JP2012209537A

JP2012209537A - 照明装置、ディスプレイ、及び信号灯

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Publication number: JP2012209537A
Application number: JP2012018290A
Authority: JP
Inventors: Shigenobu Sekine; 重信関根; Yurina Sekine; 由莉奈関根
Original assignee: Napra Co Ltd
Current assignee: Napra Co Ltd
Priority date: 2011-03-16
Filing date: 2012-01-31
Publication date: 2012-10-25
Anticipated expiration: 2032-01-31
Also published as: JP5124688B2

Abstract

【課題】放熱特性を向上し得る照明装置、ディスプレイ、及び信号灯を提供する。
【解決手段】本発明に係る照明装置は、矩形状の支持基板１と、この支持基板１にマトリックス状に配列された複数の発光デバイス２とを含む。各発光デバイス２は、所定の色相の光を発する発光素子３と、発光素子３を電気的に接続するための２個の貫通電極１２ａ，１２ｂと、放熱のために発光素子３の周囲に配置された複数の柱状ヒートシンク１１とを有する。各発光素子３は、支持基板１の板面に形成された凹部１０内に設けられている。柱状ヒートシンク１１は、支持基板１の厚み方向に貫通し、互いに微小間隔を隔てて、マトリクス状に多数配置され、支持基板１の裏面（他面）に設けられた放熱体に接続されている。これにより、柱状ヒートシンク１１は、基板１から効果的に熱を逃がすことができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光ダイオードを用いた照明装置、ディスプレイ、及び信号灯に関する。

発光ダイオードを用いた発光デバイスは、省エネルギ、長寿命という利点があり、照明装置、カラー画像表示装置、液晶ディスプレイのバックライト、又は、交通信号灯などの光源として、注目されている。

この種の発光デバイスについて、従来は、フリップ・チップ（ＦＣ）として構成されたＬＥＤチップをサブマウント基板に実装し、更に、この組み立て体をパッケージング基板に実装し、サブマウント基板に形成された電極と、パッケージング基板に形成された電極とを、ワイヤ・ボンディングによって接続していた。

しかし、この組み立て構造では、ＡｌＮ等の高価な材料で構成されたサブマウント基板を使用しなければならいことから、コスト高になる。しかも、サブマウント基板に形成された電極と、パッケージング基板に形成された電極とを、ワイヤ・ボンディングによって接続する必要があるため、ワイヤボンダ装置・ワイヤボンディング装置が必要であり、生産設備費が増大し、それが製品コストに転嫁され、発光デバイスのコスト高を招いていた。

上述した問題点を解決する手段として、特許文献１には、シリコン・サブマウントの一面に溝を形成し、その溝底部に２つのビア（貫通電極）を形成し、ＬＥＤダイスを、溝内にフリップ・チップ・マウントし、保護接着剤で溝を充填するＬＥＤパッケージの製造方法が開示されている。

しかしながら、ＬＥＤダイスの発光動作時に発生した熱を逃がす放熱構造については、全く考慮されていない。一般的に、ＬＥＤ装置は、低消費電力であるが、赤外放射が無い分を熱エネルギとして放出する点、発光素子が固体で覆われているために、放熱性が固体の熱伝導率に依存する点、並びにＬＥＤ部品の表面積が小さいから、十分な熱の伝導面積、対流面積、及び放射面積が得られず、さらに従来のヒートシンクなどの放熱部品が取り付けられない点から、放熱設計が困難であるといわれている。

したがって、複数のＬＥＤを搭載する必要がある照明装置などに、上記のＬＥＤパッケージのような十分な放熱構造がないものを適用すると、ＬＥＤダイスに発生した熱によって、ＬＥＤダイスとビアとを接続する接合部分の接合強度が失われ、電気的接続の信頼性が損なわれたり、あるいは、ＬＥＤダイスの発光特性が変動してしまうという問題を生じ得る。この点、特許文献２及び３には、発光装置で発生した熱を逃す構造としてサーマルビアを採用しているが、貫通電極を想定した放熱構造とはなっていない。

また、特許文献１に示されているように、ビア（貫通電極）を、電気メッキ又は蒸着によって形成する場合、処理時間がどうしても長くなるから、製造効率が悪くなる。このような問題を回避する手段として、ビアを、スルーホールに対する導電性ペースト埋め込み処理により形成することも考えられるが、スルーホール内に埋め込みした導電性ペーストが、凝固時に必ず収縮し、引け巣が生じることとなる。このような引け巣は、電気抵抗の増大、及び、信頼性低下等の原因となる。

更に、ＬＥＤダイスに発生した光を、効率よく外部に放射させるための手段が必要であるところ、特許文献１には、そのような手段が開示されていない。

特開２００９−１１１００６号公報特開２００５−１５８９５７号公報特開２０１０−２３８９４１号公報

本発明の課題は、放熱特性を向上し得る照明装置、ディスプレイ、及び信号灯を提供することである。

上述した課題を解決するため、本発明に係る照明装置は、支持基板と、複数の発光素子とを含む。前記支持基板は、板面に複数の発光素子設置領域が設けられ、複数の貫通電極と、複数の柱状ヒートシンクとを含んでいる。

