(57)【要約】  大電流領域でも輝度劣化せず発光効率の高い白色発光素子と、その発光素子を高い歩留りで製造することができる製造方法を提供する。  白色ＬＥＤ素子１は、青色ＬＥＤ素子４とこれに一体化された蛍光体を含んだ酸化物層８で構成される。青色ＬＥＤ素子４は、透光性結晶基板３面上に、ＧａＮ系化合物半導体薄膜を積層したエピタキシャル層６のｐ型層の面上にｐ側電極１１と、ｐ型層及び発光層を部分的に選択エッチングしｎ型層を露出した凹部９の底面上にｎ側電極１０が形成される。酸化物層８は、ＹＡＧ蛍光体とそれを結合させるためのＳｉＯ２とＢ２Ｏ３とＰｂＯを主成分とするガラスバインダーを焼結し形成されている。この白色ＬＥＤ素子は、青色ＬＥＤ素子からの青色光が酸化物層８を通して外部に白色光として発光する。【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＧａＮ系化合物半導体層からなる発光層を有する発光素子において、
一方の面側にｎ側電極及びｐ側電極を有し、ｎ側電極上にｎ型ＧａＮ系化合物半導体層が、またｐ側電極上に発光層を含むＧａＮ系化合物半導体層が積層され、前記ＧａＮ系化合物半導体層の上に透光性結晶基板を有し、その上に蛍光体を含有した酸化物層が形成されていることを特徴とする発光素子。
【請求項２】
前記蛍光体を含有した酸化物層は、前記蛍光体をＳｉＯ２とＢ２Ｏ３を主成分とするガ
ラス、ＳｉＯ２とＢ２Ｏ３とＺｎＯを主成分とするガラス、またはＳｉＯ２とＢ２Ｏ３とＰｂＯを主成分とするガラスで結合させたことを特徴とする請求項１記載の発光素子。
【請求項３】
前記蛍光体を含有した酸化物層は、蛍光体粒子がガラスで架橋された多孔質層からなることを特徴とする請求項１または２に記載の発光素子。
【請求項４】
前記蛍光体は、青色光を青色光の補色光に変換する蛍光体、または青色光を緑色光及び赤色光に変換する蛍光体からなることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の白色系発光可能な発光素子。
【請求項５】
前記蛍光体は、紫外光を青色光、緑色光及び赤色光に変換する蛍光体からなることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の白色系発光可能な発光素子。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか１項に記載の発光素子を単体発光素子として、該単体発光素子を行列状に配列し、それをブロック単位としたことを特徴とするブロック発光素子。
【請求項７】
ＧａＮ系化合物半導体層からなる発光層を有する発光素子製造方法であって、
透光性結晶基板上に、エピタキシャル気相成長法で発光層を含むＧａＮ系化合物半導体層含むエピタキシャル層を積層し、発光ダイオード構造が形成されたウエハーを用意する準備工程と、
前記ウエハーの前記透光性結晶基板側に蛍光体を含有した酸化物層を形成する酸化物形成工程と、
前記エピタキシャル層側にｐ側電極とｎ側電極を形成する電極形成工程と、
前記エピタキシャル層の少なくとも一方が電気的に連続して発光ダイオードを形成する単体発光素子または前記エピタキシャル層が電気的に分離して形成される複数個の発光ダイオードをブロックとするブロック発光素子の境界に沿って分割するチップ化工程と、から成ることを特徴とする発光素子の製造方法。
【請求項８】
請求項７に記載の発光素子の製造方法であって、
前記酸化物形成工程の前に前記透光性結晶基板に溝加工を施す溝加工工程が更に加わることを特徴とする発光素子の製造方法。
【請求項９】
請求項７に記載の発光素子の製造方法であって、
前記蛍光体を含有した酸化物層の厚みを研削して発光の色度を調整する色度調整工程を、さらに含むことを特徴とする発光素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、白色光を発光する白色発光素子及びその製造方法に係り、特にＧａＮ系化合物半導体薄膜層を積層した発光層を有し、発光層から蛍光体層を介して白色光を外部に発光するように構成された白色発光素子（白色ＬＥＤ素子）及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
Ｇａ（ガリウム）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｉｎ（インジウム）等のIII族元素を化合させたＧａＮ、ＧａＡｌＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ等の窒化ガリウム系（ＧａＮ系）化合物半導体は、近年、可視光発光デバイス等のための半導体材料として多用され、特に青色ＬＥＤの分野での展開が進んでいる。この種の従来のＬＥＤを利用した発光装置の一例として、その基本構造の詳細は、たとえばサファイア基板上にＧａＮ系化合物半導体層によりバッファ層と、ｎ型層と、たとえばＳＱＷやＭＱＷなどからなる活性層と、ｐ型層とを積層することにより形成されている（たとえば特許文献１の図１２参照）。【０００３】
