JPWO2010074288A1 - High voltage drive light emitting diode module - Google Patents
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Abstract
本発明の目的は、一つ一つの発光ダイオード素子の大きさを小さくしても総合的に輝度及び集光効率を向上させることができ、且つその発光ダイオード素子を複数接続することにより高電圧で駆動できる発光ダイオードモジュールを提供することである。このため、発光層の側面方向に放出される光を発光層に垂直な集光方向へ反射させる側方反射部を内蔵した発光ダイオード素子を複数配列し、その発光素子を直列に接続した発光ダイオードモジュールを、1つの基板上に形成することを可能にした。発光層内の活性層から放出される光のうち、集光方向へ放出された光はそのまま透明基板を通って集光方向へ放出され、集光方向とは反対方向へ放出された光は背面反射膜により集光方向へ反射され、活性層に沿った方向に放出された光は側方反射部により反射されて略集光方向へ集まる。一つ一つの発光ダイオード素子は電気的に分離されており、電源配線層により接続される。The object of the present invention is to improve the overall brightness and light collection efficiency even if the size of each light emitting diode element is reduced, and at a high voltage by connecting a plurality of the light emitting diode elements. It is to provide a light emitting diode module that can be driven. For this reason, a plurality of light emitting diode elements each having a built-in side reflecting portion that reflects light emitted in the lateral direction of the light emitting layer in a light collecting direction perpendicular to the light emitting layer are arranged, and the light emitting diodes are connected in series. It was possible to form the module on one substrate. Of the light emitted from the active layer in the light emitting layer, the light emitted in the light collecting direction is directly emitted through the transparent substrate in the light collecting direction, and the light emitted in the direction opposite to the light collecting direction is the back surface. The light reflected in the condensing direction by the reflecting film and emitted in the direction along the active layer is reflected by the side reflecting portion and gathers in the substantially condensing direction. Each light emitting diode element is electrically isolated and connected by a power supply wiring layer.
Description
本発明は、複数の発光ダイオード素子から構成される高電圧駆動の発光ダイオードモジュールに関し、詳しくは、発光層からその側面方向に放出される光を発光層に垂直な集光方向に反射させる構造を内蔵した発光ダイオード素子を直列に接続することにより、輝度及び集光効率を向上させ且つ高電圧で駆動できる発光ダイオードモジュールに関する。 The present invention relates to a high-voltage-driven light-emitting diode module composed of a plurality of light-emitting diode elements. The present invention relates to a light emitting diode module that can improve brightness and light collection efficiency and can be driven at a high voltage by connecting built-in light emitting diode elements in series.
従来、多くの発光ダイオード(LED)は1つの発光素子(チップ)から構成されている。一般に、LEDは低い電圧(DC2Vから4V程度)によって駆動され、大きな電流(数十mAから数百mA程度)によって動作する。このため、商用電源や高電圧のバッテリによって駆動する場合には、電源回路が複雑で小型化が困難である等の問題がある。この問題を解決するために、同一基板上に複数の発光ダイオードを二次元アレイ状に配列し、各発光ダイオードを直列に接続することによって高電圧での使用を可能とした発光ダイオードの直列構造が開示されている(特許文献4を参照)。 Conventionally, many light emitting diodes (LEDs) are composed of one light emitting element (chip). In general, an LED is driven by a low voltage (DC 2 V to 4 V or so) and operates with a large current (several tens of mA to hundreds of mA). For this reason, when driving with a commercial power supply or a high-voltage battery, there are problems such as a complicated power supply circuit and difficulty in miniaturization. In order to solve this problem, there is a series structure of light emitting diodes that can be used at a high voltage by arranging a plurality of light emitting diodes on the same substrate in a two-dimensional array and connecting the light emitting diodes in series. It is disclosed (see Patent Document 4).
従来の1つの発光素子から構成されるLEDは、例えば、図39に示すような構造を有している(特許文献2を参照)。GaAlN等よりなる発光素子791をメタルステム上に実装し、メタルポスト792、793へのワイヤボンディングを介して電極が外部に取り出される。発光素子791から放出された紫外光により蛍光体795が励起されて波長の長い光が発光される。
A conventional LED composed of one light emitting element has a structure as shown in FIG. 39, for example (see Patent Document 2). A
また、別の従来のLED素子の例では、図40に示すように、発光素子891、発光素子を実装するパッケージの基板892、パッケージから外部へ電極を取り出すリード893、ボンディグワイア894、蛍光体895、カバーガラス896等から構成されている。光はカバーガラス896を通して外部に放出される。上記発光素子891はサファイア基板991上に形成されたGaAlN等よりなる半導体であり、この半導体は活性層993を挟んでN型半導体層992とP型半導体層994とから構成されている。N型半導体層992及びP型半導体層994の上には、それぞれボンディングパッド部(電極)996、997が設けられる。また、サファイア基板991の下面には、反射膜995が設けられている。
In another example of the conventional LED element, as shown in FIG. 40, the
もともと、光を放出する発光素子の活性層からは、カバーガラス等が配設された方向(集光方向)ばかりでなく、その反対方向や、集光方向とは直角の方向すなわち発光素子の側面方向にも放出される。従来、活性層から集光方向に放出された光はそのまま集光方向へ取り出され、活性層から集光方向とは反対向きに放出された光は反射膜で反射させて集光方向に取り出されている。集光方向とは直角の方向に放出された光は、多くは散乱等により減衰してしまうが、その残りの光を発光ダイオードのパッケージの内部壁面を傾斜させる等して反射させ、集光方向に取り出す工夫もされている(特許文献1、3を参照)。しかし、その集光方向とは直角の方向に放出された光の利用はごく一部に止まっている。
Originally, from the active layer of the light emitting element that emits light, not only the direction in which the cover glass or the like is disposed (condensing direction), but also the opposite direction or a direction perpendicular to the condensing direction, that is, the side surface of the light emitting element Also released in the direction. Conventionally, light emitted from the active layer in the condensing direction is extracted as it is in the condensing direction, and light emitted from the active layer in the direction opposite to the condensing direction is reflected by the reflective film and extracted in the condensing direction. ing. Light emitted in a direction perpendicular to the light collecting direction is mostly attenuated by scattering, but the remaining light is reflected by tilting the inner wall surface of the light emitting diode package, etc. (See
第一に、従来例の単一の発光素子から構成される発光ダイオードは、発光ダイオードを動作させる駆動電圧が低いという問題がある。これらの発光素子の動作電圧は赤色の発光ダイオードでは約2ボルト、白色発光ダイオードでは約5ボルトである。近年、特に白色発光ダイオードは、家庭用では電球や蛍光灯の代わりに、車両用ではヘッドライトの代わりなどに広がっており、いっそう高電圧で使用したいというニーズが増えている。商用電源を使う場合にはAC100V又はAC200V程度であり、車両用にはハイブリッド車や電気自動車の普及に伴ってバッテリ電圧がDC100VからDC300V程度に高くなるとも予想される。このような用途では、発光ダイオードを使用する電圧まで電圧を低くして使用している例が一般的である。そのために電圧変換に伴う損失が発生したり、電源回路が複雑になり小型化が困難である等の問題が生じている。 First, a light emitting diode composed of a single light emitting element of the conventional example has a problem that a driving voltage for operating the light emitting diode is low. The operating voltage of these light emitting elements is about 2 volts for red light emitting diodes and about 5 volts for white light emitting diodes. In recent years, white light-emitting diodes have spread in place of light bulbs and fluorescent lamps for home use, and for headlights for vehicles, and there is an increasing need for use at higher voltages. When using a commercial power supply, it is about AC100V or AC200V, and for vehicles, it is expected that the battery voltage will increase from DC100V to about DC300V with the spread of hybrid vehicles and electric vehicles. In such an application, an example in which the voltage is lowered to a voltage at which the light emitting diode is used is generally used. For this reason, there are problems such as loss due to voltage conversion, complicated power supply circuits, and difficulty in miniaturization.
いずれの発光ダイオードにおいても駆動電圧は発光素子のバンドギャップ電圧で決まり、より高い電圧で駆動することはできない。そこで、高電圧で動作する発光ダイオードが存在すれば、例えば商用交流電源から平滑回路のような簡素な電源回路を経て直接駆動できるようになり、またそれに伴い駆動電流を少なくすることができ、駆動回路を簡素化できる。また、発光ダイオードの電源回路、駆動回路のコストをさげることができ、エネルギー効率が良いという発光ダイオードの使用範囲が広がるようになる。
しかし、前記従来例のような発光ダイオードの直列構造によっては、後述する集光効率の問題を解決することができず、また、以下のような背反する課題がある。In any light emitting diode, the driving voltage is determined by the band gap voltage of the light emitting element and cannot be driven at a higher voltage. Therefore, if there is a light-emitting diode that operates at a high voltage, for example, it becomes possible to drive directly from a commercial AC power supply through a simple power supply circuit such as a smoothing circuit, and the drive current can be reduced accordingly. The circuit can be simplified. In addition, the cost of the power supply circuit and the drive circuit of the light emitting diode can be reduced, and the use range of the light emitting diode with high energy efficiency is expanded.
However, depending on the series structure of the light emitting diodes as in the conventional example, the problem of light collection efficiency described later cannot be solved, and there are the following contradictory problems.
前記従来例と同様な着想に基づくと、直列構造の発光ダイオードは、例えば図41に示すように複数の発光素子を配列することが考えられる。この例では、直列構造の発光ダイオード670は、4×6の24個のセルから構成されており、その内2個のセル部分がP電極671、N電極671に割り当てられ、セル「1」〜「22」が発光機能を有するセルである。22個のセル「1」〜「22」は直列に接続されている。例えばセル「11」はp電極部674及びn電極部675を備えており、その他のセルも同様である。各セルの大きさを横0.15mm、縦0.1mm程度とした場合、発光ダイオード670全体の大きさは横0.6mm、縦0.6mm程度とすることができる。図42(a)は、上記の1つのセルの平面図である。基板上の境界677内に半導体層が形成されており、境界680はp型半導体領域とn型半導体領域の境界を示す。また、境界678内にはn電極部の透明導電膜、境界679内にはp電極部の透明導電膜が形成されている。図42(b)は、図42(a)のY−Y’断面を表す。このセルは、基板682上に、シリコン酸化膜などの絶縁膜683、導電性の高い金属からなる光反射層684、n型半導体(例えばn型GaAlN)層685、活性層686、p型半導体(例えばp型GaAlN)層687、透明絶縁膜であるシリコン酸化膜688が積層されている。さらに、酸化インジウムなどの透明電極からなるp電極部689及びn電極部690が形成されている。p型半導体からn型半導体へ電流を注入することにより、活性層で光を発する構造である。このセルと他のセルとは、シリコン酸化膜683、688により電気的に絶縁されている。
図43は、図41に示した発光ダイオードのX−X’断面図である。すなわち、セル「18」、「17」、「6」及び「5」を表わしている。酸化インジウムなどの透明導電膜692により、セル「6」のp電極部693とセル「5」のn電極部694とが接続されている。同様に、透明導電膜695により、セル「17」のn電極部とセル「18」のp電極部とが接続されている。Based on the same idea as the conventional example, it is conceivable that the light emitting diodes having a series structure are arranged with a plurality of light emitting elements as shown in FIG. 41, for example. In this example, the
43 is a cross-sectional view of the light emitting diode shown in FIG. 41 taken along the line XX ′. That is, the cells “18”, “17”, “6”, and “5” are represented. The
上記のような構成によって、セル(素子)を直列に接続して1つの発光ダイオードとする目的は達成できる。しかし、1つの発光ダイオードを小さな面積の素子に分割してその集合とすることにより、二つのデメリットが発生する。ひとつは、素子間を分離するためのスペースが必要となり、このスペースは分離以外に機能を果たさないことにあり、面積効率の点で不利が発生することである。もう一つのデメリットは、小さな面積の素子では素子の中央部より端面に近い部分の比率が高くなり、端面近傍では結晶の不連続性による発光効率が低くなる効果があるため、小さな面積の素子の集合では発光効率が不利となる点である。これは、端面の比率は素子の一辺の長さに比例し、素子の面積は一辺の長さの二乗に比例するという数学的な原理による。
このように、単に発光素子を分割して直列接続し、高電圧駆動が可能な発光ダイオードを構成するということだけでは、デメリットが大きくなってしまうという問題がある。With the configuration as described above, the object of connecting cells (elements) in series to form one light emitting diode can be achieved. However, by dividing one light-emitting diode into elements having a small area, two disadvantages occur. One is that a space for separating the elements is necessary, and this space has no function other than the separation, and disadvantageous in terms of area efficiency occurs. Another disadvantage is that the ratio of the portion closer to the end face than the center of the element is higher in a small area element, and the light emission efficiency due to the crystal discontinuity is lower in the vicinity of the end face. The light emission efficiency is disadvantageous in the assembly. This is based on the mathematical principle that the ratio of the end faces is proportional to the length of one side of the element, and the area of the element is proportional to the square of the length of one side.
As described above, there is a problem that the disadvantage is increased only by dividing the light emitting elements and connecting them in series to form a light emitting diode capable of high voltage driving.
第二に、前記従来例の発光ダイオードにおいては、集光方向とは直角をなす方向すなわち薄膜から構成されている発光層に平行な方向に放出される光が有効に利用されないという問題がある。一般に、発光ダイオードを構成する半導体層(発光層)のうちの活性層から放出される光は、発光層の表面側から垂直な方向(集光方向)と、発光層の裏面側すなわち集光方向とは逆の方向と、発光層にほぼ沿った方向すなわち集光方向とは略直角をなす方向(側面方向)とに、ほぼ同等の量の光が放出される。発光層は薄膜であるにもかかわらず、多くの場合において、上記側面方向に放出される光の量は全体の40%程度と大きい。このため、発光ダイオードの輝度を総合的に向上させるためには、特に発光層からその側面方向に放出される光を集光方向に効率よく取り出すための構造が必要となる。 Secondly, the conventional light emitting diode has a problem that light emitted in a direction perpendicular to the light condensing direction, that is, in a direction parallel to the light emitting layer composed of a thin film, is not effectively used. In general, light emitted from an active layer of a semiconductor layer (light emitting layer) constituting a light emitting diode is perpendicular to the surface side of the light emitting layer (condensing direction) and the back side of the light emitting layer, that is, the light collecting direction. A substantially equivalent amount of light is emitted in the opposite direction to the direction and the direction substantially along the light emitting layer, that is, the direction (side surface direction) perpendicular to the light collecting direction. Although the light emitting layer is a thin film, in many cases, the amount of light emitted in the lateral direction is as large as about 40% of the whole. For this reason, in order to improve the luminance of the light emitting diode comprehensively, a structure for efficiently extracting light emitted from the light emitting layer in the side surface direction in the light collecting direction is required.
発光層で発光する光のうち、発光層にほぼ沿った方向へ放出される光を反射させて集光方向に向ければ、発光層から放出される光を無駄なく利用することができ、総合的に発光ダイオードの輝度を高めることができると考えられる。例えば、図44に示すように、発光ダイオードのパッケージ97内部の壁面を傾斜させることによって、発光素子100からその側面方向に放射される光を集光方向zに反射させる構造とすることができる。また、光路に電極などの光遮蔽物を置かないようにするために、フリップチップ技術を用いることにより、光の集光方向とは反対側から電極を取り出す構造とすることが考えられる。
上記発光素子100は1mm角程度に切断されたチップであり、サファイア基板30の下面に、例えばGaAlNを用いた半導体層(発光層)を備えている。発光層はP型半導体層40aとN型半導体層40bを備え、発光層の下面には反射膜50が設けられている。P型半導体層40aとN型半導体層40bとの界面に形成される活性層から光が放出される。そのうち、サファイア基板30側に放出された光は、サファイア基板を通して図の上方向(集光方向z)に取り出される。また、活性層からサファイア基板30とは反対方向に放出された光は、反射膜50によって反射されて集光方向zに取り出される。さらに、パッケージ97の内部側面をテーパ状に傾斜させることにより、活性層からその側面方向(集光方向zと直角の方向)に放出される光を集光方向に反射させるようにすることができる。そして、発光素子100の集光方向z側には、発光素子からの光で励起されて波長のより長い光を放出する蛍光体90と、透明なカバーキャップ(カバーガラス)98が配設されている。これによって、発光素子の光は蛍光体の蛍光材料を励起して光を発し、その光はカバーガラスを経て外部に放出される。
また、発光素子100の電極は、上記の光路を妨げないように配設することが好ましい。そこで、発光素子内部の配線を通して発光層のP型半導体層と電気的に接続されるフリップチップ電極81aと、N型半導体層と電気的に接続されるフリップチップ電極81bを、集光方向zとは反対側に設ける。各フリップチップ電極は、パッケージ基板94の基板上の導体と電気的に接続される。発光素子100の電極は、更にパッケージ基板における導体配線及びリード85を介して、外部と電気的に接続される。Of the light emitted from the light-emitting layer, if the light emitted in the direction substantially along the light-emitting layer is reflected and directed in the light collecting direction, the light emitted from the light-emitting layer can be used without waste. It is considered that the luminance of the light emitting diode can be increased. For example, as shown in FIG. 44, by tilting the wall surface inside the light emitting
The
In addition, the electrodes of the
しかしながら、発光層からその側面方向に放出される光を集光方向に反射させるためには、発光素子の端面に至り更に素子の外部に至るまでには発光素子内部で多くの光が減衰したり素子界面で散乱等してしまうため、発光層の至近位置にミラーを形成しないと効率よく光を捕捉することができない。すなわち、発光層にほぼ沿った方向の光の減衰を抑えるために、その方向の発光素子内の光路をできるだけ短くする必要がある。このために、発光層のサイズをできるだけ小さくするとともに、光を反射するミラーを発光層の至近に設置する必要がある。しかし、このような構成は、発光素子が1mm角程度と小さく、発光層の厚さは数ミクロン程度と薄いため、その発光層に対して傾斜したミラーを形成することは難しく、実用化されていないのが現実である。このため、発光層から放出される光のうち有効利用できているのは、集光方向に向けて放出される光と、その反対方向に放出されて背面の反射膜で反射される光だけと言っても過言ではない。集光方向と直角な方向へ放出される光、すなわち発光層にほぼ沿った方向に放出される光はほとんど吸収されたり散乱等されてしまい、有効には使用されていない。 However, in order to reflect the light emitted from the light emitting layer in the lateral direction in the condensing direction, much light is attenuated inside the light emitting element before reaching the end face of the light emitting element and further to the outside of the element. Since the light is scattered at the element interface, light cannot be efficiently captured unless a mirror is formed at a position close to the light emitting layer. That is, in order to suppress the attenuation of light in the direction substantially along the light emitting layer, it is necessary to make the optical path in the light emitting element in that direction as short as possible. For this reason, it is necessary to make the size of the light emitting layer as small as possible and to install a mirror that reflects light in the vicinity of the light emitting layer. However, such a configuration has been put to practical use because it is difficult to form a mirror inclined with respect to the light emitting layer because the light emitting element is as small as 1 mm square and the thickness of the light emitting layer is as thin as several microns. There is no reality. For this reason, the light that can be effectively used out of the light emitted from the light emitting layer is only the light emitted in the condensing direction and the light emitted in the opposite direction and reflected by the reflective film on the back surface. It is no exaggeration to say. Light emitted in a direction perpendicular to the light collecting direction, that is, light emitted in a direction substantially along the light emitting layer is almost absorbed or scattered, and is not used effectively.
