JP2005123238A - 半導体発光装置の製造方法および半導体発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、半導体発光素子の発光面を含む周囲に形成された蛍光体層を、蛍光体層形成用型に蛍光体含有材料を充填して形成する場合、蛍光体層を所望とする形状に形成することが可能な半導体発光装置およびその製造方法を提供する。
【解決手段】本発明の半導体発光装置の製造方法は、蛍光体層３を形成するための開口部１５を有する蛍光体層形成用型１６を半導体発光素子２を実装した基板１３上に配設し、蛍光体層形成用型１６の開口部１５に、アルミナ、二酸化珪素または炭酸カルシウムのいずれかを含み、粒径２μｍ〜５０μｍに形成されたビーズを含有する蛍光体含有材料１７を充填し、蛍光体層形成用型１６を基板１３上から取り除き、蛍光体含有材料１７を硬化させて蛍光体層３を形成することを特徴とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、半導体発光素子の発光面を含む周囲に形成された蛍光体層を、蛍光体層形成用型に蛍光体含有材料を充填して形成した半導体発光装置の製造方法および半導体発光装置に関する。

従来、半導体発光装置は、半導体発光素子の周囲を、蛍光体を含む樹脂層（以下、「蛍光体層」と称す。）で覆い、半導体発光素子から出射される紫外光や可視光によって、蛍光体を励起（低いエネルギー状態から高いエネルギー状態へ電子の軌道が変わること）させて発光させている。

この蛍光体層は、スピンコート法やスクリーン印刷法などにより形成される。しかし、スピンコート法では、層厚を１００〜９００μｍ程度の厚みしか形成できないし、基板の上面だけしか形成ができない。一方、スクリーン印刷法では、基板の周囲にも蛍光体層を形成でき、層厚を０．３〜０．５ｍｍで一様に形成することができる。

スクリーン印刷法で蛍光体層を形成したものとして、特許文献１に記載の半導体発光装置がある。

この半導体発光装置は、ステンシルと呼ばれる型に形成された複数の開口部の中心に、半導体発光素子を収まるように配置し、この開口部へ約９０ｍ²／ｇより大きい単位質量あたりの表面積比を有する二酸化珪素分子を含有した蛍光体含有材料を充填し、ステンシルを除去し、蛍光体含有材料を硬化させて、蛍光体層を形成したものである。

このように二酸化珪素分子を、上記表面積比を有するものとすることで、蛍光体含有材料に対して揺るぎ変性を分け与えている。これにより、開口部へ充填された蛍光体含有材料は、ステンシルで掘り出された後、崩壊することなく、また沈むことなく、蛍光体層の形状を保持することができる。
特開２００２−１８５０４８号公報

上記特許文献１に記載の半導体発光装置で使用している約９０ｍ²／ｇより大きい単位質量あたりの表面積比の二酸化珪素分子は、粒径が約５０ｎｍ以下の大きさに相当する。

しかし、この粒径では、蛍光体含有材料を充填してステンシルを除去する際、蛍光体含有材料の粘着力が強すぎるため、ステンシルの開口部に蛍光体含有材料が付着して、蛍光体層が型くずれを起こすことが想定される。

従って、所望とする厚みや形状を有する蛍光体層を備えた半導体発光装置を得ることが困難である。

本発明は、半導体発光素子の発光面を含む周囲に形成された蛍光体層を、蛍光体層形成用型に蛍光体含有材料を充填して形成する場合、蛍光体層を所望とする形状に形成することが可能な半導体発光装置の製造方法および半導体発光装置を提供することを目的とする。

本発明は、半導体発光素子の発光面を蛍光体層で被覆する半導体発光装置の製造方法において、前記蛍光体層を形成するための開口部を有する蛍光体層形成用型を前記半導体発光素子を実装した基板上に配設し、前記蛍光体層形成用型の前記開口部に、アルミナ、二酸化珪素または炭酸カルシウムのいずれかを含み、粒径２μｍ〜５０μｍに形成されたビーズを含有する蛍光体含有材料を充填し、前記蛍光体層形成用型を前記基板上から取り除き、前記蛍光体含有材料を硬化させて前記蛍光体層を形成することを特徴とする半導体発光装置の製造方法としたものである。

