JP2014116392A - 半導体発光素子アレイおよび車両用灯具 - Google Patents

Abstract

【課題】発光品質、および、発光量が良好な半導体発光素子アレイを提供する。
【解決手段】発光品質および発光量が良好な半導体発光素子アレイ１００は、支持基板１０に第１の方向に沿って配列する複数の半導体発光素子を具備する半導体発光素子アレイであって、複数の半導体発光素子各々は、第１の導電領域１２ａ、および、該第１の導電領域と電気的に絶縁する第２の導電領域１２ｂ、を含む導電層と、第１の導電領域上に配置される下側電極と、下側電極上に配置される本体部２ａ、該本体部と連続的に形成され、第２の導電領域上方に張り出す張り出し部２ｂ、および、該張り出し部を貫通して該第２の導電領域を覗く複数の貫通部を備える光半導体積層２と、光半導体積層上に配置され、複数の貫通部各々を通って、第２の導電領域と電気的に接続する複数の上側電極と、を含む。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体発光素子アレイ、およびそれを用いた車両用灯具に関する。

ＧａＮ（ガリウム・窒素）等の窒化物半導体を用いた半導体発光素子は、紫外光ないし青色光を発光することができ、さらに蛍光体を利用することにより白色光を発光することができる。このような半導体発光素子は、たとえば、ｐ型ＧａＮ層，ＧａＮ系活性層およびｎ型ＧａＮ層を有する光半導体積層と、当該光半導体積層に電流を流すための電極と、を含み、たとえば照明などに用いられる。

高い光出力が求められる照明、たとえば車両用灯具に半導体発光素子を用いる場合、発熱の抑制ないし輝度ムラの均一化の観点から、一般的に、複数の半導体発光素子を電気的に直列に接続して用いる（直列接続型半導体発光素子アレイ）。

ＧａＮ系光半導体積層を成長させるための基板として、一般的にサファイア基板が用いられる。しかし、サファイア基板は、熱伝導率が比較的低く放熱性が劣るため、大電流が投入されるデバイスの支持基板には相応しくない。そこで、近年は、サファイア基板にＧａＮ系光半導体積層を成長させた後、当該光半導体積層を放熱性に有利なシリコン基板などに接着して、サファイア基板をレーザーリフトオフや研磨などにより除去する方法が開発されている（たとえば、特許文献１）。

特開２０１０−０５６４５８号公報

成長基板を除去した光半導体積層表面には、その光半導体積層に電流を流すための電極が形成される。光半導体積層に電流を一様に流し、発光分布を均一にするためには、光半導体積層表面の単位面積当たりの電極面積を大きくすることが好ましい。しかしながら、単位面積当たりの電極面積が大きい場合、光半導体積層表面から放出される光のうち、電極により遮光されてしまう光の割合が多くなり、実効的な発光量が減少してしまう。

本発明の目的は、従来よりも発光品質および発光量が良好な半導体発光素子アレイを提供することにある。

本発明の主な観点によれば、支持基板、および、該支持基板上に、第１の方向に沿って配列する複数の半導体発光素子を具備する半導体発光素子アレイであって、前記複数の半導体発光素子各々は、前記支持基板上に配置され、第１の導電領域、および、該第１の導電領域と、前記第１の方向と直交する方向に間隔を空けて配置され、該第１の導電領域と電気的に絶縁する第２の導電領域、を含む導電層と、前記第１の導電領域上に配置され、該第１の導電領域と電気的に導通する下側電極と、前記下側電極上に配置される本体部、該本体部と連続的に形成され、前記第２の導電領域上方に張り出す張り出し部、および、該張り出し部を貫通して該第２の導電領域を覗く複数の貫通部を備え、前記導電層側から順に、第１導電型を有する第１半導体層、活性層、および、該第１導電型とは異なる第２導電型を有する第２半導体層が積層する光半導体積層と、前記光半導体積層上に配置され、前記複数の貫通部各々を通って、前記第２の導電領域と電気的に接続する複数の上側電極と、を含む半導体発光素子アレイ、が提供される。

従来よりも発光品質および発光量が良好な半導体発光素子アレイを得ることができる。

図１Ａ〜図１Ｃは、参考例による半導体発光素子アレイを示す平面図および断面図である。 図２Ａ〜図２Ｃは、実施例による半導体発光素子アレイを示す平面図，断面図および透視平面図である。 、 、 および、 図３Ａ〜図３Ｎは、実施例による半導体発光素子アレイを製造する様子を示す断面図である。 図４Ａ〜図４Ｃは、実施例による半導体発光素子アレイの変形例を示す透視平面図および断面図である。 図５Ａおよび図５Ｂは、実施例による半導体発光素子アレイを組み込んだ車両用灯具（ヘッドランプ）の構成を示す概念図である。

図１Ａは、参考例による半導体発光素子アレイ（ＬＥＤアレイ）２００を示す概略平面図である。なお、図中に示す各構成の相対的なサイズは、実際のものとは異なっている。

参考例によるＬＥＤアレイ２００は、支持基板２１０と、支持基板２１０上に配列する、たとえば４つの半導体発光素子（ＬＥＤ素子）２０１とを含む構成である。ＬＥＤアレイ２００は、たとえば、ＬＥＤ素子が配列する方向に沿う幅が６０００μｍ、その方向と直交する方向に沿う幅が１０００μｍの矩形状である。