本発明は、以上のような事情に鑑みてなされたものであり、発光層からその側面方向に放出される光を発光層に垂直な集光方向へ反射させることにより側面方向の光を積極的に活用することが可能になれば、先に述べた発光素子を分割して直列接続し、高電圧駆動が可能な発光ダイオードを構成する場合のデメリットを相殺することができることに着目したものである。すなわち、一つ一つの発光素子の大きさが小さくなることで側面方向の減衰を抑制するプラスの効果と、発光部が小さくなることで端面比率が多くなるというマイナスの効果、及び発光部間に分離スペースが必要というマイナスの効果とを相殺して、デメリットを上回る大きなプラス効果を創出することができる。
本発明は、発光素子の発光層からその側面方向に放出される光を発光層に垂直な集光方向へ反射させる構造を内蔵し、その発光素子を複数直列に接続する構造を実現することによって、一つ一つの発光素子の大きさを小さくしても総合的に輝度及び集光効率を向上させることができ、かつ高電圧で駆動できる発光ダイオードモジュールを提供することを目的とする。The present invention has been made in view of the circumstances as described above, and actively reflects the light in the lateral direction by reflecting the light emitted from the light emitting layer in the lateral direction in the light collecting direction perpendicular to the light emitting layer. If it is possible to use the light-emitting diode, the light-emitting elements described above can be divided and connected in series to offset the disadvantages of a light-emitting diode that can be driven at high voltage. . In other words, the positive effect of suppressing the attenuation in the lateral direction by reducing the size of each light emitting element, the negative effect of increasing the end face ratio by reducing the light emitting part, and between the light emitting parts. By offsetting the negative effect of requiring a separation space, it is possible to create a large positive effect that exceeds the disadvantages.
The present invention incorporates a structure for reflecting light emitted from the light emitting layer of the light emitting element in the lateral direction in a light collecting direction perpendicular to the light emitting layer, and realizing a structure in which a plurality of the light emitting elements are connected in series. An object of the present invention is to provide a light emitting diode module that can improve luminance and light collection efficiency comprehensively even if the size of each light emitting element is reduced, and that can be driven at a high voltage.
本発明は、以下の通りである。
1.半導体薄膜により形成された発光層を備える発光ダイオード素子を複数直列に接続し、前記発光層から放出される光を前記発光層に垂直な集光方向に取り出す発光ダイオードモジュールであって、各前記発光ダイオード素子は、基板上の一定領域に形成される発光層と、前記発光層の側面の近傍に、前記発光層から前記発光層と略平行方向に放出される光を略前記集光方向に反射させるために前記発光層に対して所定範囲の角度で傾斜した側方反射部と、を備えており、1つの基板と、前記基板上に配列され、それぞれ電気的に分離されて形成された複数の前記発光ダイオード素子と、複数の前記発光ダイオード素子のうちの少なくとも一部を電気的に直列に接続する電源配線層と、を備えることを特徴とする発光ダイオードモジュール。
2.前記側方反射部は、前記発光層の側面の全て又は一部を囲んで形成されており、前記所定範囲の角度は0度以上かつ90度以下である前記1.記載の発光ダイオードモジュール。
3.前記発光層を挟んで前記集光方向とは反対側に背面反射膜を更に備え、前記発光層から前記集光方向と反対側へ放出される光は、前記背面反射膜によって前記集光方向に反射させる前記1.又は2.に記載の発光ダイオードモジュール。
4.前記発光ダイオード素子及び前記電源配線層は、前記基板の前記集光方向側の面上に形成されている前記1.乃至3.のいずれかに記載の発光ダイオードモジュール。
5.前記基板上に前記発光層の側面を囲んで形成され且つ前記発光層の側面と対向する壁面が前記所定範囲の角度で傾斜した側壁部を備え、少なくとも前記発光層の側面と対向する前記壁面に形成された反射膜が前記側方反射部を構成する前記4.記載の発光ダイオードモジュール。
6.前記基板は、前記発光層から放出される光を透過させる透明基板であり、前記発光ダイオード素子及び前記電源配線層は、前記透明基板の前記集光方向とは反対側の面上に形成されている前記1.乃至3.のいずれかに記載の発光ダイオードモジュール。
7.前記発光層から放出される光を透過させ少なくとも前記発光層の側面を覆い、且つ厚さが前記基板側で厚くその反対側に向けて薄くなるように傾斜して形成された透過膜層を備え、前記透過膜層の外面に形成された反射膜が前記側方反射部を構成する前記6.記載の発光ダイオードモジュール。
8.前記発光層は前記基板側で広くその反対側に向けて狭くなる略台形状に形成され、その発光層から放出される光を透過させ少なくとも前記発光層の側面を覆うように形成された透過膜層を備え、前記透過膜層の外面に形成された反射膜が前記側方反射部を構成する前記6.記載の発光ダイオードモジュール。
9.前記基板は、前記発光層から放出される光を透過させる透明基板と、第2の基板とからなり、前記透明基板の前記集光方向とは反対側の面上に形成された前記発光層と、前記第2の基板上に、前記発光層に対応するように形成された前記側方反射部と、を備え、前記発光層が形成された前記透明基板と前記側方反射部が形成された前記第2の基板とが対向して貼り合わされ、更に前記電源配線層が設けられて構成される前記1.乃至3.のいずれかに記載の発光ダイオードモジュール。
10.各前記発光ダイオード素子ごとに、前記発光層と電気的に接続された第1の電極層及び第2の電極層を備え、更に、複数の前記発光ダイオード素子の上に形成された電源配線層と、前記電源配線層上に設けられる少なくとも2つのフリップチップ電極又はフリップチップ用電極と、を備え、前記電源配線層において、1つの前記発光ダイオード素子の前記第1の電極層と、別の前記発光ダイオード素子の前記第2の電極層とが順次接続され、前記接続により直列に接続された両端の前記発光ダイオード素子の前記接続されていない前記第1の電極層及び前記第2の電極層が、それぞれ異なる前記フリップチップ電極又はフリップチップ用電極に接続される前記6.乃至9.のいずれかに記載の発光ダイオードモジュール。
11.前記基板上に前記発光ダイオード素子及び前記電源配線層が形成された後に、前記透明基板が除去されて構成される前記11.記載の発光ダイオードモジュール。
12.更に、除去された前記透明基板と接していた前記発光層側の露出した表面が、なし地に加工された前記11.記載の発光ダイオードモジュール。
13.前記発光層から前記集光方向側に蛍光物質を含んだ発光体が更に配設され、前記蛍光物質は、各前記発光層から放出された光の少なくとも一部を吸収して異なる波長の光を発する前記1.乃至12.のいずれかに記載の発光ダイオードモジュール。The present invention is as follows.
1. A light-emitting diode module in which a plurality of light-emitting diode elements each having a light-emitting layer formed of a semiconductor thin film are connected in series, and light emitted from the light-emitting layer is extracted in a light collecting direction perpendicular to the light-emitting layer, The diode element reflects the light emitted from the light emitting layer in a direction substantially parallel to the light emitting layer in a direction substantially parallel to the light emitting layer in the vicinity of the side surface of the light emitting layer formed in a certain region on the substrate. And a plurality of side reflectors that are inclined with respect to the light emitting layer at an angle within a predetermined range, and are arranged on the substrate and electrically separated from each other. A light emitting diode module comprising: the light emitting diode element; and a power supply wiring layer electrically connecting at least a part of the plurality of light emitting diode elements in series.
2. The side reflecting portion is formed so as to surround all or part of the side surface of the light emitting layer, and the angle in the predetermined range is 0 degree or more and 90 degrees or less. The light emitting diode module of description.
3. A back reflection film is further provided on the side opposite to the light collection direction across the light emitting layer, and light emitted from the light emitting layer to the side opposite to the light collection direction is reflected in the light collection direction by the back reflection film. Reflecting 1. Or 2. The light emitting diode module according to 1.
4). The light emitting diode element and the power supply wiring layer are formed on the surface of the substrate on the light collecting direction side. To 3. The light emitting diode module according to any one of the above.
5. A wall surface formed on the substrate surrounding the side surface of the light emitting layer and facing the side surface of the light emitting layer is inclined at an angle of the predetermined range, and at least on the wall surface facing the side surface of the light emitting layer. 4. The formed reflective film constitutes the side reflecting portion. The light emitting diode module of description.
6). The substrate is a transparent substrate that transmits light emitted from the light emitting layer, and the light emitting diode element and the power supply wiring layer are formed on a surface of the transparent substrate opposite to the light collecting direction. Said 1. To 3. The light emitting diode module according to any one of the above.
7). A transmissive membrane layer formed so as to transmit light emitted from the light emitting layer so as to cover at least a side surface of the light emitting layer and to have a thickness that is thick on the substrate side and thin toward the opposite side; 5. The reflection film formed on the outer surface of the transmission film layer constitutes the side reflection part. The light emitting diode module of description.
8). The light emitting layer is formed in a substantially trapezoidal shape that is wide on the substrate side and narrows toward the opposite side, and transmits light emitted from the light emitting layer so as to cover at least the side surface of the light emitting layer. The reflective film formed on the outer surface of the transmission film layer constitutes the side reflection part. The light emitting diode module of description.
9. The substrate includes a transparent substrate that transmits light emitted from the light emitting layer and a second substrate, and the light emitting layer formed on a surface of the transparent substrate opposite to the light collecting direction. And the side reflection part formed on the second substrate so as to correspond to the light emitting layer, and the transparent substrate on which the light emitting layer is formed and the side reflection part are formed. The above-described 1. The second substrate is bonded to face to face, and further provided with the power wiring layer. To 3. The light emitting diode module according to any one of the above.
10. Each of the light emitting diode elements includes a first electrode layer and a second electrode layer electrically connected to the light emitting layer, and further includes a power supply wiring layer formed on the plurality of light emitting diode elements. And at least two flip-chip electrodes or flip-chip electrodes provided on the power supply wiring layer, wherein in the power supply wiring layer, the first electrode layer of one of the light emitting diode elements and another light emission The second electrode layers of the diode elements are sequentially connected, and the unconnected first electrode layers and the second electrode layers of the light-emitting diode elements at both ends connected in series by the connection, 5. Said 6. connected to said different flip chip electrode or flip chip electrode. Thru 9. The light emitting diode module according to any one of the above.
11. 10. The above-described 11. configuration wherein the light-emitting diode element and the power supply wiring layer are formed on the substrate and then the transparent substrate is removed. The light emitting diode module of description.
12 Further, the exposed surface on the light emitting layer side that was in contact with the removed transparent substrate was processed into a ground surface. The light emitting diode module of description.
13. A phosphor including a fluorescent material is further disposed on the light collecting direction side from the light emitting layer, and the fluorescent material absorbs at least part of the light emitted from each of the light emitting layers and emits light of different wavelengths. Said 1. To 12. The light emitting diode module according to any one of the above.
本発明の発光ダイオードモジュールによれば、半導体薄膜により形成された発光層を備える発光ダイオード素子を複数直列に接続し、発光層から放出される光を発光層に垂直な集光方向に取り出す発光ダイオードモジュールであって、各発光ダイオード素子は、基板上の一定領域に形成される発光層と、発光層の側面の近傍に、発光層から発光層と略平行方向に放出される光を略集光方向に反射させるために発光層に対して所定範囲の角度で傾斜した側方反射部と、を備えているため、発光層から垂直な集光方向に放出される光のみならず、発光層と略平行な方向に放出される光を集光方向に取り出すことができ、大きさの小さい発光ダイオード素子を配列して構成しても総合的に輝度及び集光効率を高めることができる。また、1つの基板と、その基板上に配列され電気的に分離されて形成された複数の発光ダイオード素子と、複数の発光ダイオード素子の少なくとも一部を電気的に直列に接続する電源配線層と、を備えるため、発光ダイオードモジュールを高い電圧により駆動することができ、簡素な電源を用いることができる。これらにより、パッケージングのスペース効率や、集光効率及びエネルギー効率に優れ、かつ商用電源や車両用バッテリにより使い易い発光手段を実現することができる。また、本発光ダイオードモジュールは、半導体技術を用いて1つのウェーハ上に製造することができる。この構造は、白色の発光ダイオードに限らず、既存の単色の発光ダイオードにも適用することができる。
前記側方反射部は、前記発光層の側面の全て又は一部を囲んで形成されており、前記所定範囲の角度は0度以上かつ90度以下である場合には、前記発光層と略平行な方向に放出される光の大半又は多くを略集光方向に取り出して利用することができる。
前記発光層を挟んで前記集光方向とは反対側に背面反射膜を更に備える場合には、前記発光層から前記集光方向と反対側へ放出される光は、背面反射膜によって集光方向に反射されるため、発光層から全方向へ放出される光を集光方向に取り出すことができ、輝度と集光効率が更に優れた発光ダイオードモジュールを実現することができる。According to the light emitting diode module of the present invention, a plurality of light emitting diode elements each having a light emitting layer formed of a semiconductor thin film are connected in series, and light emitted from the light emitting layer is extracted in a light collecting direction perpendicular to the light emitting layer. Each light emitting diode element is a light emitting layer formed in a certain area on the substrate, and substantially collects light emitted from the light emitting layer in a direction substantially parallel to the light emitting layer in the vicinity of the side surface of the light emitting layer. And a side reflection part inclined at a predetermined range of angle with respect to the light emitting layer to reflect in the direction, so that not only the light emitted from the light emitting layer in the vertical light collecting direction but also the light emitting layer Light emitted in a substantially parallel direction can be extracted in the condensing direction, and brightness and condensing efficiency can be improved overall even if light emitting diode elements having small sizes are arranged. Also, one substrate, a plurality of light emitting diode elements arranged on the substrate and electrically separated, and a power supply wiring layer electrically connecting at least a part of the plurality of light emitting diode elements in series Therefore, the light emitting diode module can be driven with a high voltage, and a simple power source can be used. Accordingly, it is possible to realize a light emitting means that is excellent in packaging space efficiency, light collection efficiency, and energy efficiency, and that is easy to use with a commercial power source or a vehicle battery. Moreover, this light emitting diode module can be manufactured on one wafer using semiconductor technology. This structure is applicable not only to white light emitting diodes but also to existing single color light emitting diodes.
The side reflecting portion is formed so as to surround all or part of the side surface of the light emitting layer, and is substantially parallel to the light emitting layer when the angle in the predetermined range is not less than 0 degrees and not more than 90 degrees. Most or most of the light emitted in any direction can be extracted and used in a substantially condensing direction.
In the case where a back reflection film is further provided on the side opposite to the light collection direction across the light emitting layer, the light emitted from the light emitting layer to the side opposite to the light collection direction is condensed by the back reflection film. Therefore, the light emitted from the light emitting layer in all directions can be extracted in the light collecting direction, and a light emitting diode module with further excellent luminance and light collecting efficiency can be realized.
前記発光ダイオード素子及び前記電源配線層は、前記基板の前記集光方向側の面上に形成されている場合には、既存の半導体技術を用いて容易に発光ダイオード素子及び電源配線層を製造することができる。また、各発光ダイオード素子を駆動するための電極及び配線を簡単な構造により一体化することができる。
前記基板上に前記発光層の側面を囲んで形成され且つ発光層の側面と対向する壁面が前記所定範囲の角度で傾斜した側壁部を備え、少なくとも発光層の側面と対向する前記壁面に形成された反射膜が前記側方反射部を構成する場合には、発光層と側方反射部を同一の材料を使用して一連の工程によって形成することができ、側方反射部を内蔵した発光ダイオードモジュールを効率よく製造することが可能になる。When the light emitting diode element and the power supply wiring layer are formed on the surface of the substrate on the light collecting direction side, the light emitting diode element and the power supply wiring layer are easily manufactured using existing semiconductor technology. be able to. In addition, the electrodes and wirings for driving the respective light emitting diode elements can be integrated with a simple structure.
A wall surface formed on the substrate so as to surround the side surface of the light emitting layer and opposed to the side surface of the light emitting layer includes a side wall portion inclined at an angle of the predetermined range, and is formed on at least the wall surface facing the side surface of the light emitting layer. When the reflecting film constitutes the side reflecting portion, the light emitting layer and the side reflecting portion can be formed by a series of processes using the same material, and the light emitting diode having the side reflecting portion built-in The module can be manufactured efficiently.
前記基板は前記発光層から放出される光を透過させる透明基板であり、前記発光ダイオード素子及び前記電源配線層は、前記透明基板の前記集光方向とは反対側の面上に形成されている場合には、既存の半導体技術を用いて容易に発光ダイオード素子及び電源配線層を形成することができる。また、透明基板の集光方向側を覆うように蛍光体を容易に配設することが可能であり、蛍光体を設ける場合には、発光層から直接又は反射されて到達する光を蛍光体で捕捉することができる。
前記発光層から放出される光を透過させ少なくとも前記発光層の側面を覆い、且つ厚さが前記基板側で厚くその反対側に向けて薄くなるように傾斜して形成された透過膜層を備え、前記透過膜層の外面に形成された反射膜が前記側方反射部を構成する場合には、発光層等と側方反射部を同一基板面上に同一の材料を使用して一連の工程によって形成することができ、側方反射部を内蔵した発光ダイオードモジュールを効率よく製造することが可能になる。
前記発光層は前記基板側で広くその反対側に向けて狭くなる略台形状に形成され、その発光層から放出される光を透過させ少なくとも前記発光層の側面を覆うように形成された透過膜層を備え、前記透過膜層の外面に形成された反射膜が前記側方反射部を構成する場合には、発光層等と側方反射部を同一基板面上に同一の材料を使用して一連の工程によって形成することができ、側方反射部を内蔵した発光ダイオードモジュールを効率よく製造することが可能になる。The substrate is a transparent substrate that transmits light emitted from the light emitting layer, and the light emitting diode element and the power supply wiring layer are formed on a surface of the transparent substrate opposite to the light collecting direction. In this case, the light emitting diode element and the power supply wiring layer can be easily formed using existing semiconductor technology. In addition, it is possible to easily arrange the phosphor so as to cover the condensing direction side of the transparent substrate. When the phosphor is provided, the light reaching the light emitting layer directly or reflected by the phosphor is reflected by the phosphor. Can be captured.
