(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
薄膜により基板上の一定領域に形成された発光層を備え、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素子が１つの前記基板上に複数形成されている発光ダイオードモジュールであって、
前記発光ダイオード素子毎に、前記発光層の側面の全て又は一部を囲んで前記発光層に対して２２．５°以上且つ６７．５°以下の角度で傾斜した側方反射部を備えて、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前記側方反射部によって略前記集光方向に反射させ、
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備えて、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、
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、
前記透明基板側から順に、前記発光層から放出される光を透過させ且つ導電性を有する第１の導電層と、前記発光層と、導電性を有する第２の導電層と、複数の前記発光ダイオード素子上に形成される電源配線層とを積層して備え、
前記電源配線層において、前記第１の導電層と電気的に接続された第１の導体と、前記第２の導電層と電気的に接続された第２の導体とがそれぞれ配線されることにより、各前記発光ダイオード素子が電気的に接続されて構成されることを特徴とする発光ダイオードモジュール。
【請求項２】
前記電源配線層上に配設される少なくとも２つのフリップチップ電極又はフリップチップ用電極を備え、
各前記フリップチップ電極又はフリップチップ用電極は、前記第１の導体及び前記第２の導体とそれぞれ電気的に接続されて構成される請求項１記載の発光ダイオードモジュール。
【請求項３】
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請求項１又は２に記載の発光ダイオードモジュール。
【請求項４】
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請求項１又は２に記載の発光ダイオードモジュール。
【請求項５】
前記側方反射部は、シリコンを母材とする第２の基板上に、前記発光層に対応するように形成され、
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の基板とを対向させて貼り合わせて構成される請求項１又は２に記載の発光ダイオードモジュール。
【請求項６】
前記電源配線層上に前記フリップチップ電極又はフリップチップ用電極が配設された後に、前記透明基板が除去されて構成される請求項２乃至５のいずれかに記載の発光ダイオードモジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光ダイオード素子が１つの基板上に複数形成されている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することにより、輝度及び集光効率を向上させる発光ダイオードモジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の発光ダイオード（ＬＥＤ）素子は、例えば、図５６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。【０００３】
別の従来のＬＥＤ素子の例では、図５７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。図５８（ａ）は、上記発光素子８９１を上方から見た平面図であり、図５８（ｂ）はそのＸ−Ｘ’断面図である。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。９９２１は半導体の外縁を示し、９９２３はＮ型半導体層とＰ型半導体層の境界を示す。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。【０００４】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−３０３５４７号
【特許文献２】特開平１０−９３１４６号
【特許文献３】Ｗ０２００６−１２６３３０号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
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。【０００７】
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１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。【０００８】
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。【０００９】
また、発光部の至近位置でミラーを形成するためには、発光素子をいくつかに分離することが好ましい。しかし、素子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、このスペースは通常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、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、端面近傍の比率が高くなる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て、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。このようなデメリットのために、通常は、素子を小さな面積の素子に分割してその集合とする発想はできない。しかし、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、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、発光部の一つ一つ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ことができる。【００１０】
本発明は、この様な事情に鑑みなされたものであり、発光素子の発光層から全方向に放出される光を、発光層の側面の至近位置にて集光方向に向ける構造を内蔵することにより、輝度及び集光効率の高い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。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、以下の通りである。
１．薄膜により基板上の一定領域に形成された発光層を備え、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素子が１つの前記基板上に複数形成されている発光ダイオードモジュールであって、前記発光ダイオード素子毎に、前記発光層の側面の全て又は一部を囲んで前記発光層に対して２２．５°以上且つ６７．５°以下の角度で傾斜した側方反射部を備えて、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前記側方反射部によって略前記集光方向に反射させ、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備えて、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、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、前記透明基板側から順に、前記発光層から放出される光を透過させ且つ導電性を有する第１の導電層と、前記発光層と、導電性を有する第２の導電層と、複数の前記発光ダイオード素子上に形成される電源配線層とを積層して備え、前記電源配線層において、前記第１の導電層と電気的に接続された第１の導体と、前記第２の導電層と電気的に接続された第２の導体とがそれぞれ配線されることにより、各前記発光ダイオード素子が電気的に接続されて構成されることを特徴とする発光ダイオードモジュール。
２．前記電源配線層上に配設される少なくとも２つのフリップチップ電極又はフリップチップ用電極を備え、各前記フリップチップ電極又はフリップチップ用電極は、前記第１の導体及び前記第２の導体とそれぞれ電気的に接続されて構成される前記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１．又は２．に記載の発光ダイオードモジュール。
５．前記側方反射部は、シリコンを母材とする第２の基板上に、前記発光層に対応するように形成され、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の基板とを対向させて貼り合わせて構成される前記１．又は２．に記載の発光ダイオードモジュール。
６．前記電源配線層上に前記フリップチップ電極又はフリップチップ用電極が配設された後に、前記透明基板が除去されて構成される前記２．乃至５．のいずれかに記載の発光ダイオードモジュール。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の発光ダイオードモジュールによれば、各発光ダイオード素子は、薄膜により基板上に形成された発光層の側面の近傍に、発光層に対して所定範囲の角度で傾斜した側方反射部を備え、発光層から発光層と略平行方向に放出される光を側方反射部によって発光層に対して略垂直な方向に反射させるため、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る。半導体技術を用いて１つの基板上に微細な側方反射部を形成することができ、本発明の構成は、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。これによって、総合的に発光ダイオード素子の輝度を高めることができ、発光ダイオード素子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発光ダイオード素子を実現することが可能になる。
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、前記発光層に対して２２．５°以上且つ６７．５°以下の角度で傾斜しているため、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備えるため、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。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、輝度とエネルギー効率が更に優れた発光ダイオード素子を実現することができる。
