(57)【要約】【課題】家庭用交流電源に直接接続して駆動可能な発光素子を提供する。【解決手段】基板と、基板上に形成され、互いに離隔した複数の電極層と、前記電極層上に位置し、前記電極層により直列に接続された複数の発光セルと、を含み、前記複数の発光セルのそれぞれは、第２の半導体層及び前記第２の半導体層の一部を取り除いて露出した第１の半導体層を介して前記電極層と電気的に接続され、前記複数の発光セルの上面は、それぞれ分離されており、１つ以上の前記複数の電極層は隣接した前記発光セルの前記第１の半導体層及び前記第２の半導体層を接続し、交流電源により駆動されることを特徴とする発光素子。【選択図】図７
2011061244.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
基板上に形成され、互いに離隔した複数の電極層と、
前記電極層上に位置し、前記電極層により直列に接続された複数の発光セルと、
を含み、
前記複数の発光セルのそれぞれは、第２の半導体層及び前記第２の半導体層の一部を取り除いて露出した第１の半導体層を介して前記電極層と電気的に接続され、
前記複数の発光セルの上面は、それぞれ分離されており、
１つ以上の前記複数の電極層は隣接した前記発光セルの前記第１の半導体層及び前記第２の半導体層を接続し、
交流電源により駆動される
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、発光素子およびそれを搭載したパッケージに関し、より詳しくは、一つの基板上に直列アレイを形成する複数の発光セルを設けることにより、交流電源を用いて直接駆動させることができる複数の発光セルを有する発光素子およびそれを搭載したパッケージに関する。
【背景技術】
【０００２】
発光ダイオードは、多数のキャリアが電子であるＮ型半導体と、多数のキャリアが正孔であるＰ型半導体が、互いに接合された構造を有する電界発光素子であって、これらの電子と正孔の再結合により所定の光を発光する。このような発光ダイオードは、表示素子およびバックライトとして用いられており、既存の白熱電球および蛍光灯に代替し、一般の照明の用途としてその使用領域を広げている。
【０００３】
発光ダイオードは、既存の電球または蛍光灯に比べて、消費電力が小さく、寿命が長い。既存の照明装置に比べて、発光ダイオードの消費電力は、数〜数十分の１に過ぎず、寿命は、数〜数十倍長く、消費電力の節減と耐久性の側面で極めて優れている。
【０００４】
このような発光ダイオードを照明用に用いるためには、発光素子で発生した熱を外部に効果的に放出する必要がある。従って、発光素子で発生した熱を外部に効果的に放出可能なフリップチップ形態の発光素子についての関心が増大している。
【０００５】
図１は、従来のフリップチップ構造の発光素子２０を示す断面図である。
図１を参照すると、所定の基板１０、例えば、サブマウント基板またはリードフレーム上に第１および第２の電極１２、１４を形成し、これらの電極上に半田２２、２４を形成する。それから、発光素子２０を基板１０に接合する。この際、発光素子２０のＰ型半導体層およびＮ型半導体層がそれぞれ半田２２、２４と接合される。その後、発光素子２０が接合された基板１０を封入する。
【０００６】
このような従来のフリップチップ構造の発光素子は、ボンディングワイヤを用いる他の発光素子に比べて、熱放出効率が高く、光の遮蔽が殆どなく、光効率を増加させる。また、フリップチップ構造の発光素子は、ボンディングワイヤを用いないので、パッケージを小型化することができるという長所があった。
【０００７】
しかしながら、このような発光素子は、交流電源の位相に応じてオン／オフを繰り返し、容易に破損してしまうという問題点があった。したがって、このような発光素子を家庭用交流電源に直接接続して一般の照明用として用いることが困難であった。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的は、家庭用交流電源に直接接続して駆動可能な発光素子を提供することにある。
また、本発明の他の目的は、発光素子の熱的負担を減らし、発光効率も向上させることができる発光素子を提供することにある。
またさらに、本発明の他の目的は、発光素子を搭載することにより、交流電源に直接接続して駆動可能なパッケージを提供することにある。
またさらに、本発明の他の目的は、サブマウントまたはリードフレームに搭載する工程が複雑になることを防止することができる発光素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の目的を達成するため、本発明の一形態に係る発光素子は、基板と、基板上に形成され、互いに離隔した複数の電極層と、前記電極層上に位置し、前記電極層により直列に接続された複数の発光セルと、を含み、前記複数の発光セルのそれぞれは、第２の半導体層及び前記第２の半導体層の一部を取り除いて露出した第１の半導体層を介して前記電極層と電気的に接続され、前記複数の発光セルの上面は、それぞれ分離されており、１つ以上の前記複数の電極層は隣接した前記発光セルの前記第１の半導体層及び前記第２の半導体層を接続し、交流電源により駆動されることを特徴とする。
【００１０】
上記の目的を達成するため、本発明は、複数の発光セルを有する発光素子及びそれを搭載したパッケージを提供する。本発明の一形態に係る発光素子は、基板上に形成され、それぞれＮ型半導体層と該Ｎ型半導体層の一部の領域上に位置するＰ型半導体層とを有する複数の発光セルを備える。複数の発光セルは、サブマウント基板に接合される。これにより、複数の発光セルで発生した熱を、サブマウント基板から放出することができ、発光素子の熱的負担を減らすことができる。
【００１１】
本発明のいくつかの実施形態において、サブマウント基板は、互いに離隔した複数の電極層を有してもよい。複数の発光セルは、電極層と接合される。この時、電極層のそれぞれは、複数の発光セルのうち、隣接した二つの発光セルのＮ型半導体層とＰ型半導体層を互いに電気的に接続する。これにより、電極層が、複数の発光セルを直列接続し、直列発光セルアレイを形成する。このような直列発光セルアレイを少なくとも二つ形成し、これらを互いに逆並列（ｒｅｖｅｒｓｅ  ｐａｒａｌｌｅｌ）で連結することにより、交流電源に直接接続して駆動することができる発光素子を提供する。
