JP4341693B2 - Ｌｅｄ素子およびその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、ＬＥＤ素子およびその製造方法に関し、更に詳しくは、表示装置や照明装置などにおける光源として用いられるＬＥＤ素子およびその製造方法に関する。
近年、表示装置や照明装置の光源として、ＬＥＤチップが放熱部材に接合されてなる構成のＬＥＤ素子が用いられてきており、このようなＬＥＤ素子においては、通常、例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、シリコンカーバイト（ＳｉＣ）、銅（Ｃｕ）およびアルミニウム（Ａｌ）などよりなる放熱部材、あるいは放熱部材として作用する照明器具本体と、ＬＥＤチップとの接合に、シリコーン樹脂などの樹脂が接合部材として用いられている。
しかしながら、ＬＥＤチップと放熱部材との接合部を形成する接合部材として用いられている樹脂が、その耐熱温度が例えば１００℃以下と、ＬＥＤチップから発生する熱に対して十分な耐熱性を有するものではないことから、ＬＥＤ素子においては、ＬＥＤチップからの熱によって接合部に変質が生じたり、膜クラックが生じてしまう、という問題がある。また、ＬＥＤ素子においては、ＬＥＤチップから発生する熱が接合部を介して放熱部材に十分に伝導されないことから、所期の放熱性を得ることができず、このことが高輝度化の弊害となっている。
而して、ＬＥＤチップと放熱部材との接合部材として、樹脂ではなく、ＡｕＳｎ合金（金スズ合金）などの共晶合金を用いることが提案されている（特許文献１参照）。
この特許文献１には、図１１に示すように、放熱部材１１の上面（図１１において上面）全面にＡｕ（金）膜５１を形成し、そのＡｕ膜５１上に、ＡｕＳｎ合金などの共晶合金よりなる接合部材によって合金層５２よりなる接合部を形成し、ＬＥＤチップ１２を接合することが記載されている。
図１１の例において、ＬＥＤチップ１２は、サファイア基板１３上に、ｎ型半導体層１４Ａ、発光層１４Ｂおよびｐ型半導体層１４Ｃがこの順に積層されてなる窒化物系半導体層が形成されてなるものである。
この特許文献１には、図１１に示すように、放熱部材１１の上面（図１１において上面）全面にＡｕ（金）膜５１を形成し、そのＡｕ膜５１上に、ＡｕＳｎ合金などの共晶合金よりなる接合部材によって合金層５２よりなる接合部を形成し、ＬＥＤチップ１２を接合することが記載されている。
図１１の例において、ＬＥＤチップ１２は、サファイア基板１３上に、ｎ型半導体層１４Ａ、発光層１４Ｂおよびｐ型半導体層１４Ｃがこの順に積層されてなる窒化物系半導体層が形成されてなるものである。
しかしながら、本発明者らの実験により、Ａｕ膜５１が形成されてなる放熱部材１１上に接合部材としてＡｕＳｎ合金を用いて接合部を形成した場合には、ＬＥＤチップ１２を接合するための熱処理中において、金属拡散が生じ、Ａｕ膜５１中にＡｕＳｎ合金に係るＳｎ原子が拡散することに起因してＬＥＤチップ１２と放熱部材１１との接合強度が小さくなり、剥離が生じてしまう、という問題があることが明らかとなった。
而して、本発明者らは、放熱部材の上面に直接ＡｕＳｎ合金の蒸着膜を形成し、ＬＥＤチップを接合する手法について検討したが、この手法においては、一の放熱部材上に複数のＬＥＤチップを接合するために、放熱部材の上面にＡｕＳｎ合金蒸着膜をパターニング形成した場合には、このパターニング形成されたＡｕＳｎ合金蒸着膜の組成比（構成比率）にばらつきが生じるため、放熱部材上において必要とされる熱処理温度（ダイボンド温度）が均一にならず、複数のＬＥＤチップを同時に接合することが困難となる、ということが明らかとなった。
ここに、パターニング形成されたＡｕＳｎ合金蒸着膜の組成比のばらつきを分析したところ、重量比で±５〜２０％に達していることが確認された。
また、この手法においては、ＬＥＤチップを放熱部材に接合するためには、加熱すると共にＬＥＤチップを加圧することも必要であることから、複数のＬＥＤチップを同時に接合しようとする場合には、加圧の不均一性が大きな問題となる、ということも明らかとなった。
ここに、パターニング形成されたＡｕＳｎ合金蒸着膜の組成比のばらつきを分析したところ、重量比で±５〜２０％に達していることが確認された。
また、この手法においては、ＬＥＤチップを放熱部材に接合するためには、加熱すると共にＬＥＤチップを加圧することも必要であることから、複数のＬＥＤチップを同時に接合しようとする場合には、加圧の不均一性が大きな問題となる、ということも明らかとなった。
本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものであって、その目的は、優れた放熱性を有し、しかも放熱部材上に複数のＬＥＤチップを同時に接合することのできる構造を有するＬＥＤ素子およびその製造方法を提供することにある。
本発明のＬＥＤ素子は、ＬＥＤチップが放熱部材上に接合されてなる構成のＬＥＤ素子において、
当該ＬＥＤチップが当該放熱部材の上面に形成されたＡｕＳｎ系合金（金スズ系合金）層により接合されており、当該ＡｕＳｎ系合金層に、放熱部材の上面に垂直な方向に伸びる柱状結晶が形成されていることを特徴とする。
