JP2010219310A - 光デバイスおよび光デバイス構造 - Google Patents

Abstract

【課題】ダイシングを容易に行うことができると共に、ダイシング時に切り出す発光セルの数を、容易に変更できるダイシング前の光デバイスや、そのようなダイシングを行った後の光デバイスを提供すること。
【解決手段】発光セル２７０を第１方向に直線上に４つ配置してなる発光セルアレイの隣同士の発光セル２７０を直列接続すると共に、その発光セルアレイの端部に位置する発光セル２７０の配線を、その発光セルアレイに上記第１方向に略垂直な方向に隣接する隣の発光セルアレイの第１方向の一端部の発光セル２７０の配線に直列接続する。
【選択図】図３

Description

本発明は、光デバイスに関し、特に、ウェハ上に複数の発光セルを集積して一体化した発光セル集積デバイスに関する。また、本発明は、例えば、発光セルを直列に接続する構造を有して、１００Ｖの商用交流電源等で点灯可能であり、照明用の電灯や蛍光管の代替光源として利用できる発光セル集積デバイスに関する。また、本発明は、光デバイス構造に関する。

長寿命青色系発光ダイオード（ＬＥＤ）は、ハロゲン電球等の代替光源として、店舗、美術館、ショールームなどに用いられている。また、近年は、液晶ディスプレイの光源や電灯に、また、蛍光管の代替光源としてＬＥＤチップが用いられ始めている。

ここで、これらの用途では、ＬＥＤチップ単体の光出力が小さいために、複数のＬＥＤチップを、１パッケージに集積することが多い。そして、ＬＥＤチップ間を、直列に接続してＬＥＤチップアレイを形成し、さらに、複数のＬＥＤチップアレイを、並列に接続することにより、光源の高出力化を実現するようにしている。

例えば、ＬＥＤチップを、絶縁基板上に形成した構造を有する光デバイスとしては、特表２００７−５１７３７８号公報（特許文献１）に記載されているＬＥＤセル集積デバイスがある。

図７は、上記公報に開示されているＬＥＤセル集積デバイスの上面外略図であり、基板上にＬＥＤセルを集積してなる構造を有する従来のＬＥＤセル集積デバイスの上面外略図である。また、図８は、上記公報で開示されているＬＥＤセル集積デバイスの回路図である。

図７に示すように、このＬＥＤセル集積デバイスでは、半導体基板であるアンドープＳｉＣ基板７上に、発光層を含む半導体多層膜からなるＬＥＤセル６が、Ｎ行Ｍ列（本例では、７行５列、合計３５個）のマトリックス状に配列されている。３５個のＬＥＤセル６は、ＳｉＣ基板７の主面上において周縁部以外の中央部に結晶成長によって形成されている。上記周縁部では、ＳｉＣ基板７の主面の一部が露出している。上記周縁部は、半導体多層膜（３５個のＬＥＤセル６）を取り囲むように形成されている。

図８に示すように、上記各ＬＥＤセル６は、直列に接続されている。例えば、ＬＥＤセル６ａのｐ側と、ＬＥＤセル６ｂのｎ側とが、電極３０（図７参照）により直列に接続されている。また、最端のＬＥＤセルの端子は、ＳｉＣ基板４に空けられたスルーホール４２（図７参照）を介して、基板４におけるＬＥＤセル側とは反対側に、電気接続されるようになっている。

特表２００７−５１７３７８号公報

上記従来のＬＥＤセル集積デバイスには、次のような課題がある。すなわち、ＬＥＤセルの中に、定格値よりも発光強度が低い、もしくは、完全に発光しない、不良セルが存在し、ＬＥＤセル集積デバイスの発光量が所望の発光量よりも低いことがある。これは、主に半導体多層膜中に存在する貫通転位が非発光再結合中心として寄与することや、電流のリークパスとなることが原因である。

青色ＬＥＤの基板材料としては、一般的に、サファイアやＳｉＣが用いられることが多い。この場合、基板と半導体多層膜とで、格子定数や熱膨張係数が大きく異なるので、半導体多層膜が結晶成長中に格子緩和して、膜中に１０^６本ｍｍ^−２程度の貫通転位が発生する。すなわち、半導体多層膜において貫通転位の発生が不可避であり、不良セルの発生が不可避である。

したがって、ＬＥＤセルを複数個集積した場合において、集積デバイスに不良セルが含まれる確率が、非常に高くなる。

図９は、集積セルの数が２５個の場合における、ＬＥＤセルの良品率と、集積デバイスに不良セルが含まれる確率の関係を示している。

図９に示すように、仮にＬＥＤセルの良品率を９５％とした場合、良品セルのみからなる集積デバイスは、２８％しか存在せず、１個の不良セルを含む集積デバイスが、３６％も存在し、２個の不良セルを含む集積デバイスも、２３％存在する。そして、集積デバイスの含む平均良品セルの数は、２４個である。

更には、結晶成長装置であるＭＯＣＶＤ装置の立ち上げ時においては、ＬＥＤセルの歩留まりは、８０％程度に低下する。これは、結晶成長中におけるチャンバ内の真空度が悪くて、半導体多層膜に不純物が取り込まれやすいことや、成長基板のサーマルクリーニングの条件が最適化されていないことに基づいて、基板表面に不純物が残存することに起因する。

ここで、例えば、このように、ＬＥＤセルの良品率が低下して、ＬＥＤセルの良品率が８０％になると、図９に示すように、集積デバイスにおける平均良品セル数が、２０まで減少する。

ところで、市場においては、規定の光量を発光する製品について一定の需要がある。ここで、このようにＬＥＤセルの良品率が低い場合には、この需要を満足するために、集積デバイスに搭載するＬＥＤセル数を変動させるなどの工夫が必要になる。

