JP2018133555A - 発光装置およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
<発光装置の構成>
図1〜図5を参照して第1実施形態に係る発光装置100の構成を説明する。なお、図4は、図3AのIV−IV線の断面図であるが、ここでは図示の便宜上、断面視で3個の発光素子部14が設けられている部分を模式的に示している。
発光装置100は、発光素子アレイチップ18と、発光素子アレイチップ18の表面を直接被覆する蛍光体層40と、を備えている。本実施形態では、発光素子アレイチップ18は、支持基板20dと、支持基板20dの上に設けられた電極構造17と、電極構造17の上に配列されて電極構造17に電気的に接続された複数の発光素子部14と、を有する。また、蛍光体層40は、表面に凹凸を有している。この凹凸の凸部における蛍光体層40の厚みは、凹凸の凹部における蛍光体層40の厚みの2倍以上である。以下、各構成について順次説明する。
本実施形態では、発光素子アレイチップ18は、2次実装基板としての基体30に実装されている。基体30としては、ガラスエポキシ、樹脂、セラミックス等の絶縁性部材で構成される基材が挙げられる。本実施形態では、基体30は、平面視矩形状に形成されている。
電極端子部31は、配線Wを介して発光素子アレイチップ18の複数(例えば10本)の第1配線17nに接続される。
電極端子部32,33は、配線Wを介して発光素子アレイチップ18の複数(例えば10本ずつ)の第2配線17pにそれぞれ接続される。
<支持基板>
支持基板20dは、複数の発光素子部14を支持するための基板である。複数の発光素子部14は、電極構造17、後述する接合層60などを介して支持基板20dに貼り合わせられている。
支持基板20dの具体例としては、例えば、Si、GaAsなどからなる半導体、Cu,Ge,Niなどの金属、あるいは、Cu−Wなどの複合材料からなる導電性部材を挙げることができる。
本実施形態では、発光素子アレイチップ18は、支持基板20d上に複数、例えば200個の発光素子部14を備えている。
発光素子部14としては、発光ダイオード(LED)を用いるのが好ましい。発光ダイオードは、任意の波長のものを選択することができる。例えば、青色、緑色の発光ダイオードとしては、ZnSeや窒化物系半導体(InXAlYGa1−X−YN、0≦X、0≦Y、X+Y≦1)、GaPを用いたものを用いることができる。
電極構造17は、図2に示すように、複数の第1配線17nと、複数の第2配線17pと、配線間絶縁膜17bと、を備えている。電極構造17は、第1配線17nと第2配線17pが配線間絶縁膜17bを介して縦方向(半導体層の積層方向)に積層された、いわゆる多層配線構造を含む。第1配線17nは、複数の発光素子部14の第1電極16nに電気的に接続されている。第2配線17pは、複数の発光素子部14の第2電極16pに電気的に接続されている。第1配線17nや第2配線17pは、例えばAuにより形成することができる。
本実施形態では、電極構造17と支持基板20dとの間に接合層60が設けられている。接合層60を設けることにより、電極構造17側の表面が平坦化されて、支持基板20dへの貼り合わせが容易となる。接合層60は、例えばSiO2等の絶縁膜やAl等の金属膜で形成される。
図4および図5に示すように、発光装置100は、発光素子アレイチップ18の光取り出し面である上面を被覆する蛍光体層40を備える。蛍光体層40は、例えば、透光性の樹脂と蛍光体の粒子とを含有している。
透光性の樹脂の屈折率は例えば1.30〜1.50である。これにより、蛍光体粒子と透光性の樹脂との界面における光散乱が大きくなり、また空気との屈折率差が小さく光取り出しも良いため好ましい。そのような樹脂としては、例えば、フェニルシリコーン樹脂やジメチルシリコーン樹脂等を挙げることができる。
このように、薄い蛍光体層40が複数の発光素子部14の上面(つまり第1半導体層側の表面)を直接被覆することにより、蛍光体層40を仕切る遮光部を設けなくても、蛍光体層40内における横方向への光の伝搬を抑制することができる。つまり、遮光部により輝度が低下することがないため、より高輝度な発光装置とすることができる。