当該ＬＥＤチップが当該放熱部材の上面に形成されたＡｕＳｎ系合金（金スズ系合金）層により接合されており、当該ＡｕＳｎ系合金層に、放熱部材の上面に垂直な方向に伸びる柱状結晶が形成されていることを特徴とする。
本発明のＬＥＤ素子は、複数のＬＥＤチップが、共通の放熱部材上に接合されているものであってもよい。
本発明のＬＥＤ素子においては、ＬＥＤチップが、サファイア基板の上面に窒化物系半導体層が積層されてなり、当該サファイア基板の下面が放熱部材に接合されていることが好ましい。
本発明のＬＥＤ素子は、共通の放熱部材がシリコン基板よりなり、当該シリコン基板よりなる共通の放熱部材上に、赤色発光ＬＥＤチップ、緑色発光ＬＥＤチップおよび青色発光ＬＥＤチップの３種のＬＥＤチップの各々が接合されているものであってもよい。
本発明のＬＥＤ素子の製造方法は、上記のＬＥＤ素子を製造するためのＬＥＤ素子の製造方法であって、
放熱部材の上面に直接Ｓｎ膜を形成する工程と、
ＬＥＤチップの下面にＡｕ膜を形成する工程と、
放熱部材の上面に形成されたＳｎ膜上に、Ａｕ膜の形成されたＬＥＤチップを、当該Ａｕ膜を下方にして載置する工程と、
ＬＥＤチップの載置された放熱部材を、水素ガスと窒素ガスとの混合ガスよりなるフォーミングガスが流動する雰囲気中において加熱し、ＬＥＤチップを放熱部材上に接合する工程
とを有することを特徴とする。
放熱部材の上面に直接Ｓｎ膜を形成する工程と、
ＬＥＤチップの下面にＡｕ膜を形成する工程と、
放熱部材の上面に形成されたＳｎ膜上に、Ａｕ膜の形成されたＬＥＤチップを、当該Ａｕ膜を下方にして載置する工程と、
ＬＥＤチップの載置された放熱部材を、水素ガスと窒素ガスとの混合ガスよりなるフォーミングガスが流動する雰囲気中において加熱し、ＬＥＤチップを放熱部材上に接合する工程
とを有することを特徴とする。
本発明のＬＥＤ素子の製造方法においては、共通の放熱部材の上面に複数のＳｎ膜をパターニング形成し、このパターニング形成された複数のＳｎ膜の各々にＬＥＤチップを載置した共通の放熱部材を加熱することにより、共通の放熱部材の上面に複数のＬＥＤチップを同時に接合することができる。
本発明のＬＥＤ素子によれば、放熱部材上にＬＥＤチップがＡｕＳｎ系合金層により直接的に接合されており、当該ＡｕＳｎ系合金層が柱状結晶が形成されてなるものであることから、電流に対する高い発光効率が得られ、放熱部材とＬＥＤチップとの接合が強固となり、その上、ＡｕＳｎ系合金層よりなる接合部に優れた耐熱性および熱伝導性が得られるため、ＬＥＤチップから発生する熱が、接合部を介して放熱部材に伝導され、当該放熱部材において十分に放熱されることとなることから、優れた放熱性が得られる。
また、本発明のＬＥＤ素子は、その製造上、接合部を構成するＡｕＳｎ系合金層が、放熱部材の上面に形成されたＳｎ膜と、ＬＥＤチップの下面に形成されたＡｕ膜とにより、ＳｎとＡｕとが合金化されることによって形成されるものであることから、当該ＡｕＳｎ系合金層を得るために、放熱部材およびＬＥＤチップのいずれにもＡｕＳｎ合金よりなる合金膜を予め形成する必要がない。その上、その上面にＳｎ膜、Ａｕ膜およびＬＥＤチップがこの順に積重された放熱部材を加熱することにより、ＳｎとＡｕとが合金化されることによって形成されるＡｕＳｎ系合金層を介してＬＥＤチップが自重によって放熱部材上に接合されることとなるため、ＬＥＤチップを加圧する必要がない。
従って、放熱部材上に複数のＬＥＤチップを同時に接合しようとする場合においては、弊害を伴うことなく、放熱部材の上面にＳｎ膜をパターニング形成することができ、また、加圧することなく放熱部材上にＬＥＤチップを接合することにより、加圧の不均一性に起因する弊害が生じることを防止することができる。
而して、本発明のＬＥＤ素子は、放熱部材上に複数のＬＥＤチップを同時に接合することができる構造を有するものであり、また、このように放熱部材上に複数のＬＥＤチップが接合されてなる構成とすることによって高輝度化を図ることができるものである。
従って、放熱部材上に複数のＬＥＤチップを同時に接合しようとする場合においては、弊害を伴うことなく、放熱部材の上面にＳｎ膜をパターニング形成することができ、また、加圧することなく放熱部材上にＬＥＤチップを接合することにより、加圧の不均一性に起因する弊害が生じることを防止することができる。
而して、本発明のＬＥＤ素子は、放熱部材上に複数のＬＥＤチップを同時に接合することができる構造を有するものであり、また、このように放熱部材上に複数のＬＥＤチップが接合されてなる構成とすることによって高輝度化を図ることができるものである。
また、本発明のＬＥＤ素子によれば、放熱部材上に接合するＬＥＤチップの個数を増やすことによって高輝度化を図ることができることから、高輝度化に際して、ＬＥＤチップの各々に供給する電流を小さくすることができるため、ＬＥＤチップの発熱を抑制することができ、その結果、長い使用寿命および高い品質を得ることができる。
