JP2015111659A - 発光装置及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
しかしながら、第1導電型層の光取出面を粗面化すると、向上させた光取り出し効率を維持したまま、レンズや波長変換部材などの光学部材と接合することができないという課題がある。つまり、粗面化した第1導電型層上に光学部材を接合した場合、第1導電型層が粗面化されているため、これらの部材の界面にボイド(つまり、屈折率の低い空気の層)が生じる。ボイドがあると、第1導電型層と空気との屈折率の相違からフレネル反射により光の一部又は全部が反射(以下、これらを単に「全反射等」という。)するため、光の取り出し効率が低下する。接着剤を用いて、第1導電型層と光学部材とを接合すればボイドは生じないものの、第1導電型層、接着剤及び光学部材の屈折率がそれぞれ異なるため、それぞれの界面で光が全反射等され易くなり、光の取り出し効率が低下する。
前記半導体発光素子の光取出面を粗面化する粗面化工程と、
前記粗面化した光取出面上に前記第1透光性層を形成する第1透光性層形成工程と、
前記第1透光性層の上面を平坦化する第1透光性層平坦化工程と、
前記平坦化した第1透光性層の上面と、前記光学部材の表面とを直接接合する接合工程と、を含むことを特徴とする。
本発明に係る発光装置の製造方法によれば、半導体発光素子の光取出面側に第1透光性層が形成され、この第1透光性層の上面が平坦化されて、当該上面と光学部材の表面とが直接接合されるので、光の取り出し効率を良くした発光装置を製造することができる。
はじめに、図1を参照して本実施形態に係る発光装置について説明する。
なお、図1に示す発光装置1は、n側電極2nとp側電極2pが半導体積層体3の一面側に設けられたフリップチップ実装(フェイスダウン実装)のLEDチップを例に図示している。なお、図1では、発光装置1は、半導体積層体3のn電極2nとp側電極2pが形成された面(以下、「電極形成面」とも呼ぶ)が下向きとなるようにフリップチップ実装されており、半導体積層体3の電極形成面とは反対側の面から上向きに光が出射される。なお、本発明の技術的思想はこれに限定されず、ワイヤ実装(フェイスアップ実装)の発光装置1にも適用可能である。
より具体的には、発光装置1は、発光素子4の光取出面41側に第1透光性層5を介して光学部材6を備えている。すなわち、発光装置1は、発光素子4の光取出面41に第1透光性層5及び光学部材6がこの順に積層された構成を有する。そして、本実施形態においては、発光素子4と第1透光性層5との接合面が粗面であり、第1透光性層5と光学部材6との接合面は平坦である。なお、本明細書において「光取出面」とは、図1に示すように、半導体積層体3のn側電極2nとp側電極2pが設けられている表面とは反対側の表面(図1においてn型半導体層31の上面)をいう。また、「接合面」とは、二つの異なる対象物(例えば、要素または部材)の表面が接合された接合部における、二つの対象物の面を包括的に指す。すなわち、「発光素子と第1透光性層との接合面」は、接合部における発光素子の表面および第1透光性層の表面の双方を指し、「第1透光性層と光学部材との接合面」は、接合部における第1透光性層の表面および光学部材の表面の双方を指す。
発光素子4は、半導体積層体3と、n側電極2n及びp側電極2pとを備えている。発光素子4は、半導体積層体3にてn側電極2n及びp側電極2pから注入された電子と正孔とが再結合することで発光する。図1に示されている半導体積層体3は、発光素子4の光取出面41側から、n型半導体層31、活性層32、及びp型半導体層33がこの順に積層されて構成されている。なお、活性層32は発光層とも呼称されるものであるが、活性層32の形成は任意である。n型半導体層31はn側電極2nと接続され、p型半導体層33はp側電極2pと接続される。
n側電極2n及びp側電極2pは、一般的な発光素子と同様に、金属電極材料から成り、金属電極材料は、例えば、Au、Cu、Ni、Ti、Al、Pt、Cr及びRhなどから成る群より選択される少なくとも一つ、又はその合金である。n側電極2n及びp側電極2pはそれぞれ、単層、又は多層膜として形成されていてよい。n側電極2n及びp側電極2pは、例えば、Cu単層又はCu/Ni積層膜を下層とし、Au又はAuSn合金を上層とする多層膜としてよい。n側電極2n及びp側電極2pはそれぞれ、スパッタリング又は蒸着などにより形成することができる。