この場合、保護用ダイオードを内蔵する白色の発光素子としては、例えば図４に示されるようなハイブリッド構造の白色発光素子１００が知られている。この構造では、青色光を発光する発光素子（青色ＬＥＤ素子）４０からの光とその光で補色光を発光する蛍光体層４３を介した光との混合で白色光として外部に発光する。また、この場合、半導体膜を成長させるための透光性結晶基板３９としては、一般的に絶縁性のサファイア基板が利用され、その青色ＬＥＤ素子４０からの電極を取り出せるように（導通可能に）、Ｓｉ基板から成るサブマウント部材（ツェナーダイオード）４４上に、フリップチップ方式により実装する。このための製造方法については、例えば図５に示されるような方法が用いられている（例えば特許文献１および２参照）。
【特許文献１】特開２００１−１５８１７号公報
【特許文献２】特開２００２−１５８３７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、例えば図４に示す青色ＬＥＤ素子４０を用いた従来のハイブリッド白色発光素子１００の場合、ツェナーダイオードのサブマウント素子４４上に、フリップチップ実装された青色ＬＥＤ素子４０のサファイア基板３９側から青色光を取り出し、青色ＬＥＤ素子４０の周囲に樹脂をバインダーとして塗布されたＹＡＧ蛍光体４３で、青色光がその補色となる黄緑色の光に変換され、それらの光の加算混合で、白色光として外部に取り出される。この場合、青色ＬＥＤ素子４０からの光の取り出し効率は、この構造が最も高く、良好な構造であった。その理由は、次の４つがあげられる。【０００５】
１つは、主光取り出し面となるサファイア基板３９の上面には、光の取り出しを妨げる電極などの障害物がないため、電極形成面側から透明電極を介して光を取り出すタイプの発光素子に比べて、光の取り出し効率は３０％以上高くなる。【０００６】
２つは、電極が、主光取り出し面となるサファイア基板３９上面の反対側である下面に来るので、電極に反射率の良い材料を用いることにより、光の反射鏡として働き、下方に向かう光をこの反射鏡（反射電極）で上方に反射させることができ、これにより光の取り出し効率は、５０％以上向上する。【０００７】
３つは、屈折率が、ＧａＮ系発光層の２．１，サファイア基板の１．７，蛍光体層バインダー樹脂の１．５と段階的に小さくなり、その界面での光の損失が抑えられるという効果も付加される。【０００８】
４つは、サファイア基板３９の主光取り出し面となる上面を、すりガラス状に荒らすことや溝加工など光の取り出し効率が良くなるような形状に加工することが可能となり、これにより光の取り出し効率は、２０％以上向上する。【０００９】
上記効果に加えて、更に大きなメリットとして、静電気に弱い青色ＬＥＤ素子４０をサブマウントであるツェナーダイオード４４が、静電気の保護素子として働き、順方向及び逆方向の１ｋＶサージに対して青色ＬＥＤ素子４０の保護を可能にしてきた。【００１０】
このように、図４のフリップチップ実装されたハイブリッド白色発光素子１００は、透明電極側から光を取り出す構造の青色ＬＥＤ素子に比べて、構造は複雑になるが、多くのメリットを有するために、室温で使用する携帯電話のディスプレイ部に用いられるバックライト光源などで低電流（通常サイズ、つまり０．３ｍｍ２の底面積を持つ青色ＬＥＤ素子に対してＩｆ≦２０ｍＡ）領域で使用される用途に対しては、優れた構造の発光素子であった。【００１１】
しかし、用途が照明用のように、大電流でかつ高輝度になるとこの構造に大きな問題が生じてくる。それは、大電流により青色ＬＥＤ素子に発生する熱が極めて大きくなり、蛍光体を塗布するためのバインダーが樹脂であるため、良好な放熱設計をしたとしても、バインダー樹脂の変色は避けられず、発光効率を極めて悪くするのである。例えば、青色ＬＥＤ素子４０のチップサイズが０．３ｍｍ×０．３ｍｍ×０．１ｍｍ（厚さ）で、バインダーにエポキシ樹脂を使用した場合、携帯電話に使用されるサイドビュータイプのチップＬＥＤ（実装面と平行な方向に発光する面実装チップ型ＬＥＤ）に、周囲温度Ｔａが８５℃の中で、Ｉｆ＝２０ｍＡの電流を流した場合、通電時間が１０００時間で明るさ（全光束）は、初期の明るさの５０％程度に低下する。その原因は、青色ＬＥＤ素子の劣化ではなく、蛍光体層のバインダーに用いていたエポキシ樹脂の熱による変色であり、透過率の減少が原因である。また、熱変色に強いシリコーン樹脂をバインダーに用いた場合でも、同じ周囲温度で通電すると、通電時間が２０００時間で５０％程度に輝度劣化する。【００１２】
照明用の大電流領域となると、青色ＬＥＤ素子自体の発熱により、上記した周囲温度より厳しくなるので、蛍光体層のバインダーには樹脂の改善が必要であり、または樹脂以外のバインダーが必要になってくる。また、紫外ＬＥＤ素子の場合には、さらに変色しやすいため、重要な問題となり、紫外光に変色しないバインダーが必要となる。【００１３】
また、図５に示す製造方法では（詳細は、特に特許文献１参照）、まず、サファイアを基板３９とする青色ＬＥＤ素子４０の各単体を用意して、サブマウント素子４４となるＳｉウェハー４２上に、各青色ＬＥＤ素子４０のｐ側電極とｎ側電極と接続するためのバンプ電極４１を形成し（工程（ａ））、青色ＬＥＤ素子４０のｐ側電極とｎ側電極をバンプ電極４１の位置に位置合わせをし、バンプを介してフリップチップ実装で接合し（工程（ｂ））、上面（サファイア基板３９側）を研削具５０により研削して平坦（均一）にし（工程（ｃ））、その上面及び側面に蛍光体材料（蛍光体ペースト）を塗布して、蛍光体層４３を有する複数のハイブリッド白色光発素子とする（工程（ｄ））。【００１４】