図１０は、集積セルの数が３０個の場合における、ＬＥＤセルの良品率と、集積デバイスに不良セルが含まれる確率との関係を示す図である。

図１０に示すように、ＬＥＤセルの歩留まりが８０％の場合、３０個のＬＥＤセルを搭載することにより、２４個の平均良品セルを生み出すことができる。

ここで、ダイシング時に、ＬＥＤセルの数を自在に増減させることができて、所望のＬＥＤセルを有する部分を分割することができれば、発光セルの歩留まりに応じてＬＥＤ集積デバイスに搭載するＬＥＤセルの数を増減させることができる。

しかしながら、上記発光セル集積デバイスでは、集積セルの数が、あらかじめＳｉＣ基板７に設けられたスルーホール４２の位置により決定されて、ダイシング時に集積セルの数を変更することができないという課題がある。

そこで、この発明の課題は、ダイシングを容易に行うことができると共に、ダイシング時に切り出す発光セルの数を、容易に変更できる、ダイシング前の光デバイスを提供することにある。また、そのようなダイシングを行うことにより生産されて、所定の光量を発光できるダイシング後の光デバイスを提供することにある。

上記課題を解決するため、この発明の光デバイスは、
基板と、
上記基板上にＭ行Ｎ列（Ｍ,Ｎは、２以上の自然数）にマトリクス状に配置された複数の発光セルと、
上記各発光セルの周囲を取り囲むように配置されて、上記複数の発光セルを互いに分離する絶縁部と、
上記各行において、隣接する発光セルを互いに電気接続する行方向電気接続部と、
上記各行において、少なくとも一つの端に位置する発光セルを列方向に隣接する行の端に位置する発光セルに電気接続する列方向電気接続部と
を備えて、
上記Ｍ行Ｎ列の全ての発光セルは、Ｕ字状または蛇行状に直列に電気接続されていることを特徴としている。

尚、上記Ｕ字状に直列に電気接続される場合というのは、行数が二の場合である。また、蛇行状に直列に電気接続される場合というのは、行数が三以上の場合である。

上記Ｎ列は、予め定められる一方、上記Ｍ行は、仕様に基づく切断により変動することができる。

本発明によれば、仕様に基づいて、すなわち、必要な発光セルの数に基づいて、列の長さが短くなうように、Ｍ行Ｎ列にマトリクス状に配置された複数の発光セルを、行方向に適宜切断することにより、所望の数の発光セルを有する部分を簡易に製造することができる。すなわち、ダイシングを容易に行うことができて、かつ、ダイシング時に切り出す発光セルの数を、容易に変更できる。

また、そのようにダイシングによって切り出された光デバイスが、本発明の構成を有して、本発明である場合には、そのような光デバイスは、夫々の仕様において、所望の発光量の光を発光することができる。

すなわち、本発明の光デバイスは、任意行数にダイシング可能な構造を有しているから、ダイシング時に任意の集積セル数に増減可能であるのである。尚、本発明の光デバイスであって、かつ、結晶成長装置立ち上げ時において成膜欠陥密度が大きく変動する時期に製造されたものが、従来の光デバイスであって、かつ、結晶成長装置立ち上げ時において成膜欠陥密度が大きく変動する時期に製造されたものと比して、歩留まりが格段に大きくなることは言うまでもない。

また、一実施形態では、
上記Ｕ字状または蛇行状に直列に電気接続されているＭ行Ｎ列の全ての発光セルの両端に位置している二つの発光セルは、縁部に外部接続部を有する。

上記実施形態によれば、上記外部接続部を介して、外部から電力を供給されることができる。また、外部接続部が縁部に存在しているから、光デバイスに外部から容易に給電できる。

また、一実施形態では、
上記各発光セルは、
上記基板の上方に位置する第１導電型化合物半導体層と、
上記第１導電型化合物半導体層の上記基板側とは反対側に位置する活性層と、
上記活性層の上記第１導電型化合物半導体層側とは反対側に位置する第２導電型化合物半導体層と
を有し、
上記各発光セルの上記第２導電型化合物半導体層と、その発光セルに行方向または列方向に隣接する発光セルの上記第１導電型化合物半導体層との間を電気接続している接続部分は、
上記基板の厚さ方向において、上記各発光セルにおいて上記基板側とは反対側の上面の一部をなす上面部と、
上記第１導電型化合物半導体層と、上記基板との間に位置する下面配線と、
上記上面部と、上記下面配線とを接続する接続配線と
を有し、
直列に電気接続されているＭ行Ｎ列の全ての発光セルの両端に位置している二つの発光セルの夫々の上記上面部は、上記外部接続部になっている。

上記第１導電型は、ｐ型若しくはｎ型である。第１導電型がｎ型である場合、第２導電型は、ｐ型になる。また、第１導電型がｐ型である場合、第２導電型は、ｎ型になる。

上記実施形態によれば、上記上面部の存在箇所を、切断するだけで、容易に外部接続部を作成することができる。

また、上記実施形態によれば、高い光取り出し効率とすることができる。尚、発光セルとしては、成長基板からエピ層のみ引き剥がされて、エピ層が引き剥がされた側の面を凹凸に加工した発光セルを使用することが好ましい。この場合、凹凸加工された表面からの発光が全体の９７％程度を占めて、側面からの発光は全体の３％程度しかなく、隣接する発光セルによる光吸収が、ほとんどないからである。

