JP5927179B2 - 積層された蛍光体層を有するｌｅｄのウエハー - Google Patents

Description

本発明は、LEDの発光を波長変換するための蛍光体基板層を有する発光ダイオード（LED）に関し、特に、LED上に蛍光体を積層させる技術に関する。

従来技術を示す図1は、サブマウントのウエハー12上に載置された従来のフリップチップ型のLEDチップ10を例示している。フリップチップ型のLEDにおいては、n-接点及びp-接点がLEDチップの同じ側に形成される。

LEDチップ10は、サファイヤ基板などの成長基板上で成長するn-層14、活性層15、及びp-層16を含む半導体エピタキシャル層で形成される。レーザリフトオフ、エッチング、研削、又は他の技術を用いて、成長基板は図1では既に除去された。一実施例においてエピタキシャル層はGaNベースであり、活性層15は青色光を発する。紫外線を発するLEDチップも本発明に適用できる。

金属電極18がp-層16と電気的に接触し、金属電極20がn-層14と電気的に接触する。一実施例において電極18及び電極20は、セラミックのサブマウント・ウエハー12上にある陽極の金属パッド22及び陰極の金属パッド24に超音波で溶着された金のパッドである。サブマウント・ウエハー12は、印刷回路基板（PCB)に接続するための底部金属パッド26、同28に至る導電バイア24を有する。多数のLEDがサブマウント・ウエハー12に載置され、個々のLED/個々のサブマウントを形成するために、後で切り離される。

LEDに関する更なる詳細が、譲受人による米国特許公報US 6,649,440及び米国特許公報US 6,274,399、並びに米国特許公開公報US 2006/0281203 Al及び米国特許公開公報US 2005/0269582 Alに見出されることが出来、本願明細書に参照され組込まれる。

LEDチップ10のアレイがサブマウント・ウエハー12に載置されると同時か、又は同ウエハー12が賽の目に切断された後、所望する任意の光の色を生成するために、蛍光体を各々のLEDチップの上に蒸着することがよく知られている。青色のLEDチップ10を使用して白色光を作り出すために、例えば結合材中に蛍光体を噴霧若しくはスピンコーティングすることによって、電気泳動法によって、反射するカップ内に蛍光体を塗布することによって、又は他の手段によって同チップ10の上にYAG蛍光体、又は赤色及び緑色の蛍光体を堆積させることがよく知られている。LEDチップ10の上に予備成形された蛍光体のタイル（例えば焼結された蛍光体粉又は結合材中の蛍光体粉）を付着させることも知られている。蛍光体を漏れ出る青色光が蛍光体の光と結合されて白色光を生じる。LEDチップ10上に蛍光体層を作ることに関する課題は、非常に均一な蛍光体層の厚さ及び非常に均一な蛍光体層の密度を確立することの困難さにある。厚さ又は密度の何らかの変動が、LEDチップの表面の色が均一ではなくなる結果を生じることであろう。予備成形された蛍光体のタイルは均一度をより高めることができ、LEDチップに付着させる前にタイルの色テストが出来る。しかしながら（例えば1mm²の面積の）タイルの各々を正確にLEDチップ10の上面に付着させることは困難であり、時間がかかる。

加えて、LEDチップ10がサブマウント・ウエハー12に載置されると同時に、同ウエハー12を賽の目に切断する前に、蛍光体層が全てのLEDチップ10に堆積される場合、LEDチップ10の間にあるウエハー12の部分にも蛍光体が堆積されるだろうから、蛍光体の多くが無駄になることであろう。

必要とされるのは、従来技術の欠点を被ることなくLEDチップ上に蛍光体層を作り出す技術である。

本発明の一実施例において、LEDウエハーを形成するためにサファイヤ、SiC、GaN、スピネル、又は他の周知の基板などの成長基板上にLED層を成長させる。使用する基板のタイプは、形成されるLEDのタイプに依存する。単一の基板ウエハー上におそらくは何千個ものLEDを作り出すために、n-層及びp-層を陰極金属電極及び陽極金属電極に接続する。

賽の目に切断する前に、LEDウエハーの表面が平坦な担体基板へと例えば剥離可能な接着材により接着されて固定される。適切な剥離可能な接着材には紫外線、熱、又は溶媒によって剥離可能な接着材が含まれる。この時点で、LED層は成長基板と担体基板との間に挟まれている。担体基板は、接着材層を有するシリコンウエハーである。他の担体基板には金属、ガラス、プラスチック、又は他の何らかの適切な材料から成る基板が含まれる。