【００１２】
従来のフリップチップ構造の発光素子２０は、一つの発光ダイオードが形成された発光チップを意味する。しかしながら、本発明の発光素子は、一つの基板上に複数の発光ダイオードを有する。したがって、「発光セル」とは、一つの基板上に形成された複数の発光ダイオードのそれぞれを意味する。また、「直列発光セルアレイ」とは、複数の発光セルが直列で連結された構造を意味する。一つの基板上において、二つの直列発光セルアレイが、互いに反対方向に流れる電流によりそれぞれ駆動するように連結されてもよく、これにより、交流／直流変換器等を用いることなく、発光素子を交流電源に直接接続し、一般の照明用として用いることができる。
【００１３】
一方、発光素子は、それぞれのＮ型半導体層上に形成されるＮ型金属バンプ及びそれぞれのＰ型半導体層上に形成されるＰ型金属バンプをさらに備えてもよい。複数の発光セルは、Ｎ型及びＰ型金属バンプを介して電極層に接合される。これにより、複数の発光セルは、金属バンプを介して電極層に電気的に接続されるばかりでなく、金属バンプからサブマウント基板に熱を容易に放出することができる。
【００１４】
サブマウント基板は、複数の凹部及び凸部を有し、Ｎ型半導体層は、凸部に接合され、Ｐ型半導体層は、凹部に接合されてもよい。凹部及び凸部は、それぞれＰ領域及びＮ領域と定義されてもよく、この時、電極層のそれぞれは、Ｐ領域とＮ領域にわたって形成され、隣接したＰ領域とＮ領域を接続する。
【００１５】
本発明の実施形態において、サブマウント基板は、その一方のエッジに形成されるＰ型ボンディングパッドと、他方のエッジに形成されるＮ型ボンディングパッドとを有する。
【００１６】
一方、複数の発光セルのうち、基板の一方のエッジに位置した発光セルのＰ型半導体層は、Ｐ型ボンディングパッドと電気的に接続され、他方のエッジに位置した発光セルのＮ型半導体層は、Ｎ型ボンディングパッドと電気的に接続される。
Ｐ型半導体層とＰ型ボンディングパッドは、Ｐ型金属バンプを介して電気的に接続され、Ｎ型半導体層とＮ型ボンディングパッドは、Ｎ型金属バンプを介して電気的に接続されてもよい。
【００１７】
接続電極が基板の一方のエッジに位置した発光セルと、他方のエッジに位置した発光セルとの間において、隣接した発光セルのＮ型半導体層とＰ型半導体層をそれぞれ電気的に接続し、基板上に直列発光セルアレイを形成してもよい。
一方、複数の発光セルのそれぞれは、基板上に形成されるバッファ層を備えてもよい。
Ｎ型半導体層は、バッファ層上に形成され、活性層は、Ｎ型半導体層の一部の上に形成されてもよい。さらに、Ｐ型半導体層は、活性層上に形成されてもよい。
これに加えて、第１の金属層は、Ｐ型半導体層上に形成され、第２の金属層は、第１の金属層上に形成されてもよい。第１の金属層は、透明電極であってもよく、第２の金属層は、反射膜であってもよい。
【００１８】
本発明の他の実施形態に係る発光素子は、基板上に形成される複数の発光セルを備える。複数の発光セルは、それぞれＮ型半導体層とＮ型半導体層の一部の領域上に位置するＰ型半導体層を有する。一方で、Ｎ型金属バンプが、複数の発光セルの内の一つの発光セルのＮ型半導体層上に形成され、Ｐ型金属バンプが、複数の発光セルの内の他の１つの発光セルのＰ型半導体層上に形成される。
発光素子は、Ｎ型金属バンプ及びＰ型金属バンプを介して、リードフレームまたはサブマウント基板上に搭載される。
【００１９】
本発明のいくつかの実施形態において、上記１つの発光セルに形成されるＮ型金属バンプに加えて、他のＮ型金属バンプが、複数の発光セルのうち、上記一つの発光セル以外の発光セルのＮ型半導体層上に形成され、上記他の１つの発光セルに形成されるＰ型金属バンプに加えて、他のＰ型金属バンプが、複数の発光セルのうち、上記他の１つの発光セル以外の発光セルのＰ型半導体層上に形成されてもよい。サブマウント基板等に電極層を形成し、Ｎ型及びＰ型金属バンプを、電極層を介して電気的に接続し、直列発光セルアレイを形成してもよい。
【００２０】
これとは異なり、複数の接続電極が、隣接した発光セルのＮ型半導体層とＰ型半導体層をそれぞれ電気的に接続し、基板上に直列発光セルアレイを形成してもよい。この際、上記１つの発光セル及び他の一つの発光セルが、直列発光セルアレイの両端部に位置する。
これに加えて、上記１つの発光セルのＮ型半導体層上に形成されたＮ型金属バンプの上部面と、上記他の一つの発光セルのＰ型半導体層上に形成されたＰ型金属バンプの上部面は、接続電極の上部面の高さと比べて、少なくとも同一平面上に位置してもよい。すなわち、接続電極の上部面は、Ｎ型及びＰ型金属バンプの上部面の下方、または同一の高さに位置する。
【００２１】
接続電極の上部面が、金属バンプの上部面の下方に位置する場合、接続電極とサブマウント基板またはリードフレームとの間の電気的短絡を防止することができる。また、接続電極の上部面が、ボンディングパッドの上部面と同一の高さに位置する場合、接続電極の上部面が、サブマウント基板またはリードフレームに直接接触して、熱放散を改善することができる。
【００２２】
また、本発明のさらに他の実施形態は、複数の発光セルを搭載するためのサブマウント基板を提供する。サブマウント基板は、複数のＮ領域及びＰ領域が定義された基板を備える。複数の電極層が、基板上に互いに離隔して位置する。電極層は、それぞれ隣接したＮ領域とＰ領域を接続する。この際、複数の電極層の下部に誘電体膜が位置してもよい。
一方、基板は、凹部及び凸部を有してもよく、凸部がＮ領域と定義され、前記凹部が前記Ｐ領域と定義されてもよい。
【００２３】
本発明のさらに他の実施形態は、複数の発光セルを有する発光素子を搭載したパッケージを提供する。パッケージは、金属リードを有するリードフレームを備える。リードフレーム上に発光素子が位置する。発光素子は、基板上に形成される複数の発光セルを備える。複数の発光セルは、それぞれＮ型半導体層と、Ｎ型半導体層の一部の領域上に位置するＰ型半導体層とを有する。複数の接続電極が、それぞれ隣接した発光セルのＮ型半導体層とＰ型半導体層を電気的に接続し、基板上に直列発光セルアレイを形成する。これに加えて、直列発光セルアレイの両端部に金属バンプが位置する。金属バンプは、金属リードと電気的に接続される。
