JP5281068B2 - 白色発光素子及びその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体光電装置の分野に関するものであって、特に、白色発光ダイオードに関するものである。
発光ダイオード（ＬＥＤ）は、１９６０年代に発展した特殊なタイプの半導体ダイオードである。最も簡単な発光ダイオードの形態は、ｐｎ接合を形成するｐ型半導体とｎ型半導体からなる。電流がｐｎ接合を通過する時、電荷担体（ｃｈａｒｇｅ−ｃａｒｒｉｅｒ）、即ち電子と正孔（ｈｏｌｅ）を形成する。この過程で電子と正孔が結合し、光子（ｐｈｏｔｏｎ）の形式でエネルギーを放出する。現在の高性能のＬＥＤは、ｐ型とｎ型半導体領域間に挟まれた一層又は多層の発光層を有し、発光効能を改善する。また、この発光層構造は所望の発光波長を得るために使用される。ＬＥＤ装置の基本構造は、ダイ（ｄｉｅ）と呼ばれる小さい層状材料からなる。ダイは、電気コンタクト又はメカニカルサポートのためにフレームかベースボードに配置される。また、ダイは保護のために封入される。
ＬＥＤにとって、発光波長は、発光材料層のバンドギャップエネルギーで決定される。ＬＥＤの発光層に適する材料の一つは化合物半導体であり、近赤外線（ＩＲ）、可視光又は近紫外線（ＵＶ）に対応するバンドギャップエネルギーを有する。ＬＥＤの材料の一つであるＡｌＧａＩｎＰ（アルミニウムガリウムインジウムリン）は、高量子効率（ｑｕａｎｔｕｍ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）即ち、高輝度と可変色の特性を有する。（ＡｌｘＧａ１−ｘ）１−ｙＩｎｙＰ合金システムのバンドギャップは、化合物中のｘとｙ値によって変化する。ＡｌＧａＩｎＰ発光ダイオードの色範囲は緑色から赤色である。ＡｌＧａＩｎＰ発光ダイオードは、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）等のエピタキシャル成長により、格子整合のガリウムヒ素（ＧａＡｓ）基板上に形成されなければならない。
１９９０年代、窒化ガリウム（ＧａＮ）系の紫色、青色及び緑色ＬＥＤが続けて開発された。窒化ガリウムは、バンドギャップエネルギー３．４電子ボルト（ｅＶ）を有する直接バンドギャップ半導体である。窒化ガリウム（ＧａＮ）中の電子―正孔が再結合して発光する光子の波長は、紫外線（ＵＶ）の範囲である３６０ｎｍである。可視光波長ＬＥＤ（緑色、青色及び紫色）は、ＩｎｚＧａ１−ｚＮを発光層とし、且つ、ｐ型ＧａＮ層とｎ型ＧａＮ層間に挟まれる。ＩｎｚＧａ１−ｚＮ ＬＥＤシステムの発光波長λの変化は、化合物中のｚ値により変化する。例えば、純青色（波長λ＝４７０ｎｍ）では、ｚ値＝０．２である。同様に、窒化ガリウム（ＧａＮ）発光ダイオードは、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）等のエピタキシャル成長により、格子整合のサファイア又は炭化ケイ素
（ＳｉＣ）基板上に形成されなければならない。
熱心な取り組みにより、従来の光源を代替する白色ＬＥＤが開発され、現在の白色ＬＥＤは、以下の方式により達成される。
（１）個別の赤色、緑色及び青色ＬＥＤを“光源”中に設置すると共に、各種光学素子により、上述の個々のＬＥＤが発光する赤色、緑色及び青色を混合する。しかし、異なる色のＬＥＤが必要とする操作電圧は異なるので、多重制御回路が必要である。更には、異なる色のＬＥＤの寿命もそれぞれ異なる。長時間使用後、ＬＥＤは退化又は減成し、その混合光も明らかに変化する。
（２）りん光体により、一部の短波長の光を長波長の光に変換する。最もよく使用する方法の一つは、黄色のりん光粉を青色ＩｎＧａＮ ＬＥＤチップの周囲に設置するものである。黄色のりん光粉は、通常、セリウムをドープしたイットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ：Ｃｅ）結晶よりなる。ＩｎＧａＮ ＬＥＤチップが発光する青色光の一部は、ＹＡＧ：Ｃｅにより黄色に変換される。しかし、上述の方法が生成する白色発光は、青色と黄色の二種の色しか含まない。この種の光源は通常表示ランプとして用いられる。
（３）三つの基本色を有する白色発光を生成するために、極短波長のＬＥＤにより生成されるＵＶ光を利用し、異なる色のりん光体を励起する。この方法の欠点は、ＵＶ ＬＥＤの寿命が短いことである。更に、ＬＥＤからのＵＶ照射は人体に有害であり、今日、一般的に最も使用されている封止材料は、ＵＶ照射を阻止するのに効率的ではない。
高性能で色度の好ましい白色ＬＥＤ光源を発展させる多くの試みがなされてきている。非特許文献１（“「高輝度ＬＥＤのフォトンリサイクリング化合物」、Ｇｕｏ等、半導体６（４） ２０００年５月／６月”）は、高輝度の白色発光ダイオードを光子の再利用の
