(57)【要約】  集光率が高く、放射される光束の広がりを調整することができるチップサイズの光半導体装置を提供する。発光素子は、素子基板面上に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、光を取り出す発光面とは反対側の面に素子電極とを具備する。発光素子の発光面側に素子基板と同一サイズの透明部材を備え、発光素子がウエーハに形成された状態において透明部材が配設され、その後に発光素子ごとに分離される。発光素子と同一サイズのパッケージ基板を備え、チップサイズパッケージの光半導体装置とすることができる。透明部材として、レンズを形成することができる。
2011108664.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項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。
【請求項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請求項１記載の光半導体装置。
【請求項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請求項２記載の光半導体装置。
【請求項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請求項１乃至３のいずれかに記載の光半導体装置。
【請求項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請求項１乃至４のいずれかに記載の光半導体装置。
【請求項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請求項１乃至５のいずれかに記載の光半導体装置。
【請求項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請求項５又は６に記載の光半導体装置。
【請求項８】
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。
【請求項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請求項２乃至８のいずれかに記載の光半導体装置。
【請求項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請求項１乃至９のいずれかに記載の光半導体装置。
【請求項１１】
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。
【請求項１２】
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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、化合物半導体により発光した光を取り出すための反射及び集光構造を備え、ウエーハ状態で形成可能なチップサイズの光半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、発光ダイオードの構造についてさまざまな形態が知られている（例えば、特許文献１〜３を参照）。図１は、従来の発光ダイオードの構造の例を説明するための断面図である。図１（ａ）において、発光素子９の発する光は集光方向ｚに取り出される。この発光ダイオードは、サファイア基板１、Ｎ＋型半導体２、Ｎ型半導体３、活性層４、Ｐ型半導体５、導電反射膜６、及びフリップチップ電極７、８からなる発光素子９を備えている。また、発光素子を実装するパッケージ基板１０、外部と接続するための電極１１、傾斜した側壁１２、蛍光体１３、及びキャップ１４を備えている。Ｐ型及びＮ型半導体層の間の活性層において発光する光の進む方向を、図中ｐ、ｑで示す。活性層で発生する光のうち集光方向ｚへ向かう光は、そのまま放出される（ｐ）。集光方向ｚとは反対側へ向かう光は、反射膜６により反射されて集光方向ｚへ向かう（ｑ）。Ｐ型半導体の電極は、導電反射膜経由でフリップチップ電極７へ接続されている。Ｎ型半導体の電極は、Ｎ＋型半導体を経由してフリップチップ電極８に接続される。図１は断面図であるのでフリップチップ電極は２つのみ表わされている。上記発光素子のパッケージは、図１（ｂ）に示すように、マザーボード３４０に設けられた電極６５上に搭載される。白色用の発光ダイオードの場合には、特に静電気等の高電圧サージに弱いため、除電された環境で取扱う必要がある。静電気対策のために、発光ダイオードのパッケージ内にサージ吸収素子が実装される場合も多い。【０００３】
上記のような構造の場合には体積が大きく、高密度実装が必要な用途には適さない。デバイスを小型化するために、半導体ダイをデバイス基板上に設けられたボンディングパッドに接合して構成される発光素子も知られている（例えば、特許文献４を参照）。しかし、ウエーハから切出した半導体チップをデバイス基板上に搭載してボンディングするため、半導体チップのサイズに比べて大きなデバイス面積が必要となってしまうという問題があった。また、半導体を形成したウエーハ状態のままでパッケージング工程を行うことができないという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−９３１４６号
【特許文献２】特開２００６−３０３５４７号
【特許文献３】Ｗ０２００６−１２６３３０号
【特許文献４】特開２００９−４９４０８号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
光半導体装置を小型化するため、パッケージを用いずにベアチップのままで使用する場合、図２に示すように光半導体装置を構成することが考えられる。図２（ａ）は発光素子１６の断面、（ｂ）は発光素子１６を下方から見た平面、（ｃ）はマザーボード３４０への実装、をそれぞれ説明するための図である。図２（ａ）に示すように、発光素子１６は、サファイア基板２００、Ｎ＋型半導体２、Ｎ型半導体３、活性層４、Ｐ型半導体５、導電反射膜層６、及びフリップチップ電極７、８を備えている。Ｐ型半導体及びＮ型半導体の界面と活性層を汚れから保護するために、酸化膜１５が側面に設けられている。活性層４において発光（１次発光）する光の進む方向を、図中ｐ、ｑで示している。活性層で発生する光のうち集光方向ｚへ向かう光は、そのまま放出される（ｐ）。集光方向ｚとは反対側へ向かう光は、導電反射膜６により反射されて集光方向ｚへ向かう（ｑ）。白色用の発光ダイオードの場合には蛍光体３３０を備え、１次発光した波長の短い光により蛍光体中で波長の長い光が励起される（２次発光）。２次発光した光は集光方向ｚに沿った方向ｓ、斜め方向ｔ、側面方向ｕ及びサファィア基板側に放出される。また１次発光の光のうち側面方向の光（図２（ｃ）のｒ）は、多くは内部で散乱されてしまい一部が外部に洩れる。また、図２（ｂ）に示すように、フリップチップ電極として、発光素子のＰ型層の上に３つのＰ電極７が形成され、Ｎ型層の上に１つのＮ電極８が形成されている。マザーボード上には電極６５が設けられており、半導体とマザーボードとはフリップチップ電極を介して接続される。このような構造により、発光素子のチップのサイズで、小さな面積に実装することができる。【０００６】
図３は、フリップチップ電極と発光部のレイアウトに自由度を持たせる構成を説明するための図である。Ｎ型半導体３、活性層４及びＰ型半導体５からなる化合物半導体膜層（発光部）８４とフリップチップ電極７及び８との間に電源配線層９０が設けられている。この構造によれば、フリップチップ電極と発光セルの配置が自由になり、１つの発光素子を複数個の発光部により構成することも可能になる。図３に示す発光部のＰ型半導体５及びＮ＋型半導体２と、フリップチップのＰ電極８及びＮ電極７との間は、電源配線層９０においてそれぞれ相互配線がなされている。活性層にて１次発光する光及び蛍光体３３０にて２次発光する光がそれぞれ進む方向は、図２に示した場合と同様である。【０００７】
上記いずれのベアチップ実装の場合においても、チップサイズでの超小型の実装が可能である。しかし、図２（ｃ）に示したように、フリップチップ電極を用いたベアチップ実装において、１次発光した光により蛍光体で波長の長い光を２次発光させる場合、２次発光して側面方向に向かう光ｕと１次発光のうち側面方向へ洩れる光ｒを集光するためには側面反射板１５０等が必要になるという問題がある。また、光の広がりは側面反射板の傾きや位置により調整されるが、これに代わる集光機構を発光素子に組み込みたいというニーズがある。【０００８】
また、いずれの発光素子にも共通する課題として、１次発光の光量のばらつきや蛍光体において励起される光量のばらつきが大きく、一定の輝度を得るためには発光素子を光出力のクラス別に選別する必要があった。この選別を含む組立ての総費用が大きくなり、コスト低減に大きな障害となっているため、輝度のばらつきを小さくする手段が望まれている。【０００９】
発光ダイオードの用途が拡大するにつれて、コスト低減、省エネルギーのための高効率化、輝度ばらつきの低減、パッケージの小型化のニーズが高まってきている。コスト低減の為には小型で簡素なパッケージ構造とすること、光の広がりを調整する機能を持つこと、発光効率の向上により素子サイズを小さくすること、輝度ばらつきを少なくすることによる調整工数の低減などが必要である。高効率化のためには、発光部で発光するあらゆる方向の光を補足して集光方向に集め、集光方向にはできるだけ遮蔽物を置かない構造とする必要がある。高効率化は、省エネルギーだけではなく、素子サイズの小型化や素子数の削減、駆動回路の簡素化を促進して、コスト低減にも効果が大きい。輝度ばらつきの低減は、照明品質の向上のために必要であるだけではなく、製品適用時の組立工数の低減に寄与し、コスト低減にも効果が大きい。小型化のためには、チップサイズと同じ大きさのパッケージ（チップサイズパッケージ）とすることである。また、レンズのような光の広がりの調整機能をもウエーハ状態で作りこむことができれば、小型化だけではなくパッケージのコストを飛躍的に低減することができる。【００１０】
本発明は、この様な事情に鑑みなされたものであり、発光した光をできるだけ多く外部へ集光することができ、照射される光の分布の調整することができ、輝度ばらつきを低減することができる光半導体装置であって、しかも、ウエーハ状態すなわち発光素子が個別に分離される前の状態でチップサイズパッケージングが可能な光半導体装置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．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。【００１２】
