JP2010045065A - 発光装置の製造方法および発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】LED半導体層の上に直接蛍光体薄膜を備え、発光効率のよいLED発光装置の製造方法を提供する。
【解決手段】基板上に半導体積層膜１００を形成し、半導体積層膜１００から基板を剥離し、半導体積層膜１００上にアーク放電プラズマを用いるイオンプレーティング法により蛍光体膜３を成膜する。半導体積層膜１００から成膜時の基板を剥離することにより、基板による光の減衰を防ぎ、光の取り出し効率のよい発光装置が得られる。蛍光体膜をアーク放電プラズマを用いるイオンプレーティング法により製造することにより、半導体積層膜にダメージを与えることなく結晶性のよい緻密な膜を成膜でき、蛍光体膜の変換効率も高い。
【選択図】図２

Description

本発明は、LED（発光ダイオード）と蛍光体との組み合わせた発光装置に関する。

携帯電話や薄型テレビ用のLCD(液晶）バックライト、自動車用灯体光源として白色LEDが多く使用されている。これら用途の白色LEDを実現するために、約４５０〜４６０ｎｍに発光する青色LEDと、この波長で励起され黄色に発光する蛍光体とを組み合わせて白色光源とする発光素子が一般に実用化されている。通常これらの白色LEDは、青色LEDチップの周囲に黄色の蛍光体（例えばYAG：Ceなど）をシリコーン樹脂に分散させてコートした構造が一般的である。

特許文献１には、蛍光体セラミックス基板を用い、この上にLED構造体を成長させた素子、あるいは、蛍光体セラミックス基板をLEDに貼り付けた素子が提案されている。

特許文献２および特許文献３には、青色LEDチップの表面に直接蛍光体薄膜を搭載したLED素子が開示されている。蛍光体薄膜の形成方法としては、特許文献１の段落「００１４」に電子ビーム蒸着、加熱蒸着、交流スパッタリング、化学蒸着、及び、原子層エピタキシー等の公知の方法を用いることができると記載されている。特許文献２の段落「００１４」には、スパッタリング法またはレーザーパルス（PLD)法を用いて蛍光体薄膜を蒸着することが記載されている。

特開２００７−１５０３３１号公報 特開２００１−１８５７６４号公報 特開２００７−１８４６１５号公報

蛍光体を分散させた樹脂によりLEDチップをコートした素子構造は、長時間高温で駆動すると樹脂に黄変が生じるという問題がある。これに対し、特許文献１〜３に記載の素子は、蛍光体セラミックス基板や蛍光体薄膜に樹脂等の有機成分を含まないため樹脂の黄変の問題が生じない。しかしながら、特許文献１記載の技術のように蛍光体セラミックス基板の上にLED構造体を成長させる方法は、成膜装置の中に蛍光体セラミックス基板を持ち込まなければならず、蛍光体の成分が反応炉に入ることで成長炉内を汚染し、LED特性に影響を与える可能性がある。また、特許文献１記載の蛍光体セラミックス基板をLEDに貼り付ける構成の素子は、接着材等を用いて接着する工程が必要であり、工数がかかる。蛍光体セラミックス基板として蛍光体硝子を用いる場合、熱伝導率が低いものもあり、熱引きが悪いという問題もある。

一方、特許文献２および３の技術ではLEDチップの表面に直接蛍光体薄膜を形成するため、LEDチップの半導体膜にダメージを与えない成膜方法を用いる必要がある。しかし、特許文献２および３に記載の成膜方法は、加速粒子を半導体膜に衝突させるスパッタ法や、結晶性を上げるために基板を高温に加熱する蒸着法を用いている。基板温度が低温で、加速粒子が少なく、しかも、結晶性のよい膜を形成できる成膜方法を用いることが望まれる。

さらに、特許文献１、２および３に記載の素子は、いずれもLEDチップが基板を含んでいるため、LEDの活性層から発せられた光が、厚い基板で横方向へ伝搬されることにより自己吸収され、光の取り出し効率が低下するという問題もある。

