JP2015173221A - 半導体発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】柔軟に発光位置や発光形状を制御でき、且つ発光素子と基板との接続信頼性の高い半導体発光装置を提供する。【解決手段】第１の電極層であるカソード電極層１１と、第２の電極層であるアノード電極層１２と、絶縁性の第１ベース基板１３及び第２ベース基板１４とが積層した積層基板に、カソード電極層の表面から半導体発光素子を圧入する。カソード電極層及びアノード電極層は、メッシュ形状に形成されている。半導体発光素子１６は、発光層、ｎ型半導体層、及びｐ型半導体層からなる半導体積層体の他、円錐状の突起部と、ｎ電極と、ｐ電極とを有している。ｎ電極は半導体積層対の底部に形成され、ｐ電極は突起部の先端部に形成されている。半導体発光素子が積層基板に圧入された状態で、ｎ電極はカソード電極層と、ｐ電極はアノード電極層とそれぞれ接触し、電気的に接続されている。【選択図】図１

Description

本発明は、半導体発光装置に関する。

発光装置において基板上に複数の発光素子を配置する際には、各素子を規則正しく配列する必要があり、また、素子が位置ずれを起こさないように保つ必要がある。そこで、基板上の素子を配列する配列位置に、素子の底部に嵌合する形状の凹部を形成し、配列位置と素子の底部に磁性膜を形成することにより、振動などの物理的外力を与えることで素子を自己配列させることが可能な、素子の配列方法が考えられた（例えば、特許文献１）。

特開２００３−２１６０５２号公報

かかる装置においては、予め素子の底部の形状に嵌合する凹部を基板に設けておく必要があり、工程が複雑である。また、基板の配列位置と素子の底部に磁性膜を形成しているため、場合によっては素子が斜めに嵌りこむ、複数の素子が１つの凹部に引き寄せられる等、必ずしも素子が基板の所定位置に完全に嵌合するとは限らないという問題点があった。

そこで、本発明は、柔軟に発光位置や発光形状を制御でき、且つ発光素子と基板との接続信頼性の高い半導体発光装置を提供することを目的とする。

本発明に係る半導体発光装置は、メッシュ状の第１の金属層、メッシュ状の第２の金属層及び前記第１及び第２の金属層間に設けられた絶縁性のベース基板からなる積層基板と、第１導電型の第１の半導体層、発光層、及び前記第１導電型とは反対導電型の第２導電型の第２の半導体層が順次積層された半導体積層体と、前記半導体積層体の底部に形成され、前記第１の半導体層に接続された第１の電極と、前記半導体積層体の底面から突出し、その先端部に前記第２の半導体層に接続された第２の電極を有する突起部と、を備える半導体発光素子と、を有し、前記半導体発光素子は、前記突起部が前記第１の金属層の表面から前記積層基板に埋め込まれるように圧入され、前記突起部は前記ベース基板を貫通し、前記第１電極は前記第１の金属層と電気的に接続され、前記第２電極は前記第１の金属層と電気的に絶縁され且つ前記第２の金属層と電気的に接続されている、ことを特徴とする。

また、本発明に係る半導体発光装置は、メッシュ状の複数のストライプ電極からなる第１の金属層、メッシュ状の複数のストライプ電極からなる第２の金属層及び前記第１及び第２の金属層間に設けられた絶縁性のベース基板からなる積層基板と、第１導電型の第１の半導体層、発光層、及び前記第１導電型とは反対導電型の第２導電型の第２の半導体層が順次積層された半導体積層体と、前記半導体積層体の底部に形成され、前記第１の半導体層に接続された第１の電極と、前記半導体積層体の底面から突出し、その先端部に前記第２の半導体層に接続された第２の電極を有する突起部と、を各々が備える複数の半導体発光素子と、を有し、前記第１の金属層の前記複数のストライプ電極及び前記第２の金属層の前記複数のストライプ電極は、前記ベース基板を挟んで空間的に交差するように配され、前記複数の半導体発光素子の各々は、前記第１の金属層の前記複数のストライプ電極と前記第２の金属層の前記複数のストライプ電極との交差位置に圧入され、前記複数の半導体発光素子の前記突起部は前記ベース基板を貫通し、前記第１電極は前記第１の金属層と電気的に接続され、前記第２電極は前記第１の金属層と電気的に絶縁され且つ前記第２の金属層と電気的に接続されている、ことを特徴とする。

また、本発明に係る半導体発光装置は、メッシュ状の第１の金属層、メッシュ状の第２の金属層、メッシュ状の第３の金属層、前記第１及び第２の金属層間に設けられた絶縁性の第１のベース基板及び前記第２及び第３の金属層間に設けられた絶縁性の第２のベース基板からなる積層基板と、第１導電型の第１の半導体層、発光層及び前記第１導電型とは反対導電型の第２導電型の第２の半導体層が順次積層された半導体積層体と、前記半導体積層体の底部に形成され、前記第１の半導体層に接続された第１の電極と、前記半導体積層体の底面から突出し、その先端部に前記第２の半導体層に接続された第２の電極を有する突起部と、を各々が備える第１及び第２の半導体発光素子と、を有し、前記第１及び第２の半導体発光素子は、前記突起部が前記第１の金属層の表面から前記積層基板に埋め込まれるように圧入され、前記第１の半導体発光素子の前記突起部は前記第１のベース基板を貫通し、前記第１の電極は前記第１の金属層と電気的に接続され、前記第２の電極は前記第１の金属層と絶縁され且つ前記第２の金属層と電気的に接続され、前記第２の半導体発光素子の前記突起部は前記第１のベース基板及び前記第２のベース基板を貫通し、前記第１の電極は前記第１の金属層と電気的に接続され、前記第２の電極は前記第１の金属層及び前記第２の金属層と絶縁され且つ前記第３の金属層と電気的に接続されている、ことを特徴とする。

