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JP5336594B2 - 半導体発光装置、発光モジュール、および照明装置 - Google Patents

半導体発光装置、発光モジュール、および照明装置 Download PDF

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Description

本発明は、半導体発光装置、発光モジュール、および照明装置に関し、特に、複数の発光素子からなる半導体発光装置等に関する。
半導体発光素子の一種である発光ダイオード(LED)は、放電や輻射による光源と比べて、小型で高効率である。加えて、近年の高光束化により、従来の表示用途から照明用途へとその範囲が拡大しつつある。
特に、従来の白熱電球等の代替光源として、当該白熱電球等用のソケットに装着して使用できる電球形LEDが登場している。
ところで、既存の電球における電源電圧は、主として100[V]、24[V]、12[V]に設定されている一方、LED一つ当たりの駆動電圧は3[V]〜4[V]である。そこで、一般的に、電源電圧の大きさに合わせて、必要な個数のLEDチップがプリント基板上で直列接続されて用いられている(特許文献1)。
しかしながら、電球代替光源とする場合には、限られたスペースに必要個数のLEDを配置しなければならないが、プリント基板上でLEDチップの間隔を短縮するのは限界がある。
そこで、半導体プロセスにおいて同時に製造される複数個のLED素子を、当該半導体プロセス中に薄膜配線で電気的に接続し、1チップにおいて複数のLED素子が当該薄膜配線によって直列接続されてなる半導体発光装置が開発されている(特許文献2)。
特許文献2に記載の半導体発光装置の概略について以下に説明する。先ず、SiC基板上にn型の第1導電型層、発光層、p型の第2導電型層がこの順に積層されてなる半導体多層膜が、エッチングによりマトリックス状に区画され、平面視で方形をした複数個の発光素子ができる。各発光素子の4隅の内、一のコーナー部分を第1導電型層が現れるまでエッチングにより平面視で小さな方形に除去する。エッチングにより小さな方形に露出した第1導電型層の上にn側電極を形成すると共に、鉤状に残存している第2導電型層の上にp側電極を形成する。そして、一の発光素子のp側電極とこれに隣接する他の発光素子のn側電極とを、両電極間に絶縁膜を形成した上で、当該絶縁膜上を這設されてなる薄膜配線により電気的に接続する。そして、SiC基板を複数の発光素子毎にダイシングにより分割して、1チップに複数の発光素子が配されてなる半導体発光装置が出来上がる。
当該半導体発光装置においては、半導体プロセスにおいて半導体多層膜がエッチングにより除去可能な間隙が隣接する発光素子の間隔となるため、発光素子が高密度に集積されたものになる。
特許第3989794号公報 特許第4160881号公報
ところで、一般に、n側電極に接するn型半導体層とp側電極に接するp型半導体層と、これらの半導体層に挟まれた発光層からなる半導体多層膜において、電極間の抵抗は、電極間距離が短いと低くなり、長くなると高くなる。そのため、電極間距離が短くなる部分に電流が集中して流れるので、発光層内の電流密度が不均一になる結果、発光層内の発光強度分布が不均一となる。
よって、たとえば、上記特許文献2に記載の半導体発光装置の点灯中は、各発光素子において、小さい方形をしたn側電極の2辺近傍に電流が集中する電流密度の高い部分が強く発光することとなる。
また、電流密度が高いほど発光効率は低下することが知られている。上記特許文献2に記載の半導体発光装置においては、投入電流の多くが前記電流密度の高い部分を流れるため、当該装置全体としての発光効率が低いものとなっている。
本発明は、上記した課題に鑑み、各発光素子の発光層内における電流密度を上記特許文献2に記載の半導体発光装置の場合よりも均一にすることにより、上記した問題点の改善された半導体発光装置を提供することを第1の目的とする。また、本発明の第2の目的は、そのような半導体発光装置を有する発光モジュール、および当該発光モジュールを備えた照明装置を提供することにある。
上記の目的を達成するため、本発明に係る半導体発光装置は、基板を有し当該基板上に第1の導電型層、発光層、および第2の導電型層が前記基板側からこの順に積層されてなる半導体多層膜が積層方向に入った分割溝によって複数の部分に分割され、各部分がダイオード構造を有する発光素子として構成されている半導体発光装置であって、各発光素子が、平面視でその中央部に、第2の導電型層および発光層を貫通し第1の導電型層まで達する孔を有し、前記孔内に挿設されてその一端が前記第1の導電型層と前記孔の底面部で接続され、他端が前記孔の開口部から突出してなる柱状をした第1の電極と、前記第2の導電型層上において前記孔を囲繞する環状に形成された第2の電極とを備えることを特徴とする。
上記構成からなる本発明に係る半導体発光装置によれば、平面視で発光素子の中央部に設けられた孔の底面部において第1の電極が第1の導電型層と接続され、第2の電極が第2の導電型層上において前記孔を囲繞する環状に形成されている。このため、第1の電極と第2の電極間で電流が、平面視で第1の電極からみて全方向に均等に流れるので、上記従来の半導体発光装置よりは、より均一に発光層を電流が流れることとなる。すなわち、可能な限り発光層内の電流密度の均一化が図れるため、仮に半導体発光装置に流れる電流の総量が同じであれば、電流密度の最も高くなる部分の当該電流密度を下げることができるため、発光効率が向上する。