個々のＬＥＤ素子２０１は、ｎ型およびｐ型のＧａＮ系半導体を含む光半導体積層２０２を有し、光半導体積層２０２のｎ型半導体が第１電極２０８と電気的に接続し、光半導体積層２０２のｐ型半導体が第２電極２１１と電気的に接続する。所定のＬＥＤ素子２０１の第１電極２０８は、その隣接するＬＥＤ素子の第２電極２１１と電気的に接続する。これにより、複数のＬＥＤ素子２０１は、電気的に直列に接続される。直列接続する複数のＬＥＤ素子２０１には、支持基板２１０の両端部に設けられた給電パッド２１５，２１６から電力が供給される。

図１Ｂおよび図１Ｃは、ＬＥＤアレイ２００の一部を示す拡大平面図、および、図１Ｂに示すＬＥＤアレイ２００のＩＣ−ＩＣ断面を示す断面図である。以下では、支持基板２１０上に配列する複数のＬＥＤ素子のうち、所定のＬＥＤ素子（第１のＬＥＤ素子２０１ａ）、および、それに隣接するＬＥＤ素子（第２のＬＥＤ素子２０１ｂ）の構成について説明する。ただし、第１および第２のＬＥＤ素子以外のＬＥＤ素子についても、同様の構成を有しているものとする。

第１および第２のＬＥＤ素子２０１ａ，２０１ｂは、図１Ｂに示すように、たとえば、複数のＬＥＤ素子が配列する方向（ｘ軸方向）に延在する矩形状の平面形状を有している。ＬＥＤ素子の寸法は、たとえば、複数のＬＥＤ素子が配列する方向に沿う幅が１４００μｍであり、その方向と直交する方向に沿う幅が９００μｍである。

第１および第２のＬＥＤ素子２０１ａ，２０１ｂ各々は、図１Ｃに示すように、ｐ型ＧａＮ層２２４，活性層２２３およびｎ型ＧａＮ層２２２からなるＧａＮ系光半導体積層２０２と、光半導体積層２０２の裏面（基板側、ないし図面下側）に形成されたｐ側電極２０３と、ｐ側電極２０３と同一平面上に並んで形成されたエッチストップ層２０４と、光半導体積層２０２の表面（基板の反対側、ないし図面上側）に選択的に形成されたｎ側電極（第１電極）２０８と、を有する。なお、図中において、第２のＬＥＤ素子２０１ｂの各構成の一部は、便宜的に符号を省略している。

エッチストップ層２０４は、ＬＥＤ素子（ないしＬＥＤアレイ）の製造工程において、エッチストッパとして機能する層である。エッチストップ層２０４は、電気絶縁性を有する。

第１および第２のＬＥＤ素子２０１ａ，２０１ｂ（ないし光半導体積層２０２）は、それらの側面が支持基板２１０に向かって徐々に、隣接するＬＥＤ素子に近づくような断面形状を有している。このような形状を、順テーパ形状と呼ぶこととする。

第１および第２のＬＥＤ素子２０１ａ，２０１ｂ各々は、表面に絶縁膜２０９が形成された支持基板２１０上に、第１の接着層２０５および第２の接着層２０６からなる融着層２１２を介して、配置される。融着層２１２は、電気伝導性を有し、ｐ側電極２０３と電気的に導通する。

ここで、第１のＬＥＤ素子２０１ａと支持基板２１０とを融着し、第１のＬＥＤ素子２０１ａを支持する融着層２１２を、第１の融着層２１２ａと呼ぶこととする。また、第２のＬＥＤ素子２０１ａと支持基板２１０とを融着し、第２のＬＥＤ素子２０１ｂを支持する融着層２１２を、第２の融着層２１２ｂと呼ぶこととする。第１の融着層２１２ａと、第２の融着層２１２ｂとの間には溝領域２１３が形成されており、第１および第２の融着層２１２ａ，２１２ｂは、電気的に絶縁されている。第１の融着層２１２ａは、平面視において、第２のＬＥＤ素子２０１ｂ側に、第１のＬＥＤ素子２０１ａからはみ出す露出領域（第２電極）２１１を有している。

第１および第２のＬＥＤ素子２０１ａ，２０１ｂの側面（ないしそれらの光半導体積層２０２およびエッチストップ層２０４の側面）、第１および第２の融着層２１２ａ，２１２ｂの側面、および、溝領域２１３の底面（ないし第１および第２の融着層２１２ａ，２１２ｂの間に露出する支持基板２１０の表面）には、露出領域２１１を除いて、電気絶縁性を有する保護膜２０７が形成されている。さらに、保護膜２０７の表面には、ｎ側電極２０８と連続する配線電極２１４が形成されている。配線電極２１４は、第２のＬＥＤ素子２０１ｂのｎ側電極２０８と、第１の導電領域２１２ａの露出領域２１１（つまり、第１のＬＥＤ素子２０１ａのｐ側電極２０３）と、を電気的に接続する。これにより、第１および第２のＬＥＤ素子２０１ａ，２０１ｂは、電気的に直列に接続される。

ｎ側電極２０８は、図１Ｂに示すように、複数のＬＥＤ素子が配列する方向（ｘ軸方向）に延在し、光半導体積層２０２表面の一端側に配置される共通部２０８ａと、共通部２０８ａが延在する方向と直交する方向（ｙ軸方向）に延在し、一端側において共通部２０８ａと電気的に接続する櫛歯部２０８ｂと、を含む櫛歯状の平面形状を有している。第１のＬＥＤ素子２０１ａにおいて、共通部２０８ａは、光半導体積層２０２表面のｙ軸負方向側の端部に配置されており、櫛歯部２０８ｂは、共通部２０８ａからｙ軸正方向に延在している。第２のＬＥＤ素子２０１ｂにおいて、共通部２０８ａは、光半導体積層２０２表面のｙ軸正方向側の端部に配置されおり、櫛歯部２０８ｂは、共通部２０８ａからｙ軸負方向に延在している。配線電極２１４は、第１のＬＥＤ素子２０１ａの露出領域２１１と、第２のＬＥＤ素子２０１ｂの共通部２０８ａとを電気的に接続している。