本発明は、蛍光体層を、アルミナ、二酸化珪素または炭酸カルシウムのいずれかを含み、粒径２μｍ〜５０μｍで形成されたビーズを含有した蛍光体含有材料で形成することで、蛍光体含有材料が発光体層を形成するに好適な粘着力を有するので、所望とする形状の発光体層が形成できる。よって、歩留まりの低下を抑止することができる。

また、蛍光体含有材料に、粒径が５０ｎｍ以下の二酸化珪素を含有させたことにより、蛍光体層を形成する際に、蛍光体層の形状保持と、比重の重い蛍光体の沈降防止および蛍光体含有材料に含まれる樹脂系接着剤の流失を防止することができるので、形状保持力が高い蛍光体層が形成できる。

また、ビーズの粒径を蛍光体の粒径と略等しくしたことにより、蛍光体の粒子とビーズの粒子がよく混ざり合って分散性が高い蛍光体含有材料とすることができるので、ほぼ均一に分散した蛍光体を有する蛍光体層が形成できる。よって、半導体発光素子から出射される光が、均一に分散した蛍光体に照射されるので、色ムラの少ない半導体発光装置とすることができる。

上記課題を解決するためになされた第１の発明は、半導体発光素子の発光面を蛍光体層で被覆する半導体発光装置の製造方法において、前記蛍光体層を形成するための開口部を有する蛍光体層形成用型を前記半導体発光素子を実装した基板上に配設し、前記蛍光体層形成用型の前記開口部に、アルミナ、二酸化珪素または炭酸カルシウムのいずれかを含み、粒径２μｍ〜５０μｍに形成されたビーズを含有する蛍光体含有材料を充填し、前記蛍光体層形成用型を前記基板上から取り除き、前記蛍光体含有材料を硬化させて前記蛍光体層を形成することを特徴としたものである。蛍光体含有材料に含まれるビーズの粒径が２μｍ未満とすると、可視光（０．３８μｍ〜０．７８μｍ）の波長に近づくため、蛍光体層を可視光が通過する際にビーズが光の進行方向を変化させ散乱させてしまう波長依存性が発現し始める。

白色の半導体発光装置は、青色（ピーク波長０．４５μｍ付近）の半導体発光素子に蛍光体含有材料を塗布して蛍光体層を形成することで、発光した青色と一部蛍光体に吸収されて発光した黄色（ピーク波長０．５７μｍ付近）とを混色させて白色を発光している。例えば、粒径が１μｍのビーズを蛍光体含有材料中に含有させて蛍光体層を形成した半導体発光装置では、青色より黄色が強く散乱するミー散乱という現象が発生する。ビーズの粒径を可視光の波長の範囲より小さいものとすると、黄色より青色が強く散乱するレイリー散乱という現象が発生する。このように、ミー散乱やレイリー散乱が発生することで、青色と黄色がうまく混色せず、きれいな白色が得られない。

また、ビーズの粒径が５０μｍより大きいと蛍光体層を形成する際に、蛍光体含有材料の中で、ビーズが分散しにくく偏りが発生するため、部分的に蛍光体の沈降による発光ムラが発生する。また、蛍光体層形成用型の開口部に蛍光体含有材料が充填しにくくなり、隙間などが生じて所望の形状の蛍光体層が得られない。

従って、粒径が２μｍ〜５０μｍの粒径としたビーズを含有する蛍光体含有材料は、蛍光体層を形成するに好適な粘着力を有するので、所望とする形状の蛍光体層が形成できる。

上記課題を解決するためになされた第２の発明は、前記ビーズの粒径は、前記蛍光体の粒径と略等しくしたものであり、ビーズの粒径を、蛍光体の粒径と略等しくしたことにより、蛍光体の粒子とビーズの粒子がよく混ざり合って分散性が高い蛍光体含有材料とすることができるので、ほぼ均一に分散した蛍光体を有する蛍光体層が形成できる。

