JP5471805B2 - Light emitting device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、半導体を構成材料として発光する発光素子の構造及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a structure of a light-emitting element that emits light using a semiconductor as a constituent material, and a manufacturing method thereof.
半導体の発光ダイオード(LED)を用いた照明機器は、従来の白熱電球や蛍光灯と比べて低消費電力かつ低発熱性のために、これらを将来的に置換することが期待されている。しかしながら、白熱電球や蛍光灯等と比べてLED照明機器は現状は非常に高価となるため、その低価格化が最大の課題である。 Lighting devices using semiconductor light emitting diodes (LEDs) are expected to be replaced in the future because of their low power consumption and low heat generation compared to conventional incandescent bulbs and fluorescent lamps. However, since LED lighting equipment is very expensive at present compared to incandescent bulbs, fluorescent lamps, etc., the most important issue is to reduce the price.
一方で、半導体のpn接合を発光面とするLEDは、大面積のものを製造することが困難であるため、これを照明機器として用いるためには、小さなLED素子を多数配列させて実質的に大面積とすることが必要である。このため、LED照明機器を低価格化するためには、小さなLED素子を、その発光効率を高く保ったままで多数配列させる製造技術が重要である。 On the other hand, since it is difficult to manufacture a large-area LED having a semiconductor pn junction as a light emitting surface, in order to use it as a lighting device, a large number of small LED elements are arranged substantially. It is necessary to have a large area. For this reason, in order to reduce the price of LED lighting equipment, it is important to have a manufacturing technique in which a large number of small LED elements are arranged with their luminous efficiency kept high.
特許文献1には、この一例の製造方法が記載されている。ここでは、1枚の半導体ウェハ中に多数の発光ダイオードを形成した後で、個々の発光ダイオードを分離するために、ダイシングテープ上で半導体ウェハをダイシング(切断)する。その後、ダイシングテープを膨張させることによって広げられた発光ダイオード間の空間に透光性絶縁層を充填する。この製造方法によって製造された発光素子90の断面形状を図7に示す。発光素子90においては、内部に発光層を有する半導体層91の上下面に導電性接着剤層92を介して電極93が形成され、側面には透光性絶縁層94が形成されている。半導体層91は、GaN等からなり、そのn型層とp型層とが図中の上下方向に積層されて構成される。発光層は主にこのpn接合界面付近となる。n型層とp型層はそれぞれ上下の電極93に接続され、上下の電極93間にこの発光ダイオードの順方向電流が流されることによって、この発光素子90は発光する。 Patent Document 1 describes a manufacturing method of this example. Here, after a large number of light emitting diodes are formed in one semiconductor wafer, the semiconductor wafer is diced (cut) on a dicing tape in order to separate the individual light emitting diodes. Thereafter, the space between the light emitting diodes expanded by expanding the dicing tape is filled with a translucent insulating layer. FIG. 7 shows a cross-sectional shape of the light emitting device 90 manufactured by this manufacturing method. In the light emitting element 90, an electrode 93 is formed on the upper and lower surfaces of a semiconductor layer 91 having a light emitting layer therein via a conductive adhesive layer 92, and a light transmissive insulating layer 94 is formed on a side surface. The semiconductor layer 91 is made of GaN or the like, and its n-type layer and p-type layer are stacked in the vertical direction in the figure. The light emitting layer is mainly near the pn junction interface. The n-type layer and the p-type layer are respectively connected to the upper and lower electrodes 93, and the light emitting element 90 emits light when a forward current of the light emitting diode flows between the upper and lower electrodes 93.
この構造の発光素子90が1枚の半導体ウェハから多数個作成され、これが所望の形態に配列されて照明器具とされる。 A large number of light-emitting elements 90 having this structure are produced from one semiconductor wafer, which are arranged in a desired form to form a lighting fixture.
図7の構造の発光素子90においては、導電性接着剤層92、電極93は、発光ダイオードが発する光に対して透明ではない。このため、この発光素子90が使用される際には、図7中の矢印で示されるように、側面から透光性絶縁層94を通して発光が取り出される。しかしながら、半導体層91における発光層は図7中の左右方向に延びるpn接合界面であるため、その発光強度が特に高いのは、図中の上下方向であり、左右方向には弱い。このため、図7の構造では発光効率を高くすることは困難である。 In the light emitting element 90 having the structure of FIG. 7, the conductive adhesive layer 92 and the electrode 93 are not transparent to the light emitted from the light emitting diode. For this reason, when the light emitting element 90 is used, light emission is extracted from the side surface through the translucent insulating layer 94 as indicated by an arrow in FIG. However, since the light emitting layer in the semiconductor layer 91 is a pn junction interface extending in the left-right direction in FIG. 7, the light emission intensity is particularly high in the up-down direction in the figure and weak in the left-right direction. For this reason, it is difficult to increase the light emission efficiency with the structure of FIG.
また、図7の構造において導電性接着剤層92、電極93を透明な材料で構成すれば、上方向からも光を取り出すことが可能となる。しかしながら、例えば図7中の上側の電極93に対して電気的接続を外部からとる場合には、電極93上にワイヤボンディング又ははんだ接合を施す、すなわち金属でできた配線をこれらの方法によって接続することが必要となる。このため、この場合においても、上方向に発した光は、この配線やはんだで遮られる。この際、配線の太さ、ワイヤボンディングやはんだ接合がなされる電極の大きさには下限があり、この遮光される領域の面積を小さくすることは困難である。結局、上方向に発した光を高効率で取り出すことは困難である。 Further, if the conductive adhesive layer 92 and the electrode 93 are made of a transparent material in the structure shown in FIG. 7, light can be extracted from above. However, when electrical connection is made from the outside to the upper electrode 93 in FIG. 7, for example, wire bonding or solder bonding is performed on the electrode 93, that is, wiring made of metal is connected by these methods. It will be necessary. For this reason, even in this case, light emitted upward is blocked by the wiring and solder. At this time, there is a lower limit to the thickness of the wiring and the size of the electrode to which wire bonding or solder bonding is performed, and it is difficult to reduce the area of the light shielding region. After all, it is difficult to extract light emitted upward with high efficiency.
このように、光を高効率で取り出すことのできる発光素子を得ることは困難であった。 Thus, it has been difficult to obtain a light emitting element that can extract light with high efficiency.