次に、上記の複数のハイブリッド白色発光素子の上面つまり蛍光体層４３を研削具５１で研削して、目的の色度が得られる厚みに均一にし（工程（ｅ））、各ハイブリッド白色発光素子の境界を切断具（ダイサー）５２を使用して切断（ダイシング）して、個別のハイブリッド白色発光素子を得た後（工程（ｆ））、最後の検査を行う。上記の従来の製造方法では、工法上、歩留を悪くする次の３つの課題が存在する。【００１５】
１つは、青色ＬＥＤ素子４０をサブマウント素子４４となるＳｉウエハー４２上にフリップチップ実装する工程（ｂ）の後に、青色ＬＥＤ素子４０のサファイア基板３９を研削する工程（ｃ）を実施した場合、研削具５０の切れ味の劣化によって、バンプ電極の接合部に研削時の応力がかかり、接合部にクラックが発生する可能性もある。この場合、後の検査工程で静特性異常で除去されれば歩留低下でおさまるが、検出されなかった場合は、市場不良につながり、信頼性的に極めて重大な欠陥要因を含んだ工法である。【００１６】
２つは、蛍光体ペーストを塗布して蛍光体層４３を形成する工程（ｄ）において、蛍光体層４３は青色ＬＥＤ素子４０の天面と側面に塗布することが必要であるが、青色ＬＥＤ素子４０がフリップチップ実装されたサブマウント素子４４のすぐ横には、ワイヤーボンディングパッド領域が存在するため、塗布時に高精度のパターン認識が必要で、これに誤差があると、ワイヤーボンディングパッドの位置に蛍光体ペーストが塗布され、その場合、蛍光体層４３を除去してのリトライが困難であり、Ｓｉウエハー１枚がロットアウトになってしまうという大きな歩留低下が生じる。【００１７】
３つは、青色ＬＥＤ素子４０の各単体が用意された後の後工程だけでも、上記のように複雑で手間の掛かる工程が必要であり、また、この煩雑さが歩留まり向上の妨げの一因ともなっている。【００１８】
そこで、本発明は、この製造方法の問題点も含めて、ハイブリッド白色発光素子の問題点を解決し、青色ＬＥＤを使用する白色発光素子に限らず、紫外ＬＥＤを使用する場合も含めて、大電流領域でも輝度劣化せず発光効率の高い白色発光素子と、その発光素子を高い歩留りで製造することができる製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明の請求項１の白色発光素子は、ＧａＮ系化合物半導体層からなる発光層を有する発光素子において、一方の面側にｎ側電極及びｐ側電極を有し、ｎ側電極上にｎ型ＧａＮ系化合物半導体層が、またｐ側電極上に発光層を含むＧａＮ系化合物半導体層が積層され、前記ＧａＮ系化合物半導体層の上に透光性結晶基板を有し、その上に蛍光体を含有した酸化物層が形成されていることを特徴とする白色発光素子である。【００２０】
本発明の白色発光素子では、従来のハイブリッド構造１００とは次の２つの点で異なっている。つまり、１つは、青色ＬＥＤ素子に塗布される蛍光体は、熱で変色する有機物の樹脂をバインダーとして用いるのではなく、熱や紫外光に強く変色をしない無機物の酸化物を用いて形成されている点である。また、２つめは、その製造方法にも依存するが、白色発光素子にする場合に、ハイブリッド構造１００では、サブマウント素子が蛍光体ペーストの受け皿として用いられるために、不可欠であったが、本発明の構造では、サブマウント素子なしで白色発光素子にしている点である。【００２１】
この構造にすることにより、通電により青色ＬＥＤ素子から発される熱により、また、紫外ＬＥＤ素子の紫外光により、蛍光体のバインダーが変色することはなく、大電流領域の通電に対しても、バインダーの変色が原因の輝度劣化はほとんど起こらず、信頼性の大幅に改善された白色発光素子の実現が可能である。【００２２】
更に、この構造は、蛍光体を含有した酸化物層を形成する製造方法のところで詳細に記述するが、白色化にサブマウント素子を必要としないため、構造が簡単で製造方法上においても前記した課題を解決することが可能である。また、サブマウント素子を用いないで青色ＬＥＤ素子または紫外ＬＥＤ素子と蛍光体層が一体化された白色発光素子となっているので、サイズ的にも従来のハイブリッド構造１００のものよりも小型化が可能であり、これを用いれば、パッケージの形状にはより束縛されずに、白色発光装置の設計が可能である。なお、保護ダイオードが必要な場合には、白色発光素子と逆極性で並列に接続することにより内蔵することができる。【００２３】
また、請求項２の白色発光素子は、前記蛍光体を含有した酸化物層は、前記蛍光体をＳｉＯ２とＢ２Ｏ３を主成分とするガラス、ＳｉＯ２とＢ２Ｏ３とＺｎＯを主成分とするガラス、またはＳｉＯ２とＢ２Ｏ３とＰｂＯを主成分とするガラスで結合させたことを特徴とし、この成分のガラスを用いることにより、透光性結晶基板上に蛍光体を含有した酸化物層の形成が可能になる。すなわち、ガラスをバインダーとした酸化物層を形成する場合、その熱膨張係数を透光性結晶基板の熱膨張係数にほぼ等しく設定しないとクラックが発生し剥がれてしまう。具体的には、両者の熱膨張率の差を５％以内にする必要がある。さらにガラスに要求される特性は、光の透過率がよいことと、ガラスの焼成温度（粉末ガラスの場合はその軟化点、ゾルゲル法の場合は熱処理温度）を青色ＬＥＤの発光層に悪影響を与えない温度７００℃以下、好ましくは６００℃以下にすることである。【００２４】
