JP2022067886A - 半導体モジュール - Google Patents

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Kentaro Kubota
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Abstract

【課題】色変換層における発光素子側とは反対側の面の平坦性を向上させる。【解決手段】半導体モジュールは、駆動回路が形成された下地基板１１と、駆動回路と電気的に接続された複数の発光素子１３と、発光素子上に形成されており、色変換材料を含有する色変換層１４Ｂと、を備え、色変換層に含有される色変換材料は、色変換層における発光素子側とは反対側よりも、色変換層における発光素子側に多く存在する。これにより、色変換層上側の平坦性が向上し、その上に光学特性や信頼性向上の機能を有する構造を形成することが容易になる。【選択図】図３

Description

本発明は半導体モジュールに関する。
特許文献１には、基体と、第１発光素子と、第２発光素子と、第１透光性部材と、第２透光性部材と、遮光部材と、を備える発光装置が開示されている。第１発光素子及び第２発光素子は基体上に配置され、第１透光性部材及び第２透光性部材はそれぞれ、第１発光素子及び第２発光素子の上面に設けられる。遮光部材は、第１発光素子及び第２発光素子の側面並びに第１透光性部材及び第２透光性部材の側面を被覆する。
特開２０１５－１２６２０９号公報
特許文献１に開示されている技術では、発光装置の特性を安定させることを目的としており、第１透光性部材及び第２透光性部材の上面を均一にすることは想定されていない。本発明の一態様は、色変換層における発光素子側とは反対側の面の平坦性を向上させることを目的とする。
色変換層の平坦性を向上させることで、色変換層上の全面に光学特性や信頼性向上の機能を有する層を均一な厚み及び均一な形状で形成できるため、各発光素子上の発光特性を均一にすることが容易になる。
上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る半導体モジュールは、駆動回路が形成された下地基板と、前記駆動回路と電気的に接続された複数の発光素子と、前記発光素子上に形成されており、前記発光素子の光を吸収して前記発光素子の発光色を他の発光色に変換する色変換材料を含有する色変換層と、を備え、前記色変換層に含有される前記色変換材料は、前記色変換層における前記発光素子側とは反対側よりも、前記色変換層における前記発光素子側に多く存在する。
また、本発明の一態様に係る半導体モジュールは、駆動回路が形成された下地基板と、前記駆動回路と電気的に接続された複数の発光素子と、前記発光素子上に形成されており、前記発光素子の光を吸収して前記発光素子の発光色を他の発光色に変換する色変換層と、前記色変換層上に形成され、前記色変換層の上部を保護する保護層と、を備える。
本発明の一態様によれば、色変換層における発光素子側とは反対側の面の平坦性を向上させることができる。
本発明の実施形態１に係る半導体モジュールの構成を示す断面図である。 図１に示す半導体モジュールの製造方法を説明するための図である。 本発明の実施形態２に係る半導体モジュールの構成を示す断面図である。 本発明の実施形態３に係る半導体モジュールの構成を示す断面図である。 図４に示す半導体モジュールの製造方法を説明するための図である。 図４に示す半導体モジュールの製造方法の変形例１を説明するための図である。 図４に示す半導体モジュールの製造方法の変形例２を説明するための図である。 本発明の実施形態４に係る半導体モジュールの構成を示す断面図である。 図８に示す半導体モジュールの製造方法を説明するための図である。 本発明の実施形態５に係る半導体モジュールの構成を示す断面図である。 本発明の実施例に係る半導体モジュールから出射される光の強度を示す図である。 本発明の実施例に係る半導体モジュールにおいて、色変換層及び機能層の断面の様子を示す図である。
〔実施形態１〕
図１は、本発明の実施形態１に係る半導体モジュール１，１Ａ，１Ｂの構成を示す断面図である。半導体モジュール１Ａ，１Ｂは半導体モジュール１の変形例である。図１の符号１０１，１０２，１０３はそれぞれ、半導体モジュール１，１Ａ，１Ｂの構成を示している。図１において、複数の発光素子１３が並ぶ方向をＸ方向、下地基板１１から発光素子１３に向かう方向をＺの正の方向、Ｘ方向及びＺ方向の両方に直交する方向をＹ方向とする。また、Ｚの正の方向を上方向とする場合がある。
＜半導体モジュール１の構成＞
図１の符号１０１に示すように、半導体モジュール１は、下地基板１１と、電極１２と、複数の発光素子１３と、色変換層１４と、保護層１５と、分離層１６と、を備える。下地基板１１は、少なくともその表面が発光素子１３と接続できるよう、配線が形成されたものとなっている。下地基板１１には、発光素子１３を駆動する駆動回路が形成されている。下地基板１１の材料は例えばＳｉ（シリコン）である。
複数の発光素子１３は、Ａｕ（金）から構成される電極１２を介して、下地基板１１に形成された駆動回路と電気的に接続されている。発光素子１３としては、公知のもの、具体的には半導体発光素子を利用でき、例えば、ＧａＡｓ系、ＺｎＯ系またはＧａＮ系のものを利用できる。発光素子１３は、Ｘ方向に複数並んで配置されているが、Ｙ方向にも複数並んで配置されていてもよい。
発光素子１３には、赤色、橙色、黄色、黄緑色、緑色、青緑色、青色、青紫色または紫色の可視光を発するＬＥＤ（Light Emitting Diode）を用いてもよく、近紫外光を発光するＬＥＤを用いてもよい。その中でも、青色から紫外光の発光が可能なＧａＮ系半導体を発光素子１３として用いることが好ましい。ここでは、発光素子１３が青色の光を発光するＩｎＧａＮの半導体であるものとして説明する。発光素子１３が発光した光は、その上面（下地基板１１とは反対側）から出射されることで、半導体モジュール１は表示素子として機能する。
