JP2011199221A - 発光ダイオード - Google Patents

Abstract

【課題】大電流を流すことに起因した種々の不都合を発生させることなく高輝度化や高出力化を実現し、かつ配線系や電極等の構造を改善することで光取出効率を向上させた、発光ダイオードを提供する。
【解決手段】個々のＬＥＤ素子２１が、離間して設けられた第１のウエハ接合用電極１０ａおよび第２のウエハ接続用電極１０ｂと、透明絶縁層７と、第１の半導体層４と、活性層３と、第２の半導体層２とが、下層からこの順で形成されており、透明絶縁層７を貫通して第１の半導体層４と第１のウエハ接合用電極１０ａとを電気的に接続する第１のコンタクト部５と、透明絶縁層７および第１の半導体層４ならびに活性層３を電気的に絶縁された状態で貫通して、第２の半導体層２と第２のウエハ接合用電極１０ｂとを電気的に接続する第２のコンタクト部６とを備え、かつ前記ウエハ接合用電極１０ａ、１０ｂが、支持基板１４上のチップ接合用電極１２に接合されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数個の発光ダイオードチップを基板上に配置してなる発光ダイオードに関する。

発光ダイオードは、各種電子機器や計器等のいわゆるインジケータを中心として、情報表示用や小規模な照明用などに用いられてきた。
近年では、発光効率が高くなり、発熱の心配も少なくなったことから、以前よりも大きな電流を流して発光させるように設定することも可能になってきている。このため、比較的大きなサイズの照明用の光源として発光ダイオードを用いるといった用途への展開が盛んに検討され、またすでに一部では実用化されるようになってきている。

発光ダイオードは、照明用の光源として用いられる場合には、表示用のインジケータとして用いられる場合の数１０倍あるいはそれ以上もの高輝度が必要となる。それに対応するために、従来の技術では、多数個の発光ダイオードチップを、並列または直列もしくはそれらの組み合わせで、例えばアレイ状に配置し、それら全ての発光ダイオードチップの発光を総合することで、所望の高輝度な光出力を得るようにする、という技術が提案されている。
あるいは、大電流を流すことで、その大きな電流量に対応した高輝度または大光量の発光が可能な、大電流対応の大型発光ダイオードチップを、１個または少数個用いる、という技術が提案されている。

上述の多数個の発光ダイオードチップをアレイ状に配置する、という技術は、例えば道路交通用の信号機における青・赤・黄色といった標識光のランプや光源として発光ダイオードが用いられる場合などに適用されている。
ところが、一つの光源やランプを構成するために数百個もの発光ダイオードチップを用意し、それら全てを正確に実装・配線しなければならない。このため、一つの光源やランプの製造に手間が掛かり、またその製造コストや部品コストの高額化が避け難いものとなるという欠点がある。

他方、上述の大電流に対応した大型発光ダイオードチップを用いる、という技術では、１チップのサイズを、インジケータ用の発光ダイオードチップの場合のような数１００μｍ角レベルではなく、数ｍｍ角レベルのように大型化して、それに流す電流を、インジケータ用の発光ダイオードチップの場合のような数１００ｍＡではなく、数１〜１０Ａあるいはそれ以上に増大することで、高輝度または大光量の出力を確保できるようにしている。
この技術によれば、一つの光源やランプを構成するために用いられる発光ダイオードチップの個数を大幅に減らすことが可能となる。このような利点に注目して、１個の発光ダイオードチップにおける電流量の許容限界値（いわゆる電流容量）をさらに高くするための研究開発が進められている。

また、上述の高輝度化対応または大光量化対応の発光ダイオードは、インジケータ用のものと比較すれば確かに相当明るいが、現在一般に照明用として実用化されて広く普及している各種電球や蛍光灯等と比較すると、やはり未だ明るさが足らないと言わざるを得ない現状となっており、さらに明るい発光を実現できるようにすることが、強く要請されている。そして、そのためには、さらなる大電流化に対応することが有効な方策の一つであるものと考えられている。
しかし、そのような、さらなる大電流化への対応によってさらなる高輝度化または大光量化を実現するためには、単に発光ダイオードチップを大型化すればよいというわけではなく、次のような種々の不都合が生じてくる。

従来の技術では、一般に、発光ダイオードチップの表面中央に円形電極が設けられていて、そこから発光ダイオードチップ全体に電流が供給されるように設定されている。
ところが、発光ダイオードチップが大きくなればなるほど、その周囲にまで均一に電流を供給することが困難になり、その結果、一つの発光ダイオードチップにおける発光の均一性が悪化してしまう。

そのような大きな発光ダイオードチップ全体に電流を均一に供給するためには、例えば配線電極や透明電極等をチップ全体に亘って枝状に張り巡らすといった方策が有効である。
ところが、そのように張り巡らされた配線電極や透明電極等に大電流が流されると、電流密度が高くなって、エレクトロマイグレーションが顕著なものとなり、延いてはそれら配線電極や透明電極等に破損や劣化が生じることとなる。因みに、そのような場合の電流は、通常の発光ダイオードチップにおける一般的な配線等に流れる電流の２桁ないし３桁以上も大きな電流となる。この配線電極や透明電極等の破損や劣化は徐々に発生し進行するので、長寿命であるという発光ダイオードの長所や信頼性が、損なわれてしまうこととなる。

