JP5032839B2 - 発光デバイスのための発光セラミック素子 - Google Patents

Description

本発明は、発光ダイオードなどの半導体発光デバイスに用いるのに適した波長変換部材に関する。

発光ダイオード（ＬＥＤ）、共振器型発光ダイオード（ＲＣＬＥＤ）、垂直キャビティ面発光レーザ・ダイオード（ＶＣＳＥＬ）、及び端面発光レーザを含む半導体発光デバイスは、現時点で利用可能な最も効率的な光源の一つである。可視スペクトル域で作動可能な高輝度発光デバイスの製造において現在関心が持たれている材料系は、ＩＩＩ−Ｖ族半導体を含み、特に、ＩＩＩ族窒化物材料とも呼ばれる、ガリウム、アルミニウム、インジウム、及び窒素の二元合金、三元合金、及び四元合金を含む。典型的には、ＩＩＩ族窒化物発光デバイスは、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）、分子線エピタキシ（ＭＢＥ）、又は他のエピタキシャル技術によって、異なる組成及びドーパント濃度の半導体層のスタックを、サファイア、炭化シリコン、ＩＩＩ族窒化物、又は他の適切な基板の上にエピタキシャルに成長させることにより製造される。このスタックは、例えばＳｉでドープされ、基板の上に形成された１つ又はそれ以上のｎ型層と、そのｎ型の単層又は複数の層の上に形成された活性領域内の１つ又はそれ以上の発光層と、例えばＭｇでドープされ、活性領域の上に形成された１つ又はそれ以上のｐ型層とを含むことが多い。ｎ型領域及びｐ型領域には、電気的コンタクトが形成される。

ＩＩＩ族窒化物デバイスによって放出される光は、概ね可視スペクトルの短波長端にあるため、ＩＩＩ族窒化物デバイスによって生成された光は、長波長を有する光を生成するように容易に変換することができる。発光／蛍光として知られるプロセスを用いて、第１のピーク波長を有する光（「第１の光」）を、より長いピーク波長を有する光（「第２の光」）に変換できることは、当該技術分野において周知である。蛍光プロセスは、蛍光体などの波長変換材料によって第１の光を吸収することと、第２の光を放出する蛍光体材料の発光中心を励起させることとを含む。第２の光のピーク波長は、蛍光体材料によって決まることになる。蛍光体材料のタイプは、特定のピーク波長を有する第２の光を生じるように選択することができる。

図１を参照すると、米国特許第６，３５１，０６９号に記載される従来技術の蛍光体変換型ＬＥＤ１０が示される。ＬＥＤ１０は、活性化されたときに青色の第１の光を生成するＩＩＩ族窒化物ダイ１２を含む。ＩＩＩ族窒化物ダイ１２は、反射カップ型リード・フレーム１４の上に位置決めされ、リード１６及び１８に電気的に結合される。リード１６及び１８は、電力をＩＩＩ族窒化物ダイ１２に導く。ＩＩＩ族窒化物ダイ１２は、透明樹脂であることが多い、波長変換材料２２を含む層２０によって覆われる。層２０を形成するのに使用される波長変換材料のタイプは、蛍光材料２２によって生成される第２の光の所望のスペクトル分布に応じて、変えることができる。ＩＩＩ族窒化物ダイ１２及び蛍光層２０は、レンズ２４によって密閉される。レンズ２４は、典型的には、透明なエポキシ又はシリコンで作られる。

作動中は、電力がＩＩＩ族窒化物ダイ１２に供給され、該ダイを活性化させる。活性化されたときに、ダイ１２は、ダイの上面から第１の光を放出する。放出された第１の光の一部は、層２０の波長変換材料２２によって吸収される。次いで、波長変換材料２２は、第１の光の吸収に反応して、第２の光、すなわちより長いピーク波長を有する変換光を放出する。放出された第１の光の吸収されなかった残りの部分は、第２の光と共に波長変換層内を伝わる。レンズ２４は、吸収されなかった第１の光と第２の光を、出力光として概ね矢印２６によって示される方向に向ける。したがって、出力光は、ダイ１２から放出された第１の光と波長変換層２０から放出された第２の光とによって構成される合成光である。波長変換材料はまた、第１のＵＶ光を放出するダイと、第２の可視光を放出する１つ又はそれ以上の波長変換材料とを併用する場合のように、第１の光がデバイスからほとんど又は全く漏れないように構成することができる。

ＩＩＩ族窒化物ＬＥＤは、高出力かつ高温で作動するため、層２０に用いられる有機カプセル材料の透明度が低下しやすく、望ましくないことにデバイスの光取り出し効率が低下し、デバイスから放出される光の状態を変化させる可能性がある。

米国特許第６，６３０，６９１号に記載される単結晶発光基板上におけるＬＥＤデバイスの成長、米国特許第６，６９６，７０３号に記載される薄膜蛍光体層、及び米国特許第６，５７６，４８８号に記載される電気泳動堆積法又は米国特許第６，６５０，０４４号に記載されるステンシル法によって堆積されたコンフォーマルな層のような、波長変換材料のいくつかの代替的な構成が提案されてきた。これらの代替的な構成の各々も欠点を有する。電気泳動堆積法又はステンシル法によって堆積された蛍光体などの、バインダ材料を含む蛍光体層は、図１に関連して上述されたものと同様にバインダ材料の透明度が低下する可能性がある。薄膜蛍光体層又はコンフォーマルな蛍光体層は、蛍光体層が壊れやすいため、取扱いが困難な場合がある。いくつかの従来の解決方法の１つの重要な欠点は、蛍光体／カプセル材料の光学的な不均質性であり、これが散乱につながり、変換効率の低下を引き起こす可能性がある。

