JP5311582B2 - Ｌｅｄ素子並びにこのｌｅｄ素子を用いたバックライト装置及びディスプレー装置 - Google Patents

Ｌｅｄ素子並びにこのｌｅｄ素子を用いたバックライト装置及びディスプレー装置 Download PDF

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Description

本発明は発光ダイオード（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ、ＬＥＤ）素子に関するもので、より具体的には、蛍光体を利用して複合波長の光を発生するＬＥＤ素子に関するものである。
現在 LED素子はその適用分野が持続的に拡大されている。例えば、白色LED素子の場合
にはディスプレー 装置を始めとして各種機器のバックライト用の装置や蛍光灯のような
電気機器用の装置だけでなくて多くの種類の信号装置に使われている。また、白色のLED
素子だけではなく、他の波長の光を発生するLED素子もその応用分野に応じて適合した装
置で広く使われている。
白色光を始めとして特定な波長を持つ光を放出するLED素子は、例えば、LEDチップの自
体からその固有な波長の光を発光するように製造することができる。しかしながら、この
ようなLEDチップを製造するのは発光される光の特性や製造技術、そして光効率の側面で
相当に制約がある。この代案として現在は紫外線あるいは青色などのような短波長の光を
発光させる高品質のLEDチップを利用して、白色または青色、緑色、黄色または赤色など
のような複合波長の光を放出するLED素子を製造する方法に対する研究が広く行なわれて
いる。
このようなLED素子は青色あるいは紫外線LEDチップから発光される光の一部をより長い
波長で蛍光変換することによって、白色などの単一波長の光または複合波長の光を発生す
る素子である。この素子では蛍光体を使用してLEDチップから発光される光の一部を他の
波長を持つ光に蛍光変換させる。使用される蛍光体の種類及び(または)量を変化させるこ
とによって単一波長の色々な光またはこれらが組合わせた複合波長の光を放出させること
ができる。
図1a及び図1bには従来技術に従う白色LED素子の一例が図示されている。図1aはランプ
形態の白色LED素子が図示されていて、図1bにはLEDチップがモールド用の樹脂でパッケー
ジされている白色LED素子が図示されている。
図1a及び図1bを参照すると、紫外線または青色光を発光するLEDチップ(20)が印刷回路
基板(30)などで接着剤(22)などによって付着されている。そして、LEDチップ(20)の周囲
はモールディング樹脂(10)で保護されていて、モールディング樹脂(10)には蛍光体(12)が
分散されている。そして、LEDチップ(20)の電極パッドはボンディングワイヤー(24)によ
って外部の導電体、すなわち、リ―ドフレーム(32)などに連結しているので、これを通し
てLEDチップ(20)に電源が供給される。
図1a及び図1bに図示されたLED素子の共通した特徴は蛍光体(12)がモールディング樹脂(
12)に均一に分散され分布しているという点である。すなわち、LEDチップ(20)から発光さ
れる紫外線光または青色光の一部はモールディング樹脂(12)に分散されている蛍光体(12)
によってより長い波長の光に蛍光変換されて、このように蛍光変換された光は残り蛍光変
換されない波長の光と合わせられて外部に白色光を放出させる。
このような構造のLED素子で特性が優秀な白色光を得るためには、蛍光体の特性が優れ
るべきだけでなく、蛍光体がモールディング樹脂の全体に均一に分散されていなければな
らない。しかし、従来技術によるLED素子の製造工程においては、蛍光体の粒子を均一に
製造するのが容易でないだけではなく、蛍光体の比重がモールディング樹脂の比重より大
きいために、その分散が均一でない段所がいる。
上記の問題点を解決するために提示された新しいLED素子は国際特許出願のPCT/US2000/
