JP5505864B2 - 半導体発光素子デバイスの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ＬＥＤ（発光ダイオード）、ＬＤ（レーザーダイオード）等の半導体発光素子が発する光の一部の波長を別の波長に変換し、主に白色光を照射するための半導体発光素子デバイスに関するものである。

近年、白色ＬＥＤ等の半導体発光素子デバイスは、白熱電球や蛍光灯に代わる次世代の光源として照明用途への応用が期待されている。一般に、白色ＬＥＤは無機蛍光体粉末と樹脂の混合物を励起光源であるＬＥＤチップ上に被覆モールドした構造を有している。しかしながら、ＬＥＤチップから照射される熱や光は、限られた部分に集中的に照射されるため、耐熱性に乏しい樹脂が容易に着色あるいは変形してしまう。そのため、短期間で発光色の変化が生じ、半導体発光素子デバイスとしての寿命が短くなるという問題がある。ＬＥＤチップの高出力化に伴ってこのような問題は深刻化すると考えられており、耐熱性に優れる半導体発光素子デバイスの開発が望まれていた。

これに対し、樹脂を用いない無機材料のみからなる波長変換部材を使用した半導体発光素子デバイスが提案されている（例えば、特許文献１参照）。当該波長変換部材には耐熱性に劣る樹脂が使用されておらず無機材料のみからなるため、優れた耐熱性を有し熱劣化がほとんど生じない。

特開２００３−２５８３０８号公報

例えばフリップチップタイプの半導体発光素子デバイスの場合、波長変換部材は半導体発光素子基板上にシリコーン樹脂等の樹脂を用いて直接接合される。そのため、波長変換部材自体の耐熱性が高い場合であっても、接合に用いられる樹脂が、半導体発光素子から発生する熱によって変色し、励起光の透過率が低下し、光束値が低下するという問題があった。

したがって、本発明は、従来の製造方法と比較して、耐熱性および耐候性に優れた半導体発光素子デバイスを容易に製造するための方法を提供することである。

本発明者等は鋭意検討した結果、少なくとも半導体発光素子と波長変換部材を備えてなる半導体発光素子デバイスの製造方法において、波長変換部材と半導体発光素子を耐熱性に優れた特定の材料で接合することにより、前記課題を解決できることを見出し、本発明として提案するものである。

すなわち、本発明は、半導体発光素子と波長変換部材を備えてなる半導体発光素子デバイスの製造方法であって、半導体発光素子と波長変換部材をガラスフィルムにより加熱接合することを特徴とする半導体発光素子デバイスの製造方法に関する。

既述のように、半導体発光素子と波長変換部材を樹脂により接合した場合、半導体発光素子から発生する熱や光により樹脂が変色するという問題があった。一方、本発明の製造方法によれば、半導体発光素子と波長変換部材を無機材料であるガラスフィルムを用いて接合することで、半導体発光素子からの発熱による変色を防止することができる。その結果、経時的な光束値の低下を防止することが可能となる。

なお、接合材料としてガラスフリットやゾルゲルガラス等を用いた場合、半導体発光素子と波長変換部材の接合層の厚さを均一に調整することが困難であったり、焼成後に気泡が発生しやすいという問題がある。接合層の厚さが不均一であると配光性が安定しにくく、また接合層に気泡が存在すると光の散乱の原因となり、発光効率が低下しやすくなる。

一方、接合材料としてガラスフィルムを用いれば、接合層の厚さを均一にすることが容易であり、気泡も発生しくい。特に、ガラスフィルムの厚さを適宜選択することにより、接合層の厚さを薄く（例えば２００μｍ以下）することも容易である。

また本発明によれば、従来の樹脂による接合と比較して接合強度が高く、半導体発光素子と波長変換部材の剥離の問題を大幅に改善することができる。

第二に、本発明の半導体発光素子デバイスの製造方法は、ガラスフィルムの厚さが２００μｍ以下であることを特徴とする。

ガラスフィルムの厚さを２００μｍ以下と非常に薄くすることにより、ガラス内部での励起光の吸収を抑制でき、発光効率に優れた半導体発光素子デバイスを得ることができる。また、半導体発光素子と波長変換部材との線熱膨張係数差が大きくても、接合時の熱や半導体発光素子からの熱による発生応力が小さく、剥離などの破壊が発生しにくい。