本発明の実施形態によれば、ｎ型領域とｐ型領域との間に堆積された発光層を含む半導体構造体が、ホストと発光材料を含むセラミック層とを含む複合基板に、光学的に結合される。いくつかの実施形態においては、複合基板は、上に半導体構造体が成長する結晶シード層を含む。セラミック層は、シード層とホストとの間に堆積される。いくつかの実施形態においては、複合基板は、従来の成長基板上に半導体構造体を成長させた後に、該半導体構造体に取り付けられる。いくつかの実施形態においては、複合基板は、半導体構造体から間隔を置いて配置される。セラミック層は、５００μｍより薄い厚さを有するものとすることができる。発光層は、順方向バイアスをかけたときに第１のピーク波長を有する光を放出するように構成され、発光材料は、発光層によって放出された光を吸収して第２のピーク波長の光を放出することができる。

発光材料を含むセラミック層は、透光性又は透明なものとすることができ、これにより、コンフォーマル層などの不透明な波長変換層に関連する散乱損失を減少させることができる。発光セラミック層はまた、従来技術の波長変換層より頑強で、より容易に取り扱うことができる。

２００４年６月３日に出願され、発明の名称を「Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔ Ｃｅｒａｍｉｃ ｆｏｒ ａ Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｅｖｉｃｅ」とし、引用によりここに組み入れられる米国特許出願第１０／８６１，１７２号には、本明細書では「発光セラミック」、「セラミック層」、又は「セラミック蛍光体」と呼ばれるセラミック・スラブ内に形成された蛍光体のような波長変換材料が記載されている。セラミック・スラブは、半導体デバイスとは別個に形成され、次いで完成した半導体デバイスに取り付けられるか又は半導体デバイスのための成長基板として用いられる、自己支持層とすることができる。セラミック層は、透光性又は透明なものとすることができ、これにより、コンフォーマル層などの不透明な性波長変換層に関連する散乱損失を減少させることができる。発光セラミック層は、薄膜蛍光体層又はコンフォーマルな蛍光体層より頑強なものとすることができる。さらに、発光セラミック層は固体であるため、いずれも固体であるレンズ及び第２の光学部品などの付加的な光学素子への光学的コンタクトをより容易に作ることができる。

発光セラミック層内に形成することができる蛍光体の例として、黄緑色の範囲の光を放出する、Ｌｕ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂：Ｃｅ³⁺、Ｙ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂：Ｃｅ³⁺及びＹ₃Ａｌ_4.8Ｓｉ_0.2Ｏ_11.8Ｎ_0.2：Ｃｅ³⁺などの一般式（Ｌｕ_1-x-y-a-bＹ_xＧｄ_y）₃（Ａｌ_1-z-cＧａ_zＳｉ_c）₅Ｏ_12-cＮ_c：Ｃｅ_aＰｒ_b（式中、０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、０＜ｚ≦０．１、０＜ａ≦０．２、０＜ｂ≦０．１、及び０＜ｃ＜１）、及び、赤色の範囲の光を放出する、Ｓｒ₂Ｓｉ₅Ｎ₈：Ｅｕ²⁺などの一般式（Ｓｒ_1-x-yＢａ_xＣａ_y）_2-zＳｉ_5-aＡｌ_aＮ_8-aＯ_a：Ｅｕ_z ²⁺（式中、０≦ａ＜５、０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１、及び０＜ｚ≦１）を有する、アルミニウム・ガーネット蛍光体が挙げられる。適切なＹ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂：Ｃｅ³⁺セラミック・スラブは、ノースカロライナ州シャーロットのＢａｉｋｏｗｓｋｉ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから購入することができる。例えばＳｒＳｉ₂Ｎ₂Ｏ₂：Ｅｕ²⁺を含む（Ｓｒ_1-a-bＣａ_bＢａ_c）Ｓｉ_xＮ_yＯ_z：Ｅｕ_a ²⁺（ここで、ａ＝０．００２〜０．２、ｂ＝０．０〜０．２５、ｃ＝０．０〜０．２５、ｘ＝１．５〜２．５、ｙ＝１．５〜２．５、ｚ＝１．５〜２．５）と、例えばＳｒＧａ₂Ｓ₄：Ｅｕ²⁺を含む（Ｓｒ_1-u-v-xＭｇ_uＣａ_vＢａ_x）（Ｇａ_2-y-zＡｌ_yＩｎ_zＳ₄）：Ｅｕ²⁺と、例えばＳｒＢａＳｉＯ₄：Ｅｕ²⁺を含む（Ｓｒ_1-x-yＢａ_xＣａ_y）₂ＳｉＯ₄：Ｅｕ²⁺と、例えばＣａＳ：Ｅｕ²⁺及びＳｒＳ：Ｅｕ²⁺を含む（Ｃａ_1-xＳｒ_x）Ｓ：Ｅｕ²⁺（ここで、０≦ｘ１）と、例えばＣａＡｌＳｉＮ₃：Ｅｕ²⁺及びＣａＡｌ_1.04Ｓｉ_0.96Ｎ₃：Ｃｅ³⁺を含む（Ｃａ_1-x-y-zＳｒ_xＢａ_yＭｇ₂）_1-n（Ａｌ_1-a+bＢ_a）Ｓｉ_1-bＮ_3-bＯ_b：ＲＥ_n（ここで、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、０≦ａ≦１、０＜ｂ≦１、及び０．００２≦ｎ≦０．２であり、ＲＥは、ユーロピウム（ＩＩ）及びセリウム（ＩＩＩ）から選択される）と、例えばＣａ_0.75Ｓｉ_8.625Ａｌ_3.375Ｏ_1.375Ｎ_0.625：Ｅｕ_0.25を含むＭ_x ^v+Ｓｉ_12-(m+n)Ａｌ_m+nＯ_nＮ_16-n（ここで、ｘ＝ｍ／ｖであり、Ｍは、Ｌｉ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｙ、Ｓｃ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｆ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ、又はこれらの混合物で構成される群から選択されることが好ましい金属である）とを含む、他の緑色、黄色、及び赤色を放出する蛍光体もまた適している。