26507(国際公開番号WO2001/24285)（特許文献１）に開始されている。そして、上記の明
細書に図示されたLED素子の一実施例に対する側面図を図2に示す。
図2を参照すると、新しいLED素子は発光構造物(210)の一面に単結晶の蛍光物質に形成
された蛍光変換基板(230)が付着されている。例えば、発光構造物(210)はn電極であるn-G
aN層(211、212)、n-AlGaN層、SQWまたはMQW GaInN層(213)、p-AlGaN層(214)及びp-GaN層(
215)を含むことができて、その上にp電極(216)が具備させることもできる。そして、蛍光
変換基板(230)は単結晶の蛍光体を含む化合物で形成することが可能である。
したがって、上記の実施例は白色光または他の波長の光を発生するための蛍光体が基板
に含まれていて、この基板の特性は精密に制御が可能である。LEDチップから発光される
紫外線光または青色光は、直接または反射版によって反射され、この蛍光変換の基板(230
)を通過するので、この時、光の一部が他の波長に変換されて、窮極的には白色光または
より長い波長の光を得ることができる。そして、この基板はLEDチップの発光構造物の単
結晶の成長を促進させるシード(seed)の役割もする。
国際公開番号WO2001/24285公報
本発明の目的は紫外線光または青色光を発光するＬＥＤチップを使用して複合波長、すなわち、白色光やいろいろな単一波長の光またはこれらの単一波長の光が混合された光を放出するＬＥＤ素子として、接着剤などを使用しないことで光放出の特性が優秀であり、単純化された工程を使用することによって生産費用を節減する複合波長の光を放出するＬＥＤ素子を提供することである。
上記目的を達成するための本発明の一実施例によるＬＥＤ素子を製造するための製造方法は、ＬＥＤチップから発光されるメインの光の全部または一部を一つまたはこれ以上の他の波長を持つ光に変換させる蛍光体が具備されているＬＥＤ素子の製造方法として、まずＬＥＤチップ上の電極パッドをマスクするマスクパターンを形成する。そして、スパッタリング法またはレーザーパルス（ｐｕｌｓｅｄ ｌａｓｅｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ、ＰＬＤ）法を使用してＬＥＤチップ上に蛍光体を含むターゲット物質を蒸着して蛍光膜を形成する。次に、ＬＥＤチップから前記のマスクパターンを除去すると、ＬＥＤチップの発光面の上に蛍光体膜が薄く蒸着されているＬＥＤ素子が作られる。この時、ターゲット物質に含まれる蛍光体の種類及び量を調節することによって、得ようとする波長を持った光や複合波長を持った光または白色光を放出するＬＥＤ素子を製造できる。
上記目的を達成するための本発明の他の実施例によるＬＥＤ素子を製造するための製造方法は、ＬＥＤチップから発光されるメインの光の全部または一部を一つ以上の他の光波長に変換させる蛍光体が具備されているＬＥＤ素子の製造方法として、ＬＥＤチップの電極パッドが形成されている面を基板上にフリップチップ方式で付着させるために、前述したスパッタリング法またはＰＬＤ法を使用して前記のＬＥＤチップの電極パッドが形成されている面の対向面上に蛍光体が含まれたターゲット物質を蒸着することで蛍光膜を形成する。この時、前記したように、ターゲット物質に含まれる蛍光体の種類及び量を調節することによって、得ようとする波長を持った光や複合波長を持った光または白色光を放出するＬＥＤ素子を製造できる。
前記の実施例等の一側面によると、前記のターゲット物質はSiO2、SiO、Al2O3またはZn
Oを含む酸化物系、SiN、AlN、GaNまたはInNを含む窒化物系、エポキシ樹脂、またはシリ
コン樹脂の中の少なくとも一つまたは二つ以上をより含む物質であることが望ましい。特
に、SiN、AlN、GaNまたはInNを含む窒化物系を使用する場合、発光素子の材料に使われる
(Al、In)GaNと同一または類似の物質特性を持つので、材料の屈折率の差による内部反射
