JP3775268B2 - 発光装置の形成方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、ＬＥＤディスプレイ、バックライト光源、信号機、照光式スイッチ、各種センサー及び各種インジケータなどに利用される発光装置に係わり、特に発光素子であるＬＥＤチップからの発光を波長変換して発光可能な蛍光体を有する発光ダイオードにおいて、発光方位、色調ムラを改善した発光ダイオード及びその形成方法に関する。
【０００２】
【従来技術】
発光装置である発光ダイオード（以下、ＬＥＤとも呼ぶ。）は、小型で効率が良く鮮やかな色の発光をする。また、半導体素子であるため球切れなどの心配がない。駆動特性が優れ、振動やON／OFF点灯の繰り返しに強いという特徴を有する。そのため各種インジケータや種々の光源として利用されている。しかしながら、ＬＥＤは優れた単色性ピーク波長を有するが故に白色系などの発光波長を発光することができない。
【０００３】
そこで、本願出願人は、青色発光ダイオードと蛍光物質により青色発光ダイオードからの発光を色変換させて他の色などが発光可能な発光ダイオードとして、特開平５−１５２６０９号公報、特開平７−９９３４５号公報などに記載された発光ダイオードを開発した。これらの発光ダイオードによって、１種類のＬＥＤチップを用いて白色系や青色ＬＥＤチップを用いた緑色など他の発光色を発光させることができる。
【０００４】
具体的には、青色系が発光可能なＬＥＤチップなどをリードフレームの先端に設けられたカップ上などに配置する。ＬＥＤチップは、ＬＥＤチップが設けられたメタルステムやメタルポストとそれぞれ電気的に接続させる。そして、ＬＥＤチップを被覆する樹脂モールド部材中などにＬＥＤチップからの光を吸収し波長変換する蛍光物質を含有させて形成させてある。青色系の発光ダイオードと、その発光を吸収し黄色系を発光する蛍光物質などとを選択することにより、これらの発光の混色を利用して白色系を発光させることができる。このような発光ダイオードは、白色系を発光する発光ダイオードとして利用した場合においても十分な輝度を発光する発光ダイオードとして利用することができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、形成された各発光ダイオードの色が所望通りに形成されにくい傾向にある。すなわち、ＬＥＤチップは、３００μｍ角程度と極めて小さい。また、ＬＥＤチップからの光を変換する蛍光体は極めて少量ですむ。そのため蛍光体の塗布及び配置が極めて難しい。特に、ＬＥＤチップからの光と、その光により励起され、ＬＥＤからの光とは異なる光の混色によって発光色を決める発光ダイオードにおいては、少しの色ずれにより表示色が大きく異なることとなる。蛍光体の混色を用いた発光ダイオードを量産させた場合、この色ずれの範囲が広い。そのため、所望の色度範囲に形成させることが難しく歩留まりが低下する傾向にある。
【０００６】
また、マウント・リード上の反射カップ内に単にＬＥＤチップ及び蛍光体を実装しモールド部材を形成させると、発光ダイオードの発光観測面において僅かながら色むらを生じる場合がある。具体的には、発光観測面側から見て発光素子であるＬＥＤチップが配置された中心部が青色っぽく、その周囲方向にリング状に黄、緑や赤色っぽい部分が見られる場合がある。人間の色調感覚は、白色において特に敏感である。そのため、わずかな色調差でも赤っぽい白、緑色っぽい白、黄色っぽい白等と感じる。
【０００７】
このような発光観測面を直視することによって生ずる色むらは、品質上好ましくないばかりでなく表示装置に利用したときの表示面における色むらや、光センサーなど精密機器における誤差を生ずることにもなる。
【０００８】
本発明は上記問題点を解決し発光観測面における色調むらや発光ダイオードごとのバラツキが極めて少なく、量産性の良い発光ダイオードなどを形成させることにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、基板上に半導体を積層させた半導体ウエハを形成する第一の工程と、上記半導体の一部を上記基板まで除去することにより、分割ラインおよび上記半導体の露出面を形成させる第二の工程と、上記半導体上に蛍光体を堆積させる第三の工程と、上記第三の工程後、上記分割ラインに沿って上記半導体ウエハを分割することにより、少なくとも半導体活性層が蛍光体にて被覆された発光素子を形成する第四の工程とを有する発光装置の形成方法である。
【００１０】
本発明は、特に、上記第三の工程において、上記蛍光体は、スパッタリング法、蒸着法あるいはＣＶＤ法から選択された少なくとも一種の形成方法により非粒子状性の蛍光層として堆積されることを特徴とする。
【００１１】
上記非粒子状性の蛍光層は、色度点の異なる非粒子状性の蛍光層が２種類以上積層されることが好ましい。
【００１２】
上記発光素子は、ダブルヘテロ構造を有することが好ましい。
【００１３】
上記発光素子は、発光層が窒化物系化合物半導体であり、且つ上記蛍光体がセリウムで付活されたイットリウム・アルミニウム・ガーネット系蛍光体であることが好ましい。
【００１４】
上記蛍光層は、（Ｒｅ１−ｘＳｍｘ）３（Ａｌ１−ｙＧａｙ）５Ｏ１２：Ｃｅ蛍光体を含むことが好ましい。ただし、０≦ｘ＜１、０≦ｙ≦１、Ｒｅは、Ｙ、Ｇｄ、Ｌａから選択される少なくとも一種の元素である。
【００１５】
上記蛍光層は、Ａｌ、Ｇａ、Ｙ、Ｌａ及びＧｄやＳｍの含有量が異なる２種以上の（Ｒｅ１−ｘＳｍｘ）３（Ａｌ１−ｙＧａｙ）５Ｏ１２：Ｃｅ蛍光体を多層に積層させることが好ましい。
【作用】
本発明は、ＬＥＤチップ上に無機蛍光体を非粒子性状の薄膜として形成することができるために、蛍光体の量が一定となり均一な発光特性を得ることができる。そのため発光面における色むらや発光ダイオードごとのバラツキの極めて少なく歩留まりを高くすることができる。また、高輝度高エネルギー光が発光可能なＬＥＤチップからの光に対しても信頼性よく発光させることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明者は種々の実験の結果、ＬＥＤチップ上に直接蛍光体の薄膜を形成することにより、発光観測面における色調むらや発光装置ごとの色バラツキが改善できることを見出し本発明を成すに到った。
【００１７】
本発明による特性向上の理由は定かでないが、ＬＥＤチップ上にスパッタリング法を用いて形成された無機蛍光体薄膜は、一定の膜厚の蛍光層を形成することができるため色むらや色バラツキが低減すると考えられる。
【００１８】
即ち、ＬＥＤチップには、リードフレームなどと電気的に接続させるために電極や金属ワイヤーなどが設けられている。このような金属ワイヤーや電極は、その上に形成される蛍光体にとって凹凸となる。凹凸が大きければ、蛍光体の量が部分的に異なる。本発明は、スパッタリング法によりＬＥＤチップ上に蛍光体薄膜を形成したことにより、凹凸に関係なく一定の膜厚を有する蛍光層を形成することができる。
【００１９】
したがって、ＬＥＤチップの凹凸に左右されず、無機蛍光体の膜厚が一定となることより、発光観測面における色調むらや発光ダイオードごとのバラツキが生じないこととなる。また、蛍光体は、通常数μから数十μｍ程度の粒径で形成される。半導体素子の発光部は、３００μｍ程度に形成されるため均一にさせるには半導体素子に対して蛍光体が大きすぎる。そのため、非粒子状性の蛍光層を利用することにより粒子径に依存することはない均一発光が可能となる。
【００２０】
具体的には、図２の如く、マウント・フレーム上にＬＥＤチップをダイボンディングさせると共にＬＥＤチップの電極と導電性ワイヤーである金線をインナー・リードにワイヤーボンディングする。次に、ＬＥＤチップが配置されたマウント・リードを真空チャンバー内に配置させる。真空チャンバー内には、マウント・リードと対向する位置に蛍光体の固まりを電極となる支持体に固定してある。真空チャンバー内にアルゴンガスを注入して電圧を加えるとアルゴンイオンが蛍光体をたたく。たたかれた蛍光体が飛散して対向するマウント・リード上に付着することになる。無機蛍光体の薄膜を形成後、モールド部材を形成し砲弾型の発光ダイオードを形成させた。形成された発光ダイオードは、複数形成させてもバラツキの少ない発光ダイオードとすることができる。以下、本発明の構成部材について詳述する。