本発明の目的は、LED半導体層の上に直接蛍光体薄膜を備え、発光効率のよいLED発光装置の製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明によれば、以下のような発光装置の製造方法が提供される。すなわち、発光体構造をもつ半導体積層膜と、半導体積層膜上に直接搭載された蛍光体膜とを有する発光装置の製造方法であって、基板上に半導体積層膜を形成する工程と、半導体積層膜から基板を剥離する工程と、半導体積層膜上にアーク放電プラズマを用いるイオンプレーティング法により蛍光体膜を成膜する工程とを含む製造方法である。このように、半導体積層膜から成膜時の基板を剥離することにより、基板による光の減衰を防ぎ、光の取り出し効率のよい発光装置が得られる。蛍光体膜は、アーク放電プラズマを用いるイオンプレーティング法により製造することにより、半導体積層膜にダメージを与えることなく、結晶性のよい緻密な膜を成膜でき、蛍光体膜の変換効率も高い。

上記アーク放電プラズマとしては、ヘリウムガスと酸素ガスのプラズマを用いることが可能である。これにより、酸素プラズマの密度を高くすることができる。

上記蛍光体膜を成膜する工程は、例えば、Ｙを含む蒸発源とＡｌを含む蒸発源とＣｅを含む蒸発源とをそれぞれ蒸発させてアーク放電プラズマ中を通過させ、半導体積層膜に堆積することにより、Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２：Ｃｅからなる蛍光体膜を成膜する。

半導体積層膜から基板を剥離する工程では、例えば、半導体積層膜の基板とは逆側の表面にサブマウント基板を固定した後、基板を剥離し、蛍光体膜を成膜する工程は、半導体積層膜の基板を剥離した面に蛍光体膜を成膜する。

また、本発明の別の態様によれば、発光体構造をもつ半導体積層膜と、半導体積層膜から発せられた所定の波長光により励起され、他の波長の光を発する蛍光体膜とを有する発光装置であって、半導体積層膜は成膜時の基板から剥離された薄片状であり、蛍光体膜は半導体積層膜上に直接搭載されている発光装置が提供される。

本発明の一実施形態について説明する。
まず、本実施形態の製造方法により製造するLED発光装置の構造を図１を用いて説明する。図１のように、LED発光装置は、LED構造積層膜１００をパッケージ４０１に搭載した構造である。パッケージ４０１には、一対の電極端子４０２，４０３と、反射部材４０４と、保護用の透明ガラス４０５が備えられている。

LED構造積層膜１００の詳しい構造を図２に示したように、ｎ型半導体層４、活性層５、ｐ型半導体層７を積層した構造である。これらは、いずれも窒化物系化合物半導体（Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１））により形成されている。ｐ型半導体層７の上にはｐ−電極８が配置されている。ｐ型半導体層７および活性層５は、その一部が切り欠かれてｎ型半導体層４の一部を露出している。露出したｎ型半導体層４上には、ｎ−電極９が配置されている。

このLED構造積層膜１００は、中心波長４５０〜４８０ｎｍの青色光を発光する。

LED構造積層膜１００のｐ−電極８およびｎ−電極９は、図１に示したように、パッケージ４０１の一対の電極端子４０２、４０３に接続されている。

ｎ型半導体層４の表面には、蛍光体膜３が配置されている。この蛍光体膜３は、青色光を吸収して黄色光を発光する蛍光体からなる。例えばＹＡＧ:Ｃｅ系の蛍光体を用いることが可能である。一例としては、Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２：Ｃｅを用いることができる。

図１のLED発光装置において活性層５から発せられた光は、LED構造積層膜１００内を伝搬して、一部の光は蛍光体膜３を通過して出射され、直接または反射部材４０４で反射されて透明ガラス４０５を通過し、外部に向かって出射される。このとき、蛍光体膜３を通過する光の一部は、蛍光体を励起して黄色光に変換される。これにより青色光と黄色光とが混合され、白色光が出射される。

