JP5207812B2

JP5207812B2 - 発光デバイスおよび発光デバイスの製造方法

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Publication number: JP5207812B2
Application number: JP2008116215A
Authority: JP
Inventors: 勝信北田
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2008-04-25
Filing date: 2008-04-25
Publication date: 2013-06-12
Anticipated expiration: 2028-04-25
Also published as: JP2009267164A

Description

本発明は、照明、露光などに用いられる発光デバイス、および発光デバイスの製造方法に関する。

ＬＥＤ（Light Emitting Diode）素子等の、半導体層が積層されてなる発光デバイスは、発光電力効率に優れるため、信号表示用のほか、高輝度の照明装置としても用いられている。特に、冷陰極管などの他の光学機器と比べて小型化、薄型化が可能であるため、例えば液晶ディスプレイのバックライトや、画像形成装置の静電潜像書き込み露光、画像表示デバイスなどに好適に用いられる。

従来のＬＥＤ発光デバイスは、気相成長法などによって、基板表面に一導電体層と逆導電体層とが順次積層された１つの発光部を備えるＬＥＤチップを、必要に応じて複数個配列させ、面状の発光を可能としている。

さらに、それぞれのＬＥＤチップの外周を異なる種類の蛍光物質を含む蛍光体で覆い、蛍光物質がＬＥＤから放射される光を吸収して、それぞれ異なる波長の光を放出させる蛍光発光装置なども開発されている（特許文献１，２参照）。

上述のような蛍光発光装置では、蛍光体に含まれる蛍光物質の種類を変えることで、放出される光の波長を変えることができるので、１つのＬＥＤで異なる色の光を発光することができる。これにより、複数色の光源やディスプレイとしても容易に使用することが可能となる。

特開２００２−９１３５３号公報特開２００５−１３６００６号公報

上述のような蛍光発光装置では、各基板に一導電体層と逆導電体層とが順次積層された１つの発光部を備えるＬＥＤチップを配列している。そのため、発光領域の間隔がＬＥＤチップの配置間隔以上には狭くできない。従って、発光装置の小型化が難しく、ディスプレイ等の表示装置として使用するには、解像度を高くすることが困難である。

本発明の目的は、小型化が可能で、ディスプレイとして使用する場合に、解像度を高くすることが可能な発光デバイスおよび発光デバイスの製造方法を提供することである。

本発明は、半導体基板と、
該半導体基板上に形成される一導電型半導体層と、該一導電型半導体層に積層される逆導電型半導体層との接合部分をそれぞれが含み、前記接合部分が離間して設けられる複数の発光部と、
前記複数の発光部を覆い、前記発光部から放射される光によって励起されてそれぞれ異なる波長の蛍光を発光する複数種類の蛍光体と、
前記半導体基板上に設けられ、少なくとも異なる種類の蛍光体に覆われた発光部に含まれる前記逆導電型半導体層と電気的に接続される第１共通電極と、
前記半導体基板上に設けられ、同じ種類の蛍光体に覆われた発光部に含まれる前記一導電型半導体層と電気的に並列接続される第２共通電極とを含み、
前記第２共通電極で接続された発光部のうち隣接している発光部を覆う蛍光体は、一体的に形成されていることを特徴とする発光デバイスである。

また本発明は、半導体基板を準備する工程と、
前記半導体基板上に、一導電型半導体層と、該一導電型半導体層に積層される逆導電型半導体層との接合部分をそれぞれが含み、前記接合部分が離間して設けられる複数の発光部を形成する工程と、
前記半導体基板上に、前記逆導電型半導体層と電気的に接続される第１共通電極と、前記一導電型半導体層と電気的に並列接続される第２共通電極とを形成する工程と、
前記発光部から放射される光によって励起されてそれぞれ異なる波長の蛍光を発光する複数種類の蛍光体で前記複数の発光部をそれぞれ覆う工程であって、前記第１共通電極で接続された発光部を、少なくとも異なる種類の蛍光体で覆い、前記第２共通電極で接続された発光部を、同じ種類の蛍光体で覆う工程と、を含み、
前記第２共通電極で接続された発光部のうち隣接している発光部を覆う蛍光体を、一体的に形成することを特徴とする特徴とする発光デバイスの製造方法である。

