JP2006147679A - 集積型発光ダイオード、集積型発光ダイオードの製造方法、発光ダイオードディスプレイおよび発光ダイオード照明装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 基板上にn型GaN層15、活性層16およびp型GaN層17を順次成長させ、このp型GaN層17上に円形のp側電極18を形成した後、このp側電極18をマスクとしてn型GaN層15、活性層16およびp型GaN層17をエッチングすることにより大きさが20μm以下の微小発光ダイオードを形成する。次に、これらの微小発光ダイオードのp側電極18上にヒートシンクとなる半導体基板20の導電層21を貼り合わせる。次に、基板を剥離した後、微小発光ダイオードのn型GaN層15上に透明電極からなるn側電極22を形成する。この後、微小発光ダイオードが形成された半導体基板20をチップ化し、集積型発光ダイオードを得る。
【選択図】 図11
Description
そこで、この発明が解決しようとする課題は、熱抵抗の大幅な低減が可能な集積型発光ダイオードおよびその製造方法ならびにこの集積型発光ダイオードを用いた高輝度の発光ダイオードディスプレイおよび発光ダイオード照明装置を提供することである。
この発明が解決しようとする他の課題は、発光効率が高い集積型発光ダイオードおよびその製造方法ならびにこの集積型発光ダイオードを用いた高輝度の発光ダイオードディスプレイおよび発光ダイオード照明装置を提供することである。
すなわち、従来のLEDにおいては、発光ダイオードチップ上の発光構造を構成する半導体層の厚さは通常10μm程度であり、半導体層の横方向(チップ面に平行な方向)の大きさ(300μm程度)に対する半導体層の厚さの比(アスペクト比)は非常に小さいが、これは光の取り出しの効率の観点からは好ましくない。これに対し、半導体層の横方向の大きさを半導体層の厚さに近づけることでこのアスペクト比を1に近い値にすることができれば、光取り出し効率の大幅な向上を図ることができる。それだけでなく、半導体層の横方向の大きさを例えば数十μm程度またはそれ以下とすることにより、半導体層に含まれる転位の数を大幅に減らすことができ、実質的に無転位とすることも可能である。このような転位が非常に少ない、あるいは無転位の半導体層により構成された微小なLEDは、これまでにないものである。そして、この微小なLEDをヒートシンク上に複数搭載し、そのLED集合体を一つのLEDとすることで、従来にない新たな集積型LEDを実現することができる。また、この集積型LEDによりハイパワーLEDを構成する場合には、ヒートシンク上に必要な数の微小LEDを配列することで所望の光量を得ることができる。しかもこの場合、集積型LEDでは、複数の微小なLEDがヒートシンク上に搭載されている結果、動作時に発生する熱をいわば三次元的に逃がすことができため、単体の大きなLEDチップをヒートシンク上に搭載する従来のLEDに比べて、発熱による温度上昇を低く抑えることが可能である。このため、ハイパワーLEDで問題となる発熱の問題を解消することができる。さらに、この集積型LEDによれば、従来の300μm角程度の単体のLEDと同じ使用面積で、実質的に発光部の面積を大きくすることができるため、より面発光に近づけることも可能である。
この発明は、上記の検討に基づいて案出されたものである。
大きさが20μm以下の同種類の複数の微小発光ダイオードが一体のヒートシンク上に互いに分離された状態で搭載されてなることを特徴とする集積型発光ダイオードである。