また、一実施形態では、
上記各発光セルは、上面図において略矩形の形状を有し、
上記上面部は、上記各発光セルの対角線上の端部に位置している。

上記実施形態によれば、上記各発光セルに電流を大局的かつより均一に流すことができて、各発光セルからの発光量を増大させることができる。

また、一実施形態では、
上記絶縁部の材質は、塗布ガラス（ＳＯＧ：Spin On Glass）である。

上記実施形態によれば、ダイシングを、不良を発生させることなく行うことができる。絶縁材料としてＳＯＧを用いることで、絶縁材料を内部配線の硬度に近づけることができるから、発光セルを損傷することなくダイシングすることができるからである。

また、上記実施形態によれば、ＳＯＧは透光性材料なので、発光セルから出射した光が吸収されることがない。

また、本発明の光デバイス構造は、
複数の本発明の光デバイスを備え、
上記複数の光デバイスは、行方向に直線上に配置され、
行方向に隣接する全ての二つの光デバイスの組において、一方の光デバイスの列方向に延在する縁と、他方の光デバイスの列方向に延在する縁とが、一体化されている（くっついている）ことを特徴としている。

本発明によれば、列方向の切断により、複数の本発明の光デバイスを、容易に製造することができる。

尚、本発明の一実施形態の光デバイスは、基板上で複数の発光セルが絶縁部により分離され、内部配線を含む媒体を介して直列に接続されることにより、直線状の発光セルアレイを成し、その発光セルアレイの端部で発光セルは折り返し、その端部の発光セルは、その端部の発光セルに電気接続する折り返し点に位置する発光セルを含む発光セルアレイを含む複数列の発光セルアレイに電気接続され、さらに、電気接続の配線経路の両端に位置する発光セルには外部端子（外部接続部）が設けられ、上記外部端子の一辺が、外周に接触している。

また、本発明で好適に使用できる発光セルとしては、サファイアやＳｉＣなどの基板上で成長され、成長基板からエピ層のみを引き剥がした厚さ１０μｍ程度の発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）がある。複数の発光セルは、ＡｌＮやＳｉなどの熱抵抗が低い支持基板上に金属層を介して接合されると好ましい。

また、上記絶縁部の材料である絶縁物質は、ダイシングのために内部配線と同等の硬度の材料が望ましく、さらに、スピンコートにより埋め込むことが可能な材料であることが望ましい。

また、上記発光セルは、例えば、デイジーチェーン状に配置され、それらは、抵抗成分のみの内部配線により接続されている。また、当然に、絶縁基板にスルーホールを設ける必要はない。

また、上述のように、ダイシングカット時において、列ごとの切断位置は、発光セルアレイの折り返し位置に決定される一方、行ごとの切断位置は、制限がなく、仕様に基づいて任意の箇所でダイシングすることができる。

また、一実施形態では、発光セルアレイの折り返し位置の発光セル間における内部配線の上をダイシングしてなり、内部配線の一部分が外部端子となる。つまり、外部端子の一辺は、光デバイスの外周に接した構成となる。

ダイシング前の本発明の光デバイスによれば、ダイシングを容易に行うことができて、かつ、ダイシング時に切り出す発光セルの数を、容易に変更できる。また、ダイシング後の本発明の光デバイスによれば、各仕様において、所望の光量を発光することができる。

本発明の光デバイス構造の一実施形態である分断前の発光セル集積デバイス構造の上面図である。 その発光セル集積デバイス構造の一部における基板に垂直な方向の部分拡大断面図である。 本発明の光デバイスの一実施形態の上面図であり、図１に示す分断前の発光セル集積デバイス構造を、図１に２２２で示す縦切断面および図１に２２１で示す横切断面で切断して取り出した分断後の４行４列の発光セル集積デバイスの上面図である。 本発明の光デバイスの一実施形態である発光セル集積デバイスを製造する工程を示すフローチャートである。 本発明の光デバイスの一実施形態である発光セル集積デバイスの製造プロセス毎における模式断面図である。 本発明の光デバイスの一実施形態である発光セル集積デバイスの製造プロセス毎における模式断面図である。 本発明の光デバイスの一実施形態である発光セル集積デバイスの製造プロセス毎における模式断面図である。 本発明の光デバイスの一実施形態である発光セル集積デバイスの製造プロセス毎における模式断面図である。 本発明の光デバイスの一実施形態である発光セル集積デバイスの製造プロセス毎における模式断面図である。 本発明の光デバイスの一実施形態である発光セル集積デバイスの製造プロセス毎における模式断面図である。 本発明の光デバイスの一実施形態である発光セル集積デバイスの製造プロセス毎における模式断面図である。 本発明の光デバイスの一実施形態である発光セル集積デバイスの製造プロセス毎における模式断面図である。 本発明の光デバイスの一実施形態である分断後の個片化した発光セル集積デバイスの上面図である。 従来公報に開示されているＬＥＤセル集積デバイスの上面外略図である。 従来公報で開示されているＬＥＤセル集積デバイスの回路図である。 集積セルの数が２５個の場合における、ＬＥＤセルの良品率と、集積デバイスに不良セルが含まれる確率の関係を示している。 集積セルの数が３０個の場合における、ＬＥＤセルの良品率と、集積デバイスに不良セルが含まれる確率との関係を示す図である。

以下、本発明を図示の形態により詳細に説明する。

図１は、本発明の光デバイス構造の一実施形態である分断前の発光セル集積デバイス構造の上面図である。また、図２は、その発光セル集積デバイス構造の一部２１６における基板２１４に垂直な方向の部分拡大断面図である。

図２に示すように、この発光セル集積デバイス構造は、たとえば、非導電性基板である窒化アルミニウム（ＡＩＮ）等からなる絶縁基板２１４を備え、その絶縁基板２１４上に下面配線２０３を有する。また、この発光セル集積デバイスは、下面配線２０３の上に、ＧａＮ系の発光セル２７０を有する。