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、上記問題点を解決する発明を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such problems, and an object thereof is to provide an invention that solves the above problems.
本発明は、上記課題を解決すべく、以下に掲げる構成とした。
本発明の発光素子は、発光層が内部に設けられた半導体層が基板上に形成された矩形体形状の構造を具備する発光ダイオードが用いられる発光素子であって、前記発光ダイオードと、前記矩形体形状を構成する前記半導体層及び前記基板の側面に隣接して形成された透光性絶縁層と、前記発光ダイオードの上面及び前記透光性絶縁層の上面を覆い、前記発光ダイオードの一方の極と電気的に接続された透明電極と、前記透明電極上における前記透光性絶縁層の上面となる領域に形成された電極パッドと、を具備することを特徴とする。
本発明の発光素子において、前記基板はシリコン単結晶であり、前記半導体層は、III−V族化合物半導体材料からなるn型半導体層とp型半導体層とを含むことを特徴とする。
本発明の発光素子において、前記基板は導電性であり、前記基板の下面に、前記発光ダイオードの他方の極と電気的に接続された裏面電極が形成されたことを特徴とする。
本発明の発光素子は、前記半導体層の上面側において、前記発光ダイオードの一方の極、他方の極とそれぞれ電気的に接続された前記透明電極及び前記電極パッドを、それぞれ2組具備することを特徴とする。
本発明の発光素子は、前記透光性絶縁層中に蛍光材料が混入されたことを特徴とする。
In order to solve the above problems, the present invention has the following configurations.
The light-emitting element of the present invention is a light-emitting element using a light-emitting diode having a rectangular structure in which a semiconductor layer having a light-emitting layer provided therein is formed on a substrate, the light-emitting diode and the rectangular A light-transmitting insulating layer formed adjacent to a side surface of the semiconductor layer and the substrate constituting the body shape, covering an upper surface of the light-emitting diode and an upper surface of the light-transmitting insulating layer, and one of the light-emitting diodes A transparent electrode electrically connected to the electrode; and an electrode pad formed on a region of the transparent electrode that is an upper surface of the translucent insulating layer .
In the light-emitting element of the present invention, the substrate is a silicon single crystal, and the semiconductor layer includes an n-type semiconductor layer and a p-type semiconductor layer made of a III-V group compound semiconductor material.
In the light emitting device of the present invention, the substrate is conductive, and a back electrode electrically connected to the other electrode of the light emitting diode is formed on the lower surface of the substrate.
The light emitting device of the present invention comprises two sets of the transparent electrode and the electrode pad respectively electrically connected to one pole and the other pole of the light emitting diode on the upper surface side of the semiconductor layer. Features.
The light-emitting element of the present invention is characterized in that a fluorescent material is mixed in the light-transmitting insulating layer .
本発明は以上のように構成されているので、光を高効率で取り出すことのできる発光素子を得ることができる。 Since the present invention is configured as described above, a light-emitting element that can extract light with high efficiency can be obtained.
以下、本発明の実施の形態となる発光素子及びその製造方法につき説明する。この発光素子においては、発光層が半導体層中に形成された発光ダイオードが用いられる。この発光ダイオードの側面に隣接して透光性絶縁層が形成され、発光ダイオードの上面と透光性絶縁層の上面が共通の透明電極によって覆われる。透明電極上における透光性絶縁層の上面となる領域には電極パッドが形成される。発光ダイオードの上面は発光ダイオードにおける一方の極とされるため、この電極パッドはこの極と電気的に接続される。この構造においては、発光ダイオードからの発光が遮られることが少ないため、高い発光効率を得ることができる。 Hereinafter, a light emitting device and a method for manufacturing the same according to an embodiment of the present invention will be described. In this light emitting element, a light emitting diode having a light emitting layer formed in a semiconductor layer is used. A translucent insulating layer is formed adjacent to the side surface of the light emitting diode, and the upper surface of the light emitting diode and the upper surface of the translucent insulating layer are covered with a common transparent electrode. An electrode pad is formed in a region on the transparent electrode which becomes the upper surface of the translucent insulating layer. Since the upper surface of the light emitting diode is one of the poles of the light emitting diode, this electrode pad is electrically connected to this pole. In this structure, light emission from the light emitting diode is rarely blocked, so that high light emission efficiency can be obtained.
図1は、この発光素子の斜視図(a)、及びそのA−A方向の断面図(b)である。 FIG. 1 is a perspective view (a) of the light emitting device and a cross-sectional view (b) in the AA direction.
この発光素子10においては、発光ダイオード20が用いられる。発光ダイオード20は、導電性の基板(Si基板21)と、この上にエピタキシャル成長によって形成された半導体層で形成される。この半導体層は、n型GaN層(n型半導体層)22と、p型GaN層(p型半導体層)23とからなる。この発光ダイオード20においては、n型GaN層22とp型GaN層23の界面のpn接合近傍が主な発光層となる。この際、このpn接合に順方向電流を流すことにより、この発光ダイオード20を発光させることができる。 In the light emitting element 10, a light emitting diode 20 is used. The light emitting diode 20 is formed of a conductive substrate (Si substrate 21) and a semiconductor layer formed thereon by epitaxial growth. This semiconductor layer includes an n-type GaN layer (n-type semiconductor layer) 22 and a p-type GaN layer (p-type semiconductor layer) 23. In the light emitting diode 20, the vicinity of the pn junction at the interface between the n-type GaN layer 22 and the p-type GaN layer 23 is a main light emitting layer. At this time, the light emitting diode 20 can emit light by passing a forward current through the pn junction.
図1(b)に示されるように、この発光ダイオード20の側面には、透光性絶縁層30が隣接して形成される。透光性絶縁層30は、例えば発光ダイオード20が発する光に対して透明でかつ絶縁性の材料であり、例えばエポキシ樹脂やポリイミド等が用いられる。 As shown in FIG. 1B, a translucent insulating layer 30 is formed adjacent to the side surface of the light emitting diode 20. The translucent insulating layer 30 is a material that is transparent and insulating with respect to light emitted from the light emitting diode 20, for example, and an epoxy resin, polyimide, or the like is used.