この後、成長基板は取り除かれ、同時に担体基板が機械的な支持の役目を提供する。一実施例において成長基板はサファイヤであり、LED層はオプションでAl及びInを含んでいるGaN層であり、サファイヤ基板はレーザリフトオフ法によって取り除かれることができる。

光の抽出量を増し、且つレーザリフトオフによって生じた損傷を取り除くために、例えばエッチング又はプロセスの組合せによってLED層の露出面が薄くされることができ、凹凸を付けられることが可能である。

LEDウエハーと概ね同じサイズをもつ予備成形された蛍光体シートが、この後LED層の露出面の上に付着される。蛍光体シートが賽の目に切断されなかったのでLED層を形成しているLEDは連続する面を形成し、蛍光体を殆ど無駄にすることがない。ウエハー上にあるLEDの特定の色特性に整合するよう蛍光体シートが予備試験され且つ選択される。一実施例において蛍光体シートは幾分可撓性があり、シリコン結合材中に注入された蛍光体粉を有する。当該蛍光体シートは、シリコンの薄膜層を用いてLED層の表面に付着される。

一実施例において、蛍光体シートは（黄緑色の）YAG蛍光体を含む。別の実施例において、蛍光体シートは赤色と緑色とが混合された蛍光体を含む。別の実施例では、暖かい白色を作り出すために蛍光体シートは赤色の層及びYAGの別の層など複数の層を有する。あらゆるタイプの蛍光体を使用してあらゆる色の光を作るために、このプロセスを使用できる。

次に、担体基板の底面が粘着性で伸縮性のあるシートへと付着される。伸縮性のあるシート以外の支持面が代わりに使われてもよい。

次にLEDを切り離すために、蛍光体シート、LED層、及び担体基板が（例えば鋸で切ることによって）賽の目に切断される。伸縮性のあるシートは次に、LEDを所定の距離だけ物理的に隔てるためにx-方向及びy-方向に引っ張られる。代替的には蛍光体シート及びLED層は、担体基板を切り離すのではなく担体基板上で（例えば鋸で切ることによって）切り離される。この場合は、伸縮性のあるシートは必要ではない。

担体基板は次に、担体基板が賽の目に切断されるかどうかに関係なく、担体基板からLEDチップを剥離させるために紫外線、熱、又は溶媒に晒される。

次に自動機械が各々のLEDチップを取り外して、同チップをサブマウント・ウエハーに載置する。LEDチップの金属電極は超音波圧着によってサブマウント・ウエハーの金属電極に圧着される。サブマウント・ウエハーに載置すると同時に、各々のチップ上にレンズを形成するなどの更なる加工がLEDチップに実施される。サブマウント・ウエハーは、この後賽の目に切断される。

以上のように、あらゆる蛍光体の無駄が最小化され、蛍光体シートを直接LEDのウエハーに付着させる。賽の目に切断した後、各々のLEDチップの上にある蛍光体層がLEDチップの端部と本質的に位置合わせされる。蛍光体層は均一な厚さをもち、実質的に均一な蛍光体密度を有する。結果として生じる蛍光体層は、結果として生じる色（例えば白の色点）が目標の色と合うよう、各々のLEDウエハーに対して整合されることができる。これは、大型の液晶テレビジョンのバックライトのような多くの同一のLEDが必要とされるアプリケーションにとって重要である。

