(57)【要約】  本発明は、光源と、ハウジングと、電気的端子とを備え、ガラスから成形された複数の構成要素を有している、オプトエレクトロニクス半導体素子に関している。このオプトエレクトロニクス半導体素子では少なくとも２つの構成要素が相互に適合する境界面において接触し、そこにおいて相互に直接融着されることを特徴としている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、ハウジングと、電気的端子とを備え、ガラスから成形された複数の構成要素を有している、オプトエレクトロニクス半導体素子において、
少なくとも２つの構成要素は相互に合わせた境界面において接触し、かつ、そこにおいて相互に直接融着されていることを特徴とするオプトエレクトロニクス半導体素子。
【請求項２】
前記構成要素は、ハウジング構成部材である、請求項１記載のオプトエレクトロニクス半導体素子。
【請求項３】
前記半導体素子は、発光ダイオード又は有機発光ダイオードである、請求項１記載のオプトエレクトロニクス半導体素子。
【請求項４】
請求項１記載のオプトエレクトロニクス半導体素子の製造方法であって、融着が超短パルスレーザーのパルスを用いて室温のもとで行われるようにしたことを特徴とする製造方法。
【請求項５】
前記レーザーのパルスは１００ｆｓ〜５００ｐｓの間の長さであり、とりわけ５００ｆｓ〜１００ｐｓの間の長さである、請求項４記載の方法。
【請求項６】
前記レーザーのパルスの繰り返しレートは１０ｋＨｚ〜２ＭＨｚの間である、請求項４記載の方法。
【請求項７】
前記レーザーとしてフェムト秒レーザー又はピコ秒レーザーが用いられる、請求項４記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は請求項１の上位概念による、オプトエレクトロニクス半導体素子に関している。また本発明はその製造方法にも関している。
【背景技術】
【０００２】
ＤＥ−Ａ１０１１８６３０号明細書及びＤＥ−Ａ１０１５９５４４号明細書からはガラス部材を備えたＬＥＤが開示されている。
【０００３】
またＪＰ２００１−２６６８００号公報には、２つのガラス成形部の加熱式レーザー融着方法が開示されている。さらにＵＳ−Ａ６９３６９６３号明細書からは、透過性の基板と、該基板上に被着された電極と、様々な色の発光層と、対向電極とからなる、有機半導体をベースにした素子のカプセル化方法が公知である。この半導体素子は、ハウジングを用いて気密にカプセル化されており、このハウジングは接着剤によって基板に接合されている。さらなる代替え例として、接着剤に対する付加的なＩＲダイオードレーザー又はＣＯ2レーザーの適用が挙げられる。
【０００４】
発明の開示
本発明の課題は、請求項１の上位概念によるオプトエレクトロニクス半導体素子のもとで、ガラス材における敏感な素子の永続的でかつ密封性の高いカプセル化を実現することである。
【０００５】
この課題は請求項１の特徴部分に記載された本発明によって解決される。
【０００６】
特に有利な構成は従属請求項に記載されている。
【０００７】
ここで取り上げる本願発明は、オプトエレクトロニクス半導体素子に対して耐熱性および耐候性を備えたカプセル化を実現するという課題を解決するものである。
【０００８】
有機発光ダイオードにおける有機層のような素子、あるいは発光ダイオードにおけるその他の敏感な構成要素を気密に密閉する今日のカプセル化では、接合すべきガラス部材間にガラスろう若しくは有機接着剤を用いて実現されている。
【０００９】
有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）、特に有機ＬＥＤで形成されたディスプレイは、有機層（本来のＯＬＥＤ）からなる層パッケージと、コンタクト形成のための金属層（電極）とからなり、それらは２つの薄いガラス板（例えば０.５ｍｍ〜１.０ｍｍの厚み）の間に存在する。これらのガラス板はハウジングの底部（基板）と蓋とを形成している。さらにこのハウジングは、場合によって複数の側壁も有する。これらの層は、カプセル化しなければ酸素や水蒸気にさらされ、これらが有機発光ダイオードＯＬＥＤの損傷につながる。そのため残りのハウジング部材を基板に機械的に永続的に結合し、有機発光ダイオードを気密に密封して酸素と湿気から保護する、有機発光ダイオードのためのカプセル化が開発されている。この密封の際には、有機発光ダイオードが熱的過負荷によるダメージを受けるようなことがあってはならない。