【００１３】
前記発光層及び前記側方反射部は、前記基板の前記集光方向側の面上に形成することも可能である（参考例）。その場合には、既存の半導体技術を用いて容易に発光層及び側方反射部を製造することができ、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、前記背面反射膜は、前記透明基板の前記集光方向とは反対側の面上に形成することも可能である（参考例）。その場合には、その全面に背面反射膜を容易に形成することができる。
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ことも可能である（参考例）。その場合には、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素子を効率よく製造することが可能になる。
【００１４】
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、発光層は、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ため、既存の半導体技術を用いて容易に発光層、背面反射膜、電極等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層を備え、前記透過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素子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素子を効率よく製造することが可能になる。
【００１５】
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、発光層が形成された透明基板と側方反射部が形成された第２の基板とを対向させて貼り合わせ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素子を実現することができる。【００１６】
前記透明基板側から順に、前記発光層から放出される光を透過させ且つ導電性を有する第１の導電層と、発光層と、導電性を有する第２の導電層と、電源配線層とを備え、電源配線層において、第１の導電層と電気的に接続された第１の導体と、第２の導電層と電気的に接続された第２の導体とがそれぞれ配線されるため、発光層等と発光層を駆動するための電極及び電源配線を一体として形成することが可能であり、しかも、電極や電源配線等によって、発光層から直接又は反射されて集光方向に放出される光を遮らないため、集光性能に優れた発光ダイオード素子とすることが可能になる。
【００１７】
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ようにすることも可能である。その場合には、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。
【００１８】
本発明の発光ダイオードモジュールによれば、上記の側方反射部を備えた発光ダイオード素子が１つの前記基板上に複数形成され、各発光ダイオード素子が電気的に接続されて構成されるため、半導体技術を用いて１つのウェーハ上に微細な上記発光ダイオード素子を配列して製造することができ、またパッケージングのスペース効率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。これによって、総合的に、小形で、輝度が高く且つエネルギー効率の良い発光ダイオードモジュールを実現することが可能になる。【００１９】
各前記発光ダイオード素子は、前記透明基板側から順に、透明な第１の導電層と、発光層と、第２の導電層と、を備え、更に、複数の前記発光ダイオード素子上に、電源配線層を備え、電源配線層において、第１の導電層と接続された第１の導体と、第２の導電層と接続された第２の導体とがそれぞれ配線されて構成されるため、各発光ダイオード素子の発光層等と発光層を駆動するための電極、各発光ダイオード素子間の電源配線を一体として形成することが可能であり、しかも、電極や電源配線等によって、各発光層から直接又は反射されて集光方向に放出される光を遮らないため、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可能になる。
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を備え、各フリップチップ電極等は第１の導体及び第２の導体とそれぞれ電気的に接続されて構成される場合には、更に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になる。
前記電源配線層上に前記フリップチップ電極等が配設された後に、前記透明基板を除去し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をなし地に加工することも可能であり、その場合には、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。
【００２０】
複数の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、各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ようにすることも可能である。その場合には、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、又は各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、各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。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
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。
【図１】発光ダイオード素子の構成を説明するための断面図である。
【図２】発光ダイオード素子（光マイクロセル）の参考の構成を示す断面図である。
【図３】図２の発光ダイオード素子の平面図である。
【図４】本発明における発光ダイオード素子の基本的な構成を示す断面図である。
【図５】本発明における発光ダイオード素子に内蔵される側方反射部（マイクロミラー）の傾斜角と反射光の方向との関係を説明するための図面である。
【図６】参考形態１における発光ダイオードモジュール（光マイクロモジュール）の構成例を示す平面図である。
【図７】図６の発光ダイオードモジュールを構成する１つの発光ダイオード素子を説明するための平面図である。
【図８】図６の発光ダイオードモジュールを構成する発光ダイオード素子間の電気的な接続方法を説明するための平面図である。
【図９】図６の発光ダイオードモジュールを構成する発光ダイオード素子と電極部との電気的な接続方法を説明するための平面図である。
【図１０】図６の発光ダイオードモジュールの等価回路図である。
【図１１】参考形態１における発光ダイオード素子の第１の構造例を説明するための断面図である（図７のＹ−Ｙ’断面に相当する）。
【図１２】参考形態１における発光ダイオード素子の第１の構造例を説明するための断面図である（図７のＹ２−Ｙ２’断面に相当する）。
【図１３】参考形態１における発光ダイオードモジュールの第１の構造例及び光の進行方向を説明するための断面図である（図６のＸ−Ｘ’断面に相当する）。
【図１４】参考形態１における発光ダイオード素子又は発光ダイオードモジュールの第１の製造方法を説明するための断面図である。
【図１５】図１４に示した発光ダイオード素子の製造方法のうち、側方反射部を形成する工程を説明するための断面図である。
【図１６】参考形態１の発光ダイオード素子の第１の構造による光の進行方向を説明するための断面図である。
【図１７】参考形態１における発光ダイオード素子の第２の構造例を説明するための断面図である（図７のＹ−Ｙ’断面に相当する）。
【図１８】参考形態１における発光ダイオード素子の第２の構造例を説明するための断面図である（図７のＹ２−Ｙ２’断面に相当する）。
【図１９】参考形態１における発光ダイオードモジュールの第２の構造例及び光の進行方向を説明するための断面図である（図６のＸ−Ｘ’断面に相当する）。
【図２０】参考形態１における発光ダイオード素子又は発光ダイオードモジュールの第２の製造方法を説明するための断面図である。
【図２１】参考形態１における発光ダイオード素子の第３の構造例を説明するための断面図である（図７のＹ−Ｙ’断面に相当する）。
【図２２】参考の形態１における発光ダイオード素子の第３の構造例を説明するための断面図である（図７のＹ２−Ｙ２’断面に相当する）。
【図２３】参考形態１における発光ダイオード素子又は発光ダイオードモジュールの第３の製造方法を説明するための断面図である。
【図２４】実施の形態２における発光ダイオードモジュールをパッケージに実装する例を説明するための断面図である。
【図２５】実施の形態２における発光ダイオードモジュールを、蛍光体を備えてパッケージに実装する例を説明するための断面図である。
【図２６】実施の形態２における発光ダイオードモジュールの構造例及び光の進行方向を説明するための側面図である。
【図２７】実施の形態２における発光ダイオードモジュールの構造例を説明するための斜視図である。
【図２８】図２７の発光ダイオードモジュールの集光方向を下にした斜視図である。
【図２９】実施の形態２における発光ダイオード素子の第１の構造例及び光の進行方向を説明するための断面図である。
【図３０】実施の形態２における発光ダイオード素子の第１の製造方法を説明するための断面図である。
【図３１】実施の形態２における発光ダイオード素子の第２の製造方法を説明するための断面図である。
【図３２】実施の形態２における発光ダイオード素子の第１の構造例を説明するための断面図及び平面図である。
【図３３】図３２に示した発光ダイオード素子の別の構造例を表わす平面図である。
【図３４】実施の形態２における発光ダイオードモジュールをウェーハ上に形成する例を説明するための図である。
【図３５】実施の形態２における側方反射部（マイクロミラー）の別の形成方法（１）を説明するための断面図である。
【図３６】実施の形態２における側方反射部（マイクロミラー）の別の形成方法（２）を説明するための断面図である。
【図３７】実施の形態２における側方反射部（マイクロミラー）の別の形成方法（３）を説明するための断面図である。
