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JP2002246651A - 発光ダイオード及びその製造方法 - Google Patents

発光ダイオード及びその製造方法

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Publication number
JP2002246651A
JP2002246651A JP2001043090A JP2001043090A JP2002246651A JP 2002246651 A JP2002246651 A JP 2002246651A JP 2001043090 A JP2001043090 A JP 2001043090A JP 2001043090 A JP2001043090 A JP 2001043090A JP 2002246651 A JP2002246651 A JP 2002246651A
Authority
JP
Japan
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emitting diode
light emitting
layer
fluorescent glass
light
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Pending
Application number
JP2001043090A
Other languages
English (en)
Inventor
Katsuya Akimoto
克弥 秋元
Masatomo Shibata
真佐知 柴田
Tadaitsu Tsuchiya
忠厳 土屋
Yuichi Oshima
祐一 大島
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi Cable Ltd
Original Assignee
Hitachi Cable Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Hitachi Cable Ltd filed Critical Hitachi Cable Ltd
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/42Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/47Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
    • H01L2224/49Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of a plurality of wire connectors
    • H01L2224/491Disposition
    • H01L2224/49105Connecting at different heights
    • H01L2224/49107Connecting at different heights on the semiconductor or solid-state body

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  • Led Device Packages (AREA)
  • Led Devices (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】従来の単色発光ダイオードと全く同様の樹脂モ
ールドの材料及び工程が適用でき、且つ従来の単色発光
ダイオードと比べて発光効率の低下や駆動電圧の上昇を
招かない混合色発光ダイオードを得ること可能とする。 【解決手段】少なくとも1層の蛍光ガラス層1を有する
基板2上に半導体層3〜7を積層した構成とするか、又
は、半導体層13〜17を積層形成した化合物半導体ウ
ェハに、少なくとも1層の蛍光ガラス層11を積層また
は接合した構成とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、単色光以外の発光
を得ることが可能な発光ダイオード及びその製造方法に
関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来、化合物半導体を用いた発光ダイオ
ードは、そのエネルギーバンドギャップに応じた単色光
または単色光に近い光しか放出することができず、例え
ば白、赤紫、ピンク等の色は表現できなかった。
【0003】しかしながら、近年では青色発光ダイオー
