(57)【要約】【課題】本発明の課題は、チップのパッケージ化の前に、ウェハまたはチップ全体に蛍光体構造体が形成され、チップを覆う蛍光体の厚さの不均一性によって生じる色の変化を防止することができる半導体発光装置およびその製作方法を提供することである。【解決手段】半導体発光装置は、不透光性基板と、接合構造体と、半導体発光スタックと、該半導体発光スタックを覆うように設置された蛍光体構造体とを有する。半導体発光スタックは、成長基板から分離され、接合構造体を介して不透光性基板に接合される。半導体発光装置を製作する方法は、半導体発光スタックを成長基板から分離するステップと、半導体発光スタックを不透光性基板に接合するステップと、半導体発光スタックを覆うように蛍光体構造体を形成するステップとを含む。【選択図】図１
2006074036.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
不透光性基板、
接合構造体、
一次光を放射する半導体発光スタックであって、成長基板から分離され、前記接合構造体を介して前記不透光性基板に接合された半導体発光スタック、および
前記半導体発光スタックを被覆するように設置された蛍光体構造体であって、前記一次光を吸収して変換光を放射する蛍光体を有し、実質的に前記半導体発光スタックの輪郭に合わせるように設置された蛍光体構造体、
を有する半導体発光装置。
【請求項２】
前記不透光性基板は、半導体、金属、Si、GaN／SiおよびGaAsからなる群より選択された材料を有することを特徴とする請求項１に記載の半導体発光装置。
【請求項３】
前記不透光性基板は、反射性であることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光装置。
【請求項４】
前記不透光性基板は、透明基板と、反射層とを有することを特徴とする請求項１に記載の半導体発光装置。
【請求項５】
前記透明基板は、GaP、SiC、ZnO、GaAsP、AlGaAs、Al2O3およびガラスからなる群より選択された材料を有することを特徴とする請求項4に記載の半導体発光装置。
【請求項６】
前記接合構造体は透明であることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光装置。
【請求項７】
前記不透光性基板は、前記半導体発光スタックに電気的に接続されることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光装置。
【請求項８】
前記接合構造体は反射性であることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光装置。
【請求項９】
前記接合構造体は、金属、エポキシ、PI、BCBおよびPFCBからなる群より選択される材料を有することを特徴とする請求項１に記載の半導体発光装置。
【請求項１０】
前記接合構造体は、前記不透光性基板が、前記半導体発光スタックと直接接する界面に隣接する領域にあることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光装置。
【請求項１１】
前記接合構造体は、第1の中間層と、接着層と、第2の中間層とを有することを特徴とする請求項１に記載の半導体発光装置。
【請求項１２】
前記第1および第2の中間層のそれぞれは、SiNx、TiおよびCrからなる群より選択される材料を有することを特徴とする請求項１1に記載の半導体発光装置。
【請求項１３】
前記接着層は、エポキシ、PI、BCBおよびPFCBからなる群より選択される材料を有することを特徴とする請求項１1に記載の半導体発光装置。
【請求項１４】
前記蛍光体構造体は、さらにバインダを有することを特徴とする請求項１に記載の半導体発光装置。
【請求項１５】
前記蛍光体構造体は、非接着型の蛍光体構造体であることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光装置。
【請求項１６】
前記蛍光体構造体は、粉末形状であることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光装置。
【請求項１７】
前記粉末の平均径は、約0.1〜100μmの範囲にあることを特徴とする請求項１6に記載の半導体発光装置。
【請求項１８】
さらに、前記蛍光体構造体を覆うように形成された保護構造体を有することを特徴とする請求項1に記載の半導体発光装置。