発光ダイオード20と透光性絶縁層30とが隣接して形成された構成の下面には裏面電極41が、上面には透明電極42が形成される。裏面電極41は、Si基板21を介してn型GaN層22と電気的接続のとれる材料として、例えばアルミニウム(Al)で構成される。透明電極42は、p型GaN層23とオーミック接触が可能で、かつ発光ダイオード20が発する光に対して透明な材料として、例えばITO(Indium−Tin−Oxide)やZnO(Zinc−Oxide)等で構成される。なお、p型GaN層23との間のオーミック性や透光性絶縁層30との間の密着性等を向上させるために、これらの間に薄いチタン(Ti)層やニッケル(Ni)層を挿入することもできる。 A back electrode 41 is formed on the lower surface of the structure in which the light emitting diode 20 and the translucent insulating layer 30 are formed adjacent to each other, and a transparent electrode 42 is formed on the upper surface. The back electrode 41 is made of, for example, aluminum (Al) as a material that can be electrically connected to the n-type GaN layer 22 via the Si substrate 21. The transparent electrode 42 can be in ohmic contact with the p-type GaN layer 23 and is made of, for example, ITO (Indium-Tin-Oxide), ZnO (Zinc-Oxide), or the like as a transparent material with respect to the light emitted from the light emitting diode 20. Composed. In order to improve the ohmic property with the p-type GaN layer 23 and the adhesion with the light-transmitting insulating layer 30, a thin titanium (Ti) layer or nickel (Ni) layer is interposed between them. It can also be inserted.
この構成においては、発光ダイオード20と透光性絶縁層30の上面が共に共通の透明電極42で覆われる。ただし、透光性絶縁層30は絶縁性であるため、この構造において電流はSi基板21、n型GaN層22、p型GaN層23中のみを流れる。このため、裏面電極41と透明電極42に電圧を印加してこの発光ダイオード20を順方向として電流を流すことにより、この発光ダイオード20を発光させることができる。 In this configuration, the upper surfaces of the light emitting diode 20 and the translucent insulating layer 30 are both covered with the common transparent electrode 42. However, since the translucent insulating layer 30 is insulative, current flows only in the Si substrate 21, the n-type GaN layer 22, and the p-type GaN layer 23 in this structure. For this reason, this light emitting diode 20 can be made to light-emit by applying a voltage to the back surface electrode 41 and the transparent electrode 42, and letting this light emitting diode 20 be a forward direction, and let an electric current flow.
透明電極42における透光性絶縁層30上の領域において、電極パッド43が形成される。電極パッド43は、この上にワイヤボンディングあるいははんだ接合を施すことのできる金属で構成され、例えばチタン(Ti)/金(Au)の積層構造や、Al等で構成される。その厚さは、この上にワイヤボンディングあるいははんだ接合を施すことのできる程度に充分厚くされ、発光ダイオード20が発する光を透過させない程度の厚さとすることができる。 An electrode pad 43 is formed in a region on the translucent insulating layer 30 in the transparent electrode 42. The electrode pad 43 is made of a metal that can be wire-bonded or soldered thereon, and is made of, for example, a laminated structure of titanium (Ti) / gold (Au), Al, or the like. The thickness thereof is sufficiently thick so that wire bonding or solder bonding can be performed thereon, and can be made thick enough not to transmit light emitted from the light emitting diode 20.
この発光素子10を動作させるためには、発光ダイオード20における一方の極(p型GaN層23)と、他方の極(n型GaN層22)の間で順方向電流を流す。このうち、p型GaN層23に対しては、上記の通り、これに接続された電極パッド43からボンディングワイヤあるいははんだ接合された配線を通して外部から電流を流すことができる。一方、n型GaN層22に対しては、この発光素子10を例えば導電性接着剤で電極上に固定すれば、これに間接的に接続された裏面電極41を介して電流を流すことが可能である。 In order to operate the light emitting element 10, a forward current flows between one pole (p-type GaN layer 23) and the other pole (n-type GaN layer 22) in the light emitting diode 20. Among these, the p-type GaN layer 23 can be supplied with an electric current from the outside through the bonding wire or the soldered wiring from the electrode pad 43 connected thereto as described above. On the other hand, for the n-type GaN layer 22, if the light emitting element 10 is fixed on the electrode with, for example, a conductive adhesive, a current can be passed through the back electrode 41 indirectly connected thereto. It is.
上記の構造においては、発光ダイオード20からの発光は、特許文献1に記載の技術と同様に、図1(b)における横方向から取り出されるが、更に、透明電極42を介して上側からも取り出される。この際、電極パッド43は発光ダイオード20上には形成されていないため、電極パッド43や電極パッド43上に接続されるボンディングワイヤあるいははんだ、はんだ接合された配線等によって光が遮られることがない。このため、高い発光効率を得ることができる。 In the above structure, the light emission from the light emitting diode 20 is extracted from the lateral direction in FIG. 1B as in the technique described in Patent Document 1, but is further extracted from the upper side through the transparent electrode 42. It is. At this time, since the electrode pad 43 is not formed on the light emitting diode 20, light is not blocked by the electrode pad 43, a bonding wire connected to the electrode pad 43, solder, a soldered wiring, or the like. . For this reason, high luminous efficiency can be obtained.
この際、電極パッド43を、光に対する反射率の高いAlや銀(Ag)等で構成すれば、光が電極パッド43で吸収される割合を減少させることができ、更に発光効率を高くすることができる。 At this time, if the electrode pad 43 is made of Al, silver (Ag), or the like having a high reflectance with respect to light, the proportion of light absorbed by the electrode pad 43 can be reduced, and the luminous efficiency can be further increased. Can do.
なお、図1における発光素子10においては、これを上面から見た矩形の一頂点側に発光ダイオード20が設けられた構成としたが、発光ダイオード20をこの矩形の中央部に設け、その全周を透光性絶縁層30が取り囲む構成とすることも可能である。 1 has a configuration in which the light emitting diode 20 is provided on one apex side of the rectangle as viewed from above, the light emitting diode 20 is provided at the center of the rectangle and the entire periphery thereof is provided. It is also possible to have a configuration in which the light-transmitting insulating layer 30 surrounds.