ドと青色以外の蛍光を持つ蛍光体を組み合わせ、青色発
光ダイオードの発光の一部を蛍光体の励起光とし、発光
ダイオードからの発光と蛍光体からの蛍光の混合色、特
に白色を得る発光ダイオードが提供されている。
【0004】このような発光ダイオードの一例として、
例えば特開平5−152609号公報による方法が公知
である。特開平5−152609号公報による方法で
は、一般式Gaz1Al1-z1N(0≦z1≦1)で表され
る化合物半導体からなる発光ダイオードチップをステム
上に配置し、その周囲を樹脂でモールドする。上記樹脂
には蛍光物質が含有されており、上記蛍光物質は発光ダ
イオードチップからの放射光により励起され、蛍光を生
じる。結果として、発光ダイオードチップからの発光と
蛍光物質からの蛍光の混合色を得ることができる。
【0005】一方、特開平5−152609号公報とは
異なる方法として、特開2000−49374号公報に
よる方法が公知である。特開2000−49374号公
報による方法では、蛍光発光の中心となるドーパントを
含有するGaN基板上にGa z2In1-z2N(0≦z2≦
1)で表される化合物半導体で構成される発光層を積層
し、発光ダイオードチップを得る。GaN基板に含有さ
れる蛍光発光の中心となるドーパントは発光層からの放
射光により励起され、蛍光を生じる。結果として、発光
層からの発光とGaN基板に含有された蛍光発光の中心
となるドーパントからの蛍光の混合光を得ることができ
る。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記特
開平5−152609号公報による方法は以下に示す問
題点を有する。すなわち、特開平5−152609号公
報による方法は樹脂モールドに蛍光材料を含有させる工
程が必須である。しかし、この工程は従来の単色発光ダ
イオードの製造工程には含まれないため、単色発光ダイ
オードの樹脂モールド工程をそのまま適用することはで
きない。
【0007】特開2000−49374号公報は上記問
題点を解決する手法として提案された。すなわち、発光
ダイオード中の発光ダイオードチップそのものが混合光
を放射すれば、樹脂モールドの材料および工程は従来の
単色発光ダイオードと全く同様で済むという考えによ
る。
【0008】しかし、特開2000−49374号公報
による方法は以下に示す問題点を有する。第一に、良質
のGaN基板の製造方法はまだ十分に確立されていない
ため、GaN基板を用いた窒化ガリウム系発光ダイオー
ドチップは、従来型のサファイア基板を用いた窒化ガリ
ウム系発光ダイオードチップに比べて極めて高価である
ことがあげられる。第二に、GaNに蛍光中心である酸
素、窒素等の不純物や窒素空孔をドープすると、GaN
基板に多数の結晶欠陥が生じることがあげられる。
【0009】このように多数の結晶欠陥を有するGaN
基板を用いた発光ダイオードチップは、良質のサファイ
ア基板を用いたダイオードチップよりも発光効率が著し
く低下したり、駆動電圧が上昇することは明白である。
最悪の場合、発光しない可能性すらある。
【0010】本発明の目的は、上記問題点に鑑み、従来
の単色発光ダイオードと全く同様の樹脂モールドの材料
及び工程が適用でき、且つ従来の単色発光ダイオードと
比べて発光効率の低下や駆動電圧の上昇を招かない混合
色発光ダイオードを提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明は、次のように構成したものである。
【0012】本発明に係る発光ダイオードの製造方法
は、少なくとも1層の蛍光ガラス層を有する基板上に半
導体層を積層させる(請求項1)か、又は、半導体層を
積層形成した化合物半導体ウェハに、少なくとも1層の
蛍光ガラス層を積層または接合させる(請求項2)こと
を特徴とする。前記蛍光ガラス層の厚さを制御すること
により所望の混合色を得ることができる(請求項3)。
【0013】本発明に係る発光ダイオードは、少なくと
も1層の蛍光ガラス層を有する基板上に半導体層を積層
した構成(請求項4)か、又は、半導体層を積層形成し
た化合物半導体ウェハに、少なくとも1層の蛍光ガラス
層を積層または接合した構成(請求項5)を特徴とす
る。
【0014】本発明においては、前記蛍光ガラス層が、
La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、T
b、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Luのうち少なく
とも1種類の元素を含み(請求項6)、前記半導体層の
うち少なくとも1層がGaN系の半導体層で構成される
(請求項7)。