ここで、複数の微小発光ダイオードは発光波長が互いに同一であり、特性も通常は同一である。これらの微小発光ダイオードは通常、同一プロセスで同時に形成される。これらの微小発光ダイオードは、典型的には円柱状の形状を有するが、六角形などの他の形状であってもよい。微小発光ダイオードは典型的には、第1導電型の第1の半導体層、活性層および第2導電型の第2の半導体層が順次積層された構造を有し、微小発光ダイオードが第1の半導体層側を下にしてヒートシンク上に搭載される。第1の半導体層は典型的にはこのヒートシンクと電気的に接続される。このヒートシンクとしては、例えばGaAs基板やSi基板などの半導体基板が用いられるが、他のものを用いてもよい。このヒートシンクは典型的には一体のものであるが、場合によっては、複数のヒートシンクを接合するなどして一体化したものであってもよい。相互の電気的絶縁のため、複数の微小発光ダイオードの間の部分には、好適には、発光波長の光に対して透明な絶縁体が埋め込まれる。また、複数の微小発光ダイオードの第2の半導体層上には、典型的な一つの例では、透明電極層が形成される。この透明電極層は第2の半導体層と電気的に接続される。微小発光ダイオードを構成する第1の半導体層、活性層および第2の半導体層は転位を非常に少なくすることができ、実質的に無転位とすることができる。これは、微小発光ダイオードの大きさが20μm以下と極めて小さいことにより可能となるものである。第1の半導体層と電気的に接続された第1の電極および第2の半導体層と電気的に接続された第2の電極を複数の微小発光ダイオードのヒートシンク側に有するようすることもある。この場合には、上記の透明電極は不要となる。
大きさが20μm以下の三種類以上の複数の微小発光ダイオードが一体のヒートシンク上に互いに分離された状態で搭載されてなることを特徴とする集積型発光ダイオードである。
第2の発明においては、その性質に反しない限り、第1の発明に関連して説明したことが成立する。
大きさが20μm以下の同種類の複数の微小発光ダイオードが一体のヒートシンク上に互いに分離された状態で搭載されてなる集積型発光ダイオードの製造方法であって、
基板上に第2導電型の第2の半導体層、活性層および第1導電型の第1の半導体層を順次成長させる工程と、
上記第1の半導体層上に第1の電極を形成する工程と、
上記第1の電極をマスクとして上記第2の半導体層、上記活性層および上記第1の半導体層をエッチングすることにより大きさが20μm以下の複数の微小発光ダイオードを形成する工程と、
上記複数の微小発光ダイオードの上記第1の電極上にヒートシンクを貼り合わせる工程と、
上記基板を除去する工程と、
上記複数の微小発光ダイオードの上記第2の半導体層上に第2の電極を形成する工程とを有することを特徴とするものである。
第3の発明においては、その性質に反しない限り、第1の発明に関連して説明したことが成立する。
大きさが20μm以下の同種類の複数の微小発光ダイオードが一体のヒートシンク上に互いに分離された状態で搭載されてなる集積型発光ダイオードの製造方法であって、
基板上に第2導電型の第2の半導体層、活性層および第1導電型の第1の半導体層を順次成長させる工程と、
上記第1の半導体層上に第1の電極を形成する工程と、
上記第1の電極をマスクとして上記第2の半導体層、上記活性層および上記第1の半導体層をエッチングすることにより大きさが20μm以下の複数の微小発光ダイオードを形成する工程と、
上記複数の微小発光ダイオードの上記第2の半導体層上に第2の電極を形成する工程と、
上記複数の微小発光ダイオードの上記第1の電極および上記第2の電極上にヒートシンクを貼り合わせる工程と、
上記基板を除去する工程とを有することを特徴とするものである。
第4の発明においては、その性質に反しない限り、第1および第3の発明に関連して説明したことが成立する。
赤色発光の発光ダイオード、緑色発光の発光ダイオードおよび青色発光の発光ダイオードを基板上にそれぞれ複数個配列することにより形成された発光ダイオードディスプレイにおいて、
上記赤色発光の発光ダイオード、上記緑色発光の発光ダイオードおよび上記青色発光の発光ダイオードのうちの少なくとも一種類の発光ダイオードが、大きさが20μm以下の同種類の複数の微小発光ダイオードが一体のヒートシンク上に互いに分離された状態で搭載されてなる集積型発光ダイオードである
ことを特徴とするものである。