を減らして光の抽出の効率を上げることができるという長所がある。そして、スパッタリ
ング法を使用する場合、動力はPulsed DCパワーまたはRFパワーを使用することができる
。
前記の実施例等の他の側面によると、前記のLEDチップは紫外線光を発光するチップあ
るいは青色光を発光するチップを使用することができる。紫外線光を発光するLEDチップ
を使用する場合、LED素子で放出される光は、青色光、緑色光、黄色光、赤色光またはこ
れらを組合せたものであり、白色光が放出されることもできる。そして、青色チップを使
用する場合、LED素子で発生する光は、緑色光、黄色光、赤色光、或いはこれらの組合で
あり、白色光が放出されることもできる。
本発明による複合波長の光を放出するＬＥＤ素子を製造するための製造方法によれば、ＬＥＤチップの全面にわたって均一で、特性が優秀な光を放出するＬＥＤ素子を製造することができる。特に、本発明による複合波長の光を発生するＬＥＤ素子の製造方法を使用すれば、接着剤などを使用しないで、従来から使用していた装置、すなわち、スパッタリング装置やＰＬＤ装置を使用して品質が優秀なＬＥＤ素子を簡単で低廉な方法で製造できる。また、放出しようとする光の特性もスパッタリング ターゲットを製造する時に、含まれる蛍光体の量や種類を調節することによって、調節が可能であるために、品質が優秀な複合波長のＬＥＤ素子を容易に製造することができる。
以下、添付した図面を参照しながら、本発明の望ましい実施例を詳細に説明する。しか
し、本発明は、ここで説明する実施例に限定されることはなく、他の形態でも具体化でき
る。むしろ、ここで紹介する実施例は本発明の技術の思想が徹底的に完全に実施できるよ
うに、そして当業者に本発明の思想が十分に伝えられるために、例示的に提供されるもの
である。図面において、層の領域の厚さは明確性を与えるために誇張されたものである。
明細書の全体にわたって同じ参照番号は同じ構成要素を表す。
図３ａ、図３ｂ、図４ａ及び図４ｂでは本発明の望ましい一実施例による複合波長の光を発生するＬＥＤ素子を製造するための製造方法が図示されている。後述される製造工程は多数のＬＥＤチップがアレイされているバルク基板上で進行されるのであるが、図３ａないし図４ｂでは説明の便宜のために単一チップに対して図示されている。図面で、図３ａ及び図４ａは単一チップを表す側面図であり、図３ｂ及び図４ｂは平面図である。
まず、図3a及び図4aを参照すると、LEDチップ構造物、すなわち、発光構造物が基板(30
5)の上に位置している。基板(305)はシリコン基板であり得るし、酸化アルミニウム(Al2O
3)でもあり得る。前記の基板(305)の上にn型またはp型でドーピング(doping)した半導体
層(311)を形成して発光層(313)及びn型またはp型物質(314)を順次的に形成する。n型及び
p型 半導体層の積層順序は変わることもあるが、発光層(313)は必ずn型及びp型の半導体
層の間に位置することが望ましい。透明電極層(315)はn型またはp型の伝導性層の表面で
形成される。n型またはp型の多層膜層(312)は発光層の下または上のどこにも位置でき、
発光効率を向上させるために、発光素子の表面または側面を凹凸構造あるいは粒子模様の
散乱層等のいろいろな構造で形成することができる。
そして、発光構造物は紫外線光または青色光を発光させる構造物である。
本発明の実施例は添付した図面に示した構造を持つLEDチップだけに限定して適用した
ものではない。図示したLEDチップは単に一つの例を表しているだけである。すなわち、
本発明に適用されることができるLEDチップは、所定の構造を持つ発光構造物と、この発
光構造物を外部に連結するための電極パッドとを具備していれば十分である。
このようなLEDチップを使用して複合波長を持つ光を放出させるLED素子を製造するため
には、LEDチップ上の一面にマスクパターン(mask pattern)(325)をまず形成する。このマ
スクパターン(325)は所定の部分、例えば、電極パッド(320a、320b)のように蛍光体膜が
