JPWO2011108664A1 - 光半導体装置 - Google Patents
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Abstract
Description
1.素子基板面上に区画されて化合物半導体層により形成された1又は2以上の発光部と、該発光部からの光を取り出す発光面とは反対側の素子電極面に該発光部に電源を供給する素子電極とを具備し、該発光面に垂直な集光方向に光を取り出す発光素子と、前記発光素子の前記発光面側に、前記素子基板の外周と外周が同一サイズの透明部材と、を備え、複数の前記発光素子が前記素子基板となるウエーハに形成された状態において、前記透明部材が配設され、その後に該発光素子ごとに分離されて形成されることを特徴とする光半導体装置。
2.前記発光素子の外周と外周が同一サイズの基板であって、前記発光素子を搭載する素子搭載面に該発光素子の前記素子電極に対応した内部電極と、該素子搭載面とは反対面に該内部電極と接続された外部電極と、を具備するパッケージ基板を更に備え、前記発光素子の前記素子電極面と前記パッケージ基板の前記素子搭載面とを対向させて貼り合わせることにより、前記素子電極と前記内部電極とが電気的に接続される前記1.記載の光半導体装置。
3.前記発光素子の前記素子電極面と前記パッケージ基板の前記素子搭載面とを接合材を用いて貼り合わせることにより、前記素子電極と前記内部電極とが電気的に接続されるとともに、前記素子電極面と前記素子搭載面との間が該接合材により密閉される前記2.記載の光半導体装置。
4.前記透明部材は、前記発光素子から取り出す光束を前記集光方向に向けて狭める凸レンズである前記1.乃至3.のいずれかに記載の光半導体装置。
5.前記発光素子の前記発光面上に載置される枠体であって、該枠体の外周は前記素子基板の外周と同一サイズであり、該枠体の内側壁面は前記発光面から前記集光方向に向けて広がるように傾斜して形成されているキャビティ部材と、前記キャビティ部材の前記内側壁面に囲まれた空洞部に充填される蛍光体と、を更に備え、前記キャビティ部材の前記内側壁面は前記発光部及び前記蛍光体で発光した光を前記集光方向に反射し、前記発光素子の前記発光面上に前記キャビティ部材及び前記透明部材が順に積層されて形成される前記1.乃至4.のいずれかに記載の光半導体装置。
6.前記発光部ごとにその側面を囲む側面反射膜を更に備え、前記側面反射膜は前記発光部で発光して前記素子基板と略平行に進む光を前記集光方向に反射する前記1.乃至5.のいずれかに記載の光半導体装置。
7.前記キャビティ部材の前記内側壁面は、シリコン基板をエッチングすることにより形成される前記5.又は6.に記載の光半導体装置。
8.前記キャビティ部材は金属で形成されている前記5.又は6.に記載の光半導体装置。
9.前記発光素子と前記パッケージ基板とが貼り合わされた後に、該発光素子の前記素子基板が除去されて形成される前記2.乃至8.のいずれかに記載の光半導体装置。
10.前記発光素子は複数の前記発光部を備え、前記素子基板の前記素子電極面又は前記パッケージ基板の前記外部電極が設けられる面には、各前記発光部に供給する電源を選択的に接続又は切断するための給電選択部を備え、前記給電選択部により前記発光素子ごとの輝度を調整可能とした前記1.乃至9.のいずれかに記載の光半導体装置。
11.前記素子基板は透明基板である前記1.乃至10.のいずれかに記載の光半導体装置。
12.前記素子基板はシリコン基板である前記1.乃至10.のいずれかに記載の光半導体装置。
前記発光素子と前記パッケージ基板の素子搭載面とを接合材を用いて貼り合わせる場合は、素子電極と内部電極との電気的接続を確実にするとともに、発光素子とパッケージ基板を貼り合わせた端面が接合材により封じられるため、内部の化合物半導体層等を湿気や異物等から保護することができる。また、用途や使用環境に応じて、パッケージ基板の材料や接合材の材料を適宜に選択して用いることができる。
前記透明部材は、前記発光素子から取り出す光束を集光方向に向けて狭める凸レンズである場合は、発光素子から放射される光束を集光方向に向けて絞ることができるため、発光ダイオードに集光機能を備え、更に、外部で出射光の拡散や方位分布の均一化等を容易に行うことが可能になる。
キャビティ部材を金属で形成する場合は、銅等の薄板を使用し、鍛造、エッチング加工等によりキャビティ部材を形成することができ、反射率の高い内側壁面とすることができる。
素子基板がシリコン基板である場合は、サファイア基板に比べてはるかに容易に低温でエッチング加工することができるため、発光素子に与えるストレスを低減することができる。また、素子基板をそのまま利用して、キャビティ部材を形成することができる。