前記複数の貫通電極は、前記支持基板を厚み方向に貫通し、前記複数の発光素子設置領域のそれぞれに、一端が露出するように２個ずつ配置されている。また、前記複数の柱状ヒートシンクは、前記支持基板の厚み方向に設けられている。

前記複数の発光素子は、それぞれ、Ｐ型半導体層及びＮ型半導体層を積層した構造を含み、前記支持基板の発光素子設置領域に配置され、前記Ｐ型半導体層のＰ側電極が、前記貫通電極の一方の前記一端に接続され、前記Ｎ型半導体層のＮ側電極が、前記貫通電極の他方の前記一端に接続されている。前記支持基板は、シリコン層を含み、前記複数の柱状ヒートシンクは、前記シリコン層を貫通し、互いに間隔を隔てて、前記発光素子の周囲に多数配置されており、前記支持基板との間に設けられた電気絶縁層によって前記支持基板から電気絶縁されており、前記複数の柱状ヒートシンクのそれぞれの一端は、前記支持基板の他面に設けられた放熱体に共通に接続されている。

上述したように、本発明に係る照明装置は、支持基板を含んでおり、この支持基板は、複数の柱状ヒートシンクを含んでいる。柱状ヒートシンクは、支持基板の厚み方向に設けられているため、発光素子の発光動作によって生じた熱を、柱状ヒートシンクによって、支持基板の外部に放熱することができる。

柱状ヒートシンクは、支持基板の板面に対して所定の面積占有率をもって分布している。したがって、柱状ヒートシンクを構成する材料の熱抵抗、及び、柱状ヒートシンクの占有率を適切に選ぶことにより、発光素子の発光動作によって生じた熱を、柱状ヒートシンクによって、支持基板の外部に効率よく放熱しえる。

本発明に係る照明装置において、支持基板は、複数の貫通電極を含み、板面に複数の発光素子設置領域を有している。貫通電極は、支持基板を厚み方向に貫通し、複数の発光素子設置領域のそれぞれに、一端が露出するように２個ずつ配置されている。この支持基板の発光素子設置領域に発光素子が配置されている。

発光素子は、Ｐ型半導体層及びＮ型半導体層を積層した構造である。そして、発光素子設置領域で、Ｐ型半導体層のＰ側電極が貫通電極の一方の一端に接続され、Ｎ型半導体層のＮ側電極が、貫通電極の他方の一端に接続されている。したがって、本発明によれば、発光素子の電極が、光出射面に現れない構造が実現できるから、発光素子の光を効率よく外部に放射させ得る。

また、本発明に係る液晶ディスプレイは、液晶パネルと、バックライトとを含む。前記バックライトは、上述した照明装置であり、前記液晶パネルを背面から照明する。

本発明に係る液晶ディスプレイは、上述した照明装置を含むから、既に述べた作用効果を奏する。

本発明の技術的思想の適用範囲は、上記の照明装置、及び液晶ディスプレイに限られない。

本発明に係る発光ダイオードディスプレイは、支持基板と、複数の発光素子とを含む。前記支持基板は、板面に複数の発光素子設置領域が設けられ、複数の貫通電極と、複数の柱状ヒートシンクとを含んでいる。

前記複数の貫通電極は、前記支持基板を厚み方向に貫通し、前記複数の発光素子設置領域のそれぞれに、一端が露出するように２個ずつ配置されている。また、前記複数の柱状ヒートシンクは、前記支持基板の厚み方向に設けられ、前記板面に対して所定の面積占有率をもって分布している。

前記複数の発光素子は、それぞれ、Ｐ型半導体層及びＮ型半導体層を積層した構造を含み、前記支持基板の前記発光素子設置領域に配置され、前記Ｐ型半導体層のＰ側電極が、前記貫通電極の一方の前記一端に接続され、前記Ｎ型半導体層のＮ側電極が、前記貫通電極の他方の前記一端に接続されている。

更に、前記支持基板は、シリコン層を含み、前記複数の柱状ヒートシンクは、前記シリコン層を貫通し、互いに間隔を隔てて、前記発光素子の周囲に多数配置されており、前記支持基板との間に設けられた電気絶縁層によって前記支持基板から電気絶縁されており、前記複数の柱状ヒートシンクのそれぞれの一端は、前記支持基板の他面に設けられた放熱体に共通に接続されている。

本発明に係る発光ダイオードディスプレイは、上述した照明装置と同様の構成を含むから、既に述べた作用効果を奏する。

さらに、本発明に係る信号灯は、支持基板と、複数の発光素子とを含む。前記支持基板は、板面に複数の発光素子設置領域が設けられ、複数の貫通電極と、複数の柱状ヒートシンクとを含んでいる。

