JP4817820B2 - Ｌｅｄパッケージ、発光装置及びｌｅｄパッケージの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ＬＥＤパッケージ、発光装置及びＬＥＤパッケージの製造方法に関し、特にシリコン基板に形成されたホーンにＬＥＤチップを実装するＬＥＤパッケージ、発光装置及びＬＥＤパッケージの製造方法に関する。

近年、ＬＥＤパッケージとして、例えば下記の特許文献１に開示の構成を有するものが知られている。特許文献１では、シリコン基板を異方性エッチングして（１００）底面と（１１１）傾斜側面とを有するホーンと呼ばれる窪みを形成し、ホーン底面に青色ＬＥＤチップを配置する。ホーン斜面には反射膜を形成し、外部光取り出し効率を向上させている。

特開２００４−３５６２１３号公報

特許文献１によるＬＥＤパッケージでは、ホーン斜面の面と面との境界に稜線が存在し、発光の際、稜線の影が生じるという問題があった。

本発明の目的は、稜線の影を無くし、配光特性を向上させたＬＥＤパッケージ及びＬＥＤパッケージ製造方法を提供することである。

本発明の一観点によれば、表面が（１００）面のシリコン基板に対して面方位に依存する異方性エッチングを施して、（１００）面を底面とし、４つの（１１１）面を傾斜側面とするホーンを形成する工程と、前記底面、及び前記傾斜側面の前記底面近傍にマスクを形成して、前記ホーンの傾斜側面に等方性エッチングを施して、前記傾斜側面の隣接する面と面との境界に丸みを持たせる工程と、前記ホーン底面上にＬＥＤチップを実装する工程とを含むＬＥＤパッケージの製造方法が提供される。

本発明の他の観点によれば、凹凸の差が±１０ｎｍ以下の（１００）面の底面と、４つの（１１１）面の傾斜側面からなるホーンとを有し、前記４つの（１１１）面の隣接する面と面との境界に等方性エッチングにより形成された丸みを有するシリコン基板と、前記ホーン底面上に実装されたＬＥＤチップとを含むＬＥＤパッケージが提供される。

ホーン内に実装されたＬＥＤチップに外部電源から電圧が印加され、ＬＥＤが発光し、ホーン外部に光が取り出される。従来はホーンの傾斜側面の面と面の境界に存在する稜線由来のダークラインが見られたが、本願ではホーンの角部を丸めることにより稜線を無くし、ダークラインのない発光を得ることができる。

図１、図２を参照して、本願の第１の実施例によるＬＥＤパッケージの製造方法について説明する。

図１に、ＬＥＤパッケージの製造工程の一部を示す。ＬＥＤチップを実装するための基体として、厚さ５２５μｍの単結晶シリコン基板１１を用いる。単結晶シリコン基板１１の表面は光学研磨処理によって平坦化されている。

まず、図１（Ａ）に示すように、（１００）面のシリコン基板１１の表面に例えば拡散炉を用いた熱酸化により厚さ５００ｎｍの酸化シリコン膜２１を形成する。

次に、図１（Ｂ）に示すように、フォトリソグラフィー技術によって酸化シリコン膜２１上に［１１０］方向の辺を有する矩形のレジストパターン２２を形成し、その後バッファードフッ酸（ＢＨＦ）によって酸化シリコン膜２１を部分的にエッチング除去し、開口Ｈが設けられた酸化シリコン膜のパターン２１ａを形成する。

その後、図１（Ｃ−１）に示すように、レジストパターン２２を除去し、酸化シリコン膜パターン２１ａをマスクにして、シリコン基板１１に対して例えば２５％水酸化テトラメチルアンモニウム（以下ＴＭＡＨ）溶液により異方性エッチングを施す。本実施例ではシリコン基板１１の表面は（１００）面であり、異方性エッチングを施すことにより、シリコン基板１１中にホーン１１ａが形成される。ホーン１１ａは、垂直断面が台形で、水平断面が四角形となる。すなわち、（１００）面である底面と、４つの（１１１）面である傾斜側面からなる。（１１１）面である傾斜側面は、（１００）面である底面に対して５４．７°の傾斜角を取ることになる。

この時点で、ホーン１１ａには、図１（Ｃ−２）の平面図に示すように、４つの傾斜側面の面と面の境界において稜線が存在する。

次に、図１（Ｄ）に示すように、一旦酸化シリコン膜２１及び酸化シリコン膜パターン２１ａを除去し、再び熱酸化によりシリコン基板１１の表面全体に酸化シリコン膜２３を形成する。