実施の形態1に係るLEDアレイチップの概略構成を示す斜視図である。 図1においてA平面で実施の形態1に係るLEDアレイチップを切断した断面図である。 実施の形態1に係るLEDアレイチップを構成する一のLEDの斜視断面図である。 図2におけるB−B線で実施の形態1に係るLEDアレイチップを切断した断面図である。 (a)は、図2におけるC−C線で実施の形態1に係るLEDアレイチップ切断した断面図であり、(b)は、実施の形態1に係るLEDアレイチップにおける回路図である。 実施の形態1に係るLEDアレイチップの製造方法を説明するための図である。 実施の形態1に係るLEDアレイチップの製造方法を説明するための図である。 実施の形態1に係るLEDアレイチップの製造方法を説明するための図である。 実施の形態1に係るLEDアレイチップの製造方法を説明するための図である。 (a)は、上記LEDアレイチップを有する白色LEDモジュールの平面図であり、(b)は、(a)におけるD−D線断面図である。 (a)は、上記LEDアレイチップを有する他の白色LEDモジュールの平面図であり、(b)は、(a)におけるG−G線断面図である。 図10に示す白色LEDモジュールを有する電球形LEDの断面図である。 (a)は、実施の形態2に係るLEDアレイチップの回路図であり、(b)は、当該LEDアレイチップの主として内部配線を示す図である。 (a)は、図13(b)におけるE−E線に相当する位置で実施の形態2にかかるLEDアレイチップを切断した断面図であり、(b)は、同F−F線に相当する位置で実施の形態2にかかるLEDアレイチップを切断した断面図である。 実施の形態2に係るLEDアレイチップの平面図である。 実施の形態2に係るLEDアレイチップの製造方法を説明するための図である。 実施の形態2に係るLEDアレイチップの製造方法を説明するための図である。 実施の形態2に係るLEDアレイチップの製造方法を説明するための図である。 実施の形態2に係るLEDアレイチップの製造方法を説明するための図である。 実施の形態2に係るLEDアレイチップの製造方法を説明するための図である。 (a)は、実施の形態3に係るLEDアレイチップを、SiC基板上、高抵抗層を介して形成された7個のLEDのみを描いた平面図であり、(b)は、当該LEDアレイチップを(a)におけるI−I線に相当する位置で切断した断面図である。 (a)は、実施の形態3に係るLEDアレイチップの平面視における配線のパターンに示す図であり、(b)は、当該LEDアレイチップの回路図である。 (a)は、実施の形態3に係るLEDアレイチップを図22(a)におけるJ−J線に相当する位置で切断した断面図であり、(b)は当該LEDアレイチップの平面図である。 実施の形態3に係るLEDアレイチップの製造方法を説明するための図である。 実施の形態3に係るLEDアレイチップの製造方法を説明するための図である。 実施の形態3に係るLEDアレイチップの製造方法を説明するための図である。 実施の形態3に係るLEDアレイチップの製造方法を説明するための図である。
以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら説明する。
<実施の形態1>
(LEDアレイチップの構成)
図1は、半導体発光装置であるLEDアレイチップ2の概略構成を示す斜視図であり、図2は、図1においてA平面でLEDアレイチップ2を切断した断面図である。なお、図1、図2を含む全ての図において、各構成要素間の縮尺は統一していない。
図1に示すように、LEDアレイチップ2は、例えばSiC基板4(以下、単に「SiC基板4」と言う。)上、第1給電端子6および第2給電端子8との間に、発光素子であるLED(図1には現れていない)が複数個(本例では、後述する通り9個)設けられてなる構成を有している。なお、図1において、SiC基板4と第1給電端子6および第2給電端子8との間に存するLEDアレイチップ2の側面部分は、高抵抗層10および後述する絶縁膜(層)34,36,40部分が現れている。なお、高抵抗層10は、例えばAlGaNからなる。SiC基板4に高抵抗(高抵抗の目安としては1E5〔Ω・cm〕以上、他の基板も同じ)のものを用いた場合、あるいはSiC基板の代わりにサファイア基板などの絶縁性材料を用いた場合には、必ずしも高抵抗層10を用いなくてもよい。基板側から光を取り出すLEDアレイチップ2の構成においては、他にも透光性材料からなる基板としてGaN基板、窒化アルミ基板、ZnO基板などを用いることができる。YAG:Ceなどの波長変換機能を有する基板であってもよい。
基板サイズは一辺が1mmであり、各発光素子の一辺は300μmである。
図2に示す断面には、9個のLEDの内、直列接続された3個のLED12A,LED12B,LED12Cが現れている。LED12A,LED12B,LED12Cを含む9個のLEDはいずれも基本的に同様の構成なので、対応する構成要素には同じ番号を付し、LED毎に区別する必要がある場合には、当該番号に続けてA,B,C,…,Iのアルファベットを付すこととする。
LED12の構成について、ここでは、LED12Bを代表に説明することとする。
図3に、LED12Bの斜視断面図を示す。
LED12Bは、第1の導電型層であるn型GaN系半導体層(以下、「n−GaN層」と言う。)14B、発光層であるInGaN量子井戸層(以下、「発光層」と言う。)16B、および第2の導電型層であるp型GaN系半導体層(以下、「p−GaN層」と言う。)18BがSiC基板4(図2)側からこの順に積層されてなり、ダイオード構造をした半導体多層膜20Bを有する。n−GaN層の厚みは3[μm]〜10[μm]、p−GaN層の厚みは100[nm]〜300[nm]、発光層の厚みは10[nm]〜30[nm]であるが、n−GaN層、p−GaN層、および発光層の各々は、組成やドープ濃度の異なる複数の層の積層体で構成されている。
半導体多層膜20Bは、全体的に方形の板状をしており、平面視で、その中央部にp−GaN層18Bおよび発光層16Bを貫通し、n−GaN層14Bにまで達する孔22を有する。すなわち、孔22の底面部は、n−GaN層14Bの一部からなる。
LED12Bは、孔22の前記底面部でn−GaN層14Bとその一端部が接続され、他端部が孔22の開口部から突出してなる柱状(本例では、円柱状)をした第1の電極であるn側電極24Bを有する。
また、LED12Bは、p−GaN層18の孔22の開口部側端面(すなわち、発光層16とは反対側の端面)に、孔22を囲繞する環状に形成された第2の電極であるp側電極26Bを有する。
上記構成からなるLED12Bにおいて、p側電極26Bおよびn側電極24Bから給電すると、発光層16Bから青色光が発生する。
このとき、p側電極26Bとn側電極24Bとの間で、平面視でn側電極24から見て全方向(360度方向)に均等に電流が流れるため、上述した従来の半導体発光装置よりも、より均一に広い範囲で発光層を電流が流れることとなる。すなわち、発光層の面内電流密度の均一化が図れるため、投入電流の量が同じであれば、発光効率を支配する高電流密度となる部分の発光層における電流密度は低くなるので発光効率は向上することとなる。
