TWI521746B - 發光裝置及其製造方法 - Google Patents

Description

發光裝置及其製造方法

本發明係關於一種發光元件與波長轉換構件相接合之發光裝置及其製造方法。

先前以來揭示有一種組合來自成為發光元件之LED(Light Emitting Diode，發光二級體)晶片之光與來自成為波長轉換構件之螢光體之光且可進行混色發光的發光裝置。例如，於專利文獻1中揭示有於包含藍寶石之「成長基板」上成長包含GaN之「核生成層」，將「核生成層」與「陶瓷螢光體」於高溫高壓下接合。

[先前技術文獻] [專利文獻]

專利文獻1：日本專利特開2006-352085號公報

然而，專利文獻1中所揭示之發光裝置僅將包含藍寶石之「成長基板」與包含GaN之「核生成層」進行熱壓接，從而存在兩者間之接合強度較弱之問題。若接合強度較弱，則例如於使用中兩者會剝離，故而欠佳。

因此本發明之目的之一在於提供一種發光元件與波長轉換構件之接合強度較強之發光裝置。

本發明之一態樣之發光裝置係發光元件與波長轉換構件相接合者。尤其是其特徵在於：發光元件係自波長轉換構件側包含第1區域與第2區域；波長轉換構件係自發光元件側包含第3區域與第4區域；第1區域係與第2區域相比，原子排列不規則；第3區域係與第4區域相比，原子排列不規則；且第1區域與第3區域係直接接合。

又，於本發明之一態樣中，上述發光元件包括：包含上述第1區域與上述第2區域之基板，及形成於上述基板上之半導體積層部；上述波長轉換構件包括：包含上述第3區域與上述第4區域之支持體，及上述支持體所含有之螢光體。

進而，於本發明之一態樣中，上述基板包含藍寶石，上述支持體包含氧化鋁。

本發明之一態樣之發光裝置之製造方法之特徵在於包括：發光元件準備步驟，其準備發光元件；波長轉換構件準備步驟，其準備波長轉換構件；接合步驟，其藉由表面活化接合法而接合發光元件與波長轉換構件。

較佳為發光元件包括：包含藍寶石之基板，及形成於基板之半導體積層部；波長轉換構件包括：包含氧化鋁之支持體，及支持體中所含有之螢光體；且於接合步驟中，接合基板與支持體。

根據以上之本發明，可提供一種發光元件與波長轉換構件之接合強度較強之發光裝置。

以下，一面參照圖式，一面對用以實施本發明之形態進行說明。然而，以下所示之形態係例示用以將本發明之技術思想具體化之發光裝置者，並非將本發明限定如下者。又，實施形態所揭示之構成零件之尺寸、材質、形狀、其相對之配置等只要無特定之記載，則其宗旨並非將本發明之範圍僅限定於此，而僅為例示。再者，各圖式所示之構件之大小或位置關係等存在為了明確說明而誇張之情況。進而，為了簡化說明，對於相同或同質之構成要件附以相同之符號，省略每次之說明。

於本實施形態之發光裝置中，發光元件10與波長轉換構件20相接合。圖1係與實施形態之發光裝置之發光觀測面垂直之方向上的剖面圖，圖2係圖1之虛線部分之放大圖。於本實施形態之發光裝置中，發光元件10如圖1所示，例如包括：包含藍寶石之基板11，形成於基板11上之半導體積層部12，形成於半導體積層部12之上之p電極13及n電極14。又，波長轉換構件20包含成為基底之基板(支持體)、及該基板所含有之螢光體。

於本實施形態中，發光元件10之基板11自波長轉換構件20側包含第1區域11a與第2區域11b；波長轉換構件20自發光元件10側包含第3區域20a與第4區域20b。於基板11上，第1區域11a係與第2區域11b相比，原子排列不規則；於波長轉換構件20上，第3區域20a係與第4區域20b相比，原子排列不規則。並且，藉由第1區域11a與第3區域20a直接接合，而發光元件10與波長轉換構件20相接合。

