JP2014160736A - 半導体発光装置及び発光装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】実施形態は、半導体層の第1の面及びその反対側の第2の面側から光放射可能な半導体発光装置及び発光装置を提供する。
【解決手段】実施形態によれば、半導体発光装置は、半導体層と第1の電極と第2の電極と第1の絶縁膜と第1の配線層と第2の配線層と第1の金属ピラーと第2の金属ピラーと第2の絶縁膜と蛍光体層とを備えている。第1の電極は、半導体層の発光領域に設けられている。第1の電極、第1の絶縁膜、第1の配線層、第2の配線層、および第2の絶縁膜は、発光層の放射光を透過させる。
【選択図】図1
【解決手段】実施形態によれば、半導体発光装置は、半導体層と第1の電極と第2の電極と第1の絶縁膜と第1の配線層と第2の配線層と第1の金属ピラーと第2の金属ピラーと第2の絶縁膜と蛍光体層とを備えている。第1の電極は、半導体層の発光領域に設けられている。第1の電極、第1の絶縁膜、第1の配線層、第2の配線層、および第2の絶縁膜は、発光層の放射光を透過させる。
【選択図】図1
Description
実施形態は、半導体発光装置及び発光装置に関する。
半導体発光素子と、蛍光体と、を組み合わせ、白色光などの可視光やその他の波長帯の光を放射する半導体発光装置は、小型で扱い易い光源としてその用途が広がりつつある。
実施形態は、半導体層の第1の面及びその反対側の第2の面側から光放射可能な半導体発光装置及び発光装置を提供する。
実施形態によれば、半導体発光装置は、半導体層と、第1の電極と、第2の電極と、第1の絶縁膜と、第1の配線層と、第2の配線層と、第1の金属ピラーと、第2の金属ピラーと、第2の絶縁膜と、蛍光体層と、を備えている。前記半導体層は、第1の面と、その反対側の第2の面を持ち、発光層を有する。前記第1の電極は、前記第2の面側において前記半導体層の発光領域に設けられ、前記発光層の放射光を透過させる。前記第2の電極は、前記第2の面側において前記半導体層の非発光領域に設けられている。前記第1の絶縁膜は、前記第2の面側に設けられ、前記発光層の放射光を透過させる。前記第1の配線層は、前記第1の絶縁膜上に設けられるとともに前記第1の電極に接続され、前記発光層の放射光を透過させる。前記第2の配線層は、前記第1の絶縁膜上に設けられるとともに前記第2の電極に接続され、前記発光層の放射光を透過させる。前記第1の金属ピラーは、前記第1の配線層上に設けられ、外部接続可能な端部を有する。前記第2の金属ピラーは、前記第2の配線層上に設けられ、外部接続可能な端部を有する。前記第2の絶縁膜は、前記第1の金属ピラーと前記第2の金属ピラーとの間に、前記第1の金属ピラーの側面及び前記第2の金属ピラーの側面に接するように設けられ、前記発光層の放射光を透過させる。前記蛍光体層は、前記第1の面側に設けられ、前記発光層の放射光により励起され前記発光層の放射光とは異なる波長の光を放射する複数の蛍光体と、前記複数の蛍光体を一体化し前記発光層の放射光及び前記蛍光体の放射光を透過させる結合材と、を含む。
以下、実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、図面中の同一部分には同一番号を付してその詳しい説明は適宜省略し、異なる部分について説明する。
(第1実施形態)
図1は、第1実施形態の半導体発光装置1の模式断面図である。
図1は、第1実施形態の半導体発光装置1の模式断面図である。
半導体発光装置1は、発光層13を有する半導体層15を備える。半導体層15は、第1の面15aと、その反対側の第2の面15b(図5(a)参照)と、を有する。また、半導体層15は、発光層13を含む部分(発光領域)15eと、発光層13を含まない部分(非発光領域)15fと、を有する。発光層13を含む部分15eは、半導体層15のうちで、発光層13が積層されている部分である。発光層13を含まない部分15fは、半導体層15のうちで、発光層13が積層されていない部分である。発光層13を含む部分は、発光領域を示し、発光層13を有するとともに発光層13の発光光を外部に取り出し可能な積層構造となっている領域を示す。
第2の面15bの側において、発光層13を含む部分15eの上に第1の電極としてp側電極16が設けられ、発光層を含まない部分15fの上に第2の電極としてn側電極17が設けられている。p側電極16とn側電極17とを通じて発光層13に電流が供給され、発光層13は発光する。
第2の面側において半導体層15の発光領域に設けられたp側電極16は、発光層13の放射光に対して透過性を有する透明電極である。p側電極16は、例えばITO(Indium Tin Oxide)からなる。ここで「透過」、「透明」とは、光の一部を吸収する場合も含む。
また、半導体層15の第2の面側には、後述する支持体が設けられている。半導体層15、p側電極16およびn側電極17を含む発光素子は、第2の面側に設けられた支持体によって支持されている。
半導体層15の第1の面15a上には、蛍光体層30が設けられている。蛍光体層30は、複数の蛍光体31を含む。蛍光体31は、発光層13の放射光により励起され、その放射光とは異なる波長の光を放射する。
複数の蛍光体31は、結合材33により一体化されている。結合材33は、発光層13の放射光および蛍光体31の放射光を透過する。
半導体層15は、第1の半導体層11と、第2の半導体層12と、発光層13と、を有する。発光層13は、第1の半導体層11と、第2の半導体層12と、の間に設けられている。第1の半導体層11および第2の半導体層12は、例えば、窒化ガリウムを含む。
第1の半導体層11は、例えば、下地バッファ層、n型GaN層を含む。第2の半導体層12は、例えば、p型GaN層を含む。発光層13は、青、紫、青紫、紫外光などを発光する材料を含む。発光層13の発光波長は、例えば、430〜470nmである。