また、本発明に係る半導体発光装置は、メッシュ状の第１の金属層、メッシュ状の第２の金属層、メッシュ状の第３の金属層、メッシュ状の第４の金属層、前記第１及び第２の金属層間に設けられた絶縁性の第１のベース基板、前記第２及び第３の金属層間に設けられた絶縁性の第２のベース基板及び前記第３及び第４の金属層間に設けられた絶縁性の第３のベース基板からなる積層基板と、第１導電型の第１の半導体層、発光層及び前記第１導電型とは反対導電型の第２導電型の第２の半導体層が順次積層された半導体積層体と、前記半導体積層体の底部に形成され、前記第１の半導体層に接続された第１の電極と、前記半導体積層体の底面から突出し、その先端部に前記第２の半導体層に接続された第２の電極を有する突起部と、を各々が備える第１発光色、第２発光色及び第３発光色の半導体発光素子と、を有し、第１発光色、第２発光色及び第３発光色の半導体発光素子は、前記突起部が前記第１の金属層の表面から前記積層基板に埋め込まれるように圧入され、前記第１発光色の半導体発光素子の前記突起部は前記第１のベース基板を貫通し、前記第１の電極は前記第１の金属層と電気的に接続され、前記第２の電極は前記第１の金属層と絶縁され且つ前記第２の金属層と電気的に接続され、前記第２発光色の半導体発光素子の前記突起部は前記第１のベース基板及び前記第２のベース基板を貫通し、前記第１の電極は前記第１の金属層と電気的に接続され、前記第２の電極は前記第１の金属層及び前記第２の金属層と絶縁され且つ前記第３の金属層と電気的に接続され、前記第３発光色の半導体発光素子の前記突起部は前記第１のベース基板及び前記第２のベース基板及び前記第３のベース基板を貫通し、前記第１の電極は前記第１の金属層と電気的に接続され、前記第２の電極は前記第１の金属層及び前記第２の金属層及び前記第３の金属層と絶縁され且つ前記第４の金属層と電気的に接続されている、ことを特徴とする。

本発明の実施例１に係る半導体発光装置を模式的に示す斜視図である。 実施例１に係る半導体発光装置の一部を模式的に示す斜視図及び半導体発光素子の断面図である。 実施例１に係る半導体発光装置を示す断面図である。 実施例１に係る半導体発光素子の製造方法を示す断面図である。 実施例１に係る半導体発光素子の突起部の形成方法を示す図である。 実施例１に係る半導体発光装置の製造方法を示す図である。 本発明の実施例２に係る半導体発光装置を模式的に示す斜視図である。 本発明の実施例３に係る半導体発光装置を模式的に示す斜視図である。 実施例３に係る半導体発光装置を示す断面図である。 本発明の実施例４に係る半導体発光装置を模式的に示す斜視図である。 実施例４に係る半導体発光装置の構造を示す断面図である。 実施例４に係る半導体発光装置の駆動方法を示す図である。

以下、本発明の実施例を図面を参照しつつ詳細に説明する。

図１は、本発明の実施例１に係る半導体発光装置１０を模式的に示す斜視図である。半導体発光装置１０は、第１の電極層であるカソード電極層１１、第２の電極層であるアノード電極層１２、第１ベース基板１３及び第２ベース基板１４からなる積層基板１５と、積層基板１５に圧入された複数の半導体発光素子１６とから構成されている。

カソード電極層１１及びアノード電極層１２は、メッシュ状の電極層として形成されている。カソード電極層１２及びアノード電極層１２は、例えば銅箔等に、フォトリソグラフィー等によって数μｍ程度の開口幅を有する穴を開けることにより、メッシュ状に形成されている。また、カソード電極層１２及びアノード電極層１２の表面には、はんだメッキ層が形成されている。

第１ベース基板１３及び第２ベース基板１４は、絶縁性の材料で形成されている。第１ベース基板１３及び第２ベース基板１４は、例えばＰＩ（ポリイミド）、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタラート）等の柔軟性、可撓性があり、力を加えることによって大きく変形することが可能な、絶縁性のＦＰＣ（Flexible Printed Circuits）材から構成されている。

図２（ａ）は、半導体装置１０の一部を拡大して示す斜視図である。半導体発光素子１６は、カソード電極層１１の表面から第１ベース基板１３を貫通してアノード電極層１２に達するように圧入されている。図２（ａ）に示すように、半導体発光素子１６の前面から光が放出される（図中、矢印）。

図２（ｂ）は、半導体発光素子１６の断面図である。半導体発光素子１６は、光透過性基板１７上にバッファ層１８、第１導電型の半導体層であるｎ型半導体層１９、発光層２０、第１導電型とは反対導電型の第２導電型の半導体層であるｐ型半導体層２１及び反射電極２２が順次積層された半導体積層体２３を有している。

半導体発光素子１６は、反射電極２２の表面、すなわち半導体積層体２３の底面から突出した突起部２４を有している。突起部２４は、導電性材料からなり、円錐状の圧入電極として構成され、先端部にｐ電極２６が形成されている。ｐ電極２６は突起部２４及び反射電極２２を介して、ｐ型半導体層２１と電気的に接続されている。

突起部２４の側面は、カソード電極層１１と接触する部分を除いて絶縁膜２７で覆われている。すなわち、突起部２４はカソード電極層１１と絶縁されている。

半導体積層体２３の発光層２０、ｐ型半導体層２１及び反射電極２２の外周部は、ｎ型半導体層１９が露出するように円柱状にエッチングされている。半導体積層体２３の底部のｎ型半導体層１９が露出している部分には、発光層２０、ｐ型半導体層２１及び反射電極２２からなる円柱の外周に沿って、ｎ電極２５が形成されている。ｎ電極２５は、ｎ型半導体層１９と電気的に接続されている。

図３は、半導体発光素子１６と積層基板１５との接続状態を示す断面図である。半導体発光素子１６は突起部２４がカソード電極層１１の表面から積層基板１５に埋め込まれるように圧入されている。突起部２４は、第１ベース基板１３を貫通している。

ｎ電極２５は、カソード電極層１１と接触し、電気的に接続されている。ｐ電極２６は、アノード電極層１２と接触し、電気的に接続されている。

次に、半導体発光素子１６の製造方法について、図４（ａ）〜（ｅ）を参照して説明する。図４（ａ）に示すように、例えばサファイア基板からなる光透過性基板１７上にバッファ層１８を成膜する。バッファ層１８は、例えばＧａＮ等から構成され、光透過性基板１７とｐ型半導体層２１との間の格子不整合を低減する。バッファ層１８の上にｎ型半導体層１９、発光層２０、及びｐ型半導体層２１を順次成長する。ｐ型半導体層上に、反射電極２２を形成する。