A transmissive membrane layer formed so as to transmit light emitted from the light emitting layer so as to cover at least a side surface of the light emitting layer and to have a thickness that is thick on the substrate side and thin toward the opposite side; When the reflection film formed on the outer surface of the transmission film layer constitutes the side reflection part, a series of steps using the same material for the light emitting layer and the side reflection part on the same substrate surface Thus, it becomes possible to efficiently manufacture a light emitting diode module incorporating a side reflecting portion.
The light emitting layer is formed in a substantially trapezoidal shape that is wide on the substrate side and narrows toward the opposite side, and transmits light emitted from the light emitting layer so as to cover at least the side surface of the light emitting layer. When the reflective film formed on the outer surface of the transmissive film layer constitutes the side reflecting portion, the light emitting layer and the side reflecting portion are made of the same material on the same substrate surface. It can be formed by a series of processes, and it becomes possible to efficiently manufacture a light emitting diode module incorporating a side reflection portion.
前記基板は、前記発光層から放出される光を透過させる透明基板と、第2の基板とからなり、前記透明基板の前記集光方向とは反対側の面上に形成された前記発光層と、前記第2の基板上に、前記発光層に対応するように形成された前記側方反射部と、を備え、透明基板と第2の基板とが対向して貼り合わされ、更に前記電源配線層が設けられて構成される場合には、シリコン基板のエッチング等により好ましい傾斜角度の側方反射部を形成することができるため、集光性能に優れた発光ダイオードモジュールとすることができる。 The substrate includes a transparent substrate that transmits light emitted from the light emitting layer and a second substrate, and the light emitting layer formed on a surface of the transparent substrate opposite to the light collecting direction. And the side reflection part formed on the second substrate so as to correspond to the light emitting layer, the transparent substrate and the second substrate are bonded to face each other, and the power wiring layer Is provided, the side reflecting portion having a preferable inclination angle can be formed by etching the silicon substrate or the like, so that a light emitting diode module having excellent light collecting performance can be obtained.
各前記発光ダイオード素子ごとに、前記発光層と電気的に接続された第1の電極層及び第2の電極層を備え、更に、複数の前記発光ダイオード素子の上に形成された電源配線層と、前記電源配線層上に設けられる少なくとも2つのフリップチップ電極又はフリップチップ用電極と、を備え、電源配線層において、1つの発光ダイオード素子の第1の電極層と、別の発光ダイオード素子の第2の電極層とが順次接続され、それにより直列に接続された両端の前記発光ダイオード素子の第1の電極層及び第2の電極層が、それぞれフリップチップ電極等に接続される場合には、発光層、電極層、電源配線層及びフリップチップ電極等を一体として形成することが可能であり、しかも、集光方向に放出される光を電極や電源配線等によって遮らないため、小形で集光性能に優れた発光ダイオードモジュールとすることが可能になる。
前記基板上に前記発光ダイオード素子及び前記電源配線層が形成された後に、前記透明基板が除去されて構成される場合には、透明基板内での光の減衰を減らすことができるため、集光性能が高まる。
さらに、除去された前記透明基板と接していた前記第1の導電層の露出した表面が、なし地に加工される場合には、その表面での光の全反射率を低下させることができ、一層集光性能を高めることができる。Each of the light emitting diode elements includes a first electrode layer and a second electrode layer electrically connected to the light emitting layer, and further includes a power supply wiring layer formed on the plurality of light emitting diode elements. And at least two flip-chip electrodes or flip-chip electrodes provided on the power wiring layer. In the power wiring layer, the first electrode layer of one light-emitting diode element and the second electrode of another light-emitting diode element are provided. When the first electrode layer and the second electrode layer of the light emitting diode elements at both ends connected in series with each other are sequentially connected to the flip chip electrode or the like, Light emitting layer, electrode layer, power supply wiring layer, flip chip electrode, etc. can be integrally formed, and light emitted in the light collecting direction is not blocked by the electrode, power supply wiring, etc. Because, it is possible to a light emitting diode module with excellent condensing performance compact.
When the transparent substrate is removed after the light emitting diode element and the power supply wiring layer are formed on the substrate, light attenuation in the transparent substrate can be reduced. Increases performance.
Furthermore, when the exposed surface of the first conductive layer that has been in contact with the removed transparent substrate is processed into a ground, the total reflectance of light on the surface can be reduced, The light collecting performance can be further enhanced.
前記発光層より前記集光方向側に蛍光物質を含んだ発光体が更に配設され、蛍光物質は、発光層から放出された光の少なくとも一部を吸収して異なる波長の光を発する場合には、複数の発光ダイオード素子の発光層をまとめて1つの蛍光体を設ければよく、各発光層から放出された光の色を変換し、又は発光層から放出された光と組み合わせることによって、所望の色の光(例えば白色光)を得ることが可能になる。蛍光体は、発光層から直接又は反射されて集光方向に放出された光を捕捉し又は通過させることができる。 When a phosphor including a fluorescent material is further disposed on the light collecting direction side of the light emitting layer, and the fluorescent material absorbs at least a part of the light emitted from the light emitting layer and emits light of a different wavelength. The light-emitting layers of a plurality of light-emitting diode elements may be combined to provide a single phosphor. By converting the color of light emitted from each light-emitting layer, or by combining with light emitted from the light-emitting layer, It becomes possible to obtain light of a desired color (for example, white light). The phosphor can capture or pass light emitted from the light emitting layer directly or reflected and emitted in the light collecting direction.
本発明について、本発明による典型的な実施形態の例を挙げ、言及された複数の図面を参照しつつ以下の詳細な記述にて説明する。同様の参照符号は図面のいくつかの図を通して同様の部品又は構成を示す。
本発明の発光ダイオードモジュールは、半導体薄膜により形成された発光層を備える発光ダイオード素子を複数直列に接続し、発光層から放出される光を発光層に垂直な集光方向に取り出す発光ダイオードモジュールであって、1つの基板と、その基板上に配列され、それぞれ電気的に分離されて形成された複数の発光ダイオード素子と、その複数の発光ダイオード素子のうちの少なくとも一部を電気的に直列に接続する電源配線層と、を備えることを特徴とする。上記の各発光ダイオード素子は、上記基板上の一定領域に形成される発光層と、その発光層の側面の近傍に、発光層から発光層と略平行方向(発光層の側方)に放出される光を略集光方向に反射させるために発光層に対して所定範囲の角度で傾斜した側方反射部と、を備えている。以下では、発光層から放出された光を利用するために取り出す方向を「集光方向」という。上記「側方」とは、発光層の面に沿った方向すなわち集光方向とは直角をなす方向である。すなわち側方に放出される光とは、発光層の側面から放出される光をいう。 The light emitting diode module of the present invention is a light emitting diode module in which a plurality of light emitting diode elements each having a light emitting layer formed of a semiconductor thin film are connected in series, and light emitted from the light emitting layer is extracted in a light collecting direction perpendicular to the light emitting layer. And a plurality of light emitting diode elements arranged on the substrate and electrically separated from each other, and at least a part of the plurality of light emitting diode elements are electrically connected in series. And a power supply wiring layer to be connected. Each of the light emitting diode elements is emitted from the light emitting layer in a direction substantially parallel to the light emitting layer (side of the light emitting layer) in the vicinity of the light emitting layer formed in a certain region on the substrate and the side surface of the light emitting layer. And a side reflecting portion that is inclined with respect to the light emitting layer at an angle within a predetermined range in order to reflect the reflected light in a substantially condensing direction. In the following, the direction of taking out the light emitted from the light emitting layer is referred to as the “light collecting direction”. The “side” is a direction perpendicular to the direction along the surface of the light emitting layer, that is, the light collecting direction. That is, the light emitted to the side means light emitted from the side surface of the light emitting layer.
本発明の要旨の第一は、半導体製造技術を利用した微細加工により、上記のような発光層と側方反射部を備える発光ダイオード素子を1つの基板上に複数配列して形成することにある。以下では、この側方反射部を「マイクロミラー」といい、基板上に形成された発光層とマイクロミラーとを備えた1つの発光ダイオード素子を「光マイクロセル」という。
本発明の要旨の第二は、上記の各光マイクロセルはそれぞれ電気的に分離されて形成され、その複数の光マイクロセルのうちの少なくとも一部を電気的に直列に接続することが可能な構造とすることである。1つの基板に形成された複数の光マイクロセルの少なくとも一部を直列に接続して構成された1つのモジュールを、以下では「発光ダイオードモジュール」又は「光マイクロモジュール」という。光マイクロモジュールは、それを構成する各光マイクロセルに電源を供給するために各光マイクロセル間を電気的に接続する電源配線層を含む。この光マイクロモジュールは、等価的に1つの発光ダイオードとして使用することができ、高い駆動電圧で動作することが可能になる。The first of the gist of the present invention is to form a plurality of light emitting diode elements each having a light emitting layer and a side reflection portion as described above on a single substrate by fine processing using a semiconductor manufacturing technique. . Hereinafter, this side reflection portion is referred to as a “micromirror”, and one light emitting diode element including a light emitting layer and a micromirror formed on a substrate is referred to as an “optical microcell”.
The second aspect of the present invention is that each of the above-described optical microcells is formed by being electrically separated, and at least a part of the plurality of optical microcells can be electrically connected in series. It is a structure. One module configured by connecting at least a part of a plurality of optical microcells formed on one substrate in series is hereinafter referred to as “light emitting diode module” or “optical micromodule”. The optical micromodule includes a power supply wiring layer for electrically connecting the optical microcells to supply power to the optical microcells constituting the optical micromodule. This optical micromodule can be equivalently used as one light emitting diode, and can be operated with a high driving voltage.
光マイクロモジュールは、通常、パッケージに実装されて使用される。例えば、図1に示すように、光マイクロモジュール201はパッケージ基板976に載せられ、キャップ977、カバーガラス981を備えたパッケージに収容される。パッケージ内には蛍光体911を封入することができる。光マイクロモジュールの電源は、ワイヤボンディング855を介してリード856に接続されている。この光マイクロモジュール201は、基板301上に複数の光マイクロセル(C18、C17等)を備えて構成されている。
本発明の光マイクロモジュールのレイアウトの例を図2の平面図に示す。この例で、光マイクロモジュール201は、1つの基板上で6行4列のマトリックス状に配置された24個の素子(セル)により構成されている。このうち、光マイクロモジュール201のP電極の部分701a及びN電極の部分701bを除くセルC1〜C22が、光マイクロセルである。各光マイクロセルは、P型半導体の領域401a及びN型半導体の領域401Bを備えている。The optical micromodule is usually used by being mounted on a package. For example, as shown in FIG. 1, the
An example of the layout of the optical micromodule of the present invention is shown in the plan view of FIG. In this example, the
C1〜C22の各光マイクロセルは、上記P電極とN電極との間に、直列に接続されている。したがって、光マイクロモジュール201は、図6(a)の等価回路図によって表わされる1つの発光ダイオードに相当する(n=22)。図6(b)は、一般の単一チップから構成された発光ダイオードの等価回路図であり、駆動電圧(Vf)は白色発光ダイオードの場合には4から6V程度である。そうすると、22個の光マイクロセルを直列に接続した光マイクロモジュールでは、各光マイクロセルが駆動電圧5Vの白色発光ダイオードであれば、全体として駆動電圧は約100V(Vf×22)である。
ただし、光マイクロモジュールを構成する光マイクロセルの数は特に限定されず、また、すべての光マイクロセルが直列に接続されなくてもよい。例えば、上記22個の光マイクロセルの2個ずつを並列に接続し、並列にされた11組を直列に接続してもよい。Each of the C 1 to C 22 optical microcells is connected in series between the P electrode and the N electrode. Therefore, the
However, the number of optical microcells constituting the optical micromodule is not particularly limited, and all the optical microcells may not be connected in series. For example, two of the 22 optical microcells may be connected in parallel, and 11 sets in parallel may be connected in series.
図3は、上記光マイクロモジュール201を構成する1つの光マイクロセルの平面図である。光マイクロセルは、基板上に形成された半導体層(例えばGaAlN)、マイクロミラー等から構成されている。図3において、半導体層は基板上の境界4010内に形成されており、P型(例えば、P型GaAlN)領域とN型(例えば、N型GaAlN)領域とは、境界4011によって区分されている。半導体層の領域4010を囲んで、マイクロミラー61が設けられている。
FIG. 3 is a plan view of one optical microcell constituting the
図4は、上記光マイクロセルC4、C5、C6、C7の部分の詳細を示す。透明導電膜7613〜7615は、電源配線層において各光マイクロセルを直列に接続する透明な導電性薄膜である。光マイクロセルC4のN型領域と光マイクロセルC5のP型領域とは、導電性薄膜7613aによって接続されている。同様に、光マイクロセルC5、C6、C7の順番に各N型領域と次のP型領域とは、導電性薄膜7613b、7613cによって接続されている。
図5(a)は、光マイクロモジュール201のN電極部のセル701bと光マイクロセルC22のN型領域401bとが、電源配線層において透明な導電性薄膜7615によって接続されている様子を表わす図である。図5(b)は、光マイクロモジュール201のP電極部のセル701aと光マイクロセルC1のP型領域401aとが、透明な導電性薄膜7614によって接続されていることを表わす。FIG. 4 shows details of the optical microcells C 4 , C 5 , C 6 , and C 7 . The transparent conductive films 7613 to 7615 are transparent conductive thin films that connect the optical microcells in series in the power supply wiring layer. And N-type region and the P-type region of the optical micro cell C 5 of the optical micro cell C 4 is connected by a conductive thin film 7613A. Similarly, the optical micro cell C 5, C 6, each N-type region in the order of C 7 and the next P-type region, a conductive film 7613B, are connected by 7613C.
FIGS. 5 (a) represents a state in which the N-
次に、図7及び図8に、本発明の光マイクロモジュールを構成する光マイクロセルの基本的な構造を模式的に示す。図7は断面図であり、光マイクロセル10は、基板3上に形成された発光層4と、その発光層の側面4sの近傍に、発光層4に対して所定範囲の角度αで傾斜した側方反射部6を備えている。発光層4は、半導体層4a及び4bと、その間に形成されて光を放出する活性層4cとを備える薄膜であり、発光層4の厚さは数μm程度である。
Next, FIG. 7 and FIG. 8 schematically show the basic structure of the optical microcell constituting the optical micromodule of the present invention. FIG. 7 is a cross-sectional view, and the
前記基板3の材料は、薄膜の発光層を形成できる限り、とくに限定されない。例えば、サファイア(Al2O3)、シリコン(Si)、炭化シリコン(SiC)等が挙げられる。本書では、サファイア基板など、発光層から放出される光を透過させる基板を「透明基板」という。
前記発光層4は、半導体層4a、4b及び4cを備えている。本書では、GaAlNを材料とし紫外光を発する発光ダイオードを例に取り上げて説明する。例えば、半導体層4aはP型GaAlN半導体であり、半導体層4bはN型GaAlN半導体である。GaAlNを材料とした発光ダイオードは、緑色〜紫外域の光を発するものが知られている。この他、発光ダイオードの半導体材料としてGaN、InGaN、ZnSe、ZnO等さまざまなものがある。しかし、本発明は半導体で構成される発光層から放出される光を集光する構造、及び複数に分離した発光素子を電気的に直列に接続する構造に関するものであり、半導体の材料や発光層の構成は特に限定されるものではなく、発光層から放出される光の波長もまた限定されるものではない。すなわち、本発明の光マイクロモジュールの構造は、発光層に用いる材料や発光色に関わらず適用することが可能である。The material of the
The
光マイクロセル10は、発光層4に対して集光方向zとは反対方向に、背面反射膜5を備えることができる。背面反射膜5は、発光層4(活性層42)から集光方向zとは反対向きに放出される光を集光方向zに反射させるミラーである。図7に示す光マイクロセル10では、発光層4及び側方反射部(マイクロミラー)6が、集光方向z側の基板3の面上に形成されている。この場合、背面反射膜5は、図7に示すように基板3と発光層4との間に設けることができる。また、基板3として透明基板を使用する場合には、その透明基板の下面すなわち発光層4が形成された面とは反対側の面に、背面反射膜を設けてもよい。
背面反射膜の材料は、光を反射する薄膜を形成することができる限り、特に限定されない。例えば、アルミニウム、銀、ニッケル、クロム、コバルト等が挙げられる。The
The material of the back reflection film is not particularly limited as long as a thin film that reflects light can be formed. For example, aluminum, silver, nickel, chromium, cobalt, etc. are mentioned.
