CN102823000B - 发光装置及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种发光元件与波长转换部件间的接合强度强的发光装置。该发光装置是发光元件与波长转换部件相接合的发光装置,特别是发光元件从波长转换部件侧具有第1区域和第2区域,波长转换部件从发光元件侧具有第3区域和第4区域,第1区域与第2区域相比原子排列不规则,第3区域与第4区域相比原子排列不规则,第1区域与第3区域直接接合。

Description

发光装置及其制造方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种发光元件与波长转换部件相接合的发光装置及其制造方法。
背景技术
[0002] —直以来,已提出将来自成为发光元件的LED芯片的光与来自成为波长转换部件的荧光体的光组合而能混色发光的发光装置。例如,专利文献I中记载了在由蓝宝石构成的“生长基板”上生长由GaN构成的“核生成层”,将“核生成层”与“陶瓷荧光体”在高温高压下接合的技术。
[0003] 专利文献I:日本特开2006-352085号公报
发明内容
[0004]然而,专利文献I中记载的发光装置中,将由蓝宝石构成的“生长基板”和由GaN构成的“核生成层”仅进行了热压接,存在二者间的接合强度弱这一问题。如果接合强度弱,则例如在使用中二者会发生剥离,因此不优选。
[0005]因此,本发明的目的之一在于提供一种发光元件与波长转换部件的接合强度强的发光装置。
[0006]本发明的一个方式的发光装置是发光元件与波长转换部件相接合的发光装置。特别是,其特征在于,发光元件从波长转换部件侧具有第I区域和第2区域,波长转换部件从发光元件侧具有第3区域和第4区域,第I区域与第2区域相比,原子排列不规则,第3区域与第4区域相比,原子排列不规则,第I区域与第3区域直接接合。
[0007]在本发明的一个方式中,上述发光元件包含具有上述第I区域和上述第2区域的基板及形成在上述基板上的半导体层叠部,
[0008]上述波长转换部件具备具有上述第3区域和上述第4区域的支撑体及包含于上述支撑体的荧光体。
[0009]在本发明的另一个方式中,上述基板由蓝宝石构成,上述支撑体由氧化铝构成。
[0010]本发明的一个方式的发光装置的制造方法,其特征在于,具有:准备发光元件的发光元件准备工序、准备波长转换部件的波长转换部件准备工序以及利用表面活化接合法接合发光元件与波长转换部件的接合工序。
[0011]优选发光元件具有由蓝宝石构成的基板和形成在基板上的半导体层叠部,波长转换部件具有由氧化铝构成的支撑体和包含于支撑体的荧光体,在接合工序中使基板与支撑体相接合。
[0012]根据以上本发明,能够提供一种发光元件与波长转换部件的接合强度强的发光装置。
附图说明
[0013]图1是用于说明本件发明的一个发光装置的截面的图。
[0014]图2是图1的虚线部分的放大图。
[0015]图3A(a)是在本发明一个实施方式的发光装置的制造方法中,准备发光元件10的发光元件准备工序的截面图,图3A(b)是准备波长转换部件20的波长转换部件准备工序的截面图。
[0016]图3B是在本发明一个实施方式的发光装置的制造方法中,使接合面活性化的工序的截面图。
[0017]图3C是在本发明一个实施方式的发光装置的制造方法中的接合工序的截面图。
具体实施方式
[0018]以下,边参照附图边说明用于实施本发明的方式。但是,以下所示的方式是例示用于将本发明的技术思想具体化的发光装置,本发明不限于以下方式。另外,实施方式中记载的构成部件的尺寸、材质、形状、其相对的配置等只要没有特定的记载,则其主旨并非将本发明的范围仅限定于此,而是仅例示。应予说明,各附图所示的部件的大小、位置关系等为了明确说明而有时进行突出化。并且,为了简化说明,对相同或同质的构成要件标记相同的符号,省略每次进行说明。