また、透光性絶縁層30を構成する材料を、光透過率の高い透明材料ではなく蛍光材料とする、あるいはこれに蛍光材料を混入することも可能である。この場合、発光ダイオード20からの発光光をこの蛍光材料が吸収し、この蛍光材料がこの発光光と異なる波長の光を発する多色発光をさせることができる。例えば、発光ダイオードが発する光が青色である場合、YAG(イットリウム・アルミニウム・ガーネット)系の蛍光材料を用いれば、この2種類の波長の光が混合された疑似白色の発光を得ることも可能である。 In addition, the material constituting the light-transmitting insulating layer 30 may be a fluorescent material instead of a transparent material having a high light transmittance, or a fluorescent material may be mixed therein. In this case, the fluorescent material absorbs the light emitted from the light emitting diode 20, and the fluorescent material can emit multicolor light that emits light having a wavelength different from that of the emitted light. For example, when the light emitted from the light emitting diode is blue, if a YAG (yttrium, aluminum, garnet) fluorescent material is used, it is also possible to obtain pseudo white light emission in which light of these two wavelengths is mixed. is there.
また、透光性絶縁層30上の電極パッド43にワイヤボンディングが施される場合には、高い圧力や超音波が印加される。これらに対応するために、透光性絶縁層30中にガラスフィラー等を添加すれば、透光性絶縁層30の機械的強度を高め、ワイヤボンディング時の耐性を高めることができる。また、透光性絶縁層30の表面に凹凸を設けることによって、透明電極42との間の密着性を高めることも可能である。 Further, when wire bonding is applied to the electrode pad 43 on the translucent insulating layer 30, a high pressure or ultrasonic wave is applied. If a glass filler or the like is added to the light-transmitting insulating layer 30 to cope with these, the mechanical strength of the light-transmitting insulating layer 30 can be increased and the resistance during wire bonding can be increased. Further, it is possible to improve the adhesion between the transparent electrode 42 by providing irregularities on the surface of the light-transmitting insulating layer 30.
この構造の発光素子10は、以下に説明する製造方法によって容易に製造することができる。図2(a)〜(h)、図3(i)〜(l)は、この製造方法を示す工程断面図であり、図3は図2に続く工程を示す。また、図4(a)〜(h)、図5(i)〜(l)は、この製造方法における図2、3における各工程に対応した形態を発光素子10における上面側から見た上面図である。なお、これらの図においては、記載を簡略化しており、図中の寸法比率や切断されて得られる発光素子10の個数等は、実際の場合とは異なる。 The light emitting element 10 having this structure can be easily manufactured by a manufacturing method described below. 2 (a) to 2 (h) and FIGS. 3 (i) to (l) are process sectional views showing this manufacturing method, and FIG. 3 shows a process following FIG. 4 (a) to 4 (h) and FIGS. 5 (i) to 5 (l) are top views of a form corresponding to each step in FIGS. It is. In these drawings, the description is simplified, and the dimensional ratio in the drawings, the number of light-emitting elements 10 obtained by cutting, and the like are different from actual cases.
まず、図2(a)に示されるように、導電性のSi基板21上にn型GaN層22、p型GaN層23が順次形成された構成のウェハ24を製造する(ウェハ形成工程)。Si基板21は、シリコンの単結晶基板であり、導電性となるように不純物がドーピングされている。また、この上に良質のn型GaN層22、p型GaN層23がヘテロエピタキシャル成長できるように、その面方位は適宜設定される。n型GaN層22、p型GaN層23をこのSi基板21上に形成する工程は、MBE(Molecular Beam Epitaxy)法、あるいはMOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法によって行うことができる。n型GaN層22にはドナーとなる不純物が、p型GaN層23にはアクセプタとなる不純物が適宜ドーピングされる。n型GaN層22の厚さは例えば5.0μm、p型GaN層22の厚さは例えば0.2μm程度とすることができる。 First, as shown in FIG. 2A, a wafer 24 having a configuration in which an n-type GaN layer 22 and a p-type GaN layer 23 are sequentially formed on a conductive Si substrate 21 is manufactured (wafer forming step). The Si substrate 21 is a silicon single crystal substrate, and is doped with impurities so as to be conductive. Further, the plane orientation is appropriately set so that the high-quality n-type GaN layer 22 and p-type GaN layer 23 can be heteroepitaxially grown thereon. The step of forming the n-type GaN layer 22 and the p-type GaN layer 23 on the Si substrate 21 can be performed by an MBE (Molecular Beam Epitaxy) method or an MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) method. The n-type GaN layer 22 is appropriately doped with an impurity serving as a donor, and the p-type GaN layer 23 is appropriately doped with an impurity serving as an acceptor. The thickness of the n-type GaN layer 22 can be set to, for example, 5.0 μm, and the thickness of the p-type GaN layer 22 can be set to, for example, about 0.2 μm.
次に、図2(b)に示されるように、上記のウェハ24におけるSi基板21側をダイシングテープ(エキスパンドテープ)100に貼り付ける。ダイシングテープ100は、熱処理等によって均一に膨張をさせることのできるテープであり、その大きさは図4(b)に示されるように、上記のウェハ24よりも大きい。 Next, as shown in FIG. 2B, the Si substrate 21 side of the wafer 24 is attached to a dicing tape (expanding tape) 100. The dicing tape 100 is a tape that can be uniformly expanded by heat treatment or the like, and the size thereof is larger than that of the wafer 24 as shown in FIG. 4B.
次に、図2(c)に示されるように、ダイシングテープ100上において、p型GaN層23側の表面からSi基板21までを貫通するように複数の溝110を形成する(発光ダイオード分離工程)。この溝110は、図4(c)に示されるように、垂直な2方向にわたり形成される。溝110は、例えばダイシングソーやレーザーダイシングを用いて形成される。 Next, as shown in FIG. 2C, a plurality of grooves 110 are formed on the dicing tape 100 so as to penetrate from the surface on the p-type GaN layer 23 side to the Si substrate 21 (light emitting diode isolation step). ). As shown in FIG. 4C, the groove 110 is formed in two perpendicular directions. The groove 110 is formed using, for example, a dicing saw or laser dicing.
次に、図2(d)に示されるように、ダイシングテープ100に熱処理を加え、膨張させる(エキスパンド工程)。これにより、p型GaN層23、n型GaN層22、Si基板21で構成された個々の発光ダイオード20が分離されて形成される。また、隣接する発光ダイオード20間には溝110よりもより広い空隙が形成される。 Next, as shown in FIG. 2D, the dicing tape 100 is subjected to heat treatment and expanded (expanding process). Thereby, the individual light emitting diodes 20 constituted by the p-type GaN layer 23, the n-type GaN layer 22, and the Si substrate 21 are formed separately. In addition, a gap wider than the groove 110 is formed between adjacent light emitting diodes 20.