上記各発光セル２７０において、下面配線２０３、上下配線２０１、上面部としての上面配線２０２は、内部配線によって連なっている。上記上下配線２０１は、下面配線２０３と、上面配線２０２とを電気接続する接続配線に含まれている。また、紙面における左右方向である第１方向に隣接する発光セル２７０においては、各発光セルの配線は、互いに共有している上面配線２０２を通じて直列接続されている。左右方向である第１方向（マトリクス状に配置された発光セル２７０の行方向に対応）に隣接する発光セル２７０において、互いに供給される上面配線２０２は、行方向電気接続部を構成している。尚、上記第１方向には、４つの発光セル２７０が配置されるが、これらの発光セルは、発光セルアレイを形成している。

この光デバイス構造から、発光セル２７０を４列構成でデイジーチェーン接続した構成を有する光デバイスが切り出されるようになっている。すなわち、発光セルアレイの端部に位置する発光セルの配線は、この発光セルアレイに上記第１方向に略垂直な方向（紙面における上下方向）に隣接する隣の発光セルアレイの第１方向の一端部の発光セル２７０の配線に直列接続している。このようにして、上記第１方向に略垂直な方向に隣接する発光セルアレイ同士を、直列接続している。このように、発光セルアレイの端部の発光セルで電気接続が折り返し、その端部の発光セルは、その端部の発光セルに電気接続する折り返し点に位置する発光セルを含む発光セルアレイを含む複数列の発光セルアレイに電気接続されている。別の言葉でいうと、この光デバイス構造から、Ｕ字状または蛇行状に直列に電気接続され、かつ、Ｍ行Ｎ列（Ｍ、Ｎは、２以上の整数）に配置された複数の発光セル２７０を有する光デバイスが切り出されるようになっている。

図面における上下方向である第１方向に略垂直な方向（マトリクス状に配置された発光セル２７０の列方向に対応）に隣接する発光セル２７０において、互いに供給される上面配線２０２は、列方向電気接続部を構成している。

この光デバイス構造は、任意の行で内部配線ごと切断することにより、４列ごとに発光セル数を増減可能である。この実施形態では、各発光セルアレイをなす発光セル２７０の数は４になっている。尚、この実施形態では、各発光セルアレイをなす発光セル２７０の数は四であるが、この発明では、各発光セルアレイをなす発光セルの数は二、三または五以上であっても良く、この発明の光デバイスは、発光セルを、Ｎ列（Ｎは、２以上の自然数）構成でデイジーチェーン接続した構成であっても良い。

図３は、本発明の光デバイスの一実施形態の上面図であり、図１に示す分断前の発光セル集積デバイス構造を、図１に２２２で示す縦切断面および図１に２２１で示す横切断面で切断して取り出した分断後の４行４列の発光セル集積デバイスの上面図である。

発光セル集積デバイスの縦切断面２２２は、絶縁部２６０と絶縁基板２１４が露出した断面である。また、上記横切断面２２１は、上面配線２０２（図２参照）と、絶縁部２６０（図２参照）と、絶縁基板２１４（図２参照）とが露出した断面である。横切断面２２１において上面配線２０２が露出した理由は、内部配線のうちで上面配線２０２が存在している箇所で切断したためである。

本発明に好適に使用できる絶縁基板２１４の条件としては、熱抵抗が小さいこと、発光セル２７０のベース材料であるＧａＮと熱膨張係数が近いことが挙げられる。

例えば、絶縁基板２１４で使用できる材料としては、ガリウムリン（ＧａＰ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、シリコン（Ｓｉ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）、インジュウムリン（ＩｎＰ)、サファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）がある。また、上記絶縁基板２１４の厚みは、サンプル保持の観点から５０μｍ〜２ｍｍであれば良く、さらには、放熱性の観点から５０μｍ〜５００μｍが望ましい。尚、上記絶縁基板２１４は、最表面が絶縁層であれば、特に、非導電性材料に制限されることはない。たとえば、最表面に絶縁膜が形成されている構造体でもよい。例えば、ＳｉやＳｉＣなどを基板に用いる場合、最表面にそれらの酸化物などを形成しておくと良い。

上記発光セル２７０のベース材料としては、ＡｌＧａＩｎＰ、ＧａＰ、ＧａＮ、ＳｉＣ、ＺｎＯ、及びその他の化合物半導体が含まれる。

図２に示すように、発光セル２７０は、成長基板上に、結晶成長したエピタキシャル成長層（エピ層）のエピ層のみを引き剥がした数十μｍの厚さの薄膜である。上記発光セル２７０は、第２導電型化合物半導体層の一例としてのｎ型化合物半導体層２１７、活性層２１６、第１導電型化合物半導体層の一例としてのｐ型化合物半導体層２１５により構成される。上記ｎ型化合物半導体層２１７は、例えば、電気的特性を向上させるために設計されたｎ型領域を含む組成を有し、かつ、ドーパント濃度が異なる複数の層を含む。上記ｎ型化合物半導体層２１７のベース材料としては、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ等を用いることができる。

上記ｎ型化合物半導体層の上には、発光領域である活性層２１６が存在する。発光領域は、一つまたは二つ以上の発光層を含むことができる。例えば、活性層２１６は、複数の量子井戸発光領域を含むことができ、好ましくは、障壁層によって分離された複数の量子井戸発光層を含むことができる。上記活性層２１６は、ベース材料としては、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ等を用いることができ、また、ドーパントとしては、Ｓｉ等を用いることができる。