その後、図１（Ｅ）に示すように、（１００）面にレジストパターン２４を形成する。レジストパターン２４の形成は、まず、ホーンのように段差が数百μｍある立体形状においても、通常のフォトリソグラフィプロセスとほぼ同様の均一な厚みのレジストを塗布できるレジストスプレーコーティングによって一旦酸化シリコン膜２３の上全体にレジストを塗布する。そして、マスクアライナにてパターン露光し、現像処理によってホーン傾斜側面のレジストを除去することによって形成される。

次に、バッファードフッ酸（以下ＢＨＦ）溶液を用いて上にレジストパターン２４が形成されてない部分の酸化シリコン膜２３ｂを除去する。そして、レジストパターン２４をリムーバー液により除去すると、図１（Ｆ）に示すように、シリコン基板１１の（１００）面に、酸化シリコン膜２３ａのハードマスクが残る。なお、この後行う等方性エッチングのオーバエッチを考慮して底面近傍の傾斜側面に酸化シリコン膜を残し、傾斜側面近傍の上面の酸化シリコン膜は除去しておく。

次に、フッ硝酸溶液を用いてホーン１１ａの傾斜側面を等方性エッチングすると、図１（Ｇ−１）に示すようにホーン１１ａの角部が丸め込まれ、結果として図１（Ｇ−２）の平面図に示すように面と面との境界の稜線がないホーン１１ｂが形成される。

なお、等方性エッチングの際、酸化シリコン膜をハードマスクとして用いたが、レジスト膜をマスクとして用いてもよい。

図２に、ホーン１１ｂにＬＥＤチップを実装する工程を示す。図２（Ａ）に示すように、一旦、全ての酸化シリコン膜を除去した後、再び熱酸化によりシリコン基板１１の表面に酸化シリコン膜２４を形成する。

次に、図２（Ｂ）に示すように、シリコン基板１１の表面上の酸化シリコン膜２４の上に、スパッタ法等の成膜法よってＴｉ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｔ等かならなるバリア層２５を成膜する。

続いて、バリア層２５の上に、Ａｇ、Ａｕ、Ａｌ等の反射膜を成膜する。さらに、ストライプ状のスリットを有するレジストパターン２７を反射膜の上に成膜する。このレジストパターン２７をマスクとして金属層であるバリア層２５と反射膜の選択エッチングを行うことにより、図２（Ｃ）に示すように、パターニングされたバリア層２５ａ、２５ｂ及び反射膜兼電極２６ａ、２６ｂが形成される。

なお、パターンニングの手法として、酸化シリコン膜２４の上に、レジストパターンを形成しておき、その上にバリア層、反射膜を成膜し、最後にレジストの上に積層されたバリア層、反射膜をレジストパターン共に除去してバリア層、反射膜のパターンニングを行う「リフトオフ」という手法を用いてもよい。

次に、図２（Ｄ）に示すように、ホーンの底面上に画定された反射膜兼電極２６ａのチップ実装部２６ｃに、ＬＥＤチップ３１の下部電極をダイボンドする。ＬＥＤチップ３１は、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）又は青（Ｂ）の発光色を有する単色ＬＥＤである。例えば、赤色の場合、半導体層にアルミガリウム砒素（ＡｌＧａＡｓ）を用いる。緑色の場合はガリウムリン（ＧａＰ）、青色の場合はガリウムナイトライド（ＧａＮ）等が用いられる。その構成は、赤色の場合、例えば、図３に示すように、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）基板３１ｂに半導体層３１ｃ（ｐ型半導体層３１ｄ、発光層３１ｅ、ｎ型半導体層３１ｆの順に積層）を積層し、最下部と最上部に金属電極３１ａ、３１ｇを設けている。緑色の場合は、例えば基板にＧａＰ等を用い、赤色の場合と同じように、ＧａＰ基板の上に半導体層を積層し、最下部と最上部に金属電極を設ける。青色の場合は、例えば特願２００５−１６７３１９号公報中の図１および段落［００１７］〜［００２３］に記載の構成からなっている。そのような構成のＬＥＤチップ３１の下部電極をダイボンディングすると、Ａｕ−Ｓｎ共晶結合により、反射膜兼電極２６ａとＬＥＤチップ３１は電気的機械的に接合される。

さらに、ＬＥＤチップ３１の上部電極と反射膜兼電極２６ｂの接続部２６ｄとをＡｕ等のボンディングワイヤ３１ｗでワイヤボンディングして電気的に接合する。反射膜兼電極２６ａ、２６ｂはホーン１１ｂ底部から傾斜側面を介してシリコン基板１１表面まで延びている。