蒸着されてはならない部分をマスクするための膜である。マスクパターン(325)はフォト
レジスト(PR)を使用することが望ましいことであるが、酸化膜や窒化膜のような絶縁膜で
形成することもできる。マスクパターン(325)をフォトレジスト(PR)を使用して形成する
場合、半導体の製造工程に使われる通常的なフォトリソグラフィ(Photolithography)工程
を使用することができるために便利である。
次に図4a及び図4bを参照すると、LEDチップ上に蛍光体膜(330)を形成する工程を進行す
る。すなわち、マスクパターン(325)によってマスクされている電極パッドを除いた残り
部分のLEDチップ表面に蛍光体膜(330)を所定の厚さで形成する。LEDチップの表面に蛍光
体膜(330)を形成すると、LEDチップの表面に蛍光体を均一に分散させて蒸着させることが
できるし、また蒸着させる量を適切に制御できる。したがって、本工程を利用すれば、LE
D素子から放出される光は、得ようとする波長、すなわち、望みの色相を持ちながら、一
方では放出される光での特性も均一であるLED素子を製造することができる。
蛍光体膜(330)はスパッタリング(sputtering)法やレーザー パルス(pulsed laser depo
sition、PLD)法を使用して形成できる。すなわち、本実施例ではLEDチップの表面に蛍光
体または蛍光体を含む物質を接着剤などで付着させるのではなく、所定の物理的または化
学的のエネルギーを加えてLEDチップの表面に直接に形成する。したがって、LEDチップか
ら発光する光が接着剤などによって効率が悪くなる問題が生じない。
スパッタリング法を使用する場合にはその工程の動力でPulsed DCパワーを使用したり
、RF パワーを使用したりすることができる。例えば、スパッタリング法を使用して蛍光
体膜(330)を形成する場合、SiO2、SiO、CIO、ITO、IO、Al2O3またはZnOを含む酸化物係、
SiN、AlN、GaNまたはInN を含む窒化物系、エポキシ樹脂、またはシリコン樹脂の中の少
なくとも一つで蛍光体が混ざり合った物質を使用してスパッタリング工程のターゲット(t
arget)を作ることができる。そして、このターゲットを利用してスパッタリング工程を進
行させると、LEDチップの表面に直接に蛍光体膜を形成できる。このようなスパッタリン
グ工程のターゲットは、例えば、大きさが約2インチであるタブレット(tablet)になるよ
うに、前記のターゲット物質を焼結及び成形することによって製造できる。
このようなターゲットに含まれる蛍光体としては、YAG系物質や非YAG系物質などのどの
ような物質でも使用することができる。非YAG系物質としては、TAGを含むガーネット(gar
net)系列、シリケート(silicate)系、窒化物系、または黄化物系がある。ガーネット系列
の中の非YAG系はTAGが代表的であり、YAGのY、TAGのTbの代りに、Lu、Sc、La、Gd、Sm、C
a、Siなどに置換可能である。シリケート系物質では(Sr、Ba、Ca、Mg、Zn、Cd、Y、Sc、L
a)xSiyOz:(Eu、F、Mn、Ce、Pb)があり、括弧の中の成分はいろいろな組合または単一物質
として使用することが可能である(0≦x、y、z≦16)。窒化物系及びサイアロン(SiAlON)系
の蛍光体ではCax(Si、Al)12(O、N)16で構成される蛍光物質が使用可能である。ここで、C
axは他の金属元素に置換可能であり、活性材としてはEu、Pr、Tb、Yb、Er、Dyの中の一つ
の種類以上を含む。黄化物系の蛍光体では(Ca、Sr)S、SrGa2S4、(Ca、Sr、Ba)(Al、Ca)2S
4、(Sr、Mg、Ca、Ba)(Ga、Al、In)S4、Y2O2Sで構成された物質の中の少なくとも一つの種
類を含むことができ、活性材としてはEu、Ceなどが使用可能である。前記化学式の中の括
弧の中の元素成分は波長領域によって変えることができる。
そして、蛍光体の種類も使用するLEDチップの種類及び得ようとする光の波長によって