前記複数の発光素子は、それぞれ、Ｐ型半導体層及びＮ型半導体層を積層した構造を含み、前記支持基板の発光素子設置領域に配置され、前記Ｐ型半導体層のＰ側電極が、前記貫通電極の一方の前記一端に接続され、前記Ｎ型半導体層のＮ側電極が、前記貫通電極の他方の前記一端に接続されている。

本発明に係る信号灯は、上述した照明装置と同様の構成を含むから、既に述べた作用効果を奏する。

以上述べたように、本発明によれば、放熱特性を向上し得る照明装置、ディスプレイ、及び信号灯を提供することができる。

本発明に係る照明装置の平面図である。図１に示された照明装置を構成する発光デバイスの平面図である。図２に示されたＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図である。図３の断面図から発光素子と蛍光体とを除いた断面図である。発光デバイスを構成する発光素子の側面図である。図５に示した発光素子の底面図である。他の形態に係る発光デバイスの断面図である。図７の断面図から発光素子と蛍光体とを除いた断面図である。本発明に係る液晶ディスプレイの断面図である。画素の平面図である。本発明に係る発光ダイオードディスプレイの平面図である。

図１は、本発明に係る照明装置の平面図である。本発明に係る照明装置は、矩形状の支持基板１と、この支持基板１にマトリックス状に配列された複数の発光デバイス２とを含む。

各発光デバイス２は、所定の色相の光を発する発光素子３と、発光素子３を電気的に接続するための２個の貫通電極１２ａ，１２ｂと、放熱のために発光素子３の周囲に配置された複数の柱状ヒートシンク１１とを有する。各発光素子３は、支持基板１の板面に形成された発光素子設置領域となる凹部１０内に設けられている。なお、支持基板１の形状、発光デバイス２の数、及び、配置形態、並びに柱状ヒートシンク１１の数、及び配置形態は、図１に示された形態に限られず、適宜に決定すべきものである。

図２〜図４には上記の発光デバイス２が詳細に示されている。支持基板１は、いわゆるパッケージとなるものであって、複数の貫通電極１２ａ，１２ｂと、複数の柱状ヒートシンク１１とを含み、板面に凹部１０を有している。支持基板１は、Ｓｉを主成分とするものを採用すると好適であるが、これに限られず、絶縁樹脂基板、又は絶縁性セラミック基板を採用してもよい。更には、金属基板等の導電性基板であってもよい。本実施形態では、支持基板１がシリコン層の場合を例にとって説明する。

支持基板１の凹部１０の形状は、図４に示されるような直方体形状に限られることはなく、他の形状であってもよい。この凹部１０は、支持基板１を平面視したときに、貫通電極１２ａ，１２ｂを、間隔をおいて囲むように形成されていて、その内側面のほぼ全周に、例えば、Ａｌ膜、Ａｇ膜又はＣｒ膜等でなる反射膜４がスパッタ等によって形成されている。反射膜４は、上述した形態に限定されず、例えば発光素子３の側面に付着されてもよく、また、反射膜４の下側に酸化膜等の絶縁膜を設けてもよい。

発光素子３は、凹部１０に、微小なクリアランスをもって嵌めこまれている。この構造によれば、支持基板１に対する発光素子３の位置決め・配置を、容易、かつ、確実に実行することができる。

また、発光素子３は、凹部１０内において、上面を蛍光層５により覆われている。これにより、発光素子３の発する光の輝度を向上することができる。蛍光層５に用いられる蛍光物質としては、例えばリン酸カルシウムがある。また、蛍光層５の色相は、用途に応じて適宜に決定すべきものである。

貫通電極１２ａ，１２ｂのそれぞれは、凹部１０の底面内において、支持基板１を厚み方向に貫通し、一端が凹部１０の内面に露出し、他端が支持基板１の他面に露出する。貫通電極１２ａ，１２ｂは、中身の詰まった中実柱状体であって、角形状、円形状等、任意の断面形状をとることができる。また、貫通電極１２ａ，１２ｂの端面形状を、接続される発光素子３の電極形状と対応させてもよく、この場合、貫通電極１２ａ，１２ｂの端面形状は、それぞれ円形状と四角形状になる。

本実施形態における支持基板１は、シリコン層であるので、貫通電極１２a、１２ｂは支持基板１から電気絶縁されている。電気絶縁の手段として、貫通電極１２a、１２ｂの外周面と、貫通電極１２a、１２ｂが配置された縦孔の内周面との間に、電気絶縁層１３ａ、１３ｂが設けられている。電気絶縁層１３ａ、１３ｂは、シリコン層でなる支持基板１の縦孔内壁面を酸化または窒化して得られた酸化膜または窒化膜であってもよいし、縦孔内に充填された有機絶縁物またはガラス等の無機絶縁物から構成された層であってもよい。