【請求項１９】
前記保護構造体は、複数の光学層を有することを特徴とする請求項18に記載の半導体発光装置。
【請求項２０】
前記複数の光学層の厚さは、前記半導体発光スタックからのそれぞれの距離とともに増大することを特徴とする請求項18に記載の半導体発光装置。
【請求項２１】
前記保護構造体は、Su8、BCB、PFCB、エポキシ、アクリル樹脂、COC、PMMA、PET、PC、ポリエーテルイミド、フッ化炭素高分子、珪素樹脂およびガラスからなる群より選択される材料を有することを特徴とする請求項18に記載の半導体発光装置。
【請求項２２】
さらに、前記不透光性基板と前記半導体発光スタックの間に、反射層を有することを特徴とする請求項1に記載の半導体発光装置。
【請求項２３】
前記半導体発光スタックは、透明導電層を有することを特徴とする請求項1に記載の半導体発光装置。
【請求項２４】
前記透明導電層は、インジウムスズ酸化物（ITO）、カドミウムスズ酸化物（CTO）アンチモンスズ酸化物、亜鉛酸化物、亜鉛スズ酸化物、Ni／Au、NiO／AuおよびTiWNからなる群より選択される材料を有することを特徴とする請求項23に記載の半導体発光装置。
【請求項２５】
半導体発光装置を製作する方法であって、
成長基板から半導体発光スタックを分離するステップと、
不透光性基板に前記半導体発光スタックを接合するステップと、
前記半導体発光スタックを覆うように、蛍光体構造体を形成するステップと、
を有する方法。
【請求項２６】
前記接合するステップは、前記半導体発光スタックと前記不透光性基板の間に、接合構造体を形成するステップを有することを特徴とする請求項25に記載の方法。
【請求項２７】
前記接合構造体は、接着剤、ハンダ、半導体、反射層、SiNx、TiおよびCrからなる群より選択される材料を有することを特徴とする請求項26に記載の方法。
【請求項２８】
前記接合構造体は、前記不透光性基板が前記半導体発光スタックと直接接する界面と実質的に隣接する領域にあることを特徴とする請求項26に記載の方法。
【請求項２９】
前記接合するステップは、
前記不透光性基板を覆うように、第1の中間層を形成するステップと、
前記半導体発光スタックを覆うように、第2の中間層を形成するステップと、
前記第1および第2の中間層の間の接着剤を介して、前記不透光性基板と前記半導体発光スタックを接合するステップと、
を有することを特徴とする請求項25に記載の方法。
【請求項３０】
前記形成するステップは、前記半導体発光スタックを覆うように蛍光体を設置するステップを有し、前記蛍光体構造体が形成されることを特徴とする請求項25に記載の方法。
【請求項３１】
前記蛍光体構造体は、蛍光体とバインダとを有することを特徴とする請求項26に記載の方法。
【請求項３２】
さらに、前記半導体発光スタックに溝を形成するステップを有することを特徴とする請求項25に記載の方法。
【請求項３３】
さらに、前記半導体発光スタックを小さく区切るステップを有することを特徴とする請求項25に記載の方法。
【請求項３４】
さらに、前記蛍光体構造体を覆うように保護層を形成するステップを有することを特徴とする請求項25に記載の方法。
【請求項３５】
さらに、前記不透光性基板および前記半導体発光スタックの間に、反射層を形成するステップを有することを特徴とする請求項26に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体発光装置に関し、特に蛍光体構造体を有する半導体発光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
発光ダイオード（LED）やレーザーダイオード（LD）のような半導体発光装置は、小型で、発光効率が高く、長寿命であり、高反応速度、良好な信頼性および優れた単色性に特徴があり、電子装置、車両、看板および信号に幅広く用いられている。フルカラーLEDの実現により、LEDは次第に、蛍光灯や白熱電球のような従来の照明装置に取って替わりつつある。
【０００３】
これまで、一般に白色光は、発光ダイオードチップと、蛍光粉末のような蛍光体の構造体を利用することにより実現されてきた。蛍光体は青色光で励起され、黄色又は緑および赤色の光を放射する。青色と黄色の光の混合；または青、緑および赤の光の混合によって、白色光が生じる。現在、一般的な白色発光ダイオードの基板は、サファイア（Al2O3）、SiC、または他の透明基板で構成される。発光ダイオードによって放射される光が、蛍光体（蛍光粉末）を通過して必要な色に混色されるように、蛍光体は、発光ダイオードによって放射され得る全ての光を完全に覆う必要がある。
