JP4778107B1 - 発光デバイス、及び、その製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】信頼性が高く、製造の容易な発光デバイス、及び、その製造方法を提供するこを提供すること。
【解決手段】透明結晶基板２は、一面が光出射面２１であり、発光素子１は透明結晶基板２の光出射面２１とは反対側の他面２２に積層されている。透明結晶基板の側に位置するＮ型半導体層３１は、Ｐ型半導体層３２と重ならない部分３３を有している。Ｎ型半導体層３１の第１半導体面電極５１は、重ならない部分３３の表面に設けられており、Ｐ型半導体層３２の第２半導体面電極５２は、第１半導体面電極５１と同じ側の面に設けられている。発光素子１は絶縁層６によって覆われており、絶縁層６には支持基板９が積層されている。絶縁層６を通って第１及び第２半導体面電極５１、５２に接続された第１及び第２縦導体７１、７２が、支持基板９を貫通する第１及び第２貫通電極９４、９５と接続されている。
【選択図】図１
【解決手段】透明結晶基板２は、一面が光出射面２１であり、発光素子１は透明結晶基板２の光出射面２１とは反対側の他面２２に積層されている。透明結晶基板の側に位置するＮ型半導体層３１は、Ｐ型半導体層３２と重ならない部分３３を有している。Ｎ型半導体層３１の第１半導体面電極５１は、重ならない部分３３の表面に設けられており、Ｐ型半導体層３２の第２半導体面電極５２は、第１半導体面電極５１と同じ側の面に設けられている。発光素子１は絶縁層６によって覆われており、絶縁層６には支持基板９が積層されている。絶縁層６を通って第１及び第２半導体面電極５１、５２に接続された第１及び第２縦導体７１、７２が、支持基板９を貫通する第１及び第２貫通電極９４、９５と接続されている。
【選択図】図１
Description
本発明は、発光デバイス、及び、その製造方法に関する。
発光ダイオードを用いた発光デバイスは、省エネルギー、長寿命という利点があり、照明装置、カラー画像表示装置、液晶パネルのバックライト、又は、交通信号灯などの光源として、注目されている。
この種の発光デバイスについて、例えば特許文献１には、透明結晶基板と、Ｐ型及びＮ型の窒化物半導体からなる一対の半導体層と、一対の半導体層に電流を注入するための半導体面電極と、絶縁基板を順に積層した発光素子が開示されている。絶縁基板には、縦導体が形成されている。この縦導体は、絶縁基板を厚み方向に貫通して形成した縦孔内に、めっき処理、又は、はんだ等の導電性ペースト埋め込み処理により形成され、半導体面電極と、絶縁基板の他面に形成された実装面電極とを電気的に接続する。
ところで、特許文献１の発光素子は、光出射面の反対側において絶縁基板の表面に、実装面電極を備えていることから、プリント基板に表面実装される素子と同様に取り扱われることを前提とするものである。
しかし、この種の発光素子は、通常、厚みが２０μｍ程度の極薄構造となっているから、特許文献１に示されているように、発光素子を、プリント基板に表面実装される他の素子と同様に取り扱おうとしてもハンドリングが困難である。例えば、表面実装作業においてハンドリングに失敗し、発光素子が破損した場合、照明装置などの信頼性が低下することとなる。
また、特許文献１に示されているように、縦導体をめっき処理により形成する場合、めっき処理には必ず一定の時間を要するから、製造効率が極めて悪い。
他方、縦導体を、はんだ等の導電性ペースト埋め込み処理により形成する場合、縦孔内に埋め込みした導電性ペーストが、凝固時に必ず収縮し、縦導体に引け巣が生じることとなる。このような引け巣は、電気抵抗の増大、高周波特性の劣化、及び、信頼性低下等の原因となる。
本発明の課題は、信頼性の高い面発光の発光デバイス、及び、発光デバイスの製造方法を提供することである。
本発明のもう１つの課題は、製造の容易な発光デバイス、及び、発光デバイスの製造方法を提供することである。
上述した課題を解決するため、本発明に係る発光デバイスは、発光素子と、支持基板とを含む。前記発光素子は、透明結晶基板と、半導体層と、半導体面電極と、絶縁層と、縦導体とを含んでおり、前記透明結晶基板は、一面が光出射面であり、前記半導体層は、Ｐ型半導体層及びＮ型半導体層を積層した構造を含み、前記透明結晶基板の前記光出射面とは反対側の他面に積層されている。前記Ｐ型半導体層及びＮ型半導体層のうち、前記透明結晶基板の側に位置する一方の半導体層は、他方の半導体層と重ならない部分を有している。
前記半導体面電極は、第１半導体面電極と、第２半導体面電極とを有しており、前記第１半導体面電極は、前記一方の半導体層において、前記重ならない部分の表面に設けられており、前記第２半導体面電極は、前記他方の半導体層において、前記第１半導体面電極の設けられた前記表面と同じ側の面に設けられている。前記絶縁層は、前記半導体層を覆っている。
前記縦導体は、凝固により膨張する金属成分を含む膨張金属体でなり、第１縦導体及び第２縦導体を含む。前記第１縦導体は、前記絶縁層を貫通して、前記第１半導体面電極に接続されており、前記第２縦導体は、前記絶縁層を貫通して、前記第２半導体面電極に接続されている。