次に、図2(e)に示されるように、この状態で、透光性絶縁材料を上面全面に塗布する(透光性絶縁層形成工程)。これにより、透光性絶縁材料からなる透光性絶縁層30が、発光ダイオード20間に形成される。この際、透光性絶縁層30の表面と発光ダイオード20(p型GaN層23)の表面とがほぼ同一面上となるようにする。また、この透光性絶縁材料が発光ダイオード20の上面(p型GaN層23の上面)に残らない形態とすることが好ましく、このため、この工程前に予めこの面をマスキングし、透光性絶縁性材料の塗布後にこのマスクを除去してもよい。あるいは、透光性絶縁性材料の塗布後に発光ダイオード20の上面の透光性絶縁層を選択的にエッチングしてもよい。 Next, as shown in FIG. 2E, in this state, a translucent insulating material is applied to the entire upper surface (translucent insulating layer forming step). As a result, a translucent insulating layer 30 made of a translucent insulating material is formed between the light emitting diodes 20. At this time, the surface of the translucent insulating layer 30 and the surface of the light emitting diode 20 (p-type GaN layer 23) are set to be substantially on the same plane. Further, it is preferable that the translucent insulating material does not remain on the upper surface of the light emitting diode 20 (the upper surface of the p-type GaN layer 23). For this reason, this surface is masked in advance before this step, The mask may be removed after applying the insulating material. Alternatively, the light-transmitting insulating layer on the upper surface of the light-emitting diode 20 may be selectively etched after application of the light-transmitting insulating material.
次に、図2(f)に示されるように、この状態で、表面全面に透明電極42を形成する(透明電極形成工程)。例えば透明電極42として用いられる前記の材料に対してスパッタリング等の方法を用いることにより、この工程を行うことができる。なお、図2(e)では透光性絶縁層30の表面と発光ダイオード20の表面(p型GaN層23の表面)が同一平面をなすように記載しているが、図2(f)の工程において透明電極42が発光ダイオード20上と透光性絶縁層30上の間で分断されない限りにおいて、これらが厳密に同一平面をなす必要はない。 Next, as shown in FIG. 2F, in this state, the transparent electrode 42 is formed on the entire surface (transparent electrode forming step). For example, this step can be performed by using a method such as sputtering on the material used as the transparent electrode 42. In FIG. 2E, the surface of the translucent insulating layer 30 and the surface of the light emitting diode 20 (the surface of the p-type GaN layer 23) are described as being in the same plane. As long as the transparent electrode 42 is not divided between the light emitting diode 20 and the translucent insulating layer 30 in the process, they do not have to be exactly on the same plane.
次に、図2(g)に示されるように、この状態でダイシングテープ100を取り外す。この状態では、個々の発光ダイオード20(Si基板21)は分断されているものの、透光性絶縁材料(透光性絶縁層30)が全面にわたり形成されているため、図2(g)に示された構造を取り扱うことが可能である。なお、この工程は透明電極形成工程(図2(f))の前に行うこともできる。 Next, as shown in FIG. 2G, the dicing tape 100 is removed in this state. In this state, although the individual light-emitting diodes 20 (Si substrate 21) are divided, the translucent insulating material (the translucent insulating layer 30) is formed over the entire surface. Can be handled. In addition, this process can also be performed before a transparent electrode formation process (FIG.2 (f)).
次に、図2(h)に示されるように、この構造の裏面に、裏面電極41を形成する(裏面電極形成工程)。裏面電極41の成膜も、透明電極42の成膜と同様に行うことができる。 Next, as shown in FIG. 2H, a back electrode 41 is formed on the back surface of this structure (back electrode forming step). The back electrode 41 can be formed in the same manner as the transparent electrode 42.
次に、図3(i)(図2の続き)に示されるように、この構造の表面における透光性絶縁層30上の領域における透明電極42上に、電極パッド43を形成する(電極パッド形成工程)。その形成方法としては、全面に電極パッド43を構成する金属材料を成膜し、所望の箇所にフォトレジスト等のマスクを形成してからエッチングを行い、所望の箇所以外の金属材料を除去する(エッチング法)、(2)所望の箇所以外にフォトレジスト等のマスクを形成してから全面に上記の金属材料を成膜し、後でマスクを除去することによって所望の箇所以外の金属材料を除去する(リフトオフ法)、のいずれかの方法を用いることができる。なお、この工程は、透明電極形成工程(図2(f))の後であれば、裏面電極形成工程(図2(h))の前に行うことも可能である。 Next, as shown in FIG. 3I (continuation of FIG. 2), an electrode pad 43 is formed on the transparent electrode 42 in the region on the translucent insulating layer 30 on the surface of this structure (electrode pad). Forming step). As the formation method, a metal material constituting the electrode pad 43 is formed on the entire surface, a mask such as a photoresist is formed at a desired location, and etching is performed to remove the metal material other than the desired location ( (Etching method), (2) After forming a mask such as a photoresist other than the desired location, deposit the above metal material on the entire surface, and remove the mask later to remove the metal material other than the desired location Any of the methods (lift-off method) can be used. In addition, if this process is after a transparent electrode formation process (FIG.2 (f)), it can also be performed before a back surface electrode formation process (FIG.2 (h)).
次に、図3(j)に示されるように、この構造における裏面電極41側を、前記のダイシングテープ100と同様のダイシングテープ101に貼り付ける。 Next, as shown in FIG. 3 (j), the back electrode 41 side in this structure is attached to a dicing tape 101 similar to the dicing tape 100.
次に、図3(k)に示されるように、表面側から透明電極42、透光性絶縁層30、裏面電極41側を貫通する複数の溝120を形成し、上記の構造を切断する(切断工程)。この工程は、発光ダイオード分離工程(図2(c))と同様である。ただし、この場合に切断されるのは透光性絶縁層30がある箇所であり、図5(k)に示されるように、溝120は垂直な2方向にわたって形成される。これにより、個々の発光素子10が分離される。 Next, as shown in FIG. 3 (k), a plurality of grooves 120 penetrating the transparent electrode 42, the translucent insulating layer 30, and the back electrode 41 side from the front surface side are formed, and the above structure is cut ( Cutting step). This step is the same as the light emitting diode separation step (FIG. 2C). However, in this case, the portion where the translucent insulating layer 30 is cut is cut, and the groove 120 is formed in two perpendicular directions as shown in FIG. Thereby, the individual light emitting elements 10 are separated.
