JP5845134B2 - 波長変換体および半導体発光装置 - Google Patents
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Description
本発明の実施形態は、波長変換体および半導体発光装置に関する。
半導体発光素子と、蛍光体と、を組み合わせ、白色光などの可視光やその他の波長帯の光を放射する半導体発光装置は、小型で扱い易い光源としてその用途が広がりつつあり、また半導体発光装置の光出力と配光性や色割れ等の光学特性を有する半導体発光装置が必要とされている。
実施形態は、半導体発光装置の光出力を低下させることなく、配光性や色割れ等の光学特性を向上させることが可能な波長変換体および半導体発光装置を提供する。
実施形態に係る半導体発光装置は、第１の面と、その反対側の第２の面と、発光層と、を有し、前記発光層を含む領域と、前記発光層を含まない領域と、を有する半導体層と、前記半導体層の前記発光層を含む領域における前記第２の面に設けられたｐ側電極と、前記半導体層の前記発光層を含まない領域における前記第２の面に設けられたｎ側電極と、を備える。さらに、前記第１の面上に設けられ、透明樹脂と、前記透明樹脂中に分散された複数の蛍光体と、前記透明樹脂中に分散されたフィラーと、を有する蛍光体層であって、前記蛍光体の近傍における前記フィラーの密度が、隣り合う前記蛍光体の中間位置における前記フィラーの密度よりも高い蛍光体層を備える。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、図面中の同一部分には同一番号を付してその詳しい説明は適宜省略し、異なる部分について説明する。
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態の半導体発光装置１００の模式断面図である。半導体発光装置１００は、光源である発光層１３と、蛍光体層３０と、を備える。蛍光体層３０は、波長変換体であり、光源（発光層１３）から放射される光の波長を変換する。すなわち、蛍光体層３０は、発光層１３からの放射光を透過する樹脂３１（以下、透明樹脂３１）と、発光層１３の放射光を吸収し、その波長とは異なる蛍光を放射する複数の粒子状の蛍光体３２と、フィラー３５と、を含む。そして、本実施形態におけるフィラー３５は、隣り合う前記蛍光体の中間位置のおける密度が、前記蛍光体の近傍における密度よりも低い分布を有する。以下、図１を参照して、発光装置１００の構造を詳細に説明する。
図１は、第１実施形態の半導体発光装置１００の模式断面図である。半導体発光装置１００は、光源である発光層１３と、蛍光体層３０と、を備える。蛍光体層３０は、波長変換体であり、光源（発光層１３）から放射される光の波長を変換する。すなわち、蛍光体層３０は、発光層１３からの放射光を透過する樹脂３１（以下、透明樹脂３１）と、発光層１３の放射光を吸収し、その波長とは異なる蛍光を放射する複数の粒子状の蛍光体３２と、フィラー３５と、を含む。そして、本実施形態におけるフィラー３５は、隣り合う前記蛍光体の中間位置のおける密度が、前記蛍光体の近傍における密度よりも低い分布を有する。以下、図１を参照して、発光装置１００の構造を詳細に説明する。
半導体発光装置１００は、発光層１３を含む半導体層１５を有する。また、半導体層１５は、第１の面１５ａと、その反対側の第２の面を有する。第２の面側に電極及び配線部が設けられ、電極及び配線部の設けられていない第１の面１５ａから主として光を外部に出射する。
半導体層１５は、第１の半導体層１１と第２の半導体層１２とを有する。第１の半導体層１１及び第２の半導体層１２は、例えば窒化ガリウムを含む。第１の半導体層１１は、例えば、下地バッファ層、ｎ型ＧａＮ層などを含む。第２の半導体層１２は、ｐ型ＧａＮ層、発光層（活性層）１３などを含む。発光層１３は、青、紫、青紫、紫外光などを発光する材料を用いることができる。半導体層１５は、発光層１３を含む領域と、発光層１３を含まない領域と、を有する。
半導体層１５の第２の面は凹凸形状に加工されている。第１の領域である凸部は、発光層１３を含む。その凸部の表面である第２の半導体層１２の表面には、ｐ側電極１６が設けられる。すなわち、ｐ側電極１６は、発光層１３を含む第１の領域における第２の面に設けられる。
半導体層１５の第２の面において凸部の横には、発光層１３を含まない第２の領域が設けられている。その領域の第１の半導体層１１の表面に、ｎ側電極１７が設けられる。すなわち、ｎ側電極１７は、発光層１３を含まない第２の領域における第２の面に設けられる。
図６（ｂ）に示すように、半導体層１５の第２の面において、発光層１３を含む第２の半導体層１２の面積は、発光層１３を含まない第１の半導体層１１の面積よりも広い。
また、図７（ｂ）に示すように、半導体層１５において、発光層１３を含む領域に設けられたｐ側電極１６の方が、発光層１３を含まない領域に設けられたｎ側電極１７よりも面積が広い。これにより、広い発光領域が得られる。なお、図７（ｂ）に示すｐ側電極１６及びｎ側電極１７のレイアウトは一例であって、これに限らない。