前記支持基板は、基板部と、貫通電極とを有し、前記絶縁層に積層されている。前記貫通電極は、凝固により膨張する金属成分を含む膨張金属体でなり、第１貫通電極及び第２貫通電極を含んでいる。前記第１貫通電極は、前記基板部を貫通して、前記第１縦導体に接続されており、前記第２貫通電極は、前記基板部を貫通して、前記第２縦導体に接続されている。
上述したように、本発明に係る発光デバイスは、発光素子と、支持基板とを含み、支持基板は、発光素子に積層されている。この構造によれば、極薄構造の発光素子を支持基板によって補うことになるので、製造工程におけるハンドリング性が格段に向上し、生産性・製造効率が向上する。
しかも、発光素子と支持基板とを別々の工程で製造しておき、発光素子の絶縁層に支持基板を貼り付けるなどの手段によって両者を一体化できるし、又は、発光素子に支持基板を貼り付けた状態で、縦導体及び貫通電極のための埋め込み工程を一気に実行する等の手段を採用することもできる。このため、生産・製造設備などに適合する最適な製造方法によって、効率よく製造することができる。
また、支持基板は、インターポーザとして機能するので、発光素子に対する合理的な給電回路を、支持基板を用いて実現することができる。
さらに、支持基板を活用することにより、発光素子における絶縁層の厚みを減少させ、絶縁層に対する穿孔工程、及び、その後の縦導体形成工程を容易化することができる。
発光素子は、透明結晶基板と、半導体層とを含んでおり、透明結晶基板は、一面が光出射面であり、半導体層は透明結晶基板の光出射面とは反対側の他面に積層されている。この構造は、半導体層のための電極が、Ｐ側電極であれＮ側電極であれ、光出射面に現れない構造を実現するためのベースを与える。
半導体層のための電極が、光出射面に現れない構造を実現するための具体的な構造として、本発明では、半導体層を構成するＰ型半導体層及びＮ型半導体層のうち、透明結晶基板の側に位置する一方の半導体層は、他方の半導体層と重ならない部分を有している。
半導体層のための電極が、光出射面に現れない構造を実現するための具体的な構造として、本発明では、半導体層を構成するＰ型半導体層及びＮ型半導体層のうち、透明結晶基板の側に位置する一方の半導体層は、他方の半導体層と重ならない部分を有している。
Ｐ側電極、Ｎ側電極のうち、その何れかである第１半導体面電極は、一方の半導体層において、重ならない部分の表面に設けられており、第２半導体面電極は、他方の半導体層において、第１半導体面電極の設けられた表面と同じ側の面に設けられている。したがって、半導体層に対しては、透明結晶基板のある側とは反対側から、電流が注入されることになる。半導体層は、絶縁層によって覆われているので、絶縁層による保護を受ける。
発光素子は、第１縦導体及び第２縦導体を含んでいる。第１縦導体は、絶縁層を貫通して、第１半導体面電極に接続されており、第２縦導体は絶縁層を貫通して、第２半導体面電極に接続されている。また、支持基板は、第１貫通電極及び第２貫通電極を含んでおり、第１貫通電極は基板部を貫通して、第１縦導体に接続されており、第２貫通電極は、基板部を貫通して第２縦導体に接続されている。
したがって、半導体層の第１半導体面電極及び第２半導体面電極には、透明結晶基板のある側とは反対側から、第１貫通電極及び第１縦導体による回路と、第２貫通電極及び第２縦導体による回路によって電流が供給され、半導体層のための電極が、光出射面に現れない構造が実現されることになる。
第１縦導体及び第２縦導体は、膨張金属体である。この膨張金属体は、絶縁層に設けられた縦孔内に溶融金属を流し込み、凝固させる溶融金属充填法によって形成されたものである。縦孔内に流し込まれた溶融金属に、機械的な力、例えばプレス板を用いたプレス圧、射出圧または転圧を印加しながら、冷却し、凝固させることにより、巣、空隙、空洞のない緻密な構造を持つ縦導体を、短時間で、効率よく形成することができる。
第１縦導体及び第２縦導体を構成する膨張金属体は、凝固により体積が膨張する金属成分（凝固膨張金属成分）を含む。その具体例は、Ｂｉ（ビスマス）である。Ｂｉなどの凝固膨張金属成分を含有させると、凝固時の体積膨張特性により、縦孔の内部に、空洞や空隙のない緻密な縦導体を形成することができる。溶融金属充填法を適用した場合、溶融金属によって一旦加熱された絶縁層が、溶融金属の温度低下に従って収縮してゆく。この時、もし、溶融金属も、温度低下によって体積が収縮するならば、縦孔の内壁面と膨張金属体との間に、空隙や空洞が生じることになる。本発明では、溶融金属が、Ｂｉなどの凝固膨張金属成分を含有するので、上述した空隙や空洞が生じない。よって、電気的特性に優れた高品質の縦導体を形成することができる。
支持基板に設けられた第１貫通電極及び第２貫通電極も、膨張金属体である。この膨張金属体も、縦導体と同様の溶融金属充填法によって形成されたものであり、巣、空隙、空洞のない緻密な構造を持つ貫通電極を、短時間で、効率よく形成することができる。
第１貫通電極及び第２貫通電極を構成する膨張金属体も、凝固膨張金属成分を含む。凝固膨張金属成分の具体例、及び、作用については、既に説明したとおりであり、凝固膨張金属成分の体積膨張特性により、貫通孔の内部に、空洞や空隙のない緻密な貫通電極を形成することができる。