図7に示すように、光マイクロセル10では、活性層4cから集光方向zに向けて放出された光はそのまま取り出すことができる(p)。活性層4cから集光方向zとは逆向きに放出された光は、背面反射膜5によって反射され、集光方向に取り出される(q)。また、活性層4cに沿って活性層と略平行な方向Sに進み、発光層の側面4sから放出された光は、マイクロミラー6によって反射され、略集光方向に取り出される(r)。
As shown in FIG. 7, in the
図9に示すように、光マイクロセルは、透明基板31を使用し、集光方向zとは反対側の基板面に発光層41及びマイクロミラー61を設ける構造としてもよい。この光マイクロセル11では、発光層41の下面に背面反射膜51が形成されている。マイクロミラー61は、透明基板31の面上に発光層41と同時に形成することができる。また、透明基板31の面上に発光層41を形成し、かつ第2の基板上にマイクロミラー61を形成し、両基板を貼り合わせることによって光マイクロセル11を構成することもできる。いずれの場合にも、発光層(活性層)から各方向に放出される光は、透明基板31を通して、前記同様に集光方向に取り出すことができる(p、q、r)。
As shown in FIG. 9, the optical microcell may have a structure in which a
上記マイクロミラー(6、61)は、発光層の側面の近傍に形成され又は発光層の側面を覆って形成される構造体(側壁部)の表面とすることができる。すなわち、発光層の側面と対向する側壁部の壁面を活性層に対して角度αで傾斜させ、その壁面の表面を光の反射面とすることによって、マイクロミラーを構成することができる。実施例に示すように、上記側壁部は、発光層を形成する材料(例えばGaAlN)と同じ材料により形成されてもよいし、異なる材料(例えば、シリコン、シリコン酸化物等)によって形成されてもよい。また、上記反射面は、側壁部自体の表面であってもよいし、側壁部の表面に反射膜が形成されてもよい。その反射膜の材料は、光を反射する薄膜を形成することができる限り、特に限定されない。例えば、アルミニウム、銀、ニッケル、クロム、コバルト等が挙げられる。 The micromirror (6, 61) may be a surface of a structure (side wall portion) formed in the vicinity of the side surface of the light emitting layer or covering the side surface of the light emitting layer. That is, the micromirror can be configured by inclining the wall surface of the side wall portion facing the side surface of the light emitting layer at an angle α with respect to the active layer and using the surface of the wall surface as a light reflecting surface. As shown in the embodiment, the side wall portion may be formed of the same material as the material forming the light emitting layer (for example, GaAlN), or may be formed of a different material (for example, silicon, silicon oxide, or the like). Good. Further, the reflection surface may be the surface of the sidewall part itself, or a reflection film may be formed on the surface of the sidewall part. The material of the reflective film is not particularly limited as long as a thin film that reflects light can be formed. For example, aluminum, silver, nickel, chromium, cobalt, etc. are mentioned.
図8は、前記光マイクロセル10を集光方向z側から見た平面図である。発光層4は、基板3の上の一定領域に形成されており、発光層4の周縁近傍をマイクロミラー6が囲んで構成されている。1つの光マイクロセルのサイズは特に限定されず、例えば、1辺を数十〜数百μm程度(例えば、200μm)の大きさとすることができる。また、マイクロミラー6を形成する部分の幅は、数μm〜数十μm程度とすることができる。微細加工技術によって、さらに小さな光マイクロセルを形成することもできる。
FIG. 8 is a plan view of the
1つの光マイクロセルの大きさは、発光層に沿った方向(図7に示される方向S)に進む光の減衰を最小限に抑えるために、小さい方がよい。発光層に沿った方向の光の減衰が少なければ、発光のために注入する電流あたりの集光量を大きくすることができるからである。また、発光層の側方に放出される光の減衰を抑えるために、発光層とマイクロミラーとの間は狭い方が望ましい。
一方、発光層のサイズを小さくし過ぎると界面の面積比率が高くなり、発光効率が低下することが知られている。また、マイクロミラー及びその周辺部は発光に直接は寄与しないため、マイクロミラー周辺部の面積やマイクロミラーの存在そのものによって、発光量が制限される。したがって、充分な集光量を得るためには、発光層の面積を大きくしなければならないこととなる。The size of one optical microcell is preferably small in order to minimize attenuation of light traveling in the direction along the light emitting layer (direction S shown in FIG. 7). This is because if the attenuation of light in the direction along the light emitting layer is small, the amount of collected light per current injected for light emission can be increased. In order to suppress attenuation of light emitted to the side of the light emitting layer, it is desirable that the space between the light emitting layer and the micromirror is narrow.
On the other hand, it is known that if the size of the light emitting layer is made too small, the area ratio of the interface increases and the light emission efficiency decreases. Further, since the micromirror and its peripheral portion do not directly contribute to light emission, the light emission amount is limited by the area of the micromirror peripheral portion and the presence of the micromirror itself. Therefore, in order to obtain a sufficient amount of light collection, the area of the light emitting layer must be increased.
一般に、一つの発光ダイオードには一つの発光層が設けられている。意図して発光層を分離する必要はないし、分離すると素子スペースの無駄が発生するため、一つの発光ダイオードを複数の発光層に分離することは行われていない。しかし、基板上の発光素子を電気的に独立した複数個の光マイクロセルとして分離して、この光マイクロセルを基板上で直列接続することにより高い電圧で直接駆動できるようにすることができる。
一つの光マイクロセルのサイズを小さくすれば、光マイクロセルの個数は多くなり、光マイクロセルを直列に接続したり、並列に接続したりする組み合わせの自由度が大きくなる。その一方、小さくすると光マイクロセル分離のためのスペースの占有率が高くなり、この部分は発光に寄与しないために素子面積の点からは損失となる。In general, one light emitting diode is provided with one light emitting layer. There is no need to intentionally separate the light emitting layer, and element space is wasted if it is separated, and therefore, one light emitting diode is not separated into a plurality of light emitting layers. However, the light emitting elements on the substrate can be separated into a plurality of electrically independent optical microcells, and these optical microcells can be connected in series on the substrate so that they can be directly driven at a high voltage.
If the size of one optical microcell is reduced, the number of optical microcells increases, and the degree of freedom of combination in which optical microcells are connected in series or in parallel is increased. On the other hand, if it is made smaller, the occupation ratio of the space for separating the optical microcells becomes higher, and since this portion does not contribute to light emission, it is a loss in terms of the element area.
本発明の目指すところは、光マイクロモジュールへの注入電流あたりの集光量を最大にして、エネルギー効率の良い光マイクロモジュールを実現することにある。したがって、光マイクロモジュールを構成する光マイクロセルは、発光層の大きさ、発光に寄与しないマイクロミラー部の大きさ、発光層とマイクロミラーとの間の距離などの関係で、最適な大きさとされる必要がある。発光層の厚さや発光材料などによって最適な条件は異なるが、いかなる大きさの光マイクロセルにおいても、光マイクロセル単位で集光効率を最大にし、その結果として複数の光マイクロセル群から構成される光マイクロモジュールの発光効率を最大にするという考え方は同じである。
輝度を高めるために発光層のサイズを大きくするのではなく、一つの基板上で複数の発光層に分離しても、マイクロミラーを内蔵した光マイクロセルの構造によって、分離することによる損失を補い、駆動電流あたりの利用できる発光量すなわち発光効率を最大にするというメリットを創出することができる。さらに、光マイクロセルを直列にも並列にも接続できることから、駆動電圧を自由に設定できることなどの利点を活かすことが可能となる。The aim of the present invention is to realize an optical micromodule with high energy efficiency by maximizing the amount of light collected per injection current into the optical micromodule. Therefore, the optical microcell constituting the optical micromodule has an optimum size in consideration of the size of the light emitting layer, the size of the micromirror part that does not contribute to light emission, the distance between the light emitting layer and the micromirror, and the like. It is necessary to Optimum conditions vary depending on the thickness of the light emitting layer and the light emitting material, but in any size of optical microcell, the light collection efficiency is maximized in units of optical microcells. The idea of maximizing the luminous efficiency of the optical micromodule is the same.
Rather than increasing the size of the light-emitting layer to increase brightness, even if the light-emitting layer is separated into a plurality of light-emitting layers on one substrate, the optical microcell structure with a built-in micromirror compensates for the loss caused by the separation. The merit of maximizing the amount of light emission that can be used per drive current, that is, the light emission efficiency, can be created. Furthermore, since the optical microcells can be connected in series or in parallel, it is possible to take advantage of the ability to freely set the drive voltage.
上記の利点を具体化するために、本発明の光マイクロモジュールに用いる光マイクロセルは、発光層の側面の近傍に発光層の側面と対向し且つ発光層に対して傾斜したマイクロミラーを形成することが可能な構造としている。マイクロミラーは、発光層の側面方向の全周縁を囲んで設けられることもできるし、その全周囲の一部に設けられてもよい。発光層の側方に放出される光をできるだけ多く補足してマイクロミラーにより集光方向に集めるために、マイクロミラーは発光層の周囲の大半に形成されることが好ましく、図8に表わされているように発光層4の全周囲に形成されることが更に好ましい。
In order to embody the above advantages, the optical microcell used in the optical micromodule of the present invention forms a micromirror that faces the side surface of the light emitting layer and is inclined with respect to the light emitting layer in the vicinity of the side surface of the light emitting layer. It has a possible structure. The micromirror may be provided so as to surround the entire periphery in the side surface direction of the light emitting layer, or may be provided on a part of the entire periphery. In order to capture as much light emitted to the side of the light emitting layer as possible and collect it in the light collecting direction by the micromirror, the micromirror is preferably formed in most of the periphery of the light emitting layer, as shown in FIG. More preferably, the
次に、マイクロミラーの傾斜角度αについて説明する。
図10において、横方向は発光層と平行な方向S、上方向は集光方向z、面Mはマイクロミラーの反射面を表わす。発光層から発光層に沿った方向に放出された光(in)は、マイクロミラー面Mによって、略集光方向に反射される(out)。
同図(a)に示すように、マイクロミラーの傾斜角αが45°の場合には、マイクロミラーで反射した光は発光層に垂直な集光方向zへ向かうため最も好ましい。また、同図(b)、(c)に示すように、傾斜角αが60°又は30°であった場合には、光は集光方向zに対して30°外れた方向に反射する。この場合、集光方向の光のベクトル強度は約1.73/2となり、光の強度の約86%を集光方向に取り出すことができる。また、同図(d)、(e)に示すように、傾斜角αが67.5°又は22.5°であった場合には、光は集光方向zに対して45°外れた方向に反射する。この場合、集光方向の光のベクトル強度は約1/2となるが、それでも光の強度の約50%を集光方向に取り出すことができる。
したがって、発光層に対するマイクロミラーの傾斜角αが略45°(例えば、22.5°以上かつ67.5°以下、好ましくは30°以上かつ60°以下、最も好ましくは45°)であるマイクロミラーを形成すれば、その傾斜角に応じた強度の光を集光方向に取りだすことが可能となる。Next, the inclination angle α of the micromirror will be described.
In FIG. 10, the lateral direction is the direction S parallel to the light emitting layer, the upward direction is the light collecting direction z, and the surface M is the reflecting surface of the micromirror. The light (in) emitted from the light emitting layer in the direction along the light emitting layer is reflected by the micromirror surface M in a substantially condensing direction (out).
As shown in FIG. 5A, when the tilt angle α of the micromirror is 45 °, the light reflected by the micromirror is most preferable because it goes in the light collecting direction z perpendicular to the light emitting layer. Further, as shown in FIGS. 4B and 4C, when the inclination angle α is 60 ° or 30 °, the light is reflected in a direction deviating 30 ° with respect to the light collecting direction z. In this case, the vector intensity of light in the condensing direction is about 1.73 / 2, and about 86% of the light intensity can be extracted in the condensing direction. Further, as shown in FIGS. 4D and 4E, when the inclination angle α is 67.5 ° or 22.5 °, the light is deviated by 45 ° with respect to the light collecting direction z. Reflect on. In this case, although the vector intensity of light in the condensing direction is about ½, about 50% of the light intensity can still be extracted in the condensing direction.
Therefore, the micromirror whose inclination angle α of the micromirror with respect to the light emitting layer is approximately 45 ° (for example, 22.5 ° to 67.5 °, preferably 30 ° to 60 °, most preferably 45 °). If it is formed, it becomes possible to take out the light of the intensity | strength according to the inclination angle to a condensing direction.
マイクロミラーの反射面は、必ずしも全体が平面である必要はなく、曲面から構成されてもよい。後述する実施例に挙げるように、マイクロミラーは種々の製造方法により種々の形状に形成することができる。しかし、いずれの場合においても、発光層に略平行な方向に進む光を、マイクロミラーにより集光方向に向けることは共通の構成である。
発光層に略平行な方向に進む光は、発光層内部及び発光層とマイクロミラーとの間の構造や材料の屈折率の違いにより屈折、反射、散乱等し、光の進行方向は材料の組み合わせや各層及び表面の凹凸等に複雑に影響される。このため、実際上は、発光層の側面に対向するマイクロミラー全体(基板側に接する裾部からその反対側である頂部まで)の傾斜角が0°以上かつ90°以下の範囲であり、発光層中の活性層に対向する部分を中心とした反射面中央部の傾斜角が略45°となるように形成されれば、集光効果を奏することができる。The reflection surface of the micromirror does not necessarily have to be a flat surface as a whole, and may be composed of a curved surface. As will be described later in Examples, the micromirror can be formed into various shapes by various manufacturing methods. However, in any case, it is a common configuration to direct light traveling in a direction substantially parallel to the light emitting layer in the light collecting direction by the micromirror.
The light traveling in a direction substantially parallel to the light emitting layer is refracted, reflected, scattered, etc. due to the difference in the refractive index of the structure and material inside the light emitting layer and between the light emitting layer and the micromirror. And each layer and surface irregularities are complicatedly affected. Therefore, in practice, the inclination angle of the entire micromirror (from the skirt portion contacting the substrate side to the top portion on the opposite side) facing the side surface of the light emitting layer is in the range of 0 ° or more and 90 ° or less. If the angle of inclination of the central portion of the reflecting surface with the portion facing the active layer in the layer is set to be approximately 45 °, a light collecting effect can be obtained.
光マイクロセルは、発光層に電源を供給するための電極を一体に形成して構成することができる。電極に用いる材料は導電性を有する限り特に限定されず、例えばアルミニウムを用いることができる。また、光を透過させる必要がある部分には、酸化インジウム(ITO)等を透明な導電膜として用いることができる。
発光層の電極としては、N型半導体層及びP型半導体層のいずれかとそれぞれ電気的に同一であるか又は電気的に接続された第1の電極層及び第2の電極層を、発光層と一体に形成することができる。本書では、N型半導体層と接続された負電極(カソード)をN型電極又はN電極、P型半導体層と接続された正電極(アノード)をP型電極又はP電極と表記している。The optical microcell can be configured by integrally forming electrodes for supplying power to the light emitting layer. The material used for the electrode is not particularly limited as long as it has conductivity, and for example, aluminum can be used. Further, in a portion where light needs to be transmitted, indium oxide (ITO) or the like can be used as a transparent conductive film.
As the electrode of the light emitting layer, a first electrode layer and a second electrode layer that are electrically the same as or electrically connected to either the N-type semiconductor layer or the P-type semiconductor layer, respectively, It can be formed integrally. In this document, a negative electrode (cathode) connected to the N-type semiconductor layer is referred to as an N-type electrode or N electrode, and a positive electrode (anode) connected to the P-type semiconductor layer is referred to as a P-type electrode or P electrode.
本発明の光マイクロモジュールは、上記の光マイクロセルを一つの単位として複数個の光マイクロセルを直列接続し、又は直列接続と並列接続とを組み合わせて、高電圧駆動を可能にならしめることを特徴としている。このため、各光マイクロセルは、それぞれ電気的に分離されて構成される。すなわち、1つの光マイクロセルの電極(N型電極及びP型電極)は、他の光マイクロセルの電極とは分離されて構成される。
各光マイクロセルの電極間は、電源配線層において接続される。電源配線層は、各電極間を配線する導電性薄膜によって構成することができる。各光マイクロセルを直列に接続した光マイクロモジュールの電源配線層は、図4及び図5に示したように、1つの光マイクロセルのN型電極と次の光マイクロセルのP型電極とを順次に接続する複数の導電性薄膜を備える。そして、その一方の端の光マイクロセルの他の光マイクロセルと接続されていないN型電極が光マイクロモジュール全体の負電極(図2に示される「N」)となり、他方の端の光マイクロセルの他の光マイクロセルと接続されていないP型電極が光マイクロモジュール全体の正電極(図2に示される「P」)となる。
電源配線層を構成する導電性薄膜の材料は、光マイクロセルの前記電極に用いる材料と同様とすることができる。また、電源配線層の導電性薄膜は、光マイクロセルの前記電極と共通に構成することもできる。The optical micromodule of the present invention enables high-voltage driving by connecting a plurality of optical microcells in series with the above-described optical microcell as one unit, or combining serial connection and parallel connection. It is a feature. Therefore, each optical microcell is configured to be electrically separated. That is, the electrodes (N-type electrode and P-type electrode) of one optical microcell are configured separately from the electrodes of other optical microcells.
The electrodes of each optical microcell are connected in the power supply wiring layer. The power supply wiring layer can be composed of a conductive thin film that connects the electrodes. As shown in FIGS. 4 and 5, the power wiring layer of the optical micromodule in which the optical microcells are connected in series includes an N-type electrode of one optical microcell and a P-type electrode of the next optical microcell. A plurality of conductive thin films that are sequentially connected are provided. The N-type electrode that is not connected to the other optical microcell at one end thereof becomes the negative electrode (“N” shown in FIG. 2) of the entire optical micromodule, and the optical microcell at the other end. The P-type electrode that is not connected to other optical microcells of the cell becomes the positive electrode (“P” shown in FIG. 2) of the entire optical micromodule.
The material of the conductive thin film constituting the power wiring layer can be the same as the material used for the electrode of the optical microcell. Further, the conductive thin film of the power wiring layer can be configured in common with the electrode of the optical microcell.
光マイクロモジュールと外部(パッケージ基板、メイン基板、リード端子など)との接続方法は限定されず、例えばワイヤボンディングがされてもよいし、突起状の電極(バンプ)を備えることによりフリップチップ実装がされてもよい。フリップチップ実装を行うために、光マイクロモジュールは、光マイクロセルの発光層が集光方向とは反対側の透明基板の面上に形成される場合、上記光マイクロモジュール全体の負電極と電気的に接続されるフリップチップ電極又はフリップチップ用電極と、上記光マイクロモジュール全体の正電極と電気的に接続されるフリップチップ電極又はフリップチップ用電極とを備えることができる。上記フリップチップ電極(バンプ)の形状は特に限定されず、例えば柱状であってもよいし、球状、板状等であってもよい。また、上記フリップチップ用電極とは、フリップチップ実装を行うための電極をいい、膜状、平板状などその形状は問わない。このフリップチップ用電極上にバンプが設けられてもよいし、このフリップチップ用電極を用いて、バンプが設けられたパッケージ基板上に本光マイクロモジュールが実装されるようにすることもできる。また、上記フリップチップ電極等は、ウェーハ状態で形成されてもよいし、ウェーハから1つ1つの光マイクロモジュールに分割した後に、スタッドバンプが形成されてもよい。 The connection method between the optical micromodule and the outside (package substrate, main substrate, lead terminal, etc.) is not limited. For example, wire bonding may be used, and flip-chip mounting is possible by providing protruding electrodes (bumps). May be. In order to perform flip chip mounting, the optical micromodule is electrically connected to the negative electrode of the entire optical micromodule when the light emitting layer of the optical microcell is formed on the surface of the transparent substrate opposite to the light collecting direction. And a flip chip electrode or flip chip electrode electrically connected to a positive electrode of the entire optical micromodule. The shape of the flip chip electrode (bump) is not particularly limited, and may be, for example, a columnar shape, a spherical shape, a plate shape, or the like. The above-mentioned flip chip electrode refers to an electrode for flip chip mounting, and any shape such as a film shape or a flat plate shape may be used. Bumps may be provided on the flip chip electrodes, or the optical micromodule may be mounted on a package substrate provided with the bumps using the flip chip electrodes. The flip chip electrode or the like may be formed in a wafer state, or a stud bump may be formed after dividing the wafer into individual optical micromodules.