【図３８】実施の形態２における発光ダイオード素子の別の構造例及び光の進行方向を説明するための断面図である。
【図３９】実施の形態２における発光ダイオード素子（側方反射部）の第３の製造方法を説明するための断面図である。
【図４０】実施の形態２における発光ダイオード素子（側方反射部）の第４の製造方法を説明するための断面図である。
【図４１】図４０に示した製造方法により製造された発光ダイオード素子における光の進行方向を説明するための断面図である。
【図４２】実施の形態３における発光ダイオードモジュールをパッケージに実装する例を説明するための断面図である。
【図４３】実施の形態３における発光ダイオードモジュールを、蛍光体を備えてパッケージに実装する例を説明するための断面図である。
【図４４】実施の形態３における発光ダイオードモジュールの構造例を説明するための側面図である。
【図４５】図４４に示した発光ダイオードモジュールの斜視図である。
【図４６】実施の形態３の発光ダイオードモジュールについて、光の進行方向を説明するための側面図である。
【図４７】実施の形態３における発光ダイオード素子の構造例を説明するための断面図及び平面図である。
【図４８】実施の形態３における発光ダイオード素子の側方反射部（マイクロミラー）を、ウェーハ上に形成する工程を説明するための断面図である。
【図４９】シリコンウェーハの面方位とエッチング特性の関係を説明するための図である。
【図５０】実施の形態３における発光ダイオード素子の透明基板側の構造を形成し、側方反射部を形成した第２の基板（シリコン基板）と貼り合わせる工程を説明するための断面図である。
【図５１】実施の形態３における発光ダイオード素子の電極構造を形成する工程を説明するための断面図である。
【図５２】図４０に示した製造方法により製造された発光ダイオード素子における光の進行方向を説明するための断面図である。
【図５３】実施の形態３における発光ダイオードモジュールに、電源配線層及びフリップチップ電極を形成した状態を表わす側面図である。
【図５４】電源配線層上にフリップチップ電極が配設された後に、透明基板が除去されて構成される発光ダイオードモジュールを説明するための断面図である。
【図５５】基板上に発光ダイオード素子及び電源配線層が形成された後に、ウェーハ状態で、貫通導電ビアが形成された別のウェーハ基板を貼り合わせた断面図である。
【図５６】従来の発光ダイオードの構造を説明するための断面図である。
【図５７】従来の別の発光ダイオードの構造を説明するための断面図である。
【図５８】図５７の発光ダイオードに備えられている発光素子の構造を説明するための平面図及び断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明における発光ダイオード素子は、薄膜により基板上に形成された発光層から放出された光を、発光層とは垂直な方向に取り出す発光ダイオードであり、発光層から発光層と略平行方向（発光層の側方）に放出される光を反射させて取り出すための構造を備える。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。
【００２３】
本発明の要旨の１つは、半導体製造技術を利用して、上記のような薄膜の側方に微細な側方反射部を形成することにある。よって、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。
【００２４】
また、本発明の要旨は、上記の光マイクロセルを同じ基板上に配列して形成することが可能な構造とすることである。複数の光マイクロセルを同じ基板上に配列して形成し、その各光マイクロセルを電気的に接続することによって、複数の光マイクロセルを備えた１つのモジュールを構成することができる。このモジュールを、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。発光ダイオードモジュール（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一体に形成された電極や電源配線層を含むことができる。
【００２５】
図２及び図３に、発光ダイオード素子の参考の構造を模式的に示す。図２は断面図であり、発光ダイオード素子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。
【００２６】
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。以下では、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。以下では、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セル、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。
【００２７】
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２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面上に形成されている。この場合、背面反射膜５は、図２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。
【００２８】
図２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）。
【００２９】
図４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、基板を透明基板と第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を構成することができる。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）。
【００３０】
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、上記壁面の傾斜を形成するために、絶縁層又は発光層から放出される光を透過する透過膜層を設けることができる。絶縁層又は透過膜層の材料は限定されないが、例えばシリコン酸化物（ＳｉＯ２等）を用いることができる。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。
【００３１】
図３は、前記発光ダイオード素子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。
【００３２】
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２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。
【００３３】
本発明の目指すところは、発光ダイオード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発光ダイオードを実現することにある。したがって、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、光マイクロセルの大きさは最適化される必要がある。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。
【００３４】
また、本発明は、１つの光マイクロセルにおいて、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であることを特徴としている。これによって、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３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。
【００３５】
次に、マイクロミラーの傾斜角度αについて説明する。
図５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。
【００３６】
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（裾部から頂部まで）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。
【００３７】
光マイクロセル及び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。
【００３８】
この他、光マイクロセル及び光マイクロモジュールは、発光層に電源を供給するための電極及び電源配線を一体に形成して構成することができる。電極及び電源配線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、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の導電層及び第２の導電層を、発光層と一体に形成することができる。以下では、Ｎ型半導体層と接続された電極（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電極（アノード）をＰ型電極又はＰ電極と表記する。
また、光マイクロセル及び光マイクロモジュールは、上記各電極に配線をする電源配線層を一体に形成することができる。電源配線層は、上記第１の導電層と電気的に接続された第１の導体と、上記第２の導電層と電気的に接続された第２の導体とがそれぞれ配線される。光マイクロセル又は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。
【００３９】
フリップチップ実装を行うために、光マイクロセル及び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、上記第１の導体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、上記第２の導体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セル又は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つの光マイクロセル又は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。
光マイクロセル及び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（発光層、マイクロミラー、電源配線層、フリップチップ電極等）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、光マイクロセル又は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、光マイクロセル又は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。
