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技術 白色光、又は、カラー光を生成する光素子

出願人 台湾積體電路製造股ふん有限公司
発明者 黄信傑王昭雄
出願日 2011年3月8日 (10年2ヶ月経過) 出願番号 2011-050451
公開日 2011年10月20日 (9年6ヶ月経過) 公開番号 2011-211189
状態 特許登録済
技術分野 LED素子のパッケージ 発光ダイオード LED素子(パッケージ以外)
主要キーワード 微小型 経年変化特性 錐体視 フォトルミネッセンス材料 金属酸化物半導体トランジスタ 埋設電極 線状形状 金属導線
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2011年10月20日)のものです。
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図面 (19)

課題

白色光、又は、カラー光を生成する単一の蛍光体層光素子を提供する。

解決手段

光素子は、白色光を含むフルスペクトル光線(full spectrum of lights)を生成する。この光素子は、基板上で成長された二個、或いは、それ以上のLEDを含み、各LEDは、個別に制御されて、異なる波長光線を生成する。発光構造は基板上に形成され、エッチングにより、発光構造を異なる部分に分離され、二個、或いは、それ以上のLEDに割り当てられる。少なくとも一つのLEDは、蛍光材料が塗布され、この結果、発光構造が同じ波長の光を発光している場合にも、LEDから異なる波長の光が生成される。

概要

背景

発光装置(LED)は、発光ダイオードと選択的にフォトルミネッセンス(photoluminescence)材料(蛍光材料とも称される)を含む半導体光源であり、特定波長、又は、一波長範囲で、光線発光するのに用いられる。LEDは、これまで、表示ランプとして用いられてきたが、ディスプレイとして用いられることも多くなってきている。互いに逆導電型ドーピング半導体材料層により形成されるP-N接合(p-n junction)間に電圧印加されると、LEDは光を発する。異なる波長の光は、異なる材料を用いて、半導体層バンドギャップ(bandgap)を変化させ、P-N接合中に、アクティブ層(active layer)を形成することによって生成される。印加される電圧は、光の強度を制御する。この他、蛍光材料を選択することによって、LEDにより生成される光の特性を変化させることができる。

LEDディスプレイでは、通常、複数のLEDが、カラーイメージ画素を形成するためにしばしば使用される。一例を上げると、異なる成分、個別の光学特性及び制御を行う互いに分離して設けられたLEDを紅、緑、青を独立した光源として、これらの光源をグループ分けするか、又は、一緒に駆動することによって、単一の画素が形成される。LEDが、個別に起動、制御されると、画素は、フルスペクトル(full spectrum)の色を生成する。ディスプレイの経年変化に伴い、このディスプレイの白色点(white point)は、異なる色のLEDが異なる経年変化をおこすことにより移動する場合がある。単一画素が、三個、又は、それ以上のLEDを含み、且つ、対応した光学特性及び回路システムを含んでいるため、ディスプレイの解像度も低下する。

LEDは、白色光を生成するのに用いることもできる。白色光LEDは、通常、数種の蛍光体を適用すること、即ち、蛍光体を混合すること、又は、複数の蛍光体層を用いることによって、多色光を生成する。蛍光体に関するストークス(Stokes)の法則により、青色光、又は、その他の波長が短い光は、より長い波長の光にシフトされる。略等しい光量で、且つ、加法混色(additive mixing)と呼ばれるプロセスで周囲よりも高い輝度で、人間の目の三種感光錐体視細胞(赤、緑、青)を刺激することによって生成された混合波長により、白色の感覚が引き起こされる。白色光LEDは照明、例えば、通常、液晶ディスプレイ(LCD)に関係する各種ディスプレイ装置バックライト装置に用いられている。LEDのバックライト装置には、いくつかの課題がある。良好な均一度を達成することは、製造上において困難であり、また、LEDが長期間使用される場合、各LEDの経年変化速度が異なることによって難しい。よって、スクリーン上のある領域の色温度や輝度が変化するのが普通であり、場合によっては、ディスプレイの経年変化で、数百Kelvinにも達する色温度の変化が見られる。

LEDディスプレイには、高いディスプレイ解像度とこれに応じた経年変化が求められる。LCDが無い場合にも、高解像度カラー表示を可能にし、及び/又は、製造後及び白色LEDの経年と共に、均一な色温度を確保できる調整を可能にするようなLED設計が求められる。

概要

白色光、又は、カラー光を生成する単一の蛍光体層光素子を提供する。光素子は、白色光を含むフルスペクトル光線(full spectrum of lights)を生成する。この光素子は、基板上で成長された二個、或いは、それ以上のLEDを含み、各LEDは、個別に制御されて、異なる波長の光線を生成する。発光構造は基板上に形成され、エッチングにより、発光構造を異なる部分に分離され、二個、或いは、それ以上のLEDに割り当てられる。少なくとも一つのLEDは、蛍光材料が塗布され、この結果、発光構造が同じ波長の光を発光している場合にも、LEDから異なる波長の光が生成される。A