発光素子で発光した光をできるだけ多く外部へ集光するためには、発光セルの発光層近傍にマイクロミラーを組み込み、発光層にて発生する光(1次発光)のうち発光層に沿った方向の光を集光するようにすることができる。また、蛍光体を備えて白色用の発光ダイオードとする場合には、その1次発光した光、及びそれに励起されて蛍光体で発光する光(2次発光)を集光するために、側面反射機能を有するマイクロキャビティを備えるようにすることができる。また、照射される光の方位分布の調整のためには、マイクロレンズを組み込むことができる。また、輝度のばらつきの低減のためには、発光素子を複数個の発光セルに分離して形成し、所望の輝度に応じて必要な発光セルだけに通電する手段を持つ構成とすることができる。そして、チップサイズパッケージの手段としては、超小型のパッケージングを発光素子がウエーハ状態の時に行うことである。したがって、ウエーハ状態において、必要に応じて上記のマイクロミラー、マイクロキャビティ、蛍光体、マイクロレンズ等を形成可能であり、複数の発光セルの選択的な通電手段を備えることができることが好ましい。更に、電気サージからの保護のために、発光ダイオードの取り扱いが全てウエーハ状態で可能であり、必要な場合にはパッケージ基板に電気サージを吸収するバリスタ基材を用いる等の方法を採用可能であることが好ましい。
図4(a)中p、q及びrは、活性層で1次発光した光が進む方向を示している。活性層から集光方向zに向かう光はそのまま進む(p)。集光方向zとは反対向きの光は、反射膜6で反射されて集光方向zへ進む(q)。集光方向zと略垂直すなわち活性層にほぼ平行な方向に向かう光(r)は、多くは散乱され一部が側面方向へ洩れる。1次発光は波長が短く、1次発光した光のうち蛍光体330に入射した光は蛍光物質を励起して、波長の長い2次発光が生じる。2次発光した光が進む方向を、図中s、t及びu等で示す。2次発光の光は、集光方向zに対して平行な方向s、斜め方向t、垂直な側面方向u、及び集光方向とは反対の発光層方向、の全方向へ放出される。集光方向zへの光s及び斜め方向への光tはそのまま放出され、側面方向への光uはマイクロキャビティの内側壁面により反射して集光方向zへ向けられる。発光層方向への光は導電反射層により反射され集光方向へ戻る。このようにして、1次発光及び2次発光した光はマイクロキャビティの集光方向z側の開口から放出される。図4(c)に示すようにマイクロキャビティ上にマイクロ凸レンズ520を貼り合わせた場合には、2次発光する斜め方向の光tや、マイクロキャビティにより反射された光uは、マイクロ凸レンズ520により屈折されて集光方向z寄りに出射される(t2、u2)。マイクロ凸レンズは、1次発光の光も2次発光の光も屈折させて、全体として光束をw1−w1間からw2−w2間へ狭くするために設けられている。この様に出射光の方向を狭くすることにより、その後に光路を広げたり、より絞ったりすることが容易になる。尚、以下の図面において、1次発光及び2次発光の光が進む方向は本図と同様の参照符号を付して表示する。
上例の発光ダイオード137、37のいずれの場合も、発光ダイオードを外部に接続するための電極はフリップチップではなく、パッケージ基板(普及しているプリント基板等)に設けられた外部電極60であるため、マザーボードへの実装を汎用機で行うことができる。
化合物半導体により発光層が形成された発光素子とパッケージ基板とが貼り合わされた後に、発光層の基板であるサファイア基板はリフトオフ手法等により除去される。サファイア基板の除去は前記理由の他、サファイアの硬度が高く、発光素子ごとに分割する際のフルカットに障害ともなるからである。サファイア基板が除去された状態では、化合物半導体を支える基板はパッケージ基板40となる。この状態で、発光面であるN+型半導体2の上に、シリコン酸化膜180を形成したシリコンウエーハ173を貼り合わせる。そのシリコンをエッチングすることによりマイクロキャビティ175を形成することができる。