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。
【００４０】
また、光マイクロセル及び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。光マイクロセル及び光マイクロモジュールは、公知のパッケージ（例えば、図５６、図５７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。
【００４１】
（参考形態１）
発光層及びマイクロミラーを基板の集光方向側の面上に形成して、光マイクロセル及び光マイクロモジュールを構成することができる。
光マイクロモジュールのレイアウトの例を図６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、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。
【００４２】
図７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、前述のとおり、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７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。また、光マイクロセルの境界領域にある基板上の配線領域７０１０は、Ｐ電極及びＮ電極からの配線に用いるためのスペースであり、この光マイクロセルから放出される光を遮らないような位置に設けられている。
【００４３】
図６において、例えば光マイクロセルＣ１１は、Ｐ型領域４０１ａと、Ｎ型領域４０１ｂとを備えている。横方向に並んだ光マイクロセルＣ１１、Ｃ１２及びＣ２２には、Ｐ電極７０１ａと同じ配線材料（例えば、Ａｌ）を用いて配線７６１ａがなされている。また、Ｎ電極７０１ｂと各光マイクロセルのＮ型領域とも、同様の配線（７６１ｂ等）により接続されている。これらの配線は、光マイクロセルの前記配線領域７０１０を利用して行うことができる。これにより、発光層及び光マイクロミラー部から放出される光が配線によって遮られないようにすることができる。
また、縦列に並ぶ各光マイクロセルのＰ型領域の間は、透明導電膜７６１３により相互に接続されている。Ｐ電極７０１ａと光マイクロセルＣ１のＰ型領域の間も、透明導電膜７６１４により接続されている。
【００４４】
図８は、上記光マイクロセルＣ４、Ｃ５、Ｃ６、Ｃ７の部分の詳細を示す。光マイクロセルＣ４と光マイクロセルＣ５の各Ｐ型領域、及び光マイクロセルＣ６と光マイクロセルＣ７の各Ｐ型領域は、透明導電膜７６１３によって接続されている。また、各光マイクロセルのＮ型領域同士は、Ａｌ等を用いた配線層７６１ｂ等によって接続されている。
図９（ａ）は、Ｎ電極７０１ｂと光マイクロセルＣ１８のＮ型領域４０１ｂとの接続を表わす図である。両者はＡｌ等を用いた配線層７６１ｂによって接続されている。また、図９（ｂ）は、Ｐ電極７０１ａと光マイクロセルＣ１のＰ型領域４０１ａとを、透明導電膜７６１４により接続している様子を示す。
【００４５】
上記のように、光マイクロモジュール２０１においては、各光マイクロセルのＰ型領域同士、Ｎ型領域同士がそれぞれに共通に接続されている。したがって、光マイクロモジュール２０１は、図１０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モジュール（光マイクロモジュール）を構成する。
【００４６】
上記光マイクロモジュール２０１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。
【００４７】
図１１は、光マイクロセル１０２の構造を表わす断面図である（図７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。
【００４８】
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７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。
【００４９】
図１３は、上記光マイクロセル１０２を配列して構成した光マイクロモジュールの断面図である。図６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６中の光マイクロセルＣ１８、Ｃ１６、Ｃ７、Ｃ４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６０２が形成されている。
図１３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。例えば、光マイクロセルＣ１６の活性層から上方向すなわち集光方向ｚへ放射された光はそのまま進行する（ｐ）。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５０２により反射されて集光方向に放出される（ｑ）。活性層に沿った方向のうち図の右側へ放出された光は、右側のマイクロミラー６０２により反射されて略集光方向に放出される（ｒ）。また、活性層に沿った光のうち図の左側（Ｎ型領域）へ放出された光も、Ｎ型半導体層４０２ｂの内部や透明電極７０２ｂ等を通って左側のマイクロミラー６０２で反射され、略集光方向へ向かう（ｒ’）。
以上のように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の集光方向に蛍光体（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。
【００５０】
上記光マイクロセル１０２（又は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。
【００５１】
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。この工程は、更に図１５において説明する。エッチング加工後、フォトレジストは除去される。
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。
【００５２】
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。
【００５３】
前記側面反射膜形成工程（図１４（ｄ）参照）において、マイクロミラー（６０２）の傾斜部の形を整えるために前記薄膜６０２３をウエットエッチングする手法について、より詳細に説明する。図１４（ｄ）に示したような、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、図１５に示すように、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、アンダーエッチ部６０２４が形成される。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。その後、フォトレジストを除去してから前記Ｐ型半導体エッチング工程を行えば、図１４（ｆ）に示したような傾斜面が裾部までなだらかな形状のマイクロミラー６０２を形成することができる。
【００５４】
図１６は、上記工程により形成された光マイクロセルにおいて、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。
【００５５】
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１７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７に示した１つの光マイクロセルのＹ−Ｙ’断面は、図１７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。
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。
【００５６】
図１８は、図７に示した光マイクロセルのＹ２−Ｙ２’断面図である。光マイクロセル上でこの部分にはＮ型電極部７０３ｂが形成されていないことを除き、上記Ｙ−Ｙ’断面の構造及び作用と同様であり、発光層４０３に沿った方向の光は、発光層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。
【００５７】
図１７及び図１８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１６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１７及び図１８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。
【００５８】
図１９は、上記光マイクロセル１０３を配列して構成した光マイクロモジュールの断面図である。図６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６中の光マイクロセルＣ１８、Ｃ１６、Ｃ７、Ｃ４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。
図１９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）。この点を除き、光路は光マイクロセル１０２の事例（図１３）と同様である。
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。
【００５９】
上記光マイクロセル１０３（光マイクロモジュール２０１）は、例えば、図２０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２０（ａ）は、シリコン基板３０３上に、ニッケル、クロムや銀等の導電薄膜５０３、Ｎ型ＧａＡｌＮ半導体４０３ｂ及びＰ型ＧａＡｌＮ半導体４０３ａを備える半導体層を形成する工程（基板製造工程）の後、その上にフォトレジスト１６２１を設けた状態を表わす。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（図示せず）が形成されている。フォトレジスト１６２１は、上記半導体層及び導電薄膜５０３をエッチング加工するためのものである。