本発明のＬＥＤ素子の製造方法によれば、放熱部材にはＳｎ膜、ＬＥＤチップにはＡｕ膜と、各々、１種の金属よりなる金属膜を形成し、これらの膜を重ね合わせるようにして放熱部材上にＬＥＤチップを載置し、加熱することによってＳｎとＡｕとを合金化し、ＡｕＳｎ系合金層よりなる接合部を形成することができることから、放熱部材上に複数のＬＥＤチップを同時に接合しようとする場合には、弊害を伴うことなく、放熱部材の上面にＳｎ膜をパターニング形成することができ、また、加圧することなく放熱部材上にＬＥＤチップを接合することにより、加圧の不均一性に起因する弊害が生じることを防止することができるため、放熱部材上に複数のＬＥＤチップを同時に接合することができる。
また、この製造方法によれば、電流に対する高い発光効率が得られ、放熱部材とＬＥＤチップとの接合部が強固であると共に、優れた放熱性を有するＬＥＤ素子を得ることができる。
また、この製造方法によれば、電流に対する高い発光効率が得られ、放熱部材とＬＥＤチップとの接合部が強固であると共に、優れた放熱性を有するＬＥＤ素子を得ることができる。
以下、本発明について詳細に説明する。
図１は、本発明のＬＥＤ素子の構成を示す説明図である。
このＬＥＤ素子は、ＬＥＤチップ１２が放熱部材１１の上面（図１において上面）に形成されたＡｕＳｎ系合金（金スズ系合金）層１５により接合されてなる構成を有するものである。
このＬＥＤ素子は、ＬＥＤチップ１２が放熱部材１１の上面（図１において上面）に形成されたＡｕＳｎ系合金（金スズ系合金）層１５により接合されてなる構成を有するものである。
放熱部材１１とＬＥＤチップ１２との接合部を構成するＡｕＳｎ系合金層１５には、放熱部材１１の上面に垂直な方向（図１において上下方向）に伸びる柱状結晶１５Ａが形成されている。
この柱状結晶１５Ａは、ＡｕＳｎ合金よりなり、Ｓｎ（スズ）層１５Ｂ中に形成されている。
この柱状結晶１５Ａは、ＡｕＳｎ合金よりなり、Ｓｎ（スズ）層１５Ｂ中に形成されている。
このような構成を有するＡｕＳｎ系合金層１５は、ＬＥＤ素子の製造上において、放熱部材１１の上面に直接形成されたＳｎ膜と、ＬＥＤチップ１２の下面（図１において下面）に直接形成されたＡｕ（金）膜とにより形成されるものである。
ＬＥＤチップ１２は、サファイア基板１３上に窒化物系半導体層が積層されてなる構成を有するものであり、窒化物系半導体層として、ＧａＮ（窒化ガリウム）に例えばＰ（リン）、Ｔｅ（テルル）およびＳｅ（セレン）などがドープされたｎ−ＧａＮよりなるｎ型半導体層１４Ａと、ＩｎＧａＮよりなる発光層１４Ｂと、ＧａＮ（窒化ガリウム）に例えばＺｎ（亜鉛）およびＣ（炭素）などがドープされたｐ−ＧａＮよりなるｐ型半導体層１４Ｃとがこの順にサファイア基板１３上に積層されてなるものである。
また、ＬＥＤチップ１２は、サファイア基板１３を最下層とし、当該サファイア基板１３の下面が放熱部材１１に接合されている。
また、ＬＥＤチップ１２は、サファイア基板１３を最下層とし、当該サファイア基板１３の下面が放熱部材１１に接合されている。
放熱部材１１としては、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、シリコンカーバイト（ＳｉＣ）、銅（Ｃｕ）およびアルミニウム（Ａｌ）、シリコン（Ｓｉ）よりなるものが用いられ、放熱性および製造工程中において形成されるＳｎ膜との密着性の観点から、窒化アルミニウムよりなるものが好ましい。
図１の例において、放熱部材１１は平板状のものである。
図１の例において、放熱部材１１は平板状のものである。
このような構成を有するＬＥＤ素子は、図２に示すように、放熱部材１１の上面（図２において上面）にＳｎ膜２１を形成すると共に、ＬＥＤチップ１２の下面（図２において下面）、すなわち最下層のサファイア基板１３の下面にＡｕ膜２３を形成し、放熱部材１１の上面に形成されたＳｎ膜２１上に、Ａｕ膜２３の形成されたＬＥＤチップ１２を載置し、このＬＥＤチップ１２の載置された放熱部材１１を加熱することにより、製造することができる。
すなわち、放熱部材１１の上面に直接Ｓｎ膜２１を形成する放熱部材Ｓｎ膜形成工程と、ＬＥＤチップ１２の下面にＡｕ膜２３を形成するＬＥＤチップＡｕ膜形成工程と、放熱部材１１の上面に形成されたＳｎ膜２１上に、Ａｕ膜２３の形成されたＬＥＤチップ１２を、当該Ａｕ膜２３を下方にして載置する載置工程と、ＬＥＤチップ１２の載置された放熱部材１１を、水素ガスと窒素ガスとの混合ガスよりなるフォーミングガス雰囲気中において加熱し、ＬＥＤチップ１２を放熱部材１１上に接合する接合工程とを経ることにより、放熱部材１１の上面に形成されたＳｎ膜２１と、ＬＥＤチップ１２の下面に形成されたＡｕ膜２３とによってＡｕＳｎ系合金層１５が形成され、その結果、ＬＥＤチップ１２が放熱部材１１の上面に形成されたＡｕＳｎ系合金層１５により接合されてなる構成のＬＥＤ素子が得られる。
放熱部材Ｓｎ膜形成工程において、放熱部材１１の上面に形成されるＳｎ膜２１は、例えばＥＢ蒸着法（電子ビーム蒸着法）によって形成され、その膜厚は、通常、１〜８μｍであり、一例としては、３μｍである。
また、Ｓｎ膜２１は、接合すべきＬＥＤチップ１２の下面の形状に適合した形状を有するＬＥＤチップ接合領域内に形成され、またＬＥＤチップ接合領域に適合した形状を有するものであることが好ましい。
