JP2011258917A - 発光ダイオードアレイおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 費用効率および長期的信頼性に優れたＬＥＤアレイおよびその製造方法を提供する。
【解決手段】 第１電極を有する第１ＬＥＤ素子と第２電極を有する第２ＬＥＤ素子とを含む発光ダイオード（ＬＥＤ）アレイにおいて、第１ＬＥＤ素子および第２ＬＥＤ素子が同一の基板上に形成され、間隙を介して離隔されており、間隙を実質的に充填する少なくとも１種のポリマー材と、少なくとも１種のポリマー材上に形成され、第１電極および第２電極を電気的に接続する相互接続部とを含むＬＥＤアレイを開示する。
【選択図】 図４Ｃ

Description

関連出願の参照
本願は、米国仮特許出願第６１３５１７７９号の諸利益を主張するものである。この米国仮特許出願は、２０１０年６月４日に「ポリマー填隙および低融点金属の接合によるマルチメサベースのＬＥＤチップの相互接続部構造および処理」と題して出願された。

本発明は半導体ベースの発光装置に関し、さらに詳細には、本発明は当該素子の構造およびその製造方法に関する。

発光ダイオード（ＬＥＤ）は、半導体ダイオードベースの光源である。ダイオードが順方向にバイアスされているとき（開閉器がオンのとき）は、電子を素子内の正孔と再結合できるため、エネルギーが光量子の形態で放出される。この効果はエレクトロルミネセンスと呼ばれるもので、（光量子のエネルギーに対応する）光の色は、半導体のエネルギー間隙によって決定される。光源としてＬＥＤを用いると、白熱光源を用いた場合よりも多くの利点が得られる。具体的な利点としては、エネルギー消費量の節減、耐用年数の長期化、頑健性の向上、小型化、開閉の高速化、耐久性の強化、信頼性向上などがある。

図１は、基板１０２と、Ｎ型層１１０と、発光層１２５と、Ｐ型層１３０とを含むＬＥＤダイ１００の透視図である。Ｎ型層１１０にはＮ接点１１５を形成し、Ｐ型層１３０にはＰ接点１３５を形成することによって、その両方の層への電気的な接続を可能にしている。Ｎ接点１１５およびＰ接点１３５に適当な電圧を印加すると、Ｎ型層１１０から電子が離脱して発光層１２５内の正孔と結合する。発光層１２５にて電子と正孔が結合すると光が発生する。基板１０２の製造材料として一般的に用いられているのは、サファイヤである。Ｎ型層１１０の製造材料としては、たとえばＳｉドープＡｌＧａＮやＳｉドープＧａＮなどが挙げられ、Ｐ型層２４０の製造材料としては、たとえばＭｇドープＡｌＧａＮやＭｇドープＧａＮなどが挙げられる。発光層１２５は一般的に、単一量子井戸または多重量子井戸により形成される（多重量子井戸の例としては、ＩｎＧａＮやＧａＮなどがある）。

場合によっては、絶縁性または高抵抗性の基板（たとえば、サファイヤ、ＳｉＣなどＩＩＩ族窒化物の基板）上に、直列または並列のＬＥＤアレイを形成する。個々のＬＥＤをトレンチを介して離隔し、アレイ上に堆積された相互接続部を通してアレイ内の個々のＬＥＤの接点を電気的に接続する。個々のＬＥＤの電気的分離が完全に遂行されるように、通常は相互接続部を堆積するに先立って、まずＬＥＤアレイに誘電材料を堆積し、次いでＮ型層およびＰ型層に接触孔をあける位置にてパターン化・除去する。それによって、基板上の個々のＬＥＤ間のトレンチ内、および各ＬＥＤの露出したＰ型層とＮ型層間のメサ壁上に誘電材料が残るようにする。誘電材料としては、たとえば、ケイ素の酸化物、ケイ素の窒素化合物、ケイ素の酸窒化物、酸化アルミニウムなど任意の適当な誘電材料を用いることができる。

ただし、誘電材料の堆積は時間とコストのかかる処理である。しかも、堆積処理の後に形成された相互接続部は、プロファイルが複雑になるとともに相互接続部の隅角部が鋭くなるため、信頼性にかかわる問題となる。そのため、ＬＥＤアレイ素子を費用効率および長期的信頼性に優れた方法で製造できるシステムおよび方法が求められる。