概念で製造することを開示する。フォトンリサイクリングは、短波長の光子が発光材料により吸収される工程で長波長の光子を再発光する方法である。基本的に、フォトンリサイクリング半導体（ＰＲＳ）ＬＥＤは、３３０ルメン／ワット（ｌｕｍｅｎ／ｗａｔｔ）以上の白色光を効率的に生み出す。しかし、ＰＲＳ−ＬＥＤの欠点は、演色評価数（ｃｏｌｏｒ ｒｅｎｄｅｒｉｎｇ ｉｎｄｅｘ）が極めて低いことである。
非特許文献１に開示されている二重色（デュアルカラー）ＰＲＳ−ＬＥＤは、第一光源と第二光源からなる。第二光源は第二発光層を有する。第一光源は青色光を生成するのに用いられる。生成された青色光は第二発光層に導かれ、青色光の一部は吸収され、再発光（ｒｅ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ）の過程で黄色光を生成する。基本的に、ＰＲＳ−ＬＥＤの二重色光子製造は、りん光材料を塗布したＬＥＤに類似する。しかし、りん光材料を塗布したＬＥＤと異なるのは、第二光源はりん光半導体材料（ＡｌＧａＩｎＰ）を含み、直接、第一光源ウェハ上に結合することである。これにより、ウェハ上に二重色ＰＲＳ−ＬＥＤを形成することができる。図２９は、非特許文献１に基づくＰＲＳ−ＬＥＤの構造図である。図２９に示されるように、ＰＲＳ−ＬＥＤ１は、サファイアより作られる透明基板１
８からなる。第一光源１１及び第二光源２１は、サファイア基板の反対側に位置する。第一光源１１は、ｐ型ＧａＮ層１２、ＩｎＧａＮからなるアクティブ層１４及びｎ型ＧａＮ層１６からなる。これら各層は、エピタキシャル成長によりサファイア基板１８上に形成される。第二光源２１は、主にＡｌＧａＩｎＰ層２２からなる。ＡｌＧａＩｎＰ層は、ＧａＡｓ基板（図示しない）上にエピタキシャル成長し、その後、接合材料２０によりサファイア基板１８上に接合される。ＧａＡｓ基板は、続いて化学機械研磨及び選択的ウェットエッチングにより除去される。第一光源をパターン化した後、アルミ二ウムからなるｎ型コンタクト３６がｎ型ＧａＮ層１６領域上に堆積され、ｐ型コンタクト３２はｐ型ＧａＮ層１２領域上に堆積される。
第一光源の出力は、電流注入によりアクティブ層１４に生成され、第一光源の波長は約４７０ｎｍである。操作時、第一光源が発光する一部の光子は、ＡｌＧａＩｎＰ層２２により吸収されると共に、そこで長波長の光子として再発光（又は再利用）される。ＡｌＧａＩｎＰ層２２の組成は、再発光の波長が約５７０ｎｍ（黄色）を選択する。第一光源及び第二光源の発光色が相補するので、結合後の光出力は人の肉眼では白色として現れる。上述のＰＲＳ−ＬＥＤ構造から、白色光は４７０ｎｍ（青色）及び５７０ｎｍ（黄色光）の発光ピークを含み、赤色（６５０ｎｍ以下）は発光されない。
上述の方法により生成する混合光は、肉眼では白色である。しかし、混合光は、例えば、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）等の高品質のカラーディスプレイに要求される色度を有しない。
よって、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）及び青色（Ｂ）の三色の波長素子を有する半導体光源を提供することが有利でありまた必要である。
従って、本発明の目的は、色度が改善され、発光効率を向上させた白色光源の製造方法、白色発光素子及びその製造方法を提供することにある。
本発明は、白色発光素子において、第一ＰＲＳ−ＬＥＤの色成分と第二ＰＲＳ−ＬＥＤの異なった色成分を混合し白色発光を生み出す。第一ＰＲＳ−ＬＥＤは、青色光を発光する第一光源と青色光に感応して赤色光を発光する第二光源とからなる。第二ＰＲＳ−ＬＥＤは、緑色光を発光する第一光源と緑色光に感応して赤色光を発光する第二光源とからなる。各々の第一光源は、ｐ型ＧａＮ層とｎ型ＧａＮ層に配置されたＩｎＧａＮ層から形成される。第二光源は、ＡｌＧａＩｎＰ又はＧａｘＩｎ１−ｘＰから形成される。第一光源及び第二光源は、サファイア基板の反対側に配列される。択一的に、第二光源は、第一光源のｎ型ＧａＮ層上に配列される。第二光源は、同一又は異なった組成のＡｌＧａＩｎＰのマイクロロッドを含む。また、ＡｌＧａＮは、Ｐ型ＧａＮ又はｎ型ＧａＮに代えて使用できる。
本発明は、白色光源の製造方法であって、前記白色光源は、少なくとも青色光成分、緑色光成分及び赤色光成分からなり、前記方法は、青色光する第一光源と前記青色光成分から変換される一部の赤色光成分を発光する第二光源とからなる第一発光素子を提供する工程と、前記第一発光素子に隣接し、緑色光成分を発光する第一光源と前記緑色光成分から変換される一部の赤色光成分を発光する第二光源とからなる第二発光素子を設置する工程と、前記第一発光素子が発光する青色光成分及び前記一部の赤色光成分と、前記第二発光素子が発光する緑色光成分及び前記一部の赤色光成分とを結合して、白色発光を生成する工程と、からなることを特徴とする白色光源の製造方法を提供する。