光マイクロモジュールは、発光層が集光方向とは反対側の透明基板の面上に形成される場合、透明基板上に形成された構造物(光マイクロセル、電源配線層、フリップチップ電極又はフリップチップ用電極等)が物理的に固定された後、その透明基板が除去(リフトオフ)されてもよい。すなわち、光マイクロモジュールの電源配線層上にフリップチップ電極等が配設された後、透明基板を除去することができる。例えば、実施例に記載するように、光マイクロモジュールが別のウェーハ基板やパッケージ基板等に実装された後に、透明基板を除去することができる。
さらに、光マイクロモジュールは、光マイクロセル及び電源配線層が集光方向とは反対側の透明基板の面上に形成される場合、実施例において記載するように、光マイクロモジュールに上記の電源配線層(又は、電源配線層及びフリップチップ電極等)が形成された後に、上記透明基板が除去(リフトオフ)されてもよい。更に、透明基板が除去された後の発光層側の露出した表面を、ブラスト等によってなし地に加工することもできる。ここで「なし地」とは、発光層内部の光が表面で全反射しない程度に表面を均等にあらすことをいう。表面を均等に粗くすることにより、発光層内の光がその表面で全反射されることによるロスを減らすことができる。When the light emitting layer is formed on the surface of the transparent substrate opposite to the light collecting direction, the optical micromodule has a structure (optical microcell, power wiring layer, flip chip electrode or flip chip) formed on the transparent substrate. After the chip electrode or the like is physically fixed, the transparent substrate may be removed (lifted off). That is, after the flip chip electrode or the like is disposed on the power wiring layer of the optical micromodule, the transparent substrate can be removed. For example, as described in the embodiments, the transparent substrate can be removed after the optical micromodule is mounted on another wafer substrate, a package substrate, or the like.
Further, when the optical microcell and the power supply wiring layer are formed on the surface of the transparent substrate opposite to the light collecting direction, the optical micromodule has the above-described power supply wiring on the optical micromodule as described in the embodiments. The transparent substrate may be removed (lifted off) after the layer (or the power supply wiring layer and the flip chip electrode) is formed. Further, the exposed surface on the light emitting layer side after the transparent substrate is removed can be processed into a textured surface by blasting or the like. Here, the term “null” means that the surface is evenly presented so that the light inside the light emitting layer is not totally reflected on the surface. By making the surface evenly rough, it is possible to reduce loss due to total reflection of light in the light emitting layer on the surface.
この他、光マイクロモジュールの上方(集光方向)に、蛍光顔料、蛍光染料などの蛍光物質を含んで構成された蛍光体を配設することができる。蛍光体を備える場合、発光層から放出された光は、直接又は反射等して蛍光物質に当たり、蛍光物質が励起されてより波長の長い光を発する。このため、とくに、集光方向に蛍光体が備えられる場合には、マイクロミラーにおいて反射される光の方向が集光方向から外れていても、蛍光体によって光を捕捉することが可能な範囲の方向に光が反射されればよいこととなる。 In addition, a phosphor including a fluorescent material such as a fluorescent pigment or a fluorescent dye can be disposed above the optical micromodule (condensing direction). When the phosphor is provided, the light emitted from the light emitting layer hits the fluorescent material directly or reflected, and the fluorescent material is excited to emit light having a longer wavelength. For this reason, in particular, when a phosphor is provided in the light collecting direction, the range in which light can be captured by the phosphor even if the direction of the light reflected by the micromirror is out of the light collecting direction. It suffices if light is reflected in the direction.
また、光マイクロモジュールは、図1に示したものと同様に、パッケージに実装することができる。また、光マイクロモジュールは、公知のパッケージ(例えば、図39、図40を参照)に実装することもできる。パッケージ内には蛍光体を備えることができる。光マイクロセルの発光層から可視光が放出され、その可視光をそのまま利用する場合には、蛍光体は不要である。 Further, the optical micromodule can be mounted on a package in the same manner as shown in FIG. The optical micromodule can also be mounted on a known package (see, for example, FIGS. 39 and 40). A phosphor can be provided in the package. When visible light is emitted from the light emitting layer of the optical microcell and the visible light is used as it is, a phosphor is unnecessary.
(実施の形態1)
複数の光マイクロセル及び電源配線層を基板の集光方向側の面上に形成して、光マイクロモジュールを構成することができる。その光マイクロモジュールを構成する光マイクロセルを、具体的な実施例に基づいて説明する。この例は、1つの基板上で発光層の周辺に発光層と同様な材料で構造体(側壁部)を作り、その側壁部に傾斜した壁面を作りだし、当該傾斜した壁面を、銀やニッケルの膜などを材料とした反射膜で覆うことによりマイクロミラーを形成するものである。これにより、発光層に対して傾斜したマイクロミラーを発光層の全周囲又は一部の周囲に形成することができる。また、集光方向から見て発光層の背面には、背面反射膜が設けられる。(Embodiment 1)
An optical micromodule can be configured by forming a plurality of optical microcells and a power supply wiring layer on the surface of the substrate on the light collecting direction side. An optical microcell constituting the optical micromodule will be described based on a specific embodiment. In this example, a structure (side wall part) is made of the same material as that of the light emitting layer on the periphery of the light emitting layer on one substrate, and an inclined wall surface is formed on the side wall part, and the inclined wall surface is made of silver or nickel. A micromirror is formed by covering with a reflective film made of a film or the like. Thereby, the micromirror inclined with respect to the light emitting layer can be formed all around or part of the light emitting layer. Further, a back reflecting film is provided on the back surface of the light emitting layer as viewed from the light collecting direction.
図11は、上記構成の光マイクロセル102の構造を表わす断面図である(図3に示した光マイクロセルのY−Y’断面に相当する)。光マイクロセル102は、サファイア基板302上に、N型GaAlN半導体層402b、活性層402c、P型GaAlN半導体層402aを備える発光層402が形成されている。発光層の側面の近傍には、発光層と同じGaAlN半導体で構成され、発光層に対向する側面6021が傾斜するように加工された側壁部が形成されている。側壁部は、発光層と同時に加工することができる。側壁部は、銀、ニッケル等を用いた薄膜6022によって覆われている。更に、上記半導体層の上に、SiO2等からなる絶縁層562、酸化インジウム等からなる透明電極層(P型電極部702a、N型電極部702b)が形成されている。また、サファイア基板302の裏面には背面反射膜502が形成されている。
上記薄膜層6022がマイクロミラー602の反射膜となり、活性層402cに沿った方向の光は、その側面の近傍に設けられたマイクロミラー602により反射されて集光方向に放出される。FIG. 11 is a cross-sectional view showing the structure of the
The
図12は、上記光マイクロセル102の別の部分の断面図である(図3に示した光マイクロセルのY2−Y2’断面に相当する)。この部分には前記N型電極部702bが形成されていないことを除き、図11により説明した構造及び作用と同様である。FIG. 12 is a cross-sectional view of another part of the optical microcell 102 (corresponding to the Y 2 -Y 2 ′ cross section of the optical microcell shown in FIG. 3). Except that the N-
図13は、上記の構造を有する光マイクロセル(電源配線層は未形成の状態)において、発光層(活性層)から放出された光がマイクロミラー及び背面反射膜により反射される様子を示している。本図において、活性層から表面方向(集光方向z)へ放出された光はそのまま放出される(p)。活性層から裏面方向へ放出された光は背面反射膜により集光方向に反射される(q)。活性層から活性層と略平行な方向に放出された光は、マイクロミラー602により反射され、表面方向に放出される(r1、r2、r3、r4)。このうちr1及びr4は活性層とほぼ平行な光を示し、r2はやや斜め方向の光を示す。r3は半導体層内を全反射等しながら伝わってきた光を示し、マイクロミラーにより反射されて略集光方向へ放出される様子を示している。
発光層から放出された光は、シリコン酸化膜や透明導電膜等との界面でその屈折率の差により多少の屈折をするが、反射を中心に説明しているので図示していない。同様に、反射光がシリコン酸化膜等から大気中に出るときにも屈折するが図示していない。屈折の存在により、マイクロミラー面による反射の原理が変わることはない。FIG. 13 shows a state in which light emitted from the light emitting layer (active layer) is reflected by the micromirror and the back reflecting film in the optical microcell having the above structure (the power supply wiring layer is not formed). Yes. In this figure, the light emitted from the active layer in the surface direction (condensing direction z) is emitted as it is (p). The light emitted from the active layer in the back surface direction is reflected in the light collecting direction by the back reflection film (q). Light emitted from the active layer in a direction substantially parallel to the active layer is reflected by the
The light emitted from the light emitting layer is slightly refracted due to the difference in refractive index at the interface with the silicon oxide film, the transparent conductive film or the like, but is not shown in the figure because it is explained mainly by reflection. Similarly, it is refracted when the reflected light comes out of the silicon oxide film or the like into the atmosphere, but it is not shown. The existence of refraction does not change the principle of reflection by the micromirror surface.
上記構造の光マイクロセル102を備える光マイクロモジュール201は、例えば、図14に示すような製造方法によって製造することができる。
図14(a)は、サファイア基板302上に、N型GaAlN半導体402b、活性層402c及びP型GaAlN半導体402aを備える半導体層を形成する工程(基板製造工程)の後、その上に半導体層をエッチング加工するためのフォトレジスト1611を形成した状態を表わす。
図14(b)は、半導体層402b、402c及び402aをドライエッチングする工程(半導体層エッチング工程)の後、さらに次の加工のためのフォトレジスト1612のパターンを形成した状態を表わす。半導体層エッチング工程により、半導体層は界面4021で示すように形成される。
図14(c)は、半導体層の上記界面4021の部分を傾斜させるようにエッチングする工程(テーパエッチング工程)により、半導体層に斜面4022を形成した状態を表わす。この斜面4022は、フォトレジスト1612を用いてウエットエッチング手法により形成することができる。エッチング加工後、フォトレジストは除去される。The
14A shows a step of forming a semiconductor layer including a N-
FIG. 14B shows a state in which a pattern of a
FIG. 14C shows a state in which the
図14(d)は、上記斜面4022上に反射膜を形成する工程(側面反射膜形成工程)において、銀或いはニッケル等の薄膜6023を蒸着した後、フォトレジストを塗布し、そのフォトレジストのパターン1613を形成した状態を示している。その後、上記薄膜6023をエッチングすることによって、マイクロミラー(602)が形成される。マイクロミラーの傾斜部の形を整えるために、薄膜6023のエッチングはウエットエッチングにより行っている。エッチング加工後、フォトレジストは除去される。
上記ウエットエッチングする手法を用いるときは、図14(d)に示されるマイクロミラー部に設けられたフォトレジスト1613の端面と、銀、ニッケル等によって形成された薄膜6023の傾斜部との位置関係が重要である。この状態でウエットエッチングすることにより、フォトレジスト1613が下方の裾部で薄膜6023に接する端面から剥離しながら、薄膜6023がエッチングされる。これにより、薄膜6023の裾部分にアンダーエッチが生じる。その結果として、薄膜6023の傾斜面はサファイア基板面に至るまでなだらかな形状となる。
図14(e)は、上記側面反射膜形成工程においてマイクロミラー602が形成された後、次にN型半導体部を露出させるためにフォトレジストのパターン1614を形成した状態を示す。
図14(f)は、P型半導体部及び活性層を除去する工程(P型半導体エッチング工程)を行った状態を表わしている。GaAlN半導体のP型層402a及び活性層402cをエッチングにより除去してN型層402bを露出させた後、フォトレジストが除去される。GaAlN半導体のP型領域及び活性層の除去は、エッチング時間の管理や、N型半導体層ではエッチング速度が変化することを利用する公知の手法を用いて行うことができる。これによって、N型半導体の表面4025、P型半導体の表面4024が露出される。FIG. 14D shows a process of forming a reflective film on the inclined surface 4022 (side reflective film forming process). After depositing a
When the above wet etching method is used, the positional relationship between the end surface of the
FIG. 14E shows a state in which a
FIG. 14F shows a state in which the step of removing the P-type semiconductor portion and the active layer (P-type semiconductor etching step) is performed. After removing the P-
図14(g)は、シリコン酸化膜層を全面に形成した後、エッチングにより電極のための開口部を形成する工程(保護膜形成工程)を行い、さらにフォトレジストを除去した状態を示している。この工程により、絶縁・保護のためのシリコン酸化膜561、P型電極のためのコンタクト部4026、N型電極のためのコンタクト部4027が形成されている。
図14(h)は、酸化インジウム(ITO)等の透明導電膜を全面に形成した後、エッチング技術により電極部に酸化インジウム膜を形成する工程(電極形成工程)を行い、その後フォトレジストを除去した状態を示す。この工程により、P型電極部702a及びN型電極部702bが形成されている。また、図14(h)に示すように、最終工程(背面反射膜形成工程)において、サファイア基板302の裏面に銀等を蒸着等することによって、背面反射膜502が形成される。
上記電極の形成と同時に又は形成後に、光マイクロセル間を導電性薄膜によって接続する電源配線層が形成される。この導電性薄膜は、上記電極部と同じ材料によって形成することが可能である。FIG. 14G shows a state in which after forming a silicon oxide film layer on the entire surface, a step of forming an opening for an electrode by etching (protective film forming step) is performed, and the photoresist is removed. . By this step, a
In FIG. 14 (h), after forming a transparent conductive film such as indium oxide (ITO) over the entire surface, an etching process is performed to form an indium oxide film on the electrode (electrode formation process), and then the photoresist is removed. Shows the state. By this step, a P-
Simultaneously with or after the formation of the electrodes, a power supply wiring layer for connecting the optical microcells with a conductive thin film is formed. This conductive thin film can be formed of the same material as the electrode portion.
光マイクロセルは、基板として不透明なシリコン基板等を用いて構成することもできる。図15は、前記光マイクロセル102とは別の、シリコン基板を使用した光マイクロセル103の断面構造を示す。なお、以上に説明した光マイクロセルの構造例と共通する点については説明を省く。本例は、基板として低コストのシリコン基板を用いて、発光層(GaAlN層)の下面に背面反射膜を備える構造である。
この場合には、図3に示した1つの光マイクロセルのY−Y’断面は、図15に示すような構造とすることができる。この光マイクロセル103は、シリコン基板303上にニッケル薄膜、クロム薄膜や銀薄膜など、光を反射する導電性薄膜503を備える。その導電性薄膜上にN型GaAlN半導体層403bと、P型GaAlN半導体層403aとを備える発光層403が形成されている。N型GaAlN半導体403bとP型GaAlN半導体403aとの界面には、活性層403cが存在する(薄い層であるため図示せず)。発光層403の側面の近傍には、発光層と同じGaAlN半導体で構成され、発光層に対向する側面6031が傾斜して加工された側壁部が形成されている。側壁部は、発光層と同時に形成することができる。側壁部は、銀、ニッケル等を用いた薄膜層6032によって覆われている。更に、上記半導体層の上に、SiO2等からなる絶縁層563、酸化インジウム等からなる透明電極層(P型電極部703a、N型電極部703b)が形成されている。図3に示した光マイクロセルのY2−Y2’断面に相当する光マイクロセル103の構造も、上記同様に形成することができる。
上記薄膜層6032がマイクロミラー603の反射膜となり、活性層に沿った方向の光は、発光層403の両側に設けられたマイクロミラー603により反射されて略集光方向に放出される。The optical microcell can also be configured using an opaque silicon substrate or the like as the substrate. FIG. 15 shows a cross-sectional structure of an
In this case, the YY ′ cross section of one optical microcell shown in FIG. 3 can have a structure as shown in FIG. The
The
図15に示した光マイクロセル103の構造では、活性層から裏面方向の光が直下にある反射膜層503により反射されるため、図11に示した光マイクロセル102の事例と比べて、サファイア基板での光の往復による減衰が改善される。活性層の近傍において、背面方向の反射膜層及び側面方向のマイクロミラーに囲まれているために、光マイクロセルに内蔵する反射構造として極めて好ましい。また、背面反射膜層503とマイクロミラー603とを近づけるレイアウトとすれば、集光方向を除き発光層403の周囲を反射膜で覆うことができ、集光率を理想的に高めることができる。これは、図15において、反射膜層503とマイクロミラー603との距離を短くすることにより可能である。
In the structure of the
図16は、上記光マイクロセル103を配列し、各光マイクロセル間を接続する電源配線層を設けて構成した光マイクロモジュールの断面図である。図2に示した光マイクロモジュール201のX−X’断面に相当し、各光マイクロセルは、左から順に図2中の光マイクロセルC18、C17、C6、C5に対応する。各光マイクロセルの発光層の両側には、マイクロミラー603が形成されている。
光マイクロセル間は、光マイクロセルの電極と同じ透明導電膜を用いて直列接続されている。光マイクロセルC18のP型電極703aと光マイクロセルC17のN型電極703bとは、各電極と一体化した透明な導電性薄膜7621で接続されている。同様に、光マイクロセルC6のP型電極703aと光マイクロセルC5のN型電極703bとは、各電極と一体化した透明な導電性薄膜7622で接続されている。
図16において、p、q、r、r’は活性層から放出された光の進行方向を示している。光マイクロセル103は、シリコン基板303上に背面反射膜503を備えているため、活性層から集光方向zとは反対向きに放射された光は、背面反射膜503により反射されて集光方向に放出される(q)。
活性層から直接又は反射されて集光方向zへ放出された光は、光マイクロセルの上方(集光方向)に蛍光体(図示せず)を配設することにより、波長の長い光を励起してその光の組み合わせにより白色光とすることができる。FIG. 16 is a cross-sectional view of an optical micromodule configured by arranging the
The optical microcells are connected in series using the same transparent conductive film as the electrodes of the optical microcell. An N-
In FIG. 16, p, q, r, and r ′ indicate the traveling direction of the light emitted from the active layer. Since the
Light emitted directly or reflected from the active layer in the light collecting direction z excites light with a long wavelength by arranging a phosphor (not shown) above the light microcell (light collecting direction). Thus, white light can be obtained by the combination of the lights.
