JP2006073618A - 光学素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 高度な加工技術を要することなく、既存の設備および既知の製造方法を使用しながら素子全体に占める発光面積を大にでき、実装性に優れ、電気的接続の信頼性が大で、良好な放熱性を有する光学素子およびその製造方法を提供することにある。
【解決手段】 ウエハー状のサファイア基板１０に対する半導体発光素子の製造プロセスに基づいてｎ外部電極１７およびｐ外部電極１８を発光層１３の周囲に設けたＬＥＤ素子１を形成するので、既存の設備を使用し、かつ既知の製造方法を使用して容易にＬＥＤ素子１を一括多量製造できる。
【選択図】 図１

Description

本発明は光学素子に関し、特に、高度な加工技術を要することなく、既存の設備および既知の製造方法を使用しながら素子全体に占める発光面積を大にでき、実装性に優れ、電気的接続の信頼性が大で、良好な放熱性を有する光学素子およびその製造方法に関する。

従来の光学素子として、サファイア等の光透過性の下地基板上にIII族窒化物系化合物半導体等の半導体結晶を成長させたＬＥＤ素子（Light Emitting Diode：以下、ＬＥＤ素子という。）が知られている。ＬＥＤ素子は、ｎ型およびｐ型の窒化物系化合物半導体層（以下、半導体層という）に通電することによって発光層内で発光し、発光に基づく光を外部放射する。

ＬＥＤ素子のｎ型およびｐ型の半導体層に通電するにあたって、ＬＥＤ素子最上層のｐ型半導体層に通電する第１の電極を設け、更に、ｐ型半導体層からエッチングを施すことにより露出させたｎ型半導体層に第２の電極を設けて、ワイヤボンディングによって外部回路との電気的接続を行うことが知られている。このようなＬＥＤ素子では、光取り出し面に第１の電極が設けられるためにＬＥＤ素子から出射される光の取り出しが妨げられるという不都合がある。

一方、外部回路との電気的接続をワイヤによらずにＡｕ等のパンプを介してフリップチップ接合し、発光層での発光に基づく光をサファイア基板側から取り出すようにしたＬＥＤ素子が提案されている。このようなＬＥＤ素子では、短絡を生じることなく、かつバンプ接合に必要な面積の第１および第２の電極を設ける必要があり、そのことによって素子全体に占める発光面積を大にすることが難しいという不都合がある。

かかる問題を解消するものとして、ＬＥＤ素子のｎ型半導体層およびｐ型半導体層に電圧印加を行うための電極を側面部に設けたＬＥＤ素子が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

特許文献１に記載されるＬＥＤ素子は、特許文献１の図１に示されているように、積層部の両側面部およびサファイア基板の両側面部に、たとえば酸化シリコン（ＳｉＯ₂）製の絶縁層を形成されている。一方の絶縁層は、積層部の最表面に位置するｐ型ＧａＮ層の端面部と接触する箇所にエッチングが施されている。また他方の絶縁膜は、ｎ型ＧａＮ層の端面部と接触する箇所にエッチングが施されており、エッチングの部位を介してｐ型ＧａＮ層およびｎ型ＧａＮ層に導通する導電性膜からなる電極が絶縁層の外表面に設けられている。

特許文献１に記載されるＬＥＤ素子によれば、半導体発光素子の積層部の表面部に電極は形成されていないため、発光層から発せられる光は効率よく上方向へ出射することとなる。また、発光層がエッチングによってその面積が減じられているようなこともなく、発光層の発光面積としては、サファイア基板と同一の大きな面積に形成しておくことができる。したがって、積層部の最表面の部位から上向きに出射される光量を大きくでき、発光強度を高めることができるとしている。
特開平８−１０２５５２号公報（〔００２４〕〜〔００３２〕、図１〕

しかし、特許文献１に記載されるＬＥＤ素子によると、サファイア基板に積層部を形成し、これをダイシングしてチップに分割した後に絶縁層に対してエッチングを行い、エッチング部位を介してｐ型ＧａＮ層およびｎ型ＧａＮ層に導通する電極を設けているため、個々のチップに対する微細かつ高度な加工技術を要し、一括多量生産が難しいという問題がある。また、電気的接続性の向上が図られても、発光に伴って生じる熱に対して充分な放熱性が得られなければ発光効率は向上せず、高輝度化、大出力化を実現することができない。

従って、本発明の目的は、高度な加工技術を要することなく、既存の設備および既知の製造方法を使用しながら素子全体に占める発光面積を大にでき、実装性に優れ、電気的接続の信頼性が大で、良好な放熱性を有する光学素子およびその製造方法を提供することにある。

本発明は、上記の目的を達成するため、発光層を含む半導体層と、素子全幅より小なる幅を有する前記半導体層の周縁に設けられ、前記発光層に給電するｎ側およびｐ側の電極とを有することを特徴とする光学素子を提供する。

また、本発明は、上記の目的を達成するため、ウエハー状の下地基板に半導体材料を積層して発光層を含む半導体層を形成する半導体層形成工程と、前記半導体層の表面から所定の幅および深さを有するように前記半導体層を除去して露出部を形成する半導体層除去工程と、前記露出部に前記半導体層のｎ層およびｐ層へ給電する電極を形成する電極形成工程と、前記電極が素子周縁に露出するように前記下地基板および前記半導体層を切断して素子化する素子化工程とを含むことを特徴とする光学素子の製造方法を提供する。

本発明によれば、素子全体に占める発光面積を大にでき、高度かつ高価な設備を要することなく実装性に優れ、電気的接続の信頼性が大で、サイズが大であっても良好な放熱性を付与することができる。

（第１の実施の形態）
（ＬＥＤ素子１の構成）
図１は、第１の実施の形態に係るＬＥＤ素子を示し、（ａ）は素子対角線方向に切断した縦断面図、（ｂ）はＬＥＤ素子の光取り出し面側から見た平面図である。