従来、特に高出力を要する照明用途では一辺が、LEDアレイチップ2の基板サイズと同じ1mmかこれを越える大きな発光層を有するLEDチップが用いられる。これに対し、LEDアレイチップ2では半導体多層膜を分割し、一の発光素子の発光層の面積を小さくすることにより、当該発光素子各々における発光効率を向上させ、もって、LEDアレイチップ2全体の発光効率を向上させることとしている。さらに、両電極を上記の構成とすることによって、一層の発光効率の向上が図られている。
これにより、照明用途として、チップサイズを大きくしても、高効率のものが実現できる。同時に必要個数の発光素子を直列接続することにより、電源電圧に近い動作電圧のLED(アレイ)チップを実現できる。
LED12Bは、隣接するLED12AおよびLED12Cと金属薄膜(V/Al/Ti/Ni/Au膜)からなる配線28,30で直列に接続されている。
すなわち、図2に示すように、LED12Bのp側電極26BとLED12Aのn側電極24Aとが配線28で接続されており、LED12Bのn側電極24BとLED12Cのp側電極26Cとが配線30で接続されている。
そして、直列接続されたLED12A,LED12B,LED12Cの内の高電位側の終端となるLED12Aのp側電極26Aと第2給電端子8とが配線32によって接続されている。また、低電位側の終端となるLED12Cのn側電極24Cが直に第1給電端子6に接続されている。
なお、配線28,30には金属材料のほかに、透光性導電材料、例えば,ITO、IZO等を用いることもできる。透光性導電材料を用いることにより、薄膜配線における光の吸収の影響を、金属材料を用いる場合よりも低くし得るので、光取出し効率を改善し得る。
図1に示すように、第1給電端子6と第2給電端子8とは、100[μm]〜300[μm]程度の僅かな間隙を空けて形成されている。LEDアレイチップ2の動作中(発光中)における放熱効果を得るため、第1給電端子6と第2給電端子8の面積の合計は、可能な限り大きいほうが好ましい。このため、実施の形態1では、第1給電端子6と第2給電端子8とは、両給電端子間の絶縁に必要な最小限の間隙を残して、平面視でSiC基板4の主面全域を覆うように設けている。
図2に戻り、第1給電端子6および第2給電端子8と配線28,30,32とは絶縁膜34で、配線28,30,32とp側電極26とは絶縁膜36で絶縁されている。また、n側電極24とこれに対応する発光層16およびp−GaN層18との間は絶縁膜38で、隣接するLED12の間は、絶縁膜40で絶縁されている。これらの絶縁膜34,36,38,40は、透光性の窒化シリコン、酸化シリコン、酸化チタン、窒化チタンなどで形成することができる。
配線28,30,32のパターンを見やすくすべく、LEDアレイチップ2を図2におけるB−B線で切断した図を図4に示す。
配線32はn側電極24を囲むように配置しており、p側電極26に全方位から電流を均一に発光層に注入する補助的電極としての機能を有している。配線32の抵抗値はp側電極の抵抗値よりも低いので、電流を均一に発光層に注入するにはn側電極から離れた部分に配置した補助的電極としての配線32から電流が発光層に供給されることとなる。n側電極と補助的電極である配線32の距離で抵抗値が決まるので、本実施例では一部切断部分があるが補助的電極としての配線32を円形とするとn側電極との距離が等距離となるので、抵抗値を下げることができる。本構成は後述する実施の形態2,3においても同様の効果を有する。
図4では、上記したLED12A,12B,12Cのn側電極24A,24B,24C、および配線28,30,32が現れている。LEDアレイチップ2は、この3個の他に、LED12D,12E,12F,12G,12H,12Iが設けられており、図4では、各々のn側電極24D,24E,24F,24G,24H,24Iが現れている。
次に、LEDアレイチップ2を図2におけるC−C線で切断した図を図5(a)に示す。なお、図5(a)では、絶縁膜34,36,38,40(図2)を省略している。
図5(a)に示すように、9個のLED12A,12B,12C,12D,12E,12F,12G,12H,12Iが3行3列のマトリックス状に高抵抗層10上に設けられている。この内、LED12A,12B,12Cは上記したように配線28,30で直列に接続されている。また、LED12D,12E,12Fも同様の配線28,30(図4)で、LED12G,12H,12Iも同様の配線28,30(図4)でそれぞれ直列に接続されている。
また、LED12Dのp側電極26DとLED12Gのp側電極26Gとは、対応する配線32(図4)によって、第2給電端子8に接続されている。さらに、LED12Fのn側電極24FとLED12Iのn側電極24Iとは、LED12Cの場合と同様、直に第1給電端子6に接続されている。
よって、9個のLED12A,12B,12C,12D,12E,12F,12G,12H,12Iは、図5(b)に示すように、LED12A,12B,12CとLED12D,12E,12FとLED12G,12H,12Iの3個ずつが直列接続され、これら直列接続されたものが並列に接続された、3直3並列に接続されている。
(LEDアレイチップの製造方法)
続いて、以上の構成からなるLEDアレイチップ2の製造方法について、図6〜図9を参照しながら説明する。なお、図6〜図9ではLEDアレイチップ2の各構成部分となる素材部分には100番台の符号付し、その下2桁にはLEDアレイチップ2の対応する構成部分に付した番号を用いることとする。
先ず、有機金属化学気相成長法(MOCVD法)を用い、例えばSiC基板104上に、高抵抗層110、n−GaN層114、発光層116、p−GaN層118をこの順に積層し、半導体多層膜120を形成する[工程A1]。
次に、半導体多層膜120に対しエッチングにより縦横に溝1000を入れ[工程B1]、半導体多層膜120をLED12となる部分112に分割する。溝幅は3[μm]〜10[μm]である。
溝1000に窒化シリコンを充填して、絶縁膜140を形成する[工程C1]。絶縁膜の厚さは300[nm]〜1000[nm]である。
図7に進み、LED12となる各部分112の中央部にエッチングにより孔22を開設する[工程D1]。孔径は20[μm]〜100[μm]である。これにより、n−GaN層14、発光層16、p−GaN層18からなる半導体多層膜20が出来上がる。
孔22に絶縁材料を充填し、絶縁膜38となる絶縁柱138を形成する[工程E1]。
