(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
静電気保護用のＳｉダイオードと、このＳｉダイオードの上に導通搭載される赤，緑，青の各色の半導体発光素子との組み合わせからなるフルカラーの半導体発光装置であって、前記Ｓｉダイオードには、前記半導体発光素子を外部の電気回路に導通接続させる回路パターンと前記各色の半導体発光素子を落とし込んで搭載する凹部を形成し、前記半導体発光素子はフリップチップ型として前記凹部内に搭載してなるフルカラー半導体発光装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、Ｒ，Ｇ，Ｂの各色の半導体発光素子を含む発光装置に係り、特に発光素子の静電耐圧性を向上させるための静電気保護素子に回路パターンを複合することによってアセンブリが簡単でしかも薄型化が図れるようにしたフルカラー発光の半導体発光装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＬＥＤランプやチップ型ＬＥＤ等のように半導体発光素子を利用した発光装置は、たとえばパネルにこれらのＬＥＤランプやチップ型ＬＥＤを多数配列したＬＥＤディスプレイに広く利用されている。半導体発光素子は、化合物半導体を同一の化合物半導体の基板の上に積層してｐ型層及びｎ型層を形成したｐ−ｎ接合のものが一般的であり、化合物半導体の種類によって赤（Ｒ）や緑（Ｇ）等の発光が得られる。そして近来では、主としてＧａＮ系の化合物半導体を絶縁性であって透明のサファイアの基板に積層した青（Ｂ）や緑（Ｇ）の発光素子が開発され、発光輝度が高い製品として提供されるようになった。
【０００３】
ＬＥＤディスプレイの場合では、単色表示のものでは１個のＬＥＤによって１画素が構成されるが、たとえば赤，橙，緑の３色の表示の場合では、赤色ＬＥＤ１個及び緑色ＬＥＤ１個を１画素とし、橙は赤ＬＥＤと緑ＬＥＤを同時に発光させて混色化することによって表示される。これに対し、近来では、フルカラー表示のために、光の３原色であるＲ，Ｇ，Ｂの組み合わせを１画素とする発光表示装置が主流となっている。このようなＲ，Ｇ，Ｂを１画素とするフルカラーの発光装置の一般的な製造は、化合物半導体を基板上に成長積層させた各色の発光素子について別々にダイスボンドし、これらの発光素子のそれぞれに対して独立して電気的に接続するためにワイヤボンディングするという工程としたものが一般的である。
【０００４】
光の３原色のＲ，Ｇ，Ｂの発光素子のうち、Ｇ，Ｂは高い発光輝度を得るためにＧａＮ系化合物半導体が用いられる。ところが、ＧａＮ系化合物半導体は、発光素子形成のための他の種類の化合物半導体と比べると、静電耐圧が低いという性質がある。このため、Ｒの発光素子と比較すると、Ｇ，Ｂの発光素子については静電耐圧が低いため、静電気やサージ等の高電圧が印加されたときに静電破壊されやすく、特にＧａＮ系の化合物半導体が必須のＢの発光素子についてはこの静電破壊による影響は無視できない。
【０００５】
このように、Ｇ，Ｂの発光素子が静電破壊しやすい傾向にあることから、ＲとＧの発光素子またはＲとＢ発光素子の組み合わせを１画素としたり、Ｒ，Ｇ，Ｂの発光素子の組み合わせを１画素単位とした多色発光にも影響を及ぼす。すなわち、Ｒの発光素子については静電破壊の心配がないのに対して、これと組み合わせられたＧ，Ｂは静電気等の過電流によって静電破壊してしまうので、Ｒの発光素子による赤だけの発光となり、光の３原色によるフルカラーの発光機能は失われてしまう。
【０００６】
このようなＧ，Ｂの発光素子の静電破壊に対しては、特開平９−１４８６２５号公報に記載されているように、ＧａＮ系化合物半導体を用いた発光素子の静電耐圧を向上させるための逆耐圧補償用の補償ダイオードを備えることが一つの有効な手段となり得る。また、たとえばｎ型のシリコン基板を用いたツェナーダイオードに発光素子をｐ側及びｎ側が逆極性となるように導通接続することによっても、静電破壊を防止できることが既に知られている。