このような配線電極等の破損や劣化を防ぐためには、その配線電極の断面積を大きくすることが有効である。
ところが、断面積を大きくするために、配線電極の幅を太くすると、発光した光がその太い配線電極の存在に邪魔されて、外部へと有効に出射された光として観測される実質的な光取出効率が低下してしまうこととなる。また、配線電極の高さ（厚さ）を大きくすればよいようにも考えられる。しかし、そのようにすると、その配線電極の形成プロセスが困難さを増すと共に、出来上がったチップの移送の際やハンドリングの際にコレット等でそのチップを把持したときに、配線電極や透明電極に傷がつきやすくなる。そして、配線電極に傷がつくと、その傷の部分で電気抵抗が高くなって、大電流を流したときに、その傷の部分に破断や劣化が発生する虞が増大してしまうこととなる。

また、発光ダイオードチップを実装するステム側についても、同様の大電流に耐えることができるような電流容量を有するものとしなければならなくなる。また、その発光ダイオードとステムとを接続するボンディングワイヤの直径は、電流の大きさに応じて太いものとしなければならなくなる。そうすると、ステム側でも、従来では利用可能であっためっき膜のような薄い膜からなる配線やパッド等では、大電流に耐えることができず、破損や劣化が生じる虞が増大することとなる。
また、大電流を流すための電源回路系が必要となるが、例えば１〜５Ａやもっと大きい１０Ａのような大電流を流すことができる電源回路系は、そのコストがインジケータ用の発光ダイオードに用いられるものよりもコスト高なものとなる傾向にある。しかも、その電源回路系自体の絶縁性や、その周囲の配線系の電流容量も確保しておかなければ、大電流を流した際にそれらにおける漏電や短絡が生じやすくなる虞が増大する。

これらの不都合や欠点を克服することを企図して、一つの発光ダイオードを構成する複数個のチップを直列に接続するという技術が提案されている（特許文献１、２参照）。また、金属光反射層を付設するという技術が提案されている（特許文献３参照）。
それらの提案によれば、複数個の発光ダイオードチップを直列に接続することで、それら全体に懸かる電圧は高くなるが、電流については低いものとすることができる。その結果、上述のような大電流を流す場合の各種の不都合や欠点については克服可能であるもの
と考えられる。

特開２００８−７２１４１号公報 特開２００８−２１１２５５号公報 特開２００９−２００１７８号公報

しかしながら、上述の特許文献１、２にて提案された技術では、４元ＬＥＤ（Light Emitting Diode）素子のように絶縁性基板上にエピタキシャル層を形成することはできるものの、透明基板上にエピタキシャル層を形成することはできない。単なる半絶縁性基板を用いたのでは、活性層から発せられて基板側へと向かう光が、その基板の表面で吸収されてしまうので、高い光取出効率を達成することができない。

また、従来の技術では、ワイヤボンディングを用いた配線やエアブリッジ配線によって実質的に主要な配線系を構成する場合も多いが、そのような配線構造では一般に、発光ダイオードチップの最上部またはその付近に電極が設けられる。このため、その電極やその電極に接続されるボンディングワイヤ等の存在に邪魔されて、光取出効率が低下してしまうという不都合がある。また、そのワイヤボンディング等を用いた配線による配線系の作製に手間が掛かり、コスト高なものとなるという不都合もある。
その点に関しては、上述の特許文献１、２にて提案された技術では、フォトリソグラフィプロセス等を用いてエアブリッジ配線構造を一括して形成するようにしているが、そのようにすると、配線系の十分な断面積を得ることが困難であるという、別の新たな不都合が生じる。配線系に十分な断面積が得られなければ、例えば樹脂モールドの際に、配線系が樹脂応力に因って破断したり損傷したりする虞が大きくなる。

また、配線が、中空に懸架されたような、いわゆる浮いた状態で設けられているので、熱伝導による効率的な熱の発散が困難なものとなるという不都合もある。配線系に熱が蓄積されて、その温度が高くなると、エレクトロマイグレーションが発生し、それに起因して配線系が破断したり損傷したりしやすくなる。このため、発熱の許容量を大きく取ることができず、限界通電電流量を低く設定せざるを得なくなる。

このように、従来の技術では、発光ダイオードチップを大電流対応可能なものとすることによって、高輝度化や高出力化を達成することが検討されていたが、左様な大電流を流すことに起因して、多くの不都合が生じていた。
また、その配線系の構造上、活性層で発せられた光が、配線系や電極で遮られるなどして、実質的な光取出効率が低いものとなってしまっていた。

本発明は、このような問題に鑑みて成されたもので、その目的は、大電流を流すことに起因した種々の不都合を発生させることなく高輝度化対応や高出力化対応を可能とし、かつ配線系や電極等の構造を改善することで光取出効率を向上させた、発光ダイオードを提供することにある。

本発明の発光ダイオードは、表面にチップ接合用電極が設けられた基板と、前記基板上に配設された発光ダイオードチップとを有しており、前記発光ダイオードチップは、離間して設けられた第１のウエハ接合用電極および第２のウエハ接続用電極と、透明絶縁層と、第１の半導体層と、活性層と、第２の半導体層とが、下層からこの順で形成されている
と共に、前記透明絶縁層を貫通して、前記第１の半導体層と前記第１のウエハ接合用電極とを電気的に接続するように設けられた第１のコンタクト部と、前記透明絶縁層および前記第１の半導体層ならびに前記活性層を電気的に絶縁された状態で貫通して、前記第２の半導体層と前記第２のウエハ接合用電極とを電気的に接続するように設けられた第２のコンタクト部とを備え、かつ前記発光ダイオードチップの前記第１のウエハ接合用電極および前記第２のウエハ接合用電極が、それぞれ前記基板上の前記チップ接合用電極にフリップチップ接合されていることを特徴としている。