分離層１６は、互いに隣接する発光素子１３間に配置されており、複数の発光素子１３を分離する。分離層１６は、下地基板１１の上面と、電極１２と、発光素子１３の側面と、を覆う。分離層１６は、発光素子１３におけるＸＹ平面に垂直な側面から射出される光による光学的なクロストークを抑制する光遮蔽層である。加えて、分離層１６は、電極１２及び発光素子１３を下地基板１１に固定させる機能を有していてもよい。
分離層１６は、アンダーフィルとも呼ばれ、一例として液状である樹脂を硬化させることにより形成されるものである。また分離層１６は別の例として、Ａｌ、Ｃｕなどの金属材料から形成されるとともに、ダマシン工程等を利用して形成されるものである。なお、分離層１６はエポキシ樹脂や金属などの単一な材料のみから構成されてもよいし、金属と樹脂との組み合わせ、樹脂と染料との組み合わせ、あるいは樹脂と酸化物粒子との組み合わせ、などの複数の材料の組み合わせから構成されてもよい。
なお、分離層１６により発光素子１３は完全に分離されておらず、部分的な分離であってもよい。つまり、発光素子１３は下地基板１１側で部分的に分離され、分離層１６が充填されており、反対側では発光素子１３は分離されていなくてもよい。
色変換層１４は、複数の発光素子１３及び分離層１６上に形成されており、発光素子１３の光を吸収して発光素子１３の発光色を他の発光色に変換する色変換材料を含有する。当該色変換材料は色変換層１４の内部に一様に存在する。色変換材料は、発光素子１３が出射した光の波長を変換する。発光素子１３上に色変換層１４が形成されることにより、可視光領域にある様々な発光色を示すことができる。
色変換層１４は、ＱＤ（Quantum Dot）、ナノ蛍光体を含む蛍光体材料または光吸収材料等の色変換材料からなる。また色変換層１４は、前記色変換材料と、母材となる樹脂と、から構成されてもよい。さらに色変換層１４は、チタニア、シリカまたはアルミナ等の光散乱材料を含んでいてもよい。色変換層１４は、例えば緑色変換層または赤色変換層である。色変換層１４が緑色変換層である場合、色変換層１４は、発光素子１３が出射した光を緑色の光に変換する。色変換層１４が赤色変換層である場合、色変換層１４は、発光素子１３が出射した光を赤色の光に変換する。
保護層１５は、色変換層１４上に形成されており、色変換層１４の上部を保護する。保護層１５の上面が平坦になるように、略均一な厚みを有する保護層１５が色変換層１４上に形成される。これにより、色変換材料の粒子によって色変換層１４の上面に凹凸が生じていたとしても、凹凸が生じている色変換層１４の上面に保護層１５が形成される。このため、色変換層１４上に保護層１５が形成されない場合に比べて、色変換層１４における発光素子１３側とは反対側の面の平坦性を向上させることができる。
また、保護層１５が色変換層１４上に形成されることにより、色変換層１４の上面の平坦性よりも保護層１５の上面の平坦性の方が高くなる。換言すると、保護層１５における色変換層１４側の面の平坦性よりも、保護層１５における色変換層１４側とは反対側の面の平坦性の方が高くなる。これにより、保護層１５によって色変換層１４の上面の平坦性を向上させることができる。
保護層１５としては、例えば、透明な樹脂、酸化膜、窒化膜またはＤＬＣ（Diamond-like Carbon）等が挙げられる。保護層１５が透明な樹脂である場合、塗布により色変換層１４上に保護層１５を形成することができ、色変換層１４の上面に生じた凹凸を保護層１５により容易に低減することができる。
保護層１５としては、高いガスバリア性を有する材料を用いることが好ましい。この場合、保護層１５によって色変換層１４が大気と遮断されるため、色変換層１４の経時劣化を抑制することができる。これにより、色変換層１４からの光取り出し効率を向上させることができる。
＜半導体モジュール１の製造方法＞
図２は、図１に示す半導体モジュール１の製造方法を説明するための図である。まず、図２の符号Ｓ１に示すように、成長基板ＧＢに発光素子１３の基となる半導体層１３Ｇを設ける。成長基板ＧＢは、半導体層１３Ｇをエピタキシャル成長させる基板である。成長基板ＧＢに半導体層１３Ｇを設けた後、図２の符号Ｓ２に示すように、半導体層１３Ｇに複数の分離溝１３Ａを形成することにより、半導体層１３Ｇを複数の発光素子１３に分割する。なお図２では分離溝１３Ａは半導体層１３Ｇの表面から成長基板ＧＢに至る深さにまで形成されるが、分離溝１３Ａは成長基板ＧＢに至る深さにまで形成されなくてもよく、発光素子１３は部分的に分離されなくてもよい。
半導体層１３Ｇに複数の分離溝１３Ａ及び電極（図示なし）を形成した後、図２の符号Ｓ３に示すように、駆動回路及び複数の電極１２が形成された下地基板１１を用意する。下地基板１１と成長基板ＧＢとを対向させて、複数の電極１２と複数の発光素子１３とを接合する。複数の電極１２と複数の発光素子１３とを接合した後、成長基板ＧＢを複数の発光素子１３から剥離させる。
成長基板ＧＢを複数の発光素子１３から剥離させた後、図２の符号Ｓ４に示すように、下地基板１１の上面、電極１２及び発光素子１３を覆うように、下地基板１１上に分離層１６を充填する。下地基板１１上に分離層１６を充填した後、図２の符号Ｓ５に示すように、複数の発光素子１３及び分離層１６上に色変換層１４を成膜する。色変換層１４の成膜方法としては、塗布、蒸着、スパッタリングまたはＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法等が挙げられる。
複数の発光素子１３及び分離層１６上に色変換層１４を成膜した後、図２の符号Ｓ６に示すように、色変換層１４上に保護層１５を成膜する。保護層１５の成膜方法は色変換層１４の成膜方法と同様であってもよい。なお、後述する半導体モジュール１Ａ，２，２Ａ，２Ｂの製造方法は、ここで説明した半導体モジュール１の製造方法と同様である。
＜半導体モジュール１Ａの構成＞
図１の符号１０２に示すように、半導体モジュール１Ａは半導体モジュール１と比べて、色変換層１４及び保護層１５がそれぞれ色変換層１４Ａ及び保護層１５Ａに変更されている点が異なる。色変換層１４Ａにおける色変換材料及び光散乱材料以外の部分の材料は樹脂であり、保護層１５Ａの材料と同一である。