【００２４】
これにより、複数の発光セルを有しながらも、直列発光セルアレイの両端部に位置する金属バンプを、金属リードに接続することにより、簡単に接合することができ、従来のフリップチップ構造の発光素子を搭載する工程と比べて、発光素子を搭載する工程が複雑となることを防止することができる。
【００２５】
これに加えて、リードフレームと発光素子との間に、サブマウント基板を介在させてもよい。サブマウント基板は、その上部面に、金属バンプに対応するボンディングパッドを有する。ボンディングパッドは、それぞれ金属リードと電気的に接続される。
ボンディングパッドは、それぞれボンディングワイヤを介して金属リードと電気的に接続されてもよく、または、サブマウント基板に形成された回路を介して直接金属リードに電気的に接続されてもよい。
【００２６】
一方、発光素子の接続電極は、サブマウント基板の上部面に接触してもよい。この際、発光素子で発生した熱が、サブマウント基板から放出されて、熱放散を改善することができる。これとは異なり、接続電極は、サブマウント基板の上部面と離隔されてもよい。これにより、接続電極と金属リードとの間の電気的短絡を防止することができる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によると、複数の発光セルを直列連結した直列発光セルアレイを採用することにより、交流電源に直接接続して駆動可能な発光素子を提供する。また、複数の発光セルがフリップチップ構造で直列連結された発光素子を具現し、発光セルで発生する熱を容易に放出することができるので、発光素子の熱的負担を減らし、発光効率も向上させることができる。
【００２８】
また、複数の発光セルを有する発光素子を搭載することにより、交流電源に直接接続して駆動可能なパッケージを提供することができる。また、複数の発光セルを採用しながらも、接続電極を用いて複数の発光セルを直列連結することにより、サブマウント基板またはリードフレームに搭載する工程を単純化させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】従来のフリップチップ発光素子の概略的な断面図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る複数の発光セルを有する発光素子の動作原理を説明するための回路図である。
【図３】本発明の一実施形態に係るフリップチップ用発光素子の発光セルブロックの断面図である。
【図４】本発明の一実施形態に係るフリップチップ用発光素子の発光セルブロックの断面図である。
【図５】本発明の一実施形態に係るフリップチップ用サブマウント基板の断面図である。
【図６】本発明の一実施形態に係る図４の発光セルブロックを図５のサブマウント基板に搭載した発光素子の断面図である。
【図７】本発明の他の実施形態に係る複数の発光セルをサブマウント基板上に搭載した発光素子の断面図である。
【図８】本発明のさらに他の実施形態に係る発光セルブロックをサブマウント基板に搭載した発光素子の断面図である。
【図９】本発明の他の実施形態に係る発光素子を示す断面図である。
【図１０】本発明のさらに他の実施形態に係る発光素子を示す断面図である。
【図１１】図１０の発光素子を搭載したパッケージを示す断面図である。
【図１２】図１０の発光素子を搭載したパッケージを示す断面図である
【図１３】図１０の発光素子を搭載したパッケージを示す断面図である
【発明を実施するための形態】
【００３０】
次に、本発明に係る複数の発光セルを有する発光素子及びそれを搭載したパッケージを実施するための最良の形態の具体例を図面を参照しながら説明する。
【００３１】
以下に示される実施形態は、当業者に、本発明の思想を充分伝達するために、例として提供されるものである。したがって、本発明は、後述する実施形態に限定されず、他の形態も具体化され得る。また、図面において、構成要素の幅、長さ、厚さ等は、便宜のために、誇張して表現されることもある。明細書の全体にわたって、同一の参照番号は、同一の構成要素を示す。
【００３２】
図２は、本発明の一実施形態に係る複数の発光セルを有する発光素子の動作原理を説明するための回路図である。
図２を参照すると、発光セル３１ａ、３１ｂ、３１ｃが直列接続され、第１の直列アレイ３１を形成し、他の発光セル３３ａ、３３ｂ、３３ｃが直列接続され、第２の直列アレイ３３を形成する。
【００３３】
第１及び第２の直列アレイ３１、３３の両端部は、それぞれ交流電源３５および接地に接続される。第１及び第２の直列アレイは、交流電源３５と接地との間に並列で連結される。すなわち、第１及び第２の直列アレイの両端部は、互いに電気的に接続される。
一方、第１及び第２の直列アレイ３１、３３は、互いに反対方向に流れる電流により発光セルが駆動するように配置される。すなわち、図に示すように、第１直列アレイ３１に含まれた発光セルのアノード及びカソードと、第２直列アレイ３３に含まれた発光セルのアノード及びカソードとは、互いに反対方向に配置される。
【００３４】
したがって、交流電源３５が正の位相である場合、第１の直列アレイ３１に含まれた発光セルがターンオンされ発光し、第２の直列アレイ３３に含まれた発光セルがターンオフされる。これに対して、交流電源３５が負の位相である場合、第１の直列アレイ３１に含まれた発光セルがターンオフされ、第２の直列アレイ３３に含まれた発光セルがターンオンされる。
【００３５】
結果として、第１及び第２の直列アレイ３１、３３が、交流電源によりターンオンおよびターンオフを交互に繰り返すことにより、第１及び第２の直列アレイを含む発光素子は、連続的に光を放射する。
たとえば、一つの発光ダイオードで構成された発光チップを、図２の回路のように連結し、交流電源を用いて駆動させることができるが、発光チップが占有する空間が増加する。しかし、本発明の発光素子は、一つのチップに交流電源を接続して駆動させることができるので、発光素子が占有する空間が増加しない。