ｎ型半導体層１９、発光層２０及びｐ型半導体層２１は、例えばＧａＮ系半導体等から構成されている。反射電極２２は、例えばＡｌ層やＡｇ層から構成されている。

図４（ｂ）に示すように、発光層２０、ｐ型半導体層２１及び反射電極２２を、ｎ型半導体層１９が露出するように、例えば直径数十μｍの円柱状にエッチングする。

図４（ｃ）に示すように、エッチングにより露出したｎ型半導体層１９の表面に、発光層２０、ｐ型半導体層２１及び反射電極２２からなる円柱の外周に沿って、ｎ電極２５を形成する。

図４（ｄ）に示すように、反射電極２２の表面から突出した導電性の突起部２４を形成する。突起部２４は、例えば電鋳メッキを、レジストパターンの枠の大きさを徐々に小さくしながら複数回積み上げることにより、円錐状に形成される。

図４（ｅ）に示すように、突起部２４の先端部に、ｐ電極２６を形成する。また、発光層２０、ｐ型半導体層２１及び反射電極２２からなる円柱の側面から、カソード電極層１１と接触する部分を除く突起部２４の側面にかけて、絶縁膜２７を形成する。

図４（ａ）に示す成長工程の後、図４（ｂ）〜図４（ｅ）に示す工程を行い、光透過性基板１７上に複数の半導体発光素子１６を形成する。

各層（１８〜２２）の成長面とは反対側の光透過性基板１７の表面に、粘着シートを貼付ける。ブレードダイシング法やレーザスクライブ法にて、例えば約５０μｍ角のサイズで複数の半導体発光素子１６を個々に切り離す。以上の工程により、半導体発光素子１６を製造する。

図５（ａ）〜（ｄ）は、突起部２４の形成方法について、４つの場合を示す図である。例えば、図５（ａ）に示すように、電鋳メッキをレジストパターンの枠の大きさを徐々に小さくしながら複数回積み上げることにより、円錐状の突起部２４を形成することができる。

また、図５（ｂ）に示すように、例えば金バンプに利用される金ワイヤーの径を段階的に小さくし、超音波接合を繰り返して金を積み重ねることによって突起部２４を形成しても良い。具体的には、径の異なる金のワイヤーを複数準備し、各々をワイヤーボンダー装置（図示せず）に搭載して、径の大きい順にバンプを積み重ねる。この方法によれば、ワイヤーボンダー装置の荷重と超音波強度を変えることでバンプ径とバンプの高さを制御することができるため、先端部分がツノ上に尖った突起部２４を形成することができる。

また、図５（ｃ）に示すように、予め円錘状に加工した金属を接合材を用いて接合することにより、突起部２４を形成しても良い。金属の円錐状の加工は、例えば金属板を金型で成型、分割したり、シリコン異方性エッチングにてＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）加工することによって行うことが可能である。

また、錫をベースにしたはんだ材料などの低融点金属材料を、レーザ溶接やメッキ浴ディップなどの方法によって反射電極２２上に形成することによって、突起部２４を形成しても良い。その際、溶融した液体状態の頂点を種材やニードル先端に接触させながら引き上げることにより、表面張力が働き、図５（ｄ）に示すような略円錐上の形状とすることが可能となる。この状態のまま温度を融点以下に下げることで、先端部分の尖った円錐状の突起部２４を形成することができる。

次に、本発明に係る半導体発光装置１０の製造方法について、図６を参照して説明する。まず、複数の半導体発光素子１６のうちの１つを、２つのヘッドを備えるチップマウンタを用いてピックアップする。具体的には、２つのヘッドのうち第１のヘッド２８の真空吸着機構を用いて、半導体発光素子１６を底面側、すなわち突起部２４の形成側から吸着し、保持する（図中、工程（i））。

次に、第１のヘッド２８を１８０度回転させ、半導体発光素子１６の前面側、すなわち光透過性基板１７の粘着シート接着面側が上になるよう保持し、第２のヘッド２９にて半導体発光素子１６の粘着シート接着面を吸着する（図中、工程（ii））。第１のヘッド２８を半導体発光素子１６から外し、半導体発光素子１６を突起部２４が下向きになるよう、第２のヘッド２９にて保持する（図中、工程（iii））。荷重をかけて第２のヘッド２９を押し込みながら、カソード電極層１１の表面の所定位置から、半導体発光素子１６を積層基板１５に圧入する（図中、工程（iv））。

（i）〜（iv）の工程を、複数の半導体発光素子１６について繰り返し行う。これにより、複数の半導体発光素子１６のｎ電極２５がカソード電極層１１と接触し、ｐ電極２６がアノード電極層１２と接触し、電気的に接続された状態となる。

その後、基板ごとリフロー加熱を行う。金属メッシュ電極表面に形成されたはんだメッキ層が溶融し、ｎ電極２５がカソード電極層１１と、ｐ電極２６がアノード電極層１２と、それぞれ接合される。以上の工程により、半導体発光装置１０を製造する。

上記したように、カソード電極層１１及びアノード電極層１２のメッシュ間隔（開口幅）の大きさは数μｍ程度であり、半導体発光素子１６のｐ電極２６の外形サイズよりも十分に小さい。このため、半導体発光素子１６が積層基板１５に圧入された状態において、ｐ電極２６とアノード電極層１２との間で、複数の電気的接点が確保される。

また、第１ベース基板１３及び第２ベース基板１４は、柔軟性、可撓性の高いＦＰＣ材から構成されているため、半導体発光素子１６を圧入することによって半導体発光素子１６の形状にあった形に変形する。このため、所望の位置に半導体発光素子１６を容易に実装することができ、電気的な接続の信頼性も高い。

また、突起部２４の側面には絶縁膜２７が形成され、カソード電極層１１と突起部２７との間が絶縁されている。従って、突起部２４が第１ベース基板１３に圧入された状態においても、カソード電極層１１とアノード電極層１２との間の絶縁状態が保たれ、層間におけるショートの発生が防止される。

