JP5338688B2 - Method for manufacturing light emitting device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、III族窒化物半導体の発光素子をガラスにより封止した発光装置の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a light emitting device in which a light emitting element of a group III nitride semiconductor is sealed with glass.
III族窒化物半導体の発光素子を封止する部材として、エポキシ等の樹脂に代えてガラスを用いた発光装置が特許文献1及び2に開示されている。封止材としてガラスを用いると、封止材と発光素子との熱膨張率差を小さくすることができ、発光装置の寿命を長くすることができる。特許文献1及び2では、窒素雰囲気にてガラスを加熱して発光素子を封止している。
しかしながら、窒素雰囲気でガラス封止を行うと、高温での還元作用により、ガラス表面から酸素成分が抜けて、ガラス表面やガラスと素子実装基板との接合部などに着色が生じる現象が生じることがある。ガラスが着色すると、発光装置の光取り出し効率が低下してしまう。 However, when glass sealing is performed in a nitrogen atmosphere, the oxygen component is released from the glass surface due to the reducing action at high temperature, and a phenomenon may occur in which coloring occurs on the glass surface or the joint between the glass and the element mounting substrate. is there. When the glass is colored, the light extraction efficiency of the light emitting device is lowered.
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、ガラスの着色を抑制することのできる発光装置の製造方法を提供することにある。 This invention is made | formed in view of the said situation, The place made into the objective is to provide the manufacturing method of the light-emitting device which can suppress coloring of glass.
前記目的を達成するため、III族窒化物半導体からなるn型層、発光層、p型クラッド層、p型コンタクト層を成長させて作製された発光素子を素子実装基板に実装し、前記発光素子を加熱されたガラスにより封止する発光装置の製造方法であって、前記p型コンタクト層の形成は、前記発光層の成長温度より高く、1000℃未満の成長温度で行い、前記発光素子の封止は、耐酸化材料からなる金型を用いたホットプレス加工により、酸素含有のガス雰囲気にて行う発光装置の製造方法が提供される。 To achieve the above object, n-type layer made of a Group III nitride semiconductor, light emitting layer, p-type cladding layer, a light-emitting element manufactured by growing a p-type contact layer mounted on the element mounting substrate, the light emitting element the method for manufacturing a light emitting device sealed with glass which is heated, forming the p-type contact layer is higher than the growth temperature of the light emitting layer is performed at a growth temperature of less than 1000 ° C., sealing of the light emitting element There is provided a method for manufacturing a light emitting device that is stopped in a gas atmosphere containing oxygen by hot pressing using a mold made of an oxidation resistant material.
上記発光装置の製造方法において、前記ガラスは、ZnO系ガラス、Bi2O3系ガラス、P2O5系ガラス、Nb2O5系ガラス、GeO2系ガラス、Ga2O3系ガラス、Y2O3系ガラス、La2O3系ガラス、Gd2O3系ガラス、又は、Ta2O5系ガラスであってもよい。 In the method for manufacturing a light emitting device, the glass is ZnO-based glass, Bi 2 O 3 -based glass, P 2 O 5 -based glass, Nb 2 O 5 -based glass, GeO 2 -based glass, Ga 2 O 3 -based glass, Y 2 O 3 glass, La 2 O 3 glass, Gd 2 O 3 glass, or Ta 2 O 5 glass may be used.
上記発光装置の製造方法において、前記素子実装基板は、多結晶セラミック材料からなってもよい。 In the method for manufacturing the light emitting device, the element mounting board may be made of a polycrystalline ceramic material.
上記発光装置の製造方法において、前記ガラスは、拡散粒子を含んでもよい。 In the method for manufacturing a light emitting device, the glass may include diffusing particles.
上記発光装置の製造方法において、粉末状のガラスを溶解固化して前記発光素子を封止してもよい。 In the manufacturing method of the light-emitting device, the light-emitting element may be sealed by melting and solidifying powdered glass.
上記発光装置の製造方法において、前記p型コンタクト層を、Mg濃度が2×1019以上8×1019/cm3以下となるよう形成してもよい。 In the method for manufacturing the light emitting device, the pre-Symbol p-type contact layer, Mg concentration may form 2 × 10 19 or more 8 × 10 19 / cm 3 or less and so as.
本発明によれば、ガラス封止後におけるガラスの着色を抑制することができる。 According to the present invention, coloring of glass after glass sealing can be suppressed.
図1から図5は本発明の一実施形態を示し、図1は発光装置の断面説明図である。 1 to 5 show an embodiment of the present invention, and FIG. 1 is a cross-sectional explanatory view of a light emitting device.