半導体層15の第2の面は、凹凸形状に加工される。その凸部は、発光層13を含む部分15eであり、凹部は、発光層13を含まない部分15fである。発光層13を含む部分15eの第2の面は、第2の半導体層12の表面であり、その表面にp側電極16が設けられている。発光層13を含まない部分15fの第2の面は、第1の半導体層11の表面であり、その表面にn側電極17が設けられている。
例えば、半導体層15の第2の面において、発光層13を含む部分15eの面積は、発光層13を含まない部分15fの面積よりも広い。また、発光層13を含む部分15eの上に設けられたp側電極16の面積は、発光層13を含まない部分の上に設けられたn側電極17の面積よりも広い。これにより、広い発光面が得られ、光出力を高くできる。
半導体層15の第2の面側には、第1の絶縁膜として絶縁膜18が設けられている。絶縁膜18は、半導体層15の第2の面、p側電極16およびn側電極17を覆って保護している。
絶縁膜18は、発光層13の側面および第2の半導体層12の側面にも設けられ、それら側面を覆っている。また、絶縁膜18は、半導体層15における第1の面15aから続く側面(第1の半導体層11の側面)15cにも設けられ、その側面15cを覆っている。絶縁膜18は、半導体層15の第1の面15a上には設けられていない。
絶縁膜18は、発光層13の放射光に対して透過性を有する無機透明絶縁膜である。絶縁膜18は、例えば、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜である。
絶縁膜18における半導体層15とは反対側の面上には、第1の配線層としてのp側配線層21と、第2の配線層としてのn側配線層22とが互いに離隔して設けられている。絶縁膜18は、p側電極16に通じた第1の開口18a、およびn側電極17に通じた第2の開口18bを含む。図1に示す例では、絶縁膜18は複数の第1の開口18aを含むが、1つの第1の開口18aを含む形態でも良い。
p側配線層21は、絶縁膜18の上および第1の開口18aの内部に設けられている。p側配線層21は、第1の開口18a内に設けられたビア21aを介してp側電極16と電気的に接続されている。n側配線層22は、絶縁膜18の上および第2の開口18bの内部に設けられている。n側配線層22は、第2の開口18b内に設けられたビアを介してn側電極17と電気的に接続されている。
p側配線層21及びn側配線層22は、発光層13の放射光に対して透過性を有する透明導電膜である。p側配線層21及びn側配線層22は、例えばITO(Indium Tin Oxide)からなる。
p側配線層21におけるp側電極16とは反対側の面上には、第1の金属ピラーとしてp側金属ピラー23が設けられている。第1の配線部としてのp側配線部41は、p側配線層21およびp側金属ピラー23を含む。
n側配線層22におおけるn側電極17とは反対側の面上には、第2の金属ピラーとしてn側金属ピラー24が設けられている。第2の配線部としてのn側配線部43は、n側配線層22およびn側金属ピラー24を含む。
p側配線部41とn側配線部43との間には、第2の絶縁膜として絶縁膜25が設けられている。絶縁膜25は、p側配線層21の側面とn側配線層22の側面に接するように、p側配線層21とn側配線層22との間に設けられている。また、絶縁膜25は、p側金属ピラー23の側面とn側金属ピラー24の側面に接するように、p側金属ピラー23とn側金属ピラー24との間に設けられている。すなわち、絶縁膜25は、p側配線層21とn側配線層22との間、およびp側金属ピラー23とn側金属ピラー24との間に充填されている。
絶縁膜25は、p側配線層21の側面、n側配線層22の側面、p側金属ピラー23の側面、およびn側金属ピラー24の側面を覆っている。絶縁膜25は、p側金属ピラー23の周囲およびn側金属ピラー24の周囲に設けられている。
p側金属ピラー23におけるp側配線層21とは反対側の端部(面)は、絶縁膜25から露出し、実装基板等の外部回路と接続可能なp側外部端子(第1の外部端子)23aとして機能する。n側金属ピラー24におけるn側配線層22とは反対側の端部(面)は、絶縁膜25から露出し、実装基板等の外部回路と接続可能なn側外部端子(第2の外部端子)24aとして機能する。
p側外部端子23aおよびn側外部端子24aは、絶縁膜25の同じ面(図1における下面)に露出する。p側外部端子23aとn側外部端子24aとの間隔は、絶縁膜18上におけるp側配線層21とn側配線層22との間隔よりも広い。p側外部端子23aとn側外部端子24aとの間隔は、実装時のはんだの広がりよりも大きくする。これにより、はんだを通じた、p側外部端子23aとn側外部端子24aとの間の短絡を防ぐことができる。
これに対し、p側配線層21とn側配線層22との間隔は、プロセス上の限界まで狭くすることができる。このため、p側配線層21の面積、およびp側配線層21とp側金属ピラー23との接触面積の拡大を図れる。これにより、発光層13の熱の放散を促進できる。
また、複数の第1の開口18aを通じて、p側配線層21がp側電極16と接する面積は、第2の開口18bを通じてn側配線層22がn側電極17と接する面積よりも広い。これにより、発光層13に流れる電流の分布を均一化できる。
n側配線層22は、p側電極16上に設けられた絶縁膜18上に延在している。すなわち、n側配線層22は、発光層13及びp側電極16が設けられた発光領域上に延在している。
絶縁膜18上で広がるn側配線層22の面積は、n側配線層22とn側電極17とのコンタクト面積よりも大きい。n側配線層22とn側金属ピラー24とのコンタクト面積は、n側配線層22とn側電極17とのコンタクト面積よりも大きい。