また、色変換層１４Ａ及び保護層１５Ａは一体となっている。この場合、色変換層１４Ａの部分には色変換材料及び光散乱材料が含有されており、保護層１５Ａの部分には色変換材料及び光散乱材料が含有されていない。色変換層１４Ａ及び保護層１５Ａが一体となっていることにより、色変換層１４Ａ及び保護層１５Ａにおいて成膜回数を１回にすることができ、製造工程を少なくすることができる。
＜半導体モジュール１Ｂの構成＞
図１の符号１０３に示すように、半導体モジュール１Ｂは半導体モジュール１と比べて、機能層１７が形成されている点が異なる。半導体モジュール１Ｂは、保護層１５上に形成された機能層１７を備える。つまり、機能層１７は、保護層１５を介して、色変換層１４の上側に形成される。
機能層１７は、発光素子１３からの光のうち、色変換層１４にて色変換された光が透過するように構成されている。機能層１７が高い光の透過率を有することで、色変換光を効率よく外部に出射でき、半導体モジュール１Ｂをより高効率の表示素子にできる。よって、機能層１７は、色変換層１４にて色変換された光の透過率が５０％以上であるように構成されることが好ましい。
機能層１７は、発光素子１３からの光を反射もしくは吸収する。機能層１７としては、例えば、カラーフィルタまたは反射膜が挙げられる。機能層１７がカラーフィルタである場合、機能層１７は特定の波長以外の光を吸収する色素を含有した樹脂から構成される。また、機能層１７は複数の材料で構成されていてもよく、例えば、カラーフィルタと反射膜の両者から構成されていてもよい。ここでは、機能層１７は、発光素子１３から出射され、色変換層１４を透過した青色の光を吸収する。機能層１７としてカラーフィルタを用いることにより、半導体モジュール１Ｂから出射される光の色を所望の色にすることができる。
機能層１７が反射膜である場合、機能層１７は特定の波長の光を透過させる波長選択性を有する。当該反射膜としては、例えば、入射する光の角度によって反射する光の波長の範囲が変化する誘電体多層膜が挙げられ、当該誘電体多層膜としては異なる酸化物層を交互に積層したものが挙げられる。ここでは、機能層１７は、発光素子１３から出射され、色変換層１４を透過した青色の光の５０％以上を反射する。
また、上述した通り、色変換層１４の上面に生じる凹凸を保護層１５によって低減でき、平坦性が向上された保護層１５の上面に機能層１７が形成されるため、その凹凸によって機能層１７にマイクロクラックが生じることを低減することができる。これにより、機能層１７の機能を十分に発揮することができる。また、色変換層１４の上面の凹凸が低減されていることで、色変換層１４上の全面で均一な厚みの機能層１７を形成できるため、各画素の発光特性を均一にすることが容易になる。
＜半導体モジュール１Ｂの製造方法＞
半導体モジュール１Ｂの製造方法は、色変換層１４上に保護層１５を成膜する工程までは、半導体モジュール１の製造方法と同様である。色変換層１４上に保護層１５を成膜した後、保護層１５上に機能層１７を成膜する。機能層１７の成膜方法は色変換層１４の成膜方法と同様であってもよい。
色変換層１４上に保護層１５が形成されていることにより、保護層１５上に機能層１７を成膜する際に、機能層１７の成膜による色変換層１４への負担を低減することができる。これにより、色変換層１４からの光取り出し効率を向上させることができる。また、色変換層１４の上側に保護層１５及び機能層１７が形成されることにより、色変換層１４が大気と遮断されるため、色変換層１４の経時劣化を抑制することができる。よって、色変換層１４に含有される色変換材料が劣化することも抑制することができる。
〔実施形態２〕
本発明の実施形態２について、以下に説明する。なお、説明の便宜上、実施形態１にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。実施形態３以降についても同様に、前の実施形態にて説明した部材の説明を繰り返さない。
図３は、本発明の実施形態２に係る半導体モジュール２，２Ａ，２Ｂの構成を示す断面図である。半導体モジュール２Ａ，２Ｂは半導体モジュール２の変形例である。図３の符号３０１，３０２，３０３はそれぞれ、半導体モジュール２，２Ａ，２Ｂの構成を示している。なお、実施形態２にて説明する色変換層１４Ｂ，１４Ｃ，１４Ｄの特徴については、他の実施形態にて説明する色変換層にも適用されてもよい。
＜半導体モジュール２の構成＞
図３の符号３０１に示すように、半導体モジュール２は半導体モジュール１と比べて、色変換層１４が色変換層１４Ｂに変更されている点が異なる。符号３０１Ａは、色変換層１４Ｂと、色変換層１４Ｂに含有される色変換材料Ｍ１と、を模式的に示したものであり、符号３０１Ａに示された色変換材料Ｍ１のサイズは、実際の色変換材料Ｍ１のサイズとは異なる。
符号３０１Ａに示すように、色変換層１４Ｂの内部の色変換材料Ｍ１の分布は一様ではない。色変換層１４Ｂに含有される色変換材料Ｍ１は、色変換層１４Ｂにおける発光素子１３側とは反対側よりも、色変換層１４Ｂにおける発光素子１３側に多く存在してもよい。例えば、色変換層１４Ｂを厚み方向（図３のＺ方向）の中心で二分した場合、上側半分での色変換材料Ｍ１の存在量よりも下側半分での色変換材料Ｍ１の存在量が多くなる。
換言すると、色変換材料Ｍ１は、色変換層１４Ｂにおける保護層１５側よりも、色変換層１４Ｂにおける発光素子１３側に多く存在する。色変換材料Ｍ１の存在量は、例えば、色変換層１４Ｂ中の色変換材料Ｍ１の体積％または質量％であってもよいし、色変換層１４Ｂ中の色変換材料Ｍ１の粒子の数であってもよい。
これにより、色変換層１４Ｂにおける保護層１５側に存在する色変換材料Ｍ１が少なくなるため、色変換層１４Ｂの上面近傍に存在する色変換材料Ｍ１の粒子も少なくなる。よって、色変換材料Ｍ１の粒子によって色変換層１４Ｂの上面に凹凸が生じることを低減することができる。したがって、色変換材料Ｍ１が色変換層の内部に一様に存在する場合に比べて、色変換層１４Ｂの上面の平坦性を向上させることができる。
＜半導体モジュール２Ａの構成＞
図３の符号３０２に示すように、半導体モジュール２Ａは半導体モジュール２と比べて、色変換層１４Ｂ及び保護層１５がそれぞれ色変換層１４Ｃ及び保護層１５Ｂに変更されている点が異なる。色変換層１４Ｃ及び保護層１５Ｂに関してここで説明する内容以外は、色変換層１４Ｂ及び保護層１５と同一である。色変換層１４Ｃにおける色変換材料Ｍ１及び光散乱材料以外の部分の材料は樹脂であり、保護層１５Ｂの材料と同一である。