第１および第２のＬＥＤ素子２０１ａ，２０１ｂ各々において、ｎ側電極２０８から光半導体積層２０２に注入される電子は、活性層２２３においてｐ側電極２０３から注入される正孔と再結合する（つまり、光半導体積層２０２中の電流は、ｐ側電極からｎ側電極へと流れる）。そして、この再結合にかかるエネルギが光として光半導体積層２０２表面（ｎ型ＧａＮ層２２２）から放出される。

光半導体積層２０２中の電流分布は、櫛歯部２０８ｂの配線抵抗の影響により、櫛歯部２０８ｂの根元付近（共通部２０８ａ近傍）の領域で相対的に大きく、櫛歯部２０８ｂの先端付近の領域で相対的に小さい。このため、光半導体積層２０２表面から放出される発光量は、櫛歯部２０８ｂの根元付近の領域で相対的に多く、櫛歯部２０８ｂの先端付近の領域で相対的に少ない。隣接するＬＥＤ素子において、共通部２０８ａが配置される位置を、光半導体積層２０２表面におけるｙ軸正方向側の端部とｙ軸負方向側の端部とで反転させることにより、ＬＥＤアレイを巨視的に見たときに、ｙ軸正方向側端部とｙ軸負方向側端部との発光量の違い（発光分布）を緩和することができる。

光半導体積層２０２から櫛歯部２０８ｂに流れる電流は、共通部２０８ａにおいて合流し、配線電極２１４を介して、隣接するＬＥＤ素子の露出領域２１１へと流れる。配線抵抗による電圧降下を抑制するため、少なくとも共通部２０８ａのｙ軸方向に沿う幅Ｗｓは、櫛歯部２０８ｂのｘ軸方向に沿う幅Ｗｃよりも太いことが好ましい。しかしながら、共通部２０８ａの幅Ｗｓを太くすると、光半導体積層２０２表面（ｎ型ＧａＮ層２２２）から放出される光のうち、共通部２０８ａにより遮光されてしまう光の割合が多くなってしまう。そのため、光半導体積層２０２表面から放出される実効的な発光量は減少してしまう。また、光半導体積層２０２表面において、共通部２０８ａが配置される領域と、共通部２０８ａが配置されていない領域とで、発光量の違い（発光分布）が顕著になってしまう。

図２Ａおよび図２Ｂは、本発明の実施例によるＬＥＤアレイ１００の一部を示す概略平面図、および、図２Ａに示すＬＥＤアレイ１００のＩＩＢ−ＩＩＢ断面を示す断面図である。なお、図２Ｂは、ＬＥＤアレイ１００における第２のＬＥＤ素子１０１ｂの断面構成を示すが、第１のＬＥＤ素子１０１ａについても同様の断面構成を有するものとする。

また、図２Ｃに、ＬＥＤアレイ１００における融着層１２（特に第２の接着層６）の平面形状を示す。なお、図２Ｃでは、融着層１２に上方に配置される光半導体積層２およびｎ側電極８等を点線により示している。

以下、図２Ａ〜図２Ｃを参照しながら、本発明の実施例によるＬＥＤアレイの構成について、参考例によるＬＥＤアレイとの差異を主に説明する。

図２Ａおよび図２Ｂに示すように、実施例によるＬＥＤアレイ１００は、参考例によるＬＥＤアレイと同様に、相互に隣接する第１および第２のＬＥＤ素子１０１ａ，１０１ｂを含む複数のＬＥＤ素子が、表面に絶縁膜９が形成された支持基板１０上に、配列した構成を有する。第１および第２のＬＥＤ素子１０１ａ，１０１ｂ各々は、支持基板１０上に、第１および第２の接着層５，６からなる融着層１２を介して、配置される。また、第１および第２のＬＥＤ素子１０１ａ，１０１ｂ各々も、参考例によるＬＥＤ素子と同様に、ｐ型ＧａＮ層２４、活性層２３、およびｎ型ＧａＮ層２２からなる光半導体積層２と、ｐ側電極３と、エッチストップ層４と、ｎ側電極８と、を含む構成である。

図２Ｂおよび図２Ｃに示すように、第１および第２のＬＥＤ素子１０１ａ，１０１ｂ各々と支持基板１０とを融着する融着層１２は、第１の導電領域１２ａと、隙間領域１８を介して第１の導電領域１２ａと電気的に絶縁する第２の導電領域１２ｂと、を有する。第１および第２の導電領域１２ａ，１２ｂは、第１および第２のＬＥＤ素子１０１ａ，１０１ｂが配列する方向（ｘ軸方向）と直交する方向（ｙ軸方向）に沿って配置される。第１および第２の導電領域１２ａ，１２ｂは、櫛歯状の平面形状を有し、互いの櫛歯が噛み合うように配置されている。ｐ側電極３は、第１の導電領域１２ａ上に配置され、第１の導電領域１２ａと電気的に導通している。