本発明に係る発光デバイスにおいて、発光素子は単数であってもよいし、複数であってもよい。発光素子が複数である場合は、その数に応じた発光量を持つ面発光デバイスを実現することができる。
発光素子が複数である場合、発光素子のそれぞれは、透明結晶基板、半導体層及び絶縁層を通る分離溝によって個別化されていることが好ましい。発光素子のそれぞれを、電気的に安定した状態で、発光させることができるからである。この場合、支持基板は、発光素子のそれぞれにおいて、共用されることが好ましい。構造が簡単化され、製造が容易になるからである。支持基板は、セラミック基板で構成してもよいし、樹脂基板で構成してもよい。
第１半導体面電極及び第２半導体面電極は、Ａｕを含有する電極膜を含むことが好ましい。さらに、第２半導体面電極は、光反射電極膜を含むことが好ましい。これにより、半導体層の接合領域における発光を、光反射電極膜によって透明結晶基板の方向に反射し、透明結晶基板の光出射面で見た発光量を増大させることができる。
透明結晶基板は、光出射面に、微細凹凸形状が形成されていてもよい。これにより、透明結晶基板の光出射面で、光を拡散又は分散させ、均一な面発光を実現することができる。これとは異なって、透明結晶基板の光出射面に、微細凹凸形状を有する透明光学部品が配置されていてもよい。この場合も、同様の作用効果を得ることができる。さらに、透明結晶基板の光出射面または内部に蛍光体が配置されていてもよい。
本発明は、さらに、上述した発光デバイスの製造方法についても開示する。その製造にあたっては、透明結晶基板の光出射面とは反対側の他面に、半導体層及び半導体面電極を積層した積層体を準備する。そして、前記積層体の前記半導体層及び前記半導体面電極をパターン化して、個別化された発光エレメントを形成する。次に、前記発光エレメントを共通に覆う耐熱性樹脂を塗布し、硬化させて絶縁層を形成する。次に、前記絶縁層に、前記半導体面電極に達する縦孔を穿孔する。こうして穿孔された前記縦孔内に、凝固により膨張する金属成分を含む溶融金属を充填し、凝固させて縦導体を形成する。そして、前記絶縁層に、貫通電極を有する支持基板を貼り合わせ、前記縦導体と、前記貫通電極とを接合する。
以上述べたように、本発明によれば、次のような効果を得ることができる。
（ａ）信頼性の高い面発光の発光デバイス、及び、その製造方法を提供することができる。
（ｂ）製造の容易な発光デバイス、及び、その製造方法を提供することができる。
（ａ）信頼性の高い面発光の発光デバイス、及び、その製造方法を提供することができる。
（ｂ）製造の容易な発光デバイス、及び、その製造方法を提供することができる。
本発明の他の目的、構成及び利点については、添付図面を参照し、更に詳しく説明する。添付図面は、単に、例示に過ぎない。
１．発光デバイス
図１を参照すると、本発明に係る発光デバイスは、発光素子１と、支持基板９とを含む。発光素子１は、発光ダイオードであって、透明結晶基板２と、半導体層（３１、３２）と、半導体面電極（５１、５２）と、絶縁層６と、縦導体（７１、７２）とを含んでいる。
図１を参照すると、本発明に係る発光デバイスは、発光素子１と、支持基板９とを含む。発光素子１は、発光ダイオードであって、透明結晶基板２と、半導体層（３１、３２）と、半導体面電極（５１、５２）と、絶縁層６と、縦導体（７１、７２）とを含んでいる。
透明結晶基板２は、代表的にはサファイアであり、その一面が光出射面２１となる。透明結晶基板２の一面上には、バッファ層３０があり、半導体層（３１、３２）は、バッファ層３０を介して、透明結晶基板２の上に成長させてある。
半導体層（３１、３２）は、発光素子１において周知である。ＰＮ接合を持ち、代表的にはIII−Ｖ族化合物半導体が用いられる。もっとも、公知技術に限らず、これから提案されることのある化合物半導体を含むことができる。
半導体層（３１、３２）は、発光素子１において周知である。ＰＮ接合を持ち、代表的にはIII−Ｖ族化合物半導体が用いられる。もっとも、公知技術に限らず、これから提案されることのある化合物半導体を含むことができる。
本発明において、発光素子１は、赤色発光素子、緑色発光素子、青色発光素子、橙色発光素子の何れであってもよいし、白色発光素子であってもよい。それらの発光素子１において、半導体層（３１、３２）を構成する半導体材料は既に知られている。
図１は、窒素(Ｎ)系の化合物半導体を用いたＧａＮ系青色発光素子の一例を示している。図を参照すると、半導体層（３１、３２）は、サファイアでなる透明結晶基板２の一面上に付着されたバッファ層３０の上に、Ｎ型半導体層３１、活性層４及びＰ型半導体層３２を、この順序で積層した構造を持つ。一例であるが、Ｎ型半導体層３１は、ＳｉドープＧａＮ層で構成され、Ｐ型半導体層３２はＭｇドープＧａＮ層で構成される。
活性層４は、ＧａＮ−ＩｎＧａＮ等でなる多重量子井戸ＭＱＷ（Multiple Quantum Well）構造を有し、Ｐ型半導体層３２と接する側に、Ａｌ−ＧａＮ超格子キャップ層を備えることがある。
