JP2012019241A - 発光装置の製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】製造コストを低減でき、特性ばらつきを小さくして歩留まりを向上できる発光装置の製造方法を提供する。
【解決手段】同一絶縁性基板４００上に複数の発光素子を配置する配置工程と、絶縁性基板４００上に配置された複数の発光素子の一部または全部を一括して配線する配線工程と、配置工程と配線工程の後、絶縁性基板４００を複数の分割基板４３０Ａ,４３０Ｂ,４３０Ｃ,４３０Ｄ,４３０Ｅに分割する基板分割工程とを有する。これによって、分割基板４３０Ａ,４３０Ｂ,４３０Ｃ,４３０Ｄ,４３０Ｅ上に複数の発光素子が配置された発光装置を複数形成する。
【選択図】図３１

Description

この発明は、発光装置の製造方法に関する。
従来、発光装置としては、図４５に示すように、リードフレーム９０１が実装されたパッケージ基板９００に１個(または数個)のＬＥＤチップ９１０を実装して、ＬＥＤチップ９１０のｎ型電極９０５とｐ型電極９０６をボンディングワイヤ９１１によりリードフレーム９０１に夫々接続した後、反射板９２１で囲まれたＬＥＤチップ９１０上に蛍光体を含む樹脂９２２を充填し、さらにその蛍光体を含む樹脂９２２上に透明樹脂９２３を充填したものがある(例えば、非特許文献１参照)。上記ＬＥＤチップ９１０は、サファイア基板９０２上にＧaＮからなる半導体層９０３が積層され、その半導体層９０３に活性層９０４を有する。
上記発光装置の製造方法では、１個(または数個)のＬＥＤチップ９１０をパッケージ基板９００上に実装した後の配線工程は、１パッケージに対して個々に行うので、コストが高くなるという問題がある。
また、上記１個(または数個)のＬＥＤチップが搭載された発光装置では、ＬＥＤチップ毎の明るさのばらつきがそのまま発光装置の明るさのばらつきになるため、発光装置の歩留まりが悪いという問題がある。
村上元著、「第１３回 ＬＥＤ・ＬＤ用 半導体パッケージ技術の変遷」、Semiconductor FPD World、プレスジャーナル社、２００９年５月号、ｐ．１１４〜１１７ (図５)
そこで、この発明の課題は、同一基板上に配置された複数の発光素子を一括して配線することにより製造コストを低減でき、特性ばらつきを小さくして歩留まりを向上できる発光装置の製造方法およびその発光装置の製造方法により製造された発光装置を提供することにある。
また、この発明のもう一つの課題は、製造コストを低減でき、特性ばらつきを小さくして歩留まりを向上できる照明装置を提供することにある。
また、この発明のもう一つの課題は、製造コストを低減でき、特性ばらつきを小さくして歩留まりを向上できるバックライトを提供することにある。
また、この発明のもう一つの課題は、製造コストを低減でき、特性ばらつきを小さくして歩留まりを向上できる液晶パネルを提供することにある。
上記課題を解決するため、第１の発明の発光装置の製造方法は、
同一基板上に複数の発光素子を配置する配置工程と、
上記基板上に配置された上記複数の発光素子の一部または全部を一括して配線する配線工程と、
上記配置工程と上記配線工程の後、上記基板を複数の分割基板に分割することによって、上記分割基板上に複数の発光素子が配置された発光装置を複数形成する基板分割工程と
を有すると共に、
上記複数の発光素子は、棒状であって、
上記複数の発光素子の長手方向が上記基板の実装面に対して平行になるように、上記複数の発光素子が上記基板の実装面上に配置されており、
上記棒状の発光素子は、第１導電型の棒状の半導体コアと、その半導体コアの外周を覆う第２導電型の筒状の半導体層と、上記棒状の半導体コアを同心状に囲む筒状の発光面とを有し、
上記棒状の発光素子の上記半導体コアの一端側が露出していることを特徴とする。
上記構成によれば、同一基板上に配置された複数の発光素子を一括して配線した後、基板を複数の分割基板に分割して、分割基板上に複数の発光素子が配置された発光装置を複数形成することによって、配線工程を簡略化して製造コストを低減できる。また、Ｘ％の明るさばらつきを有する発光素子をｎ個集合したとき、全体の明るさのばらつきは、Ｙ＝Ｘ／√ｎ[％]となるので、特性ばらつきを小さくして歩留まりを向上できる。
また、棒状の複数の発光素子の長手方向が基板の実装面に対して平行になるように、複数の発光素子を基板の実装面上に配置することによって、径方向に対して軸方向(長手方向)の長さの比を大きくできるので、発光素子の発光面の面積が同じ条件では発光面が平坦な正方形のときよりも基板側への横方向の熱流出が効率よく行われ、発光時の温度上昇がさらに抑制され、より長寿命化、高効率化が図れる。
また、棒状の発光素子が、棒状のコアを同心状に囲む筒状の発光面を有することによって、同一体積で平坦な発光面を有する発光素子に比べて、発光素子１個あたりの発光面の面積が増大し、所定の明るさを得るための発光素子数を削減することができ、コストを削減できる。
また、棒状の発光素子が、第１導電型の棒状の半導体コアと、その半導体コアの外周を覆う第２導電型の筒状の半導体層とを有し、半導体コアの一端側が露出していることによって、半導体コアの一端側の露出部分に一方の電極を接続し、半導体コアの他端側の半導体層に電極を接続することが可能となり、両端に電極を離して接続でき、半導体層に接続する電極と半導体コアの露出部分が短絡するのを防ぐので、配線が容易にできる。
また、一実施形態の発光装置の製造方法では、
上記配置工程において、上記同一基板上に上記複数の発光素子を一括して配置する。
上記実施形態によれば、上記配置工程において、同一基板上に複数の発光素子を一括して配置することによって、配線工程の簡略化と相俟って製造コストをさらに低減できる。
また、一実施形態の発光装置の製造方法では、
上記基板上に上記複数の発光素子を配線するための配線パターンが形成され、
上記基板分割工程における上記基板の切断領域には上記配線パターンが形成されていない。
上記実施形態によれば、基板上に複数の発光素子を配線するために形成された配線パターンが、基板分割工程における基板の切断領域に形成されていないことによって、切断時に導電性の配線クズが散らばることがなく、導電性の配線クズによる短絡などの不具合を防止できる。
また、一実施形態の発光装置の製造方法では、
上記基板上に上記複数の発光素子を配線するための配線パターンが形成され、
上記基板の切断領域に、上記基板分割工程において切断されても電気接続に影響しない上記配線パターンが形成されている。
上記実施形態によれば、基板の切断領域に、基板分割工程において切断されても電気接続に影響しない配線パターンが形成されていることによって、隣接する分割基板に跨って連続して配線パターンを形成でき、配線パターン形成が容易になると共に、基板分割時に切断されても回路動作に問題が生じない。
また、一実施形態の発光装置の製造方法では、
上記基板分割工程における上記基板の切断領域には上記発光素子が配置されていない。
上記実施形態によれば、基板分割工程における基板の切断領域に発光素子を配置しないことによって、切断により破損する発光素子をなくし、発光素子を有効に活用できる。
また、一実施形態の発光装置の製造方法では、
上記複数の発光素子のうち、上記基板の切断領域には、上記基板分割工程において切断されても所望の発光量に影響しない発光素子が配置されている。
上記実施形態によれば、上記複数の発光素子のうち、基板分割工程において切断されても所望の発光量に影響しない発光素子が基板の切断領域に配置されていることによって、切断により破損した発光素子が発光しなくとも、切断されていない他の複数の発光素子により発光が行われる。したがって、配置工程において発光素子が基板の切断領域に配置されないように考慮する必要がなくなり、配置工程を簡略化することができる。
また、一実施形態の発光装置の製造方法では、
上記配置工程と上記配線工程の後でかつ上記基板分割工程の前に、上記基板上に蛍光体を塗布する蛍光体塗布工程と、
上記蛍光体塗布工程の後に上記基板上に保護膜を塗布する保護膜塗布工程と
を有する。
上記実施形態によれば、上記配置工程と配線工程の後でかつ基板分割工程の前に、基板上に蛍光体を塗布する蛍光体塗布工程と、その蛍光体塗布工程の後に上記基板上に保護膜を塗布する保護膜塗布工程とを、複数の発光素子が配置された１つの基板で一度に行うことによって、従来パッケージ毎に行っていた場合に比べて製造コストを大幅に低減できる。
また、一実施形態の発光装置の製造方法では、
上記蛍光体塗布工程において、上記蛍光体は上記複数の発光素子が配置された領域に選択的に塗布する。
上記実施形態によれば、複数の発光素子が配置された領域に蛍光体を選択的に塗布することによって、材料費で大きな比率を占める蛍光体の使用量を減らしてコストを削減できる。
また、一実施形態の発光装置の製造方法では、
上記分割基板の夫々には上記発光素子が１００個以上配置されている。
上記実施形態によれば、分割基板の夫々に発光素子を１００個以上配置することによって、明るさばらつきを有する複数の発光素子を集合したときの全体の明るさのばらつきを、１つの発光素子の明るさばらつきの１／１０以下に低減できる。
通常、発光素子毎の明るさばらつきは、順方向電圧(Ｖｆ)のばらつきにより５０％に達することもある。従来は、点灯試験によりスペックを外れた発光素子を排除したり、同様な明るさの発光素子にグループ分けして使用したりしていた。しかしながら、Ｘ％の明るさばらつきを有する発光素子をｎ個集合したとき、全体の明るさのばらつきは、Ｙ＝Ｘ／√ｎ[％]となる。すなわち、ｎ＝１００のとき、夫々の発光素子が５０％のばらつきをもっていても全体の明るさのばらつきは１／１０の５％となってスペックを満たすことができる。これにより、夫々の発光素子の点灯試験が不要となり、コストを削減できる。
また、一実施形態の発光装置の製造方法では、
上記基板分割工程において、上記基板を少なくとも２種類以上の形状が異なる上記分割基板に分割する。
上記実施形態によれば、基板分割工程において、基板を少なくとも２種類以上の形状が異なる分割基板に分割することによって、様々な形態に対応した発光装置を容易に提供できる。
また、一実施形態の発光装置の製造方法では、
上記基板上に上記複数の発光素子を配置する配置工程は、
少なくとも第１の電極および第２の電極を実装面に有する上記基板を作成する基板作成工程と、
上記基板上に上記複数の発光素子を含んだ溶液を塗布する塗布工程と、
少なくとも上記第１の電極と上記第２の電極に電圧を印加して、上記複数の発光素子を少なくとも上記第１の電極および上記第２の電極により規定される位置に配列させる配列工程と
を含む。
上記実施形態によれば、少なくとも第１の電極および第２の電極を実装面に有する基板を作成し、その基板上に複数の発光素子を含んだ液体を塗布する。その後、少なくとも第１の電極と第２の電極に電圧を印加して、複数の発光素子を少なくとも第１の電極および第２の電極により規定される位置に配列させる。これにより、上記複数の発光素子を基板上の所定の位置に容易に配列させることができる。したがって、従来のように発光ダイオードを１つ１つ基板上の所定の位置に配置する必要がなく、多数の微細な発光ダイオードを精度よく所定の位置に配置させることができる。
また、一実施形態の発光装置の製造方法では、
少なくとも上記第１の電極および上記第２の電極は、上記複数の発光素子を駆動するための電極として用いられる。
上記実施形態によれば、少なくとも第１の電極および第２の電極を、複数の発光素子を駆動するための電極として用いることによって、配線工程を簡略化してコストを削減できる。
また、一実施形態の発光装置の製造方法では、
上記複数の発光素子は、エピタキシャル基板上に形成された複数の素子であって、上記エピタキシャル基板上から上記各素子を分離したものである。
上記実施形態によれば、エピタキシャル基板上に形成された複数の素子を形成し、そのエピタキシャル基板上から分離した複数の発光素子を用いることによって、発光素子ごとエピタキシャル基板を分断して使用するのに比べて、エピタキシャル基板を再利用できるので、コストを低減できる。
また、第２の発明の発光装置では、
１つの基板から分割された分割基板と、
上記分割基板に配置された複数の発光ダイオードと、
上記分割基板上に所定の間隔をあけて形成されると共に、上記複数の発光ダイオードが接続された第１の電極と第２の電極と
を備え、
上記複数の発光ダイオードは、上記第１の電極にアノードが接続されると共に上記第２の電極にカソードが接続された発光ダイオードと、上記第１の電極にカソードが接続されると共に上記第２の電極にアノードが接続された発光ダイオードとが混在しており、
交流電源によって上記第１の電極と上記第２の電極との間に交流電圧を印加して上記複数の発光ダイオードが駆動されることを特徴とする。
上記構成によれば、上記第１,第２の電極間に接続する複数の発光ダイオードの極性を揃えて配列する必要がないので、製造時に複数の発光ダイオードの極性(向き)を揃える工程が不要となり工程を簡略化できる。また、発光ダイオードの極性(向き)を識別するために、発光ダイオードにマークを設ける必要がなく、極性識別のために発光ダイオードを特別な形状にする必要がなくなるので、発光ダイオードの製造工程を簡略化でき、製造コストも抑えることができる。なお、発光ダイオードのサイズが小さな場合や発光ダイオードの個数が多い場合、極性を揃えて発光ダイオードを配列するものに比べて、上記配置工程を格段に簡略化できる。
また、一実施形態の発光装置では、
上記分割基板が放熱板上に取り付けられている。
上記実施形態によれば、分割基板を放熱板上に取り付けることによって、さらに放熱効果が向上する。
また、第３の発明の照明装置では、
上記発光装置を備えたことを特徴とする。
上記構成によれば、上記発光装置を用いることにより、製造コストを低減でき、特性ばらつきを小さくして歩留まりを向上できる。
また、第４の発明のバックライトでは、
上記発光装置を備えたことを特徴とする。
上記構成によれば、上記発光装置を用いることにより、製造コストを低減でき、特性ばらつきを小さくして歩留まりを向上できる。
また、第５の発明の液晶パネルでは、
上記発光装置を備えたことを特徴とする。
上記構成によれば、上記発光装置を用いることにより、製造コストを低減でき、特性ばらつきを小さくして歩留まりを向上できる。
また、第６の発明の液晶パネルでは、
透明基板と、
上記透明基板の一方の面に配置され、上記透明基板の一方の面に形成された配線に接続された複数の発光素子と、
上記透明基板の他方の面に形成された複数の薄膜トランジスタと
を備えたことを特徴とする。
上記構成によれば、液晶パネル基板とバックライト基板を１つにした透明基板を用いることにより、部品コストと製造コストを低減できると共に、より薄型の液晶パネルを得ることができる。
また、第７の発明の液晶パネルでは、
透明基板と、
上記透明基板の一方の面に配置され、上記透明基板の一方の面に形成された配線に接続された複数の発光素子と、
上記透明基板の他方の面に形成されたカラーフィルタと
を備えたことを特徴とする。
上記構成によれば、カラーフィルタとバックライト基板を１つにした透明基板を用いることにより、部品コストと製造コストを低減できると共に、より薄型の液晶パネルを得ることができる。
以上より明らかなように、この発明の発光装置の製造方法、発光装置、照明装置、バックライトおよび液晶パネルによれば、製造コストを低減でき、特性ばらつきを小さくして歩留まりを向上できる。
図１はこの発明の第１実施形態の発光装置に用いられる第１の発光素子の製造方法の工程図である。 図２は図１に続く工程図である。 図３は図２に続く工程図である。 図４はこの発明の第１実施形態の発光装置に用いられる第２の発光素子の製造方法の工程図である。 図５は図４に続く工程図である。 図６は図５に続く工程図である。 図７は図６に続く工程図である。 図８は図７に続く工程図である。 図９は図８に続く工程図である。 図１０は図９に続く工程図である。 図１１は図１０に続く工程図である。 図１２は図１１に続く工程図である。 図１３は図１２に続く工程図である。 図１４は図１３に続く工程図である。 図１５は図１４に続く工程図である。 図１６は図１５に続く工程図である。 図１７は図１６に続く工程図である。 図１８はこの発明の第１実施形態の発光装置に用いる絶縁性基板の平面図である。 図１９は図１８のXIX−XIX線から見た断面模式図である。 図２０は上記棒状構造発光素子を配列する原理を説明する図である。 図２１は上記棒状構造発光素子を配列するときに電極に与える電位を説明する図である。 図２２は上記棒状構造発光素子を配列した絶縁性基板の平面図である。 図２３はこの発明の第１実施形態の他の発光装置の製造方法の工程図である。 図２４は図２３に続く工程図である。 図２５は図２４に続く工程図である。 図２６はこの発明の第１実施形態の他の発光装置の製造方法の工程図である。 図２７は図２６に続く工程図である。 図２８は図２７に続く工程図である。 図２９は図２８に続く工程図である。 図３０は図２９に続く工程図である。 図３１はこの発明の第１実施形態の発光装置の製造方法の基板分割工程を説明するための図である。 図３２はこの発明の第２実施形態の照明装置に用いられる発光装置の平面図である。 図３３は上記発光装置の側面図である。 図３４は上記発光装置を用いた照明装置の一例としてのＬＥＤ電球の側面図である。 図３５はこの発明の第３実施形態の発光装置を用いたバックライトの平面図である。 図３６はこの発明の第４実施形態の発光装置を用いたバックライトの平面図である。 図３７はこの発明の第５実施形態の発光装置を用いた液晶パネルの平面図と側面図である。 図３８はこの発明の他の実施形態の発光装置の製造方法に用いられる棒状構造発光素子の側面図と端面図である。 図３９は上記発光装置の製造方法の棒状構造発光素子を含む溶液を絶縁性基板上に塗布する工程を示す図である。 図４０は上記絶縁性基板上に塗布された溶液をラビング処理する工程を示す図である。 図４１はラビング処理された絶縁性基板を乾燥する工程を示す図である。 図４２は上記棒状構造発光素子が配列された絶縁性基板の棒状構造発光素子の長手方向に対して直交する直線領域をエッチングしてｐ型の半導体コアの一部を露出させる工程を示す図である。 図４３は上記絶縁性基板に金属配線を形成する工程を示す図である。 図４４はこの発明の他の実施形態の発光装置を用いた液晶パネルの側面図である。 図４５は従来の発光装置の断面図である。
以下、この発明の発光装置の製造方法を図示の実施の形態により詳細に説明する。この実施形態では、Ｓiをドープしたｎ型ＧaＮとＭgをドープしたｐ型ＧaＮとを発光素子に用いるが、ＧaＮにドーピングする不純物はこれに限らない。
〔第１実施形態〕
この発明の第１実施形態の説明では、まず、発光装置の製造方法および発光装置に用いられる発光素子として、次の(1)において第１の発光素子の製造方法(図１〜図３に示す)について説明すると共に、(2)において第２の発光素子(図４〜図１７に示す)の製造方法について説明し、さらに、(3)〜(5)において同一基板上への発光素子の配置工程,配線工程について説明した後、(6)において基板分割工程(図３１に示す)を説明する。
(1) 第１の発光素子の製造方法
図１〜図３はこの発明の第１実施形態の発光装置に用いられる第１の発光素子の製造方法の工程図を示している。以下に、図１〜図３を参照して第１の発光素子の製造方法を説明する。
まず、図１に示したように、ｎ型ＧaＮ基板２０上にｎ型ＧａＮ層１を形成する。ＭＯＣＶＤ(Metal Organic Chemical Vapor Deposition：有機金属気相成長)装置を用いて、棒状ｎ型ＧaＮを結晶成長させる。この棒状のｎ型ＧaＮ１は、成長温度を７００℃〜８００℃程度に設定し、成長ガスとしてトリメチルガリウム(ＴＭＧ)およびアンモニア(ＮＨ３)を使用し、ｎ型不純物供給用にシラン(ＳiＨ４)を、さらにキャリアガスとして水素(Ｈ２)を供給することによって、Ｓiを不純物としたｎ型ＧaＮ層１を成長させることができる。一方、低温(例えば６００℃またはそれ以下)や高温(例えば、１０００℃またはそれ以上)でＧaＮを成長させると、低温の場合、形成されるＧaＮが上方向に偏った成長をして先細り形状に、また、高温の場合、形成されるＧaＮが側方に偏った成長をして棒状ではなく薄膜状になる。