図１のLED発光装置は、LED構造積層膜１００が基板を備えていない。蛍光体膜３は、LED構造積層膜１００に直接搭載されている。このため、活性層５から発せられLED構造積層膜１００を伝搬する光は、薄いLED構造積層膜１００を伝搬して出射されるため、基板を備えている場合と比較して基板伝搬による減衰がなく、光の取り出し効率が高い。また、薄いLED構造積層膜１００は、自己発熱を効率よく逃すことができる。

以下、本実施形態のLED発光装置の製造方法について説明する。本実施の形態では、薄いLED構造積層膜１００にダメージを与えにくい成膜方法で、結晶性に優れた緻密な蛍光体膜３を形成する。

まず、LED構造積層膜１００をＭＯＣＶＤ法等により成膜する。図３のように、基板１として所定の面（例えばＣ面）を主平面とするサファイア基板やＳｉＣ基板を用意し、所定の温度で熱処理することによりクリーニングする。その後、所定の低温で基板１を加熱し、アモルファス状の窒化物系化合物半導体層を薄い膜厚で形成する。成膜方法としては公知の方法を用いることができ、例えばＭＯＣＶＤ法を用いることができる。ＭＯＣＶＤ法を用いる場合、供給ガスとしては、反応ガスとしてトリメチルガリウムおよびアンモニアを用いることができる。その後、所定の温度で熱処理することによりアモルファス状の窒化物系化合物半導体層を結晶化させる。これにより、窒化物系化合物半導体の結晶粒からなる低温バッファ層２を形成する。

次に、基板１を所定の温度で加熱しながら、バッファ層２の上に所定の濃度でｎ型不純物をドープした窒化物系化合物半導体を所定の膜厚で結晶成長させ、ｎ型半導体層４を形成する。ｎ型半導体層４の上に窒化物系化合物半導体を結晶成長させ、所定の構造の活性層５を形成する。さらに、活性層５の上に、所定の濃度でｐ型不純物をドープした窒化物系化合物半導体を結晶成長させ、ｐ型半導体層７をそれぞれ形成する。いずれも公知の結晶成長方法、例えばＭＯＣＶＤ法により形成することができる。

次に、ｐ型半導体層７を熱処理することによりアクチベーション処理する。ｐ型半導体層７の上にｐ−電極８を形成した後、基板１および各層を分割し、ｐ型半導体層７および活性層５を所定の形状に切り欠く。露出したｎ型半導体層４の一部の上には、ｎ−電極９を形成する。以上により、基板１上にバッファ層２を介して、LED構造積層膜１００が形成される。

次に、LED構造積層膜１００から基板１を剥離するために、基板１側からレーザー光を照射する。バッファ層２は、レーザー光を吸収するため、バッファ層２と基板１の界面で、LED構造積層膜１００と基板１とを剥離することができる。この方法の他に、ケミカルリフトオフ法を用いることも可能である。この場合、バッファ層２は、化学的にエッチングができる材料で、かつ、ＩｎＡｌＧａＮに格子定数が近い材料により形成する。

剥離したLED構造積層膜１００は、通常数十μｍ程度と薄い。ハンドリングが困難な場合には、図４のように電極８，９側に金属層１１を介してサブマウント基板１０を貼り付けてもよい。金属層１１としては、金またはＡｕ／Ｓｎ合金層を用いることができる。サブマウント基板１０としては、例えばＳｉ基板を用いる。

つぎに、ｎ型半導体層４の表面に蛍光体膜３を形成する。本実施形態では、蛍光体膜３をアーク放電を用いる成膜方法（例えば、アーク放電イオンプレーティング法）により成膜する。アーク放電を用いることによりプラズマ密度を高くできるので酸素や構成元素の活性化率が高く、緻密で結晶性の良い膜を低温で成膜することができる。また、スパッタ法と比較して放電電圧が低いため、高エネルギーをもった加速粒子がなく、ｎ型半導体層４に与えるダメージが非常に少ない。

ここで、アーク放電イオンプレーティング装置について図５を用いて説明する。図５のアーク放電イオンプレーティング装置は、電子流を反射させる反射型でかつ圧力勾配型のプラズマガン２１０を備えている。