このＬＥＤ素子１は、図１（ａ）に示すように、サファイア基板１０上にIII族窒化物系化合物半導体を結晶成長させたものであり、サファイア基板１０上にＡｌＮバッファ層１１と、III族窒化物系化合物半導体層によって構成されるｎ−ＧａＮ層１２と、発光層１３と、ｐ−ＧａＮ層１４と、ｐ−ＧａＮ層１４に電流を拡散させるｐコンタクト電極１５とを順次積層し、ＧａＮ系半導体層１００の側面に光透過性を有する絶縁層１６と、ｐ−ＧａＮ層１４からｎ−ＧａＮ層１２にかけてエッチングで除去することにより露出したｎ−ＧａＮ層１２に設けられるｎ外部電極１７と、サファイア基板１０上のＡｌＮバッファ層１１からｐコンタクト電極１５にかけてのＧａＮ系半導体層１００の側面に設けられるｐ外部電極１８と、ｎ外部電極１７からｐ外部電極１８にかけての素子表面を覆う光透過性を有する絶縁層１９とを有する。

以下の説明においては、サファイア基板１０上のＡｌＮバッファ層１１から絶縁層１９にかけての部分をＧａＮ系半導体層１００としている。このＬＥＤ素子１の発光層１３から放射される光の発光波長は４６０ｎｍである。

III族窒化物系化合物半導体層の形成方法は、特に限定されないが、周知の有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）、分子線結晶成長法（ＭＢＥ法）、ハライド系気相成長法（ＨＶＰＥ法）、スパッタ法、イオンプレーティング法、電子シャワー法等によって形成することができる。なお、ＬＥＤ素子の構成としては、ホモ構造、ヘテロ構造若しくはダブルへテロ構造のものを用いることができる。さらに、量子井戸構造（単一量子井戸構造若しくは多重量子井戸構造）を採用することもできる。

ｐコンタクト電極１５は、ｐ−ＧａＮ層１４に電流を拡散させるとともに、外部との良好な電気的接続性を付与するためのものであり、本実施の形態では光反射性を有するＲｈによって形成されている。なお、ｐコンタクト電極１５は、ｐ−ＧａＮ層１４とオーミック接触可能な材料であれば光透過性を有するＩＴＯ（Indium Tin Oxide）、ＺｎＯ、Ａｕ／Ｃｏ、Ｎｉ／Ｔｉ等の透光性材料で形成されても良い。

絶縁層１６は、ＳｉＯ_２からなり、ＧａＮ系半導体層の側面を覆うように設けられてｎ外部電極１７およびｐ外部電極１８がＧａＮ系半導体層１００と短絡することを防止する。なお、ＳｉＯ_２に代えてＳｉＮ等の他の絶縁性材料を用いることもできる。

ｎ外部電極１７はＶ／Ａｌからなり、ｐ外部電極１８はＴｉによって形成されている。これらの外部電極は、素子側面での電気的接合およびｐコンタクト電極１５側での面実装を可能とするために素子側面からｐコンタクト電極１５形成面にかけての素子周縁に露出するように形成されている。ここでいう素子周縁とは、例えば、図１に示すＬＥＤ素子１の側面、および絶縁層１９の設けられるＧａＮ系半導体層１００表面の縁である。その形成長は、ｎ外部電極１７が隣接する２辺の側面全体、ｐ外部電極１８はｎ外部電極１７が形成される２辺に対向する２辺の一部に設けられており、ｐ外部電極１８の形成領域はｎ外部電極１７より小となるように設けられる。なお、表面に半田メッキを施しても良い。

（ＬＥＤ素子１の製造工程）
図２（ａ）から（ｄ）は、第１の実施の形態に係るＬＥＤ素子の製造工程（ＬＥＤ素子の側面に絶縁層１６を設ける工程まで）を示す図である。なお、以下の説明では、ウエハー状のサファイア基板１０に対して半導体層を形成し、これを切り離して素子化する製造工程について説明を容易にするために、ＬＥＤ素子１となる部分を中心に示している。

（ＧａＮ系半導体層形成工程）
まず、図２（ａ）に示すように、結晶成長の下地基板となるウエハー状のサファイア基板１０上にＭＯＣＶＤ法によってＡｌＮバッファ層１１、ＧａＮ系半導体層１００、およびｐコンタクト電極１５を形成する。

（第１のエッチング工程）
次に、図２（ｂ）に示すように、ＧａＮ系半導体層１００に対してドライエッチングを行い、ｎ外部電極およびｐ外部電極を設ける領域についてＧａＮ系半導体層１００の表面からｎ−ＧａＮ層１２にかけて半導体層をその積層方向に除去することにより、ＧａＮ系半導体層１００の側面に露出部１２Ａを設ける。なお、ｐコンタクト電極１５は、露出部１２Ａに形成後にフォトレジストを施してｐコンタクト電極１５を形成し、その後フォトレジストを除去することによって形成するようにしても良い。

（絶縁層１６の形成工程）
次に、図２（ｃ）に示すように、エッチング後のＧａＮ系半導体層１００に対し、ＳｉＯ_２系材料からなる絶縁層１６を蒸着法によって設ける。

（第２のエッチング工程）
次に、図２（ｄ）に示すように、絶縁層１６を形成されたＧａＮ系半導体層１００にフォトレジストを施してエッチングを行い、その後フォトレジストを除去することによって、ＧａＮ系半導体層１００の側面以外の部分に設けられている絶縁層１６を除去することにより、露出部１２Ａの一部およびｐコンタクト電極１５を露出させる。

