(57)【要約】【課題】発光素子から出力される光を効率的に利用しつつ、支持基板との接合品質を向上させること。【解決手段】本発明の発光装置は、所定の厚みを有するウエハ状のシリコン基板と、シリコン基板の一面側に形成された発光層と、シリコン基板の他面側に形成され、周縁部が当該他面側の周縁部よりも面内側に収まるサイズに形成されたＳｉ−Ａｕ共晶からなる接合層とを有する発光素子と、前記発光素子を支持し、当該発光素子の前記接合層を介して接合される支持基板とを備える。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の厚みを有するウエハ状のシリコン基板と、前記シリコン基板の一面側に形成された発光層と、前記シリコン基板の他面側に形成され、周縁部が当該他面側の周縁部よりも面内側に収まるサイズに形成されたＳｉ−Ａｕ共晶からなる接合層とを有する発光素子と、
前記発光素子を支持し、当該発光素子の前記接合層を介して接合される支持基板と
を備えることを特徴とする発光装置。
【請求項２】
所定の厚みを有するウエハ状のシリコン基板と、
前記シリコン基板の一面側に形成された発光層と、
前記シリコン基板の他面側に形成され、周縁部が当該他面側の周縁部よりも面内側に収まるサイズに形成されたＡｕ層と
を備えることを特徴とする発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光素子を支持基板に接合する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＬＥＤ（Light Emitting Diode）素子などの発光素子は、パッケージする際にリードフレーム、金属基板、セラミック基板など、発光素子を支持する基板に接合される。このとき、Ａｕ−Ｓｎ共晶を用いてロウ付けで接合することが一般的に行われる。この接合においては、Ａｕ−Ｓｎペーストが用いてられたり、ＬＥＤ素子の裏面に形成したＡｕ−Ｓｎを溶融して用いたりする方法がある。その他にも様々な接合方法が開発されている（例えば特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−１８１８３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、Ａｕ−Ｓｎペーストを用いる場合、コストが高くなってしまったり、洗浄により除去できなかったフラックスが経年的にＬＥＤの光出力の低下を招くなどの製造上の課題があったりした。一方、ＬＥＤ素子の裏面に形成したＡｕ−Ｓｎを溶融して用いる場合には、安定した接合強度を得ることが困難であるため接合品質が悪化する場合がであった。その他の様々な方法についても、コストが高くなったり、製造が困難であったりした。また、接合部分の影響によりＬＥＤ素子からの光の利用効率が低くなってしまう場合があった。
【０００５】
本発明は、発光素子から出力される光を効率的に利用しつつ、支持基板との接合品質を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一実施形態によると、所定の厚みを有するウエハ状のシリコン基板と、前記シリコン基板の一面側に形成された発光層と、前記シリコン基板の他面側に形成され、周縁部が当該他面側の周縁部よりも面内側に収まるサイズに形成されたＳｉ−Ａｕ共晶からなる接合層とを有する発光素子と、前記発光素子を支持し、当該発光素子の前記接合層を介して接合される支持基板とを備えることを特徴とする発光装置が提供される。
【０００７】
この発光装置によれば、発光素子から出力される光を効率的に利用しつつ、支持基板との接合品質を向上させることができる。
【０００８】
本発明の一実施形態によると、所定の厚みを有するウエハ状のシリコン基板と、前記シリコン基板の一面側に形成された発光層と、前記シリコン基板の他面側に形成され、周縁部が当該他面側の周縁部よりも面内側に収まるサイズに形成されたＡｕ層とを備えることを特徴とする発光素子が提供される。
【０００９】