本発明において、少なくとも素子基板とその上に形成された発光層及び電極を備えて構成される素子（その中間工程の状態にあるものを含む）を「発光素子」という。発光素子は、１又は２以上の区画された発光部を備えて構成される。この１つの発光部を「発光セル」という。各発光セルと不可分にその側面を囲む側面反射膜（「マイクロミラー」ともいう。）を設け、このマイクロミラーによって囲まれた構造の発光セルを「光マイクロセル」という。また、内側側面が傾斜した反射面とされたチップサイズの枠体を「マイクロキャビティ」と呼び、光の広がりを調整するチップサイズのレンズを「マイクロレンズ」と呼ぶ。マイクロレンズには凸レンズ及び凹レンズを含み、凸レンズとしたものを「マイクロ凸レンズ」と呼ぶ。発光素子をパッケージングした状態、又はマザーボードに実装可能な状態に加工したものを、「発光ダイオード」又は「光半導体装置」と呼ぶ。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の光半導体装置によれば、素子基板面上に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、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素子電極とを具備し、発光面に垂直な集光方向に光を取り出す発光素子と、発光素子の発光面側に、素子基板と同一サイズの透明部材とを備えるため、発光素子のチップサイズで発光ダイオードを構成することができる。これにより、ベアチップで実装される発光ダイオードや、チップサイズパッケージの発光ダイオードを実現することができる。発光素子は、１又は２以上の光マイクロセルを備えるため、発光ダイオードの高効率化を図ることができる。また、発光素子の電極は発光面とは反対側に備えられるため、集光方向に光を遮るものがなく、効率良く光を取り出すことができる。発光面側に備える透明部材をマイクロレンズとすることにより、発光素子から放射される光束の広がりを調整することができ、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も可能になる。また、透明部材を透明プラスチック板等とすることにより、発光素子を保護することができる。本光半導体装置は、複数の発光素子が素子基板となるウエーハに形成された状態において透明部材が配設され、その後に発光素子ごとに分離されて形成されるため、超小型で高輝度の発光ダイオードを、簡素な工程により低コストで実現することが可能になる。本光半導体装置の構成は、白色用だけでなく、赤色その他すべての発光ダイオードに適用することできる。【００１４】
前記発光素子と同一サイズの基板であって、発光素子を搭載する素子搭載面に素子電極に対応した内部電極と、その反対面に外部電極と、を具備するパッケージ基板を更に備え、発光素子の素子電極面とパッケージ基板の素子搭載面とを対向させて貼り合わせることにより、素子電極と内部電極とが電気的に接続される場合は、チップサイズパッケージの発光ダイオードとすることができる。この貼り合わせにより、素子電極と内部電極との電気的接続を確実にすることができる。また、複数の発光素子がウエーハに形成された状態において、発光素子とパッケージ基板とが貼り合わされ、その後に発光素子ごとに分離されるため、パッケージをすべてウエーハ状態で形成することができ、極めて簡素な工程により製造することができる。電気的検査や光学的検査もウエーハ状態で可能になる。そして、発光ダイオードを個別に分離した後もエキスバンドした状態等で扱うことができるため、そのままマザーボードに実装することができ、静電気の影響を受けにくい製造と取扱が可能になり、パッケージ内にサージ対策素子を特に備える必要もなくなる。
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。【００１５】
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、その枠体の外周は前記素子基板の外周と同一サイズであり、枠体の内側壁面は発光面から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、キャビティ部材の内側壁面に囲まれた空洞部に充填される蛍光体と、を更に備える場合は、発光素子からの光で蛍光体を励起することにより白色発光ダイオードを構成することができ、キャビティ部材の内側壁面により発光部及び蛍光体で発光した光を反射させることによって集光方向への集光率を高めることができる。キャビティ部材から集光方向に前記透明部材が配設されることとなるため、キャビティ部材を介して放射される全ての光の広がり等を透明部材により調整することが可能になる。また、複数の発光素子が素子基板となるウエーハに形成された状態において、キャビティ部材及び透明部材が順に積層され、その後に発光素子ごとに分離されるため、簡素な工程により白色用の発光ダイオードを実現することができる。【００１６】
前記発光部ごとにその側面を囲む側面反射膜（マイクロミラー）を更に備え、発光部で発光して素子基板と略平行に進む光を集光方向に反射する場合は、従来利用することが困難であった発光部から側面方向に進む光を取り出すことができ、発光ダイオードの輝度を高めることができる。【００１７】
前記キャビティ部材の内側壁面は、シリコン基板をエッチングすることにより形成される場合は、シリコンの面方位によるエッチング速度の差を利用して、傾斜した反射面を容易に形成することができる。
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。【００１８】
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、発光素子の素子基板が除去される場合は、透明な素子基板であっても通過光の損失を無くすことができ、光を通さない基板も使用することが可能になる。また、発光素子とパッケージ基板の熱膨張率の違いに起因するストレスを無くし、基板の反りを避けることができる。【００１９】
前記発光素子は複数の発光部を備え、素子基板の素子電極面又は前記パッケージ基板の外部電極が設けられる面には、各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る場合は、ウエーハ状態において発光素子の輝度を計測し、その輝度に応じて各発光部への給電を設定することができる。これによって発光素子ごとの輝度のばらつきを減らすことができるため、従来必要であった選別を不要とし、製造コストを低減することが可能になる。【００２０】
前記素子基板が透明基板である場合は、従来一般に用いられているサファイア基板等を用いて発光素子を形成し、ベアチップで実装される発光ダイオード又はチップサイズパッケージの発光ダイオードを構成することができる。
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。
【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】従来の発光ダイオードの構造を説明するための断面図
【図２】発光素子をベアチップで実装する場合を説明するための断面図
【図３】複数の発光セルを配設した発光素子を説明するための断面図
【図４】透明部材及びキャビティを備える発光素子の概念を説明するための断面図
【図５】透明部材及びキャビティを備えるチップサイズパッケージの概念を説明するための断面図
【図６】マイクロキャビティの構造及びその制作工程を説明するための断面図
【図７】マイクロミラー及び光マイクロセルの構成を説明するための断面図
【図８】複数の発光部への給電を選択するために素子基板の素子電極面に設けた給電選択部を説明するための図
【図９】透明部材により、放射される光の広がりの調整手法等を説明するための断面図
【図１０】シリコン基板上に半導体層を形成する工程を説明するための断面図
【図１１】シリコン基板上に光マイクロセルを形成する工程を説明するための断面図
【図１２】図１１の工程により形成された光マイクロセルの構造を説明するための断面図及び平面図
【図１３】ベアチップ実装可能な発光ダイオード全体の構成を示す図
【図１４】図１１の工程により作成された発光素子を説明するための断面図及び斜視図
【図１５】サファイア基板上に光マイクロセルを形成する工程を説明するための断面図
【図１６】図１５の工程により作成された発光素子を説明するための断面図及び斜視図
【図１７】サファイア基板を用いたチップサイズパッケージの発光ダイオードの組立を説明するための断面図
【図１８】図１７の発光ダイオードの製造手順を説明するための断面図
【図１９】シリコン基板を使用し、パッケージ基板に給電選択部を備えた発光ダイオードの組立を説明するための図
【図２０】複数の発光セルから構成される発光素子を説明するための断面図
【図２１】サファイア基板を使用し、パッケージ基板に給電選択部を備えた発光ダイオードの組立を説明するための図
【図２２】発光素子の各種形態を説明するための断面図
【図２３】図２２（ｄ）の発光素子と各種パッケージ基板を用いたチップサイズパッケージの構造を説明するための断面図
【図２４】図２２（ｃ）の発光素子と熱可塑性基板を用いたチップサイズパッケージの製造手順を説明するための断面図
【図２５】図２４のチップサイズパッケージの具体的な製造工程を説明するための断面図
【図２６】図２２（ｄ）の発光素子と熱可塑性基板を用いたチップサイズパッケージの具体的な製造工程を説明するための断面図
【図２７】図２２（ａ）の発光素子と熱可塑性基板を用いたチップサイズパッケージの製造手順を説明するための断面図
【図２８】図２２（ｃ）の発光素子とガラスエポキシ基板を用いたチップサイズパッケージの製造手順を説明するための断面図
【図２９】図２８のチップサイズパッケージの具体的な製造工程を説明するための断面図
【図３０】図２２（ｄ）の発光素子とガラスエポキシ基板を用いた別のチップサイズパッケージの具体的な製造工程を説明するための断面図
【図３１】図２２（ａ）の発光素子とガラスエポキシ基板を用いたチップサイズパッケージの製造手順を説明するための断面図
【図３２】シリコンのウエーハと発光素子及び発光ダイオードの関係を説明する図
【図３３】図３２の発光素子部の構造を説明するための平面図及び断面図
【図３４】図３２のパッケージ基板に設けられた給電選択部を説明するための断面図及び平面図
【図３５】ウエーハ状態の発光素子及び発光ダイオードの関係を説明する図
【発明を実施するための形態】
【００２２】
前記のとおり、本願発明の課題は、発光した光をできるだけ多く外部へ集光することができ、照射される光の方位分布の調整することができ、しかも、ウエーハ状態すなわち発光素子が分離される前の状態でチップサイズパッケージングが可能な光半導体装置を提供することである。また、その光半導体装置は、輝度ばらつきを低減することができることが好ましい。更に、サージが発生しない扱いが可能であり、必要な場合にはサージ吸収機能を備えることが好ましい。
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。
【００２３】
図４及び図５に、前記課題を解決する光半導体装置の構造の概念を示す。ここでは、マイクロミラーを有しない１つの発光セルを備えた発光素子を使用する場合を例示する。図４は、その発光素子をベアチップで使用する場合の概念図であり、図５は、その発光素子をチップサイズパッケージに実装して使用する場合の概念図である。光を取り出す集光方向側の発光素子の表面を「発光面」と呼ぶ。
【００２４】
図４（ａ）は、図２に示した発光素子１６の発光面に、内側の側壁が傾斜した鏡面であるマイクロキャビティ１７５を貼り合わせ、そのマイクロキャビティ１７５内に蛍光体３３０を充填した構造を表わす断面図である。図４（ｂ）は、透明部材として、放射される光束を狭角に絞るためのマイクロ凸レンズ５２０を示す。図４（ｃ）は、（ａ）の発光素子に（ｂ）のマイクロ凸レンズを貼り合わせて形成した発光ダイオード３５の断面を表わしている。マイクロキャビティ１７５及びマイクロ凸レンズ５２０の外周は、発光素子の外周と同一サイズに形成されている。すなわちマイクロキャビティ及びマイクロ凸レンズを上面視した形状及び大きさは、前記発光面の形状及び大きさと同じである。
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。
【００２５】