図1に示すように、発光装置1は、フリップチップ型のIII族窒化物半導体からなるLED素子2と、LED素子2を搭載する素子実装基板3と、LED素子2を封止するとともに素子実装基板3と接着される無機封止部としてのガラス封止部5とを有する。ここで、III族窒化物半導体とは、一般式AlxGayIn1−x−yN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)で表されるものである。回路パターン4が形成される素子実装基板3は、アルミナ(Al2O3)の多結晶焼結材料からなり、厚さ0.25mmで1.0mm角に形成されている。また、LED素子32は、厚さ100μmで346μm角に形成されている。この発光装置1は、LED素子2に電圧が印加されると、LED素子2から青色光が発せられ、この青色光はガラス封止部5から外部へ放射される。
As shown in FIG. 1, the light emitting device 1 includes an
素子実装基板3は、アルミナ(Al2O3)の多結晶焼結材料からなり、厚さ0.25mmで1.0mm角に形成されており、熱膨張率αが7×10−6/℃である。また、LED素子2は、厚さ100μmで346μm角に形成されており、熱膨張率は7×10−6/℃である。ここで、LED素子2のGaN層の熱膨張率は5×10−6/℃であるが、大部分を占めるサファイアからなる成長基板の熱膨張率が7×10−6/℃であるため、LED素子2本体の熱膨張率は成長基板の熱膨張率と同等となっている。
The
回路パターン4は、素子実装基板3のビアホール6に形成されるビアパターン41と、素子実装基板3の表面に形成されLED素子2と電気的に接続される表面パターン42と、素子実装基板3の裏面に形成され外部端子と接続可能な裏面パターン43と、を連続的に有している。ビアパターン41はWから構成することができ、表面パターン42及び裏面パターン43は例えば、W層、Ni層及びAu層の3層構造とすることができる各ビアホール6は、素子実装基板3の中央に搭載されたLED素子2を、平面視にて挟むよう配置される。本実施形態においては、2つのビアホール6が、素子実装基板3の一辺と平行な方向(対辺方向)において、LED素子2を挟むよう配置されている。
The circuit pattern 4 includes a via pattern 41 formed in the via hole 6 of the
図2は、LED素子2の構成説明図である。
図2に示すように、LED素子2は、サファイア(Al2O3)からなる基板20の表面に、III族窒化物系半導体をエピタキシャル成長させることにより、バッファ層21と、n型コンタクト層22と、n型ESD層23と、n型クラッド層24と、MQW層25と、p型クラッド層26と、第1p型コンタクト層27と、第2p型コンタクト層28と、がこの順で形成されている。また、LED素子2は、第2p型コンタクト層27上に設けられる透明電極11と、透明電極11上に形成されるpパッド電極12と、を有する。さらに、LED素子2は、第2p型コンタクト層27からn型コンタクト層22にわたって一部をエッチングすることにより露出したn型コンタクト層22に形成されるn電極13を有する。さらにまた、LED素子2の上面は、pパッド電極12及びn電極13の外縁を除いて、保護膜14により覆われている。pパッド電極12及びn電極13は、バンプ7を介して回路パターン4の表面パターン41と電気的に接続される。
FIG. 2 is an explanatory diagram of the configuration of the
As shown in FIG. 2, the
本実施形態においては、バッファ層21はAlNからなり、n型コンタクト層22はn+−GaNからなり、n型ESD層23はGaN/n−GaNで構成される。また、n型クラッド層24はInGaN/GaN/n−GaNを繰り返し積層することにより構成され、MQW層25はInGaN/GaNを繰り返し積層することにより構成され、p型クラッド層26はp−InGaN/p−AlGaNを繰り返し積層することにより構成される。第1及び第2p型コンタクト層27,28はp−GaNからなり、第2p型コンタクト層28のMg濃度は第1p型コンタクト層27の1.5倍以上3倍以下となっている。ここで、第1p型コンタクト層27の厚さは50nm以上200nm以下、第2p型コンタクト層28の厚さは5nm以上15nm以下とすることが望ましい。また、透明電極11はITO(Indium Tin Oxide)からなり、pパッド電極12はNi/Auからなり、n電極13はNi/Au、Al等からなる。
In the present embodiment, the
ガラス封止部5は、LED素子2とともに素子実装基板3におけるLED素子2の搭載面側を覆い、厚さが0.6mmとなっている。ガラス封止部5は、素子実装基板33と平行な上面5aと、上面5aの外縁から下方へ延び素子実装基板3と垂直な側面5bと、を有している。本実施形態におていは、ガラス封止部5は、例えばZnO−B2O3−SiO2系のガラスであり、屈折率が1.7となっている。尚、ガラスの組成はこれに限定されるものではなく、例えば、ガラスは、高屈折率とするためNb2O5を含んでもよいし、TiO2、Al2O3等を含んでいてもよく、低融点化のためにNa2O、Li2O等を含有していてもよい。さらに、任意成分としてZrO2、TiO2等を含んでいてもよい。また、ガラスには、YAG(Yttrium Aluminum Garnet)、珪酸系、窒化物系、硫化物系などの蛍光体粒子や、結晶物による拡散粒子を含ませることができる。尚、蛍光体粒子も拡散作用を有することから、拡散粒子ということができる。また、このガラスは、加熱によって素子実装基板3に融着された熱融着ガラスであり、ゾルゲル反応を利用して形成されたガラスと異なっている。尚、ガラスの組成及び屈折率はこれらに限定されるものではない。
The
この発光装置1は以下の工程を経て製造される。
LED素子2の作製にあたり、まず基板20を用意する。そして、図3(a)に示すように、MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法により、基板20上にバッファ層21、n型コンタクト層22、n型ESD層23、n型クラッド層24、MQW層25、p型クラッド層26、第1p型コンタクト層27及び第2p型コンタクト層28を順に積層する。原料ガスには、Ga源としてTMG(トリメチルガリウム)、Al源としてTMA(トリメチルアルミニウム)、In源としてTMI(トリメチルインジウム)、N源としてアンモニア、n型ドーパントのSi源としてシラン、及び、p型ドーパントのMg源としてCp2Mg(ビスシクロペンタジエニルマグネシウム)を用いることができる。LED素子2の第1p型コンタクト層27及び第2p型コンタクト層28は、成長温度が780℃以上1000℃以下で、Mg濃度を2×1019以上8×1019以下として形成される。具体的に、成長温度は、n型ESD層23が840℃以上900℃以下、n型クラッド層24が800℃以上900℃以下、MQW層25が770℃以上900℃以下、p型クラッド層26が800℃以上900℃以下とすることができる。
The light emitting device 1 is manufactured through the following steps.