上記蛇行状に直列に電気接続されているＭ行Ｎ列の全ての発光セルの両端に位置している二つの発光セルの夫々の上面配線は、外部接続部（外部端子）を構成している。

上記活性層２１６の上には、ｐ型化合物半導体層２１５が存在する。上記ｐ型化合物半導体層２１５は、ｎ型化合物半導体層２１７と同様に、組成及びドーパント濃度が異なる複数の層を含む。上記ｐ型化合物半導体層２１５は、ベース材料としては、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ等を用いることができ、また、ドーパントとしては、Ｍｇ等を用いることができる。

エピ層材料と、成長基板材料とが異なる場合は、成長基板は、レーザ分離等により除去され、露出されたｎ型化合物半導体層２１７には、誘導結合プラズマ（Inductively Coupled Plasma）等によるエピ層の薄型化処理が起われる。そして、その後、そのエピ層表面をアルカリ溶液により処理して、凹凸形状に成型する。

成長基板材料が、エピ層材料と同一の場合は、成長基板をｎ型化合物半導体層の一部として用いるために、成長基板は除去されない。この場合、成長基板表面を、アルカリ処理により、凹凸形状に成型する。

成長基板をエピ層から分離する理由としては、活性層２１６から放出された光が成長基板とエピ層の界面で全反射されてしまい、光取り出し効率が大きく低下するからである。例えば、成長基板がサファイアであって、エピ層がＧａＮである場合、屈折率がそれぞれ１．８と２．４で大きく異なるから、成長基板を分離しなければ、ほとんどの光は、成長基板とエピ層の界面で全反射してしまうのである。

また、エピ層の表面が、凹凸に加工されている理由は、光が、エピ層とその周囲を覆う樹脂等の物質間で全反射することを防止するためであり、光取り出し効率を低下させないためである。エピ層は、発光セル２７０と上下配線２０１とを分離するために選択的に除去されている。

そして、上下配線２０１を次のようにして作成している。すなわち、エピ層の層構造の中で、ｐ型化合物半導体層２１５と、活性層２１６と、ｎ型化合物半導体層２１７とを、中空形状に除去し、更に、エピ層を除去した部分に、導体金属２３０を埋め込んで、上下配線２０１を作成している。

上記導体金属２３０の材料としては、ｎ型化合物半導体層２１５と良好なオーミック特性を得ることが可能な材料、例えば、Ｔｉ、Ａｌ、Ｎｉ、Ａｇ、Ａｕ、ＩＴＯ等を用いることができる。

このような構造を有する上下配線２０１の導体金属２３０側の面、および、発光セル２７０のｐ型化合物半導体層２１５側の面は、絶縁基板２１４上の下面配線２０３を介して接合されている。上記下面配線２０３は、反射層２１２、拡散防止層２１３ａ、および、接合層２１１を含む二以上の金属層により構成される。

尚、図２に示すように、反射層２１２、拡散防止層２１３ａ、接合層２１１、拡散防止層２１３ｂは、選択的に形成されている。

上記反射層２１２の材料としては、一般的に、銀（Ａｇ）、ＩＴＯ／アルミ（Ａｌ）が用いられる。また、上記拡散防止層２１３ａ、２１３ｂの材料としては、チタンタングステン（ＴｉＷ）が用いられる。また、上記接合層２１１の材料としては、金（Ａｕ）、錫（Ｓｎ）を含む材料が用いられる。上記発光セル２７０と、上下配線２０１の間の溝には、絶縁部２６０が埋め込まれている。上記絶縁部２６０の材料としては、たとえば、塗布ガラス（ＳＯＧ：Spin On Glass）などの絶縁材料を用いることが可能である。

上面配線２０２は、上下配線２０１のｎ型化合物半導体層２１７側の面と、発光セル２７０のｎ型化合物半導体層２１７側の面を電気的に接続するために設けられている。上面配線２０２の材料としては、ｎ型化合物半導体２１７とオーミック特性を得られるものであれば特に制限されず、例えば、ＩＴＯやＮｉ、Ａｕ、Ａｌ、Ａｇ等の金属を用いることが可能である。

図４は、本発明の光デバイスの一実施形態である発光セル集積デバイスを製造する工程を示すフローチャートである。また、図５Ａ〜図５Ｈは、本発明の光デバイスの一実施形態である発光セル集積デバイスの製造プロセス毎における模式断面図である。以下、各製造プロセスを、これら断面構造図を用いて説明する。

先ず、図４の（１）のエピ層成長工程では、図５Ａに示すように、有機金属気相成長法（以下「ＭＯＶＰＥ」と略す）による気相成長により、成長基板１０１上にＧａＮ系のエピ層を成長させる。ここで、エピの成長基板１０１として、ａ面を主面とし、表面が３０μｍピッチで凹凸に加工されたサファイヤ（ＰＳＳ：Patterned Sapphire Substrate）を用いる。

まず、常圧でH_２を反応室に流しながら温度１１００℃で成長基板１０１をベーキングする。次に、成長基板１０１の温度を４００℃まで低下させて、Ｈ_２、ＮＨ_３及びトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ：trimethylaluminum） を供給してＡｌＮのバッファー層を約２５ｎｍの膜厚に形成する。

次に、成長基板１０１の温度を１１５０℃に保持し、H_２、NH_３、トリメチルガリウム（ＴＭＧ：trimethylgallium）及びシランを供給し、膜厚約４.０μｍ、電子濃度２×１０^１８／ｃｍ^３の高ドープｎ型ＧａＮ層１０２を形成する。次に、Ｎ_２ 又はＨ_２、ＮＨ_３及びＴＭＧを供給して、膜厚約３５ÅのアンドープＧａＮから成るバリア層を形成する。次に、Ｎ_２又はＨ_２、ＮＨ_３、ＴＭＧ及びトリメチルインジウム（ＴＭＩ：trimethylindium）を供給して、膜厚約３５ÅのＧａ_０.８Ｉｎ_０.２Nから成る井戸層を形成する。さらに、バリア層と井戸層を同一条件で４周期形成し、その上にアンドープＧａＮから成るバリア層を形成する。