LEDはフリップチップ型でもよいし、又は上部電極と下部電極とを備えていてもよいし、又は上部電極のみを備えていてもよい。

サブマウントに載置された、従来技術の青色又は紫外線を発するフリップチップ型のLEDチップの断面図である。 成長基板上で成長したLED層と、各々のLEDの場所でn-層及びp-層を接触させるよう形成された金属電極とを有するLEDウエハーの断面図である。 担体基板に付着された図2の構造体と、レーザリフトオフ法を使用して取り除かれる成長基板とを例示する。 光の抽出を改善するために、薄くされ且つ凹凸を付けられて露出したLED層を例示する。 LEDウエハーに付着される、予備成形され且つ色合わせされた蛍光体シートを例示する。 粘着性で伸縮性のあるシートに付着された担体基板を例示し、且つLEDの賽の目に切断する境界線を例示する。 賽の目に切断された後のLEDと、LEDを取り出すための自動機械用にx-方向及びy-方向に引き伸ばされた伸縮性のあるシートとを例示する。LEDを担体基板から剥離するために、担体基板上の接着材が加熱される。 サブマウント・ウエハー上に載置されたLEDを例示する。 LEDのアレイが取り付けられた後のサブマウント・ウエハーの平面図を示す。サブマウント・ウエハーの取り付けと同時にレンズがLED上に形成される。 サブマウント・ウエハーを賽の目に切断した後、LED及び蛍光体がシリコン・レンズにより封入された後の、単一のLED及びサブマウントの断面図である。

同じエレメント又は等価なエレメントは、同じ数字でラベル付けされている。

図2は、成長基板32上に成長したLED層30を例示する。一実施例においてLEDは青色光又は紫外線を発し、図1に示すようにエピタキシャルのGaN層により形成される。基板32はサファイヤ、GaN、SiC、又は他の適切な成長基板である。基板32は通常円形のウエハーである。金属電極34が、各々のLEDチップ・エリアに対してn-層のLED層及びp-層のLED層と電気的に接触して形成される。当該金属電極34は図1の電極18及び電極20と類似している。

別の実施例ではLEDはフリップチップ型ではなく、上部電極及び下部電極を備えるか、又は上部電極のみを備えていてもよい。

LEDの境界が破線35により示されており、LEDウエハーは後に鋸で切られるか、又は溝を刻まれて壊される。

図3において、金属電極34が担体基板38上にある接着材層36に付着される。シリコンのウエハーは非常に平坦に作られることができ且つ比較的廉価であるので、担体基板38はシリコンである。接着材層36は金属電極34を接着するために加熱されたときに軟化する、好ましくは粘着性の無い材料である。接着材層36を再加熱すると、金属電極34が剥離されることだろう。斯様な接着材は良く知られている。担体基板38は少なくとも成長基板32と同じ大きさでなければならない。

LEDのウエハーが担体基板38に付着された後は、薄いLEDウエハーに対する良好な機械的支持が結果として得られ、GaNのLED層の上面は、透明な成長基板32を透過するエキシマレーザ光42のパルスに晒される。当該レーザ光は表層のGaN分子を破壊させ、放出されたガスが成長基板32をLED層30から強制的に引き剥がす。この後、成長基板32はLED層30から容易に取り除かれる。斯様なレーザリフトオフのプロセスが良く知られている。

図4において、LED層30の露出表面が薄くされ、反応性のイオンエッチング44又は他の適切なプロセスなどによって凹凸が付けられる。代替的には、LED層30は最初に機械研摩によって薄くされ、管理された粗さの程度を実現するよう表面を粗くするためのエッチングプロセスがこれに続く。薄くする工程がレーザリフトオフによって損傷を受けた部分を取り除き、光の抽出を改善する。表面を粗くする工程が内部反射を減じ、光の抽出を更に改善する。簡略的に拡大されたLED表面の部分46が図4に示されている。

蛍光体のシートが別途形成される。図5は予備成形された蛍光体シート48を例示している。白色光をLEDから最終的に作り出さねばならず、LEDの活性層が青色光を発する場合、青色光により励起されると赤色及び緑色の光を発する一つ以上の蛍光体で蛍光体シート48が形成され、ある程度の青色光が赤色成分及び緑色成分を通過し、且つこれらの成分と組み合わされることができるよう、蛍光体層は十分に薄くなければならないか又は充分に低密度でなければならない。好適な蛍光体には（黄緑色の光を作り出す）YAG蛍光体、赤色及び緑の蛍光体の組合せ、又はより暖かい白色光を作り出す赤色蛍光体とYAG蛍光体の組合せが含まれる。LEDが紫外線を発生する場合、青色の蛍光体も蛍光体シート48に含まれる。

蛍光体シート48を作るために、一実施例において蛍光体の粉末は、目標となる蛍光体の密度を実現するためにシリコンと混合され、蛍光体シート48が目標とする厚さをもつよう形成される。当該混合物を平坦面上で回転させるか、又は蛍光体シートをモールド成形することによって、所望する厚さが得られる。代替的には、蛍光体の細長いブール（象嵌細工、boule)から所望する厚さへと蛍光体シート48が鋸で切られてもよい。別の実施例では、蛍光体シート48が焼結された蛍光体粉末で形成され、焼結蛍光体の象嵌細工から鋸で切り出されてもよい。