また、Ｓｎ膜２１は、接合すべきＬＥＤチップ１２の下面の形状に適合した形状を有するＬＥＤチップ接合領域内に形成され、またＬＥＤチップ接合領域に適合した形状を有するものであることが好ましい。
ＬＥＤチップＡｕ膜形成工程において、ＬＥＤチップ１２の下面に形成されるＡｕ膜２３は、例えばＥＢ蒸着法によって形成され、その膜厚は、通常、０．１〜１．０μｍであり、一例としては、０．２μｍである。
また、Ａｕ膜２３は、通常、ＬＥＤチップ１２の下面全面に形成される。
また、Ａｕ膜２３は、通常、ＬＥＤチップ１２の下面全面に形成される。
載置工程においては、放熱部材１１の上面に形成されたＳｎ膜２１上に、Ａｕ膜２３の形成されたＬＥＤチップ１２を、当該Ａｕ膜２１を下方にして載置することにより、放熱部材１１上に、ＬＥＤチップ１２が、当該放熱部材１１に形成されたＳｎ膜２１と、当該ＬＥＤチップ１２に形成されたＡｕ膜２３とを介して積重した状態とされる。
接合工程においては、例えばＬＥＤチップ１２が載置された放熱部材１１を熱処理容器内に配置し、この熱処理容器内にフォーミングガスを流入することによってフォーミングガスが充填された状態とし、その状態でＬＥＤチップ１２が載置された放熱部材１１を加熱する。
そして、ＬＥＤチップ１２が載置されている放熱部材１１が加熱されることにより、放熱部材１１とＬＥＤチップ１２との間に積層されているＳｎ膜とＡｕ膜とによってＳｎとＡｕとが合金化されてなるＡｕＳｎ系合金層１５が形成されると共に、ＬＥＤチップ１２の自重により、当該ＬＥＤチップ１２がＡｕＳｎ系合金層１５よりなる接合部によって放熱部材１１上に接合される。
そして、ＬＥＤチップ１２が載置されている放熱部材１１が加熱されることにより、放熱部材１１とＬＥＤチップ１２との間に積層されているＳｎ膜とＡｕ膜とによってＳｎとＡｕとが合金化されてなるＡｕＳｎ系合金層１５が形成されると共に、ＬＥＤチップ１２の自重により、当該ＬＥＤチップ１２がＡｕＳｎ系合金層１５よりなる接合部によって放熱部材１１上に接合される。
この接合工程において用いられるフォーミングガスは、水素ガスと窒素ガスとの混合ガスであり、この混合ガスにおける水素ガスの含有割合は、通常、１０％未満であり、一例としては５％である。
また、フォーミングガスの流量は、通常、５０〜３５０ｃｃ／ｍｉｎであり、一例としては３００ｃｃ／ｍｉｎである。
また、フォーミングガスの流量は、通常、５０〜３５０ｃｃ／ｍｉｎであり、一例としては３００ｃｃ／ｍｉｎである。
接合工程における熱処理条件は、加熱温度（ダイボンド温度）が２５０〜３５０℃、処理時間が１〜２０分間であり、一例としては、加熱温度３００℃、処理時間１０分間である。
また、接合工程においては、ＬＥＤチップ１２の自重によって接合部が形成されることから、ＬＥＤチップ１２を加圧することは必ずしも必要ではないが、例えば１０〜５０ｇ／ｃｍ2 の圧力で加圧してもよい。
このような構成のＬＥＤ素子によれば、放熱部材１１上においてＬＥＤチップ１２が当該放熱部材１１の上面に直接形成されてなるＡｕＳｎ系合金層１５により接合されており、また当該ＡｕＳｎ系合金層１５が柱状結晶１５Ａが形成されてなるものであることから、電流に対する高い発光効率が得られ、放熱部材１１とＬＥＤチップ１２との接合が強固となると共に、ＡｕＳｎ系合金層１５よりなる接合部に優れた耐熱性および熱伝導性が得られるため、ＬＥＤチップ１２から発生する熱が、接合部を介して放熱部材１１に伝導され、当該放熱部材１１において十分に放熱されることとなることから、優れた放熱性が得られる。
しかも、このＬＥＤ素子は、その製造上、接合部を構成するＡｕＳｎ系合金層１５が、放熱部材１１の上面に形成されたＳｎ膜２１と、ＬＥＤチップ１２の下面に形成されたＡｕ膜２３とにより、ＳｎとＡｕとが合金化されることによって形成されるものであることから、当該ＡｕＳｎ系合金層１５を得るためには、放熱部材１１およびＬＥＤチップ１２の各々に１種の金属よりなる金属膜を形成すればよく、放熱部材１１およびＬＥＤチップ１２のいずれにも予めＡｕＳｎ合金膜を形成する必要がない。また、その上面にＳｎ膜２１、Ａｕ膜２３およびＬＥＤチップ１２がこの順に積重された状態の放熱部材１１を加熱することにより、形成されるＡｕＳｎ系合金層１５を介してＬＥＤチップ１２が、その自重によって放熱部材１１上に接合されることとなるため、ＬＥＤチップ１２を加圧する必要がない。
従って、放熱部材１１上に複数のＬＥＤチップ１２を同時に接合しようとする場合においては、放熱部材に対してＡｕＳｎ合金膜をパターニング形成することによって生じるような、得られる合金膜の組成比のばらつきに起因して当該放熱部材上において必要とされる熱処理温度（ダイボンド温度）が均一とならない、という弊害を伴うことなく、放熱部材１１の上面にＳｎ膜２１をパターニング形成することができ、また、加圧することなく、放熱部材１１に対してＬＥＤチップ１２を接合することにより、加圧の不均一性に起因する弊害が生じることを防止することができる。