如上所述，於本說明書中，「第1區域11a」係於發光元件10中直接相接於波長轉換構件20之區域。又，「第2區域11b」係於發光元件10中鄰接於(直接相接於)「第1區域11a」之區域。同樣地，「第3區域20a」係於波長轉換構件20中，直接相接於發光元件10之區域。又，「第4區域20b」係鄰接於波長轉換構件20中之「第3區域20a」之區域。

如此，與第2區域11b相比原子排列不規則之第1區域11a及與第4區域20b相比原子排列不規則之第3區域20a係直接相接而接合，從而形成接合界面X，第2區域11b與第4區域20b分別自接合界面X分離。

於本發明中，第1區域11a及第2區域11b(第3區域20a及第4區域20b)相互鄰接，但第1區域及第2區域具有相同組成，不同之構件間鄰接般之情形時則並非本案發明所提及之第1區域及第2區域。具體而言，於具有藍寶石基板與鄰接於此之半導體層之發光元件中，不可將半導體層作為第1區域，將藍寶石基板作為第2區域。即，本說明書中之第1區域11a及第2區域11b(第3區域20a及第4區域20b)本來係一個相同組成之一個構件，將該構件之一部分稱為第1區域，將該構件中之其他部分稱為第2區域。是否為某一構件之一部分可例如藉由利用高解析穿透式電子顯微鏡之原子能階剖面觀察或利用元素分析對比組成來判斷。

藉此，可牢固地接合發光元件10與波長轉換構件20。其理由雖未明確，然而認為係由於第1區域11a及第3區域20a成為一體而可吸收兩者間之應變。例如，於藉由熱壓接使發光元件10與波長轉換構件20直接接合之情形時，因晶格常數差或熱膨脹係數差而於兩者產生應變。因此，即便欲藉由熱接合而增強兩者間之接合強度，亦存在界限。然而，認為藉由使鄰接於接合界面X之第1區域11a及第3區域20a之原子排列分別較第2區域11b及第4區域20b更為不規則，可有效地吸收晶格常數差、熱膨脹係數差等所引起之應變，其結果，接合強度提高。又，認為若不規則性較高，(較佳為成為非平衡準穩定狀態之非晶狀態)，則結晶結構所引起之各向異性變小，由各向異性引起之如易碎或結晶結構或晶格缺陷般之「較弱」結構變得不存在，可使接合強度變強。

又，例如於經由包含樹脂之接著劑而接合發光元件10與波長轉換構件20之情形時，由於樹脂所產生之熱膨脹比較大，故而藉此會於各界面產生應變。然而，於本實施形態之發光裝置中，由於無需插入樹脂，故而認為更牢固地連接。

進而，藉由第1區域11a及第3區域20a而緩和接合界面X之應變，藉此能夠使得於接合界面X附近之螢光體難以產生應力。由於波長轉換構件20具有螢光體，故而因螢光體其自身之發熱而容易產生應力。若於螢光體產生應力，則例如螢光體之發光光譜之半值寬擴大，螢光體之光通量值會下降，故而欠佳。然而根據本實施形態，可減輕由應變而產生對螢光體之不良影響。

由於本發明中係直接接合發光元件10與波長轉換構件20，故而與利用熱導率較差之包含樹脂之接著劑連接發光元件10與波長轉換構件20之情形相比，亦可使波長轉換構件20上所產生之熱有效地向發光元件10側散放。藉此，可進而減輕產生於接合界面X之應變。

進而，藉由直接接合發光元件10與波長轉換構件20，可使光反射(或根據入射角而為全反射)之界面之數量為最小限度之一個，並可提高發光裝置整體之光之出射。例如，於發光元件10與波長轉換構件20之間插入包含樹脂之接著劑之情形時，存在合計為兩個界面(發光元件與接著劑之界面、波長轉換構件與接著劑之界面)。另一方面，於發光元件10與波長轉換構件20直接接合之情形時，僅存在一個界面(發光元件10與波長轉換構件20之界面)。因此，與前者相比，後者可減輕光之損失。又，由於在使用包含樹脂之接著劑之情形時，構成基板之無機材料與作為有機材料之樹脂之間之折射率差較大，故而界面上之反射率變高。對應於此，於本發明中，可縮小構成發光元件之一部分的基板11與波長轉換構件20之間之折射率差，並可減少界面上之反射。

