JP2013183020A - 半導体発光装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】発光面を所望のサイズにできる半導体発光装置およびその製造方法を提供する。
【解決手段】半導体発光装置の製造方法は、発光ユニットを接着する工程と、透光性樹脂層を形成する工程と、波長変換層を形成する工程と、接着層を切断する工程と、を有する。接着する工程は、接着層の第１の面に、第１の発光ユニットの補強樹脂層の表面と第２の発光ユニットの補強樹脂層の表面とを所定の間隔で接着する。透光性樹脂を形成する工程は、接着層の第１の面のうち第１および第２の発光ユニットが設けられない領域と、第１および第２の発光ユニットと、を覆う透光性樹脂層を形成する。波長変換層を形成する工程は、透光性樹脂層の上に蛍光体粒子を含む波長変換層を形成する。切断する工程は、第１および第２の発光ユニットを含むように、透光性樹脂層を切断する。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、半導体発光装置およびその製造方法に関する。

半導体発光装置のパッケージを小型化すると、半導体発光装置を実装基板上に高密度実装することが容易となる。このため、照明装置の光束を高めることができる。

発光効率を高く保ちつつ、照明装置の発光面の全体のサイズを大きくするには、小型の半導体発光装置を適正な間隔で複数個配列すればよい。

しかしながら、複数個の半導体発光装置を実装基板上に接着し、実装基板と電気的接続を行うには、生産性の高い組立ラインが必要である。

特開２０１１−１１４０９３号公報

発光効率を高く保ちつつ、発光面を所望のサイズにすることが容易な半導体発光装置およびその製造方法を提供する。

実施形態の半導体発光装置の製造方法は、第１および第２の発光ユニットを接着層に接着する工程と、透光性樹脂層を形成する工程と、波長変換層を形成する工程と、接着層を切断する工程と、を有する。前記第１および第２の発光ユニットは、第１の面と前記第１の面とは反対の側の光出射面とを有し発光層を含む半導体積層体と、前記第１の面に設けられたｐ側電極とｎ側電極と、前記ｐ側電極と接続されたｐ側引き出し電極と、前記ｎ側電極と接続されたｎ側引き出し電極と、前記ｐ側引き出し電極の表面と前記ｎ側引き出し電極の表面とを露出させかつ前記ｐ側引き出し電極および前記ｎ側引き出し電極の側面を囲むように設けられた補強樹脂層と、を有する。前記接着する工程は、接着層の第１の面に、前記第１の発光ユニットの前記補強樹脂層の表面と前記第２の発光ユニットの前記補強樹脂層の表面とを所定の間隔で接着する。前記透光性樹脂を形成する工程は、前記接着層の前記第１の面のうち前記第１および第２の発光ユニットが設けられない領域と、前記第１および第２の発光ユニットと、を覆う透光性樹脂層を形成する。前記波長変換層を形成する工程は、前記透光性樹脂層の上に蛍光体粒子を含む波長変換層を形成する。前記切断する工程は、前記第１および第２の発光ユニットを含むように、少なくとも前記透光性樹脂層を切断する。

図１（ａ）は第１の実施形態にかかる半導体発光装置の模式斜視図、図１（ｂ）は模式底面図、である。 図２（ａ）〜（ｅ）は発光ユニットの製造方法を説明する模式図であり、図２（ａ）は発光素子の断面図、図２（ｂ）は引き出し電極形成用絶縁膜が形成されたウェーハの断面図、図２（ｃ）はシード金属および金属配線層が形成されたウェーハの断面図、図２（ｄ）は金属ピラーが形成されたウェーハの断面図、図２（ｅ）は補強樹脂が形成されたウェーハの断面図、である。 図３（ａ）は、ウェーハ状の発光ユニットの第１変形例の模式断面図、図３（ｂ）は模式底面図、である。 図４（ａ）はウェーハ状の発光ユニットの第２変形例の模式断面図、図４（ｂ）は第３変形例の模式断面図、である。 図５（ａ）〜（ｄ）は、第１の実施形態の半導体発光装置の製造方法を説明する模式図であり、図５（ａ）は発光ユニットの断面図、図５（ｂ）は発光ユニットが接着された接着層の断面図、図５（ｃ）は透光性樹脂層が塗布された半導体発光装置の断面図、図５（ｄ）は分離後の半導体発光装置の断面図、である。 第２の実施形態にかかる発光装置の模式断面図である。 第３の実施形態にかかる発光装置の模式断面図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。
図１（ａ）は第１の実施形態にかかる半導体発光装置の模式斜視図、図１（ｂ）は模式底面図、である。
発光装置は、接着層２０と、複数の発光ユニット１１と、透光性樹脂層３０と、を有している。発光ユニット１１は、たとえば、ＷＬＰ（Wafer Level Package：ウェーハレベルパッケージ）型の発光素子とすることができる。すなわち、ウェーハプロセスは、素子のパッケージング工程を含んでいる。