【０００４】
しかしながら、透明基板または発光ダイオードチップの周囲に蛍光体を均一に設置することは難しい。発光ダイオードによって生じる光が、不均一な蛍光体を通ると、蛍光体の厚い部分では、薄い部分に比べてより多くの光が吸収される。従って発光ダイオードは、蛍光体の厚さの差異に影響を受け、異なる方向に異なる色を表示する。本願の参照文献である米国特許第6,642,652号には、蛍光体を有するフリップチップ発光装置が示されている。本特許には、発光装置を蛍光体で均一に被覆するための、電気泳動法のような複雑な方法が示されている。しかしながら開示された方法は、高コストであり、発光装置の歩留まりは悪い。さらに、この特許の方法では、LEDチップ全体を覆う蛍光体の不均一性の問題に対しての簡便な解決策が得られない。
【特許文献１】米国特許第6,642,652号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述の問題を解決するため、本発明では、半導体発光装置およびその製作方法が提供される。チップのパッケージ化の前に、ウェハまたはチップ全体に蛍光体構造体が形成され、チップを覆う蛍光体の厚さの不均一性によって生じる色の変化を防止することができる。
【０００６】
本発明の課題は、上述の問題を解決できる半導体発光装置および関連方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の半導体発光装置は、不透光性基板と、接合構造体と、半導体発光スタックと、該半導体発光スタックを被覆するように設置された蛍光体構造体であって、実質的に前記半導体発光スタックの輪郭に合わせるように設置された蛍光体構造体と、を有する。半導体発光スタックは、成長基板から分離され、接合構造体を介して不透光性基板に接合される。蛍光体構造体は蛍光体を有し、これにより、半導体発光スタックから放射される一次光が吸収され、変換された光が放射される。
【０００８】
本発明の接合構造体はさらに、第1の中間層、吸収層および／または第2の中間層を有する。接合構造体は、半導体発光スタックと不透光性基板の接合強度を増大させ、あるいはこれらの間を電気的に接合する。
【０００９】
本発明の蛍光体構造体は、蛍光体を有し、該蛍光体は、直接、半導体発光スタックを覆うように形成され、あるいはバインダと混合してから、半導体スタックを覆うように形成される。
【００１０】
半導体発光装置を形成する方法は、半導体発光スタックを成長基板から分離させるステップと、半導体発光スタックを不透光性基板に接合するステップと、半導体発光スタックを覆うように蛍光体構造体を形成するステップとを有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明のこれらのおよび他の態様は、各図面に示された好適実施例についての以下の詳細な説明を精読することで、当業者には明らかであろう。
【実施例１】
【００１２】
図1乃至3に示すように、半導体発光装置10は、不透光性基板11と、接合構造体12と、半導体発光スタック13と、蛍光体構造体14とを有する。半導体発光スタック13は、バイアス電流の通電により一次光を放射する。例えば、GaN系の発光ダイオードの場合、青色光が放射される。光は、不透光性基板11を透過できないため、光は不透光性基板11とは反対の側、すなわち蛍光体構造体14の側に向かって進行する。一次光が蛍光体構造体14に入射されると、蛍光体構造体14内の蛍光体1401は、一次光の吸収により励起され、一次光の波長とは異なる波長の変換光を生じる。一次光と変換光は、混合により白色光にすることが好ましい。本発明の半導体発光スタック13は、(反対側で電気的接続を有する）垂直構造であっても、(同じ側に電気的接続を有する）水平構造であっても良い。
【００１３】
本発明の不透光性基板11は、半導体基板、金属基板、上記材料の組み合わせ、または他の不透光性材料である。不透光性基板11は、Si、GaN／Si、GaAs、およびそれらのいずれかの組み合わせからなる群より選択される材料で構成されることが好ましい。あるいは図2に示すように、不透光性基板11は、溝1302を有するウェハであり、この溝は2以上の半導体発光スタック13を仕切る。蛍光体構造体14が形成されてから、半導体発光スタック13を小さく区切る方法が有益である。