【００１０】
さらにこれまでには、有機発光ダイオードが間に置かれるガラス製基板と残りのハウジング部材を、ガラスろうの支援なしで、安定的に結合し、有機発光ダイオードを気密に密封するための手法も開発されている。
【００１１】
しかしながらこれまでの例えば発光ダイオードの大半は有機部材に関連して製造されており、とりわけこのことは基板、レンズ、又はＬＥＤの変換素子などに当てはまる。その上さらに接着の際、例えばガラス製カバーを設けたり変換素子をチップ上に取り付けるために、頻繁に有機接着剤が用いられている。
【００１２】
この種の有機部材は熱伝導性が悪く、僅かなＵＶ耐性しか持っていない。このことはとりわけ４２０ｎｍ以下の範囲の放射線に対する耐性にかかわっている。その他にも前記部材は温度に敏感である。この特性は特に効率の低下につながる。なぜならＬＥＤの変色や過度な温度上昇に結びつくからである。
【００１３】
ここにきて１つの問題は、湿気に対する永続的でかつ高い密閉性が接着剤によって達成できないことである。それに対して、ガラスろうを用いたカプセル化では、カプセル化を施す構成要素に対してマイナスの影響となるような処理温度が発生してしまう。
【００１４】
本発明によれば、ガラスから成る２つの部材の永続的でかつ密封性の高い接合がガラス成形部材の直接的融着によって達成される。現在ではショートパルスレーザーを使用することによってそのような融着が可能である。その際には他のシステムにおけるロングパルスレーザーとは異なって、ガラス成形部に極端に高い電圧をもたらすことはない。そのような高い電圧はこれまではひび割れを形成しガラス成形部の欠損に結びついていた。
【００１５】
ショートパルスレーザー、とりわけ数ピコ秒から数フェムト秒のパルス幅を有した超短パルスレーザーを用いた融着では、ガラス成形部を貫通して所期のように上下に接するガラス成形部の境界層のみが溶融される。それにより、時間的にかつ局所的に非常に限定した加熱領域を達成することができる。
【００１６】
このようなガラス成形部の直接のレーザー融着によれば、永続的でかつ密封性の高い結合が２つのガラス成形部の間で達成される。このレーザー融着過程は、室温で行うことも可能であるし、より高めた温度のもとで行うことも可能である。
【００１７】
そのためさらなる付加材料や加熱ステップは不要となる。また焼出しも省略される。この新たな手法によれば、ガラス成形部が高い信頼性のもとで結合される。このガラス成形部は従来のマクロ的直接融着によれば、その際に生じる高い緊張に基づいて一部の永続的な相互接続が不可能であった。
【００１８】
このように製造されるオプトエレクトロニクス半導体素子とは特に有機発光ダイオードである。
【００１９】
本発明のさらなる特徴を以下に列挙する。
１．光源と、ハウジングと、電気的端子とを備え、ガラスから成形された複数の構成要素を有している、オプトエレクトロニクス半導体素子において、少なくとも２つの構成要素が相互に合わせた境界面において接触し、そこにおいて相互に直接融着される
２．前記構成要素は、ハウジング構成部材である
３．前記半導体素子は、発光ダイオード又は有機発光ダイオードである
４．融着が超短パルスレーザーのパルスを用いて室温のもとで行われる
５．前記レーザーパルスは１００ｆｓ〜５００ｐｓの間の長さであり、とりわけ５００ｆｓ〜１００ｐｓの間の長さである
６．前記レーザーパルスの繰り返しレートは１０ｋＨｚ〜２ＭＨｚの間である
７．前記レーザーとしてフェムト秒レーザー又はピコ秒レーザーが用いられる。
【００２０】
以下では本発明を複数の実施例に基づいて詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】ガラスカバーを備えた発光ダイオードの断面図
【図２】有機発光ダイオードの断面図
【図３】接合継ぎ目の平面図
【図４】有機発光ダイオードの平面図
【図５】有機発光ダイオードの側面図
【実施例】
【００２２】
