JP4624719B2

JP4624719B2 - 発光ダイオードの製造方法および発光ダイオード

Info

Publication number: JP4624719B2
Application number: JP2004147542A
Authority: JP
Inventors: 英雄玉村
Original assignee: Showa Denko KK
Current assignee: Showa Denko KK
Priority date: 2004-05-18
Filing date: 2004-05-18
Publication date: 2011-02-02
Anticipated expiration: 2024-05-18
Also published as: JP2005332859A

Description

本発明は、LEDディスプレー、バックライト光源、信号機、および各種インジケーターなどに利用される発光ダイオードに関係し、特に第1次の発光源であるLEDが発生する光の波長を変換して、第2次の発光波長を発光するフォトルミネッセンス蛍光体を備えた発光ダイオードに関する

LED(発光ダイオード)は小型、省電力消費、長寿命などの特性より、種々の幅広い用途に使用されている。
これは第1次の発光源であるLEDの発光波長を、1種類、又は数種類の蛍光材料を用いて波長変換し第２次の発光波長にすることにより、任意の色調の発光ダイオードを得る事ができるからである。
つまり第1次の発光源であるLEDの発光波長は１種類でも、1種類、又は数種類の蛍光材料により、数種類の波長を持った第2次の光に変換することにより、任意の色調の光を得ることができ、従って安価で安定した発光が得られ、これを利用して上記のような幅広い用途に使用されている。

この発光ダイオードの蛍光体のマウント方法の代表例は、例えば特許文献１に記載されている。この発明によれば、発光チップの発光をカップの底面においた発光素子全体を樹脂で封止する発光タ゛イオート゛で、前記樹脂はカップ内部を充填する第1の樹脂と、第1の樹脂を包囲する第2の樹脂よりなり、第1の樹脂には波長変換する蛍光物質、または1部吸収するフイルター物質が含有されていることを特徴とすると記されている。
しかし、一般的に常温で液状で熱硬化する透光性樹脂に蛍光体を混合し波長変換する方法は、下記のような問題がある。
1)樹脂と蛍光体との比重がことなるので、液状の樹脂に蛍光体を混合すると、熱硬化するまでの時間に、液状樹脂と蛍光体の比重差のために蛍光体が沈降し、熱硬化した状態まで均一な混合状態を維持することが困難であり、発光ダイオードの色調の均一性を悪化させる。
2) 発光ダイオードの色調を向上させる目的で１種類以上の異なった蛍光体をもちいることが一般的である。この場合には、数種類の蛍光体間の比重が異なり沈降速度に違いがでる問題が加わり、一段と樹脂との混合、分散状態、沈降速度が不均一に成り易くなり、熱硬化した状態まで均一な混合状態を維持することが一段と困難になるので、いっそう発光ダイオードの色調の均一性を悪化させる。

3)一般的に第1次の発光源であるLEDの波長は、蛍光体で波長変換された第2次の発光波長より短波長である。また、一般的に使われている透光性樹脂は短波長の光を吸収すると、透光性が劣化する性質がある。従って、蛍光体で波長変換した第2次の発光波長より、発光源であるLEDの第1次の発光波長は短波長であることが多いので、蛍光体と透光性樹脂を混練した状態では、LEDの第1次の発光波長である短波長光が透光性樹脂を1部透過することになるので、透光性樹脂の劣化を防止することが難しい
4)樹脂と蛍光体の混練中、及び、LEDチップとの樹脂と蛍光体を混練した材料で封止中、に空気を巻き込やすく、歩留まりが悪化し、またこれを防止するには高価な機器が必要になり、製造コストが上昇する
また特許文献２には、BN結晶よりなるLEDに粒径限定した蛍光体層を結晶層の接合面につけることを提案しているが、本特許の対象は主としてGaN系半導体で対象が異なり、かつ1種類又は数種類の蛍光体の使用により演色性の良い白色系の光を取り出し、かつ光取り出し面の大部分を具体的な方法を提案して覆うことに特徴がある。
特開平７−９９３４５号公報特開平２−９１９８０号公報