次に、図２に示したように、ｎ型ＧaＮ層１上にＩnＧaＮ量子井戸層２を成長させる。量子井戸層２は、発光波長に応じて設定温度を７５０℃にし、キャリアガスに窒素(Ｎ２)、成長ガスにＴＭＧおよびＮＨ３、トリメチルインジウム(ＴＭＩ)を供給することで、ｎ型ＧaＮ層１上にｐ型ＩnＧaＮからなる量子井戸層２を形成することができる。なお、この量子井戸層は、ＩnＧaＮ層とｐ型ＧaＮ層の間に電子ブロック層としてｐ型ＡlＧaＮ層を入れてもよい。また、ＧaＮの障壁層とＩnＧaＮの量子井戸層を交互に積層した多重量子井戸構造であってもよい。
次に、ＩnＧaＮ量子井戸層２上にｐ型ＧaＮ層３を形成する。このｐ型ＧaＮ層３は、設定温度を８００℃にし、成長ガスとしてＴＭＧおよびＮＨ３を使用し、ｐ型不純物供給用にＣｐ２Ｍｇを用いることによってｐ型ＧaＮ層３を形成できる。
次に、図３に示すように、ｎ型ＧaＮ層１と量子井戸層２とｐ型ＧaＮ層３からなる複数の棒状構造発光素子１０を、IPAなどの溶液中で超音波振動を加えることにより複数の棒状構造発光素子１０を基板から分離する。
上記第１実施形態の発光装置に用いられる第１の発光素子の製造方法では、エピタキシャル基板であるｎ型ＧaＮ基板２０上に形成された複数の素子を形成し、そのｎ型ＧaＮ基板２０上から分離した複数の棒状構造発光素子１０を用いることによって、発光素子ごと基板を分断して使用するのに比べて、ｎ型ＧaＮ基板２０を再利用できるので、コストを低減することができる。
この実施形態では、棒状の発光素子として棒状構造発光素子１０を用いたが、棒状の発光素子はこれに限らず、例えばｎ型ＧaＮ基板上に成長穴を有する成長マスクや金属種などを用いて複数の棒状の発光素子を成長させた後、基板から切り離したものでもよい。
上記第１実施形態では、棒状の発光素子を用いたが、この発明の発光素子はこれに限らず、円形状、楕円状、正方形状、矩形状、多角形状などの平坦な発光面を有し、その発光面が基板に対して平行になるように実装面上に配置される形態の発光素子でもよい。
(2) 第２の発光素子の製造方法
また、図４〜図１７はこの発明の第１実施形態の発光装置に用いられる第２の発光素子の製造方法を順に示す工程図である。
この第２実施形態では、まず、図４に示すように、用意したサファイア基板１０１を洗浄する。
次に、図５に示すように、サファイア基板１０１上にｎ型ＧaＮ膜１０２を成膜する。
次に、図６に示すように、ｎ型ＧaＮ膜１０２上にマスク層１０３をデポジションによって形成する。このマスク層１０３は、例えば、ＳiＮまたはＳiＯ２で作製される。
次に、上記マスク層１０３上にレジスト層１０５を塗布し、露光および現像(デベロップ)を行い、さらに、ドライエッチングを行って、図７に示すように、レジスト層１０５およびマスク層１０３に穴１０５Ａ,１０３Ａを形成する。この穴１０５Ａ,１０３Ａによって、ｎ型ＧaＮ膜１０２の一部１０２Ａが露出している。上記マスク層１０３が成長マスクとなり、マスク層１０３に形成された穴１０３Ａが成長穴となる。
次に、触媒金属形成工程において、図８に示すように、レジスト層１０５上および穴１０３Ａに露出したｎ型ＧaＮ膜１０２の一部１０２Ａ上に触媒金属１０６を蒸着(デポジション)させる。この触媒金属１０６としては、例えば、Ｎi、Ｆeなどを採用できる。
次に、リフトオフにより、レジスト層１０５およびレジスト層１０５上の触媒金属１０６を除去し、図９に示すように、ｎ型ＧaＮ膜１０２の一部１０２Ａ上の触媒金属１０６を残し、次に、洗浄を行う。
次に、半導体コア形成工程において、図１０に示すように、ＭＯＣＶＤ(Metal Organic Chemical Vapor Deposition：有機金属気相成長)装置を用いて、ｎ型ＧaＮを結晶成長させて触媒金属１０６の存在下で断面ほぼ六角形の棒状の半導体コア１０７を形成する。この棒状の半導体コア１０７は、例えば、長さ２５μｍに成長させる。成長温度を８００℃程度に設定し、成長ガスとしてトリメチルガリウム(ＴＭＧ)およびアンモニア(ＮＨ３)を使用し、ｎ型不純物供給用にシラン(ＳiＨ４)を、さらにキャリアガスとして水素(Ｈ２)を供給することによって、Ｓiを不純物としたｎ型ＧaＮの半導体コア１０７を成長させることができる。ここで、ｎ型ＧaＮは、六方晶系の結晶成長となり、サファイア基板１０１表面に対して垂直方向をｃ軸方向にして成長させることにより、六角柱形状の半導体コアが得られる。成長方向や成長温度などの成長条件に依存するが、成長させる半導体コアの直径が数１０ｎｍから数１００ｎｍ程度の小さい場合に断面がほぼ円形に近い形状になりやすい傾向があり、直径が０．５μｍ程度から数μｍに大きくなると断面がほぼ六角形で成長させることが容易になる傾向がある。
上記レジスト層１０５の穴１０５Ａ,マスク層１０３の穴１０３Ａを複数個形成し、この複数個の穴１０５Ａ,１０３Ａに露出した複数箇所のｎ型ＧaＮ膜１０２の一部１０２Ａに触媒金属１０６を形成して、複数本の棒状の半導体コア１０７を形成する。
次に、図１１に示すように、ＭＯＣＶＤにより、ｎ型ＧaＮからなる半導体コア１０７およびマスク層１０３を覆うように、ｐ型ＩnＧaＮからなる量子井戸層１０８を成膜する。この量子井戸層１０８は、発光波長に応じて設定温度を７５０℃にし、キャリアガスに窒素(Ｎ２)、成長ガスにＴＭＧおよびＮＨ３、トリメチルインジウム(ＴＭＩ)を供給することで、ｎ型ＧaＮの半導体コア１０７上およびマスク層１０３上にｐ型ＩnＧaＮからなる量子井戸層１０８を形成することができる。なお、この量子井戸層は、ＩnＧaＮ層とｐ型ＧaＮ層の間に電子ブロック層としてｐ型ＡlＧaＮ層を入れてもよい。また、ＧaＮの障壁層とＩnＧaＮの量子井戸層を交互に積層した多重量子井戸構造であってもよい。
次に、半導体層形成工程において、図１１に示すように、ＭＯＣＶＤにより、量子井戸層１０８の全面にｐ型ＧaＮからなる半導体層１１０を形成する。この半導体層１１０は、設定温度を９００℃にし、成長ガスとしてＴＭＧおよびＮＨ３を使用し、ｐ型不純物供給用にＣｐ２Ｍｇを用いることによってｐ型ＧaＮからなる半導体層１１０を形成できる。
上記ＭＯＣＶＤによる量子井戸層１０８および半導体層１１０の成長において、触媒金属１０６を付けた状態で成膜するので、半導体コア１０７の側面１０７Ｂを覆う部分の成長速度に比べて、触媒金属１０６と半導体コア１０７の先端面１０７Ａとの間の部分の成長速度が速く、例えば１０〜１００倍になる。具体的一例として、触媒金属１０６が付着した箇所のＧaＮの成長速度が５０〜１００μｍ/時であるのに対して、触媒金属が付着していない箇所のＧaＮの成長速度は１〜２μｍ/時になる。よって、量子井戸層１０８，半導体層１１０は、その先端部１０８Ａ,１１０Ａの膜厚が、側面部１０８Ｂ,１１０Ｂの膜厚に比べて厚くなる。
次に、図１２に示すように、触媒金属除去工程において、半導体コア１０７上の触媒金属１０６をエッチングにより除去した後に洗浄を行い、アニールにより半導体層１１０を活性にする。ここで、上記半導体コア１０７の先端面１０７Ａを覆う量子井戸層１０８,半導体層１１０の先端部１０８Ａ,１１０Ａの肉厚が半導体コア１０７の側面１０７Ｂを覆う量子井戸層１０８,半導体層１１０の側面部１０８Ｂ,１１０Ｂの肉厚よりも厚いので、金属除去面のダメージや欠陥がＰＮ接合に悪影響を及ぼし難くなる。また、エッチングの際に半導体コア１０７が半導体層１１０から露出することを防止できる。
次に、図１３に示すように、ｐ型ＧaＮからなる半導体層１１０の全面に導電膜１１１を形成する。この導電膜１１１の材質は、ポリシリコン，ＩＴＯ(錫添加酸化インジウム)等を採用できる。この導電膜１１１の膜厚は例えば２００ｎｍとする。そして、上記導電膜１１１を成膜後、５００℃から６００℃で熱処理を行うことで、ｐ型ＧaＮからなる半導体層１１０と導電膜１１１とのコンタクト抵抗を下げることができる。なお、導電膜１１１は、これに限らず、例えば厚さ５ｎｍのＡg／ＮiまたはＡu／Ｎiの半透明の積層金属膜などを用いてもよい。この積層金属膜の成膜には蒸着法あるいはスパッタ法を用いることができる。さらに、より導電層の抵抗を下げるために、ＩＴＯによる導電膜上にＡg／ＮiまたはＡu／Ｎiの積層金属膜を積層してもよい。
次に、図１４に示すように、ドライエッチングのＲＩＥ(反応性イオンエッチング)により、半導体コア１０７上およびマスク層１０３上で横方向に延在する部分の導電膜１１１を除去する。また、上記ＲＩＥにより、半導体コア１０７の先端面１０７Ａ上を覆う半導体層１１０の先端部１１０Ａを或る厚さ分だけ除去する。また、上記ＲＩＥにより、マスク層１０３上で導電膜１１１を越えて横方向に延在する領域の半導体層１１０を除去する。また、上記ＲＩＥにより、マスク層１０３上で導電膜１１１を越えて横方向に延在する領域の量子井戸層１０８を除去する。
前述の如く、上記ＲＩＥの前には、量子井戸層１０８の先端部１０８Ａの膜厚は、側面部１０８Ｂの膜厚に比べて十分に厚く、半導体層１１０の先端部１１０Ａの膜厚が側面部１１０Ｂの膜厚に比べて十分に厚いので、上記ＲＩＥの後に、先端部で半導体コア１０７が露出することはない。したがって、上記ＲＩＥにより、半導体コア１０７の先端面を覆う量子井戸層１０８,半導体層１１０と、半導体コア１０７の側面を覆う量子井戸層１０８,半導体層１１０,導電膜１１１とが残る。
次に、図１５に示すように、エッチングにより、マスク層１０３(図１４に示す)を除去する。このマスク層１０３が酸化シリコン(ＳiＯ２)で構成されている場合、フッ酸(ＨＦ)を含んだ溶液を用いることにより、容易に半導体コア１０７および半導体コア１０７を覆う半導体層１１０,導電膜１１１の部分に影響を与えずにマスク層１０３をエッチングできる。また、ＣＦ４を用いたドライエッチングにより、容易に半導体コア１０７および半導体コア１０７を覆う半導体層１１０,導電膜１１１の部分に影響を与えずにマスク層１０３をエッチングすることができる。これにより、半導体コア１０７は、サファイア基板１０１側の露出部分１０７Ｃの外周面が露出する。
次に、図１６に示すように、ＲＩＥ(反応性イオンエッチング)により、下地ｎ型ＧaＮ膜１０２をエッチングして、サファイア基板１０１表面を露出させる。これにより、半導体コア１０７に連なるｎ型ＧaＮからなる段部１０２Ｂが形成される。ここで、先端面１０７Ａ上の半導体層１１０と量子井戸層１０８の厚さが下地ｎ型ＧaＮ膜１０２の厚さに比べて十分に厚くなるようにしているので、上記ＲＩＥにより、半導体コア１０７の先端面１０７Ａが露出しないようにできる。
これにより、上記ｎ型ＧaＮからなる半導体コア１０７とｐ型ＩnＧaＮからなる量子井戸層１０８とｐ型ＧaＮからなる半導体層１１０および導電膜１１１,ｎ型ＧaＮからなる段部１０２Ｂで構成される棒状構造の発光素子がサファイア基板１０１上に形成される。
次に、切り離し工程において、イソプロピルアルコール(ＩＰＡ)水溶液中に基板を浸し、超音波(例えば数１０ＫＨz)を用いて下地基板(サファイア基板１０１)を基板平面に沿って振動させることにより、下地基板上に立設する半導体コア１０７を折り曲げるように、量子井戸層１０８と半導体層１１０,導電膜１１１に覆われた半導体コア１０７に対して応力が働いて、図１７に示すように、量子井戸層１０８と半導体層１１０,導電膜１１１に覆われた半導体コア１０７が下地基板から切り離される。
こうして、下地基板から切り離なされた微細な棒状構造発光素子１００を製造することができる。
また、上記半導体コア１０７を超音波を用いて基板から切り離したが、これに限らず、切断工具を用いて半導体コアを基板から機械的に折り曲げることによって切り離してもよい。この場合、簡単な方法で基板上に設けられた微細な複数の棒状構造発光素子を短時間で切り離すことができる。
さらに、上記棒状構造発光素子１００は、半導体層１１０が半導体コア１０７の外周面から半径方向外向に結晶成長し、径方向の成長距離が短くかつ欠陥が外向に逃げるため、結晶欠陥の少ない半導体層１１０により半導体コア１０７を覆うことができる。したがって、特性の良好な棒状構造発光素子を実現することができる。
この発光素子の製造方法によれば、下地基板から切り離された微細な棒状構造発光素子１００を製造することができる。また、上記サファイア基板１０１を再利用できる。また、上記棒状構造発光素子１００は、使用する半導体の量を少なくでき、発光素子を用いた装置の薄型化と軽量化が可能となると共に、半導体層１１０で覆われた半導体コア１０７の全周から光が放出されることにより発光領域が広くなるので、発光効率が高く省電力な発光装置,バックライト,照明装置および表示装置などを実現することができる。また、図１６に示すように、ＲＩＥ(反応性イオンエッチング)により、下地ｎ型ＧaＮ膜１０２をエッチングして段部１０２Ｂを形成したが、この下地ｎ型ＧaＮ膜１０２のエッチングを省略して段部１０２Ｂのない下地ｎ型ＧaＮ膜１０２から半導体コア１０７を切り離して、段部１０２Ｂを有していない棒状構造発光素子を作製してもよい。
ここで、棒状構造発光素子１００の直径を１μｍ、長さを２５μｍとしているので、１個当たりの棒状構造発光素子１００の発光面積すなわち量子井戸層１０８の面積は、略(２５×π×(０．５)２μｍ２−(露出部分１０７Ｃの外周面積))となる。
また、棒状構造発光素子１００が、棒状の半導体コア１０７を同心状に囲む筒状の発光面(量子井戸層１０８)を有することによって、同一体積で平坦な発光面を有する発光素子に比べて、棒状構造発光素子１００の１個あたりの発光面の面積が増大し、所定の明るさを得るための発光素子数を削減することができ、コストを削減できる。
また、棒状構造発光素子１００が、ｐ型の棒状の半導体コア１０７と、その半導体コア１０７の外周を覆うｎ型の筒状の半導体層１１０とを有し、半導体コア１０７の一端側が露出していることによって、半導体コア１０７の一端側の露出部分１０７Ｃに一方の電極を接続し、半導体コア１０７の他端側の導電膜１１１に電極を接続することが可能となり、両端に電極を離して接続でき、導電膜１１１に接続する電極と半導体コア１０７の露出部分１０７Ｃが短絡するのを防ぐので、配線が容易にできる。
なお、上記半導体コア１０７の露出部分１０７Ｃと半導体層１１０に覆われた被覆部分のそれぞれの断面は六角形状に限るものではなく、他の多角形や円形の断面形状でもよく、また、半導体コアの露出部分と被覆部分とが異なる断面形状であってもよい。
また、この第１実施形態の第２の発光素子の製造方法によれば、ｎ型の半導体コア１０７の先端面１０７Ａだけでなく側面１０７Ｂにもｐ型の半導体層１１０を形成するので、ｐｎ接合の面積を大きくでき、発光面積を大きくすることができ、発光効率を向上できる。また、上記触媒金属１０６を用いてｎ型の半導体コア１０７を形成するので、ｎ型の半導体コア１０７の成長速度を速くできる。このため、半導体コア１０７を従来に比べ短時間で長くでき、ｎ型の半導体コア１０７の長さと比例関係になる発光面積を一層大きくすることができる。また、上記ｎ型の半導体コア１０７の先端面１０７Ａおよび側面がｐ型の半導体層１１０で覆われるので、ｐ型の半導体層１１０のための電極がｎ型の半導体コア１０７に短絡することを防止できる。
また、この第１実施形態の第２の発光素子の製造方法によれば、触媒金属１０６を残した状態でｐ型の量子井戸層１０８,ｐ型の半導体層１１０を形成するので、ｎ型の半導体コア１０７の形成とｐ型の量子井戸層１０８,ｐ型の半導体層１１０の形成とを同一製造装置内で連続して行うことができる。よって、工程削減、製造時間の短縮ができる。また、上記ｎ型の半導体コア１０７を形成後、この半導体コア１０７を製造装置外に出す必要が無いので、ｎ型の半導体コア１０７の表面にコンタミが付着しないようにでき、素子特性を改善できる。また、上記ｎ型の半導体コア１０７の形成とｐ型の量子井戸層１０８,ｐ型の半導体層１１０の形成とを連続して行うことができるので、大きな温度変化や成長の停止などを回避して結晶性を改善でき、素子特性を改善できる。また、上記ｎ型の半導体コ１０ア７を形成した直後に触媒金属１０６を除去するエッチングを行わないことで、ｎ型の半導体コア１０７の表面(すなわち、ｐ型の半導体層１１０との界面)へのダメージを無くすることができ、素子特性を改善できる。
また、この第１実施形態の第２の発光素子の製造方法では、サファイア基板１０１上に触媒金属１０６を付けたままでｎ型の半導体コア１０７とｐ型の半導体層１１０を順に形成するので、触媒金属１０６に接する部分の成長速度が触媒金属１０６に接しない部分の成長速度に比べて格段に(例えば１０〜１００倍)速くなる。したがって、寸法の縦横比が高い発光素子を作製できる。この第２実施形態では、一例として、棒状構造発光素子１００の直径を１μｍ、長さを２５μｍとしている。また、上記触媒金属１０６下でｎ型の半導体コア１０７とｐ型の半導体層１１０とを連続して積層できるので、ＰＮ接合部の欠陥を少なくすることができる。
また、この第１実施形態の第２の発光素子の製造方法によれば、マスク層１０３を除去して、半導体コア１０７のサファイア基板１０１側の露出部分１０７Ｃを露出させるので、半導体層１１０のエッチング量を少なくできる。また、上記棒状構造発光素子１００は、半導体コア１０７に連なるｎ型ＧaＮからなる段部１０２Ｂによって、半導体コア１０７に対して容易にコンタクトを取ることができる。また、上記棒状構造発光素子１００は、量子井戸層１０８により発光効率を向上できる。
また、上記第２の発光素子の製造方法では、サファイア基板１０１上にｎ型ＧaＮ膜１０２を成膜したが、サファイア基板１０１上にｎ型ＧaＮ膜１０２を成膜する工程をなくして、サファイア基板１０１上に直接にマスク層１０３を形成してもよい。また、上記触媒金属除去工程において、半導体コア１０７上の触媒金属１０６をエッチングにより除去したが、この触媒金属除去工程をなくして、触媒金属１０６を残したままで導電膜１１１を形成してもよい。また、上記実施形態では、図１４に示すように、ＲＩＥによって、導電膜１１１,ｐ型ＧaＮからなる半導体層１１０,量子井戸層１０８をエッチングしたが、このＲＩＥによるエッチング工程をなくし、次のマスク層１０３を除去する工程において、各層一斉リフトオフによりマスク層１０３を除去してもよい。
また、上記第２の発光素子の製造方法では、ＭＯＣＶＤ装置を用いて半導体コア１０７を結晶成長させたが、ＭＢＥ(分子線エピタキシャル)装置などの他の結晶成長装置を用いて半導体コアを形成してもよい。また、成長穴を有する成長マスクを用いて半導体コアを基板上に結晶成長させたが、基板上に金属種を配置して、金属種から半導体コアを結晶成長させてもよい。
また、上記第２の発光素子の製造方法では、半導体層１１０に覆われた半導体コア１０７を、超音波を用いてサファイア基板１０１から切り離したが、これに限らず、切断工具を用いて半導体コアを基板から機械的に折り曲げて切り離してもよい。この場合、簡単な方法で基板上に設けられた微細な複数の棒状構造発光素子を短時間で切り離すことができる。
(3) 発光素子の配置工程
図１８はこの発明の第１実施形態の発光装置の製造方法に用いる絶縁性基板の平面図を示している。なお、この発光装置に用いられる棒状構造発光素子は、図３に示す棒状構造発光素子１０または図１７に示す棒状構造発光素子１００いずれかを用いているが、他の棒状の発光素子を用いてもよい。
この第１実施形態の発光装置では、図１８に示すように、まず、基板作成工程において、実装面に、第１,第２の電極および配線パターンの一例としての金属電極２０１,２０２を形成した絶縁性基板２００を作成する。絶縁性基板２００はガラス、セラミック、酸化アルミニウム、樹脂のような絶縁体、またはシリコンのような半導体表面にシリコン酸化膜を形成し、表面が絶縁性を有するような基板である。ガラス基板を用いる場合は、表面にシリコン酸化膜、シリコン窒化膜のような下地絶縁膜を形成するのが望ましい。
上記金属電極２０１,２０２は、印刷技術を利用して所望の電極形状に形成している。なお、金属膜および感光体膜を一様に積層し、所望の電極パターンを露光し、エッチングして形成してもよい。
図１８では省略されているが、金属電極２０１,２０２には外部から電位を与えられるように、パッドを形成している。