この発光素子によれば、発光素子から出力される光を効率的に利用しつつ、支持基板との接合品質を向上させることができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、発光素子から出力される光を効率的に利用しつつ、支持基板との接合品質を向上させることができる。また、製造の単純化、低コスト化をすることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第１実施形態に係る発光素子１０の構成を示す概略図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る発光素子がチップ化される前の状態をＡｕ層１２０側から見た図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係る発光素子１０が支持基板２００に接合されるときの製造工程を説明する図である。
【図４】本発明の第１実施形態に係る発光装置１を説明する図である。
【図５】従来の発光装置１Ｚの接合層１２５の状態を説明する図である。
【図６】本発明の第２実施形態に係る発光装置１Ａを説明する図である。
【図７】本発明の第３実施形態に係る発光素子１０Ｂの構成を示す概略図である。
【図８】本発明の第４実施形態に係る発光素子１０Ｃの構成を示す概略図である。
【図９】本発明の第５実施形態に係る発光装置１Ｄを説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態に係る発光素子および発光装置について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態は本発明の実施形態の一例であって、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。また、図面の寸法比率は説明の都合上実際の比率とは異なる場合がある。
【００１３】
＜第１実施形態＞
本発明の第１実施形態に係る発光素子、および発光素子が支持基板に接合された発光装置について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１４】
図１は、本発明の第１実施形態に係る発光素子１０の構成を示す概略図である。図１（ａ）は、発光素子１０の層構造を説明する図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）に示す発光素子１０をその下側（Ａｕ層１２０側）から見た図である。発光素子１０は、シリコン基板１００の第１面１０１側に形成された発光部１１０、発光部１１０に形成された電極３１０、３２０、およびシリコン基板１００の第１面１０１とは反対側の第２面１０２に形成されたＡｕ層１２０を有する。
【００１５】
この例では、シリコン基板１００は、厚さ８５μｍ〜１００μｍ程度のノンドープの単結晶シリコンウエハを、数ミリ角にチップ化したウエハ状の基板である。発光部１１０は、発光層１１１および発光層１１１とシリコン基板１００との間に形成された反射層１１２を有している。発光層１１１は、この例では、ＧａＮ系のＬＥＤであり、ｎ型ＧａＮ層、量子化井戸構造などを有し光を放射する活性層、およびｐ型ＧａＮ層を有する。電極３１０、３２０は、いずれか一方が、ｎ型ＧａＮ層に、他方がｐ型ＧａＮ層に電気的に接続され、発光部１１０に発光の電力を供給するための電極となっている。
【００１６】
なお、発光部１１０は、シリコン基板１００上にＧａＮ等を成長させた構成であってもよいし、貼り合わされた構成であってもよい。前者の場合、反射層１１２は、シリコン基板１００上にＧａＮ層を形成するためのバッファ層と発光層１１１からの光を反射する反射層（例えば、多層膜を用いた干渉等）とを兼ねていてもよい。後者の場合、発光層１１１と反射層１１２とを形成した発光部１１０を作製した後、シリコン基板１００に貼り合わせてもよい。貼り合わせるときには、後述する発光素子１０と支持基板２００との接合時の温度よりも高い温度（望ましくは５００℃以上）で加熱する方法を用いることが望ましい。
【００１７】
ここで、前者の場合、シリコン基板１００をベースとしたエピタキシ成長の関係から、発光部１１０はＧａＮ系のＬＥＤであることが望ましいが、後者の場合、貼り合わせによる構成のため、ＧａＮ系のＬＥＤに限らず、様々な発光材料を用いることができる。
【００１８】