また、カソード電極層１１の表面上の所望の位置から半導体発光素子１６を積層基板１５に圧入して素子の実装を行うため、基板に予め電極パッドを形成しておく必要がなく、所望の発光位置への素子の配列を簡易に行うことができる。

また、カソード電極層１１及びアノード電極層１２はメッシュ状に形成されているため、一本のラインパターンによる配線に比べて、断線不良を起こす確率が低い。また、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）等の透明電極を用いた場合に比べて、配線抵抗が大幅に低減される。

また、リフロー処理によって、半導体発光素子１６のｎ電極２５とカソード電極層１１、ｐ電極２６とアノード電極層１２とを接合することにより、電気的な接続の信頼性をより高くすることができ、簡易に素子の導通を取ることができる。

また、熱伝導率の高いメッシュ状の金属電極層と、半導体発光素子１６のｎ電極２５及びｐ電極２６とが直接接するよう構成されている。このため、カソード電極層１１及びアノード電極層１２の２層を介して、面方向に放熱経路が確保される。

図７は、実施例２に係る半導体発光装置３０を模式的に示す斜視図である。半導体発光装置３０は、第１の電極層であるカソード電極層３１、第２の電極層であるアノード電極層３２、第１ベース基板３３及び第２ベース基板３４からなる積層基板３５と、積層基板３５に圧入された複数の半導体発光素子３６とから構成されている。

カソード電極層３１は、メッシュ状に形成された複数の帯状電極３１（１）、３１（２）・・・３１（ｊ）・・・３１（ｍ）からなる。帯状電極３１（１）〜３１（ｍ）は、互いに平行に第１ベース基板３３上に配され、ストライプ形状を形成している。

アノード電極層３２は、メッシュ状に形成された複数の帯状電極３２（１）、３２（２）・・・３２（ｋ）・・・３２（ｎ）からなる。帯状電極３２（１）〜３２（ｎ）は、互いに平行に第２ベース基板３４上に配され、ストライプ形状を形成している。

カソード電極層３１の帯状電極３１（１）〜３１（ｍ）と、アノード電極層３２の帯状電極３２（１）〜３２（ｎ）とは、約９０度異なる方向に伸長し、第１ベース基板２３を挟んで立体的に交差している。カソード電極層３１の帯状電極３１（１）〜３１（ｍ）と、アノード電極層３２の帯状電極３２（１）〜３２（ｎ）とは、絶縁性の第１ベース基板３３によって絶縁されている。

半導体発光素子３６は、カソード電極層３１の帯状電極３１（１）〜３１（ｍ）と、アノード電極層３２の帯状電極３２（１）〜３２（ｎ）とが第１ベース基板３３を挟んで立体的に交差する交差位置に圧入されている。すなわち、帯状電極３１（ｊ）と帯状電極３２（ｋ）とが第１ベース基板３３を挟んで立体的に交差する交差位置には、半導体発光素子３６（ｊ，ｋ）が圧入されている（ｊ＝１，２，・・・，ｍ、ｋ＝１，２，・・・，ｎ）。

半導体発光素子３６（ｊ，ｋ）のｎ電極２５は、カソード電極層３１の帯状電極３１（ｊ）と接触し、電気的に接続されている。半導体発光素子３６（ｊ，ｋ）のｐ電極２６は、アノード電極層３２の帯状電極３２（ｋ）と接触し、電気的に接続されている。

カソード電極層３１の帯状電極３１（１）〜３１（ｍ）は、それぞれ異なるドライバに接続されている。アノード電極層３２の帯状電極３２（１）〜３２（ｎ）は、それぞれ異なるドライバに接続されている。

以上のような構成を有する半導体発光装置３０を駆動することにより、ドットマトリクス表示を行うことができる。具体的には、カソード電極層３１の帯状電極３１（１）〜３１（ｍ）に接続されたドライバのうちいずれかを選択して駆動し、アノード電極層３２の帯状電極３２（１）〜３２（ｎ）に接続されたドライバのうちいずれかを選択して駆動する。これにより、選択したドライバに対応する帯状電極の交差位置に圧入された半導体発光素子３６が発光する。すなわち、帯状電極３１（ｊ）に接続されたドライバと帯状電極３２（ｋ）に接続されたドライバをオンさせることにより、半導体発光素子３６（ｊ，ｋ）が発光する。

このように、本発明の実施例２に係る半導体発光装置３０によれば、複数の半導体発光素子３６を選択的に発光させることにより、ドットマトリクス表示等の表示を行うことができる。また、様々な表示装置、照明装置等の半導体発光装置に応用が可能である。

図８は、実施例３に係る半導体発光装置４０を示す斜視図である。半導体発光装置４０は、第１の電極層４１、第２の電極層４２、第３の電極層４３、第１ベース基板４４、第２ベース基板４５及び第３ベース基板４６からなる積層基板４７と、積層基板４７に圧入された第１の半導体発光素子４８と、第２の半導体発光素子４９とから構成されている。

第１の電極層４１は、第１ベース基板４４上の全面にわたってメッシュ状の電極層として形成されている。第２の電極層４２は、第２ベース基板４５上の全面にわたってメッシュ状の電極層として形成されている。第３の電極層４３は、第３ベース基板４６上の全面にわたってメッシュ状の電極層として形成されている。

第１の半導体発光素子４８と第２の半導体発光素子４９とは、異なる高さの突起部２４を有している。第１の半導体発光素子４８の突起部２４は、第１の半導体発光素子４８が積層基板４７に圧入された状態で第２の電極層４２に達する高さに形成されている。第２の半導体発光素子４９の突起部２４は、第２の半導体発光素子４９が積層基板４７に圧入された状態で第３の電極層４３に達する高さに形成されている。

図９は、第１の半導体発光素子４８及び第２の半導体発光素子４９と積層基板４７との接続状態を示す断面図である。第１の半導体発光素子４８及び第２の半導体発光素子４９は、突起部２４が第１の電極層４１の表面から積層基板４７に埋め込まれるように圧入されている。

第１の半導体発光素子４８の突起部２４は、第１ベース基板４４を貫通している。第１の半導体発光素子４８のｎ電極２５は、第１の電極層４１と接触して電気的に接続され、ｐ電極２６は、第２の電極層４２と接触して電気的に接続されている。