貫通電極１２ａ，１２ｂは、例えば、凝固金属体でなる。凝固金属体を用いることの利点は、支持基板１に設けられた縦孔内に溶融金属を流し込み、凝固させる溶融金属充填法を適用できることである。溶融金属充填法は、特許第４２７８００７号公報に開示されている。この溶融金属充填法を適用することにより、縦孔内に流し込まれた溶融金属に、機械的な力、例えばプレス板を用いたプレス圧、射出圧または転圧を印加しながら、冷却し、凝固させ、それによって、巣、空隙、空洞のない緻密な構造を持つ貫通電極１２ａ，１２ｂを、短時間で、効率よく形成することができる。

貫通電極１２ａ，１２ｂを、溶融金属充填法を用いて形成する場合に用いられる金属材料の主なものとしては、Ｂｉ、Ｉｎ、Ｓｎ及びＣｕを例示することができる。特に、Ｂｉを含有させると、Ｂｉの持つ凝固時の体積膨張特性により、縦孔の内部で、空洞や空隙を生じることのない緻密な貫通電極１２ａ，１２ｂを形成することができる。もっとも、Ｂｉ等を含有させると、電気抵抗が増大する傾向にあるので、要求される電気抵抗値を満たす限度で、Ｂｉを使用することが好ましい。

溶融金属としては、上述した金属材料を用いて、粒径１μｍ以下の多結晶体の集合体でなるナノコンポジット結晶構造をもつナノ粒子の粉体を溶融したものを用いることができる。このように、大きさが、ナノレベルに制限されたナノ粒子を含むことにより、微細な縦孔内に溶融金属を充填して貫通電極１２ａ，１２ｂを形成することができる。ナノコンポジット結晶構造には、（ａ）非共晶組織の内部に共晶組織でなるナノ粒子を分散させたもの、（ｂ）非共晶組織の粒界に共晶組織でなるナノ粒子を分散させたもの、（ｃ）共晶組織の粒界に非共晶組織でなるナノ粒子を分散させたもの、（ｄ）非共晶組織の内部に共晶組織でなるナノ粒子を分散させるとともに、非共晶組織の粒界に共晶組織でなるナノ粒子を分散させたもの、（ｅ）共晶組織及び非共晶組織が、共にナノサイズであるものなどが含まれる。なお、ナノコンポジット結晶構造を有するナノ粒子を用いて形成した貫通電極１２ａ，１２ｂも、ナノコンポジット結晶構造となる。

さらに、溶融金属充填法の他に、上述した金属材料の金属微粉末を、液状分散媒に分散した液状分散系を、縦孔内に充填し、液状分散媒を蒸発させた後に、熱処理によって金属微粉末を熱溶解させ、加圧しながら硬化させる方法（液状分散系充填法）を採用することもできる。

柱状ヒートシンク１１は、支持基板１の厚み方向に設けられ、板面に対して所定の面積占有率をもって分布している。柱状ヒートシンク１１に適した材料は、熱抵抗の低い材料である。柱状ヒートシンク１１も、貫通電極１２ａ，１２ｂと同様に、溶融金属充填法や液状分散系充填法を利用したナノコンポジット結晶構造を有する金属体で構成することができる。限定するものではないが、具体例として、Ａｌ、Ｃｕ又はＺｎ等に、Ｓｎ、Ｇａ又はIn等の低融点金属材料を添加したものを挙げることができる。もっとも、柱状ヒートシンク１１は、熱抵抗ができるだけ小さいこと好ましいから、材料及び組成比等は、そのような視点から選定する必要がある。本実施形態では、柱状ヒートシンク１１は、中身の詰まった中実柱状体であって、断面円形状であるが、角形状であってもよい。また、柱状ヒートシンク１１についても、その周りを、電気絶縁層１１aによって覆い、柱状ヒートシンク１１を、シリコン層である支持基板１から電気的に絶縁される。

柱状ヒートシンク１１は、支持基板１の厚み方向に貫通し、互いに微小間隔を隔てて、マトリクス状に多数配置され、支持基板１の裏面（他面）に設けられた放熱体６に接続されている。これにより、柱状ヒートシンク１１は、基板１から効果的に熱を逃がすことができる。

支持基板１は、シリコン層であり、複数の柱状ヒートシンク１１は、シリコン層を貫通し、互いに間隔を隔てて、発光素子３の周囲に多数配置されており、複数の柱状ヒートシンク１１のそれぞれの一端及び前記シリコン層は、支持基板１の他面に設けられた放熱体６に共通に接続されている。この構造によれば、シリコン層の良好な放熱特性により、３次元的放熱経路が構成され、照明装置全体としての放熱特性を向上させることができる。即ち、発光素子３で発生した熱を、シリコン層によって集熱し、シリコン層から柱状ヒートシンク１１に伝達し、更に柱状ヒートシンク１１からシリコン層を介して、他のヒートシンク１１に伝達し、ヒートシンク１１から支持基板１の他面に設けられた放熱体６に伝達し、放熱体６から、支持基板１の面方向に向かって外部に拡散放出することができる。