次に、図２（Ｅ−１）に示すように、ホーン１１ｂ内部を透明樹脂４０でモールドする。こうして、ＬＥＤパッケージが完成する。上から見ると図２（Ｅ−２）のようになる。また、樹脂が硬化する前に、予め用意したホーン開口部に内包する大きさの光学レンズをホーン上部に配置することにより、光学レンズつきのＬＥＤパッケージを作成することもできる。

完成したＬＥＤパッケージに給電して発せられる光の配光パターンを評価すると、ホーン１１ｂは角が丸められて稜線がないため、稜線に由来するダークラインは観測されず、配光特性が従来よりも均一に近付く。

また、等方性エッチングの際ホーン底面に酸化シリコン膜２３ａを設けて底面を保護することによって底面の凹凸の差が±１０ｎｍ以下のフラットな状態に保持し、Ａｕ−Ｓｎ共晶結合を十分な接合強度で実施することができる。酸化シリコン膜２１がない場合、底面の凹凸の差は±数μｍ以上になり、Ａｕ−Ｓｎ共晶結合の信頼性が著しく低下する。

第２の実施例について説明する。第１の実施例の等方性エッチングプロセスにおいて液相エッチングを施す代わりに、ＳＦ_６ガスをエッチャントとして用いるプラズマエッチングあるいは反応性イオンエッチングなどの等方性ドライエッチングを行う。第１の実施例と同様に、等方性エッチングのマスクとしては、酸化シリコン膜の他にレジスト膜も使用できる。

その効果として、第１の実施例と同様に、ホーンの面と面の境界に丸みをもたせることができるとともに、ホーン表面をミクロレベルに荒らして拡散反射面を同時に形成することが可能である。

したがって、発光の際、ホーンの稜線由来のダークラインのない配光特性を持ったＬＥＤパッケージを得ることができる。

図４、図５を参照して、ＬＥＤパッケージの他の構成例について説明する。

第１または第２の実施例において、ＲＧＢ３種の発光色を持ったＬＥＤチップを実装するＬＥＤパッケージの形態がある。ホーンを第１または第２の実施例と同様に形成し、反射膜兼電極を３つのＬＥＤチップが実装されるようにパターニングする形態である。

３種のＬＥＤチップ３２ａ、３２ｂ、３２ｃの配列方法として、図４（Ａ）に示すように、反射膜兼電極を２７ａ〜２７ｄのように４つに分割し、２７ａ、２７ｂ、２７ｃの底部にＬＥＤチップ３２ａ、３２ｂ、３２ｃを一つずつマウントし、直列接続となるように実装する方法がある。すなわち、ＬＥＤチップ３２ａ、３２ｂ、３２ｃの下部電極を反射膜兼電極２７ａ、２７ｂ、２７ｃの底部にそれぞれダイボンディングし、電気的機械的に接合する。次に、ＬＥＤチップ３２ａ、３２ｂ、３２ｃの上部電極を反射膜兼電極２７ｂ、２７ｃ、２７ｄの底部にそれぞれワイヤボンディングして電気的に接続する。反射膜兼電極２７ａと２７ｄを外部電源に接続し、ＬＥＤチップ３２ａ、３２ｂ、３２ｃに順バイアスが印加されるように回路を形成する。第１または第２の実施例と同様に、ＬＥＤチップが実装されたホーンに樹脂をモールドしてＬＥＤパッケージが完成する。

３つのＬＥＤチップ３２ａ、３２ｂ、３２ｃに同時に給電することにより、ＲＧＢ発光の混色としての白色発光が得られる。波長変換材料による吸収や散乱のロスが少ない、高外部光取り出し効率の白色ＬＥＤ発光装置を供給することができる。

３種のＬＥＤチップの他の配列方法として、図４（Ｂ）に示すように、４つに分割した反射膜兼電極２８ａ〜２８ｄのうち一つの反射膜兼電極２８ａをアースに接続した上で、ホーン底面上の反射膜兼電極２８ａにＬＥＤチップ３３ａ、３３ｂ、３３ｃを３つ配置し、ＬＥＤチップ３３ａ、３３ｂ、３３ｃのそれぞれの底面にある電極と反射膜兼電極２８ａとをダイボンド等で機械的電気的に接続する。

３つのＬＥＤチップ３３ａ、３３ｂ、３３ｃのそれぞれの上部にある電極を反射膜兼電極２８ｂ、２８ｃ、２８ｄにワイヤボンディングにより接続する。第１または第２の実施例と同様に、ＬＥＤチップが実装されたホーンに樹脂をモールドしてＬＥＤパッケージが完成する。