【００３６】
一方、図２の回路は、第１及び第２の直列アレイの両端部が交流電源３５及び接地にそれぞれ連結されるように構成しているが、両端部が交流電源の両端子に連結されるように構成してもよい。また、第１及び第２の直列アレイは、それぞれ三つの発光セルで構成されているが、これは、説明のための例示であり、発光セルの数は、必要に応じてさらに増加してもよい。また、直列アレイの数もさらに増加されてもよい。
【００３７】
一方、交流電源と直列アレイとの間にブリッジ整流器を配置し、交流電源により駆動される発光素子を提供することができる。この際、ブリッジ整流器は、発光セルを用いて形成されてもよい。ブリッジ整流器を採用することにより、一つの直列アレイのみでも、交流電源により駆動することができる発光素子を提供することができる。
【００３８】
図３及び図４は、本発明の一実施形態に係るフリップチップ型発光素子の発光セルブロック１０００を示す断面図であり、図５は、本発明の一実施形態に係るフリップチップ型のサブマウント基板２０００を示す断面図である。
【００３９】
図３及び図４を参照すると、発光セルブロック１０００は、（サファイア）基板１１０上に複数の発光セルがアレイされている。各発光セルは、基板１１０上に形成されたバッファ層１２０と、バッファ層１２０上に形成されたＮ型半導体層１３０と、Ｎ型反動体層１３０の一部の上に形成された活性層１４０と、活性層１４０上に形成されたＰ型半導体層１５０とを有する。また、第１の金属層１６０が、Ｐ型半導体層１５０上に形成される。
【００４０】
それと同時に、第１の金属層１６０上にバンプ用として形成されたＰ型金属バンプ１７０と、Ｎ型半導体層１３０上にバンプ用として形成されたＮ型金属バンプ１８０とが位置する。また、第１の金属層１６０の上部とＮ型半導体層１３０上に、反射率の１０〜１００％を有する第２の金属層（図示せず）が形成されてもよい。さらに、Ｐ型半導体層１５０上に電流の供給を円滑にするための付加的なオーミック金属層が形成されてもよい。
【００４１】
基板１１０は、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＣ、ＺｎＯ、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＬｉＡｌ２Ｏ３、ＢＮ、ＡｌＮまたはＧａＮ基板であってもよい。基板１１０は、その上に形成すべき半導体層の格子定数を考えて選択される。例えば、基板１１０上にＧａＮ系列の半導体層が形成される場合、基板１１０は、（サファイア）基板１１０またはＳｉＣ基板が選ばれてもよい。本実施形態では、上述した基板１１０上にＮ型半導体層１３０の形成の際に緩衝の役割をするバッファ層１２０を形成する。しかし、これに限定されず、バッファ層１２０を形成しなくてもよい。
【００４２】
Ｎ型半導体層１３０としては、Ｎ型不純物が注入された窒化ガリウム（ＧａＮ）膜を用いてもよいが、これに限定されず、多様な半導体物質層を用いてもよい。本実施形態では、Ｎ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）膜を含むＮ型半導体層１３０を形成する。また、Ｐ型半導体層１５０としては、Ｐ型不純物が注入された窒化ガリウム膜を用いてもよい。本実施形態では、Ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）膜を含むＰ型半導体層１５０が形成される。一方、半導体層としてＩｎＧａＮ膜を用いてもよい。また、Ｎ型半導体層１３０及びＰ型半導体層１５０は、多層膜に形成してもよい。上記においてＮ型の不純物としてはＳｉを用い、Ｐ型の不純物としては、ＩｎＧａＡｌＰを用いる場合は、Ｚｎを用い、窒化物系であるときは、Ｍｇを用いる。
【００４３】
また、活性層１４０としては、Ｎ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）膜上に量子井戸層と障壁層とが繰り返して形成された多層膜を用いる。障壁層と量子井戸層は、二元化合物であるＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮ等、三元化合物であるＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）等、および、四元化合物であるＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ＋ｙ≦１）を用いることができる。もちろん、二元〜四元化合物にＮ型またはＰ型の不純物を注入させてもよい。
【００４４】
第１の金属層１６０としては、透明電極膜を用いることが好ましい。本実施形態ではＩＴＯを用いる。第２の金属層としては、電気伝導性を有する反射膜を用いる。Ｎ型及びＰ型金属バンプ１７０、１８０としては、Ｐｂ、Ｓｎ、Ａｕ、Ｇｅ、Ｃｕ、Ｂｉ、Ｃｄ、Ｚｎ、Ａｇ、ＮｉおよびＴｉの内の少なくともいずれか一つを用いる。
【００４５】
以下、上述した構造を有する発光セルブロック１０００の製造方法を簡単に説明する。
基板１１０上に、バッファ層１２０、Ｎ型半導体層１３０、活性層１４０、Ｐ型半導体層１５０を順次に形成する。
これらの物質層は、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ；Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、分子線エピタキシー（ＭＢＥ；Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｂｅａｍ  Ｅｐｉｔａｘｙ）、水素化物気相成長法（ＨＶＰＥ；Ｈｙｄｒｉｄｅ  Ｖａｐｏｒ  Ｐｈａｓｅ  Ｅｐｉｔａｘｙ）等を含む多様な蒸着及び成長方法により形成される。
【００４６】