半導体層１５の第２の面側には、第１の絶縁膜（以下、単に絶縁膜と言う）１８が設けられている。絶縁膜１８は、半導体層１５、ｐ側電極１６及びｎ側電極１７を覆っている。また、絶縁膜１８は、発光層１３及び第２の半導体層１２の側面を覆い保護する。
なお、絶縁膜１８と半導体層１５との間に別の絶縁膜（例えばシリコン酸化膜）が設けられることもある。絶縁膜１８は、例えば、微細開口のパターニング性に優れたポリイミド等の樹脂である。あるいは、絶縁膜１８としてシリコン酸化膜やシリコン窒化膜等の無機膜を用いてもよい。
絶縁膜１８は、半導体層１５の第１の面１５ａ上には設けられていない。絶縁膜１８は、半導体層１５における第１の面１５ａから続く側面１５ｃを覆い保護する。
絶縁膜１８における、半導体層１５の第２の面とは反対側の面上に、ｐ側配線層２１とｎ側配線層２２とが互いに離間して設けられる。
ｐ側配線層２１は、ｐ側電極１６に達して絶縁膜１８に形成された複数の第１の開口１８ａ内にも設けられ、ｐ側電極１６と電気的に接続される。ｎ側配線層２２は、ｎ側電極１７に達して絶縁膜１８に形成された第２の開口１８ｂ内にも設けられ、ｎ側電極１７と電気的に接続される。
ｐ側配線層２１のｐ側電極１６とは反対側に位置する面には、ｐ側金属ピラー２３が設けられる。ｐ側配線層２１、ｐ側金属ピラー２３、および後述するシード層として使われる金属膜１９は、本実施形態におけるｐ側配線部を構成する。
ｎ側配線層２２のｎ側電極１７とは反対側に位置する面には、ｎ側金属ピラー２４が設けられる。ｎ側配線層２２、ｎ側金属ピラー２４、および後述するシード層として使われる金属膜１９は、本実施形態におけるｎ側配線部を構成する。
絶縁膜１８には、第２の絶縁膜として例えば樹脂層２５が積層されている。樹脂層２５は、ｐ側配線部の周囲及びｎ側配線部の周囲を覆っている。また、樹脂層２５は、ｐ側金属ピラー２３とｎ側金属ピラー２４との間に充填される。
ｐ側金属ピラー２３の側面およびｎ側金属ピラー２４の側面は、樹脂層２５で覆われる。ｐ側金属ピラー２３のｐ側配線層２１とは反対側に位置する面は、樹脂層２５から露出し、ｐ側外部端子２３ａとして機能する。ｎ側金属ピラー２４のｎ側配線層２２とは反対側に位置する面は、樹脂層２５から露出し、ｎ側外部端子２４ａとして機能する。
ｐ側外部端子２３ａ及びｎ側外部端子２４ａは、実装基板に形成されたパッドに、はんだ、その他の金属、導電性材料等の接合材を介して接合される。
樹脂層２５における同じ面（図１における下面）に露出するｐ側外部端子２３ａとｎ側外部端子２４ａとの間の距離は、絶縁膜１８上でのｐ側配線層２１とｎ側配線層２２との間の距離よりも大きい。ｐ側外部端子２３ａとｎ側外部端子２４ａとは、実装基板への実装時にはんだ等によって相互に短絡しない距離を隔てて設けられる。
ｐ側配線層２１は、プロセス上の限界まで、ｎ側配線層２２に近づけることができ、ｐ側配線層２１の面積を広くできる。この結果、ｐ側配線層２１とｐ側電極１６との接触面積の拡大を図れ、電流分布及び放熱性を向上できる。
複数の第１の開口１８ａを通じてｐ側配線層２１がｐ側電極１６と接する面積は、第２の開口１８ｂを通じてｎ側配線層２２がｎ側電極１７と接する面積よりも大きい。よって、発光層１３への電流分布が向上し、且つ発光層１３の放熱性が向上する。
絶縁膜１８上に広がるｎ側配線層２２の面積は、ｎ側配線層２２がｎ側電極１７と接する面積よりも大きい。
実施形態によれば、ｎ側電極１７よりも広い領域にわたって形成された発光層１３によって高い光出力を得ることができる。なおかつ、発光層１３を含む領域よりも狭い領域に設けられたｎ側電極１７が、より面積の大きなｎ側配線層２２として実装面側に引き出される。
第１の半導体層１１は、ｎ側電極１７、金属膜１９およびｎ側配線層２２を介して、ｎ側外部端子２４ａを有するｎ側金属ピラー２４と電気的に接続される。発光層１３を含む第２の半導体層１２は、ｐ側電極１６、金属膜１９およびｐ側配線層２１を介して、ｐ側外部端子２３ａを有するｐ側金属ピラー２３と電気的に接続される。
ｐ側金属ピラー２３はｐ側配線層２１よりも厚く、ｎ側金属ピラー２４はｎ側配線層２２よりも厚い。ｐ側金属ピラー２３、ｎ側金属ピラー２４および樹脂層２５のそれぞれの厚さは、半導体層１５よりも厚い。なお、ここでの「厚さ」は、図１において上下方向の厚さを表す。
また、ｐ側金属ピラー２３及びｎ側金属ピラー２４のそれぞれの厚さは、半導体層１５、ｐ側電極１６、ｎ側電極１７および絶縁膜１８を含む積層体の厚さよりも厚い。なお、各金属ピラー２３、２４のアスペクト比（平面サイズに対する厚みの比）は１以上であることに限らず、その比は１よりも小さくてもよい。すなわち、金属ピラー２３、２４は、その平面サイズよりも薄くてもよい。
実施形態によれば、半導体層１５を形成するために使用した後述する基板１０が除去されても、ｐ側金属ピラー２３、ｎ側金属ピラー２４および樹脂層２５によって、半導体層１５を安定して支持し、半導体発光装置１００の機械的強度を高めることができる。
ｐ側配線層２１、ｎ側配線層２２、ｐ側金属ピラー２３およびｎ側金属ピラー２４の材料としては、銅、金、ニッケル、銀などを用いることができる。これらのうち、銅を用いると、良好な熱伝導性、高いマイグレーション耐性及び絶縁材料との優れた密着性が得られる。