反射膜兼電極２８ｂ、２８ｃ、２８ｄにはそれぞれ、Ｖ_１、Ｖ_２、Ｖ_３の電圧が印加されており、動作電圧の違う３つのＬＥＤチップ３３ａ、３３ｂ、３３ｃに対してそれぞれに給電することができる。このようなＬＥＤチップの実装形態でも、波長変換材料による吸収や散乱のロスが少ない、ＲＧＢ発光の混色としての高外部光取り出し効率の白色発光が得られる。また、ＲＧＢ各々に独立に電圧を印加できることから、これらのＬＥＤの組み合わせによって種々の発光色の選択発光が可能である。

図５に、ＬＥＤチップの他の実装例を表した断面図を示す。第１、第２の実施例と同様の構成の部分には同一の符号を付し、説明は省略する。サファイア等の絶縁性基板上にＧａＮ系ＬＥＤを形成した場合等にはＬＥＤチップの底面に一方の電極を形成することは容易ではない。そこで、図５（Ａ）に示すように、シリコン基板１１のホーン１１ｂの底面上に、ＬＥＤチップ３４をマウントする。ＬＥＤチップ３４は、基板３４ａ上に、ｎ型半導体層３４ｂ、発光層３４ｃ、ｐ型半導体層３４ｄが順次積層されてなるＧａＮ系半導体を構成要素に備え、さらにｐ層３４ｄ表面にｐ型電極３４ｆを有すると共に、ｐ型半導体層３４ｄ側からｎ型半導体層３４ｂの一部が露出するように露出面が形成されており、該露出面にｎ型電極３５ｅを有している。

このＬＥＤチップ３４は、ｎ型半導体層３４ｂと酸化シリコン膜２４で覆われたシリコン基板１１との間に基板３４ａが介在するようにシリコン基板１１に固着されている。さらに、ホーン１１ｂの傾斜側面からシリコン基板１１の上面にかけて形成された反射膜兼電極２６ａ、２６ｂとｐ型電極３４ｆ、ｎ型電極３４ｅがそれぞれボンディングワイヤ３４ｗによって電気的に接続されている。なお、ワイヤボンディングの箇所はホーン１１ｂの傾斜側面であっても良い。

図５（Ｂ）に、ＬＥＤチップのさらに他の実装例を表した断面図を示す。図５（Ａ）に示した実装例と同様、第１、第２の実施例と同じ構成の部分には同一の符号を付し、説明を省略する。図５（Ｂ）に示したＬＥＤパッケージは、ホーン１１ｂの底面上で、反射膜兼電極２６ａ、２６ｂが互いに間隔をあけて突き合わせられたチップ実装部２６ｃ、２６ｅを備えるように形成されている。これらのチップ実装部部２６ｃ、２６ｅの上に、所謂フリップチップタイプのＬＥＤチップ３５が、その下面の両側縁に設けられた電極部を載置するようにマウントされ、電気的に接続される。

図５に示したようなＬＥＤパッケージにおいても、第１及び第２の実施例と同様の効果を得ることができる。

上述のように、（１００）底面と４つの（１１１）傾斜側面からなるホーンを有したシリコン基板１１の（１１１）面に等方性エッチングを施してホーン角部を丸めることにより、ホーンの稜線を無くし、ダークラインのない発光を得ることができる。

このような方法で作製したＬＥＤパッケージは、種々の発光装置として用いることができ、例えば図６のように使用できる。ＬＥＤ発光体５１に作製したＬＥＤパッケージが使用され、スイッチ５２でＬＥＤパッケージへの給電を制御する。柄５３を持ってＬＥＤ発光体５１を所望の方向に向けることができる。

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。

例えば、ホーン１１ａを形成するための異方性エッチングのエッチャントに水酸化カリウム溶液等を用いてもよい。

また、ＬＥＤパッケージの形態として、図７に示すように、反射膜兼電極２６ａ、２６ｂがシリコン基板裏面まで延長していても良い。この延長された反射膜兼電極２６ａ、２６ｂが電極パッドとなり、電子回路等に実装される。

その他、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

（Ａ）〜（Ｇ−２）は、シリコン基板に稜線のないホーンを形成する製造工程を示す断面図及び平面図である。 （Ａ）〜（Ｅ−２）は、稜線のないホーンが形成された単結晶シリコン基板にＬＥＤチップを実装したＬＥＤパッケージの製造工程を示す断面図及び平面図である。 ＬＥＤチップの構成例を示した断面図である。 （Ａ）、（Ｂ）は、３種のＬＥＤを実装したＬＥＤパッケージの例を示した平面図である。 （Ａ）、（Ｂ）は、ＬＥＤチップの他の実装例を表した断面図である。 本願の実施例により作製したＬＥＤパッケージを用いた発光装置である。 ＬＥＤパッケージの構成例を示した断面図である。