本発明は、白色発光素子であって、発光する白光は、少なくとも一つの青色光成分、緑色光成分及び赤色光成分からなり、前記発光素子は、封止板と、前記封止板上に設置され、前記青色光成分を発光する第一光源及び前記青色光成分から変換される一部の赤色光成分を発光する第二光源とからなる第一発光素子と、前記封止板上に設置され、前記第一発光素子に隣接し、前記緑色光成分を発光する第一光源及び前記緑色光成分から変換される一部の赤色光成分を発光する第二光源とからなる第二発光素子と、からなることを特徴とする白色発光素子を提供する。
本発明は、白色発光素子の製造方法であって、青色光発光ＬＥＤ構造を第一透明基板上に形成する工程と、緑色光発光ＬＥＤ構造を第二透明基板上に形成する工程と、一部の前記第一及び第二透明基板を除去し、前記青色光発光ＬＥＤ構造または前記緑色光発光ＬＥＤ構造の形成面に垂直する方向の厚さを減少させる工程と、赤色光発光層を半導体基板に形成する工程と、前記赤色光発光層を前記第一及び第二透明基板のもう一面に結合して、それぞれ青色光及び赤色光発光層構造と緑色光及び赤色光発光層構造を形成する工程と、前記半導体基板を結合後の構造中から除去する工程と、前記赤色光発光層をパターン化して複数のマイクロ構造を形成する工程と、結合後の青色光及び赤色光発光層構造と結合後の緑色光及び赤色光発光層構造を小さいダイに切断する工程と、少なくとも一つの青色光及び赤色光発光層構造のダイと緑色光及び赤色光発光層構造のダイを封止板上に取り付ける工程と、電気コンタクト部により、青色光及び赤色光発光層構造のダイと緑色光及び赤色光発光層構造のダイを電気的に接続する工程と、からなることを特徴とする白色発光素子の製造方法を提供する。
本発明は、白色発光素子の製造方法であって、青色光発光ＬＥＤ構造を第一透明基板上に形成する工程と、緑色光発光ＬＥＤ構造を第二透明基板上に形成する工程と、赤色光発光層を半導体基板に形成する工程と、前記赤色光発光層を前記青色光発光ＬＥＤ構造層及び前記緑色光発光ＬＥＤ構造層上に形成して、それぞれ青色光及び赤色光発光層構造と緑色光及び赤色光発光層構造を形成する工程と、前記半導体基板を結合後の構造中から除去する工程と、前記結合後の青色光発光ＬＥＤ構造層と前記緑色光発光ＬＥＤ構造層をパターン化すると共に、電気コンタクト部を提供する工程と、前記赤色光発光層をパターン化して所望のマイクロ構造を形成する工程と、前記結合後の青色光及び赤色光発光層構造と結合後の緑色光及び赤色光発光層構造を小さいダイに切断する工程と、少なくとも一つの青色光及び赤色光発光層構造のダイと緑色光及び赤色光発光層構造のダイを封止板上に取り付ける工程と、電気コンタクト部により、青色光及び赤色光発光層構造のダイと緑色光及び赤色光発光層構造のダイを電気的に接続する工程と、からなり、前記赤色光発光層は、複数のマイクロロッドを有し、各マイクロロッドは、成分の異なる２層構造を備え、それぞれ異なる波長の光を発光することを特徴とする白色発光素子の製造方法を提供する。
本発明によって、白色発光素子の色度が改善され、また発光効率を向上させることができる。
本発明の第一実施例による二重色ＬＥＤの製造工程を示し、第一光源を製造するために透明基板上に種々の材料層を配置した断面図である。 本発明の第一実施例による二重色ＬＥＤの製造工程を示し、各層がパターン化された断面図である。 本発明の第一実施例による二重色ＬＥＤの製造工程を示し、パターン化された層の上に電気コンタクトが配置された断面図である。 本発明の第一実施例による二重色ＬＥＤの製造工程を示し、透明基板の厚みが減じられた断面図である。 本発明の第一実施例による二重色ＬＥＤの製造工程を示し、半導体基板上にＡｌＧａＩｎＰ層がエピタキシャル成長により堆積した断面図である。 本発明の第一実施例による二重色ＬＥＤの製造工程を示し、透明基板の反対側にＡｌＧａＩｎＰ層が半導体物質と共に結合された断面図である。 本発明の第一実施例による二重色ＬＥＤの製造工程を示し、半導体物質が結合構造から除去され、第二光源としてのＡｌＧａＩｎＰから分離した断面図である。 本発明の第一実施例による二重色ＬＥＤの製造工程を示し、ＡｌＧａＩｎＰがエッチングされ、第二光源に複数のマイクロロッドを形成した断面図である。 本発明の第一実施例によるＡｌＧａＩｎＰ層のパターン化を示し、２段のマイクロロッドアレイを示す図である。 本発明の第一実施例によるＡｌＧａＩｎＰ層のパターン化を示し、１段のマイクロロッドアレイを示す図である。 本発明の第一実施例によるＡｌＧａＩｎＰ層のパターン化を示し、底部が頂部より大きい１段のマイクロロッドアレイを示す図である。 