費用効率および長期的信頼性に優れたＬＥＤアレイおよびその製造方法を提供する。

第１電極を有する第１ＬＥＤ素子と第２電極を有する第２ＬＥＤ素子とを含む発光ダイオード（ＬＥＤ）アレイを開示する。このＬＥＤアレイにおいては、第１ＬＥＤ素子および第２ＬＥＤ素子が同一の基板上に形成され、間隙を介して離隔されている。ＬＥＤアレイは、間隙を実質的に充填する少なくとも１種のポリマー材と、少なくとも１種のポリマー材上に形成され、第１電極および第２電極を電気的に接続する相互接続部とをさらに含む。

本発明の別の態様においては、基板上にＬＥＤ構造体を形成する工程と、ＬＥＤ構造体を間隙を介して第１ＬＥＤ素子および第２ＬＥＤ素子に離隔する工程と、間隙を実質的に充填するためＬＥＤ構造体に少なくとも１種のポリマー材を堆積する工程と、少なくとも１種のポリマー材の一部を除去して、第１ＬＥＤ素子の第１電極および第２ＬＥＤ素子の第２電極を露出させる工程と、少なくとも１種のポリマー材上に第１電極および第２電極を電気的に接続する相互接続部を形成する工程とを含む、発光ダイオード（ＬＥＤ）アレイの形成方法が開示されている。

しかしながら、本発明の構成と施行方法、さらにその他の目的およびその諸利益は、特定実施形態に関する下掲の説明を添付の図面と関連付けて読むのが、最も理解されやすい。

ＬＥＤダイの透視図である。 単一基板内に配設されたＬＥＤアレイの上面図である。 単一基板内に配設されたＬＥＤアレイの上面図である。 図２Ｂに示す従来のＬＥＤアレイの横断面図である。 本発明の一実施形態に係るＬＥＤ素子を形成するための製造工程を示す図である。 本発明の一実施形態に係るＬＥＤ素子を形成するための製造工程を示す図である。 本発明の一実施形態に係るＬＥＤ素子を形成するための製造工程を示す図である。 基板内に形成されたトレンチを示す図であり、このトレンチを介して本発明の別の実施形態に係る２個のＬＥＤ素子が離隔されている。 相互接続部の代替パターンをいくつか示した図である。 相互接続部の代替パターンをいくつか示した図である。 ボード上にフリップ実装されているＬＥＤチップを示す図である。

本明細書に添付されている図面は、発明の特定の態様を表すために、本明細書の一部として含めたものである。図面に例示された模範的（ゆえに非制限的な）実施形態を参照することによって、本発明およびそれに係るシステムの構成要素および施行に関して明確化された概念を容易に把握できるようになるであろう。同図面において同じ参照番号は、（複数の図に出現している場合でも）同一の要素を指している。これらの図面のうちの１つまたは複数を参照し、本明細書に記載の説明を読むことによって、本発明の理解を深めることができるであろう。

本発明は、ＬＥＤアレイ構造体、およびその製造方法を開示するものである。ＬＥＤアレイは、比較的低い電流密度において有意量の光を放出する複数のＬＥＤ素子によって形成される。電流密度を低減すると熱の放出量が減るため、ポリマー材をＬＥＤアレイの形成に用いることができる。ＬＥＤアレイ構造体の詳細およびその製造工程については、以下に記載する。

図２Ａおよび図２Ｂは、単一の基板２０５内に配設したＬＥＤアレイ２００の上面図である。図２Ａを参照すると、ＬＥＤアレイ２００が説明の目的に４つの行（Ｙ）および４つの列（Ｘ）で示してある。この行列は、相等しいＬＥＤ素子２１０［０：３，０：３］が離隔された状態でそれぞれメサ形状をなしていることを表す。ＬＥＤ素子２１０を離隔する手段として、レーザーエッチング法または誘導結合型プラズマ反応性イオンエッチング法（ＩＣＰ―ＲＩＥ）を用いてもよい。たとえば、隣接するＬＥＤ素子２１０［２，３］および２１０［３，３］は、間隙２２０［２］を介して離隔されている。ＬＥＤ素子２１０［２，３］に具備してある２つの電極（パッド２１３［２，３］およびパッド２１５［２，３］）はそれぞれ、ＬＥＤ素子２１０［２，３］の陽極および陰極として機能している。両電極は、Ｐ−ＧａＮおよびＮ−ＧａＮ上に（Ｐ側またはＮ側のどちらかを上にして）形成してもよい。１つのＬＥＤ素子の陽極パッドを隣接のＬＥＤ素子の陰極パッドに近接して配置することにより、ＬＥＤ素子２１０を容易に直列に接続できるようにして
いる。