[0019]本实施方式的发光装置是发光元件10与波长转换部件20接合而成的。图1是实施方式的发光装置的与发光观测面呈垂直的方向的截面图,图2是图1的虚线部分的放大图。在本实施方式的发光装置中,如图1所示,例如发光元件10具有由蓝宝石构成的基板11、形成在基板11上的半导体层叠部12、形成在半导体层叠部12上的P电极13和η电极14而形成的。另外,波长转换部件20由作为基底的基板(支撑体)及包含于该基板的荧光体构成。
[0020]在该实施方式中,发光元件10的基板11从波长转换部件20侧具有第I区域I Ia和第2区域11b,波长转换部件20从发光元件10侧具有第3区域20a和第4区域20b。在基板11中,第I区域Ila与第2区域Ilb相比原子排列不规则,在波长转换部件20中,第3区域20a与第4区域20b相比原子排列不规则。进而,通过将第I区域Ila与第3区域20a直接接合,使发光元件10与波长转换部件20相接合。
[0021]如上所述,在本说明书中,“第I区域11a”是在发光元件10中与波长转换部件20直接相接的区域。另外,“第2区域lib”是发光元件10中的与“第I区域11a”邻接(直接相接)的区域。同样地,“第3区域20a”是在波长转换部件20中与发光元件10直接相接的区域。另外,“第4区域20b”是波长转换部件20中的与“第3区域20a”邻接的区域。
[0022]由此,与第2区域Ilb相比原子排列不规则的第I区域Ila和与第4区域20b相比原子排列不规则的第3区域20a直接相接而进行接合,形成接合界面X,而第2区域Ilb与第4区域20b分别远尚接合界面X。
[0023] 在本发明中,第I区域Ila与第2区域Ilb(第3区域20a和第4区域20b)相互邻接,但第I区域和第2区域具有相同组成,在不同部件间邻接这样的情况并非本申请发明所提及的第I区域和第2区域。具体而言,在具有蓝宝石基板和与其邻接的半导体层的发光元件中,不能将半导体层作为第I区域而将蓝宝石基板作为第2区域。即,本说明书中的第I区域Ila和第2区域Ilb(第3区域20a和第4区域20b)本来是I个相同组成的I个部件,将该部件的一部分称为第I区域,将该部件中的另一部分称为第2区域。关于是不是某一个部件的一部分,例如可以通过利用高分辨率透射电子显微镜的原子级截面观察或利用元素分析的组成对比来进行判断。
[0024]由此,可以牢固地接合发光元件10与波长转换部件20。其理由虽未明确,但认为是由于第I区域Ila和第3区域20a成为一体而可以吸收二者间的形变所致。例如,利用热压接使发光元件10与波长转换部件20直接接合时,因晶格常数差、热膨胀系数差而二者上产生形变。因此,即使想要通过热接合使二者间的接合强度增强也存在极限。但是,认为通过使与接合界面X邻接的第I区域Ila和第3区域20a的原子排列分成别设比第2区域Ilb和第4区域20b更为不规则,从而可以有效地吸收因晶格常数差、热膨胀系数差等引起的形变,其结果,接合强度得到提高。另外,认为如果不规则性高(优选成为非平衡亚稳状态的非晶质状态),则由晶体结构引起的各向异性变小,不存在由各向异性引起的脆性、晶体结构、晶格缺陷这样的“弱”结构,可以增强接合强度。
[0025]另外,例如,介由以树脂构成的粘接剂使发光元件10与波长转换部件20相接合时,因树脂产生的热膨胀较大,由此会在各界面产生形变。但是,在本实施方式的发光装置中,由于无需夹设树脂,所以认为可以更牢固地进行连接。
[0026]进而,通过利用第I区域Ila和第3区域20a来缓和接合界面X的形变,从而能够使接合界面X附近的荧光体难以产生应力。由于波长转换部件20具有荧光体,所以因荧光体自身的发热而容易产生应力。荧光体产生应力,则例如荧光体发光光谱的半值宽扩大,荧光体的光通量值降低,因此不优选。但是,根据本实施方式,能够减轻因形变对荧光体带来的不良影响。