p−GaN層18の露出面にRh/Pt/Au膜を形成してp側電極26を作製する[工程F1]。発光層16から光出射面側とは反対側に向かった光を光出射面側に取出すため、p側電極の材料に反射率の高いRh、Al、Ag、Pt等の金属を用いることにより、効率よく光出射面側に光を取り出すことが可能となる。
図8に進み、p側電極26および絶縁柱138の上面全面を覆う絶縁膜136を形成する[工程G1]。
次に、n側電極24および配線30を形成すべく、絶縁膜136および絶縁柱138の所定部位にエッチングにより孔(不図示)を開設した後、所定の領域にV/Al/Ti/Ni/Au膜を形成して、p側電極26および配線30を作製する[工程H1]。
p側電極26上面、配線30上面、および絶縁膜136の露出面を覆うように、絶縁膜134を形成する[工程I1]。
図9に進み、絶縁膜134の一部をエッチングにより除去した後(不図示)、所定領域にTi/Ni/Ti/Ni/Au膜を形成して、第1給電端子106、第2給電端子108を作製する[工程J1]。
そして、SiC基板104を研磨して厚みを調整した後(不図示)、SiC基板104をダイシングにより、個々のLEDアレイチップに分離して、LEDアレイチップ2(図1、図2)が完成する[工程K1]。
(発光モジュール)
発光モジュールとして、LEDアレイチップ2を複数個(本例では6個)有する白色LEDモジュール44を図10に示す。図10(a)は、白色LEDモジュール44の平面図であり、図10(b)は、図10(a)におけるD−D線断面図である。
図10(a)、図10(b)に示すように、白色LEDモジュール44は、絶縁基板46表面に導体パターンである配線パターン48が形成されてなるプリント基板50を有する。絶縁基板46は、セラミック材料、ガラス材料、単結晶材料で形成することができる。あるいは、窒化アルミニウムの焼結体、酸化アルミニウムの焼結体その他の絶縁性を有する金属焼結体などで形成することとしても構わない。これらの材料は、硬脆材料であり、かつ高熱伝導性材料である。
プリント基板50の第1の主面である表面50Aには、LEDアレイチップ2が所定の実装領域にフリップチップ実装されている。6個のLEDアレイチップ2は、配線パターン48によって、直列に接続されている。
実装された6個のLEDアレイチップ2を覆うように透光性部材である蛍光体膜52が形成されている。蛍光体膜52は、例えば、シリコーンなどの透光性樹脂に、(Ba,Sr)2SiO4:Eu2+やY3(Al,Ga)512:Ce3+の黄緑色蛍光体粉末とSr2Si58:Eu2+や(Ca,Sr)S:Eu2+などの赤色蛍光体粉末などを分散させたものからなる。LEDアレイチップ2が発光すると、LEDアレイチップ2から放出される青色光は、蛍光体膜52で一部が吸収され黄緑色光や赤色光に変換される。青色光と黄緑色光と赤色光が合成されて白色光となり、蛍光体膜52の主として上面(光射出面)から放出される。蛍光体材料を樹脂材に分散する蛍光体膜のほかに、ガラス材などの無機材に蛍光体材料を分散させたものや、YAG:Ce蛍光体等からなるセラミック蛍光体プレートなどを用いることができる。
配線パターン48は、直列接続されたLEDアレイチップ2の内、高電位側末端のLEDアレイチップ2の第2給電端子8と電気的に接続された給電ランド48A、および低電位側末端のLEDアレイチップ2の第1給電端子6と電気的に接続された給電ランド48Bを有する。
次に、発光モジュールの別の例として、LEDアレイチップ2を1個有する白色LEDモジュール54を図11に示す。白色LEDモジュール54は、LEDアレイチップ2をパッケージングしてなる表面実装型(SMD)のLEDモジュールである。表面実装型のLEDモジュールは、例えば、セラミックス基板上に半導体発光装置(LEDアレイチップ)をマウントし、当該半導体発光装置を透明のエポキシ樹脂で封止した構造を有するものである。
図11(a)は、白色LEDモジュール44の平面図であり、図11(b)は、図11(a)におけるG−G線断面図である。
図11(b)に示すように、白色LEDモジュール54は、2枚のセラミックス基板54、56が積層されてなるセラミックス基板58を有する。上層のセラミックス基板56には、LEDアレイチップ2を実装するための空間を創出するテーパー状の貫通孔60が開設されている。すなわち、セラミックス基板58は、内径が開口部に向かって拡がる凹部を有し、LEDアレイチップ2は当該凹部の底部に実装されている。なお、上記凹部を創出する貫通孔の(断面)形状は、前記テーパー状に限らず、例えば、椀状であってもよい。
また、上層のセラミックス基板56に開設された貫通孔60の側壁およびセラミックス基板56の上面には略一様な厚みのアルミ反射膜62が形成されていて、これによって反射鏡(反射孔)が構成されている。なお、貫通孔60は、LEDアレイチップ2の側方から発せられた白色光が、貫通孔60の側壁部分のアルミ反射膜62によってセラミックス基板56の主表面と略直交する方向に反射するような形状に形成(設計)されている。
また、LEDアレイチップ2覆うように蛍光体膜64が形成されている。蛍光体膜64は、上記白色LEDモジュール44と同様のもので形成することができる。また、形成に際しては、ポッティング法や電気泳動法を用いることができる。
さらに、貫通孔60がエポキシ樹脂で充塞されてレンズ66が形成されている。
下層のセラミックス基板54の上面には、アノードパッド68とカソードパッド70が形成されており、LEDアレイチップ2の第1給電端子6、第2給電端子8(図1、図2)がそれぞれ対応するパッド68,70と接続されている。
セラミックス基板54の下面には、白色LEDモジュール54の端子72,74が設けられている。端子72は、スルーホール76を介してアノードパッド68と電気的に接続されており、端子74はスルーホール78を介してカソードパッド70と電気的に接続されている。
上記の構成からなる白色LEDモジュール54において、端子72,74を介して給電すると、LEDアレイチップ2が青色発光し、蛍光体膜64を通過して白色光となった光はレンズ66を介して放出される。
(照明装置)
電球形照明装置の一例として白色LEDモジュール44(図10)を有する電球形LEDランプ80(以下、単に「LEDランプ80」と言う。)の断面図を図12に示す。
図12に示すように、LEDランプ80は、ケース部81と、ケース部81に一体的に連接された口金部82と、ケース部81に接着された略半球殻状のカバー部83とを有する。カバー部83は、合成樹脂やガラス等の透光性材料からなる。