樹脂層２５は、ｐ側金属ピラー２３及びｎ側金属ピラー２４を補強する。樹脂層２５は、実装基板と熱膨張率が同じもしくは近いものを用いるのが望ましい。そのような樹脂層２５として、例えばエポキシ樹脂、シリコーン樹脂、フッ素樹脂などを一例として挙げることができる。
また、ｐ側外部端子２３ａ及びｎ側外部端子２４ａを介して、半導体発光装置１００を実装基板に実装した状態において、はんだ等を介して半導体層１５に加わる応力を、ｐ側金属ピラー２３とｎ側金属ピラー２４が吸収し緩和する。
ｐ側配線層２１及びｐ側金属ピラー２３を含むｐ側配線部は、複数の第１の開口１８ａ内に設けられ相互に分断された複数のビア２１ａを介して、ｐ側電極１６に接続されている。このため、ｐ側配線部による高い応力緩和効果が得られる。
あるいは、図１６の変形例に示すように、１つの大きな第１の開口１８ａ内に設けられ、ビア２１ａよりも平面サイズの大きなポスト２１ｃを介して、ｐ側配線層２１をｐ側電極１６に接続させても良い。これにより、いずれも金属であるｐ側電極１６、ｐ側配線層２１及びｐ側金属ピラー２３を介して、発光層１３の放熱性の向上を図ることができる。
後述するように、半導体層１５を形成するときに使った基板１０は、第１の面１５ａ上から除去する。このため、半導体発光装置１００を低背化できる。
半導体層１５の第１の面１５ａには、微小な凹凸を形成する。第１の面１５ａに対して、例えばアルカリ系溶液を使ったウェットエッチング（フロスト処理）を行い、凹凸を形成する。発光層１３の発光光の主たる取り出し面である第１の面１５ａに凹凸を設けることで、様々な角度で第１の面１５ａに入射する光を全反射させることなく第１の面１５ａの外側に取り出すことが可能となる。
第１の面１５ａ上には、蛍光体層３０が設けられる。蛍光体層３０は、透明樹脂３１と、透明樹脂３１中に分散された複数の粒子状または粉末状の蛍光体３２と、フィラーと、を含む。
透明樹脂３１は、発光層１３の発光及び蛍光体３２の発光に対する透過性を有し、例えば、シリコーン樹脂、アクリル樹脂、フェニル樹脂などを用いることができる。
蛍光体３２は、発光層１３の発光（励起光）を吸収し波長変換光を発光可能である。このため、半導体発光装置１００は、発光層１３の発光と、蛍光体３２の波長変換光との混合光を出射可能である。
蛍光体３２が黄色光を放射する黄色蛍光体とすると、ＧａＮ系材料である発光層１３の青色光と、蛍光体３２における波長変換光である黄色光との混合色として、白色または電球色などを得ることができる。なお、蛍光体層３０は、複数種の蛍光体（例えば、赤色光を発光する赤色蛍光体と、緑色光を発光する緑色蛍光体）を含む構成であってもよい。
フィラーは、第１の面１５ａの上に成形される前の液状の透明樹脂３１の粘度を調整するために分散される。フィラーとして、例えば、粒子状のシリカを用いることができる。
図２は、第１実施形態に係る蛍光体層３０の断面を表すＳＥＭ像である。図２（ａ）は、蛍光体層３０の部分断面を表すＳＥＭ像であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）中に示す領域Ａを拡大したＳＥＭ像である。
図２（ａ）に示すように、蛍光体層３０は、透明樹脂３１と、透明樹脂３１に分散された複数の蛍光体３２を含む。蛍光体３２の粒径は、例えば、数マイクロメートル（μｍ）〜２０μｍである。
図２（ｂ）は、蛍光体３２と、透明樹脂３１と、の界面近傍の領域Ａを拡大したＳＥＭ像である。同図では、透明樹脂３１に分散されたフィラー３５が、淡いコントラストを持って視認できる。フィラー３５は、数１０ナノメートル（ｎｍ）の粒径を有するシリカであり、蛍光体３２に近傍に偏在することが分かる。また、フィラー３５は、発光層１３から放射される励起光を透過するため、フィラー３５が周りに偏在しても蛍光体３２による励起光の吸収は妨げられない。
例えば、図２（ａ）中に示す蛍光体３２の近傍の領域Ｂ１およびＢ２おけるフィラー３５の密度は、隣り合う蛍光体３２の中間の領域Ｃにおけるフィラー３５の密度よりも高い。これにより、蛍光体３２から放射される蛍光が散乱し、半導体発光装置から放出される光の分布を変化させることができる。この時、光の吸収は起こらず、光主力の低下はない。
図３（ａ）は、第１実施形態に係る蛍光体層３０の特性を表すグラフである。縦軸は、フィラー３５の数と蛍光体３２の数の比である。横軸は、蛍光体３２の粒径である。
例えば、フィラー３５を蛍光体３２の周りに偏在させ、蛍光体３２を覆う状態にすることにより発光効率を向上させることができる。図３（ａ）は、例えば、図３（ｂ）に示すように、蛍光体３２に付着しその全表面を覆うことが可能なフィラー３５の数と、蛍光体３２の粒径と、の関係を示している。なお、図３（ｂ）に示す蛍光体３２とフィラー３５の大きさの比率は、実際のものとは異なる。
すなわち、縦軸は、１個の蛍光体３２の表面に付着しその全体を覆うことができるフィラー３５の数ＮＳである。図３中のグラフＲ１は、フィラー３５の粒径を７ｎｍとした場合の蛍光体３２の粒径に対するＮＳの依存性を示している。そして、Ｒ２は２０ｎｍ、Ｒ３は３０ｎｍ、Ｒ４は４０ｎｍの場合をそれぞれ示している。同図に示すように、蛍光体３２の粒径が大きくなるにしたがって、その表面を覆うフィラー３５の数ＮＳは増加する。そして、フィラー３５の粒径が大きくなるほどＮＳは小さくなる。