【0015】また本発明の発光ダイオードは、発光スペ
クトルに少なくとも2つのピークを持ち(請求項8)、
前記半導体層(発光素子)の発光のCIE−XYZ表色
系における色度座標が0.2≦x≦0.5且つ0.2≦
y≦0.5の範囲にあることを特徴とする(請求項
9)。
【0016】<発明の要点>本発明の要点は、発光ダイ
オードを構成する層の一部に蛍光ガラスを用いることに
ある。この蛍光ガラスは半導体層からの発光によって励
起されて蛍光を生じ、結果的に半導体層からの発光と蛍
光ガラス蛍光の混合色を得ることができる。従来型の混
合色発光ダイオードと異なり、本発明による発光ダイオ
ードは発光ダイオードチップ自体が混合色を放射するた
め、モールド工程で蛍光体を混入させる必要はなく、従
来型の単色発光ダイオードと同じモールド工程が適用で
きる。
【0017】<要点の補足説明>本発明による発光ダイ
オードは、少なくとも1層の蛍光ガラスからなる層を有
する。この蛍光ガラス層は半導体層からの発光によって
励起されて蛍光を生じ、結果的に半導体層からの発光と
蛍光ガラス層からの蛍光の混合色を得ることができる。
【0018】蛍光ガラスはその組成によって様々な波長
の蛍光を生じることが知られている。したがって、蛍光
ガラスの種類を適当に選択することで所望の混合色を得
ることが可能である。例えば、半導体層からの発光と補
色の関係にある蛍光を有する蛍光ガラスを用いれば白色
を得ることが可能である。
【0019】さらに、蛍光ガラス層の厚さを制御するこ
とで、半導体層からの発光と蛍光ガラス層からの蛍光の
割合を制御し、混合色を制御することも可能である。
【0020】本発明による発光ダイオードを構成する半
導体層の材料について制限はないが、一般的に蛍光体の
励起に必要な波長は蛍光の波長よりも短くなければなら
ないことを考慮すると、半導体層には青色の発光を持つ
GaN系化合物半導体が望ましい。
【0021】しかしながら、励起波長よりも短い波長の
蛍光、いわゆるアップコンバージョン蛍光を有する蛍光
ガラスを使用するならば、必ずしもGaN系化合物半導
体を用いる必要はなく、緑色から赤色にかけての発光を
有するAlGaInP系、AlGaAs系、GaP系等
の化合物半導体を用いてもよい。
【0022】さらに、蛍光ガラス層は単に蛍光を得るた
めだけに存在する必要はなく、半導体層を積層するため
の基板を兼ねてもよい。
【0023】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら本発明
の実施形態を説明する。
【0024】<実施形態1>図1に本発明の第一の実施
形態にかかわる発光ダイオードの模式図的な断面図を示
す。
【0025】Erを含有する蛍光ガラス(蛍光ガラス層
1)とサファイア基板2をウェハーボンディングにより
貼り合わせ、サファイア基板2上に有機金属気相成長法
を用いて、Siドープn型GaN層3、Siドープn型
AlGaN層4、アンドープInGaN活性層5、Mg
ドープp型AlGaN層6、Mgドープp型GaN層7
をこの順に積層する。積層する結晶は、Mgドープ層6
及び7をp型化させるために窒素雰囲気中で熱処理を施
す。
【0026】熱処理を施してMgドープ層6及び7をp
型化させた段階で、結晶表面の一部をエッチングにより
n型GaN層3に到達するまで掘り下げ、そのn型Ga
N層3の上記エッチング部上にn側電極9を、そしてp
型GaN層7上にp型電極8をそれぞれ形成すると、ダ
ブルヘテロ構造のGaN系発光ダイオードができる。
【0027】すなわち、少なくとも1層の蛍光ガラス層
1を有するサファイア基板2上に、GaN系の化合物半
導体層を積層させて、発光ダイオードを製造する。
【0028】このようにして作製した発光ダイオードの
電極8及び9にそれぞれワイヤ10をボンディングして
通電したところ、図2に示すような発光スペクトルが得
られた。波長460nm近傍のピークはInGaN活性層
5からの発光であり、波長540nm近傍のピークは蛍光
ガラス(蛍光ガラス層1)の蛍光である。
【0029】色度座標を測定したところx=1.6、y
=2.7であった。目視により確認したところ、発光は
やや青みのかかった白色であった。
【0030】ここで、CIE−XYZ表色系における色
度座標について述べる。
【0031】半導体層、蛍光ガラスともにそれぞれのエ
ネルギー準位で規定されている波長の光しか放出できな
い。そのため、これらを単独で発光させたときのCIE
−XYZ表色系における色度座標はそれぞれある一点に
定まる。半導体層の発光の色度座標を(Xsc,Ysc)、
蛍光ガラスの発光の色度座標を(XGALASS,YGALASS
とすると、本発明による発光ダイオードの発光の色度座
