JP2013251506A - 半導体発光素子の製造方法及び半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】特性のバラツキを抑え歩留まりを向上させることができる半導体発光素子の製造方法及び半導体発光素子を提供する。
【解決手段】半導体発光素子１００は、矩形状の基板１０の一面に発光用のｎ型半導体層、活性層及びｐ型半導体層を積層した半導体発光層１１を形成してある。半導体発光層１１には、実装用基板に形成された電極に直接接続される電極２０を形成してある。基板１０の前述の一面と反対側の面（他面）には、蛍光体層４０、蛍光体層４０の表面に蛍光体層８０を形成してある。
【選択図】図１

Description

本発明は、基板の一面にｎ型半導体層及びｐ型半導体層を積層した半導体発光層が形成された半導体発光素子の製造方法及び該半導体発光素子に関する。

ＬＥＤ（発光ダイオード）は、小型、省電力、長寿命などの特徴により、照明器具、照明スイッチ、バックライト光源、イルミネーション光源、アミューズメント機器の装飾など、幅広い用途に使用されている。

また、これらのＬＥＤは、ＬＥＤ素子（発光素子、ＬＥＤチップ）の発光波長を、蛍光体を用いて波長変換することにより、任意の色調の光を得ることができ、用途に応じて様々な発光色のＬＥＤが使用されている。

例えば、ＬＥＤチップの封止材樹脂にＬＥＤチップの発光波長を他の波長に変換する蛍光物質を含有した発光ダイオードが開示されている（特許文献１参照）。

特開平７−９９３４５号公報

特許文献１のような従来の発光ダイオードにあっては、ＬＥＤチップが実装された基板に蛍光体を含む液体材料をポッティングし、ポッティングした液体材料を硬化させる。しかし、シリンジに供給された液体材料には、蛍光体の他に種々の樹脂材料が含まれているため、それぞれの樹脂材料の比重の大小によって、比重の大きい液体材料が徐々にシリンジの下方に溜まり、シリンジに液体材料を供給した後の時間経過に応じて蛍光体の濃度に差が生じる。このため、同じ量の液体材料を吐出しても最初に液体材料を充填したＬＥＤチップの特性と最後に液体材料を充填したＬＥＤチップの特性とでは、時間経過とともに蛍光体の濃度差又は液体材料の粘度が変化するため、大きなバラツキが生じ歩留まりが悪くなるという問題があった。

本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、特性のバラツキを抑え歩留まりを向上させることができる半導体発光素子の製造方法及び該半導体発光素子を提供することを目的とする。

第１発明に係る半導体発光素子の製造方法は、基板の一面にｎ型半導体層及びｐ型半導体層を積層した半導体発光層が形成された半導体発光素子の製造方法において、前記基板の他面にスクリーン印刷で蛍光体層を形成するステップと、前記蛍光体層を形成した後に光学特性を測定するステップとを含むことを特徴とする。

第２発明に係る半導体発光素子の製造方法は、第１発明において、実装用基板に接続するための電極を、前記半導体発光層が形成された前記基板の一面側に形成するステップを含むことを特徴とする。

第３発明に係る半導体発光素子の製造方法は、第１発明又は第２発明において、前記半導体発光素子を実装用基板に実装するステップと、測定された光学特性と予め定めた目標値との差分を算出するステップと、算出された差分に応じた量の蛍光体を前記蛍光体層上に塗布するステップとを含むことを特徴とする。

第４発明に係る半導体発光素子は、基板の一面にｎ型半導体層及びｐ型半導体層を積層した半導体発光層が形成された半導体発光素子において、前記基板の他面に複数層の蛍光体層を形成してあることを特徴とする。

第５発明に係る半導体発光素子は、第４発明において、実装用基板に接続するための電極を前記基板の一面側に形成してあることを特徴とする。

第６発明に係る半導体発光素子は、第４発明又は第５発明において、前記複数層の蛍光体層は、蛍光体の濃度が異なることを特徴とする。

第１発明にあっては、基板の一面に半導体発光層が形成された当該基板の他面（当該一面と反対側の面）にスクリーン印刷で蛍光体層を形成し、蛍光体層を形成した後に光学特性を測定する。光学特性としての色度の目標値が、例えば、色度座標（０．４、０．４）であり、蛍光体を有しない状態の半導体発光素子（例えば、青色発光のＬＥＤチップ）の色度の初期値が色度座標（０．１、０．１）とすると、色度座標が目標値に近づくように蛍光体層を形成する。