目的

本発明は、白色光を含むフルスペクトル光線(full spectrum of lights)を発光する光素子を提供し、上述の問題を解決することを目的とする

効果

実績

技術文献被引用数
2件
牽制数
3件

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請求項1

白色光を含むフルスペクトル光線を生成する光素子であって、前記素子は、基板と、前記基板の第一部分上にあり、第一光発光する第一発光構造を有する第一発光装置LED)と、前記基板の第二部分上にあり、第二光を発光する第二発光構造と、前記第二光を、前記第二光と異なる第三光に変換する第一蛍光体層と、を有する第二発光装置(LED)と、前記基板の第三部分上にあり、第四光を発光する第三発光構造と、前記第四光を、前記第四光と異なる第五光に変換する第二蛍光体層と、を有する第三発光装置(LED)と、前記第一LED、前記第二LED、前記第三LEDを個別に制御する複数の電極電気的に接続される複数の導電体と、を含み、前記第一発光構造、前記第二発光構造、前記第三発光構造は、同じ材料と厚さを有していることを特徴とする光素子。

請求項2

白色光を含むフルスペクトル光線を生成する光素子であって、前記素子は、基板と、前記基板の第一部分上にあり、第一青色光を発光する第一発光構造を有する第一発光装置(LED)と、前記基板の第二部分上にあり、第二青色光を発光する第二発光構造と、前記第一青色光を、赤色光に変換する第一蛍光体層と、を有する第二発光装置(LED)と、前記基板の第三部分上にあり、第三青色光を発光する第三発光構造と、前記第三青色光を、緑色光に変換する第二蛍光体層と、を有する第三発光装置(LED)と、前記第一LED、前記第二LED、前記第三LEDを個別に制御する複数の電極に電気的に接続される複数の導電体と、前記第一LED、前記第二LED、前記第三LEDの全ての上に設置される単一レンズと、を含むことを特徴とする光素子。

請求項3

前記複数の導電体は、複数のシリコン貫通ビア(TSV)中の金属で、前記複数のTSVは、各LEDに対して下部TSVと上部TSVを含み、前記第一LED、前記第二LED、前記第三LEDの前記下TSVは、互いに電気的に接続されていることを特徴とする請求項2に記載の光素子。

請求項4

白色光を含むフルスペクトル光線を生成する光素子であって、前記素子は、半導体基板と、前記基板の第一部分上にあり、第一光を発光する第一発光構造を有する第一発光装置(LED)と、前記基板の第二部分上にあり、第二光を発光する第二発光構造と、前記第二光を、前記第二光と異なる第三光に変換する第一蛍光体層と、を有する第二発光装置(LED)と、前記第一LED、前記第二LEDを個別に制御する複数の電極に電気的に接続される複数の導電体と、を含み、前記第一発光構造と前記第二発光構造は、同じ材料と厚さを有し、同時に形成されることを特徴とする光素子。

請求項5

白色光を含むフルスペクトル光線を生成する光素子であって、前記素子は、成長基板と、前記成長基板の第一部分上にあり、第一青色光、又は、紫外光を発光する第一発光構造を有する第一発光装置(LED)と、前記成長基板の第二部分上にあり、第二青色光、又は、紫外光を発光する第二発光構造と、前記第一青色光、又は、紫外光を、黄色光に変換する第一蛍光体層と、を有する第二発光装置(LED)と、前記第一LED、前記第二LEDを個別に制御する複数の電極に電気的に接続される複数の導電体と、を含み、前記第一発光構造と前記第二発光構造は、同じ材料と厚さを有し、同時に形成されることを特徴とする光素子。

請求項6

前記複数の導電体は、複数のシリコン貫通ビア(TSV)中の金属導線、又は、金属で、前記複数のTSVは、各LEDに対して、下部TSVと上部TSVを含み、前記第一LED、前記第二LEDの前記下TSVは、互いに電気的に接続されていることを特徴とする請求項5に記載の光素子。

請求項7

光素子の製造方法であって、成長基板を提供するステップと、前記成長基板上に、第一導電型の第一不純物がドープされる第一ドープ層と、前記第一ドープ層上のアクティブ層と、前記アクティブ層上にあり、前記第一導電型と反対の第二導電型の第二不純物がドープされる第二ドープ層と、を有する発光構造を形成するステップと、前記発光構造を用いて、少なくとも一つが蛍光体層を含む複数の発光装置を形成するステップと、前記複数の発光装置をパッケージ構造接合するステップと、を含むことを特徴とする方法。

技術分野

0001

本発明は、半導体装置に関するものであって、特に、集積光素子に関するものである。

背景技術

0002

発光装置(LED)は、発光ダイオードと選択的にフォトルミネッセンス(photoluminescence)材料(蛍光材料とも称される)を含む半導体光源であり、特定波長、又は、一波長範囲で、光線発光するのに用いられる。LEDは、これまで、表示ランプとして用いられてきたが、ディスプレイとして用いられることも多くなってきている。互いに逆導電型ドーピング半導体材料層により形成されるP-N接合(p-n junction)間に電圧印加されると、LEDは光を発する。異なる波長の光は、異なる材料を用いて、半導体層バンドギャップ(bandgap)を変化させ、P-N接合中に、アクティブ層(active layer)を形成することによって生成される。印加される電圧は、光の強度を制御する。この他、蛍光材料を選択することによって、LEDにより生成される光の特性を変化させることができる。