本発明の第一実施例によるＡｌＧａＩｎＰ層のパターン化を示し、頂部が底部より大きい１段のマイクロロッドアレイを示す図である。 本発明の第一実施例によるＡｌＧａＩｎＰ層のパターン化を示し、２層からなる２段のマイクロロッドアレイを示す図である。 二つの二重色ＬＥＤがパターン化されたＡｌＧａＩｎＰ層を有する本発明の第一実施例による白色発光素子の断面図である。 一つの二重色ＬＥＤだけがパターン化されたＡｌＧａＩｎＰ層を有する本発明の第一実施例による白色発光素子の断面図である。 各二重色ＬＥＤ上のＡｌＧａＩｎＰ層がどれも未エッチング層である本発明の第一実施例による白色発光素子の断面図である。 本発明の第一実施例により白色発光素子を製造する製造工程を示すフローチャートである。 本発明の第二実施例による二重色ＬＥＤの製造工程を示し、第一光源を製造するために透明基板上に種々の材料層を配置した断面図である。 本発明の第二実施例による二重色ＬＥＤの製造工程を示し、半導体基板上にＡｌＧａＩｎＰ層がエピタキシャル成長により堆積した断面図である。 本発明の第二実施例による二重色ＬＥＤの製造工程を示し、第一光源層の頂部層にＡｌＧａＩｎＰ層が結合された断面図である。 本発明の第二実施例による二重色ＬＥＤの製造工程を示し、半導体物質が結合構造から除去され、第二光源としてのＡｌＧａＩｎＰと分離した断面図である。 本発明の第二実施例による二重色ＬＥＤの製造工程を示し、パターン化された第一光源層及び第二光源層の断面図である。 本発明の第二実施例による二重色ＬＥＤの製造工程を示し、パターン化された層の上に電気コンタクトが配置された断面図である。 本発明の第二実施例による二重色ＬＥＤの製造工程を示し、ＡｌＧａＩｎＰ層をエッチングしている断面図である。 二つの二重色ＬＥＤが、パターン化されたＡｌＧａＩｎＰ層を有する本発明の第二実施例による白色発光素子の断面図である。 一つの二重色ＬＥＤだけがパターン化されたＡｌＧａＩｎＰ層を有する本発明の第二実施例による白色発光素子の断面図である。 各二重色ＬＥＤ上のＡｌＧａＩｎＰ層がどれも未エッチング層である本発明の第二実施例による白色発光素子の断面図である。 本発明の実施例により白色発光素子を製造する製造工程を示すフローチャートである。 従来技術に基づくＰＲＳ−ＬＥＤの構造図である。
白色光源中に、三原色である赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）及び青色（Ｂ）を含ませるために、本発明は、少なくとも二つの独立した二重色ＬＥＤを提供する。第一の二重色ＬＥＤは赤色及び青色を発光し、第二の二重色ＬＥＤは赤色及び緑色を発光する。そのようにして、混合後の光は、赤色、緑色及び青色を含む。本発明は、下記に示される二種の異なる方法により形成される二種の白色発光素子の実施例を提供する。
（第一実施例）
図１〜図８は、本発明の第一実施例による二重色ＬＥＤの製造工程を示す断面図である。
図１に示されるように、複数の材料層が透明基板上に配置されて第一光源構造を形成する。図１中、ｎ型ＧａＮ層１１６はサファイア基板１１８上にエピタキシャル成長する。例えば、青色発光ＩｎＧａＮ層１１４はｎ型ＧａＮ層１１６にエピタキシャル成長し、ｐ型ＧａＮ層１１２がＩｎＧａＮ層１１４にエピタキシャル成長する。そこで、図２で示されるように、上記結合された層をエッチングして複数の第一光源素子を形成する。
図３に参照されるように、複数の電気コンタクト１３６がｐ型層１１６上に供給され、複数の電気コンタクト１３２がｎ型層１１２上に供給される。続いて、図４で示されるように、サファイア基板１１８の厚さは約１００ｎｍまで減少する。
図５に参照されるように、別に、ＡｌＧａＩｎＰ層１２２はＧａＡｓウェハ基板１２８等の半導体基板上にエピタキシャル成長する。ＡｌＧａＩｎＰ層１２２は、例えばスピンオンガラス（ＳＯＧ）等の方法でサファイア基板１１８の背面に結合する。図６で示されるように、結合層１２０は、ＡｌＧａＩｎＰ層１２２とサファイア基板１１８間に形成される。本実施例中、第一光源層１１２、１１４及び１１６は青色光発光が選択される。従って、ＡｌＧａＩｎＰ層１２２は、第一光源から発光し、サファイア基板１１８を透過する青色光を吸収することによって、第二光源となる赤色光を生成するために選択される。