本発明によれば、大電流を流すことに起因した種々の不都合を発生させることなく高輝度化や高出力化を実現し、かつ配線系や電極等の構造を改善することで光取出効率を向上させ、高輝度化や高出力化を実現する発光ダイオードを提供することができる。

本発明の実施の形態に係る発光ダイオードの主要部の構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態に係る発光ダイオードの主要部の構成を示す平面図である。 本発明の実施の形態に係る発光ダイオードに用いられるエピタキシャルウエハの主要部の構成を示す図である。 本発明の実施の形態に係る発光ダイオードに用いられる支持基板の主要部の構成を示す図である。 本発明の実施の形態に係る発光ダイオードに用いられるエピタキシャルウエハと支持基板とを貼り合わせた状態を示す図である。 本発明の実施の形態に係る発光ダイオードに用いられるエピタキシャルウエハと支持基板とを貼り合わせ、成長基板を除去した後、表面テクスチャを形成した状態を示す図である。 本発明の実施の形態に係る発光ダイオードにおける、コンタクトビアの周囲が絶縁体で覆われていない構造の第２のコンタクト部およびその近傍を、特に抽出し拡大して示す図である。

以下、本発明の実施の形態に係る発光ダイオードについて、図面を参照して説明する。
この発光ダイオードは、図１、図２に示したように、光取出面用の表面テクスチャ１と、第２の半導体層２と、活性層３と、第１の半導体層４と、第１のコンタクト部５と、第２のコンタクト部６と、透明絶縁層７と、光反射層８と、拡散防止層９と、ウエハ接合用電極１０とを備えた複数個のＬＥＤ素子２１と、ボンディングパッド電極１１の部分を有するチップ接合用電極１２と密着層１３とが表面上に設けられている支持基板１４とから、その主要部が構成されている。支持基板１４の裏面には、ダイボンディング用密着層１５が設けられている。

支持基板１４としては、電気絶縁性が高く、かつ熱伝導性が高く、しかも安価であるものが望ましい。しかし、光に対する透明性は必須条件ではない。
支持基板１４の表面とチップ接合用電極１２との間には、それらの密着を強固なものとするために、密着層１３が設けられている。そして、その密着層１３とその上のチップ接合用電極１２は、フォトリソグラフィプロセスによってパターン加工されて、図４に一例を示したような、チップ接合用電極パターン２４、２５、２６、…３１を構成している。
この支持基板１４による放熱機能をより有効に活用するためには、ウエハ接合用電極１０やチップ接合用電極１２も、例えばＡｕ−Ｓｎボンディング対応の電極材料のような、熱伝導性の高い材質のものであることが望ましい。

個々のＬＥＤ素子２１では、ｐ型半導体クラッド層である第１の半導体層４に接続されたｐ側電極としての第１のウエハ接合用電極１０ａ、およびｎ型半導体クラッド層である第２の半導体層２に接続されたｎ側電極としての第２のウエハ接合用電極１０ｂが、共にＬＥＤ素子２１の裏面に、所定の分離溝１７を隔てて、高さを揃えて平坦に並んで設けられている。
このように第１のウエハ接合用電極１０ａおよび第２のウエハ接合用電極１０ｂ（これらは纏めてウエハ接合用電極１０とも呼ぶこととする）がＬＥＤ素子２１の裏面に高さを揃えて平坦に並んで設けられている。これにより、ＬＥＤ素子２１は、支持基板１４の表面上に設けられているチップ接合用電極１２に対して、工程上の困難さなどを伴うことなく、簡易かつ確実にフリップチップ実装されるものとなっている。

個々のＬＥＤ素子２１における、実質的な発光が行われるエピタキシャル層は、量子井戸型の活性層３を、バンドギャップエネルギの大きなクラッド層である第２の半導体層２と第１の半導体層４との間に挟んだ構造となっている。
ｎ型半導体クラッド層である第２の半導体層２の表面上には、表面テクスチャ１が設けられている。表面テクスチャ１は、いわゆる光取出面用の光学部品であり、これをこの発光ダイオードの最表面（光の最終的な放射面）側に設けることによって、光取出効率をさらに高いものとすることを可能としている。

透明絶縁層７を貫通して、第１の半導体層４と第１のウエハ接合用電極１０ａとを光反射層８を介して電気的に接続するように、第１のコンタクト部５が設けられている。
また、透明絶縁層７および第１の半導体層４ならびに活性層３を、電気的に絶縁された状態で貫通して、第２の半導体層２と第２のウエハ接合用電極１０ｂとを光反射層８を介して電気的に接続するように第２のコンタクト部６が設けられている。
第１のコンタクト部５および第２のコンタクト部６における実質的な主体部である導電性材料からなるコンタクトビアの周囲は、例えば透明絶縁層７と同じ材質からなる絶縁体で覆われている。あるいは、コンタクトビアの周囲の絶縁体は、透明絶縁層７以外の絶縁性材料を用いて形成してもよい。いずれの材料からなるものを用いるにしても、第１のコンタクト部５や第２のコンタクト部６が第１の半導体層４および活性層３に電気的に接触して短絡状態となることが、より確実に防止される。