透明樹脂３１に分散するフィラー３５の量は、蛍光体３２の表面全体を覆うフィラー３５の数ＮＳよりも多いことが好ましく、例えば、ＮＳの２×１０６倍〜２×１０９倍であることが望ましい。フィラー３５の分散量がＮＳの２×１０９倍より大きくなると、フィラー３５は蛍光体３２の近傍に偏在せず、透明樹脂３１の全体に均等に分散する。一方、フィラー３５の分散量がＮＳの２×１０６倍より小さくなると、液状の透明樹脂３１の粘度が高すぎて蛍光体３２が均一に分散されなくなる。
例えば、フィラー３５の分散量をＮＳの１×１０７倍にすると、半導体発光装置１００の側面から出てくる黄色光の強度が５０％低下し、また、フィラー３５の分散量をＮＳの１×１０８倍にすると、半導体発光装置１００の側面から出てくる黄色光の強度が１０％低下する。
このように構成することにより、図３（ｂ）に示すように、少なくとも１つの蛍光体３２の表面がフィラー３５で覆われた蛍光体層３０を得ることができる。なお、蛍光体３２とフィラー３５の大きさの比率は、実際のものとは異なる。また、蛍光体３２の表面にフィラー３５が層状に形成されていてもよい。フィラー３５で覆われた少なくとも１つの蛍光体３２は、例えば、平均粒径よりも小さい粒径を有する蛍光体３２を含む。また、蛍光体３２の近傍から離れる方向に向かってフィラーの密度が低くなる領域を有する蛍光体層３０を得ることができる。例えば、蛍光体３２の表面に層状に形成されたフィラー３５の密度が蛍光体３２の近傍から離れる方向に向かって低くなる領域を有し低てもよい。ここで、蛍光体３２は、完全な球状ではないため、蛍光体３２の表面全体にフィラー３５が形成されていない領域があってもよい。
このように構成することにより、図３（ｂ）に示すように、少なくとも１つの蛍光体３２の表面がフィラー３５で覆われた蛍光体層３０を得ることができる。なお、蛍光体３２とフィラー３５の大きさの比率は、実際のものとは異なる。また、蛍光体３２の表面にフィラー３５が層状に形成されていてもよい。フィラー３５で覆われた少なくとも１つの蛍光体３２は、例えば、平均粒径よりも小さい粒径を有する蛍光体３２を含む。また、蛍光体３２の近傍から離れる方向に向かってフィラーの密度が低くなる領域を有する蛍光体層３０を得ることができる。例えば、蛍光体３２の表面に層状に形成されたフィラー３５の密度が蛍光体３２の近傍から離れる方向に向かって低くなる領域を有し低てもよい。ここで、蛍光体３２は、完全な球状ではないため、蛍光体３２の表面全体にフィラー３５が形成されていない領域があってもよい。
ここで、蛍光体３２の粒径、および、フィラー３５の粒径は、それぞれの平均粒径であり、例えば、蛍光体３２の平均粒径は、そのＳＥＭ像から求めることができる。また、フィラー３５の平均粒径は、ＴＥＭ（Transmission Electron Microscopy）を用いて求めることができる。
次に、図４（ａ）〜図１５（ｂ）を参照して、実施形態の半導体発光装置１００の製造方法について説明する。図４（ａ）〜図１５（ｂ）は、ウェーハ状態における一部の領域を表す。
図４（ａ）は、基板１０の主面（図４（ａ）における下面）に、第１の半導体層１１及び第２の半導体層１２を形成した積層体を示す。図４（ｂ）は、図４（ａ）における下面図に対応する。
基板１０の主面上に第１の半導体層１１が形成され、その上に発光層１３を含む第２の半導体層１２を形成する。窒化ガリウムを含む第１の半導体層１１及び第２の半導体層１２は、例えばサファイア基板上にＭＯＣＶＤ（metal organic chemical vapor deposition）法で結晶成長させることができる。あるいは、基板１０としてシリコン基板を用いることもできる。
第１の半導体層１１における基板１０に接する面が、半導体層１５の第１の面１５ａであり、第２の半導体層１２の表面が半導体層１５の第２の面１５ｂである。
次に、図５（ａ）及びその下面図である図５（ｂ）に示すように、図示しないレジストマスクを用いた、例えば、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）法により、半導体層１５を貫通して基板１０に達する溝８０を形成する。溝８０は、ウェーハ状態の基板１０上で例えば格子状に形成され、半導体層１５を基板１０上で複数のチップに分離する。
なお、半導体層１５を複数に分離する工程は、後述する第２の半導体層１２の選択的除去後、あるいは電極の形成後に行ってもよい。
次に、図６（ａ）及びその下面図である図６（ｂ）に示すように、図示しないレジストマスクを用いた、例えば、ＲＩＥ法により、第２の半導体層１２の一部を除去し、第１の半導体層１１の一部を露出させる。第１の半導体層１１が露出された領域は、発光層１３を含まない。
次に、図７（ａ）及びその下面図である図７（ｂ）に示すように、半導体層１５の第２の面にｐ側電極１６とｎ側電極１７とを形成する。ｐ側電極１６は、第２の半導体層１２の表面に形成する。ｎ側電極１７は、第１の半導体層１１の露出面に形成する。
ｐ側電極１６及びｎ側電極１７は、例えば、スパッタ法、蒸着法等で形成する。ｐ側電極１６とｎ側電極１７は、どちらを先に形成してもよいし、同じ材料で同時に形成してもよい。