また、光半導体積層２は、第１の導電領域１２ａ（およびｐ側電極３）上方に配置される本体部２ａと、本体部２ａと連続的に形成され、第２の導電領域１２ｂ上方に張り出す張り出し部２ｂと、を有する。張り出し部２ｂは、電気絶縁性を有するエッチストップ層４を介して、第２の導電領域１２ｂに支持される。張り出し部２ｂ、特にそのｐ型ＧａＮ層２４は、第２の導電領域１２ｂと直接的には導通していない。

さらに、光半導体積層２の張り出し部２ｃおよびそれを支持するエッチストップ層４には、第２の導電領域１２ｂの櫛歯部分各々を覗く複数の穴部２ｈが設けられている。穴部２ｈ各々は、それぞれ独立して設けられており、たとえば、支持基板１０に向かって徐々に開口面積が小さくなる四角錐状である。なお、穴部２ｈ各々は、たとえば、支持基板１０に向かって徐々に開口面積が小さくなる円錐状であってもよい。

光半導体積層２において、主に発光に寄与する領域は、第１の導電領域１２ａの直上に対応する領域である。第１および第２の導電領域１２ａ，１２ｂの平面形状を櫛歯形状とし、穴部２ｈ直下の領域以外の領域に第１の導電領域１２ａが配置されるようにすることにより、光半導体積層２における発光に寄与する領域を増やすことができる。

穴部２ｈの内側面には、絶縁性保護膜７を介して、配線電極１４が形成されている。ｎ側電極８は、光半導体積層２（ｎ型ＧａＮ層２２）上に、穴部２ｈからｙ軸方向に沿って延在するように形成されている。配線電極１４は、光半導体積層２上に配置されるｎ側電極８と、第２の導電領域１２ｂとを電気的に接続する。穴部２ｈ各々から延在する配線電極１４は、光半導体積層２（ｎ型ＧａＮ層２２）上においてそれぞれ独立に形成されている。ｎ側電極８およびそれと連続的に形成される配線電極１４は、光半導体積層２（ｎ型ＧａＮ層２２）表面から穴部２ｈを通って、第２の導電領域１２ｂと電気的に接続する。

図２Ａおよび図２Ｃに示すように、第１のＬＥＤ素子１０１ａにおいて、第１の導電領域１２ａは、支持基板１０表面のｙ軸正方向側に配置され、第２の導電領域１２ｂは、支持基板１０表面のｙ軸負方向側に配置される。また、第２のＬＥＤ素子１０１ｂにおいて、第１の導電領域１２ａは、支持基板１０表面のｙ軸負方向側に配置され、第２の導電領域１２ｂは、支持基板１０表面のｙ軸正方向側に配置される。第１のＬＥＤ素子１０１ａにおける第１の導電領域１２ａ、および、第２のＬＥＤ素子１０１ｂにおける第２の導電領域１２ｂは、送電電極１７により電気的に接続されている。これにより、第１および第２のＬＥＤ素子１０１ａ，１０１ｂは、電気的に直列に接続される。

なお、第１のＬＥＤ素子１０１ａにおける第２の導電領域１２ｂは、送電電極１７を介して、第２のＬＥＤ素子１０１ｂとは反対側に隣接するＬＥＤ素子の第１の導電領域と電気的に接続する。また、第２のＬＥＤ素子１０１ｂにおける第１の導電領域１２ａは、送電電極１７を介して、第１のＬＥＤ素子１０１ａとは反対側に隣接するＬＥＤ素子の第２の導電領域と電気的に接続する。

光半導体積層２からｎ側電極８に流れる電流は、穴部２ｈの内側面を覆って形成された配線電極１４を通って第２の導電領域１２ｂで合流し、送電電極１７を介して、隣接するＬＥＤ素子の第１の導電領域１２ａへと流れる。第２の導電領域１２ｂおよび送電電極１２ａは、光半導体積層２上に形成されていないため、配線抵抗による電圧降下抑制のためにより太く形成しても、光半導体積層２表面から放出される発光量が減少することはない。

なお、光半導体積層２において発光に寄与する領域は、光半導体積層２の直下にｐ側電極３が形成されている領域、つまり本体部２ａが主である。光半導体積層２の直下にｐ側電極が形成されていない領域、つまり主に張り出し部２ｂは発光に寄与しない。しかしながら、本体部２ａの活性層２３において放出された光の一部は、本体部２ａおよび張り出し部２ｂ中を伝播して、張り出し部２ｂ表面（ｎ型ＧａＮ層２２）からも放出される。したがって、光半導体積層２の一部に面積が相対的に大きい電極（ｎ側電極の共通部）が形成され、その電極により光半導体積層からの光が遮光されてしまう参考例によるＬＥＤアレイ（図１参照）よりも、光半導体積層２に面積が相対的に大きい電極が形成されていない実施例によるＬＥＤアレイ１００のほうが、発光分布が均一になる。

以下、図３Ａ〜図３Ｎを参照して、実施例によるＬＥＤアレイ１００の製造方法について、ｎ側電極と第２の導電領域とが電気的に接続する領域、つまり、光半導体積層の穴部近傍の領域を中心に説明する。なお、図中に示す各構成の相対的なサイズは、実際のものとは異なっている。