第三に、本発明の半導体発光素子デバイスの製造方法は、ガラスフィルムがケイ酸塩ガラスまたはスズリン酸塩ガラスであることを特徴とする。

第四に、本発明の半導体発光素子デバイスの製造方法は、接合温度がガラスフィルムの軟化点よりも低いことを特徴とする。

当該構成によれば、波長変換部材と半導体発光素子の接合時におけるガラスフィルムの流動を抑制し、気泡や空隙の発生を防止することができる。また、接合層の厚さが不均一になることを防止することができる。

第五に、本発明の半導体発光素子デバイスの製造方法は、半導体発光素子が基板と半導体層からなり、基板側に波長変換部材を接合することを特徴とする。

半導体発光素子の基板側に波長変換部材を接合した半導体発光素子デバイス（フリップチップタイプ）はハイパワーＬＥＤ等に採用されている。フリップチップタイプ実装時の電極接合には３００〜３５０℃で加熱処理が行われるが、本発明では、半導体発光素子と波長変換部材の接合を無機材料であるガラスフィルムにより行うため、実装時の加熱処理によって変色や変形が生じることがない。

第六に、本発明の半導体発光素子デバイスの製造方法は、基板、波長変換部材およびガラスフィルムの各屈折率の差が０．５以内であることを特徴とする。

当該構成によれば、半導体発光素子基板とガラスフィルムまたはガラスフィルムと波長変換部材の界面における反射や散乱を抑制することができ、発光効率に優れた半導体発光素子デバイスを得ることが可能となる。

第七に、本発明の半導体発光素子デバイスの製造方法は、波長変換部材が、ガラス粉末と無機蛍光体粉末を含む混合粉末の焼結物からなることを特徴とする。

当該構成によれば、無機蛍光体粉末がガラスマトリクス中に均一に分散した波長変換部材を容易に得ることができる。

第八に、本発明は、前記いずれかの製造方法により作製されたことを特徴とする半導体発光素子デバイスに関する。

本発明の製造方法により作製された半導体発光素子デバイスの模式図である。

本発明の半導体発光素子デバイスの製造方法を図面を用いて説明する。

半導体発光素子デバイス１は、基体７上に半導体発光素子３がボンディング８により接着され、また半導体発光素子３の上部にはガラスフィルム６を介して波長変換部材２が接合された構造を有している。ここで、半導体発光素子３は、基板４と、基板４上に形成された半導体層５から形成されており、基板４がガラスフィルム６により波長変換部材２と、半導体層５がボンディング８により基体７とそれぞれ接合されている。

半導体発光素子デバイス１は、例えば波長変換部材２と半導体発光素子３における基板４とを、ガラスフィルム６を介して設置した状態で加熱処理を施すことにより波長変換部材２と基板４を接合し、その後、半導体発光素子３における半導体層５と基体７をボンディング８により接着することにより作製することができる。ここで、波長変換部材２と半導体発光素子３の間にガラスフィルム６を設置し、外部から圧力を印加した状態で加熱処理することにより接合状態が強固なものとなる。

基板４と波長変換部材２の接合は、基板４に対してエピタキシャル成長処理を施して半導体層５を形成する前に行ってもよいし、基板４に対して半導体層５を形成した後に行ってもよい。また、波長変換部材２と基板４の接合を、半導体発光素子３と基体７をボンディング８により接着した後に行っても構わない。

なお、波長変換部材２とガラスフィルム６またはガラスフィルム６と基板４の間に異物が存在すると気泡や空隙の発生原因となるため、加熱処理はクラス１０００以下のクリーンルームで行うことが好ましい。