【００１４】
図3に示すように、さらに不透光性基板11は、透明基板1101および反射層16を有する。反射層16は、透明基板1101の方向に進む光の反射用に用いられ、一次光および／または変換光は、透明基板1101を通過せずに、蛍光体構造体14の方に誘導される。透明基板1101は、GaP、SiC、ZnO、GaAsP、AlGaAs、Al2O3、ガラスおよびそれらのいずれかの組み合わせで構成される群より選択される材料で構成される。
【００１５】
接合構造体12は、発光基板11と半導体発光スタック13の接合用に用いられる。接合構造体12は、In、Au、AlおよびAgのような金属でも良い。この金属は、200℃〜600℃の所定の温度で、不透光性基板11と半導体発光スタック13との間に形成され、発光基板11の方向に進行する光を反射するミラーとして作用する。接合構造体12は、発光基板11と半導体スタック13との間にオーム接続を形成し、発光基板11は、半導体発光スタック13と電気的に接続される。
【００１６】
別の方法では、接合構造体12は、不透光性基板11が半導体発光スタック13と直接接触する界面に隣接する領域にあっても良い。発光基板11と半導体発光スタック13とは、200g/cm2〜400 g/cm2程度の適当な圧力で互いに接合され、500℃〜1000℃のような高温であって、好ましくは550℃〜650℃の温度で接合される。
【００１７】
発光体基板11と半導体発光スタック13とは、接合構造体12によって、互いに接着されることが好ましい。接着処理は、150℃〜660℃の低温の328g/cm2〜658g/cm2の所定の圧力で行われるが、200℃〜300℃であり、約505g/cm2であることが好ましい。これにより、半導体発光スタック13の高温損傷を抑制することができ、適切な接合効果を得ることができるからである。接合構造体12は、金属、エポキシ、PI、BCB、PFCBまたは他の代替材のような材料を有する。さらに接合構造体12は、BCBのような透明材料である。
【００１８】
不透光性基板11が、半導体発光スタック13と電気的に接続されると、電気的なチャンネルが垂直に構成される。半導体発光装置10の電気接続部1301は、半導体発光スタック13の上部に成膜され、不透光性基板11は、別の電気接続部として作用する。あるいは、別の電気接続部は、不透光性基板11上に形成することもできる。
【００１９】
蛍光体構造体14は、1または2以上の蛍光体1401で構成され、この蛍光体は、半導体発光スタック13によって生じた一次光を吸収して、一次光とは異なる波長の変換光を放射する。変換光は、多数の蛍光体1401を使用して多数の色相を示すようにしても良い。また蛍光体構造体14は、半導体発光装置10を覆うように形成され、実質的に半導体発光スタック13の輪郭に合わせて形成され、これによりチップのパッケージ化が容易となる。蛍光体1401は、バインダ（示されていない）を介して半導体発光スタック13を覆うように形成することができる。バインダおよび蛍光体1401は、混合され半導体発光スタック13を覆うように設置される。別の方法では、バインダは半導体発光スタック13に設置され、蛍光体1401はバインダを覆うように設置される。また、キャップまたはコンテナのような他の構造体（示されていない）を半導体発光スタック13を覆うように形成して、蛍光体1401を担持、充填あるいはパッケージ化しても良い。
【００２０】
蛍光体構造体14は、蛍光体1401のみを含むこと、あるいは非接着型の蛍光体構造体であることが好ましい。ここで非接着型の蛍光体構造体14とは、バインダ、エポキシまたは他の結合材を含まない、一体化蛍光体を意味する。蛍光体1401を一体化する方法には、例えば、沈降法または他の物理的堆積処理法を用いることができる。半導体発光スタック13と蛍光体構造体14間の接合強度は、蛍光体1401の加熱および／または圧縮によって、さらに増大させることができる。非接着型の蛍光体構造体14を利用することで、バインダまたはエポキシによる光の吸収を回避することができ、これにより良好な光変換および色特性を得ることができる。
【００２１】
上述の実施例の蛍光体構造体14は、半導体発光スタック13を覆うように形成されるが、蛍光体構造体14は、半導体発光スタック13と直接接触させる必要はない。代わりに、保護層または光学層のような、別の構造体を半導体発光スタック13と蛍光体構造体14の間に形成することもできる。さらに蛍光体構造体14は、硫化物粉末のような粉末形状であっても良い。粉末の平均径は0.1〜100μm程度であることが好ましい。