In producing the
次いで、図3(b)に示すように、第2p型コンタクト層28上にITO(Indium Tin Oxide)を420℃以上460℃以下で蒸着させ、酸素雰囲気で640℃以上690℃以下で焼成し、フォトリソグラフィ及びウェットエッチングにより所定の形状として透明電極11を形成する。本実施形態においては、透明電極11の蒸着及び焼成の工程でp型不純物が活性化されるが、透明電極11の蒸着前に熱処理を行ってp型不純物を活性化させてもよい。
Next, as shown in FIG. 3B, ITO (Indium Tin Oxide) is deposited on the second p-
この後、図3(c)に示すように、透明電極11上に所定形状のマスクを形成してICP(Inductively Coupled Plasma)エッチングを行い、n型コンタクト層22を露出させる。そして、透明電極11上にpパッド電極12を、エッチングにより露出したn型コンタクト層22上にn電極13をそれぞれ形成して、アロイ処理を行う。この後、III族窒化物半導体層の上面におけるpパッド電極12及びn電極13の外縁部分以外に保護膜14を形成し、ダイシングによって個々のLED素子2に分離する。以上の工程により、LED素子2が作製される。
Thereafter, as shown in FIG. 3C, a mask having a predetermined shape is formed on the
また、ガラス封止部5をなす封止前ガラス51の作製にあたっては、ガラス成分の酸化物粉末を1200℃に加熱し、溶融状態で撹拌する。そして、ガラスを固化した後、ガラス封止部5の厚さに対応するようスライスして封止前ガラス51を板状に加工する。尚、封止前ガラス51に、各LED素子2に対応する凹部を形成してもよい。
Moreover, in producing the
一方、平板状の素子実装基板3に回路パターン4を形成する。例えば、回路パターン4は、金属ペーストをスクリーン印刷し、素子実装基板3を所定温度(例えば1000℃以上)で熱処理することにより当該金属を素子実装基板3に焼き付けた後、当該金属に他の金属のめっきを施すことにより形成することができる。
On the other hand, the circuit pattern 4 is formed on the flat
この後、複数のLED素子2を縦及び横について等間隔で素子実装基板3に、バンプ7を介したフリップチップ接続で実装する。尚、素子実装基板3の回路パターン4は、金属ペーストの熱処理で形成したもののみでもよいし、金属スパッタの後に金属めっきを施したものなど、他の方法で形成することもできる。
Thereafter, the plurality of
そして、図4に示すように、各LED素子2が搭載された素子実装基板3を下金型91にセットし、上金型92を素子実装基板3の搭載面と対向して配置し、素子実装基板3と上金型92の間に各LED素子2の搭載領域が覆われるように封止前ガラス51を配置する。ここで、下金型91及び上金型92は、少なくとも表面が耐酸化材料からなり、酸化雰囲気で加熱されても酸化しない。耐酸化材料としては、例えば、ステンレスやタングステンカーバイドを母材とし、表面に、白金、金、ロジウムなどの不活性金属、チタン系窒化物(例えば、TiN系、TiAlN系、TiCN系等)、クロム系窒化物(例えば、CrN系等)、TaC等の化合物コーティングを施したものを例示することができる。
Then, as shown in FIG. 4, the
尚、耐酸化材料による表面コートがない場合、発光装置の製造ができないわけはないが、上金型の酸化が進行すると、酸素化合物を介してのガラスとの化学結合が生じやすくなってゆき、表面が粗面化されてゆく。やがて、上金型にガラスが接合されて離型できなくなることから、量産には適していない。 In addition, when there is no surface coating with an oxidation resistant material, it is not impossible to manufacture a light emitting device, but as the upper mold oxidation proceeds, chemical bonding with glass via an oxygen compound tends to occur, The surface is roughened. Eventually, glass is bonded to the upper mold and it becomes impossible to release the mold, which is not suitable for mass production.
この後、図5に示すように、下金型91及び上金型92を加圧し、酸素含有の窒素雰囲気中で加熱によって軟化したガラス材のホットプレス加工を行う。このとき、加工後のガラス材中の気泡残留を防止するため、雰囲気は380Torr以下で効果があり、76Torr以下が望ましい。また、酸素が含有される雰囲気は、窒素に限定されないが、LED素子2及び素子実装基板3の酸化を防止するため、不活性ガスとする必要がある。不活性ガス中の酸素の体積%は、20%以下が好ましく、5%以下がさらに好ましい。
Thereafter, as shown in FIG. 5, the
以上の工程で、複数の発光装置1が連結された状態の中間体80が作製される。この後、ガラス封止部5と一体化された素子実装基板3をダイシング装置にセットして、ダイシングブレードによって、ガラス封止部5及び素子実装基板3を各LED素子2ごとに分割するようダイシングして直方体形状の発光装置1が完成する。
Through the above steps, the
以上のように製造された発光装置1によれば、酸素を含有する雰囲気にてガラス封止を行うようにしたので、還元作用によりガラス封止部5が着色することはなく、LED素子2から発した光が以下の理由によって多重反射した後、発光装置1から外部放射するものであっても、着色による光取り出し効率の低下を抑制することもできる。多重反射は、LED素子1からガラスの臨界角以上の角度でガラスの界面に入射した際、素子実装基板3とガラスとの界面に入射した際(特に素子実装基板3が多結晶材料の場合、ガラス界面形状は結晶粒界の凹凸形状となり平面以上に多重反射回数が増す)、ガラス内に拡散粒子(蛍光体を含む)等が存在し、その影響でガラスの臨界角以上の角度でガラスの界面や素子実装基板3とガラスとの界面に入射した際等に生じる。また、下金型91及び上金型92を耐酸化材料としたので、これらが酸化することがなく、金型の酸化による劣化と生産性の低下を防止することができる。
According to the light emitting device 1 manufactured as described above, since the glass sealing is performed in an atmosphere containing oxygen, the
また、酸素を含有する雰囲気にてガラス封止を行うようにしたので、ガラス封止後における駆動電圧の上昇を効果的に抑制することができる。さらに、LED素子2の第1p型コンタクト層27及び第2p型コンタクト層28について、Mg濃度を2×1019以上8×1019以下とし、成長温度を780℃以上1000℃以下とすることにより、駆動電圧の上昇抑制効果が大きくなる。
Moreover, since glass sealing was performed in an atmosphere containing oxygen, an increase in driving voltage after glass sealing can be effectively suppressed. Furthermore, regarding the first p-
尚、上記発光装置1を製造するにあたり、予め複数のLED素子2のサンプルを作製しておき、各サンプルの駆動電圧の測定結果に基づいて、各p型コンタクト層27,28の成長温度及びMg濃度を設定することができる。以下、この場合の手順について説明する。この場合、各サンプルは、p型コンタクト層27,28の成長温度を780℃以上1000℃以下の範囲で変化させるとともに、Mg濃度を2×1019以上8×1019以下の範囲で変化させて作製する。そして、作製された各サンプルの初期の駆動電圧を測定しておき、初期の駆動電圧が低く安定し、かつ格子欠陥であるピットが生じていないサンプルの第1p型コンタクト層27のMg濃度及び成長温度を、標準Mg濃度及び標準成長温度として決定する。