（非粒子状性の蛍光層１０１、２０１）
本発明に用いられる蛍光層としては、少なくともＬＥＤチップ１０２の半導体発光層から放出された光で励起されて発光する非粒子状性の無機蛍光体１０１、２０１をいう。ここで非粒子状性とは、蛍光体自体が粉体ではなく層状に形成されたものをいう。ＬＥＤチップ１０２から発光した光と、非粒子状性の蛍光層から発光する光が補色関係などにある場合、それぞれの光を混色させることで白色を発光させることができる。
【００２１】
具体的には、ＬＥＤチップ１０２からの光とそれによって励起され発光する非粒子状性の蛍光層１０１、２０１の光がそれぞれ光の３原色（赤色系、緑色系、青色系）やＬＥＤチップ１０２から発光された青色とそれによって励起され黄色を発光する非粒子状性の蛍光層１０１、２０１の光などが挙げられる。非粒子状性の蛍光層１０１、２０１の膜厚及び発光素子であるＬＥＤチップ１０２の主発光波長を選択することにより白色を含め電球色など任意の色調を提供させることができる。したがって、発光ダイオードの外部には、ＬＥＤチップ１０２からの発光と非粒子状性の蛍光層１０１、２０１からの発光がモールド部材１０６を効率よく透過することが好ましい。
【００２２】
半導体発光層からの光によって励起される非粒子状性の蛍光層１０１、２０１は、励起光源となるＬＥＤチップ１０２から放出される光により種々選択することができる。具体的な非粒子状性の蛍光層の組成としては、クロムで付活されたサファイア、セリウムで付活されたイットリウム・アルミニウム・ガーネット系蛍光体や酸化エルビウム(３)などが挙げられる。特に、高輝度且つ長時間の使用時においては（Ｒｅ１−ｘＳｍｘ）３（Ａｌ１−ｙＧａｙ）５Ｏ１２：Ｃｅ（０≦ｘ＜１、０≦ｙ≦１、但し、Ｒｅは、Ｙ，Ｇｄ,Ｌａからなる群より選択される少なくとも一種の元素である。）などが好ましい。蛍光体として特に（Ｒｅ１−ｘＳｍｘ）３（Ａｌ１−ｙＧａｙ）５Ｏ１２：Ｃｅを用いた場合には、ＬＥＤチップ１０２と接する或いは近接して配置され放射照度として（Ｅｅ）＝３Ｗ・ｃｍ−２以上１０Ｗ・ｃｍ−２以下においても高効率に十分な耐光性を有する発光ダイオードとすることができる。
【００２３】
（Ｒｅ１−ｘＳｍｘ）３（Ａｌ１−ｙＧａｙ）５Ｏ１２：Ｃｅ蛍光体は、ガーネット構造のため、熱、光及び水分に強く、励起スペクトルのピークが４７０ｎｍ付近などにさせることができる。また、発光ピークも５８０ｎｍ付近にあり７２０ｎｍまで裾を引くブロードな発光スペクトルを持たせることができる。しかも、組成のＡｌの一部をＧａで置換することで発光波長が短波長にシフトし、また組成のＹの一部をＧｄで置換することで、発光波長が長波長へシフトする。このように組成を変化することで発光色を連続的に調節することが可能である。したがって、長波長側の強度がＧｄの組成比で連続的に変えられるなど高輝度に発光可能な窒化物系化合物半導体の青色発光を利用して白色系発光に変換するための理想条件を備えている。
【００２４】
この蛍光体は、Ｙ、Ｇｄ、Ｃｅ、Ｓｍ、Ａｌ、Ｌａ及びＧａの原料として酸化物、又は高温で容易に酸化物になる化合物を使用し、それらを化学量論比で十分に混合して原料を得る。又は、Ｙ、Ｇｄ、Ｃｅ、Ｓｍの希土類元素を化学量論比で酸に溶解した溶解液を蓚酸で共沈したものを焼成して得られる共沈酸化物と、酸化アルミニウム、酸化ガリウムとを混合して混合原料を得る。これにフラックスとしてフッ化アンモニウム等のフッ化物を適量混合して加圧し成形体を得る。成形体を坩堝に詰め、空気中１３５０〜１４５０°Ｃの温度範囲で２〜５時間焼成して、蛍光体の発光特性を持った焼結体を得ることができる。
【００２５】
本発明の発光ダイオードにおいて、非粒子状性の蛍光層は、２種類以上の非粒子状性の蛍光層を積層させてもよい。即ち、Ａｌ、Ｇａ、Ｙ、Ｌａ及びＧｄやＳｍの含有量が異なる２種類以上の（Ｒｅ１−ｘＳｍｘ）３（Ａｌ１−ｙＧａｙ）５Ｏ１２：Ｃｅ蛍光体を多層に積層させてＲＧＢの波長成分を増やすことができる。また、現在のところ半導体発光素子であるＬＥＤチップ１０２の発光波長には、バラツキが生ずるものがあるため可視光を利用する場合、２種類以上の蛍光体の膜厚を調整させて一定の白色光などを得ることができる。具体的には、発光素子の発光波長に合わせて色度点の異なる非粒子状性の蛍光層をそれぞれ形成させる。非粒子状性の蛍光層が形成される膜厚を調整させることで、各非粒子状性の蛍光層から放出される色間とＬＥＤチップから放出される色で結ばれる色度図上の任意範囲を発光させることができる。
【００２６】
非粒子状性の蛍光層を形成させるスパッタリング装置例として図３に示す。図３は、スパッタリング装置である。真空チャンバー３００内にアルゴンガスを注入すると共にバルブ３０４を介して排気する。ターゲットとなる蛍光体３０１をグランドに落とされた電極３０３に固定する。他方、ＬＥＤの各半導体層が形成されたウエハ３０２が配置された電極に交流電圧を加えるとアルゴンイオンがターゲットとなる蛍光体３０１に衝突する。衝突された衝撃で蛍光体３０１がはじき出され対向するウエハ３０２上に堆積することができる。本発明に用いられるスパッタリング装置としては、種々のマグネトロンスパッタ装置や多極スパッタリング装置を用いることもできる。なお、非粒子状性の蛍光層は、スパッタリング法の他、真空蒸着法や放電、熱、光などの各種ＣＶＤ法によって形成することも可能である。
（ＬＥＤチップ１０２）
本発明に用いられるＬＥＤチップ１０２とは、非粒子状性の蛍光層１０１、２０１を励起可能なものである。好ましくは無機蛍光体１０１、２０１を効率良く励起できる比較的短波長な紫外光や可視光を効率よく発光可能な窒化物系化合物半導体（一般式ＩｎｉＧａｊＡｌｋＮ、但し、０≦ｉ、０≦ｊ、０≦ｋ、ｉ＋ｊ＋ｋ＝１）などが挙げられる。発光素子であるＬＥＤチップ１０２は、ＭＯＣＶＤ法等により基板２０３上にＩｎＮ、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＡｌＮ等の半導体２０２を発光層として形成させる。半導体２０２の構造としては、ＭＩＳ接合、ＰＩＮ接合やＰＮ接合などを有するホモ構造、ヘテロ構造あるいはダブルへテロ構造のものが挙げられる。半導体層２０２の材料やその混晶度によって発光波長を種々選択することができる。また、半導体活性層を量子効果が生ずる薄膜に形成させた単一量子井戸構造や多重量子井戸構造とすることもできる。
【００２７】
窒化ガリウム系化合物半導体を使用した場合、半導体基板２０３にはサファイア、スピネル、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＺｎＯ、ＧａＮ等の材料が好適に用いられる。結晶性の良い窒化ガリウムを形成させるためにはサファイア基板を用いることがより好ましい。サファイア基板上に半導体膜２０２を成長させる場合、ＧａＮ、ＡｌＮ等のバッファ層を形成しその上にＰＮ接合を有する窒化ガリウム半導体を形成させることが好ましい。また、サファイア基板上にＳｉＯ２をマスクとして選択成長させたＧａＮ単結晶自体を基板として利用することもできる。この場合、各半導体層を形成後ＳｉＯ２をエッチング除去させることによって発光素子とサファイア基板とを分離させることもできる。
【００２８】
窒化ガリウム系化合物半導体は、不純物をドープしない状態でＮ型導電性を示す。発光効率を向上させるなど所望のＮ型窒化ガリウム半導体を形成させる場合は、Ｎ型ドーパントとしてＳｉ、Ｇｅ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｃ等を適宜導入することが好ましい。一方、Ｐ型窒化ガリウム半導体を形成させる場合は、Ｐ型ドーパンドであるＺｎ、Ｍｇ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ等をドープさせる。窒化ガリウム系化合物半導体は、Ｐ型ドーパントをドープしただけではＰ型化しにくいためＰ型ドーパント導入後に、炉による加熱、低速電子線照射やプラズマ照射等することでＰ型化させることが好ましい。