図５はチップサイズパッケージとした光半導体装置の概念図（断面図）である。図５（ｃ）はサファイア基板２００上に形成した前記発光素子１６、（ｄ）は接合材（インターポーザ）３５０、（ｅ）はパッケージ基板４０を示している。パッケージ基板４０及びインターポーザ３５０の外周は、発光素子の外周と同一サイズに形成されている。パッケージ基板４０には、発光素子の素子電極（フリップチップ電極）７及び８と接続するための内部電極６１、外部との接続用の外部電極６０、及び内部電極６１と外部電極６０とを接続するビア５０が設けられている。発光素子１６がウエーハ状態のままで、そのウエーハサイズで形成されたインターポーザ３５０及びパッケージ基板４０と貼り合わせることにより、パッケージングと電極間接続を同時に行うことができる。その後、サファイア基板２００はリフトオフ技術にて除去される。サファイア基板が除去された発光素子を用いて構成される発光ダイオードの態様を、図５（ｇ）及び（ｈ）に例示する。先ず、図５（ｈ）に示す発光ダイオード１３７は、上記発光素子の発光面上に、透明部材として透明プラスチック板５２１を貼り合わせたものである。透明プラスチック板により、サファイア基板が除去された後の発光部を保護することができる。透明部材は透明プラスチック板に限られず、凸レンズ、凹レンズ等とすることもできる。さらに、透明部材に蛍光体を含浸させることにより、発光素子の１次発光と透明部材における２次発光とを合わせて白色光とすることもできる。次に、図５（ｇ）に示す発光ダイオード３７は、上記発光素子の発光面上に、マイクロキャビティ及びその空洞部に充填された蛍光体３３０と、透明部材（マイクロ凸レンズ５２０）とを備えている。この発光ダイオード３７は、以下のような手順で作ることができる。サファイア基板が除去された発光素子と、図５（ｂ）に示すマイクロキャビティ１７５を形成したシリコン基板１７３とをウエーハ状態で貼り合わせる。シリコン基板１７３の底面には、予めシリコン酸化膜１８０が形成されている。マイクロキャビティ１７５を囲む側壁面４１１は、傾斜した鏡面である。白色発光ダイオード用途では、マイクロキャビティ１７５内に蛍光体３３０が充填される。更に、図５（ａ）に示すマイクロ凸レンズ５２０を貼り合わせて、ウエーハ状態で発光ダイオードの構造を完成させる。その後、発光素子ごとに分割することにより、図５（ｇ）に示すような発光ダイオード３７が完成し、マザーボード３４０に実装することができる。マイクロキャビティ１７５及びマイクロ凸レンズ５２０の作用効果は図４の場合と同様であり、１次発光及び２次発光した光を集光方向に取り出すことができ、放射する光束の広がる角度が狭められた発光ダイオードが実現できる。白色発光ダイオードの場合には蛍光体３３０により２次発光をさせるが、本光半導体装置の構成は、蛍光体を用いない発光ダイオードにも適用できる。また、透明部材として、マイクロ凸レンズ５２０の代わりに凹レンズとしてもよいし、透明プラスチック板を用いてもよい。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。その場合、外周が発光素子の素子基板の外周と同一サイズの板状の蛍光体を、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。そして、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。
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。
【００２６】
上記光半導体装置の概念について、更に具体的に説明する。図４に示した発光ダイオード３５は、サファイア基板２００を用いた発光素子１６の上へマイクロキャビティを貼り合わせ、蛍光体を充填し、更にマイクロ凸レンズを貼り合わせて形成されている。その工程はウエーハ状態で行われ、電気的検査及び光学的検査を経て個別の発光ダイオードに分割することができる。このような構造の課題は、サファイア基板が存在するため、サファイア基板から横方向へ光が漏れる（ｒ’）という点である。この解決策の１つは、図５に示した発光ダイオードのようにサファイア基板２００を除去することである。別の解決策として、発光素子の基板にシリコン基板を用いる方法がある。シリコン基板を用いることにより、シリコン基板自身にマイクロキャビティを形成することができる（詳しくは後述）。それによって、別のマイクロキャビティ用の基板を貼り合わせる工程が不要となると共に、基板の横方向への光の漏れを解消できる。更に、素子基板であるシリコンの多くの部分がキャビティとして空洞になるため、フリップチップ接続によって発光素子とマザーボードとの間に生じる応力が緩和されるという重要な効果も得られる。これにより、フリップチップ実装時のアンダーフィルと呼ばれる樹脂で強度を増加させる工程が、多くの用途で不要になる。
【００２７】
図５（ｃ）に示した発光素子に備えられるフリップチップ電極７及び８は、例えば、スタッドバンプで約３０μｍの高さに形成し、高さの均一化のためのレべリングを行って約２０μｍの高さとすることができる。その他、フリップチップ電極は金メッキで形成することも可能である。図５（ｄ）のインターポーザ３５０は、厚さ約５０μｍ程度で、ＰＥＥＫ（ポリ・エーテル・エーテル・ケトン）材及びＰＥＩ（ポリ・エーテル・イミド）材等をベースとする熱可塑性の材料からなり、４００℃では液状となるため約３００℃で貼り合わせを推奨される材料を用いることができる。図５（ｅ）に示したパッケージ基板４０として、耐熱性材料からなるプリント基板等を用いることができる。パッケージ基板にはビア５０が作り込まれており、ビア５０により銅等からなる外部電極６０と内部電極６１とが接続されている。ビア５０には銀又は銅等を主材料とする金属を用いることができる。発熱が大きい用途では、できるだけ多数のビアを設けることにより熱抵抗を下げることができる。図５（ｃ）〜（ｅ）の部材をウエーハの状態で合体させて約３００℃の真空中で加圧し、その後冷却して硬化させることによりウエーハ状態でパッケージを完成させることができる。この状態でサファイア基板２００をリフトオフ技術で除去する。そしてマイクロキャビティを貼り合わせ、蛍光体を充填し、マイクロ凸レンズを貼り合わせる各工程と、電気検査及び光学検査をウエーハ状態で行い、その後に個別の発光ダイオードに分割することができる。
【００２８】
前記発光素子１６は、サファイア基板２００、Ｎ＋型半導体２、Ｎ型半導体３、活性層４、Ｐ型半導体５、反射導電膜６、フリップチップ電極７及び８からなっている。発光素子として、図３に示したような発光セルが複数個に分割されて構成されている発光素子を用いることも可能である。その場合、各フリップチップ電極と各発光セルとの接続は、電源配線層９０を設けることにより自由に行うことができる。また、パッケージの土台となるパッケージ基板４０として、熱可塑性の材料を用いた基板を使用することができる。熱可塑性のパッケージ基板４０と、サファイア基板を素子基板とする発光素子とは、熱可塑性の材料からなるインターポーザ３５０を介して貼り合わせることができ、該材料の軟化温度である３００℃程度で真空中において接着されることにより密着性が確保される。また、その接着部の端部は熱可塑のインターポーザにより封止されるため、インターポーザは素子分割後の保護材としての役割を果たしている。パッケージ基板の内部電極６１を構成する導体の表面が銅であり、フリップチップ電極の材料が金である場合、これらの金と銅との間が共晶温度以上である３００℃程度で貼り合わされるため、フリップチップの金とパッケージ基板側の銅とは共晶結合して、強度と導電性が確保される。
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。
【００２９】
前記発光ダイオード３５、３７、１３７等を実現するには次のような課題がある。マイクロキャビティの形成方法、１次発光し側面方向に向かう光の捕捉方法、マイクロ凸レンズ等透明部材の形成方法、発光ダイオードから出射された光束の広がりを所望の広がりに調整する方法、光の輝度のばらつきの低減方法、静電気等のサージ対策である。また、図５に示したような発光素子とパッケージとを一体化するパッケージング方法である。
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。
【００３０】
図７は、１次発光した側面方向の光を捕捉するために、発光素子内にマイクロミラーを設ける概念を説明する断面図である。図７（ａ）に示す発光素子は、サファイア基板２００の上にＮ型半導体３、活性層４、Ｐ型半導体５からなる半導体層を備えている。活性層４から発生する光のうち、集光方向ｚに向かう光はそのまま放出され（ｐ）、反対方向への光は背面反射膜６で集光方向へ反射されて放出され（ｑ）、側面方向の光は発光層の近傍に設けられたマイクロミラー７０により反射され集光方向へ向けて放出される（ｒ）。ここで、マイクロミラーの傾斜角αは０度から９０度以内の値である。本発明においては、発光セルの側面を囲んでマイクロミラー７０を形成することができる。図７（ｂ）はこの概念に基づいて構成する発光素子の例を表す。この発光素子は１つのサファイア基板２００上に形成されており、複数の発光セル８０を備えている。本図の発光素子は、横方向に４つ、奥方向に２つ（図示せず）、の合計８つの発光セルを備えている。各発光セル８０は、図７（ａ）と同様の半導体層を備える。そして、各発光セル８０は側面をマイクロミラー７１によって囲まれ、それぞれ光マイクロセルを構成している。発光セルの側面方向に向かう光はマイクロミラー７１により反射され、集光方向へ向けて放出される（ｒ）。また、各光マイクロセルの下側には導電反射膜（背面反射膜）２７５が形成されている。各光マイクロセル内の半導体層には、フリップチップ電極７及び８から配線層９０を経て電源が供給される。後述するように、シリコン基板を用いても同様の構造を形成することができる。
【００３１】
次に、図８を参照し、発光素子の輝度のばらつきの低減方法を説明する。図８（ａ）は、８個の光マイクロセルからなる発光素子を表わす斜視図である。各光マイクロセルは、発光セル８０とそれを囲むマイクロミラー７１を備えて構成されている。発光素子は、マイクロミラーを有しない発光セルを用いて構成されていてもよい。電源配線層３１０とフリップチップ電極との間に薄膜配線層３１５が設けられている。この薄膜配線層には、図８（ｃ）に示す電源配線パターンからなる給電選択部が形成されている。８個の光マイクロセル１〜８の発光部の面積は、例えば、図８（ｂ）に示すような重み付けがしてある。すなわち、各光マイクロセルの発光部の面積は、光マイクロセル１（４２１）をＡとして、光マイクロセル５（４２５）がＡ、光マイクロセル３（４２３）がＡ／２、光マイクロセル６（４２６）がＡ／４、光マイクロセル４（４２４）がＡ／８とされている。発光素子から出力される光量は発光部の面積に対応するため、通電する光マイクロセルの個数を変えることによって発光素子から放出される光の総量を調整することができる。例えば、当初に８個の光マイクロセルの全てに電源を供給して、全体の輝度を測定する。このときの光量すなわち発光部の総面積は（５＋７／８）Ａである。この状態で測定された輝度に応じて選択的に光マイクロセルへの電源供給を接続又は遮断することにより、（１／８）Ａを最小単位として光量を調整することができる。図８（ｃ）により電源接続の例を説明する。フリップチップＮ電極３２２と全ての光マイクロセルのＮ電極とは接続されている。フリップチップＰ電極３２１からは、図８（ｂ）にＰ０と表示された全ての光マイクロセル（１、２、７及び８）のＰ電極に接続されている。また、Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４と表示された各光マイクロセル（５、３、６、４）のＰ電極には、それぞれ配線４４１、４４２、４４３、４４４によりフリップチップＰ電極３２１が接続されている。当初には、それらの配線によりＰ０〜Ｐ４の全ての光マイクロセルへ電源が供給される。そして、全体の輝度を測定した後に、必要な光マイクロセル以外には電源を供給しないようにすることができる。すなわち、各光マイクロセルへ電源を供給する各配線部に電源切断部（４４５）を設け、光量に応じて配線４４１〜４４４を選択的に切断する。本例では、最大使用面積（５＋７／８）Ａと最小使用面積４Ａとの間で、発光面積すなわち出力される光量を適宜選択することができる。より広い範囲でばらつきを調整したい場合には、同様の考え方で発光セルの数や面積比等を設定し、それに応じた配線部を設けることにより可能である。また、各光マイクロセルへ電源を供給する各配線部を選択的に接続するようにしてもよい。また、各光マイクロセルの発光部の面積に重み付けをしないで、各光マイクロセルへ供給する電源を選択的に接続又は切断するようにしてもよい。