また、色変換層１４Ｃ及び保護層１５Ｂは一体となっている。この場合、色変換層１４Ｃの部分には色変換材料Ｍ１及び光散乱材料が含有されており、保護層１５Ｂの部分には色変換材料Ｍ１及び光散乱材料が含有されていない。色変換層１４Ｃ及び保護層１５Ｂが一体となっていることにより、色変換層１４Ｃ及び保護層１５Ｂにおいて成膜回数を１回にすることができ、製造工程を少なくすることができる。
＜半導体モジュール２Ｂの構成＞
図３の符号３０３に示すように、半導体モジュール２Ｂは半導体モジュール２と比べて、色変換層１４Ｂが色変換層１４Ｄに変更されている点が異なる。符号３０３Ａは、色変換層１４Ｄと、色変換層１４Ｄに含有される色変換材料Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４と、を模式的に示したものである。
符号３０３Ａに示された色変換材料Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４のサイズは、実際の色変換材料Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４のサイズとは異なる。また、色変換層１４Ｄには３種類のサイズの色変換材料Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４が含有されているが、これに限定されず、２種類または４種類以上のサイズの色変換材料が含有されていてもよい。
色変換層１４Ｄは、様々なサイズの色変換材料として、例えば、色変換材料Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４を含有する。色変換材料Ｍ２の粒子は色変換材料Ｍ３の粒子より大きく、色変換材料Ｍ３の粒子は色変換材料Ｍ４の粒子より大きい。
色変換材料Ｍ２の粒子は、色変換層１４Ｄにおける保護層１５側よりも、色変換層１４Ｄにおける発光素子１３側に多く存在する。色変換材料Ｍ３の粒子は、色変換層１４Ｄの内部に一様に存在する。色変換材料Ｍ４の粒子は、色変換層１４Ｄにおける発光素子１３側よりも、色変換層１４Ｄにおける保護層１５側に多く存在する。
つまり、大きな色変換材料Ｍ２の粒子が発光素子１３側に多く存在し、小さな色変換材料Ｍ４の粒子が保護層１５側に多く存在する。これにより、色変換層１４Ｄの上面近傍では、小さな色変換材料Ｍ４の粒子が多く、大きな色変換材料Ｍ２の粒子が少なくなる。よって、色変換層１４Ｄにおける保護層１５側の面に生じる凹凸が小さくなり、色変換層１４Ｄの上面の平坦性を向上させることができる。
また、色変換層１４Ｄのうち色変換材料が占める体積は、色変換層１４Ｄにおける保護層１５側よりも、色変換層１４Ｄにおける発光素子１３側に大きくなる。よって、色変換層１４Ｄに含有される色変換材料は、総合的に色変換層１４Ｄにおける発光素子１３側とは反対側よりも、色変換層１４Ｄにおける発光素子１３側に多く存在することになる。
〔実施形態３〕
図４は、本発明の実施形態３に係る半導体モジュール３，３Ａの構成を示す断面図である。半導体モジュール３Ａは半導体モジュール３の変形例である。図４の符号４０１，４０２はそれぞれ、半導体モジュール３，３Ａの構成を示している。
＜半導体モジュール３の構成＞
図４の符号４０１に示すように、半導体モジュール３は半導体モジュール１と比べて、色変換層２１が複数である点と、分離層２２が形成される点と、が異なる。半導体モジュール３は分離層２２を備える。複数の色変換層２１は、複数の発光素子１３の各々の上面に形成されている。分離層２２は、互いに隣接する色変換層２１間に配置されており、分離層１６上に形成されている。
つまり、分離層１６，２２を１つの分離層として考えると、当該分離層は、互いに隣接する発光素子１３間に配置されるとともに、互いに隣接する色変換層２１間に配置される。これにより、発光素子１３間で光の影響を及ぼし合うことと、色変換層２１間で光の影響を及ぼし合うことと、を低減することができるため、個々の発光素子１３から出射される光を際立たせることができる。
また、分離層２２の可視光透過率は５０％以下である光遮蔽層であることが好ましい。これにより、互いに隣接する色変換層２１間に通過する可視光の量を低減することができる。また、分離層１６の可視光透過率は５０％で以下であることが好ましく、これにより互いに隣接する発光素子１３間に通過する可視光の量を低減することができる。なお、分離層２２における色変換層２１側の側面が、上方向に向かうにつれて分離層２２の幅が小さくなるようなテーパー形状であれば、色変換層２１からの光取り出し効率を向上させることができる。分離層２２の幅は、色変換層２１が並ぶ方向に沿った幅である。
なお、半導体モジュール３において、下地基板１１と反対側で発光素子１３は繋がっている一方で、下地基板１１側では分離層１６により分離されたような、部分的な分離であってもよい。
色変換層２１が複数であり、かつ、分離層２２が形成される場合、保護層１５は、複数の色変換層２１及び分離層２２上に形成される。半導体モジュール３では、複数の色変換層２１は互いに、発光素子１３が出射した光を同一の色の光に変換する同一種類の色変換層である。
＜半導体モジュール３の製造方法＞
図５は、図４に示す半導体モジュール３の製造方法を説明するための図である。半導体モジュール３の製造方法は、分離層１６を成膜する工程までは、半導体モジュール１の製造方法と同様である。図５の符号Ｓ７に示す状態において、下地基板１１上に分離層１６を充填した後、図５の符号Ｓ８に示すように、複数の発光素子１３及び分離層１６上に分離層２２を成膜する。分離層２２の成膜方法としては例えば塗布が挙げられる。分離層２２としてネガ型のフォトレジストを用いる。
複数の発光素子１３及び分離層１６上に分離層２２を成膜した後、図５の符号Ｓ９に示すように、分離層２２に対してフォトマスクＰＭ１の上から光を照射することにより、分離層２２に対して露光を行う。これにより、図５の符号Ｓ１０に示すように、分離層２２に対して現像が行われ、複数の発光素子１３の上面が露出する。分離層２２はネガ型のフォトレジストであるため、露光した部分が残る。