次に、配列工程において、金属電極２０１,２０２が対向する部分(配列領域)に棒状構造発光素子を配列する。図１８では、図を見やすくするため、棒状構造発光素子を配列する配列領域を９×３個としているが、実際は１００個以上の任意の個数の配列領域とする。
上記基板作成工程と塗布工程および配列工程で、基板上に複数の発光素子を配置する配置工程を構成している。
図１９は図１８のXIX−XIX線から見た断面模式図である。
まず、塗布工程において、図１９に示すように、絶縁性基板２００上に、棒状構造発光素子２１０を含んだイソプロピルアルコール(ＩＰＡ)２１１を薄く塗布する。ＩＰＡ２１１の他に、エチレングリコール、プロピレングリコール、メタノール、エタノール、アセトン、またはそれらの混合物でもよい。あるいは、ＩＰＡ２１１は、他の有機物からなる液体、水などを用いることができる。
ただし、液体を通じて金属電極２０１,２０２間に大きな電流が流れてしまうと、金属電極２０１,２０２間に所望の電圧差を印加できなくなってしまう。そのような場合には、金属電極２０１,２０２を覆うように、絶縁性基板２００表面全体に、１０ｎｍ〜３０ｎｍ程度の絶縁膜をコーティングすればよい。
棒状構造発光素子２１０を含むＩＰＡ２１１を塗布する厚さは、次に棒状構造発光素子２１０を配列する工程で、棒状構造発光素子２１０が配列できるよう、液体中で棒状構造発光素子２１０が移動できる厚さである。したがって、ＩＰＡ２１１を塗布する厚さは、棒状構造発光素子２１０の太さ以上であり、例えば、数μｍ〜数ｍｍである。塗布する厚さは薄すぎると、棒状構造発光素子２１０が移動し難くなり、厚すぎると、液体を乾燥する時間が長くなる。また、ＩＰＡの量に対して、棒状構造発光素子２１０の量は、１×１０4本／ｃｍ3〜１×１０7本／ｃｍ3が好ましい。
棒状構造発光素子２１０を含むＩＰＡ２１１を塗布するために、棒状構造発光素子２１０を配列させる金属電極の外周囲に枠を形成し、その枠内に棒状構造発光素子２１０を含むＩＰＡ２１１を所望の厚さになるように充填してもよい。しかしながら、棒状構造発光素子２１０を含むＩＰＡ２１１が粘性を有する場合は、枠を必要とせずに、所望の厚さに塗布することが可能である。
ＩＰＡやエチレングリコール、プロピレングリコール、…、またはそれらの混合物、あるいは、他の有機物からなる液体、または水などの液体は、棒状構造発光素子２１０の配列工程のためには粘性が低いほど望ましく、また加熱により蒸発しやすい方が望ましい。
次に、金属電極２０１,２０２間に電位差を与える。この第１実施形態では、１Ｖの電位差とするのが適当であった。金属電極２０１,２０２の電位差は、０．１〜１０Ｖを印加することができるが、０．１Ｖ以下では棒状構造発光素子２１０の配列が悪くなり、１０Ｖ以上では金属電極間の絶縁が問題になり始める。したがって、１〜５Ｖが好ましく、更には１Ｖ程度とするのが好ましい。
図２０は上記棒状構造発光素子２１０が金属電極２０１,２０２上に配列する原理を示している。図２０に示すように、金属電極２０１に電位ＶLを印加し、金属電極２０２に電位ＶR(ＶL＜ＶR)を印加すると、金属電極２０１には負電荷が誘起され、金属電極２０２には正電荷が誘起される。そこに棒状構造発光素子２１０が接近すると、棒状構造発光素子２１０において、金属電極２０１に近い側に正電荷が誘起され、金属電極２０２に近い側に負電荷が誘起される。この棒状構造発光素子２１０に電荷が誘起されるのは静電誘導による。すなわち、電界中に置かれた棒状構造発光素子２１０は、内部の電界が０となるまで表面に電荷が誘起されることによる。その結果、各電極と棒状構造発光素子２１０との間に静電力により引力が働き、棒状構造発光素子２１０は、金属電極２０１,２０２間に生じる電気力線に沿うと共に、各棒状構造発光素子２１０に誘起された電荷がほぼ等しいので、電荷による反発力により、ほぼ等間隔に一定方向に規則正しく配列する。しかしながら、例えば、図１７に示す棒状構造発光素子１００では、半導体層１１０に覆われた半導体コア１０７の露出部分側の向きは一定にならず、ランダムになる。
以上のように、棒状構造発光素子２１０が金属電極２０１,２０２間に発生した外部電場により、棒状構造発光素子２１０に電荷を発生させ、電荷の引力により金属電極２０１,２０２に棒状構造発光素子２１０を吸着させるので、棒状構造発光素子２１０の大きさは、液体中で移動可能な大きさであることが必要である。したがって、棒状構造発光素子２１０の大きさは、液体の塗布量(厚さ)により変化する。液体の塗布量が少ない場合は、棒状構造発光素子２１０はナノオーダーサイズでなければならないが、液体の塗布量が多い場合は、マイクロオーダーサイズであってもかまわない。
棒状構造発光素子２１０が電気的に中性ではなく、正または負に帯電している場合は、金属電極２０１,２０２間に静的な電位差(ＤＣ)を与えるだけでは、棒状構造発光素子２１０を安定して配列することができない。例えば、棒状構造発光素子２１０が正味として正に帯電した場合は、正電荷が誘起されている金属電極２０２との引力が相対的に弱くなる。そのため、棒状構造発光素子２１０の配列が非対象になる。
そのような場合は、図２１に示すように、金属電極２０１,２０２間にＡＣ電圧を印加することが好ましい。図２１においては、金属電極２０２に基準電位を、金属電極２０１には振幅ＶPPL／２のＡＣ電圧を印加している。こうすることにより、棒状構造発光素子２１０が帯電している場合でも、配列を対象に保つことができる。なお、この場合の金属電極２０２に与える交流電圧の周波数は、１０Ｈz〜１ＭＨzとするのが好ましく、５０Ｈz〜１ｋＨzとするのが最も配列が安定し、より好ましい。さらに、金属電極２０１,２０２間に印加するＡＣ電圧は、正弦波に限らず、矩形波、三角波、ノコギリ波など、周期的に変動するものであればよい。なお、ＶPPLは１Ｖ程度とするのが好ましかった。
次に、金属電極２０１,２０２上に、棒状構造発光素子２１０を配列させた後、絶縁性基板２００を加熱することにより、液体を蒸発させて乾燥させ、棒状構造発光素子２１０を金属電極２０１,２０２間の電気力線に沿って等間隔に配列させて固着させる。
図２２は上記棒状構造発光素子２１０を配置した絶縁性基板２００の平面図を示している。なお、図２２では、図を見やすくするために棒状構造発光素子２１０の数を少なくしているが、実際は１００個以上の棒状構造発光素子２１０が同一の絶縁性基板２００上に配置されている。
図２２に示す棒状構造発光素子２１０を配置した絶縁性基板２００を、液晶表示装置などのバックライトに用いることにより、薄型化と軽量化が可能でかつ発光効率が高く省電力なバックライトを実現することができる。また、この棒状構造発光素子２１０を配置した絶縁性基板２００を照明装置として用いることにより、薄型化と軽量化が可能でかつ発光効率が高く省電力な照明装置を実現することができる。
上記棒状構造発光素子２１０のｐｎの極性は、一方に揃っておらず、ランダムに配列されている。このため、駆動時は交流電圧により駆動されて、異なる極性の棒状構造発光素子２１０が交互に発光することになる。
また、上記発光装置の製造方法によれば、独立した電位が夫々与えられる２つの金属電極２０１,２０２を単位とする配列領域が形成された絶縁性基板２００を作成し、その絶縁性基板２００上に複数の棒状構造発光素子２１０を含んだ液体を塗布する。その後、２つの金属電極２０１,２０２に独立した電圧を夫々印加して、微細な棒状構造発光素子２１０を２つの金属電極２０１,２０２により規定される位置に配列させる。これにより、上記棒状構造発光素子２１０を所定の絶縁性基板２００上に容易に配置させることができる。
したがって、従来のように発光ダイオードを１つ１つ基板上の所定の位置に配置する必要がなく、多数の微細な発光ダイオードを精度よく所定の位置に配置させることができる。
この発光装置の製造方法によって、発光時の温度上昇を抑制しつつ発光を分散させることにより、明るさのばらつきが少なくかつ長寿命化と高効率化が可能な発光装置を製造することができる。
また、上記発光装置の製造方法では、使用する半導体の量を少なくできる。さらに、上記棒状構造発光素子２１０は、半導体層で覆われた半導体コアの側面全体から光が放出されることにより発光領域が広くなるので、発光効率が高く省電力な発光装置を実現することができる。
また、上記発光装置では、絶縁性基板２００の実装面上に複数の発光素子を略均等に分散して配置することによって、発光により発光素子に生じた熱の横方向への流出が効率よく行われるため、発光時の温度上昇がさらに抑制され、より長寿命化、高効率化が図れる。
また、複数の棒状構造発光素子２１０の長手方向が絶縁性基板２００の実装面に対して平行になるように、棒状構造発光素子２１０を絶縁性基板２００の実装面上に配置することによって、径方向に対して軸方向(長手方向)の長さの比を大きくできるので、発光面の面積が同じ条件では発光面が正方形のときよりも絶縁性基板２００への横方向の熱流出が効率よく行われ、発光時の温度上昇がさらに抑制され、より長寿命化、高効率化が図れる。また、この発光装置の製造方法は、電極間に電圧を印加することによる物体の分極を利用しているため、棒状構造発光素子の両端を分極させるのに都合がよく、棒状構造発光素子に対して相性がよい。
また、上記棒状構造発光素子２１０は、発光ダイオードであって、金属電極２０１(第１の電極)にアノードが接続されると共に金属電極２０２(第２の電極)にカソードが接続された発光ダイオードと、金属電極２０１(第１の電極)にカソードが接続されると共に金属電極２０２(第２の電極)にアノードが接続された発光ダイオードとが混在して絶縁性基板２００上に配置されることになる。そして、この発光装置では、交流電源によって金属電極２０１(第１の電極)と金属電極２０２(第２の電極)との間に交流電圧を印加して複数の発光ダイオードを駆動することによって、多数の発光ダイオードに対してアノードとカソードの向きを揃えて配置する必要がなく、配置工程を簡略化できる。
また、少なくとも金属電極２０１(第１の電極)および金属電極２０２(第２の電極)を、複数の棒状構造発光素子２１０を駆動するための電極として用いることによって、配線工程を簡略化してコストを削減できる。
図１８〜図２２に示す発光装置の製造方法では、棒状構造発光素子を用いたが、発光素子はこれに限らず、円形状、楕円状、正方形状、矩形状、多角形状などの平坦な発光面を有し、その発光面が基板に対して平行になるように実装面上に配置される形態の発光素子でもよい。しかしながら、この発光装置の製造方法では、電極間に電圧を印加することによる物体の分極を利用するので、分極させるのに好都合な棒状の発光素子が望ましい。
(4) 配線工程
図２３〜図２５はこの発明の第１実施形態の他の発光装置の製造方法の工程図を示している。なお、この発光装置の製造方法は、棒状構造発光素子を同一基板の実装面上に１００個以上配置するものである。この発光装置の製造方法に用いる棒状構造発光素子は、第１導電型の棒状の半導体コアと、その半導体コアの外周を覆う第２導電型の筒状の半導体層とを有し、棒状の発光素子の半導体コアの一端側が露出しているものであればよい。
この発光装置の製造方法では、図２３に示すように、まず、基板作成工程において、実装面に第１,第２の電極および配線パターンの一例としての金属電極３０１,３０２を形成した絶縁性基板３００を作成する。
次に、配置工程において、絶縁性基板３００上に、長手方向が絶縁性基板３００の実装面に対して平行になるように１００個以上の棒状構造発光素子３１０を配置させる。この配置工程では、第１実施形態の発光装置の製造方法と同様の方法を用いて、金属電極３０１,３０２上に、液体中の棒状構造発光素子３１０を配列させた後、絶縁性基板３００を加熱することにより、液体を蒸発させて乾燥させ、棒状構造発光素子３１０を金属電極３０１,３０２間の電気力線に沿って等間隔に配列させて固着させる。
上記棒状構造発光素子３１０は、棒状のｎ型ＧaＮからなる半導体コア３１１と、上記半導体コア３１１の一端側の部分を覆わないで露出部分３１１aとするように、半導体コア３１１の露出部分３１１a以外の被覆部分３１１bを覆うｐ型ＧaＮからなる半導体層３１２とを備えている。上記棒状構造発光素子３１０の一端側の露出部分３１１aを金属電極３０１に接続すると共に、棒状構造発光素子３１０の他端側の半導体層３１２を金属電極３０２に接続する。
次に、配線工程において、図２４に示すように、絶縁性基板３００上に層間絶縁膜３０３を形成し、その層間絶縁膜３０３をパターンニングして金属電極３０１上と金属電極３０２上にコンタクトホール３０３aを夫々形成する。
次に、図２５に示すように、２つのコンタクトホール３０３aを埋めるように金属配線３０４,３０５を形成する。
このようにして、絶縁性基板３００の実装面上に配置された１００個以上の棒状構造発光素子３１０を一括して配置すると共に、複数の棒状構造発光素子３１０に金属配線３０４,３０５を一括して接続することができる。また、図２３〜図２５では、棒状構造発光素子３１０の中央部が絶縁性基板３００から浮いた状態で示されているが、実際は、棒状構造発光素子３１０は、図１８〜図２２に示す棒状構造発光素子の配置方法におけるＩＰＡ水溶液の乾燥時に、絶縁性基板３００表面と棒状構造発光素子３１０の隙間の液滴が蒸発により縮小するときに発生するスティクションにより中央部分が撓んで絶縁性基板３００上に接している。なお、棒状発光素子３１０が直接絶縁性基板３００上に接しない場合であっても、層間絶縁膜３０３を介して絶縁性基板３００と接することとなる。
また、棒状構造発光素子３１０の中央部分と絶縁性基板３００との間に、棒状構造発光素子３１０を支持するように金属部を設けて、棒状構造発光素子３１０の中央部分が金属部を介して絶縁性基板３００に接するようにしてもよい。
上記発光装置の製造方法によれば、従来のように発光ダイオードを１つ１つ基板上の所定の位置に配置する必要がなく、多数の微細な発光ダイオードを精度よく所定の位置に配置させることができ、発光時の温度上昇を抑制しつつ発光を分散させることにより、明るさのばらつきが少なくかつ長寿命化と高効率化が可能な発光装置を製造することができる。
上記発光装置では、絶縁性基板３００の実装面上に複数の棒状構造発光素子３１０を略均等に分散して配置することによって、発光により発光素子に生じた熱の基板側への横方向の流出が効率よく行われるため、発光時の温度上昇がさらに抑制され、より長寿命化、高効率化が図れる。
また、複数の棒状構造発光素子３１０の長手方向が絶縁性基板３００の実装面に対して平行になるように、棒状構造発光素子３１０を絶縁性基板３００の実装面上に配置することによって、径方向に対して軸方向(長手方向)の長さの比を大きくできるので、発光面の面積が同じ条件では発光面が正方形のときよりも絶縁性基板３００側への横方向の熱流出が効率よく行われ、発光時の温度上昇がさらに抑制され、より長寿命化、高効率化が図れる。
また、上記複数の棒状構造発光素子３１０は、露出部分３１１aがアノード、被覆部分３１１bがカソードの発光ダイオードであって、金属電極３０１(第１の電極)にアノードが接続されると共に金属電極３０２(第２の電極)にカソードが接続された発光ダイオードと、金属電極３０１(第１の電極)にカソードが接続されると共に金属電極３０２(第２の電極)にアノードが接続された発光ダイオードとが混在して絶縁性基板３００上に配置されことになる。そして、この発光装置では、交流電源によって金属電極３０１(第１の電極)と金属電極３０２(第２の電極)との間に交流電圧を印加して複数の発光ダイオードを駆動することによって、多数の発光ダイオードに対してアノードとカソードの向きを揃えて配置する必要がなく、配置工程を簡略化できる。
(5) 他の発光装置の製造方法
図２６〜図３０はこの発明の第１実施形態の他の発光装置の製造方法の工程図を示している。なお、図２６〜図３０では、発光装置の一部のみを示しており、この発光装置の製造方法は、棒状構造発光素子を同一基板の実装面上に１００個以上配置するものである。この発光装置の製造方法に用いる棒状構造発光素子は、第１導電型の棒状の半導体コアと、その半導体コアの外周を覆う第２導電型の筒状の半導体層とを有し、棒状の発光素子の半導体コアの一端側が露出しているものであればよい。
この発光装置の製造方法では、図２６の断面図および図２７の平面図に示すように、まず、基板作成工程において、実装面に第１,第２の電極および配線パターンの一例としての金属電極４０１,４０２が形成された絶縁性基板４００を作成する。
次に、配置工程において、絶縁性基板４００上に、長手方向が絶縁性基板４００の実装面に対して平行になるように複数の棒状構造発光素子４１０を配置する。この配置工程では、図１８〜図２２に示す発光装置の製造方法と同様の方法を用いて、金属電極４０１,４０２上に、液体中の棒状構造発光素子４１０を配列させた後、絶縁性基板４００を加熱することにより、液体を蒸発させて乾燥させ、棒状構造発光素子４１０を金属電極４０１,４０２間の電気力線に沿って等間隔に配置させる。
上記棒状構造発光素子４１０は、棒状のｎ型ＧaＮからなる半導体コア４１１と、上記半導体コア４１１の一端側の部分を覆わないで露出部分４１１aとするように、半導体コア４１１の露出部分４１１a以外の被覆部分４１１bを覆うｐ型ＧaＮからなる半導体層４１２とを備えている。上記棒状構造発光素子４１０の一端側の露出部分４１１aを金属電極４０１に導電性接着剤などの金属インクからなる接着部４０３により接続すると共に、棒状構造発光素子４１０の他端側の半導体層４１２を金属電極４０２に導電性接着剤などの金属インクからなる接着部４０４により接続する。ここで、金属インクは、インクジェット法などにより絶縁性基板４００上の所定の箇所に塗布する。
次に、図２８の平面図および図２９の断面図に示すように、絶縁性基板４００上の複数の棒状構造発光素子４１０が配置された領域に蛍光体４２０を選択的に塗布する(蛍光体塗布工程)。ここで、蛍光体は、インクジェット法などにより絶縁性基板４００上の所定の領域に塗布する。なお、絶縁性基板４００上の複数の棒状構造発光素子４１０が配置された領域に、蛍光体を含む透明樹脂を選択的に塗布してもよい。
次に、図３０に示すように、蛍光体４２０の塗布後に、絶縁性基板４００上に透明樹脂からなる保護膜４２１を形成する。
このようにして、絶縁性基板４００の実装面上に複数の棒状構造発光素子４１０を一括して配置すると共に、複数の棒状構造発光素子４１０に金属配線を一括して接続することができる。
次に、絶縁性基板４００上に蛍光体４２０を塗布する蛍光体塗布工程と、その蛍光体塗布工程の後に絶縁性基板４００上に保護膜４２１を塗布する保護膜塗布工程とを、複数の棒状構造発光素子４１０が配置された１つの絶縁性基板４００で一度に行う。これによって、従来パッケージ毎に行っていた場合に比べて製造コストを大幅に低減できる。
(6) 基板分割工程
次に、この発明の第１実施形態の発光装置の製造方法の基板分割工程を図３１により説明する。この基板分割工程では、図２６〜図３０に示す工程により作成された絶縁性基板４００を用いたが、図１８〜図２２に示す工程により作成された絶縁性基板２００や、図２３〜図２５に示す工程により作成された絶縁性基板３００を用いてもよい。
図３１の平面図に示すように、基板分割工程において、絶縁性基板４００を形状が異なる複数の分割基板４３０Ａ,４３０Ｂ,４３０Ｃ,４３０Ｄ,４３０Ｅに分割する。ここで、複数の分割基板４３０Ａ,４３０Ｂ,４３０Ｃ,４３０Ｄ,４３０Ｅの夫々は、この発明の発光装置であって、棒状構造発光素子４１０が１００個以上有するように、絶縁性基板４００から分割される。上記分割基板４３０Ａは正方形状、分割基板４３０Ｂは分割基板４３０Ａよりも大きい正方形状、分割基板４３０Ｃは分割基板４３０Ｂよりも大きい正方形状、分割基板４３０Ｄは円形状、分割基板４３０Ｅは直角三角形状をしている。
上記基板分割工程において、形状が異なる複数の分割基板４３０Ａ,４３０Ｂ,４３０Ｃ,４３０Ｄ,４３０Ｅに絶縁性基板４００を分割することによって、様々な形態に対応した発光装置を容易に提供することができる。
なお、絶縁性基板４００上に複数の棒状構造発光素子４１０を配線するために形成された配線パターンを、基板分割工程における基板切断領域に形成しないことによって、切断時に導電性の配線クズが散らばることがなく、導電性の配線クズによる短絡などの不具合を防止できる。