放熱体６は、例えばアルミニウムなどの比較的に熱伝導率の高い物質からなり、支持基板１の裏面に、複数個に分けて設けてもよいし、あるいは、全てのヒートシンク３に対して共通に接続される単一の部材として設けてもよい。また、放熱体６の形態は、図示の膜状に限らず、拡大された放熱面積を有する３次元的構造であってもよい。

柱状ヒートシンク１１の奏する放熱特性は、基本的には、その組成材料の持つ熱伝導率（又は熱抵抗）と、支持基板１の平面積に対して、柱状ヒートシンク１１の全体が占める占有率とによって定まる。例えば、柱状ヒートシンク１１として、熱抵抗の低い材料を用いた場合には、占有率を低下させ、熱抵抗の高い材料を用いた場合には、占有率を上げる。即ち、柱状ヒートシンク１１の占有率は、その組成材料の熱伝導率を考慮して定めることになる。逆に、占有率に制限がある場合には、求められる放熱特性を考慮して、適合する熱伝導率の材料を選択することになる。

図４と図５には、発光素子３の詳細が示されている。発光素子３は、発光ダイオードであって、白色発光素子、赤色発光素子、緑色発光素子、青色発光素子、橙色発光素子の何れであってもよい。発光素子３の光出射面３ａの高さ位置は、支持基板１の表面の高さ位置より低くなっており、蛍光層５は、その両者の段差を埋めるように充填されている。

発光素子３は、透明結晶層３２と、Ｐ型半導体層３１１、及びＮ型半導体層３１３を積層した半導体積層構造３１とを含んでいる。さらに、Ｐ型半導体層３１１、及びＮ型半導体層３１３の間には活性層３１２が設けられている。

透明結晶層３２は、代表的にはサファイアであり、その一面が光出射面３ａとなる。この光出射面３ａに、微細凹凸形状を有する透明光学部品（図示せず）を配置した場合、光出射面３ａで、光を拡散又は分散させ、均一な面発光を実現することができる。なお、該透明光学部品を設ける代わりに、光出射面３ａ自体に微細凹凸形状が形成されていてもよい。

一方、光出射面３ａの反対面にはバッファ層（図示せず）があり、このバッファ層を介して、半導体積層構造３１が透明結晶層３２の上に成長させてある。半導体積層構造３１は、典型的にはIII−Ｖ族化合物半導体であるが、これに限定されず、ＰＮ接合を有する他の化合物半導体も採用し得る。

透明結晶層３２の側に位置するＮ型半導体層３１３は、Ｐ型半導体層３１１と重ならない部分３１４を有しており、Ｎ側電極３０ａが、その重ならない部分３１４の表面に設けられている。一方、Ｐ側電極３０ｂは、重なる部分において、Ｐ型半導体層３１１の表面に設けられている。なお、Ｎ側電極３０ａは、円形状に限らず、角形状であってもよい。

本実施形態において、重ならない部分３１４に設けられたＮ側電極３０ａの平面積は、重なる部分に設けられたＰ側電極３０ｂの平面積よりも小さい。より詳しくは、Ｎ側電極３０ａ及びＰ側電極３０ｂの配置方向で見た電極幅について、Ｎ側電極３０ａの電極幅がＰ側電極３０ｂの電極幅よりも小さい。このような電極配置によれば、重ならない部分３１４の幅を小さくし、反射的に、発光領域となる重なる部分の幅及び面積を拡大できるから、発光量を増大することができる。

発光素子３は、図２と図３に示されるように、凹部１０内において、Ｐ型半導体層３１１のＰ側電極３０ｂが一方の貫通電極１２ｂの一端に接続され、Ｎ型半導体層３１３のＮ側電極３０ａが他方の貫通電極２１ａの一端に接続されている。Ｐ側電極３０ｂ、及びＮ側電極３０ａは、間隔を隔てて互いに対向している。Ｐ側電極３０ｂと貫通電極１２ｂとの接合、及び、Ｎ側電極３０ａと貫通電極１２ａとの接合にあたっては、両者の接合界面に接合膜を介在させる。接合膜は、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｂｉ、Ｇａ又はＳｂの群から選択された少なくても１種の低融点金属成分と、Ｃｒ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｎｉ−Ｐ合金、Ｎｉ−Ｂ合金の群から選択された少なくとも１種を含む高融点金属材料からなる。低融点金属は、Ｐ側電極３０ｂ及び貫通電極１２ｂ、Ｎ側電極３０ａ及び貫通電極１２ａと反応して、金属間化合物を形成して消費され、接合後は融点が大幅に上昇する。

本実施形態における発光素子３は、本発明に適用可能な一例を示すものであって、これに限定されるものではない。例えば、発光素子３は、透明結晶層３２と半導体積層構造３１との上下関係が逆転した構造を有してもよいし、また、その電極面積は電流拡散を考慮して適宜に定められるものである。

図７には、発光デバイス２の他の形態が示されている。本形態の発光デバイスと、先に述べた実施形態の相違点は、支持基板１が３つの層１ａ〜１ｃから構成されている点、及び、凹部１１の平面積が拡張されている点である。