この後、図3(l)に示されるように、エキスパンド工程(図2(d))と同様に、ダイシングテープ101を膨張させる。これによって、図1に示された形態の発光素子10がダイシングテープ101上でその間隔を広くした状態で分離して得られる。発光素子10の大きさは、例えば200μm(縦)×200μm(横)×200μm(高さ)程度であり、例えばこれを真空吸着するダイコレット等の取り扱い治具を用いて、これを移動して配列させる等の作業が可能である。従って、発光素子10を並べて照明器具等を製造することができる。なお、図3(k)、図5(k)に示された状態で個々の発光素子10を取り扱うことが可能であれば、図3(l)、図5(l)の工程は不要である。 Thereafter, as shown in FIG. 3 (l), the dicing tape 101 is expanded in the same manner as in the expanding step (FIG. 2 (d)). As a result, the light emitting device 10 having the form shown in FIG. 1 is obtained by separating the light emitting device 10 on the dicing tape 101 in a state where the interval is wide. The size of the light emitting element 10 is, for example, about 200 μm (vertical) × 200 μm (horizontal) × 200 μm (height). For example, the light emitting element 10 is moved by using a handling jig such as a die collet that vacuum-sucks it. Work such as arraying is possible. Therefore, a lighting fixture or the like can be manufactured by arranging the light emitting elements 10 side by side. If the individual light emitting elements 10 can be handled in the state shown in FIGS. 3 (k) and 5 (k), the steps of FIGS. 3 (l) and 5 (l) are unnecessary. .
この際、取り扱う発光素子のサイズが小さい場合、取り扱い治具を用いてこれを移動する等の作業が困難となる。これに対して、この発光素子10において発光に直接寄与するのは発光ダイオード20であるが、その隣、あるいは周囲に透光性絶縁層30が形成されているため、発光素子10の実際の大きさは発光ダイオード20よりも大きくなる。従って、発光素子10を実質的に大きくし、その取り扱いを容易にすることができる。あるいは、発光素子10の大きさを一定とした場合には、発光ダイオード20をより小さくすることができるため、同じ大きさのウェハからより多くの発光素子10を製造することが可能である。 At this time, when the size of the light emitting element to be handled is small, it is difficult to move the light emitting element using a handling jig. On the other hand, the light emitting diode 20 directly contributes to light emission in the light emitting element 10, but since the light-transmitting insulating layer 30 is formed next to or around the light emitting diode 10, the actual size of the light emitting element 10 is increased. This is larger than that of the light emitting diode 20. Therefore, the light emitting element 10 can be substantially enlarged and the handling thereof can be facilitated. Or when the magnitude | size of the light emitting element 10 is made constant, since the light emitting diode 20 can be made smaller, it is possible to manufacture more light emitting elements 10 from the wafer of the same magnitude | size.
このため、この製造方法により、上記の発光素子10を、容易かつ低コストで得ることができる。 For this reason, by this manufacturing method, said light emitting element 10 can be obtained easily and at low cost.
なお、上記の製造方法においては、図1に示されたように、これを上面から見た矩形の一頂点側に発光ダイオード20が設けられた構成の発光素子10が製造された。しかしながら、発光ダイオード20をこの矩形の中央部に設け、その全周を透光性絶縁層30が取り囲む構成としても、例えば図3(k)、図5(k)に示される切断工程における溝120の位置を適宜設定することにより、同様に製造できることは明らかである。 In the above manufacturing method, as shown in FIG. 1, the light emitting element 10 having a configuration in which the light emitting diode 20 is provided on one vertex side of a rectangle when viewed from above is manufactured. However, even if the light emitting diode 20 is provided in the central portion of the rectangle and the entire periphery thereof is surrounded by the translucent insulating layer 30, for example, the groove 120 in the cutting step shown in FIGS. 3 (k) and 5 (k). It is obvious that the same manufacturing can be achieved by appropriately setting the positions of
図1の構成の発光素子10においては、発光ダイオード20における一方の極(p型GaN層23)に接続される電極として透明電極42あるいは電極パッド43が上面側に形成され、他方の極(n型GaN層22)と接続される電極として裏面電極41がSi基板21を介して下面側に形成された。この構成においては、ウェハ24において発光層が形成される半導体層の基板となるSi基板21に導電性があるために、裏面電極41とn型GaN層22とが電気的に接続することができた。 In the light emitting device 10 having the configuration of FIG. 1, a transparent electrode 42 or an electrode pad 43 is formed on the upper surface side as an electrode connected to one pole (p-type GaN layer 23) in the light emitting diode 20, and the other pole (n A back electrode 41 was formed on the lower surface side through the Si substrate 21 as an electrode connected to the type GaN layer 22). In this configuration, the back substrate 41 and the n-type GaN layer 22 can be electrically connected because the Si substrate 21 serving as the semiconductor layer substrate on which the light emitting layer is formed on the wafer 24 is conductive. It was.
これに対して、絶縁性の基板上に形成された半導体層を用いて同様の発光素子を形成することも可能である。図6は、この構成の発光素子50の斜視図(a)、上面図(b)、そのB−B方向の断面図(c)である。この発光素子50においては、上面側に透明電極と電極パッドが2組形成され、各々の組が発光ダイオードの2つの極に電気的に接続される。 On the other hand, a similar light-emitting element can be formed using a semiconductor layer formed over an insulating substrate. FIG. 6 is a perspective view (a), a top view (b), and a sectional view (c) in the BB direction of the light emitting element 50 having this configuration. In the light emitting element 50, two sets of transparent electrodes and electrode pads are formed on the upper surface side, and each set is electrically connected to two electrodes of the light emitting diode.