図１（ａ）において、出射光Ｇは発光ユニット１１の上方へ放出される。また、光出射方向とは反対側の発光ユニット１１の面には、p側引き出し電極６７ａと、ｎ側引き出し電極６７ｂと、が設けられている。

シート状の接着層２０は、第１の面２０ａと、第１の面２０ａとは反対の側の第２の面２０ｂと、を有する。ウェーハから分割された発光ユニット１１は、接着層１１の第１の面２０ａに、所定の間隔（ピッチ）で配設されている。透光性樹脂層３０は、発光ユニット１１と、接着層１１の第１の面２０ａと、を覆うように設けられる。

図１（ｂ）のように、接着層２０の第２の面２０ｂには、開口部２０ｃ、２０ｄが設けられ、発光ユニット１１のｐ側引き出し電極６７ａと、ｎ側引き出し電極６７ｂと、が露出している。開口部２０ｃ、２０ｄは、ｐ側引き出し電極６７ａと、ｎ側引き出し電極６７ｂと、が異なった開口部でもよいし、共通の開口部でもよい。本実施形態では、ｐ側引き出し電極６７ａとｎ側引き出し電極６７ｂとは、ウェーハプロセスで形成される。

図１（ａ）、（ｂ）では、発光ユニット１１が２×２となるように、透光性樹脂層３０および接着層２０が切断されるが、本発明はこれに限定されない。所望の光束、配光特性に応じて、接着層２０の切断位置を変更すればよい。なお、発光ユニット１１と、透光性樹脂層３０と、の間の接着強度は高いので、接着層２０は、除去してもよい。

もし、１チップのサイズを大きくして光束を高めようとすると、発光層内が不均一動作をしやすくなり、光束が増大しても、発光効率が低下することがある。これに対して、第１の実施形態によれば、発光ユニット当たりの光束を増加させずに、発光ユニットの数を増加することにより光束を増大させる。このため、発光効率を低下させることなく、所望の光束を得ることが容易となる。

また、パッケージ型発光装置を実装基板の上に接着し、さらに配線パターンと接続するのであれば、発光ユニットの配置を自由に変更することは困難である。また、実装時間が必要となり、量産性が低下する。

図２（ａ）〜（ｅ）は、発光ユニットの製造の製造方法を説明する模式図である。すなわち、図２（ａ）は、基板の上に、発光層を含む積層体とｐ側電極とｎ側電極とが形成された発光素子の断面図、図２（ｂ）は引き出し電極形成用絶縁膜が形成されたウェーハの断面図、図２（ｃ）はシード金属および金属配線層が形成されたウェーハの断面図、図２（ｄ）は金属ピラーが形成されたウェーハの断面図、図２（ｅ）は補強樹脂層が形成されたウェーハの断面図、である。

なお、図２（ａ）〜（ｅ）では、半導体からなる積層体は、Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）なる組成式で表される窒化物系半導体からなるものとするが、Ｉｎ_ｘ（Ｇａ_ｙＡｌ_１−ｙ）_１−ｘＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）やＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）などの材料であってもよい。