【０００７】
図４は静電保護素子としてツェナーダイオードを利用したＲ，Ｇ，Ｂのフルカラー発光装置として適用可能な構成例を示す概略図であり、同図の（ａ）は側面図、同図の（ｂ）は平面図である。
【０００８】
図において、配線パターン５１ａ，５１ｂ，５１ｃを予めウエハー段階で形成したプリント基板５１を主材として、各配線パターン５１ａ，５１ｂ，５１ｃのそれぞれに、図示の例では３個ずつのＲ，Ｇ，Ｂの発光素子５２，５３，５４を配置している。そして、これらの発光素子５２〜５４の静電耐圧を保つために、各配線パターン５１ａ〜５１ｃに導通させたツェナーダイオード５５，５６，５７に搭載されている。
【０００９】
ツェナーダイオード５５〜５７はたとえばｎ型のシリコン基板を利用したものであり、その底面にｎ電極を形成して配線パターン５１ａ〜５１ｃに導通させて搭載されている。そして、上面側にはｐ型半導体領域を部分的に拡散形成し、ｎ型シリコン基板及びｐ型半導体領域のそれぞれにｎ側電極及びｐ側電極が接合形成され、ｐ側電極はワイヤによって配線パターン５１ａ〜５１ｃにボンディングされる。一方、発光素子５２〜５４はフリップチップ型であって、ｎ側及びｐ側の電極を逆極性としてツェナーダイオード５５〜５７に導通させている。
【００１０】
このように各発光素子５２〜５４をｐ側とｎ側の電極を逆極性としてツェナーダイオード５５〜５７に搭載することによって、静電気等の過電流が流れたときでも発光素子５２〜５４の破壊を防止することができる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、発光素子５２〜５４はツェナーダイオード５５〜５７に搭載されて複合素子化されるので、発光素子５２〜５４をプリント基板５１の上に搭載するだけの場合に比べると、ツェナーダイオード５５〜５７の組込み分だけ高さ寸法が大きくなる。このため、プリント基板５１と全ての発光素子５２〜５４とによるＲ，Ｇ，Ｂのフルカラー発光用の発光装置のユニットでは、特に静電耐圧が低いＧとＢの発光素子５３，５４の静電気保護が図れるものの、薄型化の自由度が小さくなり、製品の小型化に支障を招く。
【００１２】
また、アセンブリにおいては、プリント基板５１へのツェナーダイオード５５〜５７の搭載とワイヤによるボンディングの工程と、ツェナーダイオード５５〜５７への各発光素子５２〜５４の搭載の工程とが必要となる。この場合、たとえばツェナーダイオード５５〜５７をウエハー状態で形成しておきこの上に発光素子５２〜５４を搭載したものをダイシングし予め複合化素子として準備しておけば、プリント基板５１にはこの複合化素子を搭載するだけで済むので、見掛け上の工数は減る。
【００１３】
しかしながら、プリント基板５１、発光素子５２〜５４及びツェナーダイオード５５〜５７の３部材の組み合わせであることに変わりはなく、アセンブリのための工程数の削減には限界がある。また、組立て工数が多いことと、各ツェナーダイオード５５〜５７に対する発光素子５２〜５４の搭載精度等を厳しく管理しなければならないので、製造歩留りにも大きく影響する。
【００１４】
このようにフルカラー対応のためのＲ，Ｇ，Ｂの組み合わせを１画素とする発光表示装置において、ツェナーダイオードを利用して静電耐圧を補償しようとするとき、製品の薄型化や製造歩留りの点で改善すべき問題が残っている。
【００１５】
本発明において解決すべき課題は、電気的接続が簡単でかつ静電気やサージ等の高電圧の印加に対する耐圧の向上によって信頼性を向上し得るフルカラー発光が可能な発光装置を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、静電気保護用のＳｉダイオードと、このＳｉダイオードの上に導通搭載される赤，緑，青の各色の半導体発光素子との組み合わせからなるフルカラーの半導体発光装置であって、前記Ｓｉダイオードには、前記半導体発光素子を外部の電気回路に導通接続させる回路パターンを形成してなることを特徴とする。