発光ダイオードを配列する基板としては種々のものを用いることができ、用途などに応じて最適なものが用いられるが、通常はこの基板を通して光が取り出されるようにするため、透明な導光板が用いられる。
第5の発明においては、その性質に反しない限り、第1および第3の発明に関連して説明したことが成立する。
赤色発光の発光ダイオード、緑色発光の発光ダイオードおよび青色発光の発光ダイオードを基板上にそれぞれ複数個配列することにより形成された発光ダイオード照明装置において、
上記赤色発光の発光ダイオード、上記緑色発光の発光ダイオードおよび上記青色発光の発光ダイオードのうちの少なくとも一種類の発光ダイオードが、大きさが20μm以下の同種類の複数の微小発光ダイオードが一体のヒートシンク上に互いに分離された状態で搭載されてなる集積型発光ダイオードである
ことを特徴とするものである。
第6の発明においては、その性質に反しない限り、第1、第3および第5の発明に関連して説明したことが成立する。
まず、この発明の第1の実施形態による集積型LEDについて説明する。
図1〜図11はこの集積型LEDの製造方法を示し、図12は集積型LEDの完成状態を示す。ここで、図1〜図6および図10〜図12のAは平面図、Bは断面図である。
次に、図6に示すように、上記の円柱部の間の部分に発光波長の光に対して透明な透明絶縁材料19を埋め込む。この透明絶縁材料19は例えば透明樹脂などである。
次に、図9に示すように、このようにしてサファイア基板11から剥離されたもののn型GaN層12、13をHClなどを用いてウエットエッチングしたり、さらにラッピングを行ったりすることにより除去してn型GaN層15の裏面を露出させる。この時点で各マイクロGaN系LEDは相互に分離される。
次に、円柱状のマイクロGaN系LEDが集積された半導体基板20を図11に示す1チップ領域の形状に切り出してチップ化する。これによって、図12に示すように、複数の円柱状のマイクロGaN系LEDがヒートシンクである半導体基板20上に集積された集積型LEDチップが得られる。この集積型LEDチップの大きさは、従来のLEDチップの大きさと同様に、300μm程度またはそれ以下とすることができる。この集積型LEDチップに含まれるマイクロGaN系LEDの個数は、その直径や配列ピッチにもよるが、例えば10〜50個程度である。
図14〜図16はこの集積型LEDの製造方法を示し、図17は集積型LEDの完成状態を示す。ここで、図14〜図17のAは平面図、Bは断面図である。
図14に示すように、まず、例えば主面がC+面であるサファイア基板11を用意し、サーマルクリーニングなどによりその表面を清浄化した後、このサファイア基板11上に例えばMOCVD法により例えば成長温度500℃でGaNバッファ層(図示せず)を成長させる。その後、基板温度を1000℃程度まで昇温してGaNバッファ層を結晶化し、その上に第1の実施形態と同様にn型GaN層15、MQW構造の活性層16およびp型GaN層17を成長させる。
次に、図16に示すように、p側電極18をマスクとして例えばRIE法によりサファイア基板11が露出するまでエッチングを行う。こうして、n型GaN層15、活性層16およびp型GaN層17が円柱状に加工される。この円柱部が一つのマイクロGaN系LEDを構成する。
この後、第1の実施形態と同様に、上記の円柱部の間の部分に発光波長の光に対して透明な透明絶縁材料19を埋め込む工程以降の工程を実行する。これによって、図17に示すように、複数の円柱状のマイクロGaN系LEDがヒートシンクである半導体基板20上に集積された集積型LEDチップが得られる。
この第2の実施形態によれば、第1の実施形態と同様な利点を得ることができる。
図18〜図20はこの集積型LEDの製造方法を示し、図21は集積型LEDの完成状態を示す。ここで、図18〜図20のAは平面図、Bは断面図である。