[0027]在本发明中,由于直接接合发光元件10与波长转换部件20,所以与由热导率差的树脂构成的粘接剂来连接发光元件10与波长转换部件20的情况相比,可能够将波长转换部件20上产生的热有效地向发光元件10侧逸散。由此能够更加减轻在接合界面X产生形变。
[0028]而且,通过直接接合发光元件10与波长转换部件20,从而能够使光反射(或者根据入射角为全反射)的界面的数量成为最小限度即I个,可以提高发光装置整体的光的出射。例如,在发光元件10与波长转换部件20之间夹设有由树脂构成的粘接剂时,一共存在2个界面(发光元件与粘接剂间的界面,波长转换部件与粘接剂间的界面)。相对于此,发光元件10与波长转换部件20直接接合时,仅存在I个界面(发光元件10与波长转换部件20间的界面)。由此,与前者相比,后者能够减轻光的损失。另外,使用由树脂构成的粘接剂时,构成基板的无机材料与作为有机材料的树脂之间的折射率差大,因此在界面中的反射率高。与此相对,在本发明中能够缩小构成发光元件的一部分的基板11与波长转换部件20之间的折射率差,能够减小在界面上的反射。
[0029]优选第I区域Ila与第3区域20a的一方,优选为两方为不规则性更高的非晶质(无定形),更优选为成为非平衡亚稳状态的非晶质状态。由此,能够更有效地抑制发光元件10与波长转换部件20之间的形变,能够进一步减小因晶体结构引起的各向异性,能够使晶体结构、晶格缺陷不存在,进一步增强接合强度。
[0030]第2区域Ilb与第4区域20b的一方(优选为两方)可以优选为多晶或单晶,更优选为单晶。认为通过第2区域Ilb和/或第4区域20b为多晶或单晶(特别是单晶),容易产生二者间的形变,因此在这样的情况下,本实施方式特别有效。
[0031]从缓和形变的观点出发,优选第I区域Ila和第3区域20a实质上设置在接合界面X的整个区域上。但是,在本发明中,第I区域Ila和第3区域20a直接接合的区域也可以为接合界面X的一部分,只要起到上述效果就包含于本申请发明的范围内。
[0032] 第I区域I Ia和第3区域20a的厚度分别可以优选为I〜20nm,进一步优选为2〜10nm。由此,能够充分地获得缓和形变的效果,所以能够增强接合强度。而且,使第I区域Ila和第3区域20a的原子排列不规则,则有可能对光出射产生不良影响,但通过为上述范围,能够使光衰减部分的厚度充分变薄,所以能够减轻光的损失。
[0033]在本实施方式的发光装置中不限定发光元件10,可以使用公知的发光元件。例如,如图1所示,发光元件10可以具有基板11、设置在基板11上的半导体层叠部12、设置在半导体层叠部12的同侧的一对电极13和14。作为基板11,可以使用蓝宝石、GaN等。作为半导体层叠部12,可以使用层叠有多个氮化物半导体层(AlInGaN)的层叠部等。从光出射的观点出发,优选将波长转换部件20侧作为观测面侧。
[0034]使用蓝宝石作为发光元件10的基板11时,优选将后述的波长转换部件20的支撑体设为氧化铝,使蓝宝石与氧化铝直接接合。即,优选在蓝宝石上设置第I区域Ua和第2区域I Ib,在氧化铝上设置第3区域20a和第4区域20b,第I区域I Ia和第3区域20a直接接合。
[0035]由此,可以使基板与支撑体的构成元素相同,所以能够进一步增强二者的接合强度。进而,由于可以使基板与支撑体的折射率实质上相同,所以可以减轻光在其界面的全反射,可以提高作为发光装置的光的出射。虽然能与构成支撑体的氧化铝的晶体结构无关地获得上述效果,但氧化铝的晶体结构优选为多晶或单晶,更优选为单晶(蓝宝石)。由此,与由蓝宝石构成的基板结构变得相近或相同,所以容易获得上述效果。
[0036]作为其它变形例,作为发光元件10也可以在基板上形成半导体层叠部后,在半导体层叠部上粘贴Si等粘结基板,其后除去原来的基板,接合粘结基板与波长转换部件。而且,可以与有无基板无关地接合半导体层叠部与波长转换部件。接合半导体层叠部与波长转换部件时,与波长转换部件接合的半导体层叠部最外侧的I个半导体层将从波长转换部件侧具有第I区域和第2区域,该第I区域与第2区域相比原子排列不规则。