第1區域11a與第3區域20a之一方，較佳為兩方，較佳為不規則性更高之非晶質(Amorphous)，更佳為成為非平衡準穩定狀態之非晶狀態。藉此，可更有效地抑制發光元件10與波長轉換構件20之間之應變，可進一步縮小由結晶結構所引起之各向異性，可使結晶結構或晶格缺陷不存在，並可增強接合強度。

第2區域11b與第4區域20b之一方(較佳為兩方)較佳為多晶或單晶，更佳為單晶。認為藉由第2區域11b及/或第4區域20b為多晶或單晶(尤其是單晶)，容易產生兩者間之應變，故而於此種情形時，本實施形態尤為有效。

自應變緩和之觀點而言，第1區域11a及第3區域20a較佳為實質上設置於接合界面X之全域。然而，於本發明中，第1區域11a及第3區域20a直接接合之區域亦可為接合界面X之一部分，只要實現上述效果，則均包含於本案發明之範圍中。

第1區域11a及第3區域20a之厚度可分別較佳設為1 nm以上20 nm以下，進而較佳設為2 nm以上10 nm以下。藉此，可充分地獲取緩和應變之效果，故而可增強接合強度。進而，若使第1區域11a及第3區域20a之原子排列不規則，則亦有對光出射產生不良影響之虞，然而由於藉由設為上述範圍，可使光衰減部分之厚度變得充分薄，故而可減輕光之損失。

於本實施形態之發光裝置中，發光元件10未被限定，可使用公知者。例如如圖1所示，發光元件10可包含：基板11，設置於基板11上之半導體積層部12，及設置於半導體積層部12之同一面側之一對電極13及14。作為基板11，可使用藍寶石、GaN等。作為半導體積層部12，可使用複數個氮化物半導體層(AlInGaN)積層而成者等。自光出射之觀點而言，較佳為將波長轉換構件20側設為觀測面側。

於使用藍寶石作為發光元件10之基板11之情形時，較佳為將其後所說明之波長轉換構件20之支持體設為氧化鋁，將藍寶石與氧化鋁直接接合。即，較佳為，於藍寶石上設置有第1區域11a及第2區域11b，於氧化鋁上設置有第3區域20a及第4區域20b，且第1區域11a與第3區域20a係直接接合。

藉此，可使基板與支持體之構成元素相同，故而可進一步提高兩者之接合強度。進而，可使基板與支持體之折射率實質上相同，故而可使其界面上之光之全反射減輕，提高作為發光裝置之光之出射。不論作為構成支持體之氧化鋁之結晶結構，均可獲得上述效果，然而氧化鋁之結晶結構較佳可設為多晶或單晶，更佳為單晶(藍寶石)。藉此，與包含藍寶石之基板結構變得相近或相同，故而容易獲得上述效果。

作為其他變形例，亦可於基板上形成半導體積層部作為發光元件10後，於半導體積層部上貼合Si等貼合基板，其後除去原先之基板，將貼合基板與波長轉換構件接合。進而，不論基板之有無，均可接合半導體積層部與波長轉換構件。於接合半導體積層部與波長轉換構件之情形時，接合於波長轉換構件之半導體積層部之最外側之一個半導體層自波長轉換構件側包含第1區域與第2區域，該第1區域與第2區域相比，原子排列不規則。

於本實施形態之發光裝置中，波長轉換構件20只要為可將來自發光元件10之光轉換為不同之波長分佈之光者即可，其材料未被限定，可使用公知者。波長轉換構件20可為螢光體本身，亦可包含螢光體與支持其之支持體。於波長轉換構件20包含螢光體與支持體之情形時，例如，可將藉由單向凝固法而形成之螢光體及支持體之共晶體作為波長轉換構件20，或可藉由燒結將螢光體之粉末及支持體材料之粉末形成為一體而作為波長轉換構件20。

螢光體未被限定，可使用公知者。例如可使用YAG(Yttrium Aluminum Garnet，釔鋁石榴石)系螢光體、TAG(terbium aluminum garnet，鋱鋁石榴石)系螢光體。藉此，例如可利用來自發光元件10之藍色發光與來自螢光體之黃色發光之混色而實現白色發光。