例えば、透光性結晶基板が、サファイア基板の場合、サファイアの熱膨張係数は７．４×１０−６／℃で、これにほぼ等しくでき、かつ光透過性が良く、焼成温度が７００℃以下の粉ガラス成分は、ＳｉＯ２とＢ２Ｏ３を主成分とする粉ガラスで、焼成温度を下げるにはＳｉＯ２とＢ２Ｏ３とＺｎＯを主成分とする粉ガラス、またはＳｉＯ２とＢ２Ｏ３とＰｂＯを主成分とする粉ガラスを用いると良い。また、透光性結晶基板がＳｉＣ基板の場合は、熱膨張係数は、３．７×１０−６／℃で、ＳｉＯ２とＢ２Ｏ３を主成分とする粉ガラスを用いると熱膨張率もほぼ等しく、かつ光透過性も良好なガラスとなるが、粉ガラスの焼成温度が７００℃以上となるため、焼成時間を短くするなど青色ＬＥＤの発光層の影響を考慮する必要がある。または、ＳｉＯ２とＢ２Ｏ３を主成分とするガラスの場合は、ゾルゲル法で形成が可能で、ゾルゲル法で形成し熱処理を行う方法であれば、６００℃以下の熱処理で形成が可能である。【００２５】
また、請求項３の白色発光素子は、前記蛍光体を含有した酸化物層は、蛍光体粒子がガラスで架橋された多孔質層からなることを特徴とし、粉ガラス成分にＰｂＯ成分が入ってくると焼成後のガラスの光透過性が悪くなる場合があり、この場合は、粉体のガラスと蛍光体の混合割合を蛍光体リッチに（蛍光体の濃度を大きく）し、蛍光体を含有する酸化物層を極力薄くする。その結果、蛍光体粒子が少量のガラスバインダーで架橋された多孔質構造になり、架橋ガラスの光透過率の影響を極力小さくすることができる。【００２６】
また、請求項４の白色発光素子は、前記発光層が青色光を発光するように形成され、前記蛍光体は、青色光を青色光の補色光に変換する蛍光体、または青色光を他の波長の光（緑色光や赤色光）に変換する蛍光体からなることを特徴とし、前記酸化物層に青色光を青色光の補色光に変換する蛍光体を含有すれば、青色光と加算混合されて白色発光素子となる。また、前記酸化物層に青色光を緑色光に変換する蛍光体と青色光を赤色光に変換する蛍光体とを含有させても光の３原色（青色ＬＥＤ素子の青色光、蛍光体により変換された緑色光と赤色光）の加算混合により、白色発光素子となる。【００２７】
請求項５の白色発光素子は、前記発光層が紫外光を発光するように形成され、前記蛍光体は紫外光を青色光、緑色光及び赤色光に変換する蛍光体からなることを特徴とし、前記酸化物層に紫外光を青色光に変換する蛍光体と紫外光を緑色光に変換する蛍光体と紫外光を赤色光に変換する蛍光体とを含有させて光の３原色の加算混合により白色発光素子とすることもできる。【００２８】
また、請求項６の白色発光素子は、請求項１から５に記載の白色発光素子を単体発光素子として、該単体発光素子を行列状に配列し、それをブロック単位としたことを特徴とし、これにより、ブロック発光素子とすることによって、照明用などの大きな光度が必要な用途に対して、その構成が取りやすくなる。例えば、単に発光素子の面積を大きくする場合では、発光素子の各部にＶＦ（順方向電圧）のバラツキがあるために、各部で電流が均一に流れにくくなるが、ブロック化し、各単体発光素子を直列に接続すると、各単体発光素子には、同じ電流が流れるため各部により均一に電流を流せるような構成となる。また、各単体発光素子に分割する必要がないので工数的にも削減できる。【００２９】
また、本発明の請求項７の製造方法は、ＧａＮ系化合物半導体層からなる発光層を有する白色発光素子の単体発光素子またはブロック発光素子の製造方法であって、透光性結晶基板上に、エピタキシャル気相成長法で青色光または紫外光を発する発光層を含むＧａＮ系化合物半導体層からなるエピタキシャル層を積層し、発光ダイオード構造としたウエハーを用意する準備工程と、前記ウエハーの前記透光性結晶基板側に蛍光体を含有する酸化物層を形成する酸化物形成工程と、前記エピタキシャル層側にｐ側電極とｎ側電極を形成する電極形成工程と、前記エピタキシャル層の少なくとも一方が電気的に連続して発光ダイオードを形成する単体発光素子または前記エピタキシャル層が電気的に分離して形成される複数個の発光ダイオードをブロックとするブロック発光素子の境界に沿って分割するチップ化工程と、から成ることを特徴とする白色発光素子の製造方法である。【００３０】
この製造方法では、まず、サファイアなどの透光性結晶基板上に有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）などのエピタキシャル気相成長法で、前記エピタキシャル層（青色光または紫外光を発する発光層を含むＧａＮ系化合物半導体層の積層構造）を形成したエピタキシャル成長済みＬＥＤウェハーを用意する（準備工程）。このウェハーの前記透光性結晶基板上に前記蛍光体を含有した酸化物層、例えば蛍光体とそれを結合させるためのＳｉＯ２とＢ２Ｏ３とＰｂＯを主成分とするガラスバインダーとからなる酸化物層を形成する（酸化物形成工程）。この厚みは、蛍光体の濃度にも依存するが数十μｍ程度になるようにする。そして、形成した酸化物層の上面が、反対側の前記エピ層の下面と平行になるように平面研削機（研磨機）で平らに研削（研磨）する。【００３１】