標は、この2点(Xsc,Ysc)(XGALASS,YGALASS
を結ぶ直線上に存在する。直線上のどの点になるかは半
導体層の発光強度と蛍光ガラスの発光強度の比で決ま
り、半導体層の発光強度が強ければ(Xsc,Ysc)に近
づき、蛍光ガラスの発光強度が大きければ(XGALASS
GALASS)に近づく。したがって、蛍光ガラスの厚さ等
で発光強度比を制御すれば、2点間を結ぶ直線上の所望
の色を得ることができる。
【0032】蛍光ガラスが2種類以上ある場合には、同
様の方法で順次混合色の色度座標を求めていけば最終的
な発光ダイオードの色度座標が求まる。
【0033】CIE−XYZ表色系における混色につい
ては、例えば「光工学ハンドブック」(小瀬 他,朝倉
書店(1986))p116・119に詳細が述べられ
ている。
【0034】また、光の吸収を考慮すると、波長の短い
発光を有する層ほど光取り出し側に近い方が好ましい。
【0035】<実施形態2>図3に本発明の第二の実施
形態にかかわる発光ダイオードの模式図的な断面図を示
す。
【0036】サファイア基板12上に有機金属気相成長
法を用いて、Siドープn型GaN層13、Siドープ
n型AlGaN層14、アンドープInGaN活性層1
5、Mgドープp型AlGaN層16、Mgドープp型
GaN層17をこの順に積層する。積層する結晶は、M
gドープ層16及び17をp型化させるために窒素雰囲
気中で熱処理を施す。
【0037】熱処理を施してMgドープ層16及び17
をp型化させた段階で、サファイア基板12のn型Ga
N層13が積層されている面とは反対側の面に、Tbを
含有する蛍光ガラス(蛍光ガラス層11)を、ウェハー
ボンディングにより貼り合わせた。
【0038】次いでn型GaN層13が積層されている
側の表面の一部をエッチングによりn型GaN層13に
到達するまで掘り下げ、そのn型GaP層13の上記エ
ッチング部上にn側電極19を、そしてp型GaN層1
7上にp型電極18をそれぞれ形成すると、ダブルヘテ
ロ構造のGaN系発光ダイオードができる。
【0039】すなわち、半導体層を積層形成したGaN
系の化合物半導体ウェハに、少なくとも1層の蛍光ガラ
ス層11を積層または接合させることにより発光ダイオ
ードを製造する。
【0040】こうして作製した発光ダイオードの電極1
8及び19にそれぞれワイヤ20をボンディングして通
電したところ、図4に示すような発光スペクトルが得ら
れた。波長460nm近傍のピークはInGaN活性層1
5からの発光であり、波長580nm近傍のピークは蛍光
ガラス(蛍光ガラス層11)の蛍光である。
【0041】色度座標を測定したところx=3.0、y
=2.2であった。目視により確認したところ、発光は
淡い紫色であった。
【0042】<実施形態3>図5に本発明の第三の実施
形態にかかわる発光ダイオードの模式図的な断面図を示
す。蛍光ガラス層1の厚さを除き、他は図1と同一構造
である。
【0043】ここでは、実施形態1で得られた発光ダイ
オードの蛍光ガラス層1を半分の厚さになるまで研磨し
た。
【0044】実施形態1と同様、電極8および9にそれ
ぞれワイヤ10をボンディングして通電したところ、図
6に示すような発光スペクトルが得られた。波長460
nm近傍のピークはInGaN活性活性層5からの発光で
あり、波長540nm近傍のピークは蛍光ガラス(蛍光ガ
ラス層1)の蛍光である。
【0045】色度座標を測定したところx=1.5、y
=1.9であった。実施形態1とまったく同じ材料で構
成されているにも関わらず色度座標が異なるのは、蛍光
ガラス層1の厚さの減少に伴い蛍光ガラス層1からの発
光量が減少し、InGaN活性層5からの発光と蛍光ガ
ラス層1からの蛍光の強度の比が変わったためである。
目視により確認したところ、発光はやや白っぽい紫色で
あった。 <他の実施形態>実施形態1〜実施形態3で示した半導
体層は、必ずしもGaN系の化合物半導体で構成される
必要はなく、所望の色及び蛍光ガラスの最適励起波長に
合わせてGaAs系、AlGaAs系、GaP系等の化
合物半導体で構成してもよい。さらに、半導体層の発光
は必ずしも単色である必要はなく、所望の色が得られる
ように2つ以上の発光スペクトルのピークを持つように
半導体層を構成してもよい。
【0046】また、蛍光ガラス層は必ずしも1層である
必要はなく、必要に応じて2層以上の蛍光ガラス層を用
いてもよい。さらに、蛍光ガラス層の発光ピークは必ず
しも1つである必要はなく、2つ以上の発光ピークを持
つ蛍光ガラス層を使用してもよい。 <使用方法、応用システムなど>本発明による発光ダイ
オードは、照明機器、液晶用バックライト、各種インジ
ケータ、表示パネル等、これまで単色の発光ダイオード