本発明によれば、半導体基板上に複数の発光部を形成し、第２共通電極で接続された発光部のうち隣接している発光部を覆う蛍光体を一体的に形成することで、発光部同士の間隔を小さくすることができ、複数色の発光が可能な発光デバイスを小型化することが可能となる。特に、発光デバイスを、ディスプレイとして用いる場合は、発光デバイスの小型化に加え、表示する画像の解像度を高くすることができる。

また本発明によれば、半導体基板上に、一導電型半導体層と逆導電型半導体層との接合部分が離間して設けられる複数の発光部を形成し、前記逆導電型半導体層と電気的に接続される第１共通電極と、前記一導電型半導体層と電気的に並列接続される第２共通電極とを形成する。

次に、前記発光部から放射される光によって励起されてそれぞれ異なる波長の蛍光を発光する複数種類の蛍光体で前記複数の発光部をそれぞれ覆うが、このとき、前記第１共通電極で接続された発光部を、少なくとも異なる種類の蛍光体で覆い、前記第２共通電極で接続された発光部を、同じ種類の蛍光体で覆う。前記第２共通電極で接続された発光部のうち隣接している発光部を覆う蛍光体を、一体的に形成することを特徴とする

これにより、発光部同士の間隔が小さく、複数色の発光が可能な小型の発光デバイスを製造することができる。

図１は、本発明の実施の一形態である発光デバイス１の構成を示す平面図である。図２は、図１の切断面線Ａ−Ａから見た断面図である。図３は、図１の切断面線Ｂ−Ｂから見た断面図である。

発光デバイス１は、基板２上に複数の発光素子３が設けられ、発光素子３は、基板表面に平行なｘ方向と、基板表面に平行でｘ方向に直交するｙ方向とにそれぞれ直線上に、所定の間隔でマトリクス状に配置されている。

複数の発光素子３は、ｘ方向に沿って配列する発光素子３を接続する共通カソード電極４およびｙ方向に沿って配列する発光素子３を接続する共通アノード電極５によって、給電され、発光するように構成される。共通カソード電極４、および共通アノード電極５は個別に通電可能に構成されており、たとえば、１本の共通カソード電極４と１本の共通アノード電極５を選択して通電すれば、複数の発光素子３のうち、特定の１つの発光素子３を選択して発光させることができる。

発光素子３は、エピタキシャル成長により導電型の半導体層が積層されてなる半導体光学素子である。たとえば、発光素子３は、一導電型半導体層３ａと、一導電型半導体層３ａに積層される逆導電型半導体層３ｂとの接合部分３ｃを含み、接合部分３ｃで発光する発光部を備えるＬＥＤ発光素子である。

ＬＥＤ発光素子３は、たとえば波長が３６５ｎｍ〜４１０ｎｍの紫外線を放射し、放射された紫外線が後述する蛍光物質を励起させて、各波長（各色）の蛍光を放出させる。

一導電型半導体層３ａは、たとえば一導電型の不純物がドーピングされたＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮなどによって形成される。逆導電型半導体層３ｂは、一導電型半導体層３ａの厚み方向の一方に積層される。逆導電型半導体層３ｂは、たとえば逆導電型の不純物がドーピングされた逆導電型のＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮなどによって形成される。

基板２は、上記のような紫外線発光が可能な発光素子３を結晶成長させる基板であればよく、ＧａＮ、ＡｌＮ、サファイアなどが用いられる。

一導電型半導体層３ａは、基板２上において逆導電型半導体層３ｂよりも広く設けられ、一導電型半導体層３ａの上面の一部は、逆導電型半導体層３ｂと接合することなく露出する。この露出面をコンタクト面として共通カソード電極４と電気的に接続される。逆導電型半導体層３ｂの上面は、コンタクト面として共通アノード電極５と電気的に接続される。