第２の半導体発光素子４９の突起部２４は、第１ベース基板４４及び第２ベース基板４５を貫通している。第２の半導体発光素子４９のｎ電極２５は、第１の電極層４１と接触して電気的に接続され、ｐ電極２６は、第３の電極層４３と接触して電気的に接続されている。

以上のような構成を有する半導体発光装置４０において、第１の電極層４１と第２の電極層４２との間、又は第１の電極層４１と第３の電極層４３との間に選択的に電圧を印加することにより、第１の半導体発光素子４８又は第２の半導体発光素子４９を選択的に発光させることができる。

このように、このように、本発明の実施例２に係る半導体発光装置３０によれば、異なる高さの突起部を有する発光素子を容易にベース基板に圧入可能であり、突起部の高さに応じて選択的に第１の半導体発光素子４８又は第２の半導体発光素子４９を発光制御することができる。また、第１の半導体発光素子４８と第２の半導体発光素子４９の発光色や発光輝度は異なっていてもよい。発光色や発光輝度の異なる発光素子を選択的に発光させることができ、様々な表示装置、照明装置等の半導体発光装置に応用が可能である。

図１０は、実施例４に係る半導体発光装置５０を模式的に示す斜視図である。半導体発光装置５０は、第１の電極層５１、第２の電極層５２、第３の電極層５３、第４の電極層５４、第１ベース基板５５、第２ベース基板５６、第３ベース基板５７及び第４ベース基板５８からなる積層基板５９と、積層基板５９に圧入された赤色（第１発光色）に発光するＲ発光素子６０と、緑色（第２発光色）に発光するＧ発光素子６１と、青色（第３発光色）に発光するＢ発光素子６２とから構成されている。

第１の電極層５１は、メッシュ状に形成された複数の帯状電極５１（１）、５１（２）・・・５１（ｊ）・・・５１（ｍ）からなる。帯状電極５１（１）〜５１（ｍ）は、互いに平行に第１ベース基板５５上に配され、ストライプ形状を形成している。

第２の電極層５２は、メッシュ状に形成された複数の帯状電極５２（１）、５２（２）・・・５２（ｋ）・・・５２（ｎ）からなる。帯状電極５２（１）〜５２（ｎ）は、互いに平行に第２ベース基板５６上に配され、ストライプ形状を形成している。帯状電極５２（１）〜５２（ｎ）は、第１の電極層５１の帯状電極５１（１）〜５１（ｍ）と約９０度異なる方向に伸長し、第１ベース基板５５を挟んで立体的に交差している。

第３の電極層５３は、メッシュ状に形成された複数の帯状電極５３（１）、５３（２）・・・５３（ｋ）・・・５３（ｎ）からなる。帯状電極５３（１）〜５３（ｎ）は、互いに平行に第３ベース基板５７上に配され、ストライプ形状を形成している。第４の電極層５４は、メッシュ状に形成された複数の帯状電極５４（１）、５４（２）・・・５４（ｋ）・・・５４（ｎ）からなる。帯状電極５４（１）〜５４（ｎ）は、互いに平行に第４ベース基板５８上に配され、ストライプ形状を形成している。

第３の電極層５３の帯状電極５３（１）〜５３（ｎ）及び第４の電極層５４の帯状電極５４（１）〜５４（ｎ）は、いずれも第２の電極層５２の帯状電極５２（１）〜５２（ｎ）とベース基板（第２ベース基板５６、第３ベース基板５７）を挟んで同一方向且つ立体的に重なる位置、すなわちベース基板に垂直な方向から見た場合に重なるように配され、第１の電極層５１の帯状電極５１（１）〜５１（ｍ）と立体的に交差している。

第１の電極層５１の複数の帯状電極５１（１）〜５１（ｍ）と、第２の電極層５２の帯状電極５２（１）〜５２（ｎ）、第３の電極層５３の複数の帯状電極５３（１）〜５３（ｎ）及び第４の電極層５４の帯状電極５４（１）〜５４（ｎ）とがベース基板５５〜５７を挟んで立体的に交差する各交差位置に、Ｒ発光素子６０、Ｇ発光素子６１及びＢ発光素子６２が１セットとなって圧入されている。

図１１は、半導体発光装置５０の一部を拡大して示す断面図である。Ｒ発光素子６０は、光透過性基板６３上にバッファ層６４、ｎ型半導体層６５、発光層６６、ｐ型半導体層６７及び反射電極６８が順次積層された半導体積層体６９と、突起部７０と、ｎ電極７１と、ｐ電極７２と、絶縁膜７３とを有している。突起部７０は、Ｒ発光素子６０が積層基板５９に圧入された状態で、先端部が第２の電極層５２に達する高さに形成されている。

Ｒ発光素子６０の光透過性基板６３は、例えばＧａＰから構成されている。ｎ型半導体層６５、発光層６６及びｐ型半導体層６７は、例えばＧａＰ系半導体等から構成されている。バッファ層６４は、例えばＡｌＩｎＧａＰ等の電流拡散層から構成されている。反射電極６８は、例えばＡｌ層やＡｇ層から構成されている。

Ｇ発光素子６１及びＢ発光素子６２は、Ｒ発光素子６０と同様の構造を有し、半導体積層体６９を構成する材料及び突起部７０の形状においてＲ発光素子６０と異なっている。

Ｇ発光素子６１及びＢ発光素子６２の光透過性基板７４及び８５は、例えばサファイア基板から構成されている。バッファ層７５及び８６は、例えばＧａＮ等から構成されている。ｎ型半導体層７６及び８７とｐ型半導体層７８及び８９は、例えばＡｌＧａＮ等から構成されている。発光層７７及び８８は、例えばＩｎＧａＮ等から構成されている。反射電極７９及び９０は、例えばＡｌ層やＡｇ層から構成されている。

Ｇ発光素子６１の突起部８１は、Ｇ発光素子６１が積層基板５９に圧入された状態で、先端部が第３の電極層５３に達する高さに形成されている。Ｂ発光素子６２の突起部９２は、Ｂ発光素子６２が積層基板５９に圧入された状態で、先端部が第４の電極層５４に達する高さに形成されている。