【００２９】
具体的なＬＥＤチップの層構成としては、窒化ガリウム、窒化アルミニウムなどを低温で形成させたバッファ層を有するサファイア基板や炭化珪素上に、窒化ガリウム半導体であるＮ型コンタクト層、窒化アルミニウム・ガリウム半導体であるＮ型クラッド層、Ｚｎ及びＳｉをドープさせた窒化インジュウム・ガリウム半導体である活性層、窒化アルミニウム・ガリウム半導体であるＰ型クラッド層、窒化ガリウム半導体であるＰ型コンタクト層が積層されたものが好適に挙げられる。
【００３０】
ＬＥＤチップ１０２を形成させるためにはサファイア基板を有するＬＥＤチップの場合、エッチングなどによりＰ型半導体及びＮ型半導体の露出面を形成させた後、半導体層上にスパッタリング法や真空蒸着法などを用いて所望の形状の非粒子状蛍光体１０１、２０１や各導電型と接続された第１の電極２０４、第２の電極２０５を形成させる。ＳｉＣ基板の場合、基板自体の導電性を利用して半導体を介して一対の電極を形成させることもできる。少なくとも半導体接合を被覆するように非粒子状性の蛍光層２０１を形成させることにより、無機蛍光体の層自体をＬＥＤの保護膜として機能させることもできる。
【００３１】
次に、非粒子状性の蛍光層が形成された半導体ウエハ等をダイヤモンド製の刃先を有するブレードが回転するダイシングソーにより直接フルカットするか、又は刃先幅よりも広い幅の溝を切り込んだ後（ハーフカット）、外力によって半導体ウエハを割る。あるいは、先端のダイヤモンド針が往復直線運動するスクライバーにより半導体ウエハに極めて細いスクライブライン（経線）を例えば碁盤目状に引いた後、外力によってウエハを割り半導体ウエハからチップ状にカットする。このようにして本発明に利用可能な窒化物系化合物半導体であるＬＥＤチップ１０２を形成させることができる。
【００３２】
本発明の発光ダイオードにおいて白色系を発光させる場合は、非粒子状性の蛍光層からの光との補色等を考慮してＬＥＤチップ１０２の主発光波長は４００ｎｍ以上５３０ｎｍ以下が好ましく、４２０ｎｍ以上４９０ｎｍ以下がより好ましい。ＬＥＤチップと蛍光体との効率をそれぞれより向上させるためには、４５０ｎｍ以上４７５ｎｍ以下がさらに好ましい。
（導電性ワイヤー１０３）
導電性ワイヤー１０３としては、ＬＥＤチップ１０２の電極２０４、２０５とのオーミック性、機械的接続性、電気伝導性及び熱伝導性がよいものが求められる。熱伝導度としては０．０１ｃａｌ／(Ｓ)(ｃｍ２）（℃／ｃｍ）以上が好ましく、より好ましくは０．５ｃａｌ／(Ｓ)(ｃｍ２）（℃／ｃｍ）以上である。また、作業性などを考慮して導電性ワイヤー１０３の直径は、好ましくは、Φ１０μｍ以上、Φ４５μｍ以下である。このような導電性ワイヤー１０３として具体的には、金、銅、白金、アルミニウム等の金属及びそれらの合金を用いた導電性ワイヤーが挙げられる。このような導電性ワイヤー１０３は、各ＬＥＤチップ１０２の電極２０４、２０５と、インナー・リード及びマウント・リードなどと、をワイヤーボンディング機器によって容易に接続させることができる。
（パッケージ１０４）
パッケージ１０４は、ＬＥＤチップ１０２を凹部内に固定保護すると共に外部との電気的接続が可能な外部電極１０５を有するものである。したがって、ＬＥＤチップ１０２の数や大きさに合わせて複数の開口部を持ったパッケージ１０４とすることもできる。また、好適には遮光機能を持たせるために黒や灰色などの暗色系に着色させる、或いはパッケージ１０４の発光観測表面側が暗色系に着色されている。
【００３３】
パッケージ１０４は、ＬＥＤチップ１０２をさらに外部環境から保護するため透光性保護体であるモールド部材１０６を設けることもできる。パッケージ１０４は、モールド部材１０６との接着性がよく剛性の高いものが好ましい。ＬＥＤチップ１０２と外部とを電気的に遮断させるために絶縁性を有することが望まれる。さらに、パッケージ１０４は、ＬＥＤチップ１０２などからの熱の影響をうけた場合、モールド部材１０６との密着性を考慮して熱膨張率の小さい物が好ましい。パッケージ１０４の凹部内表面は、エンボス加工させて接着面積を増やしたり、プラズマ処理してモールド部材１０６との密着性を向上させたりすることもできる。
【００３４】
パッケージ１０４は、外部電極１０５と一体的に形成させてもよく、パッケージ１０４が複数に分かれ、はめ込みなどにより組み合わせて構成させてもよい。このようなパッケージ１０４は、インジェクション成形などにより比較的簡単に形成することができる。パッケージ材料としてポリカーボネート樹脂、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、液晶ポリマー（ＬＣＰ）、ＡＢＳ樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、アクリル樹脂、ＰＢＴ樹脂等の樹脂やセラミックなどが挙げられる。また、パッケージ１０４を暗色系に着色させる着色剤としては種々の染料や顔料が好適に用いられる。具体的には、Ｃｒ２Ｏ３、ＭｎＯ２、Ｆｅ２Ｏ３やカーボンブラックなどが好適に挙げられる。
【００３５】
ＬＥＤチップ１０２とパッケージ１０４との接着は熱硬化性樹脂などによって行うことができる。具体的には、エポキシ樹脂、アクリル樹脂やイミド樹脂などが挙げられる。また、ＬＥＤチップ１０２を配置固定させると共にパッケージ１０４内の外部電極１０５と電気的に接続させるためにはＡｇペースト、カーボンペースト、ＩＴＯペースト、金属バンプ等が好適に用いられる。
（外部電極１０５）
外部電極１０５は、パッケージ１０４外部からの電力を内部に配置されたＬＥＤチップ１０２に供給させるために用いられる。パッケージ１０４上に設けられた導電性を有するパターンやリードフレームを利用したものなど種々のものが挙げられる。また、外部電極１０５は放熱性、電気伝導性、ＬＥＤチップ１０２の特性などを考慮して種々の大きさに形成させることができる。外部電極１０５は、各ＬＥＤチップ１０２を配置すると共にＬＥＤチップ１０２から放出された熱を外部に放熱させるため熱伝導性がよいことが好ましい。外部電極１０５の具体的な電気抵抗としては３００μΩ・ｃｍ以下が好ましく、より好ましくは、３μΩ・ｃｍ以下である。また、具体的な熱伝導度は、０．０１ｃａｌ／(ｓ)(ｃｍ２）（℃／ｃｍ）以上が好ましく、より好ましくは ０．５ｃａｌ／(ｓ)(ｃｍ２）（℃／ｃｍ）以上である。
【００３６】
外部電極１０５の具体的材料としては、銅やりん青銅板表面に銀、パラジュウム或いは金などの金属メッキや半田メッキなどを施したものが好適に用いられる。外部電極１０５としてリードフレームを利用した場合は、電気伝導度、熱伝導度によって種々利用できるが加工性の観点から板厚０．１ｍｍから２ｍｍが好ましい。ガラスエポキシ樹脂やセラミックなどの基板上などに設けられた外部電極１０５としては、銅箔やタングステン層を形成させることができる。プリント基板上に金属箔を用いる場合は、銅箔などの厚みとして１８〜７０μｍとすることが好ましい。また、銅箔等の上に金、半田メッキなどを施しても良い。
（モールド部材１０６）
モールド部材１０６は、発光ダイオードの使用用途に応じてＬＥＤチップ１０２、導電性ワイヤー１０３、非粒子状性の蛍光層１０１などを外部から保護するために設けることができる。モールド部材１０６は、各種樹脂や硝子などを用いて形成させることができる。モールド部材１０６の具体的材料としては、主としてエポキシ樹脂、ユリア樹脂、シリコーン樹脂などの耐候性に優れた透明樹脂や硝子などが好適に用いられる。また、モールド部材１０６に拡散剤を含有させることによってＬＥＤチップ１０２からの指向性を緩和させ視野角を増やすこともできる。以下、本発明の実施例について説明するが、本発明は具体的実施例のみに限定されるものではないことは言うまでもない。
【００３７】
【実施例】
（実施例１）