次に、前記酸化物層と反対側の前記エピタキシャル層側の面上に、ｐ側電極とｎ側電極を形成する（電極形成工程）。この場合、前記エピタキシャル層の露出した面上（発光層を挟んだｐ型層側の面上）にｐ側電極を形成し、更にパターンエッチング（選択エッチング）でｐ型層と発光層を除去し、ｎ型層を露出させその面上にｎ側電極を形成する。ｐ側電極は、光の反射鏡も兼ね備える（反射電極）ので、反射率が高くオーミックの取れる電極材料を使用することが重要である。次に、ウエハーの状態で電極に電流を流し発光させ、適正な発光色（色度）になるように、蛍光体を含有した酸化物層の厚みを適正な厚みに研削する（色度調整工程）。次に、前記単体発光素子または前記ブロック発光素子の境界に沿ってダイシングなどで分割し、チップ化されたＬＥＤ素子とする（チップ化工程）。この場合、チップの外形形状を、光の取り出し効率が良いような形状に形状加工することもできる。例えば断面略台形形状にすることもできる。【００３２】
また、請求項８の製造方法は、請求項７に記載の白色系発光可能な発光素子の製造方法であって、前記酸化物形成工程の前に、前記透光性結晶基板に溝加工を施す溝加工工程が更に加わることを特徴とし、前記単体発光素子の境界に沿って、ハーフダイシングやサンドブラスト法により、Ｕ字またはＶ字状の溝を形成し、次の酸化物形成工程でその溝の中にも蛍光体の含有した酸化物層を形成すれば、次のチップ化工程でチップ化された白色発光素子は、チップの側面にも蛍光体を含有した酸化物層が形成できるので、発光方向に対してより均一な白色光となる。【００３３】
また、請求項９の製造方法は、請求項７に記載の白色系発光可能な発光素子の製造方法であって、前記蛍光体を含有した酸化物層の厚みを研削して発光の色度を調整する色度調整工程をさらに含むことで、蛍光体の濃度バラツキや発光層から発光される発光波長のバラツキを調整でき、所望の白色発光素子を得ることができる。【００３４】
また、この溝加工は、チップの外形形状を、光の取り出し効率が良いような形状に、形状加工することを目的としたものであり、例えば、断面略台形形状にすることにより、屈折率の大きい物質から小さい物質に、光が出る場合に起こる全反射を小さくして、光の取り出し効率を高くすることができる。【００３５】
本発明の製造方法により、前述した本発明の構造の白色発光素子が容易に製造できるとともに、従来のハイブリッド白色発光素子の製造方法で記述した３つの課題は、サブマウント素子上に発光素子をフリップチップ実装することなく白色発光素子を形成できるので、簡単に解決できる。【００３６】
つまり、前述の課題の１と２は、バンプ部およびボンディングパッド領域はなくなり、またウエハーの透光性結晶基板全面に蛍光体含有のガラス層を形成するために、蛍光体を塗布する時のパターン認識精度も全く必要はなくなり課題はなくなる。従って、バンプ部のクラックなどに関する信頼性の向上、およびウエハー単位のロットアウトなどに関する歩留まりの低下はなく、歩留まりの向上になる。また、第３の課題も、サブマウント素子上に発光素子をフリップチップ実装することなく白色発光素子を形成できるため工程が簡素化して、高い歩留りで製造でき、コストも削減できる。
【発明の効果】
【００３７】
上述のように、本発明の白色発光素子によれば、青色ＬＥＤ素子または紫外ＬＥＤ素子の周囲に塗布される蛍光体は、熱または紫外光に強く変色しない無機物の酸化物をバインダーとして用いて、サブマウント素子を用いることなく白色発光素子化している。【００３８】
この構造により、通電により青色ＬＥＤ素子または紫外光ＬＥＤ素子から発される熱または紫外光により、蛍光体のバインダーが変色することはなく、大電流領域の通電に対しても、バインダーの変色が原因の輝度劣化がほとんど起こらず、信頼性が大幅に改善された白色発光素子が可能である。【００３９】
また、この構造は、サブマウント素子を用いないで青色ＬＥＤ素子または紫外光ＬＥＤ素子と蛍光体層が一体化された白色発光素子またはブロック白色発光素子となっているので、パッケージの形状には依存しないで、白色発光装置が構成できるパッケージフリーとすることができるとともに、照明光源など大きな光度が必要な用途に対してその構成が取りやすくなる。【００４０】
また、主光取り出し面である透光性結晶基板の上面をすりガラス状に荒らしたり、溝加工を施し、チップの形状を断面略台形形状にすることによって、光の取り出し効率を良好にし、発光効率を向上することができるとともに、青色または紫外光のＬＥＤ素子の側面にも蛍光体を含有した酸化物層が形成できるので、発光方向に対してより均一な白色光となる。【００４１】
また、白色化にサブマウント素子を必要としないため、構造が簡単で製造方法上においても前記した課題を解決することができるとともに、工程が簡素化して、高い歩留りで製造でき、コストも削減できる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明に係る第１実施形態の白色発光素子の詳細であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ｃ）のＡ−Ａ線矢視による縦断面図、（ｃ）は底面図である。