Ｒ発光素子６０、Ｇ発光素子６１及びＢ発光素子６２は、突起部７０、８１及び９２が第１の電極層５１の表面から積層基板５９に埋め込まれるように圧入されている。

Ｒ発光素子６０の突起部７０は、第１ベース基板５５を貫通している。Ｒ発光素子６０のｎ電極７１は、第１の電極層５１と接触して電気的に接続され、ｐ電極７２は、第２の電極層５２と接触して電気的に接続されている。

Ｇ発光素子６１の突起部８１は、第１ベース基板５５及び第２ベース基板５６を貫通している。Ｇ発光素子６１のｎ電極８２は、第１の電極層５１と接触して電気的に接続され、ｐ電極８３は、第３の電極層５３と接触して電気的に接続されている。

Ｂ発光素子６２の突起部９２は、第１ベース基板５５、第２ベース基板５６及び第３ベース基板５７を貫通している。Ｂ発光素子６２のｎ電極９３は、第１の電極層５１と接触して電気的に接続され、ｐ電極９４は、第４の電極層５４と接触して電気的に接続されている。

一組のＲ発光素子６０、Ｇ発光素子６１及びＢ発光素子６２は、第１の電極層５１の帯状電極５１（１）〜５１（ｍ）と、第２の電極層５２、第３の電極層５３及び第４の電極層５４の帯状電極とがベース基板５５〜５７を挟んで立体的に交差する同一の交差位置に圧入され、１ドットを形成している。

以上のように構成された半導体装置５０において、第１の電極層５１をコモンライン、第２の電極層５２、第３の電極層５３及び第４の電極層５４をデータラインとして、マトリクス駆動を行う。以下、図１２を参照して、半導体発光装置５０の駆動方法について説明する。

コモンラインＣＬ１〜ＣＬｍは、第１の電極層５１の帯状電極５１（１）〜５１（ｍ）に対応している。データラインＤＬ１〜ＤＬｎは、Ｒ１〜Ｒｎ、Ｇ１〜Ｇｎ及びＢ１〜Ｂｎから構成されている。Ｒ１〜Ｒｎは、第２の電極層５２の帯状電極５２（１）〜５２（ｎ）に対応している。Ｇ１〜Ｇｎは、第３の電極層５３の帯状電極５３（１）〜５３（ｎ）に対応している。Ｂ１〜Ｂｎは、第４の電極層５４の帯状電極５４（１）〜５４（ｎ）に対応している。

コモンラインＣＬ１〜ＣＬｍに接続されているドライバを順次オンさせる。コモンラインＣＬ１がオンしている間に、データラインＤＬ１〜ＤＬｎの各ラインに表示したい３色のいずれか、または３色中２色の組み合わせ、３色全ての組み合わせのいずれかの信号を入力する。例えば、ＣＬ１とＤＬ１との交点にＲを表示したい場合には、ＣＬ１に対応する第１の帯状電極５１（１）に接続されたドライバと、データラインＤＬ１（Ｒ１）に対応する第２の電極層５２の帯状電極５２（１）に接続されたドライバをオンさせる。これにより、Ｒ発光素子６０（１，１）が発光し、ＣＬ１とＤＬ１（Ｒ１）との交点にあたる位置のドットに赤色が表示される。

次にコモンラインＣＬ２についても同様の動作を行い、コモンラインＣＬｎまで走査すると、コモンラインＣＬ１に戻る駆動動作を繰り返して実行する。以上の動作により、Ｒ、Ｇ、Ｂの３原色を用いたフルカラー表示を行うことができる。

実施例４に係る半導体装置５０では、Ｒ発光素子６０、Ｇ発光素子６１及びＢ発光素子６２のそれぞれのアノード電極層となる第２電極層５２、第３電極層５３及び第４電極層５４が、積層基板５９の積層方向にそれぞれベース基板５５〜５７によって電気的に分離されて設けられている。そして、各電極層５２〜５４は、それぞれ同じ位置で第１電極層５１とベース基板を挟んで立体的に交差するよう、ベース基板５５〜５７を挟んで重なり合うように形成されている。したがって、第１の電極層５１と第２〜第４の電極層５２〜５４との交差位置は同一であり、当該同一の交差位置にＲ発光素子６０、Ｇ発光素子６１、Ｂ発光素子６２を実装することができるため、きめの細かいフルカラー表示を行うことが可能である。

次に、実施例４に係る半導体発光装置５０の製造方法について説明する。まず、積層基板５９表面の外周部分に、半導体発光素子の実装位置の目印となるアライメントマークを複数形成する。

次に、光透過性基板６３上に形成され、個片化された複数のＲ発光素子６０を、チップマウンタによってピックアップし、積層基板５９に圧入して実装する。同様のピックアップと圧入作業を、同一形状である複数のＲ発光素子６０について、繰り返し行う。その後、カメラを用いた画像認識により、素子の実装位置に位置ずれがないかどうかを判定する。位置ずれを検出した場合には、実装位置の補正を行う。

続いて、Ｇ発光素子６１について、上記と同様の作業を繰り返し行う。Ｂ発光素子６２についても、同様の作業を繰り返し行う。これにより、Ｒ発光素子６０、Ｇ発光素子６１及びＢ発光素子６２のそれぞれのｎ電極７１、８２及び９３が第１の電極層５１と接触し、Ｒ発光素子６０のｐ電極７２が第２の電極層５２と、Ｇ発光素子６１のｐ電極８３が第３電極層５３と、Ｂ発光素子６２のｐ電極９４が第４電極層５４と、それぞれ接触した状態となる。

その後、基板ごとリフロー加熱を行うことにより、メッシュ状の金属電極表面に形成されたはんだメッキ層が溶融し、各半導体発光素子のｎ電極７１、８２及び９３、ｐ電極７２、８３及び９４が、接触しているそれぞれの電極層と接合される。

このように、本実施例に係る半導体発光装置５０の製造方法では、同一発光色・同一形状の全ての素子について実装を行った後、他の色の素子について実装を行う。このため、Ｒ、Ｇ、Ｂの発光素子を交互に実装する場合（例えば、１ドットを形成するＲＧＢを実装した後、隣接するドットを形成するＲＧＢを実装する場合）と比べて、画像認識による位置ずれの検出に要する時間を短くすることができ、全体としての作業時間を短縮することができる。