絶縁膜18上で広がるn側配線層22の面積は、n側電極17の面積よりも広くできる。さらに、n側配線層22の上に設けられるn側金属ピラー24の面積(すなわち、n側外部端子24aの面積)をn側電極17よりも広くできる。これにより、信頼性の高い実装に十分なn側外部端子24aの面積を確保しつつ、n側電極17の面積を小さくすることが可能となる。すなわち、半導体層15における発光層13を含まない部分(非発光領域)15fの面積を縮小し、発光層13を含む部分(発光領域)15eの面積を広げて光出力を向上させることが可能となる。
第1の半導体層11は、n側電極17およびn側配線層22を介してn側金属ピラー24と電気的に接続されている。第2の半導体層12は、p側電極16およびp側配線層21を介してp側金属ピラー23と電気的に接続されている。
p側金属ピラー23はp側配線層21よりも厚く、n側金属ピラー24はn側配線層22よりも厚い。p側金属ピラー23、n側金属ピラー24および絶縁膜25のそれぞれの厚さは、半導体層15よりも厚い。なお、ここで言う「厚さ」とは、図1における上下方向の各層の幅である。
各金属ピラー23、24のアスペクト比(平面サイズに対する厚みの比)は、1以上であっても良いし、1より小さくても良い。すなわち、金属ピラー23、24は、その平面サイズより厚くても良いし、薄くても良い。
p側配線層21、n側配線層22、p側金属ピラー23、n側金属ピラー24および絶縁膜25を含む支持体の厚さは、半導体層15、p側電極16およびn側電極17を含む発光素子の厚さよりも厚い。
半導体層15は、後述するように基板上にエピタキシャル成長法により形成される。その基板は、n側配線層22、p側金属ピラー23、n側金属ピラー24および絶縁膜25を含む支持体を形成した後に除去され、半導体層15は第1の面15a側に基板を含まない。半導体層15は、剛直な基板にではなく、半導体層15よりも柔軟な絶縁膜25を含む支持体によって支持されている。
p側金属ピラー23およびn側金属ピラー24の材料として、例えば、銅、金、ニッケル、銀などを用いることができる。これらのうち、銅を用いると、良好な熱伝導性、高いマイグレーション耐性および絶縁材料に対する密着性を向上させることができる。
絶縁膜25は、p側金属ピラー23およびn側金属ピラー24を補強する。絶縁膜25は、発光層13の放射光に対して透過性を有する透明絶縁材料からなる。絶縁膜25は、例えば、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂などの透明樹脂、またはガラスからなる。
半導体発光装置1の実装過程では、p側外部端子23aおよびn側外部端子24aを実装基板のランドに接合させるはんだ等に起因する応力が半導体層15に加わる。p側金属ピラー23、n側金属ピラー24および絶縁膜25は、その応力を吸収し緩和する。特に、半導体層15よりも柔軟な絶縁膜25を支持体の一部として用いることで、応力緩和効果を高めることができる。
p側配線層21およびp側金属ピラー23を含むp側配線部41は、複数の第1の開口18aの内部に設けられ相互に離隔された複数のビア21aを介して、p側電極16に接続している。この場合、複数のビア21aの接触面積を合わせた面積を有する1つのビアを介してp側配線部41をp側電極16に接続させる場合よりも、半導体層15に加わる応力を低減できる。
一方、p側配線層21は、1つの大きな開口の内部に設けられ、ビア21aよりも平面サイズの大きなポストを介してp側電極16に接続させても良い。これにより、p側電極16、p側配線層21およびp側金属ピラー23を介した放熱性の向上を図ることができる。
後述するように、半導体層15の形成に用いた基板は、半導体層15から除去される。これにより、半導体発光装置1は低背化される。また、基板の除去により、半導体層15の第1の面15aに凹凸を形成することができ、光取り出し効率の向上を図れる。
例えば、第1の面15aに対して、アルカリ系溶液を使ったウェットエッチング(フロスト処理)を行い微小凹凸を形成する。これにより、発光層13の放射光を全反射させることなく、第1の面15aから外側に取り出すことが可能となる。
基板が除去された後、半導体層15の第1の面15a上に、蛍光体層30が形成される。すなわち、蛍光体層30は、半導体層15の第1の面15aとの間に基板を介することなく、第1の面15a上に設けられている。
蛍光体層30は、結合材33中に複数の粒子状の蛍光体31が分散された構造を有する。蛍光体31は、例えば、発光層13の放射光により励起され黄色光を放射する黄色蛍光体、赤色光を放射する赤色蛍光体、および緑色光を放射する緑色蛍光体の少なくともいずれか1種類の蛍光体を含む。また、蛍光体31は、セラミック系の微粒子であっても良い。結合材33には、例えば、シリコーン樹脂を用いることができる。
蛍光体層30は、1種類の蛍光体(例えば黄色蛍光体)を含む。あるいは、蛍光体層30は、複数種類の蛍光体(例えば赤色蛍光体と緑色蛍光体)を含む。
実施形態の半導体発光装置1は、チップサイズに近い構造を有する。蛍光体層30は、第1の面15a上および支持体の一部である絶縁膜18上に限定され、半導体層15の第2の面側や支持体の側面にまわりこんで形成されていない。
発光層13の放射光は、第1の面15aを介して蛍光体層30に進み、蛍光体31を励起する。すなわち、蛍光体層30側から、発光層13の放射光と蛍光体31との混合色の光が得られる。
また、発光層13の放射光は、半導体層15の第2の面側にも放射される。そして、実施形態によれば、第2の面側において発光領域に設けられたp側電極16は、発光層13の放射光に対して透明である。さらに、第2の面側に設けられた、絶縁膜18、p側配線層21、n側配線層22および絶縁膜25も、発光層13の放射光に対して透明である。