図6は、マイクロキャビティの構造及びその製造手順を説明するための断面図である。図6(b2)に示すマイクロキャビティ175は、厚さ約百μmのシリコンウエーハ173に内側壁面が傾斜した凹部を設けて、その凹部の底面は光を通過し、凹部の側壁面は光を反射する構造である。上記凹部は、(110)面方位のシリコン基板173を用いて、KOH液等でエッチングすることにより形成することができる。そのエッチングがシリコンの(111)面で停止することを利用して、54°に傾斜した内側壁面411を形成することができる。シリコン基板173の底面には、光学的には透明なシリコン酸化膜180がシリコンのエッチングストッパーを兼ねて設けられている。シリコンの内側壁面411は54度の傾斜角度を持った鏡面となり、光の反射面となる。図6(a2)は、シリコン基板173の下面にシリコン酸化膜180を形成し、上面にフォトレジスト265を形成した状態を表わす。フォトレジスト265をマスクとしてKOH水溶液でシリコンをエッチングすることができ、破線410の位置がエッチングの終止面である。図6(b2)はエッチング後にフォトレジストを除去した状態を示し、マイクロキャビティ175が形成されている。エッチング後の内側壁面411が、シリコン結晶面で決まる54°の角度となる。フォトレジストの代わりにシリコン酸化膜を用いてもよい。すなわち、シリコン基板上面にシリコン酸化膜を形成し、そのシリコン酸化膜をエッチングすることによりフォトレジスト265と同様のパターンを形成する。形成されたシリコン酸化膜をマスクとして、シリコン基板をエッチングすることができる。図6(a2)及び(b2)に示したシリコン基板を用いるマイクロキャビティの形成法は、発光素子の基板がサファイアである場合には、サファイア基板を除去した後に適用することができる。発光素子の基板がシリコンである場合には、素子基板のシリコンをそのままマイクロキャビティの母材とすることができるため、より簡素な構造とすることができる。図6(a1)は、シリコン基板170を素子基板として化合物半導体層(発光部)84が形成された状態を示している。シリコン基板170と化合物半導体層84の間にはシリコン酸化膜180が設けられている。シリコン基板170をエッチングするためのマスクとして、フォトレジストの代わりにシリコン酸化膜185が形成してあり、シリコン基板170はKOH水溶液等を用いてエッチングされる。図6(b1)は、そのエッチングによってマイクロキャビティ175が形成された状態を示す。以上に説明した例ではいずれもシリコンを用いてマイクロキャビティを形成したが、マイクロキャビティはシリコンに限らず金属を用いて形成することもできる。図6(a3)及び(b3)は、銅のスタッドフレームを用いる例を示す断面図である。図6(a3)に示されるマイクロキャビティの母材540は、板厚0.2mm程度の銅板を用いて、鍛造技術により底部541、傾斜した側壁544が成形されている。この状態から、全面等方エッチングにより全体を上部からエッチングして、図6(b3)に示すスタッドフレームの形状にすることができる。底部542は金属がエッチングで取り去られ、光が通過する部分となる。この後にニッケルメッキ、銀メッキ等をすることにより、高反射率の内側壁面544を実現することができる。この様な銅のフレームは、半導体パッケージで多く用いられているリードフレームと同様な技術で製作することができる。スタッドフレームをウエーハと同じ大きさの領域に形成することにより、化合物半導体のウエーハと貼り合わせることができる。貼り合わせには透明接着剤等を用いることができる。
前記のとおり、マイクロキャビティ及び蛍光体を用いないで発光ダイオードを構成することもできる。その場合、素子基板が除去された発光素子上にマイクロ凸レンズを貼り合わせればよい。また、マイクロ凸レンズに代わり、凹レンズや透明プラスチック板等を用いることができる。また、パッケージ基板の外部電極60をパッケージ基板P電極331及びN電極332として形成し、図8において説明した給電選択部と同様な配線パターンにより給電選択部を設けておくことができる。
また、マイクロキャビティを使用しないで、蛍光体が実装されてもよい。この場合、図17(b3)に示すような蛍光体330を、上記のマイクロキャビティの代わりに発光素子の発光面上に貼り付ければよい。この蛍光体の外周は、発光素子の素子基板の外周と同一サイズとすることができる。発光面上に載置した蛍光体の上に、マイクロ凸レンズ等透明部材を備えることができる。
熱可塑性プリント基板と発光素子とは、熱可塑性のインターポーザを用いて貼り合わせることができる。この場合、約300℃で貼り合わせるため、発光素子のフリップチップ電極を構成する金バンプと、パッケージ基板の内部電極の銅とが共晶結合し、理想的な金属接続が得られる。熱可塑性プリント基板の代わりに金属基板を用いる場合も同様である。特にアルミニウムや銅を素材に含む基板は熱伝導性に優れるため、高輝度の白色発光ダイオード等、高い放熱性が求められるチップサイズパッケージに適する。パッケージ基板として、普及しているガラスエポキシ基板を用いることもできる。但し、ガラスエポキシ基板はその耐熱温度が約200℃以下と低いため、前記熱可塑性のインターポーザを使うことができない。