本実施形態において、支持基板１は、ＳＯＩ基板であり、第１基板層を構成する第１シリコン層１ａ、絶縁層を構成する酸化層１ｂ、及び、第２基板層を構成する第２シリコン層１ｃを、この順序で積層した構造となっている。

ＳＯＩ基板としては、その製造法により、ＳＩＭＯＸ(Separation by Implantation of Oxygen)方式のものと、貼り合わせ方式の２種類のものが知られているが、何れの方式のＳＯＩ基板を用いてもよい。ＳＩＭＯＸ方式のＳＯＩ基板として、酸素分子をイオン注入によりシリコン結晶表面から埋め込み、それを高熱で酸化させることにより、シリコン結晶中に酸化シリコンの絶縁層を形成する手法が知られている。このような絶縁層は、埋め込み酸化（ＢＯＸ；Buried Oxide）層と称される。

凹部１０は、第２シリコン層１３の表面を切り抜いて形成されており、その内側面は、開口端に向かうに従って開口面積の拡大する傾斜面となっている。この凹部１０は、発光素子３の平面積よりかなり大きい平面積を有しており、発光素子６の外周と、凹部１０の内周面との間に蛍光層５が充填されている。また、凹部１０の内壁面には、先の実施形態と同様に、反射膜４が付着されている。

貫通電極１２ａ，１２ｂは、電気絶縁層１３a、１３ｂによって電気絶縁された状態で、第１シリコン層１ａを貫通しており、その凹部１０側の端部は、酸化層１ｂを貫通する接続部７とそれぞれ接続されている。接続部７は、発光素子３の両端子３０ａ，３０ｂと接続される。この接続部７も、貫通電極１２ａ，１２ｂと同様に、上記の溶融金属充填法や液状分散系充填法を利用したを用いて形成されたＣｕなどの金属体であると好ましい。なお、接続部７の形状は、円柱状に限られず、四角柱などの他の形状も採り得る。

柱状ヒートシンク１１は、貫通電極１２ａ，１２ｂと同様に、支持基板１の厚み方向において、第１シリコン層１ａを貫通するように設けられて、放熱体６に接続されている。すなわち、柱状ヒートシンク１１は、支持基板１の裏面から第１シリコン層１ａと酸化層１ｂとの境界まで延在するように設けられている。また、柱状ヒートシンク１１も、上記の溶融金属充填法や液状分散系充填法を利用して形成できる。この構成によると、柱状ヒートシンク１１の形成にあたって、酸化層１ｂをエッチング阻止層として機能させることができる。このため、柱状ヒートシンク１１の深さ寸法が、第１シリコン層１ａの層厚により画定されるので、エッチングの工程管理が極めて容易になるという利点が得られる。

上述したように、本発明に係る照明装置は、支持基板１を含んでおり、この支持基板１は、複数の柱状ヒートシンク１１を含んでいる。柱状ヒートシンク１１は、支持基板１の厚み方向に設けられているため、発光素子３の発光動作によって生じた熱を、柱状ヒートシンク１１によって、支持基板１の外部に放熱し、発光素子３の電極３０ａ，３０ｂと貫通電極１２ａ，１２ｂとを接続する接合部分の接合強度を保存し、電気的接続の信頼性を維持することができ、また、発熱による発光素子３の発光特性の変動を回避することもできる。

柱状ヒートシンク１１は、支持基板１の板面に対して所定の面積占有率をもって分布している。したがって、柱状ヒートシンク１１を構成する材料の熱抵抗、及び、柱状ヒートシンク１１の占有率を適切に選ぶことにより、発光素子３の発光動作によって生じた熱を、柱状ヒートシンク１１によって、支持基板１の外部に効率よく放熱し得る。さらに、柱状ヒートシンク１１は、その一端が支持基板１の他面側に導出され、支持基板１の他面に設けられた放熱体６に接続されているため、支持基板１の放熱特性は更に向上し得る。

さらに、支持基板１は、第１シリコン層１ａ及び第２シリコン層１ｃを含み、複数の柱状ヒートシンク１１は、第１シリコン層１ａを貫通し、互いに間隔を隔てて、発光素子３の周囲に多数配置されており、複数の柱状ヒートシンク１１のそれぞれの一端及び前記第１シリコン層１ａは、支持基板１の他面に設けられた放熱体６に共通に接続されている。この構造によれば、シリコン層の良好な放熱特性により、３次元的放熱経路が構成され、照明装置全体としての放熱特性を向上させることができる。即ち、発光素子３で発生した熱を、第１シリコン層１ａ及び第２シリコン層１ｃによって集熱し、第１シリコン層１ａ及び第２シリコン層１ｃから柱状ヒートシンク１１に伝達し、更に、柱状ヒートシンク１１から第１シリコン層１ａを介して、他のヒートシンク１１に伝達し、ヒートシンク１１から支持基板１の他面に設けられた放熱体６に伝達し、放熱体６から、支持基板１の面方向に向かって外部に拡散放出することができる。