0003

LEDディスプレイでは、通常、複数のLEDが、カラーイメージ画素を形成するためにしばしば使用される。一例を上げると、異なる成分、個別の光学特性及び制御を行う互いに分離して設けられたLEDを紅、緑、青を独立した光源として、これらの光源をグループ分けするか、又は、一緒に駆動することによって、単一の画素が形成される。LEDが、個別に起動、制御されると、画素は、フルスペクトル(full spectrum)の色を生成する。ディスプレイの経年変化に伴い、このディスプレイの白色点(white point)は、異なる色のLEDが異なる経年変化をおこすことにより移動する場合がある。単一画素が、三個、又は、それ以上のLEDを含み、且つ、対応した光学特性及び回路システムを含んでいるため、ディスプレイの解像度も低下する。

0004

LEDは、白色光を生成するのに用いることもできる。白色光LEDは、通常、数種の蛍光体を適用すること、即ち、蛍光体を混合すること、又は、複数の蛍光体層を用いることによって、多色光を生成する。蛍光体に関するストークス(Stokes)の法則により、青色光、又は、その他の波長が短い光は、より長い波長の光にシフトされる。略等しい光量で、且つ、加法混色(additive mixing)と呼ばれるプロセスで周囲よりも高い輝度で、人間の目の三種感光錐体視細胞(赤、緑、青)を刺激することによって生成された混合波長により、白色の感覚が引き起こされる。白色光LEDは照明、例えば、通常、液晶ディスプレイ(LCD)に関係する各種ディスプレイ装置バックライト装置に用いられている。LEDのバックライト装置には、いくつかの課題がある。良好な均一度を達成することは、製造上において困難であり、また、LEDが長期間使用される場合、各LEDの経年変化速度が異なることによって難しい。よって、スクリーン上のある領域の色温度や輝度が変化するのが普通であり、場合によっては、ディスプレイの経年変化で、数百Kelvinにも達する色温度の変化が見られる。

0005

LEDディスプレイには、高いディスプレイ解像度とこれに応じた経年変化が求められる。LCDが無い場合にも、高解像度カラー表示を可能にし、及び/又は、製造後及び白色LEDの経年と共に、均一な色温度を確保できる調整を可能にするようなLED設計が求められる。

先行技術

0006

米国特許出願12/704,974号明細書

発明が解決しようとする課題

0007

本発明は、白色光を含むフルスペクトル光線(full spectrum of lights)を発光する光素子を提供し、上述の問題を解決することを目的とする。

課題を解決するための手段

0008

本発明に係る光素子は、白色光を含むフルスペクトル光線(full spectrum of lights)を生成する。この装置は、基板上で成長された二個、或いは、それ以上のLEDを含み、各LEDは、個別に制御されて、異なる波長の光線を生成する。発光構造は基板上に形成され、エッチングにより、発光構造を異なる部分に分離し、二個、或いは、それ以上のLEDに割り当てられる。少なくとも一つのLEDは、蛍光材料が塗布されるので、発光構造が同じであっても、発光する時、LEDにより、異なる波長の光が生成される。

発明の効果

0009

本発明により、高解像度のカラーディスプレイが得られ、また、製造後、長期間に亘って均一な色温度を確保できる。

図面の簡単な説明

0010

本発明の一態様による集積光素子の製造方法のフローチャート図である。
本発明の他の態様による集積光素子の製造方法のフローチャート図である。
図1図2に示された方法の具体例における一工程を説明する図である。
図3に示された工程とは異なる工程を説明する図である。
図4に示された工程の後に行われる工程を説明する図である。
図5(A)に示された工程の後に行われる工程を示す図である。
具体例によって得られたマルチLEDダイの上面図である。
具体例によって得られた他のマルチLEDダイの上面図である。
具体例によって得られた更に他のマルチLEDダイの上面図である。
具体例によって得られた別のマルチLEDダイの上面図である。
具体例によるマルチLEDダイの側面図である。
具体例による他のマルチLEDダイの側面図である。
具体例による更に他のマルチLEDダイの側面図である。
具体例による別のマルチLEDダイの側面図である。
具体例による更に別のマルチLEDダイの側面図である。
具体例による他のマルチLEDダイの側面図である。
具体例によるマルチ画素ダイの側面図である。
図8(A)の上面図である。

実施例

0011

図1と図2は、本発明の具体例による集積光素子の製造方法11と12のフローチャートである。図3〜図5は、本発明の具体例による各製造工程における集積光素子の部分図である。本発明の集積光素子は、個別に制御され、且つ、単一ダイによって構成された一つ、或いは、それ以上のLEDを有している。LEDは画素にグループ化される。光素子は、一つ、又は、数個の画素を含んでいる。光素子は、複数の光素子を有するディスプレイ、又は、照明裝置の一部分で、単独で、又は、組み合わせて制御される。光素子は、集積回路(integrated circuit;IC)チップ、又は、システムオンチップ(system-on-chip;SOC)の一部分でもよく、各種パッシブアクティブ微小型電子裝置、例えば、レジスタキャパシタインダクタダイオードMOS-FET(metal-oxide semiconductor field effect transistor)、相補型MOS(complementary metal-oxide semiconductor;CMOS)トランジスタバイポーラ接合トランジスタ(bipolar junction transistor;BJT)、横型MOS(laterally diffused metal-oxide semiconductor;LDMOS)トランジスタ、ハイパワー金属酸化物半導体トランジスタ、その他の種類のトランジスタを含む。図は、本発明の特徴を分かりやすくするために簡略化されている。このため、図1と図2の工程の前、中、及び後に、簡単述べられる他のプロセスが追加的なプロセスとして実行されても良いし、同じ効果を達成する公知のプロセスが記載されたプロセスに置き換えられても良い。