図18に示すように、まず、n型GaAs基板24を用意し、例えばMOCVD法により、まずn型GaAsバッファ層を成長させ、その上にn型AlGaInP層25、活性層26およびp型AlGaInP層27を順次成長させる。ここで、n型AlGaInP層25およびp型AlGaInP層27は、例えば(Al0.65Ga0.35)0.5 In0.5 Pからなる。また、活性層26は例えばGa0.5 In0.5 Pからなる。p型AlGaInP層27上には通常、p型GaAsコンタクト層が形成されるが、その図示を省略する。
次に、図20に示すように、p側電極18をマスクとして例えばRIE法によりn型GaAs基板24が露出するまでエッチングを行う。こうして、n型AlGaInP層25、活性層26およびp型AlGaInP層27が円柱状に加工される。この円柱部が一つのマイクロAlGaInP系LEDを構成する。
次に、上記の円柱部の間の部分に発光波長の光に対して透明な透明絶縁材料19を埋め込む。
次に、n型GaAs基板24をその裏面側からラッピングすることにより薄くした後、n型AlGaInP層25に対してn型GaAs基板24を選択的にエッチングすることができるエッチング方法を用いて残りのn型GaAs基板24をエッチング除去する。こうして、n型AlGaInP層25からp側電極18までの部分が分離される。この時点で各マイクロAlGaInP系LEDは相互に分離される。
この第3の実施形態によれば、第1の実施形態と同様な利点を得ることができる。
図22〜図27はこの集積型LEDの製造方法を示し、図28は集積型LEDの完成状態を示す。ここで、図22〜図24および図28のAは平面図、Bは断面図である。
この第4の実施形態においては、第1の実施形態と同様に工程を進めてp側電極18の形成まで行った後、図22に示すように、このp側電極18をマスクとしてn型GaN層13の厚さ方向の途中の深さまでエッチングを行い、n型GaN層15、活性層16およびp型GaN層17を円柱状に加工する。
次に、基板全面に例えばSiO2 膜を形成し、さらにこのSiO2 膜上にリソグラフィーにより所定形状のレジストパターンを形成した後、このレジストパターンをマスクとしてSiO2 膜をエッチングすることにより、一つのp側電極18とそれに隣接する一つのn側電極22とを含む長方形の区画に分けるように縦横に走る溝を形成する。次に、レジストパターンを除去した後、こうして溝が形成されたSiO2 膜をマスクとして例えばRIE法によりサファイア基板11が露出するまでエッチングする。これによって、図24に示すように、サファイア基板11に達する溝28が形成される。
次に、図27に示すように、このようにしてサファイア基板11から剥離されたもののn型GaN層12、13をHClなどを用いてウエットエッチングしたり、さらにラッピングを行ったりすることにより除去してn型GaN層15の裏面を露出させる。この時点で各マイクロGaN系LEDは相互に分離される。
この第4の実施形態によれば、第1の実施形態と同様な利点を得ることができる。
図29に示すように、この集積型LEDにおいては、第2の実施形態または第3の実施形態と同様なプロセスで製造されたバー状の青色発光集積型LED33、緑色発光集積型LED34および赤色発光集積型LED35がそれらの側面で互いに接合されて一体化され、透明電極からなるn側電極22上にパッド電極23が形成されている。これらの青色発光集積型LED33、緑色発光集積型LED34および赤色発光集積型LED35においては、それらのp側電極18およびn側電極22間に互いに独立に電圧を印加することができるようになっており、互いに独立駆動することができるようになっている。
この第5の実施形態によれば、第1の実施形態と同様な利点を得ることができるほか、赤色、緑色、青色発光のハイパワーLEDを得ることができる。
図30に示すように、この集積型LEDは、第2の実施形態と同様なプロセスで製造されたバー状の形状を有する。この場合、n側電極22上のパッド電極23はバーの長手方向に延在して形成する。
この第6の実施形態によれば、第1の実施形態と同様な利点を得ることができるほか、線状光源を得ることができる。