【００３２】
図９により、放射される光の広がりの調整手法を説明する。図９（ａ）はマザーボード３４０に実装された発光ダイオード３７を示す。光は、マイクロ凸レンズ５２０がなければ広い角度範囲（ｗ１−ｗ１間）に放出されるところ、マイクロ凸レンズ５２０によって集光方向ｚを中心とする狭い角度範囲（ｗ２−ｗ２間）に絞られる。狭い角度範囲で光を照射する用途に適している。図９（ｂ）は、上記発光ダイオードから集光方向に光拡散板又は光拡散レンズ６００を設ける例を示す。発光ダイオードのマイクロ凸レンズ５２０により狭い角度範囲（ｗ２−ｗ２間）に絞られた光束は、光拡散レンズ６００により広い角度（ｗ３−ｗ３間）に広げられる。このようにマイクロ凸レンズ５２０と拡散レンズ６００とを組み合わせることによって、光の照射角度を精度よく設定することができる。この様な構成は、液晶テレビのバックライトのような広角で広い面積を均質に照射する用途に最適である。具体例として、図１に示したようなパッケージ内に発光ダイオード３７を収容する場合を、図９（ｃ）に示す。このパッケージの上面は、キャップの代わりに拡散レンズとして凹レンズ６０１が用いられている。このような構造にすれば、凹レンズ６０１と発光ダイオード３７に備えられた凸レンズ５２０との組み合わせにより、所望の広がりをもった光束を作り出すことができる。
【００３３】
なお、静電気に関しては、特にＧａＮ系の発光素子はサージに弱いため配慮が必要である。本発光素子及びそのチップサイズパッケージは、ウエーハ状態での加工や実装が可能であり、またウエーハ状態からエキスバンドテープに貼りつけた状態で取扱うこともできるため、ハンドリング中などに静電気にさらされる機会を減少させることができる。更なる静電気対策が必要な用途には、パッケージ基板に非直線性抵抗特性をもつ基材（バリスタ基板）を用いることにより、静電気吸収機能を持たせることができる。
【００３４】
発光素子の製造工程及び構造を、図１０〜１２を参照しつつ説明する。図１０は、素子基板としてシリコン基板を使用し、シリコン基板上に半導体層を形成する製造方法を示す。発光層はサファイア基板上に形成されることが多いが、シリコン基板上に単に化合物半導体を形成することは困難である。サファイア基板上ではなくシリコン基板上に半導体層を設ける意味は、後にシリコン基板をエッチングにより除去することが容易である点にある。サファイアの場合、極めて硬いために部分的除去は困難であり、また、レーザ等を用いて界面を部分的ながら高温で剥離するリフトオフ手法が必要になる。これに対し、シリコンの場合には、ＫＯＨ液等を用いたエッチングにより１００℃以下で容易に除去できる。図１０（ａ）に示すように、公知の手法を用いて、サファイア基板２０１上に半導体層としてＰ型ＧａＡｌＮ層２４０、活性層２３０、Ｎ型ＧａＡｌＮ層２２０を形成する。その上に、新規の手法として、酸化インジウム膜１９０を形成し、更にその上にシリコン酸化膜１８０を形成する。酸化インジウム膜１９０は、Ｎ型半導体層を低抵抗にする目的、及び半導体エッチング時の終点管理の目的で備えられる。シリコン酸化膜１８０は、シリコン基板との貼り合わせ用に備えられる。貼り合わせの事前処理としてＣＭＰ(ケミカル・メカニカル・ポリッシ)加工することも可能である。しかし、本例の構成では、シリコン酸化膜の下地がすべて平坦であり、シリコン酸化膜も平坦な膜となるため、ＣＭＰ加工は必ずしも要しない。図１０（ｂ）は、後に発光素子の基板となるシリコン基板１７０を示す。図１０（ｃ）に示すように、半導体層、酸化インジウム膜及びシリコン酸化膜が形成されたサファイア基板とシリコン基板１７０とを貼り合わせる。その後、図１０（ｄ）に示すように、サファイア基板２０１をリフトオフして除去する。図１０（ｃ）に示す状態では金属及び有機物が含まれていないため温度的制約が緩和され、容易にサファイアをリフトオフすることができる。図１０（ｄ）に示す状態で、シリコン基板１７０が発光素子用の基板となる。
【００３５】
図１１は、光マイクロセルの製造工程の例を表わす断面図である。図１１（ａ）は、図１０（ｄ）に示した基板上の表面にフォトレジスト２６０のパターンを形成した状態を表している。図１１（ｂ）は、Ｐ型半導体層２４０、活性層２３０及びＮ型半導体層２２０を、テーパエッチング技術で傾斜面（テーパ部）２５０を設けるようにウエットエッチングした状態を示している。その後フォトレジスト２６０を除去し、導電反射膜２７０を全面に積層する。図１１（ｃ）は、フォトリソグラフィ技術により、その導電反射膜２７０がＰ型半導体層２４０部の上面に残るように加工した状態を示している。図１１（ｄ）は、その状態からシリコン酸化膜２８０を全面に形成した状態を示している。図１１（ｅ）は、その状態にフォトレジストを設け、電極部２８１及び２８２をテーパエッチング加工した後、フォトレジストを除去した状態を示している。電極部２８２の側面は、テーパエッチングにより傾斜面になっている。図１１（ｆ）は、全面に金属薄膜を積層した後、フォトリソグラフィ技術を用いて上記電極部にＰ型電極２９０及びＮ型電極２９１を形成した状態を示している。以上によって光マイクロセルが形成されている。
【００３６】
図１２は、上記のように形成された光マイクロセルの構造を説明する図である。図１２（ａ）は、上記光マイクロセルの断面を表わしている。テーパエッチングにより側面が傾斜して形成された半導体層が発光セル８０となる。その半導体層の傾斜部を覆うシリコン酸化膜２８０上に形成されたＮ型電極２９１の金属膜が鏡面となり、マイクロミラー７１が構成されている。このマイクロミラー７１により発光セル８０の全周が囲まれ、光マイクロセルが構成される。図１２（ａ）において、集光方向ｚは下方となる。この状態ではシリコン基板１７０が光を通さないが、シリコン基板が除去された後に、光マイクロセルの活性層２３０で発生する光が進む方向をｐ、ｑ及びｒで表わしている。活性層２３０から集光方向ｚに向かう光はそのまま放出され（ｐ）、集光方向ｚとは反対方向に向かう光は、導電反射膜２７０により反射されて集光方向ｚに放出される（ｑ）。活性層２３０に沿った方向の光は、マイクロミラー７１により反射されて集光方向に放出される（ｒ）。図１２（ｂ）は、上記光マイクロセルが並べて形成されている平面図である。図中にＰ型電極２９０及びＮ型電極２９１の領域が示されている。また、各発光セルの活性層２３０の領域は境界２３１で示されている。これらの境界は、電界が集中しないように４隅が丸みを持つように形成されている。
【００３７】
図１３は発光素子全体を説明するための図である。図１３（ａ）は発光素子の斜視図であり、（ｂ）は断面図である。分かり易くするために、ウエーハ状態で形成されている発光素子のうちの１つを描いた図である。１つの発光素子は、素子基板上に１又は２以上の区画された発光部（発光セル）８０を備えて構成される。１つの発光部は、図１２に示したように、１つずつ区画して形成された半導体層からなる。そして１つの発光セルの側面をマイクロミラーによって囲むことにより、１つの光マイクロセルが構成されている。すなわち、１つの発光素子は１又は２以上の光マイクロセルから構成される。図１３に示した発光素子は、横方向４×奥行方向２の計８つの光マイクロセルを備えている。この発光素子は、シリコン基板１７０の上に、複数の発光セル８０とマイクロミラー７１を備えた光マイクロセル層３００が形成されており、その上に導電反射膜層２７５が形成されている。１つの発光セル８０とその全周囲に設けられたマイクロミラー７１とにより、１つの光マイクロセルが構成されている。各発光セル８０のＰ型電極及びＮ型電極に接続される電源は配線層３１０において配線され、フリップチップ電極３２１及び３２２を具備するフリップチップ電極層３２０から各電源が供給される。フリップチップ電極は図１１に示した工程には示されていないが、ウエーハ状態で金の薄膜を形成してメッキにより厚くし、エッチング加工することにより形成することができる。また、ウエーハ状態でスタッドバンプ手法により金バンプを設け、その後に平坦化して形成してもよい。また、配線層３１０とフリップチップ電極層３２０との間には薄膜配線層３１５が設けられている。薄膜配線層３１５は、図８で言及した給電選択部が設けられている。図１３（ａ）及び（ｂ）に示すシリコン基板１７０の集光方向側の面には、マイクロキャビティを形成するためのシリコン酸化膜１８５が形成されている。また、シリコン酸化膜１８０は、シリコンをＫＯＨ水溶液等によりエッチングする際のストッパーとなる。図１３（ｃ）は、エッチングにより形成されたシリコンの側壁面４１１に囲まれたキャビティ部に蛍光体３３０を充填し、更にマイクロ凸レンズ５２０を貼り合わせた状態を示している。図中に示す光の進行方向については前述のとおりである。図１３（ｃ）の状態までをウエーハ状態で形成した後、個別の発光素子として切り分ければ、ベアチップ実装可能な発光ダイオード３４が完成する。
【００３８】
図１４は、図１１の工程により作成した発光素子を表す図であり、この発光素子１９は後述するチップサイズパッケージに実装される。断面を表した図１４（ａ）において、ｐ、ｑ及びｒは発光層からの光の方向を示しているが、この状態ではシリコン基板１７０が光を通さないため、参考までに示したものである。後の工程でシリコン基板１７０をエッチングすることによりマイクロキャビティが形成され、光が通過するようにされる。図１４（ｂ）は発光素子１９の斜視図である。本例では、８つの発光セルに給電するための素子電極としてフリップチップ電極３２１及び３２２が計６個具備されており、このフリップチップ電極は後にパッケージ用のパッケージ基板と接続される。
【００３９】
図１５はサファイア基板２００上に光マイクロセルを形成する手順を示す。図１１に示した工程とほぼ同様である。図１５（ｂ）に示す半導体層のテーパエッチングにおいて、Ｎ＋型半導体膜２１０を化合物半導体エッチングのストッパーとすることができる。
【００４０】
図１６は、図１５の工程により作成された発光素子１８の断面図及び斜視図である。素子基板にサファイア基板を用いていることを除き、図１４に示した発光素子とほぼ同様である。
【００４１】
図１７は、前記発光素子１８（図１６）、前記発光素子１９（図１４）等を用いるチップサイズパッケージの基本構成を説明するための断面図である。図１７（ｃ）に示すサファイア基板を用いた発光素子１８と、図１７（ｅ）に示すパッケージ基板４０とが、図１７（ｄ）に示すインターポーザ３５０を介して貼り合わされる。それにより、発光素子１８のフリップチップ電極３２０（前記３２１及び３２２）と、パッケージ基板４０に設けられた内部電極６１とが接し、電気的に接続される。その後に、発光素子１８のサファイア基板をリフトオフ手法により除去し、代わりにマイクロキャビティの母材となるシリコン基板１７３（図１７（ｂ１））を透明接着剤４８０で貼り合わせる。発光素子として、シリコン基板を用いた発光素子１９を用いる場合には、上記リフトオフ工程とシリコン基板１７３の貼り合わせは不要である。図１７（ｂ１）のシリコン基板１７３にはシリコン酸化膜１８０が形成されているが、発光素子１９のシリコン基板１７０上には既にシリコン酸化膜１８０が形成されているため、シリコン基板１７３と同じ構成となる（以下、マイクロキャビティ用の「シリコン基板１７０又は１７３」をまとめて「シリコン基板１７３」という。）。いずれの発光素子を用いた場合にも、これ以降の工程は共通となる。この段階では、発光素子１８を用いた場合には、パッケージ基板４０と、サファイア基板が除去された発光素子と、シリコン基板１７３とが貼り合わされた状態である。また、発光素子１９を用いた場合には、パッケージ基板４０と、シリコン基板１７０上に形成された発光素子とが貼り合わされた状態である。いずれの場合も、この状態では、化合物半導体から集光方向にはシリコン酸化膜１８０及びシリコン基板１７３が存在する。図１７（ｂ１）に示すシリコン酸化膜１８５は、シリコン基板１７３をエッチングする為のマスクとなる部分である。シリコンのエッチングをＫＯＨ水溶液中で行うときには、パッケージ基板側を保護するために、ウエーハより大きなパッケージ基板にワックス等を塗布して耐アルカリ性とし、ＫＯＨ液がエッチングすべきシリコン面だけに触れるようにする。以上は、シリコン基板１７３を用いてマイクロキャビティを形成する例を説明したが、マイクロキャビティとして図６で説明した銅のスタッドフレーム５４０を用いてもよい。図１７（ｂ２）に示す銅スタッドフレーム５４０を、サファイア基板がリフトオフにより除去された化合物半導体面に、透明接着剤４８０を用いて貼り合わせる。銅のエッチングを塩酸等で行うときには、パッケージ基板側を保護するために、ウエーハより大きなパッケージ基板にワックス等を塗布して耐酸性とし、塩酸等がエッチングすべき銅フレーム面だけに触れるようにする。これらのエッチング終了後にワックス等を取り除き、更に、ウエーハ状態で図１７（ａ）に示すマイクロ凸レンズ５２０を透明接着剤４８０により貼り合わせる。これによりチップサイズパッケージがウエーハ状態で完成され、電気的検査及び光学的検査を行うことができる。そして発光素子ごとに分離すれば、個々の発光ダイオードが得られる。