また、積層基板５９の外周部にアライメントマークを複数形成しておくことにより、各素子の相対的な位置情報を把握することが容易となる。したがって、これらのマークと半導体発光素子の実装位置の相対座標を装置プログラミングで制御することにより、任意の位置に各発光色の半導体発光素子を打ち込むことができる。

実施例４に係る半導体装置５０では、Ｒ発光素子６０、Ｇ発光素子６１及びＢ発光素子６２のそれぞれのアノード電極層となる第２電極層５２、第３電極層５３及び第４電極層５４が、積層基板５９の積層方向にそれぞれベース基板５５〜５７によって電気的に分離されて設けられている。そして、各電極層５２〜５４は、それぞれ同じ位置で第１電極層５１とベース基板を挟んで立体的に交差するよう、ベース基板５５〜５７を挟んで重なり合うように形成されている。したがって、第１の電極層５１と第２〜第４の電極層５２〜５４との交差位置は同一であり、当該同一の交差位置にＲ発光素子６０、Ｇ発光素子６１、Ｂ発光素子６２を実装することができるため、きめの細かいフルカラー表示を行うことが可能である。

以上説明したように、本発明に係る半導体発光装置においては、複数のメッシュ電極層を有する積層基板に、錐状の突起部を有する半導体発光素子を圧入する。このため、基板に予め電極パッドを形成しておく必要がなく、また事前の回路パターンの設計が不要であるため、所望の発光位置に簡易に素子を配置することができる。

なお、本発明の実施形態は上記のものに限られない。例えば、ＦＰＣ技術を用いて、縦方向に穴（スルーホール）を開けて複数の層（レイヤー）をメッキ導通させ、多層基板をモジュール化したり、多層化を発展させたビルドアップ工法を用いて複雑な立体回路形成を行うことも可能である。また、これらの技術を組み合わせることにより曲面や３次元立体構造にも追従できる光源デザインが可能である。

また、上記実施例では基板の同一面内において半導体発光素子の大きさを同一としていたが、これに制限されず、素子の大きさや駆動電流の異なるものが混在していてもよい。大きさの異なる素子の直列駆動は、個々の電流密度の違いからサイズの小さい素子への電流負荷が大きくなるため好ましくない。しかし、本発明の構成によれば、基板の最上層の金属メッシュ電極を共通にした並列接続が基本となり、個々の素子に流れる電流密度が一定になって電流が分散されるため、同一発光色で大きさが異なる素子の並列接続の場合には、駆動が可能である。

また、上記実施例では、ベース基板を挟んで直交するライン状の複数のメッシュ電極層の交点にあたる部分に半導体発光素子が配置される場合について説明した。しかし、これに限られず、例えば、複数の半導体発光素子を島状に離散的に配置したり、配置密度に幅を持たせて配置することも可能である。このように配置することにより、発光密度が連続的に変化するグラデーション表示や、エリアごとのシーケンシャル駆動による動画表示等、回路パターンに依存しない、より自由な発光デザインが可能である。

また、上記実施例では、各メッシュ電極層が銅箔をフォトリソグラフィーによりメッシュ状にパターニングすることにより形成されるとしたが、これに限られず、例えば銀や銅のナノフィラー入りインクジェットにより、メッシュ状のパターンに形成されても良い。また、Ｐｄ触媒を用いた無電解めっき法により形成されても良い。

また、上記実施例では、はんだメッキ層をメッシュ電極層の表面に形成することとしたが、これに限らず、例えば半導体発光素子側のｐ電極表面、及びｎ電極表面に形成しても良い。半導体発光素子側にはんだ等の接合材を形成させておくことで、耐熱性の異なる半導体発光素子ごとにリフロー加熱を複数回行うことができる。また、融点の異なる接合材を組み合わせることで、熱履歴に強い半導体発光素子から順番にリフロー加熱を実施することで、熱履歴に弱い半導体発光素子も同じ基板上に形成することが可能となる。

また、上記実施例では、突起部の形状が円錐状である場合について説明したが、これに限られず、例えば角錐状、円柱状、角柱状等であってもよい。要するに、半導体発光素子が、積層基板に圧入可能な形状の突起部を有していれば良い。

また、上記実施例では、ベース基板として柔軟性、可撓性に富むＦＰＣ材を用いる場合について説明したが、ベース基板の材料はこれに限られない。突起部を有する半導体発光素子を圧入することができ、その状態を保持することが可能な材料で構成されていれば良い。

また、上記実施例では、第１〜第３発光色としてＲ，Ｇ，Ｂの３色の発光素子を用いてカラー表示を行う場合について説明したが、これに限られず、２以上の発光色の発光素子を用いて半導体発光装置を構成することにより、様々な態様のカラー表示を行うことが可能である。

また、上記実施例では、第１導電型がｎ型の場合、第２導電型が第１導電型（ｎ型）とは反対導電型であるｐ型の場合について説明したが、これに限られない。第１導電型がｐ型、第２導電型がｎ型の場合であってもよい。なお、第１導電型の半導体層又は第２導電型の半導体層は、真性半導体層（ｉ層）を含んでいてもよい。

１０、３０、４０、５０ 半導体発光装置
１１、３１ カソード電極層
１２、３２ アノード電極層
１３、１４、３３、３４ ベース基板
１５、３５、４７ 積層基板
１６、３６、４８、４９ 半導体発光素子
１７、６３、７４、８５ 光透過性基板
１８、６４、７５、８６ バッファ層
１９、６５、７６、８７ ｎ型半導体層
２０、６６、７７、８８ 発光層
２１、６７、７８、８９ ｐ型半導体層
２２、６８、７９、９０ 反射電極
２３、６９、８０、９１ 半導体積層体
２４、７０、８１、９２ 突起部
２５、７１、８２、９３ ｎ電極
２６、７２、８３、９４ ｐ電極
２７、７３、８４、９５ 絶縁膜
２８ 第１のヘッド
２９ 第２のヘッド
４１〜４３、５１〜５４ 電極層
４４〜４６、５５〜５８ ベース基板
６０ Ｒ発光素子
６１ Ｇ発光素子
６２ Ｂ発光素子

Claims (8)