したがって、第2の面側に放射された発光層13の放射光は、p側電極16、絶縁膜18、p側配線層21およびn側配線層22を透過し、さらにp側金属ピラー23とn側金属ピラー24との間の絶縁膜25を透過して、半導体発光装置1の外部に放射される。
すなわち、実施形態によれば、チップサイズパッケージ構造の半導体発光装置1において、発光層13を挟んで反対側に位置する2つの異なる面から光が放射される。
図2は、実施形態の半導体発光装置1を含む発光装置の模式断面図である。
実施形態の発光装置は、実装基板310と、実装基板310上に実装された半導体発光装置1とを備えている。
実装基板310は、発光層13の放射光に対して透過性を有する透明絶縁基板である。実装基板310は、例えば、ガラス基板、または透明樹脂基板である。また、実装基板310は、可撓性を有するフレキシブル基板であってもよい。
実装基板310の一方の面(実装面)には、パッド302と、パッド302と接続された配線パターン(図示せず)が形成されている。
半導体発光装置1の外形形状は、例えば直方体形状に形成されている。半導体発光装置1は、同じ面で露出されたp側外部端子23aとn側外部端子24aとを有する。半導体発光装置1は、p側外部端子23a及びn側外部端子24aが露出する面を、実装基板310の実装面に向け、蛍光体層30を、実装基板310の実装面の反対側に向けた姿勢で実装基板310上に実装されている。
p側外部端子23a及びn側外部端子24aが、例えば、はんだ303などの導電接合材を介して、パッド302に接合されている。
前述したように、半導体発光装置1において、発光層13を挟んで反対側に位置する2つの異なる面(図2において上面及び下面)から光が放射される。蛍光体層30の反対側(第2の面側)に放射された光は、透明な実装基板310を透過する。したがって、実装基板310の裏面側にも光が放射され、発光装置の応用範囲を広げることができる。
図3は、実施形態の半導体発光装置1を複数含む発光装置の模式断面図である。
図3に示す発光装置は、実装基板310と、実装基板310上に実装された複数の半導体発光装置1とを備えている。複数の半導体発光装置1は、実装基板310の両面に実装されている。
実装基板310は、発光層13の放射光に対して透過性を有する透明絶縁基板である。実装基板310は、例えば、ガラス基板、または透明樹脂基板である。また、実装基板310は、可撓性を有するフレキシブル基板であってもよい。
実装基板310の両面のそれぞれには、パッド302と、パッド302と接続された配線パターン(図示せず)が形成されている。
また、両面のパッド302または配線パターンの間は、実装基板310を貫通して設けられたビア304を介して電気的に接続されている。
半導体発光装置1の外形形状は、例えば直方体形状に形成されている。半導体発光装置1は、同じ面で露出されたp側外部端子23aとn側外部端子24aとを有する。半導体発光装置1は、p側外部端子23a及びn側外部端子24aが露出する面を、実装基板310の実装面に向け、蛍光体層30を、実装基板310の実装面の反対側に向けた姿勢で実装基板310上に実装されている。
p側外部端子23a及びn側外部端子24aが、例えば、はんだ303などの導電接合材を介して、パッド302に接合されている。
半導体発光装置1において、発光層13を挟んで反対側に位置する2つの異なる面から光が放射される。蛍光体層30の反対側(第2の面側)に放射された光は、透明な実装基板310を透過する。したがって、実装基板310の裏面側にも光が放射され、発光装置の応用範囲を広げることができる。実施形態の発光装置は、例えば、フィラメントを模した構成に応用でき、電球のような広い配光性を有する照明装置として利用することが可能である。
実装基板310の一方の面に実装された半導体発光装置1と、実装基板310の他方の面に実装された半導体発光装置1とは、実装基板を挟んで互いに重ならない位置に実装されている。すなわち、図3の断面視において、複数の半導体発光装置1が千鳥配列されている。
図3において上側の実装面に実装された半導体発光装置1の下には他の半導体発光装置1が位置せず、下側の実装面に実装された半導体発光装置1の上には他の半導体発光装置1が位置しない。
したがって、半導体発光装置1の発光層13から第2の面側に放射された光を、他の半導体発光装置1に妨げられずに、自身が実装された面の反対面側に放射させることができる。
片面だけに半導体発光装置1が実装された構成では、その片面上で隣り合う半導体発光装置1の間では相対的に発光強度が弱くなる。すなわち、発光装置全体で見ると発光ムラが生じる。
その発光ムラを改善するひとつの方法として、半導体発光装置1の実装密度を高め、隣り合う半導体発光装置1間の間隔を狭くする方法が考えられる。しかしながら、半導体発光装置1間の間隔が狭くなると、放熱性の低下が懸念される。
実施形態によれば、両面発光する半導体発光装置1を、透明な実装基板310の両面に実装している。このため、一方の実装面側における半導体発光装置1間の発光強度の低下を、他方の実装面に実装された半導体発光装置1の第2の面側への放射光で補うことができる。
したがって、実施形態によれば、それぞれの実装面上における半導体発光装置1の実装密度を抑えつつ、実装基板310の両面の発光均一性を実現できる。
次に、図4(a)〜図11(b)を参照して、実施形態の半導体発光装置1の製造方法について説明する。
図4(a)は、基板10の主面上に形成された第1の半導体層11、発光層13および第2の半導体層12を含む半導体層15を表す断面図である。例えば、MOCVD(metal organic chemical vapor deposition)法を用いて、基板10の上に第1の半導体層11、発光層13および第2の半導体層12を順に成長させる。
基板10は、例えば、シリコン基板またはサファイア基板である。半導体層15は、例えば、窒化ガリウム(GaN)を含む窒化物半導体である。