ガラスフィルムとしては、ケイ酸塩ガラス、スズリン酸塩ガラス、亜鉛ホウ酸ガラス、ソーダガラス、ホウケイ酸ガラス、アルミケイ酸ガラス、シリカガラス等の透光性を有するガラスが挙げられる。特に、ケイ酸塩ガラスは耐熱性に優れるとともに成形性にも優れ、例えば延伸成形等により容易に薄板化できるため好ましい。また、スズリン酸塩ガラスは軟化点が比較的低いため低温接合が可能となる。

ガラスフィルムの厚さは２００μｍ以下、１００μｍ以下、特に５０μｍ以下であることが好ましい。ガラスフィルムの厚さが２００μｍを超えると、ガラス内部での励起光の吸収が大きくなり、発光効率が低下する傾向がある。また、半導体発光素子の基板と波長変換部材との線熱膨張係数差が大きい場合には、接合時の熱や半導体発光素子からの熱による発生応力が大きくなり、剥離などの破壊が発生するおそれがある。一方、ガラスフィルムの厚さが薄すぎると、破損しやすく取り扱いが困難になるため、下限は１μｍ以上、特に５μｍ以上であることが好ましい。

ガラスフィルムは、上記材質からなる略矩形状の母材ガラスを所定条件で加熱しながら延伸する方法や、上記材質の溶融ガラスをオーバーフローダウンドロー法やスロットダウンドロー法により成形する方法によって作製することができる。

波長変換部材としては、ガラスマトリクス中に無機蛍光体が分散してなるものであると、耐熱性に優れるため好ましい。具体的には、無機蛍光体粉末とガラス粉末を含む混合粉末の焼結体からなるものや、蛍光体含有結晶化ガラスなどが挙げられる。

無機蛍光体粉末としては、一般的に市中で入手できるものであれば使用できる。無機蛍光体粉末には、ＹＡＧ等の酸化物、窒化物、酸窒化物、硫化物、希土類酸硫化物、ハロゲン化物、アルミン酸塩化物、ハロリン酸塩化物などからなるものがある。特にＹＡＧ等の酸化物蛍光体は、ガラス粉末と混合して高温焼成しても安定であるという特徴を有する。

なお、励起光や発光の波長域に合わせて、複数の無機蛍光体粉末を混合して用いてもよい。例えば、紫外域の励起光を照射して白色光を得る場合は、青色、緑色、黄色、赤色の蛍光を発する無機蛍光体粉末を混合して使用すればよい。

ガラス粉末には、無機蛍光体粉末を安定に保持するための媒体としての役割がある。また、ガラス粉末のガラス組成によって波長変換部材の色調が異なり、また無機蛍光体粉末との反応性に差が出るため、これらの条件を考慮して使用するガラス組成を選択することが好ましい。さらに、ガラス組成に適した無機蛍光体粉末の添加量や、波長変換部材の厚さを決定することも重要である。

ガラス粉末としては、例えば、ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−ＲＯ系ガラス（ＲはＭｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａを示す）、ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−Ｒ’_２Ｏ系ガラス（Ｒ’はＬｉ、Ｎａ、Ｋを示す）、ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−Ａｌ_２Ｏ_３系ガラス、ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−ＺｎＯ系ガラス、ＺｎＯ−Ｂ_２Ｏ_３系ガラス、ＳｎＯ−Ｐ_２Ｏ_５系ガラスを用いることができる。これらのガラスは目的とする特性に応じて適宜選択すればよい。例えば低温で焼成したい場合は、比較的軟化点が低いＺｎＯ−Ｂ_２Ｏ_３系ガラス、ＳｎＯ−Ｐ_２Ｏ_５系ガラスを選択すればよく、波長変換部材の耐候性を向上させたい場合は、ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−ＲＯ系ガラス、ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−Ｒ’_２Ｏ系ガラス、ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−Ａｌ_２Ｏ_３系ガラス、ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−ＺｎＯ系ガラスを選択すればよい。