0012

図1を参照すると、方法11は、基板を準備するステップ13から始まる。基板は、発光構造を成長させるのに適する材料を含む。よって、基板は、成長基板、又は、成長ウェハとも称される。一実施例では、基板はサファイアを含み、別の実施例では、基板は、炭化ケイ素シリコン、その他の発光構造に適する材料を含んでいる。ステップ15で、基板上に発光構造を形成する。発光構造は、通常、発光ダイオード(light emitting diode)である。ここでの発光装置(light-emitting device;LED)には、発光ダイオード、発光ダイオードを制御する少なくとも一つの電極、及び、発光ダイオードが発光する光の波長をシフトする選択された蛍光材料が含まれる。

0013

図3は、基板31上の発光構造30を示す図で、発光構造30は、基板31上に形成される。本実施例では、発光構造30は、ドープ層33、多重量子井戸(multiple quantum well layer;MQW)層35、及びドープ層37を含んでいる。ドープ層33、37は、逆導電型にドープされた半導体層である。ある実施例では、ドープ層33はN型窒化ガリウム材料を含み、ドープ層37は、P型的材料を含んでいる。他の実施例では、ドープ層33はP型の窒化ガリウム材料を含み、ドープ層37はN型の窒化ガリウム材料を含んでいる。図3で示された多重量子井戸(MQW)層35は、活性材料を交互(又は、周期的)に重ね合わせた層、例えば、窒化ガリウムインジウムガリウム化物の層を含んでいる。例えば、一実施例では、多重量子井戸(MQW)層35は、10層の窒化ガリウムと10層のインジウムガリウム窒化物を含み、一つのインジウムガリウム窒化物層は一つの窒化ガリウム層上に形成され、他の窒化ガリウム層はこのインジウムガリウム窒化物層上に形成されている。

0014

図3において、ドープ層33、多重量子井戸層35とドープ層37は、全て、公知のエピタキシャル成長プロセスにより形成される。エピタキシャル成長プロセスにおいて、基板31は、種結晶として働き、ドープ層33、多重量子井戸層35、ドープ層37は、実質的に、基板31の格子構造方位と同じ格子構造及び方位を有している。エピタキシャル成長プロセス終了後、ドープ層33とドープ層37との間に、多重量子井戸層35を配置することにより、P-N接合(又は、P-Nダイオード)が実質的に形成される。ドープ層33とドープ層37間に、電圧が印加されると、電流が発光構造30に流れ、多重量子井戸層35が光を放射する。多重量子井戸(MQW)層35が発光する光の色は、放射波長と関係し、多重量子井戸(MQW)層35を構成する材料の成分と構造を変化させることにより、放射波長を調整できる。

0015

発光構造30を形成するプロセスには、必要に応じて、図3で示されない追加の層を形成するプロセスを含んでも良い。例えば、バッファ層が、基板31と第一ドープ層33間に含まれていても良い。第一のドープ層33の未ドープ材料、又は、その他の類似材料により、適当なバッファ層が形成されても良い。例えば、第一ドープ層が窒化ガリウムの場合、バッファ層は窒化アルミニウムであっても良い。この他、ドープ層37の上方に、追加的、又は、交互に、反射層、又は、オーミックコンタクト層が設置されても良い。光反射層は、金属、例えば、アルミニウム、銅、チタン、銀、それらの合金、又は、組み合わせであっても良い。物理気相蒸着法(physical vapor deposition;PVD)、又は、化学気相蒸着法(chemical vapor deposition;CVD)や、公知のその他のプロセスにより、光反射層を形成する。追加の層となるその他の層は、インジウムスズ酸化物(indium tin oxide;ITO)層であって良い。

0016

図1を参照すると、ステップ17で、発光構造を用いて、異なるLEDが形成される。これらのLEDは、形成後、同一基板上に位置付けられており、個別に制御をされる構造を有している。これらのLEDは同じ発光構造を有し、全て、ステップ15中で蒸着される。個別のLEDの形成は、少なくとも、発光構造を異なる部分に分離するステップを含み、これによって、発光構造に個別に電圧を加えて、個々に発光を制御することができる。常にとは限らないが、通常、各LED部分は、二個の電極と関連する回路を有している。ある実施例では、数個のLEDにより、一個の電極を共用している。

0017

少なくとも一個のLEDが発光する光の波長は、その他のLEDが発光する光の波長と異なっている。同一ステップで、同時に形成されるLEDの発光構造は、同じ光を放射する。通常、青色光か、紫外光が放射される。少なくとも一個のLEDが発光する光を別の波長の光に変換するために、フォトルミネッセンス(photoluminescence)材料、通常、蛍光材料が使用される。このように、全てのLEDは同じ光を発するアクティブ層を有しているが、これらのLED中の一個が発光する光の波長は、その他のLEDが発光する光の波長と異なっていると考えられて良い。光を異なる波長の光に変換するために、公知の様々な蛍光材料が用いることができる。