続いて、図７で示されるように、ＡｌＧａＩｎＰ層１２２を露出するために、１ＮＨ４ＯＨ：１Ｈ２Ｏ２：１０Ｈ２Ｏ溶液を利用したウェットエッチングプロセスによりＧａＡｓ基板１２８を除去する。続いて、処理後の層構造は複数のダイ１００に切断される。各ダイ１００の高さは、各材料層の厚さによって決まり、面積は例えば３００μｍ×３６５μｍである。注意すべきことは、ＡｌＧａＩｎＰ層１２２の厚さは、二重色ＬＥＤダイ１００ａの色と光出力に大きく影響することである。ＡｌＧａＩｎＰ層１２２の厚さが厚すぎると、青色光はＡｌＧａＩｎＰ層１２２の吸収により過度に減少する。ＡｌＧａＩｎＰ層１２２が薄すぎると、ＡｌＧａＩｎＰ層１２２は短波長を吸収する光子量が少なすぎ、再発光の過程で充分な量の赤色光を発光することができない。しかし、赤色光と青色光の相対量は部分的なＡｌＧａＩｎＰ層１２２を選択的に除去することにより調整される。図８を参照すると、各種ドライエッチングにより、ＡｌＧａＩｎＰ層１２２をパターン化して、パターン化されたＡｌＧａＩｎＰ層１２２ａを形成する。続いて、処理後の層構造は複数のダイ１００ａに切断される。注意すべきことは、本発明によれば、小さな各ダイ１００ａ又は１００は白色発光素子中の青色―赤色発光素子となることである。緑色―赤色発光素子を製造するために、ＩｎＧａＮ層を緑色発光層１１４’、ＡｌＧａＩｎＰ層を層１２２’とし、緑色光を吸収後、赤色光を再発光することを除いて、図１〜図８の同様の工程が採用される。
二重色ＬＥＤの発光効率を効率的に改善するために、ＡｌＧａＩｎＰ層１２２をパターン化する幾つかの方式を使用する。例えば、ＡｌＧａＩｎＰ層１２２を、図９で示されるような２段のマイクロロッドアレイにエッチングするか、図１０で示されるような１段のマイクロロッドアレイにエッチングする。１段のマイクロロッドは異なる形状に形成できる。例えば、図１１に示されるように、１段のマイクロロッドの底部は頂部より大きくてもいいし、図１２に示されるように、１段のマイクロロッドの頂部は底部より大きくてもいい。パターン化後のＡｌＧａＩｎＰ層は、符号１２２ａで示される。注意すべきことは、２段のマイクロロッドは、図９で示されるように、単一のＡｌＧａＩｎＰ成分に実質的に形成されることができることである。しかし、２段のマイクロロッドは、図１３で示されるように、異なるＡｌＧａＩｎＰ成分により構成される二層１２３ａ及び１２３ｂを形成することができる。例えば、一層が６３０ｎｍの光を発光し、もう一層が６７０ｎｍの光を発光する。二層の異なる組成は、色度を改善し白色発光素子の効能を更に向上させる。注意すべきことは、図９〜図１３に示されるマイクロロッドの形状及びサイズは、本発明の実施例を説明するためのものである。マイクロロッドは、一定の幾何学的形状を規則付け又は保有する必要はない。ＡｌＧａＩｎＰ層１２２をエッチングする主な目的は、二重色ＬＥＤの頂部を通過する第一発光源からの光と第二発光源の光の相対量を調節することである。
図１４は、本発明の実施例の白色発光素子を示す図である。図１４中、白色発光素子３００は、少なくとも一つの青色―赤色発光ＬＥＤ１００ａ及び緑色―赤色発光ＬＥＤ１００ａ’を有する。ＬＥＤ１００ａ及び１００ａ’は、基板１８０上の様々な導電部１７２、１７４及び１７６に取り付けられる。電気コンタクト１５２及び１５６とワイヤボンド１６２及び１６６が、更に、基板上に形成されてＬＥＤに直列に接続する電流を提供する。図１５で示されるように、本発明のもう一つの実施例によると、一つの二重色ＬＥＤだけが、パターン化されたＡｌＧａＩｎＰ層１２２ａを有する。図１６で示されるように、各二重色ＬＥＤ１００ａ及び１００ａ’上のＡｌＧａＩｎＰ層１２２は未エッチング層であることも可能である。
図１７は、本発明により白色発光素子３００を製造する方法を示すフローチャートである。図１７のフローチャート５００において、工程５１０で、青色ＬＥＤ構造層をサファイア基板上に形成し（図１参照）、緑色ＬＥＤ構造層をもう一つのサファイア基板上に形成する。工程５２０で、サファイア基板の厚さを減少させる（図４参照）。工程５３０で、赤色発光薄フィルム層を半導体基板上に形成する（図５参照）。工程５４０で、赤色発光薄フィルム層をサファイア基板の異なった面に結合する（図６参照）と共に、工程５５０で、半導体基板を結合後の構造から除去する（図７参照）。選択的工程５６０で、赤色発光薄フィルム層をパターン化することが望ましい（図８参照）。工程５７０で、結合後の青色―赤色発光層構造及び結合後の緑色―赤色発光層構造を小さいダイに切断する。工
程５８０において、少なくとも一つの青色―赤色発光層構造及び緑色―赤色発光層構造が基板上に取り付けられ、工程５９０で、電気コンタクトが各ダイに提供される（図１４〜図１６参照）。
（第二実施例）
図１８〜図２４は、本発明の第二実施例による二重色ＬＥＤの製造工程を示す断面図である。
図１８に示されるように、複数の材料層が透明基板上に配置されて第一光源構造を形成する。図１８中、ｎ型ＧａＮ層１１６は、サファイア基板１１８上にエピタキシャル成長する。例えば、ＩｎＧａＮである青色光発光層１１４はｎ型ＧａＮ層１１６上にエピタキシャル成長させ、ｐ型ＧａＮ層１１２はＩｎＧａＮ層１１４上にエピタキシャル成長させる。