ガラス粉末の平均粒径Ｄ_５０は、０．１〜１００μｍ、特に１〜５０μｍであることが好ましい。ガラス粉末の平均粒径Ｄ_５０が小さすぎると、焼成する際に気泡の発生量が多くなる。波長変換部材中に気泡が多く含まれると光散乱の原因となり発光効率が低下する傾向がある。好ましい気孔率は２％以下、特に１％以下である。一方、平均粒径Ｄ_５０が大きすぎると、波長変換部材中に無機蛍光体粉末が均一に分散されにくくなり、結果として、波長変換部材の発光効率が低下する傾向がある。

波長変換部材の発光効率（ｌｍ／Ｗ）は、ガラスマトリクス中に分散した無機蛍光体粉末の種類や含有量、さらには発光色変換部材の肉厚によって変化する。波長変換部材の発光効率を高めたい場合、肉厚を薄くして励起光や蛍光の透過率を高めたり、無機蛍光体粉末の含有量を多くして、変換させる光量を増加させることで調整すればよい。しかしながら、無機蛍光体粉末の含有量が多くなりすぎると、緻密な構造が得られにくくなり気孔率が大きくなる傾向がある。結果として、励起光が効率良く無機蛍光体粉末に照射されにくくなったり、波長変換部材の機械的強度が低下しやすくなるなどの問題が生じる。一方、無機蛍光体粉末の含有量が少なすぎると、十分な発光が得られにくくなる。したがって、波長変換部材における無機蛍光体粉末の含有量は、質量％で、０．０１〜３０％、０．０５〜２０％、特に０．０８〜１５％であることが好ましい。

半導体発光素子の基板としては、一般的にはＡｌ_２Ｏ_３（サファイア）が用いられるが、その他にＳｉ（シリコン）、ＧａＡｓ（ガリウム砒素）、ＳｉＣ（シリコンカーバイド）などが挙げられる。

波長変換部材と半導体発光素子の接合温度は、ガラスフィルムの軟化点より低いことが好ましい。具体的には、接合温度はガラスフィルムの軟化点−５℃以下、特に−１０℃以下であることが好ましい。接合温度がガラスフィルムの軟化点以上であると、接合時にガラスフィルムが流動して気泡や空隙が発生しやすくなったり、接合層の厚さが不均一になって発光効率が著しく低下するおそれがある。一方、接合温度が低すぎる場合は、ガラスフィルムの軟化状態が不十分となり、接合が困難になる傾向がある。したがって、接合温度はガラスフィルムの軟化点−３５℃以上、特に−３０℃以上であることが好ましい。

なおガラスフィルムの軟化点は波長変換部材の軟化点よりも低いことが好ましく、それにより接合時の波長変換部材の軟化変形を抑制することができる。具体的には、ガラスフィルムの軟化点は波長変換部材の軟化点−５０℃、特に波長変換部材の軟化点−１００℃であることが好ましい。

半導体発光素子の基板、波長変換部材およびガラスフィルムの各屈折率の差が小さいほど、基板とガラスフィルムまたはガラスフィルムと波長変換部材の界面における反射や散乱を抑制することができ、発光効率に優れた半導体発光素子デバイスを得ることが可能となる。具体的には、基板、波長変換部材およびガラスフィルムの各屈折率の差は０．５以内、特に０．３以内であることが好ましい。

また、基板、波長変換部材およびガラスフィルムの各線熱膨張係数の差が小さいほど、接合時の熱や半導体発光素子からの熱による各材料間の発生応力が小さく、剥離などの破壊が発生しにくい。具体的には、基板、波長変換部材およびガラスフィルムの各線熱膨張係数の差は５０×１０^−７以内、特に３０×１０^−７以内あることが好ましい。

以下に本発明を実施例に基づいて詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

表１は本発明の実施例および比較例を示している。

まず、ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−ＲＯ系ガラス組成となるように原料粉末を調製し、白金坩堝において９００〜１４００℃で１時間溶融してガラス化した。溶融ガラスをフィルム状に成形し、得られたフィルム状ガラスをボールミルで粉砕した後、３２５メッシュの篩に通して分級し、平均粒径Ｄ_５０が４５μｍのガラス粉を得た。得られたガラス粉末について軟化点を測定した。軟化点は、マクロ型視差熱分析計を用いて測定し、得られたグラフの第四の変曲点の値を軟化点とした。