Ｐ型半導体層及びＮ型半導体層のうち、透明結晶基板２の側に位置するＮ型半導体層３１は、Ｐ型半導体層３２とは重ならない部分３３を有している。重ならない部分３３は、Ｎ型半導体層３１、活性層４及びＰ型半導体層３２で構成される能動領域の外側に、例えば、これを挟み、又は、囲むように設けられている。重ならない部分３３は、その表面が活性層４との接触面から落ち込む段差状であってもよいし、活性層４との接触面から、そのまま平面的に延びる態様であってもよい。
半導体面電極（５１、５２）は、第１半導体面電極５１と、第２半導体面電極５２とを有する。第１半導体面電極５１及び第２半導体面電極５２は、Ａu（金）を含有する薄膜電極である。第１半導体面電極５１は、Ｎ型半導体層３１において、重ならない部分３３の表面に設けられている。
第２半導体面電極５２は、Ｐ型半導体層３２において、第１半導体面電極５１の設けられた表面と同じ側の面に設けられている。実施の形態では、第２半導体面電極５２は、その一部として、光反射電極膜３４を有している。光反射電極膜３４は、ＡｇまたはＡｌを主成分とし、Ｐ型半導体層３２の上に設けられ、第２半導体面電極５２は光反射電極膜３４に積層される。これにより、Ｎ型半導体層３１及びＰ型半導体層３２の間にある活性層４における発光を、光反射電極膜３４によって透明結晶基板２の方向に反射し、透明結晶基板２の光出射面２１で見た発光量を増大させることができる。
光反射電極膜３４は、好ましくは、Ｐ型半導体層３２とは反対側において、ＡｇまたはＡｌを主成分とする反射電極膜に、Ｃｒを主成分とする第２反射電極膜を積層した２層構造を有する。このような第２反射電極膜を有することにより、光反射効率がさらに向上する。
絶縁層６は、半導体層（３１、３２）及び活性層４等で構成される能動領域を覆っている。この絶縁層６は、耐熱性絶縁樹脂、例えば、耐熱性のあるエポキシ系樹脂、ポリアミド系樹脂又は液晶ポリエステルなどによって構成することができる。
第１半導体面電極５１及び第２半導体面電極５２には、縦導体(７１、７２)の一端が接合されている。縦導体(７１、７２)は、第１縦導体７１及び第２縦導体７２を含んでいる。第１縦導体７１は、絶縁層６を貫通して、第１半導体面電極５１に接続されており、第２縦導体７２は、絶縁層６を貫通して、第２半導体面電極５２に接続されている。第１縦導体７１及び第２縦導体７２は、ともに、凝固により膨張する金属成分（以下、凝固膨張金属成分と称する）、具体的にはＢｉを含む膨張金属体でなる。第１縦導体７１及び第２縦導体７２を組成する材料には、Ｇａ、Ｓｂ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｇｅの群から選択された少なくとも一種と、上述した凝固膨張金属成分とを含むことができる。
支持基板９は、基板部９１と、貫通電極（９４、９５）とを有する。支持基板９は、セラミック基板で構成することができる。好ましい例は、Ｓｉを主成分とする基板（半導体基板）である。支持基板９が半導体基板でなる場合、その両面に絶縁層９２、９３を設ける。半導体基板の場合、さらに、厚み方向の両面及び貫通電極（９４、９５）を通す貫通孔９０の内壁面が酸化され、又は、窒化されていることが好ましい。酸化は、自然酸化であってもよいし、強制酸化であってもよい。これとは異なって、支持基板９は、絶縁樹脂基板又は絶縁性セラミック基板で構成してもよい。この場合には、絶縁層９２、９３は省略することができる。
貫通電極（９４、９５）は、凝固により膨張する金属成分、具体的にはＢｉを含む膨張金属体でなり、第１貫通電極９４及び第２貫通電極９５を含んでいる。第１貫通電極９４は、基板部９１を貫通して、第１縦導体７１に接続されており、第２貫通電極９５は、基板部９１を貫通して、第２縦導体７２に接続されている。第１貫通電極９４及び第２貫通電極９５も、第１縦導体７１及び第２縦導体７２と同様に、凝固により膨張する金属成分を含む膨張金属体でなる。
上述したように、本発明に係る発光デバイスは、発光素子１と、支持基板９とを含み、支持基板９は、発光素子１の半導体層を覆う絶縁層６に積層されている。この構造によれば、極薄構造の発光素子１を支持基板９によって補うことになるので、製造工程におけるハンドリング性が格段に向上し、生産・製造効率が向上する。
しかも、発光素子１と支持基板９とを別々の工程で製造しておき、発光素子１の絶縁層６に支持基板９を貼り付けるなどの手段によって両者を一体化できるし、又は、発光素子１に支持基板９を貼り付けた状態で、縦導体及び貫通電極のための埋め込み工程を一気に実行する等の手段を採用することもできる。このため、生産・製造設備などに適合する最適な製造方法によって、効率よく製造することができる。
また、支持基板９は、インターポーザとして機能するので、発光素子１に対する合理的な給電回路を、支持基板９を用いて実現することができる。
さらに、支持基板９を、絶縁基板として活用することにより、発光素子１における絶縁層６の厚みを減少させ、絶縁層６に対する穿孔工程、及び、その後の縦導体形成工程を容易化することができる。
発光素子１は、透明結晶基板２と、半導体層（３１、３２）とを含んでおり、透明結晶基板２は、一面が光出射面２１であり、半導体層（３１、３２）は透明結晶基板２の光出射面２１とは反対側の他面２２に積層されている。この構造は、半導体層（３１、３２）のための電極が、Ｐ側電極であれＮ側電極であれ、光出射面２１に現れない構造を実現するためのベースとなる。この構成によれば、電極によって光出射面２１積が縮小されることがないから、発光量が大きく、発光効率の高い発光デバイスを実現することができる。