符号の説明

１１ シリコン基板
１１ａ、１１ｂ ホーン
２１、２１ａ、２３、２３ａ、２３ｂ、２４ 酸化シリコン膜
２２、２４、２７ レジストパターン
２５、２５ａ、２５ｂ バリア層
２６ 反射膜
２６ａ、２６ｂ、２７ａ、２７ｂ、２７ｃ、２７ｄ、２８ａ、２８ｂ、２８ｃ、２８ｄ 反射膜兼電極
２６ｃ、２６ｅ チップ実装部
２６ｄ 接続部
３１、３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３３ａ、３３ｂ、３３ｃ、３４、３５ ＬＥＤチップ
３１ａ、３１ｇ 金属電極
３１ｂ、３４ａ 基板
３１ｃ 半導体層
３１ｄ、３４ｄ ｐ型半導体層
３１ｅ、３４ｃ 発光層
３１ｆ、３４ｂ ｎ型半導体層
３１ｗ、３４ｗ ボンディングワイヤ
３４ｅ ｎ型電極
３４ｆ ｐ型電極
４０ 透明樹脂
５１ ＬＥＤ発光体
５２ スイッチ
５３ 柄

Claims (9)

1. （ａ）表面が（１００）面のシリコン基板に対して面方位に依存する異方性エッチングを施して、（１００）面を底面とし、４つの（１１１）面を傾斜側面とするホーンを形成する工程と、
   （ｂ）前記底面、及び前記傾斜側面の前記底面近傍にマスクを形成して、前記ホーンの傾斜側面に等方性エッチングを施して、前記傾斜側面の隣接する面と面との境界に丸みを持たせる工程と、
   （ｃ）前記ホーン底面上にＬＥＤチップを実装する工程と
   を含むＬＥＤパッケージの製造方法。
2. 前記工程（ｂ）は、
   （ｂ−１）前記ホーンを含むシリコン基板の表面に酸化膜を形成する工程と、
   （ｂ−２）前記酸化膜が形成された前記底面及び前記底面近傍の前記傾斜面上にレジストパターンを形成する工程と、
   （ｂ−３）バッファードフッ酸溶液により該ホーンの傾斜側面の前記底面近傍以外の酸化膜を除去し、該ホーンを含むシリコン基板の（１００）面に酸化膜を残す工程と、
   （ｂ−４）前記底面及び前記底面近傍の前記傾斜面に残された酸化膜をマスクとし、前記ホーンの前記傾斜側面に等方性エッチングを施して該ホーン内の前記傾斜側面の隣接する面と面との境界に丸みを持たせる工程と
   を含む請求項１に記載のＬＥＤパッケージの製造方法。
3. 前記工程（ｂ）は、前記ホーンの前記傾斜側面へ等方性ドライエッチングを施して、前記傾斜側面の隣接する面と面との境界に丸みを持たせるとともに、前記傾斜側面をミクロレベルに荒らして拡散反射面を形成する請求項１又は２に記載のＬＥＤパッケージの製造方法。
4. 前記工程（ｃ）は、前記ＬＥＤチップを、前記底面上にＡｕＳｎ共晶接合により実装する請求項１から３のいずれか１項に記載のＬＥＤパッケージの製造方法。
5. 前記工程（ｃ）のあとに、前記ホーン内に樹脂材料を充填して樹脂モールドを形成する工程を含む請求項１から４のいずれか１項に記載のＬＥＤパッケージの製造方法。
6. 凹凸の差が±１０ｎｍ以下の（１００）面の底面と、４つの（１１１）面の傾斜側面からなるホーンとを有し、
   前記４つの（１１１）面の隣接する面と面との境界に等方性エッチングにより形成された丸みを有するシリコン基板と、
   前記ホーン底面上に実装されたＬＥＤチップと
   を含むＬＥＤパッケージ。
7. 前記底面と前記傾斜側面とを含むホーン内面に形成される絶縁膜と、
   前記絶縁膜上に形成され、反射膜を兼ねた少なくとも２つの領域に分割された電極と、
   前記電極の少なくとも１つの上に一方の端子を電気的機械的に接続され、さらに該電極とは別の電極に他方の端子を接続されたＬＥＤチップと
   を含む請求項６に記載のＬＥＤパッケージ。
8. 前記ＬＥＤチップは、前記底面上にＡｕＳｎ共晶接合により実装されている請求項６又は７に記載のＬＥＤパッケージ。
9. 請求項６から８のいずれか１項に記載のＬＥＤパッケージを用いた発光装置。

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