上記課題を解決するためになされた第３の発明は、半導体発光素子の発光面を蛍光体層で被覆した半導体発光装置において、前記蛍光体層は、アルミナ、二酸化珪素または炭酸カルシウムのいずれかを含み、粒径２μｍ〜５０μｍで形成されたビーズを含有する蛍光体含有材料で形成されたものであることを特徴としたものであり、蛍光体層を、アルミナ、二酸化珪素または炭酸カルシウムのいずれかを含み、粒径２μｍ〜５０μｍで形成されたビーズを含有した蛍光体含有材料で形成することで、蛍光体層を形成するに好適な粘着力を有するので、蛍光体層形成用型に蛍光体含有材料が付着することがないため、所望とする形状の蛍光体層とした半導体発光装置である。

上記課題を解決するためになされた第４の発明は、前記ビーズの粒径は、前記蛍光体の粒径と略等しくしたものであり、ビーズの粒径を、蛍光体の粒径と略等しくしたことにより、蛍光体の粒子とビーズの粒子がよく混ざり合って分散性が高い蛍光体含有材料とすることができるので、ほぼ均一に分散した蛍光体を有する蛍光体層とした半導体発光装置である。

以下に、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態に係る半導体発光装置を示す側面図である。

図１に示すように半導体発光装置１は、半導体発光素子２に蛍光体層３が発光面４を含む表面を被覆して形成されている。

半導体発光素子２は、素子基板５にｎ型半導体層６が積層され、ｎ型半導体層６に、ｎ側電極７を形成する領域を除いて発光体層８が積層され、発光体層８にｐ型半導体層９が積層され、ｐ型半導体層９にｐ側反射電極１０が積層され、ｐ側反射電極１０にｐ側電極１１が形成されている。

このように形成された半導体発光素子２は、配線パターン１２を形成した基板１３にｎ側電極７とｐ側電極１１を接続させてフリップチップ実装している。

蛍光体層３は、基板１３に実装した状態で形成され半導体発光素子の周囲を覆うように被覆している。素子基板５の上面の厚みＡは、側面を覆う厚みＢと略等しくなるように形成されている。なお、この素子基板５の上面の厚みＡと、側面を覆う厚みＢとは、蛍光体層の沈降などによる輝度ムラによっては、適宜決めることができる。

また、蛍光体層３は、光硬化性または熱硬化性を有し光透過性を有する樹脂であるシリコーンポリマ接着剤と、平均粒径が６μｍの蛍光体と、粒径６μｍの球形粒子を５０％以上含み、かつ粒径５０μｍより大きい球形粒子を含まない二酸化珪素のビーズと、平均粒径が５０ｎｍ以下の二酸化珪素とを含有した蛍光体含有材料を用いてスクリーン印刷法で形成されている。

ビーズは、二酸化珪素の他に、アルミナ、炭酸カルシウムを用いることも可能である。

蛍光体含有材料は、アルミナ、二酸化珪素または炭酸カルシウムのいずれかのビーズを含有させることで、バインダーの役目をする樹脂であるシリコーンポリマ接着剤の分量を減らすことができる、従って、好適な粘着力とすることができる。

ビーズの粒径は、２μｍ〜５０μｍとするのが望ましい。粒径が２μｍ未満では、可視光（０．３８μｍ〜０．７８μｍ）の波長に近づくため、蛍光体層を可視光が通過する際にビーズが光の進行方向を変化させ散乱させてしまう波長依存性が発現し始める。