本発明は上記の問題を解決し、色ムラを解決し安価で安定した色調が得られる発光ダイオード及びその成形方法を提供するものである。

本発明者は、上記課題を解決するために、鋭意研究を重ねた結果、本発明を完成させた。すなわち本発明は以下に関する。
（１）第１次の発光源であるGaN系のLEDの発光波長を、1種類、又は数種類の蛍光材料を用いて波長変換し第２次の発光波長を発光する発光ダイオードの製造方法において、第１次の発光源であるLEDの光取り出し面に、主として蛍光材料からなる薄膜をつけるのに際して、LEDチップの側面部分の蛍光体薄膜を、LEDのチップを2個以上重ね合わせた状態で形成することを特徴とする発光ダイオードの製造方法。
（２）第１次の発光波長が、第２次の発光波長より短いことを特徴とする（１）に記載の発光ダイオードの製造方法。
（３）第１次の発光源であるLEDがGaN系で、LEDの基板がサファイア、又はSiCであることを特徴とする（１）または（２）に記載の発光ダイオードの製造方法。

（４）第１次の発光源であるLEDがGaN系のLEDであり、第１次と第２次の発光色が合わさった発光色が白色系の色であることを特徴とする（１）〜（３）の何れか１項に記載の発光ダイオードの製造方法。
（５）主として蛍光材料からなる薄膜の膜厚が、１００ミクロン以下であることを特徴とする（１）〜（４）の何れか１項に記載の発光ダイオードの製造方法。
（６）主として蛍光材料からなる薄膜の膜厚が、５０ミクロン以下であることを特徴とする（１）〜（５）の何れか１項に記載の発光ダイオードの製造方法。
（７）主として蛍光材料からなる薄膜の膜厚が、２５ミクロン以下であることを特徴とする（１）〜（６）の何れか１項に記載の発光ダイオードの製造方法。
（８）主として蛍光材料からなる薄膜は、薄膜中の蛍光体重量百分率が７０％以上であることを特徴とする（１）〜（７）の何れか１項に記載の発光ダイオードの製造方法。
（９）主として蛍光材料からなる薄膜は、薄膜中の蛍光体重量百分率が８５％以上であることを特徴とする（１）〜（８）の何れか１項に記載の発光ダイオードの製造方法。
（１０）薄膜の形成が、蒸着法またはスパッタリング法によるものであることを特徴とする（1）〜（９）の何れか１項に記載の発光ダイオードの製造方法。

本発明により、色ムラが少なく、かつ安価な発光ダイオードを提供できる。

従来の発光ダイオードでは、樹脂の中に蛍光材料を混入させることにより製造するため、樹脂と蛍光材料との比重差により蛍光材料が沈降し、色むらが生ずる等の問題が生じていた。そこで本発明者は、第1次の発光源であるＬＥＤチップの発光面に樹脂を用いずに、直接蛍光材料の薄膜をつける事により、これらの問題を解決するものである。
薄膜の作りかたは、塗布、印刷、蒸着、スパッタリング、その他、適当な方法を選択することができる。
また蛍光材料は、LEDに直接薄膜をつける目的で、各種の添加剤を加えて作業がしやすい状態にすることは当然である。

これにより、上記の問題は下記のように解決することができる。
1)樹脂と蛍光体との比重が異なっても、樹脂に混練する工程が無い。従って、樹脂と蛍光体の比重差による沈降する問題はないので、第1次の発光源であるLEDの発光面につけた蛍光体の薄膜を通り波長変換された第2次の発光波長は均一になり、従って出来た発光ダイオードの色調は均一になる。
2)数種類の蛍光体を混合して用いても、樹脂による混練工程がないので数種類の蛍光体の比重差の影響は受けない。従って数種類の蛍光体を混合しても、出来た発光ダイオードの色調は均一になる。
3) 第1次の発光源であるLEDの発光面に直接蛍光体の薄膜をつけるのであるので、LEDの第1次の発光波長である短波長光が透光性樹脂を透過することは無いので、透光性樹脂の劣化はおきない。
4)樹脂と蛍光体の混練工程が無いので、空気の巻き込みの問題は起きない。従って、歩留まりが向上し悪化し、また空気巻き込み防止のための高価な機器が不必要になり、製造コストが減少する

従って本発明により、色ムラのない安価な発光ダイオードを供給することができる
しかし、LEDチップは大変小さく、かつ多量に生産するので、効率的な生産方法が求められる。この解決方法として、本発明者は発光ダイオード及びその形成方法において、第1次の発光源であるGaN系のLEDの発光波長を、1種類、又は数種類の蛍光材料を用いて波長変換し第２次の発光波長を発光する発光ダイオードにおいて、第1次の発光源であるLEDの発光取り出し面に、主として蛍光材料からなる薄膜をLEDウエハー又は集合したチップの状態で、つけることにより波長変換して第2次の発光波長を発光させることを特徴とする、発光ダイオード及び成形方法を提案した
これは個々に切断したLEDチップの状態で、蛍光体薄膜をつけるのは、その成形工程より、種々の機器を要して高価なものになるので、LEDウエハーの状態又は集合したチップの状態で波長変換用蛍光体薄膜を作成するもので、望ましくはLEDウエハーの状態で作成するのが望ましい。