Ｐ型半導体層１５０、活性層１４０、Ｎ型半導体層１３０、及びバッファ層１２０の一部を除去して発光セルを分離する。このために、Ｐ型半導体層１５０上に所定のマスクパターン（図示せず）を形成した後、マスクパターンにより露出した領域のＰ型半導体層１５０、活性層１４０、Ｎ型半導体層１３０およびバッファ層１２０をエッチングして多数の発光セルを電気的に分離する。
【００４７】
以降、所定のエッチング工程により、Ｐ型半導体層１５０及び活性層１４０の一部を除去し、Ｎ型半導体層１３０の一部を露出させる。例えば、Ｐ型半導体層１５０上にＰ型半導体層１５０の一部の領域を露出させるエッチングマスクパターンを形成した後、ドライまたはウェットエッチング工程を実施し、露出した領域のＰ型半導体層１５０および活性層１４０を除去し、Ｎ型半導体層１３０を露出させる。この際、Ｎ型半導体層１３０の上部の一部も一緒に除去してもよい。
【００４８】
その後、Ｐ型半導体層１５０上に第１の金属層１６０を形成する。第１の金属層１６０は、リフトオフ工程を用いて形成してもよい。すなわち、全体構造上に感光膜を塗布した後、所定のマスクを用いたリソグラフィーおよび現像工程を実施し、Ｐ型半導体層１５０を露出させる第１の感光膜パターン（図示せず）を形成する。次に、全体構造上に第１の金属層１６０を形成した後、第１の感光膜パターンを除去する。結果として、Ｐ型半導体層１５０の上部を除いた領域の第１の金属層１６０が除去され、Ｐ型半導体層１５０に形成された第１の金属層１６０が残る。
【００４９】
第１の金属層１６０上にＰ型金属バンプ１７０を形成し、Ｎ型半導体層１３０上にＮ型金属バンプ１８０を形成する。このために、全体構造上に感光膜を塗布した後、所定のマスクを用いたリソグラフィーおよび現像工程を実施し、第１の金属層１６０の一部と、Ｎ型半導体層１３０の一部を露出させた第２の感光膜パターン（図示せず）を形成する。
以降、全体構造上に金属膜を蒸着した後、第２の感光膜パターンにより露出した第１の金属層１６０の上部に形成された金属膜と、Ｎ型半導体層１３０の上部に形成された金属膜を除いた残りの領域の金属膜及び第２の感光膜パターンを除去する。その結果、第１の金属層１６０上には、Ｐ型金属バンプ１７０が形成され、Ｎ型半導体層１３０上には、Ｎ型金属バンプ１８０が形成される。
【００５０】
本発明によるフリップチップ構造の発光素子用発光セルブロックの製造工程は、上述した方法に限定されず、多様な変形と多様な物質膜がさらに加えられてもよい。すなわち、Ｐ型半導体層上に第１の金属層を形成した後、発光セルの分離のためのエッチングを実施してもよい。また、Ｎ型半導体層を露出させた後、発光セルの分離のために露出したＮ型半導体層の一部と、その下部のバッファ層を除去してもよい。また、第１の金属層の上部に金属反射膜の第２の金属層をさらに形成してもよい。
【００５１】
図５は、本発明の一実施形態に係るフリップチップ構造の発光素子用サブマウント基板２０００を説明するための断面図である。
図５を参照すると、サブマウント基板２０００は、複数のＮ領域ＢとＰ領域Ａが定義された基板２００と、基板２００の表面に形成された誘電体膜２１０と、隣接したＮ領域ＢとＰ領域Ａをそれぞれ一つに連結する複数の電極層２３０を含む。また、一方のエッジに位置したＰ領域Ａまで延長されたＰ型ボンディングパッド２４０と、他方のエッジに位置したＮ領域Ｂまで延長されたＮ型ボンディングパッド２５０をさらに有する。
【００５２】
Ｎ領域Ｂは、発光セルブロック１０００のうち、Ｎ型金属バンプ１８０が接続される領域を称し、Ｐ領域Ａは、発光セルブロック１０００のうち、Ｐ型金属バンプ１７０が接続される領域を称する。
この時、基板２００としては、熱伝導性を有する多様な物質を用いてもよく、例えば、ＳｉＣ、Ｓｉ、Ｇｅ、ＳｉＧｅ、ＡｌＮ、金属等を用いてもよい。
【００５３】
誘電体膜２１０は、基板２００が導電性である場合、電極層２３０及びボンディングパッド２４０、２５０と、基板２００を電気的に絶縁させる。誘電体膜２１０は、多層に形成してもよい。誘電体膜は、例えば、ＳｉＯ２、ＭｇＯ、およびＳｉＮの内の少なくともいずれか一つの物質で形成されてもよい。
電極層２３０、Ｎ型ボンディングパッド２５０、およびＰ型ボンディングパッド２４０は、電気伝導性に優れた金属で形成される。
【００５４】
以下、サブマウント基板２０００の製造方法を説明する。
基板２００に凸部及び凹部を形成してＮ領域ＢおよびＰ領域Ａを定義する。Ｎ領域ＢとＰ領域Ａは、接合される発光セルのＮ型金属バンプ１８０とＰ型金属バンプ１７０の大きさに応じて、その幅と高さおよび形状が極めて多様に変化され得る。
【００５５】
本実施形態では、基板２００の凸部がＮ領域Ｂとなり、基板２００の凹部がＰ領域Ａとなる。このような形状の基板２００は、別途の鋳型を用いて製造してもよく、所定のエッチング工程を用いて製造してもよい。すなわち、基板２００上にＰ領域Ａを露出させるマスクを形成した後、露出した基板２００をエッチングしてリセスされたＰ領域Ａを形成する。以降、マスクを除去すると、リセスされたＰ領域Ａと相対的に突出したＮ領域Ｂが形成される。また、機械的加工によりリセスされたＰ領域Ａを形成してもよい。
【００５６】
以降、全体構造上に、すなわち、凹部および凸部を有する基板２００上に誘電体膜２１０を形成する。この際、基板２００として導電性物質を用いない場合は、誘電体膜２１０を形成しなくてもよい。本実施形態では、熱伝導率の向上のために、電気伝導性に優れた物質である金属性物質を用いる。したがって、誘電体膜２１０を形成して、十分な絶縁体の役割を行うようにする。
【００５７】
次に、誘電体膜２１０上に隣接した一対のＮ領域ＢとＰ領域Ａとを接続する電極層２３０を形成する。スクリン印刷方法で電極層２３０を形成するか、または、所定のマスクパターンを用いた蒸着工程により電極層２３０を形成してもよい。
その後、上述した発光セルブロック１０００とサブマウント基板２０００を接合して発光素子が製造される。
【００５８】
図６は、サブマウント基板２０００上に、発光セルブロック１０００が搭載された発光素子を示す断面図である。