なお、蛍光体層40の厚みは、例えば蛍光体層40の任意の領域において顕微鏡による断面観察を行い、得られた画像から蛍光体層40の厚みを測定することにより求めることができる。
また、蛍光体層40が表面に凹凸を有する場合、蛍光体層40の平均的な厚みは50μm以下であることが好ましく、凸部における蛍光体層40の厚みが50μm以下であることがより好ましい。蛍光体層40の平均的な厚みは、例えば少なくとも1つの発光素子部14を含む局所領域の断面観察画像における蛍光体層40の厚みを測定することにより求めることができる。
次に、本実施形態に係る発光装置の製造方法について図6〜図10Bを参照して説明する。本実施形態の発光装置100の製造方法は、ウェハ準備工程と、ウェハ接合工程と、半導体層露出工程と、半導体層分離工程と、蛍光体層形成工程と、を含み、この順に行う。また、本実施形態では、半導体層分離工程の後、かつ、蛍光体層形成工程の前に、パッド電極形成工程と、チップ個片化工程と、チップ実装工程とを行っている。なお、各部材の材質や配置等については、前記した発光装置100の説明で述べた通りであるので、ここでは適宜、説明を省略する。
ウェハ準備工程は、多層配線を含む電極構造17と、該電極構造17に電気的に接続された半導体層12と、半導体層12の成長基板11と、を上面側から順に備えたウェハ10を準備する工程である。本実施形態では、図6に示すように、第1配線17nと第2配線17pとが上下方向に積層された多層配線を含む電極構造17を形成したウェハ10を準備する。なお、ここでは図示の便宜上、図4の断面図に相当する部分だけを図示している。
絶縁膜17b1は、第2電極16p上に開口を有し、第2半導体層12pの上面を覆うように設けられている。
絶縁膜17b2は、第1半導体層12n上に開口を有し、絶縁膜17b1の上面を覆うように設けられている。
絶縁膜17b3は、第1配線17nと絶縁膜17b2を覆うように設けられている。
絶縁膜17b4は、第2配線17pと絶縁膜17b3を覆うように設けられている。この絶縁膜17b4は、後に素子分離される溝部の底にあたる部分にエッチストップ層として設けられている。各絶縁膜は、例えばSiNやSiO2により形成される。
ウェハ接合工程は、ウェハ10を支持基板20に接合する工程である。このとき、多層配線上には接合層60やその他の金属層があってもよい。また、表面活性化接合などの方法で直接接合されていてもよい。このウェハ接合工程では、図8Aに示すように、接合層60と支持基板20とが対向するように、ウェハ10を支持基板20に接合する。なお、支持基板20は、本工程までに、予め準備しておくものとする。
半導体層露出工程は、支持基板20に接合されたウェハ10から成長基板11を除去し、半導体層12を露出させる工程である。なお、図8Bは、成長基板11を剥離した後、ウェハ10を裏返した状態を示している。この半導体層露出工程は、例えばレーザリフトオフ法により、サファイアなどからなる成長基板11側からレーザー光を照射して、成長基板11と半導体層12(より詳細には第1半導体層12n)との界面を分解し、成長基板11を剥離する。なお、成長基板11の剥離は、例えばケミカルリフトオフ法などの他の方法で剥離するようにしてもよい。
半導体層分離工程は、ウェハ10の、半導体層12の成長基板11が除去された側の表面に溝13を形成することで半導体層12を複数の発光素子部14に分離する工程である。図8Cに示すように、上面側(つまり第1半導体層側)から、発光素子部14間の境界となる領域に例えばレーザー光を照射して、半導体層12を貫通し、電極構造17まで達する溝13を形成する。平面視において、溝13は、第1配線17nと第2配線17pに平行に縦横に形成されている。
パッド電極形成工程は、ウェハ10に形成された溝13の底面であって電極構造17の表面の一部に、第1配線17nまたは第2配線17pに電気的に接続された複数のパッド電極19を形成する工程である。このパッド電極形成工程では、例えば、ドライエッチングなどによりパッド電極19を形成する領域を被覆する配線間絶縁膜17bの一部を除去することで、図9に示すように、第1配線17nの一部と第2配線17pの一部とを露出させる。その後、スパッタリングなどにより所定の金属材料など用いて、図10Aに示すように、電極構造17の所定の領域にパッド電極19を形成する。
