦化層３０−１Ａ，３０−２Ａを同一の材料で形成した後、分離溝３３−１，３３−２をそれぞれ形成するようにしている点が、実施例１と異なっている。

各分離溝３３−１，３３−２は、平坦化層３０−１Ａ，３０−２Ａを形成している有機絶縁膜材料が感光性材料である場合は、ホトリソグラフィ技術により形成することができ、感光性を有さない材料、あるいは無機絶縁膜材料である場合は、ドライエッチング技術等によりパターニングすることができる。そして、各平坦化膜３１−１Ａ，３１−２Ａと３２−１Ａ，３２−２Ａとの表面は、実施例１と同様に、典型的な表面凹凸、即ち微小領域におけるピークと谷の高低差が５ｎｍ以下であることが望ましい。

なお、平坦化膜３１−１Ａ，３１−２Ａと３２−１Ａ，３２−２Ａとが、下層に設けられた半導体発光素子１０−１，１０−２の影響により凹凸形状が大きく残ってしまう場合は、研磨等により平坦化することもできる。ただ、平坦化膜形成工程を簡略化するため、平坦化層３０−１Ａ，３０−２Ａを形成する材料は、平坦化層形成時点で表面凹凸形状を小さくできる材料であることが望ましい。

（実施例２の動作）
各半導体発光素子１０−１〜１０−３間を充填している平坦化膜３１−１Ａ，３１−２Ａの周囲には、各半導体発光素子１０−１，１０−２における発光領域を取り囲むように分離溝３３−１，３３−２がそれぞれ形成されているので、発光領域の周囲の平坦化膜３２−１Ａ，３２−２Ａと分離されている。そして、平坦化膜３１−１Ａ，３１−２Ａと各半導体発光素子１０−２，１０−３とは、従来のように空気層を介することなく、直接分子間力を用いて接合されている。そのため、実施例１と同様に、半導体発光素子１０−１，１０−２から平坦化膜３２−１Ａ，３２−２Ａへ効率的に放射光が導入される。しかも、発光領域上の平坦化膜３１−１Ａ，３１−２Ａの材料は、分離溝３３−１，３３−２を形成している空気層よりも屈折率が大きいので、導波路として作用して光の漏れが防止される。

（実施例２の効果）
本実施例２によれば、実施例１とほぼ同様の効果がある。更に、本実施例２では、平坦化膜３１−１Ａ，３１−２Ａと３２−１Ａ，３２−２Ａとを同一材料で形成しているにもかかわらず、分離溝３３−１，３３−２を用いることにより屈折率差を形成し、発光領域上に導波路構造を形成している。そのため、導波路としての機能を有する平坦化膜３１−１Ａ，３１−２Ａを形成する際に、その形成工程を簡略化することが可能となる。

（実施例３の構成）
図６は、実施例１の積層半導体発光装置１又は実施例２の積層半導体発光装置１Ａを用いた本発明の実施例３における画像形成装置を示す概略の平面図である。

本実施例３の画像形成装置では、例えば、支持基板１ａ上に、実施例１の積層半導体発光装置１又は実施例２の積層半導体発光装置１Ａが２次元に配列されており、全ての積層半導体発光装置１又は１Ａが、上側電極共通配線２３−１〜２３−３３及び下側電極共通配線２４により電気的に接続されている。上側電極共通配線２３−１〜２３−３及び下側電極共通配線２４は、支持基板１ａの外縁近傍まで引き出されており、そこに外部駆動回路と電気的に接続可能とする上側電極共通配線接続用パッド２３−１ａ〜２３−３ａ及び下側電極共通配線接続用パッド２４ａが形成されている。

（実施例３の作用効果）
本実施例３によれば、実施例１で説明した効果により、半導体発光素子１０−１〜１０−３を集積化した積層半導体発光装置１又は１Ａによる画素を高密度に配列した際、漏れ光による近傍発光画素への干渉を防ぐことができるのと同時に、高効率なフルカラー画像形成装置を作製することができる。

なお、積層半導体発光装置１又は１Ａは、支持基板１ａ上に１次元に配列し、他の用途に使用することも可能である。

本発明の実施例１における積層半導体発光装置を示す図２中のＸ１−Ｘ２線拡大断面図である。 本発明の実施例１における図１の積層半導体発光装置を示す拡大平面図である。 図１及び図２の積層半導体発光装置１における製造方法の一例を示す模式的な製造工程図である。 図１及び図２の積層半導体発光装置１における製造方法の一例を示す模式的な製造工程図である。 本発明の実施例２における積層半導体発光装置を示す拡大平面図である。 図４中のＸ１１−Ｘ１２線拡大断面図である。 本発明の実施例３における画像形成装置を示す概略の平面図である。

符号の説明

１，１Ａ 積層半導体発光装置
１ａ 支持基板
１０−１〜１０−３ 半導体発光素子
３０−１，３０−１Ａ，３０−２，３０−２Ａ 平坦化層
３１−１，３１−１Ａ，３１−２，３１−２Ａ，３２−１，３２−１Ａ，３２−２，３２−２Ａ 平坦化膜
３３−１，３３−２ 分離溝

Claims (7)

1. 電気を光に変換して放射光を発生する発光領域をそれぞれ持った複数の薄膜状の半導体発光素子が、前記各発光領域に対して垂直方向に、絶縁性を有する平坦化層を介してそれぞれ接合されて積層された積層半導体発光装置であって、
   前記平坦化層において、前記各半導体発光素子における前記発光領域の上下方向に位置する第１の平坦化領域は、屈折率の大きな第１の平坦化膜により形成され、前記発光領域以外の第２の平坦化領域は、前記第１の平坦化膜よりも屈折率の小さな第２の平坦化膜により形成され、
   上層に積層される前記半導体発光素子は、下層に積層される前記半導体発光素子からの前記放射光を上方へ透過させる構成になっていることを特徴とする積層半導体発光装置。
2. 前記平坦化層は、有機絶縁膜又は無機絶縁膜により形成されていることを特徴とする請求項１記載の積層半導体発光装置。
3. 電気を光に変換して放射光を発生する発光領域をそれぞれ持った複数の薄膜状の半導体発光素子が、前記各発光領域に対して垂直方向に、絶縁性を有する平坦化層を介してそれぞれ接合されて積層された積層半導体発光装置であって、
   前記平坦化層において、前記各半導体発光素子における前記発光領域の上下方向に位置する第１の平坦化領域と、前記発光領域以外の第２の平坦化領域との間には、屈折率差形成用の空気層からなる分離溝が形成され、
   上層に積層される前記半導体発光素子は、下層に積層される前記半導体発光素子からの前記放射光を上方へ透過させる構成になっていることを特徴とする積層半導体発光装置。
4. 前記各半導体発光素子は、前記各平坦化膜上に分子間力を用いて接合されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の積層半導体発光装置。
5. 前記下層に積層される前記半導体発光素子の発光波長は、前記上層に積層される前記半導体発光素子の発光波長よりも長波長であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の積層半導体発光装置。
6. 前記複数の半導体発光素子は、赤色で発光する半導体発光素子、緑色で発光する半導体発光素子、及び青色で発光する半導体発光素子のうちの少なくとも２種類以上の半導体発光素子により構成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の積層半導体発光装置。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の積層半導体発光装置が複数個、基板上に１次元又は２次元に配列されて集積化されていることを特徴とする画像形成装置。

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