図３（ａ）から（ｃ）は、第１の実施の形態に係るＬＥＤ素子の製造工程（電極形成工程から完成まで）を示す図である。

（ｐコンタクト電極１５の形成工程）
電極形成工程は、まず、図３（ａ）に示すように、ｎ外部電極側の露出部１２Ａに蒸着によってＶ／Ａｌからなるｎ外部電極１７を形成する。次に、ｐ外部電極側の露出部１２Ａに蒸着によってＴｉからなるｐ外部電極１８を形成する。なお、ｎ外部電極１７を構成する材料は、ｎ−ＧａＮ層１２とオーミック接触可能な材料であれば良く、上記したＶ／Ａｌ以外の他の材料、例えば、Ｔｉで形成することもできる。また、ｐ外部電極１８を構成する材料は、ｐコンタクト電極１５と電気接続可能な特性を有するものであれば良く、上記したＴｉ以外の他の材料、例えば、Ａｌで形成することもできる。

また、ｎ外部電極１７およびｐ外部電極１８ともにＴｉによって形成することも可能である。この場合には同一工程でｎ外部電極１７およびｐ外部電極１８を一括的に設けることができ、製造工程の簡略化を図れる。

（電極形成工程）
次に、図３（ｂ）に示すように、電極部分を含むＧａＮ系半導体層１００の上面、ｎ外部電極１７、およびｐ外部電極１８の形成領域にかけて、ＳｉＯ_２系材料からなる絶縁層１６を蒸着法によって設ける。

（絶縁層１９の形成工程）
次に、絶縁層１６を形成されたＧａＮ系半導体層１００にフォトレジストを施してエッチングを行い、その後フォトレジストを除去することによってｎ外部電極１７およびｐ外部電極１８の短絡防止と保護層としての絶縁層１９を設ける。素子周縁のｎ外部電極１７およびｐ外部電極１８については絶縁層１９は除かれている。

（素子化工程）
次に、ｎ外部電極１７およびｐ外部電極１８を有するＧａＮ系半導体層１００およびサファイア基板１０を図示しないダイサーで素子サイズに切断することにより、図３（ｃ）に示すようにＬＥＤ素子１が形成される。なお、素子化における切断はダイサーによるもの以外に、例えば、スクライブ等による加工も可能である。

図４は、第１の実施の形態に係るＬＥＤ素子の実装状態を示し、（ａ）は基板へのフリップチップ実装例、（ｂ）は凹部を設けた基板へのフリップチップ実装状態を示す図である。ＬＥＤ素子１は、図４（ａ）に示すようにエポキシ系の絶縁性接着剤４１によって配線パターン２２を表面に有するセラミックスの基板２３の表面に接着固定される。ｎ外部電極１７およびｐ外部電極１８は、半田２０Ａによって配線パターン２２とリフロー接合されている。なお、絶縁性接着剤４１は、熱伝導性の良好なものであれば他のものであっても良く、接着性を有しないペーストや、シート状の形態でＬＥＤ素子２と基板２３との密着性が得られるものであれば良い。また、耐熱性が高く、接着性が良好であればより望ましい。

基板２３は、配線パターン２２との絶縁性が確保できれば、上記したセラミックス、ガラスエポキシ、ポリイミドと導電箔の積層体からなるフレキシブル基板等の絶縁性基板に代えて、Ｃｕ、Ａｌ等の熱伝導性に優れる金属材料に絶縁処理を施した導電性基板を用いることもできる。

また、ｎ外部電極１７とｐ外部電極１８との短絡が生じないのであれば、絶縁性接着剤４１に代えて導電性を有する材料で基板２３に対しＬＥＤ素子１を支持固定するようにしても良い。このような材料として、例えば、Ａｕ、Ｃｕ、又はＡｌのフィラを含有したシリコーン樹脂からなる導電性ペーストを用いることができる。

また、ｎ外部電極１７およびｐ外部電極１８による配線パターン２２への電気的接続についても、半田２０Ａによるものに限定されず、例えば、導電性を有する接着剤（例えば、ＡｇペーストやＡｕ、Ｃｕ、Ａｌ等の導電性フィラーを含有させたエポキシ樹脂）等であっても良い。

また、図４（ｂ）示すように、素子位置決め用の凹部２３Ａを有する基板２３を用意し、凹部２３ＡにＬＥＤ素子１のｐコンタクト電極１５形成側が挿入されるように固定することも可能である。凹部２３Ａの内部には絶縁性接着剤４１が塗布されてＬＥＤ素子１のｐコンタクト電極１５形成側を接着固定している。また、ｎ外部電極１７およびｐ外部電極１８は、図４（ａ）と同様に半田２０Ａによって配線パターン２２とリフロー接合されている。

（ＬＥＤ素子１の動作）
以下に、図４（ａ）に示す第１の実施の形態のＬＥＤ素子１の動作について説明する。

配線パターン２２を図示しない電源部に接続して通電することにより、ＬＥＤ素子１のｎ外部電極１７とｐ外部電極１８を介して発光層１３に通電される。発光層１３は、通電に基づいて発光して青色光を生じる。青色光のうちサファイア基板１０側に放射される光は、サファイア基板１０を透過して外部に放射される。また、ＬＥＤ素子１の発光に基づいて生じた熱は、絶縁性接着剤４１を介して基板２３へ熱伝導する。

（第１の実施の形態の効果）
第１の実施の形態によると、以下の効果が得られる。
（１）ウエハー状のサファイア基板１０に対する半導体発光素子の製造プロセスに基づいてｎ外部電極１７およびｐ外部電極１８を発光層１３の周囲に設けたＬＥＤ素子１を形成するので、既存の設備を使用し、かつ既知の製造方法を使用して容易にＬＥＤ素子１を一括多量製造することができる。