複数の発光素子３は、基板２の一主面２ａ上に設けられ、さらに青色発光用蛍光体６、赤色発光用蛍光体７、緑色発光用蛍光体８が、これら複数の発光素子３を覆うように設けられる。

青色発光用蛍光体６、赤色発光用蛍光体７、緑色発光用蛍光体８は、蛍光発光によってそれぞれ青色発光させたい発光素子３、赤色発光させたい発光素子３、緑色発光させたい発光素子３上に適宜配置すればよい。

たとえば、本実施形態では、ｘ方向に沿って並ぶ１列の発光素子３を覆うように青色発光用蛍光体６を設け、この列にｙ方向に隣接してｘ方向に沿って並ぶ１列の発光素子３を覆うように赤色発光用蛍光体７を設け、この列にｙ方向に隣接してｘ方向に沿って並ぶ１列の発光素子３を覆うように緑色発光用蛍光体８を設ける。図では３列のみが記載されているが、４列以上であってもよい。青色発光用蛍光体６、赤色発光用蛍光体７、緑色発光用蛍光体８の配置順序は、３列ごとに上記の順序、すなわち青色発光用蛍光体６、赤色発光用蛍光体７、緑色発光用蛍光体８の順序を繰り返して配置してもよいし、配置順序を適宜入れ替えてもよい。

青色発光用蛍光体６、赤色発光用蛍光体７、緑色発光用蛍光体８を含む全ての蛍光体は、発光素子３が形成された基板２の一主面２ａに対して垂直に延びる４つの壁で構成される枠体９によって四方を取り囲まれる。さらに、１つの発光用蛍光体と、隣接する他の色用の蛍光体との間には、発光素子３が形成された基板２の一主面２ａに対して垂直に延びる隔壁１０によって分け隔てられており、基板２と、枠体９および隔壁１０とで囲まれた凹所を埋めるように青色発光用蛍光体６、赤色発光用蛍光体７、緑色発光用蛍光体８がそれぞれ形成される。

青色発光用蛍光体６、赤色発光用蛍光体７、緑色発光用蛍光体８は、それぞれ青色発光用蛍光物質、赤色発光用蛍光物質、緑色発光用蛍光物質をベースとなる樹脂に分散させることで得られる。

青色発光用蛍光物質、赤色発光用蛍光物質、緑色発光用蛍光物質は、発光素子３から放射される光によって励起され、青色の蛍光、赤色の蛍光、緑色の蛍光を発光する蛍光物質であればどのような物質であっても構わない。

上記のように発光素子３が紫外線発光のＬＥＤである場合、青色発光用蛍光物質、赤色発光用蛍光物質、緑色発光用蛍光物質は、発光素子３から放射される紫外線によって励起され、青色の蛍光、赤色の蛍光、緑色の蛍光を発光する蛍光物質を用いればよい。

青色発光用蛍光物質としては、ＢａＭｇＡｌ_１０Ｏ_１７：Ｅｕ、（ＳｒＣａＢａＭｇ）_１０（ＰＯ４）_６Ｃｌ_２：Ｅｕなどを用いることができ、赤色発光用蛍光物質としては、Ｙ_２Ｏ_２Ｓ：Ｅｕ、Ｙ_２Ｏ_３：Ｅｕなどを用いることができ、緑色発光用蛍光物質としては、ＺｎＳ：Ｃｕ，Ａｌ、Ｚｎ_２ＳｉＯ_４：Ｍｎなどを用いることができる。