0018

LEDが同一発光構造を有することによる特定の特徴は、互いに別々に製造されたLEDを有する従来のイメージ画素と比較して、製造工程及び経年変化を改善し、均一化できることである。異なるウェハ、又は、同一のウェハのLEDの製造過程中において均一性が変化すると共に、互いに近接するウェハ上の位置においても小さい材料の変化を見ることができる。マルチLEDが従来のイメージ画素、例えば、赤、緑、青クラスタに使用されると、LEDは、異なるウェハから、異なる時間で製造された異なる層を含んでいる。これらの層は別々に製造されるので、各LEDは、製造条件に対し、異なる反応を有するので、異なる経年変化特性を有する。本発明の各種実施例によると、発光構造を同一基板上に、複数のLEDを形成することによって、発光構造材料特性ができるだけ近くなるようにすることができ、LEDの経年変化特性のバラツキを減少させることができる。

0019

ある実施例では、発光構造により二個のLEDを形成する。この場合、一個のLEDは青色光を生成し、もう一個のLEDは黄色光を生成する。両者の光を合わせると、白色光を知覚することができる。青色光は、青色光を発光するアクティブ層から直接生成されるか、又は、蛍光体によりその他の色、例えば、紫外光を青色光に変換することによって生成される。黄色光は、青色光、又は、紫外光を黄色光に変換することによって生成できる。

0020

異なる実施例では、三個のLEDが青色光、緑色光赤色光を生成する発光構造によって形成される。これらの光を混合することによって、白色光を知覚できる。青色光は、青色光を発光するアクティブ層から直接生成されても良いし、又は、蛍光体によりその他の色、例えば、紫外光を青色光に変換することによって生成されても良い。緑色光と赤色光は、青色光、又は、紫外光を、緑色光と赤色光に変換することにより生成されることができる。

0021

発光構造によって形成されたLEDは、個別に制御できる。LEDに印加される電圧を制御することにより、異なる強度の異なるカラー光が生成される。これらのカラー光の組み合わせは、白色光を生成すると共に、フルスペクトルのカラー光を生成するのに用いることができる。当業者には理解できるように、このコンセプトは、LED中に、異なる蛍光材料を含むことにより、フルスペクトル光線(full spectrum of lights)のサブセット(subset)を生成するのに用いることができる。このコンセプトは、不可視光にも拡張でき、例えば、紫外光は、複数のLEDを通過させ、これらのLEDにおいて変換され、更に、これらの変換された光を組み合わせることによって太陽光シミュレートすることもできる。

0022

発光構造を用いて、異なるLEDを形成するステップ17は、幾つかの手段により達成できる。図2を参照すると、図1のステップ17の一実施例として、ステップ16と18が示されている。ステップ16では、発光構造の一部分上に、蛍光体層が形成されている。この蛍光体層は図4に蛍光体層39として示されており、蛍光体層39の形成は、各種技術を使用することができる。

0023

幾つかの実施例によると、公知の半導体技術、例えば、スピンコーティング(spin coating)と化学気相蒸着法により、蛍光体層を形成し、その後、一部分をマスク、並びに除去して、必要な蛍光体層39が完成される。スピンコーティングにより、液体の蛍光材料を均一に発光構造の上表面に塗布し、このウェハを加熱することにより、コーティング硬化させる。その後、公知のリソグラフィプロセスにより、この蛍光材料をパターン化し、既知エッチング方法により、蛍光材料の一部分を除去する。

0024

発光構造の異なる部分上に、追加の蛍光体層、例えば、図4の蛍光体層41を加えてもよい。一例では、蛍光体層39と41は、異なる蛍光材料を含み、アクティブ層35が発光する光線を、異なるカラー光、例えば、赤色、又は、緑色に変化させる。追加のスピンコーティング、パターン化とエッチングのステップにより、蛍光体層39の蒸着後、蛍光体層41が蒸着されても良い。これにより、蛍光材料の非重複層を、個別に付加することができる。

0025

その他の実施例によると、一つ、或いは、それ以上の蛍光体層は、プリント方法により、ウェハ上に塗布することによって形成できる。半導体工程に適用されるプリント工程は、当業者であれば理解できるので、ここで詳述しない。一般に、予め規定された蛍光体パターンは、ウェハにプリント、又は、接着剤を使用して接合(bonding)することによって得られる。また、蛍光体パターンは、ウェハに対して、各蛍光体の個別の層にプリントすることによって得られる。

0026

図2を参照すると、ステップ18で、発光構造は、少なくとも二個のLEDを規定する部分に分離される。各LEDは、動作中、異なる色の光を生成することが好ましい。図5Aは、三個のLEDを表す三個の部分45、47、49に分離された発光構造を示す。経路を規定するトレンチ43は、発光構造をエッチングし、少なくともドープ層37とアクティブ層35を三個の部分に物理的に分離している。ある実施例では、トレンチ43は、基板31と下ドープ層33の間の中間層を通して基板31に到達している。別の実施例では、トレンチ43は、中間層、例えば、バッファ層にだけ到達している。LEDが下電極を共用する実施例では、トレンチ43は、導体層、例えば、オームクコタクト層、又は、下ドープ層33に到達している。トレンチ43がエッチングされた後、絶縁体をトレンチ43の側壁に塗布して、隣り合うLEDの間の電気的絶縁を確保することができる。ある実施例では、絶縁材料がトレンチ43に充填される。

0027

ある実施例では、図5Bで示されるように、図5Aの成長基板31が、発光構造を、少なくとも二個LEDを規定する数個の部分に分離するプロセス中に、除去される。半導体基板53は、接着層51により、成長基板31と反対の表面上で、発光構造30に接合される。好ましくは、必ずしも必要ではないが、反射層やミラー層(図示しない)により、接着層(接合層)51と発光構造30を分離する。その後、成長基板31を除去する。