半導体層（３１、３２）のための電極が、光出射面２１に現れない構造を実現するための具体的な構造として、本発明では、半導体層（３１、３２）の構成するＰ型半導体層３２及びＮ型半導体層３１のうち、透明結晶基板２の側に位置するＮ型半導体層３１は、Ｐ型半導体層３２と重ならない部分３３を有している。
半導体層（３１、３２）のための電極が、光出射面２１に現れない構造を実現するための具体的な構造として、本発明では、半導体層（３１、３２）の構成するＰ型半導体層３２及びＮ型半導体層３１のうち、透明結晶基板２の側に位置するＮ型半導体層３１は、Ｐ型半導体層３２と重ならない部分３３を有している。
第１半導体面電極５１は、Ｎ型半導体層３１において、重ならない部分３３の表面に設けられており、第２半導体面電極５２は、Ｐ型半導体層３２において、第１半導体面電極５１の設けられた表面と同じ側の面に設けられている。したがって、半導体層（３１、３２）に対しては、透明結晶基板２のある側とは反対側から、電流が注入されることになる。半導体層（３１、３２）は、絶縁層６によって覆われているので、絶縁層６による保護を受ける。
第１縦導体７１は、絶縁層６を貫通して、第１半導体面電極５１に接続されており、第２縦導体７２は絶縁層６を貫通して、第２半導体面電極５２に接続されている。また、発光素子１の絶縁層６に積層された支持基板９は、第１貫通電極９４及び第２貫通電極９５を含んでおり、第１貫通電極９４は基板部９１を貫通して、第１縦導体７１に接続されており、第２貫通電極９５は、基板部９１を貫通して第２縦導体７２に接続されている。
したがって、半導体層の第１半導体面電極５１及び第２半導体面電極５２には、透明結晶基板２のある側とは反対側から、第１貫通電極９４及び第１縦導体７１による回路と、第２貫通電極９５及び第２縦導体７２による回路によって電流が供給される。
第１縦導体７１及び第２縦導体７２は、膨張金属体である。この膨張金属体は、絶縁層６に設けられた縦孔７０内に溶融金属を流し込み、凝固させる溶融金属充填法によって形成できる。このため、巣、空洞、空隙のない緻密な構造を持つ高品質の第１縦導体７１及び第２縦導体７２となる。
第１縦導体７１及び第２縦導体７２を構成する膨張金属体は、凝固により体積が膨張する金属成分、すなわち、凝固膨張金属成分を含む。その具体例は、Ｂｉ（ビスマス）、Ｉｎ（インジウム）である。Ｂｉなどの凝固膨張金属成分を含有させると、凝固時の体積膨張特性により、縦孔７０の内部に、空洞や空隙のない緻密な縦導体(７１、７２)を形成することができる。
第１貫通電極９４及び第２貫通電極９５を構成する膨張金属体も、凝固膨張金属成分を含む。凝固膨張金属成分の具体例、及び、作用については、既に説明したとおりであり、凝固膨張金属成分の体積膨張特性により、貫通孔の内部に、空洞や空隙のない緻密な貫通電極を形成することができる。
本発明に係る発光デバイスにおいて、発光素子１は単数であってもよいし、複数であってもよい。発光素子１が複数である場合は、その数に応じた発光量を持つ面発光デバイスを実現することができる。
発光素子１が複数である場合、発光素子１のそれぞれは、透明結晶基板２、半導体層及び絶縁層６を通る分離溝８によって個別化されていることが好ましい。発光素子１のそれぞれを、電気的に安定した状態で、発光させることができるからである。
実施の形態では、支持基板９は、発光素子１のそれぞれにおいて、共用されているから、構造が簡単化され、製造が容易になるからである。
実施の形態では、支持基板９は、発光素子１のそれぞれにおいて、共用されているから、構造が簡単化され、製造が容易になるからである。
透明結晶基板２は、光出射面２１に、微細凹凸形状が形成されていてもよい。これにより、透明結晶基板２の光出射面２１で、光を拡散又は分散させ、均一な面発光を実現することができる。これとは異なって、透明結晶基板２の光出射面２１に、微細凹凸形状を有する透明光学部品が配置されていてもよい。この場合も、同様の作用効果を得ることができる。さらに、透明結晶基板２の光出射面２１または内部に蛍光体が配置されていてもよい。
２．発光デバイスの製造方法
次に、図１に示した発光デバイスの製造方法について、図２〜図２１を参照して説明する。まず、図２に示すように、サファイアでなる透明結晶基板２の光出射面２１とは反対側の他面２２に設けられたバッファ層３０の上に、Ｎ型半導体層３１、活性層４及びＰ型半導体層３２をこの順序で積層した構造を持ち、光反射電極膜５３はＰ型半導体層３２の上に形成されている。一例であって、限定するものではないが、透明結晶基板１の厚みは０．５ｍｍ、Ｎ型半導体層３１の厚みは６μｍ、Ｐ型半導体層３２の厚みは０．２μｍである。
次に、図１に示した発光デバイスの製造方法について、図２〜図２１を参照して説明する。まず、図２に示すように、サファイアでなる透明結晶基板２の光出射面２１とは反対側の他面２２に設けられたバッファ層３０の上に、Ｎ型半導体層３１、活性層４及びＰ型半導体層３２をこの順序で積層した構造を持ち、光反射電極膜５３はＰ型半導体層３２の上に形成されている。一例であって、限定するものではないが、透明結晶基板１の厚みは０．５ｍｍ、Ｎ型半導体層３１の厚みは６μｍ、Ｐ型半導体層３２の厚みは０．２μｍである。