次に図２Ｂを参照すると、パッド２１３［２，３］およびパッド２１５［３，３］が相互接続部２３０［２，３］を通して接続されている。パッド２１３およびパッド２１５を形成する場合と同様、相互接続部２３０を形成する場合も一般的には金属を用いるが、パッド２１３、パッド２１５、および相互接続部２３０を必ずしも同じ金属で形成しなくてもよい。

図３は、図２Ｂに図示する従来のＬＥＤアレイ２０２の、位置Ａ−Ａ’における横断面図である。単一基板２０５上に複数のＬＥＤ素子２１０が構築されており、図３に示す２１０［１，３］および２１０［２，３］にて２つの隣接する横断面が示してある。たとえば、パッド２１３［１，３］をＬＥＤ素子２１０［１，３］の陽極とし、パッド２１５［２，３］をＬＥＤ素子２１０［２，３］の陰極とする。従来通り、ＬＥＤ素子２１０間にある間隙２２０［１］に酸化物層３１０を堆積し、隣接する構造体からパッド２１３およびパッド２１５を電気的に絶縁する。さらに、酸化物層３１０上に金属相互接続部２３０［１，３］を形成してパッド２１３［１，３］およびパッド２１５［２，３］に接続する。間隙２２０が深いために間隙２２０全体を酸化物層３１０で充填できない場合、金属相互接続部２３０の隅角部が鋭くなり、プロファイルが複雑になる。隅角部がとがっていると、比較的壊れやすくなるため信頼性にかかわる問題となる。

図４Ａ〜図４Ｃは、本発明の一実施形態に係るＬＥＤ素子２１０間の間隙２２０を充填するための製造工程を示す図である。本発明に係るＬＥＤ素子は、熱をほとんど生じることなしに高効率で利用できることを前提としているので、完成したＬＥＤ素子内にポリマー材を残すことは可能である。

図４Ａを参照すると、個々のＬＥＤ素子２１０とそれらの各パッド２１３およびパッド２１５を形成し終えた後に、ＬＥＤ素子２１０上にポリマー層４１０を堆積することにより、間隙２２０を充填している。ポリマー材としては、ポリメチルグルタルイミド（ＰＭＧＩ）やＳＵ―８などのフォトレジストを用いるのが好ましい。光抽出を高めるためには、ポリマー層４１０の屈折率を１（空気の屈折率）から２．６（半導体の屈折率）までの範囲とする。ポリマー層４１０の光透過性は９０％以上とし、９９％以上とするのがより好ましい。パッド２１３上で測定されるポリマー層４１０の膜厚は、約２μｍとするのが一般的である。ポリマー層４１０を燐光体（約３０重量％の塗布量）に予備混合することによって放射光の色を調節できるが、その際にはポリマー塗布厚と燐光体粒径との相対寸法の調整が必要になる。たとえば、パッド２１３におけるポリマー層４１０の膜厚を約３μｍとした場合、適切な燐光体粒経は約３μｍ以下である。

図４Ｂを参照すると、ポリマー層４１０にパターン化用マスク４２０を塗布する。このマスク４２０のパッド２１３およびパッド２１５に対応する位置には開口４２３が設けられており、その上方のポリマー層４１０に対して除去処理を施せるようになっている。ポリマーの除去処理によって、ポリマー層４１０の表面プロファイルも滑らかになる。

ポリマー除去の処理が終えてパッド２１３およびパッド２１５が露出された後は、ポリマー表面に対して表面親水性の改質を施しして（たとえば、酸素プラズマにより）元の疎水性表面を親水性表面に変換する。結果として、後に形成された金属ベースの相互接続部を通してポリマー層４１０への付着性が改善される。