あるいは、絶縁性基板４００の切断領域に、基板分割工程において切断されても電気接続に影響しない配線パターンを形成することによって、隣接する分割基板に跨って連続して配線パターンを形成でき、配線パターン形成が容易になると共に、基板分割時に切断されても回路動作に問題が生じることがない。
また、基板分割工程における絶縁性基板４００の切断領域に棒状構造発光素子４１０を配置しないことによって、切断により破損する棒状構造発光素子４１０をなくし、棒状構造発光素子４１０を有効に活用できる。
この発光装置の製造方法では、図２６, 図２９,図３０では、棒状構造発光素子４１０の中央部が絶縁性基板４００から浮いた状態で示されているが、実際は、棒状構造発光素子４１０は、第１実施形態の棒状構造発光素子の配置方法におけるＩＰＡ水溶液の乾燥時に、絶縁性基板４００表面と棒状構造発光素子４１０の隙間の液滴が蒸発により縮小するときに発生するスティクションにより中央部分が撓んで絶縁性基板４００上に接している。なお、棒状発光素子４１０が直接絶縁性基板４００上に接しない場合であっても、蛍光体を介して絶縁性基板４００と接することとなる。
なお、棒状構造発光素子４１０の中央部分と絶縁性基板４００との間に、棒状構造発光素子４１０を支持するように金属部を設けて、棒状構造発光素子４１０の中央部分が金属部を介して絶縁性基板４００に接するようにしてもよい。
上記構成の発光装置の製造方法によれば、同一の絶縁性基板４００上に配置された複数の棒状構造発光素子４１０を一括して配線した後、絶縁性基板４００を複数の分割基板４３０Ａ,４３０Ｂ,４３０Ｃ,４３０Ｄ,４３０Ｅに分割して、分割基板４３０Ａ,４３０Ｂ,４３０Ｃ,４３０Ｄ,４３０Ｅ上に複数の棒状構造発光素子４１０が配置された発光装置を複数形成することによって、配線工程の簡略化して製造コストを低減でき、特性ばらつきを小さくして歩留まりを向上できる。
また、上記配置工程において、同一絶縁性基板４００上に複数の棒状構造発光素子４１０を一括して配置することによって、配線工程の簡略化と相俟って製造コストをさらに低減できる。
また、分割基板４３０Ａ,４３０Ｂ,４３０Ｃ,４３０Ｄ,４３０Ｅの夫々に棒状構造発光素子４１０を１００個以上配置することによって、明るさばらつきを有する複数の発光素子を集合したときの全体の明るさのばらつきを、１つの発光素子の明るさばらつきの１／１０以下に低減できる。
また、上記棒状構造発光素子４１０は、露出部分４１１aがアノード、被覆部分４１１bがカソードの発光ダイオードであって、金属電極４０１(第１の電極)にアノードが接続されると共に金属電極４０２(第２の電極)にカソードが接続された発光ダイオードと、金属電極４０１(第１の電極)にカソードが接続されると共に金属電極４０２(第２の電極)にアノードが接続された発光ダイオードとが混在して絶縁性基板４００上に配置されことになる。そして、この発光装置では、交流電源によって金属電極４０１(第１の電極)と金属電極４０２(第２の電極)との間に交流電圧を印加して複数の発光ダイオードを駆動することによって、多数の発光ダイオードに対してアノードとカソードの向きを揃えて配置する必要がなく、配置工程を簡略化できる。
また、上記発光装置の製造方法において、複数の棒状構造発光素子４１０を絶縁性基板４００上に配置させる配置工程の後、基板分割工程において絶縁性基板４００を、１００個以上の棒状構造発光素子４１０が夫々配置された複数の分割基板４３０に分割することにより、各工程を流動する基板数を少なくして大幅にコストを削減できる。
また、上記発光装置の製造方法によれば、従来のように発光素子を１つ１つ基板上の所定の位置に配置する必要がなく、多数の微細な発光素子を精度よく所定の位置に配置させることができ、発光時の温度上昇を抑制しつつ発光を分散させることにより、明るさのばらつきが少なくかつ長寿命化と高効率化が可能な発光装置を製造することができる。
上記発光装置では、絶縁性基板４００の実装面上に複数の棒状構造発光素子４１０を略均等に分散して配置することによって、発光により棒状構造発光素子４１０に生じた熱の基板側への横方向の流出が効率よく行われるため、発光時の温度上昇がさらに抑制され、より長寿命化、高効率化が図れる。
また、絶縁性基板４００上に複数の棒状構造発光素子４１０を配置した後、絶縁性基板４００上の複数の棒状構造発光素子４１０が配置された領域に蛍光体４２０を選択的に塗布することによって、材料費で大きな比率を占める蛍光体の使用量を減らしてコストを削減できる。
〔第２実施形態〕
図３２はこの発明の第２実施形態の照明装置に用いられる発光装置の平面図を示し、図３３は上記発光装置の側面図を示している。
この第２実施形態の照明装置に用いられる発光装置５００は、図３２,図３３に示すように、正方形状の放熱板５０１上に、１００個以上の棒状構造発光素子(図示せず)が配置された円形状の絶縁性基板５０２が実装されている。ここで、円形状の絶縁性基板５０２は、第１実施形態の発光装置の製造方法を用いて製造された１００個以上の棒状構造発光素子が配置された分割基板である。
図３４は図３２,図３３に示す発光装置５００を用いた照明装置の一例としてのＬＥＤ電球５１０の側面図を示している。このＬＥＤ電球５１０は、図３４に示すように、外部のソケットに嵌めて商用電源に接続するための電源接続部としての口金５１１と、その口金５１１に一端が接続され、他端が徐々に拡径する円錐形状の放熱部５１２と、放熱部５１２の他端側を覆う透光部５１３とを備えている。上記放熱部５１２内に、絶縁性基板５０２を透光部５１３側に向けて発光装置５００を配置している。この発光装置５００は、上記第１実施形態の発光装置の製造方法により製造されたものを用いている。
上記構成の照明装置によれば、発光装置５００を用いることにより、製造コストを低減でき、特性ばらつきを小さくして歩留まりを向上できる。
また、図３２,図３３に示す発光装置５００を用いることにより、明るさのばらつきが少なくかつ長寿命化と高効率化が図れる照明装置を実現することができる。
また、上記複数の棒状構造発光素子が配置された絶縁性基板５０２を放熱板５０１上に取り付けることによって、さらに放熱効果が向上する。
〔第３実施形態〕
図３５はこの発明の第３実施形態の発光装置を用いたバックライトの平面図を示している。
この第３実施形態のバックライト６００は、図３５に示すように、放熱板の一例としての長方形状の支持基板６０１上に、複数の発光装置６０２が互いに所定の間隔をあけて格子状に実装されている。ここで、発光装置６０２は、第１実施形態の発光装置の製造方法を用いて製造された１００個以上の棒状構造発光素子が配置された分割基板である。
上記構成のバックライト６００によれば、発光装置６０２を用いることにより、製造コストを低減でき、特性ばらつきを小さくして歩留まりを向上できる。
また、発光装置６０２を用いることにより、明るさのばらつきが少なくかつ長寿命化と高効率化が図れるバックライトを実現することができる。
また、上記発光装置６０２を支持基板６０１上に取り付けることによって、さらに放熱効果が向上する。
〔第４実施形態〕
図３６はこの発明の第４実施形態の発光装置を用いたバックライトの平面図を示している。
この第４実施形態のバックライト６１０は、図３６に示すように、放熱板の一例としての長方形状の支持基板６１１上に、１つの大きな発光装置６１２が実装されている。この発光装置６１２は、上記第１実施形態の発光装置の製造方法により製造されたものを用いている。
上記構成のバックライト６１０によれば、発光装置６１２を用いることにより、製造コストを低減でき、特性ばらつきを小さくして歩留まりを向上できる。
また、上記発光装置６１２を支持基板６１１上に取り付けることによって、さらに放熱効果が向上する。
〔第５実施形態〕
図３７はこの発明の第５実施形態の発光装置を用いた液晶パネルの平面図と側面図を示している。
この第５実施形態の液晶パネル６２０は、図３７に示すように、放熱板の一例としての長方形状の透明基板６２２の一方の面に、第１,第２の電極および配線パターンの一例としての金属電極(図示せず)が形成され、その金属電極に接続された複数の発光素子(図示せず)が配置されている。この金属電極と発光素子からなる発光部分６２１と、透明基板６２２で１つの大きな発光装置を形成している。また、透明基板６２２の他方の面に、図示しない画素電極とＴＦＴ(Thin Film Transistor：薄膜トランジスタ)がマトリックス状に形成されている。そして、透明基板６２２の他方側に所定の間隔をあけて液晶封止板６２４が配置され、液晶封止板６２４と透明基板６２２との間に液晶６２３を封止している。
通常の液晶パネルは、液晶駆動基板とバックライトは分離されており、バックライトの光量ムラや発熱などの問題により、導光管や放熱素子の使用することでコストが上昇したり、液晶パネルを厚くなったりしていた。これに対して、上記構成の液晶パネル６２０によれば、従来の発光素子１個から得られる光量に対して複数の発光素子で構成されているので、光量ムラや発熱の問題が無いので、導光管や放熱素子を必要としない。そこで、液晶パネル大に分断された分割基板である発光装置が液晶を有する面と反対の側に配置して、直接液晶基板として用いることにより、低コストかつ薄型の液晶パネルを得ることができる。
このように、上記構成の液晶パネル６２０によれば、発光部分６２１と透明基板６２２からなる発光装置を用いることにより、製造コストを低減でき、特性ばらつきを小さくして歩留まりを向上できる。また、液晶パネル基板とバックライト基板を１つにした透明基板６２２を用いることにより、部品コストと製造コストを低減できると共に、より薄型の液晶パネルを実現することができる。
なお、透明基板と、その透明基板の一方の面に配置され、透明基板の一方の面に形成された配線に接続された複数の発光素子と、上記透明基板の他方の面に形成されたカラーフィルタとを備えた液晶パネルにこの発明を適用してもよい。
例えば、このような構成例の液晶パネル８２０を図４４に示している。図４４の側面図に示すように、放熱板の一例としての長方形状の透明基板８２２の一方の面に、第１,第２の電極および配線パターンの一例としての金属電極(図示せず)が形成され、その金属電極に接続された複数の発光素子(図示せず)が配置されている。この金属電極と発光素子からなる発光部分８２１と、透明基板８２２で１つの大きな発光装置を形成している。また、透明基板８２２の他方の面に、カラーフィルタ８２３が形成され、カラーフィルタ８２３上に保護膜８２４が形成されている。そして、透明基板８２２の他方側に所定の間隔をあけてガラス基板８２７が配置され、ガラス基板８２７と透明基板８２２との間に液晶８２５を封止している。上記ガラス基板８２７の液晶８２５に対向する面に、図示しない画素電極とＴＦＴ８２６がマトリックス状に形成されている。
この液晶パネルでは、カラーフィルタとバックライト基板を１つにした透明基板を用いることにより、部品コストと製造コストを低減できると共に、より薄型の液晶パネルを実現することができる。
上記第１〜第５実施形態では、発光ダイオードを発光素子として用いた発光装置、発光装置の製造方法、照明装置、バックライトおよび液晶パネルについて説明したが、この発明の発光素子は発光ダイオードに限らず、半導体レーザー、有機ＥＬ(Electro Luminescence：エレクトロ・ルミネッセンス)、無機ＥＬ(真性ＥＬ)などの発光素子を用いた発光装置、発光装置の製造方法、照明装置、バックライトおよび液晶パネルにこの発明を適用してもよい。
また、上記第１実施形態の第１,第２の発光素子の製造方法では、半導体コアおよび半導体層に、ＧaＮを母材とする半導体を用いたが、ＧaＡs,ＡlＧaＡs,ＧaＡsＰ,ＩnＧaＮ,ＡlＧaＮ,ＧaＰ,ＺnＳe,ＡlＧaＩnＰなどを母材とする半導体を用いた発光素子にこの発明を適用してもよい。また、半導体コアをｎ型とし、半導体層をｐ型としたが、導電型が逆の棒状構造発光素子にこの発明を適用してもよい。
また、上記第１実施形態の第２の発光素子の製造方法では、断面が六角形の棒状の半導体コアを有する棒状構造発光素子について説明したが、これに限らず、断面が円形や楕円の棒状であってもよいし、断面が他の多角形状の棒状の半導体コアを有する棒状構造発光素子にこの発明を適用してもよい。
また、上記第１実施形態の第２の発光素子の製造方法では、棒状構造発光素子の直径を１μｍとし長さを１０μｍ〜３０μｍのマイクロオーダーサイズとしたが、直径または長さのうちの少なくとも直径が１μｍ未満のナノオーダーサイズの素子でもよい。上記棒状構造発光素子の半導体コアの直径は５００ｎｍ以上かつ１００μｍ以下が好ましく、数１０ｎｍ〜数１００ｎｍの棒状構造発光素子に比べて半導体コアの直径のばらつきを抑えることができ、発光面積すなわち発光特性のばらつきを低減でき、歩留まりを向上できる。
なお、棒状構造発光素子の発光面積の下限を規定するとすれば、３．１４×１０−３μｍ２である(直径１ｎｍ、長さ１μｍの棒状の半導体コアの外周に筒状に発光面を形成したときの面積)。または、発光素子が正方形の板状であれば、一辺が５６ｎｍである。いずれの形状の発光素子もこれ以下のサイズは形成が困難である。また、同一基板の実装面上に配置する発光素子の個数の上限を規定するとすれば、１億個であり、これ以上は歩留まりを保って配置させるのが困難である。
また、上記第１実施形態の第２の発光素子の製造方法では、ＭＯＣＶＤ装置を用いて半導体コアやキャップ層を結晶成長させているが、ＭＢＥ(分子線エピタキシャル)装置などの他の結晶成長装置を用いて半導体コアやキャップ層を形成してもよい。
また、上記第１実施形態の発光装置の製造方法では、電極間に電圧を印加することによる棒状の発光素子の分極を利用して、棒状の発光素子を基板上に配置して電極間に接続したが、同一基板上に複数の発光素子を配置する配置方法や、基板上に配置された複数の発光素子の一部または全部を一括して配線する配線方法はこれに限らず、他の方法を用いてもよい。
例えば、図３８はこの発明の他の実施形態の発光装置の製造方法に用いられる棒状構造発光素子の側面図と端面図を示し、図３９〜図４３は上記発光装置の製造方法における各工程を示している。なお、図３９〜図４３では、発光装置の一部のみを示しており、この発光装置の製造方法は、棒状構造発光素子を同一基板の実装面上に１００個以上配置するものである。
この棒状構造発光素子７１０は、図３８に示すように、ｎ型ＧaＮからなる断面ほぼ円形の棒状の半導体コア７０１と、その半導体コア７０１の外周を覆う円筒状のｐ型ＧaＮからなる半導体層７０２とを有する。上記半導体コア７０１は、両側の端面のみが露出している。このとき、半導体コア７０１と半導体層７０２の間に量子井戸層を有していても良い。
まず、このような棒状構造発光素子７１０を含む溶液を図３９に示すように絶縁性基板７２０上に塗布する。
次に、図４０に示すように、ラビング装置７２１を用いて、絶縁性基板７２０上に塗布された溶液(主に棒状構造発光素子７１０)を基板側に擦りつけるラビング処理を行うことにより、棒状構造発光素子７１０の長手方向が同一方向に向くように、複数の棒状構造発光素子７１０を配列する。
次に、図４１に示すように、ラビング処理された絶縁性基板７２０を乾燥する。
次に、図４２に示すように、複数の棒状構造発光素子７１０が配置された絶縁性基板７２０の棒状構造発光素子７１０の長手方向に対して直交する直線領域Ｓをエッチングして、直線領域Ｓが重なる棒状構造発光素子７１０の半導体コア７０１の一部を露出させる。これにより、一部の棒状構造発光素子７１０は、ｎ型の半導体コア７０１が露出した露出部分７１０aと、ｐ型の半導体層７０２に被覆された被覆部分７１０bとを有する。
そして、図４３に示すように、絶縁性基板７２０の直線領域Ｓに金属配線７３１を形成すると共に、金属配線７３１に所定の間隔をあけて略平行に金属配線７３２を形成する。
これによって、金属配線７３１は、複数の棒状構造発光素子７１０のうちの一部のｎ型の半導体コア７０１に接続され、金属配線７３２は、複数の棒状構造発光素子７１０のうちの一部のｐ型ＧaＮからなる半導体層７０２に接続される。そして、例えば図４３では、４つの棒状構造発光素子７１０Ａ〜７１０Ｄのｎ型の半導体コア７０１に金属配線７３１が接続され、ｐ型の半導体層７０２に金金属配線７３２が接続されている。したがって、ｐ型の半導体層７０２側からｎ型の半導体コア７０１側に電流が流れるように、金属配線７３１と金属配線７３２との間に電圧を印加することにより、４つの棒状構造発光素子７１０Ａ〜７１０Ｄが発光する。
そして、基板分割工程において、絶縁性基板７２０を複数の分割基板に分割することによって、分割基板上に複数の棒状構造発光素子７１０が配置された発光装置を複数形成する。
このようにして、複数の発光素子のうち、基板分割工程において切断されても所望の発光量に影響しない棒状構造発光素子７１０が絶縁性基板７２０の切断領域に配置され、切断により破損した棒状構造発光素子７１０が発光しなくとも、切断されていない他の複数の棒状構造発光素子７１０により発光が行われるので、配置工程において棒状構造発光素子７１０が絶縁性基板７２０の切断領域に配置されないように考慮する必要がなくなり、配置工程を簡略化することができる。ここで、「所望の発光量」とは、発光装置に要求されるスペックのうちの１つである。
この発明の具体的な実施の形態について説明したが、この発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、この発明の範囲内で種々変更して実施することができる。
１…ｎ型ＧaＮ層
２…量子井戸層
３…ｐ型ＧaＮ層
２０…ｎ型ＧaＮ基板
１０…棒状構造発光素子
１００…棒状構造発光素子
１０１…サファイア基板
１０２…ｎ型ＧaＮ膜
１０３…マスク層
１０５…レジスト層
１０６…触媒金属
１０７…半導体コア
１０８…量子井戸層
１１０…半導体層
１１１…導電膜
２００…絶縁性基板
２０１,２０２…金属電極
２１０…棒状構造発光素子
２１１…ＩＰＡ
３００…絶縁性基板
３１０…棒状構造発光素子
３０１,３０２…金属電極
３０３…層間絶縁膜
３０４,３０５…金属配線
３１１…半導体コア
３１１a…露出部分
３１１b…被覆部分
３１２…半導体層
４００…絶縁性基板
４１０…棒状構造発光素子
４０１,４０２…金属電極
４０３,４０４…接着部
４１１…半導体コア
４１１a…露出部分
４１１b…被覆部分
４１２…半導体層
４２０…蛍光体
４２１…保護膜
４３０…発光装置
５００…発光装置
５１０…ＬＥＤ電球
５１１…口金
５１２…放熱部
５１３…透光部
６００…バックライト
６０１…支持基板
６０２…発光装置
６１０…バックライト
６１１…支持基板
６１２…発光装置
６２０…液晶パネル
６２１…発光部分
６２２…透明基板
６２３…液晶
６２４…液晶封止板
７０１…半導体コア
７０２…半導体層
７１０…棒状構造発光素子
７２０…絶縁性基板
７２１…ラビング装置
７３１,７３２…金属配線
８２０…液晶パネル
８２１…発光部分
８２２…透明基板
８２３…カラーフィルタ
８２４…保護膜
８２５…液晶
８２６…ＴＦＴ
８２７…ガラス基板
この発明は、発光装置の製造方法に関する。
従来、発光装置としては、図４５に示すように、リードフレーム９０１が実装されたパッケージ基板９００に１個(または数個)のＬＥＤチップ９１０を実装して、ＬＥＤチップ９１０のｎ型電極９０５とｐ型電極９０６をボンディングワイヤ９１１によりリードフレーム９０１に夫々接続した後、反射板９２１で囲まれたＬＥＤチップ９１０上に蛍光体を含む樹脂９２２を充填し、さらにその蛍光体を含む樹脂９２２上に透明樹脂９２３を充填したものがある(例えば、非特許文献１参照)。上記ＬＥＤチップ９１０は、サファイア基板９０２上にＧaＮからなる半導体層９０３が積層され、その半導体層９０３に活性層９０４を有する。
上記発光装置の製造方法では、１個(または数個)のＬＥＤチップ９１０をパッケージ基板９００上に実装した後の配線工程は、１パッケージに対して個々に行うので、コストが高くなるという問題がある。