次に、図５の符号Ｓ１１に示すように、複数の発光素子１３の上面及び分離層２２の露出面に反射膜Ｃ１を成膜する。反射膜Ｃ１の成膜方法としては例えば蒸着やスパッタリングが挙げられ、反射膜Ｃ１の材料としてはＡｌやＡｇなどが挙げられる。複数の発光素子１３の上面及び分離層２２の露出面に反射膜Ｃ１を成膜した後、図５の符号Ｓ１２に示すように、反射膜Ｃ１を介して、分離層２２を覆うように、マスクレジストＭＳ１を形成する。
マスクレジストＭＳ１を形成した後、図５の符号Ｓ１３に示すように、反射膜Ｃ１をエッチングにより除去する。このとき、分離層２２の露出面に形成された反射膜Ｃ１は、マスクレジストＭＳ１に覆われているため、エッチングにより除去されずに残る。反射膜Ｃ１の一部をエッチングにより除去した後、図５の符号Ｓ１４に示すように、反射膜Ｃ１上に形成されたマスクレジストＭＳ１を剥離する。エッチングは、例えばＣｌ２などの反応性ガスによるドライエッチング、Ａｒ等のスパッタリングによるドライエッチング、あるいは、薬液によるウェットエッチングがある。
反射膜Ｃ１上に形成されたマスクレジストＭＳ１を剥離した後、複数の発光素子１３上に色変換層を塗布する。これにより、複数の発光素子１３の各々の上に色変換層２１が形成され、複数の色変換層１４が分離層２２間に形成される。このとき、色変換層２１と分離層２２との間には反射膜Ｃ１が形成されている。複数の発光素子１３の各々の上に色変換層２１を形成した後、複数の色変換層２１及び分離層２２上に保護層１５を成膜する。
なお、マスクレジストＭＳ１なしに、反射膜Ｃ１を成膜した後に、ＸＹ方向とＺ方向とで反射膜Ｃ１のエッチングの速度が異なる異方性エッチングを行ってもよい。また、分離層２２が光遮蔽性を有する材料の場合、反射膜Ｃ１の成膜及びエッチングの工程は不要となる。これらは、後述の図６や図７を用いて説明する半導体モジュール３の製造方法の変形例など、他の方法においても同様である。
＜半導体モジュール３の製造方法の変形例１＞
図６は、図４に示す半導体モジュール３の製造方法の変形例１を説明するための図である。半導体モジュール３の製造方法の変形例１は、分離層２２に対して現像が行われる工程までは、半導体モジュール３の製造方法と同様である。図６の符号Ｓ２１に示す状態において、複数の発光素子１３及び分離層１６上に分離層２２を成膜した後、図６の符号Ｓ２２に示すように、複数の発光素子１３の上面及び分離層２２の上面にリフトオフレジストＬ１を塗布する。本変形例１では、リフトオフレジストＬ１としてポジ型のフォトレジストを用いる。
複数の発光素子１３の上面及び分離層２２の上面にリフトオフレジストＬ１を塗布した後、図６の符号Ｓ２３に示すように、リフトオフレジストＬ１に対してフォトマスクＰＭ２の上から光を照射することにより、リフトオフレジストＬ１に対して露光を行う。これにより、図６の符号Ｓ２４に示すように、リフトオフレジストＬ１に対して現像が行われ、分離層２２の上面に形成されたリフトオフレジストＬ１と、発光素子１３と分離層２２との間の境界付近に形成されたリフトオフレジストＬ１と、が剥離される。リフトオフレジストＬ１はポジ型のフォトレジストであるため、露光されなかった部分が残る。
次に、図６の符号Ｓ２５に示すように、複数の発光素子１３の上面に残ったリフトオフレジストＬ１の上面と、分離層２２の露出面と、に金属膜Ｃ２を成膜する。金属膜Ｃ２を成膜した後、図６の符号Ｓ２６に示すように、複数の発光素子１３の上面に残ったリフトオフレジストＬ１及び金属膜Ｃ２を剥離する。この後の色変換層２１の形成工程については、半導体モジュール３の製造方法と同様である。
＜半導体モジュール３の製造方法の変形例２＞
図７は、図４に示す半導体モジュール３の製造方法の変形例２を説明するための図である。半導体モジュール３の製造方法の変形例２は、分離層２２を成膜する工程までは、半導体モジュール３の製造方法と同様である。変形例２では、分離層２２としてフォトリソグラフィにより加工できない材料、例えば、樹脂材料、ＳｉＯ２等の無機材料、あるいは無機材料粒子を含有する樹脂材料を用いる。
図７の符号Ｓ３１に示す状態において、複数の発光素子１３及び分離層１６上に分離層２２を成膜した後、分離層２２上にマスクレジストを成膜する。分離層２２上にマスクレジストを塗布した後、マスクレジストに対して図示しないフォトマスクの上から光を照射することにより、マスクレジストに対して露光を行う。これにより、図７の符号Ｓ３２に示すように、マスクレジストに対して現像が行われ、複数のマスクレジストＭＳ２が、分離層２２を介して、発光素子１３の各々の上側に配置される状態となる。
次に、図７の符号Ｓ３３に示すように、分離層２２の一部をエッチングにより除去し、その後、マスクレジストＭＳ２を剥離する。マスクレジストＭＳ２を剥離した後、半導体モジュール３の製造方法と同様に、分離層２２の露出面に反射膜Ｃ１を形成し、複数の発光素子１３の各々の上に色変換層２１を形成する。
＜半導体モジュール３Ａの構成＞
図４の符号４０２に示すように、半導体モジュール３Ａは半導体モジュール３と比べて、機能層１７が形成されている点が異なる。機能層１７は、保護層１５を介して、複数の色変換層２１の上側に形成されている。よって、本発明の一態様は、半導体モジュール１Ｂのように、単一の色変換層１４の上側に機能層１７が形成される構成に限定されず、複数の色変換層２１の上側に機能層１７が形成される構成も含まれる。
〔実施形態４〕
図８は、本発明の実施形態４に係る半導体モジュール４，４Ａ，４Ｂ，４Ｃの構成を示す断面図である。半導体モジュール４Ａ，４Ｂ，４Ｃは半導体モジュール４の変形例である。図８の符号５０１，５０２，５０３，５０４はそれぞれ、半導体モジュール４，４Ａ，４Ｂ，４Ｃの構成を示している。
＜半導体モジュール４の構成＞
図８の符号５０１に示すように、半導体モジュール４は半導体モジュール３と比べて、複数の色変換層２１が色変換層３１，３２に変更されている点が異なる。また、半導体モジュール４は半導体モジュール３と比べて、複数の発光素子１３のうち、一部の発光素子１３の上側にのみ色変換層３１，３２及び保護層１５が形成されている点が異なる。