第1透光性層5は、半導体積層体3のn型半導体層31の上面、つまり、発光素子4の光取出面41上に形成されている。この第1透光性層5は誘電性を有するものであってもよい。第1透光性層5は、光取出面41から取り出した光を層内で伝播させて反対側の面(本明細書においてこの面を「光出射面51」ということもある。)から出射する。
第1透光性層5の屈折率は、光の透過率を勘案し、材料の選択及び層形成条件等によって任意に調整することができる。SiO(具体的には、例えばSiO2)の屈折率は1.41であり、SiN(具体的には、例えばSi3N4)の屈折率は2.0であり、SiON(一般的にSiOxNyとも呼称されている。)の屈折率はその間である。従って、例えばCVDなどで第1透光性層5を形成する場合、SiとOとNの含有比率を適宜設定することにより、その屈折率を半導体積層体3の屈折率と同程度としたり、あるいは光学部材6の屈折率と同程度としたりすることができる。
原子拡散接合とは、接合対象である部材の表面(すなわち、接合後に接合面となる表面)それぞれに超高真空中で、例えば、Al等の微細結晶膜を形成し、それらの薄膜を真空中で重ね合わせて接合する方法である。
水酸基接合とは、接合対象である部材の表面それぞれに親水化処理を施すことにより水酸基(OH基)を形成し、表面同士を接触させることにより互いの水酸基同士を水素結合させて接合する方法である。
光学部材6は、前記したように、第1透光性層5の光出射面51上に設けられ、好ましくは第1透光性層5の光出射面51上に、直接接合される。直接接合は好ましくは常温接合法により実施される。光学部材6は、第1透光性層5の光出射面51から出射された光に所定の作用を及ぼす機能を有する。そのような光学部材6として、例えば、蛍光体板、サファイア基板、GaN基板及びレンズなどが挙げられるが、これらに限定されるものではない。光学部材6の材料は、発光素子4からの光の波長に対して透明である限りにおいて、特に限定されない。
光学部材6の屈折率は、好ましくは、第1透光性層5の屈折率と同程度であるか、同一である。なお、光学部材6の屈折率が2.0を超えると、より多くの光が吸収される傾向にあるので、光の取り出し効率を向上させることが困難となる場合がある。
以上、主に図1を参照して説明した発光装置1においては、第1透光性層5の光出射面51上に、光学部材6として平板状部材(例えば、蛍光体板等)を接合している。以下においては、変形例として、他の光学部材を用いた発光装置を説明する。なお、既に説明したものと同じ部材又は要素には同じ符号を付し、その説明を省略する。
次に、図10を参照して他の実施形態に係る発光装置について説明する。
図10に示す発光装置は、例えば、液晶ディスプレイのバックライト、フルカラー表示の屋外ディスプレイ、玩具、一般照明、及び光通信用の光源などとして用いられる発光装置の一態様である。以下の説明では、説明の便宜のため本実施形態に係る発光装置を「光源装置10」という。
実装基板11への発光装置1の実装は、当該発光装置1の電極(n側電極2n及びp側電極2p)を、バンプ13を介して実装基板11の配線14に接続することで行われる。
封止部材12は、例えば、エポキシ樹脂及びシリコーン樹脂などの樹脂材料、ならびにガラスなどの無機材料から選択される材料で形成してよい。封止方法は特に限定されるものではない。例えば、金型を用いた圧縮成形法又はトランスファー成形法を用いて、封止部材12を形成することができる。あるいは、実装基板11の任意の部分(例えば外縁)に土手を設け、適度な粘性を有する封止部材12の材料を滴下するポッティング法を用いることもできる。封止部材12は、発光装置1が発する光に対して透明であることが好ましく、必要に応じて、光拡散部材、熱伝導部材、又は発光波長を変換するための蛍光体などを含んでよい。
バンプ13は、例えば、Auバンプ、半田バンプ、及びCuピラーバンプなどのめっきバンプ、Auスタッドバンプ、又は半田印刷などであってよい。
次に、図11及び図12A〜図12Kを参照して本実施形態に係る発光装置の製造方法(以下、単に「製造方法」ということもある。)について説明する。
本実施形態に係る製造方法は、発光素子4の光取出面41側に第1透光性層5を介して光学部材6が設けられた発光装置1の製造方法である。
図11に示すように、本実施形態に係る製造方法の最小構成は、粗面化工程S5と、第1透光性層形成工程S6と、第1透光性層平坦化工程S7と、接合工程S8とから成る。本製造方法においては、これらの工程がこの順序で行われて、前記した発光装置1が製造される。