また、上記１個(または数個)のＬＥＤチップが搭載された発光装置では、ＬＥＤチップ毎の明るさのばらつきがそのまま発光装置の明るさのばらつきになるため、発光装置の歩留まりが悪いという問題がある。
村上元著、「第１３回 ＬＥＤ・ＬＤ用 半導体パッケージ技術の変遷」、Semiconductor FPD World、プレスジャーナル社、２００９年５月号、ｐ．１１４〜１１７ (図５)
そこで、この発明の課題は、同一基板上に配置された複数の発光素子を一括して配線することにより製造コストを低減でき、特性ばらつきを小さくして歩留まりを向上できる発光装置の製造方法を提供することにある。
上記課題を解決するため、第１の発明の発光装置の製造方法は、
同一基板上に複数の発光素子を配置する配置工程と、
上記基板上に配置された上記複数の発光素子の一部または全部を一括して配線する配線工程と、
上記配置工程と上記配線工程の後、上記基板を複数の分割基板に分割することによって、上記分割基板上に複数の発光素子が配置された発光装置を複数形成する基板分割工程と
を有することを特徴とする。
上記構成によれば、同一基板上に配置された複数の発光素子を一括して配線した後、基板を複数の分割基板に分割して、分割基板上に複数の発光素子が配置された発光装置を複数形成することによって、配線工程を簡略化して製造コストを低減できる。また、Ｘ％の明るさばらつきを有する発光素子をｎ個集合したとき、全体の明るさのばらつきは、Ｙ＝Ｘ／√ｎ[％]となるので、特性ばらつきを小さくして歩留まりを向上できる。
また、一実施形態の発光装置の製造方法では、
上記配置工程において、上記同一基板上に上記複数の発光素子を一括して配置する。
上記実施形態によれば、上記配置工程において、同一基板上に複数の発光素子を一括して配置することによって、配線工程の簡略化と相俟って製造コストをさらに低減できる。
また、一実施形態の発光装置の製造方法では、
上記基板上に上記複数の発光素子を配線するための配線パターンが形成され、
上記基板分割工程における上記基板の切断領域には上記配線パターンが形成されていない。
上記実施形態によれば、基板上に複数の発光素子を配線するために形成された配線パターンが、基板分割工程における基板の切断領域に形成されていないことによって、切断時に導電性の配線クズが散らばることがなく、導電性の配線クズによる短絡などの不具合を防止できる。
また、一実施形態の発光装置の製造方法では、
上記基板上に上記複数の発光素子を配線するための配線パターンが形成され、
上記基板の切断領域に、上記基板分割工程において切断されても電気接続に影響しない上記配線パターンが形成されている。
上記実施形態によれば、基板の切断領域に、基板分割工程において切断されても電気接続に影響しない配線パターンが形成されていることによって、隣接する分割基板に跨って連続して配線パターンを形成でき、配線パターン形成が容易になると共に、基板分割時に切断されても回路動作に問題が生じない。
また、一実施形態の発光装置の製造方法では、
上記基板分割工程における上記基板の切断領域には上記発光素子が配置されていない。
上記実施形態によれば、基板分割工程における基板の切断領域に発光素子を配置しないことによって、切断により破損する発光素子をなくし、発光素子を有効に活用できる。
また、一実施形態の発光装置の製造方法では、
上記複数の発光素子のうち、上記基板の切断領域には、上記基板分割工程において切断されても所望の発光量に影響しない発光素子が配置されている。
上記実施形態によれば、上記複数の発光素子のうち、基板分割工程において切断されても所望の発光量に影響しない発光素子が基板の切断領域に配置されていることによって、切断により破損した発光素子が発光しなくとも、切断されていない他の複数の発光素子により発光が行われる。したがって、配置工程において発光素子が基板の切断領域に配置されないように考慮する必要がなくなり、配置工程を簡略化することができる。
また、一実施形態の発光装置の製造方法では、
上記配置工程と上記配線工程の後でかつ上記基板分割工程の前に、上記基板上に蛍光体を塗布する蛍光体塗布工程と、
上記蛍光体塗布工程の後に上記基板上に保護膜を塗布する保護膜塗布工程と
を有する。
上記実施形態によれば、上記配置工程と配線工程の後でかつ基板分割工程の前に、基板上に蛍光体を塗布する蛍光体塗布工程と、その蛍光体塗布工程の後に上記基板上に保護膜を塗布する保護膜塗布工程とを、複数の発光素子が配置された１つの基板で一度に行うことによって、従来パッケージ毎に行っていた場合に比べて製造コストを大幅に低減できる。
また、一実施形態の発光装置の製造方法では、
上記蛍光体塗布工程において、上記蛍光体は上記複数の発光素子が配置された領域に選択的に塗布する。
上記実施形態によれば、複数の発光素子が配置された領域に蛍光体を選択的に塗布することによって、材料費で大きな比率を占める蛍光体の使用量を減らしてコストを削減できる。
また、一実施形態の発光装置の製造方法では、
上記分割基板の夫々には上記発光素子が１００個以上配置されている。
上記実施形態によれば、分割基板の夫々に発光素子を１００個以上配置することによって、明るさばらつきを有する複数の発光素子を集合したときの全体の明るさのばらつきを、１つの発光素子の明るさばらつきの１／１０以下に低減できる。
通常、発光素子毎の明るさばらつきは、順方向電圧(Ｖｆ)のばらつきにより５０％に達することもある。従来は、点灯試験によりスペックを外れた発光素子を排除したり、同様な明るさの発光素子にグループ分けして使用したりしていた。しかしながら、Ｘ％の明るさばらつきを有する発光素子をｎ個集合したとき、全体の明るさのばらつきは、Ｙ＝Ｘ／√ｎ[％]となる。すなわち、ｎ＝１００のとき、夫々の発光素子が５０％のばらつきをもっていても全体の明るさのばらつきは１／１０の５％となってスペックを満たすことができる。これにより、夫々の発光素子の点灯試験が不要となり、コストを削減できる。
また、一実施形態の発光装置の製造方法では、
上記基板分割工程において、上記基板を少なくとも２種類以上の形状が異なる上記分割基板に分割する。
上記実施形態によれば、基板分割工程において、基板を少なくとも２種類以上の形状が異なる分割基板に分割することによって、様々な形態に対応した発光装置を容易に提供できる。
また、一実施形態の発光装置の製造方法では、
上記基板上に上記複数の発光素子を配置する配置工程は、
少なくとも第１の電極および第２の電極を実装面に有する上記基板を作成する基板作成工程と、
上記基板上に上記複数の発光素子を含んだ溶液を塗布する塗布工程と、
少なくとも上記第１の電極と上記第２の電極に電圧を印加して、上記複数の発光素子を少なくとも上記第１の電極および上記第２の電極により規定される位置に配列させる配列工程と
を含む。
上記実施形態によれば、少なくとも第１の電極および第２の電極を実装面に有する基板を作成し、その基板上に複数の発光素子を含んだ液体を塗布する。その後、少なくとも第１の電極と第２の電極に電圧を印加して、複数の発光素子を少なくとも第１の電極および第２の電極により規定される位置に配列させる。これにより、上記複数の発光素子を基板上の所定の位置に容易に配列させることができる。したがって、従来のように発光ダイオードを１つ１つ基板上の所定の位置に配置する必要がなく、多数の微細な発光ダイオードを精度よく所定の位置に配置させることができる。
また、一実施形態の発光装置の製造方法では、
少なくとも上記第１の電極および上記第２の電極は、上記複数の発光素子を駆動するための電極として用いられる。
上記実施形態によれば、少なくとも第１の電極および第２の電極を、複数の発光素子を駆動するための電極として用いることによって、配線工程を簡略化してコストを削減できる。
また、一実施形態の発光装置の製造方法では、
上記配置工程の後、上記複数の発光素子の一端側と上記第１の電極とをインクジェットにより塗布された導電性接着剤により接続すると共に、上記複数の発光素子の他端側と上記第２の電極とを上記インクジェットにより塗布された導電性接着剤により接続する。
また、一実施形態の発光装置の製造方法では、
上記複数の発光素子は、エピタキシャル基板上に形成された複数の素子であって、上記エピタキシャル基板上から上記各素子を分離したものである。
上記実施形態によれば、エピタキシャル基板上に形成された複数の素子を形成し、そのエピタキシャル基板上から分離した複数の発光素子を用いることによって、発光素子ごとエピタキシャル基板を分断して使用するのに比べて、エピタキシャル基板を再利用できるので、コストを低減できる。
また、第２の発明の発光装置では、
１つの基板から分割された分割基板と、
上記分割基板に配置された複数の発光ダイオードと、
上記分割基板上に所定の間隔をあけて形成されると共に、上記複数の発光ダイオードが接続された第１の電極と第２の電極と
を備え、
上記複数の発光ダイオードは、上記第１の電極にアノードが接続されると共に上記第２の電極にカソードが接続された発光ダイオードと、上記第１の電極にカソードが接続されると共に上記第２の電極にアノードが接続された発光ダイオードとが混在しており、
交流電源によって上記第１の電極と上記第２の電極との間に交流電圧を印加して上記複数の発光ダイオードが駆動されることを特徴とする。
上記構成によれば、上記第１,第２の電極間に接続する複数の発光ダイオードの極性を揃えて配列する必要がないので、製造時に複数の発光ダイオードの極性(向き)を揃える工程が不要となり工程を簡略化できる。また、発光ダイオードの極性(向き)を識別するために、発光ダイオードにマークを設ける必要がなく、極性識別のために発光ダイオードを特別な形状にする必要がなくなるので、発光ダイオードの製造工程を簡略化でき、製造コストも抑えることができる。なお、発光ダイオードのサイズが小さな場合や発光ダイオードの個数が多い場合、極性を揃えて発光ダイオードを配列するものに比べて、上記配置工程を格段に簡略化できる。
また、一実施形態の発光装置では、
上記分割基板が放熱板上に取り付けられている。
上記実施形態によれば、分割基板を放熱板上に取り付けることによって、さらに放熱効果が向上する。
また、第３の発明の照明装置では、
上記発光装置を備えたことを特徴とする。
上記構成によれば、上記発光装置を用いることにより、製造コストを低減でき、特性ばらつきを小さくして歩留まりを向上できる。
また、第４の発明のバックライトでは、
上記発光装置を備えたことを特徴とする。
上記構成によれば、上記発光装置を用いることにより、製造コストを低減でき、特性ばらつきを小さくして歩留まりを向上できる。
また、第５の発明の液晶パネルでは、
上記発光装置を備えたことを特徴とする。
上記構成によれば、上記発光装置を用いることにより、製造コストを低減でき、特性ばらつきを小さくして歩留まりを向上できる。
また、第６の発明の液晶パネルでは、
透明基板と、
上記透明基板の一方の面に配置され、上記透明基板の一方の面に形成された配線に接続された複数の発光素子と、
上記透明基板の他方の面に形成された複数の薄膜トランジスタと
を備えたことを特徴とする。
上記構成によれば、液晶パネル基板とバックライト基板を１つにした透明基板を用いることにより、部品コストと製造コストを低減できると共に、より薄型の液晶パネルを得ることができる。
また、第７の発明の液晶パネルでは、
透明基板と、
上記透明基板の一方の面に配置され、上記透明基板の一方の面に形成された配線に接続された複数の発光素子と、
上記透明基板の他方の面に形成されたカラーフィルタと
を備えたことを特徴とする。
上記構成によれば、カラーフィルタとバックライト基板を１つにした透明基板を用いることにより、部品コストと製造コストを低減できると共に、より薄型の液晶パネルを得ることができる。
以上より明らかなように、この発明の発光装置の製造方法、発光装置、照明装置、バックライトおよび液晶パネルによれば、製造コストを低減でき、特性ばらつきを小さくして歩留まりを向上できる。
図１はこの発明の第１実施形態の発光装置に用いられる第１の発光素子の製造方法の工程図である。 図２は図１に続く工程図である。 図３は図２に続く工程図である。 図４はこの発明の第１実施形態の発光装置に用いられる第２の発光素子の製造方法の工程図である。 図５は図４に続く工程図である。 図６は図５に続く工程図である。 図７は図６に続く工程図である。 図８は図７に続く工程図である。 図９は図８に続く工程図である。 図１０は図９に続く工程図である。 図１１は図１０に続く工程図である。 図１２は図１１に続く工程図である。 図１３は図１２に続く工程図である。 図１４は図１３に続く工程図である。 図１５は図１４に続く工程図である。 図１６は図１５に続く工程図である。 図１７は図１６に続く工程図である。 図１８はこの発明の第１実施形態の発光装置に用いる絶縁性基板の平面図である。 図１９は図１８のXIX−XIX線から見た断面模式図である。 図２０は上記棒状構造発光素子を配列する原理を説明する図である。 図２１は上記棒状構造発光素子を配列するときに電極に与える電位を説明する図である。 図２２は上記棒状構造発光素子を配列した絶縁性基板の平面図である。 図２３はこの発明の第１実施形態の他の発光装置の製造方法の工程図である。 図２４は図２３に続く工程図である。 図２５は図２４に続く工程図である。 図２６はこの発明の第１実施形態の他の発光装置の製造方法の工程図である。 図２７は図２６に続く工程図である。 図２８は図２７に続く工程図である。 図２９は図２８に続く工程図である。 図３０は図２９に続く工程図である。 図３１はこの発明の第１実施形態の発光装置の製造方法の基板分割工程を説明するための図である。 図３２はこの発明の第２実施形態の照明装置に用いられる発光装置の平面図である。 図３３は上記発光装置の側面図である。 図３４は上記発光装置を用いた照明装置の一例としてのＬＥＤ電球の側面図である。 図３５はこの発明の第３実施形態の発光装置を用いたバックライトの平面図である。 図３６はこの発明の第４実施形態の発光装置を用いたバックライトの平面図である。 図３７はこの発明の第５実施形態の発光装置を用いた液晶パネルの平面図と側面図である。 図３８はこの発明の他の実施形態の発光装置の製造方法に用いられる棒状構造発光素子の側面図と端面図である。 図３９は上記発光装置の製造方法の棒状構造発光素子を含む溶液を絶縁性基板上に塗布する工程を示す図である。 図４０は上記絶縁性基板上に塗布された溶液をラビング処理する工程を示す図である。 図４１はラビング処理された絶縁性基板を乾燥する工程を示す図である。 図４２は上記棒状構造発光素子が配列された絶縁性基板の棒状構造発光素子の長手方向に対して直交する直線領域をエッチングしてｐ型の半導体コアの一部を露出させる工程を示す図である。 図４３は上記絶縁性基板に金属配線を形成する工程を示す図である。 図４４はこの発明の他の実施形態の発光装置を用いた液晶パネルの側面図である。 図４５は従来の発光装置の断面図である。
以下、この発明の発光装置の製造方法を図示の実施の形態により詳細に説明する。この実施形態では、Ｓiをドープしたｎ型ＧaＮとＭgをドープしたｐ型ＧaＮとを発光素子に用いるが、ＧaＮにドーピングする不純物はこれに限らない。
〔第１実施形態〕
この発明の第１実施形態の説明では、まず、発光装置の製造方法および発光装置に用いられる発光素子として、次の(1)において第１の発光素子の製造方法(図１〜図３に示す)について説明すると共に、(2)において第２の発光素子(図４〜図１７に示す)の製造方法について説明し、さらに、(3)〜(5)において同一基板上への発光素子の配置工程,配線工程について説明した後、(6)において基板分割工程(図３１に示す)を説明する。
(1) 第１の発光素子の製造方法
図１〜図３はこの発明の第１実施形態の発光装置に用いられる第１の発光素子の製造方法の工程図を示している。以下に、図１〜図３を参照して第１の発光素子の製造方法を説明する。
まず、図１に示したように、ｎ型ＧaＮ基板２０上にｎ型ＧａＮ層１を形成する。ＭＯＣＶＤ(Metal Organic Chemical Vapor Deposition：有機金属気相成長)装置を用いて、棒状ｎ型ＧaＮを結晶成長させる。この棒状のｎ型ＧaＮ１は、成長温度を７００℃〜８００℃程度に設定し、成長ガスとしてトリメチルガリウム(ＴＭＧ)およびアンモニア(ＮＨ３)を使用し、ｎ型不純物供給用にシラン(ＳiＨ４)を、さらにキャリアガスとして水素(Ｈ２)を供給することによって、Ｓiを不純物としたｎ型ＧaＮ層１を成長させることができる。一方、低温(例えば６００℃またはそれ以下)や高温(例えば、１０００℃またはそれ以上)でＧaＮを成長させると、低温の場合、形成されるＧaＮが上方向に偏った成長をして先細り形状に、また、高温の場合、形成されるＧaＮが側方に偏った成長をして棒状ではなく薄膜状になる。
次に、図２に示したように、ｎ型ＧaＮ層１上にＩnＧaＮ量子井戸層２を成長させる。量子井戸層２は、発光波長に応じて設定温度を７５０℃にし、キャリアガスに窒素(Ｎ２)、成長ガスにＴＭＧおよびＮＨ３、トリメチルインジウム(ＴＭＩ)を供給することで、ｎ型ＧaＮ層１上にｐ型ＩnＧaＮからなる量子井戸層２を形成することができる。なお、この量子井戸層は、ＩnＧaＮ層とｐ型ＧaＮ層の間に電子ブロック層としてｐ型ＡlＧaＮ層を入れてもよい。また、ＧaＮの障壁層とＩnＧaＮの量子井戸層を交互に積層した多重量子井戸構造であってもよい。
次に、ＩnＧaＮ量子井戸層２上にｐ型ＧaＮ層３を形成する。このｐ型ＧaＮ層３は、設定温度を８００℃にし、成長ガスとしてＴＭＧおよびＮＨ３を使用し、ｐ型不純物供給用にＣｐ２Ｍｇを用いることによってｐ型ＧaＮ層３を形成できる。
次に、図３に示すように、ｎ型ＧaＮ層１と量子井戸層２とｐ型ＧaＮ層３からなる複数の棒状構造発光素子１０を、IPAなどの溶液中で超音波振動を加えることにより複数の棒状構造発光素子１０を基板から分離する。
上記第１実施形態の発光装置に用いられる第１の発光素子の製造方法では、エピタキシャル基板であるｎ型ＧaＮ基板２０上に形成された複数の素子を形成し、そのｎ型ＧaＮ基板２０上から分離した複数の棒状構造発光素子１０を用いることによって、発光素子ごと基板を分断して使用するのに比べて、ｎ型ＧaＮ基板２０を再利用できるので、コストを低減することができる。
この実施形態では、棒状の発光素子として棒状構造発光素子１０を用いたが、棒状の発光素子はこれに限らず、例えばｎ型ＧaＮ基板上に成長穴を有する成長マスクや金属種などを用いて複数の棒状の発光素子を成長させた後、基板から切り離したものでもよい。
上記第１実施形態では、棒状の発光素子を用いたが、この発明の発光素子はこれに限らず、円形状、楕円状、正方形状、矩形状、多角形状などの平坦な発光面を有し、その発光面が基板に対して平行になるように実装面上に配置される形態の発光素子でもよい。
(2) 第２の発光素子の製造方法
また、図４〜図１７はこの発明の第１実施形態の発光装置に用いられる第２の発光素子の製造方法を順に示す工程図である。
この第２実施形態では、まず、図４に示すように、用意したサファイア基板１０１を洗浄する。
次に、図５に示すように、サファイア基板１０１上にｎ型ＧaＮ膜１０２を成膜する。
次に、図６に示すように、ｎ型ＧaＮ膜１０２上にマスク層１０３をデポジションによって形成する。このマスク層１０３は、例えば、ＳiＮまたはＳiＯ２で作製される。
次に、上記マスク層１０３上にレジスト層１０５を塗布し、露光および現像(デベロップ)を行い、さらに、ドライエッチングを行って、図７に示すように、レジスト層１０５およびマスク層１０３に穴１０５Ａ,１０３Ａを形成する。この穴１０５Ａ,１０３Ａによって、ｎ型ＧaＮ膜１０２の一部１０２Ａが露出している。上記マスク層１０３が成長マスクとなり、マスク層１０３に形成された穴１０３Ａが成長穴となる。
次に、触媒金属形成工程において、図８に示すように、レジスト層１０５上および穴１０３Ａに露出したｎ型ＧaＮ膜１０２の一部１０２Ａ上に触媒金属１０６を蒸着(デポジション)させる。この触媒金属１０６としては、例えば、Ｎi、Ｆeなどを採用できる。
次に、リフトオフにより、レジスト層１０５およびレジスト層１０５上の触媒金属１０６を除去し、図９に示すように、ｎ型ＧaＮ膜１０２の一部１０２Ａ上の触媒金属１０６を残し、次に、洗浄を行う。