ｐ側電極１６は、発光層１３の発光に対して反射性を有する、例えば、銀、銀合金、アルミニウム、アルミニウム合金等を含む。また、ｐ側電極１６の硫化、酸化防止のため、金属保護膜（バリアメタル）を含む構成であってもよい。
また、ｐ側電極１６とｎ側電極１７との間や、発光層１３の端面（側面）にパッシベーション膜として、例えばシリコン窒化膜やシリコン酸化膜をＣＶＤ（chemical vapor deposition）法で形成してもよい。また、各電極と半導体層とのオーミックコンタクトをとるための熱処理などは必要に応じて実施する。
次に、基板１０の主面上の露出している部分すべてを図８（ａ）に示す絶縁膜１８で覆った後、例えばウェットエッチングにより絶縁膜１８をパターニングする。続いて、絶縁膜１８に選択的に第１の開口１８ａと第２の開口１８ｂを形成する。第１の開口１８ａは複数形成され、各々の第１の開口１８ａはｐ側電極１６に達する。第２の開口１８ｂはｎ側電極１７に達する。
絶縁膜１８としては、例えば、感光性ポリイミド、ベンゾシクロブテン（Benzocyclobutene）などの有機材料を用いることができる。この場合、レジストを使わずに、絶縁膜１８に対して直接露光及び現像が可能である。
あるいは、シリコン窒化膜やシリコン酸化膜などの無機膜を絶縁膜１８として使用してもよい。絶縁膜１８が無機膜の場合、絶縁膜１８上に形成したレジストをパターニングし、レジストマスクを用いた選択エッチングにより第１の開口１８ａ及び第２の開口１８ｂを形成する。
次に、絶縁膜１８の表面、第１の開口１８ａの内壁（側壁及び底部）、および第２の開口１８ｂの内壁（側壁及び底部）に、図８（ｂ）に示すように、金属膜１９を形成する。金属膜１９は、後述するメッキ工程においてシードメタルとして使われる。
金属膜１９は、例えばスパッタ法で形成する。金属膜１９は、例えば、絶縁膜１８側から順に積層されたチタン（Ｔｉ）と銅（Ｃｕ）との積層膜を含む。あるいは、チタン膜の代わりにアルミニウム膜を使っても良い。
次に、図８（ｃ）に示すように、金属膜１９上に選択的にレジスト９１を形成し、金属膜１９を電流経路としたＣｕ電解メッキを行う。
これにより、図９（ａ）及びその下面図である図９（ｂ）に示すように、金属膜１９上に、選択的にｐ側配線層２１とｎ側配線層２２とを形成する。ｐ側配線層２１及びｎ側配線層２２はメッキ法により同時に形成され、例えば、銅材料からなる。
ｐ側配線層２１は、第１の開口１８ａ内にも形成され、金属膜１９を介してｐ側電極１６に電気的に接続される。ｎ側配線層２２は、第２の開口１８ｂ内にも形成され、金属膜１９を介してｎ側電極１７に電気的に接続される。
ｐ側配線層２１及びｎ側配線層２２のメッキに使ったレジスト９１は、溶剤もしくは酸素プラズマを使って除去する。
次に、図１０（ａ）及びその下面図である図１０（ｂ）に示すように、金属ピラー形成用のレジスト９２を形成する。レジスト９２は、前述のレジスト９１よりも厚い。なお、前の工程でレジスト９１は除去せずに残し、そのレジスト９１にレジスト９２を重ねて形成してもよい。レジスト９２には、第１の開口９２ａと第２の開口９２ｂを形成する。
そして、レジスト９２をマスクに用いて、金属膜１９を電流経路としたＣｕ電解メッキを行う。これにより、図１１（ａ）及びその下面図である図１１（ｂ）に示すように、ｐ側金属ピラー２３とｎ側金属ピラー２４を形成する。
ｐ側金属ピラー２３は、レジスト９２に形成した第１の開口９２ａ内であって、ｐ側配線層２１の表面上に形成する。ｎ側金属ピラー２４は、レジスト９２に形成した第２の開口９２ｂ内であって、ｎ側配線層２２の表面上に形成する。ｐ側金属ピラー２３及びｎ側金属ピラー２４は、メッキ法により同時に形成され、例えば、銅材料からなる。
レジスト９２は、図１２（ａ）に示すように、例えば溶剤もしくは酸素プラズマを用いて除去する。この後、金属ピラー２３、ｎ側金属ピラー２４、ｐ側配線層２１およびｎ側配線層２２をマスクにして、金属膜１９の露出している部分をウェットエッチングにより除去する。これにより、図１２（ｂ）に示すように、ｐ側配線層２１とｎ側配線層２２との間の金属膜１９を介した電気的接続を分断する。
次に、図１３（ａ）に示すように、絶縁膜１８に対して樹脂層２５を積層する。樹脂層２５は、ｐ側配線層２１、ｎ側配線層２２、ｐ側金属ピラー２３及びｎ側金属ピラー２４を覆う。
樹脂層２５は、絶縁性を有する。また、樹脂層２５に、例えばカーボンブラックを含有させて、発光層１３の発光に対して遮光性を与えてもよい。
次に、図１３（ｂ）に示すように、基板１０を除去する。基板１０がサファイア基板の場合、例えば、レーザーリフトオフ法によって基板１０を除去することができる。具体的には、基板１０の裏面側から第１の半導体層１１に向けてレーザ光を照射する。レーザ光は、基板１０を透過し、第１の半導体層１１に吸収される波長領域の光である。
基板１０と第１の半導体層１１との界面にレーザ光が到達すると、その界面付近の第１の半導体層１１はレーザ光のエネルギーを吸収して分解する。第１の半導体層１１はガリウム（Ｇａ）と窒素ガスとに分解する。この分解反応により、基板１０と第１の半導体層１１との間に微小な隙間を形成する。そして、レーザ光の照射を、設定された領域ごとに複数回に分けてウェーハ全体にわたって行い、基板１０を第１の半導体層１１から分離する。