この後、導電薄膜５０３が半導体層の下面に形成されている点を除き前記光マイクロセル１０２の事例（図１４）と同様に、半導体層及び導電薄膜５０３をドライエッチングする半導体層エッチング工程（図２０（ｂ））、ウエットエッチング手法により斜面４０３５を形成するテーパエッチング工程（図２０（ｃ））、銀或いはニッケルの薄膜６０３３を形成した後テーパエッチングによりマイクロミラー６０３を形成する側面反射膜形成工程（図２０（ｄ））、を行う。その後、次のＮ型電極部を形成するためのフォトレジストを塗布して、フォトレジストのパターン１６２４を形成する（図２０（ｅ））。
【００６０】
図２０（ｆ）は、ＧａＡｌＮ半導体をエッチングして半導体部を除去する半導体部エッチング工程を行った状態を表わしている。これにより、金属薄膜の表面５０３１が露出される。金属薄膜がＧａＡｌＮ半導体のエッチングのストッパーの役割を果たしているため、エッチングの管理は容易である。金属薄膜を露出させた表面５０３１がＮ型電極部であり、Ｐ型半導体の露出した表面４０３６がＰ型電極部である。
図２０（ｇ）は、シリコン酸化膜層を形成した後、エッチングにより電極のための開口部を形成し（保護膜形成工程）、その後フォトレジストを除去した工程を示している。この工程により、保護部分のシリコン酸化膜５６３、Ｐ型電極のためのコンタクト部４０３７、Ｎ型電極のためのコンタクト部５０３２が形成されている。
図２０（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し（電極形成工程）、その後フォトレジストを除去した工程を示す。Ｐ型電極部７０３ａ及びＮ型電極部７０３ｂが形成されている。背面反射膜（導電薄膜）５０３は、シリコン基板３０３上に形成されている。
【００６１】
なお、図２０（ａ）に示される基板として使用するウェーハの製作工程は、例えば、シリコン基板にニッケル薄膜を蒸着し、そこに別のサファイア基板の上に形成したＰ型ＧａＡｌＮ半導体、活性層、Ｎ型ＧaＡｌＮ半導体、ニッケル薄膜層を転写する方法によっても可能である。本発明はマイクロミラー、光マイクロセルの形成にかかわるものであるので基板形成方法については言及しない。
【００６２】
図１７、図１８に示した光マイクロセル１０３のマイクロミラー部は、図２１及び図２２に示すような窪み（ディップ部）を設けた構造としてもよい。このディップ部を設けた光マイクロセル１０４は、マイクロミラー部に窪みが形成される他は、前記光マイクロセル１０３の構造と同様である。図２１に示す断面は図７に示した光マイクロセルのＹ−Ｙ’断面に相当し。図２２に示す断面は図７に示した光マイクロセルのＹ２−Ｙ２’断面に相当する。
図２１に表わされた光マイクロセル１０４は、シリコン基板３０４上に、ニッケル薄膜やクロム薄膜など光を反射する導電性薄膜５０４、Ｎ型ＧａＡｌＮ半導体層４０４ｂ及びＰ型ＧａＡｌＮ半導体層４０４ａから構成される発光層４０４が形成されている。Ｎ型ＧａＡｌＮ半導体４０４ｂとＰ型ＧａＡｌＮ半導体４０４ａの界面には、活性層４０４ｃが存在する（図示せず）。発光層４０４の側面の近傍には、ディップ部６０４３を挟んで、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６０４１が傾斜して加工された側壁部が形成されている。ディップ部６０４３は、マイクロミラーの形状を整えるためにシリコン基板に形成された窪みである。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６０４２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５６４、酸化インジウム等からなる透明電極層（Ｐ型電極部７０４ａ、Ｎ型電極部７０４ｂ）が形成されている。
上記薄膜層６０４２がマイクロミラー６０４の反射膜となり、発光層４０４に沿った方向の光は、その側面近傍に設けられたマイクロミラー６０４により反射されて略集光方向に放出される。
図２２に表わされた光マイクロセル１０４の断面は、Ｎ型電極部７０４ｂが形成されていないことを除き、図２１に示した構造及び作用と同様である。
光マイクロセル１０４を配列して構成した光マイクロモジュールの断面構造（図６に示した光マイクロモジュール２０１のＸ−Ｘ’断面に相当する）は、マイクロミラー部に窪みが形成される他は、前記光マイクロセル１０３を配列して構成した場合（図１９）と同様である。
【００６３】
図２１及び図２２に示した光マイクロセル１０４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５０４により反射されるため、図１６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、反射膜層５０４とマイクロミラー６０４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４０４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２１及び図２２において、反射膜５０４とマイクロミラー６０４との距離を短くすることにより可能である。
【００６４】
図２３に、上記光マイクロセル１０４（光マイクロモジュール２０１）の製造工程を示す。
図２３（ａ）は、シリコン基板３０４上に、ニッケル、クロムや銀等の導電反射膜５０４、Ｎ型ＧａＡｌＮ半導体層４０４ｂ、Ｐ型ＧａＡｌＮ半導体層４０４ａを形成する工程（基板製造工程）の後、その上にフォトレジスト１６３１を設けた状態を表わす。Ｎ型ＧａＡｌＮ半導体４０４ｂとＰ型ＧａＡｌＮ半導体４０４ａとの界面には、活性層４０４ｃ（図示せず）が形成されている。フォトレジスト１６３１は、上記半導体層及び導電薄膜５０４をエッチング加工するためのものである。
この後、前記光マイクロセル１０３の事例（図２０）と同様に、半導体層及び導電薄膜をドライエッチングする半導体層エッチング工程（図２３（ｂ））、ウエットエッチング手法により斜面４０４５を形成するテーパエッチング工程（図２３（ｃ））を行う。
【００６５】
図２３（ｄ）は、その後、フォトレジストや半導体層をマスクにしてエッチングを行い、シリコンの異方性を利用したエッチング技術を用いてシリコン基板３０４にディップ部６０４２を形成する工程（シリコン基板テーパエッチング工程）を行った様子を示している。例えば、１１０面方位のシリコン基板を用いて、水酸化カリウム液でエッチングすることにより角度５４°のテーパが形成できることは、シリコンを用いたマイクロマシンを製造する分野において公知の技術である。これにより形状が安定したディップ部６０４２を形成することができる。加工後、フォトレジストは除去される。
図２３（ｅ）は、銀、ニッケル、クロムなどの薄膜６０４３を全面に蒸着した後、フォトレジスト１６３３を塗布してフォトレジストのパターンを形成した状態を示している。その状態から、薄膜６０４３をテーパエッチングすることによってマイクロミラー（６０４）が形成される（側面反射膜形成工程）。ディップ部６０４２の形状が安定して形成されているため、シリコン基板と半導体層にまたがって形成された斜面上に好ましい形状のマイクロミラーを形成することができる。
【００６６】
図２３（ｆ）は、上記側面反射膜形成工程によってマイクロミラー６０４を形成した後、次にＮ型電極部を形成するためのフォトレジスト１６３４を塗布して、パターンを形成した状態を示す。
図２３（ｇ）は、ＧａＡｌＮ半導体をエッチングして薄膜面５０４１を露出させる工程（半導体層エッチング工程）を行った様子を示す。ＧａＡｌＮ半導体をエッチングするための材料として、ニッケルなど薄膜５０４の材料をエッチングしないもの又はエッチング速度が遅いもの選択することにより、容易に薄膜５０４を露出することができる。この工程により、薄膜５０４の表面５０４１及びＰ型半導体の表面４０４５が露出される。
図２３（ｈ）は、上記構造の上にシリコン酸化膜層を形成した後、フォトエッチング技術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）を行った状態を表わしている。この工程により、シリコン酸化膜による保護部分５６４、Ｐ型電極のためのコンタクト部４０４７、Ｎ型電極のためのコンタクト部５０４２が形成される。
その後、酸化インジウム膜などの透明導電膜を全面に形成し、フォトエッチング技術により電極部だけに酸化インジウムなどの透明導電膜を形成する工程（電極形成工程）を行う。これによって、図２１及び図２２に示した光マイクロセル１０４が完成される。シリコン基板３０４上に背面反射膜５０４が形成されている。
【００６７】
（実施の形態２）
本発明の光マイクロセルを複数備える光マイクロモジュールは、図４に示したように、前記基板として透明基板を使用し、前記発光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ができる。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。
【００６８】
図２４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２４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２４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５参照）。
【００６９】
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、電源配線等を備えることができる。図２４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。
【００７０】
図２５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２４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。
【００７１】
次に、上記と同様の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２６及び図２７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。光マイクロセル層１３２には、発光層を備えた光マイクロセル１３２１が多数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。
【００７２】
図２６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１００μｍ程度で形成するようにすることができる。
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発光層に電源を供給するための電極は、電源配線層７７２において配線されて、フリップチップ電極８０２にまとめるように電気的に接続されている。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。
【００７３】