次に、半導体コア形成工程において、図１０に示すように、ＭＯＣＶＤ(Metal Organic Chemical Vapor Deposition：有機金属気相成長)装置を用いて、ｎ型ＧaＮを結晶成長させて触媒金属１０６の存在下で断面ほぼ六角形の棒状の半導体コア１０７を形成する。この棒状の半導体コア１０７は、例えば、長さ２５μｍに成長させる。成長温度を８００℃程度に設定し、成長ガスとしてトリメチルガリウム(ＴＭＧ)およびアンモニア(ＮＨ３)を使用し、ｎ型不純物供給用にシラン(ＳiＨ４)を、さらにキャリアガスとして水素(Ｈ２)を供給することによって、Ｓiを不純物としたｎ型ＧaＮの半導体コア１０７を成長させることができる。ここで、ｎ型ＧaＮは、六方晶系の結晶成長となり、サファイア基板１０１表面に対して垂直方向をｃ軸方向にして成長させることにより、六角柱形状の半導体コアが得られる。成長方向や成長温度などの成長条件に依存するが、成長させる半導体コアの直径が数１０ｎｍから数１００ｎｍ程度の小さい場合に断面がほぼ円形に近い形状になりやすい傾向があり、直径が０．５μｍ程度から数μｍに大きくなると断面がほぼ六角形で成長させることが容易になる傾向がある。
上記レジスト層１０５の穴１０５Ａ,マスク層１０３の穴１０３Ａを複数個形成し、この複数個の穴１０５Ａ,１０３Ａに露出した複数箇所のｎ型ＧaＮ膜１０２の一部１０２Ａに触媒金属１０６を形成して、複数本の棒状の半導体コア１０７を形成する。
次に、図１１に示すように、ＭＯＣＶＤにより、ｎ型ＧaＮからなる半導体コア１０７およびマスク層１０３を覆うように、ｐ型ＩnＧaＮからなる量子井戸層１０８を成膜する。この量子井戸層１０８は、発光波長に応じて設定温度を７５０℃にし、キャリアガスに窒素(Ｎ２)、成長ガスにＴＭＧおよびＮＨ３、トリメチルインジウム(ＴＭＩ)を供給することで、ｎ型ＧaＮの半導体コア１０７上およびマスク層１０３上にｐ型ＩnＧaＮからなる量子井戸層１０８を形成することができる。なお、この量子井戸層は、ＩnＧaＮ層とｐ型ＧaＮ層の間に電子ブロック層としてｐ型ＡlＧaＮ層を入れてもよい。また、ＧaＮの障壁層とＩnＧaＮの量子井戸層を交互に積層した多重量子井戸構造であってもよい。
次に、半導体層形成工程において、図１１に示すように、ＭＯＣＶＤにより、量子井戸層１０８の全面にｐ型ＧaＮからなる半導体層１１０を形成する。この半導体層１１０は、設定温度を９００℃にし、成長ガスとしてＴＭＧおよびＮＨ３を使用し、ｐ型不純物供給用にＣｐ２Ｍｇを用いることによってｐ型ＧaＮからなる半導体層１１０を形成できる。
上記ＭＯＣＶＤによる量子井戸層１０８および半導体層１１０の成長において、触媒金属１０６を付けた状態で成膜するので、半導体コア１０７の側面１０７Ｂを覆う部分の成長速度に比べて、触媒金属１０６と半導体コア１０７の先端面１０７Ａとの間の部分の成長速度が速く、例えば１０〜１００倍になる。具体的一例として、触媒金属１０６が付着した箇所のＧaＮの成長速度が５０〜１００μｍ/時であるのに対して、触媒金属が付着していない箇所のＧaＮの成長速度は１〜２μｍ/時になる。よって、量子井戸層１０８，半導体層１１０は、その先端部１０８Ａ,１１０Ａの膜厚が、側面部１０８Ｂ,１１０Ｂの膜厚に比べて厚くなる。
次に、図１２に示すように、触媒金属除去工程において、半導体コア１０７上の触媒金属１０６をエッチングにより除去した後に洗浄を行い、アニールにより半導体層１１０を活性にする。ここで、上記半導体コア１０７の先端面１０７Ａを覆う量子井戸層１０８,半導体層１１０の先端部１０８Ａ,１１０Ａの肉厚が半導体コア１０７の側面１０７Ｂを覆う量子井戸層１０８,半導体層１１０の側面部１０８Ｂ,１１０Ｂの肉厚よりも厚いので、金属除去面のダメージや欠陥がＰＮ接合に悪影響を及ぼし難くなる。また、エッチングの際に半導体コア１０７が半導体層１１０から露出することを防止できる。
次に、図１３に示すように、ｐ型ＧaＮからなる半導体層１１０の全面に導電膜１１１を形成する。この導電膜１１１の材質は、ポリシリコン，ＩＴＯ(錫添加酸化インジウム)等を採用できる。この導電膜１１１の膜厚は例えば２００ｎｍとする。そして、上記導電膜１１１を成膜後、５００℃から６００℃で熱処理を行うことで、ｐ型ＧaＮからなる半導体層１１０と導電膜１１１とのコンタクト抵抗を下げることができる。なお、導電膜１１１は、これに限らず、例えば厚さ５ｎｍのＡg／ＮiまたはＡu／Ｎiの半透明の積層金属膜などを用いてもよい。この積層金属膜の成膜には蒸着法あるいはスパッタ法を用いることができる。さらに、より導電層の抵抗を下げるために、ＩＴＯによる導電膜上にＡg／ＮiまたはＡu／Ｎiの積層金属膜を積層してもよい。
次に、図１４に示すように、ドライエッチングのＲＩＥ(反応性イオンエッチング)により、半導体コア１０７上およびマスク層１０３上で横方向に延在する部分の導電膜１１１を除去する。また、上記ＲＩＥにより、半導体コア１０７の先端面１０７Ａ上を覆う半導体層１１０の先端部１１０Ａを或る厚さ分だけ除去する。また、上記ＲＩＥにより、マスク層１０３上で導電膜１１１を越えて横方向に延在する領域の半導体層１１０を除去する。また、上記ＲＩＥにより、マスク層１０３上で導電膜１１１を越えて横方向に延在する領域の量子井戸層１０８を除去する。
前述の如く、上記ＲＩＥの前には、量子井戸層１０８の先端部１０８Ａの膜厚は、側面部１０８Ｂの膜厚に比べて十分に厚く、半導体層１１０の先端部１１０Ａの膜厚が側面部１１０Ｂの膜厚に比べて十分に厚いので、上記ＲＩＥの後に、先端部で半導体コア１０７が露出することはない。したがって、上記ＲＩＥにより、半導体コア１０７の先端面を覆う量子井戸層１０８,半導体層１１０と、半導体コア１０７の側面を覆う量子井戸層１０８,半導体層１１０,導電膜１１１とが残る。
次に、図１５に示すように、エッチングにより、マスク層１０３(図１４に示す)を除去する。このマスク層１０３が酸化シリコン(ＳiＯ２)で構成されている場合、フッ酸(ＨＦ)を含んだ溶液を用いることにより、容易に半導体コア１０７および半導体コア１０７を覆う半導体層１１０,導電膜１１１の部分に影響を与えずにマスク層１０３をエッチングできる。また、ＣＦ４を用いたドライエッチングにより、容易に半導体コア１０７および半導体コア１０７を覆う半導体層１１０,導電膜１１１の部分に影響を与えずにマスク層１０３をエッチングすることができる。これにより、半導体コア１０７は、サファイア基板１０１側の露出部分１０７Ｃの外周面が露出する。
次に、図１６に示すように、ＲＩＥ(反応性イオンエッチング)により、下地ｎ型ＧaＮ膜１０２をエッチングして、サファイア基板１０１表面を露出させる。これにより、半導体コア１０７に連なるｎ型ＧaＮからなる段部１０２Ｂが形成される。ここで、先端面１０７Ａ上の半導体層１１０と量子井戸層１０８の厚さが下地ｎ型ＧaＮ膜１０２の厚さに比べて十分に厚くなるようにしているので、上記ＲＩＥにより、半導体コア１０７の先端面１０７Ａが露出しないようにできる。
これにより、上記ｎ型ＧaＮからなる半導体コア１０７とｐ型ＩnＧaＮからなる量子井戸層１０８とｐ型ＧaＮからなる半導体層１１０および導電膜１１１,ｎ型ＧaＮからなる段部１０２Ｂで構成される棒状構造の発光素子がサファイア基板１０１上に形成される。
次に、切り離し工程において、イソプロピルアルコール(ＩＰＡ)水溶液中に基板を浸し、超音波(例えば数１０ＫＨz)を用いて下地基板(サファイア基板１０１)を基板平面に沿って振動させることにより、下地基板上に立設する半導体コア１０７を折り曲げるように、量子井戸層１０８と半導体層１１０,導電膜１１１に覆われた半導体コア１０７に対して応力が働いて、図１７に示すように、量子井戸層１０８と半導体層１１０,導電膜１１１に覆われた半導体コア１０７が下地基板から切り離される。
こうして、下地基板から切り離なされた微細な棒状構造発光素子１００を製造することができる。
また、上記半導体コア１０７を超音波を用いて基板から切り離したが、これに限らず、切断工具を用いて半導体コアを基板から機械的に折り曲げることによって切り離してもよい。この場合、簡単な方法で基板上に設けられた微細な複数の棒状構造発光素子を短時間で切り離すことができる。
さらに、上記棒状構造発光素子１００は、半導体層１１０が半導体コア１０７の外周面から半径方向外向に結晶成長し、径方向の成長距離が短くかつ欠陥が外向に逃げるため、結晶欠陥の少ない半導体層１１０により半導体コア１０７を覆うことができる。したがって、特性の良好な棒状構造発光素子を実現することができる。
この発光素子の製造方法によれば、下地基板から切り離された微細な棒状構造発光素子１００を製造することができる。また、上記サファイア基板１０１を再利用できる。また、上記棒状構造発光素子１００は、使用する半導体の量を少なくでき、発光素子を用いた装置の薄型化と軽量化が可能となると共に、半導体層１１０で覆われた半導体コア１０７の全周から光が放出されることにより発光領域が広くなるので、発光効率が高く省電力な発光装置,バックライト,照明装置および表示装置などを実現することができる。また、図１６に示すように、ＲＩＥ(反応性イオンエッチング)により、下地ｎ型ＧaＮ膜１０２をエッチングして段部１０２Ｂを形成したが、この下地ｎ型ＧaＮ膜１０２のエッチングを省略して段部１０２Ｂのない下地ｎ型ＧaＮ膜１０２から半導体コア１０７を切り離して、段部１０２Ｂを有していない棒状構造発光素子を作製してもよい。
ここで、棒状構造発光素子１００の直径を１μｍ、長さを２５μｍとしているので、１個当たりの棒状構造発光素子１００の発光面積すなわち量子井戸層１０８の面積は、略(２５×π×(０．５)２μｍ２−(露出部分１０７Ｃの外周面積))となる。
また、棒状構造発光素子１００が、棒状の半導体コア１０７を同心状に囲む筒状の発光面(量子井戸層１０８)を有することによって、同一体積で平坦な発光面を有する発光素子に比べて、棒状構造発光素子１００の１個あたりの発光面の面積が増大し、所定の明るさを得るための発光素子数を削減することができ、コストを削減できる。
また、棒状構造発光素子１００が、ｐ型の棒状の半導体コア１０７と、その半導体コア１０７の外周を覆うｎ型の筒状の半導体層１１０とを有し、半導体コア１０７の一端側が露出していることによって、半導体コア１０７の一端側の露出部分１０７Ｃに一方の電極を接続し、半導体コア１０７の他端側の導電膜１１１に電極を接続することが可能となり、両端に電極を離して接続でき、導電膜１１１に接続する電極と半導体コア１０７の露出部分１０７Ｃが短絡するのを防ぐので、配線が容易にできる。
なお、上記半導体コア１０７の露出部分１０７Ｃと半導体層１１０に覆われた被覆部分のそれぞれの断面は六角形状に限るものではなく、他の多角形や円形の断面形状でもよく、また、半導体コアの露出部分と被覆部分とが異なる断面形状であってもよい。
また、この第１実施形態の第２の発光素子の製造方法によれば、ｎ型の半導体コア１０７の先端面１０７Ａだけでなく側面１０７Ｂにもｐ型の半導体層１１０を形成するので、ｐｎ接合の面積を大きくでき、発光面積を大きくすることができ、発光効率を向上できる。また、上記触媒金属１０６を用いてｎ型の半導体コア１０７を形成するので、ｎ型の半導体コア１０７の成長速度を速くできる。このため、半導体コア１０７を従来に比べ短時間で長くでき、ｎ型の半導体コア１０７の長さと比例関係になる発光面積を一層大きくすることができる。また、上記ｎ型の半導体コア１０７の先端面１０７Ａおよび側面がｐ型の半導体層１１０で覆われるので、ｐ型の半導体層１１０のための電極がｎ型の半導体コア１０７に短絡することを防止できる。
また、この第１実施形態の第２の発光素子の製造方法によれば、触媒金属１０６を残した状態でｐ型の量子井戸層１０８,ｐ型の半導体層１１０を形成するので、ｎ型の半導体コア１０７の形成とｐ型の量子井戸層１０８,ｐ型の半導体層１１０の形成とを同一製造装置内で連続して行うことができる。よって、工程削減、製造時間の短縮ができる。また、上記ｎ型の半導体コア１０７を形成後、この半導体コア１０７を製造装置外に出す必要が無いので、ｎ型の半導体コア１０７の表面にコンタミが付着しないようにでき、素子特性を改善できる。また、上記ｎ型の半導体コア１０７の形成とｐ型の量子井戸層１０８,ｐ型の半導体層１１０の形成とを連続して行うことができるので、大きな温度変化や成長の停止などを回避して結晶性を改善でき、素子特性を改善できる。また、上記ｎ型の半導体コ１０ア７を形成した直後に触媒金属１０６を除去するエッチングを行わないことで、ｎ型の半導体コア１０７の表面(すなわち、ｐ型の半導体層１１０との界面)へのダメージを無くすることができ、素子特性を改善できる。
また、この第１実施形態の第２の発光素子の製造方法では、サファイア基板１０１上に触媒金属１０６を付けたままでｎ型の半導体コア１０７とｐ型の半導体層１１０を順に形成するので、触媒金属１０６に接する部分の成長速度が触媒金属１０６に接しない部分の成長速度に比べて格段に(例えば１０〜１００倍)速くなる。したがって、寸法の縦横比が高い発光素子を作製できる。この第２実施形態では、一例として、棒状構造発光素子１００の直径を１μｍ、長さを２５μｍとしている。また、上記触媒金属１０６下でｎ型の半導体コア１０７とｐ型の半導体層１１０とを連続して積層できるので、ＰＮ接合部の欠陥を少なくすることができる。
また、この第１実施形態の第２の発光素子の製造方法によれば、マスク層１０３を除去して、半導体コア１０７のサファイア基板１０１側の露出部分１０７Ｃを露出させるので、半導体層１１０のエッチング量を少なくできる。また、上記棒状構造発光素子１００は、半導体コア１０７に連なるｎ型ＧaＮからなる段部１０２Ｂによって、半導体コア１０７に対して容易にコンタクトを取ることができる。また、上記棒状構造発光素子１００は、量子井戸層１０８により発光効率を向上できる。
また、上記第２の発光素子の製造方法では、サファイア基板１０１上にｎ型ＧaＮ膜１０２を成膜したが、サファイア基板１０１上にｎ型ＧaＮ膜１０２を成膜する工程をなくして、サファイア基板１０１上に直接にマスク層１０３を形成してもよい。また、上記触媒金属除去工程において、半導体コア１０７上の触媒金属１０６をエッチングにより除去したが、この触媒金属除去工程をなくして、触媒金属１０６を残したままで導電膜１１１を形成してもよい。また、上記実施形態では、図１４に示すように、ＲＩＥによって、導電膜１１１,ｐ型ＧaＮからなる半導体層１１０,量子井戸層１０８をエッチングしたが、このＲＩＥによるエッチング工程をなくし、次のマスク層１０３を除去する工程において、各層一斉リフトオフによりマスク層１０３を除去してもよい。
また、上記第２の発光素子の製造方法では、ＭＯＣＶＤ装置を用いて半導体コア１０７を結晶成長させたが、ＭＢＥ(分子線エピタキシャル)装置などの他の結晶成長装置を用いて半導体コアを形成してもよい。また、成長穴を有する成長マスクを用いて半導体コアを基板上に結晶成長させたが、基板上に金属種を配置して、金属種から半導体コアを結晶成長させてもよい。
また、上記第２の発光素子の製造方法では、半導体層１１０に覆われた半導体コア１０７を、超音波を用いてサファイア基板１０１から切り離したが、これに限らず、切断工具を用いて半導体コアを基板から機械的に折り曲げて切り離してもよい。この場合、簡単な方法で基板上に設けられた微細な複数の棒状構造発光素子を短時間で切り離すことができる。
(3) 発光素子の配置工程
図１８はこの発明の第１実施形態の発光装置の製造方法に用いる絶縁性基板の平面図を示している。なお、この発光装置に用いられる棒状構造発光素子は、図３に示す棒状構造発光素子１０または図１７に示す棒状構造発光素子１００いずれかを用いているが、他の棒状の発光素子を用いてもよい。
この第１実施形態の発光装置では、図１８に示すように、まず、基板作成工程において、実装面に、第１,第２の電極および配線パターンの一例としての金属電極２０１,２０２を形成した絶縁性基板２００を作成する。絶縁性基板２００はガラス、セラミック、酸化アルミニウム、樹脂のような絶縁体、またはシリコンのような半導体表面にシリコン酸化膜を形成し、表面が絶縁性を有するような基板である。ガラス基板を用いる場合は、表面にシリコン酸化膜、シリコン窒化膜のような下地絶縁膜を形成するのが望ましい。
上記金属電極２０１,２０２は、印刷技術を利用して所望の電極形状に形成している。なお、金属膜および感光体膜を一様に積層し、所望の電極パターンを露光し、エッチングして形成してもよい。
図１８では省略されているが、金属電極２０１,２０２には外部から電位を与えられるように、パッドを形成している。
次に、配列工程において、金属電極２０１,２０２が対向する部分(配列領域)に棒状構造発光素子を配列する。図１８では、図を見やすくするため、棒状構造発光素子を配列する配列領域を９×３個としているが、実際は１００個以上の任意の個数の配列領域とする。
上記基板作成工程と塗布工程および配列工程で、基板上に複数の発光素子を配置する配置工程を構成している。
図１９は図１８のXIX−XIX線から見た断面模式図である。
まず、塗布工程において、図１９に示すように、絶縁性基板２００上に、棒状構造発光素子２１０を含んだイソプロピルアルコール(ＩＰＡ)２１１を薄く塗布する。ＩＰＡ２１１の他に、エチレングリコール、プロピレングリコール、メタノール、エタノール、アセトン、またはそれらの混合物でもよい。あるいは、ＩＰＡ２１１は、他の有機物からなる液体、水などを用いることができる。
ただし、液体を通じて金属電極２０１,２０２間に大きな電流が流れてしまうと、金属電極２０１,２０２間に所望の電圧差を印加できなくなってしまう。そのような場合には、金属電極２０１,２０２を覆うように、絶縁性基板２００表面全体に、１０ｎｍ〜３０ｎｍ程度の絶縁膜をコーティングすればよい。
棒状構造発光素子２１０を含むＩＰＡ２１１を塗布する厚さは、次に棒状構造発光素子２１０を配列する工程で、棒状構造発光素子２１０が配列できるよう、液体中で棒状構造発光素子２１０が移動できる厚さである。したがって、ＩＰＡ２１１を塗布する厚さは、棒状構造発光素子２１０の太さ以上であり、例えば、数μｍ〜数ｍｍである。塗布する厚さは薄すぎると、棒状構造発光素子２１０が移動し難くなり、厚すぎると、液体を乾燥する時間が長くなる。また、ＩＰＡの量に対して、棒状構造発光素子２１０の量は、１×１０4本／ｃｍ3〜１×１０7本／ｃｍ3が好ましい。
棒状構造発光素子２１０を含むＩＰＡ２１１を塗布するために、棒状構造発光素子２１０を配列させる金属電極の外周囲に枠を形成し、その枠内に棒状構造発光素子２１０を含むＩＰＡ２１１を所望の厚さになるように充填してもよい。しかしながら、棒状構造発光素子２１０を含むＩＰＡ２１１が粘性を有する場合は、枠を必要とせずに、所望の厚さに塗布することが可能である。
ＩＰＡやエチレングリコール、プロピレングリコール、…、またはそれらの混合物、あるいは、他の有機物からなる液体、または水などの液体は、棒状構造発光素子２１０の配列工程のためには粘性が低いほど望ましく、また加熱により蒸発しやすい方が望ましい。
次に、金属電極２０１,２０２間に電位差を与える。この第１実施形態では、１Ｖの電位差とするのが適当であった。金属電極２０１,２０２の電位差は、０．１〜１０Ｖを印加することができるが、０．１Ｖ以下では棒状構造発光素子２１０の配列が悪くなり、１０Ｖ以上では金属電極間の絶縁が問題になり始める。したがって、１〜５Ｖが好ましく、更には１Ｖ程度とするのが好ましい。
図２０は上記棒状構造発光素子２１０が金属電極２０１,２０２上に配列する原理を示している。図２０に示すように、金属電極２０１に電位ＶLを印加し、金属電極２０２に電位ＶR(ＶL＜ＶR)を印加すると、金属電極２０１には負電荷が誘起され、金属電極２０２には正電荷が誘起される。そこに棒状構造発光素子２１０が接近すると、棒状構造発光素子２１０において、金属電極２０１に近い側に正電荷が誘起され、金属電極２０２に近い側に負電荷が誘起される。この棒状構造発光素子２１０に電荷が誘起されるのは静電誘導による。すなわち、電界中に置かれた棒状構造発光素子２１０は、内部の電界が０となるまで表面に電荷が誘起されることによる。その結果、各電極と棒状構造発光素子２１０との間に静電力により引力が働き、棒状構造発光素子２１０は、金属電極２０１,２０２間に生じる電気力線に沿うと共に、各棒状構造発光素子２１０に誘起された電荷がほぼ等しいので、電荷による反発力により、ほぼ等間隔に一定方向に規則正しく配列する。しかしながら、例えば、図１７に示す棒状構造発光素子１００では、半導体層１１０に覆われた半導体コア１０７の露出部分側の向きは一定にならず、ランダムになる。