【図２】本発明に係る第２実施形態の白色発光素子の詳細であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ｃ）のＢ−Ｂ線矢視による縦断面図、（ｃ）は底面図である。
【図３】本発明に係る第１実施形態の発光素子の製造方法を示す工程別断面図である。
【図４】従来の一般的な発光素子を利用した白色発光素子（ハイブリッド白色発光素子）の構造を示す正面断面図である。
【図５】従来の白色発光素子(ハイブリッド白色発光素子)の製造方法の一例を示す工程別断面図である。
【符号の説明】
【００４３】
１  白色発光素子（単体発光素子）
２  ブロック発光素子
３  透光性結晶基板
４  青色（紫外光）ＬＥＤ素子
６  エピタキシャル層
７  溝
８  蛍光体含有酸化物層
９  凹部
１０  ｎ側電極
１１  ｐ側電極
２０  ドライフィルム
２１，２６  ダイシングテープ
２２  ノズル
２３，２５  ダイシングブレード
２４  研削治具
【発明を実施するための最良の形態】
【００４４】
以下、本発明の白色発光素子とその製造方法の実施の形態について、第１から第４実施形態の順に、図面を参照して詳細に説明する。【００４５】
まず、第１実施形態の白色発光素子を図１に示す。また、その製造方法は、図３に示すように工程（ａ）〜（ｇ）から成り、白色発光素子１を、複数個一括製造する製造方法である。【００４６】
この場合の白色発光素子１は、図１に示すように、単体発光素子として照明用光源に用いる大型の白色ＬＥＤ素子である。ここで単位発光素子とは、一対のｐ側電極とｎ側電極一つの発光層を発光させる発光素子の他、図１に示すように、複数のｐ側電極と一の共通ｎ側電極とで複数の発光層（発光部）を発光させる発光素子を含むものである。図１では発光層を複数有しているが、隣接する発光層が透明基板に近いｎ型のエピ層が共通するよう形成されている。白色ＬＥＤ素子１は、青色ＬＥＤ素子４とこれに一体化された蛍光体を含んだ酸化物層８で構成される。青色ＬＥＤ素子４は、透光性結晶基板３、例えばサファイア基板の面上に、ＧａＮ系化合物半導体薄膜を基板側からバッファ層、ｎ型層、青色光を発光する発光層及びｐ型層の順に積層（エピタキシャル層６）し、前記エピタキシャル層６のｐ型層の面上にｐ側電極１１と、ｐ型層及び発光層を部分的に選択エッチングしｎ型層を露出した凹部９の底面上にｎ側電極１０が形成され、サファイア基板３の光取出し面側に溝７が掘られ、この溝７は、青色光の取り出し効率が良いように４つに区分されたｐ側電極１１の各1区分の断面形状が、略台形形状になるように加工されている。酸化物層８は、前記サファイア基板３の光取出面上と溝７の中に、ＹＡＧ蛍光体とそれを結合させるためのＳｉＯ２とＢ２Ｏ３とＰｂＯを主成分とするガラスバインダーを焼結し形成されている。この白色ＬＥＤ素子は、青色ＬＥＤ素子からの青色光が酸化物層８を通して外部に白色光として発光する形式、且つ電極形成面側を実装面として反対側の酸化物層８を主光取出面とする形式（いわゆるフェイスダウン形式）の素子である。そして、ｐ側電極１１は、発光層から下に向かう青色光を上方に効率よく反射させるために、反射率の高いＲｈやＡｇが使用されている。ｎ側電極１０は、４つに区分されたｐ側電極１１を取り囲むストライプ状電極が中央の丸電極につながる形状をしている。【００４７】
以下、この白色発光素子の製造方法を図３の工程（ａ）〜（ｇ）の順で説明する。まず、工程（ａ）では、サファイア基板３上にＧａＮ系化合物半導体薄膜を基板側からＧａＮバッファ層６１、ｎ型ＧａＮ層６２、ｎ型ＡｌＧａＮ層６３、ＭＱＷ層６４、ｐ型ＡｌＧａＮ層６５、ｐ型キャップ層６６の順に有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）などで積層し、エピタキシャル層６を形成した１枚のエピ済みＬＥＤウェハーを用意する（準備工程）。【００４８】
次に、工程（ｂ）では、前記ＬＥＤウエハーの前記サファイア基板３の上面に、光の取り出し効率が良くなるように、前記大型の青色ＬＥＤ素子４に相当する境界とその中央に沿って溝７を形成する。その形状は、例えば、境界の溝は幅約２００〜４００μｍで深さ約１５０〜２５０μｍ、中央の溝は幅約２００〜３００μｍで深さ約５０〜１５０μｍの溝断面がＵ字状、またはＶ字状である。この加工は、ドライフィルム２０をマスクにし、研磨粉をノズル２２から噴出し研削するサンドブラスト法やダイシングブレード２３を用いて切削するダイシング法により行うことができる。この加工により、前記大型の青色ＬＥＤ素子４の溝で４つに区分された各1区分の断面形状は、略台形形状になっており、光の取り出し効率が向上する。なお、２１はダイシングテープである。【００４９】