0028

様々な既知の方法により、成長基板31を除去する。一例を上げると、電磁放射(例えば、レーザー)により、成長基板と第一群のIII/V族半導体層(ドープ層33)の間の界面が処理され、界面に位置する材料を分解することによって成長基板31は除去できる。この界面は、バッファ層か、ドープされていない窒化ガリウム層である。これにより、例えば、サファイアである成長基板31は、リフトオフされ、除去される。

0029

成長基板31の除去後、蛍光体層39と41が、半導体基板53の反対側の表面上に塗布される。しかし、発光構造を数個の部分に分割して、少なくともLED 45、47、49を規定する過程は、成長基板31の除去前、又は、除去後に実行されても良い。半導体基板53を接合する前、まず、発光構造30をエッチングして、経路43を規定する。これらの実施例では、LED部分45、47、49を分離する経路43は、ドープ層33を隔離しても、しなくてもよい。図5Bで示されるように、経路43は、ドープ層37とアクティブ層35を分離しているが、ドープ層33を貫通していない。

0030

別の実施例では、半導体基板53を発光構造30に接合後、発光構造30は異なるLED部分に分離されている。また、経路は、図5Bで示されるドープ層37と反対位置のドープ層33から開口されても良い。

0031

リソグラフィプロセスを用いて、単一ダイに用いるトレンチパターンは多くの形状を取ることができるが、従来のLED製造プロセスにおけるような直線状形状には限定されない。一個以上のLEDを有する各ダイは、マルチLEDダイである。各ダイを集積光素子に製作する。図6A〜図6Dは、マルチLEDダイの構造を示す図である。個々のLEDの表面積の大きさは、最終製品デザイン及び使用する材料に基づいて割り当てられている。例えば、青色光と黄色光により、白色光を生成する二個LEDのダイは、必要な白色色温度に基づいて割り当てられたLED面積を有する。図6Aにおいて、赤色61、緑色63、及び、青色65を生成する三個LEDのダイが示されている。図5に関連して上述されたように、LEDの間の境界62は、トレンチ、又は、経路で、各LEDの発光構造を分割している。図6Aで示されるように、赤色61の部分の面積は、それぞれ、緑色63の部分と青色65の部分の面積より大きい。実際の割当て設計は、蛍光体層の性質と関係がある。注意すべきことは、光は全方向に放射されることである。よって、アクティブ層の周辺を通して、経路及びダイの周辺から出射することが予想される。ダイ上のLED割当ては、周辺放射を考慮に入れて行われる。例えば、図6Bには、青色65と黄色67を生成する二個LEDのダイが示されている。図6Bの設計は、ダイ周辺で青色光を射出するのが望まれない状況に用いられ、よって、黄色LED 67で青色LED 65を囲んでいる。図6Cは、もう一種の配置図で、各LEDは帯状に配列され、各色は任意に配列でき、種々の可能性を含んでいる。図6Dでは、五個のLEDのダイが示されており、各LEDは、異なる色の光を生成する。マルチLEDダイで生成される光の波長は、重なっていても良いし、重ならなくてもよい。重なりがある程度、許される場合、マルチLEDダイは、より白色に近い光を生成するのに用いられる。一応用例は、フルスペクトルライティングであり、この場合、太陽光をシミュレートするために、紫外光を含んでいる。一方、図6Dの五個のLEDのダイは、重複した色を含んでも良く、例えば、同じ、又は、若干異なる波長で、赤色61と緑色63の二色が重なり、個別に制御される。

0032

一旦、発光装構造が、基板に取り付けられた少なくとも二個のLEDを規定する部分に分割されると、動作中にLEDを制御するために、電気接点がLED上に設けられても良い。各LEDは、少なくとも一個の分離した電気接点により、個別に制御されるのが好ましい。図7A〜図7Eは、シリコン貫通ビア(through substrate via;TSV)と回路の電気接点を用いた異なる実施例を示す図である。注意すべきことは、トレンチが、LED部分を分離する前、後、又は、同時に、ドリル、又は、エッチング方式により、シリコン貫通ビアを形成することである。適当な構造を形成する方法は、本技術分野において、既知の技術である。当業者であれば、所望の構造を達成するのに適切な製造工程を適当に設計することができる。

0033

図7Aは、トレンチ73により分離される二個のLED 71と72を示す図である。LED 71は蛍光体層74を含んでいる。図7Aで示されるように、トレンチ73は、ドープ層33と37、及び、アクティブ層35を、二個の部分に分割している。シリコン貫通ビア75A、75B、76A、76Bは、基板31の背面から、発光構造内に形成されている。図7Aにおいて、シリコン貫通ビア75A、75Bは、アクティブ層35を越えて、ドープ層37まで延びている。シリコン貫通ビア75A、75Bは、上部シリコン貫通ビアである。種々の実施例において、シリコン貫通ビア75A、75Bは、ドープ層37を越えて、オーミックコンタクト層、インジウムスズ酸化物(indium tin oxide;ITO)層、又は、電極層にまで延在しても良い。シリコン貫通ビア75A、75Bは、ドープ層37に対して導電性を有する電気的導体、例えば、金属で充填されている。電気的導体は、銅、アルミニウム、チタン、又は、半導体製造の際に通常使用されるその他の導体である。電気的導体は、シリコン貫通ビア75A、75B内で、アクティブ層35及びドープ層33から絶縁されている。このような絶縁は、導電体を蒸着する前、まず、シリコン貫通ビアに、誘電材料を塗布することにより達成される。LED中で、シリコン貫通ビアを使用することの詳細については、発明の名称「シリコン貫通ビア接続を有する発光装置(Light Emitting Device with Through Via Connection)」の2010年2月12日に米国で出願された「12/704,974」の米国特許出願明細書で開示されているから、ここでの参考資料とする。