このようにして５周期のＭＱＷ構造の活性層１０３を形成する。次に、成長基板１０１の温度を１１００℃に保持し、Ｎ_２またはＨ_２、ＮＨ_３、ＴＭＧ及びＭｇを供給して、膜厚が約７０ｎｍで、かつ、ＭｇがドープされたＧａＮより成るｐ型ＧａＮ層１０４する。

次に、ｐ型ＧａＮ層１０４上にエッチングマスクを形成し、所定領域のマスクを除去して、マスクで覆われていない部分のｐ型ＧａＮ層１０４、活性層１０３、ｎ型ＧａＮ層１０２の一部を、塩素系ガスによる反応性イオンエッチングにより、１５０ｎｍの厚さ分だけ除去してｎ型ＧａＮ層１０２の表面を露出する。このエッチング箇所は、後の発光チップ間の上下配線にあたる箇所になる。

次に、図４に（２）で示すＰ電極形成工程を行う。

この工程では、先ず、フォトリソグラフィにより発光チップの裏面電極となる所定領域にフォトレジストを塗布し、フォトリソグラフィにより窓を形成して、１０^−６Ｔｏｒｒオーダ以下の高真空にするべく排気する。その後、反射層１０８として膜厚約２００ｎｍのＡｇ層と、拡散防止層１０６として、膜厚１μｍのＴｉＷ層を蒸着する。このとき、塩素系ガスでエッチングされた箇所のエッチング深さは１５０ｎｍ程度なので、反射層１０８と拡散防止層１０６を金属蒸着で埋めて、さらに平坦性を維持することが十分可能である。その後、既存の技術によりフォトレジストを除去する。このようにして、図５Ｂに示す断面構造を有する製造途中の光デバイスを獲得する。

次に、図４に（３）で示すウェハ張り合わせ工程を行う。

この工程では、ウェハとエピ層付成長基板との張り合わせを行う。本発明で使用するウェハとしては、熱抵抗が小さいもの、また、発光チップの構成材料であるＧａＮ系材料との熱膨張係数が近いものが好ましい。この実施形態では、ウェハとして、これらの観点から最も好適な窒化アルミニウム（ＡｌN）を採用する。なお、ウェハとして、その他の材料を用いても支障はなく、例えば、ガリウムリン（ＧａＰ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、シリコン（Ｓｉ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）、インジュウムリン（ＩｎＰ)、サファイア（Ａｌ_２O_３）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）を用いてもよい。

尚、ウェハ１１０の材料は、非導電性材料に限定されることはなく、ウェハ１１０は、最表面に絶縁膜が形成してなる構造でも良い。例えば、ウェハ１１０は、本体部としてのＳｉやＳｉＣと、その本体部としてのＳｉやＳｉＣの最表面に形成された酸化物とを有する構成であっても良い。

上記ウェハ１１０の厚みは、サンプル保持の観点から５０μｍ〜２ｍｍであれば良く、更には、放熱性の観点から５０μｍ〜５００μｍが望ましい。上記ウェハ１１０の表面の発光セル集積デバイスとなる領域に、拡散防止層１０６として、ＴｉＷ等を、選択的に蒸着している。上記拡散防止層１０６の厚さは、それぞれ、１μｍ程度の厚さを有している。

エピ付成長基板の拡散防止層１０６側の面と、ウェハ表面の拡散防止層１０７側の面とを、接合層１１１により張り合わせる。ここで、接合層１１１の材料としては、Ａｕ−Ｓｎ共晶などの比較的融点の低い金属を用いる。このようにして、図５Ｃに示す断面構造を有する製造途中の光デバイスを獲得する。

次に、図４に（４）で示すリフトオフ構成を行う。

この工程では、エピ層付成長基板をウェハ１１０に貼り付けた後に、成長基板１０１を除去する。上記成長基板１０１のリフトオフは、エキシマレーザによるｎ型化合物半導体層１０２の熱分解によって行うことができる。レーザーの光子エネルギーは、サファイアに隣接する結晶層（多くの場合にＧａＮまたはＡｌＧａＮ）のバンドギャップを超えるように選択される。このことにより、パルスエネルギーは、サファイアとエピ層の界面位置からエピ層側に１００ｎｍ以内の領域で有効に熱エネルギーに変換される。隣接する結晶層のバンドギャップよりも上でサファイアの吸収端よりも下（すなわち、約３．４４ と約６ｅＶの間）における十分に高い光子エネルギーでは、上記領域における温度はナノ秒のスケールで１０００℃を超える温度まで上昇する。このような高温は、ｎ型ＧａＮ層がガリウム及び窒素ガスに分離してエピタキシャル層１１０を成長基板１０１から剥離するのに十分に高いものである。リフトオフは、成長基板１０１表面全体を一回のレーザー照射による線走査によって達成することが可能である。

シリコンベース（例えば、ＳｉＣ、ＳｉＣ・オン・インシュレータ、ＳｉＣ・オン・クオーツ、Ｓｉなど）の成長基板１０１の除去は、反応性イオンエッチングのような従来のエッチング技術で行うことができる。ＳｉＣ・オン・インシュレータ基板の除去は、成長基板１０１とエピ層の間の剥離層をエッチングで除去して、リフトオフすることが可能である。同様に、アンダーカットエッチ層をエピ層として成長させた場合、サファイア基板の除去は、アンダーカットエッチ層をエッチングで除去することによって行うことができる。このようにして、図５Ｄに示す断面構造を有する製造途中の光デバイスを獲得する。