複数の光マイクロセル及び電源配線層を基板の集光方向側の面上に形成して構成された光マイクロモジュールは、以上のような構造を変形し、様々な製造方法によって製造することができるが、説明は省略する。 An optical micromodule configured by forming a plurality of optical microcells and a power supply wiring layer on the surface of the substrate on the light collecting direction side can be manufactured by various manufacturing methods by modifying the above structure. However, explanation is omitted.
(実施の形態2)
本発明の光マイクロモジュールは、図9に示したように、前記基板として透明基板を使用し、光マイクロセル及び前記電源配線層をその透明基板の前記集光方向とは反対側の面上に形成して構成することもできる。この場合、例えば、発光層から放出される光を透過させ、少なくとも前記発光層の側面を覆う透過膜層を形成する。その透過膜層は、前記基板側で厚くその反対側に向けて薄くなるように厚さを傾斜させて形成することができる。そして、その透過膜層の外面に反射膜を形成することによってマイクロミラーを構成することができる。(Embodiment 2)
As shown in FIG. 9, the optical micromodule of the present invention uses a transparent substrate as the substrate, and the optical microcell and the power wiring layer are placed on the surface of the transparent substrate opposite to the light condensing direction. It can also be formed and configured. In this case, for example, a light-transmitting film layer that transmits light emitted from the light emitting layer and covers at least the side surface of the light emitting layer is formed. The permeable membrane layer can be formed with a thickness inclined so as to be thick on the substrate side and thin toward the opposite side. And a micromirror can be comprised by forming a reflecting film in the outer surface of the permeation | transmission film | membrane layer.
図17は、上記光マイクロモジュールをパッケージに実装した例を示す断面図である。集光方向zは同図においてパッケージの上方である。図17において、保護用の透明キャップ971とパッケージ基板941を備えるパッケージの中に、光マイクロモジュール231が収納されている。光マイクロモジュール231は、透明基板331(例えばサファイア基板)の下面(集光方向zとは反対側の面)に、N型半導体層431bと活性層431cとP型半導体層431aとが形成された発光層431を備え、その発光層の下面には絶縁層を挟んで背面反射膜531を備えている。また、発光層431の側面側には、活性層に対して所定範囲の角度で傾斜したマイクロミラー631が作り込まれている。
マイクロミラー631は、発光層431の側面を囲むように形成することができる。前記のとおり、1つの発光層とその側方を囲むマイクロミラーを備えて構成される1つの単位を光マイクロセルと呼ぶ。図17に示される光マイクロモジュール231の断面には、2つの光マイクロセルの断面が見えている。
光マイクロモジュール231が備える活性層431cから放出される光のうち、透明基板331側すなわち集光方向zに向けて放出される光は、透明基板331を通じて集光方向へ放出される。活性層から透明基板331とは反対側に放出される光は、背面反射膜531により反射され、透明基板331を通じて集光方向へ放出される。活性層からその側面方向(集光方向zと直角をなす方向)へ放出される光は、マイクロミラー631により反射され、透明基板331を通じて略集光方向へ放射される。活性層に対するマイクロミラーの傾斜角度αと光の反射方向との関係については、前述のとおりである(図10参照)。FIG. 17 is a cross-sectional view showing an example in which the optical micromodule is mounted on a package. The light collecting direction z is above the package in the figure. In FIG. 17, an
The
Of the light emitted from the
光マイクロモジュールには、各発光層に電源を供給するための電極、電源配線等が備えられる。図17において、光マイクロモジュール231の電極は集光方向zとは反対側に設置され、電源配線層771において配線される。そして、電源はフリップチップ電極801に集中され、これを介してリード851に電気的に接続される。リード851はパッケージ基板941の外部に引き出され、外部の接続に用いられる。
The optical micromodule includes an electrode for supplying power to each light emitting layer, power supply wiring, and the like. In FIG. 17, the electrodes of the
図18は、光マイクロモジュール231から集光方向側に、蛍光物質を含む蛍光体901を備える場合を示す。図17と同様に、光マイクロモジュール231がフリップチップ電極802を介してパッケージ基板942に実装されている。内面が傾斜した反射部を持ったキャップ972の中に蛍光体901が充填され、さらに透明キャップ983で全体が封止される。前記のとおり、光マイクロモジュール231が備える活性層から放出された光は集光方向zに集められ、蛍光体901に含まれている蛍光物質を励起する。蛍光物質によって発せられた光の多くはそのまま集光方向zへ放出され、パッケージ内で散乱された光はキャップ972の内側の傾斜した側面で反射され、集光方向に集められる。
FIG. 18 shows a case where a
次に、上記光マイクロセルをマトリクス状に配列して構成した光マイクロモジュールの例について説明する。
図19及び図20は、光マイクロモジュール232の側面図及び斜視図である。両図とも、集光方向zは上向きに表わされている。この光マイクロモジュール232は、1つのサファイア基板332の下面に、発光層及びマイクロミラーを配列した光マイクロセル層132を備えている。図示された側面SAにおいては、光マイクロセル層132に発光層を備えた光マイクロセル1321が4個並んで形成されており、各光マイクロセル1321の両端にはマイクロミラー632が備えられている。1つの光マイクロセル1321は、発光層の側面の4方向をマイクロミラー632によって囲まれるように形成することができる。また、光マイクロセル層132の下面には、背面反射膜532が設けられている。Next, an example of an optical micromodule configured by arranging the optical microcells in a matrix will be described.
19 and 20 are a side view and a perspective view of the
図19に示されるように、光マイクロセル内の発光層から放出される光のうち、集光方向zに向いた光は透明基板332を通じて集光方向に直進する(p)。また、集光方向zとは反対向きに放出された光は、背面反射膜532により反射され、透明基板332を通して集光方向に集められる(q)。さらに、集光方向zと直角をなす方向への光は、発光層の側面を囲んで形成され且つ発光層に対して略45°の角度で傾斜したマイクロミラー632により略集光方向へ反射され、透明基板332を通じて略集光方向へ集められる(r)。この集光方向zと直角をなす光は、発光層の薄膜に沿って伝播する。その伝播中の減衰を避けるためには、発光層の大きさはできるだけ小さく、光マイクロセル中でマイクロミラーが占める面積はできるだけ小さく、発光層とマイクロミラーとの距離はできるだけ短くすることが好ましい。光マイクロセルを配列したとき、各光マイクロセルの大きさ即ちマイクロミラーのピッチは、例えば、幅・奥行きともに200μm程度で形成するようにすることができる。
As shown in FIG. 19, among the light emitted from the light emitting layer in the optical microcell, the light directed in the light collecting direction z travels straight in the light collecting direction through the transparent substrate 332 (p). The light emitted in the direction opposite to the light collecting direction z is reflected by the
さらに、背面反射膜532の下には、各光マイクロセルに電源を供給するための電源配線層772及びフリップチップ層802が備えられる。各光マイクロセルの電極(N型電極及びP型電極)は、マイクロミラー632部において、他の光マイクロセルの電極とは電気的に分離されて構成されており、各光マイクロセルの電極間は、電源配線層772において接続される。電源配線層は、各電極間を配線する導電性薄膜によって構成することができる。各光マイクロセルを直列に接続するためには、電源配線層において、導電性薄膜により、1つの光マイクロセルのN型電極と次の光マイクロセルのP型電極とを順次に接続する。そして、その一方の端の光マイクロセルの、他の光マイクロセルと接続されていないN型電極が、光マイクロモジュール全体の負電極となり、フリップチップ電極802に電気的に接続される。また、直列に接続された他方の端の光マイクロセルの、他の光マイクロセルと接続されていないP型電極が、光マイクロモジュール全体の正電極となり、別のフリップチップ電極802に電気的に接続される。電源配線層において直列接続された光マイクロセルに、フリップチップ電極を介して電源を供給することができる。
電源配線層772及びフリップチップ電極802は、集光の妨げにならないように集光方向とは反対側に設けられている。Further, a
The power
図20において、光マイクロモジュール232の側面SA側には、マイクロミラー632が5個表わされており、各マイクロミラー632に挟まれた4個の光マイクロセル1321が配列されている。また、側面SB側には、マイクロミラー632が6個表わされており、各マイクロミラー632に挟まれた5個の光マイクロセル1321が配列されている。すなわち、光マイクロモジュール232は、4×5=20個の光マイクロセルから構成されていることになる。図21は、図20に示した光マイクロモジュール232を、集光方向zを下に向けて表わした斜視図である。前記のとおり、20個の光マイクロセルへの電源は、フリップチップ電極802から電源配線層772を経由して供給される。
1つの光マイクロセルは、例えば、幅・奥行きともに200μm程度の大きさで構成することができる。半導体加工技術を応用して、さらに小さなサイズとすることも可能である。単位駆動電流あたりの光の集光効率は小さなサイズのほうがより効率的であるが、一方でマイクロミラー部の面積割合が相対的に多くなり発光素子の面積利用率では非効率となる。これらの得失を見ながら最適値を決める。In Figure 20, the side surfaces S A side of the optical micro-module 232, the
One optical microcell can be configured to have a size of about 200 μm in both width and depth, for example. It is also possible to reduce the size by applying semiconductor processing technology. The light collection efficiency per unit drive current is more efficient when the size is small. On the other hand, the area ratio of the micromirror part is relatively large, and the area utilization factor of the light emitting element is inefficient. The optimum value is determined while looking at these pros and cons.
上記光マイクロモジュール232の部分的な断面構造の一例を、図22に示す。この図では、電源配線層は省略されている。光マイクロセル133は、サファイア基板333の下面に、透明電極層733、N型GaAlN層433bと活性層433cとP型GaAlN層433aとを備える発光層433、導体膜(背面反射膜)533、シリコン酸化膜573、P型電極733a、及びN型電極733bを備える。P型電極及びN型電極は、Alなど光を反射する材料で形成されている。上記のシリコン酸化膜573は発光層433を覆い、そのシリコン酸化膜上に形成されたN型電極733bが、マイクロミラーとしての作用を有する。
図示されるように、発光層内の活性層433cから放出される光のうち、集光方向zへ放出された光はそのままサファイア基板333を通って集光方向へ直進する(p)。集光方向zとは反対方向へ放出された光は背面反射膜533で反射され、サファイア基板333を通って集光方向へ集まる(q)。また、集光方向と直角をなす方向すなわち活性層に沿って放出された光は、マイクロミラー(N型電極733b)により反射されて略集光方向へ集まる(r)。An example of a partial cross-sectional structure of the
As shown in the drawing, among the light emitted from the
上記光マイクロセル133の製造方法の一例を、図23を参照しつつ説明する。
図23(a)は、例えば3インチのサファイア基板333上に、酸化インジウム(ITO)などの透明電極層7331、N型GaAlN層433b、活性層433c、P型GaAlN層433a、反射導体膜533が順に積層されている。このように積層された基板は、サファイア基板上にP型GaAlN半導体層、活性層、N型GaAlN半導体層、酸化インジウム膜を形成して、これを母材となるサファイア基板333上へ転写をする方法により実現されてもよい。
図23(b)は、上記基板上で透明電極7331を残して、例えば幅100μm、ピッチ200μm程度で、反射導体膜533、P型GaAlN層433a、活性層433c、N型GaAlN層433bを除去した状態である。これはフォトリソグラフィーとエッチングの工程により形成することができる。この事例では、ITOがエッチングのストッパーの役割をはたしている。
図23(c)は、シリコン酸化膜573を全面にデポシットした状態を表わす。シリコン酸化膜は、後の加工によって傾斜した壁面を設け易いように、高濃度のリンを添加してある。この事例では高濃度リン含有のシリコン酸化膜を利用しているが、リンが発光層に影響を与える場合には、リンに対してバリア性の高い薄い透明絶縁膜をバリア膜としてデポジットして、その上に高濃度リン含有のシリコン酸化膜をデポジットすることも可能である。An example of a method for manufacturing the
FIG. 23A shows a
In FIG. 23B, the
FIG. 23C shows a state where the
図23(d)は、比較的低温でシリコン酸化膜573を半溶融して、膜厚に傾斜を形成したものである。すなわち、上記半導体層(発光層)の側面を覆うシリコン酸化膜の厚さが、基板333側で厚く上方に向けて薄くなるように傾斜して形成されている。このようにシリコン酸化膜にリンを高濃度に含ませ、数百度の低温で半溶融にして傾斜を持たせることは、シリコン半導体の加工技術としては公知の技術である。
図23(e)は、シリコン酸化膜573をエッチングすることにより、電極取り出し用の開口部(コンタクト部)を設けた図である。
図23(f)は、上記の状態で全面にAl薄膜を蒸着した後、そのAl薄膜をエッチングすることによりP型電極733a及びN型電極733bを形成した状態である。Al薄膜に続いて、ITOなどの透明電極層7331のエッチングを行うことにより、光マイクロセルのN型電極733bが隣接の光マイクロセル間で電気的に分離される。FIG. 23D shows a case where the
FIG. 23E is a diagram in which an opening (contact portion) for taking out an electrode is provided by etching the
FIG. 23F shows a state in which an Al thin film is deposited on the entire surface in the above state, and then the Al thin film is etched to form a P-
図24は、図23に示した工程により製造された光マイクロセル133の断面及び半導体層が形成された平面を表わす。図24(a)に示す断面の構成は、図23(f)と同じである。図24(b)の平面図において、「P」で示される領域はP型電極733aであり、間隙を空けてP型電極を取り巻いている領域「N」はN型電極733bである。同図において破線1331は、半導体層(433a〜433c)及び反射導体膜533の境界を示している。各光マイクロセルの半導体層及び電極は、それぞれ四隅に丸みをもたせるように形成されてもよい。四隅に丸みを設けた発光層(半導体層)とすることによって、発光層の四隅が直角に形成される場合に生じる電界の集中を防ぐことができ、電界集中により電流が発光に寄与せずに無駄に流れることを最小限に押さえることが可能になる。
また、破線1332は、光マイクロセルの境界を示している。光マイクロセルの境界部には、Al等の電極も透明電極もなく、絶縁物であるサファイア基板だけである。これによりひとつ一つの光マイクロセルがサファイア基板上で独立状態であり、電気的には個々の光マイクロセルが絶縁されて孤立された構造となっている。
この後、各光マイクロセルの電極間を導電性薄膜によって直列に接続するための電源配線層が形成される。FIG. 24 shows a cross section of the
A
Thereafter, a power supply wiring layer for connecting the electrodes of each optical microcell in series with a conductive thin film is formed.
N型電極733bは、マイクロミラーの役割も果たす。電極材料がマイクロミラーの材料成分となるため、電極は単にアルミニウム材を用いるより、クロムやニッケル、銀等を含む積層構造とすることが好ましい。例えば、マイクロミラーの役割のために薄くクロムやニッケル、又は銀の層を設けて、その上にアルミニウム層を設ける構造等が挙げられる。
The N-
マイクロミラーは、発光層の形状を基板側で広くその反対側に向けて狭くなるような略台形状に形成して、少なくとも前記発光層の側面を覆うように形成された透過膜層を備え、その透過膜層の外面に反射膜を備えることによって構成されてもよい。上記略台形状とは、発光層の基板に垂直な断面が、基板に接する底辺が長い略台形となる形状をいう。すなわち、発光層自体の側面が前記所定範囲の角度で傾斜するように形成される。
図25に示すマイクロミラーの製造例は、発光層(半導体層)自体をテーパエッチングする場合の構造を示している。図25は、発光層であるGaAlNをエッチングする場合にアンダーエッチングを生じさせるウエットエッチング手法を用いて、発光層を構成するGaAlN半導体層の側面をテーパエッチングした状態を示す。この後、図23(f)と同様に、Al薄膜734bをエッチングし、さらに透明電極層7341のエッチングを行うことにより、隣接の光マイクロセルと電気的に分離される。The micromirror is formed in a substantially trapezoidal shape so that the shape of the light emitting layer is narrow toward the opposite side widely on the substrate side, and includes a transmission film layer formed so as to cover at least the side surface of the light emitting layer, You may comprise by providing a reflecting film in the outer surface of the permeable film layer. The substantially trapezoidal shape refers to a shape in which a cross section perpendicular to the substrate of the light emitting layer is a substantially trapezoid with a long base in contact with the substrate. That is, the side surface of the light emitting layer itself is formed to be inclined at an angle within the predetermined range.
The manufacturing example of the micromirror shown in FIG. 25 shows a structure in which the light emitting layer (semiconductor layer) itself is subjected to taper etching. FIG. 25 shows a state in which the side surface of the GaAlN semiconductor layer constituting the light emitting layer is taper etched using a wet etching method that causes under-etching when etching GaAlN that is the light emitting layer. Thereafter, similarly to FIG. 23F, the Al
図26は、上記光マイクロセルを配列して構成される光マイクロモジュールを、ウェーハ上に形成する例を示す。図26に示されるSA面は、前記光マイクロモジュール232のSA面(図21)に対応する。本例においては、3インチサイズのウェーハ271上に、1.0×1.2mm程度の光マイクロモジュール232が形成されており、それぞれの光マイクロモジュール232には、200μm程度のピッチで形成された光マイクロセル1321が20個(4×5)作り込まれている。
また、図26に示されるように、光マイクロモジュールの電源配線層772を形成し、さらに各マイクロセルに給電するためのフリップチップ構造の電極802を形成することができる。フリップチップ構造の電極は、例えば、ウェーハ状態で銅メッキや半田メッキをすることにより形成することが可能である。フリップチップ電極は、このようにウェーハ状態で柱状等に形成されてもよいし、単にフリップチップ実装用に平面状の電極(フリップチップ用電極)を設け、各光マイクロモジュールに分割した後にスタッドバンプというような方法等で形成されてもよい。また、光マイクロモジュールにフリップチップ用電極を設けて、パッケージ基板等の側に設けられた突起状電極に光マイクロモジュールが接合されてもよい。
前記ウェーハから各光マイクロモジュールをチップ状態に切り出すためには、1つの光マイクロモジュールを構成する4×5の光マイクロセルの隣の光マイクロセルを、スクライブラインとして使用することができる。各光マイクロセルは、電源配線層を形成するまでは電気的にも光学的にも独立であるため、発光部として使用せずにスクライブラインとして使用することができる。また、光マイクロモジュールは4×5のセルの構成に限定されず、電源配線層以後のパターンを変更することにより、セル数を自由に選択することができる。FIG. 26 shows an example in which an optical micromodule configured by arranging the optical microcells is formed on a wafer. The S A surface shown in FIG. 26 corresponds to the S A surface (FIG. 21) of the
In addition, as shown in FIG. 26, a
In order to cut out each optical micromodule from the wafer into a chip state, an optical microcell adjacent to a 4 × 5 optical microcell constituting one optical micromodule can be used as a scribe line. Each optical microcell is electrically and optically independent until the power supply wiring layer is formed, so that it can be used as a scribe line without being used as a light emitting portion. Further, the optical micromodule is not limited to a 4 × 5 cell configuration, and the number of cells can be freely selected by changing the pattern after the power supply wiring layer.