次に、工程（ｃ）では、前記サファイア基板３の（溝７の中を含めた）上面に、ＹＡＧ蛍光体とそれを結合させるためのＳｉＯ２とＢ２Ｏ３とＰｂＯを主成分とする粉ガラス、及び少量の樹脂（この樹脂は焼結の際に３００℃程度で完全に蒸発してしまう）を混ぜたペーストを塗布させ、電気炉の中に入れ、空気中の雰囲気で約５００〜６００℃で焼結させる（酸化物形成工程）。該粉ガラスは、熱膨張係数がサファイア基板と殆ど等しい７．４×１０−６／℃で、焼結温度が約５００〜６００℃で、かつ可視光の光透過率が９０％以上の特性を持っている。ＹＡＧ蛍光体と粉ガラスの配合比は、焼結後のガラスの光透過率が良い場合は、粉ガラスの比率を多くしてガラスリッチにし、酸化物層８の厚みを厚くするが、光透過率が悪い場合は、蛍光体の比率を多くして蛍光体リッチにし、蛍光体粉がガラスにより架橋されただけのポーラスな多孔質構造にし、酸化物層８を極力薄くすると良い。なお、多孔質構造にするには、蛍光体の割合を６０%以上、好ましくは７０％以上にすることにより得られる。この厚みは、蛍光体の濃度にも依存するが数十μｍ程度になるようにする。そして、形成した酸化物層８の上面が、反対側の前記エピ層の下面と平行になるように平面研削機（研磨機）で平らに研削（研磨）する。【００５０】
次に、工程（ｄ）では、エピタキシャル層６の表面にＳｉＯ２膜を形成し、ｎ側電極１０を形成する凹部９の部分のみのＳｉＯ２膜をエッチングで除去し、さらにｐ型キャップ層６６、ｐ型ＡｌＧａＮ層６５、ＭＱＷ層６４、ｎ型ＡｌＧａＮ層６３を順次塩素系ガスを用いたプラズマエッチング（ＲＩＥ）で除去し、ｎ型ＧａＮ層６２を露出させる（エッチング工程）。ただし、このエッチング工程で酸化物層８に影響がある場合は、酸化物形成工程の前に、このエッチング工程を行っても良い。【００５１】
次に、工程（ｅ）では、前記ＳｉＯ２膜を除去し、エピタキシャル層６表面のｐ型キャップ層６６の上面に反射率の高いＲｈやＡｇとＮｉ及びＡｕを積層したｐ側電極１１と、凹部９の露出されたｎ型ＧａＮ層６２の上面にＴｉとＡｕを積層したｎ側電極１０を形成する（電極形成工程）。【００５２】
次に、工程（ｆ）では、ウエハーの状態で電極に電流を流し発光させ、適正な発光色（色度）になるように、蛍光体を含有した酸化物層８の厚みを適正な厚みに研削治具２４で研削する（色度調整工程）。【００５３】
次に、工程（ｇ）では、主光取出し面となる前記酸化物層８を、光の取り出し効率が良くなるように、大型の白色ＬＥＤ素子１（単体発光素子）の境界に沿って、Ｖ字の形状になるように分割ダイシングし、チップ化する（チップ化工程）。チップの断面形状は、略台形形状になっており、光の取り出し効率が向上する。【００５４】
上述のように、本実施形態（第１実施形態）によれば、蛍光体を含む酸化物層８と青色ＬＥＤが一体化し、蛍光体のバインダーにガラスを用いた酸化物層８としているので、大電流の熱にも変色しない高輝度高信頼性の照明用光源に用いる単体大型の白色ＬＥＤ素子となる。【００５５】
次に、第２実施形態の白色発光素子は、図２に示すブロック発光素子２であり、その製造方法は、第１実施形態の製造方法と同じである。ブロック発光素子とは隣接する発光層同志がｎ型エピタキシャル層で共通せず、相互に溝で分離している発光素子を意味する。図２では一つの発光層をもつ単位発光素子が相互に電気的に独立して透光性基板上に形成されている。また、図１に示すように、複数の発光層を有しながらｎ型エピ層が共通する単位発光素子を、さらに行列状に配列してブロック発光素子を形成することができる。例えば図１に示す４つの発光層を有する単位発光素子を４つ行列状に配列しブロック発光素子とすることも可能である。この場合は、単位発光素子は４個であり、発光層は１６個となる。【００５６】
この場合のブロック発光素子２は、図２に示すように、単体発光素子として１辺が０．３ｍｍ程度の白色ＬＥＤ素子で、それを２行２列に配置したブロック発光素子である。単体発光素子の構造は、素子サイズと電極パターンが異なるだけで、その他の素子構造は図１と同じである。
また、製造方法においても、前記の第１実施形態とほぼ同じ工程からなるために、図示していない。異なる点は、青色ＬＥＤ素子の電極パターンとチップ化の単位が異なるだけである。【００５７】
このブロック発光素子２は、フリップチップ実装することなく白色発光素子とすることができるので、第１実施形態で記述したものと同様なメリットがあるとともに、このブロック発光素子２は、照明用光源などの大電流用白色発光素子として、最適な構造をしている。それは、白色発光素子を大型にする場合、図１のように単に面積を大きくして、電極の面積を大きくする方法と、図２のように小型の白色発光素子をブロック化して、それを直列に接続する方法とがあるが、白色発光素子の各部に電流を均一に流す方法としては、発光素子内にＶＦ（順方向電圧）のバラツキがない場合には、差は生じないが、ＧａＮ系半導体発光素子の場合は、そのバラツキが大きいので、図２のようにブロック化した方が、より電流を発光素子の各部に均一に流すことができ、発光効率を向上できる。また、照明用光源などを考えると駆動電圧を１００Ｖにすることが好ましいが、直列接続の方が照明用光源を構成しやすい。また、各単体発光素子に分割する必要がないので工数的にも削減できる。また、すでに白色発光素子となっているので、パッケージ封止時に白色化する場合に制限されていた、パッケージの種類には依存しないパッケージフリーとなる。【００５８】