セラミック蛍光体は、粉末蛍光体の粒子の表面が軟化し始めて液体表面層が形成されるまで粉末蛍光体を高温で加熱することによって、形成することができる。部分的に溶融した粒子表面は、粒子同士が接合する「ネック」の形成につながる粒子間の物質移動を促進する。ネックを形成する物質の再分配は、焼結中に粒子の収縮を引き起こし、粒子の硬い塊を生成する。内部に残る孔が少ない多結晶セラミック層を形成するためには、一軸加圧ステップ又は等方圧加圧ステップと、予め形成された「グリーン体」又は予め硬化された焼結セラミック（ｓｉｎｔｅｒｅｄ ｐｒｅｄｅｎｓｉｆｉｅｄ ｃｅｒａｍｉｃ）の真空焼結が必要となる。セラミック蛍光体の透光性、すなわちセラミック蛍光体が生成する散乱量は、加熱条件又は加圧条件の調整、製造方法、用いられる蛍光体粒子の前駆体、及び蛍光体材料の適切な結晶格子よって、高不透明度から高透明度まで制御することができる。例えばセラミックの形成を容易にしたり、セラミックの屈折率を調整するために、蛍光体以外に、アルミナなどの他のセラミック形成材料を含ませることができる。例えばオキソニトリドシリケート蛍光体及びニトリドシリケート蛍光体といった２つの別個の粉末蛍光体材料を共焼成（ｃｏｆｉｒｅ）することによって、２つ以上の結晶成分又は結晶とアモルファス若しくはガラス成分との組み合わせを含む多結晶複合材料を形成することもできる。

光学的不連続のない単一の大きな蛍光体粒子として光学的に機能する薄膜とは異なり、発光セラミックは、密集した個々の蛍光体粒子として機能し、その結果、異なる蛍光体粒子間の界面に小さな光学的不連続が存在する。そのため、発光セラミックは、光学的にほぼ均質であり、発光セラミックを形成する蛍光体材料と同じ屈折率を有する。コンフォーマルな蛍光体層又は樹脂などの透明材料内に配置された蛍光体層とは異なり、発光セラミックは、一般に蛍光体自体以外の（有機樹脂又はエポキシといった）バインダ材料を必要とせず、そのため、個々の蛍光体粒子間に空隙又は異なる屈折率の材料がほとんど存在しない。結果として、コンフォーマルな蛍光体層とは異なり、発光セラミックは透明又は透光性である。

２００５年３月１４日に出願され、発明の名称を「Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ−Ｃｏｎｖｅｒｔｅｄ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｅｖｉｃｅ」とし、引用によりここに組み入れられる米国特許出願第１１／０８０，８０１号には、ＩＩＩ族窒化物デバイスが成長できる複合基板内のホスト基板として、発光セラミックを用いることが記載されている。

こうしたデバイスが、図２に示されている。発光セラミック５２は、ウェハ接合によって直接的に、又は中間接合層（図示せず）を通して、核生成構造体５８と発光セラミックとの間の界面における接合部５６によって核生成構造体５８に接合される。接合層が用いられる場合には、接合層は、該接合層が適用されるＩＩＩ族窒化物層の屈折率と発光セラミックの屈折率との間の屈折率を有することが好ましいが、より低い屈折率を持つ接合層を用いることもできる。次いで、核生成構造体上に、ｎ型領域１０とｐ型領域１２との間に堆積された発光領域１４を含むエピタキシャル層を成長させる。発光領域１４及びｐ型領域１２の一部をエッチングによって除去して、ｎ型領域１０の一部を露出させ、その上にｎ−コンタクト１８を形成する。すべての発光がセラミック蛍光体の方向に向けられるように、ｐ型領域１２の残りの部分の上に反射型ｐ−コンタクト２０を形成する。変換されずにセラミック蛍光体から逃れる活性層からの発光の量を制御するために、分布ブラッグ反射板などの任意の反射板（図示せず）をＩＩＩ族窒化物デバイス層と反対側のセラミック蛍光体表面に設けることができる。反射板に代えて、デバイス層と反対側のセラミック蛍光体５２の表面を、粗くするか、テクスチャ加工（ｔｅｘｔｕｒｅｄ）するか、又は成形して、光の取り出しを向上させることができる。

図２の発光セラミック５２は、デバイス層１０、１２、及び１４の成長並びに次のウェハ製造プロセスに必要な機械的剛性を与えるために、比較的厚く、例えば５００μｍより厚くしなければならない。こうした厚いセラミック蛍光体を形成するには、セラミックを形成するための高圧高温処理とその後の研削及び研磨とを必要とし、そのすべてがコストのかかるプロセスになり得る。