一般的なGaN系のLEDの製造工程を参考までに記述する。なお、具体的な方法は技術の種類により異なり、本特許はこの工程に束縛されるものではない。
1)サファイアウエハーを用意する
2)MOCVD法でサファイアウエハーの上に種々のエピタキシャル薄膜層を作成する
3)マスクを付けて、エッチング法により不要部分を除去する
4)P,Nの電極をスパッタ法や蒸着法により作成する
5)サファイア面にテープを取り付ける
6)各LEDチップの大きさに切断又は半切断する
7)各LEDチップの電気特性をチェックし、選品、グレード分けする。
8)電極架台（ステム）にLEDチップを装着し電線を取り付ける
9)樹脂で露出したLEDチップの部分を封止する。

上記の工程の中でウエハーの到達温度が蛍光材料の物性に変化を与えない温度範囲内の工程で蛍光材料の薄膜作成の工程を入れるのが望ましく、上記の工程では3)から6)の工程内にいれるのが効率的であるが、集合したチップの状態で蛍光体の薄膜を付けてもかまわない。
サファイア基板のGaN系のLEDの場合で、サファイア面より、光を取り出すフリップチップ型は光の取り出し効率が高いので、本方法は一段と有利な発光ダイオードを作成する事になる。
光の取り出し効率を上げるには、全ての光取り出し面に蛍光体膜を作成し、出来るだけ多くの光を蛍光体膜で波長変換することが望ましい。しかし一般的に、蛍光体層は絶縁膜である場合が多いので、蛍光体薄膜層があると電極の導通が取れない問題が発生することになる。

光取り出し面より電極を取らないタイプのLEDは問題にならないが、光取り出し面に電極を取るタイプのLEDは大きな問題になる。また、光の取り出し効率を1段と高めるためには、光を取り出す可能性のある全ての発光面より光を取り出したほうが効果的であり、この点より電極部分を除いた全ての面に蛍光体膜を取り付ける方法を確立しておいた方が望ましい。
電極を取り出す部分のみ蛍光体膜を除去し、他の光取り出し面を一般的に絶縁体である蛍光体薄膜層をとりつける方法として、第1次の発光源であるGaN系のLEDの発光波長を、1種類、又は数種類の蛍光材料を用いて波長変換し第２次の発光波長を発光する発光ダイオードにおいて、第1次の発光源であるLEDの光取り出し面に、主として蛍光材料からなる薄膜をLEDウエハー又は集合したチップの状態でつけることにより波長変換して第2次の発光波長を発光させることを特徴とする、発光ダイオードで、蛍光体薄膜のうち、蛍光薄膜層の絶縁性のために、電極部分の導通妨害を防ぐ目的で、蛍光体薄膜層の1部分をマスキング又はエッチング、又はマスキングとエッチングを組み合わせることにより作成するものである。

上記の記述について以下に詳しく説明する。
第1次の発光源であるLEDの作り方は、同じ面に電極をとる方法と、異なる面に電極をとる方法に分けられる。
同じ面に電極をとる方法は、図１に示すように、エピタキシャル薄膜層の同じ側に電極を取り付ける方法で、最上部エピタキシャル薄膜層と、エピタキシャル薄膜層の一部をエッチングして、エピタキシャル薄膜層の上部層の1部を取り除き、下部層を出して、P又はN電極を取り付ける。
蛍光体薄膜層をつける場合は、一般的に蛍光体層は絶縁性を持っているものが多いので、この電極部分の導通が必要な部分のみの導通を確保し、他の部分は蛍光体薄膜層で覆う必要がある。

この本特許はこの解決策として、蛍光体薄膜のうち電極部分の導通を確保するために妨害となる蛍光体薄膜層の1部分をマスキング又はエッチングして作成し、又はマスキングとエッチングを組み合わせて、電極部分の導通を確保し、電極部分以外は蛍光体薄膜層とすること目的としている。
蛍光体薄膜のうち電極部分の導通を確保するために妨害となる蛍光体薄膜層の1部分をマスキング又はエッチングして作成し、電極部分の導通を確保する本発明による代表的な方法を記述する。