In manufacturing the light emitting device 1, a plurality of
実際の発光装置1の製造にあたっては、各p型コンタクト層27,28の形成工程以外はサンプルと同一の製造工程によってLED素子2を作製する。第1p型コンタクト層27及び第2p型コンタクト層28の形成については、成長温度を(標準成長温度−50℃)以上で標準成長温度以下の範囲として、第1p型コンタクト層27のMg濃度が標準Mg濃度の0.6倍以上1.0倍以下となるように形成する。
In the actual manufacture of the light emitting device 1, the
より望ましくは、第1p型コンタクト層27、第2p型コンタクト層28の成長温度を臨界成長温度とし、第1p型コンタクト層27のMg濃度を臨界Mg濃度となるように形成することである。臨界成長温度とは、上述したLED素子2のサンプルの成長温度を上昇させていったときに、ガラス封止による駆動電圧上昇が始まる温度である。また、臨界Mg濃度とは、上述したLED素子2のサンプルのMg濃度を減じていったときに初期の駆動電圧が上昇し始めるMg濃度である。ただし、測定誤差などを考慮して、成長温度は臨界成長温度の0.9倍以上1.1倍以下の範囲、Mg濃度は臨界Mg濃度の0.9倍以上1.1倍以下の範囲としてもよい。
More preferably, the growth temperature of the first p-
また、前記実施形態においては、ガラス粉末から透明な封止前ガラス51を予め板状に成形しておくものを示したが、例えば図6に示すように、封止前ガラス52は粉末状であってもよい。図6では、LED素子2を素子実装基板3上に実装した後、粉末状のガラスを素子実装基板3上に充填している。この後、ガラスを加熱してガラスの粉末を軟化させて、図7に示すように、上金型92でガラスをプレスすることにより、前記実施形態と同様の中間体80を作製することができる。このように粉末ガラスを用いると、ガラスの表面面積が増すため着色しやすくなるが、上記の減圧雰囲気下でガラス封止を行うことにより、残留気泡を減じて高い透過性を保つことができる。
Moreover, in the said embodiment, although what
さらには、例えば図8及び図9に示すように、ガラスをプレスすることなく溶融して固化してもよい。図8では、素子実装基板3の素子搭載面に、各LED素子2を仕切る壁部31を設けておき、各壁部31により形成された空間に蛍光体53の粉末及び封止前ガラス52の粉末を充填している。そして、封止前ガラス52を加熱して溶融固化させることにより、図9に示すように、蛍光体53が分散されたガラス封止部5によりLED素子2を封止することができる。
Furthermore, for example, as shown in FIGS. 8 and 9, the glass may be melted and solidified without pressing. In FIG. 8,
蛍光体53としては、例えば、YAG(Yttrium Aluminum Garnet)蛍光体、珪酸塩蛍光体や、YAGと珪酸塩蛍光体を所定の割合で混合したもの等を用いることができ、青色のLED素子2と組み合わせることにより白色光を得ることができる。尚、紫外光を発するLED素子と、青色蛍光体、緑色蛍光体、赤色蛍光体の組合せにより白色光を得るようにしてもよい。また、ガラス封止部5に蛍光体53を含有させずに、ガラス封止部5の表面に蛍光体を塗布したものであってもよいしい。
As the
また、前記実施形態においては、封止ガラスとしてZnO系ガラスの一種であるZnO−B2O3−SiO2系のガラスを例示したが、他のZnO系ガラスであってもよいし、Bi2O3系ガラス、P2O5系ガラス、Nb2O5系ガラス、GeO2系ガラス、Ga2O3系ガラス、Y2O3系ガラス、La2O3系ガラス、Gd2O3系ガラス、Ta2O5系ガラス等であっても、前記実施形態と同様の効果を得ることができる。ZnO系ガラスとしては、ZnO−B2O3−SiO2系の他、例えば、ZnO−B2O3−TeO2系、ZnO−SiO−R2O系(R:I族元素から選ばれる少なくとも1種)等を挙げることができる。Bi2O3系ガラスとしては、例えば、Bi2O3−B2O3−SiO2系、Bi2O3−B2O3−TeO2系、Bi2O3−SiO−R2O系(R:I族元素から選ばれる少なくとも1種)等を挙げることができる。P2O5系ガラスとしては、例えば、P2O5−ZnO系、P2O5−Al2O3系等を挙げることができる。Nb2O5系ガラスとしては、例えば、Nb2O5−SiO2系等を挙げることができる。
さらに、LED素子2の保護膜14を省略する構成としてもよい。この場合、駆動電圧の上昇をさらに抑制することができる。
Further, in the above embodiment has been described by way of ZnO-B 2 O 3 -SiO 2 based glass which is a kind of ZnO-based glass as a sealing glass, may be another ZnO-based glass, Bi 2 O 3 glass, P 2 O 5 glass, Nb 2 O 5 glass, GeO 2 glass, Ga 2 O 3 glass, Y 2 O 3 glass, La 2 O 3 glass, Gd 2 O 3 system Even if it is glass, Ta 2 O 5 type glass, etc., the same effect as the above-mentioned embodiment can be acquired. Examples of the ZnO-based glass include a ZnO—B 2 O 3 —SiO 2 system, a ZnO—B 2 O 3 —TeO 2 system, a ZnO—SiO—R 2 O system (R: at least selected from group I elements) 1 type). The Bi 2 O 3 based glass, for example, Bi 2 O 3 -B 2 O 3 -
Further, the
また、前記実施形態においては、素子実装基板3がアルミナ(Al2O3)からなるものを示したが、アルミナ以外のセラミックから構成するようにしてもよい。ここで、アルミナより熱伝導性に優れる高熱伝導性材料からなるセラミック基板として、例えば、BeO(熱膨張率α:7.6×10−6/℃、熱伝導率:250W/(m・k))を用いても良い。このBeOからなる基板においても封止前ガラスにより良好な封止性を得ることができる。
さらに、他の高熱伝導性基板として、例えばW−Cu基板を用いても良い。W−Cu基板としては、W90−Cu10基板(熱膨張率α:6.5×10−6/℃、熱伝導率:180W/(m・k))、W85−Cu15基板(熱膨張率α:7.2×10−6/℃、熱伝導率:190W/(m・k))を用いることにより、ガラス封止部との良好な接合強度を確保しながら高い熱伝導性を付与することができ、LEDの大光量化、高出力化に余裕をもって対応することが可能になる。
Further, in the above embodiment shows what the
Furthermore, for example, a W—Cu substrate may be used as another highly heat conductive substrate. As a W-Cu substrate, a W90-Cu10 substrate (thermal expansion coefficient α: 6.5 × 10 −6 / ° C., thermal conductivity: 180 W / (m · k)), a W85-Cu15 substrate (thermal expansion coefficient α: By using 7.2 × 10 −6 / ° C. and thermal conductivity: 190 W / (m · k)), it is possible to impart high thermal conductivity while ensuring good bonding strength with the glass sealing portion. Therefore, it is possible to cope with an increase in the amount of light and output of the LED with a margin.