次に、図３に示すように、光反射電極膜５３の上で、フォトリソグラフィ工程を実行して、フォトレジスト膜１００を、所定パターンとなるようにパターン化した後、図４に図示するように、フォトレジスト膜１００をマスクとして、光反射電極膜５３をエッチングする。光反射電極膜５３のエッチングは、化学的なウエット・エッチングによる。
次に、図５に図示するように、フォトレジスト膜１００及びその下の光反射電極膜５３をマスクとして、Ｐ型半導体層３２、活性層４及びＮ型半導体層３１をエッチングする。この場合のエッチングは、ＲＩＥ（リアクティブ・イオン・エッチング）などのドライエッチングを用いることができる。Ｎ型半導体層３１は、全部をエッチングするのではなく、一部を残し、Ｐ型半導体層３２との間では、重ならない部分３３が生じるようにエッチングする。これにより、光反射電極膜５３、Ｐ型半導体層３２、活性層４及びＮ型半導体層３１をパターン化して、個別化された発光エレメントが形成される。重ならない部分３３は、図示では、その表面が活性層４との接触面から落ち込む段差状であるが、活性層４との接触面から、そのまま平面的に延びる態様であってもよい。重ならない部分３３の表面位置は、エッチング量によってコントロールされる。
この後、マスクとして用いたフォトレジスト膜１００を、例えばアッシングによって除去することにより、図６に示した状態となる。
次に、発光エレメントの全体を共通に覆うようにフォトレジスト膜を塗布した後、フォトリソグラフィ工程を実行することにより、図７に示すように、フォトレジスト膜１０１をパターンニングし、第１半導体面電極５１及び第２半導体面電極５２を形成するためのフォトレジスト孔１０２を形成する。フォトレジスト孔１０２は、その底部にＮ型半導体層３１の重ならない部分３３、及び、Ｐ型半導体層３２の上にある光反射電極膜５３が現れるように形成する。フォトレジスト膜１０１は、一例であるが、厚み５μｍ程度でよい。
この後、図８に示すように、スパッタ等の薄膜形成技術を適用して、フォトレジスト孔１０２の底部にあるＮ型半導体層３１の重ならない部分３３、及び、Ｐ型半導体層３２の上にある光反射電極膜５３に、第１半導体面電極５１及び第２半導体面電極５２を形成する。第１半導体面電極５１及び第２半導体面電極５２は、一例であるが、１μｍ程度でよい。
次に、図９に図示するように、発光エレメントを共通に覆うフォトレジスト層を塗布し、絶縁層６を形成した後、絶縁層６に対してフォトリソグラフィ工程を実行し、露光・現像して、図１０に図示するように、第１半導体面電極５１及び第２半導体面電極５２に達する縦孔７０を穿孔する。
次に、こうして穿孔された縦孔７０内に、図１１に図示するように、凝固により膨張する金属成分、具体的にはＢｉ （ビスマス）を含む溶融金属を充填し、凝固させて、第１縦導体７１及び第２縦導体を形成する。第１縦導体７１及び第２縦導体７２を形成するには、絶縁層６に設けられた縦孔７０内に溶融金属を流し込み、縦孔７０内に流し込まれた溶融金属に、機械的な力、例えばプレス板を用いたプレス圧、射出圧または転圧を印加しながら、冷却し、凝固させる。これにより、巣、空隙、空洞のない緻密な構造を持つ膨張金属体を、短時間で、効率よく形成することができる。
第１縦導体７１及び第２縦導体７２を、溶融金属充填法を用いて形成する場合に用いられる金属材料の主なものとしては、Ｂｉ、Ｉｎ、Ｓｎ及びＣｕを例示することができる。特に、Ｂｉを含有させると、Ｂｉの持つ凝固時の体積膨張特性により、縦孔７０の内部で、空洞や空隙を生じることのない緻密な第１縦導体７１及び第２縦導体７２を形成することができる。溶融金属としては、上述した金属材料を用いて、粒径１μｍ以下、結晶径が２００ｎｍ以下の多結晶体の集合体でなる粒子（ナノ粒子）の粉体を溶融したものを用いることができる。
縦孔７０は、レーザ穿孔法又は化学的穿孔法など、公知の穿孔技術を適用して容易に開けることができる。しかも、第１縦導体７１及び第２縦導体７２は、このようにして穿孔された縦孔７０内に充填され、凝固された膨張金属体よって構成されているから、電極製造に当たって、溶融金属を、縦孔７０内に充填し、かつ、加圧したままで凝固させる加圧充填方法を採用することができる。この方法によれば、縦孔７０内に空洞のない緻密な第１縦導体７１及び第２縦導体７２を形成することができる。即ち、溶融金属充填法を適用した場合、溶融金属によって一旦加熱された絶縁層６が、溶融金属の温度低下に従って収縮してゆく。この時、もし、溶融金属が、温度低下によって体積の収縮する一般的な金属材料であるならば、縦孔７０の内壁面と膨張金属体との間に、空隙や空洞が生じることになる。本発明では、溶融金属が、Ｂｉなどの凝固膨張金属成分を含有するので、上述した空隙や空洞が生じない。よって、電気的特性に優れた高品質の縦導体（７１、７２）を形成することができる。
また、上述した加圧充填方法は、プレス工法に属するものであり、従来のICP型RIE装置を用いたドライエッチング法に比較して、設備費が著しく安価で、処理時間も短くて済む。従って、コストの安価な発光デバイスを実現することができる。