以上のように、棒状構造発光素子２１０が金属電極２０１,２０２間に発生した外部電場により、棒状構造発光素子２１０に電荷を発生させ、電荷の引力により金属電極２０１,２０２に棒状構造発光素子２１０を吸着させるので、棒状構造発光素子２１０の大きさは、液体中で移動可能な大きさであることが必要である。したがって、棒状構造発光素子２１０の大きさは、液体の塗布量(厚さ)により変化する。液体の塗布量が少ない場合は、棒状構造発光素子２１０はナノオーダーサイズでなければならないが、液体の塗布量が多い場合は、マイクロオーダーサイズであってもかまわない。
棒状構造発光素子２１０が電気的に中性ではなく、正または負に帯電している場合は、金属電極２０１,２０２間に静的な電位差(ＤＣ)を与えるだけでは、棒状構造発光素子２１０を安定して配列することができない。例えば、棒状構造発光素子２１０が正味として正に帯電した場合は、正電荷が誘起されている金属電極２０２との引力が相対的に弱くなる。そのため、棒状構造発光素子２１０の配列が非対象になる。
そのような場合は、図２１に示すように、金属電極２０１,２０２間にＡＣ電圧を印加することが好ましい。図２１においては、金属電極２０２に基準電位を、金属電極２０１には振幅ＶPPL／２のＡＣ電圧を印加している。こうすることにより、棒状構造発光素子２１０が帯電している場合でも、配列を対象に保つことができる。なお、この場合の金属電極２０２に与える交流電圧の周波数は、１０Ｈz〜１ＭＨzとするのが好ましく、５０Ｈz〜１ｋＨzとするのが最も配列が安定し、より好ましい。さらに、金属電極２０１,２０２間に印加するＡＣ電圧は、正弦波に限らず、矩形波、三角波、ノコギリ波など、周期的に変動するものであればよい。なお、ＶPPLは１Ｖ程度とするのが好ましかった。
次に、金属電極２０１,２０２上に、棒状構造発光素子２１０を配列させた後、絶縁性基板２００を加熱することにより、液体を蒸発させて乾燥させ、棒状構造発光素子２１０を金属電極２０１,２０２間の電気力線に沿って等間隔に配列させて固着させる。
図２２は上記棒状構造発光素子２１０を配置した絶縁性基板２００の平面図を示している。なお、図２２では、図を見やすくするために棒状構造発光素子２１０の数を少なくしているが、実際は１００個以上の棒状構造発光素子２１０が同一の絶縁性基板２００上に配置されている。
図２２に示す棒状構造発光素子２１０を配置した絶縁性基板２００を、液晶表示装置などのバックライトに用いることにより、薄型化と軽量化が可能でかつ発光効率が高く省電力なバックライトを実現することができる。また、この棒状構造発光素子２１０を配置した絶縁性基板２００を照明装置として用いることにより、薄型化と軽量化が可能でかつ発光効率が高く省電力な照明装置を実現することができる。
上記棒状構造発光素子２１０のｐｎの極性は、一方に揃っておらず、ランダムに配列されている。このため、駆動時は交流電圧により駆動されて、異なる極性の棒状構造発光素子２１０が交互に発光することになる。
また、上記発光装置の製造方法によれば、独立した電位が夫々与えられる２つの金属電極２０１,２０２を単位とする配列領域が形成された絶縁性基板２００を作成し、その絶縁性基板２００上に複数の棒状構造発光素子２１０を含んだ液体を塗布する。その後、２つの金属電極２０１,２０２に独立した電圧を夫々印加して、微細な棒状構造発光素子２１０を２つの金属電極２０１,２０２により規定される位置に配列させる。これにより、上記棒状構造発光素子２１０を所定の絶縁性基板２００上に容易に配置させることができる。
したがって、従来のように発光ダイオードを１つ１つ基板上の所定の位置に配置する必要がなく、多数の微細な発光ダイオードを精度よく所定の位置に配置させることができる。
この発光装置の製造方法によって、発光時の温度上昇を抑制しつつ発光を分散させることにより、明るさのばらつきが少なくかつ長寿命化と高効率化が可能な発光装置を製造することができる。
また、上記発光装置の製造方法では、使用する半導体の量を少なくできる。さらに、上記棒状構造発光素子２１０は、半導体層で覆われた半導体コアの側面全体から光が放出されることにより発光領域が広くなるので、発光効率が高く省電力な発光装置を実現することができる。
また、上記発光装置では、絶縁性基板２００の実装面上に複数の発光素子を略均等に分散して配置することによって、発光により発光素子に生じた熱の横方向への流出が効率よく行われるため、発光時の温度上昇がさらに抑制され、より長寿命化、高効率化が図れる。
また、複数の棒状構造発光素子２１０の長手方向が絶縁性基板２００の実装面に対して平行になるように、棒状構造発光素子２１０を絶縁性基板２００の実装面上に配置することによって、径方向に対して軸方向(長手方向)の長さの比を大きくできるので、発光面の面積が同じ条件では発光面が正方形のときよりも絶縁性基板２００への横方向の熱流出が効率よく行われ、発光時の温度上昇がさらに抑制され、より長寿命化、高効率化が図れる。また、この発光装置の製造方法は、電極間に電圧を印加することによる物体の分極を利用しているため、棒状構造発光素子の両端を分極させるのに都合がよく、棒状構造発光素子に対して相性がよい。
また、上記棒状構造発光素子２１０は、発光ダイオードであって、金属電極２０１(第１の電極)にアノードが接続されると共に金属電極２０２(第２の電極)にカソードが接続された発光ダイオードと、金属電極２０１(第１の電極)にカソードが接続されると共に金属電極２０２(第２の電極)にアノードが接続された発光ダイオードとが混在して絶縁性基板２００上に配置されることになる。そして、この発光装置では、交流電源によって金属電極２０１(第１の電極)と金属電極２０２(第２の電極)との間に交流電圧を印加して複数の発光ダイオードを駆動することによって、多数の発光ダイオードに対してアノードとカソードの向きを揃えて配置する必要がなく、配置工程を簡略化できる。
また、少なくとも金属電極２０１(第１の電極)および金属電極２０２(第２の電極)を、複数の棒状構造発光素子２１０を駆動するための電極として用いることによって、配線工程を簡略化してコストを削減できる。
図１８〜図２２に示す発光装置の製造方法では、棒状構造発光素子を用いたが、発光素子はこれに限らず、円形状、楕円状、正方形状、矩形状、多角形状などの平坦な発光面を有し、その発光面が基板に対して平行になるように実装面上に配置される形態の発光素子でもよい。しかしながら、この発光装置の製造方法では、電極間に電圧を印加することによる物体の分極を利用するので、分極させるのに好都合な棒状の発光素子が望ましい。
(4) 配線工程
図２３〜図２５はこの発明の第１実施形態の他の発光装置の製造方法の工程図を示している。なお、この発光装置の製造方法は、棒状構造発光素子を同一基板の実装面上に１００個以上配置するものである。この発光装置の製造方法に用いる棒状構造発光素子は、第１導電型の棒状の半導体コアと、その半導体コアの外周を覆う第２導電型の筒状の半導体層とを有し、棒状の発光素子の半導体コアの一端側が露出しているものであればよい。
この発光装置の製造方法では、図２３に示すように、まず、基板作成工程において、実装面に第１,第２の電極および配線パターンの一例としての金属電極３０１,３０２を形成した絶縁性基板３００を作成する。
次に、配置工程において、絶縁性基板３００上に、長手方向が絶縁性基板３００の実装面に対して平行になるように１００個以上の棒状構造発光素子３１０を配置させる。この配置工程では、第１実施形態の発光装置の製造方法と同様の方法を用いて、金属電極３０１,３０２上に、液体中の棒状構造発光素子３１０を配列させた後、絶縁性基板３００を加熱することにより、液体を蒸発させて乾燥させ、棒状構造発光素子３１０を金属電極３０１,３０２間の電気力線に沿って等間隔に配列させて固着させる。
上記棒状構造発光素子３１０は、棒状のｎ型ＧaＮからなる半導体コア３１１と、上記半導体コア３１１の一端側の部分を覆わないで露出部分３１１aとするように、半導体コア３１１の露出部分３１１a以外の被覆部分３１１bを覆うｐ型ＧaＮからなる半導体層３１２とを備えている。上記棒状構造発光素子３１０の一端側の露出部分３１１aを金属電極３０１に接続すると共に、棒状構造発光素子３１０の他端側の半導体層３１２を金属電極３０２に接続する。
次に、配線工程において、図２４に示すように、絶縁性基板３００上に層間絶縁膜３０３を形成し、その層間絶縁膜３０３をパターンニングして金属電極３０１上と金属電極３０２上にコンタクトホール３０３aを夫々形成する。
次に、図２５に示すように、２つのコンタクトホール３０３aを埋めるように金属配線３０４,３０５を形成する。
このようにして、絶縁性基板３００の実装面上に配置された１００個以上の棒状構造発光素子３１０を一括して配置すると共に、複数の棒状構造発光素子３１０に金属配線３０４,３０５を一括して接続することができる。また、図２３〜図２５では、棒状構造発光素子３１０の中央部が絶縁性基板３００から浮いた状態で示されているが、実際は、棒状構造発光素子３１０は、図１８〜図２２に示す棒状構造発光素子の配置方法におけるＩＰＡ水溶液の乾燥時に、絶縁性基板３００表面と棒状構造発光素子３１０の隙間の液滴が蒸発により縮小するときに発生するスティクションにより中央部分が撓んで絶縁性基板３００上に接している。なお、棒状発光素子３１０が直接絶縁性基板３００上に接しない場合であっても、層間絶縁膜３０３を介して絶縁性基板３００と接することとなる。
また、棒状構造発光素子３１０の中央部分と絶縁性基板３００との間に、棒状構造発光素子３１０を支持するように金属部を設けて、棒状構造発光素子３１０の中央部分が金属部を介して絶縁性基板３００に接するようにしてもよい。
上記発光装置の製造方法によれば、従来のように発光ダイオードを１つ１つ基板上の所定の位置に配置する必要がなく、多数の微細な発光ダイオードを精度よく所定の位置に配置させることができ、発光時の温度上昇を抑制しつつ発光を分散させることにより、明るさのばらつきが少なくかつ長寿命化と高効率化が可能な発光装置を製造することができる。
上記発光装置では、絶縁性基板３００の実装面上に複数の棒状構造発光素子３１０を略均等に分散して配置することによって、発光により発光素子に生じた熱の基板側への横方向の流出が効率よく行われるため、発光時の温度上昇がさらに抑制され、より長寿命化、高効率化が図れる。
また、複数の棒状構造発光素子３１０の長手方向が絶縁性基板３００の実装面に対して平行になるように、棒状構造発光素子３１０を絶縁性基板３００の実装面上に配置することによって、径方向に対して軸方向(長手方向)の長さの比を大きくできるので、発光面の面積が同じ条件では発光面が正方形のときよりも絶縁性基板３００側への横方向の熱流出が効率よく行われ、発光時の温度上昇がさらに抑制され、より長寿命化、高効率化が図れる。
また、上記複数の棒状構造発光素子３１０は、露出部分３１１aがアノード、被覆部分３１１bがカソードの発光ダイオードであって、金属電極３０１(第１の電極)にアノードが接続されると共に金属電極３０２(第２の電極)にカソードが接続された発光ダイオードと、金属電極３０１(第１の電極)にカソードが接続されると共に金属電極３０２(第２の電極)にアノードが接続された発光ダイオードとが混在して絶縁性基板３００上に配置されことになる。そして、この発光装置では、交流電源によって金属電極３０１(第１の電極)と金属電極３０２(第２の電極)との間に交流電圧を印加して複数の発光ダイオードを駆動することによって、多数の発光ダイオードに対してアノードとカソードの向きを揃えて配置する必要がなく、配置工程を簡略化できる。
(5) 他の発光装置の製造方法
図２６〜図３０はこの発明の第１実施形態の他の発光装置の製造方法の工程図を示している。なお、図２６〜図３０では、発光装置の一部のみを示しており、この発光装置の製造方法は、棒状構造発光素子を同一基板の実装面上に１００個以上配置するものである。この発光装置の製造方法に用いる棒状構造発光素子は、第１導電型の棒状の半導体コアと、その半導体コアの外周を覆う第２導電型の筒状の半導体層とを有し、棒状の発光素子の半導体コアの一端側が露出しているものであればよい。
この発光装置の製造方法では、図２６の断面図および図２７の平面図に示すように、まず、基板作成工程において、実装面に第１,第２の電極および配線パターンの一例としての金属電極４０１,４０２が形成された絶縁性基板４００を作成する。
次に、配置工程において、絶縁性基板４００上に、長手方向が絶縁性基板４００の実装面に対して平行になるように複数の棒状構造発光素子４１０を配置する。この配置工程では、図１８〜図２２に示す発光装置の製造方法と同様の方法を用いて、金属電極４０１,４０２上に、液体中の棒状構造発光素子４１０を配列させた後、絶縁性基板４００を加熱することにより、液体を蒸発させて乾燥させ、棒状構造発光素子４１０を金属電極４０１,４０２間の電気力線に沿って等間隔に配置させる。
上記棒状構造発光素子４１０は、棒状のｎ型ＧaＮからなる半導体コア４１１と、上記半導体コア４１１の一端側の部分を覆わないで露出部分４１１aとするように、半導体コア４１１の露出部分４１１a以外の被覆部分４１１bを覆うｐ型ＧaＮからなる半導体層４１２とを備えている。上記棒状構造発光素子４１０の一端側の露出部分４１１aを金属電極４０１に導電性接着剤などの金属インクからなる接着部４０３により接続すると共に、棒状構造発光素子４１０の他端側の半導体層４１２を金属電極４０２に導電性接着剤などの金属インクからなる接着部４０４により接続する。ここで、金属インクは、インクジェット法などにより絶縁性基板４００上の所定の箇所に塗布する。
次に、図２８の平面図および図２９の断面図に示すように、絶縁性基板４００上の複数の棒状構造発光素子４１０が配置された領域に蛍光体４２０を選択的に塗布する(蛍光体塗布工程)。ここで、蛍光体は、インクジェット法などにより絶縁性基板４００上の所定の領域に塗布する。なお、絶縁性基板４００上の複数の棒状構造発光素子４１０が配置された領域に、蛍光体を含む透明樹脂を選択的に塗布してもよい。
次に、図３０に示すように、蛍光体４２０の塗布後に、絶縁性基板４００上に透明樹脂からなる保護膜４２１を形成する。
このようにして、絶縁性基板４００の実装面上に複数の棒状構造発光素子４１０を一括して配置すると共に、複数の棒状構造発光素子４１０に金属配線を一括して接続することができる。
次に、絶縁性基板４００上に蛍光体４２０を塗布する蛍光体塗布工程と、その蛍光体塗布工程の後に絶縁性基板４００上に保護膜４２１を塗布する保護膜塗布工程とを、複数の棒状構造発光素子４１０が配置された１つの絶縁性基板４００で一度に行う。これによって、従来パッケージ毎に行っていた場合に比べて製造コストを大幅に低減できる。
(6) 基板分割工程
次に、この発明の第１実施形態の発光装置の製造方法の基板分割工程を図３１により説明する。この基板分割工程では、図２６〜図３０に示す工程により作成された絶縁性基板４００を用いたが、図１８〜図２２に示す工程により作成された絶縁性基板２００や、図２３〜図２５に示す工程により作成された絶縁性基板３００を用いてもよい。
図３１の平面図に示すように、基板分割工程において、絶縁性基板４００を形状が異なる複数の分割基板４３０Ａ,４３０Ｂ,４３０Ｃ,４３０Ｄ,４３０Ｅに分割する。ここで、複数の分割基板４３０Ａ,４３０Ｂ,４３０Ｃ,４３０Ｄ,４３０Ｅの夫々は、この発明の発光装置であって、棒状構造発光素子４１０が１００個以上有するように、絶縁性基板４００から分割される。上記分割基板４３０Ａは正方形状、分割基板４３０Ｂは分割基板４３０Ａよりも大きい正方形状、分割基板４３０Ｃは分割基板４３０Ｂよりも大きい正方形状、分割基板４３０Ｄは円形状、分割基板４３０Ｅは直角三角形状をしている。
上記基板分割工程において、形状が異なる複数の分割基板４３０Ａ,４３０Ｂ,４３０Ｃ,４３０Ｄ,４３０Ｅに絶縁性基板４００を分割することによって、様々な形態に対応した発光装置を容易に提供することができる。
なお、絶縁性基板４００上に複数の棒状構造発光素子４１０を配線するために形成された配線パターンを、基板分割工程における基板切断領域に形成しないことによって、切断時に導電性の配線クズが散らばることがなく、導電性の配線クズによる短絡などの不具合を防止できる。
あるいは、絶縁性基板４００の切断領域に、基板分割工程において切断されても電気接続に影響しない配線パターンを形成することによって、隣接する分割基板に跨って連続して配線パターンを形成でき、配線パターン形成が容易になると共に、基板分割時に切断されても回路動作に問題が生じることがない。
また、基板分割工程における絶縁性基板４００の切断領域に棒状構造発光素子４１０を配置しないことによって、切断により破損する棒状構造発光素子４１０をなくし、棒状構造発光素子４１０を有効に活用できる。
この発光装置の製造方法では、図２６, 図２９,図３０では、棒状構造発光素子４１０の中央部が絶縁性基板４００から浮いた状態で示されているが、実際は、棒状構造発光素子４１０は、第１実施形態の棒状構造発光素子の配置方法におけるＩＰＡ水溶液の乾燥時に、絶縁性基板４００表面と棒状構造発光素子４１０の隙間の液滴が蒸発により縮小するときに発生するスティクションにより中央部分が撓んで絶縁性基板４００上に接している。なお、棒状発光素子４１０が直接絶縁性基板４００上に接しない場合であっても、蛍光体を介して絶縁性基板４００と接することとなる。
なお、棒状構造発光素子４１０の中央部分と絶縁性基板４００との間に、棒状構造発光素子４１０を支持するように金属部を設けて、棒状構造発光素子４１０の中央部分が金属部を介して絶縁性基板４００に接するようにしてもよい。
上記構成の発光装置の製造方法によれば、同一の絶縁性基板４００上に配置された複数の棒状構造発光素子４１０を一括して配線した後、絶縁性基板４００を複数の分割基板４３０Ａ,４３０Ｂ,４３０Ｃ,４３０Ｄ,４３０Ｅに分割して、分割基板４３０Ａ,４３０Ｂ,４３０Ｃ,４３０Ｄ,４３０Ｅ上に複数の棒状構造発光素子４１０が配置された発光装置を複数形成することによって、配線工程の簡略化して製造コストを低減でき、特性ばらつきを小さくして歩留まりを向上できる。
また、上記配置工程において、同一絶縁性基板４００上に複数の棒状構造発光素子４１０を一括して配置することによって、配線工程の簡略化と相俟って製造コストをさらに低減できる。
また、分割基板４３０Ａ,４３０Ｂ,４３０Ｃ,４３０Ｄ,４３０Ｅの夫々に棒状構造発光素子４１０を１００個以上配置することによって、明るさばらつきを有する複数の発光素子を集合したときの全体の明るさのばらつきを、１つの発光素子の明るさばらつきの１／１０以下に低減できる。
また、上記棒状構造発光素子４１０は、露出部分４１１aがアノード、被覆部分４１１bがカソードの発光ダイオードであって、金属電極４０１(第１の電極)にアノードが接続されると共に金属電極４０２(第２の電極)にカソードが接続された発光ダイオードと、金属電極４０１(第１の電極)にカソードが接続されると共に金属電極４０２(第２の電極)にアノードが接続された発光ダイオードとが混在して絶縁性基板４００上に配置されことになる。そして、この発光装置では、交流電源によって金属電極４０１(第１の電極)と金属電極４０２(第２の電極)との間に交流電圧を印加して複数の発光ダイオードを駆動することによって、多数の発光ダイオードに対してアノードとカソードの向きを揃えて配置する必要がなく、配置工程を簡略化できる。
また、上記発光装置の製造方法において、複数の棒状構造発光素子４１０を絶縁性基板４００上に配置させる配置工程の後、基板分割工程において絶縁性基板４００を、１００個以上の棒状構造発光素子４１０が夫々配置された複数の分割基板４３０に分割することにより、各工程を流動する基板数を少なくして大幅にコストを削減できる。