図４Ｃを参照すると、パッド２１３とパッド２１５とを接続する相互接続部４３０が、ポリマー層４１０に形成されている。ポリマー層４１０の表面プロファイルが滑らかであるため、後に形成された金属ベースの相互接続部４３０はプロファイルが薄く滑らかになり耐久性も改善される。それに対して、従来の相互接続部（図３の２３０）は、プロファイルが複雑でしかも隅角部がとがっているため、比較的壊れやすい。従来の相互接続部２３０の壊れやすさは、相互接続部２３０の厚幅を増やすことで若干改善されるが、この方法では別途の材料を使用しなければならず加工時間も余計にかかるため、コストが割高となる。

本発明におけるＬＥＤ素子２１０は、先に述べたように、熱をほとんど生じることなしに高効率で利用できることを前提とするため、低融点金属（たとえば、Ａｌ、Ｉｎ、Ｓｎや関係する合金金属）を用いて相互接続部４３０の主成分（９０容量％以上）を形成すれば、ＬＥＤ素子の製造コストの大幅削減につながる。相互接続部４３０を形成するための加工処理としては、たとえば化学気相成長法、金属スパッタリング・蒸着などを用いることができる。模範的処理では、３つの金属層（Ｔｉ／Ａｌ／Ｐｔ）をスパッタリングして相互接続部４３０を形成する。

なお、相互接続部４３０の形成には金属粉末およびポリマー（たとえば、銀ペースト）の混合物を用いてもよい。付随する加工処理にて、スクリーン印刷法あるいはステンシル印刷法を用いれば、製造コストの大幅削減につながる。

加えて、ポリマー層４１０を滑らかにすると、パッド２１３、パッド２１５および相互接続部４３０の寸法が図３に示す従来のものよりも縮小されるので、不透明なパッド２１３、パッド２１５および相互接続部４３０で遮蔽するＬＥＤ領域をこれまでより狭く抑えることができる。

ポリマー層４１０は、前述したように表面を滑らかにできるだけでなく、隣接するＬＥＤ素子２１０から熱を吸収・放散することもできる。これは、特にポリマー層４１０にセラミックスや炭素系ナノ構造などの特殊な材料を若干混入した場合に当てはまる。

セラミックスおよび炭素系ナノ構造は、熱エネルギーを吸収して、それを遠赤外波長エネルギーとして放出する。赤外放射は電磁放射の一形態である。赤外放射の波長は、電磁スペクトルの可視部分の赤端よりも長いが、マイクロ波放射よりは短い。この波長はおよそ１〜数百μの範囲にわたり、その下位区分には標準的な規定がないが、大まかには近赤外線（０．７〜１．５μ）、中赤外線（１．５〜５μ）、および遠赤外線（５〜１０００μ）に分けられる。

無機酸化物系、窒化物系、または炭化物系のセラミックスは、遠赤外線放射体として最も有効であると思料される。セラミック系の遠赤外線放射体（酸化ジルコニウム、チタニア、アルミナ、酸化亜鉛、酸化ケイ素、窒化ホウ素、炭化ケイ素など）に関しては、これまでに多くの調査が報告されている。遷移元素の酸化物（たとえば、ＭｎＯ_２、Ｆｅ_２Ｏ_３、ＣｕＯ、ＣｏＯなど）は、遠赤外線放射体として比較的有効であると考えられる。その他の遠赤外線放射体として挙げられる炭素系ナノ構造（たとえば、カーボンナノカプセルやカーボンナノチューブは、高度な放射活性も示す。炭素系ナノ構造の材料は黒体に酷似しており、赤外線範囲全体にわたって高度な放射活性を呈する。本発明の一実施形態によれば、セラミックスまたは炭素系ナノ構造にポリマー層４１０を予備混合する。こうしておくと、ナノ構造を介して近辺のＬＥＤ素子２１０および／または燐光体から熱が吸収され、次いで遠赤外放射として散逸されるようになる。この特性を活かせば、ＬＥＤ素子２１０がヒートシンクや冷却ファンのない密閉筐体内に設置されているときでも、ＬＥＤ素子２１０から熱を逃散できる。ヒートシンクや冷却ファンを設置すれば当然、熱の散逸効率を高めことができる。