0034

図7Aで示されるように、シリコン貫通ビア76A、76Bは、基板31を通して、第一ドープ層33まで延びている。シリコン貫通ビア76A、76Bは、下部シリコン貫通ビアである。他の実施例では、シリコン貫通ビア76A、76Bは、第一ドープ層33まで延伸しなくてもよく、中間層、例えば、バッファ層(図示しない)で留まっていても良い。シリコン貫通ビア75A、75Bと同様に、シリコン貫通ビア76A、76Bは絶縁されている。動作中、シリコン貫通ビアを通して、アクティブ層35に電圧が印加される。LED71は、シリコン貫通ビア75B、76Bを通して制御され、LED72は、シリコン貫通ビア75A、76Aを通して制御される。電圧を変えることにより、LED 71と72の発光構造によって発光される光の強度が制御される。ダイ上のLED 71と72は、共に多色光を発する。LED 71と72における発光光の強度を変化させることにより、生成される光のスペクトル分布を変化させることができる。例えば、赤色光、緑色光、青色光のLEDを有する三個LEDダイにおいて、各色のLEDを個別にオンオフすることにより、単一ダイにより、全スペクトルにわたる光を生成できる。光の強度に更に精密に制御するため、例えば、白色光の色温度を調整して、経年変化と製造上の均一度の問題を補償することができる。

0035

図7Bは、図7Aの変形例を示す図で、シリコン貫通ビア76A、76Bが連結されて、単一のシリコン貫通ビア76として示されている。図7BのLED 71と72は、LED72のシリコン貫通ビア75A、76間に与えられる電圧、及び、LED71のシリコン貫通ビア75B、76間に与えられる電圧をそれぞれ変化させることにより制御される。

0036

発光構造は、LED部分に分離された後、LED内、又は、LED上に、それぞれ、シリコン貫通ビア及び電極が形成される。その後、ウェハは、スクライブ線に沿って、ダイシング、又は、単一化され、多数のマルチLEDダイに分割される。図1及び図2に戻ると、LED形成後、ステップ19で、LEDは、パッケージ基板に接合される。パッケージ基板は、LED電極接続用の複数の端子を有している。パッケージ基板は、シリコン貫通ビア、又は、外部接続部により、LEDチップに接続される。

0037

図7Cは、LED71に用いられる電極86の一つが、導線77により、電極78に外部的に接続される実施例を示す図である。注意すべきことは、外部電極86を設けることにより、アクティブ層の面積が減少することである。図7Dは、ある実施例に係る構造を示す図であり、各LED71と72は、パッケージ基板85上の端子に外部的に接続されている。図のように、LED71は、ワイヤ80により端子81に接続された埋設電極79を備えている。一方、図のように、LED 72は、ドープ層37上方に位置し、且つ、ワイヤ83を介して端子84に接続された電極82を有している。ボンディングワイヤ80と83は、本技術分野における公知技術であり、金か銅線で、その他の金属や合金からなるその他のワイヤを使用することもできる。端子81と84は、ダイを取り付けるパッケージ基板85の一部分であり得る。LEDチップとパッケージ基板85の間には、接着層、又は、接合層(図示しない)を使用することができる。

0038

図7Eは、一つの電極が内部電極であり、他の電極は外部電極であるもう一つの実施例を示す図である。シリコン貫通ビア76A、76Bは、パッケージ基板85上のボンディングパッド87に接続され、更に、パッケージ基板85から、他のシリコン貫通ビア88A、88Bが外部回路に接続されている。他の例では、ボンディングパッド87は、パッケージ基板85を越えて、水平に延在し、パッケージ基板85上の外部端子に接続される。この他、各種電気的接続構造、例えば、ソルダーバンプ(solder bump)により、ボンディングパッド87は代替することができる。その他の例では、マルチLEDダイは、ボンディングパッド87を使用せず、直接、静電力により、パッケージ基板に接続するか、又は、回路がパッケージ基板85に埋設される。

0039

図7Fでは、図5Bで示され、且つ、図5Bを用いて説明された成長基板が除去されている。図7Fにおいて、シリコン貫通ビア76A、76Bがドープ層37に電気的に接続され、電極82がドープ層33に電気的に接続されている。LED部分は、接合層51により半導体基板53に接続される前に、エッチングによって形成された経路により分離されている。蛍光体層74が表面の一部を覆っている。図7Fで示される構造は、光が生成される表面を最大化する特徴を有している。これは、表面上に、トレンチ(経路)が形成されていないからである。図7Fで示される構造の変形例は、経路73がドープ層33を貫通するものである。この変形例では、半導体基板53を接続する前、ドープ層37をエッチングして、経路73を形成するか、又は、成長基板の除去後、ドープ層33をエッチングして、経路73を形成する。ある例では、まず、一方向でエッチングし、更に別の方向でエッチングし、経路73が形成される。