図６を参照すると、発光セルブロック１０００のＰ型及びＮ型金属バンプ１７０、１８０が、サブマウント基板２０００のＮ領域Ｂ及びＰ領域Ａに接合されるが、図に示すように、隣接した二つの発光セルのＮ型金属バンプ１８０とＰ型金属バンプ１７０が、サブマウント基板２０００の電極層２３０により接続される。発光セルブロック１０００内の一方のエッジに位置したＰ型金属バンプ１７０は、サブマウント基板２０００のＰ型ボンディングパッド２４０に接続され、他方のエッジに位置したＮ型金属バンプ１８０は、サブマウント基板２０００のＮ型ボンディングパッド２５０に接合される。
【００５９】
この時、金属バンプ（１７０、１８０）と電極層２３０及びボンディングパッド（２４０、２５０）は、多様な接合方法により接合されてもよく、例えば、共融温度を用いた共融法により接合されてもよい。その結果、複数の発光セルが、サブマウント基板２０００上に接合され、直列連結された発光セルアレイが形成される。
【００６０】
この時、直列接続される発光セルの個数は、使用しようとする電源および発光セルの使用電力に応じて多様に変化され得る。
好ましくは、１０〜１０００個の発光セルが形成された発光セルブロック１０００を、サブマウント基板２０００に接合させ、発光セルがサブマウント基板２０００により直列接続された発光素子を形成することができる。
【００６１】
より好ましくは、１５〜５０個の発光セルが形成された発光セルブロック１０００を、サブマウント基板２０００と接合させ、これらの発光セルがサブマウント基板２０００により直列接続された発光素子を形成することができる。例えば、２２０Ｖ交流駆動では、一定の駆動電流にて３．３Ｖの単位発光セルの６６又は６７個をサブマウント基板２０００に接合したフリップチップ構造の発光素子を製造することができる。また、１１０Ｖ交流駆動では、一定の駆動電流にて３．３Ｖの単位発光セルの３３又は３４個をサブマウント基板２０００に直列接合したフリップチップ構造の発光素子を作製することができる。
【００６２】
本発明の接合は、上述した説明に限定されず、多様な実施の形態が可能である。
例えば、図７に示すように、複数の発光セルが、図６の基板１１０により連結された発光セルブロック１０００の形態ではなく、個々の発光セル１００ａ、１００ｂ、１００ｃがサブマウント基板２０００上に互いに離隔して位置してもよい。この際、隣接した発光セル１００ａ〜１００ｃのＮ型金属バンプ１７０とＰ型金属バンプ１８０がサブマウント基板２０００に形成された電極層２３０により電気的に接続される。
【００６３】
図７の発光セル１００ａ、１００ｂ、１００ｃは、図６の発光セルブロック１０００において、複数の発光セルから基板１１０を分離することにより製造される。基板１１０は、レーザまたは研削工程を用いて、発光セルから分離させてもよい。
【００６４】
また、図８に示すように、複数のＮ領域ＢとＰ領域Ａが定義された平らな基板２００上に、隣接した一対のＮ領域ＢとＰ領域Ａをそれぞれ接続する電極層２３０を形成し、サブマウント基板２０００を形成した後、発光セルのブロックをサブマウント基板２０００に実装して発光素子を形成することができる。
【００６５】
すなわち、所定のパターン、例えば、凹部および凸部が形成されていない基板２００上に互いに離隔した電極層２３０を形成した後、発光セルブロックの隣接した発光セルのＮ型金属バンプ１８０とＰ型金属バンプ１７０が電気的に接続されるようにする。この際、Ｎ型金属バンプ１８０とＰ型金属バンプ１７０は、図に示すように、同一平面上で電極層２３０と接合される。
【００６６】
一方、発光セルにＰ型及びＮ型金属バンプ１７０、１８０が形成される代わりに、サブマウント基板２０００上のＮ領域Ｂ及びＰ領域Ａに金属バンプ１７０、１８０が形成されてもよい。この際、金属バンプ（１７０、１８０）と接合されるために、Ｎ型及びＰ型半導体層１３０、１５０上に所定の金属電極（図示せず）がさらに形成されてもよい。
【００６７】
本発明の実施形態において、基板１１０上に形成された発光セルが、電極層２３０により、少なくとも二つの直列発光セルアレイを接続することができる。少なくとも二つの直列発光セルアレイは、互いに逆並列で連結され、家庭用交流電源で駆動することができる。これとは異なり、発光素子の内部に別途のブリッジ回路を構成してもよい。ブリッジ回路は、発光セル及び電極層を用いて構成してもよい。
【００６８】
上述した実施形態は、サブマウント基板２０００の電極層が、複数の発光セルを電気的に接続して直列発光セルアレイを形成する。しかし、複数の発光セルを、サブマウント基板２０００の電極層に整列させなければならないので、本実施形態は、複数の発光セルをサブマウント基板２０００上に接合するのが複雑となることがあり得る。
【００６９】
以下では、本発明の他の実施形態に係る複数の発光セルを、サブマウント基板またはリードフレーム上に接合することが複雑となるのを防止可能な発光素子について説明する。
図９は、本発明の他の実施形態に係る発光素子５０を示す断面図である。
図９を参照すると、発光素子５０は、基板５１及び基板５１上に形成された複数の発光セルを有する。基板５１は、その上に形成すべき半導体層の格子定数を考えて選択される。例えば、基板５１上にＧａＮ系列の半導体層が形成される場合、基板５１は、サファイア基板であってもよい。
【００７０】
発光セルそれぞれは、Ｎ型半導体層５５、活性層５７、及びＰ型半導体層５９を有する。活性層５７は、Ｎ型半導体層５５の一部の上に位置し、Ｐ型半導体層５９は、活性層５７上に位置する。これにより、Ｎ型半導体層の一部は、活性層５７及びＰ型半導体層５９により上部面が覆われ、残りの一部は露出する。
【００７１】
それと同時に、Ｐ型半導体層５９上に金属層６１が位置してもよく、Ｎ型半導体層５５の残りの一部上に、他の金属層６３が位置してもよい。金属層６１、６３は、Ｐ型及びＮ型半導体層とオーミックコンタクトを形成して、接合抵抗を低める。この際、他の金属層６３は、金属層６１に含まれる金属物質と同一の物質であってもよいが、これに限定されるのものではない。さらに、付加的なオーミックコンタクトを形成するための金属層が不要な場合、金属層６３は省略してもよい。
【００７２】
一方、Ｎ型半導体層５５と基板５１との間にバッファ層５３を介在させてもよい。バッファ層５３は、基板５１とＮ型半導体層５５の格子定数の違いによるによるストレスを緩和するために用いられる。バッファ層としては、ＧａＮ系列の半導体層が用いてもよい。