[0037]在本实施方式的发光装置中,波长转换部件20只要是能够将来自发光元件10的光变换为不同波长分布的光即可,对其材料没有限定,可以使用公知的材料。波长转换部件20可以为荧光体本身,也可以包含荧光体与支撑它的支撑体。波长转换部件20由荧光体和支撑体构成时,例如,可以将利用单向凝固法形成的荧光体和支撑体的共晶体作为波长转换部件20,也可以通过烧结将荧光体的粉末和支撑体材料的粉末一体形成而作为波长转换部件20。
[0038]对荧光体没有限定,可以使用公知的荧光体。例如,可以使用YAG(钇.铝.石榴石)系荧光体、TAG(铽.铝.石榴石)系荧光体。由此,例如,能够利用来自发光元件10的发蓝色的光和来自荧光体的发黄色的光的混色来实现白色发光。
[0039]对支撑体没有限定,可以使用公知的支撑体。例如,可以使用氧化铝、氮化铝、YAG(由于不含活化剂,所以不发光)、氧化钇。
[0040]优选荧光体具有母体和活化剂,支撑体与母体为相同材料。由此,实质上能够消除荧光体与支撑体的折射率的差。其结果可以大幅降低光在支撑体与荧光体的界面的全反射,所以能够提高作为发光装置整体的光的出射效率。而且,通过将支撑体与母体设为相同材料,能够减轻在荧光体产生应力。例如,可以使用使用YAG(由于不含活化剂,所以不发光)作为支撑体,以铈作为活化剂,以YAG作为母体的所谓的YAG系荧光体。
[0041]如3所示,本发明的一个实施方式的发光装置的制造方法,其特征在于,具有:准备发光元件10的发光元件准备工序(参照图3A(a))、准备波长转换部件20的波长转换部件准备工序(参照图3A(b))以及利用表面活化接合法,接合发光元件10与波长转换部件20的接合工序(参照图3B和图3C)。
[0042]在本说明书中,“表面活化接合法”是指利用离子束、等离子体等对发光元件10与波长转换部件20的接合面进行溅射蚀刻,使两个接合面活化后,在该接合面直接接合发光元件1和波长转换部件20。
[0043]由此,可以牢固地接合发光元件10与波长转换部件20。认为这是由于通过溅射蚀亥|J,形成第I区域Ila和第3区域20a,二者成为一体而吸收发光元件10和波长转换部件20之间的形变所致(参照图2)。详细内容如前所述,所以此处省略。
[0044]通常,发光元件例如通过在将由蓝宝石构成的圆柱状的铸块较薄地切片而成的圆盘状的晶片上形成多个半导体层叠部12后,分割成各发光元件,从而进行制作。在本发明中,利用表面活化接合法接合发光元件10和波长转换部件20时,可以在分割为发光元件前,将形成有多个半导体层叠部12的晶片与波长转换部件20接合,然后分割成各元件;也可以在分割成各发光元件后,利用表面活化接合法将波长转换部件20接合在各发光元件上。然而,利用表面活化接合法接合发光元件10与波长转换部件20时,如果发光元件10不使用晶片而是切割成单个时,有如下优点(在本说明书中,不仅将切割成单个的称为发光元件,将切割前状态的晶片也称为“发光元件”)。即,通常,形成在晶片上的发光元件,根据该元件所形成的晶片上的位置而峰值波长、输出功率等特性不同。然而,如果将晶片切割为单个的发光元件,则可以选择相同或类似特性的发光元件进行组化,根据组内所属发光元件的特性组合具有最佳波长变换特性的波长转换部件20进行接合。作为具体的方法,例如,在I个粘接片上配置多个具有类似特性的发光元件(第I工序);利用表面活化接合法,将配置在粘接片上的各发光元件与I个波长转换部件接合(第2工序);除去粘接片(第3工序);根据需要以成为各个发光装置的方式切割波长转换部件(第4工序)。
[0045]另外,如果加热发光元件,则电极、发光层有可能恶化,而表面活化接合法不是必须需要加热。由此,能够不损害发光元件的特性地接合发光元件10与波长转换部件20。虽然也与电极的材料和构成、半导体层叠部的材料和构成有关,但作为表面活化接合法的实施温度的范围,可以优选O0C〜300度,更优选O°C〜200度,进一步优选O°C〜100°C,更进一步优选0°C〜50°C。由此,能够不损害发光元件的特性地牢固地进行接合。