図１９を参照すると、別にＡｌＧａＩｎＰ層１２２は、半導体基板、例えばＧａＡｓウェハ基板１２８等上にエピタキシャル成長される。図２０に示されるように、ＡｌＧａＩｎＰ層１２２は、第一光源構造の頂部にあるｐ型ＧａＮ層１１２上に結合する。結合層１２０は、図２０に示されるように、ＡｌＧａＩｎＰ層１２２とｐ型ＧａＮ層１１２間に形成される。本実施例中、第一光源構造層１１２、１１４及び１１６は青色光を発光することが選択される。よって、ＡｌＧａＩｎＰ層１２２は、第一光源層が発光する一部の青色光をサファイア層を通して吸収することにより、第二光源となる赤色光を製造するのに選択される。
次に、図２１で示されるように、ＡｌＧａＩｎＰ層１２２を露出するために、１：９ＮＨ４ＯＨ溶液を利用したウェットエッチングプロセスにより、半導体層１２８を除去する。ウェットエッチング処理後の結合構造を更にエッチングして、図２２に示されるような複数の二重色ＬＥＤ素子を形成する。そして、図２３に示されるように、電気コンタクト１３２及び１３６を対応するｐ型ＧａＮ層１１２及びｎ型ＧａＮ層１１６上に形成する。処理後の構造を複数のダイ１０５に切断する。ＡｌＧａＩｎＰ層１２２を通過する第一光源及び第二光源の発光する光の相対量を調節するために、部分的なＡｌＧａＩｎＰ層１２２を選択的に除去することが好ましい。図２４を参照すると、各種ドライエッチングにより、ＡｌＧａＩｎＰ層１２２をパターン化して、パターン化ＡｌＧａＩｎＰ層１２２ａを
形成する。さらに、処理後の層構造を複数の小さなダイ１０５ａに切断する。本発明の実施例によると、各ダイ１０５及び１０５ａは、白色発光素子中の青色―赤色発光素子として用いられる。緑色―赤色発光素子を製造するために、ＩｎＧａＮ層を緑色発光層１１４’、赤色光を再発光するためのＡｌＧａＩｎＰ層を１２２’とすることを除いて、図１８〜図２４の同様の工程を利用し、緑色光を吸収後、赤色光を発光する。
図２５は、本発明の第二実施例による白色発光素子４００を示す図である。図２５中、白色発光素子４００は、少なくとも一つの青色―赤色ＬＥＤ１０５ａ及び緑色―赤色ＬＥＤ１０５ａ’を有する。ＬＥＤ１０５ａ及び１０５ａ’は基板１９０上に取り付けられる。電気コンタクト１５４及び１５８とワイヤボンド１６４、１６７及び１６８は、更に、基板１９０と電気コンタクト１３２及び１３６上に形成されて、ＬＥＤに直列に接続する電流を提供する。図２６で示されるように、択一的に、一つの二重色ＬＥＤだけがパターン化されたＡｌＧａＩｎＰ層１２２ａを有する。図２７で示されるように、各々の二重色ＬＥＤ１０５ａ及び１０５ａ’上のＡｌＧａＩｎＰ層１２２は、未エッチング層であることも可能である。
図２８は、本発明の実施例により白色発光素子４００を製造する方法を示すフローチャートである。図２８のフローチャート６００において、工程６１０で、青色ＬＥＤ構造層をサファイア基板上に形成し（図１８参照）、緑色ＬＥＤ構造層をもう一つのサファイア基板上に形成する。工程６２０で、赤色発光薄フィルム層を半導体基板上に形成する（図１９参照）。工程６３０で、赤色発光薄フィルム層を第一光源層上に結合する（図２０参照）。工程６４０で、半導体基板を結合後の構造から除去する（図２１参照）。工程６５０で、結合後の第一発光層及び第二発光層がパターン化されると共に、電気コンタクトが提供される（図２２及び図２３参照）。選択的な工程６６０で、赤色発光薄フィルム層をパターン化することが望ましい（図２４参照）。工程６７０で、結合後の青色―赤色発光
層構造及び緑色―赤色発光層構造を小さいダイに切断する。工程６８０で、少なくとも一つの青色―赤色発光層構造及び緑色―赤色発光層構造が基板上に取り付けられ、工程６９０で、電気コンタクトを各ダイに提供する（図２５〜図２７参照）。
注意すべきことは、各二重色ＬＥＤ１００、１０５、１００’及び１０５’は、第一光源と第二光源を有することである。二重色ＬＥＤ１００及び１００’中、第一光源と第二光源を透明基板１１８の異なった面に設置する。第一光源の光が、透明基板１１８で吸収されて輝度が損失するのを減じるため、透明基板１１８の厚さを１００μｍまで減少させなければならない。本二重色ＬＥＤ１０５及び１０５’中、第一光源及び第二光源は、透明基板１１８の同一面に設置されると共に、第二光源は第一光源の頂部に設置される。これにより透明基板１１８の厚さを減少させる必要がない。
赤色発光層１２２（例えば、図５〜図１６及び図１９〜図２４）は、ＧａｘＩｎ１−ｘＰ材料で、０＜ｘ＜１、好ましくは０.３＜ｘ＜０.７である。更に、ｐ型ＧａＮ層１１２は正孔源で、正孔をアクティブ層１１４に提供し、ｎ型ＧａＮ層１１６は電子源で、電子をアクティブ層１１４に提供し、一部の正孔と一部の電子はアクティブ層１１４で結合し、青色又は緑色光を生み出す。また、ＡｌＧａＮは、正孔源層１１２でｐ−ＧａＮに代えて、電子源層１１６でｎ−ＧａＮに代えて幾つかのケースで使用することができる。