本発明の実施形態によれば、半導体発光デバイスのＩＩＩ族窒化物デバイス層は、発光セラミックとホストとを含む複合基板に接続される。発光セラミック層は、薄くすることができ、例えば２００μｍの厚さ又はそれより薄くすることができる。本発明のいくつかの実施形態においては、複合基板は、上にデバイス層が成長する成長基板である。本発明のいくつかの実施形態においては、複合基板は、従来の成長基板上にデバイス層を成長させた後に、該デバイス層に取り付けられる。

図３は本発明の第１の実施形態を示すものであり、複合基板は、ＩＩＩ族窒化物デバイス層を成長させるための成長基板として用いられる。図３のデバイスにおいては、発光セラミック層３２が、複合成長基板３５のホスト３０に取り付けられている。発光セラミック層３２は、１から５００μｍまでの厚さ、５から２５０μｍまでの厚さ、又は５から５０μｍまでの厚さを有するものとすることができる。発光セラミックとホストの両方を含む複合基板を使用することには、所望のホスト特性と所望の発光特性とを分離することができるという利点がある。例えば、ホスト３０は、サファイアとすることができ、発光セラミック層３２は、高濃度にドープされ、それに応じて数ミクロンのオーダの薄さとすることができる。ドープ・レベルの増加によって、発光セラミック層の屈折率の虚数成分が大きくなり、このことが、全内部反射を損なうことによりデバイスから発光セラミック内に取り出される光の量を増加させる。ホスト３０はデバイスを機械的に支持するため、発光セラミック層３２は、薄くして高濃度にドープすることができる。ホスト３０がなければ、発光セラミック層３２は、この機械的支持を与えるのに十分な厚さとしなければならず、結果として、高濃度ドープすることができない。

ホスト３０は、基板３５の上にデバイス層を成長させ、成長後にデバイスを処理するのに必要な条件に耐え得るいずれかの材料とすることができる。複合基板３５の平坦性からの逸脱を最小にするために、いくつかの実施形態においては、ホスト３０の厚さは、発光セラミック層３２の厚さの少なくとも１０倍とする。ホスト３０は、発光セラミック３２及び基板３５の上に成長させた半導体デバイス層を機械的に支持する。ホスト３０がデバイスの一部として残る実施形態において、光がホスト３０を通してデバイスから取り出される場合には、ホスト３０は、少なくとも部分的に透明なものとすることができる。本発明の実施形態においては、デバイス内のエピタキシャル層の処理条件に耐え得る、半導体、セラミック、及び金属を含むいずれかの材料が適切である。適切な材料として、単結晶及び多結晶のＡｌ₂Ｏ₃、ＡｌＮ、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＡｌＯＮ、ＳｉＡｌＯＮ、ＭｇＡｌ₂Ｏ₄と、単結晶及びセラミックのＹ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂と、Ｍｏなどの金属とが挙げられる。

シード層３６は、上にデバイス層１０、１２、及び１４が成長する層であり、したがって、シード層３６は、上に半導体材料が、いくつかの実施形態においてはＩＩＩ族窒化物材料が、核生成することができる材料としなければならない。シード層３６は、多くの場合、約５０Åから１μｍまでの厚さである。いくつかの実施形態においては、シード層３６は、デバイス層の材料とＣＴＥ整合するものであり、一般に、デバイス層との格子整合性が適度に近い単結晶材料である。多くの場合、上にデバイス層が成長するシード層３６の上面の結晶方位は、ウルツ鉱型［０００１］ｃ面である。シード層３６が最終的なデバイスの一部として残る実施形態において、光がシード層３６を通してデバイスから取り出される場合には、シード層３６は、透明なもの又は薄いものとすることができる。適切な材料として、ＧａＮ、４ＨＳｉＣ、６ＨＳｉＣ、ＳｃＭｇＡｌＯ₄、ＺｎＯ、Ａｌ₂Ｏ₃、ＡｌＧａＮ、及びＩｎＧａＮが挙げられる。

発光セラミック３２をシード層３６に接合するために、１つ又はそれ以上の任意の接合層３４を用いることができる。接合層３４は、約１００Åから１μｍまでの厚さのものとすることができる。適切な接合層の例として、ＳｉＯ₂などのＳｉＯ_x、Ｓｉ₃Ｎ₄などのＳｉＮ_x、ＨｆＯ₂、それらの混合物、Ｍｏ、Ｔｉ、ＴｉＮ、その他の合金などの金属、及び、他の半導体又は誘電体が挙げられる。接合層３４は、発光セラミック層３２をシード層３６に接続するものであるため、接合層３４を形成する材料は、発光セラミック３２とシード３６との間で良好な接着性を提供するように選択される。接合層３４が最終的なデバイスの一部として残る実施形態においては、接合層３４は、透明なもの又は極めて薄いものとすることが好ましい。いくつかの実施形態においては、接合層３４を省いて、シード層３６を発光セラミック３２に直接接着することができる。

ｎ型領域１０、ｐ型領域１２、及び発光領域１４を含むデバイス層は、当該技術分野において知られている成長技術によって成長する従来のＩＩＩ族窒化物デバイス層である。ｎ型領域１０、ｐ型領域１２、及び発光領域１４の各々は、異なる組成及びドーパント濃度の多数の層を含むことができる。例えば、ｎ型領域１０及び／又はｐ型領域１２は、ドープするか又は意図的にドープしないバッファ層又は核生成層などの準備層、後の成長基板の剥離又は基板除去後の半導体構造体の薄層化を容易にするように設計される剥離層、及び、発光領域が光を効率的に放出するのに望ましい特定の光学的特性又は電気的特性のために設計されるデバイス層を含むことができる。発光領域１４は、１つ又はそれ以上の厚い発光層又は薄い発光層を含むことができる。適切な発光領域の例として、単一の厚い発光層を含む発光領域と、バリア層によって分離された多数の薄い量子井戸を含む多数の量子井戸発光領域とが挙げられる。シード層３６に隣接する半導体層の組成は、その格子定数又は他の特性、及び／又は、シード層３６の材料上に核生成する能力に応じて選択することができる。