（２）光取り出し面にではなくＧａＮ系半導体層１００の側面を除去してｎ外部電極１７とｐ外部電極１８とをＬＥＤ素子１の周縁に設けたので、発光層１３で生じた光がｎ外部電極１７、ｐ外部電極１８によって殆ど遮られることがなくなる。また、外部電極の配置に基づいて同一素子サイズで発光層１３の発光面積を大にでき、発光強度が向上するとともに光取り出し性の良好な高輝度のＬＥＤ素子１を得ることができる。

（３）フリップチップ型実装およびフェイスアップ型実装のいずれの形態でも配線パターン２２等への電気的接続が可能であり、用途に応じた実装形態を選択できるほか、いずれの実装形態にも該当しない、例えば、ＬＥＤ素子１の一側面を電気的、機械的に接合するといった実装も可能となり、多様な実装形態を提供できる。

（４）非発光部となるワイヤボンディングスペースや、ｎ電極バンプスペースを無くするか、あるいは極めて小にすることができるので、小サイズのＬＥＤ素子１であっても十分な発光エリア面積／発光素子面積の比を得ることができる。そのため、さらに小サイズのＬＥＤ素子として、素子幅に近い電極間隔を有するＬＥＤ素子１を具現化することができる。例えば、０．１ｍｍ角で実用性のある発光エリアを有したＬＥＤ素子１の製造が可能である。仮に、ＬＥＤ素子１の下面でＡｕスタッドバンプ実装を行うｎ側およびｐ側の両電極が設けられる場合、それぞれについて直径０．１ｍｍ程度のサイズの電極が必要となり、０．１×０．２ｍｍ^２未満のＬＥＤ素子１を作成することは困難である。

（５）ＬＥＤ素子１のｎ外部電極１７とｐ外部電極１８とを素子側面の２辺に連続するように設けているので、半田２０Ａのリフロー接合による接合面積を大にでき、安定した実装性および良好な放熱性が得られる。また、バンプ接合のように高い位置決め精度を要することなしに確実な実装を可能とする。なお、ｎ外部電極１７およびｐ外部電極１８については、図１（ｂ）に示したように必ずしも２辺に連続したものでなくても良く、不連続であっても良い。

（６）ＬＥＤ素子１のフリップチップ接合時にＧａＮ系半導体層１００側が基板２３に面接触するとともに、半田２０Ａによってｎ外部電極１７、ｐ外部電極１８が電気的に接合されるので、接合強度が大になる。また、サファイア基板を介さずにＧａＮ系半導体層１００から基板２３へ熱伝導させることができ、放熱性に優れる。また、ＬＥＤ素子１の接合界面に封止樹脂が介在しないので、熱膨張による接合剥がれを生じることがなく、信頼性に優れる。

なお、第１の実施の形態では、III族窒化物系化合物半導体を用いた青色系ＬＥＤ素子について説明したが、ＬＥＤ素子１は青色系に限定されず、他の発光色を生じるものであっても良い。また、半導体材料についてもIII族窒化物系化合物半導体以外の他の半導体材料であっても良い。

また、III族窒化物系化合物半導体を成長させる下地基板としてのサファイア基板１０に代えて、例えば、ＧａＮ基板を用いることもできる。

また、図４（ａ）で説明したように、ＬＥＤ素子１のｐコンタクト電極１５側を実装面としてフリップチップ型の実装形態で使用する場合、ｐコンタクト電極１５をＩＴＯで形成したＬＥＤ素子１を使用し、これをガラス等の光透過性を有する材料で形成した基板２３に対してｐコンタクト電極１５側が実装面となるように面実装することで、基板２３側に光を取り出すことが可能になる。

（第２の実施の形態）
（ＬＥＤ素子１の構成）
図５は、第２の実施の形態に係るＬＥＤ素子を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ部における断面図、（ｃ）は半田接続時の状態を示すサファイア基板側から見た平面図である。このＬＥＤ素子１は、長尺状に５つの発光領域を有するように形成されて複数のｎ外部電極１７とｐ外部電極１８とを有し、ｐ外部電極１８は（ｂ）に示すように電極接続部１８Ａを介してＲｈからなるｐコンタクト電極１５と接続されている。この長尺型のＬＥＤ素子１においても、ｎ外部電極１７とｐ外部電極１８とが側面に取り出されて充分な接合性を得ることのできる接合幅を有するように構成されており、ｎ外部電極１７とｐ外部電極１８は、ＬＥＤ素子１の相対する長辺部に配置されている。また、ＬＥＤ素子１の相対する短辺部にはｎ外部電極１７が露出している。

ｎ外部電極１７およびｐ外部電極１８は、（ｃ）に示すように半田２０Ａによって基板（図示せず）に設けられる配線パターンにフリップチップ接合される。

（第２の実施の形態の効果）
第２の実施の形態によると、第１の実施の形態の好ましい効果に加えてＬＥＤ素子１を長尺構造としても配線を容易に行えることから、光量が必要となる用途に最適なＬＥＤ素子１を提供することができる。また、ＬＥＤ素子１の側面に所定の接合幅を有して設けられたｎ外部電極１７とｐ外部電極１８により、均一かつ良好な電気的接合性が得られる。

また、図５（ａ）に示すように、複数の発光領域が設けられる素子構造においても、第１の実施の形態の効果で述べたようにＧａＮ系半導体層１００側から実装面（図示せず）に速やかに熱伝導されることから、高出力化に際して放熱性に余裕のある構成を実現することができる。

なお、第２の実施の形態では、発光領域が５つ設けられた長尺状のＬＥＤ素子１を説明したが、発光領域の数、大きさ、形状については用途等に応じて任意に設定することができる。

また、上記したＬＥＤ素子１は、図５（ｃ）に示すフリップチップ接合による用途に限定されず、ｐコンタクト電極１５をＩＴＯ、ＺｎＯ、Ａｕ／Ｃｏ、Ｎｉ／Ｔｉ等の透光性材料で形成し、サファイア基板１０側を実装面に搭載するフェイスアップ型のＬＥＤ素子１として用いることもできる。