図５は基板２０５内に形成されたトレンチ５０２の図であり、このトレンチ５０２を介して本発明の別の一実施形態に係る２つのＬＥＤ素子を離隔している。ＬＥＤ素子２１０の横側部からの光の放出量を増やすために、２つのＬＥＤ素子２１０間に間隙を形成する際は一般的に、レーザーエッチング法で基板にトレンチ５０２を形成する。結果として、ＬＥＤ素子２１０アレイが組み込まれた後のＬＥＤチップは全体的に光抽出効率が向上する。トレンチ５０２を深いほど、ＬＥＤチップの光抽出効率が高くなる。トレンチ５０２の深さは、基板２０５の表面からトレンチ５０２の底部までを測定した値であり、一般的には２０μｍ〜１００μｍの範囲で制御される。

しかしながら、トレンチ５０２は充填しづらい。本発明の一実施形態によれば、図５に示すように、トレンチ５０２内に先にＰＭＧＩ層５１０を堆積してからＳＵ―８層５２０を堆積する。充填特性は、ＰＭＧＩ層５１０の方が良好である。ＰＭＧＩ層５１０上に堆積されたＳＵ―８層５２０は、下に配置されたＰＭＧＩ層５１０が以降のフォトレジスト処理にて現像剤と反応するのを防ぐバリヤー層として機能する。この種のフォトレジスト処理の１つとしては、金属スパッタリングにてＮＲ―７パターニングフォトレジストを用いて相互接続部４３０を形成する方法が挙げられる。ＳＵ―８層５２０によって反応が阻止される場合を除き、ＮＲ―７フォトレジストに用いられる現像剤はＰＭＧＩ層５１０と反応しうる。ただし、印刷処理にて相互接続部４３０を銀ペーストで形成した場合は、単一のＰＭＧＩ層を用いて２つのＬＥＤ素子２１０間の間隙（トレンチ５０２など）全体を充填すれば、加工コストの大幅削減につながる。

図６Ａおよび図６Ｂは、相互接続部４３０の代替パターンをいくつか示した図である。図６Ａを参照すると、相互接続部６３０ａおよび相互接続部６３０ｂはＬＥＤ素子２１０の縁部まで移動しており、これは電極パッドの再配置に対応している（図不示）。図６Ｂを参照すると、相互接続部６３５ａおよび相互接続部６３５ｂはＴ字状をなし、隣接するＬＥＤ素子２１０を接続している。さまざまな相互接続部パターンを用いる目的は、相互接続部領域を減らし、ＬＥＤ素子からの放出光を相互接続部で遮蔽する領域を最小限に抑えることにある。

図７は、ボード７２０上にフリップ実装されているＬＥＤチップ７０２を示す図である。ＬＥＤチップ７０２は、図４Ａ〜図４Ｃに示す処理を経て製造される。すなわち、同一の基板２０５上に複数のＬＥＤ素子２１０が形成される（図７には示していない）。基板２０５を透光性の高いサファイヤとすれば、ボード７２０上にＬＥＤチップ７０２をフリップ実装できる。そのような場合、ＬＥＤチップ７０２の基板２０５を一番上に配置し、この基板２０５の下方に複数のＬＥＤ素子２１０を配置する。ボード７２０上にＬＥＤチップ７０２をフリップ実装する際には、事前にまずＬＥＤチップ７０２の端子上に半田球７１０を形成する。次いで、半田球７１０を対応する端子相互接続部７２２に整列配置し、ＬＥＤチップ７０２を反転させた状態でボード７２０上に設置する。溶融処理後は、端子相互接続部７２２を介して半田球７１０にてＬＥＤチップ７０２をボード７２０に接合する。フリップチップ技術の利用によってボードレベルの相互接続部をできるだけ短縮し、電気絶縁性を向上できることが明らかである。同一のボード７２０上に複数のＬＥＤチップ７０２を取り付けた状態では、フリップチップ実装の実装密度を従来のワイヤ接合に比べて高密度化できる。さらに、ボード７２０上にＬＥＤチップ７０２をフリップ実装し終えた後に、ＬＥＤチップ７０２実装用の基板（図７には示していない）を取り除くことによって発光性が高まる。