ケース部81は、金属部84と絶縁部85とからなる。金属部84は、例えば、アルミニウムからなり、主としてLEDアレイチップ2が発する熱を放散させるためのヒートシンクを兼用している。絶縁部85はエポキシ樹脂その他の合成樹脂材料からなる。
金属部84は、中空の略円錐台形状をしていて、その外底部には、白色LEDモジュール44が耐熱性の接着剤(不図示)などにより接着されている。よって、金属部84は、白色LEDモジュール44を搭載するための基台としての役割も有する。
一方、金属部84内には、白色LEDモジュール44を点灯させるための点灯回路ユニット86が収納されている。点灯回路ユニット86は、金属部84の内底部に接合されたプリント配線板87と第2のプリント配線板87に実装された複数個の電子部品88等からなる。電子部品88は、第2のプリント配線板87の配線パターン(ランド等)に半田等によって電気的に接続されており、電子部品88間は、配線パターンやプリント配線板87に半田付けされた導線等によって電気的に接続されている。白色LEDモジュール44と点灯回路ユニット86とは、金属部84の底部中央に開設された貫通孔84A,84Bに、それぞれ挿通された内部配線89,90によって、電気的に接続されている。なお、内部配線89,90の白色LEDモジュール44側端部は、それぞれ、給電ランド48A,48B(図3)に半田付けされている。
点灯回路ユニット86は、口金部82から第1リード線91および第2リード線92を介して供給される商用交流電力を、白色LEDモジュール44を点灯させるための電力に変換して、白色LEDモジュール44に給電する。なお、第1リード線91、第2リード線92は、内部配線89,90と同様、いずれも被覆線であり被覆が両端部部分において一部ストリップされ、導線が露出してなるものである。
口金部84は、JIS(日本工業規格)に規定する、例えば、E26口金の規格に適合するものであり、一般白熱電球用のソケット(不図示)に装着して使用される。
口金部84は、筒状胴部とも称されるシェル93と円形皿状をしたアイレット94とを有する。シェル93とアイレット94とは、ガラス材料からなる第1絶縁体部96を介して一体となっている。この一体となったものが、ケース部81から延出され、円筒状をした第2絶縁体部97に嵌め込まれている。
第2絶縁体部97には、貫通孔97Aが開設されており、貫通孔97Aを介して第1リード線91が第2絶縁体部97内から外部に導出されている。
第1リード線91の一端部の導線部分は、シェル93の内周面と第2絶縁体部97外周面との間に挟持されている。これにより、第1リード線91とシェル93とは電気的に接続されている。
アイレット94は、中央部に開設された貫通孔94Aを有している。第2リード線92の導線部がこの貫通孔94Aから外部へ導出され、アイレット94の外面に半田付けにより接合されている。
<実施の形態2>
(LEDアレイチップの構成)
実施の形態1に係るLEDアレイチップ2は、9個のLED12A〜12Iを有し、これらをSiC基板4上で3直3並列に接続して構成した(図5(b))。SiC基板の代わりにGaN基板、窒化アルミ基板、ZnO基板など透光性材料を基板として用いることができる。YAG:Ceなどの波長変換機能を有する基板であってもよい。
これに対し、実施の形態2に係るLEDアレイチップ200は、16個のLED202A〜202Qを有している。これらは、図13(a)に示すように、4個ずつがグループW1,W2,W3,W4になっていて、各グループW1,W2,W3,W4を構成する4個のLEDは、2個ずつが直列に接続されていて、この直列に接続されたものが、極性を逆向きにして並列に接続(逆並列に接続)されてなる2直2逆並列に接続されている。
LED202A〜202Qの各々は、図3に示した実施の形態1のLED12と同じ構成である。よって、実施の形態2の説明に用いる図面において、LED202A〜202Qの構成部分には、実施の形態1のLED12と同様の符号(番号)を付すこととする。
LED202A〜202Qの各々は、図13(a)に示したのと同じ配列で、SiC基板204(図14)上に設けられており、これらが、金属薄膜からなる配線によって、図13(a)に示すとおりに電気的に接続されている。
LEDアレイチップ200の平面視における上記配線パターンを図13(b)に示す。また、LEDアレイチップ200を、図13(b)におけるE−E線に相当する位置で切断した断面図を図14(a)に、F−F線に相当する位置で切断した断面図を図14(b)にそれぞれ示す。ここで、図14から図13(b)を説明すると、図13(b)は、図14におけるG−G線断面図である。また、LEDアレイチップ200の平面図を図15に示す。なお、図15に示すように、LEDアレイチップ200は、グループW1,W2,W3,W4毎に、一対の給電端子210W1,212W1、210W2,212W2、210W3,212W3、210W4,212W4を有する。
図14に示すように、LEDアレイチップ200は、LEDアレイチップ2(図2)と同様、SiC基板204上に高抵抗層206を介して、LED202が形成されている。高抵抗のSiC基板、あるいはSiC基板の代わりにサファイア基板などの絶縁性基板を用いた場合は必ずしも高抵抗層を用いなくてもよい。LED202の各々は、LED2(図2、図3)と同様、n−GaN層14、発光層16、およびp−GaN層18がSiC基板204側からこの順に積層されてなり、ダイオード構造をした半導体多層膜20を有する。また、p−GaN層18の上面には、その全周に渡って形成されたp側電極26を有し、半導体多層膜20の平面視中央部に開設された孔に柱状をしたn側電極24が設けられている。なお、実施の形態2では、p側電極26は、透光性電極であり、ITO、TiO2、SnO2、ZnO、IZOなどで形成される。
図13(b)には、LED202A〜202Qの各々は現れていないため、破線の矢印で、配置位置をおおよそ示している。図13(b)において、符号208A〜208Qで指し示すのは、各LED202A〜202Qのp側電極26の接続された配線を示している。配線208A〜208Qは、環状をしたp側電極26の全周に渡って接合されたリング状をしている。
配線208A〜208Qが取り囲む中央に見えている円形部分は、LED202A〜202Qのn側電極24A〜24Qの端面である。