（第３の実施の形態）
（ＬＥＤ素子１の構成）
図６は、第３の実施の形態に係るＬＥＤ素子を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ部における断面図である。このＬＥＤ素子１は、ラージサイズ（１ｍｍ角）のＬＥＤ素子１であり、素子側面から発光領域内にくし型に伸延されたｎ外部電極１７を有するとともにｐコンタクト電極１５とｐ外部電極１８とを接続する電極接続部１８Ａを複数設けた構成を有する。この第３の実施の形態のＬＥＤ素子１においても、ｎ外部電極１７およびｐ外部電極１８を素子側面に対向して露出させるとともに一側面全幅にわたって形成している。

ｐコンタクト電極１５は、ＧａＮ系半導体層１００側から光を取り出すＬＥＤ素子１として用いる場合には、ＩＴＯ等の透光性材料を用いることができる。また、サファイア基板１０側から光を取り出すＬＥＤ素子１として用いる場合には、上記した透光性材料に加えてＲｈ等の光反射性を有する導電性材料を用いることもできる。

（第３の実施の形態の効果）
第３の実施の形態によると、光取り出し面にｎ外部電極１７およびｐ外部電極１８を設けずに側面に配置したことにより、ラージサイズのＬＥＤ素子１において素子内部から光取り出しが可能な面積を大にでき、そのことによって光取り出し性の良好なＬＥＤ素子１が得られる。また、素子側面に対向してｎ外部電極１７およびｐ外部電極１８を形成したので、外部との接合面積を大にでき、接合強度、放熱性、電流の均一分散性を向上させることができる。また、Ａｕバンプを用いた実装と比べて実装時に位置決め等の面倒な調整を必要とせずに確実に実装することができる。

また、ラージサイズのＬＥＤ素子１では、標準サイズのＬＥＤ素子１と比べて発熱量が大になるが、ｎ外部電極１７およびｐ外部電極１８を側面に配置したことにより、実装基板等に全面を密着させることが可能であり、そのことによって充分な放熱性を確保することができる。

なお、第３の実施の形態では、ＬＥＤ素子１の側面に対向するようにｎ外部電極１７およびｐ外部電極１８を配置し、その全幅にわたって露出させた構成としているが、ｎ外部電極１７およびｐ外部電極１８が短絡することなくＬＥＤ素子１の側面に露出する構成であれば、これら電極を任意の場所およびサイズで形成することが可能である。

また、第３の実施の形態では、電極接続部１８Ａが９つ設けられたＬＥＤ素子１を説明したが、電極接続部１８Ａの数、大きさ、形状については用途等に応じて任意に設定することができる。

（第４の実施の形態）
（ＬＥＤ素子１の構成）
図７は、第４の実施の形態に係るＬＥＤ素子を示す平面図である。このＬＥＤ素子１は、ラージサイズのＬＥＤ素子１の側面に沿うようにｎ外部電極１７およびｐ外部電極１８を設けた構成を有する。このような構成としても、第３の実施の形態で説明したように、接合強度、放熱性、電流の均一分散性を向上させることができる。

（第５の実施の形態）
（ＬＥＤ素子１の構成）
図８は、第５の実施の形態に係るＬＥＤ素子を示す平面図である。このＬＥＤ素子１は、ラージサイズのＬＥＤ素子１の側面にｎ外部電極１７およびｐ外部電極１８を配置し、更に側面からＬＥＤ素子１の中央に向かう方向にｎ電極１７Ｂおよびｐ電極１８Ｂを伸延してくし状に形成した構成を有する。このような構成としても、第３の実施の形態で説明したように、接合強度、放熱性の向上を図ることができる。また、ｎ外部電極１７およびｐ外部電極１８からくし状に伸延したｎ電極１７Ｂおよびｐ電極１８Ｂを設けることで、発光領域に対する電流の均一分散性をより向上させることができる。

（第６の実施の形態）
（ＬＥＤ素子１の配線構造）
図９は、第６の実施の形態としてＬＥＤ素子を銅リードに接続した実装状態を示す図である。銅リード２１は、銅合金を所定のリード形状に予めプレス等による加工により形成されたものであり、ＬＥＤ素子１の側面において半田メッキ２０による半田接合に基づいてｎ外部電極１７とｐ外部電極１８に接続されている。ＬＥＤ素子１は、Ｒｈからなるｐコンタクト電極１５を有しており、そのことによってサファイア基板１０側から外部に光を取り出す構成を有する。なお、ｎ−ＧａＮ層１２は、カソード側およびアノード側に給電する銅リード２１，２１と側面において面接触しているが、この接触面ではオーミック接触していないことから短絡は生じない。

図９においては、一対の銅リード２１が電気的接続と機械的支持を兼ねる構成となっており、ＬＥＤ素子１を銅リード２１で支持することによって宙吊りにした状態を示している。なお、ＬＥＤ素子１および銅リード２１の保護および光取り出し向上の点から、ＬＥＤ素子１および銅リード２１をエポキシ樹脂等の封止材料で一体的に封止する構成とすることが好ましい。また、銅リード２１とＬＥＤ素子１とを電気的に接合するものとして、上記した半田メッキ２０以外の導電性接合材を用いることもできる。このような導電性接合材として、例えば、Ａｇペーストや導電性フィラーを含有したエポキシ接着剤等を用いることができる。