また、前記実施形態においては、LED素子2をフリップチップ型としたが、フェイスアップ型や上下に電極を設けた構造など他の構造のLED素子であってもよい。さらには、発光素子としてLED素子を例示しているが、発光素子はLED素子に限定されるものではないし、その他、具体的な細部構造等についても適宜に変更可能であることは勿論である。
Moreover, in the said embodiment, although the
[実施例1]
図10は、ガラス封止時の酸素濃度と、ガラス封止前後におけるLED素子の駆動電圧の差との関係を示すグラフである。図10のデータを取得するにあたり、LED素子2の第1p型コンタクト層27及び第2p型コンタクト層28の成長温度を1000℃とするとともに、Mg濃度を9.8×1019/cm3として、不活性ガスとしての窒素ガス中の酸素ガス濃度を変化させて発光装置1の試料体を複数作製した。具体的に、酸素ガス濃度を0%、0.3%、1.0%に変化させて発光装置1を作製し、20mA通電時の駆動電圧を測定した。
[Example 1]
FIG. 10 is a graph showing the relationship between the oxygen concentration during glass sealing and the difference in driving voltage of the LED element before and after glass sealing. In acquiring the data of FIG. 10, the growth temperature of the first p-
図10に示すように、酸素ガス濃度を0%とした試料体では、ガラス封止前後で駆動電圧の上昇が0.6Vであったが、酸素ガス濃度を0.3%とした試料体では0.5Vとなり、駆動電圧の上昇が抑制された。さらに、酸素ガス濃度を1.0%とすると駆動電圧の上昇が0.1Vとなり、駆動電圧の上昇が大幅に抑制されることが確認された。従って、酸素ガスを含有させれば駆動電圧の上昇が抑制され、酸素ガス濃度が1.0%以上となると効果が大きいことが理解される。また、後述する各比較例では、酸素ガス濃度を0%とした場合、p型コンタクト層の成長温度を1000℃以上とすると駆動電圧が大幅に上昇するが、実施例1のように酸素を含有させることにより、1000℃以上の領域であっても駆動電圧が大幅に上昇することはない。 As shown in FIG. 10, in the sample body in which the oxygen gas concentration was 0%, the driving voltage increased by 0.6 V before and after glass sealing, but in the sample body in which the oxygen gas concentration was 0.3%. As a result, the drive voltage was suppressed from increasing. Furthermore, it was confirmed that when the oxygen gas concentration was 1.0%, the drive voltage increased to 0.1 V, and the drive voltage increase was significantly suppressed. Therefore, it can be understood that if oxygen gas is contained, an increase in driving voltage is suppressed, and that the effect is great when the oxygen gas concentration is 1.0% or more. Further, in each comparative example described later, when the oxygen gas concentration is 0%, the driving voltage is significantly increased when the growth temperature of the p-type contact layer is 1000 ° C. or higher. By doing so, the drive voltage does not increase significantly even in the region of 1000 ° C. or higher.