0040

種々の実施例において、電極を形成する前とパッケージ基板を接続する前、図7A〜図7Fで示されるマルチLEDダイが反転される。マルチLEDダイの反転は素子再配置することにより、光の品質を改善できる。即ち、所望方向の光から離れた位置の光を遮断するように、素子を再配置することができる。例えば、フリップ製品は、パッケージ基板に近接するマルチLEDダイの下側に取り付けられる電極及びワイヤを含むことができる。

0041

LEDは、好ましくは、光学素子、例えば、レンズにより被覆される。単一レンズを使用することによって、マルチLEDダイ全体が被覆されても良い。ある例では、マルチLEDダイの各LEDは、個別にレンズで保護される。典型的には、レンズが、完成したダイ/パッケージ上にモールディングされ、レンズは透明材料、例えば、シリコーン(silicone)、又は、その他のプラスチックであって良い。レンズの材料は、例えば、フィルター(filter)、拡散特性(diffuser)、反射特性(reflector)のような好ましい光学性質を有する分散粒子を含むことができる。

0042

レンズの材料は、フォトルミネッセンス材料、例えば、蛍光体でもよい。これらの材料をレンズ材料に埋め込まれるか、又は、構造の内表面に塗布されて良い。各種実施例によると、マルチLEDダイは、ダイ上の一つ、或いは、それ以上のLED上で、一種の蛍光体を含むと共に、レンズ内に、異なる種類の蛍光体を含むことにより、必要な効果を達成できる。例えば、発光構造は紫外光を発光し、レンズ中の蛍光体で青色光に変換させる一方、LED部分は、紫外光をレンズ材料を通過する赤色光及び緑色光に変換する。これらの光を合わせると、白色光が知覚されることになる。

0043

図1〜図7Eに関する上述の具体例は、マルチLED光素子の集合体を、ダイレベルで実現している。マルチLED用に単一基板を使用することによって、寸法を小さくできるだけでなく、各光源の間の均一度を向上することもできる。色温度のシフトを補償することができるので、各LEDを個別に制御することによって、ディスプレイ製品使用寿命延長することができる。これらのマルチLEDダイは、LCDを使用しないディスプレイ、例えば、LEDテレビに用いることができる。LEDは、リソグラフィプロセスを用いて割り当てられるので、直線を使用した従来の切断方法による制限を受けない。ディスプレイの設計者独特のLED形状を製作して、各種効果を達成することができる。この他、集積化の後に実行される工程は、チッププロセスとパッケージプロセスを含み、成熟したシリコン技術により、ウェハレベルで完成する。

0044

ここで開示された発明の概念は、単一画素を形成するマルチLEDダイに限定されない。明細書中で開示された発明の概念は、集積光素子(integrated photonic device)に用いられるマルチ画素ダイにも拡張できる。単一カラーイメージ画素は、それぞれ異なる光を生成する三個のLEDを必要とする。ここで述べられたマルチLEDダイは一個のカラーイメージ画素であるが、当業者であれば理解できるように、マルチLEDダイの寸法を拡大して、数個のカラーイメージ画素、又は、ディスプレイ全体を形成することもできる。図8Aは断面図で、同じ基板31上に、少なくとも二個の画素91と92を形成している。図8Bで示されるように、このようなマルチ画素ダイは、四個の画素を有している。シリコン貫通ビアを内部電極とし、半導体プロセス技術を使用して、LEDが占有する面積を減少させ、画素間の距離を非常に小さくできる。画素間の距離は、例えば、1.2 mm、1.0 mm、0.8 mmより小さく、又は、20ミクロンより小さくできる。マルチ画素ダイの寸法は、全ウェハ基板の寸法に達してもよく、基板寸法に応じて、数千、数百万、又は、数十億個のLEDを含むことも可能である。

0045

本発明では好ましい実施例を前述の通り開示したが、これらは決して本発明に限定するものではなく、当該技術を熟知する者なら誰でも、本発明の精神と領域を脱しない範囲内で各種の変形や修飾を加えることができ、従って本発明の保護範囲は、特許請求の範囲で指定した内容を基準とする。

0046

本発明に係る光素子は、ディスプレイだけでなく、液晶表示装置バックライトとしても適用できる。

0047

11 方法
12 方法
13 ステップ
15 ステップ
16 ステップ
17 ステップ
18 ステップ
19 ステップ
30発光構造
31基板(成長基板)
33ドープ層
35多重量子井戸層(アクティブ層)
37 ドープ層
39蛍光体層
41 蛍光体層
43トレンチ(経路)
45 部分(LED)
47 部分(LED)
49 部分(LED)
51接着層
53半導体基板
61紅色
62境界
63 緑色
65 青色
67 黄色
71 LED
72 LED
73 トレンチ(経路)
74 蛍光体層
75Aシリコン貫通ビア
75B シリコン貫通ビア
76 シリコン貫通ビア
76A シリコン貫通ビア
76B シリコン貫通ビア
77導線
78電極
79 電極
80 導線(ボンディングワイヤ)
81端子
82 電極
83 導線(ボンディングワイヤ)
84 端子
85パッケージ基板
86 電極
87ボンディングパッド
88A貫通孔
88B 貫通孔
91画素
92 画素

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