支持體未被限定，可使用公知者。例如可使用氧化鋁、氮化鋁、YAG(由於不含活化劑，故而不發光)、氧化釔。

螢光體包含母體與活化劑，支持體較佳為與母體為相同材料。藉此，可實質消除螢光體與支持體之折射率差。其結果，可大幅地減輕支持體與螢光體之界面上之光之全反射，故而可提高作為發光裝置整體之光之出射效率。進而，藉由將支持體與母體設為相同材料，可減輕產生於螢光體之應力。例如，可使用所謂之YAG系螢光體，其使用YAG(由於不含活化劑，故而不發光)作為支持體，將活化劑設為鈰將母體設為YAG來作為螢光體。

如圖3所示，本發明之一實施形態之發光裝置之製造方法之特徵在於包含：發光元件準備步驟，其準備發光元件10(參照圖3A(a))；波長轉換構件準備步驟，其準備波長轉換構件20(參照圖3A(b))；接合步驟，其藉由表面活化接合法接合發光元件10與波長轉換構件20(參照圖3B及C)。

於本說明書中，所謂「表面活化接合法」係指利用離子束或電漿等對發光元件10及波長轉換構件20之接合面進行濺鍍蝕刻，使兩個接合面活化後，藉由該接合面將發光元件10及波長轉換構件20直接接合。

藉此，可牢固地接合發光元件10與波長轉換構件20。認為其原因在於：藉由濺鍍蝕刻，形成第1區域11a及第3區域20a，兩者成為一體而吸收發光元件10與波長轉換構件20之間之應變(參照圖2)。詳細如前所述，故而此處省略。

一般而言，發光元件係例如於將包含藍寶石之圓柱狀之錠較薄地切片而成之圓盤狀之晶圓上，形成複數個半導體積層部12後，分割為各個發光元件，藉此而製作。於本發明中，於藉由表面活化接合法而接合發光元件10與波長轉換構件20之情形時，可於分割為發光元件之前，將形成有複數個半導體積層部12之晶圓與波長轉換構件20接合後，分割為各個元件，亦可於分割為各個發光元件後，藉由表面活化接合法，將波長轉換構件20接合於各個發光元件。然而，於藉由表面活化接合法接合發光元件10與波長轉換構件20之情形時，若發光元件10並非使用晶圓而使用切割為單個者，則有如下般之優點(於本說明書中，不僅將切割為單個者，亦將作為此前之狀態之晶圓稱為「發光元件」)。即，通常形成於晶圓上之發光元件根據形成有該元件之晶圓上之位置，峰值波長或輸出等特性會不同。然而，若為將晶圓切割為單個之發光元件，則可選擇相同或類似之特性者並群組化，根據屬於群組之發光元件之特性組合具有最佳之波長轉換特性之波長轉換構件20而接合。作為具體之方法，例如，於一枚黏著片上配置具有類似特性之複數個發光元件(第1步驟)，將配置於黏著片上之各個發光元件與一枚波長轉換構件藉由表面活化接合法而接合(第2步驟)，去除黏著片(第3步驟)，根據需要以成為各個發光裝置之方式切割波長轉換構件(第4步驟)。

又，若加熱發光元件，則有電極或發光層劣化之虞，但表面活化接合法未必需要加熱。因此，可不損害發光元件之特性而接合發光元件10與波長轉換構件20。根據電極之材料及構成或半導體積層部之材料及構成，關於表面活化接合法之實施溫度之範圍，可較佳設為0℃以上300度以下，更佳設為0℃以上200度以下，進而較佳設為0℃以上100℃以下，進一步較佳設為0℃以上50℃以下。藉此，可不損害發光元件之特性而牢固地接合。

發光元件10及波長轉換構件20之接合面分別可將表面粗糙度(Ra)較佳設為10 nm以下，更佳設為5 nm以下，進而較佳設為1 nm以下。藉此，可容易且牢固地接合發光元件10及波長轉換構件20。