そして、第１の半導体層４の下には、光反射層８と、拡散防止層９とが設けられている。ここで、ウエハ接合用電極１０を金属からなるものとする場合には、金属膜は一般に光反射機能を有している場合が多いので、そのウエハ接合用電極１０についても、光反射層８と共に光を反射させて、光取出効率のさらなる向上に寄与するようにしてもよい。

支持基板１４の表面には、複数のチップ接合用電極１２（図２、図４ではチップ接合用電極２４、２５、…３１）が設けられており、それらを介して、上述の複数個のＬＥＤ素子２１の全てが電気的に直列に接続されている。

より具体的には、図２に示したように、例えば左上に配置されたＬＥＤ素子２１−２に着目すると、そのＬＥＤ素子２１−２における第１のウエハ接合用電極２２（図１における１０ａに該当）は、そのＬＥＤ素子２１−２の下側に隣接配置された別のＬＥＤ素子２１−３のウエハ接合用電極２３（図１における１０ｂに該当）に、チップ接合用電極２６（図１における１２に該当）を介して接続されている。
そして他方、ＬＥＤ素子２１−２における第２のウエハ接合用電極２３（図１における１０ｂに該当）は、その右隣に隣接配置された別のＬＥＤ素子２１−１における第１のウエハ接合用電極２２（図１における１０ａに該当）に、チップ接合用電極２５（図１における１２に該当）を介して接続されている。
このようにして、この発光ダイオードにおける全ての隣接するＬＥＤ素子２１同士は、チップ接合用電極１２を介して、電気的に直列接続されている。

また、その各ＬＥＤ素子２１のウエハ接合用電極１０と支持基板１４上のチップ接合用電極１２との、物理的（機械的）な接合は、フリップチップ方式となっている。
各ＬＥＤ素子２１の支持基板１４上への接合は、それら両者の接合用電極同士を位置合わせして、ウエハボンディング方式で行うことができるので、一度に全てのＬＥＤ素子２１を支持基板１４上に接合（実装）することができる。これにより、その接合工程の手間や所要時間を大幅に省略化することができ、延いてはこの発光ダイオード全体の製造コストの低廉化を達成することが可能となる。

このような本発明の実施の形態に係る発光ダイオードでは、次のようなメリットがある。
複数個のＬＥＤ素子２１が、電気的に直列接続されているので、高輝度化あるいは高出力化を達成するために供給電流を大電流化しなくても済むこととなる。これにより、従来の技術で大電流化することに起因して生じていた不都合を全て回避することができる。特に、配線系やボンディングワイヤ等の断面積が、小さくて済むこととなる。また、駆動電源回路系も、小電流対応のままで済むこととなる。また、発光ダイオードが本来備えている長寿命、高信頼性といった長所が大電流化に因って阻害されるといった不都合の発生を、回避することができる。

また、複数個のＬＥＤ素子２１は、フリップチップ構造であり、その最表面（光取出面）上には、従来技術の場合に存在していたボンディング用電極やエアブリッジ配線等が、全くない構造となっているので、従来よりも光取出効率が飛躍的に高くなる。
また、従来技術の場合にはボンディング用電極やエアブリッジ配線等が光のエネルギを吸収していたので、そのエネルギが熱としてボンディング用電極やエアブリッジ配線等もしくは発光ダイオードチップ内に蓄積されていた。しかし、本発明の実施の形態に係る発光ダイオードでは、そのようなボンディング用電極やエアブリッジ配線等における光エネルギの吸収に起因した蓄熱を大幅に低減ないしは実質的に解消することが可能となる。

また、チップ接合用電極１２が支持基板１４の表面に直接に、平坦に形成されており、かつＬＥＤ素子２１におけるウエハ接合用電極１０も同様に全て高さを揃えて水平に並列して平坦に設けられている。これにより、従来技術のエアブリッジ配線構造を採用した発光ダイオードの場合と比較して、例えば実装後のモールドの際などにおける樹脂応力等に起因した破損が生じる虞を、極めて小さいものとすることかできる。また、支持基板１４の表面上におけるチップ接合用電極１２とＬＥＤ素子２１におけるウエハ接合用電極１０とは、良好な平坦性を以て面的に接合されるので、ＬＥＤ素子２１の内部で生じた熱を、ウエハ接合用電極１０およびチップ接合用電極１２を介して支持基板１４へと、そしてさらにその外部へと、効率良く逃がすことができる。

また、隣り合うＬＥＤ素子２１同士の電気的な接続は、チップ接合用電極１２を介して確保するようにしているが、その接続に要する長さは最小で済むこととなるので、その接続における電気抵抗を最小にすることができる。しかも、その幅方向（接続方向に対して直交方向）の寸法は、少なくともＬＥＤ素子２１の幅方向の寸法と同程度まで、なんら不都合を生じることなしに広くすることができる。これにより、チップ接合用電極１２は、薄くても大きな電流を流すことが可能なものとなる。

また、各ＬＥＤ素子２１の支持基板１４上への接合は、ウエハボンディングによって（個々のＬＥＤ素子２１に着目すれば、それぞれ局所的にはフリップチップ方式で）一括して行うことができるので、この発光ダイオード全体の製造コストの低廉化を達成すること
が可能となる。