要するに、本発明に係る白色発光素子は、少なくとも一つの青色―赤色ＬＥＤ及び緑色―赤色光ＬＥＤを有する。これらのＬＥＤ間は、直列の電気的接続が可能である。本発明の実施例中、二重色ＬＥＤは、基板上の反対面に設けられる第一光源及び第二光源を含む。本発明の他の実施例では、二重色ＬＥＤは、基板上に設けられた第一光源及び第一光源に結合された第二光源を含む。注意すべきことは、本発明によると、白色発光素子中、一つ以上の配置された青色―赤色光ＬＥＤを有する。同様に、白色発光素子中、一つ以上の配置された緑色―赤色光ＬＥＤを有する。白色発光素子中の二重色ＬＥＤの数量は、一部分は、所望の白色発光強度によって決まり、一部分はＲＧＢ中の光素子の相対量によって決まる。
本発明では好ましい実施例を前述の通り開示したが、これらは決して本発明に限定するものではなく、当該技術を熟知する者なら誰でも、本発明の精神と領域を脱しない範囲内で各種の変化、省略及び偏差を加えることができ、従って本発明の保護範囲は、特許請求の範囲で指定した内容を基準とする。
本発明によって、色度が改善され、発光効率を向上させた白色発光素子が得られる。従って、本発明は、液晶ディスプレイ等の高品質カラーディスプレイに使用される白色発光ダイオードとして好適である。
１…ＰＲＳ−ＬＥＤ構造
１１…第一光源
１２…ｐ型ＧａＮ層
１４…アクティブ層
１６…ｎ型ＧａＮ層
１８…サファイア基板
２０…接合材料
２１…第二光源
２２…ＡｌＧａＩｎＰ層
３２…ｐ型コンタクト
３６…ｎ型コンタクト
１００ａ、１００ａ’、１００ｂ、１０５、１０５’、１０５ａ、１０５ａ’…ＬＥＤダイ
１１２…ｐ型ＧａＮ層
１１４…ＩｎＧａＮ層
１１４’…緑色発光層
１１６…ｎ型ＧａＮ層
１１８…サファイア基板（透明基板）
１２０…結合層
１２２、１２２’…ＡｌＧａＩｎＰ層
１２２ａ、１２２ａ’…パターン化されたＡｌＧａＩｎＰ層
１２３ａ、１２３ｂ…異なる組成のＡｌＧａＩｎＰ層
１２８…ＧａＡｓウェハ基板
１３２…ｐ型コンタクト
１３６…ｎ型コンタクト
３００、４００…白色発光素子
１４２、１４６、１５２、１５４、１５６、１５８…電気コンタクト
１６２、１６４、１６６、１６７、１６８…ワイヤボンド
１７２、１７４、１７６…導電部
１８０、１９０…基板
５００…製造フローチャート
５１０〜５９０…製造工程
６００…製造フローチャート
６１０〜６９０…製造工程

Claims (17)

  1. 白色発光素子の製造方法であって、
    青色光発光ＬＥＤ構造を第一透明基板上に形成する工程と、
    緑色光発光ＬＥＤ構造を第二透明基板上に形成する工程と、
    一部の前記第一及び第二透明基板を除去し、前記青色光発光ＬＥＤ構造または前記緑色光発光ＬＥＤ構造の形成面に垂直する方向の厚さを減少させる工程と、
    赤色光発光層を半導体基板に形成する工程と、
    前記赤色光発光層を前記第一及び第二透明基板のもう一面に結合して、それぞれ、青色光及び赤色光発光層構造と緑色光及び赤色光発光層構造を形成する工程と、
    前記半導体基板を結合後の構造中から除去する工程と、
    前記赤色光発光層をパターン化して複数のマイクロ構造を形成する工程と、
    結合後の青色光及び赤色光発光層構造と結合後の緑色光及び赤色光発光層構造を小さいダイに切断する工程と、
    少なくとも一つの青色光及び赤色光発光層構造のダイと緑色光及び赤色光発光層構造のダイを封止板上に取り付ける工程と、
    電気コンタクト部により、青色光及び赤色光発光層構造のダイと緑色光及び赤色光発光層構造のダイを電気的に接続する工程と、
    からなることを特徴とする白色発光素子の製造方法。
  2. 前記青色光発光ＬＥＤ構造は、
    第一アクティブ層と、
    複数の正孔を前記第一アクティブ層に提供する正孔源層と、
    複数の電子を前記第一アクティブ層に提供して、少なくとも一部の複数の電子と少なくとも一部の複数の正孔を前記第一アクティブ層で結合して、青色光を生成する電子源層と、
    からなり、これにより一部の複数の電子と一部の複数の正孔を前記第一アクティブ層で結合して、青色光を生成し、
    前記緑色光発光ＬＥＤ構造は、
    第二アクティブ層と、
    複数の正孔を前記第二アクティブ層に提供する正孔源層と、
    複数の電子を前記第二アクティブ層に提供して、少なくとも一部の複数の電子と少なくとも一部の複数の正孔を前記第二アクティブ層で結合して、緑色光を生成する電子源層と、
    からなり、これにより一部の複数の電子と一部の複数の正孔を前記第二アクティブ層で結合して、緑色光を生成する請求項１に記載の白色発光素子の製造方法。
  3. 前記第一及び前記第二アクティブ層は、実質的にＩｎＧａＮから組成され、前記正孔源層は、実質的にｐ型ＧａＮから組成され、前記電子源層は、実質的にｎ型ＧａＮから組成される請求項２に記載の白色発光素子の製造方法。