第1の半導体層11は、例えば、n型GaN層である。また、第1の半導体層11は、基板10の上に設けられたバッファ層と、バッファ層の上に設けられたn型GaN層と、を含む積層構造を有しても良い。第2の半導体層12は、例えば、発光層13の上に設けられたp型AlGaN層と、その上に設けられたp型GaN層と、を含む。発光層13は、例えば、MQW(Multiple Quantum well)構造を有する。
図4(b)および図4(c)は、第2の半導体層12および発光層13を選択的に除去した状態を表している。図4(b)は断面図であり、図4(c)は、基板10の上面側(半導体層15の第2の面側)を表す平面図である。
例えば、RIE(Reactive Ion Etching)法を用いて、第2の半導体層12および発光層13を選択的にエッチングし、第1の半導体層11を露出させる。
図4(c)に示すように、半導体層12および発光層13は、第1の半導体層11上で島状にパターニングされ、基板10の上に複数の発光領域(発光層13を含む部分15e)が形成される。
次に、図5(a)および図5(b)に表すように、第1の半導体層11を選択的に除去する。基板10の上に、相互に分離された複数の半導体層15が形成される。
図5(a)は、基板10およびその上に形成された半導体層15の断面を表している。例えば、第2の半導体層12および発光層13を覆うエッチングマスク(図示しない)を第1の半導体層11の上に設ける。続いて、RIE法を用いて第1の半導体層11をエッチングし、基板10に至る深さの溝80を形成する。
図5(b)は、図5(a)の上面を表している。溝80は、基板10の上に格子状に設けられ、第1の半導体層11を分離する。
半導体層15の第1の面15aは、基板10に接する面であり、第2の面15bは、第1の半導体層11および第2の半導体層12の表面である。
例えばシリコン基板である基板10の上面は少しエッチングされ、溝80は第1の面15aよりも深く形成される。
溝80は、後述するp側電極16およびn側電極17を形成した後に形成しても良い。
次に、半導体層15の第2の面15bに、図6(a)および図6(b)に表すように、p側電極16とn側電極17とを形成する。図6(a)は断面図であり、図6(b)は、図4(a)の上面を表す。
p側電極16は、第2の半導体層12の上(発光領域上)に形成される。n側電極17は、第1の半導体層11の上(非発光領域上)に形成される。p側電極16は、n側電極17よりも広い面積を有する。
p側電極16およびn側電極17は、例えば、スパッタ法、蒸着法等で形成される。p側電極16とn側電極17は、どちらを先に形成してもよいし、同じ材料で同時に形成してもよい。p側電極16は、発光層13の放射光を透過させる透明電極であり、例えばITOからなる。
次に、図7(a)に表すように、基板10の上面に絶縁膜18を形成する。図7(a)は、基板10および基板10上の構造体の断面を表す模式図である。
絶縁膜18は、基板10の上に設けられた構造体を覆い、第1の開口18aおよび第2の開口18bを有する。
絶縁膜18は、例えば、シリコン酸化膜またはシリコン窒化膜であり、CVD(Chemical Vapor Deposition)法を用いて形成することができる。開口18aおよび18bは、例えば、レジストマスクを用いたウェットエッチングにより形成される。第1の開口18aは、p側電極16に通じる。第2の開口18bは、n側電極17に通じる。
次に、図7(b)、(c)は、p側配線層21およびn側配線層22の形成過程を表している。図7(b)は、基板10および基板10上の構造体の断面を表す模式図であり、図7(c)は、図7(b)の上面を表す。
p側配線層21及びn側配線層22は、例えば、スパッタ法により形成される。p側配線層21は、絶縁膜18の上および第1の開口18aの内部に形成される。p側配線層21は、p側電極16に電気的に接続される。n側配線層22は、絶縁膜18の上および第2の開口18bの内部に形成される。n側配線層22は、n側電極17に電気的に接続される。
次に、図8(a)〜(c)は、p側金属ピラー23およびn側金属ピラー24の形成過程を表している。図8(a)および図8(b)は、基板10および基板10上の構造体の断面を表す模式図であり、図8(c)は、図8(b)の上面を表す。
図8(a)に表すように、開口92aと開口92bとを有するレジストマスク92を形成する。例えば、フォトリソグラフィを用いてレジストマスク92を形成する。
続いて、図8(b)に示すように、開口92aおよび92bの内部にそれぞれp側金属ピラー23およびn側金属ピラー24を形成する。p側金属ピラー23およびn側金属ピラー24は、例えば、電解Cuメッキ法により形成される。
図8(c)に示すように、p側金属ピラー23とn側金属ピラー24は、レジストマスク92gを挟んで向き合う。p側金属ピラー23とn側金属ピラー24の間隔は、実装時の短絡を防ぐために、p側配線層21とn側配線層22の間隔よりも広くする。
レジストマスク92は、例えば、溶剤もしくは酸素プラズマを用いて、図9(a)に示すように除去される。続いて、図9(b)に表すように、絶縁膜18の上に第2の絶縁膜として絶縁膜25を積層する。絶縁膜25は、p側配線層21、n側配線層22、p側金属ピラー23およびn側金属ピラー24を覆う。
絶縁膜25は、p側配線層21とp側金属ピラー23を含むp側配線部41と、n側配線層22とn側金属ピラー24を含むn側配線部43との間を絶縁する。
次に、図10(a)に示すように、半導体層15から基板10を除去する。基板10がシリコン基板の場合、例えば、ウェットエッチングにより基板10を選択的に除去することができる。基板10がサファイア基板の場合には、例えば、レーザーリフトオフ法により基板10を除去することができる。