図31に示すように、この表示装置においては、第2の実施形態と同様なプロセスで製造されたバー状の集積型LED36〜39が基板上に文字型(図ではH、I)に配置されている。そして、これらの集積型LED36〜39を点灯させることにより、文字を表示することができるようになっている。
この第7の実施形態によれば、集積型LED36〜39の組み合わせにより、高輝度のLEDディスプレイを得ることができる。
例えば、上述の第1〜第5の実施形態において挙げた数値、材料、構造、形状、基板、原料、プロセスなどはあくまでも例に過ぎず、必要に応じて、これらと異なる数値、材料、構造、形状、基板、原料、プロセスなどを用いてもよい。
また、第1、第2および第4の実施形態においては、成長基板としてサファイア基板を用いているが、必要に応じて、すでに述べたSiC基板、Si基板などの他の基板を用いてもよい。
また、第4の実施形態において、はんだバンプ31、32の代わりに単なるはんだ層を用いてもよい。
Claims (26)
- 大きさが20μm以下の同種類の複数の微小発光ダイオードが一体のヒートシンク上に互いに分離された状態で搭載されてなることを特徴とする集積型発光ダイオード。
- 上記複数の微小発光ダイオードは発光波長が互いに同一であることを特徴とする請求項1記載の集積型発光ダイオード。
- 上記微小発光ダイオードは円柱状の形状を有することを特徴とする請求項1記載の集積型発光ダイオード。
- 上記微小発光ダイオードは第1導電型の第1の半導体層、活性層および第2導電型の第2の半導体層が順次積層された構造を有し、上記微小発光ダイオードが上記第1の半導体層側を下にして上記ヒートシンク上に搭載されていることを特徴とする請求項1記載の集積型発光ダイオード。
- 上記第1の半導体層が上記ヒートシンクと電気的に接続されていることを特徴とする請求項4記載の集積型発光ダイオード。
- 上記複数の微小発光ダイオードの間の部分に発光波長の光に対して透明な絶縁体が埋め込まれていることを特徴とする請求項1記載の集積型発光ダイオード。
- 上記複数の微小発光ダイオードの上記第2の半導体層上に透明電極層が形成されていることを特徴とする請求項4記載の集積型発光ダイオード。
- 上記第1の半導体層、上記活性層および上記第2の半導体層が実質的に無転位であることを特徴とする請求項4記載の集積型発光ダイオード。
- 上記第1の半導体層と電気的に接続された第1の電極および上記第2の半導体層と電気的に接続された第2の電極を上記複数の微小発光ダイオードの上記ヒートシンク側に有することを特徴とする請求項4記載の集積型発光ダイオード。
- 上記第1の半導体層、上記活性層および上記第2の半導体層が窒化物系III−V族化合物半導体からなることを特徴とする請求項4記載の集積型発光ダイオード。
- 上記第1の半導体層、上記活性層および上記第2の半導体層がAlGaInP系III−V族化合物半導体からなることを特徴とする請求項4記載の集積型発光ダイオード。
- 大きさが20μm以下の三種類以上の複数の微小発光ダイオードが一体のヒートシンク上に互いに分離された状態で搭載されてなることを特徴とする集積型発光ダイオード。
- 上記三種類以上の複数の微小発光ダイオードは発光波長が互いに異なることを特徴とする請求項12記載の集積型発光ダイオード。
- 上記微小発光ダイオードは円柱状の形状を有することを特徴とする請求項12記載の集積型発光ダイオード。
- 少なくとも一種類の上記微小発光ダイオードは第1導電型の第1の半導体層、活性層および第2導電型の第2の半導体層が順次積層された構造を有し、上記微小発光ダイオードが上記第1の半導体層側を下にして上記ヒートシンク上に搭載されていることを特徴とする請求項12記載の集積型発光ダイオード。
- 少なくとも一種類の上記微小発光ダイオードの上記第1の半導体層が上記ヒートシンクと電気的に接続されていることを特徴とする請求項15記載の集積型発光ダイオード。
- 上記複数の微小発光ダイオードの間の部分に全ての種類の上記微小発光ダイオードの発光波長の光に対して透明な絶縁体が埋め込まれていることを特徴とする請求項15記載の集積型発光ダイオード。