【００７３】
Ｎ型半導体層５５は、Ｎ型不純物が注入されたＧａＮ系列、例えば、Ｎ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）膜であってもよいが、これに限定されず、多様な半導体層に形成されてもよい。また、Ｐ型半導体層５９は、Ｐ型不純物が注入されたＧａＮ系列、例えば、Ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）膜であってもよいが、これに限定されず、多様な半導体層に形成されてもよい。Ｎ型及びＰ型半導体層は、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）膜であってもよく、多層膜に形成されてもよい。一方、Ｎ型不純物としてはＳｉを用いてもよく、Ｐ型不純物としてはマグネシウム（Ｍｇ）を用いてもよい。半導体層がＧａＮ系列ではなく、ＧａＰ系列である場合、Ｐ型不純物としてはＺｎを用いてもよい。
【００７４】
活性層５７は、一般に量子井戸層と障壁層が繰り返して形成された多層膜構造を有する。量子井戸層と障壁層は、ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ、ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）化合物を用いて形成してもよく、Ｎ型及びＰ型の不純物を注入してもよい。
【００７５】
これに加えて、金属層６１は、積層された第１の金属層及び第２の金属層を有してもよい。第１の金属層及び第２の金属層は、それぞれ透明電極層及び反射層であってもよい。反射層は、活性層から放射され透明電極を透過した光を再び基板５１の方向に反射させ、光効率を増加させる。透明電極層は、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）であってもよく、反射層は、反射率１０〜１００％である金属層であってもよい。
【００７６】
発光セルは、基板５１上にバッファ層、Ｎ型半導体層、活性層およびＰ型半導体層を順次に形成した後、リソグラフィー及びエッチング工程を用いてエッチングすることにより形成することができる。この際、物質層は、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、分子線エピタキシー（ＭＢＥ；Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｂｅａｍ  Ｅｐｉｔａｘｙ）、水素化物気相成長法（ＨＶＰＥ；Ｈｙｄｒｉｄｅ  Ｖａｐｏｒ  Ｐｈａｓｅ  Ｅｐｉｔａｘｙ）等の多様な蒸着及び成長法を用いて形成することができる。リソグラフィー及びエッチング工程を行う前に、Ｐ型半導体層上に金属層をさらに形成してもよい。
【００７７】
リソグラフィー及びエッチング工程を用いて発光セルを分離した後、他の金属層６３を形成してもよい。他の金属層は、分離された発光セル上に金属層を蒸着した後、リソグラフィー及びエッチング工程を用いて金属層をパターニングして形成してもよい。
【００７８】
一方、隣接した発光セルのＮ型半導体層とＰ型半導体層を、接続電極６５がそれぞれ電気的に接続する。接続電極６５により、発光セルが直列に接続され、直列発光セルアレイが形成される。図２を参照して説明したように、基板５１上に少なくとも二つの直列発光セルアレイが形成されてもよい。少なくとも二つの直列発光セルアレイは、互いに反対方向に流れる電流により駆動するように配置される。
【００７９】
Ｎ型及びＰ型半導体層５５、５９上に金属層６１、６３が形成された場合、接続電極６５は、Ｐ型半導体層上の金属層６１とＮ型半導体層上の金属層６３を接続する。接続電極６５は、エアブリッジ又はステップカバーの形態で金属層を接続することができる。接続電極６５は、金属蒸着技術、電気メッキ技術、または無電解メッキ技術を用いて形成することができる。
【００８０】
一方、直列発光セルアレイの両端部に金属バンプ６７ａ、６７ｂが位置する。金属バンプ６７ａ、６７ｂは、後で、サブマウント基板又はリードフレーム上に発光素子５０を搭載させるとき、バンピング（ｂｕｍｐｉｎｇ）の役割をする金属バンプである。
金属バンプ６７ａの厚さは、０．０１〜１００ｎｍであってもよく、金属バンプ６７ａ、６７ｂの上部面は、接続電極６５の上部面よりも高く位置する。
【００８１】
一方、直列発光セルアレイの両端部の全部に金属バンプが形成されてもよいが、これに限定されるものではなく、一つの直列アレイの両端部に金属バンプが形成され、他のアレイの両端部は、金属バンプにそれぞれ電気的に接続させてもよい。
【００８２】
本発明の一実施形態に係る発光素子５０は、交流電源に直接接続させて動作させることができる。また、発光素子５０は、発光セルが接続電極６５により接続されており、金属バンプ６７ａ、６７ｂをサブマウント基板又はリードフレームに接合することにより駆動されることができる。したがって、複数の発光セルを有しながらも、発光素子５０を搭載する工程が複雑となることを防止することができる。
【００８３】
図１０は、本発明のさらに他の実施形態に係る発光素子７０を示す断面図である。
図１０を参照すると、発光素子７０は、図９を参照して説明した発光素子５０と同一の構成要素を含む。以下では、本実施形態の発光素子７０が、発光素子５０と異なる部分について説明する。
【００８４】
本実施形態に係る発光素子７０は、金属バンプ６７ａ、６７ｂの上部面と同一の高さに位置する接続電極７５を有する。したがって、金属バンプ６７ａ、６７ｂを、接続電極７５と同一の工程を用いて形成することができる。また、接続電極も、サブマウント基板又はリードフレームの上部に接触するので、図９の発光素子５０と比べて熱放出を改善することができる。
【００８５】
図１１〜図１３は、本発明の他の実施形態に係る発光素子７０を搭載したパッケージを示す断面図である。
図１１は、リードフレーム上に発光素子７０を搭載したパッケージを示す断面図であり、図１２及び図１３は、サブマウント基板上に発光素子７０を搭載したパッケージを示す断面図である。