次に、図１２に図示するように、絶縁層６の表面にダイシングテープ１０３を貼着したうえで、透明結晶基板２、バッファ層３０、Ｎ型半導体層３１の重ならない部分３３及び絶縁層６を、ダイシングして分離溝８を形成する。この後、ダイシングテープ１０３を剥離し、必要に応じて、選択的な化学的エッチング法、物理的エッチング法又は両者の組み合わせにより、絶縁層６の表面を第１縦導体７１及び第２縦導体７２の端部から後退させ、第１縦導体７１及び第２縦導体７２の端部を突出させる。
そして、図１３及び図１４に図示するように、絶縁層６に支持基板９を貼り合わせ、第１縦導体７１及び第２縦導体７２と第１貫通電極９４及び第２貫通電極９５とを接合する。
絶縁層６の表面を第１縦導体７１及び第２縦導体７２の端部から後退させ、第１縦導体７１及び第２縦導体７２の端部を突出させた場合は、第１縦導体７１及び第２縦導体７２の端部の突出量に適合する深さだけ、第１貫通電極９４及び第２貫通電極９５の先端を後退させ、所謂、「インロー」式で、第１縦導体７１及び第２縦導体７２の端部を、貫通孔９０の内部に嵌め合わせる。これにより、貼り合わせと同時に、位置合わせが実行される。図示とは異なって、支持基板９の表面を第１貫通電極９４及び第２貫通電極９５の端部から後退させて、第１貫通電極９４及び第２貫通電極９５の端部を突出させ、第１貫通電極９４及び第２貫通電極９５の端部の突出量に適合する深さだけ、第１縦導体７１及び第２縦導体７２の先端を後退させてもよい。
絶縁層６に縦孔７０を形成するタイミング、絶縁層６に第１縦導体７１及び第２縦導体７２を形成するタイミング、支持基板９を貼り合わせるタイミング、支持基板９に第１貫通電極９４及び第２貫通電極９５を形成するタイミングについては、いくつかの方法がある。その一例を下に示す。
（ａ）絶縁層６の縦孔７０に第１縦導体７１及び第２縦導体７２を形成した後、第１貫通電極９４及び第２貫通電極９５が既に形成された支持基板９を絶縁層６に貼り合わせる方法。図１３及び図１４はそのような方法を示している。
（ｂ）図１５に図示するように、第１縦導体７１及び第２縦導体７２を形成した後、貫通孔９０は既に形成されているが、第１貫通電極９４及び第２貫通電極９５が形成されていない支持基板９を、図１６に図示するように、絶縁層６に貼り合わせ、その後に、図１７に図示するように、貫通孔９０内に溶融金属を充填して第１貫通電極９４及び第２貫通電極９５を形成する方法。
（ｃ）図１８に図示するように、絶縁層６に縦孔７０を形成した後、第１縦導体７１及び第２縦導体７２を形成する前の絶縁層６に対し、貫通孔９０は既に形成されているが、第１貫通電極９４及び第２貫通電極９５が未だ形成されていない支持基板９を貼り合わせ、その後に、図１９に図示するように、縦孔７０及び貫通孔９０内に溶融金属を充填して、第１縦導体７１及び第２縦導体７２、並びに、第１貫通電極９４及び第２貫通電極９５を同時に形成する方法。
（ｄ）絶縁層６に縦孔７０を形成する前に、貫通孔９０の形成されていない支持基板９を絶縁層６に貼り合わせ、その後に縦孔７０及び貫通孔９０を同時に形成し、縦孔７０及び貫通孔９０内に溶融金属を充填して、第１縦導体７１及び第２縦導体７２及び第１貫通電極９４及び第２貫通電極９５を同時に形成する方法。
第１縦導体７１及び第２縦導体７２と、第１貫通電極９４及び第２貫通電極９５との接合にあたっては、両者の接合界面に接合膜を介在させる。接合膜は、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｂｉ、Ｇａ又はＳｂの群から選択された少なくても１種の低融点金属成分と、Ｃｒ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｎｉ−Ｐ合金、Ｎｉ−Ｂ合金の群から選択された少なくとも１種を含む高融点金属材料とを含むことができる。低融点金属は、第１縦導体７１及び第２縦導体７２と、第１貫通電極９４及び第２貫通電極９５と反応して、金属間化合物を形成して消費され、接合後は融点が大幅に上昇する。
３．発光デバイスの他の形態
本発明に係る発光デバイスは、種々の態様を採ることができる。その一例を図２０及び図２１に例示する。
本発明に係る発光デバイスは、種々の態様を採ることができる。その一例を図２０及び図２１に例示する。
図２０に図示した発光デバイスは、図１〜図１９に示した発光デバイスで備えられていた分離溝８を持たない。透明結晶基板２、バッファ層３０及びＮ型半導体層３１は、発光素子１のそれぞれにおいて、共用されている。
図２１に図示された発光デバイスは、透明結晶基板２の光出射面２１に、微細凹凸形状を有する透明光学部品２３が配置されている。これにより、透明結晶基板２の光出射面２１で、光を拡散又は分散させ、均一な面発光を実現することができる。透明光学部品２３を設ける代わりに、透明結晶基板２の光出射面２１に、微細凹凸形状が形成されていてもよい。さらに、図示は省略するけれども、微細凹凸とともに、あるいは、微細凹凸を設けることなく、透明結晶基板２の光出射面２１に蛍光体を設けてもよい。