グループW1,W2,W3,W4の各々において4個のLED202間の配線による接続態様は、同様である。よって、グループW1を代表に説明することとする。
図14(a)に示すように、第1給電端子210W1がLED202Dのn側電極24Dと接続されている。
LED202Dのn側電極24DとLED202Aのp側電極26Aとが配線214W1で電気的に接続されている。
図13(b)に示すように、LED202Aのn側電極24A、LED202Dのp側電極26D(図14(a))、LED202Bのp側電極26B(図14(a))、およびLED202Cのn側電極24Cが相互に配線216W1によって電気的に接続されている。
図14(b)に示すように、LED202Cのp側電極26CとLED202Bのn側電極24Bとが、配線218W1で電気的に接続されている。
そして、第2給電端子212W1がLED202Bのn側電極24Bと接続されている。
以上の通りグループW1の4個のLED202A〜202Dは、配線208A〜D,214W1,216W1,218W1により、図13(a)に示す関係で電気的に接続されている。
また、LEDアレイチップ200においても、LEDアレイチップ2(図2)と同様、必要に応じて透光性の絶縁膜が設けられている。すなわち、LED202間には絶縁膜40が、n側電極26上面には絶縁膜36が、絶縁膜36に積層して絶縁膜34がそれぞれ設けられている。LEDアレイチップ200では、絶縁膜34に積層して、反射膜220が形成されている。反射膜220はAg、Al、Pt、Rhなど反射率の高い材料で形成される。
また、反射膜220と第1給電端子210、第2給電端子212との間には、絶縁膜222が形成されている。
上記の構成からなるLEDアレイチップ200において、給電端子210W1,212W1、210W2,212W2、210W3,212W3、210W4,212W4から交流電力を給電すると、各LED202A〜202Qは青色発光し、当該青色光は、SiC基板204を通過して出射される。このとき、各LED202A〜202QからSiC基板204側とは反対向きに出射された青色光は、反射膜220で反射されるので、光の利用効率が改善される
(LEDアレイチップの製造方法)
続いて、以上の構成からなるLEDアレイチップ200の製造方法について、図16〜図20を参照しながら説明する。図16〜図20は、図15におけるH−H線に沿って製造途中のLEDアレイチップ200を切断した図である。なお、図16〜図20ではLEDアレイチップ200の各構成部分となる素材部分には2000番台の符号付し、その下3桁にはLEDアレイチップ200の対応する構成部分に付した番号を用いることとする。
先ず、有機金属化学気相成長法(MOCVD法)を用い、SiC基板2204上に、高抵抗層2206、n−GaN層2014、発光層2016、p−GaN層2018をこの順に積層し、半導体多層膜2020を形成する[工程A2]。
次に、半導体多層膜2020に対しエッチングにより縦横に溝1002を入れ[工程B2]、半導体多層膜2020をLED202となる部分2202に分割する。
溝1002に窒化シリコンを充填して、絶縁膜2040を形成する[工程C2]。
図17に進み、LED202となる各部分2202の中央部にエッチングにより孔22を開設する[工程D2]。これにより、n−GaN層14、発光層16、p−GaN層18からなる半導体多層膜20が出来上がる。
孔22に絶縁材料を充填し、絶縁膜38となる絶縁柱2038を形成する[工程E2]。
p−GaN層18の露出面にITO膜を形成してp側電極26を作製する[工程F2]。
図18に進み、p側電極26の各々に配線208を形成する[工程G2]。
配線208、p側電極26および絶縁柱2038の上面全面を覆う絶縁膜2036を形成する[工程H2]。
次に、n側電極24、配線214、および配線218を形成すべく、絶縁膜2036および絶縁柱2038の所定部位にエッチングにより孔(不図示)を開設した後、所定の領域にV/Al/Ti/Ni/Au膜を形成して、p側電極24、配線214、および配線218を作製する[工程I2]。
p側電極26上面、配線214上面、配線218上面および絶縁膜2036の露出面を覆うように、絶縁膜2034を形成する[工程J2]。
次に、所定部位に反射膜2220を形成する[工程K2]。
さらに、絶縁膜2222を積層する[工程L2]。
次に、所定領域にTi/Ni/Ti/Ni/Au膜を形成して、第1給電端子2210、第2給電端子2212を作製する[工程M2]。
そして、SiC基板2204を研磨して厚みを調整した後(不図示)、SiC基板2204をダイシングにより、個々のLEDアレイチップに分離して、LEDアレイチップ2(図1、図2)が完成する[工程N2]。
<実施の形態3>
(LEDアレイチップの構成)
実施の形態1、2では、平面視で正方形をした半導体多層膜で各LEDを構成した。これに対し、実施の形態3に係るLEDアレイチップ300では、平面視で正六角形をした半導体多層膜で各LEDを構成している。チップの対角長は2[mm]、各発光素子の対角長は、その1/3となる。
図21(a)にLEDアレイチップ300の平面図を示す。ただし、図21(a)は、SiC基板304上、高抵抗層306を介して形成された7個のLED302A〜302Gのみを描いている。また、各LED302A〜302Gのn側電極308A〜308Gおよびp側電極310A〜310Gは、二点鎖線で示している。
図21(b)は、図21(a)におけるI−I線断面図である。
LED302A〜302Gは全て同様の構成なので、I−I線断面に現れたLED302Gを代表に説明する。なお、実施の形態3でも、実施の形態1、2と同様、各LEDに共通する構成部分には同じ番号の符号を付し、区別する必要のある場合は、当該番号にA〜Gのアルファベットを付すこととする。
LED302Gは、平面視で六角形をしている以外は、基本的に、実施の形態1、2のLEDと同様の構成である。すなわち、図21(b)に示すように、SiC基板304上、高抵抗膜306を介して、SiC基板304側から、n−GaN層314、発光層316、およびp−GaN層318がこの順に形成されてなる半導体多層膜320からなる。なお、実施の形態3の高抵抗層306は、AlGaN/AlN多層膜からなる。よって、高抵抗層306は、光を良く反射する光反射層(分布ブラック反射層:DBR層)としても機能する。