なお、この方法は種々の組み合わせが可能であり、具体的な方法は技術の種類により異なるので、本特許は下記の方法に束縛されるものではない。
1)最終のエピタキシャル薄膜層の上に蛍光体薄膜層を取り付け、P又はN電極に必要なエピタキシャル薄膜層の上の蛍光体薄膜層、又は蛍光体薄膜層とエピタキシャル薄膜層の1部をエッチング除去して、P又はN電極に必要な部分のエピタキシャル薄膜層を取り出し電極を取り付ける。
2)蛍光体薄膜層を取り付ける時に、P又はN電極に必要なエピタキシャル薄膜層をマスキングして蛍光体薄膜層が除きやすい状態にして、その上に蛍光体薄膜を取り付ける。その後に、P又はN電極に必要な部分の蛍光体薄膜層、又は蛍光体薄膜層とエピタキシャル薄膜層のマスキングを取り除いて、P又はN電極に必要なエピタキシャル薄膜層を取り出し電極を取り付ける。

本発明により電極取り出し部分を除いて、蛍光体薄膜層のついたチップを安価に多量に生成することができ、また色ムラの少ない発光ダイオードやその応用製品を作ることができる。
これによりLEDチップの上面と下面の蛍光体薄膜層の着け方は解決したが、LEDチップの側面の蛍光体薄膜層の効率的な取り付け方はが未解決である。
一般的にLEDチップの側面は数百ミクロンであり、この小さな面に蛍光体薄膜を効率的につける方法はない。

そこで本発明者はこの問題の解決方法として本特許に記述した下記の方法で解決する方法を見出したものである。
すなわち、第１次の発光源であるLEDの発光波長を、1種類、又は数種類の蛍光材料を用いて波長変換し第２次の発光波長を発光する発光ダイオードにおいて、第１次の発光源であるLEDの発光面に、主として蛍光材料からなる薄膜をつけることにより波長変換して第２次の発光波長を発光させることを特徴とする、発光ダイオードで、蛍光体薄膜層のうちLEDチップの側面の蛍光体薄膜を、LEDのチップを2個以上集合させた状態で蛍光体薄膜層をつけることを特徴とする発光ダイオード
一般的にLEDチップの側面は数百ミクロンであり、この小さな面に蛍光体薄膜を効率的につける方法は、従来の方法の例えば、塗布、スプレー、スパッター等の方法で着けても、極めて効率が悪く高価になることは自明である。

本発明者は種々考えた結果、下記の方法を採用することにより簡単に解決できることを見出したものである。
一般的なGaN系のLEDの製造工程を参考までに記述すると、下記のとうりである。なお、具体的な方法は技術の種類により異なり、本特許はこの工程に束縛されるものではない。
1)サファイアウエハーを用意する
2)MOCVD法でサファイアウエハーの上に種々のエピタキシャル薄膜層を作成する
3)マスクを付けて、エッチング法により不要部分を除去する
4)P,Nの電極をスパッタ法や蒸着法により作成する
5)サファイア面にテープを取り付ける
6)各LEDチップの大きさに切断又は半切断する
7)各LEDチップの電気特性をチェックし、選品、グレード分けする。
8)電極架台（ステム）にLEDチップを装着し電線を取り付ける
9)樹脂で露出したLEDチップの部分を封止する。

上記の工程7)の工程で各LEDチップはバラバラになるので、８）の工程の電極架台（ステム）にLEDチップを装着し電線を取り付ける前に、LEDチップを重ね合わせ、望ましくは数１０個より数万個を重ね合わせることにより、四角柱状のLEDチップの集合体ができる。
この状態で四角柱状になったLEDチップの側面に蛍光体膜を取り付けることは比較的簡単にかつ安価につけることができる。
この四角柱状のLEDチップの側面は、LEDチップの切断面であるので、きれいな4つの面が出なくとも、１つの面をそろえて蛍光体薄膜層を作成し、次に、次の面ののみをそろえる等の操作を４回繰り返すことのより、簡単に進めることができる。
もちろんLEDチップ切断面がきれいに揃うように切断して、４つの面を一度に蛍光体薄膜層を作成してもかまわない。
本発明により、フリップチップ型のLEDもフェイスアップ型のLEDも、LEDチップの側面もあわせて、蛍光体薄膜層のついたチップを安価に多量に生成することができ、また色ムラの少ない発光ダイオードやその応用製品を作ることができる。