色変換層３１，３２はそれぞれ、複数の発光素子１３のうち、一部の発光素子１３上に形成されている。色変換層３１は、発光素子１３が出射した光を緑色の光に変換する緑色変換層である。色変換層３２は、発光素子１３が出射した光を赤色の光に変換する赤色変換層である。保護層１５は、色変換層３１，３２上に形成されるとともに、分離層２２のうち色変換層３１，３２を囲む部分の上に形成されている。なお、半導体モジュール４において、下地基板１１と反対側で発光素子１３は繋がっている一方で、下地基板１１側では分離層１６により分離されたような、部分的な分離であってもよい。
一方、複数の発光素子１３のうち、他の発光素子１３の上側には、色変換層３１，３２及び保護層１５が形成されていない。つまり、複数の発光素子１３のうち、少なくとも一部の発光素子１３の上側に色変換層３１，３２及び保護層１５が形成されている。これにより、色変換層３１，３２を用いて様々な発光色の光の出射を実現することができる。よって、各発光素子１３の発光状態を制御することで、半導体モジュール４をディスプレイなどの表示素子として利用することが可能となる。
＜半導体モジュール４の製造方法＞
図９は、図８に示す半導体モジュール４の製造方法を説明するための図である。本実施例においては、色変換層３１，３２を形成するために色変換材料を含むネガ型のフォトレジストを用いている。半導体モジュール４の製造方法は、複数の発光素子１３の各々の上に色変換層２１を形成する工程までは、半導体モジュール３の製造方法と同様である。図９の符号Ｓ４１及びＳ４２に示すように、複数の発光素子１３の各々の上に色変換層３２Ａを塗布する。
複数の発光素子１３の各々の上に色変換層３２Ａを塗布した後、図９の符号Ｓ４３に示すように、色変換層３２Ａに対してフォトマスクＰＭ３の上から光を照射することにより、色変換層３２Ａに対して露光を行う。これにより、図９の符号Ｓ４４に示すように、色変換層３２Ａに対して現像が行われ、一部の発光素子１３の上面が露出する。
よって、他の発光素子１３上に色変換層３２が形成される。色変換層３１についても、色変換層３２と同様に、発光素子１３上に形成される。一部の発光素子１３上に色変換層３１，３２が形成された後、色変換層３１，３２上と、分離層２２のうち色変換層３１，３２を囲む部分の上と、に保護層１５を成膜する。
なお、色変換層３１は図７で示すような方法で形成することもできる。色変換層３１を全ての発光素子１３及び分離層１６上に成膜した後に、マスクレジストを形成し、エッチングにより特定の発光素子１３上のみに色変換層３１を形成する。色変換層３２も同様の方法で形成することができる。
なお、後述する半導体モジュール４Ｂにおいては、保護層１５を成膜した後、塗布、蒸着またはスパッタリング等により保護層１５上に機能層１７を成膜する。さらに、後述する半導体モジュール４Ｃにおいては、保護層１５上に機能層１７を成膜した後、塗布、蒸着またはスパッタリング等により機能層１７上にカラーフィルタ３３，３４を成膜する。
実施形態４における色変換層、保護層、機能層及びカラーフィルタのパターニングの方法については、（１）材料としてフォトレジストを用い、フォトリソグラフィ工程によりパターニングする、（２）成膜後にマスクレジストを形成し、エッチング等でパターニングする、等がある。これは他の実施形態においても同様である。
＜半導体モジュール４Ａの構成＞
図８の符号５０２に示すように、半導体モジュール４Ａは半導体モジュール４と比べて、カラーフィルタ３３，３４が形成されている点が異なる。半導体モジュール４Ａはカラーフィルタ３３，３４を備える。
カラーフィルタ３３は、保護層１５を介して、色変換層３１の上側に形成されている。カラーフィルタ３３は、保護層１５上に形成され、発光素子１３から出射されて色変換層３１を通過した光のうち、緑色の光のみを透過させる。カラーフィルタ３４は、保護層１５を介して、色変換層３２の上側に形成されている。カラーフィルタ３４は、保護層１５上に形成され、発光素子１３から出射されて色変換層３２を通過した光のうち、赤色の光のみを透過させる。これらのカラーフィルタが形成されていることで、色純度をより高くすることができるとともに、外光による所望しない発光をより抑制することができる。
また、色変換層３１，３２とカラーフィルタ３３，３４との間に保護層１５が形成されていることにより、色変換層３１，３２の上面に生じる凹凸からカラーフィルタ３３，３４に及ぶ影響を低減することができる。よって、カラーフィルタ３３，３４の機能を十分に発揮することができる。
＜半導体モジュール４Ｂの構成＞
図８の符号５０３に示すように、半導体モジュール４Ｂは半導体モジュール４と比べて、機能層１７が形成されている点が異なる。機能層１７は、複数の発光素子１３のうち、一部の発光素子１３の上側にのみ形成された保護層１５上に形成されている。つまり、機能層１７は、複数の発光素子１３のうち、一部の発光素子１３の上側にのみ形成されている。よって、本発明の一態様は、半導体モジュール１Ｂのように、全ての発光素子１３の上側に機能層１７が形成される構成に限定されず、一部の発光素子１３の上側に機能層１７が形成される構成も含まれる。機能層１７が形成されていることで、発光素子１３の光の利用効率を高めることができる。
＜半導体モジュール４Ｃの構成＞
図８の符号５０４に示すように、半導体モジュール４Ｃは半導体モジュール４Ｂと比べて、カラーフィルタ３３，３４が形成されている点が異なる。カラーフィルタ３３，３４は機能層１７上に形成されている。カラーフィルタ３３は、保護層１５及び機能層１７を介して、色変換層３１の上側に形成されている。カラーフィルタ３４は、保護層１５及び機能層１７を介して、色変換層３２の上側に形成されている。これらのカラーフィルタが形成されていることで、色純度をより高くすることができるとともに、外光による所望しない発光をより抑制することができる。
また、半導体モジュール４Ｂ及び４Ｃの機能層１７中に可視光を遮蔽する分離層を形成することもできる。当該分離層は、上面視で分離層２２上に形成されている。これにより、発光素子１３間で光の影響を及ぼし合うことと、色変換層３１，３２間で光の影響を及ぼし合うことと、機能層１７間で光の影響を及ぼし合うこととを低減することができるため、個々の発光素子１３から出射される光を際立たせることができる。
〔実施形態５〕