従って、放熱部材１１上に複数のＬＥＤチップ１２を同時に接合しようとする場合においては、放熱部材に対してＡｕＳｎ合金膜をパターニング形成することによって生じるような、得られる合金膜の組成比のばらつきに起因して当該放熱部材上において必要とされる熱処理温度（ダイボンド温度）が均一とならない、という弊害を伴うことなく、放熱部材１１の上面にＳｎ膜２１をパターニング形成することができ、また、加圧することなく、放熱部材１１に対してＬＥＤチップ１２を接合することにより、加圧の不均一性に起因する弊害が生じることを防止することができる。
而して、このような構成を有する本発明のＬＥＤ素子は、一の放熱部材上に複数のＬＥＤチップを同時に接合することができる構造を有するものであり、また、このように放熱部材上に複数のＬＥＤチップが接合されてなる構成とすることによって高輝度化を図ることができるものである。
また、本発明のＬＥＤ素子によれば、放熱部材上に接合するＬＥＤチップの個数を増やすことによって高輝度化を図ることができることから、高輝度化に際して、ＬＥＤチップの各々に供給する電流を小さくすることができるため、ＬＥＤチップの発熱を抑制することができ、その結果、長い使用寿命および高い品質を得ることができる。
以下に、本発明のＬＥＤ素子について、共通の放熱部材上に複数のＬＥＤチップが接合されてなる構成の例を示す。
図３に示すＬＥＤ素子は、放熱部材１１上に複数（１５個）のＬＥＤチップ１２が接合されてなる構成を有するものであり、その上面に複数のＬＥＤチップ接合領域を有する共通の放熱部材１１上において、当該ＬＥＤチップ接合領域の各々にＬＥＤチップ１２が接合されていること以外は、図１のＬＥＤ素子と同様の構成を有するものである。
放熱部材１１上に接合されている複数のＬＥＤチップ１２は、格子状に配列されており、互いに隣接するＬＥＤチップ同士の離間距離Ｔは、例えば２０μｍである。
このような構成を有するＬＥＤ素子は、図４に示すように、図１に係るＬＥＤ素子と同様にして放熱部材Ｓｎ膜形成工程と、ＬＥＤチップＡｕ膜形成工程と、載置工程と、接合工程とを経ることにより、製造することができる。
そして、放熱部材Ｓｎ膜形成工程においては、放熱部材１１の上面における複数のＬＥＤチップ接合領域の各々にＳｎ膜を形成する必要があるが、その手法としては、放熱部材１１のＬＥＤチップ接合領域のパターンに対応するよう、Ｓｎ膜をパターニング形成することができる。
また、熱処理工程においては、パターニング形成された複数のＳｎ膜の各々に、その下面にＡｕ膜２３が形成されたＬＥＤチップ１２が載置された状態の共通の放熱部材１１を加熱することにより、当該共通の放熱部材１１の上面に載置された複数のＬＥＤチップ１２を同時に接合することができる。
図５に示すＬＥＤ素子は、放熱部材１１上に複数のＬＥＤチップが接合されてなる構成を有するものであり、放熱部材１１がシリコン（Ｓｉ）基板よりなり、複数のＬＥＤチップ１２が赤色発光ＬＥＤチップ１２Ｒ、緑色発光ＬＥＤチップ１２Ｇおよび青色発光ＬＥＤチップ１２Ｂの３種であること以外は図３のＬＥＤ素子と同様の構成を有するものである。
図５の例において、１９は、ＬＥＤチップを駆動するための共通のドライバーＩＣよりなる駆動回路であり、この駆動回路１９には、ＬＥＤ素子を構成するすべてのＬＥＤチップが、各々、電気的に接続されている。
図５の例において、１９は、ＬＥＤチップを駆動するための共通のドライバーＩＣよりなる駆動回路であり、この駆動回路１９には、ＬＥＤ素子を構成するすべてのＬＥＤチップが、各々、電気的に接続されている。
放熱部材１１上に接合されている複数のＬＥＤチップは、赤色発光ＬＥＤチップ１２Ｒ、緑色発光ＬＥＤチップ１２Ｇおよび青色発光ＬＥＤチップ１２Ｂの発光色の異なる３個のＬＥＤチップよりなるＬＥＤチップ部１８を形成し、これらの複数のＬＥＤチップ部１８が格子状に配列されることにより、規則的に配列されている。
複数のＬＥＤチップ部１８の各々においては、赤色発光ＬＥＤチップ１２Ｒ、緑色発光ＬＥＤチップ１２Ｇおよび青色発光ＬＥＤチップ１２Ｂがこの順に時計回りに配置されており、互いに隣接するＬＥＤチップ同士の離間距離は、例えば２０μｍである。
複数のＬＥＤチップ部１８の各々においては、赤色発光ＬＥＤチップ１２Ｒ、緑色発光ＬＥＤチップ１２Ｇおよび青色発光ＬＥＤチップ１２Ｂがこの順に時計回りに配置されており、互いに隣接するＬＥＤチップ同士の離間距離は、例えば２０μｍである。
このような構成を有するＬＥＤ素子は、図３に係るＬＥＤ素子と同様にして放熱部材Ｓｎ膜形成工程と、ＬＥＤチップＡｕ膜形成工程と、載置工程と、接合工程とを経ることにより、製造することができる。
ここに、放熱部材Ｓｎ膜形成工程においては、図６に示すように、放熱部材１１のＬＥＤチップ接合領域のパターンに対応するよう、Ｓｎ膜２１がパターニング形成される。
ここに、放熱部材Ｓｎ膜形成工程においては、図６に示すように、放熱部材１１のＬＥＤチップ接合領域のパターンに対応するよう、Ｓｎ膜２１がパターニング形成される。
以上のようなＬＥＤ素子は、赤色発光ＬＥＤチップ１２Ｒ、緑色発光ＬＥＤチップ１２Ｇおよび青色発光ＬＥＤチップ１２Ｂが設けられており、これらのＬＥＤチップ１２が共通の駆動回路１９に接続されてなる構成のものであることから、その構造上に蛍光体が必要とされることなく、３種のＬＥＤチップを同時に発光させることにより、白色発光を得ることができる。