本実施の形態のように発光層316とSiC基板304の間に光反射層306を含む構成においては、発光層からの光がSiC基板を透過しない。この場合、実施の形態1,2で述べたようなSiC基板の代わり用いる透光性基板以外にも、Si、Ge、GaAsなど可視光透過率の低い基板や、Ag、Alなどの光を透過しない金属基板を用いることができる。
また、半導体多層膜320の平面視で中央部には、p−GaN層318、発光層316を貫通し、n−GaN層314に達する孔322が開設されており、孔322の底部でn−GaN層314と接続され、柱状をしたn側電極308が設けられている。また、p−GaN層318の上面には孔322を囲繞する環状にp側電極310が形成されている。
LED302A〜302Gの各々は、実施の形態1、2と同様、金属薄膜からなる配線によって、電気的に接続されている。
LEDアレイチップ300の平面視における上記配線パターンを図22(a)に示す。図22(a)は、LEDアレイチップ300を、後述する蛍光体膜342を取り除いた状態の平面図であり、その内部については、後述する配線324のみを破線で示した図である。
また、LEDアレイチップ200を、図22(a)におけるJ−J線に相当する位置で切断した断面図を図23(a)に示す。
図22(a)において、符号324A〜324Gで指し示すのは、各LED302A〜302Gのp側電極310A〜310Gにそれぞれ接続された配線を示している。配線324A〜324Gは、p側電極310A〜310G各々の全周に渡って接合されたリング状をしている。
配線324A〜324Gが取り囲む中央に見えている円形部分は、LED302A〜302Gのn側電極308A〜308Gの端面である(但し、n側電極308Gの端面は、後述する配線334に隠れて、図22(a)には現れていない。)。
LED302A〜302Gは、配線によって7個全てが、図22(b)に示すよう一の直列に接続されている。隣接するLED間の接続態様はいずれも同様なので、ここでは、LED302AとLED302Bの接続態様を代表に説明する。
図23(a)に示すように、LED302Aのn側電極308AとLED302Bのp側電極310Bとが配線326Aによって電気的に接続されている。これにより、LED302AとLED302Bとが直列に接続されている。配線326Aと同様の配線326B〜326Fによって次々と、図22(a)に示すように、LED302B〜302Gが接続されて、直列接続されている。
図23(a)に示すように、直列接続されたLED302A〜302Gの高電位側終端のLED320Aのp側電極310Aと接合されている配線324Aと第2給電端子328とが配線330によって電気的に接続されている。また、低電位側終端のLED302Gのn側電極308Gと第1給電端子332とが配線334によって電気的に接続されている。
第1給電端子332と第2給電端子328とは、SiC基板304上、LED302A〜302Gの形成領域外に形成されている。第1給電端子332と第2給電端子328にはボンディングワイヤーの一端が接合され、当該ボンディングワイヤーの他端が、LEDアレイチップ300の実装基板のランド等に接合される。この際、第1給電端子332と第2給電端子328とが、LED302A〜302Gの形成領域外に存するため、LED302A〜302Gの発光層316A〜316Gの主面と直交する領域にボンディングワイヤーが掛からないようにすることができる。これにより発光層316A〜316Gからその主面と直交する方向に射出される光をボンディングワイヤーが遮ることがない。
また、LEDアレイチップ300においても、LEDアレイチップ2(図2)、LEDアレイチップ200(図14)と同様、必要に応じて絶縁膜が設けられている。すなわち、各LED302の側面および高抵抗層306のLED302が存しない上面には絶縁膜336が、各n側電極308と対応する半導体多層膜320の中央部の孔の内壁との間には絶縁膜338が、p側電極310および配線324と配線326との間には絶縁膜340が、それぞれ形成されている。
絶縁膜340および配線326に重ねて、全てのLED302A〜320Gを覆う蛍光体膜342が形成されている。
(LEDアレイチップの製造方法)
続いて、以上の構成からなるLEDアレイチップ300の製造方法について、図24〜図27を参照しながら説明する。図24〜図27は、図22(a)におけるJ−J線に沿って製造途中のLEDアレイチップ300を切断した図である。なお、図24〜図27ではLEDアレイチップ300の各構成部分となる素材部分には3000番台の符号付し、その下3桁にはLEDアレイチップ300の対応する構成部分に付した番号を用いることとする。
先ず、有機金属化学気相成長法(MOCVD法)を用い、SiC基板3304上に、高抵抗層3306、n−GaN層3314、発光層3316、p−GaN層3318をこの順に積層し、半導体多層膜3320を形成する[工程A3]。
次に、半導体多層膜3320に対しエッチングによりハニカム状に溝1006を入れると共に、LEDアレイチップ300となる六角形の各頂部近傍をひし形に除去し[工程B3]、半導体多層膜3320をLED302となる部分3302に分割すると共に、給電端子形成領域1006を創設する。
溝1006およびLED302となる部分3302の残余の側壁、並びに給電端子形成領域1006に窒化シリコン膜を形成して、絶縁膜3336を形成する[工程C3]。
図25に進み、LED302となる各部分3302の中央部にエッチングにより孔322を開設する[工程D3]。これにより、n−GaN層314、発光層316、p−GaN層318からなる半導体多層膜320が出来上がる。
孔322に絶縁材料を充填し、絶縁膜338となる絶縁柱3338を形成する[工程E3]。
p−GaN層318の露出面にITO膜を形成してp側電極310を作製する[工程F3]。
図26に進み、p側電極310の上面に配線324を形成する[工程G3]。
絶縁柱3338、p側電極310、配線324および絶縁膜3336を覆う絶縁膜136を形成する[工程H3]。
次に、n側電極308および配線326を形成すべく、絶縁膜13340および絶縁柱3338の所定部位にエッチングにより孔(不図示)を開設した後、所定の領域にV/Al/Ti/Ni/Au膜を形成して、n側電極308および配線326を作製する[工程I3]。
p側電極26上面、配線30上面、および絶縁膜136の露出面を覆うように、絶縁膜134を形成する[工程I1]。