ここで、図12A〜図12Dは粗面化工程S5よりも前に行われる前工程を図示している。また、図12E〜図12Iは粗面化工程S5から接合工程S8までを図示している。図12Jはサポート基板剥離工程S9を図示し、図12Kは割断工程S10を図示している。
以下、図11とともにこれら図12A〜図12Kを適宜参照して製造方法のより詳細で、好適な実施形態について順に説明する。なお、言うまでもなく、製造方法の最小構成はこの詳細な実施形態に含まれており、詳細な実施形態の説明をもってその説明に替える。
図11及び図12Aに示すように、LED形成工程S1は、成長基板20上にn型半導体層31、活性層32、p型半導体層33(いずれも図12Aにおいて図示せず。図1参照)をこの順で積層して半導体積層体3を形成し、これに所定の電極を形成する工程である。
図1を参照して具体的に説明すると、成長基板20上にn型半導体層31、活性層32及びp型半導体層33が順次積層される。これに続けて、フォトリソグラフィとエッチングとを行い、p型半導体層33、活性層32、及びn型半導体層31の一部を除去し、n側電極2nを形成する位置でn型半導体層31を露出させるとともに、発光素子4を分離するための凹部を形成する。そして、露出したn型半導体層31の底面にn側電極2nを形成する。p側電極2pは、p型半導体層33上の所定の位置に形成する。なお、保護層7もこの工程で設けるのが好ましい。成長基板20としては、サファイア基板などを好適に用いることができる。また、この時点でLEDの諸特性を測定しておくのが好ましい。
次いで、図11及び図12Bに示すように、サポート基板貼合工程S2は、n側電極2nとp側電極2pを形成した側に、樹脂21を用いてサポート用の基板(サポート基板22)を貼り合せる工程である。
サポート基板22は、例えば、サファイア又は貫通穴あきのキャリアプレートであってよい。
樹脂21は、好ましくは、ウエット処理(ウエットエッチング)又はドライ処理(ドライエッチング)で除去でき、高い温度に対して、また酸及びアルカリに対して高い耐性を有するものである。そのような樹脂としては、例えばポリイミド系樹脂が挙げられる。
図11及び図12Cに示すように、成長基板剥離工程S3は、成長基板20上に形成された発光素子4から成長基板20(図12Cにおいて図示せず。図12B参照。)を剥離する工程である。
成長基板20は、成長基板20側からn型半導体層31を形成する材料(例えばGaNなど)が吸収する波長のレーザを照射する方法(レーザリフトオフ(LLO))により剥離してよい。なお、本発明に係る発光装置1は成長基板20を有しない構成であるので、成長基板20の側面から出射される光(青色LEDの場合はブルーライト)のケアが不要になる。
次いで、図11及び図12Dに示すように、研磨工程S4を実施する。研磨工程S4は、成長基板20の剥離により露出した発光素子4の剥離面4aを研磨する工程である。本実施形態において、研磨は、LED形成工程で形成した凹部にて発光素子4(より具体的には半導体層)を分離するために実施される。研磨は、研磨により凹部の底が除去されるように実施される。
かかる研磨は、例えばCMP法により、あるいはグラインダ及びポリッシャを用いることにより行うことができる。なお、製造した発光装置1を紫外LEDとして用いる場合はこの研磨工程S4において紫外線を吸収してしまうn型半導体層31の成長初期の層を除去するのが好ましい。
以上の各工程を行った場合、後記する粗面化工程S5において、研磨した剥離面4a(この面は発光素子4の光取出面41に相当する)を粗面化する(図11及び図12E参照)。
図11及び図12Eに示すように、粗面化工程S5は、発光素子4の光取出面41を粗面化する工程である。
粗面化工程S5においては、平坦化された光取出面41(又は研磨工程S4で研磨した剥離面4a)を有する発光素子4に対して、所定の処理が実施される。
所定の処理は、例えば、アルカリ溶液を用いたウエット処理(ウエットエッチング)又はドライ処理(ドライエッチング)などである。これらの処理により、発光素子4の光取出面41を自己組織的に荒らすことができる。なお、粗面化処理はこれらに限定されるものではなく、例えば、グラインダ及び/又はポリッシャを用いた処理であってよい。あるいは、粗面化工程S5は、フォトリソグラフィ及びエッチング等により、ドットパターン又はラインアンドスペースパターンを形成する工程であってよい。あるいはまた、粗面化工程S5は、ドットパターン又はラインアンドスペースパターンの形成と、ウエット処理又はドライ処理とを併用する工程であってよい。
図11及び図12Fに示すように、第1透光性層形成工程S6は、粗面化した光取出面41上に第1透光性層5を形成する工程である。