例えば、ウェハの基板の一面に発光層が形成された半導体発光素子を複数有するウェハの基板の他面にスクリーン印刷で蛍光体層を形成することにより、蛍光体層を短時間（例えば、ウェハに形成された１万個の半導体発光素子に対して数秒程度の時間）に形成することができる。従来のポッティング方式のような長時間（例えば、１万個の半導体発光素子に対して数時間程度の時間）必要としないので、蛍光体の濃度変化、あるいは蛍光体を含む樹脂の粘度の変化などの影響を除外することができる。これにより、特性（発光スペクトル、色度などの光学特性、電気特性）のバラツキを抑え歩留まりを向上させることができる。

第２発明及び第５発明にあっては、半導体発光素子を実装するための実装用基板に接続するための電極を、半導体発光層が形成された基板の一面側に形成する。すなわち、電極は、基板上に形成された半導体発光層側に設けられており、バンプとも称される突起状電極である。半導体発光素子は、いわゆるフリップチップと称するものである。半導体発光素子をフェイスダウンで直接実装用基板に実装する際に、電極を実装用基板上の電極に直接接続することができる。電極と反対側の基板の平坦な面に蛍光体層を形成するので、スクリーン印刷を用いることができ、比較的安価に製造することができる。

第３発明、第４及び第６発明にあっては、基板上に蛍光体層が形成された半導体発光素子を実装用基板に実装する。測定された光学特性と予め定めた目標値との差分を算出し、算出された差分に応じた量の蛍光体を蛍光体層上に塗布する。例えば、光学特性としての色度の目標値が、色度座標（０．４、０．４）であり、蛍光体層を形成した後に測定した色度が色度座標（０．３、０．３）である場合、色度座標の差分（０．１、０．１）に応じた量（濃度）の蛍光体を蛍光体層上に塗布する。蛍光体の塗布には、例えば、ポッティングにより行うことができる。蛍光体を蛍光体層上に塗布する場合には、光学特性の測定値と目標値との差分に応じた量だけ塗布すればよいので、塗布する蛍光体の濃度は、蛍光体層の濃度より低い。

上述のように、光学特性（例えば、色度）を目標値に近づけるべく所要の濃度の蛍光体層をスクリーン印刷により基板の他面に形成して、光学特性を測定する。測定結果に基づいて、さらに微量の蛍光体を蛍光体層上に塗布して光学特性を調整することができるので、色度などの特性のバラツキを抑え歩留まりを向上させることができる。

本発明によれば、特性のバラツキを抑え歩留まりを向上させることができる。

本実施の形態の半導体発光素子の構成の一例を示す模式図である。 本実施の形態の半導体発光素子の光学特性の一例を示す説明図である。 本実施の形態の半導体発光素子の製造方法の一例を示す説明図である。 本実施の形態の半導体発光素子の製造方法の一例を示す説明図である。 発光スペクトルの測定値及び目標値の一例を示す説明図である。 色度の測定値及び目標値の一例を示す説明図である。

以下、本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて説明する。図１は本実施の形態の半導体発光素子１００の構成の一例を示す模式図である。本実施の形態の半導体発光素子１００（以下、「ＬＥＤチップ」、「発光素子」ともいう。）は、複数の発光素子が形成されたウェハを所定の寸法で直方体状に切断して各発光素子を分離したものであり、例えば、ＬＥＤチップである。図１において、１０はサファイア基板である。サファイア基板１０（以下、「基板」という。）は平面視が矩形状であって、縦横寸法は、例えば、１ｍｍ×０．５ｍｍである。なお、寸法はこれに限定されるものではない。

半導体発光素子１００は、矩形状の基板１０の一面に発光用のｎ型半導体層、活性層及びｐ型半導体層（不図示）を積層した半導体発光層１１を形成してある。半導体発光層１１は、例えば、基板１０の一面上に、ＡｌＮバッファ層、アンドープＧａＮ層、ｎ型半導体層、活性層、ｐ型半導体層などがこの順に積層してある。また、ｎ型半導体層は、例えば、ｎ−ＧａＮ（窒化ガリウム）層、ｎ−ＡｌＧａＩｎＮクラッド層などから成る。また、活性層は、ＧａＮ／ＩｎＧａＮ−ＭＱＷ（Multi-quantum Well、多重量子井戸層）型活性層などから成る。また、ｐ型半導体層は、ｐ−ＡｌＧａＩｎＮ層、ｐ−ＧａＮ層、コンタクト層としてのｐ−ＩｎＧａＮ層などから成る。なお、アンドープＧａＮ層を形成しない構成であってもよい。