そこで、ウエーハ状態の発光素子とガラスエポキシ基板とを、異方性導電接着剤を介して貼り合わせる。これにより約100℃で貼り合わせを行うことができる。電極間の接続は、直径10μm程度の金粒子により行われる。この接合材料は、液晶におけるガラス基板と回路基板との接続に用いられているヒートシール材料と同じである。この電気接合は、金粒子を介するため0.1Ω程度の接触抵抗となり、大電流が必要な用途には適さないが、駆動電流が数十mA程度である用途(例えば、面発光の液晶バックライト等)では十分に用いることができる。この構成の特徴は、技術的には既存材料の組み合わせにより本チップサイズパッケージを形成できる点にある。また、発光素子の基板としてシリコン基板を用いる場合には、シリコンはKOH水溶液中で100℃以下と低い温度で除去できるため、耐熱性に劣るガラスエポキシ基板を用いても本チップサイズパッケージを容易に形成することができる。
図27に示した手順の詳細は、発光素子の形態が異なる点を除き、図25及び26に示した製造手順と同様である。
図31に示した手順の詳細は、発光素子の形態が異なる点を除き、図29及び30に示した製造手順と同様である。
Claims (12)
- 素子基板面上に区画されて化合物半導体層により形成された1又は2以上の発光部と、該発光部からの光を取り出す発光面とは反対側の素子電極面に該発光部に電源を供給する素子電極とを具備し、該発光面に垂直な集光方向に光を取り出す発光素子と、
前記発光素子の前記発光面側に、前記素子基板の外周と外周が同一サイズの透明部材と、
を備え、
複数の前記発光素子が前記素子基板となるウエーハに形成された状態において、前記透明部材が配設され、その後に該発光素子ごとに分離されて形成されることを特徴とする光半導体装置。 - 前記発光素子の外周と外周が同一サイズの基板であって、前記発光素子を搭載する素子搭載面に該発光素子の前記素子電極に対応した内部電極と、該素子搭載面とは反対面に該内部電極と接続された外部電極と、を具備するパッケージ基板を更に備え、
前記発光素子の前記素子電極面と前記パッケージ基板の前記素子搭載面とを対向させて貼り合わせることにより、前記素子電極と前記内部電極とが電気的に接続される請求項1記載の光半導体装置。 - 前記発光素子の前記素子電極面と前記パッケージ基板の前記素子搭載面とを接合材を用いて貼り合わせることにより、前記素子電極と前記内部電極とが電気的に接続されるとともに、前記素子電極面と前記素子搭載面との間が該接合材により密閉される請求項2記載の光半導体装置。
- 前記透明部材は、前記発光素子から取り出す光束を前記集光方向に向けて狭める凸レンズである請求項1乃至3のいずれかに記載の光半導体装置。
- 前記発光素子の前記発光面上に載置される枠体であって、該枠体の外周は前記素子基板の外周と同一サイズであり、該枠体の内側壁面は前記発光面から前記集光方向に向けて広がるように傾斜して形成されているキャビティ部材と、
前記キャビティ部材の前記内側壁面に囲まれた空洞部に充填される蛍光体と、
を更に備え、
前記キャビティ部材の前記内側壁面は前記発光部及び前記蛍光体で発光した光を前記集光方向に反射し、
前記発光素子の前記発光面上に前記キャビティ部材及び前記透明部材が順に積層されて形成される請求項1乃至4のいずれかに記載の光半導体装置。 - 前記発光部ごとにその側面を囲む側面反射膜を更に備え、
前記側面反射膜は前記発光部で発光して前記素子基板と略平行に進む光を前記集光方向に反射する請求項1乃至5のいずれかに記載の光半導体装置。 - 前記キャビティ部材の前記内側壁面は、シリコン基板をエッチングすることにより形成される請求項5又は6に記載の光半導体装置。
- 前記キャビティ部材は金属で形成されている請求項5又は6に記載の光半導体装置。
- 前記発光素子と前記パッケージ基板とが貼り合わされた後に、該発光素子の前記素子基板が除去されて形成される請求項2乃至8のいずれかに記載の光半導体装置。
- 前記発光素子は複数の前記発光部を備え、
前記素子基板の前記素子電極面又は前記パッケージ基板の前記外部電極が設けられる面には、各前記発光部に供給する電源を選択的に接続又は切断するための給電選択部を備え、
前記給電選択部により前記発光素子ごとの輝度を調整可能とした請求項1乃至9のいずれかに記載の光半導体装置。 - 前記素子基板は透明基板である請求項1乃至10のいずれかに記載の光半導体装置。
- 前記素子基板はシリコン基板である請求項1乃至10のいずれかに記載の光半導体装置。
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