真空容器２１１内には、成膜すべきLED構造積層膜１００を支持する基板ホルダー１３が配置されている。基板ホルダー１３内にはLED構造積層膜１００を加熱するためのヒーターが内蔵されている。真空容器２１１内のLED構造積層膜１００に対向する位置には、蒸発源１２が配置される。蒸発源１２は、ここでは、いずれも銅ハースに充填されたＹ_２Ｏ_３、Ａｌ_２Ｏ_３、ＣｅＯ_２の３種類、もしくは、Ｙ、Ａｌ、Ｃｅの３種類を用いる。図５には図示していないが、真空容器２１１内には、蒸発源１２に電子ビームを照射する電子ビームガンが備えられている。また、LED構造積層膜１００と蒸発源１２との間の空間に反応ガスを供給するための反応ガス導入管１５が配置されている。

真空容器２１１の側面にはプラズマガン２１０が備えられている。プラズマガン２１０は、筒状のプラズマガン容器１０３に、陰極２１、第１中間電極２２、第２中間電極２３、陽極２４、フランジ２６をプラズマ引き出し軸１０１に沿って順に配置した構造である。陰極２１、第１中間電極２２、第２中間電極２３、陽極２４は不図示のガイシによって相互に絶縁されている。陽極２４の外周側には、プラズマをガイドするための空芯コイル２５が配置されている。

陰極２１は、アーク放電に適した公知の陰極構造のものを用いる。陰極２１には放電ガスの導入口１０２が備えられている。第１および第２中間電極２２、２３は、いずれも中央に所定の径の貫通孔を有しており、この貫通孔によってプラズマガン容器１０３の圧力を真空容器２１１よりも陽圧に維持し、圧力勾配を形成する。第１および第２中間電極２２，２３には、生じたプラズマを収束させて貫通孔を通過させるための磁場を発生する永久磁石または電磁石が必要に応じて内蔵されている。フランジ２６は、プラズマガン２１０を真空容器２１１に連結する。

プラズマ発生のための電気配線は、図５に示されるように、陰極２１と陽極２４との間に直流電源を設け、第１および第２の中間電極２２、２３は適切な抵抗値の抵抗を介して陽極２４に接続した構成である。陰極２１から適切な流量の放電ガスを流して、直流電源により陰極２１と陽極２４間に電圧を印加することにより、陰極２１と陽極２４間及び真空容器２１１内に直流アーク放電プラズマを発生させることができる。

プラズマガン２１０は、陽極２４を真空容器２１１の手前に配置した反射型の構成であるため、プラズマガン２１０から真空容器２１１内に導かれた直流アーク放電プラズマ中の電子は空間電荷によって反射されて陽極２４に戻る。よって、真空容器２１１内にはプラズマ１０５のみが発生し、電子電流が空間を流れない。プラズマ１０５は、空芯コイル２５が形成する磁場の影響を受けず、非常に均質なプラズマ１０５を真空容器２１１内に発生させることができる。

蒸発源１２の材料として、Ｙ_２Ｏ_３、Ａｌ_２Ｏ_３、ＣｅＯ_２の３種類またはＹ、Ａｌ、Ｃｅの３種類を用い、電子ビーム加熱により各々独立に蒸発させる。各金属の蒸発量をモニタし、電子ビーム加熱源の出力をフィードバック制御することによりＹとＡｌとＣｅの蒸発量を組成Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２：ＣｅのＹ、Ａｌ、Ｃｅ比となるように制御する。

圧力勾配型アーク放電プラズマガン２１０に所定流量のＨｅガスを放電ガスとして導入し、直流バイアス電圧を印加することにより、アーク放電を発生させる。このアーク放電で生成したHeプラズマは空芯コイル２５によって生じた磁場によって真空容器２１１内に導かれる。

この状態で、ガス導入管１５よりＯ_２ガスを導入することにより、真空容器２１１内にHeと酸素の混合プラズマが形成される。このとき酸素プラズマの密度は高密度であり、これにより高濃度の酸素ラジカルが生成される。