半導体発光層１１には、不図示の実装用基板に形成された電極に直接接続される電極２０（突起電極、バンプとも称する）を形成してある。すなわち、半導体発光素子１００を実装するための実装用基板(不図示)に接続するための電極２０を基板１０の一面側に形成する。半導体発光素子１００は、いわゆるフリップチップと称するものである。半導体発光素子１００をフェイスダウンで直接実装用基板に実装する際に、電極２０を実装用基板上の電極に直接接続することができる。

基板１０の前述の一面と反対側の面（他面）には、蛍光体層４０、蛍光体層４０の表面に蛍光体層８０を形成してある。蛍光体層４０は、蛍光体を含有し、エポキシ樹脂、あるいはシリコン樹脂に蛍光体材料を混合した液状の材料を、スクリーン印刷を用いて形成したものである。蛍光体層４０の層厚は、例えば、１００μｍ程度である。また、蛍光体層８０は、蛍光体を含有し、エポキシ樹脂、あるいはシリコン樹脂に蛍光体材料を混合した液状の材料を、例えば、ポッティングにより、塗布又は充填したものである。

発光層１１からは、例えば、波長が４３０ｎｍ〜５５０ｎｍの範囲に発光ピークを有する光が基板１０、蛍光体層４０、８０を介して外部へ放出される。

蛍光体層４０は、例えば、赤色蛍光体と黄色蛍光体とを所望の濃度比率で混合したものである。なお、蛍光体層４０は、赤色蛍光体だけ、あるいは黄色蛍光体だけを含有するものであってもよい。

また、蛍光体層８０は、例えば、赤色蛍光体と黄色蛍光体とを所望の濃度比率で混合したものである。なお、蛍光体層８０は、赤色蛍光体だけ、あるいは黄色蛍光体だけを含有するものであってもよい。

上述の蛍光体層４０は、半導体発光素子１００の光学特性（例えば、発光スペクトル、発光色の色度など）を目標値に近づけるべく、所要の濃度の蛍光体を含有する。一方、蛍光体層８０は、蛍光体層４０により光学特性を目標値の許容範囲内に設定した半導体発光素子に対して、色調をカスタマイズしたいというユーザ等の要望がある場合、あるいは蛍光体層４０により得られた光学特性が目標値の許容範囲外になった場合に、さらに半導体発光素子１００の光学特性を変更又は修正すべく所要の濃度の蛍光体を含有する。蛍光体層８０による光学特性の変更又は修正は微調整であるため、蛍光体層８０の蛍光体濃度は、蛍光体層４０の蛍光体濃度よりも低い（異なる）。

図２は本実施の形態の半導体発光素子１００の光学特性の一例を示す説明図である。図２に示すように、半導体発光素子１００の発光色を、色度座標（ｘ、ｙ）で特定することができる。図２において、初期値Ｘ０（０．１、０．１）は、半導体発光素子１００の発光層から放出される光（蛍光体で色変換される前の光）の色度座標を示す。

また、目標値Ｘｔ（０．４、０．４）は、蛍光体層４０、又は蛍光体層４０及び８０を形成した半導体発光素子１００が放出する光の色度座標を示す。図２において、初期値及び目標値が設定されると、色度座標をＸ０からＸｔへ移行させるための赤色蛍光体及び黄色蛍光体の目標濃度比率が決定される。また、図２に示すように、前述の目標濃度比率よりも赤色蛍光体の濃度比率を高くすることにより、半導体発光素子１００が発する光の色調を一層赤色が強くなるようにすることができる。また、逆に、前述の目標濃度比率よりも黄色蛍光体の濃度比率を高くすることにより、半導体発光素子１００が発する光の色調を一層黄色が強くなるようにすることができる。

次に、本実施の形態の半導体発光素子１００の製造方法について説明する。図３及び図４は本実施の形態の半導体発光素子１００の製造方法の一例を示す説明図である。図３Ａに示すように、ＬＥＤウェハ１を準備する。ＬＥＤウェハ１は、蛍光体層が形成されていない半導体発光素子が複数（例えば、１万個程度）形成されたものである。すなわち、ＬＥＤウェハ１は、基板（１０）の一面に半導体発光層（１１）を形成するとともに半導体発光層（１１）に電極（２０）を設けた半導体発光素子１００を複数備える。

図３Ｂに示すように、ＬＥＤウェハ１の電極側を下側にし、ＬＥＤウェハ１の基板（１０）側を上側にしてＬＥＤウェハ１を載置板２に載置する。そして、ＬＥＤウェハ１の上面（基板面）にスクリーン版３を置く。スクリーン版３は、半導体発光素子の蛍光体層を設ける部分に対応させて、例えば、矩形状の孔を形成したものである。そして、スクリーン版の上側の一方の端部に、蛍光体を含有し、例えば、エポキシ樹脂、あるいはシリコン樹脂に蛍光体材料を混合した液状の材料４を置く。スクリーン版の一方の端部から他方の端部へ向かって（図中の矢印の方向に）、スクリーン版を押えながらスキージ５を移動させることにより、スクリーン版３の孔の中に液状の材料４を透過させて基板上に液状の材料４を印刷する。