また、上記発光装置の製造方法によれば、従来のように発光素子を１つ１つ基板上の所定の位置に配置する必要がなく、多数の微細な発光素子を精度よく所定の位置に配置させることができ、発光時の温度上昇を抑制しつつ発光を分散させることにより、明るさのばらつきが少なくかつ長寿命化と高効率化が可能な発光装置を製造することができる。
上記発光装置では、絶縁性基板４００の実装面上に複数の棒状構造発光素子４１０を略均等に分散して配置することによって、発光により棒状構造発光素子４１０に生じた熱の基板側への横方向の流出が効率よく行われるため、発光時の温度上昇がさらに抑制され、より長寿命化、高効率化が図れる。
また、絶縁性基板４００上に複数の棒状構造発光素子４１０を配置した後、絶縁性基板４００上の複数の棒状構造発光素子４１０が配置された領域に蛍光体４２０を選択的に塗布することによって、材料費で大きな比率を占める蛍光体の使用量を減らしてコストを削減できる。
〔第２実施形態〕
図３２はこの発明の第２実施形態の照明装置に用いられる発光装置の平面図を示し、図３３は上記発光装置の側面図を示している。
この第２実施形態の照明装置に用いられる発光装置５００は、図３２,図３３に示すように、正方形状の放熱板５０１上に、１００個以上の棒状構造発光素子(図示せず)が配置された円形状の絶縁性基板５０２が実装されている。ここで、円形状の絶縁性基板５０２は、第１実施形態の発光装置の製造方法を用いて製造された１００個以上の棒状構造発光素子が配置された分割基板である。
図３４は図３２,図３３に示す発光装置５００を用いた照明装置の一例としてのＬＥＤ電球５１０の側面図を示している。このＬＥＤ電球５１０は、図３４に示すように、外部のソケットに嵌めて商用電源に接続するための電源接続部としての口金５１１と、その口金５１１に一端が接続され、他端が徐々に拡径する円錐形状の放熱部５１２と、放熱部５１２の他端側を覆う透光部５１３とを備えている。上記放熱部５１２内に、絶縁性基板５０２を透光部５１３側に向けて発光装置５００を配置している。この発光装置５００は、上記第１実施形態の発光装置の製造方法により製造されたものを用いている。
上記構成の照明装置によれば、発光装置５００を用いることにより、製造コストを低減でき、特性ばらつきを小さくして歩留まりを向上できる。
また、図３２,図３３に示す発光装置５００を用いることにより、明るさのばらつきが少なくかつ長寿命化と高効率化が図れる照明装置を実現することができる。
また、上記複数の棒状構造発光素子が配置された絶縁性基板５０２を放熱板５０１上に取り付けることによって、さらに放熱効果が向上する。
〔第３実施形態〕
図３５はこの発明の第３実施形態の発光装置を用いたバックライトの平面図を示している。
この第３実施形態のバックライト６００は、図３５に示すように、放熱板の一例としての長方形状の支持基板６０１上に、複数の発光装置６０２が互いに所定の間隔をあけて格子状に実装されている。ここで、発光装置６０２は、第１実施形態の発光装置の製造方法を用いて製造された１００個以上の棒状構造発光素子が配置された分割基板である。
上記構成のバックライト６００によれば、発光装置６０２を用いることにより、製造コストを低減でき、特性ばらつきを小さくして歩留まりを向上できる。
また、発光装置６０２を用いることにより、明るさのばらつきが少なくかつ長寿命化と高効率化が図れるバックライトを実現することができる。
また、上記発光装置６０２を支持基板６０１上に取り付けることによって、さらに放熱効果が向上する。
〔第４実施形態〕
図３６はこの発明の第４実施形態の発光装置を用いたバックライトの平面図を示している。
この第４実施形態のバックライト６１０は、図３６に示すように、放熱板の一例としての長方形状の支持基板６１１上に、１つの大きな発光装置６１２が実装されている。この発光装置６１２は、上記第１実施形態の発光装置の製造方法により製造されたものを用いている。
上記構成のバックライト６１０によれば、発光装置６１２を用いることにより、製造コストを低減でき、特性ばらつきを小さくして歩留まりを向上できる。
また、上記発光装置６１２を支持基板６１１上に取り付けることによって、さらに放熱効果が向上する。
〔第５実施形態〕
図３７はこの発明の第５実施形態の発光装置を用いた液晶パネルの平面図と側面図を示している。
この第５実施形態の液晶パネル６２０は、図３７に示すように、放熱板の一例としての長方形状の透明基板６２２の一方の面に、第１,第２の電極および配線パターンの一例としての金属電極(図示せず)が形成され、その金属電極に接続された複数の発光素子(図示せず)が配置されている。この金属電極と発光素子からなる発光部分６２１と、透明基板６２２で１つの大きな発光装置を形成している。また、透明基板６２２の他方の面に、図示しない画素電極とＴＦＴ(Thin Film Transistor：薄膜トランジスタ)がマトリックス状に形成されている。そして、透明基板６２２の他方側に所定の間隔をあけて液晶封止板６２４が配置され、液晶封止板６２４と透明基板６２２との間に液晶６２３を封止している。
通常の液晶パネルは、液晶駆動基板とバックライトは分離されており、バックライトの光量ムラや発熱などの問題により、導光管や放熱素子の使用することでコストが上昇したり、液晶パネルを厚くなったりしていた。これに対して、上記構成の液晶パネル６２０によれば、従来の発光素子１個から得られる光量に対して複数の発光素子で構成されているので、光量ムラや発熱の問題が無いので、導光管や放熱素子を必要としない。そこで、液晶パネル大に分断された分割基板である発光装置が液晶を有する面と反対の側に配置して、直接液晶基板として用いることにより、低コストかつ薄型の液晶パネルを得ることができる。
このように、上記構成の液晶パネル６２０によれば、発光部分６２１と透明基板６２２からなる発光装置を用いることにより、製造コストを低減でき、特性ばらつきを小さくして歩留まりを向上できる。また、液晶パネル基板とバックライト基板を１つにした透明基板６２２を用いることにより、部品コストと製造コストを低減できると共に、より薄型の液晶パネルを実現することができる。
なお、透明基板と、その透明基板の一方の面に配置され、透明基板の一方の面に形成された配線に接続された複数の発光素子と、上記透明基板の他方の面に形成されたカラーフィルタとを備えた液晶パネルにこの発明を適用してもよい。
例えば、このような構成例の液晶パネル８２０を図４４に示している。図４４の側面図に示すように、放熱板の一例としての長方形状の透明基板８２２の一方の面に、第１,第２の電極および配線パターンの一例としての金属電極(図示せず)が形成され、その金属電極に接続された複数の発光素子(図示せず)が配置されている。この金属電極と発光素子からなる発光部分８２１と、透明基板８２２で１つの大きな発光装置を形成している。また、透明基板８２２の他方の面に、カラーフィルタ８２３が形成され、カラーフィルタ８２３上に保護膜８２４が形成されている。そして、透明基板８２２の他方側に所定の間隔をあけてガラス基板８２７が配置され、ガラス基板８２７と透明基板８２２との間に液晶８２５を封止している。上記ガラス基板８２７の液晶８２５に対向する面に、図示しない画素電極とＴＦＴ８２６がマトリックス状に形成されている。
この液晶パネルでは、カラーフィルタとバックライト基板を１つにした透明基板を用いることにより、部品コストと製造コストを低減できると共に、より薄型の液晶パネルを実現することができる。
上記第１〜第５実施形態では、発光ダイオードを発光素子として用いた発光装置、発光装置の製造方法、照明装置、バックライトおよび液晶パネルについて説明したが、この発明の発光素子は発光ダイオードに限らず、半導体レーザー、有機ＥＬ(Electro Luminescence：エレクトロ・ルミネッセンス)、無機ＥＬ(真性ＥＬ)などの発光素子を用いた発光装置、発光装置の製造方法、照明装置、バックライトおよび液晶パネルにこの発明を適用してもよい。
また、上記第１実施形態の第１,第２の発光素子の製造方法では、半導体コアおよび半導体層に、ＧaＮを母材とする半導体を用いたが、ＧaＡs,ＡlＧaＡs,ＧaＡsＰ,ＩnＧaＮ,ＡlＧaＮ,ＧaＰ,ＺnＳe,ＡlＧaＩnＰなどを母材とする半導体を用いた発光素子にこの発明を適用してもよい。また、半導体コアをｎ型とし、半導体層をｐ型としたが、導電型が逆の棒状構造発光素子にこの発明を適用してもよい。
また、上記第１実施形態の第２の発光素子の製造方法では、断面が六角形の棒状の半導体コアを有する棒状構造発光素子について説明したが、これに限らず、断面が円形や楕円の棒状であってもよいし、断面が他の多角形状の棒状の半導体コアを有する棒状構造発光素子にこの発明を適用してもよい。
また、上記第１実施形態の第２の発光素子の製造方法では、棒状構造発光素子の直径を１μｍとし長さを１０μｍ〜３０μｍのマイクロオーダーサイズとしたが、直径または長さのうちの少なくとも直径が１μｍ未満のナノオーダーサイズの素子でもよい。上記棒状構造発光素子の半導体コアの直径は５００ｎｍ以上かつ１００μｍ以下が好ましく、数１０ｎｍ〜数１００ｎｍの棒状構造発光素子に比べて半導体コアの直径のばらつきを抑えることができ、発光面積すなわち発光特性のばらつきを低減でき、歩留まりを向上できる。
なお、棒状構造発光素子の発光面積の下限を規定するとすれば、３．１４×１０−３μｍ２である(直径１ｎｍ、長さ１μｍの棒状の半導体コアの外周に筒状に発光面を形成したときの面積)。または、発光素子が正方形の板状であれば、一辺が５６ｎｍである。いずれの形状の発光素子もこれ以下のサイズは形成が困難である。また、同一基板の実装面上に配置する発光素子の個数の上限を規定するとすれば、１億個であり、これ以上は歩留まりを保って配置させるのが困難である。
また、上記第１実施形態の第２の発光素子の製造方法では、ＭＯＣＶＤ装置を用いて半導体コアやキャップ層を結晶成長させているが、ＭＢＥ(分子線エピタキシャル)装置などの他の結晶成長装置を用いて半導体コアやキャップ層を形成してもよい。
また、上記第１実施形態の発光装置の製造方法では、電極間に電圧を印加することによる棒状の発光素子の分極を利用して、棒状の発光素子を基板上に配置して電極間に接続したが、同一基板上に複数の発光素子を配置する配置方法や、基板上に配置された複数の発光素子の一部または全部を一括して配線する配線方法はこれに限らず、他の方法を用いてもよい。
例えば、図３８はこの発明の他の実施形態の発光装置の製造方法に用いられる棒状構造発光素子の側面図と端面図を示し、図３９〜図４３は上記発光装置の製造方法における各工程を示している。なお、図３９〜図４３では、発光装置の一部のみを示しており、この発光装置の製造方法は、棒状構造発光素子を同一基板の実装面上に１００個以上配置するものである。
この棒状構造発光素子７１０は、図３８に示すように、ｎ型ＧaＮからなる断面ほぼ円形の棒状の半導体コア７０１と、その半導体コア７０１の外周を覆う円筒状のｐ型ＧaＮからなる半導体層７０２とを有する。上記半導体コア７０１は、両側の端面のみが露出している。このとき、半導体コア７０１と半導体層７０２の間に量子井戸層を有していても良い。
まず、このような棒状構造発光素子７１０を含む溶液を図３９に示すように絶縁性基板７２０上に塗布する。
次に、図４０に示すように、ラビング装置７２１を用いて、絶縁性基板７２０上に塗布された溶液(主に棒状構造発光素子７１０)を基板側に擦りつけるラビング処理を行うことにより、棒状構造発光素子７１０の長手方向が同一方向に向くように、複数の棒状構造発光素子７１０を配列する。
次に、図４１に示すように、ラビング処理された絶縁性基板７２０を乾燥する。
次に、図４２に示すように、複数の棒状構造発光素子７１０が配置された絶縁性基板７２０の棒状構造発光素子７１０の長手方向に対して直交する直線領域Ｓをエッチングして、直線領域Ｓが重なる棒状構造発光素子７１０の半導体コア７０１の一部を露出させる。これにより、一部の棒状構造発光素子７１０は、ｎ型の半導体コア７０１が露出した露出部分７１０aと、ｐ型の半導体層７０２に被覆された被覆部分７１０bとを有する。
そして、図４３に示すように、絶縁性基板７２０の直線領域Ｓに金属配線７３１を形成すると共に、金属配線７３１に所定の間隔をあけて略平行に金属配線７３２を形成する。
これによって、金属配線７３１は、複数の棒状構造発光素子７１０のうちの一部のｎ型の半導体コア７０１に接続され、金属配線７３２は、複数の棒状構造発光素子７１０のうちの一部のｐ型ＧaＮからなる半導体層７０２に接続される。そして、例えば図４３では、４つの棒状構造発光素子７１０Ａ〜７１０Ｄのｎ型の半導体コア７０１に金属配線７３１が接続され、ｐ型の半導体層７０２に金金属配線７３２が接続されている。したがって、ｐ型の半導体層７０２側からｎ型の半導体コア７０１側に電流が流れるように、金属配線７３１と金属配線７３２との間に電圧を印加することにより、４つの棒状構造発光素子７１０Ａ〜７１０Ｄが発光する。
そして、基板分割工程において、絶縁性基板７２０を複数の分割基板に分割することによって、分割基板上に複数の棒状構造発光素子７１０が配置された発光装置を複数形成する。
このようにして、複数の発光素子のうち、基板分割工程において切断されても所望の発光量に影響しない棒状構造発光素子７１０が絶縁性基板７２０の切断領域に配置され、切断により破損した棒状構造発光素子７１０が発光しなくとも、切断されていない他の複数の棒状構造発光素子７１０により発光が行われるので、配置工程において棒状構造発光素子７１０が絶縁性基板７２０の切断領域に配置されないように考慮する必要がなくなり、配置工程を簡略化することができる。ここで、「所望の発光量」とは、発光装置に要求されるスペックのうちの１つである。
この発明の具体的な実施の形態について説明したが、この発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、この発明の範囲内で種々変更して実施することができる。
１…ｎ型ＧaＮ層
２…量子井戸層
３…ｐ型ＧaＮ層
２０…ｎ型ＧaＮ基板
１０…棒状構造発光素子
１００…棒状構造発光素子
１０１…サファイア基板
１０２…ｎ型ＧaＮ膜
１０３…マスク層
１０５…レジスト層
１０６…触媒金属
１０７…半導体コア
１０８…量子井戸層
１１０…半導体層
１１１…導電膜
２００…絶縁性基板
２０１,２０２…金属電極
２１０…棒状構造発光素子
２１１…ＩＰＡ
３００…絶縁性基板
３１０…棒状構造発光素子
３０１,３０２…金属電極
３０３…層間絶縁膜
３０４,３０５…金属配線
３１１…半導体コア
３１１a…露出部分
３１１b…被覆部分
３１２…半導体層
４００…絶縁性基板
４１０…棒状構造発光素子
４０１,４０２…金属電極
４０３,４０４…接着部
４１１…半導体コア
４１１a…露出部分
４１１b…被覆部分
４１２…半導体層
４２０…蛍光体
４２１…保護膜
４３０…発光装置
５００…発光装置
５１０…ＬＥＤ電球
５１１…口金
５１２…放熱部
５１３…透光部
６００…バックライト
６０１…支持基板
６０２…発光装置
６１０…バックライト
６１１…支持基板
６１２…発光装置
６２０…液晶パネル
６２１…発光部分
６２２…透明基板
６２３…液晶
６２４…液晶封止板
７０１…半導体コア
７０２…半導体層
７１０…棒状構造発光素子
７２０…絶縁性基板
７２１…ラビング装置
７３１,７３２…金属配線
８２０…液晶パネル
８２１…発光部分
８２２…透明基板
８２３…カラーフィルタ
８２４…保護膜
８２５…液晶
８２６…ＴＦＴ
８２７…ガラス基板

Claims (13)

  1. 同一基板上に複数の発光素子を配置する配置工程と、
    上記基板上に配置された上記複数の発光素子の一部または全部を一括して配線する配線工程と、
    上記配置工程と上記配線工程の後、上記基板を複数の分割基板に分割することによって、上記分割基板上に複数の発光素子が配置された発光装置を複数形成する基板分割工程と
    を有すると共に、
    上記複数の発光素子は、棒状であって、
    上記複数の発光素子の長手方向が上記基板の実装面に対して平行になるように、上記複数の発光素子が上記基板の実装面上に配置されており、
    上記棒状の発光素子は、第１導電型の棒状の半導体コアと、その半導体コアの外周を覆う第２導電型の筒状の半導体層と、上記棒状の半導体コアを同心状に囲む筒状の発光面とを有し、
    上記棒状の発光素子の上記半導体コアの一端側が露出していることを特徴とする発光装置の製造方法。
  2. 請求項１に記載の発光装置の製造方法において、
    上記配置工程において、上記同一基板上に上記複数の発光素子を一括して配置することを特徴とする発光装置の製造方法。
  3. 請求項１または２に記載の発光装置の製造方法において、
    上記基板上に上記複数の発光素子を配線するための配線パターンが形成され、
    上記基板分割工程における上記基板の切断領域には上記配線パターンが形成されていないことを特徴とする発光装置の製造方法。
  4. 請求項１または２に記載の発光装置の製造方法において、
    上記基板上に上記複数の発光素子を配線するための配線パターンが形成され、
    上記基板の切断領域に、上記基板分割工程において切断されても電気接続に影響しない上記配線パターンが形成されていることを特徴とする発光装置の製造方法。
  5. 請求項１から４までのいずれか１つに記載の発光装置の製造方法において、
    上記基板分割工程における上記基板の切断領域には上記発光素子が配置されていないことを特徴とする発光装置の製造方法。
  6. 請求項１から４までのいずれか１つに記載の発光装置の製造方法において、
    上記複数の発光素子のうち、上記基板の切断領域には、上記基板分割工程において切断されても所望の発光量に影響しない発光素子が配置されていることを特徴とする発光装置の製造方法。
  7. 請求項１から６までのいずれか１つに記載の発光装置の製造方法において、
    上記配置工程と上記配線工程の後でかつ上記基板分割工程の前に、上記基板上に蛍光体を塗布する蛍光体塗布工程と、
    上記蛍光体塗布工程の後に上記基板上に保護膜を塗布する保護膜塗布工程と
    を有することを特徴とする発光装置の製造方法。
  8. 請求項７に記載の発光装置の製造方法において、
    上記蛍光体塗布工程において、上記蛍光体は上記複数の発光素子が配置された領域に選択的に塗布することを特徴とする発光装置の製造方法。
  9. 請求項１から８までのいずれか１つに記載の発光装置の製造方法において、
    上記分割基板の夫々には上記発光素子が１００個以上配置されていることを特徴とする発光装置の製造方法。
  10. 請求項１から９までのいずれか１つに記載の発光装置の製造方法であって、
    上記基板分割工程において、上記基板を少なくとも２種類以上の形状が異なる上記分割基板に分割することを特徴とする発光装置の製造方法。
  11. 請求項１から１０までのいずれか１つに記載の発光装置の製造方法において、
    上記基板上に上記複数の発光素子を配置する配置工程は、
    少なくとも第１の電極および第２の電極を実装面に有する上記基板を作成する基板作成工程と、
    上記基板上に上記複数の発光素子を含んだ溶液を塗布する塗布工程と、
    少なくとも上記第１の電極と上記第２の電極に電圧を印加して、上記複数の発光素子を少なくとも上記第１の電極および上記第２の電極により規定される位置に配列させる配列工程と
    を含むことを特徴とする発光装置の製造方法。
  12. 請求項１１に記載の発光装置の製造方法において、
    少なくとも上記第１の電極および上記第２の電極は、上記複数の発光素子を駆動するための電極として用いられることを特徴とする発光装置の製造方法。
  13. 請求項１から１２のいずれか１つに記載の発光装置の製造方法において、
    上記複数の発光素子は、エピタキシャル基板上に形成された複数の素子であって、上記エピタキシャル基板上から上記各素子を分離したものであることを特徴とする発光装置の製造方法。
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