次に、図４に（５）で示す表面処理工程を行う。成長基板除去後、レーザー分離で残ったガリウム金属は、塩酸水溶液で洗浄することができる。エピ層は、ドライエッチングで薄くされる。バッファー層に接している領域に存在するｎ型ＧａＮ層１０２である低結晶品質ｎ型ＧａＮ領域およびバッファー層を除去する薄くなったエピ層を、例えば、溶融させた水酸化カリウム（ＫＯＨ）や水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）を用いた光電気化学エッチングにより粗面化して、発光領域からの光取出し効率を高めるようにする。この実施形態では、４００℃に加熱して溶融させた水酸化カリウムにより処理して、エピ層の最表面を凹凸形状に成形する。

次に、図４に（６）で示すエピ層分離工程を行う。ｎ型ＧａＮ層１０２上にエッチングマスクを形成した後、所定領域のマスクを除去して、マスクで覆われていない部分のｎ型ＧａＮ層１０２、活性層１０３、ｐ型ＧａＮ層１０４を、塩素系ガスで反応性イオンエッチング処理する。このようにして、図５Ｅに示す断面構造を有する製造途中の光デバイスを獲得する。

次に、図４に（７）で示す接合層除去工程を行う。

この工程では、各発光セル１７０と、上下配線１４０の間の接合層１１１（Ａｕ−Ｓｎ共晶）とを、酸性溶液を用いてウエットエッチングにより除去する。酸性溶液としては、硝酸や硫酸、塩酸を用いることができる。この実施形態では、純水で薄めた濃度５０％の硫酸を用いて１０分間処理し、互いに隣接する拡散防止層１０６の間と、互いに隣接する拡散防止層１０７の間とに存在していた接合層１１１を完全に除去する。尚、このとき、発光セル集積デバイスと直下の拡散防止層１０６と拡散防止層１０７の間に存在するＡｕ−Ｓｎが、エッチングされることなく残存していることを、断面切削後の走査顕微鏡による観察により確かめた。このようにして、図５Ｆに示す断面構造を有する製造途中の光デバイスを獲得する。

次に、図４に（８）で示す絶縁物質の埋め込み工程を行う。

この工程では、発光セル１７０と上下配線１４０の間の隙間に絶縁物質１８０の埋め込みを行った。絶縁物質１８０としては、透光性のポリイミドワニスを用いる。ポリイミドワニスを、スピンコートにより発光セル１７０や上下配線１４０等すべてが覆われるように全面塗布し、その後、ポリイミドワニスを硬化させる。ワニスの硬化は、例えば、N_２雰囲気下で２００℃の温度を２時間持続して行う。

次に、発光セル１７０および上下配線１４０の表面が露出するまで、ＩＣＰによりポリイミドのエッチングを行う。このようにして、発光セル１７０と上下配線１４０の間の隙間に絶縁物質１８０を埋め込み、図５Ｇに示す断面構造を有する製造途中の光デバイスを獲得する。

次に、図４に（９）で示す上面配線形成工程を行う。

この工程では、上面配線１５０を発光セル１７０と上下配線１４０とをつなぐように形成する。これにより、各発光セルを電気接続する。そして、このような接続を繰り返して形成して、デイジーチェーン状に接続された５列の発光セル集積デバイスを形成する。正確には、５列の発光セル集積デバイスが、ウエハレベルで並んでいるものを形成する。このように、５列の発光セル集積デバイスが、ウエハレベルで並んだものを形成することにより、列については、集積デバイスの分断位置が５列ごとである一方、行については、任意の位置で切断可能なＬＥＤ集積デバイスとすることができる。

次に、フォトリソグラフィにより発光セル１７０の表面電極となる所定領域にフォトレジストを塗布した後、フォトリソグラフィにより窓を形成する。続いて、排気により、１０^−６Ｔｏｒｒオーダ以下の高真空を実現した後、電極材料である膜厚２μｍのＮｉ／Ａｕの積層膜をスパッタにより形成する。そして、その後、フォトレジストを除去する。

このようにして、図５Ｈに示す断面構造を有する製造途中の光デバイスを獲得する。

最後に、図４に（１０）で示すパッケージング工程を行う。

この工程では、ダイシングにより各発光セル集積デバイスに分割する。ここではダイサーを用いて、図６に上面図を示す５列×５行の各発光セル集積デバイスに分割する。詳しくは、上記５列の発光セル集積デバイスがウエハレベルで並んだものを、ダイサーで、図６に３００で示す縦切断面と、図６に３１０で示す横切断面に沿って分断して、図６に表す各発光セル集積デバイスに分割する。

詳しくは、先ず、ウェハ１１０が露出している面に、ラミネート装置を用いてダイシングテープを貼り付ける。次に、ダイサー装置にウェハ１１０を搬送し、集積デバイスごとの分割を行う。

発光セル集積デバイスの縦方向の切断は、ウェハ１１０の材料であるＡｌNおよび絶縁物質１８０の材料であるポリイミドのダイシングにより行う。一般的に、切断する材料の硬度によって、ダイシングに用いるブレードの厚みが異なる。ここでは、一枚のブレードでダイシングを行うために、一回のダイシングする速度を２０μｍ／ｓと遅く設定してダイシングを行う。

横方向の切断は、ウェハ１１０の材料であるＡｌNおよび絶縁物質１８０の材料であるポリイミド、そして、内部配線の中でも上面配線１５０のダイシングにより行う。縦方向の切断の場合に比べ、切断する物質が一種類多く、ダイシングブレードにかかる負荷が大きい。このため、ダイシング速度を１０μｍ／ｓとして、縦方向の切断の場合よりも遅くしてダイシングを行う。以上のダイシング方法により、６インチウェハを、約５０００個の発光セル集積デバイスに分割する。