図３に示されるデバイスは、図４に記載される方法によって形成することができる。ステージ４１においては、少なくとも１つの前駆蛍光体粉末が準備される。前駆蛍光体粉末は、成長した（ｔｏ−ｂｅ−ｇｒｏｗｎ）半導体発光デバイスの発光層によって放出される波長の光を吸収し、異なる波長の光を放出することが可能な蛍光体を形成することができる材料である。いくつの実施形態においては、前駆蛍光体粉末は、以下に説明される共焼成ステップ４５のような後のステップにおいて蛍光体を形成するように反応する、未反応の前駆体粉末を含む。

ステージ４２においては、前駆蛍光体粉末の各々からセラミック・スラリーが準備される。次いで、各々のセラミック・スラリーは、ステージ４３において、前駆蛍光体粉末及び／又は非発光材料並びに様々な添加剤の水分散液又は有機分散液とすることができるスラリーの薄い層を金属ベルトなどの構造体の上に成形することによって、セラミック・テープに加工される。次いで、スラリー層は、例えば赤外線加熱及び空気対流を用いて乾燥させられる。

任意のステージ４４において、多数のセラミック・テープを層状に重ねて、例えば層状のテープの面に垂直な方向に加熱圧縮することによって、スタックを形成することができる。スタック内の異なるセラミック・テープは、出発材料、組成、及び処理に応じて、発光スペクトル、散乱パラメータ、及び透過率を含む異なる光学的特性及び／又は機械的特性を有することになる。例えば、異なるセラミック・テープは、異なる色の光を放出する発光材料又は多数の色の光を放出する多数の発光材料を含むものとすることができ、いくつかのセラミック・テープは、発光材料を含まないものとすることができる。

単一のテープ又は層状のスタックは、他の構造体若しくは機能素子を組み込むか、又は組み立てることができる構造体を形成し、次いで個々のデバイスに分けるために、刻み切り込みを入れるか又は穴を空けることができる。

ステージ４１〜ステージ４４によって、単一のテープ又は層状のスタックの形態で、テープ成形セラミックグリーン体（ｔａｐｅ−ｃａｓｔ ｃｅｒａｍｉｃ ｇｒｅｅｎ ｂｏｄｙ）が得られる。ＹＡＧ：Ｃｅセラミックグリーン体の１つの具体的な例は、以下のように形成することができる：Ａｌ₂Ｏ₃、Ｙ₂Ｏ₃及びＣｅＯ₂の粉末を高純度アルミナ・ボールと共にエタノール中で４時間混合することによって、少なくとも０．２μｍの平均粒子直径を持つ、２％ＣｅでドープされたＹＡＧ粉末を準備する。次いで、破砕されたスラリーを、還元雰囲気中において１３００℃で乾燥及び焼成する。次いで、得られた粉末を、０．５重量％テトラエトキシシランを含むエタノール中で６時間、高純度アルミナ・ボールと共に再び破砕する。乾燥後、セラミック粉末を脱塩水中に再び分散させる。スラリーの固形分を６６重量％に調整する。スラリーを篩にかけた後、バインダ溶液と、適切な可塑剤と、湿潤剤と、消泡剤とを加えて、以下の表１に示されるようなスリップ、すなわち、バインダ系が加えられた粉末と溶媒のセラミック・スラリーを形成する。バインダとして、重量平均重合度４３００及び加水分解率９８．４％に相当する平均分子量１９５ｋｇ／ｍｏｌを有するポリビニルアルコールが用いられる。代替的に、スリップ調製のために、有機バインダ系、例えばエタノール／トルエン混合溶媒と、バインダとしてポリビニルブチラールと、解膠剤としてメンヘーデン油と、可塑剤としてポリエチレングリコール及びジオクチルフタラートとを有するバインダ系を用いることができる。

次いで、スリップは、封入された気泡によってテープに孔が生じるのを防ぐために、真空中で脱ガスされる。バッチ式ドクタ・ブレード装置を用いて、グリーン体厚４５μｍのグリーンテープをガラス板の上に成型する。その後、濡れたスリップ層を炉内において６０℃で３０分間乾燥させる。

図４に戻ると、ステージ４５において、セラミックグリーン体は、ホストに隣接して配置され、次いで、発光セラミックをホストに取り付けるために、例えば真空焼結、無加圧焼結、又は一軸加熱プレスによって共焼成される。例えば、ＹＡＧ：Ｃｅセラミックグリーン体をサファイア・ホスト材料と重ね、セラミック・バインダを５００℃から６００℃で空気中で燃焼させ、次いで、スタックを加圧ダイに送る。次いで、スタックは、１５００℃から１８００℃で２時間から１２時間の間、真空加熱プレスされる。加熱プレス後、共焼成されたスタックは、２時間から１２時間の間、空気中において１３５０℃でポストアニールされる。

ホスト及びセラミックグリーン体が一緒に共焼成されるので、共焼成中のセラミックグリーン体の結晶粒成長及び結晶再配列によって発光セラミックとホストとの間に大きな接触面積がもたらされるため、共焼成前のコストのかかる接触面の研磨は必要ない。発光セラミックとホストとの間の、焼結中の接触面積及び最終的な接合強度は、共焼成中の接触面に垂直に一軸加圧を与えることによって大きくすることができる。