本事例においては、200μmピッチの光マイクロセルの例を説明したが、50μmピッチの光マイクロセルであれば1mmの一辺あたりに20個の光マイクロセルが作りこむことができ、1mm角の素子では20×20=400の光マイクロセルが作りこまれる。これを一部は直列に、一部は並列に接続することにより、離散的ながら高い駆動電圧を自由に設定できる。 In this example, an example of an optical microcell having a pitch of 200 μm has been described. However, if the optical microcell has a pitch of 50 μm, 20 optical microcells can be formed per side of 1 mm. 20 × 20 = 400 optical microcells are built. A high drive voltage can be freely set although it is discrete by connecting a part in series and a part in parallel.
(実施の形態3)
本発明の光マイクロモジュールの前記基板は、前記発光層から放出される光を透過させる透明基板と、第2の基板とから構成してもよい。この場合、透明基板の前記集光方向とは反対側の面上に形成された発光層と、第2の基板上に、発光層に対応するように形成されたマイクロミラーと、を備え、発光層が形成された透明基板とマイクロミラーが形成された第2の基板とを対向させて貼り合わせ、その後、前記電源配線層を設けることによって光マイクロモジュールを構成することができる。(Embodiment 3)
The substrate of the optical micromodule of the present invention may be composed of a transparent substrate that transmits light emitted from the light emitting layer and a second substrate. In this case, a light emitting layer formed on a surface of the transparent substrate opposite to the light condensing direction and a micromirror formed on the second substrate so as to correspond to the light emitting layer, and emitting light An optical micromodule can be configured by attaching a transparent substrate on which a layer is formed and a second substrate on which a micromirror is formed to face each other and then providing the power supply wiring layer.
上記第2の基板をシリコン基板とすれば、シリコンを母材とし前記所定範囲の角度で傾斜したマイクロミラーを形成することができる。マイクロミラーの傾斜角度(α)は、例えば、上記第2の基板として(110)面方位を持つシリコンを使用し、そのシリコンを水酸化カリウムのようなアルカリ水溶液でエッチングすることにより54°の角度に形成することができる。シリコンの面方位の選択エッチング性を利用して、上記角度を容易に再現性良く形成することが可能である。このようにシリコンウェーハ上にマイクロミラーを形成し、同一口径のサファイアウェーハ上に発光層を形成し、発光層の側面がマイクロミラーによって囲まれるようにシリコンウェーハとサファイアウェーハとを対向させて貼り合わせることにより、マイクロミラー内蔵の光マイクロモジュールを実現することができる。 If the second substrate is a silicon substrate, a micromirror tilted at an angle within the predetermined range using silicon as a base material can be formed. The inclination angle (α) of the micromirror is, for example, an angle of 54 ° by using silicon having a (110) plane orientation as the second substrate and etching the silicon with an alkaline aqueous solution such as potassium hydroxide. Can be formed. The above angle can be easily formed with good reproducibility by utilizing the selective etching property of the plane orientation of silicon. In this way, a micromirror is formed on a silicon wafer, a light emitting layer is formed on a sapphire wafer having the same diameter, and the silicon wafer and the sapphire wafer are bonded to each other so that the side surface of the light emitting layer is surrounded by the micromirror. Thus, an optical micromodule with a built-in micromirror can be realized.
図27は、上記光マイクロモジュールをパッケージに実装した例を示す断面図である。集光方向zは同図においてパッケージの上方である。図27において、保護用の透明キャップ973とパッケージ基板951を備えるパッケージの中に、光マイクロモジュール251が実装されている。光マイクロモジュール251は、例えばサファイア基板351の下面(集光方向zとは反対側の面)に、N型半導体層とP型半導体層とに挟まれた活性層451cを備え、その下方には背面反射膜551を備えている。また、シリコン基板361上にはマイクロミラー651が形成されており、半導体層等が形成された基板351とシリコン基板361とが貼り合わせられて光マイクロモジュール251が構成されている。マイクロミラー651は前記所定範囲の角度で傾斜して形成されており、活性層451cの側面の近傍に配設される。
マイクロミラー651は、活性層451cの側面を囲むように形成することができる。図27に示される光マイクロモジュール251の断面には、2つの光マイクロセルの断面が見えている。
光マイクロモジュール251が備える活性層451cから放出される光のうち、透明基板351側すなわち集光方向zに向けて放出される光は、透明基板351を通じて集光方向へ放出される。活性層から透明基板351とは反対側に放出される光は、背面反射膜551により反射され、透明基板351を通じて集光方向へ放射される。活性層からその側面方向(集光方向zと直角をなす方向)へ放出される光は、マイクロミラー651により反射され、透明基板351を通じて略集光方向へ放出される。マイクロミラーの傾斜角度αと光の反射方向との関係については、前述のとおりである(図10参照)。FIG. 27 is a cross-sectional view showing an example in which the optical micromodule is mounted on a package. The light collecting direction z is above the package in the figure. In FIG. 27, an
The
Of the light emitted from the
さらに、シリコン基板361の下面には、電源配線層781及び複数のフリップチップ電極821が設けられている。各光マイクロセルの電極(N型電極及びP型電極)は、マイクロミラー651部において、他の光マイクロセルの電極とは電気的に分離されて構成されており、各光マイクロセルの電極間は、電源配線層781において接続される。電源配線層は、各電極間を配線する導電性薄膜によって構成することができる。各光マイクロセルを直列に接続するためには、電源配線層において、導電性薄膜により、1つの光マイクロセルのN型電極と次の光マイクロセルのP型電極とを順次に接続する。そして、その一方の端の光マイクロセルの、他の光マイクロセルと接続されていないN型電極が、光マイクロモジュール全体の負電極となり、フリップチップ電極821に接続される。また、直列に接続された他方の端の光マイクロセルの、他の光マイクロセルと接続されていないP型電極が、光マイクロモジュール全体の正電極となり、別のフリップチップ電極821に電気的に接続される。この電源配線層により、直列接続された光マイクロセルにフリップチップ電極から電源を供給することができる。電源配線層781及びフリップチップ電極821は、集光の妨げにならないように集光方向とは反対側に設けられている。
また、図18に示した光マイクロモジュールの場合と同様に、光マイクロモジュールから集光方向側に蛍光体を備えることができる。Further, a
Further, as in the case of the optical micromodule shown in FIG. 18, a phosphor can be provided on the light collecting direction side from the optical micromodule.
次に、光マイクロセルをマトリクス状に配列して構成した光マイクロモジュールの例について説明する。
図28、図29は、光マイクロモジュール252の側面図及び斜視図である。両図とも、集光方向zは下向きに表わされている。この光マイクロモジュール252は、1つのサファイア基板352の上面に、発光層及びマイクロミラーを備えた光マイクロセル層152を備えている。光マイクロセル層152には、発光層を備えた光マイクロセル1521が多数並んで形成されており、各光マイクロセル1521の両端にはマイクロミラー652が備えられている。1つの光マイクロセル1521は、発光層の側面の4方向をマイクロミラー652によって囲まれるように形成することができる。光マイクロセル層152の上面には、背面反射膜552が設けられている。Next, an example of an optical micromodule configured by arranging optical microcells in a matrix will be described.
28 and 29 are a side view and a perspective view of the
図28に示した例においては、光マイクロモジュール252の一辺にマイクロミラー652が9個設けられており、各マイクロミラー652に挟まれた8個の光マイクロセル1521を構成している。図29において、SA面とSB面にそれぞれ8個の光マイクロセルが表わされており、この光マイクロモジュール252は8×8=64個の光マイクロセルから構成されていることになる。前記のとおり、光マイクロセルの数や、各光マイクロセル間の接続方法は、任意に設計することができる。In the example shown in FIG. 28, nine
図30は、上記光マイクロモジュール252を、集光方向zを上に向けて表わした側面図である。光マイクロセル1521内の活性層から放出される光のうち、集光方向zに向いた光は透明基板352を通じて集光方向に直進する(p)。また、集光方向zとは反対向きに放出された光は、背面反射膜552により反射され、透明基板352通して集光方向に集められる(q)。さらに、集光方向zと直角をなす方向への光は、4方向に形成され且つ活性層に対して略45°(例えば30°から60°)の角度で傾斜したマイクロミラー652により略集光方向へ反射され、透明基板352を通じて集光方向へ集められる(r)。前記のとおりマイクロミラーの活性層に対する角度(α)が54°に形成されている場合、図示するように反射光rの方向は集光方向zに対して18°の角度になる。
この集光方向zと直角をなす光は発光層の薄膜に沿って伝播する。その伝播中の減衰を避けるためには、発光層の大きさはできるだけ小さく、光マイクロセル中でマイクロミラーが占める面積はできるだけ小さく、発光層とマイクロミラーとの距離はできるだけ短くすることが好ましい。光マイクロセルを配列したとき、各光マイクロセルの大きさ即ちマイクロミラーのピッチは、例えば、幅・奥行きともに100μm程度で形成することができる。FIG. 30 is a side view showing the
The light perpendicular to the light collecting direction z propagates along the thin film of the light emitting layer. In order to avoid attenuation during propagation, it is preferable that the size of the light emitting layer is as small as possible, the area occupied by the micromirror in the optical microcell is as small as possible, and the distance between the light emitting layer and the micromirror is as short as possible. When the optical microcells are arranged, the size of each optical microcell, that is, the pitch of the micromirrors can be formed with a width and a depth of about 100 μm, for example.
図31は、1つの光マイクロセルの構造を詳細に示す断面図(a)及び平面図(b)である。図31(b)の平面図は、光マイクロセル及びその電極の構造を説明するために、電極面から見た図に、半導体層及びマイクロミラー部を合せて描いてある。
図31(a)に示す光マイクロセル153は、サファイア基板353、ITOなどの透明電極7531、N型半導体層453b、活性層453c、P型半導体層453a、サファイア基板側のNi薄膜5531、シリコン基板側のNi薄膜5532、シリコン層363、PIQ膜(絶縁性ポリイミド膜)583を備えている。
図31(b)に示すように、Al等を材料としたP型電極753a及びN型電極753bの領域、及び半導体層(453a〜453c)等が積層された領域は、それぞれ四隅を直角形状にせず、丸みを持たせるように形成されている。これにより、電界の集中を避けて平均的な発光を促すことができる。FIG. 31 is a cross-sectional view (a) and a plan view (b) showing in detail the structure of one optical microcell. In order to explain the structure of the optical microcell and its electrode, the plan view of FIG. 31 (b) is drawn with the semiconductor layer and the micromirror portion combined with the view seen from the electrode surface.
An
As shown in FIG. 31 (b), the regions of the P-
上記構造の光マイクロセル(光マイクロモジュール)をウェーハ状態で製造する方法について、図32〜図35を参照しつつ説明する。
図32(a)に示す基板は、(110)面方位のN型シリコン363を基板にして、厚さ3μm程度の高濃度P型シリコン層3632をエピタキシャル成長させ、さらに厚さ5μm程度のN型シリコン層3633をエピタキシャル成長させた基板である。この基板上に厚さ0.5μm程度の酸化膜584を形成し、フォトリソグラフィーによりパターンを形成してある。図33(a)は上記N型シリコンウェーハの斜視図を示し、碁盤の目のように幅2μm程度の酸化膜(SiO2)584をフォトリソグラフィーで残したもので、そのピッチは100μm程度とされている。上記基板をアルカリ性(例えば水酸化カリウム)のエッチング液に入れることによりN型シリコン層3633がエッチングされる。図32(b)及び図33(b)は、シリコンの(111)面方位のエッチング速度が遅いという異方性エッチング特性のために、N型シリコン層3633のエッチングが(111)面で停止し、54°に切り立った斜面が形成されている様子を示す。N型シリコン層3633の傾斜面は、4方向ともに形成される。
図32(c)に示した状態では、その後、Ni薄膜5532が形成されている。シリコンの鏡面をそのまま、この状態で使うことも可能であるし、酸化膜を形成して後のサファイア基板と合体した時の共有結合をし易くして使うことも可能であるが、この事例ではNi薄膜を形成してサファイア基板側に形成するNi薄膜と共有結合をし易くしてある。
この形状にてマイクロミラーを形成したシリコンウェーハが完成する。A method of manufacturing the optical microcell (optical micromodule) having the above structure in a wafer state will be described with reference to FIGS.
The substrate shown in FIG. 32A is obtained by epitaxially growing a high-concentration P-
In the state shown in FIG. 32C, a Ni
A silicon wafer having a micromirror formed in this shape is completed.
次に、透明基板(サファイア基板)側の製造方法の例を説明する。
図34(a)に示す基板は、3インチのサファイア基板353にITOなどの透明電極層層7531、N型GaAlN層453b、活性層453c、P型GaAlN層453a、全反射導体(Ni薄膜)5531が積層してある。図ではこれらの層の厚さが拡大して表わされている。
図34(b)は、上記基板上に深さ10μm、幅20μmの溝3531を形成した状態である。この溝はフォトリソグラフィーとエッチングの工程により形成することができる。
図34(c)は、上記溝を形成したサファイア基板353に、前記マイクロミラーを形成したシリコン基板(図48(c)の状態)を貼り合わせる直前の状態を表す図である。サファイア基板上の溝の中央に、シリコンウェーハに形成されたマイクロミラーの頂点が位置するように、位置を合わせて両ウェーハを貼り合わせる。
図34(d)は、両ウェーハが合体した状態である。両ウェーハは合体面の表層同士が鏡面であり、この事例では、ともにNi薄膜層(5531、5532)であるため、分子間引力により分子のレベルで完全に一体化する。これによりマイクロミラー部分は外部から完全に隔離されて安定的なミラーを形成することができる。この技術は近年普及の始まったシリコンの張り合わせ技術と同様である。シリコンの張り合わせの場合にはシリコン面と酸化シリコン面が張り合わされるが、この事例では、シリコンウェーハ上のNi薄膜とサファイア基板上のNi薄膜とが貼り合わされる。Next, an example of a manufacturing method on the transparent substrate (sapphire substrate) side will be described.
34A includes a 3-
FIG. 34B shows a state where a groove 3531 having a depth of 10 μm and a width of 20 μm is formed on the substrate. This groove can be formed by photolithography and etching processes.
FIG. 34C shows a state immediately before the silicon substrate (the state of FIG. 48C) on which the micromirror is formed is bonded to the
FIG. 34 (d) shows a state where both wafers are combined. The surface layers of the two wafers are mirror surfaces. In this case, since both are Ni thin film layers (5531, 5532), they are completely integrated at the molecular level by intermolecular attractive force. As a result, the micromirror part is completely isolated from the outside, and a stable mirror can be formed. This technique is similar to the silicon bonding technique that has recently become popular. In the case of silicon bonding, the silicon surface and the silicon oxide surface are bonded together. In this case, the Ni thin film on the silicon wafer and the Ni thin film on the sapphire substrate are bonded together.
上記はシリコン基板とサファイア基板とをNi薄膜を介して張り合わせる例であるが、ウェーハ口径が大きくなる場合には、両ウェーハのヤング率の違いや熱膨張係数の違いなど物性的な特性値の違いにより、貼り合わせに有機物の接着層を用いてもよい。
図34(e)は、貼り合わせたウェーハのシリコン基板側をエッチングして、厚さ3μm程度だけを残した状態である。図中の3362がシリコン層である。高濃度P型シリコン層3362のエッチング速度が遅いことを利用して、正確な厚さを残すことができる。この3μm程の厚さのシリコン層がマイクロミラーを構造体として支える部位である。The above is an example in which a silicon substrate and a sapphire substrate are bonded together via a Ni thin film. Depending on the difference, an organic adhesive layer may be used for bonding.
FIG. 34E shows a state in which the silicon substrate side of the bonded wafer is etched, leaving only a thickness of about 3 μm. In the figure, 3362 is a silicon layer. By utilizing the low etching rate of the high-concentration P-
上記のようにシリコン基板とサファイア基板とを貼り合わせた状態から、光マイクロセルの電極を形成する工程を、図35を参照して説明する。
図35(a)は、図34(e)に示した基板に、フォトレジスト181のパターンを形成した状態を示す。この状態において、シリコン層3632のエッチング、シリコン側反射導体(Ni薄膜)5532のエッチング、サファイア側反射膜(Ni薄膜)5531のエッチング、半導体層453a〜453cのエッチングを行い、透明電極層(ITO)7531をストッパーにしてエッチングを終了する。
図35(b)は上記エッチング後の状態を示している。シリコン層3632は(110)の面方位を有しているため、エッチングされた壁面が54°傾斜したテーパ状になり、サファイア基板上に形成されていた半導体層等は、透明電極(ITO)7531を残してエッチングされている。
図35(c)は、PIQ(絶縁性ポリイミド膜)583を塗布した後、P型電極部とN型電極部のPIQを除去した状態を表わす図である。
図35(d)は、上記の状態から、Alなどを材料とした電極材を蒸着した後にエッチングすることにより、P型電極753aと、N型電極753bを形成した状態を表わす。
以上の工程によって、光マイクロセルのマイクロミラー、発光層及びその電極層は形成された。さらに光マイクロセルの電極層の上に、光マイクロセル間を接続する電源配線層を形成することにより、光マイクロモジュールを完成することができる。A process of forming the electrode of the optical microcell from the state in which the silicon substrate and the sapphire substrate are bonded together as described above will be described with reference to FIG.