（ＬＥＤ素子１の動作）
以下に、図９に示すＬＥＤ素子１の動作について説明する。

銅リード２１を図示しない電源部に接続して通電することにより、ＬＥＤ素子１のｎ外部電極１７とｐ外部電極１８を介して発光層１３に通電される。発光層１３は、通電に基づいて発光して青色光を生じる。青色光のうちサファイア基板１０側に放射される光は、サファイア基板１０から外部に放射される。また、青色光のうちｐコンタクト電極１５側に放射される光は、ｐコンタクト電極１５で反射されてサファイア基板１０から外部に放射される。

（第６の実施の形態の効果）
第６の実施の形態によると、以下の効果が得られる。
（１）光取り出し面にｎ外部電極１７とｐ外部電極１８とを設けずにＬＥＤ素子１の側面に設けているので、図９に示すようにフェイスアップ型、フリップチップ型のいずれの実装形態にも該当しない実装が可能になる。このことにより、薄型でコンパクトな実装が可能となり、封止材料による封止性の向上、パッケージの小型化を図ることができる。また、銅リード２１はＬＥＤ素子１より薄ければ、側面からの光取り出しをより向上させることができるので、より望ましい。

（２）素子側面に熱伝導性の良好な銅リード２１が配置されるので、ＬＥＤ素子１の発光に基づいて生じた光の外部放射を阻害することなく、発熱に基づく熱がＧａＮ系半導体層１００および半田メッキ２０を介して速やかに放熱される。

なお、第６の実施の形態では、Ｒｈからなるｐコンタクト電極１５を有したＬＥＤ素子１としたが、ＩＴＯ等の透光性材料からなるｐコンタクト電極１５を設けることによって、サファイア基板１０側およびＧａＮ系半導体層１００側の両方から光取り出しを行うことが可能となる。

（ＬＥＤ素子１の他の接続構成）
図１０は、第７の実施の形態に係るＬＥＤ素子の他の実装状態を示し、（ａ）は第１の実装状態を示す縦断面図、（ｂ）は第２の実装状態を示す縦断面図である。

図１０（ａ）に示す第１の実装状態では、ＬＥＤ素子１はＩＴＯ等の透光性材料からなるｐコンタクト電極１５を有し、サファイア基板１０側がＡｌ_２Ｏ_３からなる絶縁性の基板２３に図示しない接着剤によって接着固定されており、ｎ外部電極１７とｐ外部電極１８は半田２０Ａによって基板２３の表面に設けられる配線パターン２２に電気的に接続されている。

半田２０Ａは、例えば、Ａｇペースト等の導電性接着剤を代わりに用いることも可能である。また、他の導電性接着剤として、導電性フィラー含有のエポキシ接着剤等であっても良い。

また、導電性接着剤が光透過性を有するものであっても良い。例えば、透明なエポキシ樹脂に導電性フィラーを含有させた導電性接着剤を用いると、ＬＥＤ素子１の側面から光を取り出すことが可能になる。

基板２３は、光透過性を有するものであっても良い。この場合には、ＧａＮ系半導体層１００側からの光取り出しに加えてサファイア基板１０側から基板２３への光取り出しが可能になる。

また、基板２３は、Ｃｕ、Ａｌ等の導電性を有する材料で形成されていても良い。この場合、基板２３を介して短絡を生じることのないように表面に絶縁層を設ける必要はあるが、放熱性を確保するうえで金属等の導電性材料を選択することは有効である。

図１０（ｂ）に示す第２の実装状態では、ＬＥＤ素子１を基板２３に形成された凹部２３Ａに収容している構成において第１の実装状態と相違している。この凹部２３Ａは傾斜面２３Ｂを有しており、収容されたＬＥＤ素子１の周囲に空間が形成されるようになっている。ＬＥＤ素子１は凹部２３Ａに収容されることによって基板２３表面からの突出量が抑えられており、かつ、傾斜面２３ＢとＬＥＤ素子１との間に空間に充填された半田２０Ａによって一対の配線パターン２２と電気的に接続される。

なお、図１０（ｂ）に示す基板２３は、光反射性を有する金属材料で形成しても良い。この場合、表面に絶縁層を設ける必要はあるが、傾斜面２３Ｂを反射面としてＬＥＤ素子１側面方向に放射された光を反射に基づいて取り出すことが可能になる。また、半田２０Ａは、光透過性を有する導電性接着剤であっても良く、この場合には電気接合部分における光取り出しが可能になる。

（第７の実施の形態の効果）
（１）第１の実装状態において、ＬＥＤ素子１の側面に設けられたｎ外部電極１７とｐ外部電極１８に対して半田２０Ａによる電気的接合がなされるので、ＧａＮ系半導体層１００からの光取り出し面積を大にできる。また、素子側面における電気的接合は、半田２０Ａ以外にも導電性接着剤等による接合を選択することも可能であり、用途に応じた適切な接合方法を選択できる。また、基板２３を光透過性材料で形成した場合において、基板２３側からの光取り出しを実現できる。

（２）第２の実装状態において、凹部２３Ａを有した基板２３にＬＥＤ素子１を埋設することにより、第１の実装状態の好ましい効果に加えてＬＥＤ素子１の位置決めが容易に行えるとともに、基板２３の表面からの素子突出量を抑えてコンパクトなパッケージを実現できる。また、凹部２３Ａに傾斜面２３Ｂが設けられているので、素子側面に放射された光を傾斜面２３Ｂで反射させて外部放射させることができる。

（第８の実施の形態）
（ＬＥＤ素子１の構成）
図１１は、第８の実施の形態に係るＬＥＤ素子の実装状態を示す縦断面図である。このＬＥＤ素子１は、図４（ａ）で説明したＬＥＤ素子１のサファイア基板１０をリフトオフした構成において図４（ａ）のＬＥＤ素子１と相違している。

ＬＥＤ素子１は、サファイア基板１０側からレーザ光を照射することによってサファイア基板１０およびＡｌＮバッファ層１１をリフトオフしたものである。なお、リフトオフに伴ってｎ−ＧａＮ層１２の表面にＡｌＮバッファ層１１が残存することがあり、この場合には酸洗浄によってＡｌＮバッファ層１１を除去することが好ましい。