適切なものを使用することができる。例えば、紫外線光を発光するLEDチップを使用する
場合には、得ようとする光の波長によって、青色光、緑色光、黄色光または赤色光の中の
一つまたはこれらの光を二つ以上を組合して得られる色相の光を発生させるための蛍光体
を選択して使用することができる。そして、青色光を発光するLEDチップを使用する場合
には、得ようとする光の波長にしたがって緑色光、黄色光または赤色光の中の一つまたは
これらの光を二つ以上を組合して得られる色相の光を発生させるための蛍光体を選択して
使用することができる。
例えば、青色光を出す蛍光体としては、BaMgAl10O17:Eu、Sr5(PO4)3Cl:Eu、ZnS:Agの中
の少なくとも一つ、緑色光を出す蛍光体としてはZnS:Cu、(Ca、Sr)S:Eu等の黄化物系、(S
r、Ba、Ca、Mg、Zn、Cd、Y、Sc、La)xSiyOz:(Eu、F、Mn、Ce、Pb)のシリケート系またはB
aMgAl10O17:Eu、Mnの中の少なくとも一つ、黄色光を出す蛍光体としてはYAG系、TAG系を
含むガーネット系列、シリケート系列の中の少なくとも一つ、赤色光を出す蛍光体として
は窒化物系、Y2O2S等の黄化物系、YVO4:Eu3+、Y(V、P、B)O4:Eu3+、YNbO4:Eu3+、YTaO4:E
u3+の中の少なくとも 一つ、または二つ以上を組合して得られる色相の光を発生させる蛍
光体を選択して使用することができる。
引続き、電極パッド(320a、320b)などの上部に形成されているマスクパターン(325)な
どを除去すると、図4a及び図4bで図示されているLED素子が作られる。
図5には本発明の望ましい他の実施例によって製造されたLED素子の側面図が示されてい
る。
前述した実施例と区別した本実施例の特徴は、フリップチップ(flip chip)方式で基板
に付着して使用する、複合波長の光を放出するLED素子を製造しようとする場合に、LEDチ
ップの後面、すなわち、電極パッド(320a、320b)が形成されている面の対向する面に蛍光
膜を形成するという点である。したがって、本実施例では蛍光体膜(330b)を形成しようと
するLEDチップの後面の全体に蛍光体膜(330b)を蒸着するために、別途にマスクパターン(
325)を使用してマスクする部分がない。
したがって、本実施例はフォトレジストを使用してマスクパターンを形成する工程が不
必要である。しかし、LEDチップの後面に蛍光膜を形成する場合にも、LEDチップの種類に
よって、蛍光体膜(330b)が形成されてはならない他の構成要素が形成されていることもあ
る。この場合には前述した実施例と同じ方法でLED素子の製造工程を進行することができ
る。
従来技術による白色ＬＥＤ素子の一例を図示した概略的な断面図である。 従来技術による白色ＬＥＤ素子の一例を図示した概略的な断面図である。 従来技術による白色ＬＥＤ素子の一例を図示した概略的な断面図である。 本発明によるＬＥＤ素子を製造するための製造方法の一例を説明するための側面図である。 本発明によるＬＥＤ素子を製造するための製造方法の一例を説明するための平面図である。 本発明によるＬＥＤ素子を製造するための製造方法の一例を説明するための側面図である。 本発明によるＬＥＤ素子を製造するための製造方法の一例を説明するための平面図である。 本発明によるＬＥＤ素子を製造するための製造方法の他の例を説明するための平面図である。
３００ 基板
３１０ LEDチップ
３２０ａ、３２０ｂ 電極パッド
３２５ マスクパターン
３３０ 蛍光体膜

Claims (13)

  1. 半導体層を含む積層構造を有し、主光を放出する発光構造体と、
    前記積層構造の表面の一部の領域を除いた残りの部分に形成され、前記主光を一つ以上の他の光波長に変換させる蛍光体膜と、
    前記一部の領域に設けられ、前記積層構造と接触する電極パッドと、を備え、