図３Ｃに示すように、ＬＥＤウェハ１の基板上に印刷された液状の材料を硬化させることにより、ＬＥＤウェハ１の基板（１０）上に蛍光体層４０が形成される。

図３Ｄに示すように、蛍光体層４０が形成されたＬＥＤウェハ１から、レーザスクライビング等により半導体発光素子１００（ＬＥＤチップ）の分離を行い、半導体発光素子１００が完成する。

次に、図４Ｅに示すように、ＬＥＤウェハ１から分離した半導体発光素子１００の電極２０を実装用基板３０の電極（不図示）に接続して、半導体発光素子１００を実装用基板３０に実装する。そして、光学特性を測定するための受光部６を半導体発光素子１００の上方に配置して、光学特性（例えば、発光スペクトル、色度など）を測定する。

図５は発光スペクトルの測定値及び目標値の一例を示す説明図であり、図６は色度の測定値及び目標値の一例を示す説明図である。図５において、測定した発光スペクトルは、例えば、図４Ｅにおいて測定したものであり、図６において、スクリーン印刷後の測定値Ｘａは、図４Ｅにおいて測定したものである。

図５に示すように、測定した発光スペクトルと目標の発光スペクトルとの間に差異があり、また、図６に示すように、測定した色度座標Ｘａと目標値Ｘｔとの間に差異がある場合、図４Ｆに示すように、例えば、図６の破線で示す色度の差分（ＸｔとＸａとの差分）に応じた量（濃度）の蛍光体を蛍光体層４０の表面に塗布する。あるいは、測定したスペクトル発光分布と目標のスペクトル発光分布との比率に応じた量（濃度）の蛍光体を蛍光体層４０の表面に塗布する。

蛍光体の塗布には、例えば、蛍光体樹脂塗布用のディスペンサ７を用いて、蛍光体を含有し、エポキシ樹脂、あるいはシリコン樹脂に蛍光体材料を混合した液状の材料をポッティング、充填又は塗布することにより行うことができる。蛍光体を蛍光体層４０上に塗布する場合には、光学特性の測定値と目標値との差分に応じた量だけ塗布すればよいので、塗布する蛍光体の濃度は、蛍光体層４０の濃度より低い。

図４Ｇに示すように、蛍光体層４０の表面に塗布された液状の材料が硬化することにより、蛍光体層４０の表面に濃度の異なる蛍光体層８０が形成される。そして、光学特性を測定するための受光部６を半導体発光素子１００の上方に配置して、光学特性（例えば、発光スペクトル、色度など）を測定する。

上述のように、基板１０の一面に半導体発光層が形成された当該基板１０の他面（当該一面と反対側の面）にスクリーン印刷で蛍光体層４０を形成し、蛍光体層４０を形成した後に光学特性を測定する。光学特性としての色度の目標値が、例えば、色度座標（０．４、０．４）であり、蛍光体を有しない状態の半導体発光素子（例えば、青色発光のＬＥＤチップ）の色度の初期値が色度座標（０．１、０．１）とすると、色度座標が目標値に近づくように蛍光体層を形成する。

例えば、ＬＥＤウェハ１の基板（１０）の一面に発光層が形成された半導体発光素子を複数有するＬＥＤウェハ１の基板（１０）の他面にスクリーン印刷で蛍光体層４０を形成することにより、蛍光体層４０を短時間（例えば、ＬＥＤウェハ１に形成された１万個の半導体発光素子に対して数秒程度の時間）に形成することができる。従来のポッティング方式のような長時間（例えば、１万個の半導体発光素子に対して数時間程度の時間）必要としないので、蛍光体の濃度変化、あるいは蛍光体を含む樹脂の粘度の変化などの影響を除外することができる。これにより、特性（発光スペクトル、色度などの光学特性、電気特性）のバラツキを抑え歩留まりを向上させることができる。

また、電極２０と反対側の基板１０の平坦な面に蛍光体層４０を形成するので、スクリーン印刷を用いることができ、比較的安価に製造することができる。例えば、真空蒸着により蛍光体層を形成する場合には、ＬＥＤウェハを真空の雰囲気中に置く必要があり、高価な設備を必要とする。