また、光反射層８を設けることにより、光を吸収する材質からなる基板が用いられる場合などにも、本発明を適用することが可能となる。あるいは、支持基板１４の材質として透明性に拘る必要がなくなるので、その選択肢が大幅に広がり、熱伝導率や電気的絶縁性もしくは材料コストの低廉性などを優先した基板の選択が可能となる。

なお、図示は省略するが、第１のウエハ接合用電極１０ａと第２のウエハ接続用電極１０ｂとの間に、絶縁体を設けて、それらの間の電気的絶縁性をさらに確実なものとするようにしてもよい。

また、ウエハ接合用電極１０とチップ接合用電極１２との間に、接合層（図示省略）を設けて、それら両者の接合を、より強固なものとするようにしてもよい。

また、支持基板１４として、熱伝導性の良好な金属性の基板の表面全面もしくは片面（チップ接合用電極１２が実装される面）に絶縁膜を設けて用いることなども可能である。金属は一般に、熱による線膨張率が高いため、ＬＥＤ素子２１における各種半導体層等との間で大きな内部応力が発生しやすい。特に、その全面積が大きくなるほど、内部応力の発生は顕著になる。しかし、本発明の実施の形態に係る発光ダイオードによれば、各ＬＥＤ素子２１は、その外形寸法が小さくて済むので、顕著な内部応力の発生を回避することができ、延いては、熱放散性が良好でかつ信頼性の高い発光ダイオードを実現することが可能となる。

また、発光ダイオードは一般に、その発光色が異なると、それに対応して駆動電圧も異なったものとなる。例えば赤色ＬＥＤと青色ＬＥＤとでは、チップサイズや出力レベルは同様に設定されたものであっても、その駆動電圧が異なったものとなる。このため、一つの電源回路を用いて異種の発光ダイオードチップを駆動しようとすると、従来の技術では、それらの駆動電圧の差異に対応するために、電気抵抗等を配線回路系や電源回路に追加するようにしていた。ところが、そのようにすると、不可避的に電力損失が生じてしまう。しかし、本発明の実施の形態に係る発光ダイオードによれば、以上説明したような構成とすることにより、発光色が異なったものであっても、ほぼ同じ駆動電圧とすることが可能となり、それらをアレイ状に配列形成してなる発光ダイオード全体における、従来の技術の場合のような電気抵抗等を追加することに起因した電力損失の発生を、回避することができる。

上述の実施の形態で説明したような発光ダイオードを作製した。
この発光ダイオードの外形寸法は、縦×横＝１ｍｍ×１ｍｍ、厚さ約２００μｍとした。また、各ＬＥＤ素子２１は、３２０μｍ×３２０μｍとした。ボンディングパッド電極１１は、１００μｍ×１００μｍとした。

図３に示したように、まず、ｎ型ＧａＡｓからなる基板１９上に、ＭＯＣＶＤ法により、４層からなるＡｌＧａＩｎＰのエピタキシャル層を成長させた。また、それに付随して各層を形成した。より具体的には、基板１９上に、下層から順に、エッチングストップ層２０、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層である第２の半導体層２、ＡｌＧａＩｎＰの量子井戸型の活性層３、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層である第１の半導体層４を形成した。これらのエピタキシャル層には、電気的コンタクトをより良好なものとするために、高キャリア濃度で低い接触抵抗が得られる半導体層を、ｎ側にもｐ側にも設けておくことが望ましい。また、電流分散性を高めて発光効率を高くし、かつ駆動電圧を低くするために、上述クラッド層の外側かつコンタクト層の内側に、その片方または両方に対して抵抗の低い
電流分散層を設けるようにすることも有効である。

続いて、活性層３と第１の半導体層４とを貫通する、第２のコンタクト部６のためのビアホールを、フォトリソグラフィプロセスおよびエッチングプロセスによって形成した。本実施例では、５０ｍＡの電流を支障なく流すことができるように設定した。
そのような電流容量を確保するためには、直径を５μｍとすると、４０個以上のコンタクト部６が必要となる。あるいは、直径を１０μｍとすると、１０個以上のコンタクト部６が必要となる。但し、直径の小さなコンタクト部６を多数設ける方が高輝度を達成しやすい。

そして、第１の半導体層４の上に、ＳｉＯからなる透明絶縁層７を形成した。このとき、前述の工程で形成した第２のコンタクト部６のためのビアホールの内部にも、中空状態でＳｉＯ_２の透明絶縁膜が形成される。但し、このとき、第２のコンタクト部６のためのビアホールの底部にもＳｉＯ_２が堆積するので、そのままの状態では、第２のコンタクト部６のためのビアホールはＳｉＯ_２でその底を遮られて、第２の半導体層２には達していないこととなる。

引き続いて、透明絶縁層７を貫通する、第１のコンタクト部５のためのビアホールを、フォトリソグラフィプロセスおよびエッチングプロセスによって形成した。このとき同時に、第２のコンタクト部６のビアホールの底部に堆積したＳｉＯ_２も除去して、その第２のコンタクト部６のビアホールが第２の半導体層２に達するようにした。

続いて、上述のビアホール内に、第１のコンタクト部５および第２のコンタクト部６として、それぞれ導電性材料からなるコンタクトビアを、フォトリソグラフィプロセスおよびリフトオフプロセスによって形成した。
第１のコンタクト部５と第２のコンタクト部６とでは、それぞれコンタクトビアの形成材料や構造が異なる。このため、それらは別々の工程で形成した。