次に、ガラス粉末に対してＹＡＧ蛍光体粉末を混合し、金型を用いて加圧成形して直径１ｃｍのボタン状の予備成形体を作製した。この予備成形体を９００℃で焼成し焼結体を得た。焼結体に対して荒削り研磨処理を施して直径８ｍｍ、厚さ０．２ｍｍに加工した。続いて、ダイヤモンド砥粒と繊維を織り込んだクロス材を表面にもつ定盤を用いて両面研磨を行い、波長変換部材を得た。

予め清浄されたアルミナ製のセッター上に、単結晶サファイア基板、ガラスフィルム、波長変換部材をこの順に積層させて設置し、クリーンオーブンにて加熱処理を行うことにより接合を行った。なお、単結晶サファイア基板、ガラスフィルム、波長変換部材は、予め純水による精密洗浄を行ったものを用いた。加熱プロファイルは２０℃／分で７２５℃まで昇温、７２５℃で３０分保持し、その後常温まで自然冷却とした。

なお、比較例では、実施例と同じ波長変換部材と単結晶サファイア基板を用い、２液性シリコーン樹脂を指定比率で混合して単結晶サファイア基板と波長変換部材間に塗布し、密着させ、１２０℃で１時間硬化させることにより接合を行った。

本実施例では、上記のようにして得られた単結晶サファイア基板と波長変換部材の接合体に対して青色ＬＥＤを組み合わせて模擬的な半導体発光素子デバイスを作製し、発光効率を測定した。

また、３５０℃に調整したホットプレート上で１０分間加熱処理した接合体についても同様に発光効率を測定した。

発光効率は次のようにして評価した。青色ＬＥＤ上に、上記接合体を単結晶サファイア基板が青色ＬＥＤ発光面と接するように設置し、校正された積分球内で青色ＬＥＤを点灯させ、接合体を介して発せられる光を小型分光器で受光し、ＣＣＤを通してＰＣ上に発光スペクトルを得た。得られたスペクトルおよび青色ＬＥＤに印加した電力に基づき発光効率を算出した。

表１から明らかなように、本発明の実施例であるガラス接合材による単結晶サファイア基板と波長変換部材の接合体は、フリップチップタイプ実装時の電極接合を想定した３５０℃加熱処理後にも発光効率の低下が小さく、耐熱性に優れていることがわかる。

一方、比較例では、３５０℃加熱処理後に発光効率が著しく低下していることがわかる。

１ 半導体発光素子デバイス
２ 波長変換部材
３ 半導体発光素子
４ 基板
５ 半導体層
６ ガラスフィルム
７ 基体
８ ボンディング

Claims (6)

1. 半導体発光素子と波長変換部材を備えてなる半導体発光素子デバイスの製造方法であって、半導体発光素子と波長変換部材をガラスフィルムにより加熱接合する工程を有し、ガラスフィルムは、母材ガラスを所定条件で加熱しながら延伸する方法、または、溶融ガラスをオーバーフローダウンドロー法もしくはスロットダウンドロー法により成形する方法によって作製されたものであり、接合温度がガラスフィルムの軟化点より低いことを特徴とする半導体発光素子デバイスの製造方法。
2. ガラスフィルムの厚さが２００μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子デバイスの製造方法。
3. ガラスフィルムがケイ酸塩ガラスまたはスズリン酸塩ガラスであることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体発光素子デバイスの製造方法。
4. 半導体発光素子が基板と半導体層からなり、基板側に波長変換部材を接合することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の半導体発光素子デバイスの製造方法。
5. 基板、波長変換部材およびガラスフィルムの各屈折率の差が０．５以内であることを特徴とする請求項４に記載の半導体発光素子デバイスの製造方法。
6. 波長変換部材が、ガラス粉末と無機蛍光体粉末を含む混合粉末の焼結物からなることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の半導体発光素子デバイスの製造方法。