p側金属ピラー23、n側金属ピラー24および絶縁膜25を含む支持体によって、半導体層15、p側電極16およびn側電極17を含む発光素子が支持された状態で、基板10が除去される。発光素子は、基板10が除去された後も、p側金属ピラー23、n側金属ピラー24および絶縁膜25を含む支持体により支持された状態を保つ。
基板の10上にエピタキシャル成長された半導体層15は、大きな内部応力を含む場合がある。また、p側金属ピラー23、n側金属ピラー24および絶縁膜25は、例えばGaN系材料の半導体層15に比べて柔軟な材料である。したがって、エピタキシャル成長時の内部応力が基板10の剥離時に一気に開放されたとしても、p側金属ピラー23、n側金属ピラー24および絶縁膜25は、その応力を吸収する。このため、基板10を除去する過程における半導体層15の破損を回避することができる。
基板10を除去した後、半導体層15の第1の面15aに微細な凹凸を形成する。例えば、KOH(水酸化カリウム)水溶液やTMAH(水酸化テトラメチルアンモニウム)等で、第1の面15aをウェットエッチングする。このエッチングでは、結晶面方位に依存したエッチング速度の違いが生じる。このため、図10(a)に表すように、第1の面15aに凹凸を形成することができる。また、第1の面15aの上にレジストマスクを形成し、第1の面15aを選択的にエッチングしても良い。第1の面15aに凹凸を形成することにより、発光層13の放射光の取り出し効率を向上させることができる。
次に、図10(b)に表すように、第1の面15aの上に蛍光体層30を形成する。蛍光体層30は、蛍光体31と結合材33とを有し、例えば、印刷、ポッティング、モールド、圧縮成形などの方法により形成される。
また、蛍光体層30として、蛍光体31を結合材33を介して焼結させた焼結蛍光体を第1の面15aに接着させても良い。例えば、第1の面15aにエポキシ樹脂等を含む接着材(接着層)を塗布し、その接着層に蛍光体31を焼結したプレートを圧着させる。これにより、蛍光体層30は、接着層を介して第1の面15aに接着される。
結合材33は、例えば、シリコーン樹脂、アクリル樹脂、フェニル樹脂などの樹脂である。また、結合材33として、ガラス材を用いても良い。
絶縁膜25の表面(図10(b)における下面)は研削され、p側金属ピラー23およびn側金属ピラー24が露出される。p側金属ピラー23の露出面は、p側外部端子23aとなり、n側金属ピラー24の露出面は、n側外部端子24aとなる。
次に、図11(a)および図11(b)に示すように、隣り合う半導体層15間の領域であるダイシング領域の位置で、蛍光体層30、絶縁膜18および絶縁膜25を切断する。蛍光体層30、絶縁膜18および絶縁膜25の切断は、例えば、ダイシングブレードを用いて行う。また、レーザ照射により切断しても良い。
ウェーハは、少なくとも1つの半導体層15を含む半導体発光装置1として個片化される。図11(a)は、半導体発光装置1の断面を表し、図11(b)は、図11(a)の下面を表し、p側外部端子23aおよびn側外部端子24aが露出した半導体発光装置1の実装面を表す。
半導体層15は、ダイシング領域に存在しないためダイシングによるダメージを受けない。また、個片化された時点で、半導体層15の側面が絶縁膜18で覆われ保護された構造が得られる。
なお、半導体発光装置1は、ひとつの半導体層15を含むシングルチップ構造でも良いし、複数の半導体層15を含むマルチチップ構造であっても良い。
ダイシングする前の工程は、ウェーハ状態で一括して行われるため、個片化された個々のデバイスごとに、配線およびパッケージングを行う必要がなく、大幅なコストの低減が可能になる。すなわち、個片化された状態で、すでに配線およびパッケージングが施されている。このため、実施形態によれば、生産性を高めることが可能で有り、製造コストを低減できる。
蛍光体層30はウェーハ状態で形成されるため、蛍光体層30は、半導体層15の第1の面15a上および支持体上に限定され、半導体層15の第2の面や、支持体の側面(絶縁膜18の側面、絶縁膜25の側面)に、まわりこんで形成されていない。
ウェーハ状態で、支持体および蛍光体層30を形成した後に、それらが切断されるため、蛍光体層30の側面と、支持体の側面を構成する絶縁膜18、25の側面とが、個片化された半導体発光装置1の側面を形成する。
したがって、蛍光体層30の側面、絶縁膜18の側面、および絶縁膜25の側面は揃っており、チップサイズパッケージ構造の小型の半導体発光装置1を提供することができる。
(第2実施形態)
図12(a)は、第2実施形態の半導体発光装置5の模式斜視図である。
図12(b)は、図12(a)におけるA−A断面図である。
図12(c)は、図12(a)におけるB−B断面図である。
図13は、第2実施形態の発光装置の模式断面図である。
図12(a)は、第2実施形態の半導体発光装置5の模式斜視図である。
図12(b)は、図12(a)におけるA−A断面図である。
図12(c)は、図12(a)におけるB−B断面図である。
図13は、第2実施形態の発光装置の模式断面図である。
図12(a)および図12(c)に表すように、p側金属ピラー23の一部の側面は、半導体層15の第1の面15aおよびその反対側の第2の面と異なる面方位の第3の面25bで、絶縁膜25から露出している。その露出面は、図13に示す実装基板320に実装するためのp側外部端子23bとして機能する。
例えば、第3の面25bは、半導体層15の第1の面15aおよび第2の面に対して略垂直な面である。絶縁膜25は、例えば、矩形状の4つの側面を有し、そのうちのひとつの側面が第3の面25bである。
その同じ第3の面25bにおいて、n側金属ピラー24の一部の側面が絶縁膜25から露出している。その露出面は、外部の実装基板310に実装するためのn側外部端子24bとして機能する。