図１０は、本発明の実施形態５に係る半導体モジュール５，５Ａの構成を示す断面図である。半導体モジュール５Ａは半導体モジュール５の変形例である。図１０の符号６０１，６０２はそれぞれ、半導体モジュール５，５Ａの構成を示している。
＜半導体モジュール５の構成＞
図１０の符号６０１に示すように、半導体モジュール５は半導体モジュール４Ｂと比べて、複数の発光素子１３のうち、一部の発光素子１３上に保護層４１が形成されている点が異なる。保護層４１の材料は保護層１５の材料と同一であり、保護層４１は保護層１５と一体となっている。ただし、これに限定されず、保護層４１の材料は保護層１５の材料と異なっていてもよい。
また、保護層４１が保護層１５と異なる材料の場合、保護層４１は光散乱材料を含んでいてもよい。光散乱材料の存在により、色変換層３１，３２が形成された発光素子１３上の発光特性と、保護層４１が形成された発光素子１３上の発光特性と、を近いものとすることが容易となる。なお、実施形態５に係る半導体モジュール５については、実施形態４に係る半導体モジュール４と同様に、各発光素子１３の発光状態を制御することで、ディスプレイなどの表示素子として利用することが可能である。なお、半導体モジュール５において、下地基板１１と反対側で発光素子１３は繋がっている一方で、下地基板１１側では分離層１６により分離されたような、部分的な分離であってもよい。
上に色変換層３１，３２が形成されない発光素子１３について、その発光素子１３上に保護層４１及び保護層１５が形成されることにより、発光素子１３が大気と遮断されるため、発光素子１３の経時劣化を抑制することができる。
また、保護層１５を形成する際に、保護層４１が形成されない場合に比べて、分離層２２、保護層４１及び色変換層３１、３２により略均一な高さの面が形成される。このため、保護層１５の形成が容易になり、保護層１５における発光素子１３と対向する面の凹凸を抑えることができる。
保護層１５は、色変換層３１，３２上に形成されているだけではなく、保護層４１上にも形成されているとともに、保護層４１を囲む分離層２２上にも形成されている。機能層１７は、保護層１５を介して、色変換層３１，３２の上側には形成されているが、保護層４１の上側には形成されていない。つまり、機能層１７は、複数の発光素子１３のうち、一部の発光素子１３の上側に形成されている。
＜半導体モジュール５Ａの構成＞
図１０の符号６０２に示すように、半導体モジュール５Ａは半導体モジュール５と比べて、機能層１７が全ての発光素子１３の上側に形成されている点が異なる。つまり、機能層１７は、色変換層３１，３２の上側に形成されているだけではなく、保護層１５を介して、保護層４１の上側にも形成されている。よって、本発明の一態様は、半導体モジュール５のように、一部の発光素子１３の上側にのみ機能層１７が形成される構成に限定されず、全ての発光素子１３の上側に機能層１７が形成される構成も含まれる。
その他の変形例として、図示していないが、発光素子１３として紫色発光素子を用い、かつ、保護層４１の代わりに青色発光材料を含む色変換層を形成することもできる。これによっても半導体モジュールをディスプレイなどの表示素子として用いることができる。また、この場合、機能層１７が紫色を波長選択的に反射する機能を有する。これにより、特に半導体モジュール５Ａの構造において、発光素子１３の光利用を高めることができ、より高効率な半導体モジュールを実現することができる。
さらに別の変形例としては、半導体モジュール５及び５Ａの機能層１７上にカラーフィルタを形成することもできる。これらのカラーフィルタが形成されていることで、色純度をより高くすることができるとともに、外光による所望しない発光をより抑制することができる。
また、半導体モジュール５及び５Ａの機能層１７中に可視光を遮蔽する分離層を形成することもできる。当該分離層は、上面視で分離層２２上に形成されている。これにより、発光素子１３間で光の影響を及ぼし合うことと、色変換層３１，３２間で光の影響を及ぼし合うことと、機能層１７間で光の影響を及ぼし合うこととを低減することができるため、個々の発光素子１３から出射される光を際立たせることができる。
〔実施例〕
以下、実施例によって本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は、本実施例に限定されるものではない。図１１は、本発明の実施例に係る半導体モジュールから出射される光の強度を示す図である。図１１の符号７０１において、横軸は半導体モジュールから出射される光の波長［ｎｍ］であり、縦軸は半導体モジュールから出射される光の強度である。図１１の符号７０２は、図１１の符号７０１に示す図において光の強度が０．００以上０．１２以下の範囲を拡大したものである。
線Ｇ１は、発光素子１３上に色変換層１４を形成するが、色変換層１４上に保護層１５を形成しない場合を示す。線Ｇ２は、発光素子１３上に色変換層１４を形成し、色変換層１４上に保護層１５を形成する場合を示す。線Ｇ３は、発光素子１３の上側に色変換層１４及び保護層１５を形成し、保護層１５上に機能層１７を形成する場合を示す。線Ｇ４は、発光素子１３の上側に色変換層１４及び機能層１７を形成するが、色変換層１４の上側に保護層１５を形成しない場合を示す。
図１１の符号７０２に示すように、線Ｇ３では、他の場合に比べて、青色の光の波長４５５ｎｍ付近で光の強度が小さくなった。これは、色変換層１４の上側に保護層１５を形成することにより、平坦性が向上するとともに、保護層１５上に形成された機能層１７の機能を十分に発揮し、青色の光をより反射させることができたためである。
また、線Ｇ３では線Ｇ４の場合に比べて、光の波長６４０ｎｍ付近で光の強度が強くなった。これについても同様に、色変換層１４の上側に保護層１５を形成することにより、平坦性が向上するとともに、保護層１５上に形成された機能層１７の機能を十分に発揮し、青色の光を反射させることができたためである。またこれに伴い、機能層１７により反射された青色の光により色変換層１４からの発光強度を増大させることができたためである。