[比較例1]
図11は、酸素ガス濃度を0%とした窒素ガス雰囲気における、ガラス封止後におけるLED素子2の第1p型コンタクト層27及び第2p型コンタクト層28のMg濃度と、20mA通電時のガラス封止前及びガラス封止後のLED素子2における駆動電圧の差との関係を示すグラフである。また、図12は、酸素ガス濃度を0%とした窒素ガス雰囲気における、ガラス封止前におけるLED素子2の第1p型コンタクト層27及び第2p型コンタクト層28のMg濃度と、20mA通電時のLED素子2における駆動電圧との関係を示すグラフである。LED素子2は、前記実施形態の発光装置1の製造工程において、第1p型コンタクト層27及び第2p型コンタクト層28の成長温度を標準成長温度、標準成長温度よりも25℃低い温度、及び、標準成長温度よりも50℃低い温度の3つの条件とし、Mg濃度を標準Mg濃度、標準Mg濃度の0.8倍、及び、標準Mg濃度の0.6倍の3つの条件として、計9つの条件で作製した。比較例1においては、標準成長温度を100℃とし、第1p型コンタクト層27の標準Mg濃度を5×1019/cm3とし、第2p型コンタクト層28の標準Mg濃度を8×1019/cm3とした。尚、LED素子2の透明電極11の蒸着温度は460℃、焼成温度は690℃とした。尚、図11及び図12において、横軸は標準Mg濃度に対する比で示してある。
[Comparative Example 1]
FIG. 11 shows the Mg concentration of the first p-
図11のグラフから明らかなように、各p型コンタクト層27,28のMg濃度を小さくすると、ガラス封止後におけるLED素子2駆動電圧上昇の低減を図ることができるという結果が得られた。また、成長温度を低くすることでも、ガラス封止後におけるLED素子2の駆動電圧上昇の低減を図ることができるという結果が得られた。また、標準Mg濃度及び標準成長温度の条件で作製したLED素子2では発光層の端部のみの発光となったが、それ以外の条件で製造したLED素子2はすべて面発光であり、発光パターンは正常であった。
As can be seen from the graph of FIG. 11, when the Mg concentration of each of the p-type contact layers 27 and 28 is decreased, the increase in the drive voltage of the
また、図12のグラフから明らかなように、標準Mg濃度及び標準成長温度の条件で作製したLED素子2の駆動電圧上昇ほど著しくないものの、Mg濃度を小さくしすぎると、初期の駆動電圧が高まる傾向がある。標準Mg濃度の0.6倍では、標準Mg濃度の場合の10%以内であるものの、初期の駆動電圧が上昇している。また、成長温度を低くしても、若干、初期駆動電圧が上昇する傾向がある。
Further, as is apparent from the graph of FIG. 12, although the driving voltage rise of the
以上より、酸素ガス濃度が0%の場合に、ガラス封止後の駆動電圧をなるべく低くし、高発光効率の設計とするためには、初期の駆動電圧が上昇しない程度のMg濃度(臨界Mg濃度)とし、成長温度を標準成長温度よりも下げればよいことが理解される。図12に示すように、成長温度が950℃以上1000℃未満の場合は、標準Mg濃度の0.8倍が臨界Mg濃度となる。また、Mg濃度を標準Mg濃度より小さくするとガラス封止後の駆動電圧の上昇を抑えることができ、望ましいMg濃度の範囲は、2×1019以上8×1019/cm3以下の範囲であると推察できる。また、成長温度を標準成長温度以下とすればガラス封止後の駆動電圧の上昇を抑えることができ、望ましいp型コンタクト層の成長温度は、発光層の成長温度より高く、1000℃未満の範囲であると推察できる。尚、これらの数値は、あくまで酸素ガス濃度が0%の場合であり、酸素含有雰囲気であれば、これらの数値の範囲内でなくとも駆動電圧の上昇が抑えられることは既に述べた通りである。酸素含有雰囲気においてこれらの数値の範囲内とすれば、さらに駆動電圧の上昇を抑制することができるし、酸素の濃度を比較的低くしても大きな効果を得ることができる。 From the above, when the oxygen gas concentration is 0%, in order to make the drive voltage after glass sealing as low as possible and to design with high luminous efficiency, the Mg concentration (critical Mg) is such that the initial drive voltage does not increase. It is understood that the growth temperature may be lower than the standard growth temperature. As shown in FIG. 12, when the growth temperature is 950 ° C. or higher and lower than 1000 ° C., the critical Mg concentration is 0.8 times the standard Mg concentration. Further, if the Mg concentration is smaller than the standard Mg concentration, an increase in driving voltage after glass sealing can be suppressed, and a desirable Mg concentration range is 2 × 10 19 or more and 8 × 10 19 / cm 3 or less. Can be guessed. Further, if the growth temperature is set to the standard growth temperature or lower, an increase in driving voltage after glass sealing can be suppressed, and the preferable growth temperature of the p-type contact layer is higher than the growth temperature of the light emitting layer and less than 1000 ° C. It can be inferred that These numerical values are only when the oxygen gas concentration is 0%, and as described above, an increase in driving voltage can be suppressed if the oxygen-containing atmosphere is not within the range of these numerical values. . Within the range of these values in the oxygen-containing atmosphere, it is possible to further suppress an increase in driving voltage, and a great effect can be obtained even if the oxygen concentration is relatively low.
図13は、酸素ガス濃度を0%とした窒素ガス雰囲気において、各p型コンタクト層27,28の成長温度と、熱処理による駆動電圧上昇との関係を示すグラフである。各p型コンタクト層27,28のMg濃度を標準Mg濃度とし、成長温度を875℃以上1000℃以下の範囲で25℃ごとに変化させてデータを取得した。熱処理は、ガラス封止に代替する処理として、窒素雰囲気で600℃、15分間行った。 FIG. 13 is a graph showing the relationship between the growth temperature of each of the p-type contact layers 27 and 28 and the drive voltage increase due to heat treatment in a nitrogen gas atmosphere with an oxygen gas concentration of 0%. The data was obtained by changing the Mg concentration of each of the p-type contact layers 27 and 28 to a standard Mg concentration and changing the growth temperature every 25 ° C. within a range of 875 ° C. to 1000 ° C. The heat treatment was performed at 600 ° C. for 15 minutes in a nitrogen atmosphere as a treatment to replace glass sealing.
図13に示すように、成長温度が875℃以上950℃以下の範囲では、駆動電圧上昇値はほぼ一定であるが、975℃では950℃の約1.8倍の駆動電圧上昇値となり、1000℃では950℃の約2.8倍の駆動電圧上昇値となった。このように、酸素ガス濃度が0%の場合では、各p型コンタクト層27,28の成長温度を上げていくと、一定であった駆動電圧上昇値が増加に転じる臨界成長温度(図13では950℃)が存在することが明らかとなった。 As shown in FIG. 13, when the growth temperature is in the range of 875 ° C. or more and 950 ° C. or less, the drive voltage increase value is almost constant, but at 975 ° C., the drive voltage increase value is about 1.8 times that of 950 ° C. At ℃, the drive voltage increase value was about 2.8 times that of 950 ° C. As described above, when the oxygen gas concentration is 0%, when the growth temperature of each of the p-type contact layers 27 and 28 is increased, a constant driving voltage increase value starts to increase (in FIG. 13, the critical growth temperature). 950 ° C.) was present.