[0046]发光元件10和波长转换部件20的接合面分别表面粗糙度(Ra)可以优选为1nm以下,更优选为5nm以下,进一步优选为Inm以下。由此,能够容易且牢固地接合发光元件10与波长转换部件20。
[0047]根据发光元件10的接合面和/或波长转换部件20的接合面的材料和状态,有时也存在难以利用表面活化接合法接合二者的情况。即使这种情况下,也可以通过在发光元件10与波长转换部件的一方或两方上形成可以与另一方接合的接合部件,从而将二者接合。例如,表面活化接合法中,玻璃(包含荧光体)难以与发光元件的蓝宝石基板接合。因此,可以作为接合部件利用溅射法等而在玻璃表面形成氧化铝,进而利用表面活化接合法接合氧化铝与蓝宝石基板。此时,波长转换部件20由荧光体、支撑体(玻璃)以及接合部件(氧化铝)构成,接合部件(氧化铝)从发光元件侧具有第3区域和第4区域,该第3区域与第4区域相比原子排列不规则。
[0048] 实施例1
[0049](发光元件10)
[0050]在蓝宝石基板11上使由氮化物半导体构成的各层生长,形成半导体层叠部12。在半导体层叠部12的规定的部分上形成η电极13和P电极14。磨削晶片状的蓝宝石基板,使蓝宝石基板的厚度薄至85微米左右。
[0051 ] 进而,利用CMP(Chemical Mechanical Polishing),以削去研磨的刮痕且Ra成为Inm以下的方式使表面平滑。用划线机切这样得到的晶片状的发光元件,作成各发光元件
10。在本实施例中,制成俯视图中长Imm宽Imm大小的发光元件10。
[0052]对各发光元件10进行电压、波长、漏电等特性的评价,根据其结果,分选为相同特性的组。以发光元件间成为200微米的方式将各个组中的发光元件10配置到粘接片上。
[0053](波长转换部件20)
[0054]准备利用单向凝固法形成的波长转换部件20。本实施例的波长转换部件20由含有YAG(荧光体)的蓝宝石(支撑体)构成。对照想要得到的白色LED(发光装置)的色度,磨削和研磨波长转换部件20制成所希望的厚度。接着,为了使成为接合面的一面更加平滑而进行研磨和CMP。此时,因研磨速率差而蓝宝石部变凸、YAG部变凹,使二者的高度差成为1nm以下。接合面的YAG和蓝宝石的表面粗糙度Ra均为2nm以下。
[0055](表面活化接合)
[0056]将以成为接合面的蓝宝石基板11在下侧的方式载置在粘接片上的多个发光元件10配置于接合室的上部。以接合面在上侧的方式将波长转换部件20配置于接合室的下部。
[0057] 将接合室内抽真空以成为8.0 X 10—6Pa以下。其后,通过二台高速离子束(FAB: fasta tom beam)枪,向上下各自的样品照射Ar离子。将Ar以流量40 s c cm、I OOmA的加速电流照射180秒。其后,在30秒以内的短时间接合上下的样品。此时,对样品施加0.2N/mm2以上的压力30秒。从接合室取出接合了的样品,从该样品中除去粘接片。
[0058](芯片化等)
[0059]通过切割机将排列在I个波长转换部件20上的多个发光元件10分离,作成各发光装置。将发光装置的一个倒装片安装在经电极布线的基板上,除了成为发光面的波长转换部件20的上表面以外,用向硅铜树脂扩散有氧化钛粒子的白树脂进行覆盖。
[0060]利用晶片抗切强度试验确认到了本实施例中得到的发光装置与比较例相比,晶片抗切强度(接合强度)提高了约2倍。并且,确认到了光通量与比较例相比提高了约10%。[0061 ] 比较例
[0062]除了介由硅铜树脂构成的粘合材料接合发光元件的蓝宝石基板与波长转换部件以外,制作了与实施例1同样结构的发光装置。
[0063] 产业上的可利用性