【実施例２】
【００２２】
図4および5には、本発明の第2の実施例の正面図を示す。第2の実施例における構成体のうち、第1の実施例と同じものについては、同じ表示で示され、これらの構成体の説明は、繰り返しとなるためここでは省略する。
【００２３】
第1の実施例で説明したように、接合構造体12は、不透光性基板11と半導体発光スタック13との接合に用いられる。この実施例では、接合構造体12は、さらに第1の中間層1201と、接着層1202と、第2の中間層1203とを有する。第1の中間層1201と第2の中間層1203は、それぞれ、不透光性基板11および半導体発光スタック13を覆うように形成される。接着層1202は、第1および第2の中間層1201と1203の接合に使用される。2つの中間層1201と1203の使用により、接着層1202と不透光性基板11との接合強度、および接着層1202と半導体発光スタック13との接合強度が増大する。
【００２４】
接合構造体12の接着層1202は、例えばエポキシ、PI、BCB、PFCBまたは他の有機接着材である。第1と第2の中間層1201と1203は、SiNx、Ti、Cr、あるいは接着層1202と不透光性基板11の間、および／または接着層1202と半導体発光スタック13の間の接合強度を高める他の材料である。
【００２５】
図4および5に示すように、半導体発光装置10は、さらに保護構造体15を有し、この保護構造体は、蛍光体構造体14を覆うように形成され、蛍光体構造体14および蛍光体構造体14の下側の他の構造体を、水分、衝撃などから保護する。保護構造体15は、Su8、BCB、PFCB、エポキシ、アクリル樹脂、COC、PMMA、PET、PC、ポリエーテルイミド、フッ化炭素高分子、珪素樹脂、ガラス、これらのいずれかの組み合わせ、または他の光透過性材料のような材料を有する。
【００２６】
保護構造体15は、さらに複数の光学層1501および1502を有し、各光学層は異なる厚さである。各光学層1501および1502の厚さは、半導体発光スタック13からの距離とともに増大することが好ましく、従って外層の厚さは、内層の厚さよりも厚い。本実施例では、光学層1502の厚さは、光学層1501の厚さよりも厚い。光学層1501と1502の厚さの変化は、半導体発光装置10に生じる保護構造体15上部の熱応力を緩和し、保護層15にクラックが生じることを回避する。複数の光学層1501と1502は、拡散促進層、レンズのような集光層、または半導体発光装置10の発光特性を調整する他の構造体となる。
【００２７】
半導体発光装置10は、さらに反射層16を有し、この反射層は、不透光性基板11の方向に進行する光を反射し、光を蛍光体構造体14の方に誘導する。反射層16は、接合構造体12と不透光性基板11の間に設置することができ、すなわち接合構造体12は、図4に示すように透明である。あるいは反射層16は、図5に示すように、接合構造体12と半導体発光スタック13の間に設置することもできる。さらに反射層16は、ブラッグ反射器のように、半導体発光スタック13（図示されていない）内部に形成することもできる。
【００２８】
反射層16の材料は、例えば金属、酸化物、これらの材料の組み合わせ、または光を反射する他の材料である。反射層16は、In、Sn、Al、Au、Pt、Zn、Ag、Ti、Pb、Ge、Cu、Ni、AuBe、AuGe、AuZn、PbSn、SiNx、SiO2、Al2O3、TiO2およびMgOからなる群より選択される材料を有することが好ましい。
【００２９】
本発明の半導体発光スタック13は、さらに透明導電層（示されていない)を有し、この透明導電層は、電流を通し、あるいはｐ型半導体層またはn型半導体層のように、他の層とオーム接触を形成する。透明導電層の材料は、インジウムスズ酸化物（ITO）、カドミウムスズ酸化物（CTO）、アンチモンスズ酸化物、亜鉛酸化物、亜鉛スズ酸化物、Ni／Au、NiO／Au、TiWNまたは透明金属層である。
【実施例３】
【００３０】