また、ビーズの粒径が５０μｍより大きいと、蛍光体含有材料の中で、ビーズが分散しにくく偏りが発生する。この状態の蛍光体含有材料を使用して蛍光体層３を形成すると、部分的に蛍光体の沈降による発光ムラが発生する。また、スクリーン印刷法で蛍光体層３を形成する際に、形成用型に蛍光体含有材料が充填しにくくなり、隙間などが生じて所望の蛍光体層３の形状が得られない。

平均粒径が５０ｎｍ以下の二酸化珪素は、形成用型に蛍光体含有材料を充填して、形成用型を除去する際に、シリコーンポリマ接着剤が流れ出すことを防止している。

素子基板５は、矩形状に形成され、絶縁性を有するサファイアで形成されているが、ＳｉＣ，ＧａＡＳ，ＧａＰなども使用できる。

ｎ型半導体層６は、素子基板５にＧａＮ，ＡｌＧａＮなどを積層して形成する。ｎ型半導体層６と素子基板５の間に、ＧａＮやＩｎＧａＮで形成したバッファ層を設けることも可能である。

ｎ側電極７は、ｎ型半導体層６と接続するＴｉと、ボンディングするために好適なＡｕとから形成されている。

発光体層８とｐ型半導体層９は、ｎ型半導体層６の全面にＩｎＧａＮで積層した発光体層と、発光体層の全面にＧａＮを積層したｐ型半導体層とを形成した後に、ドライエッチングによりｎ型半導体層６にｎ側電極７を形成する領域を露出させて、発光体層８とｐ型半導体層９とが形成される。

ｐ側反射電極１０は、ｐ型半導体層９とオーミックコンタクトを取るためのＰｔと、光反射率のよいＡｇと、ｐ側電極１１と接続するためのＰｔで形成された多層構造である。また、ｐ側反射電極１０は、Ａｇの代わりにＲｈやＡｌを使用することもできる。

ｐ側電極１１は、ｐ側反射電極１０と接続するＴｉとボンディングするために好適なＡｕとから形成されている。

以上のように構成される本発明の実施の形態に係る半導体発光装置の製造方法について、図２および図３に基づいて説明する。

図２および図３は、本発明の実施の形態に係る半導体発光装置の製造方法を説明する図である。

図２に示すように、複数の半導体発光素子２（２ａ〜２ｆ）を基板１３にフリップチップ実装する。これに、半導体発光素子２を配置した位置に合致するように開口部１５（１５ａ〜１５ｆ）が形成された形成用型１６を用意する。

形成用型１６は、ニッケルやステンレスなどの金属で形成されているので、蛍光体含有材料を開口部１５へ充填しても腐食などはしない。

開口部１５は、基板１３にフリップチップ実装した半導体発光素子２が開口部１５に収まるように形成用型１６を配設した際に、半導体発光素子２の周囲から開口部１５の壁面まで距離を厚みＢが確保できるような開口部１５の広さとすることで、素子基板５の側面部の厚みＢの蛍光体層３が形成できる。

また、開口部１５の深さを、半導体発光素子２のｎ側電極７またはｐ側電極１１の接続部から素子基板５の発光面４までの距離より厚みＡが確保できる深さとすることで、素子基板５の上面の厚みＡの蛍光体層３が形成できる。

図３（ａ）に示すように、形成用型１６の開口部１５ａ〜１５ｆに半導体発光素子２ａ〜２ｆがそれぞれ収まるように、かつ半導体発光素子２の素子基板５の周囲から開口部１５の壁面まで厚みＢの距離が確保できるように調整して形成用型１６を配設する。これは、基板１３と形成用型１６とに位置合わせの目印をつけることで、容易に位置合わせをすることができる。

図３（ｂ）に示すように、蛍光体含有材料１７を形成用型１６の開口部１５に充填する。この際に使用する蛍光体含有材料１７は、シリコーンポリマ接着剤２２重量％、平均粒径が６μｍの蛍光体を５６重量％、平均粒径が６μｍの二酸化珪素を５０％以上含むビーズを２１重量％、平均粒径が５０ｎｍ以下の二酸化珪素を１重量％として調整した。