続いて、Ａｕ（金）からなる光反射層８、拡散防止層９、Ａｕからなるウエハ接合用電極１０を形成した。但し、この時点では、ウエハ接合用電極１０は、未だ第１のウエハ接合用電極１０ａとウエハ接合用電極１０ｂとには分離されておらず、連続した一枚のＡｕからなる金属膜となっている。これらは蒸着法によって形成した。

続いて、分離溝１７、１８をフォトリソグラフィプロセスおよびエッチングプロセスによって形成して、それまで連続した一枚状であったウエハ接合用電極１０を、第１のウエハ接合用電極１０ａとウエハ接合用電極１０ｂとに分離した。

その後、基板１９の裏面に、ＬＥＤ素子２１との貼り合せの際に用いられるアライメントマークを設けた。
このようにして、図３に示した発光ダイオードチップ用エピタキシャルウエハを形成した。

他方、支持基板１４は、次のようにして作製した。
支持基板１４本体としては、複数個のＬＥＤ素子２１を電気的に分離する必要上、電気抵抗の高いシリコン（Ｓｉ）基板を用いた。あるいは、この支持基板１４としては、高キャリア濃度の基板の表面にＳｉＯ_２のような絶縁膜を設けたものを用いてもよい。

そして、図４に示したように、支持基板１４の表面に、蒸着法により材料膜を形成した後、それにパターン加工を施して、密着層１３、チップ接合用電極１２（２４、２５、…３１）を形成した。
この支持基板１４の裏面にも、貼り合せの際に用いられるアライメントマークを設けた。

そして、上述のようにして作製した、ＬＥＤ素子２１用のエピタキシャルウエハと支持基板１４とを、互いのアライメントマークを用いて位置合わせして、図５に示したように貼り合せた。
この貼り合せ工程は、マイクロマシン用位置合せ機能付きの貼り合せ装置（図示省略）を用いた。その貼り合せ装置内にＬＥＤ素子２１用のエピタキシャルウエハおよび支持基板１４をセットし、まず高真空状態とした。そして、ＬＥＤ素子２１用のエピタキシャルウエハに均一な圧力を加えてから昇温を開始し、３５０℃に達すると、その温度で約１時間保持した。その後、温度を下げて行き、十分に温度が下がったところで、加圧を開放し大気圧に戻して、貼り合されたＬＥＤ素子２１用のエピタキシャルウエハおよび支持基板１４を取り出した。

続いて、ＬＥＤ素子２１用のエピタキシャルウエハの基板１９側が表側に来るように、そのＬＥＤ素子２１用のエピタキシャルウエハを研磨板（図示省略）に張り付け、ラッピングによって基板１９を研磨除去していった。基板１９の残りの厚さが３０μｍになったところで研磨を停止し、ＬＥＤ素子２１用のエピタキシャルウエハを研磨板から取り外した。

そして、張り付け用のワックス等を除去した後、ＧａＡｓ除去用のエッチング液に浸して、残っていた基板１９のＧａＡｓを完全に除去した。その際、エッチングストップ層２０が設けられているので、ＧａＡｓが完全に除去されたところでエッチングの進行は自動的に止まる。なお、ＧａＡｓ除去用のエッチング液としては、例えばアンモニア水と過酸化水素水との混合液を用いることができる。その後、別のエッチング液を用いてＧａＡｓを完全に除去を除去した。そのエッチング液としては、例えばエッチングストップ層２０がＧａＩｎＰからなるものである場合には、塩素系のエッチング液を用いることができる。

続いて、図６に示したように、基板１９のＧａＡｓが完全に除去された第２の半導体層２の表面上に、フォトリソグラフィプロセスおよびエッチングプロセスを用いて、鋭角的な先端部を有する多数の円錐状突起からなる表面テクスチャ１を形成した。この表面テクスチャ１の形成方法としては、より具体的には、フォトマスク等を用いたフォトリソグラフィプロセスによって円錐状突起のレジストマスクパターンを形成した後、ドライエッチングプロセスによってその円錐状突起を形成した。

続いて、上述のエピタキシャルウエハを加工して、各ＬＥＤ素子２１に分離し、さらに各チップに個片化した。
すなわち、まず、図６に一点鎖線で示した位置で、エッチングによって幅１０μｍ程度の溝を切ることで、各３２０μｍ角のＬＥＤ素子２１に分離した。また、チップ接合用電極１２の表面における、ワイヤボンディングのためのボンディングパッド電極１１の部分も露出させた。このボンディングパッド電極１１は、幾つかの工程を経て形成されるため、その表面上にさらにパッド電極等を設けることで、ワイヤボンディングの際にその密着性が向上してシェア強度をさらに高いものとすることができる。
その後、１個の発光ダイオードが所定個数のＬＥＤ素子２１およびボンディングパッド電極１１を備えたものとなるように、所定ピッチ毎にエッチングによりエピタキシャル層に切断用の溝を形成し、切断用の溝において、ダイシングブレードによる支持基板１４の切断を行って、各１ｍｍ角の発光ダイオード素子に個片化した。このときのダイシングで幅約３０μｍのダイシングプレートがエピタキシャル層に接触することを回避するために、切断用の溝を、余裕を持たせた幅５０μｍに設定した。