まず、図３Ａに示すように、サファイアからなる成長基板１を準備し、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法を用いて窒化物系半導体からなる光半導体積層２を形成する。具体的には、例えば、サファイア基板１をＭＯＣＶＤ装置に投入後、サーマルクリーニングを行い、ＧａＮバッファ層２０及びアンドープのＧａＮ層２１を成長した後に、Ｓｉ等をドープした膜厚５μｍ程度のｎ型ＧａＮ層２２、ＩｎＧａＮ量子井戸層を含む多重量子井戸発光層（活性層）２３、Ｍｇ等をドープした膜厚０．５μｍ程度のｐ型ＧａＮ層２４を順次成長させる。成長基板１は、ＧａＮのエピタキシャル成長が可能な格子定数を有する単結晶基板であり、後工程においてレーザーリフトオフによる基板剥離を可能にするよう、ＧａＮの吸収端波長である３６２ｎｍの光に対して透明なものから選択される。サファイア以外に、スピネル、ＳｉＣ、ＺｎＯ等を用いても良い。

その後、光半導体積層２表面（ｐ型ＧａＮ層２４表面）に、電子ビーム蒸着法により膜厚２００ｎｍのＡｇ層を形成し、リフトオフ法等によりパターニングして、所定形状のｐ側電極３を形成する。ｐ側電極３を反射電極として機能させるためには、ｐ側電極３として、Ａｇ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｐｄ及びこれらの合金を用いることが好ましい。また、ｐ側電極３と光半導体積層２表面との間には、ＩＴＯ（インジウム錫酸化物）などのオーミック接合層を挟んでもよい。オーミック接合層を挟む場合には、そのオーミック接合層の側面を反射電極としてのｐ側電極３で覆うなどしてもよい。

次に、図３Ｂに示すように、ｐ側電極３の周辺の光半導体積層２上（ｐ型ＧａＮ層２４上）に、スパッタ法を用いてｐ側電極３と同じ膜厚のＳｉＯ_２からなるエッチストップ層４を形成する。エッチストップ層４は、図３Ｋを参照して後述するエッチング工程においてエッチストッパとして機能する。さらに、エッチストップ層４は、前述したように、最終的に製造されるＬＥＤアレイにおいて、ｐ側電極３ないし光半導体積層２（特にその張り出し部２ｂ，図２Ｂ参照）と第２の導電領域１２ｂとを直接的には電気的に絶縁しつつ、光半導体積層２（特にその張り出し部）を支持する機能を果たす。

次に、図３Ｃに示すように、ｐ側電極３及びエッチストップ層４を含む領域に、スパッタ法を用いて膜厚２００ｎｍのＡｕを形成し、リフトオフ法等によりパターニングして、所定形状の第１の接着層５を形成する。ここで、第１の接着層５は、エッチストップ層４の一部に、間隙５ｚが設けられるようにパターニングされる。第１の接着層５の一部が後工程で設ける穴部２ｈ各々に対応する位置で独立するように間隙５ｚは設けられる。

なお、ｐ側電極３及びエッチストップ層４を含む領域に、拡散防止層等を形成してから第１の接着層５を形成するようにしても良い。拡散防止層はｐ側電極３に用いた材質の拡散を防止するためのもので、ｐ側電極３にＡｇを含む場合には、Ｔｉ、Ｗ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ａｕ及びこれらの合金を用いることができる。

次に、図３Ｄに示すように、レジストマスク及び塩素ガスを用いたドライエッチング法を用いることにより、光半導体積層２を複数の素子に分割する。分割された光半導体積層２の側面は、成長基板１に対して順テーパ形状となる。

次に、図３Ｅに示すように、Ｓｉからなる支持基板１０を用意し、熱酸化処理を行い表面に絶縁膜（熱酸化ＳｉＯ２膜）９を形成する。支持基板１０は熱膨張係数がサファイア（７．５×１０−６／Ｋ）やＧａＮ（５．６×１０−６／Ｋ）に近く、熱伝導率が高い材料が好ましい。例えば、Ｓｉ、ＡｌＮ、Ｍｏ、Ｗ、ＣｕＷ等を用いることができる。絶縁膜９の膜厚は、絶縁性を確保する目的を達成できる厚さであればよい。

次に、絶縁膜９上に抵抗加熱蒸着法を用いて膜厚１μｍのＡｕＳｎ（Ｓｎ：２０ｗｔ％）からなる第２の接着層６を形成する。第１の接着層５の材質と第２の接着層６の材質は、融着接合が可能な、Ａｕ−Ｓｎ、Ａｕ−Ｉｎ、Ｐｄ−Ｉｎ、Ｃｕ−Ｉｎ、Ｃｕ−Ｓｎ、Ａｇ−Ｓｎ、Ａｇ−Ｉｎ、Ｎｉ−Ｓｎ等を含む金属や、拡散接合が可能なＡｕを含む金属を用いることができる。

図３Ｆ及び図３Ｇに示すように、第２の接着層６は、例えば、リフトオフ法を用いて形成することができる。まず、フォトレジスト（例えば、Ｃｌａｒｉａｎｔ Ｃｏ．製フォトレジストＡＺ５２００）を熱酸化処理した支持基板１０（絶縁膜９を表面に形成した支持基板１０）の全面に塗布し、９０℃以下に設定したホットプレートを用い、大気中で９０秒間程度のプリベークを行う。次いで、紫外光（ＵＶ光）を用い、ファースト露光量１７ｍＪとして、フォトレジストにパターンを露光する。露光後のフォトレジストを１２０℃の大気中で９０秒間程度のリバーサルベーク処理を行い、露光部を熱架橋させる。次に、反転露光量６００ｍＪとして、ＵＶ光を支持基板１０全面に照射する。さらに、現像液中に１３０秒間浸漬し、現像処理を行うことにより所望の（第２の接着層６となる部分以外に）フォトレジストパターンＰＲ１を形成する。このように形成されたフォトレジストパターンＰＲ１は、周縁部が支持基板１０に対して逆テーパ形状となる。なお、使用するレジスト及びフォトリソグラフィの条件は、適宜変更可能である。