ＬＥＤチップとして主発光ピークが４６０ｎｍのＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ半導体を用いた。ＬＥＤチップは、洗浄させたサファイア基板上にＴＭＧ（トリメチルガリウム）ガス、ＴＭＩ（トリメチルインジュウム）ガス、窒素ガス及びドーパントガスをキャリアガスと共に流し、ＭＯＣＶＤ法で窒化ガリウム系化合物半導体を成膜させることにより形成させた。ドーパントガスとしてＳｉＨ４とＣｐ２Ｍｇと、を切り替えることによってＮ型導電性を有する窒化ガリウム系半導体とＰ型導電性を有する窒化ガリウム系半導体を形成しＰＮ接合を形成させる。半導体発光素子としては、Ｎ型導電性を有する窒化ガリウム半導体であるコンタクト層と、Ｐ型導電性を有する窒化ガリウムアルミニウム半導体であるクラッド層、Ｐ型導電性を有する窒化ガリウム半導体であるコンタクト層を形成させた。Ｎ型導電性を有するコンタクト層とＰ型導電性を有するクラッド層との間に厚さ約３ｎｍであり、単一量子井戸構造とされるノンドープＩｎＧａＮの活性層を形成させた。（なお、サファイア基板上には低温で窒化ガリウム半導体を形成させバッファ層とさせてある。また、Ｐ型導電性を有する半導体は、成膜後４００℃以上でアニールさせてある。）
その後、エッチングによりサファイア基板上のＰＮ各半導体表面を露出させた。また、ＰＮ各半導体表面が露出された部位は、最終的に形成されるＬＥＤチップごとに複数ある。さらに、各ＬＥＤチップの大きさごと矩形に分割できるよう半導体層をサファイア基板まで部分的に除去し電気的にも分離させてある。導電性ワイヤーとなる金線を付着させるためのパッド電極形成面には、レジストを予め形成させ半導体ウエハを形成した。
【００３８】
一方、非粒子状性の蛍光層を形成するために、Ｙ、Ｇｄ、Ｃｅの希土類元素を化学量論比で酸に溶解した溶解液を蓚酸で共沈させた。これを焼成して得られる共沈酸化物と、酸化アルミニウムと混合して混合原料を得る。これにフラックスとしてフッ化アンモニウムを混合した後、４０ｋｇｆ／ｃｍ２を５秒で成形体を形成した。成型体を坩堝に詰め、空気中１３５０°Ｃの温度で３時間焼成して焼成品を得た。
【００３９】
焼成品の端面を平滑になるようカットした後、（Ｙ０．８Ｇｄ０．２）３Ａｌ５Ｏ１２：Ｃｅ０．０３５蛍光体組成をもったターゲットとして利用した。２極スパッタリング装置の真空チャンバー内にターゲットと上述のレジストまで形成された半導体ウエハを固定させた。スパッタリング装置の真空チャンバー内にアルゴンガスを流すと共にそれぞれの電極に交流電圧を印加した。電圧を印加させて蛍光体膜を半導体ウエハ上に形成させた後、レジストをリフトオフにより除去して所望の半導体ウエハ上内のみに平滑で非粒子状性の無機蛍光層が形成させた。
【００４０】
こうして蛍光層を形成させた半導体ウエハをＬＥＤチップに分割させるためのエッチングラインに沿ってダイサーでダイシングした後、スクライバーでスクライブラインを形成させた。スクライブラインに沿ってサファイア基板側からローラにより加圧して、個々に分割し蛍光層を持ったＬＥＤチップを形成させた。
【００４１】
また、インサート成形によりポリカーボネート樹脂を用いてチップタイプＬＥＤのパッケージを形成させた。チップタイプＬＥＤのパッケージ内は、ＬＥＤチップが配される開口部を備えている。パッケージ中には、銀メッキした銅板を外部電極として配置させてある。パッケージ内部で蛍光層が形成されたＬＥＤチップをエポキシ樹脂などにより固定させる。導電性ワイヤーである金線をＬＥＤチップの各電極とパッケージに設けられた各外部電極とにそれぞれワイヤーボンディングさせ電気的に接続させてある。こうしてＬＥＤチップが配置されたパッケージを４０００個形成させた。
【００４２】
得られた発光ダイオードに電力を供給させることによって白色系を発光させることができる。発光ダイオードの正面から色温度、演色性をそれぞれ測定した。色温度７１５０Ｋ、Ｒａ（演色性指数）＝７８．５を示した。また、発光光率は６．８ ｌｍ／Ｗであった。また、バラツキを色度座標上の面積として測定した。
（比較例１）
ＬＥＤチップ上には、非粒子状性の蛍光層を形成させない代わりにエポキシ樹脂中に（Ｙ０．８Ｇｄ０．２）３Ａｌ５Ｏ１２：Ｃｅ０．０３５蛍光体を混合させたコーティング部をＬＥＤチップ上に形成させた以外は、実施例１と同様にして発光ダイオードを４０００個形成させた。形成された発光ダイオードの断面は、コーティング部の端面がはい上がっていると共に蛍光物質の量が不均一であった。こうして形成された発光ダイオードの色度点を実施例１と同様に測定した。形成された発光ダイオードは、ＬＥＤチップの発光波長と蛍光体の発光波長を結んだ線上に略位置したが、バラツキが大きかった。実施例１と同様にして色度座標上のバラツキ面積を測定した。比較例１の面積は、実施例１の面積の約２６倍でありバラツキが大きかった。
【００４３】
【発明の効果】
発光素子上に配置された非粒子状性の蛍光層は、均一な膜厚を持った蛍光体薄膜として形成される。そのために各方位による色度のずれが極めて少なく発光観測面から見て色調ずれがない発光装置とさせることができる。また、歩留まりの高い発光装置とすることができる。さらに、非粒子状性の蛍光層自体が半導体活性層である半導体接合部を被覆することができるため極めて信頼性の高い発光装置を形成させることができる。この場合、導電性接着剤を用いて外部電極と電気的接続をさせても短絡のない発光装置とすることもできる。
【００４４】
特に、本発明により、発光素子上の無機蛍光体は非粒子状性であるため粒子径に依存することのない均一発光が可能となる。また、蛍光層がそのまま形成されることによりバインダーが不要となる。さらに、ウエハ単位で処理が可能であるため効率よく形成することができる。形成された蛍光体は、発光素子の保護膜としても機能する。
【００４５】
本発明により、各非粒子状性の蛍光層から放出される色間と発光素子から放出される色で結ばれる色度図上の任意の範囲を発光させることができる。
【００４６】
本発明により、各方位による色度のずれが極めて少なく発光観測面から見て色調ずれがない発光装置とさせることができる。
【００４７】
本発明により、高輝度、長時間の使用においてもより輝度の低下の少ない発光装置とすることができる。
【００４８】
本発明により、高輝度、長時間の使用においてもより色ずれの少ない発光装置とすることができる。
【００４９】
本発明により、ＲＧＢの波長成分を増やし、高輝度、長時間の使用においてもより輝度の低下や色ずれの少ない発光装置とすることができる。
【００５０】
本発明により、発光観測方位や量産時におけるバラツキが少ない発光装置を量産性よく形成することができる。また、膜厚を調節することにより発光効率を容易に最適化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、本発明の発光ダイオードであるチップタイプＬＥＤの模式的断面図である。
【図２】 図２は、本発明の発光ダイオードであるＬＥＤチップの模式図であり、図２（Ａ）は、模式的断面図であり、図２（Ｂ）は、概略正面図である。
【図３】 図３は、本発明の発光ダイオードを形成させる形成装置を示した模式的説明図である。
【符号の説明】
１００・・・チップタイプＬＥＤ
１０１、２０１・・・非粒子状性の無機蛍光層
１０２・・・ＬＥＤチップ
１０３・・・導電性ワイヤー
１０４・・・パッケージ
１０５・・・外部電極
１０６・・・モールド部材
２０２・・・半導体層
２０３・・・基板
２０４・・・Ｎ型導電性を有する半導体層に接続された第１の電極
２０５・・・Ｐ型導電性を有する半導体層に接続された第２の電極
３００・・・真空チャンバー
３０１・・・蛍光体のターゲット
３０２・・・半導体ウエハ
３０３・・・ターゲットを支持する電極
３０４・・・排気バルブ
【産業上の利用分野】
本発明は、ＬＥＤディスプレイ、バックライト光源、信号機、照光式スイッチ、各種センサー及び各種インジケータなどに利用される発光装置に係わり、特に発光素子であるＬＥＤチップからの発光を波長変換して発光可能な蛍光体を有する発光ダイオードにおいて、発光方位、色調ムラを改善した発光ダイオード及びその形成方法に関する。
【０００２】
【従来技術】