ここで、平坦なサファイア基板や凹凸加工が施されたサファイア基板を成長基板として用いた場合、低温でIII族窒化物半導体層を成長させると欠陥が生じやすい。したがって、第1p型コンタクト層27の成長温度は、駆動電圧が上昇しない範囲でなるべく高い成長温度(臨界成長温度)とすることが望ましい。
Here, in the case where a flat sapphire substrate or a sapphire substrate with concavo-convex processing is used as a growth substrate, defects are likely to occur when a group III nitride semiconductor layer is grown at a low temperature. Therefore, it is desirable that the growth temperature of the first p-
一方、GaN基板を成長基板として用いる場合は、臨界成長温度以下の低温で成長させても欠陥が生じにくい。このため、第1p型コンタクト層27を950℃以下、さらには発光層であるMQW層25の成長温度と等しい、あるいは近い温度で成長温度することができ、第1p型コンタクト層27成長以前に成長させたIII族窒化物半導体層の熱拡散を抑制して成膜制御の精度を高くすることができ、高効率化を図ることができる。
On the other hand, when a GaN substrate is used as a growth substrate, defects do not easily occur even when grown at a low temperature below the critical growth temperature. For this reason, the first p-
また、発光装置1は、ガラス封止部5とLED素子2が接しており、ガラス封止時にLED素子2はガラスと同等の高温となる。さらに、ガラス封止部5と素子実装基板3とが接合されることによって、LED素子2は密封されている。ガラス封止で駆動電圧上昇が生じるLED素子2は、その多くが、ガラス封止を行わなくても、400℃以上の窒素雰囲気にLED素子2を10分放置するだけで駆動電圧上昇が生じる。しかし、ガラス封止のようにLED素子2が密封されることで、その上昇度合いは大きくなる。
Further, in the light emitting device 1, the
また、この場合に、発光装置1を構成する部材が水分や水素を含んでいると、駆動電圧の上昇の程度がさらに大きくなる傾向がある。例えば、ガラスを溶解するにあたり、乾燥窒素雰囲気で溶解するのに対し、大気中で溶解すると空気中の水分をガラスが取り込むこととなる。あるいは、蛍光体をガラス中に分散するにあたり、湿式の粉砕方法や沈殿方法による分級を行うとガラスが水分を取り込むこととなる。また、素子実装基板3としてセラミック基板を用いた場合、次亜燐酸水溶液の還元作用を利用するNi無電解めっきなど、一般的なめっき工程による金属回路パターン形成工程では水素発生を伴って、めっき部やセラミック部材が水素を取り込むこととなる。酸素ガスを含む雰囲気でのガラス封止とすることで、これらの影響を軽減することができるのである。
In this case, if the members constituting the light emitting device 1 contain moisture or hydrogen, the degree of increase in the drive voltage tends to be further increased. For example, when melting glass, it dissolves in a dry nitrogen atmosphere, whereas when it dissolves in the air, the glass takes in moisture in the air. Alternatively, when the phosphor is dispersed in the glass, if the wet pulverization method or the precipitation method is used, the glass takes in moisture. Further, when a ceramic substrate is used as the
さらに、LED素子の電極形成後に、SiO2などによる保護膜を設けても良いが、これによっても、駆動電圧上昇の程度が大きくなる傾向がある。発明者らの実験では、pパッド電極12、n電極13形成後にpパッド電極21、n電極13以外の領域に約300℃で保護膜14を形成した場合と、保護膜14を形成しない場合とでガラス封止による駆動電圧の上昇を比較したところ、保護膜14を形成した揚合の方が、保護膜14を形成しない場合と比べて駆動電圧の上昇が約1.5倍大きかった。
Furthermore, a protective film made of SiO 2 or the like may be provided after forming the electrode of the LED element, but this also tends to increase the degree of drive voltage increase. In the experiments by the inventors, after forming the
そして、これらの場合でも、LED素子2のp型コンタクト層27,28の成長温度を低くするなどによって、封止部材などからの水分や水素の影響を受けにくいものとでき、特殊な条件でのガラス製造を行う必要はなく、脱ガス処理などを省くことができる。さらに、保護膜14を形成すると、発光素子実装時の短絡などの不良を減らすことができ、生産性を向上することができる。
Even in these cases, by reducing the growth temperature of the p-type contact layers 27 and 28 of the
また、第1p型コンタクト層27、第2p型コンタクト層28のMg濃度を標準Mg濃度とし、成長温度を標準成長温度とした発光素子について、駆動電圧上昇のガラス封止時の温度依存性を調べたところ、ガラス封止温度が高いほど駆動電圧の上昇が大きいことがわかった。
In addition, regarding the light emitting element in which the Mg concentration of the first p-
ガラスは結合力が小さいほど軟化温度が低くなり、熱膨張率が大きくなる相関がある。このため、LED素子2や、白色で反射率が高く機械強度も高いアルミナと同等の熱膨張率にするには、軟化点を下げる限界が生じるので、相当する加工温度が必要になる。このガラス封止温度に依存した駆動電圧上昇も、LED素子2のp型層の成長温度を低くするなどによって、駆動電圧を低く抑えたものとできる。
The glass has a correlation that the softening temperature is lower and the coefficient of thermal expansion is larger as the bond strength is smaller. For this reason, since the limit which lowers a softening point arises in order to make it the thermal expansion coefficient equivalent to the
尚、一般に行われている樹脂封止LEDでは、200℃未満の加工温度であるため、LED素子2自体や封止材料などからの影響による上記問題は生じない。このことから、p型化に関係した問題であると考えられる。
In general, a resin-sealed LED has a processing temperature of less than 200 ° C. Therefore, the above-described problem due to the influence of the
[比較例2]
比較例2の発光装置1の製造方法は、比較例1のLED素子2において、第1p型コンタクト層27を標準Mg濃度、標準成長温度で形成し、第2p型コンタクト層28を形成しないものであり、それ以外は同一の製造工程である。
[Comparative Example 2]
The manufacturing method of the light emitting device 1 of Comparative Example 2 is the