では表現できなかった分野に応用が可能である。さら
に、低消費電力、軽量、小型等の利点を生かし、蛍光灯
等の従来の照明機器の置き換えも可能である。
【0047】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、発
光ダイオードを構成する層の一部に蛍光ガラスを用いて
おり、この蛍光ガラスが半導体層からの発光によって励
起されて蛍光を生じ、結果的に半導体層からの発光と蛍
光ガラス蛍光の混合色を得る構成となっている。従来型
の混合色発光ダイオードと異なり、本発明による発光ダ
イオードは、発光ダイオードチップ自体が混合色を放射
するため、モールド工程で蛍光体を混入させる必要がな
く、従来型の単色発光ダイオードと同じモールド工程を
適用して製造することができ、且つ混合色を表現できる
発光ダイオードが提供される。つまり本発明によれば、
従来の単色発光ダイオードと全く同様の樹脂モールドの
材料及び工程が適用でき、且つ従来の単色発光ダイオー
ドと比べて発光効率の低下や駆動電圧の上昇を招かない
混合色発光ダイオードが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第一の実施形態にかかわる発光ダイオ
ードの模式図的な断面図である。
【図2】本発明の第一の実施形態にかかわる発光ダイオ
ードの発光スペクトルを示す図である。
【図3】本発明の第二の実施形態にかかわる発光ダイオ
ードの模式図的な断面図である。
【図4】本発明の第二の実施形態にかかわる発光ダイオ
ードの発光スペクトルを示す図である。
【図5】本発明の第三の実施形態にかかわる発光ダイオ
ードの模式図的な断面図である。
【図6】本発明の第三の実施形態にかかわる発光ダイオ
ードの発光スペクトルを示す図である。
【符号の説明】
1 Er含有蛍光ガラス層 2、12 サファイア基板 3、13 Siドープn型GaN層 4、14 Siドープn型AlGaN層 5、15 アンドープInGaN活性層 6、16 Mgドープp型AlGaN層 7、17 Mgドープp型GaN層 11 Tb含有蛍光ガラス層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 土屋 忠厳 茨城県土浦市木田余町3550番地 日立電線 株式会社アドバンスリサーチセンタ内 (72)発明者 大島 祐一 茨城県土浦市木田余町3550番地 日立電線 株式会社アドバンスリサーチセンタ内 Fターム(参考) 5F041 AA11 AA12 CA40 CA46 EE25 FF01 FF11

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】少なくとも1層の蛍光ガラス層を有する基
    板上に半導体層を積層させることを特徴とする発光ダイ
    オードの製造方法。
  2. 【請求項2】半導体層を積層形成した化合物半導体ウェ
    ハに、少なくとも1層の蛍光ガラス層を積層または接合
    させることを特徴とする発光ダイオードの製造方法。
  3. 【請求項3】前記蛍光ガラス層の厚さを制御することに
    より所望の混合色を得ることを特徴とする請求項1又は
    2記載の発光ダイオードの製造方法。
  4. 【請求項4】少なくとも1層の蛍光ガラス層を有する基
    板上に半導体層を積層したことを特徴とする発光ダイオ
    ード。
  5. 【請求項5】半導体層を積層形成した化合物半導体ウェ
    ハに、少なくとも1層の蛍光ガラス層を積層または接合
    したことを特徴とする発光ダイオード。
  6. 【請求項6】前記蛍光ガラス層が、La、Ce、Pr、
    Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、E
    r、Tm、Yb、Luのうち少なくとも1種類の元素を
    含むことを特徴とする請求項4又は5記載の発光ダイオ
    ード。
  7. 【請求項7】前記半導体層のうち少なくとも1層がGa
    N系の半導体層で構成されることを特徴とする請求項4
    〜6のいずれかに記載の発光ダイオード。
  8. 【請求項8】発光スペクトルに少なくとも2つのピーク
    を持つことを特徴とする請求項4〜7のいずれかに記載
    の発光ダイオード。
  9. 【請求項9】前記半導体層の発光のCIE−XYZ表色
    系における色度座標が0.2≦x≦0.5かつ0.2≦
    y≦0.5の範囲にあることを特徴とする請求項4〜8
    のいずれかに記載の発光ダイオード。
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