発光装置である発光ダイオード（以下、ＬＥＤとも呼ぶ。）は、小型で効率が良く鮮やかな色の発光をする。また、半導体素子であるため球切れなどの心配がない。駆動特性が優れ、振動やON／OFF点灯の繰り返しに強いという特徴を有する。そのため各種インジケータや種々の光源として利用されている。しかしながら、ＬＥＤは優れた単色性ピーク波長を有するが故に白色系などの発光波長を発光することができない。
【０００３】
そこで、本願出願人は、青色発光ダイオードと蛍光物質により青色発光ダイオードからの発光を色変換させて他の色などが発光可能な発光ダイオードとして、特開平５−１５２６０９号公報、特開平７−９９３４５号公報などに記載された発光ダイオードを開発した。これらの発光ダイオードによって、１種類のＬＥＤチップを用いて白色系や青色ＬＥＤチップを用いた緑色など他の発光色を発光させることができる。
【０００４】
具体的には、青色系が発光可能なＬＥＤチップなどをリードフレームの先端に設けられたカップ上などに配置する。ＬＥＤチップは、ＬＥＤチップが設けられたメタルステムやメタルポストとそれぞれ電気的に接続させる。そして、ＬＥＤチップを被覆する樹脂モールド部材中などにＬＥＤチップからの光を吸収し波長変換する蛍光物質を含有させて形成させてある。青色系の発光ダイオードと、その発光を吸収し黄色系を発光する蛍光物質などとを選択することにより、これらの発光の混色を利用して白色系を発光させることができる。このような発光ダイオードは、白色系を発光する発光ダイオードとして利用した場合においても十分な輝度を発光する発光ダイオードとして利用することができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、形成された各発光ダイオードの色が所望通りに形成されにくい傾向にある。すなわち、ＬＥＤチップは、３００μｍ角程度と極めて小さい。また、ＬＥＤチップからの光を変換する蛍光体は極めて少量ですむ。そのため蛍光体の塗布及び配置が極めて難しい。特に、ＬＥＤチップからの光と、その光により励起され、ＬＥＤからの光とは異なる光の混色によって発光色を決める発光ダイオードにおいては、少しの色ずれにより表示色が大きく異なることとなる。蛍光体の混色を用いた発光ダイオードを量産させた場合、この色ずれの範囲が広い。そのため、所望の色度範囲に形成させることが難しく歩留まりが低下する傾向にある。
【０００６】
また、マウント・リード上の反射カップ内に単にＬＥＤチップ及び蛍光体を実装しモールド部材を形成させると、発光ダイオードの発光観測面において僅かながら色むらを生じる場合がある。具体的には、発光観測面側から見て発光素子であるＬＥＤチップが配置された中心部が青色っぽく、その周囲方向にリング状に黄、緑や赤色っぽい部分が見られる場合がある。人間の色調感覚は、白色において特に敏感である。そのため、わずかな色調差でも赤っぽい白、緑色っぽい白、黄色っぽい白等と感じる。
【０００７】
このような発光観測面を直視することによって生ずる色むらは、品質上好ましくないばかりでなく表示装置に利用したときの表示面における色むらや、光センサーなど精密機器における誤差を生ずることにもなる。
【０００８】
本発明は上記問題点を解決し発光観測面における色調むらや発光ダイオードごとのバラツキが極めて少なく、量産性の良い発光ダイオードなどを形成させることにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、基板上に半導体を積層させた半導体ウエハを形成する第一の工程と、上記半導体の一部を上記基板まで除去することにより、分割ラインおよび上記半導体の露出面を形成させる第二の工程と、上記半導体上に蛍光体を堆積させる第三の工程と、上記第三の工程後、上記分割ラインに沿って上記半導体ウエハを分割することにより、少なくとも半導体活性層が蛍光体にて被覆された発光素子を形成する第四の工程とを有する発光装置の形成方法である。
【００１０】
本発明は、特に、上記第三の工程において、上記蛍光体は、スパッタリング法、蒸着法あるいはＣＶＤ法から選択された少なくとも一種の形成方法により非粒子状性の蛍光層として堆積されることを特徴とする。
【００１１】
上記非粒子状性の蛍光層は、色度点の異なる非粒子状性の蛍光層が２種類以上積層されることが好ましい。
【００１２】
上記発光素子は、ダブルヘテロ構造を有することが好ましい。
【００１３】
上記発光素子は、発光層が窒化物系化合物半導体であり、且つ上記蛍光体がセリウムで付活されたイットリウム・アルミニウム・ガーネット系蛍光体であることが好ましい。
【００１４】
上記蛍光層は、（Ｒｅ１−ｘＳｍｘ）３（Ａｌ１−ｙＧａｙ）５Ｏ１２：Ｃｅ蛍光体を含むことが好ましい。ただし、０≦ｘ＜１、０≦ｙ≦１、Ｒｅは、Ｙ、Ｇｄ、Ｌａから選択される少なくとも一種の元素である。
【００１５】
上記蛍光層は、Ａｌ、Ｇａ、Ｙ、Ｌａ及びＧｄやＳｍの含有量が異なる２種以上の（Ｒｅ１−ｘＳｍｘ）３（Ａｌ１−ｙＧａｙ）５Ｏ１２：Ｃｅ蛍光体を多層に積層させることが好ましい。
【作用】
本発明は、ＬＥＤチップ上に無機蛍光体を非粒子性状の薄膜として形成することができるために、蛍光体の量が一定となり均一な発光特性を得ることができる。そのため発光面における色むらや発光ダイオードごとのバラツキの極めて少なく歩留まりを高くすることができる。また、高輝度高エネルギー光が発光可能なＬＥＤチップからの光に対しても信頼性よく発光させることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明者は種々の実験の結果、ＬＥＤチップ上に直接蛍光体の薄膜を形成することにより、発光観測面における色調むらや発光装置ごとの色バラツキが改善できることを見出し本発明を成すに到った。
【００１７】
本発明による特性向上の理由は定かでないが、ＬＥＤチップ上にスパッタリング法を用いて形成された無機蛍光体薄膜は、一定の膜厚の蛍光層を形成することができるため色むらや色バラツキが低減すると考えられる。
【００１８】
即ち、ＬＥＤチップには、リードフレームなどと電気的に接続させるために電極や金属ワイヤーなどが設けられている。このような金属ワイヤーや電極は、その上に形成される蛍光体にとって凹凸となる。凹凸が大きければ、蛍光体の量が部分的に異なる。本発明は、スパッタリング法によりＬＥＤチップ上に蛍光体薄膜を形成したことにより、凹凸に関係なく一定の膜厚を有する蛍光層を形成することができる。
【００１９】
したがって、ＬＥＤチップの凹凸に左右されず、無機蛍光体の膜厚が一定となることより、発光観測面における色調むらや発光ダイオードごとのバラツキが生じないこととなる。また、蛍光体は、通常数μから数十μｍ程度の粒径で形成される。半導体素子の発光部は、３００μｍ程度に形成されるため均一にさせるには半導体素子に対して蛍光体が大きすぎる。そのため、非粒子状性の蛍光層を利用することにより粒子径に依存することはない均一発光が可能となる。
【００２０】
具体的には、図２の如く、マウント・フレーム上にＬＥＤチップをダイボンディングさせると共にＬＥＤチップの電極と導電性ワイヤーである金線をインナー・リードにワイヤーボンディングする。次に、ＬＥＤチップが配置されたマウント・リードを真空チャンバー内に配置させる。真空チャンバー内には、マウント・リードと対向する位置に蛍光体の固まりを電極となる支持体に固定してある。真空チャンバー内にアルゴンガスを注入して電圧を加えるとアルゴンイオンが蛍光体をたたく。たたかれた蛍光体が飛散して対向するマウント・リード上に付着することになる。無機蛍光体の薄膜を形成後、モールド部材を形成し砲弾型の発光ダイオードを形成させた。形成された発光ダイオードは、複数形成させてもバラツキの少ない発光ダイオードとすることができる。以下、本発明の構成部材について詳述する。
（非粒子状性の蛍光層１０１、２０１）
本発明に用いられる蛍光層としては、少なくともＬＥＤチップ１０２の半導体発光層から放出された光で励起されて発光する非粒子状性の無機蛍光体１０１、２０１をいう。ここで非粒子状性とは、蛍光体自体が粉体ではなく層状に形成されたものをいう。ＬＥＤチップ１０２から発光した光と、非粒子状性の蛍光層から発光する光が補色関係などにある場合、それぞれの光を混色させることで白色を発光させることができる。