【００８６】
図１１を参照すると、パッケージ３０００は、金属リード１０１ａ、１０１ｂを有するリードフレームを有する。リードフレームは、金属リードをインサート成形（ｉｎｓｅｒｔ−ｍｏｌｄｅｄ）したパッケージ本体１０３を含むことができる。さらに、リードフレームは、印刷回路基板であってもよい。
【００８７】
発光素子７０は、リードフレーム上に搭載され、金属リード１０１ａ、１０１ｂに電気的に接続される。この時、発光素子７０の金属バンプ６７ａ、６７ｂが、それぞれ金属リード１０１ａ、１０１ｂと接合される。その結果、発光素子７０の直列発光セルアレイは、金属リード１０１ａ、１０１ｂと電気的に接続される。一方、接続電極７５は、金属リードとは離隔されたリードフレームの上部面に物理的に接触する。したがって、発光素子７０で発生した熱を、接続電極７５からリードフレームに容易に放散することができる。
【００８８】
モールド部材１０５が、発光素子７０の上部を覆う。モールド部材は、蛍光体及び／又は拡散剤を含んでもよい。蛍光体は、発光素子７０から放射した光の一部を、それよりも長波長の光に変換することができる。したがって、紫外線又は青色光を放射する発光素子７０を用いて白色光が得られる。その一方、蛍光体は、モールド部材１０５と発光素子７０との間に介在させることもできる。モールド部材１０５は、放射される光の方向角を調節するためのレンズ形状を有してもよい。
【００８９】
一方、パッケージ３０００は、パッケージ本体１０３の下部にヒートシンク１０７をさらに有することもできる。ヒートシンク１０７は、発光素子７０から伝達された熱を外部に放散させることを促進する。
【００９０】
本実施形態によると、複数の発光セルを有する発光素子７０を搭載することにより、交流電源を直接接続して駆動させることができるパッケージ３０００を提供する。また、接続電極７５がリードフレームの上部面に物理的に接触され、発光素子７０で発生した熱の放散が改善され得る。
【００９１】
一方、発光素子７０の代わりに、図９の発光素子５０を搭載してもよい。この際、発光素子５０の接続電極６５は、金属バンプ６７ａ、６７ｂに比べて高さが低いので、リードフレームの上部面と物理的に接触しない。それゆえ、接続電極６５と金属リード１０１ａ、１０１ｂとが短絡することを容易に防止することができる。
【００９２】
図１２を参照すると、本実施形態に係るパッケージ４０００には、図１１を参照して説明したパッケージ３０００にサブマウント基板２０１及びボンディングワイヤ２０３ａ、２０３ｂが追加される。サブマウント基板２０１は、発光素子７０とリードフレームの上部面との間に介在される。
【００９３】
サブマウント基板２０１は、基板と、基板上に形成されたボンディングパッド２０１ａ、２０１ｂを有する。ボンディングパッドは、発光素子７０の金属バンプ６７ａ、６７ｂに対応する。発光素子の金属バンプは、サブマウント基板のボンディングパッドにそれぞれ接合される。
【００９４】
サブマウント基板の基板は、熱伝導性のある物質で形成することが好ましい。基板としては、ＳｉＣ、Ｓｉ、ゲルマニウム（Ｇｅ）、シリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）及び金属基板等が用いられ得る。それと同時に、基板の上部面に誘電体層が形成されてもよい。誘電体層は、ボンディングパッド２０１ａ、２０１ｂ及び接続電極７５と基板を絶縁させる。一方、基板が絶縁物質である場合、誘電体層は省略してもよい。
【００９５】
ボンディングパッド２０１ａ、２０１ｂと金属リード１０１ａ、１０１ｂは、ボンディングワイヤにより電気的に接続される。
図１１を参照して説明したように、発光素子７０の代わりに、図９の発光素子５０が搭載されてもよい。
【００９６】
図１３を参照すると、本実施形態によるパッケージ５０００は、図１２を参照して説明したように、発光素子７０とリードフレームとの間に介在されるサブマウント基板３０１を有する。但し、サブマウント基板３０１は、図１２のサブマウント基板２０１とは異なり、基板を貫通するボンディングパッド３０１ａ、３０１ｂを有する。したがって、ボンディングパッドが金属リード１０１ａ、１０１ｂにそれぞれ直接接合されるので、図１２のボンディングワイヤを省略することができる。
【００９７】
サブマウント基板３０１は、上述したものに限定されず、多様な変形が可能である。例えば、ボンディングパッド３０１ａ、３０１ｂは、基板を貫通する代わりに、基板の側面を通じて基板下部に延長されてもよい。
また、発光素子７０の代わりに、図９の発光素子５０が搭載されてもよい。
【符号の説明】
【００９８】
３１  第１の直列アレイ
３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３３ａ、３３ｂ、３３ｃ  発光セル
３３  第２の直列アレイ
３５  交流電源
５０、７０  発光素子
５１、１１０  （サファイア）基板
５３、１２０  バッファ層
５５、１３０  Ｎ型半導体層
５７、１４０  活性層
５９、１５０  Ｐ型半導体層
６１、６３  金属層
６５、７５  接続電極
６７ａ、６７ｂ  金属バンプ
１００ａ、１００ｂ、１００ｃ  発光セル
１０１ａ、１０１ｂ  金属リード
１０３  パッケージ本体
１０５  モールド部材
１０７  ヒートシンク
１６０  第１の金属層
１７０  Ｐ型金属バンプ
１８０  Ｎ型金属バンプ
２００  基板
２０１ａ、２０１ｂ、３０１ａ、３０１ｂ  ボンディングパッド
２０３ａ、２０３ｂ  ボンディングワイヤ
２１０  誘電体膜
２３０  電極層
２４０  Ｐ型ボンディングパッド
２５０  Ｎ型ボンディングパッド
１０００  発光セルブロック
２０１、２０００  サブマウント基板
３０００、４０００、５０００  パッケージ
【図１】
2011061244.tif 000003
【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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