Ａｕ層１２０は、金（Ａｕ）で形成された層である。Ａｕ層１２０は、図１（ｂ）に示すように、発光素子１０のＡｕ層１２０側から見た場合に円形であり、シリコン基板１００の第２面１０２側の周縁部（または第１面１０１の周縁部）よりもＡｕ層１２０の周縁部（第２面１０２の周縁部）が面内側に収まるサイズに形成されている。なお、シリコン基板１００の第２面１０２側とは、第２面１０２だけでなく、その周囲に位置する外周部１０３の面全体を含んだ範囲を示している。以下の説明では、シリコン基板１００の第２面１０２側の周縁部のことを、単にシリコン基板１００の周縁部という場合がある。
【００１９】
Ａｕ層１２０の面積は、シリコン基板１００のチップ面積（例えば第１面１０１の面積）の５０％以上９０％以下であることが望ましい。Ａｕ層１２０の厚さは、後述のように接合層１２５（図３参照）を形成したときに、所定値以上の接合強度が得られる厚さ以上であればよく、２μｍ以下であることが望ましい。この例では、Ａｕ層１２０の厚さは１μｍ程度である。
【００２０】
シリコン基板１００において、第２面１０２側のＡｕ層１２０の周囲に位置する外周部１０３は、Ａｕ層１２０が形成されている面（第２面１０２）よりも第１面１０１側に位置している。すなわち、シリコン基板１００における外周部１０３は他の部分に比べて薄くなっている。この例では、外周部１０３は、第２面１０２の周縁部からシリコン基板１００の周縁部にかけて曲面で形成されている。
【００２１】
図２は、本発明の第１実施形態に係る発光素子がチップ化される前の状態をＡｕ層１２０側から見た図である。上述したシリコン基板１００の外周部１０３は、発光素子１０がチップ化される前において、Ａｕ層１２０以外の部分がエッチング液によりエッチングされて形成される。その後、スクライブラインＳＬに沿って切断されて発光素子１０がチップ化される。
【００２２】
以上が、発光素子１０についての説明である。続いて、発光素子１０が支持基板２００に接合されて製造される発光装置１について説明する。まず、発光装置１の製造工程について説明する。
【００２３】
図３は、本発明の第１実施形態に係る発光素子１０が支持基板２００に接合されるときの製造工程を説明する図である。支持基板２００は、この例ではリードフレームである。なお、支持基板２００は、リードフレームでなく、金属基板、セラミック基板などであってもよく、発光素子１０を支持する基板であればどのような基板であってもよい。
【００２４】
図３（ａ）に示すように、チップマウンタ（図示せず）の吸着ノズル５００によってピックアップされた発光素子１０が、支持基板２００に接触する前の段階で、支持基板２００をヒータによって加熱する。このとき、支持基板２００は、予め４５０℃に加熱される。この温度は、Ｓｉ−Ａｕの共晶点の温度（概ね３７０℃）よりも高い必要があり、望ましくは４００℃以上、更に望ましくは４５０℃以上であることが望ましい。一方、発光素子１０の耐熱性に応じて上限温度を決めればよいが、５００℃以下であることが望ましい。なお、後述するように、発光素子１０は支持基板２００の温度まで上昇するわけではないため、仮に発光素子１０の耐熱性が４５０℃であっても、支持基板２００の温度が４５０℃以上になってもよい。
【００２５】
続いて、図３（ｂ）に示すようにＡｕ層１２０と支持基板２００とを接触させると、シリコン基板１００に支持基板２００の熱が伝達される。このようにＡｕ層１２０と支持基板２００とを接触させた状態でスクラブする（擦る）ことにより、Ａｕ層１２０とシリコン基板１００との界面（第２面１０２）においても力が生じて共晶が形成されていく。
【００２６】
共晶を形成するときのスクラブ条件は、ストロークが±３０μｍ（振れ幅６０μｍ）以下、サイクルが１０回以下、接合時間が３０ｍｓ以下であることが望ましい。ここで、接合時間とは、その時間内に設定されたサイクルの回数のスクラブをするということである。なお、スクラブ条件は、上記の例に限らず、Ａｕ層１２０とシリコン基板１００とで共晶が形成される条件であればよいが、後述するように第１面１０１の法線方向の上方からシリコン基板１００を見たときに、溶融しすぎて接合層１２５がシリコン基板１００よりも外側にはみ出さないように、条件を調整する必要がある。
【００２７】
スクラブの後、支持基板２００の加熱を停止し冷却する。その結果、図３（ｃ）に示すようにＳｉ−Ａｕ共晶による接合層１２５が形成され、発光素子１０と支持基板２００とが接合層１２５によって接合される。このようにして、発光装置１が製造される。接合層１２５が形成されるときに、熱とスクラブにより、界面の不純物を除去し、接合品質を向上することができる。また、フラックスを使用しないため、フラックスを除去するための洗浄を必要としない。