蛍光体シート48が形成された後、青色光源を使用して蛍光体シート48を励起させ、発光を測定することによって当該蛍光体シート48をテストすることができる。異なるウエハーで作られた青色LEDは概して僅かに異なる主波長を発するので、LEDウエハーの一部と共に青色LEDがテストされる。結果として生じる色の発光が全て同じ目標とする白の色点（又はCCT）をもつよう、様々な厚さ又は様々な蛍光体密度をもつ予備成形された蛍光体シートが、次に特定のLEDウエハーと整合される。実質的に同一の白の色点を出力するLEDを生産することは、特に大型の液晶テレビジョン用のバックライトなど整合の取れたLEDを必要とするアプリケーションにとって貴重である。

一実施例においては蛍光体シート48の厚さは数百μmのオーダーであり、多少は可撓性がある。好ましくは蛍光体シート48はLEDウエハーと同じサイズか、又はより大きなサイズである。

図5に示すように、整合された蛍光体シート48がLED層30の上に置かれ、空気を全て除去するために、蛍光体シート48とLED層30との間に真空が引かれる。蛍光体シート48は次に（蛍光体シート48中に充分なシリコンがある場合）熱と圧力とを用いてLED層30に積層される。これが蛍光体シート48をLED層30の上面に合致させることであろう。適切なタイプのシリコンを含んでいない蛍光体シート48か、又は焼結された蛍光体シート48の場合、蛍光体シート48をLED層30に圧力を用いて積層するための接着材としてシリコンの薄膜層がLED層30の上か又は蛍光体シート48に適用される。シリコンは熱又は紫外線によって硬化する。

LEDを賽の目に切断する前に、予備成形された蛍光体シートをLED層30の上へ積層することによって、少なくとも以下の長所が結果として生じる。1) 殆ど全ての蛍光体がLEDを被覆するので、無駄になる蛍光体が殆ど生じない。2) 各々のLED上の蛍光体は均一な厚さ及び均一な密度を有する。3) 蛍光体シートをLEDウエハー上に適切に配置すること、及び同シートをLEDウエハーに付着させることが極めて容易である。4) 蛍光体シートを特定のLEDの発光に色合わせさせることができる。5) 均一な色を作り出すために、LEDが賽の目に切断されるときに蛍光体層はLEDの端と正確に位置合わせされているであろう。6) 蛍光体シートが複数の層で形成されることができ、各々の層がカスタマイズされ且つ正確に形成される。一実施例において多層の蛍光体シートが積層によって予備成形され、同シートがテストされ、次にLED層30に対する単一のシートとして積層される。代替的には、複数の層がLED層30の上に個々に積層されてもよい。複数の層とは、YAGの層及び赤色の蛍光体の層である。

図6は、LEDの層30の表面及び担体基板38の上に適合された（幾分可撓性があると看做される）蛍光体シート48を例示する。図6では、担体基板38の底面が粘着性で伸縮性のあるシート52に付着されている。この付着は、蛍光体シート48がLED層30に付着される前後に成される。賽の目に切断するプロセスの際に立方体を支持するための適切な伸縮性があるシート52が市販されている。伸縮性のあるシート以外の支持構造物が使われることもできる。

蛍光体シート48、LED層30、接着材層36、及び担体基板38は、次に何らかの適切な技術を用いて破線54に沿って賽の目に切断される。金属電極34が各々のLEDの端まで延在する場合、当該金属電極34も賽の目切断プロセスを用いて切り離される。担体基板38が部分的に鋸で切られた後に担体基板38を壊すために、伸縮性のあるシート52は湾曲する表面上では撓曲する。

図7に示すように、伸縮性のあるシート52は予め定められた量だけLEDを隔てるためにx-方向及びy-方向に引っ張られる。（蛍光体シート48から切り離された）蛍光体層56がLEDチップ58の端と本質的に位置合わせされていることに留意されたい。これ故、結果として生じる発光は実質的に均一なことであろう。

完成した構造体は次に、金属電極34を接着材層36から剥離させるために赤外線のランプにより加熱され、当該構造体は図8に示すように、各々のLEDチップ58を自動的に取り外して、当該LEDチップ58をサブマウント・ウエハー60上に取り付けるようにプログラムされた自動機械によってアクセスされる。