青色発光用蛍光体６、赤色発光用蛍光体７、緑色発光用蛍光体８のベースとなる樹脂は、これら青色発光用蛍光物質、赤色発光用蛍光物質、緑色発光用蛍光物質を分散可能な樹脂であり、紫外線、青色の蛍光、赤色の蛍光、緑色の蛍光を吸収しない樹脂であればどのような樹脂であってもよく、たとえばシリコーン樹脂が好適に用いられる。

通常、発光素子３の高さは、基板２の主面２ａから２μｍ〜１０μｍであり、青色発光用蛍光体６、赤色発光用蛍光体７、緑色発光用蛍光体８の高さは、発光素子３の全体を覆うように、４μｍ〜１００μｍに形成される。

枠体９および隔壁１０は、アクリル系樹脂、エポキシ系樹脂、ポリイミドなどの樹脂で構成され、青色発光用蛍光体６、赤色発光用蛍光体７、緑色発光用蛍光体８を形成する際に堰として機能する。

枠体９は、全ての発光素子３および青色発光用蛍光体６、赤色発光用蛍光体７、緑色発光用蛍光体８を囲み、厚みが５μｍ〜１５０μｍであり、基板２の主面２ａからの高さは、青色発光用蛍光体６、赤色発光用蛍光体７、緑色発光用蛍光体８の高さよりも高く、
５μｍ〜１５０μｍである。

隔壁１０は、青色発光用蛍光体６、赤色発光用蛍光体７、緑色発光用蛍光体８の間に設けられ、それぞれの蛍光体が混ざり合わないように、蛍光体間を仕切る仕切り板である。隔壁１０は、厚みが５μｍ〜１５０μｍであり、基板２の主面２ａからの高さは、各蛍光体の高さよりも１μｍ〜５０μｍだけ高く、５μｍ〜１５０μｍである。

さらに隔壁１０は、発光素子３から放射された光および蛍光物質を隣接する蛍光体へと進入することを防ぐように、紫外線に対して遮光性を有するもので構成されることが好ましい。

共通カソード電極４および共通アノード電極５と、発光素子３への給電を制御するための駆動制御ＩＣとを接続するための接続パッド４ａおよび５ａは、枠体９よりも外側に設けられる。

第１共通電極である共通カソード電極４は、同じ色を発光する蛍光体に覆われた発光素子３に含まれる一導電型半導体層３ａと電気的に接続され、第２共通電極である共通アノード電極５は、異なる色を発光する蛍光体に覆われた発光素子３に含まれる逆導電型半導体層３ｂと電気的に接続される。

図４は、本発明の実施の他の形態である発光装置１１の構成を示す断面図である。発光装置１１は、回路基板１２上に発光デバイス１および発光素子３への給電を制御するための駆動制御ＩＣ１３とが実装され、駆動制御ＩＣ１３と共通カソード電極４の接続パッド４ａおよび共通アノード電極５の接続パッド５ａとは、ボンディングワイヤ１４によって電気的に接続されている。

駆動制御ＩＣ１３は、上述の共通カソード電極４および共通アノード電極５の接続状態に基づいて、共通カソード電極４および共通アノード電極５への給電を制御する。

発光装置１１は、回路基板１２を外囲し、発光デバイス１の上方に透明部材１５を保持するためのホルダー１６を備え、発光装置１１には、回路基板１２、ホルダー１６および透明部材１５で囲まれる内部空間が形成される。この内部空間は、真空状態であってもよいし、所定の気体によって充満されていてもよい。

ホルダー１６は、発光デバイス１の上方に窓部を備え、窓部にガラスなどで構成される透明部材１５が嵌め込まれる。

駆動制御ＩＣ１３には、回路基板１２を介して発光デバイス１の各発光素子３を発光させるための制御信号が入力される。駆動制御ＩＣ１３は、駆動信号に基づいて、共通アノード電極５に電流を印加させて発光素子３を発光させる。