図２（ａ）において、サファイヤなどの基板５０に、例えばｎ型層を含む下部層５２ｂと、上部層５２ａと、を有する積層体５２を形成する。積層体５２の第１の面５２ｄは、上部層５２ａの表面と、上部層５２ａが除去されて露出した下部層５２ｂの表面と、を含む段差を有している。また、第１の面５２ｄとは反対の側となる積層体５２の光出射面５２ｃは、基板５０と隣接しており略平坦である。なお、下部層５２ｂをｐ型層としてもよく、この場合、電極は反対極性となる。

続いて、図２（ｂ）のように、ｐ側電極５４及びｎ側電極５６を覆うように絶縁膜６０を形成し、ｐ側電極５４及びｎ側電極５６のそれぞれの一部が露出するように開口部６０ａ、６０ｂをそれぞれ形成する。

続いて、Ｔｉ／Ｃｕなどからなるシード金属６２を形成する。図２（ｃ）のように、フォトレジストなどをマスクとして、電解メッキ法により銅などからなる金属配線層６４を選択的に形成する。このようにして、互いに分離された金属配線層６４ａ、６４ｂが形成される。

続いて、図２（ｄ）のように、電解メッキ法を用いて、金属配線層６４ａと接続され銅などからなる金属ピラー６６ａと、金属配線層６４ｂと接続され銅などからなる金属ピラー６６ｂと、をそれぞれ形成する。シード金属６２と、金属配線層６４と、金属ピラー６６と、は、引き出し電極６７を構成する。また、たとえば、金属配線層６４と金属ピラー６６とは、連続していてもよい。

続いて、図２（ｅ）のように、金属ピラー６６ａ、６６ｂの厚さと略同一またはそれ以下の厚さとなるように補強樹脂層５８を金属ピラー６６ａ、６６ｂの周囲に形成する。このような発光ユニット１１においては、残留応力が小さく、かつ柔軟な支持体に積層体５２が固定された状態で分離されるため、積層体５２のクラックなどが発生せず、高い歩留まりで製造することが可能となる。なお、発光ユニット１１の製造方法は、図２（ａ）〜（ｅ）に限定されない。

図３（ａ）は、ウェーハ状の発光ユニットの第１変形例の模式断面図、図３（ｂ）は模式底面図、である。
図３（ａ）のように、発光ユニット１１は、基板５０を除去することができる。また、積層体５２の下部層５２ｂは、互いに離間していてもよい。また、図３（ｂ）のように、ｐ側引き出し電極６７ａと、ｎ側引き出し電極６７ｂと、を、バランスよく配置すると実装基板への実装が容易となる。

図４（ａ）はウェーハ状の発光ユニットの第２変形例の模式断面図、図４（ｂ）は発光ユニットの第３変形例の模式断面図、である。
図４（ａ）のように、積層体５２の下部層５２ｂの表面に、透光性を有する保護樹脂層７０を設けてもよい。保護樹脂層７０は、たとえば、シリコーンなどとすることができる。保護樹脂層７０の厚さは、たとえば、２００μｍ以上、２ｍｍ以下とすることができる。図４（ｂ）のように、保護樹脂層７０は、分散配置された蛍光体粒子３４を有していてもよい。発光層が窒化物系半導体からなり青色〜青紫色光を放出するものとする。放出光を吸収した蛍光体粒子３４は、たとえば、黄色光である波長変換光を放出する。このため、出射光Ｇは、放出光と、波長変換光と、の混合光である白色光とすることができる。また、本図のように、積層体５２は、ウェーハ状態では連続していてもよい。

図５（ａ）〜（ｄ）は、第１の実施形態の半導体発光装置の製造方法を説明する模式図である。すなわち、図５（ａ）はウェーハ状態の発光ユニットの断面図、図５（ｂ）は発光ユニットが接着された接着層の断面図、図５（ｃ）は透光性樹脂層が塗布された半導体発光装置の断面図、図５（ｄ）は分離後の半導体発光装置の断面図、である。