第1透光性層5は前記したように、例えば、無機誘電体材料又は有機無機ハイブリッド材料からなる。第1透光性層5の形成方法は、材料に応じて、CVD、スパッタリング、蒸着、ALD、ゾル・ゲル法、その場(in situ)重合法、及び固相反応法などから、適宜選択してよい。
図11及び図12Gに示すように、第1透光性層平坦化工程S7は、第1透光性層5の上面を平坦化する工程である。この工程によって平坦化された第1透光性層5の上面が光出射面51となる。
第1透光性層5の上面の平坦化は、例えば、CMP法により行うことができる。平坦化は、第1透光性層5の上面の算術平均粗さRaが既述したとおり1nm以下となるように実施することが好ましい。
図11及び図12Iに示すように、接合工程S8は、平坦化した第1透光性層5の上面(光出射面51)と、平坦化された光学部材6の表面61とを接合する工程である。
光学部材6の第1透光性層5と接合される表面61はこの接合工程S8前に平坦化しておくのが好ましい。光学部材6の表面61が十分に平坦である場合は、表面61を平坦化する処理は必要ない。なお、光学部材6の表面61の算術平均粗さRaは既述したとおり1nm以下であるのが好ましく、したがって、平坦化処理を実施する場合にはRaが1nm以下となるように実施することが好ましい。
第1透光性層5の光出射面51と、光学部材6の表面61との接合は前記したように、常温接合法により直接接合するのが好ましい。直接接合は、より具体的には、表面活性化接合、原子拡散接合又は水酸基接合であるのが好ましい。
前記したように、光学部材6の材質が均質でなく、CMP法などによっても表面61の算術平均粗さRaを1nm以下とするのが困難な場合がある。そのような場合は、光学部材6の表面61上に、表面91を平坦化した第2透光性層9を形成し(図7参照)、当該第2透光性層9を介して光学部材6を第1透光性層5と接合するとよい。
具体的には、図11に示すように、接合工程S8に先立って、光学部材6に第2透光性層を形成する第2透光性層形成工程S81と、第2透光性層平坦化工程S82と、を行うのが好ましい。
図11に示すように、第2透光性層形成工程S81は、第1透光性層5と対向することになる光学部材6の表面61に、透光性を有する第2透光性層9を形成する工程である。
第2透光性層9は、第1透光性層5と同様の材料及び手法によって形成することができる。なお、第2透光性層9の形成方法は、第1透光性層5の形成方法として例示した方法に限定されず、例えば、予め作製したおいた第2透光性層9を光学部材6に接合する方法であってよい。いずれにしても、この第2透光性層形成工程S81は発光素子4とは関係のない別工程であるため、形成条件(例えば温度や接合方法)は何らの制限も受けず、材料に適した条件を採用して実施できる。例えば、第2透光性層9は、400℃以上にて形成し、あるいは光学部材6に接合してよい。あるいはまた、第2透光性層9は電界を利用して光学部材6に接合してもよい。
図11に示すように、第2透光性層平坦化工程S82は、光学部材6上に形成された第2透光性層9の表面91を平坦化する工程である。
第2透光性層9の平坦化は、例えば、CMP法により行うことができる。平坦化は、第2透光性層9の表面91の算術平均粗さRaが1nm以下となるように実施するのが好ましい。第2透光性層9の表面91の平坦化により、第1透光性層5と第2透光性層9とを良好に直接接合することができ、また、第2透光性層9と第1透光性層5との接合界面のボイドによって生じる光の全反射等を抑制することができる。
このプロセスにより、発光素子4/第1透光性層5/第2透光性層9/光学部材6という構成を有する発光装置1を得ることができる。
図11及び図12Jに示すように、サポート基板剥離工程S9は、光学部材6が接合された発光素子4から、樹脂21とともにサポート基板22(いずれも図12Jにおいて図示せず。図12I参照。)を剥離する工程である。
サポート基板22の剥離は、用いた樹脂21に応じて適切な方法により行うことができる。なお、サポート基板剥離工程S9は製造プロセスにおいて他のタイミングで行うこともできるが、製造途中の発光素子4の強度及びハンドリング性を考慮すると、割断工程S10の直前に行うのが好ましい。
図11及び図12Kに示すように、割断工程S10は、サポート基板22が剥離された状態の積層構造物を割断してチップ化し、発光装置1を製造する工程である。チップ化はスクライブやダイシングによって行うことができる。発光素子4のチップ化が例えば第1透光性層平坦化工程の後に実施されている場合、割断工程S10においては、光学部材6のみが分離されることとなる。