- 少なくとも一種類の上記複数の微小発光ダイオードの上記第2の半導体層上に透明電極層が形成されていることを特徴とする請求項15記載の集積型発光ダイオード。
- 上記第1の半導体層、上記活性層および上記第2の半導体層が実質的に無転位であることを特徴とする請求項15記載の集積型発光ダイオード。
- 上記第1の半導体層と電気的に接続された第1の電極および上記第2の半導体層と電気的に接続された第2の電極を上記複数の微小発光ダイオードの上記ヒートシンク側に有することを特徴とする請求項15記載の集積型発光ダイオード。
- 上記第1の半導体層、上記活性層および上記第2の半導体層が窒化物系III−V族化合物半導体からなることを特徴とする請求項15記載の集積型発光ダイオード。
- 上記第1の半導体層、上記活性層および上記第2の半導体層がAlGaInP系III−V族化合物半導体からなることを特徴とする請求項15記載の集積型発光ダイオード。
- 大きさが20μm以下の同種類の複数の微小発光ダイオードが一体のヒートシンク上に互いに分離された状態で搭載されてなる集積型発光ダイオードの製造方法であって、
基板上に第2導電型の第2の半導体層、活性層および第1導電型の第1の半導体層を順次成長させる工程と、
上記第1の半導体層上に第1の電極を形成する工程と、
上記第1の電極をマスクとして上記第2の半導体層、上記活性層および上記第1の半導体層をエッチングすることにより大きさが20μm以下の複数の微小発光ダイオードを形成する工程と、
上記複数の微小発光ダイオードの上記第1の電極上にヒートシンクを貼り合わせる工程と、
上記基板を除去する工程と、
上記複数の微小発光ダイオードの上記第2の半導体層上に第2の電極を形成する工程とを有することを特徴とする集積型発光ダイオードの製造方法。 - 大きさが20μm以下の同種類の複数の微小発光ダイオードが一体のヒートシンク上に互いに分離された状態で搭載されてなる集積型発光ダイオードの製造方法であって、
基板上に第2導電型の第2の半導体層、活性層および第1導電型の第1の半導体層を順次成長させる工程と、
上記第1の半導体層上に第1の電極を形成する工程と、
上記第1の電極をマスクとして上記第2の半導体層、上記活性層および上記第1の半導体層をエッチングすることにより大きさが20μm以下の複数の微小発光ダイオードを形成する工程と、
上記複数の微小発光ダイオードの上記第2の半導体層上に第2の電極を形成する工程と、
上記複数の微小発光ダイオードの上記第1の電極および上記第2の電極上にヒートシンクを貼り合わせる工程と、
上記基板を除去する工程とを有することを特徴とする集積型発光ダイオードの製造方法。 - 赤色発光の発光ダイオード、緑色発光の発光ダイオードおよび青色発光の発光ダイオードを基板上にそれぞれ複数個配列することにより形成された発光ダイオードディスプレイにおいて、
上記赤色発光の発光ダイオード、上記緑色発光の発光ダイオードおよび上記青色発光の発光ダイオードのうちの少なくとも一種類の発光ダイオードが、大きさが20μm以下の同種類の複数の微小発光ダイオードが一体のヒートシンク上に互いに分離された状態で搭載されてなる集積型発光ダイオードである
ことを特徴とする発光ダイオードディスプレイ。 - 赤色発光の発光ダイオード、緑色発光の発光ダイオードおよび青色発光の発光ダイオードを基板上にそれぞれ複数個配列することにより形成された発光ダイオード照明装置において、
上記赤色発光の発光ダイオード、上記緑色発光の発光ダイオードおよび上記青色発光の発光ダイオードのうちの少なくとも一種類の発光ダイオードが、大きさが20μm以下の同種類の複数の微小発光ダイオードが一体のヒートシンク上に互いに分離された状態で搭載されてなる集積型発光ダイオードである
ことを特徴とする発光ダイオード照明装置。
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