図２７に表わされるように、光マイクロモジュール２３２の一辺には、マイクロミラー６３２が９個設けられており、各マイクロミラー６３２に挟まれた８個の光マイクロセル１３２１が配列されている。すなわち、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２３２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。
図２８は、図２７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、６４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。
【００７４】
上記光マイクロモジュール２３２を構成する光マイクロセルの断面構造の一例を、図２９に示す。この光マイクロセル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）。
【００７５】
上記光マイクロセル１３３の製造方法の一例を、図３０を参照しつつ説明する。
図３０（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３０（ｂ）は、上記基板上で透明電極７３３１を残して、例えば幅２０μｍ、ピッチ１００μｍ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３０（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。
【００７６】
図３０（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３０（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３０（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。
【００７７】
また、上記光マイクロセル１３３と同様の構造を、別の工程によって実現することもできる。図３０（ａ）から図３０（ｄ）までに示した工程は同じである。その後、テーパエッチング手法を用いて、シリコン酸化膜に電極取り出し用の開口部（コンタクト部）を設ける例を、図３１（ａ）〜（ｃ）に示す。これによりマイクロミラーの形状を一層なだらかにすることができる。
図３１（ａ）は、図３０（ａ）〜（ｄ）に示した工程を行った後、シリコン酸化膜５７３に電極取り出し用の開口部（コンタクト部）を形成するためにフォトレジスト１７１１を形成した状態を表す図である。
図３１（ｂ）は、上記の状態でシリコン酸化膜５７３をテーパエッチングする工程により、シリコン酸化膜の厚さを意図的になだらかに傾斜させたものである。テーパエッチングはフォトレジストとシリコン酸化膜の密着性を意図的に疎として、図の横方向のエッチングを助長する。それによって、エッチング後の膜の形状に丸みを持たせる公知の手法である。
図３１（ｃ）は、上記工程の後、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とＮ型電極７３３ｂを形成したものである。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。
【００７８】
図３２は、図３０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３２（ａ）に示す断面の構成は、図３０（ｆ）と同じである。図３２（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。このように、一つ一つの光マイクロセル１３３は独立した構造で構成されており、電気的にはＰ型層が相互に絶縁されて孤立した構造となっている。
上記図３２（ｂ）の平面図に表わされた各光マイクロセルの半導体層及び電極は、図３３に示すように、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。特に、境界が破線４３３４で示されるような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る。丸みを設けた形状により、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。
【００７９】
図３４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（図２８参照）を、ウェーハ上に形成する例を示す。図３４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２８）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、１ｍｍ角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、１００μｍ程度のピッチで形成された光マイクロセル１３２１が６４個（８×８）作り込まれている。光マイクロセルは、図２９〜３３に示したいずれの方法を用いて形成されてもよい。
また、図３４に示されるように、光マイクロセルの上に電源配線層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。また、ウェーハ状態で形成する方法に限らず、各光マイクロモジュールをチップ状態に分割した後に、スタッドバンプと呼ばれる方法等で形成することもできる。これらの方法は本発明の本質的な部分とは関係しないので説明は省略する。
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８×８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８×８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。
【００８０】
マイクロミラーについて、以上に述べた形成方法とは別のいくつかの例について説明する。
図３５に示す光マイクロセルは、サファイア基板３３４上に、透明電極７３４１、Ｎ型ＧａＡｌＮ層４３４ｂ、活性層４３４ｃ、Ｐ型ＧａＡｌＮ層４３４ａ、反射導体膜５３４、シリコン酸化膜５７４、Ａｌを材料としたＰ型電極７３４ａ及びＮ型電極７３４ｂが形成されている。このＮ型電極７３４ｂは、マイクロミラー６３４の役割も果たす。前述のように、シリコン酸化膜を用いてマイクロミラーの傾斜を形成するために、シリコン酸化膜５７４には高濃度リンを含有させることができる。
シリコン酸化膜５７４に形成された凹部の底に近い部分すなわち透明電極７３４１に近い部分では、傾斜が緩やかになるために、発光の活性層４３４ｃは上記凹部の底より高い位置に形成されることが望ましい。本図の例では、Ｎ型ＧａＡｌＮ層４３４ｂの厚さを他の層より厚くして、活性層４３４ｃが上記シリコン酸化膜５７４の凹部の底より高い位置に形成されるように工夫されている。
【００８１】
図３６に示す光マイクロセルのマイクロミラー部は、発光層（半導体層）が高濃度リンを嫌う場合において、高濃度リンを含有したシリコン酸化膜と発光層とを分離するために、バリア透明絶縁膜５７４２を設ける例を表わす。バリア透明絶縁膜はリンを嫌う種類の発光層に対してリンのバリアになる。この層の厚さを薄く形成し、シリコン酸化膜の凹部の傾斜の形状には影響しないようにすることができる。傾斜角を決めるのは、図３５の場合と同様、高濃度リンを含むシリコン酸化膜５７４１である。
【００８２】
前記図３５に示した事例においては、シリコン酸化膜の凹部の底に近い部分では傾斜が緩やかになるために、発光の活性層は凹部の底よりは高い位置に形成される。図３７に示す事例では、さらに、活性層からＮ型ＧａＡｌＮ層に漏れてその側面から放出される光をマイクロミラーで捕捉するために、シリコン酸化膜５７４４の凹部の底まで傾斜角を略４５°にするように加工されている。例えば、シリコン酸化膜５７４４に設けるＮ型電極用Ａｌコンタクト穴の形成にドライエッチングを用いるのではなく、アンダーエッチを生じさせるウエットエッチング手法を用いることにより、上記凹部の底のコンタクト部に傾斜（テーパ）が形成される。その結果として、凹部の底まで傾斜したテーパ形状のシリコン酸化膜５７４４を形成することができる。アンダーエッチを生じさせるウエットエッチング手法については、一般に意図的にアンダーエッチングさせる事例は少ないが、フォトレジストとエッチングする対象膜との密着度を低くすればアンダーエッチングされることは公知の現象である。
【００８３】
図３８は、上記の方法で製造した光マイクロセルを、集光方向ｚを上にして表わした図であり、活性層４３５ｃから放出された光が進む方向を示す。Ｎ型ＧａＡｌＮ層４３５ｂ、活性層４３５ｃ及びＰ型ＧａＡｌＮ層４３５ａを備える発光層と、反射導体膜５３５、シリコン酸化膜５７５、Ａｌを材料としたＰ型電極７３５ａ及びＮ型電極７３５ｂを備える光マイクロセル内において、活性層４３５ｃから発する光のうち、集光方向ｚへ放出された光はそのままサファイア基板３３５を通り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の反射導体膜５３５で反射され、サファイア基板３３５を通って集光方向へ集まる（ｑ）。また、集光方向ｚと略直角をなす方向への光、すなわち活性層に沿って放出された光や、Ｎ型ＧａＡｌＮ層４３５ｂを通ってその側面から放出される光は、マイクロミラーにより反射されて略集光方向へ集まる（ｒ、ｒ’）。
【００８４】
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も構成することができる。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３９に示すマイクロミラーの製造例は、反射導体層(図３５の５３４）は設けず、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３９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。この場合には、背面反射膜として、反射導体膜（５１４）の代わりに、例えばＡｌを材料としたＰ型電極及びＮ型電極を利用することができ、これら電極層によって光が反射される。
図３９（ａ）は、上記構造を形成するために、アンダーエッチ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（４３４ａ〜４３４ｃ）をエッチングし、その側面に傾斜を形成した状態を示す。すなわち、フォトレジスト１７２１とＰ型ＧａＡｌＮ膜４３４ａとの密着度を低くして、ウエットエッチングした状態である。この構造においてシリコン酸化膜は高濃度リンを含む必要はなく、リン含有の酸化膜を嫌う半導体の場合にはこの構造が適している。
【００８５】