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。
【００４２】
図１７に示した構成において、発光素子、パッケージ基板及び接合材（インターポーザ）の種類や材料は、適宜に選択して組み合わせることが可能である。発光素子の基板として、サファイア等の透明基板を用いてもよいし、シリコン等の光を通さない基板を用いることもできる。１つの発光素子に備えられる発光セルの数は、１つでもよいし２以上でもよい。また、各発光セルの周囲にマイクロミラーを備えて光マイクロセルが構成されてもよいし、マイクロミラーを備えないで構成されてもよい。パッケージ基板としては、熱可塑性プリント基板、非直線性抵抗特性をもつ基板（バリスタ基板）、ガラスエポキシプリント基板、セラミックス基板、金属基板（金属ベース基板）等を選択することができる。接合材（インターポーザ）としては、使用するパッケージ基板に応じて、熱可塑性材料、異方性導電接着剤等を用いることができる。例えば、熱可塑性プリント基板や金属基板を用いる場合には、熱可塑性材料を接合材に使用することができる。また、ガラスエポキシプリント基板を用いる場合には、異方性導電接着剤を接合材に使用することができる。なお、発光素子、パッケージ基板及び接合材の材料、組み合わせ等は、ここに挙げた例に限定されない。
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。
【００４３】
図１８は、図１７に示した構成で、マイクロキャビティを形成するためのシリコンのエッチング工程を説明するための断面図である。図１８（ａ）は、前記発光素子１８とパッケージ基板４０とがインターポーザ３５０により貼り合わされた状態を示す。図１８（ｂ）は、その後サファイア基板２００が除去された状態を示す。図１８（ｃ）は、その後、片方の全面にシリコン酸化膜１８０が形成されたシリコン基板１７３を貼り合わせた状態を示す。図１８（ｄ１）は、次いでシリコンをエッチングするパターンに合わせてフォトレジスト２６５を形成した状態を示す。発光素子にシリコン基板１７０を用いている場合には、パッケージ基板との貼り合わせの前に、シリコン酸化膜１８５でこのマスクパターンを形成しておく方が便利である。図において、シリコンのエッチング終止面４１０が示されている。図１８（ｅ）は、シリコンのエッチング終了後、マスクの機能を果たしたフォトレジスト又はシリコン酸化膜を除去した状態を示している。このように、シリコンを用いて、傾斜した内側壁面４１１を備えたマイクロキャビティ１７５を形成することができる。前記のとおり、マイクロキャビティとして銅スタッドフレーム５４０を用いることも可能である。図１８（ｄ２）は、図１８（ｂ）の状態にスタッドフレーム５４０を透明接着剤４８０で貼り合わせた状態を示している。この状態から銅を塩酸などで等方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。銅の傾斜した内側壁面に銀メッキを施すことにより反射率の高い側壁面を容易に形成できる。
【００４４】
図４、５及び１７に示したマイクロ凸レンズ５２０は、透明樹脂材料を使用し、ウエーハ上に配列された発光素子に対応した位置に適宜の凸レンズ形状となるように樹脂成型することにより、ウエーハと同じサイズで作ることができる。透明部材を凸レンズとする代わりに凹レンズとしたり、透明プラスチック板としたりする場合も同様である。
【００４５】
以上の様にして、図４及び５により説明した基本概念を実現するための基本的要素であるマイクロキャビティの形成、発光素子の発光面上又はマイクロキャビティ上への透明部材の貼り合わせ、マイクロミラーの形成、チップサイズパッケージの構造、及び複数の発光セルによる輝度の調整手段等が実現される。
【００４６】
本チップサイズパッケージにより、完成品の持ち運びはウエーハ状態若しくはパッケージ基板が分離されていない状態、又はエキスパンションシートに貼った状態で行うことができ、また、マザーボードへの実装も同様な状態で行うことができる。これにより、静電気が極めて発生し難い状態でマザーボードへの実装までを行うことができるため、パッケージ内に静電気対策用の素子は必ずしも必要とされない。マザーボードに予め双方向ツェナーダイオードのような保護素子を実装しておけばよい。特に、液晶のバックライト用途の様に面発光で多数の発光ダイオードをマザー基板に実装するような用途ではこの手法がコスト面でもメリットが大きい。静電気対策が必要な場合には、チップサイズパッケージの基板にバリスタ基板を用いることにより、静電気吸収機能をバリスタ基板に持たせることができる。これにより、静電気に強いチップサイズパッケージとすることができる。
【００４７】
図１９に、本発明の実施例として、チップサイズパッケージによる基本構成を示す。図１９（ｅ）に示す発光ダイオード３９は、図１８で説明した工程により、シリコン基板１７０を用いた発光素子１９（図１９（ｂ））とパッケージ基板４０（図１９（ｄ））とが貼り合わされ、その後シリコン基板１７０にマイクロキャビティが形成され、更にマイクロ凸レンズ５２０（図１９（ａ））が貼り合わされて構成されている。発光素子１９は、複数の光マイクロセルが形成された光マイクロセル層３００を備えている。上記で、発光素子１９とパッケージ基板４０とは、インターポーザ３５０（図１９（ｃ））を挟んで、真空中で約３００℃の温度に約３０分間保つことにより貼り合わされる。その後、シリコン基板１７０をエッチング加工してマイクロキャビティ１７５が形成される。シリコンのエッチング手順については、図１８により説明したとおりである。この後、マイクロキャビティ１７５の部分に蛍光体３３０を充填し、更にマイクロ凸レンズ５２０を貼り合わせる。マイクロ凸レンズは、近年普及した樹脂レンズをウエーハサイズで加工することにより形成できる。このように発光ダイオード３９を形成する工程は、ウエーハ状態にて行うことができる。図１９（ｆ）はパッケージ基板４０を下面視した図である。この下面には、外部から給電を受けるＰ電極３３１及びＮ電極３３２と、所定の光マイクロセルのＰ電極に接続されている電極（Ｐ０、Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４）が設けられている。Ｐ電極３３１（Ｐ０）と上記電極（Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４）との間の配線は、各光マイクロセル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である。発光素子を所望の輝度とするように、どの光マイクロセルに給電するかを選択することができる。例えば、発光素子の輝度に応じて、電源を供給しない光マイクロセルに対しては、切断ライン４４５において該当する配線をレーザ等により切断する。この給電選択部により、図８において説明した輝度の調整と同様の輝度の調整が可能になる。これらの加工工程の後、発光素子ごとに分離することにより発光ダイオード３９が得られる。マイクロキャビティ１７５は、前記のとおり銅のスタッドフレームを用いて形成されてもよい。すなわち、発光素子から素子基板（シリコン基板１７０又はサファイア基板２００）を除去した後、露出した化合物半導体面に図１８（ｄ２）に示したようにスタッドフレーム５４０を透明接着剤により貼り合わせる。そして、スタッドフレームの底面部が無くなるまでエッチングすることによりマイクロキャビティ１７５の形状を作ることができ、図１９（ｅ）と同様の構造を得ることができる。また、マイクロキャビティ及び蛍光体を備えない発光ダイオードの構成とすることができる。その場合には、発光素子のシリコン基板をエッチングにより除去し、その除去した面にマイクロ凸レンズを貼るようにすればよい。また、マイクロ凸レンズの代わりに、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。
【００４８】
本発明による発光ダイオードは、チップサイズパッケージとすることなく、発光素子をベアチップとして用いるように構成することもできる。その場合、上記の輝度の調整は、図８において説明したように、薄膜配線層３１５に設けた給電選択部により行うことができる。
【００４９】
チップサイズパッケージに組み込む発光素子は、図１９（ｂ）に示したような光マイクロセルを備えるものに限られない。図２０は、マイクロミラーを備えない複数の発光セルから構成される発光素子の例を示す。各発光セルは、化合物半導体層８４によって構成されている。この場合にも、シリコン基板１７０により前記同様にマイクロキャビティを形成することができる。エッチング用のマスクとしてシリコン酸化膜１８５が設けられ、キャビティの内側壁面となるエッチング終止面４１０の位置を決めている。
【００５０】
この様にしてパッケージの大きさが発光ダイオードの大きさとなり、発光層の近傍のマイクロミラー７１、マイクロキャビティの側壁４１１及びマイクロ凸レンズ５２０により光が集光され、効率のよい発光ダイオードが実現できる。シリコン基板の多くの部分がマイクロキャビティとして刳りぬかれているため、シリコンの熱膨張係数がパッケージ基板の熱膨張係数と異なっていても、マザーボードへの実装時に応力が緩和されるという効果も大きい。また、ウエーハ状態で輝度を計測し、必要に応じて、薄膜配線層３１５又はパッケージ基板４０に設けられた給電選択部により、ウエーハレベルで各発光ダイオードの輝度のバラツキを低減できる。
【００５１】
図２１に、本発明の別の実施例を示す。図２１（ｆ）に示す発光ダイオード３８は、図１８で説明した工程により、サファイア基板２００を用いた発光素子１８（図２１（ｃ））とパッケージ基板４０（図２１（ｅ））とが貼り合わされ、その後サファイア基板２００が除去され、更に、マイクロキャビティ１７５を形成したシリコン基板１７３（図２１（ｂ１））及びマイクロ凸レンズ５２０（図２１（ａ））が貼り合わされて構成されている。発光素子１８は、複数の光マイクロセルが形成された光マイクロセル層３００を備えている。上記で、発光素子１８とパッケージ基板４０とは、インターポーザ３５０（図２１（ｄ））を挟んで、真空中で約３００℃の温度に約３０分間保つことにより密着される。サファイア基板除去後の発光素子１８と、シリコン酸化膜１８０を片面に備えるシリコン基板１７３とは、透明接着剤を用いて貼り合わせることができる。シリコン基板１７３にマイクロキャビティ１７５を形成する手順は、図１８により説明したとおりである。マイクロキャビティ１７５は、発光素子１８と貼り合わせる前に形成してもよい。その後、マイクロキャビティ１７５の部分に蛍光体３３０を充填し、更にマイクロ凸レンズ５２０を貼り合わせる。銅のスタッドフレーム５４０（図２１（ｂ２））を用いてもマイクロキャビティを形成できること、マイクロ凸レンズは樹脂をウエーハサイズで加工することにより形成できること、発光ダイオード３８を形成する工程はウエーハ状態にて行うことができること等は、前記発光ダイオード３９の場合と同様である。また、図２１（ｇ）は、発光ダイオード３９の場合と同様に、パッケージ基板４０の下面に設けられている電極及び配線を表わす図である。この発光ダイオードにおいても、マイクロキャビティ及び蛍光体を備えない構成とすることができる。その場合には、発光素子のサファイア基板を除去した後、その除去した面にマイクロ凸レンズを貼るようにすればよい。また、マイクロ凸レンズの代わりに、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。