【００１７】
この構成では、静電気保護用のＳｉダイオードが従来の回路基板を兼ねた部材とすることができるので、Ｓｉダイオードに発光素子を実装するだけのアセンブリで済むほか、高さ寸法も短くすることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
請求項１の発明は、静電気保護用のＳｉダイオードと、このＳｉダイオードの上に導通搭載される赤，緑，青の各色の半導体発光素子との組み合わせからなるフルカラーの半導体発光装置であって、前記Ｓｉダイオードには、前記半導体発光素子を外部の電気回路に導通接続させる回路パターンと前記各色の半導体発光素子を落とし込んで搭載する凹部を形成し、前記半導体発光素子はフリップチップ型として前記凹部内に搭載してなるものであり、Ｓｉダイオードに発光素子を実装するだけのアセンブリで済み、高さ寸法も短い製品が得られる。
【００２０】
以下に、本発明の実施の形態の具体例を図面を参照しながら説明する。
図１は本発明の一実施の形態によるフルカラー半導体発光装置の要部を示す概略平面図、図２は発光素子を含む面で切った要部の縦断面図である。
【００２１】
本発明の発光装置は、１枚のＳｉダイオード１をプリント基板兼用の部材として備え、このＳｉダイオード１の上に後述するＲ，Ｇ，Ｂの発光素子を画素単位として３組配列したものである。
【００２２】
Ｓｉダイオード１はたとえばｎ型シリコン基板を利用したもので、図２に示すように、Ｒ，Ｇ，Ｂの発光素子をそれぞれ搭載する部分に凹部１ａ，１ｂ，１ｂ−１を形成している。そして、これらの凹部１ａ〜１ｂ−１に対応して、配線パターン２ａ，２ｂ，２ｃ及びこれらにそれぞれ導通させた電極３ａ，３ｂ，３ｃのパターンを設けている。
【００２３】
凹部１ａ〜１ｂ−１にそれぞれ搭載されるＲ，Ｇ，Ｂの発光素子４，５，６は、フリップチップ型のものであり、図３にＢの発光素子６の搭載導通構造を示す。
【００２４】
Ｓｉダイオード１は、図３に示すように、ｎ型シリコン基板１ｃを基材とし、図２で説明した配線パターン２ａ〜２ｃ及び電極３ａ〜３ｃを表面側に形成したものである。そして、凹部１ｂ−１の底面部の一部を除いて被覆する酸化膜１ｄを形成し、この酸化膜１ｄで被覆されていない部分を拡散窓としてｐ型不純物イオンを注入することによって、ｐ型半導体領域１ｅを拡散形成している。
【００２５】
ｎ型シリコン基板１ｃの表面には、ｎ電極１ｆとｐ電極１ｇをそれぞれ金属蒸着法によって形成する。ｎ電極１ｆは凹部１ｂ−１の右端部に偏って傾斜面までに亘って形成され、酸化膜１ｄが形成されていない部分によってｎ型シリコン基板１ｃに導通している。このｎ電極１ｆはたとえばアルミを利用することができ、傾斜面部分をｎ電極１ｆによる光の反射層として利用する。一方、ｐ電極１ｇはｎ型シリコン基板１ｃに拡散形成したｐ型半導体領域１ｅに接合されている。
【００２６】
Ｂの発光素子６は、ＧａＮ系化合物半導体を絶縁性のサファイア基板に積層してその中の１つの層として形成されるＩｎＧａＮ活性層を発光層とし、フリップチップ型としてＳｉダイオード１の上面に搭載されるものである。
【００２７】
すなわち、図３に示すように、発光素子６は透明のサファイア基板６ａに積層したｎ型層及びｐ型層のそれぞれの表面にｎ側電極６ｂ及びｐ側電極６ｃを蒸着法によって形成したものである。また、これらのｎ側電極６ｂ及びｐ側電極６ｃの表面にはそれぞれマイクロバンプ６ｄ，６ｅが形成されている。そして、Ｓｉダイオード１のｎ電極１ｆとｐ電極１ｇとに跨がる配置として発光素子６を搭載し、ｎ側電極６ｂ及びｐ側電極６ｃをそれぞれｐ電極１ｇ及びｎ電極１ｆにマウント接合する。
【００２８】
Ｓｉダイオード１に形成されたｐ電極１ｇは、発光素子６のｎ側電極６ｂ及び配線パターン２ｃと導通している。また、ｎ電極１ｆ及びｐ電極１ｇは、アルミニウム等の光反射率の高い金属を蒸着によって形成したものとし、凹部１ｂ−１の内周壁部分の傾斜面を発光方向への反射面として利用する。
【００２９】