  4. 前記赤色光発光層は、実質的にＡｌＧａＩｎＰから組成される請求項１に記載の白色発光素子の製造方法。
  5. 前記赤色光発光層は、実質的にＧａｘＩｎ１−ｘＰ（０＜ｘ＜１）から組成される請求項１に記載の白色発光素子の製造方法。
  6. 前記赤色光発光層は、複数のＡｌＧａＩｎＰ又はＧａｘＩｎ１−ｘＰ（０＜ｘ＜１）から組成されたマイクロロッド（ｍｉｃｒｏ−ｒｏｄ）を有する請求項１に記載の白色発光素子の製造方法。
  7. 前記赤色光発光層は第一ＡｌＧａＩｎＰ層及び第二ＡｌＧａＩｎＰ層から組成される複数のマイクロロッドを有し、前記第一ＡｌＧａＩｎＰ層は赤色光を発出し、前記第二ＡｌＧａＩｎＰ層は、もう一つの赤色光を発光する請求項１に記載の白色発光素子の製造方法。
  8. 白色発光素子の製造方法であって、
    青色光発光ＬＥＤ構造を第一透明基板上に形成する工程と、
    緑色光発光ＬＥＤ構造を第二透明基板上に形成する工程と、
    赤色光発光層を半導体基板に形成する工程と、
    前記赤色光発光層を前記青色光発光ＬＥＤ構造層及び前記緑色光発光ＬＥＤ構造層上に形成して、それぞれ青色光及び赤色光発光層構造と緑色光及び赤色光発光層構造を形成する工程と、
    前記半導体基板を結合後の構造中から除去する工程と、
    前記結合後の青色光発光ＬＥＤ構造層と前記緑色光発光ＬＥＤ構造層をパターン化すると共に、電気コンタクト部を提供する工程と、
    前記赤色光発光層をパターン化して所望のマイクロ構造を形成する工程と、
    前記結合後の青色光及び赤色光発光層構造と結合後の緑色光及び赤色光発光層構造を小さいダイに切断する工程と、
    少なくとも一つの青色光及び赤色光発光層構造のダイと緑色光及び赤色光発光層構造のダイを封止板上に取り付ける工程と、
    電気コンタクト部により、青色光及び赤色光発光層構造のダイと緑色光及び赤色光発光層構造のダイを電気的に接続する工程と、
    からなり、
    前記赤色光発光層は、複数のマイクロロッドを有し、各マイクロロッドは、成分の異なる２層構造を備え、それぞれ異なる波長の光を発光することを特徴とする白色発光素子の製造方法。
  9. 前記青色光発光ＬＥＤ構造は、
    第一アクティブ層と、
    複数の正孔を前記第一アクティブ層に提供する正孔源層と、
    複数の電子を前記第一アクティブ層に提供して、少なくとも一部の複数の電子と少なくとも一部の複数の正孔を前記第一アクティブ層で結合して、青色光を生成する電子源層と、
    からなり、
    前記緑色光発光ＬＥＤ構造は、
    第二アクティブ層と、
    複数の正孔を前記第二アクティブ層に提供する正孔源層と、
    複数の電子を前記第二アクティブ層に提供して、少なくとも一部の複数の電子と少なくとも一部の複数の正孔を前記第二アクティブ層で結合して、緑色光を生成する電子源層と、
    からなる請求項８に記載の白色発光素子の製造方法。
  10. 前記第一及び前記第二アクティブ層は、実質的にＩｎＧａＮから組成され、前記正孔源層は、実質的にｐ型ＧａＮから組成され、前記電子正孔層は、実質的にｎ型ＧａＮから組成される請求項８に記載の白色発光素子の製造方法。
  11. 前記赤色光発光層は、実質的にＡｌＧａＩｎＰから組成される請求項８に記載の白色発光素子の製造方法。
  12. 前記赤色光発光層は、実質的にＧａｘＩｎ１−ｘＰ（０＜ｘ＜1.０）から組成される請求項８に記載の白色発光素子の製造方法。
  13. 前記赤色光発光層は、複数のＡｌＧａＩｎＰ又はＧａｘＩｎ１−ｘＰ（０＜ｘ＜1.０）から組成されたマイクロロッド（ｍｉｃｒｏ−ｒｏｄ）を有する請求項８に記載の白色発光素子の製造方法。
  14. 前記赤色光発光層は、第一ＡｌＧａＩｎＰ層及び第二ＡｌＧａＩｎＰ層から組成される複数のマイクロロッドを有し、前記第一ＡｌＧａＩｎＰ層は赤色光を発光し、前記第二ＡｌＧａＩｎＰ層はもう一つの赤色光を発光する請求項８に記載の白色発光素子の製造方法。
  15. 請求項１または８に記載の方法で製造された白色発光素子。
  16. 前記赤色光発光層は、複数のＡｌＧａＩｎＰ又はＧａｘＩｎ１−ｘＰ（０＜ｘ＜１）から組成されたマイクロロッド（ｍｉｃｒｏ−ｒｏｄ）を有する請求項１５に記載の白色発光素子。
  17. 前記赤色光発光層は、第一ＡｌＧａＩｎＰ層及び第二ＡｌＧａＩｎＰ層から組成される複数のマイクロロッドを有し、前記第一ＡｌＧａＩｎＰ層は赤色光を発光し、前記第二ＡｌＧａＩｎＰ層はもう一つの赤色光を発光する請求項１５に記載の白色発光素子。
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