1. メッシュ状の第１の金属層、メッシュ状の第２の金属層及び前記第１及び第２の金属層間に設けられた絶縁性のベース基板からなる積層基板と、
   第１導電型の第１の半導体層、発光層、及び前記第１導電型とは反対導電型の第２導電型の第２の半導体層が順次積層された半導体積層体と、前記半導体積層体の底部に形成され、前記第１の半導体層に接続された第１の電極と、前記半導体積層体の底面から突出し、その先端部に前記第２の半導体層に接続された第２の電極を有する突起部と、を備える半導体発光素子と、を有し、
   前記半導体発光素子は、前記突起部が前記第１の金属層の表面から前記積層基板に埋め込まれるように圧入され、
   前記突起部は前記ベース基板を貫通し、前記第１電極は前記第１の金属層と電気的に接続され、前記第２電極は前記第１の金属層と電気的に絶縁され且つ前記第２の金属層と電気的に接続されている、
   ことを特徴とする半導体発光装置。
2. 前記突起部は導電性材料からなり、側面が前記第１の金属層と接する部分を除いて絶縁膜で覆われていることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光装置。
3. 前記突起部は、錐状に形成された金属からなることを特徴とする請求項２に記載の半導体発光装置。
4. 前記第１の金属層及び前記第２の金属層と前記半導体発光素子とがリフロー処理によって接合されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１に記載の半導体発光装置。
5. 前記ベース基板は、可撓性の材料からなることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１に記載の半導体発光装置。
6. メッシュ状の複数のストライプ電極からなる第１の金属層、メッシュ状の複数のストライプ電極からなる第２の金属層及び前記第１及び第２の金属層間に設けられた絶縁性のベース基板からなる積層基板と、
   第１導電型の第１の半導体層、発光層、及び前記第１導電型とは反対導電型の第２導電型の第２の半導体層が順次積層された半導体積層体と、前記半導体積層体の底部に形成され、前記第１の半導体層に接続された第１の電極と、前記半導体積層体の底面から突出し、その先端部に前記第２の半導体層に接続された第２の電極を有する突起部と、を各々が備える複数の半導体発光素子と、を有し、
   前記第１の金属層の前記複数のストライプ電極及び前記第２の金属層の前記複数のストライプ電極は、前記ベース基板を挟んで空間的に交差するように配され、
   前記複数の半導体発光素子の各々は、前記第１の金属層の前記複数のストライプ電極と前記第２の金属層の前記複数のストライプ電極との交差位置に圧入され、
   前記複数の半導体発光素子の前記突起部は前記ベース基板を貫通し、前記第１電極は前記第１の金属層と電気的に接続され、前記第２電極は前記第１の金属層と電気的に絶縁され且つ前記第２の金属層と電気的に接続されている、
   ことを特徴とする半導体発光装置。
7. メッシュ状の第１の金属層、メッシュ状の第２の金属層、メッシュ状の第３の金属層、前記第１及び第２の金属層間に設けられた絶縁性の第１のベース基板及び前記第２及び第３の金属層間に設けられた絶縁性の第２のベース基板からなる積層基板と、
   第１導電型の第１の半導体層、発光層及び前記第１導電型とは反対導電型の第２導電型の第２の半導体層が順次積層された半導体積層体と、前記半導体積層体の底部に形成され、前記第１の半導体層に接続された第１の電極と、前記半導体積層体の底面から突出し、その先端部に前記第２の半導体層に接続された第２の電極を有する突起部と、を各々が備える第１及び第２の半導体発光素子と、を有し、
   前記第１及び第２の半導体発光素子は、前記突起部が前記第１の金属層の表面から前記積層基板に埋め込まれるように圧入され、
   前記第１の半導体発光素子の前記突起部は前記第１のベース基板を貫通し、前記第１の電極は前記第１の金属層と電気的に接続され、前記第２の電極は前記第１の金属層と絶縁され且つ前記第２の金属層と電気的に接続され、
   前記第２の半導体発光素子の前記突起部は前記第１のベース基板及び前記第２のベース基板を貫通し、前記第１の電極は前記第１の金属層と電気的に接続され、前記第２の電極は前記第１の金属層及び前記第２の金属層と絶縁され且つ前記第３の金属層と電気的に接続されている、
   ことを特徴とする半導体発光装置。
8. メッシュ状の第１の金属層、メッシュ状の第２の金属層、メッシュ状の第３の金属層、メッシュ状の第４の金属層、前記第１及び第２の金属層間に設けられた絶縁性の第１のベース基板、前記第２及び第３の金属層間に設けられた絶縁性の第２のベース基板及び前記第３及び第４の金属層間に設けられた絶縁性の第３のベース基板からなる積層基板と、
   第１導電型の第１の半導体層、発光層及び前記第１導電型とは反対導電型の第２導電型の第２の半導体層が順次積層された半導体積層体と、前記半導体積層体の底部に形成され、前記第１の半導体層に接続された第１の電極と、前記半導体積層体の底面から突出し、その先端部に前記第２の半導体層に接続された第２の電極を有する突起部と、を各々が備える第１発光色、第２発光色及び第３発光色の半導体発光素子と、を有し、
   第１発光色、第２発光色及び第３発光色の半導体発光素子は、前記突起部が前記第１の金属層の表面から前記積層基板に埋め込まれるように圧入され、
   前記第１発光色の半導体発光素子の前記突起部は前記第１のベース基板を貫通し、前記第１の電極は前記第１の金属層と電気的に接続され、前記第２の電極は前記第１の金属層と絶縁され且つ前記第２の金属層と電気的に接続され、
   前記第２発光色の半導体発光素子の前記突起部は前記第１のベース基板及び前記第２のベース基板を貫通し、前記第１の電極は前記第１の金属層と電気的に接続され、前記第２の電極は前記第１の金属層及び前記第２の金属層と絶縁され且つ前記第３の金属層と電気的に接続され、
   前記第３発光色の半導体発光素子の前記突起部は前記第１のベース基板及び前記第２のベース基板及び前記第３のベース基板を貫通し、前記第１の電極は前記第１の金属層と電気的に接続され、前記第２の電極は前記第１の金属層及び前記第２の金属層及び前記第３の金属層と絶縁され且つ前記第４の金属層と電気的に接続されている、
   ことを特徴とする半導体発光装置。