このＬＥＤ素子１は、配線パターン２２に接続された図示しない電源部からｎ外部電極１７およびｐ外部電極を介して発光層１３に電圧を印加することにより発光層１３において発光する。発光に基づく光のうち、ｎ-ＧａＮ層１２側に放射された光はｎ-ＧａＮ層１２から外部放射される。また、ｐコンタクト電極１５側に放射された光はＲｈで形成されたｐコンタクト電極１５で反射されてｎ-ＧａＮ層１２から外部放射される。

なお、ｐコンタクト電極１５をＩＴＯ等の透光性材料で形成し、かつ、基板２３を光透過性を有する材料で形成することによって、実装側であるＧａＮ系半導体層１００側から光取り出しおよび放熱を行える構成としても良い。

（第８の実施の形態の効果）
第８の実施の形態によると、フリップチップ接合されたＬＥＤ素子１のｎ−ＧａＮ層１２から光取り出しが可能になることによって、ＧａＮ系半導体層１００から外部放射されない層内閉込光を低減でき、外部放射効率に優れる発光装置を形成することが可能になる。

また、ＬＥＤ素子１の側面にｎ外部電極１７およびｐ外部電極１８が配置されるので、ＬＥＤ素子１を薄く形成でき、実装対象の小型化や形状に伴う制約を回避することが可能になる。また、絶縁層１９を介した基板２３への放熱性にも優れる。

なお、ＬＥＤ素子１の保護の点から、ｎ−ＧａＮ層１２の表面を透光性材料で覆うか、配線パターン２２、基板２３とともにエポキシ樹脂等の封止部材で封止することが好ましい。

また、ｎ−ＧａＮ層１２の表面に凹凸等の形状加工を施すことにより、層内閉込光を低減し、外部放射効率を向上させる構成としても良い。

（第９の実施の形態）
（ＬＥＤ素子１の構成）
図１２は、第９の実施の形態に係るＬＥＤ素子の実装状態を示す縦断面図である。このＬＥＤ素子１は、図１２で説明したＬＥＤ素子１のｎ−ＧａＮ層１２側に配線パターン２２を有した高屈折率材料であるガラス部材３０を光透過性接着剤４２によって接着固定することにより構成されている。ＬＥＤ素子１のｐコンタクト電極１５はＲｈによって形成されている。

光透過性接着剤４２は、ＬＥＤ素子１から放射される光の透過性を妨げることのないエポキシ系の接着剤が用いられる。

ｎ外部電極１７およびｐ外部電極１８は、光透過性を有するとともに導電性を有する接着剤２４によって配線パターン２２に電気的に接続されている。この接着剤２４は、前述したように導電性フィラーを含有させたエポキシ樹脂等を用いることができる。

このＬＥＤ素子１は、配線パターン２２に接続された図示しない電源部からｎ外部電極１７およびｐ外部電極を介して発光層１３に電圧を印加することにより発光層１３において発光する。発光に基づく光のうち、ｎ-ＧａＮ層１２側に放射された光はｎ-ＧａＮ層１２から光透過性接着剤４２を介してガラス部材３０に入射し、ガラス部材３０から外部放射される。また、ｐコンタクト電極１５側に放射された光はＲｈで形成されたｐコンタクト電極１５で反射されてｎ-ＧａＮ層１２からガラス部材３０に入射し、ガラス部材３０から外部放射される。

また、ガラス部材３０との界面で全反射され、ＧａＮ系半導体層１００を横伝搬する光の一部は、ＬＥＤ素子１の側面から接着剤２０Ｂに入射することにより外部放射される。

（第９の実施の形態の効果）
第９の実施の形態によると、光透過性接着剤４２を介してガラス部材３０にＬＥＤ素子１を接着することにより、バックライト等の透過照明の用途に適切な光源を提供することができる。

なお、第９の実施の形態では、ｐコンタクト電極１５を光反射性を有するＲｈで形成したが、ＩＴＯ等の透光性材料で形成してＧａＮ系半導体層１００側からも光が取り出せる構成としても良い。

（ＬＥＤ素子１の構成）
図１３は、第１０の実施の形態に係るラージサイズ（１ｍｍ角）のＬＥＤ素子を示し、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は（ａ）の絶縁層形成面側から見た平面図である。

このＬＥＤ素子１は、（ｂ）に示すように素子中央部にＧａＮ系半導体層１００からｎ-ＧａＮ層１２にかけて形成された穴部１Ａを有し、この穴部１Ａの内部にエッチングによって露出させたｎ−ＧａＮ層１２を覆うように設けられるｎ外部電極１７と、ＧａＮ系半導体層１００の外側部を覆うように設けられてｐコンタクト電極１５に電気的に接続されるｐ外部電極１８とを備えている。ＬＥＤ素子１のｐコンタクト電極１５はＲｈによって形成されている。

このＬＥＤ素子１はｎ外部電極１７およびｐ外部電極１８に対応する半田メッキ２０のパターンに対応した配線パターンを有する基板等へのフリップチップ接合が可能である。

（第１０の実施の形態の効果）
第１０の実施の形態によると、素子中央部にｎ外部電極１７を設け、素子外周にｐ外部電極１８を設けるようにしたので、ラージサイズのＬＥＤ素子１であっても発光層１３を全面にわたって均一に発光させることができる。

また、第１０の実施の形態のＬＥＤ素子１をフリップチップ接合することによって、実装基板等への優れた放熱性を確保しながら良好な発光特性が得られる。

また、第１０の実施の形態においても、フェイスアップ型ＬＥＤ素子１として用いる場合にはｐコンタクト電極１５をＩＴＯ等の透光性材料で形成することが可能であり、そのことによってフェイスアップ接合時における光取り出し性の低下を最小限に留めながら優れたワイヤ接合性が得られる。。