また、複数の柱状ヒートシンク１１間は、シリコン層なので、支持基板１は、電導性を有する。従って、柱状ヒートシンク１１は、その周りを、電気絶縁層１１aによって覆い、柱状ヒートシンク１１を、支持基板１から電気的に絶縁する。

本発明に係る照明装置において、支持基板１は、複数の貫通電極１２ａ，１２ｂを含み、板面に凹部１０を有している。貫通電極１２ａ，１２ｂは、支持基板１を厚み方向に貫通し、複数の凹部１０のそれぞれに、一端が該凹部１０の底面に露出するように２個ずつ配置されている。この支持基板１の凹部１０内に発光素子３が配置されている。

発光素子３は、透明結晶層３２の光出射面３ａの反対側の他面に、Ｐ型半導体層３１１及びＮ型半導体層３１３を積層した構造である。そして、凹部１０の内部で、Ｐ型半導体層３１１のＰ側電極３０ｂが一方の貫通電極１２ｂの一端に接続され、Ｎ型半導体層３１３のＮ側電極３０ａが、貫通電極１２ａ，１２ｂの他方の一端に接続されている。

したがって、発光素子３は、積層方向における透明結晶層３２の反対側から電流が注入され、発光素子３の電極３０ａ，３０ｂが光出射面３ａに現れない構造を有するから、出射した光を効率よく外部に放射させ得る。さらに、半導体層３１で生じた光は、反射膜４によって透明結晶層６２における光散乱・吸収作用が抑制され、透明結晶層３２の光出射面３ａに効果的に導かれる。

次に、本発明に係る液晶ディスプレイを、図９を参照して説明する。液晶ディスプレイは、液晶パネル８と、バックライト９とを含み、概念上、一般的なコンピュータ用の表示装置や汎用電化製品の液晶表示部に限られず、液晶テレビ、あるいは携帯電話機、携帯ゲーム機、携帯情報端末といった携帯型電子機器にも適用され得る。

液晶パネル８は、偏向フィルタ、ガラス基板、及び液晶層などから構成された液晶モジュールであって、画像信号に基づき、駆動回路（図示せず）からの電気信号によって駆動される。バックライト９は、図８に示された照明装置であり、複数の発光デバイス２により液晶パネル８をその背面側から照明する。もっとも、バックライト９の形態は、これに限定されず、例えば図３に示された照明装置でもよく、本発明に係る照明装置の何れの形態も取り得ることは言うまでもない。

バックライト９において、貫通電極１２ａ，１２ｂはバンプ電極や配線基板を介して電源部と接続され、これにより電力を供給された発光素子３が液晶パネル８に対して光を照射する。また、柱状ヒートシンク１１は、放熱体６と接続されて、支持基板１内部の熱を液晶ディスプレイの背面側へと排出する。

次に、本発明に係る発光ダイオードディスプレイを、図１０と図１１とを参照して説明する。発光ダイオードディスプレイは、発光素子自体を画素として用いることから、バックライトを必要とせず、消費電力を低減し得るという利点を有する。

図１０には、発光ダイオードディスプレイの画素２０が平面視で示されており、一方、図１１には、この画素２０を支持基板１にマトリックス状に配置した発光ダイオードディスプレイが示されている。

１個の画素２０は、３個の上記発光デバイス２を有しており、これらの発光デバイス２０は、赤色光を発する発光素子３Ｒ、緑色光を発する発光素子３Ｒ、及び青色光を発する発光素子３Ｒをそれぞれ有している。本実施形態の発光ダイオードディスプレイは、フルカラー表示を前提としているため、このように３色の発光素子３Ｒ，３Ｇ，３Ｂを有するが、これに限定されるものではない。例えば、１色のみの表示を前提とする場合、画素２０は、３色の発光素子３Ｒ，３Ｇ，３Ｂのいずれか１個で構成すればよい。すなわち、画素２０は、表示機能に応じた発光素子を有する発光デバイス２を、適宜に選択して構成される。

また、本実施形態の画素２０は、図示されるように、３個の発光デバイス２が三角形の各頂点の位置に配置されているが、これに限定されず、３色の発光素子３Ｒ，３Ｇ，３Ｂの特性に応じて適宜な配置態様を採り得る。

本発明に係る発光ダイオードディスプレイは、各発光素子３Ｒ，３Ｇ，３Ｂの貫通電極１２ａ，１２ｂが薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）などと接続され、これにより、各画素２０は、画像信号に基づき、駆動回路によって発光制御される。また、柱状ヒートシンク１１は、図９に示された構成と同様に、放熱体６と接続されて、支持基板１内部の熱をディスプレイの背面側へと排出する。

本発明に係る発光ダイオードディスプレイは、上述した照明装置と同じ構成を含むから、既に述べた作用効果を奏する。

また、本発明に係る信号灯は、例えば鉄道信号機や交通信号機に適用されるものであり、上述した発光ダイオードディスプレイのように、複数の発光デバイス２０が配列されて構成され、例えば複数色の発光素子３Ｒ，３Ｇ，３Ｂを備える。