次に、第３実施形態の白色発光素子は、図１に示す白色発光素子の透光性結晶基板３がＳｉＣ基板で、蛍光体を含有した酸化物層８のバインダーが、ＳｉＣ基板の熱膨張係数にほぼ等しいＳｉＯ２とＢ２Ｏ３を主成分とするガラスからなる白色発光素子である。その製造方法は、第１実施形態の製造方法とほぼ同じであが、蛍光体を含有した酸化物層８は、アルコキシド（Ｓｉ（ＯＣ２Ｈ５）４をあらかじめ部分的に加水分解しておき、これにＢ（ＯＣＨ（ＣＨ３）２）３を加えて調製した）溶液に、蛍光体粉末を分散させて加水分解・縮重合反応によってガラス骨格の大部分を形成後、５００〜６００℃で１０〜３０分間の熱処理を行うことによって形成する。【００５９】
次に、第４実施形態の白色発光素子は、図２に示すブロック発光素子２で、第３実施形態と同じ、透光性結晶基板３がＳｉＣ基板で、バインダーがＳｉＯ２とＢ２Ｏ３を主成分とするガラスからなる白色発光素子である。【００６０】
上記各実施形態では、発光層で発光する光が青色になるように形成された青色ＬＥＤ素子の例であったが、紫外光を発光する紫外ＬＥＤ素子を用いても同様であり、その場合、蛍光体含有酸化物層８の蛍光体に紫外光を青色光、緑色光、赤色光に変換するものを用いればよい。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
本発明は、液晶表示装置などのバックライト、白色や青色系などの各種発光素子、照明装置など、幅広い分野で光源として用いることができる。
【図１】
2006001297.tif 000002
【図２】
2006001297.tif 000003
【図３】
2006001297.tif 000004
【図４】
2006001297.tif 000005
【図５】
2006001297.tif 000006
【手続補正書】
【提出日】平成18年4月20日(2006.4.20)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【書類名】請求の範囲
【請求項１】ＧａＮ系化合物半導体層からなる発光層を有する発光素子において、
一方の面側にｎ側電極及びｐ側電極を有し、ｎ側電極上にｎ型ＧａＮ系化合物半導体層が、またｐ側電極上に発光層を含むＧａＮ系化合物半導体層が積層され、前記ＧａＮ系化合物半導体層の上に透光性結晶基板を有し、該透光性結晶基板の前記半導体層の積層面と反対面上及び前記透光性結晶基板の側面のみに蛍光体を含有した酸化物層が形成されていることを特徴とする発光素子。
【請求項２】前記蛍光体を含有した酸化物層は、前記蛍光体をＳｉＯ２とＢ２Ｏ３を主成分とするガラス、ＳｉＯ２とＢ２Ｏ３とＺｎＯを主成分とするガラス、またはＳｉＯ２とＢ２Ｏ３とＰｂＯを主成分とするガラスで結合させたことを特徴とする請求項１記載の発光素子。
【請求項３】前記蛍光体を含有した酸化物層は、蛍光体がガラスを構成する酸化物に６０％以上の割合で混合されることにより蛍光体粒子がガラスで架橋された多孔質層からなることを特徴とする請求項１または２記載の発光素子。
【請求項４】前記蛍光体は、青色光を青色光の補色光に変換する蛍光体、または青色光を緑色光及び赤色光に変換する蛍光体からなることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の白色系発光可能な発光素子。
【請求項５】前記蛍光体は、紫外光を青色光、緑色光及び赤色光に変換する蛍光体からなることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の白色系発光可能な発光素子。
【請求項６】請求項１から５のいずれか１項に記載の発光素子を単体発光素子として、該単体発光素子を行列状に配列し、それをブロック単位としたことを特徴とするブロック発光素子。
【請求項７】ＧａＮ系化合物半導体層からなる発光層を有する発光素子製造方法であって、
透光性結晶基板の一面上に、エピタキシャル気相成長法で発光層を含むＧａＮ系化合物半導体層を含むエピタキシャル層を積層し、発光ダイオード構造が形成されたウエハーを用意する凖備工程と、
前記透光性結晶基板の他面で、少なくとも前記ウエハーからチップ化する際の切断位置に分割溝を形成する工程と、
前記ウエハーの前記透光性結晶基板の他面上に、前記分割溝内に埋め込むと共に前記他面から一定の厚さで蛍光体を含有した酸化物層を形成する酸化物形成工程と、
前記エピタキシャル層側にｐ側電極とｎ側電極を形成する電極形成工程と、
前記エピタキシャル層の少なくとも一方の導電型層が電気的に連続して発光ダイオードを形成する単体発光素子の境界または前記エピタキシャル層が電気的に分離して形成される複数個の発光ダイオードをブロックとするブロック発光素子の境界に沿って前記分割溝内の酸化物層を分割するチップ化工程と、から成ることを特徴とする発光素子の製造方法。
【請求項８】請求項７に記載の発光素子の製造方法であって、
前記エピタキシャル層の少なくとも一方の導電型層が分割される発光ダイオードの境界部における前記透光性結晶基板の他面にも発光部境界溝を形成し、該発光部境界溝内にも前記酸化物を充填することを特徴とする発光素子の製造方法。
【請求項９】請求項７に記載の発光素子の製造方法であって、
前記蛍光体を含有した酸化物層の厚みを研削して発光の色度を調整する色度調整工程を、さらに含むことを特徴とする発光素子の製造方法。
【国際調査報告】
2006001297.tif 000007
2006001297.tif 000008
2006001297.tif 000009
2006001297.tif 000010