なお、上記した各実施の形態では、光学素子としてＬＥＤ素子を説明したが、ＬＥＤ素子に限定されず、太陽電池、受光素子等の他の光学素子およびその製造方法についても適用が可能である。

第１の実施の形態に係るＬＥＤ素子を示し、（ａ）は素子対角線方向に切断した縦断面図、（ｂ）はＬＥＤ素子の光取り出し面側から見た平面図である。 （ａ）から（ｄ）は、第１の実施の形態に係るＬＥＤ素子の製造工程（ＬＥＤ素子の側面に絶縁層１６を設ける工程まで）を示す図である。 （ａ）から（ｃ）は、第１の実施の形態に係るＬＥＤ素子の製造工程（電極形成工程から完成まで）を示す図である。 第１の実施の形態に係るＬＥＤ素子の実装状態を示し、（ａ）は基板へのフリップチップ実装例、（ｂ）は凹部を設けた基板へのフリップチップ実装状態を示す図である。 第２の実施の形態に係るＬＥＤ素子を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ部における断面図、（ｃ）は半田接続時の状態を示すサファイア基板側から見た平面図である。 第３の実施の形態に係るＬＥＤ素子を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ部における断面図である。 第４の実施の形態に係るＬＥＤ素子を示す平面図である。 第５の実施の形態に係るＬＥＤ素子を示す平面図である。 第６の実施の形態としてＬＥＤ素子を銅リードに接続した実装状態を示す図である。 第７の実施の形態に係るＬＥＤ素子の他の実装状態を示し、（ａ）は第１の実装状態を示す縦断面図、（ｂ）は第２の実装状態を示す縦断面図である。 第８の実施の形態に係るＬＥＤ素子の実装状態を示す縦断面図である。 第９の実施の形態に係るＬＥＤ素子の実装状態を示す縦断面図である。 第１０の実施の形態に係るラージサイズ（１ｍｍ角）のＬＥＤ素子を示し、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は（ａ）の絶縁層形成面側から見た平面図である。

符号の説明

１…ＬＥＤ素子、１Ａ…穴部、１０…サファイア基板、１１…ＡｌＮバッファ層、１２…ｎ−ＧａＮ層、１２Ａ…露出部、１３…発光層、１４…ｐ−ＧａＮ層、１５…ｐコンタクト電極、１６…絶縁層、１７…ｎ外部電極、１８…ｐ外部電極、１８Ａ…電極接続部、１９…絶縁層、２０…半田メッキ、２１…銅リド、２２…配線パターン、２３…基板、２４…ワイヤ、２５…絶縁性接着剤、２６…金属薄膜、３０…ガラス部材、４０…Ｒｈ電極、１００…ＧａＮ系半導体層

Claims (13)

1. 発光層を含む半導体層と、素子全幅より小なる幅を有する前記半導体層の周縁に設けられ、前記発光層に給電するｎ側およびｐ側の電極とを有することを特徴とする光学素子。
2. 前記周縁は、前記半導体層の積層方向と同一の方向に前記半導体層を除去して形成されることを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
3. 前記電極は、前記半導体層と異なる屈折率を有する光透過性材料によって構成される絶縁層を介してｎ層又はｐ層に電気的に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
4. 前記電極は、前記半導体層の下地基板であるサファイア基板を実装面に密接させた状態で前記半導体層の前記周縁に露出した部分を電気的に接合されることにより実装されることを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
5. 前記電極は、前記半導体層を実装面に密接させた状態で前記半導体層の前記周縁に露出した部分を外部回路と電気的に接続されることを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
6. 前記電極は、前記半導体層に設けられる穴の内部に設けられるｎ電極と、前記半導体層の外側部に設けられるｐ電極とを有することを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
7. 前記半導体層は、III族窒化物系化合物半導体からなることを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
8. ウエハー状の下地基板に半導体材料を積層して発光層を含む半導体層を形成する半導体層形成工程と、
   前記半導体層の表面から所定の幅および深さを有するように前記半導体層を除去して露出部を形成する半導体層除去工程と、
   前記露出部に前記半導体層のｎ層およびｐ層へ給電する電極を形成する電極形成工程と、
   前記電極が素子周縁に露出するように前記下地基板および前記半導体層を切断して素子化する素子化工程とを含むことを特徴とする光学素子の製造方法。
9. 前記電極形成工程は、前記半導体層および前記露出部の表面を覆う絶縁層を形成する絶縁層形成工程と、
   前記ｎ層および前記ｐ層間の絶縁を確保するように前記絶縁層を除去して前記ｎ層および前記ｐ層に対応する電極形成領域を形成する絶縁層除去工程と、
   前記電極形成領域に前記ｎ層および前記ｐ層にそれぞれ接続される外部電極を形成する外部電極形成工程とを含むことを特徴とする請求項８記載の光学素子の製造方法。
10. 前記外部電極形成工程は、前記ｎ層に接続される第１の外部電極形成工程と、前記ｐ層に接続される前記第２の外部電極形成工程とを含むことを特徴とする請求項９記載の光学素子の製造方法。
11. 前記外部電極形成工程は、前記ｎ層に接続される第１の外部電極形成工程と、前記ｐ層に接続される前記第２の外部電極形成工程とを同時に行うことを特徴とする請求項９記載の光学素子の製造方法。
12. 前記半導体層形成工程は、ｐ層に積層されるコンタクト電極を光反射性材料で形成することを特徴とする請求項８記載の光学素子の製造方法。
13. 前記半導体層形成工程は、ｐ層に積層されるコンタクト電極を光透過性材料で形成することを特徴とする請求項８記載の光学素子の製造方法。

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