【００２１】
具体的には、ＬＥＤチップ１０２からの光とそれによって励起され発光する非粒子状性の蛍光層１０１、２０１の光がそれぞれ光の３原色（赤色系、緑色系、青色系）やＬＥＤチップ１０２から発光された青色とそれによって励起され黄色を発光する非粒子状性の蛍光層１０１、２０１の光などが挙げられる。非粒子状性の蛍光層１０１、２０１の膜厚及び発光素子であるＬＥＤチップ１０２の主発光波長を選択することにより白色を含め電球色など任意の色調を提供させることができる。したがって、発光ダイオードの外部には、ＬＥＤチップ１０２からの発光と非粒子状性の蛍光層１０１、２０１からの発光がモールド部材１０６を効率よく透過することが好ましい。
【００２２】
半導体発光層からの光によって励起される非粒子状性の蛍光層１０１、２０１は、励起光源となるＬＥＤチップ１０２から放出される光により種々選択することができる。具体的な非粒子状性の蛍光層の組成としては、クロムで付活されたサファイア、セリウムで付活されたイットリウム・アルミニウム・ガーネット系蛍光体や酸化エルビウム(３)などが挙げられる。特に、高輝度且つ長時間の使用時においては（Ｒｅ１−ｘＳｍｘ）３（Ａｌ１−ｙＧａｙ）５Ｏ１２：Ｃｅ（０≦ｘ＜１、０≦ｙ≦１、但し、Ｒｅは、Ｙ，Ｇｄ,Ｌａからなる群より選択される少なくとも一種の元素である。）などが好ましい。蛍光体として特に（Ｒｅ１−ｘＳｍｘ）３（Ａｌ１−ｙＧａｙ）５Ｏ１２：Ｃｅを用いた場合には、ＬＥＤチップ１０２と接する或いは近接して配置され放射照度として（Ｅｅ）＝３Ｗ・ｃｍ−２以上１０Ｗ・ｃｍ−２以下においても高効率に十分な耐光性を有する発光ダイオードとすることができる。
【００２３】
（Ｒｅ１−ｘＳｍｘ）３（Ａｌ１−ｙＧａｙ）５Ｏ１２：Ｃｅ蛍光体は、ガーネット構造のため、熱、光及び水分に強く、励起スペクトルのピークが４７０ｎｍ付近などにさせることができる。また、発光ピークも５８０ｎｍ付近にあり７２０ｎｍまで裾を引くブロードな発光スペクトルを持たせることができる。しかも、組成のＡｌの一部をＧａで置換することで発光波長が短波長にシフトし、また組成のＹの一部をＧｄで置換することで、発光波長が長波長へシフトする。このように組成を変化することで発光色を連続的に調節することが可能である。したがって、長波長側の強度がＧｄの組成比で連続的に変えられるなど高輝度に発光可能な窒化物系化合物半導体の青色発光を利用して白色系発光に変換するための理想条件を備えている。
【００２４】
この蛍光体は、Ｙ、Ｇｄ、Ｃｅ、Ｓｍ、Ａｌ、Ｌａ及びＧａの原料として酸化物、又は高温で容易に酸化物になる化合物を使用し、それらを化学量論比で十分に混合して原料を得る。又は、Ｙ、Ｇｄ、Ｃｅ、Ｓｍの希土類元素を化学量論比で酸に溶解した溶解液を蓚酸で共沈したものを焼成して得られる共沈酸化物と、酸化アルミニウム、酸化ガリウムとを混合して混合原料を得る。これにフラックスとしてフッ化アンモニウム等のフッ化物を適量混合して加圧し成形体を得る。成形体を坩堝に詰め、空気中１３５０〜１４５０°Ｃの温度範囲で２〜５時間焼成して、蛍光体の発光特性を持った焼結体を得ることができる。
【００２５】
本発明の発光ダイオードにおいて、非粒子状性の蛍光層は、２種類以上の非粒子状性の蛍光層を積層させてもよい。即ち、Ａｌ、Ｇａ、Ｙ、Ｌａ及びＧｄやＳｍの含有量が異なる２種類以上の（Ｒｅ１−ｘＳｍｘ）３（Ａｌ１−ｙＧａｙ）５Ｏ１２：Ｃｅ蛍光体を多層に積層させてＲＧＢの波長成分を増やすことができる。また、現在のところ半導体発光素子であるＬＥＤチップ１０２の発光波長には、バラツキが生ずるものがあるため可視光を利用する場合、２種類以上の蛍光体の膜厚を調整させて一定の白色光などを得ることができる。具体的には、発光素子の発光波長に合わせて色度点の異なる非粒子状性の蛍光層をそれぞれ形成させる。非粒子状性の蛍光層が形成される膜厚を調整させることで、各非粒子状性の蛍光層から放出される色間とＬＥＤチップから放出される色で結ばれる色度図上の任意範囲を発光させることができる。
【００２６】
非粒子状性の蛍光層を形成させるスパッタリング装置例として図３に示す。図３は、スパッタリング装置である。真空チャンバー３００内にアルゴンガスを注入すると共にバルブ３０４を介して排気する。ターゲットとなる蛍光体３０１をグランドに落とされた電極３０３に固定する。他方、ＬＥＤの各半導体層が形成されたウエハ３０２が配置された電極に交流電圧を加えるとアルゴンイオンがターゲットとなる蛍光体３０１に衝突する。衝突された衝撃で蛍光体３０１がはじき出され対向するウエハ３０２上に堆積することができる。本発明に用いられるスパッタリング装置としては、種々のマグネトロンスパッタ装置や多極スパッタリング装置を用いることもできる。なお、非粒子状性の蛍光層は、スパッタリング法の他、真空蒸着法や放電、熱、光などの各種ＣＶＤ法によって形成することも可能である。
（ＬＥＤチップ１０２）
本発明に用いられるＬＥＤチップ１０２とは、非粒子状性の蛍光層１０１、２０１を励起可能なものである。好ましくは無機蛍光体１０１、２０１を効率良く励起できる比較的短波長な紫外光や可視光を効率よく発光可能な窒化物系化合物半導体（一般式ＩｎｉＧａｊＡｌｋＮ、但し、０≦ｉ、０≦ｊ、０≦ｋ、ｉ＋ｊ＋ｋ＝１）などが挙げられる。発光素子であるＬＥＤチップ１０２は、ＭＯＣＶＤ法等により基板２０３上にＩｎＮ、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＡｌＮ等の半導体２０２を発光層として形成させる。半導体２０２の構造としては、ＭＩＳ接合、ＰＩＮ接合やＰＮ接合などを有するホモ構造、ヘテロ構造あるいはダブルへテロ構造のものが挙げられる。半導体層２０２の材料やその混晶度によって発光波長を種々選択することができる。また、半導体活性層を量子効果が生ずる薄膜に形成させた単一量子井戸構造や多重量子井戸構造とすることもできる。
【００２７】
窒化ガリウム系化合物半導体を使用した場合、半導体基板２０３にはサファイア、スピネル、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＺｎＯ、ＧａＮ等の材料が好適に用いられる。結晶性の良い窒化ガリウムを形成させるためにはサファイア基板を用いることがより好ましい。サファイア基板上に半導体膜２０２を成長させる場合、ＧａＮ、ＡｌＮ等のバッファ層を形成しその上にＰＮ接合を有する窒化ガリウム半導体を形成させることが好ましい。また、サファイア基板上にＳｉＯ２をマスクとして選択成長させたＧａＮ単結晶自体を基板として利用することもできる。この場合、各半導体層を形成後ＳｉＯ２をエッチング除去させることによって発光素子とサファイア基板とを分離させることもできる。
【００２８】
窒化ガリウム系化合物半導体は、不純物をドープしない状態でＮ型導電性を示す。発光効率を向上させるなど所望のＮ型窒化ガリウム半導体を形成させる場合は、Ｎ型ドーパントとしてＳｉ、Ｇｅ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｃ等を適宜導入することが好ましい。一方、Ｐ型窒化ガリウム半導体を形成させる場合は、Ｐ型ドーパンドであるＺｎ、Ｍｇ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ等をドープさせる。窒化ガリウム系化合物半導体は、Ｐ型ドーパントをドープしただけではＰ型化しにくいためＰ型ドーパント導入後に、炉による加熱、低速電子線照射やプラズマ照射等することでＰ型化させることが好ましい。
【００２９】
具体的なＬＥＤチップの層構成としては、窒化ガリウム、窒化アルミニウムなどを低温で形成させたバッファ層を有するサファイア基板や炭化珪素上に、窒化ガリウム半導体であるＮ型コンタクト層、窒化アルミニウム・ガリウム半導体であるＮ型クラッド層、Ｚｎ及びＳｉをドープさせた窒化インジュウム・ガリウム半導体である活性層、窒化アルミニウム・ガリウム半導体であるＰ型クラッド層、窒化ガリウム半導体であるＰ型コンタクト層が積層されたものが好適に挙げられる。