発光装置１１は、各発光素子３をそれぞれ１つの画素として発光させることで、自発光ディスプレイとして用いることができる。青色発光用蛍光体６、赤色発光用蛍光体７、緑色発光用蛍光体８は、発光装置１１がカラーディスプレイとして機能するように配置すればよい。たとえば、ｘ方向の配列またはｙ方向の配列に沿って発光素子２ごとに異なる色の蛍光体を順次配置したり、その他カラーディスプレイとして表示する画像の種類などに合わせて青色発光用蛍光体６、赤色発光用蛍光体７、緑色発光用蛍光体８を適宜配置する。このとき、青色発光用蛍光体６、赤色発光用蛍光体７、緑色発光用蛍光体８の境界に隔壁１０を設ければよく、発光デバイス１を平面視したときの隔壁１０の形状は、本実施形態のように直線状に限らず、折れ線状や曲線状に形成されていてもよい。

以上のように、本発明は、基板２上に複数の発光素子３を形成し、これらをそれぞれ覆うような複数種類の蛍光体を設けることで、発光素子３同士の間隔を小さくすることができ、複数色の発光が可能な発光デバイスの小型化が可能となる。特に、発光デバイス１を、カラーディスプレイとして用いる場合は、発光デバイス１の小型化に加え、表示する画像の解像度を高くすることができる。

次に、発光デバイス１の製造方法について説明する。
図５は、本発明の発光デバイス１の製造方法を示す工程図である。

基板２の表面に発光素子３、共通カソード電極４、共通アノード電極５を形成する（図５（ａ））。

基板２の一主面２ａの全面に、一導電型半導体層３ａの前駆体となる一導電型半導体層を結晶成長させ、その全面に逆導電型半導体層３ｂの前駆体となる逆導電型半導体層を結晶成長させる。

各層は、たとえばＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法によって形成される。
次に、積層した半導体層を加工して、基板２上に複数の独立した発光素子３を形成する。この際、フォトリソグラフィーによって所望のマスクパターンを形成した後、基板２表面が露出するまでエッチング処理し、発光素子３を形成する。このエッチング処理では、たとえばウェットエッチングを行い、基板２から発光素子３の上面に向かうにしたがって断面積が次第に小さくなるような、いわゆるメサ形状断面を有する発光素子３を形成する。

発光素子３を形成したのち、さらに、共通カソード電極４および共通アノード電極５を形成する。各電極は、発光素子３が形成された基板２全面に、ＣＶＤ法、スパッタリング法などにより、金属層を設けたのち所定の電極形状にパターン形成してもよいし、印刷法、箔転写法などにより、直接電極形状にパターン化された金属層を形成してもよい。

次に、全ての光学素子３を被覆するように樹脂材料２０を塗布する（図５（ｂ））。樹脂材料２０は、たとえば、スピンコート法、スプレイコート法、ディップ法等によって塗布し、硬化条件を適宜調整して仮硬化させる。。

樹脂材料２０の塗布厚みは、すなわち隔壁１０の高さとなるので、５μｍ〜１５０μｍとする。

樹脂材料２０のうち、緑色発光用蛍光体８を形成する領域については、基板２表面および発光素子３表面などから樹脂材料を除去する。樹脂材料の除去は、フォトリソグラフィーによる加工方法を用いて、樹脂材料２０にレジストマスクを形成し、ウェットエッチング、ドライエッチングなどで行う。

樹脂材料が除去された領域に緑色発光用蛍光体８となる、蛍光物質と樹脂との混合物を流し込み、硬化条件を適宜調整して仮硬化させる（図５（ｃ））。

緑色発光用蛍光体８と同様に、樹脂材料２０のうち、赤色発光用蛍光体７を形成する領域については、基板２表面および発光素子３表面などから樹脂材料を除去する。樹脂材料が除去された領域に赤色発光用蛍光体７となる、蛍光物質と樹脂との混合物を流し込み、硬化条件を適宜調整して仮硬化させる（図５（ｄ））。