2n n側電極
2p p側電極
2p1 全面電極
2p2 カバー電極
3 半導体積層体
31 n型半導体層
32 活性層
33 p型半導体層
4 発光素子(半導体発光素子)
41 光取出面
5 第1透光性層
51 光出射面
6 光学部材
61 表面
7 保護層
9 第2透光性層
91 表面
10 光源装置(発光装置)
Claims (14)
- 半導体発光素子の光取出面側に第1透光性層を介して光学部材を備え、
前記半導体発光素子と前記第1透光性層との接合面が粗面であり、
前記第1透光性層と前記光学部材との接合面が平坦であり、
前記第1透光性層と、前記光学部材とが、直接接合していることを特徴とする発光装置。 - 前記接合面を形成する前記第1透光性層の表面の算術平均粗さRaと、前記光学部材の表面の算術平均粗さRaがともに1nm以下であることを特徴とする請求項1に記載の発光装置。
- 前記第1透光性層がSiO2、SiON、TiO2、及びAl2O3から成る群から選択される少なくとも一つの無機誘電体材料、又はSiO2、SiON、TiO2、及びAl2O3から成る群から選択される少なくとも一つを無機成分とする有機無機ハイブリッド材料からなることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の発光装置。
- 前記第1透光性層の屈折率が1.4〜2.0であることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の発光装置。
- 前記光学部材が、蛍光体板、サファイア基板、GaN基板又はレンズであることを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の発光装置。
- 前記第1透光性層と前記光学部材との直接接合が、表面活性化接合、原子拡散接合又は水酸基接合により行われていることを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか一項に記載の発光装置。
- 前記光学部材は、第2透光性層を備え、
前記光学部材と前記第1透光性層との接合面が、前記第1透光性層と前記第2透光性層との接合面であり、当該接合面が平坦であり、
当該第2透光性層と、前記第1透光性層とが、直接接合していることを特徴とする請求項1から請求項6のいずれか一項に記載の発光装置。 - 前記接合面を形成する前記第2透光性層の表面の算術平均粗さRaが1nm以下であることを特徴とする請求項7に記載の発光装置。
- 前記第2透光性層の屈折率が1.4〜2.0であることを特徴とする請求項7又は請求項8に記載の発光装置。
- 前記第2透光性層がSiO2、SiON、TiO2、及びAl2O3から成る群から選択される少なくとも一つの無機誘電体材料、又はSiO2、SiON、TiO2、及びAl2O3から成る群から選択される少なくとも一つを無機成分とする有機無機ハイブリッド材料からなることを特徴とする請求項7から請求項9のいずれか一項に記載の発光装置。
- 前記第1透光性層と前記第2透光性層との直接接合が、表面活性化接合、原子拡散接合又は水酸基接合により行われていることを特徴とする請求項7から請求項10のいずれか一項に記載の発光装置。
- 実装基板に実装された請求項1から請求項11のいずれか一項に記載の発光装置と、
当該発光装置を封止する封止部材と、を備えた
ことを特徴とする発光装置。 - 半導体発光素子の光取出面側に第1透光性層を介して光学部材を備えた発光装置の製造方法であって、
前記半導体発光素子の光取出面を粗面化する粗面化工程と、
前記粗面化した光取出面上に前記第1透光性層を形成する第1透光性層形成工程と、
前記第1透光性層の上面を平坦化する第1透光性層平坦化工程と、
前記平坦化した第1透光性層の上面と、前記光学部材の表面とを直接接合する接合工程と、
を含むことを特徴とする発光装置の製造方法。 - 前記半導体発光素子を成長基板上に形成する成長工程をさらに含み、
前記粗面化工程の前に、
前記成長基板上に形成された前記半導体発光素子から前記成長基板を剥離する剥離工程と、
前記成長基板の剥離により露出した前記半導体発光素子の剥離面を研磨する研磨工程と、
を行い、
前記粗面化工程において、前記研磨した剥離面を前記光取出面として粗面化する
ことを特徴とする請求項13に記載の発光装置の製造方法。
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