【００５２】
図２２は、本発明による発光ダイオードを構成することができる各種態様の発光素子の断面を示している。これらは、ベアチップで用いることができ、又はチップサイズパッケージに実装することができる。図２２（ａ）はサファイア基板に１つの発光セルを設けた前記発光素子１６、（ｂ）はシリコン基板に１つの発光セルを設けた発光素子１７を示す。また、図２２（ｃ）はサファイア基板に複数の光マイクロセルを設けた前記発光素子１８、（ｄ）はシリコン基板に複数の光マイクロセルを設けた前記発光素子１９を示す。各図中ｐ、ｑ及びｒは、発光層からの光の方向を示している。シリコン基板を用いた発光素子では、この状態ではシリコンが光を透過しないため光の方向は参考までに示されている。後の工程にてシリコンが除去された後に光は透過するようになる。上記４種類の発光素子において、発光ダイオードを構成するための基本概念は同じである。発光素子の態様は上記４種類に限定されない。例えば、図２０に示したような、マイクロミラーを有しないで複数の発光セルを備えた発光素子が挙げられる。また、１つの光マイクロセルを設けた発光素子が挙げられる。
【００５３】
図２３は、前記発光素子１９を例にとり、発光素子とパッケージ基板とをパッケージ基板に適合するインターポーザを用いて貼り合せることにより構成されるチップサイズパッケージの断面を示す。パッケージ基板として、熱可塑性プリント基板、金属基板、ガラスエポキシプリント基板等を使用することができる。図２３（ａ）は発光素子１９と熱可塑性プリント基板４１とを熱可塑性インターポーザ４２により貼り合わせた構成、（ｂ）は発光素子１９と金属基板４３とを熱可塑性インターポーザ４２により貼り合わせた構成、（ｃ）は発光素子１９とガラスエポキシプリント基板４５とを異方性導電接着剤３７０により貼り合わせた構成である。いずれも、シリコン基板１７０側が集光方向であり、パッケージ基板側がチップサイズパッケージの電極側である。構造上の重要点は、発光する光をできるだけ多く集光方向へ取り出すこと、パッケージ基板の内部電極６１とフリップチップ電極３２１等との電気的接続が確実であること、発光素子の表面とパッケージ基板の表面との密着性を確保して熱可塑性インポーザ４２や異方性導電接着剤３７０が湿気や異物などに対する保護機能を果たすこと、である。
【００５４】
図２４は、前記発光素子１８及び熱可塑性プリント基板を用いる発光ダイオードの製造手順の例を示す。図２４（ａ）は、発光素子１８と熱可塑性プリント基板４１とが熱可塑性のインターポーザ４２により貼り合わされた状態の断面を示している。図２４（ｂ）は、その状態から、サファイア基板２００をレーザリフトオフ手法にて除去して露出した化合物半導体面に、貼り合せ側の面にシリコン酸化膜１８０を形成したシリコン基板１７３を、透明接着剤４８０で貼り合わせた状態を示している。素子基板としてシリコン基板を用いた発光素子の場合には、この状態から工程が開始される。図２４（ｂ）のシリコン基板１７３にはシリコン酸化膜１８０が形成されているが、素子基板としてシリコン基板１７０を用いた発光素子の場合には、シリコン基板１７０上に既にシリコン酸化膜１８０が形成されているため、シリコン基板１７３と同じ構成となる（以下、マイクロキャビティ用の「シリコン基板１７０又は１７３」をまとめて「シリコン基板１７３」という。）。図２４（ｃ）は、シリコン基板１７３の表面に、マイクロキャビティをエッチングにより形成するためのフォトレジスト２６５を設けた状態を示している。シリコン基板を用いた発光素子の場合には、パッケージ基板と貼り合わせる前の工程で、上記フォトレジスト２６５の位置にシリコン酸化膜１８５を予め形成しておくことにより、この工程は不要となる。図２４（ｃ）の状態から、フォトレジスト２６５又はシリコン酸化膜１８５をマスクとしてシリコン基板１７３をエッチングすることによりマイクロキャビティ１７５が形成される。その後、フォトレジスト又はシリコン酸化膜を除去して、マイクロキャビティ１７５に蛍光体３３０を充填した状態が図２９（ｄ）である。この状態でチップサイズパッケージの発光ダイオード２８が得られる。必要な場合には、更にマイクロ凸レンズ５２０を透明接着剤４８０で貼り合わせる。そして、ウエーハ状態で輝度の選別や電気的検査等を行い、フルカットして個別発光ダイオードに分離し、エキスパンドテープの状態で完成することができる。
【００５５】
図２４に示した例ではパッケージ基板として熱可塑性プリント基板を用いたが、熱可塑性プリント基板の代わりにバリスタ基板又は金属基板を使用し、熱可塑性インターポーザを用いて発光素子と貼り合わせる場合も手順は全く同様である。また、マイクロミラーを有しない複数の発光セルを備えた発光素子を用いる場合も、全く同様な手順とすることができる。また、図２４（ｂ）の工程においては、エッチングによりマイクロキャビティを形成する際のマスクとなるシリコン酸化膜１８５を、シリコン基板１７３又は１７０に予め形成しておいてもよい。このマスクパターンは、パッケージ基板との合体前のシリコン基板のみの状態の方が容易に形成できる。
【００５６】
図２５は、図２４に示した手順の詳細である。図２５（ｄ）は、ウエーハ状態の発光素子１８（図２５（ａ））と熱可塑性プリント基板４１（図２５（ｂ））との間に、熱可塑性インターポーザ４２（図２５（ｃ））を挟んだ状態を示している。この状態で真空中にて約３００℃で約３０分、発光素子１８側とプリント基板４１側から加圧して保持することにより接着が完了する。熱可塑性材料の為に両者は密着すると共に、プリント基板の電極の銅と発光素子のフリップチップ材料の金とが共晶状態で接合する。その後、サファイア基板２００が除去されて露出した化合物半導体の面に、シリコン酸化膜１８０を形成したシリコン基板１７３を透明接着剤４８０で貼り合わせ、フォトレジストパターン２６５を形成したのが図２５（ｅ）の状態である。その後、シリコン基板１７３をエッチングして、フォトレジストを除去する。それによって形成されたマイクロキャビティ１７５部に蛍光体３３０を充填したのが図２５（ｇ）に示す状態である。必要な場合には、更にマイクロ凸レンズ５２０を透明接着剤４８０で貼り合わせることができる。そして、図に示す分割線５１０に沿ってフルカットすれば、個別に分離された発光ダイオードが得られる。
【００５７】
図２６は、シリコン基板の前記発光素子１９を用いる場合の製造手順の詳細を示す。図２６（ｄ）は、ウエーハ状態の発光素子１９（図２６（ａ））と熱可塑性プリント基板４１（図２６（ｂ））との間に、熱可塑性インターポーザ４２（図２６（ｃ））を挟んだ状態を示している。前図と同様に、高温・真空中で加圧保持することにより貼り合わせることができる。図２６（ｅ）に示すように、すでに形成されているシリコン酸化膜１８５をマスクとしてシリコン基板１７０をエッチングする。想定するエッチング終止面は破線４１０で示されている。これにより、マイクロキャビティ１７５が形成される。その後、マスクとして使用していたシリコン酸化膜１８５はフッ酸にて除去される。その後、前図の場合と同様に、蛍光体３３０を充填し（図２６（ｆ））、必要な場合には更にマイクロ凸レンズ５２０を貼り合せ、分割線５１０に沿ってフルカットすれば、個別に分離された発光ダイオードが得られる。
【００５８】
図２７は、前記発光素子１６及び熱可塑性プリント基板を用いる発光ダイオードの製造手順の例を示す。図２７（ａ）は、発光素子１６と熱可塑性プリント基板４１とが熱可塑性のインターポーザ４２により貼り合わされた状態の断面を示している。図２７（ｂ）は、その状態から、サファイア基板２００をリフトオフ手法にて除去して露出した化合物半導体面に、貼り合せ側の面にシリコン酸化膜１８０を形成したシリコン基板１７３を、透明接着剤４８０で貼り合わせた状態を示している。シリコン基板を用いた発光素子の場合には、この状態から工程が開始される。図２７（ｃ）は、シリコン基板１７３の表面に、マイクロキャビティをエッチングにより形成するためのフォトレジスト２６５を設けた状態を示している。素子基板としてシリコン基板を用いた発光素子の場合には、パッケージ基板と貼り合わせる前の工程で、上記フォトレジスト２６５の位置にシリコン酸化膜１８５を予め形成しておくことにより、この工程は不要となる。図２７（ｃ）の状態から、フォトレジスト２６５又はシリコン酸化膜１８５をマスクとして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が形成される。その後、フォトレジスト又はシリコン酸化膜を除去して、マイクロキャビティ１７５に蛍光体３３０を充填した状態が図２７（ｄ）である。この状態でチップサイズパッケージの発光ダイオード２２が得られる。必要な場合には、更にマイクロ凸レンズ５２０を透明接着剤４８０で貼り合わせることができる。そして、ウエーハ状態で輝度の選別や電気的検査等を行い、フルカットして個別発光ダイオードに分離し、エキスパンドテープの状態で完成することができる。
【００５９】
図２７に示した例ではパッケージ基板として熱可塑性プリント基板４１を用いたが、熱可塑性プリント基板の代わりにバリスタ基板又は金属基板を使用し、熱可塑性インターポーザを用いて発光素子と貼り合わせる場合も手順は全く同様である。また、複数の発光セルを備えた発光素子を用いる場合も、全く同様な手順とすることができる。また、図２７（ｂ）の工程においては、エッチングによりマイクロキャビティを形成する際のマスクとなるシリコン酸化膜１８５を、シリコン基板１７３又は１７０に予め形成しておいてもよい。
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。
【００６０】
図２８は、前記発光素子１８及びガラスエポキシプリント基板を用いる発光ダイオードの製造手順の例を示す。図２８（ａ）は、発光素子１８と接着剤バッファ部３７５が設けられたガラスエポキシプリント基板４５とが、異方性導電接着剤３７０により貼り合わされた状態の断面を示している。図２８（ｂ）は、その状態から、サファイア基板２００をリフトオフ手法にて除去して露出した化合物半導体面に、貼り合せ側の面にシリコン酸化膜１８０を形成したシリコン基板１７３を、透明接着剤４８０で貼り合わせた状態を示している。素子基板としてシリコン基板を用いた発光素子の場合には、この状態から工程が開始される。図２８（ｃ）は、シリコン基板１７３の表面に、マイクロキャビティをエッチングにより形成するためのフォトレジスト２６５を設けた状態を示している。シリコン基板１７０を用いた発光素子の場合には、パッケージ基板と貼り合わせる前の工程で、上記フォトレジスト２６５の位置にシリコン酸化膜１８５を予め形成しておくことにより、この工程は不要となる。図２８（ｃ）の状態から、フォトレジスト２６５又はシリコン酸化膜１８５をマスクとして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が形成される。その後、フォトレジスト又はシリコン酸化膜を除去して、マイクロキャビティ１７５に蛍光体３３０を充填した状態が図２８（ｄ）である。この状態でチップサイズパッケージの発光ダイオード３２が得られる。必要な場合には、更にマイクロ凸レンズ５２０を透明接着剤４８０で貼り合わせる。そして、ウエーハ状態で輝度の選別や電気的検査等を行い、フルカットして個別の発光ダイオードに分離し、エキスパンドテープの状態で完成することができる。