ステージ４６において、共焼成後に、接合された発光セラミック及びホストは、構造体の機械的特性及び光学的特性を改善するために、必要に応じて、例えばアニーリング又は表面研磨によってさらに処理することができる。

ステージ４７において、接合された発光セラミック及びホストにシード層が取り付けられる。図３のシード層３６は、図５〜図７に示されるように取り付けることができる。図５〜図７は、シード層のためのバルク材料、例えばＳｉＣ、Ａｌ₂Ｏ₃、ＺｎＯのシード層と、場合によってはＡｌＮなどのいくつかのＩＩＩ族窒化物層とを持つ基板が、容易に利用可能なときに、シード層を取り付けることを示す。図５に示されるように、接合層及び発光セラミックに適した従来技術によって、接合された発光セラミック／ホスト構造体３７の上に接合層３４が形成される。例えば、ＳｉＯ₂接合層３４を、例えば化学気相成長法などの堆積技術によって発光セラミック３２の上に堆積させることができる。いくつかの実施形態においては、接合層３４は、堆積ステップの後に、接合層３４を平坦にする機械研磨などの技術によって処理することができる。

次いで、図６に示されるように、シード層材料３６Ａの厚いウェハが、接合層３４の露出面に接合される。シード層材料ウェハ３６Ａもまた、接合層３４に対する強い接合を形成するために、平坦にされなければならない。構造体３７及びウェハ３６Ａは、高温かつ構造体３７及びウェハ３６Ａの接触面に垂直な圧力で、接合される。

次いで、シード層３６の所望の厚さを超えるシード層材料３６Ａの部分は、図７に示されるように、シード層３６の組成に適した技術６０によって除去される。例えば、Ａｌ₂Ｏ₃シード層材料は研削によって除去し、ＳｉＣシード層材料はエッチングによって除去することができる。結果として得られる構造体は、図３を参照して上述された複合基板３５である。

バルク材として容易に利用可能ではない材料のシード層を含むデバイスにおいては、例えば、ＭＯＣＶＤ又はＭＢＥなどのエピタキシャル技術によってサファイアなどの適切な成長基板上に成長させられるＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＮ、及びＡｌＮなどのＩＩＩ族窒化物シード層の場合には、シード層は別個に準備されなければならない。成長基板の上に適切な厚さのシード層材料を成長させた後に、シード層を発光セラミックに取り付けて、例えば、Ａｌ₂Ｏ₃成長基板の除去の場合にはレーザ・リフトオフ又はＳｉＣ成長基板の除去の場合にはエッチングなどといった、成長基板に適した技術によって、成長基板を除去することができる。

図４に戻ると、ステージ４８において、図３に示されるｎ型領域１０と発光領域１４とｐ型領域１２とを含む半導体デバイス層が、最終的な複合基板の上に成長させられる。

ステージ４９において、半導体構造体は、例えば、電気的コンタクトを追加し、デバイスのウェハを個々のダイにダイシングし、ダイをパッケージングすることによって、最終的なデバイスに加工される。いくつかの実施形態においては、ホスト３０は、ダイシングの前に、例えば２００μｍより薄い厚さまで薄層化することができる。図８は、加工後のフリップチップデバイスを示す。発光層を挟むｎ型領域及びｐ型領域の両方の部分がデバイスの同じ側に露出されるように、ｐ型領域１２及び発光領域１４の一部が除去される。これらの露出された部分に、電気的コンタクト８２及び８４が形成される。電気的コンタクト８２及び８４が反射型である場合には、構造体は、図８に示されるシード層基板３５を通して光が取り出されるように、コンタクト側を下にしてマウント８６の上に取り付けることができる。電気的コンタクト８２及び／又は８４が透明な場合には、デバイスは、光がコンタクト（図８には図示せず）を通して取り出されるように、コンタクト側を上にして取り付けることができる。

図１１は、複合基板がシード層を含まず、従来の成長基板上にデバイス層を成長させた後にデバイス層に取り付けられる、本発明の代替的な実施形態を示す。図９は、図１１のデバイスを形成する方法を示す。図４に関連して上述されたように、ステージ４１〜４６において、発光セラミック３２が準備され、ホスト３０に取り付けられる。ステージ９０において、ｎ型領域１０と活性領域１４とｐ型領域１２とを含むデバイス層を、Ａｌ₂Ｏ₃、ＳｉＣ、又はＧａＮなどの適切な成長基板９５の上に別個に成長させ、図１０に示される構造体９４が得られる。

図９のステージ９１において、ホスト３０及び発光セラミック３２を含む複合基板３７が、図１０における構造体９４の上面すなわちｐ型領域１２の表面に取り付けられる。発光セラミック３２とｐ型領域１２との間に、任意の接合層９６を形成することができる。