このようにして形成された図６に示す各発光セル集積デバイスにおいて、縦切断面３００は、絶縁物質１８０および絶縁基板１１０が露出した断面であり、また、横切断面３１０は、上面配線１５０、絶縁物質１８０および絶縁基板１１０が露出した断面である。ここで、上記横切断面３１０における上面配線１５０は、切断されて露出している。

続いて、発光セル集積デバイスを、銅の放熱体の上に銀ペーストを用いて接合する。また、各発光セル集積デバイスの外部端子と、パッケージの外部端子を、ワイヤーボンダー装置を用いて金ワイヤーにより接続する。その後、蛍光体入り樹脂封止等により発光セル集積デバイスをパッケージングして、上記実施形態の光デバイスを製造する。

尚、図６に示す実施形態によれば、隣接するセルとの接続部である上面配線１５０のパターンは、発光セルの隅に配置され、隣り合った接続部は発光セルの対角線上に位置されている。上面配線１５０を、このように対角線上に配置することにより、各発光セルに電流を均一に流すことができ、それによって各セルからの発光量を増加させることができる。

尚、上記実施形態では、第１導電型が、ｐ型であり、第２導電型が、ｎ型であったが、この発明では、１導電型が、ｎ型であり、第２導電型が、ｐ型であっても良い。

図６に示す実施形態では、ウェハを５行５列の発光セル集積デバイスに切断したが、集積セル数はダイシングする段階で任意の行数に変更できることは言うまでもない。例えば、６行５列や７行５列など、様々な集積セル数のデバイスに変更可能である。この技術は、結晶成長装置立ち上げ時における不良セル率が大きく変動する時期であって、デバイスに搭載する集積セル数増減させる必要がある場合に非常に効果的である。

尚、本発明が、上記実施形態に限らず、特許請求の範囲によって定義される範囲に含まれる実施形態を全て包含することは勿論である。

６,６ｃ,６ｄ,６ｅ,６ｆ ＬＥＤセル
７ ＳｉＣ基板
３０ 内部配線
４２,４６ スルーホール
１０１ サファイア基板
１０２ ｎ型ＧａＮ層
１０３ 活性層
１０４ ｐ型ＧａＮ層、
１０６ 拡散防止層
１０７ 拡散防止層
１０８ 反射層
１１０ ウェハ
１１１ 接合層
１３０ 導体金属
１４０ 上下配線
１５０ 上面配線
１６０ 下面配線
１７０ 発光セル
１８０ 絶縁物質
２１３ａ 拡散防止層
２１３ｂ 拡散防止層
２１６ 拡大箇所
２２１ 横切断面
２２２ 縦切断面
２３０ 導体金属
２６０ 絶縁部
２７０ 発光セル
３００ 縦切断面
３１０ 横切断面

Claims (6)

1. 基板と、
   上記基板上にＭ行Ｎ列（Ｍ,Ｎは、２以上の自然数）にマトリクス状に配置された複数の発光セルと、
   上記各発光セルの周囲を取り囲むように配置されて、上記複数の発光セルを互いに分離する絶縁部と、
   上記各行において、隣接する発光セルを互いに電気接続する行方向電気接続部と、
   上記各行において、少なくとも一つの端に位置する発光セルを列方向に隣接する行の端に位置する発光セルに電気接続する列方向電気接続部と
   を備えて、
   上記Ｍ行Ｎ列の全ての発光セルは、Ｕ字状または蛇行状に直列に電気接続されていることを特徴とする光デバイス。
2. 請求項１に記載の光デバイスにおいて、
   上記Ｕ字状または蛇行状に直列に電気接続されているＭ行Ｎ列の全ての発光セルの両端に位置している二つの発光セルは、縁部に外部接続部を有していることを特徴とする光デバイス。
3. 請求項１または２に記載の光デバイスにおいて、
   上記各発光セルは、
   上記基板の上方に位置する第１導電型化合物半導体層と、
   上記第１導電型化合物半導体層の上記基板側とは反対側に位置する活性層と、
   上記活性層の上記第１導電型化合物半導体層側とは反対側に位置する第２導電型化合物半導体層と
   を有し、
   上記各発光セルの上記第２導電型化合物半導体層と、その発光セルに行方向または列方向に隣接する発光セルの上記第１導電型化合物半導体層との間を電気接続している接続部分は、
   上記基板の厚さ方向において、上記各発光セルにおいて上記基板側とは反対側の上面の一部をなす上面部と、
   上記第１導電型化合物半導体層と、上記基板との間に位置する下面配線と、
   上記上面部と、上記下面配線とを接続する接続配線と
   を有し、
   直列に電気接続されているＭ行Ｎ列の全ての発光セルの両端に位置している二つの発光セルの夫々の上記上面部は、上記外部接続部になっていることを特徴とする光デバイス。
4. 請求項３に記載の光デバイスにおいて、
   上記各発光セルは、上面図において略矩形の形状を有し、
   上記上面部は、上記各発光セルの対角線上の端部に位置していることを特徴とする光デバイス。
5. 請求項１から４までのいずれか一項に記載の光デバイスにおいて、
   上記絶縁部の材質は、塗布ガラスであることを特徴とする光デバイス。
6. 複数の請求項１から５までのいずれか一項に記載の光デバイスを備え、
   上記複数の光デバイスは、行方向に直線上に配置され、
   行方向に隣接する全ての二つの光デバイスの組において、一方の光デバイスの列方向に延在する縁と、他方の光デバイスの列方向に延在する縁とが、一体化されていることを特徴とする光デバイス構造。

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