その後、支持基板１４の裏面に、ダイボンディングの際にこの発光ダイオードがステム等に対して確実に固着できるように、ダイボンディング用密着層１５を形成した。

このようにして作製した本発明の実施例に係る発光ダイオードをステム（図示省略）に実装し、ワイヤボンディング等の各種必要な配線を行った後、シリコーンからなる透明樹脂でモールドを施した。そして、放熱治具に固定し、通電して、その発光性能および電気的特性等を計測・評価した。

その結果、駆動電圧１４Ｖ、順方向５０ｍＡの通電で、ドミナント波長が６２５ｎｍ、発光出力が４１０Ｗの光が出力されることが確認された。
これとは対照的に、従来技術に係る金属光反射層を備えた発光ダイオードを比較例として用いた実験結果では、３５０ｍＡの電流を通電させた場合の発光出力は２３９ｍＷであった。このときの順方向電圧は２．２９Ｖであった。つまり、本発明の実施例に係る発光ダイオードと同等の発光出力を得るには、５００ｍＡを超える電流が必要であった。但し、そのような大電流を流すと、それに起因した発熱によるエピタキシャル層の劣化や細線電極等の破断といった種々の障害が発生し、照明用の発光ダイオードとしての実用に耐えられないものとならざるを得ない。ここで、金属光反射層を備えた発光ダイオードとは、図示は省略するが、接合金属層を介してＳｉ基板とエピタキシャル層とが貼り合わされた構造を有する発光ダイオードであって、接合金属層のエピタキシャル層側で光を反射するように設定されたものである。この比較例では、実施例と同様の条件とするために、外形寸法を１ｍｍ角とした。エピタキシャル層上面には円形のパッド電極だけでなく、パッド電極から延在する細線電極を備えている。その細線電極によって電流を各ＬＥＤ素子の外側まで広げて行き渡らせるように設定されている。

このように、本発明の実施例に係る発光ダイオードによれば、複数個のＬＥＤ素子２１を直列に接続するようにしたので、この発光ダイオード全体に入力する見掛けの駆動電圧は高くなるが、実質的に個々のＬＥＤ素子２１に掛かる駆動電圧および電流は、低いままで済むこととなる。
また、光取出面に、光の出射を遮るエアブリッジ配線やボンディング用電極等が全くない構造となっているので、光取出効率を従来よりも飛躍的に高いものとすることができ、延いては極めて高い発光効率を実現することができる。

ここで、図１、図３、図５、図６では、作図の制約上、図示における縦横比が、実際のＬＥＤ素子２１の構造とは著しく異なったものとなっている。このため、第１のコンタクト部５や第２のコンタクト部６は、その幅に対して高さが高くなっていて、あたかもそのアスペクト比が１よりも遙かに高いものとなっているように描かれている（これは特に第２のコンタクト部６で顕著である）。
しかし実際には、それらの寸法は、幅（もしくは穴径）が１０μｍ程度であるのに対して、高さが例えば１μｍ程度しかないので、それらのアスペクト比は１未満（例えば０．１〜０．２）である。
このため、例えば図７に第２のコンタクト部６を含むその近傍領域７０を抽出し拡大して示したように、第２のコンタクト部６は、周囲を絶縁体で覆われなくとも、透明絶縁層７、第１の半導体層４、活性層３を貫通して設けられたビアホール内に、それら透明絶縁層７、第１の半導体層４、活性層３に対して間隙７１を隔てて非接触な状態に設けるようにすることも可能である。

なお、本発明は、例えばＧａＮのような窒化物系半導体を用いた発光ダイオードにも適用可能である。その場合、主要部の基本的な構造は、上述の実施の形態で説明したものとほぼ同様であるが（従ってその構造についての図示は、図面数の徒な冗長化を避けるため
に省略する）、そのエピタキシャル層を中心とする各層の形成材料および厚さ等が、上述の実施の形態の場合とは相違している。その一例としては、次のようなものが挙げられる。

上記の実施例で説明した基板１９の代りにサファイア基板を用い、その表面に、４μｍ程度の厚さのアンドープＧａＮバッファ層を形成する。そして、厚さ３μｍ・キャリア濃度１．０Ｅ１９（１．０×１０^１９）［ｃｍ^−３］のｎ型ＧａＮクラッド層、５〜６ペアのＩｎＧａＮ量子井戸型の活性層、厚さ３０〜４０ｎｍのｐ型ＡｌＧａＮクラッド層、厚さ２００〜３００ｎｍ・キャリア濃度１．０Ｅ１８［ｃｍ^−３］のｐ型ＧａＮ層、ＩＴＯからなる透明導電膜、ＳｉＯ_２からなる透明絶縁層、光反射層を形成し、ＮｉＡｕからなる第１のコンタクト部、第２のコンタクト部を形成して、ＬＥＤ素子２１用の窒化物系半導体エピタキシャルウエハを作製する。

そして、一般的な窒化物系の場合と同様のレーザ剥離によるサファイア基板の除去およびダイシング等を行って、窒化物系半導体を用いてなる複数個のＬＥＤ素子２１が直列に接続された構造を備えた、本発明に係る発光ダイオードを得ることができる。

上述のような窒化物系半導体を用いた発光ダイオードでは、光反射層８をＳｉＯ_２からなる透明絶縁層７で覆われた構造としているので、ＡｌＧａＩｎＰ系とは異なり、光反射層８が第１のコンタクト部５や第２のコンタクト部６に対して接した状態となって電気的に短絡することが回避されるというメリットもある。