基板ホルダー１３に内蔵されたヒーターにより所定温度に加熱したLED構造積層膜１００に向け、蒸発源１２からＹとＡｌとＣｅを電子ビーム加熱蒸発させると、各蒸気は、混合プラズマを通過することにより酸素ラジカルと反応し、酸化されながら基板上に堆積する。これにより、組成Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２：Ｃｅの蛍光体膜３をLED構造積層膜１００上に堆積させる。

以上の工程は、ウエハの状態で行う。このウエハ状の蛍光体膜３付きLED構造積層膜１００をダイシングにより切り分け、チップにする。チップを図１のようにパッケージ４０１にマウントする。図４のようにサブマウント基板１０を貼り付けた場合は、サブマウントごとパッケージ４０１に実装することも可能である。

本実施形態ではアーク放電プラズマを用いており、プラズマ密度が高いため、酸素や構成元素の活性化率が高く、緻密で結晶性の良い組成Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２：Ｃｅの蛍光体膜３を低温で成膜できる。

また、アーク放電イオンプレーティング法は、放電電圧が通常１００Ｖ程度であり、一般的なスパッタ法の放電電圧５００〜１０００Ｖと比較して低いため、高エネルギーをもった加速粒子がなく、LED構造積層膜１００に与えるダメージが非常に小さい。よって、LED構造積層膜１００の発光効率を低下させることなく、結晶性がよく変換効率の高い蛍光体膜３を成膜することができ、発光効率の高いLED発光装置を製造することができる。

特に、本実施形態では放電ガスとしてHeガスを用いており、Heガスは電離電圧が24.6Vと酸素（O₂）ガスの電離電圧12.2 Vの約２倍となるため、酸素ガスにHeガスの約2倍のエネルギーを供給できる。また、Heガスの電離能率は最大１イオン対／cm程度、O₂ガスでは最大10イオン対／cm程度であり、HeガスはO₂ガスの1/10の電離能率しかない。したがって、放電ガスとしてHeガスを用いることにより、電離電圧の作用と、電離能率の作用の相乗効果により、著しく高密度の酸素プラズマを期待することができる。

また、本実施形態のアーク放電イオンプレーティング装置は、3つの構成元素ＹとＡｌとＣｅを別々のハースから蒸発させ、個別に制御できるので組成のずれが小さく、組成Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２：Ｃｅの蛍光体膜３を成膜できる。

組成Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２：Ｃｅの蛍光体膜３の膜厚は、LED構造積層膜１００から出射される青色光の一部を黄色光に変換し、青色光との混合光を白色にするために必要な膜厚に設定する。すなわち、Ｃｅ濃度を高くすれば、黄色光への変換効率が高まるため膜厚を薄くでき、Ｃｅ濃度を低くすれば厚い膜厚が必要である。一例としては、Ｃｅ濃度が３ｗ％である場合に、蛍光体膜３の膜厚は約１０μｍ程度にする。

本実施形態で製造されるLED発光装置は、蛍光体膜３が有機材料を含まないため、有機材料の黄変等による輝度変化、色変化がない。

また、LED構造積層膜１００に直接YAG:Ce蛍光体膜３を蒸着形成するため、色ばらつきのない白色LEDが実現できる。

蛍光体膜３のCe濃度や厚みを変えることで容易にさまざまな色度の白色LEDを製造することができる。

LED構造積層膜１００も蛍光体膜３も薄膜形成プロセスで製造でき、製造プロセスが単純になる。LED構造積層膜１００を形成する半導体成膜装置（MOCVD装置)内に蛍光体を持ち込む必要がないため、半導体が蛍光体元素によって汚染されることがない。

LED構造積層膜１００は基板を剥離されているため、LED構造積層膜１００が発光した光が基板を伝搬することによる減衰がなく、光を無駄なく取り出せる。LED構造積層膜１００自体は薄いので、横方向への光伝搬による自己吸収は少ない。よって、LED構造積層膜１００から発せられる光量を増加させることができる。

蛍光体膜３は、アーク放電イオンプレーティング法で形成されているため、LED構造積層膜１００にダメージを与えず成膜することができる。LED構造積層膜１００の発光効率を低下させることなく、成膜されている。しかも、結晶性がよく緻密な蛍光体膜３が得られるため、LED構造積層膜１００の青色光を高い変換効率で黄色光に変換することができる。よって、青色光と黄色光とを効率よく発し、両者の光が混合された発光効率の高い白色LED発光装置を製造することができる。