さらに、図３９に示したような、発光層の側面に傾斜を形成することによってマイクロミラーを実現するためには、別の方法も挙げられる。
図４０（ａ）は、サファイア基板３３６上に酸化インジウムなどの透明電極層７３６１が形成され、さらに、Ｎ型ＧａＡｌＮ層４３６ｂと活性層４３６ｃとＰ型ＧａＡｌＮ層４３６ａとを備える発光層が積層された状態を表わしている。その上面に、発光層をエッチングするためのフォトレジスト１７３１のパターンが形成されている。
図４０（ｂ）は、上記基板上に透明電極層７３６１を残して、例えば幅２０μｍ、ピッチ１００μｍで、発光層をウエットエッチング技術を利用して除去し、発光層の側面に傾斜が形成された状態である。これは、フォトレジスト１７３１とＧａＡｌＮ層の密着性を疎にすることにより、フォトリソグラフィーとエッチングの工程を用いて形成することが可能である。この事例では、酸化インジウムの透明電極層７３６１がエッチングの終点管理の役割をはたしている。このエッチング終了後、フォトレジストを剥離する。
図４０（ｃ）は、上記工程に続き、ニッケル、クロムや銀等を用いた反射導体膜を全面に形成し、フォトレジストを塗布し、さらに図４０（ａ）とほぼ同じパターンにて反射導体膜をエッチングすることによって、発光層上にニッケル、クロムや銀等からなる反射導体膜５３６が形成されている状態を示す。
【００８６】
図４０（ｄ）は、上記工程に続き、基板上にシリコン酸化膜５７６を形成した後、フォトレジスト１７３２を塗布し、電極用のコンタクト部を形成するためのパターンを形成した状態を示す。
図４０（ｅ）は、上記工程に続き、シリコン酸化膜５７６に電極取り出し用の開口部をテーパエッチングした状態を示している。図４０（ｂ）と同様に、フォトレジスト１７３３とシリコン酸化膜との密着性を意図的に疎とし、ウエットエッチングをすることにより形成することができる。これによって、図の横方向のエッチングが助長され、シリコン酸化膜の凹部の底部が丸みを持った形状にエッチングされ、コンタクト部５７６１近傍のシリコン酸化膜形状がなだらかな形状となっている。エッチング終了後、フォトレジストは剥離される。
図４０（ｇ）は、上記工程に続き、Ａｌ等を材料としてＰ型電極７３６ａ及びＮ型電極７３６ｂを形成した状態を示す。Ｎ型電極７３６ｂの部分はマイクロミラーを構成するため、これら電極の材料は単にＡｌだけでなく、クロム、ニッケルや銀等を含む積層構造とすることが好ましい。例えば、ミラーの役割のために薄くクロム、ニッケル又は銀の層を設け、その上に電極材料としてＡｌ層を設ける構造が挙げられる。
【００８７】
上記事例の酸化インジウム（透明電導膜７３６１）の部分を、高濃度Ｎ型ＧａＡｌＮ層（Ｎ＋ＧａＡｌＮ層）に置き換えて構成してもよい。高濃度Ｎ型ＧａＡｌＮを用いれば、サファイア基板上にこの様な薄膜層を形成することは容易となる。これは図３０（a）の項で説明したサファイア基板上に半導体層、酸化インジウムを形成して、これを母材となるサファイア基板へ転写する方法よりも簡素な手法で基板を作成する方法である。ただし、酸化インジウム膜を用いる場合には、図４０（ｂ）に示したように、酸化インジウム膜により半導体層のエッチングの終点管理を行うことができた。その点、高濃度Ｎ型ＧａＡｌＮ層を用いる場合には、半導体の不純物濃度の差により多少のエッチング速度の違いはあるが、完全なエッチングの終点管理をこれによって行うことは難しい。したがって、エッチング速度と時間の管理により、図４０（ｂ）に示された形状を実現する必要がある。
【００８８】
図４１は、高濃度Ｎ型ＧａＡｌＮ（Ｎ＋ＧａＡｌＮ層）４３６ｄを用いて構成した上記光マイクロセルを、集光方向を上にして表わした図であり、活性層から放出された光が進む方向を表わす。Ｎ＋ＧａＡｌＮ層４３６ｄ、Ｎ―ＧａＡｌＮ層４３６ｂ、活性層４３６ｃ、Ｐ―ＧａＡｌＮ層４３６ａ、反射導体膜５３６、シリコン酸化膜５７６、Ａｌを材料とするＰ型電極７３６ａ及びＮ型電極７３６ｂを備える光マイクロセル内において、活性層から発する光のうち、集光方向ｚの向きに放出された光はそのままサファイア基板３３６を通り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反射導体膜５３６で反射され、サファイア基板３３６を通って集光方向へ集まる（ｑ）。また、集光方向ｚと直角をなす方向への光、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７３６ｂ）により反射されて略集光方向へ集まる（ｒ、ｒ’）。
【００８９】
（実施の形態３）
本発明の光マイクロセルを複数備える光マイクロモジュールは、前記基板を、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。その透明基板の前記集光方向とは反対側の面上に前記発光層を形成し、かつ第２の基板上に側方反射部（マイクロミラー）を形成する。そして、発光層が形成された前記透明基板とマイクロミラーが形成された前記第２の基板とを対向させて貼り合わせることによって、光マイクロセル及び光マイクロモジュールを構成することができる。この場合、第２の基板上には、前記透明基板上に形成された発光層の位置及びサイズに合わせ、その発光層の側面近傍となるようにマイクロミラーが形成される。このマイクロミラーは、シリコンを母材とし前記所定範囲の角度で傾斜して形成することができる。
【００９０】
上記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セル及び光マイクロモジュールを実現することができる。
【００９１】
図４２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４２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。前記のとおり、活性層を含む半導体層である発光層と、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４２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。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５参照）。
【００９２】
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、電源配線等を備えることができる。図４２において、光マイクロモジュール２５１の電極は集光方向ｚとは反対側に設置され、電源配線層７８１において配線される。そして、電源はフリップチップ電極８２１に集中され、これを介してリード８６１に電気的に接続される。リード８６１はパッケージ外部に引き出され、外部の接続に用いられる。
【００９３】
図４３は、光マイクロモジュール２５１から集光方向に、蛍光物質を含む蛍光体９２１を備える場合を示す。図４２と同様に、光マイクロモジュール２５１がフリップチップ電極８２１を介してパッケージ基板９５２に実装されている。内面に傾斜反射部を持ったキャップ９７４の中に蛍光体９２１が充填され、さらに透明キャップ９８４で全体が封止される。前記同様に、光マイクロモジュール２５１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９２１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へ放出され、パッケージ内で散乱された光はキャップ９７４内の傾斜した側面で反射されて集光方向に集められる。
【００９４】
次に、上記と同様の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４４、図４５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。
【００９５】
さらに、背面反射膜５５２の上には、各光マイクロセルに電源を供給するための電源配線層７８２及びフリップチップ層８２２が備えられる。各光マイクロセルの発光層に電源を供給するための電極は、電源配線層７８２において配線されて、フリップチップ電極８２２にまとめて電気的に接続されている。電源配線層７８２及びフリップチップ電極８２２は、集光の妨げにならないように集光方向ｚとは反対側に設けられている。
【００９６】
図４４に表わされるように、光マイクロモジュール２５２は、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４５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、６４個の光マイクロセルへの電源は、フリップチップ電極８２２から電源配線層７８２を経由して供給される。
【００９７】
図４６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程度で形成するようにすることができる。
【００９８】
図４７は、１つの光マイクロセルの構造をより詳細に示す断面図（ａ）及び平面図（ｂ）である。図４７（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４７（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。
この構造により、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、サファイア基板３５３を通って集光方向に進む。集光方向ｚと反対方向へ放出された光は、背面反射膜である薄膜５５３１により全反射され、サファイア基板３５３を通って集光方向に進む。集光方向ｚと直角の方向の光、すなわち活性層に沿った光は、側面の４方向を囲んで形成されているマイクロミラー６５３により略集光方向に反射されて、サファイア基板３５３を通って略集光方向に進む。
図４７（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。
【００９９】
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４８〜図５１を参照しつつ説明する。
図４８（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４９（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４８（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。図４９（ｂ）は、これを拡大して示す図である。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４８（ｃ）は、その後、酸化膜５８４を除去したウェーハに、Ｎｉ薄膜５５３２を形成した状態を表している。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。また、この事例ではＮｉ薄膜を用いているが、光の反射率の高い銀薄膜を用いることも同様に可能である。Ｎｉ薄膜の代わりに基板に銀薄膜を用いることにより貼り合わせが容易になる。