次に、抵抗加熱蒸着法を用いて、Ｔｉ（１５０ｎｍ）／Ｎｉ（５０ｎｍ）／Ａｕ（１００ｎｍ）／Ｐｔ（２００ｎｍ）／ＡｕＳｎ（１０００ｎｍ、Ｓｎ：２０ｗｔ％）からなる金属積層６を成膜し、その後、リフトオフによって、図３Ｇに示すような端部が支持基板１０に対して順テーパ形状となる第２の接着層６を形成する。フォトレジストパターンＰＲ１が形成されていた領域は、間隙６ｚとなる。間隙６ｚによって隔てられた第２の接着層６は、平面視において、櫛歯状形状が互いに噛み合うような形状となっている。なお、第２の接着層６は、リフトオフ法以外にも、ドライエッチング法、ないし、ウエットエッチング法などを用いても形成することができる。

次に、図３Ｈに示すように、第１の接着層５と第２の接着層６とを、第１の接着層５の間隙５ｚと第２の接着層６の間隙６ｚが重なるように接触させ、圧力３ＭＰａで加圧した状態で３００℃に加熱して１０分間保持する。その後、室温まで冷却することにより融着接合を行う。この融着接合により融着層１２が形成される。また、第１の接客層５の間隙５ｚと第２の接着層６の間隙６ｚが一体化して、隙間領域１８が形成される。

融着層１２には、隙間領域１８を挟む一方の領域、つまり第１の導電領域１２ａ、および、隙間領域１８を挟む他方の領域、つまり第２の導電領域１２ｂが画定される。また、光半導体積層２には、第１の導電領域１２ａ上方に配置される本体部２ａ、および、本体部２ａと連続的に形成され、第２の導電領域１２ｂ上方に張り出す張り出し部２ｂが画定される。

その後、図３Ｉに示すように、ＵＶエキシマレーザの光をサファイア基板１の裏面側から照射し、バッファ層２０を加熱分解することで、レーザーリフトオフによるサファイア基板１の剥離を行う。なお、基板１の剥離あるいは除去は、エッチング等の別の手法を用いてもよい。

次に、図３Ｊに示すように、レーザーリフトオフにより発生したＧａを熱水などで除去し、その後塩酸で表面処理する。これにより、ｎ型Ｇａｎ層２２が露出する。表面処理には窒化物半導体をエッチングできるものであればよく、リン酸、硫酸、ＫＯＨ、ＮａＯＨなどの酸やアルカリなどの薬剤も用いることができる。また、表面処理はＡｒプラズマや塩素系プラズマを用いたドライエッチングや、研磨などで行ってもよい。さらに、ｎ型ＧａＮ層２２の表面をＲＩＥ等のドライエッチング装置を用いたＣｌ、Ａｒ処理又は、ＣＭＰ研磨装置を用いて平滑化を行いレーザー痕やレーザーダメージ層を除去する。なお、光取り出し効率を向上させる為に露出したｎ型ＧａＮ層２２表面には、凹凸加工を施す（光取り出し構造、ないしマイクロコーン構造を形成する）ようにしても良い。

次に、図３Ｋに示すように、光半導体積層２上に所定パターンのフォトレジストＰＲ２を形成する。その後、塩素ガスを用いたドライエッチング法により、フォトレジストＰＲ２から露出した光半導体積層２（張り出し部の一部）をエッチストップ層４が露出するまでエッチングする。これにより、光半導体積層２の張り出し部２ｃに、支持基板１０に向かって徐々に開口面積が小さくなる穴部２ｈが形成される。なお、穴部２ｈのサイズは、光半導体積層２表面において、一辺３０μｍ程度である。穴部２ｈが形成された後、フォトレジストＰＲ２は除去される。

次に、上述した工程で形成した素子の上面全体に、化学気相堆積（ＣＶＤ）等によりＳｉＯ_２からなる保護膜７を形成する。その後、ＣＦ_４／Ａｒ混合ガスを用いたドライエッチング法により、光半導体積層２表面に形成された保護膜７の一部、ならびに、光半導体積層２の穴部２ｈ底面の保護膜７およびエッチストップ層４の一部をエッチングする。これにより、図３Ｌに示すように、穴部２ｈの内側面全面に保護膜７が残り、また、穴部２ｈは、張り出し部２ｂ、さらにはエッチストップ層４をも貫通し、第２の導電領域１２ｂを覗くようになる。なお、保護膜７およびエッチストップ層４のエッチングには、ＢＨＦなどを用いたウエットエッチング法を用いてもよい。

次に、図３Ｍに示すように、電子ビーム蒸着法により、膜厚１ｎｍのＴｉ層、膜厚２００ｎｍのＡｌ層、膜厚１００ｎｍのＴｉ層、膜厚２μｍのＡｕ層をこの順序で積層し、リフトオフによってパターニングすることにより、ｎ型ＧａＮ層２２とオーミック接続するｎ側電極８、および、ｎ側電極８と第２の導電領域１２ｂとを接続する配線電極１４を形成する。ｎ側電極８の幅は、１０μｍ程度である。配線電極１４は、保護膜７を介して、穴部２ｃの内側面全面に形成される。ｎ側電極８および配線電極１４は、光半導体積層２（ｎ型ＧａＮ層２２）の表面から連続して形成され、穴部２ｈを通って、第２の導電領域１２ｂと電気的に接続する。