[0064]本发明的一个实施方式的发光装置,例如可用于照明装置、显示装置等。
[0065] 符号说明
[0066] 10…发光元件,11...基板,Ila…第I区域,Ilb…第2区域,12...半导体层叠部,13...P电极,14...η电极,20...波长转换部件,20a...第3区域,20b...第4区域。

Claims (19)

1.一种发光装置,其特征在于,是发光元件与波长转换部件相接合的发光装置, 所述发光元件从所述波长转换部件侧具有第I区域和第2区域, 所述波长转换部件从所述发光元件侧具有第3区域和第4区域, 所述第I区域与所述第2区域具有相同组成且所述第I区域与所述第2区域相比原子排列不规则, 所述第3区域与所述第4区域具有相同组成且所述第3区域与所述第4区域相比原子排列不规则, 所述第I区域与所述第3区域直接接合。
2.根据权利要求1所述的发光装置,其中, 所述发光元件包含:具有所述第I区域和所述第2区域的基板及形成在所述基板上的半导体层叠部, 所述波长转换部件具备:具有所述第3区域和所述第4区域的支撑体及包含于所述支撑体的荧光体。
3.根据权利要求2所述的发光装置,其中,所述基板由蓝宝石构成,所述支撑体由氧化铝构成。
4.根据权利要求1〜3中任一项所述的发光装置,其中,所述第I区域和所述第3区域中的一方为非晶质。
5.根据权利要求1〜3中任一项所述的发光装置,其中,所述第I区域和所述第3区域均为非晶质。
6.根据权利要求1〜3中任一项所述的发光装置,其中,所述第2区域和所述第4区域中的一方为单晶。
7.根据权利要求1〜3中任一项所述的发光装置,其中,所述第2区域和所述第4区域均为单晶。
8.根据权利要求1〜3中任一项所述的发光装置,其中,所述第I区域和所述第3区域的厚度分别为I〜20nmo
9.根据权利要求2或3所述的发光装置,其中,所述荧光体含有选自钇.铝.石榴石系荧光体和铽.铝.石榴石系荧光体中的一种。
10.一种发光装置的制造方法,其特征在于,具有如下工序: 准备发光元件的发光元件准备工序, 准备波长转换部件的波长转换部件准备工序,以及 对所述发光元件的接合面和所述波长转换部件的接合面进行溅射蚀刻,将所述接合面分别活化,利用该接合面直接接合所述发光元件与所述波长转换部件的接合工序。
11.根据权利要求10所述的发光装置的制造方法,其特征在于, 所述发光元件具有由蓝宝石构成的基板和形成在上述基板上的半导体层叠部, 所述波长转换部件具有由氧化铝构成的支撑体和包含于所述支撑体的荧光体, 在所述接合工序中,使所述基板与所述支撑体相接合。
12.根据权利要求11所述的发光装置的制造方法,其中,所述荧光体含有选自钇.铝.石榴石系荧光体和铽.铝.石榴石系荧光体中的一种。
13.根据权利要求10〜12中任一项所述的发光装置的制造方法,其中,将所述接合温度设为O〜300°C的范围。
14.根据权利要求10〜12中任一项所述的发光装置的制造方法,其中,将所述接合温度设为O〜200°C的范围。
15.根据权利要求10〜12中任一项所述的发光装置的制造方法,其中,将所述接合温度设为O〜100°C的范围。
16.根据权利要求10〜12中任一项所述的发光装置的制造方法,其中,所述发光元件和所述波长转换部件的接合面的表面粗糙度为1nm以下。
17.根据权利要求10〜12中任一项所述的发光装置的制造方法,其中,所述发光元件和所述波长转换部件的接合面的表面粗糙度为5nm以下。
18.根据权利要求10〜12中任一项所述的发光装置的制造方法,其中,所述发光元件和所述波长转换部件的接合面的表面粗糙度为Inm以下。
19.根据权利要求11或12所述的发光装置的制造方法,其中,所述波长转换部件的接合面包括荧光体部和氧化铝部, 所述接合面中,所述荧光体部和所述氧化铝部的高度差为1nm以下。
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