また、上述の実施の形態および実施例では、支持基板１４上に設けられる複数個のＬＥＤ素子２１を電気的に直列に接続した構造の場合について説明したが、これのみには限定されない。直列接続と並列接続とを適宜に組み合わせた構造としてもよいことは勿論である。

また、チップ接合用電極１２は、ＬＥＤ素子２１側に、チップ間配線として、図４に示したチップ接合用電極１２（２４、２５・・・３１）のパターンと同様のものを設けておき、そのチップ接合用電極１２ごと支持基板１４の表面に貼り合せるようにしてもよい。

なお、電流をチップ全面に万遍なく分散させるために、光取出面用の表面テクスチャ１の表面上に金属薄膜やＩＴＯ膜のような光透過性の導電膜を形成することなども有効である。
具体的には、表面テクスチャ１を形成した後、その表面に、例えばスパッタリング法によりＩＴＯ膜を０．１μｍの平均厚さに形成する。
あるいはさらに、そのＩＴＯ膜の表面上に、ＩＴＯ膜よりも屈折率の小さい、例えばＳｉＯ_２やＳｉ_３Ｎ_４からなる透明膜を形成するようにしてもよい。このようにすることにより、光取出効率の向上を図ることができる。また、鋭角的な凹凸を有する表面テクスチャ１の表面上に透明膜を設けたことで、その最表面が波型の曲面になるので、そのレンズ効果による光取出効率の向上も期待できる。
また、素子分離により形成される分離溝、個片化により形成される側面に絶縁膜を形成することで、ｐｎ接合を保護する（導電物質が付着することに起因した電気的短絡の発生を防止する）ようにすることも望ましい。

１ 表面テクスチャ
２ 第２の半導体層
３ 活性層
４ 第１の半導体層
５ 第１のコンタクト部
６ 第２のコンタクト部
７ 透明絶縁層
８ 光反射層
９ 拡散防止層
１０ ウエハ接合用電極
１１ ボンディングパッド電極
１２ チップ接合用電極
１３ 密着層
１４ 支持基板
１５ ダイボンディング用密着層

Claims (8)

1. 表面にチップ接合用電極が設けられた基板と、前記基板上に配設された発光ダイオードチップとを有しており、
   前記発光ダイオードチップは、
   離間して設けられた第１のウエハ接合用電極および第２のウエハ接続用電極と、
   透明絶縁層と、
   第１の半導体層と、
   活性層と、
   第２の半導体層とが、下層からこの順で形成されていると共に、
   前記透明絶縁層を貫通して、前記第１の半導体層と前記第１のウエハ接合用電極とを電気的に接続するように設けられた第１のコンタクト部と、
   前記透明絶縁層および前記第１の半導体層ならびに前記活性層を電気的に絶縁された状態で貫通して、前記第２の半導体層と前記第２のウエハ接合用電極とを電気的に接続するように設けられた第２のコンタクト部とを備え、
   かつ前記発光ダイオードチップの前記第１のウエハ接合用電極および前記第２のウエハ接合用電極が、それぞれ前記基板上の前記チップ接合用電極にフリップチップ接合されている
   ことを特徴とする発光ダイオード。
2. 請求項１記載の発光ダイオードにおいて、
   前記第２のコンタクト部は、前記第２の半導体層と前記第２のウエハ接合用電極とを電気的に接続するための導電性材料からなるコンタクトビアを有し、当該コンタクトビアが前記第１の半導体層および前記活性層に対して電気的に絶縁された状態となるように、当該コンタクトビアの周囲を絶縁性材料で覆ってなるものである
   ことを特徴とする発光ダイオード。
3. 請求項１または２記載の発光ダイオードにおいて、
   前記発光ダイオードチップは、複数個配列形成されており、当該複数個の発光ダイオードチップのうちの少なくとも２個が、前記基板上の前記チップ接合用電極を介して電気的に直列に接続されている
   ことを特徴とする発光ダイオード。
4. 請求項３記載の発光ダイオードにおいて、
   互いに隣り合った２つの前記発光ダイオードチップにおける、一方の発光ダイオードチップの第１のウエハ接合用電極と他方の発光ダイオードチップの第２のウエハ接合用電極とが、前記基板における一つの前記チップ接合用電極に接続されて、当該２つの発光ダイオードチップが前記チップ接合用電極を介して電気的に直列に接続されている
   ことを特徴とする発光ダイオード。
5. 請求項１ないし４のうちいずれか１つの項に記載の発光ダイオードにおいて、
   前記透明絶縁層の下に、光反射層が設けられている
   ことを特徴とする発光ダイオード。
6. 請求項１ないし５のうちいずれか１つの項に記載の発光ダイオードにおいて、
   前記発光ダイオードチップは、最表面に、光取出面用の表面テクスチャが設けられている
   ことを特徴とする発光ダイオード。
7. 請求項１ないし６のうちいずれか１つの項に記載の発光ダイオードにおいて、
   前記第１のウエハ接合用電極と前記第２のウエハ接続用電極との間に、絶縁体が設けられている
   ことを特徴とする発光ダイオード。
8. 請求項１ないし７のうちいずれか１つの項に記載の発光ダイオードにおいて、
   前記第１のウエハ接合用電極と前記チップ接合用電極との間、および前記第２のウエハ接合用電極と前記チップ接合用電極との間に、それぞれ接合層が設けられている
   ことを特徴とする発光ダイオード。