    前記蛍光体膜は、青色光蛍光体、緑色光蛍光体、黄色光蛍光体または赤色光蛍光体のうち二つ以上の蛍光体を含み、ＳｉＮ、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＩｎＮまたはこれらの混合物の中の少なくとも一つを含む窒化物系物質を含むことを特徴とするＬＥＤ素子。
  2. 前記電極パッドは、前記蛍光体膜に接して形成されることを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ素子。
  3. 前記蛍光体膜は、前記積層構造の表面において、離間する２つの領域を除いた残りの部分に形成され、
    前記２つの領域のそれぞれに前記電極パッドが形成されることを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ素子。
  4. 前記積層構造は、前記表面から見て第１半導体層、発光層、および、第２半導体層をこの順で含み、
    第１の前記電極パッドは、前記第１半導体層と電気的に接続され、
    第２の前記電極パッドは、前記第２半導体層と電気的に接続され、
    前記第２の電極パッドが形成される領域には、前記蛍光体膜、前記第１半導体層、および、前記発光層が形成されないことを特徴とする請求項３に記載のＬＥＤ素子。
  5. 前記積層構造は、前記第１半導体層の表面に形成される透明電極層を更に含み、
    前記蛍光体膜は前記透明電極層の表面に形成され、
    前記第１の電極パッドは、前記透明電極層に接続されることを特徴とする請求項４に記載のＬＥＤ素子。
  6. 前記蛍光体膜の厚さは、前記電極パッドの厚さより小さいことを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載のＬＥＤ素子。
  7. 前記青色光蛍光体はＢａＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｅｕ、Ｓｒ５（ＰＯ４）３Ｃｌ：Ｅｕ、ＺｎＳ：Ａｇの中の少なくとも一つ以上を含むことを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載のＬＥＤ素子。
  8. 前記緑色光蛍光体はＺｎＳ：Ｃｕ、（Ｃａ、Ｓｒ）Ｓ：Ｅｕ等の黄化物系、（Ｓｒ、Ｂａ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｙ、Ｓｃ、Ｌａ）ｘＳｉｙＯｚ：（Ｅｕ、Ｆ、Ｍｎ、Ｃｅ、Ｐｂ）のシリケート（ｓｉｌｉｃａｔｅ）系またはＢａＭｇＡｌ１０Ｏ１７ ：Ｅｕ、Ｍｎの中の少なくとも一つ以上を含むことを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載のＬＥＤ素子（但し、ここでＸ、Ｙ、Ｚは０から１まで変えることが可能で、括弧の中の元素は一つ以上で組合せ可能である）。
  9. 前記黄色光蛍光体はＹＡＧ系、ＴＡＧ系を含むガーネット（ｇａｒｎｅｔ）系列、シリケート系列の中の少なくとも一つ以上を含むことを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載のＬＥＤ素子。
  10. 前記赤色光蛍光体は窒化物系、Ｙ２Ｏ２Ｓ等の黄化物系、Ｙ（Ｖ、Ｐ、Ｂ、Ｎｂ、Ｔａ）Ｏ４：Ｅｕ３＋の中の少なくとも一つ以上を含むことを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載のＬＥＤ素子。
  11. 前記発光構造体の少なくとも一面に、発光効率を向上させるための凹凸または散乱の構造が形成されたことを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載のＬＥＤ素子。
  12. 請求項１から１１のいずれか一項に記載のＬＥＤ素子を用いたバックライト装置。
  13. 請求項１から１１のいずれか一項に記載のＬＥＤ素子を用いたディスプレー装置。
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