この比較例2の製造方法により作製した発光装置1と、第2pコンタクト層27を標準Mg濃度、標準成長温度で形成した比較例1の発光装置1とを比較したところ、比較例1の発光装置1のガラス封止による駆動電圧の上昇値は図11のグラフのように1.76Vであったのに対し、比較例2の発光装置1の駆動電圧の上昇値は0.26Vであった。また、初期の駆動電圧は、比較例1の発光装置1では2.97Vであったのに対L、比較例2の発光装置1では3.12Vであった。また、ガラス封止後の駆動電圧は、比較例1の発光装置1では4.73Vであったのに対し、比較例2の発光装置1では3.38Vであった。比較例1の発光装置1では、ガラス封止により駆動電圧が約60%上昇していたが、比較例2の発光装置では15%以下に抑えることができている。
When the light-emitting device 1 manufactured by the manufacturing method of Comparative Example 2 and the light-emitting device 1 of Comparative Example 1 in which the second
このように、透明電極11に接するMg濃度の高い層を省くことで、初期の駆動電圧はやや高くなるものの、ガラス封止での駆動電圧の上昇を抑えることができ、ガラス封止後の駆動電圧を低く抑えることができる。
Thus, by omitting the layer with high Mg concentration in contact with the
[比較例3]
比較例3の発光装置1の製造方法は、以下に示す工程を比較例1の発光装置の製造方法に追加するものである。この追加する工程は、第2p型コンタクト層28の形成後からガラス封止前までの間に行えば良い。
[Comparative Example 3]
The manufacturing method of the light-emitting device 1 of the comparative example 3 adds the process shown below to the manufacturing method of the light-emitting device of the comparative example 1. FIG. This additional step may be performed after the second p-
追加する工程は、酸素雰囲気中で400℃以上600℃以下、0.5時間以上2時間以下の熱処理を行う工程である。比較例1の発光装置の製造方法にこの工程を追加することで、より駆動電圧の上昇を抑制することができる。これは、熱処理によって水素を排出することにより、水素がMgと再結合して不活性してしまうのを防止できるためと考えられる。熱処理温度が400℃より低い温度、または熱処理時間が0.5時間よりも短い時間では、不活性化を十分に防止できず、駆動電圧上昇の抑制効果が低いので望ましくない。また600℃よりも高いと、ガラス封止温度よりも高い熱ダメージを発光素子にかけることになり、電極などの変質が懸念されるため望ましくなく、2時間よりも長い熱処理時間では、十分な不活性化防止効果を得られる以上に余分な熱ダメージを発光素子に与えることになるため望ましくない。 The step of adding is a step of performing heat treatment at 400 ° C. to 600 ° C. for 0.5 hours to 2 hours in an oxygen atmosphere. By adding this step to the method for manufacturing the light emitting device of Comparative Example 1, it is possible to further suppress an increase in driving voltage. This is presumably because hydrogen can be prevented from being recombined with Mg and deactivated by discharging hydrogen by heat treatment. When the heat treatment temperature is lower than 400 ° C. or the heat treatment time is shorter than 0.5 hour, inactivation cannot be sufficiently prevented and the effect of suppressing the drive voltage rise is low, which is not desirable. If the temperature is higher than 600 ° C., thermal damage higher than the glass sealing temperature is applied to the light-emitting element, which is undesirable because of deterioration of the electrodes and the like. This is not desirable because it causes extra heat damage to the light emitting element beyond the effect of preventing activation.
実際に比較例1の発光装置の製造工程において、空気中で600℃、0.5時間の熱処理工程を、LED素子2の製造後、素子実装基板3への実装前に追加したところ、この熱処理工程を追加しない場合に比べて駆動電圧の上昇が約1/5となっていることが確認できた。
Actually, in the manufacturing process of the light emitting device of Comparative Example 1, a heat treatment step at 600 ° C. for 0.5 hours in air was added after the
この追加した工程は、透明電極11の形成後に行うことで、半導体層の表面に抵抗を大きくする表面酸化被膜が形成されることを防止することができる。あるいは、表面酸化被膜の除去工程を省くことができる。また、発光素子を個々に分離する前に行うことで、一括処理ができ、製造の手間を著しく増やすことのないものとできる。このように、当該熱処理工程を透明電極11形成後から発光素子の分離工程前に追加することが好ましい。
By performing this added process after the formation of the
1 発光装置
2 LED素子
3 素子実装基板
4 回路パターン
5 ガラス封止部
6 ビアホール
7 バンプ
11 透明電極
12 pパッド電極
13 n電極
14 保護膜
20 基板
21 バッファ層
22 n型コンタクト層
23 n型ESD層
24 n型クラッド層
25 MQW層
26 p型クラッド層
27 第1p型コンタクト層
28 第2p型コンタクト層
41 ビアパターン
42 表面パターン
43 裏面パターン
51 封止前ガラス
51a 凹部
52 封止前ガラス
53 蛍光体
80 中間体
91 下金型
92 上金型
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Light-emitting
Claims (7)
前記p型コンタクト層の形成は、前記発光層の成長温度より高く、1000℃未満の成長温度で行い、
前記発光素子の封止は、耐酸化材料からなる金型を用いたホットプレス加工により、酸素含有のガス雰囲気にて行う発光装置の製造方法。 N-type layer made of a Group III nitride semiconductor, light emitting layer, p-type cladding layer, a light-emitting element manufactured by growing a p-type contact layer mounted on the element mounting substrate, sealed with a glass which is heated to the light emitting element the method for manufacturing a light emitting device to be stopped,
The p-type contact layer is formed at a growth temperature higher than the growth temperature of the light emitting layer and less than 1000 ° C.,
The light emitting device is sealed by hot pressing using a mold made of an oxidation resistant material in a gas atmosphere containing oxygen.
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