次に、図３Ｎに示すように、電子ビーム蒸着法などにより、相互に隣接するＬＥＤ素子の融着層を電気的に接続する送電電極１７を形成する。送電電極１７の幅は、１５μｍ〜２５μｍ程度である。その後、支持基板１０をレーザースクライブ又は、ダイシングにより分割する。

以上により、第１および第２のＬＥＤ素子１０１ａ，１０１ｂを含む複数のＬＥＤ素子を含むＬＥＤアレイが完成する。なお、青色ＧａＮの発光素子を白色化する場合には、発光素子を封止充填する樹脂に蛍光体（例えば、黄色発光）を入れる。

以下、実施例によるＬＥＤアレイの変形例について説明する。

図４Ａ〜図４Ｃは、実施例によるＬＥＤアレイ１００の変形例を示す平面図および断面図である。第１のＬＥＤ素子１０１ａにおける第１の導電領域１２ａと、第２のＬＥＤ素子１０１ｂにおける第２の導電領域１２ｂとは、図４Ａに示すように、送電電極１７を介さずに直接接触するように、つまり連続的に形成されていてもかまわない。第１および第２の導電領域１２ａ，１２ｂを含む融着層１２（特に第２の接着層６）の平面形状は、リフトオフ法で用いるフォトレジストパターン（図３Ｆ参照）を変更することにより、容易に調整することが可能である。

また、第１の導電領域１２ａと第２の導電領域１２ｂとの間に配置される隙間領域１８には、図４Ｂに示すように、絶縁部材１８ａが充填されていてもかまわず、第１の導電領域１２ａと第２の導電領域１２ｂとが、電気的に導通しない構成であれよい。

さらに、図４Ｃに示すように、隙間領域１８に対応する光半導体積層２の領域に、ｐ型ＧａＮ層２４および活性層２３を貫通する切り込み部２ｃを形成し、本体部２ａにおけるｐ型ＧａＮ層２４・活性層２３と、張り出し部２ｂにおけるｐ型ＧａＮ層２４・活性層２３とを分断して、それらが直接電気的に接続しない構成にしてもよい。なお、切り込み部２ｃは、たとえば、図３Ａに示す工程において、光半導体積層２表面をエッチングするなどして形成することが可能である。

このような構成にした場合、張り出し部２ｂ（特にそのｐ型ＧａＮ層２４）と第２の導電領域１２ｂ（特にその第１の接着層５）とを電気的に絶縁するエッチストップ層、および、配線電極１４を介した光半導体積層２の各層の電気的導通を防止する保護膜を形成する必要はない。つまり、張り出し部２ｂは、第２の導電領域１２ｂと直接接触し、ｎ側電極８と連続的に形成される配線電極１４は、穴部２ｈの内側面に直接接触してもかまわない。エッチストップ層４を形成する必要が無くなるため、ｐ側電極３をより大きく形成し、本体部２ａにおいて発光に寄与する領域をより大きく形成することができるであろう。

図４Ｃに示す構成においてｐ側電極３およびｎ側電極８から電圧を印加した場合、張り出し部２ｂにおける各層は、配線電極１４（ないしｎ側電極８および第２の導電領域１２ｂ）を介して、同電位となる。そのため、張り出し部２ｂにおけるｐ型ＧａＮ層２４とｎ型ＧａＮ層２２との間には電流が流れない。本体部２ａにおけるｐ型ＧａＮ層２４および活性層２３は、切り込み部２ｃにより、張り出し部２ｂにおけるｐ型ＧａＮ層２４および活性層２３と直接的には電気的に接続していない。そのため、本体部２ａにおける各層は同電位にならず、ｐ型ＧａＮ層２４とｎ型ＧａＮ層２２との間には電流が流れる。このため、本体部２ａにおける活性層２３では発光が生じる。

なお、第１および第２の導電領域１２ａ，１２ｂの平面形状は、櫛歯状に限らず、図４Ａに示すように、矩形状であってもかまわない。このとき、第２の導電領域１２ｂは、平面視において、穴部２ｈを内包するように配置されていればよい。つまり、第１および第２の導電領域１２ａ，１２ｂの平面形状は、穴部２ｈの直下に第２の導電領域１２ｂが配置されるような形状であればよい。

また、光半導体積層２に設けられる穴部２ｈは、第２の導電領域１２ｂを覗く貫通部であればよく、たとえば切り欠き部としてもよい。穴部を切り欠き部とした場合には、光半導体積層２の全体的平面形状は櫛歯状となる。このとき、配線電極１４は、切り欠き部の（内）側面を這うように形成すればよい。

以下、実施例によるＬＥＤアレイないしその変形例を用いた応用例について説明する。

図５Ａおよび図５Ｂは、本発明の実施例によるＬＥＤアレイ１００を組み込んだ車両用灯具（ヘッドランプ）５０の構成を表す概念図である。

図５Ａは、照射用光学系５１として、照射レンズ１０５を使用した例である。照射レンズ１０５は、ＬＥＤアレイ１００の光源像１０６が、車両前端部に正対した仮想鉛直スクリーン（照射面）１０７上に投影されるように設定されている。

照射光学系５１は、図５Ｂに示すようにマルチリフレクタ（反射面）１０３と照射レンズ１０５を用いても良い。図５Ｂに示すヘッドランプ５０は、ＬＥＤアレイ１００の発光面を覆うように配置された蛍光体層（波長変換層）１０８からなる光源１０２と、複数の小反射領域に区画されたマルチリフレクタである反射面１０３、シェード１０４及び照射レンズ１０５を含む照射光学系５１とを含んで構成される。