本発明に係る発光デバイスは、単一の発光素子である発光ダイオード、複数の発光素子を、例えばマトリクス状に配置した面発光装置、照明装置、液晶ディスプレイ用バックライト、信号灯等、広範な用途を持っている。
以上、好ましい実施例を参照して本発明の内容を具体的に説明したが、本発明の基本的技術思想及び教示に基づいて、当業者であれば、種種の変形態様を採り得ることは自明である。
１ 発光素子
２ 透明結晶基板
２１ 光出射面
２３ 透明光学部品
３１ Ｎ型半導体層
３２ Ｐ型半導体層
３３ 重ならない部分
５１ 第１半導体面電極
５２ 第２半導体面電極
５３ 光反射電極膜
６ 絶縁層
７１ 第１縦導体
７２ 第２縦導体
８ 分離溝
９ 支持基板
９０ 貫通孔
９１ 基板部
９４ 第１貫通電極
９５ 第２貫通電極
２ 透明結晶基板
２１ 光出射面
２３ 透明光学部品
３１ Ｎ型半導体層
３２ Ｐ型半導体層
３３ 重ならない部分
５１ 第１半導体面電極
５２ 第２半導体面電極
５３ 光反射電極膜
６ 絶縁層
７１ 第１縦導体
７２ 第２縦導体
８ 分離溝
９ 支持基板
９０ 貫通孔
９１ 基板部
９４ 第１貫通電極
９５ 第２貫通電極
Claims (7)
- 発光素子と、支持基板とを含む発光デバイスであって、
前記発光素子は、透明結晶基板と、半導体層と、半導体面電極と、絶縁層と、縦導体とを含んでおり、
前記透明結晶基板は、一面が光出射面であり、
前記半導体層は、Ｐ型半導体層及びＮ型半導体層を積層した構造を含み、前記透明結晶基板の前記光出射面とは反対側の他面に積層されており、
前記絶縁層は、前記半導体層を覆っており、
前記縦導体は、第１縦導体及び第２縦導体を含んでおり、
前記第１縦導体は、前記絶縁層を貫通して、一端が、前記Ｐ型半導体層及びＮ型半導体層のうちの一方に設けられた第１半導体面電極に接続されており、
前記第２縦導体は、前記絶縁層を貫通して、一端が、前記Ｐ型半導体層及びＮ型半導体層のうちの他方に設けられた第２半導体面電極に接続されており、
前記支持基板は、基板部と、貫通電極とを有し、前記絶縁層に積層されており、
前記貫通電極は、第１貫通電極及び第２貫通電極を含んでおり、
前記第１貫通電極は、前記基板部を貫通して、一端が前記第１縦導体の他端に接続されており、
前記第２貫通電極は、前記基板部を貫通して、一端が前記第２縦導体の他端に接続されており、
前記第１縦導体及び前記第２縦導体は、前記他端が前記絶縁層の表面よりも突出し、前記支持基板の内部で前記第１貫通電極及び前記第２貫通電極の前記一端と接続されている、
発光デバイス。 - 発光素子と、支持基板とを含む発光デバイスであって、
前記発光素子は、透明結晶基板と、半導体層と、半導体面電極と、絶縁層と、縦導体とを含んでおり、
前記透明結晶基板は、一面が光出射面であり、
前記半導体層は、Ｐ型半導体層及びＮ型半導体層を積層した構造を含み、前記透明結晶基板の前記光出射面とは反対側の他面に積層されており、
前記絶縁層は、前記半導体層を覆っており、
前記縦導体は、第１縦導体及び第２縦導体を含んでおり、
前記第１縦導体は、前記絶縁層を貫通して、一端が、前記Ｐ型半導体層及びＮ型半導体層のうちの一方に設けられた第１半導体面電極に接続されており、
前記第２縦導体は、前記絶縁層を貫通して、一端が、前記Ｐ型半導体層及びＮ型半導体層のうちの他方に設けられた第２半導体面電極に接続されており、
前記支持基板は、基板部と、貫通電極とを有し、前記絶縁層に積層されており、
前記貫通電極は、第１貫通電極及び第２貫通電極を含んでおり、
前記第１貫通電極は、前記基板部を貫通して、一端が前記第１縦導体の他端に接続されており、
前記第２貫通電極は、前記基板部を貫通して、一端が前記第２縦導体の他端に接続されており、
前記第１縦導体及び前記第２縦導体は、前記他端が前記絶縁層の表面よりも後退し、前記絶縁層の内部で前記第１貫通電極及び前記第２貫通電極の前記一端と接続されている、
発光デバイス。 - 請求項１又は２に記載された発光デバイスであって、
前記Ｐ型半導体層及びＮ型半導体層のうち、前記透明結晶基板の側に位置する一方の半導体層は、他方の半導体層と重ならない部分を有しており、
前記第１半導体面電極は、前記一方の半導体層において、前記重ならない部分の表面に設けられており、
前記第２半導体面電極は、前記他方の半導体層において、前記第１半導体面電極の設けられた前記表面と同じ側の面に設けられている、
発光デバイス。 - 請求項１乃至３の何れかに記載された発光デバイスであって、前記発光素子は複数である、発光デバイス。
- 請求項４に記載された発光デバイスであって、
前記発光素子のそれぞれは、前記透明結晶基板、前記半導体層及び前記絶縁層を通る分離溝によって個別化されており、
前記支持基板は、前記発光素子のそれぞれにおいて、共用されている、
発光デバイス。 - 請求項１乃至５の何れかに記載された発光デバイスであって、前記絶縁層は、耐熱性樹脂でなる、発光デバイス。
- 請求項１乃至６の何れかに記載された発光デバイスであって、前記支持基板は、Ｓｉを主成分とする基板でなり、厚み方向の両面及び前記貫通電極を通す貫通孔の内壁面が酸化され、又は、窒化されている、発光デバイス。
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