ウェーハ１０は、発光ユニット１１に分割される前の状態を示す。ウェーハ１０の厚さＴＷは、たとえば、１００〜３００μｍなどと薄くすることができる。図５（ａ）のように、発光ユニット１１は、ウェーハ状態で封止されているので、透明樹脂層などでモールドされた発光装置と同様に扱うことができる。個々の発光ユニット１１は、ウェーハ状態で発光波長などの発光特性を測定できる。

続いて、図５（ｂ）のように、たとえば、第１の発光ユニット１１ａと第２の発光ユニット１１ｂとを、接着層２０の第１の面２０ａに所定の間隔Ｐで真空マウント法などを用いて接着する。接着層２０は、たとえば、ＰＥＴ（Polyethylene Terephthalate)などからなる基材と、基材の表面に設けられＵＶ（Ultra Violet)硬化樹脂などからなる粘着材と、を有する。粘着材の表面は、第１の面２０ａとなる。接着層２０は、ダイアタッチメントフィルム（DAF)などとし、その厚さＴＳは、たとえば、１５〜２０μｍとすることができる。

この場合、接着層２０の第２の面２０ｂに露出する引き出し電極６７の配列精度は、以下のような範囲とすることが好ましい。たとえば、引き出し電極６７のサイズが、ｘ方向で２１０μｍ、ｙ方向で３００μｍ、の場合、位置ずれが、ｘ方向に７０μｍ以下、ｙ方向に１００μｍ以下、であると実装の信頼性が確保できるので好ましい。また、位置ずれは、ｘ方向に４２μｍ以下、ｙ方向に６０μｍ、と、引き出し電極６７のサイズの５分の１以下であることがより好ましい。

なお、発光波長規格により分類された発光ユニット１１を選別して、並べ替えて接着すると、色度の変動が小さい半導体発光装置とすることが容易となる。

続いて、図５（ｃ）のように、発光ユニット１１を覆うように液状樹脂を塗布し、熱硬化などを行い透光性樹脂層３０を形成する。樹脂としては、たとえば、シリコーン、エポキシなどとすることができる。透光性樹脂層３０の厚さＴＣは、発光ユニット１１の厚さＴＷよりも大きく、たとえば、０．２〜２ｍｍとすると機械的強度を確保することが容易となる。

さらに、図５（ｄ）のように、所望の光出力や配光特性に応じて、発光ユニット１１の個数を決めて、破線で示すダイシングラインＤＬの位置で切断し発光ユニット１１ａ、１１ｂを含む半導体発光装置に分離する。切断する工程は、少なくとも透光性樹脂層３０を切断する。樹脂層２０を残して、切断後に樹脂層２０を除去してもよい。なお、ｐ側引き出し電極６７ａ、ｎ側引き出し電極６７ｂ、と実装基板の配線部と、を接続するための開口部２０ｃ、２０ｄが設けられる。この開口部２０ｃ、２０ｄは、発光ユニット１１の接着前、接着後のいずれに設けてもよい。

また、透光性樹脂層３０に蛍光体粒子などを分散してもよい。また、透光性樹脂層の代わりにガラスを用いることもできる。なお、発光ユニット１１の数は、２つに限定されず、多くてもよい。また、その配列はマトリクス状や菱形などであってもよい。すなわち、所望の光束が得られる数となるよう配列することができる。

第１の実施形態にかかる半導体発光装置の製造方法では、チップとパッケージとの間、またはチップと実装基板との間、をワイヤボンディングや金属やハンダなどのバンプにより接続するプロセスを必要としない。このため、量産性が高められ製造方法とすることができる。また、組立工程が完了した半導体発光装置を分割せずにシート状態で用意しておき、顧客要求に応じた光束を有する発光装置が、接着層切断工程を行うことにより迅速に供給でき、納期（turn-around time）を短縮できる。

図６は、第２の実施形態にかかる発光装置の模式断面図である。
窒化物系半導体からなる発光層を有する発光ユニット１１ａ、１１ｂを覆うように、透光性樹脂層３０が設けられている。さらに、蛍光体粒子を３４含む波長変換層３２が透光性樹脂層３０の上に設けられている。波長変換層３２は、たとえば、シリコーン樹脂などに蛍光体粒子３４が分散して配置されたものとすることができる。