根據發光元件10之接合面及/或波長轉換構件20之接合面之材料或狀態，亦存在藉由表面活化接合法而難以接合兩者之情況。即便於該情形時，藉由在發光元件10與波長轉換構件之一方或兩方上形成可與另一方接合之接合構件，而可接合兩者。例如，若利用表面活化接合法，則玻璃(含有螢光體)難以與發光元件之藍寶石基板接合。因此，利用濺鍍等於玻璃表面形成氧化鋁作為接合構件，而可藉由表活化接合法接合氧化鋁與藍寶石基板。於該情形時，波長轉換構件20成為由螢光體、支持體(玻璃)及接合構件(氧化鋁)所構成，接合構件(氧化鋁)自發光元件側包含第3區域與第4區域，該第3區域與第4區域相比，成為原子排列不規則者。

[實施例1]

(發光元件10)

於藍寶石基板11上，使包含氮化物半導體之各層成長，形成半導體積層部12。於半導體積層部12之特定之一部分形成n電極13及p電極14。磨削晶圓狀之藍寶石基板，使藍寶石基板之厚度變薄為85微米左右為止。

進而，以磨去研磨之刮痕，且Ra成為1 nm以下之方式藉由CMP(Chemical Mechanical Polishing，化學機械拋光)使表面平滑。藉由劃線切出由如上所述之方式而獲得之晶圓狀之發光元件，作為各個發光元件10。於本實施例中，製成於俯視時縱為1 mm橫為1 mm大小之發光元件10。

關於各個發光元件10，進行電壓、波長、漏電等特性評價，根據其結果分選為相同特性之群組。以發光元件間成為200微米之方式將各個群組之發光元件10配置於黏著片上。

(波長轉換構件20)

準備藉由單向凝固法而形成之波長轉換構件20。本實施例之波長轉換構件20係由含有YAG(螢光體)之藍寶石(支持體)所構成。對照所欲獲得之白色LED(發光裝置)之色度，磨削及研磨波長轉換構件20，使其成為所期望之厚度。其次，為了使成為接合面之一面更平滑而進行研磨及CMP。此時，藉由研磨率之差，藍寶石部變凸，YAG部變凹，兩者之階差成為10 nm以下。接合面上之YAG及藍寶石之表面粗糙度分別成為Ra為2 nm以下。

(表面活化接合)

以成為接合面之藍寶石基板11成為下側之方式，於接合腔室之上部配置載置於黏著片上之複數個發光元件10。以接合面成為上側之方式於接合腔室之下部配置波長轉換構件20。

以接合腔室內成為8.0×10^-6 Pa以下之方式進行真空處理。其後，藉由兩台高速離子束(FAB：Fast Atom Beam)槍，將Ar離子照射於上下各自之樣本。將Ar以流量為40 sccm、100 mA之加速電流照射180秒。其後，於30秒以內之短時間接合上下之樣本。此時，對樣本施加30秒0.2 N/mm²以上之壓力。自接合腔室取出經接合之樣本，並自該樣本去除黏著片。

(晶片化等)

藉由切割將排列於一枚波長轉換構件20上之複數個發光元件10分離，成為各個發光裝置。將發光裝置之一個覆晶安裝於經電極佈線之基板，去除成為發光面之波長轉換構件20之上表面，利用於聚矽氧樹脂中擴散有氧化鈦粒子之白樹脂覆蓋。

本實施例中所獲得之發光裝置藉由晶片切變強度試驗而確認與比較例相比，晶片切變強度(接合強度)提高了約2倍。進而，與比較例相比，光通量提高了約10%。

[比較例]

除將發光元件之藍寶石基板與波長轉換構件經由包含聚矽氧樹脂之接著材料接合以外，製作與實施例1同樣結構之發光裝置。

[產業上之可利用性]

本發明之一實施形態之發光裝置可於例如照明裝置或顯示裝置等中利用。

10．．．發光元件

11．．．基板

11a．．．第1區域

11b．．．第2區域

12．．．半導體積層部

13．．．p電極

14．．．n電極

20．．．波長轉換構件

20a．．．第3區域

20b．．．第4區域

圖1係用以說明本發明之一發光裝置之剖面的圖；

圖2係圖1之虛線部分之放大圖；

圖3A(a)係於本發明之一實施形態之發光裝置之製造方法中，準備發光元件10之發光元件準備步驟的剖面圖，(b)係準備波長轉換構件20之波長轉換構件準備步驟的剖面圖；