図３（ｃ）に示すように、形成用型１６を半導体発光素子２を実装した基板１３から取り除く。

そして、熱硬化性を有するシリコーンポリマ接着剤を含有した蛍光体含有材料１７であれば、熱硬化炉にて、蛍光体含有材料１７を硬化させて、半導体発光素子２（２ａ〜２ｃ）に蛍光体層３（３ａ〜３ｃ）を形成して半導体発光装置１（１ａ〜１ｃ）とする。また、紫外線硬化性を有するシリコーンポリマ接着剤を含有した蛍光体含有材料１７であれば、紫外線を照射して蛍光体含有材料１７を硬化させて、蛍光体層３を形成して半導体発光装置１（１ａ〜１ｃ）とする。

基板１３上に複数の半導体発光装置１が形成されるので、個々の半導体発光装置とする場合には、ダイシングで分割することで、容易に個々の半導体発光装置１とすることができる。また、複数の半導体発光装置１を備えた照明装置であれば、ダイシングの工程を省略することができる。

以上、本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、例えば、蛍光体層を形成する形成用型の開口部を平面視して矩形状としたが、円形状や多角形状や異形状とすることもできる。開口部を円形とすると円柱状の蛍光体層を形成することが可能である。また、スクリーン印刷法にて蛍光体層を形成したが、ディスペンサにて蛍光体層を形成する形成用型へ蛍光体含有材料をポッティングにより充填し、スキージで均して形成する方法でも蛍光体層が形成できる。

本発明に係る半導体発光装置およびその製造方法は、発光体層を形成するに好適な粘着力を有する蛍光体含有材料を用いるので、所望とする形状の発光体層が形成でき、半導体発光素子の周囲に、スクリーン印刷法で蛍光体層を形成するのに有用である。

本発明の実施の形態に係る半導体発光装置の側面図 本発明の実施の形態に係る半導体発光装置の製造方法を説明する図 本発明の実施の形態に係る半導体発光装置の製造方法を説明する図

符号の説明

１，１ａ〜１ｃ 半導体発光装置
２，２ａ〜２ｆ 半導体発光素子
３，３ａ〜３ｃ 蛍光体層
４ 発光面
５ 素子基板
６ ｎ型半導体層
７ ｎ側電極
８ 発光体層
９ ｐ型半導体層
１０ ｐ側反射電極
１１ ｐ側電極
１２ 配線パターン
１３ 基板
１５，１５ａ〜１５ｆ 開口部
１６ 形成用型
１７ 蛍光体含有材料

Claims (4)

1. 半導体発光素子の発光面を蛍光体層で被覆する半導体発光装置の製造方法において、
   前記蛍光体層を形成するための開口部を有する蛍光体層形成用型を前記半導体発光素子を実装した基板上に配設し、
   前記蛍光体層形成用型の前記開口部に、アルミナ、二酸化珪素または炭酸カルシウムのいずれかを含み、粒径２μｍ〜５０μｍに形成されたビーズを含有する蛍光体含有材料を充填し、
   前記蛍光体層形成用型を前記基板上から取り除き、
   前記蛍光体含有材料を硬化させて前記蛍光体層を形成することを特徴とする半導体発光装置の製造方法。
2. 前記ビーズの粒径は、前記蛍光体の粒径と略等しいものである請求項１記載の半導体発光装置の製造方法。
3. 半導体発光素子の発光面を蛍光体層で被覆した半導体発光装置において、
   前記蛍光体層は、アルミナ、二酸化珪素または炭酸カルシウムのいずれかを含み、粒径２μｍ〜５０μｍで形成されたビーズを含有する蛍光体含有材料で形成されたものであることを特徴とする半導体発光装置。
4. 前記ビーズの粒径は、前記蛍光体の粒径と略等しいものである請求項３に記載の半導体発光装置。

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