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。
【０１００】
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５０（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。全体として数μｍと薄い膜である。
図５０（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５０（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５０（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。
【０１０１】
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が必要になる場合もある。この貼り合わせの以降のプロセスには有機物の限界温度を超えるような数百度の温度処理は必要としないので、有機物を介してシリコン基板とサファイア基板を貼り合わせることも可能である。その場合には、図５０（ａ）の状態で上面に接着層を形成し、他の薄膜層とともにエッチンッグすることができる。ただし、図５０（ｂ）に示した溝の部分には接着物が入らないような手順とする必要がある。
図５０（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。
【０１０２】
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５１を参照して説明する。
図５１（ａ）は、図５０（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（この事例ではＮｉ薄膜）５５３２のエッチング、サファイア側反射膜（この事例では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（この事例ではＩＴＯ）７５３１をストッパーにしてエッチングを終了する。
図５１（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５１（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５１（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。この事例では低温度で使用できるＰＩＱを用いた構造で説明したが、ＰＩＱ膜の代わりに低温積層のシリコン酸化膜を用いることもできる。その場合には、ＰＩＱを用いるよりも膜内での光の減衰を減らすことができる。
【０１０３】
図５２は、図５１（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表面のＮｉ膜５５３２である。図５２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’）。ＰＩＱ膜の代わりにシリコン酸化膜を用いれば、殆んど負電極のＡｌ薄膜により反射される（ｒ’）こととなる。
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。
【０１０４】
図５３は、図５１（ｄ）に示した光マイクロセルをウェーハ上に配列し、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を形成した光マイクロモジュールを表わしている。図では８×８の光マイクロセルの上に電極が形成されている。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。
このウェーハの状態から、図４６に示した光マイクロモジュールを切り出すことができる。光マイクロモジュール切り出すための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。また、この事例では８×８のセルであるが、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。
【０１０５】
本発明は、以上の実施の形態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セル（図２５参照）又は光マイクロモジュールの場合に、フリップチップ電極等を実装した後、透明基板層を除去することができる。
【０１０６】
例えば、図５４に示すように、フリップチップ電極を実装した後に、すなわち発光層及び電源配線層等が物理的に固定された後に、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可能である。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梨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５５（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、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５５（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。
【０１０７】
上記は一例であり、光マイクロセ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、本光マイクロセル又は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。
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。
【産業上の利用可能性】
【０１０８】
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。発光ダイオードの高効率化は今後一層重要になる技術である。本発明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応用できる基本構成であり、省エネルギーの時代の共通的な技術となるものである。
【符号の説明】
【０１０９】
１００、Ｃ１〜Ｃ２２、１０２、１０３、１０４、１３２１、１３３、１３８１、１５２１、１５３；光マイクロセル（発光ダイオード素子）、１６１１〜１６１４、１６２１〜１６２４、１６３１〜１６３４、１７１１、１７２１、１７３１、１７３２、１８１；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、３０２、３０３、３０４、３３１、３３２、３３３、３３４、３３５、３３６、３３８、３５１、３５２、３５３；基板、３６１、３６２；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、４０２、４０３、４０４、４３１；発光層（半導体層）、４０ａ、４０１ａ、４０２ａ、４０３ａ、４０４ａ、４３１ａ、４３３ａ、４３４ａ、４３５ａ、４３６ａ、４５３ａ；Ｐ型半導体層（Ｐ型領域）、４０２ｃ、４３１ｃ、４３３ｃ、４３４ｃ、４３５ｃ、４３４ｃ、４３６ｃ、４５１ｃ、４５３ｃ；活性層、４０ｂ、４０１ｂ、４０２ｂ、４０３ｂ、４０４ｂ、４３１ｂ、４３３ｂ、４３４ｂ、４３５ｂ、４３６ｂ、４５３ｂ；Ｎ型半導体層（Ｎ型領域）、４３６ｄ；高密度Ｎ型半導体層、５０、５０２、５０３、５０４、５３１、５３２、５３３、５３４、５３６、５５１、５５２、５５３１、５５３２；背面反射膜、５６２、５６３、５６４、５７３、５７４、５７４１、５７４４、５７６；絶縁膜（ＳｉＯ２膜）、５８３；絶縁膜（ＰＩＱ膜）、５８４；ＳｉＯ２膜、６１、６０２、６０３、６０４、６３１、６３２、６３４、６３８、６５１、６５２、６５３；マイクロミラー（側方反射部）、７０１ａ、７０２ａ、７０３ａ、７０４ａ、７３３ａ、７３４ａ、７３５ａ、７３６ａ、７５３ａ；Ｐ（Ｐ型）電極、７０１ｂ、７０２ｂ、７０３ｂ、７０４ｂ、７３３ｂ、７３４ｂ、７３５ｂ、７３６ｂ、７５３ｂ；Ｎ（Ｎ型）電極、７３３、７３３１、７３４１、７３５１、７３６１、７５３１；透明導電膜、７６１３、７６１４；透明導電膜、７６１ａ、７６１ｂ、７７１、７７２、７８１、７８２、７８３；電源配線層、８１ａ、８１ｂ、８０１、８０２、８０３、８２１、８２２；フリップチップ電極、８５、８５１、８５２、８６１、８６２；リード、９０、９０１、９２１；蛍光体、９４１、９４２、９４３、９５１、９５２；パッケージ基板、９７、９７１、９７２、９７３、９７４；キャップ、９８、９８３、９８４；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。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
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【図４８】
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【図４９】
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【図５０】
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【図５１】
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【図５２】
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【図５３】
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【図５４】
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【図５５】
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【図５６】
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【図５７】
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【図５８】
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