（実施例１）
サファイア基板を用いたGaN系の発光ダイオードで同じ面にP,N電極をとる方法の作成工程に本発明の方法を適用した。
1)サファイアウエハーを用意する
2)MOCVD法でサファイアウエハーの上に種々のエピタキシャル薄膜層を作成する
3)マスクを付けて、エッチング法により不要部分を除去する
4)P,Nの電極をスパッタ法や蒸着法により作成する
5)サファイア面にテープを取り付ける
6)各LEDチップの大きさに切断又は半切断する
7)各LEDチップの電気特性をチェックし、選品、グレード分けする。
8)電極架台（ステム）にLEDチップを装着し電線を取り付ける
9)樹脂で露出したLEDチップの部分を封止する。
上記の工程7)の工程で各LEDチップはバラバラになるので、８）の工程の電極架台（ステム）にLEDチップを装着し電線を取り付ける前に、LEDチップを重ね合わせLEDチップの側面に蛍光体薄膜を作成した。
本実施例により、LEDチップの側面も含めてきれいに蛍光体層が作成された。
（実施例２）

SiC基板又はサファイア基板を用いたGaN系の発光ダイオードの異なる面に電極を取る方法の作業工程に本発明の方法を適用した
実施例１とほぼ同じくLEDチップがバラバラになる時点と、電極架台（ステム）にLEDチップを装着し電線を取り付ける前に、新たにLEDチップを重ね合わせLEDチップの側面に蛍光体薄膜を作成した。
本実施例により、LEDチップの側面も含めてきれいに蛍光体層が作成された。

本発明により色むらのない、安価で高効率で波長変換が可能な発光ダイオードが効率よく製造できる。

実施例１における、GaN系の同じ面に電極をとるタイプのLEDの概要図であり、LEDチップの上面と、下面に蛍光体層を取り付け、側面が蛍光体層がついていない図である。図１のLEDチップを四角柱状に重ねあわせた断面図で、そのLEDチップの１面を揃えて、蛍光体層をつけた図である。図２の操作を4回繰り返し、4つのLEDチップの側面が蛍光体薄膜層の取り付けが完了した断面図である。実施例２のSiC又はSiC基板の異なった面に電極をとるタイプのLEDでウエハー基板面とエピタキシャル面の電極取り出し面に蛍光体膜をつけ、側面には蛍光体層がついていない図である。図２の操作を４回繰り返し4つのLEDチップの側面が蛍光体薄膜層の取り付けが完了した断面図である。

符号の説明

１電極
２電極
３蛍光体薄膜
４エピタキシャル層
５基板（サファイア、又はSiC）
６ LEDチップ

Claims

第１次の発光源であるGaN系のLEDの発光波長を、1種類、又は数種類の蛍光材料を用いて波長変換し第２次の発光波長を発光する発光ダイオードの製造方法において、第１次の発光源であるLEDの光取り出し面に、主として蛍光材料からなる薄膜をつけるのに際して、LEDチップの側面部分の蛍光体薄膜を、LEDのチップを2個以上重ね合わせた状態で形成することを特徴とする発光ダイオードの製造方法。
第１次の発光波長が、第２次の発光波長より短いことを特徴とする請求項1に記載の発光ダイオードの製造方法。
第１次の発光源であるLEDがGaN系で、LEDの基板がサファイア、又はSiCであることを特徴とする請求項1または２に記載の発光ダイオードの製造方法。
第１次の発光源であるLEDがGaN系のLEDであり、第１次と第２次の発光色が合わさった発光色が白色系の色であることを特徴とする請求項1〜３の何れか１項に記載の発光ダイオードの製造方法。
主として蛍光材料からなる薄膜の膜厚が、１００ミクロン以下であることを特徴とする請求項1〜４の何れか１項に記載の発光ダイオードの製造方法。
主として蛍光材料からなる薄膜の膜厚が、５０ミクロン以下であることを特徴とする請求項1〜５の何れか１項に記載の発光ダイオードの製造方法。
主として蛍光材料からなる薄膜の膜厚が、２５ミクロン以下であることを特徴とする請求項1〜６の何れか１項に記載の発光ダイオードの製造方法。
主として蛍光材料からなる薄膜は、薄膜中の蛍光体重量百分率が７０％以上であることを特徴とする請求項1〜７の何れか１項に記載の発光ダイオードの製造方法。
主として蛍光材料からなる薄膜は、薄膜中の蛍光体重量百分率が８５％以上であることを特徴とする請求項1〜８の何れか１項に記載の発光ダイオードの製造方法。
薄膜の形成が、蒸着法またはスパッタリング法によるものであることを特徴とする請求項1〜９の何れか１項に記載の発光ダイオードの製造方法。