また波長変換層３２の厚さＴＰは、たとえば、２０μｍ以上、２ｍｍ以下とすることができる。積層体５２の発光層５２ｅと波長変換層３２の上面との距離Ｔ１や放出光ｇ１、ｇ２、ｇ３などの出射角度αが変化したとき、発光層５２ｅからの放出光と波長変換光との混合光の色度が変化することがある。切断面Ｓには、接着層２０と、透光性樹脂層３０と、波長変換層３２と、が露出する。

半導体発光層からの放出光は、発光ユニット１１の上面である光出射面から主に出射するので、発光ユニット１１の間の領域の輝度は低下する。しかし、本実施形態では、蛍光体粒子のような波長変換材が分散された樹脂を接着層２０の第１の面２０ａの側に一括して塗布できる。このため、発光層５２ｅからの放出光は、波長変換材により散乱され、発光ユニット１１の間の領域に到達する。このため、発光ユニット１１の間の領域における輝度の低下が抑制され、均一性が高められる。

この場合、透光性樹脂層３０の屈折率を波長変換層３２の屈折率よりも低くすると、放出光は波長変換層３２に入射しやすくなるのでより好ましい。積層体５２がＩｎＧａＡｌＮ系材料であると放出光は紫外光〜青色光の波長範囲となる。また、蛍光体粒子３４を黄色蛍光体からなるものとすると、放出光との混合光として白色光を得ることができる。すなわち、第２の実施形態により、色度が均一な白色光を放出可能で、所望の光出力の半導体発光装置が提供できる。

図７は、第３の実施形態にかかる半導体発光装置の模式断面図である。
本図は、接着層切断前を表す。接着層２０の第１の面２０ａにおいて、第１の発光ユニット１１ａと第２の発光ユニット１１ｂとの間の領域に、反射材が設けられた反射シート３６を設ける。このようにすると、接着層２０の裏面である第２の面２０ｂの側への光漏れを低減することができる。もし透光性樹脂層３０が蛍光体粒子などの波長変換材を含むと、波長変換材から下方に向かう光を上方に向かって反射することできる。

第１〜第３の実施形態によれば、発光効率を高く保ちつつ、発光面を所望のサイズにすることが容易な半導体発光装置が提供される。また、量産性に富むその製造方法が提供される。このような半導体発光装置は、照明装置、信号機、表示装置などに広く用いることができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１１、１１ａ、１１ｂ 発光ユニット、２０ 接着層、２０ａ 第１の面、２０ｂ 第２の面、２０ｃ、２０ｄ 開口部、３０ 透光性樹脂層（透光性材料層）、３２波長変換層、３４ 蛍光体粒子、３６ 反射シート、５２ 半導体積層体、５４ ｐ側電極、５６ ｎ側電極、５８ 補強樹脂層、６７、６７ａ、６７ｂ 引き出し電極、ＴＷ ウェーハの厚さ、ＴＳ 接着層の厚さ、ＴＣ 透光性樹脂層の厚さ、Ｇ 出射光、Ｐ 所定の間隔

Claims (11)