チップ個片化工程は、支持基板20に接合されたウェハ10を、複数の発光素子部14および複数のパッド電極19を含む領域毎に個片化することで複数の発光素子アレイチップ18を形成する工程である。この個片化は、例えばダイシング法、スクライブ法、レーザスクライブ法などにより行うことができる。
チップ実装工程では、個片化された発光素子アレイチップ18をパッケージや基体の上に実装する。具体的には、図10Bに示すように、基体30の上に発光素子アレイチップ18を実装し、発光素子アレイチップ18に形成されている複数のパッド電極19を、電極端子部31や電極端子部32,33(図1参照)にワイヤボンディングする。なお、チップ個片化前に支持基板20の裏面側に接着層を形成しておいてもよい。
蛍光体層形成工程は、複数の発光素子部14の表面に、溶剤に蛍光体粒子を含有させたスラリーを塗布することにより、複数の発光素子部14における半導体層12の表面を一括して覆う蛍光体層40を形成する工程である。蛍光体層40は薄層であることが好ましく、蛍光体層40の平均的な厚みは例えば50μm以下であることが好ましい。このように、蛍光体層40を薄膜に形成することにより、蛍光体層40を仕切る遮光部を設けなくても、蛍光体層40内における横方向への光の伝搬を抑制することができる。つまり、蛍光体層形成工程において、遮光部の位置合わせが必要ないため、より高輝度な発光装置を簡易に形成することができる。
一例として、スラリーが、重量比で、蛍光体の粒子をa、バインダーとしての樹脂をb、溶剤をc、アエロジルをd、の各割合で配合したものであるものとする。なお、アエロジルは、スラリーにおいて蛍光体の粒子が沈降することを防止してスラリーの安定性を確保するための添加物である。
この場合、a:b:c:d=15:10:25:1として配合することができる。
例えば、YAG蛍光体とフェニルシリコーン樹脂を用いる場合、溶剤として炭酸ジメチルを用いて上記配合とすると、略平坦な20μmほどの蛍光体層を形成することができる。
このとき、蛍光体の粒子の濃度を下げ、例えばa:b:c:d=10:10:25:1として配合すると、蛍光体層40の表面において、高さHBと高さHTとの差を小さくすることができる。
一方、蛍光体の粒子の濃度を上げ、例えばa:b:c:d=20:10:25:1として配合すると、蛍光体層40の表面において、高さHBと高さHTとの差を大きくすることができる。
次に、第2実施形態に係る発光装置について、図11Aおよび図11Bを参照して説明する。本実施形態に係る発光装置は、図11Aに示すように、発光素子アレイチップ18Bとして、支持基板21上に複数の発光素子部14を備えると共に、図11Bに示す駆動回路50を有している。
第1行目の各LED(発光素子部14)は、アノード端子(第2電極16p)が第2配線17pにそれぞれ接続されており、この第2配線17pはスイッチTr1に接続されている。
第2行目の各LED(発光素子部14)は、アノード端子(第2電極16p)が第2配線17pにそれぞれ接続されており、この第2配線17pはスイッチTr2に接続されている。
第3行目の各LED(発光素子部14)は、アノード端子(第2電極16p)が第2配線17pにそれぞれ接続されており、この第2配線17pはスイッチTr3に接続されている。
第2列目の各LED(発光素子部14)は、カソード端子(第1電極16n)が第1配線17nにそれぞれ接続されており、この第1配線17nはスイッチTr5に接続されている。
第3列目の各LED(発光素子部14)は、カソード端子(第1電極16n)が第1配線17nにそれぞれ接続されており、この第1配線17nはスイッチTr6に接続されている。
また、本実施形態に係る発光装置は、駆動回路50によって、複数の発光素子部14を個別に駆動することができるので、ADB(配光可変ヘッドランプ)等へ好適に利用できる。
まず、第1実施形態に係る発光装置100と同様の発光装置(以下、実施例という)を以下の条件で製造した。
発光素子アレイチップ18の1つの発光素子部14(一発光区画)の一辺のサイズ:150μm
発光素子部14の厚み:5μm
発光素子部14の個数:200個
発光素子部14:青色LED(GaN系半導体発光素子)