また、このＬＥＤ素子によれば、白色発光のみではなく、様々な色の発光を得ることができ、しかも発光の色を変化させることができることから色可変照明が可能となる。この場合には、複数のＬＥＤチップは、発光色ごとに電流に対する発光強度特性が異なることから、発光色ごとに直列回路または並列回路を組み、すなわち赤色発光ＬＥＤチップ１２Ｒのみの回路、緑色発光ＬＥＤチップ１２Ｇのみの回路、青色発光ＬＥＤチップ１２のみの回路を形成することが必要とされる。
さらに、このＬＥＤ素子においては、赤色発光ＬＥＤチップ１２Ｒ、緑色発光ＬＥＤチップ１２Ｇおよび青色発光ＬＥＤチップ１２Ｂの各々が電流に対する発光強度特性が異なることを利用することにより、照明特有の演色性を向上させることができる。
また、このＬＥＤ素子によれば、白色発光のみではなく、様々な色の発光を得ることができ、しかも発光の色を変化させることができることから色可変照明が可能となる。この場合には、複数のＬＥＤチップは、発光色ごとに電流に対する発光強度特性が異なることから、発光色ごとに直列回路または並列回路を組み、すなわち赤色発光ＬＥＤチップ１２Ｒのみの回路、緑色発光ＬＥＤチップ１２Ｇのみの回路、青色発光ＬＥＤチップ１２のみの回路を形成することが必要とされる。
さらに、このＬＥＤ素子においては、赤色発光ＬＥＤチップ１２Ｒ、緑色発光ＬＥＤチップ１２Ｇおよび青色発光ＬＥＤチップ１２Ｂの各々が電流に対する発光強度特性が異なることを利用することにより、照明特有の演色性を向上させることができる。
本発明においては、上記の実施の形態に限定されず種々の変更を加えることが可能である。
例えば、ＬＥＤ素子は、図７に示すように、ペルチェ素子３３が設けられてなる構成を有するものであってもよい。
このＬＥＤ素子３０は、放熱部材１１上に複数のＬＥＤチップ１２が接合されてなる構成のＬＥＤ素子本体３１の下面（図７において下面）に、ペルチェ素子３３が設けられてなる構成を有するものであり、ＬＥＤ素子本体３１は、図３のＬＥＤ素子と同様の構成を有するものである。
図７において、３５は窒化アルミニウムまたは銅よりなるヒートシンク、３６はエポキシ樹脂または高い熱伝導率を有する、例えば銅またはアルミニウムなどの金属よりなる器具であり、また３４はペルチェ素子３３に係るリード線である。
例えば、ＬＥＤ素子は、図７に示すように、ペルチェ素子３３が設けられてなる構成を有するものであってもよい。
このＬＥＤ素子３０は、放熱部材１１上に複数のＬＥＤチップ１２が接合されてなる構成のＬＥＤ素子本体３１の下面（図７において下面）に、ペルチェ素子３３が設けられてなる構成を有するものであり、ＬＥＤ素子本体３１は、図３のＬＥＤ素子と同様の構成を有するものである。
図７において、３５は窒化アルミニウムまたは銅よりなるヒートシンク、３６はエポキシ樹脂または高い熱伝導率を有する、例えば銅またはアルミニウムなどの金属よりなる器具であり、また３４はペルチェ素子３３に係るリード線である。
このような構成を有するＬＥＤ素子３０は、先ず、図３に係るＬＥＤ素子と同様にして放熱部材Ｓｎ膜形成工程と、ＬＥＤチップＡｕ膜形成工程と、載置工程と、接合工程とを経ることにより、ＬＥＤチップ１２が放熱部材１１の上面に形成されたＡｕＳｎ系合金層１５により接合されてなる構成のＬＥＤ素子本体３１を得、次いで、このＬＥＤ素子本体３１の下面、すなわち放熱部材１１の下面に、銀ペースト、ＡｕＳｎ合金ペーストなどの接合部材によってヒートシンク３５を接合すると共に、当該ヒートシンク３５の下面に、適宜の手法によって器具３６を固定することにより、製造することができる。
以上のようなＬＥＤ素子３０によれば、ＬＥＤ素子本体３１において、ＬＥＤチップ１２から生じ、ＡｕＳｎ系合金層１５よりなる接合部を介して放熱部材１１に伝導された熱が、ペルチェ素子３３によって吸熱され、当該ペルチェ素子３３を介してヒートシンク３５から放熱されることとなるため、ＬＥＤチップ１２による発熱を効率的に放熱することができる。
従って、このような構成を有するＬＥＤ素子３０は、優れた放熱性が得られるものであることから、例えば図８に示すように、表示装置などの光源として好適に用いることができる。
図８において、４１は、ステムであり、例えば高い熱伝導率を有する銅よりなるステム本体に金メッキが施されてなるものであり、このステム４１にはＬＥＤ素子３０が銀ペーストなどによって接合されている。また、同図において、４２はリフレクタ、４３はペルチェ端子、４４はＬＥＤ端子である。
図８において、４１は、ステムであり、例えば高い熱伝導率を有する銅よりなるステム本体に金メッキが施されてなるものであり、このステム４１にはＬＥＤ素子３０が銀ペーストなどによって接合されている。また、同図において、４２はリフレクタ、４３はペルチェ端子、４４はＬＥＤ端子である。
このような構成の照明装置においては、光源であるＬＥＤ素子３０に係るＬＥＤ素子本体３１を構成するＬＥＤチップ１２から発生する熱が、当該ＬＥＤ素子本体３１自体の放熱部材１１、ＬＥＤ素子３０を構成するペルチェ素子３３、ヒートシンク３５および器具３６、照明装置におけるステム４１に伝導されると共に、これらの各構成部材を介して放熱されることとなるため、高い放熱性が得られることから、ＬＥＤチップ１２の個数を増やすことによって高輝度化を図ることができる。