また、基板１０がシリコン基板の場合には、エッチングにより半導体層１１から除去することができる。
基板１０の主面上に形成した積層体は、半導体層１５よりも厚いｐ側金属ピラー２３、ｎ側金属ピラー２４および樹脂層２５によって補強されているため、基板１０がなくなっても、ウェーハ状態を保つことが可能である。
また、樹脂層２５も、ｐ側金属ピラー２３及びｎ側金属ピラー２４を構成する金属も、半導体層１５に比べて柔軟な材料である。そのような柔軟な支持体に半導体層１５は支持されている。そのため、基板１０上に半導体層１５をエピタキシャル成長させる際に生じた大きな内部応力が、基板１０の剥離時に一気に開放されても、半導体層１５が破壊されるのを回避できる。
次に、基板１０が除去された半導体層１５の第１の面１５ａを洗浄する。例えば、希フッ酸等で、第１の面１５ａに付着したガリウム（Ｇａ）を除去する。
その後、例えば、ＫＯＨ（水酸化カリウム）水溶液やＴＭＡＨ（水酸化テトラメチルアンモニウム）等で、第１の面１５ａをウェットエッチングする。このエッチングでは、結晶面方位に依存したエッチング速度の違いが生じる。これにより、図１４（ａ）に示すように、第１の面１５ａに凹凸を形成することができる。あるいは、レジストでパターニングした後にエッチングを行って、第１の面１５ａに凹凸を形成してもよい。第１の面１５ａに凹凸を形成することにより、光取り出し効率を向上できる。
次に、図１４（ｂ）に示すように、第１の面１５ａ上に蛍光体層３０を形成する。蛍光体層３０は、隣り合う半導体層１５間の絶縁膜１８上にも形成する。具体的には、蛍光体３２が分散された液状の透明樹脂３１を、例えば、印刷、ポッティング、モールド、圧縮成形などの方法によって第１の面１５ａ上に供給した後、熱硬化させる。
透明樹脂３１には、例えば、シリコーン樹脂、アクリル樹脂、フェニル樹脂を用いる。透明樹脂３１に分散する蛍光体３２は、例えば、黄色光を発光する黄色蛍光体、赤色光を発光する赤色蛍光体、緑色光を発光する緑色蛍光体、またはこれらの混合である。蛍光体３２の平均粒径は、例えば、５μｍ〜２０μｍである。そして、フィラー３５には、例えば、粒径１０〜５０ｎｍのシリカを用いる。蛍光体３２の分散量は、例えば、３０〜５０重量パーセント（ｗｔ％）であり、フィラー３５の分散量は、例えば、６〜２０ｗｔ％である。これにより、ＮＳの２×１０６倍〜２×１０９倍のフィラー３５が分散される。
続いて、樹脂層２５の表面（図１４（ｂ）における下面）を研削し、図１５（ａ）及びその下面図である図１５（ｂ）に示すように、ｐ側外部端子２３ａ及びｎ側外部端子２４ａを露出させる。
その後、前述した溝８０の位置で、蛍光体層３０、絶縁膜１８および樹脂層２５を切断し、複数の半導体発光装置１００に個片化する。例えば、ダイシングブレードを用いて切断する。あるいは、レーザ照射によって、切断してもよい。
ダイシング時、基板１０はすでに除去されている。さらに、溝８０には、半導体層１５は存在しないため、ダイシング時に半導体層１５が受けるダメージを回避することができる。また、個片化後の追加工程なしで、半導体層１５の端部（側面）が絶縁膜１８で覆われて保護された構造が得られる。
なお、個片化された半導体発光装置１００は、ひとつの半導体層１５を含むシングルチップ構造でも、複数の半導体層１５を含むマルチチップ構造であってもよい。
ダイシングする前までの各工程は、ウェーハ状態で一括して行われるため、個片化された個々のデバイスごとに、配線及びパッケージングを行う必要がなく、大幅な生産コストの低減が可能になる。すなわち、個片化された状態で、すでに配線及びパッケージングが済んでいる。このため、生産性を高めることができ、その結果として価格低減が容易となる。
図１７は、第１実施形態の変形例に係る半導体発光装置２００を表す模式断面図である。半導体発光装置２００では、ｐ側電極１６の表面及び側面に、ｐ側電極１６を覆うｐ側パッド５１が設けられている。ｐ側電極１６は、半導体層１５に含まれるガリウム（Ｇａ）と合金を形成可能な、例えば、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）およびロジウム（Ｒｈ）のうちの少なくとも１つを含む。ｐ側パッド５１は、ｐ側電極１６よりも発光層１３の発光光に対する反射率が高く、主成分として例えば銀（Ａｇ）を含む。
また、ｎ側電極１７の表面及び側面に、ｎ側電極１７を覆うｎ側パッド５２が設けられている。ｎ側電極１７は、半導体層１５に含まれるガリウム（Ｇａ）と合金を形成可能な、例えば、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）およびロジウム（Ｒｈ）のうちの少なくとも１つを含む。ｎ側パッド５２は、ｎ側電極１７よりも発光層１３の発光に対する反射率が高く、主成分として例えば銀（Ａｇ）を含む。
半導体層１５の第２の面におけるｐ側電極１６の周囲およびｎ側電極１７の周囲には、例えば、シリコン酸膜、シリコン窒化膜などの絶縁膜５３が設けられている。絶縁膜５３は、ｐ側電極１６とｎ側電極１７との間、およびｐ側パッド５１とｎ側パッド５２との間に設けられている。