上の図は、種々の実施形態、すなわち本発明におけるさまざまな特徴を実用に供するための実施形態を示したものである。構成要素および処理を含む特定実施形態は、本発明の理解を助けるために挙げられている。これらはもちろん単なる実施形態にすぎず、本発明を請求項に記載された内容に限定することを目的としたものではない。

本発明は、本明細書に１つまたは複数の特定実施例に具体化して図示および記載してあるが、詳述された内容に限定されるものではない。これは、本発明の趣旨から逸脱することなしに、請求項に該当する事項の範囲内にて種々の修正および構造変更を施すことが可能だからである。したがって、下掲の請求項の規定事項に則り、添付の請求項をあまねくしかも本発明の範囲と一致した方法で解釈するのが適切である。

Claims (15)

1. 第１電極を有する第１ＬＥＤ素子と、第２電極を有する第２ＬＥＤ素子とを含む発光ダイオード（ＬＥＤ）アレイにおいて、
   前記第１ＬＥＤ素子および前記第２ＬＥＤ素子が同一の基板上に形成され、間隙を介して離隔されており、
   前記ＬＥＤアレイは、
   前記間隙を実質的に充填する少なくとも１種のポリマー材と、
   前記少なくとも１種のポリマー材上に形成され、第１電極と第２電極とを電気的に接続する相互接続部とを含むことを特徴とするＬＥＤアレイ。
2. 前記第１ＬＥＤ素子および前記第２ＬＥＤ素子が直列または並列に接続されていることを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤアレイ。
3. 前記ポリマー材がフォトレジストであることを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤアレイ。
4. 光抽出を高めるため前記ポリマー材の光透過性が９０％以上であり、かつ屈折率が１〜２．６の範囲であることを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤアレイ。
5. 前記ポリマー材を燐光体、赤外線放射材、またはそれらの混合物に予備混合することを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤアレイ。
6. 前記間隙が２種以上のポリマー材で実質的に充填され多層構造が形成されていることを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤアレイ。
7. 前記ＬＥＤアレイは、さらにボードを含んでおり、
   前記ＬＥＤアレイは、前記基板が前記第１ＬＥＤ素子および前記第２ＬＥＤ素子よりも上方に配置するように前記ボード上にフリップ実装されていることを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤアレイ。
8. 前記ボード上に前記ＬＥＤアレイをフリップ実装し終えた後に前記基板を除去することを特徴とする請求項７に記載のＬＥＤアレイ。
9. 基板上に発光ダイオード（ＬＥＤ）構造体を形成する工程と、
   前記ＬＥＤ構造体を間隙を介して第１ＬＥＤ素子および第２ＬＥＤ素子に離隔する工程と、
   前記間隙を実質的に充填するため前記ＬＥＤ構造体に少なくとも１種のポリマー材を堆積する工程と、
   前記少なくとも１種のポリマー材の一部を除去して前記第１ＬＥＤ素子の第１電極および前記第２ＬＥＤ素子の第２電極を露出させる工程と、
   前記第１電極および前記第２電極を電気的に接続する前記少なくとも１種のポリマー材上に相互接続部を形成する工程と、を含むことを特徴とするＬＥＤアレイを形成する方法。
10. 前記少なくとも１種のポリマー材がフォトレジストであることを特徴とする請求項９に記載の方法。
11. 前記ポリマー材を燐光体、赤外線放射材、またはそれらの混合物に予備混合することを特徴とする請求項９に記載の方法。
12. ポリマー表面に対して表面親水性の改質を施して元の疎水性表面を親水性表面に変換する工程をさらに含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。
13. 前記ポリマー材の部分を選択的に除去するためのパターン化用フォトマスクを塗布する工程をさらに含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。
14. 前記ＬＥＤアレイをフリップ実装するボードを提供する工程をさらに含んでおり、
    前記基板を前記第１ＬＥＤ素子および前記第２ＬＥＤ素子よりも上方に配置することを特徴とする請求項９に記載の方法。
15. 前記ＬＥＤアレイを前記ボード上にフリップ実装し終えた後に、前記基板を除去することを特徴とする請求項１４に記載の方法。