JP5396003B2 - Ｌｅｄ素子の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は発光ダイオード(Light Emitting Diode、LED)素子の製造方法に関するもので、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素子の製造方法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-GaN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。
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素子の製造方法を提供することである。
前記目的を達成するための本発明の一実施例によるＬＥＤ素子の製造方法は、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を形成する段階と、前記積層構造の表面と接触する電極パッドを形成する段階と、前記電極パッドの上部面にマスクを形成する段階と、前記積層構造の表面において、前記電極パッドが形成された領域を除いた残りの部分に、前記電極パッドの側面の少なくとも一部を覆うように前記主光を一つ以上の他の光波長に変換させる蛍光体が均一に分散した蛍光体膜を直接に形成する段階と、前記マスクを除去する段階と、を備え、前記蛍光体膜の厚さは、前記電極パッドの厚さより小さく、前記電極パッドの少なくとも一つは前記蛍光体膜上に突出して全体上部面に露出され、前記蛍光体膜を形成する段階において、前記蛍光体膜はＳｉＯ ２ またはＳｉＯを含む酸化物系、窒化物系、エポキシ（ｅｐｏｘｙ）樹脂またはシリコン（ｓｉｌｉｃｏｎｅ）樹脂の中の少なくとも一つの物質に青色光蛍光体、緑色光蛍光体、黄色光蛍光体または赤色光蛍光体の二つ以上の蛍光体が混合されたターゲット物質をスパッタリング法またはレーザーパルス法を用いて前記積層構造の表面に形成することを特徴とする。
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ZnO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(305)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(Al2O3)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。
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、LED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 deposition、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(target)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(garnet)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、Ca、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、La)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、Cax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)2S4、(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、(Sr、Ba、Ca、Mg、Zn、Cd、Y、Sc、La)xSiyOz:(Eu、F、Mn、Ce、Pb)のシリケート系またはBaMgAl10O17: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:Eu3+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。
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
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 (10)
- ＬＥＤ素子を製造する製造方法であって、
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を形成する段階と、
前記積層構造の表面と接触する電極パッドを形成する段階と、
前記電極パッドの上部面にマスクを形成する段階と、
前記積層構造の表面において、前記電極パッドが形成された領域を除いた残りの部分に、前記電極パッドの側面の少なくとも一部を覆うように前記主光を一つ以上の他の光波長に変換させる蛍光体が均一に分散した蛍光体膜を直接に形成する段階と、
前記マスクを除去する段階と、
を備え、
前記蛍光体膜の厚さは、前記電極パッドの厚さより小さく、前記電極パッドの少なくとも一つは前記蛍光体膜上に突出して全体上部面に露出され、
前記蛍光体膜を形成する段階において、前記蛍光体膜はＳｉＯ ２ またはＳｉＯを含む酸化物系、窒化物系、エポキシ（ｅｐｏｘｙ）樹脂またはシリコン（ｓｉｌｉｃｏｎｅ）樹脂の中の少なくとも一つの物質に青色光蛍光体、緑色光蛍光体、黄色光蛍光体または赤色光蛍光体の二つ以上の蛍光体が混合されたターゲット物質をスパッタリング法またはレーザーパルス法を用いて前記積層構造の表面に形成することを特徴とするＬＥＤ素子の製造方法。 - 前記発光構造体を形成する段階において、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、且つ、前記第２半導体層の一部の領域には前記発光層および前記第１半導体層が設けられない前記発光構造体を形成し、
前記電極パッドを形成する段階において、前記第１半導体層と電気的に接続される第１の前記電極パッドと、前記発光層および前記第１半導体層が設けられない領域の前記第２半導体層と電気的に接続される第２の前記電極パッドとを形成することを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ素子の製造方法。 - 前記発光構造体を形成する段階において、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む前記積層構造を形成し、
前記電極パッドを形成する段階において、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２に記載のＬＥＤ素子の製造方法。 - 前記窒化物系は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ことを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ素子の製造方法。
- 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に記載のＬＥＤ素子の製造方法。
- 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または５に記載のＬＥＤ素子の製造方法（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可能である）。
- 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、５、６のいずれか一項に記載のＬＥＤ素子の製造方法。
- 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、５、６、７のいずれか一項に記載のＬＥＤ素子の製造方法。
- 前記酸化物系はＳｉＯ２、ＳｉＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＺｎＯ、ＣｌＯ、ＩＴＯ、ＩｎＯの中の一つ以上の物質を含むことを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ素子の製造方法。
- 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を形成する請求項１ないし９のいずれか一項に記載のＬＥＤ素子の製造方法。
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