また、図12(a)に表すように、p側配線層21の一部の側面21bも、第3の面25bで絶縁膜25から露出し、p側外部端子として機能する。同様に、n側配線層22の一部の側面22bも、第3の面25bで絶縁膜25から露出し、n側外部端子として機能する。
p側金属ピラー23において、第3の面25bに露出しているp側外部端子23b以外の部分は、絶縁膜25に覆われている。また、n側金属ピラー24において、第3の面25bに露出しているn側外部端子24b以外の部分は、絶縁膜25に覆われている。
また、p側配線層21において、第3の面25bで露出している側面21b以外の部分は、絶縁膜25に覆われている。さらに、n側配線層22において、第3の面25bに露出している側面22b以外の部分は、絶縁膜25に覆われている。
図13に示すように、半導体発光装置5は、第3の面25bを実装基板320の実装面301に向けた姿勢で実装される。第3の面25bに露出しているp側外部端子23bおよびn側外部端子24bは、それぞれ、実装面301に設けられたパッド302にはんだ303を介して接合される。実装基板320の実装面301には、例えば、外部回路につながる配線パターンが設けられ、パッド302はその配線パターンに接続されている。第2実施形態において、実装基板320は透明でなくてもよい。例えば、実装基板320として、樹脂基板、セラミック基板を用いることができる。
第3の面25bは、第1の面15aに対して略垂直である。したがって、第3の面25bを実装面301側に向けた姿勢で、第1の面15aは実装面301に対して、平行な横方向または傾いた方向に向く。すなわち、半導体発光装置5は、いわゆるサイドビュータイプの半導体発光装置であり、実装面301に平行な横方向または斜めの方向に光を放出する。
また、発光層13の放射光は、半導体層15の第2の面側にも放射される。そして、第2実施形態においても、第2の面側において発光領域に設けられたp側電極16は、発光層13の放射光に対して透明である。さらに、第2の面側に設けられた、絶縁膜18、p側配線層21、n側配線層22および絶縁膜25も、発光層13の放射光に対して透明である。
したがって、第2の面側に放射された発光層13の放射光は、p側電極16、絶縁膜18、p側配線層21およびn側配線層22を透過し、さらにp側金属ピラー23とn側金属ピラー24との間の絶縁膜25を透過して、半導体発光装置5の外部に放射される。
すなわち、第2実施形態によれば、発光層13を挟んで反対側に位置する2つの異なる面から光が放射されるサイドビュータイプの発光装置が提供される。
(第3実施形態)
図14は、第3実施形態の半導体発光装置3の模式断面図である。
図14は、第3実施形態の半導体発光装置3の模式断面図である。
第3実施形態においても、第2の面側において発光領域に設けられたp側電極16は、発光層13の放射光に対して透明である。さらに、第2の面側に設けられた、絶縁膜18、p側配線層21、n側配線層22および絶縁膜25も、発光層13の放射光に対して透明である。
したがって、第2の面側に放射された発光層13の放射光は、p側電極16、絶縁膜18、p側配線層21およびn側配線層22を透過し、さらにp側金属ピラー23とn側金属ピラー24との間の絶縁膜25を透過して、半導体発光装置3の外部に放射される。
また、第3実施形態では、絶縁膜25に複数の蛍光体61が分散されている。絶縁膜25は、複数の粒子状の蛍光体61を一体化する結合材として機能する。蛍光体61は、発光層13の放射光によって励起され、発光層13の放射光とは異なる波長の光を放射する。蛍光体61は、例えば、黄色蛍光体、赤色蛍光体、緑色蛍光体である。絶縁膜25は、発光層13の放射光および蛍光体61の放射光に対する透過性を有する。
したがって、第3実施形態によれば、半導体発光装置3の両面から、発光層13の放射光と、蛍光体の放射光との混合色の発光が得られる。
第3実施形態の半導体発光装置3も、図2、3に示すように、透明な実装基板310に実装して、広い配光性を有する発光装置として構成することができる。
また、図13に示すサイドビュータイプの半導体発光装置の絶縁膜25に蛍光体を分散させてもよい。
実施形態によれば、前記第1の絶縁膜上の前記第2の配線層の面積は、前記第2の配線層と前記第2の電極とのコンタクト面積よりも大きい。
また、実施形態によれば、前記第1の金属ピラーは前記第1の配線層よりも厚く、前記第2の金属ピラーは前記第2の配線層よりも厚い。
また、実施形態によれば、前記第2の絶縁膜は、前記第1の金属ピラーの周囲及び前記第2の金属ピラーの周囲に設けられている。
また、実施形態によれば、前記蛍光体層の側面及び前記第2の絶縁膜の側面が、前記半導体発光装置の側面を形成している。
また、実施形態によれば、前記蛍光体層は、前記第1の面上及び前記第2の絶縁膜の上に設けられ、前記第2の絶縁膜の側面には設けられていない。
また、実施形態によれば、前記第2の絶縁膜は、前記発光層の放射光により励起され前記発光層の放射光とは異なる波長の光を放射する複数の蛍光体を含む。
また、実施形態によれば、前記実装基板の一方の面に実装された半導体発光装置と、前記実装基板の他方の面に実装された半導体発光装置とは、前記実装基板を挟んで互いに重ならない位置に実装されている。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
1,3,5…半導体発光装置、10…基板、11…第1の半導体層、12…第2の半導体層、13…発光層、15…半導体層、15a…第1の面、15b…第2の面、18…絶縁膜、21…p側配線層、22…n側配線層、23…p側金属ピラー、24…n側金属ピラー、25…絶縁膜、30…蛍光体層、31,61…蛍光体、33…結合材、41…p側配線部、43…n側配線部、310,320…実装基板