【００２８】
なお、図３（ｃ）に示す接合層１２５内の破線は、Ｓｉ−Ａｕ共晶が形成される前のシリコン基板１００とＡｕ層１２０との位置関係を示している。上述したように、Ａｕ層１２０は、図上方から見た場合にシリコン基板１００の周縁部よりも内側に形成されているため、接合層１２５がシリコン基板１００の周縁部よりも外側にはみ出さないようにすることができる。
【００２９】
図４は、本発明の第１実施形態に係る発光装置１を説明する図である。発光装置１において接合層１２５は、第１面１０１の法線方向の上方（図４の上方）からシリコン基板１００を見たときのシリコン基板１００の範囲Ｗ１よりも、接合層１２５の範囲Ｗ２が内側に存在するようになっている。すなわち、接合層１２５は、その周縁部がシリコン基板１００の周縁部よりも、面内側に収まるサイズに形成されている。本発明の第１実施形態に係る発光装置１の接合層１２５の範囲による効果を説明するため、本発明の特徴を有しない従来の発光装置についても説明する。
【００３０】
図５は、従来の発光装置１Ｚの接合層１２５Ｚの状態を説明する図である。従来の発光装置１Ｚは、シリコン基板１００ＺとＡｕ層１２０Ｚとの周縁部が同じ位置となる構成である。この場合に形成される接合層１２５Ｚは、図上方からみたときに、接合層１２５Ｚがシリコン基板１００Ｚよりも外側にはみ出した範囲Ｗ３を有している。これは、共晶が形成されるときの溶融により、接合層１２５Ｚが広がってしまうことによる。
【００３１】
従来の発光装置１Ｚにおいては、接合層１２５Ｚの範囲Ｗ３の部分では発光素子１０Ｚから放出された光が、支持基板２００ではなく接合層１２５Ｚにおいて反射する。一方、本発明の第１実施形態に係る発光装置１においては、接合層１２５の範囲Ｗ２は、シリコン基板１００の範囲Ｗ１よりも内側に存在するため、発光素子１０から放出された光は、ほとんど接合層１２５の影響を受けずに、支持基板２００において反射する。
【００３２】
接合層１２５はＳｉ−Ａｕの共晶であり、支持基板２００よりも反射率が低い。そのため、発光装置１Ｚは、接合層１２５Ｚの範囲Ｗ３の部分において光の反射が少なくなってしまう。一方、発光装置１においては、発光装置１Ｚのようにシリコン基板１００Ｚの周縁部からはみ出した接合層１２５Ｚの部分が存在しないため、発光素子１０から放出された光が、反射率の高い支持基板２００において効率的に反射することができ、従来よりも有効利用されることになる。
【００３３】
＜第２実施形態＞
本発明の第２実施形態に係る発光装置１Ａは、第１実施形態に係る発光装置１とは発光素子を発光させるための電極が異なっている。
【００３４】
図６は、本発明の第２実施形態に係る発光装置１Ａを説明する図である。シリコン基板１００Ａは、ｎ型またはｐ型シリコンであり導電性を有している。発光素子１０Ａにおいては、発光部１１０Ａのｐ型ＧａＮ層が電極３１０Ａに電気的に接続されている。一方、ｎ型ＧａＮ層が、シリコン基板１００Ａ、接合層１２５Ａを介して、支持基板２００Ａに電気的に接続されている。
【００３５】
このように、シリコン基板１００Ａに導電性を持たせることにより、発光素子１０Ａ側において電極３１０Ａのみとし、支持基板２００を介して発光部１１０Ａに発光に係る電力を供給することもできる。なお、発光素子１０Ａが支持基板２００Ａと接合される前においては、Ａｕ層が第１実施形態における電極３２０に対応することになる。
【００３６】
＜第３実施形態＞
本発明の第３実施形態に係る発光素子１０Ｂは、第１実施形態に係る発光素子１０とは外周部１０３の形状が異なっている。
【００３７】
図７は、本発明の第３実施形態に係る発光素子１０Ｂの構成を示す概略図である。図７（ａ）は、発光素子１０Ｂの層構造を説明する図であり、図７（ｂ）は、図７（ａ）に示す発光素子１０Ｂをその下側（Ａｕ層１２０Ｂ側）から見た図である。図７に示すように、この例では、外周部１０３Ｂは、Ａｕ層１２０Ｂが形成された第２面１０２Ｂの周縁部からシリコン基板１００Ｂの周縁部にかけて不連続な面が接続されて形成されている。このような外周部１０３Ｂは、発光素子１０Ｂがチップ化される前において、Ａｕ層１２０Ｂ以外の部分がドライエッチングなどによる異方性エッチングにより形成される。