【００６１】
図２８に示した例では複数の光マイクロセルを備えた発光素子を用いたが、マイクロミラーを有しない複数の発光セルを備えた発光素子を用いる場合も、全く同様な手順とすることができる。また、図２８（ｂ）の工程においては、エッチングによりマイクロキャビティを形成する際のマスクとなるシリコン酸化膜１８５を、シリコン基板１７３又は１７０に予め形成しておいてもよい。
【００６２】
図２９は、図２８に示した手順の詳細を説明するための断面図である。図２９（ａ）はウエーハ状態の発光素子１８、（ｂ）はガラスエポキシプリント基板４５を示している。ガラスエポキシプリント基板４５には、異方性導電接着剤の逃げ空間として接着剤バッファ部３７５が設けられている。図２９（ｃ）は、異方性導電接着剤３７０がガラスエポキシプリント基板４５にシート状に貼り付けられた状態を示す。図２９（ｄ）は、その異方性導電接着剤３７０を挟んで発光素子１８とガラスエポキシプリント基板４５とが貼り合わされた状態を示している。約１００℃で約３０分、発光素子側とプリント基板側から加圧して保持することにより接着が完了する。異方性導電接着剤３７０の引張り応力により、両者が密着されると共に、プリント基板上の内部電極の銅と発光素子のフリップチップ材料の金とが直径約１０μの金粒子を介して電気的に接合される。その後、サファイア基板２００が除去されて露出した化合物半導体の面に、酸化膜１８０を形成したシリコン基板１７３を透明接着剤４８０で貼り合わせ、フォトレジストパターン２６５を形成したのが図２９（ｅ）の状態である。想定するエッチング終止面は破線４１０で示されている。次いで、シリコン基板１７３をエッチングした後、フォトレジストを除去する。それによって形成されたマイクロキャビティ１７５に蛍光体３３０を充填したのが図２９（ｆ）に示す状態である。そして、必要な場合には更にマイクロ凸レンズ５２０を透明接着剤４８０で貼り合わせることができる。その後、図に示す分割線５１０に沿ってフルカットすれば、個別の発光ダイオードに分離することができる。
【００６３】
図３０は、シリコン基板の前記発光素子１９を用いる場合の製造手順を示す。図３０（ｄ）は、ウエーハ状態の発光素子１９（図３０（ａ））と接着剤バッファ部３７５が設けられたガラスエポキシプリント基板４５（図３０（ｂ））とを、異方性導電接着剤３７０を介して接着した状態を示している。前図の場合と同様に、高温で加圧保持することにより貼り合わせることができる。そして図３０（ｅ）に示すように、すでにパターンが形成されているシリコン酸化膜１８５をマスクとして、シリコン基板１７０をエッチングする。想定するエッチング終止面は破線４１０で示されている。これにより、マイクロキャビティ１７５を形成した後、マスクとして使用していたシリコン酸化膜１８５をフッ酸により除去する。その後、前図の場合と同様に、蛍光体３３０を充填し（図３０（ｆ））、必要な場合には更にマイクロ凸レンズ５２０を貼り合せることができる。その後、図に示す分割線５１０に沿ってフルカットすれば、個別の発光ダイオードに分離することができる。
【００６４】
図３１は、前記発光素子１６及びガラスエポキシプリント基板を用いる発光ダイオードの製造手順の例を示す。図３１（ａ）は、発光素子１６とガラスエポキシプリント基板４５とが異方性導電接着剤３７０により貼り合わされた状態の断面を示している。余分な異方性導電接着剤が内部に閉じ込められて貼り合わせの支障にならないように、ガラスエポキシ基板には接着剤バッファ部３７５が設けてある。図３１（ｂ）は、その状態から、サファイア基板２００をリフトオフ手法にて除去して露出した化合物半導体面に、貼り合せ側の面にシリコン酸化膜１８０を形成したシリコン基板１７３を、透明接着剤４８０で貼り合わせた状態を示している。素子基板としてシリコン基板を用いた発光素子の場合には、この状態から工程が開始される。図３１（ｃ）は、シリコン表面に、マイクロキャビティをエッチングにより形成するためのフォトレジスト２６５を設けた状態を示している。シリコン基板１７０を用いた発光素子の場合には、パッケージ基板と貼り合わせる前の工程で、上記フォトレジスト２６５の位置にシリコン酸化膜１８５を予め形成しておくことにより、この工程は不要となる。図３１（ｃ）の状態から、フォトレジスト２６５又はシリコン酸化膜１８５をマスクとして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が形成される。その後、フォトレジスト又はシリコン酸化膜を除去して、マイクロキャビティ１７５に蛍光体３３０を充填した状態が図３１（ｄ）である。この状態でチップサイズパッケージの発光ダイオード２６が得られる。必要な場合には、更にマイクロ凸レンズ５２０を透明接着剤４８０で貼り合わせる。そして、ウエーハ状態で輝度の選別や電気的検査等を行い、フルカットして個別の発光ダイオードに分離し、エキスパンドテープの状態で完成することができる。
【００６５】
図３１に示した例では、マイクロミラーを有しない１つの発光セルを備えた発光素子を用いたが、１つの光マイクロセルを備えた発光素子を用いる場合も、全く同様な手順とすることができる。図３１（ｂ）の工程においては、エッチングによりマイクロキャビティを形成する際のマスクとなるシリコン酸化膜１８５を、シリコン基板１７３又は１７０に予め形成しておいてもよい。
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。
【００６６】
以上の例に挙げた異方性導電接着剤３７０を用いたヒートシール技術は、ガラス基板とフレキシブル基板との接続に多く使用されている技術であるが、ウエーハ状態の発光素子とパッケージ基板のように広い面積での接続に使用するためには、ヒートシール材の量が最適化される必要がある。すなわち、両者の電極間に必要な実装上の寸法は金粒子の寸法であり、それを超える樹脂成分の厚みは接触に障害となる。これを解決するため、以上に挙げた実施例においては、樹脂の逃げの部分としてプリント基板の一部に窪み（接着剤バッファ部３７５）を設けている。プリント基板の電極の銅と発光素子の電極の金は共晶結合されていないため接触抵抗はゼロではないが、数ｍΩと小さい。１００℃の温度で加熱及び加圧することにより容易に接続できるため、駆動電流の小さい用途向けの発光ダイオードのパッケージとして、低コストに適用することができる。
【００６７】
以上では、パッケージ基板として熱可塑性プリント基板、金属基板、バリスタ基板、ガラスエポキシプリント基板を使用し、発光素子とパッケージ基板との接合材として熱可塑性のインターポーザ、異方性導電接着剤を使用する例を挙げた。パッケージ基板の材質や、接合材との組み合わせはこれに限定されない。例えば、金属基板と異方性導電接着剤との組み合わせ、セラミックス基板と熱可塑性のインターポーザとの組み合わせ、セラミックス基板と異方性導電接着剤との組み合わせ等によっても、チップサイズパッケージを構成することができる。各材料の熱伝導率、要求される電極間の接続抵抗値、作りやすさ等を考慮して適宜選択することができる。
【００６８】
シリコン基板を用いたマイクロキャビティは、シリコンをＫＯＨ水溶液等でエッチングしてその内側面にできる傾斜角５４°の壁面を利用したが、光の反射率を一層高める為に、当該壁面に銀の薄膜等を設けることが有効である。マイクロキャビティ底面が絶縁物のシリコン酸化膜であり、側壁面は導電性のあるシリコンであることを利用して、そのまま電気メッキ技術により、銀薄膜又は銀を含む多層薄膜を形成して反射率を高めることが可能である。
【００６９】
また、図６（ａ３）において言及したように、銅など金属の薄板を用いてマイクロキャビティを形成することも可能である。厚さ１００μｍ程度の金属板をエッチング加工して、マイクロキャビティの内側面となる壁面の傾斜が約４５°となるように鍛造することができる。更に、当該側壁面に銀メッキを形成することもできる。このような加工は、ＩＣのリードフレームの作成と同様な設備や材料によって可能である。ウエーハと同じ大きさで、薄板に各発光素子に対応したマイクロキャビティを形成し、ウエーハ状態の発光素子と透明接着剤を用いて貼り合わせることができる。本チップサイズパッケージではパッケージ基板がパッケージの基板になっているため、安定に貼り合わせができる。又この工程以降は高温度とされることはないので構造的にも問題はない。銅のスタッドフレーム又はシリコンを用いたマイクロキャビティは、蛍光体を用いない発光ダイオードにも適用可能である。
【００７０】
また、以上に挙げた事例において、発光ダイオードの輝度の調整の為に光マイクロセルへの給電を選択する手法を説明した。一般には、定電圧で輝度を一定にするというニーズと、定電流で輝度を一定にするというニーズの両方がある。すなわち、定電圧で複数個の発光ダイオードを駆動する用途では、一定の駆動電圧で輝度を一定の公差にすることが求められる。一方、定電流で複数個の発光ダイオードを駆動する用途では、一定の駆動電流での輝度を一定の公差にすることが求められる。本発明における発光ダイオードの輝度調整はその発光面積を調整する方法であるため、一定電圧の下での輝度に応じた調整に向いている。一定電圧を印加したときの輝度は、発光面積に比例して調整可能である。一方、一定電流で駆動する場合には、輝度に応じて発光面積を変更することは発光セルに流れる電流密度を変更することになり、大幅な調整は期待できない。したがって、定電流駆動の用途では、ウエーハ上の発光セルについて一定電流の下での輝度マップを作成して層別を行う必要がある。その層別の幅を減らすために、本手法による輝度調整は役立つ。
【００７１】
図３２は、ウエーハと、ウエーハ状態の発光素子と、１つの発光ダイオードとの関係の例を示す図である。素子基板であるシリコン基板として、例えば図３２（ａ）に示すような３インチウエーハ４００を使用することができる。図３２（ｂ）の断面図に示すように、１つの発光素子は０．５ｍｍ×０．５ｍｍ程度とすることができる。ここでは発光素子として前記発光素子１９を例示している。発光素子１９はシリコン基板上に設けた光マイクロセル構造のものであり、例えば、横方向に４、奥行方向（図示せず）に２、の計８個の光マイクロセルから構成することができる。発光素子は、光マイクロセル層３００、導電反射膜層２７５、電源配線層３１０、及びフリップチップ電極３２２を具備したフリップチップ電極層を備えている。光マイクロセル層３００には断面視４つの光マイクロセルが形成されており、各光マイクロセルは、発光セル８０とその側面を囲むマイクロミラー７１を備えている。また、発光素子は熱可塑性のプリント基板４１と貼り合わされ、シリコン基板１７０部にマイクロキャビティ１７５が形成されている。そしてマイクロキャビティ１７５に蛍光体３３０が充填され、更にマイクロ凸レンズ５２０が貼り合わされている。図３２（ｃ）は、上記のウエーハ状態から個別に分離された発光ダイオード３９の断面を示している。図３２（ｃ）には、活性層で発生する光（１次発光）の進行方向がまとめて示されている（ｐｑｒ）。前述のとおり、活性層から集光方向ｚに向かう光ｐはそのまま放出され、集光方向ｚと反対向きの光ｑは反射膜層２７５で反射され、活性層に沿った側面方向の光ｒはマイクロミラー７１により反射され、いずれも蛍光体３３０に向けて放出される。蛍光体３３０内では、半導体層から到来する波長の短い１次発光の光により蛍光物質が励起され、波長の長い２次発光が生じる。図示されるように、２次発光のうち集光方向ｚに向かう光ｓ１は、直進して発光ダイオードから放出される（ｓ２）。斜め方向に向かう光ｔ１は、マイクロ凸レンズにより集光方向に屈折されて放出される（ｔ２）。集光方向ｚとは垂直の方向の光ｕ０は、マイクロキャビティの側壁面４１１によって反射され（ｕ１）、更にマイクロ凸レンズにより集光方向に屈折されて放出される（ｕ２）。このように、２次発光した光は集光方向に向けられ、効率よく集光することができる。白色発光ダイオードの場合には、１次発光及び２次発光の波長と強度の組み合わせにより白色光が生成される。
【００７２】