Claims (11)
- 第1の面と、その反対側の第2の面を持ち、発光層を有する半導体層と、
前記第2の面側において前記半導体層の発光領域に設けられ、前記発光層の放射光を透過させる第1の電極と、
前記第2の面側において前記半導体層の非発光領域に設けられた第2の電極と、
前記第2の面側に設けられ、前記発光層の放射光を透過させる第1の絶縁膜と、
前記第1の絶縁膜上に設けられるとともに前記第1の電極に接続され、前記発光層の放射光を透過させる第1の配線層と、
前記第1の絶縁膜上に設けられるとともに前記第2の電極に接続され、前記発光層の放射光を透過させる第2の配線層と、
前記第1の配線層上に設けられ、外部接続可能な端部を有する第1の金属ピラーと、
前記第2の配線層上に設けられ、外部接続可能な端部を有する第2の金属ピラーと、
前記第1の金属ピラーと前記第2の金属ピラーとの間に、前記第1の金属ピラーの側面及び前記第2の金属ピラーの側面に接するように設けられ、前記発光層の放射光を透過させる第2の絶縁膜と、
前記第1の面側に設けられ、前記発光層の放射光により励起され前記発光層の放射光とは異なる波長の光を放射する複数の蛍光体と、前記複数の蛍光体を一体化し前記発光層の放射光及び前記蛍光体の放射光を透過させる結合材と、を含む蛍光体層と、
を備え、
前記第1の電極の面積は、前記第2の電極の面積よりも大きく、
前記第2の配線層は、前記発光領域上に延在し、
前記第2の配線層と前記第2の金属ピラーとのコンタクト面積は、前記第2の配線層と前記第2の電極とのコンタクト面積よりも大きく、
前記半導体層は、前記第1の面側に基板を含まず、
前記蛍光体層は、前記半導体層との間に基板を介することなく、前記第1の主面上に設けられている半導体発光装置。 - 第1の面と、その反対側の第2の面を持ち、発光層を有する半導体層と、
前記第2の面側において前記半導体層の発光領域に設けられ、前記発光層の放射光を透過させる第1の電極と、
前記第2の面側において前記半導体層の非発光領域に設けられた第2の電極と、
前記第2の面側に設けられ、前記発光層の放射光を透過させる第1の絶縁膜と、
前記第1の絶縁膜上に設けられるとともに前記第1の電極に接続され、前記発光層の放射光を透過させる第1の配線層と、
前記第1の絶縁膜上に設けられるとともに前記第2の電極に接続され、前記発光層の放射光を透過させる第2の配線層と、
前記第1の配線層上に設けられ、外部接続可能な端部を有する第1の金属ピラーと、
前記第2の配線層上に設けられ、外部接続可能な端部を有する第2の金属ピラーと、
前記第1の金属ピラーと前記第2の金属ピラーとの間に、前記第1の金属ピラーの側面及び前記第2の金属ピラーの側面に接するように設けられ、前記発光層の放射光を透過させる第2の絶縁膜と、
前記第1の面側に設けられ、前記発光層の放射光により励起され前記発光層の放射光とは異なる波長の光を放射する複数の蛍光体と、前記複数の蛍光体を一体化し前記発光層の放射光及び前記蛍光体の放射光を透過させる結合材と、を含む蛍光体層と、
を備えた半導体発光装置。 - 前記第1の電極の面積は、前記第2の電極の面積よりも大きい請求項2記載の半導体発光装置。
- 前記第2の配線層は、前記発光領域上に延在している請求項2または3に記載の半導体発光装置。
- 前記第2の配線層と前記第2の金属ピラーとのコンタクト面積は、前記第2の配線層と前記第2の電極とのコンタクト面積よりも大きい請求項2〜4のいずれか1つに記載の半導体発光装置。
- 前記半導体層は、前記第1の面側に基板を含まず、
前記蛍光体層は、前記半導体層との間に基板を介することなく、前記第1の主面上に設けられている請求項2記載の半導体発光装置。 - 前記第2の絶縁膜は、前記第1の金属ピラーの周囲及び前記第2の金属ピラーの周囲に設けられ、
前記蛍光体層の側面と前記第2の絶縁膜の側面とが揃っている請求項1〜6のいずれか1つに記載の半導体発光装置。 - 実装基板と、
前記実装基板に実装された半導体発光装置と、
を備え、
前記半導体発光装置は、
第1の面と、その反対側の第2の面を持ち、発光層を有する半導体層と、
前記第2の面側において前記半導体層の発光領域に設けられ、前記発光層の放射光を透過させる第1の電極と、
前記第2の面側において前記半導体層の非発光領域に設けられた第2の電極と、
前記第2の面側に設けられ、前記発光層の放射光を透過させる第1の絶縁膜と、
前記第1の絶縁膜上に設けられるとともに前記第1の電極に接続され、前記発光層の放射光を透過させる第1の配線層と、
前記第1の絶縁膜上に設けられるとともに前記第2の電極に接続され、前記発光層の放射光を透過させる第2の配線層と、
前記第1の配線層上に設けられ、前記実装基板に接続された第1の金属ピラーと、
前記第2の配線層上に設けられ、前記実装基板に接続された第2の金属ピラーと、
前記第1の金属ピラーと前記第2の金属ピラーとの間に、前記第1の金属ピラーの側面及び前記第2の金属ピラーの側面に接するように設けられ、前記発光層の放射光を透過させる第2の絶縁膜と、
前記第1の面側に設けられ、前記発光層の放射光により励起され前記発光層の放射光とは異なる波長の光を放射する複数の蛍光体と、前記複数の蛍光体を一体化し前記発光層の放射光及び前記蛍光体の放射光を透過させる結合材と、を含む蛍光体層と、
を有する発光装置。 - 前記実装基板は、前記発光層の放射光を透過させる請求項8記載の発光装置。
- 複数の前記半導体発光装置が、前記実装基板の両面に実装されている請求項9記載の発光装置。
- 前記半導体層は、前記第1の面側に基板を含まず、
前記蛍光体層は、前記半導体層との間に基板を介することなく、前記第1の主面上に設けられている請求項8〜10のいずれか1つに記載の発光装置。
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