図９のステージ９２において、成長基板に適した技術によって、成長基板９５を除去することができる。複合基板３７は、成長基板の除去の際にデバイス層１０、１２、及び１４を機械的に支持する。成長基板９５が除去された後に、ｎ型領域１０の表面が露出される。次いで、ステージ９３において、構造体は最終的なデバイスに加工される。ｎ型領域１０及び活性領域１４の一部は、ｐ型領域１２の１つ又はそれ以上の部分を露出させるように、除去することができる。ｐ型領域１２の露出部分及びｎ型領域１０の残りの部分の上に、電気的コンタクト８２及び８４が形成される。いくつかの実施形態においては、電流はｐ型ＩＩＩ族窒化物層よりｎ型ＩＩＩ族窒化物層を通してより容易に流れるため、構造体９４は、最初にｐ型領域１２が成長基板９５の上に成長し、続いて発光領域１４及びｎ型領域１０が成長するように、成長する。こうしたデバイスでは、図１１に示される向きでみると、ｐ型領域１２がｎ型領域１０の下にあり、その結果、コンタクト８２はｎ型領域１０に接続し、コンタクト８４はｐ型領域１２に接続する。コンタクトが形成され、デバイスのウェハが個々のダイにダイシングされた後に、１つ又はそれ以上のダイを、図１１に示されるようにマウント８６に接続することができる。

図１２は、米国特許第６，２７４，９２４号により詳細に記載されているパッケージングされた発光デバイスの分解図である。放熱スラグ１００が、インサート成型されたリード・フレーム内に配置される。インサート成型されたリード・フレームは、例えば、電気経路を提供する金属フレーム１０６の周囲に成型された充填プラスチック材料１０５である。スラグ１００は、任意のリフレクタ・カップ１０２を含むことができる。上述の実施形態に記載されたデバイスのいずれかとすることができる発光デバイス・ダイ１０４は、上述のように、マウント１０３を介して直接的に又は間接的にスラグ１００に取り付けられる。任意のレンズとすることができるカバー１０８を追加することができる。

いくつかの実施形態においては、複合基板は、半導体デバイス層から間隔を置いて配置され、デバイス層を機械的に支持しない。例えば、プロジェクタのような用途においては、白色光を生成するために、発光セラミック及びホストを含む複合基板を用いて、半導体デバイス層の発光領域によって放出される光を変換することができる。ダイクロイックフィルタ又は光導体などの光学部品は、複合基板と半導体デバイス層との間に配置することができる。例えば光が空気中に取り出される場合には、発光セラミックの屈折率と周囲の屈折率とを整合させることによって、変換光の取り出しを改善するか又はポンプ光を吸収するように、ホストの屈折率を選択することができる。

本発明を詳細に説明したが、当業者であれば、本開示を所与のものとして、本明細書に記載された本発明の概念の趣旨から逸脱することなく、本発明に対する修正を行うことができることが分かるであろう。例えば、上述の実施形態は、ＩＩＩ族窒化物デバイスを説明するものであるが、いくつかの実施形態においては、ＩＩＩ族ＡｓＰ材料といった他のＩＩＩ−Ｖ族材料系などの他の材料系から、デバイス層を形成することができる。したがって、本発明の範囲を図示及び説明された特定の実施形態に限定することを意図するものではない。

従来技術の蛍光体変換型半導体発光デバイスを示す。 発光セラミックを含む複合基板の上に成長した半導体発光デバイスの断面図である。 本発明の実施形態に係る、発光セラミックを含む複合基板の上に成長した半導体発光デバイスの断面図である。 図３に示されるデバイスを形成する方法を示す。 ホスト、発光セラミック、及び接合層を示す。 シード層材料の厚いウェハに接合された図５の構造体を示す。 シード層材料の厚いウェハの一部を除去して所望の厚さシード層を残した後の複合基板を示す。 本発明の実施形態に係る半導体発光デバイスを示す。 図１１に示されるデバイスを形成する方法を示す。 本発明の実施形態に係る、成長基板の上に成長し、発光セラミックを含む複合基板に接合された半導体デバイス層の断面図である。 本発明の実施形態に係る半導体発光デバイスを示す。 パッケージングされた発光デバイスの分解図である。

符号の説明

１０：ｎ型領域
１２：ｐ型領域
１４：発光領域、活性領域
１８：ｎ−コンタクト
２０：ｐ−コンタクト
５２：発光セラミック
５６：接合部
５８：核生成構造体
３５：複合成長基板
３７：接合された構造体
８２、８４：電気的コンタクト
９４：構造体
１００：スラグ
１０２：リフレクタ・カップ
１０３：マウント
１０４：発光ダイオード・ダイ
１０５：充填プラスチック材料
１０６：金属フレーム
１０８：カバー

Claims (15)