再度図1乃至5を参照して説明する。本発明の半導体発光装置10を製作する方法は、半導体発光スタック13を成長基板（示されていない）から分離するステップと、半導体発光スタック13と不透光性基板11を接合するステップと、蛍光体構造体14を半導体発光スタック13を覆うように形成するステップとを有する。前記接合するステップでは、半導体発光スタック13と不透光性基板11の間に接合構造体が形成される。あるいは、前記接合するステップでは、所定の温度および圧力で、半導体発光スタック13を直接、不透光性基板11に接合しても良く、温度は500℃〜1000℃が好ましく、550℃〜1000℃がより好ましく、圧力は200g/cm2〜400g/cm2が好ましい。接合構造体12を接着層（示されていない）として、所定の温度、所定の圧力で、半導体発光スタック13と不透光性基板11を接着しても良く、温度は150℃〜600℃であって、200℃〜300℃であることが好ましく、圧力は328g/cm2〜658g/cm2であって、約505g/cm2であることが好ましい。接合構造体12は、金属層（示されていない）とすることも可能であり、この層は、200℃〜600℃の適切な温度および圧力で、半導体発光スタック13と不透光性基板11に接合される。金属層は、光を反射するミラーとしても作用し得る。
【００３１】
前記接合するステップは、不透光性基板11を覆うように第1の中間層1201を形成するステップと、半導体発光スタック13を覆うように第2の中間層1203を形成するステップと、接着層1202を介して半導体発光スタック13と不透光性基板11を接合するステップとを有することが好ましい。接着層1202は、第1および第2の中間層1201および1203の間に形成される。第1と第2の中間層1201と1203は、接着層1202と半導体発光スタック13の間、および接着層1202と不透光性基板11の間の接合強度を高めることができる。
【００３２】
蛍光体構造体14は、蛍光体1401の沈降によって、あるいは蛍光体1401とエポキシのようなバインダを混合することによって、半導体発光スタック13を覆うように形成されることが好ましい。
【００３３】
保護構造体15は、蛍光体構造体14を覆うように形成することもできる。保護構造体は、複数の層1501と1502を含み、保護構造体15の下部の他の構造体を、水分および衝撃から保護し、あるいは高温で生じる熱応力を緩和する。
【００３４】
さらに本発明では、不透光性基板11と接合構造体12の間、あるいは接合構造体12と半導体発光スタック13の間に反射層16が形成される。あるいは反射層16は、ブラッグ反射層のように、半導体発光スタック13の内部に形成され、光を反射する。
【００３５】
また蛍光体構造体14は、ウェハまたはチップ上に形成することもできる。蛍光体構造体14がウェハ上に形成される場合、半導体発光スタック13上には、溝1302が設けられ、その後、蛍光体構造体14が、半導体発光スタック13を覆うように形成される。次にウェハが、溝1302によって、蛍光体構造体14または保護層15の形成後に小さく区切られ、半導体発光装置10のチップが形成される。
【００３６】
本発明の広い態様から逸脱しないで、本発明の実施例の変更および修正が行えることは、当業者には明らかであろう。従って、添付の特許請求の範囲は、それらの範囲を包含し、そのような全ての変更や修正は、本発明の観念および範囲に属する。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明による半導体発光装置の実施例の正面図である。
【図２】本発明による半導体発光装置の実施例の正面図である。
【図３】本発明による半導体発光装置の実施例の正面図である。
【図４】本発明による半導体発光装置の別の実施例の正面図である。
【図５】本発明による半導体発光装置の別の実施例の正面図である。
【符号の説明】
【００３８】
１０      半導体発光装置
１１      不透光性基板
１１０１  透明基板
１２      接合構造体
１２０１  第1の中間層
１２０２  接着層
１２０３  第2の中間層
１３      半導体発光スタック
１３０１  電気接続部
１３０２  溝
１４      蛍光体構造体
１４０１  蛍光体
１５  保護層
１５０１、１５０２  光学層
１６  反射層
【図１】
2006074036.tif 000003
【図２】
2006074036.tif 000004
【図３】
2006074036.tif 000005
【図４】
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【図５】
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