この構成における発光ダイオード60は、基板61上に形成されたn型GaN層62、p型GaN層63で構成される。ただし、この構成においては基板61としては、絶縁性材料である例えばサファイア等が基板61として用いられる。このため、基板61を介してn型GaN層62への電気的接続をとることは困難である。ノンドープのシリコン等、絶縁性ではなくともその導電率の低い材料を基板61として用いた場合についても同様である。 The light emitting diode 60 in this configuration includes an n-type GaN layer 62 and a p-type GaN layer 63 formed on a substrate 61. However, in this configuration, as the substrate 61, an insulating material such as sapphire is used as the substrate 61. For this reason, it is difficult to make an electrical connection to the n-type GaN layer 62 through the substrate 61. The same applies to the case where a non-insulating material such as non-doped silicon is used as the substrate 61 even if it is not insulating.
このため、この発光ダイオード60においては、p型GaN層63は、図6(c)中の右側の領域にのみ形成される。図6中の左側の領域には、その代わりにn側電極71が形成されている。この構造を製造するには、ます基板61上にn型GaN層62,p型GaN層63を順次形成した後に、図6中の左側の領域におけるp型GaN層63を選択的にエッチングすることにより除去してn型GaN層22を露出させる。その後、露出したn型GaN層22上にn側電極71を選択的に形成することによって製造できる。n側電極71は、n型GaN層62に対してオーミック接触が可能な金属材料を用いて形成することができる。ただし、その下部には発光層は存在しないため、この発光ダイオード60が発する光に対して透明である必要はない。 Therefore, in the light emitting diode 60, the p-type GaN layer 63 is formed only in the right region in FIG. Instead, an n-side electrode 71 is formed in the left region in FIG. In order to manufacture this structure, the n-type GaN layer 62 and the p-type GaN layer 63 are sequentially formed on the substrate 61, and then the p-type GaN layer 63 in the left region in FIG. 6 is selectively etched. To remove the n-type GaN layer 22. Thereafter, it can be manufactured by selectively forming the n-side electrode 71 on the exposed n-type GaN layer 22. The n-side electrode 71 can be formed using a metal material that can make ohmic contact with the n-type GaN layer 62. However, since there is no light emitting layer underneath, it is not necessary to be transparent to the light emitted by the light emitting diode 60.
透光性絶縁層70は、図1の構成の発光素子10と同様に、発光ダイオード60に隣接して形成されるが、上面側には、2本の透明電極81、82が電気的に独立とされて形成される。透明電極81は、p型GaN層63及び隣接する透光性絶縁層70を覆って形成され、透明電極82は、n側電極71及び隣接する透光性絶縁層70を覆って形成される。透明電極81の透光性絶縁層70上の領域には電極パッド83が、透明電極82の透光性絶縁層70上の領域には電極パッド84がそれぞれ形成される。電極パッド83、84上にワイヤボンディングが施されることにより、外部と電気的接続が可能となり、発光ダイオード60に順方向電流を流し、これを発光させることができる。すなわち、この構成においては、発光ダイオード60における2つの極に接続された2つの電極が共に上面側(同じ側)から取り出される。なお、図1に示された発光素子10とは異なり、裏面電極は不要である。 The light-transmitting insulating layer 70 is formed adjacent to the light-emitting diode 60 similarly to the light-emitting element 10 having the configuration shown in FIG. 1, but the two transparent electrodes 81 and 82 are electrically independent on the upper surface side. And formed. The transparent electrode 81 is formed to cover the p-type GaN layer 63 and the adjacent translucent insulating layer 70, and the transparent electrode 82 is formed to cover the n-side electrode 71 and the adjacent translucent insulating layer 70. An electrode pad 83 is formed on the transparent electrode 81 on the translucent insulating layer 70, and an electrode pad 84 is formed on the transparent electrode 82 on the translucent insulating layer 70. By performing wire bonding on the electrode pads 83 and 84, electrical connection with the outside becomes possible, and a forward current can be passed through the light emitting diode 60 to emit light. That is, in this configuration, the two electrodes connected to the two poles in the light emitting diode 60 are both taken out from the upper surface side (the same side). Unlike the light emitting element 10 shown in FIG. 1, a back electrode is not necessary.
この構成においても、p型GaN層63上からの光は電極パッド83、84等によって遮られないため、高い発光効率を得ることができることは明らかである。 Even in this configuration, light from the p-type GaN layer 63 is not blocked by the electrode pads 83, 84, etc., so that it is obvious that high luminous efficiency can be obtained.
この構成の発光素子50を製造するに際しては、例えば、前記の構成の発光ダイオード60が形成されたウェハに対して、前記の図2(b)以降の工程を同様に行えばよい。この際、透明電極形成工程(図2(f))後に、透明電極81、82を分離すること、電極パッド形成工程(図3(i))において透明電極81上に電極パッド83、透明電極82上に電極パッド84をそれぞれ形成すること、裏面電極形成工程(図2(h))を行わないこと、が異なる。また、透光性絶縁層形成工程(図2(e))において、p型GaN層63上だけでなく、n側電極71上にも透光性絶縁材料が残存しないようにすることも必要である。これらの点以外については前記の発光素子10と同様に、この構成の発光素子50も容易に製造することが可能である。 When manufacturing the light-emitting element 50 having this configuration, for example, the steps after FIG. 2B may be similarly performed on the wafer on which the light-emitting diode 60 having the above-described configuration is formed. At this time, the transparent electrodes 81 and 82 are separated after the transparent electrode forming step (FIG. 2F), and the electrode pad 83 and the transparent electrode 82 are formed on the transparent electrode 81 in the electrode pad forming step (FIG. 3I). The difference is that each of the electrode pads 84 is formed thereon, and the back electrode forming step (FIG. 2H) is not performed. Further, in the translucent insulating layer forming step (FIG. 2E), it is also necessary to prevent the translucent insulating material from remaining not only on the p-type GaN layer 63 but also on the n-side electrode 71. is there. Except for these points, the light-emitting element 50 having this configuration can be easily manufactured in the same manner as the light-emitting element 10 described above.
なお、この発光素子50においては、前記の通り、絶縁性の基板61を使用することができる。しかしながら、基板61が導電性であっても、同様の構成を用いることができることは明らかである。基板61の種類に関わらず、発光ダイオード60における2つの極に接続された2つの電極を共に上面側に形成する必要がある場合に、この構成を使用することが可能である。 In the light emitting element 50, as described above, the insulating substrate 61 can be used. However, it is clear that a similar configuration can be used even if the substrate 61 is conductive. Regardless of the type of substrate 61, this configuration can be used when two electrodes connected to the two poles of the light emitting diode 60 need to be formed on the upper surface side.