蛍光体層の厚み:10〜40μm
スラリーは、重量比で、蛍光体の粒子をa、バインダーとしての樹脂をb、溶剤をc、アエロジルをd、の各割合で、以下のように配合した。
a:b:c:d=15:10:25:1
スプレーに用いたスラリー
透光性の樹脂:ジメチルシリコーン樹脂(屈折率1.41)
蛍光体:YAG系蛍光体
溶剤:n−ヘプタン
実施例と比較するために、蛍光体層40を形成する前の発光装置(以下、比較例1という)を製造した。また、比較例1の発光装置の上面に、蛍光体層の代わりに厚みが約70μmのYAG蛍光体板を接着した発光装置(以下、比較例2という)を製造した。
各発光装置について、発光素子アレイチップ18の1発光素子部を点灯させて残りの発光素子部を消灯させた状態で輝度分布を測定した。
一方、比較例2は、YAG蛍光体板の影響で光が横方向に拡散するので、輝度分布が広がった分布を呈している。
10 ウェハ
11 成長基板
12 半導体層
12a 発光層
12n 第1半導体層
12p 第2半導体層
13 溝
14 発光素子部
16n 第1電極
16p 第2電極
17 電極構造
17b 配線間絶縁膜
17n 第1配線
17p 第2配線
18,18B 発光素子アレイチップ
20,20d,21 支持基板
30 基体
40 蛍光体層
50 駆動回路
71 第2の溝
Claims (12)
- 多層配線を含む電極構造と、該電極構造に電気的に接続された半導体層と、前記半導体層の成長基板と、を上面側から順に備えたウェハを準備する準備工程と、
前記ウェハを支持基板に接合する接合工程と、
前記支持基板に接合されたウェハから前記成長基板を除去し、前記半導体層を露出させる露出工程と、
前記ウェハの前記半導体層側の表面に溝を形成することで前記半導体層を複数の発光素子に分離する分離工程と、
前記複数の発光素子の表面に、溶剤に蛍光体粒子を含有させたスラリーを塗布して塗布膜を形成し、前記塗布膜中の溶剤を揮発させることで、表面に凹凸を有し前記発光素子の表面を覆う蛍光体層を形成する形成工程と、
を含む発光装置の製造方法。 - 前記蛍光体層の平均的な厚みは50μm以下である請求項1に記載の発光装置の製造方法。
- 前記凹凸の凸部における前記蛍光体層の厚みは、前記凹凸の凹部における前記蛍光体層の厚みの2倍以上である請求項1または請求項2に記載の発光装置の製造方法。
- 前記蛍光体層を形成する形成工程は、パルススプレー法により、溶剤に透光性の樹脂と蛍光体の粒子とを含有させたスラリーのスプレーを噴射して塗布膜を形成し、前記塗布膜中の溶剤を揮発させることで前記蛍光体層を形成する請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の発光装置の製造方法。
- 前記樹脂の屈折率は1.30〜1.50である、請求項4に記載の発光装置の製造方法。
- 前記蛍光体層を形成する形成工程は、溶剤にn−ヘプタンを用い、ジメチルシリコーン樹脂と蛍光体の粒子とを含有させたスラリーのスプレーを噴射する請求項5に記載の発光装置の製造方法。
- 支持基板と、前記支持基板の上に設けられた電極構造と、前記電極構造の上に配列されて前記電極構造に電気的に接続された複数の発光素子部と、を含む発光素子アレイチップと、
前記発光素子アレイチップの表面を直接被覆する蛍光体層と、を備え、
前記蛍光体層は表面に凹凸を有し、前記凹凸の凸部における前記蛍光体層の厚みは、前記凹凸の凹部における前記蛍光体層の厚みの2倍以上である発光装置。 - 前記複数の発光素子部を個別に駆動するための駆動回路を有する請求項7に記載の発光装置。
- 前記発光素子部の半導体層の厚みは1〜10μmである請求項7または請求項8に記載の発光装置。
- 前記蛍光体層の平均的な厚みは50μm以下である請求項7から請求項9のいずれか一項に記載の発光装置。
- 前記蛍光体層は、透光性の樹脂と蛍光体の粒子とを含有し、
前記樹脂の屈折率は1.30〜1.50である請求項7から請求項10のいずれか一項に記載の発光装置。 - 前記蛍光体層が含有する蛍光体粒子の平均粒径は1〜30μmである請求項7から請求項11のいずれか一項に記載の発光装置。
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