別の実施例では担体基板38が切り離されることはなく、蛍光体シート48及びLED層30のみが鋸で切られる。接着材層36が次に、紫外線、熱などを用いて賽の目に切断されたLED層30から剥離される。次に自動機械が担体基板38から各々のLEDチップを個々に取り外すことができる。斯様な実施例では、担体基板を伸縮性のあるシート52に取り付ける必要がない。

図8は、LEDの電極34と整合された上部金属電極62をもつサブマウント・ウエハー60を示す。接続は超音波溶接又は他の技術による。サブマウント・ウエハー60はセラミックで、PCBに取付けるために下部電極66に至る金属バイア64を有する。

図9は、LEDチップ58のアレイを取り付けた後のサブマウント・ウエハー60の平面図である。サブマウント・ウエハー60に取り付けられると同時に、レンズが各々のLEDチップ58の上に形成される。

図10は、サブマウント・ウエハー60を賽の目に切断した後にLEDチップ58と蛍光体層56とがシリコン・レンズ72によってカプセル化された後の、単一のLEDチップ58及びサブマウント12の断面図である。LEDはフリップチップ型のLED以外のこともあり、何らかの適切な材料で形成されることができる。

本発明の具体例が示され且つ説明された一方、広い態様において本発明を逸脱することなく改変及び変更が成され得ることが当業者にとって明らかであり、これゆえ添付の請求項は、当該請求項の範囲内にある全ての斯様な改変及び変更を本発明の真の意図及び範囲内に含まれるものとして包含する。

Claims (11)

1. 発光ダイオードのデバイスを製造するための方法であって、
   LED層を成長基板上に成長させるステップと、
   当該LED層とは別に予め成形された蛍光体シートを供給するステップと、
   接着材を使用して前記LED層を担体基板に接着するステップと、
   当該担体基板が前記LED層に対する機械的支持を提供する間に、前記成長基板を取り除くステップと、
   前記予め成形された蛍光体シートを前記LED層の露出面に積層するステップと、
   重なっている蛍光体層を各々が有する個々のLEDチップを作り出すために、前記蛍光体シート及び前記LED層を賽の目に切断するステップと、
   前記LED層を前記接着材から取り外すステップと、
   前記LEDチップを前記担体基板から取り外すステップと、
   前記担体基板を伸縮性のある接着材シートの上にマウントするステップと、
   を含み、
   前記蛍光体シート及び前記LED層を賽の目に切断するステップは、前記担体基板を賽の目に切断するが、前記伸縮性のある接着材シートは切断しない、
   方法。
2. 前記LED層がn-層及びp-層を有する請求項１の方法であって、前記LED層を前記担体基板に付着するステップに先立ち、前記n-層及び前記p-層と接触する金属電極を形成するステップを更に含む、方法。
3. 前記LED層を前記担体基板に接着するステップが、前記金属電極の少なくとも幾つかを前記担体基板に接着するステップを含む、請求項２に記載の方法。
4. 前記LEDチップが励起された場合に当該LEDチップが白色光を発するように、前記LED層は、励起された場合に青色光を発し、かつ、前記蛍光体シートは、当該青色光により励起された場合に赤色光の波長及び緑色光の波長を発する、請求項１に記載の方法。
5. 前記蛍光体シートがYAG系蛍光体を有する、請求項４に記載の方法。
6. 前記蛍光体シートが前記成長基板の面積と同じか、それより大きな面積である、請求項１に記載の方法。
7. 前記蛍光体シートが均一な厚さを有する、請求項１に記載の方法。
8. 前記成長基板を取り除くステップが、レーザリフトオフ・プロセスを用いて当該成長基板を取り除くステップを含む、請求項１に記載の方法。
9. 前記接着材が、紫外線、熱、又は溶剤のうちの少なくとも一つによって剥離可能な接着材を含む、請求項１に記載の方法。
10. サブマウント・ウエハー上にある電極を前記LEDチップの対応する電極へとつなげることによって前記LEDチップを当該サブマウント・ウエハー上に載置するステップ、を更に含む、請求項１に記載の方法。
11. 前記LEDチップを個々に前記担体基板から取り外すために取り外し-取り付け機械を使用するステップを更に含む、請求項１に記載の方法。

Images