また、ＬＥＤチップ１２の個数を増やすことによって高輝度化を図ることができることから、高輝度化に際して、ＬＥＤチップ１２の各々に供給する電流を小さくすることができるため、ＬＥＤチップ１２の発熱を抑制することができ、その結果、長い使用寿命および高い品質を得ることができる。
また、ＬＥＤチップ１２の個数を増やすことによって高輝度化を図ることができることから、高輝度化に際して、ＬＥＤチップ１２の各々に供給する電流を小さくすることができるため、ＬＥＤチップ１２の発熱を抑制することができ、その結果、長い使用寿命および高い品質を得ることができる。
以下、本発明の具体的な実施例について説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
〔実施例１〕
縦５ｍｍ、横５ｍｍの平板よりなる窒化アルミニウム製の放熱部材、およびサファイア基板上に窒化物半導体層として、ｎ−ＧａＮよりなるｎ型半導体層、ＩｎＧａＮよりなる発光層およびｐ−ＧａＮよりなるｐ型半導体層がこの順に積層されてなる構成を有する、縦３５０μｍ、横３５０μｍの直方体状のＬＥＤチップを１００個を用意した。
先ず、１００個のＬＥＤチップの各々には、サファイア基板の下面に対してＥＢ蒸着法によって膜厚０．２μｍのＡｕ膜を形成した。
また、放熱部材には、離間距離２０μｍで縦方向に１０個および横方向に１０個の格子状に配列された、接合すべきＬＥＤチップの下面に適合する形状の１００個のＬＥＤチップ接合領域の各々に、ＥＢ蒸着法によって膜厚３μｍのＳｎ膜をパターニング形成した。
縦５ｍｍ、横５ｍｍの平板よりなる窒化アルミニウム製の放熱部材、およびサファイア基板上に窒化物半導体層として、ｎ−ＧａＮよりなるｎ型半導体層、ＩｎＧａＮよりなる発光層およびｐ−ＧａＮよりなるｐ型半導体層がこの順に積層されてなる構成を有する、縦３５０μｍ、横３５０μｍの直方体状のＬＥＤチップを１００個を用意した。
先ず、１００個のＬＥＤチップの各々には、サファイア基板の下面に対してＥＢ蒸着法によって膜厚０．２μｍのＡｕ膜を形成した。
また、放熱部材には、離間距離２０μｍで縦方向に１０個および横方向に１０個の格子状に配列された、接合すべきＬＥＤチップの下面に適合する形状の１００個のＬＥＤチップ接合領域の各々に、ＥＢ蒸着法によって膜厚３μｍのＳｎ膜をパターニング形成した。
次いで、放熱部材の上面に形成された複数のＳｎ膜上の各々に、その下面全面にＡｕ膜が形成されたＬＥＤチップを、当該Ａｕ膜がＳｎ膜に重ね合わせるようにして載置した後、その複数のＬＥＤチップが載置された放熱部材を、熱処理容器内に配置し、この熱処理容器内に、水素ガスと窒素ガスとの混合ガス（水素濃度５％）を流量３００ｃｃ／ｍｉｎの条件で流入させて充填し、この混合ガスが充填された状態において、加熱温度３００℃、処理時間１０分間の条件で熱処理を行うことにより、放熱部材上に１００個のＬＥＤチップが接合されてなる構成のＬＥＤ素子を得た。
得られたＬＥＤ素子について、ＬＥＤチップが接合されている面を下方としたところ、すべてのＬＥＤチップは落下することがなく、放熱部材上に合計１００個のＬＥＤチップが強固に接合されていることが確認された。
また、ＬＥＤ素子の接合部は、ＥＤＸ分析（エネルギー分散型Ｘ線分析）により、Ｓｎ層中においてＡｕＳｎ合金よりなる柱状結晶が、放熱部材の上面に垂直な方向に伸びるよう形成されてなるＡｕＳｎ合金層よりなるものであることが確認された。
また、ＬＥＤ素子の接合部は、ＥＤＸ分析（エネルギー分散型Ｘ線分析）により、Ｓｎ層中においてＡｕＳｎ合金よりなる柱状結晶が、放熱部材の上面に垂直な方向に伸びるよう形成されてなるＡｕＳｎ合金層よりなるものであることが確認された。
さらに、得られたＬＥＤ素子について、先端が尖った針状体に荷重（ｇ）目盛りを付した針突き強度測定用器具を用い、当該針突き強度測定用器具によって接合部を突くことによって針突き強度を測定したところ、２５０ｇであった。
さらに、得られたＬＥＤ素子を加熱炉によって５００℃、５分間の条件で加熱した後、再度、針突き強度を測定したところ、その強度は変化しなかった。
以上の結果から、ＬＥＤ素子におけるＡｕＳｎ系合金層よりなる接合部が十分な接合強度を有すると共に、良好な耐熱性を有するものであることが確認された。
さらに、得られたＬＥＤ素子を加熱炉によって５００℃、５分間の条件で加熱した後、再度、針突き強度を測定したところ、その強度は変化しなかった。
以上の結果から、ＬＥＤ素子におけるＡｕＳｎ系合金層よりなる接合部が十分な接合強度を有すると共に、良好な耐熱性を有するものであることが確認された。
ここに、針突き強度測定によれば、図９および図１０に示すように、針突き強度が１５０ｇ以上であることにより、良好な耐熱性を有するものであることが確認できる。