1. 第１の面と前記第１の面とは反対の側の光出射面とを有し発光層を含む半導体積層体と、前記第１の面に設けられたｐ側電極とｎ側電極と、前記ｐ側電極と接続されたｐ側引き出し電極と、前記ｎ側電極と接続されたｎ側引き出し電極と、前記ｐ側引き出し電極の表面と前記ｎ側引き出し電極の表面とを露出させかつ前記ｐ側引き出し電極の側面と前記ｎ側引き出し電極の側面とを囲むように設けられた補強樹脂層と、をそれぞれ有する第１および第２の発光ユニットを含む半導体発光装置の製造方法であって、
   接着層の第１の面に、前記第１の発光ユニットの前記補強樹脂層の表面と前記第２の発光ユニットの前記補強樹脂層の表面とを所定の間隔で接着する工程と、
   前記接着層の前記第１の面のうち前記第１および第２の発光ユニットが設けられない領域と、前記第１および第２の発光ユニットと、を覆う透光性樹脂層を形成する工程と、
   前記透光性樹脂層の上に蛍光体粒子を含む波長変換層を設ける工程と、
   前記第１および第２の発光ユニットを含むように、少なくとも前記透光性樹脂層を切断する工程と、
   を備えた半導体発光装置の製造方法。
2. 第１の面と前記第１の面とは反対の側の光出射面とを有し発光層を含む半導体積層体と、前記第１の面に設けられたｐ側電極とｎ側電極と、前記ｐ側電極と接続されたｐ側引き出し電極と、前記ｎ側電極と接続されたｎ側引き出し電極と、前記ｐ側引き出し電極の表面と前記ｎ側引き出し電極の表面とを露出させかつ前記ｐ側引き出し電極の側面と前記ｎ側引き出し電極の側面とを囲むように設けられた補強樹脂層と、をそれぞれ有する第１および第２の発光ユニットを含む半導体発光装置の製造方法であって、
   接着層の第１の面に、前記第１の発光ユニットの前記補強樹脂層の表面と前記第２の発光ユニットの前記補強樹脂層の表面とを所定の間隔で接着する工程と、
   前記接着層の前記第１の面のうち前記第１および第２の発光ユニットが設けられない領域と、前記第１および第２の発光ユニットと、を覆う透光性材料層を形成する工程と、
   前記第１および第２の発光ユニットを含むように、少なくとも前記透光性材料層を切断する工程と、
   を備えた半導体発光装置の製造方法。
3. 前記切断する工程のあとに、前記接着層を除去する工程をさらに備えた請求項２記載の半導体発光装置の製造方法。
4. 前記透光性材料層は、樹脂またはガラスからなる請求項２または３に記載の半導体発光装置の製造方法。
5. 第１の面と前記第１の面とは反対の側の光出射面とを有し発光層を含む半導体積層体と、前記第１の面に設けられたｐ側電極とｎ側電極と、前記ｐ側電極と接続されたｐ側引き出し電極と、前記ｎ側電極と接続されたｎ側引き出し電極と、前記ｐ側引き出し電極の側面と前記ｎ側引き出し電極の側面とを囲むように設けられた補強樹脂層と、を有する第１および第２の発光ユニットと、
   前記第１の発光ユニットの前記補強樹脂層の表面と前記ｐ側引き出し電極の表面と前記ｎ側引き出し電極の表面と、前記第２の発光ユニットの前記補強樹脂層の表面と前記ｐ側引き出し電極の表面と前記ｎ側電極の表面と、を露出させるように、前記第１および第２の発光ユニットと、を所定の間隔だけ離間して覆い、前記発光層からの放出光を透過可能な透光性材料層と、
   を備えた半導体発光装置。
6. 第１の面と、前記第１の面とは反対の側の第２の面と、を有する接着層であって、前記第１の面には前記第１の発光ユニットの前記補強樹脂層の前記表面と前記第２の発光ユニットの前記補強樹脂層の前記表面とが接着された接着層をさらに備えた請求項５記載の半導体発光装置。
7. 前記第１および第２の発光ユニットは、前記透光性材料層と接する保護樹脂層をさらに有する請求項５または６に記載の半導体発光装置。
8. 前記保護樹脂層に分散配置された蛍光体粒子をさらに備えた請求項７記載の半導体発光装置。
9. 前記透光性材料層の上に設けられ波長変換層をさらに備えた請求項５〜７のいずれか１つに記載の半導体発光装置。
10. 前記接着層の前記第２の面には、前記ｐ側引き出し電極の前記表面と、前記ｎ側引き出し電極の前記表面とを露出させる開口部が設けられた請求項６〜９のいずれか１つに記載の半導体発光装置。
11. 前記第１の発光ユニットの前記補強樹脂層の前記表面と、前記第２の発光ユニットの前記補強樹脂層の前記表面と、の間の前記透光性材料層の表面の側に設けられた反射シートをさらに備えた請求項５〜１０のいずれか１つに記載の半導体発光装置。

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