図１２は、本発明の実施例に係る半導体モジュールにおいて、色変換層１４及び機能層１７の断面の様子を示す図である。また、図１２は、ＳＥＭ（Scanning Electron Microscope，走査電子顕微鏡）による観察結果である。さらに、図１２の符号８０１，８０３は、半導体モジュールを傾けずに撮影した断面ＳＥＭ像であり、図１２の符号８０２，８０４は、半導体モジュールを手前側に傾けて撮影した断面ＳＥＭ像である。
図１２の符号８０１，８０２は、色変換層１４上に保護層１５が形成されずに、機能層１７が直接形成される場合を示す。図１２の符号８０３，８０４は、色変換層１４上に保護層１５が形成され、保護層１５上に機能層１７が形成される場合を示す。
図１２の符号８０１，８０２に示すように、色変換層１４と機能層１７との間に保護層１５が形成されない場合、色変換層１４の上面に凹凸が生じ、その凹凸によって機能層１７にマイクロクラックが生じる。これにより機能層１７の特性は十分に発揮されない。一方、図１２の符号８０３，８０４に示すように、色変換層１４と機能層１７との間に保護層１５が形成される場合、色変換層１４の上面に凹凸が生じることを低減できる。また、機能層１７にマイクロクラックが生じることも低減でき、機能層１７の特性を十分に発揮させることができる。
〔まとめ〕
本発明の態様１に係る半導体モジュールは、駆動回路が形成された下地基板と、前記駆動回路と電気的に接続された複数の発光素子と、前記発光素子上に形成されており、前記発光素子の光を吸収して前記発光素子の発光色を他の発光色に変換する色変換材料を含有する色変換層と、を備え、前記色変換層に含有される前記色変換材料は、前記色変換層における前記発光素子側とは反対側よりも、前記色変換層における前記発光素子側に多く存在する構成である。
本発明の態様２に係る半導体モジュールは、上記の態様１において、前記色変換層の上側に形成され、前記発光素子からの光のうち、前記色変換層にて色変換された光の透過率が５０％以上であるように構成された機能層を更に備える構成としてもよい。
本発明の態様３に係る半導体モジュールは、上記の態様２において、前記機能層は、前記発光素子からの光を反射もしくは吸収する構成としてもよい。
本発明の態様４に係る半導体モジュールは、上記の態様１から３のいずれかにおいて、互いに隣接する前記色変換層間に配置される分離層を更に備える構成としてもよい。
本発明の態様５に係る半導体モジュールは、上記の態様４において、前記分離層の可視光透過率は５０％以下である構成としてもよい。
本発明の態様６に係る半導体モジュールは、上記の態様１から５のいずれかにおいて、前記色変換層上に形成され、前記色変換層の上部を保護する保護層を更に備え、前記発光素子のうち、少なくとも一部の発光素子の上側に前記色変換層及び前記保護層が形成されている構成としてもよい。
本発明の態様７に係る半導体モジュールは、駆動回路が形成された下地基板と、前記駆動回路と電気的に接続された複数の発光素子と、前記発光素子上に形成されており、前記発光素子の光を吸収して前記発光素子の発光色を他の発光色に変換する色変換層と、前記色変換層上に形成され、前記色変換層の上部を保護する保護層と、を備える構成である。
本発明の態様８に係る半導体モジュールは、上記の態様７において、前記保護層における前記色変換層側の面の平坦性よりも、前記保護層における前記色変換層側とは反対側の面の平坦性の方が高い構成としてもよい。
〔付記事項〕
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。さらに、各実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を組み合わせることにより、新しい技術的特徴を形成することができる。
１、１Ａ、１Ｂ、２、２Ａ、２Ｂ、３、３Ａ、
４、４Ａ～４Ｃ、５、５、５Ａ 半導体モジュール
１１ 下地基板
１３ 発光素子
１４、１４Ａ～１４Ｄ、２１、３１、３２ 色変換層
１５、１５Ａ、１５Ｂ、４１ 保護層
１６、２２ 分離層
１７ 機能層
Ｍ１～Ｍ４ 色変換材料

Claims (8)

  1. 駆動回路が形成された下地基板と、
    前記駆動回路と電気的に接続された複数の発光素子と、
    前記発光素子上に形成されており、前記発光素子の光を吸収して前記発光素子の発光色を他の発光色に変換する色変換材料を含有する色変換層と、を備え、
    前記色変換層に含有される前記色変換材料は、前記色変換層における前記発光素子側とは反対側よりも、前記色変換層における前記発光素子側に多く存在することを特徴とする半導体モジュール。
  2. 前記色変換層の上側に形成され、前記発光素子からの光のうち、前記色変換層にて色変換された光の透過率が５０％以上であるように構成された機能層を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の半導体モジュール。
  3. 前記機能層は、前記発光素子からの光を反射もしくは吸収することを特徴とする請求項２に記載の半導体モジュール。
  4. 互いに隣接する前記色変換層間に配置される分離層を更に備えることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
  5. 前記分離層の可視光透過率は５０％以下であることを特徴とする請求項４に記載の半導体モジュール。
  6. 前記色変換層上に形成され、前記色変換層の上部を保護する保護層を更に備え、
    前記発光素子のうち、少なくとも一部の発光素子の上側に前記色変換層及び前記保護層が形成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
  7. 駆動回路が形成された下地基板と、
    前記駆動回路と電気的に接続された複数の発光素子と、
    前記発光素子上に形成されており、前記発光素子の光を吸収して前記発光素子の発光色を他の発光色に変換する色変換層と、
    前記色変換層上に形成され、前記色変換層の上部を保護する保護層と、を備えることを特徴とする半導体モジュール。
  8. 前記保護層における前記色変換層側の面の平坦性よりも、前記保護層における前記色変換層側とは反対側の面の平坦性の方が高いことを特徴とする請求項７に記載の半導体モジュール。
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