緑色発光用蛍光体８、赤色発光用蛍光体７と同様に、樹脂材料２０のうち、青色発光用蛍光体６を形成する領域については、基板２表面および発光素子３表面などから樹脂材料を除去する。樹脂材料が除去された領域に青色発光用蛍光体６となる、蛍光物質と樹脂との混合物を流し込み、硬化条件を適宜調整して仮硬化させる。

その後、オーブン、ホットプレート、キュア炉などによる熱硬化、紫外線照射による光硬化など硬化条件を調整し、枠体９、隔壁１０および青色発光用蛍光体６、赤色発光用蛍光体７、緑色発光用蛍光体８を本硬化させて本発明の発光デバイス１を得る。

以上、本発明の発光デバイスおよび光学デバイスの製造方法について説明したが、本発明の発光デバイスおよび光学デバイスの製造方法は上記実施例に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良および変更を行ってもよいのはもちろんである。

本発明の実施の一形態である発光デバイス１の構成を示す平面図である。図１の切断面線Ａ−Ａから見た断面図である。図１の切断面線Ｂ−Ｂから見た断面図である。本発明の実施の他の形態である発光装置１１の構成を示す断面図である。本発明の発光デバイス１の製造方法を示す工程図である。

符号の説明

１発光デバイス
２基板
３発光素子
４共通カソード電極
５共通アノード電極
６青色発光用蛍光体
７赤色発光用蛍光体
８緑色発光用蛍光体

Claims

半導体基板と、
該半導体基板上に形成される一導電型半導体層と、該一導電型半導体層に積層される逆導電型半導体層との接合部分をそれぞれが含み、前記接合部分が離間して設けられる複数の発光部と、
前記複数の発光部を覆い、前記発光部から放射される光によって励起されてそれぞれ異なる波長の蛍光を発光する複数種類の蛍光体と、
前記半導体基板上に設けられ、少なくとも異なる種類の蛍光体に覆われた発光部に含まれる前記逆導電型半導体層と電気的に接続される第１共通電極と、
前記半導体基板上に設けられ、同じ種類の蛍光体に覆われた発光部に含まれる前記一導電型半導体層と電気的に並列接続される第２共通電極とを含み、
前記第２共通電極で接続された発光部のうち隣接している発光部を覆う蛍光体は、一体的に形成されていることを特徴とする発光デバイス。
前記半導体基板上に設けられ、異なる種類の蛍光物質を含む蛍光体同士を隔てる隔壁をさらに含み、前記隔壁の前記半導体基板の主面からの高さは、前記蛍光体の前記半導体基板の主面からの高さよりも高いことを特徴とする請求項１記載の発光デバイス。
前記発光部は、紫外線を放射し、
前記蛍光物質は、前記発光部から放射される紫外線によって励起され、少なくとも赤色の蛍光、青色の蛍光、緑色の蛍光を発光することを特徴とする請求項１または２記載の発光デバイス。
半導体基板を準備する工程と、
前記半導体基板上に、一導電型半導体層と、該一導電型半導体層に積層される逆導電型半導体層との接合部分をそれぞれが含み、前記接合部分が離間して設けられる複数の発光部を形成する工程と、
前記半導体基板上に、前記逆導電型半導体層と電気的に接続される第１共通電極と、前記一導電型半導体層と電気的に並列接続される第２共通電極とを形成する工程と、
前記発光部から放射される光によって励起されてそれぞれ異なる波長の蛍光を発光する複数種類の蛍光体で前記複数の発光部をそれぞれ覆う工程であって、前記第１共通電極で接続された発光部を、少なくとも異なる種類の蛍光体で覆い、前記第２共通電極で接続された発光部を、同じ種類の蛍光体で覆う工程と、を含み、
前記第２共通電極で接続された発光部のうち隣接している発光部を覆う蛍光体を、一体的に形成することを特徴とする発光デバイスの製造方法。