【００３０】
ＬＥＤチップ１０２を形成させるためにはサファイア基板を有するＬＥＤチップの場合、エッチングなどによりＰ型半導体及びＮ型半導体の露出面を形成させた後、半導体層上にスパッタリング法や真空蒸着法などを用いて所望の形状の非粒子状蛍光体１０１、２０１や各導電型と接続された第１の電極２０４、第２の電極２０５を形成させる。ＳｉＣ基板の場合、基板自体の導電性を利用して半導体を介して一対の電極を形成させることもできる。少なくとも半導体接合を被覆するように非粒子状性の蛍光層２０１を形成させることにより、無機蛍光体の層自体をＬＥＤの保護膜として機能させることもできる。
【００３１】
次に、非粒子状性の蛍光層が形成された半導体ウエハ等をダイヤモンド製の刃先を有するブレードが回転するダイシングソーにより直接フルカットするか、又は刃先幅よりも広い幅の溝を切り込んだ後（ハーフカット）、外力によって半導体ウエハを割る。あるいは、先端のダイヤモンド針が往復直線運動するスクライバーにより半導体ウエハに極めて細いスクライブライン（経線）を例えば碁盤目状に引いた後、外力によってウエハを割り半導体ウエハからチップ状にカットする。このようにして本発明に利用可能な窒化物系化合物半導体であるＬＥＤチップ１０２を形成させることができる。
【００３２】
本発明の発光ダイオードにおいて白色系を発光させる場合は、非粒子状性の蛍光層からの光との補色等を考慮してＬＥＤチップ１０２の主発光波長は４００ｎｍ以上５３０ｎｍ以下が好ましく、４２０ｎｍ以上４９０ｎｍ以下がより好ましい。ＬＥＤチップと蛍光体との効率をそれぞれより向上させるためには、４５０ｎｍ以上４７５ｎｍ以下がさらに好ましい。
（導電性ワイヤー１０３）
導電性ワイヤー１０３としては、ＬＥＤチップ１０２の電極２０４、２０５とのオーミック性、機械的接続性、電気伝導性及び熱伝導性がよいものが求められる。熱伝導度としては０．０１ｃａｌ／(Ｓ)(ｃｍ２）（℃／ｃｍ）以上が好ましく、より好ましくは０．５ｃａｌ／(Ｓ)(ｃｍ２）（℃／ｃｍ）以上である。また、作業性などを考慮して導電性ワイヤー１０３の直径は、好ましくは、Φ１０μｍ以上、Φ４５μｍ以下である。このような導電性ワイヤー１０３として具体的には、金、銅、白金、アルミニウム等の金属及びそれらの合金を用いた導電性ワイヤーが挙げられる。このような導電性ワイヤー１０３は、各ＬＥＤチップ１０２の電極２０４、２０５と、インナー・リード及びマウント・リードなどと、をワイヤーボンディング機器によって容易に接続させることができる。
（パッケージ１０４）
パッケージ１０４は、ＬＥＤチップ１０２を凹部内に固定保護すると共に外部との電気的接続が可能な外部電極１０５を有するものである。したがって、ＬＥＤチップ１０２の数や大きさに合わせて複数の開口部を持ったパッケージ１０４とすることもできる。また、好適には遮光機能を持たせるために黒や灰色などの暗色系に着色させる、或いはパッケージ１０４の発光観測表面側が暗色系に着色されている。
【００３３】
パッケージ１０４は、ＬＥＤチップ１０２をさらに外部環境から保護するため透光性保護体であるモールド部材１０６を設けることもできる。パッケージ１０４は、モールド部材１０６との接着性がよく剛性の高いものが好ましい。ＬＥＤチップ１０２と外部とを電気的に遮断させるために絶縁性を有することが望まれる。さらに、パッケージ１０４は、ＬＥＤチップ１０２などからの熱の影響をうけた場合、モールド部材１０６との密着性を考慮して熱膨張率の小さい物が好ましい。パッケージ１０４の凹部内表面は、エンボス加工させて接着面積を増やしたり、プラズマ処理してモールド部材１０６との密着性を向上させたりすることもできる。
【００３４】
パッケージ１０４は、外部電極１０５と一体的に形成させてもよく、パッケージ１０４が複数に分かれ、はめ込みなどにより組み合わせて構成させてもよい。このようなパッケージ１０４は、インジェクション成形などにより比較的簡単に形成することができる。パッケージ材料としてポリカーボネート樹脂、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、液晶ポリマー（ＬＣＰ）、ＡＢＳ樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、アクリル樹脂、ＰＢＴ樹脂等の樹脂やセラミックなどが挙げられる。また、パッケージ１０４を暗色系に着色させる着色剤としては種々の染料や顔料が好適に用いられる。具体的には、Ｃｒ２Ｏ３、ＭｎＯ２、Ｆｅ２Ｏ３やカーボンブラックなどが好適に挙げられる。
【００３５】
ＬＥＤチップ１０２とパッケージ１０４との接着は熱硬化性樹脂などによって行うことができる。具体的には、エポキシ樹脂、アクリル樹脂やイミド樹脂などが挙げられる。また、ＬＥＤチップ１０２を配置固定させると共にパッケージ１０４内の外部電極１０５と電気的に接続させるためにはＡｇペースト、カーボンペースト、ＩＴＯペースト、金属バンプ等が好適に用いられる。
（外部電極１０５）
外部電極１０５は、パッケージ１０４外部からの電力を内部に配置されたＬＥＤチップ１０２に供給させるために用いられる。パッケージ１０４上に設けられた導電性を有するパターンやリードフレームを利用したものなど種々のものが挙げられる。また、外部電極１０５は放熱性、電気伝導性、ＬＥＤチップ１０２の特性などを考慮して種々の大きさに形成させることができる。外部電極１０５は、各ＬＥＤチップ１０２を配置すると共にＬＥＤチップ１０２から放出された熱を外部に放熱させるため熱伝導性がよいことが好ましい。外部電極１０５の具体的な電気抵抗としては３００μΩ・ｃｍ以下が好ましく、より好ましくは、３μΩ・ｃｍ以下である。また、具体的な熱伝導度は、０．０１ｃａｌ／(ｓ)(ｃｍ２）（℃／ｃｍ）以上が好ましく、より好ましくは ０．５ｃａｌ／(ｓ)(ｃｍ２）（℃／ｃｍ）以上である。
【００３６】
外部電極１０５の具体的材料としては、銅やりん青銅板表面に銀、パラジュウム或いは金などの金属メッキや半田メッキなどを施したものが好適に用いられる。外部電極１０５としてリードフレームを利用した場合は、電気伝導度、熱伝導度によって種々利用できるが加工性の観点から板厚０．１ｍｍから２ｍｍが好ましい。ガラスエポキシ樹脂やセラミックなどの基板上などに設けられた外部電極１０５としては、銅箔やタングステン層を形成させることができる。プリント基板上に金属箔を用いる場合は、銅箔などの厚みとして１８〜７０μｍとすることが好ましい。また、銅箔等の上に金、半田メッキなどを施しても良い。
（モールド部材１０６）
モールド部材１０６は、発光ダイオードの使用用途に応じてＬＥＤチップ１０２、導電性ワイヤー１０３、非粒子状性の蛍光層１０１などを外部から保護するために設けることができる。モールド部材１０６は、各種樹脂や硝子などを用いて形成させることができる。モールド部材１０６の具体的材料としては、主としてエポキシ樹脂、ユリア樹脂、シリコーン樹脂などの耐候性に優れた透明樹脂や硝子などが好適に用いられる。また、モールド部材１０６に拡散剤を含有させることによってＬＥＤチップ１０２からの指向性を緩和させ視野角を増やすこともできる。以下、本発明の実施例について説明するが、本発明は具体的実施例のみに限定されるものではないことは言うまでもない。
【００３７】
【実施例】
（実施例１）
ＬＥＤチップとして主発光ピークが４６０ｎｍのＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ半導体を用いた。ＬＥＤチップは、洗浄させたサファイア基板上にＴＭＧ（トリメチルガリウム）ガス、ＴＭＩ（トリメチルインジュウム）ガス、窒素ガス及びドーパントガスをキャリアガスと共に流し、ＭＯＣＶＤ法で窒化ガリウム系化合物半導体を成膜させることにより形成させた。ドーパントガスとしてＳｉＨ４とＣｐ２Ｍｇと、を切り替えることによってＮ型導電性を有する窒化ガリウム系半導体とＰ型導電性を有する窒化ガリウム系半導体を形成しＰＮ接合を形成させる。半導体発光素子としては、Ｎ型導電性を有する窒化ガリウム半導体であるコンタクト層と、Ｐ型導電性を有する窒化ガリウムアルミニウム半導体であるクラッド層、Ｐ型導電性を有する窒化ガリウム半導体であるコンタクト層を形成させた。Ｎ型導電性を有するコンタクト層とＰ型導電性を有するクラッド層との間に厚さ約３ｎｍであり、単一量子井戸構造とされるノンドープＩｎＧａＮの活性層を形成させた。（なお、サファイア基板上には低温で窒化ガリウム半導体を形成させバッファ層とさせてある。また、Ｐ型導電性を有する半導体は、成膜後４００℃以上でアニールさせてある。）