図１には、ガラス成形部にレーザー直接融着が用いられている発光ダイオード１の概略的な基本図が示されている。この発光ダイオードＬＥＤはハウジング２を有しており、該ハウジング２内にはチップ３が設けられている。ここではこの発光ダイオードＬＥＤのハウジング２がレーザー直接融着を用いて結合されている。ここでのガラス成形部は、ほぼ矩形状の底部５と類似の形態のカバー部６である。それらは側壁７を介して相互にコンタクトしている。
【００２３】
超短パルスレーザー、例えばピコ秒レーザーのビーム９は集束調整によって、一方では、その焦点が側壁７とカバー部６の間の境界面に設定され、他方では、側壁７と底部５との間の境界面に設定されている。これらの境界面は超短パルスレーザーのビーム９を用いてそれぞれ高い信頼性のもとで融着される。種々異なる集束は、例えばビームスプリッタ４とレンズ８を用いて達成される。
【００２４】
図２には、図１の発光ダイオードに類似した構成の有機発光ダイオード１０が概略的に示されている。ここではカバー部１１がガラス基板であり、このガラス基板に有機発光ダイオード層と電極とが被着されている（詳細には図示せず）。例えば底部１２はバスタブ状に形成されている。別個の側壁は省かれている。
【００２５】
超短パルスレーザー、例えばピコ秒レーザーのビーム９は、レンズ８を用いて、その焦点がカバー部１１と底部１２との間の境界面１５に当たるように集束される。超短レーザーパルスを用いることによって、この境界面１５は、高い信頼性のもとでガラス融着によって封止される。
【００２６】
ビームスプリッタを用いることで、底部１２とカバー部１１との間の境界領域１５の溶融領域が複数の箇所で同時に封止され得る。
【００２７】
図３には、溶融されたガラス結合系２０が示されている。ここでは第１の構成部２１も第２の構成部２２もガラスからなるプレートである。この２つの部分は、室温のもとで超短レーザーパルスによって相互に融着（２３）されている。このようなレーザーを用いた直接的なガラス融着方法は特に軟質ガラスに適している。なぜならここでは僅かな緊張しかガラスに生じないからである。但し硬質ガラス又は石英ガラスも、相互に、又は、それらと同じように、又は、特別に、軟質ガラスとも結合可能である。
【００２８】
発光ダイオードの代わりに有機発光ダイオードをオプトエレクトロニクス半導体素子として適用することも可能である。そこでは上記の考察が少なくともそのままの論説で通じる。有機発光ダイオードの高い密封性は大きな挑戦である。
【００２９】
図４には典型的な有機発光ダイオードが平面図で示されている。その側面図は図５に示されている。有機発光ダイオードＯＬＤＥ３１は、その上に複数のピクセル３３からなる有機発光ダイオードアレイが被着されている基板３２からなっている。このアレイは公知のように、複数の電極３４と、複数の有機エレクトロルミネセンス層（これらは層内に被着されている）と、複数の対向電極３９とからなっている。それぞれ外部に導かれる導体路端子は前記複数の電極３４と対向電極３９から可視となる。これらの端子の密封は、場合によっては超短レーザーパルスによって行われる場合もある。
【００３０】
ハウジングは例えば、可視で近赤外線に対して透過型のフラットガラスによってカバー３５として実現され、その際にはこのカバーは下方に延在する側壁３６も有する。類似の側壁３７は底部３２を示す。これらの側壁３６，３７は、相互に隣接する境界面を形成し、この境界面は超短パルスレーザーを用いて相互に融着される。
【００３１】
この製造方法は例えば次のように実行されてもよい。すなわち基板及びカバーとしてそれぞれ１つのフラットガラス、例えばＭｅｒｃｋ社のソーダ石灰ガラスディスプレイを用いて実行してもよい。
【００３２】
典型的な接合部は、５乃至５０μｍの厚みの境界領域を含んでおり、この境界領域は室温のもとで高速パルスを用いた超短レーザーによって製造され得る。その際のパルス長は、ピコ秒領域において数百キロヘルツまでの繰り返しレートのもとで変動し得る。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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