図９は、放熱部材上にＬＥＤチップがＡｕＳｎ合金よりなる接合部によって接合されてなる構成を有し、針突き強度が５０ｇとなるようなサンプルを作製し、当該サンプルを加熱した後に針突き強度測定することにより、加熱温度、具体的には加熱された接合部の温度による針突き強度の変化を確認し、その結果を示したグラフである。また、図１０は、放熱部材上にＬＥＤチップがＡｕＳｎ合金よりなる接合部によって接合されてなる構成を有し、針突き強度が１５０ｇとなるようなサンプルを作製し、当該サンプルを加熱した後に針突き強度測定することにより、加熱温度、具体的には加熱された接合部の温度による針突き強度の変化を確認し、その結果を示したグラフである。
この図９および図１０の結果から、針突き強度が５０ｇであるサンプルは、加熱温度が高くなるに従ってその針突き強度が次第に小さくなるが、一方、針突き強度が１５０ｇであるサンプルは、加熱することによって針突き強度が変化しないことが確認された。従って、針突き強度が１５０ｇ以上である場合には、接合部に十分な耐熱性が得られているということが理解される。
図９は、放熱部材上にＬＥＤチップがＡｕＳｎ合金よりなる接合部によって接合されてなる構成を有し、針突き強度が５０ｇとなるようなサンプルを作製し、当該サンプルを加熱した後に針突き強度測定することにより、加熱温度、具体的には加熱された接合部の温度による針突き強度の変化を確認し、その結果を示したグラフである。また、図１０は、放熱部材上にＬＥＤチップがＡｕＳｎ合金よりなる接合部によって接合されてなる構成を有し、針突き強度が１５０ｇとなるようなサンプルを作製し、当該サンプルを加熱した後に針突き強度測定することにより、加熱温度、具体的には加熱された接合部の温度による針突き強度の変化を確認し、その結果を示したグラフである。
この図９および図１０の結果から、針突き強度が５０ｇであるサンプルは、加熱温度が高くなるに従ってその針突き強度が次第に小さくなるが、一方、針突き強度が１５０ｇであるサンプルは、加熱することによって針突き強度が変化しないことが確認された。従って、針突き強度が１５０ｇ以上である場合には、接合部に十分な耐熱性が得られているということが理解される。
１１ 放熱部材
１２ ＬＥＤチップ
１２Ｒ 赤色発光ＬＥＤチップ
１２Ｇ 緑色発光ＬＥＤチップ
１２Ｂ 青色発光ＬＥＤチップ
１３ サファイア基板
１４Ａ ｎ型半導体層
１４Ｂ 発光層
１４Ｃ ｐ型半導体層
１５ ＡｕＳｎ系合金層
１５Ａ 柱状結晶
１５Ｂ Ｓｎ層
１８ ＬＥＤチップ部
１９ 駆動回路
２１ Ｓｎ膜
２３ Ａｕ膜
３０ ＬＥＤ素子
３１ ＬＥＤ素子本体
３３ ペルチェ素子
３４ リード線
３５ ヒートシンク
３６ 器具
４１ ステム
４２ リフレクタ
４３ ペルチェ端子
４４ ＬＥＤ端子
５１ Ａｕ膜
５２ 合金層
１２ ＬＥＤチップ
１２Ｒ 赤色発光ＬＥＤチップ
１２Ｇ 緑色発光ＬＥＤチップ
１２Ｂ 青色発光ＬＥＤチップ
１３ サファイア基板
１４Ａ ｎ型半導体層
１４Ｂ 発光層
１４Ｃ ｐ型半導体層
１５ ＡｕＳｎ系合金層
１５Ａ 柱状結晶
１５Ｂ Ｓｎ層
１８ ＬＥＤチップ部
１９ 駆動回路
２１ Ｓｎ膜
２３ Ａｕ膜
３０ ＬＥＤ素子
３１ ＬＥＤ素子本体
３３ ペルチェ素子
３４ リード線
３５ ヒートシンク
３６ 器具
４１ ステム
４２ リフレクタ
４３ ペルチェ端子
４４ ＬＥＤ端子
５１ Ａｕ膜
５２ 合金層
Claims (6)
- ＬＥＤチップが放熱部材上に接合されてなる構成のＬＥＤ素子において、
当該ＬＥＤチップが当該放熱部材の上面に形成されたＡｕＳｎ系合金層により接合されており、当該ＡｕＳｎ系合金層に、放熱部材の上面に垂直な方向に伸びる柱状結晶が形成されていることを特徴とするＬＥＤ素子。 - 複数のＬＥＤチップが、共通の放熱部材上に接合されていることを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ素子。
- ＬＥＤチップが、サファイア基板の上面に窒化物系半導体層が積層されてなり、当該サファイア基板の下面が放熱部材に接合されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のＬＥＤ素子。
- 共通の放熱部材がシリコン基板よりなり、当該シリコン基板よりなる共通の放熱部材上に、赤色発光ＬＥＤチップ、緑発光ＬＥＤチップおよび青色発光ＬＥＤチップの３種のＬＥＤチップの各々が接合されていることを特徴とする請求項２に記載のＬＥＤ素子。
- 請求項１〜請求項４のいずれかに記載のＬＥＤ素子を製造するためのＬＥＤ素子の製造方法であって、
放熱部材の上面に直接Ｓｎ膜を形成する工程と、
ＬＥＤチップの下面にＡｕ膜を形成する工程と、
放熱部材の上面に形成されたＳｎ膜上に、Ａｕ膜の形成されたＬＥＤチップを、当該Ａｕ膜を下方にして載置する工程と、
ＬＥＤチップの載置された放熱部材を、水素ガスと窒素ガスとの混合ガスよりなるフォーミングガスが流動する雰囲気中において加熱し、ＬＥＤチップを放熱部材上に接合する工程
とを有することを特徴とするＬＥＤ素子の製造方法。 - 共通の放熱部材の上面に複数のＳｎ膜をパターニング形成し、このパターニング形成された複数のＳｎ膜の各々にＬＥＤチップを載置した共通の放熱部材を加熱することにより、共通の放熱部材の上面に複数のＬＥＤチップを同時に接合することを特徴とする請求項５に記載のＬＥＤ素子の製造方法。
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