図27に進み、所定領域にTi/Ni/Ti/Ni/Au膜を形成して、第1給電端子332、配線334、第2給電端子328、および配線330を形成する[工程J3]。
配線330および配線334の一部、並びに絶縁膜3340および配線326に重ねて、全てのLED302A〜320Gを覆う蛍光体膜342を形成する[工程K3]。
そして、SiC基板3304を研磨して厚みを調整した後(不図示)、SiC基板3304を、個々のLEDアレイチップに分離して、LEDアレイチップ300(図1、図2)が完成する[工程L3]。
LEDアレイチップを分離する前に蛍光体膜を形成する本実施の形態においては、蛍光体膜の形成前に、分離前のチップ毎に第1給電端子332と第2給電端子328に通電して発光特性を調べることができる。そのため所望の白色光が得られるように蛍光体層中の蛍光体材料や蛍光体層厚を調整することが可能となる。さらに、発光素子ごとに異なる蛍光体膜の厚さ、蛍光体材料組成とすることも可能である。例えば、一の発光素子上からは青色光、他の一の発光素子上からは緑色光、他の一の発光素子上から赤色光を発する構成とすることも可能となる。
以上、本発明を実施の形態に基づいて説明してきたが、本発明は、上記した形態に限らないことは勿論であり、例えば、以下の形態とすることもできる。
(1)いずれの実施の形態においても青色光で説明したが、発光層からの発光波長は蛍光体を励起する波長であれば青色光に限定するものではなく、特にUVから青緑色光が好ましい。また、合成光が白色となるものに限定されず、例えば青色、緑色、赤色など単色光でもよい。
(2)発光層もGaN系に限定されるものではない。LEDアレイチップを構成する発光素子の発光波長を意図的に異なる波長とすることも可能である。例えば、一の発光層からは青色光、他の一の発光層からは緑色光、他の一の発光層からは赤色光を発する構成とすることもできる。発光層のみ或いは蛍光体膜からの発光との補完により、多様な光色、高い演色評価数の白色光を実現することができる。
(3)上記実施の形態1,2では、例えばSiC基板上に半導体多層膜を結晶成長によって形成した後、当該半導体多層膜をLEDアレイチップ(半導体発光装置)単位に、ダイシングにより分離した。
しかしながら、これに限らず、半導体多層膜の上記分離は結晶成長に供した基板(結晶成長基板)上では行わず、適当なタイミング(工程)で、最終的にLEDアレイチップを構成することとなる基板に半導体多層膜を転写した後、当該基板(支持基板)上で行うこととしてもよい。この場合は、上記した実施の形態の例とは異なり、LEDアレイチップにおいて、各LEDを構成する半導体多層膜は、基板(支持基板)側からp−GaN層、発光層、n−GaN層がこの順に積層されたものとなる。
本発明に係る半導体発光装置は、例えば、電球形LEDの光源として好適に利用可能である。
4,204,304 SiC基板
12,202,302 LED
14,314 n−GaN層
16,316 発光層
18,318 p−GaN層
22,322 孔
24,308 n側電極
26,310 p側電極

Claims (11)

  1. 基板を有し当該基板上に第1の導電型層、発光層、および第2の導電型層が前記基板側からこの順に積層されてなる半導体多層膜が積層方向に入った分割溝によって複数の部分に分割され、各部分がダイオード構造を有する発光素子として構成されている半導体発光装置であって、
    各発光素子が、
    平面視でその中央部に、第2の導電型層および発光層を貫通し第1の導電型層まで達する孔を有し、
    前記孔内に挿設されてその一端が前記第1の導電型層と前記孔の底面部で接続され、他端が前記孔の開口部から突出してなる柱状をした第1の電極と、
    前記第2の導電型層上において前記孔を囲繞する環状に形成された第2の電極と、
    を備え、
    前記複数の発光素子の内少なくとも二つが、一の発光素子の第1の電極と他の一の発光素子の第2の電極とが、薄膜配線によって接続される形で、直列に接続されていて、
    直列接続された発光素子列における一の終端となる発光素子の第1の電極と接続された第1の給電端子と、他の終端となる発光素子の第2の電極と接続された第2の給電端子とを有し、
    前記複数の発光素子の内、前記発光素子列を構成する発光素子とは別の発光素子が薄膜配線によって、前記発光素子列と同様の態様で接続されて直列接続されており、当該直列接続されたものが、前記発光素子列と極性を逆向きにして並列に接続されていることを特徴とする半導体発光装置。
  2. 前記第1および第2の給電端子は、前記複数の発光素子の前記基板とは反対側に絶縁膜を介して形成された金属膜からなり、両給電端子は、絶縁に必要な最小限の間隙を残して、平面視で前記基板の主面全域を覆うように設けられていることを特徴とする請求項1に記載の半導体発光装置。
  3. 前記薄膜配線の前記第2の電極と接合部分は、当該第2の電極の全周に渡っていることを特徴とする請求項1に記載の半導体発光装置。
  4. 前記第2の電極が透光性材料からなり、
    前記第1および第2の給電端子が、前記発光素子と同じ側の前記基板上、当該発光素子の形成領域外に形成されていることを特徴とする請求項1に記載の半導体発光装置。
  5. 前記基板は透光性を有し、
    前記第2の電極が高反射性導電材からなることを特徴とする請求項1に記載の半導体発光装置。
  6. 前記第1の導電型層は、前記基板上に高抵抗層を介して形成されていることを特徴とする請求項1に記載の半導体発光装置。
  7. 前記第2の電極が透光性材料からなり、
    当該第2の電極の前記基板とは反対側に、絶縁膜を介して形成された光反射膜を有することを特徴とする請求項1に記載の半導体発光装置。
  8. 前記基板と前記第1の導電型層との間に光反射層を有することを特徴とする請求項1に記載の半導体発光装置。
  9. 前記発光層から発せられた光をこれよりも長い波長の光に変換する波長変換膜が、各発光素子の前記基板と反対側の主面を覆って設けられていることを特徴とする請求項1に記載の半導体発光装置。
  10. 請求項1〜9のいずれか1項に記載の半導体発光装置を有することを特徴とする発光モジュール。
  11. 請求項10に記載の発光モジュールを備えたことを特徴とする照明装置。
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