以上のような搭載構造はＲ，Ｇの発光素子４，５の凹部１ａ，１ｂへの組込みについても全く同様である。
【００３０】
以上の構成において、Ｒ，Ｇ，Ｂの各発光素子４，５，６へ通電されると、それぞれの発光層からの光が放出される。そして、下側及び側方に抜ける光の成分もあるが、サファイア基板が透明であることから図３において上側を向いた面を主光取出し面とした発光が得られる。したがって、Ｒ，Ｇ，Ｂの光の３原色の発光素子４，５，６のそれぞれの発光色とこれらの組み合わせによって、フルカラーの発光が得られる。
【００３１】
また、Ｓｉダイオード１を備えることによって、各発光素子４，５，６の静電破壊を防止でき、特に静電耐圧が低いＧａＮ系半導体化合物を必須とするＢの発光素子６の耐久性も向上するので、Ｒ，Ｇ，Ｂの発光素子４，５，６の組み合わせのフルカラー対応画素を有効に利用した発光表示が可能となる。
【００３２】
このように、Ｒ，Ｇ，Ｂの発光素子４，５，６をそれぞれ凹部１ａ，１ｂ，１ｂ−１の中に落とし込むように組み込むことによって、各発光素子４，５，６どうしの間の光学的な干渉を受けることがない。このため、各発光素子４，５，６に使用する材料のバンドギャップエネルギの違いによる光吸収が抑えられ、それぞれの発光色がより一層鮮明化するとともに高い発光出力が得られる。また、各凹部１ａ〜１ｂ−１の傾斜面に設ける電極を利用した光の反射によって光を主光取出し面方向へ反射させるので、発光輝度を更に向上させることもできる。
【００３３】
ここで、本発明においては、Ｓｉダイオード１自身に配線パターン２ａ〜２ｃ及び電極３ａ〜３ｃを形成して、各発光素子４〜６を導通搭載する。すなわち、Ｓｉダイオード1 を回路基板として兼用することができるので、このＳｉダイオード１に配線パターン２ａ〜２ｃ及び電極３ａ〜３ｃを形成したものを予め作製しておけば、発光素子４〜６の搭載のチップ接合だけの工程で済む。
【００３４】
また、発光素子４〜６はいずれも凹部１ａ〜１ｂ−１の中に落とし込まれて、Ｓｉダイオード１の表面から突き出ないように組み込まれるので、全体の高さ寸法を小さくでき、最終的に製作される発光装置の薄型化が可能となる。
【００３５】
【発明の効果】
請求項１の発明では、静電気保護用のＳｉダイオードが従来の回路基板を兼ねた部材とすることができるので、Ｓｉダイオードに発光素子を実装するだけのアセンブリで済み、従来の基板の上に静電気保護素子を搭載し更にその上に発光素子を搭載する構造に比べると製造歩留りが向上する。また、Ｓｉダイオードと発光素子との積層なので、その高さ寸法も小さくなり発光装置を薄型化することができる。
【００３６】
請求項２の発明では、発光素子をＳｉダイオードの凹部の中に収めることで、Ｓｉダイオードと半導体発光素子との積層高さを更に低くすることができ、凹部の中に発光素子の全体が落ち込む構成とすれば、Ｓｉダイオードだけの厚さの製品が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態によるフルカラー半導体発光装置を示す概略平面図
【図２】図１において発光素子を含む面で切った要部の縦断面図
【図３】青色発光用の発光素子の搭載構造の要部を示す概略図
【図４】（ａ）はツェナーダイオードおよび発光素子を複合素子化した従来例を示す概略側面図
（ｂ）は（ａ）の平面図
【符号の説明】
１  Ｓｉダイオード
１ａ，１ｂ，１ｂ−１  凹部
１ｃ  ｎ型シリコン基板
１ｄ  酸化膜
１ｅ  ｐ型半導体領域
１ｆ  ｎ電極
１ｇ  ｐ電極
２ａ，２ｂ，２ｃ  配線パターン
３ａ，３ｂ，３ｃ  電極
４  発光素子
５  発光素子
６  発光素子
６ａ  サファイア基板
６ｂ  ｎ側電極
６ｃ  ｐ側電極
６ｄ，６ｅ  マイクロバンプ
【図１】
0004042213.tif 000002
【図２】
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【図３】
0004042213.tif 000004
【図４】
0004042213.tif 000005