また、基板１０上に蛍光体層４０が形成された半導体発光素子を実装用基板３０に実装する。測定された光学特性と予め定めた目標値との差分を算出し、算出された差分に応じた量（濃度）の蛍光体を蛍光体層４０上に塗布して、蛍光体層４０の表面に蛍光体層８０を形成する。例えば、光学特性としての色度の目標値が、色度座標（０．４、０．４）であり、蛍光体層を形成した後に測定した色度が色度座標（０．３、０．３）である場合、色度座標の差分（０．１、０．１）に応じた量（濃度）の蛍光体を蛍光体層４０上に塗布して、蛍光体層４０の表面に蛍光体層８０を形成する。

上述のように、光学特性（例えば、色度）を目標値に近づけるべく所要の濃度の蛍光体層４０をスクリーン印刷により基板１０の他面に形成して、光学特性を測定する。測定結果に基づいて、さらに微量の蛍光体を蛍光体層４０上に塗布して、蛍光体層８０を形成することにより、光学特性を調整することができるので、色度などの特性のバラツキを抑え歩留まりを向上させることができる。

例えば、従来の製造方法の場合、色度のバラツキが、（ｘ、ｙ）＝（０．０３、０．０６）であるのに対し、本実施の形態では、色度のバラツキは、（ｘ、ｙ）＝（０．００５、０．００５）程度に抑えることができる。

本実施の形態では、基板１０上に蛍光体層４０をスクリーン印刷により形成して、光学特性を測定し、測定結果に基づいて各ワーク（半導体発光素子）への蛍光体の吐出量を調整するので、従来の方法のように、塗布パターン毎に（すなわち、液体材料を吐出するタイミング毎に）、温度又は湿度等の環境条件の変化、蛍光体を含有した液体材料の経過時間に伴う粘度の変化など、種々の要因を考慮した多数の制御データを準備する必要がない。また、本実施の形態によれば、環境条件の変化、経過時間に伴う液体材料の粘度の変化などにも迅速に対応することが可能である。

また、本実施の形態では、スクリーン印刷により蛍光体層を形成するので、ワーク（半導体発光素子）の大小様々な大きさに容易に対応することができ、様々なサイズの製品に適用することができる。また、光学特性（色度、発光スペクトルなど）、電気的特性（順方向電流、順方向電圧など）の測定器とスクリーン印刷の技術を組み合わせて多能工化を実現することができ、工程削減による生産効率の向上、生産コストの低減を図ることができる。

上述の実施の形態では、２つの蛍光体層を形成した構成であるが、これに限定されるものではなく、蛍光体層はスクリーン印刷により形成された１つの蛍光体層を形成した構成でもよく、あるいは、スクリーン印刷で形成された蛍光体層の表面に複数層の蛍光体層を形成した構成でもよい。

上述の実施の形態では、半導体発光素子１００の光学特性（色度、発光スペクトルなど）を目標値の許容範囲内にすべく、スクリーン印刷により基板１０上に蛍光体層４０を形成する。そして、測定した光学特性と目標値との差分に応じて、さらに光学特性を目標値に近づけるため、蛍光体を含有する微量の液状材料を蛍光体層４０の表面に塗布して蛍光体層８０を形成する。ここで、蛍光体層８０を形成する目的は、測定した光学特性を目標値の許容範囲内にするだけではなく、例えば、ユーザ等の個別の要求により色調を所望のものに変更したいという場合もある。

１０ 基板
１１ 半導体発光層
２０ 電極
４０、８０ 蛍光体層

Claims (6)

1. 基板の一面にｎ型半導体層及びｐ型半導体層を積層した半導体発光層が形成された半導体発光素子の製造方法において、
   前記基板の他面にスクリーン印刷で蛍光体層を形成するステップと、
   前記蛍光体層を形成した後に光学特性を測定するステップと
   を含むことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
2. 実装用基板に接続するための電極を、前記半導体発光層が形成された前記基板の一面側に形成するステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子の製造方法。
3. 前記半導体発光素子を実装用基板に実装するステップと、
   測定された光学特性と予め定めた目標値との差分を算出するステップと、
   算出された差分に応じた量の蛍光体を前記蛍光体層上に塗布するステップと
   を含むことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体発光素子の製造方法。
4. 基板の一面にｎ型半導体層及びｐ型半導体層を積層した半導体発光層が形成された半導体発光素子において、
   前記基板の他面に複数層の蛍光体層を形成してあることを特徴とする半導体発光素子。
5. 実装用基板に接続するための電極を前記基板の一面側に形成してあることを特徴とする請求項４に記載の半導体発光素子。
6. 前記複数層の蛍光体層は、蛍光体の濃度が異なることを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の半導体発光素子。

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