図５Ｂに示すように、光源１０２は、照射方向（発光面）が上向きとなるように配置され、反射面１０３は、第１焦点が光源１０２近傍に設定され、第２焦点がシェード１０４の上端縁近傍に設定された回転楕円形の反射面であり、光源１０２からの光が入射するように、光源１０２の側方から前方にかけての範囲を覆うように配置されている。

反射面１０３は、図５Ｂに示すように、光源１０２のＬＥＤアレイ１００の光源像１０６を所定の配光形状で車両前方に照射し、車両前端部に正対した仮想鉛直スクリーン（照射面）１０７上に、ＬＥＤアレイ１００の光源像１０６が投影されるように構成されている。

シェード１０４は、反射面１０３からの反射光の一部を遮光してヘッドランプに適したカットオフラインを形成するための遮光部材であり、上端縁を照射レンズ１０５の焦点近傍に位置させた状態で照射レンズ１０５と光源１０２の間に配置されている。

照射レンズ１０５は、車両前方側に配置され、反射面１０３からの反射光を照射面１０７上に照射する。

以上、実施例、変形例及び応用例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者には自明であろう。

１…成長基板、２…光半導体積層（ＧａＮ系発光部）、２ａ…本体部、２ｂ…張り出し部、２ｃ…切り込み部、２ｈ…穴部、３…ｐ側電極（反射電極）、４…エッチストップ層、５…第１の接着層、６…第２の接着層、７…保護膜、８…ｎ側電極、９…絶縁層、１０…支持基板、１２…融着層、１２ａ・１２ｂ…第１・第２の導電領域、１４…配線電極、１７…送電電極、１８…隙間領域、２０…バッファ層、２１…アンドープＧａＮ層、２２…ｎ型ＧａＮ層、２３…活性層（発光層）、２４…ｐ型ＧａＮ層、５０…車両用灯具（ヘッドランプ）、５１…投射光学系、１００…ＬＥＤアレイ（実施例）、１０１…ＬＥＤ素子、１０８…蛍光体層（波長変換層）、１０２…光源、１０３…反射面、１０４…シェード、１０５…照射レンズ、１０６…光源像、１０７…照射面。

Claims (6)

1. 支持基板、および、該支持基板上に、第１の方向に沿って配列する複数の半導体発光素子を具備する半導体発光素子アレイであって、
   前記複数の半導体発光素子各々は、
   前記支持基板上に配置され、第１の導電領域、および、該第１の導電領域と、前記第１の方向と直交する方向に間隔を空けて配置され、該第１の導電領域と電気的に絶縁する第２の導電領域、を含む導電層と、
   前記第１の導電領域上に配置され、該第１の導電領域と電気的に導通する下側電極と、
   前記下側電極上に配置される本体部、該本体部と連続的に形成され、前記第２の導電領域上方に張り出す張り出し部、および、該張り出し部を貫通して該第２の導電領域を覗く複数の貫通部を備え、前記導電層側から順に、第１導電型を有する第１半導体層、活性層、および、該第１導電型とは異なる第２導電型を有する第２半導体層が積層する光半導体積層と、
   前記光半導体積層上に配置され、前記複数の貫通部各々を通って、前記第２の導電領域と電気的に接続する複数の上側電極と、
   を含む半導体発光素子アレイ。
2. 前記複数の半導体発光素子各々は、さらに、前記光半導体積層の張り出し部と前記第２の導電領域との間に配置され、該張り出し部を支持する電気絶縁層と、を含み、
   前記光半導体積層の複数の貫通部各々は、前記張り出し部および前記電気絶縁層を貫通するように形成されている請求項１記載の半導体発光素子アレイ。
3. 前記複数の半導体発光素子各々は、さらに、前記光半導体積層の複数の貫通部各々の内側面を覆う絶縁性保護膜と、を含み、
   前記複数の上側電極各々は、前記絶縁性保護膜の表面を覆うように形成されて、前記第２の導電領域と電気的に接続する請求項２記載の半導体発光素子アレイ。
4. 前記複数の半導体発光素子各々において、
   前記光半導体積層は、さらに、前記本体部における第１半導体層および活性層と、前記張り出し部における第１半導体層および活性層と、を分断する切り込み部と、を備え、
   前記張り出し部は、前記第２の導電領域に接触して支持される請求項１記載の半導体発光素子アレイ。
5. 前記複数の半導体発光素子は、第１の半導体発光素子、および、該第１の半導体発光素子に隣接する第２の半導体発光素子、を含み、
   前記第１の半導体発光素子において、前記第１の導電領域は、前記第１の方向に直交する第２の方向側に配置され、前記第２の導電領域は、前記第２の方向の反対方向側に配置され、
   前記第２の半導体発光素子において、前記第１の導電領域は、前記第２の方向の反対方向側に配置され、前記第２の導電領域は、前記第２の方向側に配置され、
   前記第２の方向側に配置される、前記第１の半導体発光素子における第１の導電領域と、前記第２の半導体発光素子における第２の導電領域とが、電気的に接続されている請求項１〜４いずれか１項記載の半導体発光素子アレイ。
6. 請求項１〜５いずれか１項記載の半導体発光素子アレイと、
   前記半導体発光素子アレイの照射像を所定の配光形状で照射する光学系と、
   を有する車両用灯具。

Images