FIG. 35A shows a state in which a pattern of a
FIG. 35B shows a state after the etching. Since the
FIG. 35 (c) is a diagram showing a state in which the PIQ of the P-type electrode portion and the N-type electrode portion is removed after the PIQ (insulating polyimide film) 583 is applied.
FIG. 35D shows a state in which a P-
Through the above steps, the micromirror, the light emitting layer, and the electrode layer of the optical microcell were formed. Furthermore, an optical micromodule can be completed by forming a power supply wiring layer for connecting the optical microcells on the electrode layer of the optical microcell.
図36は、図35(d)のように形成された光マイクロセルにおける、光の反射の様子を示している。マイクロミラーは、シリコン基板上に形成された凸部の傾斜部表面のNi膜5532である。図36において、活性層453c内で水平方向すなわち薄膜に沿って発光した光は、4方向に形成されているマイクロミラーにより反射されて略集光方向へ向かう(r)。この例では、マイクロミラーの傾斜角度が54°に形成されているため、マイクロミラーにより、光が集光方向zに対して18°傾いた方向に反射される様子を示している。また、活性層からマイクロミラーとは反対方向すなわちN型電極753bの方向に放出された光は、PIQ膜で反射されたり負電極のAlにて反射されたりして発光層内へ戻り、マイクロミラーへ向かう。また、その一部は負電極のAl薄膜の傾斜により集光方向へ内部反射される(r’)。
前記のとおり、マイクロミラーの傾斜角度(α)と集光の関係からいえば、α=45°であることが好ましい。シリコンの所定の面方位を利用して形成された上記マイクロミラーはα=54°となり、マイクロミラーによる反射光の方向は集光方向zに対して18°傾いた方向とすることができるため、極めて好ましいマイクロミラーを実現することができる。FIG. 36 shows how light is reflected in the optical microcell formed as shown in FIG. The micromirror is a
As described above, in view of the relationship between the tilt angle (α) of the micromirror and the light collection, α = 45 ° is preferable. The micromirror formed using a predetermined plane orientation of silicon is α = 54 °, and the direction of light reflected by the micromirror can be inclined by 18 ° with respect to the light collection direction z. A highly preferred micromirror can be realized.
光マイクロセルをウェーハ上に並べて作製し、各光マイクロセル1521のP型電極及びN型電極をそれぞれ結線する電源配線層782を設け、さらにフリップチップ電極層822を形成することができる。フリップチップ電極は、ウェーハ状態で形成されてもよいし、各光マイクロモジュールに分割した後にスタッドバンプというような方法等で形成されてもよい。また、ウェーハの状態から、図30に示した光マイクロモジュールを切り出すときには、スクライブラインとして、8×8の光マイクロセルの隣の光マイクロセルを使用することができる。各光マイクロセルは、電源配線層が形成されるまでは電気的にも光学的にも独立であるため、発光部として使用せずにスクライブラインとして使用することができる。
Optical microcells can be formed on a wafer, a
本発明は、以上の実施の形態1、2及び3に詳述した実施例に限定されない。本発明の基本要素は、発光層から放出される光およびその光が半導体層で反射等された光をできる限り多く集光方向に取り出すことである。したがって、反射率ができるだけ高い材料により反射部を構成すること、光マイクロセル内での光の吸収や減衰をできる限り少なくすることが重要である。そのためには、例えば、透明基板(サファイア基板)上に発光層を形成し、その発光層からの光を前記透明基板を通して集光する構造の光マイクロモジュールの場合に、電源配線層(又は電源配線層と、フリップチップ電極又はフリップチップ用電極)が形成された後、すなわち光マイクロモジュールの構造が物理的に固定された後に、透明基板層を除去することが可能である。 The present invention is not limited to the examples detailed in the first, second and third embodiments. The basic element of the present invention is to extract as much light as possible from the light emitting layer and the light reflected from the semiconductor layer in the light collecting direction. Therefore, it is important to configure the reflecting portion with a material having as high a reflectance as possible and to minimize the absorption and attenuation of light in the optical microcell. For this purpose, for example, in the case of an optical micromodule having a structure in which a light emitting layer is formed on a transparent substrate (sapphire substrate) and light from the light emitting layer is collected through the transparent substrate, a power wiring layer (or power wiring) After the layer and the flip chip electrode or flip chip electrode) are formed, that is, after the structure of the optical micromodule is physically fixed, the transparent substrate layer can be removed.
例えば、図37に示すように、光マイクロモジュール237に電源配線層を形成し、さらにフリップチップ電極802等を形成して、光マイクロモジュールをパッケージ基板942に実装した後、基板としての役目を終えたサファイア層をリフトオフ手法にて除去することができる。同様に、光マイクロモジュールとほぼ同一サイズのセラミックやシリコンなどからなり貫通導電ビアが形成されている別の基板に光マイクロモジュールを実装した後、サファイア基板を除去することができる。これにより、サファイア層内での光の減衰をなくすることができる。更に、サファイア層の除去によって発光素子の集光方向側の表面(前記サファイア基板と接していた発光層側の表面)が露出されるため、その表面をブラストなどによりなし地のように粗くして発光層内の全反射を減少せしめ、結果として、集光効率を上げることができる。
図38(b)は、同図(a)に示すウェーハ273(透明基板338)上に光マイクロモジュール238が配列して形成され、別のウェーハ943と貼り合わされた状態の断面図である。光マイクロモジュール238には、マイクロミラー638を備えた光マイクロセル1381が配列して形成され、電源配線層783が形成された後にフリップチップ電極803が形成されている。また、別のウェーハ943には、貫通導電ビア9431と表面電極9432が形成されている。光マイクロモジュール238の電極は、フリップチップ電極803及び貫通導電ビア9431を介して、別のウェーハ943上の表面電極9432と接続されている。このような状態では、光マイクロモジュール238を構成する基板上の構造(発光層、マイクロミラー、電源配線層等)は物理的に固定されているため、透明基板338を除去することが可能である。透明基板338は、1つ1つの光マイクロモジュールに分離された後に除去されてもよい。図38(c)は、上記ウェーハ273上の光マイクロモジュール238が個々に分離され、透明基板338が除去された光マイクロモジュール239を、上下を逆にして表わした図である。For example, as shown in FIG. 37, a power wiring layer is formed on the
FIG. 38B is a cross-sectional view showing a state in which the
上記は一例であり、光マイクロモジュールの材料の選択や組み合わせが重要な要素となる。事例では、反射膜としてニッケルやコバルトなどを例にあげて説明したが、銀などのようにより反射率の高い材料を利用することも可能である。また、半導体材料としてはGaAlNを挙げて説明したが、GaNその他の半導体材料にも適用することができる。
さらに、本光マイクロモジュールの構造は、蛍光体を用いる発光ダイオードに限らず、可視光を発する発光ダイオードにも共通に利用できる構造である。
また、光マイクロセルはそれぞれ電気的に分離されて形成され、その複数の光マイクロセルのうちの少なくとも一部を電気的に直列に接続して、光マイクロモジュールが構成される。この直列に接続する光マイクロセルの数は、電源配線層以後のパターンを変更することにより、使用される電源の電圧値に応じて任意の数とすることができる。
その他、本発明は以上で詳述した実施形態に限定されず、本発明の請求項に示した範囲で様々な変形または変更が可能である。The above is an example, and the selection and combination of materials for the optical micromodule is an important factor. In the examples, nickel, cobalt, and the like have been described as examples of the reflective film, but it is also possible to use a material having higher reflectivity such as silver. Moreover, although GaAlN was mentioned and demonstrated as a semiconductor material, it is applicable also to GaN and other semiconductor materials.
Furthermore, the structure of the present optical micromodule is not limited to a light emitting diode using a phosphor, but can be commonly used for a light emitting diode that emits visible light.
Each of the optical microcells is formed by being electrically separated, and at least a part of the plurality of optical microcells is electrically connected in series to constitute an optical micromodule. The number of optical microcells connected in series can be set to an arbitrary number according to the voltage value of the power supply used by changing the pattern after the power supply wiring layer.
In addition, the present invention is not limited to the embodiments described in detail above, and various modifications or changes can be made within the scope of the claims of the present invention.
発光ダイオードの用途は省エネに向けてその用途が拡大している。自動車分野においてはヘッドライトを始めとする灯具、家庭用ではLEDを用いた灯具、液晶TV受像器等のバックライト、産業用では信号機等、広範な分野で採用されている。高電圧駆動で使い易い発光ダイオードは今後の重要な部品となるものである。 Applications of light emitting diodes are expanding for energy saving. In the automobile field, it is used in a wide range of fields such as lamps including headlights, lamps using LEDs for home use, backlights for liquid crystal TV receivers, and traffic lights for industrial use. Light-emitting diodes that are easy to use with high-voltage drive will be important components in the future.
10、11、C1〜C22、102、103、1321、133、1381、1521、;光マイクロセル(発光ダイオード素子)、1611〜1614、1711、1721;フォトレジスト、201、231、232、237、238、239、251、252;光マイクロモジュール(発光ダイオードモジュール)、271、273;ウェーハ、3、31、302、303、331、332、333、338、351、352、353;基板、361;第2の基板(シリコン基板)、363;N型シリコン層、3632;高密度P型シリコン層、3633;N型シリコン層、4、41、402、403、431;発光層(半導体層)、401a、402a、403a、431a、433a、434a、435a;P型半導体層(P型領域)、431c、433c、434c、451c、453c;活性層、401b、402b、403b、431b、433b、434b、453b;N型半導体層(N型領域)、5、51、502、503、531、532、533、551、552;背面反射膜、562、563、573;絶縁膜(SiO2膜)、583;絶縁膜(PIQ膜)、584;SiO2膜、6、61、602、603、631、632、638、651、652、653;マイクロミラー(側方反射部)、701a、702a、703a、733a、753a;P(P型)電極、701b、702b、703b、733b、753b;N(N型)電極、7613、7614;透明導電膜、771、772、781、782、783;電源配線層、801、802、803、821、822;フリップチップ電極、851、852、856;リード、901、911、921;蛍光体、941、942;パッケージ基板、943;別の基板(ウェーハ)、971、972、973、977;キャップ、983;カバーガラス、p、q、r、r’;光の進行方向、S;発光層(活性層)に平行な方向、z;集光方向、α;マイクロミラーの傾斜角。10, 11, C 1 to C 22 , 102, 103, 1321, 133, 1381, 1521; Optical microcells (light emitting diode elements), 1611 to 1614, 1711, 1721; Photoresist, 201, 231, 232, 237 238, 239, 251, 252; optical micromodule (light emitting diode module), 271, 273; wafer, 3, 31, 302, 303, 331, 332, 333, 338, 351, 352, 353; substrate, 361; Second substrate (silicon substrate), 363; N-type silicon layer, 3632; High-density P-type silicon layer, 3633; N-type silicon layer, 4, 41, 402, 403, 431; Light emitting layer (semiconductor layer), 401a 402a, 403a, 431a, 433a, 434a, 435a; P-type semiconductor layer (P-type Region), 431c, 433c, 434c, 451c, 453c; active layer, 401b, 402b, 403b, 431b, 433b, 434b, 453b; N-type semiconductor layer (N-type region), 5, 51, 502, 503, 531, 532, 533, 551, 552; back reflective film, 562, 563, 573; insulating film (SiO 2 film), 583; insulating film (PIQ film), 584; SiO 2 film, 6, 61, 602, 603, 631 , 632, 638, 651, 652, 653; micromirror (side reflection part), 701a, 702a, 703a, 733a, 753a; P (P type) electrode, 701b, 702b, 703b, 733b, 753b; N (N Type) electrode, 7613, 7614; transparent conductive film, 771, 772, 781, 782, 783; power wiring layer, 801, 8 2, 803, 821, 822; flip chip electrode, 851, 852, 856; lead, 901, 911, 921; phosphor, 941, 942; package substrate, 943; another substrate (wafer), 971, 972, 973 , 977; cap, 983; cover glass, p, q, r, r ′; light traveling direction, S: direction parallel to the light emitting layer (active layer), z: light collecting direction, α: inclination angle of the micromirror .
Claims (13)
各前記発光ダイオード素子は、基板上の一定領域に形成される発光層と、前記発光層の側面の近傍に、前記発光層から前記発光層と略平行方向に放出される光を略前記集光方向に反射させるために前記発光層に対して所定範囲の角度で傾斜した側方反射部と、を備えており、
1つの基板と、
前記基板上に配列され、それぞれ電気的に分離されて形成された複数の前記発光ダイオード素子と、
複数の前記発光ダイオード素子のうちの少なくとも一部を電気的に直列に接続する電源配線層と、
を備えることを特徴とする発光ダイオードモジュール。A plurality of light emitting diode elements each having a light emitting layer formed of a semiconductor thin film, connected in series, and taking out light emitted from the light emitting layer in a light collecting direction perpendicular to the light emitting layer;
Each of the light emitting diode elements substantially collects light emitted from the light emitting layer in a direction substantially parallel to the light emitting layer in the vicinity of the side surface of the light emitting layer formed in a certain region on the substrate. A side reflecting portion inclined at an angle within a predetermined range with respect to the light emitting layer in order to reflect in the direction,
One substrate,
A plurality of the light emitting diode elements arranged on the substrate and electrically separated from each other; and
A power supply wiring layer for electrically connecting at least a part of the plurality of light emitting diode elements in series;
A light emitting diode module comprising:
前記所定範囲の角度は0度以上かつ90度以下である請求項1記載の発光ダイオードモジュール。The side reflecting portion is formed so as to surround all or part of the side surface of the light emitting layer,
The light emitting diode module according to claim 1, wherein the angle in the predetermined range is not less than 0 degrees and not more than 90 degrees.
前記発光層から前記集光方向と反対側へ放出される光は、前記背面反射膜によって前記集光方向に反射させる請求項1又は2に記載の発光ダイオードモジュール。Further comprising a back reflection film on the opposite side of the light collection direction across the light emitting layer,
3. The light emitting diode module according to claim 1, wherein light emitted from the light emitting layer to the side opposite to the light collecting direction is reflected in the light collecting direction by the back reflecting film.
少なくとも前記発光層の側面と対向する前記壁面に形成された反射膜が前記側方反射部を構成する請求項4記載の発光ダイオードモジュール。A wall surface formed on the substrate so as to surround the side surface of the light emitting layer and facing the side surface of the light emitting layer is provided with a side wall portion inclined at an angle of the predetermined range,
The light emitting diode module according to claim 4, wherein at least a reflective film formed on the wall surface facing the side surface of the light emitting layer constitutes the side reflecting portion.
前記発光ダイオード素子及び前記電源配線層は、前記透明基板の前記集光方向とは反対側の面上に形成されている請求項1乃至3のいずれかに記載の発光ダイオードモジュール。The substrate is a transparent substrate that transmits light emitted from the light emitting layer,
4. The light emitting diode module according to claim 1, wherein the light emitting diode element and the power supply wiring layer are formed on a surface of the transparent substrate opposite to the light collecting direction. 5.
前記透過膜層の外面に形成された反射膜が前記側方反射部を構成する請求項6記載の発光ダイオードモジュール。A transmissive membrane layer formed so as to transmit light emitted from the light emitting layer so as to cover at least a side surface of the light emitting layer and to have a thickness that is thick on the substrate side and thin toward the opposite side; ,
The light emitting diode module according to claim 6, wherein a reflection film formed on an outer surface of the transmission film layer constitutes the side reflection portion.
前記透過膜層の外面に形成された反射膜が前記側方反射部を構成する請求項6記載の発光ダイオードモジュール。The light emitting layer is formed in a substantially trapezoidal shape that is wide on the substrate side and narrows toward the opposite side, and transmits a light emitted from the light emitting layer so as to cover at least the side surface of the light emitting layer. With layers,
The light emitting diode module according to claim 6, wherein a reflection film formed on an outer surface of the transmission film layer constitutes the side reflection portion.
前記透明基板の前記集光方向とは反対側の面上に形成された前記発光層と、
前記第2の基板上に、前記発光層に対応するように形成された前記側方反射部と、
を備え、
前記発光層が形成された前記透明基板と前記側方反射部が形成された前記第2の基板とが対向して貼り合わされ、更に前記電源配線層が設けられて構成される請求項1乃至3のいずれかに記載の発光ダイオードモジュール。The substrate comprises a transparent substrate that transmits light emitted from the light emitting layer, and a second substrate,
The light emitting layer formed on the surface of the transparent substrate opposite to the light condensing direction;
The side reflection part formed on the second substrate so as to correspond to the light emitting layer;
With
The said transparent substrate in which the said light emitting layer was formed, and the said 2nd board | substrate in which the said side reflection part was formed are bonded together, and the said power supply wiring layer is further provided, and is comprised. The light emitting diode module according to any one of the above.
更に、複数の前記発光ダイオード素子の上に形成された電源配線層と、前記電源配線層上に設けられる少なくとも2つのフリップチップ電極又はフリップチップ用電極と、を備え、
前記電源配線層において、1つの前記発光ダイオード素子の前記第1の電極層と、別の前記発光ダイオード素子の前記第2の電極層とが順次接続され、
前記接続により直列に接続された両端の前記発光ダイオード素子の前記接続されていない前記第1の電極層及び前記第2の電極層が、それぞれ異なる前記フリップチップ電極又はフリップチップ用電極に接続される請求項6乃至9のいずれかに記載の発光ダイオードモジュール。Each of the light emitting diode elements includes a first electrode layer and a second electrode layer electrically connected to the light emitting layer,
And a power wiring layer formed on the plurality of light emitting diode elements, and at least two flip chip electrodes or flip chip electrodes provided on the power wiring layer,
In the power supply wiring layer, the first electrode layer of one of the light emitting diode elements and the second electrode layer of another of the light emitting diode elements are sequentially connected,
The unconnected first electrode layer and the second electrode layer of the light emitting diode elements at both ends connected in series by the connection are connected to different flip chip electrodes or flip chip electrodes, respectively. The light emitting diode module according to claim 6.
前記蛍光物質は、各前記発光層から放出された光の少なくとも一部を吸収して異なる波長の光を発する請求項1乃至12のいずれかに記載の発光ダイオードモジュール。A light emitter containing a fluorescent material is further disposed from the light emitting layer to the light collecting direction side,
The light emitting diode module according to claim 1, wherein the fluorescent material absorbs at least a part of light emitted from each light emitting layer and emits light having a different wavelength.
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