1. ホストと、該ホストに接続され、発光材料を含み、厚さが５００μｍより薄いセラミック層とを含む複合基板と、
   前記複合基板に光学的に結合され、ｎ型領域とｐ型領域の間に堆積された発光層を含む半導体構造体と、
   を含み、
   前記複合基板と前記半導体構造体は、前記セラミック層が前記ホストと前記半導体構造体の間に配置されるように、光学的に結合されていることを特徴とする構造体。
2. 前記セラミック層の厚さは２５０μｍより薄いことを特徴とする、請求項１に記載の構造体。
3. 前記セラミック層の厚さは５０μｍより薄いことを特徴とする、請求項１に記載の構造体。
4. 前記ホストは、単結晶Ａｌ₂Ｏ₃、多結晶Ａｌ₂Ｏ₃、ＡｌＮ、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＡｌＯＮ、ＳｉＡｌＯＮ、ＭｇＡｌ₂Ｏ₄、単結晶Ｙ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂、セラミックＹ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂、金属、及びＭｏのうちの１つであることを特徴とする、請求項１に記載の構造体。
5. 前記発光材料は、（Ｌｕ_1-x-y-a-bＹ_xＧｄ_y）₃（Ａｌ_1-z-cＧａ_zＳｉ_c）₅Ｏ_12-cＮ_c：Ｃｅ_aＰｒ_b（ここで、０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、０＜ｚ≦０．１、０＜ａ≦０．２、０＜ｂ≦０．１、及び０＜ｃ＜１）、Ｌｕ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂：Ｃｅ³⁺、Ｙ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂：Ｃｅ³⁺、Ｙ₃Ａｌ_4.8Ｓｉ_0.2Ｏ_11.8Ｎ_0.2：Ｃｅ³⁺、（Ｓｒ_1-x-yＢａ_xＣａ_y）_2-zＳｉ_5-aＡｌ_aＮ_8-aＯ_a：Ｅｕ_z ²⁺（ここで、０≦ａ＜５、０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１、及び０＜ｚ≦１）、Ｓｒ₂Ｓｉ₅Ｎ₈：Ｅｕ²⁺、（Ｓｒ_1-a-bＣａ_bＢａ_c）Ｓｉ_xＮ_yＯ_z：Ｅｕ_a ²⁺（ここで、ａ＝０．００２〜０．２、ｂ＝０．０〜０．２５、ｃ＝０．０〜０．２５、ｘ＝１．５〜２．５、ｙ＝１．５〜２．５、ｚ＝１．５〜２．５）、ＳｒＳｉ₂Ｎ₂Ｏ₂：Ｅｕ²⁺、（Ｓｒ_1-u-v-xＭｇ_uＣａ_vＢａ_x）（Ｇａ_2-y-zＡｌ_yＩｎ_zＳ₄）：Ｅｕ²⁺、ＳｒＧａ₂Ｓ₄：Ｅｕ²⁺、（Ｓｒ_1-x-yＢａ_xＣａ_y）₂ＳｉＯ₄：Ｅｕ²⁺、ＳｒＢａＳｉＯ₄：Ｅｕ²⁺、（Ｃａ_1-xＳｒ_x）Ｓ：Ｅｕ²⁺（ここで、０≦ｘ≦１）、ＣａＳ：Ｅｕ²⁺、ＳｒＳ：Ｅｕ²⁺、（Ｃａ_1-x-y-zＳｒ_xＢａ_yＭｇ₂）_1-n（Ａｌ_1-a+bＢ_a）Ｓｉ_1-bＮ_3-bＯ_b：ＲＥ_n（ここで、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、０≦ａ≦１、０＜ｂ≦１、及び０．００２≦ｎ≦０．２、並びに、ＲＥ＝Ｅｕ²⁺又はＣｅ³⁺）、ＣａＡｌＳｉＮ₃：Ｅｕ²⁺、ＣａＡｌ_1.04Ｓｉ_0.96Ｎ₃：Ｃｅ³⁺、Ｍ_x ^v+Ｓｉ_12-(m+n)Ａｌ_m+nＯ_nＮ_16-n（ここで、ｘ＝ｍ／ｖ、及び、Ｍ＝Ｌｉ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｙ、Ｓｃ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｆ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ、又はこれらの混合物）、及び、Ｃａ_0.75Ｓｉ_8.625Ａｌ_3.375Ｏ_1.375Ｎ_0.625：Ｅ_0.25のうちの１つであることを特徴とする、請求項１に記載の構造体。
6. 前記発光層は、順方向バイアスをかけたときに第１のピーク波長の光を放出するように構成され、前記発光材料は、前記第１のピーク波長の光を吸収して第２のピーク波長の光を放出できることを特徴とする、請求項１に記載の構造体。
7. 前記半導体構造体は、前記複合基板の上に成長することを特徴とする、請求項１に記載の構造体。
8. 前記複合基板はシード層をさらに含み、前記セラミック層は前記ホストと前記シード層との間に堆積され、前記半導体構造体は前記シード層の上に直接成長することを特徴とする、請求項１に記載の構造体。
9. 前記シード層は、ＧａＮ、４ＨＳｉＣ、６ＨＳｉＣ、ＳｃＭｇＡｌＯ₄、ＺｎＯ、Ａｌ₂Ｏ₃、ＡｌＧａＮ、及びＩｎＧａＮのうちの１つであることを特徴とする、請求項８に記載の構造体。
10. 前記シード層と前記セラミック層との間に堆積された接合層をさらに含み、前記接合層は、前記シード層を前記セラミック層に取り付けるものであることを特徴とする、請求項８に記載の構造体。
11. 前記半導体構造体は、成長基板の上に成長し、前記セラミック層と前記半導体構造体との間の界面の接合部によって前記複合基板に接合されたことを特徴とする、請求項１に記載の構造体。
12. 前記セラミック層と前記半導体構造体との間に堆積された接合層をさらに含むことを特徴とする、請求項１１に記載の構造体。
13. 前記成長基板は、ＳｉＣ及びＡｌ₂Ｏ₃のうちの１つであることを特徴とする、請求項１１に記載の構造体。
14. ｐ型領域に電気的に接続された第１のコンタクトと、
    ｎ型領域に電気的に接続された第２のコンタクトと、
    をさらに含み、前記第１のコンタクト及び前記第２のコンタクトは、いずれも前記半導体構造体の同じ側に形成されたことを特徴とする、請求項１に記載の構造体。
15. ホストと、該ホストに接続され、発光材料を含み、厚さが５００μｍより薄いセラミック層とを含む複合基板を準備するステップと、
    ｎ型領域とｐ型領域の間に堆積された発光層を含む半導体構造体を、前記セラミック層が前記ホストと前記半導体構造体の間に配置されるように、前記複合基板に光学的に結合するステップと、
    を含むことを特徴とする方法。

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