絶縁膜５３上、ｐ側パッド５１上およびｎ側パッド５２上には、例えばシリコン酸膜、シリコン窒化膜などの絶縁膜５４が設けられている。また、絶縁膜５４は、半導体層１５の側面１５ｃにも設けられ、側面１５ｃを覆っている。
絶縁膜５４上には、ｐ側配線層２１とｎ側配線層２２が設けられている。ｐ側配線層２１は、絶縁膜５４に形成された第１の開口５４ａを通じてｐ側パッド５１に接続されている。ｎ側配線層２２は、絶縁膜５４に形成された第２の開口５４ｂを通じてｎ側パッド５２に接続されている。
この構造においても、ｐ側配線層２１は、図に示すように複数のビア２１ａを介してｐ側パッド５１に接続されてもよいし、あるいは、ビア２１ａよりも平面サイズの大きな１つのポストを介してｐ側パッド５１に接続されてもよい。
ｐ側配線層２１上には、ｐ側配線層２１よりも厚いｐ側金属ピラー２３が設けられている。ｎ側配線層２２上には、ｎ側配線層２２よりも厚いｎ側金属ピラー２４が設けられている。
絶縁膜５４に対して樹脂層２５が積層されている。樹脂層２５は、ｐ側配線層２１及びｐ側金属ピラー２３を含むｐ側配線部と、ｎ側配線層２２及びｎ側金属ピラー２４を含むｎ側配線部を覆っている。ただし、ｐ側金属ピラー２３のｐ側配線層２１とは反対側に位置する面（図において下面）は樹脂層２５から露出され、ｐ側外部端子２３ａとして機能する。同様に、ｎ側金属ピラー２４のｎ側配線層２２とは反対側に位置する面（図において下面）は樹脂層２５から露出され、ｎ側外部端子２４ａとして機能する。
あるいは、後述するように、ｐ側金属ピラー２３の側面と、ｎ側金属ピラー２４の側面を露出させて、サイドビュータイプの半導体発光装置とすることもできる。
樹脂層２５は、基板１０上で半導体層１５を複数に分離する前述した溝８０内に、絶縁膜５４を介して充填される。したがって、半導体層１５の側面１５ｃは、無機膜である絶縁膜５４と、樹脂層２５とで覆われて保護される。
さらに、第１の面１５ａの上に蛍光体層３０を設ける。蛍光体層３０は、透明樹脂３１と、透明樹脂３１に分散された蛍光体３２およびフィラー３５を含む。フィラー３５は、蛍光体３２の表面全体を覆う数ＮＳの２×１０６倍〜２×１０９倍の量を分散する。これにより、半導体発光装置２００の光出力を低下させることなく、配光性や色割れ等の光学特性を向上させることができる。
本実施形態のさらなる変形例として、ｐ側金属ピラー２３及びｎ側金属ピラー２４を設けずに、ｐ側配線層２１及びｎ側配線層２２を実装基板のパッドに対して接合させてもよい。また、ｐ側配線層２１とｐ側金属ピラー２３とは別体であることに限らず、ｐ側配線層２１とｐ側金属ピラー２３とを同じ工程で一体に形成することによりｐ側配線部を設けても良い。同様に、ｎ側配線層２２とｎ側金属ピラー２４とは別体であることに限らず、ｎ側配線層２２とｎ側金属ピラー２４とを同じ工程で形成し、ｎ側配線部を一体に設けても良い。
（第２実施形態）
図１８（ａ）は、第１実施形態の変形例の半導体発光装置３００の模式斜視図である。図１８（ｂ）は、図１８（ａ）におけるＡ−Ａ断面図である。図１８（ｃ）は、図１８（ａ）におけるＢ−Ｂ断面図である。また、図１９は、半導体発光装置３００を実装基板３１０上に実装した構成を有する発光モジュールの模式断面図である。
図１８（ａ）は、第１実施形態の変形例の半導体発光装置３００の模式斜視図である。図１８（ｂ）は、図１８（ａ）におけるＡ−Ａ断面図である。図１８（ｃ）は、図１８（ａ）におけるＢ−Ｂ断面図である。また、図１９は、半導体発光装置３００を実装基板３１０上に実装した構成を有する発光モジュールの模式断面図である。
図１８（ａ）及び（ｃ）に示すように、ｐ側金属ピラー２３の一部の側面は、半導体層１５の第１の面１５ａ及び第２の面と異なる面方位の第３の面２５ｂで、樹脂層２５から露出している。その露出面は、外部の実装基板に実装するためのｐ側外部端子２３ｂとして機能する。
第３の面２５ｂは、半導体層１５の第１の面１５ａ及び第２の面に対して略垂直な面である。樹脂層２５は、例えば矩形状の４つの側面を有し、そのうちのひとつの側面が第３の面２５ｂとなっている。
その同じ第３の面２５ｂで、ｎ側金属ピラー２４の一部の側面が樹脂層２５から露出している。その露出面は、外部の実装基板に実装するためのｎ側外部端子２４ｂとして機能する。
また、図１８（ａ）に示すように、ｐ側配線層２１の一部の側面２１ｂも、第３の面２５ｂで樹脂層２５から露出し、ｐ側外部端子として機能する。同様に、ｎ側配線層２２の一部の側面２２ｂも、第３の面２５ｂで樹脂層２５から露出し、ｎ側外部端子として機能する。
ｐ側金属ピラー２３において、第３の面２５ｂで露出しているｐ側外部端子２３ｂ以外の部分は、樹脂層２５で覆われている。また、ｎ側金属ピラー２４において、第３の面２５ｂで露出しているｎ側外部端子２４ｂ以外の部分は、樹脂層２５で覆われている。
また、ｐ側配線層２１において、第３の面２５ｂで露出している側面２１ｂ以外の部分は、樹脂層２５で覆われている。さらに、ｎ側配線層２２において、第３の面２５ｂで露出している側面２２ｂ以外の部分は、樹脂層２５で覆われている。
一方、第１の面１５ａと、蛍光体層３０と、の間にはレンズ３６が設けられている。レンズ３６は、発光層１３の発光を集光し配光を向上させる。また、レンズ３６を設けない構成も可能である。