圖3B係於本發明之一實施形態之發光裝置之製造方法中，活化接合面之步驟的剖面圖；及

圖3C係本發明之一實施形態之發光裝置之製造方法中之接合步驟的剖面圖。

10．．．發光元件

11．．．基板

12．．．半導體積層部

13．．．p電極

14．．．n電極

20．．．波長轉換構件

Claims (20)

1. 一種發光裝置，其特徵在於：其係發光元件與波長轉換構件相接合者；上述發光元件自上述波長轉換構件側包含第1區域與第2區域；上述波長轉換構件自上述發光元件側包含第3區域與第4區域；上述第1區域係與上述第2區域相比，原子排列不規則；上述第3區域係與上述第4區域相比，原子排列不規則；且上述第1區域與上述第3區域係直接接合。
2. 如請求項1之發光裝置，其中上述發光元件包括：包含上述第1區域與上述第2區域之基板，及形成於上述基板之半導體積層部；上述波長轉換構件包括：包含上述第3區域與上述第4區域之支持體，及上述支持體所含有之螢光體。
3. 如請求項2之發光裝置，其中上述基板包含藍寶石，上述支持體包含氧化鋁。
4. 如請求項1~3任一項之發光裝置，其中上述第1區域及上述第3區域之一方為非晶質。
5. 如請求項1~3任一項之發光裝置，其中上述第1區域及上述第3區域皆為非晶質。
6. 如請求項1~3任一項之發光裝置，其中上述第2區域及上述第4區域之一方為單晶。
7. 如請求項1~3任一項之發光裝置，其中上述第2區域及上述第4區域皆為單晶。
8. 如請求項1~3任一項之發光裝置，其中上述第1區域及上述第3區域之厚度分別為1nm以上20nm以下。
9. 如請求項2或3之發光裝置，其中上述螢光體含有釔鋁石榴石系螢光體及鋱鋁石榴石系螢光體所形成之群中選擇之一種螢光體。
10. 一種發光裝置之製造方法，其特徵在於包含：發光元件準備步驟，其準備發光元件；波長轉換構件準備步驟，其準備波長轉換構件；及接合步驟，其藉由表面活化接合法而接合上述發光元件與上述波長轉換構件。
11. 如請求項10之發光裝置之製造方法，其中上述發光元件包括：基板，及形成於上述基板之半導體積層部；上述波長轉換構件包括：支持體，及上述支持體所含有之螢光體；且於上述接合步驟中，接合上述基板與上述支持體。
12. 如請求項11之發光裝置之製造方法，其中上述基板包含藍寶石，上述支持體包含氧化鋁。
13. 如請求項12之發光裝置之製造方法，其中上述螢光體含有釔鋁石榴石系螢光體及鋱鋁石榴石系螢光體所形成之群中選擇之一種螢光體。
14. 如請求項10~13任一項之發光裝置之製造方法，前述表 面活化接合法之接合溫度設定於0℃以上300℃以下之範圍。
15. 如請求項10~13任一項之發光裝置之製造方法，前述表面活化接合法之接合溫度設定於0℃以上200℃以下之範圍。
16. 如請求項10~13任一項之發光裝置之製造方法，前述表面活化接合法之接合溫度設定於0℃以上100℃以下之範圍。
17. 如請求項10~13任一項之發光裝置之製造方法，前述發光元件及波長轉換構件其接合面之表面粗糙度為10nm以下。
18. 如請求項10~13任一項之發光裝置之製造方法，前述發光元件及波長轉換構件其接合面之表面粗糙度為5nm以下。
19. 如請求項10~13任一項之發光裝置之製造方法，前述發光元件及波長轉換構件其接合面之表面粗糙度為1nm以下。
20. 如請求項12或13之發光裝置之製造方法，前述波長轉換構件之接合面含有螢光體部與氧化鋁部，前述接合面上，前述螢光體部與前述氧化鋁部之階差為10nm以下。