その後、エッチングによりサファイア基板上のＰＮ各半導体表面を露出させた。また、ＰＮ各半導体表面が露出された部位は、最終的に形成されるＬＥＤチップごとに複数ある。さらに、各ＬＥＤチップの大きさごと矩形に分割できるよう半導体層をサファイア基板まで部分的に除去し電気的にも分離させてある。導電性ワイヤーとなる金線を付着させるためのパッド電極形成面には、レジストを予め形成させ半導体ウエハを形成した。
【００３８】
一方、非粒子状性の蛍光層を形成するために、Ｙ、Ｇｄ、Ｃｅの希土類元素を化学量論比で酸に溶解した溶解液を蓚酸で共沈させた。これを焼成して得られる共沈酸化物と、酸化アルミニウムと混合して混合原料を得る。これにフラックスとしてフッ化アンモニウムを混合した後、４０ｋｇｆ／ｃｍ２を５秒で成形体を形成した。成型体を坩堝に詰め、空気中１３５０°Ｃの温度で３時間焼成して焼成品を得た。
【００３９】
焼成品の端面を平滑になるようカットした後、（Ｙ０．８Ｇｄ０．２）３Ａｌ５Ｏ１２：Ｃｅ０．０３５蛍光体組成をもったターゲットとして利用した。２極スパッタリング装置の真空チャンバー内にターゲットと上述のレジストまで形成された半導体ウエハを固定させた。スパッタリング装置の真空チャンバー内にアルゴンガスを流すと共にそれぞれの電極に交流電圧を印加した。電圧を印加させて蛍光体膜を半導体ウエハ上に形成させた後、レジストをリフトオフにより除去して所望の半導体ウエハ上内のみに平滑で非粒子状性の無機蛍光層が形成させた。
【００４０】
こうして蛍光層を形成させた半導体ウエハをＬＥＤチップに分割させるためのエッチングラインに沿ってダイサーでダイシングした後、スクライバーでスクライブラインを形成させた。スクライブラインに沿ってサファイア基板側からローラにより加圧して、個々に分割し蛍光層を持ったＬＥＤチップを形成させた。
【００４１】
また、インサート成形によりポリカーボネート樹脂を用いてチップタイプＬＥＤのパッケージを形成させた。チップタイプＬＥＤのパッケージ内は、ＬＥＤチップが配される開口部を備えている。パッケージ中には、銀メッキした銅板を外部電極として配置させてある。パッケージ内部で蛍光層が形成されたＬＥＤチップをエポキシ樹脂などにより固定させる。導電性ワイヤーである金線をＬＥＤチップの各電極とパッケージに設けられた各外部電極とにそれぞれワイヤーボンディングさせ電気的に接続させてある。こうしてＬＥＤチップが配置されたパッケージを４０００個形成させた。
【００４２】
得られた発光ダイオードに電力を供給させることによって白色系を発光させることができる。発光ダイオードの正面から色温度、演色性をそれぞれ測定した。色温度７１５０Ｋ、Ｒａ（演色性指数）＝７８．５を示した。また、発光光率は６．８ ｌｍ／Ｗであった。また、バラツキを色度座標上の面積として測定した。
（比較例１）
ＬＥＤチップ上には、非粒子状性の蛍光層を形成させない代わりにエポキシ樹脂中に（Ｙ０．８Ｇｄ０．２）３Ａｌ５Ｏ１２：Ｃｅ０．０３５蛍光体を混合させたコーティング部をＬＥＤチップ上に形成させた以外は、実施例１と同様にして発光ダイオードを４０００個形成させた。形成された発光ダイオードの断面は、コーティング部の端面がはい上がっていると共に蛍光物質の量が不均一であった。こうして形成された発光ダイオードの色度点を実施例１と同様に測定した。形成された発光ダイオードは、ＬＥＤチップの発光波長と蛍光体の発光波長を結んだ線上に略位置したが、バラツキが大きかった。実施例１と同様にして色度座標上のバラツキ面積を測定した。比較例１の面積は、実施例１の面積の約２６倍でありバラツキが大きかった。
【００４３】
【発明の効果】
発光素子上に配置された非粒子状性の蛍光層は、均一な膜厚を持った蛍光体薄膜として形成される。そのために各方位による色度のずれが極めて少なく発光観測面から見て色調ずれがない発光装置とさせることができる。また、歩留まりの高い発光装置とすることができる。さらに、非粒子状性の蛍光層自体が半導体活性層である半導体接合部を被覆することができるため極めて信頼性の高い発光装置を形成させることができる。この場合、導電性接着剤を用いて外部電極と電気的接続をさせても短絡のない発光装置とすることもできる。
【００４４】
特に、本発明により、発光素子上の無機蛍光体は非粒子状性であるため粒子径に依存することのない均一発光が可能となる。また、蛍光層がそのまま形成されることによりバインダーが不要となる。さらに、ウエハ単位で処理が可能であるため効率よく形成することができる。形成された蛍光体は、発光素子の保護膜としても機能する。
【００４５】
本発明により、各非粒子状性の蛍光層から放出される色間と発光素子から放出される色で結ばれる色度図上の任意の範囲を発光させることができる。
【００４６】
本発明により、各方位による色度のずれが極めて少なく発光観測面から見て色調ずれがない発光装置とさせることができる。
【００４７】
本発明により、高輝度、長時間の使用においてもより輝度の低下の少ない発光装置とすることができる。
【００４８】
本発明により、高輝度、長時間の使用においてもより色ずれの少ない発光装置とすることができる。
【００４９】
本発明により、ＲＧＢの波長成分を増やし、高輝度、長時間の使用においてもより輝度の低下や色ずれの少ない発光装置とすることができる。
【００５０】
本発明により、発光観測方位や量産時におけるバラツキが少ない発光装置を量産性よく形成することができる。また、膜厚を調節することにより発光効率を容易に最適化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、本発明の発光ダイオードであるチップタイプＬＥＤの模式的断面図である。
【図２】 図２は、本発明の発光ダイオードであるＬＥＤチップの模式図であり、図２（Ａ）は、模式的断面図であり、図２（Ｂ）は、概略正面図である。
【図３】 図３は、本発明の発光ダイオードを形成させる形成装置を示した模式的説明図である。
【符号の説明】
１００・・・チップタイプＬＥＤ
１０１、２０１・・・非粒子状性の無機蛍光層
１０２・・・ＬＥＤチップ
１０３・・・導電性ワイヤー
１０４・・・パッケージ
１０５・・・外部電極
１０６・・・モールド部材
２０２・・・半導体層
２０３・・・基板
２０４・・・Ｎ型導電性を有する半導体層に接続された第１の電極
２０５・・・Ｐ型導電性を有する半導体層に接続された第２の電極
３００・・・真空チャンバー
３０１・・・蛍光体のターゲット
３０２・・・半導体ウエハ
３０３・・・ターゲットを支持する電極
３０４・・・排気バルブ
Claims (2)
- 発光素子と、その発光素子からの発光の少なくとも一部を吸収し波長変換して発光する蛍光体と、を有する発光装置の形成方法であって、
基板上に半導体を積層させた半導体ウエハを形成する第一の工程と、
前記半導体の一部を前記基板まで除去することにより、分割ラインおよび前記半導体の露出面を形成させる第二の工程と、
スパッタリング法、蒸着法あるいはＣＶＤ法から選択された少なくとも一種の形成方法により、蛍光体を非粒子状性の蛍光層として前記半導体上に堆積させる第三の工程と、
前記第三の工程後、前記分割ラインに沿って前記半導体ウエハを分割することにより、少なくとも半導体活性層が前記蛍光体にて被覆された発光素子を形成する第四の工程と、を有することを特徴とする発光装置の形成方法。 - 前記非粒子状性の蛍光層は、色度点の異なる蛍光体が２種類以上積層される請求項１に記載の発光装置の形成方法。
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