この半導体発光装置３００は、図１９に示すように、第３の面２５ｂを実装基板３１０の実装面３０１に向けた姿勢で実装される。第３の面２５ｂで露出しているｐ側外部端子２３ｂ及びｎ側外部端子２４ｂは、それぞれ、実装面３０１に形成されたパッド３０２に対してはんだ３０３を介して接合されている。実装基板３１０の実装面３０１には配線パターンも形成されており、パッド３０２はその配線パターンと接続されている。
第３の面２５ｂは、光の主な出射面である第１の面１５ａに対して略垂直である。したがって、第３の面２５ｂを下方の実装面３０１側に向けた姿勢で、第１の面１５ａは実装面３０１の上方ではなく、横方向を向く。すなわち、半導体発光装置３００は、実装面３０１を水平面とした場合に横方向に光が放出される、いわゆるサイドビュータイプの半導体発光装置である。
このようなサイドビュータイプの半導体発光装置３００においても、蛍光体層３０に分散するフィラー３５の量を、蛍光体３２の表面全体を覆う数ＮＳの２×１０６倍〜２×１０９倍とすることにより、光出力を低下させることなく、配光性や色割れ等の光学特性を向上させることができる。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
１０・・・基板、 １１・・・第１の半導体層、 １２・・・第２の半導体層、 １３・・・発光層、 １５・・・半導体層、 １５ａ・・・第１の面、 １５ｂ・・・第２の面、 １５ｃ・・・側面、 １６・・・ｐ側電極、 １７・・・ｎ側電極、 １８・・・絶縁膜、 １８ａ、５４ａ、９２ａ・・・第１の開口、 １８ｂ、５４ｂ、９２ｂ・・・第２の開口、 １９・・・金属膜、 ２１・・・ｐ側配線層、 ２１ａ・・・ビア、 ２１ｂ、２２ｂ・・・側面、 ２１ｃ・・・ポスト、 ２２・・・ｎ側配線層、 ２３・・・ｐ側金属ピラー、 ２３ａ、２３ｂ・・・ｐ側外部端子、 ２４・・・ｎ側金属ピラー、 ２４ａ、２４ｂ・・・ｎ側外部端子、 ２５・・・樹脂層、 ２５ｂ・・・第３の面、 ３０・・・蛍光体層、 ３１・・・透明樹脂、 ３２・・・蛍光体、 ３５・・・フィラー、 ３６・・・レンズ、 ５１・・・ｐ側パッド、 ５２・・・ｎ側パッド、 ５３、５４・・・絶縁膜、 ８０・・・溝、 ９１、９２・・・レジスト、 １００、２００、３００・・・半導体発光装置、 ３０１・・・実装面、 ３０２・・・パッド、 ３１０・・・実装基板
Claims (10)
- 第１の面と、その反対側の第２の面と、発光層と、を有する半導体層であって、前記発光層を含む領域と、前記発光層を含まない領域と、を有する半導体層と、
前記半導体層の前記発光層を含む領域における前記第２の面に設けられたｐ側電極と、
前記半導体層の前記発光層を含まない領域における前記第２の面に設けられたｎ側電極と、
前記第１の面上に設けられ、透明樹脂と、前記透明樹脂中に分散された複数の蛍光体と、前記透明樹脂中に分散されたフィラーと、を有する蛍光体層であって、前記蛍光体の近傍における前記フィラーの密度が、隣り合う前記蛍光体の中間位置における前記フィラーの密度よりも高い蛍光体層と、
を備えた半導体発光装置。 - 前記フィラーは、前記光源の放射光を透過する請求項１記載の半導体発光装置。
- 前記フィラーは、前記複数の蛍光体のそれぞれの全表面を覆う数よりも多く前記樹脂に分散された請求項１または２記載の半導体発光装置。
- 前記第１の面に凹凸が設けられ、前記蛍光体層は前記凹凸を被覆する請求項１〜３のいずれか１つに記載の半導体発光装置。
- 前記第２の面側に設けられ、前記第ｐ側電極に通じる第１の開口と、前記ｎ側電極に通じる第２の開口とを有する第１の絶縁膜と、
前記第１の絶縁膜上に設けられ、前記第１の開口を通じて前記ｐ側電極と電気的に接続されたｐ側配線部と、
前記第１の絶縁膜上に設けられ、前記第２の開口を通じて前記ｎ側電極と電気的に接続されたｎ側配線部と、
をさらに備えた請求項１〜４のいずれか１つに記載の半導体発光装置。 - 前記ｐ側配線部と前記ｎ側配線部との間に設けられた第２の絶縁膜をさらに備えた請求項５記載の半導体発光装置。
- 前記ｐ側配線部は、
前記第１の開口内及び前記第１の絶縁膜上に設けられたｐ側配線層と、
前記ｐ側配線層上に設けられ、前記ｐ側配線層よりも厚いｐ側金属ピラーと、
を有し、
前記ｎ側配線部は、
前記第２の開口内及び前記第１の絶縁膜上に設けられたｎ側配線層と、
前記ｎ側配線層上に設けられ、前記ｎ側配線層よりも厚いｎ側金属ピラーと、
を有する請求項６記載の半導体発光装置。 - 前記第２の絶縁膜は、前記ｐ側金属ピラーの周囲及び前記ｎ側金属ピラーの周囲を覆う請求項７記載の半導体発光装置。
- 光源からの放射光を透過する樹脂と、
前記樹脂に分散された複数の粒子状の蛍光体であって、前記放射光を吸収し前記放射光とは異なる波長の蛍光を放射する蛍光体と、
前記樹脂に分散され前記蛍光体よりも粒径が小さいフィラーであって、前記蛍光体の近傍における密度が隣り合う前記蛍光体の中間位置における密度よりも高い分布を有するフィラーと、
を備えた波長変換体。 - 前記フィラーは、前記複数の蛍光体のそれぞれの全表面を覆う数よりも多く前記樹脂に分散された請求項９記載の波長変換体。
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