なお、上記の構成の発光素子10,発光素子50においては、いずれも基板上にエピタキシャル成長によって形成された半導体層を用いた発光ダイオードが用いられるとしたが、バルク半導体ウェハ中に形成された層を用いた発光ダイオードを用いた場合でも、同様の構成とすることができ、同様の効果を奏することは明らかである。 In each of the light-emitting element 10 and the light-emitting element 50 having the above-described configuration, a light-emitting diode using a semiconductor layer formed by epitaxial growth on a substrate is used. However, a layer formed in a bulk semiconductor wafer is used. Even when the used light emitting diode is used, it is obvious that the same configuration can be obtained and the same effect can be obtained.
また、上記の構成においては、n型GaN層とp型GaN層の界面のpn接合によって発光層が形成されるとしたが、その他の構成を用いることもできる。例えば、半導体層中にヘテロ構造を含んでもよく、GaN層とInGaN層が積層されたMQW(Multi Quantum Well)層をn型GaN層とp型GaN層間に形成してもよい。その他、n型半導体層とp型半導体層の上下関係等、発光ダイオードの構造も任意である。 In the above configuration, the light emitting layer is formed by the pn junction at the interface between the n-type GaN layer and the p-type GaN layer, but other configurations can also be used. For example, the semiconductor layer may include a heterostructure, and an MQW (Multi Quantum Well) layer in which a GaN layer and an InGaN layer are stacked may be formed between an n-type GaN layer and a p-type GaN layer. In addition, the structure of the light emitting diode is arbitrary, such as the vertical relationship between the n-type semiconductor layer and the p-type semiconductor layer.
また、発光ダイオードにおける特に発光層を形成する材料としては、発光波長に応じて任意の材料を用いることができる。また、例えば前記の通りに透光性絶縁層に蛍光材料を添加する場合には、この蛍光材料が発する光よりも短い波長の光を発する材料を発光層に用いることが必要である。従って、この場合には、短い波長の光を発する材料として、例えばGaN、GaInN等のIII族窒化物半導体やZnO等の酸化物半導体を用いることが好ましい。また、GaAsやGaP等のIII−V族化合物半導体を用いることもできる。 Further, as a material for forming the light emitting layer in the light emitting diode, any material can be used according to the emission wavelength. For example, when a fluorescent material is added to the light-transmitting insulating layer as described above, it is necessary to use a material that emits light having a shorter wavelength than the light emitted from the fluorescent material for the light emitting layer. Therefore, in this case, it is preferable to use, for example, a group III nitride semiconductor such as GaN or GaInN or an oxide semiconductor such as ZnO as a material that emits light having a short wavelength. Moreover, III-V group compound semiconductors, such as GaAs and GaP, can also be used.
また、上記の構成の発光素子10、発光素子50を以上に示した製造方法以外の製造方法でも製造することも可能である。 Moreover, it is also possible to manufacture the light emitting element 10 and the light emitting element 50 having the above-described structure by a manufacturing method other than the manufacturing methods described above.
10、50、90 発光素子
20、60 発光ダイオード
21 Si基板(基板)
22、62 n型GaN層(n型半導体層)
23、63 p型GaN層(p型半導体層)
24 ウェハ
30、70、94 透光性絶縁層
41 裏面電極
42、81、82 透明電極
43、83、84 電極パッド
61 基板
71 n側電極
91 半導体層
92 導電性接着剤層
93 電極
100、101 ダイシングテープ
110、120 溝
10, 50, 90 Light-emitting element 20, 60 Light-emitting diode 21 Si substrate (substrate)
22, 62 n-type GaN layer (n-type semiconductor layer)
23, 63 p-type GaN layer (p-type semiconductor layer)
24 Wafer 30, 70, 94 Translucent insulating layer 41 Back electrode 42, 81, 82 Transparent electrode 43, 83, 84 Electrode pad 61 Substrate 71 N-side electrode 91 Semiconductor layer 92 Conductive adhesive layer 93 Electrode 100, 101 Dicing Tape 110, 120 groove
Claims (5)
前記発光ダイオードと、
前記矩形体形状を構成する前記半導体層及び前記基板の側面に隣接して形成された透光性絶縁層と、
前記発光ダイオードの上面及び前記透光性絶縁層の上面を覆い、前記発光ダイオードの一方の極と電気的に接続された透明電極と、
前記透明電極上における前記透光性絶縁層の上面となる領域に形成された電極パッドと、
を具備することを特徴とする発光素子。 A light emitting element using a light emitting diode having a rectangular structure in which a semiconductor layer having a light emitting layer provided therein is formed on a substrate,
The light emitting diode;
A light-transmitting insulating layer formed adjacent to a side surface of the semiconductor layer and the substrate constituting the rectangular shape ;
A transparent electrode that covers the top surface of the light emitting diode and the top surface of the translucent insulating layer and is electrically connected to one of the electrodes of the light emitting diode;
An electrode pad formed in a region to be an upper surface of the translucent insulating layer on the transparent electrode;
A light emitting element comprising:
前記半導体層は、III−V族化合物半導体材料からなるn型半導体層とp型半導体層とを含む、
ことを特徴とする請求項1に記載の発光素子。 The substrate is a silicon single crystal;
The semiconductor layer includes an n-type semiconductor layer and a p-type semiconductor layer made of a III-V group compound semiconductor material.
The light-emitting element according to claim 1.
前記基板の下面に、前記発光ダイオードの他方の極と電気的に接続された裏面電極が形成されたことを特徴とする請求項1又は2に記載の発光素子。 The substrate is conductive;
The light emitting device according to claim 1, wherein a back electrode electrically connected to the other electrode of the light emitting diode is formed on the lower surface of the substrate.
前記発光ダイオードの一方の極、他方の極とそれぞれ電気的に接続された前記透明電極及び前記電極パッドを、それぞれ2組具備することを特徴とする請求項1又は2に記載の発光素子。 On the upper surface side of the semiconductor layer,
3. The light-emitting element according to claim 1, comprising two sets of the transparent electrode and the electrode pad that are electrically connected to one pole and the other pole of the light-emitting diode, respectively.
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