以上、好ましい実施例を参照して本発明の内容を具体的に説明したが、本発明の基本的技術思想及び教示に基づいて、当業者であれば、種々の変形態様を採り得ることは自明である。

１支持基板
２発光デバイス
３発光素子
１０凹部
１１柱状ヒートシンク
１２ａ，１２ｂ貫通電極
２０画素
３０ａＮ側電極
３０ｂＰ側電極
３１１Ｐ型半導体層
３１２Ｎ型半導体層

Claims

支持基板と、複数の発光素子とを含む照明装置であって、
前記支持基板は、板面に複数の発光素子設置領域が設けられ、複数の貫通電極と、複数の柱状ヒートシンクとを含んでおり、
前記複数の貫通電極は、前記支持基板を厚み方向に貫通し、前記複数の発光素子設置領域のそれぞれに、一端が露出するように２個ずつ配置されており、
前記複数の柱状ヒートシンクは、前記支持基板の厚み方向に設けられており、
前記複数の発光素子は、それぞれ、Ｐ型半導体層及びＮ型半導体層を積層した構造を含み、前記支持基板の前記発光素子設置領域に配置され、前記Ｐ型半導体層のＰ側電極が、前記貫通電極の一方の前記一端に接続され、前記Ｎ型半導体層のＮ側電極が、前記貫通電極の他方の前記一端に接続されており、
更に、前記支持基板は、シリコン層を含み、
前記複数の柱状ヒートシンクは、前記シリコン層を貫通し、互いに間隔を隔てて、前記発光素子の周囲に多数配置されており、前記支持基板との間に設けられた電気絶縁層によって前記支持基板から電気絶縁されており、
前記複数の柱状ヒートシンクのそれぞれの一端は、前記支持基板の他面に設けられた放熱体に共通に接続されている、
照明装置。
請求項１に記載された照明装置であって、前記貫通電極は、前記支持基板から電気絶縁されている、照明装置。
液晶パネルと、バックライトとを含む液晶ディスプレイであって、
前記バックライトは、請求項１又は２に記載された照明装置であり、前記液晶パネルを背面から照明する、
液晶ディスプレイ。
支持基板と、複数の発光素子とを含む発光ダイオードディスプレイであって、
前記支持基板は、板面に複数の発光素子設置領域が設けられ、複数の貫通電極と、複数の柱状ヒートシンクとを含んでおり、
前記複数の貫通電極は、前記支持基板を厚み方向に貫通し、前記複数の発光素子設置領域のそれぞれに、一端が露出するように２個ずつ配置されており、
前記複数の柱状ヒートシンクは、前記支持基板の厚み方向に設けられており、
前記複数の発光素子は、それぞれ、Ｐ型半導体層及びＮ型半導体層を積層した構造を含み、前記支持基板の前記発光素子設置領域に配置され、前記Ｐ型半導体層のＰ側電極が、前記貫通電極の一方の前記一端に接続され、前記Ｎ型半導体層のＮ側電極が、前記貫通電極の他方の前記一端に接続されており、
更に、前記支持基板は、シリコン層を含み、
前記複数の柱状ヒートシンクは、前記シリコン層を貫通し、互いに間隔を隔てて、前記発光素子の周囲に多数配置されており、前記支持基板との間に設けられた電気絶縁層によって前記支持基板から電気絶縁されており、
前記複数の柱状ヒートシンクのそれぞれの一端は、前記支持基板の他面に設けられた放熱体に共通に接続されている、発光ダイオードディスプレイ。
支持基板と、複数の発光素子とを含む信号灯であって、
前記支持基板は、板面に複数の発光素子設置領域が設けられ、複数の貫通電極と、複数の柱状ヒートシンクとを含んでおり、
前記複数の貫通電極は、前記支持基板を厚み方向に貫通し、前記複数の発光素子設置領域のそれぞれに、一端が露出するように２個ずつ配置されており、
前記複数の柱状ヒートシンクは、前記支持基板の厚み方向に設けられており、
前記複数の発光素子は、それぞれ、Ｐ型半導体層及びＮ型半導体層を積層した構造を含み、前記支持基板の前記発光素子設置領域に配置され、前記Ｐ型半導体層のＰ側電極が、前記貫通電極の一方の前記一端に接続され、前記Ｎ型半導体層のＮ側電極が、前記貫通電極の他方の前記一端に接続されており、
更に、前記支持基板は、シリコン層を含み、
前記複数の柱状ヒートシンクは、前記シリコン層を貫通し、互いに間隔を隔てて、前記発光素子の周囲に多数配置され、前記支持基板との間に設けられた電気絶縁層によって前記支持基板から電気絶縁されており、
前記複数の柱状ヒートシンクのそれぞれの一端は、前記支持基板の他面に設けられた放熱体に共通に接続されている、
信号灯。