【００３８】
なお、Ａｕ層１２０Ｂの形状は、図７（ｂ）に示すような円形でなくてもよく、図７（ｃ）に示すような矩形であってもよい。また、Ａｕ層１２０Ｂは、曲線と直線で構成された形状であってもよいし、直線のみにより構成された多角形であってもよい。さらに、円形以外の曲線のみで囲まれた形状であってもよい。曲線のみで囲まれている場合には頂点を有しないため、製造工程におけるスクラブをするときの負荷の偏り（特に頂点部分）を抑制することができる。
【００３９】
このような形状については、第３実施形態に係るＡｕ層１２０Ｂに限らず、第１実施形態に係るＡｕ層１２０においても同様に適用できる。
【００４０】
＜第４実施形態＞
本発明の第４実施形態に係る発光素子１０Ｃは、第１実施形態に係る発光素子１０とはＡｕ層１２０の構成が異なっている。
【００４１】
図８は、本発明の第４実施形態に係る発光素子１０Ｃの構成を示す概略図である。図８（ａ）は、発光素子１０Ｃの層構造を説明する図であり、図８（ｂ）は、図８（ａ）に示す発光素子１０Ｃをその下側（Ａｕ層１２０Ｃ側）から見た図である。この例では、図８に示すように、Ａｕ層１２０Ｃは、１つの発光素子１０Ｃにおいて複数の領域に分割されて形成されている。このように複数で支えるようにＡｕ層１２０Ｃが形成されることにより、Ａｕ層１２０Ｃの１つの領域の面積が小さくなる。これにより、発光素子１０Ｃと支持基板との接合の際に、Ａｕ層１２０Ｃとシリコン基板１００Ｃの界面（第２面１０２Ｃ）において共晶を形成しやすくなり、特に、チップサイズが大きくなるほど、その効果が大きくなる。なお、Ａｕ層１２０Ｃは、チップの傾きの安定性向上のため、１本の直線上に乗らない３つ以上に分割して形成されることが望ましい。
【００４２】
また、Ａｕ層１２０Ｃの形状は、図８（ｂ）に示すような円形ではなく、図８（ｃ）に示すような矩形であってもよい。また、第３実施形態においても説明したとおり、その他の形状であってもよい。また、複数の領域に分割されたＡｕ層１２０Ｃは、領域ごとに異なる形状が含まれていてもよく、異なる大きさが含まれていてもよい。また、Ａｕ層１２０Ｃの各々の領域が、図８に示すような等間隔に配置されていてもよいし、等間隔に配置されていなくてもよい。
【００４３】
＜第５実施形態＞
本発明の第５実施形態に係る発光装置１Ｄは、第１実施形態に係る発光装置１の発光部１１０における反射層１１２を有しない構成である。
【００４４】
図９は、本発明の第５実施形態に係る発光装置１Ｄを説明する図である。発光素子１０Ｄにおける発光部１１０Ｄは、第１実施形態における反射層１１２に相当する構成を有していない。このような構成の場合、発光部１１０Ｄからシリコン基板１００側に放出された光は、接合層１２５において反射することになる。この場合であっても、図５に示すような従来の構成に比べて、接合層１２５の範囲が狭いため、支持基板２００での光の反射を多くすることができる。
【００４５】
＜変形例１＞
上述した実施形態においては、シリコン基板１００のＡｕ層１０２側の周囲にある外周部１０３は、シリコン基板１００がエッチングされていたが、エッチングされていなくてもよい。エッチングされていない場合には、エッチングされている場合に比べて外周部１０３のＡｕ層１２０に対する割合が大きくなるようにしておくことが望ましい。
【符号の説明】
【００４６】
１，１Ａ，１Ｄ，１Ｚ…発光装置、１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ，１０Ｚ…発光素子、１００，１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ，１００Ｚ…シリコン基板、１０１…第１面、１０２…第２面、１０３，１０３Ｂ，１０３Ｂ，１０３Ｃ，１０３Ｃ…外周部、１１０，１１０Ａ，１１０Ｄ…発光部、１１１…発光層、１１２…反射層、１２０，１２０Ｂ，１２０Ｂ，１２０Ｃ…Ａｕ層、１２５，１２５Ａ…接合層、２００，２００Ａ…支持基板、３１０，３１０Ａ…電極、３２０…電極、５００…吸着ノズル
【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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