本発光ダイオードの透明部材としてマイクロ凸レンズを用いる場合には、マイクロ凸レンズの効果により発光素子からの光は集光方向に集光され、図９（ａ）に示したように光束を大幅に絞ることができる。そして、図９（ｂ）に示したように、更に別の拡散レンズにより所望の角度範囲に光束を拡散することができる。例えば、図９（ｃ）に示したようにパッケージのキャップ部を凹レンズとすることによって、その凹レンズと発光ダイオード備えられたマイクロ凸レンズとの組み合わせにより、所望の広がりをもった光束を作り出すことができる。
【００７３】
以上に述べた手法により、輝度、色ムラ等の特性が総合的に優れた発光ダイオードを得ることができる。輝度については、特に発光層に沿った光をマイクロミラーにより反射させ、発光層で発光した全ての方向の光を集光方向に取り出すことができる。また、蛍光体で励起された光はマイクロキャビティにより集光方向に取り出すことができ、更にマイクロ凸レンズにより集束させて取り出すことができる。色ムラについては、波長の短い１次発光と波長の長い２次発光の光を合わせて集光方向に集めることにより、均質な白色光を得ることができる。更にその光を拡散させることにより、広がりを持ち且つ均質な白色光を得ることができる。
【００７４】
図３３（ａ）は、図３２（ｂ）に示した発光素子部の光マイクロセルの配設を表す平面図である。発光素子は、横方向に４、縦方向に２の計８個の光マイクロセルから構成されており、各光マイクロセルの領域は破線８１で示されている。図３３（ｂ）は、その発光素子を用いた発光ダイオードの断面を表している。発光素子は光マイクロセル層３００、導電反射膜層２７５、電源配線層３１０、及びフリップチップ電極３２１、３２２を具備したフリップチップ層（３２０）からなる。光マイクロセル層３００には上記８個の光マイクロセルが設けられ、各光マイクロセルにはマイクロミラー７１で囲まれた発光セル８０が形成されている。フリップチップ層には、図２０（ａ）に示された各光マイクロセルに共通のＮ電極に接続されたフリップチップＮ電極３２２と、各光マイクロセルのＰ電極をＰ０〜Ｐ４に分けてそれぞれと接続されたフリップチップＰ電極３２１とを具備している。
【００７５】
図３４（ａ）は前図と同じ発光ダイオードの断面であり、図３４（ｂ）はその下面すなわちパッケージ基板４１の外部電極６０側の面を表わしている。８個の光マイクロセルは図８（ｂ）にＰ０〜Ｐ４で示したような発光面積の重みづけがなされている。プリント基板４１の下面に設けられた基板Ｎ電極３３２は、各光マイクロセルのＮ電極に接続されている。また、基板Ｐ電極３３１は、光マイクロセルＰ０のＰ電極に接続されている。また、プリント基板４１の下面で基板Ｐ電極３３１に接続されている端子Ｐ１〜Ｐ４は、それぞれ光マイクロセルＰ１〜Ｐ４のＰ電極に接続されている。そして、各配線を切断部４４５で選択的に切断することにより、それに対応する光マイクロセルへ給電しないようにし、発光ダイオードの輝度を調整することができる。チップサイズの本発光ダイオードのパッケージング、電気的検査、光学的検査、輝度の選別や調整等は、ウエーハ状態すなわち発光ダイオードを個別に分離する前に行うことができる。ウエーハ状態で取扱うことができるため、発光ダイオード内のサージ対策素子を不要とすることもできる。
【００７６】
尚、図３２〜３４においては発光素子の基板としてシリコン基板を用いたが、既に説明したとおり、サファイア基板を使用しても同様の構成・作用を得ることができる。その場合、サファイア基板はそのまま残されてもよいし、除去されてもよい。また、マイクロキャビティやチップサイズパッケージを構成する部材も種々の選択が可能である。また、以上においては、マイクロキャビティ及び蛍光体を備える白色発光ダイオードの構成例を主として示したが、本発光ダイオードは白色用だけでなく、赤色その他すべての発光ダイオードに適用できる。その場合には、マイクロキャビティ（１７０又は１７３）及び蛍光体３３０は不要であり、その他の構成は全く同様となる。
【００７７】
図３５は、マイクロキャビティを用いない場合の本発光ダイオードの構成例を表わす図であり、ウエーハと、ウエーハ状態の発光素子と、１つの発光ダイオードとの関係を表わしている。発光素子の素子基板であるサファイア基板又はシリコン基板として、例えば図３５（ａ）に示すような３インチウエーハ４００を使用することができる。図３５（ｂ）の断面図に示すように、１つの発光素子は０．５ｍｍ×０．５ｍｍ程度とすることができる。ここではシリコン基板を用いる前記発光素子１９を示しているが、これまでに例示したすべての発光素子を使用することができる。すなわち、素子基板はサファイア基板でもシリコン基板でもよく、１つの発光素子には１又は２以上の発光セル８０を備えることができ、その発光セルはマイクロミラーを備えていなくてもよいし、マイクロミラーを備えて光マイクロセルを構成していてもよい。図３５（ｂ）及び（ｃ）に示した発光素子１９の場合には、発光セル８０及びその側面を囲むマイクロミラー７１からなる光マイクロセルが、横方向に４、奥行方向（図示せず）に２、の計８個備えられている。そして、発光素子１９は、光マイクロセルが形成された光マイクロセル層３００、導電反射膜層２７５、電源配線層３１０、及びフリップチップ電極３２１及び３２２を具備したフリップチップ電極層を備えている。このような発光素子の発光面側に、透明部材５２１を貼り合わせ、その後個別の発光ダイオードに分離することができる。透明部材５２１として、マイクロ凸レンズや凹レンズの他、素子基板が除去された後の発光部の保護のための透明プラスチック板等を、適宜用いることができる。また、発光素子の発光面と透明部材５２１との間に、板状の蛍光体を挟んで構成することもできる。例えば、発光面上に蛍光体とマイクロ凸レンズを順に積層した場合には、発光素子からの１次発光及び蛍光体で励起される２次発光により白色光を生成し、マイクロ凸レンズによって集光方向に向かって光束を狭めることができる。また、発光素子が上記ウエーハに形成された状態において、その素子電極面側にパッケージ基板を貼り合わせて発光ダイオードを構成することができる。図３５では、発光素子と熱可塑性のプリント基板４１とを接合材４２を介して貼り合わせて発光ダイオードを構成する例を示している。図３５（ｃ）は、ウエーハ状態から個別に分離された発光ダイオード１３９の断面を示している。ウエーハ状態では硬いサファイア基板を素子基板に用いた場合であっても、素子基板が除去されているため、容易にフルカットで各素子を分離することができる。図３５（ｃ）には、活性層で発生する光（１次発光）の進行方向が示されている。前述のとおり、活性層から集光方向ｚに向かう光ｐはそのまま放出され、集光方向ｚと反対向きの光ｑは反射膜層で反射されて放出され、活性層に沿った側面方向の光ｒはマイクロミラーにより反射されて放出される。このように、活性層で発生した各方向の光（ｐ、ｑ及びｒ）は、いずれも発光面から集光方向ｚへ放出される。透明部材５２１としてマイクロ凸レンズや凹レンズが形成されている場合には、上記発光面から放出された光の広がりを調整することができる。
【００７８】
本発明の発光ダイオードは、発光素子をベアチップでマザーボード上に実装することもできるし、チップサイズパッケージに構成して実装することもできる。液晶のバックライト用途では、発光ダイオードが数十ｍｍピッチで縦横に敷き詰められる。このような場合、本発明の発光ダイオードは０．５ｍｍ×０．５ｍｍ程度とごく小さいため、ウエーハ状態からスクライブし、そのままエキスパンドした状態又は同様なシート面に実装した状態でピックアップしてマザーボードに装着することが好ましい。この様にすれば静電気などのサージが最小限に抑えられ、マザーボードにサージ吸収素子を備えるだけでよい。また、本発光ダイオードから集光方向に光拡散板を設ければ、照射光を均等化することができる。
【００７９】
上記光拡散板等がない状態でも、発光ダイオードからの方向によらず照射光をできるだけ均一とすることが好ましい。例えば、発光ダイオードをマザーボード上に格子状に配列して使用する場合、個々の発光ダイオードからはマザーボード上のある高さでは限られた範囲に光が照射される。このため、例えば上記格子の対角線上の中間点で、照度が小さくなってしまう場合がある。この対策として、発光ダイオードから放射される光の方向分布を意図的に変更したいというニーズがある。このような場合、本発明の発光ダイオードにおいては、光源である発光部の形状やレイアウト、マイクロ凸レンズの形状や曲率等を工夫することにより、光の方向分布を均一化したり変えたりすることが容易に可能である。
【００８０】
尚、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】
【００８１】
本発明の発光ダイオードは、灯具、液晶バックライト、食物工場の照明等、広範な分野で使用することができる。本発明は白色用だけではなく全ての発光ダイオードに適用することができる。
【符号の説明】
【００８２】
１；サファイア基板、２；Ｎ＋型半導体（ＧａＡｌＮ）膜、３；Ｎ型半導体（ＧａＡｌＮ）膜、４；活性層、５；Ｐ型半導体（ＧａＡｌＮ）膜、６；導電反射膜（背面反射膜）、７；フリップチップ（Ｐ）電極、８；フリップチップ（Ｎ）電極、９；発光素子、１０；パッケージ基板、１１；パッケージ基板電極部、１２；パッケージ内側壁、１３；蛍光体、１４；キャップ、１５；シリコン酸化膜、１６〜１９；発光素子、２２〜３９；発光ダイオード（光半導体装置）、４０；パッケージ基板、４１；熱可塑性プリント基板、４２；熱可塑性インターポーザ、４３；金属基板、４５；ガラスエポキシプリント基板、５０；ビア、６０；外部電極、６１；内部電極、６５；マザーボード電極、７０、７１；マイクロミラー（側面反射膜）、８０；発光セル、８１；発光セルの境界、８４；化合物半導体層（発光部）、８５；導電反射膜、９０；配線層、１３７、１３９；発光ダイオード（光半導体装置）、１５０；外部反射板、１７０；シリコン基板（素子基板）、１７３；シリコン基板（マイクロキャビティ用）、１７５；マイクロキャビティ、１８０；シリコン酸化膜、１８５；エッチング用シリコン酸化膜（マスクパターン）、１９０；酸化インジウム膜、２００；サファイア基板（素子基板）、２０１；サファイア基板、２１０；Ｎ＋型半導体（ＧａＡｌＮ）膜、２２０；Ｎ型半導体（ＧａＡｌＮ）膜、２３０；活性層、２３１；活性層（発光セル）の境界、２４０；Ｐ型半導体（ＧａＡｌＮ）膜、２５０；傾斜部（テーパエッチ部）、２６０；フォトレジスト、２６５；マイクロキャビティ形成用フォトレジスト、２７０；導電反射膜、２７５；導電反射膜、２８０；シリコン酸化膜、２８１，２８２；傾斜（テーパ）付き電極部、２９０；Ｐ型電極、２９１；Ｎ型電極、３００；光マイクロセル層、３１０；光マイクロセルへの電源配線層、３１５；薄膜配線層、３２０；フリップチップ電極層、３２１；フリップチップＰ電極、３２２；フリップチップＮ電極、３３０；蛍光体、３３１；パッケージ基板Ｐ電極、３３２；パッケージ基板Ｎ電極、３４０；マザーボード、３５０；インターポーザ、３７０；異方性導電接着材、３７５；接着材バッファ部、４００；ウエーハ、４１０；シリコンのエッチング終止面、４１１；マイクロキャビティ（シリコン）の内側壁面、４２１〜４２８；光マイクロセル、４４１〜４４４；電源配線（給電選択部）、４４５；電源切断線、４８０；透明接着剤、５１０；素子分割線、５２０；マイクロ凸レンズ、５２１；透明部材、５４０；スタッドフレーム、５４１；スタッドフレーム底部、５４２；エッチング後のスタッドフレーム底部、５４３；スタッドフレームの上部、５４４；スタッドフレームの内側壁面、６００；光拡散レンズ、６０１；凹レンズ。
【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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【国際調査報告】
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