半導体積層膜１００に図４のようにサブマウント基板を固定した場合、サブマウント基板ごとダイシングして、チップ上にし、パッケージ４０１に実装することが可能である。サブマウント基板を取り外すことももちろん可能である。

本実施の形態の白色LED発光装置は、液晶ディスプレイのバックライトや、自動車用ヘッドライト光源等の各種の白色光源用途に利用することができる。
なお、本実施形態では、電子ビームにより蒸発源を加熱して材料を蒸発させているが、蒸発源の加熱方法をこの方法に限定されるものではなく、抵抗加熱により蒸発源を加熱する方法や、プラズマを蒸発源に引き込んでプラズマにより蒸発源を加熱する方法等公知の各種方法を用いることができる。

本実施形態のLED発光装置の断面図。 図１のLED発光装置のLED構造積層膜１００の断面図。 本実施形態のLED発光装置の製造方法におけるLED構造積層膜１００の製造工程を示す断面図。 本実施形態のLED発光装置の製造工程において、サブマウント基板１０を貼り付け、基板１を剥離する工程を示す説明図。 本実施形態のLED発光装置の製造方法において、蛍光体膜３の成膜に用いるアーク放電イオンプレーティング装置の説明図。

符号の説明

１…基板、２…低温バッファ層、３…蛍光体膜、４…ｎ型半導体層、５…活性層、７…ｐ型半導体層、８…ｐ−電極、９…ｎ−電極、１０…サブマウント基板、１１…金属層、２１…陰極、２２…第1中間電極、２３…第２中間電極、２４…陽極、２５…空芯コイル、２６…フランジ、２１１…真空容器、１２…蒸発源、１３…基板ホルダー、１００…LED構造積層膜、１５…反応ガス導入管、１０１…プラズマ引き出し軸、１０２…放電ガス導入口、１０３…プラズマガン容器、２１０…プラズマガン、２１１…真空容器、４０１…パッケージ、４０２、４０３…電極端子、４０４…反射部材、４０５…保護用透明ガラス。

Claims (5)

1. 発光体構造をもつ半導体積層膜と、前記半導体積層膜上に直接搭載された蛍光体膜とを有する発光装置の製造方法であって、
   基板上に前記半導体積層膜を形成する工程と、
   前記半導体積層膜から前記基板を剥離する工程と、
   前記半導体積層膜上にアーク放電プラズマを用いるイオンプレーティング法により蛍光体膜を成膜する工程とを含むことを特徴とする発光装置の製造方法。
2. 請求項１に記載の発光装置の製造方法において、前記アーク放電プラズマは、ヘリウムガスと酸素ガスのプラズマであることを特徴とする発光装置の製造方法。
3. 請求項１に記載の発光装置の製造方法において、前記蛍光体膜を成膜する工程は、Ｙを含む蒸発源とＡｌを含む蒸発源とＣｅを含む蒸発源とをそれぞれ蒸発させて前記アーク放電プラズマ中を通過させ、前記半導体積層膜に堆積することにより、Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２：Ｃｅからなる前記蛍光体膜を成膜することを特徴とする発光装置の製造方法。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項に記載の発光装置の製造方法において、前記半導体積層膜から前記基板を剥離する工程では、前記半導体積層膜の前記基板とは逆側の表面にサブマウント基板を固定した後、前記基板を剥離し、
   前記蛍光体膜を成膜する工程は、前記半導体積層膜の前記基板を剥離した面に前記蛍光体膜を成膜することを特徴とする発光装置の製造方法。
5. 発光体構造をもつ半導体積層膜と、前記半導体積層膜から発せられた所定の波長光により励起され、他の波長の光を発する蛍光体膜とを有する発光装置であって、
   前記半導体積層膜は、成膜時の基板から剥離された薄片状であり、
   前記蛍光体膜は、前記半導体積層膜上に直接搭載されていることを特徴とする発光装置。

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